JPH09152205A

JPH09152205A - 極低温冷凍機

Info

Publication number: JPH09152205A
Application number: JP31140795A
Authority: JP
Inventors: Tokuji Nishijo; 徳二西場; Katsuji Yoshikawa; 勝治吉川; Hisao Honda; 久夫本田
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 1995-11-29
Filing date: 1995-11-29
Publication date: 1997-06-10

Abstract

(57)【要約】【課題】ディスプレーサ内に充填する粒状の蓄冷材が
漏れないようにする。【解決手段】蓋部材４側に設置する金網５と、蓄冷材
収納室６１側に配置するフェルト栓６とで、粒状の蓄冷
材８が充填される蓄冷材収納室６１の開口３を通気可能
に封止し、２段目ディスプレーサを接続する側は、開口
３側と同様に蓄冷材収納室６１側に配置するフェルト栓
７と外側に配置する金網５Ａとを、軸方向に通気可能に
形成するスプリング１１によって蓄冷材８に押し付け
て、蓄冷材８を通気可能に封入する。１０は、内壁に固
定してスプリング１１を支持するストッパーであり、こ
のストッパー１０も軸方向に通気可能に形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は冷凍機に関するもの
であり、特に詳しくはヘリウムなどのガス冷媒を使用す
ると共に、蓄冷材を充填した蓄冷器を備えて極低温を得
るようにした冷凍機に関する。

【０００２】

【従来の技術】この種の極低温冷凍機としては、ＧＭサ
イクル冷凍機・スターリングサイクル冷凍機・クライオ
ポンプ（内田老鶴圃新社発行「低温工学ハンドブック」
に記載）などの蓄熱式熱交換器を内蔵した冷凍機が周知
であり、特開昭５８−１９０６６３・特開昭６０−２１
３７７７・特開昭６３−２１４５１・特開平６−２２１
７０３などにおいて、種々の改善が図られている。

【０００３】例えば、図７に示した２段構成のＧＭ式冷
凍機は、数Ｋ〜２０Ｋ程度の極低温を得るのに適した冷
凍機として知られている。このＧＭ式冷凍機において、
圧縮機５１は、ヘリウムガスを２ＭＰａを越える高圧に
圧縮するものであり、高圧ヘリウムガスは吸気弁Ｖ１、
ガス配管５２を介して第１段目シリンダ５３内に供給さ
れる。第１段目シリンダ５３には、第２段目シリンダ５
４が接続している。

【０００４】第１段目シリンダ５３、第２段目シリンダ
５４内には、連結された第１段目ディスプレーサ５５、
第２段目ディスプレーサ５６がそれぞれ収容されてい
る。第１段目シリンダ５３からは、軸部材５７が上方に
延設され、駆動用の電動モータ５８に連結されたクラン
ク機構５９と接続している。

【０００５】第１段目ディスプレーサ５５、第２段目デ
ィスプレーサ５６は、それぞれ蓄冷材を収容する蓄冷材
収納室６０、６１を備えると共に、外部と蓄冷材収納室
を接続するガス流路６２ａ、６２ｂ、６３ａ、６３ｂを
備えており、したがって第１段目と第２段目のディスプ
レーサは共に軸方向に連通したガス流路を備えている。

【０００６】また、第１段目ディスプレーサ５５、第２
段目ディスプレーサ５６と、第１段目シリンダ５３、第
２段目シリンダ５４との間には、膨張空間６４、６５が
設けられている。

【０００７】したがって、圧縮機５１から吸気弁Ｖ１を
介して供給される高圧ヘリウムガスは、ガス配管５２を
介して第１段目シリンダ５３内に供給され、さらに、ガ
ス流路６２ａ、金網などで構成された第１段目用の蓄冷
材を収納している蓄冷材収納室６０、ガス流路６２ｂを
通って、第１段目膨張空間６４に供給される。

【０００８】第１段目膨張空間６４の圧縮ヘリウムガス
は、さらにガス流路６３ａ、鉛球などで構成された第２
段目用の蓄冷材を収納している蓄冷材収納室６１、ガス
流路６３ｂを通って第２段目の膨張空間６５に供給され
る。

【０００９】吸気弁Ｖ１が閉じ、排気弁Ｖ２が開いた時
には、第２段目シリンダ５４、第１段目シリンダ５３内
の高圧ヘリウムガスは、吸気の場合とは逆の経路をたど
ってガス配管５２、排気弁Ｖ２を介して圧縮機５１に回
収される。

【００１０】ＧＭ式冷凍機の作動時において、電動モー
タ５８の回転によって第１段目ディスプレーサ５５、第
２段目ディスプレーサ５６が上下に往復駆動される。第
１段目ディスプレーサ５５、第２段目ディスプレーサ５
６が下方に駆動される時、吸気弁Ｖ１が開き、高圧ヘリ
ウムガスが第１段目シリンダ５３、第２段目シリンダ５
４内に供給される。

【００１１】電動モータ５８によって第１段目ディスプ
レーサ５５、第２段目ディスプレーサ５６が上方に駆動
される時、吸気弁Ｖ１が閉じ、排気弁Ｖ２が開いて、ヘ
リウムガスは圧縮機５１に回収され、第１段目シリンダ
５３、第２段目シリンダ５４の膨張空間は低圧になる。

【００１２】この時、膨張空間６４、６５においては、
ヘリウムガスの膨張によって冷熱が発生する。冷却され
たヘリウムガスは、蓄冷材収納室６１、６０を通ってそ
れぞれに収納してある蓄冷材を冷却する。

【００１３】次の吸気工程で供給される高圧ヘリウムガ
スは、蓄冷材収納室６０、６１を通って供給されること
により冷却される。冷却されたヘリウムガスが膨張する
ことにより、さらに冷却が進む。定常状態においては、
第１段目シリンダ５３の膨張空間６４が、例えば液体窒
素温度〜１００Ｋ程度の温度に保たれ、第２段目シリン
ダ５４の膨張空間６５の温度は数Ｋ〜２０Ｋ程度の温度
に保たれる。

【００１４】第１段目シリンダの下方を囲んで、第１段
目用のヒートステーション６６が熱的に接続されてお
り、第２段目シリンダ５４の下部分を囲んで、第２段目
用のヒートステーション６７が熱的に接続している。

【００１５】第１段目ヒートステーション６６は、例え
ばクライオパネルなどに接続され、ガス分子を吸着させ
る。また、第２段目のヒートステーション６７は、例え
ば活性炭などの吸着材を収容する吸着塔に接続され、残
留ガス分子の吸着を行う。このような構成を有するクラ
イポンプは、スパッタリング装置などにおいて清浄な真
空を形成するために用いられる。

【００１６】このような構成において、シリンダ上部か
ら供給されるガスは、ディスプレーサ内部を通ってシリ
ンダ下部に至るように設計されている。ディスプレーサ
とシリンダとの間の隙間を、ヘリウムガスが通過するこ
とを防止するため、シリンダとディスプレーサとの間に
は気密機構が形成される。

【００１７】第１段目ディスプレーサ５５と第１段目シ
リンダ５３との間に示したシールリング６８は、第１段
目シリンダ内において、この気密機構を形成している。

【００１８】また、第２段目ディスプレーサ５６も、例
えば図８に示すように、ディスプレーサ本体１は円筒状
形状を有し、その外周に図示しないシールリングを収容
するための円周方向の溝２を備えている。また、ディス
プレーサ本体１の下の部分には、図７に示した第２段目
ディスプレーサ５６とは異なる位置にガス流路を形成す
るための開口３も形成されている。

【００１９】一方、ディスプレーサ本体１の下端には、
蓋部材４Ａが挿入され、ディスプレーサ本体１と接着し
ている。蓋部材４Ａは盲蓋であり、ディスプレーサ本体
１の下端の開口を気密に封止している。

【００２０】蓋部材４Ａの上面は、開口３より僅か下に
配置され、この蓋部材４の上に金網５が配置されてい
る。

【００２１】金網５の上にはフェルト栓６が配置され、
フェルト栓６の上に鉛球から形成する蓄冷材８が充填さ
れる。蓄冷材８の上方には、フェルト栓７が配置され、
その上にパンチングメタル９が配置されている。

【００２２】パンチングメタル９の上方からは、図示し
ない通気孔を備えた蓋部材１０Ａが挿入されて、蓄冷材
８を通気可能に封入している。

【００２３】

【発明が解決しようとする課題】粒状の蓄冷材は、十分
な時間を掛けて密に充填したつもりでも完全に密に充填
することはできないので、ディスプレーサの往復動作と
冷媒ガスの流れなどによって、時間の経過と共に蓄冷材
が緩み、間隙が生じる。

【００２４】ディスプレーサを横置あるいは縦置きした
使用状態で蓄冷材が緩み、間隙が生じると、フェルト栓
が傾斜してディスプレーサの内面との間に隙間ができ、
ここから蓄冷材が漏れ出てディスプレーサとシリンダと
の間に入って運転できなくなったり、ディスプレーサや
クランク機構を損傷することがある。

【００２５】また、ディスプレーサを縦置した使用状態
では横置きした状態より蓄冷材が緩む可能性は低いが、
整備などのために取り外すようなときには、フェルト栓
が傾斜してディスプレーサの内面との間に隙間ができ、
ここから蓄冷材が漏れ出てディスプレーサとシリンダと
の間に入って運転できなくなったり、ディスプレーサや
クランク機構を損傷することになる、と云った問題点が
あるので、使用中や保守・点検時などに蓄冷材が漏れ出
ることがないようにする必要があり、この点の解決が課
題とされていた。

【００２６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決すべく本
発明は、冷媒ガスを圧縮する圧縮機と、冷媒ガスを断熱
膨張させて冷熱を得る断熱膨張機構とを備えた極低温冷
凍機において、

【００２７】断熱膨張機構がシリンダとシリンダ内を摺
動するディスプレーサとを備え、且つ、ディスプレーサ
がガス流路を備えると共に、このガス流路に充填した粒
状の蓄冷材を、通気性を備えた封止部材と、この封止部
材を蓄冷材側に押し付けるスプリングによって通気可能
に封入するようにした極低温冷凍機と、

【００２８】断熱膨張機構がシリンダとシリンダ内を摺
動するディスプレーサとを備え、且つ、ディスプレーサ
がガス流路を備えると共に、このガス流路に充填した粒
状の蓄冷材を、通気孔を備えた平面部から蓄冷材側にフ
ランジが延設された剛性部材と、通気性を備えて剛性部
材の否フランジ側に配設する封止部材によって通気可能
に封入するようにした極低温冷凍機と、

【００２９】断熱膨張機構がシリンダとシリンダ内を摺
動するディスプレーサとを備え、且つ、ディスプレーサ
がガス流路を備えると共に、ディスプレーサの内壁面に
中心側内径が縮径する段差を設け、ガス流路に充填した
粒状の蓄冷材を、通気性を備えた封止部材を太径側から
挿入して通気可能に封入するようにした極低温冷凍機
と、を提供することにより上記の課題を解決し得るよう
にしたものである。

【００３０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図１〜
図６に基づいて説明する。なお、理解を容易にするた
め、これらの図においても前記図７・図８において説明
した部分と同様の機能を有する部分には、同一の符号を
付した。

【００３１】（第１の実施形態）図１に示した２段目デ
ィスプレーサ５６は、蓋部材４側に設置する金網５と、
蓄冷材収納室６１側に配置するフェルト栓６とで、直径
が例えば０．３ｍｍ程度の鉛玉などからなる蓄冷材８が
充填される蓄冷材収納室６１の開口３を通気可能に封止
する。

【００３２】２段目ディスプレーサを接続する側は、開
口３側と同様に蓄冷材収納室６１側に配置するフェルト
栓７と外側に配置する金網５Ａとを、例えば図２に示し
たように２段目ディスプレーサ５６の軸方向に通気可能
に形成するスプリング１１によって蓄冷材８に押し付け
て、蓄冷材８を通気可能に封入する。

【００３３】なお、１０は、内壁に固定してスプリング
１１を支持するストッパーであり、このストッパー１０
も例えば図３に示すように２段目ディスプレーサ５６の
軸方向に通気可能に形成する。

【００３４】上記構成の２段目ディスプレーサ５６を備
えた、例えば図７に示す構成のＧＭ式極低温冷凍機にお
いては、２段目ディスプレーサ５６の摺動やガス冷媒の
流動によって、蓄冷材収納室６１の蓄冷材８が緩んで
も、フェルト栓７と金網５Ａがスプリング１１によって
内側に押し付けられているので、装置の設置姿勢に関係
なくフェルト栓６・７が内側に傾斜することがない。

【００３５】したがって、フェルト栓６・７と２段目デ
ィスプレーサ５６内壁との間に隙間が生じることがない
ので、蓄冷材８が漏れ出てディスプレーサとシリンダと
の間に入って運転できなくなったり、ディスプレーサや
クランク機構を損傷するなどと云ったことが未然に防止
される。

【００３６】（第２の実施形態）図４に示した２段目デ
ィスプレーサ５６は、フェルト栓６と金網５、フェルト
栓７と金網５Ａそれぞれが蓄冷材収納室６１側に移動し
ないように、例えば図５に示したように、多数の通気孔
１２ａを備えた平面部１２ｂから蓄冷材収納室６１側に
フランジ１２ｃが延設された剛性部材１２を、フェルト
栓６・７の内側にそれぞれ設置して、蓄冷材収納室６１
に充填した粒状の蓄冷材８を通気可能に封入して形成す
る。

【００３７】上記構成の２段目ディスプレーサ５６を備
えた、例えば図７に示す構成のＧＭ式極低温冷凍機にお
いては、剛性部材１２を設けてあるので、２段目ディス
プレーサ５６の摺動やガス冷媒の流動によって、蓄冷材
収納室６１の蓄冷材８が緩んでもフェルト栓６・７が内
側に傾斜することがない。したがって、蓄冷材８が漏れ
出てディスプレーサとシリンダとの間に入って運転でき
なくなったり、ディスプレーサやクランク機構を損傷す
るなどと云ったことが未然に防止される。

【００３８】（第３の実施形態）図６に示した２段目デ
ィスプレーサ５６は、フェルト栓６と金網５、フェルト
栓７と金網５Ａそれぞれが蓄冷材収納室６１側に移動し
ないように、ディスプレーサ本体１の内壁面に、蓄冷材
収納室６１側の内径が縮径する段差１３を設けるように
構成し、径の大きい側からフェルト栓６と金網５、フェ
ルト栓７と金網５Ａとを挿入し、且つ、金網５Ａの外側
にはストッパー１０を設置して、蓄冷材収納室６１に粒
状の蓄冷材８を通気可能に封入して形成する。

【００３９】上記構成の２段目ディスプレーサ５６を備
えた、例えば図７に示す構成のＧＭ式極低温冷凍機にお
いては、段差１３が設けてあるので、２段目ディスプレ
ーサ５６の摺動やガス冷媒の流動によって、蓄冷材収納
室６１の蓄冷材８が緩んでフェルト栓６・７が内側に傾
斜することがない。したがって、蓄冷材８が漏れ出てデ
ィスプレーサとシリンダとの間に入って運転できなくな
ったり、ディスプレーサやクランク機構を損傷するなど
と云ったことが未然に防止される。

【００４０】なお、本発明は上記した実施の形態に限定
されるものではないので、特許請求の範囲に記載の趣旨
から逸脱しない範囲で各種の変形実施が可能である。

【００４１】例えば、図１に示した第１の実施形態の２
段目ディスプレーサ５６においては、スプリング１１を
蓋部材４側に配設して、フェルト栓６・金網５を蓄冷材
８に押し付けるように形成したり、図１に示した位置と
蓋部材４側の両方に設置して形成することなども可能で
ある。

【００４２】また、図６に示した第３の実施形態の２段
目ディスプレーサ５６においては、段差１３に代えて、
リングなどを取り付けてフェルト栓６・７が蓄冷材８側
に傾斜しないように形成しても良い。

【００４３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明は冷媒ガス
を圧縮する圧縮機と、冷媒ガスを断熱膨張させて冷熱を
得る断熱膨張機構とを備えた極低温冷凍機において、

【００４４】断熱膨張機構がシリンダとシリンダ内を摺
動するディスプレーサとを備え、且つ、ディスプレーサ
がガス流路を備えると共に、このガス流路に充填した粒
状の蓄冷材を、通気性を備えた封止部材と、この封止部
材を蓄冷材側に押し付けるスプリングによって通気可能
に封入した極低温冷凍機であり、

【００４５】断熱膨張機構がシリンダとシリンダ内を摺
動するディスプレーサとを備え、且つ、ディスプレーサ
がガス流路を備えると共に、このガス流路に充填した粒
状の蓄冷材を、通気孔を備えた平面部から蓄冷材側にフ
ランジが延設された剛性部材と、通気性を備えて剛性部
材の否フランジ側に配設する封止部材によって通気可能
に封入した極低温冷凍機であり、

【００４６】断熱膨張機構がシリンダとシリンダ内を摺
動するディスプレーサとを備え、且つ、ディスプレーサ
がガス流路を備えると共に、ディスプレーサの内壁面に
中心側内径が縮径する段差を設け、ガス流路に充填した
粒状の蓄冷材を、通気性を備えた封止部材を太径側から
挿入して通気可能に封入した極低温冷凍機であるので、

【００４７】ディスプレーサの摺動やガス冷媒の流動に
よって、蓄冷材が緩んでも、封止部材がスプリングによ
って蓄冷材側に押し付けられたり、あるいは剛性部材に
よって封止部材が蓄冷材側に傾斜することが防止された
り、もしくは段差によって封止部材の蓄冷材側への傾斜
が防止されて、封止部材とディスプレーサ内壁との間に
隙間が生じることがない。

【００４８】したがって、粒状の蓄冷材が漏れ出てディ
スプレーサとシリンダとの間に入って運転できなくなっ
たり、ディスプレーサやクランク機構を損傷するなどと
云った不都合が起こることがない。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施形態を示す説明図。

【図２】第１の実施形態の要部を示す説明図。

【図３】第１の実施形態の要部を示す説明図。

【図４】第２の実施形態を示す説明図。

【図５】第２の実施形態の要部を示す説明図。

【図６】第３の実施形態を示す説明図。

【図７】極低温冷凍機の構成例を示す説明図。

【図８】従来技術のディスプレーサを示す説明図。

【符号の説明】

１ディスプレーサ本体２溝３開口４蓋部材５・５Ａ金網６・７フェルト栓８蓄冷材９パンチングメタル１０ストッパー１１スプリング１２剛性部材１３段差５１圧縮機５２ガス配管５３１段目シリンダ５４２段目シリンダ５５１段目ディスプレーサ５６２段目ディスプレーサ５７軸部材５８電動モータ５９クランク機構６０・６１蓄冷材収納室６２・６３ガス流路６４・６５膨張空間６６・６７ヒートステーション６８シールリングＶ１吸気弁Ｖ２排気弁

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】冷媒ガスを圧縮する圧縮機と、冷媒ガス
を断熱膨張させて冷熱を得る断熱膨張機構とを備えた極
低温冷凍機であって、断熱膨張機構がシリンダとシリン
ダ内を摺動するディスプレーサとを備え、且つ、ディス
プレーサがガス流路を備えると共に、このガス流路に充
填した粒状の蓄冷材を、通気性を備えた封止部材と、こ
の封止部材を蓄冷材側に押し付けるスプリングによって
通気可能に封入したことを特徴とする極低温冷凍機。
【請求項２】冷媒ガスを圧縮する圧縮機と、冷媒ガス
を断熱膨張させて冷熱を得る断熱膨張機構とを備えた極
低温冷凍機であって、断熱膨張機構がシリンダとシリン
ダ内を摺動するディスプレーサとを備え、且つ、ディス
プレーサがガス流路を備えると共に、このガス流路に充
填した粒状の蓄冷材を、通気孔を備えた平面部から蓄冷
材側にフランジが延設された剛性部材と、通気性を備え
て剛性部材の否フランジ側に配設する封止部材によって
通気可能に封入したことを特徴とする極低温冷凍機。
【請求項３】冷媒ガスを圧縮する圧縮機と、冷媒ガス
を断熱膨張させて冷熱を得る断熱膨張機構とを備えた極
低温冷凍機であって、断熱膨張機構がシリンダとシリン
ダ内を摺動するディスプレーサとを備え、且つ、ディス
プレーサがガス流路を備えると共に、ディスプレーサの
内壁面に中心側内径が縮径する段差を設け、ガス流路に
充填した粒状の蓄冷材を、通気性を備えた封止部材を太
径側から挿入して通気可能に封入したことを特徴とする
極低温冷凍機。