JPH10141794A

JPH10141794A - クライオ冷凍機

Info

Publication number: JPH10141794A
Application number: JP30196996A
Authority: JP
Inventors: Hirotoshi Torii; 宏年鳥居
Original assignee: Daikin Industries Ltd
Current assignee: Daikin Industries Ltd
Priority date: 1996-11-13
Filing date: 1996-11-13
Publication date: 1998-05-29

Abstract

(57)【要約】【課題】シリンダとディスプレーサとの間のシール性
能を向上すると共に、冷凍能力を向上できるクライオ冷
凍機を提供する。【解決手段】有底のシリンダ１０内にディスプレーサ
４０を往復動可能に嵌合する。上記ディスプレーサ４０
の小径部４３に外嵌されたシールリング１５により、シ
リンダ１０の小径部１１の内周面とディスプレーサ４０
の小径部４３の外周面との間をシールする。上記ディス
プレーサ４０の往復動の最下点においてシリンダ１０の
小径部１１のシールリング１５に対向する部分およびそ
の部分よりも高温側に厚肉部１２を設け、低温側に薄肉
部１３を設けている。そして、上記シリンダ１０の小径
部１１の厚肉部１２の内周面とシールリング１５の外周
面との摩擦熱を厚肉部１２より高温側に逃がして、薄肉
部１３の低温側に伝わる熱量を少なくできる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、クライオポンプ
等に使用されるクライオ冷凍機に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、半導体製造やレンズの蒸着等
の際に使用される真空装置の真空排気用のクライオポン
プには、ＧＭ(ギフォード・マクマホン)型冷凍機やスタ
ーリング冷凍機等のクライオ冷凍機が用いられている。
このクライオ冷凍機としては、図４に示すように、バル
ブモータ３４が内側に取り付けられた駆動部３１と、上
記駆動部３１の一端に一端が接続された大径部３２と、
上記大径部３２の他端に一端が接続され、他端が底部３
８で閉鎖された小径部３３とを備えて、上記大径部３２
と小径部３３でシリンダ３０を構成したものがある。上
記クライオ冷凍機は、駆動部３１に開閉弁３５を介して
低圧側に接続され、開閉弁３６を介して高圧側に接続さ
れた圧縮機３７を備え、上記開閉弁３５,３６を交互に
開閉することにより、大径部４２と小径部４３とを有す
るディスプレーサ４０をピストン４１によりシリンダ３
０内を往復運動させる。そして、上記ディスプレーサ４
０の往復動によって、ディスプレーサ４０の蓄冷室５
１,５２内のヘリウムガスの温度を低下させ、発生した
冷熱をディスプレーサ４０の蓄冷室５１,５２内の蓄冷
材に蓄積する。こうして、上記クライオ冷凍機では、シ
リンダ３０の先端側を４Ｋ以下の極低温に冷却する冷凍
能力を得ている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記クライ
オ冷凍機では、ディスプレーサ４０の最終段の小径部４
３に取り付けられた図５に示すシールリング６１のシー
ル性能によって冷凍能力が大きく影響される。つまり、
図６に示すように、シールリング６１の張り出し力が小
さいと、ディスプレーサ４０の移動中にシールリング６
１とディスプレーサ４０の小径部４３の溝４３aの壁面
との間にクリアランスができ、このクリアランスにより
高温側から低温側にヘリウムガスが漏れて、シール性能
が低下するという欠点がある。そこで、シール性能を向
上するために、図７(a)に示すように、シールリング６
１の張り出し力を大きくして、シール漏れを少なくする
と、図７(b)に示すように、シールリング６１の外周面
とシリンダ３０の内周面との摺動抵抗が大きくなって摩
擦による発熱量が増大し、シリンダ３０の熱伝導による
シリンダ３０の先端側への侵入熱で冷却能力が低下する
という問題がある。すなわち、図７(c)に示すように、
シールリング６１の張り出し力が大きくなるに従って冷
房能力が向上するが、シールリング６１の張り出し力が
一定値を越えると、逆に冷房能力が低下するのである。

【０００４】そこで、この発明の目的は、シリンダとデ
ィスプレーサとの間のシール性能を向上すると共に、冷
凍能力を向上できるクライオ冷凍機を提供することにあ
る。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１のクライオ冷凍機は、有底のシリンダと、
上記シリンダ内に往復動可能に嵌合されたディスプレー
サと、上記ディスプレーサの外周に取り付けたシール部
材とを備えたクライオ冷凍機において、上記シリンダ
は、高温側に設けられた厚肉部と低温側に設けられた薄
肉部とを有することを特徴としている。

【０００６】上記請求項１のクライオ冷凍機によれば、
上記ディスプレーサの往復運動によって、ディスプレー
サ内の冷媒ガスの温度が低下し、発生した冷熱がディス
プレーサ内の蓄冷材に蓄積されて、ディスプレーサが高
温側の方向に移動するとき、ディスプレーサの先端とシ
リンダの底部との間の膨張空間の冷媒ガスが膨張して冷
却される。このとき、上記シール部材の外周面とシリン
ダの内周面との摩擦による熱が発生しても、シリンダの
厚肉部から高温側に摩擦熱が伝わり、シリンダの薄肉部
側（低温側)への熱伝導が少ないので、シリンダの先端
側の温度上昇を防ぐ。したがって、上記シリンダとディ
スプレーサとの間のシール性能を向上しつつ、シリンダ
の先端側のヒートステージに摩擦熱の影響を与えないよ
うにして、冷凍能力を向上できる。

【０００７】また、請求項２のクライオ冷凍機は、請求
項１のクライオ冷凍機において、上記シリンダの上記厚
肉部を、上記ディスプレーサの往復動の最下点において
上記シリンダの上記シール部材に対向する部分およびそ
の部分よりも高温側に設けたことを特徴としている。

【０００８】上記請求項２のクライオ冷凍機によれば、
上記ディスプレーサが往復動する場合、上記シリンダの
内周面と上記シール部材の外周面とが摺接する領域がシ
リンダの厚肉部であるので、摩擦により生じた熱がシリ
ンダの厚肉部より高温側に伝導しやすく、薄肉部の低温
側に熱が伝わりにくい。

【０００９】また、請求項３のクライオ冷凍機は、請求
項１または２のクライオ冷凍機において、上記シリンダ
の上記薄肉部に補強用のリブを設けたことを特徴として
いる。

【００１０】上記請求項３のクライオ冷凍機によれば、
上記シリンダの薄肉部に設けた補強用のリブによって、
シリンダの薄肉部の強度を向上できる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、この発明のクライオ冷凍機
を図示の実施の形態により詳細に説明する。

【００１２】（第１実施形態）図１はこの発明の第１実
施形態のクライオ冷凍機のディスプレーサの要部断面図
である。なお、上記クライオ冷凍機は、シリンダ１０,
シールリング１５およびスプリング１６を除いて図４に
示すクライオ冷凍機と同一の構成をしており、同一構成
部については説明を省略すると共に、図４を援用する。

【００１３】図１において、上記シリンダ１０の小径部
１１の高温側に肉厚Ｔ₁の厚肉部１２を形成すると共
に、低温側に肉厚Ｔ₂(＜Ｔ₁)の薄肉部１３を形成してい
る。なお、図１では、上記ディスプレーサ４０の往復運
動の最下点(ディスプレーサ４０の小径部４３の先端と
シリンダ１０の小径部１１の底部１４との間の膨張空間
１７が最小となる点)において、シリンダ１０の小径部
１１のシールリング１５に対向する部分およびその部分
よりも高温側を厚肉にしている。

【００１４】上記構成のクライオ冷凍機において、上記
スプリング１６によりシールリング１５の張り出し力を
大きくすることによって、シールリング１５とディスプ
レーサ４０の小径部４３の溝４３aの壁面とのクリアラ
ンスをなくして、高温側から低温側にヘリウムガスが漏
れないようにする。そして、図４に示す開閉弁３５,３
６を交互に開閉することによって、圧縮機３７からのヘ
リウムガスによりディスプレーサ１０を往復運動させ
て、ディスプレーサ１０の蓄冷室５１,５２(図４に示
す)内でヘリウムガスが膨張して温度が低下し、発生し
た冷熱が蓄冷室５１,５２内の蓄冷材に蓄積される。そ
して、上記ディスプレーサ１０が高温側に移動すると
き、ディスプレーサ４０の小径部４３の先端とシリンダ
１０の小径部１１の底部１４との間の膨張空間１７のヘ
リウムガスが膨張して、シリンダ１０の先端側が極低温
に冷却される。このとき、上記シールリング１５とシリ
ンダ１０の小径部１１の内周面との摩擦による熱が発生
しても、シリンダ１０の小径部１１の厚肉部１２側すな
わち高温側に摩擦熱が伝わり、シリンダ１０の小径部１
１の薄肉部１３側すなわち低温側への熱伝導が少ないの
で、シリンダ１０の小径部１１の先端側の温度上昇を防
ぐ。

【００１５】図３は上記シリンダ１０の小径部１１の厚
肉部１２と薄肉部１３との肉厚比(Ｔ₁／Ｔ₂)に対する低
温側のヒートステージへの侵入熱比を示している。上記
シリンダ１０の小径部１１の肉厚が変わらないとき、す
なわち肉厚比Ｔ₁／Ｔ₂＝１ときの侵入熱比を１とする
と、肉厚比Ｔ₁／Ｔ₂が大きくなる程、侵入熱比が小さく
なって、冷凍能力の低下を効果的に防ぐ。

【００１６】このように、上記シリンダ１０の小径部１
１に厚肉部１２と薄肉部１３とを設けることによって、
摺動により発生した熱を厚肉部１２から高温側に逃が
し、薄肉部１３から低温側に侵入する熱量を減少させ
る。したがって、図７(c)の点線に示すとおり、シール
リング１５の張り出し力を大きくして、シール性能を向
上しつつ、シリンダ１０の小径部１１の先端側に摩擦熱
の影響を与えないようにして、冷凍能力を向上すること
ができる。

【００１７】また、上記ディスプレーサ４０が往復動す
るとき、シリンダ１０の内周面とシールリング１５の外
周面とが摺接する領域がシリンダ１０の小径部１１の厚
肉部１２であるので、シリンダ１０の内周面とシールリ
ング１５の外周面との摩擦により生じた熱をシリンダ１
０の厚肉部１２より高温側に逃がして、薄肉部１３側に
伝わる熱量を特に少なくすることができる。

【００１８】（第２実施形態）図２はこの発明の第２実
施形態のクライオ冷凍機のディスプレーサの要部断面図
である。なお、上記クライオ冷凍機は、シリンダ２０,
シールリング２５およびスプリング２６を除いて図４に
示すクライオ冷凍機と同一の構成をしており、同一構成
部については説明を省略すると共に、図４を援用する。

【００１９】図２において、上記シリンダ２０の小径部
２１の高温側に肉厚Ｔ₁の厚肉部２２を形成すると共
に、低温側に肉厚Ｔ₂(＜Ｔ₁)の薄肉部２３を形成してい
る。なお、図２では、上記ディスプレーサ４０(図４に
示す)の最下点(ディスプレーサ４０の小径部４３の先端
とシリンダ２０の小径部２２の底部２４との間の膨張空
間２８が最小となる点)において、シリンダ２０の小径
部２１のシールリング２５に対向する部分およびその部
分よりも高温側を厚肉にしている。また、上記シリンダ
２０の小径部２１の薄肉部２３の外周側に補強用の環状
のリブ２７を設けている。

【００２０】上記構成のクライオ冷凍機は、第１実施形
態のクライオ冷凍機と同様の効果を有すると共に、上記
シリンダ２０の小径部２１の薄肉部２３に補強用のリブ
２７を設けたので、シリンダ２０の小径部２１の薄肉部
２３の強度を向上することができる。

【００２１】上記第１,第２実施形態では、２段構成の
ディスプレーサを用いたクライオ冷凍機について説明し
たが、単段構成のディスプレーサを用いたクライオ冷凍
機にこの発明を適用してもよい。

【００２２】また、上記第２実施形態では、シリンダ２
０の小径部２１の薄肉部２３に補強用の環状のリブ２７
を設けたが、補強用のリブの形状はこれに限らないのは
勿論である。

【００２３】

【発明の効果】以上より明らかなように、請求項１の発
明のクライオ冷凍機は、有底のシリンダと、上記シリン
ダ内に往復動可能に嵌合されたディスプレーサと、上記
ディスプレーサの外周に取り付けたシール部材とを備え
たクライオ冷凍機において、上記シリンダは、高温側に
設けられた厚肉部と低温側に設けられた薄肉部とを有す
るものである。

【００２４】したがって、請求項１の発明のクライオ冷
凍機によれば、上記ディスプレーサの往復運動によっ
て、上記シール部材の外周面とシリンダの内周面との摩
擦による熱が発生しても、シリンダの厚肉部側(高温側)
に摩擦熱が伝導し、シリンダの薄肉部側(低温側)への熱
伝導が少ないので、シリンダの先端側のヒートステージ
の温度上昇を防ぐ。したがって、上記シール部材の張り
出し力を大きくしても、シリンダの低温側に摩擦熱によ
る影響がないようにして、シリンダとディスプレーサと
の間のシール性能を向上することができ、冷凍能力を向
上することができる。

【００２５】また、請求項２の発明のクライオ冷凍機
は、請求項１のクライオ冷凍機において、上記ディスプ
レーサの往復動の最下点においてシリンダの上記シール
部材に対向する部分およびその部分よりも高温側に上記
厚肉部を設けたので、ディスプレーサが往復動すると
き、シリンダの厚肉部の内周面とシール部材の外周面と
が摺接し、摩擦により生じた熱がシリンダの厚肉部より
高温側に熱伝導しやすく、シリンダの厚肉部から高温側
に熱を逃がして、シリンダの薄肉側に伝わる熱量を特に
少なくすることができる。

【００２６】また、請求項３の発明のクライオ冷凍機
は、請求項１または２のクライオ冷凍機において、上記
シリンダの上記薄肉部に設けられた補強用のリブによっ
て、シリンダの薄肉部の強度を向上することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１はこの発明の第１実施形態のクライオ冷
凍機の要部断面図である。

【図２】図２はこの発明の第２実施形態のクライオ冷
凍機の要部断面図である。

【図３】図３は図１のクライオ冷凍機におけるシリン
ダの厚肉部と薄肉部との肉厚比に対するヒートステージ
の侵入熱比を示す図である。

【図４】図４は従来のクライオ冷凍機の断面図であ
る。

【図５】図５は上記クライオ冷凍機のディスプレーサ
の要部断面図である。

【図６】図６は図５のシールリングとその近傍の拡大
断面図である。

【図７】図７(a)は上記クライオ冷凍機のシールリン
グの張り出し力とシール漏れとの関係を示す図であり、
図７(b)は上記クライオ冷凍機のシールリングの張り出
し力と侵入熱量との関係を示す図であり、図７(c)は従
来例および実施例のクライオ冷凍機のシールリングの張
り出し力と冷房能力との関係を示す図である。

【符号の説明】

１０,２０…シリンダ、１１,２１…小径部、１２,２２
…厚肉部、１３,２３…薄肉部、１４,２４…底部、１
５,２５…シールリング、１６,２６…スプリング、２７
…リブ。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】有底のシリンダ(１０,２０)と、上記シ
リンダ(１０,２０)内に往復動可能に嵌合されたディス
プレーサ(４０)と、上記ディスプレーサ(４０)の外周に
取り付けられたシール部材(１５,２５)とを備えたクラ
イオ冷凍機において、上記シリンダ(１０,２０)は、高温側に設けられた厚肉
部(１２,２２)と低温側に設けられた薄肉部(１３,２３)
とを有することを特徴とするクライオ冷凍機。
【請求項２】請求項１に記載のクライオ冷凍機におい
て、上記シリンダ(１０,２０)の上記厚肉部(１２,２２)
を、上記ディスプレーサ(４０)の往復動の最下点におい
て上記シリンダ(１０,２０)の上記シール部材(１５,２
５)に対向する部分およびその部分よりも高温側に設け
たことを特徴とするクライオ冷凍機。
【請求項３】請求項１または２に記載のクライオ冷凍
機において、上記シリンダ(２０)の上記薄肉部(２３)に
補強用のリブ(２７)を設けたことを特徴とするクライオ
冷凍機。