JP2012077966A - 蓄冷器式冷凍機 - Google Patents

Abstract

【課題】ディスプレーサの外周面の偏磨耗を防止できる蓄冷器式冷凍機を提供する。
【解決手段】シリンダ１２と、シリンダ１２内に、シリンダ１２に沿って往復動可能に設けられ、シリンダ１２内の一端に膨張空間２２を形成するとともに、内部に、膨張空間２２に冷媒ガスを供給及び排出するための冷媒ガス流路２４が形成されている、円筒形状のディスプレーサ１４と、ディスプレーサ１４を往復駆動する駆動軸Ｓｈと、冷媒ガス流路２４内に収容されており、駆動軸Ｓｈによりディスプレーサ１４をシリンダ１２に沿って往復動させる際に、膨張空間２２に供給した冷媒ガスを膨張させることによって発生した冷熱を蓄冷する蓄冷材１８とを有する。ディスプレーサ１４は、駆動軸Ｓｈに、ディスプレーサ１４の中心軸を中心として回転可能に連結されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、ヘリウムガス等の冷媒ガスを用い、蓄冷材を収容した蓄冷器を有する蓄冷器式冷凍機に関する。

例えば４Ｋ程度の極低温を得るために、ヘリウムガス等の冷媒ガスを用い、蓄冷材を収容した蓄冷器を有する蓄冷器式冷凍機が用いられている。また、蓄冷器式冷凍機として、例えばギフォード・マクマホン（Gifford-McMahon；ＧＭ）冷凍機が用いられている。

ＧＭ冷凍機は、圧縮機からの例えばヘリウムガスよりなる冷媒ガスをシリンダ内に形成された膨張空間に供給し、供給した冷媒ガスを膨張空間で膨張させることによって、冷熱を発生する。

ＧＭ冷凍機の各段は、シリンダと、シリンダ内に設けられたディスプレーサを有する。ディスプレーサは、シリンダ内に、シリンダに沿って往復動可能に設けられており、ディスプレーサの一端とシリンダとの間に膨張空間を形成する。また、ディスプレーサの内部には、膨張空間に冷媒ガスを供給及び排出するための冷媒ガス流路が形成されている。また、ディスプレーサの内部に形成された冷媒ガス流路には、冷媒ガスと接触して冷熱を蓄冷するための蓄冷材が収容されている。

シリンダに沿って往復動することによって、膨張空間を気密に膨張させるか、又は気密に収縮させるため、ディスプレーサは、シリンダの内径よりやや小さい外径を有している。そして、ディスプレーサの外周面とシリンダの内周面との間には、ディスプレーサとシリンダとの隙間を気密に保持するための、シールが設けられている。このようなシールとしては、従来、シールリング、クリアランスシール、ラビリンスシール、らせん溝シール（例えば、特許文献１参照。）等が用いられてきた。

一方、ＧＭ冷凍機は、ディスプレーサを往復駆動する駆動軸を有する。駆動軸は、回転駆動する例えばモータ等に連結されており、その回転駆動力を往復駆動力に変換してディスプレーサに伝達する。ディスプレーサは、例えば自在継手等により、駆動軸に連結されている（例えば、特許文献２参照。）。

特許第２６５９６８４号公報 特開２００４−２３９５６３号公報

ところが、上記したＧＭ冷凍機等の蓄冷器式冷凍機には、次のような問題がある。

シールリングを除いた他のシール（クリアランスシール、ラビリンスシール、らせん溝シール等）は、シリンダを鉛直に配置する場合には、本来非接触シールである。しかし、シリンダを水平に配置する場合、又は、シリンダを鉛直方向に対して傾けて配置する場合には、ディスプレーサの外周面の一部と、シリンダの内周面とが、接触することがある。

特に、シリンダを水平に配置する場合には、ディスプレーサの自重によりディスプレーサの外周面の一部がシリンダの内周面に接触する。ディスプレーサの外周面の一部がシリンダの内周面に接触している状態で長時間ＧＭ冷凍機を運転すると、接触部分のみが磨耗するため、ディスプレーサが偏磨耗する。ディスプレーサが偏磨耗すると、シリンダとディスプレーサとの隙間が大きくなり、膨張空間からの冷媒ガスのリーク量が増大し、ＧＭ冷凍機の冷凍能力が低下することがある。あるいは、ディスプレーサの偏磨耗が更に進行すると、ＧＭ冷凍機の寿命が短くなる等の問題がある。

特許文献２に開示されるように、ディスプレーサが、駆動軸に、自在継手を介して連結されているものもある。しかし、自在継手を介して連結した場合にも、ディスプレーサの外周面の一部がシリンダの内周面に接触することに変わりはなく、ディスプレーサの偏磨耗を防止することができない。

また、シリンダを鉛直に配置する場合にも、ディスプレーサの外径の寸法公差あるいはシリンダの内径の寸法公差に起因して、ディスプレーサの外周面の一部がシリンダの内周面に接触し、ディスプレーサが偏磨耗する場合がある。従って、上記した課題は、シリンダを鉛直方向に対して傾けて配置する場合のみならず、シリンダを鉛直に配置する場合にも共通の課題である。

本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、ディスプレーサの外周面の偏磨耗を防止できる蓄冷器式冷凍機を提供する。

上記の課題を解決するために本発明では、次に述べる手段を講じたことを特徴とするものである。

本発明は、シリンダと、前記シリンダ内に、前記シリンダに沿って往復動可能に設けられ、前記シリンダ内の一端に膨張空間を形成するとともに、内部に、前記膨張空間に冷媒ガスを供給及び排出するための冷媒ガス流路が形成されている、円筒形状のディスプレーサと、前記ディスプレーサを往復駆動する駆動軸と、前記冷媒ガス流路内に収容されており、前記駆動軸により前記ディスプレーサを前記シリンダに沿って往復動させる際に、前記膨張空間に供給した冷媒ガスを膨張させることによって発生した冷熱を蓄冷する蓄冷材とを有し、前記ディスプレーサは、前記駆動軸に、前記ディスプレーサの中心軸を中心として回転可能に連結されている、蓄冷器式冷凍機である。

また、本発明は、上述の蓄冷器式冷凍機において、前記ディスプレーサは、前記駆動軸に、前記ディスプレーサの中心軸を中心として回転可能に連結されるとともに、前記ディスプレーサの中心軸の前記駆動軸に対する傾きを許容するように連結されている。

また、本発明は、上述の蓄冷器式冷凍機において、前記ディスプレーサは、前記駆動軸に、球面ベアリングを介して連結されている。

また、本発明は、上述の蓄冷器式冷凍機において、前記ディスプレーサの外周面又は前記シリンダの内周面にらせん溝が形成されている。

本発明によれば、蓄冷器式冷凍機において、ディスプレーサの外周面の偏磨耗を防止できる。

第１の実施の形態に係るＧＭ冷凍機の構成を示す概略断面図である。 第１の実施の形態に係るＧＭ冷凍機における第１段目ディスプレーサの構成を、第１段目シリンダとともに示す概略断面図である。 第１の実施の形態に係るＧＭ冷凍機における第２段目ディスプレーサの構成を、第２段目シリンダとともに示す概略断面図である。 第２段目ディスプレーサの構成の別の例を、第２段目シリンダとともに示す概略断面図である。 第１の実施の形態に係るＧＭ冷凍機の第２段目シリンダが水平に配置されている例について模式的に示す図である。 比較例に係るＧＭ冷凍機の第２段目シリンダが水平に配置されている例について模式的に示す図である。 第１の実施の形態の第１の変形例に係るＧＭ冷凍機における第２段目ディスプレーサの構成を、第２段目シリンダとともに示す概略断面図である。 第１の実施の形態の第２の変形例に係るＧＭ冷凍機における第２段目ディスプレーサの構成を、第２段目シリンダとともに示す概略断面図である。 第２の実施の形態に係るＧＭ冷凍機における第１段目ディスプレーサの構成を、第１段目シリンダとともに示す概略断面図である。

次に、本発明を実施するための形態について図面と共に説明する。
（第１の実施の形態）
図１を参照し、第１の実施の形態に係るＧＭ冷凍機について説明する。このＧＭ冷凍機は、本発明に係る蓄冷器式冷凍機をＧＭ冷凍機に適用した例であり、数Ｋ〜２０Ｋ程度の極低温を得るのに適した２段構成を有する。

図１は、本実施の形態に係るＧＭ冷凍機の構成を示す概略断面図である。

ＧＭ冷凍機は、圧縮機１０、第１段目シリンダ１１、第２段目シリンダ１２、第１段目ディスプレーサ１３、第２段目ディスプレーサ１４、クランク機構１５、冷媒ガス流路１６、蓄冷材１７、１８、ヒートステーション１９、２０、膨張空間２１、２２、中空空間（冷媒ガス流路）２３、２４を有する。

圧縮機１０は、ヘリウムガス（冷媒ガス）を約２０Ｋｇｆ／ｃｍ^２に圧縮し、高圧ヘリウムガスを生成する。生成された高圧ヘリウムガスは、吸気弁Ｖ１、冷媒ガス流路１６を介して第１段目シリンダ１１内に供給される。また、第１段目シリンダ１１から排出された低圧ヘリウムガスは、冷媒ガス流路１６、排気弁Ｖ２を介して圧縮機１０に回収される。

第１段目シリンダ１１には、第２段目シリンダ１２が結合されている。第１段目シリンダ１１、第２段目シリンダ１２内には、相互に連結された第１段目ディスプレーサ１３、第２段目ディスプレーサ１４がそれぞれ収容されている。

第１段目シリンダ１１からは、駆動軸Ｓｈが上方に延在し、駆動用モータＭに結合したクランク機構１５と結合している。

第１段目ディスプレーサ１３は、第１段目シリンダ１１内に、第１段目シリンダ１１に沿って往復動可能に設けられている。第１段目ディスプレーサ１３は、第１段目シリンダ１１の一端に、膨張空間２１を形成する。第１段目ディスプレーサ１３は、第１段目シリンダ１１の内径よりやや小さい外径の円筒形状を有している。

また、第１段目ディスプレーサ１３の内部には、膨張空間２１に冷媒ガスを供給及び排出するための中空空間（冷媒ガス流路）２３が形成されている。第１段目ディスプレーサ１３は、第１段目シリンダ１１に沿って往復動する際に、膨張空間２１に供給した冷媒ガスを膨張させることによって冷熱を発生させる。

中空空間２３内には、蓄冷材１７が収容されている。蓄冷材１７は、膨張空間２１から冷媒ガスを排出する際に、排出した冷媒ガスと接触して冷熱を蓄冷する。すなわち、蓄冷材１７は、駆動軸Ｓｈにより第１段目ディスプレーサ１３を第１段目シリンダ１１に沿って往復動させる際に、膨張空間２１に供給した冷媒ガスを膨張させることによって発生した冷熱を蓄冷する。

第２段目ディスプレーサ１４は、第２段目シリンダ１２内に、第２段目シリンダ１２に沿って往復動可能に設けられている。第２段目ディスプレーサ１４は、第２段目シリンダ１２の一端に、膨張空間２２を形成する。第２段目ディスプレーサ１４は、第２段目シリンダ１２の内径よりやや小さい外径の円筒形状を有している。

また、第２段目ディスプレーサ１４の内部には、膨張空間２２に冷媒ガスを供給及び排出するための中空空間（冷媒ガス流路）２４が形成されている。第２段目ディスプレーサ１４は、第２段目シリンダ１２に沿って往復動する際に、膨張空間２２に供給した冷媒ガスを膨張させることによって冷熱を発生させる。

中空空間２４内には、蓄冷材１８が収容されている。蓄冷材１８は、膨張空間２２から冷媒ガスを排出する際に、排出した冷媒ガスと接触して冷熱を蓄冷する。すなわち、蓄冷材１８は、駆動軸Ｓｈにより第２段目ディスプレーサ１４を第２段目シリンダ１２に沿って往復動させる際に、膨張空間２２に供給した冷媒ガスを膨張させることによって発生した冷熱を蓄冷する。

第１段目シリンダ１１の下端（低温端）を囲むように、第１段目のヒートステーション１９が熱的に結合されており、第２段目シリンダ１２の下端（低温端）を囲むように、第２段目のヒートステーション２０が熱的に結合している。

第１段目シリンダ１１、第２段目シリンダ１２は、例えばステンレス綱（例えばＳＵＳ３０４）等によって形成されていることが好ましい。これにより、第１段目シリンダ１１、第２段目シリンダ１２に、高い強度、低い熱伝導率、及び高いヘリウムガス遮蔽能を持たせることができる。

第１段目ディスプレーサ１３、第２段目ディスプレーサ１４は、例えば布入りフェノール（ベークライト）等によって形成されていることが好ましい。これにより、第１段目ディスプレーサ１３、第２段目ディスプレーサ１４について、軽量化するとともに、耐摩耗性及び強度を向上させ、高温側から低温側への侵入熱量を低減することができる。

第１段目の蓄冷材１７は、例えば金網等により構成されることが好ましく、第２段目の蓄冷材１８は、例えば鉛球又は磁性蓄冷材等により構成されることが好ましい。これにより、低温領域において、十分高い熱容量を確保することができる。

このように構成されているＧＭ冷凍機では、以下のようにして冷熱を発生する。

圧縮機１０から吸気弁Ｖ１を介して供給された、冷媒ガスである高圧ヘリウムガスは、冷媒ガス流路１６を介して第１段目シリンダ１１内に供給される。そして、開口（冷媒ガス流路）２３ａ、蓄冷材１７が収容された中空空間（冷媒ガス流路）２３、開口（冷媒ガス流路）２３ｂを通って、第１段目の膨張空間２１に供給される。

第１段目の膨張空間２１に供給された高圧ヘリウムガスは、更に開口（冷媒ガス流路）２４ａ、蓄冷材１８が収容された中空空間（冷媒ガス流路）２４、開口（冷媒ガス流路）２４ｂを通って第２段目の膨張空間２２に供給される。

なお、冷媒ガス流路２３ａ、２３ｂ、２４ａ、２４ｂは、冷媒ガスの流れを説明するために機能的に記載したものであり、図２以降を用いて説明する実際の構造とは異なる。

吸気弁Ｖ１が閉じ、排気弁Ｖ２が開く際には、第２段目シリンダ１２、第１段目シリンダ１１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冷媒ガス流路１６、排気弁Ｖ２を介して圧縮機１０に回収される。

ＧＭ冷凍機の作動時においては、クランク機構１５によって駆動用モータＭの回転駆動力が駆動軸Ｓｈの往復駆動力に変換される。そして、駆動軸Ｓｈによって、第１段目ディスプレーサ１３、第２段目ディスプレーサ１４が、図１中の矢印で示すように、上下に（それぞれ第１段目シリンダ１１及び第２段目シリンダ１２に沿って）往復駆動される。

駆動軸Ｓｈによって第１段目ディスプレーサ１３、第２段目ディスプレーサ１４が駆動軸Ｓｈと反対側（図１の下方）に駆動される際には、吸気弁Ｖ１が開き、排気弁Ｖ２が閉じる。そして、第１段目シリンダ１１内の膨張空間２１、及び第２段目シリンダ１２内の膨張空間２２に高圧ヘリウムガスが供給される（供給工程）。

また、駆動軸Ｓｈによって第１段目ディスプレーサ１３、第２段目ディスプレーサ１４が駆動軸Ｓｈ側（図１の上方）に駆動される際には、吸気弁Ｖ１が閉じ、排気弁Ｖ２が開く。そして、第１段目シリンダ１１内の膨張空間２１、及び第２段目シリンダ１２内の膨張空間２２が低圧になるとともに、膨張空間２１及び膨張空間２２からヘリウムガスは排出され、圧縮機１０に回収される（排出工程）。

このとき、膨張空間２１、２２において、ヘリウムガスが膨張することによって、冷熱が発生する。冷熱を発生し、冷却されたヘリウムガスは、膨張空間２１、２２から排出される際に、蓄冷材１７、１８と接触し、熱交換することによって、蓄冷材１７、１８を冷却する。すなわち、蓄冷材１７、１８に、発生した冷熱が蓄冷される。

次の供給工程で供給される高圧ヘリウムガスは、蓄冷材１７、１８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空間２１、２２で膨張することにより、さらに冷却が進む。

以上のようにして、供給工程と排出工程とを繰り返すことにより、第１段目シリンダ１１内の膨張空間２１が、例えば４０Ｋ〜７０Ｋ程度の温度に冷却され、第２段目シリンダ１２内の膨張空間２２が、例えば数Ｋ〜２０Ｋ程度の温度に冷却される。

次に、図２を参照し、第１段目ディスプレーサ１３の詳細な構成について説明する。図２は、本実施の形態に係るＧＭ冷凍機における第１段目ディスプレーサ１３の構成を、第１段目シリンダ１１とともに示す概略断面図である。なお、図２では、ヒートステーション１９の図示を省略している。

第１段目ディスプレーサ１３は、筒状部材３０を有する。

筒状部材３０は、上蓋を備えた円筒形状を有し、その下端は開放されている。筒状部材３０の上蓋上面には、筒状部材３０の外径よりもやや小さい径を有するフランジ３１が取り付けられている。フランジ３１と筒状部材３０の上蓋には、開口３２（図１に示す２３ａ）が設けられている。開口３２には、中空空間（冷媒ガス流路）２３の高温端が連通している。フランジ３１の上面には、筒状部材３０を、図２中の矢印で示すように、上下駆動するための駆動軸Ｓｈが取り付けられている。

筒状部材３０内には、上面に密着するように図示しない金網が配置されている。金網の下には、銅金網等の蓄冷材１７が充填されている。蓄冷材１７の下には図示しない他の金網が配置されている。

さらに、筒状部材３０の下側開放端には、蓋部材３３が挿入され、筒状部材３０と接着されている。蓋部材３３は盲蓋であり、筒状部材３０の下端の開口を気密に閉じる。また、蓋部材３３の下面には、第２段目ディスプレーサ１４と連結するための、連結機構５０が取り付けられている。

筒状部材３０の外周面には、蓄冷材１７の下側の金網が配置されている高さに、開口３４（図１に示す２３ｂ）が設けられている。開口３４には、中空空間（冷媒ガス流路）２３の低温端が連通している。

筒状部材３０及び蓋部材３３は、例えば布入りフェノールで形成されることが好ましい。これにより、筒状部材３０及び蓋部材３３について、軽量化するとともに、耐摩耗性及び強度を向上させ、高温側から低温側への侵入熱量を低減することができる。

第１段目シリンダ１１の内径を例えば８２ｍｍとした場合、筒状部材３０の外径を例えば８２ｍｍ、内径を例えば７２ｍｍとすることができる。また、筒状部材３０の開口３４よりも下部分の外径及びフランジ３１の外径を例えば８１．５ｍｍとすることができる。また、筒状部材３０の軸方向の長さを例えば１５０ｍｍ、フランジ３１の厚さを例えば１０ｍｍとすることができる。

筒状部材３０の外周面と第１段目シリンダ１１の内周面との間には、隙間Ｄ１１が形成される。第１段目ディスプレーサ１３を安定に往復駆動するために、隙間Ｄ１１は０．０１ｍｍ以上であることが好ましい。また、隙間Ｄ１１を通って冷媒ガスが流れることを防止するために、隙間Ｄ１１は０．０３ｍｍ以下であることが好ましい。

筒状部材３０の外周面には、上端（高温端）から開口３４が形成されている高さまで、１本のらせん溝３５が形成されていてもよい。らせん溝３５の形状として、例えば幅約２ｍｍ、深さ約０．６ｍｍ、ピッチ約４ｍｍとすることができる。このようならせん溝３５を形成することによって、第１段目ディスプレーサ１３と第１段目シリンダ１１との隙間Ｄ１１を通って冷媒ガスが漏れることを防止することができる。

筒状部材３０の開口３４よりも下の部分の外径は、開口３４よりも上の部分の外径よりもわずかに小さくしてもよい。このとき、開口３４よりも下の部分では、第１段目シリンダ１１の内周面と筒状部材３０の外周面との間に隙間Ｄ１２が形成される。隙間Ｄ１２は、筒状部材３０の内部と膨張空間２１との間を結ぶ冷媒ガス流路を形成する。

次に、図３を参照し、第２段目ディスプレーサ１４の詳細な構成について説明する。

本実施の形態では、第２段目ディスプレーサ１４は、駆動軸Ｓｈに、第２段目ディスプレーサ１４の中心軸を中心として回転可能に連結されている。

なお、第２段目ディスプレーサ１４は、第１段目ディスプレーサ１３を介して駆動軸Ｓｈに連結されている。従って、第２段目ディスプレーサ１４は、第１段目ディスプレーサ１３に、第２段目ディスプレーサ１４の中心軸を中心として回転可能に連結されていてもよい。この場合も、第２段目ディスプレーサ１４は、駆動軸Ｓｈに、第２段目ディスプレーサ１４の中心軸を中心として回転可能に連結されていることになる。

図３は、本実施の形態に係るＧＭ冷凍機における第２段目ディスプレーサ１４の構成を、第２段目シリンダ１２とともに示す概略断面図である。なお、図３では、ヒートステーション２０の図示を省略している。

第２段目ディスプレーサ１４は、筒状部材４０を有する。第２段目ディスプレーサ１４は、第１段目ディスプレーサ１３（すなわち駆動軸Ｓｈ）に連結機構５０を介して連結されている。

筒状部材４０は、上下端が開放された円筒形状を有する。筒状部材４０の下端には、蓋部材４１が挿入接着されている。蓋部材４１の上には、金網４２が配置され、その上にフェルト栓４３が配置されている。

筒状部材４０及び蓋部材４１は、例えば布入りフェノールで形成されることが好ましい。これにより、筒状部材４０及び蓋部材４１について、軽量化するとともに、耐摩耗性及び強度を向上させ、高温側から低温側への侵入熱量を低減することができる。

フェルト栓４３の上には、前述したように、例えば鉛球で形成された蓄冷材１８が充填される。蓄冷材１８の上にはフェルト栓４４が配置され、フェルト栓４４の上にはパンチングメタル４５が配置される。

筒状部材４０の上端（高温端）には、第１段目ディスプレーサ１３と連結するための、後述する連結機構５０が取り付けられている。また、筒状部材４０の上端（高温端）には、連結機構５０の周囲に、開口２４ａが設けられている。そして、開口２４ａには、中空空間（冷媒ガス流路）２４の高温端が連通している。

筒状部材４０の外周面には、金網４２の高さの位置に、開口４６（図１に示す２４ｂ）が設けられている。開口４６には、中空空間（冷媒ガス流路）２４の低温端が連通している。

第２段目シリンダ１２の内径を例えば３５ｍｍとした場合、筒状部材４０の外径を例えば３５ｍｍ、内径を例えば３０ｍｍとすることができる。また、筒状部材４０の軸方向の長さを、例えば２００ｍｍとすることができる。

筒状部材４０の外周面と第２段目シリンダ１２の内周面との間には、隙間Ｄ２１が形成される。第２段目ディスプレーサ１４を安定に往復駆動するために、隙間Ｄ２１は０．０１ｍｍ以上であることが好ましい。また、隙間Ｄ２１を通って冷媒ガスが軸方向に流れることを防止するために、隙間Ｄ２１は０．０３ｍｍ以下であることが好ましい。

筒状部材４０の開口４６よりも上の部分の外周面には、開口４６の位置と上端とを結ぶ１本のらせん溝４７が形成されていることが好ましい。らせん溝４７の形状として、例えば幅約２ｍｍ、深さ約０．６ｍｍ、ピッチ約４ｍｍとすることができる。

このようならせん溝４７を形成することによって、第２段目ディスプレーサ１４と第２段目シリンダ１２との隙間Ｄ２１を通って冷媒ガスが漏れることを防止することができる。その結果、第２段目ディスプレーサ１４と第２段目シリンダ１２との隙間にシールリングを収容する必要がないため、筒状部材４０の側壁の厚さを薄くすることができる。筒状部材４０の側壁の厚さを薄くすることによって、第２段目ディスプレーサ１４内の中空空間２４の体積を増大できるため、収容する蓄冷材を増やすことができ、ＧＭ冷凍機の冷凍能力を増大させることができる。また、シールリングを不要にするため、部品点数が低減し、組み立て工程が簡単化するとともに製造コストを低減することが可能になる。

なお、筒状部材４０は、円筒状のステンレス管の表面に、例えば布入りフェノールよりなる耐磨耗性樹脂がコーティングされたものであってもよい。これにより、後述するように、第２段目シリンダ１２を水平に配置し、第２段目ディスプレーサ１４の自重により第２段目ディスプレーサ１４の外周面が第２段目シリンダ１２の内周面に接触する場合でも、第２段目ディスプレーサ１４の磨耗を防止することができる。

また、第２段目ディスプレーサ１４の外周面に代え、第２段目シリンダ１２の内周面にらせん溝が形成されていてもよい。第２段目シリンダ１２の内周面にらせん溝４７ａが形成されている場合の、第２段目ディスプレーサ１４の構成の別の例を、第２段目シリンダ１２とともに、図４の概略断面図に示す。

筒状部材４０の開口４６よりも下の部分の外径は、開口４６よりも上の部分の外径よりもわずかに小さくしてもよい。このとき、開口４６よりも下の部分では、第２段目シリンダ１２の内周面と筒状部材４０の外周面との間に隙間Ｄ２２が形成される。隙間Ｄ２２も、筒状部材４０の内部と膨張空間２２とを結ぶ冷媒ガス流路を形成する。

本実施の形態では、第２段目ディスプレーサ１４は、連結機構５０を介し、第１段目ディスプレーサ１３に、第２段目ディスプレーサ１４の中心軸を中心として回転可能に連結されている。すなわち、第２段目ディスプレーサ１４は、連結機構５０を介し、駆動軸Ｓｈに、第２段目ディスプレーサ１４の中心軸を中心として回転可能に連結されている。

また、本実施の形態では、第２段目ディスプレーサ１４は、第１段目ディスプレーサ１３（すなわち駆動軸Ｓｈ）に、第２段目ディスプレーサ１４の中心軸を中心として回転可能に連結されるとともに、第２段目ディスプレーサ１４の中心軸の第１段目ディスプレーサ１３（すなわち駆動軸Ｓｈ）に対する傾きを許容するように連結されていることが好ましい。

このような、中心軸を中心として回転可能で、かつ、中心軸の傾きを許容するように連結するための連結機構５０として、例えば互いに球面接合する内輪５０ａ及び外輪５０ｂを有する球面ベアリング５０を用いることができる。球面ベアリング５０を用いることにより、中心軸を中心とする回転と中心軸の傾きとを、一つのベアリング機構によって実現することができる。そのため、ＧＭ冷凍機のシリンダ及びディスプレーサを小型化、軽量化することができる。

なお、第１の実施の形態の第１の変形例で説明するように、第２段目ディスプレーサ１４の中心軸を中心として回転可能に連結するための各種のベアリングと、第２段目ディスプレーサ１４の中心軸の傾きを許容するように連結するための各種のベアリングとを、組み合わせて用いてもよい。

ここで、図５及び図６を参照し、本実施の形態に係るＧＭ冷凍機が、第２段目ディスプレーサ１４の外周面の偏磨耗を防止できる作用効果について、比較例と対比しながら説明する。

図５は、本実施の形態に係るＧＭ冷凍機の第２段目シリンダ１２が水平に配置されている例について模式的に示す図である。図５（ａ）は正面図であり、図５（ｂ）は側面図である。図６は、比較例に係るＧＭ冷凍機の第２段目シリンダ１２が水平に配置されている例について模式的に示す図である。図６（ａ）は正面図であり、図６（ｂ）は側面図である。

図６（ａ）に示すように、比較例に係るＧＭ冷凍機では、第２段目ディスプレーサ１４と第１段目ディスプレーサ１３とは、連結機構５０ａにより連結される。そして、連結機構５０ａは、一般的な自在継手（ユニバーサルジョイント）により構成される。自在継手は、第２段目ディスプレーサ１４の中心軸の第１段目ディスプレーサ１３の中心軸（すなわち駆動軸Ｓｈ）に対する傾きを許容するように連結されている。

比較例では、第２段目シリンダ１２を水平に配置する場合には、第２段目ディスプレーサ１４の自重により第２段目ディスプレーサ１４の外周面が第２段目シリンダ１２の内周面に接触する。また、第２段目ディスプレーサ１４は第２段目ディスプレーサ１４の中心軸を中心として回転可能に設けられていないため、第２段目ディスプレーサ１４の外周面の同一の部分が第２段目シリンダ１２の内周面に接触することになる。そして、第２段目ディスプレーサ１４の外周面が第２段目シリンダ１２の内周面に接触している状態で長時間ＧＭ冷凍機を運転すると、図６（ｂ）に示すように、接触部分（点線で囲んだ領域Ｉ）のみが磨耗するため、第２段目ディスプレーサ１４の外周面が偏磨耗する。

一方、本実施の形態では、図５（ａ）に示すように、連結機構５０として例えば球面ベアリングを用いることにより、第２段目ディスプレーサ１４を、第１段目ディスプレーサ１３（すなわち駆動軸Ｓｈ）に、第２段目ディスプレーサ１４の中心軸を中心として回転可能に連結することができる。

第２段目シリンダ１２を水平に配置する場合には、第２段目ディスプレーサ１４の自重により第２段目ディスプレーサ１４の外周面が第２段目シリンダ１２の内周面に接触する。しかし、第２段目ディスプレーサ１４が回転するため、第２段目ディスプレーサ１４の外周面の同一の部分が第２段目シリンダ１２の内周面に接触することがない。すなわち、第２段目ディスプレーサ１４の外周面のうち、第２段目シリンダ１２の内周面に接触する部分が分散する。従って、第２段目ディスプレーサ１４の外周面が第２段目シリンダ１２の内周面に接触している状態で長時間ＧＭ冷凍機を運転しても、図５（ｂ）に示すように、接触部分が分散するため、第２段目ディスプレーサ１４の外周面が偏磨耗することを防止できる。

また、第２段目シリンダ１２を鉛直方向に対して傾けて配置する場合、及び第２段目シリンダ１２を鉛直に配置する場合にも、第２段目ディスプレーサ１４の外周面の同一の部分が第２段目シリンダ１２の内周面に接触することを防止できる。そして、第２段目ディスプレーサ１４の外周面が偏磨耗することを防止できる。

また、球面ベアリングを用いるときは、第２段目ディスプレーサ１４の中心軸の第１段目ディスプレーサ１３（すなわち駆動軸Ｓｈ）に対する傾きを許容することができる。このため、製造時の寸法公差等により第２段目シリンダ１２の中心軸が第１段目シリンダ１１に対して微小に傾いていた場合でも、第２段目ディスプレーサ１４の中心軸を第２段目シリンダ１２の中心軸と平行に保持することができ、第２段目ディスプレーサ１４の外周面が偏磨耗することを防止できる。

ただし、第２段目シリンダ１２の中心軸の第１段目シリンダ１１に対する傾きが極めて小さい場合等には、第２段目ディスプレーサ１４は、第２段目ディスプレーサ１４の中心軸の第１段目ディスプレーサ１３（すなわち駆動軸Ｓｈ）に対する傾きを許容するように連結されていなくてもよい。

また、筒状部材４０が、円筒状のステンレス管の表面に、例えば布入りフェノールよりなる耐磨耗性樹脂がコーティングされたものであるときは、第２段目ディスプレーサ１４の偏磨耗を更に防止することができる。

また、本実施の形態では、第２段目ディスプレーサ１４の外周面に前述したらせん溝４７を形成してもよい。らせん溝４７が形成された第２段目ディスプレーサ１４が、駆動軸Ｓｈにより往復駆動されると、その往復動に伴ってらせん溝４７に微少量の冷媒ガスが出入りする。そして、らせん溝４７中の冷媒ガスの流れに伴う回転駆動力が第２段目ディスプレーサ１４に与えられるため、第２段目ディスプレーサ１４は、第２段目ディスプレーサ１４の中心軸を中心として自動的に回転駆動される。これにより、第２段目ディスプレーサ１４の偏磨耗を更に防止することができる。
（第１の実施の形態の第１の変形例）
次に、図７を参照し、第１の実施の形態の第１の変形例に係るＧＭ冷凍機について説明する。本変形例に係るＧＭ冷凍機では、第２段目ディスプレーサ１４と第１段目ディスプレーサ１３（すなわち駆動軸Ｓｈ）とを連結する連結機構が、第１の連結機構５１と第２の連結機構５２とにより構成されている。

本変形例に係るＧＭ冷凍機も、連結機構以外の部分は、第１の実施の形態に係るＧＭ冷凍機と同様である。従って、本変形例では、連結機構以外の部分についての説明を省略する。

図７は、本変形例に係るＧＭ冷凍機における第２段目ディスプレーサ１４の構成を、第２段目シリンダ１２とともに示す概略断面図である。

本変形例では、第１段目ディスプレーサ１３側から第２段目ディスプレーサ１４側に向かって順に、第１の連結機構５１と第２の連結機構５２が直列に連結されている。

第１の連結機構５１は、第２段目ディスプレーサ１４を、第１段目ディスプレーサ１３（すなわち駆動軸Ｓｈ）に、第２段目ディスプレーサ１４の中心軸を中心として回転可能に連結するものである。

このような、中心軸を中心として回転可能に連結するための第１の連結機構５１として、例えば内輪５１ａと外輪５１ｂとを有し、内輪５１ａの外周面と外輪５１ｂの内周面とが接合されているベアリング５１を用いることができる。

第２の連結機構５２は、第２段目ディスプレーサ１４を、第１段目ディスプレーサ１３（すなわち駆動軸Ｓｈ）に、第２段目ディスプレーサ１４の中心軸の第１段目ディスプレーサ１３（すなわち駆動軸Ｓｈ）に対する傾きを許容するように連結するものである。

このような、中心軸の傾きを許容するように連結するための第２の連結機構５２として、例えば自在継手（ユニバーサルジョイント）５２を用いることができる。

第１の連結機構５１と第２の連結機構５２とを組み合わせて用いることにより、中心軸を中心とする回転と中心軸の傾きを、それぞれ簡易な連結機構により実現することができる。そのため、ＧＭ冷凍機の製造コストを低減することができる。

本変形例でも、第２段目ディスプレーサ１４は、第２段目ディスプレーサ１４の中心軸を中心として自由に回転できるため、第２段目ディスプレーサ１４の偏磨耗を防止できる。

また、第１段目ディスプレーサ１３（すなわち駆動軸Ｓｈ）に対する第２段目ディスプレーサ１４の中心軸の傾きを許容できるため、第２段目ディスプレーサ１４の中心軸を第２段目シリンダ１２の中心軸と平行に保持することができる。これにより、寸法公差等に起因する第２段目ディスプレーサ１４の偏磨耗を防止できる。
（第１の実施の形態の第２の変形例）
次に、図８を参照し、第１の実施の形態の第２の変形例に係るＧＭ冷凍機について説明する。本変形例に係るＧＭ冷凍機では、第２段目ディスプレーサ１４の外周面及び第２段目シリンダ１２の内周面のいずれにもらせん溝が形成されていない。

本変形例に係るＧＭ冷凍機も、第２段目ディスプレーサ１４の外周面及び第２段目シリンダ１２の内周面以外の部分は、第１の実施の形態に係るＧＭ冷凍機と同様である。従って、本変形例では、第２段目ディスプレーサ１４の外周面及び第２段目シリンダ１２の内周面以外の部分についての説明を省略する。

図８は、本変形例に係るＧＭ冷凍機における第２段目ディスプレーサ１４の構成を、第２段目シリンダ１２とともに示す概略断面図である。

本変形例では、筒状部材４０の外周面にらせん溝が形成されていない。また、第２段目シリンダ１２の内周面にもらせん溝が形成されていない。筒状部材４０の外周面と第２段目シリンダ１２の内周面との間の隙間Ｄ２１は、第２段目ディスプレーサ１４を安定に往復駆動するために０．０１ｍｍ以上であることが好ましい。また、隙間Ｄ２１を通って冷媒ガスが軸方向に直線的に流れることを防止するために、０．０３ｍｍ以下であることが好ましい。

本変形例では、筒状部材４０の外周面及び第２段目シリンダ１２の内周面のいずれにもらせん溝を形成しないが、隙間Ｄ２１を調整することにより、第２段目ディスプレーサ１４と第２段目シリンダ１２との隙間Ｄ２１を通って冷媒ガスが漏れることを防止することができる。その結果、第２段目ディスプレーサ１４と第２段目シリンダ１２との隙間Ｄ２１にシールリングを収容する必要がないため、筒状部材４０の側壁の厚さを薄くすることができ、中空空間２４の体積を増大できるため、収容する蓄冷材を増やすことができ、冷凍能力を増大させることができる。また、シールリングを不要にするため、部品点数が低減し、組み立て工程が簡単化するとともに製造コストを低減することが可能になる。

本変形例でも、第２段目ディスプレーサ１４は、第２段目ディスプレーサ１４の中心軸を中心として自由に回転できるため、第２段目ディスプレーサ１４の偏磨耗を防止できる。

また、第１段目ディスプレーサ１３（すなわち駆動軸Ｓｈ）に対する第２段目ディスプレーサ１４の中心軸の傾きを許容できるため、第２段目ディスプレーサ１４の中心軸を第２段目シリンダ１２の中心軸と平行に保持することができる。これにより、寸法公差等に起因する第２段目ディスプレーサ１４の偏磨耗を防止できる。
（第２の実施の形態）
次に、図９を参照し、第２の実施の形態に係るＧＭ冷凍機について説明する。本実施の形態に係るＧＭ冷凍機では、第１段目ディスプレーサ１３と駆動軸Ｓｈとを連結する第３の連結機構５３が設けられている。

本実施の形態に係るＧＭ冷凍機は、第３の連結機構５３以外の部分は、第１の実施の形態に係るＧＭ冷凍機と同様に構成することができる。従って、本実施の形態では、第３の連結機構５３以外の部分についての説明を省略する。

図９は、本実施の形態に係るＧＭ冷凍機における第１段目ディスプレーサ１３の構成を、第１段目シリンダ１１とともに示す概略断面図である。

第１段目ディスプレーサ１３は、第３の連結機構５３を介し、駆動軸Ｓｈに、第１段目ディスプレーサ１３の中心軸を中心として回転可能に連結されるものである。

また、本実施の形態では、第１段目ディスプレーサ１３が、駆動軸Ｓｈに、第１段目ディスプレーサ１３の中心軸を中心として回転可能に連結されるとともに、第１段目ディスプレーサ１３の中心軸の駆動軸Ｓｈに対する傾きを許容するように連結されていることが好ましい。

このような、中心軸を中心として回転可能で、かつ、中心軸の傾きを許容するように連結するための第３の連結機構５３として、例えば互いに球面接合する内輪５３ａ及び外輪５３ｂを有する球面ベアリング５３を用いることができる。球面ベアリング５３を用いることにより、中心軸を中心とする回転と中心軸の傾きを、一つのベアリング機構によって実現することができる。そのため、ＧＭ冷凍機における往復駆動される部分を小型化、軽量化することができる。

本実施の形態でも、第１段目ディスプレーサ１３は、第１段目ディスプレーサ１３の中心軸を中心として自由に回転できるため、第１段目ディスプレーサ１３の偏磨耗を防止できる。

また、駆動軸Ｓｈに対する第１段目ディスプレーサ１３の中心軸の傾きを許容できるため、第１段目ディスプレーサ１３の中心軸を第１段目シリンダ１１の中心軸と平行に保持することができる。これにより、寸法公差等に起因する第１段目ディスプレーサ１３の偏磨耗を防止できる。

以上、本発明の好ましい実施の形態について記述したが、本発明はかかる特定の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１０ 圧縮機
１１ 第１段目シリンダ
１２ 第２段目シリンダ
１３ 第１段目ディスプレーサ
１４ 第２段目ディスプレーサ
１５ クランク機構
１６ 冷媒ガス流路
１７、１８ 蓄冷材
１９、２０ ヒートステーション
２１、２２ 膨張空間
２３、２４ 中空空間（冷媒ガス流路）
３０、４０ 筒状部材
３１ フランジ
３２、３４、４６ 開口
３３、４１ 蓋部材
３５、４７、４７ａ らせん溝
５０〜５３ 連結機構

Claims (4)

1. シリンダと、
   前記シリンダ内に、前記シリンダに沿って往復動可能に設けられ、前記シリンダ内の一端に膨張空間を形成するとともに、内部に、前記膨張空間に冷媒ガスを供給及び排出するための冷媒ガス流路が形成されている、円筒形状のディスプレーサと、
   前記ディスプレーサを往復駆動する駆動軸と、
   前記冷媒ガス流路内に収容されており、前記駆動軸により前記ディスプレーサを前記シリンダに沿って往復動させる際に、前記膨張空間に供給した冷媒ガスを膨張させることによって発生した冷熱を蓄冷する蓄冷材と
   を有し、
   前記ディスプレーサは、前記駆動軸に、前記ディスプレーサの中心軸を中心として回転可能に連結されている、蓄冷器式冷凍機。
2. 前記ディスプレーサは、前記駆動軸に、前記ディスプレーサの中心軸を中心として回転可能に連結されるとともに、前記ディスプレーサの中心軸の前記駆動軸に対する傾きを許容するように連結されている、請求項１に記載の蓄冷器式冷凍機。
3. 前記ディスプレーサは、前記駆動軸に、球面ベアリングを介して連結されている、請求項２に記載の蓄冷器式冷凍機。
4. 前記ディスプレーサの外周面又は前記シリンダの内周面にらせん溝が形成されている、請求項１から請求項３のいずれかに記載の蓄冷器式冷凍機。

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