JP2014129940A - スターリング冷凍機 - Google Patents
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Abstract
【課題】作動ガスのリークを抑制したスターリング冷凍機を提供する。
【解決手段】 第1の線膨張係数αを有する材料よりなり内部に寒冷を発生させる冷媒ガスが装填される冷媒ガス空間を有するヨーク21と、ヨーク21とは異なる線膨張係数を有する材料よりなりヨーク21に締結されるアダプタ80Aと、ヨーク21とアダプタ80Aとの間をシールするメタルシール50とを有したスターリング冷凍機であって、ヨーク21に締結方向(Z1,Z2方向)に延在するよう形成された第1対向面71A,72Aと、アダプタ80Aに締結方向(Z1,Z2方向)に延在するよう形成された第2対向面81A,82Aとにより構成され、第1対向面71A,72Aと第2対向面81A,82Aが対向する対向部91A,92Aを、ヨーク21とアダプタ80Aのうち、線膨張係数が大きい部材が内側に位置するよう設ける。
【選択図】図2
【解決手段】 第1の線膨張係数αを有する材料よりなり内部に寒冷を発生させる冷媒ガスが装填される冷媒ガス空間を有するヨーク21と、ヨーク21とは異なる線膨張係数を有する材料よりなりヨーク21に締結されるアダプタ80Aと、ヨーク21とアダプタ80Aとの間をシールするメタルシール50とを有したスターリング冷凍機であって、ヨーク21に締結方向(Z1,Z2方向)に延在するよう形成された第1対向面71A,72Aと、アダプタ80Aに締結方向(Z1,Z2方向)に延在するよう形成された第2対向面81A,82Aとにより構成され、第1対向面71A,72Aと第2対向面81A,82Aが対向する対向部91A,92Aを、ヨーク21とアダプタ80Aのうち、線膨張係数が大きい部材が内側に位置するよう設ける。
【選択図】図2
Description
本発明は、メタルシールを有するスターリング冷凍機に関する。
一般に、極低温冷凍機の一種として、スターリングサイクルを利用したスターリング冷凍機が知られている。このスターリング冷凍機は、圧縮機と膨張器とを有した構成とされている。
このスターリング冷凍機は、圧縮機と膨張器との間をキャピラリチューブにより接続している。よって、これらの圧縮機とキャピラリチューブとの接続位置、及び膨張器とキャピラリチューブとの接続位置においては作動ガスの漏出を防止するためにシールを行う必要がある。また、圧縮機及び膨張器の他の部位においても、作動ガスの漏出が考えられる部位にはシールを行う必要がある。
一方、小型スターリング冷凍機のような、比較的内容積の小さな冷凍機においては、作動ガスのガス圧が低下すると冷凍性能が大きく低下してしまう。また、共振を利用したスターリング冷凍機の場合は、ピストンスプリングと共に作動ガスがガスバネとして機能するため、作動ガスのリークによりピストン駆動に影響が発生し、これによっても冷凍性能が低下してしまう。このため、シール部材として、リークレートを小さく保てるメタルシールが使用されている(特許文献1参照)。
ところで、スターリング冷凍機は使用環境温度は−60℃〜150℃と、広い温度範囲において使用される。またメタルシールは、シール部における密着性を保持しようとした場合、ある程度の軟らかさが必要となる。更に、メタルシールの線膨張係数がメタルシールを挟むシール装着部材に比べて大きい場合がある。
このため、スターリング冷凍機が高温環境で使用され、メタルシールに熱衝撃が印加された場合、メタルシールにクリープが発生してしまう。具体的には、メタルシールを挟む部材間の間隙内で、メタルシールが当該部材間の間隙よりも大きく熱膨張することにより変形してしまう。
クリープが発生した後にスターリング冷凍機が低温環境で使用された場合、メタルシールの熱収縮はシール装着部材に比べて大きいため、メタルシールと上記のメタル装着部材との間に隙間が発生し、この部位から作動ガスがリークするおそれがある。
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、作動ガスのリークを抑制したスターリング冷凍機を提供することを目的とする。
上記の課題を解決するため、本発明の一実施形態であるスターリング冷凍機は、
第1の線膨張係数を有し、内部に寒冷を発生させる冷媒ガスが装填される冷媒ガス空間を有する第1部材と、
前記第1部材とは異なる線膨張係数を有し、前記第1部材に締結される第2部材と、
前記第1部材と前記第2部材との間をシールするメタルシールとを有したスターリング冷凍機であって、
前記第1部材に締結方向に延在するよう形成された第1対向面と、前記第2部材に締結方向に延在するよう形成された第2対向面とにより構成され、前記第1対向面と前記第2対向面が対向する対向部を、前記第1部材と前記第2部材のうち、線膨張係数が大きい部材が内側に位置するように設けた構成を有する。
第1の線膨張係数を有し、内部に寒冷を発生させる冷媒ガスが装填される冷媒ガス空間を有する第1部材と、
前記第1部材とは異なる線膨張係数を有し、前記第1部材に締結される第2部材と、
前記第1部材と前記第2部材との間をシールするメタルシールとを有したスターリング冷凍機であって、
前記第1部材に締結方向に延在するよう形成された第1対向面と、前記第2部材に締結方向に延在するよう形成された第2対向面とにより構成され、前記第1対向面と前記第2対向面が対向する対向部を、前記第1部材と前記第2部材のうち、線膨張係数が大きい部材が内側に位置するように設けた構成を有する。
開示のスターリング冷凍機によれば、高温度におけるメタルシールの変形が対向部により規制されるため、リークの発生を抑制することができる。
次に、本発明の実施の形態について図面と共に説明する。
図1は、本発明の第1実施形態であるスターリング冷凍機10を示している。スターリング冷凍機10は、圧縮機11、コールドヘッド(膨張器)12、キャピラリチューブ13、及びシール機構40A等を有している。
圧縮機11は、ヨーク21、保圧容器22、圧縮ピストン23、及びピストン制御スプリング24等を有している。ヨーク21(請求項に記載の第1部材に相当する)は、圧縮ピストン23のシリンダとして機能するものである。このヨーク21は、圧縮ピストン23に対して固定された可動コイル25が挿入される環状の溝と、この溝の外側に埋め込まれた永久磁石26とを備えている。
保圧容器22は、ヨーク21に固定されている。この保圧容器22及びヨーク21は、圧縮ピストン23が収容されると共に作動ガス(例えば、ヘリウム等)が充填される保圧空間を形成している。また、保圧容器22には図示しない気密電源端子が設けられており、この気密電源端子を介して可動コイル25は外部電源(交流電源)と接続される。
更に、機械バネであるピストン制御スプリング24は、圧縮ピストン23と保圧容器22とを連結するように(圧縮ピストン23を中立点に保てるように)、圧縮ピストン23と保圧容器22との間に設けられている。
コールドヘッド12は、ハウジング部31、ディスプレーサ32、ディスプレーサ制御スプリング33、及び蓋体35等を有している。ハウジング部31は、その内部空間がシリンダとして機能する。
ディスプレーサ32は、その内部に熱交換のための蓄冷材が収納されている。ディスプレーサ制御スプリング33はハウジング部31内に設けられており、ディスプレーサ32を中立点に保つ機能を奏する。また、蓋体35はハウジング部31の内部空間の図中左端部を閉塞する。
上記構成とされたスターリング冷凍機10は、気密電源端子を介して可動コイル25へ交流電流を供給することによって、圧縮ピストン23が往復動(図において左右方向の動き)をするように制御される。この圧縮ピストン23の往復運動により圧縮空間28で発生した高圧の作動ガスは、キャピラリチューブ13を介してコールドヘッド12に供給される。その結果として、コールドヘッド12の膨張空間34で作動ガスの膨張により寒冷が発生し、これによりコールドヘッド12に接続された被冷却体を冷却する。
ところで、前記したようにスターリング冷凍機1のような、比較的内容積の小さな冷凍機においては、作動ガスのガス圧が低下すると冷凍性能が大きく低下してしまう。このため、キャピラリチューブ13と圧縮機11(具体的にはヨーク21)との接続位置、キャピラリチューブ13とディスプレーサ制御スプリング33との接続位置(図1に矢印A1で示す破線で囲った位置)、及び蓋体35がハウジング部31に装着される装着位置(図1に矢印A2で示す破線で囲った位置)には、作動ガスの漏出を防止するシール機構40Aが設けられている。
なお図1においては、図示の便宜上、キャピラリチューブ13とヨーク21との接続位置に設けられたシール機構40Aのみを図示し、他の位置A1,A2におけるシール機構の図示は省略している。
次に、上記構成とされたスターリング冷凍機10に設けられたシール機構40Aについて説明する。図2は、シール機構40Aを拡大して示す断面図である。シール機構40Aは、メタルシール50、締結部70A、及びアダプタ80A等を有した構成とされている。
メタルシール50は、ゴム等を用いた軟質ガスケットに比べて透過現象がなく、耐久性、耐熱性、及びシール性が高い。そのため、リーク量、コンタミネーションの侵入が問題となる極低温を実現する冷凍機のガスケットとして適している。
メタルシールとして例えば、はんだ、インジウムなど様々な金属が用いられるが、本実施形態では、メタルシール50の材質として、接触面への密着性を保持するためにある程度の柔らかさを有するはんだを用いている。このメタルシール50は、平面視すると環状形状(ドーナッツ形状)を有している。
締結部70Aは、ヨーク21に形成されている。この締結部70Aは、下端が圧縮空間28に接続されたガス流通路74の上端部に接続されている。
この締結部70Aには、キャピラリチューブ13が接続される。よって、圧縮空間28は、ガス流通路74及びキャピラリチューブ13を介してコールドヘッド12に接続される。
また締結部70Aは、第1対向面71A、第1対向面72A、及びシール装着面73を有した構成とされている。第1対向面71Aはシール装着面73に対して内側位置に設けられており、また第1対向面72Aはシール装着面73に対して外側位置に設けられている。
なお、以下の説明において、締結部70Aの中心軸(図2に矢印Xで示す一点鎖線)に近い側を内側といい、中心軸Xに対して遠い側を外側というものとする。
第1対向面71A,72Aは、後述するアダプタ80Aの締結部70Aへの締結方向(図2に矢印Z2で示す)方向に沿って延在するよう構成されている。よって、第1対向面71A,72Aは、中心軸Xと同心的な面となり、また断面視した際には平行な面となる。なお、第1対向面71A,72Aは平面視するといずれも円形状を有し、内側に第1対向面71Aの円が、外側に第1対向面72Aの円が位置する。
シール装着面73は、第1対向面71Aと第1対向面72Aとの間に形成されている。このシール装着面73はメタルシール50が装着される面であり、アダプタ80Aの締結方向(Z2方向)に直行する方向に延在するよう形成されている。よって、第1対向面71A、シール装着面73、第1対向面72A、及びヨーク21の上面は段差を形成する。
またシール装着面73は、平面視すると環状形状(ドーナッツ形状)を有している。
アダプタ80A(請求項に記載の第2部材に相当する)は、キャピラリチューブ13が接続されている。このアダプタ80Aは、図中下側から小径部87、中径部88、及び大径部89が一体的に形成された構成とされている。よって、アダプタ80Aは段差を形成し、この段差は締結部70Aに形成された段差と対応するよう構成されている。
またアダプタ80Aは、第2対向面81A、第2対向面82A、及びシール装着面83を有した構成とされている。第2対向面81Aは小径部87の外周面であり、シール装着面83に対して内側に位置している。また、第2対向面82Aは中径部88の外周面であり、シール装着面83に対して外側に位置している。
この第2対向面81A,82Aは、アダプタ80Aの締結部70Aへの締結方向Z2方向に沿って延在するよう構成されている。よって、第2対向面81A,82Aは、中心軸Xと同心的な面となり、また断面視した際には平行な面となる。なお、第2対向面81A,82Aは底面視するといずれも円形状を有し、内側に第2対向面81Aの円が位置し、外側に第2対向面82Aの円が位置する。
シール装着面83は、第2対向面81Aと第2対向面82Aとの間に形成されている。このシール装着面83はメタルシール50に圧接される面であり、アダプタ80Aの締結方向(Z2方向)に直行する方向に延在するよう形成されている。
なお、シール装着面83には、メタルシール50を仮固定するための窪み部83aが形成されている。メタルシール50は、この窪み部83a内にはめ込まれることで、シール装着面73,83間における移動がある程度規制された状態で、シール装着面73,83間で圧接される。
大径部89には、ボルト孔84が形成されている。このボルト孔84は、Z1,Z2方向に大径部89を貫通する孔である。また、ヨーク21のボルト孔84と対応する位置には、ボルト孔75が形成されている。
次に、シール機構40Aの組み立て手順について説明する。なお、キャピラリチューブ13は予めアダプタ80Aに気密に固定されているものとする。
シール機構40Aの組み立てるには、まず締結部70Aを構成するシール装着面83の窪み部83aにメタルシール50を載置する。この時のメタルシール50は、ドーナッツ形状とされている。
メタルシール50がシール装着面83に装着されると、アダプタ80Aが締結部70A内に挿入される。前記のように、締結部70Aの段差とアダプタ80Aの段差は対応するよう構成されているため、アダプタ80Aは締結部70A内に容易に挿入される。また、アダプタ80Aが締結部70Aに挿入された状態で、メタルシール50はシール装着面73とシール装着面83との間に挟まれ圧接された状態となる。
アダプタ80Aが締結部70Aに挿入されると、続いて締結ボルト60によりアダプタ80Aを締結部70A(ヨーク21)に締結する。締結ボルト60の螺着力により、アダプタ80Aは締結部70A(ヨーク21)に締結される。
アダプタ80Aが締結部70Aに締結される締結力は、メタルシール50にも印加される。即ち、アダプタ80Aが締結部70Aに締結される締結力は、シール装着面73とシール装着面83がメタルシール50を圧接(挟持)する力として作用する。この締結力によりメタルシール50は変形し、シール装着面73及びシール装着面83と密着した状態となる。これにより、シール装着面73及びシール装着面83との間は、メタルシール50により気密にシールされた状態となる。
ここで、アダプタ80Aが締結部70Aに締結された状態における各対向面71A,72A,81A,82Aに注目する。
アダプタ80Aが締結部70Aに締結された状態では、第1対向面71Aと第2対向面81Aが対向することにより対向部91Aを形成し、また第1対向面72Aと第2対向面82Aが対向することにより対向部92Aを形成している。
また、対向部91Aでは、第1対向面71Aが外側に位置し、第2対向面81Aが内側に位置した構成となっている。更に、対向部92Aにおいても、第1対向面72Aが外側に位置し、第2対向面82Aが内側に位置した構成となっている。
本実施形態では、対向部91Aはメタルシール50の装着位置の内側端部から下方(Z2方向)に延出するよう設けられており、また対向部92Aはメタルシール50の装着位置の外側端部から上方(Z1方向)に延出するよう設けられている。即ち、本実施形態では、メタルシール50の両側に対向部91A,92Aが設けられた構成とされている。
続いて、上記構成とされたシール機構40Aの動作について説明する。
いま、アダプタ80Aの線膨張係数をαとし、ヨーク21の線膨張係数をβとする。また本実施形態では、アダプタ80Aの線膨張係数αが、ヨーク21の線膨張係数βよりも大きいものとする(α>β)。従って、各対向部91A,92Aにおいて、ヨーク31は外側に位置し、アダプタ80Aは内側に位置した構成となっている。
また、前記のようにメタルシール50の線膨張係数は締結ボルト60の線膨張係数よりも大きく、更にアダプタ80Aの線膨張係数α及びヨーク21の線膨張係数βよりも大きいものとする。
図2(A)は、スターリング冷凍機10が低温環境下(例えば、室温環境)に置かれた時のシール機構40Aを示している。
この状態では、同図に示されるように対向部91Aを構成する第1対向面71Aと第2対向面81Aとの間、及び対向部92Aを構成する第1対向面72Aと第2対向面82Aとの間にはΔXの間隙が形成されている。
しかしながら、はんだよりなるメタルシール50は室温においては熱により大きく変形することはないため、メタルシール50は各対向部91A,92Aに形成される間隙に進行しにくい。
これに対し、図2(B)は、スターリング冷凍機10が高温環境下(例えば、60℃)に置かれた時のシール機構40Aを示している。
スターリング冷凍機10が置かれる環境温度が上昇することにより、スターリング冷凍機10を構成する各要素は熱膨張を行う。シール機構40Aを構成する締結部70A(ヨーク21)においては、中心軸Xを中心として外側に向けて膨張する。この締結部70A(ヨーク21)の膨張を、図2(B)に矢印Fβで示している。
また、シール機構40Aを構成するアダプタ80Aにおいても、中心軸Xを中心として外側に向けて膨張する。図2(B)において、このアダプタ80Aの膨張を矢印Fαで示している。
前記したように本実施形態では、アダプタ80Aの線膨張係数αは、ヨーク21の線膨張係数βよりも大きい(α>β)。このためアダプタ80Aの膨張Fαは、締結部70A(ヨーク21)の膨張Fβよりも大きくなる(Fα>Fβ)。
また、対向部91Aでは第1対向面71Aと第2対向面81Aが対向し、対向部92Aでは第1対向面72Aと第2対向面82Aが対向している。この各対向面71A,72A,81A,82Aも、環境温度の上昇によるヨーク21及びアダプタ80Aの膨張に伴い外側に移動する。
この際、アダプタ80Aの膨張Fαが締結部70A(ヨーク21)の膨張Fβよりも大きいため、第2対向面81A,82Aの外側への移動量は、第1対向面71A,72Aの外側への移動量に比べて大きくなる。このため、高温環境下においては、各対向部91A,92Aにおいて、第1対向面71A,72Aと第2対向面81A,82Aは当接した状態となる(ΔX=0となる)。
一方、スターリング冷凍機10が高温環境下に置かれることにより、メタルシール50に温度上昇による熱衝撃が印加される。メタルシール50の線膨張係数は締結ボルト60の線膨張係数よりも大きいため、対向するシール装着面73,83間でメタルシール50は広がろうとする。
しかしながら、メタルシール50の配設位置の内側に位置する対向部91Aでは第1対向面71Aと第2対向面81Aが当接しており、また外側に位置する対向部92Aにおいても第1対向面72Aと第2対向面82Aが当接した状態となっている。この各対向部91A,92Aは、メタルシール50が広がろうとする動作の抵抗となる。
このように本実施形態では、メタルシール50が広がろうとする動作を規制する抵抗として機能する対向部91A,92Aが設けられた構成となっている。よって本実施形態によれば、スターリング冷凍機10が高温環境下に置かれた場合であっても、メタルシール50に発生する熱変形(クリープ)を低減することができる。これにより、シール装着面73、83間のメタルシールの厚みを確保でき、シールに必要な締結ボルト60の軸力を維持することができる。その結果、シール機構40Aにおけるシール性を維持することができ、メタルシール50の配設位置において作動ガスのリークを低減することができる。
なお、上記した実施形態では、メタルシール50の配設位置の両側に対向部91A,92Aを設ける構成としたが、対向部をメタルシール50の配設位置の内側又は外側のいずれか一方にのみに設ける構成としても、一定のシール性の向上を図ることが可能である。
次に、本発明の第2実施形態について説明する。
図3は、本発明の第2実施形態であるスターリング冷凍機のシール機構40Bを拡大して示している。なお、本実施形態に係るスターリング冷凍機は、シール機構40Bの構成を除き図1に示した第1実施形態に係るスターリング冷凍機10と同一構成である。
このため、図3にシール機構40Bのみを図示し、スターリング冷凍機の全体構成の図示及び説明は省略する。また、図3において、図1及び図2に示した構成と対応する構成については、同一符号を付してその説明は省略する。
図3は、アダプタ80Bがヨーク21に形成された締結部70Bに締結された状態を示している。本実施形態においても、締結部70Bは第1対向面71B,72B及びシール装着面73を有しており、アダプタ80Bは第2対向面81B,82B及びシール装着面83を有している。
またアダプタ80Bが締結部70Bに締結された状態で、第1対向面71Bと第2対向面81Bが対向することにより対向部91Bを形成し、また第1対向面72Bと第2対向面82Bが対向することにより対向部92Bを形成している。
また本実施形態では、対向部91B,92Bにおいてヨーク21は内側に位置し、アダプタ80Bは外側に位置した構成となっている。従って、対向部91Bにおいて、第1対向面71Bが内側に位置し、第2対向面81Bが外側に位置した構成となっている。更に、対向部92Bにおいても、第1対向面72Bが内側に位置し、第2対向面82Bが外側に位置した構成となっている。このように、本実施形態では、第1対向面71B,72Bと第2対向面81B,82Bの対向する側が第1実施形態と逆になっている。
上記構成とされた対向部91Bはメタルシール50の装着位置の内側端部から上方(Z1方向)に延出するよう設けられており、また対向部92Bはメタルシール50の装着位置の外側端部から下方(Z2方向)に延出するよう設けられている。よって本実施形態においても、メタルシール50の両側に対向部91B,92Bが設けられた構成とされている。
続いて、上記構成とされたシール機構40Bの動作について説明する。
本実施形態においてもアダプタ80Bの線膨張係数をαとし、ヨーク21の線膨張係数をβとする。また本実施形態では、アダプタ80Bの線膨張係数αが、ヨーク21の線膨張係数βよりも小さいものとする(α<β)。なお、メタルシール50の線膨張係数が締結ボルト60の線膨張係数よりも大きく、かつアダプタ80Bの線膨張係数α及びヨーク21の線膨張係数βよりも大きいことは、第1実施形態と同様である。
図3(A)は、スターリング冷凍機が低温環境下(例えば、室温環境)に置かれた時のシール機構40Bを示している。
この状態では、同図に示されるように対向部91Bを構成する第1対向面71Bと第2対向面81Bとの間、及び対向部92Bを構成する第1対向面72Bと第2対向面82Bとの間にはΔXの間隙が形成されている。
しかしながら、メタルシール50は室温においては熱により大きく変形することはないため、メタルシール50が各対向部91B,92Bに形成される間隙に進行しにくいことは、前述した通りである。
これに対し、図3(B)は、スターリング冷凍機が高温環境下(例えば、60℃)に置かれた時のシール機構40Bを示している。
スターリング冷凍機10が置かれる環境温度が上昇することにより、シール機構40Bを構成する締結部70B(ヨーク21)は中心軸Xを中心として外側に向けて膨張する(図3(B)にこの膨張を矢印Fβで示す)と共に、アダプタ80Bも中心軸Xを中心として外側に向けて膨張する(図3(B)にこの膨張を矢印Fαで示す)。
本実施形態では、第1実施形態と異なり、アダプタ80Bの線膨張係数αをヨーク21の線膨張係数βよりも小さく設定している(α<β)。このため締結部70B(ヨーク21)の膨張Fβは、アダプタ80Bの膨張Fαよりも大きくなる(Fα<Fβ)。
また本実施形態においても、対向部91Bでは第1対向面71Bと第2対向面81Bが対向し、対向部92Bでは第1対向面72Bと第2対向面82Bが対向している。この各対向面71B,72B,81B,82Bは、環境温度の上昇によるヨーク21及びアダプタ80Bの膨張に伴い外側に移動する。
この際、締結部70B(ヨーク21)の膨張Fβがアダプタ80Bの膨張Fαよりも大きいため、第1対向面71B,72Bの外側への移動量は、第2対向面81B,82Bの外側への移動量に比べて大きくなる。このため本実施形態においても、スターリング冷凍機を高温環境下に置くことにより、対向部91Bにおいて第1対向面71Bと第2対向面81Bが当接し、対向部92Bにおいて第1対向面72Bと第2対向面82Bが当接した状態となる(ΔX=0となる)。
このように本実施形態においても、メタルシール50が広がろうとする動作の抵抗となる対向部91B,92Bが設けられた構成となっているため、スターリング冷凍機10が高温環境下に置かれた場合であっても、メタルシール50に発生する熱変形(クリープ)を低減することができる。これにより、シール装着面73、83間のメタルシールの厚みを確保でき、シールに必要な締結ボルト60の軸力を維持することができる。その結果、シール機構40Bにおけるシール性を維持することができ、メタルシール50の配設位置において作動ガスがリークすることを防止することができる。
なお、上記した実施形態でも、メタルシール50の配設位置の両側に対向部91B,92Bを設ける構成としたが、対向部をメタルシール50の配設位置の内側又は外側のいずれか一方にのみに設ける構成としても、一定のシール性の向上を図ることが可能である。
次に、本発明の第3実施形態について説明する。
図4は、本発明の第3実施形態であるスターリング冷凍機のシール機構40Cの左側半分を拡大して示している。
なお、本実施形態に係るスターリング冷凍機も、シール機構40Cの構成を除き図1に示した第1実施形態に係るスターリング冷凍機10と同一構成である。このため、図4にシール機構40Cのみを図示し、スターリング冷凍機の全体構成の図示及び説明は省略する。また、図4及び後述の説明に使用する図5において、図1乃至図3に示した構成と対応する構成については、同一符号を付してその説明は省略する。
本実施形態のアダプタ80Cは、メタルシール50の配設位置を挟んで配設されると共に、下方(図4に矢印Z2で示す方向)に突出する一対の凸部85A,85Bが設けられている。第1凸部85Aはメタルシール50の配設位置に対して外側に設けられており、第2凸部85Bはメタルシール50の配設位置に対して内側に設けられている。
また本実施形態の締結部70Cは、メタルシール50の配設位置を挟んで配設されると共に、下方(矢印Z2方向)に突出した一対の凹部86A,86Bが設けられている。第1凹部86Aはメタルシール50の配設位置に対して外側に設けられており、第2凹部86Bはメタルシール50の配設位置に対して内側に設けられている。
図4は、アダプタ80Cがヨーク21に形成された締結部70Cに締結された状態を示している。この締結状態において、第1凸部85Aは第1凹部86A内に、また第2凸部85Bは第2凹部86B内に挿入されるよう構成されている。
ここで、アダプタ80Cの凸部85A,85Bが形成する面、及び締結部70Cの凹部86A,86Bが形成する面に注目する。
第1凸部85Aは、外側に第1外側対向面101Aを形成すると共に内側に第1内側対向面102Aを形成している。また、第2凸部85Bは、外側に第1外側対向面101Bを形成すると共に内側に第1内側対向面102Bを形成している。
また、第1凹部86Aは外側に第2外側対向面111Aを形成すると共に内側に第2内側対向面112Aを形成している。更に、第2凹部86Bは外側に第2外側対向面111Bを形成すると共に内側に第2内側対向面112Bを形成している。
上記の第1外側対向面101A,101B、第1内側対向面102A,102B、第2外側対向面111A,111B、第2内側対向面112A,112Bは、いずれもアダプタ80Cの締結部70Cへの締結方向Z2方向に沿って延在するよう構成されている。よって、各面101A,101B,102A,102B,111A,111B,112A,112Bは、中心軸Xと同心的な面となり、また断面視で平行な面となる。
またアダプタ80Cが締結部70Cに締結された状態で、第1外側対向面101Aと第2外側対向面111Aは対向して第1対向部121Aを形成し、第1内側対向面102Aと第2内側対向面112Aは対向して第2対向部122Aを形成する。同様に、第1外側対向面101Bと第2外側対向面111Bは対向して第1対向部121Bを形成し、第1内側対向面102Bと第2内側対向面112Bは対向して第2対向部122Bを形成する。
また、第1対向部121A及び第2対向部122Aは、メタルシール50の装着位置に対して外側に位置している。更に、第1対向部121Aは、第2対向部122Aに対して外側に位置した構成とされている。
また、第1対向部121Bと第2対向部122Bは、メタルシール50の装着位置に対して内側に位置している。更に、第2対向部122Bは、第1対向部121Bに対して内側に位置した構成とされている。
よって本実施形態においても、対向部121A,122Aと対向部121B,122Bが、メタルシール50の配設位置の両側に設けられた構成とされている。
続いて、上記構成とされたシール機構40Cの動作について説明する。
なお、本実施形態においてもアダプタ80Cの線膨張係数がαであり、ヨーク21の線膨張係数がβであるとして以下の説明を行う。
まず、アダプタ80Cの線膨張係数αが、ヨーク21の線膨張係数βよりも大きい場合(α>β)について説明する。また、メタルシール50の線膨張係数は締結ボルト60、アダプタ80C、ヨーク21の各線膨張係数よりも大きいものとする。
図4は、スターリング冷凍機が低温環境下(例えば、室温環境)に置かれた場合のシール機構40Cを示している。
この状態では、同図に示されるように第1対向部121Aを構成する第1外側対向面101Aと第2外側対向面111Aとの間に間隙ΔX1が形成され、第2対向部122Aを構成する第1内側対向面102Aと第2内側対向面112Aとの間には間隙ΔX2が形成され、第1対向部121Bを構成する第1外側対向面101Bと第2外側対向面111Bとの間には間隙ΔX3が形成され、更に第2対向部122Bを構成する第1内側対向面102Bと第2内側対向面112Bとの間には間隙ΔX4が形成されている。
しかしながら、メタルシール50は室温においては熱により大きく変形することはないため、各対向部121A,121B,122A,122Bに形成される各間隙ΔX1〜ΔX4内にメタルシール50が進行しにくい。
これに対し、図5(A)は、スターリング冷凍機が高温環境下(例えば、60℃)に置かれた時のシール機構40Cを示している。
環境温度が上昇することにより、シール機構40Cを構成する締結部70C(ヨーク21)は中心軸Xを中心として外側に向けて膨張し(図5(A)にこの膨張を矢印Fβで示す)、またアダプタ80Cも中心軸Xを中心として外側に向けて膨張する(図5(A)に矢印Fαで示す)。
図5(A)に示す実施形態では、アダプタ80Cの線膨張係数αが締結部70C(ヨーク21)の線膨張係数βよりも大きい(α>β)ため、アダプタ80Cの膨張Fαは締結部70C(ヨーク21)の膨張Fβよりも大きくなる(Fα>Fβ)。
ここで、第1対向部121A及び第1対向部121Bに注目する。
第1対向部121Aでは第1外側対向面101Aと第2外側対向面111Aが対向し、第1対向部121Bでは第1外側対向面101Bと第2外側対向面111Bが対向している。この各対向面101A,111A,101B,111Bも、環境温度の上昇によるヨーク21及びアダプタ80Cの膨張に伴い外側に移動する。
この際、アダプタ80Cの膨張Fαが締結部70C(ヨーク21)の膨張Fβよりも大きいため、第1外側対向面101A,101Bの外側への移動量は、第2外側対向面111A,111Bの外側への移動量に比べて大きくなる。このため、高温環境下においては、第1対向部121A,121Bにおいて、第1外側対向面101Aと第2外側対向面111A、及び第1外側対向面101Bと第2外側対向面111Bは当接した状態となる(ΔX1=ΔX3=0となる)。
このように本実施形態では、メタルシール50が広がろうとする動作を規制する抵抗として機能する対向部121A,121Bが設けられた構成となっている。よって本実施形態によれば、スターリング冷凍機10が高温環境下に置かれた場合であっても、メタルシール50に熱変形(クリープ)の発生を低減することができる。
即ち、メタルシール50の配設位置の外側に位置する第1対向部121Aでは第1外側対向面101Aと第2外側対向面111Aが当接し、また内側に位置する第1対向部121Bにおいても第1外側対向面101Bと第2外側対向面111Bが当接する。つまり、これらの第1対向部121A、第1対向部121Bがメタルシール50の広がろうとする動作を規制する抵抗として機能している。
よって本実施形態によれば、スターリング冷凍機10が高温環境下に置かれた場合であっても、メタルシール50に発生する熱変形(クリープ)を低減することができる。これにより、シール装着面73、83間のメタルシールの厚みを確保でき、シールに必要な締結ボルト60の軸力を維持することができる。よって、シール機構40Cにおけるシール性を維持することができ、メタルシール50の配設位置において作動ガスのリークを低減することができる。
なお、第1内側対向面102Aと第2内側対向面112Aとが対向する第2対向部122Aには、間隙ΔX2が存在したままの状態となるが、この間隙ΔX2は一方が第1対向部121Aにより閉塞された微細な空間である。よって、この間隙ΔX2が問題になるようなことはない。
次に、ヨーク21の線膨張係数βが、アダプタ80Cの線膨張係数αよりも大きい場合(α<β)について説明する。
なお、ヨーク21の線膨張係数βがアダプタ80Cの線膨張係数αよりも大きい場合であっても、スターリング冷凍機が低温環境下(例えば、室温環境)に置かれた時の状態は、図4に示した状態と同じであるため、その説明は省略する。
図5(B)は、ヨーク21の線膨張係数βがアダプタ80Cの線膨張係数αよりも大きく設定されたシール機構40Cが高温環境下(例えば、60℃)に置かれた状態を示している。
環境温度が上昇することにより、シール機構40Cを構成する締結部70C(ヨーク21)は中心軸Xを中心として外側に向けて膨張し(図5(B)にこの膨張を矢印Fβで示す)、またアダプタ80Cも中心軸Xを中心として外側に向けて膨張する(図5(B)に矢印Fαで示す)。
図5(B)に示す実施形態では、締結部70C(ヨーク21)の線膨張係数βがアダプタ80Cの線膨張係数αよりも大きい(α<β)ため、締結部70C(ヨーク21)の膨張Fβはアダプタ80Cの膨張Fαよりも大きくなる(Fα<Fβ)。
ここで、第2対向部122A及び第2対向部122Bに注目する。
第2対向部122Aでは第1内側対向面102Aと第2内側対向面112Aが対向し、第2対向部122Bでは第1内側対向面102Bと第2内側対向面112Bが対向している。この各対向面102A,112A,102B,112Bも、環境温度の上昇によるヨーク21及びアダプタ80Cの膨張に伴い外側に移動する。
本実施形態では、締結部70C(ヨーク21)の膨張Fβがアダプタ80Cの膨張Fαよりも大きいため、第2内側対向面112A,112Bの外側への移動量は、第1内側対向面102A,102Bの外側への移動量に比べて大きくなる。このため、高温環境下においては、第2対向部122A,122Bにおいて、第1内側対向面102Aと第2内側対向面112A及び第1内側対向面102Bと第2内側対向面112Bは当接した状態となる(ΔX2=ΔX4=0となる)。
このように、メタルシール50の配設位置の外側に位置する第2対向部122Aでは第1内側対向面102Aと第2内側対向面112Aが当接し、また内側に位置する第2対向部122Bにおいても第1内側対向面102Bと第2内側対向面112Bが当接することにより、メタルシール50が広がろうとする動作の抵抗はその両側部において大きくなっている。
よって、スターリング冷凍機10が高温環境下に置かれた場合であっても、メタルシール50に発生する熱変形(クリープ)を低減することができる。これにより、シール装着面73、83間のメタルシールの厚みを確保でき、シールに必要な締結ボルト60の軸力を維持することができる。その結果、シール機構40Cにおけるシール性を維持することができ、メタルシール50の配設位置において作動ガスのリークを低減することができる。
なお、図5(B)に示す例においても、第1外側対向面101Bと第2外側対向面111Bが対向する第1対向部121Bには、間隙ΔX3が存在したままの状態となるが、この間隙ΔX3は一方が第2対向部122Aにより閉塞された微細な空間である。よって、この間隙ΔX2が問題になるようなことはない。
また、上記した実施形態では、α>βの時にはメタルシール50の配設位置の両側に第1対向部121A,121Bが形成されるよう構成し、α<βの時にはメタルシール50の配設位置の両側に第2対向部122A,122Bが形成されるよう構成したが、対向部をメタルシール50の配設位置の内側又は外側のいずれか一方にのみに設ける構成としても、一定のシール性の向上を図ることが可能である。
また、図4及び図5に示した例では、アダプタ80Cに凸部85A,85Bを形成すると共にヨーク21に凹部86A,86Bを形成した構成とした。しかしながら、アダプタに凹部を形成すると共にヨークに凸部を形成する構成としてもよい。
以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は上記した特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲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・変更が可能なものである。
10 スターリング冷凍機
11 圧縮機
12 コールドヘッド
13 キャピラリチューブ
21 ヨーク
22 保圧容器
23 圧縮ピストン
24 ピストン制御スプリング
25 可動コイル
26 永久磁石
28 圧縮空間
31 ハウジング部
32 ディスプレーサ
33 ディスプレーサ制御スプリング
34 膨張空間
40A,40B,40C シール機構
50 メタルシール
60 締結ボルト
70A,70B,70C 締結部
71A,71B,72A,72B 第1対向面
73 シール装着面
80A,80B,80C アダプタ
81A,81B,82A,82B 第2対向面
83 シール装着面
85A,85B 凸部
86A,86B 凹部
91A,91B,91C,92A,92B,92C 対向部
101A,101B 第1外側対向面
102A,102B 第1内側対向面
111A,111B 第2外側対向面
112A,112B 第2内側対向面
121A,121B 第1対向部
122A,122B 第2対向部
11 圧縮機
12 コールドヘッド
13 キャピラリチューブ
21 ヨーク
22 保圧容器
23 圧縮ピストン
24 ピストン制御スプリング
25 可動コイル
26 永久磁石
28 圧縮空間
31 ハウジング部
32 ディスプレーサ
33 ディスプレーサ制御スプリング
34 膨張空間
40A,40B,40C シール機構
50 メタルシール
60 締結ボルト
70A,70B,70C 締結部
71A,71B,72A,72B 第1対向面
73 シール装着面
80A,80B,80C アダプタ
81A,81B,82A,82B 第2対向面
83 シール装着面
85A,85B 凸部
86A,86B 凹部
91A,91B,91C,92A,92B,92C 対向部
101A,101B 第1外側対向面
102A,102B 第1内側対向面
111A,111B 第2外側対向面
112A,112B 第2内側対向面
121A,121B 第1対向部
122A,122B 第2対向部
Claims (8)
- 第1の線膨張係数を有し、内部に寒冷を発生させる冷媒ガスが装填される冷媒ガス空間を有する第1部材と、
前記第1部材とは異なる線膨張係数を有し、前記第1部材に締結される第2部材と、
前記第1部材と前記第2部材との間をシールするメタルシールとを有したスターリング冷凍機であって、
前記第1部材に締結方向に延在するよう形成された第1対向面と、前記第2部材に締結方向に延在するよう形成された第2対向面とにより構成され、前記第1対向面と前記第2対向面が対向する対向部を、前記第1部材と前記第2部材のうち、線膨張係数が大きい部材が内側に位置するように設けたことを特徴とするスターリング冷凍機。 - 前記第1部材は圧縮ピストンのシリンダとして機能するヨークであり、
前記第2部材はキャピラリチューブが接続するアダプタであり、
前記第1部材の線膨張係数に対して前記第2部材の線膨張係数を大きく設定し、
前記対向部において、前記第1対向面が前記第2対向面に対し外側に位置するよう構成したことを特徴とする請求項1記載のスターリング冷凍機。 - 前記対向部を前記メタルシールの配設位置の両側に設けたことを特徴とする請求項2記載のスターリング冷凍機。
- 前記第1部材は圧縮ピストンのシリンダとして機能するヨークであり、
前記第2部材はキャピラリチューブが接続するアダプタであり、
前記第2部材の線膨張係数に対して前記第1部材の線膨張係数を大きく設定し、
前記対向部において、前記第1対向面が前記第2対向面に対し内側に位置するよう構成したことを特徴とする請求項1記載のスターリング冷凍機。 - 前記対向部を前記メタルシールの配設位置の両側に設けたことを特徴とする請求項4記載のスターリング冷凍機。
- 前記第1部材又は前記第2部材のいずれか一方に締結方向に延在する第1外側対向面と第1内側対向面を有する凸部を形成し、
前記第1部材又は前記第2部材のいずれか他方に締結方向に延在する第2外側対向面と第2内側対向面を有し、前記凸部が挿入される凹部を形成し、
前記凸部が前記凹部に挿入された際、前記第1外側対向面と前記第2内側対向面とが対向する第1対向部と、前記第1内側対向面と前記第2外側対向面とが対向する第2対向部とが形成される構成とたことを特徴とする請求項1記載のスターリング冷凍機。 - 前記凸部と前記凹部を前記メタルシールの配設位置の両側に設けたことを特徴とする請求項6記載のスターリング冷凍機。
- 前記第1部材と前記第2部材を締結する締結部材を有し、
前記メタルシールの線膨張係数は、前記締結部材の線膨張係数よりも大きいことを特徴とする請求項1乃至7のいずれか一項に記載のスターリング冷凍機。
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Citations (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5036670A (en) * | 1990-01-18 | 1991-08-06 | Helix Technology Corporation | Cryogenic refrigerator with corner seal |
JPH074762A (ja) * | 1993-06-15 | 1995-01-10 | Daikin Ind Ltd | スターリング機関の熱損失低減構造 |
JPH08327172A (ja) * | 1995-06-05 | 1996-12-13 | Daikin Ind Ltd | スターリング冷凍機 |
JPH09170835A (ja) * | 1995-12-20 | 1997-06-30 | Daikin Ind Ltd | スターリング冷凍機及びその製造方法 |
JP2000179964A (ja) * | 1998-12-14 | 2000-06-30 | Sumitomo Heavy Ind Ltd | 冷凍機用コールドヘッド |
JP2002349347A (ja) * | 2001-05-22 | 2002-12-04 | Sharp Corp | スターリングエンジン |
JP2003004323A (ja) * | 2001-06-21 | 2003-01-08 | Cryodevice Inc | 冷凍機 |
JP2003172554A (ja) * | 2001-12-05 | 2003-06-20 | Fuji Electric Co Ltd | 逆スターリングサイクル冷凍機のリニアモータ型圧縮機 |
-
2012
- 2012-12-28 JP JP2012287854A patent/JP2014129940A/ja active Pending
Patent Citations (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5036670A (en) * | 1990-01-18 | 1991-08-06 | Helix Technology Corporation | Cryogenic refrigerator with corner seal |
JPH074762A (ja) * | 1993-06-15 | 1995-01-10 | Daikin Ind Ltd | スターリング機関の熱損失低減構造 |
JPH08327172A (ja) * | 1995-06-05 | 1996-12-13 | Daikin Ind Ltd | スターリング冷凍機 |
JPH09170835A (ja) * | 1995-12-20 | 1997-06-30 | Daikin Ind Ltd | スターリング冷凍機及びその製造方法 |
JP2000179964A (ja) * | 1998-12-14 | 2000-06-30 | Sumitomo Heavy Ind Ltd | 冷凍機用コールドヘッド |
JP2002349347A (ja) * | 2001-05-22 | 2002-12-04 | Sharp Corp | スターリングエンジン |
JP2003004323A (ja) * | 2001-06-21 | 2003-01-08 | Cryodevice Inc | 冷凍機 |
JP2003172554A (ja) * | 2001-12-05 | 2003-06-20 | Fuji Electric Co Ltd | 逆スターリングサイクル冷凍機のリニアモータ型圧縮機 |
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