JP2732686B2 - 冷凍機 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は、冷凍機に係り、特に、ギホード・マクマホ
ン形の冷凍機に関する。

（従来の技術） 極低温用の冷凍機には種々のタイプがある。これらの
中にギホード・マクマホン形の冷凍機がある。この冷凍
機は、通常、第２図に示すように構成されている。

すなわち、この冷凍機は大きく別けて、コールドヘッ
ド１と、冷媒ガス導排出系２とで構成されている。コー
ルドヘッド１は、閉じられたシリンダ11と、このシリン
ダ11内に往復動自在に収容されたディスプレーサ12と、
このディスプレーサ12に往復動に必要な動力を与えるモ
ータ13とで構成されている。

シリンダ11は、大径の第１シリンダ14と、この第１シ
リンダ14に同軸的に接続された小径の第２シリンダ15と
で構成されている。そして、第１シリンダ14と第２シリ
ンダ15との境界壁部分で冷却面としての１段ステージ16
を構成し、またシリンダ15の先端壁部分で１段ステージ
16より低温の２段ステージ17を構成している。ディスプ
レーサ12は、第１シリンダ14内を往復動する第１ディス
プレーサ18と、第２シリンダ15内を往復動する第２ディ
スプレーサ19とで構成されている。第１ディスプレーサ
18と第２ディスプレーサ19とは、連結部材20によって軸
方向に連結されている。第１ディスプレーサ18の内側に
は、軸方向に延びる流体通路21が形成されており、この
流体通路21には銅メッシュ等で形成された蓄冷材22が収
容されている。同様に、第２ディスプレーサ19の内側に
も軸方向に延びる流体通路23が形成されており、この流
体通路23には鉛の球などで形成された蓄冷材24が収容さ
れている。第１ディスプレーサ18の外周面と第１シリン
ダ14の内周面との間および第２ディスプレーサ19の外周
面と第２シリンダ15の内周面との間には、それぞれシー
ル機構25,26が装着されている。

シール機構25,26は、たとえばシール機構26を代表し
て示すと、第３図から第５図に示すように構成されてい
る。すなわち、第２ディスプレーサ19の外周面に形成さ
れた環状溝27内に外周面が第２シリンダ15の内周面に接
触するように有端形のシールリング28を装着するととも
にシールリング28の内側にシールリング28をシリンダ内
面に押付けるための有端形のばねリング29を装着したも
のとなっている。シールリング28は、通常、樹脂系の材
料で形成されており、その両端部には第５図に示すよう
に両端部相互を半径方向に重ね合わせる合い口部30が形
成されている。

第１ディスプレーサ18の図中上端は、連結ロッド31、
スコットヨークあるいはクランク軸32を介してモータ13
の回転軸に連結されている。したがって、モータ13の回
転軸が回転すると、この回転に同期してディスプレーサ
12が図中実線矢印33で示すように往復動する。

第１シリンダ14の側壁上部には冷媒ガスの導入口34と
排出口35とが設けてあり、これら導入口34と排出口35は
冷媒ガス導排出系２に接続されている。冷媒ガス導排出
系２は、シリンダ11を経由したヘリウムガス循環系を構
成するもので、排出口35を低圧弁36、圧縮機37、高圧弁
38を介して導入口34に接続したものとなっている。すな
わち、この冷媒ガス導排出系２は、低圧（約5atm）のヘ
リウムガスを圧縮機37で高圧（約18tm）に圧縮してシリ
ンダ11内に送り込むものである。そして、低圧弁36、高
圧弁38の開閉はディスプレーサ12の往復動との関連にお
いて後述する関係に制御される。

このように構成された冷凍機の動作を簡単に説明する
と以下の通りである。この冷凍機では寒冷の発生する部
分、つまり冷却面に供される部分は第１ステージ16と第
２ステージ17とである。これらは熱負荷のない場合にそ
れぞれ30K、8K程度まで冷える。このため、第１ディス
プレーサ18の図中上下端間には常温（300K）から30Kま
での温度勾配がつき、また第２ディスプレーサ19の図中
上下端間には30Kから8Kまでの温度勾配がつく。ただ
し、この温度は各段の熱負荷によって変化し、通常、１
段ステージ16では30〜80K、２段ステージ17では８〜20K
の間となる。

モータ13が回転を開始すると、ディスプレーサ12は下
死点と上死点との間を往復動する。ディスプレーサ12が
下死点にあるとき、高圧弁38が開いて高圧のヘリウムガ
スがコールドヘッド１内に流入する。次に、ディスプレ
ーサ12が上死点へと移動する。前述の如く、第１ディス
プレーサ18の外周面と第１シリンダ14の内周面との間お
よび第２ディスプレーサ19の外周面と第２シリンダ15の
内周面との間にはそれぞれシール機構25,26が装着され
ている。このため、ディスプレーサ12が上死点へと向か
うと、高圧のヘリウムガスは第１ディスプレーサ18に形
成された流体通路21および第２ディスプレーサ19に形成
された流体通路23を通って、第１ディスプレーサ18と第
２ディスプレーサ19との間に形成された１段膨張室39お
よび第２ディスプレーサ19と第２シリンダ15の先端壁と
の間に形成された２段膨張室40へと流れる。この流れに
伴って、高圧のヘリウムガスは蓄冷材22,24によって冷
却され、結局、１段膨張室39に流れ込んだ高圧ヘリウム
ガスは30K程度に、また２段膨張室40に流れ込んだ高圧
ヘリウムガスは8K程度に冷却される。ここで、高圧弁38
が閉じ、低圧弁36が開く。このように低圧弁36が開く
と、１段膨張室39内および２段膨張室40内の高圧ヘリウ
ムガスが膨張して寒冷を発生する。この寒冷によって第
１ステージ16および第２ステージ17が冷却される。そし
て、ディスプレーサ12が再び下死点へと移動し、これに
伴って１段膨張室39内および２段膨張室40内のヘリウム
ガスが排除される。膨張したヘリウムガスは流体通路2
1,23を通る間に蓄冷材22,24によって暖められ、常温と
なって排出される。以下、上述したサイクルが繰返され
て冷凍運転が行なわれる。このタイプの冷凍機は、超電
導マグネットの冷却や赤外線センサの冷却や、あるいは
またクライオポンプの冷却源として使用される。

しかしながら、上記のように構成された従来の冷凍機
にあっては次のような問題があった。すなわち、第１、
第２ディスプレーサ18,19に蓄冷材22,24を充填した際、
蓄冷材とディスプレーサの間にすき間が生じてしまうた
め、このすき間を通ってガスが流れた場合、ガスと蓄冷
材とが有効に熱交換できなくなってしまう。

今、１段膨張室39の温度が30K、２段膨張室40の温度
が10Kであったとした場合、ディスプレーサと蓄冷材の
すき間部分で漏れが生じると、30Kのヘリウムガスが第
２ディスプレーサ19内の蓄冷材25に接触することなく２
段膨張室40内に入り、また逆に10Kのヘリウムガスが１
段膨張室39内に入ることになる。この結果、１段ステー
ジ16の温度が下降し、２段ステージ17の温度が上昇して
しまうことになる。第６図にはヘリウムガスの漏れ量割
合（２段膨張室40へ流れ込むヘリウムガスの総量に対す
る漏れにより流れ込むヘリウムガスの割合）、と各段
（１段ステージ16、２段ステージ17）の温度との関係を
計算で求めた結果が示されている。

この図から判るように、ディスプレーサと蓄冷材のす
き間での漏れが各段ステージの温度に大きい影響を与え
る。

（発明が解決しようとする課題） 上述の如く、従来のギホード・マクマホン形の冷凍機
にあっては、ディスプレーサと蓄冷材のすき間からのガ
スの漏れにより、冷凍能力が低いという問題があった。

そこで、本発明は、このガス漏れを押えて、冷凍能力
を向上させることができる冷凍機を提供することを目的
としている。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 本発明は、上記目的を達成するために、本発明では蓄
冷材とディスプレーサの間のすき間に繊維状の素材を綿
状に形成した充填材をつめてガス漏れを防ぐものであ
る。

（作用） 蓄冷材とディスプレーサの間のすき間をガラス繊維、
セラミック繊維などの繊維状の素材を綿状に形成した充
填材で埋めることにより、ガス漏れを大幅に減らすこと
ができ、これによりガスと蓄冷材とが有効に熱交換でき
るようになる。

（実施例） 第１図に本願発明の実施例を示す。従来例を示す第２
図と同じところは同一番号を付して説明を省略する。

第１のディスプレーサ18、第２のディスプレーサ19に
銅メッシュ、鉛球の蓄冷材22,24を充填する際、あらか
じめ、第１のディスプレーサ18、第２のディスプレーサ
19の内部の周壁に沿って充填材47を入れておき、その
後、蓄冷材22,24の充填を行う。この充填材47は、繊維
素材としてガラス繊維、金属繊維、セラミック繊維など
の人口無機繊維を綿状に形成して充填材としたものであ
る。

このように蓄冷材22,24と第１のディスプレーサ18、
第２のディスプレーサ19とのそれぞれの間のすき間48に
上記の充填材47を埋めることによりガス漏れがなくな
り、蓄冷材22,24とガスが有効に熱交換できるようにな
る。

〔発明の効果〕

以上述べたように本発明によれば、充填材を蓄冷材と
ディスプレーサの間のすき間に埋めるだけでガス漏れを
大幅に減少できるため、簡単な構成で熱交換が有効に行
われるので、冷凍能力を向上させることができる等の優
れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本願発明に係る実施例を示す概略構成図、第２
図は従来の冷凍機の構成を示す概略構成図、第３図乃至
第５図は２段シールの構造を示す概略構成図、第６図は
従来の冷凍機のガスの漏れ量と冷凍温度の関係を示す特
性図である。 １…コールドヘッド、２…冷媒ガス導排出系、11…シリ
ンダ、12…ディスプレーサ、13…モータ、14…第１シリ
ンダ、15…第２シリンダ、16…第１ステージ、17…第２
ステージ、18…第１ディスプレーサ、19…第２ディスプ
レーサ、21,23…流体通路、22,24…蓄冷材、27…環状
溝、39…第１膨張室、40…第２膨張室、41…シール機
構、42,43…アウターシールリング、44…インナーシー
ルリング、45…ばねリング、46…切れ目、47…充填材、
48…すき間。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】閉じられたシリンダと、このシリンダ内に
   摺動自在に配置されるとともに内側に蓄冷材を収容した
   通路を有するディスプレーサと、このディスプレーサを
   往復動させる手段と、前記シリンダの一端側に設けられ
   た冷媒ガスの導入口および排出口と、前記ディスプレー
   サの往復動に関連させて前記導入口から前記シリンダ内
   に高圧の冷媒ガスを導入した後に前記排出口から排出さ
   せる行程を繰返す冷媒ガス導排出手段とを備えた冷凍機
   において、前記ディスプレーサと、このディスプレーサ
   内の前記蓄冷材の間のすき間に繊維状の素材を綿状に形
   成した充填材を設けてなることを特徴とする冷凍機。