JP2760928B2 - Regenerator refrigerator - Google Patents
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Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は冷凍機に関し、特にヘリ
ウム等のガス冷媒を用い、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。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a refrigerator, and more particularly to a refrigerator using a gas refrigerant such as helium and having a regenerator containing a regenerator material.
【０００２】[0002]
【従来の技術】ヘリウム等のガス冷媒を用い、蓄冷材を
収容した蓄冷器を有する蓄冷器式冷凍機としては、ギフ
ォードマクマホン（ＧＭ）サイクル冷凍機、（逆）スタ
ーリングサイクル冷凍機等が知られている。以下、制限
的な意味なく、ギフォードマクマホン（ＧＭ）冷凍機を
例にとって説明する。2. Description of the Related Art As a regenerator refrigerator using a gas refrigerant such as helium and containing a regenerator material, a Gifford McMahon (GM) cycle refrigerator and a (reverse) Stirling cycle refrigerator are known. ing. Hereinafter, a description will be given of a Gifford McMahon (GM) refrigerator without limitation.
【０００３】ＧＭ冷凍機は、ヘリウムガス圧縮機からの
ガス流路を弁を用いて制御し、膨張空間でヘリウムガス
を膨張させることによって寒冷を得る。極低温を得るに
は、通常、複数段階の構成を用いる。ジュールトムソン
（ＪＴ）弁機構と組み合わせれば、液体ヘリウム温度を
得ることもできる。[0003] The GM refrigerator controls a gas flow path from a helium gas compressor using a valve, and obtains cold by expanding helium gas in an expansion space. To obtain cryogenic temperatures, a multi-stage configuration is usually used. When combined with a Joule-Thomson (JT) valve mechanism, liquid helium temperature can also be obtained.
【０００４】半導体装置製造用のスパッタリング装置等
で清浄な真空を得たい場合、クライオポンプが用いられ
る。近年、クライオポンプ用冷凍機としてＧＭ式冷凍機
が用いられている。勿論、ＧＭ式冷凍機はクライオポン
プに限らず、種々の目的に使用することができる。When it is desired to obtain a clean vacuum with a sputtering device for manufacturing semiconductor devices, a cryopump is used. In recent years, GM refrigerators have been used as cryopump refrigerators. Of course, the GM refrigerator can be used not only for the cryopump but also for various purposes.
【０００５】図４に、ＧＭ式冷凍機の構成例を概略的に
示す。２段構成で数Ｋ〜２０Ｋ程度の極低温を得るのに
適した構成である。ヘリウム圧縮機５１は、ヘリウムガ
スを２０数Ｋｇ／ｃｍ2 に圧縮し、高圧ヘリウムガスを
供給する。高圧ヘリウムガスは、吸気弁Ｖ１、ガス配管
５７を介して第１段目シリンダ５２内に供給される。第
１段目シリンダ５２には、第２段目シリンダ５３が結合
されている。FIG. 4 schematically shows a configuration example of a GM refrigerator. This is a configuration suitable for obtaining an extremely low temperature of about several K to 20 K in a two-stage configuration. The helium compressor 51 compresses helium gas to more than 20 kg / cm 2 and supplies high-pressure helium gas. The high-pressure helium gas is supplied into the first-stage cylinder 52 via the intake valve V1 and the gas pipe 57. A second-stage cylinder 53 is connected to the first-stage cylinder 52.
【０００６】第１段目シリンダ５２、第２段目シリンダ
５３内には、結合された第１段目ディスプレーサ５４、
第２段目ディスプレーサ５５がそれぞれ収容されてい
る。第１段目シリンダ５２からは、軸部材Ｓ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５６と結
合している。A first-stage displacer 54, which is connected to a first-stage cylinder 52 and a second-stage cylinder 53,
The second-stage displacers 55 are respectively housed. The shaft member S extends upward from the first-stage cylinder 52 and is connected to a crank mechanism 56 connected to the drive motor M.
【０００７】第１段目ディスプレーサ５４、第２段目デ
ィスプレーサ５５は、それぞれ蓄冷材５８、５９を収容
する中空空間を有し、外部と中空空間を接続するガス流
路６８、６９を有している。The first-stage displacer 54 and the second-stage displacer 55 have hollow spaces for accommodating cold storage materials 58 and 59, respectively, and have gas channels 68 and 69 connecting the outside and the hollow spaces. I have.
【０００８】また、第１段目ディスプレーサ５４、第２
段目ディスプレーサ５５と、第１段目シリンダ５２、第
２段目シリンダ５３との間には、膨張空間６２、６７が
画定されている。The first-stage displacer 54, the second-stage displacer
Expansion spaces 62 and 67 are defined between the stage displacer 55 and the first stage cylinder 52 and the second stage cylinder 53.
【０００９】通常、第１段目シリンダ５２、第２段目シ
リンダ５３は、十分な強度、低い熱伝導率、十分なヘリ
ウムガス遮蔽能を有するステンレス綱（たとえばＳＵＳ
３０４）等によって形成される。Usually, the first-stage cylinder 52 and the second-stage cylinder 53 are made of stainless steel (for example, SUS) having sufficient strength, low thermal conductivity, and sufficient helium gas shielding ability.
304) and the like.
【００１０】また、第１段目ディスプレーサ５４、第２
段目ディスプレーサ５５は、比重が軽く、十分な耐摩耗
性、比較的高い強度を有する布入りフェノール（ベーク
ライト）等によって形成される。The first stage displacer 54 and the second stage displacer 54
The stage displacer 55 is formed of a cloth-containing phenol (bakelite) having a low specific gravity, sufficient abrasion resistance, and relatively high strength.
【００１１】ヘリウム圧縮機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、ガス流路５７を介し
て第１段目シリンダ５２内に供給され、ガス流路６８
ａ、金網等で構成された第１段目用蓄冷材５８、ガス流
路６８ｂを通って、第１段目膨張空間６２に供給され
る。The high-pressure helium gas supplied from the helium compressor 51 through the intake valve V1 is supplied into the first-stage cylinder 52 through the gas passage 57, and the gas passage 68
a, a first-stage cold storage material 58 composed of a wire mesh or the like, and a gas flow passage 68b, and are supplied to the first-stage expansion space 62.
【００１２】第１段目膨張空間６２の圧縮ヘリウムガス
は、さらにガス流路６９ａ、鉛球等で構成された第２段
目用蓄冷材５９、ガス流路６９ｂを通って第２段目の膨
張空間６７に供給される。The compressed helium gas in the first-stage expansion space 62 further passes through a gas passage 69a, a second-stage cold storage material 59 composed of lead balls and the like, and a gas passage 69b, thereby expanding the second-stage expansion gas. It is supplied to the space 67.
【００１３】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５３、第１段目シリンダ５２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５７、排気弁Ｖ２を介してヘリウム圧縮機
５１に回収される。When the intake valve V1 is closed and the exhaust valve V2 is opened, the high-pressure helium gas in the second-stage cylinder 53 and the first-stage cylinder 52 follows a gas pipe following a reverse path to that for intake. 57, collected by the helium compressor 51 via the exhaust valve V2.
【００１４】ＧＭ式冷凍機の作動時においては、駆動用
モータＭの回転によって第１段目ディスプレーサ５４、
第２段目ディスプレーサ５５が上下に駆動される。第１
段目ディスプレーサ５４、第２段目ディスプレーサ５５
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５２、第２段目シリンダ５３
内に供給される。During operation of the GM type refrigerator, the first stage displacer 54,
The second stage displacer 55 is driven up and down. First
Stage displacer 54, second stage displacer 55
Is driven downward, the intake valve V1 is opened, and high-pressure helium gas is supplied to the first-stage cylinder 52 and the second-stage cylinder 53.
Supplied within.
【００１５】駆動用モータＭによって第１段目ディスプ
レーサ５４、第２段目ディスプレーサ５５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
リウムガスはヘリウム圧縮機５１に回収され、第１段目
シリンダ５２、第２段目シリンダ５３内の膨張空間は低
圧になる。When the first-stage displacer 54 and the second-stage displacer 55 are driven upward by the drive motor M, the intake valve V1 is closed, the exhaust valve V2 is opened, and the helium gas is supplied to the helium compressor 51. The pressure is recovered and the expansion space in the first-stage cylinder 52 and the second-stage cylinder 53 becomes low pressure.
【００１６】この時、膨張空間６２、６７においては、
ヘリウムガスの膨張によって寒冷が発生する。冷却され
たヘリウムガスは、蓄冷材５９、５８を通って蓄冷材を
冷却する。At this time, in the expansion spaces 62 and 67,
Cold occurs due to the expansion of the helium gas. The cooled helium gas passes through the cold storage materials 59 and 58 to cool the cold storage material.
【００１７】次の吸気工程で供給される高圧ヘリウムガ
スは、蓄冷材５８、５９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５２の膨張空間６２が、たとえば液体窒素温
度〜１００Ｋ程度の温度に保たれ、第２段目シリンダ５
３の膨張空間６７の温度は数Ｋ〜２０Ｋ程度の温度に保
たれる。The high-pressure helium gas supplied in the next intake step is cooled by being supplied through regenerators 58 and 59. The expansion of the cooled helium gas further promotes cooling. In a steady state, the expansion space 62 of the first-stage cylinder 52 is maintained at a temperature of, for example, liquid nitrogen temperature to about 100 K, and the second-stage cylinder 5
The temperature of the third expansion space 67 is maintained at a temperature of about several K to 20K.
【００１８】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６１が熱的に結合されてお
り、第２段目シリンダ５３の下部分を囲んで、第２段目
用のヒートステーション６６が熱的に結合している。A first stage heat station 61 is thermally coupled around the lower part of the first stage cylinder, and surrounds a lower portion of the second stage cylinder 53 so as to surround the second stage cylinder 53. Heat stations 66 are thermally coupled.
【００１９】第１段目ヒートステーション６１は、たと
えばクライオパネル等に結合され、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６６は、たと
えば活性炭等の吸着材を収容する吸着塔に結合され、残
留ガス分子の吸着を行なう。このような構成を有するク
ライオポンプは、スパッタリング装置等において清浄な
真空を形成するために用いられる。The first-stage heat station 61 is connected to, for example, a cryopanel or the like, and adsorbs gas molecules. The second-stage heat station 66 is connected to an adsorption tower containing an adsorbent such as activated carbon, for example, to adsorb residual gas molecules. The cryopump having such a configuration is used for forming a clean vacuum in a sputtering apparatus or the like.
【００２０】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
ンダ下部に通過されるように設計されている。ディスプ
レーサとシリンダの間の隙間を、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の間
には気密機構が形成される。In such a configuration, the gas supplied from the upper part of the cylinder is designed to pass through the inside of the displacer and pass to the lower part of the cylinder. In order to prevent helium gas from passing through the gap between the displacer and the cylinder, an airtight mechanism is formed between the cylinder and the displacer.
【００２１】図４において、第１段目ディスプレーサ５
４と第１段目シリンダ５２の間に示したシールリング７
１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。In FIG. 4, the first stage displacer 5
4 and the seal ring 7 shown between the first-stage cylinder 52
1 forms this airtight mechanism in the first stage cylinder.
【００２２】図示していないが、第２段目ディスプレー
サ５５と第２段目シリンダ５３の間にも同様のシールリ
ングが配置される。図７（Ａ）、（Ｂ）に、第２段目に
配置するディスプレーサの構成例を示す。図７（Ａ）に
示すように、布入りフェノール樹脂で形成されたディス
プレーサ本体７５は、円筒状形状を有し、その外周にシ
ールリングを収容するための円周方向の溝７６が形成さ
れている。また、ディスプレーサ本体７５の下の部分に
は、ガス流路を形成するための開口７７も形成されてい
る。Although not shown, a similar seal ring is disposed between the second stage displacer 55 and the second stage cylinder 53. FIGS. 7A and 7B show a configuration example of a displacer arranged in the second stage. As shown in FIG. 7A, a displacer body 75 made of cloth-containing phenol resin has a cylindrical shape, and a circumferential groove 76 for accommodating a seal ring is formed on the outer periphery thereof. I have. An opening 77 for forming a gas flow path is also formed in a lower portion of the displacer body 75.
【００２３】ディスプレーサ本体７５下端には、布入り
フェノール樹脂等で形成された蓋部材７８が挿入され、
ディスプレーサ本体７５と接着されている。蓋部材７８
は盲蓋であり、ディスプレーサ本体７５の下端の開口を
気密に閉じる。At the lower end of the displacer body 75, a lid member 78 made of phenolic resin containing cloth is inserted.
It is adhered to the displacer body 75. Lid member 78
Denotes a blind lid, which hermetically closes the opening at the lower end of the displacer body 75.
【００２４】蓋部材７８の上面は、ガス流路７７よりわ
ずか下に配置されており、蓋部材７８の上に金網７９が
配置される。この金網７９の高さは、ガス流路７７の位
置と整合している。The upper surface of the cover member 78 is disposed slightly below the gas flow channel 77, and a wire net 79 is disposed on the cover member 78. The height of the wire net 79 is aligned with the position of the gas flow channel 77.
【００２５】金網７９の上にはフェルト栓８１が配置さ
れ、フェルト栓８１の上に鉛球等の蓄冷材５９が充填さ
れる。蓄冷材５９の上方には、フェルト栓８２が配置さ
れ、その上にパンチングメタル８３が配置されている。A felt plug 81 is arranged on the wire mesh 79, and the felt plug 81 is filled with a cold storage material 59 such as a lead ball. Above the cold storage material 59, a felt plug 82 is disposed, and a punching metal 83 is disposed thereon.
【００２６】パンチングメタル８３の上方からは、布入
りフェノール樹脂等で形成された他の蓋部材８４が挿入
され、ディスプレーサ本体７５に接着されている。な
お、蓋部材７８、８４は布入りフェノール樹脂以外の材
料で構成することもできるが、ディスプレーサの運動性
のためには比重の小さい材料が好ましい。From above the punching metal 83, another cover member 84 made of phenolic resin containing cloth is inserted, and is adhered to the displacer body 75. The lid members 78 and 84 can be made of a material other than the cloth-containing phenolic resin, but a material having a small specific gravity is preferable for the mobility of the displacer.
【００２７】図７（Ｂ）は、ディスプレーサ本体７５と
シリンダ５３の間に配置されるシールリングの構成を示
す。ディスプレーサ本体７５の溝７６内に、内側にエキ
スパンダリング８６、外側にピストンリング８７が収容
される。FIG. 7B shows a configuration of a seal ring disposed between the displacer body 75 and the cylinder 53. In the groove 76 of the displacer body 75, an expander ring 86 is housed inside and a piston ring 87 is housed outside.
【００２８】エキスパンダリング８６は、ピストンリン
グ８７を外方向に押圧し、ピストンリング８７とシリン
ダ５３の間の気密を保持するようにする。なお、ピスト
ンリング８７、エキスパンダリング８６共に熱変形を許
容するように、切欠が設けられている。The expander ring 86 presses the piston ring 87 outward so that the airtightness between the piston ring 87 and the cylinder 53 is maintained. Notches are provided in both the piston ring 87 and the expander ring 86 to allow thermal deformation.
【００２９】[0029]
【発明が解決しようとする課題】以上説明したような蓄
冷器式冷凍機において、最低到達温度が設計値に達しな
かったり、変動したりすることがある。In the regenerative refrigerator described above, the lowest temperature may not reach the designed value or may fluctuate.
【００３０】このように、所定の冷凍性能が得られない
場合、冷凍機を分解し、低温部に配置されるディスプレ
ーサとシリンダ間のシールリング（たとえば、図４の構
成において、第２段目ディスプレーサ５５と第２段目シ
リンダ５３の間に配置される図７（Ｂ）に示すエキスパ
ンダリング８６とピストンリング８７との組み合わせに
よるシールリング）を交換すると、所定の冷凍性能が得
られる場合がある。このような経験から判断すると、冷
凍性能の低下は、低温部の気密機構に大きな影響を受け
ることが推察される。As described above, when the predetermined refrigeration performance cannot be obtained, the refrigerator is disassembled and the seal ring between the displacer and the cylinder disposed in the low-temperature section (for example, in the configuration of FIG. When the seal ring formed by combining the expander ring 86 and the piston ring 87 shown in FIG. 7B disposed between the second stage cylinder 53 and the second stage cylinder 53) is replaced, a predetermined refrigeration performance may be obtained. . Judging from such experience, it is inferred that the deterioration of the refrigeration performance is greatly affected by the airtight mechanism in the low-temperature portion.
【００３１】本発明の目的は、良好で安定した冷凍機能
を有する蓄冷器式冷凍機を提供することである。An object of the present invention is to provide a regenerative refrigerator having a good and stable refrigeration function.
【００３２】[0032]
【課題を解決するための手段】本発明の蓄冷器式冷凍機
は、熱伝導率が低く、気密性の高い材料で形成されたシ
リンダと、前記シリンダ内に配置され、剛性が高く、前
記シリンダの材料と線膨張率がほぼ等しい材料で形成さ
れ、内部に気体流路を有するディスプレーサ本体と、前
記気体流路内に充填された蓄冷材と、前記ディスプレー
サ本体を被覆し、その上に固着された布入りフェノール
からなる耐摩耗性樹脂部材とを有する。According to the present invention, there is provided a regenerator-type refrigerator having a cylinder formed of a material having a low thermal conductivity and a high airtightness, a cylinder disposed in the cylinder, having a high rigidity, and having a high rigidity. A displacer body formed of a material having a coefficient of linear expansion substantially equal to that of the material and having a gas flow path therein, a regenerator material filled in the gas flow path, and covering the displacer body, and being fixed thereon. And a wear-resistant resin member made of phenol with a cloth.
【００３３】耐摩耗性樹脂部材は、表面に凹凸形状のラ
ビリンスシール機構を有することが好ましい。It is preferable that the abrasion-resistant resin member has a labyrinth seal mechanism having an uneven surface.
【００３４】[0034]
【作用】シリンダとディスプレーサ本体とが線膨張率の
ほぼ等しい材料で形成されるため、常温から低温に冷却
しても、両者間のクリアランスの変化が小さくなる。デ
ィスプレーサ本体は、耐摩耗性樹脂部材によって被覆さ
れているため、シリンダ内でのディスプレーサの滑動性
は十分得られる。Since the cylinder and the displacer body are formed of a material having substantially the same coefficient of linear expansion, the change in the clearance between them becomes small even if the cylinder is cooled from room temperature to low temperature. Since the displacer body is covered with a wear-resistant resin member, the displacer can sufficiently slide in the cylinder.
【００３５】また、耐摩耗性樹脂部材は、ディスプレー
サ本体に固着されているため、冷却による耐摩耗性樹脂
部材の収縮はディスプレーサ本体によって制限される。
このため、耐摩耗性樹脂部材とシリンダ間のクリアラン
スの変化は小さい。Further, since the wear-resistant resin member is fixed to the displacer body, shrinkage of the wear-resistant resin member due to cooling is limited by the displacer body.
Therefore, a change in the clearance between the wear-resistant resin member and the cylinder is small.
【００３６】耐摩耗性樹脂部材表面にラビリンスシール
機構を設けると、耐摩耗性樹脂部材とシリンダ間の気密
性が向上する。When the labyrinth seal mechanism is provided on the surface of the wear-resistant resin member, the airtightness between the wear-resistant resin member and the cylinder is improved.
【００３７】[0037]
【実施例】図１に、本発明の実施例による蓄冷器式冷凍
機の基本構成を示す。シリンダ１は、ステンレス等の熱
伝導率が低く、気密性の高い剛性材料で形成されてい
る。シリンダ１内には、ディスプレーサ本体２とその表
面に固着された耐摩耗性樹脂部材３で形成されたディス
プレーサが配置されている。FIG. 1 shows a basic configuration of a regenerative refrigerator according to an embodiment of the present invention. The cylinder 1 is formed of a rigid material having low thermal conductivity and high airtightness, such as stainless steel. A displacer formed of a displacer main body 2 and a wear-resistant resin member 3 fixed to the surface thereof is disposed in the cylinder 1.
【００３８】ディスプレーサ本体２は、剛性が高く、シ
リンダ１と線膨張率がほぼ等しい材料で形成される。た
とえば、シリンダ１とディスプレーサ本体２とをステン
レス（たとえばＳＵＳ３０４）で形成する。The displacer main body 2 is formed of a material having high rigidity and a linear expansion coefficient substantially equal to that of the cylinder 1. For example, the cylinder 1 and the displacer main body 2 are formed of stainless steel (for example, SUS304).
【００３９】ディスプレーサ本体２は、中空構造であ
り、その内部に気体流路５を形成している。この気体流
路５に作動温度において高い熱容量を有する蓄冷材６が
収容される。ディスプレーサとシリンダ１の下端の間に
は、膨張空間８が画定される。The displacer body 2 has a hollow structure, and has a gas passage 5 formed therein. The gas flow path 5 accommodates a cold storage material 6 having a high heat capacity at an operating temperature. An expansion space 8 is defined between the displacer and the lower end of the cylinder 1.
【００４０】上方から供給される冷媒ガスは、ディスプ
レーサ本体２内の気体流路５を通って膨張空間８に供給
される。この気体が膨張して再び上方に回収される時
は、膨張によって冷却された冷媒ガスは気体流路５を通
って回収され、その際に蓄冷材６を冷却する。The refrigerant gas supplied from above is supplied to the expansion space 8 through the gas passage 5 in the displacer body 2. When this gas expands and is collected again upward, the refrigerant gas cooled by the expansion is collected through the gas passage 5 and cools the cold storage material 6 at that time.
【００４１】耐摩耗性樹脂部材３は、布入りフェノール
等で構成され、シリンダ１、ディスプレーサ本体２の線
膨張係数とは大きく異なる線膨張係数を有する。しかし
ながら、常温から低温に冷却される際、耐摩耗性樹脂部
材３の収縮は、その内側に配置されたディスプレーサ本
体２によって制限される。The wear-resistant resin member 3 is made of cloth-containing phenol or the like, and has a linear expansion coefficient greatly different from that of the cylinder 1 and the displacer body 2. However, when cooled from room temperature to low temperature, shrinkage of the wear-resistant resin member 3 is limited by the displacer body 2 disposed inside the wear-resistant resin member 3.
【００４２】ディスプレーサ本体２の剛性が高いため、
耐摩耗性樹脂部材３の収縮は著しく制限される。耐摩耗
性樹脂部材３の厚さ自身は極めて小さなものでよいた
め、耐摩耗性樹脂部材３の厚さの変化は微小である。シ
リンダ１とディスプレーサ本体２とはほぼ等しくて線膨
張係数を有するため、常温から低温に冷却してもその相
対的位置関係はあまり変化しない。Since the rigidity of the displacer body 2 is high,
Shrinkage of the wear-resistant resin member 3 is significantly limited. Since the thickness itself of the wear-resistant resin member 3 may be extremely small, a change in the thickness of the wear-resistant resin member 3 is very small. Since the cylinder 1 and the displacer main body 2 have substantially the same linear expansion coefficient as each other, the relative positional relationship does not change much even when the cylinder 1 is cooled from room temperature to low temperature.
【００４３】したがって、耐摩耗性樹脂部材３とシリン
ダ１との間のクリアランスを十分小さなものとすること
ができ、ディスプレーサ外周部を通る冷媒ガスの漏れを
十分小さなものとすることができる。Therefore, the clearance between the wear-resistant resin member 3 and the cylinder 1 can be made sufficiently small, and leakage of the refrigerant gas passing through the outer periphery of the displacer can be made sufficiently small.
【００４４】耐摩耗性樹脂部材３の外周表面に、ラビリ
ンスシール機構を設ければ、耐摩耗性樹脂部材３外周と
シリンダ１内周の間の間隙を通る冷媒ガスの漏れをさら
に小さくすることができる。If a labyrinth seal mechanism is provided on the outer peripheral surface of the wear-resistant resin member 3, leakage of the refrigerant gas passing through the gap between the outer periphery of the wear-resistant resin member 3 and the inner periphery of the cylinder 1 can be further reduced. it can.
【００４５】従来技術で説明した蓄冷器式冷凍機のディ
スプレーサは、布入りフェノール等で形成されていたた
め、ステンレス等で形成されたシリンダと線膨張係数の
差が大きかった。Since the displacer of the regenerative refrigerator described in the prior art is formed of phenol or the like containing cloth, the difference in linear expansion coefficient between the displacer and the cylinder formed of stainless steel or the like is large.
【００４６】常温から低温に冷却すると、熱収縮の差が
大きく、ディスプレーサとシリンダ間のクリアランスを
小さくすることはできなかった。このため、シールリン
グを用いていたが、シールリングの材質としては弾性が
必要であり、シリンダと同一材料を用いることはできな
い。When cooled from room temperature to low temperature, the difference in thermal shrinkage was large, and the clearance between the displacer and the cylinder could not be reduced. For this reason, a seal ring has been used. However, the material of the seal ring requires elasticity, and the same material as the cylinder cannot be used.
【００４７】シールリング材質は一般にシリンダ材質よ
りも線膨張係数が大きく、冷凍機の温度低下に伴ってシ
リンダとは異なる熱収縮を示す。この熱変形の相違によ
り、ディスプレーサとシリンダ間の間隙が大きくなっ
て、冷媒ガスの漏れ量が増大するものと考えられる。The material of the seal ring generally has a larger coefficient of linear expansion than the material of the cylinder, and exhibits heat contraction different from that of the cylinder as the temperature of the refrigerator decreases. It is considered that the difference between the thermal deformations increases the gap between the displacer and the cylinder, thereby increasing the amount of refrigerant gas leakage.
【００４８】また、ディスプレーサが上下に駆動される
際、シールリングが溝の中で回転運動可能であり、ピス
トンリングとエキスパンダのずれ等が生じると、シール
性能が不安定となる。このような原因により、最低到達
温度が高くなったり、変動したりしたものと考えられ
る。Further, when the displacer is driven up and down, the seal ring can rotate in the groove, and if the piston ring and the expander are displaced, the sealing performance becomes unstable. It is considered that the minimum temperature was increased or fluctuated due to such a cause.
【００４９】本実施例においては、低温部にシールリン
グを用いる必要がなくなるため、上述のような冷却によ
る気密性能の劣化が生じにくい。以下、図２、図３を参
照して、ステンレスで構成したシリンダ内に配置するデ
ィスプレーサの２つの構成例を示す。In this embodiment, since it is not necessary to use a seal ring in the low-temperature portion, the deterioration of the airtightness due to the cooling as described above does not easily occur. Hereinafter, with reference to FIG. 2 and FIG. 3, two configuration examples of a displacer arranged in a cylinder made of stainless steel will be described.
【００５０】図２に示すディスプレーサにおいては、ス
テンレスで形成された円筒状のディスプレーサ本体２の
表面上に、布入りフェノールで形成された耐摩耗性樹脂
部材３が接着されている。ディスプレーサ本体２は、シ
リンダと同じ材質（たとえばＳＵＳ３０４ステンレス）
で形成される。In the displacer shown in FIG. 2, an abrasion-resistant resin member 3 made of cloth-containing phenol is adhered on the surface of a cylindrical displacer body 2 made of stainless steel. The displacer body 2 is made of the same material as the cylinder (for example, SUS304 stainless steel)
Is formed.
【００５１】たとえば、シリンダの内径が２５ｍｍの場
合、耐摩耗性樹脂部材３の外径は２５ｍｍ、内径は２４
ｍｍ、ディスプレーサ本体２の内径は２２ｍｍとし、シ
リンダ内面と耐摩耗性樹脂部材３外周面との間の公差は
合わせて３０〜５０μｍとする。For example, when the inner diameter of the cylinder is 25 mm, the outer diameter of the wear-resistant resin member 3 is 25 mm, and the inner diameter is 24 mm.
mm, the inner diameter of the displacer body 2 is 22 mm, and the total tolerance between the inner surface of the cylinder and the outer peripheral surface of the wear-resistant resin member 3 is 30 to 50 μm.
【００５２】ディスプレーサ本体２は、円形パイプ状の
形状を有するため、その上下端は開放している。ディス
プレーサ本体２の下端には、布入りフェノール等で形成
された蓋部材１１が挿入接着され、その上に金網１３が
配置され、その上にフェルト栓１４が配置されている。Since the displacer body 2 has a circular pipe shape, its upper and lower ends are open. A lid member 11 made of cloth-containing phenol or the like is inserted and adhered to the lower end of the displacer main body 2, a wire mesh 13 is disposed thereon, and a felt plug 14 is disposed thereon.
【００５３】フェルト栓１４の上には、たとえば鉛球で
形成された蓄冷材１５が充填される。蓄冷材１５の上に
は、布入りフェノールで形成された他の蓋部材１９が挿
入接着され、蓄冷材１５を上下から保持する。The felt plug 14 is filled with a cold storage material 15 formed of, for example, lead balls. Another lid member 19 made of cloth-containing phenol is inserted and adhered onto the cold storage material 15 to hold the cold storage material 15 from above and below.
【００５４】なお、上方の蓋部材１９の下端には、フェ
ルト栓１６とパンチングメタル１７がはめ込み配置され
ている。なお、蓋部材１１、１９の中央部には、垂直方
向にガス流路を構成する貫通孔が形成されている。At the lower end of the upper lid member 19, a felt plug 16 and a punching metal 17 are fitted and arranged. At the center of the lid members 11 and 19, a through-hole forming a gas flow path in the vertical direction is formed.
【００５５】また、上方に配置される蓋部材１９には、
第１段目ディスプレーサと結合するための結合機構が形
成される。なお、ディスプレーサ本体２内に配置される
蓋部材１１、１９、シール部材１３、１４、１６、１
７、蓄冷材１５は、他の材料で形成してもよい。たとえ
ば、蓄冷材として磁性体を用いて冷凍機能を高めること
もできる。Further, the lid member 19 arranged above has
A coupling mechanism for coupling to the first stage displacer is formed. In addition, the lid members 11 and 19 and the sealing members 13, 14, 16, and 1 disposed in the displacer main body 2.
7. The cold storage material 15 may be formed of another material. For example, a refrigeration function can be enhanced by using a magnetic material as a cold storage material.
【００５６】ディスプレーサの軸方向の長さは、たとえ
ば１５０〜１６０ｍｍ程度である。また、蓋部材１１、
１９に設ける貫通孔は、最も細い部分でたとえば直径
４．５ｍｍ程度である。The axial length of the displacer is, for example, about 150 to 160 mm. Also, the lid member 11,
The through hole provided in 19 is the thinnest part and has a diameter of, for example, about 4.5 mm.
【００５７】図３は、ディスプレーサの他の構成例を示
す。ディスプレーサ本体２の外周上に耐摩耗性樹脂部材
３ａが接着されている点は、図２のディスプレーサと同
様である。FIG. 3 shows another example of the structure of the displacer. The point that the wear-resistant resin member 3a is adhered on the outer periphery of the displacer body 2 is the same as the displacer of FIG.
【００５８】本構成においては、耐摩耗性樹脂部材３ａ
の表面に、円周方向に多数の溝が形成され、ラビリンス
シール機構４を構成している。この溝は、たとえば幅約
３ｍｍ程度、深さ約１ｍｍ程度である。ディスプレーサ
の耐久性、滑動性を確保するため、耐摩耗性樹脂部材３
ａの上端部分および下端部分にはラビリンスシール機構
４を設けない。In this construction, the wear-resistant resin member 3a
A large number of grooves are formed in the circumferential direction on the surface of the labyrinth seal mechanism 4. This groove has a width of about 3 mm and a depth of about 1 mm, for example. In order to ensure the durability and slidability of the displacer, a wear-resistant resin member 3
The labyrinth seal mechanism 4 is not provided at the upper end portion and the lower end portion of “a”.
【００５９】蓋部材１１、１９は、図２の構成例同様、
布入りフェノール等で形成されるが、図２の場合と比
べ、その軸方向距離が短くされている。また、上方に配
置されるフェルト栓１６およびパンチングメタル１７
は、蓋部材１９の内部ではなく、蓄冷材１５と蓋部材１
９の間に配置されている。The lid members 11 and 19 are similar to the configuration example of FIG.
It is formed of cloth-containing phenol or the like, but its axial distance is shorter than that of FIG. Further, the felt plug 16 and the punching metal 17 arranged above
Is not inside the lid member 19, but the cold storage material 15 and the lid member 1
9 are arranged.
【００６０】図２、図３に示すようなディスプレーサの
構成によれば、シールリングを収容する必要がないた
め、ディスプレーサ本体２と耐摩耗性樹脂部材３の合計
厚さを小さくすることができる。According to the structure of the displacer shown in FIGS. 2 and 3, it is not necessary to accommodate the seal ring, so that the total thickness of the displacer body 2 and the wear-resistant resin member 3 can be reduced.
【００６１】このことは、ディスプレーサ内の蓄冷材収
容空間を増大できることを意味する。蓄冷材の増量は、
冷凍能力の増大につながる。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。This means that the space for accommodating the cold storage material in the displacer can be increased. The increase in the amount of cold storage material
This leads to an increase in refrigeration capacity. Further, since a seal ring is not required, the number of parts is reduced, and the assembling process is simplified.
【００６２】図２、図３に示すようなディスプレーサ
は、図４に示すようなＧＭ式冷凍機の第２段目シリンダ
５３内に配置される。なお、図４に示すＧＭ式冷凍機に
ついてはすでに説明したので、ここでは説明を省略す
る。The displacer as shown in FIGS. 2 and 3 is arranged in the second stage cylinder 53 of the GM refrigerator as shown in FIG. Since the GM refrigerator shown in FIG. 4 has already been described, the description thereof is omitted here.
【００６３】なお、２段型蓄冷器式冷凍機の第２段に、
図２、図３のディスプレーサを配置する場合を説明した
が、同様のディスプレーサを他の構成の蓄冷器式冷凍機
に適用することも可能である。In the second stage of the two-stage regenerative refrigerator,
Although the case where the displacers of FIGS. 2 and 3 are arranged has been described, a similar displacer may be applied to a regenerator having another configuration.
【００６４】なお、図４の構成のＧＭ式冷凍機におい
て、第２段目ディスプレーサ５５として、図３の構成例
を用いた場合と、従来技術による図７の構成例を用いた
場合についてそれぞれ冷却特性を測定した。なお、ディ
スプレーサのストロークは３０ｍｍとし、蓄冷材として
は径０．４〜０．５ｍｍの鉛粒を用い、ディスプレーサ
の回転数は７２ｒｐｍとした。In the GM refrigerator having the configuration shown in FIG. 4, cooling is performed when the configuration example shown in FIG. 3 is used as the second-stage displacer 55 and when the configuration example shown in FIG. The properties were measured. The stroke of the displacer was 30 mm, lead particles having a diameter of 0.4 to 0.5 mm were used as the cold storage material, and the rotation speed of the displacer was 72 rpm.
【００６５】図５（Ａ）、（Ｂ）は、冷却試験における
測定結果を示す。図５（Ａ）、（Ｂ）において、それぞ
れ曲線ａは第１段目膨張空間の温度の時間変化を示し、
曲線ｂは第２段目膨張空間の温度の時間変化を示す。FIGS. 5A and 5B show the measurement results in the cooling test. 5A and 5B, a curve a indicates a temporal change in the temperature of the first-stage expansion space, respectively.
A curve b indicates a temporal change in the temperature of the second-stage expansion space.
【００６６】図５（Ａ）においては、第１段目膨張空間
の温度は約３８．２Ｋに達し、第２段目膨張空間の温度
は７．４〜８．２Ｋに到達している。これに対して、図
５（Ｂ）に示す従来技術の場合においては、第１段目膨
張空間の温度は３８．５Ｋと図５（Ａ）の場合とほぼ同
等であるが、第２段目膨張空間の到達温度は８．９〜１
０．１Ｋであった。このように、図５（Ａ）に示す図３
の構成例においては、図７の構成例の場合よりも到達最
低温度が低くなり、かつ温度変動幅も減少した。In FIG. 5A, the temperature of the first-stage expansion space has reached approximately 38.2K, and the temperature of the second-stage expansion space has reached 7.4 to 8.2K. On the other hand, in the case of the prior art shown in FIG. 5B, the temperature of the first-stage expansion space is 38.5 K, which is almost equal to that in the case of FIG. The ultimate temperature of the expansion space is 8.9-1
It was 0.1K. Thus, FIG. 3A shown in FIG.
In the configuration example, the minimum temperature reached was lower than in the configuration example of FIG. 7, and the temperature fluctuation range was also reduced.
【００６７】さらに、本発明の基礎となった考察が正し
いか否かを判断するために、低温においてシリンダとデ
ィスプレーサ間の漏れ試練を行なった。図６（Ａ）に、
漏れ試験の測定装置を概略的に示す。Further, a leak test between the cylinder and the displacer was performed at a low temperature to determine whether or not the considerations underlying the present invention were correct. In FIG. 6A,
1 schematically shows a measuring device for a leak test.
【００６８】図４に示す構成のＧＭ式冷凍機の第１段目
膨張空間および第２段目膨張空間に開口を形成し、第２
段目膨張空間からヘリウムガスを供給し、第１段目膨張
空間にどの程度のヘリウムガスがリークするかを調べ
た。なお、第２段目シリンダはデュアー中に収容した液
体窒素中に浸漬し、吸気弁、排気弁はない状態でディス
プレーサのみを駆動した。Openings are formed in the first-stage expansion space and the second-stage expansion space of the GM refrigerator having the configuration shown in FIG.
Helium gas was supplied from the first-stage expansion space, and it was examined how much helium gas leaked into the first-stage expansion space. The second-stage cylinder was immersed in liquid nitrogen contained in a Dewar, and only the displacer was driven without an intake valve and an exhaust valve.
【００６９】第１段目膨張空間、第２段目膨張空間に接
続したガス配管にそれぞれ圧力計Ｐを接続し、第１段目
膨張空間に接続したガス配管は、さらに漏れ量測定用の
流量計を介して大気中に開放した。A pressure gauge P is connected to each of the gas pipes connected to the first-stage expansion space and the second-stage expansion space, and the gas pipe connected to the first-stage expansion space further has a flow rate for measuring the amount of leakage. Opened to atmosphere via meter.
【００７０】図６（Ｂ）に測定結果を示す。横軸に圧力
差をＫｇｆ／ｃｍ2 で示し、縦軸に漏れ量をｌ／分で示
す。曲線ｃが従来技術による図７の構成例によるディス
プレーサを用いた場合の特性であり、曲線ｄが図３の構
成例によるディスプレーサを用いた場合の特性である。FIG. 6B shows the measurement results. The horizontal axis indicates the pressure difference in Kgf / cm 2 , and the vertical axis indicates the leak rate in l / min. A curve c is a characteristic when the displacer according to the configuration example of FIG. 7 according to the related art is used, and a curve d is a characteristic when the displacer according to the configuration example of FIG. 3 is used.
【００７１】測定した全圧力差範囲において、図３のデ
ィスプレーサを用いた場合が、図７のディスプレーサを
用いた場合に比べ、漏れ量が著しく低減していることが
判る。It can be seen that in the entire measured pressure difference range, the amount of leakage is significantly reduced in the case of using the displacer of FIG. 3 as compared with the case of using the displacer of FIG.
【００７２】たとえば、圧力差約１．２Ｋｇｆ／ｃｍ2
において、図３の構成例を用いた場合の漏れ量は、図７
の構成例を用いた場合の漏れ量の約１／３であり、圧力
差が小さくなると、その比はさらに拡大している。この
ように、本発明の実施例による構成例により、ディスプ
レーサとシリンダ間の低温における漏れ量が改善されて
いることが判る。For example, a pressure difference of about 1.2 kgf / cm 2
In the case of using the configuration example of FIG.
Is about 1/3 of the leakage amount when the configuration example is used, and the ratio is further increased when the pressure difference is reduced. As described above, it can be seen that the configuration example according to the embodiment of the present invention improves the amount of leakage between the displacer and the cylinder at a low temperature.
【００７３】以上実施例に沿って本発明を説明したが、
本発明はこれらに制限されるものではない。たとえば、
ＧＭ式冷凍機に限らず、スターリング冷凍機やその他の
蓄冷器を用いた冷凍機に本発明を適用することが可能で
ある。The present invention has been described in connection with the preferred embodiments.
The present invention is not limited to these. For example,
The present invention is not limited to the GM refrigerator, but can be applied to a Stirling refrigerator or a refrigerator using another regenerator.
【００７４】また、２段式ディスプレーサの構成におい
て、第２段ディスプレーサとして上述のシールリングを
用いないディスプレーサを用いる場合を説明したが、そ
の他の構成においても、低温においてディスプレーサを
用いる蓄冷器式冷凍機に本発明を適用することができ
る。その他、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能な
ことは当業者に自明であろう。In the structure of the two-stage displacer, the case where the above-described displacer without the seal ring is used as the second-stage displacer has been described. However, in other structures, a regenerator-type refrigerator using the displacer at a low temperature is also used. The present invention can be applied to It will be apparent to those skilled in the art that various changes, improvements, combinations, and the like can be made.
【００７５】[0075]
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
蓄冷器式冷凍機において、その冷凍性能を向上すること
ができる。As described above, according to the present invention,
The refrigerating performance of the regenerator can be improved.
【００７６】また、可動部分が少なく、部品点数の少な
い蓄冷器式冷凍機を構成することができるため、蓄冷器
式冷凍機の組み立て、保守が簡単化される。さらに、蓄
冷材収容空間を増大することができるため、冷凍能力を
向上されることも可能となる。Further, since a regenerative refrigerator having a small number of moving parts and a small number of parts can be constructed, assembly and maintenance of the regenerator can be simplified. Furthermore, since the cold storage material accommodation space can be increased, the refrigeration capacity can be improved.
【図１】本発明の実施例による蓄冷器式冷凍機の基本構
成を示す断面図である。FIG. 1 is a sectional view showing a basic configuration of a regenerative refrigerator according to an embodiment of the present invention.
【図２】本発明の実施例による蓄冷器式冷凍機のディス
プレーサの構成例を示す断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a configuration example of a displacer of a regenerator according to an embodiment of the present invention.
【図３】本発明の実施例による蓄冷器式冷凍機のディス
プレーサの構成例を示す断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a configuration example of a displacer of a regenerator according to an embodiment of the present invention.
【図４】ギフォードマクマホン式冷凍機の構成を概略的
に示す断面図である。FIG. 4 is a sectional view schematically showing a configuration of a Gifford McMahon refrigerator.
【図５】本発明の実施例による蓄冷器式冷凍機の冷却特
性を従来技術による蓄冷器式冷凍機の冷却特性と比較し
て示すグラフである。FIG. 5 is a graph showing the cooling characteristics of a regenerative refrigerator according to an embodiment of the present invention in comparison with the cooling characteristics of a regenerative refrigerator according to the related art.
【図６】漏れ特性を説明するための図である。図６
（Ａ）は漏れ特性の測定装置を示す概略断面図、図６
（Ｂ）は測定結果を示すグラフである。FIG. 6 is a diagram for explaining leakage characteristics. FIG.
FIG. 6A is a schematic cross-sectional view showing an apparatus for measuring leakage characteristics, and FIG.
(B) is a graph showing the measurement results.
【図７】従来技術によるディスプレーサを説明するため
の断面図である。FIG. 7 is a cross-sectional view illustrating a conventional displacer.
１ シリンダ ２ ディスプレーサ本体 ３ 耐摩耗性樹脂部材 ４ ラビリンスシール機構 ５ 気体流路 ６ 蓄冷材 ８ 膨張空間 １１、１９ 蓋部材 １３ 金網 １４、１６ フェルト栓 １５ 蓄冷材 １７ パンチングメタル ５１ ヘリウム圧縮機 ５２ 第１段目シリンダ ５３ 第２段目シリンダ ５４ 第１段目ディスプレーサ ５５ 第２段目ディスプレーサ ５６ クランク機構 ５７ ガス流路 ５８、５９ 蓄冷材 ６１、６６ ヒートステーション ６２、６７ 膨張空間 ６８、６９ ガス流路 ７１ シールリング Ｖ 弁 Ｍ 駆動用モータ DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Cylinder 2 Displacer main body 3 Wear-resistant resin member 4 Labyrinth seal mechanism 5 Gas flow path 6 Cold storage material 8 Expansion space 11, 19 Lid member 13 Wire mesh 14, 16 Felt plug 15 Cold storage material 17 Punching metal 51 Helium compressor 52 First Stage cylinder 53 Second stage cylinder 54 First stage displacer 55 Second stage displacer 56 Crank mechanism 57 Gas flow path 58, 59 Cold storage material 61, 66 Heat station 62, 67 Expansion space 68, 69 Gas flow path 71 Seal ring V valve M Drive motor
Claims (2)
成されたシリンダ（１）と、 前記シリンダ内に配置され、剛性が高く、前記シリンダ
の材料と線膨張率がほぼ等しい材料で形成され、内部に
気体流路を有するディスプレーサ本体（２）と、 前記気体流路内に充填された蓄冷材（６）と、 前記ディスプレーサ本体を被覆し、その上に固着された
布入りフェノールからなる耐摩耗性樹脂部材（３）とを
有する蓄冷器式冷凍機。1. A cylinder (1) formed of a material having a low thermal conductivity and a high airtightness, and a material disposed in the cylinder and having a high rigidity and a linear expansion coefficient substantially equal to that of the cylinder. A displacer body (2) formed and having a gas flow path therein; a regenerator material (6) filled in the gas flow path; and a cloth-containing phenol that covers the displacer body and is fixed thereon. Regenerative refrigerator having a wear-resistant resin member (3).
のラビリンスシール機構を有する請求項１記載の蓄冷器
式冷凍機。2. The regenerative refrigerator according to claim 1, wherein the wear-resistant resin member has a labyrinth seal mechanism having an uneven surface.
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Cited By (1)
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1993
- 1993-01-26 JP JP5011050A patent/JP2760928B2/en not_active Expired - Fee Related
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