JP2766335B2 - 極低温冷凍機 - 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、極低温冷凍機に係り、特に、蓄冷式の冷凍
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12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13図から第14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。

第１ディスプレーサ18の図中上端は、連結ロッド31、
スコッチ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18atm）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,10K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
での温度勾配につき、また第２ディスプレーサ19の図中
上下端間には30Kから10Kまでの温度勾配につく。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10〜20K
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段膨脹室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段膨脹室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段膨脹室39に流れ込んだ高圧ヘリウムガスは30
K程度に、また２段膨脹室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
脹室39内および２段膨脹室40内の高圧ヘリウムガスが膨
脹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
膨脹室39内および２段膨脹室40内のヘリウムガスが排除
される。膨脹したヘリウムガスは流体通路21,23内を通
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、シール
機構25は常温部と１段膨脹室39との間においてヘリウム
ガスが第１シリンダ14と第１ディスプレーサ18との間を
隙間を通して流れるのを防止しており、またシール機構
26は１段膨脹室39と２段膨脹室40との間においてヘリウ
ムガスが第２シリンダ15と第２ディスプレーサ19との間
の隙間を通して流れるのを防止している。これらのシー
ル機構25,26は、高純度（99.99％）のヘリウムガス中で
使用されており、ヘリウムガスの汚染を防止する意味か
らグリス等の潤滑材を使用することはできない。

そこで、前記したように、第13図から第15図に示した
ように、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、有端形のシールリング28を装着し、更にそ
の背面側に押圧力を付与するための有端形のばねリング
29を装着した構成のシール機構26を用いている。しかし
ながら、このように端部30をもつばねリング29は第15図
に示すように、端部から円周方向に90度ずれた位置Ａで
最大の押圧力をシールリングに付与するが、Ａから離れ
るに従って押圧力は減少し、図中Ｂの位置での押圧力は
０となる。従って、シールリング28の全円周に対して十
分な押圧力を与えることができない。そのためこのよう
な構成のシール機構26におけるヘリウムガスの漏れ量が
多く、この結果、第２ステージ17の温度上昇を招く問題
があった。第２ステージの温度上昇は、結果的にある温
度での冷凍能力の減少につながることになる。このこと
をもう少し詳しく説明する。

今、１段膨脹室39の温度が30K、２段膨脹室40の温度
が10Kであったとした場合、シール機構26の部分で漏れ
が生じると、30Kのヘリウムガスが第２ディスプレーサ1
9内の蓄冷材24に接触することなく２段膨脹室40内へ入
り、また逆に10Kのヘリウムガスが１段膨脹室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16図にはシール機構26でのヘリウムガスの漏れ量
割合（２段膨脹室40へ流れ込むヘリウムガスの総量に対
するシール機構26を通して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
ら判かるように、シール機構26の部分での漏れが各段ス
テージの温度に大きい影響を与える。これはシール機構
26に限らず、シール機構25にも言えることである。

（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・マクスホン形の冷凍機
にあっては、ディスプレーサとシリンダとの間の隙間を
シールするためのシール機構で完全なシールを行なうこ
とができず、これが原因して冷凍能力が低いと言う問題
があった。

そこで本発明は、シール機構でのシール性能を大幅に
向上させることができ、もっ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） この発明は、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
を往復動させるための手段と、前記シリンダの一端側に
設けられた冷媒ガスの導入口及び排出口と、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
排出させる工程を繰返すための冷媒ガス導排出手段とを
備えた極低温冷凍機において、前記ディスプレーサの外
周面に形成された環状溝と、この環状溝内に外周面を前
記シリンダの内周面に接触させて装着された少なくとも
１つの有端形のシールリングと、このシールリングの内
側に同心円状にかつ有端部をずらして装着された複数個
の有端形のばねリングとを具備してなる極低温冷凍機で
ある。

また、複数個の有端形のばねリングは、前記シールリ
ングの内側の同心円方向に設置されていても良い。

また複数個の有端形のばねリングは、前記シールリン
グの内側の軸方向に積層されていても良い。

更には、前記複数個（Ｎ個）の有端形のばねリングの
端部が円周方向に360°/Nずれて装着されていても良
い。

（作用） 上記のように有端形のばねリングを有端部をずらして
複数個同心円状に配置することによりシール機構を介し
てのヘリウムガス漏れ量を大幅に減らすことができる。
従って、冷凍能力の向上を実現できる。

（実施例） 以下、図面を参照しながら実施例を説明する。

第１図には本発明の一実施例に係る極低温冷凍機が示
されている。この図では第12図と同一部分が同一符号で
示されている。従って、重複する部分の説明は省略す
る。

この実施例に係る極低温冷凍機が従来の極低温冷凍機
と異なる点は、第２ディスプレーサ19の外周面に形成さ
れた環状溝27内に装着されて第２ディスプレーサと第２
シリンダ15との間の隙間をシールするシール機構41の構
成にある。

シール機構41は、第２図から第４図に示すように、環
状溝27内に有端形のシールリング42と、このシールリン
グ42の内側に同心円状に装着され第２シリンダ15の内周
面側への押圧力を与える有端形のばねリング43,44が装
着された構成となっている。そして、ばねリング43,44
は第４図に示すように、両端間に僅かな距離Ｒの切れ目
を第２図に示すように円周方向にほぼ90度離れるように
して環状溝27内に装着されている。

このような構成であると、ばねリング43の押圧力が最
も弱い部分に、ばねリング44の押圧力が最も強い部分が
配置されるため、シールリング42に対する押圧力が円周
方向に均一化される。従って、シール機構41でのヘリウ
ムガス漏れを大幅に減少させることができ、第２膨脹
室、つまり第２ステージ17の温度上昇を抑制でき、冷凍
能力を向上させることができる。

次の実施例は、第５図から第７図に示すように、環状
溝27内に有端形のシールリング42と、このシールリング
42の内側に軸方向に２段構成で第２シリンダ15の内周面
側への押圧力を与える有端形のばねリング43a,44aが装
着された構成となっている。そして、ばねリング43a,44
aは第７図に示すように、両端間に僅かな距離Ｒの切れ
目を第５図に示すように円周方向にほぼ90度離れるよう
にして環状溝27内に装着されている。

このような構成であると、ばねリング43aの押圧力が
元も弱い部分に、ばねリング44aの押圧力が最も強い部
分が配置されるため、シールリング42に対する押圧力が
円周方向に均一化される。従って、シール機構41でのヘ
リウムガス漏れを大幅に減少させることができ、第２膨
脹室、つまり第２ステージ17の温度上昇を抑制でき、冷
凍能力を向上させることができる。

次に本発明に対する参考例を説明する。この参考例
は、第８図から第９図に示すように従来のシール機構26
（第13図〜第14図）と同様の構成であり、ばねリング29
のかわりに、コイルばねをリング状に曲げて形成したば
ねリング45を使用したものである。このように構成する
ことによりシールリング28の全円周に対して均一に十分
な押圧力を与えることができる。

第10図には第13図に示すシール機構を組込んだ従来の
冷凍機と第２図に示すシール機構41を組込んだ本発明冷
凍機とのガス漏れ量の測定結果が示されている。これは
環状溝の幅を等しくするとともにばねリングの押圧力を
等しくして常温・静止状態で測定した結果である。実際
の使用条件（低温，往復動）とは異なるが、漏れ量が大
幅に減少していることが判かる。この傾向は、使用条件
においても反映されるものと考えられる。第11図には第
13図に示すシール機構を組込んだ従来の冷凍機と第２図
に示すシール機構41を組込んだ本発明に係る冷凍機との
冷凍曲線が示されている。横軸は第２ステージ17の温度
（ｋ）を示し、縦軸は第２ステージ17に加えた熱負荷
（Ｗ）を示している。この図から判かるように、同じ温
度で冷凍し得る能力は本発明冷凍機の方が大きい。した
がって、上記構成のシール機構41aを設けたことによっ
て冷凍能力を向上させ得ることが理解される。このこと
は第５図，第８図に示す実施例および参考例のシール機
構41b,41cであっても同様である。

なお、上述した実施例では、第２ディスプレーサと第
２シリンダとの間に設けられるシール機構だけを第２
図，第５図，第８図に示すシール機構41a,41b,41cで構
成しているが、第１ディスプレーサと第１シリンダとの
間に設けられるシール機構も第２図，第５図，第８図に
示すシール機構41a,41b,41cで構成してもよい。

〔発明の効果〕

以上述べたように本発明によれば、シール機構でのガ
ス漏れを大幅に減少させることできるので、一層の低温
度化を実現でき、冷凍能力を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係る冷凍機を局部的に切欠
して示す構成図、第２図は同冷凍機に組込まれたシール
機構を軸方向から見た第１の実施例を示す概略図、第３
図は同シール機構を局部的に取り出して示す縦断面図、
第４図は同シール機構に組込まれたシールリングの両端
の形態を示す概略図、第５図は同冷凍機に組込まれたシ
ール機構を軸方向から見た第２の実施例を示す概略図、
第６図は同シール機構を局部的に取り出して示す縦断面
図、第７図は同シール機構に組込まれたシールリングの
両端の形態を示す概略図、第８図は同冷凍機に組込まれ
たシール機構を軸方向から見た第３の実施例を示す概略
図、第９図は同シール機構を局部的に取り出して示す縦
断面図、第10図はおよび第11図は本発明に係る第１の実
施例の冷凍機の特性を従来の冷凍機のそれと比較して示
す図、第12図は従来の冷凍機の概略構成図、第13図は同
冷凍機に組込まれたシール機構を軸方向から見た図、第
14図は同シール機構を局部的に取出して示す縦断面図、
第15図は同シール機構に組込まれたシールリングの両端
部の形態を示す図、第16図は従来の冷凍機の問題点を説
明するための図である。 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、2
2,24……蓄冷材、27……環状溝、28,42……シールリン
グ、39……第１膨脹室、40……第２膨脹室、41a,41b,41
c……シール機構、43,43a,44,44a,45……ばねリング。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) F25B 9/14 510

Claims (4)

(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
   往復動させるための手段と、前記シリンダの一端側に設
   けられた冷媒ガスの導入口及び排出口と、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
   出させる工程を繰返すための冷媒ガス導排出手段とを備
   えた極低温冷凍機において、 前記ディスプレーサの外周面に形成された環状溝と、 この環状溝内に外周面を前記シリンダの内周面に接触さ
   せて装着される少なくとも１つの有端形のシールリング
   と、 このシールリングの内側に同心円状にかつ有端部をずら
   して装着された複数個の有端形のばねリングと を具備してなることを特徴とする極低温冷凍機。
2. 【請求項２】前記複数個の有端形のばねリングは、前記
   シールリングの内側の同心円方向に設置されてなること
   を特徴とする請求項１記載の極低温冷凍機。
3. 【請求項３】前記複数個の有端形のばねリングは、前記
   シールリングの内側の軸方向に積層されてなることを特
   徴とする請求項１記載の極低温冷凍機。
4. 【請求項４】前記複数個（Ｎ個）の有端形のばねリング
   の端部が円周方向に360°/Nずれて装着されてなること
   を特徴とする請求項１記載の極低温冷凍機。