JP6202483B2 - 極低温冷凍機 - Google Patents

Description

本発明は、圧縮装置から供給される高圧の冷媒ガスを用いて極低温の寒冷を発生させる極低温冷凍機に関する。

一般に、極低温環境を得るための小型化冷凍機として、ギフォードマクマホンサイクルを用いた冷凍機（ＧＭ冷凍機）が知られている（特許文献１）。このＧＭ冷凍機には、圧縮機で圧縮された冷媒ガス（作動流体）がバルブの開閉により周期的に供給及び排気が行われる。

ＧＭ冷凍機では、圧縮機から供給された高圧の冷媒ガスは先ずシリンダ内の高温側に設けられた室温空間（室温室）に導入され、室温室からディスプレーサ内の蓄冷器を通り低温端に形成された膨張空間に導入される。そして、この膨張空間内で膨張することにより、寒冷を発生させる構成となっている。

特開２０１１−１７４５７号公報

一般に、蓄冷器の内部には、蓄冷材が充填されているため、冷媒ガスが蓄冷器内部を流れる際の流路抵抗は、冷媒ガスが圧縮機から室温室に流れる時の流路抵抗よりも大きい。この流路抵抗の差により、冷媒ガスは室温空間において圧縮され、その圧縮熱により冷媒ガスの温度が上昇する虞がある。

従来のＧＭ冷凍機においては、温度の高い冷媒ガスは室温空間からそのまま蓄冷器に流入する構成とされていたため、室温空間での圧縮により温度が上昇した冷媒ガスが蓄冷器に流入し、これにより冷却効率を悪化させている虞があった。

本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、冷却効率の向上を図った極低温冷凍機を提供することを目的とする。

上記の課題は、第１の観点からは、
収納された蓄冷器に冷媒ガスを供給する流路を高温端に有したディスプレーサと、
前記ディスプレーサの高温端との間に前記ディスプレーサの移動に伴い容積が変化する空間部を形成し、当該空間部に圧縮機で生成された高圧の冷媒ガスが供給されるシリンダと、
前記シリンダの高温端部に配置された熱拡散部と、
前記熱拡散部と接続され、前記シリンダの外周に配置された伝熱部と、を有する極低温冷凍機であって、
前記流路は前記ディスプレーサの外周で開口する一端と、前記蓄冷器の高温端で開口する他端とを有し、
前記空間部と前記一端は、前記ディスプレーサの外周面と前記シリンダの内周面との間に形成されるクリアランス流路を介して連通し、
前記空間部内の前記冷媒ガスが、前記クリアランス流路及び前記流路を通り前記蓄冷器に流入するよう構成し、
前記伝熱部は前記クリアランス流路に対向する位置に配置されたことを特徴とする極低温冷凍機により解決することができる。

開示の発明によれば、空間部内の冷媒ガスがクリアランスを通り蓄冷器に流入するため、クリアランスを形成するディスプレーサの外周面及びシリンダの内周面との間で冷媒ガスは熱交換が行われ冷却される。これにより、蓄冷器に流入する冷媒ガスの温度を下げることができ、極低温冷凍機の冷凍効率を高めることができる。

図１は、本発明の第１実施形態である極低温冷凍機及びディスプレーサの断面図である。 図２は、本発明の第２実施形態である極低温冷凍機及びディスプレーサの断面図である。 図３は、本発明の第３実施形態である極低温冷凍機及びディスプレーサの断面図である。

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実施形態である極低温冷凍機１Ａを示している。本実施形態に係る極低温冷凍機１Ａは、冷媒ガスとしてヘリウムガスを用いるギフォードマクマホン（ＧＭ）タイプの冷凍機を例に挙げて説明するが、本発明の適用はＧＭ冷凍機に限定されるものではなく、ディスプレーサを有する各種冷凍機に適用が可能なものである。また、本実施形態では極低温冷凍機１Ａとして一段式の冷凍機を例示しているが、多段式の冷凍機に対しても適用が可能なものである。

極低温冷凍機１Ａは、ディスプレーサ２、シリンダ４、冷却ステージ５、蓄冷器７、及び圧縮機１２等を有している。

ディスプレーサ２は、ディスプレーサ本体２Ａ（請求項に記載の本体部に相当する）、低温側熱伝導部２Ｂ、及び蓄冷器７等を有した構成とされている。ディスプレーサ本体２Ａは有底筒状とされており、その内部には蓄冷材が収納された蓄冷器７が設けられている。

ディスプレーサ本体２Ａは、軸方向の熱伝達を小さくするために、例えばベークライト（登録商標）など熱伝導係数の小さい材料が用いられる。

蓄冷器７の高温側（図中、上方が高温側となる）には、冷媒ガスの流れを整流する整流器９が設けられている。また、蓄冷器７の低温側（図中、下方が低温側となる）にも、冷媒ガスの流れを整流する整流器１０が設けられている。

ディスプレーサ２の高温端に位置する上板部２Ｄには、冷媒ガスを室温室８（請求項に記載の空間部に相当する）から蓄冷器７に流すための第１流路１１が複数形成されている。室温室８は、シリンダ４とディスプレーサ２の上板部２Ｄとの間に形成される空間である。

この室温室８には、吸排気系が接続されている。吸排気系は、圧縮機１２、サプライバルブ１３、リターンバルブ１４等を有している。サプライバルブ１３が開くと共にリターンバルブ１４が閉まることにより、圧縮機１２で生成された高圧の冷媒ガスは室温室８に供給される。逆に、サプライバルブ１３が閉じると共にリターンバルブ１４が開くことにより、低圧の冷媒ガスは圧縮機１２に還流させる。

ディスプレーサ２の低温端には、低温側熱伝導部２Ｂが設けられている。また、ディスプレーサ本体２Ａと低温側熱伝導部２Ｂとの間には、蓄冷器７と膨張空間３を連通する第２流路１６が形成されている。この低温側熱伝導部２Ｂは、ピン６を用いてディスプレーサ本体２Ａに結合されている。

膨張空間３は、シリンダ４とディスプレーサ２により形成される空間である。この膨張空間３は、高圧の冷媒ガスが導入される。そして、ディスプレーサ２の移動に伴い膨張空間３の容積が略最大となった時点でリターンバルブ１４が開かれることにより、冷媒ガスは断熱膨張して膨張空間３に寒冷が発生する。

シリンダ４の膨張空間３に対応する位置には、冷却ステージ５が設けられている。この冷却ステージ５は被冷却物に熱的に接続されており、冷却ステージ５を介して被冷却物は冷却される。

シリンダ４は、その内部にディスプレーサ２を移動可能に収容する。ディスプレーサ２の高温端には、図示しないスコッチヨーク機構が接続されている。よって、このスコッチヨーク機構により、ディスプレーサ２はシリンダ４内で往復移動する。

このシリンダ４は、シリンダ本体４Ａ及びシリンダ本体４Ａを固定するためのトップフランジ４Ｂを有している。シリンダ本体４Ａは円筒形状を有しており、その低温端部に冷却ステージ５が配設されると共に、高温端部にトップフランジ４Ｂが配設される。前記した室温室８は、このトップフランジ４Ｂとディスプレーサ２の上板部２Ｄとの間に形成される。

シリンダ本体４Ａは、ステンレス鋼により形成されている。またトップフランジ４Ｂは、ステンレス鋼等のシリンダ４と同じ材料、或いはこれよりも熱伝達効率の高い銅，アルミニウム等の材質により形成されている。

また、ディスプレーサ２の外周面２８とシリンダ４（トップフランジ４Ｂ）の内周面２９との間には、クリアランスＣＬが形成されている。このクリアランスＣＬは、例えば0.1mm〜1.0mm程度の間隙とされている。

また、シリンダ４は、伝熱部Ｐ１と熱拡散部Ｐ２を有している。伝熱部Ｐ１は、シリンダ４の外周のうち、クリアランスＣＬに対応する位置に設けられている。この伝熱部Ｐ１は、熱拡散部Ｐ２（本実施形態ではトップフランジ４Ｂの天板部分）に熱を伝達する部材である。

熱拡散部Ｐ２は、クリアランスＣＬを流れる冷媒ガスから伝熱部Ｐ１を介して伝達された熱をシリンダ４の外部に逃がすための部材である。この熱拡散部Ｐ２の構成としては、例えばシリンダ４の外周に、ステンレス鋼等のシリンダ４と同じ材質、或いはこれよりも熱伝達効率の高い銅，アルミニウム等の材質の板を巻きつけることで構成することができる。また、熱拡散部Ｐ２に対応するシリンダ４自体の厚さを、他の位置より大きくすることにより構成してもよい。更に、熱拡散部Ｐ２をトップフランジ４Ｂと一体化することもできる。本実施形態では、シリンダ４を構成するトップフランジ４Ｂと熱拡散部Ｐ２とを一体化した例を示している。

ディスプレーサ２（ディスプレーサ本体２Ａ）とトップフランジ４Ｂとの間の所定位置には、シール１５が装着されている。このシール１５により、圧縮機１２から供給された冷媒ガスがクリアランスＣＬを介して膨張空間３に流入することを防止している。

次に、上記構成とされた極低温冷凍機１Ａの動作を説明する。

ディスプレーサ２がシリンダ４が下動した状態でサプライバルブ１３を開とすると、圧縮機１２で生成された高圧の冷媒ガスは室温室８内に供給される。そして、圧縮機１２からの高圧の冷媒ガスの供給を維持しつつ、ディスプレーサ２を上動させる。これにより、室温室８内の高圧の冷媒ガスは、クリアランスＣＬから第１流路１１を通り蓄冷器７に流入する。

この際、前記のように冷媒ガスが蓄冷器７の内部を流れる際の流路抵抗は、冷媒ガスが圧縮機１２から室温室８に流れる際の流路抵抗よりも大きいため、この流路抵抗差により室温室８内の冷媒ガスは圧縮され、これにより室温室８内の冷媒ガスの温度が上昇する。

従来では、この高温の冷媒ガスが蓄冷器７に流入する構成とされていたため熱効率が低下していた。しかしながら本実施形態では、ディスプレーサ２に第１流路１１を形成すると共に、ディスプレーサ２（ディスプレーサ本体２Ａ）とシリンダ４（トップフランジ４Ｂ）との間にクリアランスＣＬを設けることにより、冷凍効率の低下を防止している。なおこれについては、説明の便宜上、後に詳述するものとする。

蓄冷器７に流入した高圧の冷媒ガスは、蓄冷材により冷却されながらディスプレーサ２の下部に位置する第２流路１６を通り膨張空間３に流入する。そして、膨張空間３が高圧の冷媒ガスで満たされ、またディスプレーサ２が上死点或いは上死点近傍の所定位置に達すると、サプライバルブ１３を閉じられると共にリターンバルブ１４が開かれる。これにより、冷媒ガスは断熱膨張し、膨張空間３に寒冷が発生する。この膨張空間３に発生した寒冷は、冷却ステージ５を介して被冷却物を冷却する。

続いて、ディスプレーサ２は下死点に向けて移動し、膨張空間３の容積は減少する。これに伴い膨張空間３内の冷媒ガスは、第２流路１６、蓄冷器７、第１流路１１、及び室温室８を介して圧縮機１２の吸入側に戻される。その際、蓄冷材は、冷媒ガスにより冷却される。この工程を１サイクルとし、極低温冷凍機１Ａはこの冷却サイクルを繰り返すことで、冷却ステージ５を冷却する。

ここで、ディスプレーサ２の上板部２Ｄに形成された第１流路１１、及びディスプレーサ本体２Ａとトップフランジ４Ｂとの間に形成されたクリアランスＣＬに注目し、以下説明する。

本実施形態では、第１流路１１が断面形状でＬ字形状とされている。よって、第１流路１１の外周側端部１１Ａはディスプレーサ本体２Ａ（ディスプレーサ２）の外周面２８に開口した構成とされている。即ち、外周側端部１１Ａは、クリアランスＣＬに開口すると共にトップフランジ４Ｂの伝熱部Ｐ１と対向した構成とされている。また、第１流路１１の内側端部１１Ｂは、蓄冷器７と接続された構成とされている。

前記のように室温室８内に流入した冷媒ガスは、室温室８内で圧縮されて温度が上昇する。この温度が上昇した冷媒ガスは、クリアランスＣＬを通り第１流路１１（外周側端部１１Ａ）に流入する。

この際、冷媒ガスは間隙が0.1mm〜1.0mm程度の狭いクリアランスＣＬを速い流速で通過するため、冷媒ガスとトップフランジ４Ｂの伝熱部Ｐ１との間、及び冷媒ガスとディスプレーサ本体２Ａの上板部２Ｄとの間で熱交換が行われる。即ち、温度上昇した冷媒ガスの熱は、トップフランジ４Ｂの伝熱部Ｐ１を介して熱拡散部Ｐ２に伝達され、この熱拡散部Ｐ２で外部に放熱される。また、昇温した上板部２Ｄの熱は、外周面２８を介してディスプレーサ本体２Ａに熱伝導する。

このように、冷媒ガスとディスプレーサ本体２Ａ及びトップフランジ４Ｂとの間で熱交換が行われるため、冷媒ガスはクリアランスＣＬを通過する際に冷却される。

従って、本実施形態では、室温室８で冷媒ガスの温度が上昇しても、この冷媒ガスはクリアランスＣＬを通過することにより冷却され、温度が低下した冷媒ガスが蓄冷器７に供給される。これにより、室温室８で冷媒ガスの温度が上昇しても、クリアランスＣＬを通過することにより冷媒ガスの温度が低下するため、蓄冷器７の蓄冷材の温度上昇は抑制され、よって極低温冷凍機１Ａの冷却効率を高めることができる。

この際、クリアランスＣＬを流れる冷媒ガスは、シリンダ４との間で熱交換を行うと共に上板部２Ｄとの間でも熱交換を行う。これにより上板部２Ｄの温度は上昇するが、この上板部２Ｄの熱はクリアランスＣＬを介してトップフランジ４Ｂに熱伝達する。これにより上板部２Ｄの温度は低下し、よって上板部２Ｄの熱が蓄冷器７に影響を及ぼすことを防止することができる。

特に、上板部２Ｄの材質として、ディスプレーサ本体２Ａの材料よりも熱伝導係数の大きい材料を用いることにより、蓄冷器７への影響をより有効に防止すことができる。

次に、本発明の第２実施形態について説明する。

図２は、第２実施形態に係る極低温冷凍機１Ｂを示している。なお、図２において、図１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、その説明省略する。

前記した第１実施形態に係る極低温冷凍機１Ａでは、ディスプレーサ２をディスプレーサ本体２Ａと低温側熱伝導部２Ｂとを有する構成とし、第１流路１１をディスプレーサ本体２Ａの高温端側に一体的に形成された上板部２Ｄに形成した構成とした。

これに対して本実施形態に係る極低温冷凍機１Ｂでは、ディスプレーサ２をディスプレーサ本体２Ａ、低温側熱伝導部２Ｂ、及び高温側熱伝導部２Ｃにより構成し、高温側熱伝導部２Ｃに第１流路２０を形成したことを特徴としている。

高温側熱伝導部２Ｃ（請求項に記載の熱伝導部に相当する）は、ディスプレーサ本体２Ａの高温端側に配設されている。この高温側熱伝導部２Ｃのディスプレーサ本体２Ａに対する固定方法は特に限定されるものではなく、周知の方法を用いて固定することができる。

具体的には、図示しない固定ピンを用いて高温側熱伝導部を固定する方法、及びディスプレーサ本体２Ａ及び高温側熱伝導部２Ｃに雄ネジ，雌ねじを形成しておき、これを螺合させることにより高温側熱伝導部を固定する方法を用いることができる。

この高温側熱伝導部２Ｃは、ディスプレーサ本体２Ａの熱伝導率と等しいか、或いはそれよりも高い熱伝導率を有する材料により形成されている。この高温側熱伝導部２Ｃの具体的な材質としては、例えば銅、アルミニウム、ステンレス等を用いることができる。

また、高温側熱伝導部２Ｃの外周面２８とトップフランジ４Ｂの内周面２９（伝熱部Ｐ１）は対向しており、その間にはクリアランスＣＬが形成されている。このクリアランスＣＬは、第１実施形態と同様に例えば0.1mm〜1.0mm程度の間隙とされている
第１流路２０は、高温側熱伝導部２Ｃに形成された伝導部側流路２０Ａと、ディスプレーサ本体２Ａに形成された本体側流路２０Ｂとにより構成されている。

伝導部側流路２０Ａは断面形状でＬ字形状とされており、その一端部は、高温側熱伝導部２Ｃの外周面２８に開口した構成とされている。また本体側流路２０Ｂは、ディスプレーサ本体２Ａの高温端に位置する上板部２Ｄに形成されている。この本体側流路２０Ｂの高温側の端部は上記の伝導部側流路２０Ａの他端部に接続され、低温側の端部は蓄冷器７に接続されている。

よって本実施形態では、冷媒ガスの蓄冷器７内における流路抵抗と圧縮機１２から室温室８に流入する際の流路抵抗との抵抗差に起因して室温室８内で温度上昇された冷媒ガスは、クリアランスＣＬを通り第１流路２０（伝導部側流路２０Ａ）に流入する。

この際、冷媒ガスは狭いクリアランスＣＬを速い流速で通過するため、冷媒ガスとトップフランジ４Ｂとの間、及び冷媒ガスと高温側熱伝導部２Ｃとの間で熱交換が行われる。即ち、温度上昇した冷媒ガスの熱は、内周面２９を介してトップフランジ４Ｂに熱伝導すると共に、外周面２８を介して高温側熱伝導部２Ｃに熱伝導する。

本実施形態では、上記のように高温側熱伝導部２Ｃの熱伝導率をディスプレーサ本体２Ａの熱伝導率と等しいか、或いはそれよりも高くなるよう設定している。よって、冷媒ガスと高温側熱伝導部２Ｃとの間で熱交換が行われる際、この熱交換をより高い効率を持って行うことができる。

従って、本実施形態に係る極低温冷凍機１Ｂによれば、第１実施形態に比べて冷媒ガスがクリアランスＣＬを通過する際の冷却効率を高めることができる。またこれにより蓄冷器７の蓄冷材の温度上昇をより効果的に抑制することができ、極低温冷凍機１Ｂの冷却効率を更に高めることができる。

次に、本発明の第３実施形態について説明する。

図３は、第３実施形態に係る極低温冷凍機１Ｃを示している。なお、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、その説明省略する。

前記した第１及び第２実施形態に係る極低温冷凍機１Ａ，１Ｂでは、ディスプレーサ本体２Ａ及び高温側熱伝導部２Ｃの外周面２８は平滑面とされており、同様にトップフランジ４Ｂの内周面２９も平滑面とされていた。

これに対して本実施形態に係る極低温冷凍機１Ｃは、クリアランスＣＬを形成するディスプレーサ本体２Ａ（ディスプレーサ２）の外周面２８及びトップフランジ４Ｂ（シリンダ４）の内周面２９に、冷媒ガスとの接触面積を増大させる凹凸部２５，２６（請求項に記載の接触面積増大部に相当する）を形成したことを特徴としている。本実施形態では、凹凸部を螺旋溝２５，２６により構成している。

この螺旋溝２５はディスプレーサ本体２Ａの外周面２８の高温端側に形成されており、また螺旋溝２６はディスプレーサ２が上死点に位置するときのディスプレーサ２に配設されたシール１５の配設位置よりも高温側（伝熱部Ｐ１を含む領域）に形成されている。よって、本実施形態に係る極低温冷凍機１Ｃでは、螺旋溝２５と螺旋溝２６との間にクリアランスＣＬが形成される。

また、螺旋溝２５及び螺旋溝２６の形成範囲は、ディスプレーサ２がシリンダ４内で移動する移動範囲において、常に螺旋溝２５と螺旋溝２６とが対向した範囲を有するよう設定されている。なお、螺旋溝２５と螺旋溝２６との平均離間距離は、第１及び第２実施形態と同様に0.1mm〜1.0mm程度とされている。

このように、螺旋溝２５，２６を形成することにより、冷媒ガスとの接触面積を増大させることができ、これにより、冷媒ガスがクリアランスＣＬを通過する際の熱交換効率を高めることができる。よって本実施形態に係る極低温冷凍機１Ｃによれば、冷媒ガスとディスプレーサ２との間、及び冷媒ガスとシリンダ４との間で高い効率で熱交換が行われるため、冷媒ガスを効率良く冷却することができる。これにより蓄冷器７の温度上昇をより効果的に抑制でき、極低温冷凍機１Ｃの冷凍効率を高めることができる。

なお、上記した実施形態ではディスプレーサ２に螺旋溝２５を形成すると共に、シリンダ４にも螺旋溝２６を形成した構成とした。しかしながら、螺旋溝は必ずしもディスプレーサ２及びシリンダ４の双方に設ける必要はなく、いずれか一方にのみ形成する構成とすることも可能である。

また、上記した実施形態では、ディスプレーサ本体２Ａと低温側熱伝導部２Ｂとにより構成されるディスプレーサ２の少なくとも一部に螺旋溝２５を形成する構成を示した。しかしながら、第２実施形態で説明したディスプレーサ本体２Ａ、低温側熱伝導部２Ｂ、及び高温側熱伝導部２Ｃにより構成されるディスプレーサ２において、高温側熱伝導部２Ｃの少なくとも一部に螺旋溝２５を形成することも可能である。

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。

１Ａ，１Ｂ，１Ｃ 極低温冷凍機
２ ディスプレーサ
２Ａ ディスプレーサ本体
２Ｂ 低温側熱伝導部
２Ｃ 高温側熱伝導部
３ 膨張空間
４ シリンダ
４Ａ シリンダ本体
４Ｂ トップフランジ
５ 冷却ステージ
６ ピン
７ 蓄冷器
８ 室温室
１１，２０ 第１流路
１１Ａ 外周側端部
１１Ｂ 内側端部
１２ 圧縮機
１６ 第２流路
２０Ａ 伝導部側流路
２０Ｂ 本体側流路
２５，２６ 螺旋溝
２８ 外周面
２９ 内周面
ＣＬ クリアランス
Ｐ１ 伝熱部
Ｐ２ 熱拡散部

Claims (5)

1. 収納された蓄冷器に冷媒ガスを供給する流路を高温端に有したディスプレーサと、
   前記ディスプレーサの高温端との間に前記ディスプレーサの移動に伴い容積が変化する空間部を形成し、当該空間部に圧縮機で生成された高圧の冷媒ガスが供給されるシリンダと、
   前記シリンダの高温端部に配置された熱拡散部と、
   前記熱拡散部と接続され、前記シリンダの外周に配置された伝熱部と、を有する極低温冷凍機であって、
   前記流路は前記ディスプレーサの外周で開口する一端と、前記蓄冷器の高温端で開口する他端とを有し、
   前記空間部と前記一端は、前記ディスプレーサの外周面と前記シリンダの内周面との間に形成されるクリアランス流路を介して連通し、
   前記空間部内の前記冷媒ガスが、前記クリアランス流路及び前記流路を通り前記蓄冷器に流入するよう構成し、
   前記伝熱部は、前記クリアランス流路に対向する位置に配置されることを特徴とする極低温冷凍機。
2. 前記ディスプレーサは本体部と、該本体部よりも熱伝導率が高い材質で構成される熱伝導部とを含み、
   前記熱伝導部は前記伝熱部に前記クリアランス流路を介して対向することを特徴とする請求項１記載の極低温冷凍機。
3. 前記熱伝導部は、銅、アルミニウム、ステンレスから選択される一の材質であることを特徴とする請求項２記載の極低温冷凍機。
4. 前記クリアランス流路を形成する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の少なくとも一方に，前記冷媒ガスとの接触面積を増大させる接触面積増大部を形成したことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の極低温冷凍機。
5. 前記接触面積増大部の少なくとも一部は螺旋溝を含むことを特徴とする請求項４記載の極低温冷凍機。

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