(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
【発明を実施するための形態】
【0010】
次に、本発明の実施の形態について図面と共に説明する。
【0011】
図1は、本発明のある実施形態である極低温冷凍機を示す断面図である。本実施形態では、極低温冷凍機
としてギフォード・マクマホン(GM)型冷凍機を例に挙げて説明する。しかしながら、本発明はディスプレーサを有する極低温冷凍機に広く適用が可能なものである。
【0012】
本実施例によるGM型冷凍機は、ガス圧縮機1とコールドヘッド2とを有する。コールドヘッド2は、シリンダ部10とハウジング23とを有する。
【0013】
ガス圧縮機1は、排出配管1bが接続された吸気口から作動ガスを吸い込み、これを圧縮した後に吐出口に接続された供給配管1aに高圧の作動ガスを供給する。作動ガスとしては、ヘリウムガスを用いることができるがこれに限定されるものではない。
【0014】
本実施形態では2段式のGM型冷凍機を例に挙げて説明する。2段式のGM型冷凍機では、シリンダ部10は第1段目シリンダ10aと第2段目シリンダ10bの二つのシリンダを有している。第1段目シリンダ10aの内部には、第1段目ディスプレーサ3aが挿入される。また、第2段目シリンダ10bの内部には、第2段目ディスプレーサ3bが挿入される。
【0015】
この第1段目及び第2段目ディスプレーサ3a,3bは相互に連結されており、各シリンダ10a,10bの内部でシリンダの軸方向に往復移動可能な構成とされている。この各ディスプレーサ3a,3bの内部には空間部5a,5bが形成されている。この空間部5a,5bには蓄冷材が充填されており、蓄冷器4a,4bとして機能する。なお、蓄冷器4a、4bは、作動ガスが蓄冷材と熱交換しながら、後述する膨張室11a、11bに流出入するため、作動ガス流路と呼ぶことがある。
【0016】
上部に位置する第1段目ディスプレーサ3aは、上方(Z1方向)に向けて延出する駆動軸33bを有する。この駆動軸33bは、後述するスコッチヨーク機構22の一部を構成する。
【0017】
また、第1段目ディスプレーサ3aの高温端側(Z1方向側端部)には、後述するスコッチヨーク配管40と連通する
作動ガス流路L1が形成されている。さらに、第1段目ディスプレーサ3aの低温端側(Z2方向側端部)には、空間部5aと第1段目膨張室11aとを連通する
作動ガス流路L2が形成されている。
【0018】
第1段目シリンダ10aの低温側端部(
図1に矢印Z2で示す方向側の端部)には、第1段目膨張室11aが形成されている。また、第1段目シリンダ10aの高温側端部(
図1に矢印Z1で示す方向側の端部)には、上部室13が形成されている。
【0019】
さらに、第2段目シリンダ10b内の低温側端部(
図1に矢印Z2で示す方向側の端部)には、第2段目膨張室11bが形成されている。
【0020】
第2段目ディスプレーサ3bは、図示しない連結機構により第1段目ディスプレーサ3aの下部に取り付けられている。この第2段目ディスプレーサ3bの高温側端部(
図1に矢印Z1で示す方向側の端部)には、第1段目膨張室11aと空間部5bとを連通する
作動ガス流路L3が形成されている。また、第2段目ディスプレーサ3bの低温側端部(
図1に矢印Z2で示す方向側の端部)には、空間部5bと第2段目膨張室11bとを連通する
作動ガス流路L4が形成されている。
【0021】
第1段目冷却ステージ6は、第1段目シリンダ10aの外周面で、第1段目膨張室11aと対向する位置に配設されている。また第2段目冷却ステージ7は、第2段目シリンダ10bの外周面で第2段目膨張室11bと対向する位置に配設されている。
【0022】
上記の第1段目及び第2段目ディスプレーサ3a,3bは、スコッチヨーク機構22により第1段目及び第2段目シリンダ10a,10b内を図中上下方向(矢印Z1,Z2方向)に移動する。
【0023】
図2は、スコッチヨーク機構22を拡大して示している。スコッチヨーク機構22は、クランク14とスコッチヨーク32等を有している。このスコッチヨーク機構22は、例えばモータ15等の駆動手段により駆動することができる。
【0024】
クランク14は、モータ15の回転軸(以下、駆動回転軸15aという)に固定される。このクランク14は、駆動回転軸15aの取り付け位置から偏心した位置に偏心ピン14aを設けた構成とされている。従って、クランク14を駆動回転軸15aに取り付けると、駆動回転軸15aと偏心ピン14aは偏心した状態となる。
【0025】
スコッチヨーク32は、駆動軸33a,33b、ヨーク板36、ころ軸受37、及びスコッチヨーク配管40等を有している。ハウジング23内のスコッチヨーク32が収容されるスコッチヨーク収容空間は、排出配管1bを介して圧縮機1の吸気口と連通する。そのため、スコッチヨーク収容空間は常に低圧に維持される。
【0026】
駆動軸33aは、ヨーク板36から上方(Z1方向)に延出している。この駆動軸33aは、ハウジング23に設けた摺動軸受17aに軸承されている。よって駆動軸33aは、図中上下方向(図中矢印Z1,Z2方向)に移動可能な構成となっている。
【0027】
なお、本実施形態では、極低温冷凍機の構成要素の位置関係をわかりやすく表すために、「軸方向」という用語を使用することがある。軸方向は駆動軸33aが延在する方向を表し、ディスプレーサが移動する方向とも一致する。便宜上、軸方向に関して膨張空間又は冷却ステージに相対的に近いことを「下」、相対的に遠いことを「上」と呼ぶことがある。つまり、低温側端部から相対的に遠いことを「上」、相対的に近いことを「下」と呼ぶことがある。なお、こうした表現はGM型冷凍機が取り付けられたときの配置とは関係しない。例えば、GM型冷凍機は鉛直方向に膨張空間を上向きにして取り付けられてもよい。
【0028】
さらに、駆動軸33aの上端部の所定範囲は、連通空間41に挿入されている。この連通空間41と摺動軸受17aとの間には、スリッパーシール35が設けられている。このスリッパーシール35は、連通空間41とハウジング23の内部空間(スコッチヨーク収容空間)を気密に画成する。
【0029】
駆動軸33bは、ヨーク板36から下方(Z2方向)に延出している。この駆動軸33bは、ハウジング23内に設けられた摺動軸受17bに軸承されている。よって駆動軸33bも、図中上下方向(図中矢印Z1,Z2方向)に移動可能な構成となっている。
【0030】
各駆動軸33a,33bが摺動軸受17a,17bに軸承されることにより、スコッチヨーク32はハウジング23内で上下方向(図中矢印Z1,Z2方向)に移動可能な構成となっている。
【0031】
ヨーク板36は、横長窓39が形成されている。この横長窓39は、駆動軸33a,33bの延出する方向に対して交差する方向、例えば直交する方向(
図2中、矢印X1,X2方向)に延在している。
【0032】
ころ軸受37は、この横長窓39内に配設されている。ころ軸受37は、横長窓39内で転動可能な構成とされている。また、偏心ピン14aと係合する係合孔38は、ころ軸受37の中心位置に形成されている。
【0033】
モータ15が駆動し駆動回転軸15aが回転すると、偏心ピン14aは円弧を描くように回転する。これにより、スコッチヨーク32は図中矢印Z1,Z2方向に往復移動する。この際、ころ軸受37は、横長窓39内を図中矢印X1,X2方向に往復移動する。
【0034】
第1段目ディスプレーサ3aは、スコッチヨーク32の下部に配設された駆動軸33bに接続されている。よって、スコッチヨーク32が図中矢印Z1,Z2方向に往復移動することにより、第1段目ディスプレーサ3a及びこれに連結された第2段目ディスプレーサ3b
も第1段目及び第2段目シリンダ10a,10b内で矢印Z1,Z2方向に往復移動する。
【0035】
なお説明の便宜上、スコッチヨーク32に設けられるスコッチヨーク配管40については、後述するものとする。
【0036】
図1に戻り、バルブ機構について説明する。本実施形態ではバルブ機構としてロータリバルブRVを用いた例について説明する。しかしながら、例えばスプールバルブの他のバルブ機構を用いることも可能である。
【0037】
ロータリバルブRVは、作動ガスの流路を切り換えるものである。このロータリバルブRVは、ガス圧縮機1の吐出口から吐出された作動ガスを第1段目ディスプレーサ3aに導く供給用バルブ(V1)として機能すると共に、第1段目ディスプレーサ3aから作動ガスをガス圧縮機1の吸気口に導く排出用バルブ(V2)として機能する。
【0038】
このロータリバルブRVは、ステータバルブ8とロータバルブ9とを有している。
【0039】
ステータバルブ8は、ピン19によりハウジング23に回転しないように固定されている。これに対し、ロータバルブ9は、ハウジング23内に回転可能に支持されている。
【0040】
ロータバルブ9は、スコッチヨーク機構22の偏心ピン14aが接続されている。ロータバルブ9は、偏心ピン14aが回転することによりステータバルブ8に対して回転する。
【0041】
作動ガス流路21は、その一端が連通空間41に接続される。また、
作動ガス流路21の他端は、ロータリバルブRVと接続することによりガス圧縮機1の吐出口又はガス圧縮機1の吸気口に選択的に接続される。この
作動ガス流路21は、ハウジング23内に形成することができる。しかしながら、
作動ガス流路21を他の構成とすることも可能であり、例えば
作動ガス流路21を配管により構成し、ハウジング23の外部でロータリバルブRVと連通空間41とを接続する構成としてもよい。
【0042】
ロータバルブ9の回転に伴い供給用バルブV1が開くと(ガス圧縮機1の吐出口と連通空間41とが連通すると)、ガス圧縮機1から高圧の作動ガスが供給配管1a、ロータリバルブRV、及び
作動ガス流路21を介して連通空間41に供給される。
【0043】
一方、寒冷発生後にロータバルブ9の回転に伴い排出用バルブV2が開くと(
作動ガス流路21とガス圧縮機1の吸気口が連通すると)、寒冷を発生させて低圧となった作動ガスは連通空間41から
作動ガス流路21、ロータリバルブRVに流入する。そして、ロータリバルブRVは排出配管1bと連通し、作動ガスは排出配管1bを介してガス圧縮機1の吸気口に流入する。
【0044】
上記の供給配管1aから連通空間41への作動ガスの供給動作、及び連通空間41から排出配管1bへの作動ガスの排出動作は、モータ15によりロータバルブ9が連続的に回転することにより繰り返し実施される。
【0045】
この作動ガスの供給及び排出のタイミングと、ディスプレーサ3a,3bの往復駆動のタイミングは、クランク14の回転に同期している。そこで、作動ガスの供給と排出の位相と、各ディスプレーサ3a,3bの往復駆動の位相とを適宜に調節することにより、第1段目及び第2段目膨張室11a,11bで作動ガスを膨張させることができる。これにより、各膨張室11a,11bにおいて寒冷を発生させることができる。
【0046】
次に、第1段目ディスプレーサ3aとハウジング23との間で作動ガスを流す配管について説明する。
【0047】
本実施形態では、第1段目ディスプレーサ3aとハウジング23との間で作動ガスを流す配管として、スコッチヨーク配管40を用いた例を示している。このスコッチヨーク配管40は、
図1及び
図2に示されるように、スコッチヨーク機構22に設けられている。
【0048】
スコッチヨーク配管40は、第1段目ディスプレーサ3aとハウジング23との間で作動ガスを流す配管である。より具体的には、スコッチヨーク配管40は、ハウジング23に形成された連通空間41と、第1段目ディスプレーサ3aに形成された作動ガス流路4aとを連通する配管である。
【0049】
このスコッチヨーク配管40は、上部配管40a、迂回配管40b、及び下部配管40cを有している。この各配管40a,40b,40cは、一体的に接続された構成とされている。
【0050】
上部配管40aは、駆動軸33aを上下に貫通するよう形成されている。この上部配管40aは、駆動軸33aの中心軸に沿って上下方向(矢印Z1,Z2方向)に貫通するよう形成されている。
【0051】
上部配管40aの上端部は、駆動軸33aの上端部に開口している。また前記のように、駆動軸33aの上端部の所定範囲は連通空間41に挿入されている。よって、上部配管40aの上端部は、連通空間41に連通した構成となっている。
【0052】
迂回配管40bは、スコッチヨーク32のヨーク板36内に形成されている。ヨーク板36は、横長窓39が形成されている。迂回配管40bは、この横長窓39を迂回するよう形成されている(
図2参照)。
【0053】
迂回配管40bの上端部は、駆動軸33aに形成された上部配管40aの下端部と接続している。また迂回配管40bの下端部は、次に述べる駆動軸33bに形成された下部配管40cの上端部と接続されている。
【0054】
下部配管40cは、ヨーク板36の下部に設けられた駆動軸33bを上下に貫通するよう形成されている。この下部配管40cは、駆動軸33bの中心軸に沿って上下方向(矢印Z1,Z2方向)に貫通するよう形成されている。
【0055】
上部配管40aの下端部は、迂回配管40bの上端部と接続されている。また、迂回配管40bの下端部は、下部配管40cの上端部と接続されている。よって、ハウジング23(連通空間41)と第1段目ディスプレーサ3aは、上部配管40a、迂回配管40b、及び下部配管40cを有するスコッチヨーク配管40を介して接続される。
【0056】
なお上記の実施形態では、迂回配管40bをヨーク板36の内部に形成した構成例を示した。しかしながら、迂回配管40bをヨーク板36の外周に配設することも可能である。
【0057】
即ち、迂回配管40bを
駆動軸33と別体とした配管により構成し、この別体とした迂回配管40bをヨーク板36の外周を囲繞するように取り付けることも可能であり、スコッチヨーク32と一体となって上下方向に移動可能であればよい。
【0058】
本実施形態に係るGM冷凍機において、ガス圧縮機1から高圧の作動ガスがロータリバルブRV等を介して連通空間41(ハウジング23)に供給されると、この高圧の作動ガスは上部配管40aの上端部からスコッチヨーク配管40内に流入する。
【0059】
スコッチヨーク配管40内に流入した高圧の作動ガスは、上部配管40a,迂回配管40b,及び下部配管40cを順次通り、
作動ガス流路L1を介して第1段目ディスプレーサ3aの内部に流入する。
【0060】
スコッチヨーク配管40は、上部室13を介さず連通空間41と第1段目ディスプレーサ3aとを接続している。つまり、上部室13は作動ガスをディスプレーサに導入するための流路とは隔離されている。このため、ガス圧縮機1から供給された高圧の作動ガスは、上部室13に流入することなく、ハウジング23から第1段目ディスプレーサ3aに流入する。
【0061】
一方、各膨張室11a,11bで膨張した低圧の作動ガスは、
作動ガス流路L2〜L4、及び各作動ガス流路4a,4b等を通り
作動ガス流路L1に流入する。前記のように、
作動ガス流路L1は下部配管40cと接続されている。よって、この低圧の作動ガスは、スコッチヨーク配管40内に流入する。
【0062】
スコッチヨーク配管40内に流入した低圧の作動ガスは、下部配管40c,迂回配管40b,及び上部配管40aを順次通り、
作動ガス流路21を介して排出配管1bにいたる。
【0063】
前記のように、スコッチヨーク配管40は、上部室13を介さず連通空間41と第1段目ディスプレーサ3aとを接続している。つまり、スコッチヨーク配管40は、上部室13とは隔離された配管により、連通空間41と第1段目ディスプレーサ3aとを接続している。このため、低圧の作動ガスがガス圧縮機1に還流する場合も、低圧の作動ガスは上部室13に流入することなく、ハウジング23からガス圧縮機1に還流される。
【0064】
このように本実施形態に係るGM冷凍機では、ハウジング23(連通空間41)と第1段目ディスプレーサ3aはスコッチヨーク配管40により接続されている。また、スコッチヨーク配管40は、上部室13をバイパスした構成となっている。即ち、上部室13は、作動ガスの流路とされていない。なお、上部室13には、ディスプレーサ3aとシリンダ10aとの間、駆動軸とハウジングとの間などの隙間に作動ガスのリークが発生するかもしれない。しかし、上部室13は常に低圧のスコッチヨーク収容空間と連通しており、上部室13の圧力変化は小さい。
【0065】
このため、スコッチヨーク機構22によりディスプレーサ3a,3bが上下に往復移動し、これに伴い上部室13の容積が変化しても、この上部室13での圧力変化が低減されるため作動ガスに圧縮熱が発生することを抑制できる。これにより、作動ガスの熱損失を低減することができる。
【0066】
また、作動ガスが流れる流路において、大きな容積を有する上部室13が存在しないため、ガス圧縮機1を駆動するモータの消費電力の削減を図ることが可能になる。これにより、GM冷凍機のエネルギ消費効率(COP:(冷凍能力)÷(消費電力)で求められる)を高めることができる。
【0067】
さらに作動ガスは、スコッチヨーク配管40から直接第1段目ディスプレーサ3a内の作動ガス流路4aに流入出する。
【0068】
次に、
図3乃至
図6を用いて、本発明の他の実施形態について説明する。
【0069】
なお、
図3乃至
図6において、先の説明に用いた
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ものとする。
【0070】
図3に示す実施形態に係るGM冷凍機は、駆動軸配管50をスコッチヨークの駆動軸33bのみに形成している。この駆動軸配管50の下端部は、第1段目ディスプレーサ3aの高温側端部に形成された
作動ガス流路L1に接続されている。
【0071】
また、駆動軸配管50の上端部は、接続孔50aと接続されている。駆動軸配管50が第1段目ディスプレーサ3aの移動方向(Z1,Z2方向)に延在しているのに対し、接続孔50aはこれと交差する方向(Y1,Y2方向)に形成されている。この接続孔50aは、一端が駆動軸配管50の上端部と接続し、他端部が駆動軸33bの外周に開口している。
【0072】
ハウジング23に設けられた摺動軸受17bは、長孔51が形成されている。この長孔51は、摺動軸受17bの駆動軸33bと対峙する内周面で、前記した接続孔50aと対向する位置に形成されている。
【0073】
長孔51は、駆動軸33bの移動方向(Z1,Z2方向)に長く延在するよう形成されている。この長孔51の長さは、各ディスプレーサ3a,3bが上下移動する距離よりも長く設定されている。よって、接続孔50aと長孔51は、各ディスプレーサ3a,3bの上下移動に拘わらず、常に接続された状態を維持する。
【0074】
また長孔51は、ハウジング23に形成された
作動ガス流路21に接続されている。よって長孔51は、
作動ガス流路21、ロータリバルブRV、各配管1a,1bを介してガス圧縮機1と接続されている。つまり、この長孔51は連通空間として機能する。
【0075】
さらに、本実施形態で用いている摺動軸受17bは、シール材としても機能する材料が選定されている。よって、摺動軸受17bと駆動軸33bは気密状態を維持している。よって、接続孔50aと長孔51との接続位置で、作動ガスのリークが低減されている。なお、長孔51とスコッチヨーク収容空間との間、又は長孔51と上部室13との間をシールするシール部材を設けても良い。シール部材としては、スリッパーシールなどが好ましい。
【0076】
本実施形態に係るGM冷凍機は、上部室13を介することなく、第1段目ディスプレーサ3aとハウジング23(長孔51)とが、駆動軸配管50で接続されている。よって、ディスプレーサ3a,3bが往復運動しても、
上部室13での圧縮熱の発生は抑制され、作動ガスの熱損失を低減することができ、またエネルギ消費効率(COP)を高めることができる。なお、本実施形態では、駆動機構としてスコッチヨーク機構を用いる構成を例に説明したがこれに限られない。駆動軸はスコッチヨーク機構とは異なるカム機構により駆動されてもよく、あるいはリニアモータで駆動されても良い。
【0077】
図4及び
図5は、さらに他の実施形態に係るGM冷凍機を示している。
【0078】
本実施形態に係るGM冷凍機では、ハウジング23と第1段目ディスプレーサ3aを接続機構60を用いて接続したものである。接続機構60は、立設配管61と収容部62等を有している。
【0079】
立設配管61は直線形状のパイプであり、第1段目ディスプレーサ3aの高温側端部の上面から上方に向けて立設されている。この立設配管61は、例えば溶接等の接合法により第1段目ディスプレーサ3aに固定することができる。しかしながら、固定方法はこれに限定されるものではなく、圧入等の他の固定方法を用いることもできる。
【0080】
また本実施形態では第1段目ディスプレーサ3aの高温端側に複数(例えば4個)の
作動ガス流路L1が形成されている。立設配管61は、この各
作動ガス流路L1に対応して複数配設されている。しかしながら、作動ガスの流量によっては、単数の
作動ガス流路L1及び立設配管61とすることも可能である。
【0081】
ハウジング23の立設配管61と対向する位置には、収容部62が形成されている。この収容部62は、ハウジング23に形成された凹状の空間である。この収容部62には、
作動ガス流路21が接続されている。
作動ガス流路21の端部は、収容部62の数に応じて分岐されている。この各分岐配管は、各収容部62の底部に接続されている。
【0082】
各立設配管61は、対応する各収容部62内に挿入される。立設配管61は第1段目ディスプレーサ3aに固定されているため、第1段目ディスプレーサ3aの移動に伴い上下方向(Z1,Z2方向)に移動する。接続機構60は、収容部62内において立設配管61が移動可能な構成とされている。
【0083】
また立設配管61が収容部62内で移動しても、立設配管61と収容部62との間は気密状態を維持する。この気密状態を維持するため、立設配管61と収容部62との間に例えばシール材等を配設する構成としてもよい。シール材としては、例えばスリッパーシールを用いることができる。
【0084】
また、立設配管61の収容部62内への挿入深さは、第1段目ディスプレーサ3a移動しても立設配管61が収容部62から離脱せず、接続状態を維持できる長さに設定されている。
【0085】
本実施形態に係るGM冷凍機は、第1段目ディスプレーサ3aとハウジング23とを上部室13を介さず接続機構60(立設配管61,収容部62)で接続している。よって本実施形態に係るGM冷凍機も、ディスプレーサ3a,3bが往復運動しても、上部室13で圧縮熱が発生することは抑制され、作動ガスの熱損失を低減することができ、またエネルギ消費効率(COP)を高めることができる。
【0086】
なお、上記した実施形態ではハウジング23に収容部62を設け、第1段目ディスプレーサ3aに立設配管61を設けた構成とした。しかしながら、ハウジング23に立設配管61を設け、第1段目ディスプレーサ3aに収容部62を設ける構成とすることも可能である。
【0087】
図6は、さらに他の実施形態に係るGM冷凍機を示している。
【0088】
本実施形態に係るGM冷凍機では、ハウジング23と第1段目ディスプレーサ3aを可撓配管70を用いて接続したものである。
【0089】
第1段目ディスプレーサ3aは、高温側端部に複数の
作動ガス流路L1が形成されている。また、ハウジング23の各
作動ガス流路L1と対向する位置には、
作動ガス流路21を分岐した分岐流路21aが形成されている。可撓配管70は、分岐流路21aと
作動ガス流路L1とを接続するよう設けられている。
【0090】
作動ガス流路L1と可撓配管70とが接続する位置と、分岐流路21aと可撓配管70とが接続する位置は、第1段目ディスプレーサ3aに伴い移動する。可撓配管70は、第1段目ディスプレーサ3aが上下に移動しても、可撓変形することにより分岐流路21aと
作動ガス流路L1との接続を維持する構成とされている。
【0091】
可撓配管70は、第1段目ディスプレーサ3aの移動に伴い可撓し、かつ気密性を維持できる材料であれば、特にその材料及び構成を限定されるものではない。例えば、可撓性及び耐久性を有する樹脂よりなるチューブや、金属製の蛇腹構造の配管を用いることができる。さらに、可撓配管70は伸縮性をもつことが好ましい。
【0092】
本実施形態に係るGM冷凍機も、第1段目ディスプレーサ3aとハウジング23が上部室13を介さず可撓配管70で接続されている。よって本実施形態に係るGM冷凍機も、ディスプレーサ3a,3bが往復運動しても、上部室13で圧縮熱が発生することは抑制され、作動ガスの熱損失を低減することができ、またエネルギ消費効率(COP)を高めることができる。
【0093】
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。