特開 2024-57241 極低温冷凍機の圧縮機

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024057241

(43)【公開日】2024-04-24

(54)【発明の名称】極低温冷凍機の圧縮機

(51)【国際特許分類】

   F04B 35/04 20060101AFI20240417BHJP

【ＦＩ】

F04B35/04

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022163846

(22)【出願日】2022-10-12

(71)【出願人】

【識別番号】000002107

【氏名又は名称】住友重機械工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100105924

【弁理士】

【氏名又は名称】森下 賢樹

(74)【代理人】

【識別番号】100116274

【弁理士】

【氏名又は名称】富所 輝観夫

(72)【発明者】

【氏名】平塚 善勝

【テーマコード（参考）】

3H076

【Ｆターム（参考）】

3H076AA02

3H076AA03

3H076BB38

3H076CC03

3H076CC28

3H076CC31

(57)【要約】

【課題】極低温冷凍機の圧縮機にガスばねを搭載しつつ小型化を可能にする。
【解決手段】極低温冷凍機１０の圧縮機１２は、圧縮機ハウジング２０と、圧縮機ハウジング２０に配置され、極低温冷凍機１０の冷媒ガスの圧縮室２２を両者間に形成する圧縮機ピストン２４および圧縮機シリンダ２６と、を備える。圧縮機ピストン２４と圧縮機シリンダ２６のうち一方が圧縮機ハウジング２０に振動可能に支持された可動体であり、圧縮機ピストン２４と圧縮機シリンダ２６のうち他方が圧縮機ハウジング２０に固定されている。可動体は、その内部にガスばね室３２を有する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

極低温冷凍機の圧縮機であって、
圧縮機ハウジングと、
前記圧縮機ハウジングに配置され、極低温冷凍機の冷媒ガスの圧縮室を両者間に形成する圧縮機ピストンおよび圧縮機シリンダと、を備え、
前記圧縮機ピストンと前記圧縮機シリンダのうち一方が前記圧縮機ハウジングに振動可能に支持された可動体であり、前記圧縮機ピストンと前記圧縮機シリンダのうち他方が前記圧縮機ハウジングに固定されており、
前記可動体は、その内部にガスばね室を有することを特徴とする極低温冷凍機の圧縮機。

【請求項2】

前記圧縮機ハウジングは、固定されたガスばね室ピストンを備え、
前記可動体は、前記ガスばね室を前記ガスばね室ピストンとの間に形成するガスばね室シリンダを備えることを特徴とする請求項１に記載の極低温冷凍機の圧縮機。

【請求項3】

前記圧縮機ハウジング内には、前記圧縮室から区画された冷媒ガス室が形成され、
前記ガスばね室ピストンは、前記ガスばね室を前記冷媒ガス室に接続する冷媒ガス流路を備え、
前記冷媒ガス流路には、流量調整器が設けられていることを特徴とする請求項２に記載の極低温冷凍機の圧縮機。

【請求項4】

前記流量調整器は、前記圧縮機ハウジングの外から操作可能であることを特徴とする請求項３に記載の極低温冷凍機の圧縮機。

【請求項5】

前記可動体は、前記圧縮機シリンダであることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の極低温冷凍機の圧縮機。

【請求項6】

前記可動体は、前記圧縮機ピストンであることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の極低温冷凍機の圧縮機。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、極低温冷凍機、例えばスターリング型の極低温冷凍機に適する圧縮機に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、例えばスターリング冷凍機やスターリング型パルス管冷凍機など、スターリング型の極低温冷凍機が知られている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０２１－９２３３１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

スターリング型の極低温冷凍機の小型化を目指すための一つの方策として、冷凍機の運転周波数、つまり圧縮機内で振動する振動体（ピストン、またはシリンダ）の共振周波数を高めることが考えられる。そのためには一般に、振動体を支持する板ばねなどの機械的ばねのばね定数を大きくする必要がある。しかし、これと小型化の両立には設計上の難しさがある。なぜなら、小型化により機械的ばねの設置スペースも小さくなり、ばね自体の小型化も求められるなかで、大きなばね定数を確保しようとすると、ばねに応力集中が生じやすくなるためである。

【0005】

そこで、振動体に作用するガスばねを追加し、ガスばねと機械的ばねの合計でばね定数を大きくすることが提案される。しかし、ガスばねの追加には相応の容積を要するので、これも極低温冷凍機の小型化に逆行しうる。

【0006】

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、極低温冷凍機の圧縮機にガスばねを搭載しつつ小型化を可能にすることにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明のある態様によると、極低温冷凍機の圧縮機は、圧縮機ハウジングと、圧縮機ハウジングに配置され、極低温冷凍機の冷媒ガスの圧縮室を両者間に形成する圧縮機ピストンおよび圧縮機シリンダと、を備える。圧縮機ピストンと圧縮機シリンダのうち一方が圧縮機ハウジングに振動可能に支持された可動体であり、圧縮機ピストンと圧縮機シリンダのうち他方が圧縮機ハウジングに固定されている。可動体は、その内部にガスばね室を有する。

【発明の効果】

【0008】

本発明によれば、極低温冷凍機の圧縮機にガスばねを搭載しつつ、極低温冷凍機を小型化することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】実施の形態に係る極低温冷凍機を概略的に示す図である。

【図2】変形例に係る極低温冷凍機の圧縮機を概略的に示す図である。

【図3】他の実施の形態に係る極低温冷凍機の圧縮機を概略的に示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。説明および図面において同一または同等の構成要素、部材、処理には同一の符号を付し、重複する説明は適宜省略する。図示される各部の縮尺や形状は、説明を容易にするために便宜的に設定されており、特に言及がない限り限定的に解釈されるものではない。実施の形態は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

【0011】

図１は、実施の形態に係る極低温冷凍機１０を概略的に示す図である。この実施の形態では、極低温冷凍機１０は、単段式のスターリング冷凍機であり、圧縮機１２と、接続管１４と、コールドヘッドとも称される膨張器１６とを備える。

【0012】

圧縮機１２は、一例として、対向して同軸に配置された２つの圧縮機ユニットを有する、いわゆる対向二気筒型のリニア圧縮機として構成されている。圧縮機１２は、圧縮機ハウジング２０と、圧縮機ハウジング２０に配置され、極低温冷凍機１０の冷媒ガスの圧縮室２２を両者間に形成する圧縮機ピストン２４および圧縮機シリンダ２６と、圧縮機１２を駆動する圧縮機モータ２８とを備える。２つの圧縮機ユニットは合体され、圧縮機ハウジング２０を共通としている。

【0013】

極低温冷凍機１０の冷媒ガス（作動ガスとも呼ばれる）は、典型的にヘリウムガスが使用される。ただし、これに限られず、適切な他のガスを冷媒ガスとして用いることも可能である。冷媒ガスは、極低温冷凍機１０内に充填され封入されている。

【0014】

圧縮機１２においては、圧縮機ハウジング２０が周囲圧力よりも高圧の冷媒ガスを気密に保持する圧力容器であり、冷媒ガスは圧縮機ハウジング２０内に封入されている。また、圧縮機ハウジング２０内には、圧縮室２２から区画された冷媒ガス室３０が形成される。圧縮室２２は接続管１４を通じて膨張器１６に接続されるのに対して、冷媒ガス室３０は圧縮機ハウジング２０内の閉鎖空間である。冷媒ガス室３０の圧力は、冷媒ガスの封入圧、言い換えれば圧縮室２２での圧力振動の中間圧におおむね一致する。

【0015】

この実施の形態では、圧縮機１２は、シリンダ可動型である。よって、圧縮機シリンダ２６が圧縮機ハウジング２０に振動可能に支持された可動体（振動体）であり、圧縮機ピストン２４が圧縮機ハウジング２０に固定されている。圧縮機シリンダ２６は、圧縮機ハウジング２０の内部容積を圧縮室２２と冷媒ガス室３０とに仕切る。圧縮室２２は、圧縮機ピストン２４内に形成されるガス通路を通じて接続管１４に接続される。

【0016】

圧縮機シリンダ２６と圧縮機ピストン２４は同軸に配置され、圧縮機シリンダ２６内に圧縮機ピストン２４が挿入されている。圧縮機シリンダ２６と圧縮機ピストン２４はともに、軸方向（図１においては左右方向）に細長く延びている。圧縮機シリンダ２６の振動方向は、圧縮機シリンダ２６および圧縮機ピストン２４の軸方向に一致する。

【0017】

圧縮機シリンダ２６は、その内部にガスばね室３２を有する。ガスばね室３２は、ガスばね室ピストン３４とガスばね室シリンダ３６との間に形成され、冷媒ガス室３０から区画されている。ガスばね室ピストン３４とガスばね室シリンダ３６は、圧縮機シリンダ２６に対して圧縮機ピストン２４とは反対側で、冷媒ガス室３０に配置されている。

【0018】

ガスばね室ピストン３４は、圧縮機ハウジング２０に固定されている。圧縮機ピストン２４が圧縮機ハウジング２０の軸方向中央部に配置されるのに対して、ガスばね室ピストン３４は圧縮機ハウジング２０の軸方向端部に配置されている。ガスばね室ピストン３４は、圧縮機ハウジング２０に一体形成されていてもよい。

【0019】

ガスばね室シリンダ３６は、圧縮機シリンダ２６に対して圧縮機ピストン２４とは反対側で、圧縮機シリンダ２６に固定されている。ガスばね室シリンダ３６は、圧縮機ハウジング２０内で圧縮機シリンダ２６ともに移動可能である。ガスばね室シリンダ３６は、圧縮機シリンダ２６と背向しており、ガスばね室ピストン３４が内部に挿入されている。ガスばね室シリンダ３６およびガスばね室シリンダ３６は、圧縮機ピストン２４および圧縮機シリンダ２６と同軸に配置されている。ガスばね室シリンダ３６は、圧縮機シリンダ２６に一体形成されていてもよい。

【0020】

圧縮機１２が駆動されるときガスばね室３２の圧力は変動するが、圧縮機１２が動作していないときのガスばね室３２の圧力は冷媒ガス室３０の圧力に等しい。ガスばね室３２は、ガスばね室ピストン３４とガスばね室シリンダ３６との間のクリアランスを通じて冷媒ガス室３０に連通していてもよい。

【0021】

圧縮機モータ２８は、その駆動により圧縮機シリンダ２６を振動させて圧縮室２２に冷媒ガスの圧力振動を生成するように構成される。圧縮機モータ２８は、圧縮機ハウジング２０に取り付けられ、冷媒ガス室３０に配置されている。

【0022】

圧縮機モータ２８は、一例として、磁石可動式のリニア振動アクチュエータである。圧縮機モータ２８は、内ヨーク２８ａ、永久磁石２８ｂ、コイル２８ｃ、外ヨーク２８ｄ、ヨーク支持体２８ｅを有する。よって、圧縮機モータ２８の可動部は、永久磁石２８ｂにより構成され、圧縮機モータ２８の静止部は、内ヨーク２８ａ、コイル２８ｃ、外ヨーク２８ｄ、ヨーク支持体２８ｅにより構成される。

【0023】

圧縮機モータ２８のこれら構成要素は、圧縮機シリンダ２６を囲むようにして圧縮機シリンダ２６と同軸に配置されている。圧縮機シリンダ２６が圧縮機１２の中心軸上に位置し、そこから径方向に外側に向かって、内ヨーク２８ａ、永久磁石２８ｂ、コイル２８ｃ、外ヨーク２８ｄの順に配置されている。内ヨーク２８ａと外ヨーク２８ｄは、ヨーク支持体２８ｅに固定されている。永久磁石２８ｂは、内ヨーク２８ａと外ヨーク２８ｄの間に配置されるように圧縮機シリンダ２６に固定されており、圧縮機シリンダ２６は永久磁石２８ｂと一体に移動可能である。ヨーク支持体２８ｅは、圧縮機ハウジング２０に固定されている。

【0024】

なお、外ヨーク２８ｄ及び／またはヨーク支持体２８ｅは、圧縮機ハウジング２０の一部であってもよく、例えば、周囲環境から冷媒ガス室３０を隔離する圧縮機ハウジング２０の圧力隔壁の一部を構成してもよい。

【0025】

圧縮機シリンダ２６は、支持構造、例えばフレクシャベアリング３８を介して圧縮機ハウジング２０に連結されている。フレクシャベアリング３８は例えば、冷媒ガス室３０に配置された１つ又は複数の板ばねを備えており、板ばねは、圧縮機シリンダ２６の振動方向（すなわち軸方向）に柔軟であり、振動方向に垂直な方向（例えば、径方向、周方向）に剛である。よって、圧縮機シリンダ２６は、フレクシャベアリング３８を介して、径方向および周方向の変位は規制されつつ軸方向には変位できるように圧縮機ハウジング２０に弾性的に支持される。この実施の形態では、圧縮機シリンダ２６ごとに２つのフレクシャベアリング３８が設けられ、一方のフレクシャベアリング３８が圧縮機シリンダ２６を、他方がガスばね室シリンダ３６を支持している。

【0026】

接続管１４は、圧縮機１２を膨張器１６に接続する。すなわち、接続管１４を通じて、圧縮機１２と膨張器１６との間で相互に双方向に冷媒ガスを流すことができるように圧縮機１２と膨張器１６とが接続される。よって、圧縮機１２により生成される冷媒ガスの圧力振動は、接続管１４を介して膨張器１６に伝達され、それにより膨張器１６内に圧力振動を誘起することができる。なお、接続管１４は、フレキシブル管であってもよいし、剛性管であってもよい。

【0027】

膨張器１６は、公知の構成を適宜採用しうる。よって、膨張器１６の具体的な内部構成について、ここでは詳述しない。

【0028】

このような構成により、圧縮機１２において圧縮機モータ２８のコイル２８ｃに交流電流が供給されるとコイル２８ｃの周りに交番磁場が発生し、この磁場と永久磁石２８ｂとの磁気的な相互作用によって、永久磁石２８ｂとともに圧縮機シリンダ２６が駆動される。すなわち、圧縮機モータ２８は、圧縮機ハウジング２０に対して圧縮機シリンダ２６をその長手方向に振動させる。それにより圧縮室２２の容積が振動的に増減し、圧縮室２２内の冷媒ガスの圧力振動が生成される。一例として、圧力振動の平均圧力は例えばメガパスカルのオーダ、例えば約１～３ＭＰａの範囲にあり、圧力振幅は例えば約０．５～１ＭＰａ以内の範囲にあり、周波数は例えば約５０～６０Ｈｚの範囲にあってもよい。

【0029】

圧縮室２２での冷媒ガスの圧力振動は、接続管１４を介して膨張器１６に伝達される。圧縮機１２と膨張器１６との間に冷凍サイクル（例えば、具体的には、逆スターリングサイクル）が構成され、極低温冷凍機１０は、極低温冷却を提供することができる。

【0030】

この実施の形態では、圧縮機１２にガスばね室３２が設けられている。ガスばね室３２は、圧縮機モータ２８によって圧縮機１２が駆動されるとき、内部の冷媒ガス圧が圧縮機シリンダ２６に作用するガスばねとして働く。圧縮機シリンダ２６を振動体とする共振系のばね定数は、このガスばねとフレクシャベアリング３８との合計により増加される。フレクシャベアリング３８への負荷の増大を抑えながら、共振周波数を高め、すなわち極低温冷凍機１０の運転周波数を高めることができる。これは、より小型の冷凍機で同じ冷凍能力を出すことが可能となることを意味するから、極低温冷凍機１０の小型化に役立つ。

【0031】

ガスばねを設置するための別の設計案として、圧縮機ハウジングの端部にガスばね室を追加的に付加することが考えられる。この場合、追加されるガスばね室の分だけ圧縮機ハウジングが軸方向に延長されるか、ハウジング端部にガスばね室に相当する出っ張りが形成され、圧縮機ハウジングの大型化を招きがちである。

【0032】

これに対して、実施の形態では、ガスばね室３２は、圧縮機シリンダ２６の内部に設けられている。このようにすれば、内部スペースを有効利用して圧縮機ハウジング２０の大型化を避けつつ圧縮機１２にガスばね室３２を組み込むことができる。

【0033】

図２は、変形例に係る極低温冷凍機の圧縮機１２を概略的に示す図である。上述の実施の形態と同様に、圧縮機シリンダ２６は、その内部にガスばね室３２を有する。ガスばね室３２は、圧縮機ハウジング２０に固定されたガスばね室ピストン３４と圧縮機シリンダ２６に固定されたガスばね室シリンダ３６との間に形成されている。

【0034】

ガスばね室３２のばね定数を調節可能であることが望ましい。そこで、図２に示されるように、ガスばね室ピストン３４は、ガスばね室３２を冷媒ガス室３０に接続する冷媒ガス流路４０を備え、冷媒ガス流路４０には、流量調整器４２が設けられてもよい。流量調整器４２は、圧縮機ハウジング２０に設置されてもよい。流量調整器４２は、例えば、冷媒ガス流路４０に配置されたニードル弁体４２ａを有するニードル弁であってもよい。

【0035】

流量調整器４２は、圧縮機ハウジング２０の外から操作可能であってもよい。例えば、流量調整器４２がニードル弁である場合、流量調整器４２は、圧縮機ハウジング２０の外側に設けられた調整ねじなどの操作部４２ｂを備えてもよい。圧縮機ハウジング２０の外から操作部４２ｂを操作することにより、冷媒ガス流路４０内でニードル弁体４２ａを進退させ、冷媒ガス流路４０の冷媒ガス流量を調整することができる。

【0036】

流量調整器４２を用いて、ガスばね室シリンダ３６の振動によりガスばね室３２の容積が増減するときの冷媒ガス流路４０の冷媒ガス流量を調整し、ガスばね室３２のばね定数を調節することができる。これにより圧縮機シリンダ２６の共振周波数ひいては極低温冷凍機の運転周波数を変更し、極低温冷凍機の冷凍能力を向上または最適化することができる。流量調整器４２は圧縮機ハウジング２０の外から操作することができ、この調節作業を行ううえで便利である。

【0037】

図３は、他の実施の形態に係る極低温冷凍機１０の圧縮機１２を概略的に示す図である。上述の実施の形態では、圧縮機１２がシリンダ可動型である場合を例として説明したが、図３に示されるように、圧縮機１２は、ピストン可動型であってもよい。ガスばね室３２は、ピストン可動型の圧縮機１２に適用されてもよい。

【0038】

圧縮機１２は、対向して同軸に配置された２つの圧縮機ユニットを有する、いわゆる対向二気筒型のリニア圧縮機として構成されている。圧縮機１２は、圧縮機ハウジング２０と、圧縮機ハウジング２０に配置され、極低温冷凍機１０の冷媒ガスの圧縮室２２を両者間に形成する圧縮機ピストン２４および圧縮機シリンダ２６と、圧縮機１２を駆動する圧縮機モータ２８とを備える。

【0039】

圧縮機ピストン２４が圧縮機ハウジング２０に振動可能に支持された可動体（振動体）であり、圧縮機シリンダ２６が圧縮機ハウジング２０に固定されている。圧縮機シリンダ２６は、圧縮機ハウジング２０の一部であってもよい。圧縮機ハウジング２０内には、圧縮機ピストン２４によって圧縮室２２から区画された冷媒ガス室３０が形成される。圧縮室２２は、接続管１４に接続されている。

【0040】

圧縮機ピストン２４は、その内部にガスばね室３２を有する。ガスばね室３２は、ガスばね室ピストン３４とガスばね室シリンダ３６との間に形成され、冷媒ガス室３０から区画されている。ガスばね室ピストン３４は、圧縮機ハウジング２０に固定されている。ガスばね室シリンダ３６は、圧縮室２２とは反対側で圧縮機ピストン２４の端部に形成され、ガスばね室ピストン３４が内部に挿入されている。

【0041】

圧縮機モータ２８は、圧縮機ハウジング２０に取り付けられ、冷媒ガス室３０に配置されている。上述の実施の形態と同様に、圧縮機モータ２８は一例として、磁石可動式のリニア振動アクチュエータであり、内ヨーク２８ａ、永久磁石２８ｂ、コイル２８ｃ、外ヨーク２８ｄを有する。圧縮機ピストン２４およびガスばね室シリンダ３６は、フレクシャベアリング３８を介して圧縮機ハウジング２０に連結されている。

【0042】

ガスばね室３２は、圧縮機モータ２８によって圧縮機１２が駆動されるとき、内部の冷媒ガス圧が振動する圧縮機ピストン２４に作用するガスばねとして働く。このようにしても、上述の実施の形態と同様に、極低温冷凍機１０の圧縮機１２にガスばねを搭載しつつ、極低温冷凍機１０を小型化することが可能となる。

【0043】

以上、本発明を実施例にもとづいて説明した。本発明は上記実施形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。ある実施の形態に関連して説明した種々の特徴は、他の実施の形態にも適用可能である。組合せによって生じる新たな実施の形態は、組み合わされる実施の形態それぞれの効果をあわせもつ。

【0044】

図３に示される実施の形態においても、図２の実施の形態と同様に、ガスばね室ピストン３４は、ガスばね室３２を冷媒ガス室３０に接続する冷媒ガス流路４０を備え、冷媒ガス流路４０には、流量調整器４２が設けられてもよい。流量調整器４２は、例えば、冷媒ガス流路４０に配置されたニードル弁体４２ａを有するニードル弁であってもよい。流量調整器４２は、圧縮機ハウジング２０の外から操作可能であってもよい。例えば、流量調整器４２がニードル弁である場合、流量調整器４２は、圧縮機ハウジング２０の外側に設けられた調整ねじなどの操作部４２ｂを備えてもよい。

【0045】

上述の実施の形態では、単段式のスターリング型の極低温冷凍機を例として説明しているが、ある実施の形態においては、極低温冷凍機１０は、二段式のスターリング型の極低温冷凍機（すなわち、二段式のスターリング冷凍機、または二段式のスターリング型パルス管冷凍機）として構成することも可能である。

【0046】

実施の形態にもとづき、具体的な語句を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用の一側面を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。

【符号の説明】

【0047】

１０ 極低温冷凍機、 １２ 圧縮機、 ２０ 圧縮機ハウジング、 ２２ 圧縮室、 ２４ 圧縮機ピストン、 ２６ 圧縮機シリンダ、 ３０ 冷媒ガス室、 ３２ ガスばね室、 ３４ ガスばね室ピストン、 ３６ ガスばね室シリンダ、 ４０ 冷媒ガス流路、 ４２ 流量調整器。

【図1】

【図2】

【図3】