JP2017207275A

JP2017207275A - 極低温冷凍機

Info

Publication number: JP2017207275A
Application number: JP2017147523A
Authority: JP
Inventors: 孝明森江; Takaaki Morie
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2017-07-31
Filing date: 2017-07-31
Publication date: 2017-11-24

Abstract

【課題】極低温冷凍機の全長を短くする技術を提供する。
【解決手段】極低温冷凍機において、スコッチヨーク機構は、偏心回転体と、偏心回転体の回転により往復移動するヨーク板３５と、を備える。ディスプレーサ１３は、ヨーク板３５とともに往復移動するようヨーク板３５に接続されている。シリンダ１１は、ディスプレーサ１３を収容し、ディスプレーサ１３との間に冷媒ガスの膨張空間２１を形成する。気密容器は、シリンダ１１の高温側に設けられており、スコッチヨーク機構を収容する収容空間４を有し、膨張空間２１から排気される冷媒ガスを受け入れるよう構成されている。気密容器は、偏心回転体の回転軸まわりのヨーク板３５の傾動を規制するようヨーク板３５の側部を支持する支持部を備える。
【選択図】図５

Description

本発明は、スコッチヨーク機構を有する極低温冷凍機に関する。

極低温を発生する冷凍機としてギフォード・マクマホン（ＧＭ）冷凍機が知られている。ＧＭ冷凍機は、シリンダ内でディスプレーサを往復移動することにより、膨張空間の体積を変化させる。この体積変化に対応して膨張空間と圧縮機の吐出側と吸気側とを選択的に接続することで、冷媒ガスが膨張空間で膨張する。ディスプレーサを往復移動させるために、モータが回転させるクランクの回転運動を往復移動に変換する既知のスコッチヨーク機構が用いられることがある。

実開平２−４１６８号公報

スコッチヨーク機構はクランクの回転運動を往復移動に変換する機構である。スコッチヨーク機構はクランクの回転運動により往復運動するヨーク板を備える。このヨーク板の往復移動と平行に接続される駆動軸を、軸受を用いて支持することが広く行われている。この際、十分な抗力を担保するために駆動軸を長くすると、ＧＭ冷凍機全体の長さも増加する。

ＧＭ冷凍機は、例えば超伝導を利用する装置等に組み込んで使用される。この場合、冷凍機を組み込む装置の制約により、冷凍機を無制限に大きくすることはできず、特に全長を短くすることが求められている。

本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、極低温冷凍機の全長を短くする技術を提供することである。

上記課題を解決するために、本発明のある態様の極低温冷凍機は、偏心回転体と、偏心回転体の回転により往復移動するヨーク板と、を備えるスコッチヨーク機構と、ヨーク板とともに往復移動するようヨーク板に接続されているディスプレーサと、ディスプレーサを収容し、ディスプレーサとの間に冷媒ガスの膨張空間を形成するシリンダと、シリンダの高温側に設けられており、スコッチヨーク機構を収容し、膨張空間から排気される冷媒ガスを受け入れるよう構成されている気密容器と、を備える。気密容器は、偏心回転体の回転軸まわりのヨーク板の傾動を規制するようヨーク板の側部を支持する支持部を備える。

本発明によれば、極低温冷凍機の全長を短くする技術を提供することができる。

図１は、本発明のある実施の形態であるＧＭ冷凍機の断面図である。図２は、スコッチヨーク機構を拡大して示す分解斜視図である。図３は、ロータリーバルブを拡大して示す分解斜視図である。図４（ａ）−（ｂ）は、従来技術に係るスコッチヨークにおける回転抑止力を説明する図である。図５（ａ）−（ｄ）は、収容空間内のスコッチヨークにおけるヨーク板の動きを規制するガイド機構を説明する図である。図６（ａ）−（ｃ）は、スコッチヨークにおけるヨーク板の動きを規制するガイド機構の一例をより詳細に説明する図である。

本発明の実施の形態について図面と共に説明する。

まず、実施の形態の極低温冷凍機の全体構成について説明する。図１乃至図３は、本発明のある実施の形態である極低温冷凍機を説明するための図である。本実施の形態では、極低温冷凍機としてギフォード・マクマホン冷凍機（以下、ＧＭ冷凍機という）を例に挙げて説明する。本実施の形態に係るＧＭ冷凍機は、圧縮機１、シリンダ２、及びハウジング３等を有している。

圧縮機１は、低圧配管１ｂが接続された吸気側から低圧の冷媒ガスを回収し、これを圧縮した後に吐出側に接続された高圧配管１ａに高圧の冷媒ガスを供給する。冷媒ガスとしては、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。

本実施の形態では２段式のＧＭ冷凍機を例に挙げて説明する。２段式のＧＭ冷凍機では、シリンダ２は第１段目シリンダ１１と第２段目シリンダ１２の二つのシリンダを有している。第１段目シリンダ１１の内部には、第１段目ディスプレーサ１３が挿入される。また、第２段目シリンダ１２の内部には、第２段目ディスプレーサ１４が挿入される。

この第１段目及び第２段目ディスプレーサ１３、１４は相互に連結されており、各シリンダ１１、１２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１３、１４の内部には内部空間１５、１６が形成されている。この内部空間１５、１６には蓄冷材が充填されており、蓄冷器１７、１８として機能する。

上部に位置する第１段目ディスプレーサ１３は、上方（Ｚ１方向）に向けて延出する駆動軸３６に連結される。この駆動軸３６は、後述するスコッチヨーク機構３２の一部を構成する。

また、第１段目ディスプレーサ１３の高温端側（Ｚ１方向側端部）には、ガス流路Ｌ１が形成されている。更に、第１段目ディスプレーサ１３の低温端側（Ｚ２方向側端部）には、内部空間１５と第１段目膨張空間２１とを連通するガス流路Ｌ２が形成されている。

第１段目シリンダ１１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段目膨張空間２１が形成されている。また、第１段目シリンダ１１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２３が形成されている。

更に、第２段目シリンダ１２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２２が形成されている。

第２段目ディスプレーサ１４は、図示しない連結機構により第１段目ディスプレーサ１３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１４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段目膨張空間２１と内部空間１６とを連通するガス流路Ｌ３が形成されている。また、第２段目ディスプレーサ１４の低温側端部（図１に矢印Ｚ２で示す方向側の端部）には、内部空間１６と第２段目膨張室２２とを連通するガス流路Ｌ４が形成されている。

第１段目冷却ステージ１９は、第１段目シリンダ１１の外周面で、第１段目膨張空間２１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２０は、第２段目シリンダ１２の外周面で第２段目膨張室２２と対向する位置に配設されている。

上記の第１段目及び第２段目ディスプレーサ１３、１４は、スコッチヨーク機構３２により第１段目及び第２段目シリンダ１１、１２内を図中上下方向（矢印Ｚ１、Ｚ２方向）に移動する。

図２は、スコッチヨーク機構３２を拡大して示している。スコッチヨーク機構３２は、クランク３３とスコッチヨーク３４等を有している。このスコッチヨーク機構３２は、例えばモータ３１等の駆動手段により駆動することができる。

クランク３３は、モータ３１の回転軸（以下、駆動回転軸３１ａという）に固定される。このクランク３３は、駆動回転軸３１ａの取り付け位置から偏心した位置にクランクピン３３ｂを設けた構成とされている。従って、クランク３３を駆動回転軸３１ａに取り付けると、駆動回転軸３１ａに対しクランクピン３３ｂは偏心した状態となる。この意味で、クランクピン３３ｂは、偏心回転体として機能する。

スコッチヨーク３４は、駆動軸３６、ヨーク板３５、及びころ軸受３７等を有している。ハウジング３内には、収容空間４が形成されている。収容空間４は、スコッチヨーク３４及び後述するロータリーバルブ４０のロータバルブ４２等を収容する気密性を持った気密容器となっている。この収容空間４は、低圧配管１ｂを介して圧縮機１の吸気口と連通している。そのため、収容空間４は常に低圧に維持される。

駆動軸３６は、ヨーク板３５から下方（Ｚ２方向）に延出している。この駆動軸３６は、ハウジング３内に設けられた摺動軸受３８によって支持されている。よって駆動軸３６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。

駆動軸３６が摺動軸受３８によって支持されることにより、スコッチヨーク３４はハウジング３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。

なお、本実施の形態では、極低温冷凍機の構成要素の位置関係を分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３６が延在する方向を表し、ディスプレーサ１３、１４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。

ヨーク板３５は、横長窓３５ａが形成されている。この横長窓３５ａは、駆動軸３６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。

ころ軸受３７は、この横長窓３５ａ内に配設されている。ころ軸受３７は、横長窓３５ａ内で転動可能な構成とされている。また、クランクピン３３ｂと係合する孔３７ａは、ころ軸受３７の中心位置に形成されている。横長窓３５ａは、クランクピン３３ｂおよびころ軸受３７の横方向の移動を許容する。横長窓３５ａは、横方向に延在する上枠部及び下枠部と、上枠部及び下枠部それぞれの横方向端部にて軸方向ないし縦方向に延在し上枠部と下枠部とを結合する第１側枠部及び第２側枠部と、を備える。

モータ３１が駆動し駆動回転軸３１ａが回転すると、クランクピン３３ｂ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３４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３５ａ内を図中矢印Ｘ１、Ｘ２方向に往復移動する。

第１段目ディスプレーサ１３は、スコッチヨーク３４の下部に配設された駆動軸３６に接続されている。よって、スコッチヨーク３４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１３及びこれに連結された第２段目ディスプレーサ１４も第１段目シリンダ１１及び第２段目シリンダ１２内で矢印Ｚ１、Ｚ２方向に往復移動する。

次に、バルブ機構について説明する。本実施の形態ではバルブ機構としてロータリーバルブ４０を用いている。

ロータリーバルブ４０は、冷媒ガスの流路を切り換えるものである。このロータリーバルブ４０は、圧縮機１の吐出側から吐出された高圧の冷媒ガスを第１段目ディスプレーサ１３の上部室２３に導く供給用バルブとして機能すると共に、上部室２３から冷媒ガスを圧縮機１の吸気側に導く排気用バルブとして機能する。

このロータリーバルブ４０は、図１に加えて図３に示すように、ステータバルブ４１とロータバルブ４２とを有している。ステータバルブ４１は平坦なステータ側摺動面４５を有し、ロータバルブ４２は同じく平坦なロータ側摺動面５０を有している。そして、このステータ側摺動面４５とロータ側摺動面５０が面接触することにより、冷媒ガスの漏れが防止される。

ステータバルブ４１は、ハウジング３内に固定ピン４３で固定される。この固定ピン４３で固定されることにより、ステータバルブ４１は回転が規制される。

ロータバルブ４２のロータ側摺動面５０と反対側に位置する反対側端面５２には、クランクピン３３ｂと係合する係合穴（図示せず）が形成されている。クランクピン３３ｂは、ころ軸受３７に挿通された際にその先端部がころ軸受３７から矢印Ｙ１方向に突出する（図１参照）。

そして、ころ軸受３７から突出したクランクピン３３ｂの先端部は、ロータバルブ４２に形成された係合穴と係合する。よって、クランクピン３３ｂが回転（偏心回転）することにより、ロータバルブ４２はスコッチヨーク機構３２と同期して回転する。

ステータバルブ４１は、冷媒ガス供給孔４４、円弧状溝４６、及びバルブ側流路４９ａを有している。冷媒ガス供給孔４４は圧縮機１の高圧配管１ａに接続されており、ステータバルブ４１の中心部を貫通するよう形成されている。

円弧状溝４６は、ステータ側摺動面４５に形成されている。この円弧状溝４６は、冷媒ガス供給孔４４を中心とした円弧形状を有している。

ガス流路４９は、ステータバルブ４１及びハウジング３に形成されている。このガス流路４９は、ステータバルブ４１内に形成されたバルブ側流路４９ａと、ハウジング３内に形成されたハウジング側流路４９ｂとにより構成されている。

バルブ側流路４９ａの一端部は、円弧状溝４６内に開口し開口部４８を形成している。また、バルブ側流路４９ａの他端部４７（図３参照）は、ステータバルブ４１の側面に開口している。

このバルブ側流路４９ａの他端部４７は、ハウジング側流路４９ｂの一端部と連通している。また、ハウジング側流路４９ｂの他端部は、上部室２３、ガス流路Ｌ１、蓄冷器１７等を介して膨張空間２１に接続されている。

一方、ロータバルブ４２は、長円状溝５１及び円弧状孔５３を有している。

長円状溝５１は、ロータ側摺動面５０にその中心から径方向に延在するよう形成されている。また円弧状孔５３は、ロータバルブ４２のロータ側摺動面５０から反対側端面５２まで貫通し、収容空間４と接続している。この円弧状孔５３は、ステータバルブ４１の円弧状溝４６と同一円周上に位置するよう形成されている。

上記した冷媒ガス供給孔４４、長円状溝５１、円弧状溝４６、及び開口部４８により供給弁が構成される。また、開口部４８、円弧状溝４６、及び円弧状孔５３により排気弁が構成される。本実施の形態では、長円状溝５１、円弧状溝４６などのバルブの内部に存在する空間をまとめてバルブ内部空間と呼ぶことがある。

上記構成とされたＧＭ冷凍機において、モータ３１によりスコッチヨーク機構３２が駆動されると、スコッチヨーク３４はＺ１、Ｚ２方向に往復移動する。このスコッチヨーク３４の動作により、第１段目及び第２段目ディスプレーサ１３、１４は、第１段目及び第２段目シリンダ１１、１２内を下死点と上死点との間で往復移動する。

第１段目及び第２段目ディスプレーサ１３、１４が下死点に達する際に、排気弁が閉じると共に供給弁が開く。即ち、冷媒ガス供給孔４４、長円状溝５１、円弧状溝４６、及びガス流路４９との間に冷媒ガス流路が形成される。

よって高圧の冷媒ガスは、圧縮機１から上部室２３に充填され始める。その後、第１段目及び第２段目ディスプレーサ１３、１４は下死点を過ぎて上昇を始め、冷媒ガスは蓄冷器１７、１８を上から下に通過し、各膨張空間２１、２２に充填されてゆく。

そして、第１段目及び第２段目ディスプレーサ１３、１４が上死点に達する際に、供給弁は閉じると共に排気弁が開弁する。即ち、ガス流路４９、円弧状溝４６、及び円弧状孔５３との間に冷媒ガス流路が形成される。

これにより、高圧の冷媒ガスは各膨張空間２１、２２内で膨脹することによって寒冷を発生させ、各冷却ステージ１９、２０を冷却する。また、寒冷を発生させた低温の冷媒ガスは、蓄冷器１７、１８内の蓄冷材を冷却しながら下から上に流れ、その後に圧縮機１の低圧配管１ｂに還流する。

その後、第１段目及び第２段目ディスプレーサ１３、１４が下死点に達する際に、排気弁は閉じると共に供給弁が開いて１サイクルを終了する。このようにして、冷媒ガスの圧縮、膨張のサイクルを繰り返すことによって、ＧＭ冷凍機の各冷却ステージ１９、２０は極低温に冷却される。ＧＭ冷凍機の各冷却ステージ１９、２０は、膨張空間２１、２２内の冷媒ガスを膨張させることにより発生した寒冷を、第１段目及び第２段目シリンダ１１、１２の外部に伝導する。

以上説明したように、実施の形態に係るＧＭ冷凍機においては、モータ３１等の駆動装置が回転するクランク３３の動きをスコッチヨーク機構３２が軸方向の往復移動に変換する。このため、スコッチヨーク機構３２中のヨーク板３５には、往復移動以外の横方向の動きも加えられることになる。以下、スコッチヨーク機構３２において、往復移動以外の動きを抑制する回転抑止力について説明する。

図４（ａ）−（ｂ）は、従来技術に係るスコッチヨーク３４における回転抑止力を説明する図である。スコッチヨーク３４は、その特性上、直線駆動軸である駆動軸３６からずれた位置にてモータ３１等の駆動装置から作用する力を受ける。このため、スコッチヨーク３４の駆動軸３６には、駆動装置の駆動回転軸３１ａを回転軸として回転または傾斜（以下、駆動軸３６が駆動回転軸３１ａを回転軸として回転または傾斜することを、駆動軸３６の「ローリング」と記載することがある。）しようとする力が働く。一般にスコッチヨーク３４では、ローリングしようとする力を押さえるための軸受け機構が設けられている。

図４（ａ）に示すように、従来技術に係るスコッチヨーク３４は、駆動軸３６ａはヨーク板３５から上方に延出しており、摺動軸受３８ａによって支持される。よって駆動軸３６ａは、図中上下方向に移動可能な構成となっている。また駆動軸３６ｂは、ヨーク板３５から下方に延出しており、摺動軸受３８ｂによって支持される。従来技術に係るスコッチヨーク３４では、摺動軸受３８ａおよび摺動軸受３８ｂが、ローリングしようとする力を押さえるための軸受け機構となる。

説明の簡略化のため、駆動軸３６ａおよび駆動軸３６ｂの太さを無視して考える。図４（ａ）において、駆動軸３６ａおよび駆動軸３６ｂから距離Ｌずれた位置にて、ヨーク板３５は駆動装置から作用する力Ｆを受けるとする。この力Ｆは、図４（ａ）には図示しないディスプレーサ１３、１４の両端圧力損失による荷重Ｂと同程度の大きさである。

図４（ａ）において、摺動軸受３８ａおよび摺動軸受３８ｂが、駆動軸３６ａおよび駆動軸３６ｂのそれぞれから受ける抗力をＮ_Ｈ、Ｎ_Ｌとし、かつＮ_Ｈ＝Ｎ_Ｌ＝Ｎとする。また、スコッチヨーク３４の駆動軸３６がローリングしようとする力を押さえるため回転抑止力をＮ_Ｂとする。このとき、Ｎ_Ｂ＝２×ｌ×Ｎとなる。ここでｌは、ヨーク板３５上の駆動装置から作用する力を受けた位置から、摺動軸受３８ａまたは摺動軸受３８ｂまでの距離を表す。

ここで、Ｎが小さいほど摺動軸受３８ａおよび摺動軸受３８ｂに係る抗力は小さくなり、低負荷にて駆動軸３６がローリングしようとする力を抑えることができる。すなわち、ヨーク板３５上の駆動装置から作用する力Ｆを受ける位置から、摺動軸受３８ａまたは摺動軸受３８ｂまでの距離ｌが長いほど、低負荷で駆動軸３６がローリングしようとする力を押さえることができる。

したがって、従来技術に係るスコッチヨーク３４では、ヨーク板３５の上下方向に駆動軸３６ａと駆動軸３６ｂとをそれぞれ設け、回転抑止力Ｎ_Ｂを維持するための有効長ｌを長くしている。しかしながら、このような構造を取ると、ヨーク板３５の上部の駆動軸３６ａを冷凍機に収容する必要があるため、冷凍機の全長が長くなる。

図４（ｂ）は、別の従来技術に係るスコッチヨーク３４における回転抑止力を説明する図である。図４（ｂ）に示すスコッチヨークでは、図４（ａ）の問題点を鑑みて、ヨーク板３５の上部の駆動軸３６ａおよび摺動軸受３８ａを廃し、ヨーク板３５の下部の駆動軸３６ｂを摺動軸受３８ｂで駆動軸３６のローリングを抑止する。駆動軸３６ａおよび摺動軸受３８ａが存在しないため、図４（ａ）に示す場合と比較すると、摺動軸受３８ｂに係る抗力Ｎ_Ｌは大きくなる。そこで図４（ｂ）に示す別の従来技術に係るスコッチヨーク３４は、ヨーク板３５の下部に、摺動軸受３８ｂに加えてさらに副ガイド３８ｃを設けることで、駆動軸３６がローリングしようとする力を抑制する。

しかしながら、ヨーク板３５の下部に回転抑止力を発生させるためのガイドを設ける構造では、駆動軸３６がローリングしようとする力にある程度の長さを持って対応する必要がある。結果として、ヨーク板３５の下部の駆動軸３６ｂの全長が長くなり、冷凍機の全長も長くなる。また、ヨーク板３５の下部に回転抑止力を発生させるためのガイドを設ける構造では、十分な回転抑止力を得られない場合もある。

これを解決するために、実施の形態に係るスコッチヨーク３４は、まずヨーク板３５の上部の駆動軸３６ａおよび摺動軸受３８ａを廃止する。その上で、実施の形態に係るスコッチヨーク３４は、ヨーク板３５上において駆動装置から作用する力Ｆを受ける位置よりも上側に、駆動軸３６がローリングしようとする力を抑制する機構を設ける。以下、実施の形態に係るスコッチヨーク３４について詳細に説明する。

図５（ａ）−（ｄ）は、収容空間４内のスコッチヨーク３４におけるヨーク板３５の動きを規制するガイド機構を説明する図である。なお、図１においては２段式のＧＭ冷凍機を示したが、説明の簡略化のため、図５（ａ）−（ｄ）では、１段式のＧＭ冷凍機を示している。より具体的には、５（ａ）−（ｄ）は、スコッチヨーク３４、スコッチヨーク３４を収納するハウジング３および第１段目シリンダ１１、第１段目ディスプレーサ１３および蓄冷器１７を備える１段式のＧＭ冷凍機を模式的に示している。しかしながら、本願発明は２段式のＧＭ冷凍機であっても成立することは当業者であれば容易に理解できることである。

図５（ａ）は、比較のために従来技術に係るＧＭ冷凍機の断面を簡略化して示す図であり、上述した図４（ａ）に対応する図である。図４（ａ）を参照して説明したように、図５（ａ）に示す例では、ヨーク板３５の上部に駆動軸３６ａおよび摺動軸受３８ａを有し、これらを収納するためにハウジング３の該当箇所が突出している。なお限定はしないが、一例として、実施の形態に係る２段式のＧＭ冷凍機の全長は５０ｃｍ程度である。このうちハウジング３において駆動軸３６ａおよび摺動軸受３８ａを収納するために突出する部分の全長方向の長さは７ｃｍ程度である。したがって、２段式のＧＭ冷凍機の全長のうち、およそ１０％程度が、駆動軸３６ａおよび摺動軸受３８ａを収納するための部分となる。これは駆動軸３６を含むスコッチヨーク３４の長さが、冷凍機全体の長さに大きく寄与することを示している。

図５（ｂ）は、ヨーク板３５の上部に駆動軸３６ａおよび摺動軸受３８ａを廃した場合のＧＭ冷凍機の断面を簡略化して示す図である。図５（ｂ）に示すＧＭ冷凍機は、ハウジング３において駆動軸３６ａおよび摺動軸受３８ａを収納するための突出部が存在しないため、図５（ａ）に示すＧＭ冷凍機と比較して全長が短くなる。しかしながら、駆動軸３６がローリングしようとする力を抑制する箇所は摺動軸受３８のみであるため、十分な回転抑止力を得られない場合もありうる。

また上述したように、収容空間４は気密容器となっており、摺動軸受３８には収容空間４の気密性を保つためのシールが存在する。図５（ｂ）に示すように駆動軸３６がローリングしようとする力を抑制する箇所が摺動軸受３８だけの場合、摺動軸受３８に多くの負荷が集中する。そのため、ＧＭ冷凍機を長期間運転すると摺動軸受３８の摩耗により、シールの性能が低下することも起こりうる。

そこで実施の形態に係るＧＭ冷凍機では、収容空間４の一部としてヨーク板３５の動きを規制するガイド機構６０を設ける。

図５（ｃ）は、実施の形態に係るヨーク板３５の動きを規制するガイド機構６０を示す図である。図５（ｃ）に示すように、ガイド機構６０は、ハウジング３内の収容空間４の一部として構成されている。ガイド機構６０は、収容空間４内においてヨーク板３５の往復移動以外の動きを規制する。ガイド機構６０は収容空間４の一部として構成されているため、ガイド機構６０の少なくとも一部は、ヨーク板３５上において駆動装置から作用する力Ｆを受ける位置よりも上側に存在することになる。ガイド機構６０は、クランク３３の回転軸まわりにおけるヨーク板３５の傾動を規制するように、ヨーク板３５の側部を支持するように取り付けられる。これにより、駆動軸３６およびヨーク板３５がローリングしようとする力を抑制することが可能となる。以下、ヨーク板３５の面のうち、ガイド機構６０が取り付けられる面を、「ガイド取付面」と言うことがある。なお詳細は後述するが、ヨーク板３５の動きを規制するガイド機構６０は、ヨーク板３５の側面よりも内側に配置されることもある。したがって、本明細書においてヨーク板３５の「側部」とはヨーク板３５の側面に限定されず、ヨーク板３５の側面から内側に入り込んだ領域も含まれる。

また、ヨーク板３５は収容空間４内を往復移動する。このため、ヨーク板３５を構成する面のうち、第１段目ディスプレーサ１３に対して反対側の面（以下、「ヨーク板３５の上面」ということがある。）は、収容空間４を構成する壁面のうち、ヨーク板３５の上面と対向する壁面（以下、「収容空間４の上面」ということがある。）と離れている。収容空間４の上面は、収容空間４を構成する壁面のうち、第１段目シリンダ１１に対して反対側の面と表現することもできる。第１段目ディスプレーサ１３が上死点にあるとき、ヨーク板３５の上面と収容空間４の上面とは接触してもよいが、第１段目ディスプレーサ１３が上死点にあるときもヨーク板３５の上面と収容空間４の上面とは離れていることが好ましい。このような場合には、ガイド機構６０は、常に収容空間４の上面よりも下の位置においてのみヨーク板３５の往復移動以外の動きを規制する。

図６（ａ）−（ｃ）は、スコッチヨーク３４におけるヨーク板３５の動きを規制するガイド機構６０の一例をより詳細に説明する図である。より具体的に、図６（ａ）は、リニアガイド機構６１を用いてガイド機構６０を実現した場合の例を示す図である。図６（ａ）に示すように、ヨーク板３５の面のうち、ガイド取付面に溝を設け、レール６３を挿入する。レール６３は収容空間４の上下の壁に支持され、ヨーク板３５の往復移動方向に延在する。さらにヨーク板３５とレール６３との間に複数のボール６２を挿入し、ヨーク板３５はレール６３に沿って転動するように構成する。リニアガイド機構６１は、ヨーク板３５を往復移動させる転動部として機能する。リニアガイド機構６１をこのように構成することにより、駆動軸３６およびヨーク板３５がローリングしようとする力を抑制することができる。また、ヨーク板３５が駆動軸３６を回転軸として回転するヨーイングを抑制することもできる。さらに加えて、ヨーク板３５が図１におけるＸ１またはＸ２方向を回転軸として回転するピッチングも抑制することもできる。

図６（ｂ）は、サイドガイド構造６４を用いてガイド機構６０を実現した場合の例を示す図である。図６（ａ）に示す場合と同様に、ヨーク板３５のガイド取付面に溝を設け、収容空間４の上下の壁に支持されるロッド６５を挿入する。しかしながら、図６（ｂ）に示す例は、図６（ａ）に示す場合と異なり、ヨーク板３５とロッド６５との間にはボールを設けず、ヨーク板３５とロッド６５とが摺動するように構成される。すなわち、図６（ｂ）に示すサイドガイド構造６４は、ヨーク板３５を往復移動させる摺動部として機能する。なお、図６（ｂ）は、ロッド６５として断面が円形の円筒ロッドを採用する場合を示すが、ロッド６５の形状は円筒に限られず、断面が矩形や楕円等の他の形状であってもよい。

上述したとおり、収容空間４は、低圧配管１ｂを介して圧縮機１の吸気口と連通している。つまり、収容空間４は冷媒ガスが循環する空間の一部を構成する。このため、ヨーク板３５の溝部とロッド６５との間に、グリース等の潤滑材を用いると循環ラインの汚染を引き起こす可能性もある。

そこで実施の形態に係るロッド６５を用いたサイドガイド構造６４においては、ロッド６５のうちヨーク板３５の溝と接触する摺動面は、潤滑性を持った膜がコーティングされている。同様に、ヨーク板３５のうち、ロッド６５と接触する接触面にも、潤滑性を持った膜がコーティングされてもよい。潤滑性を持った膜は、ロッド６５のうちヨーク板３５の溝と接触する摺動面と、ヨーク板３５のうちロッド６５と接触する接触面のうち少なくとも一方又は両方にコーティングされてもよい。これにより、グリース等の潤滑材を用いることなく、ロッド６５とヨーク板３５との摺動面に生じる摩擦を低減することができる。潤滑性を持った膜は、例えばフッ素樹脂や、ダイヤモンドライクカーボン（Diamond-Like Carbon; DLC）等の硬質膜を用いて実現できる。サイドガイド構造６４をこのように構成することにより、駆動軸３６およびヨーク板３５がローリングしようとする力を抑制することができる。さらに、ヨーク板３５が駆動軸３６を回転軸として回転するヨーイングや、図１におけるＸ１またはＸ２方向を回転軸として回転するピッチングも抑制することもできる。

図６（ｃ）は、バネ６６および滑りピンジョイント６８を用いたヨーク板３５の保持機構を示す図である。図６（ｃ）に示すように、収容空間４の壁面のうち、ヨーク板３５におけるガイド取付面と対向する壁面に、ヨーク板３５の動きを規制するためのバネ６６が設けられている。バネ６６とヨーク板３５とは、球形の滑りピンジョイント６８を介して接触している。これにより、駆動軸３６およびヨーク板３５がローリングしようとする力は、バネ６６の弾性力が抗力となって抑制される。またバネ６６とヨーク板３５とは、球形の滑りピンジョイント６８を介して接触しているため、ヨーク板３５の往復移動の摩擦が低減される。

以上、図６（ａ）−（ｃ）を参照して説明したように、収容空間４内部に設けられたガイド機構によって、ヨーク板３５の往復移動の摩擦以外の動きを規制することができる。

なお、ヨーク板３５の動きを規制するガイド機構として、収容空間４内部ではなく、収容空間４を構成するハウジング３の壁面を利用してもよい。

図５の説明に戻り、図５（ｄ）は、収容空間４の壁面をガイド機構に利用する場合の例を示す図である。図５（ｄ）に示すように、ヨーク板３５のガイド取付面は、収容空間４の壁面と接触している。このため、収容空間４の壁面自体が、駆動軸３６およびヨーク板３５がローリングしようとする力を抑制するガイド機構となる。

図５（ｄ）に示す例では、図５（ｃ）に示す例と比較して、ヨーク板３５の大きさは変わらない。そのため図５（ｄ）に示す例では、図５（ｃ）に示す例と比較して、収容空間４の壁面がヨーク板３５に接触するまで収容空間４を小さくしている。これにより、図５（ｄ）に示す例では、ＧＭ冷凍機をスリム化する効果もある。なお、図５（ｄ）に示す例において、ヨーク板３５のガイド取付面と、収容空間４の壁面のうちヨーク板３５と接触する部分に、フッ素樹脂等の摩擦を低減するための潤滑性を持った膜をコーティングするのが好ましい。

なお、図示はしないが、収容空間４の壁面がヨーク板３５に接触するまで収容空間４を小さくすることに替えて、ヨーク板３５が収容空間４の壁面に接触するまで大きくしてもよい。あるいは、ヨーク板３５と収容空間４の壁面とが接触するまで、ヨーク板３５を大きくしつつ、かつ収容空間４を小さくしてもよい。

このように、収容空間４の壁面自体に抗力を発生させることで、駆動軸３６およびヨーク板３５がローリングしようとする力を抑制することができる。図示はしないが、ヨーク板３５が駆動軸３６を回転軸としてヨーイングしようとすることを抑えるために、収容空間４の壁面にガイド機構を設けてもよい。これは例えば収容空間４の壁面に、ヨーク板３５を往復移動自在となるようにはめ込む溝を設けることで実現できる。また、収容空間４の壁面に凸部を形成し、ヨーク板３５に凸部をはめ込む溝を設けてもよい。凸部は、メンテナンス時にスコッチヨークを収容空間４から取り出すために、収容空間４の壁面に対して進退可能に設けてもよい。

以上説明したように、実施の形態に係るＧＭ冷凍機は、冷凍機の全長を短くすることができる。

特に、収容空間４の一部に設けられたガイド機構を用いてヨーク板３５の動きを規制することにより、駆動軸３６およびヨーク板３５がローリングしようとする力の他、ヨーイングしようとする力も抑制することができる。さらに収容空間４の壁面自体をガイド機構として用いる場合には、ＧＭ冷凍機をスリム化することもできる。

以上、実施の形態に基づき本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示すにすぎない。また、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可能である。

１圧縮機、２シリンダ、３ハウジング、４収容空間、１１シリンダ、１３ディスプレーサ、１５、１６内部空間、１７蓄冷器、１９冷却ステージ、２１膨張空間、２３上部室、３１モータ、３１ａ駆動回転軸、３２スコッチヨーク機構、３３クランク、３３ｂクランクピン、３４スコッチヨーク、３５ヨーク板、３５ａ横長窓、３６駆動軸、３７ころ軸受、３７ａ孔、３８摺動軸受、３８ｃ副ガイド、４０ロータリーバルブ、４１ステータバルブ、４２ロータバルブ、４３固定ピン、４４冷媒ガス供給孔、４５ステータ側摺動面、４６円弧状溝、４７他端部、４８開口部、４９ガス流路、４９ａバルブ側流路、４９ｂハウジング側流路、５０ロータ側摺動面、５１長円状溝、５２反対側端面、５３円弧状孔、６０ガイド機構、６１リニアガイド機構、６２ボール、６３レール、６４サイドガイド構造、６５ロッド、６６バネ、６８滑りピンジョイント。

Claims

偏心回転体と、前記偏心回転体の回転により往復移動するヨーク板と、前記ヨーク板から延出する駆動軸と、を備えるスコッチヨーク機構と、
前記ヨーク板とともに往復移動するよう前記ヨーク板に前記駆動軸によって接続されているディスプレーサと、
前記ディスプレーサを収容し、前記ディスプレーサとの間に冷媒ガスの膨張空間を形成するシリンダと、
前記シリンダの高温側に設けられており、前記スコッチヨーク機構を収容する収容空間を形成し、前記膨張空間から排気される冷媒ガスを前記収容空間に受け入れるよう構成されている気密容器と、を備え、
前記ヨーク板の往復移動方向において前記ヨーク板に対し前記ディスプレーサとは反対側において前記気密容器には、前記ヨーク板の駆動軸を収納するための突出部が存在せず、
前記気密容器は、前記偏心回転体の回転軸まわりの前記ヨーク板の傾動を規制するよう前記ヨーク板の側部を支持する支持部を備え、
前記気密容器の前記収容空間は、前記冷媒ガスを回収する圧縮機の吸気口と連通しており、前記収容空間の気密性を保つためのシールが、前記駆動軸を前記気密容器に支持する軸受に設けられていることを特徴とする極低温冷凍機。
前記支持部は、前記ヨーク板の側部に設けられた溝と、前記気密容器に支持され前記ヨーク板の往復移動方向に延在し、前記溝に挿入されたレールまたはロッドと、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。
前記レールまたはロッドは、前記気密容器の前記収容空間の上下の壁に支持されることを特徴とする請求項２に記載の極低温冷凍機。
前記ヨーク板を構成する面のうち、前記ディスプレーサに対して反対側の面は、前記気密容器の前記シリンダに対して反対側の壁面と離れていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の極低温冷凍機。
前記支持部は、前記ヨーク板の側部の少なくとも一部を、前記ヨーク板が前記偏心回転体から受ける力の作用点の位置よりも前記ディスプレーサに対して反対側の位置で支持す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。
前記支持部は、前記ヨーク板の動きを規制するガイド機構を備えることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の極低温冷凍機。
前記ガイド機構は、前記ヨーク板を摺動自在に支持する摺動部を備えることを特徴とする請求項６に記載の極低温冷凍機。
前記ガイド機構の摺動部のうち前記ヨーク板と接触する摺動面と、前記ヨーク板のうち前記ガイド機構の摺動部と接触する摺動面のうち少なくとも一方は、潤滑性を持った膜でコーティングされていることを特徴とする請求項７に記載の極低温冷凍機。
前記潤滑性を持った膜は、フッ素樹脂であることを特徴とする請求項８に記載の極低温冷凍機。
前記ガイド機構は、前記気密容器の壁面に設置されていることを特徴とする請求項６から９のいずれかに記載の極低温冷凍機。
前記ガイド機構は、前記ヨーク板を転動自在に支持する転動部を備えることを特徴とする請求項６に記載の極低温冷凍機。