JPH02122166A

JPH02122166A - 冷凍機

Info

Publication number: JPH02122166A
Application number: JP27557888A
Authority: JP
Inventors: Toru Kuriyama; 透栗山; Hideki Nakagome; 秀樹中込; Satoshi Aoyanagi; 青柳　敏; Takeshi Yamashita; 剛山下
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1988-10-31
Filing date: 1988-10-31
Publication date: 1990-05-09

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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、冷凍機に係り、特に、ギホード・マクマホン
形の冷凍機に関する。

（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ーマクマホン形の冷凍機がある。

この冷凍機は１通常、第３図に示すように構成されてい
る。

すなオつち、この冷凍機は大きく別けて、コールドへラ
ド１と　冷媒ガス導ｖ１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
］２と、シリンダ１１に通じる部屋内に配置されて上記
ディスプレーサ１２に往復動に必要な動力を与えるシン
クロナスモータ］３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。

ｔｊ％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デイスプレーサ】８と、第２シリンダ１５内を往
復動する第２デイスプレーサ１９とで構成されている。

第１デイスプレーサ１８と第２デイスプレーサ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
デイスプレーサ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には銅メツ
シユ等で形成された蓄冷材２２が収容されている。

同様に、第２デイスプレーサ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デイスプレーサ１８の外周面と第１シリンダ１
４の内周面との間および第２デイスプレーサ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が装青されている。

第１デイスプレーサ１８の図中上端は、連結ロッド２７
．スコッチョークあるいはクランク軸２８を介してシン
クロナスモータ１３の回転軸に連結されている。したが
って、シンクロナスモータ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
２９て示すように往復動する。

第１シリンダ】４の側壁上部には冷媒ガスの導入口３０
と排出口３１とが設けてあり、これら導入口３０と排出
口３１は冷媒ガス導排出系２に接続されている。冷奴ガ
ス導ｖｒ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、ｖ１出口３１を低圧弁３２
．圧縮機３３．高圧弁３４を介して導入口３０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５ａＬ■）のヘリウムガスを圧縮機３３で高圧
（約１８ａＬｓ）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３２．高圧弁３４の開閉は
ディスプレーサ１２の１１：複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一動作を筒中に説明する
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　、　８Ｋ
ｆ２度まで冷える。このため、第１デイスプレーサ１８
の図中上下端間には常温（３００Ｋ）から３０Ｋまでの
温度勾配がつき、また第２デイスプレーサ１つの図中上
下端間には３０Ｋから８Ｋまでの温度勾配がつく。ただ
し、この温度は各段の熱負６：１によって食化し１通常
、１段ステージ】６では３０〜８ＤＫ、２段ステージ１
７では８〜２０にの間となる。

シンクロナスモーター３が回転を開始すると。

ディスプレーサ１２は下死点と１死点との間を往復動す
る。ディスプレーサ］２が上死点にあるとき、高圧弁３
４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デイスプレーサ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デイスプレーサ１９の外周面と
第２シリンダー５の内周面との間にはそれぞれシール機
構２５．２６が装むされている。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−８に形成された流体通路２】およ
び第２デイスプレーサ１９に形成された流体通路２３を
通って、第１デイスプレーサ１８と第２ディスプレーサ
−９との間に形成された１段膨張室３５および？ｊＳ２
ディスプレーサ１９と第２シリンダー５の先端壁との間
に形成された２段膨張室３６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段膨張室３５に流れ込んだ高圧ヘリウムガスは３０に
程度に、また２段膨張室゛う６に流れ込んだ高圧ヘリウ
ムガスは８に程度に冷却される。ここで。

高圧弁３４か閉し１低圧弁３２か開く。このように低圧
弁′う２か開くと、１段膨張室３５内および２段膨張歴
３６内の高圧ヘリウムガスが膨張して寒冷を発生する。

この寒冷によって第１ステージ】６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＋ｌ
ｊび上死点へと移動し。

これに１′１′って１段膨張室３５内および２段膨張室
３６内のヘリウムガスが排除される。膨張したヘリウム
ガスは流体通路２１．２３内を通る間に蓄冷材２２．２
４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て
いる。

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、このよう
に構成された冷凍機では、シール機構２５．２６の両側
の差圧は、流体通路２１゜２３内の圧力損失で決まり、
非常に小さい。したがって、シンクロナスモータ１３に
要求される駆動力は、ディスプレーサ１２にかかる重力
とシール機構２５．２６における摩擦力に打ち勝つもの
であればよいことになる。しかし、実際には高圧弁３４
あるいは低圧弁３２が開いた瞬間に大きな力がディスプ
レーサ１２に加わることが実験によって確められている
。このようにディスプレーサ１２に加わる力がシンクロ
ナスモータ１３の定格トルクを越えると、モータの回転
に回転むらが生じ、ディスプレーサ１２の動きが乱れ、
これが原因して冷凍能力の低下を招いている。したがっ
て。

ディスプレーサ１２のｍ力とシール機構の摩擦力とから
；ｌｒ？、される駆動力を越える十分に余裕を持ったモ
ータを選択することが必要となる。しかし。

シンクロナスモータ１３は本来、低トルクのモータであ
るため、十分余裕を持たせることはモータの大型化なら
びに冷凍機全体の大型化を招くことになる。また、モー
タは、定格トルクの範囲内であっても、急激に力が加わ
ると、瞬間的に回転むらが生じることもある。さらに、
シンクロナスモータの場合には、１回転を６０程度に分
割してステップ的に動かしているため１本来的に滑らか
な回転ではない。これらの動きがディスプレーサ１２に
伝わるので、ディスプレーサ１２の往復動も微視的に見
るとステップ的な動きをしていることになる。このよう
なディスプレーサ１２の動きは。

シール機構２５．２６の性能を落としたり、膨張時にお
ける寒冷発生量の減少をもたらし、冷凍能力の低下の原
因となっている。

（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・マクマホン形の冷凍機に
あっては、モータの回転むらや、ステップ的な動きが原
因して冷凍能力の低下を招いたり、あるいはまたモータ
の大型化を招くと一゛う問題かあった。

そこで本発明は、駆動用モータの回転を沿らかにでき、
もって冷凍能力の向上を図れるとともに駆動用モータの
小型化を実現できる冷凍機を提供することを目的として
いる。

［発明の横１戊］（，３′題を解決するだめの手段）本発明は、ギホード・マクマホン形の冷凍機を対象にし
ている。そして、上記１］的を達成するために１本発明
では、ディスプレーサの駆動に用いられるモータに減速
機が備えられており、モータの回転数を減速して使用す
る構成となっている。

（作　用）モータの回転数を減速機によって減速し、この減速駆動
力でディスプレーサを往復動させているので、ディスプ
レーサの動きを滑らかにすることができる。また、′ｋ
ｋ速機の（ｊ在によって、モータの定格トルクより大き
な回転トルクを取出すことができるので、ディスプレー
サに瞬間的に力が加わった場合でも１回転むらの発１１
゛を防止でき。

これによって冷凍能力の低下を防止できるとともに小型
のモータの使用が可能となる。

（実施例）以下２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冷凍機か示されてい
る。この図では第３図と同一部分が同一７１号で示され
ている。したがって１重複する部分の説明は省略する。

この実施例に係る冷凍機か従来の冷凍機と異な］　Ｏる点は、ディスプレーサ】２を１１：　ｉｌｊ動させる
動力源となる駆動装置４１の構成にある。すなわち。

駆動装置４１は、ステップ的に駆動されるシンクロナス
モータ４２と、このモータ４２の回転数を減速してクラ
ンク軸２８に伝える減速機４３とて構成されている。モ
ータ４２は、たとえば１５００ｒｐｍで回転し、減速機
４３はこれを６Ｏｒｐｍに減速してクランク軸２８に伝
える。なお、モータと減速機とは１両名を一体化したギ
ャードモータで構成されていてもよい。

このような構成であると、減速機４３の存（１°によっ
てモータ４２の回転が滑らかになり、この結果、ディス
プレーサは滑らかな動きを行なう。また、＊に減速機４
３の存在によってモータ４２のトルクが増幅されるため
、ディスプレーサに瞬間的に力が加わってもモータ４２
に回転むらが生じるようなことはない。したがって、デ
ィスプレーサは常に滑らかな動きを行なうことになる。

このため、シール機構のシール性能を向上させることが
できるばかりか、膨張時の寒冷発生量の減少を防止でき
、冷凍能力の向上を図ることができる。

また、モータ４２の定格トルクは、駆動に必要なトルク
の２５分の１程度でよいので、小型のモータ４２の使用
が可能となり、全体の小型化も実現できる。

第２図には従来の冷凍機と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、上記構成の駆動装置４１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。

なお、上述した実施例では、ステップ駆動させるシンク
ロナスモータを用いているが通常のシンクロナスモータ
を用いることもできる。

［発明の効果］以上述べたように本発明によれば、ディスプレーサを常
に滑らかに動かすことができるので、シール性能の低下
および寒冷発生量の減少を防止でき、−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とともに
小型のモータの使用を可能化でき、全体の小型化を実現
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図は本発明に係る冷凍機の特性を
従来の冷凍機のそれと比較して示す図、第３図は従来の
冷凍機の概略構成図である。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、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デイスプレーサ５１９・・・第２デイスプレーサ、
２１゜２３・・・流体通路、２２．２４・・・蓄冷祠、
２７・・・環状構、３９・・第１膨張室、４０・・・第
２膨張室。４１・・・駆動装置、４２・・・モータ、４３・・・減
速機。出願人代理人　　弁理士　鈴江武な１　°３第３ｒＩＡ

Claims

【特許請求の範囲】

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
手段と、前記シリンダの一端側に設けられた冷媒ガスの
導入口および排出口と、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行程を繰
返す冷媒ガス導排出手段とを備えた冷凍機において、前
記ディスプレーサを往復動させる手段は、動力源として
のモータと、このモータの出力を減速して出力する減速
機構とを含んでいることを特徴とする冷凍機。