JPH03105165A - 極低温冷凍機 - Google Patents

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
の極低温冷凍機に関する。

（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・マクマホン形の冷凍機がある。この冷凍機
は、通常、第６図に示すように構成されている。

すなわち、この冷凍機は大きく別けて、コールドヘッド
ｌと、冷媒ガス導排出系２とで構威されている。コール
ドヘクド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１
２と、このディスプレー？１２に往復動に必要な動力を
与えるモータ１３とで＃ｌ或されている。

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、第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ｌたシリンダ１５の先端壁部分で
１段ステージ１６よシ低温の２段ステージｌ７をＷ威し
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ディスプレーサ１８と、第２シリンダ１５内を往
復動する第２ディスプレーサ１９とで構成されている。

第１ディスプレーサ１８と第２ディスプレーサ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
ディスプレーサ１８の内側には、軸方向に延びる流体通
路２ｌが形成されてレシ、この流体通路２１には銅メク
シュ等で形成された蓄冷材２２が収容されている。

同様に、第２ディスプレーサ１９の内側にも軸方向に延
びる流体通路２３が形成されてシシ、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ディスプレーサ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ディスプレーサｌ９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が装着されている。

シール機構２５　．２６は、たとえばシール機構２６を
代表して示すと、第７図から第９図に示すように構成さ
れている。すなわち、第２ディスプレーサ１９の外周面
に形威された環状溝２７内に外周面が第２シリンダ１５
の内周面に接触するように有端形のシールリング２８を
装着するとともにシールリング２８の内側にシールリン
グ２８をシリンダ内面に押付けるための有端形のばねリ
ング２９を装着したものとなっている。シールリング２
８は、通常、樹脂系の材料で形威されて＞ｐ、その両端
部には第１０図に示すように両端部相互を半径方向に重
ね合わせる合い口部３０が形成されている。

第１ディスプレーサ１８の図中上端は、連結ロッド３１
、スコクチョークあるいはクランク軸３２を介してモー
タ１３０回転軸に連結されている。したがって、モータ
１３０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３３で示すように往復動す
る。

第１シリンダｌ４の側壁上部には冷媒ガスの導入口３４
と排出口３５とが設けてあう、これら導入口３４と排出
口３５は冷媒ガス導排出系２に接続されている。冷媒ガ
ス導排出系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、排出口３５を低圧弁３６、圧
縮機３７、高圧弁３８を介して導入口３４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５　ａｔｍ　）のヘリウムガスを圧縮機３７
で高圧（約１　８　ａｔｍ　）に圧縮してシリンダ１１
内に送シ込むものである。そして、低圧弁３６、高圧弁
３８の開閉はディスプレーサ１２の往復動との関連にか
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動作を簡単に説明すると
以下の通うである。この冷凍機では寒冷の発生する部分
、つｔｂ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程度
１で冷える。このため、４第１ディスプレーサ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ディスプレーサ１９の図中上下端
間には３０Ｋから８Ｋｔでの温度勾配がつく。ただし、
この温度は各段の熱負荷によって変化し、通常、１段ス
テージｌ６では３０〜８０Ｋ，２段ステージ１７では８
〜２０Ｋの間となる。

モータ１３が回転を開始すると、ディスプレーサ１２ぱ
下死点と上死点との間を往復動する。ディスプレーサ１
２が下死点にあるとき、高圧弁３８が開いて高圧のヘリ
ウムガスがコールドへクド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ディスプレーサ１８の外周面と第１シリンダｌ４の内
周面との間トよび第２ディスプレーサ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が装着されている。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１８に形成された流体通路２１およ
び第２ディスプレーサ１９に形成された流体通路２３を
通って、第１ディスプレーサ１８と第２ディスプレーサ
１９との間に形成された１段膨脹室３９および第２ディ
スプレーサ１９と第２シリ／ダｌ５の先端壁との間に形
威された２段膨脹室４０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段膨脹室３９に流れ込んだ高圧ヘリウム
ガスは３０Ｋ程度に、捷た２段膨脹室４０に流れ込んだ
高圧ヘリウムガスは８Ｋ程度に冷却される。ここで、高
圧弁３８が閉じ、低圧弁３６が開く。このように低圧弁
３６が開くと、１段膨脹室３９内および２段膨脹室４０
内の高圧ヘリウムガスが膨脹して寒冷を発生する。この
寒冷によって第１ステージ１６釦よび第２ステージ１７
が冷却される。そして、ディスプレーサ１２が再び下死
点へと移動し、これに伴って１段膨脹室３９内かよび２
段膨脹室４０内のヘリウムガスが排除される。膨脹した
ヘリウムガスは流体通路２１　．２３内を通る間に蓄冷
材２２，２４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、あるいは筐たクライオポンプ
の冷却源として使用される。

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、シール機
構２５は常温部と１段膨脹室３９との間においてヘリウ
ムガスが第１シリンダ１４と第１ディスプレーサ１８と
の間の隙間を通して流れるのを防止してかシ、１九シー
ル機構２６は１段膨ａＩ！室３９と２段ＦＩｅ脹室４０
との間に釦いてヘリウムガスが第２シリンダ１５と第２
ディスプレーサ１９との間の隙間を通して流れるのを防
止している。これらのシール機構２５．２６は、高純度
（９９．９９％）のヘリウムガス中で凪用されてか歩、
ヘリウムガスの汚染を防止する意味からグリス等の潤滑
材を使用することはできない。特に、シール機構２６は
、低温部（３０〜８０Ｋ）にかかれ、しかもピストンシ
ールのような形状が要求される。

今、１段膨脹室３９の温度が３０Ｋ，２段膨脹室４０の
温度がＩＯＫであったとした場合、シール機構２６の部
分で漏れが生じると、３０Ｋのヘリウムガスが第２ディ
スプレーサ１９内の蓄冷材２４に接触することなく２段
膨脹室４０内に入Ｄ１筐た逆にＩＯＫのヘリウムガスが
ｉＲｍ脹室３９内に入ることになる。この結果、１段ス
テージ１６の温度が下降し、２段ステージ１７の温度が
上昇してしまうことになる。第ｌＯ図にはシール機構２
６でのヘリウムガスの漏れ量割合（２段膨脹室４０へ流
れ込むヘリウムガスの総量に対するシール機構２６を通
して流れ込むヘリウムガスの割合）と各段（１段ステー
ジ１６、２段ステージ１７）の温度との関係を計算で求
めた結果が示されている。この図から判かるように、シ
ール機構２６の部分での漏れが各段ステージの温度に大
きい影響を与える。これはシール機構２６に限らず、シ
ール機構２５にも言えることである。

従来の冷凍機では、第７図から第９図に示したように、
ベークライト等で形成された第２ディスプレーサ１９の
外周面に形威された環状溝２７内に、合い口部３０が第
９図に示すように構成された有端形のテフロン等の潤滑
性のある材料で形成したシールリング２８を１段装着し
、さらにその背面側に押圧力を付与するための有端形の
ばねリング２９を装着した構成のシール機構２６を用い
ている。このように第２ディスプレーサ１９にベークラ
イト等を使用するのは金属を用いると第２シリンダｌ５
がステンレス鋼等の金属であることからかじｂが生じる
ためである。又シールリング２８にテフロン等の潤滑性
のある材料を用いるのは、金属で形成された第２シリン
ダ１５と摺動するためである。このような構成のシール
機構２６では積状溝２７を構成する第２ディスプレーサ
ｌ９とシールリング２８とを形成する材料とが異なるこ
とから、熱収縮も異なυ、極低温下にあっては、例えば
テフロンにあっては、ベークライトに比べ熱収縮率力が
大きい。従って、極低温下にあっては第９図にかけるシ
ールリング２８が環状溝２７に比べて大きく収縮し、シ
ールリング２８と環状溝２７との間隙ａ，ｂが大きくな
りこの結果、合い口部３０からのヘリウムガスの漏れ量
が多く、この結果、第２ステージ１７の温度上昇を招く
問題があった。第２ステージ１７の温度上昇は、結果的
にある温度での冷凍能力の減少につながることになる。

（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、ディスプレーサとシリンダとの間の隙間をシ
ールするためのシール機構で完全な／−ルを行なうこと
ができず、これが原因して冷凍能力が低いと言う問題が
あった。

そこで本発明は、シール機構でのシール性能を大幅に向
上させることができ、もって冷凍能力を向上させること
ができる冷凍機を提供することを目的としている。

〔発明の構戚〕

（課題を解決するための手段） 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、上記目的を達或するために、本発明で
は、環状溝にシールリングを常温ですき１なく収まる状
態にしてかく。冷凍機が極低温になった場合、シールリ
ングは収縮するが、環状溝もシールリングと同一素材の
ため、シールリングと同様に収縮して溝とシールリング
の間の隙間は一定に保たれるため隙間ないしは合い口部
を通って、ガスがもれることを防ぐことができる。

又、環状溝を含めてディスプレーサ全体をシールリング
と同一素材としても同様の効果が得られる。

（作用） シールリングと少なくともディスプレーサの溝の部分を
同一素材で構成することによう，極低温状態でもシール
リングと溝の隙間が広がることがないため、ガスもれ量
を大幅に減らすことができる。

（実施例） 以下、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が示されてい
る。この図では第６図と同一部分が同一符号で示されて
いる。したがって、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が従来の冷凍機と異なる点は、
第２ディスプレーサ１９の外周面に形成された環状溝２
７のシールリング２Ｂとの接触部２７ａを、シールリン
グ２８と同一の素材にした点である。

シール機構２６は、第２図，第３図に示すように、環状
＠２７内に外周面を第２シリンダ１５の内周面に接触さ
せて装着された有端形のシールリング２８と、このシー
ルリング２８の内側に装着されて第２シリンダ１５の内
周面側への押圧力を与える有端形のばねリング２９とで
構成されている。シールリング２８は、テフロン等の潤
滑性のある樹脂系の部材で形成されている。

第２ディスプレーサ１９に形戒される環状溝２７のシー
ルリング２８と接触する接触部２７ａをシールリング２
８と同じ素材であるテフロン等の樹脂系の部材で形成す
る。この接触部２７ａと第２ディスプレーサ１９とは接
着剤等で固定する。

この場合、常温でシールリング２８を壊状溝２７に隙間
なく挿入できるような寸法にＦ＃度よく仕上げることが
望ましい。

このような構成であると、極低温度下にあってもシール
リング２８と環状溝２７の接触部２７ａとが同じ素材で
あることから熱収縮率が同じとなるので熱収縮差による
隙間が生ずることない。又、シールリング２８と環状溝
２７とが同じ素材であることからいわゆるなじみがよく
、密着性がよいことから、７−ル機構２６でのガス漏れ
を大幅に減少させることができる。したがって、第２膨
脹室、つまｂ第２ステージ１７の温度上昇を抑制でき、
冷凍能力を向上させることができる。

第４図には第８図に示すシール機構を組込んだ従来の冷
凍機と第３図に示すシール機構２６を組込んだ本発明冷
凍機とのガス漏れ量の測定結果が示されている。これは
環状溝の幅を等しくするとともにばねリングの押圧力を
等しくして常温・静止状態で測定した結果である。実際
の使用条件（低温，往復動）とは異なるが、漏れ量が大
幅に減少していることが判かる。この傾向は、使用条件
にレいても反映されるものと考えられる。第５図には第
８図に示すシール機構を組込んだ従来の冷凍機と第３図
に示すシール機構２６を組込んだ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に加えた熱負荷尚を示している。

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、上記構成のシ
ール機構２６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。

なか、上述した実施例では、第２ディスプレーサと第２
シリンダとの間に設けられるシール機構だけを第３図に
示すシール機構２６で構成しているが、第１ディスプレ
ーサと第１シリンダとの間に設けられるシール機構も第
３図に示すシール機構２６で構成してもよい。

又、第２ディスプレーサ１９の環状溝２７の接触部２７
ａのみをシールリング２８と同じ素材で構成したが、第
２ディスプレーサ１９全体をシールリング２８と同じ素
材で構成してもよい。

〔発明の効果〕

以上述べたように本発明によれば、シール機構でのガス
漏れを大幅に減少させることができるので、一層の低温
度化を実現でき、冷凍能力を向上させることができる。

【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図は同冷凍機に組込１れたシール
機構を軸方向から見た図、第３図は同シール機構を局部
的に取シ出して示す縦断面図、第４図かよび第５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６図は従来の冷凍機の概略構成図、第７図
は同冷凍機に組込１れたシール機構を軸方向から見た図
、第８図は同シール機構を局部的に取出して示す縦断面
図、第９図は同シール機構に組込１．れたシールリング
の両端部の形態を示す図、第１０図は従来の冷凍機の問
題点を説明するための図である。 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、１３
・・・モータ、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ディスプレーサ、１９・・・
第２ディスプレーサ、２１．２３・・・流体通路、２２
　．２４・・・蓄冷材、２６・・・シール機構、２７・
・・環状溝、２７ａ・・・環状溝の接触部、３９・・・
第１膨脹室、４０・・・第２膨脹室。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）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工
   程を繰返す冷媒ガス導排出手段とを備えた極低温冷凍機
   において、前記ディスプレーサの外周面に形成された環
   状溝と、この環状溝内に外周面を前記シリンダの内周面
   に接触させて装着された少なくとも１つの有端形のシー
   ルリングと、このシールリングの内側に装着された有端
   形のばねリングとを有し、前記シールリングと少なくと
   も前記環状溝の前記シールリングと接触する接触部とを
   同一材質にて構成したことを特徴とする極低温冷凍機
2. （２）シールリングとディスプレーサとを同一材質にて
   構成したことを特徴とする請求項１記載の極低温冷凍機