JPH03129258A - 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】 本発明は、極低温冷凍機に係り、特に、蓄冷式の冷凍機
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・マクマホン形の冷凍機がある。

この冷凍機は、通常、第７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
１と、冷媒ガス導排出系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１２
と、このディスプレーサ１２に往復動に必要な動力を与
えるモータ１３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のシリン
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、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１８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２
１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１４の内周面との間および第２デイスプレーサ１
９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８図から第１０図に示すように構成さ
れている。すなわち、第２デイスプレーサ１９の外周面
に形成された環状溝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、樹脂系の材料で形成されており、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デイスプレーサ１８の図中上端は、連結ロッド３１
．スコッチョークあるいはクランク軸３２を介してモー
タ１３の回転軸に連結されている。したがって、モ〜り
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３３で示すように往復動す
る。

第１シリンダ１４の側壁上部には冷媒ガスの導入口３４
と排出口３５とが設けてあり、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１８ａｔｍ）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動作を簡単に説明すると
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１５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。

１０に程度まで冷える。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１９の図
中上下端間には３０から１０Ｋま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１６では３０〜８０に、２段ステージ１
７では１０〜２０にの間となる。

モータ１３が回転を開始すると、ディスプレーサ１２は
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のディスプレーサ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を装着されている。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デイスプレーサ１８に形成された流体通路２１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デイスプレーサ
１９との間に形成された１段膨張室３９および第２デイ
スプレーサ１９と第２シリンダ１５の先端壁との間に形
成された２段膨張室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段膨張室３９に流れ込んだ高圧″ヘリウ
ムガス３０に程度に、また２段膨張室４０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３８が閉じ、低圧弁３Ｇが開く。このように低圧弁
３Ｂが開くと、１段膨張室３９内および２段膨張室４０
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１６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が再び
下死点へと移動し、これに伴って１段膨張室３９内およ
び２段膨張室４０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２２．２４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、あるいはまたクライオ
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段膨張室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デイスプレーサ１８と
の間の隙間を通して流れるのを防止しており、またシー
ル機構２６は１段膨張室３９と２段膨張室４０との間に
おいてヘリウムガスが第２シリンダ１５と第２デイスプ
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使用されており、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）におかれ、しかもピストンシールのよ
うな形状が要求される。今、１段膨張室３９の温度が３
０に、２段膨張室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、３０にの
ヘリウムガスが第２デイスプレーサ１９内の蓄冷材２４
に接触することなく２段膨張室４０内に入り、また逆に
１０にのヘリウムガスが１段膨張室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
１１図にはシール機構２６でのヘリウムガスの漏れ量割
合（２段膨張室４０へ流れ込むヘリウムガスの総量に対
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８図から第１０図に示したように
、第２デイスプレーサ１９の外周面に形成された環状溝
２７内に、合い口部３０が第１０図に示すように構成さ
れた有端形のシールリング２８を１段だけ装着し、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
。このような構成のシール機構２６では、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シールを行なうこと
ができず、これが原因して冷凍能力が低いと言う間通が
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。

［発明の構成コ （課題を解決するための手段） 本発明は、上記目的を達成するために本発明では、軸方
向に２段のシール機構を設けており、それらのシール機
構はディスプレーサの外周面に形成された環状溝内に軸
方向に２段積み重ね構成に、かつそれぞれの外周面をシ
リンダの内周面に接触させて装着された有端形の第１・
第２のシールリング及び上記第１・第２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から構成されて
いる。

（作　　用） ２つのシールリングを前記関係に配置したシール機構を
持ち、かつそのシール機構を軸方向に２段に配置し、そ
れぞれのシール機構の装着方向を反対にしているので、
シール機構を介してのヘリウムガス漏れ量を大幅に減ら
すことができる。

従って、冷凍能力の向上を実現できる。

（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極低温冷凍機が示さ
れている。この図では第７図と同一部分が同一符号で示
されている。従って、重複する部分の説明は省略する。

この実施例に係る極低温冷凍機から従来の極低温冷凍機
と異なる点は、第２デイスプレーサ１９の外周面に形成
された環状溝２７．２８内に装着されて第２デイスプレ
ーサと第２シリンダ】５との間の隙間をシールするシー
ル機構４１４５の構成にある。

シール機構４１は、第２図、第３図に示すように、環状
溝２７内に有端形のアウターリング４２とこのアウター
リング４２の内側に装着されたインナーリング４３と、
このインナーリング４３の内側に同心円状に装着され第
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４４が装着された構成となっている。そして
、アウターリング４２及びインナーリング４３はそれぞ
れ樹脂系の部材で形成されている。アウターリング４２
及びインナーリング４３の断面形状は第３図に示されて
いるように、インナーリング４３は矩形の断面の外周面
から矩形の切り欠きを行った形状であり、アウターリン
グ４２の断面形状はインナーリング４３の切り欠きに等
しい矩形断面である。そして、第３図に示すようにアウ
ターリング４２はインナーリング４３の切り欠き部に配
置されており、それぞれの切り欠き部は１８０度ずらし
た位置にある。このように配置することによって、アウ
ターリング４２及びインナーリング４３の外周面は第２
シリンダ１５の内周面に接触し、インナーリング４３の
切り欠いた面はアウターリング４２の内周面・端面にそ
れぞれ接触する。

また、第４図に示すように、シール機構４１゜４５にお
いて、アウターリング４２−インナーリング４３の配置
とアウターリング４６・インナーリング４７の配置は軸
方向に対象となっている。

このような構成であると、シールリングの切れめは２ケ
所となるが、切れめを周方向にずらして、これらの切れ
めを通してのヘリウムガスの漏れを防止することができ
る。また、２段のシール機構が装着方向を反対にしであ
るため、ヘリウムガスの漏れの方向に対しても影響され
ない。従って、シール機構４１．４５でのヘリウムガス
漏れを大幅に減少させることができ、第２膨張室、つま
り第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５図には第９図に示すシール機構を組込んだ従来の極
低温冷凍機と第４図に示すシール機構４１．４５を組込
んだ本発明の極低温ＧＭ冷凍機とのヘリウムガス漏れ量
の測定結果が示されている。これは、環状溝の幅を等し
くするとともにン−ルリングの形状・材質も等しくて常
温・静止状態で測定した結果である。実際の使用条件（
極低温、往復動）とは異なるが、漏れ量が大幅に減少し
ていることがわかる。この傾向は、使用条件においても
反映されるものと考えられる。第６図には第９図に示す
シール機構を組込んだ従来の極低温冷凍機と第３図に示
すシール機構４１．４５を組込んだ本発明に係る極低温
冷凍機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ｖ１（Ｗ）を示している。この図かられかるよ
うに、同じ温度で冷凍し得る能力は本発明の極低温冷凍
機の方が大きい。従って、上記構成のシール機＄４４１
．４５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第２デイスプレーサと第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４１．４５で構成しているが、第１デイス
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４１．４５で構成してもよい
。また、第３、第４のディスプレーサを持つような構成
の極低温冷凍機においても適用できる。本実施例では極
低温冷凍機の中でも代表的なギフォコド・マクマホン形
の冷凍機について述べたが、改良型ソルベーサイクル、
スターリングサイクル、ビルミャサイクルの極低温冷凍
機にも適用される。

［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、−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まれたシール
機構を軸方向から見た図、第３図は同シール機構の一部
を局部的に取り出して示す縦断面図、第４図は同シール
機構の断面図、第５図および第６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７
図は従来の冷凍機の概略構成図、第８図は同冷凍機に組
込まれたシール機構を軸方向から見た図、第９図は同シ
ール機構を局部的に取出して示す縦断面図、第１０図は
同シール機構に組込まれたシールリングの両端部の形態
を示す図、第１１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デイスプレーサ、１９・・・
第２デイスプレーサ、２１．２３・・・流体通路、２２
．２４・・・蓄冷材、２７・・・環状溝、３９・・・第
１膨張室、４０・・・第２膨張室、４１．４５・・・シ
ール機構、４２゜４６・・・アウターリング、４３．４
７・・・インナーリング、４４．４８・・・ばねリング
。

Claims (3)

【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
   ガスの導入口及び排出口と、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冷凍機において
   、前記ディスプレーサの軸方向に第１のシール機構、第
   ２のシール機構に並置し、前記シール機構は、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
   内に前記ディスプレーサの軸方向に積層された有端形の
   ２つのシールリングと、これらのシールリングの内側に
   装着されて前記環状溝内に設けられる有端形のばねリン
   グとから構成されてなることを特徴とする極低温冷凍機
   。
2. （２）前記シールリングの１つに円周方向に沿って環状
   の溝を設け、この溝に前記他のシールリングをそわせて
   設置してなることを特徴とする請求項１記載の極低温冷
   凍機。
3. （３）前記第１のシール機構と前記第２のシール機構と
   を前記シールリングの環状の溝が対向するように配置し
   なることを特徴とする請求項２記載の極低温冷凍機。