| 【発明の名称】 |
蓄冷器式冷凍機及び装置 |
| 【発明者】 |
【氏名】池谷 陽一郎
【氏名】小泉 達雄
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| 【要約】 |
【課題】周辺磁場への影響を少なくすることが可能な蓄冷器式冷凍機を提供する。
【解決手段】柱面からなる内周面を有する第１のシリンダ内に第１のピストンが挿入されている。第１のピストンの少なくとも芯部が、ポリエーテルエーテルケトン、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、及びガラス繊維強化エポキシからなる群より選択された一つの材料で形成されている。第１のピストンと第１のシリンダとにより、第１の空間が画定されている。第１のガス流路が第１のシリンダの側壁内に形成されている。第１のガス流路は、第１の空間内に冷媒ガスを供給し、または第１の空間から冷媒ガスを回収する。第１のガス流路内に蓄冷材が充填されている。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 柱面からなる内周面を有する第１のシリンダと、前記第１のシリンダの内周面により画定された空間内に挿入された第１のピストンであって、前記第１のシリンダの第１の端部と該第１のピストンの先端との間に第１の空間を画定し、少なくとも芯部が、ポリエーテルエーテルケトン、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、及びガラス繊維強化エポキシからなる群より選択された一つの材料で形成されている前記第１のピストンと、前記第１のシリンダの側壁内に形成され、前記第１の空間に連通し、前記第１の空間内に冷媒ガスを供給し、または前記第１の空間から冷媒ガスを回収する第１のガス流路と、前記第１のガス流路内に充填され、該第１のガス流路内を移動する冷媒ガスと熱交換を行う第１の蓄冷材とを有する蓄冷器式冷凍機。
【請求項２】 前記第１のシリンダが、内側筒状部材と、外側筒状部材とを含み、該内側筒状部材の外周面と該外側筒状部材の内周面との間に前記第１のガス流路を画定する請求項１に記載の蓄冷器式冷凍機。
【請求項３】 さらに、前記第1のシリンダの、前記第1の端部と反対側の第２の端部に結合し、前記第１のガス流路を経由して前記第１の空間に連通する内部空洞を画定する第２のシリンダと、前記第２のシリンダ内に挿入された第２のピストンであって、その先端に前記第１のガス流路に連通する第２の空間を画定する第２のピストンと、前記第２の空間に連通し、該第２の空間内に冷媒ガスを供給し、または該第２の空間内から冷媒ガスを回収する第２のガス流路と、前記第２のガス流路内に充填され、該第２のガス流路内を移動する冷媒ガスと熱交換を行う第２の蓄冷材とを有する請求項１または２に記載の蓄冷器式冷凍機。
【請求項４】 さらに、前記第１のピストンの外周面に形成され、前記第１のピストンの外周面と前記第１のシリンダの内周面との間に、前記第１のガス流路と並列に接続されたらせん状のガス流路を画定するらせん状の溝を有する請求項１〜３のいずれかに記載の蓄冷器式冷凍機。
【請求項５】 前記第１のシリンダがステンレスで形成されている請求項１〜４のいずれかに記載の蓄冷器式冷凍機。
【請求項６】 柱面からなる内周面を有する第１のシリンダと、前記第１のシリンダの内周面により画定された空間内に挿入された第１のピストンであって、前記第１のシリンダの第１の端部と該第１のピストンの先端との間に第１の空間を画定する前記第１のピストンと、前記第１のシリンダの側壁内に形成され、前記第１の空間に連通し、前記第１の空間内に冷媒ガスを供給し、または前記第１の空間から冷媒ガスを回収する第１のガス流路と、前記第１のガス流路内に充填され、該第１のガス流路内を移動する冷媒ガスと熱交換を行う第１の蓄冷材とを有し、前記第１のガス流路の、前記第１のシリンダの軸に直交する断面の面積が、前記第１のピストンの、前記第１のシリンダの軸に直交する断面の面積よりも大きい蓄冷器式冷凍機。
【請求項７】 ステンレスからなるシリンダと、前記シリンダ内に挿入され、少なくとも芯部がポリエーテルエーテルケトン、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、及びガラス繊維強化エポキシからなる群より選択された一つの材料で形成されているピストンとを有する装置。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、蓄冷器式冷凍機に関し、シリンダ内をピストンが往復運動し、シリンダの低温端で吸熱を行う蓄冷器式冷凍機に関する。
【０００２】
【従来の技術】図２に、従来の２段構成のＧＭ式冷凍機の断面図を示す。ヘリウム圧縮機１０が、ヘリウムガスを約２０Ｋｇｆ／ｃｍ2の圧力まで圧縮し、高圧ヘリウムガスを供給する。高圧ヘリウムガスは、吸気弁Ｖ１、ガス流路１６を介して第１段目シリンダ１１内に供給される。第１段目シリンダ１１には、第２段目シリンダ１２が結合されている。
【０００３】第１段目シリンダ１１及び第２段目シリンダ１２内には、それぞれ相互に結合された第１段目ディスプレーサ１３及び第２段目ディスプレーサ１４が挿入されている。第１段目ディスプレーサ１３は、第１段目シリンダ１１内の第２段目シリンダ１２側に、膨張空間２１を画定し、その反対側に、高温側空間２７を画定する。第１段目ピストン１３の、高温側空間２７側の端部から、軸部材Ｓが第１段目シリンダ１１の外部まで延在する。軸部材Ｓは、駆動用モータＭにより駆動されるクランク機構１５に結合している。第２段目ディスプレササ１４は、第２段目シリンダ１２内の、第１段目シリンダ１１に連結していない方の端部に、膨張空間２２を画定する。
【０００４】第１段目ディスプレーサ１３及び第２段目ディスプレーサ１４内に、それぞれ空洞１７及び１８が形成されている。空洞１７及び１８内に、それぞれ蓄冷材２５及び２６が充填されている。空洞１７は、ガス流路２３ａを介して高温側空間２７に連通し、ガス流路２３ｂを介して膨張空間２１に連通している。空洞１８は、ガス流路２４ａを介して膨張空間２１に連通し、ガス流路２４ｂを介して膨張空間２２に連通している。
【０００５】通常、第１段目シリンダ１１及び第２段目シリンダ１２は、十分な強度、低い熱伝導率、十分なヘリウムガス遮蔽能を有するステンレス綱（たとえばＳＵＳ３０４）等によって形成される。第１段目ディスプレーサ１３及び第２段目ディスプレーサ１４は、比重が軽く、十分な耐摩耗性、比較的高い強度、及び低い熱伝導率を有する布入りフェノール（ベークライト）等によって形成される。
【０００６】図示していないが、第１段目ディスプレーサ１３の外周面と第１段目シリンダ１１の内周面との間にシールリングが配置され、この間隙を通ってヘリウムガスが輸送されることを防止している。同様に、第２段目ディスプレーサ１４と第２段目シリンダ１２の間にも同様のシールリングが配置されている。
【０００７】第１段目シリンダの、膨張空間２１側の端部に、第１段目ヒートステーション１９が熱的に結合している。第２段目シリンダ１２の、膨張空間２２側の端部に、第２段目ヒートステーション２０が熱的に結合している。
【０００８】ヘリウム圧縮機１０から吸気弁Ｖ１を介して供給される高圧ヘリウムガスは、ガス流路１６を介して第１段目シリンダ１１内の高温側空間２７内に導入される。高温側空間２７内に導入されたヘリウムガスは、ガス流路２３ａ、空洞１７、及びガス流路２３ｂを通って、第１段目膨張空間２１内に輸送される。ヘリウムガスが空間１７内を移動する時に、蓄冷材２５とヘリウムガスとの間で熱交換が行われる。
【０００９】第１段目膨張空間２１内のヘリウムガスは、さらにガス流路２４ａ、空洞１８、及びガス流路２４ｂを通って第２段目の膨張空間２２内に輸送される。ヘリウムガスが空洞１８内を移動する時、蓄冷材２６とヘリウムガスとの間で熱交換が行われる。なお、図２に示すガス流路２３、２４は、冷媒ガスの流れを説明するために機能的に記載したものであり、実際の構造とは異なる。
【００１０】吸気弁Ｖ１が閉じ、排気弁Ｖ２が開いた時には、第２段目シリンダ１２、第１段目シリンダ１１内の高圧ヘリウムガスは、吸気の場合とは逆の経路をたどってガス流路１６、排気弁Ｖ２を経由してヘリウム圧縮機１０に回収される。
【００１１】ＧＭ式冷凍機の作動時においては、駆動用モータＭの回転によって第１段目ディスプレーサ１３及び第２段目ディスプレーサ１４が図中矢印で示すように、シリンダの軸方向に往復駆動される。第１段目ディスプレーサ１３及び第２段目ディスプレーサ１４が下方に駆動された時、吸気弁Ｖ１が開き、高圧ヘリウムガスが第１段目シリンダ１１及び第２段目シリンダ１２内に供給される。
【００１２】駆動用モータＭによって第１段目ディスプレーサ１３及び第２段目ディスプレーサ１４が上方に駆動された時、吸気弁Ｖ１が閉じ、排気弁Ｖ２が開いて、ヘリウムガスがヘリウム圧縮機１０に回収される。これにより、第１段目シリンダ１１及び第２段目シリンダ１２内の膨張空間が低圧になる。この時、膨張空間２１、２２においては、ヘリウムガスの膨張によって寒冷が発生する。冷却されたヘリウムガスは、空洞１８及び１７内を移動する時に、蓄冷材２６及び２５を冷却する。
【００１３】次の吸気工程で供給される高圧ヘリウムガスは、蓄冷材１７、１８と熱交換を行って冷却され、膨張空間２１及び２２内へ導入される。次の排気工程で、冷却されたヘリウムガスが膨張することにより、さらに冷却が進む。定常状態においては、第１段目シリンダ１１の膨張空間２１が、たとえば４０Ｋ〜７０Ｋ程度の温度に保たれ、第２段目シリンダ１２の膨張空間２２が数Ｋ〜２０Ｋ程度の温度に保たれる。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】冷凍性能を高めるために、第２段目ディスプレーサ１４内の空洞１８の低温端近傍に磁性蓄冷材が配置される。ディスプレーサの往復運動に追随してこの磁性蓄冷材も往復運動する。このため、低温端周辺の磁場が時間的に変動してしまう。したがって、このＧＭ式冷凍機は、磁場が時間的に変動してはならないような用途に用いることができない。
【００１５】本発明の目的は、周辺磁場への影響を少なくすることが可能な蓄冷器式冷凍機を提供することである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】本発明の一観点によると、柱面からなる内周面を有する第１のシリンダと、前記第１のシリンダの内周面により画定された空間内に挿入された第１のピストンであって、前記第１のシリンダの第１の端部と該第１のピストンの先端との間に第１の空間を画定し、少なくとも芯部が、ポリエーテルエーテルケトン、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、及びガラス繊維強化エポキシからなる群より選択された一つの材料で形成されている前記第１のピストンと、前記第１のシリンダの側壁内に形成され、前記第１の空間に連通し、前記第１の空間内に冷媒ガスを供給し、または前記第１の空間から冷媒ガスを回収する第１のガス流路と、前記第１のガス流路内に充填され、該第１のガス流路内を移動する冷媒ガスと熱交換を行う第１の蓄冷材とを有する蓄冷器式冷凍機が提供される。
【００１７】第１の蓄冷材が第１のシリンダ内に配置されているため、第１のピストンが往復運動しても蓄冷材は動かない。このため、磁性蓄冷材を用いても、外部磁場への影響を軽減することができる。また、第１のガス流路が第１のシリンダの側壁内に形成されているため、ピストン内に形成する場合に比べて、その断面積を大きくすることが可能になる。蓄冷材を充填されているガス流路の断面積を大きくすると、冷媒ガスの流速が遅くなり、熱交換効率を高めることが可能になる。上記材料の線膨張係数が、比較的ステンレスのそれに近いため、シリンダをステンレスの線膨張係数に近い材料で形成する場合、低温になってもピストンとシリンダとの隙間をほぼ一定に保つことができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】図1は、本発明の実施例によるＧＭ式冷凍機の第２段目の断面図を示す。すなわち、図２に示す従来の冷凍機の第２段目シリンダ１２及び第２段目ディスプレーサ１４に相当する部分である。実施例によるＧＭ式冷凍機の第１段目部分は、図２に示すものと同様であるため、図１では図示を省略している。
【００１９】円筒状の第１段目シリンダ３０に、それよりも小径の第２段目シリンダ４０が連結されている。第２段目シリンダ４０の、第１段目シリンダ３０に連結されている方の端部を高温端と呼び、他端を低温端と呼ぶ。第２段目シリンダ４０は、外側円筒状部材４０ａと内側円筒状部材４０ｂを含んで構成される。外側円筒状部材４０ａ及び内側円筒状部材４０ｂは、例えばステンレスで形成される。外側円筒状部材４０ａの一方の端部に鍔状部４２が形成され、その外周面が第１段目シリンダ３０の内周面に密着している。外側円筒状部材４０ａの他方の端部は、コールドヘッド４１で閉塞されている。
【００２０】内側円筒状部材４０ｂは、外側円筒状部材４０ａ内に、それと同軸状に配置されている。内側円筒状部材４０ｂと外側円筒状部材４０ａとの間に、円筒状のガス流路４５が画定される。内側円筒状部材４０ｂの低温端が、コールドヘッド４１により支持されている。高温端においては、外側円筒状部材４０ａと内側円筒状部材４０ａとの間に止め輪４６が装填され、内側円筒状部材４０ｂの位置が固定される。
【００２１】内側円筒状部材４０ｂ内に第２段目ピストン４８が挿入されている。第２段目シリンダ４０の低温端に、第２段目ピストン４８、第２段目シリンダ４０、及びコールドヘッド４１で囲まれた第２段目膨張空間５０が画定される。
【００２２】第１段目シリンダ３０内に第１段目ピストン３１が挿入されている。第１段目ピストン３１は、第１段目シリンダ３０の空洞内の、第２段目シリンダ４０側の端部に第１段目膨張空間３５を画定する。第２段目ピストン４８の高温端が、連結部材３２を介して第１段目ピストン３１に連結されている。
【００２３】第２段目ピストン４８は、中実の円柱状の芯部４８ａと、その柱面を覆う被覆膜４８ｂを含んで構成される。芯部４８ａは、例えばポリエーテルエーテルケトンで形成される。ポリエーテルエーテルケトン素材は、例えば日本ポリペンコ株式会社により、ポリペンコＰＥＥＫという商品名で市販されている。被覆膜４８ｂは、耐摩耗性樹脂、例えばテフロン系コーティング剤等で形成される。被覆膜４８ｂの表面にはらせん状の溝が設けられている。らせん状の溝が設けられていることにより、第２段目ピストン４８と内側円筒状部材４０ｂとの間の隙間を流れるガスが、らせん溝に沿って流れるようになる。これにより、冷凍性能の向上を図ることができる。らせん溝を設けることの効果は、特許公報第２６５９６８４号に詳細に説明されている。
【００２４】コールドヘッド４１にガス流路４３が形成されている。ガス流路４３は、ガス流路４５と第２段目膨張空間５０とを連通させる。止め輪４６にガス流路４４が形成されている。ガス流路４４は、第１段目膨張空間３５とガス流路４５とを連通させる。ガス流路４３及び４４は、シリンダの軸に沿って見たとき、等間隔で配置された例えば８個程度の貫通孔により構成される。
【００２５】ガス流路４５の低温端近傍に第１の蓄冷材５１が充填され、その他の部分に第２の蓄冷材５２が充填されている。第１の蓄冷材５１は、例えば温度４Ｋ程度で比熱の大きくなる磁性蓄冷材であり、第２の蓄冷材５２は、例えば鉛球である。第１の蓄冷材５１が充填された部分と第２の蓄冷材５２が充填された部分との境界がフェルト５５で仕切られ、両者が混ざり合わないようにされている。ガス流路４５と４３との境界がフェルト５４及び金網５３で仕切られ、ガス流路４５と４４との境界がフェルト５７及び金網５６で仕切られている。これにより、第１の蓄冷材５１及び第２の蓄冷材５２がガス流路４５内に保持される。
【００２６】図１に示す実施例では、ヘリウムガスが第１段目膨張空間３５から、ガス流路４４、４５及び４３を経由して、第２段目膨張空間５０内に供給され、逆の流路を辿って第２段目膨張空間５０から第１段目膨張空間３５内に回収される。第２段目ピストン４８が往復運動しても、磁性を有する第１の蓄冷材５１は動かない。このため、外部磁場への影響を軽減することができる。
【００２７】また、蓄冷材は、一般的に重い金属で形成される。図２の従来例に示すように蓄冷材をディスプレーサ（ピストン）内に充填すると、ピストンが重くなる。本実施例の場合には、ピストン内に蓄冷材を充填する必要がないため、ピストンを軽くすることができる。このため、ピストンを往復運動させても冷凍機全体の重心の移動量が小さくなり、振動を低減することができる。また、可動部分に加わる負荷が小さくなり、信頼性向上にもつながる。
【００２８】また、第２段目ピストン４８の芯部４８ａを形成するポリエーテルエーテルケトンの線膨張係数は、ステンレスの線膨張係数に比較的近い。シリンダとピストンとの熱収縮量がほぼ等しくなり、両者間の隙間を一定に保つことが可能になる。なお、ポリエーテルエーテルケトン以外に、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、ガラス繊維強化エポキシを用いても同様の効果が期待できる。
【００２９】さらに、本実施例では、シリンダが二重構造になっているため、外部からの衝撃によりシリンダの外周面が変形しても、内側のシリンダ面の変形を防止することができる。
【００３０】さらに、本実施例の構造を採用することにより、蓄冷材が配置されているガス流路の断面積を大きくすることが可能になる。ガス流路の断面積を大きくすると、冷媒ガスの移動速度が小さくなる。このため、冷媒ガスと蓄冷材との熱交換効率を高めることができる。また、ガス流路の断面積を大きくすると、流路抵抗が小さくなり、圧力損失を小さくすることができる。このため、ＰＶ仕事量を大きくすることが可能になる。
【００３１】図１において、第２段目ピストン４８の直径を２５ｍｍ、内側円筒状部材４０ｂの外径を３２ｍｍ、外側円筒状部材４０ａの内径を４５．５ｍｍとした場合を考える。このとき、ガス流路４５の断面積は約８２２ｍｍ2になる。これに対し、第２段目ピストン４８の断面積は４９１ｍｍ2である。図２に示す従来例のように第２段目ピストン内に蓄冷材を充填する場合には、ガス流路の断面積を４９１ｍｍ2よりも大きくすることができない。本実施例のように、シリンダの側壁内にガス流路を設けることにより、ピストンの断面積に依存することなく、ガス流路の断面積を大きくすることができる。ガス流路の断面積増大の十分な効果を得るために、ガス流路４５の断面積をピストンの断面積よりも大きくすることが好ましい。
【００３２】図１に示す実施例では、２段ＧＭ式冷凍機の第２段目のピストン及びシリンダについて説明したが、第１段目のピストン及びシリンダを図１の実施例に示す構造としてもよい。また、より一般的にｎ段ＧＭ式冷凍機の一部の段もしくはすべての段を、図１に示す構造としてもよい。
【００３３】また、上記実施例では、ＧＭ冷凍機を例にとって説明したが、上記実施例の構造は、シリンダ、ピストン、及び蓄冷材を有する冷凍機、例えばスターリング冷凍機にも適用可能である。
【００３４】以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
【００３５】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、蓄冷材を、可動ピストン内ではなく固定されたシリンダの側壁内に充填することにより、信頼性の高い蓄冷機を得ることができる。また、蓄冷材として磁性材料を使用する場合には、外部磁場への影響を低減することができる。
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| 【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
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| 【出願日】 |
平成１１年３月３０日（１９９９．３．３０） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００９１３４０
【弁理士】
【氏名又は名称】高橋 敬四郎 （外１名）
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| 【公開番号】 |
特開２０００−２８３５８１（Ｐ２０００−２８３５８１Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１２年１０月１３日（２０００．１０．１３） |
| 【出願番号】 |
特願平１１−８９４２０ |
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