JPH0686964B2 - 極低温冷凍機用膨張機 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、圧縮された冷媒ガスを膨張させて極低温レベ
ルの寒冷を発生させるようにした極低温冷凍機用膨張機
の構造に係り、特に冷却能力の向上対策に関する。

（従来の技術） 従来より、極低温レベルの寒冷を発生させるようにした
極低温冷凍機に配置される極低温冷凍機用膨張機の構造
として、例えば「Cryocoolers,Partl,p.204,（ISBN O-3
06-40715-9（v.1）,1983 PlenumPress,New York）」に
開示されるごとく、第５図に示すように、シリンダ
（ａ）の先端に略半球状の低温端部（ｂ）を設け、リジ
ェネレータ（ｃ）を内蔵するディスプレーサ（ｄ）の先
端を半球状に形成して、該先端と低温端部（ｂ）の内壁
面との間に膨張空間（ｆ）を形成するとともに、ディス
プレーサ（ｄ）円筒面の先端付根に細孔（ｅ）を設け、
該細孔（ｅ）を介してディスプレーサ（ｄ）内部から膨
張空間（ｆ）に冷媒を流入させて膨張空間（ｆ）で冷媒
を膨張させることにより、低温端部（ｂ）の冷却効果を
向上させようとするものは公知の技術である。

また、上記のものと同文献において同時に開示されるご
とく、第６図に示すように、シリンダ（ａ）を二重管構
造とし、その二重管の間にリジェネレータ（ｃ）を収納
するとともに、シリンダ（ａ）の先端の低温端部（ｂ）
において、シリンダ（ａ）の二重管の間に内側管に外嵌
合しかつ外側管および外側端面とは所定の間隙を有する
内部部材（ｇ）を設けて、その間隙を冷媒が流通する流
通空間（ｈ）とする一方、内部部材（ｇ）の先端の凹状
面の中央部に流通空間（ｈ）とシリンダ（ａ）内部先端
の膨張空間（ｆ）とを連通する細孔（ｉ）を設け、寒冷
が発生する冷媒の膨張時、冷媒をリジェネレータ（ｃ）
から流通空間（ｈ）を経て膨張空間（ｆ）に流入させる
ことにより、低温端部（ｂ）における冷却効果をさらに
向上させようとするものも公知の技術である。

（発明が解決しようとする課題） ところで、低温端部（ｂ）の冷却効果を阻害する要因と
して、膨張空間（ｆ）内における膨張した低温の冷媒の
寒冷が低温端外表面へ有効に伝えられないということが
ある。したがって、通常の装置のようなディスプレーサ
先端面の中央孔から膨張空間に冷媒を流通させる構造に
比べて、上記第５図のものでは、冷媒ガスの吸入，吐出
時、細孔（ｅ）付近では、冷媒が低温端部（ｂ）の壁面
に添って流れ、冷媒と低温端部（ｂ）との熱伝達が良好
になって冷却効果が向上する。しかし、低温端部（ｂ）
の先端付近では、なお冷媒と低温端部（ｂ）との熱伝達
が不十分であり、総合的に冷却効果が十分向上しないと
いう問題がある。

それに対して、上記第６図のものでは、吸入，吐出され
る冷媒が低温端部（ｂ）の表面全体で熱交換を行い、高
い冷却効果を発揮しうる。しかし、反面、高精度が要求
されるシリンダ（ａ）を二重管構造にし、その内部にリ
ジェネレータ（ｃ）を設ける等の複雑な構造としている
ために、製造コストが高くつくとともに、装置が大形に
なるという問題がある。

本発明は斯かる点に鑑みてなされたものであり、その目
的は、単純な構成でもって冷媒の混合効果を防止するこ
とにより、低コストで膨張機の冷却能力の向上を図るこ
とにある。

（課題を解決するための手段） 上記目的を達成するため第１の解決手段は、第１図に示
すように、極低温冷凍機用膨張機に、先端が閉鎖された
円筒状シリンダ部材（１）と、該シリンダ部材（１）の
先端部（1a）に該先端部（1a）の外形全体に亘って所定
の間隙を有するように外嵌され、かつ入口で機密状に支
持されるカップ状低温端部（２）と、内部に金属細線や
球のリジェネレータ（４）を有し、上記シリンダ部材
（１）内のシール部材（５）を介して摺動する円筒状デ
ィスプレーサ（３）とを設け、該ディスプレーサ（３）
の往復動により、高圧の冷媒ガスが膨張して上記低温端
部（２）に極低温レベルの寒冷が発生するようにする。

さらに、上記シリンダ部材（１）の先端部（1a）とディ
スプレーサ（３）の先端との間に冷媒が膨張する膨張空
間（６）が形成され、上記先端部（1a）と低温端部
（２）との間隙で冷媒ガスが流れる流通空間（７）が形
成しディスプレーサ（３）の円筒面および対応するシリ
ンダ部材（１）の先端部（1a）の円筒面に、ディスプレ
ーサ（３）内部と上記流通空間（７）とを冷媒ガスの流
通可能に連通する流通路（10）を設け、上記シリンダ部
材（１）の先端面（1b）中央に、流通空間（７）と膨張
空間（６）とを冷媒ガスの流通可能に連通する細孔（1
1）を設けたものである。。

また、第２の解決手段は、上記第１の解決手段におい
て、リジェネレータ（４）を多数枚重ねた円形の金属製
金網で構成し、ディスプレーサ（３）を該金網の外周付
近に含浸固化された樹脂からなる円筒部（3b）を有する
ように構成したものである。

（作用） 以上の構成により、請求項（１）の発明では、寒冷が発
生する冷媒の膨張時、冷媒がディスプレーサ（３）の内
部から低温端部（２）とシリンダ部材（１）の先端部
（1a）との間の流通空間（７）を経て膨張空間（６）に
流入する。したがって、低温端部（２）内側の流通空間
（７）を流れることとなり、その結果、低温端部（２）
の冷却効果が向上することになる。

しかも、その場合、リジェネレータ（４）をディスプレ
ーサ（３）内に収納し、シリンダ部材（１）を単管構造
としているので、装置全体を小形かつ簡易な構造とする
ことができ、よって、製造コストの大幅な増大を招くこ
となく、冷却能力が向上する。

請求項（２）の発明では、リジェネレータ（４）が金属
製の金網で構成されているので、熱膨張率がシリンダ部
材（１）と同じ程度になるとともに、ディスプレーサ
（３）の円筒面を仕上げる際、内部の金網により剛性が
保持され、良好な真円度を得ることができる。したがっ
て、ディスプレーサ（３）外周とシリンダ部材（１）内
周との良好な嵌合性が維持される。

また、ディスプレーサ（３）が金属製金網に樹脂を含浸
固化させてなる円筒部（3b）を有するので、内部の蓄冷
材としての金網とシリンダ部材（１）との間の熱伝導が
有効に阻止される一方、高密度の金網によりリジェネレ
ータ（４）の熱交換効率が高く維持される。

よって、シリンダ部材（１）との嵌合性と高い熱交換効
率を維持しながら装置の小形化に対応することができ
る。

（実施例） 以下、本発明の実施例について、第１図〜第４図に基づ
き説明する。

第１図は請求項（１）および（２）の発明を適用した極
低温冷凍機用膨張機の主要部の構造を示し、（１）は先
端が閉鎖された円筒状シリンダ部材（１）であって、該
シリンダ部材（１）には、図示しないが圧縮機により圧
縮された冷媒ガスが供給配管（図示せず）等の供給通路
を経て流入するようになされている。

また、（２）は該シリンダ部材（１）の先端部（1a）の
外側において先端部（1a）の外形全体に亘って所定の間
隙を有するように外嵌されるカップ状低温端部（２）で
あって、その入口ではシリンダ部材（１）の先端部（1
a）円筒面に機密状に支持されている。（３）は上記シ
リンダ部材（１）内をシール部材（５）を介して摺動す
る中空円柱状ディスプレーサであって、該ディスプレー
サ（３）の内部には、ヘリウム等の冷媒ガスが冷熱を付
与しながら流通するリジェネレータ（４）が収納されて
いる。

そして、上記シリンダ部材（１）の先端部（1a）内壁面
と、ディスプレーサ（３）の先端面とにより、冷媒が膨
張する膨張空間（６）が形成され、シリンダ部材（１）
の先端部（1a）外壁面と低温端部（２）内壁面との間の
間隙により、冷媒が流通する流通空間（７）が形成され
ていている。

一方、第２図に示すように、ディスプレーサ（３）円筒
面には、円周方向４箇所に等分配置された円孔（８），
…が設けられるとともに、シリンダ部材（１）の先端部
（1a）円筒面の上記円孔（８），…と対応する箇所に
は、ディスプレーサ（３）の上下動域に亘ってシリンダ
部材（１）の長手方向に延びる長孔（９），…が設けら
れている。すなわち、上記円孔（８），…と長孔
（９），…とにより、ディスプレーサ（３）内部と上記
流通空間（７）とを冷媒ガスの流通可能に連通する流通
路（10）が形成されている。

さらに、上記シリンダ部材（１）の先端面（1b）中央に
は、流通空間（７）と上記膨張空間（６）とを冷媒ガス
の流通可能に連通する細孔（11）が設けられていて、該
細孔（11）を介して流通空間（７）から膨張空間（６）
に冷媒を流すようになされている。

つまり、ディスプレーサ（３）がシリンダ部材（１）の
先端側から後方に移動すると、リジェネレータ（４）を
通って冷却された冷媒ガスが流通路（10）から流通空間
（７）を経て、ディスプレーサ（３）の移動により体積
が増加しつつある膨張空間（６）に流れ込んで、低温端
部（２）に寒冷を生ぜしめる一方、ディスプレーサ
（３）がシリンダ部材（１）の後方から先端側に移動す
ると、上記過程で冷却された冷媒ガスが上記とは逆の経
路で低温端部（２）と熱交換を行った後ディスプレーサ
（３）内部に戻り、リジェネレータ（４）にその寒冷熱
を蓄熱して圧縮機側に戻るようになされている。

また、第３図および第４図に示すように、ディスプレー
サ（３）内部において、その先端には銅製の円柱状ブロ
ックからなる先端部材（3a）が設けられ、上記リジェネ
レータ（４）は上記先端部材（3a）の上に多数枚重ねた
円形の銅製金網で構成され、ディスプレーサ（３）は、
上記先端部材（3a）と、上記金網の外周付近に含浸固化
された後、外周面が上記シリンダ部材（１）の円筒内面
に嵌合する寸法に機械加工により仕上げられたエポキシ
製の円筒部（3b）とからなる。つまり、ディスプレーサ
（３）とリジェネレータ（４）とは一体に形成されてい
る。

したがって、請求項（１）の発明では、寒冷が発生する
冷媒ガスの膨張時、冷媒ガスが、低温端部（２）とシリ
ンダ部材（１）の先端部（1a）との間の間隙として形成
される流通空間（７）を経て、シリンダ部材（１）の先
端面中央に設けられた細孔（11）から膨張空間（６）に
流入するので、低温端部（２）内側の流通空間（７）を
流れることとなり、その結果、低温端部（２）の冷却効
果が向上する。

その場合、シリンダ部材（１）を単管構造とし、流通空
間（７）をシリンダ部材（１）の先端部（1a）と該先端
部（1a）をカバーするカップ状低温端部（２）とで構成
しているので、装置の構成として、一般に使用されてい
るシリンダ構造にカップ状低温端部（２）を付加するだ
けの簡易な構成で済み、よって、上記第６図に示される
二重管のシリンダ構造のように製造コストの大幅な増大
を招くことなく、極低温冷凍機用膨張機の冷却能力の向
上を図ることができるのである。

加えて、二重管のシリンダ構造に比べて、リジェネレー
タ（４）がディスプレーサ（３）内部に収納されるの
で、装置全体の小形化を図ることができる利点をも有す
るものである。

次に、ディスプレーサ（３）およびリジェネレータ
（４）の材質についてみるに、従来は、シリンダ部材の
素材であるステンレスとの熱膨張率が近く、しかも熱伝
導率の低い樹脂として、円筒状の布入りベークライトで
ディスプレーサを構成し、その内部にリジェネレータと
して銅製の金網や球状の鉛を入れる構造としている。そ
の場合、布入りベークライトが吸湿により寸法変化して
シリンダ部材との嵌合性が悪化したり、特に小型の冷凍
機の場合には内部の蓄冷材に対する布入りベークライト
製ディスプレーサの肉厚の比率が高くなって熱交換効率
が低下する等の問題があり、また、加工上も布入りベー
クライト円筒の弱い剛性のために高い真円度が得られ
ず、シリンダ部材の内壁との間で冷媒のリークが生ずる
虞れがある。

それに対し、請求項（２）の発明では、リジェネレータ
（４）が銅製の金網で構成されているので、熱膨張率が
シリンダ部材（１）として通常使用されるステンレスと
それ程変わらない。また、ディスプレーサ（３）の円筒
面を仕上げる際、ディスプレーサ（３）とリジェネレー
タ（４）とが一体に形成され、内部の金網により剛性が
保持されているので、良好な真円度を得ることができ
る。したがって、ディスプレーサ（３）外周とシリンダ
部材（１）内面との良好な嵌合性を維持することができ
る。また、外周が上記金網に樹脂を含浸固化させてなる
円筒部（3b）で構成されているので、内部の蓄冷材とし
ての金網とシリンダ部材（１）との間の熱伝導を有効に
阻止しうる。なお、樹脂を含浸させる前に銅製の金網を
適度に押圧することにより、金網の密度を十分高くする
ことができるので、リジェネレータ（４）の熱交換効率
も高く維持することができる。すなわち、シリンダ部材
（１）との良好な嵌合性と高い熱交換効率とを維持しな
がら、装置の小形化に対応することができるのである。

（発明の効果） 以上説明したように、請求項（１）の発明によれば、極
低温冷凍機用膨張機の構造として、ディスプレーサをリ
ジェネレータ内蔵型とし、シリンダ部材の先端部に円筒
カップ状の低温端部を所定の間隙を有するように外嵌
し、冷媒の流通する流通空間を形成するとともに、ディ
スプレーサおよびシリンダ部材の円筒面に冷媒流通路を
設け、シリンダ部材の先端面中央に流通空間とシリンダ
部材の内部先端の膨張空間とを連通する細孔を設けて、
冷媒ガスがディスプレーサ内部から流通空間を経て膨張
空間に流れるようにしたので、低温端部内側の流通空間
において高温側冷媒との混合効果を生ずることなく冷媒
ガスが流れ、よって、簡易な構成でもって膨張機の冷却
能力の向上と装置の小形化とを図ることができる。

請求項（２）の発明によれば、多数枚重ねた円形銅製の
金網でリジェネレータを構成し、その金網の外周部に含
浸させた円筒状樹脂でディスプレーサを構成したので、
シリンダ部材との嵌合性と熱交換率とを確保しながら装
置の小形化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第４図は本発明の実施例を示し、第１図は膨張
機の要部を示す縦断面図、第２図は上記第１図のII-II
線断面図、第３図はディスプレーサおよびリジェネレー
タの構造を示す部分縦断面図、第４図は上記第３図のIV
-IV線断面図である。第５図および第６図は従来の膨張
機の構造例を示し、第５図はディスプレーサの円筒面に
設けられた細孔から膨張空間に冷媒を流すようにしたも
の、第６図はシリンダ部材を二重管で構成したものの構
造をそれぞれ示す縦断面図である。 （１）……シリンダ部材、（1a）……先端部、（1b）…
…先端面、（２）……低温端部、（３）……ディスプレ
ーサ、（3a）……円筒部、（４）……リジェネレータ、
（５）……シール部材、（６）……膨張空間、（７）…
…流通空間、（10）……流通路、（11）……細孔。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】先端が閉鎖された円筒状シリンダ部材
   （１）と、該シリンダ部材（１）の先端部（1a）に該先
   端部（1a）の外形全体に亘って所定の間隙を有するよう
   に外嵌され、かつ入口で機密状に支持されるカップ状低
   温端部（２）と、内部に金属細線や球のリジェネレータ
   （４）を有し、上記シリンダ部材（１）内をシール部材
   （５）を介して摺動する円筒状ディスプレーサ（３）と
   を備え、該ディスプレーサ（３）の往復動により、高圧
   の冷媒ガスが膨張して上記低温端部（２）に極低温レベ
   ルの寒冷が発生するようにした極低温冷凍機用膨張機で
   あって、 上記シリンダ部材（１）の先端部（1a）とディスプレー
   サ（３）の先端との間には冷媒ガスが膨張する膨張空間
   （６）が形成され、上記先端部（1a）と低温端部（２）
   との間隙により冷媒ガスが流れる流通空間（７）が形成
   されていて、 ディスプレーサ（３）の円筒面および対応するシリンダ
   部材（１）の先端部（1a）の円筒面には、ディスプレー
   サ（３）内部と上記流通空間（７）とを冷媒ガスの流通
   可能に連通する流通路（10）が設けられ、上記シリンダ
   部材（１）の先端面（1b）中央には、流通空間（７）と
   膨張空間（６）とを冷媒ガスの流通可能に連通する細孔
   （11）が設けられていることを特徴とする極低温冷凍機
   用膨張機。
2. 【請求項２】リジェネレータ（４）は多数枚重ねた円形
   の金属製金網により構成され、ディスプレーサ（３）は
   該金網の外周付近に含浸固化された円筒状樹脂からなる
   円筒部（3b）を有することを特徴とする請求項（１）記
   載の低温冷凍機用膨張機。