JPH0689961B2 - 極低温冷凍機 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、フリーディスプレータイプの膨張機を備えた
極低温冷凍機に係り、特に装置の大容量化対策に関す
る。

（従来の技術） 従来より、極低温冷凍機として、例えば高圧及び低圧配
管で接続された圧縮機からの矩形波状の高低圧を受けて
上下に移動するスラックピストン等により、シリンダ内
でディスプレーサを往復動させて、圧縮された冷媒ガス
をシリンダ内で膨張させることによりシリンダ内で寒冷
を発生させるようにしたＧ−Ｍサイクル極低温冷凍機は
よく知られている。

一方、他のタイプの極低温冷凍機として、サイン波状の
圧力波を供給する圧縮機と、バネで懸架されたディスプ
レーサを有する膨張機とを高低圧共通の配管で接続した
スターリングサイクル極低温冷凍機も公知の装置であ
る。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、上記従来のＧ−Ｍサイクル極低温冷凍機
は矩形波状の圧力波がシリンダに供給されるために、騒
音や振動が大きいという問題がある。そこで、スターリ
ングサイクル極低温冷凍機を使用することが考えられる
が、通常フリーディスプレーサタイプのスターリングサ
イクル冷凍機は圧縮機の容量やシリンダ構造から大容量
化が困難である。

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、複数のフリーディスプレーサタイプのスターリン
グサイクル冷凍機とＧ−Ｍサイクル用冷凍機とを併用す
ることにより、低騒音，低振動かつ大容量の極低温冷凍
機を提供することにある。

（課題を解決するための手段） 上記目的を達成するため本発明の解決手段は、スターリ
ングサイクル冷凍機に使用するフリーディスプレーサタ
イプの膨張機を複数個Ｇ−Ｍサイクル冷凍機用の圧縮機
に接続することにある。

具体的には、第１図に示すように、ヘリウム等の冷媒ガ
スを圧縮するＧ−Ｍサイクル冷凍機用圧縮機（５）と、
該圧縮機（５）に高圧側及び低圧側配管（３），（４）
により接続され、圧緒機（５）で圧縮された冷媒ガスを
膨張させる膨張機ユニット（２）とを備えた極低温冷凍
機を前提とする。

そして、上記膨張機ユニット（２）に、上記高圧側及び
低圧側配管（３），（４）に冷媒ガスの流通可能に接続
される複数のフリーディスプレーサタイプの膨張機
（９），…と、該複数の膨張機（９），…のうち少くと
も２組が順次膨張サイクルを繰返すように、各膨張機
（９）と高圧側及び低圧側配管（３），（４）との接続
状態を切換える接続切換機構（31）とを設ける構成とし
たものである。

（作用） 以上の構成により、本発明では、接続切換機構（31）に
より、各膨張機（９），…が順次低圧側配管（４）と接
続状態になるように切換えられ、低圧側配管（４）と接
続された膨張機（９）が膨張サイクルになり、シリンダ
（10）下端の低温端に寒冷を生ぜしめる。

その場合、高低圧の切換えがＧ−Ｍ冷凍機に比べて多数
回行われるので、冷媒がより滑やかに流れ、流体音が軽
減される。また、ディスプレーサがフリーディスプレー
サタイプであり、Ｇ−Ｍ冷凍機のディスプレーサのよう
にシリンダ上部又は下部にぶつかり騒音を発することも
なくなる。また、接続切換機構（31）により、複数の膨
張機（９），…のうち少くとも２組が順次膨張サイクル
に切換えられるので、各膨張機（９），…が同時に伸縮
を繰り返すことがなく、膨張機ユニット（２）全体とし
ての伸縮が相殺され、よって、装置の振動が有効に低減
されることになる。

さらに、複数の膨張機（９），…を備えているので、膨
張機ユニット（２）全体の容量を膨張機（９），…の個
数だけ増大させることができるとともに、圧縮機（５）
がＧ−Ｍサイクル冷凍機用であるので、スターリングサ
イクル冷凍機用のような容量不足を招くことなく、膨張
ユニット（２）の大容量化に対応できることになる。

（実施例） 以下、本発明の実施例について、図面に基づき説明す
る。

第１図及び第２図は本発明の実施例に係る極低温冷凍機
の主要部の構造を示し、（１）は圧縮機ユニット、
（２）は膨張機ユニットであって、両ユニット（１），
（２）間は、高圧側配管（３）および低圧側配管（４）
により冷媒の流通可能に接続されている。上記圧縮機ユ
ニット（１）には、冷媒としてのヘリウムガスの吸入，
圧縮，吐出を行う圧縮機（５）と、該圧縮機（５）の吐
出側に介設された油分離器（６）とが主要機器として配
置されていて、上記低圧配管（４）を介して上記膨張機
ユニット（２）から戻される低圧のヘリウムガスを圧縮
機（５）で高圧に圧縮した後、油分離器（６）でヘリウ
ムガス中に混入する潤滑油を分離し、高圧配管（３）を
介して矩形波状圧力ガスを膨張機ユニット（２）に供給
するＧ−Ｍサイクル極低温に使用されるタイプの構造を
している。

一方、上記膨張機ユニット（２）には、円柱状のモータ
収納部（８）と、該モータ収納部（８）の下端面でモー
タ収納部（８）の外周と同心の一円周上に等分配置さ
れ、垂直下方に延びる６個の小円柱状膨張機（９），…
とが設けられている。

該各膨張機（９）は同一構造であって、一端を開放した
底付円筒状のシリンダ（10）と、蓄冷器（12）を内部に
収納し、上記シリンダ（10）内を上下に往復動する円柱
状ディスプレーサ（11）と、該ディスプレーサ（11）を
上記モータ収納部（８）に懸架するためのスプリング
（13）と、モータ収納部（８）の下端に設けられ、上記
スプリング（13）を固定するための円筒状支持部材（1
4）とからなる。ここで、上記ディスプレーサ（11）の
上下壁面には、ディスプレーサ（11）により区画される
シリンダ（10）の上部空間（10a）及び下部空間（10b）
とディスプレーサ（11）内部とをそれぞれ冷媒の流通可
能に連通する連通孔（11a），（11b）が設けられてい
て、シリンダ（10）の上部空間（10a）が低圧側に連通
すると、ディスプレーサ（11）が上方に移動し、シリン
ダ（10）の下部空間（10b）の体積が増大して、冷媒ガ
スが蓄冷器（12）を経て下部空間（10b）で膨張するこ
とにより、シリンダ（10）下部の低温端に寒冷を発生す
るようになされている。

上記モータ収納部（８）には、該モータ収納部（８）の
ケーシング（8a）側面の中央よりやや下方に取付けら
れ、上記高圧側配管（３）に接続されるヘリウムガスの
供給ポート（16）と、ケーシング（8a）側面の下端付近
に取付けられ、上記低圧側配管（４）に接続されるヘリ
ウムガスの排出ポート（17）と、モータ収納部（８）の
下端でケーシング（8a）に嵌合され、上記膨張機
（９），…シリンダ（10），…を固定支持する円板状バ
ルブステム（18）と、該バルブステム（18）の上面の同
心円位置に載設され、バルブステム（18）上で回転する
円板状ロータリーバルブ（19）と、モータ収納部（８）
の上部にケーシング（8a）内空間の上半分を占めるよう
に取付けられ、上記ロータリーバルブ（19）を回転駆動
するモータ（20）とが載置されている。

ここで、モータ収納部（８）のケーシング（8a）内部に
は、上記モータ（20）とバルブステム（18），ロータリ
ーバルブ（19）との間に所定のボリウムを有し、上記ヘ
リウムガスの供給ポート（16）に連通するサージボリウ
ム室（8b）が形成され、上記バルブステム（18）には、
上記各膨張機（９），…の支持部材（14）の中心孔（14
a）に対応する６個の連通孔（18a），…が設けられ、上
記ロータリーバルブ（19）にはバルブステム（18）の連
通孔（18a），…と同一円周上に１個の連通孔（19a）が
設けられていて、該連通孔（19a）がバルブステム（1
8）の連通孔（18a）と一致した時に、当該連通孔（19
a）に対応する膨張機（９）が上記サージボリウム室（8
b）を介して順次高圧側配管（３）に連通するようにな
されている。

また、上記バルブステム（18）には、バルブステム（1
8）の上面の中心位置で開口し、所定深さだけ下方に延
びた後、半径方向に延びて上記排出ポート（17）に一致
する部位で開口する連通路（18b）が設けられ、上記ロ
ータリーバルブ（19）には、その下面の中心位置で開口
し、所定距離上方に延びてから上記連通孔（19a）とは1
80゜反対の半径方向に延びた後、上記バルブステム（1
8）の連通孔（18a）と一致する部位で開口する連通路
（19b）が設けられていて、第３図に示すように、上記
連通路（19b）がバルブステム（18）の連通孔（18a）と
一致したときに対応する膨張機（９）のシリンダ（10）
内部が各連通路（18b），（19b）を介して順次低圧側配
管（４）に連通するようになされている。つまり、１つ
の膨張機（９）が低圧側配管（４）に連通するときに
は、その180゜反対側の膨張機（９）が高圧側配管
（３）に連通し、ロータリバルブ（19）の回転につれ
て、６個の各膨張機（９），…が順次膨張サイクルを繰
り返すようになされている。

すなわち、上記バルブステム（18）、ロータリーバルブ
（19）及びモータ（20）により、上記複数の膨張機
（９），…の少くとも２組が順次膨張サイクルを繰返す
ように、各膨張機（９）と高圧側及び低圧側配管
（３），（４）との接続状態を切換える接続切換機構
（31）が構成されている。

したがって、上記実施例では、接続切換機構（31）によ
り、各膨張機（９），…が順次低圧側配管（４）と接続
状態となるように切換えられ、低圧側配管（４）と接続
された膨張機（９）が膨張サイクルになる。すなわち、
シリンダ（10）の上部空間（10a）の冷媒ガスが低圧側
配管（４）から圧縮機（５）側に排出され、上部空間
（10a）が低圧になるので、ディスプレーサ（11）がス
プリング（13）の付勢力に抗して上方に移動し、シリン
ダ（10）の下部空間（10b）の体積が増大して、冷媒ガ
スがディスプレーサ（11）の各連通孔（11a），（11b）
及び蓄冷器（12）を経て下部空間（10b）に流入して膨
張することにより、リンダ（10）下部の低温端に寒冷を
生ぜしめる。

また、接続切換機構（31）の切換えにより、膨張機
（９）が高圧側配管（３）に接続されると、上部空間
（10a）が高圧になり、ディスプレーサ（11）が下方に
移動して、下部空間（10b）の冷媒ガスが上記とは逆の
経路で上方に移動し、同時に蓄冷器（12）に寒冷熱を蓄
える。

その場合、圧縮機（５）が通常のＧ−Ｍサイクル冷凍機
のものであり、矩形波状の圧力波が膨張機ユニット
（２）に供給されるが、高低圧の切換えがＧ−Ｍ冷凍機
に比べて多数回行われるので、冷媒がより滑らかに流
れ、流体音が軽減される。また、ディスプレーサがフリ
ーディスプレーサタイプであり、Ｇ−Ｍ冷凍機のディス
プレーサのようにシリンダ上部又は下部にぶつかり騒音
を発することもなくなる。よって、上記従来のようなス
ラックピストン等で駆動されるタイプのディスプレーサ
を有するものに比べてディスプレーサ（11）の騒音が低
減される。

また、接続切換機構（31）により、複数の膨張機
（９），…が順次膨張サイクルに切換えられるので、各
膨張機（９），…が同時に伸縮を繰り返すことがなく、
一つの膨張機（９）が寒冷の発生で収縮するときには他
の膨張機（９），…が伸長状態となって、膨張機ユニッ
ト（２）全体としての伸縮が相殺され、よって、装置の
振動が有効に低減されることになる。

また、複数の膨張機（９），…を配置しているので、フ
リーディスプレーサタイプのスターリングサイクルの膨
張機であっても、膨張機ユニット（２）全体の容量を膨
張機（９），…の個数だけ増大させることができる。さ
らに、圧縮機（５）がＧ−Ｍサイクル冷凍機用であるの
で、フリーディスプレーサタイプのスターリングサイク
ル冷凍機で一般に用いられるリニアモータ圧縮機のよう
な容量不足を招くことなく、膨張機ユニット（２）の大
容量化に対応できるのである。

なお、上記実施例では各膨張機（９），…に矩形波状の
圧力波を供給するようにしているが、接続切換機構（3
1）の切換タイミングを制御することにより、擬サイン
波状の圧力波に変換することも可能であり、その場合に
は、振動及び騒音の低減効果が顕著に発揮されることに
なる。

また、上記実施例では、複数の膨張機（９），…を１個
ずつ順次膨張サイクルに切換えるようにしたが、本発明
の接続切換機構（31）の構成は上記実施例に限定される
ものではなく、例えば、膨張機（９），…を３個ずつ２
組に分けて、３個ずつ交互に膨張サイクルになるように
接続を切換えても、膨張ユニット（２）全体の伸縮が相
殺されることになり、振動の低減効果を得る。

（発明の効果） 以上説明したように、本発明によれば、極低温冷凍機に
おいて、Ｇ−Ｍサイクル冷凍機用圧縮機と、該圧縮機の
冷媒に流通可能に接続される複数のフリーディスプレー
サタイプの膨張機とを配置し、複数の膨張機のうち少く
とも２組が順次膨張サイクルを繰返すように、圧縮機と
各膨張機との接続状態を切換えるようにしたので、フリ
ーディスプレーサによる騒音の低減と、膨張機の内部圧
力変動に起因する伸縮変化の相殺による振動の低減とを
図りながら、大容量の装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の実施例を示し、第１図は装置の構成を示
す第２図のＩ−Ｉ線縦断面図、第２図は装置の底面図、
第３図は膨張機の膨張サイクル時における接続切換機構
の接続状態を示す装置の部分縦断面図である。 （２）……膨張機ユニット、（３）……高圧側配管、
（４）……低圧側配管、（５）……圧縮機、（９）……
膨張機、（31）……接続切換機構。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ヘリウム等の冷媒ガスを圧縮するＧ−Ｍサ
   イクル冷凍機用圧縮機（５）と、該圧縮機（５）に高圧
   側及び低圧側配管（３），（４）により接続され、圧縮
   機（５）で圧縮された冷媒ガスを膨張させる膨張機ユニ
   ット（２）とを備えた極低温冷凍機であって、上記膨張
   機ユニット（２）には、上記高圧側及び低圧側配管
   （３），（４）に冷媒ガスの流通可能に接続される複数
   のフリーディスプレーサタイプの膨張機（９），…と、
   該複数の膨張機（９），…のうち少くとも２組が順次膨
   張サイクルを繰返すように、各膨張機（９）と高圧側及
   び低圧側配管（３），（４）とを接続状態を切換える接
   続切換機構（31）とが配置されていることを特徴とする
   極低温冷凍機。