(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
バネ材を有する駆動部を収容するバネ空間と、ディスプレーサーを有する冷凍部を収容する動作空間と、の間を、このディスプレーサーが動作可能にシール部によりシールするとともに、
この動作空間から冷媒ガスを充填し、この動作空間とともに前記バネ空間についても冷媒ガスを充填するようにガス置換を行うようにした冷凍機における冷媒ガス置換装置であって、
前記バネ空間と前記動作空間との間に空間連通路を形成するとともに、
この空間連通路を開閉可能としたバイパスバルブを設けることを特徴とする冷凍機における冷媒ガス置換装置。
【請求項２】
前記空間連通路は、前記バイパスバルブを取り付けるバルブ取付け空間に連通するバネ空間側通路および動作空間側通路を有し、
このバルブ取付け空間から前記冷媒ガスを充填可能とすることを特徴とする請求項１記載の冷凍機における冷媒ガス置換装置。
【請求項３】
前記バネ空間と前記動作空間との間は、前記空間連通路とは異なるクリアランスシールによりこれをシールしてあることを特徴とする請求項１記載の冷凍機における冷媒ガス置換装置。
【請求項４】
前記駆動部は、前記バネ材としての板バネと、この板バネに取り付けた駆動ロッドと、を有するとともに、
前記冷凍部は、この駆動ロッドに取り付けた前記ディスプレーサーと、このディスプレーサーに収容した蓄冷材と、を有し、
前記駆動ロッドは、前記シール部を介して前記ディスプレーサーを駆動可能であることを特徴とする請求項１記載の冷凍機における冷媒ガス置換装置。
【請求項５】
前記冷凍機は、
前記冷媒ガスの圧縮膨張を行うガス圧縮機と、
この圧縮膨張した前記冷媒ガスを受けるとともに前記ディスプレーサーを所定の周期で駆動するための前記駆動部を設けたコールドヘッドと、を有することを特徴とする請求項１記載の冷凍機における冷媒ガス置換装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は冷凍機における冷媒ガス置換装置にかかるもので、とくにスターリング冷凍機やパルス管冷凍機など、ガス圧縮機あるいはコールドヘッドを有する冷凍機における冷媒ガス置換装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の冷凍機における冷媒ガス置換装置についてスターリング冷凍機を例にとって概説する。
図２は、従来のスターリング冷凍機１のとくにコールドヘッド部分の断面図であり、スターリング冷凍機１は、ガス圧縮機２と、コールドヘッド３と、を有する。
【０００３】
ガス圧縮機２は、コールドヘッド３へのヘリウムガスなど冷媒ガスの圧縮供給作用および膨張吸収作用を行ってコールドヘッド３において冷凍を発生させるためのもので、ガス供給管４を介してコールドヘッド３側に冷媒ガスの圧力変化を所定のタイミングで供給し、コールドヘッド３に冷凍を発生させる。
【０００４】
コールドヘッド３は、ヘッドケース５およびヘッドカバー６からなるヘッドハウジング７と、シリンダー８と、金網などによる蓄冷材９を収容したディスプレーサー１０（ピストン）と、駆動ロッド１１と、板バネ１２（バネ材）と、コールドヘッド１３と、を有する。
【０００５】
ヘッドケース５およびヘッドカバー６の内部にバネ空間１４を形成するとともに、ヘッドケース５およびシリンダー８からコールドヘッド１３にかけて動作空間１５を形成する。
【０００６】
ディスプレーサー１０は、動作空間１５内に往復動可能にこれを設け、蓄冷材９の充填部分を動作空間１５として連通するためのガス流路１６を形成するとともに、駆動ロッド１１に一体にこれを取り付ける。
ディスプレーサー１０およびディスプレーサー１０に収容した蓄冷材９により、冷凍部１７を構成する。
【０００７】
駆動ロッド１１は、バネ空間１４内においてその端部および中央部分を円板状の板バネ１２の中央部に固定するとともに、板バネ１２の外周部はこれをヘッドケース５の端部に固定し、駆動部１８を構成してある。
ただし、駆動ロッド１１は、板バネ１２およびシール部材１９によりこれを往復動可能に支持して、この部分をクリアランスシール２０とすることによりバネ空間１４および動作空間１５をシールし、このクリアランスシール２０を介してディスプレーサー１０を駆動可能である。
したがって、コールドヘッド３は、ガス圧縮機２からのそれぞれの位相をずらせた冷媒ガスの供給（圧縮膨張）、ならびに駆動部１８（板バネ１２および駆動ロッド１１）によるシリンダー８内におけるディスプレーサー１０の往復動にともなって逆スターリングサイクルを実行し、そのコールドステージ１３に冷凍を発生する。
【０００８】
こうした構成のスターリング冷凍機１において、ディスプレーサー１０を駆動ロッド１１を介して板バネ１２により支持する構造とすることにより、スターリング冷凍機１の寿命を延ばすことが可能である。
しかして、板バネ１２が取り付けられているバネ空間１４と、冷凍機能を発揮する動作空間１５とは、駆動ロッド１１とシール部材１９との間のクリアランスシール２０により隔離されている。
このクリアランスシール２０は、駆動ロッド１１の往復動を保証し、ガス圧縮機２から動作空間１５に送り込まれる冷媒ガスの圧力変動がバネ空間１４に漏れないようにする程度だけのシール性があればよく、完全な気密性を実現はしていない。
【０００９】
しかしながら、動作ガス（冷媒ガス）としてヘリウムガスを用いる場合が多く、このヘリウムガスをコールドヘッド３内（バネ空間１４および動作空間１５）に充填するためにガス置換を行う際には、ガス供給管４にヘリウムガス供給装置２１（仮想線）を取り付けて、ガス供給管４から動作空間１５、さらにクリアランスシール２０のみを介してバネ空間１４にヘリウムガスを充填するようにガス置換を行う。
したがって、とくにバネ空間１４内のガスの排出ないしはヘリウムガスとの置換作業に時間がかかるばかりか、十分に排出することが困難であるという問題がある。
【００１０】
ガス置換が不十分なためバネ空間１４内に残存するガス（不純物ガス）が、通常運転時にクリアランスシール２０を通して動作空間１５側にゆるやかに浸出して、シリンダー８内の低温部分におけるディスプレーサー１０の摺動面やガス流路１６に凝縮してディスプレーサー１０の動作および冷媒ガスの流れを阻害し、スターリング冷凍機１の冷凍能力の不安定化および経時的な性能低下を引き起こすという問題がある。
とくに、バネ材として従来のコイルスプリング（図示せず）の代わりに板バネ１２を用いた結果、スターリング冷凍機１としての寿命は比較的延びるが、バネ空間１４のスペースが大きくなり、バネ空間１４内に残存する不純物ガスの割合が増加しているという問題がある。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は以上のような諸問題にかんがみなされたもので、ヘリウムガスなど冷媒ガスの充填時に寿命低下の原因となる不純物ガスを容易に除去可能な冷凍機における冷媒ガス置換装置を提供することを課題とする。
【００１２】
また本発明は、コールドヘッドなどにおける内部のガス置換を速やかに行って、スターリング冷凍機などの内部に充填される冷媒ガスの純度を向上可能な冷凍機における冷媒ガス置換装置を提供することを課題とする。
【００１３】
また本発明は、スターリング冷凍機の内部に残存する不純物ガスが原因となって引き起こされる冷凍能力の不安定化や経時的な性能劣化を回避可能な冷凍機における冷媒ガス置換装置を提供することを課題とする。
【００１４】
また本発明は、スターリング冷凍機やパルス管冷凍機などの冷凍機の冷凍能力の安定化およびその寿命を延ばすことができる冷凍機における冷媒ガス置換装置を提供することを課題とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
すなわち本発明は、バネ空間と動作空間とをつなぐ空間連通路を形成し、ガス置換時のみに開放するバイパスバルブをこの空間連通路に設けることに着目したもので、バネ材を有する駆動部を収容するバネ空間と、ディスプレーサーを有する冷凍部を収容する動作空間と、の間を、このディスプレーサーが動作可能にシール部によりシールするとともに、この動作空間から冷媒ガスを充填し、この動作空間とともに上記バネ空間についても冷媒ガスを充填するようにガス置換を行うようにした冷凍機における冷媒ガス置換装置であって、上記バネ空間と上記動作空間との間に空間連通路を形成するとともに、この空間連通路を開閉可能としたバイパスバルブを設けることを特徴とする冷凍機における冷媒ガス置換装置である。
【００１６】
上記空間連通路は、上記バイパスバルブを取り付けるバルブ取付け空間に連通するバネ空間側通路および動作空間側通路を有し、このバルブ取付け空間から上記冷媒ガスを充填可能とすることができる。
【００１７】
上記バネ空間と上記動作空間との間は、上記空間連通路とは異なるクリアランスシールによりこれをシールしてあることができる。
【００１８】
上記駆動部は、上記バネ材としての板バネと、この板バネに取り付けた駆動ロッドと、を有するとともに、上記冷凍部は、この駆動ロッドに取り付けた上記ディスプレーサーと、このディスプレーサーに収容した蓄冷材と、を有し、上記駆動ロッドは、上記シール部を介して上記ディスプレーサーを駆動可能であることができる。
【００１９】
上記冷凍機は、上記冷媒ガスの圧縮膨張を行うガス圧縮機と、この圧縮膨張した上記冷媒ガスを受けるとともに上記ディスプレーサーを所定の周期で駆動するための上記駆動部を設けたコールドヘッドと、を有することができる。
【００２０】
本発明による冷凍機における冷媒ガス置換装置においては、バネ空間と動作空間とをつなぐ空間連通路を形成し、ガス置換時のみに開放するバイパスバルブを設けたので、ヘリウムガスなどの冷媒ガスを充填するガス置換時には、このバイパスバルブを開けてガスが速やかにバネ空間および動作空間内を出入りすることができるようにする。
ガス置換が終了し、冷凍機を作動させるときには、このバイパスバルブを閉鎖し、バネ空間と動作空間との間はクリアランスシールなどシール部によるシールのみとする。
かくして、バネ空間内に残存する不純物ガスをきわめて少なくすることが可能となり、この不純物ガスのクリアランスシールなどシール部を通した動作空間への浸出に起因する冷凍能力の不安定化および性能劣化を防止し、冷凍機の寿命を延ばすことができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
つぎに本発明の実施の形態による冷凍機における冷媒ガス置換装置を採用したスターリング冷凍機３０を図１にもとづき説明する。ただし、図２と同様の部分には同一符号を付し、その詳述はこれを省略する。
図１は、スターリング冷凍機３０のとくにコールドヘッド３１および同部分に設けた当該冷媒ガス置換装置３２の断面図であって、コールドヘッド３１は、冷媒ガス置換装置３２部分以外は、従来（図２）のコールドヘッド３と事実上同様の構成である。
【００２２】
冷媒ガス置換装置３２は、前記ヘッドハウジング７（ヘッドケース５）に形成したバルブ取付け空間３３に設けたバイパスバルブ３４および二重ボルト３５と、それぞれのＯリング３６、３７と、を有する。
【００２３】
バイパスバルブ３４に対向するように、バネ空間１４に連通するバネ空間側通路３８と、動作空間１５に連通する動作空間側通路３９と、を形成し、バイパスバルブ３４が開放されたとき、バルブ取付け空間３３を介してバネ空間側通路３８および動作空間側通路３９が連通して空間連通路４０を形成可能とする。
【００２４】
さらに、二重ボルト３５を取り外したときにバルブ取付け空間３３に連通するように前記ヘリウムガス供給装置２１をセット可能とし、このバルブ取付け空間３３を介してバネ空間１４および動作空間１５のガス置換を行うようにする。
【００２５】
こうした構成のスターリング冷凍機３０、コールドヘッド３１および冷媒ガス置換装置３２において、ガス置換を行うときには、二重ボルト３５を外し、さらにバイパスバルブ３４をゆるめて空間連通路４０を開放することにより、バネ空間側通路３８および動作空間側通路３９を連通可能とし、ヘリウムガス供給装置２１を駆動してヘリウムガスをバネ空間１４および動作空間１５に、さらにガス供給管４を介してガス圧縮機２にも充填可能とする。
このガス置換操作により、冷媒ガスはクリアランスシール２０ではなく、バネ空間側通路３８および動作空間側通路３９を介してバネ空間１４および動作空間１５に充満可能であるため、バネ空間１４および動作空間１５に不純物ガスが残存する可能性はきわめて低い。
【００２６】
ガス置換終了後にバイパスバルブ３４によりバネ空間側通路３８および動作空間側通路３９の間を遮断し、二重ボルト３５を締めて二重ロックする。
【００２７】
かくして、バネ空間１４および動作空間１５に不純物ガスが残存する可能性が低いままで純度高く冷媒ガスを充填することができるので、スターリング冷凍機３０（コールドヘッド３１）の通常運転においてバネ空間１４からクリアランスシール２０を通して動作空間１５側にガスが浸出しても事実上問題はなく、不純物ガスの凍結によるディスプレーサー１０の動作不全、あるいはガス流路１６の詰まりなどに起因する冷凍能力の不安定化および性能の劣化を回避することができる。
【００２８】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、バネ空間と動作空間との間を開閉可能なバイパスバルブを設けたので、ガス置換作業を容易にかつ効率よく行い、バネ空間および動作空間内に不純物ガスが残存する可能性を低下させ、冷凍機の冷凍能力の維持および長寿命化に寄与することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態による冷凍機における冷媒ガス置換装置３２を採用したスターリング冷凍機３０のとくにコールドヘッド３１および同部分に設けた当該冷媒ガス置換装置３２の断面図である。
【図２】従来のスターリング冷凍機１のとくにコールドヘッド３部分の断面図である。
【符号の説明】
１  スターリング冷凍機（図２）
２  ガス圧縮機
３  コールドヘッド
４  ガス供給管
５  ヘッドケース
６  ヘッドカバー
７  ヘッドハウジング
８  シリンダー
９  蓄冷材
１０  ディスプレーサー（ピストン）
１１  駆動ロッド
１２  板バネ
１３  コールドヘッド
１４  バネ空間
１５  動作空間
１６  ガス流路
１７  冷凍部
１８  駆動部
１９  シール部材
２０  クリアランスシール
２１  ヘリウムガス供給装置
３０  スターリング冷凍機（図１）
３１  コールドヘッド（図１）
３２  スターリング冷凍機３０における冷媒ガス置換装置（実施の形態、図１）
３３  バルブ取付け空間
３４  バイパスバルブ
３５  二重ボルト
３６  バイパスバルブ３４のＯリング
３７  二重ボルト３５のＯリング
３８  バネ空間側通路
３９  動作空間側通路
４０  空間連通路
【図１】
0003637538.tif 000002
【図２】
0003637538.tif 000003