(57)【要約】【課題】本発明はディスプレーサーを往復移動させる駆動手段を有するＧＭ冷凍機に関し、ディスプレーサーを往復移動させる駆動手段に対する負荷を軽減することを課題とする。【解決手段】第１及び第２段目シリンダー１２Ａ，１２Ｂと、この各シリンダー１２Ａ，１２Ｂ内に往復移動可能に配設された第１及び第２段目ディスプレーサー１３Ａ，１３Ｂディスプレーサーと、各ディスプレーサー１３Ａ，１３Ｂを前記各シリンダー１２Ａ，１２Ｂ内で往復移動させるディスプレーサー駆動手段と、各シリンダー１２Ａ，１２Ｂに高低圧の冷媒ガスを流入出させる圧縮機７と、各シリンダー１２Ａ，１２Ｂに冷媒ガスを供給排気する時期を制御するバルブＶ１，Ｖ２とを有するＧＭ冷凍機において、このディスプレーサー駆動手段としてリニアモーター２０を用いた構成とする。【選択図】図３
2007205607.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダーと、
該シリンダー内に往復移動可能に配設されたディスプレーサーと、
該ディスプレーサーを前記シリンダー内で往復移動させるディスプレーサー駆動手段と、
前記シリンダーに高低圧の冷媒ガスを流入出させる圧縮機と、
前記シリンダーに前記冷媒ガスを供給排気する時期を制御するバルブとを有するＧＭ冷凍機において、
前記ディスプレーサー駆動手段として、リニアモーターを用いたことを特徴とするＧＭ冷凍機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はＧＭ冷凍機に係り、特にディスプレーサーを往復移動させる駆動手段を有するＧＭ冷凍機に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般にギフォード・マクマホン冷凍機（ＧＭ冷凍機）は、ヘリウムガス等の冷媒ガスを圧縮する圧縮機からのガス流路を弁を用いて制御し、シリンダー内の膨張空間でヘリウムガスを膨張させることによって寒冷を得る。また、シリンダーの内部には冷媒ガスの排出を行うと共に冷却効率を高める蓄冷材が内設されたディスプレーサーが設けられている。このディスプレーサーはシリンダー内で往復移動する構成とされており、このディスプレーサーの駆動は一般にモーターにより行われている。
【０００３】
従って、モーターの回転をディスプレーサーの往復運動に変換する駆動変換機構が必要となるが、この駆動変換機構としてＧＭ冷凍機では一般にスコッチヨーク機構が用いられている（特許文献１参照）。図１は従来の一例であるＧＭ冷凍機１００を示しており、また図２はこのＧＭ冷凍機１００に用いられているスコッチヨーク機構１０９を拡大して示している。スコッチヨーク機構１０９は、大略するとクランク部材１０７とスコッチヨーク１０８とにより構成されている。
【０００４】
クランク部材１０７は、モーター１０６の回転軸（以下、駆動回転軸１２４という）に固定される。このクランク部材１０７は、駆動回転軸１２４の取り付け位置から偏心した位置にクランクピン１２５を設けた構成とされている。従って、クランク部材１０７を駆動回転軸１２４に取り付けると、駆動回転軸１２４とクランクピン１２５は偏心した状態となる。
【０００５】
スコッチヨーク１０８は、ヨーク板１２６，上下軸１２７，及びころ軸受け１２８等により構成されている。このスコッチヨーク１０８は、ハウジング１０４内で図中矢印Ｚ１，Ｚ２方向に往復移動するよう構成されている。ヨーク板１２６の中央上下位置には上下軸１２７が上下方向（Ｚ１，Ｚ２方向）に延出するよう配設されている。
【０００６】
また、ヨーク板１２６には図中矢印Ｘ１，Ｘ２方向に延在する横長窓１３４が形成されており、この横長窓１３４内にはころ軸受け１２８が配設されている。ころ軸受け１２８は、横長窓１３４内で矢印Ｘ１，Ｘ２方向に転動可能な構成とされている。また、ころ軸受け１２８の中心位置には、クランクピン１２５と係合するクランクピン係合孔１３３が形成されている。
【０００７】
従って、クランクピン１２５をころ軸受け１２８に係合した状態で駆動回転軸１２４が回転すると、クランクピン１２５は円弧を描くように回転し、これによりスコッチヨーク１０８は図中矢印Ｚ１，Ｚ２方向に往復移動する。この際、ころ軸受け１２８は、横長窓１３４内を図中矢印Ｘ１，Ｘ２方向に往復移動する。
【０００８】
スコッチヨーク１０８の下部に配設された上下軸１２７は、蓄冷材１１５，１１６を内設したディスプレーサー１１０に接続されている。よって、スコッチヨーク１０８は図中矢印Ｚ１，Ｚ２方向に往復移動することにより、ディスプレーサー１１０もシリンダー１０５内で矢印Ｚ１，Ｚ２方向に往復移動し、これに伴い冷却処理が行われる。
【特許文献１】特開平６−３００３７８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、従来ではディスプレーサー１１０を図中矢印Ｘ１，Ｘ２方向に直線往復移動させるのに、モーター１０６の回転力をスコッチヨーク機構１０９を用いて直線運動に変換する必要がある。このため、モーター１０６はクランク部材１０７を回転させ、さらにクランク部材１０７のクランクピン１２５がころ軸受け１２８を回転させ、これにより上下軸１２７は図中矢印Ｘ１，Ｘ２方向に移動する。
【００１０】
このように従来のＧＭ冷凍機１００では、モーター１０６の回転力を上下軸１２７（即ち、ディスプレーサー１１０）の直線往復運動に変換するのに、モーター１０６に大きな負荷（抵抗力）が印加されてしまい、モーター１０６に脱調が発生してしまうという問題点があった。さらに、スコッチヨーク機構１０９は多数の部品を必要とし、組み立て性がわるく、また製品コストも上昇してしまうという問題点もあった。
【００１１】
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、ディスプレーサーを往復移動させる駆動手段に対する負荷を軽減しうるＧＭ冷凍機を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記の課題を解決するために本発明では、次に述べる各手段を講じたことを特徴とするものである。
【００１３】
請求項１記載の発明は、
シリンダーと、
該シリンダー内に往復移動可能に配設されたディスプレーサーと、
該ディスプレーサーを前記シリンダー内で往復移動させるディスプレーサー駆動手段と、
前記シリンダーに高低圧の冷媒ガスを流入出させる圧縮機と、
前記シリンダーに前記冷媒ガスを供給排気する時期を制御するバルブとを有するＧＭ冷凍機において、
前記ディスプレーサー駆動手段として、リニアモーターを用いたことを特徴とするものである。
【００１４】
上記発明によれば、ディスプレーサーをシリンダー内で往復移動させるディスプレーサー駆動手段をリニアモーターとしたことにより、従来の回転式のモーターを用いたディスプレーサー駆動手段と異なり、回転運動を直線運動に変換する必要がなくなるため、ディスプレーサー駆動手段に対する負荷（抵抗）を低減できる。これにより、従来発生していたモーターの脱調を防止でき、脱調を修正するためのメンテナンス回数を低減することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、従来発生していたモーターの脱調を防止でき、脱調を修正するためのメンテナンス回数を低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
次に、本発明を実施するための最良の形態について図面と共に説明する。
【００１７】
図３は本発明の一実施例であるＧＭ冷凍機１を示している。ＧＭ冷凍機１は、大略するとハウジング４、第１段目及び第２段目シリンダー１２Ａ，１２Ｂ、第１段目及び第２段目ディスプレーサー１３Ａ，１３Ｂ２３、蓄冷材１４Ａ，１４Ｂ、リニアモーター２０、及びガス供給装置５等により構成されている。
【００１８】
ガス供給装置５は、コンプレッサー７及び給排気便Ｖ１，Ｖ２とを有した構成とされている。コンプレッサー７は、冷媒ガス（ヘリウムガス）を２０数Ｋｇ／ｃｍ2に圧縮する。吸気弁Ｖ１を開弁し、排気弁Ｖ２は、ガス流路８を介してハウジング４に形成された接続孔２６に接続されている。また、接続孔２６は、連通路２８を介して第１段目シリンダー１２Ａに接続されている。よって、高圧の冷媒ガスは、吸気弁Ｖ１を開弁すると共に排気弁Ｖ２を閉弁することにより、第１段目シリンダー１２Ａ内に供給される。
【００１９】
ハウジング４は、その下部に第１段目シリンダー１２Ａが配設されている。この第１段目シリンダー１２Ａの内部には、第１段目ディスプレーサー１３Ａが図中矢印Ｚ１，Ｚ２方向に往復移動可能に配設されている。
【００２０】
第１段目ディスプレーサー１３Ａの内部には蓄冷材１４Ａが配設されている。また、第１段目ディスプレーサー１３Ａの図中上部にはガス流通孔１８Ａが形成されると共に、下部にはガス流通孔１９Ａが配設されている。よって、ガス供給装置５から第１段目ディスプレーサー１３Ａ内に流入した冷媒ガスは、このガス流通孔１８Ａ，１９Ａを通り、第１段目ディスプレーサー１３Ａと第１段目ディスプレーサー１３Ｂとの間に形成される第１段目膨張室１１Ａに供給される。
【００２１】
なお、第１段目ディスプレーサー１３Ａと第１段目ディスプレーサー１３Ｂは図示しない自在継ぎ手を用いて接合されるが、図３では図示の便宜上、各ディスプレーサー１３Ａ，１３Ｂを一体化したように図示している。
【００２２】
第２段目ディスプレーサー１３Ｂは、第２段目シリンダー１２Ｂの内部で図中矢印Ｚ１，Ｚ２方向に往復移動可能に配設されている。第２段目ディスプレーサー１３Ｂの内部には蓄冷材１４Ｂが配設されている。また、第２段目ディスプレーサー１３Ｂの図中上部にはガス流通孔１８Ｂが形成されると共に、下部にはガス流通孔１９Ｂが形成されている。
【００２３】
よって、ガス供給装置５から供給される冷媒ガスは、ガス流通孔１８Ａ、蓄冷材１４Ａ、ガス流通孔１９Ａ、を介して第１段目膨張室１１Ａに至り、さらにガス流通孔１８Ｂ、蓄冷材１４Ｂ、ガス流通孔１９Ｂを介して第２段目膨張室１１Ｂに流入する。
【００２４】
また、第１段目ディスプレーサー１３Ａの上部には、リニアモーター２０（ディスプレーサー駆動手段）が配設されている。具体的には、第１段目ディスプレーサー１３Ａの上部には、リニアモーター２０を構成するマグネットロッド２２が接続されている。このリニアモーター２０が駆動することにより、第１段目ディスプレーサー１３Ａ及び第２段目ディスプレーサー１３Ｂは図中矢印Ｚ１，Ｚ２方向に往復移動する。
【００２５】
次に、リニアモーター２０について説明する。リニアモーター２０は、大略すると固定子となるコイル部材２１と、可動子となるマグネットロッド２２とにより構成されている。
【００２６】
コイル部材２１は、ハウジング４に固定された構成とされている。このコイル部材２１は、コイル保持部材２３と、このコイル保持部材２３内に形成された環状溝内に形成された複数のコイル２４とにより構成されている。このコイル部材２１は樹脂により形成しても、また放熱特性を高めるために熱伝導性に優れた金属により形成してもよい。複数のコイル２４はマグネットロッド２２と対向するよう設けられており、またＺ１，Ｚ２方向に並設された構成とされている。この各コイル２４は、図示しないリニアモーター２０の駆動を制御するコントローラーに接続されている。
【００２７】
一方、マグネットロッド２２は、その下端（Ｘ２方向端部）が第１段目ディスプレーサー１３Ａに接続されており、よって第１段目ディスプレーサー１３Ａはマグネットロッド２２と一体的に移動する構成とされている。また、マグネットロッド２２の上部及び下部はハウジング４に設けられたガイド部材２５により支持されており、よってマグネットロッド２２は矢印Ｚ１，Ｚ２方向に精度よく、また安定して移動するよう構成されている。
【００２８】
さらに、図４に示されるように、マグネットロッド２２には複数のＮ極及びＳ極を有した永久磁石が着磁形成されており、各永久磁石はＮ極同士またはＳ極同士が対向するように交互に向きを逆転させて配列されている。即ち、マグネットロッド２２は、矢印Ｚ１，Ｚ２方向に沿ってＮ極の磁極とＳ極の磁極が交互に並んだ構成となる。
【００２９】
次に、リニアモーター２０の動作について説明する。各コイル２４はＵ，Ｖ及びＷ相の３つのコイルを１組とするコイル群を有している。いずれの相のコイル２４もリニアモーター２０の外周面に対して対向離間した構成とされている。また、コイル２４のＺ１，Ｚ２方向に対する配設ピッチは、リニアモーター２０に形成されている永久磁石の配列ピッチよりも短くなるよう設定されている。
【００３０】
前記したコントローラーは、コイル２４とリニアモーター２０に形成された永久磁石の位置関係に応じた最適な電流を演算し、それを各コイル２４に通電するよう構成されている。その結果、各コイル２４に流れる電流と、マグネットロッド２２に形成されている永久磁石により形成される磁束との相互作用により、コイル２４と永久磁石との間に吸引力及び反発力が発生し、これによりコイル部材２１に対してマグネットロッド２２はＺ１，Ｚ２方向に移動する。
【００３１】
上記のように、リニアモーター２０はコイル部材２１とマグネットロッド２２とよりなる簡単な構成でディスプレーサー１３Ａ，１３を矢印Ｚ１，Ｚ２方向に往復運動させることが可能となる。よって、従来のスコッチヨーク機構１０９を用いていたＧＭ冷凍機１００（図１参照）に比べて部品点数の削減を図ることができ、ＧＭ冷凍機１の低コスト化及び小型化を図ることができる。
【００３２】
次に、上記構成とされたＧＭ冷凍機１の動作について説明する。
【００３３】
ガス供給装置５は、第１及ディスプレーサープレーサー１３Ａ，１３Ｂが下死点に位置している状態で吸気弁Ｖ１を開弁すると共に排気弁Ｖ２を閉弁するよう構成されている。これによりコンプレッサー７で生成された高圧の冷媒ガスは、ガス流路８，接続孔２６，及び連通路２８を介して第１及び第２段目シリンダー１２Ａ，１２Ｂの内部に供給される。
【００３４】
この状態でリニアモーター２０を駆動して、第１及び第２段目ディスプレーサー１３Ａ，１３Ｂを上動させた上で、吸気弁Ｖ１を閉弁すると共に排気弁Ｖ２を開弁する。これにより、第１及び第２段目膨張室１１Ａ，１１Ｂ内の冷媒ガスは膨張し、これにより寒冷が発生する。
【００３５】
次に、リニアモーター２０を駆動して、第１及び第２段目ディスプレーサー１３Ａ，１３Ｂを下動させ、各シリンダー１２Ａ，１２Ｂで膨張した冷媒ガスをガス供給装置５に回収させる。以上のサイクルを繰り返し行うことにより、第１段目膨張室１１Ａでは４０Ｋ程度の寒冷を発生することができ、第２段目膨張室１１Ｂでは２０Ｋ以下の極低温を発生させることができる。
【００３６】
上記のように各膨張室１１Ａ，１１Ｂで寒冷を発生させるために、リニアモーター２０により各ディスプレーサー１３Ａ，１３Ｂを往復移動させる必要があるが、リニアモーター２０は第１段目ディスプレーサー１３Ａに接続されたマグネットロッド２２を直接的に直動する構成とされている。
【００３７】
このため、従来のモーター１０６の回転運動をスコッチヨーク機構１０９を用いてディスプレーサー１１０の直線運動に変換する構成（図１及び図２参照）と異なり、回転運動を直線運動に変換する必要がなくなるため、リニアモーター２０に対する負荷（抵抗）を従来に比べて低減することができる。これにより、リニアモーター２０に脱調が発生することを防止でき、よって脱調を修正するためのメンテナンス回数を低減することができる。
【００３８】
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、ＧＭ式冷凍機に限らず、スターリング冷凍機やその他の蓄冷器を用いた冷凍機に本発明を適用することが可能である。
【００３９】
また、上記した各実施例では２段式のＧＭ冷凍機１に本願発明を適用した例について説明したが、本願発明の適用は２段式の式冷凍機に限定されるものではなく、単段式及び３段以上の多段式冷凍機の中の一部として適用することも可能なものである。その他、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。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】図１は、従来の一例であるＧＭ冷凍機の断面図である。
【図２】図２は、従来の一例であるＧＭ冷凍機に設けられるスコッチヨーク機構を拡大して示す斜視図図である。
【図３】図３は、本発明の一実施例であるＧＭ冷凍機の断面図である。
【図４】図４は、本発明の一実施例であるＧＭ冷凍機に設けられるリニアモーターを拡大して示す斜視図図である。
【符号の説明】
【００４１】
１  ＧＭ冷凍機
５  ガス供給装置
７  コンプレッサー
８  ガス流路
１１Ａ  第１段目膨張室
１１Ｂ  第２段目膨張室
１２Ａ  第１段目シリンダー
１２Ｂ  第２段目シリンダー
１３Ａ  第１段目ディスプレーサー
１３Ｂ  第２段目ディスプレーサー
１４Ａ，１４Ｂ  蓄冷材
２０  リニアモーター
２１  コイル部材
２２  マグネットロッド
２４  コイル２４
【図１】
2007205607.tif 000003
【図２】
2007205607.tif 000004
【図３】
2007205607.tif 000005
【図４】
2007205607.tif 000006