蓄冷器式冷凍機
【課題】軸受部材の内部空間から潤滑剤が流出する量を低減でき、軸受部材の内部空間に異物が混入する量を低減できるとともに、軸受部材のシール部材の変形を防止できる蓄冷器式冷凍機を提供する。
【解決手段】シリンダと、蓄冷器と、蓄冷器を往復駆動するための駆動力を発生する回転駆動部と、回転駆動部により回転駆動される回転部材３１ａと、同一の回転軸ＲＡを中心として相対回転可能に設けられた内輪部材６１及び外輪部材６２と、回転軸ＲＡに沿って内輪部材６１及び外輪部材６２の前後両側に各々が設けられた２つのシール部材６３−１、６３−２とを含み、回転部材３１ａを回転可能に支持する軸受部材６０とを有する。シール部材６３−１、６３−２は、内輪部材６１及び外輪部材６２のいずれか一方の部材に固定されるとともに、他方の部材との間に隙間Ｇが形成されるように設けられたものである。
【解決手段】シリンダと、蓄冷器と、蓄冷器を往復駆動するための駆動力を発生する回転駆動部と、回転駆動部により回転駆動される回転部材３１ａと、同一の回転軸ＲＡを中心として相対回転可能に設けられた内輪部材６１及び外輪部材６２と、回転軸ＲＡに沿って内輪部材６１及び外輪部材６２の前後両側に各々が設けられた２つのシール部材６３−１、６３−２とを含み、回転部材３１ａを回転可能に支持する軸受部材６０とを有する。シール部材６３−１、６３−２は、内輪部材６１及び外輪部材６２のいずれか一方の部材に固定されるとともに、他方の部材との間に隙間Ｇが形成されるように設けられたものである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷媒ガスを膨張させて発生した冷熱を蓄冷器に蓄冷する蓄冷器式冷凍機に関する。
【背景技術】
【０００２】
４Ｋ程度の極低温を得るための極低温冷凍機として、例えばギフォード・マクマホン（Gifford-McMahon；ＧＭ）冷凍機が用いられている。
【０００３】
ＧＭ冷凍機は、圧縮機からの例えばヘリウムガスよりなる冷媒ガスをシリンダ内に形成された膨張空間に供給し、供給した冷媒ガスを膨張空間で膨張させることによって、冷熱を発生する。
【０００４】
ＧＭ冷凍機の各段は、シリンダと、シリンダ内に設けられたディスプレーサを有する。ディスプレーサは、シリンダ内に往復動可能に設けられており、ディスプレーサの一端とシリンダとの間に膨張空間を形成する。ディスプレーサの内部には、膨張空間に冷媒ガスを供給及び排出するための冷媒ガス流路が形成されている。また、ディスプレーサの内部に形成された冷媒ガス流路には、冷媒ガスと接触して冷熱を蓄冷するための蓄冷材が収容されている。
【０００５】
このようなＧＭ冷凍機には、ディスプレーサを往復駆動するために、例えば、モータと、クランク部材と、スコッチヨークとを有するものがある（例えば、特許文献１参照）。また、このようなＧＭ冷凍機には、シリンダを圧縮機の高圧側又は低圧側に切り替えて連通させるロータリー弁装置を有するものがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−２０５５８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ＧＭ冷凍機は、例えばモータの回転軸を回転可能に支持する軸受部材、クランク部材とスコッチヨークとの間に設けられた軸受部材、又は、ロータリー弁装置のバルブ本体を回転可能に支持する軸受部材、等の軸受部材を有する。
【０００８】
軸受部材は、内輪、外輪、転動体及び保持器を有する。内輪及び外輪は、同一の回転軸を中心として相対回転可能に設けられている。内輪と外輪との間には、例えば球形状を有する転動体が、保持器に保持された状態で、回転軸を中心とした周方向に沿って等間隔に設けられている。
【０００９】
このような軸受部材には、回転軸に沿って内輪及び外輪の前後両側に潤滑剤を封入するための２枚のシール部材が設けられているものもある。内輪と外輪と２枚のシール部材とにより囲まれた内部空間には、潤滑剤が封入されている。２枚のシール部材は、外輪に固定されている。
【００１０】
ところが、潤滑剤を封入するために、シール部材は内輪と接触しているため、内輪と外輪と２枚のシール部材とにより囲まれた内部空間は、軸受部材の外部に対して気密性を有する。また、ロータリー弁装置によりシリンダを圧縮機の高圧側又は低圧側に切り替えて連通させる際に、軸受部材の外部の圧力が大きく変動する。そして、軸受部材の外部の圧力の変動に伴って軸受部材の内部空間と外部との間に大きな圧力差が発生し、発生した圧力差によりシール部材が大きな力を受け、変形するおそれがある。
【００１１】
また、上記した課題は、ＧＭ冷凍機のみならず、蓄冷材を含み、冷媒ガスを膨張させて発生させた冷熱を蓄冷材に蓄冷する蓄冷器を備えた各種の蓄冷器式冷凍機にも共通する課題である。
【００１２】
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、軸受部材の内部空間から潤滑剤が流出する量を低減でき、軸受部材の内部空間に異物が混入する量を低減できるとともに、軸受部材のシール部材の変形を防止できる蓄冷器式冷凍機を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記の課題を解決するために本発明では、次に述べる手段を講じたことを特徴とするものである。
【００１４】
本発明は、冷媒ガスを膨張させるためのシリンダと、前記シリンダ内に往復動可能に設けられ、内部に蓄冷材が収容されてなるとともに、前記冷媒ガスの膨張に伴って発生した冷熱を前記蓄冷材に蓄冷する蓄冷器と、前記蓄冷器を往復駆動するための駆動力を発生する回転駆動部と、前記回転駆動部により回転駆動される回転部材と、同一の回転軸を中心として相対回転可能に設けられた内輪部材及び外輪部材と、前記回転軸に沿って前記内輪部材及び前記外輪部材の前後両側に各々が設けられた、前記内輪部材と前記外輪部材との間に潤滑剤を封入するための２つのシール部材とを含み、前記回転部材を回転可能に支持する軸受部材とを有し、前記２つのシール部材は、前記内輪部材及び前記外輪部材のいずれか一方の部材に固定されるとともに、他方の部材との間に隙間が形成されるように設けられたものである、蓄冷器式冷凍機である。
【００１５】
また、本発明は、上述の蓄冷器式冷凍機において、前記２つのシール部材は、少なくとも前記隙間を挟んで前記他方の部材に対向する部分が、樹脂よりなるものである。
【００１６】
また、本発明は、上述の蓄冷器式冷凍機において、前記隙間の幅寸法が１０〜１００μｍである。
【００１７】
また、本発明は、上述の蓄冷器式冷凍機において、前記回転部材は、前記回転駆動部の回転軸である。
【００１８】
また、本発明は、上述の蓄冷器式冷凍機において、前記回転部材は、クランク部材であり、回転駆動される前記クランク部材の回転駆動力を往復駆動力に変換して前記ディスプレーサを往復駆動するスコッチヨークを有し、前記軸受部材は、前記スコッチヨークに設けられたものである。
【００１９】
また、本発明は、上述の蓄冷器式冷凍機において、前記シリンダから吸入した冷媒ガスを圧縮し、圧縮した冷媒ガスを前記シリンダへ吐出する圧縮機を有し、前記回転部材は、前記シリンダを、前記圧縮機の吸入側又は吐出側に切り替えて連通させるロータリーバルブである。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、軸受部材の内部空間から潤滑剤が流出する量を低減でき、軸受部材の内部空間に異物が混入する量を低減できるとともに、軸受部材のシール部材の変形を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】実施の形態に係るＧＭ冷凍機の構成を示す断面図である。
【図２】軸受部材を拡大して示す斜視図である。
【図３】スコッチヨーク機構の分解斜視図である。
【図４】ロータリー弁装置の分解斜視図である。
【図５】軸受部材の構成を示す断面図である。
【図６】比較例１に係るＧＭ冷凍機の軸受部材の構成を示す断面図である。
【図７】比較例２に係るＧＭ冷凍機の軸受部材の構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
次に、本発明を実施するための形態について図面と共に説明する。
（実施の形態）
図１を参照し、実施の形態に係る蓄冷器式冷凍機について、ＧＭ冷凍機を例示して説明する。ＧＭ冷凍機は、数Ｋ〜２０Ｋ程度の極低温を得るのに適した２段構成を有する。
【００２３】
図１は、本実施の形態に係るＧＭ冷凍機の構成を示す断面図である。図２は、軸受部材６０を拡大して示す斜視図である。図３は、スコッチヨーク機構３２の分解斜視図である。図４は、ロータリー弁装置４０の分解斜視図である。
【００２４】
ＧＭ冷凍機は、圧縮機１、シリンダ部２及びハウジング部３を有する。
【００２５】
圧縮機１は、冷媒ガス（ヘリウムガス）を低圧側１ａから吸入する。そして、吸入した冷媒ガスを圧縮して圧力を高めると共に冷却し、高圧側１ｂへと吐出する。高圧側１ｂの圧力は、例えば２ＭＰａ程度とすることができ、低圧側１ａの圧力は、例えば０．５ＭＰａ程度とすることができる。
【００２６】
シリンダ部２は、第１段目シリンダ１１、第２段目シリンダ１２、第１段目ディスプレーサ１３、第２段目ディスプレーサ１４、内部空間１５、１６、蓄冷材１７、１８を有する。
【００２７】
第１段目シリンダ１１、第２段目シリンダ１２は、上下２段に配置されている。第１段目シリンダ１１内、及び、第２段目シリンダ１２内には、それぞれ第１段目ディスプレーサ１３、第２段目ディスプレーサ１４が、摺動しながら往復動可能に設けられている。
【００２８】
第１段目ディスプレーサ１３、第２段目ディスプレーサ１４と、第１段目シリンダ１１、第２段目シリンダ１２との間には、膨張空間２１、２２、２３が形成されている。第１段目ディスプレーサ１３の内部には、内部空間１５が形成されている。第２段目ディスプレーサ１４の内部には、内部空間１６が形成されている。内部空間１５、１６には、それぞれ蓄冷材１７、１８が収容されている。
【００２９】
膨張空間２１、２２、２３相互の間は、内部空間１５、１６、並びに第１段目ディスプレーサ１３内及び第２段目ディスプレーサ１４内に設けられた冷媒ガス流路Ｌ１〜Ｌ４により接続されている。従って、内部空間１５、１６は、膨張空間２１、２２、２３に冷媒ガスを供給及び排出するための冷媒ガス流路でもある。
【００３０】
また、第１段目シリンダ１１、第２段目シリンダ１２の下部外周には、それぞれフランジ１９、２０が熱的に結合するように設けられている。
【００３１】
なお、後述するように、第１段目ディスプレーサ１３、第２段目ディスプレーサ１４は、それぞれ膨張空間２１、２２における冷媒ガスの膨張に伴って発生した冷熱を蓄冷材１７、１８に蓄冷するものであり、本発明における蓄冷器に相当する。
【００３２】
図１に示すように、ハウジング部３は、駆動装置３０及びロータリー弁装置４０を有する。
【００３３】
駆動装置３０は、モータ３１及びスコッチヨーク機構３２を有する。モータ３１は回転駆動力を発生する。なお、モータ３１は、本発明における回転駆動部に相当する。
【００３４】
図１に示すように、モータ３１の回転軸３１ａは、回転軸３１ａに沿ってモータ３１の前後両側に設けられた軸受部材６０により、回転可能に支持されている。図２に示すように、軸受部材６０は、互いに相対回転可能に設けられた内輪６１、外輪６２及びシール部材６３を有する。シール部材６３は、外輪６２に固定されるとともに、内輪６１との間に隙間Ｇが形成されるように設けられている。内輪６１は、回転軸３１ａに固定されている。その他の軸受部材６０の詳細な構造については、図５を用いて後述する。
【００３５】
図３に示すように、スコッチヨーク機構３２は、クランク部材３３及びスコッチヨーク３４を有し、モータ３１で発生した回転駆動力を往復駆動力に変換し、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を往復駆動するためのものである。
【００３６】
クランク部材３３は、モータ３１の回転軸３１ａに固定されており、モータ３１に回転駆動される。クランク部材３３は、モータ３１の回転軸３１ａに取り付けられる位置から偏心した位置にクランクピン３３ｂを設けた構成とされている。従って、クランク部材３３をモータ３１の回転軸３１ａに取り付けると、回転軸３１ａとクランクピン３３ｂは、偏心した状態となる。
【００３７】
スコッチヨーク３４は、ヨーク板３５、上下軸３６、及び軸受部材６０Ａを有する。スコッチヨーク３４は、ハウジング部３内で図１及び図３におけるＺ１、Ｚ２方向に往復移動可能に設けられている。ヨーク板３５の中央上下位置には、上下軸３６が上下方向（Ｚ１、Ｚ２方向）に延出するように設けられている。なお、上下軸３６は、摺動軸受３８ａ、３８ｂにより上下方向（Ｚ１、Ｚ２方向）に摺動可能に支持されている。
【００３８】
ヨーク板３５には、図３における矢印Ｘ１、Ｘ２方向に延在する横長窓３５ａが形成されており、横長窓３５ａ内には、軸受部材６０Ａが設けられている。軸受部材６０Ａは、横長窓３５ａ内で矢印Ｘ１、Ｘ２方向に転動可能に設けられている。
【００３９】
軸受部材６０Ａは、互いに相対回転可能に設けられた内輪６１、外輪６２及びシール部材６３を有し、前述した軸受部材６０と同様に構成されている。シール部材６３は、外輪６２に固定されるとともに、内輪６１との間に隙間Ｇが形成されるように設けられている。内輪６１は、クランクピン３３ｂに固定されている。その他の軸受部材６０Ａの詳細な構造については、図５を用いて後述する軸受部材６０と同様である。
【００４０】
クランクピン３３ｂが軸受部材６０Ａに固定された状態で回転軸３１ａを回転すると、クランクピン３３ｂは、円弧を描くように回転（偏心回転）し、スコッチヨーク３４は、図３における矢印Ｚ１、Ｚ２方向に往復動する。この際、軸受部材６０Ａは、横長窓３５ａ内を図３中矢印Ｘ１、Ｘ２方向に往復移動する。
【００４１】
スコッチヨーク３４の下部に設けられた上下軸３６は、第１段目ディスプレーサ１３に連結されている。よって、スコッチヨーク３４は、第１段目ディスプレーサ１３を、図１における矢印Ｚ１、Ｚ２方向に往復駆動する。
【００４２】
なお、クランク部材３３はクランクピン３３ｂの軸方向（Ｙ１、Ｙ２方向）への移動が拘束されており、スコッチヨーク３４もクランクピン３３ｂの軸方向（Ｙ１、Ｙ２方向）への移動が拘束されている。
【００４３】
また、クランクピン３３ｂは、本発明におけるクランク部材に相当する。
【００４４】
図１に示すように、ロータリー弁装置４０は、圧縮機１と第１段目シリンダ１１及び第２段目シリンダ１２との間に設けられている。ロータリー弁装置４０は、冷媒ガスの流れを制御するためのものである。具体的には、ロータリー弁装置４０は、第１段目シリンダ１１及び第２段目シリンダ１２を、圧縮機１の高圧側１ｂに切り替えて連通させる。このとき、圧縮機１の高圧側１ｂから吐出された冷媒ガスは、第１段目シリンダ１１、第２段目シリンダ１２内に吸気される。また、ロータリー弁装置４０は、第１段目シリンダ１１及び第２段目シリンダ１２を、圧縮機１の低圧側１ａに切り替えて連通させる。このとき、第１段目シリンダ１１、第２段目シリンダ１２内から排気された冷媒ガスは、ハウジング部３の内部に設けられた空間４、ハウジング部３の上側に設けられた、空間４と連通する低圧側配管５を通り、圧縮機１の低圧側１ａに吸入される。このような動作を繰り返すことによって、ロータリー弁装置４０は、第１段目シリンダ１１及び第２段目シリンダ１２を、圧縮機１の低圧側１ａ又は高圧側１ｂに切り替えて連通させる。なお、圧縮機１の低圧側１ａは、本発明における吸入側に相当し、圧縮機１の高圧側１ｂは、本発明における吐出側に相当する。
【００４５】
図１及び図４に示すように、ロータリー弁装置４０は、バルブ本体４１とバルブプレート４２とを有する。バルブ本体４１及びバルブプレート４２は、平坦な面を有し、この平坦な面同士が面接触している。
【００４６】
バルブ本体４１は、ハウジング部３内に、固定ピン４３で固定される。一方、バルブプレート４２は、図３に示すように、クランクピン３３ｂがクランク軸３３ａ（モータ３１の回転軸３１ａ）を中心として回転（偏心回転）することによって、バルブプレート４２が回転するように、クランクピン３３ｂの先端に係合されている。
【００４７】
図１及び図４に示すように、バルブプレート４２は、軸受部材６０Ｂにより回転可能に支持されている。軸受部材６０Ｂは、互いに相対回転可能に設けられた内輪６１、外輪６２及びシール部材６３を有し、前述した軸受部材６０と同様に構成されている。シール部材６３は、外輪６２に固定されるとともに、内輪６１との間に隙間Ｇが形成されるように設けられている。内輪６１は、バルブプレート４２に固定されている。その他の軸受部材６０Ｂの詳細な構造については、図５を用いて後述する軸受部材６０と同様である。
【００４８】
なお、図４では、図示を容易にするために、軸受部材６０Ｂは点線により表示されている。また、バルブプレート４２は、本発明におけるロータリーバルブに相当する。
【００４９】
バルブ本体４１の中心には、圧縮機１の高圧側１ｂに接続される冷媒ガス吸気孔４４が貫通されている。図４に示すように、バルブプレート側端面４５には、冷媒ガス吸気孔４４を中心とする同心円上に円弧状溝４６が設けられている。バルブ本体４１には、一端を円弧状溝４６に開口し、バルブ本体４１内を通って他端をバルブ本体４１の側面に吐出孔４７として開口した通孔４８が穿設されている。また、吐出孔４７は、通路４９（図１参照）を介して膨張空間２３に連通している。
【００５０】
バルブプレート４２のバルブ本体側端面５０には、その中心から半径方向に延びる溝５１が設けられている。また、バルブプレート４２のバルブ本体側端面５０から反対側端面５２まで貫通するように、バルブ本体４１の円弧状溝４６と同一円周上の位置に、円弧状孔５３が穿設されている。
【００５１】
冷媒ガス吸気孔４４、溝５１、円弧状溝４６、及び通孔４８により吸気弁が構成される。また、通孔４８、円弧状溝４６、及び円弧状孔５３により排気弁が構成される。
【００５２】
スコッチヨーク３４がＺ１、Ｚ２方向に往復移動すると、第１段目ディスプレーサ１３、第２段目ディスプレーサ１４は、Ｚ１、Ｚ２方向に往復駆動され、それぞれ第１段目シリンダ１１内、第２段目シリンダ１２内を、下死点ＬＰと上死点ＵＰとの間で往復動する。
【００５３】
第１段目ディスプレーサ１３、第２段目ディスプレーサ１４が下死点ＬＰに達する際に、排気弁が閉じるとともに、通孔４８、円弧状溝４６、溝５１との間に冷媒ガス流路が形成される。高圧の冷媒ガスは、ハウジング部３内の通路４９を経て膨張空間２３に流れ始める。その後、第１段目ディスプレーサ１３、第２段目ディスプレーサ１４は下死点ＬＰを過ぎて上昇を始め、冷媒ガスは蓄冷材１７、１８を上から下に通過し、膨張空間２１、２２に充填されてゆく。
【００５４】
そして、第１段目ディスプレーサ１３、第２段目ディスプレーサ１４が上死点ＵＰに達する際に、吸気弁は閉じるとともに、通孔４８と円弧状溝４６、円弧状孔５３との間に冷媒ガス流路が形成される。膨張空間２１、２２において、高圧の冷媒ガスは、断熱膨脹することによって冷熱を発生させ、発生した冷熱によりフランジ１９、２０を冷却するとともに、蓄冷材１７、１８を冷却しながら下から上に通過し、空間４、低圧側配管５を通って圧縮機１の低圧側１ａに流れ始める。このとき、発生した冷熱は、蓄冷材１７、１８に蓄冷される。
【００５５】
その後、第１段目ディスプレーサ１３、第２段目ディスプレーサ１４が下死点ＬＰに達する際に、排気弁は閉じ、吸気弁が開いて１サイクルを終了する。このようにして、冷媒ガスの圧縮、膨張のサイクルを繰り返すことによって、冷凍機は冷熱を発生し、発生した冷熱を蓄冷することができる。
【００５６】
なお、ロータリー弁装置４０に代え、ハウジング部３の外部であって圧縮機１側に吸気弁及び排気弁により構成されている切替え装置を設け、切替え装置により、圧縮機１と膨張空間２１〜２３とを、ディスプレーサの往復動と同期して吸気弁及び排気弁が切り替え可能に介されるように接続してもよい。そして、第１段目ディスプレーサ１３、第２段目ディスプレーサ１４を往復動する際に、切替え装置により、膨張空間２１〜２３と圧縮機１の低圧側１ａ、高圧側１ｂとの接続を切り替えることにより、冷媒ガスの圧縮、膨張のサイクルを繰り返すことができる。このときは、軸受部材６０Ｂは設けられない。
【００５７】
次に、軸受部材６０、６０Ａ、６０Ｂの構成について説明する。以下では、軸受部材６０、６０Ａ、６０Ｂを代表し、軸受部材６０について説明するが、軸受部材６０Ａ、６０Ｂも、軸受部材６０と同様な構成とすることができる。
【００５８】
図５は、軸受部材６０の構成を示す断面図である。図５では、内輪６１に固定されている回転軸３１ａも合わせて図示している。なお、軸受部材６０Ａでは、回転軸３１ａに代え、クランクピン３３ｂが内輪６１に固定されている。また、軸受部材６０Ｂでは、回転軸３１ａに代え、バルブプレート４２が内輪６１に固定されている。
【００５９】
図５に示すように、軸受部材６０は、内輪６１、外輪６２、シール部材６３、転動体６４及び保持器６５を有する。
【００６０】
なお、内輪６１は本発明における内輪部材に相当し、外輪６２は本発明における外輪部材に相当する。
【００６１】
内輪６１及び外輪６２は、同一の回転軸ＲＡを中心として相対回転可能に設けられている。外輪６２の内部には、内輪６１が組み込まれている。
【００６２】
外輪６２の内周面と内輪６１の外周面との間には、内輪６１に対して外輪６２を相対回転自在にするための転動体６４が設けられている。転動体６４として、例えば球形状（ボールベアリング）、円筒形状（ニードルベアリング）などを用いることができる。また、外輪６２と内輪６１との間には、回転軸ＲＡを中心とする周方向に沿って隣接する転動体６４同士の間隔を一定にした状態で、転動体６４を保持するための保持器６５が設けられている。
【００６３】
図１及び図２を用いて前述したように、内輪６１は回転軸３１ａに固定されている。一方、外輪６２はＧＭ冷凍機のハウジング部３に固定されている。従って、内輪６１及び外輪６２よりなる軸受部材６０は、ＧＭ冷凍機において回転軸３１ａを回転可能に支持する。
【００６４】
内輪６１、外輪６２、転動体６４及び保持器６５の材質として、例えば、ＳＵＳ４４０Ｃ等のマルテンサイト系ステンレス鋼又はフェライト系ステンレス鋼に適当な熱硬化処理を施したもの、ＳＵＳ６３０等の析出硬化系ステンレス鋼、あるいは、ＳＵＳ３１６等のオーステナイト系ステンレス鋼に表面硬化処理を施したもの、等を用いることができる。
【００６５】
内輪６１と外輪６２との間に形成された内部空間Ｓ内には、例えばグリースよりなる潤滑剤が封入されている。そして、回転軸ＲＡに沿って内輪６１と外輪６２の前後両側（図５における左右両側）には、シール部材６３−１、６３−２が設けられている。シール部材６３−１、６３−２は、内輪６１と外輪６２との間に潤滑剤を封入するためのものである。
【００６６】
シール部材６３−１、６３−２は、外輪６２に固定されている。シール部材６３−１、６３−２は、回転軸ＲＡを中心とする周方向に沿って、外輪６２に例えば接着によって固定されており、外輪６２との間に隙間は形成されていない。一方、シール部材６３−１、６３−２は、内輪６１には固定されていない。シール部材６３−１、６３−２は、回転軸ＲＡを中心とする周方向に沿って、内輪６１との間に隙間Ｇが形成されるように設けられている。これにより、内部空間Ｓから潤滑剤が流出する量を低減でき、内部空間Ｓに異物が混入する量を低減できるとともに、シール部材６３−１、６３−２の変形を防止できる。
【００６７】
ここで、内部空間Ｓから潤滑剤が流出する量を低減でき、内部空間Ｓに異物が混入する量を低減できるとともに、シール部材６３−１、６３−２の変形を防止できる作用効果について、比較例１、２を参照しながら説明する。
【００６８】
図６は、比較例１に係るＧＭ冷凍機の軸受部材６０ａの構成を示す断面図である。図７は、比較例２に係るＧＭ冷凍機の軸受部材６０ｂの構成を示す断面図である。
【００６９】
比較例１では、軸受部材６０ａには、シール部材が設けられておらず、シール部材に代え、鋼板よりなるシールド板６３ａ−１、６３ａ−２が設けられている。シールド板６３ａ−１、６３ａ−２は、内輪６１と大きく離れて設けられており、潤滑剤を封止する機能を有していない。従って、潤滑剤が、シールド板６３ａ−１、６３ａ−２と内輪６１との間ＬＧを通って内部空間Ｓから流出する量が増加する。また、ＧＭ冷凍機の各摺動部から発生する磨耗粉等の異物が、シールド板６３ａ−１、６３ａ−２と内輪６１との間ＬＧを通って内部空間Ｓに混入する量が増加する。
【００７０】
また、比較例２では、軸受部材６０ｂには、シール部材６３ｂ−１、６３ｂ−２は設けられているものの、シール部材６３ｂ−１、６３ｂ−２と内輪６１との間に隙間が形成されておらず、接触している。このため、内輪６１と外輪６２と２枚のシール部材６３ｂ−１、６３ｂ−２とにより囲まれた内部空間Ｓは、軸受部材６０ｂの外部に対して気密性を有する。また、前述したように、シリンダ１１、１２を圧縮機１の高圧側１ｂ又は低圧側１ａに切り替えて連通させる際に、ハウジング部３の内部に設けられた空間４の圧力は、高圧側１ｂの例えば２ＭＰａと低圧側１ａの例えば０．５ＭＰａとの間で変動する。そして、空間４の圧力の変動に伴って軸受部材６０ｂの内部空間Ｓと外部との間に大きな圧力差が発生し、発生した圧力差によりシール部材６３ｂ−１、６３ｂ−２が大きな力を受け、変形するおそれがある。また、内輪６１とシール部材６３ｂ−１、６３ｂ−２とが接触して摺動し、内輪６１と外輪６２とを相対回転させるのに必要なトルクが増加するおそれがある。
【００７１】
一方、本実施の形態では、シール部材６３−１、６３−２が、外輪６２に固定されるとともに、内輪６１との間に隙間Ｇが形成されるように設けられている。これにより、潤滑剤が、シール部材６３−１、６３−２と内輪６１との間を通って内部空間Ｓから流出する量を低減することができる。また、ＧＭ冷凍機の各摺動部から発生する磨耗粉等の異物が、シール部材６３−１、６３−２と内輪６１との間を通って内部空間Ｓに混入する量を低減することができる。また、シリンダ１１、１２を圧縮機１の高圧側１ｂ又は低圧側１ａに切り替えて連通させる際に、ハウジング部３の空間４における圧力の変動により、シール部材６３−１、６３−２が変形することを防止できる。また、内輪６１とシール部材６３−１、６３−２とが接触して摺動し、内輪６１と外輪６２とを相対回転させるのに必要なトルクが増加することを防止できる。
【００７２】
回転軸ＲＡを中心とする径方向に沿った隙間Ｇの幅寸法ＧＷは、１０〜１００μｍであることが好ましい。幅寸法ＧＷが１００μｍを超える場合、内部空間Ｓから潤滑剤が流出する量が増加するか、あるいは、内部空間Ｓに異物が混入する量が増加するおそれがあるためである。また、幅寸法ＧＷが１０μｍ未満の場合、内部空間Ｓの気密性が高まり、シリンダ１１、１２を圧縮機１の高圧側１ｂ又は低圧側１ａに切り替えて連通させる際に、ハウジング部３の空間４における圧力の変動により、シール部材６３−１、６３−２が変形するおそれがあるためである。あるいは、幅寸法ＧＷが１０μｍ未満の場合、寸法公差等に起因して内輪６１とシール部材６３−１、６３−２とが一部接触して摺動し、内輪６１と外輪６２とを相対回転させるのに必要なトルクが増加するおそれがあるためである。
【００７３】
また、シール部材６３−１、６３−２は、少なくとも隙間Ｇを挟んで内輪６１に対向する部分が、樹脂よりなることが好ましく、樹脂として、ＮＢＲやＡＣＮ（アクリルゴム）等の合成ゴム、PTFE等のフッ素樹脂などを用いることがより好ましい。これにより、寸法公差等に起因して内輪６１とシール部材６３−１、６３−２とが一部接触して摺動した場合でも、トルクの増加分を少なくすることができるため、幅寸法ＧＷを小さく設定することができ、潤滑剤の流出量及び異物の混入量を更に低減することができる。また、内輪６１とシール部材６３−１、６３−２とが一部接触して摺動した場合でも、内輪６１等が損傷することを防止できる。その結果、軸受部材６０の寿命を長くすることができる。
【００７４】
以上、本発明の好ましい実施の形態について記述したが、本発明はかかる特定の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【００７５】
例えば、本実施の形態では、シール部材６３−１、６３−２が、外輪６２に固定されるとともに、内輪６１との間に隙間Ｇが形成されるように設けられている例について説明した。しかし、シール部材６３−１、６３−２が、内輪６１に固定されるとともに、外輪６２との間に隙間Ｇが形成されるように設けられていてもよい。すなわち、シール部材６３−１、６３−２は、内輪６１及び外輪６２のいずれか一方の部材に固定されるとともに、他方の部材との間に隙間Ｇが形成されるように設けられていてもよい。
【００７６】
また、３つの軸受部材６０、６０Ａ、６０Ｂのいずれか１つ又は２つにおいて、シール部材６３−１、６３−２が、内輪６１及び外輪６２のいずれか一方の部材に固定されるとともに、他方の部材との間に隙間Ｇが形成されるように設けられていてもよい。
【符号の説明】
【００７７】
１ 圧縮機
２ シリンダ部
３ ハウジング部
１１ 第１段目シリンダ
１２ 第２段目シリンダ
１３ 第１段目ディスプレーサ
１４ 第２段目ディスプレーサ
１５、１６ 内部空間
１７、１８ 蓄冷材
２１、２２、２３ 膨張空間
３０ 駆動装置
３１ モータ
３１ａ 回転軸
３２ スコッチヨーク機構
３３ クランク部材
３３ａ クランク軸
３３ｂ クランクピン
３４ スコッチヨーク
４０ ロータリー弁装置
４１ バルブ本体
４２ バルブプレート
６０、６０Ａ、６０Ｂ 軸受部材
６１ 内輪
６２ 外輪
６３、６３−１、６３−２ シール部材
６４ 転動体
６５ 保持器
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷媒ガスを膨張させて発生した冷熱を蓄冷器に蓄冷する蓄冷器式冷凍機に関する。
【背景技術】
【０００２】
４Ｋ程度の極低温を得るための極低温冷凍機として、例えばギフォード・マクマホン（Gifford-McMahon；ＧＭ）冷凍機が用いられている。
【０００３】
ＧＭ冷凍機は、圧縮機からの例えばヘリウムガスよりなる冷媒ガスをシリンダ内に形成された膨張空間に供給し、供給した冷媒ガスを膨張空間で膨張させることによって、冷熱を発生する。
【０００４】
ＧＭ冷凍機の各段は、シリンダと、シリンダ内に設けられたディスプレーサを有する。ディスプレーサは、シリンダ内に往復動可能に設けられており、ディスプレーサの一端とシリンダとの間に膨張空間を形成する。ディスプレーサの内部には、膨張空間に冷媒ガスを供給及び排出するための冷媒ガス流路が形成されている。また、ディスプレーサの内部に形成された冷媒ガス流路には、冷媒ガスと接触して冷熱を蓄冷するための蓄冷材が収容されている。
【０００５】
このようなＧＭ冷凍機には、ディスプレーサを往復駆動するために、例えば、モータと、クランク部材と、スコッチヨークとを有するものがある（例えば、特許文献１参照）。また、このようなＧＭ冷凍機には、シリンダを圧縮機の高圧側又は低圧側に切り替えて連通させるロータリー弁装置を有するものがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−２０５５８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ＧＭ冷凍機は、例えばモータの回転軸を回転可能に支持する軸受部材、クランク部材とスコッチヨークとの間に設けられた軸受部材、又は、ロータリー弁装置のバルブ本体を回転可能に支持する軸受部材、等の軸受部材を有する。
【０００８】
軸受部材は、内輪、外輪、転動体及び保持器を有する。内輪及び外輪は、同一の回転軸を中心として相対回転可能に設けられている。内輪と外輪との間には、例えば球形状を有する転動体が、保持器に保持された状態で、回転軸を中心とした周方向に沿って等間隔に設けられている。
【０００９】
このような軸受部材には、回転軸に沿って内輪及び外輪の前後両側に潤滑剤を封入するための２枚のシール部材が設けられているものもある。内輪と外輪と２枚のシール部材とにより囲まれた内部空間には、潤滑剤が封入されている。２枚のシール部材は、外輪に固定されている。
【００１０】
ところが、潤滑剤を封入するために、シール部材は内輪と接触しているため、内輪と外輪と２枚のシール部材とにより囲まれた内部空間は、軸受部材の外部に対して気密性を有する。また、ロータリー弁装置によりシリンダを圧縮機の高圧側又は低圧側に切り替えて連通させる際に、軸受部材の外部の圧力が大きく変動する。そして、軸受部材の外部の圧力の変動に伴って軸受部材の内部空間と外部との間に大きな圧力差が発生し、発生した圧力差によりシール部材が大きな力を受け、変形するおそれがある。
【００１１】
また、上記した課題は、ＧＭ冷凍機のみならず、蓄冷材を含み、冷媒ガスを膨張させて発生させた冷熱を蓄冷材に蓄冷する蓄冷器を備えた各種の蓄冷器式冷凍機にも共通する課題である。
【００１２】
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、軸受部材の内部空間から潤滑剤が流出する量を低減でき、軸受部材の内部空間に異物が混入する量を低減できるとともに、軸受部材のシール部材の変形を防止できる蓄冷器式冷凍機を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記の課題を解決するために本発明では、次に述べる手段を講じたことを特徴とするものである。
【００１４】
本発明は、冷媒ガスを膨張させるためのシリンダと、前記シリンダ内に往復動可能に設けられ、内部に蓄冷材が収容されてなるとともに、前記冷媒ガスの膨張に伴って発生した冷熱を前記蓄冷材に蓄冷する蓄冷器と、前記蓄冷器を往復駆動するための駆動力を発生する回転駆動部と、前記回転駆動部により回転駆動される回転部材と、同一の回転軸を中心として相対回転可能に設けられた内輪部材及び外輪部材と、前記回転軸に沿って前記内輪部材及び前記外輪部材の前後両側に各々が設けられた、前記内輪部材と前記外輪部材との間に潤滑剤を封入するための２つのシール部材とを含み、前記回転部材を回転可能に支持する軸受部材とを有し、前記２つのシール部材は、前記内輪部材及び前記外輪部材のいずれか一方の部材に固定されるとともに、他方の部材との間に隙間が形成されるように設けられたものである、蓄冷器式冷凍機である。
【００１５】
また、本発明は、上述の蓄冷器式冷凍機において、前記２つのシール部材は、少なくとも前記隙間を挟んで前記他方の部材に対向する部分が、樹脂よりなるものである。
【００１６】
また、本発明は、上述の蓄冷器式冷凍機において、前記隙間の幅寸法が１０〜１００μｍである。
【００１７】
また、本発明は、上述の蓄冷器式冷凍機において、前記回転部材は、前記回転駆動部の回転軸である。
【００１８】
また、本発明は、上述の蓄冷器式冷凍機において、前記回転部材は、クランク部材であり、回転駆動される前記クランク部材の回転駆動力を往復駆動力に変換して前記ディスプレーサを往復駆動するスコッチヨークを有し、前記軸受部材は、前記スコッチヨークに設けられたものである。
【００１９】
また、本発明は、上述の蓄冷器式冷凍機において、前記シリンダから吸入した冷媒ガスを圧縮し、圧縮した冷媒ガスを前記シリンダへ吐出する圧縮機を有し、前記回転部材は、前記シリンダを、前記圧縮機の吸入側又は吐出側に切り替えて連通させるロータリーバルブである。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、軸受部材の内部空間から潤滑剤が流出する量を低減でき、軸受部材の内部空間に異物が混入する量を低減できるとともに、軸受部材のシール部材の変形を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】実施の形態に係るＧＭ冷凍機の構成を示す断面図である。
【図２】軸受部材を拡大して示す斜視図である。
【図３】スコッチヨーク機構の分解斜視図である。
【図４】ロータリー弁装置の分解斜視図である。
【図５】軸受部材の構成を示す断面図である。
【図６】比較例１に係るＧＭ冷凍機の軸受部材の構成を示す断面図である。
【図７】比較例２に係るＧＭ冷凍機の軸受部材の構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
次に、本発明を実施するための形態について図面と共に説明する。
（実施の形態）
図１を参照し、実施の形態に係る蓄冷器式冷凍機について、ＧＭ冷凍機を例示して説明する。ＧＭ冷凍機は、数Ｋ〜２０Ｋ程度の極低温を得るのに適した２段構成を有する。
【００２３】
図１は、本実施の形態に係るＧＭ冷凍機の構成を示す断面図である。図２は、軸受部材６０を拡大して示す斜視図である。図３は、スコッチヨーク機構３２の分解斜視図である。図４は、ロータリー弁装置４０の分解斜視図である。
【００２４】
ＧＭ冷凍機は、圧縮機１、シリンダ部２及びハウジング部３を有する。
【００２５】
圧縮機１は、冷媒ガス（ヘリウムガス）を低圧側１ａから吸入する。そして、吸入した冷媒ガスを圧縮して圧力を高めると共に冷却し、高圧側１ｂへと吐出する。高圧側１ｂの圧力は、例えば２ＭＰａ程度とすることができ、低圧側１ａの圧力は、例えば０．５ＭＰａ程度とすることができる。
【００２６】
シリンダ部２は、第１段目シリンダ１１、第２段目シリンダ１２、第１段目ディスプレーサ１３、第２段目ディスプレーサ１４、内部空間１５、１６、蓄冷材１７、１８を有する。
【００２７】
第１段目シリンダ１１、第２段目シリンダ１２は、上下２段に配置されている。第１段目シリンダ１１内、及び、第２段目シリンダ１２内には、それぞれ第１段目ディスプレーサ１３、第２段目ディスプレーサ１４が、摺動しながら往復動可能に設けられている。
【００２８】
第１段目ディスプレーサ１３、第２段目ディスプレーサ１４と、第１段目シリンダ１１、第２段目シリンダ１２との間には、膨張空間２１、２２、２３が形成されている。第１段目ディスプレーサ１３の内部には、内部空間１５が形成されている。第２段目ディスプレーサ１４の内部には、内部空間１６が形成されている。内部空間１５、１６には、それぞれ蓄冷材１７、１８が収容されている。
【００２９】
膨張空間２１、２２、２３相互の間は、内部空間１５、１６、並びに第１段目ディスプレーサ１３内及び第２段目ディスプレーサ１４内に設けられた冷媒ガス流路Ｌ１〜Ｌ４により接続されている。従って、内部空間１５、１６は、膨張空間２１、２２、２３に冷媒ガスを供給及び排出するための冷媒ガス流路でもある。
【００３０】
また、第１段目シリンダ１１、第２段目シリンダ１２の下部外周には、それぞれフランジ１９、２０が熱的に結合するように設けられている。
【００３１】
なお、後述するように、第１段目ディスプレーサ１３、第２段目ディスプレーサ１４は、それぞれ膨張空間２１、２２における冷媒ガスの膨張に伴って発生した冷熱を蓄冷材１７、１８に蓄冷するものであり、本発明における蓄冷器に相当する。
【００３２】
図１に示すように、ハウジング部３は、駆動装置３０及びロータリー弁装置４０を有する。
【００３３】
駆動装置３０は、モータ３１及びスコッチヨーク機構３２を有する。モータ３１は回転駆動力を発生する。なお、モータ３１は、本発明における回転駆動部に相当する。
【００３４】
図１に示すように、モータ３１の回転軸３１ａは、回転軸３１ａに沿ってモータ３１の前後両側に設けられた軸受部材６０により、回転可能に支持されている。図２に示すように、軸受部材６０は、互いに相対回転可能に設けられた内輪６１、外輪６２及びシール部材６３を有する。シール部材６３は、外輪６２に固定されるとともに、内輪６１との間に隙間Ｇが形成されるように設けられている。内輪６１は、回転軸３１ａに固定されている。その他の軸受部材６０の詳細な構造については、図５を用いて後述する。
【００３５】
図３に示すように、スコッチヨーク機構３２は、クランク部材３３及びスコッチヨーク３４を有し、モータ３１で発生した回転駆動力を往復駆動力に変換し、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を往復駆動するためのものである。
【００３６】
クランク部材３３は、モータ３１の回転軸３１ａに固定されており、モータ３１に回転駆動される。クランク部材３３は、モータ３１の回転軸３１ａに取り付けられる位置から偏心した位置にクランクピン３３ｂを設けた構成とされている。従って、クランク部材３３をモータ３１の回転軸３１ａに取り付けると、回転軸３１ａとクランクピン３３ｂは、偏心した状態となる。
【００３７】
スコッチヨーク３４は、ヨーク板３５、上下軸３６、及び軸受部材６０Ａを有する。スコッチヨーク３４は、ハウジング部３内で図１及び図３におけるＺ１、Ｚ２方向に往復移動可能に設けられている。ヨーク板３５の中央上下位置には、上下軸３６が上下方向（Ｚ１、Ｚ２方向）に延出するように設けられている。なお、上下軸３６は、摺動軸受３８ａ、３８ｂにより上下方向（Ｚ１、Ｚ２方向）に摺動可能に支持されている。
【００３８】
ヨーク板３５には、図３における矢印Ｘ１、Ｘ２方向に延在する横長窓３５ａが形成されており、横長窓３５ａ内には、軸受部材６０Ａが設けられている。軸受部材６０Ａは、横長窓３５ａ内で矢印Ｘ１、Ｘ２方向に転動可能に設けられている。
【００３９】
軸受部材６０Ａは、互いに相対回転可能に設けられた内輪６１、外輪６２及びシール部材６３を有し、前述した軸受部材６０と同様に構成されている。シール部材６３は、外輪６２に固定されるとともに、内輪６１との間に隙間Ｇが形成されるように設けられている。内輪６１は、クランクピン３３ｂに固定されている。その他の軸受部材６０Ａの詳細な構造については、図５を用いて後述する軸受部材６０と同様である。
【００４０】
クランクピン３３ｂが軸受部材６０Ａに固定された状態で回転軸３１ａを回転すると、クランクピン３３ｂは、円弧を描くように回転（偏心回転）し、スコッチヨーク３４は、図３における矢印Ｚ１、Ｚ２方向に往復動する。この際、軸受部材６０Ａは、横長窓３５ａ内を図３中矢印Ｘ１、Ｘ２方向に往復移動する。
【００４１】
スコッチヨーク３４の下部に設けられた上下軸３６は、第１段目ディスプレーサ１３に連結されている。よって、スコッチヨーク３４は、第１段目ディスプレーサ１３を、図１における矢印Ｚ１、Ｚ２方向に往復駆動する。
【００４２】
なお、クランク部材３３はクランクピン３３ｂの軸方向（Ｙ１、Ｙ２方向）への移動が拘束されており、スコッチヨーク３４もクランクピン３３ｂの軸方向（Ｙ１、Ｙ２方向）への移動が拘束されている。
【００４３】
また、クランクピン３３ｂは、本発明におけるクランク部材に相当する。
【００４４】
図１に示すように、ロータリー弁装置４０は、圧縮機１と第１段目シリンダ１１及び第２段目シリンダ１２との間に設けられている。ロータリー弁装置４０は、冷媒ガスの流れを制御するためのものである。具体的には、ロータリー弁装置４０は、第１段目シリンダ１１及び第２段目シリンダ１２を、圧縮機１の高圧側１ｂに切り替えて連通させる。このとき、圧縮機１の高圧側１ｂから吐出された冷媒ガスは、第１段目シリンダ１１、第２段目シリンダ１２内に吸気される。また、ロータリー弁装置４０は、第１段目シリンダ１１及び第２段目シリンダ１２を、圧縮機１の低圧側１ａに切り替えて連通させる。このとき、第１段目シリンダ１１、第２段目シリンダ１２内から排気された冷媒ガスは、ハウジング部３の内部に設けられた空間４、ハウジング部３の上側に設けられた、空間４と連通する低圧側配管５を通り、圧縮機１の低圧側１ａに吸入される。このような動作を繰り返すことによって、ロータリー弁装置４０は、第１段目シリンダ１１及び第２段目シリンダ１２を、圧縮機１の低圧側１ａ又は高圧側１ｂに切り替えて連通させる。なお、圧縮機１の低圧側１ａは、本発明における吸入側に相当し、圧縮機１の高圧側１ｂは、本発明における吐出側に相当する。
【００４５】
図１及び図４に示すように、ロータリー弁装置４０は、バルブ本体４１とバルブプレート４２とを有する。バルブ本体４１及びバルブプレート４２は、平坦な面を有し、この平坦な面同士が面接触している。
【００４６】
バルブ本体４１は、ハウジング部３内に、固定ピン４３で固定される。一方、バルブプレート４２は、図３に示すように、クランクピン３３ｂがクランク軸３３ａ（モータ３１の回転軸３１ａ）を中心として回転（偏心回転）することによって、バルブプレート４２が回転するように、クランクピン３３ｂの先端に係合されている。
【００４７】
図１及び図４に示すように、バルブプレート４２は、軸受部材６０Ｂにより回転可能に支持されている。軸受部材６０Ｂは、互いに相対回転可能に設けられた内輪６１、外輪６２及びシール部材６３を有し、前述した軸受部材６０と同様に構成されている。シール部材６３は、外輪６２に固定されるとともに、内輪６１との間に隙間Ｇが形成されるように設けられている。内輪６１は、バルブプレート４２に固定されている。その他の軸受部材６０Ｂの詳細な構造については、図５を用いて後述する軸受部材６０と同様である。
【００４８】
なお、図４では、図示を容易にするために、軸受部材６０Ｂは点線により表示されている。また、バルブプレート４２は、本発明におけるロータリーバルブに相当する。
【００４９】
バルブ本体４１の中心には、圧縮機１の高圧側１ｂに接続される冷媒ガス吸気孔４４が貫通されている。図４に示すように、バルブプレート側端面４５には、冷媒ガス吸気孔４４を中心とする同心円上に円弧状溝４６が設けられている。バルブ本体４１には、一端を円弧状溝４６に開口し、バルブ本体４１内を通って他端をバルブ本体４１の側面に吐出孔４７として開口した通孔４８が穿設されている。また、吐出孔４７は、通路４９（図１参照）を介して膨張空間２３に連通している。
【００５０】
バルブプレート４２のバルブ本体側端面５０には、その中心から半径方向に延びる溝５１が設けられている。また、バルブプレート４２のバルブ本体側端面５０から反対側端面５２まで貫通するように、バルブ本体４１の円弧状溝４６と同一円周上の位置に、円弧状孔５３が穿設されている。
【００５１】
冷媒ガス吸気孔４４、溝５１、円弧状溝４６、及び通孔４８により吸気弁が構成される。また、通孔４８、円弧状溝４６、及び円弧状孔５３により排気弁が構成される。
【００５２】
スコッチヨーク３４がＺ１、Ｚ２方向に往復移動すると、第１段目ディスプレーサ１３、第２段目ディスプレーサ１４は、Ｚ１、Ｚ２方向に往復駆動され、それぞれ第１段目シリンダ１１内、第２段目シリンダ１２内を、下死点ＬＰと上死点ＵＰとの間で往復動する。
【００５３】
第１段目ディスプレーサ１３、第２段目ディスプレーサ１４が下死点ＬＰに達する際に、排気弁が閉じるとともに、通孔４８、円弧状溝４６、溝５１との間に冷媒ガス流路が形成される。高圧の冷媒ガスは、ハウジング部３内の通路４９を経て膨張空間２３に流れ始める。その後、第１段目ディスプレーサ１３、第２段目ディスプレーサ１４は下死点ＬＰを過ぎて上昇を始め、冷媒ガスは蓄冷材１７、１８を上から下に通過し、膨張空間２１、２２に充填されてゆく。
【００５４】
そして、第１段目ディスプレーサ１３、第２段目ディスプレーサ１４が上死点ＵＰに達する際に、吸気弁は閉じるとともに、通孔４８と円弧状溝４６、円弧状孔５３との間に冷媒ガス流路が形成される。膨張空間２１、２２において、高圧の冷媒ガスは、断熱膨脹することによって冷熱を発生させ、発生した冷熱によりフランジ１９、２０を冷却するとともに、蓄冷材１７、１８を冷却しながら下から上に通過し、空間４、低圧側配管５を通って圧縮機１の低圧側１ａに流れ始める。このとき、発生した冷熱は、蓄冷材１７、１８に蓄冷される。
【００５５】
その後、第１段目ディスプレーサ１３、第２段目ディスプレーサ１４が下死点ＬＰに達する際に、排気弁は閉じ、吸気弁が開いて１サイクルを終了する。このようにして、冷媒ガスの圧縮、膨張のサイクルを繰り返すことによって、冷凍機は冷熱を発生し、発生した冷熱を蓄冷することができる。
【００５６】
なお、ロータリー弁装置４０に代え、ハウジング部３の外部であって圧縮機１側に吸気弁及び排気弁により構成されている切替え装置を設け、切替え装置により、圧縮機１と膨張空間２１〜２３とを、ディスプレーサの往復動と同期して吸気弁及び排気弁が切り替え可能に介されるように接続してもよい。そして、第１段目ディスプレーサ１３、第２段目ディスプレーサ１４を往復動する際に、切替え装置により、膨張空間２１〜２３と圧縮機１の低圧側１ａ、高圧側１ｂとの接続を切り替えることにより、冷媒ガスの圧縮、膨張のサイクルを繰り返すことができる。このときは、軸受部材６０Ｂは設けられない。
【００５７】
次に、軸受部材６０、６０Ａ、６０Ｂの構成について説明する。以下では、軸受部材６０、６０Ａ、６０Ｂを代表し、軸受部材６０について説明するが、軸受部材６０Ａ、６０Ｂも、軸受部材６０と同様な構成とすることができる。
【００５８】
図５は、軸受部材６０の構成を示す断面図である。図５では、内輪６１に固定されている回転軸３１ａも合わせて図示している。なお、軸受部材６０Ａでは、回転軸３１ａに代え、クランクピン３３ｂが内輪６１に固定されている。また、軸受部材６０Ｂでは、回転軸３１ａに代え、バルブプレート４２が内輪６１に固定されている。
【００５９】
図５に示すように、軸受部材６０は、内輪６１、外輪６２、シール部材６３、転動体６４及び保持器６５を有する。
【００６０】
なお、内輪６１は本発明における内輪部材に相当し、外輪６２は本発明における外輪部材に相当する。
【００６１】
内輪６１及び外輪６２は、同一の回転軸ＲＡを中心として相対回転可能に設けられている。外輪６２の内部には、内輪６１が組み込まれている。
【００６２】
外輪６２の内周面と内輪６１の外周面との間には、内輪６１に対して外輪６２を相対回転自在にするための転動体６４が設けられている。転動体６４として、例えば球形状（ボールベアリング）、円筒形状（ニードルベアリング）などを用いることができる。また、外輪６２と内輪６１との間には、回転軸ＲＡを中心とする周方向に沿って隣接する転動体６４同士の間隔を一定にした状態で、転動体６４を保持するための保持器６５が設けられている。
【００６３】
図１及び図２を用いて前述したように、内輪６１は回転軸３１ａに固定されている。一方、外輪６２はＧＭ冷凍機のハウジング部３に固定されている。従って、内輪６１及び外輪６２よりなる軸受部材６０は、ＧＭ冷凍機において回転軸３１ａを回転可能に支持する。
【００６４】
内輪６１、外輪６２、転動体６４及び保持器６５の材質として、例えば、ＳＵＳ４４０Ｃ等のマルテンサイト系ステンレス鋼又はフェライト系ステンレス鋼に適当な熱硬化処理を施したもの、ＳＵＳ６３０等の析出硬化系ステンレス鋼、あるいは、ＳＵＳ３１６等のオーステナイト系ステンレス鋼に表面硬化処理を施したもの、等を用いることができる。
【００６５】
内輪６１と外輪６２との間に形成された内部空間Ｓ内には、例えばグリースよりなる潤滑剤が封入されている。そして、回転軸ＲＡに沿って内輪６１と外輪６２の前後両側（図５における左右両側）には、シール部材６３−１、６３−２が設けられている。シール部材６３−１、６３−２は、内輪６１と外輪６２との間に潤滑剤を封入するためのものである。
【００６６】
シール部材６３−１、６３−２は、外輪６２に固定されている。シール部材６３−１、６３−２は、回転軸ＲＡを中心とする周方向に沿って、外輪６２に例えば接着によって固定されており、外輪６２との間に隙間は形成されていない。一方、シール部材６３−１、６３−２は、内輪６１には固定されていない。シール部材６３−１、６３−２は、回転軸ＲＡを中心とする周方向に沿って、内輪６１との間に隙間Ｇが形成されるように設けられている。これにより、内部空間Ｓから潤滑剤が流出する量を低減でき、内部空間Ｓに異物が混入する量を低減できるとともに、シール部材６３−１、６３−２の変形を防止できる。
【００６７】
ここで、内部空間Ｓから潤滑剤が流出する量を低減でき、内部空間Ｓに異物が混入する量を低減できるとともに、シール部材６３−１、６３−２の変形を防止できる作用効果について、比較例１、２を参照しながら説明する。
【００６８】
図６は、比較例１に係るＧＭ冷凍機の軸受部材６０ａの構成を示す断面図である。図７は、比較例２に係るＧＭ冷凍機の軸受部材６０ｂの構成を示す断面図である。
【００６９】
比較例１では、軸受部材６０ａには、シール部材が設けられておらず、シール部材に代え、鋼板よりなるシールド板６３ａ−１、６３ａ−２が設けられている。シールド板６３ａ−１、６３ａ−２は、内輪６１と大きく離れて設けられており、潤滑剤を封止する機能を有していない。従って、潤滑剤が、シールド板６３ａ−１、６３ａ−２と内輪６１との間ＬＧを通って内部空間Ｓから流出する量が増加する。また、ＧＭ冷凍機の各摺動部から発生する磨耗粉等の異物が、シールド板６３ａ−１、６３ａ−２と内輪６１との間ＬＧを通って内部空間Ｓに混入する量が増加する。
【００７０】
また、比較例２では、軸受部材６０ｂには、シール部材６３ｂ−１、６３ｂ−２は設けられているものの、シール部材６３ｂ−１、６３ｂ−２と内輪６１との間に隙間が形成されておらず、接触している。このため、内輪６１と外輪６２と２枚のシール部材６３ｂ−１、６３ｂ−２とにより囲まれた内部空間Ｓは、軸受部材６０ｂの外部に対して気密性を有する。また、前述したように、シリンダ１１、１２を圧縮機１の高圧側１ｂ又は低圧側１ａに切り替えて連通させる際に、ハウジング部３の内部に設けられた空間４の圧力は、高圧側１ｂの例えば２ＭＰａと低圧側１ａの例えば０．５ＭＰａとの間で変動する。そして、空間４の圧力の変動に伴って軸受部材６０ｂの内部空間Ｓと外部との間に大きな圧力差が発生し、発生した圧力差によりシール部材６３ｂ−１、６３ｂ−２が大きな力を受け、変形するおそれがある。また、内輪６１とシール部材６３ｂ−１、６３ｂ−２とが接触して摺動し、内輪６１と外輪６２とを相対回転させるのに必要なトルクが増加するおそれがある。
【００７１】
一方、本実施の形態では、シール部材６３−１、６３−２が、外輪６２に固定されるとともに、内輪６１との間に隙間Ｇが形成されるように設けられている。これにより、潤滑剤が、シール部材６３−１、６３−２と内輪６１との間を通って内部空間Ｓから流出する量を低減することができる。また、ＧＭ冷凍機の各摺動部から発生する磨耗粉等の異物が、シール部材６３−１、６３−２と内輪６１との間を通って内部空間Ｓに混入する量を低減することができる。また、シリンダ１１、１２を圧縮機１の高圧側１ｂ又は低圧側１ａに切り替えて連通させる際に、ハウジング部３の空間４における圧力の変動により、シール部材６３−１、６３−２が変形することを防止できる。また、内輪６１とシール部材６３−１、６３−２とが接触して摺動し、内輪６１と外輪６２とを相対回転させるのに必要なトルクが増加することを防止できる。
【００７２】
回転軸ＲＡを中心とする径方向に沿った隙間Ｇの幅寸法ＧＷは、１０〜１００μｍであることが好ましい。幅寸法ＧＷが１００μｍを超える場合、内部空間Ｓから潤滑剤が流出する量が増加するか、あるいは、内部空間Ｓに異物が混入する量が増加するおそれがあるためである。また、幅寸法ＧＷが１０μｍ未満の場合、内部空間Ｓの気密性が高まり、シリンダ１１、１２を圧縮機１の高圧側１ｂ又は低圧側１ａに切り替えて連通させる際に、ハウジング部３の空間４における圧力の変動により、シール部材６３−１、６３−２が変形するおそれがあるためである。あるいは、幅寸法ＧＷが１０μｍ未満の場合、寸法公差等に起因して内輪６１とシール部材６３−１、６３−２とが一部接触して摺動し、内輪６１と外輪６２とを相対回転させるのに必要なトルクが増加するおそれがあるためである。
【００７３】
また、シール部材６３−１、６３−２は、少なくとも隙間Ｇを挟んで内輪６１に対向する部分が、樹脂よりなることが好ましく、樹脂として、ＮＢＲやＡＣＮ（アクリルゴム）等の合成ゴム、PTFE等のフッ素樹脂などを用いることがより好ましい。これにより、寸法公差等に起因して内輪６１とシール部材６３−１、６３−２とが一部接触して摺動した場合でも、トルクの増加分を少なくすることができるため、幅寸法ＧＷを小さく設定することができ、潤滑剤の流出量及び異物の混入量を更に低減することができる。また、内輪６１とシール部材６３−１、６３−２とが一部接触して摺動した場合でも、内輪６１等が損傷することを防止できる。その結果、軸受部材６０の寿命を長くすることができる。
【００７４】
以上、本発明の好ましい実施の形態について記述したが、本発明はかかる特定の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【００７５】
例えば、本実施の形態では、シール部材６３−１、６３−２が、外輪６２に固定されるとともに、内輪６１との間に隙間Ｇが形成されるように設けられている例について説明した。しかし、シール部材６３−１、６３−２が、内輪６１に固定されるとともに、外輪６２との間に隙間Ｇが形成されるように設けられていてもよい。すなわち、シール部材６３−１、６３−２は、内輪６１及び外輪６２のいずれか一方の部材に固定されるとともに、他方の部材との間に隙間Ｇが形成されるように設けられていてもよい。
【００７６】
また、３つの軸受部材６０、６０Ａ、６０Ｂのいずれか１つ又は２つにおいて、シール部材６３−１、６３−２が、内輪６１及び外輪６２のいずれか一方の部材に固定されるとともに、他方の部材との間に隙間Ｇが形成されるように設けられていてもよい。
【符号の説明】
【００７７】
１ 圧縮機
２ シリンダ部
３ ハウジング部
１１ 第１段目シリンダ
１２ 第２段目シリンダ
１３ 第１段目ディスプレーサ
１４ 第２段目ディスプレーサ
１５、１６ 内部空間
１７、１８ 蓄冷材
２１、２２、２３ 膨張空間
３０ 駆動装置
３１ モータ
３１ａ 回転軸
３２ スコッチヨーク機構
３３ クランク部材
３３ａ クランク軸
３３ｂ クランクピン
３４ スコッチヨーク
４０ ロータリー弁装置
４１ バルブ本体
４２ バルブプレート
６０、６０Ａ、６０Ｂ 軸受部材
６１ 内輪
６２ 外輪
６３、６３−１、６３−２ シール部材
６４ 転動体
６５ 保持器
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒ガスを膨張させるためのシリンダと、
前記シリンダ内に往復動可能に設けられ、内部に蓄冷材が収容されてなるとともに、前記冷媒ガスの膨張に伴って発生した冷熱を前記蓄冷材に蓄冷する蓄冷器と、
前記蓄冷器を往復駆動するための駆動力を発生する回転駆動部と、
前記回転駆動部により回転駆動される回転部材と、
同一の回転軸を中心として相対回転可能に設けられた内輪部材及び外輪部材と、前記回転軸に沿って前記内輪部材及び前記外輪部材の前後両側に各々が設けられた、前記内輪部材と前記外輪部材との間に潤滑剤を封入するための２つのシール部材とを含み、前記回転部材を回転可能に支持する軸受部材と
を有し、
前記２つのシール部材は、前記内輪部材及び前記外輪部材のいずれか一方の部材に固定されるとともに、他方の部材との間に隙間が形成されるように設けられたものである、蓄冷器式冷凍機。
【請求項２】
前記２つのシール部材は、少なくとも前記隙間を挟んで前記他方の部材に対向する部分が、樹脂よりなるものである、請求項１に記載の蓄冷器式冷凍機。
【請求項３】
前記隙間の幅寸法が１０〜１００μｍである、請求項１又は請求項２に記載の蓄冷器式冷凍機。
【請求項４】
前記回転部材は、前記回転駆動部の回転軸である、請求項１から請求項３のいずれかに記載の蓄冷器式冷凍機。
【請求項５】
前記回転部材は、クランク部材であり、
回転駆動される前記クランク部材の回転駆動力を往復駆動力に変換して前記ディスプレーサを往復駆動するスコッチヨークを有し、
前記軸受部材は、前記スコッチヨークに設けられたものである、請求項１から請求項３のいずれかに記載の蓄冷器式冷凍機。
【請求項６】
前記シリンダから吸入した冷媒ガスを圧縮し、圧縮した冷媒ガスを前記シリンダへ吐出する圧縮機を有し、
前記回転部材は、前記シリンダを、前記圧縮機の吸入側又は吐出側に切り替えて連通させるロータリーバルブである、請求項１から請求項３のいずれかに記載の蓄冷器式冷凍機。
【請求項１】
冷媒ガスを膨張させるためのシリンダと、
前記シリンダ内に往復動可能に設けられ、内部に蓄冷材が収容されてなるとともに、前記冷媒ガスの膨張に伴って発生した冷熱を前記蓄冷材に蓄冷する蓄冷器と、
前記蓄冷器を往復駆動するための駆動力を発生する回転駆動部と、
前記回転駆動部により回転駆動される回転部材と、
同一の回転軸を中心として相対回転可能に設けられた内輪部材及び外輪部材と、前記回転軸に沿って前記内輪部材及び前記外輪部材の前後両側に各々が設けられた、前記内輪部材と前記外輪部材との間に潤滑剤を封入するための２つのシール部材とを含み、前記回転部材を回転可能に支持する軸受部材と
を有し、
前記２つのシール部材は、前記内輪部材及び前記外輪部材のいずれか一方の部材に固定されるとともに、他方の部材との間に隙間が形成されるように設けられたものである、蓄冷器式冷凍機。
【請求項２】
前記２つのシール部材は、少なくとも前記隙間を挟んで前記他方の部材に対向する部分が、樹脂よりなるものである、請求項１に記載の蓄冷器式冷凍機。
【請求項３】
前記隙間の幅寸法が１０〜１００μｍである、請求項１又は請求項２に記載の蓄冷器式冷凍機。
【請求項４】
前記回転部材は、前記回転駆動部の回転軸である、請求項１から請求項３のいずれかに記載の蓄冷器式冷凍機。
【請求項５】
前記回転部材は、クランク部材であり、
回転駆動される前記クランク部材の回転駆動力を往復駆動力に変換して前記ディスプレーサを往復駆動するスコッチヨークを有し、
前記軸受部材は、前記スコッチヨークに設けられたものである、請求項１から請求項３のいずれかに記載の蓄冷器式冷凍機。
【請求項６】
前記シリンダから吸入した冷媒ガスを圧縮し、圧縮した冷媒ガスを前記シリンダへ吐出する圧縮機を有し、
前記回転部材は、前記シリンダを、前記圧縮機の吸入側又は吐出側に切り替えて連通させるロータリーバルブである、請求項１から請求項３のいずれかに記載の蓄冷器式冷凍機。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１３−２６８７（Ｐ２０１３−２６８７Ａ）
【公開日】平成２５年１月７日（２０１３．１．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１３２５０６（Ｐ２０１１−１３２５０６）
【出願日】平成２３年６月１４日（２０１１．６．１４）
【出願人】（０００００２１０７）住友重機械工業株式会社 (2,241)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月７日（２０１３．１．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月１４日（２０１１．６．１４）
【出願人】（０００００２１０７）住友重機械工業株式会社 (2,241)
【Ｆターム（参考）】
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