JPH02213655A - 極低温膨脹機の制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、圧縮機から供給された高圧の冷媒ガスをシリ
ンダ内の膨脹室でディスプレーサ（置換器）の往復動に
より断熱膨脂させて極低温レベルの寒冷を発生させる極
低温膨脹機において、そのディスプレーサの移動を制御
する制御装置に関するものである。

（従来の技術） 従来より、例えば特開昭５８−２１４７５８号公報等に
開示されているように、冷媒ガスとしてのヘリウムガス
を圧縮する圧縮機と、その圧縮されたガスを膨張させる
膨張機とを高圧配管及び低圧配管によって閉回路に接続
してなり、上記膨張機における切換バルブにより上記高
圧及び低圧配管を膨張機のシリンダ内彫版室に交互に連
通させるとともに、この切換バルブの切換動作に応じて
シリンダ内でディスプレーサ（置換器）を往復動させて
、ヘリウムガスを膨脹室で膨張させることにより、極低
温レベルの寒冷を発生させるようにしたいわゆる改良ソ
ルベーサイクルやＧ−Ｍサイクル（ギフオード・マクマ
ホンサイクル）等のヘリウム冷凍機はよく知られ、各種
の用途に広く用いられている。

しかし、このガス圧駆動式の極低温冷凍機では、膨脹機
の運転時に、シリンダ内を往復動するディスプレーサが
該シリンダの端部に衝突して、その衝撃により異常振動
が生じるという問題がある。

そこで、従来、特開昭６１−２６２５５８号公報に開示
されるものでは、シリンダ内に膨脹室と同径の動力吸収
室を区画形成し、その動力吸収室を、冷凍ガスサイクル
の高圧回路に高圧制御バルブを介設したガス流入回路を
介して、また低圧回路に低圧制御バルブを介設したガス
流入回路を介してそれぞれ連通させるとともに、上記各
バルブの開度をディスブーレーサの移動位置に基づいて
調整するようにすることにより、ディスプレーサの動き
を動力吸収室内の圧力により制御して、そのシリンダ端
部への衝突を抑制するようにすることが提案されている
。

（発明が解決しようとする課題） ところで、この種の膨脹機においては、その作動開始時
に、冷却部を常温から最低温度まで冷却するいわゆるク
ールダウンの段階では、冷媒ガスの質量流量が小さく、
ディスプレーサは動き易くなるのに対し、クールダウン
後（最低温度到達時）の定常運転状態では、ガスの質量
流量が大きくなるので、ディスプレーサが動き難くなり
、その結果、クールダウンの前後でディスプレーサのス
トロークは第１６図に示すように変化する。すなわち、
切換バルブがディスプレーサの動きに関係なく一定のパ
ターンで開閉するため、クールダウン初期には、図でＡ
線にて示す如（ディスプレーサの変位速度が速くなり、
ディスプレーサは大きな速度を持ったままシリンダの上
下端に衝突し、大きな衝撃が生じる。その後、Ｂ線に示
すようにディスプレーサは次第に動き難くなり、小さな
速度（又は速度零）でシリンダの上下端に衝突し、衝撃
は小さくなる。しかし、最低温度到達時には、Ｃ線に示
す如くディスプレーサの変位速度は非常に小さくなるが
、そのディスプレーサがシリンダの上下端に到達する以
前に切換バルブが開き、圧損ドライブによりディスプレ
ーサが却って加速されて大きな速度でシリンダに衝突す
る。

しかるに、上記提案のものでは、こうしたクールダウン
前後のディスプレーサのストローク変化は考慮されてお
らず、膨張機運転時の異常振動や騒音を常に安定して低
減できない難がある。

本発明は斯かる諸点に鑑みてなされたもので、その目的
とするところは、上記の如きガス圧によってディスプレ
ーサを駆動するガス圧駆動式の極低温膨脹機において、
クールダウン前後の冷媒ガスの質量流量の変化に伴いデ
ィスプレーサの移動特性が変化しても、そのことに関係
なく、ディスプレーサがシリンダ端部に衝突するタッピ
ングを抑制し、よって膨脹機の異常振動や騒音を常に安
定して低減できるようにすることにある。

（課題を解決するための手段） この目的を達成するために、本発明の解決手段は、シリ
ンダに対するディスプレーサの変位、又はディスプレー
サにより区画されるシリンダ内の駆動室に連通ずるサー
ジボリュームにおける。上記ディスプレーサ変位に対応
する圧力変化を検出し、そのディスプレーサ変位又は圧
力変化が予め設定した理想特性になるよう、シリンダ内
に対するガスの給排を切り換えるためのバルブ手段、又
はシリンダ内駆動室の圧力を調整するための圧力調整手
段を学習制御するものである。

すなわち、第１図に示すように、請求項（１）記載の発
明では、密閉状のシリンダ（２）と、該シリンダ（２）
内に往復動可能に嵌装され、シリンダ（２）内空間に膨
脹室（９）、（１０）を区画形成するディスプレーサ（
４）と、圧縮機から吐出されたヘリウム等の冷媒ガスの
上記膨脹室（９）。

（１０）に対する給排を切り換えるバルブ手段（２０）
とを備え、バルブ手段（２０）の切換えに伴いディスプ
レーサ（４）を往復動させ、冷媒ガスを膨脹室（９）、
　　（１０）で膨張させて極低温レベルの寒冷を発生さ
せる極低温膨張機が前提である。

そして、上記ディスプレーサ（４）の変位を検出するデ
ィスプレーサ変位検出手段（２３）と、ディスプレーサ
（４）の今回の移動サイクルの制御指令及び次回の移動
サイクルの制御指令を逐次記憶し、かつ上記ディスプレ
ーサ変位検出手段（２３）により検出されたディスプレ
ーサ（４）の変位特性を上記第１の記憶手段（ｍ２）の
理想変位特性と比較して、その誤差の変化に基づいて今
回の移動サイクルの制御指令を修正し、次回の移動サイ
クルの制御指令とする第２の記憶手段（ｍ２）と、今回
の移動サイクルの制御指令に基づいて上記バルブ手段（
２０）を作動制御する制御手段（５７）とを設ける。

また、請求項（２）記載の発明では、前提とする極低温
膨張機は、そのディスプレーサ（４）が密閉状のシリン
ダ（２）内空間を膨脹室（９）、　　（１０）及び駆動
室（８）に区画形成するものであり、また、上記駆動室
（８）の圧力を調整するオリフィスバルブ等の圧力調整
手段（１６）、（２８）を具備している。

そして、この極低温膨張機において、上記したディスプ
レーサ変位検出手段（２３）と、第１及び第２の記憶手
段（ｍ＋　）、　　（ｍｚ　）とを設けるとともに、上
記圧力調整手段（１６）、（２８）を、上記ディスプレ
ーサ（４）の今回の移動サイクルの制御指令に基づいて
作動制御する制御手段（５７）を設けたことを特徴とす
る。

さらに、請求項（３）記載の発明では、極低温膨張機は
、上記シリンダ（２）内の駆動室（８）に連通するサー
ジボリューム（１８）と、膨脹室（９）（１０）に対す
る冷媒ガスの給排を切り換えるバルブ手段（２０）とを
備えたものであり、この極低温膨張機において、上記サ
ージボリューム（１８）内の実際の圧力を検出する圧力
検出手段（３７）と、ディスプレーサ（４）の移動サイ
クルにおける上記サージボリューム（１８）内の予め設
定された理想の圧力変化特性を記憶する第１の記憶手段
（ｍ２）と、今回の移動サイクルの制御指令及び次回の
移動サイクルの制御指令を逐次記憶し、かつ上記圧力検
出手段（３７）により検出されたサージボリューム（１
８）内の圧力変化特性を上記第１の記憶手段（ｍ２）の
理想の圧力変化特性と比ビして、その誤差の変化に基づ
いて今回の移動サイクルの制御指令を修正し、次回の移
動サイクルの制御指令とする第２の記憶手段１、（ｍ２
）と、今回の移動サイクルの制御指令に基づいて上記バ
ルブ手段（２０）を作動制御する制御手段（５７）とを
設ける。

さらにまた、請求項（４）記載の発明では、前提とする
極低温膨張機は、そのディスプレーサ（４）が密閉状の
シリンダ（２）内空間を膨脹室（９）。

（１０）及び駆動室（８）に区画形成するものであり、
また、上記駆動室（８）の圧力を調整するオリフィスバ
ルブ等の圧力調整手段（１６）。

（２８）を備える。

そして、この極低温膨張機において、上記したサージボ
リューム（１８）内の実際の圧力を検出する圧力検出手
段（３７）と、第１及び第２の記憶手段（ｍ＋　）、　
　（ｍｚ　）とを設けるとともに、上記圧力調整手段（
１６）、（２８）を、上記デイスプレーサ（４）の今回
の移動サイクルの制御指令に基づいて作動制御する制御
手段（５７）を設ける。

（作用） この構成により、請求項（１）記載の発明では、膨張機
の運転時、バルブ手段（２０）の切換作動によりシリン
ダ（２）内の膨張室（９）、（１０）に冷媒ガスが給排
され、このガスの給排に伴ってシリンダ（２）内でディ
スプレーサ（４）が往復動される。この往復動するディ
スプレーサ（４）の変位がディスプレーサ変位検出手段
（２３）によって検出される。そして、第２の記憶手段
（ｍ２）では、ディスプレーサ（４）の今回の制御指令
が記憶されるとともに、上記ディスプレーサ変位検出手
段（２３）によって検出された変位と、第１の記憶手段
（ｍ２）によって記憶されているディスプレーサ（４）
の移動サイクルにおける理想変位特性との誤差の変化に
基づき、上記ディスプレーサ（４）の今回の移動サイク
ルの制御指令が修正され、次回の移動サイクルの制御指
令とされて逐次記憶される。また、制御手段（５７）に
より、上記第２の記憶手段（ｍ２）により記憶されるデ
ィスプレーサ（４）の今回の移動サイクルの制御指令に
基づき上記バルブ手段（２０）が作動制御される。この
ような学習制御により、ディスプレーサ（４）がその移
動サイクルを繰り返す毎に、その変位特性は第１の記憶
手段（ｍ２）に記憶されている理想変位特性になるよう
に逐次修正され、ついには誤差が零となるように収束さ
れる。このため、上記ディスプレーサ（４）の理想変位
特性を、ディスプレーサ（４）がシリンダ（２）の中間
部位では一定速度で動き、シリンダ（２）の上下端に達
すると速度が略零となってディスプレーサ（４）の激し
い衝突が生じない特性とすると、膨張機のクールダウン
の前後でガスの質量流量の変化によってディスプレーサ
（４）の移動抵抗が変化しても、その変位特性を第１の
記憶手段（ｍ２）の理想特性に収束でき、よってクール
ダウンの前後にも拘らず常に安定して、ディスプレーサ
（４）のタッピングを抑制して膨張機の異常振動や騒音
を低減できることとなる。

また、請求項（ａ記載の発明では、上記と同様に、シリ
ンダ（２）内でのディスプレーサ（４）の往復動に伴い
、圧力調整手段（１６）、（２８）により駆動室（８）
内の圧力が略一定範囲に収まるよう調整される。そして
、第２の記憶手段（ｍ２）により、上記ディスプレーサ
変位検出手段（２３）によって検出されたディスプレー
サ（４）の変位と、第１の記憶手段（ｍ２）の理想変位
特性との誤差の変化に基づいて今回の移動サイクルの制
御指令が修正されて次回の移動サイクルの制御指令とな
り、これら今回及び次回の移動サイクルの制御指令は逐
次記憶される。また、制御手段（５７）により、上記第
２の記憶手段（ｍ２）により記憶される今回の移動サイ
クルの制御指令に基づいて上記圧力調整手段（１６）、
　　（２８）が作動制御される。このような学習制御に
より、ディスプレーサ（４）がその作動サイクルを繰り
返す毎に、その変位特性は第１の記憶手段（ｍ２）に記
憶されている理想変位特性になるように逐次修正される
。よって、上記と同様に、膨張機のクールダウンの前後
にも拘らず常に安定して、ディスプレーサ（４）のタッ
ピングによる膨張機の異常振動や騒音を低減できる。

さらに、請求項（３）記載の発明では、シリンダ（２）
内でのディスプレーサ（４）の往復動に伴い、その駆動
室（８）内に連通するサージボリューム（１８）内の圧
力がディスプレーサ（４）の変位に対応して変化し、こ
の圧力は圧力検出手段（３７）によって検出される。こ
の圧力と、第１の記憶手段（ｍ２）に記憶されているサ
ージボリューム圧力変化の理想特性との誤差の変化に基
づき今回の移動サイクルの制御指令が修正されて次回の
移動サイクルの制御指令とされ、これらは運次第２の記
憶手段（ｍ２）に記憶される。さらに、制御手段（５７
）により、上記第２の記憶手段（ｍ２）により記憶され
る今回の制御指令に基づいて上記バルブ手段（２０）が
作動制御される。

この学習制御により、ディスプレーサ（４）がその作動
サイクルを繰り返す毎に、上記サージボリューム（１８
）内の圧力変化特性は第１の記憶手段（ｍ２）に記憶さ
れている理想の圧力変化特性になるように逐次修正され
、よって、膨脹機のクールダウンの前後でディスプレー
サ（４）の移動抵抗が変化しても、その変位特性に対応
するサージボリューム（１８）内圧力変化特性を理想特
性に収束できて、常に安定して膨脹機の異常振動や騒音
を低減できることになる。

また、請求項（４）記載の発明では、上記と同様に、シ
リンダ（２）内のディスプレーサ（４）の変位に対応し
て変化する。サージボリューム（１８）内の圧力と、第
１の記憶手段（ｍ２）に記憶されているサージボリュー
ム圧力変化の理想特性との誤差の変化に基づき今回の移
動サイクルの制御指令が修正されて次回の移動サイクル
の制御指令とされ、これらは運次第２の記憶手段（ｍり
に記憶される。そして、制御手段（５７）により、第２
の記憶手段（ｍ２）により記憶される今回の制御指令に
基づいて上記圧力調整手段（１６）。

（２８）が作動制御される。この学習制御により、ディ
スプレーサ（４）がその作動サイクルを繰り返す毎に、
上記サージボリューム（１８）内の圧力変化特性は第１
の記憶手段（ｍ２）に記憶されている理想の圧力変化特
性になるように逐次修正され、よって、膨脹機のクール
ダウンの前後でディスプレーサ（４）の移動抵抗が変化
しても、その変位特性に対応するサージボリューム（１
８）内圧力変化特性を理想特性に収束でき、常に安定し
て膨脹機の異常振動や騒音を低減することができる。

（第１実施例） 以下、本発明の実施例を第２図以下の図面に基づいて説
明する。

第２図は本発明を改良ソルベーサイクルを持つヘリウム
冷凍機に適用した第１実施例の全体構成を示し、（１）
は冷媒ガスとしてのヘリウムガスを断熱膨張させる膨脹
機であって、この膨脹機（１）は、上側の大径部（２ａ
）と下側の小径部（２ｂ）とからなる２段構造の密閉円
筒状のシリンダ（２）を有し、このシリンダ（２）の上
端にはケーシング（３）が一体的に取り付けられている
。

上記シリンダ（２）内にはディスプレーサ（４）（置換
器）が往復動可能に嵌合されている。該ディスプレーサ
（４）は、シリンダ（２）の大径部（２ａ）内を摺動す
る密閉円筒状の大径部（４ａ）と、該大径部（４ａ）下
端に一体結合され、シリンダ（２）の小径部（２ｂ）内
を摺動する密閉円筒状の小径部（４ｂ）とからなる。こ
のディスプレーサ（４）の大径部（４ａ）上端には有底
円筒状の四部（４ｃ）が形成され、該凹部（４ｃ）内に
は上記ケーシング（３）の底壁部にシリンダ（２）内に
垂下するように取り付けた円筒状の摺接部（２Ｃ）が嵌
挿され、該摺接部（２Ｃ）外周面とディスプレーサ（４
）の凹部（４Ｃ）内周面とは凹部（４Ｃ）内周に嵌装し
た内周シール（５）によって気密シールされている。ま
た、ディスプレーサ（４）の大径部（４ａ）外周には第
１段シール（６）が、小径部（４ｂ）外周には第２段シ
ール（７）がそれぞれ取り付けられており、この３つの
シール（５）〜（７）により、シリンダ（２）内空間が
上側から順に円環状の駆動室（８）、第１段膨張室（９
）及び第２段膨張室（１０）に区画され、ディスプレー
サ（４）の上端凹部（４Ｃ）内には上記内周シール（５
）及び摺接部（２Ｃ）によって区画されるガス流出入室
（１１）が形成されている。

また、上記ディスプレーサ（４）の大径部（４ａ）内は
上記凹部（４ｃ）内のガス流出入室（１１）に連通孔（
１２）を介して、また上記第１段膨張室（９）に連通孔
（１３）を介してそれぞれ常時連通し、この大径部（４
ａ）内には蓄冷型熱交換器よりなる第１段蓄冷器（図示
せず）が嵌装されている。また、ディスプレーサ（４）
の小径部（４ｂ）内は上記第１段膨張室（９）に連通孔
（１４）を介して、第２段膨張室（１０）に連通孔（１
５）を介してそれぞれ常時連通し、この小径部（４ｂ）
内には上記第１段蓄冷器と同様の第２段蓄冷器（図示せ
ず）が嵌装されている。

また、上記ケーシング（３）には上記シリンダ（２）内
の駆動室（８）にオリフィスバルブ（１６）を介設した
ガス流路（１７）を介して連通ずるサージボリューム（
１８）が形成されており、このサージボリューム（１８
）内のガス圧及びオリフィスバルブ（１６）のガス流動
抵抗によって中間室（８）内の圧力を略一定に保持する
ようにしている。

（１９）は上記シリンダ（２）内の膨張室（９）（１０
）にヘリウムガスを給排するガス配管で、その一端は上
記シリンダ（２）土壁の貫通孔（２ｄ）及び上記摺接部
（２ｃ）内の空間を介してディスプレーサ凹部（４Ｃ）
内のガス流出入室（１１）に連通している。ガス配管（
１９）の他端は上記膨張室（９）、（１０）に対するヘ
リウムガスの給排を切り換えるバルブ手段としての高低
圧制御バルブユニット（２０）に接続されている。

このバルブユニット（２０）は、ヘリウムガスを圧縮す
る圧縮機（図示せず）の吐出側に高圧配管（２１）を介
して、また同吸込側に低圧配管（２２）を介してそれぞ
れ接続されており、バルブユニット（２０）においてガ
ス配管（１９）を高圧配管（２１）又は低圧配管（２２
）に切り換えて連通させ、ガス配管（１９）を高圧配管
（２１）に連通させたときには、圧縮機からの高圧ヘリ
ウムガスをガス配管（１９）を介してシリンダ（２）内
の膨張室（９）、　　（１０）に導入充填することによ
り、ディスプレーサ（４）を上昇させる一方、ガス配管
（１９）を低圧配管（２２）に連通させたときには、上
記膨張室（９）、　　（１０）に充填されているヘリウ
ムガスを膨張させながら低圧配管（２２）に排出するこ
とにより、ディスプレーサ（４）を下降させ、このディ
スプレーサ（４）の昇降移動サイクルに伴うヘリウムガ
スの膨張によって極低温レベルの寒冷を発生させるよう
に構成されている。

さらに、上記ケーシング（３）には上記ディスプレーサ
（４）の変位（移動位置）を検出するデイプレーサ変位
検出手段としての変位計（２３）が取り付けられている
。この変位計（２３）は、第５図に拡大詳示するように
、シリンダ（２）の土壁に一体に取り付けられ内部が駆
動室（８）に連通ずる有底円筒状の耐圧容器からなるケ
ース（２４）と、該ケース（２４）の外周に配設された
コイル（２５）と、ケース（２４）内に往復動可能に嵌
挿され、かつ下端が上記ディスプレーサ（４）の大径部
（４ａ）上端に螺合締結されたコア（２６）とを備えて
いる。上記コイル（２５）は、例えば第６図に示すよう
にコア（２６）によって磁気的に結合される１次コイル
（２５ａ）及び逆極直列に接続された２つの２次コイル
（２５ｂ）、（２５ｂ）とからなり、コア（２６）の移
動量に応じて変化する１次コイル（２５ａ）に対する２
つの２次コイル（２５ｂ）、（２５ｂ）の磁気的結合度
の強弱を該２次コイル（２５ｂ）。

（２５ｂ）各々の誘起起電力として検出することにより
、ディスプレーサ（４）の変位を検出するようにしてい
る。

そして、この変位計（２３）の出力信号は上記制御バル
ブユニット（２０）を作動制御するコントロールユニッ
ト（５０）に入力されている。このコントロールユニッ
ト（５０）では第３図に示す制御が行われる。すなわち
、コントロールユニット（５０）は、メモリ（ｍ２）及
びメモリ°（ｍ２）の２つのメモリを有し、メモリ（ｍ
＋　）には第４図に示すように予め設定されたディスプ
レーサ（４）の移動１サイクルにおける理想変位特性に
対応する理想出力波形ｙｄが記憶されている。

この理想出力波形ｙｄは、ディスプレーサ（４）の往復
動時にディスプレーサ（４）がシリンダ（２）の上下端
部に達したときには速度が略零となる波形に設定されて
いる。

また、制御対象システムにおける変位計（２３）からの
入力信号）’（ｋ＞（但し、ｋ−１，２，・・・でディ
スプレーサ（４）の移動サイクル数を示す）はＡ／Ｄコ
ンバータ（５１）でデジタル信号に変換された後、上記
メモリ（ｍ２）の出力信号と比較されてその誤差ｅ　（
ｋ）が求められる。この誤差ｅ　（ｋ）は微分部（５３
）で数値微分されて微分誤差会（ｋ）となり、該微分誤
差さ（ｋ）に２則部（５４）で係数が乗じられ、次いで
制御部（５７）からの制御出力ｕ　（ｋ）が加算された
後、次のサイクルの制御出力ｕ　（ｋ＋１）として再度
メモリ（ｍ２）に記憶される。上記誤差が加えられる前
に制御部（５７）によりメモリ（ｍ２）か・ら出力され
る制御出力ｕ　（ｋ）は、Ｄ／Ａコンバータ（５６）に
よりアナログ化されて制御対象システムの制御バルブユ
ニット（２０）に入力される。

すなわち、本実施例では、上記メモリ（ｍ２）により、
上記ディスプレーサ（４）の予め設定された理想変位特
性を記憶する第１の記憶手段が構成される。

また、メモリ（ｍ２）により、ディスプレーサ（４）の
今回の移動サイクルの制御指令及び次回の移動サイクル
の制御指令を逐次記憶し、かつ上記変位計（２３）によ
り検出されたディスプレーサ（４）の変位特性を上記メ
モリ（ｍ＋）（第１の記憶手段）の理想変位特性と比較
して、その誤差の変化に基づき、今回の移動サイクルの
制御指令を修正して次回の移動サイクルの制御指令とす
る第２の記憶手段が構成される。

さらに、上記制御部（５７）により、メモリ（ｍ２）に
記憶されるディスプレーサ（４）の今回の移動サイクル
の制御指令に基づいて上記バルブユニット（２０）の開
閉タイミングないし開度を制御する制御手段が構成され
る。

したがって、上記実施例においては、膨張機（１）の運
転時、コントロールユニット（５０）による高低圧制御
バルブユニット（２０）の切換作動によりシリンダ（２
）内の膨脹室（９）。

（１０）に対す゛るヘリウムガスの給排が切り換えられ
、このガスの給排に伴ってシリンダ（２）内でディスプ
レーサ（４）が往復動する。すなわち、ガス配管（１９
）が高圧配管（２１）に連通ずるようにバルブユニット
（２０）が切り換えられたときには、圧縮機からの常温
の高圧ヘリウムガスがガス配管（１９）を介してディス
プレーサ（４）の凹部（４Ｃ）内のガス流出入室（１１
）に導入され、さらに、この室（１１）からディスプレ
ーサ（４）内の各蓄冷器を通って順次膨張室（９）。

（１０）に充填され、上記蓄冷器を通る間に熱交換によ
って極低温まで冷却される。また、この高圧ヘリウムガ
スの導入によって膨脹室（９）。

（１０）の圧力が駆動室（８）よりも高くなり、この差
圧よりディスプレーサ（４）が上昇する。

このディスプレーサ（４）の上昇移動によりその下方の
膨張室（９）、　　（１０）にさらに高圧ガスが充填さ
れる。この後、上記バルブユニット（２０）が閉じるが
、その閉弁後もディスプレーサ（４）は慣性力によって
上昇し、これに伴い、上記ガス流出入室（１１）内のヘ
リウムガスが両膨張室（９）、（１０）に移動する。

そして、ディスプレーサ（４）が上昇端位置に達した後
、ガス配管（１９）が高圧配管（２１）に連通するよう
にバルブユニット（２０）が切り換えられ、この開弁切
換えに伴い、上記膨張室（９）、　　（１０）内のヘリ
ウムガスがサイモン膨張し、このガス膨張によって寒冷
が発生する。この極低温状態となったヘリウムガスは、
上記ガス導入時とは逆に、ディスプレーサ（４）内の蓄
冷器を通って上記ガス流出入室（１１）内に戻り、その
間に蓄冷器を冷却しながら常温まで暖められる。そして
、この常温のヘリウムガスは膨張機（１）外に排出され
、ガス配管（１９）及び低圧配管（２２）を通って圧縮
機に流れてそれに吸入される。このガス排出に伴い上記
膨脹室（９）。

（１０）内のガス圧が低下し、その駆動室（８）との圧
力差によりディスプレーサ（４）が下降し、このディス
プレーサ（４）の下降移動により膨張室（９）、（１０
）内のガスが膨張機（１）外にさらに排出される。次い
で、バルブユニット（２０）が再度閉じるが、この後も
ディスプレーサ（４）は下降端位置まで下降し、膨張室
（９）。

（１０）内のガスが排出されて最初の状態に戻る。

以上により膨張機（１）の動作の１サイクルが終了し、
以後は上記と同様な動作が繰り返される。

この場合、上記往復動するディスプレーサ（４）の変位
が変位計（２３）によって検出される。また、コントロ
ールユニット（５０）のメモリ（ｍ２）では、ディスプ
レーサ（４）の１サイクル毎に、その今回の移動サイク
ルの制御指令が記憶されるとともに、上記変位計（２３
）によって検出された変位と、メモリ（ｒｒ＋＋　）に
よって記憶されているディスプレーサ（４）の理想変位
特性との誤差の変化に基づいて、上記今回の移動サイク
ルの制御指令が修正されて次回の移動サイクルの制御指
令とされ、この制御指令は上記今回の移動サイクルの制
御指令と共にメモリ（ｍ２）に記憶される。そして、制
御部（５７）により、上記メモリ（ｍ２）により記憶さ
れるディスプレーサ（４）の今回の移動サイクルの制御
指令に基づいて上記高低圧制御バルブユニット（２０）
の開閉タイミングないし開度が制御される。このため、
このような学習制御により、ディスプレーサ（４）がそ
の作動サイクルを繰り返す毎に、その変位特性はメモリ
（ｍ２）に記憶されている理想変位特性になるように逐
次修正され、ついには誤差が零となるように収束される
。そして、上記メモリ（ｍ２）に記憶されるディスプレ
ーサ（４）の理想変位特性は第４図に示す如くディスプ
レーサ（４）がシリンダ（２）上下端に衝突しない特性
であるので、膨脹機（１）のクールダウンの前後でガス
の質量流量の変化によってディスプレーサ（４）の移動
抵抗が変化しても、そのことに関係なくディスプレーサ
（４）の変位特性を上記理想特性に収束でき、よって膨
脹機（１）のクールダウン前後に関係なく常に安定して
、ディスプレーサ（４）がシリンダ（２）の上下壁に衝
突するタッピングを抑制でき、膨脹機（１）の異常振動
や騒音を低減することができる。

（第２実施例） 第７図は本発明をガス圧駆動式のＧ−Ｍサイクルを持つ
ヘリウム冷凍機に適用した第２実施例を示す。尚、第２
図と同じ部分については同じ符号を付してその詳細な説
明は省略する。

すなわち、この実施例では、ディスプレーサ（４）の上
端部にピストン部（４ｄ）が一体に形成されている。一
方、シリンダ（２）の上端部には上記ピストン部（４ｄ
）を往復動可能に嵌装するシリンダ部（２ｅ）が設けら
れており、このシリンダ部（２ｅ）内の空間上部にはピ
ストン部（４ｄ）によって区画される駆動室（８）が形
成されている。また、シリンダ（２）内の上端にはガス
流出入室（１１）が形成され、このガス流出入室（１１
）にガス配管（１９）の一端が開口されている。

上記駆動室（８）にはコントロールユニット（５０）に
よって作動制御される瞬時切換バルブ（２８）が配管（
２７）を介して接続され、この切換バルブ（２８）は圧
縮機の吐出側（高圧側）及び吸込側（低圧側）に接続さ
れている。上記切換バルブ（２８）は、第１及び第２の
２つの切換位置（１）、　　ＣＵ）ををし、位置（１）
に切り換えたときには駆動室（８）を圧縮機の吐出側に
、位置（ｎ）に切り換えたときには圧縮機の吸込側にそ
れぞれ連通させる。そして、この切換バルブ（２８）を
コントロールユニット（５０）によりディスプレーサ（
４）の変位に応じて一定のパターンで切換制御すること
により、駆動室（８）の圧力を略一定に調整するように
している。その他は、上記実施例と同様に構成されてい
る。

尚、上記瞬時切換バルブ（２８）に代え、第８図に示す
ように、上記の如き２つの切換位置（Ｉ）（ｎ）に加え
、駆動室（８）と圧縮機吐出側及び吸込側との連通を遮
断する第３の切換位置（ｍ）を有する切換バルブ（２ｇ
’　）を採用してもよい。

したがって、この実施例でも、ディスプレーサ（４）の
変位に応じてバルブユニット（２０）の開閉タイミング
及び開度が理想変位特性になるように学習制御され、よ
って上記実施例と同様の作用効果を奏することができる
。

（第３実施例） 第９図は第３実施例を示し、上記各実施例では高低圧制
御バルブユニット（２０）の開閉タイミング及び開度を
制御するようにしたのに対し、シリンダ（２）内の中間
圧の圧力を調整することにより、ディスプレーサ（４）
の動きを制御するようにしたものである。

すなわち、本実施例では、上記第１実施例と同様の構成
において、シリンダ（２）内の駆動室（８）とサージボ
リューム（１８）とを連通するガス流路（１７）の途中
に配設されたオリフィスバルブ（１６’）により圧力調
整手段が構成され、このオリフィスバルブ（１６’）は
、その開度を可変調整可能な可変ニードルバルブからな
る。

このニードルバルブの具体例を示すと、例えば第１０図
に示すように圧電素子（３４）の圧電力を利用したもの
、第１１図に示す如く圧電素子（３４）の変位を利用し
たもの、第１２図に示すように圧電素子（３４）の変形
を利用したものが採用される。第１０図に示すバルブで
は、そのケース（２９）に固定すりフィス（３０）が貫
通形成されている。ケース（２９）内空間は可撓性を有
する隔壁（３１）によりガス室（３２）と素子室（３３
）とに仕切られ、隔壁（３１）には、固定オリフィス（
３０）のガス室（３２）内への開口端開度を変えてオリ
フィス（３０）でのガス流量を調整する流量調整部（３
１ａ）が突設されている。一方、素子室（３３）には、
印加電圧に応じて変形する積層型ピエゾ圧電素子（３４
）が隔壁（３１）背面と素子室（３３）奥底面との間に
掛は渡された状態で配設されており、この圧電素子（３
４）に印加する電圧をコントロールユニット（５０）に
より調整することにより、オリフィス（３０）の開度を
制御するようにしている。尚、（３５）はガス室（３２
）に連通ずるガス流路を形成する連通孔、（３６）は隔
壁（３１）の変位抵抗の低減のために素子室（３３）を
外部に開放する連通孔である。

また、第１１図に示すものでは、ケース（２９）内にガ
ス室（３２’　）のみが形成され、該ガス室（３２’）
には圧電素子（３４）がその基端部をガス室（３２’）
奥底面に固定した状態で配置され、該素子（３４）の先
端部は固定オリフィス（３０）のガス室（３２’）内へ
の開口端に対向配置されており、圧電素子（３４）に対
する印加電圧を調整することにより、該圧電素子（３４
）を変形させて、その先端部でオリフィス（３０）の開
度を制御するようにしている。

さらに、第１２図のものでは、圧電素子（３４）の中心
部に変形オリフィス（３０’　）が貫通形成されており
、圧電素子（３４）の変形に伴いオリフィス（３０’）
自体を変形させてその開度を調整する。これらのバルブ
（１６’）は、圧電素子（３４）を使用しているので、
その応答速度が速い特徴を有する。

そして、本実施例では、上記オリフィスバルブ（１６’
）の開度をコントロールユニット（５０）により制御す
るように構成されている。このオリフィスバルブ（１６
’）に対する制御の態様は上記第１実施例と同様であり
（第３図参照）、そのメモリ（ｍ２）で上記ディスプレ
ーサ（４）の予め設定された理想変位特性を記憶し、メ
モリ（ｍ２）では、ディスプレーサ（４）の今回及び次
回の移動サイクルを逐次記憶するとともに、変位計（２
３）により検出されたディスプレーサ（４）の変位特性
を上記メモリ（ｍ２）の理想変位特性と比較して、その
誤差の変化に基づき、今回の移動サイクルの制御指令を
修正して上記次回の移動サイクルの制御指令とする。そ
して、制御部（５７）では、上記メモリ（ｍ２）により
記憶される今回の制御指令に基づき、オリフィスバルブ
（１６）の開度を制御し、駆動室（８）とサージボリュ
ーム（１８）とのガス流通を調整して、ディスプレーサ
（４）の動きを制御するようにしている。

尚、高低圧制御バルブユニット（２０）に対しては通常
の制御が行われる。

したがって、この実施例では、膨脹機（１）の運転時に
おけるディスプレーサ（４）の変位が変位計（２３）に
より検出され、この変位信号がコントロールユニット（
５０）に入力され、そのコントロールユニット（５０）
の出力により、ディスプレーサ（４）の変位特性がメモ
リ（ｍ２）に記憶されている理想の特性に収束するよう
にオリフィスバルブ（１６）の開度が学習制御される。

よって、上記各実施例と同様に、膨脹機（１）のクール
ダウン前後でもディスプレーサ（４）の変位特性が絶え
ず理想特性に修正されるので、その理想特性により、デ
ィスプレーサ（４）のタッピングを抑制し、膨脹機（１
）の振動及び騒音を安定して低減することかでざる。

（第４実施例） 尚、上記第２実施例と同様の構成において、高低圧制御
バルブユニット（２０）に対しては通常の制御を行い、
その代り、シリン、ダ（２）内の駆動室（８）の圧力を
調整する切換バルブ（２８）を開閉制御するようにして
もよい。

すなわち、本発明の第４実施例は、その基本的な構成が
上記第２実施例と同様であり（第７図によって説明する
）、ディスプレーサ（４）の変位を変位計（２３）によ
って検出し、その変位特性がコントロールユニット（５
０）のメモリ（ｍ２）に記憶した理想特性になるよう切
換バルブ（２８）の開度を調整する。つまり、ディスプ
レーサ（４）が下降移動するストロークでは、そのシリ
ンダ（２）下端への衝突直前に切換バルブ（２８）を切
換位置（ｎ）に切り換えて、駆動室（８）を圧縮機の吸
込側に連通し、該駆動室（８）の圧力低下によりディス
プレーサ（４）の衝突を阻止するように、またディスプ
レーサ（４）の上昇ストロークでは、そのシリンダ（２
）上端への衝突直前に切換バルブ（２８）を切換位置（
１）に切り換えて、駆動室（８）を圧縮機吐出側に連通
し、該駆動室（８）の圧力を上昇させてディスプレーサ
（４）の衝突を阻止するように、それぞれ切換バルブ（
２８）を学習制御する。よって、この実施例では上記切
換バルブ（２８）により圧力調整手段が構成される。

したがって、この実施例でし上記各実施例と同様の作用
効果を奏することができる。

（第５実施例） また、第１３図は第５実施例を示す。この実施例では、
ディスプレーサ（４）の変位に代え、該ディスプレーサ
（４）変位に対応するサージボリューム（１８）内の圧
力を検出するようにしている。

すなわち、本実施例では、第１４図に示すように、サー
ジボリューム（１８）内の圧力はディスプレーサ（４）
の変位に対応していることに基づき、ディスプレーサ（
４）の変位を直接検出する代りに、サージボリューム（
１８）内の圧力を検出するための圧力計（３７）が具備
されている。

この圧力計（３７）の出力信号はコントロールユニット
（５０）に入力されており、このコントロールユニット
（５０）によりサージボリューム（１８）内の圧力が理
想圧力変化特性になるよう、高低圧制御バルブユニット
（２０）の開閉タイミング及び開度を学習制御するよう
にしている。

つまり、コントロールユニット（５０）のメモリ（ｍ２
）には、上記ディスプレーサ（４）の１サイクルにおけ
る理想の変位特性に対応して予め設定されたサージボリ
ューム（１８）内の理想の圧力変化特性が記憶されてい
る。また、メモリ（ｍ２）は、ディスプレーサ（４）の
今回の移動サイクルの制御指令を記憶するとともに、上
記圧力計（３７）により検出されたサージボリューム（
１８）内の圧力変化特性と上記メモリ（ｍ２）における
理想の圧力変化特性との誤差の変化に基づき、上記今回
の移動サイクルの制御指令を修正し次回の移動サイクル
の制御指令として記憶する。

さらに、制御部（５７）では、上記メモリ（ｍ２）によ
り記憶される今回の移動サイクルの制御指令に基づいて
バルブユニット（２０）の開閉タイミングないし開度を
制御するようになされている。

したがって、この実施例の場合、ディスプレーサ（４）
の往復動に伴い、その変位に対応してサージボリューム
（１８）内の圧力が第１４図に示すように変動する。こ
のサージポリ・ニーム（１８）内の圧力が圧力計（３７
）によって検出され、この圧力計（３７）の出力信号は
コントロールユニット（５０）に入力される。コントロ
ールユニット（５０）では、サージボリューム（１８）
内の圧力変化特性とメモリ（ｍ２）に記憶されている理
想特性との誤差の変化に応じてディスプレーサ（４）の
移動サイクルの制御指令が逐次修正され、その制御部（
５７）によりバルブユニット（２０）の開閉タイミング
ないし開度が制御される。よって、ディスプレーサ（４
）の゛動きをクールダウン前後でも一定に保持して、そ
のタッピングを常に安定して抑制することができる。

特に、この場合、ディスプレーサ（４）の変位を間接的
に検出するセンサとして圧力計（３７）を使用するため
、センサの信頼性を高めることができる利点がある。

（第６実施例） 第１５図は第６実施例を示す。この実施例では、基本的
には、上記第５実施例のようにサージボリューム（１８
）内の圧力変化を検出する構成とし、このサージボリュ
ーム（１８）の圧力に基づき、駆動室（８）とサージボ
リューム（１８）の間の流路に配設されるオリフィスバ
ルブ（１６）の開度を学習制御するようにしたものであ
る。よって、この実施例でも上記第５実施例と同様の作
用効果を奏することができる。

尚、上記各実施例では、ディスプレーサ（４）を直接ガ
ス圧により駆動するようにしたが、本発明は、シリンダ
内にスラックピストンを往復動可能に嵌挿して、該ピス
トンによりディスプレーサを駆動するタイプの膨脹機に
対しても適用することができる。

また、本発明は、上記各実施例の如きヘリウムガス以外
の冷媒ガスを使用するものへの適用が可能であるのはい
うまでもない。

（発明の効果） 以上説明の如く、請求項（１）、　（２１，（３）及び
（４）記載の発明によれば、ガス圧駆動式の極低温膨張
機において、シリンダに対するディスプレーサの変位、
又はシリンダ内の駆動室に連通ずるサージボリュームの
圧力変化を検出し、そのディスプレーサ変位又は圧力変
化が予め設定した理想特性になるよう、シリンダ内に対
するガスの給排を切り換えるためのバルブ手段、又はシ
リンダ内駆動室の圧力を調整するためのオリフィス手段
を学習制御するようにしたことにより、膨脹機のクール
ダウンの前後でガスの質量流量の変化によってディスプ
レーサの移動抵抗が変化しても、その変位特性又はサー
ジボリューム内圧力特性を、ディスプレーサがその移動
サイクルを繰り返す毎にディスプレーサがシリンダ上下
端に衝突しない理想特性に収束でき、よってクールダウ
ンの前後にも拘らず常に安定して、ディスプレーサのタ
ッピングを抑制して膨脹機の異常振動や騒音を低減する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の構成を示す図である。第２図〜第６図
は本発明の第１実施例を示し、第２図（よその全体構成
図、第３図は制御システムを示すブロック図、第４図は
ディスプレーサの変位特性を示す特性図、第５図は変位
計の取付構造を示す断面図、第６図は変位計の作動原理
を示す電気回路図である。第７図は第２実施例を示す第
２図相当図、第８図は切換バルブの変形例を示す図であ
る。 第９図〜第１２図は第３実施例を示し、ｔＩＳ９図は第
２図相当図、第１０図〜第１２図はそれぞれオリフィス
バルブの具体例を示す断面図である。第１３図及び第１
４図は第５実施例を示し、第１３図は第２図相当図、第
１４図はサージボリューム内の圧力変化及びディスプレ
ーサの変位の各特性を示す特性図である。第１５図は第
６実施例を示す第２図相当図である。第１６図は従来に
おけるディスプレーサの変位特性を示す特性図である。 （１）・・・膨脹機、（２）・・・シリンダ、（４）・
・・ディスプレーサ、（８）・・・駆動室、（９）、　
　（１０）・・・膨張室、（１６）、（１６’）・・・
オリフィスバルブ（圧力調整手段）、（１８）・・・サ
ージボリューム、（２０）・・・高低圧制御バルブユニ
・ソト（バルブ手段）、（２３）・・・変位計（ディス
プレーサ変位検出手段）、（２８）、（２８’）・・・
切換バルブ（圧力調整手段）、（３７）・・・圧力計（
圧力検出手段）、（５０）・・・コントロールユニット
、（ｒｒ＋＋）・・・・メモリ（第１の記憶手段）、（
ｍ２）・・・メモリ（第２の記憶手段）、（５７）・・
・制御部（制御手段）。 第 図 第１０図 第 図 第 図 晴間 第１４図 時間

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）密閉状のシリンダ（２）と、該シリンダ（２）内
   に往復動可能に嵌装され、シリンダ（２）内空間に膨脹
   室（９）、（１０）を区画形成するディスプレーサ（４
   ）と、圧縮機から吐出されたヘリウム等の冷媒ガスの上
   記膨脹室（９）、（１０）に対する給排を切り換えるバ
   ルブ手段（２０）とを備え、バルブ手段（２０）の切換
   えに伴いディスプレーサ（４）を往復動させて、冷媒ガ
   スの膨脹室（９）、（１０）での膨張により極低温レベ
   ルの寒冷を発生させる極低温膨張機において、上記ディ
   スプレーサ（４）の変位を検出するディスプレーサ変位
   検出手段（２３）と、上記ディスプレーサ（４）の移動
   サイクルにおける予め設定された理想変位特性を記憶す
   る第１の記憶手段（ｍ＿１）と、今回の移動サイクルの
   制御指令及び次回の移動サイクルの制御指令を逐次記憶
   し、かつ上記ディスプレーサ変位検出手段（２３）によ
   り検出されたディスプレーサ（４）の変位特性を上記第
   １の記憶手段（ｍ＿１）の理想変位特性と比較して、そ
   の誤差の変化に基づいて今回の移動サイクルの制御指令
   を修正し、次回の移動サイクルの制御指令とする第２の
   記憶手段（ｍ＿２）と、今回の移動サイクルの制御指令
   に基づいて上記バルブ手段（２０）を作動制御する制御
   手段（５７）とを設けたことを特徴とする極低温膨脹機
   の制御装置。
2. （２）密閉状のシリンダ（２）と、該シリンダ（２）内
   に往復動可能に嵌装され、シリンダ（２）内空間を膨脹
   室（９）、（１０）及び中間圧室（８）に区画形成する
   ディスプレーサ（４）と、上記駆動室（８）の圧力を調
   整する圧力調整手段（１６）、（２８）と、圧縮機から
   吐出されたヘリウム等の冷媒ガスの上記膨脹室（９）、
   （１０）に対する給排を切り換えるバルブ手段（２０）
   とを備え、バルブ手段（２０）の切換えに伴いディスプ
   レーサ（４）を往復動させて、冷媒ガスの膨脹室（９）
   、（１０）での膨張により極低温レベルの寒冷を発生さ
   せる極低温膨張機において、上記ディスプレーサ（４）
   の変位を検出するディスプレーサ変位検出手段（２３）
   と、上記ディスプレーサ（４）の移動サイクルにおける
   予め設定された理想変位特性を記憶する第１の記憶手段
   （ｍ＿１）と、今回の移動サイクルの制御指令及び次回
   の移動サイクルの制御指令を逐次記憶し、かつ上記ディ
   スプレーサ変位検出手段（２３）により検出されたディ
   スプレーサ（４）の変位特性を上記第１の記憶手段（ｍ
   ＿１）の理想変位特性と比較して、その誤差の変化に基
   づいて今回の移動サイクルの制御指令を修正し、次回の
   移動サイクルの制御指令とする第２の記憶手段（ｍ＿２
   ）と、今回の移動サイクルの制御指令に基づいて上記圧
   力調整手段（１６）、（２８）を作動制御する制御手段
   （５７）とを設けたことを特徴とする極低温膨脹機の制
   御装置。
3. （３）密閉状のシリンダ（２）と、該シリンダ（２）内
   に往復動可能に嵌装され、シリンダ（２）内空間を膨脹
   室（９）、（１０）及び駆動室（８）に区画形成するデ
   ィスプレーサ（４）と、上記駆動室（８）に連通するサ
   ージボリューム（１８）と、圧縮機から吐出されたヘリ
   ウム等の冷媒ガスの上記膨脹室（９）、（１０）に対す
   る給排を切り換えるバルブ手段（２０）とを備え、バル
   ブ手段（２０）の切換えに伴いディスプレーサ（４）を
   往復動させて、冷媒ガスの膨脹室（９）、（１０）での
   膨張により極低温レベルの寒冷を発生させる極低温膨張
   機において、上記サージボリューム（１８）内の実際の
   圧力を検出する圧力検出手段（３７）と、上記ディスプ
   レーサ（４）の移動サイクルにおける上記サージボリュ
   ーム（１８）内の予め設定された理想の圧力変化特性を
   記憶する第１の記憶手段（ｍ＿１）と、今回の移動サイ
   クルの制御指令及び次回の移動サイクルの制御指令を逐
   次記憶し、かつ上記圧力検出手段（３７）により検出さ
   れたサージボリューム（１８）内の圧力変化特性を上記
   第１の記憶手段（ｍ＿１）の理想の圧力変化特性と比較
   して、その誤差の変化に基づいて今回の移動サイクルの
   制御指令を修正し、次回の移動サイクルの制御指令とす
   る第２の記憶手段（ｍ＿２）と、今回の移動サイクルの
   制御指令に基づいて上記バルブ手段（２０）を作動制御
   する制御手段（５７）とを設けたことを特徴とする極低
   温膨脹機の制御装置。
4. （４）密閉状のシリンダ（２）と、該シリンダ（２）内
   に往復動可能に嵌装され、シリンダ（２）内空間を膨脹
   室（９）、（１０）及び駆動室（８）に区画形成するデ
   ィスプレーサ（４）と、上記駆動室（８）に連通するサ
   ージボリューム（１８）と、上記駆動室（８）の圧力を
   調整する圧力調整手段（１６）、（２８）と、圧縮機か
   ら吐出されたヘリウム等の冷媒ガスの上記膨脹室（９）
   、（１０）に対する給排を切り換えるバルブ手段（２０
   ）とを備え、バルブ手段（２０）の切換えに伴いディス
   プレーサ（４）を往復動させて、冷媒ガスの膨脹室（９
   ）、（１０）での膨張により極低温レベルの寒冷を発生
   させる極低温膨張機において、上記サージボリューム（
   １８）内の実際の圧力を検出する圧力検出手段（３７）
   と、上記ディスプレーサ（４）の移動サイクルにおける
   上記サージボリューム（１８）内の予め設定された理想
   の圧力変化特性を記憶する第１の記憶手段（ｍ＿１）と
   、今回の移動サイクルの制御指令及び次回の移動サイク
   ルの制御指令を逐次記憶し、かつ上記圧力検出手段（３
   ７）により検出されたサージボリューム（１８）内の圧
   力変化特性を上記第１の記憶手段（ｍ＿１）の理想の圧
   力変化特性と比較して、その誤差の変化に基づいて今回
   の移動サイクルの制御指令を修正し、次回の移動サイク
   ルの制御指令とする第２の記憶手段（ｍ＿２）と、今回
   の移動サイクルの制御指令に基づいて上記圧力調整手段
   （１６）、（２８）を作動制御する制御手段（５７）と
   を設けたことを特徴とする極低温膨脹機の制御装置。