JPH042373Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本考案は、Heガス液化システムなど用いられ
るレシプロ型極低温膨張機の弁駆動装置に関する
ものである。

［従来の技術］ 例えば、Heガスの液化システムに利用される
膨張機の断熱膨張と熱交換器による熱交換の組合
せで順次Heガスを冷却して行き、最終的にジユ
ール・トムソン弁で自由膨張させて液体Heを得
るようにしたクロード・サイクルにおいては、そ
の極低温膨張機にレシプロ型のものを用いる場
合、システム効率を高める上で膨張室に対する外
部からの熱侵入を出来るだけ少なくすることが技
術的課題である。このため膨張機の可動部分をな
す吸、排気弁の駆動装置をどのようなものに構成
するかが一つの重要な問題となつて来ている。す
なわち、ソレノイドのような発熱原因を有する駆
動源を膨張機の低温側近傍に配設する手段は熱侵
入を防ぐ上で好ましくないことは勿論であるし、
また弁の駆動系に摩擦を起すような機構を採用す
ることも不適である。一方、膨張機の低温側から
発熱原因を除くという見地からは、吸、排気弁の
駆動源を膨張機の常温側の外部に配設し、これら
を膨張機サイクルに同期させて機械的に駆動する
のが有利であるが、反面この場合には駆動装置の
機構が複雑化することを免れない。つまり、この
ようにすると、常温側の駆動源から低温側の吸、
排気弁に動作を伝えるための弁駆動部材を、少な
くとも弁を格納する各バルブ室から膨張機本体を
包囲して設置される断熱真空室に貫設しなければ
ならず、これに伴ない作動ガスが充満される各バ
ルブ室と断熱真空室内部との間等でのガス漏れを
確実に防止するシール構造が必要となることであ
る。

［考案が解決しようとする問題点］ 本考案は、以上のような事情に着目してなされ
たものであつて、上記後者の考えに基づきレシプ
ロ型極低温膨張機の弁駆動装置として、その低温
側に発熱源や余分な摩擦部分を有さず従つて外部
からの熱侵入を有効に防止できるとともに、この
さいその弁駆動部材がそのバルブ室から周囲の断
熱真空室を貫通することによるシール問題も簡単
確実に解決することができる構造簡易にして合理
的なものを提供しようとするものである。

［問題点を解決するための手段］ 本考案は、このような目的を達成し得るものと
して、レシプロ型膨張機本体の低温側でその膨張
室の吸気ポートと排気ポートに設けられる吸気弁
と排気弁を、これら吸、排気弁を格納するバルブ
室から前記膨張機本体を包囲している断熱真空室
に各々貫設した槓杆の揺動で開閉するようにした
弁駆動装置であつて、前記槓杆のバルブ室側端部
に前記吸気弁と前記排気弁とを各々固設する一
方、その真空室側端部に該槓杆をその長手方向中
途部の支点まわりに揺動させる往復ロツドを各々
枢結し、さらに前記バルブ室と前記断熱真空室と
を隔つ隔壁を貫通する部位の槓杆まわりにこれら
両室を気密に仕切るダイヤフラムを張設するとと
もに、該槓杆の前記支点を該ダイヤフラムの張設
平面の近傍に位置決めしたことを特徴とする膨張
機の弁駆動装置を提供する。

［作用］ このように構成したものであれば、常温側に例
えばカム機構などでその槓杆の一端に枢結される
往復ロツドを膨張機のサイクルに同期させて各々
往復動させる駆動源を設けるようにすれば、これ
ら往復ロツドの往復動に連動して槓杆がその支点
まわりに揺動し、各バルブ室側端部に固設される
吸気弁と排気弁とが交互にその弁座に接離し、吸
気ポートと排気ポートとを各々所定のタイミング
で確実に開閉させることができる。このさい、槓
杆が貫出する断熱真空室へのバルブ室からのガス
漏れは、両室を隔つ隔壁を貫通する部位の槓杆ま
わりに張設したダイヤフラムがこれを有効にシー
ルすることになり、しかもそのさい槓杆の支点を
該ダイヤフラムの張設平面の近傍に位置させてい
るので、槓杆が繰り返し揺動運動しても該ダイヤ
フラムの位置では殆ど変位せず、したがつてダイ
ヤフラムを殆ど静止状態に保つことが可能とな
る。

［実施例］ 以下、本考案の一実施例を図面を参照して説明
する。

第１図は本考案に係るレシプロ方式の極低温膨
張機の要部を示している。この種の膨張機は、例
えば、第６図に示すようなクロード・サイクルの
He液化装置に利用されるものである。すなわち、
この液化装置は具体的には、コンプレツサａと、
このコンプレツサａから圧送される高圧ヘリウム
ガスを導き最終的にこれをジユール・トムソン弁
ｃで自由膨張させてデユワーｄ内に液体ヘリウム
のミストを含んだガスを吹き出させるための給気
系路ｂと、デユワーｄ内で気化したヘリウムガス
を前記コンプレツサａの吸気側に戻しヘリウムガ
スを循環するための排気系路ｅとを具備してなる
とともに、さらに前記排気系路ｅを流通するガス
の冷熱を前記給気系路ｂを流通するガスに移して
予冷するための適数段の熱交換器f₁〜f₅と、前記
給気系路ｂを通る高圧ガスの一部を導入してこれ
を断熱膨張により冷却してから前記排気系路ｅに
戻す適数段の膨張機g₁，g₂とを備えてなるもので
あつて、第１図の膨張機はこのg₁，g₂に使用され
るものを図示している。なお、この種の極低温冷
凍機では、大きな冷凍能力を得るためにHe流量
が多いシステムの場合ではタービン方式の膨張機
を使用するのが通例であるが、小流量の場合では
効率面で有利となるレシプロ型のものが好んで使
用される。

しかして、第１図についてこの膨張機の構成を
その弁駆動装置とともに説明すると、膨張機本体
１はシリンダ２内にピストン３を往復動可能に嵌
装してなり、その低温側端のシリンダ底版２ａと
の間に拡縮可能な膨張室４を形成している。この
膨張機本体１のシリンダ２のまわりには、外部か
らの熱侵入を遮断すべく中空の断熱真空室５が囲
設されている。そして、前記膨張室４には、その
シリンダ底版２ａから該膨張室４に開口する吸気
ポート６と排気ポート７とが設けられ、さらに該
シリンダ底版２ａを挟む膨張室４の底部に前記吸
気ポート６と前記排気ポート７を交互に開閉する
吸気弁８と排気弁９を各々格納する互いに区画さ
れたバルブ室１０，１１を付設している。このバ
ルブ室１０と１１内に各々格納される吸気弁８と
排気弁９は、図示例の場合キノコ形をなし、共に
吸気ポート６と排気ポート７の底面側に形成した
弁座８ａ，９ａに対向配置され、かつその上下動
による弁座８ａ，９ａとの接離でポート６，７を
開閉するものとしている。そして、この吸気弁８
と排気弁９とは、各々のバルブ室１０，１１から
周囲の断熱真空室５に貫設した槓杆１２，１３の
一端に固設されており、この各槓杆１２，１３の
揺動運動を利用して吸気ポート６と排気ポート７
を開閉するようにしている。

この槓杆１２，１３の支持および揺動機構につ
いて詳述すると（共通する機構を具備しているの
で図では吸気弁８側の機構のみ図示している）、
槓杆１２は前記バルブ室１０を形成する外壁１４
の一側に設けた貫通口１５を通して外周の真空断
熱室５に貫設されており、前述のようにそのバル
ブ室側端部にはその上面側に吸気弁８を固設して
いる一方、これと反対側の真空室側端部には継手
１６を介し往復ロツド１７が枢結されている。こ
の往復ロツド１７は、膨張機本体１の常温側から
低温側に向けて断熱真空室５内に上方から貫設し
たもので、その常温側端は、図示省略している
が、膨張機本体１の前記ピストン３を往復動する
駆動手段とカム機構で該ロツド１７を往復動させ
るようにした駆動源と連結されている。そして、
この往復ロツド１７はその上下昇降運動を槓杆１
２に該槓杆１２の長手方向中途部にある支点Ｓま
わりに揺動させる揺動運動に変換して伝達する。
すなわち、往復ロツド１７が降下すると他端側の
吸気弁８が上昇して吸気ポート６を閉塞し、往復
ロツド１７が上昇すると他端側の吸気弁８が下降
して吸気ポート６を開放する。

さらに、この槓杆１２が前記バルブ室１０と前
記断熱真空室５とを隔つ隔壁を貫通する部位、即
ち前記外壁１４の貫通口１５において、これら両
室の気密性を保持すべく該貫通口１５を塞ぐよう
にして槓杆１２のまわりにダイヤフラム１８を張
設している。このダイヤフラム１８は、図示例の
場合その半径中央部で１回折り返して設けた環状
撓み部１８Ｃを有する中空薄膜体のものを用いて
いるとともに、その外周縁部１８ａをバルブ室外
壁１４の内側に貼着し他方その内周縁部１８ｂを
槓杆１２に挟着して、該槓杆１２のまわりに気密
に張設している。なお、槓杆１２はこのダイヤフ
ラム内周縁部１８ｂを挟持するために、そのバル
ブ室側と真空室側を２つの杆部１２ａ，１２ｂに
分離しているとともに、両者のインロー継手部１
２ｃに該ダイヤフラム内周縁部１８ｂを挟み込ん
で一体に繁着する連結構造を有している。また、
この槓杆１２は、その真空室側の杆部１２ａの両
側から一体に延出した一対のサイドアーム１９，
１９および支軸２０，２０によつてバルブ室外壁
１４の側壁に揺動自由に枢支されているととも
に、その揺動支点をなす支軸２０，２０の軸心ｓ
を前記開口部１５に張設したダイヤフラム１８の
張設平面に一致させている。

なお、槓杆１２や往復ロツド１７等の可動部材
は、なるべく熱伝導性の低いステンレス鋼等で形
成される。また、図中２１は前記バルブ室１０お
よび前記吸気ポート６を通して前記膨張室４に
Heガス（作動ガス）を導入する吸気管を示す
（バルブ室１１には図示されない側に排気管が接
続される）。

上記構成からなる弁駆動装置の作用、効果につ
いて説明する。

常温側に配設される駆動源で断熱真空室５内に
貫設される往復ロツド１７を膨張機本体１のサイ
クルに同期させて往復動させると、これに連動し
て槓杆１２がその支点ｓまわりに揺動し、これに
伴ないその一端に固設された吸気弁８が昇降運動
してその弁座８ａに接当離反し、吸気ポート６を
開閉することになる。そして、排気ポート７側の
排気弁９も図示省略した同様の機構で開閉され、
これら吸、排気弁８，９の所定のタイミングでの
交互の開閉により、膨張機本体１に必要な断熱膨
張サイクルを営ませることができる。そして、こ
のようなものであれば、その弁駆動源を膨張室４
近傍の低温側に設けなくともよく、また、後に述
べるようにその可動部分は摩擦を起す部分が殆ど
無いので膨張機の効率低下を来たす熱侵入の原因
が有効に除かれる上に、その吸、排気弁８，９の
動作部材たる槓杆１２がバルブ室１０，１１から
断熱真空室５に貫通することに伴なう難点も的確
に解決することができるものとなる。

すなわち、一端の往復ロツド１７の上下動でそ
の支点ｓまわりに揺動される槓杆１２は、該支点
ｓをバルブ室１０と断熱真空室５を気密に仕切る
ダイヤフラム１８の張設平面に一致させてバルブ
室外壁１４に枢支しているので、第２図に示すよ
うに、槓杆１２が揺動運動してもダイヤフラム１
８を挟む前記継手部１２ｃの近傍では殆ど変位が
無く、したがつて、ダイヤフラム１８を殆ど静止
状態に保つことができるものとなる。このため、
ダイヤフラム１８と槓杆１２とが摩擦を起す不都
合が確実に回避されるとともに、ダイヤフラム１
８自体に無理な力や変形を惹起しないため該ダイ
ヤフラム１８に耐久性と恒久的なシール性能が保
証されるものとなる。換言すれば、このように支
点ｓの位置とその張設平面とを一致させたことに
より、ヘリウムガスが充満されるバルブ室１０か
ら断熱真空室５へのガス漏れをダイヤフラム１８
によつて確実に阻止するシール構造が実現される
のである。そして、槓杆１２には外側の断熱真空
室５と内側のバルブ室１０で大きな圧力差があつ
ても、その支点ｓまわりには回転に対する抗力を
生じ得ないし、また前述のようにダイヤフラム１
８との接触抵抗も無視できるから、往復ロツド１
７を介し軽い駆動力で円滑に動作させることが可
能である。

以上、一実施例について説明したが、本考案は
勿論この図示の実施例に限定されるものではな
い。例えば、上記実施例の場合槓杆１２の支持構
造として該槓杆１２から一体的に連結したサイド
アーム１９，１９および支軸２０，２０を延出す
るものを示したが、これは第３図に示すように、
分解組立式のサイドアーム１９、支軸２０，２
０、ボルト２２等からなるもので置換してその支
持構造の簡略化を図ることもできる。そして、槓
杆１２の支持手段はその揺動支点が所定の平面に
位置決めされるものであれば、具体的な形式を問
わず、最も簡易にはダイヤフラム１８で直接これ
を支持させるようにすることもできる。

また、吸、排気弁８，９の形式についても、上
記実施例の場合槓杆１２のバルブ室端部にキノコ
形弁を一体的に固設し、これを吸、排気ポート
６，７の対面する弁座８ａ，９ａに嵌合状に接離
させるものを例示したが、これは第４図のような
形式の弁機構等に変更してもよい。すなわち、こ
の変形図示例では、フラツトなバルブ面を有する
可傾動弁８，９を対面する吸、排気ポート６，７
のフラツトな弁座８ａ，９ａに槓杆１２の揺動運
動で接離させるようにしたものである。

さらに、ダイヤフラム１８の種類、張設手段等
についても、その他様々に改変することができ
る。例えば、上記実施例の場合その半径方向の中
間に撓み部１８ｃを有する形状のものを使用した
が、これは単に薄板状のものであつてもよい。ま
た、貫通口１５に設けるダイヤフラム１８の枚数
も必ずしも１枚に限るものではなく、必要ならば
多段に設けるようにしてもよい。第５図は、この
ようなものの一例を図示し、バルブ室外壁１４に
設けた貫通口１５のバルブ室１０，１１側と断熱
真空室５側の両側にダイヤフラム１８，１８を２
段に張設している。なお、ダイヤフラム１８を多
段に設ける場合では、槓杆１２の揺動支点ｓをそ
れらの各張設平面の近傍に位置決めするように
し、各ダイヤフラム１８の変位を出来るだけ少な
くするようにする。またダイヤフラムの代りにベ
ローズなどを利用でき、要は弾性盤状体であれば
よい。

なお、槓杆１２や往復ロツド１７、その他の部
材の断面形状は勿論自由であつて、例えば矩形断
面のものであつてもよい。

［考案の効果］ 以上のように、本考案によれば低温側にその
吸、排気弁を駆動するための駆動源を設けなくて
済み、またその可動部分の摩擦も殆ど無い機構が
実現されるから、極低温膨張機に対する熱侵入原
因を有効に除くことができ、しかもそのさい吸、
排気弁を直接動作させる槓杆がバルブ室から周囲
の断熱真空室に貫設されることに伴なう構造上の
難題も槓杆の支点近傍に位置決めして張設したダ
イヤフラムによつて合理的に解決することがで
き、断熱真空室へのガス漏れを確実に防止できる
弁駆動装置を提供することができたものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案の一実施例を示す極低温膨張機
の要部破断斜視図であり、第２図はその作動を示
す作用説明図である。第３図は一部変形例を示す
斜視図であり、第４図と第５図は同各側面図であ
る。第６図は本考案に係る膨張機の使用例を示す
冷凍サイクルの概略図である。 １……膨張機本体、４……膨張室、５……断熱
真空室、６……吸気ポート、７……排気ポート、
８……吸気弁、９……排気弁、１０，１１……バ
ルブ室、１２，１３……槓杆、１４……バルブ室
外壁（隔壁）、１５……貫通口、１７……往復ロ
ツド、１８……ダイヤフラム、１９……サイドア
ーム、２０……支軸、ｓ……揺動支点。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. レシプロ型膨張機本体の低温側でその膨張室の
   吸気ポートと排気ポートに設けられる吸気弁と排
   気弁を、これら吸、排気弁を格納するバルブ室か
   ら前記膨張機本体を包囲している断熱真空室に
   各々貫設した槓杆の揺動で開閉するようにした弁
   駆動装置であつて、前記槓杆のバルブ室側端部に
   前記吸気弁と前記排気弁とを各々固設する一方、
   その真空室側端部に該槓杆をその長手方向中途部
   の支点まわりに揺動させる往復ロツドを各々枢結
   し、さらに前記バルブ室と前記断熱真空室とを隔
   つ隔壁を貫通する部位の槓杆まわりにこれら両室
   を気密に仕切る弾性盤状体を張設するとともに、
   該槓杆の前記支点を該弾性盤状体の張設平面の近
   傍に位置決めしたことを特徴とする膨張機の弁駆
   動装置。