JPH0432302B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は低温冷凍装置の改良に関する。

これまで低温冷凍装置に対する高まる需要を満
たすべく、多種類の形式の冷凍装置が開発されて
きた。これらの冷凍装置は全て冷凍のために適切
な熱交換を有する膨張流体の制御サイクルに基づ
くもので、米国特許第2996034号、第2996035号、
第3274786号、第3333433号、第3312239号、第
3321926号、第3625015号、第3673809号、第
3717004号、第3733837号、第3788088号、第
3802211号、第3884259号、第4036027号、第
4078389号、第4118943号およびこれらの特許に引
用されている先行技術さらには英国特許第
1352153号に例示されている。

本発明は、米国特許第2996035号および第
3625015号に記載された冷凍サイクルを実施する
のに適する改良型の冷凍装置に向けられている。

米国特許第2996035号の冷凍サイクルは高圧流
体が「温い」室に導かれ、かつ蓄熱路に沿つて変
化する容積の少なくとも１つの「冷たい」膨張室
に入ることを必要とし、膨張室の容積は、デイス
プレイサーの運動によつて変化し、又流体は低圧
で低圧流体溜めまたはコンプレツサの入口に排出
される。このようなサイクルにあつては、流体の
流れの制御とデイスプレイサーの運動は、継続的
かつ性格に調時されねばならず、流体を制御する
弁の作用は、デイスプレイサーの運動と適切に調
和して作動しなければならない。

米国特許第3625015号の冷凍装置にあつては、
デイスプレイサーの往復運動は、機械的駆動手段
によつて行なわれ、流体の流れを制御する弁調節
は、デイスプレイサー用の駆動手段に機械的にリ
ンクされた回転弁によつて行なわれる。

回転弁構造は、信頼性はあるが、比較的複雑で
且つデイスプレイサーを駆動するスコツチヨーク
クランクと、このスコツチヨーククランクを冷凍
装置用の始動装置として作用する電動機に接続す
る主駆動軸との間に介在させる。

本発明の主な目的は、比較的構成が簡単、かつ
小型で点検のために取外すのが容易で、スコツチ
ヨークの始動装置への接続に影響を与えることな
く、しかも始動装置ではなしにデイスプレイサー
によつて直接作動される新規な弁を回転弁に代え
て用いることにより米国特許第3625015号の冷凍
装置に改良を加えようとするにある。

本発明の更に特別な目的は、種々の冷却容量に
製作可能であり、比較的小型で分離修理が容易で
制御された冷却サイクルを与える低温冷却装置を
提供するにある。「冷凍機、冷凍装置」なる語は
ここでは包括的な意味で用いられ、かつまた液化
器を含むことを意味する。

本発明の特別な目的は、デイスプレイサーがそ
の上向または下向工程のほぼ終点にきたときにの
みガス流動（導入または排出）の向きが変つて、
これにより大容量のガスが再生器を通過して、そ
の結果、確実に良好な冷凍効率が得られるように
デイスプレイサーによつて作動可能に配設された
新規な弁調節によつて特徴づけられた、機械的に
駆動されるデイスプレイサーを備えた改良型の冷
凍装置を提供するにある。

本発明の冷凍装置は、その好適な実施にあつて
は、シリンダ、シリンダ内で可動なデイスプレイ
サー、シリンダとデイスプレイサーによつて形成
された容積可変の第１と第２の室、第１と第２の
室の容積を交互に増減させるようにデイスプレイ
サーをシリンダ内で往復動させるためにデイスプ
レイサーに機械的に接続された駆動手段、流体が
第１と第２の室の間に流れるように第１と第２の
室のそれぞれと協動する蓄熱手段、第２の室と協
動する熱交換手段、デイスプレイサーの運動に基
づいて冷媒流体を第１の室に導出入させるために
デイスプレイサーに作動可能に接続されたすべり
弁となつている弁手段のそれぞれを備えている。
デイスプレイサーは、下記の４行程からなる制御
された往復運動、即ち、(a)第１の限界位置におけ
る停滞(b)第１の限界位置から第２の限界位置へ向
かう運動(c)第２の限界位置における停滞、および
(d)第１の限界位置に戻る運動を受ける。すべり弁
は、デイスプレイサー運動の連続する２行程の間
に高圧流体を第１の室に導入し、デイスプレイサ
ー運動の連続する他の２行程の間に低圧流体を第
１の室から排出させる。すべり弁は、第１と第２
の限界位置に近づくときデイスプレイサーによつ
てのみ作動する往復動弁部材と、往復動弁部材が
摺動可能に設けられている弁ケーシングとを備え
ている。弁ケーシングは、ヘツダ内に取付けら
れ、また往復動弁部材は、デイスプレイサーを駆
動手段に作動可能に接続する軸を摺動可能に収容
できるように配設される。

本発明のその他の特徴および多くの付随する利
点は、本発明の特別に好ましい実施例について図
面を参照して行なわれる以下の説明により明らか
にされよう。

各図のそれぞれを通じ、同一符号が同一部材を
示すのに用いられ、また図面は必らずしも正確な
縮尺ではないが、その代り本発明の原理を明確に
示すことを主眼とした。

図示の本発明実施例に関し、以下に述べる詳細
な説明において「上部」「下部」「温い」「冷たい」
などの言葉は、便宜上のため、かつ相対的な意味
で用いられ、冷凍装置は、いかように配置しても
よく、また図示の位置は、詳細な説明を行なう上
での便宜上のものであり、かつまた方向も通常の
実施に当つて定められるものである。ヘリウムは
好ましい作動流体ではあるけれども、本発明で
は、空気および窒素に限らずこれらも含めて所要
の冷凍温度に応じて、ヘリウム以外のガスを使用
してもよいことは当然である。

第１図から第４図までを参照すると、本発明の
望ましい実施例は、ヘツダ本体２とヘツダキヤツ
プ３からなるメタルヘツダ組立体を備えているの
がわかる。ヘツダ本体２は、その内部に制御弁４
を支持する。この制御弁４は、熱交換器１０を備
えたメタルシリンダ１６内に設けたデイスプレイ
サー１１と協働する熱再生器１０を介してメタル
シリンダ１６の上下部に夫々形成される第１容積
可変室６（第４図）と第２容積可変室８（第１
図）とに出入する気相、例えば、ヘリウム等の冷
媒流体の流れを制御する。ヘツダ本体２には、ヘ
ツダキヤツプ３のフランジ３０の穴を貫通し、円
形の取付リング２２のねじ穴に螺入されるねじ２
０を入れる開口が設けられるので、ヘツダ本体、
ヘツダキヤツプおよび取付リングはユニツトとし
て互いに連結される。このユニツトは、ねじ２４
により取付板２６に締付けられる。取付リング２
２は、ヘツダ本体２の短かい延長部２８を具合よ
く収容する大きさにされた中央開口をもつ一方、
取付板２６にはメタルシリンダ１６を収容する大
径の開口３０′が形成される。メタルシリンダ１
６の上方端は、取付リング２２の深座ぐり３２内
に納められ、かつ適当な手段、好ましくは溶接ま
たはろう付によつて取付リングに固着される。そ
の結果、メタルシリンダ１６、取付リング２２、
ヘツダキヤツプ３およびヘツダ本体２は、分離し
た補助組立体をなす。

ヘツダ本体２には、可変の直径をもつた長手方
向に延在する孔が形成される。第１図および第２
図に示すように、孔は、大径の下方部３４と、比
較的小径の中間部と、下方部と中間部の直径の間
の大きさの直径をもつ上方部３６とからなつてい
る。

すべり弁のケーシング３８は、孔の下方部３４
内に設けられ、すべり弁部材４０と共に制御弁４
をなしている。弁ケーシング３８は、大径の下方
部３４内に巧くはまるような大きさにされ、かつ
例えば符号４２で示す如きロールピンまたはその
他の適切な締付手段、例えば、ねじ接続もしくは
止めねじによつて適所に保持される。図示の実施
例では弁ケーシング３８は、セラミツク材料で作
られ、かつすべり弁部材４０は、メタルスペーサ
スリーブ５０によつて隔てられた第１と第２のセ
ラミツクリング４６，４８を外面に取付けたメタ
ルスリーブ４４からなつている。セラミツクリン
グ４６，４８は、弁ケーシング３８内にぴつたり
とすべりばめされる大きさにされる。メタルスリ
ーブ４４は、第２セラミツクリング４８と協動し
て円形かつ波形のワツシヤ状ばね４７と、これを
囲む摩擦リング４９を係止する。ワツシヤ状ばね
４７は摩擦リング４９を弁ケーシング３８に圧接
し、その結果すべり弁部材４０は、以下に述べる
ようデイスプレイサーによつて弁ケーシング３８
に対して動かされることのない限り動くことはな
い。摩擦リング４９は、適切な弾性物質のいずれ
で作つてよく、例えば弁ケーシングに対し適当な
摩擦係数をもつた金属ゴム又はプラスチツクで作
られる。すべり弁部材は、際限のない程度までは
冷却されることはないので、摩擦リング４９に対
する材料は広い範囲で選択できる。

引続き第１図と第２図を参照すると、弁ケーシ
ングには同じ大きさの複数のポート５２，５４，
５６が軸方向に離間して形成されている。ポート
５２は、低圧出口ポートで、ポート５４は、移送
ポート、更にポート５６は、高圧入口ポートであ
る。複数のポートの各々は、一方のポートが他方
のポートに対し直径方向に対向するように配設さ
れたポートと共に合わせて偶数になつている。か
かる構成は、すべり弁部材４０まわりの液体圧が
均一になるのを確実に助けるので、すべり弁部材
４０が弁ケーシング３８に強く押されて弁の適正
な作動を妨げる牽引力を生じさせるようなことは
ない。

ポート５２，５４，５６と整合するようにヘツ
ダ本体２には円周方向にのびる３つのみぞ６０，
６２，６４がそれぞれある。みぞ６０は、ヘツダ
本体２の上端で終り、かつヘツダ本体２の上端
と、ヘツダキヤツプ３との間に形成された室６８
と連通する円周方向に配置されたいくつかの第１
通路６６と連通している。次にある下方の環状の
みぞ６２は、第１容積可変室６に導かれる複数の
第２通路７０と接続する。最下方の環状のみぞ６
４は、ヘツダ本体２に取付けた管継手７６に形成
された入口ポート７４に導かれる通路７２に接続
される。管継手７６は、高圧ガス源に導かれる導
管８０に接続されるようになつている。

第１図および第２図を再び参照すると、すべり
弁部材４０のメタルスリーブ４４は、上方部３６
内に取付けた軸受８６によりヘツダ本体２内に摺
動可能に受けた軸８４を囲む。シール部材９０は
軸受８６上に配置され、ヘツダ本体からの軸を摺
動可能に密封する。シール部材９０は、ヘツダ本
体２に取付けたねじで適所に保持される係止板９
２により適所に係止される。

すべり弁部材４０のメタルスリーブ４４は、８
４と係合しないような大きさにされる。メタルス
リーブ４４の下端は、フランジ９４を形成するよ
う拡大されている。軸８４は、メタルスリーブ４
４を通つてプラグ９６のメクラ穴に入り、これら
２つは、ロールピン９８でともに固定される。望
ましくは、プラグ９６は、すべり弁部材用のスト
ツパとして働くようにフランジ９４とほぼ同じ外
径をもつのがよい。

弁スリーブ４４の下端とフランジ９４は、デイ
スプレイサー１４の上端に形成された穴１００に
のびている。デイスプレイサーとプラグ９６の開
口に整合しておかれたロールピン１０２はデイス
プレイサーを軸８４に固定する働きをするので、
これらは、メタルシリンダ１６に対しユニツトと
して動く。

軸８４の上端は、第５図に示すように、環状に
カーブを画き、やや大きくされた両端１１２で終
つている長い水平スロツト１１０をもつたスコツ
チヨーク１０８に固着される。スコツチヨーク１
０８の片側にはみぞ１１４が設けられて案内ねじ
の端部を摺動可能に受入れている。案内ねじ１１
６は、ヘツダキヤツプ３の孔にねじ込まれてスコ
ツチヨークと接触し軸８４が回転しないようにし
ている。別の軸８４Ａは、スコツチヨーク１０８
の上端に取付けられ軸８４の延長部として働いて
いる。この別の軸８４Ａの上端は、ヘツダキヤツ
プ３の孔にある軸受１１８に摺動可能に取付けら
れる。補助キヤツプ１２０は、ヘツダキヤツプ３
に取付けられて別の軸８４Ａが作動行程の上向終
端に届いたときは、その軸上端を受入れるように
している。シール１２４は、室６８に流体圧を保
持するようにキヤツプ部材１２０′を密封する。

第１図及び第２図に関して再び述べると、ヘツ
ダキヤツプ３の側壁には開口１２６が設けられ、
この開口を介して本冷凍装置の原動機として働く
電動機１３０の作動軸１２８が貫通している。ク
ランクハブ１３４は、作動軸１２８の自由端に取
付けられる。モータフランジ１３１は、ねじ１３
２によりヘツダキヤツプに取付けられる。クラン
クピン１３６は、クランクハブ１３４に偏心的に
設けられ、かつスコツチヨーク１０８の水平スロ
ツト１１０にあるローラ１３８をもつている（第
５図参照）。電動機１３０は、適当な手段、例え
ばねじ１４３によつてヘツダキヤツプに固着され
たハウジング１４２により覆われている。ハウジ
ング１４２には、導管１４６のアタツチメントと
しての管継手が設けられる。この管継手は、低圧
流体用の排出管として働く。電動機１３０内の通
路１４７，１４９は、低圧流体が室６８から電動
機１３０とハウジング１４２を通つて導管１４６
に流れるようにしている。

これまで述べてきたことから明らかなように、
電動機１３０が付勢されると、作動軸１２８が回
転し、その回転につれてスコツチヨーク連結部が
軸８４を往復動させる。軸８４が往復動するので
デイスプレイサー１４は第１限界位置（第１図）
と第２限界位置（第２図）との間を動く。第１限
界位置では、デイスプレイサーは、延長部２８に
触れるちよつと手前でメタルシリンダ１６の一番
上位にある。第２限界位置では、デイスプレイサ
ーは、メタルシリンダ１６のメタル端壁２１に触
れるちよつと手前でメタルシリンダの一番下位に
ある。

第１図および第４図を参照すると、デイスプレ
イサー１４は、複数の通路１５０を備えているの
が示される。これらの通路は熱再生器１０を収容
している内部室１５２に接続される。熱再生器
は、いろいろなもので作ることができる。例え
ば、所望の冷却温度に応じて高温伝達率をもつ青
銅スリーン、鉛シヨツトまたはその他の材料で作
つてもよい。デイスプレイサー１４の上端は、有
孔の環状板１５６で閉められる。この環状板１５
６は適当なねじでデイスプレイサーに取付けられ
て弾性シール１６０用の保持器として働く。組立
に便利なように、環状板１５６は、２つの半円部
分から構成される。環状板１５６は、通路１５０
と整合する孔をもつている。通路１５０はデイス
プレイサー１４の上端にある周辺みぞにおかれ、
かつデイスプレイサーと、その上端のメタルシリ
ンダ１６の内面との間でガスが漏れないようにメ
タルシリンダの内面と摺動して係合を行なつてい
る。環状板１５６の内径は、滑り弁部材４０がデ
イスプレイサーに対して自由に動けるようにメタ
ルスリーブ４４の外径に対し特に大きくされてい
る。しかし、環状板の内径は、デイスプレイサー
が、例えば、第４図示の如く下方に動くときフラ
ンジ９４と係合するようにフランジの外径より小
さくされ、これによつてすべり弁部材のストツパ
として働く。

デイスプレイサーの下端には、環状のギヤツプ
１７２を形成するようにメタルシリンダ１６の内
面から間隔をおいた小径部１７０が形成される。
ギヤツプ１７２及びギヤツプを通過する流体は、
熱をハウジング１６の包囲部から除くための内部
熱交換器となる。デイスプレイサー１４の小径部
１７０と、その他の部分の接続点においてデイス
プレイサーには環状のギヤツプ１７２と内部室１
５２の間に連通を行なう一連のポート１７６が設
けられる。デイスプレイサー１４の内部室１５２
の下端は、望ましくは、高温伝達率の材質で作ら
れたプラグ１７８によつて閉じられている。プラ
グ１７８は適当な手段、例えば、ねじ、ろう付ま
たは溶着によりデイスプレイサー１４に固着され
る。第１図と第４図に関して述べれば、メタルシ
リンダ１６に支えられた外部の熱交換器１８は、
高温伝達率の本体１８０からなつている。この本
体は、コツプ形になつていて高温伝達率の端壁２
１と接触するメタルシリンダ１６の下端に取付け
られる。図示されていないが、外部の熱交換器の
本体１８０は、冷却される冷凍装置がどのような
ものにせよ、例えば赤外線検知器または真空室で
あつてもこれに接続される。

第１図と第４図に関し、さらに述べると、メタ
ルスリーブ４４は、ケーシング３８より小さい外
径をもつているので環状みぞ１９０（第２図参
照）を形成する。望ましくは、環状みぞ１９０の
軸方向長さは、すべり弁部材がその第１位置であ
る上限位置（第１図）にあるときは、環状みぞの
上端はポート５２の上縁と面一にされ、他方環状
みぞの反対端は、ポート５４の下縁より下にあつ
て室６８と第１容積可変室６との間で連通を行な
うようなものにされるのがよい。しかし、すべり
弁部材がその第２位置である下限位置（第２図お
よび第４図）にあるときは、環状みぞ１９０の下
端は、ポート５６の下縁と面一にされ、他方環状
みぞの上端は、ポート５４の上縁の上方に位置す
るので、導管８０と容積可変室６との間で連通を
行なつている。すべり弁部材が上限位置にあると
きは、導管８０は、容積可変室６から閉切られて
いる。すべり弁部材が下限位置にあれば、室６８
は容積可変室６から閉切られる。すべり弁部材４
０の限界位置は、弁部材がデイスプレイサーがこ
れを押して動かすときにのみまた動かしている限
り動くように、摩擦リング４９と弁ケーシングの
間の摩擦が設定されているので、すべり弁部材が
デイスプレイサーにより一方向または他方向に動
く度合いによつて決められる。必要ならば、環状
みぞ１９０の長さを変えることもできる。例えば
(a)すべり弁部材が上限位置（第１図）にあるとき
は、環状みぞの上下端がポート５２の上縁とポー
ト５４の下縁とそれぞれ面一にされ、(b)すべり弁
部材が下限位置（第２図および第４図）にあると
きは、環状みぞの上下端ポート５４の上縁とポー
ト５６の下縁とそれぞれ面一になるように短かく
もできる。

本冷凍装置の稼動は、適当な源、例えば導管８
０を介するコンプレツサ２００の排出側から高圧
流体を供給し、低圧溜め、例えば導管１４６を介
するコンプレツサの導入側に低圧流体を排出する
ことによつて行なわれる。

第１図から第３図に示した本冷凍装置の作動に
つき、すべり弁部材４０が下限位置（第４図）に
あり、デイスプレイサー１４は、その上端を、プ
ラグ９６がすべり弁部材の下端でフランジ９４と
先ず係合する上死点位置のちよつと手前の点にお
きながら上方に動いているものとして説明する。
デイスプレイサー１４が、前述したように上死点
位置のちよつと手前に位置するときは、冷凍装置
の流体圧と温度の条件は次のようになる。すなわ
ち(A)容積可変室６は、高圧で室温下にあり、また
(B)容積可変室８は、高圧で低温下にある。デイス
プレイサーが上昇を続けると、プラグ９６はすべ
り弁部材４０のフランジ９４と係合し、すべり弁
部材を上方に動かす。デイスプレイサーがその上
死点位置に達すると、すべり弁部材４０は上限位
置（第１図）に届く。すべり弁部材が下限位置か
ら上限位置または上限位置から下限位置に動くと
きに転移点を通過する。この転移点で、環状みぞ
１９０の下端はポート５６の上縁と面一になり、
他方環状みぞの上縁はポート５２の下縁と面一に
なる。すべり弁部材が転移点を通ると、流体は、
通路７０，６６及び室６８を介して容積可変室６
からポート１４６への押出を開始するので、容積
可変室６，８の圧力を減じる。すべり弁部材が上
限位置（第１図）にあつて、デイスプレイサーが
上死点位置にあると、容積可変室８の冷たい高圧
ガスは熱再生器１０と容積可変室６それぞれを通
つて排出される。高圧ガスが排出されると、熱再
生器のマトリクスによつて暖められるので熱再生
器を冷却する。そこですべり弁部材が上限位置に
達した後で、デイスプレイサーの下降が始まる
と、すべり弁部材は、上限位置にとどまつて、デ
イスプレイサーは低圧の冷たい流体を容積可変室
８から押出し、またすべり弁部材は、低圧ガスを
容積可変室６，８から排出し続ける。熱再生器
は、容積可変室８から排出された冷たいガスの残
りの部分を熱くするのをやめると、さらに冷たく
なる。熱再生器１０を通る冷たいガスは加熱によ
つて膨張するので、熱再生器を更に冷却する。デ
イスプレイサーが下死点位置に近づくと、環状板
１５６がすべり弁部材に係合して、これを転移点
を介してその下死点位置（第４図）まで下降させ
る。

下降するすべり弁部材が転移点を通ると、導管
８０からの高圧流体は、通路７２，７０を介して
容積可変室６に流れ、これによつて容積可変室は
熱再生器を通つて容積可変室８に流れる高圧低温
ガスで充填される。熱いガスは、容積可変室８に
流れると、冷たい熱再生器１０を通つて冷却され
る。容積可変室６，８の圧力は高圧ガスが導管８
０を介してポンプ供給されるにつれて高くなる。
デイスプレイサーは、下限位置に達するとクラン
ク作用を介して上昇を再び開始する。デイスプレ
イサーが上昇すると、より高圧の室温ガスが容積
可変室６と熱再生器１０を介して導管８０から容
積可変室８に流れ、その結果、この追加のガスは
熱再生器を通つて容積を縮小する際冷却される。
容積のこの縮小によつて、デイスプレイサーが上
昇するときより多くのガスがもつと容積可変室８
に吸込まれる。

デイスプレイサーが、上死点位置に戻っていく
と、再びすべり弁部材と出会つてこれを上限位置
に動かすので容積可変室６，８のガスを室６８，
通路１４７，１４９のおよび導管１４６を介して
再び排出する。

いま述べた作動サイクルはデイスプレイサーが
原動機によつて往復運動を続けるときに繰返され
る。デイスプレイサーが上死点位置に達すると、
冷凍装置は、容積可変室８に高圧の冷たいガスを
容積可変室６に高圧の室温ガスを入れるようにな
る。

本発明は、前述したものの他に、構造を、利用
可能な製造技術と性能要求に合わせて幾通りにも
変えられることを含め多くの顕著な利点がある。
他の形状にすることもできる内部と外部の熱交換
器は、簡単で、信頼性があり、かつ効果もある。
また別の利点は、熱再生器１０が冷却されるガス
の温度次第で前述したように例えばスクリーンま
たは鉛シヨツトのようにいろいろな形式にするこ
とができることである。

また別の利点は、デイスプレイサーがプラスチ
ツクや金属で作ることができる点にある。更に熱
再生器は、例えば英国特許第1352153号の第５図
に示すようにメタルシリンダの内部に取付けるこ
とができる。この場合、デイスプレイサーは、中
実部材または両端が閉じた中空部材でもよく、ま
た適当な導管をメタルシリンダ１６の上下端に設
けて外部の熱再生器への連通を行なつてもよい。

本発明の変形例によれば、デイスプレイサーを
往復動させるための他の機械的手段たとえば自動
逆転モータまたは空気もしくは油圧作動のアクチ
ユエータ例えば軸８４Ａに直接連結された複動空
気アクチユエータが提供される。本発明の可能な
変形例によれば、すべり弁部材の構造を、例えば
すべり弁部材が限界位置に達したときこれを停止
させるための機械的なストツパを設けることによ
り変えることができる。また冷凍装置を、例えば
米国特許第3802211号、第4036027号および英国特
許第1352153号の教えるところに従つて二段また
は三段式のものにすることもできる。

第６図および第７図は、英国特許第1352153号
に開示されたものに類似したすべり弁部材を使用
する本発明の２つの改変例を示す。

第６図示の形状をした冷凍装置では、デイスプ
レイサー２００は、シリンダ２０２内に配置され
る。デイスプレイサーの上端は、フランジ２０８
をもつた延長部２０６までのびる互いに対向する
肩部２１０，２１２は、延長部の下端でデイスプ
レイサーと、延長部の上端でフランジとによつて
形成される。デイスプレイサー２００は中空にさ
れ、なにか適当な材料たとえばリン青銅スクリー
ンで作ることもできる熱再生器２１４を中に入れ
ている。デイスプレイサーの通路２１６，２１８
は、デイスプレイサーとシリンダの下端間にでき
た(a)膨張室２２０と、延長部２０６とシリンダ間
にできた(b)空間２２２との間でガスを通すように
している。空間２２２はデイスプレイサーと共に
シリンダの縦方向に移動する。肩部２１０に接し
てデイスプレイサーの上端のみぞ内におかれたＯ
リングシール２２４は、ガスをデイスプレイサー
とシリンダの間の隙間によつて形成された環状空
間に流すことにより、熱再生器をバイパスさせる
結果として膨張室２２０へのガスの出入りがない
ようにしている。フランジ２０８は、好ましく
は、シリンダ２０２の内面に近くおかれてデイス
プレイサーが往復動する際これを案内するのを助
け、手間をかけないでフランジとシリンダ間をガ
スが通過することのないようにしている。フラン
ジ２０８の１つまたはそれ以上の開口２２６はガ
スを空間２２２からフランジ２０８とシリンダの
上端間にできた空間２２３へ速やかに入つていく
ようにしている。

膨張室２２０への入口は、シリンダ２０２の壁
にできた円周方向におかれた複数の細孔２３２に
よつて形成され、膨張室２２０に対する出口は、
細孔２３２の下でシリンダ２０２の壁にまたでき
た円周方向におかれた複数の細孔２３４によつて
形成される。細孔２３２，２３４ができているシ
リンダ２０２の外壁を囲んでカラー２３６が設け
られ、これはシリンダの壁と協動してガスを細孔
２３２に導き、細孔２３４から出すための環状の
マニホルド２３８，２４０を形成する。高圧ガス
の源（図示しない）から導かれる入口導管２４４
は、マニホルド２３８と連通し、他方膨張室２２
０から排出されるガスを逃がすための出口導管２
４６は、マニホルド２４０から以下に詳述する低
圧ガス源に導かれる。

入口の細孔または出口の細孔を空間２２２に出
すかどうかは、空間２２２のシリンダ内にあるリ
ングとしての弁部材すなわち弁リング２５０の相
対位置によつて決まる。弁リング２５０は、シリ
ンダ２０２の内面と摩擦係合し、かつ次に述べる
要領で選択された材質で作られる。すなわち弁リ
ンダとシリンダ間の摩擦係数は、(a)弁リングがデ
イスプレイサーと係合するまで所定位置にとどま
り、(b)リングは、デイスプレイサーが弁リングを
第１または第２方向に押している限りデイスプレ
イサーとともに何れかの方向に動き、(c)弁リング
がデイスプレイサーからの係合から離脱したとき
弁リングは瞬間位置でとまるようにものであるよ
うに選択した材質である。弁リングは、冷媒ガス
が早く通過するように延長部２０６から間隔をお
いているが、弁リングの内径は、肩部２１０，２
１２を止める程度に延長部に対しては充分大きく
されている。

弁リングは、２組の細孔は同時に顔を出すこと
がないように入口の細孔２３２と出口の細孔２３
４の最大間隔より実質的に大きい長さ（シリンダ
の軸線に沿つて側つた寸法）をもつている。冷凍
装置を効果的に作動させるために弁リングの長さ
細孔２３２，２３４間の間隔および肩部２１０，
２１２間の間隔は、(a)入口の細孔２３２と出口の
細孔２３４が、膨張室２２０の容積が、作動サイ
クル間のその折に膨張室に生じるガス圧縮量を減
じるために減小するとき閉じたり開いたりするよ
うに、また(b)入口の細孔２３２と出口の細孔２３
４が、膨張室２２０の容積が、膨張室内のガスを
膨張させて冷却を行うために増えるときに開いた
り閉まつりするように配設されている。

良好な冷却は、肩部２１０，２１２間の間隔が
弁リング２５０の長さより充分大きくて入口の細
孔２３２が、デイスプレイサーの下降で膨張室２
２０の容積を減じる間の大半にわたつて開くこと
ができ、また入口の細孔２３２と出口の細孔２３
４が、デイスプレイサーの上昇で膨張室の容積を
増大させている間の大半にわたつてそれぞれ開け
られ、閉められるように肩部を間隔づけることに
よつて達成される。

延長部２０６の上端は、デイスプレイサー２２
０を往復動させる駆動用の軸８４に取付けられ
る。シリンダ２０２の上端には、ヘツダ板２６０
が設けられ、このヘツダ板は軸８４を摺動可能に
案内する１つまたはそれ以上の密封シール２６３
を備えるようになつている。ヘツダ板２６０は、
キヤツプ２６２によつて覆われる。ボルト２６４
は、ヘツダ板２６０とキヤツプ２６２をシリンダ
の上端のフランジ２６６に締付けている。キヤツ
プ２６２は、軸８４Ａを案内する摺動軸受２６８
を備え、また、補助キヤツプ２７０は、作動行程
の上向終点にきたときの軸８４Ａの上端を受入れ
ている。補助キヤツプ２７０は、キヤツプ２６２
の上端を密封する。第１図から第３図までの実施
例におけるように、軸８４はスコツチヨーク１０
８を介して作用する電動機１３０により駆動され
る。電動機は、ねじ（不図示）によりキヤツプ２
６２に固着されたハウジング１４２Ａで囲まれ
る。電動機１３０は、好ましくはマニホルド２４
０から排出された冷媒で冷却されるのがよい。従
つて補助キヤツプ２７０には、出口導管２４６が
接続される移送ポートが形成され、ハウジング１
４２Ａは、排出管継手１４４Ａをもち、またキヤ
ツプ２６２には、開口２６７があるので(a)低圧の
気体冷媒は、上昇時のデイスプレイサーによりハ
ウジングを介して室２２８から放出され、また気
体冷媒または空気は、下降時のデイスプレイサー
により室２２８に引き込まれる。ハウジング１４
２Ａ内のガス流体の往復運動は、電動機１３０を
冷やす働きをする。排出管継手１４４Ａは、好ま
しくは、コンプレツサの入口側に至つている導管
１４６に接続され、他方コンプレツサの出口側
は、入口導管２４４に接続されるのがよい。

稼動に際し、デイスプレイサー２は、電動機１
３０の作動によつて往復動する。圧縮された冷媒
ガスは、弁リング２５０が入口の細孔２３２を覗
かせるように位置するときは、導管２４４を介し
てシリンダ２０２に供給される。他方、冷媒ガス
は、弁リングが出口の細孔２３４をさえぎらない
ときは、導管２４６，１４６を介してリングから
排出される。前述したように弁リング２５０は肩
部２１０，２１２の１つにる係合で、何れか所定
の位置から出ていくまで該位置にとどまつてい
る。

弁リング２５０が前述のように位置することに
よつて入口の細孔２３２が閉じ、出口の細孔２３
４は開いている。またデイスプレイサーの下降で
冷媒ガスは膨張室２２０から排出され、通路２１
６，２１８を介して熱再生器２１４を通過して空
間２２２に入り、更に出口の細孔２３４と導管２
４６を介して該空間を出ていく。

デイスプレイサー２の降下中、肩部２１２は弁
リング２５０と接触する。デイスプレイサーが下
降を続けると、デイスプレイサーは、弁リングを
移動させるので出口の細孔２３４が閉じ同時に入
口の細孔２３２が開いて高圧のガスを導管２４４
と入口の細孔を介してシリンダに入れる。到来す
るガスは、通路２１８、熱再生器２１４、通路２
１６を通過して膨張室２２０に入る。冷凍装置が
始動しなければ、ガスは、前サイクルからの冷た
い排出ガスによつて冷却された熱再生器を通過す
る際に冷却される。ガスが膨張室２２０に流れる
と、その圧力が高くなる。

デイスプレイサーは下限位置に達して停止し、
更にシリンダ２０２の下端に当たることなく上方
に戻つていく。入口細孔を開き、出口細孔を閉じ
るデイスプレイサーの正確な位置は、入口細孔２
３２を出口細孔２３４に対して適切に位置決めす
ることによつて選択できる。デイスプレイサーが
再び上昇すると、弁リング２５０は、デイスプレ
イサーの停止時に達した下記位置にとどまつてい
る。弁リングの下限位置で、弁リングにより入口
細孔２３２は完全に開き、また出口細孔２３４は
完全に閉じている。弁リング２５０は、デイスプ
レイサーが上昇を続けると、デイスプレイサーの
肩部と再び接触するまで出口細孔２３４を覆う下
限位置にとどまつている。デイスプレイサーが上
昇すると、膨張室２２０の容積は増加し、より多
くのガスが通路２１８を介する入口細孔２３２，
熱再生器２１４及び通路２１６から膨張室に入
る。この到来ガスは、膨張室の圧力を入口導管２
４４のガス圧と同じ水準で維持する。

デイスプレイサーが上昇を続けると、肩部２１
０は、弁リング２５０と接触し、これを、入口細
孔２３２が閉じ出口細孔２３４が開いている位置
に押していく。これによつてガスは、膨張室２２
０からの排出を開始し、出口細孔２３４への通路
中で熱再生器を冷却する。

出口細孔２３４が開いてガスが膨張室２２０か
ら排出されると、膨張室の圧力の低下が始まるの
で導管２４６，１４６を介して冷凍装置を出てい
くガスは低圧になる。

空間２２３は、空間２２２の単なる延長部であ
り、従つてフランジ２０８の上側のガス圧は、そ
の下側のガス圧と同じである。

弁リング２５０の移動のタイミングは、上向行
程または下向行程の始端からデイスプレイサーが
弁リングに接触するまでのデイスプレイサーによ
る走行路の長さによつて決まる。この長さは、弁
リング２５０の長さと空間２２２（すなわち肩部
２１０と肩部２１２間の間隔）の長さとの差に等
しい。

第６図示の冷凍装置では、表面はシリンダ２０
２のより冷えた端部（膨張室）の端面と熱交換に
よつて冷却される。

第７図示の冷凍装置の例は、入口細孔と出口細
孔が逆にされ、かつ３つの環状空間２２２Ａ，２
２２Ｂおよび２２３を形成するようデイスプレイ
サーの延長部２０６に２つのフランジ２０８，２
０８Ａを設けた点を除いては第６図示のものと大
体同じである。空間２２８Ｂは互いに対向する肩
部２１２，２１３によつて部分的に形成される。
空間２２２Ａは、互いに対向する肩部２１３Ａ，
２１０によつて部分的に形成される。空間２２３
は、フランジ２０８とヘツダプレート２６０の間
にあつて、空間２２２Ａと連通している空間２２
８Ｂと連通する。フランジ２０８，２０８Ａは、
デイスプレイサー移動時の案内となるようシリン
ダ２０２の内面に近接しておかれる。フランジ２
０８と２０８Ａの開口２２６は、空間２２２Ａ，
２２２Ｂおよび２２３間で冷媒ガスが素早く運動
できるようにしている。通路２１８は熱再生器２
１４と空間２２２Ｂの間にのびている。更に２つ
の弁リング２５０，２５０Ａは空間２２２Ｂ，２
２２Ａそれぞれのなかにあつて、これら弁リング
の各々は、動くことによつてデイスプレイサーの
肩部の１つと係合するまでシリンダ２０２の縦方
向の所定位置にとどまれるようシリンダの内面と
摩擦係合する。弁リング２５０は、出口細孔２３
４の弁部材として動き、他方弁リング２５０Ａは
出口細孔２３４の弁部材として働く。図示の如く
冷凍装置は望ましくは、弁リング２５０の長さと
その空間２２２Ｂの長さの差が、弁リング２５０
Ａの長さとその空間２２２Ａの長さとの差より大
きいのがよい。しかし冷凍装置は、２つの差が等
しくなるよう作ることもできる。

第７図において、弁リング２５０は、出口細孔
２３４が開くように位置決めされ、他方弁リング
２５０Ａは、入口細孔２３２が閉じるような位置
におかれているのが示される。このような状態に
あつては、膨張室２２０のガスは、低圧下におか
れる。もしいま、デイスプレイサーが下降する
と、デイスプレイサーは、ガスを膨張室２２０か
ら動かしてこのガスが熱再生器を流れて出口細孔
２３４から排出されるようにする。デイスプレイ
サー２００のこの下降により、肩部２１３Ａは弁
リング２５０Ａと当接し、その結果、該リングは
下方に押される。デイスプレイサーの下降が続く
と、肩部２１２は、弁リング２５０と係合してこ
れを下方に押す。肩部２１２と弁リング２５０と
の当接は、弁リング２５０Ａが充分に働いて入口
細孔２３２をあける前に行われる。事実、弁リン
グ２５０は、入口細孔をあける弁リング２５０Ａ
と同時に出口細孔２３４を閉じる。そこで入口細
孔が開くと、高圧下のガスは、熱再生器２１４
（冷凍装置稼動の第１サイクルのものを除く）を
通過する際に予め冷却された膨張室２２０に流れ
る。その結果、膨張室２２０の圧力は高められ
る。デイスプレイサーはその下限位置に届いて、
停止し、再び上昇を開始する。これらは全てシリ
ンダ２０２の下端壁にぶつかることなく行われ
る。デイスプレイサーの上向行程があると、肩部
２１０は、デイスプレイサーの肩部２１３が弁リ
ング２５０と係合してこれを移動させる前に弁リ
ング２５０Ａと係合してこれを動かす。従つて入
口細孔２３２は、出口細孔があく前に閉じ、また
膨張室２２０に導出入されるガスがないときに
は、デイスプレイサーの上向行程の期間がある。
膨張室のガスは、デイスプレイサーの上向行程が
あると膨張して特に効果的な冷却を行なう。弁リ
ング２５０，２５０Ａがデイスプレイサーの上向
行程の途中で同時に入口細孔２３２と出口細孔２
３４を閉じることができるように、弁リング２５
０の長さと空間２２２Ｂの長さの差を弁リング２
５０Ａの長さと空間２２２Ａの長さの差より大き
くしておく。更に入口細孔がデイスプレイサーの
行程の比較的早い時期に弁リング２５０によつて
閉じられるよう、空間２２２Ａと弁リング２５０
Ａの長さの違いは小さくしておく。弁リング２５
０Ａを充分な長さにして入口細孔２３２がデイス
プレイサーの上向行程での弁リング２５０Ａの上
昇中、再びあくことのないようにしておくことも
必要である。入口細孔は、第６図示の冷凍装置と
比較し上向行程の比較的早い時期に閉じる。

第６図および第７図の冷凍装置における制御弁
は、第１図から第４図までの冷凍装置のものとは
別個の弁ケーシングをもたない代りにシリンダ２
０２の一部が弁ケーシングをなしている点で相違
している。従つて第６図と第７図の弁は、第１図
から第４図までのものより簡単にされている。

第６図と第７図の冷凍装置は、第１図から第３
図までの冷凍装置のようにいろいろと改変しても
よいことは勿論である。例えば英国特許第
1352153号の第５図と第６図に示す要領で外部熱
再生器を設けたり、または、段を増やしたりでき
る。

第８図は、多くの点で第１図の冷凍装置と類似
している本発明のまた別の実施例を示す。この実
施例では、デイスプレイサー１４に別の通路を設
け、高圧の気体冷媒を軸８４ととすべり弁４０Ａ
のメタルスリーブ４４Ａ間にできた環状通路８５
を介して熱再生器１０の上端に入れるようにして
いる。すべり弁は、弁ケーシング３８Ａとすべり
弁部材４０Ａとを備える。弁ケーシング３８Ａ
は、ヘツダ本体２の下方部３４内で取付けられ、
かつ同じサイズの軸方向に間隔をおいた２つの組
のポート５２，５６を備える。これらポート５
２，５６と軸方向寸法も同じで、かつこれらと半
径方向に整合する２つの環状みぞ６０，６４がヘ
ツダ本体２内に形成される。環状みぞ６０は、高
圧冷媒流体用の導管８０を設けた入口ポートに達
する通路７２と連通する。環状みぞ６４は、ヘツ
ダキヤツプ３によつて形成された室６８に到る通
路６６に導かれる。図示はしていないが、第８図
の冷凍装置は、スコツチヨーク機構によつて軸８
４に連結されたモータを備え、かつこのモータは
モータハウジングにより囲まれていて、このモー
タハウジングは室６８と連通し、第１図から第４
図までに示した要領で室を低圧ガス源に接続する
ための排出管継手をもつている。

弁ケーシング３８Ａの下端は、開いていて、ヘ
ツダ本体２の延長部２８とデイスプレイサー１４
の上端間にできた容積可変室６と連通する。すべ
り弁部材４０Ａは、メタルスリーブ４４Ａと、こ
のメタルスリーブの上端に取付けたセラミツクリ
ング４６とを備える。セラミツクリング４６には
前述したようにワツシヤ状ばね４７と摩擦リング
４９が設けられている外側みぞがある。ワツシヤ
状ばね４７は、弁ケーシング３８に摩擦リングを
圧接しているので、すべり弁部材は、デイスプレ
イサーによつて動くように押されなければ、弁ケ
ーシング内を動くことはない。メタルスリーブ４
４Ａの下端には、周辺フランジ９４があるが、こ
のフランジはデイスプレイサーの内面１００と摺
動することなくしかも摩擦板たる環状板１５２に
よつて遮られるような大きさにされている。摩擦
リング４６の軸方向長さは、ポート５２の下縁と
ポート５６の下縁間の間隔と同じになるように設
定される。このようにして摩擦リングは、放射ポ
ート５２，５６を同時に閉じるように位置決めさ
れる。更にメタルスリーブ４４Ａの長さは次のよ
うに設定される。すなわち(a)デイスプレイサーが
上死点位置まで上昇すると、摩擦リング４６の下
縁がポート５６の上縁と画一になるか、またはち
よつと上にくる上限位置にすべり弁部材を押して
ポート５６を完全に開き、他方ポート５２は、完
全に閉じるようにし、また(b)デイスプレイサーが
下死点位置まで下降すると、摩擦リング４６の上
縁がポート５６の下縁と面一になるか、またはち
よつと下にくる下限位置にすべり弁部材を押して
ポート５２が完全に開き、他方のポート５６は完
全に閉じられるよう設定される。その結果、すべ
り弁部材が上限位置（第８図）にあるときは、ガ
スは通路１５０、メタルスリーブ４４と弁ケーシ
ング３８Ａ間にできた通路９９、ポート５６、み
ぞ６４および通路６６を介してデイスプレイサー
１４から排出される。すべり弁部材が下限位置に
あるときは、高圧ガスは通路７２、みぞ６０、ポ
ート５２、環状空間８５および通路１５０Ａを介
してデイスプレイサーに入つていく。冷凍工程
は、第１から第７図の冷凍装置と同じギフオー
ド・マクマホンサイクルによつて特徴づけられ
る。

前述したもの以外に当業者であれば、その他の
変形例や利点を考え付くことは明らかでろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は、ギフオード・マクマホンサイクル低
温装置を構成する本発明の好適な実施例の拡大縦
断面で第１限界位置にあるデイスプレイサーと制
御弁機構を示す断面図、第２図は第１図の一部の
拡大図、第３図は第２図の３−３線に沿つた断面
図、第４図は第１図と同様の図で第２限界位置に
ある制御弁機構とデイスプレイサーの一部を示す
断面図、第５図は第４図の５−５線に沿つた断面
図、第６および第７図は第１図と同様の図で本発
明の他の実施例を示す断面図、第８図は本発明の
また別の実施例を示す断面図である。 ６，８……容積可変室、１０……熱再生器、１
４……デイスプレイサー、１６……シリンダ、１
８……熱交換器、４０……すべり弁部材、４４…
…メタルスリーブ、５２，５４，５６……ポー
ト、８０……導管、１３０……電動器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 冷却用の加圧流体が、デイスプレイサーの往
   復動に伴つて容積可変室に熱再生器を介して出入
   りする際に、熱交換及び膨張により冷却されると
   共に、弁手段が周期的に作動して、高圧流体の前
   記容積可変室への流入および低圧流体の同室から
   の流出を制御する低温冷凍装置であつて、 シリンダを画成する手段と、 前記シリンダ内に摺動自在に配設され、該シリ
   ンダ内を軸方向に移動することによつて容積の変
   化する第１容積可変室と、第２容積可変室とを該
   シリンダ内の上下部に夫々画成するデイスプレイ
   サーと、 前記第１容積可変室と前記第２容積可変室とを
   連結する導管および熱再生器と、 前記デイスプレイサーに連結されると共に、該
   デイスプレイサーを前記シリンダ内で往復動させ
   る駆動手段と、 前記第１容積可変室に出入りする冷却用の流体
   の流量を制御すると共に、高圧流体用の入口ポー
   トと、低圧流体用の出口ポートと、第１位置と第
   ２位置との間を往復動自在で、該第１位置に移動
   した時に前記出口ポートを前記第１容積可変室に
   連通させ、一方、該第２位置に移動移動した時は
   該入口ポートを前記第１容積可変室に連通させる
   弁部材とから成る制御弁と、 前記デイスプレイサーが前記シリンダ内を軸方
   向に所定距離移動した後、前記弁部材を該デイス
   プレイサーによつて前記第１位置へ移動させる一
   方、該デイスプレイサーが前記方向と反対の方向
   に所定距離移動した後、前記弁部材を該デイスプ
   レイサーによつて前記第２位置へ移動させる手段
   とから成り、 前記駆動手段は、モータと、該モータと前記デ
   イスプレイサーを連結するスコツチヨークとを具
   備し、 前記デイスプレイサーは、その延長部を介して
   前記駆動手段に連結され、 前記制御弁が前記デイスプレイサーの前記延長
   部に周設された低温冷凍装置。 ２ 前記制御弁は、前記第１容積可変室に連通す
   る少なくとも一つの移送ポートを備え、前記弁部
   材が前記第１位置及び前記第２位置の何れか一方
   の位置から他方の位置へ移動した時に、前記入口
   ポート及び前記出口ポートを少なくとも一つの前
   記移送ポートに連結する請求項１記載の低温冷凍
   装置。 ３ 前記弁部材は前記デイスプレイサーにより往
   復動自在で、該デイスプレイサーは前記弁部材と
   は無関係に限定的に移動して、前記弁部材が前記
   入口ポート及び前記出口ポートと前記第１容積可
   変室との連通を切り替える前に、多量の流体を前
   記第１容積可変室と前記第２容積可変室との間を
   任意の方向に移送させる請求項１又は２に記載の
   低温冷凍装置。 ４ 前記弁部材は、第１通路と第２通路とを備え
   て成り、該弁部材の位置に応じて、前記入口ポー
   ト及び前記出口ポートが少なくとも一つの前記移
   送ポートに交互に連結される請求項１〜３の何れ
   かに記載の低温冷凍装置。 ５ 前記駆動手段は、前記制御弁とは無関係に作
   動可能である請求項１〜４の何れかに記載の低温
   冷凍装置。 ６ 前記熱再生器は、前記デイスプレイサーの中
   に配設されている請求項１〜５の何れかに記載の
   低温冷凍装置。 ７ 前記第１容積可変室及び前記第２容積可変室
   は、前記デイスプレイサーの両端部に位置する請
   求項１〜６の何れかに記載の低温冷凍装置。 ８ 前記制御弁は、前記デイスプレイサーと同軸
   である請求項１〜７の何れかに記載の低温冷凍装
   置。 ９ 前記制御弁は、前記シリンダとは別個に形成
   された弁ケーシングを有する請求項１〜８の何れ
   かに記載の低温冷凍装置。 １０ 前記制御弁は弁ケーシングを有し、該弁ケ
   ーシングは、前記シリンダの一部である請求項１
   〜８の何れかに記載の低温冷凍装置。 １１ 前記制御弁は、セラミツク製の弁ケーシン
   グを備え、前記弁部材は、該弁ケーシングに摺接
   する少なくとも一つのセラミツク面を有する請求
   項１〜１０の何れかに記載の低温冷凍装置。 １２ 前記弁ケーシングは複数の入口ポートと、
   複数の出口ポートと、複数の移送ポートとを有す
   ると共に、該入口ポートに連通する入口マニホル
   ド室と、該出口ポートに連通する出口マニホルド
   室と、該移送ポートに連通する移送マニホルド室
   と、前記入口マニホルド室と、前記出口マニホル
   ド室とを冷却用の高圧及び低圧流体の流体源に連
   結する手段と、前記移送マニホルドを前記第２容
   積可変室に連結する手段とを更に含んで成る請求
   項９〜１１の何れかに記載の低温冷凍装置。