JPH0536261U - 往復動式膨張エンジン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 周囲温度が高い場合であっても、往復動式
膨張エンジン４０のケーシング２９部分の温度の上昇を
抑制可能とすることにより、とくにその機械的信頼性を
向上させ、長時間運転での信頼性を確保可能な往復動式
膨張エンジンを提供すること。 【構成】 冷凍機系内で循環しているヘリウムガスを
同系から分流させ、膨張エンジン４０のケーシング２９
内部に導くことに着目したもので、シリンダ１４内を往
復動するピストン１８の往復運動を回転運動に変換する
変換機構２８と、変換機構２８を収容するケーシング２
９とを有する往復動式膨張エンジンであって、ケーシン
グ２９部分に、極低温液化冷凍機の低圧側のガスを導入
可能とし、このケーシング２９の内部を冷却するように
したことを特徴とする。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は往復動式膨張エンジンにかかるもので、とくに極低温液化冷凍機に 使用される往復動式膨張エンジンのケーシングの冷却を可能とした往復動式膨張 エンジンに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】

往復動式膨張エンジンは、高圧のガスたとえばヘリウムガスをシリンダ内に 吸気し、これを断熱膨張させることによって低温のガスを生成している。

【０００３】 往復動式膨張エンジンは、主にクロード式液化冷凍機に使われている。

【０００４】 図３はこのクロード式液化冷凍機１の概略図であって、クロード式液化冷凍 機１は、ヘリウムガスの圧縮機２と、高圧側出口３および低圧側入口４と、多段 式に構成した第１の熱交換器５と、第２の熱交換器６と、第３の熱交換器７と、 第４の熱交換器８と、第５の熱交換器９と、ジュール・トムソン弁１０と、第１ の膨張エンジン１１と、第２の膨張エンジン１２と、液化したヘリウムの収容タ ンク１３とを有する。

【０００５】 こうした構成のクロード式液化冷凍機１において、ヘリウムガスは圧縮機２ により圧縮されるとともにその発熱分を空気あるいは水により冷却され常温の高 圧ヘリウムガスとなり、この高圧ヘリウムガスは、第１の熱交換器５において、 帰流するヘリウムガスにより熱交換されて温度３００Ｋから１４０Ｋに冷却され る。

【０００６】 第１の熱交換器５からのヘリウムガスは、第２の熱交換器６および第１の膨 張エンジン１１に分流されて、第２の熱交換器６において第１の熱交換器５と同 様に熱交換されて７７Ｋに冷却される。

【０００７】 また、第１の膨張エンジン１１において断熱膨張（等エントロピー変化）す ることにより７５Ｋの低温となる。この低圧のヘリウムガスは膨張エンジン１１ から排出されたのち、第３の熱交換器７から帰流するヘリウムガスと合流して、 第２の熱交換器６に流入する。

【０００８】 以下同様にして、約５Ｋにまで冷却された高圧ヘリウムガスは、最後にジュ ール・トムソン弁１０においてさらに断熱膨張（等エンタルピー変化）すること により、ヘリウムガスの一部は液化して収容タンク１３に収容される。 液化しなかった分は、ヘリウムガスの圧縮機２に向けて第５の熱交換器９か ら熱交換器８、７、６、５へと帰流する。

【０００９】 第１の膨張エンジン１１および第２の膨張エンジン１２のそれぞれの構造は 事実上同一であり、この構造の概略を膨張エンジン１１として図４に示す。 膨張エンジン１１は、シリンダ１４と、吸気弁１５と、排気弁１６と、ピス トン１７と、コンロッド１８と、円筒カム１９と、増速機２０と、フライホイー ル２１と、電機子２２と、制御器２３とを有する。

【００１０】 シリンダ１４は、その先端部に外方に突出させて設けた上記吸気弁１５を有 し、この吸気弁１５の先端部には前記第１の熱交換器５（第３の熱交換器７）か らの高圧ヘリウムガスの高圧入口２４を形成してある。

【００１１】 またシリンダ１４に上記排気弁１６を設け、この排気弁１６に連通して前記 第２の熱交換器６（第４の熱交換器８）への低圧ヘリウムガスの低圧出口２５を 形成してある。

【００１２】 膨張エンジン１１は上記ピストン１７の往復動にともなって、吸気弁１５か ら高圧のヘリウムガスをシリンダ１４内に吸気し、断熱膨張させ、低圧ガスとし て排気することにより低温のガスを発生する。

【００１３】 このピストン１７は、コンロッド１８によって円筒カム１９の主動子２６に これを摺動可能に連結する。なおコンロッド１８部分にはベアリング２７を設け てある。

【００１４】 したがって、高圧のヘリウムガスに押されたピストン１７の往復運動は、円 筒カム１９により回転運動に変換される。

【００１５】 すなわち上記コンロッド１８と、円筒カム１９およびその主動子２６と、増 速機２０と、フライホイール２１と、電機子２２とにより、ピストン１７の往復 運動を回転運動に変換する変換機構２８を構成する。

【００１６】 円筒カム１９の回転運動は、増速機２０により増速されて、高速でフライホ イール２１を回転駆動する。

【００１７】 フライホイール２１は、交流発電機の回転子を兼ねているため、高圧ガスの 膨張による仕事は電力に変換され、制御器２３に接続した外部抵抗（外部負荷） （図示せず）において消費される。

【００１８】 膨張エンジン１１の始動時には、制御器２３からの駆動によりピストン１７ を往復動駆動し、高圧ガスの吸気、断熱膨張、排気のサイクルを開始後、上述の ような膨張エンジンの作用を行う。

【００１９】 なお、膨張エンジン１１の回転数の制御は、この外部負荷を調整することに よりこれを行う。

【００２０】 これらのコンロッド１８と、円筒カム１９およびその主動子２６と、増速機 ２０と、フライホイール２１とは、クロスヘッド部のケーシング２９内にこれを 収容してある。

【００２１】 また、シリンダ１４とピストン１７との間にはピストンシール３０を設け、 ケーシング２９内をヘリウムガス雰囲気としておくことにより、このピストンシ ール３０を通して冷凍機１系内に不純ガスを吸い込まないようにしてある。

【００２２】 なお、冷凍機１系内からケーシング２９側に漏れたリークガスは冷凍機１の 圧縮機２の低圧側に戻すような構造となっている。

【００２３】 従来のこうした構成の膨張エンジン１１においては、コンロッド１８、円筒 カム１９およびその主動子２６、増速機２０、フライホイール２１などが狭いケ ーシング２９内に納められているため、それらに組み込まれているベアリング２ ７その他のベアリングなどの摺動部の発熱によってケーシング２９内の温度が上 昇し、とくに周囲温度が高い場合には、ベアリングのグリースが洩れだしてグリ ース切れを起こすこと、洩れだしたグリースがピストンシール３０部に混入しピ ストンシール３０を劣化させること、グリース自身の劣化が早まることなとの諸 問題を生じる。

【００２４】

【考案が解決しようとする課題】

本考案は以上のような諸問題にかんがみなされたもので、周囲温度が高い場 合であっても、往復動式膨張エンジンのケーシング部分の温度の上昇を抑制可能 とすることにより、とくにその機械的信頼性を向上させ、長時間運転での信頼性 を確保可能な往復動式膨張エンジンを提供することを課題とする。

【００２５】

【課題を解決するための手段】

すなわち本考案は、冷凍機系内で循環しているヘリウムガスを同系から分流 させ、膨張エンジンのケーシング内部に導くことに着目したもので、極低温液化 冷凍機の高圧ガスを導入するシリンダと、このシリンダ内を往復動することによ り上記高圧ガスを吸気および排気するピストンと、このピストンに接続してその 往復運動を回転運動に変換するとともに外部負荷に該ピストンを接続する変換機 構と、この変換機構を収容するケーシングとを有する往復動式膨張エンジンであ って、上記ケーシング部分に、上記極低温液化冷凍機の低圧側のガスを導入可能 とし、このケーシングの内部を冷却するようにしたことを特徴とする往復動式膨 張エンジンである。

【００２６】 なお、上記極低温液化冷凍機の低圧側のガスを、上記ケーシングの内部に導 入することができる。 また、上記極低温液化冷凍機の低圧側のガスを、上記ケーシングのまわりに 導入することができる。

【００２７】

【作用】

本考案による往復動式膨張エンジンにおいては、冷凍機系内を循環している ヘリウムガスをケーシング部分に分流させることによりケーシングを強制的に冷 却することとしたので、その内部の変換機構も冷却され、周囲温度が高い場合に もケーシングおよび変換機構の温度上昇を抑制することができる。

【００２８】

【実施例】

つぎに、本考案の第一の実施例による往復動式膨張エンジン４０を図１にも とづき説明する。ただし以下の説明では、図３および図４と同様の部分について は同一符号を付し、その詳述はこれを省略する。

【００２９】 図１は往復動式膨張エンジン４０の部分の要部拡大断面図であって、往復動 式膨張エンジン４０は、そのケーシング２９に冷却ガス入口４１および冷却ガス 出口４２を形成してある。

【００３０】 すなわち、前記クロード式液化冷凍機１の第１の熱交換器５の低圧出口つま り低圧側入口４部分から出たヘリウムガスの一部をケーシング２９側に分流させ 、冷却ガス入口４１内に導入する。

【００３１】 導入された冷却用の低圧ヘリウムガスは、ケーシング２９内部、およびこの 内部の円筒カム１９、増速機２０、フライホイール２１等の変換機構２８を冷却 し、冷却ガス出口４２から圧縮機２の低圧側に至るものである。

【００３２】 なお、ケーシング２９内に分流させるヘリウムガスは、クロード式液化冷凍 機１の第１の熱交換器５の低圧出口から出たヘリウムガスの全量であっても、あ るいは一部であってもよい。

【００３３】 また、当該分流させるヘリウムガスは、常に一定量を流すのではなく、ケー シング２９内の温度上昇に応じて、その流す量をコントロールするようにしても よい。

【００３４】 こうした構成の往復動式膨張エンジン４０において、周囲温度が上昇する結 果ケーシング２９内部が多少の高温となっても、低圧側入口４および冷却ガス入 口４１からのヘリウムガスが２０℃前後であるので、内部を十分に冷却可能であ る。

【００３５】 つぎに第２図は、本考案の第二の実施例による往復動式膨張エンジン５０部 分の要部拡大断面図である。

【００３６】 この往復動式膨張エンジン５０は、ケーシング２９のまわりに流路ケーシン グ５１を設けることによりケーシング２９との間に冷却用流路５２を形成し、こ の流路ケーシング５１に冷却ガス入口５３および冷却ガス出口５４を形成してあ る。

【００３７】 すなわち、前記クロード式液化冷凍機１の第１の熱交換器５の低圧出口から 出たヘリウムガスの一部をケーシング２９側に分流させ、冷却ガス入口５３内に 導入する。

【００３８】 こうした構成の往復動式膨張エンジン５０において、冷却用流路５２内を通 過するヘリウムガスによりケーシング２９が冷却され、このケーシング２９内部 および変換機構２８を冷却することが可能となる。

【００３９】 なお、冷却用流路５２内に分流させるヘリウムガスは、クロード式液化冷凍 機１の第１の熱交換器５の低圧出口から出たヘリウムガスの全量であっても、あ るいは一部であってもよい。

【００４０】 また、当該分流させるヘリウムガスは、常に一定量を流すのではなく、ケー シング２９内の温度上昇に応じて流す量をコントロールするようにしてもよい。

【００４１】 さらに、ケーシング２９のまわりに形成する冷却用流路５２は、ケーシング ２９内を冷却することができれば、ケーシング２９のまわりのどの部分に設けて もよい。また、熱交換しやすい冷却用流路５２であれば、冷却用流路５２中にフ ィンを取り付けるなど、どのような構成としてもよい。

【００４２】

【考案の効果】

以上のように本考案によれば、冷凍機の最も高温の熱交換器の低圧出口から のヘリウムガスを膨張エンジンのケーシング部分に分流させることにより、特別 な冷却機構を別途設けることなく、ケーシング内部の温度を周囲温度程度まで低 下させることができ、既述の諸問題を解消するとともに、極低温液化冷凍機の信 頼性の向上を図ることができる。

【００４３】

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案の第一の実施例による往復動式膨張エン
ジン４０の要部拡大断面図である。

【図２】本考案の第二の実施例による往復動式膨張エン
ジン５０の要部拡大断面図である。

【図３】従来からのクロード式液化冷凍機１の概略図で
ある。

【図４】同、第１の膨張エンジン１１（第２の膨張エン
ジン１２）の概略断面図である。

【符号の説明】

１ クロード式液化冷凍機（極低温液化冷凍機） ２ ヘリウムガスの圧縮機 ３ 高圧側出口 ４ 低圧側入口 ５ 第１の熱交換器 ６ 第２の熱交換器 ７ 第３の熱交換器 ８ 第４の熱交換器 ９ 第５の熱交換器 １０ ジュール・トムソン弁 １１ 第１の膨張エンジン（膨張エンジン） １２ 第２の膨張エンジン（膨張エンジン） １３ 液化したヘリウムの収容タンク １４ シリンダ １５ 吸気弁 １６ 排気弁 １７ ピストン １８ コンロッド １９ 円筒カム ２０ 増速機 ２１ フライホイール ２２ 電機子 ２３ 制御器 ２４ 高圧ヘリウムガスの高圧入口 ２５ 低圧ヘリウムガスの低圧出口 ２６ 円筒カム１９の主動子 ２７ ベアリング ２８ 変換機構 ２９ ケーシング ３０ ピストンシール ４０ 往復動式膨張エンジン ４１ 冷却ガス入口 ４２ 冷却ガス出口 ５０ 往復動式膨張エンジン ５１ 流路ケーシング ５２ 冷却用流路 ５３ 冷却ガス入口 ５４ 冷却ガス出口

Claims (3)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 極低温液化冷凍機の高圧ガスを導入す
   るシリンダと、 このシリンダ内を往復動することにより前記高圧ガスを
   吸気および排気するピストンと、 このピストンに接続してその往復運動を回転運動に変換
   するとともに外部負荷に該ピストンを接続する変換機構
   と、 この変換機構を収容するケーシングとを有する往復動式
   膨張エンジンであって、 前記ケーシング部分に、前記極低温液化冷凍機の低圧側
   のガスを導入可能とし、このケーシングの内部を冷却す
   るようにしたことを特徴とする往復動式膨張エンジン。
2. 【請求項２】 前記極低温液化冷凍機の低圧側のガス
   を、前記ケーシングの内部に導入することを特徴とする
   請求項（１）記載の往復動式膨張エンジン。
3. 【請求項３】 前記極低温液化冷凍機の低圧側のガス
   を、前記ケーシングのまわりに導入することを特徴とす
   る請求項（１）記載の往復動式膨張エンジン。