JPS58190663A - 極低温冷凍機 - 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】 背景 本発明は、周知のギフオード−！り！ホンナイクルの改
良に関する。このすイクルを教示し友従来の代表的な特
許としては、米国特軒第２．９６４０３５号、＆１８ａ
、８１８号、翫２１＆８１５号および４．５０５．７４
１号などがある。

最大限の動部と信頼度を得るためには、丹生器を通して
移送するガスの容積を最大限にす゛ることか１ｆｆ要で
ある。そしてそれを達成するには、押のけ姦が上死点ま
たは下死点に達したときガスの流れの方向が逆転される
ようＫすることが肝要である。本発明は、流体の流れを
制御するためのＮ動自在の圧力応答弁と組合せて、上記
押の１器の、上死点および下死点における位置を％制御
するために電気モータを使用することによって上記問題
を解決することを企図したものである。

発明の概要 本発明は、曲い体内に可変容積の第１室と第２室を画定
する可動押の社器を備え九極低温冷凍機に関する。冷媒
流体は、押のけ器の移動によって第１室と第２室との間
で流路に沿って循環される。

押のけ器の移動は、中間圧の流体の導入を介して一部制
御される。

本発明の冷凍機は、軸方向の通路を有するスライドを案
内するための室を備えている。スライドは、押のけ器に
連結してあり、少くとも上死点および下死点において押
のけ器の移動を制御するために該スライドにモータを連
結する。

スライド内の通路ＫＦｉ制流部を設ける。高圧および低
圧流体の流れを制限する九めのスプール弁体を備えた弁
を設け、押の１器が下死点に達したときスプール弁体を
変位させるために高い流体圧を導入するようにする九め
に１前記室の一端と、押のけ器から遠い側の他端とを連
通ずる導管を含む手段を設ける。

本発明の目的は、押のけ器の移動を上死点および下死点
においては制御するが、押の１器の他の位置においては
オーバーライドされるようにしだモータを組入れること
により押のけ器の移動を制御することによって効率およ
び信頼性を改良するようにした極低温冷凍機を提供する
ことである。

本発明の他の目的は、冷凍モードと熱発生モードの内方
を有する極低温冷凍機を提供することであるＯ 本発明の冷凍機１０は、第１〜３図に示されるように、
第１段１２を有している。使用するときは、この段は真
空ハウジング（図示せず）内に配設する。このような段
は、１個またｒｉｍ数個設けることができる。各段は、
ハウジング１６のようなハウジングを有しており、該ハ
ウジング内には押の１器１８を設ける。押のけ器１８は
、その上側に暖温画室２０を、そして下側に冷温画室２
２を同定するようにハウジング１６の全長より短い長さ
とする。ここでは、ｗＩ温および冷温という用飴は、当
業者には周知のように相対的な意味で用いられている。

７ランジ付りンダを有する熱良導材料−の筒の形とした
ヒートステージ習ン２４を冷温１１ｇ１室２２を囲続す
るようにしてへウジンダ１４に付設する。

ヒートステージ曹ン２４は、当業者ｋｔｉ周知のように
図示のもの以外の他の構造として−よい。

押のけ器１８内には、！トリックを包含し九再生器２６
を設ける。連通口２８により再生器２４内のマトリック
スの上端を緩温−室２０（連通させる（第２図）。マト
リックスの下端は、半径方向の連通口５０により押のけ
器１８の下端の外周面七へウジング１４の内周面との閏
のクリアランス空間５２に連通させる。かくして、再生
器２６内のマトリックスの下端は、連通口ｓｏおよびク
リアランス５２を通して冷温−室２２と連通ずる。

クリアランス３２は環状の熱交換器の役割を果す。

再生器２６のマトリックスは、無ｔＩＩ嵩銅のような高
い比熱を有する２５０メツシエ材の＠東体から成るもの
であることが好ましい。このマトリックスは、空−率が
低く、圧力降下が低い。マトリックス祉、鉛球、ナイロ
ン、ガラスなどの他の材料であってもよい。

モーフタハウジング３８内に同期ステップモータ４０を
配設し、上記＾ウジンダｆ８Ｆｉ、とのモータへウジン
グ３８から垂下させる・モータ４ｏの一出力は、ガム４
４に連結させる。カム４４は、スライド４６の横斬スロ
ット内に配置されたカム従節を有している。スライド４
６は、押のけ器の上端に連結させである。

スライド４６は、へウジング３８に取付けたクリアラン
ス密封スリーブ型軸受４Ｂ、４９によって囲繞され、案
内されるようｋする。軸受４８．４？Ｆｉ、セラミック
材で形成するのが好ましい。

スライド４６は、スリーブ型軸受４！の内周面に滑り接
触する軸受挿入体５ｏを有している。スライド４６には
軸方向の流体通路５２が設置られており、流体通路５２
０制流部（沫れ１１１限部）５４より上方の部位に半径
方向の連通口５５が設けられている。スライド４６の長
さは、スリーブ８１′＃！受４９より長い。スライド４
６がＪＩＦ２１ｍＫ示されるように上死点より下にある
ときは、該スライドの上方に軸受４８によって―まれる
室５６が一定される・ へウジンダ３８には、スライド４６に平行な内孔５８を
設置、その内孔内に好ましくは女う之ツク材製のクリア
ランス密封スリーブ型軸受６０を装着し、その軸受内に
軸方向の流体通１８６４を有する往復動自在のスプール
弁体６２を配設する。

弁体６２はスリーブ型軸受４０の長さより知〈シ、流体
通路６４が弁体の下方の室６５と連通するようＫする。

弁体６２の上端に近い部位で通路６４内Ｋｆ！ＩＩ流部
６６を設ける。通路６４の上端部、導ｔ６７により室５
６に連通させる。スプール弁体６２の外周面には溝６８
を形成してあり、弁体が第１図に示される位置にあると
きは、満６８の一端は、通路７０によって暖温幽室２０
に連通させる。溝６８の他端は、通路７２を介して連通
口５５に連通させる。扁圧連通ロア４をへウジンダ５８
に設け、スプール弁体６２が第１図に示されるような位
置にあるときは該弁体によって連通ロア４が閉塞される
ようＫする＠以下に述べるように、連通口７４け、押の
け器１８が下死点に達し九ときには通路７６を介して室
５６に連通するようになされている。

スプール弁体６２が第１図に示される位置にあるときは
、溝６８の上端がスリーブ型軸受６０の内周において連
通ロアＢＫ達通し、連通ロア８Ｆｉ導管８５を介して圧
縮機の吸入１ｉｉＫ達通する。圧縮＠８４の出力即ち吐
出ＩＩ＃′ｉ、導管８６を介して嶋圧連通ロア４に連通
させる。

スライド４６の一部分の周りを囲繞する室８０を般ゆる
。室８０は、出口定圧調整弁８Ｂを介して圧力源８２に
接続され圧通路８１に連通させる。

弁８８は、連通ロア４に関連する＾圧と、連通ロア８に
＠連する低圧との間の中間圧にセットする。

スライド４６の上端部分を小径とし、流体作用面を構成
する局部９０を形成する。室８０＃ｉ、スライド４６と
軸受４８との間のクリアランスシールによって室５６か
ら隔離する。

ハウジング５８は、その機械加工、組立を容易にし、か
つ、スプール弁体６２およびスライド４６へのアタ七ス
を容易にする九めに多数の分割部片で構成する。その構
成態様は、とこには図示しないが、当業者には明らかで
あろう、冷凍−１０は、ヘリウムのような極低温流体と
と−に使用するものとして設計するのが打型しいが、空
気や窒素などの他の流体を使用することができる。

図示の実施例では、冷凍ｍｔｏは、第１段１２からは７
７°にで少くとも６５９ツトの９ツト鈑出力を有し、２
０°にで最少限５ワットのＶット数出力を有するように
設計した。

各可動部材のス）ａ−りの長さ社短く、弁体６２のスト
ロークは１２１ｍ１１であり、６押のけ器のそれは３０
−である、弁体６２には必ずしも軸方向の流体通路６４
を設時る必要はなく、差圧に応答する中実スプール弁体
であってもよい。

作　　　動 第１図に示される状態では押のゆ１９１Ｂ、５７プ一ル
弁体６２ｄちょうどその最上方位ｔに達したところであ
る。この位置では、室２０１１ｍ、通路７０、連通ロア
８および導管８５を経て圧縮機８４の吸入０１ｉＫ達通
する。スプール弁体６２の下方の室６５の流体４、通路
６４、導ｌ＃６７、通路５２および７２を通して排出さ
れる。中間圧のガスは室８０内に捕捉される。

押のけ器１Ｂがモータ４０により下降され始めると、室
２２内の冷い低圧ガスがそれぞれの再生器２６内を通っ
て上昇し、排出される。室８０内のガスは肩部９０に作
用し、モータ４０をオーバーライドしてスライド４６を
下方へ押下ける。ここで、「モータをオーバーライドす
る」とは、「モータの杵勤に上乗せするＪあるいは「千
−タの作動を上−る」あるいは「モータの作動に優先す
るＪという意味である。ガスは、再生器２６内を通って
上昇する間に再生器から熱ｔ−吸収し、それＫよって再
生器を冷却する。スライド４６の上端は下降するＫつれ
て、通路７４４Ｃ近づき、第２図に示されるように、通
路７６を開放したときに押のけ器１８は下死点に達する
。通路７６の位置づ１ｔｓｔｉｔ度は、効率ＫｔｊＬ１
ｉ１影−するＯかくして、連通ロア４からの高圧ガスが
通路７６から室５６へ、そして導管６７へ流入し、制滝
部５４と６６との間の圧力が増大する。高圧ガスが１ａ
４５内の低圧流体に打克つと、弁体６２が第２図に示さ
れる位置にまで下降する。この時点で、系全体が、両端
を閉塞された通路７２を除いて高圧ガスを包含すること
になる。押の砂量１６は下死点にある。

押のけ器１Ｂ内の再生器の機能は、再生器内を下降する
ガスを冷却し、再生器内を上昇するガスを加熱すること
である。ガスは、再生器内を下降する際に冷却され、そ
れＫよって圧力を減ぜられるが、更に多くのガスを系内
に流入させ、最大限のすイクル圧力を維持する。！１２
２内のガスの温度の低下が、この装置によって得られる
有用な冷凍作用である。ガスは、再生器内を通って上昇
するときは、マトリックスによって周四温度に近い温度
にまで加熱される。

スライド４６は、モータ４０により押の１篠１８と共に
示される下死点から上昇せしめられ、それにつれて高圧
ガスが室２０．５４内へ下降する。連通口５５は、スラ
イド４６が上死点に達する寸前に通路７２と連通する。

連通ロ５５カニ通路７２と連通ずると、直ちに通路５２
および導管６７を圧縮機８４の吸入側に連通させる。室
６５内に捕捉されている高圧ガスかスプール弁体６２を
９２図に示される位置から押のけ器が上死点に達する第
１図に示される位置へ上昇させる。これで１サイクルが
完了する。

流体圧がスライド４６および押のけ器１Ｂの制御をオー
バーライドする態様は下記の通りである。

カム４４のクランク腕に作する垂直方向の力は、接線方
向の力をクランクの角度のサイン（正弦）によって除し
た商である。今、＆Ｉ、ｉｉｉ＋方向の力を４．５峙（
１ｏ　ｔｂ　）とし、高圧ガスの圧力を２１峙／ｍ”ｃ
　ｓ　ｏ　ｏ　ｐｓ轟）、圧力源８２からの中間圧を１
４　ｋ＃７ｃｍ”　（２００ｐｌ）、低圧ガスの圧力を
７ＫＩ／♂（１００ｐ＊１　）、屑９０の差向檀を２．
６１３（α４ゑ−）とする。トルクが最大となるクラン
ク腕の上死点および下死点の前後約１５＠の間の帯域で
はスライド４６の移動制御はモータ４０だ妙によって行
われる。クランク腕が上死点から１５°移動してスライ
ド４４が下降した時点では、肩９０に作用する流体圧の
垂直方向の力は、１８騨（（１４−７）ｘｚａ　）であ
る。一方、上死点から１５°下の位置においてスライド
４４に作用するモータ４０の垂直方向の力祉、４．５＋
α２５霞１Ｂ−である。上死点より下の１５°から１６
５°までの間の帯域では肩９０に作用する圧力は、モー
タ４０の垂直力を上回る。

かくして、肩？ＯＫ作用する流体圧の力がモータ４０の
力をオーバーライドし、モータ４０を１サイクルのｔｉ
ｔ！Ｅ３００°の間は増速させる。これと同じ差圧条件
が、スライド４６が上昇する際に賜存在する。なぜなら
、差圧ΔＰは７（２１−１４）であるからである。従っ
て、モータ４０＃ｉ、中間流体圧と肩９０の作用面が設
けられていない場合に必要とされるモータよりはるかに
小さく、安価なモータとすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１および２図は、本発明の一実施例による、冷凍機の
垂直断Ｉｉｉ図で、それぞれ異る作動段Ｉ＠にあるとこ
ろを−示す。 １６：ハウジング １８：押のけ器 ２６：再生器 ４０：モータ ４６：スライド ５２：軸方向の通路 ５４　：　ＩＪ流部 ５６：遼檎成手段 ６２ニスプ一ル弁体 代城人の氏名　　倉　内　基　弘

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）＾ウジング内に可動押のｆｆ１ｌＫより可変容積の
   第１＠室と第２−室とを画宕し、高圧流体の導入と低圧
   流体の排出を介して一部１１Ｊ　＃される該押のけ器の
   移動によって冷媒流体を第１ｇ室と第２画室との間で流
   路を通して循環させるようにした極低温冷凍機において
   、 前記押のけ器に連結され九スライドを案内するための室
   構成手段を設け、該スライドは、該室構成手段の前記押
   のけ器から遠い側の一端に連通する軸方向の通路を備え
   ており、該押の１器の移動をその上死点および下死点に
   近い位置において制御するためのモータを前記スライド
   に連結し、該スライドにはその両端の関に流体作用面を
   設け、該スライドがその上死点から離隔しているときは
   前記モータをオーバーライドする丸めの圧力を前記面に
   加えるための圧力付与手段を設り、前記スライドの前記
   軸方向の通路は１ｉｌＩｆｉｌＬ部を有しており、＾圧
   および低圧流体の流れを制御する丸めのスプール弁体を
   有する弁を設妙、前記押のけ器がその移動行程の一終端
   に趨したとき該スプール弁体を変位させるために高圧流
   体を導入するために、該スプール弁体の一端を前記室構
   成手段の前記一端に連通させる導管を含む弁体移動手段
   を設けたことを特命とする極低温冷凍機。 ２）前記弁体移動手段は、前記押のけ器が下死点に達し
   たとき前記スプール弁体を変位させるように構成されて
   いる特許請求の範囲第１項記載の極低温冷凍機。 ３）前記弁体移動手段は、前記押のけ器が上死点に達し
   たとき前記スプール弁体を変位させるように構成されて
   いる特許請求の範囲９１項記載の極低温冷凍機。 ４）前記作用面は、前記スライドの上端に形成され九減
   径部分によって構成されている特許請求の範１給１項記
   載の極低温冷凍機。 ５）前記スプール弁体は、その端部近くに制＆部を有し
   、前記導管に連通し丸軸方向の通路を備えている特許請
   求の範囲第１項記載の極低温冷凍機。 ６）前記作用面にＩＩ呈されえ室に中間圧の流体源が連
   通されている特許請求の＠’８１１１１項記載の柾低温
   冷凍機。 ７）前記スライドおよびスプール弁体の丸めの竜う主ツ
   ク製りリアランス密封スリーブ源軸受が設けられている
   特許請求の範囲第１項記載の極低温冷凍機。 ８）前記押のけ器が上死点に近づくＫつれて、前記スラ
   イド内の軸方向の通路および前記導管から流体を排出さ
   せ、それによって前記スプール弁体の高圧と低圧に対す
   る位置を逆転させる丸めの通路手段が設けられている特
   許請求の範り第１項記載の極低温冷凍機。 ９）前記圧力付与手段は、高圧流体と低圧流体との間の
   中間圧のガス源である特許請求の範囲第１項記載の極低
   温冷凍機・ １０）前記スライドおよび押のり器は、上死点および下
   死点の前後約１５°の間借域においては前記モータだけ
   によって制御されるようになされている特許請求の範肝
   第１項記載の極低温冷凍機。