JPS58190664A - 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−マクマホンサイクルの改
良に関する。このサイクルを教示した従来の代表的な特
許としては、米国特許第２．９６４０３５号、＆１８＆
８１８号、５，２１８，８１５号および４、３０５．７
４１号などがある。

最大限の効率と信頼度を得るためには、再生器を通して
移送するガスの容積を最大限にすることが肝要である。

そしてそれを達成するＫは、押のけ器が上死点または下
死点に達したときガスの流れの方向が逆転されるように
することが肝要である。本発明は、流体の流れを制御す
るための摺動自在の圧力応答弁と組合せて、上記押のけ
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Ｋ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、囲い体内に可変容積の第１室と第２室を画定
する可動押のけ器を備えた極低温冷凍機ＫｐＡ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。

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、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。

スライド内の通路には制流部を設ける。高圧および低圧
流体の流れを制限するためのスプール弁体を備えた弁を
設け、押のけ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Ｋするために
１前記室の一端と、押のけ器から遠い側の他端とを連通
する導管を含む手段を設ける。

本発明の目的は、押のけ鰺を上死点および下死点におい
て制御する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イぎ軸性を改良する
ようＫ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両方
を有する極低温冷凍機を提供することである。

８１実施例の説明 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と第２段１４を有している。

使用するときは、これら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イーまたは複数
堺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け
器１８を設ける。押のけ器１８は、その上側に暖温画室
２ｏを、そして下１１１１　Ｋ冷温画室２２を画定する
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、暖温および冷温という用晧は、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。

フランジ付すングを有する熱良導材料製の簡の形とした
ヒートステーション２４を冷温画室２２を囲繞するよう
Ｋしてハウジング１６に付設する。

ヒートステーション２４は、当業者には周知のように図
示のもの以外の他の構造としてもよい。

押のけ器１８内には、！トリックを包含した再生器２６
を設ける。連通口２８により再生器２６内のマトリック
スの上端を層温画室２０４１（連通させる（第２図）。

マ）　ＩＪラックス下端は、半径方向の連通口３０によ
り押のけ器１８の下端の外周面とハウジング１６の内周
面との間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膚は、連通口３０
およびクリアランス３２を通して冷温画室２２と連通ず
る。

クリアランス５２は環状の熱交換器の役割を果す。

再生器２６のマ）　ＩＪラックス、無酸素鋼のような高
い比熱を有する２５０メツシユ材の積重体から成るもの
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）　ＩＪラックス、鉛球、
ナイロン、ガラスなどの他の材料であってもよい。

第２段１４も、第１段１２と実質的に同じである・第２
段では、冷温画室は符号３４で示され、やはりヒートス
テーション５６１Ｃよって囲繞されて〜・る。ただし、
第２段１４の層温画室は、第１段に対する冷＃Ａ画室で
ある画室２２である。第２段１８の押のけ室３７は、押
のけ器１８に固定的に連結させる。第２段の再生器は、
鉛球から成るマトリックスを包含しており、連通口６９
を通して１＃１室２２に連通させる。

モータハウジング３８内に電気モータ４ｏを配設し、Ｆ
記ハウジング１８は、このモータハウジング５８から垂
下させる。モータ４ｏの出力は、カム４４に連結させる
。カム４４は、スライド４６の横断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４６は、その全長
に亘って均一な伽径を有しており、押のけ器の上端に連
結させである。

スライド４６は、ハウジング５８に取付けたクリアラン
ス密鍾スリーブ型軸受４８．４９［よって囲繞され、案
内されるよ５にする。軸受４８．４９は、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４８の内周面に滑り接
触する軸受挿入体を有している。スライド４６には軸方
向の流体通路５２が設けられており、流体通路５２の制
光部（流れ制限部）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
リーブ型軸受４８より長い。スライド４６が＃Ｉ２図に
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によって囲まれる室５６が一定される
。

ハウジング６８には、スライド４６に平行な内孔５８を
設け、七〇内孔内に好ましくはセラミック材製のクリア
ランス密画スリーブ型軸受６０を装着し、七二の軸受内
に軸方向の流体通路６４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６０の長さより短くし、流体
通路６４が弁体の下方の室６５と連通するようにする。

弁体６２の上端に近い部位で通路６４内に制光部６６を
設ける。通路６４の上端は、導管６７により室５６に連
通させる。スプール弁体６２の外周面には＄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、
溝６８の一端は、通路７０によって層温画室２ｏに連通
させ、通路７０は、通路７１を介して室６５に連通させ
る。

高圧連通ロア４をハウジング３８に設け、スプール弁体
６２が嬉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が閉塞されるようにする。以下に述
べるように、連通ロア４は、押のけ器１８が下死点に達
したときには通路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６Ｂの上端がスリーブ型軸受６ｏの内周において連
通ロア８に連通し、該連通口を介して室８０に連通ずる
。スライド４６の連通口５５は、スライド４６が上死点
に達したとき室８０に連通する（第１図）。室８ｏは、
モータ４０を収容している室４２と直接連通している。

室４２は、連通口８２を介して圧Ｍ機８４の吸入伸に連
通させ、圧縮機８４の出力即ち吐出側は、導管８６を介
して高圧連通ロア４に連通させる。

ハウジング３Ｂ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へのアクセス
を容易にするために多数の分割部片で構成する。その構
成態様は、ここには図示しないが、当業者には明らかで
あろう。冷凍機１０は、ヘリウムのような極低温流体と
ともに使用するものとして設計するのが好ましいが、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、冷凍機１０は、第１段１２からは７
７°にで少くとも６５ワツＦのワツＦ数出力を有し、第
２段１４では２０°にで最少限５ワットのワット数出力
を有するように設計した。

多段構成は、いろいろな異るレベルの極低温冷凍温度を
得るための熱力学的に効率的なプロセスであり、一定の
所要冷凍量に対するエネルギー所１！量を節減する。

第１実施例の作動 第１図に示される状態では押のけ器１８．５７は上死点
にあり、モータ４０の制御下にある。スプール弁体６２
はちょうどその最上方位置に達したところである。この
位置では、室２０は、通路７０、連通ロア８、室８０お
よび４２を経て圧縮機８４の吸入側に連通する。モータ
４０は、室４２内を流れるガスによって冷却される。ス
プール弁体６２の下方の室６５の流体も、通路６４、導
管６７、通路５２、および室８０を通して排出される。

押のけ器１８．３７がモータ４０により下降され始める
と、室２２．３４内の冷い低圧ガスがそれぞれの再生器
内を通って上昇する。ガスは、通路即ち環状クリアラン
ス空間３２を通って上昇する間にヒートステーション２
４から熱を吸収し、史に再生器から熱を吸収し、それに
よって再生器を９却する。第２図に示される状態では押
のけ器が下降し、下死点に近づいている。スライド４６
の上端が通路７６を開放するときに６押のけ器は下死点
にｉＭする。通路７６の位置づけ精度は、効′４に直接
１書する。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、制流部５
４と６６との間の圧力が増大する。高圧ガスが室６５内
の低圧流体に打克つと、弁体６２が第３図に示される位
置にまで下降する。この時点で、系全体が高圧ガスを包
含することＫなる。６押のけ器は下死点にある。

押のけ器１８．５７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、更に多くのボス
を系内に流入させ、最大限のサイクル圧力を維持する。

Ｗ１２２．５４内のガスの温度の低下は、ヒートステー
ション２４．３６において求められる有用な冷凍作用を
提供する。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囲温度に近〜・温度にまで加熱
される。

スライド４６は、モータ４０により押のけ器１８．３７
と共に第３図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室８０
と連通ずる。軸受４９の上端は、連通口５５と室８０と
の連通のタイミングをａｌ調幣するために機械加工によ
り切削してもよく、あるいは上下方向に調節自在の構造
としてもよい。連通口５５が室８０と連通すると、山ち
に通路５２および導管６７を、連通口５５、室８０、室
４２、連通口８２を経て圧縮機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がスプール弁体
６２を第３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。通常、毎分７２〜８０サイクルの速度
で作動する。各可動部材のストロークの長さは短く、弁
体６２のストロークは１２−であり、６押のけ器のそれ
は３０ｍである。弁体６２には必ずしも軸方向の流体通
路６４を設ける必要はなく、差圧に応答する中実スプー
ル弁体であってもよい。

ヒートステーション２４および′５６において得られる
冷凍は、多種多様の装置に連関させて使用することがで
きる。第１〜３図に示される例では、ヒートステーショ
ン２４は、クライオポンプ（ＪＥ空ポンプ）のハウジン
グ９２に職付けられた山形羽根９０を冷却するのに使用
され、ヒートステーション３６は、受皿９６内の炭（チ
ャーコール）を冷却するのに使用される。クライオポン
プ内では、羽根９０は、任意の密度に配列され、酸素や
窒素などのガスをそれらの羽根に付着させるようにな、
されており、そのような貴ガスは［９４によって吸着さ
れる。

第４〜８図には別の実施例による冷凍機１０’が示され
ている。冷凍機１０’の各構成部品のうち、冷凍機１０
の構成部品と同様のものは同じ参照番号にダッシュを付
して示されている。

この実施例ではスライド４６’と弁体６２’との間にパ
イロット弁１００を介設する。パイロット弁１００は、
セラミック製軸受１０４内のｆｊ看されたスプール弁体
１０２を備えている。弁体１０２は、通路７４’との連
通を選択的に遮断する周溝１０４を有している。第４図
に示されるように１導管７７、＃１１０ｄおよび通路１
２０内に高圧が設定されるが、それらはスライド４６’
および弁体６２’ｌＣよって閉塞される。系の他の部分
は、低圧下におかれる。

スプール弁体１０２は、上述した全冷凍サイクル中第４
図・Ｋ示される位置に留まる。炭９４’が飽和点に達し
たことＫよりそれ以上貴ガスを吸着することができなく
なると、貴ガスの行き場所がなくなる。従って、貢ガス
は、転回してクライオポンプ内へ逆流する。その結果第
２゛段１４’に伝導負荷がかかり、第２段が過熱する。

第２段１４’の温度が約２０°Ｋに達すると、ダイオー
ド１０８が作動され、ソレノイド１１０の接点を閉成す
る。ソレノイド１１０は、弁体１１２に連結されており
、弁体は弁体１０２に連結されている。その結果、弁体
１０２が第４図の位置から第５図の位置へ下方へ変位さ
れる。これにより直ちに弁体６２’の作用が逆転され、
装＃１０′は加熱モードにされる。

８ｇ５図においては、スライド４６′が上死点にあつた
関に弁体１０２の変位が生じた場合が想定されている。

僅かな差圧により、通路６７’内の高圧ガスがスプール
弁体６２’を第５図の位置から第６図の位置へ移動させ
る。装＠１０’は、かくして、冷凍モードではなく、加
熱モードにおかれ、６押のけ器は上死点にある。通路１
１４，１１６を除き、すべての通路に高圧ガスが存在す
る。冷温画室内の圧力が増大するにつれて、ガスの温度
が上昇する。

６押のけ器が冷温画室端の方に向って下降し始めると、
比較的暖いガスが再生器のマ）９ツクス内を通して上昇
せしめられ、それＫよって各段のマ）　＋７ツクス材を
加熱する。押のけ器が引続き下死点にまで下降すると、
低圧制御連通口が第７図に示されるように開放する寸前
となる。第８図に示される状態では、６押のけ器は下死
点にある。

第８図に示されるように、６押のけ器が下死点に達する
と、室５６’が通路７　ｄ’を介して、室８０’に通じ
ている通路１１４に連通し、それＫよって弁体６２’の
上方の室、導管６７′、室５６’および通路５２’の制
流部に至るまで低圧となる。高圧ガスは、通路７０’を
介して第１段１２’および第２段１４’へ連通される。

弁体６２’は、そのト下間の僅かな一時的な圧力差によ
り第８図の位置から第５図の位置へ押上げられる。この
時点で、系全体が導管７６１を除いて低圧に接続される
。導管７６’は、弁体１０２を通して連通されているが
、左端がスライド４６’ｆよって閉塞されている（第５
図）。

６押のけ器の上方の暖い高圧ガスは、膨張して通路７０
’、溝６８′１通路１１４，１１８′を通って室８０’
へ至り、モータハウジングを通って圧縮機８４１の入口
即ち吸入側へ引入れられる。次いで、６押のけ器は、モ
ータ４０’の作用により上昇し始め、比較的暖い低圧ガ
スを第１段および第２段の再生器内を通して下降せしめ
られる。

６押のけ器が、上昇するにつれて、スライド４６′が通
路７６’の左端を閉安し、引続き上死点に向って上昇す
る。６押のけ器が７１４４図に示されるように上死点に
達すると、高圧が導管７６から溝１０６内へ導入され、
通路１２０を経て連通口５５’へ、そして通路５２′、
室５６′１導管６７′を経て弁体６２’の制流部にまで
至る。系の残りの部分は、圧縮機８４′の吸入側に連通
し、低圧状態におかれる。

この時点で１サイクルが完了する。この実施例の作動例
では、毎分約７２〜ａＯ＋イクルの速度で作動する。

加熱サイクルは、ソレノイド１００が弁体１０２を第４
図に示される位置へ移動させ、それＫよって装置１０を
冷凍モードに戻したとき、終了する。

ダイオード１０８は、冷凍モードへ戻すことが望ましい
とき自動的にソレノイド１００を作動する。

加熱モードは、約３５分間継続し、ハウジング９２′内
に生じたガスおよび湿分は、すべてポンプにより排出さ
れる。このように約３５分間以内で炭９４１を再生させ
ることができるのは、少くとも３時間半も必要とする現
行の技術に比べて大幅な改良である。第４〜８図の実施
例の冷凍機１０’は、パイロット弁１００と連携して訝
存の置体通路を利用して、通路のサイズおよび流量の有
効利用を達成する。

【図面の簡単な説明】

第１〜６図は、本発明の一実施例による、冷凍機の垂直
断面図で、それぞれ異る作動段階にあるところを示す。 第４図は、本発明の他の実施例による冷凍機の垂直断面
図である。 第５および６図は、第４図の冷凍機の部分断面図であり
、それぞれ異る作動段階にあるところを示す。 第７および８図は、第４図と同様の図であるが、それぞ
れ葬る作動段階を示す。 １６：　ハウジング １８．３７：　押のけ器 ２６：　再生器 ４０：　モータ ４６：　スライド ５２：　＠方向の通路 ５４：　制流部 ５６：　室購成手段 ６２：　スグール弁体 ６７：　導管 １００：　パイロット弁

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）ハウジング内に可動押のけ器により可変容積の第１
   画室と第２画室とを画定し、該押のけ器の移動によって
   冷媒流体を第１画室と第２画室との間で流路を通して循
   環させるようＫした極低温冷凍機において、 前記押のけ器に連結されたスライドを案内するための室
   構成手段を設け、皺スライドは、咳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、該押のけ器の移動をその上死点および下死点に
   おい【制御するためのモータを前記スライドに連結し、
   該スライドの前記軸方向の通路は制滝部を有しており、
   高圧および低圧流体の流れを制御するためのスプール弁
   体を有する弁を設け、前記押のけ器がその移動行程の一
   終端に達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Ｋ、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徴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ねて
   いる特許請求の範囲第１項記載の極低温冷凍機。 ３）＃配弁体移動手段は、前記押のけ器が上死点に運し
   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。 ４）前記スプール弁体と前記室構成手段の前記一端との
   間の流れを制御することにより該冷凍機の作動を加熱モ
   ードに変換するための切換手段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。 ５）前記スプール弁体は、その端部近くに制流部を有し
   、前記導管に連通した軸方向の通路を備えている％軒請
   求の範囲第１項記載の極低温冷凍機。 ６）前記モータを冷却するためにモータのハウジングを
   通して低圧流体が排出されるようになされた特許請求の
   範囲第１項記載の極低温冷凍機。 ７）前記スライドおよびスプール弁体のためのセラミッ
   ク製クリアランス密封スリーブ型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にっれて、荊紀スラ
   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Ｋ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ための通路手段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。 ９）前記モータは電気モータである特許請求の範囲第１
   項記載の極低温冷凍機。 １０）前記押のけ器は、マトリックスを収容する中空部
   分を有し、該マトリックスを介して前記第１画室と第２
   画室とを連通させるための連通口を有している％Ｍ情求
   の範囲第１項記載の極低温冷凍機。 １１）前記切換手段は、前記導管内へ高圧流体が導入さ
   れたときクライオポンプ内の温度に応答して作動サイク
   ルを逆転させるためのパイロット弁を備えている特許請
   求の範囲第４項記載の極低温冷凍機。