JPS6057167A - 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】 発明の背景 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。このサイクルにおいては、別個の圧縮機が
設けられるので、その分だけ重さ、嵩高および製造コス
トが増大する。この圧縮機は、低圧ガスを高圧ガスへ変
換するのに必要とされるものである。

本発明は、極低温冷凍機において、可動部品の数を最小
限にし、嵩高およびサイズを減少させることを企図した
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画室と第２画室を
画定する可動部のけ器を備えた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画室と第２画
室との間で流路に沿って循環される。押のけ器にはスラ
イドが連結されており、スライドおよび押のけ器を一体
として上死点と下死点との間で往復動させるためのモー
タが該スライドに連結されている。

上記スライドは、第１画室と第２画室を連通させる軸方
向の通路を有している。スライドおよび・押のけ器のう
ちの一方、例えばスライドは、往復運動により第３画室
内のガス容積を変化させるためのピストンを有している
。押のけ器が一方の死点に達したときは第３画室と第１
画室の間での高圧および低圧流体の流れを制御し、押の
け器が他方の死点に達したときは第３画室と第２画室の
間での高圧および低圧流体の流れを制御するための弁が
設けられている。この弁は、上記スライドまたは押のけ
器のどちらによって構成される可動弁体を備えている。

本発明の目的は、圧縮機のような別個の高圧源を必要と
しない新規な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、極低温冷凍機の運動部品の数を最
小限とすると共に、圧力−容積図形によって囲まれる面
積を増大させて利用可能な冷凍能力を増大させることで
ある。

第１実施例の説、明 第１図には本発明の縞１実施例による極低温冷凍機１０
が示されている。冷凍機１０は、１つの作動段１２だけ
を有しており、使用に当っては、作動段１２は、ヘッド
１５に取付けられた真空ハウジング１４内に配設される
。作動段は、２つ以上設けることもできる。作動段１２
は、ハウジング１６と、その中に装着された押のけ器１
８を備えている。ヘッド１５の上端には温暖画室２ｏが
画定され、作動段１２の下端側のハウジング１６内には
冷温画室２２が画定されている。ここでは、暖温および
冷温という用語は、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。

フランジ付リングを有する熱良導材料製の筒の形とした
ヒートステーション２４が冷温画室２２を囲繞するよう
にしてハウジング１６に付設されている。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、マトリックスを包含した再生器２
６が設けられている。再生器２６内のマトリックスの上
端は、連通口２８により暖温画室２０に連通している。

マトリックスの下端は、半径方向の連通口２８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３０に連通する。がくして、再
生器２６内のマトリックスの下端は、連通口２８お上び
クリアランス３０を通して冷温画室２２と連通する。ク
リアランス３０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、無酸素銅のような高い比
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、空隙率が低く
、圧力降下が低い。マトリックスは、鉛球、ナイロン、
ガラスなどの他の材料であってもよい。

モータハウジング３４内に電気モータ３２が配設されて
いる。モータハウジング３４の外周面には半径方向外方
に突出した多数の放熱フィン３６が設けられている。モ
ータ３２には、その着脱自在の端壁３９に穿設した開口
を通して電線３日が接続されている。ハウジング５４は
、同様に外周面に半径方向外方に突出した放熱フィン４
２を有するハウジング４０に例えばボルトなどの任意の
適当な手段によって着脱自在に連結されている。

ハウジング４０の内孔には、セラミック製のクリアラン
ス密封スリーブ型軸受４４が装着されている。ハウジン
グ４０内の内孔の上端は、カバー４６によって着脱自在
に閉鎖されている。

モータ６２によって往復動されるスライド４Ｂは、軸受
４４によって案内される。モータ３２の出力軸は、偏心
ビン５２を有するクランク５０を備えている。偏心ピン
５２は、スライド４８の外周面の周溝５３内に配設され
た玉軸受によって受容されている。クランク５０が一方
向に回転すると、スライド４８が上死点と下死点の間で
往復動せしめられる。第１図では、スライド４Ｂおよび
それに連結された押のけ器１８が上死点にあるところが
示されている。

スライド４８および押のけ器１８には、それぞれ軸方向
の通路５４および５５が互いに整合するように形成され
ている。スライド４８の減径下端と、それと対応する押
のけ器１８の減径上端とは、ろう付けまたは溶接５６な
どにより結合されている。これらスライドおよび押のけ
器の減径部分は、セラミック製のクリアランス密封スリ
ーブ型軸受５８によって囲繞されている。スライド４８
は押のけ器１８に結合されているので、両者は軸受５Ｂ
と一体となって移動する。

軸受４４の内孔の下端部内には軸受兼弁部材６０が設け
られている。部材６０の内孔壁は、軸受５８の外周面と
接触するようになされている。

部材６０の上端は、それに並置するスライド４８のピス
トン面５７からそれとの間に画室６２を画定するように
ＩＩＩｆＩ隔されている。暖温画室２０、冷温画室２２
、および画室６２をそれぞれ第１、第２、および第５画
室と称することができる。

部材６０の上端部分の外周面には、軸方向の通路６４が
形成されており、各通路６４の下端は、半径方向の通路
６６に連通している。通路６４の長さは、押のけ器１８
の移動行程の長さに対応している。軸５８およびスライ
ド４８の減径部分を横断方向に貫通して半径方向の通路
６Ｂが形成されている。通路６８は、第１図に示される
ように、第３画室６２と第２両室２２とを通路５４．５
５を介して連通させる。通路６日は、押のけ器１８の減
径部分が長くされ、スライド４８の減径部分が短くされ
ている場合は、押のけ器の減径部分に形成してもよい。

従って、通路６８をスライド４８に設けるか、押のけ器
１８に設けるがは、重要な問題ではない。

ハウジング４０の底部には底部プレー）７０が着脱自在
に取付けられている。プレー）７０の上面には、部材６
０の下端を受容する凹部が設けられており、それによっ
てプレート７０と部材６日とが同軸関係に保持される。

この冷凍機１ｏは、任意の密度に配列され、酸素や窒素
などのガスを付着させるようにした山形羽根を有する周
知のクライオポンプ（図示せず）に接続し−て使用する
ことができる。そのような貴ガスは、第２作動段として
ヒートステーション２４に連結した受皿内に収容した炭
（チャーコール）によって吸着されるようにすることが
できる。

第１実施例の作動 第１図では、第１画室２０の容積は、最大限であり、第
３画室６２の超低圧容積が最大限となり、第２画室２２
の低温高圧容積は最大限となっている。通路６８は、全
開しており、従って、再生器２６および第２画室２２内
の高圧ガスを通路５５．５４を通して第３画室６２へ排
出させる。この低湿高圧ガスが再生器２６を通して上方
へ排出された後は、第６画室６２の圧力は第２画室２２
の圧力と同じ値となる。そして、この圧力変化により第
２画室２２は、第４図に示されるようにＰｌからＰ２へ
降下する。

次いで、押のけ器１８がモータ３２とスライド４８との
相互関係により第１図の位置から第２図に示されるよう
に下降し始めると、第１画室２゜の容積が増大する。一
方、第３ｉｉ！ｌＩ室６２の容積は減少し、通路６８が
閉鎖される。第２画室２２内の低圧ガスは、再生器２６
を通して上方へ押しのけられて第１画室２０内へ流入し
、ガスの体積が膨張する。この押のけ容積が増大するに
つれて、室２２内の圧力は一層低下する。一方、第３画
室６２内の低圧ガスは、ピストン面５７によって圧縮さ
れる。押のけ器１８が更に下降するにつれて、画室２０
．２２内のガスの圧力が低下し、画室６２内のガスは圧
縮される。かくして、室２２内の圧力は第４図にＰ３で
示される値となる。スライド４８および押のけ器１８が
下死点に達する直前に画室６２内のガスは完全に圧縮さ
れる。スライドおよび押のけ器が第３図に示されるよう
に下死点に達すると、画室２２内の低温超低圧が最大限
となり、画室２０内の圧力は最大限となる。

また、この下死点においては、通路６８が通路６６と連
通し、画室６２からの高圧ガスが画室２０．２２および
再生器２６内へ膨張流入し、画室２２内の圧力は、第４
図に示されるＰ３からＰ４へ増大する。

押のけ器１８が下死点から上昇すると、画室２０内のガ
スが通路５４．５５および再生器２６を通して下方に画
室２２へ押のけられる。画室６２内の圧力は該画室の容
積が膨張することにより低下する。画室６２は、通路５
４．５５から隔絶されている。

押のけ器１８およびスライド４８が上死点に近づくと、
画室２０内にあった高圧ガスの全部が再生器２６の空隙
コラムおよび冷温画室２２の空間を占める。このときの
１ｉｌｒｉ室２２内の圧力は、第４図に示されるＰｌと
なる。画室６２内の圧力は最大限となる。次いで、通路
６日が、画室６２と連通しそれによって画室２２内の低
温高圧ガスを画室６２へ排出し始める。かくして、押の
け器およびスライドが上死点に達した時点でサイクルが
完了する。

本発明の冷凍機は、連動部品の数を最大限にするという
利点を有する。即ち、スライド４８と押のけ器１Ｂとは
、一体として移動し、１個の運動部品を構成する。その
他の運動部品は、モータ３２とクランク５０だけであり
、合計３個の運動部品を必要とするだけである。また、
セラミック製の密封軸受４４．５Ｂが設けられているの
で、別個の静止密封部材を必要としない。冷凍機１０は
、外部圧力源に連通ずる接続部が全く用いられていない
ので、密封ユニットである。

作動流体（冷媒）は、第３　Ｍ室６２が圧縮容積と膨張
容積との間で切換えられることにより、常に一定の圧力
で押のけられる。本発明の低瀉作動容積に及ぼす効果の
増大は、圧力−容積図形によって囲まれる面積の増大に
対応するものであり、この面積の増大の結果として、別
個の圧縮機を必要としない従来知られている唯一の、本
発明以外のサイクルであるスターリングサイクルに比べ
て、利用可能な冷凍効果を増大させることができる。

従来のスターリングサイクルは、別個の圧縮機を必要と
しないが、圧力変化の波形が押のけ器の移勤行程に対し
て９０１位相的にずれており、そのために圧力−容積図
形の面積が減少する。

典型的な実施例においては毎分約２００サイクルの速度
で作動させる。運動部品即ち押のけ器１８およびスライ
ド４８の移勤行程の長さは、短く、３０　ｍｍ　程度で
ある。押のけ器１８およびスライド４８の一方（図示の
例ではスライド４日）は弁部材の役割を果すので、別個
の弁を必要としない。

このように、スライド４８は、押のけ器１日をモータ６
２に連結する機能、通路５４により画室２０と押のけ器
１８との間に連通を設定する機能、および通路６８によ
り画室６２と画室２０．２２との間の流体の流れを制御
する弁機能とを含む多重機能を有する。

定常冷却作動における圧力を最大限にするためには、追
加のガス源が必要とされる。冷却作動が開始される時点
では、モータハウジング３４を含む、すべての内部容積
（内部空間）は、ある特定の開始千力下にある。冷却作
用が達成されると、全体の圧力が降下する。その結果、
モータハウジング３４内のガス、あるいは他のガス源の
ガスが、作動容積内へ漏入せしめられ、再び全体の作動
圧力を増大させる。このような、冷却作動時におけるモ
ータハウジング乙４からの流体の漏入、および加１１作
動時におけるモータハウジング３４への流体の漏出は、
いろいろな態様で達成することができる。例えば、スラ
イド４８の上端と軸受４４との」二端の間にクリアラン
スを設けることによってでもよく、あるいは画室２０と
モータハウジング３４とを連絡する小さいオリフィスを
ハウジング４０の壁に穿設することによってでもよく、
あるいは、画家２２とモータハウジング６４とを結ぶ流
体通路を設け、その通路内に、互いに反対向きにばね押
しされた１対の逆止弁を設けることによってでもよい。

第２実施例の説明 第５〜６図には別の実施例による冷凍１１０’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、モータ３２の代りにリニアモータコイ
ル７８がハウジング４０の内側壁に形成した凹部内に肩
部８０上に支持されるようにして装着されている。モー
タ７８は、第６図に示されるようにダイオード８４を介
して交流電源８２に接続されている。モータ７８は、押
のけ器１Ｂ’およびスライド４８１を上死点位置から下
死点位置へ移動させ、ばね８６を圧縮する。押のけ器１
Ｂ’およびスライド４８１は、ばね８６の膨張力により
下死点位置から上死点位置へ戻される。この冷凍機には
、連動部品が１つだけしかない。即ち、一体として移動
する押のけ器１８１とスライド４８’が唯一の連動部品
である。この第２実施例の作動態様は第１実施例のそれ
と実質的に同じである。

【図面の簡単な説明】

第１〜３図は、本発明の第１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、第１〜３図の冷凍機の第２画室の圧力−容積
図形である。 第５図は、本発明の第２実施例による冷凍機の垂直断面
図である。 第６図は、第５図の冷凍機のためのモータの電気配線図
である。 １４．１６、′５４．４０：ハウジング１８：押のけ器 ２０：第１画室 ２２：第２画室 ２６：再生器 ３２．７８：モータ ４４：クリアランス密封軸受 ４８ニスライド ５４．５５：軸方向の通路 ６０：軸受兼弁部材 ６２：第３画室 ６６．６８−半径方向の通路 手続補正書（方式） 昭和５９年１０月４　口 特許庁長官　志　賀　学　殿 事件の表示　昭和５９年　特願第１２２１＜１８　号発
明の名称　極低温冷凍機 補正をする者 事件との関係　特許出願人 名称　シーヴイーアイ・インコーポレイテッド代理人 〒１０３ 住　所　東京都中央区１」本橋３丁目１３番１１号油脂
工業会館補正命令通知の「１付　昭和５９年９月２５町
１前ドに２ｆｆ聰ｒ乙発明σ数−− 補正の対象 願書の特許出願人の欄 委任状及びその訳文　各１通 図面　１通 補正の内容　別紙の通り 図面の浄書（内容に変更なし）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）囲い体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１ｉ！ｉ′ｉ室と第２画室との間で再生器を収
   容した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たスライドを案内するための案
   内手段を設け、該スライドおよび押のけ器を一体として
   上死点と下死点との間で往復動させるためのモータを該
   スライドに連結し、該スライドは、前記第１画室と第２
   画室とを連通させる軸方向の通路を有しており、該スラ
   イドと押のけ器のどちらか一方は、前記往復動中箱３画
   室内のガス容積を変化させるためのピストンを有してお
   り、該押のけ器がその移動行程の一方の終端に達したと
   きは第３画室と第１１室との間の高圧流体および低圧流
   体の流れを制御し、押のけ器がその移動行程の他方の終
   端に達したときは第３画室と第２画室との間の高圧およ
   び低圧流体の流れを制御するために該スライドと押のけ
   器のどちらか一方に連結された可動弁部材を有する弁を
   設けたことを特徴とする極低温冷凍機。 ２）前記囲い体は、セラミック製のクリアランス密封軸
   受を有するハウジングを備えており、該軸受内に前記ス
   ライドおよび弁が装着され、該軸受内に前記第１画室お
   よび第３画室が画定されている特許請求の範囲第１珀記
   載の極低温冷凍機。 ５）前記モータは前記ハウジング内に配設された電気リ
   ニアモータであり、前記スライドおよび押のけ器が唯一
   の運動部品である特許請求の範囲第２項記載の極低温冷
   凍機。 ４）前記ピストンおよび可動弁部材は前記スライドの一
   部分である特許請求の範囲第１項記載の極低温冷凍機。 ５）囲い体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画室との間で再生器を収容した流
   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
   、 前記弁のけ器に連結されたスライドを案内するためのハ
   ウジングを設け、該スライドは、前記第１画室に臨む可
   動表面を有しており、前記流路は、該スライドおよび押
   のけ器に設けられた軸方向の通路を含むものであり、該
   スライドおよび押のけ器を一体として上死点と下死点と
   の間で往復動させるためのモータを該スライドに連結し
   、該スライドと押のけ器のどちらか一方は、前記往復動
   中筒６画室内のガス容積を変化させるためのピストンを
   有しており、該第５画室は、前記ハウジング内に前記ス
   ライドに対し同軸的に画定されており、核部のけ器が上
   死点および下死点に達したとき第３画室と第１画室との
   間の高圧流体および低圧流体の流れを制御するための弁
   を設けたことを特徴とする極低温冷凍機。 ６）前記ピストンは前記スライドと一体の環状部分によ
   って構成されている特許請求の範囲第５項記載の極低温
   冷凍機。 ７）前記弁は、前記スライドと押のけ器のどちらか一方
   に連結された可動弁部材を有するものである特許請求の
   範囲第６項記載の極低温冷凍機。 ８）前記弁の固定部分は、前記スライドの一部分を囲繞
   して前記第３画室の一端を画定する環状の軸受部材によ
   って構成されており、該スライドの前記一部分を囲繞す
   るクリアランス密封軸受が設けられ、該スライドは、該
   クリアランス密封軸受の周面から該スライドの前記軸方
   向の流体通路にまで延長した半径方向の流体通路を有し
   ている特許請求の範囲第７項記載の極低温冷凍機。