JPS61190255A

JPS61190255A - 極低温冷凍装置

Info

Publication number: JPS61190255A
Application number: JP2874185A
Authority: JP
Inventors: 英文斎藤; 林　宗浩
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 1985-02-16
Filing date: 1985-02-16
Publication date: 1986-08-23
Also published as: JPH0566510B2

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】［産業上の利用分野］本発明は、タライオボンブやＨｅ液化装置等に適用可能
な極低温冷凍装置に関するものである。

［従来の技術］従来、この種の冷凍装置は、シリンタ内にピストン状の
ティスブレイサーをスライド可能に嵌装　　　　　゛し
、このディスプレイサーを往復動作させることによって
、該ディスプレイサーと前記シリンダの低温端との間に
形成される膨張室の容積を増減させるようになっており
、その膨張室の拡縮によりガスを順次膨張させて所定の
冷凍サイクルを営ませ得るようにしである。

ところで、従来のものには、蓄冷器を前記ディスブレイ
サーの内部に保持させるようにしたものと、シリンダの
外部に配設するようにしたものとがあるが、いずれも次
のような問題がある。すなわち、蓄冷器をディスプレイ
サーの内部に設けたものは　可動部の慣性笛冊力けま（
振動が登ルし易いという欠点がある。また、蓄冷器をシ
リンダの外側（シリンダ壁外周面部を含む）に設けたも
のは、前記ディスプレイサー内部に無駄な容積が存在す
ることになり、装置全体の嵩が高くなるという問題があ
る。さらに、このディスプレイサーの動きを制御するた
めにさまざまな機構が考案されているが、そのどれもが
ガスシールの箇所が増加したり、複雑な可動部が追加さ
れるなど、装置をＮＩｌ化させていた。

このような不都合を解消するために、極低温冷凍装置を
、固定部材に支持された内設蓄冷器と、この蓄冷器の外
周にスライド可能に嵌装されその低温側の端部と該蓄冷
器の低温端との間に内設膨張室を形成する可動シェルと
、この可動シェルの外周囲に配設した外設蓄冷器と、こ
の外設蓄冷器を包囲するように設けられその低温側の端
部と前記可動シェルとの間に外設膨張室を形成するケー
シングと、前記各蓄冷器の高温端を給気系路または排気
系路に予め股だしたタイミングで接続するタイミングバ
ルブとを具備してなるものにすることが考えられている
。このようなものであれば、冷却用のガスの圧力を作動
シェルのスライドに利用できるので駆動部が不要で構造
が簡単な上、該作動シェルの１往復当り２度の断熱膨張
を行なえるので同じ大きさのものでより大きな冷凍能力
が得られるという利点がある。

ところが、このようなものにも次のような不都合がある
。すなわち、前記可動シェルの前記ガスによる加速はな
されても該可動シェルを減速させる手段がないため、該
可動シェルはスライド終了位置においてストッパに衝突
するまで停止トせず、該衝突によって振動が発生する。

［発明が解決しようとする問題点」本発明は、このような事情に着目してなされたもので、
構造が簡単で冷凍能力が高く、しかも前記衝突による振
動も生じない極低温冷凍装置を提供することを目的とす
る。

Ｅ問題を解消するための手段］本発明は、かかる目的を達成するために、前記考えられ
ている極低温冷凍装置において、前記可動シェルの外部
高温端側に設けられ該可動シェルをスライド終了位置近
傍から減速させスライド縛Ｔ位置で停止ヒさせるカスダ
ンパを設けたことを特徴とする。

［作用］このような構成によれば、可動シェルの往復動作に伴な
って、この可動シェルの内側に形成された内設膨張室と
、外側に形成された外設膨張室とが交互に拡縮すること
になる。そのため、給気系路から内設蓄冷器を通して内
設膨張室に導入された高圧のガスがこの膨張室で膨張し
て低温となり、再び内設蓄冷器を通して排気系路へ排出
されて循環する一方、前記給気系路から外設蓄冷器を通
して外設膨張室に導入された高圧のガスがこの膨張室で
膨張して低温となり、再び外設蓄冷器を通して前記排気
系路へ排出されて循環することになる。また、該可動シ
ェルのスライド終了位置の近傍からはガスダンパか該可
動シェルを減速させるので、スライド終了位置において
衝撃を伴うことなしに停止する。

［実施例］以下、本発明の一実施例を図面を参照して説明する。

第１図は１本発明にかかる小型極低温冷凍装置の縦断面
図であり、図中１は固定部材たるベースである。ベース
ｌは、上端部は円板状をなし、底版１ａには対をなす流
出入ボート２．３を有している。一方の流出入ボート２
は、前記底版１ａの中心部に穿設されており、この流出
入ボート２の上半部分に連通管４をシール部材５を介し
て気密に嵌合させセットスクリュ６により固定している
。この連通管４は、Ｌ方へ延出しており、その上端には
取付円板７が取着しである。そして、この取付円板７上
に一段目の内設蓄冷器８を載置し、複数本のポル）９ａ
により固定している。この内設蓄冷器８は、蓄熱エレメ
ント１１と図示しないスペーサとを交〃に複数段積上げ
たものである。

蓄熱エレメント’１１’は、銅等により作られた円板状
のもので、上下に貫通する多数の通気口１１ａを有して
いる一スペーサＬ±ステンレスｆｌｊＡ！１１の針金等
により作られている。そして、この内設蓄冷器８の高温
端（常温端）８ａは、前記取付円板７に穿設したポー）
７ａおよび前記連通管４を介して前記流出入ボート２に
連通ずるとともに、ポート７ｂを介してチャン／＜１０
に連通している。また、この内設蓄冷器８の低温端８ｂ
を取付部材１２に穿設したポート１２ａ、連通路１２ｂ
およびボート１２Ｃを介して二段目の内設蓄冷器１３の
高温端１３ａに連通させている。この取付部材１２は、
］二下両端部にそれぞれ円板状の取付部１２ｄ、１２ｅ
を有するものである。内設蓄冷器１３も蓄熱エレメント
１１と図示しないスペーサとを交ηに複数段積トげたも
のであり、複数本のポルト９ｂにより固定されている。

そして、これら内設蓄冷器８および１３の外周に可動シ
ェル１４をスライドバルブにｇ＆装している。可動シェ
ル１４は、前記蓄冷器８および１３の外周に嵌合する二
段の円筒体状のもので、その一段目部分１４ａによって
前記一段目の内設蓄冷器８を囲繞するとともに、二段目
部分１４ｂによって前記二段目の内設蓄冷器１３を囲繞
している。そして、この可動シェル１４の一段目の天壁
１４ｃと前記一段目の内設蓄冷器８の低温端８ｂとの間
に一段目の内設膨張室１６が形成され、該蓄冷器８と前
記取付部材１２のポート１２ａ、ｊ１通路１２ｂおよび
連通孔１２ｆを介して連通している。また、その二段目
部分１４ｂの低温側の端部は、二段目の天壁１４ｄによ
って閉塞されている。また、二段目の天壁１４ｄと内設
蓄冷器１３の低温端１３ｂとの間には二段目の内設膨張
室１７が形成されている。

また、この可動シェル１４の一段目の高温側の端部には
底壁１４ｅの中心部に軸孔１４ｆが穿設してあり、この
軸孔１４ｆを前記連通管４の外周にシール部材１８を介
してスライＩ”　’ＯＴ能に嵌合させている。また、前
記可動シェル１４の外周囲にケーシング１９に保持され
た一段目の外設蓄冷器２１および二段目の外設蓄冷器２
２を設けている。ケーシング１９は、前記外設蓄冷器２
１および２２を包持する二段の円筒体状のもので、その
一段目の低温側の端部に頂壁１９ａを設けるとともに、
二段目の低温側の端部を逆カップ状の頂壁１９ｂによっ
て閉塞している。また、このケーシング１９の高温端側
には、フランジ部１９ｅが設けてあり、このフランジ部
１９ｅを前記ベース１の上端開口部にシール部材２０を
介して蓋着している。そして、二段目の外設蓄冷器２２
の高温端２２ａと前記可動シ□ル１４の天壁１４ｃとの
間に一段目の外設膨張室２３が、ケーシング１９の頂壁
１９ｂと該可動シェル１４の天壁１４ｄとの間に二段目
の外設膨張室２４が、それぞれ形成されている。外設蓄
冷器２１．２２は、ともに蓄熱エレメント２５と図示し
ないスペーサとを交互に複数段積上げたもので、それぞ
れポルト２６ａ、２８ｂを用いて前記ケーシング１９に
固足されている。蓄熱エレメント２５は、銅等により作
られた円環状のもので、上下に貫通する多数の通気口２
５ａを有している。スペーサはステンレス鋼製の針金等
により作られている。なお、一段目の外設蓄冷器２１の
高温端２１ａは、チャンバ２８を介して前記着出λボー
ト３に連通１．でいる−士た、この蓄冷器２１の低温端
２１ｂは、前記ケーシング１９に設けたボー）　１９ｃ
および外設膨張室２３を介して二段目の外設蓄冷器２２
の高温端２２ａに連通している。そして、この二段目の
外設蓄冷器２２の低温端２２ｂは、ボート１９ｄを介し
て外設膨張室２４に連通している。

そして、前記両流出入ボート２．３をタイミングバルブ
３１を介して給気系路３２または排気系路３３に接続す
るようにしている。タイミングバルブ３１は、具体的に
は、モータによりボートブロックを作動させてボートの
切換えを行なうようにしたスライドバルブ等により構成
されており、第１図に記号で示すような態様で切換るよ
うになっている。すなわち、位ＨＡでは、一方の流出入
ボート２を給気系路３２に接続するとともに、他方の流
出入ボート３を排気系路３３に接続するようになってい
る。また、位置Ｂでは、一方の流出入ボート２を排気系
路３３に接続するとともに、他方の流出入ボート３を給
気糸路３２に接続するようになっている。そして、前記
位置Ａと前配位ｆｆ１Ｂとに交芽に切換るようになって
いる。給気系路３２は、コンプレー２す３４の吐出口３
４ａから吐出される高圧カスをクーラ３５を通して前記
タイミングバルブ３１の給気ボー）３１ａに供給するた
めのものであり、また、排気系路３３は、前記タイミン
グバルブ３１の排気ボー）３１ｂから排出される低圧の
ガスを前記コンプレッサ３４の吸気口３４ｂに導くため
のものである。

さらに、前記可動シェル１４の外部高温端側にガスダン
パ３６を配設している。このガスダンパ３６は、環状に
形成した可動部材３７と、前記ケーシング１９の内周か
ら突設された環状の固定部材３８を有している。可動部
材３７は、上端部内周側に鍔３７ａを、外周側に鍔３７
ｂを、下端部内周側に鍔３７ｃを、外周側に鍔３７ｄを
それぞれ有するものであり、ケーシング１９の内周面に
スライド可能に摺接している。固定部材３８は、前記可
動部材３７の外周側の鍔３７ｂと３７ｄとの間に配設さ
れ、鍔３７ｂとの間に流体室３９を、鍔３７ｄとの間に
流体室４１を形成してぃ１する。そして、これら流体室３９．４１にガスを充満させ
るとともに、該両室３９．４１を狭い流体通路４２を介
して連通している。また、内周側の鍔３７ａと３７ｃと
の間には、前記可動シェル１４の高温端部から突設され
た突起４３が配設しである。この突起４３は、前記可動
シェル１４と一体にスライドするものであり、上方への
該スライドの終γ位置近傍において前記鍔３７ａに当接
してガスダンパ３６の可動部材３７を一体に上方へスラ
イドネせるとともに、下方へのスライド終了位置近傍に
おいて前記鍔３７ｃに当接して可動部材３７を一体に下
方へスライドさせるようになっている。

次いで、この実施例の作動を説明する。

内設膨張室１６．１７が最小で、外設膨張室２３．２４
が最大（第１図、第２図ａ参照）のとき、タイミングバ
ルブ３１を位置Ａにして一方の流出入ボート２を給気系
路３２に連通させるとともに、他方の流出入ボート３を
排気系路３３に接続する。これによって、高圧のガスが
コンプレッす３４から給気系路３２を通して前記−万の
流出入ボート２へ流入する。この流出入ボート２に流入
した高圧ガスは、連通管４およびボー）７ａを介して一
段目の内設蓄冷器８の高温端８ａに導かれ、該蓄冷器８
を通過したガスは取付部材１２のボート１２ａ、連通路
１２ｂおよび連通孔１２ｆを介して一段目の内設膨張室
１６に導入される。

また、この蓄冷器８を通過したガスの一部は取付部材１
２のボー）１２ａ、連通路１２ｂおよびボー）１２ｃを
介して二段目の内設蓄冷器１３に導入され、該二段目の
内設蓄冷器１３を通過して二段目の内設膨張室１７に導
入される。また、前記連通管４およびボート７ａを通し
て導入された高圧ガスの一部は、ボート７ｂを通してチ
ャンバｌＯへも導かれる。この状態では、前記内設膨張
室１６および１７内の高圧ガスによって前記可動シェル
１４が上方へ押圧される一方で、前記チャンバｌＯ内の
高圧ガスの圧力によって前記可動シェル１４が下方へ付
勢される。しかしながら。

に対する軸方向圧力成分を受けるための受圧面積は、前
記チャンバｌＯに対する軸方向圧力成分を受けるための
受圧面積よりも前記連通管４の断面積に相当する分だけ
大きい（第３図ａ参照）ので、その差によって該可動シ
ェル１４は上方へ付勢され移動する（第２図す参照）。

この移動開始時においては、突起４３は可動部材３７の
下端側の鍔３７ｃに当接している（第４図ａ参照）。そ
して、一度移動が始まると、ガスは内設蓄冷器８．１３
を通過して、膨張室１６．１７へ連続して入ってくるの
であるが、このとき該蓄冷器８．１３により圧力損失が
生じるため、シェル上面１４Ｃ１１４ｄを押し上げる圧
力の方が、シェル下面１４ｅを押し下げる圧力より若干
小さくなり、面積差との関係から、はぼつり合う力とな
る。このとき、可動シェル１４は等速運動となる。そし
て、該可動シェル１４が上方のスライド終了位置近傍に
達した時、突起４３がガスダンパ３６の可動部材３７の
上端の鍔３７ａに当接しく第４図ｂ上昇する。すると、
該可動部材３７の上昇に伴って、流体室４１の容積が減
少する一方流体室３９の容積が増加する。かかる容積の
変化によって、流体室４１内のカスが流体室３９へ移動
するが、両室３９．４１を連通゛させる流体通路４２が
狭いので、該ガスが該流体通路４２を通過する際に大き
な摩擦抵抗が発生する。この摩擦抵抗が可動部材３７、
英起４３を介して可動シェル１４に伝えられ、該可動シ
ェル１４の上昇にブレーキをかける。そして、該ブレー
キによって、該可動シェル１４をしだいに減速させ、所
定のスライド終了位置で停止１−させる。このとき、可
動部材３７は上方所定位置までスライドしている（第４
図Ｃ参照）。このようにして、内設膨張室１６および１
７の容積が最大となり、その中に高圧のガスが充満した
段階で、前記タイミングバルブ３１を位置Ｂへ切換え、
前記一方の流出入ボート２を排気系路３３に接続すると
ともに、他方の流出入ボート３を前記給気系路３２に連
通させる（第２図Ｃ参照）。その結果、前記内設膨張室
１６．１７内のガスの一部が蓄冷器８および連通管４を
通して排気系路３３へ吹きだし前記コンプレッサ３４の
吸気口３４ｂへ戻される。このとき前記内設膨張室１６
．１７内に残ったガスは、他のガスを押し出すという仕
事をして目らが冷える。この段階では、前述のようにタ
イミングパルプ３１が位置Ｂに保持されているので、前
記コンプレッサ３４から吐出される高圧のガスが給気系
路３２を通して前記他方の流出入ボート３へ流入する。

この流出入ボート３に流入した高圧ガスは、チャンバ２
８を通して一段目の外設蓄冷器２１の高温ｆｉ２１ａに
導かれ、この蓄冷器２１を通して一段目の外設膨張室２
３に導入される。さらに、該外設膨張室２３に導入され
たガスの一部は二段目の外設蓄冷器２２を通過して二段
目の外設膨張室２４に導入される。この状態では、前記
外設膨張室２３．２４内の高圧ガスによって前記可動シ
ェル１４が下方へ押圧される一方で、前記チャンバ２８
内の高圧ガスの圧力によって前記可動シェル１４が上方
へ付勢される。しかしながら、前記可動シェル１４の前
記外設膨張室２３．２４に対する軸方向圧力成分を受け
るための受圧面積は、前記チャンバ２８に対する軸方向
圧力成分を受けるための受圧面積よりも前記連通管４の
断面積に相当する分だけ大きい（第３図す参照）ので、
その差によって該可動シェルは下方へ付勢され移動する
（第２図Ｃ参照）。この際、前記内設膨張室１３内に残
っていた低温のガスは、内設蓄冷器８を冷却しつつ通過
して排気系路３３へ押し出される。そして、該可動シェ
ル１４が下方のスライド終了位置近傍に達した時、ズ起
４３がガスタンパ３６の可動部材３７の下端の鍔３７ｃ
に当接しく第２図Ｃ参照）、可動部材３７が可動シェル
１４と一体に下降する。すると、該可動部材３７の下降
に伴って、流体室３９の容積が減少する一方流体室４１
の容積が増加する。かかる容積の変化によって、流体室
３９内のガスが流体室４１へ移動するが、前述と同様、
該ガスが該流体通路４２を通過する際に大きな摩擦抵抗
が発生する。この摩擦抵抗かに伝えられ、該可動シェル
１４の下降にブレーキをかける。そして、該ブレーキに
よって、該可動シェル１４をしだいに：ｇ速させ、所定
のスライド終了位置で停止−させる。このとき、可動部
材３７は、作動開始時の位置に戻る（第４図Ｃ参照）。

このようにして、外設膨張室２３．２４の容積が最大と
なり、その中に高圧のガスが充満した段階で、前記タイ
ミングバルブ３１を再び位ｔＡへ切換え、前記他方の流
出入ボート３を排気系路３３に接続すとともに、−刀の
流出入ボート２を前記給気系路３２に連通させる（第り
図ａ参照）、その結果、前記外設膨張室２３．２４内の
ガスの一部が外設蓄冷器２１．２２を通して排気系路３
３へ吹きだし前記コンプレッサ３４の吸気口３４ｂへ戻
される。このとき前記外設膨張室２３．２４に残ったガ
スは、他のガスを押し出すという仕事をして自らが冷え
る。この段階では、前記コンプレッサ３４から吐出され
る高圧のガスは再び一方の流出入ボート２に供給され、
予冷されつつ内設に導入され、再び、前記可動シェル１
４が−１−′ｆｉへ移動する。そして、この際に前記外
設膨張室２３．２４に残っている低温のガスが外設蓄冷
器２１．２２を冷却しつつ通過して排気系路３３へ押し
出される。したがって、以上の動作を繰り返すことによ
って、ギフオードマクマホンサイクル（Ｇｉｆｆｏｒｄ
−Ｍｃ＋＊ａｈｏｎ　Ｃｙｃｌｅ　）が営まれ、前記ケ
ーシング１９の」一端部分が極低温となる。

このようにして冷凍作用を営むものであるが。

このものは、可動シェル１４の一段目部分１４ａの天壁
１４ｃの１−千両側に膨張室１６．２３をそれぞれ設け
るとともに二段目部分１４ｂの天壁１４ｄの上下両側に
膨張室１７．２４をそれぞれ設け、各別な蓄冷器８．２
１を通して膨張室１６．２３に、また、蓄冷器１３．２
２を通して膨張室１７．２４にそれぞれガスを供給する
ようにしている。そのため、前記膨張室１６．１７およ
び蓄冷器８．１３と、前記膨張室２３．２４および蓄冷
器２１．２２とを用いてそれぞれ独立した冷凍サイクル
が営まれる。しかも、前記膨張室１６、１７と前記膨張
室２３．２４とは、前記可動シェル１４の往復動によっ
て交ｑ−に拡縮するので、該可動シェル１４の１往復動
作毎に２度膨張作動を行なわせることかでさ、同じ周波
数なら冷凍能力を従来のものの略２倍にすることができ
る。さらに、内設膨張室１６．１７、外設膨張室２３，
２４とも二段に形成されているので、ケーシング１９の
頂壁１９ｂ近傍では一段だけのものよりもより低い温度
を得ることができる。その上、可動部が中空体状のシェ
ルであるため、慣性質量が小さく、振動を大幅に低減さ
せることができる。また、前記可動シェル１４の内部空
間を有効に利用して蓄冷器８を配設しているので、蓄冷
器をケーシング外に配した従来品に比べてコンパクト化
が可能である。　また、この実施例のようにギフオード
マクマホンサイクルを営ませる場合には、可動シェル１
４の高温端側に貫通させた連通管４の存在により該可動
シェル１４の常温端側の受圧面積が低温端側の受圧面積
よりも小さくなることを利用して、この可動シェル１４
を高圧カスの付勢力のみによって移動させることが可能
となる・そのため、ディスプレーサ（可動シェル）を作
動させる機構が一切不要となり、構造の大幅な簡略化を
図ることができる。

加えて、可動シェル１４のスライドをガスダンパ３６に
よりスライド終了位置の近傍から減速させて該終了位置
で停止にさせるようにしているので、ストッパに衝突さ
せて停止させる前述したもののように該１＃寮の度に振
動が発生するといった不都合が生じない。

なお、本発明は、ギフオードマクマホンサイクルを営む
冷凍装置に限らず、例えば、ソルベーサイクル、スター
リンクサイクル等を用いた小型極低温冷′１！！！装置
にも同様に適用が可能である。

また、前記実施例では、二段タイプのものについて説明
したが１本発明は、一段タイプや三段以」二の多段タイ
プのものにも適用できるのは勿論である。

また、ガスタンパの構成は、前記実施例のものけるとと
もに固定部材を該ピストンの上下にそれぞれ固設した蓋
としたものでもよい。また、前記突起と前記内周側の鍔
との当接面に弾性部材を取り付けてもよい。また、前記
突起をたわみ性を有するものとし、弾性効果を持たせて
もよい。また、前記可動部材のケーシング内周面との摺
動部にシールを入れてもよい。また、流体通路は固定部
材と可動部材との間の隙間に限られず、例えば、固定部
材に設けた絞り孔であってもよい。

［発明の効果］本発明は、以上のような構成であるから、冷凍能力が高
い上に構造が簡単であり、しかもコンパクト化が可能で
、加えて振動が生じない極低温冷凍装置を提供できるも
のである。

【図面の簡単な説明】

図面は、本発明の一実施例を示し、第１図は縦断面図、
第２図ａ、ｂ、ｃ、ｄは作動説明図、第３図ａ、ｂは可
動シェルに対する圧力分布を説明するための作用説明図
、第４図ａ、ｂ、ｃ、ｄｌ・・・固定部材（ベース）８，１３・・・内設蓄冷器１４・・拳可動シェル１６．１７・・・内設膨張室１９・・・ケーシング２１．２２・・・外設蓄冷器２３．２４拳・・外設膨張室３１・・・タイミングバルブ３２・・・給気系路３３・・・排気系路３６・・・カスダンパ３７・φφ可動部材３８・・・固定部材３９．４１−−−流体室４２１・流体通路４３・・・突起

Claims

【特許請求の範囲】

固定部材に支持された内設蓄冷器と、この内設蓄冷器の
外周にスライド可能に嵌装されその低温側端部と該蓄冷
器の低温端との間に内設膨張室を形成する中空な可動シ
ェルと、この可動シェルの外周囲に配設した外設蓄冷器
と、この外設蓄冷器を包囲するように設けられその低温
側の端部と前記可動シェルとの間に前記外設蓄冷器に連
通する外設膨張室を形成するケーシングと、前記各蓄冷
器の高温端を給気系路または排気系路に予め設定したタ
イミングで接続し給気系路から吐出する冷却用ガスによ
り前記可動シェルの受圧面を押圧してスライドさせるタ
イミングバルブと、前記可動シェルの外部高温端側に設
けられ該可動シェルをスライド終了位置近傍から減速さ
せスライド終了位置で停止させるガスダンパとを具備し
てなることを特徴とする極低温冷凍装置。