JP2003262417A - 冷凍機の高低圧ガス切換弁 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 冷凍機のデッドスペースを無くして冷凍性能
を向上すると共に、モータを冷却して、信頼性を向上す
る。 【解決手段】 略円筒状の内周面を有するハウジング４
２と、ハウジングの周面に、それぞれ軸対称に形成され
た複数の高圧ガス流路４２ｄ，４２ｅ及び複数の低圧ガ
スを含むハウジング流路と、ベアリングに支持され、ハ
ウジングに接触することなく回転する略円柱状のバルブ
ロータ４６と、ロータ内に形成された、ハウジング流路
と開口部が合うタイミングでガスが流れるロータ流路
と、ロータを回転させる駆動モータ５０と、高圧ガスま
たは低圧ガスが内部を通過するようにされた駆動モータ
ケーシング５４とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、冷凍機の高低圧ガ
ス切換弁に係り、特に、パルス管冷凍機やギフォードマ
クマホンサイクル（ＧＭ）冷凍機に用いるのに好適な、
長寿命、高効率、小型、軽量化可能で、摩耗せず、ダス
トを発生しない冷凍機の高低圧ガス切換弁に関する。

【０００２】

【従来の技術】パルス管冷凍機やＧＭ冷凍機において
は、図１に示す如く、圧縮機１０で発生された高圧ガス
と低圧ガスを周期的に切り換えて、冷凍機１２に送るた
めに高低圧ガス切換弁１４が用いられている。図におい
て、１２Ａはパルス管、１２Ｂは蓄冷管、１２Ｃは冷却
ステージ、１６は、オリフィス、１８はバッファタンク
である。

【０００３】従来の高低圧ガス切換弁は、例えば特許第
２６１７６８１号に記載されているように、図２に示す
如く、図３に示すような形状の、ピン２２でバルブハウ
ジング２６に回り止めされ、コイルばね２４でバルブプ
レート３０方向に付勢されるバルブ本体２０と、該バル
ブ本体２０を収容するバルブハウジング２６と、図４に
示すような形状のバルブプレート３０と、該バルブプレ
ート３０を回転する駆動モータ３２と、該駆動モータ３
２を収容するモータケーシング３４とにより構成されて
いる。

【０００４】前記バルブ本体２０の左側の空間２６ｂ
は、バルブハウジング２６の高圧ガス流路２６ａを介し
て、圧縮機（図示省略）の高圧ガス側と接続され、一
方、バルブプレート３０の右側の空間３４ｂは、モータ
ケーシング３４の低圧ガス流路３４ａを介して圧縮機の
低圧ガス側と接続されており、これらの圧力差とばね２
４の作用により、バルブ本体２０をバルブプレート３０
に押し付け、両者にあるバルブ本体高圧ガス流路２０
ａ、バルブプレート高圧ガス流路３０ａ、バルブプレー
ト低圧ガス流路３０ｂ、バルブ本体冷凍機側ガス流路２
０ｂを流れるガスのシールをするようにされている。

【０００５】図２において、３６は、バルブプレート３
０を回転自在に支持するベアリングである。

【０００６】前記バルブ本体２０又はバルブプレート３
０は、どちらか一方（ここではバルブプレート３０）
が、駆動モータ３２により回転され、もう一方（ここで
はバルブ本体２０）が回り止めされて、接触面に形成さ
れる図５（高圧供給時）及び図６（低圧回収時）に示し
たようなパターンに従ったタイミング、開度でガスの切
換えを行い、内部に形成された流路又は空間２６ａ→２
６ｂ→２０ａ→３０ａ→２０ｂ→２６ｃ（高圧供給
時）、又は、流路又は空間２６ｃ→２０ｂ→３０ｂ→３
４ｂ→３４ａ（図２に示した低圧回収時）をガスが流
れ、バルブハウジング冷凍機側ガス流路２６ｃを介して
冷凍機側に供給又は回収される。

【０００７】しかしながら、このような高低圧ガス切換
弁では、バルブ本体２０をバルブプレート３０に押しつ
けて摺動シールしているため、バルブ本体２０とバルブ
プレート３０が摩耗し、定期交換が必要となる。又、摺
動抵抗が大きく、駆動モータ３２は、大型の高トルクモ
ータを使用する必要があり、ユニット自体の大型化につ
ながる。更に、バルブ本体２０とバルブプレート３０に
形成される流路が複雑な形状となり、圧力損失が大き
く、冷凍機の能力低下につながる等の問題点を有してい
た。

【０００８】又、特開２００１−９１０７８には、図７
に示す如く、軸心を中心として回転する水平断面円形の
回転子１０１と、この回転子１０１を回転自在に内蔵す
るハウジング１０２とからなり、上記回転子１０１の外
周面に複数のポート１０５〜１１２を設けると共に、ハ
ウジング１０２の内周面に、上記ポート１０５〜１１２
に対応する複数のポート１１７〜１２２を設け、上記回
転子１０１の回転により、回転子１０１の所定のポート
１０５〜１０８とこれに対する上記ハウジング１０２の
ポート１１７、１１８、１２０、１２２とを合致させて
両ポート１０５〜１０８、１１７、１１８、１２０、１
２２を連通させる状態と、上記合致を外して両ポート１
０５〜１０８、１１７、１１８、１２０、１２２を非連
通にする状態とに切り替えるロータリ弁が提案されてい
る。図において、１０３は軸受、１０４はモータであ
る。

【０００９】しかしながら、各ポートが回転子１０１の
軸心に関して非対称に形成されているため、圧力がかか
った時にバランスがとれず、高圧から低圧への洩れが大
きくなって、うまく作動しないという問題点を有してい
た。

【００１０】このような問題点を解決するべく、出願人
は既に特願２００１−９０６２７（出願時未公開）で、
図８（縦断面図）及び図９（横断面図）に示すような高
低圧ガス切換弁を提案している。

【００１１】この比較例は、略円筒状の内周面を有する
バルブハウジング４２と、該バルブハウジング４２の壁
面に軸対称に形成された一対の高圧ガス流路４２ａ及び
一対の低圧ガス流路４２ｂ（ハウジング流路と総称す
る）と、ベアリング４４、４５に支持され、前記ハウジ
ング４２の内周面と微少な隙間４３を隔てて、該バルブ
ハウジング４２に接触することなく回転する略円柱状の
ロータ４６と、該ロータ４６内に形成された、前記バル
ブハウジング４２の流路４２ａ又は４２ｂと開口部が合
うタイミングでガスが流れる切換ガス流路４６ａ及び冷
凍機側ガス流路４６ｂ（ロータ流路と総称する）とを備
えている。

【００１２】ガスのシールは、ロータ４６とハウジング
４２間の微少な隙間４３により行われる。従って、該微
少隙間４３の寸法は、例えば５〜１００μｍとすること
ができる。即ち、接触を防止するためには５μｍ以上必
要であり、冷凍機の性能に対する悪影響を防ぐためには
１００μｍ以下であることが望ましい。

【００１３】図８において、５０は、カップリング５２
を介して前記ロータ４６を回転するための駆動モータ、
５４は該駆動モータ５０のケーシング、５４ａは、該ケ
ーシング５４内の空間である。

【００１４】図示しない圧縮機ユニットからの高圧ガス
供給口４２ａは、ロータ４６の軸対称の位置に２系統設
置され、それぞれが、ロータ軸に垂直方向に接続され
る。軸対称の位置に２系統あるため、供給される高圧ガ
ス圧力によるロータ４６への回転軸の垂直方向への荷重
がキャンセルされ、ロータ４６とハウジング４２間の間
隙４３を適正に保つと共に、駆動モータ５０への負荷を
低減している。

【００１５】圧縮機ユニットからの低圧ガス供給口４２
ｂも高圧ガス側と同様な構造であり、高圧ガス供給口４
２ａ及びバルブロータ横側ガス流路４６ａと同一平面上
に９０°の角度を持って流路が形成されている。

【００１６】ロータ軸の垂直方向に接続される圧縮機の
高圧ガス及び低圧ガスは、ロータ４６の中心軸に形成さ
れた流路４６ｂを通って、ハウジング４２の端面に形成
されたガス供給口４２ｃから冷凍機側へ供給される。駆
動モータ５０が設置されたケーシング５４内の空間５４
ａは冷凍機に接続される流路４２ｃと連通しており、常
に同じ圧力とすることによって、ロータ４６への軸方向
荷重をキャンセルし、ロータ４６の位置を適正に保つと
共に、駆動モータ５０への負荷を低減している。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、比較例
では、モータケーシング５４内の空間５４ａは、冷凍機
のデッドスペースとなり、ガスが交換されず滞留するた
め、冷凍性能が低下する。又、モータ５０の周りをガス
が流れないので、モータ５０の熱の発散ができず、寿命
や信頼性が低下する。更に、ハウジング４２に高圧と低
圧を供給するための流路４２ａ、４２ｂが、ハウジング
４２の同じ横断面にクロスして４つ離れてあるため、外
部からの管路が接続しにくく、低圧力損失、小デッドス
ペース及びコンパクトな設計が困難であった。

【００１８】本発明は、前記従来の問題点を解決するべ
くなされたもので、冷凍機のデッドスペースを無くして
冷凍性能を向上すると共に、モータを冷却して、信頼性
を向上することを課題とする。

【００１９】

【課題を解決するための手段】本発明は、圧縮機からの
高圧ガスと低圧ガスを周期的に切換えて冷凍機に送るた
めの冷凍機の高低圧ガス切換弁において、略円筒状の内
周面を有するハウジングと、該ハウジングの周面に、そ
れぞれ軸対称に形成された複数の高圧ガス流路及び複数
の低圧ガス流路を含むハウジング流路と、ベアリングに
支持され、前記ハウジングの内周面と微少な隙間を隔て
て、該ハウジングに接触することなく回転する、略円柱
状のロータと、該ロータ内に形成された、前記ハウジン
グ流路と開口部が合うタイミングでガスが流れるロータ
流路と、前記ロータを回転させる駆動モータと、前記高
圧ガス又は低圧ガスが内部を通過するようにされた駆動
モータケーシングとを備えることにより、前記課題を解
決したものである。

【００２０】又、前記ハウジング流路の外側に、高圧ガ
ス流路と低圧ガス流路をまとめて冷凍機と連結するため
の連結流路を配設したものである。

【００２１】本発明は又、前記ロータ流路に流入した高
圧ガス又は低圧ガスが、ロータの中心軸及びハウジング
の周面に形成された流路を通って、冷凍機に供給される
ようにしたものである。

【００２２】又、前記ロータの中心軸に形成された流路
が、ロータの両端面に開口するようにしたものである。

【００２３】本発明は又、前記の高低圧ガス切換弁を用
いた冷凍機を提供するものである。

【００２４】又、前記の冷凍機を用いた低温装置を提供
するものである。

【００２５】

【発明の実施の形態】以下図面を参照して、本発明の実
施形態を詳細に説明する。

【００２６】本実施形態は、図１０（縦断面図）、図１
１（冷凍機が高圧に接続された時の図１０のXI−XI線に
沿う横断面図）、図１２(同じくXII−XII線に沿う横断
面図)、図１３（冷凍機が低圧に接続された時の図１０
のXI−XI線に沿う横断面図）及び図１４（同じくXII−X
II線に沿う横断面図）に示す如く、図８及び図９に示し
た比較例と同様の高低圧ガス切換弁において、駆動モー
タケーシング５４の端面に低圧ガス供給用の流路５４ｂ
を設けると共に、ハウジング４２の端面の流路４２ｃを
高圧ガス供給用としている。従って、駆動モータケーシ
ング５４内の空間５４ａと冷凍機側ガス流路とが繋がる
ため、空間５４ａが冷凍機のデッドスペースとならず、
冷凍性能が向上する。更に、ケーシング５４内の駆動モ
ータ５０周辺にガスが流れるので、モータ５０も冷却さ
れる。

【００２７】又、バルブロータ４６の中心を通る流路を
中央で分断してＴ字形の２つの流路４６ｃと４６ｄを設
け、互いに９０°の角度をなす該２つの流路４６ｃと４
６ｄを介して、やはり２つに分けられたハウジング４２
の周面の流路４２ｄ、４２ｅ、４２ｆ、４２ｇと上下で
向き合えるようにしている。

【００２８】更に、前記ハウジング流路４２ｄ、４２ｅ
及び４２ｆ、４２ｇの外側に、これらをまとめて冷凍機
（図示省略）と接続するためのジャケット６０を設け、
その内部を連結流路６０ａとしている。

【００２９】図において、５２は、駆動モータ５０とロ
ータ４６のカップリングである。

【００３０】前記バルブロータ４６の外観を図１５に、
該バルブロータ４６を切欠いた状態の斜視図を図１６に
示す。更に、前記バルブハウジング４２を切欠いた状態
の斜視図を図１７に示す。又、冷凍機が高圧に接続した
状態のバルブユニットを図１８に、冷凍機が低圧に接続
した状態のバルブユニットを図１９に示す。

【００３１】本実施形態において、２個のベアリング４
４、４５により支持されたロータ４６が、ハウジング４
２に接触することなく回転運動する。

【００３２】前記バルブロータ４６及びハウジング４２
には、２つの流路４２ｃ−４６ｃと４６ｄ−５４ａ−５
４ｂが形成されており、それぞれの開口部が合うタイミ
ングで、ガスがハウジング流路４２ｄ、４２ｅ又は４２
ｆ、４２ｇに流れる。

【００３３】ガスのシールは、ロータ４６とハウジング
４２間の微少な隙間４３により行なわれる。

【００３４】圧力差によって起こる軸方向の力は、ベア
リング４４が受ける。

【００３５】圧縮ユニットからの高圧ガスが供給される
流路４２ｃは、直接、ロータ４６の高圧ガス流路４６ｃ
に接続される。一方、低圧ガスが供給される流路５４ｂ
は、モータケーシング５４内の空間５４ａを介して、ロ
ータ４６の低圧ガス流路４６ｄに接続される。

【００３６】モータ５０が回転して、図１１、図１８に
示す如く、バルブロータ４６の高圧ガス流路４６ｃがハ
ウジング４２の冷凍機側高圧ガス流路４２ｄ、４２ｅと
合うと、圧縮機ユニットからの高圧ガスは、ロータ軸の
垂直方向で、ハウジング４２の冷凍機側高圧ガス流路４
２ｄ、４２ｅに接続されて、冷凍機に送られる。

【００３７】ここで、ハウジング４２の冷凍機側高圧ガ
ス流路４２ｄ、４２ｅが軸対称の位置に２系統設けられ
ているので、供給される高圧ガス圧力によるロータ４６
の回転軸への垂直方向への荷重がキャンセルされ、ロー
タ４６とハウジング４２間の隙間４３を適正に保つと共
に、モータ５０への負荷が低減される。

【００３８】又、モータ５０が回転して、図１４、図１
９に示す如く、バルブロータ４６の低圧ガス流路４６ｄ
が、ハウジング４２の冷凍機側低圧ガス流路４２ｆ、４
２ｇと合うと、冷凍機側ガスは、ハウジング４２の冷凍
機側低圧流路４２ｆ、４２ｇによって、ロータ４６の低
圧ガス流路４６ｄの垂直方向流路に接続され、モータケ
ーシング５４の空間５４ａと、低圧ガス供給用流路５４
ｂを通過して、圧縮機ユニットに戻る。この戻るガス
が、駆動モータ５０を冷却する。

【００３９】なお、前記実施形態においては、ハウジン
グ４２の流路４２ｃが高圧側とされ、モータケーシング
５４の流路５４ｂが低圧側とされていたが、高圧側と低
圧側の接続を逆にして、駆動モータ５０の周囲のガスの
流れが逆になるようにしてもよい。この場合、軸方向の
力は、ベアリング４５が受け、モータ５０は高圧ガスで
冷やされる。

【００４０】本実施形態においては、ジャケット６０を
設けてハウジング上下の４つの流路４２ｄ、４２ｅ、４
２ｆ、４２ｇを連結しているので、冷凍機側管路との接
続が容易である。なお、ジャケットを上下２つ分けて設
けたり、あるいは省略して冷凍機管路を、各流路に直接
接続することも可能である。

【００４１】

【実施例】バルブロータ４６の外径を２５ｍｍ、全長を
４２ｍｍ、ガス流路４２ｃ、４２ｄ、４２ｅ、４２ｆ、
４２ｇ、４６ｃ、４６ｄ、５４ｂの内径を６ｍｍ、シー
ル用微少隙間４３を１５μｍとし、駆動モータ５０とし
て、コントローラで切換周波数が調節可能な、駆動電圧
１２Ｖのステッピングモータを使用し、ベアリング４
４、４５は一般規格品としたところ、高低圧ガス切換弁
におけるシール用微少隙間４３からのリークによる損失
は極僅かであり、無視できる範囲であった。

【００４２】本発明のバルブユニットは、種々なパルス
管に使えるだけでなく、以下の例に示す如く、パルス管
冷凍機の位相制御機構に用いることもできる。

【００４３】４バルブ型パルス管冷凍機の場合、図２０
に示す如く、バッファの代りに、二つの開閉式バルブ６
１、６２によってパルス管１２Ａの高温端の位相制御を
行う。この二つのバルブ６１、６２の一端は、共通のオ
リフィス１６を介してパルス管１２Ａの高温端に連結す
る。他端は、それぞれ圧縮機１０の高圧ガスと低圧ガス
供給ラインに連結する。二つのバルブは、ある決められ
たタイミング・チャートに従い、周期的に開閉すること
によって、パルス管内部の圧力変化とガスの変位との位
相を最適化し、所定の冷凍性能を引き出す。

【００４４】従って、この位相制御バルブの動作状況
は、蓄冷器１２Ｂと圧縮機１０との間にある高低圧切換
バルブユニット１４の動作状況が本質的に同じであるた
め、本発明のバルブユニットは、この位相制御バルブに
も用いることができる。

【００４５】又、アクティブバッファ型パルス管冷凍機
の場合、図１２１に示す如く、パルス管１２Ａ高温端の
位相制御は、一つのバッファとオリフィスとの組合せで
はなく、一つ以上のバッファ１８、１９と同数の開閉バ
ルブ６１、６２との組合せで行う。これらのバッファ１
８、１９は、圧縮機の高圧と低圧との間にある、中間圧
の状態に保たれるが、各バッファの圧力は異なる。各バ
ッファが各自の開閉バルブを介してパルス管の高温端に
連結する。各開閉バルブは、ある決められたタイミング
・チャートに従い、周期的に開閉することによって、パ
ルス管内部の圧力変化とガスの変位との位相を最適化
し、所定の冷凍性能を引き出す。

【００４６】従って、この位相制御バルブの動作状況
は、蓄冷器１２Ｂと圧縮機１０との間にある高低圧切換
バルブユニット１４の動作状況が本質的に同じであるた
め、本発明のバルブユニットは、この位相制御バルブに
も用いることができる。更に、摩耗が無いので、低温に
も使える。

【００４７】又、本発明は、パルス管冷凍機だけでな
く、ＧＭ冷凍機等、他の極低温冷凍機の高低圧ガス切換
弁にも用いることができる。

【００４８】

【発明の効果】本発明によれば、駆動モータのケーシン
グ内空間を生かすことができ、冷凍性能を向上できる。
又、駆動モータが冷却されるので、信頼性が向上する。
更に、ハウジング壁の流路が同じ圧力であるため、低い
圧力損失、小さいデッドスペース、コンパクト設計が可
能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の適用対象であるパルス管冷凍機の一例
の全体構成を示すブロック図

【図２】従来の高低圧ガス切換弁の全体構成を示す縦断
面図

【図３】同じくバルブ本体の形状を示す斜視図

【図４】同じくバルブプレートの形状を示す斜視図

【図５】同じく高圧ガス供給時のバルブ本体とバルブプ
レートの相対関係を示す正面図

【図６】同じく低圧ガス供給時のバルブ本体とバルブプ
レートの相対関係を示す正面図

【図７】特開２００１−９１０７８に記載された従来の
ロータリ弁の構成を示す縦断面図

【図８】出願人が特願２００１−９０６２７で提案した
高低圧ガス切換弁の構成を示す縦断面図

【図９】同じく横断面図

【図１０】本発明に係る高低圧ガス切換弁の実施形態の
構成を示す縦断面図

【図１１】冷凍機が高圧に接続したときの図１０のXI−
XI線に沿う横断面図

【図１２】同じく図１０のXII−XII線に沿う横断面図

【図１３】冷凍機が低圧に接続したときの図１０のＸI
−ＸI線に沿う横断面図

【図１４】同じく図１０のXII−XII線に沿う横断面図

【図１５】前記実施形態で用いられているバルブロータ
の斜視図

【図１６】同じくバルブロータ内に形成された流路を示
す切欠斜視図

【図１７】同じくバルブハウジングの切欠斜視図

【図１８】同じく冷凍機が高圧に接続したときのバルブ
ユニットの切欠斜視図

【図１９】同じく冷凍機が低圧に接続したときのバルブ
ユニットの切欠斜視図

【図２０】本発明を４バルブ型パルス管冷凍機に適用し
た例を示す管路図

【図２１】本発明をアクティブバッファ型パルス管冷凍
機に適用した例を示す管路図

【符号の説明】

４２…バルブハウジング ４２ｃ…高圧ガス供給用流路 ４２ｄ、４２ｅ…冷凍機側高圧ガス流路 ４２ｆ、４２ｇ…冷凍機側低圧ガス流路 ４３…隙間 ４６…バルブロータ ４６ｃ…ロータ内高圧ガス流路 ４６ｄ…ロータ内低圧ガス流路 ５０…駆動モータ ５４…駆動モータケーシング ５４ａ…モータケーシング内空間 ５４ｂ…低圧ガス供給用流路 ６０…ジャケット ６０ａ…連結流路

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】圧縮機からの高圧ガスと低圧ガスを周期的
   に切換えて冷凍機に送るための冷凍機の高低圧ガス切換
   弁において、 略円筒状の内周面を有するハウジングと、 該ハウジングの周面に、それぞれ軸対称に形成された複
   数の高圧ガス流路及び複数の低圧ガス流路を含むハウジ
   ング流路と、 ベアリングに支持され、前記ハウジングの内周面と微少
   な隙間を隔てて、該ハウジングに接触することなく回転
   する、略円柱状のロータと、 該ロータ内に形成された、前記ハウジング流路と開口部
   が合うタイミングでガスが流れるロータ流路と、 前記ロータを回転させる駆動モータと、 前記高圧ガス又は低圧ガスが内部を通過するようにされ
   た駆動モータケーシングと、 を備えたことを特徴とする冷凍機の高低圧ガス切換弁。
2. 【請求項２】前記ハウジングの外側に、高圧ガス流路と
   低圧ガス流路をまとめて冷凍機と連結するための連結流
   路が配設されていることを特徴とする請求項１に記載の
   冷凍機の高低圧ガス切換弁。
3. 【請求項３】前記ロータ流路に流入した高圧ガス又は低
   圧ガスが、ロータの中心軸及びハウジングの周面に形成
   された流路を通って、冷凍機に供給されることを特徴と
   する請求項１又は２に記載の冷凍機の高低圧ガス切換
   弁。
4. 【請求項４】前記ロータの中心軸に形成された流路が、
   ロータの両端面に開口していることを特徴とする請求項
   ３に記載の冷凍機の高低圧ガス切換弁。
5. 【請求項５】請求項１乃至４のいずれかに記載の高低圧
   ガス切換弁を用いた冷凍機。
6. 【請求項６】請求項５に記載の冷凍機を用いた低温装
   置。