JP2006090652A - 冷媒膨張装置 - Google Patents

Abstract

【課題】往復可動体の摩耗、往復可動体を収容する可動室の内壁面の摩耗を抑制し長寿命化を図るのに有利な冷媒膨張装置を提供する。
【解決手段】冷媒膨張装置は、往復可動体３１と、往復可動体３１を移動させる駆動機構３２とを備える。駆動機構３２は、往復可動体３１に延設された駆動シャフト部３３と、駆動シャフト部３３を弾性支持することにより往復可動体３１を支持する懸架手段３５とを備える。駆動機構３２は、往復可動体３１を軸長方向に沿って移動可能に弾性支持するとともに軸長方向に垂直な面内方向に沿って移動不能に固定支持する懸架手段３５とを備える。
【選択図】 図４

Description

本発明はガスの膨張により低温を生成する冷媒膨張装置に関する。

従来より用いられている容積型冷媒膨張装置は、高圧ガスを流す高圧バルブと、低圧ガスを流す低圧バルブとをスプールによって切り替えるが、スプールの寿命が短いことが課題となっている。オイルでスプールを潤滑すると、スプールの寿命が長くなる。しかしオイルの使用は、オイルが不純物として冷媒に混入するため不利である。殊に、空気分離装置、ヘリウム液化装置、水素液化装置、石油ガス分離装置等において、オイルが不純物として混入するため不利である。更にオイルは冷媒膨張装置で発生する低温で固体化するため、潤滑が困難となる。この理由により、冷媒膨張装置は、スプール式の冷媒膨張装置から、タービンを回転させる方式の冷媒膨張装置に代用されつつある。しかしながらタービン式の冷媒膨張装置は、高い信頼性及び高い効率を有するが、必ずしも充分ではない。殊に、体積流量が小さいときには必ずしも充分ではない。またタービン式の冷媒膨張装置のサイズを小型化して対応しつつあるが、まだ充分ではない。

ピストンを有しないパルス管型の冷媒膨張装置の場合には、可動部品が少ないことから寿命の面では有利である。しかしながらピストン型の冷媒膨張装置の場合、又は、イナータンスピストン・パルス管型の冷媒膨張装置の場合には、ピストンの外壁面の摩耗、ピストンを嵌合するシリンダの内壁面の摩耗が課題であり、ピストンやシリンダの寿命は充分ではない。

特許文献１には、パルス管型の冷媒膨張装置が開示されている。このものでは、パルス管の高温端に３つのバルブが接続され、３つのバルブにはそれぞれバッファタンクが接続されている。またパルス管の低温端には、高圧ガスを出し入れするための２つのバルブが設けられている。上記したバルブは、バルブ体を回転させるロータリ式である。

特許文献２には、ロータリバルブをもつパルス管冷凍機が開示されている。ロータリバルブは、ロータと、ロータを保持する固定部とを備えている。

特許文献３には、高圧ガスの流入、低圧ガスの流出のために、弁口をもつ回転式のプラグボティをシリンダ内に収容したサーマル分離器が用いられている。また特許文献４には、冷却源として液体窒素タンクを用いる装置が開示されているが、冷媒膨張装置は用いられていないので、信頼性は増加しているが、液体窒素タンクへの液体窒素の補充が定期的に必要とされ、ランニングコストが高くなる。
米国特許５４８１８７８ 特開２００２−２２８２８９号公報 米国特許４３８３４２３ 米国特許４６６８２６０

上記したようにスプールを搭載する冷媒膨張装置によれば、スプールの外壁面の摩耗、スプールを収容する可動室の内壁面の摩耗を低減させることにより、長寿命化を図る要請が強い。

上記した特許文献１によれば、各バルブは、バルブ体を回転させるロータリ式である。従ってこの冷媒膨張装置は、往復移動型のスプールを採用するものではない。更に、低摩擦化をねらった往復移動型のスプールを開示するものではない。

特許文献２によれば、ロータと、ロータを保持する固定部との間に存在する表面摩擦が大きいため、寿命は必ずしも充分ではない。更に、往復移動型のスプールを採用するものではない。

特許文献３によれば、シリンダの内周壁面とプラグボティの外周壁面との間の摩擦の影響があり、プラグボティの長寿命化には限界がある。また特許文献４によれば、冷媒膨張装置は用いられていないので、信頼性は増加しているが、液体窒素の補充が定期的に必要とされ、ランニングコストが高くなる。

本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、スプール等の往復可動体の外壁面の摩耗、可動体を収容する可動室の内壁面の摩耗を抑制し、長寿命化を図るのに有利な冷媒膨張装置を提供することを課題とする。

（１）様相１に係る冷媒膨張装置は、高圧冷媒が流れる高圧通路の開閉と低圧冷媒が流れる低圧通路の開閉とを切り替える流路切替装置と、
前記流路切替装置により開放された前記高圧通路の高圧冷媒が流入され前記高圧冷媒を膨張させて低温を生成する膨張手段とを具備する冷媒膨張装置において、
前記流路切替装置は、
内壁面で区画された可動室をもつとともに外壁面から内壁面にかけて貫通した高圧弁口、低圧弁口、冷媒弁口がそれぞれ形成されたボティと、
前記ボディの可動室に往復移動可能に設けられとともに前記高圧弁口と前記冷媒弁口とを連通する高圧連通路及び前記低圧弁口と前記冷媒弁口とを連通する低圧連通路が内部に形成された往復可動体と、
前記ボディに設けられ前記往復可動体をこれの軸長方向に沿って移動させる駆動機構とを備えており、
前記駆動機構は、前記ボディに設けられ前記往復可動体を前記軸長方向に沿って移動可能に弾性支持するとともに前記軸長方向に垂直な面内方向に沿って移動不能に固定支持する懸架手段とを備えることを特徴とするものである。

（２）様相２に係る冷媒膨張装置は、高圧冷媒が流れる高圧通路の開閉と低圧冷媒が流れる低圧通路の開閉とを切り替えるとともに第１冷媒弁口をもつ第１流路切替装置と、
前記第１流路切替装置の前記第１冷媒弁口に低温端が接続されたパルス管と、
前記パルス管の高温端に接続された第２冷媒弁口とバッファタンク用弁口とをもつ第２流路切替装置と、
前記第２流路切替装置の前記バッファタンク用弁口に接続されたバッファタンクとを具備する冷媒膨張装置において、
前記第１流路切替装置及び前記第２流路切替装置のうちの少なくとも一方は、
内壁面で区画された可動室をもつとともに外壁面から内壁面にかけて貫通した高圧弁口、低圧弁口、前記第１冷媒弁口又は前記第２冷媒弁口がそれぞれ形成されたボティと、
前記ボディの可動室に往復移動可能に設けられるとともに前記高圧弁口と前記第１冷媒弁口又は前記第２冷媒弁口とを連通する高圧連通路及び前記低圧弁口と前記第１冷媒弁口又は前記第２冷媒弁口とを連通する低圧連通路が内部に形成された往復可動体と、
前記ボディに設けられ前記往復可動体をこれの軸長方向に沿って移動させる駆動機構とを備えており、
前記駆動機構は、前記ボディに設けられ前記往復可動体を前記軸長方向に沿って移動可能に弾性支持するとともに前記軸長方向に垂直な面内方向に沿って移動不能に固定支持する懸架手段とを備えることを特徴とするものである。

（３）様相３に係る冷媒膨張装置は、様相２において、前記第１流路切替装置は、
内壁面で区画された可動室をもつとともに外壁面から内壁面にかけて貫通した第１高圧弁口、第１低圧弁口、前記第１冷媒弁口がそれぞれ形成された第１ボティと、
前記第１ボディの可動室に往復移動可能に設けられるとともに前記第１高圧弁口と前記第１冷媒弁口とを連通する高圧連通路及び前記第１低圧弁口と前記第１冷媒弁口とを連通する低圧連通路が内部に形成された往復可動体と、
前記第１ボディに設けられ前記往復可動体をこれの軸長方向に沿って移動させる第１駆動機構とを備えており、
前記第１駆動機構は、前記第１ボティに設けられ前記往復可動体を前記軸長方向に沿って移動可能に弾性支持するとともに前記軸長方向に垂直な面内方向に沿って移動不能に固定支持する懸架手段とを備えており、
前記第２流路切替装置は、
内壁面で区画された可動室をもつとともに外壁面から内壁面にかけて貫通した第２高圧弁口、第２低圧弁口、前記第２冷媒弁口がそれぞれ形成された第２ボティと、
前記第２ボディの可動室に移動可能に設けられるとともに前記第２高圧弁口と前記第２冷媒弁口とを連通する高圧連通路及び前記第２低圧弁口と前記第２冷媒弁口とを連通する低圧連通路が内部に形成された往復可動体と、
前記第２ボディに設けられ前記往復可動体をこれの軸長方向に沿って移動させる第２駆動機構とを備えており、
前記第２駆動機構は、前記第２ボティに設けられ前記往復可動体を前記軸長方向に沿って移動可能に弾性支持するとともに前記軸長方向に垂直な面内方向に沿って移動不能に固定支持する懸架手段とを備えていることを特徴とするものである。

この場合、第１流路切替装置の第１ボディと第２流路切替装置の第２ボディとは一体化されていることが好ましい。これにより小型化に有利となる。また、第１駆動機構及び第２駆動機構は一体化されていることが好ましい。これにより小型化に有利となる。

（４）本発明によれば、往復可動体を軸長方向に沿って移動可能に支持する懸架手段は、往復可動体の軸長方向にはこれを弾性的に支持し、一方、軸長方向に垂直な面内方向に沿ってはこれを移動不能に固定支持する。これにより往復移動体は軸長方向に容易に移動できるものの、軸直角方向への移動は阻止される。

この結果、往復移動体の外壁面と可動室の内壁面との接触を非接触又は弱接触に設定しても、往復可動体の直動性が確保れさる。尚、弱接触とは、往復移動体の外壁面と可動室の内壁面とが一部接触する状態をいう。従って、往復可動体の外壁面と可動室の内壁面との間に往復可動体が往復できる程度の微小隙間を設けても、この隙間が過剰に偏ることなく良好に維持されるため、往復移動体の外壁面の摩耗、可動室の内壁面の摩耗は低減又は回避される。従って冷媒膨張装置の寿命が長くなる。

尚、本明細書において、『移動不能に』とは、『往復可動体が流路切替装置としての機能を確保できる程度に移動を規制するように』という意味であり、往復可動体が流路切替装置としての機能を確保できる範囲であれば、仮に往復可動体がその軸長方向に垂直な面内方向に沿って移動しても、上記『移動不能に』という概念に包含されるものとする。例えば、往復可動体とボディとの隙間が１０ミクロンである場合、往復可動体の軸長方向に垂直な面内方向に沿って５ミクロン程度往復可動体が移動したとしても、依然として往復可動体とボティとの隙間が５ミクロンあり、非接触でのシールが実現できるため、この程度の移動は、本明細書における『移動不能に』という場合に該当する。また、往復可動体の軸直角方向への移動量がボディとの隙間以上であったとしても、往復可動体がボディに対して往復移動可能であり、かつ流路切替装置として機能する限りにおいては、本明細書における『移動不能に』という場合に該当する。

各様相に係る本発明によれば、往復移動体が移動するときであっても、往復可動体の外壁面と可動室の内壁面との間の微小隙間を良好に維持することができる。従って、往復可動体の外壁面と可動室の内壁面とを非接触又は弱接触に維持するのに有利である。故に、往復可動体の外壁面、可動室の内壁面の摩耗を抑制して長寿命化を図るのに有利である。

往復可動体の外壁面と可動室の内壁面との間には、往復可動体が往復移動できるように微小隙間が形成されている。この微小隙間の隙間幅は例えば０．００２〜０．２ミリメートル、特に０．００５〜０．１ミリメートルに設定されるが、これに限定されるものではない。懸架手段は、往復可動体又は駆動シャフト部をボディに弾性支持する。駆動シャフト部は、往復可動体と一体的に成形されていても良いし、別体の駆動シャフト部を往復可動体に一体的に連結させても良い。駆動シャフト部は、往復可動体と同軸的であることが好ましい。懸架手段は、往復可動体を軸長方向に沿って移動可能に弾性支持するとともに軸長方向に垂直な面内方向に沿って移動不能に固定支持する。従って、往復可動体の往復動作における直動性が確保され、微小隙間の隙間幅が過剰に偏ることなく良好に維持される。この結果、往復可動体の外壁面と可動室の内壁面とが非接触又は弱接触に設定した場合においても、過剰に往復可動体とボディが接触することはなく、長寿命化を図ることができる。

上記した懸架手段としては、往復可動体又は駆動シャフト部を弾性支持するバネ部材で形成することができる。バネ部材として、往復可動体又は駆動シャフト部の軸直角方向に沿って延設された円板形状をなすバネ本体と、バネ本体に延設された形成された複数の透孔とを備えている形態を例示できる。透孔はスリットが好ましい。スリットは螺旋形状又は円弧形状に延設されている形態を例示にできる。より好ましくは、外周形状が円板状をなすバネ本体と、バネ本体の外周近傍から螺旋状に中心に向かうスリットが複数個バネ本体の周方向に等間隔で形成された板バネを例示できる。係るバネにおいては、外周部をボディに固定し、中心部に駆動シャフト部を連結し、駆動シャフト部を板バネの軸長方向に駆動させることにより、板バネの捩れ動作を伴って駆動シャフト部が該軸長方向に移動可能となる。一方、板バネの剛性により駆動シャフト部は該軸長方向に直角な方向には移動不能となる。

またバネ部材としては、駆動シャフト部の軸直角方向に沿って延設された板状をなす中央板部と、中央板部の端に駆動シャフト部の軸長方向に沿って延設された端板部とを備えている形態を例示できる。この場合、全体として断面『コ』の字形状となり、駆動シャフト部を軸長方向に移動可能に弾性支持し、且つ、軸直角方向に移動不能に支持することができる。

懸架手段としては、往復可動体又は駆動シャフト部の軸長方向において、板状をなす複数のバネ部材を平行又はほぼ平行に並設して形成する形態を例示できる。駆動シャフト部を軸直角方向により確実に移動不能とするのに有利であり、駆動シャフト部及び往復可動体の姿勢が一層安定化される。この場合、複数のバネ部材を積層させた構造を採用できる。

懸架手段としては、往復可動体又は駆動シャフト部の軸長方向の一端側を弾性支持する第１懸架手段と、駆動シャフト部の軸長方向の他端側を弾性支持する第２懸架手段とを備えている形態を例示できる。この場合、往復可動体又は駆動シャフト部の姿勢が一層安定化される。

駆動シャフト部は、往復可動体の軸長方向の一端側に延設された第１駆動シャフト部と、往復可動体の軸長方向の他端側に延設された第２駆動シャフト部とを備えており、懸架手段は、第１駆動シャフト部を弾性支持する第１懸架手段と、第２駆動シャフト部を弾性支持する第２懸架手段とを備えている形態を例示できる。往復可動体又は駆動シャフト部の姿勢が一層安定化される。

本発明を具体化した実施例１を図１〜図７を参照して説明する。図１はパルス管搭載の冷媒膨張装置１の概念を示す。図１に示すように、冷媒膨張装置１は、冷媒の圧力を昇圧させるコンプレッサユニットで形成された圧縮装置２に接続されている。冷媒膨張装置１は、圧縮装置２で生成された高圧の冷媒が流れる高圧通路２０に設けられた高圧弁口３ａと低圧の冷媒が流れる低圧通路２１に設けられた低圧弁口３ｂとをもつ第１流路切替装置３と、第１弁口４１、第２弁口４２、第３弁口４３をもつ第２流路切替装置４と、第１流路切替装置３と第２流路切替装置４の間に設けられた低温生成要素として機能するパルス管５とを備える。

図２に示すように、パルス管５は縦方向に延設されており、低温側の連結チューブ５１と、流路径が変化する低温側のチップ５２と、低温側のディストリブュータ５３と、高温側の連結チューブ５４と、流路径が変化する高温側のチップ５５と、高温側のディストリブュータ５６とを有する。パルス管５の下部側の低温端５ｐは例えば５０〜１００Ｋ、特に７７Ｋ程度となる。パルス管５の上部側の高温端５ｈは熱が放出されるため、例えば室温程度となる。

図２に示すように、第１流路切替装置３は、高圧通路２０に繋がり高圧の冷媒が流れる高圧弁口３ａと、低圧通路２１に低圧の冷媒が流れる低圧弁口３ｂと、パルス管５の低温端５ｐに繋がる第１冷媒弁口としての弁口３ｐとを有する。

また図２に示すように第２流路切替装置４は、第１弁口４１、第２弁口４２、第３弁口４３をもつ。更に第２流路切替装置４は、第１弁口４１に第１連結チューブ４４ａを介して繋がる第１バッファタンク４４と、第２弁口４２に第２連結チューブ４５ａを介して繋がる第２バッファタンク４５と、第３弁口４３に第３連結チューブ４６ａを介して繋がる第３バッファタンク４６と、パルス管５の高温端５ｈに繋がる第２冷媒弁口としての弁口４７とを有する。高圧通路２０の圧力をＰＨとし、低圧通路２１の圧力をＰＬとし、第１バッファタンク４４の圧力をＭ１とし、第２バッファタンク４５を圧力をＰＭ２とし、第３バッファタンク４６の圧力をＰＭ３とすると、ＰＨ＞ＰＭ３＞ＰＭ２＞ＰＭ１＞ＰＬの関係とされている。

図３は、第１流路切替装置３及び第２流路切替装置４の作動を表すタイミングチャートを示す。図３において太線はパルス管５に連通している状態を示し、細線はパルス管５に非連通な状態を示す。図３に示すように、Ｉ行程では、弁口４２が開放し、中圧の第２バッファタンク４５はパルス管５の高温端５ｈに所定時間連通される。これにより中圧の第２バッファタンク４５のガスはパルス管５の高温５ｈに流入し、パルス管５は中圧とされる。このＩ行程では、高圧弁口３ａ、低圧弁口３ｂ、弁口４１，４３は閉じている。

その後、II行程を実施する。II行程では、弁口４３が開放し、高圧の第３バッファタンク４６はパルス管５の高温端５ｈに所定時間連通されるとともに、高圧弁口３ａは開放してパルス管５の低温端５ｐに連通する。これによりパルス管５内は圧力は増圧されて高圧となる。このII行程では、弁口４１，４２、低圧弁口３ｂは閉鎖し、低圧の第１バッファタンク４４，中圧の第２バッファタンク４５はパルス管５に非連通とされている。

その後、III行程を実施する。III行程では、再び弁口４２が開放し、中圧の第２バッファタンク４５はパルス管５に所定時間連通され、パルス管５の圧力は減少して中圧となる。このときパルス管５内のガスは膨張し、低温が生成される。このIII行程では、弁口４３，４１が閉鎖し、高圧の第３バッファタンク４６及び低圧の第１バッファタンク４４はパルス管５に非連通とされるとともに、高圧弁口３ａ及び低圧弁口３ｂはパルス管５に非連通とされる。

次にIV行程では、弁口４１が開放し、低圧の第１バッファタンク４４はパルス管５に所定時間連通されるとともに、低圧弁口３ｂはパルス管５に連通する。このIV行程では、パルス管５の圧力は更に減少して低圧となる。このときパルス管５内のガスは更に膨張し、更なる低温が生成される。

上記したようにガスはパルス管５で膨張されての低温端５ｐで低温を生成する。パルス管５で低温となったガスは、第１流路切替装置３の低圧弁口３ｂから低圧通路２１に向けて吐出される。このような膨張仕事により、パルス管５の高温側のディストリブュータ５６付近、つまり高温端５ｈ付近で、熱が放出される。高温が過剰であれば、パルス管５の高温端５ｈ付近を冷却することが好ましい。第１バッファタンク４４〜第３バッファタンク４６は、パルス管５の低温端５ｐで膨張仕事を効率よく行うように、パルス管５の低温端５ｐのガス位相を調整するものである。

図４は第１流路切替装置３の内部を示す。図４に示すように、第１流路切替装置３は、第１ボティ３０と、往復可動体として機能する第１スプール３１と、第１駆動機構３２とを備える。第１ボディ３０は、可動室３０ｒと、機械室３０ｃとをもつ。第１ボディ３０は、バルブボディ３０ｖとモータボディ３０ｍとを一体的に直列に結合して形成されている。摩耗を低減させるべく、第１スプール３１の外周壁面と可動室３０ｒの内周壁面との間には微小隙間（隙間幅は例えば０．００５〜０．１ミリメートル）が形成されている。図４に示すように、ボディ３０ｖは、中心線ＰＡを１周するリング状の溝通路１１１１,１１１２,１１１３を有する。溝通路１１１１は高圧弁口３ａに連通する。溝通路１１１３は低圧弁口３ｂに連通する。モータボディ３０ｍの内周部には、径内方向に段状に膨出する着座部３０ｘが形成されている。着座部３０ｘは軸直角方向に沿った着座面３０ｈ、３０ｉをもつ。

第１スプール３１は金属で形成されており、第１ボディ３０の可動室３０ｒに軸長方向（矢印Ｙ１，Ｙ２方向）に沿って移動可能に設けられている。第１スプール３１の内部には、互いに独立する溝通路１１２１，１１２２（図４では断面でＨ形状）が形成されている。第１スプール３１の外周壁面と第１バルブボディ３０ｖの内周壁面との間には、微小隙間（図６参照）が形成されている。

図４に示すように、第１駆動機構３２は、第１ボディ３０の機械室３０ｃに設けられており、第１スプール３１をこれの軸長方向に沿って移動させる。第１駆動機構３２は、駆動シャフト部３３と、駆動シャフト部３３を移動させる駆動源３４と、駆動シャフト部３３を弾性支持して懸架させる懸架手段３５とを備えている。駆動シャフト部３３は、第１スプール３１の一方の軸端側に一体的に延設されている。駆動源３４は、駆動シャフト部３３をこれの軸長方向つまり矢印Ｙ１，Ｙ２方向に移動させることにより、可動室３０ｒ内で第１スプール３１をこれの軸長方向（矢印Ｙ１，Ｙ２方向）に移動させるものである。

駆動源３４はリニアモータ方式であり、第１ボディ３０に固定されたステータ３４ａをもつ。ステータ３４ａは、固定鉄芯と固定鉄芯に巻装された励磁巻線とを有する。励磁巻線に励磁電流が給電されると、駆動シャフト部３３はこれの軸長方向に沿って移動することができる。第１スプール３１が図示右方向（矢印Ｙ１方向）に移動すると、高圧ガスが流れる高圧弁口３ａが溝通路１１２１,１１１１,１１１２に連通し、ひいては弁口３ｐ及びパルス管５に連通する。故に、高圧のガスは、高圧弁口３ａから第１スプール３１の溝通路１１２１,溝通路１１１２,弁口３ｐを介してパルス管５の低温端５ｐに供給される。

これに対して第１スプール３１が図示左方向（矢印Ｙ２方向）に移動すると、低圧弁口３ｂは溝通路１１２２、１１１３,１１１２に連通し、ひいては弁口３ｐ及びパルス管５に連通する。故に、パルス管５の低温端５ｐにおける膨張仕事で低圧となったガスが弁口３ｐ、第１スプール３１の溝通路１１２２、溝通路１１１３を介して低圧弁口３ｂに戻る。

図４に示すように、懸架手段３５はモータボディ３０ｍの機械室３０ｃ内に設けられており、駆動シャフト部３３をモータボディ３０ｍの機械室３０ｃに弾性支持する。懸架手段３５は、駆動シャフト部３３の軸長方向の一端側を弾性支持する第１懸架手段３５Ｆと、駆動シャフト部３３の軸長方向の他端側を弾性支持する第２懸架手段３５Ｓとで形成されている。従って図４に示すように、駆動源３４のステータ３４ａを挟むように、ステータ３４ａの両側に第１懸架手段３５Ｆ及び第２懸架手段３５Ｓが配置されている。即ち、第１スプール３１は、これの一端において懸架手段３５により弾性支持された『片持ち支持構造』とされている。

図４に示すように、第１懸架手段３５Ｆは、駆動シャフト部３３の軸長方向において互いに間隔を隔てて平行又はほぼ平行に並設された円板状をなす複数個（２個）のバネ部材６からなる。第２懸架手段３５Ｓは、駆動シャフト部３３の軸長方向において互いに間隔を隔てて平行又はほぼ平行に並設された複数個（２個）の円板状をなすバネ部材６からなる。

バネ部材６の外周部は、外側加圧体部６５により第１ボディ３０のモータボディ３０ｍの内周部の着座部３０ｘの互いに背向するリング状の着座面３０ｈ、３０ｉに着座した状態で保持されている。

ここで、バネ部材６の中央域の保持について説明を加える。図４に示すように、駆動シャフト部３３の外周側には筒体３８が同軸的に嵌合されている。第１懸架手段３５Ｆのバネ部材６は、筒体３８の一方の端面３８ａと駆動シャフト部３３の大径部３３ｄの端面とで挟持されて位置決めされている。また、第２懸架手段３５Ｓのバネ部材６は、筒体３８の他方の端面３８ｃに当接されて位置決めされている。バネ部材６の中央域は、内側加圧体部６４により駆動シャフト部３３に保持されている。内側加圧体部６４と外側加圧体部６５とは、バネ部材６の同じサイズの外径をもつリング状のスペーサ６９を構成している。複数のバネ部材６はリング状のスペーサ６９を介在させた状態で積層されている。隣設するバネ部材６間には、リング状のスペーサ６９により空間６ｘが形成されている。空間６ｘは各バネ部材６の弾性変形性、独立性を確保するために有効である。

図５はバネ部材６を示す。バネ部材６は高い臨界歪みをもつ金属で形成されており、図５に示すように、外周部を有する薄肉の円板形状をなすバネ本体６０と、バネ本体６０の中心の回りに形成された透孔としての複数のスリット６１とを備えている。スリット６１は、バネ本体６０の中央域に向かうにように渦巻き状に延設されている。バネ部材６が軸長方向に弾性変形するときには、バネ部材６の厚み方向つまりせん断方向の変形に基づく。バネ部材６が軸直角方向に弾性変形するときには、バネ部材６の径方向に沿った圧縮・引張断方向の変形に基づく。せん断方向のバネ定数は、圧縮・引張断方向のバネ定数に比較してはるかに小さい。従って、バネ部材６によれば、これの軸長方向のバネ定数が小さく設定されており、バネ部材６の軸長方向の動作は柔らかくされている。バネ部材６によれば、これの軸直角方向のバネ定数は、軸長方向のバネ定数よりも大きくされており、軸長方向に移動不能な程度に大きく設定されており、バネ部材６の軸直角方向の動作は軸長方向に比較して硬くされている。なお、スリット６１は渦巻き状に限らず、バネ部材６の中心の回りに形成された同心円弧状のスリットとしても良い。

バネ部材６が軸長方向に弾性変形するときバネ本体６０の中心線Ｍ１，Ｍ２が交差する中央域には、駆動シャフト部３３が嵌合する円形状の取付孔６２が形成されている。バネ本体６０の外周部には、貫通状態の複数個の取付孔６３が仮想線Ｍ３に沿って周方向に間隔を隔てて形成されている。取付孔６３は、バネ部材６をモータボディ３０ｍの内周部に径内方向に膨出している着座部３０ｘに取り付けるためのものである。

バネ部材６は、駆動シャフト部３３をその軸長方向に移動可能に弾性支持している。一方、その軸直角方向へは、移動不能に支持している。この結果、第１スプール３１が往復移動するときであっても、第１スプール３１の外周壁面と可動室３０ｒの内周壁面との間の微小隙間の隙間幅（隙間幅は例えば０．００５〜０．１ミリメートル）が過剰に偏ることなく良好に維持される。故に、第１スプール３１の外周壁面と可動室３０ｒの内周壁面とが非接触又は弱接触に維持される。故に、使用期間が長くなったとしても、第１スプール３１の外周壁面の摩耗、第１可動室３０ｒの内周壁面の摩耗は低減又は回避される。

本実施例によれば、図４に示すように、バネ部材６は、駆動シャフト部３３の中心線を覆うように同軸的に且つ、駆動シャフト部３３の軸直角方向に沿って配置されている。且つバネ部材６は第１スプール３１の往復移動方向において複数個並設されている。これにより駆動シャフト部３３の直動性をより向上させ得る。本実施例によれば、上記した微小隙間の隙間幅を過剰に偏らせることなくできるだけ均一に維持できるため、第１スプール３１の外周壁面、第１可動室３０ｒの内周壁面の異常摩耗が抑制される。更に上記した微小隙間の隙間幅をできるだけ均一に維持できるため、ガス漏れも低減又は回避され、『隙間シール構造』が良好に達成される。

ここで、ガスの漏れ量は微小隙間の隙間幅に基本的には比例するため、シール性を考慮すると、微小隙間の隙間幅は小さい方が好ましい。上記した隙間幅を越えると、ガス漏れ量が増加する。従って第１スプール３１の外周壁面が摩耗したり、第１可動室３０ｒの内周壁面が摩耗したりすると、上記した微小隙間の隙間幅が増加するため、上記した摩耗現象は『隙間シール構造』の寿命、ひいては第１流路切替装置３の寿命に大きな影響を与える。

図４に示すように、第１流路切替装置３のバルブボディ３０ｖは、第１スプール３１の先端面で形成された端空間３６ａに対面する透孔３７ａを有する。モータボディ３０ｍは、駆動シャフト部３３の先端面に対向する端空間３６ｂに対面する透孔３７ｂを有する。透孔３７ａ，３７ｂ同士は図略の配管により接続されている。これは第１スプール３１の両端に同じような力を作用させる。故に第１スプール３１を中立位置に維持するのに有利となる。なお、図４において第１流路切替装置３のバルブボディ３０ｖの端側は低温となる。モータボディ３０ｍの端側はバルブボディ３０ｖと同じような温度となる。

さて図７は第２流路切替装置４の内部を示す。第２流路切替装置４は第１流路切替装置３と基本的には同様な構成を有するため、共通の機能を有する部位には、なるべく共通の符号を付する。図７に示すように、第２流路切替装置４は、第２ボティ７０と、往復可動体として機能する第２スプール７１と、第２駆動機構７２とを備える。第２ボディ７０は、可動室３０ｒと、機械室３０ｃとをもつ。第２スプール７１は、第２ボディ７０の可動室３０ｒに軸長方向に沿って移動可能に設けられている。第２スプール７１の外周壁面と可動室３０ｒの内周壁面との間には、微小隙間の隙間幅（例えば０．００５〜０．１ミリメートル）が良好に維持されている。これによりガス漏れも低減又は回避される『隙間シール構造』が達成されている。更に、使用期間が長くなったとしても、第２スプール７１の外周壁面の摩耗、第２スプール７１が嵌合している可動室３０ｒの内周壁面の摩耗を低減又は回避できる。従って第２流路切替装置４の寿命が長くなる。

図７に示すように、第２流路切替装置４の第２駆動機構７２は、第２ボディ７０の機械室３０ｃに設けられており、第２スプール７１をこれの軸長方向に沿って移動させる。第２流路切替装置４の第２駆動機構７２は、第１流路切替装置３の場合と基本的には同様な構造を有しており、駆動シャフト部３３と駆動源３４と第２懸架手段３５とを備えている。駆動シャフト部３３は、第２スプール７１の軸端側に一体的に延設されている。駆動源３４は、駆動シャフト部３３をこれの軸長方向つまり矢印Ｙ１，Ｙ２方向に移動させることにより、可動室３０ｒ内で第２スプール７１をこれの軸長方向つまり矢印Ｙ１，Ｙ２方向に移動させるものである。駆動源３４はリニアモータ方式であり、第２ボディ７０に固定されたステータ３４ａをもつ。ステータ３４ａは、固定鉄芯と固定鉄芯に巻装された第２励磁巻線とを有する。励磁巻線に励磁電流が給電されると、駆動シャフト部３３はこれの軸長方向つまり矢印Ｙ１，Ｙ２方向に沿って移動することができる。

図７に示すように、第２流路切替装置４の第２ボディ７０は、バルブボディ３０ｖとモータボディ３０ｍとを結合して形成されている。バルブボディ３０ｖは、端空間３６ａに対面する透孔３７ａを有する。モータボディ３０ｍは、端空間３６ｂに対面する透孔３７ｂを有する。第２スプール７１の両端における力の均衡のため、透孔３７ａ，３７ｂ同士は図略の配管により接続されている。図７に示すように、バルブボディ３０ｖには、中心線ＰＢの回りを１周するリング形状の溝通路２１１１，２１１２,２１１３,２１１４が形成されている。更に、バルブボディ３０ｖには、溝通路２１１１に連通する第１弁口４１、溝通路２１１２に連通する第２弁口４２、溝通路２１１４に連通する第３弁口４３が形成されている。

図７は第２スプール７１の中立位置を示す。図７から理解できるように、第２流路切替装置４については、第２スプール７１が中立位置になると、パルス管５の高温端５ｈに繋がる弁口４７は、溝通路２１１３,２１２２，第２弁口４２、中圧の第２バッファタンク４５に連通する。また、第２スプール７１が左方向（矢印Ｙ２方向）に移動すると、高温側のパルス管５、弁口４７、溝通路２１１３、２１２３、２１１４，第３弁口４３、高圧の第３バッファタンク４６に連通する。また、第２スプール７１が右方向（矢印Ｙ１方向）に移動すると、高温側の弁口４７、溝通路２１１３，２１２１,２１１１，第１弁口４１、低圧の第１バッファタンク４４に連通する。

図７に示すように、第２流路切替装置４の懸架手段３５は第２ボディ７０の機械室３０ｃに設けられており、駆動シャフト部３３を第２ボディ７０の機械室３０ｃに弾性支持する。懸架手段３５は、駆動シャフト部３３の軸長方向の一端側を弾性支持する複数個（２個）のバネ部材６で形成されている第１懸架手段３５Ｆと、駆動シャフト部３３の軸長方向の他端側を弾性支持する複数個（２個）のバネ部材６で形成されている第２懸架手段３５Ｓとで形成されている。バネ部材６の内周部は、リング状の内側加圧体部６４により駆動シャフト部３３に保持されている。バネ部材６の外周部は、リング状の外側加圧体部６５により第２ボディ７０に保持されている。

第２流路切替装置４においても、バネ部材６は、駆動シャフト部３３をその軸長方向に移動可能に弾性支持しているとともに、その軸直角方向に移動不能に支持している。この結果、第２スプール７１が往復移動するときであっても、第２スプール７１の外周壁面と可動室３０ｒの内周壁面との間の微小隙間の隙間幅が過剰に偏ることなく良好に維持される。故に、第２スプール７１の外周壁面と可動室３０ｒの内周壁面とが非接触又は弱接触に維持される。従って、使用期間が長くなったとしても、第２スプール７１の外周壁面の摩耗、可動室３０ｒの内周壁面の摩耗は低減又は回避される。

図８は実施例２を示す。本実施例は実施例１と基本的には同様の構成、作用効果を有する。共通する部位にはなるべく共通の符号を付する。以下、相違する部分を中心として説明する。第１流路切替装置３の第１ボティ３０のバルブボディ３０ｖは低温側の弁口３ｐと、リング形状の溝通路１１２２とをもつ。往復可動体として機能する第１スプール３１の内部に形成されている溝通路１１２２は、リング形状の溝通路１１２２ａと,第１スプール３１の中央孔１２２６に繋がるように半径方向に貫通する溝通路１１２２ｂ，１１２２ｃ，１１２２ｄ,１１２２ｅとをもつ。この場合には、第１スプール３１の半径方向に作用する力を均等化させ、第１スプール３１の姿勢を安定化させるのに貢献できる。従って第１スプール３１の摩耗を一層軽減させるのに有利となる。よって微小隙間は薄いため、線状に表現される。

図９は実施例３を示す。本実施例は実施例１と基本的には同様の構成、作用効果を有する。共通する部位にはなるべく共通の符号を付する。以下、相違する部分を中心として説明する。図９に示すように第１流路切替装置３の第１スプール３１の外周部に溝通路１１２１，１１２２が形成されている。溝通路１１２１，１１２２は、溝深さｈ１，ｈ２を有する浅い溝で形成されており、構造が単純化されている。本実施例においても第１スプール３１は懸架手段により弾性支持されている。

図１０は実施例４を示す。本実施例は実施例１と基本的には同様の構成、作用効果を有する。共通する部位にはなるべく共通の符号を付する。以下、相違する部分を中心として説明する。図１０に示すように第１流路切替装置３について、駆動シャフト部３３は、往復可動体として機能する第１スプール３１と一体化されている。駆動シャフト部は第１スプール３１の軸長方向の一端側に一体的に延設された一端シャフト部３３ｆと、第１スプール３１の軸長方向の他端側に一体的に延設された他端シャフト部３３ｓとを備えている。懸架手段３５は、一端シャフト部３３ｆを弾性支持するバネ部材６からなる第１懸架手段３５Ｆと、他端シャフト部３３ｓを弾性支持するバネ部材６からなる第２懸架手段３５Ｓとを備えている。

図１０に示すように、第１流路切替装置３の第１ボディ３０は、バルブボディ３０ｖと、モータボディ３０ｍと、スプリングボディ３０ｓとを一体的に直列に結合して形成されている。前記した一端シャフト部３３ｆはモータボディ３０ｍに延設されているため、他端シャフト部３３ｓよりも長さが長く設定されている。ボディ３０は、一端シャフト部３３ｆに対向する端空間３６ｂに対面する透孔３７ｂを有するとともに、他端シャフト部３３ｓに対向する端空間３６ａに対面する透孔３７ａを有する。第１スプール３１の両端における力の均衡のため、透孔３７ａ，３７ｂ同士は図略の配管により接続されている。

本実施例によれば、図１０に示すように、第１スプール３１は、これの両軸端においてバネ部材６により弾性支持された『両持ち支持構造』とされている。このため第１スプール３１の姿勢が安定する。故に、第１スプール３１の外周壁面と第１可動室３０ｒの内周壁面との間の微小隙間の隙間幅を、過剰に偏ることなく、第１スプール３１の軸長方向においてできるだけ均一に確保するのに有利できる。故に、第１スプール３１の外周壁面、第１可動室３０ｒの内周壁面の摩耗低減に有利であり、長寿命化に一層貢献できる。本実施例は第１流路切替装置３に適用したものであるが、第２流路切替装置４に適用することもできる。

図１１及び図１２は実施例５示す。本実施例は実施例４と基本的には同様の構成、作用効果を有する。共通する部位にはなるべく共通の符号を付する。本実施例においても、図１１に示すように、第１流路切替装置３の第１ボディ３０は、バルブボディ３０ｖと、モータボディ３０ｍと、スプリングボディ３０ｓとを一体的に結合して形成されている。図１１に示すように、モータボディ３０ｍ、スプリングボディ３０ｓには、リング形状をなす着座フランジ部３９が駆動シャフト３３の軸長方向に沿って突き出している。

図１１に示すように、駆動シャフト部３３は、第１スプール３１の軸長方向の一端側に延設された一端シャフト部３３ｆと、第１スプール３１の軸長方向の他端側に延設された他端シャフト部３３ｓとを備えている。図１１に示すように、懸架手段３５は、一端シャフト部３３ｆを弾性支持する１個のバネ部材６Ｃと、他端シャフト部３３ｓを弾性支持する１個のバネ部材６Ｃとを備えている。第１スプール３１は、第１スプール３１の両軸端においてバネ部材６Ｃにより『両持ち支持構造』とされている。この場合、第１スプール３１の姿勢が安定するため、第１スプール３１の外周壁面と可動室３０ｒの内周壁面との間の微小隙間の隙間幅を過剰に偏らせることなくできるだけ均一に維持でき、第１スプール３１の外周壁面と可動室３０ｒの内周壁面とを非接触又は弱接触に維持するのに有利である。この結果、第１スプール３１の外周壁面の摩耗、可動室３０ｒの内周壁面の摩耗を低減又は回避できる。

図１１に示すように、バネ部材６Ｃは、『コ』の字形状（チャンネル形状）をなしており、第１スプール３１の軸直角方向に沿って延設された中央板部６６と、第１スプール３１の軸長方向に沿って延設され且つ中央板部６６の両端に曲成部６８を介して連設された２個の端板部６７とをもつ。端板部６７は曲成部６８を介して中央板部６６に対して約９０度曲成されている。バネ部材６Ｃは曲成部６８を介して弾性変形できる。中央板部６６は、駆動シャフト部３３に嵌合して取り付けられる取付孔６２を有する。端板部６７は螺子取付孔６３を有する。螺子取付孔６３に挿通された螺子６３ｃにより、端板部６７はモータボディ３０ｍやスプリングボディ３０ｓの着座フランジ部３９に取り付けられている。一端シャフト部３３ｆのバネ部材６Ｃと、他端シャフト部３３ｓのバネ部材６Ｃとについては、端板部６７が互いに対向するように配置されている。

ここで、バネ部材６Ｃは、駆動シャフト部３３をその軸長方向に移動可能に弾性支持しているとともに、その軸直角方向に移動不能に支持している。これにより第１スプール３１はこれの軸長方向に容易に移動できるものの、軸直角方向への移動は抑止される。この結果、第１スプール３１の外周壁面と可動室３０ｒの内周壁面との接触が非接触又は弱接触に設定される。更に、第１スプール３１の外周壁面の摩耗、可動室３０ｒの内周壁面の摩耗を低減又は回避できる。従って、第１スプール３１の外周壁面と可動室３０ｒの内周壁面との間に形成されている微小隙間の隙間幅（隙間幅は例えば０．００５〜０．１ミリメートル）を、過剰に偏らせることなく、できるだけ均一に維持できる。よって微小隙間を介してのガス漏れも低減又は回避される。第１流路切替装置３の寿命も長くなる。なお本実施例は、第１流路切替装置３に適用したものであるが、第２流路切替装置４に適用することもできる。

なお図１１に示すように一端シャフト部３３ｆ、他端シャフト部３３ｓはそれぞれ１個のバネ部材６Ｃで弾性支持されているが、複数個のバネ部材６Ｃで弾性支持することにしても良い。

図１３は実施例６を示す。本実施例は実施例１と基本的には同様の構成、作用効果を有する。共通する部位にはなるべく共通の符号を付する。本実施例においてよれば、図１３に示すように、第１流路切替装置３及び第２流路切替装置４は一体化されている。この結果、第１流路切替装置３の第１ボディ３０と第２流路切替装置４の第２ボディ７０との間にモータボディ３０ｍが位置している。第１ボディ３０、第２流路切替装置４の第２ボディ７０は、モータボディ３０ｍを介して直列的に並設されて一体化されており、小型化に有利となる。第１流路切替装置３の第１スプール３１と第２流路切替装置４の第２スプール７１との間には、共通駆動機構を構成する共通の駆動シャフト部３３が同軸的に設けられている。これにより小型化に有利となる。

図１３に示すように、この駆動シャフト部３３は、第１流路切替装置３及び第２流路切替装置４の双方に共用されており、第１流路切替装置３の第１スプール３１と第２流路切替装置４の第２スプール７１とを駆動させるものである。駆動シャフト部３３は、第２スプール７１の軸端中央から同軸的に延設された第１筒部３３ｕと、第１筒部３３ｕと別体をなし同軸的な円筒形状をなす第２筒部３３ｖと、第１スプール３１の軸端に接続された中央軸部３３ｗとで形成されている。中央軸部３３ｗは第２筒部３３ｖの中央孔に嵌合するとともに、中央軸部３３ｗの先端部は第１筒部３３ｕの中央孔に嵌合している。

駆動シャフト部３３は懸架手段３５で弾性支持されて懸架されている。図１３に示すように、懸架手段３５は、駆動シャフト部３３の一端側を弾性支持する複数のバネ部材６からなる第１懸架手段３５Ｆと、駆動シャフト部３３の一端側を弾性支持する複数のバネ部材６からなる第２懸架手段３５Ｓとで形成されている。具体的には図１３に示すように、第２スプール７１の第１筒部３３ｕの軸端面と第２筒部３３ｖの軸端面とで、バネ部材６の中央域を挟持している。また、中央軸部３３ｗの径大部の軸端面と第２筒部３３ｖの軸端面とで、複数個のバネ部材６の中央域を挟持している。バネ部材６の外周部はモータボディ３０ｍの着座部３０ｘに着座されている。この結果、バネ部材６を備えた懸架手段３５は、第１流路切替装置３と第２流路切替装置４との双方の中間域に配置されており、双方に共用されているため、部品点数の低減、小型化に貢献できる。

本実施例においても、バネ部材６は、駆動シャフト部３３をその軸長方向に移動可能に弾性支持しているとともに、その軸直角方向に移動可能に支持している。これにより第１スプール３１及び第２スプール７１はこれの軸長方向に容易に移動できるものの、軸直角方向への移動は抑止される。この結果、第１スプール３１の外周壁面と可動室３０ｒの内周壁面との接触が非接触又は弱接触に設定される。更に、第１スプール３１の外周壁面の摩耗、可動室３０ｒの内周壁面の摩耗を低減又は回避できる。従って、第１スプール３１の外周壁面と可動室３０ｒの内周壁面との間に形成されている微小隙間の隙間幅を、過剰に偏らせることなく、できるだけ均一に維持できる。よって微小隙間を介してのガス漏れも低減又は回避され、かつ第１流路切替装置３の寿命も長くなる。

同様に、第２流路切替装置４についても、第２スプール７１の外周壁面と可動室３０ｒの内周壁面との接触が非接触又は弱接触に設定される。従って、第２スプール７１の外周壁面と可動室３０ｒの内周壁面との間に微小隙間が良好に維持されている。ガス漏れも低減又は回避される。更に、第２スプール７１の外周壁面の摩耗、可動室３０ｒの内周壁面の摩耗を低減又は回避できる。第２流路切替装置４の寿命も長くなる。また図１３に示すように、パルス管５を形成するチューブ５ｗは９０度に曲成された曲成部５ｋを有し、パルス管５は第１流路切替装置３の第１ボディ３０及び第２流路切替装置４の第２ボディ７０とほぼ平行に配置されているため、小型化に有利である。

本実施例で特徴的なことは、パルス管５を直流的に流れる作動ガスの動きを抑制する構造であるということである。すなわち、図１３に示すように、第１流路切替装置３側の流路である流路Ｙ１はリング状の溝Ｘ１に連通し、第２流路切替装置４側の流路である流路Ｙ２はリング状の溝Ｘ２に連通しているが、これらの溝Ｘ１，Ｘ２は、互いに駆動部３０ｍに近いところに形成されている。このように作動ガスを各スプールの駆動部３０ｍ側に近い所で連通することにより、第１スプール３１側から中央の板バネ空間にリークする作動ガスと、第２スプール７１側から中央の板バネ空間にリークする作動ガスとほぼ均等にすることができる。これにより、板バネ空間内での圧力勾配による流れは起こらなくなり、この空間を通って第２スプール７１側から第１スプール３１側に流れる作動ガスの流量を減少させることができる。パルス管５を直流的に流れる作動ガスは、この空間を通ることにより生じるが、この空間の流れを上記のように抑制することにより、直流ガス流れを抑制することができる。

図１４は実施例７を示す。本実施例は実施例６と基本的には同様の構成、作用効果を有する。共通する部位にはなるべく共通の符号を付する。本実施例においても、第１流路切替装置３及び第２流路切替装置４は一体化されている。この結果、第１流路切替装置３の第１ボディ３０と第２流路切替装置４の第２ボディ７０との間にモータボディ３０ｍが位置しており、これらは直列的に一体化されている。小型化に有利となる。第１流路切替装置３の第１スプール３１と第２流路切替装置４の第２スプール７１との間には、共通の駆動シャフト部３３が同軸的に接続されている。駆動シャフト部３３は、バネ部材６を備える懸架手段３５により懸架されている。パルス管５を形成するチューブ５ｗには、蓄冷器５７及びコールドヘッド５８が配置されている。更に、ガス案内機能をもつディストリビュータ５３、ディストリビュータ５６が配置されている。

本実施例で特徴的なことは、蓄冷器５７及びパルス管５を直流的に流れる作動ガスの動きを抑制する構造であるということである。すなわち、図１４に示すように、第１流路切替装置３側の流路である流路Ｙ１は溝Ｘ１に連通し、第２流路切替装置４側の流路である流路Ｙ２は溝Ｘ２に連通しているが、これらの溝Ｘ１，Ｘ２は、互いに駆動部３０ｍに近いところに形成されている。このように作動ガスを各スプールの駆動部３０ｍ側に近い所で連通することにより、第１スプール３１側から中央の板バネ空間にリークする作動ガスと、第２スプール７１側から中央の板バネ空間にリークする作動ガスとほぼ均等にすることができる。これにより、板バネ空間内での圧力勾配による流れは起こらなくなり、この空間を通って第２スプール７１側から第１スプール３１側に流れる作動ガスの流量を減少させることができる。パルス管５を直流的に流れる作動ガスは、この空間を通ることにより生じるが、この空間の流れを上記のように抑制することにより、直流ガス流れを抑制することができる。

図１５は実施例８を示す。本実施例は実施例６と基本的には同様の構成、作用効果を有する。共通する部位にはなるべく共通の符号を付する。以下、相違する部分を中心として説明する。本実施例によれば第２流路切替装置４が設けられていない。第１流路切替装置３は、実施例１の場合と同様を構造を有しており、高圧弁口３ａと、低圧弁口３ｂと、パルス管５の低温端５ｐに連通する弁口３ｐとを有する。第１流路切替装置３は高圧のガス、低圧のガスを切り替える機能を有する。パルス管５の高温端５ｈには連結チューブ４４ａを介してバッファタンク４４Ｍが接続されている。連結チューブ４４ａ内のガスは共鳴状態において速い速度で振動する。このシステムは最適な作動周波数を有する。連結チューブ４４ａには最適な長さと最適な内径が存在する。パルス管５での膨張仕事によりパルス管５の高温端５ｈは熱を帯びることがあるため、連結チューブ４４ａは水や気体により常温付近に冷却することが好ましい。本実施例は図２に示す実施例に比較して構造が簡単である。連結チューブ４４ａ、バッファタンク４４Ｍの内径をパルス管５と同一すれば、更に構造が単純化される、

図１６は実施例９を示す。本実施例は実施例６と基本的には同様の構成、作用効果を有する。共通する部位にはなるべく共通の符号を付する。本実施例によれば第２流路切替装置４が設けられていない。図１６に示すように、第１流路切替装置３は、実施例１の場合と同様を構造を有しており、高圧弁口３ａと、低圧弁口３ｂと、パルス管５の低温端５ｐに連通する弁口３ｐとを有する。パルス管５の高温端５ｈには、往復可動体として機能するイナータンスピストン８１を有する膨張シリンダで形成された膨張手段８が接続されている。バッファタンクの代わりに膨張手段８が設けられている。図１６に示すように、膨張手段８は、シリンダ状のボディ８０と、ボディ８０内に嵌合されたイナータンスピストン８１と、イナータンスピストン８１を駆動させる駆動機構８２とを備える。イナータンスピストン８１の外周壁面とボティ８０の内周壁面との間には、円滑作動性、摩耗の低減、隙間シール構造の実現を図るべく、微小隙間が形成されている。ボディ８０は膨張空間８３を有し、更にモータボディ８０ｍを有する。駆動機構８２は、ボディ７８の機械室８０ｃに設けられており、イナータンスピストン８１をこれの軸長方向に沿って移動させるものであり、駆動シャフト部８４と駆動源８５と懸架手段８６とを備えている。駆動シャフト部８４はイナータンスピストン８１の軸端側に一体的に同軸的に延設されている。駆動源８５は、駆動シャフト部８４をこれの軸長方向に移動させることにより、ボディ８０内でイナータンスピストン８１をこれの軸長方向に移動させるものである。駆動源８５はリニアモータ方式であり、ボディ８０に固定されたステータ８０ａをもつ。ステータ８０ａは、固定鉄芯と固定鉄芯に巻装された励磁巻線とを有する。イナータンスピストン８１が右方向（矢印Ｙ１方向）に移動すると、ボディ８０内に膨張空間８３が形成される。これに対してイナータンスピストン８１が左方向（矢印Ｙ２方向）に移動すると、膨張空間８３内のガスは圧縮される。

図１６に示すように、懸架手段８６はモータボディ８０ｍの機械室８０ｃに設けられており、駆動シャフト部８４をモータボディ８０ｍの機械室８０ｃに弾性支持する。懸架手段８６は、イナータンスピストン８１に接続された駆動シャフト部８４の軸長方向の一端側を弾性支持する複数個（２個）並設されたバネ部材６からなる第１懸架手段３５Ｆと、駆動シャフト部８４の軸長方向の他端側を弾性支持する複数個（２個）並設されたバネ部材６からなる第２懸架手段３５Ｓとで形成されている。よって駆動シャフト部８４の両端はバネ部材６により両持ち支持されており、駆動シャフト部８４の姿勢、ひいてはイナータンスピストン８１の姿勢が安定化されている。バネ部材６の内周部は、リング状の内側加圧体部６４により駆動シャフト部８４に保持されている。バネ部材６の外周部は、リング状の外側加圧体部６５によりボディ８０に保持されている。駆動シャフト部８４の軸長方向に沿ったバネ部材６は柔らかめとされ、駆動シャフト部８４の軸直角方向（径方向）に沿ったバネ部材６は硬めとされている。

本実施例においても実施例１と同様に、バネ部材６は、駆動シャフト部８４をその軸長方向に移動可能に弾性支持しているとともに、その軸直角方向に移動不能に支持している。これによりイナータンスピストン８１はこれの軸長方向に容易に移動できるものの、軸直角方向への移動は抑止されている。この結果、イナータンスピストン８１の外周壁面とボティ８０の内周壁面との間に形成される微小隙間の隙間幅は過剰に偏ることなく良好に維持される。従って、イナータンスピストン８１の外周壁面とシリンダ８０ｓの内周壁面とは非接触又は弱接触とされている。なお、微小隙間の隙間幅は小さいため、ガス漏れを防止できる隙間シール構造を実現している。

図１６に示すように、パルス管５の高温端５ｈは、ボティ８０の孔８０ｒを介してボディ８０の膨張空間８３に連通している。絞り要素として機能するオリフィス８７がボディ８０の壁に形成されている。オリフィス８７の一端はボディ８０内の膨張空間８３に連通している。更にオリフィス８７の他端は中間接続管８８を介してモータボディ８０ｍの作業室に接続されて連通している。オリフィス８７の機能は膨張空間８３での膨張仕事を熱に変えることである。中間接続管８８は、ガス通路として機能するだけでなく、ガスを冷却する機能を果たす。

イナータンスピストン８１が共鳴状態で動作すると、膨張仕事により力が生じる。これはオリフィス８７により制御される。ボティ９０の加熱を抑えるため、ボティ８０の外面を冷却する冷却要素を設けることが好ましい。これにより中間接続管８８が冷却される。

図１７は実施例１０を示す。本実施例は実施例６と基本的には同様の構成、作用効果を有する。共通する部位にはなるべく共通の符号を付する。以下、相違する部分を中心として説明する。図１７に示すように、流路切替装置３は、実施例１の場合と同様に、弁口３ｐと、高圧弁口３ａと、低圧弁口３ｂとを有する。弁口３ｐには、メインピストン９１を有する膨張手段９が設けられている。膨張手段９は、ボディ９０と、往復可動体として機能するメインピストン９１と、メインピストン９１を駆動させる駆動機構９５とを有する。メインピストン９１は、第１ピストン９２及び第２ピストン９２を有するとともに、第１ピストン９２と第２ピストン９３との間に駆動シャフト部９４とを有する。ボディ９０は、モータボディ９０ｍと、膨張空間９９を形成するとともに第１ピストン９２を嵌合する膨張用の第１シリンダ９０ｆと、圧縮空間９６を形成するとともに第２ピストン９３を嵌合する圧縮用の第２シリンダ９０ｓで形成されている。第１ピストン９２の外周壁面と第１シリンダ９０ｆの内周壁面との間には、円滑作動性、摩耗の低減、隙間シール構造の実現を図るべく、微小隙間が形成されている。

懸架手段３５は、メインピストン９１に接続された駆動シャフト部９４の軸長方向の一端側を弾性支持する複数個（２個）のバネ部材６からなる第１懸架手段３５Ｆと、駆動シャフト部９４の軸長方向の他端側を弾性支持する複数個（２個）のバネ部材６からなる第２懸架手段３５Ｓとで形成されている。よって駆動シャフト部９４の両端はバネ部材６により両持ち支持されており、駆動シャフト部９４の姿勢、ひいては第１ピストン９２と第２ピストン９３の姿勢が安定化されている。バネ部材６の内周部は、リング状の内側加圧体部６４により駆動シャフト部９４に保持されている。バネ部材６の外周部は、リング状の外側加圧体部６５によりモータボディ９０ｍに保持されている。

本実施例においても、実施例１と同様に、バネ部材６は、駆動シャフト部９４をその軸長方向に移動可能に弾性支持しているとともに、その軸直角方向に移動不能に支持している。これにより第１ピストン９２及び第２ピストン９３はこれの軸長方向に容易に移動できるものの、軸直角方向への移動は抑止されている。この結果、第１ピストン９２の外周壁面と第１シリンダ９０ｆの内周壁面との間には、微小隙間の隙間幅が過剰に偏ることなく良好に形成されている。従って、第１ピストン９２の外周壁面と第１シリンダ９０ｆの内周壁面とは非接触又は弱接触とされている。なお、微小隙間の隙間幅は小さいため、ガス漏れを防止できる隙間シール構造を実現している。

また第２ピストン９３の外周壁面と第２シリンダ９０ｓの内周壁面との間には、円滑作動性、摩耗の低減、隙間シール構造の実現を図るべく、微小隙間が形成されている。従って、第２ピストン９３の外周壁面と第２シリンダ９０ｓの内周壁面とは非接触又は弱接触とされている。微小隙間の隙間幅は小さいため、ガス漏れを防止できる隙間シール構造を実現している。

図１７に示すように、第１ピストン９２は軽量化のために中空室９２ｃをもつ。第１シリンダ９０ｆの膨張空間９９は連結チューブ９９ｘを介して第１流路切替装置３の弁口３ｐに連通している。図１７に示すように、第２シリンダ９０ｓの圧縮空間９６はオリフィス９７、第２シリンダ９０ｓの通路９０ｘを介してボディ９０の機械室９０ｃに連通する。

そして、高圧弁口３ａから供給された高圧のガスが第１流路切替装置３の弁口３ｐを介して膨張手段９の膨張空間９９に流れると、膨張空間９９で膨張され、低圧とされ、低温を生成する。そして膨張空間９９内の低圧のガスは、連結チューブ９９ｘを介して第１流路切替装置３の低圧弁口３ｂから吐出される。これを実現するため、第１シリンダ９０ｆ内で第１ピストン９２は往復移動する。よって、第２シリンダの圧縮空間９６の容積が小さくなったり増加したりする。圧縮空間の機能は、膨張空間で膨張仕事をさせるためである。

なお、第１ピストン９２が熱伝導性が良好な材料で形成されていれば、第１ピストン９２の中空室は廃止しても良い。この中空室は真空でも良いし、詰め物をしても良い。第１シリンダ９０ｆの加熱を防止するためには、第１シリンダ９０ｆを水冷又は空冷することが出好ましい。ガスの膨張仕事に基づいて力が生じるが、オリフィスにより制御できる。
〔適用例〕
図１８は適用例を示す。本例は空気中の窒素と酸素とを分離するための空気分離装置に適用したものである。４１１は、大気中から採った空気を所望の圧力（例えば６ａｔｍ）に圧縮させるコンプレッサユニットである。コンプレッサユニット４１１は、空気を圧縮させる機能の他に、空気に含まれているオイル分、水分等の異物を除去する機能を有する。コンプレッサユニット４１１により圧縮された空気は流路４２１に沿って流れ、熱交換器４１２において、液相温度付近に冷却され、更に、コラム４１７の底部まで流れる。コラム４１７において、空気は窒素ガスと酸素ガスとに分離される。高圧の窒素ガスは、コラム４１７の上部から流出し、流路４２３に沿って流れる。

酸素ガスはコラム４１７の底部で液化される。液化された酸素は、コラム４１７の底部から延設された流路４２２に沿って流れ、熱交換器４１４、流量制御用のスロットルバルブ４１５を流れ、低圧の液体となり、更に低圧の液体となった酸素はボイラー４１６に至り、ボイラー４１６でガス化される。ガス化された酸素は流路４２４に沿って流れ、熱交換器４１４を介して冷媒膨張装置４１３に至り、冷媒膨張装置４１３で大気圧付近まで膨張され、更に、熱交換器４１２を介してコンプレッサユニット４１１に至る。なお４１８は液体窒素を収容する液体窒素タンクであり、コラム４１７に液体窒素を適宜補充できる。

一般的なシステムによれば、冷媒膨張装置１４１３としてタービン型の冷媒膨張装置が使用されている。しかしタービン型の冷媒膨張装置は小型の場合には、信頼性が必ずしも充分ではない。このため本適用例では、タービン型の冷媒膨張装置を廃止している。そして、上記した冷媒膨張装置１４１３として、上記した各実施例に係る冷媒膨張装置１を採用すれば、信頼性及び寿命が向上するため、空気中の窒素と酸素とを分離する空気分離装置のコスト低減を図り得る。

（その他）
実施例１によれば、スプール３１を保持する駆動シャフト部３３を複数のバネ部材６で弾性支持しているが、これに限らず、１個のバネ部材６により弾性支持させることにしても良い。その他、本発明は上記した且つ図面に示した実施例のみに限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更しつ実施できるものである。

本発明は空気から窒素を分離する空気分離装置、ヘリウム液化装置、水素液化装置多、石油ガス分離装置等に使用される冷媒膨張装置に利用できる。冷媒膨張装置は、高圧のガスを膨張させることにより低温低圧のガスを生成して冷凍を出力する。冷媒膨張装置としてはパルス管タイプのもの、ピストンタイプのものが例示される。冷媒膨張装置は体積流量率を変化させる幅が広いため、空気分離装置、ヘリウム液化装置、水素液化装置、石油ガス分離装置等に広く使用される。

実施例１に係る冷媒膨張装置の概念図である。 実施例１に係る冷媒膨張装置の構成図である。 実施例１に係り、冷媒膨張装置の作動を説明するタイミングチャートである。 実施例１に係り、第１流路切替装置の断面図である。 実施例１に係り、バネ部材の正面図である。 実施例１に係り、第１スプールの外周壁面と可動室の内周壁面との間の微小隙間付近の各拡大断面図である。 実施例１に係り、第２流路切替装置の断面図である。 実施例２に係り、第１流路切替装置の横断面図である。 実施例３に係り、第１流路切替装置の断面図である。 実施例４に係り、第１流路切替装置の断面図である。 実施例５に係り、第１流路切替装置の断面図である。 実施例５に係り、バネ部材の斜視図である。 実施例６に係り、第１流路切替装置の断面図である。 実施例７に係り、第１流路切替装置の断面図である。 実施例８に係り、第１流路切替装置にパルス管及びバッファタンクを取り付けた状態を示す冷媒膨張装置の断面図である。 実施例９に係り、第１流路切替装置にパルス管及び膨張シリンダを取り付けた状態を示す冷媒膨張装置の断面図である。 実施例１０に係り、第１流路切替装置に膨張手段を取り付けた状態を示す冷媒膨張装置の断面図である。 適用例に係り、冷媒膨張装置をもつ空気分離装置を模式的に示すブロック図である。

符号の説明

図中、１は冷媒膨張装置、２は圧縮装置、２０は高圧通路、２１は低圧通路、３は第１流路切替装置、３ａは高圧弁口、３ｂは低圧弁口、３ｐは弁口（第１冷媒弁口）３０は第１ボディ、３０ｒは可動室、３１は第１スプール（往復可動体）、３２は第１駆動機構、３３は駆動シャフト部、３５は懸架手段、３５Ｆは第１懸架手段、３５Ｓは第２懸架手段、３４は駆動源、４は第２流路切替装置、４１は第１弁口、４２は第２弁口、４３は第３弁口、４４は第１バッファタンク、４５は第２バッファタンク、４６は第３バッファタンク、４７は弁口（第２冷媒弁口）、５はパルス管、５１は連結チューブ、５４は連結チューブ、５７は蓄冷器、６はバネ部材、６０はバネ本体、６１はスリット（透孔）、６６は中央板部、６７は端板部、７０は第２ボディ、７１は第２スプール（往復可動体）、７２は第２駆動機構を示す。

Claims (12)

1. 高圧冷媒が流れる高圧通路の開閉と低圧冷媒が流れる低圧通路の開閉とを切り替える流路切替装置と、
   前記流路切替装置により開放された前記高圧通路の高圧冷媒が流入され前記高圧冷媒を膨張させて低温を生成する膨張手段とを具備する冷媒膨張装置において、
   前記流路切替装置は、
   内壁面で区画された可動室をもつとともに外壁面から内壁面にかけて貫通した高圧弁口、低圧弁口、冷媒弁口がそれぞれ形成されたボティと、
   前記ボディの可動室に往復移動可能に設けられとともに前記高圧弁口と前記冷媒弁口とを連通する高圧連通路及び前記低圧弁口と前記冷媒弁口とを連通する低圧連通路が内部に形成された往復可動体と、
   前記ボディに設けられ前記往復可動体をこれの軸長方向に沿って移動させる駆動機構とを備えており、
   前記駆動機構は、前記ボディに設けられ前記往復可動体を前記軸長方向に沿って移動可能に弾性支持するとともに前記軸長方向に垂直な面内方向に沿って移動不能に固定支持する懸架手段とを備えることを特徴とする冷媒膨張装置。
2. 請求項１において、前記駆動機構は、前記往復可動体に延設された駆動シャフト部を備え、前記懸架手段は、前記駆動シャフト部を前記ボディに弾性支持することにより前記往復可動体を弾性支持することを特徴とする冷媒膨張装置。
3. 高圧冷媒が流れる高圧通路の開閉と低圧冷媒が流れる低圧通路の開閉とを切り替えるとともに第１冷媒弁口をもつ第１流路切替装置と、
   前記第１流路切替装置の前記第１冷媒弁口に低温端が接続されたパルス管と、
   前記パルス管の高温端に接続された第２冷媒弁口とバッファタンク用弁口とをもつ第２流路切替装置と、
   前記第２流路切替装置の前記バッファタンク用弁口に接続されたバッファタンクとを具備する冷媒膨張装置において、
   前記第１流路切替装置及び前記第２流路切替装置のうちの少なくとも一方は、
   内壁面で区画された可動室をもつとともに外壁面から内壁面にかけて貫通した高圧弁口、低圧弁口、前記第１冷媒弁口又は前記第２冷媒弁口がそれぞれ形成されたボティと、
   前記ボディの可動室に往復移動可能に設けられるとともに前記高圧弁口と前記第１冷媒弁口又は前記第２冷媒弁口とを連通する高圧連通路及び前記低圧弁口と前記第１冷媒弁口又は前記第２冷媒弁口とを連通する低圧連通路が内部に形成された往復可動体と、
   前記ボディに設けられ前記往復可動体をこれの軸長方向に沿って移動させる駆動機構とを備えており、
   前記駆動機構は、前記ボディに設けられ前記往復可動体を前記軸長方向に沿って移動可能に弾性支持するとともに前記軸長方向に垂直な面内方向に沿って移動不能に固定支持する懸架手段とを備えることを特徴とする冷媒膨張装置。
4. 請求項３において、前記第１流路切替装置は、
   内壁面で区画された可動室をもつとともに外壁面から内壁面にかけて貫通した第１高圧弁口、第１低圧弁口、前記第１冷媒弁口がそれぞれ形成された第１ボティと、
   前記第１ボディの可動室に往復移動可能に設けられるとともに前記第１高圧弁口と前記第１冷媒弁口とを連通する高圧連通路及び前記第１低圧弁口と前記第１冷媒弁口とを連通する低圧連通路が内部に形成された往復可動体と、
   前記第１ボディに設けられ前記往復可動体をこれの軸長方向に沿って移動させる第１駆動機構とを備えており、
   前記第１駆動機構は、前記第１ボティに設けられ前記往復可動体を前記軸長方向に沿って移動可能に弾性支持するとともに前記軸長方向に垂直な面内方向に沿って移動不能に固定支持する懸架手段とを備えており、
   前記第２流路切替装置は、
   内壁面で区画された可動室をもつとともに外壁面から内壁面にかけて貫通した第２高圧弁口、第２低圧弁口、前記第２冷媒弁口がそれぞれ形成された第２ボティと、
   前記第２ボディの可動室に移動可能に設けられるとともに前記第２高圧弁口と前記第２冷媒弁口とを連通する高圧連通路及び前記第２低圧弁口と前記第２冷媒弁口とを連通する低圧連通路が内部に形成された往復可動体と、
   前記第２ボディに設けられ前記往復可動体をこれの軸長方向に沿って移動させる第２駆動機構とを備えており、
   前記第２駆動機構は、前記第２ボティに設けられ前記往復可動体を前記軸長方向に沿って移動可能に弾性支持するとともに前記軸長方向に垂直な面内方向に沿って移動不能に固定支持する懸架手段とを備えていることを特徴とする冷媒膨張装置。
5. 請求項４において、前記第１流路切替装置の前記第１ボディと前記第２流路切替装置の前記第２ボディとは一体化されていることを特徴とする冷媒膨張装置。
6. 請求項４又は請求項５において、前記第１駆動機構及び第２駆動機構は一体化されていることを特徴とする冷媒膨張装置。
7. 請求項１〜請求項６のうちのいずれか一項おいて、前記懸架手段は前記往復可動体又は前記駆動シャフト部の軸直角方向に沿って延設された板状のバネ部材で形成されていることを特徴とする冷媒膨張装置。
8. 請求項７おいて、前記バネ部材は、前記往復可動体又は前記駆動シャフト部の軸直角方向に沿って延設された円板形状をなすバネ本体と、前記バネ本体に形成された透孔とを備えていることを特徴とする冷媒膨張装置。
9. 請求項７又は請求項８において、前記バネ部材は、前記駆動シャフト部の軸直角方向に沿って延設された板状をなす中央板部と、前記中央板部の端から前記駆動シャフト部の軸長方向に沿って延設された端板部とを備えていることを特徴とする冷媒膨張装置。
10. 請求項１〜請求項９のうちのいずれか一項において、前記懸架手段は前記駆動シャフト部の軸長方向において、バネ部材を間隔を隔てて複数個併設することにより形成され、隣設する前記バネ部材間には空間が形成されていることを特徴とする冷媒膨張装置。
11. 請求項１〜請求項１０うちのいずれか一項において、前記懸架手段は、前記往復可動体又は前記駆動シャフト部の軸長方向の一端側を弾性支持する第１懸架手段と、前記往復可動体又は前記駆動シャフト部の軸長方向の他端側を弾性支持する第２懸架手段とを備えていることを特徴とする冷媒膨張装置。
12. 請求項１〜請求項１１のうちのいずれか一項において、前記駆動シャフト部は、前記往復可動体の軸長方向の一端側に延設された一端シャフト部と、前記往復可動体の軸長方向の他端側に延設された他端シャフト部とを備えており、且つ、
    前記懸架手段は、前記一端シャフト部を弾性支持する第１懸架手段と、前記他端シャフト部を弾性支持する第２懸架手段とを備えていることを特徴とする冷媒膨張装置。

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