JP2007527985A - 極低温冷凍機用磨耗のないバルブ - Google Patents

Abstract

マルチポートロータリディスクバルブを回転させるのに必要なトルク及び磨耗ダストを低減する改良された方法は、バルブシート及び／又はバルブディスクを、それらが互いに接触しないように、若しくは、互いに軽く接触するように、支持するスラストベアリングを利用する。

Description

本発明は、極低温冷凍機、特に、ギフォード・マクマホン（ＧＭ）冷凍機、ＧＭタイプのパルスチューブ冷凍機、Ｓｏｌｖａｙ（ソルベイ）冷凍機に関する。かかる極低温冷凍機のコールドヘッドは、バルブ機構を含み、当該バルブ機構は、通常的には、ロータリバルブディスクとバルブシートからなる。離散的なポートが存在し、異なるポートの周期的な配置により、コンプレッサにより供給された作動流体が、蓄冷器及びコールドヘッドの作動容積に対して出入りすることが可能となる。

ＧＭ及びＳｏｌｖａｙタイプの冷凍機は、略一定の高圧でガスを供給し、略一定の低圧でガスを受け入れるコンプレッサを用いる。ガスは、バルブ機構によりコンプレッサに対して低速で作動する往復動エクスパンダに供給され、往復動エクスパンダは、エクスパンダ内及び外にガスを交互に導く。

Ｗ．Ｅ．Ｇｉｆｆｏｒｄは、また、固体のディスプレーサを、気体のディスプレーサに置き換えるエクスパンダを思いつき、それを“パルスチューブ”冷凍機と称した。これは、先ず特許文献１に開示され、それは、初期のＧＭ冷凍機のようにバルブに接続されるパルスチューブを開示する。

初期のパルスチューブ冷凍機は、ＧＭタイプの冷凍機と競合するほど十分効率的でなかった。顕著な改善は、１９８４年にＭｉｋｕｌｉｎ他により報告され、更なる改善を求めて多くの関心が続けられた。１９８４年以降の大きな改善の記載は、ここで列挙する文献において見出せる。これらのパルスチューブのすべては、パルスチューブに対してガスを周期的に流入及び流出させるためにバルブを用いるＧＭタイプのエクスパンダとして稼動できる。低速で稼動するＧＭタイプのパルスチューブは、典型的には、約２０Ｋ以下での用途で使用される。４Ｋでの最も良い性能が、特許文献２の図９に示すようなパルスチューブにより得られることが見出されている。この設計は、特許文献２の図１１に示す順序で開閉する６つのバルブを有する。

Ｗ．Ｅ．Ｇｉｆｆｏｒｄによる特許文献３は、初期の空気駆動されるＧＭエクスパンダ及び、駆動ピストンへのガス流れと同調せず蓄冷器へのガス流れを制御するマルチポート型ロータリスプールバルブを開示する。後続する特許文献４では、Ｇｉｆｆｏｒｄは、バルブのフェースの両端で緊密なシールを維持するために高低の圧力差を用いるマルチポート型ロータリディスクを開示する。彼は、この種のバルブは、長時間稼動しある程度の磨耗を受けたあとにも漏出率が低く、スプールタイプのバルブよりも優れていると述べている。この種のバルブは、異なるタイプのＧＭ冷凍機において広く用いられてきた（例えば、特許文献５，６，７，８参照）。
米国特許第３，２３７，４２１号明細書 米国特許第６，２５６，９９８号明細書 米国特許第３，１１９，２３７号明細書 米国特許第３，２０５，６６８号明細書 米国特許第３，６２０，０２９号明細書 米国特許第３，６２５，０１５号明細書 米国特許第４，９８７，７４３号明細書 米国特許第６，６９４，７４９号明細書

この種のバルブは、バルブディスク及び／又はバルブシートから磨耗ダストを生成するという欠点を有する。バルブディスクからの磨耗ダストは、コールドヘッド自体へ飛ばされる傾向にあり、これは、性能を劣化させる。パルスチューブ冷凍機は、従来的なＧＭ冷凍機よりもダストに繊細である。なぜならば、このダストは、パルスチューブの高温側端部にてオリフィスの開口を調整するために用いられるニードルの表面上に付着し、或いは、オリフィスや流路に堆積する傾向にあるからである。パルスチューブ冷凍機の性能は、オリフィスの開口に敏感であり、従って、それらをダストの無い状態に維持することが望ましい。

今日見出されていることとして、バルブシートに対して回転するバルブディスクを、それらの間のギャップが軽い接触から非常に小さいギャップへと変化する態様で、支持するスラストベアリングを用いるロータリバルブユニットは設計されることができる。これは、非常に少ない磨耗又は磨耗の無い結果を生み、バルブを回すのに必要なトルクが低減される。

本発明は、バルブディスクのフェースとシートとの間に非常に軽い接触又は非常に小さいギャップを維持することにより、磨耗ダストと共に、マルチポート型ロータリディスクバルブを回転させるのに必要なトルクを低減する改善された手段を提供する。本発明は、バルブシート及び／又はディスクを互いに接触しないような態様又は軽く接触する態様で保持するスラストベアリングを有することにより、磨耗ダスト及びトルクを低減する手段を提供する。

バルブディスクのフェースとシートとの間のギャップは、０から２５μｍの間に維持されることができ、高圧から低圧への漏れが冷凍機の性能に悪影響を及ぼさないようほど十分小さくなるようにする。バルブディスクは、バルブシートと軽い接触状態にある場合、大部分の力は、バルブシートのフェースに代わり、スラストベアリングのフェース上に負荷されることになる。バルブディスクのフェース及びスラストベアリングのフェースは共に回転するので、回転中に磨耗は生じず、バルブディスクを回転させるのに必要なトルクを小さくすることができる。

スラストベアリングは、摩擦の嵌合によりバルブシート又はバルブディスクに取り付けられることができ、又は、接着剤により取り付けられることができる。スラストベアリングは、また、固定具により所定位置に維持されることができる。

バルブディスクのフェースをスラストベアリングのフェースと接触状態に維持する正味の力を低減することにより、多数のポートを有するロータリディスクバルブを回転させるのに必要な力を更に低減することができる。本発明は、また、特許文献７、８に示すようなバルブ組立体における２つの異なる表面上に２つの異なる圧力でガスを作用させることにより、スラストベアリングにかかる軸方向力を低減する手段を提供する。

特許文献８に示すように、バルブシートの中央に高圧ガスをバルブディスクの外側に低圧ガスを有することも可能である。これは、特にマルチポート型のパルスチューブにおいて、更に、バルブディスクの磨耗からパルスチューブ内に飛ばされるダスト量を低減するという追加の効果を提供する。バルブディスクフェースの中央に高圧を外側に低圧を有することは、大部分のダストが低圧の空間へと飛ばされ、パルスチューブに入らないという結果を生む。

バルブユニットは、また、初期の作動中、バルブディスクがバルブシートに接触するが、バルブディスク又はバルブシートがスラストベアリングに接触しないような態様で、設計されることができる。バルブユニットがある程度の時間稼動し、幾らかの磨耗を受けた後、バルブディスク又はシートは、ゆっくりとスラストベアリングのフェースに接触し始める。従って、スラストベアリングに負荷される荷重は徐々に増加し、これにより、バルブシートのフェース及びディスクに負荷される力は徐々に低減していくことになる。最終的には、バルブシートのフェース及びディスクに負荷される力はゼロになり、更なる磨耗は一切生じないだろう。この場合、バルブシートのフェースとディスクとの間にほとんどギャップが無く、それ故に、高圧から低圧への漏れ率は、非常に小さい流量で維持されることができる。

本発明は、ＧＭ冷凍機、Ｓｏｌｖａｙ冷凍機、及びＧＭタイプパルスチューブ冷凍機を含め、バルブユニットによりエクスパンダの内外に周期的にガスが導かれる如何なる種の冷凍機に対しても適用可能である。特には、多段及び多ポートを有する低温パルスチューブに適用されるときに特に有用である。

図１は、流れ関係を示すため、コンプレッサ及び単一段のダブルインレットパルスチューブ冷凍機の小型の概要と共にバルブ組立体２９の断面を示す。

バルブユニット２９は、バルブモータ組立体５、バルブハウジング７、及びバルブベース１７を有し、これらの全ては、多様なＯリングシール及びボルト１によりシールされる。バルブベース及びハウジングの内側には、多様な構成要素が存在する。バルブシート２１は、バルブハウジング内に保持及びシールされる。スラストベアリング６０は、バルブシートにより組みつけられる。バルブディスク４は、モータシャフト６及びシャフト６を通るピン３を介してバルブモータ５により回転される。バルブディスク４は、ピン３に対して軸方向に自由に移動する。バルブディスク４は、スラストベアリング６０のフェースに接触する。バルブディスク４は、バルブシート２１から、非常に小さいギャップで離間されることができ、若しくは、バルブシート２１に非常に軽い接触を持つことができる。バルブディスク４のフェースとバルブシート２１の間にギャップが存在する場合、好ましいギャップは、０から２５μｍまでであるべきである。バルブディスク４がバルブシート２１に軽く接触する場合、力の大部分は、バルブシート２１のフェースに代わって、スラストベアリング６０のフェースに負荷されるべきである。バルブディスク４のフェース及びスラストベアリング６０のフェースは共に回転するので、回転中に磨耗は一切発生せず、バルブディスクを駆動するための必要トルクを小さくできる。スプリング８は、冷凍機がオフのときにスラストベアリング６０にバルブディスク４を接触した状態に維持するために用いられる。ピン３５は、バルブシート２１がハウジング１７に対して回転するのを防止する。

インレット（入口）１０は、ガスライン１９を介してコンプレッサ２０の供給側に接続される。コンプレッサ２０の戻り側は、ガスライン１８及び出口１４を介してバルブ組立体２９に接続する。低圧でのガスは、溝１３を通してバルブディスク４の中央から流出する。

バルブディスク４の遠い側のフェース（distal face）上に負荷される供給圧と、バルブディスク４のフェースに負荷される圧力との差圧から発生される力は、バルブディスク４のフェースをスラストベアリング６０のフェースに接触した状態に保つ。

図２は、バルブディスク４のフェースにおけるガス流れ空洞を示す。図１に示す断面は、図２及び図３において断面矢印Ａ−Ａにより示される。ポート１５からのガスは、空洞４０内に流れ、次いで、クロススロット４１を介して低圧Ｐｌ，ポート１３に流れる。バルブディスク４の外縁におけるアンダーカットである領域１２は、コンプレッサから供給される高圧Ｐｈのガスに接続する。

図３は、シール２１のフェースを示す。本発明の理解に本質的ではないが、このポート構成の特性を、図１,２,３を参照して概説する。図１は、発明されたバルブユニットにより駆動されるダブルインレットタイプのパルスチューブ冷凍機を示す。それは、蓄冷器２２、高温側端部のフロースムーザー２６及び低温側端部のフロースムーザー２４を備えるパルスチューブ２５、及び低温側端部の熱交換器２３からなる。位相シフト手段は、バッファー容積２８、バッファーオリフィス２７、及びダブルインレットバルブ３０を含む。バルブモータ５及びシャフト６によりバルブディスク４を回転させることにより、穴１５，１６は、交互に、空洞１２を流れるガスにより加圧され、スロット４０を通る流れにより減圧される。図２及び図３に示すポート構成は、バルブディスク４の回転毎にパルスチューブを加圧及び減圧する２回の完全なサイクルを生成する。理解されるべきこととして、エクスパンダは、バルブディスク４及びバルブシート２１上の供給及び戻りポートを適切に配置することにより、ロータリバルブの周期毎に、１若しくはそれ以上のサイクルで動作されてもよい。

図１に示すエクスパンダは、単一の段のパルスチューブであるが、例えば特許文献２の図９に示すような多数の制御ポートを備える多段のパルスチューブを駆動するために使用できるようにバルブユニット及びポート構成を設計することも可能である。バルブディスク４及びバルブシート２１上にポートを適切に配置することにより、及び、パルスチューブ２５の高温側端部２６に連通する必要な通路を配設することにより、発明されたバルブユニットは、オリフィスタイプ、４バルブタイプ、アクティブバッファータイプ及び５バルブタイプのような、如何なるタイプのパルスチューブをも駆動するために用いられることができる。指摘しておくべきこととして、このバルブユニットは、ＧＭやＳｏｌｖａｙタイプのような、他の種の冷凍機に対しても用いられることができる。

図４は、本発明によるバルブ組立体の第２の実施例の断面図であり、この構成では、スラストベアリング６０は、バルブディスク４に取り付けられ、バルブシート２１は、スラストベアリング６０の表面に接触する。図４では、同様の参照符号が、図１における同様の部品を指示する。

図５は、本発明によるバルブ組立体の第３の実施例の断面図であり、この構成では、スラストベアリング６０がバルブシート２１に取り付けられ、バルブディスク６１は、スラストベアリング６０の表面に接触している。図５では、同様の参照符号が、図１における同様の部品を指示する。図５において、スラストベアリング６０上に負荷される力は、ピン３により保持されＯリング９によりバルブディスク６１内にシールされるバルブホルダ２を有することにより低減される。バルブディスク６１及びバルブホルダ２の外部表面は、スラストベアリング６０に接触するバルブディスク６１の表面及びバルブシート２１に対向する表面を除いて、高圧ガスにより囲繞される。バルブディスク６１のフェースをスラストベアリング６０のフェースに接触するのを維持するために必要な力は、バルブディスク６１の遠い側での面積と圧力の積を、バルブディスク６１のフェースの領域とバルブディスク６１のフェース上の最大平均圧力の積よりも大きくすることにより、得られる。これは、Ａｃを、空洞１１におけるバルブディスク６１の遠い側の面積とし、Ａｓを、Ａｃまわりのバルブディスク６１の遠い側の環状の面積とし、Ａｖを、バルブディスク６１のフェースの面積とし、Ｐｖを、Ａｖに作用する平均圧力としたとき（双方とも空洞１２の圧力及び面積を含む）、次の式で表せる。
（Ａｃ＊Ｐｌ＋Ａｓ＊Ｐｈ）＞Ａｖ＊Ｐｖｍａｘ （式１）。

対抗する力は、モータシャフト６に伝達され、バルブディスク６１に向かう方向にモータベアリング上に軸方向力を与える。実際には、空洞１１の直径は、シールを維持することとスラストベアリング６０上の荷重を最小化することとの間の最良のバランスをどれが与えるかを見るために異なるサイズをテストすることにより、調整される。

図６は、本発明によるバルブ組立体の第４の実施例の断面図であり、この構成では、スラストベアリング６０は、バルブディスク６１に取り付けられ、バルブシート２１は、スラストベアリング６０の表面に接触する。図６では、同様の参照符号が、図５における同様の部品を指示する。

図７は、本発明によるバルブ組立体の第５の実施例の断面図であり、この構成では、スラストベアリング６０は、バルブシート２１に取り付けられ、バルブディスク６１は、スラストベアリング６０の表面に接触する。図７では、同様の参照符号が、図５における同様の部品を指示する。図７において、バルブディスク６１及びバルブホルダ２の外部表面は、スラストベアリング６０に接触するバルブディスク６１の表面及びバルブシート２１に対面する表面を除いて、低圧ガスにより囲繞される。力は、Ａｃを、空洞１１におけるバルブディスク６１の遠い側の面積とし、Ａｓを、Ａｃまわりのバルブディスク６１の遠い側の環状の面積とし、Ａｖを、バルブディスク６１のフェースの面積とし、Ｐｖを、Ａｖに作用する平均圧力としたとき（双方とも空洞１２の圧力及び面積を含む）、次の式で表せる。
（Ａｃ＊Ｐｈ＋Ａｓ＊Ｐｌ）＞Ａｖ＊Ｐｖｍａｘ （式２）。

対抗する力は、モータシャフト６に伝達され、バルブディスク６１から離される方向にモータベアリング上に軸方向力を与える。式１及び式２において、Ａｖは、ＡｃとＡｓの和に等しい。バルブディスクの中心に高圧を有し、外側の低圧を有する結果として、ダストの大部分は、低圧空間へと直接的に飛ばされ、パルスチューブ内に入ることが無くなる。

図８は、本発明によるバルブ組立体の第６の実施例の断面図であり、この構成では、スラストベアリング６０は、バルブディスク６１に取り付けられ、バルブシート２１は、スラストベアリング６０の表面に接触する。図８では、同様の参照符号が、図７における同様の部品を指示する。

図９は、本発明によるバルブ組立体の第７の実施例の断面図であり、この構成では、固定具が、スラストベアリング６０をバルブハウジング１７に固定するために用いられる。スラストベアリング６０は、バルブシートの肩部に着座し、バルブディスク６１は、スラストベアリング６０の表面に接触する。図９では、同様の参照符号が、図１における同様の部品を指示する。この実施例は、整備が必要となった場合にスラストベアリングの簡単に交換できるという利点を有する。

図１０及び図１１は、本発明の第１の実施例を製造する選択肢を示す。所期の動作中、バルブディスク４は、バルブシート２１のフェースに接触するが、スラストベアリング６０のフェースには接触しない。バルブユニットが、幾らかの時間稼動し、ある程度の磨耗を受けた後、バルブディスク２１は、スラストベアリング６０のフェースに接触し始める。このとき、スラストベアリング６０の負荷される力は、徐々に増加し始め、この結果、バルブディスク４及びバルブシート２１のフェースに負荷される力は、減少する。ある点では、バルブディスク４及びバルブシート２１のフェースに負荷される力は、ゼロになり、更なる磨耗は生成されなくなる。この場合、バルブシート２１のフェースとディスク４の間のギャップがほとんどなくなり、それ故に、高圧から低圧への漏れ率が非常に小さい値に維持されることができる。

本発明によるバルブ組立体の断面図であり、コンプレッサ及び単一段のダブルインレットパルスチューブ冷凍機の小型の概要が流れ関係を示すために含められている。バルブシートは、取り付けられたスラストベアリングと共に組みつけられる。バルブディスクは、スラストベアリングはスラストベアリングの表面に接触する。 図１のバルブユニットのバルブディスク形成部品の前面図である。 図１のバルブユニットのバルブシート形成部品の前面図である。 本発明によるバルブ組立体の第２の実施例の断面図であり、スラストベアリングは、バルブディスクに取り付けられ、バルブシートは、スラストベアリングの表面に接触する。 本発明によるバルブ組立体の第３の実施例の断面図であり、バルブシートは、取り付けられたスラストベアリングと共に組みつけられ、バルブディスクは、スラストベアリングの表面に接触する。低圧ガスは、バルブディスクとバルブホルダにより囲まれる空洞内に導入される。 本発明によるバルブ組立体の第４の実施例の断面図であり、バルブディスクは、取り付けられたスラストベアリングと共に組みつけられ、バルブシートは、スラストベアリングの表面に接触する。低圧ガスは、バルブディスクとバルブホルダにより囲まれる空洞内に導入される。 本発明によるバルブ組立体の第５の実施例の断面図であり、バルブシートは、取り付けられたスラストベアリングと共に組みつけられ、バルブディスクは、スラストベアリングの表面に接触する。高圧ガスは、バルブディスクとバルブホルダにより囲まれる空洞内に導入される。 本発明によるバルブ組立体の第６の実施例の断面図であり、バルブディスクは、取り付けられたスラストベアリングと共に組みつけられ、バルブシートは、スラストベアリングの表面に接触する。高圧ガスは、バルブディスクとバルブホルダにより囲まれる空洞内に導入される。 本発明によるバルブ組立体の第７の実施例の断面図であり、バルブシートは、スラストベアリングと共に組みつけられ、バルブディスクは、スラストベアリングの表面に接触する。スラストベアリングは、固定具によりバルブハウジングに固定される。 本発明によるバルブ組立体の第１の実施例に対する設計選択肢の初期状態の断面図であり、バルブシートは、取り付けられたスラストベアリングと共に組みつけられ、バルブディスクは、バルブシートのフェースに接触するが、スラストベアリングの表面に接触しない。 バルブディスクを通常的な動作状態に至らせる初期の磨耗期間後の図１０に示すバルブ組立体の断面図であり、通常的な動作状態では、バルブディスクは、スラストベアリングのフェースに接触し、荷重の大部分が、スラストベアリングのフェース上に負荷され、バルブシートの細長いシート上に負荷されない。

Claims (12)

1. ＧＭ、Ｓｏｌｖａｙ、又はＧＭタイプのパルスチューブ冷凍機におけるバルブ組立体であって、
   少なくとも１つのバルブディスクと、少なくとも１つのバルブシートと、バルブディスクのフェース及びバルブシートのフェースの一方がフェースに接触する少なくとも１つのスラストベアリングと、を含むバルブ組立体。
2. 前記スラストベアリングが、前記バルブシートに取り付けられ、バルブディスクのフェースが、前記スラストベアリングのフェースに接触する、請求項１に記載のバルブ組立体。
3. 前記スラストベアリングが、前記バルブディスクに取り付けられ、バルブシートのフェースが、前記スラストベアリングのフェースに接触する、請求項１に記載のバルブ組立体。
4. 前記スラストベアリングが、固定具により固定される、請求項１に記載のバルブ組立体。
5. ＧＭ，Ｓｏｌｖａｙ、又はＧＭタイプのパルスチューブ冷凍機におけるバルブ組立体であって、
   ＧＭ，Ｓｏｌｖａｙ、又はＧＭタイプのパルスチューブ冷凍機におけるバルブ組立体であって、
   少なくとも１つのバルブディスクと、少なくとも１つのバルブシートと、バルブディスクのフェース及びバルブシートのフェースが初期的に互いに接触し合う少なくとも１つのスラストベアリングと、を含むバルブ組立体。
6. 前記スラストベアリングが、前記バルブシートに取り付けられる、請求項５に記載のバルブ組立体。
7. 前記スラストベアリングが、前記バルブディスクに取り付けられる、請求項５に記載のバルブ組立体。
8. バルブディスク及びバルブシートの少なくとも一方が、前記スラストベアリングのフェースに接触し、前記スラストベアリングが、固定具により固定される、請求項５に記載のバルブ組立体。
9. 低トルク及び低摩耗ロータリバルブユニットであって、
   バルブディスクと、
   バルブシートと、
   スラストベアリングとを含み、
   前記スラストベアリングが、前記バルブシートに対して回転するバルブディスクを、それらの間のギャップが軽い接触から非常に小さいギャップへと変化する態様で、支持する、バルブユニット。
10. 前記バルブディスクのフェース及び前記バルブシートのフェースが、２５μｍ未満の距離だけ互いに離間されている、請求項９に記載のバルブユニット。
11. 低トルク及び低摩耗ロータリバルブユニットであって、
    バルブディスクと、
    バルブシートと、
    スラストベアリングとを含み、
    前記バルブシートのフェースに典型的にかかる力が、前記スラストベアリングのフェースに伝達される、バルブユニット。
12. バルブディスクとバルブシート間の摩擦力を低減することによりマルチポート型のロータリディスクバルブを回転させるのに必要なトルクを低減する方法であって、
    前記回転するバルブディスクを支持するスラストベアリングを間挿することを含む、方法。

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