JP2008544199A - パルスチューブ冷凍機用マルチプルロータリバルブ - Google Patents

Abstract

複数のバルブを有するロータリディスクバルブを含むロータリディスクバルブユニット及び冷凍機であって、少なくとも１つのロータリバルブは、蓄冷器に接続するポートを有し、少なくとも１つのロータリバルブは、１つ以上のパルスチューブに接続するポートを有し、蓄冷器用のポートを備えるロータリバルブは、パルスチューブ用のポートを備えるロータリバルブよりも軽い接触を有する。バルブ面は、パルスチューブ用のポートを備えた内側領域と、蓄冷器用のポートを備えた外側領域とに分割され、内側領域が外側領域よりも大きいシーリング圧を有する。

Description

本発明は、ＧＭ型パルスチューブ冷凍機に関する。

かかる極低温冷凍機のパルスチューブ型エクスパンダは、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、蓄冷器及びパルスチューブの作動容積に対して出入りすることが可能となる。特許文献１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。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２〜６参照）。

Ｗ．Ｅ．Ｇｉｆｆｏｒｄは、固体ディスプレーサーをガスディスプレーサーで置換したエクスパンダを考案し、それを“パルスチューブ”冷凍機と称した。これは、先ず、Ｇｉｆｆｏｒｄによる特許文献７により開示され、それは、初期のＧＭ冷凍機のような、バルブに接続されるパルスチューブを開示する。低速で稼動するＧＭタイプの冷凍機は、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８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８の図１１に示す順序で開閉する６つのバルブを有する。

特許文献９は、バルブディスクとシートのフェース間に非常に小さい隙間若しくは非常に軽い接触を維持することによって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とされるトルク及び磨耗速度を低減する改善された手段を開示する。それは、ベアリングにバルブシート及び／又はディスクを、それらが接触しないように若しくは互いに軽く接触するように保持させることによって、トルク及び磨耗速度を低減する手段を提供する。しかし、冷凍機の性能は、特許文献８の図９に示すようなパルスチューブ冷凍機のような、パルスチューブの高温端とコンプレッサの間を接続するポートを有するパルスチューブ冷凍機用バルブディスク及びシートのフェース間の隙間に非常に影響を受け易いことが判明した。

特許文献１０は、２つのバルブディスクを有するパルスチューブ用ロータリバルブユニットを開示し、バルブディスクの一方は、コンプレッサと蓄冷器の間の流れを循環し、他方は、パルスチューブとバッファ容積の間の流れを循環し、改善点は、漏れを外側から中心に向かうように制御することを目的として、中心に低圧ガスを有しバルブの外側に高圧ガスを有することである。

他の先行技術は、コンプレッサと蓄冷器の間の流れを制御する近接の隙間のラジアルポートと、コンプレッサとパルスチューブの間の流れを制御するアキシャルポートを回転スプールの端部に有するスプールバルブを開示する。アキシャルポートは、スプールの回転面内にあり、固定シートと摺動接触する。アキシャルポート上のシーリング圧は、スプールの２つの端部間の圧力負荷の差分により提供される。
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 ＰＣＴ／ＵＳ２００５／００１６１７号 米国特許第３，２３７，４２１号明細書 米国特許第６，２５６，９９８号明細書 ＰＣＴ／ＵＳ２００５／００７９８１号 米国特許第６，４６０，３４９号明細書

異なるバルブ概念を探査する過程で、少なくとも１つのロータリバルブが蓄冷器に接続するポートを有し少なくとも１つのロータリバルブが１つ以上のパルスチューブの高温端に接続するポートを有する、多数のバルブを有したロータリディスクバルブユニットを設計できることが判明した。蓄冷器用のポートを備えたロータリバルブは、パルスチューブ用のポートを備えたロータリバルブよりも軽い接触を有する。ポートから蓄冷器への漏れは、エクスパンダへ流入するガスの小さい損失を表すので、性能への影響は小さい。しかし、パルスチューブへの流れの漏れは、パルスチューブ内の直流流れを生み、これは、冷却容量の大きな損失を生むと共に、温度を不安定にする。

パルスチューブへの流れを制御するポートは、典型的には、蓄冷器への流れを制御するポートの領域の１０％よりも小さい。従って、バルブ面を、パルスチューブ用のポートを備えた内側領域と、蓄冷器用のポートを備えた外側領域とに分割し、内側領域が外側領域よりも大きいシーリング圧を有するようにすることが現実的である。パルスチューブポートにおける漏れがこのようにして最小化されつつ、バルブディスクの外側の領域上の低いシーリング圧は、バルブを回転させるのに必要なトルクを低減する。バルブの摩擦速度も低減される。

かかるバルブ構成は、マルチポート型ロータリディスクバルブを用いるパルスチューブ冷凍機の性能、信頼性及び温度安定性を改善する。本発明からの利益を得ることができる他の種類のパルスチューブは、４バルブ型、アクティブバッファ型、５バルブ型及びインターフェーズ型を含む。米国特許第６，６２９，４１８号は、２つの蓄冷器及び多数のパルスチューブを有するインターフェーズ型パルスチューブの一例である。

この開示は、マルチポートディスクバルブを回転させるのに必要なトルクを最小化する一方でパルスチューブへの流れの漏れを低減する改善された手段を提供する。これは、多数のロータリバルブを有し、蓄冷器に接続するポートを備える一のロータリバルブが軽いシーリング圧を有し、パルスチューブに接続するポートを備える第２のロータリバルブがより大きいシーリング圧を有することによって、達成される。

パルスチューブへの流れ及びパルスチューブからの流れを制御するポートを介した漏れは、直流流れパターン及びフェーズシフトを狂わせる。双方は、パルスチューブ冷凍機の性能、信頼性及び温度安定性にとってクリティカルである。漏れを最小化するためにシートフェースとディスクフェースの間に良好な接触を有することが重要である。パルスチューブポートを備えるロータリバルブのフェース上のより大きい接触圧は、ディスクフェースとシートフェースの間のより良好な接触を生成し、従って、シートフェースとディスクフェースの間の隙間を介した漏れが低減される。蓄冷器ポートを備えるロータリバルブのフェースを介した漏れは、パルスチューブポートを備えるロータリバルブの漏れを程クリティカルでなく、従って、シーリング圧を小さくすることができる。これは、バルブを回転させるのに必要なトルクを低減する。

これらの原理を異なる態様で組み込んだ多くの異なるバルブ構成が開示される。

本発明は、ガスがバルブユニットによりパルスチューブ及び蓄冷器の高温端の内外に循環される任意の種類のＧＭ型パルスチューブ冷凍機に適用可能である。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価値がある。図３及び１７を除く全ての図は、パルスチューブ蓄冷器への流れを制御するバルブのフェース領域に対して１つ以上のパルスチューブへの流れを制御するバルブのフェース領域に異なる力を付与する異なる手段を示す。

蓄冷器ポート領域よりもパルスチューブポート領域により大きい力がかかるバルブを設計するこの能力は、パルスチューブポートでの漏れを蓄冷器でのポート漏れよりも小さくすることを可能とする。差圧が付加される結果として、バルブを回転させるのに必要なトルクを最小化することができる。

添付の図において、同様の部品に対しては同様の番号が用いられる。

図１は、流れ関係を示すために、コンプレッサ及び単一段４バルブオリフィスパルスチューブ冷凍機の小さい概略図と共に、バルブ組立体２９の断面を示す。

バルブ組立体２９は、バルブモータ組立体５、バルブハウジング７及びバルブシートハウジング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。バルブシート２１は、バルブシートハウジング１７内に保持及びシールされる。外側のバルブディスク４は、モータシャフト６及びシャフト６を通過する駆動ピン３を介してバルブモータ５により回転される。外側のディスク４は、ピン３に対して軸方向に自由に動く。外側のディスク４は、バルブシート２１に接触する。ピン３は、また、Ｏリング９により外側のディスク４にシールされるバルブディスクホルダ２を保持する。内側のバルブディスク３２は、外側のディスク４内に配置される。バルブディスク３２は、ピン３を介して外側のディスク４と共に回転するが、軸方向に自由に動く。バルブディスク３２は、Ｏリング３１により外側のディスク４内でシールされる。スプリング３０及び４０は、冷凍機がオフのときに内側のディスク３２及び外側のディスク４がバルブシート２１に接触した状態に維持させるために用いられる。バルブディスクハウジング７内のポート１０は、低圧戻りライン１８を介してコンプレッサ２０に接続する。

高圧のガスは、コンプレッサ２０からライン１９を通って流れ、ポート１４にてバルブシートハウジング１７に入る。高圧ガスは、シート２１内のポート１３を通ってバルブフェースの中心に流れる。それは、内側のディスク３２、外側のディスク４及びバルブホルダ２内に形成されるキャビティ１１内に内側のバルブディスク３２内の中心ポート３８を通って流れ続ける。内側のディスク３２が回転すると、高圧ガスは、スロット３４がバルブシート２１内のポート３７上を通過する際にスロット３４を介して流れ、次いで、バルブシートハウジング１７内のポート４１を通り、オリフィス２７を通ってバッファ容積２８に流れる。パルスチューブ２５の高温端に入るガスはフロースムーザ２６を通って流れる。

ガスは、パルスチューブ２５及びバッファ容積２８からハウジング１７内のポート４１を通って戻り、次いで、バルブシート２１内のポート３６を通って内側のバルブディスク３２のフェースに戻る。それは、内側のバルブディスク３２内のポート３３を通ってバルブディスクハウジング７内の低圧に接続される。ポート３３を低圧に接続する流路は、この図では示されていない。

外側のバルブディスク４が回転すると、ポート５１は、図３ａに示すように、バルブシート２１内のポート１５上を通過する際にキャビティ１１内の高圧を蓄冷器２２に接続する。ガスは、ポート１５の底部端から、シートハウジング１７内のポート１７を通って蓄冷器２２の高温端に流れる。ガスは、蓄冷器２２の低温端を出て、ライン２３及び低温端フロースムーザ２６を通ってパルスチューブ２５に流れる。外側のバルブディスク４が回転して、ディスク４内のスロット１２がシール２１内のポート１５上を通過するとき、ガスは、パルスチューブ２５の低温端から蓄冷器２２及びポート１５，１６を通ってハウジング７内の低圧に戻る。

バルブシート２１は、ピン３５により回転が防止され、また、バルブシート２１は、バルブディスク４及び３２上の差圧及び実効面積がディスクをシート２１に向けて押し下げるように設計されているので、軸方向に動かない。

図２は、駆動ピン３が外側のバルブディスク４を軸方向に動かないように固定しつつシート２１が軸方向に動くことができる点で図１から異なるバルブ組立体の第２実施例の断面図である。同様の部品に対しては同様の番号が用いられる。図２は、図１に示すような蓄冷器へ流れる及びから流れるガスの圧力よりもシート２１の底部での高圧を示す。バルブディスク３２及びシート２１上の差圧及び実効面積は、シート２１をディスク４に向けて押し下げるように設計され、ディスク３２は、シート２１に向けて押し下げられる。

図３ａ及び３ｂは、図１及び２に対するバルブポートを示す。図１及び２に示す断面は、図３ａ及び３ｂ内の断面矢印Ａ−Ａにより記される。図３ａは、内側のディスク３２及び外側のディスク４のフェース内のガスフローキャビティを示す。図３ｂは、シート２１のフェース内のポートを示す。高圧Ｐｈのガスは、図１及び２に示すように、シート２１内の中央ポート１３からディスク３２内の中央ポート３８を通ってキャビティ１１へ流れる。ガスは、次いで、キャビティ１１に接続するポート５１を通って、キャビティ５０に流れる。外側のディスク４の外側の縁部における切り欠き（アンダーカット）である領域１２は、コンプレッサに戻る低圧Ｐｌのガスに接続する。バルブディスク４及び３２が回転すると、高圧ガスを備えるキャビティ５０及び低圧に接続するキャビティ１２は、シート２１内のポート１５上を交互に通過し、蓄冷器にガスを循環する。内側のバルブディスク３２は、内部に高圧ガスを有するキャビティ３４、及び、図示しない流路を介して接続するキャビティ３３を有する。バルブディスク３２がシート２１内のポート３６及び３７上を回転すると、高圧ガスは、３４及び３７を通ってパルスチューブに流れ、次いで、ガスは、３３及び３６を通って低圧に戻る。

本発明の理解に対して本質的でないが、冷凍サイクルが、図１，２及び３を参照して簡潔に開示される。

図１及び２は、発明されたバルブにより駆動される４バルブオリフィス型パルスチューブ冷凍機を示す。これは、蓄冷器２２、高温端フロースムーザ２６及び低温端フロースムーザ２４を備えるパルスチューブ２５、及び、低温端熱交換器２３からなる。バッファオリフィス２７及びバッファ容積２８は、フェーズシフターの各部である。バルブモータ５及びシャフト６によりバルブシート２１に対して外側のディスク４を回転させることによって、蓄冷器２２の入口に連通する穴１５及び１６は、交互にスロット５０を流れるガスにより加圧されキャビティ１２を通る流れにより減圧される。

内側のディスク３２を外側のディスク４と共に回転させることによって、パルスチューブ２５の高温端に連通する穴３６、３７及び４１は、交互にスロット３４を流れるガスにより加圧されスロット３３を通る流れにより減圧される。パルスチューブ２５内のフェーズシフトは、スロット３３及びスロット３４を通って流れるガスの速度及びタイミング、及び、オリフィス２７を通ってバッファ容積２８から流れるガスの速度を調整することにより制御される。図３ａ及び３ｂに示すポート構成は、外側のディスク４及び内側のディスク３２の各回転に対してパルスチューブを加圧及び減圧する２つ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、バルブシート２１、ディスク４及び３２上の供給及び戻りポート構成を適切に配置することによって、ロータリバルブの周期あたり１若しくはそれ以上の周期で動作することができる。

図１及び２に示すように、本発明によるバルブ組立体の２つのバリエーション、及び、図３に示すように、考えられるバルブディスク設計を説明したが、内側のディスク３２及び外側のディスク４の双方にシート２１に対するシーリング圧力を付与する設計プロセスの一例が付与される。図１を参照するに、ディスク３２の遠い側のフェースに負荷される供給圧Ｐｈと、ディスク３２のフェースをバルブシート２１のフェースに接触した状態に維持する、ディスク３２のフェースに負荷される平均圧力Ｐｖｉとの差圧から生成される力Ｆｉが存在する。スプリング３０からのスプリング力Ｆｓｉは、シーリング力に加わる。本例では、ディスク３２のフェースは、遠い側の表面と同一の面積Ａｉを有する。力Ｆｉは、次の式で与えられる。
Ｆｉ＝Ａｉ＊（Ｐｈ−Ｐｖｉ）＋Ｆｓｉ （式１）
外側のディスク４及びバルブホルダ２の外面は、低圧Ｐｌでガスにより囲繞される。バルブシート２１に接触する外側のディスク４の表面は、ディスクが回転するに伴って変化する平均圧Ｐｖｏである。外側のディスク４のフェースを横切る圧力は、スロット５０内の高圧と低圧である外側の外周部の間で勾配を有する。外側のディスク４のフェースを横切る圧力分布は、外側のディスク４が回転するに伴って変化し、交互に、ポート１５内に高圧ガスを流し、次いで、低圧ガスを流出させる。シート２１のフェースに外側のディスク４をシールするのに必要な力Ｆｏは、高圧ガスに対してポート１５をシールするときに最大であり、外側のディスク４のフェースが低圧ガスに対してポート１５をシールするときに最小である。外側のディスク４のフェースの両端に亘ってシールを有するのに必要な力は、外側のディスク４の遠い側の面の面積及び圧力の積を、外側のディスク４のフェース上の最大平均圧力及び外側のディスク４のフェースの面積Ａｏの積よりも大きくすることによって、得られる。これは、式で表され、この式では、Ａｏｃが、Ｐｈにより作用される、キャビティ１１内の外側のディスク４の遠い側の面の面積であり、Ａｏｄが、Ｐｌにより作用される、Ａｏｃの外径とバルブフェースＡｏの間の外側のディスク４の遠い側の面の環状の面積である。スプリング４０も、シーリング力Ｆｓｏに寄与する。
Ｆｏ＝Ａｏｄ＊Ｐｌ＋Ａｏｄ＊Ｐｈ＋Ｆｓｏ−Ａｏ＊Ｐｖｏ （式２）
試験結果は、１サイクル中のＰｖｏの変動が平均トルクの１５％のオーダーでトルクの変動を生むことを示した。ディスク３２はディスク４よりも小さい径を有するので、シーリング力Ｆｉは、Ｆｏよりも大きくでき、バルブを回転させるのに必要なトルクを低減することができる。

図２における内側のバルブディスク３２に対するシーリング力は、式１と同一である。図２における外側のディスク４は固定されているので、シーリング力Ｆｏは、バルブシート２１のフェースと遠い側の表面上の圧力差分から導出される。バルブシート２１の遠い側の表面は、圧力Ｐｈにより作用される面積Ａｓｄを有する。この場合、外側のバルブディスク４上のシーリング力は、次の通りである。
Ｆｏ＝Ａｓｄ＊Ｐｈ−Ａｏ＊Ｐｖｏ−Ｆｉ （式３）
パルスチューブへの流れを制御するバルブ領域上のシーリング圧Ｐｉは、Ｆｉ／Ａｉに等しい。同様に、蓄冷器への流れを制御するバルブ領域上のシーリング圧Ｐｏは、Ｆｏ／Ａｏに等しい。

式１乃至３は、バルブ構成のバランスが開示されるようにシーリング圧を算出するために用いることができる原理の例として機能することが意図される。設計者は、所望のシーリング圧を達成することを可能とする表面を提供する際に大きな自由裁量の範囲を有する。図１に示すエクスパンダは単一段パルスチューブであるが、多数の制御ポートを備える多段パルスチューブを駆動するために用いることができるような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。バルブシート２１、ディスク４及び３２上にポートを適切に構成し、パルスチューブ２５の高温端に連通するための必要な通路を構成することによって、開示されるバルブユニットは、また、４バルブタイプ、アクティブバッファ型、５バルブ型及びインターフェーズ型のような、パルスチューブの高温端に接続するバルブユニット上のポートを有する他の種類のパルスチューブ冷凍機を駆動するために用いることができる。

図４は、本発明によるバルブ組立体の第３実施例の断面図であり、バルブシートは、バルブシートのベースとは異なる圧力である段差を有する。図２に示す構成と同様、外側のバルブディスク４はピン４により軸方向に固定される。圧力Ｐｈであるバルブシート２１の中心の遠い側端部の領域が低減され、圧力Ｐｌに流路６７を介して接続する段差６６が追加される。

図５は、図１に示すバルブ組立体のバリエーションであるバルブ組立体の第４実施例の断面図である。コンプレッサ２０への接続は確保され、従って、高圧供給ライン１９は、ポート１０に接続し、低圧戻りラインは、ポート１４に接続する。これは、バルブディスクハウジング７内に高圧ガスを付与し、中央ポート１３，３８及びバルブディスクキャビティ１１内に低圧ガスを付与する。式１を参照するに、内側のディスク３２の遠い側の表面上の圧力は、ＰｈからＰｌに変更され、従って、スプリング力Ｆｓｉは、所望のシーリング圧を提供するために増加される必要がある。

図６は、図５に示すバルブ組立体のバリエーションであるバルブの第５実施例の断面図である。これは、内側のバルブディスク５４及び外側のバルブディスク５３が、ディスク５３及び５４間の境界でバルブシート２１上の圧力により定まるようなＰｈとＰｌの間の圧力である段差を有する点が、異なる。

図７は、一体型のロータリバルブディスクを有するバルブ組立体の第６実施例の断面図である。シートは、バルブシートの外側の部位に対して軸方向に動くことができる内側のセクションを有する。一体型のバルブディスク６０は、駆動ピン３によりバルブホルダ２に取り付けられるが、軸方向に自由に動く。バルブシート６１は、軸方向に動くことができる内側のシート６２を有する。これは、パルスチューブへの流れを制御する駆動ディスク６０のフェースの領域に接触する。内側のシート６２の外側にあるバルブディスク６２のフェースの領域は、蓄冷器への流れを制御する。ピン６３は、内側のシート６２が回転するのを防止する。スプリング４０は、シートに対してバルブディスク６０を押し下げる一方、スプリング６４及び６５は、シート６２及び６１をディスク６０へとそれぞれ押し上げる。この実施例では、外側のバルブシート６１は、軸方向に固定されるか若しくは自由に動くことができる。

図８は、図７に示すバルブ組立体のバリエーションであるバルブ組立体の第７実施例の断面図である。この実施例では、バルブディスク６０は、駆動ピン３により軸方向に固定される。内側のバルブシート６２及び外側のバルブシート６１は、軸方向に動くことができる。スプリング６４及び６５は、バルブディスク６０と接触するフェースでのシーリング圧に寄与する。

図９は、図８に示すバルブ組立体のバリエーションであるバルブ組立体の第８実施例の断面図である。バルブシート６１の中心へと高圧ガスをもたらす流路１４は移動され、従って、シート６１の遠い側の端部は、ライン６９及びポート６８によりバッファ容積２８内の中間圧に接続されることができる。

図１０は、図７に示すバルブ組立体のバリエーションであるバルブ組立体の第９実施例の断面図である。内側のバルブシート７０及び外側のバルブシート６１は、Ｏリング７４により小径上でシールされる段差７３を有するように構成される。ピン７１は、内側のシート７０が回転するのを防止する。シート６１及び７０の双方は軸方向に動くことができる。段差７３は、流路７２を通ってＰｌに接続される。

図１１は、図１に示すバルブ組立体のバリエーションであるバルブ組立体の第１０実施例の断面図である。この実施例では、図１におけるモータ５のベアリングへとシャフト６により伝達される軸方向の力は、ベアリング８１により支持される。

図１２は、図１１に示すバルブ組立体のバリエーションであるバルブ組立体の第１１実施例の断面図である。この実施例では、シート８０に当接する外側のバルブディスク４の力は、８０上に搭載されるベアリング３９により主に支持される。外側のバルブディスク４は、シート８０に軽く接触してもよいし、若しくは、それらに間に小さい隙間が存在してもよい。

図１３は、図１２に示すバルブ組立体のバリエーションであるバルブ組立体の第１２実施例の断面図である。この実施例は、図１２の実施例に対して、バルブディスクハウジング７が低圧であり、外側のバルブディスク４がモータシャフト６にピン９により固定されている点が異なる。差圧及びスプリング６５は、軸方向に動くことができるシート８０を、外側のバルブディスク４と接触した状態に維持する。

図１４は、バルブ組立体の第１３実施例の断面図であり、この実施例では、２つのバルブディスクは、背中合わせに搭載され、別々のバルブシートに対して回転する。上側のバルブディスク９４は、上側のバルブシート９２に対して回転し、パルスチューブへの流れを制御する。下側のバルブディスク９３は、バルブシート９１に対して回転し、蓄冷器への流れを制御する。差圧の力は、２つのバルブディスクを離れる方向に、対向するバルブシートと接触するように押す。モータシャフト６及びそのまわりの空間は、上側のバルブディスク９４と下側のバルブディスク９３の間のキャビティと同様、Ｐｌである。Ｏリング９は、Ｐｌである内側の空間を、Ｐｈであるバルブディスクまわりの空間からシールする。下側のバルブディスク９３は、ポート９５を介してＰｈに接続されるフェース内にキャビティ９６を有することができる。

図１５は、バルブ組立体の第１４実施例の断面図であり、図１５には、中央バルブプレートの両側に対して回転する２つのバルブディスクが示される。上側のバルブディスク４５は、シート４７の上側のフェースに対して回転し、蓄冷器への流れを制御する。下側のディスク４６は、シート４７の下側のフェースに対して回転し、パルスチューブへの流れを制御する。差圧の力及びスプリング４３は、２つのバルブディスクを、バルブシート４７の２つのフェースに接触するように押す。スプリング４３はピン４４により保持される。バルブディスク４５及び４６は、軸方向に動くことができる。バルブディスク４５及び４６は、バルブシート４７と接触する場所を除く全てのフェース上でＰｈのガスを有する。この実施例は、蓄冷器から上側のバルブ４５のフェース内の凹部４８内のポート１６を通って低圧へ、次いで、環状の溝４２内及びＰｌのポート１８までの流れを流通させる新規な手段を示す。同様の構成は、下側のバルブディスク４６でも用いられ、そこでは、ガスは、パルスチューブからポート４１を介して低圧へ、次いで、凹部４８’及び環状溝４２’を通ってＰｌのポート１８へと流れる。高圧ガスは、上側のバルブディスク４５内の凹部４９を通ってポート１６及び蓄冷器へと循環される。同様に、高圧ガスは、下側のバルブディスク４６内の凹部４９’を通ってポート４１及びパルスチューブへと循環される。

図１６は、バッファ圧のガスにより囲繞されたデュアル回転バルブディスクを有するバルブ組立体の第１５実施例の断面図である。内側のバルブディスク８７は、バルブシート８８内のポート４１を通ってパルスチューブに高圧及び低圧のガスを交互に循環させるポート５５’及び４８’を有する。外側のバルブディスク８６は、バルブシート８８内のポート１６を通って蓄冷器に高圧及び低圧のガスを交互に循環させるポート５５及び４８を有する。外側のバルブディスク８６まわりの空間９８は、ポート８２を介してパルスチューブバッファ容積に接続される。Ｏリング９によりシールされた、外側のディスク８６と内側のディスク８７の間に形成された中央キャビティ１１は、バルブシート８８内のポート１９及びディスク８７内の中央流路を通ってＰｈに接続される。ガスは、外側のディスク８６内の凹部４８、内側のディスク８７内の環状流路４２、及びポート１８を介して蓄冷器から低圧に戻る。同様に、ガスは、パルスチューブから、内側のディスク８７内の凹部４８’、内側のディスク８７内の環状流路４２、及びポート１８を介して低圧に戻る。

この実施例は、図１に示すパルスチューブバッファ容積に接続された、モータ５のハウジング内の容積を含む、バルブディスク９０まわりの空間９８を有する点で新規である。実際上、この空間はパルスチューブバッファ容積である。

図１７は、図１６に示すバルブ組立体のバリエーションであるバルブ組立体の第１６実施例の断面図である。これは、単一ピースのバルブディスク８７を有する点で異なるが、そのまわりの空間９８はバッファ圧であり、ポート構成は図１６に示すものと同様である。パルスチューブへの流れを制御するディスク８５の内側のセクションは、蓄冷器への流れを制御する外側のセクションと一体である。外側のバルブシート８３は、軸方向に自由に動く内側のシート８４を有する。パルスチューブへの流れを制御するディスク８５の中央領域に、蓄冷器への流れを制御する外側の領域よりも大きいシーリング圧を付与するように設計されることができる。

認識されるべきこととして、パルスチューブへの流れを制御するロータリフェース型バルブの領域に対するシーリング領域が、蓄冷器への流れを制御する領域とは異なるシーリング圧を有するようにする概念を図示するために用いられた実施例は、シーリング圧をどのような値にするかを決定することについては設計者に委ねている。

この開示は、パルスチューブへの流れを制御する領域に対するより大きなシーリング圧は、漏れを最小化して性能を改善するために望ましいことを教示し、この効果が達成されていたことは最終の部品を見ても明白でない。従って、開示された概念を組み込んだバルブ組立体は本開示の教示を実行しているものと想定される。

本発明によるバルブ組立体の第１実施例の断面図であり、コンプレッサ及び単一段４バルブオリフィスパルスチューブ冷凍機の小さい概略図が、流れ関係を示すために含められる。パルスチューブポートを備えるバルブディスクは、蓄冷器ポートを備えるバルブディスク内に挿入される。バルブディスクハウジングは、低圧であり、バルブディスクは軸方向に移動することができる。バルブシートは固定される。 本発明によるバルブ組立体の第２実施例の断面図であり、パルスチューブポートを備えるバルブディスクは、蓄冷器ポートを備えるバルブディスク内に配置される。バルブディスクハウジングは低圧である。外側のバルブディスクは軸方向に固定される一方、バルブシートは軸方向に移動することができる。 図１及び２のバルブユニット用のデュアルバルブディスクのフェースを視た図である。 図１及び２のバルブユニット用のバルブシートのフェースを視た図である。 本発明によるバルブ組立体の第３実施例の断面図である。これは、図２に示すバルブ組立体のバリエーションであり、バルブシートは、バルブシートのベースとは異なる圧力である段差を有する。 本発明によるバルブ組立体の第４実施例の断面図である。これは、図１に示すバルブ組立体のバリエーションであり、バルブディスクハウジングは高圧である。 本発明によるバルブ組立体の第５実施例の断面図である。これは、図５に示すバルブ組立体のバリエーションであり、内側のバルブディスクは、摺動面に対向する側とは異なる圧力である段差を有する。 本発明によるバルブ組立体の第６実施例の断面図である。これは、単一のロータリバルブディスクを有するが、シートは、固定されたバルブシートの外側の部位に対して軸方向に動くことができる内側のセクションを有する。バルブディスクハウジングは低圧であるが、内側のバルブシートの裏側は高圧である。 本発明によるバルブ組立体の第７実施例の断面図である。これは、図７に示すバルブ組立体のバリエーションであり、バルブディスクは固定されるが、内側及び外側のバルブシートは軸方向に移動することができる。バルブディスクハウジングは低圧であるが、双方のバルブシートの裏側は高圧である。 本発明によるバルブ組立体の第８実施例の断面図である。これは、図８に示すバルブ組立体のバリエーションであり、外側のバルブシートのベースは、パルスチューブバッファ容積に接続され、従って、中間圧である。 本発明によるバルブ組立体の第９実施例の断面図である。これは、図７に示すバルブ組立体のバリエーションであり、内側のバルブシートは、低圧である段差を有する。 本発明によるバルブ組立体の第１０実施例の断面図である。これは、図１に示すバルブ組立体のバリエーションであり、モータ駆動軸に沿った軸方向の力は、モータベアリングから独立したベアリングにより受け持たれる。 本発明によるバルブ組立体の第１１実施例の断面図である。これは、図１１に示すバルブ組立体のバリエーションであり、バルブディスクに関連した軸方向の力の一部が、バルブシート上に搭載されたベアリングにより受け持たれる。バルブディスクハウジングは高圧である。 本発明によるバルブ組立体の第１２実施例の断面図である。これは、図１２に示すバルブ組立体のバリエーションであり、バルブディスクハウジングは低圧である。 本発明によるバルブ組立体の第１３実施例の断面図である。２つのバルブディスクは、背中合わせに示され、別々のバルブシートに対して回転する。差圧が、２つのバルブディスクを離れる方向に押し、対向するバルブシートに接触させる。 本発明によるバルブ組立体の第１４実施例の断面図である。中央バルブプレートの両側に対して回転する２つのバルブディスクが示される。差圧が、２つのバルブディスクを押してバルブプレートの２つの面に接触させる。 本発明によるバルブ組立体の第１５実施例の断面図である。デュアル回転バルブディスクが示され、内側のディスクは、パルスチューブ用のポートを有し、外側のディスクは、蓄冷器用のポートを有する。この実施例は、バルブディスクハウジングがバッファ容積の圧力である点が前の全ての実施例と異なる。 図１６に示すバルブ組立体のバリエーションである、本発明によるバルブ組立体の第１６実施例の断面図である。バルブディスクハウジングがバッファ容積の圧力であるが、バルブディスクは単一の一体構造である。

Claims (21)

1. パルスチューブ冷凍機における１つ以上のパルスチューブ及び蓄冷器に対して出入りする流れを制御するために用いられるトルク要求及び漏れが低減されたマルチポート型ロータリディスクバルブ組立体であって、
   １つ以上のバルブディスクと、１つ以上のバルブシートとを含み、
   前記バルブディスク及びバルブシートは、それぞれ、内部に１つ以上のポートを含み、該ポートは、前記バルブディスク及びバルブシートの一方が互いに対して移動した際に前記バルブディスク上のポート及び前記バルブシート上のポートが間欠的に連通するように、配置され、
   パルスチューブへの流れを制御するポートを含む前記バルブディスクの領域は、蓄冷器への流れを制御するポートを含む前記バルブディスクの領域とは別領域である、バルブ組立体。
2. パルスチューブへの流れを制御するポートを含む前記バルブディスクの領域は、蓄冷器への流れを制御するポートを含む前記バルブディスクの領域よりも大きい接触圧を有する、請求項１に記載のバルブ組立体。
3. 前記バルブディスクは、外側の環状ディスクのボア内に軸方向に可動な中央ディスクを含む、請求項１に記載のバルブ組立体。
4. 前記中央ディスク内のポートは、１つ以上のパルスチューブに接続され、前記外側の環状ディスク内のポートは、蓄冷器に接続される、請求項３に記載のバルブ組立体。
5. 前記バルブシートは、外側の環状シートのボア内に軸方向に可動な中央シートを含む、請求項１に記載のバルブ組立体。
6. 前記中央シート内のポートは、１つ以上のパルスチューブに接続され、前記外側の環状シート内のポートは、蓄冷器に接続される、請求項５に記載のバルブ組立体。
7. 前記バルブディスクを前記バルブシートに対してシーリング関係に至らせる力は、スプリングからの力がある場合も無い場合も、前記バルブディスク及びバルブシートの遠い側の表面に作用する異なる圧力のガスに起因する、請求項１に記載のバルブ組立体。
8. ガス圧は、コンプレッサ供給圧、コンプレッサ戻り圧、バッファガス圧、及び、前記コンプレッサ供給圧と前記コンプレッサ戻り圧の中間の圧力から選択される、請求項７に記載のバルブ組立体。
9. 前記遠い側の表面は、前記バルブディスクにおける段付きの表面及び前記バルブシートにおける段付きの表面の一方を含むことができる、請求項７に記載のバルブ組立体。
10. 前記力の正味の差は、駆動モータベアリング及び別個のベアリングの一方により受け持たれることができる、請求項７に記載のバルブ組立体。
11. １つ以上の蓄冷器への流れを制御するポートを含む前記バルブディスクの領域における前記バルブシートに対する前記バルブディスクを支持するベアリングは、前記バルブのシーリング圧を最小化するために用いられる、請求項７に記載のバルブ組立体。
12. ２つのバルブディスクと２つのバルブシートを含み、パルスチューブへの流れを制御するポートを含むバルブ組立体の部位、及び、蓄冷器への流れを制御するポートを含むバルブ組立体の部位は、パルスチューブへの流れを制御するポートを含む一方のディスク及び蓄冷器への流れを制御するポートを含む他方のディスクにより別部位とされる、請求項１に記載のバルブ組立体。
13. 前記バルブディスクは、背中合わせに配置され、対向するバルブシートに対して回転する、請求項１２に記載のバルブ組立体。
14. 前記バルブディスクは、バルブシートを両側に有するバルブプレートの両側に配置される、請求項１２に記載のバルブ組立体。
15. コンプレッサと蓄冷器の間及びコンプレッサと１つ以上のパルスチューブの間の流れを制御するマルチポート型ロータリディスクバルブを有するＧＭ型パルスチューブ冷凍機であって、
    前記バルブは、１つ以上の対向する非回転型のバルブシートに間欠的に連通する１つ以上のバルブディスクにおける１つ以上のポートからなり、パルスチューブへの流れを制御するポートを含む前記バルブディスクの領域は、蓄冷器への流れを制御するポートを含む前記バルブディスクの領域とは別領域である、冷凍機。
16. パルスチューブへの流れを制御するポートを含む前記バルブディスクの領域は、蓄冷器への流れを制御するポートを含む前記バルブディスクの領域よりも大きい接触圧を有する、請求項１５に記載の冷凍機。
17. ２つのバルブディスクと２つのバルブシートを含み、パルスチューブへの流れを制御するポートを含むバルブ組立体の部位、及び、蓄冷器への流れを制御するポートを含むバルブ組立体の部位は、パルスチューブへの流れを制御するポートを含む一方のディスク及び蓄冷器への流れを制御するポートを含む他方のディスクにより別部位とされる、請求項１５に記載の冷凍機。
18. 前記バルブディスクは、背中合わせに配置され、対向するバルブシートに対して回転する、請求項１７に記載の冷凍機。
19. 前記バルブディスクは、バルブシートを両側に有するバルブプレートの両側に配置される、請求項１７に記載の冷凍機。
20. 前記バルブディスクを前記バルブシートに対してシーリング関係に至らせる力は、スプリングからの力がある場合も無い場合も、前記バルブディスク及びバルブシートの遠い側の表面に作用する異なる圧力のガスに起因する、請求項１５に記載の冷凍機。
21. ガス圧は、コンプレッサ供給圧、コンプレッサ戻り圧、バッファガス圧、及び、前記コンプレッサ供給圧と前記コンプレッサ戻り圧の中間の圧力から選択される、請求項２０に記載の冷凍機。

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