JP2017215095A - 極低温冷凍機 - Google Patents
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Abstract
【課題】極低温冷凍機のバルブステータとバルブロータとの間に作用する押付力の変動を抑制する。
【解決手段】極低温冷凍機は、内部に低圧ガス室42を定めるハウジング30と、ハウジング30との間に変動圧ゾーン84および高圧ゾーン80を定めるバルブステータ34bと、バルブロータ34aと、高圧ゾーン80をシールするよう高圧ゾーン80に隣接配置され、第1面積A1を囲む第1シール部材74と、変動圧ゾーン84をシールするよう変動圧ゾーン84に隣接配置され、第1面積A1より大きい第2面積A2を囲む第2シール部材76と、変動圧ゾーン84をシールするよう変動圧ゾーン84に隣接配置され、第2面積A2より大きい第3面積A3を囲む第3シール部材78と、を備える。
【選択図】図4
【解決手段】極低温冷凍機は、内部に低圧ガス室42を定めるハウジング30と、ハウジング30との間に変動圧ゾーン84および高圧ゾーン80を定めるバルブステータ34bと、バルブロータ34aと、高圧ゾーン80をシールするよう高圧ゾーン80に隣接配置され、第1面積A1を囲む第1シール部材74と、変動圧ゾーン84をシールするよう変動圧ゾーン84に隣接配置され、第1面積A1より大きい第2面積A2を囲む第2シール部材76と、変動圧ゾーン84をシールするよう変動圧ゾーン84に隣接配置され、第2面積A2より大きい第3面積A3を囲む第3シール部材78と、を備える。
【選択図】図4
Description
本発明は、極低温冷凍機に関する。
ギフォード・マクマホン(Gifford-McMahon;GM)冷凍機に代表される極低温冷凍機は、作動ガス(冷媒ガスともいう)の膨張機と圧縮機を有する。膨張機はたいてい、駆動手段によって軸方向に往復移動するディスプレーサとこれに内蔵された蓄冷器を有する。ディスプレーサは、その往復移動を案内するシリンダに収容されている。シリンダに対するディスプレーサの相対移動により両者の間に形成される可変容積が、作動ガスの膨張室として用いられる。膨張室の容積変化と圧力変化とを適切に同期させることによって、膨張機は寒冷を発生させることができる。
そのため、極低温冷凍機は、膨張室の圧力を制御するためのバルブ部を備える。バルブ部は、圧縮機から膨張機への高圧作動ガス供給と膨張機から圧縮機への低圧作動ガス回収とを交互に切り替えるよう構成されている。バルブ部には通例ロータリバルブ機構が用いられる。ロータリバルブ機構のバルブステータとバルブロータはそれらの接触面からのガスリークが防止されまたは最小化されるように互いに押し付けられている。この押付のために、接触面とバルブステータの背面との差圧が利用されうる。
しかし、バルブステータとバルブロータの接触面に生じるガス圧は、バルブ回転の一周期の間に変動する。それにより、押付のための差圧も変動しうる。例えば、高圧作動ガス供給の局面で差圧は最小となり、低圧作動ガス回収の局面で差圧が最大となりうる。差圧の変動に応じて、バルブステータとバルブロータとの押付力も変動する。
本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、極低温冷凍機のバルブステータとバルブロータとの間に作用する押付力の変動を抑制することにある。
本発明のある態様によると、極低温冷凍機は、内部に低圧ガス室を定めるハウジングと、前記低圧ガス室において前記ハウジングに固定されたバルブステータであって、前記ハウジングとの間に変動圧ゾーンおよび高圧ゾーンを定めるバルブステータと、前記低圧ガス室において前記バルブステータに対しバルブ回転軸まわりに回転可能であるよう前記ハウジングに支持されたバルブロータであって、バルブロータ回転の一周期の一部において前記高圧ゾーンを前記変動圧ゾーンに連通しかつ当該一周期の他の一部において前記低圧ガス室を前記変動圧ゾーンに連通するよう構成されたバルブロータと、前記ハウジングと前記バルブステータとの間で前記バルブ回転軸まわりに延在する第1シール部材であって、前記高圧ゾーンをシールするよう前記高圧ゾーンに隣接配置され、第1面積を囲む第1シール部材と、前記ハウジングと前記バルブステータとの間で前記バルブ回転軸まわりに延在する第2シール部材であって、前記変動圧ゾーンをシールするよう前記変動圧ゾーンに隣接配置され、前記第1面積より大きい第2面積を囲む第2シール部材と、前記ハウジングと前記バルブステータとの間で前記バルブ回転軸まわりに延在する第3シール部材であって、前記変動圧ゾーンをシールするよう前記変動圧ゾーンに隣接配置され、前記第2面積より大きい第3面積を囲む第3シール部材と、を備える。
本発明によれば、極低温冷凍機のバルブステータとバルブロータとの間に作用する押付力の変動を抑制することができる。
以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。なお、説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。また、以下に述べる構成は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。
図1は、ある実施形態に係る極低温冷凍機10を概略的に示す図である。極低温冷凍機10は、作動ガスを圧縮する圧縮機12と、作動ガスを断熱膨張により冷却する膨張機14とを備える。作動ガスは例えばヘリウムガスである。膨張機14はコールドヘッドとも呼ばれる。膨張機14には作動ガスを予冷する蓄冷器16が備えられている。極低温冷凍機10は、圧縮機12と膨張機14とを各々が接続する第1管18aと第2管18bを含むガス配管18を備える。図示される極低温冷凍機10は、単段式のGM冷凍機である。
知られているように、第1高圧を有する作動ガスが圧縮機12の吐出口12aから第1管18aを通じて膨張機14に供給される。膨張機14における断熱膨張により、作動ガスは第1高圧からそれより低い第2高圧に減圧される。第2高圧を有する作動ガスは、膨張機14から第2管18bを通じて圧縮機12の吸入口12bに回収される。圧縮機12は、回収された第2高圧を有する作動ガスを圧縮する。こうして作動ガスは再び第1高圧に昇圧される。一般に第1高圧及び第2高圧はともに大気圧よりかなり高い。説明の便宜上、第1高圧及び第2高圧はそれぞれ単に高圧及び低圧とも呼ばれる。通例、高圧は例えば2〜3MPaであり、低圧は例えば0.5〜1.5MPaである。高圧と低圧との差圧は例えば1.2〜2MPa程度である。
膨張機14は、膨張機可動部分20と膨張機静止部分22とを備える。膨張機可動部分20は、膨張機静止部分22に対し軸方向(図1における上下方向)に往復移動可能であるよう構成されている。膨張機可動部分20の移動方向を図1に矢印Aで示す。膨張機静止部分22は、膨張機可動部分20を軸方向に往復移動可能に支持するよう構成されている。また、膨張機静止部分22は、膨張機可動部分20を高圧ガス(第1高圧ガス及び第2高圧ガスを含む)とともに収容する気密容器として構成されている。
膨張機可動部分20は、ディスプレーサ24と、その往復移動を駆動するディスプレーサ駆動軸26とを含む。ディスプレーサ24には蓄冷器16が内蔵されている。ディスプレーサ24は、蓄冷器16を包囲するディスプレーサ部材24aを有する。ディスプレーサ部材24aの内部空間に蓄冷材が充填され、それによりディスプレーサ24内に蓄冷器16が形成されている。ディスプレーサ24は、例えば、軸方向に延在する実質的に円柱状の形状を有する。ディスプレーサ部材24aは、軸方向において実質的に一様な外径及び内径を有する。よって、蓄冷器16も、軸方向に延在する実質的に円柱状の形状を有する。
膨張機静止部分22は、大まかに、シリンダ28及び駆動機構ハウジング(以下単にハウジングともいう)30からなる二部構成を有する。膨張機静止部分22の軸方向上部がハウジング30であり、膨張機静止部分22の軸方向下部がシリンダ28であり、これらは相互に堅く結合されている。シリンダ28は、ディスプレーサ24の往復移動を案内するよう構成されている。シリンダ28は、ハウジング30から軸方向に延在する。シリンダ28は、軸方向において実質的に一様な内径を有し、よって、シリンダ28は、軸方向に延在する実質的に円筒の内面を有する。この内径は、ディスプレーサ部材24aの外径よりわずかに大きい。
また、膨張機静止部分22は、冷却ステージ32を含む。冷却ステージ32は、軸方向においてハウジング30と反対側でシリンダ28の末端に固定されている。冷却ステージ32は、膨張機14が生成する寒冷を他の物体に伝導するために設けられている。その物体は冷却ステージ32に取り付けられ、極低温冷凍機10の動作時に冷却ステージ32によって冷却される。
本書では説明の便宜上、軸方向、径方向、周方向との用語が使用される。軸方向は、矢印Aで図示されるように、膨張機静止部分22に対する膨張機可動部分20の移動方向を表す。径方向は軸方向に垂直な方向(図において横方向)を表し、周方向は軸方向を囲む方向を表す。膨張機14のある要素が軸方向に関して冷却ステージ32に相対的に近いことを「下」、相対的に遠いことを「上」と呼ぶことがある。よって、膨張機14の高温部及び低温部はそれぞれ軸方向において上部及び下部に位置する。こうした表現は、膨張機14の要素間の相対的な位置関係の理解を助けるために用いられるにすぎず、現場で設置されるときの膨張機14の配置とは関係しない。例えば、膨張機14は、冷却ステージ32を上向きにハウジング30を下向きにして設置されてもよい。あるいは、膨張機14は、軸方向を水平方向に一致させるようにして設置されてもよい。
また、ロータリバルブ機構についても、軸方向、径方向、周方向との用語が使用される。この場合、軸方向は、ロータリバルブ機構の回転軸の方向を表す。ロータリバルブ回転軸方向は、膨張機軸方向に直交する。
極低温冷凍機10の動作時において、蓄冷器16は、軸方向において一方側(図において上側)に蓄冷器高温部16aを有し反対側(図において下側)に蓄冷器低温部16bを有する。このように蓄冷器16は軸方向に温度分布を有する。蓄冷器16を包囲する膨張機14の他の構成要素(例えばディスプレーサ24及びシリンダ28)も同様に軸方向温度分布を有し、従って膨張機14はその動作時に軸方向一方側に高温部を有し軸方向他方側に低温部を有する。高温部は、例えば室温程度の温度を有する。低温部は、極低温冷凍機10の用途により異なるが、例えば約100Kから約10Kの範囲に含まれるある温度に冷却される。冷却ステージ32は、シリンダ28の低温部を外包するようにシリンダ28に固着されている。
膨張機14における作動ガスの流路構成を説明する。膨張機14は、バルブ部34、ハウジングガス流路36、上部ガス室37、ディスプレーサ上部ガス流路38、ディスプレーサ下部ガス流路39、ガス膨張室40、及び低圧ガス室42を備える。高圧ガスは、第1管18aからバルブ部34、ハウジングガス流路36、上部ガス室37、ディスプレーサ上部ガス流路38、蓄冷器16、ディスプレーサ下部ガス流路39を経てガス膨張室40に流入する。ガス膨張室40からの戻りガスは、ディスプレーサ下部ガス流路39、蓄冷器16、ディスプレーサ上部ガス流路38、上部ガス室37、ハウジングガス流路36、バルブ部34を経て低圧ガス室42に受け入れられる。
詳細は後述するが、バルブ部34は、ディスプレーサ24の往復移動と同期してガス膨張室40の圧力を制御するよう構成されている。バルブ部34は、高圧ガスをガス膨張室40に供給するための供給路の一部として機能するとともに、低圧ガスをガス膨張室40から排出するための排出路の一部として機能する。バルブ部34は、ディスプレーサ24が下死点またはその近傍を通過するとき低圧ガスの排出を終了し高圧ガスの供給を開始するよう構成されている。バルブ部34は、ディスプレーサ24が上死点またはその近傍を通過するとき高圧ガスの供給を終了し低圧ガスの排出を開始するよう構成されている。このように、バルブ部34は、ディスプレーサ24の往復移動と同期して作動ガスの供給機能と排出機能とを切り替えるよう構成されている。
ハウジングガス流路36は、膨張機静止部分22と上部ガス室37との間のガス流通のためにハウジング30に貫通形成されている。ハウジングガス流路36は、ハウジング30に形成され、上部ガス室37に開口している。ハウジングガス流路36は、バルブ部34から始まり上部ガス室37で終端する。つまり、ハウジングガス流路36の一端はバルブ部34のガス通路に接続され、ハウジングガス流路36の他端は上部ガス室37に接続されている。
上部ガス室37は、蓄冷器高温部16aの側で膨張機静止部分22とディスプレーサ24との間に形成されている。より詳しくは、上部ガス室37は、軸方向においてハウジング30とディスプレーサ24とに挟まれ、周方向にシリンダ28に囲まれている。上部ガス室37は、低圧ガス室42に隣接する。上部ガス室37は室温室とも呼ばれる。上部ガス室37は膨張機可動部分20と膨張機静止部分22との間に形成された可変容積である。
ディスプレーサ上部ガス流路38は、蓄冷器高温部16aを上部ガス室37に連通するよう形成されたディスプレーサ部材24aの少なくとも1つの開口である。ディスプレーサ下部ガス流路39は、蓄冷器低温部16bをガス膨張室40に連通するよう形成されたディスプレーサ部材24aの少なくとも1つの開口である。ディスプレーサ24とシリンダ28とのクリアランスを封じるシール部44が、ディスプレーサ部材24aの側面に設けられている。シール部44は、ディスプレーサ上部ガス流路38を周方向に囲むようディスプレーサ部材24aに取り付けられていてもよい。
ガス膨張室40は、蓄冷器低温部16bの側でシリンダ28とディスプレーサ24との間に形成されている。ガス膨張室40は上部ガス室37と同様に膨張機可動部分20と膨張機静止部分22との間に形成された可変容積であり、シリンダ28に対するディスプレーサ24の相対移動によってガス膨張室40の容積は上部ガス室37の容積と相補的に変動する。シール部44が設けられているので、上部ガス室37とガス膨張室40との直接のガス流通(つまり蓄冷器16を迂回するガス流れ)はない。
低圧ガス室42は、ハウジング30の内部に画定されている。第2管18bがハウジング30に接続されており、それにより低圧ガス室42が第2管18bを通じて圧縮機12の吸入口12bに連通している。そのため、低圧ガス室42は常に低圧に維持される。
膨張機14の駆動構成を説明する。図1に示されるように、ディスプレーサ駆動軸26は、ディスプレーサ24から上部ガス室37を貫通して低圧ガス室42へと突き出している。膨張機静止部分22は、ディスプレーサ駆動軸26を軸方向に移動可能に支持する一対の駆動軸ガイド46a、46bを備える。駆動軸ガイド46a、46bはそれぞれ、ディスプレーサ駆動軸26を囲むようにハウジング30に設けられている。軸方向下側の駆動軸ガイド46bまたはハウジング30の下端部は気密に構成されており、そのため低圧ガス室42は上部ガス室37から隔離されている。低圧ガス室42と上部ガス室37との直接のガス流通はない。
膨張機14は、ディスプレーサ24を駆動する駆動機構48を備える。駆動機構48は、低圧ガス室42に収容されており、モータ48a及びスコッチヨーク機構48bを含む。ディスプレーサ駆動軸26はスコッチヨーク機構48bの一部を形成する。また、スコッチヨーク機構48bは、モータ48aの出力軸と平行に延在するとともに当該出力軸から偏心したクランクピン49を備える。ディスプレーサ駆動軸26はスコッチヨーク機構48bによって軸方向に駆動されるようスコッチヨーク機構48bに連結されている。したがって、モータ48aの回転によりディスプレーサ24の軸方向往復移動が駆動される。駆動軸ガイド46a、46bは、スコッチヨーク機構48bを挟んで軸方向に異なる位置にある。
バルブ部34は、駆動機構48に連結され、ハウジング30に収容されている。バルブ部34は、ロータリバルブの形式をとる。バルブ部34は、ロータバルブ樹脂部材(以下、単にバルブロータともいう)34a及びステータバルブ金属部材(以下、単にバルブステータともいう)34bを備える。つまり、バルブロータ34aは樹脂材料(例えば、エンジニアリングプラスチック材料、フッ素樹脂材料)で形成され、バルブステータ34bは、金属(例えばアルミ材または鉄材)で形成されている。なお逆に、バルブロータ34aが金属で形成され、バルブステータ34bが樹脂で形成されてもよい。バルブロータ34aおよびバルブステータ34bはそれぞれ、バルブディスクおよびバルブ本体と呼ばれることもある。
バルブロータ34aおよびバルブステータ34bはともに、低圧ガス室42に配設されている。バルブロータ34aは、モータ48aの回転により回転するようモータ48aの出力軸に連結されている。バルブロータ34aは、バルブステータ34bに対し回転摺動するようバルブステータ34bと面接触している。バルブステータ34bは、ハウジング30に固定されている。バルブステータ34bは、第1管18aからハウジング30に入る高圧ガスを受け入れるよう構成されている。
上記の構成をもつ極低温冷凍機10の動作を説明する。ディスプレーサ24がシリンダ28の下死点またはその近傍の位置に移動するとき、バルブ部34は、圧縮機12の吐出口12aをガス膨張室40に接続するよう切り替わる。極低温冷凍機10の吸気工程が開始される。高圧ガスが、バルブ部34からハウジングガス流路36、上部ガス室37、ディスプレーサ上部ガス流路38を通じて蓄冷器高温部16aに入る。ガスは蓄冷器16を通過しながら冷却され、蓄冷器低温部16bからディスプレーサ下部ガス流路39を通じてガス膨張室40に入る。ガスがガス膨張室40に流入する間、ディスプレーサ24はシリンダ28の上死点に向けて移動する。それによりガス膨張室40の容積が増加される。こうしてガス膨張室40は高圧ガスで満たされる。
ディスプレーサ24がシリンダ28の上死点またはその近傍の位置に移動するとき、バルブ部34は、圧縮機12の吸入口12bをガス膨張室40に接続するよう切り替わる。吸気工程は終了され排気工程が開始される。高圧ガスはガス膨張室40で膨張し冷却される。膨張したガスは、ガス膨張室40からディスプレーサ下部ガス流路39を通じて蓄冷器16に入る。ガスは蓄冷器16を通過しながら冷却する。ガスは、蓄冷器16からハウジングガス流路36、バルブ部34、低圧ガス室42を経て圧縮機12に戻る。ガスがガス膨張室40から流出する間、ディスプレーサ24はシリンダ28の下死点に向けて移動する。それによりガス膨張室40の容積が減少され、ガス膨張室40から低圧ガスが排出される。排気工程が終了すると再び吸気工程が開始される。
以上が極低温冷凍機10における1回の冷却サイクルである。極低温冷凍機10は冷却サイクルを繰り返すことで、冷却ステージ32を所望の温度に冷却する。よって、極低温冷凍機10は、冷却ステージ32に熱的に結合された物体を極低温に冷却することができる。
図2は、図1に示す極低温冷凍機10に使用されうる例示的なバルブ部34の要部を概略的に示す分解斜視図である。図2に示す一点鎖線は、バルブ回転軸Yを表す。
バルブステータ34bはバルブ回転軸Yに垂直なステータ平面50を有し、バルブロータ34aは同じくバルブ回転軸Yに垂直なロータ平面52を有する。バルブロータ34aがバルブステータ34bに対し回転するとき、ロータ平面52はステータ平面50に対し回転摺動する。ステータ平面50とロータ平面52が面接触することにより、冷媒ガスの漏れが防止される。
バルブステータ34bは、ハウジング30内にバルブステータ固定ピン54で固定される。バルブステータ固定ピン54は、バルブステータ34bのステータ平面50と回転軸方向反対側に位置するバルブステータ端面51に係合し、バルブステータ34bの回転を規制する。
バルブロータ34aは、図1に示すロータ軸受56により回転可能に支持されている。バルブロータ34aのロータ平面52と回転軸方向反対側に位置するバルブロータ端面58には、クランクピン49と係合する係合穴(図示せず)が形成されている。モータ48aがクランクピン49を回転させることにより、バルブロータ34aはスコッチヨーク機構48bと同期して回転する。また、バルブロータ34aは、ロータ平面52をバルブロータ端面58に接続するロータ外周面60を備える。ロータ外周面60は、ロータ軸受56に支持されるとともに、低圧ガス室42に面している。
バルブステータ34bは、高圧ガス流入口62およびステータ凹部64を有する。高圧ガス流入口62は、ステータ平面50の中心部に開口され、バルブステータ34bの中心部を回転軸方向に貫通するよう形成されている。高圧ガス流入口62は、バルブ回転軸Yを中心とする円形状の輪郭をステータ平面50上に定める。高圧ガス流入口62は、第1管18aを通じて圧縮機12の吐出口12aに連通される。ステータ凹部64は、ステータ平面50において高圧ガス流入口62に対し径方向外側に開口されている。ステータ凹部64は、高圧ガス流入口62を中心とした円弧状に形成されている。ステータ凹部64の深さはバルブステータ34bの回転軸方向長さより短く、ステータ凹部64はバルブステータ34bを貫通していない。
バルブステータ34bは、ステータ凹部64をハウジングガス流路36につなぐようバルブステータ34bに貫通形成されている連通路66を有する。よってステータ凹部64は、連通路66およびハウジングガス流路36を経て最終的にガス膨張室40に連通される。連通路66は一端がステータ凹部64に開口され他端がステータ側面67に開口している。連通路66のステータ凹部64側の部分は回転軸方向に延びており、これに対し直交するよう連通路66のハウジングガス流路36側の部分は径方向に延びている。ステータ側面67は、バルブ回転軸Yまわりに延在するバルブステータ34bの外周面であり、ステータ平面50をバルブステータ端面51に接続する。
極低温冷凍機10の吸気工程においてはステータ凹部64および連通路66を高圧ガスが流れる一方、排気工程においてはガス膨張室40からの低圧戻りガスがステータ凹部64および連通路66を流れる。
バルブロータ34aは、ロータ凹部68と、第2ロータ凹部としての低圧ガス流出口70とを有する。ロータ平面52は、ロータ凹部68の周囲でステータ平面50に面接触する。同様に、ロータ平面52は、低圧ガス流出口70の周囲でステータ平面50に面接触する。
ロータ凹部68は、ロータ平面52に開口され、長円状に形成されている。ロータ凹部68は、ロータ平面52の中心部から径方向外側へと延在する。ロータ凹部68の深さはバルブロータ34aの回転軸方向長さより短く、ロータ凹部68はバルブロータ34aを貫通していない。ロータ凹部68はロータ平面52上で高圧ガス流入口62に対応する場所に位置しており、ロータ凹部68は高圧ガス流入口62に常時連通している。
ロータ凹部68は、バルブロータ34aの回転の一周期の一部(例えば吸気工程)において高圧ガス流入口62をステータ凹部64に連通し、当該一周期の残部(例えば排気工程)において高圧ガス流入口62をステータ凹部64とは不通とするようバルブロータ34aに形成されている。ロータ凹部68および高圧ガス流入口62からなる二区域、または、ロータ凹部68、高圧ガス流入口62、およびステータ凹部64からなる三区域は、互いに連通してバルブ部34内に高圧領域(または高圧流路)を形成する。バルブロータ34aは、高圧領域を密封し低圧周囲環境(すなわち低圧ガス室42)から隔離するようバルブステータ34bに隣接配置されている。このようにして、バルブ部34に吸気バルブが構成される。
低圧ガス流出口70は、ロータ平面52上でロータ凹部68と径方向反対側に開口され、バルブロータ34aを回転軸方向に貫通するよう形成されている。低圧ガス流出口70は、バルブロータ34aのロータ平面52からバルブロータ端面58まで貫通する。低圧ガス流出口70は、低圧ガス室42と連通する低圧流路を形成する。低圧ガス流出口70は、バルブステータ34bのステータ凹部64と概ね同一円周上に位置するよう形成されている。低圧ガス流出口70は、高圧ガス流入口62がステータ凹部64から不通となる期間の少なくとも一部(例えば排気工程)においてステータ凹部64を低圧ガス室42に連通するようバルブロータ34aに形成されている。このようにして、バルブ部34に排気バルブが構成される。
図3(a)および図3(b)は、図2に示すバルブ部34の動作を例示する図である。図3(a)および図3(b)はバルブ部34をバルブロータ34a側から透過して見た様子を示し、高圧ガス流入口62、ステータ凹部64、ロータ凹部68、および低圧ガス流出口70の相対位置を示す。バルブロータ34aはバルブステータ34bに対しバルブ回転方向R(図において反時計回り)に回転する。バルブステータ34bの高圧ガス流入口62およびステータ凹部64を破線で図示し、バルブロータ34aのロータ凹部68および低圧ガス流出口70を実線で図示する。
図3(a)には吸気工程の開始時点の様子が示されている。ロータ凹部68がステータ凹部64に接している。これにより、高圧ガス流入口62がロータ凹部68を通じてステータ凹部64と流体的に連絡される。ステータ平面50上で高圧領域の面積が、斜線を付して図示するように、比較的大きくなる。斜線部の外側の領域は、バルブロータ34aおよびバルブステータ34bが低圧ガス室42に配設されているため、概ね低圧であると考えられる。このようにして、吸気工程においては高圧領域の面積が拡大し、ステータ平面50に作用する平均圧力が比較的高くなる。
図3(b)には排気工程の開始時点の様子が示されている。低圧ガス流出口70がステータ凹部64に接している。ロータ凹部68はステータ凹部64から流体的に隔離されている。よって、ステータ平面50上で高圧領域の面積は、斜線を付して図示するように、ロータ凹部68に限定され、比較的小さくなる。斜線部の外側の領域は、概ね低圧であると考えられる。このようにして、排気工程においては高圧領域の面積が縮小し、ステータ平面50に作用する平均圧力が比較的低くなる。
このようにステータ平面50に作用する圧力がバルブ回転に伴い変化するのに対し、ステータ平面50とは反対側に位置するバルブステータ端面51に作用する圧力は、変化しない。バルブステータ端面51には高圧が常時作用する。
したがって、バルブステータ34bに作用する差圧(つまり、ステータ平面50とバルブステータ端面51の圧力差)は、吸気工程において減少し、排気工程において増加する。この差圧は、バルブステータ34bをバルブロータ34aに押し付けるように作用する。よって、バルブステータ34bとバルブロータ34aとの間に作用する押付力も同様に、吸気工程において減少し、排気工程において増加する。
図4および図5は、ある実施形態に係るバルブ部34とその周辺構造を概略的に示す図である。理解のために、図4には吸気工程における作動ガス流路構成を破線で示し、図5には排気工程における作動ガス流路構成を破線で示す。また、図6は、図4および図5に示すバルブステータ34bの概略上面図である。
図4から図6に示される実施形態に係るバルブ部34はバルブステータ34bが3段構造を有する点で、図2に示す無段のバルブステータ34bを有するバルブ部34と異なる。バルブステータ34bのガス流路構造、ハウジング30への固定などその他のバルブステータ34bの特徴は、図4から図6に示すバルブステータ34bと図2に示すバルブステータ34bとで同様であってもよい。よって、図4から図6に示すバルブステータ34bの内部には、破線で示すように、高圧ガス流入口62、ステータ凹部64、および連通路66が形成されている。また、図4および図5に示すバルブロータ34aは、図2に示すバルブロータ34aとで同様であってもよい。よって、図4および図5に示すバルブロータ34aの内部には、破線で示すように、ロータ凹部68と低圧ガス流出口70が形成されている。
ハウジング30は、バルブステータ34bを受け入れる3段構造のステータ受入凹面71を備える。上述のハウジングガス流路36に加えて、ハウジング30には、高圧ガス入口72と低圧導入路73が形成されている。
高圧ガス入口72は、バルブステータ34bとステータ受入凹面71との間のクリアランスに圧縮機12(図1参照)の吐出口12aから圧力(すなわち高圧)を導入するためにハウジング30に貫通形成されている。高圧ガス入口72の一端は第1管18aに接続され、高圧ガス入口72の他端はステータ受入凹面71に開口している。高圧ガス入口72はバルブステータ端面51に向かって開口している。
低圧導入路73は、バルブステータ34bとステータ受入凹面71との間のクリアランスに低圧ガス室42から圧力(すなわち低圧)を導入するためにハウジング30に貫通形成されている。低圧導入路73の一端は低圧ガス室42に接続され、低圧導入路73の他端はステータ受入凹面71に開口している。
バルブステータ34bとステータ受入凹面71との間には、3段構造の各段に対応して3つのシール部材、すなわち、第1シール部材74、第2シール部材76、および第3シール部材78が設けられている。これらシール部材によって、バルブステータ34bとステータ受入凹面71との間のクリアランスが、高圧ゾーン80、低圧ゾーン82、変動圧ゾーン84へと仕切られている。シール部材は、バルブステータ34bまたはステータ受入凹面71に形成されたシール部材収容溝に収められていてもよい。シール部材は、リング状のシール部材、例えばOリングである。
このようにして、バルブステータ34bは、バルブ回転軸Yの方向(図4および図5において左右方向)に低圧ガス室42、変動圧ゾーン84、高圧ゾーン80の順に配置されるようにハウジング30との間に変動圧ゾーン84および高圧ゾーン80を定める。より具体的には、バルブステータ34bは、バルブ回転軸Yの方向に低圧ガス室42、変動圧ゾーン84、一定圧ゾーン、高圧ゾーン80の順に配置されるようにハウジング30との間に変動圧ゾーン84、一定圧ゾーン、および高圧ゾーン80を定める。一定圧ゾーンは、低圧ゾーン82であってもよい。
バルブロータ34aは、低圧ガス室42においてバルブステータ34bに対しバルブ回転軸Yまわりに回転可能であるようハウジング30に支持されている。バルブロータ34aは、バルブ回転軸Yの方向において変動圧ゾーン84に対し低圧ガス室42の側に配設されている。バルブロータ34aは、バルブロータ回転の一周期の一部(例えば吸気工程)において高圧ゾーン80を変動圧ゾーン84に連通しかつ当該一周期の他の一部(例えば排気工程)において低圧ガス室42を変動圧ゾーン84に連通するよう構成されている。
第1シール部材74は、ハウジング30とバルブステータ34bとの間でバルブ回転軸Yまわりに延在する。第1シール部材74は、第1面積A1を囲む。第1面積A1は、バルブ回転軸Yに垂直な平面による断面における面積である(後述する第2面積A2および第3面積A3についても同様である)。第1シール部材74は、高圧ゾーン80をシールするよう高圧ゾーン80に隣接配置されている。第1シール部材74は、低圧ゾーン82から高圧ゾーン80をシールするよう構成されている。
第2シール部材76は、ハウジング30とバルブステータ34bとの間でバルブ回転軸Yまわりに延在する。第2シール部材76は、第1面積A1より大きい第2面積A2を囲む。第2シール部材76は、バルブ回転軸Yの方向に第1シール部材74とバルブロータ34aとの間に配設されている。第2シール部材76は、変動圧ゾーン84をシールするよう変動圧ゾーン84に隣接配置されている。第2シール部材76は、低圧ゾーン82から変動圧ゾーン84をシールするよう構成されている。
第3シール部材78は、ハウジング30とバルブステータ34bとの間でバルブ回転軸Yまわりに延在する。第3シール部材78は、第2面積A2より大きい第3面積A3を囲む。第3シール部材78は、バルブ回転軸Yの方向に第2シール部材76とバルブロータ34aとの間に配設されている。第3シール部材78は、変動圧ゾーン84をシールするよう変動圧ゾーン84に隣接配置されている。第3シール部材78は、低圧ガス室42から変動圧ゾーン84をシールするよう構成されている。
上述のステータ平面50およびバルブステータ端面51に加えて、バルブステータ34bは、ステータ受入凹面71に面するとともにステータ平面50をバルブステータ端面51に接続するステータ外周面を備える。ステータ外周面は、3つの段部を有する。具体的には、バルブステータ34bは、第1ステータ円周面86、第1ステータ段部88、第2ステータ円周面90、第2ステータ段部92、第3ステータ円周面94を備える。バルブステータ34bの外形はバルブ回転軸Yを中心とする軸対称の形状を有するので、第1ステータ円周面86、第1ステータ段部88、第2ステータ円周面90、第2ステータ段部92、第3ステータ円周面94はいずれもバルブ回転軸Yと同軸である。
第1ステータ円周面86は、第1面積A1を定めるようバルブ回転軸Yから第1半径R1を有する。第1ステータ円周面86は、バルブステータ端面51を第1ステータ段部88に接続するようバルブ回転軸Yの方向に延びている。第1シール部材74は、ハウジング30と第1ステータ円周面86との間でバルブ回転軸Yまわりに延在する。第1ステータ円周面86とステータ受入凹面71とに挟まれて第1シール部材74が装着されている。
第1ステータ段部88は、第1ステータ円周面86から径方向外側に広がる平坦な円環領域である。第1ステータ段部88は、バルブ回転軸Yと垂直な平面に平行であり、ステータ平面50とは反対側に向けられている。第1ステータ段部88は、第1ステータ円周面86を第2ステータ円周面90に接続する。第1ステータ段部88の面積は、第2面積A2と第1面積A1の差に等しい。
第2ステータ円周面90は、第2面積A2を定めるようバルブ回転軸Yから第2半径R2を有する。第2半径R2は、第1半径R1より大きい。第2ステータ円周面90は、第1ステータ段部88を第2ステータ段部92に接続するようバルブ回転軸Yの方向に延びている。第2シール部材76は、ハウジング30と第2ステータ円周面90との間でバルブ回転軸Yまわりに延在する。第2ステータ円周面90とステータ受入凹面71とに挟まれて第2シール部材76が装着されている。
第2ステータ段部92は、第2ステータ円周面90から径方向外側に広がる平坦な円環領域である。第2ステータ段部92は、バルブ回転軸Yと垂直な平面に平行であり、ステータ平面50とは反対側に向けられている。第2ステータ段部92は、第2ステータ円周面90を第3ステータ円周面94に接続する。第2ステータ段部92の面積は、第3面積A3と第2面積A2の差に等しい。
第3ステータ円周面94は、第3面積A3を定めるようバルブ回転軸Yから第3半径R3を有する。第3半径R3は、第2半径R2より大きい。第3ステータ円周面94は、第2ステータ段部92をステータ平面50に接続するようバルブ回転軸Yの方向に延びている。第3シール部材78は、ハウジング30と第3ステータ円周面94との間でバルブ回転軸Yまわりに延在する。第3ステータ円周面94とステータ受入凹面71とに挟まれて第3シール部材78が装着されている。
ハウジング30の高圧ガス入口72は、高圧ゾーン80を第1管18aに接続する。したがって、圧縮機12(図1参照)の吐出口12aから高圧ゾーン80に高圧が導入される。また、高圧ガス入口72から高圧ゾーン80を通じてバルブステータ34bの高圧ガス流入口62へと高圧が導入される。
ハウジング30の低圧導入路73は、低圧ゾーン82を低圧ガス室42に接続する。低圧導入路73は、バルブ回転軸Yの方向において第1シール部材74と第2シール部材76との間で(例えば第1ステータ段部88に向かって)開口している。したがって、低圧ガス室42から低圧ゾーン82に低圧が導入される。
上述のようにバルブステータ34bのステータ凹部64がステータ平面50に開口している。連通路66がステータ凹部64から変動圧ゾーン84へと延びている。連通路66は、バルブ回転軸Yの方向において第2シール部材76と第3シール部材78との間で第2ステータ円周面90上に開口している。また、ハウジングガス流路36は、変動圧ゾーン84をシリンダ28(図1参照)の内部空間(最終的にはガス膨張室40)に接続する。ハウジングガス流路36は、バルブ回転軸Yの方向において第2シール部材76と第3シール部材78との間で(例えば第2ステータ円周面90上の連通路66に向かって)開口している。
このようにして、変動圧ゾーン84は、バルブ部34からガス膨張室40に至る作動ガス流路の途中に位置する。よって、図4にて破線の矢印で示すように、吸気工程においては高圧ゾーン80から、高圧ガス流入口62、ロータ凹部68、ステータ凹部64、および連通路66を通じて、変動圧ゾーン84に高圧が導入される。一方、排気工程においては、低圧ガス室42から、低圧ガス流出口70、ステータ凹部64、および連通路66を通じて、変動圧ゾーン84に低圧が導入される。言い換えれば、ガス膨張室40と同じ圧力が変動圧ゾーン84が導入される。
図3(a)を参照して説明したように、吸気工程においては、ステータ平面50とバルブステータ端面51の差圧が減少し、それに起因する押付力F1(図4参照)が比較的小さくなる。ところが、上述のように、吸気工程において変動圧ゾーン84に高圧が導入される。そのため、第2ステータ段部92に高圧が作用し、それにより、押付力F1を補助する押付力F2が付加される。したがって、図4から図6に示される実施形態に係るバルブ部34によると、図2に示すバルブ部34とは異なり、押付力の低下を少なくとも部分的に補償することができる。
一方、図3(b)を参照して説明したように、排気工程においては、ステータ平面50とバルブステータ端面51の差圧が増加し、それに起因する押付力F1’(図5参照)が比較的大きくなる。上述のように、このとき変動圧ゾーン84には低圧が導入される。第2ステータ段部92に低圧が作用するので、補助する押付力F2は生じない。したがって、図4から図6に示される実施形態に係るバルブ部34によると、図2に示すバルブ部34とは異なり、吸気工程と排気工程とで押付力の変動が抑制される。
以上に説明したように、この実施形態によると、バルブ部34は、バルブステータ34bに作用する差圧を利用してバルブステータ34bをバルブロータ34aに押し付けるよう構成されている。バルブ部34には第2シール部材76とそれより大型の第3シール部材78が設けられている。第2シール部材76と第3シール部材78によって両者の間には、ガス膨張室40と共通の圧力をもつ変動圧ゾーン84が定められている。変動圧ゾーン84においてバルブステータ34bは、変動圧を受けるようステータ平面50と反対側を向く面(例えば第2ステータ段部92)を有する。こうした構成により、極低温冷凍機10のバルブ部34の回転の一周期におけるバルブステータ34bとバルブロータ34aとの間に作用する押付力の変動を抑制することができる。
また、バルブ部34には第2シール部材76より小型の第1シール部材74が設けられている。第1シール部材74と第2シール部材76によって両者の間に低圧ゾーン82が定められている。低圧ゾーン82においてバルブステータ34bは、低圧を受けるようステータ平面50と反対側を向く面(例えば第1ステータ段部88)を有する。したがって、低圧ゾーン82は、バルブステータ34bのバルブロータ34aへの押付力を低減する効果をもつ。これにより、バルブロータ34aをバルブステータ34bに対し回転摺動させるための力(つまり、バルブ部34の摺動トルク)を低減することができる。これは、バルブ部34を駆動するための駆動源(例えば、図1に示すモータ48a)の小型化に役立つ。
上述のようにバルブステータ34bが3段構造を有するとともに3つのシール部材が設けられていることにより、バルブステータ34bとバルブロータ34aとの間に作用する押付力の変動を抑制するとともに、バルブ部34の摺動トルクを低減することができる。
バルブステータ34bは差圧の作用によりバルブ回転軸Yの方向にわずかに変位しうる。吸気工程と排気工程とで差圧が異なる場合、バルブステータ34bの位置が両者でわずかに異なりうる。第1シール部材74、第2シール部材76、および第3シール部材78はそれぞれ、第1ステータ円周面86、第2ステータ円周面90、および第3ステータ円周面94とステータ受入凹面71との間に装着されている。これらの径方向隙間の大きさはバルブステータ34bの軸方向変位によって変化しないので、シール部材によるシール性も吸気工程と排気工程とで保持される。
第3半径R3と第2半径R2との差がバルブステータ34bの最大半径(例えば第3半径R3)の10%以下であってもよい。第3半径R3と第2半径R2との差がバルブステータ34bの最大半径の1%以上であってもよい。このようにすれば、押付力F1を補助する押付力F2の微調整が可能となる。
以上、本発明を実施例にもとづいて説明した。本発明は上記実施形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。
図7に示されるように、第1ステータ段部88は、傾斜面であってもよい。また、第2ステータ段部92は、傾斜面であってもよい。このように、第1ステータ段部88および第2ステータ段部92の少なくとも一方は、平坦面でなくてもよい。このようにすれば、段部が平坦な場合に比べて、バルブステータ34bにおける応力集中を緩和することができる。
図8に示されるように、第2シール部材76が第1ステータ段部88に設けられてもよい。この場合、第2シール部材76は、ハウジング30と第1ステータ段部88との間でバルブ回転軸Yまわりに延在する。第1ステータ段部88とステータ受入凹面71とに挟まれて第2シール部材76が装着されている。このようにすれば、変動圧ゾーン84が第1ステータ段部88へと拡張される。よって、上述の補助力を、第2ステータ段部92だけでなく、第1ステータ段部88にも作用させることができる。上述の実施形態と同様に、極低温冷凍機10のバルブ部34の回転の一周期におけるバルブステータ34bとバルブロータ34aとの間に作用する押付力の変動を抑制することができる。
なお、第3シール部材78が第2ステータ段部92に設けられてもよい。
図9に示されるように、第2シール部材76が第1ステータ段部88に設けられる場合には、バルブステータ34bが2段構造を有してもよい。この場合、バルブステータ34bは、第2ステータ段部92および第3ステータ円周面94を有しない。このようにしても、第1ステータ段部88と変動圧ゾーン84を利用して補助力を発生することができる。上述の実施形態と同様に、極低温冷凍機10のバルブ部34の回転の一周期におけるバルブステータ34bとバルブロータ34aとの間に作用する押付力の変動を抑制することができる。
ある実施形態においては、一定圧ゾーンは、低圧ゾーンに限られない。一定圧ゾーンは、高圧と低圧の中間圧など他の任意の一定圧に保持されるよう構成されていてもよい。
ある実施形態においては、バルブ回転軸Yに垂直な平面による断面におけるバルブステータ34bの外形は円形に限られず、他の形状であってもよい。
ある実施形態においては、連通路66は、バルブ回転軸Yの方向において第2シール部材76と第3シール部材78との間で第3ステータ円周面94上に開口していてもよい。
上記においては、単段式のGM冷凍機に言及して実施の形態を説明した。本発明はこれに限られず、実施の形態に係るバルブ構成は、二段式または多段式のGM冷凍機、または、パルス管冷凍機などその他の極低温冷凍機に適用可能である。
10 極低温冷凍機、 30 ハウジング、 34a バルブロータ、 34b バルブステータ、 42 低圧ガス室、 44 シール部、 73 低圧導入路、 74 第1シール部材、 76 第2シール部材、 78 第3シール部材、 80 高圧ゾーン、 84 変動圧ゾーン、 86 第1ステータ円周面、 90 第2ステータ円周面、 94 第3ステータ円周面。
Claims (5)
- 内部に低圧ガス室を定めるハウジングと、
前記低圧ガス室において前記ハウジングに固定されたバルブステータであって、前記ハウジングとの間に変動圧ゾーンおよび高圧ゾーンを定めるバルブステータと、
前記低圧ガス室において前記バルブステータに対しバルブ回転軸まわりに回転可能であるよう前記ハウジングに支持されたバルブロータであって、バルブロータ回転の一周期の一部において前記高圧ゾーンを前記変動圧ゾーンに連通しかつ当該一周期の他の一部において前記低圧ガス室を前記変動圧ゾーンに連通するよう構成されたバルブロータと、
前記ハウジングと前記バルブステータとの間で前記バルブ回転軸まわりに延在する第1シール部材であって、前記高圧ゾーンをシールするよう前記高圧ゾーンに隣接配置され、第1面積を囲む第1シール部材と、
前記ハウジングと前記バルブステータとの間で前記バルブ回転軸まわりに延在する第2シール部材であって、前記変動圧ゾーンをシールするよう前記変動圧ゾーンに隣接配置され、前記第1面積より大きい第2面積を囲む第2シール部材と、
前記ハウジングと前記バルブステータとの間で前記バルブ回転軸まわりに延在する第3シール部材であって、前記変動圧ゾーンをシールするよう前記変動圧ゾーンに隣接配置され、前記第2面積より大きい第3面積を囲む第3シール部材と、を備えることを特徴とする極低温冷凍機。 - 前記バルブステータは、前記ハウジングとの間に前記変動圧ゾーン、一定圧ゾーン、および前記高圧ゾーンを定め、
前記第1シール部材は、前記一定圧ゾーンから前記高圧ゾーンをシールするよう配置され、前記第2シール部材は、前記一定圧ゾーンから前記変動圧ゾーンをシールするよう配置されていることを特徴とする請求項1に記載の極低温冷凍機。 - 前記ハウジングは、前記一定圧ゾーンを前記低圧ガス室に連通する低圧導入路を備えることを特徴とする請求項2に記載の極低温冷凍機。
- 前記バルブステータは、
前記第1面積を定めるよう前記バルブ回転軸から第1半径を有する第1ステータ円周面と、
前記第2面積を定めるよう前記バルブ回転軸から前記第1半径より大きい第2半径を有し、前記第1ステータ円周面に接続された第2ステータ円周面と、
前記第3面積を定めるよう前記バルブ回転軸から前記第2半径より大きい第3半径を有し、前記第2ステータ円周面に接続された第3ステータ円周面と、を備え、
前記第1シール部材は、前記ハウジングと前記第1ステータ円周面との間で前記バルブ回転軸まわりに延在し、
前記第2シール部材は、前記ハウジングと前記第2ステータ円周面との間で前記バルブ回転軸まわりに延在し、
前記第3シール部材は、前記ハウジングと前記第3ステータ円周面との間で前記バルブ回転軸まわりに延在することを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の極低温冷凍機。 - 前記第3半径と前記第2半径との差が前記バルブステータの最大半径の10%以下であることを特徴とする請求項4に記載の極低温冷凍機。
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