JP2830379B2 - 極低温膨張機 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、ヒートステーションに絶対温度数十Ｋレベ
ルの極低温を得る極低温膨張機におけるピストン作動機
構の改良に関する。

（従来の技術） 従来、特開昭62−252858号公報に開示され且つ第３図
に示すように、この種極低温膨張機は、ヒートステーシ
ョン（A.B）を備えるシリンダ（Ｃ）に、蓄冷器（Ｅ、
Ｇ）をもつディスプレーサ（Ｄ）とこれを操作するスラ
ックピストン（Ｓ）とから成るピストン（Ｐ）を内装
し、シリンダ（Ｃ）の内部に通じる注排出通路（Ｔ）
に、高圧及び低圧開閉弁（X,Y）をもつ切換弁装置
（Ｗ）を介してヘリウムガス等の高圧ガス管（Ｈ）と低
圧ガス管（Ｌ）とを接続すると共に、前記スラックピス
トン（Ｓ）の作用室（Ｆ）に対抗する対抗室（Ｒ）に、
オリフィス（Ｏ）を介して、キャピラリー（Ｊ）及びブ
リード（Ｋ）により注排出通路（Ｔ）及び低圧ガス管
（Ｌ）に各々接続され、その内部を中間圧力とされるサ
ージボリウム（Ｍ）を接続するようにしている。

こうして、高圧開閉弁（Ｘ）のみを開けて高圧ガスを
シリンダ（Ｃ）内に導入し、高圧となる作用室（Ｆ）と
中間圧力である対抗室（Ｒ）との間の差圧によりスラッ
クピストン（Ｓ）及びディスプレーサ（Ｄ）を上昇さ
せ、ヒートステーション（A,B）に隣接する膨張空間
（U,Z）に導入ガスを充満させ、次に、低圧開閉弁
（Ｙ）のみを開け、低圧となる作用室（Ｆ）と中間圧力
の対抗室（Ｒ）との間の差圧によりスラックピストン
（Ｓ）及びディスプレーサ（Ｄ）を下降させ、膨張後の
低圧ガスを排気するようにしている。そして、これら高
圧ガスの導入と低圧ガスの排気との繰り返しにより、ヒ
ートステーション（A,B）に極低温を得るようにしてい
る。

（発明が解決しようとする課題） 以上の構成で、スラックピストン（Ｓ）及びディスプ
レーサ（Ｄ）から成るピストン（Ｐ）の駆動力は、上昇
時には作用室（Ｆ）の高圧と対抗室（Ｒ）の中間圧力と
の間に生じる差圧となり、下降時には作用室（Ｆ）の低
圧と対抗室（Ｒ）の中間圧力との間に生じる差圧という
ことになる。従って、ピストン（Ｐ）を上昇時及び下降
時いずれも十分に駆動させるには、ブリード（Ｊ）及び
キャピラリー（Ｋ）の調節により、サージボリウム
（Ｍ）の圧力を高圧と低圧とのほぼ中間値程度に設定す
ればよいと考えられる。

しかし、ヒートステーション（A,B）が極低温まで冷
えていないクールダウン途中のように高圧ガス管（Ｈ）
と低圧ガス管（Ｌ）とに流通される高圧ガス圧力と低圧
ガス圧力との間に十分な圧力差が確保されている場合は
ともかく、クールダウン完了後にヒートステーション
（A,B）を極低温に維持する定常運転時では、負荷の低
減により高圧と低圧との圧力差が小さくなるため、中間
圧力と高圧との差圧及び中間圧力と低圧との間の差圧は
いずれも小さくなり、上昇及び下降時双方について十分
な駆動力を得ることができなくなる問題がある。

これに対し、サージボリウム（Ｍ）の中間圧を例えば
高圧に対し差圧が大きく確保されるように低く設定すれ
ば、上昇時はよくなるが、下降時は低圧との間の差圧が
より一層小さくなるため、その作動は一層不安定となる
問題がある。

すなわち、上記従来例のように、単にサージボリウム
（Ｍ）を設けたものでは、その中間圧力値をある一つの
値にしか設定することができず、このため、高圧と低圧
との差圧が小さいクールダウン完了後の定常運転時、ピ
ストン（Ｐ）の駆動力を十分に得ることができず、該ピ
ストン（Ｐ）の作動が不安定となり、このピストン
（Ｐ）の作動不安定に起因して、振動や騒音が生じると
共に性能と低下を招く問題が起こるのである。

本発明の目的は、クールダウン完了後の定常運転時、
安定したピストン作動が行え、振動や騒音の発生を防止
できると共に能力の低下を防止できる極低温膨張機を提
供することにある。

（課題を解決するための手段） そこで、本発明では、上記目的を達成するため、ヒー
トステーション（１）を備えるシリンダ（２）にピスト
ン（３）を内装し、前記シリンダ（２）の内部に通じる
注排出通路（４）に、切換弁装置（５）を介して高圧ガ
ス管（６）と低圧ガス管（７）とを接続すると共に、高
圧と低圧とが切換えられる前記シリンダ（２）内におけ
る前記ピストン（３）の作用室（８）の対抗側に、内部
を中間圧力としたサージボリウム（９）を接続して、前
記ピストン（３）を差圧により駆動させるようにした極
低温膨張機において、前記低圧ガス管（７）とサージボ
リウム（９）との間に、第１弁手段（11a）をもつ第１
接続路（11）を接続すると共に、前記高圧ガス管（６）
とサージボリウム（９）との間に、第２弁手段（12a）
をもつ第２接続路（12）を接続した。

（作用） シリンダ（２）への高圧ガスの導入時、第１弁手段
（11a）を開くことにより、サージボリウム（９）は第
１接続炉（11）を介して低圧ガス管（７）に接続され
る。これにより、サージボリウム（９）の中間圧力値を
低下でき、高圧となる作用室（８）との間の差圧を大き
く確保することができ、ピストン（３）を大きな駆動力
で作動させることができる。

また、シリンダ（２）からの低圧ガスの排気時、第２
弁手段（12a）を開くことにより、サージボリウム
（９）は第２接続路（12）を介して高圧ガス管（６）に
接続される。これにより、サージボリウム（９）の中間
圧力値を上昇でき、低圧となる作用室（８）との間の差
圧を大きく確保することができ、ピストン（３）を大き
な駆動力で作動させることができる。

（実施例） 第１図に示す極低温膨張機は、端部にヒートステーシ
ョン（１）をもつシリンダ（２）の内部に、スラックピ
ストン（31）とこれに連動して作動されるディスプレー
サ（32）とから成るピストン（３）をピストンリング
（30‥）を介して摺動自由に内装している。前記ディス
プレーサ（32）には銅や鉛等の蓄冷器（33）が内装さ
れ、上部にスラックピストン（31）に係合する連動ピン
（34）を設けていると共に、下端を膨張空間（20）に臨
ませている。

前記シリンダ（２）の内部に通じる注排出通路（４）
には、高圧開閉弁（51）と低圧開閉弁（52）とから成る
切換弁装置（５）を介して高圧ガス管（６）と低圧ガス
管（７）とを接続し、ヘリウム等の圧縮機ユニット（6
0）との間で、高圧ガスの導入と低圧ガスの排気とが行
えるようにしている。

又、高圧と低圧とが切換えられる前記シリンダ（２）
内におけるスラックピストン（31）の作用室（８）の対
抗側となる対抗室（10）に、キャピラリー（91）により
前記注排出通路（４）に接続されて内部を中間圧力とさ
れるサージボリウム（９）を、オリフィス（92）を介し
て接続している。

以上の構成で、前記低圧ガス管（７）とサージボリウ
ム（９）との間に、電磁弁から成る第１弁手段（11a）
をもつ第１接続路（11）を接続すると共に、前記高圧ガ
ス管（６）とサージボリウム（９）との間に、同じく電
磁弁から成る第２弁手段（12a）をもつ第２接続路（1
2）を接続する。

そして、前記第１及び第２弁手段（11a）（12a）の開
閉制御と、前記切換弁装置（５）を構成する高圧及び低
圧開閉弁（51）（52）の開閉制御とを兼ねる弁コントロ
ーラ（13）を設けて、該コントローラ（13）にヒートス
テーション（１）等に付設する温度検出器（14）を入力
し、クールダウンの途中は、前記第１及び第２弁手段
（11a）（12a）を共に閉じて高圧及び低圧開閉弁（51）
（52）のみの開閉制御を繰り返し行い、温度検出器（1
4）によりクールダウンの完了又はこれに近い低温状態
が検出された後の定常運転時には、第２図に示すように
高圧開閉弁（51）の開動作に同期させて第１弁手段（11
a）を開けると共に低圧開閉弁（52）の開動作に同期さ
せて第２弁手段（12a）を開ける。

これにより、クールダウン後の定常運転時、高圧開閉
弁（51）を開けてシリンダ（２）内に高圧ガスを導入
し、ピストン（３）を上昇させるときには、第１弁手段
（11a）の開動作によりサージボリウム（９）は第１接
続路（11）を介して低圧ガス管（７）に接続されるた
め、該サージボリウム（９）の中間圧力値は低下でき、
対抗室（10）と高圧の作用室（８）との間の差圧を大き
く確保することができて、スラックピストン（31）及び
ディスプレーサ（32）を大きな駆動力で上昇させること
ができ、その作動を安定化することができる。

一方、低圧開閉弁（52）を開けてピストン（３）を下
降させ、シリンダ（２）内から膨張した後の低圧ガスを
排気するときには、第２弁手段（12a）の開動作により
サージボリウム（９）は第２接続路（12）を介して高圧
ガス管（６）に接続されるため、該サージボリウム
（９）の中間圧力値を上昇でき、対抗室（10）と低圧の
作用室（８）との間の差圧を大きく確保することがで
き、スラックピストン（31）及びディスプレーサ（32）
を大きな駆動力で下降させることができ、この場合にも
その作動を安定化することができる。

従って、高圧と低圧との差圧が小さくなる定常運転時
でも、ピストン（３）をその上昇時及び下降時双方につ
いて安定した作動を行わせることができ、振動や騒音の
発生を防止できると共に、能力の低下を防止できるので
ある。

尚、上記実施例では、前記第１及び第２弁手段（11
a）（12a）を、高圧及び低圧開閉弁（51）（52）と同期
させて開閉したが、やや時間差を設けて開閉するように
してもよい。

また、上記実施例では、第１及び第２弁手段（11a）
（12a）の開閉を切換弁装置（５）における高圧及び低
圧開閉弁（51）（52）の開閉をも兼ねる弁コントローラ
（13）で制御したが、独立のコントローラで制御しても
よい。更に、切換弁装置（５）は、２つの開閉弁（51）
（52）で構成する他、一つの三方弁を用いてもよいし、
又、電磁弁でなく、この種極低温膨張機に従来から広く
用いられているバルブモータによる切換機構を用いても
よい。

更に、上記実施例で、第１接続路（11）及び第２接続
路（12）の途中に、オリフィス等の減圧手段を介装して
もよいし、又、第１及び第２弁手段（11a）（12a）を流
量調節弁で構成してもよい。

又、実施例では、スラックピストン（31）とディスプ
レーサ（32）との２ピストンタイプのものを示したが、
スラックピストンの無い１ピストンタイプであってもよ
いし、更に、単段式のディスプレーサ（32）を示した
が、第３図のような２段式やそれ以上の段数をもつもの
であっても勿論よい。

（発明の効果） 以上のように、低圧ガス管（７）とサージボリウム
（９）との間に、第１弁手段（1a）をもつ第１接続路
（11）を接続すると共に、高圧ガス管（６）とサージボ
リウム（９）との間に、第２弁手段（12a）をもつ第２
接続路（12）を接続したから、シリンダ（２）への高圧
ガスの導入時には第１弁手段（11a）を開き、又、シリ
ンダ（２）からの低圧ガスの排気時には第２弁手段（12
a）を開くことにより、高圧と低圧との差圧が小さい定
常運転時でも、ピストン（３）の作動を安定して行え、
振動や騒音の発生や能力の低下を防止できるのである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明極低温膨張機の断面構造及び配管構造を
示す全体図、第２図は同弁手段の開閉タイミングを示す
図、第３図は従来例の断面図である。 （１）……ヒートステーション （２）……シリンダ （３）……ピストン （４）……注排出通路 （５）……切換弁装置 （６）……高圧ガス管 （７）……低圧ガス管 （８）……作用室 （９）……サージボリウム （11）……第１接続路 （12）……第２接続路 （11a）……第１弁手段 （12a）……第２弁手段

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) F25B 9/14 530

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ヒートステーション（１）を備えるシリン
   ダ（２）にピストン（３）を内装し、前記シリンダ
   （２）の内部に通じる注排出通路（４）に、切換弁装置
   （５）を介して高圧ガス管（６）と低圧ガス管（７）と
   を接続すると共に、高圧と低圧とが切換えられる前記シ
   リンダ（２）内における前記ピストン（３）の作用室
   （８）の対抗側に、内部を中間圧力としたサージボリウ
   ム（９）を接続して、前記ピストン（３）を差圧により
   駆動させるようにした極低温膨張機において、前記低圧
   ガス管（７）とサージボリウム（９）との間に、第１弁
   手段（11a）をもつ第１接続路（11）を接続すると共
   に、前記高圧ガス管（６）とサージボリウム（９）との
   間に、第２弁手段（12a）をもつ第２接続路（12）を接
   続したことを特徴とする極低温膨張機。