JP3309462B2 - 冷凍装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、冷媒回路にＪＴ弁を配
設してなる冷凍装置に係り、低温状態でＪＴ弁の減圧度
を増大させるようにしたものの改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、冷媒回路に、断熱膨張に伴う
温度降下いわゆるジュールトムソン効果を利用してヘリ
ウムガス等の冷媒を強く膨張させるＪＴ弁を配置し、例
えば４Ｋ程度の極低温状態を生ぜしめるようにした冷凍
装置が知られている。

【０００３】このような極低温を生ぜしめる冷凍装置に
おいて、ＪＴ弁の開度は電子膨張弁のごとく電気的に自
動制御するのは困難である。しかし、その開度が一定で
ある場合、クールダウン時に、ＪＴ弁開度が開き側であ
ると十分な冷却能力が得られずクールダウンに要する時
間が増大し、反面、ＪＴ弁の開度が絞り側であると液体
ヘリウムタンクやリターンガスの圧力が低下し、極端な
場合は負圧になって、タンク内に配管系等からの粉塵，
汚れが導入されるいわゆるコンタミネーション等が発生
し、信頼性の悪化を招く虞れがあった。

【０００４】そこで、クールダウン時に手動でＪＴ弁の
開度を低温になるほど絞っていくように調節することに
より、低温状態での高圧側圧力の低下を抑制するように
したものがある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、冷凍装
置の設置場所によっては、ＪＴ弁が手動で調節できるよ
うな構成をとれないことがあり、かかる場合には、上述
のような信頼性の低下が問題となる。また、手動で調節
できる場合でも、温度と開度とを適正な関係に維持して
いくのは熟練を要するという問題があった。

【０００６】本発明は斯かる点に鑑みてなされたもので
あり、その目的は、ＪＴ弁の開度を温度の低下に応じて
自動的に小さくするよう調節する手段を講ずることによ
り、クールダウン時間の短縮と信頼性の向上とを図るこ
とにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１の発明の講じた手段は、冷媒が循環する冷
媒回路を備え、該冷媒回路にジュールトムソン効果に基
づいて冷媒を膨張させるＪＴ弁を介設して、低温状態を
生ぜしめるようにした冷凍装置を前提とする。

【０００８】そして、上記ＪＴ弁に、内部に冷媒を流通
させて冷媒の絞り作用を行う長い細管状の弁部材（２
２）を配設し、該弁部材（２２）を、低温状態になると
熱収縮する特性に基づき、冷媒の流通面積を高温では広
く低温では狭くするよう調節するように構成すると共
に、上記ＪＴ弁に、上記弁部材（２２）の開口部に対峙
して配置され、ＪＴ弁の軸方向に移動可能に構成された
弁体（１）と、低温状態になると熱収縮する熱収縮率が
大きい材料で形成され、上記弁部材（２２）の開口部と
の隙間を高温では広く低温では狭くするよう上記弁体
（１）を軸方向に移動させる駆動部材（５）とを配設し
たものである。

【０００９】請求項２の発明の講じた手段は、冷媒が循
環する冷媒回路を備え、該冷媒回路にジュールトムソン
効果に基づいて冷媒を膨張させるＪＴ弁を介設して、低
温状態を生ぜしめるようにした冷凍装置を前提とする。

【００１０】そして、上記ＪＴ弁に、弁開口部（２）に
対峙して配置され、ＪＴ弁の軸方向に移動可能に構成さ
れた弁体（１）と、低温状態になると熱収縮する熱収縮
率が大きい材料であるポリテトラフロロエチレンにより
形成され、上記弁開口部（２）との隙間を高温では広く
低温では狭くするよう上記弁体（１）を軸方向に移動さ
せる駆動部材（５）とを配設する構成としたものであ
る。

【００１１】請求項３の発明の講じた手段は、上記請求
項１の発明において、上記駆動部材（５）を、ポリテト
ラフロロエチレンで構成したものである。

【００１２】請求項４の発明の講じた手段は、冷媒が循
環する冷媒回路を備え、該冷媒回路にジュールトムソン
効果に基づいて冷媒を膨張させるＪＴ弁を介設して、低
温状態を生ぜしめるようにした冷凍装置を前提とする。

【００１３】そして、上記ＪＴ弁に、内部に冷媒を流通
させて冷媒の絞り作用を行う長い細管状の弁部材（２
２）を配設し、該弁部材（２２）を、低温状態になると
熱収縮する特性に基づき、冷媒の流通面積を高温では広
く低温では狭くするよう調節するように構成し、上記弁
部材（２２）の長さと径との比を４０００以上としたも
のである。

【００１４】請求項５の発明の講じた手段は、上記請求
項１の発明において、上記弁部材（２２）の長さと径と
の比を４０００以上としたものである。

【００１５】請求項６の発明の講じた手段は、上記請求
項１，２，３，４又は５の発明において、冷凍装置をリ
ニアモーターカーに使用される冷凍装置としたものであ
る。

【００１６】

【作用】以上の構成により、請求項１，４の発明では、
低温になるに従って、弁部材（２２）の外周長さが熱収
縮特性に基づいて収縮して冷媒の流通面積が低減し、し
かも弁部材（２２）が長く形成されているので、その冷
媒の流通面積の低減によって減圧度が大きく上昇する。
そして、弁体（１）と弁開口部（２）との隙間つまりＪ
Ｔ弁の開度が、低温になるにつれて小さくなるよう自動
的に調節される。

【００１７】したがって、温度が低くなっているのに開
度が大きすぎることで、冷却能力が小さくなったり、温
度が比較的高いのにＪＴ弁の開度が絞られ過ぎて蒸発量
の低減による液体冷媒用タンクやリターンガスの負圧化
が阻止される。すなわち、クールダウン中に、温度の低
下に応じてＪＴ弁が適正開度に維持され、クールダウン
時間が短縮され、圧縮機の圧縮比増大の回避により信頼
性が確保される。また、ＪＴ弁をロッド部材を介して常
温部から手動走査する場合のような熱伝達ロスが生じる
ことがなく、熱効率が向上する。そして、これらの発明
では、弁体と弁開口部と駆動部材とを弁部材だけで兼用
した簡素な構成で、上述の作用が得られることになる。

【００１８】また、請求項１の発明では、駆動部材
（５）による弁体（１）と弁開口部との隙間の調節作用
と、弁部材（２２）の管抵抗の変化作用とにより、温度
の低下に対する減圧度の増大作用がより大きくなる。

【００１９】また、請求項４の発明では、弁部材（２
２）の長さと径の比が４０００以上であることで、温度
の低下に対する減圧度の増大作用が顕著になる。

【００２０】請求項２の発明では、ＪＴ弁に配設された
駆動部材（５）の熱収縮特性により、弁体（１）と弁開
口部（２）との隙間つまりＪＴ弁の開度が、低温になる
につれて小さくなるよう自動的に調節される。したがっ
て、温度が低くなっているのに開度が大きすぎること
で、冷却能力が小さくなったり、温度が比較的高いのに
ＪＴ弁の開度が絞られ過ぎて蒸発量の低減による液体冷
媒用タンクやリターンガスの負圧化が阻止される。すな
わち、クールダウン中に、温度の低下に応じてＪＴ弁が
適正開度に維持され、クールダウン時間が短縮され、圧
縮機の圧縮比増大の回避により信頼性が確保される。ま
た、ＪＴ弁をロッド部材を介して常温部から手動走査す
る場合のような熱伝達ロスが生じることがなく、熱効率
が向上する。

【００２１】更に、この請求項２の発明では、駆動部材
（５）が熱収縮率の極めて高い材料であるポリテトラフ
ロロエチレンで形成されているので、特に温度の低下に
対する冷媒の減圧度の増大作用が顕著になり、かつ適正
な強度も得られる。

【００２２】請求項３の発明では、駆動部材（５）が熱
収縮率の極めて高い材料であるポリテトラフロロエチレ
ンで形成されているので、特に温度の低下に対する冷媒
の減圧度の増大作用が顕著になり、かつ適正な強度も得
られる。

【００２３】請求項５の発明では、弁部材（２２）の長
さと径の比が４０００以上であることで、温度の低下に
対する減圧度の増大作用が顕著になる。

【００２４】請求項６の発明では、冷凍装置がリニアモ
ーターカーに使用される場合にも、激しい振動のために
破損しやすい長いロッドが不要となることで、信頼性が
著しく向上することになる。

【００２５】

【実施例】以下、本発明の実施例について、図面に基づ
き説明する。

【００２６】まず、第１実施例について説明する。図１
は、第１実施例における冷凍装置のＪＴ弁の構成を示
し、該ＪＴ弁はヘリウム等の冷媒が循環する冷媒回路の
低温発生部に一段又は複数段配置されて、低温状態ある
いは極低温状態を生ぜしめるものである。図において、
（１）は先端に（つまり図中下端に）針状の弁部（１
１）を備えた弁体、（２）はＪＴ弁の弁開口部であっ
て、上記弁体（１）は弁開口部（２）に対峙して配置さ
れており、弁体支持部材（３）によりシール部（４）を
介し軸方向に移動可能に支持されている。また、弁体支
持部材（３）には、弁体（１）よりも所定距離だけ上方
の位置に棒状の駆動部材（５）が配設されており、該駆
動部材（５）は、上端で弁体支持部材（３）に固定され
る一方、下端部で、水平軸回りに回動する連結部材
（６）により上記弁体（１）に連結されている。

【００２７】なお、図１において、（７）は本体部、
（８）は入口ポート、（９）は出口ポートである。

【００２８】すなわち、比較的温度が高い状態では、図
１の（ａ）に示すように、駆動部材（５）が伸長状態に
あり、連結部材（６）の回転によって、弁体（１）が図
中上方に位置する。したがって、弁体（１）と弁開口部
（２）との隙間は比較的大きい。一方、低温になるに従
って、同図（ｂ）に示すように、駆動部材（５）がその
熱収縮特性に従って収縮し、連結部材（６）を図中反時
計回りに回転させる結果、弁体（１）が下方に移動し、
弁体（１）と弁開口部（２）との隙間を小さくするよう
になされている。

【００２９】従って、上記第１実施例では、ＪＴ弁に配
設された駆動部材（５）の熱収縮特性により、弁体
（１）と弁開口部（２）との隙間つまりＪＴ弁の開度
が、低温になるにつれて小さくなるよう自動的に調節さ
れる。したがって、温度が低くなっているのに開度が大
きすぎることで、冷却能力が小さくなったり、温度が比
較的高いのにＪＴ弁の開度が絞られ過ぎて蒸発量の低減
による液体冷媒用タンクやリターンガスの負圧化が阻止
され、コンタミネーション等が有効に防止される。よっ
て、クールダウン時間の短縮と圧縮機の圧縮比増大の回
避による信頼性の向上とを図ることができる。

【００３０】また、ＪＴ弁に手動走査用ロッド部材を設
ける必要がないので、常温から極低温までの熱伝達ロス
を招くこともなく、熱効率が向上する。

【００３１】なお、上記駆動部材（５）としては、熱収
縮率の大きな材料が好ましい。図２は各種材料の熱収縮
特性（線膨張率）を示し、特に、ポリテトラフロロエチ
レンでは、熱収縮率が非常に大きく、しかも適正な強度
も確保されるので、かかる材料を駆動部材（５）の素材
として選択することで、温度の低下に対する減圧度の増
大作用が顕著となる。

【００３２】次に、第２実施例について説明する。図３
は、第２実施例におけるＪＴ弁の構成を概略的に示す。
本実施例では、ＪＴ弁のケーシング（１０）内におい
て、弁体（１）の上端が駆動部材（５）の下端面に直接
固定され、弁体（１）は弁開口部（２）を貫通して延び
ている。また、弁体（１）先端の弁部（１１）の背面は
弁開口部（２）のテーパ面と対応したフレア状に形成さ
れていて、低温になるに従って駆動部材（５）が熱収縮
し、弁体（１）が上方に移動すると、弁部（１１）と弁
開口部（２）のテーパ面との隙間を小さくして、開口面
積を絞るようになされている。

【００３３】従って、本第２実施例でも、上記第１実施
例と同様に、クールダウン時間の短縮と信頼性の向上と
を図ることができ、特に連結部材を設ける必要がないの
で、機構が簡素となる利点がある。

【００３４】次に、第３実施例について説明する。図４
は第３実施例におけるＪＴ弁の構成を概略的に示し、同
図（ａ）は低温用冷凍装置のＪＴ弁、同図（ｂ）は極低
温用冷凍装置のＪＴ弁の構成をそれぞれ示す。

【００３５】同図（ａ）に示すように、冷媒配管（２
０）の一部には、フランジ部と冷媒配管内の中央で配管
軸方向に延びる細管部とからなる支持部材（２１）が介
設されていて、該支持部材（２１）の細管部に、所定長
さを有する直管状の弁部材（２２ａ）が同軸位置で取り
付けられている。すなわち、冷媒配管（２０）内を流通
する冷媒を弁部材（２２ａ）で絞り込んで、その径と長
さとで定まる減圧度で冷媒を減圧し、低温状態を生ぜし
めるとともに、低温になるほど径が収縮する特性を利用
して、低温になるに従ってその減圧度を自動的に上昇さ
せ、圧力損失の増大により冷媒の減圧度を増大するよう
になされている。

【００３６】なお、上記弁部材（２２ａ）は耐圧性を考
慮してステンレス鋼で形成されているが、例えば上記第
１，第２実施例の駆動部材と同様に、ポリテトラフロロ
エチレンで形成してもよい。

【００３７】また、同図（ｂ）では、ＪＴ弁の支持部材
（２１）の細管部には、先端方向に向かって絞られたテ
ーパ付き細管状の弁部材（２２ｂ）が取り付けられてい
る。すなわち、上記直管状の弁部材（２２ａ）に比べ、
さらに、減圧度を高くして、極低温状態を生ぜしめるよ
うになされている。温度の変化に対する減圧度の変化作
用は上述の直管状の弁部材（２２ａ）の場合と同様であ
る。

【００３８】従って、上記第３実施例では、低温になる
と、弁部材（２２）の径が熱収縮特性に基づいて収縮す
るので、その減圧度が増大する。かかる減圧度の上昇
は、通常の弁の弁開口部でも生じるが、その弁開口部の
長さが短いので、減圧度に与える実質的な影響はほとん
どない。それに対して、上記第３実施例では、弁部材
（２２）が軸方向に長く伸びているので、径の収縮によ
る減圧度の上昇つまり圧力損失の上昇が顕著となる。な
お、低温状態になると、長さも収縮するが、冷媒の流通
面積は径の二乗に比例するので、結局、長さの収縮より
も径の収縮の方が減圧度に大きく影響し、低温になると
減圧度が増大することになる。

【００３９】よって、上記第１，第２実施例と同様に、
冷媒流通量の低減によって、クールダウン時間の短縮と
信頼性の向上とを図ることができる。

【００４０】その場合、弁部材（２２）の外周長さが低
温になると収縮する特性を利用しているので、上記第
１，第２実施例に比べ、弁部材（２２）だけで、弁体
（１）と、弁開口部（２）と、駆動部材（５）とを兼用
することができ、より構成の簡素化を図ることができ
る。

【００４１】特に、上記弁部材（２２）の長さをＬ、径
をＤとすると、その比Ｌ／Ｄが４０００以上であるとき
に、熱収縮による冷媒流通量の低減作用が顕著となる。

【００４２】なお、実施例は省略するが、上記図４に示
すＪＴ弁の構成において、支持部材（２１）の細管部の
開口部に対峙して、上記図１又は図２に示す弁体（１）
及び駆動部材（５）（並びに連結部材（６））を配設す
ることで、弁部材（２２）の管抵抗の変化を利用した減
圧度調節作用と、駆動部材（５）による弁体（１）と弁
開口部との隙間の調節を利用した減圧度調節作用とを併
せて得ることができ、より効果的な減圧度の調整を行う
ことができる。

【００４３】特に、本発明の冷凍装置をリニアモーター
カーに使用した場合、リニアモーターカーは激しい振動
を生じるので、従来のような細長いロッドをＪＴ弁に取
り付けると、破損を招く恐れがあるが、本発明のように
ロッド部材がなくても自動的に開度を調整する構成とす
ることで、かかる破損の虞れを生じることはなく、著し
く信頼性が向上する。

【００４４】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１，４の発
明では、冷媒回路にＪＴ弁を介設した冷凍装置におい
て、ＪＴ弁に、冷媒の絞り作用を行う長い細管状の弁部
材を配設し、低温状態になると冷媒の流通面積を高温で
は広く低温では狭くするよう調節するように構成してい
る。このため、クールダウン時に、温度の低下に対する
ＪＴ弁開度を適正に維持することができ、よって、クー
ルダウン時間の短縮と圧縮機の圧縮比増大の回避による
信頼性の向上とを図ることができる。また、ＪＴ弁をロ
ッド部材を介して常温部から手動走査する場合のような
熱伝達ロスが生じることがなく、よって、熱効率の向上
を図ることができる。そして、これらの発明によれば、
弁体と弁開口部と駆動部材とを弁部材だけで兼用した簡
素な構成で、このような効果を発揮することができる。

【００４５】また、この請求項１の発明によれば、弁部
材の開口部に対峙して弁体を配置し、弁体と弁開口部と
の隙間を高温では広く低温では狭くするよう弁体を軸方
向に移動させる熱収縮率の大きい駆動部材を設けたの
で、駆動部材による弁体と弁部材の開口部との隙間の調
節作用と、弁部材の管抵抗の変化作用とにより、温度の
低下に対する減圧度の増大作用がより大きくなる。

【００４６】また、請求項４の発明によれば、弁部材の
長さと径との比を４０００以上としたので、低温状態に
おける冷媒の減圧度の低減効果をより顕著に発揮するこ
とができる。

【００４７】請求項２の発明によれば、冷媒回路にＪＴ
弁を介設した冷凍装置において、ＪＴ弁に、弁体と弁開
口部との隙間を高温では広く低温では狭くするよう弁体
を軸方向に移動させる熱収縮率の大きい駆動部材を設け
たので、クールダウン時に、温度の低下に対するＪＴ弁
開度を適正に維持することができ、よって、クールダウ
ン時間の短縮と圧縮機の圧縮比増大の回避による信頼性
の向上とを図ることができる。また、ＪＴ弁をロッド部
材を介して常温部から手動走査する場合のような熱伝達
ロスが生じることがなく、よって、熱効率の向上を図る
ことができる。また、本発明によれば、駆動部材を特に
低温における熱収縮率の高いポリテトラフロロエチレン
で形成したので、著効を発揮することができる。

【００４８】請求項３の発明によれば、駆動部材を特に
低温における熱収縮率の高いポリテトラフロロエチレン
で形成したので、著効を発揮することができる。

【００４９】請求項５の発明によれば、弁部材の長さと
径との比を４０００以上としたので、低温状態における
冷媒の減圧度の低減効果をより顕著に発揮することがで
きる。

【００５０】請求項６の発明によれば、冷凍装置をリニ
アモーターカーに使用されるものとしたので、激しい振
動が生じる環境下でも、破損しやすい長いロッドが不要
となることで、顕著な信頼性の向上を図ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施例におけるＪＴ弁の構成と温度の変化
に対する弁体位置の変化とを示す縦断面図である。

【図２】種々の材料の低温における熱収縮特性のデータ
を示す特性図である。

【図３】第２実施例におけるＪＴ弁の構成を示す縦断面
図である。

【図４】第３実施例におけるＪＴ弁の構成を示す縦断面
図である。

【符号の説明】

１ 弁体 ２ 開口部 ３ 弁体支持部材 ４ シール部 ５ 駆動部材 ６ 連結部材 ７ 本体部 ８ 入口ポート ９ 出口ポート １０ ケーシング １１ 弁部 ２０ 冷媒配管 ２１ 支持部材 ２２ 弁部材

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 冷媒が循環する冷媒回路を備え、該冷媒
   回路にジュールトムソン効果に基づいて冷媒を膨張させ
   るＪＴ弁を介設して、低温状態を生ぜしめるようにした
   冷凍装置において、 上記ＪＴ弁には、内部に冷媒を流通させて冷媒の絞り作
   用を行う長い細管状の弁部材（２２）が配設され、 該弁部材（２２）は、低温状態になると熱収縮する特性
   に基づき、冷媒の流通面積を高温では広く低温では狭く
   するよう調節するように構成されると共に、 上記ＪＴ弁には、 上記弁部材（２２）の開口部に対峙して配置され、ＪＴ
   弁の軸方向に移動可能に構成された弁体（１）と、 低温状態になると熱収縮する熱収縮率が大きい材料で形
   成され、上記弁部材（２２）の開口部との隙間を高温で
   は広く低温では狭くするよう上記弁体（１）を軸方向に
   移動させる駆動部材（５）とが配設されていることを特
   徴とする冷凍装置。
2. 【請求項２】 冷媒が循環する冷媒回路を備え、該冷媒
   回路にジュールトムソン効果に基づいて冷媒を膨張させ
   るＪＴ弁を介設して、低温状態を生ぜしめるようにした
   冷凍装置において、 上記ＪＴ弁には、 弁開口部（２）に対峙して配置され、ＪＴ弁の軸方向に
   移動可能に構成された弁体（１）と、 低温状態になると熱収縮する熱収縮率が大きい材料であ
   るポリテトラフロロエチレンにより形成され、上記弁開
   口部（２）との隙間を高温では広く低温では狭くするよ
   う上記弁体（１）を軸方向に移動させる駆動部材（５）
   とが配設されていることを特徴とする冷凍装置。
3. 【請求項３】 請求項１記載の冷凍装置において、 上記駆動部材（５）は、ポリテトラフロロエチレンから
   なることを特徴とする冷凍装置。
4. 【請求項４】 冷媒が循環する冷媒回路を備え、該冷媒
   回路にジュールトムソン効果に基づいて冷媒を膨張させ
   るＪＴ弁を介設して、低温状態を生ぜしめるようにした
   冷凍装置において、 上記ＪＴ弁には、内部に冷媒を流通させて冷媒の絞り作
   用を行う長い細管状の弁部材（２２）が配設され、 該弁部材（２２）は、低温状態になると熱収縮する特性
   に基づき、冷媒の流通面積を高温では広く低温では狭く
   するよう調節するように構成され、 上記弁部材（２２）の長さと径との比は４０００以上で
   あることを特徴とする冷凍装置。
5. 【請求項５】 請求項１記載の冷凍装置において、 上記弁部材（２２）の長さと径との比は４０００以上で
   あることを特徴とする冷凍装置。
6. 【請求項６】 請求項１，２，３，４又は５記載の冷凍
   装置において、 冷凍装置はリニアモーターカーに使用されるものである
   ことを特徴とする冷凍装置。