JP3584185B2 - 冷凍機およびこれに用いるロータリー弁 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷凍機およびこれに用いるロータリー弁に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＧＭ（ギフォード・マクマホン）冷凍機，パルスチューブ冷凍機等を代表とする小型冷凍機を駆動させるには、圧力振動源が必要であり、場合により位相制御装置が必要である。また、これら圧力振動源，位相制御装置には、作動ガスの流れを制御するために切替弁が設置されている。例えば、図２１に示すように、アクティブバッファ型パルスチューブ冷凍機において、圧力振動源としてコンプレッサー９１＋２個の切替弁９３，９４を用い、位相制御装置として２個のバッファタンク９２ａ，９２ｂ＋２個の切替弁９５，９６を用いたものがある。図において、９７は蓄冷器で、９８はパルスチューブである。
【０００３】
上記各切替弁９３〜９６は、冷凍機を効率よく駆動させるために、厳密に決められたある一定のサイクルで開閉されるが、そのサイクルは通常数〜数十Ｈｚの圧力振動であり、開閉サイクルが比較的早い。このため、上記各切替弁９３〜９６としては、通常、電磁弁や図２２に示す小型の平面シール型ロータリー弁が使用されている。この平面シール型ロータリー弁は、２つのポート１０２，１０３（両ポート１０２，１０３は連通路１０４で連通している）を設置した回転子１０１と、３つのポート１０６〜１０８を設置した固定子１０５とが面接触する構造であり、モータ１０９の回転により回転子１０１が回転して各ポート１０２，１０３，１０６〜１０８を切り替える（図２２に示すように、固定子１０５の両ポート１０７，１０８を連通する状態と、図２３に示すように、固定子１０５の両ポート１０６，１０７を連通する状態とに切り替える）構造となっている。このように、図２２に示す平面シール型ロータリー弁は、作動ガスを２方向に切り替えることができるため、圧力振動源および位相制御装置にそれぞれ１つずつ設置すればよい。図において、１１０は回転子１０１を回転自在に内蔵するハウジングである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
冷凍機の大型化，高効率化を実現するには作動ガスの大容量化，運転周波数の高速化，複雑な位相制御装置の設置が必要であるが、市場性を考慮すると、それらを満足し、かつ、そのための切替弁が小型で、長寿命であることが望ましい。しかしながら、切替弁の代表例である電磁弁や図２２に示す平面シール型ロータリー弁では、上記要望を満足させることができず、冷凍機の大型化，高効率化を実現できていないのが実情である。
【０００５】
すなわち、切替弁として電磁弁を用いると、作動ガスの大容量化を行おうとした場合に、弁が複雑で大きくなり、高速に作動しなくなる。また、高速に頻繁に作動させた場合には、寿命が著しく低下する。また、位相制御装置を設置する場合に、この位相制御装置を複雑化するためには、弁数を増やす必要があり、冷凍機全体が大きくなる。
【０００６】
一方、切替弁として上記平面シール型ロータリー弁を用いると、作動ガスの大容量化を行うためにポート径を大きくする場合や、複雑な位相制御装置とするためにポート数を増やす場合に、回転子１０１と固定子１０５の直径を大きくする必要があり、回転子１０１と固定子１０５の接触面積が大きくなる。また、回転子１０１と固定子１０５の接触面積が大きくなる分、回転子１０１に作用する圧力が大きくなるため、トルクの大きなモータ１０９が必要となり、弁全体が大きくなる。そこで、現在までは、冷凍能力が数ワットクラスの比較的小型の冷凍機しか開発できていないのが実情である。
【０００７】
本発明は、このような事情に鑑みなされたもので、小型，長寿命の切替弁を用いることにより大型化，大容量化，高効率化を実現できる冷凍機およびこれに用いるロータリー弁の提供をその目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明は、軸心を中心として回転する水平断面円形の回転子と、この回転子を回転自在に内蔵するハウジングとからなり、上記回転子の外周面に凹部を設けるとともに、ハウジングの内周面に、上記凹部に対応する複数のポートを設け、上記回転子の回転により、回転子の凹部とこれに対応する上記ハウジングのポートとを合致させて上記凹部とこれに対応するポートを連通させる状態と、上記合致を外して上記凹部とこれに対応するポートを非連通にする状態とに切り替えるロータリー弁を用いた冷凍機を第１の要旨とし、上記冷凍機に用いるロータリー弁であって、軸心を中心として回転する水平断面円形の回転子と、この回転子を回転自在に内蔵するハウジングとからなり、上記回転子の外周面に凹部を設けるとともに、ハウジングの内周面に、上記凹部に対応する複数のポートを設け、上記回転子の回転により、回転子の凹部とこれに対応する上記ハウジングのポートとを合致させて上記凹部とこれに対応するポートを連通させる状態と、上記合致を外して上記凹部とこれに対応するポートを非連通にする状態とに切り替えるようにしたロータリー弁を第２の要旨とする。
【０００９】
すなわち、本発明の冷凍機は、（軸心を中心として回転する水平断面円形の）回転子の外周面に凹部を設けるとともに、（回転子を回転自在に内蔵する）ハウジングの内周面に、上記凹部に対応する複数のポートを設けたロータリー弁を用いている。このように、本発明の冷凍機は、凹部，複数のポートが軸心方向に独立したロータリー弁を用いているため、凹部幅，ポート径の拡大や凹部数，ポート数の増加による回転子の径の拡大は極小となり、ロータリー弁の小型化，長寿命化が可能となる。その結果、本発明の冷凍機は、従来の電磁弁や平面シール型ロータリー弁に比べて、大口径化，複数ポート化を容易に行うことができ、大型化，大容量化，高効率化を実現できるようになる。例えば、本発明の冷凍機によれば、数百ワット以上の大型冷凍機を提供することができる。むろん、従来の数ワットクラスの小型冷凍機にも適用は可能である。このような、本発明の冷凍機としては、パルスチューブ冷凍機，ＧＭ冷凍機，ソルベイ冷凍機が挙げられるが、これらに限定するものではなく、弁を切り替えることにより作動ガスを切り替える必要のある冷凍機であれば、その種類を問わない。一方、本発明のロータリー弁を用いることにより、本発明の冷凍機を容易に作製することができる。なお、本発明において、「水平断面円形の回転子」とは、回転子を垂直に立てた場合に回転子の水平断面形状が円形をしていることを指しており、また、回転子を水平に寝かせた場合には回転子の垂直断面形状が円形をしていることを指している。
【００１０】
本発明の冷凍機に用いるロータリー弁の構造，作用，効果を、図１に示すロータリー弁Ａを用いて詳しく説明する。このロータリー弁Ａは、軸心を中心として回転する円柱形状の回転子１と、この回転子１を回転自在に内蔵する円筒形状のハウジング２と、上記回転子１を回動自在に軸支する２つの軸受３，３と、上記回転子１を一方向に回転させるモータ４とを備えている。また、上記回転子１の外周面に８つのポート５〜１２（これら８つのポート５〜１２のうち、両ポート５，６、両ポート７，８、両ポート９，１０および両ポート１１，１２は連通路１３〜１６で連通している）が形成されているとともに、上記各ポート５〜１２に対応する上記ハウジング２の部分に６つのポート１７〜２２（これら６つのポート１７〜２２のうち、ポート１７はポート５に、ポート１８は両ポート６，９に、ポート１９はポート１０に、ポート２０はポート７に、ポート２１はポート１１に、ポート２２は両ポート８，１２にそれぞれ対応している）が穿設されている。そして、図１に示す状態では、両ポート５，１７、両ポート６，１８、両ポート７，２０および両ポート８，２２がそれぞれ連通しており、他のポート９〜１２，１９，２１が非連通状態になっている。また、回転子１が回転し、図２に示す状態になると、両ポート９，１８、両ポート１０，１９、両ポート１１，２１および両ポート１２，２２がそれぞれ連通しており、他のポート５〜８，１７，２０が非連通状態になっている。また、回転子１が回転し、図３に示す状態になると、各ポート１７〜２２がすべて非連通状態になっている。
【００１１】
なお、本発明の冷凍機に用いるロータリー弁では、ポート５〜１２に代えて、凹部（図６参照）を形成している。また、回転子１は円筒形状（すなわち、中空形状）でも円柱形状（すなわち、中実形状）でもよいし、回転子１の回転は、モータ４以外の各種手段により行うことができる。また、ハウジング２に穿設するポート１７〜２２はハウジング２の同一側面に位置していなくてもよい。また、軸受３を回転子１の両端に設置しているが、回転子１の一端にだけ設置してもよいし、軸受３として、ころがり軸受だけでなく、滑り軸受等の一般的な軸受を用いることができる。また、モータ４として、反転自在型を用いてもよい。また、モータ４の回転は一様であっても、断続的に変化してもよい。
【００１２】
図４に示すパルスチューブ冷凍機は、図２１に示すパルスチューブ冷凍機において、４つの切替弁９３〜９６に代えて、１つのロータリー弁Ｂ（図１に示すロータリー弁Ａと同様構造）を用いたものである。ただし、ロータリー弁Ｂは上記各切替弁９３〜９６と同じ作用をする必要があるため、各ポート５〜１２，１７〜２２の形状，個数等はロータリー弁Ａと異なる。
【００１３】
上記ロータリー弁Ａ，Ｂにおいて、回転子１の径を小型化すると、断面積が小さくなるため、回転子１に作用する圧力負荷の影響を極小とすることができる。また、回転子１の外径の周速度が減少するため、回転子１とハウジング２の間にシール（図１〜図３では、図示せず）を設置する場合に、このシールの摩擦による発生トルクを減少させることができる。そして、圧力負荷の減少およびシールの摩擦による発生トルクの減少により、モータ４の所要動力を減少させることができる。その結果、小型で高速なモータ４を使用することができる。また、回転子１の周速度の減少により、（回転子１とハウジング２の間に設置した）シールの長寿命化および回転子１の高回転化を実現することができる。
【００１４】
また、回転子１に作用する軸方向および半径方向の荷重は軸受３により支受されるため、さらにモータ４への負荷が減少し、モータ４の所要動力を極小にすることができる。また、回転子１が受ける圧力負荷は、それを支受する軸受３により、さらに減少する。これらは回転子１およびモータ４の小型化に寄与し、ロータリー弁Ａ，Ｂ全体を小さくすることができる。
【００１５】
これらの構造的利点により、本発明のロータリー弁は、ポート径の大径化を容易に行うことができ、これに伴い作動ガスの大容量化・運転周波数の高速化を容易に行うことができ、これを用いた本発明の冷凍機の大型化を実現することができる。また、本発明のロータリー弁は、ポート数を容易に増加させることができるため、複雑な位相制御装置にすることが容易に行え、これを用いた本発明の冷凍機の高効率化を実現することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
つぎに、本発明の実施の形態を図面にもとづいて詳しく説明する。
【００１７】
図５は本発明のパルスチューブ冷凍機の一実施の形態を示している。この実施の形態では、図２１に示すパルスチューブ冷凍機において、各切替弁として、ロータリー弁Ｃを用いている。これ以外の部分は図２１に示すパルスチューブ冷凍機と同様であり、同様の部分は同じ符号を付している。
【００１８】
上記ロータリー弁Ｃは、上記ロータリー弁Ａにおいて、円柱形状の回転子１の外周面に１つの凹部２５（図６参照）が形成されているとともに、円筒形状のハウジング２の一側面（図面では、左側面）に、上記凹部２５に連通する２つのポート２６，２７（図７参照）が穿設されている。そして、回転子１が回転し、図７に示す状態になると、凹部２５と両ポート２６，２７とが連通し作動ガスが流通するようになる。また、この状態から回転子１が回転し、図８に示す状態になると、凹部２５と両ポート２６，２７とが非連通状態となり作動ガスが流通しなくなる。なお、この実施の形態では、全ての切替弁にロータリー弁Ｃを用いているが、これに限定するものではなく、１つの切替弁にだけロータリー弁Ｃを用いるようにしてもよい。
【００１９】
上記実施の形態では、ロータリー弁Ｃの凹部２５の軸心方向長さの拡大や個数の増加による回転子１の径の拡大は極小となり、ロータリー弁Ｃの小型化，長寿命化が可能となる。このため、冷凍機の大型化，大容量化，高効率化が可能となる。
【００２０】
図９は本発明のパルスチューブ冷凍機の他の実施の形態を示している。この実施の形態では、図２１に示すパルスチューブ冷凍機において、切替弁９３，９４に代えて、および切替弁９５，９６に代えて、ロータリー弁Ｄを用いている。これ以外の部分は図２１に示すパルスチューブ冷凍機と同様であり、同様の部分は同じ符号を付している。
【００２１】
上記ロータリー弁Ｄは、上記ロータリー弁Ａにおいて、回転子１の外周面の一側面（図面では、左側面）に１つの凹部３２が形成されており、他側面（図面では、右側面）に１つの凹部３３が形成されている（図１０参照）。また、ハウジング２の一側面（図面では、左側面）に、上記凹部３２に連通する２つのポート３４，３５が穿設されているとともに、上記凹部３３に連通する２つのポート３５，３６が穿設されている（図１１参照）。そして、回転子１が回転し、図１１に示す状態になると、凹部３２と両ポート３４，３５とが連通し作動ガスが流通するようになる。このとき、凹部３３と両ポート３５，３６とは非連通状態となり作動ガスが流通しなくなる。また、この状態から回転子１が回転し、図１２に示す状態になると、凹部３３と両ポート３５，３６とが連通し作動ガスが流通するようになる。このとき、凹部３２と両ポート３４，３５とは非連通状態となり作動ガスが流通しなくなる。
【００２２】
なお、この実施の形態では、２つのロータリー弁Ｄを用いているが、これに限定するものではなく、切替弁９３，９４に代えてもしくは切替弁９５，９６に代えて、１つのロータリー弁Ｄを用いるようにしてもよい。この実施の形態でも、上記ロータリー弁Ａと同様の作用，効果を奏する。
【００２３】
図１３はロータリー弁Ｅに用いる回転子１を示している。この回転子１は、その外周面の一側面（図面では、左側面）に１つの凹部３８が形成されており、他側面（図面では、右側面）に１つの凹部３９が形成されている。また、上記ロータリー弁Ｅを構成するハウジング２の一側面（図面では、左側面）に、上記凹部３８に連通する２つのポート４０，４１（図１４参照）が穿設されているとともに、上記凹部３９に連通する２つのポート４２，４３（図１５参照）が穿設されている。このロータリー弁Ｅを用いた場合にも、上記ロータリー弁Ｄを用いた場合と同様の作用，効果を奏する。
【００２４】
図１６は本発明のパルスチューブ冷凍機のさらに他の実施の形態を示している。この実施の形態では、図２１に示すパルスチューブ冷凍機において、４つの切替弁９３〜９６に代えて、１つのロータリー弁Ｆを用いている（すなわち、図４に示すパルスチューブ冷凍機と同様の構造をしている）。図において、５１はコンプレッサーで、５２は蓄冷器で、５３はパルスチューブで、５４は高圧側バッファタンクで、５５が低圧側バッファタンクである。また、５６はコンプレッサー５１の低圧側とロータリー弁Ｆのポート７５とを連通するパイプで、５７はコンプレッサー５１の高圧側とロータリー弁Ｆのポート７７とを連通するパイプで、５８は高圧側バッファタンク５４とロータリー弁Ｆのポート７８とを連通するパイプで、５９は低圧側バッファタンク５５とロータリー弁Ｆのポート８０とを連通するパイプである。
【００２５】
上記ロータリー弁Ｆは、図１７に示すように、モータ（図示せず）により一方向に回転する回転子（弁体）６１と、この回転子６１を回転自在に内蔵するハウジング６２とを備えている。図において、６１ａは回転子６１に形成された連結軸部であり、ハウジング６２の一端面（図面では、右端面）から突出してモータに連結している。６３は回転子６１を回転自在に支受する軸受で、６４はＯリングで、６５，６６は蓋部である。
【００２６】
上記回転子６１には、その外周面に４つの凹部７１〜７４が形成されている。また、上記ハウジング６２には、その外周面に、上記ハウジング６２の長手方向に沿って一列に並ぶ６つのポート７５〜８０が穿設されており、これら各ポート７５〜８０が回転子６１の各凹部７１〜７４に対応している。すなわち、回転子６１の凹部７１はハウジング６２の両ポート７６，７７に、凹部７２は両ポート７５，７６に、凹部７３は両ポート７８，７９に、凹部７４は両ポート７９，８０にそれぞれ対応している。また、上記ハウジング６２のポート７６は蓄冷器５２に連通しており、ポート７９はパルスチューブ５３に連通している。
【００２７】
このようなパルスチューブ冷凍機の作動の概略を説明する。まず、モータの回転により、上記ハウジング６２の各ポート７５〜７７を非連通状態にするとともに、両ポート７９，８０を非連通状態にする。このとき、パルスチューブ５３内はコンプレッサー５１の低圧側と同一圧力となっている。つぎに、回転子６１の凹部７３を介して両ポート７８，７９を連通させると（図１８参照）、高圧側バッファタンク５４内の高圧冷媒ガスがパルスチューブ５３の熱端に流れ込み、パルスチューブ５３内のガス圧は高圧側バッファタンク５４の圧力近くまで上昇する。
【００２８】
つぎに、回転子６１の凹部７１を介して両ポート７６，７７を連通させると（図１７参照）、コンプレッサー５１の高圧側から高圧冷媒ガスが供給されてパルスチューブ５３の冷端に流入する。このとき、高圧冷媒ガスの流入圧力（コンプレッサー５１の高圧側の圧力）が高圧側バッファタンク５４の圧力よりやや高く設定されており、パルスチューブ５３の熱端に流れ込んだ高圧冷媒ガスはただちに高圧側バッファタンク５４内に戻される。
【００２９】
つぎに、両ポート７６，７７および両ポート７８，７９を非連通状態にしたのちに、回転子６１の凹部７４を介して両ポート７９，８０を連通させると（図１９参照）、パルスチューブ５３の熱端の冷媒ガスが低圧側バッファタンク５５に流入する（戻る）ため、パルスチューブ５３内の圧力が低圧側バッファタンク５５の圧力まで低下する。すなわち、パルスチューブ５３内の高圧冷媒ガスは低圧側バッファタンク５５の圧力まで膨脹し、温度降下してパルスチューブ５３の冷端側を冷却する。
【００３０】
つぎに、回転子６１の凹部７２を介して両ポート７５，７６を連通させると（図２０参照）、パルスチューブ５３内で膨脹した冷媒ガスがコンプレッサー５１の低圧側に排出されるとともに、低圧側バッファタンク５５の低圧冷媒ガスがパルスチューブ５３内に流入する。
【００３１】
こうして１サイクルが終わり、ついで新たに１サイクルが始まる。このように循環してワークするので、高圧冷媒ガスは、不断に膨脹して低圧となる。
【００３２】
なお、上記各実施の形態に用いるパルスチューブ冷凍機としては、密閉系のものでもよいし、開放系のものでもよい。また、蓄冷材を持つものでもよいし、蓄冷材を持たないものでもよい。また、間接冷却方式のものでもよいし、直接冷却方式のものでもよい。
【００３３】
【発明の効果】
以上のように、本発明の冷凍機によれば、凹部，複数のポートが軸心方向に独立したロータリー弁を用いているため、凹部幅，ポート径の拡大や凹部数，ポート数の増加による回転子の径の拡大は極小となり、ロータリー弁の小型化，長寿命化が可能となる。その結果、本発明の冷凍機は、従来の電磁弁や平面シール型ロータリー弁に比べて、大口径化，複数ポート化を容易に行うことができ、大型化，大容量化，高効率化を実現できるようになる。例えば、本発明の冷凍機によれば、数百ワット以上の大型冷凍機を提供することができる。むろん、従来の数ワットクラスの小型冷凍機にも適用は可能である。一方、本発明のロータリー弁を用いることにより、本発明の冷凍機を容易に作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の冷凍機に用いるロータリー弁の構造説明図である。
【図２】上記ロータリー弁の作用の説明図である。
【図３】上記ロータリー弁の作用の説明図である。
【図４】ロータリー弁を用いたパルスチューブ冷凍機の説明図である。
【図５】本発明の冷凍機の一実施の形態を示す説明図である。
【図６】ロータリー弁に用いる回転子の斜視図である。
【図７】上記ロータリー弁の作用を示す説明図である。
【図８】上記ロータリー弁の作用を示す説明図である。
【図９】本発明の冷凍機の他の実施の形態を示す説明図である。
【図１０】ロータリー弁に用いる回転子の斜視図である。
【図１１】上記ロータリー弁の作用を示す説明図である。
【図１２】上記ロータリー弁の作用を示す説明図である。
【図１３】上記回転子の変形例を示す斜視図である。
【図１４】上記回転子を用いたロータリー弁の構造説明図である。
【図１５】上記回転子を用いたロータリー弁の構造説明図である。
【図１６】本発明の冷凍機のさらに他の実施の形態を示す説明図である。
【図１７】ロータリー弁の断面図である。
【図１８】上記ロータリー弁の作用を示す説明図である。
【図１９】上記ロータリー弁の作用を示す説明図である。
【図２０】上記ロータリー弁の作用を示す説明図である。
【図２１】従来例のパルスチューブ冷凍機を示す説明図である。
【図２２】平面シール型ロータリー弁を示す説明図である。
【図２３】
上記平面シール型ロータリー弁の作用を示す説明図である。
【符号の説明】
１ 回転子
２ ハウジング
５〜１２ ポート
１７〜２２ ポート
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷凍機およびこれに用いるロータリー弁に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＧＭ（ギフォード・マクマホン）冷凍機，パルスチューブ冷凍機等を代表とする小型冷凍機を駆動させるには、圧力振動源が必要であり、場合により位相制御装置が必要である。また、これら圧力振動源，位相制御装置には、作動ガスの流れを制御するために切替弁が設置されている。例えば、図２１に示すように、アクティブバッファ型パルスチューブ冷凍機において、圧力振動源としてコンプレッサー９１＋２個の切替弁９３，９４を用い、位相制御装置として２個のバッファタンク９２ａ，９２ｂ＋２個の切替弁９５，９６を用いたものがある。図において、９７は蓄冷器で、９８はパルスチューブである。
【０００３】
上記各切替弁９３〜９６は、冷凍機を効率よく駆動させるために、厳密に決められたある一定のサイクルで開閉されるが、そのサイクルは通常数〜数十Ｈｚの圧力振動であり、開閉サイクルが比較的早い。このため、上記各切替弁９３〜９６としては、通常、電磁弁や図２２に示す小型の平面シール型ロータリー弁が使用されている。この平面シール型ロータリー弁は、２つのポート１０２，１０３（両ポート１０２，１０３は連通路１０４で連通している）を設置した回転子１０１と、３つのポート１０６〜１０８を設置した固定子１０５とが面接触する構造であり、モータ１０９の回転により回転子１０１が回転して各ポート１０２，１０３，１０６〜１０８を切り替える（図２２に示すように、固定子１０５の両ポート１０７，１０８を連通する状態と、図２３に示すように、固定子１０５の両ポート１０６，１０７を連通する状態とに切り替える）構造となっている。このように、図２２に示す平面シール型ロータリー弁は、作動ガスを２方向に切り替えることができるため、圧力振動源および位相制御装置にそれぞれ１つずつ設置すればよい。図において、１１０は回転子１０１を回転自在に内蔵するハウジングである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
冷凍機の大型化，高効率化を実現するには作動ガスの大容量化，運転周波数の高速化，複雑な位相制御装置の設置が必要であるが、市場性を考慮すると、それらを満足し、かつ、そのための切替弁が小型で、長寿命であることが望ましい。しかしながら、切替弁の代表例である電磁弁や図２２に示す平面シール型ロータリー弁では、上記要望を満足させることができず、冷凍機の大型化，高効率化を実現できていないのが実情である。
【０００５】
すなわち、切替弁として電磁弁を用いると、作動ガスの大容量化を行おうとした場合に、弁が複雑で大きくなり、高速に作動しなくなる。また、高速に頻繁に作動させた場合には、寿命が著しく低下する。また、位相制御装置を設置する場合に、この位相制御装置を複雑化するためには、弁数を増やす必要があり、冷凍機全体が大きくなる。
【０００６】
一方、切替弁として上記平面シール型ロータリー弁を用いると、作動ガスの大容量化を行うためにポート径を大きくする場合や、複雑な位相制御装置とするためにポート数を増やす場合に、回転子１０１と固定子１０５の直径を大きくする必要があり、回転子１０１と固定子１０５の接触面積が大きくなる。また、回転子１０１と固定子１０５の接触面積が大きくなる分、回転子１０１に作用する圧力が大きくなるため、トルクの大きなモータ１０９が必要となり、弁全体が大きくなる。そこで、現在までは、冷凍能力が数ワットクラスの比較的小型の冷凍機しか開発できていないのが実情である。
【０００７】
本発明は、このような事情に鑑みなされたもので、小型，長寿命の切替弁を用いることにより大型化，大容量化，高効率化を実現できる冷凍機およびこれに用いるロータリー弁の提供をその目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明は、軸心を中心として回転する水平断面円形の回転子と、この回転子を回転自在に内蔵するハウジングとからなり、上記回転子の外周面に凹部を設けるとともに、ハウジングの内周面に、上記凹部に対応する複数のポートを設け、上記回転子の回転により、回転子の凹部とこれに対応する上記ハウジングのポートとを合致させて上記凹部とこれに対応するポートを連通させる状態と、上記合致を外して上記凹部とこれに対応するポートを非連通にする状態とに切り替えるロータリー弁を用いた冷凍機を第１の要旨とし、上記冷凍機に用いるロータリー弁であって、軸心を中心として回転する水平断面円形の回転子と、この回転子を回転自在に内蔵するハウジングとからなり、上記回転子の外周面に凹部を設けるとともに、ハウジングの内周面に、上記凹部に対応する複数のポートを設け、上記回転子の回転により、回転子の凹部とこれに対応する上記ハウジングのポートとを合致させて上記凹部とこれに対応するポートを連通させる状態と、上記合致を外して上記凹部とこれに対応するポートを非連通にする状態とに切り替えるようにしたロータリー弁を第２の要旨とする。
【０００９】
すなわち、本発明の冷凍機は、（軸心を中心として回転する水平断面円形の）回転子の外周面に凹部を設けるとともに、（回転子を回転自在に内蔵する）ハウジングの内周面に、上記凹部に対応する複数のポートを設けたロータリー弁を用いている。このように、本発明の冷凍機は、凹部，複数のポートが軸心方向に独立したロータリー弁を用いているため、凹部幅，ポート径の拡大や凹部数，ポート数の増加による回転子の径の拡大は極小となり、ロータリー弁の小型化，長寿命化が可能となる。その結果、本発明の冷凍機は、従来の電磁弁や平面シール型ロータリー弁に比べて、大口径化，複数ポート化を容易に行うことができ、大型化，大容量化，高効率化を実現できるようになる。例えば、本発明の冷凍機によれば、数百ワット以上の大型冷凍機を提供することができる。むろん、従来の数ワットクラスの小型冷凍機にも適用は可能である。このような、本発明の冷凍機としては、パルスチューブ冷凍機，ＧＭ冷凍機，ソルベイ冷凍機が挙げられるが、これらに限定するものではなく、弁を切り替えることにより作動ガスを切り替える必要のある冷凍機であれば、その種類を問わない。一方、本発明のロータリー弁を用いることにより、本発明の冷凍機を容易に作製することができる。なお、本発明において、「水平断面円形の回転子」とは、回転子を垂直に立てた場合に回転子の水平断面形状が円形をしていることを指しており、また、回転子を水平に寝かせた場合には回転子の垂直断面形状が円形をしていることを指している。
【００１０】
本発明の冷凍機に用いるロータリー弁の構造，作用，効果を、図１に示すロータリー弁Ａを用いて詳しく説明する。このロータリー弁Ａは、軸心を中心として回転する円柱形状の回転子１と、この回転子１を回転自在に内蔵する円筒形状のハウジング２と、上記回転子１を回動自在に軸支する２つの軸受３，３と、上記回転子１を一方向に回転させるモータ４とを備えている。また、上記回転子１の外周面に８つのポート５〜１２（これら８つのポート５〜１２のうち、両ポート５，６、両ポート７，８、両ポート９，１０および両ポート１１，１２は連通路１３〜１６で連通している）が形成されているとともに、上記各ポート５〜１２に対応する上記ハウジング２の部分に６つのポート１７〜２２（これら６つのポート１７〜２２のうち、ポート１７はポート５に、ポート１８は両ポート６，９に、ポート１９はポート１０に、ポート２０はポート７に、ポート２１はポート１１に、ポート２２は両ポート８，１２にそれぞれ対応している）が穿設されている。そして、図１に示す状態では、両ポート５，１７、両ポート６，１８、両ポート７，２０および両ポート８，２２がそれぞれ連通しており、他のポート９〜１２，１９，２１が非連通状態になっている。また、回転子１が回転し、図２に示す状態になると、両ポート９，１８、両ポート１０，１９、両ポート１１，２１および両ポート１２，２２がそれぞれ連通しており、他のポート５〜８，１７，２０が非連通状態になっている。また、回転子１が回転し、図３に示す状態になると、各ポート１７〜２２がすべて非連通状態になっている。
【００１１】
なお、本発明の冷凍機に用いるロータリー弁では、ポート５〜１２に代えて、凹部（図６参照）を形成している。また、回転子１は円筒形状（すなわち、中空形状）でも円柱形状（すなわち、中実形状）でもよいし、回転子１の回転は、モータ４以外の各種手段により行うことができる。また、ハウジング２に穿設するポート１７〜２２はハウジング２の同一側面に位置していなくてもよい。また、軸受３を回転子１の両端に設置しているが、回転子１の一端にだけ設置してもよいし、軸受３として、ころがり軸受だけでなく、滑り軸受等の一般的な軸受を用いることができる。また、モータ４として、反転自在型を用いてもよい。また、モータ４の回転は一様であっても、断続的に変化してもよい。
【００１２】
図４に示すパルスチューブ冷凍機は、図２１に示すパルスチューブ冷凍機において、４つの切替弁９３〜９６に代えて、１つのロータリー弁Ｂ（図１に示すロータリー弁Ａと同様構造）を用いたものである。ただし、ロータリー弁Ｂは上記各切替弁９３〜９６と同じ作用をする必要があるため、各ポート５〜１２，１７〜２２の形状，個数等はロータリー弁Ａと異なる。
【００１３】
上記ロータリー弁Ａ，Ｂにおいて、回転子１の径を小型化すると、断面積が小さくなるため、回転子１に作用する圧力負荷の影響を極小とすることができる。また、回転子１の外径の周速度が減少するため、回転子１とハウジング２の間にシール（図１〜図３では、図示せず）を設置する場合に、このシールの摩擦による発生トルクを減少させることができる。そして、圧力負荷の減少およびシールの摩擦による発生トルクの減少により、モータ４の所要動力を減少させることができる。その結果、小型で高速なモータ４を使用することができる。また、回転子１の周速度の減少により、（回転子１とハウジング２の間に設置した）シールの長寿命化および回転子１の高回転化を実現することができる。
【００１４】
また、回転子１に作用する軸方向および半径方向の荷重は軸受３により支受されるため、さらにモータ４への負荷が減少し、モータ４の所要動力を極小にすることができる。また、回転子１が受ける圧力負荷は、それを支受する軸受３により、さらに減少する。これらは回転子１およびモータ４の小型化に寄与し、ロータリー弁Ａ，Ｂ全体を小さくすることができる。
【００１５】
これらの構造的利点により、本発明のロータリー弁は、ポート径の大径化を容易に行うことができ、これに伴い作動ガスの大容量化・運転周波数の高速化を容易に行うことができ、これを用いた本発明の冷凍機の大型化を実現することができる。また、本発明のロータリー弁は、ポート数を容易に増加させることができるため、複雑な位相制御装置にすることが容易に行え、これを用いた本発明の冷凍機の高効率化を実現することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
つぎに、本発明の実施の形態を図面にもとづいて詳しく説明する。
【００１７】
図５は本発明のパルスチューブ冷凍機の一実施の形態を示している。この実施の形態では、図２１に示すパルスチューブ冷凍機において、各切替弁として、ロータリー弁Ｃを用いている。これ以外の部分は図２１に示すパルスチューブ冷凍機と同様であり、同様の部分は同じ符号を付している。
【００１８】
上記ロータリー弁Ｃは、上記ロータリー弁Ａにおいて、円柱形状の回転子１の外周面に１つの凹部２５（図６参照）が形成されているとともに、円筒形状のハウジング２の一側面（図面では、左側面）に、上記凹部２５に連通する２つのポート２６，２７（図７参照）が穿設されている。そして、回転子１が回転し、図７に示す状態になると、凹部２５と両ポート２６，２７とが連通し作動ガスが流通するようになる。また、この状態から回転子１が回転し、図８に示す状態になると、凹部２５と両ポート２６，２７とが非連通状態となり作動ガスが流通しなくなる。なお、この実施の形態では、全ての切替弁にロータリー弁Ｃを用いているが、これに限定するものではなく、１つの切替弁にだけロータリー弁Ｃを用いるようにしてもよい。
【００１９】
上記実施の形態では、ロータリー弁Ｃの凹部２５の軸心方向長さの拡大や個数の増加による回転子１の径の拡大は極小となり、ロータリー弁Ｃの小型化，長寿命化が可能となる。このため、冷凍機の大型化，大容量化，高効率化が可能となる。
【００２０】
図９は本発明のパルスチューブ冷凍機の他の実施の形態を示している。この実施の形態では、図２１に示すパルスチューブ冷凍機において、切替弁９３，９４に代えて、および切替弁９５，９６に代えて、ロータリー弁Ｄを用いている。これ以外の部分は図２１に示すパルスチューブ冷凍機と同様であり、同様の部分は同じ符号を付している。
【００２１】
上記ロータリー弁Ｄは、上記ロータリー弁Ａにおいて、回転子１の外周面の一側面（図面では、左側面）に１つの凹部３２が形成されており、他側面（図面では、右側面）に１つの凹部３３が形成されている（図１０参照）。また、ハウジング２の一側面（図面では、左側面）に、上記凹部３２に連通する２つのポート３４，３５が穿設されているとともに、上記凹部３３に連通する２つのポート３５，３６が穿設されている（図１１参照）。そして、回転子１が回転し、図１１に示す状態になると、凹部３２と両ポート３４，３５とが連通し作動ガスが流通するようになる。このとき、凹部３３と両ポート３５，３６とは非連通状態となり作動ガスが流通しなくなる。また、この状態から回転子１が回転し、図１２に示す状態になると、凹部３３と両ポート３５，３６とが連通し作動ガスが流通するようになる。このとき、凹部３２と両ポート３４，３５とは非連通状態となり作動ガスが流通しなくなる。
【００２２】
なお、この実施の形態では、２つのロータリー弁Ｄを用いているが、これに限定するものではなく、切替弁９３，９４に代えてもしくは切替弁９５，９６に代えて、１つのロータリー弁Ｄを用いるようにしてもよい。この実施の形態でも、上記ロータリー弁Ａと同様の作用，効果を奏する。
【００２３】
図１３はロータリー弁Ｅに用いる回転子１を示している。この回転子１は、その外周面の一側面（図面では、左側面）に１つの凹部３８が形成されており、他側面（図面では、右側面）に１つの凹部３９が形成されている。また、上記ロータリー弁Ｅを構成するハウジング２の一側面（図面では、左側面）に、上記凹部３８に連通する２つのポート４０，４１（図１４参照）が穿設されているとともに、上記凹部３９に連通する２つのポート４２，４３（図１５参照）が穿設されている。このロータリー弁Ｅを用いた場合にも、上記ロータリー弁Ｄを用いた場合と同様の作用，効果を奏する。
【００２４】
図１６は本発明のパルスチューブ冷凍機のさらに他の実施の形態を示している。この実施の形態では、図２１に示すパルスチューブ冷凍機において、４つの切替弁９３〜９６に代えて、１つのロータリー弁Ｆを用いている（すなわち、図４に示すパルスチューブ冷凍機と同様の構造をしている）。図において、５１はコンプレッサーで、５２は蓄冷器で、５３はパルスチューブで、５４は高圧側バッファタンクで、５５が低圧側バッファタンクである。また、５６はコンプレッサー５１の低圧側とロータリー弁Ｆのポート７５とを連通するパイプで、５７はコンプレッサー５１の高圧側とロータリー弁Ｆのポート７７とを連通するパイプで、５８は高圧側バッファタンク５４とロータリー弁Ｆのポート７８とを連通するパイプで、５９は低圧側バッファタンク５５とロータリー弁Ｆのポート８０とを連通するパイプである。
【００２５】
上記ロータリー弁Ｆは、図１７に示すように、モータ（図示せず）により一方向に回転する回転子（弁体）６１と、この回転子６１を回転自在に内蔵するハウジング６２とを備えている。図において、６１ａは回転子６１に形成された連結軸部であり、ハウジング６２の一端面（図面では、右端面）から突出してモータに連結している。６３は回転子６１を回転自在に支受する軸受で、６４はＯリングで、６５，６６は蓋部である。
【００２６】
上記回転子６１には、その外周面に４つの凹部７１〜７４が形成されている。また、上記ハウジング６２には、その外周面に、上記ハウジング６２の長手方向に沿って一列に並ぶ６つのポート７５〜８０が穿設されており、これら各ポート７５〜８０が回転子６１の各凹部７１〜７４に対応している。すなわち、回転子６１の凹部７１はハウジング６２の両ポート７６，７７に、凹部７２は両ポート７５，７６に、凹部７３は両ポート７８，７９に、凹部７４は両ポート７９，８０にそれぞれ対応している。また、上記ハウジング６２のポート７６は蓄冷器５２に連通しており、ポート７９はパルスチューブ５３に連通している。
【００２７】
このようなパルスチューブ冷凍機の作動の概略を説明する。まず、モータの回転により、上記ハウジング６２の各ポート７５〜７７を非連通状態にするとともに、両ポート７９，８０を非連通状態にする。このとき、パルスチューブ５３内はコンプレッサー５１の低圧側と同一圧力となっている。つぎに、回転子６１の凹部７３を介して両ポート７８，７９を連通させると（図１８参照）、高圧側バッファタンク５４内の高圧冷媒ガスがパルスチューブ５３の熱端に流れ込み、パルスチューブ５３内のガス圧は高圧側バッファタンク５４の圧力近くまで上昇する。
【００２８】
つぎに、回転子６１の凹部７１を介して両ポート７６，７７を連通させると（図１７参照）、コンプレッサー５１の高圧側から高圧冷媒ガスが供給されてパルスチューブ５３の冷端に流入する。このとき、高圧冷媒ガスの流入圧力（コンプレッサー５１の高圧側の圧力）が高圧側バッファタンク５４の圧力よりやや高く設定されており、パルスチューブ５３の熱端に流れ込んだ高圧冷媒ガスはただちに高圧側バッファタンク５４内に戻される。
【００２９】
つぎに、両ポート７６，７７および両ポート７８，７９を非連通状態にしたのちに、回転子６１の凹部７４を介して両ポート７９，８０を連通させると（図１９参照）、パルスチューブ５３の熱端の冷媒ガスが低圧側バッファタンク５５に流入する（戻る）ため、パルスチューブ５３内の圧力が低圧側バッファタンク５５の圧力まで低下する。すなわち、パルスチューブ５３内の高圧冷媒ガスは低圧側バッファタンク５５の圧力まで膨脹し、温度降下してパルスチューブ５３の冷端側を冷却する。
【００３０】
つぎに、回転子６１の凹部７２を介して両ポート７５，７６を連通させると（図２０参照）、パルスチューブ５３内で膨脹した冷媒ガスがコンプレッサー５１の低圧側に排出されるとともに、低圧側バッファタンク５５の低圧冷媒ガスがパルスチューブ５３内に流入する。
【００３１】
こうして１サイクルが終わり、ついで新たに１サイクルが始まる。このように循環してワークするので、高圧冷媒ガスは、不断に膨脹して低圧となる。
【００３２】
なお、上記各実施の形態に用いるパルスチューブ冷凍機としては、密閉系のものでもよいし、開放系のものでもよい。また、蓄冷材を持つものでもよいし、蓄冷材を持たないものでもよい。また、間接冷却方式のものでもよいし、直接冷却方式のものでもよい。
【００３３】
【発明の効果】
以上のように、本発明の冷凍機によれば、凹部，複数のポートが軸心方向に独立したロータリー弁を用いているため、凹部幅，ポート径の拡大や凹部数，ポート数の増加による回転子の径の拡大は極小となり、ロータリー弁の小型化，長寿命化が可能となる。その結果、本発明の冷凍機は、従来の電磁弁や平面シール型ロータリー弁に比べて、大口径化，複数ポート化を容易に行うことができ、大型化，大容量化，高効率化を実現できるようになる。例えば、本発明の冷凍機によれば、数百ワット以上の大型冷凍機を提供することができる。むろん、従来の数ワットクラスの小型冷凍機にも適用は可能である。一方、本発明のロータリー弁を用いることにより、本発明の冷凍機を容易に作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の冷凍機に用いるロータリー弁の構造説明図である。
【図２】上記ロータリー弁の作用の説明図である。
【図３】上記ロータリー弁の作用の説明図である。
【図４】ロータリー弁を用いたパルスチューブ冷凍機の説明図である。
【図５】本発明の冷凍機の一実施の形態を示す説明図である。
【図６】ロータリー弁に用いる回転子の斜視図である。
【図７】上記ロータリー弁の作用を示す説明図である。
【図８】上記ロータリー弁の作用を示す説明図である。
【図９】本発明の冷凍機の他の実施の形態を示す説明図である。
【図１０】ロータリー弁に用いる回転子の斜視図である。
【図１１】上記ロータリー弁の作用を示す説明図である。
【図１２】上記ロータリー弁の作用を示す説明図である。
【図１３】上記回転子の変形例を示す斜視図である。
【図１４】上記回転子を用いたロータリー弁の構造説明図である。
【図１５】上記回転子を用いたロータリー弁の構造説明図である。
【図１６】本発明の冷凍機のさらに他の実施の形態を示す説明図である。
【図１７】ロータリー弁の断面図である。
【図１８】上記ロータリー弁の作用を示す説明図である。
【図１９】上記ロータリー弁の作用を示す説明図である。
【図２０】上記ロータリー弁の作用を示す説明図である。
【図２１】従来例のパルスチューブ冷凍機を示す説明図である。
【図２２】平面シール型ロータリー弁を示す説明図である。
【図２３】
上記平面シール型ロータリー弁の作用を示す説明図である。
【符号の説明】
１ 回転子
２ ハウジング
５〜１２ ポート
１７〜２２ ポート
Claims (5)
- 軸心を中心として回転する水平断面円形の回転子と、この回転子を回転自在に内蔵するハウジングとからなり、上記回転子の外周面に凹部を設けるとともに、ハウジングの内周面に、上記凹部に対応する複数のポートを設け、上記回転子の回転により、回転子の凹部とこれに対応する上記ハウジングのポートとを合致させて上記凹部とこれに対応するポートを連通させる状態と、上記合致を外して上記凹部とこれに対応するポートを非連通にする状態とに切り替えるロータリー弁を用いたことを特徴とする冷凍機。
- 冷凍機がパルスチューブ冷凍機である請求項１記載の冷凍機。
- 冷凍機がＧＭ冷凍機である請求項１記載の冷凍機。
- 冷凍機がソルベイ冷凍機である請求項１記載の冷凍機。
- 請求項１記載の冷凍機に用いるロータリー弁であって、軸心を中心として回転する水平断面円形の回転子と、この回転子を回転自在に内蔵するハウジングとからなり、上記回転子の外周面に凹部を設けるとともに、ハウジングの内周面に、上記凹部に対応する複数のポートを設け、上記回転子の回転により、回転子の凹部とこれに対応する上記ハウジングのポートとを合致させて上記凹部とこれに対応するポートを連通させる状態と、上記合致を外して上記凹部とこれに対応するポートを非連通にする状態とに切り替えるようにしたことを特徴とするロータリー弁。
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