JP4684239B2 - 極低温冷凍機の低トルクバルブ - Google Patents

Description

本発明は極低温冷凍機に関し、特に、Ｇｉｆｆｏｒｄ ＭｃＭａｈｏｎ（ＧＭ）冷凍機、ＧＭ型パルス管冷凍機及びソルベイ冷凍機に関する。係る極低温冷凍機のコールドヘッドは、一般的に回転バルブディスク及びバルブシートから構成されるバルブ機構を包含する。また、複数の別々のポートを備え、その様々なポートの周期的な配置により、圧縮機が供給する作業流体がコールドヘッドの作業容積と蓄冷器との間を往復しながら通過できるようにする。

ＧＭ型及びソルベイ型冷凍機は、略一定の高圧でガスを供給し、略一定の低圧でガスを受け入れる圧縮機を使用する。当該ガスは、バルブ機構により圧縮機に比べ低速で作動する往復膨張機に供給される。当該バルブ機構は、交互にガスを当該膨張機に出し入れさせる。Ｇｉｆｆｏｒｄの米国特許第３１１９２３７号明細書は、初期のガス駆動ＧＭ膨張機、及び冷凍機への気体流をドライブピストンへの気体流と位相をずらして制御する複数ポートの回転スプールバルブを開示する。それに続く米国特許第３２０５６６８号明細書では、Ｇｉｆｆｏｒｄは、バルブ面全体の密封を維持するための高圧から低圧への圧力差を使用する複数ポートの回転ディスクバルブを開示する。彼は、このタイプのバルブが長時間作動後で、かつ、いくらかの磨耗を受けた後であってもスプールタイプのバルブより漏えい率が低い点で優れていると記述する。このタイプのバルブは、例えばＬｏｎｇｓｗｏｒｔｈの米国特許第３６２００２９号明細書やＣｈｅｌｌｉｓの米国特許第３６２５０１５号明細書で示されるような様々なタイプのＧＭ冷凍機で広く使用されている。
米国特許第３１１９２３７号明細書 米国特許第３２０５６６８号明細書 米国特許第３６２００２９号明細書 米国特許第３６２５０１５号明細書 米国特許第４９８７７４３号明細書 米国特許第３２３７４２１号明細書 米国特許第６２５６９９８号明細書 米国特許第５３６１５８８号明細書 Ｅ．Ｉ．Ｍｉｋｕｌｉｎ，Ａ．Ａ．Ｔａｒａｓｏｗ ａｎｄ Ｍ．Ｐ．Ｓｈｋｒｅｂｙｏｎｏｃｋ，"Ｌｏｗ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｅｘｐａｎｓｉｏｎ （ｏｒｉｆｉｃｅ ｔｙｐｅ） ｐｕｌｓｅ ｔｕｂｅ"，Ａｄｖａｎｃｅｓ ｉｎ Ｃｒｙｏｇｅｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｖｏｌ．２９，１９８４，ｐ６２９ Ｓ．Ｚｈｕ ａｎｄ Ｐ．Ｗｕ，"Ｄｏｕｂｌｅ ｉｎｌｅｔ ｐｕｌｓｅ ｔｕｂｅ ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｏｒｓ：ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ"，Ｃｒｙｏｇｅｎｉｃｓ，Ｖｏｌ．３０，１９９０，ｐ．５１４ Ｙ．Ｍａｔｓｕｂａｒａ，Ｊ．Ｌ．Ｇａｏ，Ｋ．Ｔａｎｉｄａ，Ｙ．ｈｉｒｅｓａｋｉ ａｎｄ Ｍ．Ｋａｎｅｋｏ，"Ａｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ａｎｄ ａｎａｌｙｔｉｃａｌ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｏｆ 4Ｋ（ｆｏｕｒ ｖａｌｖｅ） ｐｕｌｓｅ ｔｕｂｅ ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｏｒ"，Ｐｒｏｃ．７ｔｈ Ｉｎｔｌ．Ｃｒｙｏｃｏｏｌｅｒ Ｃｏｎｆ．，Ａｉｒ Ｆｏｒｃｅ Ｒｅｐｏｒｔ ＰＬ−（Ｐ−９３−１０１），１９９３，ｐ１６６−１８６ Ｓ．Ｗ．Ｚｈｕ，Ｙ．Ｋａｋａｍｉ，Ｋ．Ｆｕｊｉｏｋａ ａｎｄ Ｙ．Ｍａｔｓｕｂａｒａ，"Ａｃｔｉｖｅ−ｂｕｆｆｅｒ ｐｕｌｓｅ ｔｕｂｅ ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｏｒ"，Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ １６ｔｈ Ｃｒｙｏｇｅｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，１９９７，ｐ．２９１−２９４ Ｊ．Ｙｕａｎ ａｎｄ Ｊ．Ｍ．Ｐｆｏｔｅｎｈａｕｅｒ，"Ａ ｓｉｎｇｌｅ ｓｔａｇｅ ｆｉｖｅ ｖａｌｖｅ ｐｕｌｓｅ ｔｕｂｅ ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｏｒ ｒｅａｃｈｉｎｇ ３２Ｋ"，Ａｄｖａｎｃｅｓ ｉｎ Ｃｒｙｏｇｅｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｖｏｌ．４３，１９９８，ｐ．１９８３−１９８９

このタイプのバルブには、より大きなポートに合わせるためにその直径が増大するにつれ、より大きなトルクを必要とするという不利点がある。Ｌｏｂｂの米国特許第４９８７７４３号明細書は、プラグをモーターシャフトに取り付けられるバルブディスクの奥深くに有することによりバルブディスク面にかかる力を低減させる手段を開示する。プラグ裏面上の高圧ガス、及び、プラグ面とバルブディスクの裏面中心部との間のキャビティにある低圧ガスは、モーターベアリングに軸方向加重を加えるが、バルブディスク表面にかかる力を低減させる。これにより、バルブディスクを回転させるために必要なトルクはより小さくて済む。モーターシャフトにかかる力の方向は、バルブシートに向かう方向である。

また、Ｇｉｆｆｏｒｄは、固体ディスプレイサーを気体ディスプレイサーに置き換える膨張機を考え出し、それを“パルス管”冷凍機と名付けた。これは、米国特許第３２３７４２１号明細書で最初に記載され、初期のＧＭ冷凍機と同様、バルブに接続されたパルス管を開示する。また、それは、圧縮機と同じ速度でパルスを発生させるよう直接圧縮機に接続されたパルス管膨張機を開示する。これは、スターリング冷凍機に相当するものである。

初期のパルス管冷凍機は、ＧＭ冷凍機と張り合うには十分効率的ではなかった。しかし、Ｅ．Ｉ．Ｍｉｋｕｌｉｎ，Ａ．Ａ．Ｔａｒａｓｏｗ ａｎｄ Ｍ．Ｐ．Ｓｈｋｒｅｂｙｏｎｏｃｋ，“Ｌｏｗ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｅｘｐａｎｓｉｏｎ （ｏｒｉｆｉｃｅ ｔｙｐｅ） ｐｕｌｓｅ ｔｕｂｅ”，Ａｄｖａｎｃｅｓ ｉｎ Ｃｒｙｏｇｅｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｖｏｌ．２９，１９８４，ｐ６２９に報告されるように大幅な改善がＭｉｋｕｌｉｎらによって行われ、さらなる改善を求めようとする大きな関心が沸き起こった。１９８４年以後の主要な改善の説明は、Ｓ．Ｚｈｕ ａｎｄ Ｐ．Ｗｕ，“Ｄｏｕｂｌｅ ｉｎｌｅｔ ｐｕｌｓｅ ｔｕｂｅ ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｏｒｓ：ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ”，Ｃｒｙｏｇｅｎｉｃｓ，Ｖｏｌ．３０，１９９０，ｐ．５１４、Ｙ．Ｍａｔｓｕｂａｒａ，Ｊ．Ｌ．Ｇａｏ，Ｋ．Ｔａｎｉｄａ，Ｙ．ｈｉｒｅｓａｋｉ ａｎｄ Ｍ．Ｋａｎｅｋｏ，“Ａｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ａｎｄ ａｎａｌｙｔｉｃａｌ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｏｆ 4Ｋ（ｆｏｕｒ ｖａｌｖｅ） ｐｕｌｓｅ ｔｕｂｅ ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｏｒ”，Ｐｒｏｃ．７ｔｈ Ｉｎｔｌ．Ｃｒｙｏｃｏｏｌｅｒ Ｃｏｎｆ．，Ａｉｒ Ｆｏｒｃｅ Ｒｅｐｏｒｔ ＰＬ−（Ｐ−９３−１０１），１９９３，ｐ１６６−１８６、Ｓ．Ｗ．Ｚｈｕ，Ｙ．Ｋａｋａｍｉ，Ｋ．Ｆｕｊｉｏｋａ ａｎｄ Ｙ．Ｍａｔｓｕｂａｒａ，”Ａｃｔｉｖｅ−ｂｕｆｆｅｒ ｐｕｌｓｅ ｔｕｂｅ ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｏｒ”，Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ １６ｔｈ Ｃｒｙｏｇｅｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，１９９７，ｐ．２９１−２９４、及び、Ｊ．Ｙｕａｎ ａｎｄ Ｊ．Ｍ．Ｐｆｏｔｅｎｈａｕｅｒ，”Ａ ｓｉｎｇｌｅ ｓｔａｇｅ ｆｉｖｅ ｖａｌｖｅ ｐｕｌｓｅ ｔｕｂｅ ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｏｒ ｒｅａｃｈｉｎｇ ３２Ｋ”，Ａｄｖａｎｃｅｓ ｉｎ Ｃｒｙｏｇｅｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｖｏｌ．４３，１９９８，ｐ．１９８３−１９８９で見ることができる。

これらのパルス管のすべては、バルブを使用してパルス管の内外でガスを循環させるＧＭ型パルス管膨張機として動作するが、シングル及びダブルオリフィスのパルス管のみがスターリング型パルス管膨張機として動作している。スターリング型パルス管は、比較的高速で動作するために小型である。高い速度は、低温への到達を困難にするために、約２０Ｋより低い用途では低速で動作するＧＭ型パルス管が典型的に使用される。４Ｋでの最高の成果は、Ｇａｏによる米国特許第６２５６９９８号明細書の図９に示されるパルス管で得られたことが知られている。この設計は、Ｇａｏの図１１に示され順序正しく開閉する６バルブを有する。

バルブディスクとバルブシートとの接触を維持するために、従来技術のほとんどでは、バルブディスクは、高圧作業流体で満たされるチャンバー内に位置する。通常、このチャンバーは、圧縮機の供給側に接続される。これは、Ｇｉｆｆｏｒｄの米国特許第３２０５６６８号明細書、Ｌｏｎｇｓｗｏｒｔｈの米国特許第３６２５０１５号明細書及びＬｏｂｂの米国特許第４９８７７４３号明細書で示されている。

バルブディスクは、圧縮機の供給側に接続されるチャンバー内にあるので、当該バルブディスクからの磨耗粉が、コールドヘッド自身に吹き込み易く、そのことが性能を低下させる。パルス管冷凍機は、従来のＧＭ冷凍機よりダストに対し敏感である。このダストは、パルス管の高温側にあるオリフィスの開度を調節するために使用されるニードルの表面にくっつき、或いは、オリフィス及び流路に堆積するからである。パルス管冷凍機の性能は、オリフィスの開度に反応し易く、従って、それをダストフリーに保つことが好適である。ダストをバルブディスク上のポートに吹き込み易いのは、外側にある高圧ガスが半径方向に内側にバルブディスクの中心にある低圧領域に向かってダストを吹き入れるためである。

蓄冷器の高温側及びパルス管オリフィスに集まるバルブディスクの磨耗によるダストは、バルブディスクを通る流れが逆になれば減少することが知られている。すなわち、バルブディスク表面の中心を通って高圧ガスを進入させ、バルブディスクの裏面の低圧に放射状に放出させる。Ａｓａｍｉらによる米国特許第５３６１５８８号明細書は、圧縮機からの高圧ガスがバルブシートを回転バルブの表面に押し込むようにバルブシートに作用するＧＭ冷凍機の配置を開示する。ベアリングは、モーターシャフト上の軸方向加重としてそれを移動させるよりもむしろ、バルブシートの軸力に対してバルブディスクを保持するものと見られている。この配置におけるガスの流れは、先の特許明細書に示される従来の配置とは反対である。概念的には、Ｌｏｎｇｓｗｏｒｔｈの米国特許第３６２００２９号明細書の図７に示される従来のバルブディスクが、図示されるスプリングがバルブディスクをその場に維持するために十分な力を適用する場合に、当該流れを逆にできるものと考えられる。

コールドヘッドに吹き込むダストの量を低減させ、同時にバルブ上の磨耗をも低減させ、かつ、必要とするトルクがより小さいバルブユニットを提供することが望ましい。

Ｌｏｂｂの米国特許第４９８７７４３号明細書に記載の回転バルブとは大きく異なり、バルブディスクを回転させるために必要とされるトルク及びコールドヘッドに吹き込む磨耗粉の量を低減させる回転バルブユニットがここに開発された。このバルブユニットは、バルブディスクをバルブシートに接触させた状態で維持する差圧による力を使用し、より大きい直径を持つバルブディスクが、設計され、或いは、バルブディスク表面にかかる力をより小さくする複数ポートのパルス管に対し利用できるようにする。バルブディスク表面の低減された力は、低減されたトルク及び低減された磨耗率をもたらす。

本発明は、バルブディスク表面と当該シートとの接触を保たせる正味の力を維持することにより複数ポートを密封する回転ディスクバルブを回転させるために必要なトルクを低減させる改良手段を提供する。この力は、従来のバルブディスクと比べて低減される。従来のバルブディスクは、その中心に低圧ガスを有するために、当該バルブディスク表面の力より大きくなる該バルブディスクの後ろに作用する高圧による力に頼っている。本発明は、バルブアセンブリの２つの異なる面に作用する２つの異なる圧力のガスを有することにより、軸方向の密封のための力を低減させる手段を提供する。密封のための力は、バルブディスクをそのシートから離昇させ得る方向に作用するが、モーターシャフト又は分離ベアリングに対する軸力がそれを制止する。

バルブシートの中心に高圧ガスを有し、かつ、バルブディスクの外側に低圧ガスを有することは可能である。これは、特に、複数ポートのパルス管において、パルス管に吹き込むバルブディスクの磨耗によるダスト量を有意に低減させるという大きな利点をもたらす。バルブディスク面の中心に高圧を有し、かつ、その外側に低圧を有することは、結果としてほとんどのダストが直接低圧空間に吹き出て、決してパルス管には進入しないことになる。また、密封のための力を低減させることは、ダストの発生をより少なくし、より長いバルブディスク寿命をもたらす。

本発明は、回転バルブディスク又は固定バルブシートのどちらかに位置される２つの異なる圧力を伴う２つの異なる表面を有することを包含する。異なっていなければならないガス圧力は、高圧、低圧、パルス管バッファ圧、大気圧、密封体積内の圧力又は圧縮機において高圧と低圧との間で制御される圧力から選択されてもよい。また、スプリングによるなど機械的に力にバイアスを掛けることも可能である。

バルブディスクに接触してバルブシートを押すための差動的な力の原理を適用することは、バルブディスクの外側に高圧ガスを有し、かつ、バルブ面の中心に低圧ガスを有する従来の配置にも応用できる。これは、バルブディスクを回転させるために必要なトルクを低減させるが、生成されたわずかなダストがパルス管に入り込むことを低減させない。本発明のほとんどの実施例は、モーターシャフトにかかる力が密封面に向かう方向ではなく、その反対方向であるという点で、Ｌｏｂｂの米国特許第４９８７７４３号明細書記載のものとは異なる。これは、磨耗粉の多くを吹き出すことを可能にするばかりでなく、モーターベアリングの代わりに軸方向加重を支える分離ベアリングの使用を可能にする。また、パルス管に入るダストの量を低減させることは、温度の安定性をも改善する。

本発明は、ＧＭ冷凍機、ソルベイ冷凍機、及びＧＭ型パルス管冷凍機を含み、バルブユニットにより膨張機の内外でガスを循環させる如何なる種類の冷凍機にも適用可能である。複数ステージでかつ複数ポートを有する低温パルス管に適用される場合に特に有用である。

図１は、流れの関係を示すために圧縮機及びシングルステージダブルインレットパルス管冷凍機の小図と共にバルブアセンブリ２９の断面を図示する。

バルブユニット２９は、バルブモータアセンブリ５、バルブハウジング７及びバルブベース１７を有し、それらすべてが様々な‘Ｏ’リングシールとボルト１とにより密封される。バルブベース及びハウジングの中には、様々な構成要素が存在する。バルブシート２１は、バルブハウジング内に保持されかつ密封される。バルブディスク４は、モーターシャフト６及び該シャフト６を貫通するピン３を介してバルブモーター５により回転させられる。バルブディスク４は、ピン３に関し軸方向に自由に動くことができる。バルブディスク４は、バルブシート２１と接触している。また、ピン３は、バルブディスク４内に‘Ｏ’リング９により密封されるバルブホルダ２を保持する。スプリング８は、当該冷凍機がオフの場合にバルブディスク４とバルブシート２１との接触を維持するために使用される。

出口１０は、圧縮機２０の低圧側にガスライン１８を介して接続される。圧縮機２０の高圧側は、ガスライン１９及び入り口１４を介してバルブアセンブリ２９に接続される。そして、高圧のガスがチャネル１３を介してバルブディスク４の中心に流れる。

図２は、バルブディスク４の表面にある気体流キャビティを示す。図１に示す断面は、図２及び図３の断面矢印Ａ−Ａで示される。チャネル１３からの高圧Ｐｈのガスが、キャビティ４０内に分配され、一方、チャネル４１が高圧ガスを図１のキャビティ１１に結合する。バルブディスク４の外縁の切り込みの下にある領域１２は、圧縮機に戻る低圧Ｐｌのガスに結合する。作動の際には、バルブディスク４とバルブシート２１との接触面の擦り切れが、キャビティ４０内の高圧領域からバルブディスク４の外縁及びキャビティ１２の周りの低圧領域に吹き飛ばされ易くなる。

図３はシート２１の表面を図示する。本発明の理解に不可欠なものではないが、このポート配置の性質を図１、２及び３を参照して簡単に説明する。図１は、本発明のバルブユニットにより駆動されるダブルインレットタイプのパルス管冷凍機を図示する。それは、蓄冷器２２、高温側フロースムーザー２６及び低温側フロースムーザー２４を持つパルス管２５、低温側熱交換器２３、バッファオリフィス２７を備える位相調節器、ダブルインレットバルブ３０並びにバッファ容積２８から構成される。バルブモーター５及びシャフト６を用いてバルブシート２１に対しバルブディスク４を回転させることにより、穴１５及び１６は交互に、スロット４０を通って流れるガスにより加圧され、キャビティ１２を介する流れにより減圧される。図２及び図３に示すポート配置は、バルブディスク４が１回転する毎にパルス管を加圧し減圧する全サイクルを２回実現する。当然のことながら、膨張機は、高圧及び低圧のポートを適切にバルブディスク４及びバルブシート２１に配置することにより回転バルブの１又は２以上のサイクル毎に動作してもよい。膨張機からモーターハウジングへの流れの放出は、磨耗ダストを膨張機外に吹き出し、その結果、冷凍機の信頼性を向上させる。

バルブディスク４及びバルブホルダ２の外面は、バルブシート２１と接触するバルブディスク４の表面を除いて低圧ガスに取り囲まれている。バルブディスク４の表面全域の圧力は、高圧であるスロット４０と低圧であるその外周との間に勾配を有する。バルブディスク４の表面全域の圧力分配は、それが回転するにつれて変化し、交互に、ポート１５に高圧ガスを流入させ、そして、低圧ガスを流出させる。バルブディスク４をシート２１表面に接触させて密封するために必要な力は、高圧ガスに対してポート１５を密封する際に最大となり、バルブディスク４の表面が低圧ガスに対してポート１５を密封する際に最小となる。バルブディスク４の表面全域を密封するために必要な力は、圧力とバルブディスク４の遠位側の面積との積を、バルブディスク４表面の最大平均圧力とバルブディスク４の表面積との積よりも大きくさせることで得られる。これは、Ａｃをキャビティ１１内のバルブディスク４の遠位側の面積とし、ＡｓをＡｃの周りにあるバルブディスク４の遠位側の環状面積とし、Ａｖをバルブディスク４の表面積とし、かつ、ＰｖをＡｖに作用する平均圧力（双方がキャビティ１２の面積及び圧力を含む。）とする以下に示す方程式の形で表すことができる。

対抗する力は、モーターシャフト６に伝達され、バルブディスク４から遠ざかる方向に軸方向加重をモーターベアリングに加える。実際には、キャビティ１１の直径は、何が漏れを極小化することとトルクを極小化することとの間の最適なバランスを与えるかを知るために様々なサイズをテストすることにより調節される。また、トルクの極小化は磨耗率も極小化する。

図１に示される膨張機はシングルステージパルス管であるが、例えば米国特許第６２５６９９８号明細書の図９にある例に示されるように複数制御ポートを持つ複数ステージのパルス管の駆動に使用できるように、バルブユニット及びポート配置を設計することもまた可能である。バルブディスク４及びバルブシート２１に適切にポートを配置することにより、かつ、パルス管２５の高温側２６と連通するのに必要な通路を配置することにより、本発明のバルブユニットは、オリフィス型、４バルブ型、アクティブバッファ型及び５バルブ型などの如何なる型のパルス管冷凍機の駆動にも使用できる。このバルブユニットは、ＧＭ型やソルベイ型などの他の種類の冷凍機にも使用できることが指摘されなければならない。

図４は、システムの別部分からのガスがキャビティ１１の加圧に使用される、本発明の別の実施例を図示する。図４では、同じ参照数字が図１にある同種の部分を示す。キャビティ１１の圧力がＰｃであると仮定すると、密封のために満たされるべき基準は以下のようになる。

方程式２から、キャビティ１１に求められる直径がバルブディスク４の直径より小さくできるようにするにはＰｃが十分大きいものである必要があることが分かる。図４は、キャビティ１１が、圧力Ｐｂで、パルス管の高温側で、流路１００、１１０及び１２０を介してバッファ２８と連通することを示す。パルス管冷凍機では、バッファがＰｈとＰｌとの平均よりわずかに高い圧力を有する。また、その圧力は、バルブディスク４を回転させるのに必要なトルクを極小化するバルブでの圧力をＰｈとＰｌとの間で制御する別の手段により供給できることが認識されている。

図５及び図６は、図４のバルブディスク４及びバルブシート２１のそれぞれの接触面におけるポート配置を示す。図５及び図６の矢印Ｂ−Ｂは、図４に示す断面を意味する。高圧ガスがバルブシート２１内のポート１３を介してバルブディスク４内のキャビティ５０に流入する。バルブディスク４内のキャビティ１１を加圧するガスは、バルブシート２１の中心にあるポート１００からバルブディスク４内の中心ポート１２０を介して流れる。

図７は、本発明の第３実施例を図示する。図７では、同じ参照数字が、図１にある同種の部品を示す。この実施例は、バルブディスク３４とシート３３との間の密封のための力に影響を及ぼすよう２つの異なる表面に作用する２つの異なる圧力を有するという同じ原理に立脚している。この場合では、バルブディスク３４がモーターシャフト６に固定され、シート３３は２つの異なる表面に異なるガス圧を有し、それを軸方向に移動させバルブディスク３４と接触させるようにする。

バルブシート３３の遠位側表面は２つの領域に分割される。ガス密封シール４３がこれらの２つの領域を分離する。面積Ａｃを有する中心領域３９は、チャネル１４及びガスライン１９を介して圧縮機２０の高圧側に連通する。面積Ａｓを有する肩部領域３１は、チャネル３２、出口１０及びガスライン１８を介して低圧側圧Ｐｌに連通する。スプリング８は、冷凍機がオフの場合にバルブディスク３４とバルブシート３３との接触を維持するように、かつ、起動時にバルブシート３３をバルブディスク３４で密封する最初の力を生成するために使用される。バルブディスク３４は、バルブホルダ２、中心穴４１又はキャビティ１１を有さない点で図１のバルブディスク４と相違する。ガスの流れは同じである。

シート３３に接触させてバルブディスク３４の表面を密封するために十分な力を得るための基準は、方程式３で与えられるものと同様である。Ａｃは、キャビティ３９にあるシート３３の端部の表面積を表し、Ａｓは、肩部キャビティ３１の表面積を表し、Ａｓａは、バルブディスク３４を取り囲む圧力に接するバルブシート３３表面の表面積を表す。この実施例では、バルブディスク３４の周りの圧力はＰｌである。

本発明の第４実施例を図８に示す。ここでは、同じ参照数字が図７にある同種の部分を示す。中心領域３９の面積Ａｃに及ぼされる圧力及びキャビティ３１内の肩部表面積Ａｓに及ぼされる圧力が逆であることを除き、基本構成要素は図７のバルブユニットのものと同様である。中心領域３９は、穴３２を介して低圧Ｐｌに連通し、一方、肩部領域３１は、チャネル１４及びガスライン１９を介して高圧Ｐｈに連通する。密封のための力を得るための基準は以下のようになる。

図８は、バルブディスク３４の遠位側とモーター５の表面との間にベアリング３６を有するオプションを示す。ベアリング３６は、モーターベアリングの１つというよりもむしろ、方程式４の左辺に等しい軸力を支持するものである。

図９は、別ソースからのガスが肩部キャビティ３１の加圧に使用される、本発明の第５実施例を示す。図９では、同じ参照数字が図７にある同種の部分を示す。キャビティ３１内の圧力がＰｓであると仮定すると、密封のために満たされるべき基準は以下のようになる。

図４に示す第２実施例とは異なり、ＡｃはＡｖより大きいものであってもよい。シート３３の直径に制限がないからである。すなわち、Ｐｓの値をより低くしてもなお密封を維持できる。図９は、圧力がＰｂであり、流路１１０を介してバッファ２８と連通するキャビティ３１を示す。

本発明の第６実施例を図１０に示す。ここでは、同じ参照数字が図９にある同種の部分を示す。中心領域３９内の圧力及び肩部領域３１内の圧力が逆であることを除き、基本構成要素は図９のバルブユニットのものと同様である。図１０は、チャネル２００を介して中心領域３９と連通する圧力Ｐｂのバッファガスによりもたらされる圧力Ｐｃを示す。密封のために必要な関係を以下の通りである。

また、第５及び第６実施例のために、真空と同程度に低い圧力を実現し得る別の手段により圧力Ｐｃ及びＰｓが供給できるものと認識されている。それは、Ｐｈ未満の如何なる圧力ソースであってもよく、或いは、Ｐｈ未満のある一定の圧力で密封されていてもよい。選択される圧力は、冷凍機がオフの際にバルブディスクを密封させるために必要なスプリング８が、冷凍機が作動している際に必要以上の力をかけないように、十分高いものである必要がある。

図１１は、第７実施例を示す。第７実施例は、バルブアセンブリ２９の構成が図７のものと極めて類似するが、バルブディスクを介したガスの流れが反対方向である。高圧ガスライン１９がバルブアセンブリ２９のポート１０に接続され、低圧ガスがポート１４及びライン１８を介して圧縮機２０に戻る。これは結果として、外側に高圧ガスを伴うバルブディスク３４を介した従来のガスの流れをもたらす。ピン３によりモーターシャフト６に固定されたバルブディスク３４によって、軸方向加重がモーターベアリングによりバルブ表面に向かう方向に伝えられる。図１１は、Ｐｈで加圧された肩部領域３１内にある肩部面積Ａｓ及びＰｌで加圧された中心領域３９内の表面積Ａｃを示す。従来のバルブアセンブリでは、回転バルブディスクはピンで固定されておらず、軸力は積Ａｖ＊（Ｐｈ−Ｐｖ ａｖｇ．）である。バルブディスクを回転させるために必要なトルクは、バルブシート３３の２つの異なる表面に２つの異なる圧力を作用させることにより、従来の一体成形バルブディスクと比較して低減できる。密封を維持したままシート３３に対するバルブディスク３４の力を低減させるためには、以下の関係を守らなければならない。

図１２に示す本発明の第８実施例は、前述の実施例に類似する。同じ参照数字は、図１１にある同種の部品を示す。この実施例と第７実施例との違いは、肩部領域３１内の圧力がＰｌであり、中心キャビティ３９内の圧力がＰｈであることである。密封を維持しながらもシート３３に対するバルブディスク３４の力を低減させるために守らなければならない関係は、方程式７に類似する。

バルブシートの２つの異なる表面に作用する２つの異なる圧力を有する第３乃至第８実施例において、相互に別に密封され他のソースにより独立して加圧される１又は２以上の追加の肩部を追加できることは明らかである。第１及び第２実施例において、異なる圧力である付加的な表面をバルブディスクに加えることは、実用的でないにしろ不可能ではないだろう。

本発明の第９実施例が図１３に示され、同じ参照数字は、図１０にある同種の部品を示す。これは、方程式６の基準がＡｓ＝０という条件で満たされる場合に生じる図１０の第６実施例の特別な場合である。実用的な設計では、図１３に示すようにキャビティ３９内の面積Ａｃを加圧するためにバッファガスを使用する。また、他のソースからの他の圧力が使用されてもよい。

本発明の第１０実施例が図１４に示され、同じ参照数字は、図１２にある同種の部品を示す。これは、方程式８の基準がＡｓ＝０で、かつ、キャビティ３９内の圧力がＰｈ未満という条件で満たされる場合に生じる図１２の第８実施例の特別な場合である。図１４に示すようにキャビティ３９内の面積Ａｃを加圧するためにバッファガスが使用されてもよい。また、他のソースからの他の圧力が使用されてもよい。

図１１、１２及び１４に示す第７、第８及び第９実施例はすべて、バルブディスクの外側に高圧ガスを有し、かつ、バルブディスク面の中心に低圧ガスを有する。それらは、バルブディスク面の中心に高圧を有する実施例ほど魅力あるものではない。バルブディスク３４からの磨耗粉がパルス管又は他の膨張機に吹き込み易いからである。しかし、それはモータートルクを低減させる手段を提供し、このことは特に、図２、３、５及び６に示すものよりもポートが多いバルブにおいて重要である。

流れの関係を示すために圧縮機及びシングルステージダブルインレット型パルス管冷凍機の小図を含む、本発明に従ったバルブアセンブリの断面図である。バルブディスクにおける差動的な圧力が密封のための力を創出する。 図１におけるバルブユニットのバルブディスク形成部分の表面切り出しを示す図である。 図１におけるバルブユニットのバルブシート形成部分の表面切り出しを示す図である。 パルス管からのバッファガスが密封のための圧力の１つをもたらす、本発明に従ったバルブアセンブリの第２実施例の断面図である。 図４におけるバルブユニットのバルブディスク形成部分の表面切り出しを示す図である。 図４におけるバルブユニットのバルブシート形成部分の表面切り出しを示す図である。 差動的な密封のための力がバルブシートにかかる、本発明に従ったバルブアセンブリの第３実施例の断面図である。 差動的な密封のための力がバルブシートにかかる、本発明に従ったバルブアセンブリの第４実施例の断面図である。 パルス管からのバッファガスが密封のための圧力の１つをもたらし、バルブシートに作用する、本発明に従ったバルブアセンブリの第５実施例の断面図である。 パルス管からのバッファガスが密封のための圧力の１つをもたらし、バルブシートに作用する、本発明に従ったバルブアセンブリの第６実施例の断面図である。 差動的な密封のための力がバルブシートに作用するが、ガスの流れが前の実施例とは逆である、本発明に従ったバルブアセンブリの第７実施例の断面図である。 第７実施例の変形例である、本発明に従ったバルブアセンブリの第８実施例の断面図である。 パルス管からのバッファガスがバルブシートの１表面に作用する密封のための圧力をもたらす第６実施例の特別なケースである、本発明に従ったバルブアセンブリの第９実施例の断面図である。 パルス管からのバッファガスがバルブシートの１表面に作用する密封のための圧力をもたらす第８実施例の特別なケースである、本発明に従ったバルブアセンブリの第１０実施例の断面図である。

Claims (5)

1. ＧＭ、ソルベイ又はＧＭ型パルス管冷凍機におけるバルブアセンブリであって、
   バルブモーター駆動の回転バルブディスク、及び、
   非回転バルブシート、を有し、
   前記バルブシートの少なくとも２つの表面に対して及ぼされる異なった圧力が、前記回転バルブディスクを前記バルブモーターに向かう方向に押し進めるようにする正味の力をもたらし、
   前記非回転バルブシートが軸方向に移動でき、
   前記回転バルブディスクが軸方向に移動することを抑制され、
   前記バルブシートの前記少なくとも２つの表面のうちの第１表面が、前記バルブシートの中央キャビティにあり、該中央キャビティがシステム高圧ガスに結合され、
   前記バルブシートの前記少なくとも２つの表面のうちの第２表面が、前記バルブシートの前記中央キャビティと前記バルブシートの外側との間にある環状領域にあり、該第２表面がシステム低圧ガス、又は前記システム高圧ガスと真空との間の圧力であるガスのうちの１つに結合され、かつ、
   前記少なくとも２つの表面のうちの第１表面及び第２表面の双方が、前記バルブディスクの表面から遠位にある、
   ことを特徴とするバルブアセンブリ。
2. 前記少なくとも２つの表面のうちの前記第２表面がパルス管のバッファガスの圧力に結合されることを特徴とする請求項１に記載のバルブアセンブリ。
3. ＧＭ、ソルベイ又はＧＭ型パルス管冷凍機におけるバルブアセンブリであって、
   モーター駆動の回転バルブディスク、及び、
   非回転バルブシート、を有し、
   前記バルブシートの少なくとも２つの表面に対して及ぼされる異なった圧力が、前記回転バルブディスクを前記モーターに向かう方向に押し進めるようにする正味の力をもたらし、
   前記非回転バルブシートが軸方向に移動でき、
   前記回転バルブディスクが軸方向に移動することを抑制され、
   ａ．前記バルブシートの前記少なくとも２つの表面のうちの第１表面が、前記バルブシートの中央キャビティにあり、該キャビティがシステム低圧ガス、又はシステム高圧ガスと真空との間の圧力であるガスのうちの１つに結合され、
   ｂ．前記バルブシートの前記少なくとも２つの表面のうちの第２表面が、前記バルブシートの前記中央キャビティと前記バルブシートの外側との間にある環状領域にあり、該第２表面がシステム高圧ガスに結合され、かつ、
   ｃ．前記少なくとも２つの表面のうちの第１表面及び第２表面の双方が、前記バルブディスクの表面から遠位にある、
   ことを特徴とするバルブアセンブリ。
4. 前記第１表面がパルス管のバッファガスの圧力に結合されることを特徴とする請求項３に記載のバルブアセンブリ。
5. 軸方向の前記力が前記バルブモーターのシャフトベアリング及び独立したベアリングのうちの１つにより支持されることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載のバルブアセンブリ。

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