JP4861902B2 - ロータリバルブユニット及びパルス管冷凍機 - Google Patents

Description

本発明はロータリバルブユニット及びパルス管冷凍機に係り、特にハウジングに固定されたバルブステムに対してバルブディスクが回転することによりポート切換を行うロータリバルブユニット及びパルス管冷凍機に関する。

従来から、少ない振動で極低温を生成しうる冷凍機としてパルス管冷凍機が知られている。このパルス管冷凍機は、例えばＭＲＩ（磁気共鳴イメージング）やクライオポンプ等の極低温を必要とする機器に組み込まれ、当該機器において所定の冷却処理を行う。

このパルス管冷凍機は、圧縮機と、蓄冷器と、蓄冷器に接続されたパルス管と、パルス管に接続されたバッファタンク等を備えている。そして、動作ガス（動作ガス）として例えばヘリウムガスを用い、圧縮機から弁装置を用いて蓄冷器およびパルス管内に所定のタイミングで作動流体の圧力波を送ることにより寒冷を発生させる構成とされている。また、この弁装置としては、小型化を図ることができ、かつ切換精度の高いロータリバルブユニットが多用されている（特許文献１参照）。

このロータリバルブユニットは、ハウジングに固定されたバルブステムと、このバルブステムに同軸的に配置されるバルブディスクとを有している。バルブステムにはパルス管、蓄冷器、圧縮機に接続された各ポートが形成されており、またバルブディスクにはバルブステムに形成された各ポートを接続するためのポートが形成されている。

バルブディスクはモータにより回転する構成とされており、このバルブディスクがバルブステム上で回転することにより、バルブステムの所定のポートが所定のタイミングでバルブディスクに形成されたポートと接続することにより連通する。これにより、圧縮機から高圧の動作ガスは所定のタイミングで蓄冷器及びパルス管に供給され、また蓄冷器及びパルス管からの低圧ガスも所定のタイミングで圧縮機の低圧側へ戻される。
特開平７−２１８０１２号公報

しかしながら、従来のロータリバルブユニットにおいては、バルブステムはハウジングに装着される際、ボルト等により機械的に強固に固定されていた。このため、バルブステムをハウジングに固定することにより、バルブステムの表面（ステム表面）が撓んで変形してしまい、バルブステムのステム面とバルブディスクのディスク面との間に隙間が生じてしまい、この隙間から動作ガスが漏洩してパルス管及び蓄冷器に適正なタイミングで動作ガスを供給することができないおそれがあるという問題点があった。

本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、バルブステムのハウジングへの固定を確実に行い、かつバルブステムとバルブディスクとの間におけるシール性の向上を図りうるロータリバルブユニット及びパルス管冷凍機を提供することを目的とする。

上記の課題は、本発明の第１の観点からは、
ステムハウジング内に収納されており、動作ガスの授受が行われる接続機器と接続される複数の第１のポートを有するバルブステムと、
該バルブステムと摺接するよう設けられると共に回転装置に駆動されて回転し、前記バルブステムに形成された前記第１のポートを所定のタイミングで接続する第２のポートを有するバルブディスクと、
前記バルブステムの前記ステムハウジングに対する回転を規制する回転規制部材とを有し、
前記動作ガスにより前記バルブステムの上面に印加される力が、前記バルブステムの下面に印加される力に対して大きくなるよう構成されたロータリバルブユニットであって、
前記バルブステムの底面と前記ステムハウジングとの間に形成される第１の圧力を有する第１の領域を、該第１の領域の外部に形成され前記第１の圧力と異なる第２の圧力を有する第２の領域に対して封止する構成としたことを特徴とするロータリバルブユニットにより解決することができる。

上記の課題は、本発明の他の観点からは、
パルス管と、
該パルス管の高温端と接続されるバッファタンクと、
一端が前記パルス管の低温端と接続されると共に内部に蓄冷材が充填された蓄冷器と、
前記蓄冷器の他端が接続されると共に動作ガスを昇圧する圧縮機が接続され、弁切換を行うことにより前記蓄冷器に対して前記動作ガスの供給及び排気を行うロータリバルブユニットとを有するパルス管冷凍機において、
前記ロータリバルブユニットを、
ステムハウジング内に収納されており、動作ガスの授受が行われる接続機器と接続される複数の第１のポートを有するバルブステムと、
該バルブステムと摺接するよう設けられると共に回転装置に駆動されて回転し、前記バルブステムに形成された前記第１のポートを所定のタイミングで接続する第２のポートを有するバルブディスクと、
前記バルブステムの前記ステムハウジングに対する回転を規制する回転規制部材とを有し、
前記動作ガスにより前記バルブステムの上面に印加される力が、前記バルブステムの下面に印加される力に対して大きくなるよう構成されたロータリバルブユニットであって、
前記バルブステムの底面と前記ステムハウジングとの間に形成される第１の圧力を有する第１の領域を、該第１の領域の外部に形成され前記第１の圧力と異なる第２の圧力を有する第２の領域に対して封止する構成としたことを特徴とするパルス管冷凍機により解決することができる。

本発明によれば、従来のようなネジ止めの場合にはネジ止め位置に応力が集中し、これによりバルブステムの表面に変形が生じていたが、本発明のようにバルブステムの上面に印加される圧力が、バルブステムの下面に印加される動作ガスの圧力に対して大きく設定することにより、この圧力差によりバルブステムはステムハウジングに押圧されて固定される。この各圧力は、バルブステムの上下面に略均一に印加されるため、バルブステムに変形が発生するようなことはなく、よってバルブディスクとの間におけるシール性が向上し、動作ガスの漏れが発生することを抑制することができる。

次に、本発明を実施するための最良の形態について図面と共に説明する。

図１は、本発明の一実施例であるパルス管冷凍機１００の全体構成を示しており、図２はパルス管冷凍機１００に設けられるロータリバルブユニット２９を拡大して示している。

パルス管冷凍機１００は、図１に示すように大略するとバルブハウジング７，ステムハウジング１７，圧縮機２０，バッファタンク２８，及びロータリバルブユニット２９等により構成されている。また、本実施例では、動作ガスとしてヘリウム等の冷媒ガスを用いている。

圧縮機２０は低圧戻り配管１８及び高圧供給配管１９を介してロータリバルブユニット２９に接続されている。また、蓄冷器２２及びパルス管２５の高温端もロータリバルブユニット２９に接続されている。

また、蓄冷器２２の低温端とパルス管２５の低温端は、配管２３を介して接続されている。この配管２３が冷凍ステージとなる。また、冷却効率を高めるため、パルス管２５の低温端には整流器２４が配設されると共に、高温端にも整流器２６が配設されている。

更に、パルス管２５の高温端には、オリフィス２７を介してバッファタンク２８が接続されている。このバッファタンク２８は、ロータリバルブユニット２９にも接続されている。尚、オリフィス２７及びバッファタンク２８は、冷媒ガスの位相調整を行う位相調整手段として機能する。

次に、ロータリバルブユニット２９の構成について、図２を用いて説明する。

ロータリバルブユニット２９は、モータ５、バルブハウジング７、およびステムハウジング１７等を有し構成とされている。そして、これらの各構成要素はＯリングによりシールされた上で、ボルト１により締結された構成とされている。

バルブステム２１は、バッファ空間８内の圧力と、ステムハウジング１７内における作動流体の戻り圧力との圧力差により、ステムハウジング内にシールされると共に保持されている（これについては、後に詳述する）。

バルブディスク４は、モータ５のモータシャフト６と駆動ピン３を介して接続されている。よって、モータ５が駆動することにより、バルブディスク４は回転する構成とされている。また、バルブディク４は、駆動ピン３と関連して軸方向に移動できる構成とされている。このバルブディスク４は、ディスク面（図中下面）がバルブステム２１のステム面（図中、上面）と接触し、この接触状態を維持しつつ回転し後述する各種ポートの切換処理を行う。

また、モータシャフト６がバルブディスク４に取り付けられる下端部には、バネ１１が配設されている。このバネ１１は、圧縮機２０の出力が停止し、ロータリバルブユニット２９に対する高圧の冷媒ガスの供給が停止された場合、バルブディスク４をバルブステム２１に向け付勢してバルブディスク４とバルブステム２１とが接触した状態を保持する機能を奏する。

バルブステム２１にはポート１０が形成されており、このポート１０は低圧戻り配管１８を介して圧縮機２０の戻り側と接続されている。また、圧縮機２０の高圧の冷媒ガスが吐出される側には、高圧供給配管１９を解してステムハウジング１７に形成されたポート１３が接続されている。

圧縮機２０から吐出された高圧の冷媒ガスは、高圧供給配管１９からバルブステム２１の中心位置に形成されたポート１３に流入する。ポート１３は、バルブディスク４に形成された中央ポート３８と連通しており、よって高圧の冷媒ガスはポート１３から中央ポート３８に流入し、更にバルブディスク４とプラグ９とにより構成される空間部２内に流入する。

バルブディスク４が回転するに従い、高圧の冷媒ガスは細溝３４に流れ、バルブステム２１に形成されたポート３７に流入する。そして、この冷媒ガスはステムハウジング１７に形成されたポート４１からパルス管２５に流入する。また、パルス管２５に流入した冷媒ガスは、オリフィス２７を介してバッファタンク２８に流入する。パルス管２５の高温端に流入した冷媒ガスは、整流器２６内を流れる。

また、ステムハウジング１７に形成されたポート４１を介してパルス管２５及びバッファタンク２８から戻された冷媒ガスは、バルブステム２１に形成されたポート３６を介してバルブディスク４のバルブ面に至る。また、バルブディスク４のバルブ面は、ポート３３，バルブディスク４に形成された環状溝３２，バルブステム２１の環状溝３９，及びポート１０を介してステムハウジング１７の低圧側に接続されている。

更にバルブディスク４が回転すると、圧縮機の高圧側と連結された溝３０がバルブステム２１のポート１５と連通し、高圧の冷媒ガスを有する空間部２は蓄冷器２２と接続する。これにより、高圧の冷媒ガスはポート１５の下端部からステムハウジング１７に形成されたポート１６を通り蓄冷器２２の高温端に流入する。また、この高圧の冷媒ガスは、蓄冷器２２の低温端から配管２３を介してパルス管２５の低温端に配設された整流器２４に流入する。

バルブディスク４の長孔１２がバルブステム２１のポート１５と連通する位置までバルブディスク４が回転すると、冷媒ガスはパルス管２５から蓄冷器２２及びポート１５，１６を介してステムハウジング１７の低圧ポート１４に戻る。上記のバルブステム２１とステムハウジング１７との間にはピン３５が配設されており、バルブディスク４がバルブステム２１上で回転しもこのピン３５によりバルブステム２１の回転は規制されている。

更に、バルブステム２１は、ステムハウジング１７に対して軸方向へ移動しないよう構成されている。これは、本実施例ではバルブステム２１の上面に印加される圧力が、バルブステム２１の下面に印加される動作ガスの圧力に対して大きく設定されていることによる。この圧力差により、バルブステム２１はステムハウジング１７に押圧されて固定される。

この各圧力は、バルブステム２１の上面或いは下面に略均一に印加される。このため、バルブステム２１に変形が発生するようなことはなく、よってバルブステム２１とバルブディスク４との間におけるシール性が向上し、動作ガスの漏れが発生することを抑制することができる。

次に、上記構成とされたロータリバルブユニット２９において、バルブステム２１がネジ等を用いることなく、バルブステム２１の上面及び下面に作用する力の差圧によりステムハウジング１７に固定される条件について説明する。以下の説明において、バルブステム２１に作用する力，圧力，またバルブステム２１の面積等を以下のように定義する。

Fi：バルブディスク４とバルブステム２１との間のシール圧力
Pb：バッファ空間８内のバッファ圧力
Pvi：バルブディスク４のディスク面（底面）に作用する平均圧力
Ad：バルブディスク４の表面積
Fs：バネ１１からバルブディスク４に印加されるバネ力
ここで、バルブステム２１とステムハウジング１７との間のシール圧力をFiとすると、シール圧力Fiは次の（１）式のように示される。

Fi＝Ad×(Pb−Pvi)＋Fs ・・・（１）
この（１）式に示されるようにシール圧力Fiは、バルブディスク４の末端表面に印加されるバッファ圧力Pbと、バルブディスク４の表面積Adと、バルブディスク４の接触面に印加される平均圧力Pvi、及びバネ１１からのばね力Fsの合力として定義される。また、この力Fiは、バルブステム２１をステムハウジング１７に向け押圧する力としても作用する。

一方、バルブステム２１の上面には、バッファ空間８に直接面した部分（以下、この部分を露出部分という）が存在する。即ち、バルブステム２１の上面において、バルブディスク４と接していない部分である。いま、この露出部分の面積をAosとすると、バッファ空間８内のバッファ圧力によりバルブステム２１が下方に押圧される力Foは下式（２）のように示される。

Fo＝Aso×Pb ・・・（２）
以上より、バルブステム２１の上面に作用する全ての力をFt（以下、上面総作用力という）は、下式（３）のように示される。

Ft＝Fi＋Fo＝Ad×(Pb−Pvi)＋Fs＋Aos×Pb＝As×Pb−Ad×Pvi＋Fs ・・・（３）
尚、ここでAsは、バルブステム２１の上面の合計表面積である。

一方、バルブステム２１の底面は、二つの領域に分けられる。その一つはＯリング５０により囲繞された内部封止領域である。この内部封止領域の面積をAinとし、その平均圧力をPvbとする。この内部封止領域の内部の圧力は、前記したように蓄冷器２２及びパルス管２５へ供給及び排出される冷媒ガスの交番的な圧力変動に対応して変動する。

また、バルブステム２１の底面に存在する他の領域は、Ｏリング５０の外部に位置する領域である。この領域（以下、外部領域という）には、低圧である戻り圧力Plが作用する。また、この外部領域の面積をAoutとする。

いま、バルブステム２１の底面に作用する全ての力をFb（以下、下面総作用力という）とすると、下面総作用力Fbは下式（４）のように示される。

Fb＝Aout×Pl＋Ain×Pvb ・・・（４）
従って、バルブステム２１がネジ等を用いることなく、上面総作用力Ftと下面総作用力Fbの差圧でステムハウジング１７に固定される構成とするためには、下式（５）の条件を満足させる必要がある。

Ft>Fb ・・・（５）
この（５）式を満足するようにPb，Pvi，Ad，Fs，Aout，Pl，Ain，Pvbの各パラメータを設定することにより、（Ft−Fb）で示される圧力差により、バルブステム２１をステムハウジング１７に向け押圧し、これによりバルブステム２１をステムハウジング１７に固定することが可能となる。

以上、本発明の好ましい実施例について詳述したが、本発明は上記した特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能なものである。

図１は、本発明の一実施例であるパルス冷凍機の概略構成図である。 図２は、本発明の一実施例であるロータリバルブユニットの概略構成図である。 図３は、本発明の一実施例であるロータリバルブユニットに設けられるバルブディスクの平面図である。 図４は、本発明の一実施例であるロータリバルブユニットに設けられるバルブステムの平面図である。 図５は、バルブステムの上面に印加される圧力と、下面に印加される圧力の関係を説明するための図である。

符号の説明

１ ボルト
２ 空間部
４ バルブディスク
５ モータ
６ モータシャフト
７ バルブハウジング
８ バッファ空間
９ プラグ
１０，１３，１４，１５，１６，３１，３６，３７，４１ ポート
１１ バネ
１７ ステムハウジング
１８ 低圧戻り配管
１９ 高圧供給配管
２０ 圧縮機
２１ バルブステム
２２ 蓄冷器
２４ 整流器
２５ パルス管
２６ 整流器
２７ オリフィス
２８ バッファタンク
２９ ロータリバルブユニット
３０，３４ 溝
３２，３９ 環状溝
３８ 中央ポート
５０ Ｏリング

Claims (2)

1. ステムハウジング内に収納されており、動作ガスの授受が行われる接続機器と接続される複数の第１のポートを有するバルブステムと、
   該バルブステムと摺接するよう設けられると共に回転装置に駆動されて回転し、前記バルブステムに形成された前記第１のポートを所定のタイミングで接続する第２のポートを有するバルブディスクと、
   前記バルブステムの前記ステムハウジングに対する回転を規制する回転規制部材とを有し、
   前記動作ガスにより前記バルブステムの上面に印加される力が、前記バルブステムの下面に印加される力に対して大きくなるよう構成されたロータリバルブユニットであって、
   前記バルブステムの底面と前記ステムハウジングとの間に形成される第１の圧力を有する第１の領域を、該第１の領域の外部に形成され前記第１の圧力と異なる第２の圧力を有する第２の領域に対して封止する構成としたことを特徴とするロータリバルブユニット。
2. パルス管と、
   該パルス管の高温端と接続されるバッファタンクと、
   一端が前記パルス管の低温端と接続されると共に内部に蓄冷材が充填された蓄冷器と、
   前記蓄冷器の他端が接続されると共に動作ガスを昇圧する圧縮機が接続され、弁切換を行うことにより前記蓄冷器に対して前記動作ガスの供給及び排気を行うロータリバルブユニットとを有するパルス管冷凍機において、
   前記ロータリバルブユニットを、
   ステムハウジング内に収納されており、動作ガスの授受が行われる接続機器と接続される複数の第１のポートを有するバルブステムと、
   該バルブステムと摺接するよう設けられると共に回転装置に駆動されて回転し、前記バルブステムに形成された前記第１のポートを所定のタイミングで接続する第２のポートを有するバルブディスクと、
   前記バルブステムの前記ステムハウジングに対する回転を規制する回転規制部材とを有し、
   前記動作ガスにより前記バルブステムの上面に印加される力が、前記バルブステムの下面に印加される力に対して大きくなるよう構成されたロータリバルブユニットであって、
   前記バルブステムの底面と前記ステムハウジングとの間に形成される第１の圧力を有する第１の領域を、該第１の領域の外部に形成され前記第１の圧力と異なる第２の圧力を有する第２の領域に対して封止する構成としたことを特徴とするパルス管冷凍機。

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