JPH0252784B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は低温冷凍とくに比較的低温（110−14
絶対温度）の冷凍に用いる装置に関する。

発明の背景 電子通信システム、ミサイル誘導システム、超
電導回路、強力磁石、および生体サンプルの作成
や溶液や凍結などの医学ならびに生物研究室等広
い分野で使用される信頼性が高くかつ使用寿命の
長い低温冷凍装置の高まる需要を満たすべく、多
種類の独特な冷凍サイクルおよび装置が開発され
ている。これら冷凍サイクルおよび装置はすべて
冷凍のために適切な熱交換を有する膨張流体の制
御サイクルに基づくもので、米国特許第2906101
号、第2966034号、第2966035号、第3045436号、
第3115015号、第3115016号、第3119237号、第
3148512号、第3188819号、第3188820号、第
3188821号、第3218815号、第3333433号、第
3274786号、第3321926号、第3625015号、第
3733837号、第3884259号、第4078389号、および
第4118943号に例示され、また先行技術は前記特
許に引用されている。

本発明は、再生器付デイスプレツサを内部に有
する容器であつて、該再生器の両端間に結合され
たもので構成される作業容積を用いる冷凍系を指
向するもので、デイスプレツサが容器の一方の端
に移動するとき、内部の冷媒流体は再生器を貫通
して容器の他方の端へ押し出される。このような
系は種々の形態をとり、またよく知られた
Gifford McMahon、Taylor、Solvayおよび
Split Stirlingサイクルなどを含む種々のサイク
ルを用いる。これらの冷凍サイクルおよび装置
は、作業流体の流動および運動ならびにデイスプ
レツサの運動を制御するための弁すなわちピスト
ンを必要とする。流体の流動およびデイスプレツ
サの運動は、系が設計されている特殊冷凍サイク
ルに必要な設定タイミングシーケンスに従つて系
が運動可能なように流体流動およびデイスプレツ
サ運動を連続的に正確に制御しなければならな
い。通常使用にはタイミングシーケンスは固定で
あるが、シーケンスのある部分、たとえば圧力流
体が容器に導入される時間とか、膨張および冷却
が行なわれる時間とかを変化可能にすることが好
ましい。

従来、前述の型の低温装置の弁装置は種々な形
態を採用しているが、弁装置したがつてそれから
構成される冷凍装置は下記の一つまたはそれ以上
の制限を受ける。すなわち、構造の複雑さ、比較
的高価な製作費、タイムシーケンスの変更困難、
比較的短い使用寿命、低い信頼性、組立後の調整
の困難さ、および冷凍容量範囲の狭さなどであ
る。構造の複雑さの問題は、自己制御性弁装置の
使用を試みる場合にとくに大きい。先行低温装置
の障害となつたその他の特種問題は、デイスプレ
ツサが運動方向を変える毎に機械的停止で該デイ
スプレツサに与えるスラミング（Slamming）す
なわちバンギング（banging）による再生器部分
内の粒状ペレツトの粉砕、弁装置の寸法が過大な
こと（すなわち弁装置の構造および／または位置
のために冷凍装置が大きくなること）、可動部分
間のシールの不安すなわち短寿命、過大な仕事入
力すなわち仕事吸収（たとえば大きい摩擦損失）
による効率の低下、およびこのような装置に好ま
しい低往復動速度での運動が不可能なことなどで
あつた。使用されてきたいくつかの弁装置の型と
して、米国特許第3119237号、第3625015号に例示
する回転弁、米国特許第3321926号に示す流体作
動弁、米国特許第2966035号に開示するカム作動
弁、米国特許第3188821号に示す機械作動すべり
弁、および米国特許第3733837号に示すデイスプ
レツサ作動弁がある。

米国特許第3733837号は、ガスを膨張室で膨張
することにより該ガスを冷却し、該膨張室に出入
するガス流はデイスプレツサにより作動される摺
動部材を有する弁によつて制御される冷凍装置を
開示する。摺動弁部材の運動はデイスプレツサに
より制御され、またデイスプレツサの運動は弁部
材の位置により決まるガス差圧に起因するという
意味で、本冷凍装置は自己制御性を有する。米国
特許第3733837号に開示する冷凍装置は多数の制
限を有する。先ず第一に、すべり弁は常にガスが
充満する比較的大きい空間容積を必要とする。空
間容積内のガスは冷却されないので本装置は効率
面の制限を受ける。デイスプレツサの上端の直径
を小さくすることにより空間容積を減少すること
が可能であるが、これでは有効面積を減少するこ
ととなりデイスプレツサに作用する圧縮気体駆動
力を減少する逆効果を起生する。一方、大容量冷
凍装置では必要なようにデイスプレツサ上端の直
径を大とすることは、それに比例してすべり弁の
総体寸法を増大することなり厄介である。第二
に、可動弁部材はシリンダ内に位置するが、弁の
固定部分は冷凍シリンダ外に位置することであ
る。したがつて、弁は精密はめあい部品を有する
別個のユニツトとしての前組立が不可能である。
さらに別の制限は、デイスプレツサの往復動速度
を容易にかつ迅速に変化することが不可能である
ことである。

発明の目的及び概要 本発明の目的は、比較的簡単で製作費が安価で
あるばかりでなく、所定の冷凍サイクルに従つて
流体を排出すべくデイスプレツサが確実に運動す
るように設計された流動制御弁機構を有する自己
制御型の低温冷凍装置を提供することにある。

特に、本発明においては、デイスプレツサが実
質的にその上昇または下降行程の端にあるときの
み流体の流動（導入または排出）の方向が逆転す
るように配設かつ運転され、これにより最大の流
体の容量が再生器を通過して移動し、その結果さ
らによい冷凍効率が確保できる改良型低温冷凍装
置が提供される。

すなわち、発明においては、加圧下の流体が、
第１の容積可変の室から初期冷却をしつつ少なく
とも１つの第２の容積可変の室へと排出され、こ
れにより更に冷却されるとともに冷凍装置からの
吐出による膨張を行い、高圧流体の導入と低圧流
体の排出により頂部死点位置および底部死点位置
の間で往復動するように制御されるデイスプレツ
サ装置の運動により前記流体が前記冷凍装置を通
過して移送される低温冷凍装置において、弁ケー
シング及びこの弁ケーシングと相対的に運動する
ように設けられた弁部材から成る弁機構と、前記
デイスプレツサ装置及び前記弁機構によつて画成
される第３の容積可変の室と、を設け、前記弁ケ
ーシングには高圧流体源からの高圧流体を受け入
れるための高圧入口及び低圧流体を低圧流体源へ
排出するための低圧出口を設け、前記弁部材を前
記デイスプレツサ装置により上部限界位置および
下部限界位置の間で２方向に運動可能にするとと
もに前記デイスプレツサ装置を前記弁部材に対し
て限定された範囲で運動可能になし、また、前記
弁部材を、前記デイスプレツサ装置が前記頂部死
点位置に向かつて動く時に、このデイスプレツサ
装置によつて係合されて前記上部限界位置へ移動
させられるとともに、前記デイスプレツサ装置が
前記底部死点位置に向かつて動く時に、このデイ
スプレツサ装置によつて係合されて前記下部限界
位置へ移動させられるようになし、更に、前記弁
ケーシングおよび前記弁部材を、該弁部材がその
上部限界位置にある時に、前記第１の容積可変の
室が低圧流体源と連通しかつ前記第３の容積可変
の室が高圧流体源と連通するように、また、前記
弁部材がその下部限界位置にある時に、前記第１
の容積可変の室が高圧流体源と連通しかつ前記第
３の容積可変の室が低圧流体源と連通するよう
に、構成している。

発明の実施例 本発明のいくつかの実施例に関し以下に述べる
詳細な説明において、しばしば上部部分および下
部部分という参照がなされるであろう。この「上
部」および「下部」という言葉は相対的な意味で
用いており、冷凍装置はいかように配置してもよ
いことは当然である。したがつて、「上部」およ
び「下部」という言葉は、この説明においては図
示の位置に対応して用いる。また、ヘリウムガス
が好ましい作動流体であるけれども、本発明で
は、空気および窒素に限らずこれらも含めて所要
の冷凍温度に応じて、ヘリウム以外のガスを使用
してもよいことは当然である。

第１図ないし第３図を参照すると、図示の冷凍
装置はGifford McMahon冷凍サイクルに従つて
運転するように設計されている。冷凍装置は、ヘ
ツダ６に結合される上部フランジ４を有する外部
ハウジング２を具備する外観を呈する。ヘツダ６
の底部フランジ８は適切なねじ締付け具９により
フランジ４に固定される。冷凍装置ハウジングの
下部低温端は、比較的厚い端板１０で閉ざされて
いる。必要な場合、ハウジング壁の下部端にフラ
ンジ付円筒部材１２の形状を有する熱ステーシヨ
ンを固定することが可能である。端板１０および
熱ステーシヨン１２は、系で生成される低温に対
し良好な熱伝導性を示すたとえば銅のような適当
な金属で成形し、これにより該端板および熱ステ
ーシヨンは低温流体から熱を奪うように、冷凍装
置内の該低温流体と良好な熱交換関係を有する。
熱ステーシヨンはハウジング２の底部端を囲むた
とえばコイルのようなその他の形状としてもよ
く、あるいは米国特許第2966034号に開示するご
とく、ハウジング２の下部端で得られる冷凍を端
板１０に付属する赤外線検出器の冷却に使用する
ことも可能である。

デイスプレツサ１４はハウジング内を動き、第
１の容積可変の室すなわち上部暖室１６と第２の
容積可変の室すなわち下部冷室１８とを形成す
る。デイスプレツサの上部部分２０と冷凍装置ハ
ウジング２の内面との間に弾性シールリング２２
によつて摺動流体シールを形成し、該シールリン
グはデイスプレツサの溝の中に設けられている。
デイスプレツサの下部部分２３は冷凍装置ハウジ
ングとすべりばめを形成するが、それらの間には
流体シールを設ける必要はない。

室１６と１８とは適当な蓄熱部材を有する流体
流通路を通して流体的に連絡している。とくに、
流体流通路は、デイスプレツサ１４内に配設する
蓄熱装置である再生器２４、およびデイスプレツ
サ内で再生器の上部から室１６に通じる１個以上
の導管すなわち通路２６を具備する。流体流通路
はまた再生器自体の中にも通路を有し、下部デイ
スプレツサ壁３２内には一連の半径方向通路２８
を形成し、また下部デイスプレツサ壁とハウジン
グ２の内面との間には環状通路３０を形成する。
既知の方法によれば、再生器の内容物は充填され
た鉛ボール、細目の金属ふるい、金属針金細片、
またはガス流動に対し通路抵抗の小さいその他の
適当な高蓄熱材料で形成することが可能である。
再生器の正確な構造は、本発明の運転モードに影
響を与えない限り実質的に変更可能である。下部
デイスプレツサ壁３２は、冷室１８にて生成され
る温度において良好な熱伝導性を有する金属で形
成する。

デイスプレツサ１４の上部端には円形断面を有
する同心シリンダ３４を形成する。該シリンダは
上部端を拡大して肩部を形成し、該肩部に環状金
属リング３６を固定する。座ぐり穴の上端部に弾
性リングシール３８を配設して、デイスプレツサ
と後述の弁機構と接する部分との間に摺動流体シ
ールを提供する。板４０は適当な締付け具４２に
よりデイスプレツサの上部端に固定される。板４
０はシール２２および３８の保持を助ける役目を
果たす。

ヘツダ６に、高圧流体の冷凍装置への導入のた
めの高圧ポート４４および低圧流体の排出に使用
される低圧ポート４６が設けてある。流体には一
例としてヘリウムガスがある。ヘツダは、その頂
部端に拡大ねじ部分を有する円筒形同軸シリンダ
４８を有し、該頂部端はねじ込みキヤツプ５０で
閉ざされている。シリンダ４８は、弁ケーシング
５２と弁部材５４とから成る弁機構を収容する。
ケーシング５２は、シリンダ４８内で締りばめを
なす拡大直径部分５５、キヤツプ５０内に伸長す
る縮小直径上部部分５７、およびデイスプレツサ
の上部内に形成される軸方向シリンダ３４の中に
伸長する縮小直径底部部分５９を有する。弁ケー
シング５２は、適切な手段たとえば摩擦ばめある
いはロールピンまたはねじ込接続によりヘツダ６
に固定され、これにより弁ケーシングはハウジン
グ２に対し固定される。シール３８は弁ケーシン
グの下部端５９と嵌合してケーシングとデイスプ
レツサとの間の摺動流体シールを形成し、これに
より、この二部材間に第３の容積可変の室すなわ
ち駆動室６０が形成される。以後、第３の容積可
変の室６０は「駆動室」と呼び、一方第１の容積
可変の室１６および第２の容積可変の室１８はそ
れぞれ「暖」室および「冷」室と呼ぶこととす
る。

弁ケーシング５２には２個の長い凹部によつて
形成される高圧入口６２および低圧出口６４が設
けられ、これら入口および出口はそれぞれポート
４４および４６と連絡するように配設されてい
る。さらに弁ケーシングは、高圧入口６２の両端
と連絡する半径方向通路６６と６８、さらに低圧
出口６４と連絡する追加の半径方向通路７０と７
２とを具備する。

前述の通路のほかに、弁ケーシング５２は直径
方向に対向して半径方向に伸長する一対の移送ポ
ート７４と７６（第２図参照）を有し、該ポート
は室１６に通じている。

弁部材５４は弁ケーシング５２内にすべりばめ
を成して収容されている。弁部材５４はその下部
端に周縁フランジ７８が設けられ、該周縁フラン
ジはデイスプレツサとすべりばめを成し、デイス
プレツサが弁ケーシング５２に対し相対的に下方
に移動したとき周縁フランジがリングと当たるよ
うにシリンダ３４内に収容されている（第２図）。
フランジ７８が弁ケーシング５２の下端と当る位
置で弁部材の溝の中にＯリング８０が設けられ、
したがつて該Ｏリングは弁部材が弁ケーシング内
を上方に移動するとき緩衝材として働く。弁部材
５４の上部端に第２の周縁フランジ８２が設けら
れ、該周縁フランジは弁部材内に形成された溝に
取付けた別のＯリング８４の肩部としての役目を
なす。Ｏリング８４は弁ケーシング５２の上部端
と当り、したがつて弁部材の緩衝材として働くよ
うに配設されている。弁部材はピン８５により回
転止めが施され、該ピンは弁ケーシング５２の孔
に固定され、弁部材内にて縦方向に設けられた幅
の狭い溝８６内に伸長する。溝８６とピン８５と
の寸法は、弁部材が軸方向に移動してＯリング８
０および８４がそれぞれ対応の弁ケーシング端と
当り、それにより弁部材５４の行程を制限するに
十分な大きさとなつている。しかしながら望まし
くは、Ｏリング８０および８４を設けなくても
（もし後で説明するような機能を弁部材が果たせ
るようにフランジが適切に配設されているなら
ば）フランジ７８と８２が弁ケーシングの端と当
るか、またはピン８５が溝８６の上端または下端
と当ることにより弁部材の行程制限が可能であ
る。組立または分解が容易なように、弁部材５４
は図示のようにたとえばねじ込み結合によつて取
外し可能に固定した２個の部品５５Ａおよび５５
Ｂで構成する。２個の部品５５Ａと５５Ｂは、適
切な方法たとえばロツクタイト（商品名）により
相互にロツクすることも可能である。

さらに第１図ないし第３図を参照すると、弁部
材５４は両端開放の中央通路８８を有し、したが
つて該中央通路は室６０と連絡し、また弁部材の
上部端および弁ケーシングの上端部とキヤツプ５
０との間に形成される第４の容積可変の室９０と
も連絡する。さらに弁部材５４は、中央通路と交
差し同一線上を半径方向に伸長する２個の通路９
２および９４を有し、加えて軸方向に伸長する２
個の溝すなわち第１および第２の連絡通路９６お
よび９５をも有し、該溝は同じ長さではあるが弁
部材の長手方向に相互に位置がずれている。通路
９２および９４は、弁部材がその上限位置にある
ときに通路９２が半径方向通路６６と一致し（第
１図）、また弁部材がその下限位置にあるときに
通路９４が半径方向通路７０と一致する（第２
図）ように配設されている。弁部材がその上限位
置にあるときに連絡通路９６は通路６８とは連絡
するが移送ポート７４からは弁ケーシングの内面
に面して遮断され、一方連絡通路９８は半径方向
通路７２および移送ポート７６と完全に連絡する
ように配設されている。さらに、弁部材がその下
限位置にあるときに連絡通路９６は半径方向通路
６８および移送ポート７４と完全に連絡し、同時
に連絡通路９８は移送ポート７６とは連絡するが
半径方向通路７２からは弁ケーシングの内面に面
して遮断され、以上のことはすべて第１図および
第２図に示すとおりである。さらに弁機構は、高
圧ポート４４と低圧ポート４６とが全く室１６か
ら遮断される中間遷移位置（第３図）をとりうる
ように配設される。この中間遷移位置をとること
が可能なゆえに、該弁機構はすなわちポート７４
および７６の交互の閉止と両方の同時閉止とが可
能な三方弁とみなしうるのである。遷移位置は、
高圧ポートおよび低圧ポートの室１６との連絡の
瞬時の切換えが可能なようにその位置範囲が狭い
ことが望ましい。したがつて弁機構は、その遷移
位置において通路９６の下部端縁はポート７４の
上縁と一致し、また通路９８の上部端縁は通路７
２の下縁と一致し、かつまた、通路９２の上縁は
通路６６の下縁と一致し、また通路９４の下縁は
通路７０の上縁と一致するように配設し、その結
果遷移位置において室１６は高圧ポートおよび低
圧ポートから遮断されるものの弁部材５４が僅か
でも上下に移動すれば、高圧ポート４４または低
圧ポート４６は室１６と連結する。しかしながら
実際には、弁が遷移位置にあるとき、弁部材５４
が弁ケーシング５２の中を摺動するのに必要な間
〓のため、かつまた恐らく弁部材内の各種のポー
トおよび通路の形状または位置の不完全さのため
に、(a)ポート７４と通路６８の間、(b)ポート７６
と通路７２の間、(c)通路６６と９２の間および通
路７０と９４の間に流体の多少の漏洩が発生する
傾向にある。

通常の設置状態における第１図ないし第３図の
冷凍装置は、高圧流体貯槽すなわち高圧貯槽１０
０と連結される高圧ポート４４および低圧流体貯
槽すなわち低圧貯槽１０２と連結されるポート４
６を有するであろう。これなもちろも、低圧流体
は大気に排出することも可能で（開サイクル）、
あるいは米国特許第2966035号の第１図に示すよ
うに、低圧流体を圧縮機１０４それから高圧貯槽
１００へと導く適切な導管により系に戻すことも
可能（閉サイクル）であると理解されよう。

第１図ないし第３図に示す装置の運転を説明す
るには、まず弁部材５４がその下部限界位置にあ
り（第２図）デイスプレツサ１４は上方に移動し
て弁部材５４の底部端に最初に接触する位置、す
なわちデイスプレツサの頂部死点位置（TDC）
の僅か手前の位置にあると仮定して始めよう。こ
の位置における冷凍装置内の流体の圧力および温
度条件は次のとおりである。室１６−高圧で室
温；室１８−高圧で低温；室６０および９０−低
圧で室温。デイスプレツサが上昇を続けると、そ
の面３５は弁部材５４と接触して該弁部材を押し
上げ、遷移位置を通過して該弁部材はその上部限
界位置（第１図）にそしてデイスプレツサはその
頂部死点位置に到達する。弁部材がその遷移位置
を通過するとき、流体は室１６から低圧出口６
４、通路７２，９８および移送ポート７６を通過
して排出し始め、かくして室１６および１８内の
圧力は低下する；同時に高圧空気が高圧ポート４
４、高圧入口６２、通路９２および中央通路８８
を通過して進入する結果として、室６０および９
０内の低い圧力は上昇し始める。弁部材がその上
部限界位置にあり、かつデイスプレツサがその頂
部死点位置にあることにより、室１８の低温高圧
ガスは再生器を通過して排出し、そのとき該ガス
は再生器マトリツクスにより加熱される。さて、
室６０の圧力が上昇しかつ室１６および１８の圧
力が低下することによりデイスプレツサに差圧が
かかり、デイスプレツサを押し下げてガスを室１
８から１６に排出する。しかしながら、デイスプ
レツサが下方に移動するとき弁は低圧ガスを室１
６か排出し続け、再生器が室１８から排出される
低温ガスの残余部分に熱を与えつつ再生器はさら
に冷却される。再生器を通過して流出する低温ガ
スは加熱されつつ膨張し、かくして再生器をさら
に冷却する。

デイスプレツサがその底部死点位置（BDC）
に近付くとき弁部材５４と交差してそれを押し下
げ、その遷移位置を通過してその底部限界位置に
到達する（第２図）。デイスプレツサはその底部
死点位置に向かつて進み、そこで停止する。弁部
材がその遷移位置を通過するとき、流体は室６０
および９０から通路８８，９４、低圧出口６４お
よび低圧ポート４６を通過して排出し始め、これ
によりこれらの室の圧力は低下する；同時に高圧
流体が高圧ポート４４、高圧入口６２、通路６
８，９６および移送ポート７４を通過して室１６
に流入し、かくして室１６を高圧低温ガスで充満
し、該ガスは室１８に流入して再生器を通過する
ときに冷却される。室１６および１８内で上昇す
る圧力は室６０および９０内で低下する圧力と組
み合わされて、デイスプレツサを再び上方に移動
させるのに十分な差圧をデイスプレツサの上下に
発生する。デイスプレツサが上方に移動すると
き、より高圧で室温のガスを室１６から再生器を
通過して室１８に押し込み、かくしてこの追追加
のガスを冷却しその容積を収縮する。この容積収
縮により室１６から室１８にさらにガスを排出で
きる。デイスプレツサがその頂部死点位置に向け
て移動し続け、そこに到達したとき、再び弁部材
と接触して該弁部材をその頂部限界位置まで押し
上げ、かくして最初に説明した運転サイクルを繰
り返す。デイスプレツサがその頂部死点位置に到
達したとき、系内の室１８には低温高圧のガス、
室６０には室温低圧のガスそして室１６には室温
高圧のガスが存在することになることは明瞭であ
ろう。

第１図ないし第３図の冷凍装置の運転速度は、
駆動室６０の圧力がポート４４および４６の高圧
力および低圧力間で切換えられる速さで制御され
る。したがつて、通路６６および７０の各々の有
効オリフイスサイズを調節するために、ヘツダ６
には１０６および１０８で示すようにねじ込み型
ニードル弁が設けてある。ニードル弁の外部端に
は、ユニツトの運転中流量調節が可能なように該
ニードル弁を回すためのねじ回し差し込み用の切
り溝が設けてある。ニードル弁はデイスプレツサ
の運転速度を制御するための流体流量制御装置と
して作用する。

前述の運転モードは、連続運転を達成すべくデ
イスプレツサが弁部材をその遷移位置を通過して
移動するのに十分な慣性を有することを前提とす
る。しかしながら、第１図ないし第３図の装置に
使用される特殊な弁構造では、弁部材の通路６
６，６８（高圧側）と通路７０，７２（低圧側）
にみられる流体圧力差のために弁部材は半径方向
の力を受けるという事実により多少不利を受け
る。この半径方向の力は、弁部材に抗力を与え
る。もし装置が20サイクル毎秒というような比較
的高速で運転するならば、デイスプレツサは該抗
力を克服するのに十分な慣性を有し、弁部材をそ
の遷移位置を急速に通過させるであろう。しかし
ながら、もしデイスプレツサ速度が３サイクル毎
秒というように全く低下すると、慣性が不足して
弁ユニツトの遷移位置またはその付近で停止させ
るに十分なほど抗力は弁ユニトを減速し、その結
果おそらくデイスプレツサはそれにかかる不適切
な圧力差により平衡に達し、停止するであろう。
デイスプレツサの連続往復運転に必要な最低速度
は克服すべき抗力の大きさによつて変わる。

この点に関しては、前に説明したように、前述
の弁部材がその遷移位置にあるとき（第３図）、
弁機構の種々のポートにおいて流体の僅かな漏洩
が発生する傾向にある。かくして、デイスプレツ
サが第２図の位置から第１図の位置に上昇移動す
る過程にあつて、弁部材５４を十分に押し上げて
第３図の遷移位置に達したとき、通路７２と移送
ポート７６との間そしてまた通路６６と９２との
間に漏洩が生じ、その結果として室１６および１
８の高圧流体は低圧ポート４６を通して排出し始
め、また室６０の低い圧力は高圧ポート４４を通
しての高圧流体の流入により上昇し始めるであろ
う。その結果、室１６および６０の圧力は等しく
なり、もし該弁部材をその遷移位置から、デイス
プレツサの運転サイクル継続中該デイスプレツサ
を下方に引き戻そうとする力を付与する差圧を受
けるであろう第１図に示す位置まで駆動するのに
十分な慣性をデイスプレツサが有しなければ、デ
イスプレツサはその運動を停止するであろう。こ
の位置において、圧力に基づきデイスプレツサに
作用する力は、室６０の圧力とその面３５の面積
との積と、室１８の圧力と端部壁３２の下面のう
ち面３５に対応する面積との積との差であること
は理解されよう。その理由は、端部壁３２の下面
の残余面積およびデイスプレツサの下部部分２３
の露出下面２５に作用する室１８の圧力の効果
は、デイスプレツサの上端部有効面積すなわち板
４０の上面およびシール２２と３８の有効面積に
作用する室１６内の圧力（室１８内の圧力と同
一）の効果で打ち消されるからである。同様に、
デイスプレツサが第１図の位置から第２図の位置
に下降移動する過程にあつて、弁部材３４をその
遷移位置まで戻すのに十分移動したとき、通路６
８と移送ポート７４との間そしてまた低圧出口６
４と通路９４との間に漏洩が生じ、その結果とし
て室１６および１８の圧力は高圧ガスの流入によ
り上昇し始め、また室６０および９０の高圧流体
は排出し始めるであろう。その結果、室１６およ
び６０内の圧力は再び等しくなつて平衡状態が再
び生じ、すなわちもし該弁部材を、室６０および
９０が完全にLOの圧力レベルまで排出され、ま
た室１６および１８が完全にHIの圧力レベルま
で加圧されて圧力が急変するその底部限界位置ま
で移動するのに十分な慣性をデイスプレツサが有
しなければ、デイスプレツサ１４は停止するかも
しれない。

実際には、第１図ないし第３図に示すすべり弁
型式を有する装置は、連続運転を確保するよう抗
力を克服するのに十分な高速度でしかも冷却効率
を最大にするのに十分な低速度で運転される。こ
の型式の装置の好ましい運転速度は約10ヘルツ
で、これより高い速度も低い速度も当然可能であ
る。代表例として、該装置は約８ヘルツ以上で運
転すれば連続運転が可能であろうが、約５ヘルツ
以下に絞られると停止する傾向となろう。約５な
いし８ヘルツの間の速度では、連続運転の信頼性
はより高速度におけるよりも低い。この運転の低
速度限界は弁機構すなわち弁組立体の比較的低い
コストおよび簡単さにより相殺される。

第４図は本発明による他の実施例を示す。第４
図は第１図に類似するが、いくつかの点で異な
る。まず、本実施例はヘツダ６に類似するヘツダ
６Ａを有するが、通路６６と７０およびニードル
弁１０６と１０８を欠く点が異なる。また、本実
施例はキヤツプ５０と異なるキヤツプ５０Ａを有
するがここでは弁部材の中央通路と連絡するポー
ト１２４を具備する。また、本実施例は通路６６
と７０を欠く弁ケーシング５２Ａと通路９２と９
４を欠く弁部材５４Ａを用いる。ポート１２４は
中間圧力源１３０と結合し、一方高圧ポート４４
および低圧ポート４６は各々高圧流体源１００お
よび低圧流体源１０２と結合する。中間圧力源１
３０は低圧（LO）および高圧（HI）圧縮ガスの
圧力の中間である中間圧力（IP）であることが
好ましい。本装置も第１図ないし第３図の装置と
同様に運転されるが、室６０の圧力はHIとLOと
の間を変動することなく一定圧を保持することの
ゆえに、デイスプレツサの往復動を惹起する差圧
量を低減する効果を有する。

低周波数運転におけるデイスプレツサの停止傾
向を克服するために、第１図ないし第３図に示す
弁機構の抗力の問題を除去する改良型弁機構を使
用する。カルビン・ラムと私の出願でかつ当該出
願の譲受人所有の同時係属米国特許出願の主題で
ある該改良型弁機構は、第５図ないし第１０図に
示す装置で実施される。さて第５図ないし第１０
図を参照すると、そこに示す装置は第１図ないし
第３図の装置と同一であるが、以下に説明する点
で異なる。ヘツダ６Ｂは、本装置の軸方向に相互
に偏心しかつ各々低圧（LO）および高圧（HI）
圧力源１０２および１００に接続する２個のポー
ト４４Ａおよび４６Ａを有する。この改良型機構
は、それぞれポート４４Ａおよび４６Ａと結合し
てマニホルドの役目を果たす２個の周縁溝１４８
および１５０を有する弁ケーシング５２Ｂで構成
される。弁ケーシング５２Ｂには、溝１４８と交
差しかつ直径方向に対向する一対のポート１５２
および１５０と交差する同様な一対の第２のポー
ト１５４が設けてある。ポート１５４はポート１
５２から90度回転して配設されている。弁部材５
４Ｂにはまた、幅が狭く直径方向に対向する相対
的に長い一対の凹部から成る第１の連絡通路１５
６が設けられ、該凹部はそれらの底部端が、弁ケ
ーシング５２Ｃ内に形成されて室１６と連絡すべ
くヘツダの真下に配設されかつ直径方向に対向す
る一対のポートから成る第１の移送通路１６０と
正確に一致したときに、該凹部の上部端がポート
１５２と正確に一致するのに丁度十分な長さを有
する。弁部材５４Ｂは、幅が狭く直径方向に対向
する相対的に短い一対の凹部から成る第２の連絡
通路１５８を有し、該凹部はそれらの底部が、弁
ケーシング５２Ｂ内に形成されてポート１６０と
同一レベルであるが該ポート１６０から90度回転
して配設されかつ直径方向に対向する一対のポー
トから成る第２の移送通路１６２と正確に一致し
たときに、該凹部の上部端がポート１５４と正確
に一致するのに丁度十分な長さを有する。凹部１
５６および１５８は、弁部材がその頂部限界位置
（第５図）にあるとき、凹部１５８の両端は弁ケ
ーシングで遮断され、凹部１５６はポート１５２
および１６０と完全に一致するように配設されて
いる。同様に、弁部材がその下部限界位置（第６
図）にあるとき、凹部１５６の両端はケーシング
５２Ｂで遮断され凹部１５８はポート１５４およ
び１６０と完全に一致するように配設されてい
る。前述のポートおよび凹部はまた、前述のよう
にポートと凹部との間の必要な間〓および不完全
な仕上りに基づく漏洩は別として、ポート１６２
と４６Ａとの間およびポート１６０と４４Ａとの
間の流体流動が停止する中間遷移位置を弁がとる
ように配設する。この遷移位置は、凹部１５６の
上縁がポート１５２の下縁に一致しかつ凹部１５
８の下縁がポート１６２の上縁と一致したときに
生じる。

第５図ないし第１０図の弁ケーシングは、直径
方向に対向するポート１６４および１６６（第８
図および第７図）を有することを特徴とし、該ポ
ートは溝１４８および１５０と交差するが各々ポ
ート１５２および１５４からは周縁上で離して配
設されている。ポート１６４および１６６は、ポ
ート１５２および１５４から各々弁部材の中心軸
周りに45度回転した位置に配設することが好まし
い。ヘツダ６Ｂ内の一対のねじ込み型ニードル弁
１６５および１６７はそれぞれポート１４６およ
び１６６と協働して、これらのポートを通過する
流体の流量を変化する。さらに、弁部材５４Ｂは
直径方向に対向する二対のポート１６８および１
６９を有し、該ポートは弁部材の中央通路と交差
する。ポート１６８と１６４は弁の中心軸に沿つ
て伸長する第１の共有面上に位置し、かつポート
１６９と１６６は第２の同様な面上に位置する。
ポート１６８と１６９の軸方向の間隙は、弁部材
がその上部限界位置（第５図）にあるとき、ポー
ト１６８はポート１６４と一致することなく（第
８図）ケーシング５２Ｃにて遮断され、かつ、ポ
ート１６９はポート１６６と一致する（第７図）
のようになつている。同時に、弁部材がその下部
限界位置に移動したとき（第６図）、ポート１６
８はポート１６４と一致し（第１０図）かつポー
ト１６９はポート１６６と一致することなく（第
９図）弁ケーシング５２Ｃにて遮断される。

かくして、弁部材がその上部限界位置にあると
き、ポート４４Ａは室１６と連結し、かつポート
４６Ａは通路８８を経由して室６０と連結する。
下つた弁位置においては、室１６はポート４６Ａ
と連結し、かつ室６０はポート４４Ａと連結す
る。したがつて、第５図ないし第１０図の冷凍装
置の運転モードは第１図ないし第３図のそれに類
似するが、ただこの場合は、弁部材がその上部限
界位置にあるとき室１６はポート４４Ａを経由し
て低圧源１０２と連結し、また弁がその下部限界
位置にあるときは、ポート４６Ａは室１６を高圧
源１００と連結する点で異なる。さらに重要な点
は、それが適当な低速度で運転可能なこと、たと
えば、デイスプレツサ１４は２ないし５ヘルツの
周波数でも平衡位置をとつて位置することなく分
離が可能であることである。これは弁部材が、対
向するポート１５２において、また対向するポー
ト１５４，１６４および１６６においても、完全
に対向する流体圧を受けることによる。したがつ
て、弁部材には抗力を与えるべく作用する差圧は
存在しない。また、もし弁部材５４Ｂとケーシン
グ５２Ｂ間に流体が漏洩する傾向があつたとして
も、介在する流体層がここれら部材間に形成しや
すく、したがつて気体軸受に類似の状態を形成し
てさらに抗力を減少する効果を有する。

第５図ないし第１０図の系がさらに有する利点
は、低圧ポート４４Ａおよび高圧ポート４６Ａに
おける圧力は実質的に一定と仮定として、ニード
ル弁１６５および１６７のセツトを変えることに
よりデイスプレツサの運動速度を簡単に調節でき
ることである。この装置の低温冷凍サイクルは第
１図ないし第３図の装置の運転サイクルと同一の
行程を含有する。

前述の本発明の実施例はGifford−McMahon
サイクルを実行可能で、当業者は、本発明が他の
既知の冷凍サイクルを基になされた改良であると
評価しえよう。本発明は、デイスプレツサ速度の
制御能力、種々の大きさすなわち容量への適応
性、既存低温技術（たとえば、普通の再生器の使
用）との適合性、簡易性、弁機構の取外しの容易
性および信頼性、弁機構の直径または長さを比例
して増加することなくデイスプレツサイズを拡大
できることの能力、比較的短い弁部材の行程、お
よびデイスプレツサと弁部材との衝突音を消す能
力などこれらに限定することなくこれらをも含め
て多くの利点を提供する。実施例によれば、弁部
材の両限界位置間の行程はわずか３mmである。Ｏ
リング８０および８４は弁部材の緩衝材となつて
騒音を減らし、かつシリンダ２の下部端が１１４
ないし14絶対温度という低い温度であつても、弁
部材は室温で作動する。さらに本発明の利点は、
本装置は先行技術のように再生器をデイスプレツ
サの外に出すことが可能であり、または、たとえ
ば米国特許第3188818号および第3218815号に示す
ように２個以上の同様な冷凍段を直列に配設する
ことも可能であり、あるいはここに引用した先行
技術に示すように、１個以上のジユール・トムソ
ン熱交換器および膨張弁を用いた補助冷凍段を設
けることも可能であることである。通通路６６，
６８、移送ポート７４，７６ならびに通路９２お
よび９４はすべて円形でかつ同一直径を有し、ま
た、通路９６および９８は同一有効断面積を有す
ることが好ましいが、必須ではない。第５図ない
し第１０図の装置の対応する部分についても同様
な設計条件を付与することが好ましい。その他利
点および改良な当業者に明瞭であろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は自己制御型Gifford−McMahonサイ
クル低温冷凍装置を構成する本発明の一実施例の
拡大部分断面図で、第１選択位置におけるデイス
プレツサと弁機構を示し、 第２図および第３図は第１図に類似の略断面図
で同一装置の運転サイクルにおける種々の行程を
示し、 第４図は第１図ないし第３図の実施例の変型を
示す部分断面図、 第５図は第１図に類似するも、好ましい形態の
冷媒流制御弁機構を使用する好ましい形態の自己
制御型冷凍装置の断面図、 第６図は第５図の装置の部分図で第５図視角方
向から90度回転した図、 第７図および第８図はそれぞれ第５図の線７−
７および８−８についての断面図、そして 第９図および第１０図はそれぞれ第６図の線９
−９および１０−１０についての断面図である。 ２：ハウジング、６：ヘツダ、１４：デイスプ
レツサ、１６：第１の容積可変の室（上部暖室）、
１８：第２の容積可変の室（下部冷室）、２２：
弾性シールリング、２４：蓄熱装置である再生
器、４４：高圧ポート、４６：低圧ポート、５
２：弁ケーシング、５４：弁部材、６０：第３の
容積可変の室である駆動室、６２：高圧入口、６
４：低圧入口、７４：移送ポート、７６：移送ポ
ート、８８：中央通路、９０：第４の容積可変の
室、９６：溝である連絡通路、９８：溝である連
絡通路、１００：高圧貯槽、１０２：低圧貯槽、
１０４：圧縮機。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 加圧下の流体が、第１の容積可変の室から初
   期冷却をしつつ少なくとも１つの第２の容積可変
   の室へと排出され、これにより更に冷却されると
   ともに冷凍装置からの吐出による膨張を行い、高
   圧流体の導入と低圧流体の排出により頂部死点位
   置および底部死点位置の間で往復動するように制
   御されるデイスプレツサ装置の運動により前記流
   体が前記冷凍装置を通過して移送される低温冷凍
   装置において、 弁ケーシング及びこの弁ケーシングと相対的に
   運動するように設けられた弁部材から成る弁機構
   と、 前記デイスプレツサ装置及び前記弁機構によつ
   て画成される第３の容積可変の差と、を設け、 前記弁ケーシングには高圧流体源からの高圧流
   体を受け入れるための高圧入口及び低圧流体を低
   圧流体源へ排出するための低圧出口を設け、 前記弁部材を前記デイスプレツサ装置により上
   部限界位置および下部限界位置の間で２方向に運
   動可能にするとともに前記デイスプレツサ装置を
   前記弁部材に対して限定された範囲で運動可能に
   なし、 また、前記弁部材を、前記デイスプレツサ装置
   が前記頂部死点位置に向かつて動く時に、このデ
   イスプレツサ装置によつて係合されて前記上部限
   界位置へ移動させられるとともに、前記デイスプ
   レツサ装置が前記底部死点位置に向かつて動く時
   に、このデイスプレツサ装置によつて係合されて
   前記下部限界位置へ移動させられるようになし、 更に、前記弁ケーシングおよび前記弁部材を、
   該弁部材がその上部限界位置にある時に、前記第
   １の容積可変の室が低圧流体源と連通しかつ前記
   第３の容積可変の室が高圧流体源と連通するよう
   に、また、前記弁部材がその下部限界位置にある
   時に、前記第１の容積可変の室が高圧流体源と連
   通しかつ前記第３の容積可変の室が低圧流体源と
   連通するように、構成していることを特徴とする
   低温冷凍装置。 ２ 特許請求の範囲第１項に記載の低温冷凍装置
   において、前記弁ケーシングには前記第１の容積
   可変の室と連通する少なくとも１つの移送ポート
   を設け、前記弁部材および弁ケーシングを、前記
   弁部材がその上部下限位置および下部下限位置の
   一方に位置する時に前記高圧入口が前記少なくと
   も１つの移送ポートを介して前記第１の容積可変
   の室に連結されるように、また前記弁部材が前記
   上部限界位置および下部限界位置の他方に位置す
   る時に前記低圧出口が前記少なくとも１つの移送
   ポートを介して前記第１の容積可変の室に連結さ
   れるように構成したことを特徴とする低温冷凍装
   置。 ３ 特許請求の範囲第１項又は第２項に記載の低
   温冷凍装置において、前記弁ケーシングには少な
   くとも第１および第２の移送ポートを設け、前記
   弁部材及び前記弁ケーシングを、前記弁部材がそ
   の上部限界位置および下部限界位置の一方に位置
   している時に前記高圧入口が前記第１の移送ポー
   トを介して前記第１の容積可変の室に連結され、
   また前記弁部材が前記上部下限位置および下部下
   限位置の他方に位置する時に前記低圧出口が前記
   第２の移送ポートを介して前記第１の容積可変の
   室に連結されるように構成したことを特徴とする
   低温冷凍装置。 ４ 特許請求の範囲第１項乃至第３項のいずれか
   に記載の低温冷凍装置において、前記デイスプレ
   ツサ装置はその頂部死点位置から底部死点位置ま
   でのあるいは底部死点位置から頂部死点位置まで
   の行程の実質的に限定された部分にわたつて前記
   弁部材とは独立して運動可能になされ、これによ
   り、このデイスプレツサ装置によつて前記弁部材
   が前記第１の室と前記高圧流体源あるいは低圧流
   体源との間の流体連通を反転させる前に、前記デ
   イスプレツサ装置が流体を動かして実質的な量の
   流体を所定の方向へ移送するように構成されたこ
   とを特徴とする低温冷凍装置。 ５ 特許請求の範囲第２項又は第３項に記載の低
   温冷凍装置において、前記弁機構には、前記高圧
   入口及び低圧出口を前記弁部材の位置に応じて前
   記少なくとも１つの移送ポートに交互に連結する
   ようになされた第１及び第２の連絡通路と、前記
   高圧入口及び低圧出口を前記弁部材の位置に応じ
   て前記第３の容積可変の室に交互に連結する追加
   の通路と、を設けたことを特徴とする低温冷凍装
   置。 ６ 特許請求の範囲第１項乃至第５項のいずれか
   に記載の低温冷凍装置において、前記第１の容積
   可変の室が前記弁ケーシングの一部により包囲さ
   れていることを特徴とする低温冷凍装置。 ７ 特許請求の範囲第１項乃至第６項のいずれか
   に記載の低温冷凍装置において、前記デイスプレ
   ツサ装置が前記弁ケーシングの少なくとも一部を
   これと入れ子式の関係で包囲することを特徴とす
   る低温冷凍装置。 ８ 特許請求の範囲第１項乃至第７項のいずれか
   に記載の低温冷凍装置において、前記弁部材は前
   記弁ケーシングの一端から突出し、かつ前記デイ
   スプレツサ装置と係合可能になされていることを
   特徴とする低温冷凍装置。 ９ 特請求の範囲第１項乃至第８項のいずれかに
   記載の低温冷凍装置において、前記デイスプレツ
   サ装置がその中で摺動可能に配設されたハウジン
   グを備え、さらに前記弁ケーシングが前記ハウジ
   ングに固定されていることを特徴とする低温冷凍
   装置。 １０ 特許請求の範囲第９項に記載の低温冷凍装
   置において、前記ハウジングに付設されかつ前記
   弁ケーシングを保持するヘツダを具備し、前記ヘ
   ツダは前記高圧入口および低圧出口をそれぞれ高
   圧流体源および低圧流体源と接続するための高圧
   ポートおよび低圧ポートを具備していることを特
   徴とする低温冷凍装置。 １１ 特許請求の範囲第１０項に記載の低温冷凍
   装置において、前記低圧流体源からの流体を圧縮
   しこの圧縮された流体を前記高圧流体源に送るた
   めの圧縮機を備えていることを特徴とする低温冷
   凍装置。 １２ 特許請求の範囲第１項乃至第１１項のいず
   れかに記載の低温冷凍装置において、前記弁部材
   は前記デイスプレツサ装置により該デイスプレツ
   サ装置の運動方向と同一の方向に移動させられる
   ことを特徴とする低温冷凍装置。 １３ 特許請求の範囲第１項乃至第１２項のいず
   れかに記載の低温冷凍装置において、前記デイス
   プレツサ装置により移送される流体と熱交換をす
   るための再生器を具備していることを特徴する低
   温冷凍装置。 １４ 特許請求の範囲第１３項に記載の低温冷凍
   装置において、前記再生器が前記デイスプレツサ
   装置内に設けられていることを特徴とする低温冷
   凍装置。 １５ 特許請求の範囲第１項乃至第１４項のいず
   れかに記載の低温冷凍装置において、前記デイス
   プレツサ装置の運動速度を制御するために流体の
   流量を調節するための流体流量制御装置を具備し
   ていることを特徴とする低温冷凍装置。 １６ 特許請求の範囲第１項乃至第１５項のいず
   れかに記載の低温冷凍装置において、前記弁部材
   は軸方向に往復運動可能なように前記弁ケーシン
   グの中に摺動可能に配設され、前記弁部材の一端
   は前記第３の容積可変の室の中に突出し、弁部材
   の他端とヘツダにより第４の容積可変の室が形成
   され、また前記弁部材は前記第３および第４の容
   積可変の室を連通してこれら室の間の圧力を均一
   化するための中央通路を具備していることを特徴
   とする低温冷凍装置。 １７ 特許請求の範囲第１６項に記載の低温冷凍
   装置において、高圧入口および低圧出口と前記少
   なくとも一つの移送ポートとの結合により形成さ
   れる流体通路とは独立に、高圧流体を前記第３お
   よび第４の容積可変の室の少なくとも一つに導入
   するための流体通路を具備していることを特徴と
   する低温冷凍装置。 １８ 特許請求の範囲第１項乃至第１７項のいず
   れかに記載の低温冷凍装置において、前記第３の
   室を前記第１の室から隔離するために前記弁ケー
   シングと前記デイスプレツサ装置との間に流体シ
   ールが設けられていることを特徴とする低温冷凍
   装置。