JPH0263147B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、周知のギフオード−マクマホンサイ
クルの原理に基く極低温冷凍機に関する。

発明の背景 ギフオード−マクマホンサイクルを教示した従
来の代表的な特許としては、米国特許第2966035
号、3188818号、3218815号及び4305741号などが
ある。

最大限の効率と信頼度を得るためには、再生器
を通して移送するガスの容積を最大限にすること
が肝要である。そしてそれを達成するには、押の
け器が上死点又は下死点に達したときガスの流れ
の方向が逆転されるようにすることが肝要であ
る。本発明は、流体の流れを制御するための摺動
自在の圧力応答弁と組合せて、上記押のけ器の、
上死点及び下死点における位置を制御するために
電気モータを使用することによつて上記問題を解
決することを企図したものである。

発明の概要 本発明は、ハウジング内に可変容積の第１画室
と第２画室を画定する可動押のけ器を備えた極低
温冷凍機に関する。冷媒流体は、押のけ器の移動
によつて第１画室と第２画室との間で流路に沿つ
て循環される。押のけ器の移動は、中間圧の流体
の導入を介して一部制御される。

本発明の冷凍機は、軸方向の通路を有するスラ
イドを案内するための室を備えている。スライド
は、押のけ器に連結してあり、少くとも上死点及
び下死点において押のけ器の移動を制御するため
に該スライドにモータを連結する。

スライド内の通路には制流部を設ける。高圧及
び低圧流体の流れを制限するためのスプール弁体
を備えた弁を設け、押のけ器が下死点に達したと
きスプール弁体を変位させるために高い流体圧を
導入するようにするために、前記室の一端と、押
のけ器から遠い側の他端とを連通する導管を含む
手段を設ける。

本発明の目的は、押のけ器の移動を上死点及び
下死点においては制御するが、押のけ器の他の位
置においてはオーバーライドされるようにしたモ
ータを組入れることにより押のけ器の移動を制御
することによつて効率及び信頼性を改良するよう
にした極低温冷凍機を提供することである。

本発明の他の目的は、冷凍モードと熱発生モー
ドの両方を有する極低温冷凍機を提供することで
ある。

実施例の説明 本発明の冷凍機１０は、第１〜２図に示される
ように、第１段１２を有している。使用するとき
は、この段は真空ハウジング（図示せず）内に配
設する。このような段は、１個又は複数個設ける
ことができる。各段は、ハウジング１６のような
ハウジングを有しており、該ハウジング内には押
のけ器１８を設ける。押のけ器１８は、その上側
に第１画室（暖温画室）２０を、そして下側に第
２画室（冷温画室）２２を画定するようにハウジ
ング１６の全長より短い長さとする。ここでは、
暖温及び冷温という用語は、当業者には周知のよ
うに相対的な意味で用いられている。

フランジ付リングを有する熱良導材料製の筒の
形としたヒートステーシヨン２４を冷温画室２２
を囲繞するようにしてハウジング１６に付設す
る。ヒートステーシヨン２４は、当業者には周知
のように図示のもの以外の他の構造としてもよ
い。

押のけ器１８内には、マトリツクスを包含した
再生器２６を設ける。連通口２８により再生器２
６内のマトリツクスの上端を暖温画室２０に連通
させる（第２図）。マトリツクスの下端は、半径
方向の連通口３０により押のけ器１８の下端の外
周面とハウジング１６の内周面との間のクリアラ
ンス空間３２に連通させる。かくして、再生器２
６内のマトリツクスの下端は、連通口３０及びク
リアランス３２を通して冷温画室２２と連通す
る。クリアランス３２は環状の熱交換器の役割を
果す。

再生器２６のマトリツクスは、無酸素銅のよう
な高い比熱を有する250メツシユ材の積重体から
成るものであることが好ましい。このマトリツク
スは、空隙率が低く、圧力降下が低い。マトリツ
クスは、鉛球、ナイロン、ガラスなどの他の材料
であつてもよい。

モータハウジング３８内に同期ステツプモータ
４０を配設し、上記ハウジング１８は、このモー
タハウジング３８から垂下させる。モータ４０の
出力は、カム４４に連結させる。カム４４は、ス
ライド４６の横断スロツト内に配置されたカム従
節を有している。スライド４６は、押のけ器の上
端に連結させてある。

スライド４６は、ハウジング３８に取付けたク
リアランス密封スリーブ型軸受４８，４９によつ
て囲繞され、案内されるようにする。軸受４８，
４９は、セラミツク材で形成するのが好ましい。
スライド４６は、スリーブ型軸受４９の内周面に
滑り接触する軸受挿入体５０を有している。スラ
イド４６には軸方向の流体通路５２が設けられて
おり、流体通路５２の制流部（流れ制限部）５４
より上方の部位に半径方向の連通口５５が設けら
れている。スライド４６の長さは、スリーブ型軸
受４９より長い。スライド４６が第２図に示され
るように上死点より下にあるときは、該スライド
の上方に軸受４８によつて囲まれる室５６が画定
される。

ハウジング３８には、スライド４６に平行な内
孔５８を設け、その内孔内に好ましくはセラミツ
ク材製のクリアランス密封スリーブ型軸受６０を
装着し、その軸受内に軸方向の流体通路６４を有
する往復動自在のスプール弁体６２を配設する。
弁体６２はスリーブ型軸受６０の長さより短く
し、流体通路６４が弁体の下方の室６５と連通す
るようにする。

弁体６２の上端に近い部位で通路６４内に制流
部６６を設ける。通路６４の上端は、導管６７に
より室５６に連通させる。スプール弁体６２の外
周面には溝６８を形成してあり、弁体が第１図に
示される位置にあるときは、溝６８の一端は、給
排通路７０によつて暖温画室２０に連通し、溝６
８の他端は、低圧連絡通路７２を介して連通口５
５に連通する。ハウジング３８は、圧縮機８４の
吐出側からの導管８６に接続する高圧連通口７４
を有する。高圧連通口７４は、スプール弁体６２
がどの位置にあつても、高圧連絡通路７６と連通
している。以下に述べるように、高圧連通口７４
は、押のけ器１８が下死点に達したときには高圧
連絡通路７６を介して室５６に連通するようにな
されている。

スプール弁体６２が第１図に示される位置にあ
るときは、溝６８の上端がスリーブ型軸受６０の
内周において低圧連通口７８に連通し、低圧連通
口７８は導管８５を介して圧縮機の吸入側に連通
する。圧縮機３４の出力即ち吐出側は、導管８６
を介して高圧連通口７４に常時連通している。

スライド４６の一部分の周りを囲繞する室８０
を設ける。室８０は、出口定圧調整弁８８を介し
て圧力源８２に接続された通路８１に連通させ
る。弁８８は、高圧連通口７４に関連する高圧
と、低圧連通口７８に関連する低圧との間の中間
圧にセツトする。スライド４６の上端部分を小径
とし、流体作用面を構成する肩部９０を形成す
る。室８０は、スライド４６と軸受４８との間の
クリアランスシールによつて室５６から隔離す
る。

ハウジング３８は、その機械加工、組立を容易
にし、かつ、スプール弁体６２及びスライド４６
へのアクセスを容易にするために多数の分割部片
で構成する。その構成態様は、ここには図示しな
いが、当業者には明らかであろう。冷凍機１０
は、ヘリウムのような極低温流体とともに使用す
るものとして設計するのが好ましいが、空気や窒
素などの他の流体を使用することができる。図示
の実施例では、冷凍機１０は、第１段１２からは
77〓で少くとも65ワツトのワツト数出力を有し、
20〓で最少限５ワツトのワツト数出力を有するよ
うに設計した。

各可動部材のストロークの長さは短く、弁体６
２のストロークは12mmであり、各押のけ器のそれ
は30mmである。弁体６２には必ずしも軸方向の流
体通路６４を設ける必要はなく、差圧に応答する
中実スプール弁体であつてもよい。

作 動 第１図に示される状態では押のけ器１８は、上
死点にあり、モータ４０の制御下にある。スプー
ル弁体６２はちようどその最上方位置に達したと
ころである。この位置では、第１画室２０は、給
排通路７０、低圧連通口７８及び導管８５を経て
圧縮機８４の吸入側に連通する。スプール弁体６
２の下方の室６５の流体も、通路６４、導管６
７、通路５２及び低圧連絡通路７２を通して排出
される。中間圧のガスは室８０内に捕捉される。

押のけ器１８がモータ４０により下降され始め
ると、第２画室２２内の冷い低圧ガスがそれぞれ
の再生器２６内を通つて上昇し、排出される。室
８０内のガスは肩部９０に作用し、モータ４０を
オーバーライドしてスライド４６を下方へ押下げ
る。ここで、「モータをオーバーライドする」と
は、「モータの作動に上乗せする」あるいは「モ
ータの作動を上回る」あるいは「モータの作動に
優先する」という意味である。ガスは、再生器２
６内を通つて上昇する間に再生器から熱を吸収
し、それによつて再生器を冷却する。スライド４
６の上端は下降するにつれて、高圧連絡通路７６
に近づき、第２図に示されるように、高圧連絡通
路７６を開放したときに押のけ器１８は下死点に
達する。高圧連絡通路７６の位置づけ精度は、効
率に直接影響する。かくして、高圧連通口７４か
らの高圧ガスが高圧連絡通路７６から室５６へ、
そして導管６７へ流入し、制流部５４と６６との
間の圧力が増大する。高圧ガスが室６５内の低圧
流体に打克つと、弁体６２が第２図に示される位
置にまで下降する。この時点で、系全体が、両端
を閉塞された低圧連絡通路７２を除いて高圧ガス
を包含することになる。押のけ器１８は下死点に
ある。

押のけ器１８内の再生器の機能は、再生器内を
下降するガスを冷却し、再生器内を上昇するガス
を加熱することである。ガスは、再生器内を下降
する際に冷却され、それによつて圧力を減ぜられ
るが、更に多くのガスを系内に流入させ、最大限
のサイクル圧力を維持する。室２２内のガスの温
度の低下が、この装置によつて得られる有用な冷
凍作用である。ガスは、再生器内を通つて上昇す
るときは、マトリツクスによつて周囲温度に近い
温度にまで加熱される。

スライド４６は、モータ４０により押のけ器１
８と共に第２図の下死点から上昇せしめられ、そ
れにつれて高圧ガスが第２画室２２内へ下降す
る。連通口５５は、スライド４６が上死点に達す
る寸前に低圧連絡通路７２と連通する。連通口５
５が低圧連絡通路７２と連通すると、直ちに通路
５２及び導管６７を圧縮機８４の吸入側に連通さ
せる。室６５内に捕捉されている高圧ガスがスプ
ール弁体６２を第２図に示される位置から押のけ
器が上死点に達する第１図に示される位置へ上昇
させる。これで１サイクルが完了する。

流体圧がスライド４６及び押のけ器１８の制御
をオーバーライドする態様は下記の通りである。
カム４４のクランク腕に作用する垂直方向の力
は、接線方向の力をクランクの角度のサイン（正
弦）によつて除した商である。今、接線方向の力
を4.5Kg（10ｂ）とし、高圧ガスの圧力を21
Kg／cm²（300psi）、圧力源82からの中間圧を14
Kg／cm²（200psi）、低圧ガスの圧力を７Kg／cm²
（100psi）、肩９０の差面積を2.6cm²（0.4in²）とす
る。トルクが最大となるクランク腕の上死点及び
下死点の前後約15°の間の帯域ではスライド４６
の移動制御はモータ４０だけによつて行われる。
クランク腕が上死点から15°移動してスライド４
６が下降した時点では、肩９０に作用する流体圧
の垂直方向の力は、18Kg［（14−７）×2.6］であ
る。一方、上死点から15°下の位置においてスラ
イド４６に作用するモータ４０の垂直方向の力
は、4.5÷0.25＝18Kgである。上死点より下の15°
から165°までの間の帯域では肩９０に作用する圧
力は、モータ４０の垂直力を上回る。

かくして、肩９０に作用する流体圧の力がモー
タ４０の力をオーバーライドし、モータ４０を１
サイクルのほぼ300°の間は増速させる。これと同
じ差圧条件が、スライド４６が上昇する際にも存
在する。なぜなら、差圧△Ｐは７（21−14）であ
るからである。従つて、モータ４０は、中間流体
圧と肩９０の作用面が設けられていない場合に必
要とされるモータよりはるかに小さく、安価なモ
ータとすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１及び２図は、本発明の一実施例による、冷
凍機の垂直断面図で、それぞれ異る作動段階にあ
るところを示す。 １６：ハウジング、１８：押のけ器、２０：第
１画室、２２：第２画室、２６：再生器、４０：
モータ、４６：スライド、５２：軸方向の通路、
５４：制流部、５６：室構成手段、６２：スプー
ル弁体、６８：溝、７０：給排通路、７２：低圧
連絡通路、７４：高圧連通口、７６：高圧連絡通
路、７８：低圧連通口、８０：室、８２：圧力
源、８４：圧縮機。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ハウジング１６と、 前記ハウジング内に上死点と下死点の間で移動
   自在に装着されており、上下に可変容積の第１画
   室２０と第２画室２２を画定する可動押のけ器１
   ８と、 該可動押のけ器内に収容されており、上端及び
   下端においてそれぞれ前記第１画室と第２画室に
   連通する再生器２６と、 第２のハウジング３８と、 前記押のけ器に連結されて前記第２のハウジン
   グ内に上下に移動自在に装着されたスライド４６
   と、 前記押のけ器の移動をその上死点及び下死点に
   近い位置において制御するために前記スライドに
   連結されたモータ４０と、 前記第１画室と第２画室との間で高圧冷媒流体
   及び低圧冷媒流体を循環させるための流路と、 前記高圧冷媒流体及び低圧冷媒流体の流れを制
   御するために前記第２のハウジング内に上下に移
   動自在に装着されたスプール弁体６２と、 高圧冷媒流体の圧力と低圧冷媒流体の圧力との
   間の中間圧力の流体源８２と、 から成り、 前記スライド４６は、前記押のけ器のある側と
   は反対側の上端において前記第２のハウジング内
   に画定された第１の室５６と連通し、下端におい
   て前記再生器の上端に連通し、制流部５４を備え
   た軸方向の流体通路５２を有し、上下両端間の中
   間部分の外周にはその周りを囲繞する第２の室８
   ０に露呈される流体作用面９０を画定する減径部
   分を有し、 前記スプール弁体６２は、上端において前記第
   ２のハウジング内に画定された第３の室に連通
   し、制流部６６を備えた軸方向の流体通路６４を
   有し、上下両端間の中間部分の外周面に溝６８を
   有し、 前記流路は、前記押のけ器の移動が前記モータ
   及びスライドによる制御の他に、高圧冷媒流体の
   導入と低圧冷媒流体の排出によつても制御される
   ように、第１画室２０とスプルー弁体６２の間に
   延長した給排通路７０と、スプルー弁体６２と圧
   縮機８４の吐出側を結ぶ高圧連通口７４と、スプ
   ルー弁体６２と圧縮機８４の吸入側を結ぶ低圧連
   通口７８を含み、 スプール弁体６２の前記溝６８は、該スプール
   弁体がその最上位置へ移動したときは前記第１画
   室２０から給排通路７０及び低圧連通口７８を通
   して低圧冷媒を圧縮機８４の吸入側へ排出させる
   べく給排通路７０と低圧連通口７８を連通させ、
   該スプール弁体がその最下位置へ移動したときは
   圧縮機８４の吐出側から高圧連通口７４及び給排
   通路７０を通して前記第１画室２０へ高圧冷媒流
   体を導入するべく給排通路７０と高圧連通口７４
   を連通させるように位置づけされており、 前記スプール弁体の流体通路６４の上端及び前
   記第３の室を前記スライドの流体通路５２の上端
   及び前記第１の室５６と連通させるための導管６
   ７が設けられており、前記押のけ器が下死点に達
   したとき高圧冷媒流体を前記第１の室５６へ導入
   し、前記２つの制流部５４，６６の間で前記第３
   の室内の圧力を増大させ該スプール弁体を最下位
   置へ移動させるために該スライドとスプール弁体
   の間に延長した高圧連絡通路７６が設けられてお
   り、 前記押のけ器が上死点に近づくにつれて、該ス
   ライド内の軸方向の流体通路５２及び前記導管６
   ７から冷媒流体を排出させ、それによつて該スプ
   ール弁体の移動を上方へ逆転させるための低圧連
   絡通路７２が前記スライドとスプール弁体との間
   に設けられており、 前記スライドがその上死点から離隔していると
   き、前記モータをオーバーライドするための中間
   圧力を前記流体作用面９０に加えるために高圧冷
   媒流体の圧力と低圧冷媒流体の圧力との間の中間
   圧力の流体を前記第２の室８０内へ導入するため
   に前記流体源８２を該第２の室に接続する通路手
   段８１が設けられていることを特徴とする極低温
   冷凍機。 ２ 前記スライド及びスプール弁体のためのセラ
   ミツク製クリアランス密封スリーブ型軸受が設け
   られている特許請求の範囲第１項記載の極低温冷
   凍機。 ３ 前記スライド及び押のけ器は、上死点及び下
   死点の前後約15°の間の帯域においては前記モー
   タだけによつて制御されるようになされている特
   許請求の範囲第１項記載の極低温冷凍機。