JPH0263148B2 - - 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号および4305741号など
がある。

超伝導量子干渉装置のようなある種の環境にお
いては、電気モータの磁束は、許容されない。従
つて、押のけ器を移動させるための手段として流
体素子ユニツトを用いることがすでに提案されて
いる（例えば米国特許第4310337号参照）。流体素
子冷凍機は、押のけ器の制御能力を欠くという欠
点があるので、各サイクル毎に全圧ガスが導入さ
れ、押のけ器がそのストロークの終端で端壁に突
当つたとき大きな騒音を発するという欠点があ
る。本発明は、これらの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、ハウジング体内に可変容積の第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、一部は、高
圧流体の導入と低圧流体の排出を介して制御す
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、該スライドにピス
トンを連結し、ピストンに作用する中間圧力のガ
スに応答して押のけ器の移動を制御するようにす
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、押のけ器のストローク中ダツ
シユポツトとして機能し、ストロークの終端（死
点）において衝撃緩衝器として機能する流体素子
機構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流体素子
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、構造が簡単で、信頼性の
高い流体素子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１〜３図に示された
実施例では第１段１２だけを有しているが第２段
を備えることもできる。使用するときは、これら
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にはハウジング１
６に接触するようにしたシール１９を装着する。
押のけ器１８は、その上側にでいい画室（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、マトリツクを包含した再
生器２６を設ける。連通口２８により再生器２６
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２６
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。

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。

押のけ器１８の上端にスライド４６を連結す
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４７，４８，４
９によつて囲繞され、案内されるようにする。軸
受４７，４８，４９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
４７，４９の内周面に滑り接触する軸受挿入体５
０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４７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４９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及び
２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に連通さ
せる。高圧連通口７４をハウジング３８に設け、
スプール弁体６２がどの位置にあるときも、高圧
連通口７４は、常時、高圧連絡通路７６と連通す
るようにななされている。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３図に示される位置にあ
るときは、通路６９の上端は弁体６２によつて閉
塞される。スライド４６の連通口５５は、スライ
ド４６が上死点に達したとき通路６９及び溝６８
に連通する（第１図）。低圧連通口８２は、圧縮
機８４の吸入側に連通させ、圧縮機８４の出力即
ち吐出側は、導管８６を介して高圧連通口７４に
連通させる。

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。

スライド４６の上方端部分の直径は、下方端部
分より小さくしてある。ピストン８８をスライド
４６に付設し、該スライドの大径下方端部分によ
つて支持させる。ピストン８８は、軸受４８によ
つて画定された室９０内に配設する。ピストン８
８の上方の空間９２は、押のけ器１８が第１図に
示されるように上死点に達したときには最少限に
なり、押のけ器が第３図に示されるように下死点
に達したときには最大限になる。ピストン８８の
下方の空間は符号９４で示してある。

空間９２は、通路９６，９７，９８を介して空
間９４に常時連通させてある。通路９６と９７の
間の流れは針弁１００によつて制御し、通路９７
と９８の間の流れは針弁１０２によつて制御す
る。通路９６は、ピストン８８と室９０の上端と
の間でガスを捕捉する部位において空間９２と連
通しており、衝撃吸収器の役割を果す。通路９８
も、同様の態様で空間９４と連通している。

針弁１００，１０２は、2°程度の小さなテーパ
を有する弁体を備えたものとし、両方共同じ流量
にセツトしておく。針弁１００，１０２には、そ
れぞれの目盛板１０４，１０６の目盛と関連する
指針を付設する。針弁１００，１０２は、空間９
２と９４の間のガスの流量を制御し、ダツシユポ
ツトの役割を果す。従つて、１分間当りのサイク
ルの回数は、各針弁を同量づつ調節することによ
つて変えることができる。

通路９７は、弁１１０を備えた導管１０８を介
して14Kg／cm²（200psi）のヘリウムガスのような
中間圧力源に連通させる。この中間圧の大きさ
は、例えば21Kg／cm²（300psi）程度の圧縮機８４
の出力側の高圧と、例えば７Kg／cm²（100psi）程
度の圧縮機８４の入力側の低圧に対するものであ
る。

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、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、室
２０は、給排通路７０、溝６８及び連通口８２を
経て圧縮機８４の吸入側に連通する。スプール弁
体６２の下方の室６５の流体も、通路６４、導管
６７、通路５２、及び通路６９を通して排出され
る。高圧連絡通路７６内には高圧流体が捕捉され
る。

押のけ器１８がピストン８８の上方空間９２内
に穂阿曽腐れた中間圧のガスが圧縮されることに
より、ピストンの差圧作用面８７に作用する差圧
により下降され始めると、室２２内の冷い低圧ガ
スが再生器２６内を通つて上昇する。この低圧ガ
スは、再生器２６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。第２図に示される状態では押のけ器が下降
し、下死点に近づいている。そして連通口５５は
通路６９との連通関係から遮断される。スライド
４６の上端が高圧連絡通路７６を開放したときに
押のけ器１８は第３図に示されるように下死点に
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、高圧連絡通路７６
が開放され、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
流入する。高圧連絡通路７６が開放される直前
に、ピストン８８が通路９８を閉鎖し、ピストン
の下方の空間９４内に中間圧力のガスを捕捉す
る。そして、この捕捉されたガスが圧縮されて押
のけ器１８の運動を吸収し、その下降運動を停止
させる。高圧ガスが高圧連絡通路７６から室５６
へ流入することにより制流部５４と６６との間の
室５６、導管６７内の圧力が増大する。高圧ガス
がスプルー弁体６２の下方の室６５内の低圧流体
に打克つと、弁体６２が第２図に示される位置か
ら第３図に示される位置にまで下降する。この時
点で、通路６９を除いて系全体が、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２６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
の温度の低下は、ヒートステーシヨン２４におい
て求められる有用な冷凍作用を提供する。ガス
は、再生器２６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、ピストン８８の下方の空間９
４内に捕捉された中間圧のガスが圧縮されたこと
によりピストン８８の下面に作用する差圧により
押のけ器１８と共に第３図に示される下死点から
上昇せしめられ、それにつれて高圧ガスが画室２
０，２２及び再生器２６の空隙部内へ下降する。
連通口５５は、冷温画室２２の容積が最大になつ
たとき、そしてスライド４６が上死点に達する寸
前に通路６９と連通する。連通口５５が通路６９
と連通すると、直ちに通路５２及び導管６７を通
路６９、溝６８、低圧連通口８２を介して圧縮機
８４の吸入側に連通させる。ピストン８８は、通
路９６を閉鎖し、空間９２内に中間圧のガスを捕
捉する。その結果、空間９２内に捕捉されたガス
が圧縮され、押のけ器１８の運動エネルギーを吸
収し、それによつて押のけ器の上昇運動を停止さ
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３図に示される位置から第１図に示
される位置へ上昇させ、押のけ器は上死点に達す
る。これで１サイクルが完了する。高圧ガスは、
再生器２６内を通つて上昇し、それによつてマト
リツクスを冷却させる。通常、毎分72〜80サイク
ルの速度で作動する。各可動部材のストロークの
長さは短く、弁体６２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。

ピストン８８が押のけ器１８と共に下降するに
つれて、空間９４内のガスは、通路９８，９７，
９６を経て空間９２へ流れる。又、導管１０８か
らのガスも空間９２へ流入する。反対に、ピスト
ン８８が上昇すると、空間９２からのガスが空間
９４へ流れ、ガスの一部は中間圧力源への導管１
０８内へ流入する。下降ストロークの際には、面
８７に作用する中間圧の圧力が低圧ガスの対抗作
用に打克つ。そして、上昇ストロークの際には、
高圧ガスが面８７に作用する中間圧のガスに打克
つ。針弁１００と１０２が同じ調節位置にセツト
されている限り上下どちらの方向のストロークの
速度も同じである。

【図面の簡単な説明】

第１〜３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、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、６７：
導管、７０：給排通路、７４：高圧連通口、７
６：高圧連絡通路、８２：低圧連通口、８８：ピ
ストン、９２，９４：空間、９６，９７，９８：
通路、１００，１０２：針弁。

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、 上端と下端の間に肩部を形成するように減径部
   分を有し、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、 前記スライドの前記肩部を含む上下両端間の一
   部分を囲繞するようにして前記第２のハウジング
   内に画定された第１の室９０内に配設されてスラ
   イドの該肩部上に担持されて該第１の室内に上方
   空間９２と下方空間９４を画定し、前記押のけ器
   の移動を制御するために前記スライドに連結され
   たピストン８８と、 前記ピストンの上下両側の前記上方空間９２と
   下方空間９４の間での流体の流れの調量を制御す
   るための弁手段１００，１０２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、 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と、該中間圧力の流体前記
   上方空間９２と下方空間９４へ導入するために該
   中間圧力の流体源を前記弁手段を介して該上方空
   間及び下方空間に接続するための通路手段１０
   ８，９７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２の室５６と連通し、下端におい
   て前記再生器２６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、前記スプー
   ル弁体６２は、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
   が前記ピストン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、前記第１画室２０とスプ
   ール弁体６２の間に延長した給排通路７０と、ス
   プール弁体６２と冷媒圧縮機８４の吐出側を結ぶ
   高圧連通口７４と、スプール弁体６２と冷媒圧縮
   機８４の吸入側を結ぶ低圧連通口８２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８２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８２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上方に前記第２のハウジン
   グ内に画定された第３の室を前記スライドの流体
   通路５２の上端及び前記第２の室５６と連通させ
   るための導管６７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２
   の室５６へ導入し、前記導管６７及び前記第３の
   室内の圧力を増大させ該スプール弁体を下方位置
   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、前記
   スライド内の軸方向の流体通路５２とスプール弁
   体６２の前記溝６８とを連絡して該流体通路５２
   及び前記導管６７から流体を排出させ、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
   めの通路手段６９が設けられており、 前記ピストン８８は、前記押のけ器が上死点に
   近づいたときはピストンの上方の前記上方空間９
   ２内に前記流体を捕捉し、該押のけ器が下死点に
   近づいたときはピストンの下方の前記下方空間９
   ４内に前記流体を捕捉してその捕捉された流体が
   衝撃吸収の役割を果たすようになされていること
   を特徴とする極低温冷凍機。 ２ 前記弁手段は、１対の間隔をおいて配置した
   針弁１００，１０２を含み、該各針弁は前記通路
   手段１０８，９７に連通されている特許請求の範
   囲第１項記載の極低温冷凍機。 ３ 前記スプール弁体６２は、上端において前記
   第３の室に連通し、制流部６６を備えている特許
   請求の範囲第１項記載の極低温冷凍機。 ４ 前記１対の針弁は同じ流量に調節されている
   特許請求の範囲第２項記載の極低温冷凍機。 ５ 前記スライドと、ピストンと、スプール弁体
   のためのそれぞれ別個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。