JPH0311663Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 (イ) 産業上の利用分野 本考案は、クライオポンプやHe液化装置等に
適用可能な冷凍装置用の膨張機に関する。

(ロ) 従来技術 従来、クライオポンプ等に使用されている小形
の膨張機は、内部に蓄冷器を保有したピストンを
シリンダ内に摺動可能に嵌挿して、このピストン
の挿入端と前記シリンダの端壁間に膨張室を形成
し、前記ピストンの直線往復動作に伴わせて前記
膨張室を拡縮させて前記蓄冷器を介して該膨張室
に導入される冷媒ガスを順次断熱膨張させ得るよ
うにしたものが一般的である。

ところが、このようなものでは、膨張室を１つ
しか設けていないためピストンの１往復運動によ
つては１度しか膨張作動を行なわせることができ
ないので冷凍能力が低いという不都合がある。ま
た、ピストンの裏側に空間を存在させないために
ピストンロツド部に蓄冷器を設けたりピストンロ
ツドを中名実な太いものとしたりしてピストンと
ピストンロツド部を略同径な太いものとしている
のでピストンロツド部の慣性質量が大であり、か
かる大きな質量のものが往復動を行なうため装置
が重心が１サイクル毎に大きく変動し、それが原
因で振動が大きくなるという不都合もある。

(ハ) 目的 本考案は、このような事情に着目してなされた
もので、冷凍能力が高く、しかも振動の小さい膨
張機を提供することを目的とする。

(ニ) 構成 本考案は、前記目的を実現するために、シリン
ダ内に配設したピストンの両側に該ピストンの往
復作動に伴つて交互に拡縮する一対の膨張室を形
成するとともに、これら各膨張室に対してガス流
出入系路を各別に設け、これら各ガス流出入系路
に介設した蓄冷器を前記シリンダを形成する筒状
ケーシングに保持させたものにしている。そし
て、前記ケーシングを、ピストンのピストンロツ
ドを囲繞する２重壁構造のものにし、一方の蓄冷
器を該ケーシングの外壁と内壁間に配するととも
に他方の蓄冷器を該ケーシングの内壁と前記ピス
トンロツド間に配していることを特徴とする。

(ホ) 実施例 以下、本考案の一実施例を図面を参照して説明
する。

ケーシング１内にシリンダ２を形成し、このシ
リンダ２内にピストン３を摺動可能に配設し、こ
のピストン３の両側に一対の膨張室４，５を形成
し、これら各膨張室４，５に対してガス流出入系
路６，７を各別に設けている。

ケーシング１は、筒状の外壁８と、この外壁８
に所定の隙間を介して囲繞されるとともにピスト
ンロツド１０を囲繞する筒状の内壁９とを有する
２重壁構造のものである。そして、前記内壁９の
上端部をシリンダとなしている。そして、このシ
リンダ２に摺接させてピストン３を配設してい
る。ピストン３は、円板状の中心部３ａと筒状の
摺接部３ｂとを有してなるもので、上、下両側に
凹み１１を形成している。膨張室４は、このピス
トン３の上端面とこの上端面に対向させて前記ケ
ーシング１の上端部に設けた上壁１２の下端面と
の間に形成された空間である。なお、前記上壁１
２には前記凹み１１に対応する凸部１２ａを設け
ている。また、膨張室５は、前記ピストン３の下
側面と後述する蓄冷器１７の低温端１７ａとの間
に形成された空間である。なお、前記蓄冷器１７
の低温端１７ａ側には前記凹み１１に対応する凸
部１７a'を設けている。そして、これら両膨張室
４，５は、前記ピストン３の往復動によつて交互
にその容積が拡縮するようになつている。また、
ガス流出入系路６は、前記外壁８と内壁９との間
に設けられポート１３、蓄冷器１４および連通路
１５を有している。ポート１３は、図示しない給
気通路又は排気通路と選択的に連通しガスをケー
シング１内の外壁８と内壁９の間に流出入させる
ものである。蓄冷器１４は、銅等により作られた
多数の通気孔を有する蓄熱エレメントとステンレ
ススチール線等により作られたスペーサ（図示せ
ず）とを交互に積み重ねて構成したものあるいは
多孔性金属塊を所要形状に成形したものであり、
シリンダ２側の固定部材である前記ケーシング１
の外壁８と内壁９との間に配設され、該両壁８お
よび９によつて固定保持されている。そして、こ
の蓄冷器１４の低温端１４を連通路１５に、高温
端１４ｂをポート１３に、それぞれ連通させてい
る。連通路１５は、前記外壁８の上端部と内壁９
の上端部との間に形成した環状の細い隙間であ
り、前記蓄冷器１４と膨張室４とを連通させてい
る。一方、ガス流出入系路７は、前記内壁９とピ
ストンロツド１０との間に設けられポート１６と
蓄冷器１７を有している。ポート１６は、図示し
ない給気通路又は排気通路と選択的に連通しガス
をケーシング１の内壁９とピストンロツド１０の
間に流出入させるものである。蓄冷器１７は、前
記蓄冷器１４と同様の構成のものであり、シリン
ダ２側の固定部材であるケーシング１の内壁９に
固定保持させて該内壁９とピストンロツド１０と
の間に配設している。そして、この蓄冷器１７の
低温端１７ａを膨張室５に、高温端１７ｂをポー
ト１６に、それぞれ連通させている。

なお、ピストンロツド１０は前記ピストン３に
固着され該ピストン３と一体に往復動する細径な
ものである。また、１８はケーシング１の下壁、
１９は該下壁１８とピストンロツド１０との間に
設けたシール手段である。

次にこの実施例の作動を説明する。

膨張室４が最小で、膨張室５が最大のとき、ガ
ス流出入系路６を図示しない給気通路に連通させ
る。これによつて、給気通路を通して圧縮機（図
示せず）から高圧ガスがガス流出入系路６のポー
ト１３へ流入し、蓄冷器１４、連通路１５を介し
て膨張室４へ導入される。膨張室４に高圧ガスが
入ると、このガス圧によつてピストン３が下方へ
押圧され、該ピストン３が下方へスライドを続け
ることになる。このとき、ガスの圧力により前記
ピストン３に付与された運動エネルギはピストン
ロツド１０を介して外部に取り出され、図示しな
い発電機等により消費される。そして、前記ピス
トン３が、膨張室４が最大で膨張室５が最小にな
る位置まで達すると、ガス流出入系路６を排気通
路に連通させる。その結果、該膨張室４内のガス
の一部がガス流出入系路６を介して排気通路へ吹
き出し、圧縮機の吸込口へ戻される。このとき、
前記膨張室４内に残つたガスは、他のガスを押し
出すという仕事をし、自らも冷える。次いで、ガ
ス流出入系路７を給気通路に接続する。すると、
圧縮機からの高圧ガスがポート１６、蓄冷器１７
を介して膨張室５へ導入され、このガス圧力によ
つてピストン３が押圧されて上方へスライドし始
める。そして、このピストン３は再び該膨張室５
が最大になる位置までスライドを続けるこのにな
る。しかして、この際に前記膨張室４はその容積
が最小になるまで減少し、該膨張室４内の低圧ガ
スは略全部押し出され、蓄冷器１４を冷却した後
排気通路へ吹き出し、圧縮機の吸込口へ戻され
る。次に、ガス流出入系路７を排気通路に連通さ
せると、膨張室５内のガスの一部がガス流出入系
路７を介して排気通路へ吹き出し、圧縮機の吸込
口へ戻される。このとき、前記膨張室５内に残つ
たガスは、他のガスを押し出すという仕事をし、
自らも冷える。次いで、再びガス流出入系路６を
給気通路に連通させると、再び高圧ガスが膨張室
４に導入され、ピストン３が下方へスライドする
が、この際に、膨張室５内の低圧ガスが略全部押
し出され蓄冷器１７を冷却した後に排気通路へ吹
き出し、圧縮機の吸込口へ戻される。この作動を
繰り返すことによてギフオードマクマホンサイク
ルが営まれ、膨張室４，５に導入されたガスが交
互に冷凍されるので、前記ケーシング１のシリン
ダ２部分が極低温になる。

このようにして膨張作動を営むものであるが、
本実施例によれば、ピストン３の上、下両側に膨
張室４，５をそれぞれ設けるとともに、ガス流出
入系路６，７も各別に設けている。そのため、前
記膨張室４およびガス流出入系路６と膨張室５お
よびガス流出入系路７とが各々独立の膨張機と同
様な構成になり、しかも、前記膨張室４と５とは
ピストン３の往復動によつて交互に拡縮するの
で、該ピストン３の１往復動毎に２度膨張作動を
行なわせることができ冷凍能力を従来のものの略
２倍にすることができる。しかも、ピストン３の
下側を膨張室５として利用しているので、該ピス
トン３の下側を埋める必要がなく、したがつて、
ピストンロツド部に蓄冷器を設けたりピストンロ
ツドを中実な太いものとする必要がない。そのた
め、ピストンロツド１０を細径にし、また、蓄冷
器１４，１７をシリンダ２側の固定部材であるケ
ーシング１に固定保持させることができ、ピスト
ンロツド１０部の慣性質量を大幅に小さくして振
動を小さくすることができる。さらに、ケーシン
グ１を外壁８と内壁９を有する２重壁構造のもの
とし、外壁８と内壁９の間に蓄冷器１４を、内壁
９とピストンロツド１０との間に蓄冷器１７を配
しているので、内壁９という仕切りを設けただけ
で２つの蓄冷器１４，１７をそれぞれ独立させて
設けることができ、２つのガス流出入系路６，７
をわずかなスペース内に形成して膨張機の大形化
を抑制できるとともに、ガス流出入系路の形成も
容易に行なうことができる。

なお、本考案は前記実施例に限られないのは勿
論であり、膨張機は１段式のものに限られず、多
段式のものでもよい。例えば、第３図に示すよう
に、膨張機の１段目部分Ａの上側に２段目部分Ｂ
を連続させて設け、１段目部分Ａの膨張室３１と
２段目部分Ｂの蓄冷器３２とを連通させるととも
に１段目部分Ａの膨張室３３と２段目部分Ｂの蓄
冷器３４とを連通孔３５を介して連通させ、前記
膨張室３１，３３において冷凍したガスを２段目
部分Ｂの膨張室（図示せず）に導入してさらに低
温化させるようにしたものであつてもよい。この
ようなものであれば、冷凍能力をいつそう高める
ことができる。なお、３６，３７はそれぞれ１段
目部分Ａの蓄冷器、３８は連通路、３９はケーシ
ング、４１はシリンダ、４２はピストン、４３は
外壁、４４は内壁、そして４５は複数のピストン
の運動エネルギを外部へ取り出すピストンロツド
である。

また、ガス流出入系路を構成する連通路は環状
の隙間に限られず、例えば、第４図に示すよう
に、ケーシング５０の外壁５１と内壁５２の上端
部を一体に隙間なく形成して膨張室周壁５３と
し、かかる膨張室周壁５３に円周方向に等角間隔
をあけて複数個穿設した穴を連通路５４としたも
のであつてもよい。

また、冷凍サイクルはギフオードマクマホンサ
イクルに限られず、スターリングサイクルやソル
ベエサイクルであつてもよい。

その他、本考案の趣旨を逸脱しない範囲で種々
変形が可能である。

(ヘ)効果 以上、説明したように、本考案は、冷凍能力が
高く、しかも振動の小さい膨張機を提供できるも
のである。しかも、本考案では、ケーシングを、
ピストンのピストンロツドを囲繞する２重壁構造
のものにし、一方の蓄冷器を該ケーシングの外壁
と内壁間に配するとともに他方の蓄冷器を該ケー
シングの内壁と前記ピストンロツド間に配してい
るので、内壁という仕切りを設けただけの簡単な
構造により２つの蓄冷器をそれぞれ独立させて設
けることができ、２つのガス流出入系路をわずか
なスペース内に無理なく形成して膨張機の大形化
を抑制することができる。特に、内壁の外側と内
側とにそれぞれ蓄冷器を設けると、それら両蓄冷
器により内壁が内外両面から補強される。そのた
め、ピストンを軸方向に長尺なものにするような
ことなしに、その内壁の薄肉化を図ることがで
き、この点からも軽量化ならびに小形化を期する
ことができるとともに、ピストンの慣性質量を減
少させて低振動化を図ることができるものであ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図は本考案の一実施例を示し、第
１図は正断面図、第２図は連通路を示す平断面図
である。第３図は本考案の他の実施例の要部を示
す正断面図、第４図は本考案のさらに他の実施例
を示す第２図相当の平断面図である。 １，３９，５０……ケーシング、２，４１……
シリンダ、３，４２……ピストン、４，５，３
１，３３……膨張室、６，７……ガス流出入系
路、８，４３，５１……外壁、９，４４，５２…
…内壁、１４，１７，３２，３４，３６，３７…
…蓄冷器、１５，５４……連通路。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. シリンダ内に配設したピストンの両側に該ピス
   トンの往復動作に伴つて交互に拡縮する一対の膨
   張室を形成するとともに、これら各膨張室に対し
   てガス流出入系路を各別に設け、これら各ガス流
   出入系路に介設した蓄冷器を前記シリンダを形成
   する筒状ケーシングに保持させたものであつて、
   前記ケーシングを、ピストンのピストンロツドを
   囲繞する２重壁構造のものにし、一方の蓄冷器を
   該ケーシングの外壁と内壁間に配するとともに他
   方の蓄冷器を該ケーシングの内壁と前記ピストン
   ロツド間に配していることを特徴とする膨張機。