JPH0349033B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 本発明は、周知のギフオード−マクマホンサイ
クルの改良に関する。このサイクルにおいては、
別個の圧縮機が設けられるので、その分だけ重
さ、嵩高及び製造コストが増大する。この圧縮機
は、低圧流体（ガス）を高圧流体（ガス）へ変換
するのに必要とされるものである。

本発明は、極低温冷凍機において、可動部品の
数を最少限にし、嵩高及びサイズを減少させるこ
とを企図したものである。

発明の概要 本発明の目的は、圧縮機のような別個の高圧源
を必要としない新規な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、極低温冷凍機の運動部品
の数を最少限とすると共に、圧力−容積図形によ
つて囲まれる面積を増大させて利用可能な冷凍能
力を増大させることである。

本発明は、上記目的を達成するために、ハウジ
ングと、 互いに整列した軸方向の通路を有し、互いに連
結されて前記ハウジング内に配設されており、該
ハウジングと協同してスライドの上端のところに
可変容積の第１画室を、そして押のけ器の下端の
ところに可変容積の第２画室を画定するようにな
された押のけ器とスライドと、 前記ハウジング内で前記スライドと押のけ器を
一体として上死点と下死点との間で往復動させる
ために該スライドに連結したモータと、 前記押のけ器の移動によつて冷媒流体を前記第
１画室と第２画室との間で循環させるための、該
押のけ器及びスライドの前記軸方向の通路によつ
て画定される流体流路内に収容された再生器とか
ら成り、 前記押のけ器とスライドのどちらか一方は、該
スライドと押のけ器が移動するにつれて容積が変
化する第３画室の一部分を前記ハウジング内に画
定するピストン面を有し、該スライドと押のけ器
のどちらか一方は、その軸方向の通路から延長し
第３画室に連通することができる半径方向の通路
を有しており、 該スライドと押のけ器とがその移動行程の下死
点に達したときは第３画室と前記半径方向の通路
の間に連通を設定することにより第３画室と第１
画室との間の高圧流体及び低圧流体の流れを制御
し、該スライドと押のけ器がその移動行程の上死
点に達したときは第３画室と前記半径方向の通路
の間に連通を設定することにより第３画室と第２
画室との間の高圧及び低圧流体の流れを制御する
ための弁部材が該スライドと押のけ器の上端と下
端の間の一部分を囲繞するように前記ハウジング
に固定されていることを特徴とする極低温冷凍機
を提供する。

第１実施例の説明 第１図には、本発明の第１実施例による極低温
冷凍機（以下、単に「冷凍機」とも称する）１０
が示されている。冷凍機１０は、１つの作動段１
２だけを有しており、使用に当つては、作動段１
２は、ヘツド１５に取付けられた真空ハウジング
１４内に配設される。作動段は、２つ以上設ける
こともできる。作動段１２は、ハウジング１６
と、その中に装着された押のけ器１８を備えてい
る。ヘツド１５の上端には第１画室即ち温暖画室
２０が画定され、作動段１２の下端側のハウジン
グ１６内には第２画室即ち冷温画室２２が画定さ
れている。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が第２画室２２
を囲繞するようにしてハウジング１６に付設され
ている。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が設けられている。再生器２６内のマ
トリツクスの上端は、連通口２８により第１画室
２０に連通している。マトリツクスの下端は、半
径方向の連通口２８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３０に連通する。かくして、再生器２
６内のマトリツクスの下端は、連通口２８及びク
リアランス３０を通して第２画室２２と連通す
る。クリアランス３０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３４内に電気モータ３２が配
設されている。モータハウジング３４の外周面に
は半径方向外方に突出した多数の放熱フイン３６
が設けられている。モータ３２には、その着脱自
在の端壁３９に穿設した開口を通して電線３８が
接続されている。ハウジング３４は、同様に外周
面に半径方向外方に突出した放熱フイン４２を有
するハウジング４０に例えばボルトなどの任意の
適当な手段によつて着脱自在に連結されている。
（ここでは、便宜上、先に述べたハウジング１６
と、ハウジング４０を総称して「ハウジング」と
も称する。）ハウジング４０の内孔には、セラミ
ツク製のクリアランス密封スリーブ型軸受（「ク
リアランス密封軸受」又は単に「軸受」とも称す
る）４４が装着されている。ハウジング４０内の
内孔の上端は、カバー４６によつて着脱自在に閉
鎖されている。

モータ３２によつて往復動されるスライド４８
は、軸受４４によつて案内される。モータ３２の
出力軸は、偏心ピン５２を有するクランク５０を
備えている。偏心ピン５２は、スライド４８の外
周面の周溝５３内に配設された玉軸受によつて受
容されている。クランク５０が一方向に回転する
と、スライド４８が上死点と下死点の間で往復動
せしめられる。第１図では、スライド４８及びそ
れに一体的に連結された押のけ器１８が上死点に
あるところが示されている。

スライド４８及び押のけ器１８には、それぞれ
軸方向の通路５４及び５５が互いに整合するよう
に形成されている。スライド４８の減径下端と、
それと対応する押のけ器１８の減径上端とは、ろ
う付けまたは溶接５６などにより結合されてい
る。これらスライド及び押のけ器の減径部分は、
セラミツク製のクリアランス密封スリーブ型軸受
（「クリアランス密封軸受」又は単に「軸受」とも
称する）５８によつて囲繞されている。スライド
４８は押のけ器１８に結合されているので、両者
は軸受５８と一体となつて移動する。

軸受４４の内孔の下端部内には軸受兼弁部材
（単に「弁部材」とも称する）６０が設けられて
いる。弁部材６０の内孔壁は、軸受５８の外周面
と接触するようになされている。弁部材６０の上
端は、それに並置するスライド４８のピストン面
５７からそれとの間に第３画室６２を画定するよ
うに離隔されている。

弁部材６０の上端部分の外周面には、軸方向の
通路６４が形成されており、各通路６４の下端
は、半径方向の通路６６に連通している。通路６
４の長さは、押のけ器１８の移動行程の長さに対
応している。軸受５８及びスライド４８の減径部
分を横断方向に貫通して半径方向の通路６８が形
成されている。通路６８は、第１図に示されるよ
うに、第３画室６２と第２画室２２とを軸方向の
通路５４，５５を介して連通させる。半径方向の
通路６８は、押のけ器１８の減径部分が長くさ
れ、スライド４８の減径部分が短くされている場
合は、押のけ器の減径部分に形成してもよい。従
つて、半径方向の通路６８をスライド４８に設け
るか、押のけ器１８に設けるかは、重要な問題で
はない。

ハウジング４０の底部には底部プレート７０が
着脱自在に取付けられている。プレート７０の上
面には、弁部材６０の下端を受容する凹部が設け
られており、それによつてプレート７０と弁部材
６０とが同軸関係に保持される。この冷凍機１０
は、任意の密度に配列されて酸素や窒素などのガ
スを付着させるようにした山形羽根を有する周知
のクライオポンプ（図示せず）に接続して使用す
ることができる。そのような貴ガスは、第２作動
段としてヒートステーシヨン２４に連結した受皿
内に収容した炭（チヤーコール）によつて吸着さ
れるようにすることができる。

第１実施例の作動 第１図では、第１画室２０の容積は、最少限で
あり、第３画室６２の超低圧容積が最大限とな
り、第２画室２２の低温高圧容積は最大限となつ
ている。半径方向通路６８は、全開しており、従
つて、再生器２６及び第２画室２２内の高圧流体
（ガス）を軸方向の通路５５，５４を通して第３
画室６２へ排出させる。この低温高圧流体（ガ
ス）が再生器２６を通して上方へ排出された後
は、第３画室６２の圧力は第２画室２２の圧力と
同じ値となる。そして、この圧力変化により第２
画室２２内の圧力は、第４図に示されるようにＰ
１からＰ２へ低下する。

次いで、押のけ器１８がモータ３２とスライド
４８との相互関係により第１図の位置から第２図
に示されるように下降し始めると、第１画室２０
の容積が増大する。一方、第３画室６２の容積は
減少し、半径方向の通路６８が閉鎖される。第２
画室２２内の低圧流体（ガス）は、再生器２６を
通して上方へ押しのけられて第１画室２０内へ流
入し、流体（ガス）の体積が膨脹する。この押の
け容積が増大するにつれて、室２２内の圧力は一
層低下する。一方、第３画室６２内の低圧流体
（ガス）は、ピストン面５７によつて圧縮される。
押のけ器１８が更に下降するにつれて、第１画室
２０、第２画室２２内の流体（ガス）の圧力が低
下し、第３画室６２内の流体（ガス）は更に圧縮
される。かくして、第２画室２２内の圧力は第４
図にＰ３で示される値となる。スライド４８及び
押のけ器１８が下死点に達する直前に第３画室６
２内の流体（ガス）は完全に圧縮される。スライ
ド及び押のけ器が第３図に示されるように下死点
に達すると、第２画室２２内の超低温の流体圧が
最少限となり、第１画室２０内の圧力は最大限と
なる。

又、この下死点においては、半径方向の通路６
８が半径方向の通路６６と連通し、第３画室６２
からの高圧流体（ガス）が第１画室２０、第２画
室２２及び再生器２６内へ膨脹流入し、第２画室
２２内の圧力は、第４図に示されるＰ３からＰ４
へ増大する。

押のけ器１８が下死点から上昇すると、第１画
室２０内の流体（ガス）が軸方向の通路５４，５
５及び再生器２６を通して下方に第２画室２２へ
押しのけられる。第３画室６２内の圧力は、該画
室の容積が膨脹することにより低下する。第３画
室６２は、通路５４，５５から隔絶されている。

押のけ器１８及びスライド４８が上死点に近づ
くと、第１画室２０内にあつた高圧流体（ガス）
の全部が再生器２６の空隙コラム及び第２画室２
２の空間を占める。このときの第２画室２２内の
圧力は、第４図に示されるＰ１となる。第３画室
６２内の圧力は最少限となる。次いで、半径方向
の通路６８が、第３画室６２と連通しそれによつ
て第２画室２２内の低温高圧流体（ガス）を第３
画室６２へ排出し始める。かくして、押のけ器及
びスライドが上死点に達した時点でサイクルが完
了する。

本発明の冷凍機は、運動部品の数を最少限にす
るという利点を有する。即ち、スライド４８と押
のけ器１８とは、一体として移動し、１個の運動
部品を構成する。その他の運動部品は、モータ３
２とクランク５０だけであり、合計３個の運動部
品を必要とするだけである。又、セラミツク製の
密封軸受４４，５８が設けられているので、別個
の静止密封部材を必要としない。冷凍機１０は、
外部圧力源に連通する接続部が全く用いられてい
ないので、密封ユニツトである。

作動流体（冷媒）は、第３画室６２が圧縮容積
と膨脹容積との間で切換えられることにより、常
に一定の圧力で押しのけられる。本発明の低温作
動容積に及ぼす効果の増大は、圧力−容積図形に
よつて囲まれる面積の増大に対応するものであ
り、この面積の増大の結果として、別個の圧縮機
を必要としない従来知られている唯一の、本発明
以外のサイクルであるスターリングサイクルに比
べて、利用可能な冷凍効果を増大させることがで
きる。従来のスターリングサイクルは、別個の圧
縮機を必要としないが、圧力変化の波形が押のけ
器の移動行程に対して90゜位相的にずれており、
そのために圧力−容積図形の面積が減少する。

典型的な実施例においては毎分約200サイクル
の速度で作動させる。運動部品即ち押のけ器１８
及びスライド４８の移動行程の長さは、短く、30
mm程度である。押のけ器１８及びスライド４８の
一方（図示の例ではスライド４８）は、その軸受
の役割を兼ねる弁部材６０と協同して弁を構成す
るので、別個の弁を必要としない。このように、
スライド４８は、押のけ器１８をモータ３２に連
結する機能、通路５４により画室２０と押のけ器
１８との間に連通を設定する機能、及び半径方向
の通路６８により第３画室６２と第１及び第２画
室２０，２２との間の流体の流れを制御する弁機
能とを含む多重機能を有する。

定常冷却作動における圧力を最大限にするため
には、追加の流体（ガス）源が必要とされる。冷
却作動が開始される時点では、モータハウジング
３４を含む、すべての内部容積（内部空間）は、
ある特定の開始圧力下にある。冷却作用が達成さ
れると、全体の圧力が降下する。その結果、モー
タハウジング３４内の流体（ガス）、あるいは他
の流体（ガス）源の流体（ガス）が、作動容積内
へ漏入せしめられ、再び全体の作動圧力を増大さ
せる。このような、冷却作動時におけるモータハ
ウジング３４からの流体の漏入、及び加熱作動時
におけるモータハウジング３４への流体の漏出
は、いろいろな態様で達成することができる。例
えば、スライド４８の上端と軸受４４との上端の
間にクリアランスを設けることによつてでもよ
く、あるいは第１画室２０とモータハウジング３
４とを連絡する小さいオリフイスをハウジング４
０の壁に穿設することによつてでもよく、あるい
は、第２画室２２とモータハウジング３４とを結
ぶ流体通路を設け、その通路内に、互いに反対向
きにばね押しされた１対の逆止弁を設けることに
よつてでもよい。

第２実施例の説明 第５〜６図には別の実施例による冷凍機１０′
が示されている。冷凍機１０′の各構成部品のう
ち、冷凍機１０の構成部品と同様のものは同じ参
照番号にダツシユを付して示されている。

この実施例では、モータ３２の代りに電気リニ
アモータコイル（以下、「電気リニアモータ」又
は単に「モータ」とも称する）７８がハウジング
４０の内側壁に形成した凹部内に肩部８０上に指
示されるようにして装着されている。モータ７８
は、第６図に示されるようにダイオード８４を介
して交流電源８２に接続されている。モータ７８
は、押のけ器１８′及びスライド４８′を上死点位
置から下死点位置へ移動させ、ばね８６を圧縮す
る。押のけ器１８′及びスライド４８′は、ばね８
６の膨脹力により下死点位置から上死点位置へ戻
される。この冷凍機には、運動部品が１つだけし
かない。即ち、一体として移動する押のけ器１
８′とスライド４８′が唯一の運動部品である。こ
の第２実施例の作動態様は第１実施例のそれと実
質的に同じである。

【図面の簡単な説明】

第１〜３図は、本発明の第１実施例による冷凍
機の垂直断面図で、それぞれ異なる作動段階にあ
るところを示す。第４図は、第１〜３図の冷凍機
の第２画室の圧力−容積図形である。第５図は、
本発明の第２実施例による冷凍機の垂直断面図で
ある。第６図は、第５図の冷凍機のためのモータ
の電気配線図である。 １４，１６，３４，４０：ハウジング、１８：
押のけ器、２０：第１画室、２２：第２画室、２
６：再生器、３２，７８：モータ、４４：クリア
ランス密封軸受、４８：スライド、５４，５５：
軸方向の通路、６０：弁部材、６２：第３画室、
６６，６８：半径方向の通路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ハウジング１６，４０と、 互いに整列した軸方向の通路５４，５５を有
   し、互いに連結されて前記ハウジング１６，４０
   内に配設されており、該ハウジングと協同してス
   ライドの上端のところに可変容積の第１画室２０
   を、そして押のけ器の下端のところに可変容積の
   第２画室２２を画定するようになされた押のけ器
   １８とスライド４８と、 前記ハウジング内で前記スライドと押のけ器を
   一体として上死点と下死点との間で往復動させる
   ために該スライドに連結したモータ３２，７８
   と、 前記押のけ器の移動によつて冷媒流体を前記第
   １画室と第２画室との間で循環させるための、該
   押のけ器及びスライドの前記軸方向の通路５４，
   ５５によつて画定される流体流路内に収容された
   再生器２６とから成り、 前記スライド４８は、該スライドと押のけ器が
   移動するにつれて容積が変化する第３画室６２の
   一部分を前記ハウジング内に画定するピストン面
   ５７を有し、該押のけ器１８は、その軸方向の通
   路から延長し第３画室６２に連通することができ
   る半径方向の通路６８を有しており、 該スライドと押のけ器とがその移動行程の下死
   点に達したときは第３画室と前記半径方向の通路
   ６８の間に連通を設定することにより第３画室と
   第１画室との間の高圧流体及び低圧流体の流れを
   制御し、該スライドと押のけ器がその移動行程の
   上死点に達したときは第３画室と前記半径方向の
   通路６８の間に連通を設定することにより第３画
   室と第２画室との間の高圧及び低圧流体の流れを
   制御するための弁部材６０が該スライドと押のけ
   器と上端の下端の間の一部分を囲繞するように前
   記ハウジングに固定されていることを特徴とする
   極低温冷凍機。 ２ 前記ハウジングは、セラミツク製のクリアラ
   ンス密封軸受４４を有しており、該軸受内に前記
   スライド及び弁部材が装着され、該軸受内に前記
   第１画室及び第３画室が画定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 前記モータは、前記ハウジング内に配設され
   た電気リニアモータであり、前記スライド及び押
   のけ器が唯一の運動部品である特許請求の範囲第
   ２項記載の極低温冷凍機。