JPH0370942A

JPH0370942A - 極低温冷凍機

Info

Publication number: JPH0370942A
Application number: JP20896789A
Authority: JP
Inventors: Shuji Fujimoto; 修二藤本; Tomoaki Ko; 倫明康
Original assignee: Daikin Industries Ltd
Current assignee: Daikin Industries Ltd
Priority date: 1989-08-10
Filing date: 1989-08-10
Publication date: 1991-03-26

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本光明は、圧縮された冷媒を膨張させて極低温レベルの
寒冷を発生させるようにした極低温冷凍機に関し１、特
に、その効率を高める技術に関するものである。

（従来の技術）従来より、高圧の冷媒ガスを膨張機のシリンダ内膨張室
で膨張させて寒冷を発生させるようにした極低温冷凍機
として各種タイプのものが知られている。例えば特開昭
５８−２１４７５８号公報等に開示されているように、
冷媒ガスとしてのヘリウムガスを圧縮する圧縮機と、そ
の圧縮されたガスを膨張させる膨張機とを高圧配管及び
低圧配管によって閉回路に接続してなり、切換バルブの
切換作動により上記高圧及び低圧配管を膨張機のシリン
ダ内膨張室に交互に連通させるとともに、この切換パル
プの切換動作に応じてシリンダ内でスラックピストンを
往復動させ、このピストンによりディスプレーサを往復
駆動して膨張室でヘリウムガスを膨張させることにより
、シリンダ端部の冷却ステージに寒冷を発生させるよう
にしたいわゆる改良ソルベーサイクルのヘリウム冷凍機
や、スラックピストンを使用せず、ディスプレーサを直
接ガス圧によって駆動するようにしたＧ−Ｍサイクル（
ギフオード・マクマホンサイクル）のものもよく知られ
ている。

（発明が解決しようとする課題）このような冷凍機においては、シリンダ内膨張室におけ
る冷媒ガスの膨張により、その温度が低下して寒冷が発
生するが、この冷媒ガスの温度低下に伴い、その密度が
増大するため、膨張室における必要ガス量が増加する。

ところが、圧縮機の回転数が一定であるので、膨張機に
対する冷媒循環量が不足し、その結果、第５図に破線に
て示すように横軸を容＠Ｖとし、縦軸を圧力Ｐとしたい
わゆるＰｖ線図において、その高圧高容積の隅角部（図
で■の位置）が欠けて図で破線に示すようになり、１サ
イクルのＰｖ線図で囲まれた面積で表されるＰｖ図示能
力の減少により冷却ステージの最低到達温度に限度があ
る。

例えば、具体的に、高低２段の冷却１テージを有する２
段冷凍機において、定格負荷時の冷却ステージの温度を
第１段ステージでは８０Ｋに、第２段ステージでは２０
にとしたとき、圧縮機と膨張機との組合せが最適である
とする（このとき、第５図に示すＰｖ線図において、右
上端の■点における圧力及び容積の各位で決まる冷媒ガ
スの流量が圧縮機の冷媒供給可能流量に等しい）。そし
て、この状態から、負荷が小さくなって、各冷却ステー
ジの温度が第１段ステージでは５０Ｋに、第２段ステー
ジではＩＯＫに低下したとすると、Ｐｖ線図は破線のよ
うに変化し、その右上部分が欠ける。さらに負荷が小さ
くなって第１段ステージの温度が３０Ｋに、第２段ステ
ージでは５Ｋに低下したときには、Ｐｖ線図はさらにサ
イクルの内側に変位し、Ｐｖ図示能力が大きく低下する
。

そこで、原理上、冷却ステージの温度が１７２に低下す
ると、必要な冷媒ガス循環量は２倍となる筈であり、こ
のことから、Ｐｖ線図を隅角部の欠けない理想線図とし
てＰｖ図示能力の低下を抑えるために、圧縮機の回転数
を上昇させることが考えられる。

しかしながら、実際には、膨張機の蓄冷器を通るガス流
量も倍増するので、圧力損失によるＰＶロスや蓄冷器の
非効率による損失が極めて大きくなり、却って冷凍能力
が低下する虞れがある。

また、冷媒ガスの温度低下によりその密度が大きくなる
ため、ガスの蓄冷器での圧力損失の増大によりＰＶ線図
における■−■辺及びＩＶ−１辺がサイクルの内側に傾
斜する。

しかも、ガス圧駆動式の冷凍機においては、切換バルブ
の切換時期によってもＰｖ図示能力が変化し、例えば高
圧切換バルブ（低圧切換パルプ）の開弁時期が遅れると
、ＰＶ線図のＩ−１辺（■−■辺）の傾斜が大きくなり
、同バルブの閉弁時期が遅れると、１点（ｍ点）での欠
損が大きくなり、これら損失は冷却温度レベルの低下に
よりガスの流動抵抗が増大するほど大きくなる。

本発明は斯かる諸点に鑑みてなされたものであり、その
目的とするところは、上記の如く、膨張機の冷却ステー
ジの温度変化に応じて圧縮機の回転数を制御する考えを
さらに押し進め、圧縮機回転数と同時に他の要素をも制
御するようにすることにより、ディスプレーサの移動速
度を下げて、冷凍機のＰｖ図示能力を有効に高め、その
冷凍能力の増大維持を図ることにある。

（課題を解決するための手段）上記目的の達成のために、請求項（１）に係る発明では
、シリンダ内のディスプレーサを機械的に駆動するよう
にした機械駆動式の膨張機を有する冷凍機に対し、膨張
機の冷却ステージの温度低下に伴い、圧縮機の回転数を
上昇させるとともに、膨張機のディスプレーサ駆動速度
をも低下させる。

具体的には、第１図に示すように、冷媒を圧縮する圧縮
機（１）と、該圧縮機（１）に接続され、駆動手段（１
０）の駆動によりディスプレーサ（８）をシリンダ（５
〉内で往復動させてシリンダ（５〉内の膨張室（７）に
冷媒を給排する膨張機（４）を備え、上記膨張室（７）
での冷媒の膨張によりシリンダ（５〉端部の冷却ステー
ジ（９）に極低温レベルの寒冷を発生させるようにした
極低温冷凍機において、上記膨張機〈４）の冷却ステー
ジ（９）の温度レベルを検出する温度検出手段（４０）
と、該温度検出手段（４０）の出力を受け、冷却ステー
ジ（９）の温度レベルが低下するほど圧縮機（１）の回
転数を上昇させ、かつ上記駆動手段（１０〉のディスプ
レーサ駆動速度を低下させるように制御する制御手段〈
４Ｉ）とを備えたことを特徴としている。

また、請求項（２に係る発明では、ガス圧駆動式の膨張
機を有する冷凍機に対し、膨張機の冷却ステージの温度
低下に伴い、圧縮機の回転数を上昇させるとともに、膨
張機に対する冷媒ガスの給排を切り換える切換パルプの
切換速度を遅くする。

すなわち、第２図に示す如く、冷媒を圧縮する圧縮機（
１）と、該圧縮機（１）に接続され、切換パルプ（１４
）、　（１５）の切換えによりシリンダ（５）内の膨張
室（７）に冷媒を給排して該膨張室（７）及び中間圧室
（１９）の冷媒ガス圧の差によりディスプレーサ（８）
を往復動させる膨張機（４）を備え、上記膨張室（７）
での冷媒の膨張により冷却ステージ（９）に極低温レベ
ルの寒冷を発生させるようにした極低温冷凍機において
、上記冷却ステージ（９）の温度レベルを検出する温度
検出手段（４０）と、該温度検出手段（４０）の出力を
受け、冷却ステージ（９）の温度レベルが低下するほど
圧縮機（１）の回転数を上昇させ、かつ上記切換バルブ
（１４）、　（１５）、の切換速度を低下させるように
制御する制御手段〈４１〉とを設ける。

さらに、請求項（３）に係る発明では、第３図及び第４
図に示すように、上記ガス圧駆動式の冷凍機に対し、中
間圧室（１９）の圧力を可変オリフィス（２４）、　（
２８）、　（２８）によって調節するようにし、冷却ス
テージ（９）の温度低下に伴って圧縮機（１）の回転数
を上昇させるとともに、上記可変オリフィス（２４）、
　（２８）、　（２ｇ）の開度を小さくする。

また、請求項（４）記載の発明では、上記請求項（２記
載の発明において、その中間圧室〈１９）の圧力を調整
する可変オリフィス＜２４）、　（２６）、　（２８）
を設け、この可変オリフィス（２４）、　（２８）、　
（２８）を、制御手段（４１〉により膨張機（４）の冷
却ステージ（９）の温度レベルが低下するほど開度が小
さくなるよう制御する構成とする。

（作用）上記構成により、請求項（１）に係る発明では、膨張機
（４）における冷却ステージ（９）の温度が温度検出手
段（４０）により検出され、この検出手段（４０〉の出
力を受けた制御手段（４１）により、冷却ステージ温度
が低下するにつれて圧縮機（１）の回転数が上昇し、か
つ膨張機（４）における駆動手段（１０）のディスプレ
ーサ駆動速度が低下するように制御される。そして、上
記圧縮機（１）の回転数の上昇により、圧縮機（１）と
膨張機（４）とを循環する冷媒循環量が増加させること
ができるとともに、これと同時に、駆動手段（１０）の
ディスプレーサ駆動速度が低下するので、ディスプレー
サ（６）の移動速度が遅くなって膨張機（４）における
冷媒ガス圧の高低差が大きくなり、ＰＶ図示能力が有効
に増大し、よって冷凍機の冷凍能力を高めて冷却ステー
ジ（９）の最低到達温度を低下させることができる。

しかも、温度レベルに対応した冷媒循環量を設定できる
ので、冷凍効率が高まり、冷凍機のクールダウン時間を
短縮することもできる。

また、請求項（２）に係る発明では、上記と同様に、温
度検出手段（４０）の出力を受けた制御手段（４１〉に
より、冷却ステージ温度が低下するにつれて圧縮機（１
）の回転数が上昇し、かつ切換バルブ（１４）。

（１５〉の切換速度が低下するように制御される。そし
て、上記圧縮機（１）の回転数の上昇により、圧縮機（
１〉と膨張機（４）とを循環する冷媒循環量が増加する
とともに、切換バルブ（１４）、　（１５）の切換速度
が低下するので、上記と同様に、膨張機り４〉における
冷媒ガス圧の高低差が大きくなってＰｖ図示能力が増大
し、冷凍機の冷凍能力を高めることができる。

さらに、請求項（３）に係る発明では、冷却ステージ（
９）の温度低下に伴い、制御手段（４１）の制御により
圧縮機（１）の回転速度が上昇するとともに、可変オリ
フィス（２４）、　（２８）、　（２８）の開度が小さ
くなるので、このオリフィス（２４）、　（２８）、　
＜２８）の開度調整によってディスプレーサ（Ｂ）の移
動速度が抑えられ、よって同様に冷凍能力を高めること
ができる。

また、請求項（４）記載の発明では、冷却ステージ（９
）の温度低下に伴い、制御手段（４１〉の制御により圧
縮機（１）の回転速度が上昇するとともに、切換バルブ
（１４）、　（１５）の切換速度が低くなり、さらに加
えて可変オリフィス（２４）、　＜２６）、　（２８）
の開度が小さくなるので、上記請求項（２Ｊ及び（３）
記載の発明の各々の作用効果を相乗的に得ることができ
、よって冷凍機の冷凍能力のより一層の向上を図ること
ができる。

（実施例）以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第１図は本発明の第１実施例に係る極低温冷凍機（Ａ）
の全体構成を示し、（１）はヘリウム等の冷媒ガスを圧
縮する圧縮機で、この圧縮機（１）はロータリベーン式
、ローリングピストン式、スクロール式等のもので構成
され、その駆動源はインバータ（３）によって回転数可
変調整可能の電動モータ（２）とされており、このイン
バータ（３）によりモータ（２）の回転速度を変更する
ことで、圧縮機（１）の回転数を可変調整するようにし
ている。

また、（４〉は上記圧縮機（１）で圧縮された冷媒ガス
を膨張させる膨張機であって、この膨張機（４）は、上
下方向の中心軸を有するシリンダ（５）と、該シリンダ
（５〉内に往復動可能に嵌装され、シリンダ（５）内空
間を下側の膨張室（７）及び上側の常温空間（８〉に区
画形成するディスプレーサ（８）とを備え、上記シリン
ダ（５）の下端が冷却ステージ（９）に構成されている
。上記ディスプレーサ（６）の上端には上方に延びるロ
ッド（６ａ〉が取り付けられている。一方、上記シリン
ダ（５）上部にはディスプレーサ駆動手段としての水平
方向の出力軸（１０ａ）を有する電動モータ（１０）が
取り付けられ、このモータ（１０）はインバータ（１２
）によって回転数が変更調整可能こされている。そして
、モータ（１０）の出力軸（１０ａ）とディスプレーサ
（１３）のロッド（ｅａ）上端とはモータ出力軸（１０
ａ）の回転運動をロッド（６ａ）の往復運動に変換する
スコッチョーク（１１）により連結されており、モータ
（１０）の回転によってディスプレーサ（８）を往復動
させるようにしている。尚、（３２）はディスプレーサ
（６）の外周に取り付けられたシール材で、ディスプレ
ーサ（Ｂ）とシリンダ（５）内周面との間をシールする
ものである。

そして、上記圧縮機（１）と膨張機（４〉とは冷媒配管
〈１３）によって接続されている。この冷媒配管（１３
）は、圧縮機（１）の吐出側に接続された高圧配管（１
３ａ）と、同吸込側に接続された低圧配管〈１３ｂ〉と
を有し、上記高圧配管（１，３ａ）の途中には該配管（
’１３ａ）を開閉する高圧切換バルブ（１４）が、低圧
配管（１３ｂ）の途中には該配管（１３ｂ）を開閉する
低圧切換バルブ（Ｉ５）がそれぞれ配設されている。ま
た、上記高圧配管０３ａ〉の下流端と低圧配管ｃｉａｂ
）の上流端とは合流され、この合流部と上記膨張機（４
）におけるシリンダ（５〉の膨張室（７）とは集合配管
（１３ｃ）によって連通され、この配管（１３ｃ）の途
中には銅メツシユや鉛の球等を内蔵した蓄冷器（１Ｂ）
が配設されている。また、上記高圧配管（１３ａ）及び
低圧配管（１３ｂ）の合流部と蓄冷器（１Ｂ）との間の
配管（１３ｃ）には配管（１７）の一端が接続され、こ
の配管（１７）の他端は上記シリンダ（５）向上部の常
温空間（８〉に連通している。そして、上記モータ〈１
０〉を作動させてディスプレーサ（６）を往復動させ、
かつそのディスプレーサ（６）の動作と同期して高圧切
換バルブ（ｔ４）及び低圧切換バルブ（１５）を交互に
開閉することにより、圧縮ｍ　（１）からの高圧冷媒ガ
スをシリンダ（５）内の膨張室（７）に対し給排し、デ
ィスプレーサ（６）を上昇させ、かつ高圧切換バルブ（
１４）を開き、低圧切換バルブ（１５）を閉じたときに
は、高圧冷媒ガスを蓄冷器（ｉ６）を介して膨張室（７
）に供給する一方、ディスプレーサ（６）を下降させ、
かつ高圧切換バルブ（１４）を閉じ、低圧切換バルブ０
５）を開いたときには、膨張室（７）内の冷媒ガスを蓄
冷器（Ｉ６）を通して圧縮機（１）に戻し、そのεきの
冷媒ガスのサイモン膨張によりシリンダ〈５〉下端の冷
却ステージ（９）に寒冷を発生させるようになされてい
る。

さらに、上記シリンダ（５〉にはその下端の膨張室（７
）周辺における冷却ステージ（９）の温度を検出する温
度検出手段としての温度センサ（４０）が付設されてい
る。また、上記圧縮機（１）におけるモータ（２）のイ
ンバータ（３）及び膨張機（４）におけるモータ（１０
）のインバータ（１２）は制御手段としてのコントロー
ルユニット（４１）に接続され、このコントロールユニ
ット（４１）には上記温度センサ（４０〉の出力信号が
人力されており、コントロールユニット（４１）におい
て、冷却ステージ（９）の温度に応じて圧縮機モータ（
２）及び膨張機モータ（１０）の回転数を可変調整し、
冷却ステージ（９）の温度レベルが低下するほど圧縮機
〈１〉の回転数を上昇させ、かつ膨張機モータ（１０）
によるディスプレーサ（６）の駆動速度を低下させるよ
うにＬ７ている。

したがって、上記実施例においては、冷凍機（Ａ）の運
転に伴い、その膨張機（４）におけるシリンダ（５）内
のガス膨張により冷却ステージ（９）の温度が徐々に低
下する。そのとき、上記冷却ステージ（９）の温度が温
度センサ（４０）により検出され、コノ温度センサ（４
０〉の出力信号を受けたコントロールユニット（４１）
により、冷却ステージ（９）＋１７）温度が低下するに
つれて圧縮機（１）のモータ回転数が上昇して圧縮機回
転数が上昇し、同時に、膨張機（４〉のモータ回転数が
低下するように制御される。そして、上記圧縮機（１）
の回転数の上昇により、圧縮機（１〉と膨張機（４〉と
を循環する冷媒循環量が増加する一方、膨張機（４〉の
モータ回転数が低下するので、ディスプレーサ（６）の
移動速度が遅くなって膨張１１１＜４）における冷媒ガ
ス圧の高低差が大きくなり、このことにより、第５図に
示すように、図で■点で示す隅角部の欠損が小さくなり
、Ｐｖ図示能力を有効に増大させることができる。その
結果、冷凍機（Ａ）の冷凍能力を高めて冷却ステージ（
９）の最低到達温度を低下させることができる。また、
温度レベルに対応した冷媒循環量を設定できるので、冷
凍効率が高まり、冷凍機のクールダウン時間を短縮する
ことができる。

第２図は本発明の第２実施例を示しく尚、第１図と同じ
部分については同じ符号を付してその詳細な説明は省略
する）、ガス圧駆動式の冷凍機に適用したものである。

すなわち、この実施例では、シリンダ（５）向上部に隔
壁（５ａ）が形成され、この隔壁（５ａ）によりシリン
ダ（５）向上部空間が下側の駆動空間（１８）と上側の
中間圧室（１９）　（サージボリューム）とに区画形成
されている。また、上記隔ｌ１（５ａ）には駆動空間（
１８）及び中間圧室（１９）を連通ずる細孔からなるオ
リフィス（２０）が開口されている。

そして、上記高圧切換バルブ（１４）及び低圧切換バル
ブ（１５）を交互に開閉することにより、圧縮機（１）
からの高圧冷媒ガスをシリンダ（５）内の膨張室（７）
に対し給排するとともに、膨張室（７）と中間圧室（１
９）との圧力差によりディスプレーサ（６）を往復動さ
せ、高圧切換バルブ（１４）を開きかつ低圧切換バルブ
（Ｉ５）を閉じたときには、高圧冷媒ガスを蓄冷器（１
６）を介し、て膨張室（７）に供給し、膨張室（７）の
圧力増大によりディスプレーサ（６）を上昇させる一方
、高圧切換バルブ（１４）を閉じかつ低圧切換バルブ（
１５）を開いたときには、膨張室（７）内の冷媒ガスを
蓄冷器（Ｉ６）を通して圧縮機（１〉に戻し、膨張室（
７）の圧力低下によりデイスプレーサクロ）を下降させ
、そのときの冷媒ガスの断熱膨張によりシリンダ（５）
下端の冷却ステーデク９）に寒冷を発生させるようにな
されている。

さらに、上記高圧切換バルブ（１４）及び低圧切換バル
ブ（Ｉ５〉はその切換速度（開閉速度）を調整可能とさ
れている。そして、コントロールユニット（４１）は、
上記圧縮機（１）のモータ（２）の回転速度と共に両切
換バルブ（１４）、　（１５）の切換速度を制御するよ
うに構成されており、このコントロールユニット（４１
）では、膨張機（４）の冷却ステージ（９）の温度レベ
ルが低下するほど、圧縮機（１）の回転数を上昇させ、
また両切換バルブ（１４）、　（１５）の切換速度を低
下させるようにしている。

したがって、この実施例の場合、上記第１実施例と同様
に、温度センサ（４０）の出力信号を受けたコントロー
ルユニット（４］）により、冷却ステージ（９）の温度
が低下するにつれて圧縮機（１）の回転数が上昇する。

また、同時に切換バルブ（１４）、　（１５〉の切換速
度が低下する。このため、圧縮機（１）の回転数の上昇
により冷媒循環量が増加するとともに、切換バルブ（１
４）、　（１５）の切換速度の低下によりディスプレー
サ（６）の移動速度が下げられ、膨張機（４）における
冷媒ガス圧の高低差が大きくなり、よってＰｖ図示能力
が増大して、冷却ステージ（９）の最低到達温度を低下
させることができる。

第３図は第３実施例を、また第４図は第４実施例をそれ
ぞれ示し、各々、ディスプレーサ（６）の駆動構造の異
なるガス圧駆動方式に適用したものである。第３図に示
される第３実施例では、シリンダ（５）の上面にリング
状の隔壁（５ｂ）がシリンダ（５）と同心に垂設されて
いる。一方、ディスプレーサ（６）の上端には上記リン
グ状隔壁（５ｂ）の外周側に位置するリング状のピスト
ン部（６ｂ〉が形成され、このピストン部（６ｂ〉によ
りシリンダ（５）の隔壁（５ｂ）外周上部に低圧室（１
９ａ）が、また隔壁（５ｂ〉内周側に高圧室（１９ｂ）
がそれぞれ区画形成され、これら画室（１９ａ）　、　
（１９ｂ）により中間圧室（１９）が構成されている。

そして、上記高圧室（１９ｂ）は配管（２３）を介して
圧縮機（１）の吐出側に接続され、上記配管（２８）の
途中には可変オリフィス（２４）が配設されている。一
方、上記低Ｕ’室（１９ａ）は配管く２５〉を介し、て
圧縮機（１）の吸込側に接続され１．そａノ配管（２５
）の途中には可変オリフィス（２８）が配設されており
、中間圧室（Ｉ９）の圧力、つまり高圧室（１９ｂ）及
び低圧室（Ｌ９ａ）のディスプレーサ（６）に対する合
成圧力と、ディスプレーサ（６）下側の膨張室（７）と
の圧力差によりディスプレーサ（６）を駆動させ、高圧
切換バルブ（Ｉ４）を開きかつ低圧切換バルブ（１５）
を閉じたときには、高圧冷媒ガスを蓄冷器（１６）を介
して膨張室（７）に供給し、膨張室（７）の圧力増大に
よりディスプレーサ（６）を上昇させる一方、高圧切換
バルブ（Ｉ４〉を閉じかつ低圧切換バルブ（１，５）を
開いたときには、膨張室（７）内の冷媒ガスを蓄冷器（
Ｉ６）を通して圧縮機（１）に戻し２、膨張室（７）の
圧力低下によりディスプレーサ（６）を下降させ、その
ときの冷媒ガスの断熱膨張によりシリンダ（５）下端の
冷却ステージ（９）に寒冷を発生させるようになされて
いる。

さらに、コントロールユニット（４１〉は、上記両切換
バルブ（１４）、　（１５）、可変オリフィス（２４）
、　（２８）及び圧縮機（１）のモータ（２）を制御す
るように構成され、膨張機（４）の冷却ステージ（９）
の温度レベルが低下するほど、圧縮機（１）の回転数を
上昇させ、また両切換パルプ（１４）、　（１５）の切
換速度を低下させ、さらには可変オリフィス（２４）、
　（２Ｇ）の開度を小さくするように制御するようにし
ている。

したがって、この実施例の場合、上記第２実施例と同様
の作用効果を奏することができる。加えて、温度低下に
伴って上記可変オリフィス（２４）。

（２６）の開度が小さくなるので、ディスプレーサ（６
）の移動速度が抑えられ、冷凍機（Ａ）の冷凍能力をよ
り一層高めることができる。

また、第４図に示される第４実施例では、シリンダ（５
〉の上部にシリンダ（５〉よりも小径の小径シリンダ（
５ｃ）が連設されている一方、ディスプレーサ（６）の
上端には上記小径シリンダ（５ｃ〉内に往復動可能に嵌
押されるピストン部（Ｂｅ）が一体に形成され、このピ
ストン部（６ｃ）により小径シリンダ（５Ｃ）内が上部
の中間圧室（１９）と下部の常温空間（８）とに区画形
成されている。そして、上記中間圧室（１９）は可変オ
リフィス（２８）を介設した配管（２９）に接続され、
この配管（２９）の他端は高圧側分岐配管（２９ａ）及
び低圧側分岐配管（２９ｂ）に分岐され、これら分岐配
管（２９ａ）　、　（２９ｂ）はそれぞれ圧縮機（１）
の吐出側及び吸込側に接続されている。また、上記高圧
側分岐配管（２９ａ）には高圧側バルブ（３０）が、低
圧側配管（２９ｂ）には低圧側バルブ（３１）がそれぞ
れ配設されており、この両バルブ（３０）、　（３１）
を切換バルブ（１４）、　（１５）と同期して切換制御
することで、中間圧室（１９）内の圧力を高低に切り換
えて膨張室（７）との間にディスプレーサ（６）駆動の
ための圧力差を発生させ、高圧切換バルブ（１４）を開
きかつ低圧切換バルブ（１５）を閉じたときには、同時
に高圧側バルブ（３０）を閉じかつ低圧側パルプ（３１
）を開くことにより、膨張室（７）の圧力を中間圧室（
１９）よりも高くして、高圧冷媒ガスを蓄冷器（１６）
を介して膨張室（７）に供給しながらディスプレーサ（
６）を上昇させる一方、高圧切換バルブ（１４〉を閉じ
かつ低圧切換バルブ（１５）を開いたときには、高圧側
バルブ（３０）を開きかつ低圧側パルプ〈３１）を閉じ
ることにより、膨張室（７）の圧力を中間圧室（１９）
よりも低くして、膨張室（７）内の冷媒ガスを蓄冷器０
６）を通して圧縮機（１）に戻しながらディスプレーサ
（６）を下降させ、そのときの冷媒ガスの断熱膨張によ
りシリンダ（５）下端の冷却ステージ（９）に寒冷を発
生させるようになされている。

したがって、この実施例の場合においても、上記第３実
施例と同様の作用効果を奏することができる。

尚、上記実施例では、冷却ステージ（９）の温度低下に
応じて高低圧切換バルブ（１４）、　（１５）の切換速
度及び可変オリフィス（２４）、　　（２６）、　（２
８）の開度の双方を制御するようにしているが、可変オ
リフィス（２４）、　（２６）、　（２８）の開度のみ
を調節してディスプレーサ（６）の移動速度を制御する
ようにすることもできる。

また、本発明は、以上の実施例に限定されず、発明の要
旨を変えない範囲で適宜構成を変更することが可能であ
る。

（発明の効果）以上の如く、請求項（１）に係る発明によると、機械駆
動式の膨張機を有する極低温冷凍機に対し、膨張機の冷
却ステージの温度を検出し、その温度低下に伴い、制御
手段により圧縮機の回転数を上昇させるとともに、膨張
機のディスプレーサ駆動手段の駆動速度を低下させるよ
うにしたことにより、圧縮機と膨張機とを循環する冷媒
循環量を増加させ、かつ膨張機のディスプレーサの移動
速度を遅くして膨張機における冷媒ガス圧の高低差を大
きくでき、Ｐｖ図示能力を増大させて冷凍能力を高め、
冷却ステージの最低到達温度を低下させることができる
とともに、冷凍機の効率を高めてクールダウン時間の短
縮化等をも図ることができる。

また、請求項（２）に係る発明によれば、ガス圧駆動式
の膨張機を有する冷凍機に対し、膨張機の冷却ステージ
の温度低下に伴い、制御手段により圧縮機の回転数を上
昇させるとともに、膨張機に対する冷媒ガスの給排を切
り換える切換バルブの切換速度を遅くするようにしたこ
とにより、同様に、ディスプレーサの移動速度を下げて
Ｐｖ図示能力を１曽大きせることができ、冷却ステージ
の最低到達温度を低下させるこεができる。

さらに、請求項（３）に係る発明によると、上記したガ
ス圧駆動式膨張機における中間圧室の圧力を調整する可
変オリフィスを設け、制御手段により、膨張機の冷却ス
テージの温度レベルが低下するほど圧縮機の回転数を上
げ、かつ可変オリフィスの開度を小さくするよう１；１
１御するようにしたことにより、冷却ステージの温度低
下に伴い、中間圧室の圧力を可変オリフィスにより変え
てピストンの移動速度を抑えることができ、よって同様
に冷凍機の冷凍能力を高めることができる。

また、請求項（４）記載の発明によれば、冷却ステージ
の温度低下に伴い、制御手段の制御により圧縮機の回転
速度を上昇させるとともに、切換バルブの切換速度を低
（し、かつ可変オリフィスの開度を小さくするようにし
たので、上記請求項（２１及び（３）記載の発明の各々
の相乗効果によって、冷凍機の冷凍能力のより一層の向
上を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例の全体構成を模式的に示す
概略構成図である。第２図は第２実施例の概略構成図で
ある。第３図は第３実施例の概略構成図である。第４図
は４実施例の概略構成図である。第５図はＰＶ線図であ
る。（Ａ）・・・極低温冷凍機（１〉・・・圧縮機（２）・・・モータ（３）・・・インバータ（４）・・・膨張機（５）・・・シリンダ（６）・・・ディスプレーサ（７）・・・膨張室０〉・・・冷却ステージ（１０）・・・モータ（駆動手段）〈１２〉・・・インバータ（１４）・・・高圧切換バルブ（１５）・・・低圧切換バルブ（１９）・・・中間圧室（１，９ａ）・・・低圧室（１９ｂ）・・・高圧室（２４）、　（２８）、　（２ｇ）・・・可変オリフィ
ス（４０）・・・温度センサ（温度検出手段）（４１）
・・・コントロールユニット（制御手段）容積　■ ９人・・・極低温冷凍機・・・圧縮機・・・モータ・・・インバータ・・・膨張機・・・シリンダ・・・ディスプレーサ・・・膨張室・・・冷却ステージ第５図（１０）・・・モータ（駆動手段）（１２）・・・インバータ（１４）・・・高圧切換バルブ（１５）・・・低圧切換バルブ（１９）・・・中間圧室（１９ａ）・・・低圧室（１９ｂ）・・・高圧室

Claims

【特許請求の範囲】

（１）冷媒を圧縮する圧縮機（１）と、該圧縮機（１）
に接続され、駆動手段（１０）の駆動によりディスプレ
ーサ（６）をシリンダ（５）内で往復動させてシリンダ
（５）内の膨張室（７）に冷媒を給排する膨張機（４）
を備え、上記膨張室（７）での冷媒の膨張によりシリン
ダ（５）端部の冷却ステージ（９）に極低温レベルの寒
冷を発生させるようにした極低温冷凍機において、上記
冷却ステージ（９）の温度レベルを検出する温度検出手
段（４０）と、該温度検出手段（４０）の出力を受け、
冷却ステージ（９）の温度レベルが低下するほど圧縮機
（１）の回転数を上昇させ、かつ膨張機（４）の駆動手
段（１０）のディスプレーサ駆動速度を低下させるよう
に制御する制御手段（４１）とを備えたことを特徴とす
る極低温冷凍機。
（２）冷媒を圧縮する圧縮機（１）と、該圧縮機（１）
に接続され、切換バルブ（１４）、（１５）の切換えに
よりシリンダ（５）内の膨張室（７）に冷媒を給排して
該膨張室（７）及び中間圧室（１９）の冷媒ガス圧の差
によりディスプレーサ（６）を往復動させる膨張機（４
）を備え、上記膨張室（７）での冷媒の膨張によりシリ
ンダ（５）端部の冷却ステージ（９）に極低温レベルの
寒冷を発生させるようにした極低温冷凍機において、上
記冷却ステージ（９）の温度レベルを検出する温度検出
手段（４０）と、該温度検出手段（４０）の出力を受け
、冷却ステージ（９）の温度レベルが低下するほど圧縮
機（１）の回転数を上昇させ、かつ上記切換バルブ（１
４）、（１５）の切換速度を低下させるように制御する
制御手段（４１）とを備えたことを特徴とする極低温冷
凍機。
（３）冷媒を圧縮する圧縮機（１）と、該圧縮機（１）
に接続され、切換バルブ（１４）、（１５）の切換えに
よりシリンダ（５）内の膨張室（７）に冷媒を給排して
該膨張室（７）及び可変オリフィス（２４）、（２６）
、（２８）によって圧力調整される中間圧室（１９）の
冷媒ガス圧の差によりディスプレーサ（６）を往復動さ
せる膨張機（４）を備え、上記膨張室（７）での冷媒の
膨張によりシリンダ（５）端部の冷却ステージ（９）に
極低温レベルの寒冷を発生させるようにした極低温冷凍
機において、上記冷却ステージ（９）の温度レベルを検
出する温度検出手段（４０）と、該温度検出手段（４０
）の出力を受け、冷却ステージ（９）の温度レベルが低
下するほど圧縮機（１）の回転数を上昇させ、かつ上記
可変オリフィス（２４）、（２６）、（２８）の開度を
小さくするように制御する制御手段（４１）とを備えた
ことを特徴とする極低温冷凍機。
（４）中間圧室（１９）の圧力を調整する可変オリフィ
ス（２４）、（２８）、（２８）が設けられ、制御手段
（４１）は、膨張機（４）の冷却ステージ（９）の温度
レベルが低下するほど、上記可変オリフィス（２４）、
（２６）、（２８）の開度を小さくするように制御する
ように構成されていることを特徴とする請求項（２）記
載の極低温冷凍機。