JPH04195B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、極低温冷凍機における周知のギフオ
ードーマクマホンサイクルの改良に関する。

従来の技術及び発明が解決しようとする課題 この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、4305741号、4339927号及び4388809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、そのような特徴を有する冷凍機を
いかにして熱源に変換するかという問題を解決す
ることを企図したものである。

本発明の目的は、安価に、かつ、容易にヒート
ポンプに変換することができる極低温冷凍機を提
供することである。

課題を解決するための手段 本発明は、上記目的を達成するために、ハウジ
ング内に可動押のけ器により可変容積の第１画室
と第２画室とを画定し、該押のけ器の移動によつ
て冷媒流体を第１画室と第２画室との間で流路を
通して循環させるようにした極低温冷凍機におい
て、前記押のけ器に連結されたスライドを案内す
るためのハウジングを設け、該スライドを往復動
させるための可逆モータを該スライドに連結し、
高圧冷媒流体及び低圧冷媒流体の流れを制御する
ための往復動自在の弁体を有する弁を設け、該可
逆モータの出力軸は、該モータの一方向の回転中
は該極低温冷凍機を冷凍モードで作動させるため
に、前記押のけ器がその移動行程の下死点に達し
たときに該弁体が高圧冷媒流体を第１画室又は第
２画室へ導入させ、該モータの反対方向の回転中
は該極低温冷凍機を加熱モードで作動させるため
に、前記押のけ器がその移動行程の上死点に達し
たときに該弁体が高圧冷媒流体を第１画室又は第
２画室へ導入させるように該弁体を該スライドの
往復動と一定の規定された時間関係をなして移動
させるようになされた調節自在のカムに、該モー
タの一方向の回転と反対方向の回転との間に180゜
の空動を伴う連結手段を介して連結されているこ
とを特徴とする極低温冷凍機を提供する。

実施例の説明 本発明の冷凍機１０は、第１図に示されるよう
に、第１作動段１２を有している。使用するとき
は、これらの作動段は真空ハウジング（図示せ
ず）内に配設する。図には１つの作動段しか示さ
れていないが、このような作動段は、１個又は複
数個設けることができる。各作動段は、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１
８は、その上側に可変容積の第１画室即ち暖温画
室２０を、そして下側に可変容積の第２画室即ち
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。

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第１画室２０に連通
させる。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
を通して第２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。再生器２６、連通口２８，３０
及びクリアランス３２は、第１画室２０と第２画
室２２との間で冷媒流体を循環させる流路を構成
する。

モータハウジング（以下、単に「ハウジング」
とも称する）３６内に例えば可逆同期ステツプモ
ータのような電気モータ（単に「可逆モータ」又
は「モータ」とも称する）３４を配設する。上記
ハウジング１６は、モータハウジング３６から垂
下させ、ハウジング１６に付設したフランジ３７
をボルトによつてモータハウジング３６に固定す
る。モータ３４の出力軸４６には、止ねじ４０に
よつてカラー３８を調節自在に取付ける。カラー
３８は、軸４６に平行に突出したピン４２を有し
ている。ピン４２は、カム４８の表面に形成した
溝４４内に嵌入させる。カム４８には、出力軸４
６を挿通するための穴５０を穿設する。穴５０と
溝４４とは同心関係である（第４図）。溝４４は、
180゜の円弧に亙つて延長している。カム４８の周
面にはころ軸受５２を取付ける。軸４６には、
又、キー及び止ねじによつてクランク５４を固定
する。カム４８は、クランク５４に調節自在のボ
ール型回り止め５３を介して連結する。回り止め
５３とそのボールを外方へ押圧するばねを収容し
た回り止めハウジングは、クランク５４に螺着さ
せ、ボールが押圧ばねによりカム４８の側面の凹
部内へ押しつけられるようにする（第３図参照）。
クランク５４は、軸４６の軸線から離隔し、該軸
線に平行なクランクピン５６を有している。クラ
ンクピン５６にはころ軸受５８を装着し、ころ軸
受５８をスライド６０に形成した横断方向のスロ
ツト内に嵌着させる。スライド６０は、押のけ器
１８の上端に連結する。スライド６０には、クリ
アランス密封スリーブ型軸受６４によつて案内さ
れる円筒形軸受挿入体６２及びクリアランス密封
スリーブ型軸受６８によつて案内される円筒形軸
受挿入体６６を装着する。これらの軸受挿入体６
２，６６及びスリーブ型軸受６４，６８は、セラ
ミツク材又は炭化珪素のような他の硬質材料で形
成するのが好ましい。スリーブ型軸受６８は、ハ
ウジング３６に連結させた保持部材７０によつて
所定位置に保持する。ハウジング３６は、スライ
ド６０を案内するための室を構成する室構構成手
段の役割をも果たす。スリーブ型軸受６４内の室
７２は、スライド６０に設けた軸方向の流体通路
７４を通して再生器２６に連通させる。通路７４
は、スライド６０が上昇するにつれて室７２内の
空気を再生器２６へ逃がすことによつて室７２内
の空気が圧縮されるのを防止する。従つて、スラ
イド６０は、その両端の直径が均一である場合、
ガス圧的に均衡化される。ハウジング３６には、
スライド６０に平行な内孔を設け、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７６を装着し、その軸受内にスプー
ル弁７８を配設する。弁７８は、両端の間の外周
面に溝８２を有する円筒形スプール弁体８０を備
えている。溝８２は、弁体８０をガス圧的に均衡
化させる。弁体８０は、軸方向の圧力均衡化用通
路８３を有している。軸受７６と保持部材７０と
の間にはシール８４を設ける。部材１８，６４，
６８，７６にも、第１図に示されるようにＯリン
グシールを設けることが好ましい。

カム４８に装着したころ軸受５２を弁体８０の
上端に係合させる。弁体８０をころ軸受５２に圧
接する方向に押圧するためにコイルばね８５を弁
体８０と保持部材７０との間に介設する。弁体８
０は、カム４８によつて下降せしめられ、ばね８
５の膨張によつて上昇せしめられる。

第１図を参照して説明すると、圧縮機８８の吐
出側から高圧の冷媒流体（「冷媒ガス」又は単に
「ガス」とも称する）が連通口８６内へ導入され
る。連通口８６は、弁体８０が第１図に示される
位置にあるときは溝８２と連通し、溝８２は、通
路９０を通して第１画室２０と連通する。

ハウジング３６の内部から延長させた連通口９
２は、弁体８０が第１図の位置にあるときは弁体
８０によつて閉鎖されている。弁体８０が最上方
位置におかれると、溝８２が通路９０を連通口９
２と連通させる。ハウジング３６の内部は、連通
口９６を通して圧縮機８８の吸入側に連通させ
る。室９８は、ハウジング３６の内部と直接連通
している。連通口９２から９６への冷媒ガスの流
れは、モータ３４に対し冷却作用を及ぼす。所望
ならば、弁体８０が上死点（移動行程の上方終
端）に達したとき溝８２を室９８に連通させるよ
うに構成することによつて連通口９２を省除する
ことができる。溝８２の軸方向の長さは、連通口
８６と９２との間の軸方向の距離より短くし、そ
れによつて連通口８６，９２と通路９０との間で
の高圧冷媒ガスの漏れを最少限にする。

ハウジング３６は、その機械加工及び組立を容
易にし、弁体８０及びスライド６０へのアクセス
を容易にするために複数の部片で構成する。ハウ
ジングを複数の部片で構成する態様はここには詳
しく図示しないが、当業者には明らかであろう。
ピン４２は、冷凍サイクル中カム４８を第２図で
みて反時計回り方向に駆動する。カム４８は、第
５図に示される位置にあるときは、弁体８０の周
縁に接触する。その時点で、ばね８５の上向き力
（弁体８０に作用する摩擦力を差引く）が、軸４
６の軸線を中心とするモーメントを創生し、カラ
ー３８のピン４２を溝４４の反対の端部へ空動さ
せようとする。そのような空動が生じたとする
と、弁７８の作動タイミングを不確実なものにす
る。カム４８の回転方向の如何に拘わらず、その
ような不確実なタイミングを防止するためにボー
ル型回り止め５３がばね８５の上向き力による上
記モーメントに抵抗し、クランク５４及び軸４６
が、従つてカラー３８及びピン４２が回転するの
を防止する。クランク４８に対面する側のカム４
８の端面には、回り止め５３のボールを受容する
ための２個の凹部５５が180゜間隔を置いて形成さ
れている（第３図）。

冷凍機１０は、ヘリウムなどの極低温流体と共
に使用するように設計することが好ましいが、空
気や窒素等の他の流体を使用することもできる。
図示の冷凍機１０は、77〓で少くとも65ワツトの
出力が得られ、20〓で少くとも５ワツトの出力が
得られるように設計されたものである。

冷凍作動 第１図に示されるように、押のけ器１８は、下
死点（移動行程の下方終端）にある。スライド６
０の上下往復動（昇降）は、カム４８の回転位置
と、ころ軸受即ちカム従節５８と該従節を受容し
ているスライド６０の溝との間の協同によつて制
御される。カム４８がスプール弁体８０の上端に
接触する結果として弁体８０は、その最下方位置
にあり、ばね８５は圧縮される。高圧流体即ち冷
媒ガスが連通口８６から溝８２を通り、通路９０
を通つて第１画室２０へ導入される。連通口９２
は弁体８０によつて閉鎖されている。

再生器２６の機能は、それを通つて下方へ流れ
る冷媒ガスを冷却することと、それを通つて上昇
するガスを加熱することである。ガスは、再生器
を通つて流下する間に再生器によつて冷却されて
圧力を低下せしめられるので、更に多くのガスが
系内へ流入し、それによつて最大限のサイクル圧
を維持する。第２画室２２内でのガスの温度低下
は、ヒートステーシヨン２４に連結される装置
（図示せず）によつて必要とされる有用な冷却作
用を提供する。

冷媒ガスは、再生器２６内を通つて上昇する間
に再生器のマトリツクスによつて周囲温度近くに
まで加熱され、それによつてマトリツクスを冷却
する。モータ３４がカム４８を第２図でみて反時
計回り方向に回転させ、それによつて押のけ器１
８が下死点から上昇せしめられる間、カム４８の
作用表面がサイクルの吸入部分を制御する。カム
４８が回転するにつれて、弁体８０がばね８５の
圧力によつて上昇せしめられて連通口８６からの
流体の流れを遮断する。カム４８が引続き回転す
ると、スライド６０及び押のけ器１８が上昇し続
け、スライド６０が上死点に接近する時点では、
カム４８は、弁体８０を、その溝８２を介して通
路９０と連通口９２とを連通させるのに十分なだ
け上昇させ、それによつてサイクルの吐出部分を
開始させる。サイクルの吐出部分のタイミング
は、カム４８の輪郭によつて制御される。カム４
８が引き続き回転すると、弁体８０が下降せしめ
られ、カム表面のうちの、連通口８６からの高圧
ガスの導入期間を規定する部分に接触するに至
る。かくして、１回のサイクルが完成する。

代表的な実施例では、冷凍機１０は、毎分72〜
82サイクルの割合で作動する。押のけ器１８の行
程（ストローク）は、弁体８０の行程より長い
が、両者の往復動は、同じ方向に同時に行われる
ように同期される。従つて、弁体８０と押のけ器
１８とは、異る速度で往復動するようにカム４８
によつてタイミングが予め定められる、即ち一定
の規定された時間関係とされる。押のけ器１８の
行程を30mmとした場合、弁体８０の行程の長さ
は、それより短く、例えば９〜12mm程度である。
弁体８０には、それが下降するたびにばね８２を
収容している空間内の空気が圧縮されないよう
に、室９８と該空間とを連通する軸方向の流体通
路８３を設けることができる。

従来の装置の１つの問題点は、スライドのスリ
ーブ型軸受けの内径がわずか約6.3mm（0.25in）し
かないことである。本発明においては、スライド
６０も、弁体８０も、ガス圧的に均衡化（バラン
ス）されているので、クリアランス密封軸受６
４，６８の内径を18.9mm（0.75in）とし、面積で
みれば、従来のものの９倍もにすることができ、
従つて、単位面積当りに受ける力を1/9にするこ
とができる。従つて、軸受６４，６８は、従来の
装置におけるような急速に摩耗することがない。

ヒートステーシヨン２４において得られる冷凍
作用は、いろいろな装置と関連して利用すること
ができる。そのような装置の一例はクライオポン
プである。本発明の冷凍機の構成によれば、高圧
冷媒流体の導入と低圧冷媒流体の排出とが確実な
態様で同期されるようにスライド６０と弁体８０
との同時併行運動に対する確実な制御を可能にす
る。本発明によれば、高圧冷媒流体の導入と低圧
冷媒流体の排出が、それぞれスライド６０の下死
点と上死点の正確な位置で行われるので、冷媒流
体の完全な導入及び排出が保証され、効率が高め
られる。

ヒートポンプ クライオポンプは、飽和状態になつて、もはや
貴ガスを吸収しなくなると、熱くなり、ヒートス
テーシヨン２４に負荷を課する。ヒートステーシ
ヨン２４の温度が約20〓に達すると、クライオポ
ンプに設置されているダイオードなどによつて信
号が発せられる。その後、クライオポンプに熱を
加える必要がある。これは、冷凍機１０を加熱モ
ードに変換することによつて行うことができる。

冷凍機１０を加熱モードで作動させるには、単
に、モータ３４の回転方向を逆転させてカム４８
を冷凍モードのときとは反対の方向（第２図でみ
て時計回り方向）に回転させればよい。モータ３
４を逆転させると、最初、ピン４２が溝４４の一
端から他端へ移動し、回り止め５３のボールが第
３図に示される凹部５５へ移動する間空動が生じ
る。その後は、モータ３４の回転によりカム４８
及びクランク５４が駆動される。弁体８０は、冷
凍モードのときの位相から180゜ずらされる。

極低温冷凍機を、単にその駆動モータの回転方
向を逆転させることによつてヒートポンプに変換
することができることは予想外のことであつた。
かくして、クライオポンプは、従来の方法では再
生するのに3.5時間を要したのに比べ、僅か35分
で再生することができる。クライオポンプに設置
した慣用のダイオードを用いることによつて、冷
凍機１０の加熱モードの初めと終りにモータ３４
の逆転を開始させるようにすることができる。モ
ータ３４を逆転させても、スライド６０及び押の
け器１８を往復動させる能力には変りがなく、
PVグラフの面積は変らない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による冷凍機の垂直断面図、第
２図は第１図の線２−２に沿つてみた断面図、第
３図は第２図の線３−３に沿つてみた断面図、第
４図はカム及びその駆動機構の分解図、第５図は
第２図と同様の図であるが、カムが90゜時計回り
方向に回転したところを示す。 １６：ハウジング、１８：押のけ器、２０，２
２：画室、２４：ヒートステーシヨン、２６：再
生器、３４：モータ、３６：ハウジング、４２：
ピン、４４：溝、４６：出力軸、４８：カム、５
２：ころ軸受、５３：回り止め、５４：クラン
ク、５８：ころ軸受（カム従節）、６０：スライ
ド、６４，６８：クリアランス密封スリーブ型軸
受、７４：流体通路、７８：弁、８０：弁体、８
５：ばね。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ハウジング１６内に可動押のけ器１８により
   可変容積の第１画室２０と第２画室２２とを画定
   し、該押のけ器の移動によつて冷媒流体を第１画
   室と第２画室との間で流路２６，２８，３０，３
   ２を通して循環させるようにした極低温冷凍機に
   おいて、 前記押のけ器に連結されたスライド６０を案内
   するための室構成手段３６を設け、該スライドを
   往復動させるための可逆モータ３４を該スライド
   に連結し、高圧冷媒流体及び低圧冷媒流体の流れ
   を制御するための往復動自在の弁体８０を有する
   弁７８を設け、 該可逆モータの出力軸４６は、該モータの一方
   向の回転中は該極低温冷凍機を冷凍モードで作動
   させるために、前記押のけ器がその移動行程の下
   死点に達したときに該弁体が高圧冷媒流体を第１
   画室又は第２画室へ導入させ、該モータの反対方
   向の回転中は該極低温冷凍機を加熱モードで作動
   させるために、前記押のけ器がその移動行程の上
   死点に達したときに該弁体が高圧冷媒流体を第１
   画室又は第２画室へ導入させるように該弁体を該
   スライドの往復動と一定の規定された時間関係を
   なして移動させるようになされた調節自在のカム
   ４８に、該モータの一方向の回転と反対方向の回
   転との間に180゜の空動を伴う連結手段４２，４４
   を介して連結されていることを特徴とする極低温
   冷凍機。 ２ 前記カムの周面に装着したころ軸受５２をガ
   ス圧的に均衡化された前記弁体の一端に接触さ
   せ、該弁体を該カムに接触するように偏倚させる
   偏倚ばね８５を設けた特許請求の範囲第１項記載
   の極低温冷凍機。 ３ 前記空動を伴う連結手段は、前記カムと出力
   軸のどちらか一方に形成された、該出力軸と同軸
   の半円形の溝４４と、該カムと出力軸の他方に固
   定された該溝に受容されるようになされたピン４
   ２とから成るものである特許請求の範囲第２項記
   載の極低温冷凍機。 ４ 前記モータは、クランク５４を介して前記ス
   ライドに連結されており、該クランクと前記カム
   との間にそれらを所定の位相に維持するための回
   り止め５３が設けられている特許請求の範囲第３
   項記載の極低温冷凍機。 ５ 前記押のけ器は、内部に再生器２６を収容し
   ており、前記スライドは、ガス圧的に均衡化され
   ており、一端で該再生器と連通した軸方向の流体
   通路７４を有しており、該スライドを受容するた
   めの、少くとも12.7mm（0.5in）の内径を有するセ
   ラミツク製のクリアランス密封スリーブ型軸受６
   ４，６８が設けられている特許請求の範囲第１〜
   ４項のいずれかに記載の極低温冷凍機。 ６ 極低温冷凍機を熱源に変換するための方法で
   あつて、 物体を冷却又は加熱するように構成された冷凍
   機のヒートステーシヨンに低温又は高温を発生さ
   せ、該低温発生工程は、押のけ器と弁体を相関関
   係をもたせて電気モータにより移動させ、該押の
   け器がその移動行程の一方の終端に達したとき高
   圧冷媒ガスを該押のけ器に関連した可変容積の画
   室内へ導入させる操作を含むものとし、 前記モータの回転方向を逆転させ、前記弁体を
   前記低温発生工程において作動されるときの位相
   とは180゜異る位相で移動させることによつて該冷
   凍機を、前記物体を加熱するための熱源に変換す
   ることから成る変換方法。 ７ 前記ヒートステーシヨンをクライオポンプと
   して用いることを含む特許請求の範囲第６項記載
   の変換方法。