JPH0566509B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、クライオポンプやHe液化装置等に
適用可能な極低温冷凍装置に関するものである。

［従来の技術］ 従来、この種の冷凍装置は、シリンダ内にピス
トン状のデイスプレイサーをスライド可能に嵌装
し、このデイスプレイサーを往復動作させること
によつて、該デイスプレイサーと前記シリンダの
低温端との間に形成される膨張室の容積を増減さ
せようになつており、その膨張室の拡縮によりガ
スを順次膨張させて所定の冷凍サイクルを営ませ
得るようにしてある。

ところで、従来のものには、蓄冷器を前記デイ
スプレイサーの内部に保持させるようにしたもの
と、シリンダの外部に配設するようにしたものと
があるが、いずれも次のような問題がある。すな
わち、蓄冷器をデイスプレイサーの内部に設けた
ものは、可動部の慣性質量が大きく、振動が発生
し易いという欠点がある。また、蓄冷器をシリン
ダの外側（シリンダ壁外周面部を含む）に設けた
ものは、前記デイスプレイサー内部に無駄な容積
が存在することになり、装置全体の嵩が高くなる
という問題がある。さらに、このデイスプレイサ
ーの動きを制御するために、さまざまな機構が考
案されているが、そのどれもがガスシールの箇所
が増加したり、複雑な可動部が追加されるなど、
装置を複雑化させていた。

［発明が解決しようとする問題点］ 本発明は、可動部分の慣性質量を小さくして振
動を低減させることと、無駄な容積を少なくして
コンパクト化を図るということを両立させるのが
難しいという従来のジレンマを簡単な構成により
確実に解消することを目的としている。さらに、
デイスプレイサーの動きを制御するための機構の
追加を不要とし複雑化するという問題をも含めて
解決しようとしている。

［問題を解消するための手段］ 本発明は、かかる目的を達成するために、固定
部材に支持された第１の蓄冷器と、この蓄冷器の
外周にスライド可能に嵌装されその低温側の端部
と該蓄冷器の低温端との間に第１の膨張室を形成
する可動シエルと、この可動シエルの外周囲に配
設した第２の蓄冷器と、この第２の蓄冷器を包囲
するように設けられその低温側の端部と前記可動
シエルとの間に第２の膨張室を形成するケーシン
グと、前記各蓄冷器の高温端を給気系路または排
気系路に予め設定したタイミングで接続するタイ
ミングバルブとを具備してなるものにしたことを
特徴とする。

［作用］ このような構成によれば、可動シエルの往復動
作に伴なつて、この可動シエルの内側に形成され
た第１の膨張室と、外側に形成された第２の膨張
室とが交互に拡縮することになる。そのため、給
気系路から第１の蓄冷器を通して第１の膨張室に
導入された高圧のガスが、この膨張室で膨張して
低温となり、再び第１の蓄冷器を通して排気系路
へ排出されて循環する一方、前記給気系路からか
ら第２の蓄冷器を通して第２の膨張室に導入され
た高圧のガスが、この膨張室で膨張して低温とな
り、再び第２の蓄冷器を通して前記排気系路へ排
出されて循環することになる。

［実施例］ 以下、本発明の一実施例を図面を参照して説明
する。

第１図は、本発明にかかる小型極低温冷凍装置
の縦断面図であり、図中１は固定部材たるベース
である。ベース１は有底円筒体状のもので、その
底版１ａに対をなす流出入ポート２，３を有して
いる。一方の流出入ポート２は、前記底版１ａの
中心部に穿設されており、この流出入ポート２の
上半部分に連通管４をシール部材５を介して気密
に嵌合させセツトスクリユ６により固定してい
る。この連通管４は上方へ延出しており、その上
端には取付円板７が取着してある。そして、この
取付円板７上に第１の蓄冷器８を載置し、複数本
のボルト９により固定している。第１の蓄冷器８
は、蓄熱エレメント１１と図示しないスペーサと
を交互に複数段積上げたものである。蓄熱エレメ
ント１１は、銅等により作られた円板状のもの
で、上下に貫通する多数の通気口１１ａを有して
いる。スペーサはステンレス鋼製の針金等により
作られている。そして、この第１の蓄冷器８の高
温端（常温端）８ａは、前記取付円板７に穿設し
たポート７ａおよび前記連通管４を介して前記流
出入ポート２に連通するとともに、ポート７ｂを
介してチヤンバ１０に連通している。また、この
第１の蓄冷器８の外周に可動シエル１２をスライ
ド可能に嵌装している。可動シエル１２は、前記
蓄冷器８の外周に嵌合する円筒体状のもので、そ
の低温側の端部は、天壁１２ａによつて閉塞され
ている。そして、この可動シエルの天壁１２ａと
前記第１の蓄冷器８の低温端８ｂとの間に第１の
膨張室１３が形成されている。また、この可動シ
エル１２の高温側の端部にはフランジ部１２ｂが
形成されており、このフランジ部１２ｂに底板１
２ｃをシール部材１４を介して蓋着している。底
板１２ｃの中心部には軸孔１２ｄが穿設してあ
り、この軸孔１２ｄを前記連通管４の外周にシー
ル部材１５を介してスライド可能に嵌合させてい
る。また、この底板１２ｃおよび前記フランジ部
１２ｂの外周縁部には、緩衝用のゴムパツド１
６，１７が固着してある。また、前記可動シエル
１２の外周囲にケーシング１８に保持された第２
の蓄冷器１９を設けている。ケーシング１８は、
前記第２の蓄冷器１９を包持する円筒体状のもの
で、その低温側の端部は逆カツプ状の頂壁１８ａ
によつて閉塞されている。そして、この頂壁１８
ａ部と前記可動シエル１２との間に第２の膨張室
２１が形成されている。また、このケーシング１
８の高温端側には、フランジ部１８ｂが設けてあ
り、このフランジ部１８ｂを前記ベース１の上端
開口部にシール部材２２を介して蓋着している。
第２の蓄冷器１９は、蓄熱エレメント２３と図示
しないスペーサとを交互に複数段積上げたもの
で、ボルト２４を用いて前記ケーシング１８に固
定されている。蓄熱エレメント２３は、銅等によ
り作られた円環状のもので、上下に貫通する多数
の通気口２３ａを有している。スペーサはステン
レス鋼製の針金等により作られている。なお、こ
の第２の蓄冷器１９の高温端１９ａは、チヤンバ
２０ａと、前記可動シエル１２に穿設したポート
１２ｅと、チヤンバ２０ｂとを介して前記流出入
ポート３に連通している。また、この蓄冷器１９
の低温端１９ｂは、前記ケーシング１に設けたポ
ート１８ｃを介して前記第２の膨張室２１に連通
している。

そして、前記両流出入ポート２，３をタイミン
グバルブ２５を介して給気系路２６または排気系
路２７に接続するようにしている。タイミングバ
ルブ２５は、具体的には、モータによりポートブ
ロツクを作動させてポートの切換えを行なうよう
にしたスライドバルブ等により構成されており、
第１図に記号で示すような態様で切換るようにな
つている。すなわち、位置Ａでは、一方の流出入
ポート２を給気系路２６に接続するとともに、他
方の流出入ポート３を排気系路２７に接続するよ
うになつている。また、位置Ｂでは、一方の流出
入ポート２を排気系路２７に接続するとともに、
他方の流出入ポート３を給気系路２６に接続する
ようになつている。そして、前記位置Ａと前記位
置Ｂとに交互に切換るようになつている。給気系
路２６は、コンプレツサ２８の吐出口２８ａから
吐出される高圧ガスをクーラ２９を通して前記タ
イミングバルブ２５の給気ポート２５ａに供給す
るためのものであり、また、排気系路２７は、前
記タイミングバルブ２５の排気ポート２５ｂから
排出される低圧のガスを前記コンプレツサ２８の
吸気口２８ｂに導くためのものである。

次いで、この実施例の作動を説明する。

第１の膨張室１３が最小で、第２の膨張室２１
が最大（第１図、第２図ａ参照）のとき、タイミ
ングバルブ２５を位置Ａにして一方の流出入ポー
ト２を給気系路２６に連通させるとともに、他方
の流出入ポート３を排気系路２７に接続する。こ
れによつて、高圧のガスがコンプレツサ２８から
給気系統２６を通して前記一方の流出入ポート２
へ流入する。この流出入ポート２に流入した高圧
ガスは、連通管４およびポート７ａを介して第１
の蓄冷器８の高温端８ａに導かれ、この蓄冷器８
を通して第１の膨張室１３に導入される。また、
前記連通管４およびポート７ａを通して導入され
た高圧ガスの一部は、ポート７ｂを通してチヤン
バ１０へも導かれる。この状態では、前記第１の
膨張室１３内の高圧ガスによつて、前記可動シエ
ル１２が上方へ押圧される一方で、前記チヤンバ
１０内の高圧ガスの圧力によつて前記可動シエル
１２が下方へ付勢される。しかしながら、前記可
動シエル１２の前記膨張室１３に対する軸方向圧
力成分を受けるための受圧面積は、前記チヤンバ
１０に対する軸方向圧力成分を受けるための受圧
面積よりも前記連通管４の断面積に相当する分だ
け大きい（第３図ａ参照）ので、その差によつて
該可動シエル１２は上方へ付勢され移動する（第
２図ｂ参照）。さらに、一度移動が始まると、ガ
スは、蓄冷器８を通過して、膨張室１３へ連続し
て入つてくるのであるが、このとき蓄冷器８によ
り圧力損失が生じるため、シエル上面１２ａを押
し上げる圧力の方が、シエル下面１２ｂを押し下
げる圧力より若干小さくなり、面積差との関係か
ら、ほぼつり合う力となる。このとき、可動シエ
ル１２は等速運動となるため、必要以上に速い動
きにならず振動等を防ぐことができる。つまり、
前記可動シエル１２は、ゆつくりとした速度で円
滑かつ静粛に作動することになる。このようにし
て、第１の膨張室１３の容積が最大となり、その
中に高圧のガスが充満した段階で、前記タイミン
グバルブ２５を位置Ｂへ切換え、前記一方の流出
入ポート２を排気系路２７に接続するとともに、
他方の流出入ポート３を前記給気系路２６に連通
させる（第２図ｃ参照）。その結果、前記第１の
膨張室１３内のガスの一部が蓄冷器８および連通
管４を通して排気系路２７へ吹きだし前記コンプ
レツサ２８の給気口２８ｂへ戻される。このとき
前記第１の膨張室１３内に残つたガスは、他のガ
スを押し出すという仕事をして自らが冷える。こ
の段階では、前述のようにタイミングバルブ２５
が位置Ｂに保持されているので、前記コンプレツ
サ２８から吐出される高圧のガスが給気系路２６
を通して前記他方の流出入ポート３へ流入する。
この流出入ポート３に流入した高圧ガスは、チヤ
ンバ２０ｂ、ポート１２ｅおよびチヤンバ２０ａ
を通して第２の蓄冷器１９の高温端１９ａに導か
れ、この蓄冷器１９を通して第２の第２の膨張室
２１に導入される。この状態では、前記第２の膨
張室２１内の高圧ガスによつて、前記可動シエル
１２が下方へ押圧される一方で、前記チヤンバ２
０ｂ内の高圧ガスの圧力によつて前記可動シエル
１２が上方へ付勢される。しかしながら、前記可
動シエル１２の前記膨張室２１に対する軸方向圧
力成分を受けるための受圧面積は、前記チヤンバ
２０ｂに対する軸方向圧力成分を受けるための受
圧面積よりも前記連通管４の断面積に相当する分
だけ大きい（フランジ部に相当する部分の受圧面
積は上下で相殺される。第３図ｂ参照）ので、そ
の差によつて該可動シエルは下方へ付勢され移動
する（第２図ｄ参照）。この際、前記第１の膨張
室１３内に残つていた低温のガスは、第１の蓄冷
器８を冷却しつつ通過して排気系路２７へ押し出
される。このようにして、第２の膨張室２１の容
積が最大となり、その中に高圧のガスが充満した
段階で、前記タイミングバルブ２５を再び位置Ａ
へ切換え、前記他方の流出入ポート３を排気系路
２７に接続すとともに、一方の流出入ポート２を
前記給気系路２６に連通させる（第２図ａ参照）。
その結果、前記第２の膨張室２１内のガスの一部
が第２の蓄冷器１９を通して排気系路２７へ吹き
だし前記コンプレツサ２８の吸気口２８ｂへ戻さ
れる。このとき前記第２の膨張室２１に残つたガ
スは、他のガスを押し出すという仕事をして自ら
が冷える。この段階では、前記コンプレツサ２８
から吐出される高圧のガスは再び一方の流出入ポ
ート２に供給され、予冷されつつ第１の蓄冷器８
を通過して第１の膨張室１３に導入され、再び、
前記可動シエル１２が上方へ移動する。そして、
この際に前記第２の膨張室２１に残つている低温
のガスが第２の蓄冷器１９を冷却しつつ通過して
排気系路２７へ押し出される。したがつて、以上
の動作を繰り返すことによつて、ギフオードマク
マホンサイクル（Gifford−Mcmahon Cycle）
が営まれ、前記ケーシング１８の上端部分が極低
温となる。

このようにして冷凍作用を営むものであるが、
このものは、可動シエル１２の低温端１２ａ部の
上下両側に膨張室１３，２１をそれぞれ設け、各
別な蓄冷器８，１９を通してこれら各膨張室１
３，２１にガスを供給するようにしている。その
ため、前記膨張室１３および蓄冷器８と、前記膨
張室２１および蓄冷器１９とを用いてそれぞれ独
立した冷凍サイクルが営まれる。しかも、前記膨
張室１３と前記膨張室２１とは、前記可動シエル
１２の往復動によつて交互に拡縮するので、該可
動シエル１２の１往復動作毎に２度膨張作動を行
なわせることができ、同じ周波数なら冷凍能力を
従来のものの略２倍にすることができる。その
上、可動部が中空体状のシエルであるため、慣性
質量が小さく、振動を大幅に低減させることがで
きる。また、前記可動シエル１２の内部空間を有
効に利用して蓄冷器８を配設しているので、蓄冷
器をケーシング外に配した従来品に比べてコンパ
クト化が可能である。

また、この実施例のようにギフオードマクマホ
ンサイクルを営ませる場合には、可動シエル１２
の高温端側に貫通させた連通管４の存在により該
可動シエル１２の常温端側の受圧面積が低温端側
の受圧面積よりも小さくなることを利用して、こ
の可動シエル１２を高圧ガスの付勢力のみによつ
て移動させることが可能となる。そのため、デイ
プレーサ（可動シエル）を作動させる機構が一切
不要となり、構造の大幅な簡略化を図ることがで
きる。

なお、本発明は、ギフオードマクマホンサイク
ルを営む冷凍機に限らず、例えば、ソルベーサイ
クル、スターリングサイクル等を用いた小型極低
温冷凍装置にも同様に適用が可能である。

また、前記実施例では、１段タイプのものにつ
いて説明したが、本発明は、多段タイプのものに
も適用できるのは勿論である。

［発明の効果］ 本発明は、以上のような構成であるから、冷凍
能力が高い上に構造が簡単であり、しかも、振動
が少なくコンパクト化が可能な極低温冷凍装置を
提供できるものである。

【図面の簡単な説明】

図面は、本発明の一実施例を示し、第１図は縦
断面図、第２図ａ，ｂ，ｃ，ｄは作動説明図、第
３図ａ，ｂは可動シエルに対する圧力分布を説明
するための作用説明図である。 １……固定部材（ベース）、８……第１の蓄冷
器、８ｂ……低温端、１２……可動シエル、１３
……第１の膨張室、１８……ケーシング、１９…
…第２の蓄冷器、１９ｂ……低温端、２１……第
２の膨張室、２５……タイミングバルブ、２６…
…給気系路、２７……排気系路。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 固定部材に支持された第１の蓄冷器と、この
   蓄冷器の外周にスライド可能に嵌装されその低温
   側の端部と該蓄冷器の低温端との間に第１の膨張
   室を形成する可動シエルと、この可動シエルの外
   周囲に配設した第２の蓄冷器と、この第２の蓄冷
   器を包囲するように設けられその低温側の端部と
   前記可動シエルとの間に前記第２の蓄冷器に連通
   する第２の膨張室を形成するケーシングと、前記
   各蓄冷器の高温端を給気系路または排気系路に予
   め設定したタイミングで接続するタイミングバル
   ブとを具備してなることを特徴とする極低温冷凍
   装置。