JPH0634218A

JPH0634218A - 極低温冷凍機

Info

Publication number: JPH0634218A
Application number: JP18704992A
Authority: JP
Inventors: Hiroya Taniguchi; 口裕哉谷; Hiroyasu Nomachi; 町博康野; Koichi Nakayama; 山宏一中
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 1992-07-14
Filing date: 1992-07-14
Publication date: 1994-02-08

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は、極低温冷凍機において、油圧を用
いることなく駆動ピストンの制御や吸入，吐出弁の切替
制御を行えるようにすることを目的とする。【構成】圧縮機と膨張空間とを吸入／吐出切替弁を介
して連通させると共に、膨張空間の容積を駆動ピストン
により駆動されるディスプレーサによって可変とし、駆
動ピストンの上下空間に信号圧力切替機構を介して圧縮
機の吸入圧と吐出圧を交互に導入すると共に、信号圧力
切替機構の出力する第１，第２信号圧力に基づいて吸入
／吐出切替弁を切替制御した。尚、信号圧力切替機構
は、駆動ピストンの上死点および下死点において、出力
する第１，第２信号圧力を圧縮機の吸入圧と吐出圧のい
ずれかに切替設定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、極低温冷凍機に関する
ものであり、例えばギフォードマクマホンサイクル式冷
凍機に適用できる。

【０００２】

【従来の技術】本発明に係わる従来技術として、例えば
特開平１−３３４７６号公報に開示された「ＳＱＵＩＤ
用冷凍機の駆動装置」がある。この従来技術を図１０に
基づいて説明すると、ディスプレーサ２０１はロッド２
０２を介して駆動ピストン２０３によって往復駆動され
る。ここで、駆動ピストン２０３の両側空間２０４，２
０５には高油圧が油圧制御弁２０６を介して交互に供給
される。また、シリンダ２０７内にディスプレーサ２０
１によって画定される膨張空間２０８，２０９および空
間２１０は、図示しない圧縮機と吸入弁２１１および吐
出弁２１２を介して連通される。この吸入弁２１１およ
び吐出弁２１２にも、高油圧が油圧制御弁２０６を介し
て交互に供給されて、交互に開閉制御される。

【０００３】ところが、以上のような従来技術の「ＳＱ
ＵＩＤ用冷凍機の駆動装置」では、油圧を用いて駆動ピ
ストン２０３や吸入弁２１１および吐出弁２１２を制御
しているため、油圧シールを非常に高精度に保つ必要が
あり、油圧シール不良時にはＳＱＵＩＤ用冷凍機の作動
不良が発生するおそれがある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】そこで、本発明では、
極低温冷凍機において、油圧を用いることなく駆動ピス
トンの制御や吸入，吐出弁の切替制御を行えるようにす
ることを、その技術的課題とする。

【０００５】

【発明の構成】

【０００６】

【課題を解決するための手段】前述した本発明の技術的
課題を解決するために講じた本発明の技術的手段は、圧
縮機と、圧縮機と吸入／吐出切替弁を介して連通する膨
張空間と、膨張空間の容積を可変とするディスプレーサ
と、ディスプレーサとロッドを介して連結される駆動ピ
ストンとを有する極低温冷凍機において、信号圧力切替
機構は、駆動ピストンの上死点および下死点において、
出力する第１，第２信号圧力を圧縮機の吸入圧と吐出圧
のいずれかに切替設定し、駆動ピストンの上下空間に、
信号圧力切替機構を介して圧縮機の吸入圧と吐出圧を交
互に導入すると共に、信号圧力切替機構の出力する第
１，第２信号圧力に基づいて吸入／吐出切替弁を切替制
御したことである。

【０００７】

【作用】上述した本発明の技術的手段によれば、駆動ピ
ストンの上下空間に信号圧力切替機構を介して交互に導
入される圧縮機の吸入圧と吐出圧によって駆動ピストン
が往復動し、同時にディスプレーサが往復駆動される。
また、信号圧力切替機構が出力する第１，第２信号圧力
によって吸入／吐出切替弁を切替制御し、膨張空間に圧
縮機の吸入圧と吐出圧が交互に導入される。

【０００８】

【実施例】以下、本発明の技術的手段を具体化した実施
例について添付図面に基づいて説明する。

【０００９】図１に示すギフォードマクマホン式の極低
温冷凍機１０において、圧縮機１１は弁機構１２を介し
て空間１３と連通している。更に、この空間１３は第１
蓄冷器１４を介して第１膨張空間（膨張空間）１５と連
通し、第１膨張空間１５は第２蓄冷器１６を介して第２
膨張空間（膨張空間）１７と連通している。以上に示し
た系内には例えばヘリウムガス等の冷媒ガスが封入され
ている。また、空間１３，第１膨張空間１５および第２
膨張空間１７は２段形のシリンダ２０と２段形のディス
プレーサピストン（ディスプレーサ）２１とによって区
画形成され、第１蓄冷器１４および第２蓄冷器１６はデ
ィスプレーサピストン２１内に一体的に配設されてい
る。また、ディスプレーサピストン２１はロッド２６を
介して駆動機構２２によって往復動され、この駆動機構
２２は圧縮機１１の吸入，吐出する冷媒ガスの差圧によ
って駆動力を発生するものである。尚、圧縮機１１と弁
機構１２とは吐出管２３および吸入管２４を介して接続
され、弁機構１２と空間１３とは接続管２５を介して接
続されている。

【００１０】図２において、弁機構１２および駆動機構
２２を詳しく説明すると、まず、弁機構１２は第１弁機
構部３０，第２弁機構部５０および第３弁機構部７０か
ら構成される。

【００１１】第１弁機構部３０において、吐出管２３と
連通する高圧室３１と吸入管２４と連通する低圧室３２
のいずれかを、接続管２５と連通する室３３と選択的に
連通するように室３３内に弁体（吸入／吐出切替弁）３
４が摺接して収容されている。弁体３４はロッド３５，
３６を介してピストン３７，３８と連結されている。

【００１２】ピストン３７，３８はシリンダ３９，４０
内を摺接するもので、ピストン３７によってシリンダ３
９内が室４１，４２に区画され、ピストン３８によって
シリンダ４０内が室４３，４４に区画されている。ここ
で、室４１は高圧室３１と常時連通し、室４３は低圧室
３２と常時連通している。

【００１３】第２弁機構部５０において、吐出管２３と
連通する高圧室５１と吸入管２４と連通する低圧室５２
のいずれかを、信号圧管５３と連通する室５４と選択的
に連通するように室５４内に弁体５５が摺接して収容さ
れている。尚、信号圧管５３に導入される圧力を第１信
号圧力とする。弁体５５の図示上端はロッド５６を介し
てピストン５７と連結され、弁体５５の図示下端はロッ
ド５８が固設されている。ピストン５７はシリンダ５９
内を摺接するもので、ピストン５７によってシリンダ５
９内が室６０，６１に区画され、室６１に配設されたス
プリング６２はピストン５７を図示下方へと付勢してい
る。しかし、スプリング６２は弁体５５の初期位置を設
定するためにだけ必要とされているので、その付勢力は
小さく作動時における影響は無視できる。ここで、室６
０は低圧室５２と常時連通している。また、室６１には
信号圧管６３の一端が接続されている。

【００１４】第３弁機構部７０において、吐出管２３と
連通する高圧室７１と吸入管２４と連通する低圧室７２
のいずれかを、信号圧管７３と連通する室７４と選択的
に連通するように室７４内に弁体７５が摺接して収容さ
れている。尚、信号圧管７３に導入される圧力を第２信
号圧力とする。弁体７５の図示下端はロッド７６を介し
てピストン７７と連結され、弁体７５の図示上端はロッ
ド７８が固設されている。ピストン７７はシリンダ７９
内を摺接するもので、ピストン７７によってシリンダ７
９内が室８０，８１に区画され、室８１に配設されたス
プリング８２はピストン７７を図示下方へと付勢してい
る。しかし、スプリング８２は弁体７５の初期位置を設
定するためにだけ必要とされているので、その付勢力は
小さく作動時における影響は無視できる。ここで、室８
１は低圧室７２と常時連通している。また、室８０には
信号圧管８３の一端が接続されている。

【００１５】駆動機構２２において、シリンダ９０内に
はロッド２６が固設されるピストン（駆動ピストン）９
１が摺動可能に配設され図示上下方向に往復動する。シ
リンダ９０内はピストン９１によって室９２，９３に区
画され、室９２には前述のロッド５８の下端が出没可能
とされ、室９３には前述のロッド７８の上端が出没可能
とされている。また、ピストン９１の上下端面にはダン
パ９４，９５が配設されている。

【００１６】信号圧管５３は、室５４と室４２と連通す
ると共に、室５４と室９２とをオリフィス１００を介し
て連通し、さらに室５４と室８０とを信号圧管８３を介
して連通する。また、信号圧管７３は、室７４と室４４
と連通すると共に、室７４と室９３とをオリフィス１０
１を介して連通し、さらに室７４と室６１とを信号圧管
６３を介して連通する。

【００１７】尚、１１０，１１１，１１２，１１３，１
１４，１１５はシールリングをそれぞれ示す。また、第
２弁機構部５０および第３弁機構部７０から信号圧力切
替機構が構成される。

【００１８】以上の構成を有する極低温冷凍機１０の作
動について説明する。ギフォードマクマホン式の極低温
冷凍機１０は、シリンダ２０内において図４乃至図９の
状態変化を１サイクルとして繰り返す。まず、図４から
図５への状態変化は、弁体３４が室３３内を図示右端か
ら図示左端へと移動し、空間１３と連通している接続管
２５が吐出管２３と連通するようになったときを示す。
この状態変化によって、空間１３，第１膨張空間１５お
よび第２膨張空間１７に高圧の冷媒ガスが供給され、シ
リンダ２０内全体の内部圧力は、図４の低圧状態から図
５の高圧状態へと移行する。また、このとき、ディスプ
レーサピストン２１は図示上方へと向かって移動し、図
５の状態ではディスプレーサピストン２１が略上死点に
位置する。

【００１９】図５から図６を介する図７への状態変化
は、ディスプレーサピストン２１が図示下方へと向かっ
て移動し、第１膨張空間１５および第２膨張空間１７の
容積が拡大しながら、シリンダ２０内全体の内部圧力が
高圧状態に保たれるときを示す。また、この状態変化の
際、空間１３内の冷媒ガスは第１蓄冷器１４を介して予
冷された上で第１膨張空間１５に移動し、第１膨張空間
１５内の冷媒ガスは第２蓄冷器１６を介して予冷された
上で第２膨張空間１７に移動する。

【００２０】そして、図７から図８への状態変化は、弁
体３４が室３３内を図示左端から図示右端へと移動し、
空間１３と連通している接続管２５が吸入管２４と連通
するようになったときを示す。この状態変化によって、
シリンダ内全体の内部圧力は、図７の高圧状態から図８
の低圧状態へと移行し、即ち膨張するので各膨張空間１
５，１７に配設されたコールドヘッドにて冷凍を出力す
る。また、図８の状態ではディスプレーサピストン２１
が略下死点に位置する。

【００２１】図８から図９を介する図４への状態変化
は、ディスプレーサピストン２１が図示上方へと向かっ
て移動し、第１膨張空間１５および第２膨張空間１７の
容積が縮小しながら、シリンダ２０内全体の内部圧力が
低圧状態に保たれるときを示す。また、この状態変化の
際、第２膨張空間１７内の冷媒ガスは第２蓄冷機１６を
冷却して第１膨張空間１５に移動し、第１膨張空間１５
内の冷媒ガスは第１冷却器１４を冷却して空間１３に移
動する。

【００２２】次に、図２乃至図３に戻って吸入／吐出切
替弁，信号圧力切替機構および駆動ピストンの各部の作
動について説明する。

【００２３】図２の状態は図９の状態を示し、駆動ピス
トン９１が上昇する途中であって、空間１３が吸入管２
４と連通するように弁体３４は室３３内において図示右
端に位置している。ここで、第２弁機構部５０では、室
６１内の高圧冷媒ガスとスプリング６２の付勢力に基づ
いて弁体５５が室５４の図示下端に位置し、信号圧管５
３は吸入管２４と連通して低圧冷媒ガスが導入された状
態となっている。この低圧冷媒ガスはオリフィス１００
を介して室９２に導入されると共に、室４２および室８
０にも導入されている。尚、ロッド５８の図示下端は室
９２内に突出している。一方、第３弁機構部７０では、
室７４内の高圧冷媒ガスとスプリング８２の付勢力に基
づいて弁体７５が室７４の図示下端に位置し、信号圧管
７３は吐出管２３と連通して高圧冷媒ガスが導入された
状態となっている。この高圧冷媒ガスはオリフィス１０
１を介して室９３に導入されると共に、室４４および室
６１にも導入されている。尚、ロッド７８の図示上端は
室９３内から没している。

【００２４】従って、駆動ピストン９１の上部空間であ
る室９２には低圧冷媒ガスが導入され、下部空間である
室９３には高圧冷媒ガスが導入されているので、その差
圧によって駆動ピストン９１は上昇する。また、室４２
に低圧冷媒ガスが導入され、室４４に高圧冷媒ガスが導
入されているので、その差圧によって弁体３４は室３３
内において図示右端に位置している。尚、第２弁機構部
５０において、室６１に導入された高圧冷媒ガスを受け
るピストン５７の受圧面積は、室５１に導入された高圧
冷媒ガスを受ける弁体５５の受圧面積よりも大きいた
め、駆動ピストン９１がロッド５８の図示下端を押し上
げはじめるまでは、弁体５５は室５４内において図示下
端に位置する。一方、第３弁機構部７０において、室７
１と連通する室７４の弁体７５上側に高圧冷媒ガスが導
入され、室８０に低圧冷媒ガスが導入されているので、
後に室８０に高圧冷媒ガスが導入されるまでは、その差
圧によって弁体７５は室７４内において図示下端に位置
する。

【００２５】そして、駆動ピストン９１の上昇に伴って
その図示上面がロッド５８の図示下端を押し上げると、
弁体５５は室５４内において図示上方へと移動をはじ
め、信号圧管５３は直ちに吐出管２３と連通して高圧状
態となる。この結果、室４２および室８０が高圧とな
る。すると、ピストン７７の受圧面積は弁体７５の受圧
面積よりも大きいため、弁体７５は室７４内において図
示上方へと移動をはじめ、信号圧管７３は直ちに吸入管
２４と連通して低圧状態となる。この結果、室４４およ
び室６２が低圧となる。従って、室４４に低圧冷媒ガス
が導入され、室４２に高圧冷媒ガスが導入されるので、
その差圧によって弁体３４は室３３内において図示左端
へと移動する。このため、空間１３は吸入管２４との連
通を妨げられ吐出管２３と連通する。尚、オリフィス１
００によって室９２への高圧導入は遅れを生じるため、
しばらくの間室９２内は低圧状態のままであり、オリフ
ィス１０１によって室９３への低圧導入は遅れを生じる
ため、しばらくの間室９３内は高圧状態のままである。
従って、駆動ピストン９１は上死点まで移動した後、室
９２には高圧冷媒ガスが導入され、室９３には低圧冷媒
ガスが導入されるので、その差圧によって駆動ピストン
９１は下降をはじめる。このようにして、図９，図４，
図５，図６の状態変化が起こる。尚、図３の状態は図６
の状態を示し、駆動ピストン９１が下降する途中であ
る。

【００２６】図３の状態では、駆動ピストン９１が下降
する途中であって、空間１３が吐出管２３と連通するよ
うに弁体３４は室３３内において図示左端に位置してい
る。

【００２７】ここで、第２弁機構部５０では、室５４内
の弁体５５下側の高圧冷媒ガスの付勢力に基づいて弁体
５５が室５４の図示上端に位置し、信号圧管５３は吐出
管２３と連通して高圧冷媒ガスが導入された状態となっ
ている。この高圧冷媒ガスはオリフィス１００を介して
室９２に導入されると共に、室４２および室８０にも導
入されている。尚、ロッド５８の図示下端は室９２内か
ら没している。一方、第３弁機構部７０では、室８０内
の高圧冷媒ガスの付勢力に基づいて弁体７５が室７４の
図示上端に位置し、信号圧管７３は吸入管２４と連通し
て低圧冷媒ガスが導入された状態となっている。この低
圧冷媒ガスはオリフィス１０１を介して室９３に導入さ
れると共に、室４４および室６１にも導入されている。
尚、ロッド７８の図示上端は室９３内に突出している。

【００２８】従って、駆動ピストン９１の上部空間であ
る室９２には高圧冷媒ガスが導入され、下部空間である
室９３には低圧冷媒ガスが導入されているので、その差
圧によって駆動ピストン９１は下降する。また、室４４
に低圧冷媒ガスが導入され、室４２に高圧冷媒ガスが導
入されているので、その差圧によって弁体３４は室３３
内において図示左端に位置している。尚、第２弁機構部
５０において、室５１と連通する室５４の弁体５５下側
に高圧冷媒ガスが導入され、室６１に低圧冷媒ガスが導
入されているので、後に室６１に高圧冷媒ガスが導入さ
れるまでは、その差圧によって弁体５５は室５４内にお
いて図示上端に位置する。一方、第３弁機構部７０にお
いて、室８０に導入された高圧冷媒ガスを受けるピスト
ン７７の受圧面積は、室７１に導入された高圧冷媒ガス
を受ける弁体７５の受圧面積よりも大きいため、駆動ピ
ストン９１がロッド７８の図示上端を押し下げはじめる
までは、弁体７５は室７４内において図示上端に位置す
る。

【００２９】そして、駆動ピストン９１の下降に伴って
その図示下面がロッド７８の図示上端を押し下げると、
弁体７５は室７４内において図示下方へと移動をはじ
め、信号圧管７３は直ちに吐出管２３と連通して高圧状
態となる。この結果、室４４および室６１が高圧とな
る。すると、ピストン５７が室６１内の高圧冷媒ガスの
付勢力を受け、弁体５５は室５４内において図示下方へ
と移動をはじめ、信号圧管５３は直ちに吸入管２４と連
通して低圧状態となる。この結果、室４２および室８０
が低圧となる。従って、室４２に低圧冷媒ガスが導入さ
れ、室４４に高圧冷媒ガスが導入されるので、その差圧
によって弁体３４は室３３内において図示右端へと移動
する。このため、空間１３は吐出管２３との連通を妨げ
られ吸入管２４と連通する。尚、オリフィス１００によ
って室９２への低圧導入は遅れを生じるため、しばらく
の間室９２内は高圧状態のままであり、オリフィス１０
１によって室９３への高圧導入は遅れを生じるため、し
ばらくの間室９３内は低圧状態のままである。従って、
駆動ピストン９１は下死点まで移動した後、室９２には
低圧冷媒ガスが導入され、室９３には高圧冷媒ガスが導
入されるので、その差圧によって駆動ピストン９１は上
昇をはじめる。このようにして、図６，図７，図８，図
９の状態変化が起こる。

【００３０】

【発明の効果】上述したように本発明の極低温冷凍機で
は、信号圧力切替機構を介して交互に導入される圧縮機
の吸入圧と吐出圧によって駆動ピストンおよびディスプ
レーサが往復駆動されると共に、信号圧力切替機構が出
力する第１，第２信号圧力によって吸入／吐出切替弁を
切替制御し、膨張空間に圧縮機の吸入圧と吐出圧が交互
に導入されるため、極低温冷凍機の運転制御は圧縮機の
みでよく、駆動ピストンの駆動速度や吸入／吐出切替弁
の切替時期は圧縮機の吸入圧および吐出圧によって自動
的に制御される。従って、極低温冷凍機の制御が容易と
なり、信号圧力切替機構および吸入／吐出切替弁は冷媒
ガスによって作動制御されるため、油による汚染などの
心配がない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明実施例の極低温冷凍機の構成図を示す。

【図２】図１における要部拡大構成図を示す。

【図３】図２とは異なる状態の図１における要部拡大構
成図を示す。

【図４】図１における極低温冷凍機の状態図を示す。

【図５】図１における極低温冷凍機の状態図を示す。

【図６】図１における極低温冷凍機の状態図を示す。

【図７】図１における極低温冷凍機の状態図を示す。

【図８】図１における極低温冷凍機の状態図を示す。

【図９】図１における極低温冷凍機の状態図を示す。

【図１０】従来技術のＳＱＵＩＤ用冷凍機の駆動装置の
構成図を示す。

【符号の説明】

１０極低温冷凍機、１１圧縮機、１５第１膨張空間（膨張空間）、１７第２膨張空間（膨張空間）、２１ディスプレーサピストン（ディスプレーサ）、２６ロッド、３４弁体（吸入／吐出切替弁）、９１ピストン（駆動ピストン）。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】圧縮機と、前記圧縮機と吸入／吐出切替
弁を介して連通する膨張空間と、前記膨張空間の容積を可変とするディスプレーサと、前記ディスプレーサとロッドを介して連結される駆動ピ
ストンとを有する極低温冷凍機において、信号圧力切替機構は、前記駆動ピストンの上死点および
下死点において、出力する第１，第２信号圧力を前記圧
縮機の吸入圧と吐出圧のいずれかに切替設定し、前記駆動ピストンの上下空間に、信号圧力切替機構を介
して前記圧縮機の吸入圧と吐出圧を交互に導入すると共
に、前記信号圧力切替機構の出力する第１，第２信号圧力に
基づいて前記吸入／吐出切替弁を切替制御したことを特
徴とする極低温冷凍機。