JPH0674585A

JPH0674585A - ベローズを備える冷凍機

Info

Publication number: JPH0674585A
Application number: JP22599692A
Authority: JP
Inventors: Hidekazu Goto; 英一後藤; Chiizen Kou; ▲ちー▼全耿
Original assignee: Research Development Corp of Japan
Current assignee: Japan Science and Technology Agency
Priority date: 1992-08-25
Filing date: 1992-08-25
Publication date: 1994-03-15

Abstract

(57)【要約】ガスを作業物質とし、内部にガスが充填されて、冷却動
作に従って伸縮するベローズ、及び上記ベローズ内の圧
力とベローズ外の圧力差を無くす圧力差解消手段を備え
る冷凍機。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】人工衛星に搭載する赤外線検出器
やＴＶの受信器のノイズを減少させるための冷却用冷凍
機のように、保守が不可能な環境で使用される場合、ま
た、磁気共鳴画像診断装置（ＭＲＩ）、ＳＱＵＩＤ脳
（心）磁計測装置などの医療用装置や超伝導エレクトロ
ニクスなど連続使用を前提とする装置の冷却用冷凍機で
は高い信頼性が要求される。長寿命のベローズを備える
冷凍機はこのような要求に最も適したものである。

【０００２】本発明はこのベローズを備える冷凍機の信
頼性向上および冷凍機の小型化に関するものである。

【０００３】

【従来の技術と発明が解決しようとする課題】従来のベ
ローズを備えるエンジンとしては次の様なものが知られ
ている。即ち、ベローズのピストン運動によるベローズ
内の容積の変化を利用し、循環するガスをこのベローズ
に導入し、ベローズが伸びた時の急激な体積変化により
ガスの膨張が起こり、その冷却効果によりガスを冷却す
るものである。

【０００４】即ち、本発明の課題は、冷凍機に用いられ
るベローズの長寿命化にある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明者は、ベローズの
劣化現象を研究した結果、従来のベローズの伸縮で行う
方法では、ベローズ内の圧力は最高Ｐ_Hから最低Ｐ_Lに
変化し、このベローズ壁の内部と外部にかかる大きな圧
力差が、ベローズの寿命が短いことの大きな要因の一つ
であることが分かった。

【０００６】本発明の課題は、ベロース内の圧力とベロ
ーズ外の圧力差を無くす圧力差解消手段を備えることに
より解決される。ベローズ内には、作業物質としてＨ
ｅ，Ａｒ，Ｎ₂等のガスが充填される。

【０００７】

【実施例】本発明によるベローズエンジンの実施例を図
１に示す。膨張器を構成するベローズ(1) と連結するピ
ストンロッド(11)があり、ベローズ(1) の他端はベロー
ズ固定材１４を介してジャケット(2) に固定され、この
ジャケット(2) はジャケット支持材(15)で真空槽(3) に
固定されている。従来のベローズエンジンと異なるとこ
ろは、ベローズ(1) の外側にジャケット(2) を設け、こ
の間に中間圧力領域を形成したことにある。具体的に
は、ジャケット(2) の上方のシリンダー(17)上端と、こ
のシリンダ(17)との間に狭い間隔を持つ管の上部の連結
部材(19)とを室温でゴムベローズ(13)でシールし、中間
圧力領域に圧力Ｐ_av＝（Ｐ_H＋Ｐ_L）／２（＝1.
０_bar）のガス（ベローズ内と同じガス）が封入され
る。ジャケット中に一定の圧力を保つために、この中間
領域とベローズ(1) 内の空間とが、低コンダクタンスの
リーク部により連通される。リーク部としては、ベロー
ズ固定材(14)にチューブ(21)あるいはピンホールを設け
ることができ、その直径は１０μｍ程度で長さは直径の
１００倍以上あればよい。なお、上記ジャケットの支持
材(15)、ピストンロッド(11)、連結部材(19)は熱伝導性
の小さな部材により形成される。また、ピストンロッド
(11)等は、熱シールド(20)によって、低温部が室温から
遮断されている。

【０００８】ベローズ内部の圧力が、ガス導入時の圧力
Ｐ_H（＝1.５_bar）から膨張時の圧力Ｐ_L（＝ 0.
5_bar）へ変化し、もしベローズの外側を、外からの断
熱のための真空槽(3) により直接真空にした場合は、ベ
ローズ壁にかかる圧力差が最大ΔＰ _max＝Ｐ_Hとなり、
この圧力の大きさがベローズの寿命を指数関数的に短く
する原因となるので、ベローズとジャケットの間に圧力
Ｐ_avのガスを封入することにより、ベローズ壁にかかる
圧力差は、ΔＰ_max＝（Ｐ_H−Ｐ_L）／２となりベロー
ズの寿命が伸びる。

【０００９】次に異なる所は、図２に示すようにバルブ
の開閉は、バルブ制御棒(9) の上下により行うが、バル
ブ(5)(6)(7)(8)とベローズ(1) のピストンロッド(11)の
動きを同期させるように、クランクシャフト(10)を介し
て１つのモーターで機械的に制御していることである。
これら一連の圧縮・膨張過程は次のようである。

【００１０】1)ガス導入バルブ(6) が開くとベローズ
(1) は伸びて、ガスの圧力は降下し温度が下がる。温度
が下がったガスは冷却出力部(16)より、冷却出力として
外部に取り出すことができる。 2)ガス排出バルブ(7) が開き、ガスはベローズ(1) 上部
の熱交換器(18)を流れて熱交換を行い、室温で設けたベ
ローズ(4) のガス導入バルブ(8) が「開」となり、ベロ
ーズ(4) は縮み、ガスの圧力は上昇する。( ベローズ
(4) の周囲の冷却水装置(12)で冷却されるので、ガスの
温度は上昇しない。) 3)ガス排出バルブ(5) が開き、ガスはベローズ(1) 上部
の熱交換器(18)を流れて熱交換を行い、温度は下がり、
再びガス導入バルブ(6) が「開」となる。

【００１１】このようにガスバルブ(5)(6)(7)(8)とベロ
ーズ(1) のピストンロッド(11)がクランクシャフト(10)
を介して機械的に連動してガス循環を行うことができる
ので、コンプレッサー・油分離器・コールドトラップ電
動バルブ等を必要とせず、小型化でき、熱容量も小さく
できる。本実施例は膨張器を構成するベローズの外側に
ジャケットを設け、この中の圧力をＰ_av＝（Ｐ_H＋
Ｐ_L）／２とすることにより、ベローズ壁にかかる最大
圧力差はΔＰ_max＝（Ｐ_H−Ｐ_L）／２となり、負荷を
減少できるので、ベローズの寿命を延ばすことができ
る。

【００１２】また、ベローズとジャケットの間にＰ_avの
圧力のガスを封入することにより、熱伝導があるが、ジ
ャケットの温度はＴ_av＝（Ｔ_H＋Ｔ_L）／２となり、ジ
ャケットからベローズへの熱損失は小さい。（Ｔ_Hは導
入ガスの温度、Ｔ_Lは膨張により冷却されたガスの温
度）さらに本実施例では、ジャケットの外側を真空にす
ることにより、外部との熱を遮断して、余分の熱損失を
小さくできる。

【００１３】次に、膨張器側のガスバルブと圧縮器側の
ガスバルブを、同期をとってクランクシャフトで機械的
に制御できるようにし、電動モーターだけで圧縮・膨張
させてガスの循環を行うので、小型化が可能である。図
３は、第２実施例を示す図である。この実施例において
は、シリンダー(31)内にはピストン(32)の両側にシリン
ダー室(33,34) が形成されており、シリンダー室(33,3
4) の容積の増減が、１つのピストン(32)の復動によっ
て達成される。従って、本実施例は２段圧縮又は２段膨
張に使用することができる。特に、Ｈｅを作業物質とし
て場合、Ｈｅはγ（比熱比）が小さいので、多段膨張又
は多段圧縮によることが望ましいが、復動するピストン
の両端は略同じ温度にあるので、一つのシリンダーに形
成されるシリンダー室は、隣接する温度域の冷凍サイク
ルに対して使用される。ピストン(32)の移動はロッド(3
5)によって達成される。このロッド(35)の上端部にはベ
ローズ(36)が設けられており、ロッド(35)と、シリンダ
ー(31)から伸びロッド(35)を覆う外管(37)との間でのガ
ス漏れが防止されている。ベローズ(36)内部と連通する
気室(38)が設けられている。この気室(38)には差圧ニー
ドルバルブ(39)の入口が設けられており、このニードル
バルブ(39)の出口は、大気圧よりも低い圧力を発生し得
る一方のシリンダー室(33)と連絡する減圧室(40)と接続
している。なお、減圧室(40)とシリンダー室(33)との間
には一方向バルブ(43)が設けられている。また、シリン
ダー(31)全体がケーシング(42)によって覆われ内部が真
空と断熱されている。図４に示される様に、シリンダー
(31)とピストン(32)との間、又は外管(37)とロッド(35)
との間にベアリング(41)を設けると、シリンダー(31)と
ピストン(32)間の間隔の精度が粗くて良いので都合がよ
い。シリンダー(31)及びピストン(32)は複数段に設ける
こともできる。

【００１４】以上の様に構成された実施例においては、
ベローズ(36)内の圧が大気圧よりも増大した場合、ニー
ドルバルブ(39)が開放して、ベローズ(36)内の圧が減少
される。図５は第３実施例を示す図である。この実施例
においては、ベローズ(36)は、内部が大気圧の大型ベロ
ース(44)に接続されているので、ベローズ(36)内の圧は
増大しようとしても大型ベローズ(44)に吸収され、大気
圧との差を無くすることができる。また、この実施例で
はシリンダー(31)及びピストン(32)を２段設けた例を示
し、ロッド(35)と外管(37)の間にベアリング(41)を設け
た例を示している。

【００１５】本実施例によると、シリンダー内への外気
の混入が避けられると言う利点がある。

【００１６】

【発明の効果】本発明によると、過大な内外気圧差がベ
ローズに加わることが避けられるので、ベーズの寿命が
延びると言う利点が生じる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のペローズエンジンを用いた冷凍機の一
例を示す概略図。

【図２】図１に示される冷凍機の機械的制御のバルブを
示す断面図。

【図３】本発明の第２実施例を示す概略図。

【図４】図３のシリンダー、ピストン部分の断面図。

【図５】本発明の第３実施例を示す概略図。

【符号の説明】

(1),(4) ベローズ (2) ジャケット (3) 真空槽 (5),(6),(7),(8) バルブ (9) バルブ制御棒 (10)クランクシャフト (11)ピストンロッド (12)冷却水装置 (13)ゴムベローズ (14)ベローズ固定材 (15)ジャケット支持材 (16)冷却出力部 (17)シリンダー (18)熱交換機 (19)連結棒 (20)熱シールド (21)チューブ又はピンホール (31)シリンダー (32)ピストン (33), (34)シリンダー室 (35)ロッド (36)ベローズ (37)外管 (38)気室 (39)ニードルバルブ (40)減圧室 (41)ベアリング (42)ケーシング (43)一方向バルブ (44)大型ベローズ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ガスを作業物質とし、内部にガスが充填さ
れて、冷却動作に従って伸縮するベローズ、及び上記ベ
ロース内の圧力とベローズ外の圧力差を無くす圧力差解
消手段を備える冷凍機。
【請求項２】上記圧力差解消手段が、上記ベローズの外
側のジャケット、及び上記ベローズと上記ジャケット間
の空間と上記ベローズ内空間とを連通する低コンダクタ
ンスのリーク部から成る請求項１記載の冷凍機。
【請求項３】上記圧力解消手段が、作業物質の圧縮膨張
を成すピストンの作動を行うロッドからのリークを防ぐ
ベローズ内の圧力とこのベローズ外の大気圧との差を無
くす手段である請求項１記載の冷凍機。
【請求項４】上記ピストンの両側が共にシリンダー室を
形成しており、作業物質の圧縮膨張が一つのピストンに
より復動により行われる請求項３記載の冷凍機。
【請求項５】上記ピストンとシリンダとの間、又はロッ
ドと外管との間にベアリングが設けられている請求項４
記載の冷凍機。
【請求項６】上記圧力差解消手段が、大気圧より低くな
ることのある一方のシリンダー室と、一方向バルブを介
して接続される大気圧より低い圧力の作業物質を蓄える
気室と、この気室と上記ベローズとの間に介する差圧バ
ルブからなる請求項３の冷凍機。
【請求項７】上記圧力差解消手段が、上記ベローズに接
続される、内部が大気圧の大型ベローズである請求項３
の冷凍機。