JPH07103139A - クライオポンプ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 クライオポンプ装置の給気・排気行程におけ
る運転負荷の不均整とそれにもとづく振動を無くして、
運転効率のよい装置を提供し得るようにする。 【構成】 クライオポンプ装置５００のディスプレーサ
１０６は、給気した加圧冷媒１０１Ａを膨張冷却して降
圧した降圧冷媒１１２Ａを排気する往復行程をシリンダ
室内１０５Ａで行う。ディスプレーサ１０６を往復動作
する往復竿１０９の端末部分Ｆを保持穴１０３Ｄで保持
し、端末部分Ｆの出入動作を気密用部材１０３Ｅで気密
にする。保持穴１０３Ｄの端部側に出入動作による保持
穴１０３Ｄ内の容積変化を緩和する緩和室１０３Ｆを設
けるか、または、保持穴１０３Ｄからシリンダ室内１０
５Ａに通ずる通気路１０３Ｇを設ける。往復竿１０９の
往復行程におけるシリンダ室内１０５Ａの圧力変化と保
持穴１０３Ｄ内の圧力変化とを、緩和室１０３Ｆまたは
通気路１０３Ｇによって相殺低減することにより、運転
負荷の不均整を低減し、装置の振動を無くする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、極低温冷凍に用いら
れるギホード・マクマホンサイクルあるいはスターリン
グサイクルによる冷凍装置などを利用するクライオポン
プ装置にに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】この種のクライオポンプ装置として、図
４のようなクライオポンプ装置が周知である。図４のク
ライオポンプ装置５００において、電動機１０２はクラ
ンク機構１０３を駆動し、クランク機構１０３は給気弁
１０４・排気弁１１１の開閉動作と往復竿１０９の往復
動作を所要の行程位相差をもって往復駆動する。

【０００３】給気弁１０４・排気弁１１１は、棒状の弁
体で、途中の一部分の直径を細くした箇所を開通箇所に
してあり、弁室の奥側に設けたつる巻状のばねに抗して
往復移動する。また、往復竿１０９には、ディスプレー
サ１０６が連結してあり、ディスプレーサ１０６は、シ
リンダ１０５内を往復移動して、膨張冷却工程と吸収圧
縮工程とを行う。

【０００４】吸気圧縮行程では、冷媒圧縮部（図示せ
ず）で圧縮したヘリウムなどの加圧冷媒１０１Ａが、冷
媒供給管１０１から給気弁１０４を介して、シリンダ１
０５内に入り、ディスプレーサ１０６の通気穴２０１を
経て蓄冷材２０２内に入る。

【０００５】膨張冷却行程では、上記の吸気圧縮行程の
冷媒の流れと逆に流れ、排気弁１１１を通って排出され
ると同時に加圧冷媒１０１Ａが膨張して、蓄冷材２０２
に冷却熱容量を蓄積する。

【０００６】排気行程では、膨張冷却を終えて降圧した
冷媒は、排気弁１１１を介して、クランク機構１０３の
クランク室１０３Ａを通り、次いで、電動機１０２の軸
受部分の穴Ｄを経て電動機室１０２Ａを通って、冷媒排
出管１１２から降圧冷媒１１２Ａとして排出され、冷媒
圧縮部（図示せず）に戻り、再び圧縮して加圧冷媒１０
１にするという循環を繰り返すように動作する。

【０００７】以下、ディスプレーサ１０６と給気弁１０
４・排気弁１１１とが移動する行程位置において、それ
ぞれ、図の上方側に向かう行程の終点であって図の下方
側に向かう行程の始点に相当する位置点を上死点とい
い、図の下方側に向かう行程の終点であって図の上方側
に向かう行程の始点に相当する位置点を下死点という。
クランク機構１０３は、クランク軸が複数の円形偏心カ
ムを所要の位相で配置した構造になっていて、電動機１
０２の軸に連結しており、図中、×印の断面ハッチング
を施した箇所をボールベアリングにして、軸受と偏心カ
ムの滑動輪とを形成している。

【０００８】往復竿１０９とクランク軸のボールベアリ
ングとの嵌合箇所は、図の紙面に対して直角な水平方向
の面をもつ平行溝に形成してあって、往復竿１０９は単
に上下動作のみを行い、往復竿１０９の端末部分Ｆは、
クランク室１０３Ａの壁部に設けた端面が閉塞する筒穴
状の保持穴１０３Ｄで案内を兼ねて保持している。

【０００９】給気弁１０４と排気弁１１１との開通区間
を、図の紙面と直角な垂直方向の面におけるクランク機
構１０３の回転角度でみると、給気弁開通区間Ｘと排気
弁開通区間Ｙとは、例えば、図５のようになっており、
上死点と下死点に対して、３０°程度の箇所から４５°
程度の区間、つまり、ハッチングを施した区間は、給気
弁１０４・排気弁１１１はともに閉じている。

【００１０】給気弁１０４・排気弁１１１の部分を拡大
視すると、図６のように、給気弁１０４・排気弁１１１
は、太径部分ａの中間に通路を開閉するための細径部分
ｂを設けた棒状の弁体５０１Ａ・５０２Ａを、それぞ
れ、筒状の弁室５０１Ｂ・５０２Ｂの開口側から往復動
作させ、この往復動作を、それぞれ、クランク機構１０
３に設けたクランクカム５０１Ｃ・５０２Ｃによって、
交互に往復動作させることにより、通路の開閉動作を行
う構成にしてある。そして、こうした弁体を用いる構成
のものをスプールバルブとも言っている。

【００１１】こうしたスプールバルブによる往復弁を用
いるクライオポンプ装置５００において、弁室５０１Ｂ
・５０２Ｂ弁室の各底部分ｅに、つる巻状のばね５０１
Ｄ・５０１を配置して、弁体５０１Ａ・５０２Ａに戻り
力を与え、また、給気弁１０４・排気弁１１１の往復動
作によって、各底部分ｅに弁体５０１Ａ・５０２Ａの引
き出し時の真空と押し込み時の圧縮が生じて往復動作に
脈動状の抵抗を与えるという現象を除去ずるため、底部
分ｅに弁体５０１Ａ・５０２Ａの軸心部分に、抜穴ｄを
設けて通気させようにした構成のものが、特開昭６３−
２１４５１などに開示されている。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】上記のような抜穴ｄを
設けるなどによって、弁体５０１Ａ・５０２Ａの往復動
作に対する脈動状の抵抗力が除去しれたとしても、往復
竿１０９の端末部分Ｆの保持穴１０３Ｄに対する引き出
し時の真空と押し込み時の圧縮とが生ずるので、往復竿
１０９の往復動作、つまり、保持穴１０３Ｄに対する出
入動作に脈動状の抵抗を与え、クライオポンプ装置の運
転負荷を不均整にして、装置自体に振動を起こさせるほ
か、装置自体の運転効率を低下させているという不都合
がある。

【００１３】こうした運転負荷の不均整を除去するため
に、図７のように、往復竿１０９の端末部分Ｆの断面を
円形にして、軸方向に沿った軸心穴または縦溝もしくは
縦面取りなどを設けて、保持穴１０３Ｄとクランク室１
０３Ａとを通気状態にし、または、保持穴１０３Ｄの端
面に小穴を設けるか端面を開口状にして、保持穴１０３
Ｄを解放穴にする方法が考えられるが、これらの方法で
は、往復竿１０９のシリンダ室内１０５Ａ側の端末部分
にかかる圧力と保持穴１０３Ｄ側の端末部分Ｆにかかる
圧力とを相殺することができないため、振動を低下させ
ることが不可能であり、また、運転効率も改善し得な
い。

【００１４】このため、こうした不都合の無いクライオ
ポンプ装置の提供が望まれているという課題がある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】この発明は、上記のよう
な給気した加圧冷媒を膨張冷却して降圧した降圧冷媒を
排気する往復行程をシリンダ室内で行うディスプレーサ
を往復動作する往復竿の端末部分を筒穴状の保持穴によ
って保持するクライオポンプ装置において、上記の保持
穴に対する上記の端末部分の出入動作を気密にするため
の気密用部材を保持穴の出入口部分に配置する保持穴気
密手段と、上記の出入動作に対する抵抗力を低減するた
めに、上記の保持穴の端部側に上記の出入動作による保
持穴の容積変化を低減して緩和し得る程度の容積をもつ
袋状の緩和室部分を配置する緩和室手段とを設ける第１
の構成と、

【００１６】上記のクライオポンプ装置において、上記
の第１の構成と同様の保持穴気密手段と、上記の出入動
作に対する抵抗力を低減するために、上記の保持穴の端
部側から上記のシリンダ室内に通ずる通気路を配置する
端部側通気路手段とを設ける第２の構成とによる装置を
提供することにより、上記の課題を解決し得るようにし
たものである。

【００１７】

【作用】第１の構成では、保持穴の出入口部分に配置し
た気密用部材によって、シリンダ室外の冷媒経路と緩和
室との間を気密的に遮断し、往復竿の出入動作による保
持穴内の容積変化による抵抗力を緩和室によって低減す
るよう緩和しているため、往復竿のシリンダ室内側の端
末部分にかかる圧力と保持穴側の端末部分にかかる圧力
とを相殺し、または、これらの各圧力の差を低減するこ
とができるので、総体的に見たクライオポンプ装置の運
転負荷を均整化することになり、装置自体の振動を低減
するとともに、装置自体の運転効率を向上するように作
用することになる。

【００１８】第２の構成では、保持穴の出入口部分に配
置した気密用部材によって、シリンダ室外の冷媒経路と
緩和室との間を気密的に遮断し、往復竿の出入動作によ
る保持穴内の容積変化による抵抗力を保持穴の端部側か
ら通路によりシリンダ室内の圧力変化によって緩和して
いるため、往復竿のシリンダ室内側の端末部分にかかる
圧力と保持穴側の端末部分にかかる圧力とを相殺するこ
とができるので、総体的に見たクライオポンプ装置の運
転負荷を均整化することになり、装置自体の振動を低減
するとともに、装置自体の運転効率を向上するように作
用することになる。

【００１９】

【実施例】以下、図１〜図３により実施例を説明する。
これらの図における図４〜図６の符号と同一符号の部分
は図４〜図６によって説明した同一符号の部分と同一の
機能をもつ部分である。

【００２０】〔第１実施例〕図１・図３により第１実施
例を説明する。図１の構成において、図３の構成と異な
る部分は、保持穴１０３Ｄの構造部分において、出入口
側に気密用部材１０３Ｅを設けるとともに、端部側に緩
和室１０３Ｆを設けた部分である。

【００２１】図１において、気密用部材１０３Ｅは、例
えば、ポリアミド系樹脂などからなる軸シールであっ
て、保持穴１０３Ｄ内に設けた溝１０３ａに嵌め込んで
あり、保持穴１０３Ｄに対する往復竿１０９の端末部分
Ｆの出入動作を気密状態で行うようにするものである。

【００２２】緩和室１０３Ｆは、往復竿１０９の出入動
作による保持穴１０３Ｄの容積変化を低減して緩和し得
る程度の容積をもつ袋状の室部分で形成してあり、例え
ば、往復竿１０９の端末部分Ｆが保持穴１０３Ｄに出入
する量に相当する容積の５倍程度の容積をもつものであ
り、適宜の気体を封入する。

【００２３】封入気体は、一般的には、使用する冷媒体
と同じ気体、例えば、ヘリウム、アルゴン、窒素、水素
などの気体であり、このように、使用する冷媒体と同じ
気体にすることによって、気密用部材１０３Ｅに洩れが
生じた場合にも運転能力が低下したり、洩れ込んだ気体
が凍結してクライオポンプ装置を損傷することなどを回
避し得るようにしている。

【００２４】これらの容積関係と、緩和室１０３Ｆ内の
圧力変化の関係と、シリンダ室１０５Ａの圧力変化と
は、具体的には、例えば、 往復竿１０９の直径を９ｍｍ 往復竿１０９の行程量、つまり、出入量を２５．４ｍｍ シリンダ室内１０５Ａの圧力を最高時２１ａｔｇ、最低
時５ａｔｇ 緩和室１０３Ｆの容積を８ｃｍ3 緩和室１０３Ｆ内の気体封入圧力を、往復竿１０９が、
例えば、上死点と下死点との中間の位置において、１３
ａｔｇ に設定した場合、装置の運転動作の変動負荷からみたト
ルクの対応値でみると、図３の動作曲線Ａのように、保
持穴１０３Ｄをクランク室１０３Ａ側に解放した場合の
動作曲線Ｂに比べて、不均整負荷を低減する動作を行う
ものである。ここで、図における最大値は、１行程内に
おける装置の運転に必要な駆動トルクの最大値に対応す
る値であり、また、トルク変動幅は、１行程内において
駆動トルクが変動する幅であって、この発明において低
減を目的とする量に相当するものである。

【００２５】上記の第１実施例の構成を要約すると、給
気した加圧冷媒１０１Ａを膨張冷却して降圧した降圧冷
媒１１２Ａを排気する往復行程をシリンダ室内１０５Ａ
で行うディスプレーサ１０６を往復動作する往復竿１０
９の端末部分Ｆを筒穴状の保持穴１０３Ｄによって保持
するクライオポンプ装置５００において、保持穴１０３
Ｄに対する上記の端末部分Ｆの出入動作を気密にするた
めの気密用部材１０３Ｅ、例えば、軸シールを保持穴１
０３Ｄの出入口部分に配置する保持穴気密手段と、上記
の出入動作に対する抵抗力を低減するために、保持穴１
０３Ｄの端部側に上記の出入動作による保持穴１０３Ｄ
の容積変化を低減して緩和し得る程度の容積をもつ袋状
の緩和室部分、つまり、緩和室１０３Ｆを配置する緩和
室手段とを設ける第１の構成を構成しているものであ
る。

【００２６】〔第２実施例〕以下、図２・図３により第
２実施例を説明する。図２における図１の符号と同一符
号の部分は図１によって説明した同一符号の部分と同一
の機能をもつ部分である。

【００２７】図２の構成において、図１の構成と異なる
部分は、保持穴１０３Ｄの構造部分において、緩和室１
０３Ｆを設けずに、保持穴１０３Ｄの端部側からシリン
ダ室内１０５Ａに通ずる通気路１０３Ｇを設けた部分で
ある。

【００２８】通気路１０３Ｇは、保持穴１０３Ｄ内の容
積変化分をシリンダ室内１０５Ａの容積変化に置換して
いるため、ディスプレーサ１０９の往復行程における抵
抗力を緩和して、クライオポンプ装置の運転負荷を均整
化するので、装置の運転動作の変動負荷からみたトルク
の対応値でみると、図３の動作曲線Ａと同様に、不均整
負荷を低減する動作を行うものである。

【００２９】上記の第２実施例の構成を要約すると、上
記の第１実施例と同様のクライオポンプ装置５００にお
いて、上記の第１実施例と同様の保持穴気密手段と、上
記の出入動作に対する抵抗力を低減するために、上記の
保持穴の端部側から上記のシリンダ室内１０５Ａに通ず
る通気路１０３Ｇを配置する端部側通気路手段とを設け
る第２の構成構成しているものである。

【００３０】以上の構成は、上下方向・縦横方向の表現
は、クライオポンプ装置５００を図４の状態に配置した
場合における方向を指すものであり、クライオポンプ装
置５００自体の配置方向を変更した場合には、それに従
った方向を指すものであることは言うまでもない。

【００３１】また、保持穴１０３Ｄの内面側には、適宜
の耐摩耗性・潤滑性のライナー、例えば、焼結金属材に
潤滑油を含浸させた層、つまり、いわゆるオイルレスメ
タルを施す構成や、往復竿１０９の端末部分Ｆの先端側
の角部分に適宜の面取りを施す構成などは、従来の構成
と同様に構成してあることは言うまでもない。

【００３２】〔変形実施例〕この発明は次のように変形
して実施することができる。 （１）緩和室１０３Ｆの適宜の箇所に、内部に封入する
気体を適宜のものに入替操作し、または、内部に封入す
る気体の圧力を適宜の圧力に調整して封ずるための開閉
弁、例えば、コック弁を設けて構成する。

【００３３】

【発明の効果】この発明によれば、保持穴の出入口部分
に配置した気密用部材によりシリンダ室外の冷媒経路と
の間を気密的に遮断して、往復竿の出入動作による保持
穴内の容積変化による抵抗力を、緩和室による圧力変化
によって緩和し、または、シリンダ室内の圧力変化によ
って緩和しているため、往復竿の出入動作における脈動
状の抵抗をディスプレーサの不均整な動作負荷と調和し
得るので、総体的に見た装置の運転負荷を均整化して、
振動を少なくした運転効率のよいクライオポンプ装置を
提供できるなどの特長がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第１実施例の要部構成縦断面図であ
る。

【図２】この発明の第２実施例の要部構成縦断面図であ
る。

【図３】この発明の第１実施例・第２実施例の動作曲線
図である。

【図４】従来技術の要部構成縦断面図である。

【図５】従来技術の各行程の行程区間配置図である。

【図６】従来技術の部分構成縦断面図である。

【図７】従来技術の部分構成縦断面図である。

【符号の説明】

１０１ 冷媒供給管 １０１Ａ 加圧冷媒 １０２ 電動機 １０２Ａ 電動機室 １０３ クランク機構 １０３Ａ クランク室 １０３Ｄ 保持穴 １０３Ｅ 気密用部材 １０３Ｆ 緩和室 １０３Ｇ 通気路 １０４ 給気弁 １０５ シリンダ １０５Ａ シリンダ室内 １０６ ディスプレーサ １０９ 往復竿 １１１ 排気弁 １１１Ａ 排気通路 １１２ 冷媒排出管 １１２Ａ 降圧冷媒 ２０１ 通気穴 ２０２ 蓄冷却材 ５００ クライオポンプ装置 ５０１Ａ 弁体 ５０１Ｂ 弁室 ５０１Ｃ クランクカム ５０１Ｄ ばね ５０２Ａ 弁体 ５０２Ｂ 弁室 ５０２Ｃ クランクカム ５０２Ｄ ばね Ｄ 穴 Ｆ 端末部分 ａ 太径部分 ｂ 細径部分 ｄ 抜穴 ｅ 底部分

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 給気した加圧冷媒を膨張冷却して降圧し
   た降圧冷媒を排気する往復行程をシリンダ室内で行うデ
   ィスプレーサを往復動作する往復竿の端末部分を筒穴状
   の保持穴によって保持するクライオポンプ装置であっ
   て、 前記保持穴に対する前記端末部分の出入動作を気密にす
   るための気密用部材を前記保持穴の出入口部分に配置す
   る保持穴気密手段と、 前記出入動作に対する抵抗力を低減するために、前記保
   持穴の端部側に前記出入動作による前記保持穴の容積変
   化を低減して緩和し得る程度の容積をもつ袋状の緩和室
   部分を配置する緩和室手段とを具備することを特徴とす
   るクライオポンプ装置。
2. 【請求項２】 給気した加圧冷媒を膨張冷却して降圧し
   た降圧冷媒を排気する往復行程をシリンダ室内で行うデ
   ィスプレーサを往復動作する往復竿の端末部分を筒穴状
   の保持穴によって保持するクライオポンプ装置であっ
   て、 前記保持穴に対する前記端末部分の出入動作を気密にす
   るための気密用部材を前記保持穴の出入口部分に配置す
   る保持穴気密手段と、 前記出入動作に対する抵抗力を低減するために、前記保
   持穴の端部側から前記シリンダ室内に通ずる通気路を配
   置する端部側通気路手段とを具備することを特徴とする
   クライオポンプ装置。