JPH076703B2 - ガスサイクル冷凍機およびガスサイクル冷凍方法 - Google Patents

ガスサイクル冷凍機およびガスサイクル冷凍方法

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JPH076703B2
JPH076703B2 JP62026584A JP2658487A JPH076703B2 JP H076703 B2 JPH076703 B2 JP H076703B2 JP 62026584 A JP62026584 A JP 62026584A JP 2658487 A JP2658487 A JP 2658487A JP H076703 B2 JPH076703 B2 JP H076703B2
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JP
Japan
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expansion chamber
pressure
volume
chamber
intake valve
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JP62026584A
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JPS63194164A (ja
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政志 長尾
秀人 吉村
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Mitsubishi Electric Corp
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Mitsubishi Electric Corp
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  • Compressors, Vaccum Pumps And Other Relevant Systems (AREA)
  • Separation By Low-Temperature Treatments (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、例えば極低温での冷凍に用いられるような
ガスサイクル冷凍機に関するものである。
〔従来の技術〕
第1図は例えば特公昭46−10255号公報(アメリカ特許6
29271)に示された従来のガスサイクル冷凍機を示す構
成図であり、図において、(1)は気体を吸入する吸気
バルブ(吸気弁)、(2)は気体を排出する排気バルブ
(排気弁)である。(3)は往復運動して気体を移動さ
せるデイスプレーサーである。(4)は膨張室、(5)
はつり合い室である。(6)は気体の寒冷を蓄冷する蓄
冷器すなわち蓄熱器である。(8)は蓄冷器(6)と膨
張室(4)とを結ぶ低温部連通管であり、(9)は蓄冷
器(6)とつり合い室(5)を結ぶ高温部連通管であ
る。(7)は圧縮器であり低圧管(10)からガスを吸入
し高圧管(11)に高圧を作るものである。高圧と低圧と
は自動弁(17)によつてほぼ一定の圧力に保持される。
(12)はデイスプレーサー(3)にモータ(18)からの
駆動力を伝える駆動軸、(19)はモータ(18)の回転運
動を直線運動に変換するクランクシヤフトである。(1
3)はロツドシール、(14)はデイスプレーサーシー
ル、(15)は高圧側の圧力変動を小さくする高圧バツフ
アタンク、(16)は低圧側の圧力変動を小さくする低圧
バツフアタンクである。
次に動作について説明する。第3図は膨張室(4)のP
−V線図である。縦軸は膨張室(4)の圧力、横軸は同
じく容積である。まず、第3図における1の状態では、
デイスプレーサー(3)は最下端にあり、また吸気バル
ブ(1)が開き排気バルブ(2)は閉じていて、膨張室
(4)の圧力は高圧になつている。次に1→2ではデイ
スプレーサー(3)が上に動き、それにともない高圧気
体が蓄冷器(6)を通つて膨張室(4)に導入される。
この間各バルブ(1),(2)は動かない。2は膨張室
の容積が最大になつた状態であり、2の状態になると吸
気バルブ(1)は閉じて排気バルブ(2)は開く。この
時高圧ガスが低圧ガスに膨張して冷凍が発生し、3の状
態になる。3→4ではデイスプレーサー(3)が下方に
移動する。このとき各バルブ(1),(2)は動かな
い。4は膨張室の容積が最少になつた状態でこの時排気
バルブ(2)は閉じ吸気バルブ(1)は開き膨張室
(4)の圧力は低圧から高圧になつて1の状態に戻る。
このサイクルではすべての過程で理想的にはつり合い室
(5)と蓄冷器(6)と膨張室(4)の圧力が同圧であ
るので、駆動軸(12)に加わる力は小さく、また、デイ
スプレーサーシール(14)も簡単なものでよい。
〔発明が解決しようとする問題点〕
従来のガスサイクル冷凍機は以上のようにデイスプレー
サー(3)と吸気バルブ(1),排気バルブ(2)の同
期が取られていたので、4→1,2→3の過程では不可逆
過程になり、効率が減少する問題があつた。また、2→
3の過程では高圧気体が瞬時に膨張室(4)から流出し
て蓄冷器での圧力損失が生じ、このため、本来同圧であ
るべきつり合い室(5)と膨張室(4)での圧力差がで
きて、駆動軸等駆動系に過大な力を与え、極端な場合は
駆動系を損傷し、またデイスプレーサーシール(14)か
らの漏れが生じて効率を減少させる等の問題があった。
この発明は上記のような問題点を解消するためになされ
たもので、瞬時の高圧ガスの移動を防止して、駆動系に
過大な力が加わつたりシールが漏れたりするのを防止で
きると共に、効率の良いガスサイクル冷凍機を提供する
ことを目的とする。
〔問題点を解決するための手段〕
この発明に係るガスサイクル冷凍機は、シリンダ内で往
復運動するデイスプレーサーによつ容積が変化するつり
合い室および膨張室、これらつり合い室と膨張室とを連
通する蓄熱器、並びに吸気弁および排気弁によってそれ
ぞれ上記つり合い室に連結される高圧流体源および低圧
流体源を備え、上記膨張室の容積が最少の時に上記吸気
弁を開いて排気弁を閉じ、上記膨張室の容積が増大され
つつある中間時に上記吸気弁を閉じて上記膨張室の容積
が最大となった時の上記膨張室の圧力と上記低圧流体源
の圧力とを一致させた後、上記排気弁を開き、上記膨張
室の容積が減少されつつある中間時に上記排気弁を閉じ
て上記膨張室の容積が最少となった時の上記膨張室の圧
力と上記高圧流体源の圧力とを一致させた後、上記吸気
弁を開くように上記吸気弁および排気弁の開閉を調節す
る上記シリンダと上記吸気弁および上記排気弁との連動
手段を備えたものである。
また、この発明の係るガスサイクル冷凍方法は、シリン
ダ内で往復運動するデイスプレーサーによって容積が変
化するつり合い室および膨張室、これらつり合い室と膨
張室とを連通する蓄熱器、並びに吸気弁および排気弁に
よってそれぞれ上記つり合い室に連結される高圧流体源
および低圧流体源を備えたガスサイクル冷凍機におい
て、上記膨張室の容積が最少の時に上記吸気弁を開いて
排気弁を閉じ、上記膨張室の容積が増大されつつある中
間時に上記吸気弁を閉じて上記膨張室の容積が最大とな
った時の上記膨張室の圧力と上記低圧流体源の圧力とを
一致させた後、上記排気弁を開き、上記膨張室の容積が
減少されつつある中間時に上記排気弁を閉じて上記膨張
室の容積が最少となった時の上記膨張室の圧力と上記高
圧流体源の圧力とを一致させた後、上記吸気弁を開くよ
うに上記吸気弁および排気弁の開閉を調節するようにし
たものである。
〔作用〕
この発明においては4→1,2→3の過程を可逆過程であ
る等温過程としたので効率は理想的にはカルノー効率と
なり、また2→3の過程での瞬時のガスの移動がなくな
るので駆動系に過大な力が加わらず、また、シールの漏
れも防止できる。
〔実施例〕
以下、この発明の一実施例を図をもとに説明する。この
発明の一実施例によるガスサイクル冷凍機の構成は吸気
バルブ(1)および排気バルブ(2)の開閉機構を除い
て第1図に示す従来のものと全く同一である。
次に動作について説明する。第2図は本考案に係る膨張
室(4)のガスサイクルによるP−V線図である。第2
図において1の状態ではデイスプレーサー(3)は最下
端にあり、また吸気バルブ(1)が開き排気バルブ
(2)は閉じており、膨張室(4)の体積は最少で圧力
は高圧になつている。次に1→2ではデイスプレーサー
(3)が上に動き、それに伴い高圧気体が蓄冷器(6)
を通つて膨張室(4)に導入される。次に膨張室(4)
の容積が増大されつつあるこの状態で排気バルブ(2)
と吸気バルブ(1)を両方閉じる。2の状態は2→3で
デイスプレーサー(3)を上方に動かし膨張室(4)の
体積が最大になつた時膨張室(4)の圧力が低圧流体源
すなわち低圧バツフアタンク(16)の圧力に等しくなる
よう決定される。2→3では排気バルブ(2)と吸気バ
ルブ(1)と閉じたままで気体はつり合い室(5)から
蓄冷器(6)を通り膨張室(4)に導入される。この
時、つり合い室(5)と膨張室(4)に温度差があり、
膨張室(4)の温度が低いので低温の気体の量が多くな
り、ボイルシヤルルの法則に従つて圧力が低下する。こ
の過程は可逆な等温過程であり、前述のように膨張室
(4)の容積が最大になつた時の膨張室(4)の圧力は
低圧流体源の圧力と等しくなり、3の状態になる。上記
の条件を満たすタイミングでの吸気バルブ(1)の開閉
はクランク軸(19)に設けられたカム等の連動手段(点
線で示す)によって行う。3の状態で、吸気バルブ
(1)は閉じたままで排気バルブ(2)を開ける。3→
4では各バルブ(1),(2)は3の状態のままであ
る。次に膨張室(4)の容積が減少されつつある4の状
態で排気バルブ(2)と吸気バルブ(1)を両方閉じ
る。4の状態は、4→1でデイスプレーサー(3)を下
方に動かし膨張室(4)の容積が最少になつた時に膨張
室(4)の圧力が高圧流体源すなわち高圧バツフアタン
ク(15)の圧力に等しくなるように決定される。4→1
では各バルブ(1),(2)は閉じたままで。気体は膨
張室(4)から蓄冷器(6)を通つてつり合い室(5)
に導入される。この時、つり合い室(5)の温度が膨張
室(4)の温度より高いので、高温の気体の量が多くな
り、ボイルシヤルルの法則に従つて圧力が上昇し、前述
のように膨張室(4)の容積が最少になつた時の膨張室
(4)の圧力が高圧流体源の圧力に等しくなり、1の状
態に戻る。この4→1の過程は可逆な等温過程である。
上記条件を満たすタイミングでの排気バルブ(2)の開
閉は吸気バルブ(1)と同様にクランク軸(19)に設け
られたカム等によって行う。なお、本実施例ではシリン
ダ(3)と吸気バルブ(1)および排気バルブ(2)と
の連動手段としてクランク軸(19)に設けられたカム等
の機械的連動手段を用いていたが、電磁弁やタイマ等に
よる電気的連動手段を用いてもよい。
このように、新しいガスサイクル冷凍機では、従来のガ
スサイクル冷凍機のように2→3および4→1での不可
逆で急激な気体の移動が無いので効率が高く、駆動軸に
加わる力が小さく、しかもシールの漏れも少なくなるこ
とが期待される。
以上のことから、高効率で信頼性の高いガスサイクル冷
凍機を実現できる。
なお、上記実施例ではデイスプレーサー(3)の駆動に
クランクシヤフト(19)を用いた冷凍機について示した
が、これに限るものではなく、例えば、スコツチヨーク
駆動や気体力駆動等の他のガスサイクル冷凍機にも適用
でき、上記実施例と同様の効果が得られる。
〔発明の効果〕
以上のように、この発明によれば、シリンダ内で往復運
動するデイスプレーサーによつ容積が変化するつり合い
室および膨張室、これらつり合い室と膨張室とを連通す
る蓄熱器、並びに吸気弁および排気弁によってそれぞれ
上記つり合い室に連結される高圧流体源および低圧流体
源を備え、上記膨張室の容積が最少の時に上記吸気弁を
開いて排気弁を閉じ、上記膨張室の容積が増大されつつ
ある中間時に上記吸気弁を閉じて上記膨張室の容積が最
大となった時の上記膨張室の圧力と上記低圧流体源の圧
力とを一致させた後、上記排気弁を開き、上記膨張室の
容積が減少されつつある中間時に上記排気弁を閉じて上
記膨張室の容積が最少となった時の上記膨張室の圧力と
上記高圧流体源の圧力とを一致させた後、上記吸気弁を
開くように上記吸気弁および排気弁の開閉を調節する上
記シリンダと上記吸気弁および上記排気弁との連動手段
を備えているので、駆動系に過大な力が加わったりシー
ルが漏れたりするのが防止できると共に、効率の良いガ
スサイクル冷凍機が得られる効果がある。
また、シリンダ内で往復運動するデイスプレーサーによ
って容積が変化するつり合い室および膨張室、これらつ
り合い室と膨張室とを連通する蓄熱器、並びに吸気弁お
よび排気弁によってそれぞれ上記つり合い室に連結され
る高圧流体源および低圧流体源を備えたガスサイクル冷
凍機において、上記膨張室の容積が最少の時に上記吸気
弁を開いて排気弁を閉じ、上記膨張室の容積が増大され
つつある中間時に上記吸気弁を閉じて上記膨張室の容積
が最大となった時の上記膨張室の圧力と上記低圧流体源
の圧力とを一致させた後、上記排気弁を開き、上記膨張
室の容積が減少されつつある中間時に上記排気弁を閉じ
て上記膨張室の容積が最少となった時の上記膨張室の圧
力と上記高圧流体源の圧力とを一致させた後、上記吸気
弁を開くように上記吸気弁および排気弁の開閉を調節す
るようにしているので、駆動系に過大な力が加わったり
シールが漏れたりするのが防止できると共に、効率の良
いガスサイクル冷凍方法が得られる効果がある。
【図面の簡単な説明】
第1図はこの発明の一実施例および従来ガスサイクル冷
凍機を示す構成図、第2図はこの発明の一実施例に係る
膨張室のガスサイクルによるP−V線図、第3図は従来
の膨張室のP−V線図である。 図において、(1)は吸気バルブ、(1)は排気バル
ブ、(3)はデイスプレーサー、(4)は膨張室、
(5)はつり合い室、(6)は蓄冷器、(7)は圧縮
機、(12)は駆動軸、(14)はデイスプレーサーシー
ル、(15)は高圧バツフアタンク、(16)は低圧バツフ
アタンク、(18)は駆動モータである。 なお、各図中同一符号は同一または相当部分を示すもの
とする。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】シリンダ内で往復運動するデイスプレーサ
    ーによって容積が変化するつり合い室および膨張室、こ
    れらつり合い室と膨張室とを連通する蓄熱器、並びに吸
    気弁および排気弁によってそれぞれ上記つり合い室に連
    結される高圧流体源および低圧流体源を備え、上記膨張
    室の容積が最少の時に上記吸気弁を開いて排気弁を閉
    じ、上記膨張室の容積が増大されつつある中間時に上記
    吸気弁を閉じて上記膨張室の容積が最大となった時の上
    記膨張室の圧力と上記低圧流体源の圧力とを一致させた
    後、上記排気弁を開き、上記膨張室の容積が減少されつ
    つある中間時に上記排気弁を閉じて上記膨張室の容積が
    最少となった時の上記膨張室の圧力と上記高圧流体源の
    圧力とを一致させた後、上記吸気弁を開くように上記吸
    気弁および排気弁の開閉を調節する上記シリンダと上記
    吸気弁および上記排気弁との連動手段を備えたガスサイ
    クル冷凍機。
  2. 【請求項2】シリンダ内で往復運動するデイスプレーサ
    ーによって容積が変化するつり合い室および膨張室、こ
    れらつり合い室と膨張室とを連通する蓄熱器、並びに吸
    気弁および排気弁によってそれぞれ上記つり合い室に連
    結される高圧流体源および低圧流体源を備えたガスサイ
    クル冷凍機において、上記膨張室の容積が最少の時に上
    記吸気弁を開いて排気弁を閉じ、上記膨張室の容積が増
    大されつつある中間時に上記吸気弁を閉じて上記膨張室
    の容積が最大となった時の上記膨張室の圧力と上記低圧
    流体源の圧力とを一致させた後、上記排気弁を開き、上
    記膨張室の容積が減少されつつある中間時に上記排気弁
    を閉じて上記膨張室の容積が最少となった時の上記膨張
    室の圧力と上記高圧流体源の圧力とを一致させた後、上
    記吸気弁を開くように上記吸気弁および排気弁の開閉を
    調節するようにしたガスサイクル冷凍方法。
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