JPS58213164A - 極低温冷凍機用膨張エンジン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、極低温発生装置として使用される冷凍機の膨
張エンジンに係シ、特にプラスチックピストンを採用す
るのに好適な膨張エンジンに関するものである。

従来、ヘリウム冷凍機に代表される極低温発生装置とし
ては種々の方式があるが、その代表例として第１図に示
す如きクロードサイクルを採用した冷凍機についてその
構成と作用を説明する。

まず、構成について説明すると、冷ｙｉｅｉは熱　−交
換器２〜６、膨張エンジン７．８、ジュールトムソン弁
９、およびそれらを連絡する配管ならびに真空保冷４１
１１１０からなっている。

次に作用について説明すると、まず　圧ｍ機（図示せず
）から供給された高圧で比較的高温のヘリウムガスは、
Ａ点から第１熱交換器２の高圧ラインに入り、第１熱交
換器２の高圧ラインを出たガスはＢ点で分岐してその一
部は第１膨張エンジン７に入り、ここで膨張されて低圧
、低温のガスとなり、第２熱交換器３と第３熱交換器４
０間の低圧２４７８点に合流し、第２熱交換器３．第１
熱交僕器２の高圧ラインのガスを冷却しつつＦ点にもど
る。またＢ点を通った残りのガスは第２熱交漢器３．第
３熱交換器４の高圧ラインを通って０点で分岐し、一部
が第２膨張エンジン８に入り、ここで膨張されて低圧、
低温のガスとなって第４熱交換器５と第５熱交換器６の
間の低圧２４７０点に合流し、第４熱交換器５．第３熱
交換器４の高圧ラインのガスを冷却しながらＥ点を通っ
てＦ点にもどる。そして０点を通った残りのガスは第４
熱又換器５．第５熱交換器６の高圧ラインを通ってジュ
ールトムソン弁９に至る。

ジュールトムソン弁９を通過する際に高圧のヘリウムガ
スの温度が２０に以下になっていると等エンタルピ変化
によって急激に＃汲し、低圧、低温のガスとなシ一部は
液化して冷凍負荷体１１に供給される。冷凍負荷体１１
で気化しまたは昇＠はれた低圧ガスは、第５熱交換器６
の低圧ラインに入り、高圧ラインのガスを冷却しながら
Ｄ点を通ってＥ点を経由し、Ｆ点にもどる。Ｆ点に集っ
た低圧ヘリウムガスは、一旦低圧タンクやガスバッグ（
ともに図示せず）に貯蔵されるか、そのまま直接に圧縮
機にもどされて循環する。

このようなヘリウム冷凍機において、その性能に大きな
影響金与えるのが膨張エンジンの効率である、いま、従
来公知の膨張エンジンを例にとって効率に影響を及ぼす
因子について説明するため、その構造および作用を第２
図によって簡単に説明すると、膨張エンジンはシリンダ
認、該シリンダＬの中を往復運動するピストン１３、そ
のピストン化の往復運動を仕事として外部に取出すため
のロッド１４、膨張した作動ガス（ここではヘリウムガ
ス）がシリンダ稔とピストンＢの間隙を通って外部に洩
れるのを防止するための常温部シール１５、およびピス
トンリング１６、該ピストンリング１６に常時張力を与
えてガスシール効果をよくするためのバックアップリン
グ１７、ならびにシリンダ校に高圧ヘリタムを供給する
ための吸入弁１８、膨張した後の低圧、低温ヘリウムを
排出するだめの排気弁１９等々から構成されている。

いま、膨張エンジンの効率に影響を与える各因子につい
て説明するため、エンジン効率を概念的に式で示すと式
（１）のごとく表わされる。

膨張エンジン効率 Ｑｏ：理論的な寒冷発生量 Ｑｌ：　伝導による熱侵入量 （Ｑ、　＝　Ｑｉ　＜　＞ Ｑ、：　ふく射による熱侵入量 Ｑ３：　　シリンダとピストン隙間のガス往復による熱
侵入量 Ｑ、：摩擦による発熱量 式（１）において、Ｑｌ〜Ｑ４はいわゆる熱損失と呼ば
れるもので、このうちどれが増加しても効率は低下する
。総合的に考えればＱ１〜Ｑ４の和が減るように改善す
ることが重要である。

上記の熱損失のうちＱ、はシリンダ丘やピストン１３を
通して伝導によって侵入する熱であり、その熱侵入量は
シリンダ稔やピストン１３の断面積が小さいほど、また
常温部から低温部に至るそれらの長さが長いほど熱伸入
量は小さくなる。ところが、シリンダ稔やピストン１３
の断面積を小さくすると、作動ガスによる理論的な寒冷
発生量Ｑ０が小さくなって冷凍機内の熱交換器２〜６を
所定の温度レベルまで冷却することができなくなシ、ヘ
リウム冷凍機としての本来の役目（液化機能）を果さな
くなるので、シリンダじゃピストン１３の断面積はあま
シ小さくできず、したがって長さをある程度長くした）
、材料として熱伝導率の低いものを使うのが一般的であ
った。−例としてあげると、シリンダ材としては極低温
で十分強度があって気密性があシ、しかも熱伝導率の低
いステンレス鋼がよく用いられ、ピストン材としては熱
変形が少なく、比較的熱伝導率の低いフェノール系樹脂
がよく用いられる。次ＫＱ、は常温の真空保冷槽内壁か
ら低温のシリンダＬの外表面へふく射によって侵入する
熱であり、これを防ぐにはシリンダ鴛の外表面にふく射
防止の断熱材を装着するのが一般的であるＯ 次にＱ３はシリンダ稔とピストン１３の隙間を低温ガス
が往復することによって侵入する熱量である。

すなわち、膨張エンジンの吸入および膨張行程において
は、ピストン１３の先端部に高圧の低温ガス（膨張終了
までは比較的高温であるが、それでも常温端に比べると
極低温のガスで、第１エンジンでは吸入ガス温度が１４
０Ｋ、第２エンジンでは吸入ガス温度が２５に程度であ
シ、これが膨張終了時にはそれぞれ８０に、１３に程度
になる。）が作用しているため、ガスの一部がシリンダ
稔とピストン１３の像間を通って常温部シール１５付近
まで達してシリンダ稔やピストンＢによって加熱される
。ところが、膨張エンジンの排気行程になるとピストン
頂部の圧力が降下するため、シリンダ稔とピストン１３
の隙間にあって加熱されたガスは再びシリンダ頂部の方
にもどって低圧、低温の排気ガスに混入し、排気カス温
度を上昇させる。このように、低温ガスカ；シリンダ臣
とピストン１３の隙間を往復することによる熱侵入を防
止するため、ピストン１３の先端低温部に２〜３段のピ
ストンリング１６を設け、さらにピストンリング１６の
シール効果を一層よくするために、常時張力を与えるた
めのバプクアブプリング１７を前記ビス１トンリンク１
６の内側に設けるのが一般的であった。

次にＱ４は上記ピストンリング１６がシリンダ臣の内壁
と摺動する際の摩擦発熱量を小さくするために、ピスト
ンリング１６の材料として低摩俤係数の４弗化エチレ／
系の樹脂を用いるのが一般的である。

このような従来公知の膨張エンジンにおいては次のよう
な問題があった０すなわち、膨張エンジンが大形の場合
には、その寒冷発生賃が大きいのであまり熱損失の大小
に問題にならないが、膨撤エンジンが小形の場合ＶＣは
、寒冷発生型が小さいため熱損失の低減が京女になって
くる。その理由は次のようである。すなわち、理論的な
拠冷発生積は作動ガスの処理量に比例するので、ストロ
ークを一定とすればシリンダ１２（ぼたはピストン１３
）の直径の２乗に比例する。これに対して熱損失はシリ
ンダ直径に比例するものがほとんどである（Ｑ、中Ｑ１
′はシリンダ壁厚を一定と考えれば直径に比例するし、
Ｑ２もシリンダ壁表面槓に比例するので直径に比例する
ことになる。またＱ３はシリンダ稔とピストンＢの隙間
断面積に比例するので、間隙を一定と考えれば直径に比
例するし、Ｑ４はピストンリング１６の張力がシリンダ
壁を押す力に比例するので、ガス圧力として平均有効圧
力を考えれば壁を押す力はＰご平均有効圧力Ｐｅｘｈ×
πｄとなり、結局は直径に近似比例するようになる。）
いま、−例として冷凍負荷体Ｈのところ（温度レベル４
．４Ｋ）での冷凍能力が５Ｗ＠後の小形冷凍磯の第２膨
張エンジンについて理論寒冷発生量Ｑ、に対する各熱損
失の割合を考えると、Ｑ、／　　＝Ｑ、＝ ０．０６．Ｑ２／　　牛０．０２　、　”／Ｑｏ中０．
２２　、　Ｑ４／Ｑ、中Ｑ。

０．２９　である。

すなわち、小形の膨張エンジンではピストンリング１６
の摩擦発熱による熱損失の５０％を占めるようになる。

しかも、このときのピストンリング１６の材料としては
低摩書係数の４弗化エチレン系樹脂を使用していても上
記の如くである。

ソコテ、ピストンリング１６の張力がシリンダ壁を押す
力によって発生する摩擦熱をなくする手段としてピスト
ンリング１６を全廃し、その代シにピストン全体を低摩
擦係数材料で構成する方法も試みられているが、この場
合には次のような問題がある。すなわち、低摩擦係数材
である４弗化エチレン系樹脂は一般に線＃張係数が大き
いので、極低温下で運転するとピストンの熱収縮が大き
く、したがってシリンダＬとピストン１３間の所間が大
きくなシ、低温ガスの往復による熱損失Ｑ３が増大する
。しかも、ピストン１３の熱収縮は長手方向にも発生す
るため、ピストン１３が最も低温端に運したときの頂部
デッドスペースが大きくなシ、そのために膨張比が小さ
くなって寒冷発生量が小さくなるという不具合が生ずる
。

本発明は、上記の如き従来の膨張エンジンにおける問題
点を解消し、摩擦による発Ｐ彼を低減し、しかもシリン
ダとピストン隙間のガス往復による熱侵入量の増加を極
力抑えることＫよって全体としてエンジン効率を向上さ
せることを目的としたものである。

本発明は、上記の目的を実現させるためにピストン先端
部のピストン１３間を廃止し、代シに低摩擦係数の４弗
化エチレン系樹脂からなる筒状の低温摺動材をピストン
先端部外周に装着することによって、全体としての熱損
失を低減させたものである。

以下、早３図〜第５図によって本発明の実施例を説明す
る。第３図〜第５図において、第２図と同部分は同符号
で示し説明を省略する。

まず、第３図は不発明の一実施例を示したもので、スミ
性や耐久性にすぐれた金属性のシリンダ壁、軸方向の熱
侵入を低減させるため比較的熱伝４率の低いフェノール
系樹脂材料（例えばペークツィト）からなるピストン１
３、該ピストン１３の常温部分に装着されてピストンＢ
とシリンダ壁間の隙間を通じてのガス漏れを防止するだ
めの常温部シール（例えば０リング）１５、前記ピスト
ン１３の先端部分の外周に装着され、低温部分における
摩擦発熱量を低減させるための低摩擦係数材料（例えば
４弗化エチレン系材料）からなる筒状の低温摺動材ユ、
倭働雫４キピス）ｙ１２頂面にあって前記低温摺動材４
を保持するための押え板乙、ならびに該押え板ρをピス
トン比に固定するための止めネジβから構成されている
。

本実施例によれば、ピストン１３の先端低温部において
、ピストンリングに代えて先端部のある長さにわたって
円筒状の低摩擦係数材料からなる低温摺動材ユが装着さ
れているのみであるから、ピストン１３をシリンダ壁に
押し付ける力は作用せず、低温部に２ける摩擦発熱″Ｍ
ｋは大＠に低減される。

反面、ピストンリングがないのでシリンダ壁とピストン
１３間の隙間を往復するガスによる常温部からの熱侵入
は増大することになる。そこで往復するガス量増加を最
少限にくいとめるためにはシリンダ壁とピストン比の隙
間をできるだけ小さくするのがよい。

ところが、あまシシリンダ戊とピストン１３間の隙間を
小さくすると、熱変形によってピストン１３が曲りだと
きシリンダ壁の壁とピストンＢが直接摩擦するようにな
シ、かえって摩擦発熱量が増大することになるため、ピ
ストンリング方式に比べて＊擦発熱量をあまシ小さくで
きない。そこで、シリンダＬとピストン１３間の隙間を
小さくする代シにピストン比の先端部に装着した低温摺
動材」とシリンダ壁間の隙間をできるだけ小さくし、し
かもピストン化の頂面間の作動ヘリウムガスが常温部へ
往復するのを防ぐためには、上記の低温摺動材２１をあ
る程度長くしてやることが重要で、少くともピストン１
３の往復運動行程よりも長くするのがよい。また、低温
摺動材２１ｔ−長くすることＫよって、ピストン比が熱
変形した場合でもピストンＢとシリンダ壁が直接接触す
ることがさけられるという利点がある。

次にこの実施例で重要なのは、低温摺動材匹の材料とし
てピストン比の材料よシも熱膨張係数の大きい材料を採
用することである。それ罠よって膨張エンジンが自身の
作動によって温度降下したときに、冷し嵌めと同様な効
果によって低温摺動材匹がピストン１３に強く固定され
るようになる。

また、低温摺動材ユの外径ｄ１は、低温摺動材ｎを嵌め
てない部分のピストン１３の外径ｄ露よプも常に大きく
保つことが必要であシ、そのためＫは両者の熱膨張係数
を考慮して両者の外径を決める必要があるが、一般的に
いえば低温摺動材Ａの外径ｄ。

をピストン比の外径ｄ２よυも０．０２〜０．０３ｍ程
度大きくすればよい。

第４図の本発明の他の実施例を示したものである。すな
わち、前述したように低温摺動材乙の材料としてピスト
ン１３の材料よシも熱膨張係数の大きい材料を使用する
ことによって、冷し低めの効果が期待できるが、反面、
膨張エンジンの作動に　　−よって＠度降下したときに
は低温摺動材乙の方がピストンＢよシもより多く長手方
向に収縮するため、押え板ρと低温摺動材］の間に隙間
を生じ、これがデッドスペースとなって膨張エンジンの
膨張比を低下させ、さらには効率低下につながる。

、　　第４図はこれを防止するため、あらかじめ常温に
おいて低温摺動材乙の長さをピストン口の頂面より両者
の熱収縮量の差δだけ長くしておき、低温になったとき
両者の端面位置が同じになるようにすることによって、
低温下でのデッドスペースの増加を防止するものである
。本実施例によれば、低温下での効率低下を防止できる
という利点がある０ また、第５図はさらに本発明の他の実施例を示したもの
で、低温摺動材ムとしてピストンＢよシも熱膨張係数か
め１９大きくない場合の装着方法として、ピストン１３
の先端部にネジ部冴を設けることによって両者を固定し
たものである。このようにすることによって、低温摺動
材乙の材料に対する制限を緩和することができ、広範囲
に適用材料を求めることができる。

以上述べたように本発明によれば、従来のピストンリン
グを設けたものに比べて低温部での摩擦発熱量を低減さ
せることができ、かつ低温ガスの往復による熱損失の増
加も低く抑えることができるので、膨張エンジンの効率
を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は極低温冷凍機の冷凍サイクル説明図、第２図は
従来の膨張エンジンの一例を示す断面図、第３図は本発
明の一実施例を示す膨張エンジンの断面図、第４図は本
発明の他の実施例を示すピストンの断面図、第５回はさ
らに本発明の他の実施例を示すピストン断面図でるる。 稔・・・・・・シリンダ、１３・・・・・・ピストン、
ｂ・・・・・・常温部シール、ユ・・・・・・低温摺動
材、ρ・・・・・・押え板、る・・・・・・止めネジ、
冴・・・・・・ネジ部才１図 ｔ −３１’を 才２１２１ ４ 才３唐 ｔｙ　　　　　　ｔ’ｔ ￥４図　　　　　　　　才５図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、　シリンダと該シリンダ内を往復運動するピスン、
   シリンダの先端部に装着され、前記ピストンの運動に合
   わせて開閉する吸、排気弁から構成され、吸気弁を通っ
   て吸入された常温高圧ガスを膨張させることによって低
   圧、低温ガスを発生させる膨張エンジンにおいて、ピス
   トンの先端部外周に少なくともピストンの往復運動以上
   の長さにわたってピストン材よシも摩擦係数が小さく、
   かつ熱膨張係数が大きい材料よシなる筒状の低温摺動材
   を装着したことを特徴とする極低温冷凍機用膨張エンジ
   ン。 ２、前記低温摺動材の外径をピストン外径よシ大さくし
   たことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の極低温
   冷凍機用膨張エンジン。 ３、　前記低温摺動材を冷し嵌めによシピストンに装着
   したことを特徴とする特許請求の範囲第１項または第２
   項記載の極低温冷凍憬用膨張ニンジン。 ４、　前記低温摺動材をネジによりピストンに装着した
   こ′とを特徴とする特許請求の範囲第１項または嬉２項
   記載の極低温冷凍機用膨張エンジン。