JPS59158960A - 極低温冷凍機 - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は、極低温冷凍機に係り、特に、例えば圧縮機の
吐出側及び吸入側の高圧及び低圧の作動流体を弁を介し
て交互に膨張機に導通せしめることによって、膨張機の
ピストン運動が行われる極低温冷凍機に関するものであ
る。

〔従来技術〕

特公昭４７−５８７２号公報に記載されている従来例で
は、容量可変の低温膨張室に、高圧流体が蓄熱路に沿っ
て流入し、該蓄熱路ｔこ沿って封入した該高圧流体が膨
張し、排気されろ過稈で該蓄熱路に沿って流出するよう
に、高圧流路及び低圧流路を切換える回転弁及び該回転
弁を駆動するモータが必要となる。該モータは、冷凍装
置を形成する気密なハウジング内に設置されているため
、モータの回転により回転弁を駆動する場合、モータの
発生熱ｊＪ該蓄熱路に流入する高圧流体を冷却剤として
運び去られるが、この熱は蓄熱路に持ち込まれ、蓄熱時
低温端部の寒冷発生効率を低下させてしまう欠点がある
。また：バルブの切換周期から必要なモータの回転数は
、１２０〜３６０ｒｐｍの範囲にあり、５０／６０Ｈｚ
の一般電源で作動させるためには、電気的な回転数制御
装置が必要となり、制御機構が複雑で高面なものとなる
。

また、他の従来例は、特公昭５１−３８１００号公報に
示されている。本従来例では、膨張機ピストンに連結さ
れた弁の可動部が、シリンダ内を摺動するスリーブとし
て構成され、スリーブの軸方向両端部のガス圧力差によ
ってスリーブが軸方向ｌこピストン運動し、シリンダ壁
に設けた高圧、低圧流路口を開閉せしめる機構が提案さ
れている。

しかし、この場合、スリーブとシリンダ間の摺動部には
、わずかな間隙が必要であり、また、長時間の運転に際
しては、摺動面の摩耗等で該間隙が増大し、間隙を通じ
てシリンダ壁に設けた高圧、低圧流路間を作動流体が多
量バイパスし、冷凍に寄与しない流体が増加して著しく
冷凍効率を低下させる欠点がある。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、従来技術における欠点を除去した極低
温冷凍後を提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明は、内部に蓄冷材を充填したピストンと、該ピス
トンを往復動可能に配設したシリンダと、該シリンダの
ピストン両端側に形成された低温膨張室および高温側室
と、前記シリンダ内に高圧作動流体を導入し、該シリン
ダ内より低圧作動流体を排出する給、排気弁とで構成さ
れ、前記ピストンおよび低温膨張室内の高圧作動流体の
膨張によって寒冷を発生する極低温冷凍機において、高
圧作動流体と低圧作動流体の圧力差を利用して、弁駆動
機構を回転駆動せしめ、この弁駆動機構によってｐ配給
、排気弁を形成した回転弁を駆動させることによ１〕、
侵入熱量を小さくして、寒冷発生効率を向上させるよう
にしたものである。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図、＠２因により説明す
る。勇１因において、圧縮機１の吐出側２すなわち高圧
側は、膨張機のケーシング３に設けた給気口４を通じハ
回転弁５を介して高圧流体流路６、高温側室７、ピスト
ン８の給〃Ｆ気口９゜蓄冷器１０、細孔１１及び低温膨
張室１２に連絡している。また、圧縮機１の吸入側１３
すなわち低圧側は膨張機のフランジ１４に設けた＃）１
気口１５及び排気導孔１６　、１７を通じ１回転弁５を
介して低圧流体流路１８、品温側室７、ピストン８の給
排気口９、蓄冷ａ１０、細孔１１３文び低温膨張室１２
に連絡している。

回転弁５には、吸入口１９により給気口４側と低温膨張
室１２を高圧流体流路６を通じ導通させ、ピストン８内
に高圧流体を吸入させるように、回転弁５の回転位置に
よって、低圧流体流路１８と排気導孔１７　、１．６と
導通し、低温膨張室１２内の高圧作動流体が低圧側に排
気される。一方、所足の寒冷を発生させろためには高圧
及び低圧作動流体の吸入。

排出に同期化させて、ピストン８を該軸方向に上下運動
、すなわちピストン運動させて、低温膨張室内２の容積
を可変とする必要がある。該ピストン運動を行わしめる
ためには、圧力室２０の圧力を回転弁５を介し該弁の回
転位置により、給気孔２１及び排気孔２２をそれぞれ、
給気口４及び排気導孔２３、排気口１５に導通させる。

すなわち、圧力室２０と、低温膨張室℃の圧力差によっ
て、ピストン８はピストン運動する。ここで、高温側室
７と低温膨張室１２及び高温側室７と圧力室２０は、そ
れぞれシールリング２４　、２５でシールされている。

また、低温膨張室１２内で発生した寒冷は、シリンダ２
６下部に一体化された熱交換器２７を冷却する。また、
ケーシング３、フランジ１４反〜シリンタ２６は、シー
ルリング２８で膨張機内外をシールして、ボルト２９で
一体化されている。

次に第１図、第２図において、弁駆動機構は、ハウジン
グ３０、回転リング３１、シャフト３２、シャフト３２
に連結された回転弁継手３３及びフライホイ−＃３４、
ベーン３５、ベーン押えのだめのスプリング３６、上フ
ランジ３７、下フランジ３８、給気口３９、排気口４０
，４σから構成される。シャフト３２の回転中心軸と、
回転リング３１の形状中心軸とは半径方向に寸法りだけ
ずれている。給気口３９から作動流体の１部がハウジン
グ３０と回転リング３１、スプリング３６でシャフト軸
心方向に押えられたベーン３５及び上下フランジ３７　
、３８で仕切られた高圧室４１にに吸入される。このと
き、排気口４０反びケーシング壁に設けられた排出口４
０’、回転速度制御用の圧縮機吸入側１３に導通した低
圧室４３内の圧力と高圧室４１内の圧力差によって、回
転リング３１は、該リングの形状中心がシャフト３２の
回転軸を中心として半径りの円弧を描きながら反時計方
向に回転する。ベーン３５と回転リング３１との接点が
ハウジング３０の内円必の円周上に達した時、すなわち
、低圧室４３の容積が最小、高圧室４１の容積が最大に
なった時、高圧室４１は排気口４０に導通し、低圧室に
転じて弁駆動のための作動流体は圧縮機１の吸入側１３
に戻る。次に給気口３９より新らたな作動流体が高圧室
４１に流入し、高圧室４１の容積が最小の状態から、回
転リング３工が回転しながら増加しはじめ、シャフト３
２の回転運動が連続する。シャフト３２に直結されたフ
ライホイール３４は、シャフト３２の回転を安定させる
ため設けられている。ここで、１部％口４側の室４５と
、フライホイール３４側の室４６とは連通孔４６′で通
じており、シャフト３２に軸方向に作用する圧力差を軽
減している。また、上下フランジ３７　、３８の周方向
に設けたシールリング４７は、室４５．４６内と低圧室
４３とをシールし、回転リング３１の回転駆動力を低減
させないためにある。ハウジング３０と上下フラン）３
７　、３８は一体化され、通気孔４８を有する支持フラ
ンジ４９でフランジ１４に固定されている。

このように、シャフト３２に回転弁継手３３を介して、
かつ、スプリング５０で軽くフランジ】４に軸方向に押
しつけられた回転弁５は、回転リング３１の回転と同期
して回転し、作動流体の低温膨張室１２への吸入、排気
に同期し、ピストン８が上下運動して良好な寒冷発生運
転を行わせる。

なお、シャフト３２の回転数は、高圧室４工と低圧室４
３の圧力差によって調整することができ、本実施例では
低圧室４３内の圧力を圧力調整弁４２で制御している。

本実施例によれば、膨張機入口の作動流体の一部を使用
した回転駆動機構により回転弁を駆動できるので、弁駆
動機構よりの発熱がな４、効率よ々寒冷を発生すること
ができる。また、同時に作動流体の吸入、排出制御を行
う弁をピストンと切り離すことによって、弁からの漏洩
流体を無くすことができるので、効率よ（寒冷を発生で
きる。

更にまた、弁駆動ａ構の回転数制御は、弁駆動機構の出
口圧力を調整することによって行うことができ、安価な
駆動ａ＃ｔを供給することができる。

第３図は本発明の他の実施例を示したもので、第３図が
第１図と異なる点は、弁駆動機構をシャフト３２の軸方
向に２段に、円周方向位相を１８０度ずらして構成し、
それぞれの駆動機構の給気口５１　、５２への高圧作動
流体の導入は、弁５３、弁５４を介して行わせしめるよ
うにし、さらに、排気口５５を給気口５２に導通さぜ、
その導管の遼中を弁５６を介して給気口５１に導通させ
るように（〕た点である。

つぎに、弁駆動機構の作動を説明する。まず、弁５４．
５６を閉じ、弁５３を８＜と高圧作動流体の一部が給気
口５１　、５７より上段の駆動部内に流入し、回転リン
グ５８を回転させながら排気口５５より給気口５２を経
て下段の駆ｍ部内に流入する。ここで、回転リング３１
を回転させた後排出口４０′より圧縮機１の低圧側１３
ｉこ戻る。上述したように、駆動機構な上−１２段設け
ることによって、シャフト３２の回転がより安定になる
と共に、一方の協動機構の回転リングの位置が高圧室の
容積が最大となる、すなわち、回転力が最小の位置にあ
る場合から始動しなければならない場合でも、他方の駆
動機構が回転することによって円滑にシャフト３２が回
転する。

また、安定してシャフトが回転した後は、弁ヌな開き、
弁５３　、５６を開き、上段の駆動機構の駆動力を無く
して下段の駆動機構のみでシャフトを回転させることが
できる。このようにすれば、駆動機構に使用する作動流
体量を減少させることができ、本実施例では、さらに駆
動機構を安定に作動できる効果がある。

第４図は、本発明の更に他の実施例を示したもので、本
実施例が第２図の実施例と異なる点は、高圧側２の作動
流体の一部が、熱交換器２７で冷却され、その後例えば
ジュールトムソン弁により膨張機低温膨張室１２の温度
よりさらに低い温度の寒冷を発生させる冷凍機において
、ピストン８の排気口１５から出た中間圧力側５９の気
体の一部を駆動機構の給気口５１に導き、上下段の駆動
機構内でシャフト３２を回転させた後、排気口４σより
、低圧側１３に戻るようにしたことである。本実施例で
１４、膨張機排気流体を弁駆動８２＃：の作動流体とし
て使用するので、圧縮機１の中間圧力より高圧の段の圧
縮機の負荷を小さ々して、圧縮機負狗動力を低減できる
効果がある。

〔発明の効果〕

以上述べたように、本発明によれば、膨張機ピストンの
運動及び高圧、低圧作動流体の吸わｌ出を作動流体の一
部で回転作動する弁駆動機構によって行なうことができ
るので、弁駆動機構からの発熱が少な４、寒冷発生効率
を向上させることができると共に、ピストンと弁駆動機
構を分離できるので、弁駆動機構内の高圧、低圧室間の
流体の漏洩が低減でき、寒冷発生効率を更に向上させる
ことができる効果がある。

【図面の簡単な説明】

＄１図は本発明による極低温冷凍機の一実施例を示す縦
断面図、第２図は第１図のアーア断面図、第３図および
第４図は本発明の他の実施例を示す極低温冷凍機の縦断
面図である。 １・・・・・・圧縮機、２・・・・・吐出側、３・・・
・・・ケーシング、４　、３９　、５１　、５２　、５
７・・・給気口、５・・・・・・回転弁、６・・・高圧
流体流路、７・・・・・高温側室、８・・・・　ピスト
ン、９・・　給排気口、１０・・・・蓄冷器、１１・・
・・・細孔、１２・・・・・低温膨張室、１３・・・・
吸入側、１４・・　フランジ、１５，４０，４σ、５５
・・・・・・排気口、１６゜１７．２３・・・・・わ１
気導孔、１８・・・・・低圧流体流路、１９・・・・・
・吸入口、２０・・・・圧力室、２１・・・・・給気孔
、２２・・・・・・排気孔、２４．２５，２８．４７・
・・・シールリング、２６・・・・・・シリンダ、２７
・・・・・熱交換器、２９・・・・・・ボルト、３０・
・・・ハウジング、３１　、５８・・・・・・回転リン
グ、３２−・・°°。 シャフト、３３・・・・・・回転弁継手、３４・・・・
・・フライホイール、３５・・・・・ベーン、３６．５
０・・・・・スプリング、３７・・・・・・上フランジ
、３８・・・・・・下フランジ、４１・・・・・・高圧
室、４２・・・・・・圧力調整弁、４３・・・・・・低
圧室、４４・・・・・・内円、　４５．４６・・・室、
４８・・・・・・通気孔、４９・・・・・・支持フラン
ジ、５３　、５４．５６・・・・・・弁、５９・・・・
・・中間圧力側崖１図 に′２図 才３図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　内部に蓄冷材を充填したピストンと、該ピストンを
   往復動可能に配設したシリンダと、該シリンダのピスト
   ン両端側に形成された低温膨張室および高温側室と、ｌ
   Ｕ記シリンダ内に高圧作動流体を導入し、該シリンダ内
   より低圧作動流体を排出する給、排気弁とで構成され、
   前記ピストンおよび低温膨張室内の高圧作動流体の膨張
   によって寒冷を発生する極低温冷凍機において、回転軸
   に偏心させて嵌着した回転リングの周囲に、前記高圧作
   動流体に連通した容積可変の高圧室と低圧作動流体に連
   通した容積可変の低圧室とを隣接して弁駆動機構を形成
   し、前記給、排気弁を形成した回転弁を前記弁駆動機構
   の回転軸と連結したことを特徴とする極低温冷凍機。 ２、　内部に蓄冷材を充填したピストンと１、該ピスト
   ンを往復動可能に配設したシリンダと、該シリンダのピ
   ストン両端側に形成された低温膨張室および高温側室と
   、前記シリンダ内に高圧作動流体を導入し、該シリンダ
   内より低圧作動流体を排出する給、排気弁とで構成され
   、前記ピストンおよび低温膨張室内の高圧作動流体の膨
   張によって寒冷を発生する極低温冷凍機において、回転
   軸に偏心させて嵌着した回転リングの周囲ｉこ、前記高
   圧作動流体に連通した容積可変の高圧室と低圧作動流体
   に連通した容積ｉｊＪ変の低圧室とを隣接して弁駆動機
   構を形成し、該弁駆動機構を同一回転軸に多段に、かつ
   、各段毎に前記高圧室と低圧室の位相をずらして構成し
   、ｎ■配給、排気弁を形成した回転弁を前記弁駆動機構
   の回転軸と連結したことを特徴とする極低温冷凍機。 ３　第１段の弁駆動機構の吸気口を高圧作動流体に連通
   させ、前記第１段の弁駆動機構の排気口を第２段の弁駆
   動機構の吸気口に連絡した特許請求の範囲第２項記戦の
   極低温冷凍機。 ４　第１段の弁駆動機構の吸気口を前記シリンタからの
   低圧作動流体の排気口に連絡した特許請求の範囲第２項
   記載の極低温冷凍機。