JPS60138369A - ガス冷凍機 - 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】 （産業上の利用分野） この発明は、クライオポンプに好適な閉勺イクルのガス
冷凍機に関する。

（従来技術） ガス冷凍機は、モータ駆動方式のものとガス駆動方式の
ものがある。

第１図はモータ駆動方式のガス冷凍機を示す。

図において、膨張機１では、モータで回転駆動されるク
ランク軸２によりピストン３がシリンダ４内を往復動す
る。このピストン３によりシリンダ４は仕切られ、その
上端部に室温室５が、また上端部に膨張室６がそれぞれ
形成される。そして、室温室５と膨張室６間には直列に
蓄冷器７と熱交換器８とが配設される。

また、圧縮機９は、供給高圧ガス経路および戻り低圧ガ
ス経路にポペット弁からなる高圧バルブ１０および低圧
バルブ１１を有し、バルブ１０の吐出し側およびバルブ
１１の吸込み側は室温室５と蓄冷器７の接続点に連結さ
れている。これらバルブ１０．１１は前記モータの駆動
力によって開閉動作を行なう。

このようなモータ駆動方式の冷凍機は、理想的には、第
２図（ａ）に示す冷凍サイクルでもって動作する。

Ｊなわち、冷凍サイクルの開始点へでは、ピストン３が
シリンダ４の最下部にあり、室温室５が最大容積で、膨
張室６が最小容積となっ−ている。

この状態でバルブ１１が閉成され、バルブ１０が開成さ
れると、圧縮機９から両室５．６に高圧ガスが圧送され
、シリンダ４内の圧力は高圧の所定値になる。膨張室６
の容積は最小容積で一定であるから、サイクルは点Δの
直上点Ｂに移る。

そして、ピストン３が上昇工程に移り、室温室５が縮少
され、膨張室６が拡張されるに伴い、室温室５の高圧ガ
スが蓄冷器７で冷却されながら膨張室６に移送される。

このとき、膨張室６内の圧力は一定に保たれるから、サ
イクルは点Ｂから点Ｃに水平移動する。

次いで、ピストン３がシリンダ４の最上部に達し、膨張
室６が最大容積となった点Ｃでバルブ１Ｏが閉成されバ
ルブ１１が開成されると、膨張室６の高圧ガスは急激に
熱交換器８．蓄冷器７を介して圧縮機９の低圧側に戻る
。このとき、サイモン膨張により寒冷が生じ、熱交換器
８から冷凍出力が得られるとともに、膨張室６の圧ノ〕
は最低値となる。この圧力減少は急激に行なわれるので
、サイクルは点Ｃから直下の点りに移る。

そして、ピストン３が下降工程に移ると、温度が下がっ
た低圧膨張ガスは蓄冷器７を冷却しながら圧縮機９の低
圧側に戻る。このとき、膨張室６の圧力は一定の低圧値
を保持するから、サイクルは点りから点Ａに水平移動す
る。

つまり、理想的な冷凍サイクルにおけるＰ−ｖ線図は四
角形になる。

ところが、実際に得られるＰ−Ｖ線図は第２図（ｂ）に
示すようになる。すなわら、サイクルの開始点と第３コ
ーナにおいて、Δ′、Ｃ−のように角がなくなるのは、
各バルブの切替動作を同時に行なえないのでやむを得な
いことであるが、ピストンの往復動動作が連続的である
ので、膨張室の圧力が最大圧力あるいは最小圧力の所定
値になる前に、ピストンが上昇工程または下降工程に移
り、膨張室の容積が早めに変化し、辺ａ、Ｃに対応覆る
部分がサイクルの内側に傾斜してａ＝、Ｃ′となる。従
って、１サイクルが描く面積は全体として小さくなり、
冷凍能力の限界値を下げる原因となっている。

さらに、このようなモータ駆動方式の冷凍機では、ピス
トンの駆動および各バルブの切替動作をモータで行なう
ようにしているので、モータの駆動動力が増大する。ま
た、各バルブはポペット弁であるので、構造が複雑であ
り、保守が面倒となる。

次に、ガス駆動方式の冷凍機を第３図および第４図に示
す。これらの冷凍機は、ピストンの駆動を作業ガスで行
なうようにしたものである。なお、第１図と同一名称部
分には同一符号をイ」シその説明を省略する。

まず、第３図に示す冷凍機において、膨張機３１のシリ
ンダ３２には、上部に高圧室Ｖ１と低圧室■２が設けら
れ、それぞれオリフィス３３，３４により圧縮機９の高
圧側と低圧側とに接続されている。高圧室■１と低圧室
ｖ２の断面積はほぼ等しくしてあり、ピストン３５の上
面には常に中間圧力がかかるようになっている。

動作を概略説明すると、ピストン３５がシリンダ３２の
下端部にあるときバルブ１０が開成されバルブ１１が開
成される。これにより、高圧ガスが蓄冷器７で冷却され
ながら膨張室６に入る。

膨張室６の圧力が中間圧力を越えると、ピストン３５は
上昇を開始し、オリフィス３３．３４を通過Ｊるガス量
に比例した一定速度でシリンダ３２の上端部に達する。

ピストン３５がシリンダ３２の上端部に達したとき、バ
ルブ１０が閉成されバルブ１１が開成され、膨張室６内
のガスは断熱膨張し寒冷が生ずる。

そして、膨張全６内の圧力が中間圧力より低くなると、
ピストン３５は下降工程に移る。

断熱膨張し、冷却されたガスはピストン３５の下降に伴
い、膨張室６から追い出され、蓄冷器７を冷却しながら
圧縮機９の低圧側に戻る。

そして、ピストン３５はシリンダ３２の最下端部に達し
、１サイクルが完了する。

また、第４図に示す冷凍機において、膨張機４１のシリ
ンダ４２には上部にオリフィス４３で連通ずる２つの圧
力室Ｖ１．Ｖ２が設【ノられている。

そして、圧力室■１にはオリフィス４４を介した一圧縮
機９よりの高圧ガスとＡリフイス４５を介した高圧ガス
または低圧ガスとが供給されるようになっており、動作
初期では高圧と低圧の中間の圧力のガスが封入されてい
る。

動作を概略説明する。始めピストン４６はシリンダ４２
の最下端部にあり、圧力室ｖ２の圧力は中間圧力になっ
ている。このとき、バルブ１ｏが開成されバルブ１１が
閉成されると、高圧ガスが蓄冷器７で冷却されながら膨
張室６に入りる。そして、膨張室６の圧力が中間圧ツノ
を越えると、ピストン４６が上昇工程に移る。これによ
り圧力室Ｖ２のガスは圧縮されて高圧になる。圧力室ｖ
２の高圧ガスがオリフィス４３を通って圧力室■１に抜
けるのに伴って、ピストン４６は一定速度で上昇する。

そして、ピストン４６が上死点に達したときに、バルブ
１０が閉成され、バルブ１１が開成されると、膨張室６
のガスは断熱膨張する。その結果、寒冷が発生する。

膨張室６の圧力が下がると、圧力室■１の高圧ガスはオ
リフィス４３を通って圧力室Ｖ２に入り、ピストン４６
を下降させる。これにより、膨張室６の低温ガスは冷却
器７を冷却しながら圧縮機９の低圧側に追い出される。

そして、ピストン４６はシリンダ４２の下端部に達し、
１サイクルが完了する。

このようなガス駆動方式の冷凍機の理想的なＰ−Ｖ線図
は、以上の動作説明から明らかなように、第５図（ａ）
に示すようになる。なお、点Ｂ１は中間圧力の時点を示
す。

ところが、実際に得られるＰ−Ｖ線図は第５図＜ｂ＞に
示すようになる。この場合にも、第２図ｃｂ　＞で説明
したのと同様に、点Ａ、Ｃに対応する部分がＡ＝、Ｃ−
のように角がなくなるとともに、辺Ｃに対応する部分が
サイクルの内側に傾斜して辺Ｃ−となる。これは、膨張
室のガスが断熱膨張し、圧力が中間圧力以下になると、
最小圧力の所定値になる前にピストンが下降工程に移り
、膨張室の容積が早めに変化することによる。その結果
、１サイクルが描く面積が小さくなる。

そして、このようなガス駆動方式の冷凍機にあっては、
ピストンの上死点・不死点において、ピストンを正確に
停止制御することができないので、ピストンの上端や下
端がシリンダに衝突し、振動や騒音が大きいという欠点
がある。この対策として、緩衝材をシリンダ内に設ける
ようにしているのが実状である。

（発明の目的） この発明は、ガス駆動方式のものが持つ利点を享有しつ
つ、ピストンがシリンダに衝突するという欠点を解消し
、冷凍サイクルをモータ駆動方式の理想的なｐ−ｖｍ図
に近づけることを目的とする。

（発明の構成） 上記目的を達成するために、この発明は、シリンダ内で
往復動するピストンで仕切られる第１゜第２の可変容積
空間に交互に供給される作業ガスの圧力差でピストンを
駆動するガス冷凍機であって、この冷凍機は、モータと
、このモータの出力軸に連繋して前記第１の可変容積空
間と第２の可変容積空間の作業ガス通路を交互に高圧供
給側と低圧戻り側に切替えるとともに、同時に閉塞する
動作を行なうロータリバルブと、前記モータの出力軸に
装着され、前記ピストンのピストン軸に連繋して前記ロ
ークリバルブの動作に応じて該ピストンの往復ガイドを
行なうカムとを備えたことを特徴とする。

（実施例の説明） 第６図は、この発明の一実施例に係るガス冷凍機の基本
構成を示す動作系統図である。

図において、膨張機６１では、シリンダ６２内で往復動
するピストン６３で仕切られる駆動室６４と膨張室６５
が形成され、駆動室６４はロータリパルプ６６を通して
圧縮機６７の高圧側および低圧側に接続され、でいる。

また、膨張室６５は熱交換器６８．蓄冷器６９およびロ
ータリバルブ６６を通して圧縮機６７の高圧側および低
圧側に接続されている。そして、駆動室６４と膨張室６
５の圧力差でもってシリンダ６２内を往復動作させられ
るピストン６３はその往復動作がカム７０によってガイ
ドされるようになっている。

膨張機６１は、第７図に詳示するように構成されている
。図に４３いて、本体７１の下部にはシリンダ６２が突
出形成され、シリンダ６２に収容されるピストン６３の
ピストン軸６３ａが２つの軸受７２ａ、７２ｂを介して
本体７１の上部に上下動自在に支持されている。

シリンダ６２の上部には上端側に駆動室６４が、これか
ら１段下がった側部に中間室７３がそれぞれ形成される
ようになっており、また下部には中間側部に第１の膨張
室６５ａが、最下端部に第２の膨張室６５ｂがそれぞれ
形成されるようになっている。そして、ピストン６３に
は中間部内部に第１の蓄冷室７４が、下端部内部に第２
の蓄冷室、７５がそれぞれ形成されている。第１の蓄冷
室７４は中間室７３と第１の膨張室６５ａの間に介在し
これらを連通ずるようになっている。また第２の蓄冷室
７５は第１の膨張室６５ａと第２の膨張室６５ｂを連通
ずるようになついる。なお、第１、第２の蓄冷室７４．
７５には前記蓄冷器６９として動作する蓄冷材が収容さ
れ、この蓄冷材は例えば銅や鉛などの金属メツシュある
いは金属粒子からなる。

そして、本体７１の上部には右側から順にモータ室７６
、カム室７７およびバルブ室７８が横一列に形成され、
これら各室は互いに連通し、モータ室７６の壁部に形成
した孔７６ａを通して圧縮１６７の低圧側に連通り−る
。

モータ室７６に設けられたモータ７９の出力軸７９ａは
カム室７７に突出延在し、その先端にカム７０が固定さ
れている。カム７０のリード面はカム室７７を上下方向
に貫通ずるピストン軸６３ａに対向し、ピストン軸６３
ａに突設したカムフロア８１がそのカムリードに摺接す
るようになっている。またカム７０のカムリード面には
出力軸７９ａと同軸にカム軸８０が突設され、その先端
をバルブ室７８に臨ませである。そして、このカム軸８
０の先端部には係合凹部８２が形成されている。

バルブ室７８に設けられるロータリバルブ６６は、前記
係合凹部８２に嵌め込まれてカム軸８０に支持される軸
部６６ｃを有するバルブ６６ａと、バルブ室７８の側壁
に固定されたバルブシート６６ｂとで構成されている。

軸部６６Ｃは係合凹部８２に挿入されたスプリング８３
により抜は出し方向に常時付勢されている。その結果、
バルブ６６ａはバルブシート６６ｂの側面に押圧された
状態でカム７０の回転に連動して回転することになる。

第８図に詳示するように、バルブシート６６ｂには３つ
のボートＡ、ＢおよびＣが設けられ、中央のボートＢは
圧縮１１６７の高圧側に通ずる通路すに連通し、また左
右のボートＡ、Ｃはそれぞれ中間室７３および駆動室６
４に通ずる通路ａ。

Ｃに連通している。またバルブ６６ａには上半分側に凹
溝８４が、下半分側に切欠き部８５がそれぞれ形成され
ている。バルブ６６ａがカム７０の回転に伴い回転する
と、例えば凹溝８４がボートＢとＡを連通させ、切欠き
部８５がボートＣを圧縮１１１６７の低圧側に連通きせ
る。また、凹溝８４の回転位置によって、ポー１−８は
ボートＡあるいはボートＣの何れにも連通しない状態が
作られるようになっている。

次に、第９図および第１０図に従ってこの実施例に係る
冷凍機の動作を説明する。まず、冷凍サイクルの開始点
Ａではピストン６３が下死点位置にあり、カムリードの
変位角度は０度である。この状態からカム７０が僅かに
回転すると、ロータリバルブ６６が通路すとａを連通さ
ぜる動作を行ない、中間室７３を高圧側に、また駆動室
６４を低圧側にそれぞれ接続する。中間室７３に供給さ
れた高圧ガスは第１の蓄冷室７４で冷却されながら第１
の膨張室６５ａに入り、また第１の膨張室６５ａに供給
された高圧ガスは第２の蓄冷室７５で冷却されながら第
２の膨張室６５ｂに入る。その結果、第１．第２の膨張
室６５ａ　、６５ｂの圧力が上昇する。しかし、カム７
０が回転を続【ノても、カムリード変位角度がＢ点にな
るまでは、カムフロア８１とカムリード面の係合によっ
てピストン６３は下死点位置を保持するようになされて
いる。これにより、第１．第２の膨張室６５ａ。

６５ｂ内の圧力は開始点へから点Ｂの所定値まで垂直上
昇づる。カム７０がさらに回転を続け、カムリードの変
位角度が点Ｂを越えると、ピストン６３は第１．第２の
膨張室６５ａ　、　６５ｂ　１７）圧力に押されて上昇
工程に移る。この上昇工程においては、カムフロア８１
とカムリード面の係合によってその上昇速度が規制され
る。従って、第１゜１ｆ１２の膨張室６５ａ　、６５ｂ
では、容積が順次増大するが、高圧ガスが間断なく供給
されているので、圧縮圧力は一定の状態を保持し、Ｐ−
Ｖ線図ではサイクルが点Ｂから点Ｃへ水平移動すること
になる。

ピストン６３が上昇し上死点直前に達した点Ｃでは、凹
溝８４の回転変位によってボートＢとへの連通が断たれ
る。つまり、第１．第２の膨張室６５ａ　、６５ｂへの
高圧ガスの供給が断たれるので、そこでの圧力が減少す
る。同時に切欠き部８５の回転変位によりボートＣと圧
縮機６７の低圧側との連通が断たれる。つまり、駆動室
６４から低圧ガスが排出できなくなり、そこでの圧力が
上昇する。その結果、ピストン６３の上昇速疾が減速さ
れる。従って、Ｐ−Ｖ線図では点Ｃから斜め下方の点Ｂ
に移行する。

ピストン６３が上死点に達した点りでは、ロークリバル
ブ６６が通路すとＣを連通し、駆動室６４に高圧ガスを
供給し、中間室６３を低圧側に接続する切替動作を行な
う。しかし、カムリードの変位角度が１８０度に達する
と、カムフロア８１とカムリードの係合によって、ピス
トン６３は上死点位置を保持するようになされている。

この状態はカムリードの変位角度が１８０度を越えた点
Ｅまで続けられる。従って、点りの時点において、第１
．第２の膨張室６５ａ、６５ｂでは、高圧圧縮ガスは急
速に低圧側に導かれるので、圧力が急減して断熱膨張し
、寒冷が生ずる。この動作をＰ−Ｖ線図で表わすと、点
りから垂直下方の点Ｅに移行したことになる。

カム７０がさらに回転を続け、カムリードの変位角度が
点Ｅを越えると、ピストン６３が下降工程に入る。この
ときの下降速度はカムフロア８１とカムリード面の係合
によって規制されたものになる。第１．第２の膨張室６
５ａ　、６５ｂでは、低圧の所定値を保持した状態で、
その容積が暫時減少する。そして、ピストン６３が下死
点位置に達する直前の１点では、ロータリバルブ６６が
通路すとＣ１及び通路ａと圧縮機６７の低圧側の連通を
断つ動作を行なうので、駆動室６４への高圧ガスの供給
が断たれるとともに、第１、第２の膨張室６５ａ　、６
５ｂの低圧ガスの排出ができな（なり、ピストン６３の
下降速度が減速される。

このようにして、ピストン６３は下死点位置に達し、カ
ム７０が３６０°回転して前記開始点Ａに戻り、１サイ
クルが完了する。

以上の説明から明らかなように、ピストン６３の往復動
動作においては、上死点・不死点で停止制御が確実に行
なえるので、ピストン６３とシリンダ６２との衝突は生
じない。

また、モータ７９はカム７０の駆動と〇−タリバルブ６
６の駆動を行なえば良いので、その動力は非常に小さい
ものでよい。

また、第１０図に示したＰ−Ｖ線図は、第２図（ａ　）
に示したモータ駆動方式の理想的なＰ−Ｖ線図に非常に
近いものであり、従って、冷凍能力の限界値を高めるこ
とができる。

（発明の効果） この発明は、以上の如く栴成したので、冷凍サイクルを
理想的な冷凍サイクルに近づけることができ、冷凍能力
が向上し、その結果冷却時間の短縮を図ることができる
。また、ピストンとシリンダとの衝突がないので、振動
や騒音を大幅に低減することができる。さらに、モータ
はカムとロータリバルブを駆動しているだけであるから
、その動力は小さいものでよい。そして、〇−タリバル
ブは非常に簡単な構造のものとすることができるので、
保守が非常に容易になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のモータ駆動方式の冷凍機を示す動作系統
図、第２図（ａ　）　（ｂ　）は上記冷凍機のＰ−Ｖ線
図を示し、第２図（ａ）は理想的な状態を、また第２図
（ｂ）は実際の動作状態をそれぞれ示し、第３図および
第４図は従来のガス駆動方式の冷凍機を示す動作系統図
、第５図は上記冷凍機のＰ　−Ｖ線図を示し、第５図（
ａ　）は理想的な状態を、第５図（ｂ）は実際の動作状
態図をそれぞれ示し、第６図はこの発明の一実施例に係
る冷凍機を示す動作系統図、第７図は上記実施例装置の
膨張機を示す側面断面図、第８図はロータリバルブを示
す分解斜視図、第９図はカムリードの変位図、第１０図
は上記実施例装置で実際に得られるＰ−Ｖ線図を示す。 ６１・・・膨張機 ６２・・・シリンダ ６３・・・ピストン ６３ａ・・・ピストン軸 ６４・・・駆動室 ６５ａ、６５ｂ＝膨張室 ６６・・・ロータリバルブ ６６ａ・・・バルブ ６６ｂ・・・バルブシート ６７・・・圧縮機 ６８・・・熱交換器 ６９・・・蓄冷器 ７０・・・カム ７４．７５・・・蓄冷室 ７９・・・モータ ８１・・・カムフロア ８４・・・凹溝 ８５・・・切欠き部 Ａ、Ｂ、Ｃ・・・ボート ａ、ｂ、ｃ・・・通路 以上 手続補正書（自発） 昭和５９年・１１月１６日 昭和５８年特許願第２４７９１７号 ２、発明の名称 ガス冷凍機 ３、補正をずろ者 事件との関係　出願人 千葉県習志野市屋敷４丁目５番１号 セイコー精機株式会社 ４８１．　う　ヵ　代表取締役　松　本　大〒１０４　
東京都中央区京橋２丁目６番２１号５−へ補正の対象 ６、　補正の内容 （１）％許請求の範囲を別紙の通り改めます。。 （２）明細書第８頁第１０行目の「冷却器」を「蓄冷器
」と訂正する。 （３）明細書第１６頁第１０行目の「点Ｂ」を「点Ｄ」
と訂正します。 以上 特許請求の範囲 （１）　シリンダ内で往復動するピストンで仕切られる
第１．第２の可変容積空間に交互に供給される作業ガス
の圧力差でピストンを駆動するガス冷凍機であって、こ
の冷凍機は、モータと、このモータの出力側に連繋して
前記第１の可変容積空間と第２の可変容積空間の作業ガ
ス通路を交互に高圧供給側と低圧戻り側に切替えるとと
もに、同時に閉塞する動作を行なうロータリパルプと、
前記モータの出力軸に装着され、前記ピストンのピスト
ン軸に連繋して前記ロータリパルプの動作に応以上 出願人　セイコー精機株式会社 代理人弁理士　最上　務

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）シリンダ内で往復動するピストンで仕切られる第
   １．第２の可変容積空間に交互に供給される作業ガスの
   圧力差でピストンを駆動するガス冷凍機であって、この
   冷凍機は、モータと、このモータの出力軸に連繋して前
   記第１の可変容積空間と第２の可変容積空間の作業ガス
   通路を交互に高圧供給側と低圧戻り側に切替えるととも
   に、同時に閉塞する動作を行なうロータリバルブと、前
   記モータの出力軸に装着され、前記ピストンのピストン
   軸に連繋して前記ロータリバルブの動作に応じて該ピス
   トンの往復ガイドを行なうカムとを備えたことを特徴と
   するガス冷凍機。