JPS60194264A - 極低温冷凍機及び極低温冷凍機を熱源に変換するための方法 - 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】 背景 本発明は、周知のギフオード−マクマホンサイクルの改
良に関する。このサイクルを教示した従来の代表的な特
許としては、米国特許第２，９６６．０５５号、４１８
８．８１８号、３，２１８，８１５号、４、５０５．７
４１号、４．５５９．９２７号および４、３８８．８０
９号などがある。

最大限の効率と信頼度を得るためには、再生器を通して
移送するガスの容積を最大限にすることが肝要である。

そしてそれを達成するには、押のけ器が上死点または下
死点に達したときガスの流れの方向が逆転されるように
することが肝要である。本発明は、そのような特徴を有
する冷凍機をいかにして熱源に変換するかという問題を
解決することを企図したものである。

発明の概要 本発明は、囲い体内に可変容積の第１室と第２室を画定
する可動押のけ器を備えた極低温冷凍機に関する。冷媒
流体は、押のけ器の移動に応じて第１室と第２室との間
で流路に活って循環される。

本発明の冷凍機は、スライドを案内するための室を備え
ている。スライドは、押のけ器に連結してあり、押のけ
器の移動を制御するために該スライドに電気モータを連
結する。高圧および低圧流体の流れを制御するためのス
プール弁体を備えた弁を設け、該弁体の往復動は、上記
モータによって駆動されるカムによって行う。

本発明の目的は、安価に、かつ、容易にヒートポンプに
変換することができる極低温冷凍機を提供することであ
る。

実施例の説明 本発明の冷凍機１０は、第１図に示されるように、第１
段１２を有している。使用するときは、これらの段は真
空ハウジング（図示せず）内に配設する。図には１つの
作動段しか示されていないが、このような段は、１個ま
たは複数個設けることができる。各段は、ハウジング１
６のようなハウジングを有しており、該ハウジング内に
は押のけ器１８を設ける。押のけ器１８は、その上側に
暖温画室２０を、そして下側に冷温画室２２を画定する
ようにハウジング１６の全長より短い長さとする。ここ
では、吸温および冷温という用語は、当業者には周知の
ように相対的な意味で用いられている。

押のけ器１８内には、マトリックスを包含した再生器２
６を設ゆる。連通口２８により再生器２６内のマトリッ
クスの上端を暖温画室２０に連通させる。マトリックス
の下端は、半径方向の連通口３０により押のけ器１８の
下端の外周面とノ・クランク１６の内周面との間のクリ
アランス空間３２に連通させる。かくして、再生器２６
内のマトリックスの下端は、連通口３０およびクリアラ
ンス３２を通して冷温画室２２と連通ずる。クリアラン
ス３２は環状の熱交換器の役割を果す。

再生器２６のマトリックスは、無酸素鋼のような高い比
熱を有する２５０メツシニ材の積重体から成るものであ
ることが好ましい。このマトリックスは、空隙率が低く
、圧力降下が低い。マトリックスは、鉛球、ナイロン、
ガラスなどの他の材料であってもよい。

モータハウジング３６内に例えば可逆同期ステップモー
タのような電気モータ３４を配設する。

上記ハウジング１６は、モータハウジング３６から垂下
させ、ハウジング１６に付設したフランジ３７をボルト
によってモータハウジング６６に固定する。モータ３４
の出力軸４６には、止ねじ４０によってカラー５８を調
節自在に取付ける。

カラー３８は、軸４６に平行に突出したピン４２を有し
ている。ピン４２は、カム４８の表面に形成した溝４４
内に嵌入させる。カム４８には、出力軸４６を挿通する
ための穴５０を穿設する。穴５０と溝４４とは同心関係
である（第４図）。溝４４は、１８０°の円弧に亘って
延長している。

カム４８の局面にはころ軸受５２を取付げる。

軸４６には、また、キーおよび止ねじによってクランク
５４を固定する。カム４８は、クランク５４＆Ｃ調節自
在のボール型回り止め５３を介して連結する。回り止め
５３とそのボールを外方へ押圧するばねを収容した回り
止めハウジングは、クランク５４に螺着させ、ボールが
押圧ばねによりカム４８の側面の凹部内へ押しつけられ
るようｋする（第３図）。クランク５４は、軸４６の軸
線から離隔し、該軸線に平行なりランクビン５６を有し
ている。クランクビン５６にはころ軸受５Ｂを装着し、
該ころ軸受をスライド６０に形成した横断方向のスロッ
ト内に嵌着させる。スライド６０は、押のけ器１８の上
端に連結する。スライド６０には、クリアランス密封ス
リーブ型軸受６４によって案内される円筒形軸受挿入体
６２およびクリアランス密封スリーブ型軸受６８によっ
て案内される円筒形軸受挿入体６６を装着する。

これらの軸受挿入体６２．６６およびスリーブ型軸受６
４．６８は、セラミック材または炭化珪素のような他の
硬質材料で形成するのが好ましい。

スリーブ型軸受６８は、ハウジング３６に連結させた保
持部材７０によって所定位置に保持する。

スリーブ凰軸受６４内の室７２は、スライド６０に設け
た軸方向の流体通路７４を通して再生器２６に連通させ
る。通路７４は、不ライド６０が上昇するにつれて室７
２内の空気を再生器２６へ逃がすことによって室７２内
の空気が圧縮される、のを防止する。従って、スライド
６ｏは、その両端の直径が均一である場合、ガス圧的に
均衡化される。

ハウジング３６には、スライド６０に平行な内孔を設け
、その内孔内に好ましくはセラミック材製のクリアラン
ス密封スリーブ型軸受７６を装着し、その軸受内にスプ
ール弁７８を配設する。弁７８は、両端の間の外周面に
溝８２を有する円筒形スプール弁体８０を備えている。

溝８２は、弁体８０をガス圧的に均衡化させる。弁体８
ｏは、軸方向の圧力均衡化用通路８３を有している。軸
受７６と保持部材７０との間にはシーに８４を設ける。

部材１８．６４．６８．７６にも、第１図に示されるよ
うに０リングシールを設けることが好ましい。

カム４８に装着したころ軸受５２を弁体８ｏの上端に係
合させる。弁体８０をころ軸受５２に圧接する方向に押
圧するためにコイルばね８５を弁体８０と保持部材７０
との間に介設する。弁体８０は、カム４８によって下降
せしめられ、ばね８５の膨張によって上昇せしめられる
。

第１図を参照して説明すると、圧縮機８８の吐出側から
高圧の冷媒ガスが連通ロ８６内へ導入される。連通口８
６は、弁体８ｏが第１図に示される位置にあるときは溝
８２と連通し、溝８２は、通路９０を通して温暖画室２
ｏと連通する。

ハウジング３６の内部から延長させた連通口９２は、弁
体８０が第１図の位置にあるときは弁体８０によって閉
鎖されている。弁体８ｏが最上方位置におかれると、溝
８２が通路９ｏを連通口９２と連通させる。ハウジング
３６の内部は、連通口９６を通して圧縮機８８の吸入側
に連通させる。室９８は、ハウジング５６の内部と直接
連通している。連通口９２から９６への冷媒の流れは、
モータ３４に対し冷却作用を及ぼす。所望ならば、弁体
８０が上死点に達したとき溝８２をｇ９８１Ｃ連通させ
るように構成することによって連通口９２を省除するこ
とができる。溝８２の軸方向の長さは、連通口８６と９
２との間の軸方向の距離より短くし、それＫよって連通
口８６．９２と通、路９０との間での高圧ガスの漏れを
最少限にする。

ハウジング３６は、その機械加工および組立を容易にし
、弁体８０およびスライド６０へのアクセスを容易にす
るために複数の部片で構成する。

ハウジングを複数の部片で構成する態様はここには詳し
く図示しないが、当業者には明らかであろう。ビン４２
は、冷凍サイクル中カム４Ｂを第２図でみて反時計回り
方向に駆動する。カム４８は、第５図に示される位置に
あるときは、弁体８０の周縁に接触する。その時点で、
ばね８５の上向き力（弁体８０に作用する摩擦力を差引
く）が、軸４６の軸線を中心とするモーメントを創生じ
、カラー３８のビン４２を溝４４の反対の端部へ９動さ
せようとする。そのような９動が生じたとすると、弁７
８の作動タイミングを不確実なものにする。カム４８の
回転方向の如何に拘らず、そのような不確実なタイミン
グを防止するためにボール型回り止め５３がぽ−ね８５
の上向き力による上記モーメントに抵抗し、クランク５
４および軸４６が、従ってカラー３８およびビン４２が
回転するのを防止する。クランク４８に対面する側のカ
ム４８の端面には、回り止め５３のボールを受容するた
めの２個の凹部５５が１０００間隔を置いて形成されて
いる（第３図）。

冷凍機１０は、ヘリウムなどの極低温流体と共に使用す
るように設計することが好ましいが、空気や窒素等の他
の流体を使用することもできる。

図示の冷凍機１０は、７７０にで少くとも６５ワツトの
出力が得られ、２０°にで少くとも５ワツトの出力が得
られるように設計されたものである。

冷凍作動 第１図に示されるよう忙、押のけ器１日は下死点にある
。スライド６０の上下往復動（昇降）は、カム４８の回
転位置と、ころ軸受即ちカム従節５８と該従節を受容し
ているスライド６ｏの溝との間の協同によって制御され
る。カム４８がスグール弁体８０の上端に接触する給米
として弁体８０は、その最下方位置にあり、ばね８５は
圧縮される。高圧流体が連通口８６から溝８２を通り、
通路９０を通って温暖画室２０へ導入される。連通口９
２は弁体８０によって閉鎖されている。

再生器２６の機能は、それを通って下方へ流れる冷媒ガ
スを冷却することと、それを通って上昇するガスを加熱
することである。ガスは、再生器を通って流下する間に
再生器によって冷却されて圧力を低下せしやられるので
、更に多くのガスが系内へ流入し、それによって最大限
のサイクル圧を維持する。冷温画室２２内でのガスの温
度低下は、ヒートステーション２４に連結される装置（
図示せず）によって必要とされる有用な冷却作用を提供
する。

ガスは、再生器２６内を通って上昇する間に再生器のマ
トリックスによって周囲温度近くにまで加熱され、それ
によってマトリックスを冷却する。

モータ３４がカム４８を第２図でみて反時計回り方向に
回転させ、それによって押のけ器１８が下死点から上昇
せしめられる間、カム４８の作用表面がサイクルの吸入
部分を制御する。カム４８が回転するにつれて、弁体８
０がばね８５の圧力によって上昇せしめられて連通口８
６からの流体の流れを遮断する。カム４８が引続き回転
すると、スライド６０および押のゆ器１８が上昇し続け
、スライド６０が上死点に接近する時点では、カム４Ｂ
は、弁体８０を、その溝８２を介して通路９０と連通口
９２とを連通させるのに十分なだけ上昇させ、それによ
ってサイクルの吐出部分を開始させる。サイクルの吐出
部分のタイミングは、カム４８の輪郭によって制御され
る。カム４８が引続き回転すると、弁体８０が下降せし
められ、カム表面のうちの、連通口８６からの高圧ガス
の導入時期を規定する部分に接触するに至る。かくして
、１回のサイクルが完成する。

代表的な実施例では、冷凍機１ｏは、毎分７２〜８２サ
イクルの割合で作動する。押のけ器１８の行程（ストν
−り）は、弁体８ｏの行程より長いが、両者の往復動は
、同じ方向に同時に行われるように同期される。従って
、弁体８ｏと押のけ器１８とは異る速度で往復動するよ
うにカム４８によってタイミングが予め定められる。押
のけ器１８の行程を５０１１１１とした場合、弁体８０
の行程、の長さは、それより短く、例えば９〜１２鱈程
度である。弁体８０には、それが下降するたびｋばね８
２を収容している空間内の空気が圧縮されないように、
室９８と該空間とを連通ずる軸方向の流体通路８３を設
けることができる。

従来の装置の１つの問題点は、スライドのスリーブ型軸
受の内径が僅か約０．２５ｉｎ（６，５畷）しかないこ
とである。本発明においては、スライド６０も、弁体８
０も、ガス圧的に均衡化（バランス）されているので、
クリアランス密封軸受６４．６８の内径を０．７５　ｉ
ｎ　（１８，９■）とし、面積でみれば、従来のものの
９倍もにすることができ、従って、単位面積当りに受け
る力をＶにすることができる。従って、軸受６４．６８
は、従来の装置におけるように急速に摩耗することがな
い。

ヒートステーション２４において得られる冷凍作用は、
いろいろな装置と関連して利用することができる。その
ような装置の一例はクライオポンプである。本発明の冷
凍機の構成によれば、高圧冷媒ガスの導入と低圧冷媒ガ
スの排出とが確実な態様で同期されるようにスライド６
０と弁体８０との同時併行運動に対する確実な制御を可
能にする。本発明によれば、高圧ガスの導入と低圧ガス
の排出が、それぞれスライド６０の下死点と上死点の正
確な位置で行われるので、冷媒ガスの完全な導入および
排出が保証され、効率が高められる。

ヒートポンプ クライオポンプは、飽和状態になって、もはや貴ガスを
吸収しなくなると、熱くなり、ヒートステー　ジョン２
４に負荷を課する。ヒートステーション２４の温度が約
２００Ｋに達すると、り２イオボンプに設置されている
ダイオードなどによって信号が発せられる。その後、ク
ライオポンプに熱を加える必要がある。これは、冷凍機
１ｏを加熱モードに変換することによって行うことがで
きる。

冷凍機１０を加熱モードで作動させるＫは、単に、モー
タ３４の回転方向を逆転させてカム４８を第２図でみて
時計回り方向に回転させればよい。

モータ３４を逆転させると、最初、ピン４２が溝４４の
一端から他端へ移動し、回り止め５３のボールが第３図
に示される凹部５３へ移動する間生動が生じる。その後
は、モータ３４の回転によりカム４８およびクランク５
４が駆動される。弁体８０は、冷凍モードのときの位相
から１８０°ずらされる。

極低温冷凍機を、単にその駆動モータの回転方向を逆転
させることによってヒートポンプに変換することができ
ることは予想外のことであった。

、かくして、クライオポンプは、従来の方法では再生す
るのに３．５時間を要したのに比べ、僅か３５分で再生
することができる。クライオポンプに設置した慣用のダ
イオードを用いることによって、冷凍機１０の加熱モー
ドの始めと終りにモータ３４の逆転を開始させるように
することができる。

モータ３４を逆転させても、スライド６０および押のけ
器１８を往復動させる能力には変りがなく、Ｐ■グラフ
の面積は変らない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による冷凍機の垂直断面図、第２図は第
１図の線２−２に沿ってみた断面図、第５図は第２図の
線３−３に沿ってみた断面図、第４図はカムおよびその
駆動機構の分解図、第５図は第２図と同様の図であるが
、カムが９０°時計回り方向に回転したところを示す。 １６：ハンジング（囲い体） １日：押のけ器 ２０．２２：画室 ２４：ヒートステーション ２６：再生器 ６４：モータ ４２：ビン ４４：溝 ４６：出力軸 ４８：カム ５２：ころ軸受 ５３：回り止め ５４：り２ンク ５８：ころ軸受（カム従節） ６０ニスライド ６４．６８：クリアランス密封スリーブ型軸受７４：流
体通路 ７８：弁 ８０：弁体 ８５：ばね

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １画室と第２画室とを画定し、紋押のけ器の移動によっ
   て冷媒流体を第１画室と第２画室との間で流路を通して
   循環させるようにした極低温冷凍機において、 前記押のけ器に連結されたスライドを案内するための室
   構成手段を設け、該スライドを往復動させるための可逆
   モータを該スライドに連結し、高圧冷媒流体および低圧
   冷媒流体の流れを制御するための往復動自在の弁体を有
   する弁を設け、該モータは、前記押のけ器がその移動行
   程の各終端に達したとき該弁体が高圧冷媒流体を第１画
   室または第２画室へ導入させるよ５に該弁体を該スライ
   ドの往復動と調時間係をなして往復動させるようになさ
   れたカムに連結されており、該極低温冷凍機を冷凍機ま
   たはヒートポンプとして選択的に作動させることができ
   るようにしたことを特徴とする極低温冷凍機。 ２）前記カムの局面に装着したころ軸受をガス圧的に均
   衡化された前記弁体の一端に接触させ、該弁体な該カム
   に接触するよ５に偏倚させる偏倚ばねを設けた特許請求
   の範囲第１項記載の極低温冷凍機。 ３）前記カムは、１８０°の生動を伴う連結手段を介し
   て前記モータの出力軸に連結されている特許請求の範囲
   第１項記載の極低温冷凍機。 ４）前記生動を伴う連結手段は、前記カムと出力軸のど
   ちらか一方に形成された、咳出力軸と同軸の半円形の溝
   と、該カムと出力軸の他方に固定され該溝に受容される
   ようｋなされたビンとから成るものである特許請求の範
   囲第３項記載の極低温冷凍機。 ５）前記モータはクランクを介して前記スライドに連結
   されており、誼クランクと前記カムとの間にそれらを所
   定の位相に維持するための回り止めが設けられている特
   許請求の範囲第４項記載の極低温冷凍機。 ６）前記押のけ器は、内部に再生器を収容しており、前
   記スライドは、ガス圧的に均衡化されており、一端で該
   再生器と連通した軸方向の流体通路を有しており、該ス
   ライドを受容するための、少くとも１２．７１１１１（
   ０，５ｉｎ）の内径を有するセラミック製のクリアラン
   ス密封スリーブ型軸受が設ゆられている特許請求の範囲
   第１〜５項のいずれかに記載の極低温冷凍機。 ７）囲い体内に可動押のけ器により可変容積の第１画室
   と第２画室とを画定し、紋押のけ器の移動と関連させて
   冷媒流体を第１画室と第２画室との間で流路を通して循
   環させるようにした極低温冷凍機において、 前記押のけ器に連結されたスライドを設け、前記流路を
   通しての前記流体の流れを制御するための弁を設け、該
   押の移動を制御するための電気モータを設け、該モータ
   は、前記スライドの移動な該押の移動と調時間係をなし
   て制御するように該スライドに連結されており、該モー
   タは、可逆モータであり、該冷凍機を冷凍モードで作動
   させていたときに比べて前記弁を１８０°異る位相で作
   動−させることにより該冷凍機を加熱モードで作動する
   ように切換えすることができるように構成したことを特
   徴とする極低温冷凍機。 ８）前記モータの出力軸は、前記弁の移動を制御するた
   めのカムを備えており、該出力軸は、該カムに取付けら
   れたカム従節な介して前記スライドに連結されており、
   該カム従節は、該カムが前記弁を作動させて高圧冷媒ガ
   スを前記第１および第２画室内へ流入させることを可能
   にするような該カム上の部位に取付けられている特許請
   求の範囲第７項記載の極低温冷凍機。 ９）前記弁は、前記カムと接触するようにばねにより偏
   倚せしめられた摺動自在の弁体を有している特許請求の
   範囲第７項または８項記載の極低温冷凍機。 １０）前記スライドは、両端において均一な断面積を有
   し、ガス圧的に均衡化査れており、前記弁はガス圧的に
   均衡化される弁体を備えている特許請求の範囲第７〜９
   項のいずれかた記載の極低温冷凍機。 １１）極低温冷凍機を熱源に変換するための方法であっ
   て、 物体を冷却するように構成された冷凍機のヒートステー
   ションに低温を発生させ、該低温発生工程は、押のけ器
   と弁体を相関関係をもたせて電気モータにより移動させ
   、紋押のけ器がその移動行程の一方の終端に達したとき
   高圧冷媒ガスを紋押のけ器に関連した可変容積の画室内
   へ導入させる操作を含むものとし、 前記モータの回転方向を逆転させ、前記弁体な前記低温
   発生工程において作動されるときとは１８０°異る位相
   で移動させることによって該冷凍機を、前記物体を加熱
   するための熱源に変換することから成る変換方法。 １２）前記物体としてクライオポンプを用いることを含
   む特許請求の範囲第１１項記載の変換方法。