JPS61153459A

JPS61153459A - 流体膨張機

Info

Publication number: JPS61153459A
Application number: JP27821284A
Authority: JP
Inventors: 司和田; 勝政荒岡; 啓嗣大熊; 石塚　光二
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1984-12-27
Filing date: 1984-12-27
Publication date: 1986-07-12

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】〔発明の技術分野〕本発明は、冷凍装置等に用いられる流体膨張機に係り、
特に、ベローズで膨張機をを形成するようにした流体膨
張機の改良に関する。

（発明の技術的背景とその問題点）周知のように、流体を急激に膨張させると、その流体の
温度は低下する。このようにして低温の流体を得る装置
は、通常、流体膨張機と呼ばれており、各種の冷凍機等
に組込まれている。

ところで、流体膨張機には種々のタイプがあるが、その
中にベローズで膨張室を構成したレシプロ形のものがあ
る。周知のようにベローズは、軸心線方向に伸縮自在で
ある。したがって、簡単な手段で１！Ｂ張至の容積を周
期的に可変でき、構成の簡単な流体膨張機を実現するこ
とができる。

しかしながら、べａ−ズを用いて構成された従来の流体
膨張機にあっては次のような問題があった。すなわち、
この種の流体膨張機にあっては、通常、膨張室を真空雰
囲気中に設置し、この膨張機と大気圧雰囲気中に設置さ
れた動力源とを駆動ロッドで連結し、上記動力源で膨張
室の容積を変化させるようにしている。したがって、真
空雰囲気と大気圧雰囲気とを分離する仕切り壁には駆動
ロッドを貫通させるための孔が設けてあり、この孔の縁
部と駆動ロンドとの間に存在するＶＡ間は別のべＯ−ズ
で気密に封じられている。そして、上記駆動ロンドとし
ては、この駆動ロンドを介して侵入する熱量を抑えるた
めに比較的長尺のものが用いられている。一方、膨張機
を形成するベローズ内には、このベローズを最も縮ませ
た状態でベローズ内に形成されるデッドスペースを零に
近付け、これによって効率を向上させるための、いわゆ
る詰め物としての部材が設けられる。この部材は、小径
のものでは意味が無く、膨張機を構成するベローズの最
も縮小したときの内径より僅かに　　。

小さい径に設定されている。このように、膨張機を構成
するベローズを長尺の駆動ロンドを用いて伸縮させると
、駆動ロンドの先端部、つまりベローズとの連結部分が
変位し易い。もし変位すると上述した詰め物としての部
材とベローズとが摺動接触する虞れがある。このような
摺動接触によってベローズが摩耗し、ベローズに孔があ
くと、この孔を介して真空雰囲気に保たれるべき空間に
圧縮流体が流れ込む。駆動源が動作している限り、上記
空間に圧縮流体が流れ込むので、ついには上記空間圧力
が圧縮流体の圧力まで上昇する。この結果、真空雰囲気
形成部材が上記圧力に耐えらｔｌなくなって爆発を起こ
す虞れが多分に有った。

〔発明の目的〕

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、そ
の目的とするところは、運転中に万一、膨張機形成用の
ベローズに孔があいた場合であっても安全を十分に確保
することができ、しかも効率の良い流体膨張機を提供す
ることにある。

〔発明の概要〕

本発明によれば、大気圧雰囲気と真空雰囲気とを分離す
る仕切り壁と、この仕切り壁に設けられた孔と、前記仕
切り壁に前記孔と同軸的で、かつ前記真空雰囲気側に向
けて突出する関係に固定された耐圧筒と、この耐圧筒の
先端開口部を閉塞する閉塞板と、この閉塞板の内面に一
端側が気密に固定されるとともに前記耐圧筒と同心的に
配置された第１のベローズと、この第１のベローズの他
端側開口を気密に閉塞して上記第１のベローズと前記閉
塞板とで膨張室を形成する蓋板と、前記耐圧筒内に配置
され一端側が前記大気圧雰囲気中に位置した往復駆動源
に連結されるとともに他端が前記蓋板に連結されてＩＦ
Ｉ３２膨張室の容積を可変させる駆動ロンドと、この駆
動ロンドをガイドする手段と、前記蓋板の内面に固定さ
れ前記第１のベローズが最も押し縮められたときの前記
膨張機のデッドスペースを小さくさせる部材と、前記駆
動ロッドと前記仕切り壁に設けられた前記孔の縁部との
間の隙間を封じ切る第２のベローズと、この第２のベロ
ーズと前記第１のベローズとの間に形成された空間を真
空排気する手段と、前記第１のベローズと前記第２のベ
ローズとの間に形成された前記空間の圧力が所定レベル
を越えたとき上記空間を前記大気圧雰囲気に通じさせる
安全弁と、前記閉塞板に設けられた吸気口および排気口
を通して前記膨張機に接続された吸気管および排気管と
を具備してなる流体膨張機が提供される。

〔発明の効果〕

本発明によれば、膨張室形成用のベローズは、耐圧筒内
に収容されている。そして、耐圧筒内は、常時は真空雰
囲気に保たれており、あるレベル以上に圧力上昇すると
安全弁が動作して大気圧雰囲気に通じる。したがって、
運転中に膨張室形成用のベローズに孔が開くと、この孔
から漏れた圧縮流体によって耐圧筒内の圧力が上記レベ
ルに達した時点で安全弁が開き、耐圧筒内の圧力上昇が
抑えられることになる。このため、従来装置とは違って
、ベローズに孔が開いた場合に爆発といった最急の事態
を回避することができ、安全性に冨んだ装置を提供でき
る。また、安全弁の動作によってべＯ−ズに孔が開いた
ことを知ることができるので、取り汲いの容易化を向上
させることができる。さらに、常時は、耐圧筒内を真空
に保つようにしていることと耐圧局内が所定圧力以上に
なると安全弁が動作することからしてそれ程厚肉の耐圧
筒を必要としないこととが相まつて、この耐圧筒を設け
たことによる熱侵入量の増加を抑制することができる。

したがって、耐圧筒の存在によって効率が低下するよう
なこともない。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の実施例を図面を参照しながら説明する。

図は、本発明をヘリウム冷却用の流体膨張薇に適用した
例を示すものである。

同図において、１は大気圧雰囲気側と真空雰囲気Ｂとを
仕切る仕切り壁を示している。この仕切り１の適宜の位
置には孔２が形成されている。

そして、仕切りＷｌｌの真空雰囲気Ｂ１１１に位置する
面には、上記孔２と同軸的に耐圧筒３が固定されている
。この耐圧Ｉ５３は、ステンレス鋼のように熱伝導性の
低い部材で形成されたもので、その両端部にはそれぞれ
７ランジ４．５が形成されている。そして、上記フラン
ジ４が仕切り壁１との接合面にシール部材６を介在させ
た状態でボルト７によって上記仕切り壁１に締付は固定
されている。

フランジ４の厚肉部には、一端側が耐圧筒３内に通じ、
他端側か仕切りＷｌとの接合面に開口した孔８が形成さ
れている。上記孔８は、仕切り壁１に設けられた孔９お
よび上記孔９に遅過するように仕切り壁１に溶接付され
たパイプ１０を介して安全弁１１に接続されている。上
記安全弁１１は耐圧Ｉ５３内の圧力が１気圧を越えたと
き動作するように設定されている。

７ランジ５には、シール部材１２を介して閉塞板１３が
ボルト１４によって締付は固定されている。この閉塞板
１３の内面にはステンレス鋼製の環状板等を溶接して形
成されたベローズ１５の一端部が溶接等によって固定さ
れている。ベローズ１５は、耐圧筒３と同心的に配置さ
れており、そのＩ！端側は蓋板１６によって気密に閉塞
されている。すなわち、上記蓋板１６とへローズ１５と
閉塞板１３とによって容積可変な膨張室１７が構成され
ている。。そして、蓋板１６の内面には、ベローズ１５
を最も縮ませたときに膨張室１７内のデッドスペースを
十分小さくさせるための部材、たとえばベークライト製
の部材１８が固定されている。蓋板１６の外面には、蓋
板１６を大気圧雰囲気内に配置された図示しない往復動
駆動源に連結する駆動ロッド１９の一端部がねじ止めさ
れている。この駆動ロッド１９は、耐圧筒３と同心的に
配置されており、蓋板１６に連結された部分２０が筒状
に、また他の部分２１が中実状に形成されている。そし
て、部分２０の外周には輻射熱防止板２２が複数枚装着
されている。部分２０と部分２１との間には円板２２が
介在させてあり、この円板２２の外周縁にはベローズ２
３の−ｗＲ側が気密に固定され、このベローズ２３の他
端側は仕切り壁１に設けられた孔２の縁部に気密に固定
されている。また、仕切り壁１の大気圧雰囲気側に位置
する面には部分２１を支持することによって駆動ロッド
１９をガイドする軸受２４が固定されている。

しかして、前記閉塞板１３には膨張室１７内に通じる吸
気孔２５と排気孔２６とが形成されている。そして、吸
気孔２５は、この吸気孔２５にダブル食い込みジヨイン
トで接続された吸気パイプ２７６よび弁２８を介して図
示しないヘリウム圧ｗ！ｉ機に接続されている。また、
排気孔２６は、この排気孔２６にダブル食い込みジヨイ
ントで接続された排気バイア２９Ｆ３よび弁３０を介し
て図示しない＃ｌＩ段冷却系に接続されている。弁２８
は、駆動ロッド１９に応動し、駆動ロッド１９が下死点
位置から上昇を開始した時点で“開”ＩＩＩｍされ、所
定位置まで上昇した時点で“閉”に１１１１１される。

また、弁３０も駆動ロッド１９に応動し、駆動ロッド１
９が上死点位置から下降を開始した時点で“開”に制卸
され、下死点位置に至った時点で’ｍ″′に制御される
ようになっている。

次に、上記のように構成された流体膨張機の動作を説明
する。

まず、耐圧１ｉｌＳ内は真空雰囲気と同程度の真空度に
保たれているものとする。図示しない駆ＩＥｌｌ源が動
作を開始すると、駆動ロッド１９が図中３２で示すよう
に往復駆動され、これに伴って圧縮室１７の容積は最小
から最大へ、また最大から最小へと周期的に変化する。

しかして、駆動ロッド１９が下死点位置から上昇を開始
すると、弁２８が“開”に制御され、この結果、圧縮さ
れたヘリウムガスが膨張室１７内に流入する。そして、
駆動ロッド１９が所定の位置まで上昇した時点で弁２８
が“閉”に制御される。駆動ロッド１９は、なおも上昇
を続け、これに伴って膨張室１７の容積も急激に大きく
なる。このため、膨張室１７内に導入された高圧のヘリ
ウムガスは断熱膨張し、急激に温度低下する。そして、
駆動ロッド１９が上死点位置に至り、次に下降を開始す
ると、こんどは弁３０が“開”に１ｉｌＪ即される。こ
のため、膨張室１７内に存在している低温のヘリウムガ
スは弁３０を介して次段の冷却系に送られる。そして、
駆動ロッド１９が下死点位Ｗに至った時点で弁３ｏが“
閉“にＩＩＩｖＡされる。以後、上述した動作が繰返さ
れ、流体膨張機としての機能が発揮される。

ところで、上記のように運転している状態で、たとえば
振動外力等によって駆動ロッド１９の先端部、つまり蓋
板１６との結合部が振動すると、部材１８の外面とベロ
ーズ１５とが接触する虞れがある。このように両者が接
触すると摺動摩耗によってベローズ１５に孔が開くこと
が考えられる。

もし孔が開くと、この孔から高圧のヘリウムガスがベロ
ーズ１５とへローズ２３との間に存在する真空空間に流
れ込む。駆動源が動作しているかぎり流れ込みが続くの
で、ついには上記空間の圧力が高まって耐圧１１３やベ
ローズ２３を破壊させてしまう虞れがある。しかし、こ
の実施例では、安全弁１１を設けているので、耐圧筒３
内が１気圧を越えようとしたとき上記安全弁１１が開い
て、耐圧１！１３内を大気圧雰囲気に通じさせ、耐圧！
１３内の圧力を１気圧に保持する。したがって、万一、
ベローズ１５に孔が開いたような場合でも安全を十分に
確保することができる。また、安全弁１１の動作によっ
て、ベローズ１５に孔が開いたことを知ることができる
。また、耐圧筒３内はいかなる場合でも１気圧以上には
ならないので、耐圧筒３としては比較的肩肉のものの使
用を可能化できる。したがって、耐圧筒３を設けたこと
によって外部からの熱侵入が増加するようなこともなく
、結局、前述した効果が得られることになる。

なお、実施例のように、ベローズ１５．２３の接合部以
外の接合部をすべてねじ止め接合構造にしておくと、ベ
ローズ１５の交換作業を非常に容易化することができる
。また、駆ｌｌｌロッド１９の外周に輻射熱防止板２２
を装着しておくと外部からの熱侵入を十分すくなくでき
、膨張機としての性能を一層向上させることができる。

さらに、駆動ロッド１９の耐圧筒３内に位置する部分２
０を筒状に構成すると、駆動ロッドの剛性を増加させる
ことができるので、実施例に示すように駆動ロッドを大
気圧雰囲気中に配置された軸受２４でガイドさせること
もでき、これによって構成の簡軍化と軸受で発生した熱
が膨張室に侵入するのを抑えることができる。また、本
発明はヘリウムガス以外のガスを用いる膨張機にも適用
できることは勿論である。

【図面の簡単な説明】図は本発明の一実施例に係る流体膨張機の縦断面図であ
る。Ａ・・・大気圧雰囲気、８・・・真空雰囲気、１・・・
仕切り壁、２・・・孔、３・・・耐圧筒、１１・・・安
全弁、１３・・・ｉＷ塞壁、１５・・・ベローズ、１６
・・・蓋板、１７・・・圧縮至、１８・・・デッドスペ
ースを減少させるための部材、１９・・・駆動ロッド、
２３・・・ベローズ、２４・・・軸受、２５・・・吸気
孔、２６・・・排気孔。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）大気圧雰囲気と真空雰囲気とを分離する仕切り壁
と、この仕切り壁に設けられた孔と、前記仕切り壁に前
記孔と同軸的で、かつ前記真空雰囲気側に向けて突出す
る関係に固定された耐圧筒と、この耐圧筒の先端開口部
を閉塞する閉塞板と、この閉塞板の内面に一端側が気密
に固定されるとともに前記耐圧筒と同心的に配置された
第１のベローズと、この第１のベローズの他端側開口を
気密に閉塞して上記第１のベローズと前記閉塞板とで膨
張室を形成する蓋板と、前記耐圧筒内に配置され一端側
が前記大気圧雰囲気中に位置した往復駆動源に連結され
るとともに他端が前記蓋板に連結されて前記膨張室の容
積を可変させる駆動ロッドと、この駆動ロッドをガイド
する手段と、前記蓋板の内面に固定され前記第１のベロ
ーズが最も押し縮められたときの前記膨張室のデッドス
ペースを小さくさせる部材と、前記駆動ロッドと前記仕
切り壁に設けられた前記孔の縁部との間の隙間を封じ切
る第２のベローズと、この第２のベローズと前記第１の
ベローズとの間に形成された空間を真空排気する手段と
、前記第１のベローズと前記第２のベローズとの間に形
成された前記空間の圧力が所定レベルを越えたとき上記
空間を前記大気圧雰囲気に通じさせる安全弁と、前記閉
塞板に設けられた吸気口および排気口を通して前記膨張
室に接続された吸気管および排気管とを具備してなるこ
とを特徴とする流体膨張機。
（２）前記駆動ロッドをガイドする手段は、前記大気圧
雰囲気中に配置されていることを特徴とする特許請求の
範囲第１項記載の流体膨張機。
（３）前記第１および第２のベローズを気密接続する部
分以外の結合部分は、ネジ止め結合されてなることを特
徴とする特許請求の範囲第１項記載の流体膨張機。