JPS62186173A - 膨張機の動力吸収装置 - 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］ 本発明はクロードサイクルによる小型ヘリウム液化装置
に利用されるレシプロ式膨張機の動力吸収装置に関する
ものである。

［従来の技術］ クロードサイクルの小型ヘリウム液化装置においては、
システムに組み込む膨張機にレシプロ方式のものを採用
するのが普通であるが、この場合、Ｈｅ液化装置を全体
として小型でコンパクトなものに仕上げる上で、膨張機
に必要な動力吸収装置を如何にして小型コンパクトにす
るかが一つの重要な要素となる。従来、この種の膨張機
に付設する動力吸収装置としては、発電機を備えＨｅガ
スの膨張仕事を電気エネルギに変換して外部に取り出す
方式のものが一般的である。

しかし、発電機を用いた動力吸収機構では、増速機を介
して高速回転すればそれ自身小型化できるものの、反面
嵩ぼる変向増速機構の付帯を必須とじ、一方増速機を設
置しないと回転数が低く大きな発電機が必要となって、
いずれにしても機構が複雑、大型化するのを免れない。

また１例えばＮＭＲ−ＣＴ　（核磁気共鳴・コンピュー
タトモグラフィ）用超伝導マグネットに液体Ｈｅを供給
する液化システムの場合１、発電機を設置すると磁場を
擾乱する不具合を生じ１発電機の使用そのものが問題と
なる。

［発明が解決しようとする問題点］ そこで、本発明者は従来タイプのものに代わり、レシプ
ロ式膨張機に付設する動力吸収装置に発電機を要しない
全く新しい機構のものとして、いわゆる冷却液駆動型の
膨張機を提案している（特願昭６０−１９２９６３号等
参照）、すなわち、この冷却液駆動型のものは、シリン
ダの常温端側にピストンの往復動で低温端側の膨張室と
１８０’　　逆位相で拡縮される冷却液作動室を設け、
この冷却液作動室に、供給源からチェック弁を介し膨張
室の排気圧よりも若干高い圧力の冷却液を供給する供給
流路と、冷却液を絞り弁を介し外部に排出する排出流路
とを接続して構成されるもので、膨張室の排気過程では
冷却液作動室内に供給される冷却液の液圧でピストンを
駆動する一方、膨張室の吸気膨張過程ではその冷却液作
動室を液圧ダンパとして膨張室からピストンを介して伝
達される高圧Ｈｅガスの膨張仕事を冷却液の流体エネル
ギに変換して吸収するようにしたものである。

しかして、この新形の膨張機によると、膨張室と反対側
に冷却液作動室を付加し、これに必要なバルブ類と共に
冷却液の供給流路と排出流路を接続するだけでよく、構
成要素が少なくて動力吸収装置を非常に構造簡単でコン
パクトにすることが可能であるが、この種の１膨張機を
実使用に供する上で、次のような点が更に改善すべき問
題点として判明された。これは、前記冷却液駆動型のも
のの場合、膨張室の排気過程において、前述のように冷
却液作動室に供給される排気圧よりも高圧の冷却液でピ
ストンを駆動するものであるが、このざい液圧によるピ
ストンの動きが敏感となり、滑らかなサイクルを営ませ
ることができなくなること、等の欠点があることである
。

本発明は、冷却液駆動型の膨張機の小型コンパクトな特
徴を維持しつつ、上記の問題点を克服解消せんとしたも
のである。

［問題点を解決するための手段］ 本発明の動力吸収装置は、このような目的を達成するた
めに、多気筒のレシプロ式膨張機と、これら膨張機のピ
ストンをそれぞれ周縁部に連結して各ピストンに連動さ
せた斜板と、この斜板の周縁部にそれぞれ液封ピストン
を連結して該斜板に各液封ピストンを連動させた適数側
の液圧ダンパと、これら液圧ダンパの液室同士を連通し
該液室相互間で封入作動液を絞り弁を介し流出入させる
とともに流通作動液を冷却する冷却流路とを具備してな
ることを特徴としている。

［作用］ このような構成からなるものであれば、膨張機相互間で
の１１張サイクルの位相のずれに対応させて、膨張機の
各ピストンと液圧ダンパの各液封ピストンとの斜板に対
する周方向の連結部位を調整することにより、各ピスト
ンの往復動で斜板に滑らかな面層運動を与え、さらにこ
の斜板を介して各液封ピストンを往復動させることがで
きる。このため、各１膨張機のピストンには、斜板によ
る位置決め作用が得られ、ピストンの動きにムラの無い
安定したサイクルを営ませることができる。そして、各
膨張機からの動力吸収は、その吸気膨張過程でピストン
に作用する高圧Ｈｅガスの膨張仕事が斜板の動きを介し
液封ピストンに伝えられ、液圧ダンパで順次その封入作
動液の流体エネルギとして吸収され、さらにこれら液圧
ダンパの液室同士を連通ずる冷却流路に封入作動液が絞
り弁を介して流出入するとき流体エネルギが消費されて
必要な動力吸収が実効されることになる。

［実施例］ 以下１本発明の実施例を図面を参照して説明する。

第１図と第２図は、本発明の一実施例を示し、この場合
、４気筒運転のレシプロ式膨張機に共用される動力吸収
装置の概要を例示している。ここに、各膨張機ｌは共通
の構成を具備し、有底円筒状のシリンダ２に棒状のピス
トン３を気密で往復動可能に嵌装し、その低温端側にそ
れぞれピストン３の往復動で拡縮する膨張室４を設ける
ようにしている。そして、これら４気筒の膨張機１・・
・は、隣接するもの同士互いに膨張サイクルの位相を９
０°　ずつ等間隔にずらし、かつ等間隔で環状に配置し
ている。

そして、これら膨張ｖ１１・・・の上方に斜板５と該斜
板５を挟んで膨張機１・・・に対応する４個の液圧ダン
パ８・・・を配設している。斜板５は薄肉円盤状の単板
で、その下方に位置する膨張Ｊ！１１・・・の各ピスト
ン３から一体に延出した連結ロッド６をその周縁部に連
結して、これら連結ロッド６に支持させているとともに
、各ピストン３の動きに連動して自在に姿勢変更できる
ようになっている。具体的には、各連結ロッド６に枢支
した揺動腕７の先端二叉部分で斜板５の周縁部を摺動可
能に挟持させている。

また、前記液圧ダンパ８・・・は、それぞれ液封シリン
ダ９に液封ピストン１０を液密で往復動可能に嵌装して
なるもので、その内部の液室１１に作動液１２を封入し
ている。そして、これら液圧ダンパ８・・・の各液封ピ
ストン１０に前記連結ロッド６をそれぞれ連結して、各
液封ピストン１０を前記揺動腕７を介して斜板５の周縁
部に連結しているとともに、該連結ロッド７で対応する
膨張４１！ｌのピストン３と相互に直接連結している。

したがって、各液封ピストン１０は、斜板５と対応する
膨張機１のピストン３の動きに連動して往復動される。

なお、各液圧ダンパ８は、液封ピストン１０が液室１１
を縮小するとき該液封ピストン１０の速度にほぼ比例し
た抗力を発生し、これをピストン３に伝達する。

そして、これら液圧ダンパ８・・・のうち対角位置にあ
る液室１１．１１間士を冷却流路１３．１３で連通して
いる。この一対の冷却流路１３は、第２図に示すように
、その途中に絞り弁１４を介設しており、この絞り弁１
４を介して逆位相にある両側の液室１１．１１間に封入
作動液１２が流出入される。そして、この冷却流路１３
は絞り弁１４での圧損で発熱する流通作動液から外部に
放熱させる役目を兼ねている。なお、冷却流路１３には
必要に応じフィンなどの放熱体を付設して、冷却性能を
高めることができる。

次いで、この動力吸収装置の作動について述べる。

各膨張機↓にＨｅガスを供給しく必要なら斜板５に始動
トルクを与え）て、これら膨張機１・・・を所定の位相
差の下に一斉に運転状態におく、すると、各膨張機ｌの
位相をずれに対応してその周縁部に連結された各連結ロ
ッド６からの力のバランスで、定常状態に達すると、斜
板５は膨張過程にある膨張機側の周縁部が高く、排気過
程にある膨張機側の周縁部が低い一定の傾斜姿勢でその
面心まわりに膨張サイクルに同期して面層運動し、連結
ロッド６を介して各ピストン３および液封ピストン１０
を位置決めする。すなわち、各膨張機１が吸気膨張過程
のときも、排気過程にあるときもピストン位置を正弦曲
線上に対応する往復動位置にガイドする役目を果し、こ
れによって滑らかなピストン３の動作が確保できるもの
となる。

そして、各膨張機１の膨張室４かも必要な動力吸収は次
のようにして実効される。いま便宜上、一対の膨張機１
、ｌのうちの片方のサイクルに着目して説明すると、膨
張室４の吸気膨張過程では、ピストン３と連動して対応
する液圧ダンパ８の液封ピストン１０が上昇して行く。

しかるに、第２図に示すように、このさい他方の膨張機
１に付設した液圧ダンパ８の液封ピストン１０は反対に
下降して行くから、その膨張室４における高圧Ｈｅガス
の膨張仕事は液圧ダンパ８の液室１１の封入作動液１２
が冷却流路１３を他方の液室１１に向けて流出する流体
エネルギに変換される。そして、この冷却流路１２に流
通される作動液のもつエネルギは、その途中の絞り弁１
４の圧損で発熱して熱に変換され、更に流通作動液を冷
却通路１３かも放熱して冷却することにより、作動液が
一定温度以上に昇温することなく円滑に動力吸収が持続
して実行されるものとなる。そして、膨張室４の排気過
程では、前記斜板５の位置決め作用の下に、液圧ダンパ
８の液室１１に他方の液室１１から流入される作動液の
液圧でピストン３が滑らかに駆動される。

以上のような作動に基づく動力吸収装置のエネルギ吸収
形態を第３図に概略的に示す、すなわち、同図（＆）は
各膨張機１の膨張室４で作用する高圧Ｈｅガスの膨張エ
ネルギの変化を示し、同図（ｂ）は各液圧ダンパ８から
動力吸収装置で吸収される吸収エネルギの変化を示して
おり、いずれも実線でサイクルの対応するものを１点線
でそれらの合計エネルギを示している。このように本発
明に係る動力吸収装置によると、斜板５で位置決めされ
た各膨張機１のピストン３の滑らかな動きに対応する動
力吸収が実現される。

以北のように、この動力吸収装置では冷却液駆動型膨張
機におけるサイクルの不安定になる問題点を有効に解決
することができる。また、斜板５、液圧ダンパ８・・・
および冷却流路１３．１３等の少ない要素で簡単に構成
できるものであるから、構造簡単で大型化することもな
く、コスト的にも有利性が期待できる。そして、勿論発
電機を要しないから磁場を乱すこともない。

次に、第４図に示す変形実施例について説明する。この
場合、３気筒のレシプロ式膨張機ｌ・・・を前記と同様
にして斜板５の下方に配置する一方で、液圧ダンパ８・
・・を膨張機ｌと同側の下方に配置するようにしている
。そして、各液圧ダンパ８の液封ピストン１０から延出
される連結ロッド１５を、各膨張機１のピストン３から
延出される連結ロッド６の連結部位の中間位置でそれぞ
れ斜板５の周縁部に連結するようにしている。しがして
、このようなものでも、斜板５は各ピストンに連動して
面層運動され、さらにこの斜板５の動きに連動して各液
封ピストンが往復動されることになり、前記実施例と同
様の作用、効果を営むものとなり得る。

この実施例からも明らかなように、本発明では膨張機１
・・・を少なくとも３気筒以上で運転するときには適用
でき、しかも液圧ダンパ８・・・の斜板５に対する配置
並びに膨張機１・・・に対する位置関係も種々変更可能
である。そして、第４図のような例において、膨張機１
・・・の気筒数を多くすると、膨張機ｌ・・・と液圧ダ
ンパ８・・・の個数は必ずしも一致しなくてよい場合が
ある。また、各膨張機ｌにはそのピストン径や膨張温度
に変化を与えることも可能である。そして更に、液圧ダ
ンパ８・・・の液液室１１同士を接続する冷却流路１３
の接続態様は、逆位相のものを一対一に接続する場合に
限らず、それらを合流接続して高圧側液室から低圧側液
室に作動液を分配して流出入させる形式のものであって
もよい。

なお、斜板５は図示例のように一体平板状のものに限ら
ず、例えば中空車輪のような形状ものを使用してもよい
・ ［発明の効果］ 本発明は１以上の実施例で詳述したように、レシプロ式
膨張機に必要な動力吸収装置として、従来の電気的な動
力吸収機構の発電機による磁場擾乱の問題を蒙らず、し
かも構造簡単で小型コンパクトに作製できると共に、ピ
ストンの動きにムラの無い安定したサイクルを確保でき
る特性を備えたものが実現できたものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示すレシプロ式膨張機の動
力吸収装置の一部破断斜視図であり、第２図はその一部
断面図である。第３図は、実施例装否による動力吸収性
能を示す図であり、同図（ａ）は膨張エネルギ曲線を、
同図（ｂ’）は吸収エネルギ曲線を示している。第４図
は本発明の変形実施例を示す簡略斜視図である。 １・・・膨張機

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 多気筒のレシプロ式膨張機と、これら膨張機のピストン
   をそれぞれ周縁部に連結して各ピストンに連動させた斜
   板と、この斜板の周縁部にそれぞれ液封ピストンを連結
   して該斜板に各液封ピストンを連動させた適数側の液圧
   ダンパと、これら液圧ダンパの液室同士を連通し該液室
   相互間で封入作動液を絞り弁を介し流出入させるととも
   に流通作動液を冷却する冷却流路とを具備してなること
   を特徴とする膨張機の動力吸収装置。