JPS62217060A

JPS62217060A - 冷却機用膨張エンジン

Info

Publication number: JPS62217060A
Application number: JP5864186A
Authority: JP
Inventors: 仁志服部; 教嗣川島; 勝政荒岡; 司和田; 啓嗣大熊; 山根　達視; 正治松田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1986-03-17
Filing date: 1986-03-17
Publication date: 1987-09-24

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】［発明の目的］（産業上の利用分野）この発明は、冷却機用膨張エンジンに係わり、特に膨張
室に対する熱遮断性を向上させるようにした冷却機用膨
張エンジンに関する。

（従来の技術）ヘリウムを極低温まで冷却し、液化させるための冷却機
には、クロードサイクル方式の場合、高圧ガスを断熱膨
張させ、温度を低下させる膨張機が設けられる。この膨
張機は冷却機が小形である場合、レシプロ型のものが主
として用いられる。

ところで、このレシプロ型の膨張機は一般に膨張エンジ
ンと呼ばれ、第４図に示すように２気筒構成となってい
る。これは各エンジンを冷却機の異なる位置に配置して
て２段に分けて気体の温度を低下させるためで、例えば
第１の膨張エンジン二は高圧気体を断熱膨張させてその
温度を約７０Ｋまで下げ、第２の膨張エンジン２は同様
に気体の温度を約２０Ｋまで下げるものとなっている。

膨張エンジン二は、シリンダ３と、このシリンダ３に往
復動自在に装着されたピストン４とで膨張室５を形成し
ている。この膨張室５はピストン４に装着されたシール
リング６によって気密状態に保たれる。膨張室５には、
高圧気体を導入するための吸気弁７を設けた吸気系８と
、同膨張室５内で膨張された気体を排気するための排気
弁９を設けた排気系１０とが接続されている。

一方、膨張エンジン、２−も、シリンダ１１と、このシ
リンダ１１に往復動自在に装着されたピストン１２とで
膨張室１３を形成している。この膨張室１３はピストン
１２に装着されたシールリング１４によって気密状態に
保たれる。膨張室１３には、高圧気体を導入するための
吸気弁１５を設けた吸気系１６と、同膨張至１３内で膨
張された気体を排気するための排気弁１７を設けた排気
系１８とが接続されている。

これら要素部品は、膨張？５．１３への熱侵入を極力防
止するため、真空槽１９の内部に配置される。膨張エン
ジン上、Ｌは、シリンダ３．１１の各一端側が真空槽１
９の壁をなすフランジ部２０に固定され、吊下げ支持さ
れることにより真空槽１９の内部に配置される。

ピストン４，１２は、その一端側が真空槽１９の外部２
１に臨み、クランク機構等の動力変換部２２に連結され
ている。

このように構成された冷却機用膨張エンジンにおいて、
ピストン４．１２が下死点に達した時、所定のタイミン
グで吸気弁７．１５が開き、気体は膨張室５．１３に導
入される。気体は外部２１の気圧よりも高いので、ピス
トン４．１２を押し上げ、断熱膨張によって、その温度
、圧力が低下する。ピストン４．１２が上死点まで達す
ると、気体が所定量まで膨張する。この時、排気弁９゜
１７が開き、ピストン４．１２は、下方に向かって移動
する。これによって、低温、低圧の気体が排気される。

このような動作を第１の膨張エンジン二と第２の膨張エ
ンジン、２−との間で交互に行ないながら気体を冷却し
ていく。

ところで、このとき高い効率で温度を低下させるために
は、膨張エンジン上、Ｌの特に膨張室５゜１３への外部
からの熱侵入を極力防止しなければならないことは既に
述べた。第１および第２の膨張エンジン上、Ｌが、真空
槽１９の内部に配置されているのも熱侵入を防止するた
めである。

しかしながら、シリンダ３．１１やピストン４゜１２が
真空槽１９のフランジ２０と接触していたり、外部２１
に直接露呈したりしているため、ピストン４．１２やシ
リンダ３．１１を伝わって定常的に熱が侵入するのを防
止することができない。

このような熱侵入は、結果的に気体に加わり、気体の温
度を上昇させ冷却効率の悪化を沼来する。

（発明が解決しようとする問題点）このように従来の冷却機用膨張エンジンでは、外部から
膨張エンジンへの熱侵入経路が比較的大きいため、膨張
エンジンへの熱侵入を効果的に防止することができなか
った。

本発明はかかる問題に基づきなされたもので、膨張室へ
の熱侵入量を抑制することができる冷却機用膨張エンジ
ンを提供することを目的とする。

［発明の構成］（問題点を解決するための手段）本発明では、複数の膨張室を１つのシリンダおよびピス
トンで形成している。つまり膨張室は、ピストンの往復
動方向に複数段設けられる。シリンダの一端部は真空槽
の壁をなす７ランジに固定される。

（作用）上記の構造であると、膨張室は複数設けられていてもシ
リンダと真空槽の７ランジ部との接続部やピストンの真
空槽外部に臨む部分は１つになるので、外部から膨張室
への熱侵入経路が少なくなる。この結果、熱侵入量が抑
制される。

（実施例）第１図は本発明の一実施例を示す図である。

図において、一端側を開口、他端側を閉塞してなるシリ
ンダ３１は、上記開口端部を真空ｔｌｉ３２のフランジ
３３の下面に接続されて上記フランジ３３に吊下げ支持
されている。このシリンダ３１は、例えばステンレス鋼
（ＳＬＪＳ３０４）で形成され、フランジ３３に接続さ
れる側を大径部３１８１反対側を小径部３１ｂとし、両
者を直列一体化したものである。このシリンダ３１の内
部にはピストン３４が往復動自在に配置されている。

ピストン３４は、例えばフェノール樹脂などの断熱材を
所定のクリアランスを介してシリンダ３１の内面に沿っ
た形に形成したもので、基端側を大径部３４ａ１先端側
を小径部３４ｂとし、両者を直列一体化したものである
。そして、ピストン３４の大径部３４ａの基端位置には
シールリング３５が外嵌されている。また、同小径部３
４ｂの略先端位置にもシールリング３６が外嵌されてい
る。これらシールリング３５．３６は、自己側滑性のあ
る例えばカーボン粉末入りＰＴＦＥ或はガラスｍ維入り
ＰＴＦＥからなるものであり、シリンダ３１とピストン
３４との間を気密にシールするものである。したがって
、シリンダ３１、ピストン３４及び２つのシールリング
３５．３６によって、シリンダ３１の大径部３１ａの先
端部および同小径部３１ｂの先端部にそれぞれ気密構造
の膨張室３７．３８が形成される。これら膨張室３７．
３８の間の圧力差はさほど大きくなく、したがって、シ
ールリング３６は比較的簡単なピストンリングの如きも
ので良い。膨張室３７は、例えば高圧気体を約７０Ｋに
低下させるもので、膨張ｖ３７に高圧気体を導入するた
めの吸気弁４１を設けた吸気系４２と、同膨張室３７内
で膨張された気体を排気するための排気弁４３を設けた
排気系４４とが接続されている。膨張室３８は高圧気体
を例えば約２０Ｋまで低下させるもので、膨張室３８に
高圧気体を導入するための吸気弁４５を設けた吸気系４
６と、同膨張室３８内で膨張された気体を排気するため
の排気弁４７を設けた排気系４８とが接続されている。

なお、ピストン３４の基端部は、真空槽３２の外部４９
において、クランク機構等からなる図示しない動力変換
装置に連結されている。

このように構成された本実施例に係る冷即機用膨張エン
ジンは、次のように動作をする。

まず、ピストン３４が下方に移動して下死点に達した時
、膨張室３７．３８の空間容積は最も小さくなる。この
時、吸気弁４１．４５が開いて高圧気体が膨張室３７．
３８にそれぞれ流入する。

ここでピストン３４は、気体の圧力作用により上方に移
動し、上死点に向かう。吸気弁４１．４５は、気体を各
膨張室３７．３８に所定量だけ送込んで閉じる。ピスト
ン３４は、気体の圧力作用によってさらに上方に移動し
、気体を膨張させ、この結果、気体の温度・圧力を低下
させる。ピストン３４が上死点に達したら、気体の膨張
が完了するので、排気弁４３，４７が開く。この状態で
ピストン３４が下方に移動するので、膨張室３７゜３８
内の低温・低圧気体が排気系４４．４８を介して排気さ
れる。以下、この動作を繰返すことによって気体の温度
を低下させることができる。

以上のように、本実施例によれば、膨張室が２つ設けら
れているにも拘らず、シリンダ３１とピストン３４は１
組しか使用していない単気筒の膨張エンジンとなってい
る。このため、常温部であるフランジ３３との接触部や
ピストンの基端部の常温雰囲気に臨む部分の面積を従来
に比べて半減させることができ、結局、膨張室３７．３
８への熱侵入量も抑制することができる。しがも、この
場合、膨張室３７で第１段目の冷却を行なわせ、膨張室
３８で第２段目の冷却を行なわせるようにすれば、最も
温度の低い第２段目の膨張室３８については、第１段目
の膨張室３７が熱シールド体として作用し、真空槽３２
の外部からの熱侵入を十分抑制することができる。なお
、ピストンリング３６は、前述したように震動抵抗の小
さい簡易なもので足りるので、このリング３６とシリン
ダ３１との間の摺動により発生する熱を抑制でき、この
点においても熱効率の向上化が図れる。

一方、このようにシリンダ３１とピストン３４とが１つ
で済むと、部品点数が削減されるのみならず、フランジ
３３との気密接続部も１つで足りるため、装置の小形簡
易化、コスト低減にも寄与し得ることは明らかである。

なお、本発明は上述した実施例に限定されるものではな
い。第２図は本発明の他の実施例を示す図である。

図において、シリンダ５１は、７ランジ３３に固定され
る基端部を小径部５１ａ、先端部を大径部５１ｂとする
２段構成であり、その先端部は板状の蓋体５２によって
閉塞されている。ピストン５３は、大径部５１ｂの軸方
向長さよりも短い軸方向長さを有して上記大径部５１ｂ
の内部を軸方向に往復動する円筒状のピストン本体５３
ａと、このピストン本体５３ａの上端部に接続されてシ
リンダ５１の小径部５１ａ＠貫通して真空槽３３の外部
４９に延出してなるビス１−ンロッド５３ｂとで構成さ
れている。ピストン５３は、蓋体５２を外した状態のシ
リンダ５１に下方から挿入することによってシリンダ５
１内に装着できる。このピストン５３には、ピストン本
体５３ａの軸方向中央部にピストンリング５４が外嵌さ
れ、ピストンロッド５３ｂの基端部にシールリング５５
が外嵌されている。シールリング５４は、前述したよう
に比較的簡易なもので良い。

この構成によれば、ピストン本体５３ａの上下に２つの
膨張室５６．５７が形成されることになる。そして、膨
張室５６で気体の膨張が行われている時には膨張室５７
で低温・低圧の気体の排気が行われ、膨張室５６で低温
・低圧の気体の排気が行われているときには膨張室５７
で高圧気体の膨張が行われる。

このような構成によっても前述した効果が奏される。

なお、本発明は、特に膨張室を２つ設けたものに限定さ
れるものではなく、膨張室の数を増せばさらに本発明の
効果が増す。第３図は膨張室を４つ形成した例である。

即ち、シリンダ６１は、フランジ３３に固定される基端
部が小径部６１ａ１先端部が大径部６１ｂとなっており
、その先端の開口部は蓋体６２によって閉塞されている
。シリンダ６１の大径部６１ｂには、この大径部の内部
空間を更に軸方向に第１の空間Ａと第２の空間Ｂとに分
割する仕切部材６３が設けられている。ピストン６４は
、上記第１の空間Ａ内を往復動する第１のピストン本体
６４ａと、第２の空間Ｂ内を往復動する第２のピストン
本体６４ｂと、仕切部材６３の中心孔を貫通してこれら
第１および第２のピストン本体６４ａ、６４ｂを連結す
るブツシュロッド６５と、第１のピストン本体６４ａの
上端に連結されシリンダ６１の小径部６１ａを貫通して
外部に延出するピストンロッド６６とで構成されている
。そして、第１、第２のピストン本体６４ａ、６４ｂ。

ブツシュロッド６５及びピストンロンドロ６にそれぞれ
シールリング６７．６８．６９及び７ｏが外嵌されてい
る。この結果、第１のピストン本体６４ａの上下位置に
膨張室７１．７２が、また第２のピストン本体６３ｂの
上下位置に膨張室７３゜７４が形成され、１組のシリン
ダ６１とピストン６４で４つの膨張室７１〜７４が形成
されることになる。膨張室７１には吸気弁７５を備えた
吸気系７６と、排気弁７７を備えた排気系７８とが接続
される。、膨張室７２には吸気弁７９を備えた吸気系８
０と、排気弁８１を備えた排気系８２とが接続される。

膨張室７３には吸気弁８３を備えた吸気系８４と、排気
弁８５を備えた排気系８６とが接続される。さらに、膨
張室７４には吸気弁８７を備えた吸気系８８と、排気弁
８９を備えた排気系９ｏとが接続される。

以上の構成によれば、１つの膨張室当りの熱侵入量を更
に低下させることができる。

［発萌の効果］以上述べたように、本発明によれば、複数の膨張室を１
つのシリンダとピストンとで構成しているので、従来よ
りも常温部分に接する面積を減少させることができ、こ
の結果、熱侵入量の少ない、しかも小形の冷却機用膨張
エンジンを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例にに係る冷却機用膨張エンジ
ンの構成を示す一部切欠した側面図、第２図は本発明の
他の実施例に係る冷却機用膨張エンジンの構成を示す一
部切欠した側面図、第３図は本発明の更に他の実施例に
係る冷却機用膨張エンジンの構成を示す一部切欠した側
面図、第４図は従来の冷却機用膨張エンジンの構成を示
す一部切欠した側面図である。上・・・第１の膨張エンジン、ｉ・・・第２の膨張エン
ジン、３．１１，３１．５１．６１・・・シリンダ、４
．１２．３４，５３．６４・・・ピストン、５゜１３．
３７．３８．５６．’５７．７１〜７４・・・膨張室、
１９．３２・・・真空槽、２０．３３・・・フランジ。出願人代理人　弁理士　鈴江武彦第２図第１図第３図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）真空槽の内部に配置されたシリンダと、このシリ
ンダ内に往復動自在に配置されて前記シリンダとの間で
膨張室を形成するピストンとを具備し、上記膨張室内に
吸入された気体を断熱膨張させて排出する冷却機用膨張
エンジンにおいて、前記シリンダはその一端が前記真空
槽の壁をなすフランジに固定され、前記膨張室が前記ピ
ストンの往復動方向に複数設けられていることを特徴と
する冷却機用膨張エンジン。
（２）前記シリンダ及び前記ピストンは、前記フランジ
側の基端部が大径で先端部が小径に形成された２段構造
をなしていることを特徴とする特許請求の範囲第１項記
載の冷却機用膨張エンジン。
（３）前記シリンダ及び前記ピストンは、前記フランジ
側の基端部が小径で先端部が大径に形成された２段構造
をなしていることを特徴とする特許請求の範囲第１項記
載の冷却機用膨張エンジン。
（４）前記ピストンは、前記大径部及び小径部にそれぞ
れシールリングを装着したことを特徴とする特許請求の
範囲第２項または第３項記載の冷却機用膨張エンジン。