JPS6277560A - 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】 し産業上の利用分野］ 本発明は、クロードサイクルを利用した小型ヘリウム液
化装置などの極低温冷凍機に用いられるレシプロ式膨張
機の効力後収装ａに関するものである。

［従来の技術］ レシプロ式膨張機は、膨張室に吸入された作動ガスを断
熱膨張させると同時にその膨張仕事を外部に取り出して
動力吸収することにより寒冷ガスを生成するサイクルを
有効に営ませることができるものであるが、このための
動力吸収装置として、従来はピストンの往復動をクラン
ク機構を介して回転運動に変換した後、その伝達動力を
電気エネルギに変換して消費するなど様々の形態で吸収
するようにしているのが一般的である。

［発明が解決しようとする問題点］ しかし、このような従来の動力吸収装置では、機構が複
雑で製作コストが高くつき、全体としての占有スペース
が１．′ｔばる大型用１徒物となる欠点があった。しか
も、この種の膨張機ではそのｌサイクル中でピストンに
授与される膨張仕集量が大きく変動するため、回転むら
や振動のない滑らか運転を確保するのが難しく、ピスト
ンの制動をコントロールする手段を採用する場合にはそ
の制御に困難を伴なうことになる。これらの理由から、
従来提案されているタイプのものの技術的延長線上で改
良を加え、部品点数の少ない構造単純な動力後収装δを
実現することには限界がある。

そのため、近時、シリンダにピストンを往復動可能に嵌
装してその低温端側に拡縮する膨張室を形成する一方、
前記シリンダの常温端側にシリンダ内外を気密に遮断す
るシール部材を設けて該シリンダの常温端に前記ピスト
ンの往復動で拡縮される流・体貯留室を設けてなる膨張
機本体と、この流体貯留室に前記膨張室の排気に必要な
圧力の非圧縮性の作動流体をチェック弁を介して供給す
る供給系路と、前記流体貯留室内の作動流体を絞りブｔ
を介して排出させる排出系路とを具備してなるものが考
えられている。しかして、このものは、構造が筒屯で低
価格化を実現できるり、故障等を起こし難いという利点
があるが、半面、水道水等の作動流体の消費が多くなる
ため、その流量確保が問題となる。

本発明は、以上のような問題点を一挙に解消することを
目的としている。

［問題点を解決するための手段］ 本発す１は、このような目的を達成するために、前述し
たような膨張機本体の流体貯留室に、供給系路と排出系
路とを連設するだけでなく、さらに、前記排出系路と前
記供給系路との間に再生系路を設け、前記流体貯留室内
の圧力が前記供給系路内の圧力よりも高くなった際に前
記排気系路の絞り弁を通して排出されるべき作動流体の
一部を前記供給系路に戻し得るように構成したことを特
徴とする。

［作用］ このように構成した動力吸収装置であれば、膨張室の排
気過程では、その内圧が低下した流体貯留室に供給系路
から開状態のチェック弁を通して一定低圧の作動流体が
供給されることになり。

ピストンは膨張室の排気系路内圧よりも高いこの作動流
体の圧力で丁死点から上死点に向けての円滑に動作する
ことになる。一方、膨張室の吸気。

膨張過程では、Ｉｌｌ張室の内圧が高くピストンで加圧
される流体貯留室内の作動流体は、その排出流路から絞
り弁を通って外部に排出される。このさい、流体貯留室
内の作動流体は、膨張室内の高圧作動ガスの膨張仕事を
ピストンを介しその流体エネルギとして吸収し、さらに
排出流路の絞り弁で発熱して大部分を熱エネルギに変換
する。そして、この熱エネルギを発生した作動流体はそ
の熱埴を持ったまま外部に排出されることになり、この
発熱着を系外に運び去ることによって所要の動力吸収が
連続して実行されることになる。

なお、この膨張過程においては、前記流体貯留室内の圧
力が前記供給系路内の圧力よりも高くなるので、前記排
気系路の絞り弁よりも上流側に存在する作動流体の一部
が再生系路を通して供給系路に戻され、＋Ｉｆ利用され
ることになる。

し実施例」 以ド、本発明の一実施例を図面を参照して説明する。

図面は、本発明に係る動力吸収！Ａ置を具備したレシプ
ロ式膨張機のシステム説明図である。膨張機本体Ａは、
通常の如く、有底円筒体をなすシリンダ１に棒状のピス
トン２を往復動可能に嵌装して、その低温端側に拡縮す
る膨張室３を形成してなるものである。そして、そのシ
リンダｌの底版部に、膨張室３と連通ずる吸気管４と排
気管５とを接続し、かつそれら吸排気ポートに各々所定
のタイミングで開閉される吸気弁６と排気弁７とを介設
して、その吸気管４から高圧作動ガス（Ｈｅガス）を吸
い込んで断熱膨張させた後、その排気管５から寒冷した
膨張ガスを排気するサイクルを営ませるようにしている
。

また、１１１記ピストン２に保持されたシール部材８を
その内周に摺接させたシリンダ１の常温端ｌａに、該シ
リンダｌと略同径のケーシング１０を一体に連設して、
その内部にピストン２の常温側突出端部２ａを収容し該
ピストン２の往復動で拡縮される流体貯留室９を形成し
ている。この流体貯留室９は１反対側の膨張室３と１８
０°位相がずれて拡縮されることになり、しかもその内
部に後述する作動流体１１が供給されて充満されること
になる。

そして更に、この流体貯留室９には１作動流体１１をそ
の内部に供給するための供給系路１２と、該流体貯留室
９内に充填された作動流体ｌｌを外部に排出させるため
の排出系路１３をなす各配管を合流させて、その容器１
０の頂部中央に接続し連通させている。ここに用いられ
る作動流体１１は、非圧縮性のもので、通常上水道に給
送されている水やクーリングタワーから圧力供給される
冷浄水をそのままを利用することができる。そして、こ
の作動流体１１を流体貯留室９内に供給する前記供給系
路１２には、流体貯留室９からの逆流を阻止するチェッ
ク弁１４を介設している一方、該流体貯留室９から外部
に作動流体１１を排出するための前記排出流路１３には
、該排出流路１３の流量を調整する絞り弁１５を介設し
ている。モして又、前記チェック弁１４の上流側におけ
る供給系路１２の端部な、上水道の既設配管の末端のよ
うな作動流体１１の適宜供給源系路１６にプレッシャレ
ギュレータ１７を介して接続しており、チェック弁上流
側での作！ＩＩ＋流体１１の供給圧を一定にコントロー
ルするようにしている。このコントロール供給圧は前記
膨張室３に接続される前記排気管５の内圧よりもやや高
く設定されることになる。具体的には、その吸気管４の
内圧が１８ａｔａ前後、排気管５の内圧が１．２ａｔａ
前後に設定して運転されるクロードサイクル式の小型Ｈ
ｅ液化装置用膨張機の例では、その供給流路１２のチェ
ック弁上流側での供給圧は１５〜２　ａｔａ前後に設定
されることになる。また、この供給系路１２の、前記チ
ェック弁１４と前記プレッシャレギュレータ１７との間
に位置する部位には、液溜部１８を設けている。

さらに、前記排出系路１３と前記供給系路１２どの間に
、　＋Ｉｆ生系路２１を設けている。この再生系路２１
は、前記排出系路１３の絞り弁１５よりも上流側の部位
を前記供給系路１２の液溜部１８に連通させる管路２２
を備えており、この管路２２の途中に絞り弁２３とチェ
ック弁２４とを順次に介設している。絞り弁２３は、こ
の再生系路２１を通して供給系路１２に戻す作動流体１
１の割合を設定するためのものである。しかして、この
割合は、作動流体１１の温度が低く冷却効果が十分に期
待できる場合には多口に設定され、作動流体１１の温度
が比較的高い場合には少な目に設定される。

次いで、この動力吸収装置の作動を、作動（膨張）ガス
としてヘリウムガスを、また作動流体１１として木を用
いる場合を例に説明する。今、ピストン２がその上死点
近傍の位置からシリンダｌ内を１往復するｌサイクルに
ついて着目する。まず膨張室３の容積がほぼ消失した上
死点の位置で、その吸気ポートの吸気弁６が開き、膨張
室３内に高圧Ｈｅガスが流入される。すると、ピストン
２はその下死点側に向けて押動される内圧を受けるが、
このとき反対側の流体貯留室９には非圧縮性流体と見な
せる木が充填されているため、ピストン２の微小な動き
によっても、その水圧が高圧となってピストン２の動き
を制動するように作用する。そして、このとき同時に供
給系路１２側のチェック弁１４が閉に切換わり、一方排
出系路１３からはその絞り弁１５を通って流体貯留室９
内から外部に水が排水されることになり、この排水量に
見合う分だけピストン２が上昇することになる。かくし
て、膨張室３の容積がある大きさにまで拡大すると、今
度は吸気弁６も閉じられて、その後ピストン２が下死点
近傍に到達するまでＨｅガスを膨張する断熱膨張過程に
移行することになる。この過程では、膨張室３が次第に
容積を増す一方で、流体貯留室９に接続された排出系路
１３からはその絞り弁１５を通して流体貯留室９から水
が強制的に連続して外部に排水されることになる。なお
、この際には、流体貯留室９内の圧力が供給系路ｌｚ内
の圧力よりも高くなるので、前記排出系路１３の絞り弁
１５よりも上流側に存在する水の一部が再生系路２１に
流入し、絞り弁２３およびチェック弁２４を通して供給
系路１２の液溜部１８配設部分に戻される。こうして、
ピストン２が下死点近傍にまで到達し、膨張室３の内圧
が低下して殆どその接続排気管５内の圧力に等しくなる
と、今度は排気弁７が開いて膨張室３から膨張ガスを排
気する排気過程に移ることになる。ところが、膨張室３
の内圧が下ると流体貯留室９の内圧も瞬時に低下し、こ
れと同時に供給系路１２側のチェック弁１４が開いて流
体貯留室９内に膨張室３側の排気側の内圧よりも若干高
く設定された水が供給されることになるから、ピストン
２はこの優勢な水圧作用で上死点側に押動され、滑らか
に排気過程を遂行するものとなる。そして、このような
サイクルを繰り返し行なうことによって、そのほぼ半サ
イクル毎に膨張室３と反対側の流体貯留室９で高圧Ｈｅ
ガスの膨張仕事が水（作動流体）１１の流体エネルギか
ら最終的に熱エネルギに変換して吸収され、これにより
膨張機の膨張室３の排気ライン側に寒冷したヘリウムガ
スを連続的に送り出すことができるものとしている。

つまり、この動力吸収装置によると、膨張室３の排気過
程では、その流体貯留室９に供給系路１２から開状態の
チェック弁１４を通して一定の低水圧が加えられるので
、下死点から上死点に向けての円滑なピストン動作が確
保されることにな　・す、他方膨張室３の吸気、膨張過
程では、ピストン２の常温側突出端部２ａで加圧される
流体貯留室９内の水が排出系路１３からその絞り弁１５
を強制的に流通されて、膨張室３内の高圧Ｈｅガスの膨
張仕事をピストン２を介し流体貯留室９側でその流体エ
ネルギとして吸収し、さらに絞り弁１５で発熱して大部
分を熱エネルギに変換し、この熱を持ったまま系外の例
えば貯水槽などに排水せしめることにより、所要の動力
吸収が有効に実行されることになるものである。なお、
排出系路１３に介設される絞り弁１５は、膨張室３側で
取り出される膨張仕事の大きさに対応して動力吸収量を
調整する目的から、例えばピストン２の位置に応じてそ
の絞り量を可変する可変制御機構を備えたものであって
もよい。

しかして、このような動力吸収装置であれば、シリンダ
ｌの常温端側でその内外を気密に遮断しかつピストン２
の自由な往復動を可能にするシー□ ル構造を採ることを条件に、シリンダーの常温端側に供
給系路１２と排出系路１３を接続した流体貯留室９を付
加するだけで、所要な動力吸収？ｔ２！ｉが構成できる
。すなわち、従来装置のようにピストンの往復動を回転
運動に変換するクランク等の動力伝達機構や発電機のよ
うな嵩ぼる動力変換要素は一切不要となり、部品点数が
少なくて構造が簡単であり、全体の重１＠ｉおよびスペ
ースを非常に軽賃コンパクトなものとすることができる
特徴を有する。そして、この装置ではその流体貯留室９
に充填する作！ＩＩ流体１１に木を利用する場合、その
供給系路１２の一端をプレッシャレギュレータ１７を介
して上水道や冷却給水塔の配管口に接続して、チェック
弁１４を介して流体貯留室９内に木を送り込むようにす
る一方、その排出系路１３から流体貯留室９内の水を絞
り弁１５を通し巾に流出せしめるようにするだけで十分
なものであるから、装置の製作、！ｌ：および取扱いも
至便であり、また流体貯留室９内に供給される水は作動
流体と冷却媒体を兼ねて排出系路１４から系外は排水さ
れるものであるから、別途作動流体１１の冷却手段を付
設する必要もない。

また、１１張器本体Ａの温度が不当に上昇しない範囲内
で、前記排出系路１３の水の一部を再生系路２１を通し
て供給系路１２に戻すようにしているので、水の無駄使
いを有効に防止することもできる。しかも、この再生系
路２１は、前記流体貯留室９内と前記供給系路ｌｚ内と
の圧力差を利用して排出系路１３内の水の一部を前記供
給系路１２に返還し再利用し得るようにしたものである
ため、この部分の構成も簡単なもので済む。

もっとも、作動流体１１は非圧縮性のものであれば、水
以外の液体を使用することもできる。

そして、かかる動力吸収装置を付設したものでは、ピス
トン２とチェック弁１４．２４以外には０■動部分が無
く、全体としての部品点数が少なく構造シンプルなこと
と相まって、製作コストが低くて済み、同時に信頼性の
高い作動が期待できる。

なお、再生系路の構成は、前記実施例のものに限定され
るものではなく、要するに、流体貯留室内と供給系路内
の圧力差を利用して、排気系路内の作動流体の一部を制
限しつつ供給系路に戻し得るようなものでありさえすれ
ば、他のものであってもよい。

また、前記実施例では、摺動形のシール部材を用いて流
体貯留室を形成した場合について説明したが、例えば、
ダイヤフラムやベローズ等を用いて拡縮可能な流体貯留
室を形成するようにしてもよい。

［発明の効果］ 本発明は１以上のような構成であるから１次のような効
果が得られる。

まず、ピストンに作動流体の圧力を直接作用さ゛せて該
ピストンの駆動および動力吸収を行ない得るようにして
いるので、従来タイプのようなりランク等の動力変換機
構や大規模の動力吸収機構などを一切必要とせず、小型
軽量にして究極的なまでに構造の簡単化を達成し得た画
期的なレシプロ式膨張機の動力吸収装置を提供すること
ができる。

しかも、前記作動流体の一部を系内の圧力差を利用して
循環させ得るようにしているので、簡単な構成により作
動流体の無駄使いを有効に防止することが可能であり、
経済的な運転を行なうことができるという効果が得られ
る。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の一実施例を示すシステム説明図である。 Ａ・・−１張機本体 １・・・シリンダ ｌａ・・・シリンダ常温端 ２・１ピストン ２ａ・・・ピストン常温側突出端部 ３・拳争膨張室 ４・会・吸気管　　　５・・・排気管 ６・・・吸気弁　　　７・・拳排気弁 ９・・拳流体貯留室　１１・・・作動流体１２・・・供
給系路１３・・・排出系路１４＠・・チェック弁

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. シリンダにピストンを往復動可能に嵌装してその低温端
   側に膨張室を形成するとともに常温端側に該ピストンの
   往復動で拡縮される流体貯留室を設けてなる膨張機本体
   と、この流体貯留室に前記膨張室の排気に必要な圧力の
   非圧縮性の作動流体をチェック弁を介して供給する供給
   系路と、前記流体貯留室内の作動流体を絞り弁を介し排
   出させる排出系路と、前記流体貯留室内の圧力が前記供
   給系路内の圧力よりも高くなった際に排気系路の絞り弁
   を通して排出されるべき作動流体の一部を前記供給系路
   に戻す再生系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。