JPS63259357A - 極低温冷凍機 - 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） 本発明は極低温冷凍機、詳しくは、圧縮機を備えた圧縮
ユニットと膨張機とから成り、前記翳張機に圧縮された
高圧ガスを導入させ、この高圧ガスを膨張させて極低温
を得るようにした極低温冷凍機に関する。

（従来の技術） 従来、膨張機におけるディスプレーサを往復駆動する場
合、機械駆動式の他、例えば特開昭５８−２１４７５８
号公報に示されているように気体駆動式のものが知られ
ている。

この気体駆動式膨張機は、第４図に示した如く、本体ハ
ウジング（６０）の下部に設けるシリンダ（６１）に、
２段式ディスプレーサ（６２）を、シールリング（８３
）（６４）を介して摺動自由に内装すると共に、前記デ
ィスプレーサ（６２）の上部に、スラックピストン（６
５）をシールリング（８Ｂ）（Ｅ３７）を介して摺動自
由に設け、このスラックピストン（６５）を前記ディス
プレーサ（８２）に所定ストロークを介して連動する如
く成す一方、前記本体ハウジング（６０）にバルブモー
タ（６８）とこのバルブモータ（６８）の駆動で高圧ガ
スの導入と低圧ガスの排出とを切換える開閉弁（６９）
を設け、そして、前記スラックピストン（６５）の上部
空間をオリフィス（７０）を介して中間圧のサージボリ
ウム（７１）と連動させたものである。

尚、前記サージボリウム（７１）は、キャピラリー及び
ブリード（図示せず）を介して低圧ガスが流れる通路（
７２）と高／低圧がスが流れる通路（７３）とに連通し
ていて、常時中間圧に保持されている。

又、第４図において（７５）（７Ｂ）は蓄冷器、（７７
）は一段目膨張空間、（７８）は二段目膨張空間である
。

しかして、前記開閉弁（６９）の動作で高圧カスが通路
（７３）を介して前記ディスプレーサ（６２）に供給さ
れると、前記蓄冷器（７５）（７６）を通って、各膨張
空間（７７）（７８）に流入され、前記蓄冷器（７５）
（７６）から熱を立って極低温にまで冷却される。

このとき、前記スラックピストン（６５）が上下の圧力
差により上動すると共に、そのストローク終端で前記デ
ィスプレーサ（６２）と連動し該ディスプレーサ（６２
）を上動させるのである。

そして、前記ディスプレーサ（６２）が上端で停止した
後には、前記開閉弁（６９）が低圧側に動作して通路（
７２）が開かれるのである。

従って、前記膨張空間（７７）（７８）に導入されたガ
スは、膨張を行ない前記蓄冷器（７５）（７８）を冷却
して排出されるのであって、このとき、スラックピスト
ン（６５）は前記サージボリウム（７１）と連通ずる上
部空間と下部空間との圧力差で下動し、前記ディスプレ
ーサ（６２）を押し下げるのである。

斯くして、以上の如く構成する膨張機は前記膨張空間（
７７）（７８）に隣接するヒートステーション（７９）
（８０）において極低温が得られ、タライオボンプや測
定センサーの冷却などに利用できるのである。

（発明が解決しようとする問題点） 以上、の如く構成する気体駆動式の膨張機は、前記ディ
スプレーサ（６２）の往復動を行なうための機械的な外
部駆動手段を必要としないのであるが、前記開閉弁（６
９）をバルブモータ（６８）により動作させているため
電磁場が発生する問題があるし、また、前記開閉弁（６
９）の弁開閉が正常に行なわれている場合には問題とな
らないが、弁開閉のタイミングがずれた場合には前記デ
ィスプレーサ（６２）がシリンダ（６１）の端面部に衝
突しζこの衝突による振動が生ずる問題があった。

即ち、前記ディスプレーサ（６２）が上端に到達しない
うちに、開閉弁（６９）が動作して前記ディスプレーサ
（６２）の内部が低圧側に連通したり、或いは下端に到
達しないうちに開閉弁（６９）が動作して前記ディスプ
レーサ（６２）の内部が高圧側に連通した場合、ディス
プレーサ（６２）における上下に大きな圧力差が生じ、
この結果、前記ディスプレーサ（６２）が高速で駆動さ
せて、前記シリンダ（６１）の上端又は下端に衝突する
のであって、この衝突により大きな振動が発生するので
ある。

前記した電磁場の発生及び振動の発生は、極低温膨張機
が物性研究や分光分析など広範囲に使用されるに従い重
要な問題点となっているのである。

本発明の目的は、前記した気体駆動式の膨張機において
、切換弁装置を膨張機と分離して設けながら、この切換
弁装置によって切換える高圧ガスの導入及び低圧ガスの
排出のタイミングも良好に行なえ、電磁場の発生及び弁
開閉のタイミングのずれによる振動の発生をなくするよ
うにしたものである。

（問題点を解決するための手段） 本発明は、前記した問題点を解決するために、第１図に
示す如く、圧縮機（４１）を備えた圧縮機ユニット（４
）と膨張機（１）とから成る極低温冷凍機において、前
記膨張機（１）に高圧ガスの供給と低圧ガスの排出との
切換えを行なう切換弁装置（３）を前記圧縮機ユニット
（４）に設けると共に、前記膨張機（１）に、該膨張機
（１）におけるディスプレーサ（１３）の位置を検出す
る位置検出器（７）を設け、この位置検出器（７）から
の出力により前記切換弁装置を動作させるコントローラ
（８）を設けたことを特徴とするものである。

（作用） 切換弁装置（３）が膨張機（１）と別に設ける圧縮ユニ
ット（４）に設けるから前記切換弁装置（３）の動作を
モータによって行なう場合でも、モータから生ずる電磁
場の影習を、前記膨張機に与えることはないのであり、
また、ディスプレーサ（１３）の位置を検出し、この位
置信号をもとに前記切換弁装置（３）を動作させるので
あるから、前記ディスプレーサ（１３）が、上端及び下
端に衝突することなく往復駆動させられるのである。

（実施例） 第１図に示したものは、膨張機（１）と圧縮ユニット（
４）とから成る極低温冷凍機の代表実施例であって、こ
れら膨張機（１）と圧縮ユニット（４）とは、高低圧配
管（５）と中間圧配管（６）を介して連結している。

前記膨張機（１）は、第２図に示した如く本体ハウジン
グ（１１）にシリンダ（１２）を取付けて、このシリン
ダ（１２）に、ディスプレーサ（１３）をシールリング
（１４）を介して摺動自由に内装すると共に、前記ディ
スプレーサ（１３）の上部にスラックピストン（１５）
を配設し、シールリング（１８）（１７）を介して摺動
自由に内装し、前記ディスプレーサ（１３）の上部に、
前記スラックピストン（１５）を、前記ディスプレーサ
（１３）に対し一定ストローク相対移動可能にして連動
する連動部（１３ａ）を設ける一方、前記本体ハウジン
グ（１１）に、高圧ガスの導入と低圧ガスのυト出とを
交互に行なう高低圧配管（５）の接続具（１８）と中間
圧ガスを供給する中間圧配管（６）の接続具（１９）と
を設け、前記接続具（１８）に通ずる通路（２０）を前
記ディスプレーサ（１３）に連通させ、また、前記接続
具（１９）と通ずるサージボリウム（２１）を、オリフ
ィス（２２）を介して前記スラツクピストン（１５）の
上部空間（２３）と連通させたものである。尚、第２図
において（２４）は前記ディスプレーサ（１３）の下部
に形成する膨張空間、（２５）はヒートステージジン、
（２６）は前記ディスプレーサ（１３）に内装する蓄冷
器である。

また、前記圧縮ユニット（４）は、圧縮機（４１）を装
備する他、高圧サージタンク（４２）と低圧サージタン
ク（４３）及び中間圧サージタンク（４４）を設けると
共に、前記圧縮ユニ７）（４）に、前記高低圧配管（５
）に圧縮高圧ガスを導入したり、前記膨張機で膨張した
低圧ガスを排出したりする切換弁装置（３）を設けるの
である。

第１図に示した切換弁装置（３）は、二つの電磁弁（３
１）（３２）を用い、一方の電磁弁即ち、高圧側電磁弁
（３１）を、前記圧縮機（４１）の吐出側に接続する高
圧サージタンク（４２）と高圧ガス管（４５）を介して
接続し、また、他方の電磁弁、即ち、低圧側電磁弁（３
２）は、前記圧縮機（４１）の吸入側に接続する低圧サ
ージタンク（４３）と、低圧ガス管（４６）を介して接
続し、そして、前記各電磁弁（３１）（３２）間を接続
通路（３３）で接続し、この接続通路（３３）に前記高
低圧配管（５）を接続して構成したものである。

以上の構成において、前記電磁弁（３１）（３２）は、
オン・オフ弁でもよいが、電流に比例して弁開度を制御
できる比例制御弁やその他の流皿制御弁を用いてもよい
。

また、前記各電磁弁（３１）（３２）の開閉制御は、前
記膨張機の本体ハウジング（１１）内に前記ディスプレ
ーサ（１３）の位置を検出する位置検出器（７）を設け
、この位置検出器（７）からの信号で出力するコントロ
ーラ（８）とにより行なうのである。

尚、第２図に示した位置検出器（７）は、前記ディスプ
レーサ（１３）に指示杆（１３ｂ）を設けて、この指示
杆（１３ｂ）を前記本体ハウジング（１）に突出させ、
その先端に反射板（１３Ｃ）を設けると共に、前記本体
ハウジング（１）に、前記コントローラ（８）に内蔵す
る発光素子及び受光素子に結合する光ファイバー（７ａ
）（７ｂ）を取付けて構成するもので、前記ディスプレ
ーサ（１３）が下端位置に至ると前記電磁弁（３１）に
開信号を出力すると共に、前記ディスプレーサ（１３）
の上動後前記シリンダ（１２）の上端位置より少し下の
位置に至ると前記電磁弁（３１）に閉信号を出力するの
である。そして、前記ディスプレーサ（１３）が上端位
置に至ると前記電磁弁（３２）に開信号を出力すると共
に、前記ディスプレーサ（１３）の下動後前記ンリンダ
（１２）の下端から少し上方位置に至ると前記電磁弁（
３２）に閉信号を出力する如く成すのである。

また、第１図において、前記中間圧サージタンク（４４
）は、前記高低圧配管（５）に電磁弁（４７）を介して
接続しており、前記電磁弁（４７）の開閉操作で、前記
中間圧サージタンク（４４）には一定の中間圧が保持さ
れる。

次に以上の如く構成する膨張機の作動について説明する
。

作動の説明に際し、前記ディスプレーサ（１３）及びス
ラックピストン（１５）が第２図に示したように最下部
に位置している状態から運転が始まるものとし、また、
前記膨張機本体（１）のサージボリウム（２１）には中
間圧配管（６）を介して前記中間圧サージタンク（４４
）から中間圧に保持されるガスが供給され、中間圧に保
持されているものとする。

この状態で運転を開始すると、先ず前記電磁弁（３１）
が開き、高圧ガスが前記高低圧配管（５）から膨張機本
体（１）の通路（２０）に導入される。

前記高圧ガスの導入に伴なう圧力上昇によりスラソクピ
ストン（１５）の上下間に圧力差が生ずると、先ず前記
スラックピストン（１５）が上動する。そして、前記デ
ィスプレーサ（１３）に対し、所定ストローク上動する
と、前記ディスプレーサ（１３）と係合し、該ディスプ
レーサ（１３）が前記ピストン（１５）と連動して上動
するのである。

前記ディスプレーサ（１３）の上動に伴ない前記位置検
出器（７）で検出する前記ディスプレーサ（１３）の位
置信号が前記コントローラ（８）に伝送されるのであっ
て、前記ディスプレーサ（１３）が上端の停止位置に対
し少し上方位置に至ると前記電磁弁（３１）を閉じるの
である。

この電磁弁（３１）の閉鎖後、前記電磁弁（３２）の開
放までの間、前記膨張空間（２４）の圧力は断熱膨張に
より低下し、スラックピストン（１５）及びディスプレ
ーサ（１３）の上動速度は低下し緩速で上端に至るので
ある。

また、前記電磁弁（３１）の閉動作は、ディスプレーサ
（１３）の動きを検出し、その動きと同期して行なえる
ので、前記切換弁装置（３）が圧縮ユニット（４）に組
込まれ、高低圧配管（５）で連結される構造としながら
、換言すると、電磁弁（３１）’（３２）の切換え時期
とディスプレーサ（１３）への高圧ガスの導入及び低圧
ガスの排出時期とがずれても、そのタイミングを合わせ
ることができるのである。

従って、前記膨張空間（２４）における圧力と容積との
比を一定にでき所望の冷凍能力が得られ、高圧ガスの導
入と低圧ガスの排出との切換りイミノジのずれによる前
記圧力と容積との比が減少、つまり、圧力（Ｐ）と容積
（Ｖ）との関係を表わす第３図に示したＰ−Ｖ線図の面
積が減少することを防止できるのである。

尚、前記電磁弁（３１）の開動作で導入される高圧ガス
は、前記ディスプレーサ（１３）の蓄冷器（２Ｂ　）で
冷却されて膨張空間（２４）に流入するのであり、前記
高圧ガスの導入により前記ディスプレーサ（１３）は上
動を続けるのである。

斯くの如（上動して前記ディスプレーサ（１３）が上端
に達すると、その位置信号をもとに前記電磁弁（３２）
が開くのである。

この電磁弁（３２）の開動作により前記膨張機（１）で
膨張したガスが前記通路（２０）及び高低圧配管（５）
を介して排出され、この排出に伴ない前記膨張機（１）
の圧力は低下するのである。

また、この圧力低下により前記ステックピストン（１５
）の上下間に圧力差が生ずると、先ずステックピストン
（１５）が下動するのであり、このステックピストン（
１５）の所定ストロークの下動後は該ステックピストン
（１５）の下動により前記ディスプレーサ（１３）を押
し下げるのである。

そして、このディスプレーサ（１３）の下動に伴ない位
置検出器（７）で検出するディスプレーサ（１３）の位
置信号が前記コントローラ（８）に伝送され、下端の停
止位置に対し少し上方位置に至ると前記電磁弁（３２）
を閉じるのである。

即ち、前記膨張空間（２４）から流出するガスは、膨張
して前記蓄冷器（２６）を冷却し、ガス自身は常温とな
って前記高低圧配管（５）へ排出されるのであｐ−この
排出により前記ディスプレーサ（１３）は下動を続ける
のである。そして、前記ディスプレーサ（１３）が下端
より少し上方に至ると前記電磁弁（３２）が閉じるので
あって、以後前記膨張空間（２４）の圧力は断熱圧縮に
より上昇し、前記ステックピストン（１５）及びディス
プレーサ（１３）の下動速度は低下し、下端位置に至る
のであり、以後以上のサイクルが繰返される。

しかして、以上のサイクルにおいて、前記電磁弁（３１
）（３２）の開閉は、位置検出器（７）で検出するディ
スプレーサ（１３）からの位置信号をもとに行なうので
あるから、切換弁装置（３）を膨張機（１）と離反した
圧縮ユニット（４）に設けても前記高圧ガスの導入と低
圧ガスの排出との切換タイミングは前記ディスプレーサ
（１３）の運動に同期させられるのであり、タイミング
のずれによるディスプレーサ（１３）の？Ｒ′突は確実
に防止でき、衝突による振動発生を解消できるし、また
、切換弁装置（３）の切換動作をモータで行なう場合で
もその電磁場の膨張機（１）におけるヒートステーシロ
ン（２５）での影響をなくすることができるのである。

また、前記切換弁装置（３）が膨張機（１）に対し離れ
た位置に配設されていて、ディスプレーサ（１３）の位
置検出に基づいて切換動作させるから、前記切換弁装置
（３）と膨張機（１）との間に距離があることによる切
換タイミングのずれが生ずることもないのであって、所
望の冷凍能力が得られるのである。

又、以上説明した実施例において、前記電磁弁（３１）
（３２）により流量制御を行なう如く成すことにより更
にディスプレーサ（１３）（７）ａｔ動を、その位置に
対応して細かく制御できるし、また、高圧ガスの導入と
低圧ガスの排出との切換時、その導入量及び排出量を小
流ｍに制御し、前記膨張機（１）の内部圧力の変動を徐
々に行なうようにすることにより、圧力変動による振動
は最小限に低減できるのである。

（発明の効果） 本発明は、圧縮機（４１）を備えた圧縮機ユニット（４
）と膨張機（１）とから成る極低温冷凍機において、前
記膨張機（１）に高圧ガスの供給と低圧ガスの排出との
切換えを行なう切換弁装置（３）を前記圧縮機ユニット
（４）に設けると共に、前記膨張機（１）に、該膨張機
（１）におけるディスプレーサ（１３）の位置を検出す
る位置検出器（７）を設け、この位置検出器（７）から
の出力により前記切換弁装置を動作させるコントローラ
（８）を設けたことを特徴とするものであるから、前記
ディスプレーサ（１３）を気体駆動により往復動させら
れると共に、切換弁装置（３）の動作をモータにより行
なっても、また、電磁弁を用いても電磁場による影響を
なくし得るのであり、その上、前記切換弁装置（３）の
動作は、前記ディスプレーサ（１３）の位置信号をもと
に行なうから、前記ディスプレーサ（１３）の運動に同
期させることができ、ディスプレーサ（１３）の位置と
切換動作とのタイミングがずれて上端又は下端で衝突す
る従来の間ぶも解消できるのである。

しかも、前記切換弁装置（３）が膨張機（１）に対し離
れていても、ディスプレーサ（１３）の位置情報をもと
に切換動作するものであるから、高圧ガスの導入と低圧
ガスの排出とを、前記ディスプレーサ（１３）の位置に
対し遅れなく行なえるのであって、切換タイミングのず
れによる冷凍能力の低下もないのである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す概略図、第２図は膨張
機本体の一実施例を示す断面図、第３図は冷凍サイクル
における圧力対容積の比を示すダイヤグラム、第４図は
従来例を示す概略図である。 （１）・・・・・・膨張機 （３）・・・・・・切換弁装置 （４）・・・・・・圧縮ユニット （７）・・・・・・位置検出器 （８）・・・・・・コントローラ （１３）・・・・・・ディスプレーサ （４１）・・・・・・圧縮機

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 圧縮機（４１）を備えた圧縮機ユニット（４）と膨張機
   （１）とから成る極低温冷凍機において、前記膨張機（
   １）に高圧ガスの供給と低圧ガスの排出との切換えを行
   なう切換弁装置（３）を前記圧縮機ユニット（４）に設
   けると共に、前記膨張機（１）に、該膨張機（１）にお
   けるディスプレーサ（１３）の位置を検出する位置検出
   器（７）を設け、この位置検出器（７）からの出力によ
   り前記切換弁装置を動作させるコントローラ（８）を設
   けたことを特徴とする極低温冷凍機。