JPS6361582B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、冷凍装置、さらに詳しくは圧縮機、
膨張機、蓄冷器および切替弁によつて構成される
ガスサイクル冷凍装置に関するものである。

ガスサイクル冷凍装置は、圧縮機により圧縮さ
れたヘリウム等の高圧ガスを切替弁を介して膨張
機に導びき、ここで高圧ガスを膨張させて超低温
を得、これを蓄冷器に蓄え被冷却物を冷却した
後、再度切替弁を介して圧縮機に戻すサイクルを
繰り返すようになつている。この場合において膨
張機の駆動機構としては、シリンダ内に嵌装した
ピストン状のデイスプレーサを、ニユーマチツク
機構またはクランク機構によつて往復駆動させる
のが普通である。

一般にデイスプレーサの両端に形成される可動
空間は蓄冷器を介して接続され、一方の空間が低
温となり、他方が高温（一般にはほぼ室温）とな
る。蓄冷器の高温側には切替弁が接続されてい
る。このようなガスサイクル冷凍機において、圧
縮機からの高圧ガスが切替弁を通じて膨張機に供
給されると、デイスプレーサの両端の圧力が上昇
するが、このとき蓄冷器に圧力損失があるため、
低温側の圧力上昇が高温側のそれに比べて遅くな
る。したがつてデイスプレーサには、図の位置に
おいて下向きの力が作用する。一方、この高圧ガ
ス供給行程においては、デイスプレーサは上向き
に移動させなければならない。また、膨張機から
作業ガスを圧縮機へ戻す行程においても、全く同
様のことが言える。このためデイスプレーサを駆
動するのに、大きな力を必要とする問題が生ず
る。

本発明はこの問題を解決した冷凍装置を提供す
ることを目的とする。本発明はこのため、膨張機
を構成するシリンダの上部空間に、圧縮機からの
高圧ガスを流路抵抗を介して一定のタイミングで
流入、流出せしめる構成としたものである。ま
た、前記一定のタイミングとしては、高圧ガスの
流入、流出タイミングを、膨張機のデイスプレー
サの上死点附近において流路抵抗が大きくなるよ
うに設定したものである。

本発明の一実施例を第１図について説明する
と、１は膨張機であつて、シリンダ２にピストン
状のデイスプレーサ３が摺動自在に嵌装している
ものである。デイスプレーサ３の外周にはシール
リング４，５，６が嵌着されており、デイスプレ
ーサ３とシリンダ２との間の気密性を保つように
なつている。デイスプレーサ３の上面は、図示す
るように小径部７と大径部８の２段構造になつて
おり、このうちの小径部７の部分で、ニユーマチ
ツク機構９のガス圧を受けるようになつている。

１０は圧縮機である。この圧縮機１０には、そ
れぞれ切替バルブ１１，１２を途中に接続したパ
イプ１３，１４の一端が接続されている。パイプ
１３は吐出側のものであり、パイプ１４は戻り側
のものである。パイプ１３，１４の他端は一緒に
なり、他端を蓄冷器１５の高温側に接続したパイ
プ１６の一端に接続されている。パイプ１６から
は、パイプ１７，１８のいずれか１本が分岐して
いる。パイプ１７の先端は、シリンダ２の側壁に
穿設された孔１９に連通しており、デイスプレー
サ３に設けられた通路２０を介し、シリンダ２の
上室２１に連通するようになつている。通路２０
の途中には流路抵抗２２が設けられている。下室
２３はパイプ２４により、蓄冷器１５の低温側に
接続されている。シリンダ２の上部には孔２５が
設けられており、途中に流路抵抗２６が設けたパ
イプ１８が、ここに接続されている。本発明の膨
張機としては、符号１８，２６，２５で示す流
路、または符号１７，１９，２０，２２で示す流
路の少なくともいずれか一方を必要とする。

このように構成されたこの冷凍装置は、ニユー
マチツク機構９により、デイスプレーサ３をシリ
ンダ２の内部で往復させ、同時にバルブ１１，１
２を交互に開閉して使用することになる。たとえ
ばここで符号１７，１９，２０，２２で示す流路
を持つ膨張機について説明すると、まず、圧縮機
１０で所定圧力に圧縮されたヘリウム等のガス
が、開弁したバルブ１１、パイプ１３，１６を通
つて、一部のガスは蓄冷器１５を通つて通路２４
からシリンダ２の下室２３に入り、残りのガスは
パイプ１７を通つてシリンダ２内部のシールリン
グ５，６で囲まれた部分に入り、ここからデイス
プレーサ３の通路２０、流路抵抗２２を通つてシ
リンダ２の上室２１に入る。

ここで蓄冷器１５の圧力損失と流路抵抗２２に
よる圧力損失とがほぼ同一であれば、デイスプレ
ーサ３に作用するガス圧による駆動力は、大径部
８の大きさには依存せず、ニユーマチツク機構９
によつて小径部７にかかる圧力（一般には圧縮機
の吸入、吐出圧力の平均値に相当する中間圧力）
に作用される。したがつてデイスプレーサ３は上
向きに移動し、下室２３に高圧ガスが吸入され
る。

次にバルブ１１を閉じ、バルブ１２を開けば、
前記した圧縮ガス吸入行程とは逆向きに、圧縮ガ
スが膨張しながら吐出される。この膨張吐出行程
においても流路抵抗２２の存在により、大径部８
はデイスプレーサ３の駆動力として作用しないた
め、シリンダ内圧力が小径部７にかかる圧力より
低くなつた時点でデイスプレーサ３が下降を始め
る。

以上のようにバルブ１１，１２を交互に切替え
ることによつてデイスプレーサ３が往復動し、下
室２３に冷凍を発生させることができる。この作
用は、流路１７，１９，２０，２２の代りに、流
路１８，２６，２５を用いても同等の結果が得ら
れる。ここで仮に流路抵抗２２または２６が存在
しないとすると、蓄冷器１５の圧力損失が存在す
る限り、大径部８にかかる圧力は、バルブ１１，
１２の切替えの初期において、下室２３の圧力よ
りも圧縮工程においては高く、膨張行程において
は低くなる。このことは冷凍を発生させるための
デイスプレーサ３の移動の方向に対して反対方向
に移動しようとする力が生じていることになり、
その結果、デイスプレーサ３がシリンダ２に衝突
して大きな音および振動を発生し、冷凍機として
望ましくない形態を呈する。

さらに本発明の具体的な実施例として、デイス
プレーサ３の上死点附近で、前記流路抵抗の大き
さがデイスプレーサ３のシリンダ２に対する相対
的な位置の移動によつて大きくなるように構成す
ることが可能である。第２図はその具体例を示す
ものである。この場合、蓄冷器１５はデイスプレ
ーサ３の内部に形成され、前記流路抵抗２２は小
径部７の下部に設けた小孔によつて代えられる。
この図において第１図と同様の機能を有する部分
には、第１図と同様の符号を付したので、第１図
を参照されたい。

このようにすることの効果は、次のように説明
できる。すなわち、デイスプレーサ３の上死点位
置では、上室２１の大きさが最小となり、下室２
３が最大となつている。このとき切替バルブ１２
が開くことによつて、膨張機内のガスが吐出され
る。したがつて下室２３と上室２１内の圧力は時
間の経過とともに低下していくが、上室２１の容
積は下室２３の容積に比べて小さいため、圧力低
下速度が速くなる。

そこでデイスプレーサ３の上死点附近で前記流
路抵抗が特に大きくなるように、たとえば第２図
に示すように、流路抵抗２２が上死点付近でシリ
ンダ２と小径部７との間に形成される狭い隙間に
入り込んで、実質その抵抗が増大するような構造
とすることにより、この圧力低下速度を下室２３
のそれと同等にすることである。もし、このよう
な構造を用いずに上死点附近での圧力バランスが
平衡するように前記流路抵抗を大きくしてしまう
と、逆に下死点附近において下室２３、上室２１
の大きさが逆になるため、抵抗が大きすぎ、デイ
スプレーサ３の急激な向きの逆転効果が生じ、特
にデイスプレーサ３の慣性が大きい場合には振動
の原因となり、また効率のよい冷凍を発生させる
ための圧力、容積変化特性が劣下することにな
る。

第３図に示すものは、本発明の他の実施例であ
る。この場合にはデイスプレーサ３の往復運動
を、ニユーマチツク機構９によらず、クランク機
構２７によつて行なうようにしている。クランク
機構２７は、回転軸２８に取り付けられた回転板
２９、コネクテイングロツド３０、ピストンロツ
ド３１とから構成されている。その他においては
第１図のものと変らないが、デイスプレーサ３は
段付きのものにする必要がないので、孔２５また
は流路抵抗２２を介して上室２１に入つた高圧ガ
スは、デイスプレーサ３の全面に作用して、クラ
ンク機構２７の作動に協力することになる。な
お、一般に極低温度（たとえば20K）を発生させ
るためには、下室２３を同軸上で多分割し、多段
膨張機（たとえば２段膨張機）を構成させる必要
があるが、本発明はこのような多段膨張機にもそ
のまま適用することができる。第４図は下室２３
を三つに分割した例を示している。

なお、第１図および第２図に示すようなニユー
マチツク機構を用いた駆動方式の実施例において
は、デイスプレーサ３のストロークを決定させる
ために上、下死点の僅か手前でデイスプレーサ３
の位置をそれぞれ検知し、その信号によつて切替
バルブ１１，１２を切替えるようにすることによ
つて、本発明の効果がさらに上昇することにな
る。

本発明は上述のように構成したものであるか
ら、デイスプレーサの駆動を、従来に比して小さ
な力で行なえることになる利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の系統図、第２図は
第１図のものの変形例の断面図、第３図は本発明
の他の実施例の系統図、第４図は第３図のものの
変形例の要部断面図である。 １…膨張機、２…シリンダ、３…デイスプレー
サ、９…ニユーマチツク機構、１０…圧縮機、１
１，１２…バルブ、１３，１４，１６，１７，１
８，１９…パイプ、１５…蓄冷器、２１…上室、
２２，２６…流路抵抗、２３…下室、２５…孔、
２７…クランク機構。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 圧縮機、膨張機、蓄冷器および切替弁によつ
   て構成されるガスサイクル冷凍装置において、前
   記膨張機を構成するシリンダおよびデイスプレー
   サによつて形成される高温可動空間に、前記切替
   弁と蓄冷器とを接続する管路から該蓄冷器の圧力
   損失に匹敵する流路抵抗を有する管路を接続した
   ことを特徴とする冷凍装置。