JP4197341B2 - 蓄冷器式冷凍機 - Google Patents

Description

本発明は蓄冷器式冷凍機に係わり、特にロータリバルブを用いてシリンダへの作動流体の供給及びシリンダからの作動流体の排出を切り換える方式の蓄冷器式冷凍機に関する。

極低温を発生する冷凍機としてギフォード・マクマホン（ＧＭ）冷凍機が知られている。ＧＭ冷凍機は、シリンダ内を往復動するディスプレーサによる空間の体積変化を利用してギフォード・マクマホン冷凍サイクルに基づいて冷却効果を得る冷凍機である。

ＧＭ冷凍機では、高圧の冷媒ガス（ヘリウムガス等）をシリンダに供給し、これを断熱膨張させて低温とする。膨張して極低温となった冷媒ガスは、周囲から熱を吸収するとともに、蓄冷材と熱交換して室温まで昇温された後、シリンダから排気される。これによりシリンダ内は極低温に維持される。シリンダから排出された冷媒ガスは圧縮機に送られ圧縮され、高圧の冷媒ガスとなる。この高圧の冷媒ガスは再びＧＭ冷凍機のシリンダに供給される。

高圧の冷媒ガスをシリンダに供給し、シリンダ内で低圧となった冷媒ガスをシリンダから排出するために、シリンダ内のディスプレーサの往復動に同期して冷媒ガスの給気・排気を切り換える切り換えバルブが用いられる。ＧＭ冷凍機では、一般的に、切り換えバルブとして、スプールバルブ、ポペットバルブ、ロータリバルブ等が用いられる。

ロータリバルブは円筒状の回転体であるバルブプレートをバルブ本体に押し付けながら回転させ、バルブプレートの回転に伴って、バルブ本体に形成されてシリンダに接続された通路を、給気側通路と排気側通路とに切り換える機構である。通常、バルブプレートの一回転で、給気と排気が一回切り換わる。

従来のＧＭ冷凍機では、バルブ本体の片面側から高圧の冷媒ガスを供給し、バルブ本体の反対側の摺動面に接触しながら回転するバルブプレートにより切り換えを行う構成となっている（例えば、特許文献１参照）。バルブプレートはバルブ本体と面接触してバルブプレートに形成された冷媒ガス通路をシールしながら回転する必要があるため、バルブ本体とバルブプレートとを互いに押し付けておく必要がある。面接触するバルブプレートの摺動面とバルブ本体の摺動面は平面度の高い面であり、バルブ本体の摺動面とバルブプレートの摺動面とを互いに押し付けることでバルブプレートに形成された冷媒ガス通路が気密に保持されるように構成されている。

従来のＧＭ冷凍機では、バルブプレートにバルブ本体を押し付けるために、給気する冷媒ガスの圧力を利用している。すなわち、バルブ本体の摺動面の反対側から高圧の冷媒ガスを導入する際に、冷媒ガスの圧力がバルブ本体の摺動面とは反対側の面に作用するように構成されており、バルブ本体の摺動面とは反対側の圧力とバルブ本体の摺動面側の排気する冷媒ガスの圧力との圧力差でバルブ本体をバルブプレートに押し付ける構成となっている。
特開２００１−２８０７２８号公報

上述のように給気される冷媒ガスの圧力をロータリバルブ（すなわち、バルブ本体）の押圧力として利用した場合、バルブ本体の押圧力は給気する冷媒ガス及び排気する冷媒ガスの圧力に依存することとなる。したがって、冷媒ガスの圧力が変動するとロータリバルブでの押圧力も変化してしまう。

給気する冷媒ガス及び排気する冷媒ガスの圧力差が小さい場合は、押圧力も小さくなり、摺動面で気密性が低くなって冷媒ガスが摺動面の間から漏れるおそれがある。一方、給気する冷媒ガスの圧力が高いと、押圧力も高くなり、摺動面における摩擦力が過大となるおそれがある。

冷媒ガスの圧力が高く、摺動面における摩擦力が過大となった状態でロータリバルブが作動すると、バルブ本体とバルブプレートの摺動面の磨耗が激しくなる。このような状態で連続して運転していると、ロータリバルブの寿命が短くなり、ロータリバルブを早期に交換しなければならないといった問題が生じる。また、バルブ本体とバルブプレートとの過度の摩擦により生じた磨耗粉がシリンダ内に入り込み、シリンダの作動不良を起こす要因となるという問題もある。

さらに、摺動面における摩擦力が大きいと、バルブプレートを回転させるためのモータに脱調が生じ、バルブプレートを正常に回転させることができなくなるといった問題もある。

また、バルブ本体の押圧力が大きいと、バルブプレートをそれだけの押圧力に耐えるように支持しなければならない。バルブプレートは回転する部材であるため、ボールベアリングにより回転可能に支持されている。したがって、バルブ本体の押圧力が大きいとボールベアリングに加わるスラスト荷重も増大し、その結果ボールベアリングの寿命が短くなるといった問題もある。

本発明は上述の問題に鑑みなされたものであり、バルブ本体をバルブプレートに押し付けて密着させるための押圧力を適度に調整することのできるロータリバルブを有する蓄冷器式冷凍機を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するために、本発明によれば、作動流体を圧縮する圧縮機と、圧縮された該作動流体が供給されるシリンダと、前記圧縮機と該シリンダとの間に設けられ、該作動流体の流路を、該作動流体を前記シリンダに供給するガス供給路と、該作動流体を前記シリンダから排出して前記圧縮機に導くガス排出路とのいずれかに切り換えるロータリバルブと、該ロータリバルブのバルブ本体を押圧して、該バルブ本体の摺動面を該ロータリバルブのバルブプレートの摺動面に密着させるためのバネと、前記バルブ本体の前記摺動面の反対側に形成された第１の空間と、前記バルブ本体の前記摺動面に繋がる第２の空間とを連通するバイパス通路とを有し、前記バネのばね荷重によってのみ前記バルブ本体に作用する押圧力を発生させ、冷媒ガスを供給するためのガス供給孔が形成されたガス供給部材が、前記バルブ本体の前記摺動面の反対側に設けられ、該ガス供給孔と前記バルブ本体のガス流路とが接続され、前記ガス供給部材と前記バルブ本体との間にシール部材が設けられて前記ガス供給孔及び前記ガス流路と前記第１の空間との間が気密にシールされることを特徴とする蓄冷器式冷凍機が提供される。

本発明による蓄冷器式冷凍機において、冷媒ガスを供給するためのガス供給孔が形成されたガス供給部材が、前記バルブ本体の前記摺動面の反対側に設けられ、該ガス供給孔と前記バルブ本体のガス流路とが接続され、前記ガス供給部材と前記バルブ本体との間にシール部材が設けられて前記ガス供給孔及び前記ガス流路と前記第１の空間との間が気密にシールされた場合、排気側の圧力である第２の空間と第１の空間がバイパス通路により連通されるため、第１の空間も排気側の圧力となる。

また、前記ガス供給部材は前記バルブ本体のガス流路内に延在する先端部を有し、前記シール部材は該先端部の外周面と前記バルブ本体の前記ガス流路の内周面との間に設けられることが好ましい。前記バイパス通路は、前記ロータリバルブを収容するハウジングに形成された細孔であることとしてもよい。

本発明によれば、ロータリバルブにおけるバルブ本体の押圧力をバネのばね荷重のみで発生させることで、常に一定の押圧力をバルブ本体に作用させることができ、バルブ本体とバルブプレートの摺動部分の気密性を維持しながらバルブ本体及びバルブプレートの磨耗を抑制することができ、ロータリバルブの寿命を長くすることができる。また、バルブプレートを回転させるための駆動力を低減することができる。さらに、バルブプレートを回転可能に支持するベアリングに加わるスラスト荷重を低減することができる。

次に、本発明の実施例による冷凍機について図面を参照しながら説明する。

図１は本発明の第１実施例によるギフォード・マクマホン（ＧＭ）型冷凍機の断面図である。本実施例によるＧＭ型冷凍機は、ガス圧縮機１とコールドヘッド２とを有する。コールドヘッド２は、ハウジング部２３とシリンダ部１０とを有する。ガス圧縮機１は、吸気口１ａから冷媒ガスを吸い込み、圧縮して、吐出口１ｂから高圧の冷媒ガスとして吐出する。作動流体である冷媒ガスとして、通常はヘリウムガスが使用される。

シリンダ部１０は、第１段目シリンダ１０ａと第２段目シリンダ１０ｂとの２段構成であり、第２段目シリンダ１０ｂは、第１段目シリンダ１０ａよりも細い。シリンダ１０ａ及び１０ｂ内に、それぞれディスプレーサ３ａ及び３ｂが、シリンダの軸方向に往復運動可能に挿入されている。ディスプレーサ３ａ及び３ｂは、相互に連結されている。ディスプレーサ３ａ及び３ｂ内には、それぞれ蓄冷材４及び５が充填されたガス流路が形成されている。

第１段目シリンダ１０ａ内の、第２段目シリンダ１０ｂ側の端部に、第１段目膨張室１１が形成され、他方の端部に上部室１３が形成されている。第２段目シリンダ１０ｂの、第１段目シリンダ１０ａ側とは反対側の端部に第２段目膨張室１２が形成されている。

上部室１３と第１段目膨張室１１とは、ガス流路Ｌ１、蓄冷材４が充填されているガス流路、及びガス流路Ｌ２を介して接続されている。第１段目膨張室１１と第２段目膨張室１２とは、ガス流路Ｌ３、蓄冷材５が充填されているガス流路、及びガス流路Ｌ４を介して接続されている。第１段目シリンダ１０ａの外周面のうち、第１段目膨張室１１に対応する位置に、冷却ステージ６が取り付けられている。また、第２段目シリンダ１０ｂの外周面のうち、第２段目膨張室１２に対応する位置に、冷却ステージ７が取り付けられている。

第１段目ディスプレーサ３ａの外周面のうち、上部室１３側の端部近傍にシール機構５０が配置されている。シール機構５０によりディスプレーサ３ａの外周面とシリンダ１０ａの内周面との間のクリアランスをシールしている。

スコッチヨーク２２が、第１段目ディスプレーサ３ａに連結され、シリンダ１０ａの外に延在している。スコッチヨーク２２は、ハウジング２３に固定された摺動軸受１７ａ及び１７ｂにより、ディスプレーサ３ａ，３ｂの軸方向に移動可能に支持されている。摺動軸受１７ｂにおいては、摺動部の気密性が保たれており、ハウジング２３内の空間と上部室１３とが隔離されている。モータ１５の回転運動が、クランク１４及びスコッチヨーク２２を介してディスプレーサ３ａに伝達され、ディスプレーサ３ａ，３ｂが往復駆動される。

ディスプレーサ３ａ，３ｂが上部室１３側へ移動する時には、上部室１３の容積が減少し、第１段目及び第２段目の膨張室１１及び１２の容積が増加する。ディスプレーサ３ａ，３ｂが反対向きに移動する時には、容積の増減が逆転する。上部室１３、膨張室１１及び１２の容積の変動に伴い、冷媒ガスがガス流路Ｌ１〜Ｌ４を通って移動する。このとき、冷媒ガスと、蓄冷材４及び５との間で熱交換が行われる。

冷媒ガスの流路において、圧縮機１の吸気口１ａ及び吐出口１ｂと上部室１３との間にロータリバルブＲＶが配置されている。ロータリバルブＲＶは、ガス圧縮機１の吐出口１ｂから吐出された冷媒ガスを上部室１３内に導き、また、上部室１３内の冷媒ガスをガス圧縮機１の吸気口１ａに導くために、冷媒ガスの流路を切り換える。

ロータリバルブＲＶは、バルブ本体８及びバルブプレート９を有する。バルブプレート９は、例えばアルミニウム合金で形成され、バルブ本体８は、例えば四フッ化エチレン（例えば、ＮＴＮ社製のベアリーＦＬ３０００）で形成されている。バルブ本体８及びバルブプレート９は平坦な摺動面を有し、この平坦な摺動面同士が面接触している。両者の摺動面の少なくとも一方に、摩擦を低減して耐磨耗性を向上させるために、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）等の硬質材からなる薄膜が形成されることが好ましい。

バルブプレート９は、回転軸受１６により、ハウジング２３内に回転可能に支持されている。スコッチヨーク２２を駆動するクランク１４の偏心ピン１４ａが回転軸を中心として公転することにより、バルブプレート９が回転する。バルブ本体８は、ピン１９により回転しないように固定されているが、バルブプレート９に向かう方向に関しては固定されていない。バルブ本体８の後側には弾性部材としてコイルバネ２０が、ガス供給部材２５との間で圧縮された状態で配置されている。したがって、バルブ本体８は、コイルバネ２０の押圧力により、バルブプレート９に対して押圧される。これにより、バルブ本体８の摺動面がバルブプレート９の摺動面に対して、適切な面圧が加えられた状態で面接触する。ガス供給部材２５に形成されたガス供給孔２５ａはバルブ本体８のガス流路８ｂに連通しており、ガス供給孔２５ａからバルブ本体８に冷媒ガスが供給される。

なお、バルブプレート９はハウジング２３の突起部により押圧力を支持されている。また、組立の際は、図示はしないが、ハウジング２３が高圧ガス供給側から分割され、バルブプレートが挿入される構造となっている。

本実施例では、バルブ本体８のバルブプレート９に対する押圧力を発生させるための押圧力発生手段としてコイルバネ２０が設けられている。この押圧力発生手段としては、コイルバネ２０が好適であるが、コイル状に巻かれたバネではないバネや、圧縮されて弾性力を発生する部材であれば、ゴムやプラスチック等の弾性部材を用いることもできる。

図２は、ロータリバルブＲＶの分解斜視図である。円柱状のバルブ本体８の平坦な摺動面８ａとバルブプレート９の平坦な摺動面９ａとが面接触する。ガス供給路となるガス流路８ｂが、バルブ本体８の中心軸に沿ってバルブ本体８を貫通している。すなわち、ガス流路８ｂの一端が、摺動面８ａに開口している。ガス流路８ｂの他端は、図１に示したガス圧縮機１の吐出口１ｂに接続されている。圧縮機１の吐出口１ｂからバルブ本体８のガス流路８ｂまでがガス供給路に相当する。

バルブ本体８の摺動面８ａに、バルブ本体８の中心軸を中心とした円弧に沿った溝８ｃが形成されている。バルブ本体８の内部に形成されたガス流路８ｄの一端が、溝８ｃの底面に開口している。ガス流路８ｄの他端は、バルブ本体８の外周面に開口し、さらに図１に示すハウジング２３に形成されたガス流路２１を経由して上部室１３に連通している。

バルブプレート９の摺動面９ａに、その中心から半径方向に伸びる溝９ｄが形成されている。バルブプレート９が回転し、溝９ｄの外周側の端部が溝８ｃに部分的に重なった時、ガス流路８ｂとガス流路８ｄとが、溝９ｄを介して連通する。

回転軸に平行なガス流路９ｂが、バルブプレート９を貫通して延在している。ガス流路９ｂは、摺動面９ａ内の半径方向に関して、バルブ本体８の摺動面８ａに形成された溝８ｃとほぼ同じ位置に開口している。バルブプレート９が回転し、ガス流路９ｂの開口部が溝８ｃに部分的に重なった時、ガス流路８ｄとガス流路９ｂとが連通する。ガス流路９ｂの他端は、図１に示したハウジング２３内の空洞を介してガス圧縮機１の吸気口１ａに連通している。バルブプレート９のガス流路から圧縮機１の吸気口１ａまでがガス排出路に相当する。

ガス流路８ｂとガス流路８ｄとが、溝８ｃを介して連通している時、圧縮機１から上部室１３内に冷媒ガスが送り込まれる。ガス流路８ｄとガス流路９ｂとが連通しているとき、上部室１３内の冷媒ガスがガス圧縮機１に回収される。従って、バルブプレート９を回転させると、上部室１３への冷媒ガスの導入（給気）と、上部室１３からの冷媒ガスの回収（排気）が繰り返される。冷媒ガスの導入及び回収の繰り返しと、ディスプレーサ３ａ及び３ｂの往復駆動とは、共にクランク１４の回転に同期する。冷媒ガスの導入と回収の繰り返しの位相と、ディスプレーサ３ａ及び３ｂの往復駆動の位相とを適当に調節すると、膨張室１１及び１２内で冷媒ガスが極低温となり吸熱作用が生じる。

図３は、第２段目ディスプレーサ３ｂの断面図である。上下端が開放された筒状部材３０の下端に蓋部材３１が挿入され、接着されている。筒状部材３０及び蓋部材３１は、布入りフェノールで形成されている。蓋部材３１の上に金網３２が配置され、その上にフェルト栓３３が配置されている。

フェルト栓３３の上には、たとえば小さな鉛球で形成された蓄冷材５が充填されている。なお、蓄冷材５として、磁性蓄冷材を用いてもよい。磁性蓄冷材を用いると冷凍能力を高めることができる。蓄冷材５の上にフェルト栓３４が配置され、フェルト栓３４の上にパンチングメタル３５が配置されている。パンチングメタル３５は、筒状部材３０の内面上部に円周に沿って設けられた段差により固定されている。筒状部材３０の上端には、図１に示す第１段目ディスプレーサ３ａと結合するための連結機構３６が取り付けられている。

筒状部材３０の側壁の、金網３２の高さの位置に、ガス流路を形成する開口３７が設けられている。筒状部材３０の開口３７よりも上の外周面には、開口３７の位置と上端とを結ぶ１本のらせん状の溝３８が形成されている。らせん溝３８は、シリンダ１０ｂの内面と協働してらせん状のガス流路を形成する。らせん溝３８は、例えば、幅約２ｍｍ、深さ約０．６ｍｍ、ピッチ約４ｍｍである。

開口３７よりも下の筒状部材３０の外径は、それよりも上の部分の外径よりもわずかに小さくされている。従って、開口３７よりも下の部分では、筒状部材３０と第２段目シリンダとの間に間隙が形成される。この間隙は、筒状部材３０の内部と図１に示す膨張空間１２とを結ぶガス流路を形成する。

シリンダ１０ｂの内周面とディスプレーサ３ｂの外周面との間に形成された間隙に冷媒ガスが流入すると、冷媒ガスはらせん溝３８に沿って流れる。このとき、筒状部材３０を介して冷媒ガスと蓄冷材５との間で熱交換が行われる。冷媒ガスが、らせん状の長い経路を辿って流れるため、十分な熱交換が行われる。

なお、第１段目ディスプレーサ３ａの内部にも、蓄冷材５と同様な蓄冷材４が充填され、冷媒ガスとの間で熱交換が行われる。

以上のような構成の蓄冷器式冷凍機において、本実施例ではロータリバルブＲＶに作用する押圧力を発生させるための押圧力発生手段が設けられている。本実施例では、この押圧力発生手段により発生した押圧力のみがロータリバルブＲＶに作用し、冷媒ガスの圧力に起因した押圧力は作用しない。本実施例による押圧力発生手段は発生する押圧力を容易に任意の強さに調整することができ、押圧力調整手段としても機能することもできる。

図４は図１に示すロータリバルブＲＶ及びその周囲を拡大して示す断面図である。

図４において、上述のようにバルブ本体８はコイルバネ２０によりバルブプレート９に対して押圧され、摺動面が密着しながらバルブプレート９が回転することで、冷媒ガスの給気・排気が切り換えられる。バルブ本体８の摺動面８ａの反対側には、ガス供給部材２５がハウジング２３に対して固定されており、バルブ本体８とガス供給部材２５の間に、コイルバネ２０が収容される第１の空間２６が形成されている。

ガス供給部材２５は、冷媒ガスを供給するためのガス供給孔２５ａを有しており、ガス供給孔２５ａからバルブ本体８のガス流路８ａに冷媒ガスが供給される。ガス供給部材２５の先端部２５ｂはバルブ本体のガス流路８ｂの中まで延在しており、この先端部２５ｂの外周とガス流路８ｂの内周面との間にＯリングなどのシール部材２８が設けられている。シール部材２８により、排気側の圧力（低圧）とされる第１の空間２６と、シリンダに供給される冷媒ガス（高圧）が通過するガス流路（ガス供給路２５ａ及びガス流路８ｂ）との間が気密にシールされる。シール部材をバルブ本体８とガス供給部材２５の対向する面の間に設けることとしてもよいが、バルブ本体８は軸方向に僅かに変位すること及びシール部材によりバルブ本体に押圧力を加えないこと等の理由により、先端部２５ｂの外周面とガス流路８ｂの内周面との間でシールすることが好ましい。

ガス供給部材２５のガス供給路２５ａに供給されたれ圧縮機１からの冷媒ガスは、バルブ本体８のガス流路８ｂからバルブプレート９内のガス流路を通り、ハウジング２３に形成されたガス流路２１を介して上部室１３に導入される。

本実施例では、コイルバネ２０を収容する第１の空間２６と、バルブ本体８の摺動面側に形成された第２の空間２７とが、ハウジング２３に形成された細孔よりなるバイパス通路２４により連通されている。したがって、バルブ本体８の摺動面側に形成された第２の空間２７内の冷媒ガスの圧力は、バイパス通路２４を介して第１の空間２６に伝達される。これにより、バルブ本体８の両側の第１及び第２の空間２６，２７は等しい圧力（排気側の圧力）となるので、冷媒ガスの圧力によりバルブ本体８が押圧されることはない。したがって、本実施例では、バルブ本体８をバルブプレート９に対して押圧するための押圧力は、コイルバネ２０によるばね荷重だけとなる。

なお、本実施例では、バイパス通路２４をハウジング２３に形成して第１及び第２の空間２６，２７を同圧にしているが、バルブ本体８の高圧ガス供給側から（すなわち、第１の空間２６に面した部分から）軸方向に孔を形成し、バルブプレート９に至る直前でバルブ本体８の側面に径方向の孔を形成して第２の空間２７に連通させ、第１及び第２の空間を同圧にしてもよい。

従来はバイパス通路２４がなく、冷媒ガスが供給される空間（第１の空間２６に相当する）での圧力によりバルブ本体８が押圧される構成であったが、本実施例では、バイパス通路２４により排気側の冷媒ガスの圧力をバルブ本体８の後ろ側の第１の空間２６に導くことで、バルブ本体８が冷媒ガスの圧力により押圧されないように構成している。これにより、冷媒ガスの圧力の変動によりバルブ本体８の押圧力が変化することなく、コイルバネ２０により常に一定の適切な押圧力をバルブ本体８に作用させることができる。

バルブ本体８に作用させる押圧力、すなわち、バルブ本体８の摺動面８ａをバルブプレート９の摺動面９ａに対して押圧する押圧力は、摺動面８ａ及び９ａの間から冷媒ガスが漏れない程度の押圧力であればよい。押圧力が過大であると摺動面８ａ及び９ａの磨耗が大きくなり、ロータリバルブＲＶの寿命が短くなってしまう。本実施例では、例えばコイルバネ２０の自由長さを調節したり、コイルバネ２０の圧縮長を調節したり、コイルバネ２０のバネ定数を調節することで、バルブ本体８に作用する押圧力を調整することができる。したがって、摺動面８ａ及び９ａの間から漏れのない程度であり、且つ摺動面８ａ及び９ａの磨耗が少ない程度の押圧力に容易に調整することができる。

本発明者は、上述のロータリバルブＲＶを用いた蓄冷器式冷凍機において、バルブ本体８を押圧するコイルスバネ２０のばね荷重（すなわち、コイルバネ２０の押圧力）を変化させて、蓄冷器式冷凍機により得られる冷凍能力を求めた。図５はその結果を示すグラフである。図５に示す例では、コイルバネ２０のばね荷重を２．２ｋｇｆ、１９．０ｋｇｆ、３５．０ｋｇｆの３段階に設定し、蓄冷器式凍機を運転して得られる冷凍能力を測定した。図５からわかるように、ばね荷重を２．２ｋｇｆに設定したときが冷凍能力は一番少なく、冷媒ガスがロータリバルブＲＶから漏れているものと推定された。ばね荷重を１９．０ｋｇｆに設定すると、５０ｋ〜７０ｋの冷凍能力は、ばね荷重が２．２ｋｇｆの時に比べて２〜１．５倍に増加した。ロータリバルブＲＶからの冷媒ガスの漏れがかなり減少したものと推定された。そこで、ばね荷重を３５．０ｋｇｆに設定したところ、ばね荷重が１９．０ｋｇｆの場合よりは冷凍能力は上昇したが、上昇の程度は１．２倍程度であった。これにより、ばね荷重が３５．０ｋｇｆであれば、ロータリバルブからの冷媒ガスの漏れはほとんどなくなったものと推定された。

そこで、ばね荷重ではなく従来のように冷媒ガスの圧力をバルブ本体８に作用させた場合の冷凍能力と、冷媒ガスの圧力はかけずに３５．０ｋｇｆのばね荷重のみをバルブ本体に作用させた場合の冷凍能力を測定した。図６はその冷凍能力の測定結果を示すグラフである。図６からわかるように、従来のように冷媒ガスの圧力をバルブ本体に作用させた場合（ガス圧気密、荷重約１５０ｋｇｆ）の冷凍能力と、冷媒ガスの圧力はかけずに３５．０ｋｇｆのばね荷重のみをバルブ本体に作用させた場合（ばね力気密）の冷凍能力とは、ほぼ一致しており、３５．０ｋｇｆのばね荷重をバルブ本体に作用させれば従来と同等の気密性を維持できることがわかった。

以上のように、本実施例における押圧力発生手段は、第１及び第２の空間２６，２７の圧力を等しくするためのバイパス通路２４を設け、バルブ本体８を押圧するコイルバネ２０のばね荷重を調節することにより達成されるものであり、従来のように冷媒ガスの圧力によりバルブ本体８を押圧する場合に比べて、ロータリバルブＲＶの寿命を長くすることができる。また、摺動面８ａ及び９ａの磨耗が抑制されるので、磨耗粉の冷媒ガスへの混入に起因した不具合を防止することができる。

また、摺動面８ａ及び９ａの摩擦力が低減されるので、バルブプレート９を回転駆動するためのモータ１５に加わるトルクが減少する。したがって、モータ１５に過大なトルクが加わることがなく、モータ１５を常に正常に駆動することができる。また、モータ１５をより小さなモータ（出力トルクの小さなモータ）にすることができる。

さらに、バルブ本体８の押圧力を低減することができるため、バルブプレート９に加わる押圧力も低減することができる。したがって、バルブプレート９を回転可能に支持するボールベアリング等よりなる回転軸受１６へのスラスト荷重を低減することができ、これにより、回転軸受１６の寿命を長くすることができる。

また、冷媒ガスの排気側の圧力が給気側の圧力より大きくなった場合であっても、従来のようにバルブ本体８に逆方向の押圧力が作用してバルブ本体８がバルブプレート９から離れてしまうといったことはない。バルブプレート９とバルブ本体８の両方は、バイパス通路２４により繋がれて常に排気側の圧力となった空間内に配置されており、冷媒ガスの圧力差に起因したバルブ本体８に作用する押圧力は発生しないためである。

なお、上述の実施例は、２段式のギフォード・マクマホン（ＧＭ）型冷凍機に本発明を適用した例であるが、本発明は、２段式に限らず、１段式あるいは多段式のＧＭ冷凍機にも適用することができる。

本発明の第１実施例によるギフォード・マクマホン型冷凍機の断面図である。 図１に示すロータリバルブの分解斜視図である。 図１に示す第２段目ディスプレーサ３ｂの断面図である。 図１に示すロータリバルブ及びその周囲を拡大して示す断面図である。 ばね荷重を変化させたときの冷凍能力の変化を示すグラフである。 冷媒ガス圧力による押圧で得られた冷凍能力と、ばね荷重のみによる押圧で得られた冷凍能力を示すグラフである。

符号の説明

１ ガス圧縮機
３ａ、３ｂ ディスプレーサ
４，５ 蓄冷材
６，７ 冷却ステージ
８ バルブ本体
９ バルブプレート
８ａ，９ａ 摺動面
１０ シリンダ部
１０ａ、１０ｂ シリンダ
１１、１２ 膨張室
１３ 上部室
１４ クランク
１５ モータ
１６ 回転軸受
１７ａ、１７ｂ 摺動軸受
１９ ピン
２０ コイルバネ
２１ ガス流路
２２ スコッチヨーク
２３ ハウジング
２４ バイパス通路
２５ ガス供給部材
２６ 第１の空間
２７ 第２の空間
２８，２９ シール部材
３０ 円筒状部材
３１ 蓋部材
３２、３５ 金網
３３、３４ フェルト栓
３６ 連結機構
３８ らせん溝
５０ シール機構

Claims (3)

1. 作動流体を圧縮する圧縮機と、
   圧縮された該作動流体が供給されるシリンダと、
   前記圧縮機と該シリンダとの間に設けられ、該作動流体の流路を、該作動流体を前記シリンダに供給するガス供給路と、該作動流体を前記シリンダから排出して前記圧縮機に導くガス排出路とのいずれかに切り換えるロータリバルブと、
   該ロータリバルブのバルブ本体を押圧して、該バルブ本体の摺動面を該ロータリバルブのバルブプレートの摺動面に密着させるためのバネと、
   前記バルブ本体の前記摺動面の反対側に形成された第１の空間と、前記バルブ本体の前記摺動面に繋がる第２の空間とを連通するバイパス通路と
   を有し、
   前記バネのばね荷重によってのみ前記バルブ本体に作用する押圧力を発生させ、
   冷媒ガスを供給するためのガス供給孔が形成されたガス供給部材が、前記バルブ本体の前記摺動面の反対側に設けられ、該ガス供給孔と前記バルブ本体のガス流路とが接続され、前記ガス供給部材と前記バルブ本体との間にシール部材が設けられて前記ガス供給孔及び前記ガス流路と前記第１の空間との間が気密にシールされることを特徴とする蓄冷器式冷凍機。
2. 請求項１記載の蓄冷器式冷凍機であって、
   前記ガス供給部材は前記バルブ本体のガス流路内に延在する先端部を有し、前記シール部材は該先端部の外周面と前記バルブ本体の前記ガス流路の内周面との間に設けられることを特徴とする蓄冷器式冷凍機。
3. 請求項１記載の蓄冷器式冷凍機であって、
   前記バイパス通路は、前記ロータリバルブを収容するハウジングに形成された細孔であることを特徴とする蓄冷器式冷凍機。

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