JPH0213759A - ガスサイクル冷凍機 - 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） 本発明はギフオード・マクマホンサイクルやソルベーサ
イクルを利用したガスサイクル冷凍機に関する。

（従来の技術） 従来のギフオード・マクマホンサイクルを利用したガス
サイクル冷凍機の１例が第５図に示されている。

第５図において、■はヘリウムガスの圧縮機、２は第１
段ディスプレーサで、第１段シリンダ３内を往復動する
。４は第２段ディスプレーサで、第１段ディスプレーサ
２の下端に連結され、第２段シリンダ５内を往復動する
。６は第１段ディスプレーサ２の内部に配設された第１
段蓄冷器で、鋼製の金鋼を多数積重してなる。７は第２
段ディスプレーサ４の内部に配設された第２段蓄冷器で
、直径１貫１以下の鉛球を多数充填してなる。８はロー
タリーバルブで、ハウジング９によって限界された高圧
ガス室１０内に配置されたモータ１１によりモータ軸１
２を介して回転駆動され、分配器１３に穿設された通路
１４及び１５のいずれか一方又は双方を低圧ガス通路１
６及び高圧ガス室１０のいずれか一方又は双方に連通ず
る。低圧ガス通路１６はコネクタ１７及び吸入管１８を
介して圧ｌｉ１機ｌの吸込口に連通し、高圧ガス室１０
はコネクタ１９及び吐出管２０を介して圧縮ｉｆの吐出
口に連通している。

そして、第１段ディスプレーサ２の上端には片ロンド型
ピストン２１が連結固定され、このピストン２１は分配
器１３に形成された駆動シリンダ３６内に封密摺動自在
に嵌挿されている。駆動シリンダ３６とピストン２１の
上端によって限界された第１の作動室２２は通路１４に
連通している。第１段ディスプレーサ２の上方に限界さ
れた第２の作動室２３は通路１５に連通している。また
、第１段ディスプレーサ２の下方には第１段膨張室３１
が限界され、第２段ディスプレーサ４の下方には第２段
膨張室２４が限界されている。

しかして、圧縮機１を駆動すると、この圧縮機１から吐
出された冑圧のヘリウムガスは吐出管２０、コネクタ１
９を経て高圧ガス室１０内に充填され、これと同時に低
圧ガス通路１６はコネクタ１７、吸入管１８を経て圧縮
機１の吸込口に連通して低圧となる。

そこで、モータ１１によってモータ軸１２を介してロー
タリーバルブ８を回転させることにより、通路１４及び
１５をそれぞれ高圧ガス室１０に連通させると、高圧ガ
ス室１０内の高圧のヘリウムガスが通路１４を経て第１
の作動室２２に入ると同時に通路１５を経て第２の作動
室２３内に入り、ピストン２１及び第１段ディスプレー
サ２を下方に押推する。そして、ピストン２１及び第１
段ディスプレーサ２が下方に移動して下死点に達すると
、第２の作動室２３内に入ったヘリウムガスは通路２５
を経て第１段蓄冷器６に入り、ここを流過する過程で冷
却される。冷却されたガスの一部は通路２６を経て第１
段膨張室３１に入ってここに貯溜されるが、残部は通路
２７を経て第２段蓄冷器７に入り、ここを流過する過程
で更に冷却された後通路２８を経て第２段膨張室２４に
入ってここに貯溜される。

更に、ロータリーバルブ８が回転することにより通路１
４が低圧ガス通路１６に連通し、通路１５が高圧ガス室
１０に連通ずると、第１段ディスプレーサ２の上方の第
１の作動室２３に作用するガス圧力による力と第１段デ
ィスプレーサ２の下方の第１段膨張室３１及び第２段デ
ィスプレーサ７の下方（第２段膨張室２４に作用するガ
ス圧力による力との差によりビス１−ン２１、第１段デ
ィスプレーサ２及び第２段ディスプレーサ４が上方に移
動し、この過程で第２の作動室２３内のガスが通路２５
、第１段蓄冷器６を通りその一部が通路２６を経て第１
段膨張室３１に入ると同時に残部が通路２７、第２段蓄
冷器７、通路２８を経て第２段膨張室２４内に入る。

更に、ロータリーバルブ８が回転して通路１４及び１５
がそれぞれ低圧ガス通路１６に連通ずると、第１段膨張
室３１及び第２段膨張室２４内のヘリウムガスが断熱膨
張して寒冷を発生する。そして、第１段膨張室３１で発
生した寒冷はその周囲に配設された第１段ヒートステー
ション２９によって取り出され、第２段膨張室２４で発
生した寒冷はその周囲に配設された第２段ヒートステー
ション３０によって取り出される。　　　゛ 更に、ロータリーバルブ８が回転することによって通路
１４が高圧ガス室ｌＯに連通し、通路１５が低圧ガス通
路１６にそれぞれ連通ずると、第１の作動室２２内に流
入した高圧のガスによってピストン２１が下方に押推さ
れ、これに伴って第１段ディスプレーサ２及び第２段デ
ィスプレーサ４も下方に移動する。すると、第２段膨張
室２４内の低温のヘリウムガスは通路２８を経て第２段
蓄冷器７に入り、ここでその保有する寒冷が回収される
。しかる後、この低温のヘリウムガスは通路２７を経て
第１段蓄冷器６内に入り、第１段膨張室３１から通路２
６を経て第１段蓄冷器６内に入った低温のヘリウムガス
とともにその保有する寒冷が第１段蓄冷器６で回収され
る。そして、ここで寒冷を放出したヘリウムガスは通路
２５、第２の作動室２３、通路１５、ロータリーバルブ
８、低圧ガス通路１６、コネクタ１７、吸入管１８を経
て圧縮機１に吸入される。

以上のサイクルを繰り返すことによって第１段及び第１
段ヒートステーション２９．３０から寒冷を間欠的に取
り出すことができる。

なお、第５図において、３２．３３．３４はシール、３
５は支持台である。

１段型ガスサイクル冷凍機の概念図が第６図に示され、
その膨張室３１の容積及び膨張室３１内の圧力並びに弁
Ｖ＋　、Ｖｚ　、Ｖｓ　、Ｖａの開閉状況の経時的変化
が第７図に示されている。

（発明が解決しようとする課題） この種ガスサイクル冷凍機においては、膨張室３１．２
４にガスが出入するのに要する時間及び膨張室３１．２
４内のガスの圧力が変化するのに要する時間は蓄冷器６
．７の温度レベルによって左右される。

そして、この冷凍機の運転開始時、即ち、プルダウン時
には蓄冷器６．７の温度レベルが高く、膨張室３１．２
４に出入するガスの量は少ないが、冷凍機が定常運転状
態となり蓄冷器６．７の温度レベルが低くなると、膨張
室３１．２４に出入りするガスの量が増大するため、ガ
スの出入に要する時間及びこのガスの圧力変化に要する
時間、即ち、必要ダサイクル時間はプルダウン時のそれ
より長くなる。

しかして、上記従来のガスサイクル冷凍機においては、
ロータリーバルブ８はモータ１１によって回転駆動され
、従って、ロータリーバルブ８がガス通路１４．１５．
１６を順次切り換えてディスプレーサ２．４を往復動さ
せる時間、即ち、サイクル時間はモータ１１の回転速度
によって一義的に定まっており、しかも、このサイクル
時間は定常運転時の必要サイクル時間に合致するように
定められているため、プルダウン時の性能が悪いという
問題があった。

（課題を解決するための手段） 本発明は上記課題を解決するために発明されたものであ
って、その要旨とするところは、ガス圧力によってディ
スプレーサをシリンダ内で往復駆動するガスサイクル冷
凍機において、上記ディスプレーサの動きに応じて上記
ディスプレーサ駆動用ガス流路の切換時期が自動的に変
化する切換バルブを設けたことを特徴とするガスサイク
ル冷凍機にある。

（作用） 本発明においては、上記構成を具えているため、切換バ
ルブはディスプレーサの動きに応してガス流路を切り換
える。

（実施例） 本発明の１実施例が第１図ないし第４図に示されている
。

第１図ないし第３図に示すように、片ロツド型ピストン
２１の外周にはその軸方向に沿って所定の間隔を隔てて
４本のシール４０．４１．４２．４３が固定され、この
ピストン２１が封密摺動自在に嵌挿された駆動シリンダ
３６の内周面にはガス通路４４、ガス通路４５及び連絡
ガス通路４６の一端が開口している。

ガス通路４４の他端は高圧ガス通路１０に連通し、ガス
通路４５の他端は低圧ガス通路１６に連通し、連絡ガス
通路４６の他端は室４７に連通している。

支持台３５内には小径部４８ａ及び大径部４８ｂからな
る２段腔所４Ｂが形成され、この腔所４８内には小径部
４９ａと大径部４９ｂからなる２段スプール４９が摺動
自在に嵌挿されそいる。そして、小径部４９ａの先端外
周にはシール５０が巻装され、大径部４９ｂの外周にシ
ール５１．５２．５３．５４．５５が軸方向に沿って所
定の間隔を隔てて巻装されている。そして、小径部４９
ａの前方に室５６が限界され、大径部４９ｂの前方に室
５７が限界され、大径部４９ｂの後方に室４７が限界さ
れている。そして、大径部４９ｂが嵌挿された腔所４８
の大径部４８ｂの内周面にガス通路５８．５９．６０．
６１．６２の一端が開口し、ガス通路５８．６２の他端
は第１の作動室２２に連通し、ガス通路５９の他端は低
圧ガス通路１６に連通し、ガス通路６０の他端は第２の
作動室２３に連通している。そして、室５６はガス通路
６３を介して低圧ガス通路１６に連通い室５７はガス通
路６４を介して高圧ガス通路１０に連通している。

しかして、ディスプレーサ２．４及びピストン２１が下
死点付近に下降すると、第２図に示すようにガス通路４
４が連絡通路４６に連通ずる。この結果、高圧ガス通路
１０内の高圧ガスがガス通路４４、連絡通路４６を経て
室４７内に入り、スプール４９を左方に押進する。逆に
、ディスプレーサ２及び４、ピストン２１が上死点付近
に上昇すると、第１図に示すように、ガス通路４５が連
絡通路４６に連通して室４７は低圧になるので、室５７
に印加される高圧ガスによってスプール４９は右方に移
動する。この結果、第３図に示すように、ガス通路６ｏ
は５つに連通し、ガス通路６１はガス通路６２に連通ず
る。

かくして、高圧ガス通路１０内の高圧ガスがガス通路６
１．６２を経て第１の作動室２２内に流入してピストン
２１及びディスプレーサ２．４を下降させ、これと同時
に第２の作動室２３内のガスはガス通路６０．５９を経
て低圧ガス通路１６に排出される。ディスプレーサ２．
４が下死点付近に達すると、ガス通路４４が連絡通路４
６に連通ずるので、スプール４９が左方に移動する。こ
の結果、ガス通路６０は６１に連通するので、第２の作
動室２３内に高圧ガスが流入し、膨張室３１２４は高圧
と゛なる。スプール４９が更に左方に移動すると、ガス
通路５８が５９に連通ずるので、ピストン２１及びディ
スプレーサ２．４は上方に移動する。

しかして、ピストン２１の上下動によってガス通路４４
又は４５が連絡通路４６に連通し、連絡通路４６を介し
て室４７に高圧ガス又は低圧ガスを給排することによっ
てピストン４９が左右に移動して、ガス通路５８．５９
．６０．６１．６２を相互に連通させ、或いはルブが構
成される。

連絡通路４６がガス通路４５に連通ずる場合をＶａ、ガ
ス通路４４に連通ずる場合をｖｂとし、ガス通路５９が
ガス通路６０に連通ずる場合をＶ、、ガス通路５８に連
通ずる場合をｖ３とし、ガス通路６１がガス通路６０に
連通ずる場合をｖ２とし、ガス通路６２に連通ずる場合
をｖ４とすれば、これらＶａ、　Ｖｂ、　Ｖ＋、Ｖｚ、
Ｖｌ、ｖ４の開閉と膨張室３１．２４の容積及び膨張室
３１．２４内の圧力の変化の経時的変化は第４図に示す
ようになる。

かくして、ディスプレーサ２．４の動き、即ち、上下位
置に応じてスプール４９が移動するので、ディスプレー
サ２．４の動きが早くなるプルダウン時においてはサイ
クル時間が短くなる。一方、冷凍機の定格運転時、即ち
、膨張室３１．２４内に出入りするガスの量が増大し、
その出入に要する時間及び膨張室３１．２４内のガスの
圧力変化に要する時間が長くなる場合にはディスプレー
サ２．４の動きが遅くなるので、サイクル時間も長くな
る。

他の構成、作用は第５図に示す従来のものと同様であり
、対応する部材には同じ符号が付されている。

（発明の効果） 本発明においては、ディスプレーサの動きに応じてディ
スプレーサ駆動用ガス流路の切換時期が自動的に変化す
る切換バルブを設けたため、切換バルブはディスプレー
サの動きに応じてディスプレーサを駆動するガスの流路
を切り換える。

従って、ディスプレーサの動きが早くなるプルダウン時
にはサイクル時間が短くなって冷凍機の能力が増大する
ので、プルダウンに要する時間を短縮できる。また、切
換バルブはディスプレーサの動きによって切換えられる
ので、従来のロータリーバルブ及びこれ番駆動するモー
タが不要となるので、電気的ノイズの発生を防止できる
とともにコストを低減できる。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第４図は本発明の１実施例を示し、第１図
は略示的断面図、第２図及び第３図は第１図の部分的拡
大断面図、第４図はガス流路の開閉並びに膨張室の容積
及びその圧力の経時的変化を示す図である。第５図は従
来のガスサイクル冷凍機の略示的断面図、第６図は同上
の概念図、第７図は同上の膨張室の容積及びその圧力並
びにバルブの開閉の経時的変化を示す図である。 ディスプレーサ−２，４、シリンダー・３．５、駆第５
図 的間

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ガス圧力によってディスプレーサをシリンダ内で往復駆
   動するガスサイクル冷凍機において、上記ディスプレー
   サの動きに応じて上記ディスプレーサ駆動用ガス流路の
   切換時期が自動的に変化する切換バルブを設けたことを
   特徴とするガスサイクル冷凍機。