(57)【要約】【課題】改良された圧縮機、極低温冷凍機を提供する。【解決手段】圧縮機１２は、第１作動流体室２８ａ及び第２作動流体室２８ｂそれぞれへの作動流体の供給によりガスを圧縮する第１圧縮室２２ａ及び第２圧縮室２２ｂと、作動流体ポンプ４６と、作動流体ポンプ４６の回転子４６ｃを一定方向に回転させる回転駆動源４８と、第１状態と第２状態を交互に切り替える方向制御弁５０とを備える。方向制御弁５０は、ポンプ吐出口４６ａに接続された入口ポート５２と、ポンプ吸込口４６ｂに接続された出口ポート５４と、第１作動流体室２８ａに接続された第１ポート５６と、第２作動流体室２８ｂに接続された第２ポート５８とを有する。第１状態では入口ポート５２と第１ポート５６が接続され第２ポート５８と出口ポート５４が接続され、第２状態では入口ポート５２と第２ポート５８が接続され第１ポート５６と出口ポート５４が接続される。【選択図】図１
2020143622.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の伸縮可能な隔壁を有し、前記第１の伸縮可能な隔壁で第１ガス室と第１作動流体室に仕切られ、前記第１作動流体室への作動流体の供給により前記第１ガス室のガスを圧縮する第１圧縮室と、
第２の伸縮可能な隔壁を有し、前記第２の伸縮可能な隔壁で第２ガス室と第２作動流体室に仕切られ、前記第２作動流体室への作動流体の供給により前記第２ガス室のガスを圧縮する第２圧縮室と、
ポンプ吐出口と、ポンプ吸込口と、作動流体を前記ポンプ吸込口から前記ポンプ吐出口に送り出すように回転する回転子とを有する作動流体ポンプと、
前記回転子を一定方向に回転させる回転駆動源と、
第１状態と第２状態を交互に切り替える方向制御弁であって、前記ポンプ吐出口に接続された入口ポートと、前記ポンプ吸込口に接続された出口ポートと、前記第１作動流体室に接続された第１ポートと、前記第２作動流体室に接続された第２ポートとを有し、前記第１状態において前記入口ポートを前記第１ポートに接続するとともに前記第２ポートを前記出口ポートに接続し、前記第２状態において前記入口ポートを前記第２ポートに接続するとともに前記第１ポートを前記出口ポートに接続する方向制御弁と、を備えることを特徴とする圧縮機。
【請求項２】
前記方向制御弁は、回転により前記第１状態と前記第２状態を交互に切り替える回転弁体を有する切替弁を備えることを特徴とする請求項１に記載の圧縮機。
【請求項３】
前記回転弁体は、前記回転駆動源または前記作動流体ポンプによって回転されることを特徴とする請求項２に記載の圧縮機。
【請求項４】
前記方向制御弁の外部または内部に設けられ、前記入口ポートを前記出口ポートに接続する圧力逃がし流路を備えることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の圧縮機。
【請求項５】
請求項１から４のいずれかに記載の圧縮機と、
前記第１ガス室および前記第２ガス室に接続された膨張機と、を備えることを特徴とする極低温冷凍機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧縮機および極低温冷凍機に関する。
【背景技術】
【０００２】
極低温冷凍機に使用されうる流体圧駆動式の冷媒ガス圧縮機が提案されている。冷媒ガスの圧縮室は、その内部に取り付けられた金属ベローズによって冷媒ガス容積と作動液体容積に仕切られている。金属ベローズには外側から作動液体が作用し、その圧力によって金属ベローズは収縮され、それにより冷媒ガス容積が縮小され冷媒ガスが昇圧される。このような圧縮室が２個設けられ、それぞれの作動液体容積が互いに電動ポンプ機器を介して接続されている。ポンプの駆動により第１圧縮室から第２圧縮室に作動液体が送られ、その結果、第２圧縮室から高圧の冷媒ガスが吐出される。その後、ポンプの動作切替により作動液体の流れ方向が反転され、今度は第２圧縮室から第１圧縮室に作動液体が送られ、高圧の冷媒ガスが第１圧縮室から吐出される。これを繰り返すことで、圧縮機は、第１圧縮室と第２圧縮室から交互に冷媒ガスを極低温冷凍機の膨張機に供給する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表２０１７−５２８６４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明者は、上述した冷媒ガスの圧縮機について検討したところ、以下の課題を認識するに至った。２つの圧縮室間で作動液体の流れ方向を繰り返し反転させるために、電動ポンプ機器は、ギヤポンプなどのオイルポンプ、オイルポンプを回転駆動する電気モータ、モータの回転方向を正逆に切り替えるインバータから構成されうる。インバータがモータ回転方向を逆転させることによりポンプでの流れ方向が反転されるが、インバータは電磁ノイズを発生させうる。インバータによる切替動作の頻度を増やせば圧縮機の冷媒ガス吐出量を向上させうるが、その反面、これは望まれない電磁ノイズの増加を引き起こしうる。また、電動ポンプ機器が作動液体の流れを反転させるとき、モータ、ポンプ、作動液体などに慣性力が働くので、ある程度のタイムラグが発生することが避けられない。これは流れ方向の反転の高速化、すなわち冷媒ガスの吐出流量の向上を制約しうる。加えて、上記の電動ポンプ機器の構成は、製造コストが比較的高くなりがちである。
【０００５】
本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、改良された圧縮機、およびそうした圧縮機を有する極低温冷凍機を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明のある態様によると、圧縮機は、第１の伸縮可能な隔壁を有し、第１の伸縮可能な隔壁で第１ガス室と第１作動流体室に仕切られ、第１作動流体室への作動流体の供給により第１ガス室のガスを圧縮する第１圧縮室と、第２の伸縮可能な隔壁を有し、第２の伸縮可能な隔壁で第２ガス室と第２作動流体室に仕切られ、第２作動流体室への作動流体の供給により第２ガス室のガスを圧縮する第２圧縮室と、ポンプ吐出口と、ポンプ吸込口と、作動流体をポンプ吸込口からポンプ吐出口に送り出すように回転する回転子とを有する作動流体ポンプと、回転子を一定方向に回転させる回転駆動源と、第１状態と第２状態を交互に切り替える方向制御弁と、を備える。方向制御弁は、ポンプ吐出口に接続された入口ポートと、ポンプ吸込口に接続された出口ポートと、第１作動流体室に接続された第１ポートと、第２作動流体室に接続された第２ポートとを有し、第１状態において入口ポートを第１ポートに接続するとともに第２ポートを出口ポートに接続し、第２状態において入口ポートを第２ポートに接続するとともに第１ポートを出口ポートに接続する。
【０００７】
本発明のある態様によると、極低温冷凍機は、上述の圧縮機と、第１ガス室および第２ガス室に接続された膨張機と、を備える。
【０００８】
なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、改良された圧縮機、およびそうした圧縮機を有する極低温冷凍機を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施の形態に係る極低温冷凍機を概略的に示す図である。
【図２】図１に示される極低温冷凍機の圧縮機における作動流体の流れを概略的に示す図である。
【図３】図１に示される極低温冷凍機の圧縮機における作動流体の流れを概略的に示す図である。
【図４】ある典型的な圧縮機構を概略的に示す
【図５】実施の形態に係る方向制御弁の第１の例を概略的に示す斜視図である。
【図６】図６（ａ）および図６（ｂ）は、図５に示される方向制御弁の動作を概略的に示す図である。
【図７】実施の形態に係る方向制御弁の第２の例を概略的に示す斜視図である。
【図８】図８（ａ）および図８（ｂ）は、図７に示される方向制御弁の動作を概略的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。説明および図面において同一または同等の構成要素、部材、処理には同一の符号を付し、重複する説明は適宜省略する。図示される各部の縮尺や形状は、説明を容易にするために便宜的に設定されており、特に言及がない限り限定的に解釈されるものではない。実施の形態は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。
【００１２】
図１は、実施の形態に係る極低温冷凍機を概略的に示す図である。図２および図３は、図１に示される極低温冷凍機の圧縮機における作動流体の流れを概略的に示す図である。
【００１３】
極低温冷凍機１０は、圧縮機１２と、膨張機１４とを備える。圧縮機１２は、極低温冷凍機１０の冷媒ガスを膨張機１４から回収し、回収した冷媒ガスを昇圧して、再び冷媒ガスを膨張機１４に供給するよう構成されている。膨張機１４は、コールドヘッドとも称され、室温部１４ａと、冷却ステージとも称される低温部１４ｂとを有する。圧縮機１２と膨張機１４により極低温冷凍機１０の冷凍サイクルが構成され、それにより低温部１４ｂが所望の極低温に冷却される。冷媒ガスは、作動ガスとも称され、通例はヘリウムガスであるが、適切な他のガスが用いられてもよい。
【００１４】
極低温冷凍機１０は、一例として、単段式または二段式のギフォード・マクマホン（Gifford-McMahon；ＧＭ）冷凍機であるが、パルス管冷凍機、スターリング冷凍機、またはそのほかのタイプの極低温冷凍機であってもよい。膨張機１４は、極低温冷凍機１０のタイプに応じて異なる構成を有するが、圧縮機１２は、極低温冷凍機１０のタイプによらず、以下に説明する構成を用いることができる。
【００１５】
圧縮機１２は、作動流体によって駆動され冷媒ガスを圧縮する圧縮機構１６と、冷媒ガス回路１８と、これらを収容する圧縮機筐体２０とを備え、流体圧駆動式の冷媒ガス圧縮機として構成されている。作動流体は、例えばオイルまたはその他の適切な作動液であってもよい。
【００１６】
圧縮機構１６は、複数の冷媒ガス圧縮室を有する。各圧縮室は、その内壁に取り付けられた例えば金属ベローズなどの伸縮可能な隔壁を有し、この隔壁で冷媒ガス室と作動流体室に仕切られている。各圧縮室の冷媒ガス室は、冷媒ガス回路１８を通じて膨張機１４に接続されている。
【００１７】
作動流体室に作動流体が供給されると隔壁が収縮し、それにより冷媒ガス室の容積が減少して冷媒ガスが昇圧される。こうして得られた高圧の冷媒ガスは、冷媒ガス回路１８を通じて膨張機１４に供給される。逆に、作動流体室から作動流体が排出されると隔壁が伸長し、それにより冷媒ガス室の容積が増加して冷媒ガスの圧力は下がる。膨張機１４での膨張により低圧となり膨張機１４から排出された冷媒ガスは、冷媒ガス回路１８を通じて冷媒ガス室に回収される。
【００１８】
圧縮室において作動流体の圧力は隔壁を介して冷媒ガス室に作用するが、冷媒ガス室と作動流体室との間で流体の流通は無い。隔壁は圧縮室の内壁に気密に取り付けられ、また隔壁自身も気密性を有するので、作動流体は冷媒ガス室に漏れないようになっている。
【００１９】
圧縮機構１６は、一例として２個の圧縮室を有し、これらを以下、第１圧縮室２２ａ、第２圧縮室２２ｂという。第１圧縮室２２ａは、第１の伸縮可能な隔壁（例えば第１金属ベローズ２４ａ）を有する。第１圧縮室２２ａは、第１金属ベローズ２４ａで第１冷媒ガス室２６ａと第１作動流体室２８ａに仕切られ、第１作動流体室２８ａへの作動流体の供給により第１冷媒ガス室２６ａの冷媒ガスを圧縮する。第１冷媒ガス室２６ａは、膨張機１４に接続されている。同様に、第２圧縮室２２ｂは、第２の伸縮可能な隔壁（例えば第２金属ベローズ２４ｂ）を有する。第２圧縮室２２ｂは、第２金属ベローズ２４ｂで第２冷媒ガス室２６ｂと第２作動流体室２８ｂに仕切られ、第２作動流体室２８ｂへの作動流体の供給により第２冷媒ガス室２６ｂの冷媒ガスを圧縮する。第２冷媒ガス室２６ｂは、膨張機１４に接続されている。圧縮機構１６の更なる詳細については後述する。
【００２０】
圧縮機１２の冷媒ガス回路１８は、吐出ポート３０、吸入ポート３１、高圧流路３２、低圧流路３３を備える。吐出ポート３０は、圧縮機構１６により高圧に昇圧された冷媒ガスを圧縮機１２から送出するために圧縮機筐体２０に設置された冷媒ガスの出口であり、吸入ポート３１は、低圧の冷媒ガスを圧縮機１２に受け入れるために圧縮機筐体２０に設置された冷媒ガスの入口である。
【００２１】
高圧流路３２は、吐出ポート３０を複数の圧縮室に接続し、低圧流路３３は、吸入ポート３１を複数の圧縮室に接続する。よって、高圧流路３２は、第１冷媒ガス室２６ａに接続された第１ガス流出路３４ａと第２冷媒ガス室２６ｂに接続された第２ガス流出路３４ｂとを有し、第１ガス流出路３４ａと第２ガス流出路３４ｂは合流して吐出ポート３０へと延びている。低圧流路３３は、吸入ポート３１から延び、第１ガス流入路３５ａと第２ガス流入路３５ｂに分岐し、それぞれ第１冷媒ガス室２６ａと第２冷媒ガス室２６ｂに接続されている。
【００２２】
第１ガス流出路３４ａと第２ガス流出路３４ｂはそれぞれ、流出側逆止弁３６を有する。流出側逆止弁３６は、圧縮機構１６から流出する冷媒ガス流れを許容し、逆方向の流れを遮断する。また、第１ガス流入路３５ａと第２ガス流入路３５ｂはそれぞれ、流入側逆止弁３７を有する。流入側逆止弁３７は、圧縮機構１６に流入する冷媒ガス流れを許容し、逆方向の流れを遮断する。流出側逆止弁３６および流入側逆止弁３７は、圧縮機構１６の一部であるとみなされてもよい。
【００２３】
また、冷媒ガス回路１８には、高圧流路３２を流れる冷媒ガスを冷却媒体で冷却する熱交換器３８、高圧流路３２に接続された例えばバッファタンクなどのバッファ容積３９、高圧流路３２を低圧流路３３に接続するバイパス流路４０が設けられている。
【００２４】
熱交換器３８は、例えば冷却水などの冷却媒体が流れる冷却媒体流路３８ａを有し、冷却媒体流路３８ａと高圧流路３２との間で熱交換がなされるように構成されている。バッファ容積３９は、圧縮機１２と膨張機１４を循環する冷媒ガスの量を調節するために設けられている。バッファ容積３９は、高圧流路３２に代えて、低圧流路３３に接続されてもよい。バイパス流路４０は、バイパス弁４０ａを有し、冷媒ガスは、バイパス弁４０ａが開いているとき膨張機１４を迂回して高圧流路３２から低圧流路３３に還流する。
【００２５】
また、膨張機１４の室温部１４ａは、高圧ポート４１と低圧ポート４２とを備える。高圧ポート４１は、高圧配管４３によって吐出ポート３０に接続され、低圧ポート４２は、低圧配管４４によって吸入ポート３１に接続されている。高圧配管４３と低圧配管４４は、フレキシブル管またはリジッド管であってもよい。
【００２６】
したがって、膨張機１４から圧縮機１２に回収される冷媒ガスは、膨張機１４の低圧ポート４２から低圧配管４４を通じて圧縮機１２の吸入ポート３１に入る。冷媒ガスは、低圧流路３３から第１ガス流入路３５ａ、第２ガス流入路３５ｂを経て第１冷媒ガス室２６ａ、第２冷媒ガス室２６ｂに戻り、圧縮機構１６によって昇圧される。圧縮機１２から膨張機１４に供給される冷媒ガスは、第１冷媒ガス室２６ａ、第２冷媒ガス室２６ｂから第１ガス流出路３４ａ、第２ガス流出路３４ｂを通じて高圧流路３２に合流し、吐出ポート３０から出る。冷媒ガスは、高圧配管４３と高圧ポート４１を経て膨張機１４の内部に供給される。
【００２７】
圧縮機構１６は、作動流体ポンプ４６、回転駆動源４８、方向制御弁５０を備える。第１圧縮室２２ａの第１作動流体室２８ａと第２圧縮室２２ｂの第２作動流体室２８ｂは、方向制御弁５０を介して作動流体ポンプ４６に接続されている。
【００２８】
作動流体ポンプ４６は、ポンプ吐出口４６ａと、ポンプ吸込口４６ｂと、作動流体をポンプ吸込口４６ｂからポンプ吐出口４６ａに送り出すように回転する回転子４６ｃとを有する。作動流体ポンプ４６は、例えばオイルポンプまたは油圧ポンプ、または使用される作動流体に適合する任意のポンプであってもよい。作動流体ポンプ４６は、例えばギヤポンプなど適宜の形式の汎用ポンプであってもよい。
【００２９】
回転駆動源４８は、作動流体ポンプ４６を駆動する動力源、例えば電気モータである。回転駆動源４８は、作動流体ポンプ４６の回転子４６ｃを一定方向に回転させることによって、作動流体ポンプ４６を駆動する。回転駆動源４８の出力軸は、回転子４６ｃを一定方向に回転させるように、必要に応じて減速機構を介して、回転子４６ｃの回転軸に接続されている。回転駆動源４８は、回転子４６ｃの回転方向を逆転させる機能をもたない。または、回転駆動源４８は、そうした機能を有していたとしても動作させない。
【００３０】
回転駆動源４８は、回転子４６ｃを一定の回転速度で回転させるように構成されていてもよい。回転駆動源４８として比較的安価な汎用の電気モータを採用することができる。
【００３１】
ただし、回転駆動源４８は、機械的、電気的、またはその他の方式で回転子４６ｃの回転速度を変化させるように構成されていてもよい。回転駆動源４８は、例えば、インバータを搭載しないインバータレスの電気モータであってもよく、減速比を可変とする減速機構を有し、この減速機構を介して回転子４６ｃに接続されてもよい。回転駆動源４８は、インバータを搭載した電気モータであってもよく、回転子４６ｃの回転速度を電気的に制御可能であってもよい。
【００３２】
方向制御弁５０は、ポンプ吐出口４６ａに接続された入口ポート５２と、ポンプ吸込口４６ｂに接続された出口ポート５４と、第１作動流体室２８ａに接続された第１ポート５６と、第２作動流体室２８ｂに接続された第２ポート５８とを有する。方向制御弁５０は、４ポート２位置の切替弁として構成されている。ただし、方向制御弁５０は、他の用途に使用されうる少なくとも１つの追加のポートを有してもよい。
【００３３】
方向制御弁５０は、第１状態と第２状態を交互に切り替えるように構成されている。図２には、方向制御弁５０の第１状態が示され、図３には、方向制御弁５０の第２状態が示されている。方向制御弁５０は、第１状態において入口ポート５２を第１ポート５６に接続するとともに第２ポート５８を出口ポート５４に接続し、第２状態において入口ポート５２を第２ポート５８に接続するとともに第１ポート５６を出口ポート５４に接続する。
【００３４】
よって、第１状態においては、図２に示されるように、作動流体ポンプ４６によって第２圧縮室２２ｂから第１圧縮室２２ａに作動流体が送られる。第１圧縮室２２ａでは、第１作動流体室２８ａに作動流体が供給されるとともに第１金属ベローズ２４ａが収縮され、第１冷媒ガス室２６ａの容積が縮小され、第１冷媒ガス室２６ａの冷媒ガスが昇圧される。こうして得られた高圧の冷媒ガスは、上述のように、第１冷媒ガス室２６ａから冷媒ガス回路１８を通じて送出される。一方、第２圧縮室２２ｂでは、第２作動流体室２８ｂから作動流体が排出され、第２金属ベローズ２４ｂが弛緩する。第２冷媒ガス室２６ｂの容積が増加し、第２冷媒ガス室２６ｂの圧力は下がる。
【００３５】
なお、理解を容易にする、図２および図３では、作動流体ポンプ４６から送出される作動流体の流れを細い実線の矢印で示し、作動流体ポンプ４６に回収される作動流体の流れを破線の矢印で示す。
【００３６】
このようにして、方向制御弁５０の第１状態では、第１圧縮室２２ａが冷媒ガスを圧縮し、第２圧縮室２２ｂが冷媒ガスを回収する（図２の太い矢印）。第１金属ベローズ２４ａが十分に収縮され、第１圧縮室２２ａでの圧縮工程が完了すると、方向制御弁５０は、第２状態に切り替えられる。
【００３７】
第２状態においては、図３に示されるように、今度は第１圧縮室２２ａから第２圧縮室２２ｂに作動流体が送られる。ただし、作動流体ポンプ４６での作動流体の流れ方向は第１状態から変わっていない。第２圧縮室２２ｂでは、第２作動流体室２８ｂに作動流体が供給されるとともに第２金属ベローズ２４ｂが収縮され、第２冷媒ガス室２６ｂの容積が縮小され、第２冷媒ガス室２６ｂの冷媒ガスが昇圧される。こうして得られた高圧の冷媒ガスは、上述のように、第２冷媒ガス室２６ｂから冷媒ガス回路１８を通じて送出される。一方、第１圧縮室２２ａでは、第１作動流体室２８ａから作動流体が排出され、第１金属ベローズ２４ａが弛緩する。第１冷媒ガス室２６ａの容積が増加し、第１冷媒ガス室２６ａの圧力は下がる。
【００３８】
このようにして、方向制御弁５０の第２状態では、第２圧縮室２２ｂが冷媒ガスを圧縮し、第１圧縮室２２ａが冷媒ガスを回収する（図３の太い矢印）。第２金属ベローズ２４ｂが十分に収縮され、第２圧縮室２２ｂでの圧縮工程が完了すると、方向制御弁５０は、第１状態に再び切り替えられる。第１状態と第２状態を交互に繰り返すことで、圧縮機１２は、第１圧縮室２２ａと第２圧縮室２２ｂから交互に冷媒ガスを送出し、極低温冷凍機１０の膨張機１４に供給することができる。
【００３９】
なお、作動流体室の作動流体は、冷媒ガスを圧縮するだけでなく、そのとき発生しうる圧縮熱を吸収し冷媒ガスを冷却する役割も有する。圧縮機１２には、作動流体を冷却する冷却系が設けられてもよい。
【００４０】
方向制御弁５０は、第１状態と第２状態を交互に切替可能であれば、どのような構成であってもよい。方向制御弁５０は、回転式の流路切替機構、スプールなどの弁体の往復運動による往復式の流路切替機構、またはその他の流路切替機構を備えてもよい。回転式の切替弁については、いくつかの例を後述する。
【００４１】
方向制御弁５０の駆動方式は、種々ありうる。上述のように、方向制御弁５０は、回転駆動源４８によって駆動されるように回転駆動源４８に連結されてもよい。方向制御弁５０は、例えば電気モータによって電動式に駆動されてもよい。または、方向制御弁５０は、作動流体ポンプ４６によって油圧で駆動されてもよい。あるいは、方向制御弁５０は、回転駆動源４８および作動流体ポンプ４６以外の専用の駆動源によって駆動されてもよい。方向制御弁５０は、例えば電動式、電磁式、油圧式、機械式、パイロット式、そのほか適宜の方式で駆動されてもよい。
【００４２】
この実施の形態においては、方向制御弁５０は、第１状態と第２状態を切替可能な単一の切替弁として構成されている。代案として、方向制御弁５０は、第１状態と第２状態を切替可能に構成された複数の弁の組み合わせを有してもよい。
【００４３】
図１に示されるように、圧縮機構１６は、リリーフ弁６０ａを有する圧力逃がし流路６０を備えてもよい。圧力逃がし流路６０は、方向制御弁５０の外部に設けられ、入口ポート５２を出口ポート５４に接続する。言い換えれば、圧力逃がし流路６０は、方向制御弁５０を迂回してポンプ吐出口４６ａをポンプ吸込口４６ｂに接続する。
【００４４】
方向制御弁５０の具体的構造に依存するが、方向制御弁５０での切替動作に際してポンプ吐出口４６ａが方向制御弁５０のどのポートにも接続されない状態が過渡的かつ瞬間的に起こるかもしれない。このような事態が起こると、ポンプ吐出口４６ａで作動流体の圧力が過剰に高まりうる。しかし、圧力逃がし流路６０が設けられていれば、そうした過剰な圧力をリリーフ弁６０ａを通じてポンプ吐出口４６ａからポンプ吸込口４６ｂへと解放することができ、有利である。
【００４５】
図４は、ある典型的な圧縮機構を概略的に示す。圧縮機構１１６は、金属ベローズ１２４によってガス容積１２６とオイル容積１２８に分けられた２つの圧縮室１２２と、それら圧縮室１２２間でオイルの流れ方向を繰り返し反転させる電動ポンプ機器１４５とを有する。電動ポンプ機器１４５は、ギヤポンプなどのオイルポンプ１４６と、オイルポンプ１４６を回転駆動するモータ１４８と、モータ１４８の回転方向を正逆に切り替えるインバータ１４９から構成されている。インバータ１４９がモータ１４８の回転方向を逆転させることによりオイルポンプ１４６での流れ方向が反転される。一方の圧縮室１２２でのガス圧縮工程は、実線の矢印で示す方向にオイルを流すことによって行われ、他方の圧縮室１２２でのガス圧縮工程は、破線の矢印で示す方向にオイルを流すことによって行われる。
【００４６】
モータ１４８の回転方向を切り替える頻度を増加させれば、圧縮室１２２間のオイルの吐出と吸込のサイクルの回数が増えるから、圧縮機構１１６の冷媒ガス吐出量を向上させることができる。しかし、これは、インバータ１４９による切替動作の頻度を増やすことにもつながる。インバータ１４９は電磁ノイズ源となりうるから、電磁ノイズが増加されうる。例えば極低温冷凍機で冷却すべき機器などの圧縮機構１１６の周辺に設置された機器が電磁ノイズに敏感である場合には、電子ノイズがそうした機器に悪影響を及ぼしうる。電子ノイズ対策が必要とされることになるかもしれず、電磁ノイズの増加は望ましくない。
【００４７】
また、電動ポンプ機器１４５がオイルの流れを反転させるとき、モータ１４８、オイルポンプ１４６、オイルなどに慣性力が働くので、ある程度のタイムラグが発生することが避けられない。これは流れ方向の切替頻度の高速化、すなわち冷媒ガス吐出量の向上を制約しうる。また、切替頻度を高めようとするほどタイムラグの影響も高まる。
【００４８】
加えて、上記の電動ポンプ機器１４５の構成は、製造コストが比較的高くなりがちである。なぜなら、一般に、正転と逆転を切替可能なモータ１４８およびオイルポンプ１４６は、そうした仕様を有しない汎用のモータおよびオイルポンプに比べて、高価だからである。
【００４９】
これに対して、実施の形態によれば、圧縮機構１６には方向制御弁５０が設けられ、方向制御弁５０によって第１状態と第２状態を切り替えることができる。したがって、作動流体ポンプ４６および回転駆動源４８は、回転方向の切替が不要である。そうした切替手段には多くの場合インバータが使用されるが、これを不使用とすることができる。インバータの使用に起因する電磁ノイズを無くすことができる。よって、電磁ノイズに敏感な用途に利用可能な圧縮機１２および極低温冷凍機１０を提供することができる。
【００５０】
また、第１状態と第２状態で作動流体ポンプ４６での流れ方向を反転させないから、反転に起因する慣性力も、それによる遅延も発生しない。第１圧縮室２２ａと第２圧縮室２２ｂでの圧縮工程の切替速度を速くして、圧縮機１２の冷媒ガス吐出流量を増やすことが容易である。
【００５１】
逆転を要しないので、汎用のモータやポンプを採用しやすくなる。製造コストを低減することができる。
【００５２】
従来多用されている極低温冷凍機用の冷媒ガス圧縮機では、圧縮機本体の冷却と潤滑のためにオイルが使用され、このオイルに冷媒ガスは直接さらされる。冷媒ガスには必然的にオイルが混入するから、オイルセパレータ、アドゾーバなどオイル除去器具が圧縮機に必須となる。オイル除去器具は消耗部品の定期交換など運転コストもかかる。しかし、上述の実施の形態においては、冷媒ガスと作動流体が金属ベローズなどの隔壁によって分離されているので、冷媒ガスに作動流体がまったく混入しないか、実用上影響がない程度の微量の混入に抑制されうる。圧縮機１２の冷媒ガス回路１８にオイル除去器具は不要となり、有利である。
【００５３】
また、従来型の圧縮機は、多くの場合、オイル溜まりを有する。オイル溜まりは、重力によりオイルを溜めるように設計され、そのため、圧縮機はオイル溜まりが重力方向に下方に位置する姿勢で設置されなければならない。しかし、実施の形態では、作動流体は圧縮機構１６に密閉され、重力を利用したオイル溜まりを有しない。よって、圧縮機１２の設置姿勢に自由度が高い。
【００５４】
さらに、実施の形態に係る圧縮機１２は、圧縮室の構造が簡素であることから、従来型の圧縮機に比べて耐圧性を向上させやすい点でも有利である。
【００５５】
次に、方向制御弁５０の例示的な構成を説明する。図５は、実施の形態に係る方向制御弁５０の第１の例を概略的に示す斜視図である。図６（ａ）および図６（ｂ）は、図５に示される方向制御弁５０の動作を概略的に示す図である。
【００５６】
方向制御弁５０は、回転により第１状態と第２状態を交互に切り替える回転弁体６２を有する回転式の切替弁である。回転弁体６２の回転軸６４は、駆動源６６に連結されている。駆動源６６の駆動により回転軸６４が一方向に回転され、それにより、矢印で示されるように、回転弁体６２も同方向に回転する。駆動源６６は、上述のように、図１に示される回転駆動源４８であってもよいし、または、回転駆動源４８とは別個に（例えば方向制御弁５０の駆動専用に）設けられた駆動源であってもよい。あるいは、駆動源６６は、作動流体ポンプ４６によって駆動される油圧モータであってもよい。
【００５７】
方向制御弁５０は、回転弁体６２を回転軸６４まわりに回転可能に収容する円筒状のスリーブ６８を備える。図６（ａ）および図６（ｂ）に示されるように、スリーブ６８は、入口ポート５２、出口ポート５４、第１ポート５６、第２ポート５８を有し、これら４つのポートは、スリーブ６８の外面から内面へと径方向に貫通している。各ポートの周方向位置は、回転弁体６２の回転により第１状態と第２状態を交互に切り替えるように定められている。上述のように、入口ポート５２、出口ポート５４、第１ポート５６、第２ポート５８はそれぞれ、ポンプ吐出口４６ａ、ポンプ吸込口４６ｂ、第１作動流体室２８ａ、第２作動流体室２８ｂに接続されている。理解を容易にするため、図５には、スリーブ６８の円筒状の内面を一点鎖線で示す。なお、作動流体が外部に漏れるのを防ぐように、スリーブ６８は、両端が塞がれ、回転弁体６２を収容する気密容器を形成する。
【００５８】
回転弁体６２は、スリーブ６８の内面に対向する側面を有し、この側面は、複数の回転案内面６２ａと複数の接続面６２ｂを有する。この例においては、４つの回転案内面６２ａと４つの接続面６２ｂが設けられている。回転案内面６２ａと接続面６２ｂは周方向に交互に配置されている。
【００５９】
回転案内面６２ａは、スリーブ６８の内面の直径よりもわずかに小さい直径を有する円筒面の一部をなす。あるいは、回転案内面６２ａは平面であってもよい。回転案内面６２ａは、回転軸６４の方向に回転弁体６２の一方の端面から他方の端面へと短冊状に延びている。接続面６２ｂもまた、回転軸６４の方向に回転弁体６２の一方の端面から他方の端面へと延びている。ただし、接続面６２ｂは凹面である。よって、回転弁体６２は、回転軸６４の方向から見て、十字状の形状を有する。
【００６０】
回転案内面６２ａとスリーブ６８の内面との間には、クリアランス７０が形成されている。回転弁体６２は、クリアランス７０を保持した状態でスリーブ６８に対して軸まわりに回転する。したがって、クリアランス７０は、方向制御弁５０の内部に設けられ、入口ポート５２を出口ポート５４に接続する「圧力逃がし流路」として働く。また、クリアランス７０は、回転弁体６２とスリーブ６８の摩耗を低減する。ただし、回転案内面６２ａの直径がスリーブ６８の内面の直径と等しくてもよく、回転弁体６２は、回転案内面６２ａをスリーブ６８の内面に接触させた状態でスリーブ６８に対して回転してもよい。
【００６１】
接続面６２ｂとスリーブ６８の内面との間には、流体区画７２が形成されている。回転案内面６２ａと接続面６２ｂが周方向に等角度間隔に配置され、そのため、流体区画７２は均等に形成されているが、それは必須ではない。第１状態と第２状態の切替タイミングを適切に設定するために、必要に応じて、いずれかの流体区画７２が他の流体区画７２とは異なる角度範囲を有してもよい。
【００６２】
また、回転弁体６２は、２つの流体区画７２を接続するように回転弁体６２を貫通する第１流路孔７４ａと、別の２つの流体区画７２を接続するように回転弁体６２を貫通する第２流路孔７４ｂとを有する。回転軸６４を挟んで反対側に位置する一組の流体区画７２が第１流路孔７４ａで接続され、回転軸６４を挟んで反対側に位置する他の一組の流体区画７２が第２流路孔７４ｂで接続されている。第１流路孔７４ａと第２流路孔７４ｂは、回転弁体６２の直径に沿って直線状に延びているが、回転軸６４の方向に異なる位置にあり、両者は交わっていない。なお、第１状態と第２状態の切替タイミングを適切に設定するために、必要に応じて、こうした流路孔は、隣り合う２つの流体区画７２を接続するように回転弁体６２に形成されてもよい。
【００６３】
図６（ａ）には、図５に示される方向制御弁５０の第１状態を示し、図６（ｂ）には、方向制御弁５０の第２状態を示す。理解のために、第１流路孔７４ａを一点鎖線で示し、第２流路孔７４ｂを破線で示している。また、図２および図３と同様に、作動流体ポンプ４６から供給された作動流体の流れを実線の矢印で示し、回収される作動流体の流れを破線の矢印で示す。回転弁体６２は、例えば反時計回りに回転する。
【００６４】
第１状態においては、図６（ａ）に示されるように、入口ポート５２は、回転弁体６２の第１流路孔７４ａを通じて第１ポート５６に接続され、第２ポート５８は、第２流路孔７４ｂを通じて出口ポート５４に接続される。したがって、ポンプ吐出口４６ａから送出される作動流体は、入口ポート５２、第１流路孔７４ａ、第１ポート５６を通じて第１作動流体室２８ａに供給される。また、第２作動流体室２８ｂから排出される作動流体は、第２ポート５８、第２流路孔７４ｂ、出口ポート５４を通じてポンプ吸込口４６ｂへと回収される。
【００６５】
回転弁体６２が所定角度回転されると、方向制御弁５０は、第１状態から第２状態に切り替わる。第２状態においては、図６（ｂ）に示されるように、入口ポート５２は、第２流路孔７４ｂを通じて第２ポート５８に接続され、第１ポート５６は、一つの流体区画７２を通じて出口ポート５４に接続される。その反対側の流体区画７２では、第１流路孔７４ａは、どのポートにも接続されていない。したがって、ポンプ吐出口４６ａから送出される作動流体は、入口ポート５２、第２流路孔７４ｂ、第２ポート５８を通じて第２作動流体室２８ｂに供給される。また、第１作動流体室２８ａから排出される作動流体は、第１ポート５６、流体区画７２、出口ポート５４を通じてポンプ吸込口４６ｂへと回収される。
【００６６】
回転弁体６２がさらに回転されると、方向制御弁５０は、第２状態から第１状態に再び切り替わる。ただし、このとき、入口ポート５２と第１ポート５６は第２流路孔７４ｂを通じて接続され、第２ポート５８と出口ポート５４は第１流路孔７４ａを通じて接続される。回転弁体６２がさらに回転されると、方向制御弁５０は、第１状態から第２状態に再び切り替わる。入口ポート５２と第２ポート５８は第１流路孔７４ａを通じて接続され、第１ポート５６と出口ポート５４は流体区画７２を通じて接続される。第２流路孔７４ｂはどのポートにも接続されない。回転弁体６２がさらに回転されると、図６（ａ）に示される第１状態に戻る。
【００６７】
このようにして、方向制御弁５０は、回転弁体６２の一方向の回転により第１状態と第２状態を交互に切り替えることができる。第１の例の方向制御弁５０は、次に述べる第２の例の方向制御弁５０に比べて、回転弁体６２の各流路孔とスリーブ６８の各ポートの流路断面積を大きくとりやすいので、作動流体の圧力損失を低減しやすいという利点もある。
【００６８】
図７は、実施の形態に係る方向制御弁５０の第２の例を概略的に示す斜視図である。図８（ａ）および図８（ｂ）は、図７に示される方向制御弁５０の動作を概略的に示す図である。
【００６９】
方向制御弁５０は、回転により第１状態と第２状態を交互に切り替える回転弁体（以下、バルブロータ７８ともいう）を有する回転式の切替弁である。バルブロータ７８の回転軸６４は、駆動源６６に連結されている。駆動源６６の駆動により回転軸６４が一方向に回転され、それにより、矢印で示されるように、バルブロータ７８も同方向に回転する。
【００７０】
方向制御弁５０は、さらに、バルブステータ８０およびバルブハウジング８２を備える。バルブロータ７８およびバルブステータ８０はバルブハウジング８２に収容され、バルブロータ７８の下面（回転軸６４と反対側の端面）とバルブステータ８０の上面が面接触するように隣接して配置されている。バルブロータ７８の下面とバルブステータ８０の上面はともに平面である。バルブロータ７８は、バルブステータ８０と接触しながらバルブステータ８０に対して回転摺動する。理解を容易にするため、図７には、バルブハウジング８２の内面を一点鎖線で示す。
【００７１】
バルブハウジング８２の内部には、バルブ作動流体室８４が形成され、バルブロータ７８およびバルブステータ８０は、バルブ作動流体室８４に配置されている。入口ポート５２は、バルブ作動流体室８４に接続され、バルブ作動流体室８４は、作動流体ポンプ４６から供給された作動流体で満たされている。出口ポート５４、第１ポート５６、第２ポート５８は、バルブステータ８０に接続されている。
【００７２】
流路構成の一例として、バルブロータ７８は、２つのロータ貫通孔７８ａと、ロータ凹部７８ｂを有し、バルブステータ８０は、２つの第１ステータ貫通孔８０ａと、２つの第２ステータ貫通孔８０ｂと、中心貫通孔８０ｃとを有する。
【００７３】
２つのロータ貫通孔７８ａは、回転軸６４を挟んで両側に配置され、バルブロータ７８の上面から下面へと貫通している。ロータ凹部７８ｂは、バルブロータ７８の下面に形成された凹みまたは溝であり、バルブロータ７８を貫通していない。ロータ凹部７８ｂは、２つのロータ貫通孔７８ａを結ぶ線（バルブロータ７８の直径）と直交する線に沿って延びている。２つのロータ貫通孔７８ａとロータ凹部７８ｂの両端部は、回転軸６４を中心とする一つの円周上に配置されている。この円周に沿って、ロータ貫通孔７８ａとロータ凹部７８ｂの端部が交互に配置されている。図８（ａ）および図８（ｂ）に示されるように、ロータ凹部７８ｂの両端が周方向に広がっていてもよい。
【００７４】
２つの第１ステータ貫通孔８０ａは、回転軸６４を挟んで両側に配置され、バルブステータ８０の上面から下面へと貫通している。２つの第２ステータ貫通孔８０ｂも、回転軸６４を挟んで両側に配置され、バルブステータ８０の上面から下面へと貫通している。第１ステータ貫通孔８０ａどうしを結ぶ線は、第２ステータ貫通孔８０ｂどうしを結ぶ線と直交している。２つの第１ステータ貫通孔８０ａと２つの第２ステータ貫通孔８０ｂは、回転軸６４を中心とする一つの円周上に交互に配置されている。この円の直径は、ロータ貫通孔７８ａが配置された円の直径に等しい。中心貫通孔８０ｃは、バルブステータ８０の中心を上面から下面へと貫通している。中心貫通孔８０ｃは、回転軸６４と同軸に配置されている。
【００７５】
したがって、図７に示されるように、ロータ貫通孔７８ａと第１ステータ貫通孔８０ａは互いに接続されることができ、ロータ凹部７８ｂは、第２ステータ貫通孔８０ｂおよび中心貫通孔８０ｃと接続されることができる。また、バルブロータ７８とバルブステータ８０が別の相対角度をとるとき（すなわち、図７に示される状態からバルブロータ７８が９０度回転したとき）、ロータ貫通孔７８ａと第２ステータ貫通孔８０ｂは互いに接続され、ロータ凹部７８ｂは、第１ステータ貫通孔８０ａおよび中心貫通孔８０ｃと接続されることができる。
【００７６】
方向制御弁５０の入口ポート５２は、上述のように、バルブ作動流体室８４に接続されている。バルブロータ７８の上面はバルブ作動流体室８４に面しているので、入口ポート５２からの作動流体はロータ貫通孔７８ａに流入する。方向制御弁５０の出口ポート５４は、中心貫通孔８０ｃに接続されている。また、第１ポート５６は、第１ステータ貫通孔８０ａに接続され、第２ポート５８は、第２ステータ貫通孔８０ｂに接続されている。
【００７７】
図８（ａ）には、図７に示される方向制御弁５０の第１状態を示し、図８（ｂ）には、方向制御弁５０の第２状態を示す。図８（ａ）および図８（ｂ）には、バルブロータ７８の下面とバルブステータ８０の上面を示す。これらの面は、実際には、図７に示されるように互いに面接触し回転摺動する。理解のために、図２および図３と同様に、作動流体ポンプ４６から供給された作動流体の流れを実線の矢印で示し、回収される作動流体の流れを破線の矢印で示す。
【００７８】
第１状態においては、図７および図８（ａ）から理解されるように、入口ポート５２は、ロータ貫通孔７８ａおよび第１ステータ貫通孔８０ａを通じて第１ポート５６に接続される。よって、作動流体は、入口ポート５２から第１ポート５６へと流れる。第２ポート５８は、第２ステータ貫通孔８０ｂ、ロータ凹部７８ｂ、中心貫通孔８０ｃを通じて出口ポート５４に接続される。よって、作動流体は、第２ポート５８から出口ポート５４へと流れる。
【００７９】
バルブロータ７８が回転されると第１状態から第２状態に切り替わる。第２状態においては、図７および図８（ｂ）から理解されるように、入口ポート５２は、ロータ貫通孔７８ａおよび第２ステータ貫通孔８０ｂを通じて第２ポート５８に接続される。よって、作動流体は、入口ポート５２から第２ポート５８へと流れる。第１ポート５６は、第１ステータ貫通孔８０ａ、ロータ凹部７８ｂ、中心貫通孔８０ｃを通じて出口ポート５４に接続される。よって、作動流体は、第１ポート５６から出口ポート５４へと流れる。
【００８０】
このようにして、方向制御弁５０は、バルブロータ７８の一方向の回転により第１状態と第２状態を交互に切り替えることができる。
【００８１】
なお、バルブロータ７８とバルブステータ８０の具体的な流路構成は、上記の例には限定されず、他の構成も可能である。例えば、バルブ作動流体室８４に出口ポート５４を接続し、バルブステータ８０に入口ポート５２を接続するようにして、第１状態と第２状態を交互に切替可能な流路構成を構築することも可能である。
【００８２】
以上、本発明を実施例にもとづいて説明した。本発明は上記実施形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。ある実施の形態に関連して説明した種々の特徴は、他の実施の形態にも適用可能である。組合せによって生じる新たな実施の形態は、組み合わされる実施の形態それぞれの効果をあわせもつ。
【００８３】
上述の実施の形態では、極低温冷凍機１０への適用を例として説明したが、実施の形態に係る圧縮機１２の用途はこれに限られない。圧縮機１２は、冷媒ガスに代えて、その他のガスを圧縮してもよい。圧縮機１２は、極低温冷凍機１０の膨張機１４に代えて、その他の高圧ガス利用機器にガスを供給してもよい。
【００８４】
実施の形態にもとづき、具体的な語句を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用の一側面を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。
【符号の説明】
【００８５】
１０  極低温冷凍機、  １２  圧縮機、  １４  膨張機、  ２２ａ  第１圧縮室、  ２２ｂ  第２圧縮室、  ２８ａ  第１作動流体室、  ２８ｂ  第２作動流体室、  ４６  作動流体ポンプ、  ４６ａ  ポンプ吐出口、  ４６ｂ  ポンプ吸込口、  ４６ｃ  回転子、  ４８  回転駆動源、  ５０  方向制御弁、  ５２  入口ポート、  ５４  出口ポート、  ５６  第１ポート、  ５８  第２ポート、  ６０  圧力逃がし流路、  ６２  回転弁体。
【図１】
2020143622.tif 000003
【図２】
2020143622.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2020143622.tif 000007
【図６】
2020143622.tif 000008
【図７】
2020143622.tif 000009
【図８】
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