(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧力振動源と、蓄冷器と、コールドヘッドと、位相調節機構とを直列接続し、前記圧力振動源から供給される作動ガスの圧力変動と変移変動との位相差を前記位相調節機構で調節することにより前記蓄冷器の両端に温度差を生ぜしめ、前記コールドヘッドにおいて極低温を発生する極低温発生装置において、
前記圧力振動源は、高圧吐出口及び低圧吸入口を有する圧縮機と、
前記高圧吐出口に連通する高圧空間を内部に有した高圧側ハウジングと、前記低圧吸入口に連通する低圧空間を内部に有した低圧側ハウジングと、前記高圧空間内に配され駆動手段により回転駆動可能なロータリ弁子と、前記低圧空間内に前記ロータリ弁子と対面して配されたバルブプレートと、前記低圧空間から前記ロータリ弁子と前記バルブプレートとの対向面にかけて前記バルブプレート内に穿設された低圧通路と、前記バルブプレート内に穿設され一端面が前記対向面に開口し他端が前記蓄冷器に連通するメイン通路と、前記高圧空間から前記対向面にかけて前記ロータリ弁子内に穿設され前記メイン通路に連通する高圧通路と、前記ロータリ弁子に形成され前記低圧通路と前記メイン通路とを連通する連通路と、前記ロータリ弁子を前記バルブプレートから離間する方向に付勢する弾性体と、を備えたロータリバルブユニットと
を有することを特徴とする、極低温発生装置。
【請求項２】
前記圧力振動源は、前記ロータリ弁子と前記バルブプレートとの間に環状のベアリングを設けてなることを特徴とする、請求項１または２に記載の極低温発生装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、極低温発生装置に係り、より詳細には、ギホード・マクマホン冷凍機、バルブタイプのパルス管冷凍機等に代表される、作動流体の高低圧をバルブにより切り替える極低温発生装置の高低圧切り替え機構に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の、作動流体の高低圧をバルブにより切り替える極低温発生装置について、パルス管冷凍機を例にとり説明する。
【０００３】
図２は、従来のパルス管冷凍機である。図において、圧縮機１は高圧吐出口１ａ及び低圧吸入口１ｂを有している。高圧吐出口１ａ側には高圧配管２が連結され、低圧吸入口１ｂ側には低圧配管３が連結される。高圧配管２は高圧バルブ４を、低圧配管３は低圧バルブ５を経て、各々第１導管７に連通し、第１導管７の他端は蓄冷器８の一端に連通している。また、６はバルブ開閉制御部である。蓄冷器８の他端はコールドヘッド９に連結され、コールドヘッド９はさらにパルス管１０の一端に連結している。パルス管１０の他端は第２導管１１に連通しており、第２導管１１は第１オリフィス１２を経てバッファタンク１３に連通している。また１４は、第１導管７と第２導管１１とを、第２オリフィス１５を介して連通するバイパス配管であり、通称ダブルインレット通路と呼ばれる。
【０００４】
上記構成のパルス管冷凍機において、高圧バルブ４が開となり、低圧バルブ５が閉となると、高圧状態の作動ガスが第１導管７を経て蓄冷器８に侵入するとともに、一部がバイパス配管１４から第２オリフィス１５、第１オリフィス１２を経てバッファタンク１３に侵入する。蓄冷器８に侵入した高圧の作動ガスは、コールドヘッド９、パルス管１０、第２導管１１、第１オリフィス１２を経てバッファタンク１３に侵入する。この状態から高圧バルブ４が閉となり、低圧バルブ５が開となると、バッファタンク１３内の高圧の作動ガスは、パルス管１０、コールドヘッド９、蓄冷器８、第１導管７、低圧バルブ５を経て圧縮機１の低圧吸入口１ｂに帰還するとともに、その一部がバイパス配管１４から低圧バルブ５を経て低圧吸入口１ｂに帰還する。また、パルス管１０、コールドヘッド９、蓄冷器８内の高圧ガスは、第１導管７から低圧バルブ５を経て低圧吸入口１ｂに帰還する。
【０００５】
上記一連の動作中、バッファタンク１３に侵入する作動ガスは、第１オリフィス１２及び第２オリフィス１５により流量が制御されるため、作動ガスの圧力変化と位置変化に位相ずれが生じる。また、バッファタンク１３から排出される作動ガスも、第１オリフィス１２及び第２オリフィス１５により流量が制御されるため、、作動ガスの圧力変化と位置変化に位相ずれが生じる。このように、作動ガスの圧力変動と変移変動との位相差を生ぜしめることで、作動ガスの熱がコールドヘッド９から蓄冷器８側へと汲み出され、コールドヘッド９において極低温を発生する。
【０００６】
上記構成のパルス管冷凍機の内、圧縮機１、高圧配管２、低圧配管３、高圧バルブ４、低圧バルブ５、バルブ開閉制御部６で作動ガスの圧力振動源６０を構成し、第１オリフィス１２、第２オリフィス１５、バファタンク１３で作動ガスの位相調節機構１６を構成する。
【０００７】
高圧バルブ４、低圧バルブ５、バルブ開閉制御部６は、通常一体のロータリバルブユニットで構成されることが多い。従来のロータリバルブユニットの構成を、図３に示す。
【０００８】
図３において、ロータリバルブユニット１７は、ロータリバルブ１８と、バルブ駆動用モータ１９とで構成してある。ロータリバルブ１８は、バルブ駆動用モータ１９で回転駆動されるロータリ弁子２０と、ロータリ弁子２０に対向する状態に配置したバルブプレート２１とで構成される。ロータリ弁子２０は、図４に示すように、円板の対称箇所を所定角度の扇面形状に切り欠いた形状に形成してあり、その中央部に第１低圧ガス通路２２を形成するとともに、扇形状に残っている２つの突出片部分でのバルブプレート２１との摺動面にそれぞれ円弧状の長溝２３を形成し、各長溝２３と第１低圧通路２２はロータリ弁子２０の内部で連通している。一方バルブプレート２１には、その中心部から側面にかけて第２低圧通路２４が形成され、またその中心部から偏心した位置に蓄冷器側と連通するメイン通路２５が形成されている。また、ロータリ弁子２０が収容されているハウジング２６の側部には、圧縮機の高圧吐出口と連通する高圧連通孔２７が設けられる。またバルブプレート２１に設けられた第２低圧通路２４は、圧縮機の低圧吸入口に連通している。
【０００９】
上記構成のロータリバルブユニット１７において、バルブ駆動用モータ１９の回転により、ロータリ弁子２０が回転する。このとき、バルブプレート２１のメイン通路２５がロータリ弁子２０に覆われていない状態であるときは、メイン通路２５は、高圧連通孔２７からの高圧作動ガスで満たされた空間と連通する。このため高圧の作動ガスをメイン通路２５から蓄冷器に供給する。また、メイン通路２５がロータリ弁子２０に覆われ、円弧状の長溝２３とメイン通路２５とが対面した場合、圧縮機の低圧吸入口と連通した第２低圧通路２４が第１低圧通路２２を経てメイン通路２５と連通するため、蓄冷器側から高圧の作動ガスがロータリバルブ１８に流れ込み、第２低圧通路２４から圧縮機に帰還する。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
従来のロータリバルブユニットは、図３に示すように、ロータリ弁子２０が収容されたハウジング２６内の空間は、圧縮機の高圧吐出口と連通されているため、常時高圧状態である。従って、ロータリ弁子２０は、強い圧力で常時バルブプレート２１に押し付けられる。そのため、ロータリ弁子２０を駆動するため非常に大きい駆動力が必要となり、そのためモータ等の駆動手段が大型化、ひいては装置の大型化を招いていた。また、このような非常に大きな圧力でロータリ弁子２０がバルブプレート２１に押し付けられながら回転するため、ロータリ弁子２０の摩耗が激しく、ロータリバルブの耐久性を著しく劣化させる要因となる。
【００１１】
故に、本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、ロータリ弁子とバルブプレートとの接触圧力を緩和して、ロータリ弁子の駆動トルクを減少し、さらにロータリ弁子の摩耗を防止してロータリバルブの耐久性を向上させることを技術的課題とするものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記技術的課題を解決するために、本発明の請求項１において講じた技術的手段は、圧力振動源と、蓄冷器と、コールドヘッドと、位相調節機構とを直列接続し、前記圧力振動源から供給される作動ガスの圧力変動と変移変動との位相差を前記位相調節機構により調節することにより前記蓄冷器の両端に温度差を生ぜしめ、前記コールドヘッドにおいて極低温を発生する極低温発生装置において、
前記圧力振動源は、高圧吐出口及び低圧吸入口を有する圧縮機と、
前記高圧吐出口に連通する高圧空間を内部に有した高圧側ハウジングと、前記低圧吸入口に連通する低圧空間を内部に有した低圧側ハウジングと、前記高圧空間内に配され駆動手段により回転駆動可能なロータリ弁子と、前記低圧空間内に前記ロータリ弁子と対面して配されたバルブプレートと、前記低圧空間から前記ロータリ弁子と前記バルブプレートとの対向面にかけて前記バルブプレート内に穿設された低圧通路と、前記バルブプレート内に穿設され一端面が前記対向面に開口し他端が前記蓄冷器に連通するメイン通路と、前記高圧空間から前記対向面にかけて前記ロータリ弁子内に穿設され前記メイン通路に連通する高圧通路と、前記ロータリ弁子に形成され前記低圧通路と前記メイン通路とを連通する連通路と、前記ロータリ弁子を前記バルブプレートから離間する方向に付勢する弾性体と、を備えたロータリバルブユニットと
を有することを特徴とする、極低温発生装置としたことである。
【００１３】
上記技術的手段によれば、ロータリバルブユニット内に、ロータリ弁子をバルブプレートから離間する方向に付勢する付勢部材を設けた。ロータリ弁子は高圧空間内に、バルブプレートは低圧空間内に配置されているため、圧力差によりロータリ弁子はバルブプレートに押し付けられる。このときロータリ弁子をバルブプレートから離間する方向に付勢する付勢部材の付勢力と上記押し付け力の一部が相殺され、押し付け力が緩和されるものである。
【００１４】
上記技術的課題を解決するために、本発明の請求項２において講じた技術的手段のように、前記圧力振動源は、前記ロータリ弁子と前記バルブプレートとの間に環状のベアリングを設けてなることを特徴とする、請求項１に記載の極低温発生装置とするのが好ましい。ロータリ弁子とバルブプレートとの間にベアリングを設ければ、ベアリング部分にかかる押し付け力は、ロータリ弁子の回転に対する摩擦抵抗力とはならないため、ロータリ弁子の回転駆動力をより一層低減できる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態例について、図面とともに説明するが、極低温装置全体の構成は、従来技術において説明したパルス管冷凍機やギホードマクマホン冷凍機と同様であるので説明を省略し、ロータリバルブユニットの構成のみを説明する。
【００１６】
図１は、本発明の第１実施形態例であるロータリバルブユニットの断面図である。図において、ロータリバルブユニット３０は、ロータリ弁子３８を回転駆動させる駆動部３１及び、ロータリバルブ３２で構成される。駆動部３１は、第１ハウジング３３、第１ハウジング３３とシール部材を介して連結された円筒状の第２ハウジング３４、第１ハウジング３１と第２ハウジング３４の内部に配置されたモータ３５より成る。ロータリバルブ３２は、第３ハウジング３６、第３ハウジング３６とシール部材を介して連結された第４ハウジング３７、第３ハウジング３６及び第４ハウジング３７の内部に配置されたロータリ弁子３８、バルブプレート３９、スプリング４０、ベアリング４１より成る。
【００１７】
モータ３５の一端はプレート４２に固着され、このプレート４２は螺子４３により第３ハウジング３６に螺合固定されている。ロータリ弁子３８の中心部にはストッパ５６で底部を封止された有底孔が、バルブプレート３９の中心部には後述する低圧通路５２が形成されており、この有底溝及び低圧通路５２内に、モータ３５の回転駆動を伝達するシャフト４４が挿入され、シャフト４４とロータリ弁子３８はキー溝の噛み合いにより、軸方向に移動可能であり、かつ同軸回転可能に固着されている。従って、ロータリ弁子３９は、モータ３５が回転すると、シャフト４４により回転力が伝達され、シャフト４４と同軸的に回転する。
【００１８】
第４ハウジング３７には、その図示上部からロータリ弁子３８が収容される内部空間５３にかけて、高圧導入路４５が形成されている。また第１ハウジング３３には、その図示右側からモータ３５が収容される内部空間５４にかけて、低圧導入路４６が形成されている。高圧導入路４５の外部開口端４５ａは図示せぬ圧縮機の高圧吐出口に連通している。低圧導入路４６の外部開口端４６ａは図示せぬ圧縮機の低圧吸入口に連通している。このため内部空間５３は圧縮機の高圧吐出口に連通することになり、高圧空間と、内部空間５４は圧縮機の低圧吸入口に連通することになり、低圧空間となる。
【００１９】
第３ハウジング３６の内部に収容されたバルブプレート３９は、ピン４７により第３ハウジング３６内に位置決めされて固定されている。バルブプレート３９の図示左側には、ロータリ弁子３８がバルブプレート３９と対面する形で配置しており、両者間で対向面５５を形成している。バルブプレート３９には、対向面５５から第３ハウジング３６にかけて第１メイン通路４８が形成されており、第３ハウジング３６には、前記第１メイン通路４８との対面部から図示上部にかけて第２メイン通路４９が形成されている。第２メイン通路４９の外部開口端４９ａは、図示せぬ蓄冷器に連通している。
【００２０】
バルブプレート３９にはさらに、モータ３５が収容されている低圧空間５４から対向面５５側にかけて、前述した低圧通路５２が形成されている。また、第４ハウジング３７の内部に収容されたロータリ弁子３８は、その収容されている高圧空間５３側から対向面５５側にかけて、高圧通路５０が形成されると共に、バルブプレート３９に形成された低圧通路５２と、対向面５５にて連通する連通路５１が形成されている。ここで、ロータリ弁子３８  回転中心から高圧通路５０までの距離は、回転中心から連通路５１までの距離と等しく設定されており、またこれらの距離は、バルブプレート３９の中心から第１メイン通路４８との距離とも等しい。従って、ロータリ弁子３８が回転して、ある瞬間には高圧通路５０と第１メイン通路４８とが連通状態となり、またある瞬間には低圧通路５２、連通路５１と第１メイン通路４８とが連通状態となる。
【００２１】
ロータリ弁子３８とバルブプレート３９との間には、環状のベアリング４１が配されている。またロータリ弁子３８の環状ベアリング４１に当接する部分の一部には、環状の有底溝が形成されており、この溝内にはスプリング４０が配置されている。
【００２２】
上記構成のロータリバルブユニットにおいて、圧縮機の高圧吐出口から高圧の作動ガスが高圧導入路４５の外部開口端４５ａよりロータリバルブユニット３０に侵入し、さらに、高圧導入路４５に連通している高圧空間５３に侵入する。また、圧縮機の低圧吸入口は第１ハウジング３３の低圧導入路４６とその外部開口端４６ａにおいて連通しており、さらに低圧導入路はモータ３５が収容されている低圧空間５４と連通しているため、低圧空間５４は常時低圧状態である。この状態において、モータ３５が駆動し、モータ３５に連結しているシャフト４４及びシャフト４４に連結しているロータリ弁子３８が回転する。ロータリ弁子３８が回転し、図１に示す状態である場合、ロータリ弁子３８の高圧通路５０とバルブプレート３９の第１メイン通路とが連通状態となる。高圧通路５０は高圧空間５３と連通しているため、高圧の作動ガスが高圧通路５０、第１メイン通路４８、第２メイン通路４９を経て蓄冷器に導入される。この状態からロータリ弁子３８がさらに回転し、バルブプレート３９の低圧通路５２、ロータリ弁子３８の連通路５１、バルブプレートの第１メイン通路４８とが連通状態となった場合、低圧通路５２は常時低圧空間５４と連通しているため、蓄冷器内の高圧ガスは、第２メイン通路４９、第１メイン通路４８、連通路５１、低圧通路５２を経て低圧空間５４に侵入する。
【００２３】
上記動作を繰り返すことにより、蓄冷器内に導入する作動ガスの高低圧の切替が行われる。
【００２４】
図１において、高圧空間５３はロータリ弁子３８側に位置し、低圧空間５４はバルブプレート３９側に位置する。従って、高圧と低圧との差圧分の圧力でロータリ弁子３８はバルブプレート３９に押し付けられる。このときロータリ弁子３８の有底溝内に配置されたスプリング４０により、ロータリ弁子３８はバルブプレート３９から離間する方向に付勢されているため、このスプリング４０による付勢力と差圧による押し付け力とがある程度相殺される。この結果、ロータリ弁子３８がバルブプレート３９に押し付けられる力が緩和され、ロータリ弁子３８の回転トルクを大幅に減少することができる。
【００２５】
また、ロータリ弁子３８とバルブプレート３９との間には、ベアリング４１が配されている。従って、バルブプレート３９にかかる、ロータリ弁子３８からの押し付け力の大部分は、このベアリング４１を介して伝達される。ベアリング４１を介して伝達された押し付け力は、ロータリ弁子３８が回転する際の摩擦力には影響しない。そのため、ロータリ弁子３８の回転トルクを一層大幅に減少することができる。
【００２６】
以上、本発明の１実施形態例について説明したが、本発明は、上記実施形態例に限定されるものではない。例えば、実施形態例においては図１に示すように、スプリング４０の一端がベアリング４１に当接している構成としたが、これに限定されることはなく、シャフト４４の先端面とロータリ弁子３８とで囲まれる空間Ｈ内にスプリングを配置しても、同様の効果が得られる。また、スプリング４４の代わりに、ゴム、樹脂等の弾性体を配置しても、同様の効果が得られ、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて、適用可能である。
【００２７】
【発明の効果】
請求項１の発明は、以下の如く効果を有する。
【００２８】
ロータリ弁子をバルブプレートから離間する方向に付勢する付勢部材をロータリバルブユニット内に配置した。これにより、ロータリ弁子側の圧力とバルブプレート側の圧力の差に基づき両者が押し付けられる力を、付勢部材の付勢力である程度相殺させることができる。このため、正味の押し付け力が減少し、ロータリ弁子を駆動する駆動手段の駆動トルクを減少させることが可能となり、駆動手段の小型化、ひいてはロータリバルブユニットまたはそのロータリバルブユニットを使用する極低温発生装置の小型化に寄与する。
【００２９】
請求項２の発明は、以下の如く効果を有する。
【００３０】
ロータリ弁子とバルブプレートとの間に、環状のベアリングを設けた。これにより、ロータリ弁子側の圧力とバルブプレート側の圧力の差に基づき両者が押し付けられる力の大部分をベアリングが受けることになる。ベアリングにかかる押し付け力は、ロータリ弁子が回転するときの回転摩擦抵抗に寄与しない。このため、実際に回転摩擦抵抗に寄与するのは直接ロータリ弁子とバルブプレートが接触している部分のみにかかる押し付け力のみとなり、より一層ロータリ弁子を駆動させるときの駆動トルクを減少できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例における、ロータリバルブユニットの部分断面図である。
【図２】パルス管冷凍機の全体概略図である。
【図３】従来技術における、ロータリバルブユニットの断面図である。
【図４】従来技術における、ロータリ弁子及びバルブプレートの斜視図である。
【符号の説明】
１    圧縮機
１ａ  高圧吐出口
１ｂ  低圧吸入口
８    蓄冷器
９    コールドヘッド
１２    第１オリフィス
１３    バッファタンク
１５    第２オリフィス
１６    位相調節機構
３０    ロータリバルブユニット
３１    駆動部
３２    ロータリバルブ
３３    第１ハウジング（低圧側ハウジング）
３４    第２ハウジング（低圧側ハウジング）
３５    モータ
３６    第３ハウジング
３７    第４ハウジング（高圧側ハウジング）
３８    ロータリ弁子
３９    バルブプレート
４０    スプリング（付勢部材）
４１    ベアリング
４４    シャフト
４８    第１メイン通路（メイン通路）
５０    高圧通路
５１    連通路
５２    低圧通路
５３    高圧空間
５４    低圧空間
５５    対向面
５６    ストッパ
６０    圧力振動源
【図１】
0003635767.tif 000002
【図２】
0003635767.tif 000003
【図３】
0003635767.tif 000004
【図４】
0003635767.tif 000005