(57)【要約】【課題】ピストンシール材の過冷却に起因するガスリークを防止すると共に、負荷に対する低温気体の供給が円滑にできるようにした低温気体搬送ポンプを提供する。【解決手段】クランクシャフト５を介して１８０°位相をずらして駆動される２つのピストン１、３とシリンダ２、４でポンプ作動部Ａを構成する。このポンプ作動部Ａを冷凍機１５及び負荷１６を含む冷凍閉回路１４に接続し、２つのピストン１、３とシリンダ２、４により低温気体を等容積で搬送する。２つのピストン１、３は熱伝導性の低い材料で形成し、外周部にピストンリング１２、１３をそれぞれピストンの長さ方向に沿って３段装着する。更に、構成部材全体をハウジング１７内に収容する。【選択図】　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
低温気体を循環させる冷凍閉回路中に接続されるポンプであって、このポンプはクランクシャフトを介して１８０°位相をずらして駆動される２つのピストンとシリンダとを備えていることを特徴とする低温気体搬送ポンプ。
【請求項２】
前記２つのピストンとシリンダにより低温気体を等容積にて搬送することを特徴とする請求項１記載の低温気体搬送ポンプ。
【請求項３】
前記２つのピストンは、それぞれ熱伝導性の低い材料で形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の低温気体搬送ポンプ。
【請求項４】
前記２つのピストンは、それぞれピストンリングがピストンの長さ方向に沿って複数段装着されている請求項１乃至請求項３いずれか１項記載の低温気体搬送ポンプ。
【請求項５】
前記２つのピストンとシリンダを備えたポンプ作動部が、冷凍閉回路及びクランクシャフトを有するポンプ駆動部と共に半密閉又は密閉容器内に収容されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４いずれか１項記載の低温気体搬送ポンプ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、低温気体を循環させる冷凍閉回路中に接続するのに適した低温気体搬送ポンプに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ヘリウム等を低温気体媒体とする閉回路循環系の冷凍サイクルが知られている。この冷凍サイクルにおいて、低温気体を強制循環させるためにポンプが用いられており、このポンプとしては通常タービンポンプやブロアー式ポンプが使用されている。そして、冷凍機で冷却された−２００℃程度の低温気体をポンプにより負荷（冷凍室等）に送り込み、ここで熱交換した低温気体を冷凍機に戻し、この冷凍機で冷却された低温気体を、再度ポンプを介して負荷に送り込むことが繰り返して連続的に行われる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来のタービンポンプやブロアー式ポンプによると、軸受け部のシール材が低温気体により過冷却されて硬化し、シール性能が低下してガスリークが発生し、このため冷却性能の低下を招く問題があった。又、冷凍サイクルにおいて、ポンプによる低温気体の循環が円滑に行われず、負荷に対する低温気体の供給が充分なされずに支障を来たすという問題もあった。
【０００４】
本発明は、このような従来の冷凍サイクルにおけるポンプの問題を解決するためになされ、シール材の過冷却に起因するガスリークを防止すると共に、負荷に対する低温気体の供給が円滑にできるようにした低温気体搬送ポンプを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明に係る請求項１は、低温気体を循環させる冷凍閉回路中に接続されるポンプであって、このポンプはクランクシャフトを介して１８０°位相をずらして駆動される２つのピストンとシリンダとを備えていることを特徴とする。
【０００６】
又、本発明に係る請求項２は、前記２つのピストンとシリンダにより低温気体を等容積にて搬送することを特徴とする。
【０００７】
更に、本発明に係る請求項３は、前記２つのピストンは、それぞれ熱伝導性の低い材料で形成されていることを特徴とする。
【０００８】
本発明に係る請求項４は、前記２つのピストンは、それぞれピストンリングがピストンの長さ方向に沿って複数段装着されていることを特徴とする。
【０００９】
そして、本発明に係る請求項５は、前記２つのピストンとシリンダを備えたポンプ作動部が、冷凍閉回路及びクランクシャフトを有するポンプ駆動部と共に半密閉又は密閉容器内に収容されていることを特徴とする。
【００１０】
本発明では、請求項１及び請求項２のようにポンプを２ピストン構造とし、クランクシャフトを介して１８０°ずれた位相で２つのピストンを駆動し、且つ低温気体を等容積にてタイミング良く送出することにより、負荷に対して低温気体を円滑に且つ充分に供給することができる。
【００１１】
又、請求項２及び請求項３のようにピストンを熱伝導率の低い材料で形成し、且つピストンリングをピストンの長さ方向に沿って複数段装着することにより、低温気体に起因するピストンリング（シール材）の過冷却を防止し、もってガスリークを防止することができる。
【００１２】
更に、請求項５のように２つのピストンとシリンダを備えたポンプ作動部が、冷凍閉回路及びクランクシャフトを有するポンプ駆動部と共に半密閉又は密閉容器内に収容されていることにより、外部との断熱を図って冷凍性能を高く保持することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
次に、本発明に係る低温気体搬送ポンプの実施形態を添付図面に基づいて説明する。図１は、本発明に係る低温気体搬送ポンプを含む冷凍サイクル全体の構成図である。
【００１４】
図１において、１はポンプ作動部Ａにおける第１ピストンであり、第１シリンダ２内を摺動可能に形成され、３は第２ピストンであり、第２シリンダ４内を摺動可能に形成されている。この第１ピストン１と第２ピストン３は、それぞれ熱伝導率の低い合成樹脂を材料として同じ大きさに形成される。第１シリンダ２と第２シリンダ４は、それぞれ高圧（２ＭＰａ〜３ＭＰａ）に耐えられる金属を材料として同じ大きさに形成される。
【００１５】
第１ピストン１と第２ピストン３は、ポンプ駆動部Ｂにおけるクランクシャフト５を介して１８０°位相をずらして駆動される。即ち、クランクシャフト５は、モータ６と軸受け７により軸回転可能に支持され、２つのクランク部５ａ、５ｂが１８０°の位相差をもって設けられており、上記第１ピストン１の下部とクランク部５ａはコンロッド８で、第２ピストン３の下部とクランク部５ｂはコンロッド９でそれぞれ連結されている。
【００１６】
１０、１１はオイルシールであり、オイルシール１０は第１シリンダ２の底部に設けられて上記コンロッド８の挿入口をシールし、オイルシール１１は第２シリンダ４の底部に設けられてコンロッド９の挿入口をシールしている。
【００１７】
１２、１３はピストンリングであり、ピストンリング１２は第１ピストン１の外周面に長さ方向（軸線方向）に沿って３段装着され、これと同様にピストンリング１３は第２ピストン３の外周面に長さ方向（軸線方向）に沿って３段装着されている。これらのピストンリング１２、１３は、例えばＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）とグラファイトを主成分として欠環状に成形され、第１ピストン１、第２ピストン３の外周に設けた凹溝にそれぞれ装着することで欠環部が閉じるようになっている。
【００１８】
１４は冷凍閉回路（冷凍サイクル）であり、管路により接続された冷凍機１５と負荷１６（冷凍室等）とを備えており、前記第１シリンダ２及び第２シリンダ４が接続されている。この場合、第１シリンダ２は負荷１６側に、第２シリンダ４は冷凍機１５側に接続され、これにより冷凍機１５→第２シリンダ４→第１シリンダ２→負荷１６→冷凍機１５のルートで冷媒ガスが循環する冷凍閉回路１４が構成されている。尚、冷媒ガスとしては、例えばヘリウムが使用される。
【００１９】
そして、第１シリンダ２の上端部には自動開閉弁２ａ、２ｂが、第２シリンダ４の上端部には自動開閉弁４ａ、４ｂがそれぞれ設けられ、第１シリンダ２、第２シリンダ４への冷媒ガスの出入を制御する。
【００２０】
１７はハウジングであり、このハウジング１７によって前記２つのピストン１、３と２つのシリンダ２、４とを備えたポンプ作動部Ａが、冷凍閉回路１４及びクランクシャフト５を有するポンプ駆動部Ｂと共に半密閉又は密閉状態にて収容されている。
【００２１】
このように構成された低温気体搬送ポンプにおいて、モータ６を駆動するとクランクシャフト５が軸回転し、クランク部５ａを介して第１ピストン１が第１シリンダ２内を摺動すると共に、クランク部５ｂを介して第２ピストン３が第２シリンダ４内を摺動する。この時、クランク部５ａとクランク部５ｂとは１８０°の位相差があるため、第１ピストン１と第２ピストン３との摺動が相反方向となる。即ち、一方のピストンが上死点から下死点に向かって摺動すると、他方のピストンは下死点から上死点に向かって摺動する。
【００２２】
前記負荷１６で熱交換して排出された冷媒ガスは、管路を通って冷凍機１５に入って冷却され、この冷凍機１５から排出された冷媒ガスは第２ピストン３が上死点から下死点まで摺動する際に第２シリンダ４内に吸引される。この時、第２シリンダ４の自動開閉弁４ａは下向きに回動して水平位置となって閉じ、自動開閉弁４ｂは水平位置から下向きに回動して開く。
【００２３】
第２ピストン３が下死点に到達した後、引き続いて下死点から上死点まで摺動する際に、吸引した冷媒ガスを第２シリンダ４から排出する。この時は、第２シリンダ４の自動開閉弁４ａは水平位置から上向きに回動して開き、自動開閉弁４ｂは上向きに回動して水平位置となって閉じる。
【００２４】
第２シリンダ４から排出された冷媒ガスは、排出と同時に上死点から下死点に向かって摺動する第１ピストン１によって第１シリンダ２内に吸引される。この時、第１シリンダ２の自動開閉弁２ａは下向きに回動して水平位置となって閉じ、自動開閉弁２ｂは水平位置から下向きに回動して開く。
【００２５】
第１ピストン１が下死点に到達した後、引き続いて下死点から上死点まで摺動する際に、吸引した冷媒ガスを第１シリンダ２から排出する。この時は、第１シリンダ２の自動開閉弁２ａは水平位置から上向きに回動して開き、自動開閉弁２ｂは上向きに回動して水平位置となって閉じる。
【００２６】
そして、第１シリンダ２から排出された冷媒ガスは、管路を通って負荷１６に供給される。更に、負荷１６で熱交換された冷媒ガスは、負荷１６から排出されて管路を経て冷凍機１５に戻される。このようにして、冷媒ガスは冷凍閉回路１４を循環させられる。
【００２７】
ところで、第１シリンダ２が下死点から上死点に向かって摺動している間に、隣接する第２ピストン３は上死点から下死点に向かって摺動し、冷凍機１５から排出される冷媒ガスを第２シリンダ４内に吸引する。この第２シリンダ４内に吸引された冷媒ガスは、引き続いて同時進行される第２ピストン３による排出動作と第１ピストン１による吸引動作とによって、第１シリンダ４内に搬送される。つまり、第１ピストン１と第２ピストン３とで吸引／排出が交互に連動して行われることにより、冷媒ガスを搬送して冷凍閉回路１４中を循環させることができる。
【００２８】
その際、第１シリンダ２と第２シリンダ４は等容積であるため、第１シリンダ２から第２シリンダ４への冷媒ガスの搬送量は常に等容積となる。これにより、負荷１６に対する冷媒ガスの供給が円滑に行われると共に、冷媒ガスの供給量が一定となる。冷媒ガスの供給量は必要且つ充分な条件を満たすように２つのシリンダの容積が予め設定される。
【００２９】
又、第１ピストン１及び第２ピストン３は、いずれも熱伝導性の低い材料で形成されていることから、ピストンの上部が−１２０℃〜−２００℃の冷媒ガスに接触してもその冷熱をピストンの下方部に伝熱し難い。このため、ピストンの外周部に装着されているピストンリング１２、１３が過冷却されて硬化することはない。これにより、ピストンリングのシール性能が低下してガスリークが発生し、冷却性能の低下を招くことがなくなる。
【００３０】
更に、ピストンリング１２、１３はいずれもピストンの長さ方向（軸線方向）に沿って複数段（図例では３段）装着されているため、ピストンの下方部で生じる高温ガスがリークしてピストン上方部の冷媒ガスに混入することはない。従って、ピストン上方部とピストン下方部との熱交換を遮断することができ、冷媒ガスの冷却性能を高く保持することができる。尚、第１シリンダ２及び第２シリンダ４も熱伝導性の低い金属で成形することが望ましい。
【００３１】
又、本発明では構成部材の全体をハウジング１７内に収容し、半密閉又は密閉状態にしている。これにより、外部とは断熱されて冷凍雰囲気を維持することができる。特に、超低温気体冷媒を使用する場合に適している。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したことから明らかなように、本発明に係る請求項１によれば、低温気体を循環させる冷凍閉回路中に接続されるポンプであって、このポンプはクランクシャフトを介して１８０°位相をずらして駆動される２つのピストンとシリンダとを備えているので、低温気体の吸引／排出を交互に連動してタイミングよく行わせることができる。
【００３３】
又、本発明に係る請求項２によれば、前記２つのピストンとシリンダにより低温気体を等容積にて搬送するので、負荷（冷凍室等）に対して低温気体を常に円滑に且つ必要な一定量を供給することができる。
【００３４】
更に、本発明に係る請求項３によれば、前記２つのピストンは、それぞれ熱伝導性の低い材料で形成されているので、ピストンの外周部に装着したピストンリングを過冷却から保護することができる。これにより、ピストンリングのシール性を保ち、ガスリークを防止することで冷却性能の低下を招くことがなくなる。
【００３５】
又、本発明に係る請求項４によれば、前記２つのピストンは、それぞれピストンリングがピストンの長さ方向に沿って複数段装着されているので、ピストンの下方部で生じる高温ガスがピストン上方部の低温ガス側にリークすることはない。これにより、ピストン上方部とピストン下方部との熱交換を遮断することができ、低温ガスの冷却性能を高く保持することができる。
【００３６】
そして、本発明に係る請求項５によれば、前記２つのピストンとシリンダを備えたポンプ作動部が、冷凍閉回路及びクランクシャフトを有するポンプ駆動部と共に半密閉又は密閉容器内に収容されているので、外部との断熱を図って冷凍性能を高く保持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る低温気体搬送ポンプの実施形態を示すもので、その低温気体搬送ポンプを含む冷凍サイクル全体の構成図である。
【符号の説明】
１…第１ピストン
２…第１シリンダ
３…第２ピストン
４…第２シリンダ
５…クランクシャフト
１２、１３…ピストンリング
１４…冷凍閉回路
１５…冷凍機
１６…負荷
１７…ハウジング
【図１】
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