(57)【要約】略円筒状の内周面を有するハウジングと、該ハウジングの壁面に形成された、高圧ガス流路及び低圧ガス流路を含むハウジング流路と、ベアリングに支持され、前記ハウジングの内周面と微少な隙間を隔てて、該ハウジングに接触することなく回転する、略円柱状のロータと、該ロータ内に形成された、前記ハウアジング流路と開口部が合うタイミングでガスが流れるロータ流路を備え、前記ハウジングの高圧ガス供給口及び低圧ガス供給口を、それぞれ、前記ロータの回転軸に関して軸対称の位置に複数設けて、弁に供給されるガス圧力によるロータ回転軸の垂直方向への荷重をキャンセルして、ロータとハウジング間の隙間を適正に保つ。
2002077545.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機からの高圧ガスと低圧ガスを周期的に切換えて冷凍機に送るための冷凍機の高低圧ガス切換弁において、
略円筒状の内周面を有するハウジングと、
該ハウジングの壁面に形成された高圧ガス流路及び低圧ガス流路を含むハウジング流路と、
ベアリングに支持され、前記ハウジングの内周面と微少な隙間を隔てて、該ハウジングに接触することなく回転する、略円柱状のロータと、
該ロータ内に形成された、前記ハウジング流路と開口部が合うタイミングでガスが流れるロータ流路とを備え、
前記ハウジングの高圧ガス供給口及び低圧ガス供給口が、それぞれ、前記ロータの回転軸に関して軸対称の位置に複数設けられていることを特徴とする冷凍機の高低圧ガス切換弁。
【請求項２】
前記ハウジングの低圧ガス供給口が、前記高圧ガス供給口と同一平面内に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の冷凍機の高低圧ガス切換弁。
【請求項３】
前記ロータ流路に流入した高圧ガス又は低圧ガスが、ロータの中心軸及びハウジングの端面に形成された流路を通って、冷凍機に供給されることを特徴とする請求項１又は２に記載の冷凍機の高低圧ガス切換弁。
【請求項４】
前記ロータの中心軸に形成された流路が、ロータの両端面に開口していることを特徴とする請求項３に記載の冷凍機の高低圧ガス切換弁。
【請求項５】
前記ハウジング又はロータの少なくとも一方に、タイミング調整用のスリットが設けられていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の冷凍機の高低圧ガス切換弁。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかに記載の冷凍機の高低圧ガス切換弁を用いた冷凍機。
【請求項７】
請求項６に記載の冷凍機を用いた低温装置。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、冷凍機の高低圧ガス切換弁に係り、特に、パルス管冷凍機やギフォードマクマホンサイクル（ＧＭ）冷凍機に用いるのに好適な、長寿命、高効率、小型、軽量化可能で、摩耗せず、ダストを発生しない冷凍機の高低圧ガス切換弁に関する。
背景の技術
パルス管冷凍機やＧＭ冷凍機においては、図１に示す如く、圧縮機１０で発生された高圧ガスと低圧ガスを周期的に切り換えて、冷凍機１２に送るために高低圧ガス切換弁１４が用いられている。図において、１２Ａはパルス管、１２Ｂは蓄冷管、１２Ｃは冷却ステージ、１６はオリフィス、１８はバッファタンクである。
従来の高低圧ガス切換弁は、例えば特許第２６１７６８１号に記載されているように、図２に示す如く、図３に示すような形状の、ピン２２でバルブハウジング２６に回り止めされ、コイルばね２４でバルブプレート３０方向に付勢されるバルブ本体２０と、該バルブ本体２０を収容するバルブハウジング２６と、図４に示すような形状のバルブプレート３０と、該バルブプレート３０を回転する駆動モータ３２と、該駆動モータ３２を収容するモータケーシング３４とにより構成されている。
前記バルブ本体２０の左側の空間２６ｂは、バルブハウジング２６の高圧ガス流路２６ａを介して、圧縮機（図示省略）の高圧ガス側と接続され、一方、バルブプレート３０の右側の空間３４ｂは、モータケーシング３４の低圧ガス流路３４ａを介して圧縮機の低圧ガス側と接続されており、これらの圧力差とばね２４の作用により、バルブ本体２０をバルブプレート３０に押し付け、両者にあるバルブ本体高圧ガス流路２０ａ、バルブプレート高圧ガス流路３０ａ、バルブプレート低圧ガス流路３０ｂ、バルブ本体冷凍機側ガス流路２０ｂを流れるガスのシールをするようにされている。
図２において、３６は、バルブプレート３０を回転自在に支持するベアリングである。
前記バルブ本体２０又はバルブプレート３０は、どちらか一方（ここではバルブプレート３０）が、駆動モータ３２により回転され、もう一方（ここではバルブ本体２０）が回り止めされて、接触面に形成される図５（高圧供給時）及び図６（低圧回収時）に示したようなパターンに従ったタイミング、開度でガスの切換えを行い、内部に形成された流路又は空間２６ａ→２６ｂ→２０ａ→３０ａ→２０ｂ→２６ｃ（高圧供給時）、又は、流路又は空間２６ｃ→２０ｂ→３０ｂ→３４ｂ→３４ａ（図２に示した低圧回収時）をガスが流れ、バルブハウジング冷凍機側ガス流路２６ｃを介して冷凍機側に供給又は回収される。
しかしながら、このような高低圧ガス切換弁では、バルブ本体２０をバルブプレート３０に押しつけて摺動シールしているため、バルブ本体２０とバルブプレート３０が摩耗し、定期交換が必要となる。又、摺動抵抗が大きく、駆動モータ３２は、大型の高トルクモータを使用する必要があり、ユニット自体の大型化につながる。更に、バルブ本体２０とバルブプレート３０に形成される流路が複雑な形状となり、圧力損失が大きく、冷凍機の能力低下につながる等の問題点を有していた。
又、特開２００１−９１０７８には、図７に示す如く、軸心を中心として回転する水平断面円形の回転子１０１と、この回転子１０１を回転自在に内蔵するハウジング１０２とからなり、上記回転子１０１の外周面に複数のポート１０５〜１１２を設けると共に、ハウジング１０２の内周面に、上記ポート１０５〜１１２に対応する複数のポート１１７〜１２２を設け、上記回転子１０１の回転により、回転子１０１の所定のポート１０５〜１０８とこれに対する上記ハウジング１０２のポート１１７、１１８、１２０、１２２とを合致させて両ポート１０５〜１０８、１１７、１１８、１２０、１２２を連通させる状態と、上記合致を外して両ポート１０５〜１０８、１１７、１１８、１２０、１２２を非連通にする状態とに切り替えるロータリ弁が提案されている。図において、１０３は軸受、１０４はモータである。
しかしながら、各ポートが回転子１０１の軸心に関して非対称に形成されているため、圧力がかかった時にバランスがとれず、高圧から低圧への洩れが大きくなって、うまく作動しないという問題点を有していた。
発明の開示
本発明は、前記従来の問題点を解消するべくなされたもので、長寿命、高効率、小型、軽量化可能で、摩耗せず、ダストが発生しない高低圧ガス切換弁を提供することを課題とする。
本発明は、圧縮機からの高圧ガスと低圧ガスを周期的に切換えて冷凍機に送るための冷凍機の高低圧ガス切換弁において、略円筒状の内周面を有するハウジングと、該ハウジングの壁面に形成された高圧ガス流路及び低圧ガス流路を含むハウジング流路と、ベアリングに支持され、前記ハウジングの内周面と微少な隙間を隔てて、該ハウジングに接触することなく回転する、略円柱状のロータと、該ロータ内に形成された、前記ハウジング流路と開口部が合うタイミングでガスが流れるロータ流路とを備え、前記ハウジングの高圧ガス供給口及び低圧ガス回収口を、それぞれ、前記ロータの回転軸に関して軸対称の位置に複数設けることにより、前記課題を解決したものである。
又、前記ハウジングの低圧ガス回収口を、前記高圧ガス供給口と同一平面内に設けることにより、供給される高圧ガスと低圧ガス圧力によりロータ回転軸に有害なモーメントが働かないようにしたものである。
又、前記ロータ流路に流入した高圧ガス又は低圧ガスが、ロータの中心軸及びハウジングの端面に形成された流路を通って、冷凍機に供給されるようにしたものである。
又、前記ロータの中心軸に形成された流路が、ロータの両端面に開口するようにし、ロータの両側を同じ圧力として、ロータの中心軸方向荷重をキャンセルし、ロータの位置を適正に保つと共に、モータへの負荷を低減したものである。
又、前記ハウジング又はロータの少なくとも一方に、タイミング調整用のスリットを設けたものである。
本発明は、又、前記の高低圧ガス切換弁を用いた冷凍機を提供するものである。
本発明は、更に、前記冷凍機を用いた低温装置を提供するものである。
発明を実施するための最良の形態
以下図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。
本実施形態の高低圧ガス切換弁は、図８（縦断面図）及び図９（高圧ガスが冷凍機に供給される状態の横断面図）及び図１０（低圧ガスが冷凍機に供給される状態の横断面図）に示す如く、略円筒状の内周面を有する、図１１に示すような形状のバルブハウジング４２と、該バルブハウジング４２の壁面に軸対称に形成された一対の高圧ガス流路４２ａ及び一対の低圧ガス流路４２ｂ（ハウジング流路と総称する）と、ベアリング４４、４５に支持され、前記ハウジング４２の内周面と微少な隙間４３を隔てて、該バルブハウジング４２に接触することなく回転する、図１２に示すような略円柱状のロータ４６と、該ロータ４６内に形成された、前記バルブハウジング４２の流路４２ａ又は４２ｂと開口部が合うタイミングでガスが流れる切換ガス流路４６ａ及び冷凍機側ガス流路４６ｂ（ロータ流路と総称する）とを備えたものである。
ガスのシールは、ロータ４６とハウジング４２間の微少な隙間４３により行われる。従って、該微少隙間４３の寸法は、例えば５〜１００μｍとすることができる。即ち、接触を防止するためには５μｍ以上必要であり、冷凍機の性能に対する悪影響を防ぐためには１００μｍ以下であることが望ましい。
図８において、５０は、カップリング５２を介して前記ロータ４６を回転するための駆動モータ、５４は該駆動モータ５０のケーシング、５４ａは、該ケーシング５４内の空間である。
本実施形態においては、２個のベアリング４４、４５により支持されたロータ４６が、ハウジング４２に接触することなく回転する。前記ロータ４６及びハウジング４２には流路が形成されており、それぞれの開口部が合うタイミングで、ガスがロータ流路に流れる。即ち、図９に示す如く、バルブハウジング４２の高圧ガス流路４２ａとロータ４６の切換流路４６ａが向き合った時には、高圧ガスが、流路又は空間４２ａ→４６ａ→４６ｂ→４２ｃを介して冷凍機に供給される。一方、図１０に示す如く、バルブハウジング４２の低圧ガス流路４２ｂとロータ４６の切換流路４６ａが向き合った時には、低圧ガスが、流路又は空間４２ｃ→４６ｂ→４６ａ→４２ｂを介して冷凍機から回収される。
圧縮機からの高圧ガス供給口４２ａは、ロータ４６の軸対称の位置に２系統設置され、それぞれがロータ軸に垂直方向に接続される。軸対称の位置に２系統あるので、供給される高圧ガス圧力によるロータ４６の回転軸の垂直方向への荷重がキャンセルされ、ロータ４６とハウジング４２間の隙間４３を適正に保って、隙間の片寄りや軸の偏摩耗を防止すると共に、モータ５０への負荷が軽減される。
圧縮機からの低圧ガス供給口４２ｂも高圧ガス側と同様な構造であり、高圧ガス供給口及び高圧ガス流路４２ａと同一平面上に９０°の角度をもって流路を形成している。
駆動モータ５０が設置されたケーシング内空間５４ａは、ロータ流路４６ｂによって、冷凍機に供給される空間４２ｃと連通しており、常に同じ圧力とすることによって、ロータ４６への軸方向荷重をキャンセルし、ロータ４６の位置を適正に保って、隙間の片寄りやロータの偏摩耗を防止すると共に、駆動モータ５０への負荷を低減する。
このような構成により、ロータ４６とハウジング４２が非接触でシールを行っているため、摺動部がなく、ダストを発生せず定期的な部品交換が不要となる。なお、非接触であるため、多少の洩れは存在するが、高低圧ガス切換弁を流れるガスの流量に比べれば無視できる。
又、圧力のバランスをとることで、ロータ４６の回転抵抗を限り無く小として、駆動モータ５０への負荷を小さくさせているので、小型のモータを採用でき、ユニットの小型軽量化、低消費電力化が可能となる。
更に、圧力のバランスをとっているので、シールのための微少隙間４３を安定的に確保することができる。更に、流路形状が単純であるため、圧力損失が少ない、高効率の運転が可能となる。
本実施形態においては、ハウジング４２とロータ４６の双方にスリット４２ｓと４６ｓを設けているので、バルブの切換タイミングを容易に変更できる。なお、スリット４２ｓと４６ｓを、いずれか一方のみとしたり、あるいは、省略することも可能である。
バルブロータ４６の外径２０ｍｍ、全長２４ｍｍ、ガス流路４２ａ〜４２ｃ、４６ａ、４６ｂの内径３ｍｍ、シール用微少隙間４３の間隔１５μｍ、駆動モータ５０として、駆動電圧１〜２４Ｖ、直流駆動電流５ｍＡ（直流３Ｖ駆動時）、駆動電圧を変化させることによって、１〜１０Ｈｚ程度まで切換周波数が可変の減速機付小型直流モータを使用し、ベアリング４４、４５は一般規格品とした所、高低圧ガス切換弁におけるシール用微少隙間４３からのリークによる損失は約４０Ｗであり、圧縮機の入力に対して約０．５％のため、無視できる範囲であった。
本発明のバルブユニットは、種々なパルス管に使えるだけでなく、以下の例に示す如く、パルス管冷凍機の位相制御機構に用いることもできる。
４バルブ型パルス管冷凍機の場合、図１３に示す如く、バッファの代りに、二つの開閉式バルブ６１、６２によってパルス管１２Ａの高温端の位相制御を行う。この二つのバルブ６１、６２の一端は、共通のオリフィス１６を介してパルス管１２Ａの高温端に連結する。他端は、それぞれ圧縮機１０の高圧ガスと低圧ガス供給ラインに連結する。二つのバルブは、ある決められたタイミング・チャートに従い、周期的に開閉することによって、パルス管内部の圧力変化とガスの変位との位相を最適化し、所定の冷凍性能を引き出す。
従って、この位相制御バルブの動作状況は、蓄冷器１２Ｂと圧縮機１０との間にある高低圧切換バルブユニット１４の動作状況が本質的に同じであるため、本発明のバルブユニットは、この位相制御バルブにも用いることができる。
又、アクティブバッファ型パルス管冷凍機の場合、図１４に示す如く、パルス管１２Ａ高温端の位相制御は、一つのバッファとオリフィスとの組合せではなく、一つ以上のバッファ１８、１９と同数の開閉バルブ６１、６２との組合せで行う。これらのバッファ１８、１９は、圧縮機の高圧と低圧との間にある、中間圧の状態に保たれるが、各バッファの圧力は異なる。各バッファが各自の開閉バルブを介してパルス管の高温端に連結する。各開閉バルブは、ある決められたタイミング・チャートに従い、周期的に開閉することによって、パルス管内部の圧力変化とガスの変位との位相を最適化し、所定の冷凍性能を引き出す。
従って、この位相制御バルブの動作状況は、蓄冷器１２Ｂと圧縮機１０との間にある高低圧切換バルブユニット１４の動作状況が本質的に同じであるため、本発明のバルブユニットは、この位相制御バルブにも用いることができる。
更に、摩耗が無いので、低温にも使える。
産業上の利用可能性
本発明は、ＧＭ冷凍機やパルス管冷凍機等、極低温冷凍機の高低圧ガス切換弁に用いることができる。
本発明によれば、ロータ回転軸の軸方向及び垂直方向への荷重のバランスをとって、ロータとハウジング間の隙間を適正に保つと共に、モータへの負荷を低減することができる。従って、高低圧ガス切換弁を長寿命、高効率、小型、軽量化すると共に、摩耗せず、ダストを発生しないようにすることが可能となり、長期間の安定的な運転と駆動モータの小型、省電力化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の適用対象であるパルス管冷凍機の一例の全体構成を示すブロック図
図２は、従来の高低圧ガス切換弁の一例の全体構成を示す縦断面図
図３は、同じくバルブ本体の形状を示す斜視図
図４は、同じくバルブプレートの形状を示す斜視図
図５は、同じく高圧ガス供給時のバルブ本体とバルブプレートの相対関係を示す正面図
図６は、同じく低圧ガス供給時のバルブ本体とバルブプレートの相対関係を示す正面図
図７は、特開２００１−９１０７８に記載された従来のロータリ弁の構成を示す縦断面図
図８は、本発明に係る高低圧ガス切換弁の実施形態の全体構成を示す縦断面図
図９は、同じく高圧ガス供給状態を示す横断面図
図１０は、同じく低圧ガス供給状態を示す横断面図
図１１は、前記実施形態で用いられているバルブハウジングを示す斜視図
図１２は、同じくロータを示す斜視図
図１３は、本発明を４バルブ型パルス管冷凍機に適用した例を示す管路図
図１４は、本発明をアクティブバッファ型パルス管冷凍機に適用した例を示す管路図
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
2002077545.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【国際調査報告】
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