WO2002077545A1

WO2002077545A1 - High and low pressure gas selector valve of refrigerator

Info

Publication number: WO2002077545A1
Application number: PCT/JP2002/001165
Authority: WO
Inventors: Tomohiro Koyama; Alphons De Waele
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2001-03-27
Filing date: 2002-02-12
Publication date: 2002-10-03
Anticipated expiration: 2003-09-27
Also published as: US20040040315A1; JPWO2002077545A1; DE10296590T5

Description

明細書

冷凍機の高低圧ガス切換弁技術分野

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一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 1 0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 1 2に送るために高低圧ガス切換弁 1 4が用いられている。図において、 1 2 Aはパルス管、 1 2 Bは蓄冷管、 1 2 Cは冷却ステージ、 1 6はオリフィス、 1 8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 2 6 1 7 6 8 1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 2 2でバルブハウジング 2 6に回り止めされ、コィルばね 2 4でバルププレート 3 0方向に付勢されるバルブ本体 2 0と、該バルブ本体 2 0を収容するバルブノヽウジング 2 6と、図 4 に示すような形状のバルブプレート 3 0と、該バルブプレート 3 0を回転する駆動モータ 3 2と、該駆動モータ 3 2を収容するモータケ一シング 3 4とにより構成されている。

前記バルブ本体 2 0の左側の空間 2 6 bは、バルブハウジング 2 6の高圧ガス流路 2 6 aを介して、圧縮機（図示省略）の高圧ガス側と接続され、一方、バルププレート 3 0の右側の空間 3 4 bは、モータケ一シング 3 4の低圧ガス流路 3 4 a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 2 4 の作用により、バルブ本体 2 0をバルブプレート 3 0に押し付け、両者にあるバルブ本体高圧ガス流路 2 0 a、バルブプレート高圧ガス流路 3 0 a、バルブプレ一ト低圧ガス流路 3 0 b、バルブ本体冷凍機側ガス流路 2 0 b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、 3 6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 3 0) 力駆動モータ 3 2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 26 a— 2 6 b→20 a→3 0 a→ 20 b→26 c (高圧供給時）、又は、流路又は空間 2 6 c→20 b→30 b→ 34 b-→34 a (図 2に示した低圧回収時）をガスが流れ、バルブハゥジング冷凍機側ガス流路 2 6 c 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 3 0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 3 2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 20 0 1— 9 1 0 78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 1 0 1と、この回転子 1 0 1を回転自在に内蔵するハウジング 1 0 2とからなり、上記回転子 1 0 1の外周面に複数のポート 1 0 5〜 1 1 2を設けると共に、ハウジング 1 0 2の内周面に、上記ポート 1 0 5〜 1 1 2に対応する複数のポート 1 1 7〜 1 22を設け、上記回転子 1 0 1の回転により、回転子 1 0 1の所定のポート 1 0 5〜 1 0 8とこれに対する上記ハウジング 1 0 2のポ^ "ト 1 1 7、 1 1 8、 1 20、 1 2 2とを合致させて両ポート 1 0 5 〜1 0 8、 1 1 7、 1 1 8、 1 20、 1 2 2を連通させる状態と、上記合致を外して両ポート 1 0 5〜： L 0 8、 1 1 7、 1 1 8、 1 20、 1 '2 2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、 1 03は軸受、 1 04はモータである。しかしながら、各ポートが回転子 1 0 1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、前記ハゥジング流路と開口部が合ぅ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、前記ノヽ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。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プロック図

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、同じくパルプ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パルプ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 2 0 0 1— 9 1 0 7 8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 1 0は、同じく低圧ガス供給状態を示す横断面図

図 1 1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 1 2は、同じくロータを示す斜視図 .

図 1 3は、本発明を 4バルプ型ノ、レス管冷凍機に適用した例を示す管路図図 1 4は、本発明をァ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

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 1 0 (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 1 1に示すような形状のバルブハウジング 4 2と、該バルブハウジング 4 2の壁面に軸対称に形成された一対の高圧ガス流路 4 2 a及び一対の低圧ガス流路 4 2 b (ハウジング流路と総称する）と、ベアリング 4 4、 4 5に支持され、前記ハウジング 4 2の内周面と微少な隙間 4 3を隔てて、該バルブハウジング 4 2に接触することなく回転する、図 1 2に示すよな略円柱状のロータ 4 6と、該ロータ 4 6内に形成された、前記バルブハゥジング 4 2の流路 4 2 a又は 4 2 bと開口部が合ぅタイミングでガスが流れる切換ガス流路 4 6 a及ぴ冷凍機側ガス流路 4 6 b (ロータ流路と総称する）とを備えたものである。

ガスのシーノレは、ロータ 4 6とハウジング 4 2間の ί敷少な隙間 4 3により行われる。従って、該 ί敷少隙間 4 3の寸法は、例えば 5〜 1 0 0 mとすることができる。即ち、接触を防止するためには 5〃 m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 1 0 0〃m以下であることが望ましい。

図 8において、 5 0は、カップリング 5 2を介して前記ロータ 4 6を回転するための駆動モータ、 5 4は該駆動モータ 5 0のケーシング、 5 4 aは、該ケーシ. ング 5 4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 4 4、 4 5により支持されたロータ 4 6力ハウジング 4 2に接触することなく回転する。前記ロータ 4 6及びハウジング 4 2には流路が形成されており、それぞれの開口部が合ぅタイミングで、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 4 2の高圧ガス流路 4 2 aとロータ 4 6の切換流路 4 6 aが向き合った時には、高圧ガス力流路又は空間 4 2 a→4 6 a→4 6 b→4 2 cを介して冷凍機に供給される。一方、図 1 0に示す如く、バルブハゥジング 4 2の低圧ガス流路 4 2 bとロータ 4 6の切換流路 4 6 aが向き合った時には、低圧ガスが、流路又は空間 4 2 c →4 6 b→4 6 a→4 2 b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 4 2 aは、ロータ 4 6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 4 6の回転軸の垂直方向への荷重がキャンセルされ、ロータ 4 6とハウジング 4 2間の隙間 4 3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 5 0への負荷が軽減される圧縮機からの低圧ガス供給口 4 2 bも高圧ガス側と同様な構造であり、高圧ガス供給ロ及ぴ高圧ガス流路 4 2 aと同一平面上に 9 0 ° の角度をもって流路を形成している。

駆動モータ 5 0が設置されたケーシング内空間 5 4 aは、ロータ流路 4 6 bによって、冷凍機に供給される空間 4 2 c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 4 6への軸方向荷重をキャンセルし、ロータ 4 6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 5 0 への負荷を低減する。

このような構成により、ロータ 4 6とハウジング 4 2が非接触でシールを行つているため、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 4 6の回転抵抗を限り無く小として、駆動モータ 5 0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、ュ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つているので、シールのための微少隙間 4 3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 4 2とロータ 4 6の双方にスリット 4 2 s と 4 6 s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 4 2 sと 4 6 s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 4 6の^ g 2 O mm、全長 2 4 mm、ガス流路4 2 &〜4 2 <:、 4 6 a、 4 6 bの内径 3 mm、シール用微少隙間 4 3の間隔 1 5〃 m、駆動モータ 5 Qとして、駆動電圧 1〜 2 4 V、直流駆動電流 5 mA (直流 3 V駆動時）、駆動電圧を変化させることによって、 1〜； L O H z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 4 4、 4 5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 4 3からのリークによる損失は約 4 0 W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つた。本発明のバルブュニットは、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 1 3に示す如く、ノッファの代りに、二つの開閉式バルブ 6 1、 6 2によってパルス管 1 2 Aの高温端の位相制御を行う。この二つのバルブ 6 1、 6 2の一端は、共通のオリフィス 1 6を介してパルス管 1 2 Aの高温端に連結する。 ί也端は、それぞれ圧縮機 1 0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 'チヤ一トに従い、周期的に開閉することによって、ノ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 1 2 Βと圧縮機 1 0との間にある高低圧切換バルブュ^ツト 1 4の動作状況が本質的に同じであるため、本発明のバルブュニットは、この位相制御バルブにも用いることができる。

又、ァクティブバッファ型パルス管冷凍機の場合、図 1 4に示す如く、パルス管 1 2 Α高温端の位相制御は、一つのバッファとオリフィスとの糸且合せではなく、一つ以上のバッファ 1 8、 1 9と同数の開閉バルブ 6 1、 6 2との組合せで行う。これらのバッファ 1 8、 1 9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、パルス管內部の圧力変ィ匕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 1 2 Bと圧縮機 1 0との間にある高低圧切換バルブュニット 1 4の動作状況が本質的に同じであるため、本発明のバルブュニットは、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つて、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。

Claims

請求の範囲

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、前記ノヽゥ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。

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。

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ノヽウジングの端面に形成された流路を通って、 7令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。

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。

5 . 前記ノヽ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。

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。

7 . 請求項 6に記載の冷凍機を用いた低温装置。