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技術 深冷ガス分離装置

出願人 エア・ウォーター株式会社
発明者 宮本篤國谷晋吾
出願日 1999年9月24日 (20年5ヶ月経過) 出願番号 1999-270245
公開日 2001年4月6日 (18年11ヶ月経過) 公開番号 2001-091079
状態 特許登録済
技術分野 低沸騰点冷媒を用いた圧縮式冷凍機械 深冷分離
主要キーワード 平面シール 大型冷凍機 水冷熱交換器 膨脹タービン ポート径 直接冷却方式 垂直断面形状 窒素ガス発生装置
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (20)

課題

小型,長寿命切替弁を有する冷凍機を用いることにより、充分な寒冷量を得ることができるようにした深冷ガス分離装置を提供する。

解決手段

軸心を中心として回転する水平断面円形回転子と、この回転子を回転自在に内蔵するハウジングとからなり、上記回転子の外周面に複数のポートを設けるとともに、ハウジングの内周面に、上記ポートに対応する複数のポートを設け、上記回転子の回転により、回転子の所定のポートとこれに対応する上記ハウジングのポートとを合致させて両ポートを連通させる状態と、上記合致を外して両ポートを非連通にする状態とに切り替えロータリー弁Bを用いた冷凍機121を備え、この冷凍機121により得られる冷熱ガス分離冷熱源としている。

概要

背景

He冷凍機を利用した深冷方式の空気分離装置としては、特願平9−4839号,特願平9−5429号,特願平9−5430号があるが、これらに用いられているパルスチューブ冷凍機を代表とする小型冷凍機を駆動させるには、圧力振動源が必要であり、場合により位相制御装置が必要である。また、これら圧力振動源,位相制御装置には、作動ガスの流れを制御するために切替弁が設置されている。例えば、図24に示すように、アクティブバッファ型パルスチューブ冷凍機において、圧力振動源としてコンプレッサー91+2個の切替弁93,94を用い、位相制御装置として2個のバッファタンク92a,92b+2個の切替弁95,96を用いたものがある。図において、97は蓄冷器で、98はパルスチューブである。

上記各切替弁93〜96は、冷凍機を効率よく駆動させるために、厳密に決められたある一定のサイクル開閉されるが、そのサイクルは通常数〜数十Hzの圧力振動であり、開閉サイクルが比較的早い。このため、上記各切替弁93〜96としては、通常、電磁弁や図25に示す小型の平面シールロータリー弁が使用されている。この平面シール型ロータリー弁は、2つのポート102,103(両ポート102,103は連通路104で連通している)を設置した回転子101と、3つのポート106〜108を設置した固定子105とが面接触する構造であり、モータ109の回転により回転子101が回転して各ポート102,103,106〜108を切り替える(図25に示すように、固定子105の両ポート107,108を連通する状態と、図26に示すように、固定子105の両ポート106,107を連通する状態とに切り替える)構造となっている。このように、図25に示す平面シール型ロータリー弁は、作動ガスを2方向に切り替えることができるため、圧力振動源および位相制御装置にそれぞれ1つずつ設置すればよい。図において、110は回転子101を回転自在に内蔵するハウジングである。

概要

小型,長寿命の切替弁を有する冷凍機を用いることにより、充分な寒冷量を得ることができるようにした深冷ガス分離装置を提供する。

軸心を中心として回転する水平断面円形の回転子と、この回転子を回転自在に内蔵するハウジングとからなり、上記回転子の外周面に複数のポートを設けるとともに、ハウジングの内周面に、上記ポートに対応する複数のポートを設け、上記回転子の回転により、回転子の所定のポートとこれに対応する上記ハウジングのポートとを合致させて両ポートを連通させる状態と、上記合致を外して両ポートを非連通にする状態とに切り替えるロータリー弁Bを用いた冷凍機121を備え、この冷凍機121により得られる冷熱ガス分離冷熱源としている。

目的

本発明は、このような事情に鑑みなされたもので、小型,長寿命の切替弁を有する冷凍機を用いることにより、充分な寒冷量を得ることができるようにした深冷ガス分離装置の提供をその目的とする。

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
1件

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請求項1

軸心を中心として回転する水平断面円形回転子と、この回転子を回転自在に内蔵するハウジングとからなり、上記回転子の外周面に複数のポートを設けるとともに、ハウジングの内周面に、上記ポートに対応する複数のポートを設け、上記回転子の回転により、回転子の所定のポートとこれに対応する上記ハウジングのポートとを合致させて両ポートを連通させる状態と、上記合致を外して両ポートを非連通にする状態とに切り替えロータリー弁を用いた冷凍機を備え、この冷凍機により得られる冷熱ガス分離冷熱源とすることを特徴とする深冷ガス分離装置

請求項2

軸心を中心として回転する水平断面円形の回転子と、この回転子を回転自在に内蔵するハウジングとからなり、上記回転子の外周面に凹部を設けるとともに、ハウジングの内周面に、上記凹部に対応する複数のポートを設け、上記回転子の回転により、回転子の凹部とこれに対応する上記ハウジングのポートとを合致させて上記凹部とこれに対応するポートを連通させる状態と、上記合致を外して上記凹部とこれに対応するポートを非連通にする状態とに切り替えるロータリー弁を用いた冷凍機を備え、この冷凍機から得られる冷熱をガス分離の冷熱源とすることを特徴とする深冷ガス分離装置。

請求項3

ガスが空気である請求項1または2記載の深冷ガス分離装置。

請求項4

冷凍機がHe冷凍機である請求項1〜3のいずれか一項に記載の深冷ガス分離装置。

請求項5

He冷凍機がパルスチューブ冷凍機である請求項4記載の深冷ガス分離装置。

請求項6

He冷凍機がGM冷凍機である請求項4記載の深冷ガス分離装置。

請求項7

He冷凍機がソルベイ冷凍機である請求項4記載の深冷ガス分離装置。

技術分野

0001

本発明は、冷凍機により得られる冷熱を利用した深冷ガス分離装置に関するものである。

背景技術

0002

He冷凍機を利用した深冷方式の空気分離装置としては、特願平9−4839号,特願平9−5429号,特願平9−5430号があるが、これらに用いられているパルスチューブ冷凍機を代表とする小型冷凍機を駆動させるには、圧力振動源が必要であり、場合により位相制御装置が必要である。また、これら圧力振動源,位相制御装置には、作動ガスの流れを制御するために切替弁が設置されている。例えば、図24に示すように、アクティブバッファ型パルスチューブ冷凍機において、圧力振動源としてコンプレッサー91+2個の切替弁93,94を用い、位相制御装置として2個のバッファタンク92a,92b+2個の切替弁95,96を用いたものがある。図において、97は蓄冷器で、98はパルスチューブである。

0003

上記各切替弁93〜96は、冷凍機を効率よく駆動させるために、厳密に決められたある一定のサイクル開閉されるが、そのサイクルは通常数〜数十Hzの圧力振動であり、開閉サイクルが比較的早い。このため、上記各切替弁93〜96としては、通常、電磁弁図25に示す小型の平面シールロータリー弁が使用されている。この平面シール型ロータリー弁は、2つのポート102,103(両ポート102,103は連通路104で連通している)を設置した回転子101と、3つのポート106〜108を設置した固定子105とが面接触する構造であり、モータ109の回転により回転子101が回転して各ポート102,103,106〜108を切り替える(図25に示すように、固定子105の両ポート107,108を連通する状態と、図26に示すように、固定子105の両ポート106,107を連通する状態とに切り替える)構造となっている。このように、図25に示す平面シール型ロータリー弁は、作動ガスを2方向に切り替えることができるため、圧力振動源および位相制御装置にそれぞれ1つずつ設置すればよい。図において、110は回転子101を回転自在に内蔵するハウジングである。

発明が解決しようとする課題

0004

冷凍機の大型化,高効率化を実現するには作動ガスの大容量化運転周波数高速化,複雑な位相制御装置の設置が必要であるが、市場性を考慮すると、それらを満足し、かつ、そのための切替弁が小型で、長寿命であることが望ましい。しかしながら、切替弁の代表例である電磁弁や図25に示す平面シール型ロータリー弁では、上記要望を満足させることができず、冷凍機の大型化,高効率化を実現できていないのが実情である。

0005

すなわち、切替弁として電磁弁を用いると、作動ガスの大容量化を行おうとした場合に、弁が複雑で大きくなり、高速に作動しなくなる。また、高速に頻繁に作動させた場合には、寿命が著しく低下する。また、位相制御装置を設置する場合に、この位相制御装置を複雑化するためには、弁数を増やす必要があり、冷凍機全体が大きくなる。

0006

一方、切替弁として上記平面シール型ロータリー弁を用いると、作動ガスの大容量化を行うためにポート径を大きくする場合や、複雑な位相制御装置とするためにポート数を増やす場合に、回転子101と固定子105の直径を大きくする必要があり、回転子101と固定子105の接触面積が大きくなる。また、回転子101と固定子105の接触面積が大きくなる分、回転子101に作用する圧力が大きくなるため、トルクの大きなモータ109が必要となり、弁全体が大きくなる。そこで、現在までは、冷凍能力が数ワットクラスの比較的小型の冷凍機しか開発できていないのが実情である。

0007

そのため、従来の小型冷凍機を使用した空気分離装置では、寒冷量が不足し、他の冷熱源として、例えば膨脹タービン等を併用しなければならず、コストアップとなっていた。

0008

本発明は、このような事情に鑑みなされたもので、小型,長寿命の切替弁を有する冷凍機を用いることにより、充分な寒冷量を得ることができるようにした深冷ガス分離装置の提供をその目的とする。

課題を解決するための手段

0009

上記の目的を達成するため、本発明は、軸心を中心として回転する水平断面円形の回転子と、この回転子を回転自在に内蔵するハウジングとからなり、上記回転子の外周面に複数のポートを設けるとともに、ハウジングの内周面に、上記ポートに対応する複数のポートを設け、上記回転子の回転により、回転子の所定のポートとこれに対応する上記ハウジングのポートとを合致させて両ポートを連通させる状態と、上記合致を外して両ポートを非連通にする状態とに切り替えるロータリー弁を用いた冷凍機を備え、この冷凍機により得られる冷熱をガス分離の冷熱源とする深冷ガス分離装置を第1の要旨とし、軸心を中心として回転する水平断面円形の回転子と、この回転子を回転自在に内蔵するハウジングとからなり、上記回転子の外周面に凹部を設けるとともに、ハウジングの内周面に、上記凹部に対応する複数のポートを設け、上記回転子の回転により、回転子の凹部とこれに対応する上記ハウジングのポートとを合致させて上記凹部とこれに対応するポートを連通させる状態と、上記合致を外して上記凹部とこれに対応するポートを非連通にする状態とに切り替えるロータリー弁を用いた冷凍機を備え、この冷凍機から得られる冷熱をガス分離の冷熱源とする深冷ガス分離装置を第2の要旨とする。

0010

すなわち、本発明の第1の深冷ガス分離装置は、冷凍機により得られる冷熱をガス分離の冷熱源とする装置であり、上記冷凍機には、(軸心を中心として回転する水平断面円形の)回転子の外周面および(回転子を回転自在に内蔵する)ハウジングの内周面にそれぞれ複数のポートを設けたロータリー弁が用いられている。このように、上記冷凍機は、複数のポートが軸心方向に独立したロータリー弁を用いているため、ポート径の拡大やポート数の増加による回転子の径の拡大は極小となり、ロータリー弁の小型化,長寿命化が可能となる。その結果、上記冷凍機は、従来の電磁弁や平面シール型ロータリー弁に比べて、大口径化複数ポート化を容易に行うことができ、大型化,大容量化,高効率化を実現できるようになる。例えば、上記冷凍機によれば、数百ワット以上の大型冷凍機を提供することができる。むろん、従来の数ワットクラスの小型冷凍機にも適用は可能である。そして、上記冷凍機を大型化,大容量化,高効率化することにより、他の手段を用いることなく、本発明の第1の深冷ガス分離装置の運転が可能となり、コストダウンが図れる。また、本発明の第2の深冷ガス分離装置も、これに用いる冷凍機が、本発明の第1の深冷ガス分離装置に用いる冷凍機と同様の作用・効果を奏する。このため、本発明の第2の深冷ガス分離装置も、本発明の第1の深冷ガス分離装置と同様に、コストダウンが図れる。このような、本発明の第1および第2の深冷ガス分離装置に用いる冷凍機としては、パルスチューブ冷凍機,GM冷凍機,ソルベイ冷凍機が挙げられるが、これらに限定するものではなく、弁を切り替えることにより作動ガスを切り替える必要のある冷凍機であれば、その種類を問わない。なお、本発明において、「水平断面円形の回転子」とは、回転子を垂直に立てた場合に回転子の水平断面形状が円形をしていることを指しており、また、回転子を水平に寝かせた場合には回転子の垂直断面形状が円形をしていることを指している。

0011

本発明の深冷ガス分離装置に用いる冷凍機のロータリー弁の構造,作用,効果を、図1に示すロータリー弁Aを用いて詳しく説明する。このロータリー弁Aは、軸心を中心として回転する円柱形状の回転子1と、この回転子1を回転自在に内蔵する円筒形状のハウジング2と、上記回転子1を回動自在に軸支する2つの軸受3,3と、上記回転子1を一方向に回転させるモータ4とを備えている。また、上記回転子1の外周面に8つのポート5〜12(これら8つのポート5〜12のうち、両ポート5,6、両ポート7,8、両ポート9,10および両ポート11,12は連通路13〜16で連通している)が形成されているとともに、上記各ポート5〜12に対応する上記ハウジング2の部分に6つのポート17〜22(これら6つのポート17〜22のうち、ポート17はポート5に、ポート18は両ポート6,9に、ポート19はポート10に、ポート20はポート7に、ポート21はポート11に、ポート22は両ポート8,12にそれぞれ対応している)が穿設されている。そして、図1に示す状態では、両ポート5,17、両ポート6,18、両ポート7,20および両ポート8,22がそれぞれ連通しており、他のポート9〜12,19,21が非連通状態になっている。また、回転子1が回転し、図2に示す状態になると、両ポート9,18、両ポート10,19、両ポート11,21および両ポート12,22がそれぞれ連通しており、他のポート5〜8,17,20が非連通状態になっている。また、回転子1が回転し、図3に示す状態になると、各ポート17〜22がすべて非連通状態になっている。

0012

なお、回転子1は円筒形状(すなわち、中空形状)でも円柱形状(すなわち、中実形状)でもよいし、回転子1の回転は、モータ4以外の各種手段により行うことができる。また、ポート5〜12に代えて、凹部(図7参照)を形成してもよいし、接続されるポート5〜12は隣接している必要はない。また、ハウジング2に穿設するポート17〜22はハウジング2の同一側面に位置していなくてもよい。また、軸受3を回転子1の両端に設置しているが、回転子1の一端にだけ設置してもよいし、軸受3として、ころがり軸受だけでなく、滑り軸受等の一般的な軸受を用いることができる。また、モータ4として、反転自在型を用いてもよい。また、モータ4の回転は一様であっても、断続的に変化してもよい。

0013

図4に示すパルスチューブ冷凍機121は、図24に示すパルスチューブ冷凍機において、4つの切替弁93〜96に代えて、1つのロータリー弁B(図1に示すロータリー弁Aと同様構造)を用いたものである。ただし、ロータリー弁Bは上記各切替弁93〜96と同じ作用をする必要があるため、各ポート5〜12,17〜22の形状,個数等はロータリー弁Aと異なる。

0014

上記ロータリー弁A,Bにおいて、回転子1の径を小型化すると、断面積が小さくなるため、回転子1に作用する圧力負荷の影響を極小とすることができる。また、回転子1の外径周速度が減少するため、回転子1とハウジング2の間にシール図1図3では、図示せず)を設置する場合に、このシールの摩擦による発生トルクを減少させることができる。そして、圧力負荷の減少およびシールの摩擦による発生トルクの減少により、モータ4の所要動力を減少させることができる。その結果、小型で高速なモータ4を使用することができる。また、回転子1の周速度の減少により、(回転子1とハウジング2の間に設置した)シールの長寿命化および回転子1の高回転化を実現することができる。

0015

また、回転子1に作用する軸方向および半径方向の荷重は軸受3により支受されるため、さらにモータ4への負荷が減少し、モータ4の所要動力を極小にすることができる。また、回転子1が受ける圧力負荷は、それを支受する軸受3により、さらに減少する。これらは回転子1およびモータ4の小型化に寄与し、ロータリー弁A,B全体を小さくすることができる。

0016

これらの構造的利点により、本発明の深冷ガス分離装置に用いるロータリー弁は、ポート径の大径化を容易に行うことができ、これに伴い作動ガスの大容量化・運転周波数の高速化を容易に行うことができ、これを用いた冷凍機の大型化を実現することができる。また、本発明の深冷ガス分離装置に用いるロータリー弁は、ポート数を容易に増加させることができるため、複雑な位相制御装置にすることが容易に行え、これを用いた冷凍機の高効率化を実現することができる。そして、冷凍機を大型化することにより、他の手段を用いることなく、空気分離装置の運転が可能となる。

0017

図5に示す深冷ガス分離装置は、図4に示すパルスチューブ冷凍機121を空気分離装置(単式精留塔窒素ガス発生装置)に組み込んだものであり、上記パルスチューブ冷凍機121は原料空気の冷却に用いられている。すなわち、原料空気圧縮機122で所定圧力まで昇温された原料空気は水冷熱交換器123等で常温近くまで冷却され、H2 O・CO2除去装置124等で空気中のH2 OやCO2 を略完全に除去されたのち、コールドボックス125に供給される。このコールドボックス125内では、原料空気が主熱交換器126を通りここで液化温度に冷却され、さらにパルスチューブ冷凍機121の冷熱取出部127を通りここで原料空気の液化量を増大させて精留塔128の下部に供給される。上記パルスチューブ冷凍機121の冷却能力は、コールドボックス125が受ける大気からの侵入熱および主熱交換器126の伝熱ロスおよび製品液体で取り出す場合は液化エネルギーとなる。

0018

上記精留塔128の下部に供給された原料空気のうち、ガス状の空気は精留塔128内を上昇し、液体空気は精留塔128の底部に溜められたのち精留塔128の上方に位置するコンデンサー129の冷媒として供給される。このコンデンサー129では、精留塔128の上部のN2ガスを液化させ還流液として精留塔128の上部に戻している。この還流液と上昇ガスにより精留させN2 ガスを空気から分離させて精留塔128の上部から取り出し、主熱交換器126で冷熱を回収したのち製品窒素ガスとして取り出すようにしている。図において、130は膨脹弁で、131は排ガス取出路である。

0019

この空気分離装置では、図4に示すパルスチューブ冷凍機121を原料空気の冷却に用いている(主熱交換器126を出た原料空気の全量もしくは一部をパルスチューブ冷凍機121で冷却している)が、これに限定するものではなく、製品窒素ガス,排ガス,精留塔128内部のガスや液体空気等を冷却してもよい。また、主熱交換器126入口の原料空気,主熱交換器126出口の製品窒素ガスや排ガスを冷却して液化し、その液化ガスをコールドボックス125内の低温部に供給してもよい。また、パルスチューブ冷凍機121の冷熱量が不足する場合には、装置外部から液体窒素液体酸素等を供給し、冷熱不足分を補うようにしてもよい。

0020

また、図5に示す深冷ガス分離装置では、空気分離装置は単式精留塔の窒素ガス発生装置であるが、一般的な複式精留塔の窒素ガス発生装置でもよい。また、図5に示す深冷ガス分離装置は、図4に示すパルスチューブ冷凍機121を空気分離装置に組み込んだものであるが、空気分離以外でも、混合ガス分離方法が深冷ガス分離であれば、各種の混合ガスの分離にも利用できる。

発明を実施するための最良の形態

0021

つぎに、本発明の実施の形態を図面にもとづいて詳しく説明する。

0022

図6は本発明の深冷ガス分離装置に用いるパルスチューブ冷凍機の一実施の形態を示している。この実施の形態では、図24に示すパルスチューブ冷凍機において、各切替弁として、ロータリー弁Cを用いている。これ以外の部分は図24に示すパルスチューブ冷凍機と同様であり、同様の部分は同じ符号を付している。

0023

上記ロータリー弁Cは、上記ロータリー弁Aにおいて、円柱形状の回転子1の外周面に1つの凹部25(図7参照)が形成されているとともに、円筒形状のハウジング2の一側面(図面では、左側面)に、上記凹部25に連通する2つのポート26,27(図8参照)が穿設されている。そして、回転子1が回転し、図8に示す状態になると、凹部25と両ポート26,27とが連通し作動ガスが流通するようになる。また、この状態から回転子1が回転し、図9に示す状態になると、凹部25と両ポート26,27とが非連通状態となり作動ガスが流通しなくなる。なお、この実施の形態では、全ての切替弁にロータリー弁Cを用いているが、これに限定するものではなく、1つの切替弁にだけロータリー弁Cを用いるようにしてもよい。

0024

上記実施の形態では、ロータリー弁Cの凹部25の軸心方向長さの拡大や個数の増加による回転子1の径の拡大は極小となり、ロータリー弁Cの小型化,長寿命化が可能となる。このため、冷凍機の大型化,大容量化,高効率化が可能となる。

0025

図10は上記ロータリー弁Cに用いる回転子1の変形例を示している。この例では、回転子1の外周面のうち、上記ハウジング2の両ポート26,27に対応する部分に2つのポート28,29が形成されており、両ポート28,29が連通路30で連通している(図11参照)。この例でも、上記実施の形態と同様の作用,効果を奏する。

0026

図12は本発明の深冷ガス分離装置に用いるパルスチューブ冷凍機の他の実施の形態を示している。この実施の形態では、図24に示すパルスチューブ冷凍機において、切替弁93,94に代えて、および切替弁95,96に代えて、ロータリー弁Dを用いている。これ以外の部分は図24に示すパルスチューブ冷凍機と同様であり、同様の部分は同じ符号を付している。

0027

上記ロータリー弁Dは、上記ロータリー弁Aにおいて、回転子1の外周面の一側面(図面では、左側面)に1つの凹部32が形成されており、他側面(図面では、右側面)に1つの凹部33が形成されている(図13参照)。また、ハウジング2の一側面(図面では、左側面)に、上記凹部32に連通する2つのポート34,35が穿設されているとともに、上記凹部33に連通する2つのポート35,36が穿設されている(図14参照)。そして、回転子1が回転し、図14に示す状態になると、凹部32と両ポート34,35とが連通し作動ガスが流通するようになる。このとき、凹部33と両ポート35,36とは非連通状態となり作動ガスが流通しなくなる。また、この状態から回転子1が回転し、図15に示す状態になると、凹部33と両ポート35,36とが連通し作動ガスが流通するようになる。このとき、凹部32と両ポート34,35とは非連通状態となり作動ガスが流通しなくなる。なお、この実施の形態では、2つのロータリー弁Dを用いているが、これに限定するものではなく、切替弁93,94に代えてもしくは切替弁95,96に代えて、1つのロータリー弁Dを用いるようにしてもよい。この実施の形態でも、上記ロータリー弁Aと同様の作用,効果を奏する。

0028

図16はロータリー弁Eに用いる回転子1を示している。この回転子1は、その外周面の一側面(図面では、左側面)に1つの凹部38が形成されており、他側面(図面では、右側面)に1つの凹部39が形成されている。また、上記ロータリー弁Eを構成するハウジング2の一側面(図面では、左側面)に、上記凹部38に連通する2つのポート40,41(図17参照)が穿設されているとともに、上記凹部39に連通する2つのポート42,43(図18参照)が穿設されている。このロータリー弁Eを用いた場合にも、上記ロータリー弁Dを用いた場合と同様の作用,効果を奏する。

0029

図19は本発明の深冷ガス分離装置に用いるパルスチューブ冷凍機のさらに他の実施の形態を示している。この実施の形態では、図24に示すパルスチューブ冷凍機において、4つの切替弁93〜96に代えて、1つのロータリー弁Fを用いている(すなわち、図4に示すパルスチューブ冷凍機と同様の構造をしている)。図において、51はコンプレッサーで、52は蓄冷器で、53はパルスチューブで、54は高圧側バッファタンクで、55が低圧側バッファタンクである。また、56はコンプレッサー51の低圧側とロータリー弁Fのポート75とを連通するパイプで、57はコンプレッサー51の高圧側とロータリー弁Fのポート77とを連通するパイプで、58は高圧側バッファタンク54とロータリー弁Fのポート78とを連通するパイプで、59は低圧側バッファタンク55とロータリー弁Fのポート80とを連通するパイプである。

0030

上記ロータリー弁Fは、図20に示すように、モータ(図示せず)により一方向に回転する回転子(弁体)61と、この回転子61を回転自在に内蔵するハウジング62とを備えている。図において、61aは回転子61に形成された連結軸部であり、ハウジング62の一端面(図面では、右端面)から突出してモータに連結している。63は回転子61を回転自在に支受する軸受で、64はOリングで、65,66は蓋部である。

0031

上記回転子61には、その外周面に4つの凹部71〜74が形成されている。また、上記ハウジング62には、その外周面に、上記ハウジング62の長手方向に沿って一列に並ぶ6つのポート75〜80が穿設されており、これら各ポート75〜80が回転子61の各凹部71〜74に対応している。すなわち、回転子61の凹部71はハウジング62の両ポート76,77に、凹部72は両ポート75,76に、凹部73は両ポート78,79に、凹部74は両ポート79,80にそれぞれ対応している。また、上記ハウジング62のポート76は蓄冷器52に連通しており、ポート79はパルスチューブ53に連通している。

0032

このようなパルスチューブ冷凍機の作動の概略を説明する。まず、モータの回転により、上記ハウジング62の各ポート75〜77を非連通状態にするとともに、両ポート79,80を非連通状態にする。このとき、パルスチューブ53内はコンプレッサー51の低圧側と同一圧力となっている。つぎに、回転子61の凹部73を介して両ポート78,79を連通させると(図21参照)、高圧側バッファタンク54内の高圧冷媒ガスがパルスチューブ53の熱端に流れ込み、パルスチューブ53内のガス圧は高圧側バッファタンク54の圧力近くまで上昇する。

0033

つぎに、回転子61の凹部71を介して両ポート76,77を連通させると(図20参照)、コンプレッサー51の高圧側から高圧冷媒ガスが供給されてパルスチューブ53の冷端に流入する。このとき、高圧冷媒ガスの流入圧力(コンプレッサー51の高圧側の圧力)が高圧側バッファタンク54の圧力よりやや高く設定されており、パルスチューブ53の熱端に流れ込んだ高圧冷媒ガスはただちに高圧側バッファタンク54内に戻される。

0034

つぎに、両ポート76,77および両ポート78,79を非連通状態にしたのちに、回転子61の凹部74を介して両ポート79,80を連通させると(図22参照)、パルスチューブ53の熱端の冷媒ガスが低圧側バッファタンク55に流入する(戻る)ため、パルスチューブ53内の圧力が低圧側バッファタンク55の圧力まで低下する。すなわち、パルスチューブ53内の高圧冷媒ガスは低圧側バッファタンク55の圧力まで膨脹し、温度降下してパルスチューブ53の冷端側を冷却する。

0035

つぎに、回転子61の凹部72を介して両ポート75,76を連通させると(図23参照)、パルスチューブ53内で膨脹した冷媒ガスがコンプレッサー51の低圧側に排出されるとともに、低圧側バッファタンク55の低圧冷媒ガスがパルスチューブ53内に流入する。

0036

こうして1サイクルが終わり、ついで新たに1サイクルが始まる。このように循環してワークするので、高圧冷媒ガスは、不断に膨脹して低圧となる。

0037

なお、上記各実施の形態に用いるパルスチューブ冷凍機としては、密閉系のものでもよいし、開放系のものでもよい。また、蓄冷材を持つものでもよいし、蓄冷材を持たないものでもよい。また、間接冷却方式のものでもよいし、直接冷却方式のものでもよい。

発明の効果

0038

以上のように、本発明の第1の深冷ガス分離装置は、冷凍機により得られる冷熱をガス分離の冷熱源とする装置であり、上記冷凍機には、(軸心を中心として回転する水平断面円形の)回転子の外周面および(回転子を回転自在に内蔵する)ハウジングの内周面にそれぞれ複数のポートを設けたロータリー弁が用いられている。このように、上記冷凍機は、複数のポートが軸心方向に独立したロータリー弁を用いているため、ポート径の拡大やポート数の増加による回転子の径の拡大は極小となり、ロータリー弁の小型化,長寿命化が可能となる。その結果、上記冷凍機は、従来の電磁弁や平面シール型ロータリー弁に比べて、大口径化,複数ポート化を容易に行うことができ、大型化,大容量化,高効率化を実現できるようになる。例えば、上記冷凍機によれば、数百ワット以上の大型冷凍機を提供することができる。むろん、従来の数ワットクラスの小型冷凍機にも適用は可能である。そして、上記冷凍機を大型化,大容量化,高効率化することにより、他の手段を用いることなく、本発明の第1の深冷ガス分離装置の運転が可能となり、コストダウンが図れる。また、本発明の第2の深冷ガス分離装置も、これに用いる冷凍機が、本発明の第1の深冷ガス分離装置に用いる冷凍機と同様の作用・効果を奏する。このため、本発明の第2の深冷ガス分離装置も、本発明の第1の深冷ガス分離装置と同様に、コストダウンが図れる。

図面の簡単な説明

0039

図1本発明の深冷ガス分離装置に用いるロータリー弁の構造説明図である。
図2上記ロータリー弁の作用の説明図である。
図3上記ロータリー弁の作用の説明図である。
図4ロータリー弁を用いたパルスチューブ冷凍機の説明図である。
図5上記深冷ガス分離装置の説明図である。
図6本発明の深冷ガス分離装置に用いる冷凍機の一実施の形態を示す説明図である。
図7ロータリー弁に用いる回転子の斜視図である。
図8上記ロータリー弁の作用を示す説明図である。
図9上記ロータリー弁の作用を示す説明図である。
図10上記回転子の変形例を示す斜視図である。
図11上記回転子を用いたロータリー弁の構造説明図である。
図12本発明の深冷ガス分離装置に用いる冷凍機の他の実施の形態を示す説明図である。
図13ロータリー弁に用いる回転子の斜視図である。
図14上記ロータリー弁の作用を示す説明図である。
図15上記ロータリー弁の作用を示す説明図である。
図16上記回転子の変形例を示す斜視図である。
図17上記回転子を用いたロータリー弁の構造説明図である。
図18上記回転子を用いたロータリー弁の構造説明図である。
図19本発明の深冷ガス分離装置に用いる冷凍機のさらに他の実施の形態を示す説明図である。
図20ロータリー弁の断面図である。
図21上記ロータリー弁の作用を示す説明図である。
図22上記ロータリー弁の作用を示す説明図である。
図23上記ロータリー弁の作用を示す説明図である。
図24従来例のパルスチューブ冷凍機を示す説明図である。
図25平面シール型ロータリー弁を示す説明図である。
図26上記平面シール型ロータリー弁の作用示す説明図である。

--

0040

121冷凍機
B ロータリー弁

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