JP5913142B2 - 極低温冷凍機 - Google Patents

Description

本発明は、ロータリーバルブを有する極低温冷凍機に関する。

極低温を発生する冷凍機としてギフォード・マクマホン（ＧＭ）冷凍機が知られている。ＧＭ冷凍機は、シリンダ内を往復動するディスプレーサによる空間の体積変化を利用してギフォード・マクマホン冷凍サイクルに基づいて冷却効果を得る冷凍機である。

ＧＭ冷凍機では、高圧の作動ガス（ヘリウムガス等）をシリンダに供給し、これを断熱膨張させて低温とする。膨張して極低温となった作動ガスは、周囲から熱を吸収すると共に、蓄冷材と熱交換して室温まで昇温された後、シリンダから排気される。これによりシリンダ内は極低温に維持される。シリンダから排出された作動ガスは圧縮機に送られ圧縮され、高圧の作動ガスとなる。この高圧の作動ガスは再びＧＭ冷凍機のシリンダに供給される。

高圧の作動ガスをシリンダに供給し、シリンダ内で低圧となった作動ガスをシリンダから排出するために、シリンダ内のディスプレーサの往復動に同期して作動ガスの給気・排気を切り替えるか切替えバルブが用いられる。ＧＭ冷凍機では、この切替えバルブとしてロータリーバルブが用いられることがある。

特開２００１−２８０７２８号公報 特開２００７−２０５５８１号公報

ロータリーバルブはロータバルブをステータバルブに対して回転させ、このロータバルブの回転に伴いシリンダに接続された通路を圧縮機の給気側と排気側との間で切り換える装置である。またロータリーバルブでは、作動ガスの漏れを防止するためにロータバルブをステータバルブに押し付ける必要がある。あるＧＭ冷凍機では、給気する作動ガスの圧力により、ロータバルブにステータバルブを押し付ける。即ち、ステータバルブの摺動面の反対側から高圧の作動ガスを導入する際に、作動ガスの圧力がステータバルブの摺動面とは反対側の面に作用するように構成し、この圧力を利用してステータバルブをロータバルブに押し付ける構成となっている。

また、ロータバルブにステータバルブを押し付ける手段として、ばねを利用したものもある。この構成のＧＭ冷凍機では、ステータバルブのロータバルブと反対側の面にばねを配設し、このばねの弾性力によりステータバルブをロータバルブに押圧する構成とされている。

ところで、ステータバルブ及びロータバルブの各摺動面には、作動ガスの流路を切り替えるため、給気側通路の端部、排気側通路の端部、シリンダに接続された流路の端部が開口すると共に、この各端部を所定のタイミングで接続する溝部が形成されている。

高圧の作動ガスの圧力は、この各端部及び溝部に印加される。また、各端部及び溝部の摺動面における配設位置は、円形状を有した摺動面の中心位置に限らず、この中心位置からずれた位置に配設されている。

このため、ステータバルブに対してロータバルブが回転する際、その回転位置によっては摺動面の中心位置からずれた位置に大きな圧力が印加される場合がある。具体的には、圧縮機からシリンダへの高圧の作動ガスの供給が終了した直後においては、摺動面には圧縮機からの作動ガスの圧力と、シリンダに供給された作動ガスの圧力の双方が印加される。

この双方の圧力が印加される摺動面上の領域（以下、双方作用領域という）は中央位置からずれた位置であることがある。このため、作動ガス及びばねがステータバルブの被押圧面を中心軸に対して対称に押圧する構成では、双方作用領域において気密性が低くなり作動ガスが漏れるおそれがある。

これを防止する手段として、作動ガスの圧力及びばねによる押付け力を摺動面全面において増大させることが考えられる。この構成とした場合、押付け力が高くなり摺動面における気密性が増大し、作動ガスの漏れを防止できることが望める。

しかしながら、作動ガスの圧力及びばねによる押付け力が増大すると、摺動面における摩擦力が過大となるおそれがある。摺動面における摩擦力が過大となった状態でロータリーバルブが作動すると、ステータバルブとロータバルブの摺動面の磨耗が激しくなる。このような状態で連続して運転していると、ロータリーバルブの寿命が短くなり、ロータリーバルブを早期に交換しなければならないかもしれない。

また摺動抵抗が高ければ駆動するためのモータにかかる負荷が過大となるかもしれない。

本発明は、ステータバルブとロータバルブの摺動面の磨耗を低減しつつステータバルブとロータバルブとの間における作動ガスの漏れを防止した極低温冷凍機を提供することを目的とする。

本発明のある態様によると、
作動ガスを圧縮する圧縮機と、前記圧縮機により圧縮された前記作動ガスが膨張することにより寒冷を発生させる膨張空間と、ステータバルブと、該ステータバルブに対して回転するロータバルブとを有し、回転に伴い前記圧縮機と前記膨張空間との間で前記作動ガスの流れ切替えを行うバルブ機構と、前記ロータバルブと前記ステータバルブの一方を他方に押し付けるよう押付け力を付勢する付勢手段と有し、前記付勢手段は、当該付勢手段による押付け力の中心軸と、前記ロータバルブ又は前記ステータバルブの中心軸とが重ならないように配置される。

ステータバルブとロータバルブの摺動面の磨耗を増大させることなくステータバルブとロータバルブとの間における作動ガスの漏れを減少させることができ、冷凍機の運転効率を維持することが可能となる。

図１は、本発明のある実施形態であるＧＭ冷凍機の断面図である。 図２は、本発明のある実施形態であるＧＭ冷凍機に設けられるスコッチヨーク機構を拡大して示す分解斜視図である。 図３は、本発明のある実施形態であるＧＭ冷凍機に設けられるロータリーバルブを拡大して示す分解斜視図である。 図４は、ロータリーバルブの摺動面を拡大して示す図である。 図５は、本発明の効果を示す図である。 図６は、本発明の他の実施形態であるＧＭ冷凍機のステータバルブを拡大して示す断面図である。 図７は、本発明の他の実施形態であるＧＭ冷凍機のロータリーバルブを拡大して示す断面図である。

次に、本発明の実施の形態について図面と共に説明する。

図１乃至図３は、本発明のある実施形態である極低温冷凍機を説明するための図である。本実施形態では、極低温冷凍機としてギフォード・マクマホン冷凍機（以下、ＧＭ冷凍機という）を例に挙げて説明する。図１はＧＭ冷凍機の断面図であり、図２はスコッチヨーク機構３２の分解斜視図であり、図３はロータリーバルブ４０の分解斜視図である。ＧＭ冷凍機は、圧縮機１、シリンダ２、及びハウジング３等を有している。

圧縮機１は、作動ガスを低圧側１ａから吸込み、これを昇圧処理した後高圧側１ｂへ排出する。作動ガスとしては、ヘリウムガスを用いることができる。

本実施形態に係るＧＭ冷凍機は、いわゆる２段式の冷凍機である。このため、シリンダ２は、第１段目シリンダ１１と第２段目シリンダ１２とを有している。第１段目シリンダ１１には、第１段目ディスプレーサ１３が図中矢印Ｚ１，Ｚ２方向に摺動可能に装着されている。また、第２段目シリンダ１２には、第２段目ディスプレーサ１４が図中矢印Ｚ１，Ｚ２方向に摺動可能に装着されている。

第１段目シリンダ１１の内部で、第１段目ディスプレーサ１３の上部位置には上部空間２３が形成されている。また、第１段目シリンダ１１の内部で第１段目ディスプレーサ１３の下部位置には第１段目膨張空間２１が形成されている。また、第２段目シリンダ１２の内部で、第２段目ディスプレーサ１４の下部位置には第２段目膨張空間２２が形成されている。

第１段目ディスプレーサ１３の内部には、作動ガスが流れる流路となる内部空間１５が形成されている。また、第２段目ディスプレーサ１４の内部にも、作動ガスが流れる流路となる内部空間１６が形成されている。各内部空間１５、１６には、それぞれ蓄冷材１７、１８が収容されている。

上部空間２３は、第１段目ディスプレーサ１３に形成された流路Ｌ１，Ｌ２及び内部空間１５を介して第１段目膨張空間２１と接続されている。また、第１段目膨張空間２１は、第２段目ディスプレーサ１４に形成された流路Ｌ３，Ｌ４及び内部空間１６を介して第２段目膨張空間２２と接続されている。

また、第１段目シリンダ１１の外周で第１段目膨張空間２１と対向する位置には、第１段目冷却ステージ１９が設けられている。また、第２段目シリンダ１２の外周で第２段目膨張空間２２と対向する位置には、第２段目冷却ステージ２０が設けられている。

ハウジング３は、駆動装置３０とロータリーバルブ４０等を有している。駆動装置３０は、モータ３１及びスコッチヨーク機構３２を有している。

図２に示すように、スコッチヨーク機構３２は、クランク部材３３及びスコッチヨーク３４を有している。このスコッチヨーク機構３２は、モータ３１で発生した回転駆動力を往復駆動力に変換し、第１段目ディスプレーサ１３及び第２段目ディスプレーサ１４を往復駆動する。

クランク部材３３は、モータ３１の回転軸３１ａに固定されており、モータ３１により回転駆動される。クランク部材３３は、モータ３１の回転軸３１ａに取り付けられる位置から偏心した位置にクランクピン３３ｂを設けた構成とされている。従って、クランク部材３３をモータ３１の回転軸３１ａに取り付けると、回転軸３１ａとクランクピン３３ｂは、偏心した状態となる。

スコッチヨーク３４は、ヨーク板３５、駆動軸３６、及び軸受部３７を有する。スコッチヨーク３４は、ハウジング３内で図中矢印Ｚ１、Ｚ２方向に往復移動可能に設けられている。ヨーク板３５の中央上下位置には、駆動軸３６が上下方向（Ｚ１、Ｚ２方向）に延出するように設けられている。なお、駆動軸３６は、摺動軸受３８ａ、３８ｂにより上下方向（Ｚ１、Ｚ２方向）に摺動可能に支持されている。

ヨーク板３５には、図２における矢印Ｘ１、Ｘ２方向に延在する横長窓３５ａが形成されており、横長窓３５ａ内には、軸受部３７が設けられている。軸受部３７は、横長窓３５ａ内で矢印Ｘ１、Ｘ２方向に転動可能に設けられている。この軸受部３７には、クランクピン３３ｂが接続される。

クランクピン３３ｂが軸受部３７に接続された状態で回転軸３１ａを回転すると、クランクピン３３ｂは、円弧を描くように回転（偏心回転）し、スコッチヨーク３４は、図２における矢印Ｚ１、Ｚ２方向に往復動する。この際、軸受部３７は、横長窓３５ａ内を図２中矢印Ｘ１、Ｘ２方向に往復移動する。

スコッチヨーク３４の下部に設けられた駆動軸３６は、第１段目ディスプレーサ１３に連結されている。また、第１段目ディスプレーサ１３は第２段目ディスプレーサ１４と図示しない連結機構により連結されている。よって、スコッチヨーク３４は、第１段目ディスプレーサ１３及び第２段目ディスプレーサ１４を、図１における矢印Ｚ１、Ｚ２方向に往復駆動する。

次に、バルブ機構を構成するロータリーバルブ４０について説明する。

ロータリーバルブ４０は、図１に示すように圧縮機１とシリンダ部１０との間に設けられている。ロータリーバルブ４０は、圧縮機１とシリンダ部１０との間を流れる作動ガスの流れ制御を行う。

具体的には、ロータリーバルブ４０は、圧縮機１で生成された高圧の作動ガスを高圧側１ｂから第１段目シリンダ１１及び第２段目シリンダ１２内に導き、また寒冷を発生し膨張した作動ガスを第１段目シリンダ１１及び第２段目シリンダ１２から圧縮機１の低圧側１ａに導くよう流路切替えを行う。

このロータリーバルブ４０は、図１に加えて図３に示すように、ステータバルブ４１とロータバルブ４２とを有している。ステータバルブ４１は平坦なステータバルブ側摺動面４５を有し、ロータバルブ４２は同じく平坦なロータバルブ側摺動面５０を有している。そして、このステータバルブ側摺動面４５とロータバルブ側摺動面５０が面接触する構成とされている。

ステータバルブ４１は、ハウジング３内に固定ピン４３で固定される。この固定ピン４３によりステータバルブ４１は回転方向の移動は規制される。しかしながら、図１に矢印Ｙ１，Ｙ２で示す方向には、所定量だけ移動可能な構成となっている。

ロータバルブ４２のロータバルブ側摺動面５０と反対側に位置する反対側端面５２には、クランクピン３３ｂと係合する係合穴（図示せず）が形成されている。クランクピン３３ｂは軸受部３７に挿通された際、その先端部が軸受部３７から矢印Ｙ１方向に突出するよう構成されている（図１参照）。そして、このクランクピン３３ｂの先端部は、このロータバルブ４２に形成された係合穴と係合するよう構成されている。

よって、クランクピン３３ｂがクランク軸３３ａ（モータ３１の回転軸３１ａ）を中心として回転（偏心回転）することにより、ロータバルブ４２もスコッチヨーク機構３２と同期して回転する。

このステータバルブ４１の中心には、圧縮機１の高圧側１ｂに接続される作動ガス吸気孔４４が貫通するよう形成されている。(またステータバルブ側摺動面４５には、図３に示すように、作動ガス吸気孔４４を中心として同心円上に円弧状溝４６が設けられている。)
更に、ステータバルブ４１及びハウジング３には、ガス流路４９が形成されている。このガス流路４９はステータバルブ４１内に形成されたバルブ側流路４９ａと、ハウジング３内に形成されたハウジング側流路４９ｂとにより構成されている。

(バルブ側流路４９ａの開口４８は円弧状溝４６内に開口しており、他端部４７はステータバルブ４１の側面に開口し、ハウジング側流路４９ｂの一端部と連通している。また、ハウジング側流路４９ｂの他端部は上部空間２３に接続されている。)
一方、ロータバルブ４２には溝５１及び円弧状孔５３が形成されている。溝５１は、ロータバルブ側摺動面５０にその中心から半径方向に延出するよう形成されている。また円弧状孔５３は、ロータバルブ４２のロータバルブ側摺動面５０から反対側端面５２まで貫通するよう形成されている。この円弧状孔５３は、ステータバルブ４１の円弧状溝４６と同一円周上に位置するよう形成されている。

上記した作動ガス吸気孔４４、溝５１、円弧状溝４６、及び開口４８により吸気弁が構成される。また、開口４８、円弧状溝４６、及び円弧状孔５３により排気弁が構成される。

前記のように、作動ガス吸気孔４４には圧縮機１から高圧の作動ガスが供給される。この作動ガス吸気孔４４に供給された作動ガスの一部は、ステータバルブ４１のステータバルブ側摺動面４５の一部と反対側の面４１ｃ（以下、受圧面４１ｃという）とハウジング３との間に形成される圧力導入空間５７にも導入される。

また、受圧面４１ｃと対向する位置には、ステータバルブ４１をロータバルブ４２に向け押圧付勢するばね６０が設けられている。なお、ばね６０の詳細については、説明の便宜上後述するものとする。

上記構成とされたＧＭ冷凍機において、スコッチヨーク３４がＺ１、Ｚ２方向に往復移動すると、第１段目及び第２段目ディスプレーサ１３，１４はＺ１、Ｚ２方向に往復駆動され、それぞれ第１段目及び第２段目シリンダ１１，１２内を下死点ＬＰと上死点ＵＰとの間で往復動する。

第１段目ディスプレーサ１３、第２段目ディスプレーサ１４が下死点ＬＰに達する際に、排気弁が閉じると共に、吸気弁が開き作動ガス吸気孔４４，円弧状溝４６，溝５１，及びガス流路４９との間に作動ガス流路が形成される。よって、高圧の作動ガスは圧縮機１から上部空間２３に充填され始める。その後、第１段目ディスプレーサ１３、第２段目ディスプレーサ１４は下死点ＬＰを過ぎて上昇を始め、作動ガスは蓄冷材１７、１８を上から下に通過し、各膨張空間２１、２２に充填されてゆく。

そして、第１段目ディスプレーサ１３、第２段目ディスプレーサ１４が上死点ＵＰに達する際に、吸気弁は閉じると共に、排気弁が開弁してガス流路４９，円弧状溝４６，及び円弧状孔５３との間に作動ガス流路が形成される。これにより、高圧の作動ガスは各膨張空間２１，２２内で断熱膨脹することによって寒冷を発生させ各冷却ステージ１９，２０を冷却する。また、寒冷を発生させた低温の作動ガスは、蓄冷材１７、１８を冷却しながら下から上に流れ、その後に圧縮機１の低圧側１ａに還流する。

その後、第１段目ディスプレーサ１３、第２段目ディスプレーサ１４が下死点ＬＰに達する際に、排気弁は閉じ、吸気弁が開いて１サイクルを終了する。このようにして、作動ガスの圧縮、膨張のサイクルを繰り返すことによって、冷凍機は冷熱を発生し、発生した冷熱を蓄冷することができる。

ここで、ロータリーバルブ４０について更に詳述する。

前記のようにロータリーバルブ４０は、固定されたステータバルブ４１に対してロータバルブ４２が回転することにより、上部空間２３（膨張空間２１，２２）に接続されたガス流路４９を選択的に作動ガス吸気孔４４又は円弧状孔５３に接続することにより、作動ガスの流路の切替えを行っている。また、作動ガス吸気孔４４、円弧状溝４６、溝５１、及び円弧状孔５３は気密に保持される必要があり、このためロータリーバルブ４０にはロータバルブ４２をステータバルブ４１に押し付ける手段が設けられている。

本実施形態では、ロータバルブ４２をステータバルブ４１に押し付けるのに、ステータバルブ４１の受圧面４１ｃとハウジング３との間に圧力導入空間５７を形成すると共に、ばね６０を配設した構成としている。

圧力導入空間５７に圧縮機１から高圧の作動ガスが導入されることにより、受圧面４１ｃに圧力が印加されてステータバルブ４１はロータバルブ４２に向けて押圧される。また、ばね６０も受圧面４１ｃを押圧するため、これによってもステータバルブ４１はロータバルブ４２に向けて押圧される。

ところで、ステータバルブ４１及びロータバルブ４２の各摺動面４５，５０には、作動ガスの流路を切り替えるため、前記のように作動ガス吸気孔４４、円弧状溝４６、溝５１、及び円弧状孔５３等が配設されており、これらがロータバルブ４２の回転に伴い所定のタイミングで接続する構成とされている。

図４は、吸気終了時のロータリーバルブ４０の様子を示す図である。同図は、ロータリーバルブ４０をその回転中心軸Ｘから見た図である。同図において、実線で示すのはステータバルブ４１の各構成であり、一点鎖線で示すのはロータバルブ４２の各構成である。本実施形態では、ステータバルブ４１及びロータバルブ４２は、同一の回転中心軸Ｘを中心として回転する。

作動ガス吸気孔４４は圧縮機１と接続されているため、作動ガス吸気孔４４と接続されている溝５１内の圧力は高くなっている。また吸気終了時においては、各膨張空間２１，２２において作動ガスは膨張前であるため、各膨張空間２１，２２と接続されたガス流路４９と接続された円弧状溝４６の圧力も高くなっている。更に、吸気終了時においては、図４に示されるように、高圧状態となっている円弧状溝４６と溝５１とが近接した状態となっている。

このため、ステータバルブ側摺動面４５とロータバルブ側摺動面５０とが摺接する円形の領域で、図４に矢印ＨＰＡで示す破線で囲った領域には圧縮機１からの作動ガスの圧力と、シリンダ２内に供給された作動ガスの圧力の双方が印加される（以下、この領域を双方作用領域ＨＰＡという）。更に、この双方作用領域ＨＰＡは、ロータリーバルブ４０の回転中心軸Ｘに対してずれた（偏心した）位置となっている。

この際、ステータバルブ４１をロータバルブ４２に押し付ける力はロータリーバルブ４０の回転中心軸Ｘにあるが、摺動面４５，５０から作動ガスの圧力によりステータバルブ４１が押し返される力は、ロータリーバルブ４０の回転中心軸Ｘからずれた位置となる。よって、双方作用領域ＨＰＡは他の摺接部分に比べて気密性が低くなり、この部位から作動ガスが漏れるおそれが生じる。

そこで本実施形態に係るＧＭ冷凍機では、ロータリーバルブ４０の回転中心軸Ｘに対し、ばね６０がステータバルブ４１を押し付ける押付け力の中心軸（図中、矢印Ｘ_Ｐで示す）をずらした構成としている（ずれ量を図中矢印ΔＸで示す）。

前記のように吸気終了時において円弧状溝４６と溝５１とが近接した時（双方作用領域ＨＰＡが形成されている時）、ステータバルブ４１を微小に傾かせ、各摺動面４５，５０を離間させようとする力が最大となる。

そこで本実施形態では、ばね６０による押付け力の中心軸Ｘ_Ｐを円弧状溝４６に連通したガス流路４９側にずらした構成としている。

この構成とすることにより、摺動面４５，５０においてばね６０の押付け力が作用する位置はガス流路４９（開口４８）側の位置となり、よって双方作用領域ＨＰＡに近い位置に設定することができる。このように本実施形態では、ばね６０が、ステータバルブ４１を微小に傾かせ各摺動面４５，５０を離間させようとする力が最も大きい双方作用領域ＨＰＡにおいてステータバルブ４１をロータバルブ４２に向けて偏荷重にて押圧するため、摺動面からバルブステータ１４を押し返す力の中心軸からのずれ成分により起こりうるステータバルブ４１の微小な傾斜量を減少させることが可能となり、作動ガスの圧力により各摺動面４５，５０が離間してリークが発生することを防止できる。

また、摺動面４５，５０の径方向に対するばね６０の押付け中心軸Ｘ_Ｐの位置は、ロータリーバルブ４０を中心軸Ｘ方向から見た時、ロータリーバルブ４０の半径の半分（図４に矢印Ｌで示す）よりも内側に位置するよう設定されている（図中、矢印Ｌで示す範囲）。この構成とすることによっても、ばね６０の押付け中心軸Ｘ_Ｐの位置を双方作用領域ＨＰＡの内部に設定することができる。

図５は、本実施形態に係るＧＭ冷凍機の効果を説明するための図である。同図において矢印Ａで示すのは本実施形態に係るＧＭ冷凍機の特性であり、矢印Ｂで示すのは参考のため従来のばねの押付け中心軸をロータリーバルブの回転軸と一致させた従来のＧＭ冷凍機の特性である。また、図中横軸はステータバルブ４１に対するロータリーバルブ４０の回転角度（運転角度）を示しており、縦軸はステータバルブ４１に作動ガス及びばね力により印加されている力のロータリーバルブ４０の回転中心軸Ｘからのずれ量を示している。

同図より、矢印Ｂで示す従来のＧＭ冷凍機では、吸気終了時に相当する運転角度250deg付近において作動ガスによりステータバルブ４１に印加される力の位置にずれが発生していることが分かる（図中、矢印Ｐで示す位置）。

これに対して矢印Ａで示す本実施形態に係るＧＭ冷凍機は、問題となるタイミング以外では力のずれ量が多少増加するものの、最も漏れの可能性が高いタイミングでの力のずれ量を減少させており、これは、ロータバルブ４２の回転に伴い高圧とされた円弧状溝４６と溝５１が近接し双方作用領域ＨＰＡにおいてステータバルブ４１を微小に傾かせ各摺動面４５，５０を離間させようとする力が作用しても、ばね６０が双方作用領域ＨＰＡにおいてステータバルブ４１をロータバルブ４２に向けて押圧することによる。

よって、本実施形態に係るＧＭ冷凍機によれば、吸気終了時であってもロータリーバルブ４０の各摺動面４５，５０の摺接位置において作動ガスが漏れることを防止することができる。

なお、本実施形態では、ばね６０のばね定数等のばね特性は従来のばねと同等であり、単にばね６０の付勢力の作用位置をずらしただけの構成である。このため、ステータバルブ４１をロータバルブ４２に押し付ける押付け力は従来と同じであり、増加することはない。

従って本実施形態に係るＧＭ冷凍機によれば、ステータバルブ側摺動面４５とロータバルブ側摺動面５０との間の磨耗を増大させることなく、ステータバルブ４１とロータバルブ４２との間で作動ガスの漏れが発生することを防止することができる。

次に、本発明の第２実施形態について説明する。

図６は、第２実施形態であるＧＭ冷凍機のステータバルブ４１の近傍を拡大して示す図である。なお図６において、図１乃至図４に示した構成と対応する構成については、同一符号を付してその説明を省略する。

また本実施形態は、ステータバルブ４１の構成に特徴があり、他の構成は第１実施形態で示した構成と同一である。このため、第２実施形態の説明においては、ステータバルブ４１の近傍のみを図示して説明するものとする。

前記した第１実施形態に係るＧＭ冷凍機では、ロータリーバルブ４０の回転中心軸Ｘに対してばね６０の押付け力の中心軸Ｘ_Ｐをずらすことより、ステータバルブ４１を微小に傾かせ各摺動面４５，５０を離間させようとする力が最大となる吸気終了時（双方作用領域ＨＰＡが形成される時）においても、ロータリーバルブ４０のシール性が維持されるよう構成した。

これに対して本実施形態では、ステータバルブ４１の受圧面４１ｃに印加される作動ガスの圧力を利用することにより、吸気終了時においてもロータリーバルブ４０のシール性が維持されるよう構成したことを特徴とするものである。

図６に示されるように、本実施形態に係るＧＭ冷凍機に設けられたステータバルブ４１は、大径とされたバルブ本体４１ａと、このバルブ本体４１ａよりも小径とされた受圧部４１ｂが一体的に形成された構成とされている。

バルブ本体４１ａの受圧部４１ｂの配設側と反対側の面は、ステータバルブ側摺動面４５とされている。また受圧部４１ｂのバルブ本体４１ａの配設側と反対側の面は、受圧面４１ｃとされている。この受圧面４１ｃとハウジング３との間には、圧力導入空間５７が形成されている。

この圧力導入空間５７には、作動ガス吸気孔４４を介して圧縮機１から高圧の作動ガスが導入される。受圧部４１ｂの外周面とハウジング３との間にはＯリング５６が配設されており、圧力導入空間５７と各摺動面４５，５０との間は気密に画成された構成とされている。よって、圧力導入空間５７に導入された作動ガスの圧力は、受圧面４１ｃに印加される。

バルブ本体４１ａ及び受圧部４１ｂは、径寸法が異なるがいずれも円筒形状とされている。いま、バルブ本体４１ａの中心軸をステータ中心軸Ｘ_Ｓとし、受圧部４１ｂの中心軸を押付け中心軸Ｘ_Ｐとすると、本実施形態ではステータ中心軸Ｘ_Ｓと押付け中心軸Ｘ_Ｐがずれた構成とされている（このずれ量を図６に矢印ΔＸで示す）。また、押付け中心軸Ｘ_Ｐはステータ中心軸ＸＳに対し、ガス流路４９の配設側にずれるよう構成されている。

更に、作動ガス吸気孔４４の中心軸は、ステータ中心軸Ｘ_Ｓと一致するよう形成されている。従って、作動ガス吸気孔４４の中心軸も、受圧面４１ｃの中心軸である押付け中心軸Ｘ_Ｐからずれた（偏心した）構成となっている。

いま、押付け中心軸Ｘ_Ｐを含む図６の紙面に対して垂直な面（中心面という）を想定し、受圧面４１ｃのこの中心面よりガス流路４９の配設側（図中、左側）の受圧面積をＳ１とし、中心面よりこのガス流路４９の配設側と反対側（図中、右側）の受圧面積をＳ２とすると、ガス流路４９の配設側の受圧面積Ｓ１は他方の受圧面積Ｓ２よりも大きくなる（Ｓ１＞Ｓ２）。

よって、作動ガスが圧力導入空間５７に導入された際、受圧面４１ｃの中心面からガス流路４９の配設側において作動ガスが受圧面４１ｃを押圧する力の総和をＰ１とし、受圧面４１ｃの中心面からガス流路４９の配設側と反対側において作動ガスが受圧面４１ｃを押圧する力の総和をＰ２とすると、Ｐ１＞Ｐ２となる。

よって本実施形態においても、受圧面４１ｃのガス流路４９側の位置（即ち、双方作用領域ＨＰＡ）が他の部位に比べて強く押し付けられることになり、よって吸気終了時であっても作動ガスの圧力によりステータバルブ４１を微小に傾かせ各摺動面４５，５０が離間し、リークが発生することを防止することができる。

次に、本発明の第３実施形態について説明する。

図７は、第３実施形態であるＧＭ冷凍機のロータリーバルブ７０の近傍を拡大して示す図である。なお図７において、図１乃至図６に示した構成と対応する構成については、同一符号を付してその説明を省略する。

また本実施形態は、ロータリーバルブ７０の構成に特徴があり、他の構成は第１実施形態で示した構成と同一である。このため、第３実施形態の説明においては、ロータリーバルブ７０の近傍のみを図示して説明するものとする。

前記した第２実施形態に係るＧＭ冷凍機では、圧縮機１から供給される高圧の作動ガスをステータバルブ４１の受圧面４１ｃに作用させることにより、各摺動面４５，５０を密着させて作動ガスの漏れを防止する構成としていた。

これに対して本実施形態に係るＧＭ冷凍機では、ロータバルブ７２のロータバルブ側摺動面５０と反対側に形成され受圧面７４に対し、圧縮機１から供給される高圧の作動ガスが作用するよう構成したことを特徴としている。以下、具体的な構成について説明する。

ステータバルブ７１は、ハウジング３に装着されたフランジ状部材７８に固定されている。また、ステータバルブ７１及びフランジ状部材７８には、これを貫通する作動ガス排気孔７９が形成されている。この作動ガス排気孔７９は、圧縮機１の低圧側１ａに接続されている。更に、ステータバルブ７１の外周面とフランジ状部材７８との間にはＯリング５６が設けられており、高圧の作動ガスが作動ガス排気孔７９に漏れないよう構成されている。

ロータバルブ７２は、ハウジング３内で回転可能な構成とされている。このロータバルブ７２は、内側に形成された内側部７２Ａと、この内側部７２Ａを内部に装着する外側部７２Ｂとにより構成されている。

内側部７２Ａのステータバルブ７１と対向する面は、ステータバルブ７１のステータバルブ側摺動面４５と摺接するロータバルブ側摺動面５０とされている。このロータバルブ側摺動面５０には、第１実施形態に係るＧＭ冷凍機のロータバルブ４２と同様に溝５１が形成されている。また、内側部７２Ａのロータバルブ側摺動面５０の形成側と反対側には、受圧面７４が形成されている。

外側部７２Ｂはハウジング３内に回転可能に取り付けられると共に、クランク部材３３のクランクピン３３ｂ（図１参照）と係合している。よって、モータ３１が駆動されクランク部材３３が回転すると、この回転力はクランクピン３３ｂを介してロータバルブ７２に伝達され、これによりロータバルブ７２は回転する。

また、ハウジング３と外側部７２Ｂとの間には、作動ガス充填空間８０が形成されている。ハウジング３には作動ガス充填空間８０と連通する作動ガス吸気孔８４が形成されており、この作動ガス吸気孔８４は圧縮機１の高圧側１ｂと接続されている。よって、作動ガス充填空間８０には、圧縮機１から高圧の作動ガスが供給される。

一方、ロータバルブ７２を構成する内側部７２Ａと外側部７２Ｂとの間には、圧力導入空間７７が形成されている。この圧力導入空間７７は、内側部７２Ａの受圧面７４と、外側部７２Ｂの内壁との間に形成されている。

更に、外側部７２Ｂの圧力導入空間７７と対向する位置には、圧力導入孔７５が形成されている。よって、圧縮機１で生成された高圧の作動ガスが作動ガス吸気孔８４を介して作動ガス充填空間８０内に導入されると、この作動ガスは圧力導入孔７５を介して圧力導入空間７７に導入されて受圧面７４を押圧する。なお、内側部７２Ａは外側部７２Ｂに対し、図中矢印Ｙ１，Ｙ２方向に所定量移動可能な構成とされている。

この作動ガスにより押圧される受圧面７４は、円形状の面とされている。また、この受圧面７４の中心軸を押付け中心軸Ｘ_Ｐというものとする。また、ステータバルブ７１は円筒形状を有しており、その中心軸をロータ中心軸Ｘ_Ｒというものとする。

ここで、受圧面７４の押付け中心軸Ｘ_Ｐとステータバルブ７１のステータ中心軸Ｘ_Ｓに注目すると、本実施形態に係るＧＭ冷凍機では、受圧面７４の押付け中心軸Ｘ_Ｐがステータバルブ７１のステータ中心軸Ｘ_Ｓに対してずれた構成とされている（ずれ量を図７に矢印ΔＸで示す）。更にそのずれ方向は、ステータ中心軸Ｘ_Ｓに対して押付け中心軸Ｘ_Ｐがガス流路４９側にずれるよう構成されている。

従って、本実施形態のように高圧の作動ガスによりロータバルブ７２がステータバルブ７１に押し付けられるＧＭ冷凍機であっても、摺動面４５，５０のガス流路４９側の位置（即ち、双方作用領域ＨＰＡ）において、ロータバルブ７２をステータバルブ７１に強く押し付けることができる。よって吸気終了時の状態であっても、ロータバルブ内側部７２Ａを微小に傾かせ各摺動面４５，５０が離間してリークが発生することを防止することができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は上記した特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能なものである。

例えば上記した第１実施形態では、ステータバルブ４１をロータバルブ４２に向けて押し付けるのに一つのばね６０を設け、このばね６０の押付け中心軸Ｘ_Ｐがロータリーバルブ４０をその回転中心軸Ｘに対してガス流路４９側にずれるよう構成した。

しかしながら、ステータバルブ４１をロータバルブ４２に向けて押し付ける付勢手段としてばね定数の異なる複数のばねを用い、双方作用領域ＨＰＡに対応する位置に配設されるばねとしてばね定数の大きなばねを配置し、他の部位においてはこれよりも小さなばね定数を有するばねを配置する構成としてもよい。この構成によっても、吸気終了時の状態であっても、複数のばねの押付け力によりステータバルブ４１を微小に傾かせ各摺動面４５，５０が離間し、リークが発生することを防止することができる。

１ 圧縮機
１ａ 低圧側
１ｂ 高圧側
２ シリンダ
３ ハウジング
１１ 第１段目シリンダ
１２ 第２段目シリンダ
１３ 第１段目ディスプレーサ
１４ 第２段目ディスプレーサ
１５ 内部空間
１６ 内部空間
１７ 蓄冷材
１８ 蓄冷材
１９ 第１段目冷却ステージ
２０ 第２段目冷却ステージ
２１ 膨張空間
２２ 膨張空間
２３ 膨張空間
３０ 駆動装置
３１ モータ
３１ａ 回転軸
３２ スコッチヨーク機構
３３ クランク部材
３３ａ クランク軸
３３ｂ クランクピン
３４ スコッチヨーク
３５ ヨーク板
３５ａ 横長窓
３６ 駆動軸
３７ 軸受部
４０ ロータリーバルブ
７０ ロータリーバルブ
４１ ステータバルブ
７１ ステータバルブ
４１ａ バルブ本体
４１ｂ 受圧部
４１ｃ 受圧面
４２ ロータバルブ
７２ ロータバルブ
４３ 固定ピン
４４ 作動ガス吸気孔
８４ 作動ガス吸気孔８４
４５ ステータバルブ側摺動面
４６ 円弧状溝
４７ 吐出孔
４８ 通孔
４９ ガス流路
５０ ロータバルブ側摺動面
５１ 溝
５２ 反対側端面
５３ 円弧状孔
５４ 受圧面
７４ 受圧面
５６ Ｏリング
７６ Ｏリング
５７ 圧力導入空間
７７ 圧力導入空間
６０ ばね
７５ 圧力導入孔
７８ フランジ状部材
８０ 作動ガス充填空間
Ｘ_Ｓ ステータ中心軸
Ｘ_Ｒ ロータ中心軸
Ｘ_Ｐ 押付け中心軸

Claims (5)

1. 作動ガスを圧縮する圧縮機と、
   前記圧縮機により圧縮された前記作動ガスが膨張することにより寒冷を発生させる膨張空間と、
   ステータバルブと、該ステータバルブに対して回転するロータバルブとを有し、回転に伴い前記圧縮機と前記膨張空間との間で前記作動ガスの流れ切替えを行うバルブ機構と、
   前記ロータバルブと前記ステータバルブの一方を他方に押し付けるよう押付け力を付勢する付勢手段と有し、
   前記付勢手段は、当該付勢手段による押付け力の中心軸が前記バルブ機構の中心軸に対してずれるように配置されたことを特徴とする極低温冷凍機。
2. 前記ステータバルブに前記膨張空間と連通するガス流路を形成すると共に、
   前記押付け力の中心軸を前記バルブ機構の中心軸よりも前記ガス流路に近い位置に配置したことを特徴とする請求項１記載の極低温冷凍機。
3. 前記バルブ機構を中心軸方向から見た時、前記バルブ機構の半径の半分よりも内側に、前記押付け力の中心軸が位置するよう構成したことを特徴とする請求項１又は２記載の極低温冷凍機。
4. 前記付勢手段をばねとしたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の極低温冷凍機。
5. 前記付勢手段として前記圧縮機から供給される作動ガスを用いたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の極低温冷凍機。

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