JP6305287B2

JP6305287B2 - 極低温冷凍機

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Publication number: JP6305287B2
Application number: JP2014185343A
Authority: JP
Inventors: 乃美　和博; 和博乃美; 太祐白石
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2014-09-11
Filing date: 2014-09-11
Publication date: 2018-04-04
Anticipated expiration: 2034-09-11
Also published as: JP2016057025A

Description

本発明は、極低温冷凍機に関し、特に高圧の作動ガスと低圧の作動ガスとの流れを切り換えるバルブを備え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（Gifford-McMahon；ＧＭ）冷凍機（特許文献１参照）やパルス管冷凍機が知られている。これらの冷凍機は高圧の作動ガスと低圧の作動ガスとの流れを切り換えるバルブと、当該バルブを駆動するためのモータとが備えられている。

特開２０１３−２６８７号公報

本発明のある目的は、極低温冷凍機が備えるバルブ駆動用のモータを小型化する技術を提供することである。

上記課題を解決するために、本発明のある態様の極低温冷凍機は、低圧の作動ガスを圧縮して高圧の作動ガスを生成する圧縮機と、圧縮機が生成した高圧の作動ガスを膨張させて寒冷を発生させる膨張空間と、圧縮機の高圧側に接続される高圧流路と、圧縮機の低圧側に接続される低圧流路と、膨張空間と、高圧流路または低圧流路との接続を切り替えるロータリバルブとを備える。ロータリバルブは、第１部材と、第１部材と回転摺動する第２部材とを備える。第１部材と第２部材とが回転摺動する領域には、高圧流路の出口となる高圧ポート、低圧流路の出口となる低圧ポート、膨張空間と接続する流路の出口となる膨張ポート、および回転摺動の１周期の間に一時的に高圧ポートと膨張ポートとを接続する接続溝とが設けられ、第１部材と第２部材とが回転摺動する領域のうち、高圧ポート、低圧ポート、膨張ポート、および接続溝が設けられた領域とは異なる領域に、凹部が設けられている。

本発明によれば、極低温冷凍機が備えるバルブ駆動用のモータを小型化することができる。

本発明のある実施の形態であるＧＭ冷凍機の断面図である。スコッチヨーク機構を拡大して示す分解斜視図である。ロータリバルブを拡大して示す分解斜視図である。図４（ａ）−（ｂ）は、実施の形態に係るロータリバルブの回転摺動面を模式的に示す図である。図５（ａ）−（ｂ）は、実施の形態の第１の変形例に係るロータリバルブの回転摺動面を模式的に示す図である。図６（ａ）−（ｂ）は、実施の形態の第２の変形例に係るロータリバルブの回転摺動面を模式的に示す図である。図７（ａ）−（ｂ）は、実施の形態の第３の変形例に係るロータリバルブの回転摺動面を模式的に示す図である。

一般に、極低温冷凍機においてバルブを駆動するための動力としてモータが用いられる。ここでバルブの開閉を確実なものとするために、モータのトルクが大きい方が好ましい。一般に、トルクの大きなモータは、トルクの小さなモータよりも大型となる。

極低温冷凍機は、例えば超伝導を利用する装置等に組み込んで使用される。この場合、冷凍機を組み込む装置の制約等により、冷凍機を無制限に大きくすることはできない。このため、バルブ開閉の動力とするモータも小型することが望まれている。

ある実施の形態に係る極低温冷凍機は、高圧の作動ガスと低圧の作動ガスとの流れを切り換えるバルブとして回転摺動面を備えるロータリバルブを用いる。この回転摺動面の一部に凹部を設け、回転摺動面の摩擦を小さくする。これにより、ロータリバルブの回転摺動の際の抵抗を低減し、トルクの小さなモータでも良好に動作せることができる。

以下、実施の形態に係る極低温冷凍機で用いられるロータリバルブについてより詳細に説明する。

まず、実施の形態の極低温冷凍機の全体構成について説明する。図１から図３は、本発明のある実施の形態である極低温冷凍機を説明するための図である。実施の形態では、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１０という）を例に挙げて説明する。しかしながら、実施の形態に係る極低温冷凍機はＧＭ冷凍機に限られない。本発明はバルブの駆動にモータを用いるタイプの極低温冷凍機であれば適用でき、例えばパルス管冷凍機にも適用できる。

実施の形態に係るＧＭ冷凍機１０は、圧縮機１、シリンダ２、ハウジング３、およびモータ収容部５等を有している。

圧縮機１は、低圧配管１ａが接続された吸気側から低圧の作動ガスを回収し、これを圧縮した後に吐出側に接続された高圧配管１ｂに高圧の作動ガスを供給する。作動ガスとしては、例えばヘリウムガスを用いることができるがこれに限定されるものではない。

実施の形態に係るＧＭ冷凍機１０は、２段式のＧＭ冷凍機である。２段式のＧＭ冷凍機１０では、シリンダ２は高温側シリンダ１１と低温側シリンダ１２の二つのシリンダを有している。高温側シリンダ１１の内部には、高温側ディスプレーサ１３が挿入される。また、低温側シリンダ１２の内部には、低温側ディスプレーサ１４が挿入される。

高温側ディスプレーサ１３および低温側ディスプレーサ１４は相互に連結されており、それぞれ高温側シリンダ１１および低温側シリンダ１２の内部で、各シリンダの軸方向に往復移動可能な構成とされている。高温側ディスプレーサ１３および低温側ディスプレーサ１４の内部には、それぞれ高温側内部空間１５および低温側内部空間１６が形成されている。高温側内部空間１５および低温側内部空間１６には蓄冷材が充填されており、それぞれ高温側蓄冷器１７および低温側蓄冷器１８として機能する。

上部に位置する高温側ディスプレーサ１３は、上方（Ｚ１方向）に向けて延出する駆動軸３６に連結される。この駆動軸３６は、後述するスコッチヨーク機構３２の一部を構成する。

また、高温側ディスプレーサ１３の高温端側（Ｚ１方向側端部）には、ガス流路Ｌ１が形成されている。更に、高温側ディスプレーサ１３の低温端側（Ｚ２方向側端部）には、高温側内部空間１５と高温側膨張空間２１とを連通するガス流路Ｌ２が形成されている。

高温側シリンダ１１の低温側端部（図１に矢印Ｚ２で示す方向側の端部）には、高温側膨張空間２１が形成されている。また、高温側シリンダ１１の高温側端部（図１に矢印Ｚ１で示す方向側の端部）には、上部室２３が形成されている。

更に、低温側シリンダ１２内の低温側端部（図１に矢印Ｚ２で示す方向側の端部）には、低温側膨張空間２２が形成されている。

低温側ディスプレーサ１４は、図示しない連結機構により高温側ディスプレーサ１３の下部に取り付けられている。この低温側ディスプレーサ１４の高温側端部（図１に矢印Ｚ１で示す方向側の端部）には、高温側膨張空間２１と低温側内部空間１６とを連通するガス流路Ｌ３が形成されている。また、低温側ディスプレーサ１４の低温側端部（図１に矢印Ｚ２で示す方向側の端部）には、低温側内部空間１６と低温側膨張空間２２とを連通するガス流路Ｌ４が形成されている。

高温側冷却ステージ１９は、高温側シリンダ１１の外周面で、高温側膨張空間２１と対向する位置に配設されている。また低温側冷却ステージ２０は、低温側シリンダ１２の外周面で低温側膨張空間２２と対向する位置に配設されている。

上記の高温側ディスプレーサ１３および低温側ディスプレーサ１４は、スコッチヨーク機構３２により高温側シリンダ１１および低温側シリンダ１２内を図中上下方向（矢印Ｚ１、Ｚ２方向）に移動する。

図１に示すように、ハウジング３はロータリバルブ４０等を有し、モータ収容部５はモータ３１を収容する。

モータ３１、駆動回転軸３１ａ、およびスコッチヨーク機構３２は、駆動装置を構成する。モータ３１は回転駆動力を発生し、モータ３１に接続された回転軸（以下、「駆動回転軸３１ａ」という。）は、モータ３１の回転運動をスコッチヨーク機構３２に伝達する。駆動回転軸３１ａは、軸受６０によって支持される。

図２は、スコッチヨーク機構３２を拡大して示している。スコッチヨーク機構３２は、クランク３３とスコッチヨーク３４等を有している。このスコッチヨーク機構３２は、例えばモータ３１等の駆動手段により駆動することができる。

クランク３３は、駆動回転軸３１ａに固定される。クランク３３は、駆動回転軸３１ａの取り付け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３３を駆動回転軸３１ａに取り付けると、駆動回転軸３１ａに対しクランクピン３３ｂは偏心した状態となる。この意味で、クランクピン３３ｂは、偏心回転体として機能する。なお、駆動回転軸３１ａは、その長手方向に複数の場所で回転自在に支持される。

スコッチヨーク３４は、駆動軸３６ａ、駆動軸３６ｂ、ヨーク板３５、及びころ軸受３７等を有している。ハウジング３内には、収容空間が形成されている。この収容空間は、スコッチヨーク３４及び後述するロータリバルブ４０のロータバルブ４２等を収容する気密性を持った気密容器となっている。そこで、以下本明細書においてハウジング３内の収容空間を、「気密容器４」という。気密容器４は、低圧配管１ａを介して圧縮機１の吸気口と連通している。そのため、気密容器４は常に低圧に維持される。

駆動軸３６ａは、ヨーク板３５から上方（Ｚ１方向）に延出している。この駆動軸３６ａは、ハウジング３内に設けられた摺動軸受３８ａによって支持されている。よって駆動軸３６ａは、図中上下方向（図中矢印Ｚ１、Ｚ２方向）に移動可能な構成となっている。

駆動軸３６ｂは、ヨーク板３５から下方（Ｚ２方向）に延出している。この駆動軸３６ｂは、ハウジング３内に設けられた摺動軸受３８ｂによって支持されている。よって駆動軸３６も、図中上下方向（図中矢印Ｚ１、Ｚ２方向）に移動可能な構成となっている。

駆動軸３６ａおよび駆動軸３６ｂが、それぞれ摺動軸受３８ａおよび摺動軸受３８ｂによって支持されることにより、スコッチヨーク３４はハウジング３内で上下方向（図中矢印Ｚ１、Ｚ２方向）に移動可能な構成となっている。

なお、本実施の形態では、極低温冷凍機の構成要素の位置関係を分かりやすく表すために、「軸方向」という用語を使用することがある。軸方向は駆動軸３６ａおよび駆動軸３６ｂが延在する方向を表し、高温側ディスプレーサ１３および低温側ディスプレーサ１４が移動する方向とも一致する。便宜上、軸方向に関して膨張空間又は冷却ステージに相対的に近いことを「下」、相対的に遠いことを「上」と呼ぶことがある。つまり、低温側端部から相対的に遠いことを「上」、相対的に近いことを「下」と呼ぶことがある。なお、こうした表現はＧＭ冷凍機１０が取り付けられたときの配置とは関係しない。例えば、ＧＭ冷凍機１０は鉛直方向に膨張空間を上向きにして取り付けられてもよい。

ヨーク板３５は、横長窓３５ａが形成されている。この横長窓３５ａは、駆動軸３６ａおよび駆動軸３６ｂの延出する方向に対して交差する方向、例えば直交する方向（図２中、矢印Ｘ１、Ｘ２方向）に延在している。

ころ軸受３７は、この横長窓３５ａ内に配設されている。ころ軸受３７は、横長窓３５ａ内で転動可能な構成とされている。また、クランクピン３３ｂと係合する孔３７ａは、ころ軸受３７の中心位置に形成されている。横長窓３５ａは、クランクピン３３ｂおよびころ軸受３７の横方向の移動を許容する。横長窓３５ａは、横方向に延在する上枠部及び下枠部と、上枠部及び下枠部それぞれの横方向端部にて軸方向ないし縦方向に延在し上枠部と下枠部とを結合する第１側枠部及び第２側枠部と、を備える。

モータ３１が駆動し駆動回転軸３１ａが回転すると、クランクピン３３ｂは円弧を描くように回転する。これにより、スコッチヨーク３４は図中矢印Ｚ１、Ｚ２方向に往復移動する。この際、ころ軸受３７は、横長窓３５ａ内を図中矢印Ｘ１、Ｘ２方向に往復移動する。

高温側ディスプレーサ１３は、スコッチヨーク３４の下部に配設された駆動軸３６ｂに接続されている。よって、スコッチヨーク３４が図中矢印Ｚ１、Ｚ２方向に往復移動することにより、高温側ディスプレーサ１３及びこれに連結された低温側ディスプレーサ１４も高温側シリンダ１１及び低温側シリンダ１２内で矢印Ｚ１、Ｚ２方向に往復移動する。

次に、バルブ機構について説明する。実施の形態に係るＧＭ冷凍機１０は、バルブ機構としてロータリバルブ４０を用いる。

ロータリバルブ４０は、低圧の作動ガスの流路である低圧流路と高圧の作動ガスの流路である高圧流路とを切り換える。ここで低圧流路は、圧縮機１の低圧側に接続される。また高圧流路は圧縮機１の高圧側に接続される。ロータリバルブ４０は、モータ３１によって駆動される。このロータリバルブ４０は、圧縮機１の吐出側から吐出された高圧の作動ガスを高温側ディスプレーサ１３の上部室２３に導く供給用バルブとして機能すると共に、上部室２３から作動ガスを圧縮機１の吸気側に導く排気用バルブとして機能する。

このロータリバルブ４０は、図１に加えて図３に示すように、第１部材であるステータバルブ４１と、第２部材であるロータバルブ４２との、二つの部材を有している。ステータバルブ４１は平坦なステータ側回転摺動面４５を有し、ロータバルブ４２は同じく平坦なロータ側回転摺動面５０を有している。そして、このステータ側回転摺動面４５とロータ側回転摺動面５０が面接触して回転摺動することにより、作動ガスの漏れが防止される。

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で固定されることにより、ステータバルブ４１は回転が規制される。

ロータバルブ４２は、ロータバルブ軸受６２により回転可能に支持されている。ロータバルブ４２のロータ側回転摺動面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、ころ軸受３７に挿通された際にその先端部がころ軸受３７から矢印Ｙ１方向に突出する（図１参照）。

そして、ころ軸受３７から突出したクランクピン３３ｂの先端部は、ロータバルブ４２に形成された係合穴と係合する。よって、クランクピン３３ｂが回転（偏心回転）することにより、ロータバルブ４２はスコッチヨーク機構３２と同期して回転する。

ステータバルブ４１は、高圧ポート４４、膨張ポート４６、膨張空間接続流路４９、および凹部５４を有している。高圧ポート４４は圧縮機１の高圧配管１ｂに接続されており、ステータバルブ４１の中心部を貫通するよう形成されている。高圧ポート４４は、圧縮機１から供給される作動ガスの、ステータ側回転摺動面４５側の出口となる。

膨張ポート４６は、ステータ側回転摺動面４５に形成されている。この膨張ポート４６は、高圧ポート４４を中心とした円弧形状を有している。

膨張空間接続流路４９は、ステータバルブ４１とハウジング３とにわたって形成され、高温側内部空間１５および高温側膨張空間２１と連通する。膨張空間接続流路４９のうち、バルブ側の一端部は、膨張ポート４６内に開口し開口部４８を形成している。膨張空間接続流路４９は、高温側内部空間１５を介して高温側膨張空間２６と連通する。このため、膨張ポート４６は、高温側膨張空間２６と圧縮機１とを接続する膨張空間接続流路４９の、回転摺動面側の出口とも言える。凹部５４は、ステータ側回転摺動面４５に設けられ、ステータバルブ４１を貫通しない。なお、凹部５４の詳細は後述する。

膨張空間接続流路４９において、ステータバルブ４１の側面には吐出口４７が開口している。吐出口４７は、ハウジング内の膨張空間接続流路４９と連通している。また、ハウジング内の膨張空間接続流路４９の他端部は、上部室２３、ガス流路Ｌ１、高温側蓄冷器１７等を介して高温側膨張空間２１に接続されている。

一方、ロータバルブ４２は、接続溝５１及び低圧ポート５３を有している。

接続溝５１は、ロータ側回転摺動面５０にその中心から径方向に延在するよう形成されている。接続溝５１はロータバルブ４２を貫通しておらず、底面を持つ凹形状である。接続溝５１は、膨張ポート４６と高圧ポート４４との間に作動ガスの流路を形成する溝である。接続溝５１はロータバルブ４２の回転周期における１周期の間に、一時的に高圧ポート４４と膨張ポート４６とを接続する。低圧ポート５３は、ロータバルブ４２のロータ側回転摺動面５０から反対側端面５２まで貫通し、気密容器４と接続している。この低圧ポート５３は、ステータバルブ４１の膨張ポート４６と同一円周上に位置するよう形成されている。

上記した高圧ポート４４、接続溝５１、膨張ポート４６、及び開口部４８により供給弁が構成される。また、開口部４８、膨張ポート４６、及び低圧ポート５３により排気弁が構成される。本実施の形態では、接続溝５１、膨張ポート４６などのバルブの内部に存在する空間をまとめてバルブ内部空間と呼ぶことがある。

上記構成とされたＧＭ冷凍機１０において、モータ３１の回転駆動力が駆動回転軸３１ａを介してスコッチヨーク機構３２に伝達されてスコッチヨーク機構３２が駆動されると、スコッチヨーク３４はＺ１、Ｚ２方向に往復移動する。このスコッチヨーク３４の動作により、高温側ディスプレーサ１３および低温側ディスプレーサ１４は、高温側シリンダ１１および低温側シリンダ１２内を下死点ＬＰと上死点ＵＰとの間で往復移動する。

高温側ディスプレーサ１３および低温側ディスプレーサ１４が下死点ＬＰに達する前に、排気弁が閉じ、その後、供給弁が開く。即ち、高圧ポート４４、接続溝５１、膨張ポート４６、及び膨張空間接続流路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から上部室２３に充填され始める。その後、高温側ディスプレーサ１３および低温側ディスプレーサ１４は下死点ＬＰを過ぎて上昇を始め、作動ガスは高温側蓄冷器１７および低温側蓄冷器１８を上から下に通過し、それぞれ高温側膨張空間２１および低温側膨張空間２２に充填されてゆく。

そして、高温側ディスプレーサ１３および低温側ディスプレーサ１４が上死点ＵＰに達する際に、供給弁は閉じる。それと同時、もしくはその後、開弁する。即ち、膨張空間接続流路４９、膨張ポート４６、及び低圧ポート５３との間に作動ガス流路が形成される。

これにより、高圧の作動ガスは高温側膨張空間２１および低温側膨張空間２２内で膨脹することによって寒冷を発生させ、高温側冷却ステージ１９および低温側冷却ステージ２０を冷却する。また、寒冷を発生させた低温の作動ガスは、高温側蓄冷器１７および低温側蓄冷器１８内の蓄冷材を冷却しながら下から上に流れ、その後に圧縮機１の低圧配管１ａに還流する。このように、実施の形態に係るロータリバルブ４０は、高温側膨張空間２１と、高圧の作動ガスの流路または低圧の作動ガスの流路との接続を切り替える。

その後、高温側ディスプレーサ１３および低温側ディスプレーサ１４が下死点ＬＰに達する前に、排気弁が閉じ、その後、供給弁が開いて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、ＧＭ冷凍機１０の高温側冷却ステージ１９および低温側冷却ステージ２０は極低温に冷却される。ＧＭ冷凍機１０の高温側冷却ステージ１９および低温側冷却ステージ２０は、それぞれ高温側膨張空間２１および低温側膨張空間２２内の作動ガスを膨張させることにより発生した寒冷を、高温側シリンダ１１および低温側シリンダ１２の外部に伝導する。

以上説明したように、実施の形態に係るＧＭ冷凍機１０においては、モータ３１等の駆動装置の駆動力を高温側ディスプレーサ１３および低温側ディスプレーサ１４の往復移動に変換することで寒冷を発生させる。これにより、低温側冷却ステージ２０の温度はおよそ４Ｋの極低温となる。

上述したように、実施の形態に係るロータリバルブ４０は、第１部材であるステータバルブ４１と、第２部材であるロータバルブ４２とが回転摺動する。この回転摺動面に、膨張ポート４６、接続溝５１、低圧ポート５３、高圧ポート４４、凹部５４が設けられている。

図４（ａ）−（ｂ）は、実施の形態に係るロータリバルブ４０の回転摺動面を模式的に示す図である。具体的に、図４（ａ）は、ロータ側回転摺動面５０を示す図であり、図４（ｂ）はステータ側回転摺動面４５を示す図である。

図４（ａ）−（ｂ）に示すように、凹部５４は、ステータ側回転摺動面４５のうち、高圧ポート４４、低圧ポート５３、および膨張ポート４６が設けられた領域とは異なる領域に設けられている。凹部５４はステータ側回転摺動面４５に設けられているため、ロータ側回転摺動面５０に設けられた接続溝５１と低圧ポート５３とも異なる領域に設けられている。図４（ｂ）に示す例では、凹部５４は、ステータ側回転摺動面４５に、膨張ポート４６とほぼ同心円に設けられた円弧形状の溝である。

ロータバルブ４２が回転すると、回転周期における１周期の間に、接続溝５１は、一時的に高圧ポート４４と凹部５４とを接続する。この間、凹部５４は一時的に高圧の動作ガスで満たされる。しかしながら、凹部５４はステータバルブ４１を貫通していないため、動作ガスがロータリバルブ４０から漏れることはない。

同様に、ロータバルブ４２が回転すると、回転周期における１周期の間に、低圧ポート５３は一時的に凹部５４と接続することもある。しかしながら、凹部５４は、高圧ポート４４と低圧ポート５３とのいずれか一方と接続しているときは、他方とは接続せずに遮断するように設計されている。これにより、ロータリバルブ４０内において高圧の作動ガスが存在する高圧空間と、低圧の作動ガスが存在する低圧空間とが連通することが防止できる。

そして、ロータリバルブ４０の回転摺動面に凹部５４が設けられているため、ロータ側回転摺動面５０とステータ側回転摺動面４５との接触面積が小さくなり、両者の間の滑り摩擦が低減する。これにより、ロータリバルブ４０を駆動するために必要なトルクが小さくなる。故に、ロータリバルブ４０を駆動するためのモータ３１の出力トルクも抑制でき、モータ３１を小型化することができる。

ここで図１に示すように、ロータリバルブ４０を構成するロータバルブ４２とステータバルブ４１とは、弾性部材５５の弾性力によって付勢されている。またロータバルブ４２とステータバルブ４１とは、ＧＭ冷凍機１０内の高圧空間と低圧空間との圧力差によっても付勢される。ロータリバルブ４０の回転周期の１周期の間に、高圧ポート４４が一時的に凹部５４と連通すると、凹部５４が高圧な作動ガスで満たされる。この間は、凹部５４に満たされた高圧な作動ガスの圧力により、ロータバルブ４２とステータバルブ４１とを付勢する高圧空間と低圧空間との圧力差が一時的に緩和される。これにより、ロータ側回転摺動面５０とステータ側回転摺動面４５との間の滑り摩擦も一時的に小さくなり、モータ３１が出力すべきトルクも小さくなる。

実施の形態に係るロータリバルブ４０においては、ステータバルブ４１は金属で形成されている。一方、ロータバルブ４２は樹脂で形成されている。一般に、樹脂は金属よりも柔らかいため、ステータバルブ４１とロータバルブ４２とが回転摺動すると、ロータバルブ４２の方がステータバルブ４１よりも早く摩耗する。そこで、凹部５４は、金属で形成されるステータバルブ４１に設けるのが好ましい。凹部５４は部材を貫通しておらず底面を有するため、仮に部材が摩耗すると、回転摺動面が凹部５４の底面に到達する可能性もあるからである。金属製の部材に凹部５４を設けることで、回転摺動面によって樹脂製の部材が摩耗したとしても、回転摺動面が凹部５４の底面に到達することを抑制できる。

以上説明したように、実施の形態に係るＧＭ冷凍機１０によれば、ロータリバルブ４０を構成するステータバルブ４１とロータバルブ４２との間の滑り摩擦を低減することができる。このため、ロータリバルブ４０の駆動に要するトルクが小さくなり、ロータリバルブ４０を駆動するモータ３１を小型化することができる。

以上、実施の形態に基づき本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示すにすぎない。また、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が可能である。

（第１の変形例）
上記の説明では、凹部５４と高圧ポート４４とが、ロータバルブ４２の回転周期における１周期の間に、一時的に高圧ポート４４と凹部５４とが接続する場合について説明した。これに代えて、凹部５４と高圧ポート４４とは常に連通するようにしてもよい。

図５（ａ）−（ｂ）は、実施の形態の第１の変形例に係るロータリバルブ４０の回転摺動面を模式的に示す図である。具体的に、図５（ａ）は、第１の変形例に係るロータバルブ４２のロータ側回転摺動面５０を示す図であり、図５（ｂ）は第１の変形例に係るステータバルブ４１のステータ側回転摺動面４５を示す図である。

図５（ｂ）に示すように、ステータバルブ４１とロータバルブ４２とのうち、ステータバルブ４１のステータ側回転摺動面４５に、高圧ポート４４、膨張ポート４６、および凹部５４とが設けられている。またロータバルブ４２のロータ側回転摺動面５０に、低圧ポート５３が設けられている。これらの構成は、実施の形態に係るロータリバルブ４０と同様である。

また、第１の変形例に係る凹部５４が、ステータ側回転摺動面４５に、膨張ポート４６とほぼ同心円状に設けられた円弧形状の溝である点も、実施の形態に係るロータリバルブ４０と同様である。しかしながら、第１の変形例に係る凹部５４は、その円弧の半径が、実施の形態に係る凹部５４の半径よりも短い。このため、ロータバルブ４２とステータバルブ４１とが回転摺動する際に低圧ポート５３が回転摺動面上に描く軌跡は、凹部５４と重ならない。言い換えると、凹部５４は、ロータリバルブ４０の回転周期の１周期の間に低圧ポート５３から常に遮断されている。

第１の変形例に係るステータ側回転摺動面４５には、高圧ポート４４と凹部５４とを連通する連通路５６が設けられている。このため、凹部５４は、高圧ポート４４と連通し、凹部５４には高圧の作動ガスが満たされる。これにより、凹部５４に満たされた高圧な作動ガスの圧力は、ロータバルブ４２とステータバルブ４１とを付勢する高圧空間と低圧空間との圧力差を緩和する。結果として、ロータ側回転摺動面５０とステータ側回転摺動面４５との間の滑り摩擦が小さくなり、モータ３１が出力すべきトルクを小さくすることができる。

（第２の変形例）
上記では、ステータバルブ４１とロータバルブ４２との一方に高圧ポート４４、膨張ポート４６、および凹部５４が設けられ、他方に低圧ポート５３と接続溝５１とが設けられている場合について説明した。しかしながら、接続溝５１は必須の構成ではなく、省略することもできる。また、高圧ポート４４、膨張ポート４６、凹部５４，および低圧ポート５３の配置も、上記の配置には限られない。

図６（ａ）−（ｂ）は、実施の形態の第２の変形例に係るロータリバルブ４０の回転摺動面を模式的に示す図である。具体的に、図６（ａ）は、第２の変形例に係るロータバルブ４２のロータ側回転摺動面５０を示す図であり、図６（ｂ）は第２の変形例に係るステータバルブ４１のステータ側回転摺動面４５を示す図である。

図６（ａ）−（ｂ）に示すように、第２の変形例に係るロータリバルブ４０は、接続溝５１を有しない。その代わり、ロータ側回転摺動面５０に膨張ポート４６が設けられており、ステータ側回転摺動面４５に高圧ポート４４と低圧ポート５３とが設けられている。図６（ａ）−（ｂ）に示すでは、ロータリバルブ４０の回転摺動に伴って膨張ポート４６が回転し、高圧ポート４４と低圧ポート５３とに交互に接続することで、高圧の作動ガスの流路または低圧の作動ガスの流路との接続を切り替えることを実現する。この意味で、膨張ポート４６と高圧ポート４４とが接続している間は、膨張ポート４６と高圧ポートとの間の空間が、上述した接続溝５１と同様に機能する。また、膨張ポート４６と低圧ポート５３が接続している間も、膨張ポート４６と低圧ポート５３との間の空間が、両者を接続する接続溝として機能するともいえる。

図６（ｂ）に示すように、凹部５４は、ステータ側回転摺動面４５上に、高圧ポート４４と低圧ポート５３とが設けられた領域とは異なる領域に設けられる。これにより、ステータ側回転摺動面４５とロータ側回転摺動面５０との接触面積が小さくなり、両者の間の滑り摩擦が低減する。これにより、ロータリバルブ４０を駆動するために必要なトルクが小さくなる。故に、ロータリバルブ４０を駆動するためのモータ３１の出力トルクも抑制でき、モータ３１を小型化することができる。

（第３の変形例）
図７（ａ）−（ｂ）は、実施の形態の第３の変形例に係るロータリバルブ４０の回転摺動面を模式的に示す図である。具体的に、図７（ａ）は、第３の変形例に係るロータバルブ４２のロータ側回転摺動面５０を示す図であり、図７（ｂ）は第３の変形例に係るステータバルブ４１のステータ側回転摺動面４５を示す図である。

図７（ｂ）に示しように、第３の変形例に係るロータリバルブ４０は、ステータ側回転摺動面４５上に、高圧ポート４４、膨張ポート４６、および低圧ポート５３が設けられている。一方、図７（ａ）に示すように、ロータ側回転摺動面５０上に接続溝５１が設けられている。膨張ポート４６はステータバルブ４１の中心軸上に設けられており、接続溝５１はロータバルブ４２の中心から径方向外側に伸びる溝である。したがって、ロータバルブ４２の回転の位置によらず、接続溝５１と膨張ポート４６とは接続する。

一方、ロータリバルブ４０の回転摺動に伴って接続溝５１が回転し、高圧ポート４４と低圧ポート５３と交互に接続する。これにより、膨張ポート４６と高圧ポート４４または低圧ポート５３との接続が交互に切り替わり、高圧の作動ガスの流路または低圧の作動ガスの流路との接続を切り替えが実現される。

図７（ｂ）に示すように、凹部５４は、ステータ側回転摺動面４５上に、高圧ポート４４、低圧ポート５３、および膨張ポート４６が設けられた領域とは異なる領域に設けられる。また、接続溝５１はロータ側回転摺動面５０に設けられているので、凹部５４は接続溝５１が設けられた領域とは異なる領域に設けられているともいえる。これにより、ステータ側回転摺動面４５とロータ側回転摺動面５０との接触面積が小さくなり、両者の間の滑り摩擦が低減する。これにより、ロータリバルブ４０を駆動するために必要なトルクが小さくなる。故に、ロータリバルブ４０を駆動するためのモータ３１の出力トルクも抑制でき、モータ３１を小型化することができる。

（第４の変形例）
上記では、ロータリバルブ４０がＧＭ冷凍機１０で用いられることを主に説明したが、ＧＭ冷凍機１０は例示である。上記のロータリバルブ４０は、モータを用いてロータリバルブを駆動する冷凍機であれば、例えばパルス管冷凍機など、ＧＭ冷凍機１０以外の他の種類の冷凍機に用いることもできる。

１圧縮機、１ａ低圧配管、１ｂ高圧配管、２シリンダ、３ハウジング、４気密容器、５モータ収容部、１０ＧＭ冷凍機、１１高温側シリンダ、１２低温側シリンダ、１３高温側ディスプレーサ、１４低温側ディスプレーサ、１５高温側内部空間、１６低温側内部空間、１７高温側蓄冷器、１８低温側蓄冷器、１９高温側冷却ステージ、２０低温側冷却ステージ、２１高温側膨張空間、２２低温側膨張空間、２３上部室、２６高温側膨張空間、３１モータ、３１ａ駆動回転軸、３２スコッチヨーク機構、３３クランク、３３ｂクランクピン、３４スコッチヨーク、３５ヨーク板、３５ａ横長窓、３６，３６ａ，３６ｂ駆動軸、３７ころ軸受、３７ａ孔、３８ａ，３８ｂ摺動軸受、４０ロータリバルブ、４１ステータバルブ、４２ロータバルブ、４３固定ピン、４４高圧ポート、４５ステータ側回転摺動面、４６膨張ポート、４７吐出口、４８開口部、４９膨張空間接続流路、５０ロータ側回転摺動面、５１接続溝、５２反対側端面、５３低圧ポート、５４凹部、５５弾性部材、５６連通路、６０軸受、６２ロータバルブ軸受。

Claims

低圧の作動ガスを圧縮して高圧の作動ガスを生成する圧縮機と、
前記圧縮機が生成した高圧の作動ガスを膨張させて寒冷を発生させる膨張空間と、
前記圧縮機の高圧側に接続される高圧流路と、
前記圧縮機の低圧側に接続される低圧流路と、
前記膨張空間と、前記高圧流路または前記低圧流路との接続を切り替えるロータリバルブとを備え、
前記ロータリバルブは、
第１部材と、
前記第１部材と回転摺動する第２部材とを備え、
前記第１部材と前記第２部材とが回転摺動する領域には、前記高圧流路の出口となる高圧ポート、前記低圧流路の出口となる低圧ポート、前記膨張空間と接続する流路の出口となる膨張ポート、および前記回転摺動の１周期の間に一時的に前記高圧ポートと前記膨張ポートとを接続する接続溝とが設けられ、
前記第１部材と前記第２部材とが回転摺動する領域のうち、前記高圧ポート、前記低圧ポート、前記膨張ポート、および前記接続溝が設けられた領域とは異なる領域に、凹部が設けられ、
前記第１部材と第２部材とのいずれか一方の部材は金属で形成されており、他方の部材は樹脂で形成されており、
前記凹部は、前記第１部材と前記第２部材とのうち金属で形成される部材に設けられていることを特徴とする極低温冷凍機。
低圧の作動ガスを圧縮して高圧の作動ガスを生成する圧縮機と、
前記圧縮機が生成した高圧の作動ガスを膨張させて寒冷を発生させる膨張空間と、
前記圧縮機の高圧側に接続される高圧流路と、
前記圧縮機の低圧側に接続される低圧流路と、
前記膨張空間と、前記高圧流路または前記低圧流路との接続を切り替えるロータリバルブとを備え、
前記ロータリバルブは、
第１部材と、
前記第１部材と回転摺動する第２部材とを備え、
前記第１部材と前記第２部材とが回転摺動する領域には、前記高圧流路の出口となる高圧ポート、前記低圧流路の出口となる低圧ポート、前記膨張空間と接続する流路の出口となる膨張ポート、および前記回転摺動の１周期の間に一時的に前記高圧ポートと前記膨張ポートとを接続する接続溝とが設けられ、
前記第１部材と前記第２部材とが回転摺動する領域のうち、前記高圧ポート、前記低圧ポート、前記膨張ポート、および前記接続溝が設けられた領域とは異なる領域に、凹部が設けられ、
前記第１部材と前記第２部材とのいずれか一方の部材に、前記高圧ポート、前記膨張ポート、および前記凹部とが設けられ、他方の部材に前記低圧ポートが設けられ、
前記凹部は、前記高圧ポートと連通していることを特徴とする極低温冷凍機。
低圧の作動ガスを圧縮して高圧の作動ガスを生成する圧縮機と、
前記圧縮機が生成した高圧の作動ガスを膨張させて寒冷を発生させる膨張空間と、
前記圧縮機の高圧側に接続される高圧流路と、
前記圧縮機の低圧側に接続される低圧流路と、
前記膨張空間と、前記高圧流路または前記低圧流路との接続を切り替えるロータリバルブとを備え、
前記ロータリバルブは、
第１部材と、
前記第１部材と回転摺動する第２部材とを備え、
前記第１部材と前記第２部材とが回転摺動する領域には、前記高圧流路の出口となる高圧ポート、前記低圧流路の出口となる低圧ポート、前記膨張空間と接続する流路の出口となる膨張ポート、および前記回転摺動の１周期の間に一時的に前記高圧ポートと前記膨張ポートとを接続する接続溝とが設けられ、
前記第１部材と前記第２部材とが回転摺動する領域のうち、前記高圧ポート、前記低圧ポート、前記膨張ポート、および前記接続溝が設けられた領域とは異なる領域に、凹部が設けられ、
前記凹部は、前記回転摺動の１周期の間に、一時的に前記高圧ポートと接続することを特徴とする極低温冷凍機。
前記第１部材と第２部材とのいずれか一方の部材は金属で形成されており、他方の部材は樹脂で形成されており、
前記凹部は、前記第１部材と前記第２部材とのうち金属で形成される部材に設けられることを特徴とする請求項２または３に記載の極低温冷凍機。
前記凹部は、前記高圧ポートと前記低圧ポートとのいずれか一方と接続しているときは、他方を遮断することを特徴とする請求項１に記載の極低温冷凍機。