JPH11257772A - 極低温冷凍機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 作動ガスの高低圧力と中間圧力との差圧によ
りディスプレーサ(22)を往復動させて極低温レベルの寒
冷を発生させる極低温冷凍機(R) において、中間圧力を
適正化して極低温冷凍機(R) の能力を向上させる。 【解決手段】 シリンダ(2) 内において、ディスプレー
サ(22) を設けて膨張室(30,31) を形成し、スラックピ
ストン(17) を設けて下側圧力室(20) を形成する。オリ
フィス(21) を介して下側圧力室(20) と連通する中間圧
室(8) を形成する。中間圧室(8) とモータ室(6) との間
に高圧連通路(45) を設けて、中間圧室(8)に高圧作動ガ
スを導入する。この高圧連通路(45) には、開度可変の
流量調整弁(CV) を設ける。また、中間圧室(8) と低圧
通路(13) との間に低圧連通路(48)を設けて、中間圧室
(8) から作動ガスを排出する。この低圧連通路(48)
を、所定流量の作動ガスを中間圧室(8) から排出するよ
うに構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ディスプレーサ
（置換器）の往復動によりヘリウム等の作動ガスを膨張
させて極低温レベルの寒冷を発生させる極低温冷凍機に
関し、特に、その能力を向上させる技術分野に属する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、極低温冷凍機として、シリン
ダ内に膨張室を区画するディスプレーサを備えてなり、
このディスプレーサの往復動に伴い、上記膨張室に供給
された高圧の作動ガスを膨張させて極低温レベルの寒冷
を発生させるようにしたＧＭ（ギフォード・マクマホ
ン）冷凍機はよく知られている。

【０００３】この種の極低温冷凍機には、ディスプレー
サをクランク軸を介してモータに連結して、モータの作
動によりディスプレーサを往復動させる機械駆動式ＧＭ
冷凍機がある。そして、例えば特開平６―３００３７８
号公報に示されるものでは、クランク軸と一体的に回転
するバルブプレートに摺接してそれを開閉するバルブ本
体を外部から回転可能とし、このバルブ本体のバルブプ
レートに対する相対位置を変えることにより、シリンダ
内の膨張室に高圧作動ガスを供給するタイミングと、膨
張室内で膨張した低圧の作動ガスを排出するタイミング
とを連係して可変とすることが提案されている。

【０００４】一方、図７に示すように、高低圧の作動ガ
スの中間圧力に設定された中間圧室(a) を設け、この中
間圧室(a) の圧力と、膨張室(b) へ給排気される作動ガ
スのガス圧との圧力差によってピストン(c) をディスプ
レーサ(d) と共に往復動させるようにしたガス圧駆動式
（改良ソルベー式）のＧＭ冷凍機についても知られてい
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記ガス圧駆動式のＧ
Ｍ冷凍機においては、その中間圧室(a) の圧力を高圧及
び低圧作動ガスの中間圧力に設定する目的で、キャピラ
リ管(e) を設けている。このキャピラリ管(e) の一端は
中間圧室(a) に連通する一方、他端は、膨張室(b) に給
排気される高圧及び低圧の作動ガスが流通するガス流路
(f) にそれぞれ連通している。そして、キャピラリ管
(e) を介して中間圧室(a) に少量の高圧作動ガスを供給
し又は中間圧室(a) から作動ガスを排出させることで、
中間圧力を設定するようにしている。

【０００６】しかし、その場合、ディスプレーサ(d) の
往復動の１サイクルにおいてシリンダ(g) 内の膨張室
(b) に高圧作動ガスを供給する高圧供給状態と、膨張室
(b) の作動ガスを排出する低圧排出状態との割合を変え
たとき、それに応じてディスプレーサ(d) の挙動が影響
され、その挙動不良により冷凍機の能力を向上できない
という問題が生じる。例えば低圧排出状態の割合を高圧
供給状態よりも大きくしたときには、その分、中間圧室
(a) の作動ガスが比較的多量に低圧側に排出されて中間
圧室(a) の圧力が低くなり、ディスプレーサ(d) はフル
ストロークで移動せず、低温側で動き難くなって常温側
で動き易くなり、常温側に偏る。一方、逆に、低圧排出
状態の割合を高圧供給状態よりも小さくすると、比較的
多量の高圧作動ガスが中間圧室(a) に供給されて中間圧
室(a) の圧力が高くなるので、ディスプレーサ(d) は常
温側で動き難くなって低温側に偏ったストロークで移動
する。

【０００７】また、冷凍機毎の個体差によりディスプレ
ーサ(d) のストローク位置が変動し、その最適化が困難
となって冷凍機の能力がばらつくという問題も生じる。
具体的に、ピストン(c) 等には、作動ガスの漏れを防ぐ
ためのシール部材が設けられている。しかし、シール部
材やピストン(c) 等には個体差が存在し、作動ガスの漏
れ量は冷凍機毎に異なることとなる。このため、上述の
ような構成部品の個体差に起因してディスプレーサ(d)
の挙動が影響を受け、ディスプレーサ(d) がフルストロ
ークで移動せず、極低温冷凍機が充分な能力を発揮でき
なくなるという問題があった。

【０００８】本発明は、かかる点に鑑みてなされたもの
であり、その目的とするところは、上記のように作動ガ
スの高低圧力と中間圧力との差圧によりディスプレーサ
を往復動させて極低温レベルの寒冷を発生させる極低温
冷凍機において、その中間圧力を適正化することによ
り、ディスプレーサの挙動を最適化して極低温冷凍機の
能力を向上させることにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、中間圧室(8)
へ流入又は流出する作動ガスの流量を調整可能として、
中間圧室(8) の圧力を所定値に設定可能としたものであ
る。

【００１０】具体的に、本発明が講じた第１の解決手段
は、高圧又は低圧の作動ガスが給排気されるシリンダ
(2) と、該シリンダ(2) の内部に膨張室(30,31)と圧力
室(20)とを区画形成するディスプレーサ部材(17,22)
と、上記高圧及び低圧の作動ガスの中間圧力に設定され
て圧力室(20) に連通する中間圧室(8) とを備え、シリ
ンダ(2) に給排気される作動ガスのガス圧と圧力室(20)
の圧力との圧力差によりディスプレーサ部材(17,22)
が往復動して膨張室(30,31)への作動ガスの給排気を行
い、膨張室(30,31)へ供給された高圧作動ガスの膨張に
より極低温レベルの寒冷を発生させる極低温冷凍機を前
提としている。そして、上記高圧作動ガスを中間圧室
(8) に導く高圧連通路(45) と、上記中間圧室(8) 内に
おける所定流量の作動ガスを排出する低圧連通路(48)
と、上記高圧連通路(45) に設けられ、上記中間圧室(8)
が所定の中間圧力になるように高圧連通路(45) を流れ
る作動ガスの流量を調節する開度可変の流量調整弁(CV)
とを設けるものである。

【００１１】また、本発明が講じた第２の解決手段は、
高圧又は低圧の作動ガスが給排気されるシリンダ(2)
と、該シリンダ(2) の内部に膨張室(30,31)と圧力室(2
0) とを区画形成するディスプレーサ部材(17,22) と、
上記高圧及び低圧の作動ガスの中間圧力に設定されて圧
力室(20) に連通する中間圧室(8) とを備え、シリンダ
(2)に給排気される作動ガスのガス圧と圧力室(20) の圧
力との圧力差によりディスプレーサ部材(17,22) が往復
動して膨張室(30,31)への作動ガスの給排気を行い、膨
張室(30,31)へ供給された高圧作動ガスの膨張により極
低温レベルの寒冷を発生させる極低温冷凍機を前提とし
ている。所定流量の高圧作動ガスを中間圧室(8) に導く
高圧連通路(45) と、中間圧室(8) 内における作動ガス
を排出する低圧連通路(48) と、上記低圧連通路(48) に
設けられ、上記中間圧室(8) が所定の中間圧力になるよ
うに低圧連通路(48) を流れる作動ガスの流量を調節す
る開度可変の流量調整弁(CV) とを設けるものである。

【００１２】また、本発明が講じた第３の解決手段は、
上記第１又は第２の解決手段において、高圧作動ガスは
高圧連通路(45) のみから中間圧室(8) へ供給され、且
つ、中間圧室(8) 内の作動ガスは低圧連通路(48) のみ
から上記極低温冷凍機(R) の外部へ排出されるように構
成するものである。

【００１３】−作用− 上記第１の解決手段では、シリンダ(2) 内の膨張室(30,
31) に高圧作動ガスを供給する高圧供給状態と、膨張室
(30,31) の作動ガスを排出する低圧排出状態とが切り換
わり、この膨張室(30,31) と、中間圧室(8) に連通する
圧力室(20) とのガス圧の圧力差によってディスプレー
サ部材(17,22) がシリンダ(2) 内を往復動する。

【００１４】その際、高圧連通路(45) の流量調整弁(C
V) により所定流量に調節された高圧作動ガスが高圧連
通路(45) から中間圧室(8) へ流入する一方、所定流量
の作動ガスが低圧連通路(48) を流れて中間圧室(8) か
ら排出される。これによって、中間圧室(8) が所定の中
間圧力に維持される。また、上記流量調整弁(CV) は開
度可変であるため、流量調整弁(CV) の開度を調整して
高圧連通路(45) を流れる作動ガスの流量を変更し、中
間圧室(8) の中間圧力を所定値に調整する。

【００１５】また、上記第２の解決手段では、シリンダ
(2) 内の膨張室(30,31) に高圧作動ガスを供給する高圧
供給状態と、膨張室(30,31) の作動ガスを排出する低圧
排出状態とが切り換わり、この膨張室(30,31) と、中間
圧室(8) に連通する圧力室(20) とのガス圧の圧力差に
よってディスプレーサ部材(17,22) がシリンダ(2) 内を
往復動する。

【００１６】その際、所定流量の高圧作動ガスが高圧連
通路(45) を流れて中間圧室(8) へ流入する一方、低圧
連通路(48) の流量調整弁(CV) により所定流量に調節さ
れた作動ガスが中間圧室(8) から排出される。これによ
って、中間圧室(8) が所定の中間圧力に維持される。ま
た、上記流量調整弁(CV) は開度可変であるため、流量
調整弁(CV) の開度を調整して低圧連通路(48) を流れる
作動ガスの流量を変更し、中間圧室(8) の中間圧力を所
定値に調整する。

【００１７】また、上記第３の解決手段では、中間圧室
(8) への作動ガスの供給は高圧連通路(45) のみを通じ
て行い、中間圧室(8) からの作動ガスの排出は低圧連通
路(48) のみを通じて行う。従って、膨張室(30,31) へ
供給するためにシリンダ(2) 内へ吸入した高圧作動ガス
の一部が中間圧室(8) へ流入することはない。

【００１８】

【発明の効果】従って、上記の解決手段によれば、高圧
連通路(45) 又は低圧連通路(48) に設けられた流量調整
弁(CV) の開度を調整することによって、中間圧室(8)
の中間圧力を調整することができる。このため、ディス
プレーサ部材(17,22) の往復動の１サイクルにおける高
圧供給状態及び低圧排出状態の割合を変えた場合であっ
ても、上記中間圧室(8) の中間圧力を一定に維持するこ
とができる。従って、中間圧室(8) と連通する圧力室(2
0) 内の圧力を一定に維持することができ、ディスプレ
ーサ部材(17,22) のシリンダ(2) 内における挙動を適正
化することができる。この結果、極低温冷凍機(R) に充
分な能力を発揮させることができる。

【００１９】また、冷凍機毎の個体差に対応して中間圧
室(8) の中間圧力を設定することができ、ディスプレー
サ部材(17,22) のシリンダ(2) 内における挙動を適正化
することができる。この結果、冷凍機毎の個体差にかか
わらず、極低温冷凍機(R) に充分な能力を確実に発揮さ
せることができる。

【００２０】特に、第３の解決手段によれば、高圧連通
路(45) 及び低圧連通路(48) のみを通じて中間圧室(8)
への作動ガスの給排気を行っている。このため、上述の
ように、高圧供給状態及び低圧排出状態の割合を変えた
場合であっても、上記中間圧室(8) の中間圧力をより確
実に一定に維持することができる。従って、中間圧室
(8) と連通する圧力室(20) 内の圧力を一定に維持する
ことができ、ディスプレーサ部材(17,22) のシリンダ
(2) 内における挙動を適正化することができる。この結
果、極低温冷凍機(R) に充分な能力を発揮させることが
できる。

【００２１】また、従来は、膨張室へ供給すべくシリン
ダ内に吸入された高圧作動ガスの一部を中間圧室へ導い
て、中間圧室を中間圧力に維持していた。つまり、膨張
して寒冷の発生に供すべき高圧作動ガスの一部を中間圧
室を中間圧力に維持するために用いていた。このため、
寒冷の発生に供する高圧作動ガスの量が減少し、冷凍機
の能力が十分に発揮されないという問題があった。

【００２２】これに対して、上記の解決手段によれば、
膨張室(30,31) へ供給するためにシリンダ(2) 内へ吸入
した高圧作動ガスの一部を中間圧室(8) へ流入させるこ
となく、中間圧室(8) を中間圧力に維持することができ
る。即ち、膨張して寒冷を発生させるための高圧作動ガ
スの一部を中間圧室(8) へ流入させることを要しない。
このため、寒冷の発生に供すべき高圧作動ガスの量を減
少させることなく、中間圧室(8) を中間圧力に維持する
ことができる。この結果、極低温冷凍機(R) に充分な発
揮させることができる。

【００２３】

【発明の実施の形態１】以下、本発明の実施形態を図面
に基づいて詳細に説明する。

【００２４】図１は本発明の実施形態１に係る極低温冷
凍機(R) の全体構成を示し、この極低温冷凍機(R) は、
シリンダ(2) 内でディスプレーサ(22) をヘリウムガス
圧により往復動させて高圧のヘリウムガス（作動ガス）
を膨張させるガス圧駆動式のＧＭサイクル（ギフォード
・マクマホン・サイクル）の膨張機で構成されている。

【００２５】すなわち、極低温冷凍機(R) は密閉状のモ
ータヘッド(1) と、該モータヘッド(1) の上面に気密状
に連設され、下側の大径部(2a) 及び上側の小径部(2b)
からなる大小２段構造のシリンダ(2) とを備えている。
上記モータヘッド(1) の側面には高圧ガス入口(4) とそ
の上側に位置する低圧ガス出口(5) とが形成され、高圧
ガス入口(4) は図外の圧縮機（図示せず）の吐出側に高
圧配管(4a) を介して、また低圧ガス出口(5) は同圧縮
機の吸入側に低圧配管(5a) を介してそれぞれ接続され
ている。

【００２６】モータヘッド(1) の内部には、上記高圧ガ
ス入口(4) に連通するモータ室(6)と、該モータ室(6)
の上側に位置し且つ内部空間が下端にてモータ室(6) に
連通する上下方向の貫通孔からなる装着孔(7) と、この
装着孔(7) の周囲に位置する略環状の空間からなる中間
圧室(8) とが形成されている。

【００２７】また、モータヘッド(1) のシリンダ(2) と
の境界部分には、シリンダ(2) 下端（基端）の閉塞部材
を構成するバルブステム(9) が嵌挿されている。このバ
ルブステム(9) は、上記装着孔(7) に気密嵌合されたバ
ルブシート部(9a) と、シリンダ(2) の大径部(2a) の内
径よりも小径に形成され、このシリンダ大径部(2a)内下
部に同心に突出するピストン支持部(9b) と、上記中間
圧室(8) の上壁を構成するフランジ部(9c) とを備えて
なり、バルブシート部(9a) の下面と装着孔(7) の壁面
とで囲まれる空間により、高圧ガス入口(4) とモータ室
(6) を介して連通するバルブ室(10) が形成されてい
る。

【００２８】上記バルブステム(9) には、図４及び図５
にも示すように、下半部が２股状に分岐されかつ上記バ
ルブ室(10) をシリンダ(2) 内に連通する第１ガス流路
(12)と、一端が該第１ガス流路(12) に後述するロータ
リバルブ(35) の低圧ポート(37) を介して連通するとと
もに、他端が上記低圧ガス出口(5) にモータヘッド(1)
に形成した低圧通路(13) を介して連通する第２ガス流
路(14) とが貫通形成されている。上記両ガス流路(12,1
4) は、バルブ室(10) に臨むバルブステム(9) のバルブ
シート(9a) 下面において、第２ガス流路(14) にあって
はバルブステム(9) 中心部に、分岐された第１ガス流路
(12,12) にあっては該第２ガス流路(14)に対して対称な
位置にそれぞれ開口されている。

【００２９】一方、上記シリンダ(2) の内部には、ディ
スプレーサ部材であるスラックピストン(17) とディス
プレーサ(22) とが設けられている。

【００３０】上記スラックピストン(17) は底壁を有す
る略逆カップ形状に形成され、シリンダ(2) の大径部(2
a) 内の下端部において、該スラックピストン(17) がそ
の内側面を上記バルブステム(9) のピストン支持部(9b)
に摺動案内せしめた状態で往復動可能に外嵌合されて
いる。また、スラックピストン(17) と、シリンダ(2)及
びピストン支持部(9b) との摺接部分には、図示しない
が、作動ガスの流通を阻止するシールがそれぞれ設けら
れている。そして、このスラックピストン(17)によりシ
リンダ(2) 内上部に上側圧力室(29) が、シリンダ(2)
内下端に下側圧力室(20) がそれぞれ区画形成され、上
記下側圧力室(20) は上記モータヘッド(1) 内の中間圧
室(8) にオリフィス(21) を介して常時連通されてい
る。従って、下側圧力室(20) は高圧及び低圧のヘリウ
ムガスの中間圧力に設定されており、この下側圧力室(2
0) と上側圧力室(29) との各ガス圧の圧力差によってス
ラックピストン(17)がディスプレーサ(22) と共に往復
動するようになされている。上記スラックピストン(17)
底壁の中心部には大径の中心孔(18) が貫通形成され、
周縁角部にはピストン(17) 内外を連通する複数の連通
孔(19,19,…) が形成されている。

【００３１】また、上記ディスプレーサ(22) は、シリ
ンダ(2) に往復動可能に嵌合されている。このディスプ
レーサ(22) は、シリンダ(2) の大径部(2a) の略上半部
内を摺動する密閉円筒状の大径部(22a) と、該大径部(2
2a) 上端に移動一体に結合され、シリンダ(2) の小径部
(2b) 内を摺動する密閉円筒状の小径部(22b) とにより
構成されている。このディスプレーサ(22) は、上記上
側圧力室(29) の上方に位置して設けられる一方、大径
部(22a) の上方に第１段膨張室(30) を、小径部(22b)上
方に第２段膨張室(31) をそれぞれ区画形成している。
上記ディスプレーサ(22) の大径部(22a) 内の空間は上
記第１段膨張室(30) に連通孔(23) を介して常時連通さ
れ、この大径部(22a) 内の空間には蓄冷型熱交換器より
なる第１段蓄冷器(24) が嵌装されている。また、ディ
スプレーサ(22) の小径部(22b) 内の空間は上記第１段
膨張室(30) に連通孔(25) を介して、また第２段膨張室
(31)に連通孔(26) を介してそれぞれ常時連通され、こ
のディスプレーサ小径部(22b)内の空間には上記第１段
蓄冷器(24) と同様の第２段蓄冷器(27) が嵌装されてい
る。

【００３２】また、上記ディスプレーサ(22) の大径部
(22a) 下端には、その大径部(22a)内の空間を上記上側
圧力室(29) に連通する管状の係止片(33) が一体に突設
されている。この係止片(33) の下部は上記スラックピ
ストン(17) 底壁の中心孔(18)を貫通してピストン(17)
内部に所定寸法だけ延び、その下端部にはピストン(17)
底壁に係合するフランジ状の係止部(33a) が一体に形
成されている。そして、スラックピストン(17) の上昇
移動時には、スラックピストン(17) が所定ストローク
だけ上昇した時点でその底壁上面とディスプレーサ(22)
下面とが当接し、ディスプレーサ(22) がスラックピス
トン(17) に駆動されて上昇開始する一方、スラックピ
ストン(17) の下降移動時には、ピストン(17) が所定ス
トロークだけ下降した時点でその底壁下面と係止片(33)
の係止部(33a) とが係合し、ディスプレーサ(22) がピ
ストン(17) に駆動されて下降開始するように構成され
ている。即ち、ディスプレーサ(22) が、所定ストロー
クの遅れをもってスラックピストン(17) に追従移動す
るように構成されている。

【００３３】また、上記モータヘッド(1) のバルブ室(1
0) 内には、シリンダ(2) 内の上側圧力室(29) と第１段
及び第２段膨張室(30,31) とに高圧ヘリウムガスを供給
する高圧開弁状態と、上側圧力室(29) と両膨張室(30,3
1) とのヘリウムガスを排出する低圧開弁状態とに交互
に切り換わるロータリバルブ(35) が配設され、該ロー
タリバルブ(35) は、モータ室(6) に配置したバルブモ
ータ(39) により回転駆動される。そして、このロータ
リバルブ(35) の切換動作により、高圧ガス入口(4) つ
まり該高圧ガス入口(4) に連通するバルブ室(10) と、
低圧ガス出口(5)つまり該低圧ガス出口(5) に連通する
低圧通路(13) とをシリンダ(2) 内の上側圧力室(29)、
第１段及び第２段膨張室(30,31) に対し交互に連通する
ように構成されている。

【００３４】すなわち、上記ロータリバルブ(35) の下
面中心部にはバルブモータ(39) の出力軸(39a) が回転
一体に係合されている。また、バルブ(35) 下面とモー
タ(39)との間にはスプリング（図示せず）が縮装されて
おり、このスプリングのばね力とバルブ室(10) の高圧
ヘリウムガスの圧力とによりロータリバルブ(35) 上面
をバルブステム(9) のバルブシート部(9a) 下面に対し
一定の押圧力で押し付けるようにしている。

【００３５】図３に示す如く、上記ロータリバルブ(35)
の上面には、その半径方向に対向する外周縁から中心
方向に所定長さだけ切り込んでなる一対の高圧ポート(3
6,36) と、該高圧ポート(36,36) に対しロータリバルブ
(35) の回転方向（同図で矢印にて示す方向）に略９０
°の角度間隔をあけて配置され、バルブ(35) 上面の中
心から外周縁近傍に向かって直径方向に切り欠いてなる
有端凹溝状の低圧ポート(37)とが形成されている。そし
て、バルブモータ(39) の駆動によりロータリバルブ(3
5) をその上面がバルブステム(9) 下面に圧接した状態
で回転させて開閉切換えさせ、このロータリバルブ(35)
の切換えにより上側圧力室(29) と下側圧力室(20) と
の間に圧力差を生じさせて、この圧力差によりスラック
ピストン(17) 及びディスプレーサ(22) をシリンダ(2)
内で往復動させるようにしている。

【００３６】つまり、ロータリバルブ(35) の回転によ
り、図４に示すように、その上面の高圧ポート(36,36)
の内端がそれぞれバルブステム(9) のバルブシート部(9
a)下面に開口する第１ガス流路(12) の２つの開口端に
合致した際には、バルブ室(10)（つまり、高圧ガス入口
(4)）が高圧ポート(36,36) 及び第１ガス流路(12)を介
して上側圧力室(29) と第１段及び第２段膨張室(30,31)
とに連通する。この状態で、上記各室(29〜31) に高圧
ヘリウムガスを導入充填するとともに、その高圧となっ
た上側圧力室(29) と下側圧力室(20) とのガス圧の差に
よってスラックピストン(17) をディスプレーサ(22) と
共に下降させる。

【００３７】一方、図５に示す如く、バルブシート部(9
a) 下面に開口する第２ガス流路(14) に央部にて常時連
通する低圧ポート(37) の両外端がそれぞれ上記第１ガ
ス流路(12) の両開口端に合致した際には、上側圧力室
(29) と第１段及び第２段膨張室(30,31) とが、第１ガ
ス流路(12)、低圧ポート(37)、第２ガス流路(14) 及び
低圧通路(13) を介して低圧ガス出口(5) に連通する。
この状態で、上記各室(29〜31) に充填されているヘリ
ウムガスを膨張させながら低圧ガス出口(5) に排出する
とともに、この低圧となった上側圧力室(29) と下側圧
力室(20) とのガス圧の差によってスラックピストン(1
7) をディスプレーサ(22) と共に上昇させ、その間、ヘ
リウムガスはサイモン膨張しながら低圧ポート(37) を
通り、低圧ガス出口(5) に抜ける。そして、該ヘリウム
ガスの膨張に伴う温度降下により極低温レベルの寒冷を
発生させ、その寒冷により第１段膨張室(30) に対応す
るシリンダ(2) の大径部(2a) 先端（上端）の第１ヒー
トステーション(41) を所定温度レベルに、また小径部
(2b) 先端（上端）の第２ヒートステーション(42) を上
記第１ヒートステーション(41) よりも低い温度レベル
にそれぞれ冷却保持するように構成されている。

【００３８】本発明の特徴として、図２にも拡大詳示す
るように、高圧連通路(45) と低圧連通路(48) とが設け
られている。該高圧連通路(45) は、上記モータ室(6)
と中間圧室(8) とに連通して、モータ室(6) 内の高圧ヘ
リウムガスを中間圧室(8) に導くように構成されてい
る。また、高圧連通路(45) には、開度可変の流量調整
弁(CV) が設けられており、該流量調整弁(CV) によっ
て、高圧連通路(45) を流通する作動ガスの流量を調整
可能に構成されている。一方、該低圧連通路(48)は、中
間圧室(8) と低圧通路(13) とに連通すると共に、低圧
連通路(48) を作動ガスが流通する際に所定の流通抵抗
を生じるように形成されている。これによって、低圧連
通路(48) は所定流量の作動ガスを中間圧室(8) から低
圧通路(13) へ排出するように構成されている。

【００３９】−運転動作− 次に、極低温冷凍機(R) の動作について説明する。先
ず、冷凍機(R) におけるシリンダ(2) 内の圧力が低圧で
あって、スラックピストン(17) とディスプレーサ(22)
とが上昇端位置にある状態から動作の説明を始める。バ
ルブモータ(39)の駆動によるロータリバルブ(35) の回
転により、その高圧ポート(36,36) がバルブステム(9)
下面の第１ガス流路(12) の両開口端に合致してロータ
リバルブ(35) が高圧側に開く高圧開弁状態になる。

【００４０】この状態において、冷凍機(R) の高圧ガス
入口(4) 及びモータ室(6) を介してバルブ室(10) に供
給されている常温の高圧ヘリウムガスは、上記ロータリ
バルブ(35) の高圧ポート(36,36) 及び第１ガス流路(1
2) を介してスラックピストン(17) 上方の上側圧力室(2
9) に導入される。この上側圧力室(29) に導入された高
圧ヘリウムガスは、順次ディスプレーサ(22) の各蓄冷
器(24,27) を通って各膨張室(30,31) に充填され、この
蓄冷器(24,27) を通る間に熱交換によって冷却される。

【００４１】その後、上記スラックピストン(17) 上側
の上側圧力室(29) のガス圧が、中間圧室(8) に連通し
ている下側の下側圧力室(20) よりも高くなると、両圧
力室(20,29) 間の圧力差によってピストン(17) が下降
する。このピストン(17) の下降ストロークが所定値に
達したときに、該ピストン(17) の底壁下面とディスプ
レーサ(22) 下端における係止片(33) の係止部(33a) と
が係合して、ディスプレーサ(22) は圧力変化に対し遅
れを持ってピストン(17) により引き下げられる。そし
て、このディスプレーサ(22) の下降移動によりその上
方の膨張室(30,31) にさらに高圧ガスが充填される。

【００４２】次いで、上記ロータリバルブ(35) が閉じ
ると、その後もディスプレーサ(22)は慣性力によって下
降し、これに伴い、ディスプレーサ(22) 上方の上側圧
力室(29) 内のヘリウムガスが膨張室(30,31) に移動す
る。

【００４３】このディスプレーサ(22) が下降端位置に
達した後、ロータリバルブ(35) の低圧ポート(37) が上
記バルブステム(9) 下面の第１ガス流路(12) の開口端
に合致してバルブ(35) が低圧側に開く低圧開弁状態と
なる。この状態において、上記ディスプレーサ(22) 上
方の各膨張室(30,31) 内のヘリウムガスがサイモン膨張
し、このガスの膨張に伴う温度降下により第１ヒートス
テーション(41) が所定温度レベルに、また第２ヒート
ステーション(42) が第１ヒートステーション(41) より
も低い温度レベルにそれぞれ冷却される。

【００４４】上記膨張室(30,31) で低温状態となったヘ
リウムガスは、上記ガス導入時とは逆に、ディスプレー
サ(22) 内の蓄冷器(24,27) を通って上記上側圧力室(2
9) 内に戻り、その間に蓄冷器(24,27) を冷却しながら
自身が常温まで暖められる。そして、この常温のヘリウ
ムガスは、さらに上側圧力室(29) 内のガスと共に第１
ガス流路(12)、バルブ(35) の低圧ポート(37)、低圧通
路(13) を介して冷凍機(R) 外に排出され、低圧ガス出
口(5) を通って圧縮機に流れてそれに吸入される。この
ガス排出に伴い上記上側圧力室(29) 内のガス圧が低下
し、そのガス圧と中間圧室(8) に連通している下側圧力
室(20) との圧力差によりスラックピストン(17) が上昇
し、このピストン(17) の底壁上面がディスプレーサ(2
2) の下面に当接した後は該ディスプレーサ(22) が押圧
されて上昇し、このディスプレーサ(22) の上昇移動に
より膨張室(30,31) 内のガスが冷凍機(R) 外にさらに排
出される。

【００４５】その後、ロータリバルブ(35) が閉じる
が、この後もディスプレーサ(22) は上昇端位置まで上
昇移動し、膨張室(30,31) 内のガスが排出されて最初の
状態に戻る。以上によりディスプレーサ(22) の動作の
１サイクルが終了して、以後は上記と同様な動作が繰り
返され、各ヒートステーション(41,42) の温度は極低温
レベルに向かって次第に降下する。

【００４６】極低温冷凍機(R) では、上述のようにディ
スプレーサ(22) が往復動作を繰り返す間、中間圧室(8)
の圧力を所定の中間圧力に維持する。即ち、高圧連通
路(45)を通って一定流量の作動ガスがモータ室(6) から
中間圧室(8) に流入する一方、低圧連通路(48) を通っ
て一定流量の作動ガスが中間圧室(8) から低圧通路(13)
に流出する。このため、中間圧室(8) は、高圧作動ガ
スのガス圧と低圧作動ガスのガス圧との中間圧力に維持
される。また、高圧連通路(45) には開度可変の流量調
整弁(CV) が設けられており、該流量調整弁(CV) によっ
て中間圧室(8) へ流入する作動ガスの流量が調節され
る。従って、流量調整弁(CV) の開度を調節することに
よって中間圧室(8) の中間圧力が所定値に設定され、デ
ィスプレーサ(22) の挙動が適正化される。

【００４７】具体的に、中間圧室(8) の中間圧力が所定
値よりも低い状態では、ディスプレーサ(22) がフルス
トロークで動かず、常温側（図１における下側）寄りで
動く。この場合には、上記流量調整弁(CV) の開度を大
きくして、中間圧室(8) へ流入する作動ガスの流量を増
大させる。中間圧室(8) から排出される作動ガスの流量
は一定であるため、作動ガスの流入量の増大によって中
間圧室(8) の中間圧力が上昇し、ディスプレーサ(22)
がフルストロークで動くようになる。一方、中間圧室
(8) の中間圧力が所定値よりも高い状態では、ディスプ
レーサ(22)は低温側（図１における上側）寄りで動く。
この場合には、上記流量調整弁(CV) の開度を小さくし
て、中間圧室(8) へ流入する作動ガスの流量を減少させ
る。これによって中間圧室(8) の中間圧力が低下し、デ
ィスプレーサ(22) がフルストロークで動くようにな
る。

【００４８】−実施形態１の効果− 本実施形態１によれば、高圧連通路(45) に設けられた
流量調整弁(CV) の開度を調整することによって、中間
圧室(8) の中間圧力を調整することができる。このた
め、ディスプレーサ(22) の往復動の１サイクルにおけ
る高圧供給状態及び低圧排出状態の割合を変えた場合で
あっても、上記中間圧室(8) の中間圧力を一定に維持す
ることができる。従って、中間圧室(8) と連通する下側
圧力室(20)内の圧力を一定に維持することができ、ディ
スプレーサ(22) のシリンダ(2) 内における挙動を適正
化することができる。この結果、極低温冷凍機(R) に充
分な能力を発揮させることができる。

【００４９】また、冷凍機毎の個体差に対応して中間圧
室(8) の中間圧力を設定することができ、ディスプレー
サ(22) のシリンダ(2) 内における挙動を適正化するこ
とができる。この結果、冷凍機毎の個体差にかかわら
ず、極低温冷凍機(R) に充分な能力を発揮させることが
できる。

【００５０】特に、高圧連通路(45) 及び低圧連通路(4
8) のみを通じて中間圧室(8) への作動ガスの給排気を
行っている。このため、上述のように、高圧供給状態及
び低圧排出状態の割合を変えた場合であっても、上記中
間圧室(8) の中間圧力をより確実に一定に維持すること
ができる。従って、中間圧室(8) と連通する圧力室内の
圧力を一定に維持することができ、ディスプレーサ(22)
のシリンダ(2) 内における挙動を適正化することがで
きる。この結果、極低温冷凍機(R) に充分な能力を発揮
させることができる。

【００５１】また、シリンダ(2) 内に吸入した高圧作動
ガスを、全て膨張室(30,31) へ供給して膨張させること
によって寒冷を発生させることができる。このため、寒
冷の発生に供する高圧作動ガスの量を減少させることな
く、中間圧室(8) の中間圧力を所定値に維持することが
できる。この結果、ディスプレーサ(22) の挙動を適正
化することができ、極低温冷凍機(R) に充分な発揮させ
ることができる。

【００５２】具体的に、中間圧力を調整した場合に、ど
の程度冷凍能力が改善されるかを表１に示す。下記の表
１は、３種類の極低温冷凍機(ＲA)〜(ＲC) に対し中間
圧力を調整したときの冷凍能力の変化を例示している。
ここで、冷凍機(ＲA) 及び(ＲB) については流量調整弁
(CV) の開度を大きくして中間圧力を高くし、冷凍機(Ｒ
C) については流量調整弁(CV) の開度を小さくして中間
圧力を低くしたものである。この表１によると、いずれ
の冷凍機においても、第１ヒートステーション(41) の
能力（１st能力）及び第２ヒートステーション(42) の
能力（２nd能力）の双方ともが、中間圧力の調整前に比
して調整後の方が向上していることが判る。

【００５３】

【表１】

【００５４】

【発明の実施の形態２】本発明の実施形態２は、上記実
施形態１が高圧連通路(45) に流量調整弁を設けたのに
代えて、図６に示すように、低圧連通路(48) に流量調
整弁(CV) を設けたものである。また、本実施形態にお
いては、高圧連通路(45) は、作動ガスが流通する際に
所定の流通抵抗が生じるように形成されている。これに
よって、高圧連通路(45) は、所定流量の作動ガスをモ
ータ室(6) から中間圧室(8) へ流入させるように構成さ
れている。その他の構成は、実施形態１と同様である。

【００５５】−運転動作− 本実施形態の極低温冷凍機(R) は上記実施形態１の冷凍
機(R) と同様に動作し、中間圧室(8) の中間圧力を調整
する際の流量調整弁(CV) の操作が異なるのみである。
以下、該中間圧力を調整する際の流量調整弁(CV) の操
作について説明する。

【００５６】中間圧室(8) の中間圧力が所定値よりも低
い状態では、ディスプレーサ(22)がフルストロークで動
かず、常温側寄りで動く。この場合には、上記流量調整
弁(CV) の開度を小さくして、中間圧室(8) から排出さ
れる作動ガスの流量を減少させる。中間圧室(8) へ流入
する作動ガスの流量は一定であるため、作動ガスの排出
量の減少によって中間圧室(8) の中間圧力が上昇し、デ
ィスプレーサ(22)がフルストロークで動くようになる。
一方、中間圧室(8) の中間圧力が所定値よりも高い状態
では、ディスプレーサ(22)は低温側寄りで動く。この場
合には、上記流量調整弁(CV) の開度を大きくして、中
間圧室(8) から排出される作動ガスの流量を増加させ
る。これによって中間圧室(8) の中間圧力が低下し、デ
ィスプレーサ(22) がフルストロークで動くようにな
る。

【００５７】本実施形態においては、上述のように、流
量調整弁(CV) の配置とその操作が異なるのみで、上記
実施形態１で得られる効果と同様の効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施形態１に係る極低温冷凍機の側方断面図で
ある。

【図２】実施形態１に係る極低温冷凍機の要部を示す拡
大断面図である。

【図３】ロータリバルブの拡大斜視図である。

【図４】ロータリバルブの高圧開弁状態を示す拡大断面
図である。

【図５】ロータリバルブの低圧開弁状態を示す拡大断面
図である。

【図６】実施形態２に係る極低温冷凍機の要部を示す拡
大断面図である。

【図７】従来のガス圧駆動式のＧＭ冷凍機の側方断面図
である。

【符号の説明】

(2) シリンダ (8) 中間圧室 (17) スラックピストン（ディスプレーサ部材） (20) 下側圧力室 (22) ディスプレーサ （ディスプレーサ部材） (30) 第１段膨張室 (31) 第２段膨張室 (45) 高圧連通路 (48) 低圧連通路 (CV) 流量調整弁 (R) 極低温冷凍機

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 高圧又は低圧の作動ガスが給排気される
   シリンダ(2) と、該シリンダ(2) の内部に膨張室(30,3
   1)と圧力室(20) とを区画形成するディスプレーサ部材
   (17,22) と、 上記高圧及び低圧の作動ガスの中間圧力に設定されて圧
   力室(20) に連通する中間圧室(8) とを備え、 シリンダ(2) に給排気される作動ガスのガス圧と圧力室
   (20) の圧力との圧力差によりディスプレーサ部材(17,2
   2) が往復動して膨張室(30,31)への作動ガスの給排気を
   行い、膨張室(30,31)へ供給された高圧作動ガスの膨張
   により極低温レベルの寒冷を発生させる極低温冷凍機に
   おいて、 上記高圧作動ガスを中間圧室(8) に導く高圧連通路(45)
   と、 上記中間圧室(8) 内における所定流量の作動ガスを排出
   する低圧連通路(48)と、 上記高圧連通路(45) に設けられ、上記中間圧室(8) が
   所定の中間圧力になるように高圧連通路(45) を流れる
   作動ガスの流量を調節する開度可変の流量調整弁(CV)
   とを備えていることを特徴とする極低温冷凍機。
2. 【請求項２】 高圧又は低圧の作動ガスが給排気される
   シリンダ(2) と、 該シリンダ(2) の内部に膨張室(30,31)と圧力室(20) と
   を区画形成するディスプレーサ部材(17,22) と、 上記高圧及び低圧の作動ガスの中間圧力に設定されて圧
   力室(20) に連通する中間圧室(8) とを備え、 シリンダ(2) に給排気される作動ガスのガス圧と圧力室
   (20) の圧力との圧力差によりディスプレーサ部材(17,2
   2) が往復動して膨張室(30,31)への作動ガスの給排気を
   行い、膨張室(30,31)へ供給された高圧作動ガスの膨張
   により極低温レベルの寒冷を発生させる極低温冷凍機に
   おいて、 所定流量の高圧作動ガスを中間圧室(8) に導く高圧連通
   路(45) と、中間圧室(8) 内における作動ガスを排出す
   る低圧連通路(48) と、 上記低圧連通路(48) に設けられ、上記中間圧室(8) が
   所定の中間圧力になるように低圧連通路(48) を流れる
   作動ガスの流量を調節する開度可変の流量調整弁(CV)
   とを備えていることを特徴とする極低温冷凍機。
3. 【請求項３】 請求項１又は２記載の極低温冷凍機にお
   いて、 高圧作動ガスは高圧連通路(45) のみから中間圧室(8)
   へ供給され、且つ、中間圧室(8) 内の作動ガスは低圧連
   通路(48) のみから上記極低温冷凍機(R) の外部へ排出
   されるように構成されていることを特徴とする極低温冷
   凍機。