JP2010060246A - 切替弁及び蓄冷式冷凍機 - Google Patents

Abstract

【課題】コンパクト性、耐久性及び圧損特性に優れ、且つ流路の切替タイミングの自由度を向上できること。
【解決手段】単一の弁シリンダ３１と、この弁シリンダ内を往復移動可能な単一のスプール３２と、このスプールを駆動させる弁駆動カム２７とを有してなり、弁シリンダにおいてスプールの移動方向に形成された吸気孔３３、排気孔３４が、スプールの外周に形成されたスプール溝３５に合致することで、吸気側流路と排気側流路を切り替える切替弁１７において、スプールを駆動する弁駆動カム２７が２つのカム２７Ａ及び２７Ｂからなり、各カムは、カム回転軸２５に対し偏心する方向ＰＡ、ＰＢが異なって構成されたものである。
【選択図】 図２

Description

本発明は、切替弁、特に極低温の寒冷を発生する蓄冷式冷凍機に用いられる切替弁、並びにこの切替弁を用いた蓄冷式冷凍機に関する。

蓄冷式冷凍機には、冷凍機シリンダ内に冷媒ガスを給気、排気する方式として、ピストンの往復動により発生する圧力波形をそのまま冷凍機シリンダ内に送り込むスターリング型の冷凍機と、圧縮機で圧縮された高圧冷媒を、圧縮機と冷凍機シリンダの間に設けられた切替弁により切り替えて給気、排気するギフォード・マクマホン（以下ＧＭと記す）型の２つの方式がある。

後者の方式は、切替弁として機械的に駆動するロータリー弁、スプール弁（給排気を１つのスプールの動きで切り替えるシングルスプール弁と、給気、排気を別個のスプール弁で行うダブルスプール弁の２方式がある）、電気的に駆動する電磁弁等の方式がある。各々メリット、デメリットがある。

ロータリー弁は通常、ガス圧あるいはバネ圧により、樹脂等からなるロータをステータに押し付けながら回転させ、ロータ及びステータに設けられた給、排気孔同士がお互いに合致する状態で冷媒が流れ、合致しない状態では冷媒を流さない制御をサイクルで行うものである。通常、摺動面が面圧により押さえつけられているため、冷媒停止時のリーク量を小さくできる反面、摺動による磨耗が発生し、耐久性の面で、あるいは磨耗粉による信頼性の面でデメリットがある。

シングルスプール弁は、弁シリンダ内に配設されたスプールと呼ばれる円柱体が回転カムにより往復動され、弁シリンダ側の孔とスプール側のスプール溝が合致する状態で冷媒が流れ、合致しない状態で冷媒を流さない制御をサイクルで行うものである。つまり、このシングルスプール弁は、図７に示すように、弁シリンダ１００に給気孔１０１、排気孔１０２が軸方向に異なる位置に設けられ、スプール１０３に、互いに連通するスプール溝１０４とスプール内流路１０５が形成され、カム１０６の回転によりスプール１０３が往復動して、スプール溝１０４と給気孔１０１または排気孔１０２とが合致し、給気と排気が切り替えられる。尚、符号１０７はカム回転軸、符号１０８はスプリングを示す。

このシングルスプール弁は、ロータリー弁方式と異なり、弁シリンダ１００とスプール１０３は、面圧がない状態で数μｍから数十μｍ程度のギャップをはさんで接しており、材質は金属、樹脂など様々であるが、磨耗はロータリー弁に比較して少ない。反面、ギャップでリークを保持するため、リーク量は多いか、あるいはギャップ間にゴミ等を挟み込むこと等によるかじりが発生する恐れがある。

ダブルスプール弁は、特許文献１及び２に記載のように、スプール弁の基本構成はシングルスプール弁と同じで、２つのスプール弁を異なるカムにより駆動する方式である。つまり、一方のスプール弁は、その弁シリンダに給気孔が設けられて給気を行い、他方のスプール弁は、その弁シリンダに排気孔が設けられて排気を行う。

このため、給気、排気のバルブタイミングの自由度は高いが、スプールを駆動するカムが２連になるため、２つのスプール弁を収容する冷凍機のコールドヘッドが大きくなってしまう。コンパクト化のためにスプール弁の径を小さくすると、給排気の流路断面積が十分に確保できなくなり、圧損により性能が低下してしまう。また、このダブルスプール弁では、耐久性はシングルスプール弁と同じであるが、トラブルの確率はシングルスプール弁に比較して２倍となる。

上述の３方式の弁(ロータリー弁、シングルスプール弁、ダブルスプール弁)は、通常、冷凍機のディスプレーサを駆動するモータにより、ディスプレーサと同期して機械的に弁を駆動する方式であるが、電磁弁方式は、電気的に開閉切替を行う電磁弁によって給排気を行う方式である。最大のメリットは、冷凍機運転中に給排気のタイミングを変更することができることであるが、研究用には向いているものの、電磁弁の耐久性に課題があり、市販される冷凍機に採用されるに至っていない。
特開昭６３−２１４５１号公報 特開平４−１３９３５７号公報

流体の給排気を周期的に行う切替弁に関して、上述のようなシングルスプール弁では、スプール１０３を駆動するカム１０６が円形状であり、そのため給気、排気のバルブタイミングは、図８に示すように、時間的に対称なタイミングになる制限があった。特に、この切替弁を用いた蓄冷式冷凍機においては、給気完了から排気開始までの時間ｔ１と、排気完了から給気開始までの時間ｔ２が等しくなり、冷凍サイクルを決める給排気のバルブタイミングの自由度が他の方式に比較して低いデメリットがある。

本発明の目的は、上述の事情を考慮してなされたものであり、コンパクト性、耐久性及び低圧損特性に優れ、且つ流路の切替タイミングの自由度を向上できる切替弁を提供することにある。

また、本発明の他の目的は、給排気のバルブタイミングの自由度を向上させて、冷凍効率を最適化できる蓄冷式冷凍機を提供することにある。

本発明に係る切替弁は、単一の弁シリンダと、この弁シリンダ内を往復動可能な単一のスプールと、このスプールを駆動させるカムとを有してなり、前記弁シリンダにおいて前記スプールの移動方向に複数形成された孔が、前記スプールの外周に形成された溝に合致することで、複数の流路を切り替える切替弁において、前記スプールを駆動する前記カムが複数のカムからなり、各カムは、カム回転軸に対し偏心する方向が異なって構成されたことを特徴とするものである。

また、本発明に係る切替弁は、単一の弁シリンダと、この弁シリンダ内を往復動可能な単一のスプールと、このスプールを駆動させるカムとを有してなり、前記弁シリンダにおいて前記スプールの移動方向に複数形成された孔が、前記スプールの外周に形成された溝に合致することで、複数の流路を切り替える切替弁において、前記スプールを駆動する前記カムは単一のカムであり、このカムの形状は、２つの円の中心をずらして重ね合せ、これらの２つの円に接する２つの接線と前記２つの円の円周とで形成される長円形状であり、前記２つのカムの中心とカム回転軸とを結ぶそれぞれの直線の方向が異なって設定されたことを特徴とするものである。

更に、本発明に係る蓄冷式冷凍機は、コールドヘッドと、冷媒を圧縮するコンプレッサを備えた冷媒給排気系とを有し、前記コールドヘッドは、冷凍機シリンダと、この冷凍機シリンダ内を往復移動し、前記冷凍機シリンダとの間で第１容積変動室及び第２容積変動室を形成するディスプレーサと、このディスプレーサに形成されて前記第１容積変動室と前記第２容積変動室とを連通する連通路に配設された蓄冷材と、前記コンプレッサから前記第１容積変動室内への冷媒の供給と、前記第１容積変動室内から前記コンプレッサへの冷媒の排出とを切り替える切替弁とを備え、前記蓄冷材を通過して冷却され前記第２容積変動室に至った冷媒を、前記ディスプレーサにより膨張することで極低温の寒冷を発生する蓄冷式冷凍機において、前記切替弁が請求項１乃至４のいずれか１項に記載の切替弁から構成され、この切替弁の弁シリンダに、前記コンプレッサからの冷媒を前記冷凍機シリンダ内へ吸気として供給するための吸気孔と、前記冷凍機シリンダ内の冷媒を前記コンプレッサへ排気として排出するための排気孔とが、スプールの移動方向に形成されたことを特徴とするものである。

本発明に係る切替弁及び蓄冷式冷凍機によれば、スプールを駆動する複数のカムのカム回転軸に対する偏心方向を変更することで、切替弁によって切り替えられる複数の流路の切替タイミングを独立に調整できるので、この切替タイミングの自由度を向上させることができる。この結果、この切替弁を蓄冷式冷凍機に適用したときに、給排気のバルブタイミングの自由度を向上できるので、この冷凍機の冷凍効率を最適化できる。また、複数の流路の切替をスプールを用いた単一の切替弁(シングルスプール弁)により実施するので、切替弁のコンパクト性、耐久性及び圧損特性を向上できる。

また、本発明に係る切替弁及び蓄冷式冷凍機によれば、長円形状のカムを構成する２つの円の中心とカム回転軸とを結ぶそれぞれの直線の方向を変更することで、切替弁によって切り替えられる複数の流路の切替タイミングを独立に調整できるので、この切替タイミングの自由度を向上させることができる。この結果、この切替弁を蓄冷式冷凍機に適用したときに、給排気のバルブタイミングの自由度を向上できるので、この冷凍機の冷凍効率を最適化できる。また、複数の流路の切替をスプールを用いた単一の切替弁(シングルスプール弁)により実施するので、切替弁のコンパクト性、耐久性及び圧損特性を向上できる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を、図面に基づき説明する。

［Ａ］第１の実施の形態（図１〜図５）
図１は、本発明に係る切替弁の第１の実施の形態が適用された蓄冷式冷凍機を示す概略構成図である。図２は、図１の切替弁が吸気側に切り替られた状態を示し、（Ａ）が正面断面図、（Ｂ）が側面断面図である。

図１に示すように、蓄冷式冷凍機１０は、極低温（例えば３０Ｋ以下）の寒冷を発生するギフォード・マクマホン(ＧＭ)型冷凍機であり、コールドヘッド１１と冷媒給排気系１２とを有して構成され、冷媒給排気系１２が冷媒を圧縮するコンプレッサ１３を備える。ここで、冷媒としては、ヘリウム３、ヘリウム４、ネオンまたは水素のいずれか一つが用いられる。

コールドヘッド１１は、冷凍機シリンダ１４、ディスプレーサ１５、蓄冷材１６、切替弁１７及び駆動モータ１８を有して構成される。

ディスプレーサ１５は、冷凍機シリンダ１４内を往復移動し、冷凍機シリンダ１４との間で、第１容積変動室としてのバッファ室１９と、第２容積変動室としての膨張室２０とを区画して形成する。

蓄冷材１６は、冷媒を熱交換によって冷却するものであり、ディスプレーサ１５に形成された連通路２１内に配設される。この連通路２１は、ディスプレーサ１５に貫通して形成され、バッファ室１９と膨張室２０とを連通する。蓄冷材１６としては、Ｅｒ_３Ｎｉ（エルビウム３ニッケル）やＨｏＣｕ_２（ホルミウムカッパ２）などの希土類化合物、またはセラミックス等、極低温で比熱が大きい磁性蓄冷材が用いられる。

切替弁１７は、コンプレッサ１３からバッファ室１９への冷媒の供給と、バッファ室１９からコンプレッサ１３への冷媒の排出とを切り替えるものである。この切替弁１７は、ディスプレーサ１５の往復移動に連動して流路を切り替え、ディスプレーサ１５が下死点付近にあるときに（図１の状態）、コンプレッサ１３の高圧側からの冷媒を、導入口２２を通してバッファ室１９へ吸気として供給し、ディスプレーサ１５が上死点の前後にあるときに、バッファ室１９内の冷媒を排気として、流出口２３を通してコンプレッサ１３の低圧側へ排出する。導入口２２及び流出口２３は、冷凍機シリンダ１４に一体的に設けられたモータケース２４に開口される。この切替弁１７は、後に詳説する如く、単一のスプール弁（シングルスプール弁）から構成される。

駆動モータ１８はモータケース２４内に収容され、この駆動モータ１８のモータシャフトにカム回転軸２５が回転一体に結合される。カム回転軸２５にはディスプレーサ駆動カム２６と、切替弁１７用の弁駆動カム２７（後述）とが回転一体に結合される。ディスプレーサ駆動カム２６にベアリング２８が外嵌され、このベアリング２８を介してディスプレーサ駆動カム２６が、ディスプレーサ１５に連結された連結ロッド２９に嵌合される。

駆動モータ１８の運転により、弁駆動カム２７が回転して切替弁１７のスプール３２（後述）を往復移動させると共に、ディスプレーサ駆動カム２６を回転させ、連結ロッド２９を介してディスプレーサ１５を往復移動させる。このディスプレーサ１５の往復移動によって、バッファ室１９内の冷媒は蓄冷材１６により冷却されて膨張室２０へ至り、この膨張室２０内で膨張されて、極低温の寒冷が発生する。このとき、膨張室２０内では、膨張圧力が冷媒の臨界圧力以下まで低下して、冷媒が液化する。この液化した冷媒の潜熱を利用して上記寒冷が発生する。この寒冷は、冷凍機シリンダ１４の冷却ステージ３０を経て負荷へ与えられる。

上述の蓄冷式冷凍機１０では、ディスプレーサ１５が冷凍機シリンダ１４の下死点（最下位置）付近にあるときに、切替弁１７によって、コンプレッサ１３の高圧側からの冷媒がバッファ室１９へ吸気として供給される。そして、ディスプレーサ１５が冷凍機シリンダ１４内を下死点から上死点（最上位置）へ移動する過程で、バッファ室１９内の冷媒が連通路２１の蓄冷材１６によって冷却されながら膨張室２０内へ流入する。このディスプレーサ１５が冷凍機シリンダ１４の上死点へ移動する過程で、膨張室２０の容積が増大していく。

ディスプレーサ１５が冷凍機シリンダ１４の上死点に至る前後で、切替弁１７によって、バッファ室１９内の冷媒がコンプレッサ１３の低圧側へ排出される。これにより、膨張室２０内では冷媒が上述のように膨張して液化し、その潜熱により極低温の寒冷が発生する。

その後、ディスプレーサ１５が下死点へ移動する過程では、膨張室２０内の冷媒が蓄冷材１６を冷却しながら連通路２１を通ってバッファ室１９へ至り、切替弁１７及びモータケース２４内を通ってコンプレッサ１３の低圧側へ排出される。以上の繰り返しによって、冷凍機シリンダ１４の冷却ステージ３０が極低温に冷却され、この極低温の寒冷が負荷に与えられる。

さて、前記切替弁１７は、図２及び図３に示すように、単一の弁シリンダ３１と、この弁シリンダ３１内を往復移動可能な単一のスプール３２と、このスプール３２を駆動させる前記弁駆動カム２７と、スプール３２を弁駆動カム２７に常に接触させるためにスプール３２に付勢力を付与するスプリング３７とを有して構成される。

弁シリンダ３１においてスプール３２の移動方向に複数形成された孔（つまり吸気孔３３と排気孔３４）が、スプール３２の外周に形成されたスプール溝３５に合致することで、このスプール３２内に形成されたスプール内流路３６を介して、複数の流路（つまり吸気側流路と排気側流路）が切り替えられる。

前記吸気孔３３は、図１及び図２に示すように、コンプレッサ１３の高圧側の冷媒を、スプール３２のスプール溝３５及びスプール内流路３６を経てバッファ室１９へ吸気として供給するために弁シリンダ３１に形成されたものである。前記吸気側流路は、コンプレッサ１３の高圧側を、モータケース２４の導入口２２、弁シリンダ３１の吸気孔３３、スプール３２のスプール溝３５及びスプール内流路３６を経て、冷凍機シリンダ１４のバッファ室１９に連通する流路である。

また、排気孔３４は、冷凍機シリンダ１４のバッファ室１９内の冷媒を、スプール３２のスプール内流路３６及びスプール溝３５を経て、コンプレッサ１３の低圧側へ排出するために弁シリンダ３１に形成されたものである。前記排気側流路は、バッファ室１９を、スプール３２のスプール内流路３６及びスプール溝３５、弁シリンダ３１の排気孔３４、モータケース２４内、及びモータケース２４の流出口２３を経て、コンプレッサ１３の低圧側に連通する流路である。

このように構成された切替弁１７では、弁駆動カム２７は、例えば一定回転数で回転する駆動モータ１８により、ディスプレーサ駆動カム２６と同期して回転駆動される。図２は、弁駆動カム２７がスプール３２を最も下側へ押し下げている状態であり、弁シリンダ３１の吸気孔３３とスプール３２のスプール溝３５が合致する状態となっている。この状態では、弁シリンダ３１の吸気孔３３と冷凍機シリンダ１４のバッファ室１９とが連通しており、吸気孔３３がコンプレッサ１３の高圧側に連通しているため、この図２の状態によって、コンプレッサ１３からの高圧の冷媒が冷凍機シリンダ１４のバッファ室１９内へ吸気として導入される。このときの冷媒の流れ方向を符号Ａの矢印で示す。

一方、図３は、弁駆動カム２７が図２の状態から１８０度回転し、スプール３２がスプリング３７の付勢力によって最も押し上げられた状態であり、弁シリンダ３１の排気孔３４とスプール３２のスプール溝３５が合致した状態となっている。この状態では、弁シリンダ３１の排気孔３４と冷凍機シリンダ１４のバッファ室１９が連通しており、排気孔３４がコンプレッサ１３の低圧側に連通しているため、この図３の状態によって、冷凍機シリンダ１４のバッファ室１９内の冷媒がコンプレッサ１３の低圧側へ排気として排出される。このときの冷媒の流れ方向を符号Ｂの矢印で示す。

切替弁１７による冷媒の吸気過程と排気過程は、前述の如くディスプレーサ１５の往復移動に対し所定の位相差で連動（つまり同期）して行われ、弁駆動カム２７の１回転中において、図４に示すように、位置Ａ１から位置Ａ２が吸気側流路が開く吸気過程であり、位置Ａ３から位置Ａ４が排気側流路が開く排気過程である。ディスプレーサ１５が下死点付近に至ったときに、バッファ室１９内への冷媒の吸気過程が開始され（位置Ａ１）、ディスプレーサ１５が上死点に至る前後で、バッファ室１９内の冷媒の排気過程が開始される（位置Ａ３）。

ところで、前記弁駆動カム２７は、複数枚（本実施の形態では２枚）の円板形状のカム２７Ａ及び２７Ｂが１本のカム回転軸２５に結合されて構成され、これらの各カム２７Ａ、２７Ｂは、図２（Ａ）に示すように、カム回転軸２５に対する偏心方向ＰＡ、ＰＢが異なって形成されている。つまり、カム２７Ａの中心ＯＡと、カム２７Ｂの中心ＯＢとを結ぶ直線Ｌ上以外の位置にカム回転軸２５を設定することで、カム２７Ａの中心ＯＡとカム回転軸２５とを結ぶカム２７Ａの偏心方向ＰＡと、カム２７Ｂの中心ＯＢとカム回転軸２５とを結ぶカム２７Ｂの偏心方向ＰＢとを異ならせ、両偏心方向ＰＡ、ＰＢ間に角度θ（θ≠０）を生じさせている。

従って、カム２７Ａの中心ＯＡとカム２７Ｂの中心ＯＢとの位置を変更し、及び／またはカム２７Ａの中心ＯＡ及びカム２７Ｂの中心ＯＢに対するカム回転軸２５の位置を変更することで、カム２７Ａの偏心方向ＰＡとカム２７Ｂの偏心方向ＰＢを変更する。これによって、切替弁１７によって切り替えられる吸気側流路と排気側流路の切替タイミング、即ち冷媒の吸気、排気のバルブタイミング（具体的には、図４に示す吸気角度（時間）α１、吸気完了から排気開始までの角度（時間）α２、排気角度（時間）α３、排気完了から吸気開始までの角度（時間）α４）を独立して調整することが可能となる。

仮に、図５（Ｂ）に示すように、カム回転軸２５を、カム２７Ａの中心ＯＡとカム２７Ｂの中心ＯＢとを結ぶ直線Ｌ上に設定したとすると、カム２７Ａの偏心方向ＰＡとカム２７Ｂの偏心方向ＰＢが同一方向となる。この状態で、吸気側流路が開く条件を表す円弧Ｍとカム２７Ａの外形とが交差する範囲が吸気過程（吸気角度α１）となり、排気側流路が開く条件を表す円弧Ｎとカム２７Ｂの外形とが交差する範囲が排気過程（排気角度α３）となる。

このとき、カム２７Ａの偏心方向ＰＡとカム２７Ｂの偏心方向ＰＢとが同一方向であるため、カム２７Ａの中心ＯＡ、カム２７Ｂの中心ＯＢ、カム回転軸２５のそれぞれの位置を変更して、吸気角度（時間）α１及び排気角度（時間）α３を調整したとしても、吸気完了から排気開始までの角度（時間）α２と排気完了から排気開始までの角度（時間）α４は同一の値（角度、時間）となってしまい、吸気、排気のバルブタイミングを独立して調整することができない。

これに対し、図５（Ａ）は、カム２７Ａの中心ＯＡとカム２７Ｂの中心ＯＢとを結ぶ直線Ｌ上以外の位置にカム回転軸２５を設定して、カム２７Ａの偏心方向ＰＡとカム２７Ｂの偏心方向ＰＢとを異ならせた場合を示す。この状態でも、吸気側流路が開く条件を表す円弧Ｍとカム２７Ａの外形とが交差する範囲が吸気過程（吸気角度α１）となり、排気側流路が開く条件を表す円弧Ｎとカム２７Ｂの外形とが交差する範囲が排気過程（排気角度α３）となる。

但し、この場合には、カム２７Ａの中心ＯＡ、カム２７Ｂの中心ＯＢ、カム回転軸２５のそれぞれの位置を変更することで、吸気角度（時間）α１と排気角度（時間）α３を独立して調整できるばかりか、吸気完了から排気開始までの角度（時間）α２と排気完了から吸気開始までの角度（時間）α４をも独立して調整することが可能となる。具体的には、液化を伴う冷凍サイクルにおいては、吸気過程において短時間に少ない流量の吸気（冷媒）を昇圧し、適正なタイミングで排気過程を開始することで、冷媒流量を最少にしつつも冷凍能力を低下させない高効率な運転が実現可能となる。

また、図２に示すように、弁駆動カム２７を構成するカム２７Ａ及び２７Ｂの外周には、スプール３２との間で摺動を抑制するための摺動抑制機構としてのベアリング３８が嵌装されている。カム２７Ａ及び２７Ｂの回転によってベアリング３８の内輪が回転し、外輪が回転せずにスプール３２に接触することで、カム２７Ａ及び２７Ｂの回転によっても、このカム２７Ａ及び２７Ｂとスプール３２との摺動が抑制される。

従って、本実施の形態によれば、次の効果（１）〜（３）を奏する。

（１）切替弁１７において、スプール３２を駆動する２つのカム２７Ａ、２７Ｂのカム回転軸２５に対する偏心方向ＰＡ、ＰＢが異なって設定され、これらの偏心方向ＰＡ、ＰＢを変更することで、切替弁１７によって切り替えられる吸気側流路と排気側流路の切替タイミングを独立に調整できるので、この切替タイミングの自由度を向上させることができる。この結果、この切替弁１７を蓄冷式冷凍機１０に適用したときに、給排気のバルブタイミング（吸気角度（時間）α１、吸気完了から排気開始までの角度（時間）α２、排気角度（時間）α３、排気完了から吸気開始までの角度（時間）α４）の自由度を向上できるので、この冷凍機の冷凍効率を最適化できる。

通常、吸気完了から排気開始までの角度（時間）α２と排気完了から吸気開始までの角度（時間）α４は、切替弁１７が閉じている区間である。この切替弁１７が閉じた区間では、蓄冷式冷凍機１０の冷凍サイクルとしては、冷凍機シリンダ１４内が封じ切られた状態でディスプレーサ１５が上方向または下方向へ移動し、ディスプレーサ１５の温度勾配に起因した圧力変化を伴い、蓄冷式冷凍機１０の冷凍効率に関し重要な工程である。例えば、吸気完了から排気開始までの角度（時間）α２の区間では、主に、ディスプレーサ１５が上方向へ移動して冷凍機シリンダ１４の膨張室２０内の圧力が低下し、排気完了から吸気開始までの角度（時間）α４の区間では、主に、ディスプレーサ１５が下方向へ移動して冷凍機シリンダ１４の膨張室２０内の圧力が上昇する。

従って、吸気角度（時間）α１、吸気完了から排気開始までの角度（時間）α２、排気角度（時間）α３、及び排気完了から吸気開始までの角度（時間）α４のバルブタイミングを独立して調整することで、蓄冷式冷凍機１０の冷凍効率を、コンプレッサ１３による冷媒圧力や発生すべき寒冷温度に対応して最適化でき、蓄冷式冷凍機１０の性能を向上させることができる。

（２）吸気側流路と排気側流路の切替を、スプール３２を用いた単一の切替弁１７（シングルスプール弁）によって実施するので、切替弁１７全体としてのコンパクト化を実現でき、切替弁１７を収容する蓄冷式冷凍機１０のコールドヘッド１１を小型化できる。また、シングルスプール弁であることから、ダブルスプール弁に比べて部品点数を低減でき、低コスト化を実現できると共に、トラブルの確率が低下して、切替弁１７全体としての耐久性を向上させることができる。更に、切替弁１７における吸気孔３３、排気孔３４及びスプール内流路３６の流路断面積を十分に確保できるので、低圧損特性も向上させることができる。

（３）弁駆動カム２７のカム２７Ａ及び２７Ｂの外周にベアリング３８が嵌装され、このベアリング３８を介して、カム２７Ａ及び２７Ｂがスプール３２に接触し、回転するカム２７Ａ及び２７Ｂがスプール３２に接触しないので、カム２７Ａ及び２７Ｂとスプール３２との間での摺動を抑制することができる。

［Ｂ］第２の実施の形態（図６）
図６は、本発明に係る切替弁の第２の実施の形態を示し、（Ａ）が正面断面図、（Ｂ）が部分側面図である。この第２の実施の形態において、前記第１の実施の形態と同様な部分については、同一の符号を付すことにより説明を簡略化し、または省略する。

本実施の形態の切替弁４０が前記第１の実施の形態の切替弁１７と異なる点は、弁駆動カム２７が円板形状以外の形状のカム、例えば長円形状の単一のカム４１にて構成されると共に、摺動抑制部材としてのベアリング４２がスプール３２側に台座４３を介して設置された点である。

つまり、カム４１は、２つの円（カム）４１Ａ、４１Ｂのそれぞれの中心ＱＡ、ＱＢをずらして重ね合せ、これらの円４１Ａ、４１Ｂに接する２つの接線Ｒ、Ｓと円４１Ａ、４１Ｂの外周とで長円形状に形成されたものである。更に、このカム４１では、カム回転軸２５は、円４１Ａの中心ＱＡと円４１Ｂの中心ＱＢとを結ぶ直線Ｌ上以外の位置に設定される。これにより、カム４１の中心ＱＡとカム回転軸２５を結ぶ直線ＫＡの方向と、円４１Ｂの中心ＱＢとカム回転軸２５とを結ぶ直線ＫＢの方向とが異なって設定され、両直線ＫＡ、ＫＢ間に角度δ（δ≠０）が設定される。

このカム４１の場合にも、直線ＫＡの方向と直線ＫＢの方向を変更することで、このカム４１により駆動される切替弁４０が、吸気側流路と排気側流路とを切り替える切替タイミング、つまり吸気、排気のバルブタイミング（吸気角度（時間）α１、吸気完了から排気開始までの角度（時間）α２、排気角度（時間）α３、排気完了から吸気開始までの角度（時間）α４）を独立して調整することが可能となる。

また、ベアリング４２は、カム４１の外形が円形状でないことから、スプール３２に台座４３を用いて回転自在に取り付けられ、このベアリング４２がカム４１の外周に接触する。このベアリング４２の場合にも、カム４１の回転によってベアリング４２のみが回転し、スプール３２がカム４１に接触することがないので、スプール３２とカム４１との摺動が抑制される。

従って、本実施の形態によれば、前記第１の実施の形態の効果（１）〜（３）と同様な効果を奏するほか、次の効果（４）を奏する。

（４）カム４１とスプール３２との摺動を抑制するベアリング４２がスプール３２側に設けられたので、ベアリング４２を交換する際に、カム４１に回転力を与える駆動モータ１８(図１)を取り外す必要がなく、ベアリング４２の交換作業を容易化できる。

以上、本発明を上記実施の形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、本実施の形態の蓄冷式冷凍機１０は、切替弁１７をコールドヘッド１１内に設置したＧＭ型の場合を述べたが、切替弁１７をコールドヘッド１１内またはその近傍に設置するＧＭ型パルスチューブ冷凍機であってもよい。

また、蓄冷式冷凍機１０は、冷凍機シリンダ１４及びディスプレーサ１５が２段以上設置されたものでもよく、更には、ディスプレーサ１５が他の冷凍機などによって冷却される予冷段（予冷熱交換器）を備えた予冷式冷凍機であってもよい。

本発明に係る切替弁の第１の実施の形態が適用された蓄冷式冷凍機を示す概略構成図。 図１の切替弁が吸気側に切り替られた状態を示し、（Ａ）は正面断面図、（Ｂ）は側面断面図。 図１の切替弁が排気側に切り替られている状態を示す正面断面図。 図２及び図３の切替弁による給排気のバルブタイミングを示すグラフ。 （Ａ）は、図２及び図３の弁駆動カムにおける両カムの偏心方向が異なる場合において、切替弁の切替タイミングの設定手順を説明する説明図、（Ｂ）は弁駆動カムにおける両カムの偏心方向が同一の場合において、切替弁の切替タイミングの設定手順を説明する説明図。 本発明に係る切替弁の第２の実施の形態を示し、（Ａ）は正面断面図、（Ｂ）は部分側面図。 従来の切替弁を示す正面断面図。 図７の切替弁による給排気のバルブタイミングを示すグラフ。

符号の説明

１０ 蓄冷式冷凍機
１１ コールドヘッド
１２ 冷媒給排気系
１３ コンプレッサ
１４ 冷凍機シリンダ
１５ ディスプレーサ
１６ 蓄冷材
１７ 切替弁
１８ 駆動モータ
１９ バッファ室（第１容積変動室）
２０ 膨張室（第２容積変動室）
２１ 連通路
２５ カム回転軸
２７ 弁駆動カム
２７Ａ、２７Ｂ カム
３１ 弁シリンダ
３２ スプール
３３ 吸気孔
３４ 排気孔
３５ スプール溝
３８ ベアリング（摺動抑制機構）
４０ 切替弁
４１ カム
４１Ａ、４１Ｂ 円
４２ ベアリング（摺動抑制機構）
ＰＡ、ＰＢ 偏心方向
ＱＡ、ＱＢ 中心
Ｒ、Ｓ 接線

Claims (8)

1. 単一の弁シリンダと、この弁シリンダ内を往復動可能な単一のスプールと、このスプールを駆動させるカムとを有してなり、
   前記弁シリンダにおいて前記スプールの移動方向に複数形成された孔が、前記スプールの外周に形成された溝に合致することで、複数の流路を切り替える切替弁において、
   前記スプールを駆動する前記カムが複数のカムからなり、各カムは、カム回転軸に対し偏心する方向が異なって構成されたことを特徴とする切替弁。
2. 複数のカムは円形状に形成され、これらの各カムの外周に、スプールとの間で摺動を抑制するための摺動抑制機構が設置されたことを特徴とする請求項１に記載の切替弁。
3. 単一の弁シリンダと、この弁シリンダ内を往復動可能な単一のスプールと、このスプールを駆動させるカムとを有してなり、
   前記弁シリンダにおいて前記スプールの移動方向に複数形成された孔が、前記スプールの外周に形成された溝に合致することで、複数の流路を切り替える切替弁において、
   前記スプールを駆動する前記カムは単一のカムであり、このカムの形状は、２つの円の中心をずらして重ね合せ、これらの２つの円に接する２つの接線と前記２つの円の円周とで形成される長円形状であり、
   前記２つのカムの中心とカム回転軸とを結ぶそれぞれの直線の方向が異なって設定されたことを特徴とする切替弁。
4. 前記長円形状のカムと接するスプール側に、前記カムと前記スプールとの間で摺動を抑制するための摺動抑制機構が設置されたことを特徴とする請求項３に記載の切替弁。
5. コールドヘッドと、冷媒を圧縮するコンプレッサを備えた冷媒給排気系とを有し、
   前記コールドヘッドは、冷凍機シリンダと、
   この冷凍機シリンダ内を往復移動し、前記冷凍機シリンダとの間で第１容積変動室及び第２容積変動室を形成するディスプレーサと、
   このディスプレーサに形成されて前記第１容積変動室と前記第２容積変動室とを連通する連通路に配設された蓄冷材と、
   前記コンプレッサから前記第１容積変動室内への冷媒の供給と、前記第１容積変動室内から前記コンプレッサへの冷媒の排出とを切り替える切替弁とを備え、
   前記蓄冷材を通過して冷却され前記第２容積変動室に至った冷媒を、前記ディスプレーサにより膨張することで極低温の寒冷を発生する蓄冷式冷凍機において、
   前記切替弁が請求項１乃至４のいずれか１項に記載の切替弁から構成され、
   この切替弁の弁シリンダに、前記コンプレッサからの冷媒を前記冷凍機シリンダ内へ吸気として供給するための吸気孔と、前記冷凍機シリンダ内の冷媒を前記コンプレッサへ排気として排出するための排気孔とが、スプールの移動方向に形成されたことを特徴とする蓄冷式冷凍機。
6. 前記第２容積変動室では、膨張圧力を臨界と圧力以下まで低下させて、この膨張時に冷媒を液化させ、その潜熱を利用して寒冷を発生させることを特徴とする請求項５に記載の蓄冷式冷凍機。
7. 前記冷媒としてヘリウム３、ヘリウム４、ネオンまたは水素のいずれか１つを用いたことを特徴とする請求項５に記載の蓄冷式冷凍機。
8. 前記蓄冷材として希土類化合物またはセラミックス等の磁性蓄冷材が用いられたことを特徴とする請求項５に記載の蓄冷式冷凍機。

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