JP2016118367A - 極低温冷凍機 - Google Patents

Abstract

【課題】極低温冷凍機の圧縮機の効率を向上する技術を提供する。【解決手段】極低温冷凍機１において、圧縮機１００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。第１ディスプレーサ２１０ａは、圧縮機１００と第１流路を介して接続し、内部を作動ガスが流通する。第２ディスプレーサ２１０ｂは、圧縮機１００と第２流路を介して接続し、内部を作動ガスが流通する。第１シリンダ２２０ａは、第１ディスプレーサ２１０ａを往復移動可能に収容する。第２シリンダ２２０ｂは、第２ディスプレーサ２１０ｂを往復移動可能に収容する。モータ３３０は、第１ディスプレーサ２１０ａと第２ディスプレーサ２１０ｂとを同時に往復移動させる。第１流路と第２流路とは独立して形成されている。モータ３３０は、第１ディスプレーサ２１０ａと第２ディスプレーサ２１０ｂとを、異なる位相で往復移動させる。【選択図】図１

Description

本発明は、圧縮装置から供給される高圧の作動ガスを用いて、サイモン膨張を発生させて極低温の寒冷を発生する極低温冷凍機に関し、特に作動ガスを膨張させる膨張器を複数備える極低温冷凍機に関する。

極低温を発生する冷凍機の一例としてギフォードマクマホン（Gifford-McMahon；ＧＭ）冷凍機が知られている。ＧＭ冷凍機は、シリンダ内でディスプレーサを往復移動することにより、膨張空間の体積を変化させる。この体積変化に対応して膨張空間と圧縮機の吐出側又は給気側をバルブの開閉によって選択的に接続することで、作動ガスが膨張空間で膨張する。このとき発生する寒冷によって、冷却対象を冷却する。

圧縮機は、シリンダから戻ってきた低圧の作動ガスを圧縮して高圧の作動ガスを生成する。給気側のバルブが閉じている場合、圧縮機は生成した高圧の作動ガスをシリンダに供給することができない。このため、圧縮機は給気側のバルブが閉じている場合作動ガスをバイパスに流すことがあるが、これは圧縮機の運転効率を低下させる要因となり得る。

特開平５−３１２４２６号公報

本発明の目的は、極低温冷凍機の圧縮機の効率を向上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、圧縮機と第１流路を介して接続し、内部を作動ガスが流通する第１ディスプレーサと、圧縮機と第２流路を介して接続し、内部を作動ガスが流通する第２ディスプレーサと、第１ディスプレーサを往復移動可能に収容する第１シリンダと、第２ディスプレーサを往復移動可能に収容する第２シリンダと、第１ディスプレーサと第２ディスプレーサとを同時に往復移動させるモータとを備える。第１流路と第２流路とは独立して形成されており、モータは、第１ディスプレーサと第２ディスプレーサとを、異なる位相で往復移動させる。

本発明によれば、極低温冷凍機の圧縮機の効率を向上する技術を提供することができる。

実施の形態に係る極低温冷凍機の全体構成を模式的に示す図である。 実施の形態に係る膨張器の内部構成を模式的に示す図である。 バルブ機構の概要を説明する模式図である。 スコッチヨーク機構を拡大して示す模式図である。 実施の形態に係るディスプレーサのストロークと、膨張器の給排気工程との関係を模式的に示す図である。 変形例に係る膨張器の給排気工程を示す図である。

本発明の実施の形態について図面と共に説明する。

図１は、実施の形態に係る極低温冷凍機１の全体構成を模式的に示す図である。実施の形態に係る極低温冷凍機１は、ＧＭ冷凍機である。実施の形態に係る極低温冷凍機１は、圧縮機１００、第１膨張器２００ａ、第２膨張器２００ｂ、バルブ機構３００、第１共通配管４００ａ、および第２共通配管４００ｂを備える。なお、第１膨張器２００ａと第２膨張器２００ｂとは同様の構成を有するため、両者を特に区別しない場合には「膨張器２００」と総称する。また、第１共通配管４００ａと第２共通配管４００ｂとを特に区別しない場合には「共通配管４００」と総称する。

圧縮機１００は、低圧配管１１０が接続された給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１２０に高圧の作動ガスを供給する。作動ガスとしては、ヘリウムガスを用いることができるがこれに限定されるものではない。なお、圧縮機１００はバイパス流路１３０とバイパス弁１３２とを備える。バイパス流路１３０とバイパス弁１３２との詳細は後述する。

バルブ機構３００は、第１給気バルブ３１０ａ、第１排気バルブ３２０ａ、第２給気バルブ３１０ｂ、第２排気バルブ３２０ｂ、およびモータ３３０を備える。以下、第１給気バルブ３１０ａと第２給気バルブ３１０ｂとを特に区別しない場合には「給気バルブ３１０」と記載する。また、第１排気バルブ３２０ａと第２排気バルブ３２０ｂとを特に区別しない場合には「排気バルブ３２０」と総称する。

第１給気バルブ３１０ａは、一端が高圧配管１２０に接続され、他端が第１共通配管４００ａに接続されている。第１共通配管４００ａは、第１膨張器２００ａに出入りする作動ガスの流路である第１流路として機能する。第１給気バルブ３１０ａは、開閉により第１膨張器２００ａへの作動ガスの供給を制御する。具体的に、第１給気バルブ３１０ａは開状態と閉状態とが周期的に繰り返される。第１給気バルブ３１０ａが開状態のとき、高圧の作動ガスが第１共通配管４００ａを介して第１膨張器２００ａに供給される。また第１給気バルブ３１０ａが閉状態のとき、第１膨張器２００ａへの作動ガスの供給が停止する。第１給気バルブ３１０ａは、第１共通配管４００ａに設けられた作動ガスの開閉バルブとして機能する。

第２給気バルブ３１０ｂは、一端が高圧配管１２０に接続され、他端が第２共通配管４００ｂに接続されている。第２共通配管４００ｂは、第２膨張器２００ｂに出入りする作動ガスの流路である第２流路として機能する。第２給気バルブ３１０ｂは、開閉により第２膨張器２００ｂへの作動ガスの供給を制御する。具体的に、第２給気バルブ３１０ｂは開状態と閉状態とが周期的に繰り返される。第２給気バルブ３１０ｂが開状態のとき、高圧の作動ガスが第２共通配管４００ｂを介して第２膨張器２００ｂに供給される。また第２給気バルブ３１０ｂが閉状態のとき、第２膨張器２００ｂへの作動ガスの供給が停止する。第２給気バルブ３１０ｂは、第２共通配管４００ｂに設けられた作動ガスの開閉バルブとして機能する。

モータ３３０は、給気バルブ３１０の開閉と排気バルブ３２０の開閉との駆動力となる。

第１膨張器２００ａは、低圧配管１１０、高圧配管１２０、および第１共通配管４００ａを含む流路を介して圧縮機１００と接続する。第１膨張器２００ａは、第１ディスプレーサ２１０ａと第１シリンダ２２０ａとを備える。また第２膨張器２００ｂは、低圧配管１１０、高圧配管１２０、および第２共通配管４００ｂを含む流路を介して圧縮機１００と接続する。第２膨張器２００ｂは、第２ディスプレーサ２１０ｂと第２シリンダ２２０ｂとを備える。以下第１ディスプレーサ２１０ａと第２ディスプレーサ２１０ｂとを特に区別しない場合には「ディスプレーサ２１０」と総称する。同様に、第１シリンダ２２０ａと第２シリンダ２２０ｂとを特に区別しない場合には「シリンダ２２０」と総称する。

第１ディスプレーサ２１０ａは、内部を作動ガスが流通する。第１シリンダ２２０ａは、第１ディスプレーサ２１０ａを往復移動可能に収容する。第１ディスプレーサ２１０ａの底部と、第１シリンダ２２０ａの内部との間に、作動ガスが膨張する第１膨張空間２３０ａが形成される。

第２ディスプレーサ２１０ｂは、内部を作動ガスが流通する。第２シリンダ２２０ｂは、第２ディスプレーサ２１０ｂを往復移動可能に収容する。第２ディスプレーサ２１０ｂの底部と、第２シリンダ２２０ｂの内部との間に、作動ガスが膨張する第２膨張空間２３０ｂが形成される。以下、第１膨張空間２３０ａと第２膨張空間２３０ｂとを特に区別しない場合には「膨張空間２３０」と総称する。

詳細は後述するが、ディスプレーサ２１０には、モータ３３０の回転運動を往復運動に変換するスコッチヨーク機構が接続されている。モータ３３０は、第１ディスプレーサ２１０ａと第２ディスプレーサ２１０ｂとを同時に往復移動させる動力源となる。

図２は、実施の形態に係る膨張器２００内部構成を模式的に示す図である。膨張器２００は、ディスプレーサ２１０と、ディスプレーサ２１０との間に膨張空間２３０を形成するシリンダ２２０と、膨張空間２３０に隣接するとともに外包するように位置する有底円筒状の冷却ステージ２４０を備える。冷却ステージ２４０は、冷却対象と作動ガスとの間の熱交換を行う熱交換器として機能する。

シリンダ２２０は、ディスプレーサ２１０を長手方向に往復移動可能に収容する。シリンダ２２０には強度、熱伝導率、ヘリウム遮断能などの観点から、例えばステンレス鋼が用いられる。

ディスプレーサ２１０は、本体部２１２と底部２１４とを含む。ディスプレーサ２１０の本体部２１２には、比重、強度、熱伝導率などの観点から、例えばフェノール樹脂等が用いられる。蓄冷材は例えば金網等により構成される。底部２１４は、本体部２１２と同一の部材で構成されてもよいし、例えば、銅、アルミニウム、ステンレスなど、少なくとも本体部２１２よりも熱伝導率の大きな材料が用いられてもよい。冷却ステージ２４０は、例えば銅、アルミニウム、ステンレス等により構成される。

ディスプレーサ２１０の高温端には、ディスプレーサ２１０を往復駆動するスコッチヨーク機構が設けられている。スコッチヨーク機構の詳細は後述する。ディスプレーサ２１０はシリンダ２２０の軸方向にそって、シリンダ２２０内において上死点ＵＰと下死点ＬＰとの間を往復移動する。なお、図２は、ディスプレーサ２１０が下死点ＬＰに位置する様子を示す模式図である。

ディスプレーサ２１０は円筒状の外周面を有しており、ディスプレーサ２１０の内部には、蓄冷材が充填されている。このディスプレーサ２１０の内部空間は蓄冷器２５０を構成する。蓄冷器２５０の上端側および下端側には、それぞれヘリウムガスの流れを整流する上端側整流器２５２および下端側整流器２５４が設けられている。

ディスプレーサ２１０の高温端には、上部室２６０からディスプレーサ２１０に作動ガスを流通する上部開口２１６が形成されている。上部室２６０は、シリンダ２２０とディスプレーサ２１０の高温端により形成される空間であり、ディスプレーサ２１０の往復移動に伴い容積が変化する。

上部室２６０には、圧縮機１００、給気バルブ３１０、排気バルブ３２０からなる給排気系統を相互に接続する配管のうち、給排共通配管が接続されている。また、ディスプレーサ２１０の高温端よりの部分とシリンダ２２０との間にはシール２２２が装着されている。

ディスプレーサ２１０の底部２１４には、ディスプレーサ２１０の内部空間と膨張空間２３０とを結ぶ作動ガスの吹き出し口２１８が形成されている。吹き出し口２１８は、ディスプレーサ２１０の内部空間から膨張空間２３０に作動ガスを導入する作動ガスの吹き出し口として機能する。また、膨張空間２３０の作動ガスをディスプレーサ２１０の内部空間に戻す作動ガスの吸入口としても機能する。

膨張空間２３０は、シリンダ２２０とディスプレーサ２１０により形成される空間であり、ディスプレーサ２１０の往復移動に伴い容積が変化する。作動ガスは、吹き出し口２１８を通って膨張空間２３０に流入する作動ガスにより膨張空間２３０に供給される。

次に、図３および図４を参照して、スコッチヨーク機構３２について説明する。

図３は、スコッチヨーク機構３２の概要を説明する模式図である。実施の形態に係る極低温冷凍機１は第１膨張器２００ａと第２膨張器２００ｂとを備える。第１膨張器２００ａと第２膨張器２００ｂとは、それぞれ第１スコッチヨーク機構３２ａと第２スコッチヨーク機構３２ｂとを備える。以下、本明細書において、第１スコッチヨーク機構３２ａと第２スコッチヨーク機構３２ｂとを特に区別しない場合には「スコッチヨーク機構３２」と総称する。また、スコッチヨーク機構３２を構成する各部材についても同様である。

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。スコッチヨーク機構３２は、モータ３３０の駆動回転軸３３２と接続されており、モータ３３０を動力として駆動する。

クランク３３は、駆動回転軸３３２に固定される。クランク３３は、駆動回転軸３３２の取り付け位置から偏心した位置にクランクピン３１を設けた構成とされている。したがって、クランク３３を駆動回転軸３３２に取り付けると、駆動回転軸３３２に対しクランクピン３１は偏心した状態となる。この意味で、クランクピン３１は、偏心回転体として機能する。クランクピン３１は、転がり軸受３７によって指示される。詳細は後述するが、クランクピン３１が転がり軸受け３７に軸受けされて偏心回転すると、スコッチヨーク３４が往復移動する。

なお、実施の形態に係る極低温冷凍機１では、バルブ機構３００として、既知のロータリーバルブ４０を用いている。ロータリーバルブ４０は、ステータバルブ４１とロータバルブ４２とを備える。ロータリーバルブ４０の構成は既知であるため、詳細な説明は省略するが、ロータリーバルブ４０は、上述した給気バルブ３１０および排気バルブ３２０として機能する。なお、図３においては、第１ステータバルブ４１ａと第１ロータバルブ４２ａとを備える第１ロータリーバルブ４０ａが、第１給気バルブ３１０ａおよび第１排気バルブ３２０ａとして機能する。同様に、第２ステータバルブ４１ｂと第２ロータバルブ４２ｂとを備える第２ロータリーバルブ４０ｂが、第２給気バルブ３１０ｂおよび第２排気バルブ３２０ｂとして機能する。

図４は、スコッチヨーク機構３２を拡大して示す模式図である。スコッチヨーク３４は、駆動軸３６、ヨーク板３５、および転がり軸受３７等を有している。駆動軸３６は、ヨーク板３５から上方（Ｚ１方向）および下方（Ｚ２方向）に延出している。この駆動軸３６は、図示しない摺動軸受によって支持されている。このため駆動軸３６は、図中上下方向（図４中矢印Ｚ１、Ｚ２方向）に移動可能な構成となっている。ゆえに、スコッチヨーク３４も上下方向（図中矢印Ｚ１、Ｚ２方向）に移動可能となっている。

なお、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３６が延在する方向を表し、ディスプレーサ２１０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２３０または冷却ステージ２４０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、こうした表現は極低温冷凍機１が取り付けられたときの配置とは関係しない。例えば、極低温冷凍機１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３８が形成されている。この横長窓３８は、駆動軸３６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４中、矢印Ｘ１、Ｘ２方向）に延在している。

転がり軸受３７は、この横長窓３８内に配設されている。転がり軸受３７は、横長窓３８内で転動可能な構成とされている。また、クランクピン３１と係合する孔３９は、転がり軸受３７の中心位置に形成されている。横長窓３８は、クランクピン３１および転がり軸受３７の横方向の移動を許容する。

モータ３３０が駆動し駆動回転軸３３２が回転すると、クランクピン３１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、転がり軸受３７は、横長窓３８内を図中矢印Ｘ１、Ｘ２方向に往復移動する。

ディスプレーサ２１０は、スコッチヨーク３４の駆動軸３６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、ディスプレーサ２１０もシリンダ２２０内で矢印Ｚ１、Ｚ２方向に往復移動する。

次に、実施の形態に係る極低温冷凍機１の動作を説明する。

上記の構成とされた極低温冷凍機１において、モータ３３０の回転駆動力が駆動回転軸３３２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、第１ディスプレーサ２１０ａおよび第２ディスプレーサ２１０ｂは、それぞれ第１シリンダ２２０ａおよび第２シリンダ２２０ｂ内を、下死点ＬＰと上死点ＵＰとの間で往復移動する。

実施の形態に係る極低温冷凍機１においては、モータ３３０は、第１ディスプレーサ２１０ａと第２ディスプレーサ２１０ｂとを、異なる位相で往復移動させる。より具体的には、第１ディスプレーサ２１０ａの往復移動の位相と、第２ディスプレーサ２１０ｂの往復移動の位相とは、実質的に逆位相となるように構成されている。

第１膨張器２００ａにおける作動ガス供給工程のある時点においては、第１ディスプレーサ２１０ａは、第１シリンダ２２０ａの下死点ＬＰに位置する。それと同時、またはわずかにずれたタイミングで第１給気バルブ３１０ａが開き、第１給気バルブ３１０ａを介して高圧の作動ガスが第１共通配管４００ａから第１シリンダ２２０ａ内に供給される。この結果、第１ディスプレーサ２１０ａの上部に位置する第１上部開口２１６ａから、高圧の作動ガスが第１ディスプレーサ２１０ａの内部の第１蓄冷器２５０ａに流入する。第１蓄冷器２５０ａに流入した高圧の作動ガスは、蓄冷材により冷却されながら第１ディスプレーサ２１０ａの下部に位置する第１吹き出し口２１８ａを介して、第１膨張空間２３０ａに供給される。

第１膨張空間２３０ａが高圧の作動ガスで満たされると、第１給気バルブ３１０ａは閉じられる。この時、第１ディスプレーサ２１０ａは第１シリンダ２２０ａ内の上死点ＵＰに位置する。第１ディスプレーサ２１０ａが第１シリンダ２２０ａ内の上死点ＵＰに位置すると同時、またはわずかにずれたタイミングで第１排気バルブ３２０ａを開くと、第１膨張空間２３０ａの作動ガスは減圧され、膨張する。膨張により低温になった第１膨張空間２３０ａの作動ガスは、第１冷却ステージ２４０ａの熱を吸収する。

第１ディスプレーサ２１０ａは下死点ＬＰに向けて移動し、第１膨張空間２３０ａの容積は減少する。第１膨張空間２３０ａ内の作動ガスは、第１吹き出し口２１８ａを通って第１ディスプレーサ２１０ａ内に回収される。このとき、作動ガスは第１冷却ステージ２４０ａの熱を吸収する。第１膨張空間２３０ａから第１蓄冷器２５０ａに戻った作動ガスは、第１蓄冷器２５０ａ内の蓄冷材も冷却する。第１ディスプレーサ２１０ａに回収された作動ガスはさらに、第１蓄冷器２５０ａ、第１上部開口２１６ａを介して圧縮機１００の吸入側に戻される。

第１ディスプレーサ２１０ａが作動ガス供給工程にあるとき、第２膨張器２００ｂは作動ガス排気工程となっている。第２膨張器２００ｂにおける作動ガス供給工程のある時点においては、第２ディスプレーサ２１０ｂは、第２シリンダ２２０ｂの上死点ＵＰに位置する。それと同時、またはわずかにずれたタイミングで第２排気バルブ３２０ｂが開き、第２膨張空間２３０ｂの作動ガスは減圧され、膨張する。膨張により低温になった第２膨張空間２３０ｂの作動ガスは、第２冷却ステージ２４０ｂの熱を吸収する。

第２ディスプレーサ２１０ｂは下死点ＬＰに向けて移動し、第２膨張空間２３０ｂの容積は減少する。第２膨張空間２３０ｂ内の作動ガスは、第２吹き出し口２１８ｂを通って第２ディスプレーサ２１０ｂ内に回収される。このとき、作動ガスは第２冷却ステージ２４０ｂの熱を吸収する。第２膨張空間２３０ｂから第２蓄冷器２５０ｂに戻った作動ガスは、第２蓄冷器２５０ｂ内の蓄冷材も冷却する。第２ディスプレーサ２１０ｂに回収された作動ガスはさらに、第２蓄冷器２５０ｂ、第２上部開口２１６ｂを介して圧縮機１００の吸入側に戻される。

その後、第１膨張器２００ａが作動ガス排気工程となるとき、第２膨張器２００ｂは作動ガス給気工程となる。第２膨張器２００ｂにおける作動ガス供給工程のある時点においては、第２ディスプレーサ２１０ｂは、第２シリンダ２２０ｂの下死点ＬＰに位置する。それと同時、またはわずかにずれたタイミングで第２給気バルブ３１０ｂが開き、第２給気バルブ３１０ｂを介して高圧の作動ガスが第２共通配管４００ｂから第２シリンダ２２０ｂ内に供給される。この結果、第２ディスプレーサ２１０ｂの上部に位置する第２上部開口２１６ｂから、高圧の作動ガスが第２ディスプレーサ２１０ｂの内部の第２蓄冷器２５０ｂに流入する。第２蓄冷器２５０ｂに流入した高圧の作動ガスは、蓄冷材により冷却されながら第２ディスプレーサ２１０ｂの下部に位置する第２吹き出し口２１８ｂを介して、第２膨張空間２３０ｂに供給される。以上の工程を１サイクルとし、極低温冷凍機１はこの冷却サイクルを繰り返すことで、第１冷却ステージ２４０ａおよび第２冷却ステージ２４０ｂが冷却される。

図５は、実施の形態に係るディスプレーサ２１０のストロークと、膨張器２００の給排気工程との関係を模式的に示す図である。図５に示すグラフにおいて、縦軸はディスプレーサ２１０のストローク、横軸はディスプレーサ２１０の位相を示す。ディスプレーサ２１０は上死点ＵＰと下死点ＬＰとの間を往復する。ディスプレーサ２１０が上死点ＵＰから下死点ＬＰに至るまでを半周期（すなわち１８０度の位相）とし、再度上死点ＵＰに戻るとき１周期（すなわち３６０度の位相）とする。図５に示す例では、ディスプレーサ２１０のストロークが２周期分示されている。また図５には、ディスプレーサ２１０の位相と、そのときの膨張器２００の給排気工程とが示されている。

図５に示すグラフにおいて、実線は第１ディスプレーサ２１０ａのストロークを示し、破線は第２ディスプレーサ２１０ｂのストロークを示している。図５に示すように、第１ディスプレーサ２１０ａのストロークの位相と、第２ディスプレーサ２１０ｂのストロークの位相とは逆位相となっており、１８０度ずれている。例えば、第１ディスプレーサ２１０ａが上死点ＵＰにあるとき、第２ディスプレーサ２１０ｂは下死点ＬＰにある。その逆も同様である。

実施の形態に係る極低温冷凍機１においては、第１給気バルブ３１０ａが開となるタイミングと第２給気バルブ３１０ｂが開となるタイミングとは異なる。具体的には、図５に示すように、第１ディスプレーサ２１０ａのストロークの位相が０度となるタイミングで第１給気バルブ３１０ａが閉、第１排気バルブ３２０ａが開となり、第１膨張器２００ａは排気工程となる。このとき、第２給気バルブ３１０ｂが開、第２排気バルブ３２０ｂが閉となり、第２膨張器２００ｂは給気工程となる。その後、第１ディスプレーサ２１０ａのストロークの位相が１８０度となるタイミングで第１給気バルブ３１０ａが開、第１排気バルブ３２０ａが閉となり、第１膨張器２００ａは給気工程となる。このとき、第２給気バルブ３１０ｂが閉、第２排気バルブ３２０ｂが開となり、第２膨張器２００ｂは排気工程となる。

上述したように、ディスプレーサ２１０はモータ３３０を動力として駆動する。このため、モータ３３０の回転周期と、第１ディスプレーサ２１０ａの往復移動の周期、および第２ディスプレーサ２１０ｂの往復移動の周期とは連動している。より具体的には、モータ３３０の駆動回転軸３３２が一回転するとき、ディスプレーサ２１０が一往復する。図５に示すように、モータ３３０の回転周期の１周期内において、第１膨張器２００ａと第２膨張器２００ｂとの少なくともいずれか一方は、給気工程となっている。これはすなわち、モータ３３０の回転周期の１周期内において、第１給気バルブ３１０ａと第２給気バルブ３１０ｂとの少なくともいずれか一方は、開状態となっていることを示している。

実施の形態に係る圧縮機１００は、バイパス流路１３０とバイパス弁１３２とを備えている。圧縮機１００は、生成した高圧な作動ガスを膨張器２００に供給できない場合、バイパス弁１３２を開にして作動ガスをバイパス流路１３０に流す。バイパス流路１３０を流れる作動ガスは再び圧縮機１００に流入する。これにより、生成した高圧な作動ガスの供給先がない期間があっても、圧縮機１００を継続的に運転することが可能となる。

例えば、圧縮機１００に膨張器２００が１台だけ接続されている場合を考える。この場合、膨張器２００が排気工程にあるときは、圧縮機１００は生成した作動ガスを膨張器２００に供給することができない。このため、圧縮機１００は、膨張器２００が排気工程となっている期間は、バイパス弁１３２を開にして作動ガスをバイパス流路１３０に流す。

圧縮機１００が作動ガスをバイパス流路１３０に流している期間は、生成した作動ガスは関連を発生させる仕事に関与しない。すなわち、圧縮機１００が作動ガスをバイパス流路１３０に流している期間は、圧縮機１００が作動ガスを圧縮して高圧な作動ガスを生成するために要した仕事を寒冷発生のために用いることができない。このため、圧縮機１００が作動ガスをバイパス流路１３０に流すことは、圧縮機１００の運転効率を低下させる要因となり得る。

上述したように、実施の形態に係る極低温冷凍機１においては、モータ３３０の回転周期の１周期内において、第１給気バルブ３１０ａと第２給気バルブ３１０ｂとの少なくともいずれか一方は、開状態となっている。このため、圧縮機１００が作動ガスをバイパス流路１３０に流す必要がないか、流す場合であっても膨張器２００が１台だけ接続されている場合と比較して期間を短くすることが可能となる。

第１共通配管４００ａは、圧縮機１００と第１ディスプレーサ２１０ａの内部空間とを接続する作動ガスの流路である。同様に、第２共通配管４００ｂは、圧縮機１００と第２ディスプレーサ２１０ｂの内部空間とを接続する作動ガスの流路である。図１に示すように、実施の形態に係る極低温冷凍機１においては、第１共通配管４００ａと第２共通配管４００ｂとは独立して形成されている。

ここで「独立して形成されている」とは、具体的には、第１共通配管４００ａと第２共通配管４００ｂとが直接連通することが規制されていることを意味する。このため、第１膨張器２００ａから排気されて第１共通配管４００ａを流れる作動ガスは、圧縮機１００を経由してのみ、第２共通配管４００ｂに流通することが可能となる。同様に、第２膨張器２００ｂから排気されて第２共通配管４００ｂを流れる作動ガスは、圧縮機１００を経由してのみ、第１共通配管４００ａに流通することが可能となる。

これは、第１ディスプレーサ２１０ａの内部空間における作動ガスの圧力と、第２ディスプレーサ２１０ｂの内部空間における作動ガスの圧力とが独立していることを意味する。実施の形態に係る極低温冷凍機１は第１膨張器２００ａと第２膨張器２００ｂとの給排気工程が時間的にずれている。仮に、第１共通配管４００ａと第２共通配管４００ｂとが直接連通していると、一方の膨張器２００の高圧の作動ガスが、他方の膨張器２００に流入し、圧力損失が発生するかもしれない。第１共通配管４００ａと第２共通配管４００ｂとを独立して形成することにより、二つの膨張器２００を備える極低温冷凍機１における圧力損失の発生要因を減らすことができる。

以上説明したように、実施の形態に係る極低温冷凍機１によれば、圧縮機１００の効率を向上することができ、ひいては極低温冷凍機１の冷凍効率を向上することができる。

以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。これらの実施の形態には、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。

上記の説明では、第１膨張器２００ａの給気工程と、第２膨張器２００ｂの給気工程とが相補的に交互に出現する場合について説明した。これに代えて、第１膨張器２００ａの給気工程と、第２膨張器２００ｂの給気工程とが、モータ３３０の回転周期の１周期内において重複する期間があってもよい。

図６は、変形例に係る膨張器２００の給排気工程を示す図であり、第１膨張器２００ａの給排気工程と、第２膨張器２００ｂの給排気工程との関係を示す図である。図６において、破線は排気の期間を示し、実線は給気の期間を示している。

図６に示すように、第１膨張器２００ａの給気工程は、１周期のうち半分以上が給気工程となっている。具体的には、第１膨張器２００ａは、位相が１８０度に至る前に給気工程が開始され、３６０度に至るまで給気工程が継続する。同様に、第２膨張器２００ｂの給気工程も、１周期のうち半分以上が給気工程となっている。例えば、第２膨張器２００ｂの給気工程は位相が０度のとき開始され、１８０度を超えるまで継続する。このため、第１膨張器２００ａと第２膨張器２００ｂとが同時に給気工程となる期間が存在する。その他の期間は、第１膨張器２００ａと第２膨張器２００ｂとの少なくともいずれか一方は給気工程となっている。ゆえに、変形例に係る極低温冷凍機１においても、第１給気バルブ３１０ａと第２給気バルブ３１０ｂとの少なくともいずれか一方は開状態となる。

このように、変形例に係る極低温冷凍機１においては、原理的に圧縮機１００は作動ガスをバイパス流路１３０に流す必要がなくなる。このため、圧縮機１００の効率を向上することができ、ひいては極低温冷凍機１の冷凍効率を向上することができる。

上記の説明では、モータ３３０が駆動回転軸３３２を直接駆動する場合について説明した。このほか、例えばチェーン、ベルト等を介してチェーンドライブ、ベルトドライブで駆動回転軸３３２を駆動してもよい。モータ３３０の設置場所の自由度が増加する点で有利である。

上述した極低温冷凍機１においては段数が一段である場合を示したが、この段数は二段以上に適宜選択することが可能である。

１ 極低温冷凍機、 ３１ クランクピン、 ３２ スコッチヨーク機構、 ３３ クランク、 ３４ スコッチヨーク、 ３５ ヨーク板、 ３６ 駆動軸、 ３７ 転がり軸受、 ３８ 横長窓、 ３９ 孔、 ４０ ロータリーバルブ、 ４１ ステータバルブ、 ４２ ロータバルブ、 １００ 圧縮機、 １１０ 低圧配管、 １２０ 高圧配管、 １３０ バイパス流路、 １３２ バイパス弁、 ２００ 膨張器、 ２１０ ディスプレーサ、 ２１２ 本体部、 ２１４ 底部、 ２１６ 上部開口、 ２１８，２２０ シリンダ、 ２２２ シール、 ２３０ 膨張空間、 ２４０ 冷却ステージ、 ２５０ 蓄冷器、 ２５２ 上端側整流器、 ２５４ 下端側整流器、 ２６０ 上部室、 ３００ バルブ機構、 ３１０ 給気バルブ、 ３２０ 排気バルブ、 ３３０ モータ、 ３３２ 駆動回転軸、 ４００ 共通配管。

Claims (5)

1. 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、
   前記圧縮機と第１流路を介して接続し、内部を作動ガスが流通する第１ディスプレーサと、
   前記圧縮機と第２流路を介して接続し、内部を作動ガスが流通する第２ディスプレーサと、
   前記第１ディスプレーサを往復移動可能に収容する第１シリンダと、
   前記第２ディスプレーサを往復移動可能に収容する第２シリンダと、
   前記第１ディスプレーサと前記第２ディスプレーサとを同時に往復移動させるモータとを備え、
   前記第１流路と前記第２流路とは独立して形成されており、
   前記モータは、前記第１ディスプレーサと前記第２ディスプレーサとを、異なる位相で往復移動させることを特徴とする極低温冷凍機。
2. 前記第１流路に設けられ、開閉により前記第１ディスプレーサへの作動ガスの供給を制御する第１給気バルブと、
   前記第２流路に設けられ、開閉により前記第２ディスプレーサへの作動ガスの供給を制御する第２給気バルブとをさらに備え、
   前記第１給気バルブが開となるタイミングと前記第２給気バルブが開となるタイミングとは異なることを特徴とする請求項１に記載の極低温冷凍機。
3. 前記モータの回転周期と、前記第１ディスプレーサの往復移動の周期および前記第２ディスプレーサの往復移動の周期とは連動しており、
   前記モータの回転周期の１周期内において、前記第１給気バルブと前記第２給気バルブとの少なくともいずれか一方は開状態となっていることを特徴とする請求項２に記載の極低温冷凍機。
4. 前記第１ディスプレーサの往復移動の位相と前記第２ディスプレーサの往復移動の位相とは、実質的に逆位相であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の極低温冷凍機。
5. 前記第１流路と前記第２流路とが直接連通することが規制されており、
   前記第１流路を流れる作動ガスおよび前記第２流路を流れる作動ガスは、前記圧縮機を経由してのみ、それぞれ前記第２流路および前記第１流路に流通することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の極低温冷凍機。

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