JP2017040385A - 極低温冷凍機 - Google Patents

Abstract

【課題】ディスプレーサの駆動機構にかかる負荷を低減できる極低温冷凍機を提供する。
【解決手段】極低温冷凍機１００は、軸方向に延在するディスプレーサ１２と、ディスプレーサ１２を軸方向に往復移動可能に収容するシリンダ１０と、ディスプレーサ１２を駆動するスコッチヨーク機構１４と、スコッチヨーク機構１４を収容するハウジング１６と、を備える。スコッチヨーク機構１４は、クランク２８と、ヨーク板３４と、駆動軸３２と、を含む。ハウジング１６は、クランク２８とヨーク板３４とを収容する駆動機構収容室６０と、駆動機構収容室６０に隣接して駆動軸３２の一部を収容し、駆動機構収容室６０よりも高圧に調整可能なアシスト室と、を含む。極低温冷凍機１００は、スコッチヨーク機構１４にかかる軸方向の力に関する情報を取得し、その力を緩和するようアシスト室の圧力を調整する制御装置４をさらに備える。
【選択図】図６

Description

本発明は、高圧の冷媒ガスを膨張させて寒冷を発生す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と吸気側とを選択的に接続することで、冷媒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（特許文献１参照）。

特開昭５８−４７９７０号公報

ディスプレーサには、その内部を通過する冷媒ガスの圧力損失による力が作用する。ＧＭ冷凍機の大型化に伴いディスプレーサが大きくなると、ディスプレーサに作用する圧力損失による力も大きくなる。この場合、ディスプレーサの駆動に要する負荷は大きくなり、ディスプレーサを駆動する駆動機構にかかる負荷も大きくなる。すると、駆動機構を構成する構成部品にかかる負荷も大きくなり、その寿命は短くなりうる。また駆動機構にかかる負荷が大きくなると、駆動機構を駆動するモータへの負荷が大きくなり、例えば駆動モータに同期モータを使用する場合、同期脱出（スリップ）を引き起こし、ＧＭ冷凍機が正常なサイクル運転を行うのが困難となりうる。

本発明は、こうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、ディスプレーサの駆動機構にかかる負荷を低減できる極低温冷凍機を提供することにある。

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、軸方向に延在するディスプレーサと、ディスプレーサを軸方向に往復移動可能に収容するシリンダと、ディスプレーサを駆動する駆動機構と、駆動機構を収容するハウジングと、を備える。駆動機構は、偏心回転体と、偏心回転体の回転により往復移動するヨーク板と、ヨーク板から軸方向に延出する軸部と、を含む。ハウジングは、偏心回転体とヨーク板とを収容する第１室と、第１室に隣接して軸部の一部を収容し、第１室よりも高圧に調整可能な第２室と、を含む。本極低温冷凍機は、駆動機構にかかる軸方向の力に関する情報を取得し、その力を緩和するよう第２室の圧力を調整する制御装置をさらに備える。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや、本発明の構成要素や表現を方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、ディスプレーサの駆動機構にかかる負荷を低減できる。

第１の前提技術に係る極低温冷凍機を示す模式図である。 スコッチヨーク機構の分解斜視図である。 図１の制御装置の機能構成を示すブロック図である。 第１の前提技術に係る極低温冷凍機のモータにかかる負荷およびトルクを示す。 第２の前提技術に係る極低温冷凍機を示す模式図である。 実施の形態に係る極低温冷凍機を示す模式図である。 図６の制御装置の機能構成を示すブロック図である。 実施の形態の変形例に係る極低温冷凍機を示す模式図である。

以下、各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、工程には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、各図面における部材の寸法は、理解を容易にするために適宜拡大、縮小して示される。また、各図面において実施の形態を説明する上で重要ではない部材の一部は省略して表示する。

（第１の前提技術）
実施の形態に係る極低温冷凍機を説明する前に、その前提となる技術について説明する。図１は、第１の前提技術に係る極低温冷凍機１００を示す模式図である。極低温冷凍機１００は、ギフォード・マクマホン冷凍機（ＧＭ冷凍機）であり、圧縮機１と、配管２と、膨張機３と、制御装置４と、を備える。

圧縮機１は、膨張機３から戻ってくる低圧の冷媒ガスを圧縮し、圧縮された高圧の冷媒ガスを膨張機３に供給する。配管２は、高圧配管２ａと低圧配管２ｂとを含む。高圧配管２ａは、圧縮機１の吐出側に接続される。圧縮機１から膨張機３に向かう高圧の冷媒ガスが高圧配管２ａを流れる。低圧配管２ｂは、圧縮機１の吸気側に接続される。膨張機３から圧縮機１に向かう低圧の冷媒ガスが低圧配管２ｂを流れる。冷媒ガスとしては、例えばヘリウムガスを用いることができる。なお、冷媒ガスとして窒素ガスやその他のガスを用いてもよい。

膨張機３は、圧縮機１から供給された高圧の冷媒ガスを膨張させて寒冷を発生させる。膨張機３は、シリンダ１０と、ディスプレーサ１２と、スコッチヨーク機構１４と、ハウジング１６と、モータ１８と、ロータリバルブ１９と、を含む。

以下では、膨張機３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、第１駆動軸３８および第２駆動軸４０（いずれも後述）が延在する方向を表す。軸方向は、ディスプレーサ１２が移動する方向とも一致する。便宜上、軸方向において膨張空間２４や冷却ステージ２６（いずれも後述）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。なお、こうした表現は、膨張機３が取り付けられたときの配置とは関係しない。

シリンダ１０は、円筒部と底部とが一体に形成された有底カップ形状を有し、ディスプレーサ１２を軸方向に往復移動可能に収容する。シリンダ１０は、強度、熱伝導率などを考慮して、例えばステンレス鋼により形成される。

ディスプレーサ１２は、シリンダ１０内を上死点と下死点との間で往復移動する。ここで、上死点は、膨張空間２４の容積が最も大きいときの膨張空間２４の位置をいい、下死点は、膨張空間２４が最も小さいときの膨張空間２４の位置をいう。ディスプレーサ１２は、円筒状の外周面を有しており、その内部には蓄冷材（不図示）が充填されている。ディスプレーサ１２は、比重、強度、熱伝導率などの観点から、例えばベークライト（布入りフェノール）等の樹脂により形成される。蓄冷材は、例えば金網等により構成される。

ディスプレーサ１２の上部には、ガス室２０とディスプレーサ１２の内部とを連通するガス流路Ｌ１が形成されている。ここで、ガス室２０は、シリンダ１０とディスプレーサ１２の上端により形成される空間である。ガス室２０は、ディスプレーサ１２の往復移動に伴い容積が変化する。ガス室２０の温度は膨張機が設置される室温に近いため、ガス室２０を常温室と呼ぶこともある。

ディスプレーサ１２の下部には、ディスプレーサ１２の内部と膨張空間２４とを連通するガス流路Ｌ２が形成されている。ここで、膨張空間２４は、シリンダ１０とディスプレーサ１２の下端により形成される空間である。膨張空間２４は、ディスプレーサ１２の往復移動に伴い容積が変化する。シリンダ１０の外周のうち、膨張空間２４に対応する位置には、冷却対象物（不図示）に熱的に接続される冷却ステージ２６が配置される。冷却ステージ２６は、膨張空間２４の内部の冷媒ガスにより冷却される。

シリンダ１０の内周面とディスプレーサ１２との間にはシール２２が設けられている。したがって、ガス室２０と膨張空間２４との間の冷媒ガスの流れは、ディスプレーサ１２の内部を経由する。

モータ１８は、モータ１８に接続された回転軸１８ａを回転させる。

図２は、スコッチヨーク機構１４の分解斜視図である。スコッチヨーク機構１４は、ディスプレーサ１２を往復駆動する。スコッチヨーク機構１４は、クランク２８と、スコッチヨーク３０と、を含む。

クランク２８は、モータ１８の回転軸１８ａに固定される。クランク２８は、回転軸１８ａが固定される位置から偏心した位置にクランクピン２８ａを有する。したがって、クランク２８を回転軸１８ａに固定すると、回転軸１８ａに対しクランクピン２８ａは偏心した状態となる。

スコッチヨーク３０は、駆動軸３２と、ヨーク板３４と、ころ軸受３６と、を含む。駆動軸３２は、第１駆動軸３８と第２駆動軸４０とを含む。第１駆動軸３８は、ヨーク板３４の上部中央から上方に延出する。第２駆動軸４０は、ヨーク板３４の下部中央から下方に延出する。

第１駆動軸３８は、第１摺動軸受４２によって、軸方向に移動可能に支持される。第２駆動軸４０は、第２摺動軸受４４によって、軸方向に移動可能に支持される。つまり、駆動軸３２、ひいてはスコッチヨーク３０は、軸方向に移動可能な構成となっている。

ヨーク板３４は、板状の部材であり、その中央には横長窓３４ａが形成されている。横長窓３４ａは、第１駆動軸３８および第２駆動軸４０が延出する方向（すなわち軸方向）に対して交差する方向、例えば直交する方向に延在する。

ころ軸受３６は、転動可能に横長窓３４ａ内に配設される。ころ軸受３６の中心には、クランクピン２８ａと係合する係合孔３６ａが形成されており、クランクピン２８ａが係合孔３６ａを貫通する。

モータ１８が駆動し回転軸１８ａが回転すると、クランクピン２８ａとクランクピン２８ａと係合したころ軸受３６は、円を描くように回転する。ころ軸受３６が円を描くように回転することにより、スコッチヨーク３０は、軸方向に往復運動する。この際、ころ軸受３６は、軸方向に交差する方向に横長窓３４ａ内を往復移動する。

第２駆動軸４０は、ディスプレーサ１２に連結されている。このため、スコッチヨーク３０が軸方向に移動することにより、ディスプレーサ１２はシリンダ１０内を軸方向に往復移動する。

図１に戻り、ハウジング１６は、駆動機構収容室６０を有する。駆動機構収容室６０は、スコッチヨーク機構１４を収容する。駆動機構収容室６０は、低圧配管２ｂを介して圧縮機１の吸気側に連通している。そのため、駆動機構収容室６０は、圧縮機１の吸気側と同程度の低圧に維持される。ハウジング１６には、一端がガス室２０に連通し、他端がロータリバルブ１９に連通するガス流路Ｌ３が設けられている。

ロータリバルブ１９は、圧縮機１からガス室２０に至る冷媒ガスの流路上に設けられる。ロータリバルブ１９は、ステータバルブ４６とロータバルブ４８とを含む。ロータバルブ４８は、ハウジング１６内において回転可能に支持される。ステータバルブ４６は、回転しないようにハウジング１６に固定される。ロータバルブ４８には、スコッチヨーク機構１４のクランクピン２８ａの先端が接続されている。したがって、モータ１８の回転軸１８ａの回転に伴いクランクピン２８ａが回転すると、ロータバルブ４８はステータバルブ４６に対して回転する。このようにして、ロータバルブ４８は、スコッチヨーク機構１４と同期して回転する。

ステータバルブ４６およびロータバルブ４８は、圧縮機１から吐出された高圧の作動ガスをガス室２０を介して膨張空間２４に導く供給用バルブ５０と、作動ガスをガス室２０を介して膨張空間２４から圧縮機１に導く排気用バルブ５２と、を構成する。供給用バルブ５０および排気用バルブ５２は、ロータバルブ４８の回転に伴い開閉する。

ロータバルブ４８の回転に伴い供給用バルブ５０が開くと、圧縮機１から高圧の作動ガスがガス流路Ｌ３を通りガス室２０に供給される。一方、ロータバルブ４８の回転に伴い排気用バルブ５２が開くと、低圧となった作動ガスは、ガス室２０からガス流路Ｌ３を通り圧縮機１に回収される。

図３は、図１の制御装置４の機能構成を示すブロック図である。ここに示す各ブロックは、ハードウェア的には、コンピュータのＣＰＵをはじめとする素子や機械装置で実現でき、ソフトウェア的にはコンピュータプログラム等によって実現されるが、ここでは、それらの連携によって実現される機能ブロックを描いている。したがって、これらの機能ブロックはハードウェア、ソフトウェアの組合せによっていろいろなかたちで実現できることは、当業者には理解されるところである。図７についても同様である。

制御装置４は、圧縮機制御部５３と、モータ制御部５４と、を含む。圧縮機制御部５３は、圧縮機１の動作を制御する。圧縮機制御部５３は例えば、圧縮機１の高圧と低圧との圧力差を目標圧に制御する。モータ制御部５４は、モータ１８の駆動を制御する。モータ制御部５４は例えば、モータ１８の回転軸１８ａを所望の回転数で回転させる。

以上のように構成された極低温冷凍機１００の動作について説明する。
ディスプレーサ１２が下死点から上死点に向けて移動しており、供給用バルブ５０が開いているとする。このとき、高圧配管２ａおよび供給用バルブ５０を介して圧縮機１からガス室２０に高圧の冷媒ガスが流入する。高圧の冷媒ガスは、ガス流路Ｌ１からディスプレーサ１２の内部に流入し、蓄冷材によって冷却される。冷却された冷媒ガスは、ガス流路Ｌ２から膨張空間２４に流入する。これにより、膨張空間２４内は、高圧状態となる。

供給用バルブ５０は、ディスプレーサ１２が上死点に到達する前に閉じられる。その後、ディスプレーサ１２が上死点に到達する直前に排気用バルブ５２が開かれると、膨張空間２４内の冷媒ガスは、高圧の状態から低圧の状態となり、膨張する。その結果、膨張空間２４内の冷媒ガスの温度がさらに下がる。また、温度が下がった冷媒ガスにより、冷却ステージ２６が冷却される。

ディスプレーサ１２は、上死点に到達すると、引き続き上死点から下死点に向かって移動を開始する。これに伴い、低圧の冷媒ガスは、上述の逆の順路を通り、蓄冷材を冷却しつつ、排気用バルブ５２および低圧配管２ｂを介して圧縮機１に戻る。また、ディスプレーサ１２が下死点に到達する前に排気用バルブ５２が閉じられる。その後、ディスプレーサ１２が下死点に到達する直前に供給用バルブ５０が開かれると、再び高圧配管２ａおよび供給用バルブ５０を介して圧縮機１からガス室２０に高圧の冷媒ガスが流入する。ディスプレーサ１２は、下死点に到達すると、引き続き下死点から上死点に向けて移動を開始する。

以上の動作を１サイクルとし、この冷凍サイクルを繰り返すことにより、冷却ステージ２６に熱的に接続された冷却対象物は冷却される。

図４は、第１の前提技術に係る極低温冷凍機１００のモータ１８にかかる軸方向負荷およびモータ１８にかかる負荷トルクを示す。図４において、横軸は運転角度（クランク２８の角度）［ｄｅｇ］を示す。０°（３６０°）はディスプレーサ１２が上死点にあるとき、すなわち膨張空間２４の容積が最も大きいときの角度であり、１８０°はディスプレーサ１２が下死点にあるとき、すなわち膨張空間２４の容積が最も小さいときの角度である。また図４において、左の縦軸は、ディスプレーサ１２の変位［ｃｍ］とモータ１８にかかる負荷トルク［Ｎ・ｍ］を示す。右の縦軸は、モータ１８にかかる軸方向負荷［Ｎ］を示す。ここでは、上向きの負荷を正としている。グラク９０はディスプレーサ１２の変位を示し、グラフ９２はスコッチヨーク機構１４ひいてはモータ１８にかかる軸方向負荷を示し、グラフ９４はモータ１８にかかる負荷トルクを示す。なお、グラフ９４にはロータバルブ４８を回転させるために必要な負荷トルクが一定値として課されている。

上述したように、ディスプレーサ１２の内部には、冷却効率を高めるために蓄冷材が充填されている。そのため、ディスプレーサ１２の内部を冷媒ガスが通り抜ける際に圧力損失が発生し、ディスプレーサ１２にはこの圧力損失に起因する力が作用する。

ここで、排気用バルブ５２が開かれた状態の期間を排気期間という。排気期間のうち運転角度が０°〜１８０°の範囲に含まれる期間（例えば、０°〜１２０°）では、ディスプレーサ１２の移動方向（下方向）と冷媒ガスの流れ方向が逆になる。そのため、ディスプレーサ１２にはその移動方向と逆方向に圧力損失に起因する力が作用する。この力は、第２駆動軸４０を介してスコッチヨーク機構１４に伝達され、スコッチヨーク機構１４を駆動するモータ１８にその回転を妨げる負荷となる。

ここで、供給用バルブ５０が開かれた状態の期間を吸気期間という。吸気期間のうち運転角度が０°〜１８０°の範囲に含まれる期間（例えば１２０°〜１８０°）では、ディスプレーサ１２の移動方向（下方向）と冷媒ガスの流れ方向が同じ向きになる。そのため、ディスプレーサ１２にはその移動方向と同じ方向に圧力損失に起因する力が作用する。この力は、第２駆動軸４０を介してスコッチヨーク機構１４に伝達され、スコッチヨーク機構１４を駆動するモータ１８にその回転を助ける負荷となる。

吸気期間のうち運転角度が１８０°〜３６０°の範囲に含まれる期間（例えば１８０°〜２６０°）では、ディスプレーサ１２の移動方向（上方向）と冷媒ガスの流れ方向が逆向きになる。そのため、ディスプレーサ１２にはその移動方向と逆方向に圧力損失に起因する力が作用する。この力は、モータ１８にその回転を妨げる負荷としてかかる。

排気期間のうち運転角度が１８０°〜３６０°の範囲に含まれる期間（例えば３２０°〜３６０°）では、ディスプレーサ１２の移動方向（上方向）と冷媒ガスの流れ方向が同じ向きになる。そのため、ディスプレーサ１２にはその移動方向と同じ方向に圧力損失に起因する力が作用する。この力は、モータ１８にその回転を助ける負荷としてかかる。

このようにスコッチヨーク機構１４およびモータ１８には、圧力損失に起因する負荷がかかる。スコッチヨーク機構１４に大きな負荷がかかると、その構成部品の寿命は短くなる。また、モータ１８の回転を妨げる負荷であれ助ける負荷であれ、許容値よりも大きい負荷がモータ１８にかかると、モータ１８の同期脱出（スリップ）が発生し、極低温冷凍機１００が正常なサイクル運転を行うのが不可能となる虞がある。

なお、極低温冷凍機１００の冷却容量を増やすと、ディスプレーサ１２の内部を通過するガス量も増加するため、ディスプレーサ１２の内部を冷媒ガスが通り抜ける際に発生する圧力損失も大きくなる。そのため、極低温冷凍機１００の冷却容量を増やすと、スコッチヨーク機構１４およびモータ１８にかかる負荷も大きくなる。したがって、極低温冷凍機１００が大きくなるほどこの問題は顕著となる。

（第２の前提技術）
続いて、第１の前提技術を改良した第２の前提技術について説明する。
図５は、第２の前提技術に係る極低温冷凍機１００を示す模式図である。図１との違いに焦点を当てる。

ハウジング１６は、駆動機構収容室６０と、第１アシスト室６２と、を有する。第１アシスト室６２は、第１駆動軸３８の上端部を収容する。第１アシスト室６２の下方には、シール６６が設けられる。シール６６は、第１駆動軸３８の軸方向の移動を許容しつつ、第１アシスト室６２を駆動機構収容室６０から気密に隔離する。シール６６には、例えばスリッパシールやクリアランスシールを用いることができる。なお、第１摺動軸受４２とシール６６とを一体としてもよい。

第１アシスト室６２には、高圧配管２ａと低圧配管２ｂとが接続される。第１アシスト室６２と圧縮機１の間の高圧配管２ａ上には第１バルブ７８が設けられる。第１バルブ７８が開かれると、第１アシスト室６２の冷媒ガスは、高圧状態となる。第１アシスト室６２と圧縮機１の間の低圧配管２ｂ上には第２バルブ８０が設けられる。第２バルブ８０が開かれると、第１アシスト室６２の冷媒ガスは、低圧状態となる。上述のように第１アシスト室６２は駆動機構収容室６０から気密に隔離されているため、第１駆動軸３８には、第１アシスト室６２と駆動機構収容室６０との圧力差により、次式で表される軸方向の力Ｆ_１が作用する。ここでは、下向きを正としている。
Ｆ_１＝Ｓ_Ｕ×（Ｐ_Ｕ−Ｐ_Ｌ） （１）
ここで、Ｓ_Ｕは第１駆動軸３８の軸方向に直交する断面の面積（以下、単に「断面積」と呼ぶ）、Ｐ_Ｕは第１アシスト室６２の圧力、Ｐ_Ｌは駆動機構収容室６０の圧力である。

駆動機構収容室６０は、上述のように低圧に維持されるため、第１アシスト室６２の冷媒ガスが高圧状態となると、第１アシスト室６２と駆動機構収容室６０との圧力差により、第１駆動軸３８には軸方向下方への力が作用する。第１駆動軸３８はスコッチヨーク機構１４を介してディスプレーサ１２に接続されているため、この力によりディスプレーサ１２は軸方向下方に付勢される。すなわち、第１アシスト室６２に供給された作動ガスの圧力は、スコッチヨーク機構１４によりディスプレーサ１２が下方向に移動する際、これをアシストするアシスト力として作用しうる。このアシスト力を的確なタイミングで加えることにより、スコッチヨーク機構１４およびモータ１８にかかる負荷を低減できる。

しかしながら、第２の前提技術に係る極低温冷凍機１００では、第１アシスト室６２の冷媒ガスが低圧状態となっても、第１アシスト室６２と駆動機構収容室６０との圧力差は生じず、第１アシスト室６２と駆動機構収容室６０との圧力差によりディスプレーサ１２を軸方向上方に付勢できない。そのため、図４の吸気期間のうち運転角度が０°〜１８０°の範囲に含まれる期間では、モータ１８およびスコッチヨーク機構１４にかかる負荷を低減できない。また、第２の前提技術では、一般に、設計で予め決められたタイミングでアシスト力を作用させている。そのため、極低温冷凍機１００の姿勢、運転状態（すなわち過渡運転状態であるか定常運転状態であるか）、機差などによって圧力損失ひいてはモータ１８に加わる負荷の大きさおよびそのタイミングが設計と異なっても対応できず、アシスト力が強すぎる場合、かえって悪影響を及ぼすこともある。

（実施の形態）
実施の形態に係る極低温冷凍機の概要を説明する。実施の形態に係る極低温冷凍機は、第１アシスト室に加え、第２アシスト室を備える。第２アシスト室は、軸方向上向きのアシスト力をスコッチヨーク機構に作用させるよう構成される。これにより、排気期間に加えて吸気期間でも、モータ１８およびスコッチヨーク機構１４にかかる負荷を低減できる。

また、実施の形態に係る極低温冷凍機は、スコッチヨーク機構ひいてはモータ１８にかかる負荷を取得し、この負荷が緩和するよう各アシスト力をスコッチヨーク機構１４に作用させる。これにより、適切なタイミングで適切な方向のアシスト力をスコッチヨーク機構１４に作用させることができる。

なお、モータにかかるトルクを測定し、そのトルクを下げるよう各アシスト力をスコッチヨーク機構に作用させることも考えられる。しかしながら、モータにかかるトルクを下げるよう各アシスト力をスコッチヨーク機構に作用させたとしても、スコッチヨーク機構にかかる軸方向負荷が下がらない運転タイミングがある。例えば、運転角度が０°と１８０°のタイミングにおいては、スコッチヨーク機構に軸方向負荷がかかっていてもトルクは生じない。すなわち、このタイミングにおいてはトルクを測定していてもスコッチヨーク機構にかかる軸方向負荷は下げることはできない。この場合、スコッチヨーク機構の構成部品の寿命に悪影響を与えうる。一方、スコッチヨーク機構にかかる負荷を下げれば、スコッチヨーク機構にかかる軸方向負荷およびモータにかかる負荷トルクも下がる。したがって、本実施の形態では、スコッチヨーク機構１４に係る負荷を取得することとしている。以下、実施の形態に係る極低温冷凍機について具体的に説明する。

図６は、実施の形態に係る極低温冷凍機１００を示す模式図である。図１、５との違いに焦点を当てる。

第１駆動軸３８は、第１小形部３８ａと、断面積が第１小形部３８ａよりも大きい第１大形部３８ｂと、を有する。本実施の形態では、第１小形部３８ａおよび第１大形部３８ｂは、いずれも円柱形状を有する。

第２駆動軸４０は、第２小形部４０ａと、断面積が第２小形部４０ａよりも大きい第２大形部４０ｂと、断面積が第２小形部４０ａよりも大きく第２大形部４０ｂよりも小さい第２中形部４０ｃと、を有する。なお、第２小形部４０ａと第２中形部４０ｃの断面積の大小関係は逆であってもよい。

第１駆動軸３８の第１小形部３８ａには、２つのひずみセンサ７６が軸を挟んで対向するよう貼り付けられる。ひずみセンサ７６は、駆動機構収容室６０に位置する第１駆動軸３８の部分に取り付けられる。同様に、第２駆動軸４０の第２小形部４０ａにも、軸を挟んで対向するよう２つのひずみセンサ７７が貼り付けられる。ひずみセンサ７７は、駆動機構収容室６０に位置する第２駆動軸４０の部分に取り付けられる。なお、ひずみセンサ７６，７７は、好ましくは、ころ軸受３６の近傍に設けられる。

ハウジング１６は、駆動機構収容室６０と、第１アシスト室６２と、第２アシスト室６４と、を有する。第１アシスト室６２、駆動機構収容室６０、第２アシスト室６４は、この順に上から並んでいる。

第１アシスト室６２、第１バルブ７８、第２バルブ８０は、第２の前提技術の第１アシスト室６２、第１バルブ７８、第２バルブ８０と同様に構成される。したがって、第１駆動軸３８には式（１）の軸方向の力がアシスト力として作用する。

第２アシスト室６４は、第２大形部４０ｂの下端部と、第２中形部４０ｃの上側の部分と、を収容する。言い換えると、第２アシスト室６４は、第２大形部４０ｂと第２中形部４０ｃの接続部分を収容する。第２アシスト室６４の上方には、シール７０が設けられる。シール７０は、第２大形部４０ｂの軸方向の移動を許容しつつ、第２アシスト室６４を駆動機構収容室６０から気密に隔離する。第２アシスト室６４の下方には、シール７４が設けられる。シール７４は、第２中形部４０ｃの軸方向の移動を許容しつつ、第２アシスト室６４をガス室２０から気密に隔離する。シール７０、シール７４には、シール６６と同様に、例えばスリッパシールやクリアランスシールを用いることができる。

第２アシスト室６４には、高圧配管２ａと低圧配管２ｂとが接続される。第２アシスト室６４と圧縮機１の間の高圧配管２ａ上には第３バルブ８２が、第２アシスト室６４と圧縮機１の間の低圧配管２ｂ上には第４バルブ８４が設けられる。第３バルブ８２が開かれると、第２アシスト室６４の冷媒ガスは、高圧状態となる。第４バルブ８４が開かれると、第２アシスト室６４の冷媒ガスは、低圧状態となる。上述のように第２アシスト室６４は駆動機構収容室６０およびガス室２０から気密に隔離されているため、第２駆動軸４０には、第２アシスト室６４と駆動機構収容室６０およびガス室２０との圧力差により、次式で表される軸方向の力Ｆ_２が作用する。ここでは、下向きを正としている。
Ｆ_２＝Ｓ_Ｍ×（Ｐ_Ｌ−Ｐ_Ｖ）＋Ｓ_Ｌ×（Ｐ_Ｖ−Ｐ_Ｒ） （２）
ここで、Ｓ_Ｍは第２駆動軸４０の第２大形部４０ｂの断面積、Ｐ_Ｖは第２アシスト室６４の圧力、Ｓ_Ｌは第２駆動軸４０の第２中形部４０ｃの断面積、Ｐ_Ｒはガス室２０の圧力である。

駆動機構収容室６０は、上述のように低圧に維持され、また、Ｓ_ＭがＳ_Ｌより十分に大きければ式（２）の第２項は無視できるため、第２アシスト室６４の冷媒ガスが高圧状態になると、第２アシスト室６４と駆動機構収容室６０との圧力差により、第２駆動軸４０には軸方向上方への力が作用する。第２駆動軸４０はスコッチヨーク機構１４を介してディスプレーサ１２に接続されているため、この力によりディスプレーサ１２は軸方向上方に付勢される。すなわち、第２アシスト室６４に供給された作動ガスの圧力は、スコッチヨーク機構１４によりディスプレーサ１２が上方向に移動する際、これをアシストするアシスト力として作用しうる。

図７は、図６の制御装置４の機能構成を示すブロック図である。図３との違いに焦点を当てる。
制御装置４は、圧縮機制御部５３と、モータ制御部５４と、ひずみ情報取得部５５と、力演算部５６と、バルブ制御部５７と、を含む。

ひずみ情報取得部５５は、ひずみセンサ７６，７７から、第１小形部３８ａ、第２小形部４０ａのひずみ量の測定値を取得する。

力演算部５６は、スコッチヨーク機構１４にかかる軸方向の力Ｆ_３を演算する。本実施の形態では、ひずみ情報取得部５５が取得したひずみ量から演算する。ここでは、下向きを正としている。
Ｆ_３＝Ｘ_１×Ｓ_Ｔ×Ｅ−Ｘ_２×Ｓ_Ｎ×Ｅ （３）
ここで、Ｘ_１は第１小形部３８ａのひずみ量、Ｓ_Ｔは第１小形部３８ａの断面積、Ｘ_２は第２小形部４０ａのひずみ量、Ｓ_Ｎは第２小形部４０ａの断面積、Ｅは駆動軸の素材のヤング率である。

バルブ制御部５７は、第１バルブ７８〜第４バルブ８４の開閉を制御する。第１バルブ７８が開き、第２バルブ８０が閉じた状態では第１アシスト室６２は高圧になり、式（１）の軸方向下向きのアシスト力がスコッチヨーク機構１４に作用する。一方、第３バルブ８２が開き、第４バルブ８４が閉じた状態では第２アシスト室６４は高圧になり、式（２）の軸方向上向きのアシスト力がスコッチヨーク機構１４に作用する。

したがって、式（３）で演算される力が「−」の場合は、バルブ制御部５７は、第１バルブ７８を開、第２バルブ８０を閉にして第１アシスト室６２を高圧にし、第４バルブ８４を開、第３バルブ８２を閉にして第２アシスト室６４を低圧にして、下向きのアシスト力をスコッチヨーク機構１４に作用させる。

一方、式（３）で演算される力が「＋」の場合は、バルブ制御部５７は、第２バルブ８０を開、第１バルブ７８を閉にして第１アシスト室６２を低圧にし、第３バルブ８２を開、第４バルブ８４を閉にして第２アシスト室６４を高圧にして、上向きのアシスト力をスコッチヨーク機構１４に作用させる。

つまり、バルブ制御部５７は、スコッチヨーク機構１４およびモータ１８にかかる負荷が緩和されるように、すなわちゼロに近づくように第１バルブ７８〜第４バルブ８４の開閉を制御することで、スコッチヨーク機構１４にアシスト力を作用させる。

以上説明した実施の形態に係る極低温冷凍機１００によると、軸方向下向きのアシスト力に加えて、軸方向上向きのアシスト力を任意のタイミングにおいてスコッチヨーク機構１４に作用させることができる。そのため、運転サイクルのどのタイミングでもスコッチヨーク機構１４にかかる負荷を低減できる。これにより、スコッチヨーク機構１４の構成部品にかかる負荷も低減され、それらの長寿命化を図ることができる。また、スコッチヨーク機構１４を駆動するモータ１８にかかる負荷トルクも低減されるため、同期脱出の発生も抑止される。

また、実施の形態に係る極低温冷凍機１００によると、スコッチヨーク機構１４にかかる力をモニタリングし、スコッチヨーク機構１４にかかる負荷を緩和するようアシスト力を作用させることができる。そのため、極低温冷凍機１００の姿勢、運転状態（すなわち過渡運転状態であるか定常運転状態であるか）、機差などによらずに、適切なタイミングで適切な大きさのアシスト力を作用させることができる。

また、実施の形態に係る極低温冷凍機１００によると、ひずみセンサ７６，７７は、駆動機構収容室６０に位置する第１駆動軸３８および第２駆動軸４０のクランクピン２８ａに近い上端付近に取り付けられる。そのため、圧力損失による力、ディスプレーサ１２の自重による負荷、駆動慣性力、シールの摩擦負荷など、駆動に伴う負荷に関するほぼすべての情報をひずみセンサ７６，７７により取得できる。つまり、スコッチヨーク機構１４にかかる負荷を比較的正確に演算できる。

また、実施の形態に係る極低温冷凍機１００によると、ひずみセンサ７６，７７は、第１駆動軸３８の第１小形部３８ａや、第２駆動軸４０の第２小形部４０ａに貼り付けられる。言い換えると、他の部分よりも断面積が小さいくびれ部に貼り付けられる。くびれ部はひずみが生じ易いため、他の部分に貼り付けた場合と比べ、より正確にひずみ量を取得でき、スコッチヨーク機構１４にかかる軸方向の力をより正確に演算できる。

以上、実施の形態に係る極低温冷凍機について説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。以下変形例を示す。

（変形例１）
実施の形態では、第１アシスト室６２を高圧にするとともに第２アシスト室６４を低圧にすることで、軸方向下向きのアシスト力を作用させ、第１アシスト室６２を低圧にするとともに第２アシスト室６４を高圧にすることで、軸方向上向きのアシスト力を作用させる場合について説明したが、これに限られない。第１アシスト室６２または第２アシスト室６４の一方を低圧と高圧の間の圧力に固定し、第１アシスト室６２または第２アシスト室６４の他方を低圧と高圧とを切り替えてもよい。例えば、第１アシスト室６２の圧力を低圧と高圧との中間圧に固定してもよい。この場合、第１バルブ７８と第２バルブ８０とをそれぞれ１／２の開度で開くことで中間圧に固定してもよい。本変形例によると、一方のアシスト室の圧力を低圧と高圧で切り替えればよいため、制御が比較的容易となる。

実施の形態では、第１アシスト室６２、駆動機構収容室６０、第２アシスト室６４がこの順に上から並んでいる場合について説明したが、これに限られない。図８は、実施の形態の変形例に係る極低温冷凍機１００を示す。本変形例では、第１アシスト室６２と駆動機構収容室６０の間に第２アシスト室６４が設けられている。本変形例によると、実施の形態に係る極低温冷凍機１００と同様の作用効果を奏することができる。

（変形例２）
実施の形態では、極低温冷凍機１００の膨張機３の段数が一段である場合について説明したが、これに限られず、膨張機３の段数は二段以上であってもよい。

（変形例３）
実施の形態では、第１駆動軸３８と第２駆動軸４０の両方に貼り付けられたひずみセンサからの測定値に基づいてスコッチヨーク機構１４にかかる負荷を演算する場合について説明したが、これに限られない。極低温冷凍機１００が使用される環境、極低温冷凍機１００の使われ方によっては、第１駆動軸３８または第２駆動軸４０の一方のひずみ量からスコッチヨーク機構１４にかかる負荷を演算しても十分な場合もある。この場合は、第１駆動軸３８または第２駆動軸４０の一方にだけひずみセンサを貼り付ければよい。

（変形例４）
実施の形態では、制御装置４がモータ制御部５４を含む場合について説明したが、これに限られない。例えばモータ１８が一定速度で回転するモータである場合、制御装置４はモータ制御部５４を有しなくてもよい。

上述した前提技術と実施の形態と変形例の任意の組み合わせもまた本発明の実施の形態として有用である。組み合わせによって生じる新たな実施の形態は、組み合わされる実施の形態および変形例それぞれの効果をあわせもつ。

１ 圧縮機、 ３ 膨張機、 ４ 制御装置、 １０ シリンダ、 １２ ディスプレーサ、 １４ スコッチヨーク機構、 １６ ハウジング、 ３４ ヨーク板、 ３８ 第１駆動軸、 ４０ 第２駆動軸、 ５５ ひずみ情報取得部、 ５６ 力演算部、 ５７ バルブ制御部、 ６０ 駆動機構収容室、 ６２ 第１アシスト室、 ６４ 第２アシスト室、 ７６ ひずみセンサ、 １００ 極低温冷凍機。

Claims (4)

1. 軸方向に延在するディスプレーサと、
   前記ディスプレーサを軸方向に往復移動可能に収容するシリンダと、
   前記ディスプレーサを駆動する駆動機構と、
   前記駆動機構を収容するハウジングと、を備え、
   前記駆動機構は、偏心回転体と、前記偏心回転体の回転により往復移動するヨーク板と、前記ヨーク板から軸方向に延出する軸部と、を含み、
   前記ハウジングは、前記偏心回転体と前記ヨーク板とを収容する第１室と、前記第１室に隣接して前記軸部の一部を収容し、前記第１室よりも高圧に調整可能な第２室と、を含み、
   本極低温冷凍機は、前記駆動機構にかかる軸方向の力に関する情報を取得し、その力を緩和するよう前記第２室の圧力を調整する制御装置をさらに備えることを特徴とする極低温冷凍機。
2. 前記制御装置は、前記軸部に取り付けられたひずみセンサから前記軸部の軸方向のひずみ量を取得する取得部と、ひずみ量から前記駆動機構にかかる軸方向の力を演算する力演算部と、を含むことを特徴とする請求項１に記載の極低温冷凍機。
3. 前記ひずみセンサは、前記第１室に位置する前記軸部の部分に取り付けられることを特徴とする請求項２に記載の極低温冷凍機。
4. 前記軸部は、くびれ部を有し、前記ひずみセンサは、当該くびれ部に取り付けられてい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。