JP2017120162A

JP2017120162A - 極低温冷凍機およびロータリバルブ機構

Info

Publication number: JP2017120162A
Application number: JP2015257052A
Authority: JP
Inventors: 孝明森江; Takaaki Morie; 名堯許; Meigyo Kyo; 乾包; Qian Bao
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2015-12-28
Filing date: 2015-12-28
Publication date: 2017-07-06
Also published as: CN106996654A; US20170184328A1; CN106996654B

Abstract

【課題】極低温冷凍機のロータリバルブ機構の信頼性を向上する。
【解決手段】ロータリバルブ機構は、樹脂製のドーム状のロータバルブ高圧凹部６８および金属製の高圧流路の一方を備えるステータバルブ部材と、樹脂製のドーム状のロータバルブ高圧凹部６８および金属製の高圧流路の他方を備え、ロータバルブ高圧凹部６８に高圧流路を連通してなる高圧領域を密封し低圧周囲環境から隔離するようステータバルブ部材に隣接配置されるロータバルブ部材３４ａと、を備える。
【選択図】図５

Description

本発明は、極低温冷凍機、および極低温冷凍機のロータリバルブ機構に関する。

ギフォード・マクマホン（Gifford-McMahon；ＧＭ）冷凍機に代表される極低温冷凍機は、作動ガス（冷媒ガスともいう）の膨張機と圧縮機を有する。膨張機はたいてい、駆動手段によって軸方向に往復移動するディスプレーサとこれに内蔵された蓄冷器を有する。ディスプレーサは、その往復移動を案内するシリンダに収容されている。シリンダに対するディスプレーサの相対移動により両者の間に形成される可変容積が、作動ガスの膨張室として用いられる。膨張室の容積変化と圧力変化とを適切に同期させることによって、膨張機は寒冷を発生させることができる。

そのため、極低温冷凍機は、膨張室の圧力を制御するためのバルブ部を備える。バルブ部は、圧縮機から膨張機への高圧作動ガス供給と膨張機から圧縮機への低圧作動ガス回収とを交互に切り替えるよう構成されている。バルブ部には通例ロータリバルブ機構が用いられる。バルブ部は、パルス管冷凍機などその他の極低温冷凍機にも備えられている。

特開平９−２３６３４７号公報

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、極低温冷凍機のロータリバルブ機構の信頼性を向上することにある。

本発明のある態様によると、極低温冷凍機は、圧縮機吐出口および圧縮機吸入口を備える作動ガスの圧縮機と、ガス膨張室と、前記圧縮機吸入口に連通される低圧ガス室と、を備える膨張機と、前記低圧ガス室に配設され、ステータ側回転摺動面と、前記ステータ側回転摺動面に開口され前記圧縮機吐出口に連通される高圧ガス流入口と、前記ステータ側回転摺動面に開口され前記ガス膨張室に連通されるガス流通口と、を備えるステータバルブ部材と、前記ステータバルブ部材に対し軸まわりに回転するよう前記低圧ガス室に配設され、ロータバルブ高圧凹部を前記低圧ガス室から隔離するよう構成されるロータバルブ樹脂部材であって、前記ロータバルブ高圧凹部は、ロータバルブ樹脂部材の回転の一周期の一部において前記高圧ガス流入口を前記ガス流通口に連通し当該一周期の残部において前記高圧ガス流入口を前記ガス流通口とは不通とするよう形成されるロータバルブ樹脂部材と、を備える。前記ロータバルブ樹脂部材は、前記低圧ガス室に面するロータバルブ外周面と、前記ロータバルブ高圧凹部の周囲で前記ステータ側回転摺動面に面接触するロータ側回転摺動面と、前記ロータバルブ高圧凹部に面する凹部底壁面と、前記ロータ側回転摺動面上に凹部輪郭線を形成し前記凹部輪郭線から前記凹部底壁面に向けて延びる凹部周壁面であって、前記ロータバルブ外周面への樹脂厚さが前記凹部輪郭線に沿って変化する凹部周壁面と、前記凹部周壁面から前記ロータバルブ外周面への第１最小樹脂厚さを有する第１樹脂薄肉部であって、前記凹部底壁面を前記凹部周壁面に接続し前記凹部底壁面および前記凹部周壁面それぞれに対し傾斜した第１傾斜接合領域を有する第１樹脂薄肉部と、を備える。

本発明のある態様によると、極低温冷凍機のロータリバルブ機構は、極低温冷凍機の低圧ガス室に配設され、ステータ側回転摺動面と、前記ステータ側回転摺動面に開口される高圧ガス流入口と、前記ステータ側回転摺動面に開口されるガス流通口と、を備えるステータバルブ部材と、前記ステータバルブ部材に対し軸まわりに回転するよう前記低圧ガス室に配設され、ロータバルブ高圧凹部を前記低圧ガス室から隔離するよう構成されるロータバルブ樹脂部材であって、前記ロータバルブ高圧凹部は、ロータバルブ樹脂部材の回転の一周期の一部において前記高圧ガス流入口を前記ガス流通口に連通し当該一周期の残部において前記高圧ガス流入口を前記ガス流通口とは不通とするよう形成されるロータバルブ樹脂部材と、を備える。前記ロータバルブ樹脂部材は、前記低圧ガス室に面するロータバルブ外周面と、前記ロータバルブ高圧凹部の周囲で前記ステータ側回転摺動面に面接触するロータ側回転摺動面と、前記ロータバルブ高圧凹部に面する凹部底壁面と、前記ロータ側回転摺動面上に凹部輪郭線を形成し前記凹部輪郭線から前記凹部底壁面に向けて延びる凹部周壁面であって、前記ロータバルブ外周面からの樹脂厚さが前記凹部輪郭線に沿って変化する凹部周壁面と、前記凹部周壁面から前記ロータバルブ外周面への最小樹脂厚さを有する樹脂薄肉部であって、前記凹部底壁面を前記凹部周壁面に接続し前記凹部底壁面および前記凹部周壁面それぞれに対し傾斜した傾斜接合領域を有する樹脂薄肉部と、を備える。

本発明のある態様によると、ロータリバルブ機構は、樹脂製のドーム状高圧凹部および金属製の高圧流路の一方を備えるステータバルブ部材と、前記樹脂製のドーム状高圧凹部および前記金属製の高圧流路の他方を備え、前記ドーム状高圧凹部に前記高圧流路を連通してなる高圧領域を密封し低圧周囲環境から隔離するよう前記ステータバルブ部材に隣接配置されるロータバルブ部材と、を備える。

なお、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、極低温冷凍機のロータリバルブ機構の信頼性を向上することができる。

本発明のある実施形態に係る極低温冷凍機の全体構成を概略的に示すとともに、極低温冷凍機の膨張機の断面を概略的に示す。図１に示す極低温冷凍機に使用されうるロータリバルブの要部を概略的に示す分解斜視図である。図１に示す極低温冷凍機に使用されうるロータバルブ部材を概略的に示す斜視図である。図３に示すロータバルブ部材に関し高圧流路の作動ガス流速のシミュレーション結果を表す図である。本発明のある実施形態に係るロータバルブ部材を概略的に示す斜視図である。図５に示すロータバルブ部材に作用するミゼス応力のシミュレーション結果を表す図である。

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。なお、説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。また、以下に述べる構成は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。

ある実施形態においては、極低温冷凍機のロータリバルブ機構は、金属製（または樹脂製）のステータバルブ部材と、ステータバルブ部材に対し回転摺動する樹脂製（または金属製）のロータバルブ部材と、を備える。ステータバルブ部材およびロータバルブ部材はそれぞれステータバルブプレートおよびロータバルブプレートとも呼ばれうる。

ロータリバルブ機構は、相対的に低圧の作動ガスで満たされた低圧室に設置されている。金属部材は高圧作動ガスのための高圧流路を備え、高圧流路は金属部材に貫通形成されている。樹脂部材は高圧作動ガスのためのドーム状高圧凹部を備える。ドーム状凹部は凹部深さ方向に垂直な断面が深さ方向に徐々に小さくなるよう成形されている。ドーム状凹部は任意の加工方法で成形されうるが、例えばフィレット加工または面取り加工によって形成されてもよい。ロータバルブ部材は、樹脂製のドーム状高圧凹部に金属製の高圧流路を連通してなる高圧領域を密封し低圧周囲環境から隔離するようステータバルブ部材に隣接配置される。ドーム状凹部は、ロータリバルブ機構の一周期の回転の少なくとも一部において高圧流路に連通され、他の一部において遮断されうる。

そのためロータバルブ部材およびステータバルブ部材の中実部分の少なくとも一部（とくに上記高圧領域に面する部分）は、高圧と低圧との差圧負荷を受ける圧力隔壁として働く。ドーム状凹部はその深さ方向に隔壁部の肉厚を徐々に厚くする。これによりドーム状凹部表面及び／または隔壁内部に作用する応力が低減される。とくに樹脂部材の薄肉部における応力低減は、当該箇所の破損リスクを低減しロータリバルブ機構の信頼性を向上する。また、ドーム状凹部表面は作動ガス流れに顕著に影響する鋭い角部を有しないので、これは作動ガス流れの圧力損失低減ひいては冷凍性能向上にも役立つ。

図１は、本発明のある実施形態に係る極低温冷凍機１０を概略的に示す図である。極低温冷凍機１０は、作動ガスを圧縮する圧縮機１２と、作動ガスを断熱膨張により冷却する膨張機１４とを備える。作動ガスは例えばヘリウムガスである。膨張機１４はコールドヘッドとも呼ばれる。膨張機１４には作動ガスを予冷する蓄冷器１６が備えられている。極低温冷凍機１０は、圧縮機１２と膨張機１４とを各々が接続する第１管１８ａと第２管１８ｂを含むガス配管１８を備える。図示される極低温冷凍機１０は、単段式のＧＭ冷凍機である。

知られているように、第１高圧を有する作動ガスが圧縮機１２の吐出口１２ａから第１管１８ａを通じて膨張機１４に供給される。膨張機１４における断熱膨張により、作動ガスは第１高圧からそれより低い第２高圧に減圧される。第２高圧を有する作動ガスは、膨張機１４から第２管１８ｂを通じて圧縮機１２の吸入口１２ｂに回収される。圧縮機１２は、回収された第２高圧を有する作動ガスを圧縮する。こうして作動ガスは再び第１高圧に昇圧される。一般に第１高圧及び第２高圧はともに大気圧よりかなり高い。説明の便宜上、第１高圧及び第２高圧はそれぞれ単に高圧及び低圧とも呼ばれる。通例、高圧は例えば２〜３ＭＰａであり、低圧は例えば０．５〜１．５ＭＰａである。高圧と低圧との差圧は例えば１．２〜２ＭＰａ程度である。

膨張機１４は、膨張機可動部分２０と膨張機静止部分２２とを備える。膨張機可動部分２０は、膨張機静止部分２２に対し軸方向（図１における上下方向）に往復移動可能であるよう構成されている。膨張機可動部分２０の移動方向を図１に矢印Ａで示す。膨張機静止部分２２は、膨張機可動部分２０を軸方向に往復移動可能に支持するよう構成されている。また、膨張機静止部分２２は、膨張機可動部分２０を高圧ガス（第１高圧ガス及び第２高圧ガスを含む）とともに収容する気密容器として構成されている。

膨張機可動部分２０は、ディスプレーサ２４と、その往復移動を駆動するディスプレーサ駆動軸２６とを含む。ディスプレーサ２４には蓄冷器１６が内蔵されている。ディスプレーサ２４は、蓄冷器１６を包囲するディスプレーサ部材２４ａを有する。ディスプレーサ部材２４ａの内部空間に蓄冷材が充填され、それによりディスプレーサ２４内に蓄冷器１６が形成されている。ディスプレーサ２４は、例えば、軸方向に延在する実質的に円柱状の形状を有する。ディスプレーサ部材２４ａは、軸方向において実質的に一様な外径及び内径を有する。よって、蓄冷器１６も、軸方向に延在する実質的に円柱状の形状を有する。

膨張機静止部分２２は、大まかに、シリンダ２８及び駆動機構ハウジング３０からなる二部構成を有する。膨張機静止部分２２の軸方向上部が駆動機構ハウジング３０であり、膨張機静止部分２２の軸方向下部がシリンダ２８であり、これらは相互に堅く結合されている。シリンダ２８は、ディスプレーサ２４の往復移動を案内するよう構成されている。シリンダ２８は、駆動機構ハウジング３０から軸方向に延在する。シリンダ２８は、軸方向において実質的に一様な内径を有し、よって、シリンダ２８は、軸方向に延在する実質的に円筒の内面を有する。この内径は、ディスプレーサ部材２４ａの外径よりわずかに大きい。

また、膨張機静止部分２２は、冷却ステージ３２を含む。冷却ステージ３２は、軸方向において駆動機構ハウジング３０と反対側でシリンダ２８の末端に固定されている。冷却ステージ３２は、膨張機１４が生成する寒冷を他の物体に伝導するために設けられている。その物体は冷却ステージ３２に取り付けられ、極低温冷凍機１０の動作時に冷却ステージ３２によって冷却される。

極低温冷凍機１０の動作時において、蓄冷器１６は、軸方向において一方側（図において上側）に蓄冷器高温部１６ａを有し反対側（図において下側）に蓄冷器低温部１６ｂを有する。このように蓄冷器１６は軸方向に温度分布を有する。蓄冷器１６を包囲する膨張機１４の他の構成要素（例えばディスプレーサ２４及びシリンダ２８）も同様に軸方向温度分布を有し、従って膨張機１４はその動作時に軸方向一方側に高温部を有し軸方向他方側に低温部を有する。高温部は、例えば室温程度の温度を有する。低温部は、極低温冷凍機１０の用途により異なるが、例えば約１００Ｋから約１０Ｋの範囲に含まれるある温度に冷却される。冷却ステージ３２は、シリンダ２８の低温部を外包するようにシリンダ２８に固着されている。

本書では説明の便宜上、軸方向、径方向、周方向との用語が使用される。軸方向は、矢印Ａで図示されるように、膨張機静止部分２２に対する膨張機可動部分２０の移動方向を表す。径方向は軸方向に垂直な方向（図において横方向）を表し、周方向は軸方向を囲む方向を表す。膨張機１４のある要素が軸方向に関して冷却ステージ３２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。よって、膨張機１４の高温部及び低温部はそれぞれ軸方向において上部及び下部に位置する。こうした表現は、膨張機１４の要素間の相対的な位置関係の理解を助けるために用いられるにすぎず、現場で設置されるときの膨張機１４の配置とは関係しない。例えば、膨張機１４は、冷却ステージ３２を上向きに駆動機構ハウジング３０を下向きにして設置されてもよい。あるいは、膨張機１４は、軸方向を水平方向に一致させるようにして設置されてもよい。

また、ロータリバルブ機構についても、軸方向、径方向、周方向との用語が使用される。この場合、軸方向は、ロータリバルブ機構の回転軸の方向を表す。

膨張機１４における作動ガスの流路構成を説明する。膨張機１４は、バルブ部３４、ハウジングガス流路３６、上部ガス室３７、ディスプレーサ上蓋ガス流路３８、ディスプレーサ下蓋ガス流路３９、ガス膨張室４０、及び低圧ガス室４２を備える。高圧ガスは、第１管１８ａからバルブ部３４、ハウジングガス流路３６、上部ガス室３７、ディスプレーサ上蓋ガス流路３８、蓄冷器１６、ディスプレーサ下蓋ガス流路３９を経てガス膨張室４０に流入する。ガス膨張室４０からの戻りガスは、ディスプレーサ下蓋ガス流路３９、蓄冷器１６、ディスプレーサ上蓋ガス流路３８、上部ガス室３７、ハウジングガス流路３６、バルブ部３４を経て低圧ガス室４２に受け入れられる。

詳細は後述するが、バルブ部３４は、ディスプレーサ２４の往復移動と同期してガス膨張室４０の圧力を制御するよう構成されている。バルブ部３４は、高圧ガスをガス膨張室４０に供給するための供給路の一部として機能するとともに、低圧ガスをガス膨張室４０から排出するための排出路の一部として機能する。バルブ部３４は、ディスプレーサ２４が下死点またはその近傍を通過するとき低圧ガスの排出を終了し高圧ガスの供給を開始するよう構成されている。バルブ部３４は、ディスプレーサ２４が上死点またはその近傍を通過するとき高圧ガスの供給を終了し低圧ガスの排出を開始するよう構成されている。このように、バルブ部３４は、ディスプレーサ２４の往復移動と同期して作動ガスの供給機能と排出機能とを切り替えるよう構成されている。

ハウジングガス流路３６は、膨張機静止部分２２と上部ガス室３７との間のガス流通のために駆動機構ハウジング３０に貫通形成されている。

上部ガス室３７は、蓄冷器高温部１６ａの側で膨張機静止部分２２とディスプレーサ２４との間に形成されている。より詳しくは、上部ガス室３７は、軸方向において駆動機構ハウジング３０とディスプレーサ２４とに挟まれ、周方向にシリンダ２８に囲まれている。上部ガス室３７は、低圧ガス室４２に隣接する。上部ガス室３７は室温室とも呼ばれる。上部ガス室３７は膨張機可動部分２０と膨張機静止部分２２との間に形成された可変容積である。

ディスプレーサ上蓋ガス流路３８は、蓄冷器高温部１６ａを上部ガス室３７に連通するよう形成されたディスプレーサ部材２４ａの少なくとも１つの開口である。ディスプレーサ下蓋ガス流路３９は、蓄冷器低温部１６ｂをガス膨張室４０に連通するよう形成されたディスプレーサ部材２４ａの少なくとも１つの開口である。ディスプレーサ２４とシリンダ２８とのクリアランスを封じるシール部４４が、ディスプレーサ部材２４ａの側面に設けられている。シール部４４は、ディスプレーサ上蓋ガス流路３８を周方向に囲むようディスプレーサ部材２４ａに取り付けられていてもよい。

ガス膨張室４０は、蓄冷器低温部１６ｂの側でシリンダ２８とディスプレーサ２４との間に形成されている。ガス膨張室４０は上部ガス室３７と同様に膨張機可動部分２０と膨張機静止部分２２との間に形成された可変容積であり、シリンダ２８に対するディスプレーサ２４の相対移動によってガス膨張室４０の容積は上部ガス室３７の容積と相補的に変動する。シール部４４が設けられているので、上部ガス室３７とガス膨張室４０との直接のガス流通（つまり蓄冷器１６を迂回するガス流れ）はない。

低圧ガス室４２は、駆動機構ハウジング３０の内部に画定されている。第２管１８ｂが駆動機構ハウジング３０に接続されており、それにより低圧ガス室４２が第２管１８ｂを通じて圧縮機１２の吸入口１２ｂに連通している。そのため、低圧ガス室４２は常に低圧に維持される。

ディスプレーサ駆動軸２６は、ディスプレーサ２４から上部ガス室３７を貫通して低圧ガス室４２へと突き出している。膨張機静止部分２２は、ディスプレーサ駆動軸２６を軸方向に移動可能に支持する一対の駆動軸ガイド４６ａ、４６ｂを備える。駆動軸ガイド４６ａ、４６ｂはそれぞれ、ディスプレーサ駆動軸２６を囲むように駆動機構ハウジング３０に設けられている。軸方向下側の駆動軸ガイド４６ｂまたは駆動機構ハウジング３０の下端部は気密に構成されており、そのため低圧ガス室４２は上部ガス室３７から隔離されている。低圧ガス室４２と上部ガス室３７との直接のガス流通はない。

膨張機１４は、低圧ガス室４２に収容され、ディスプレーサ２４を駆動する駆動機構４８を備える。駆動機構４８は、モータ４８ａ及びスコッチヨーク機構４８ｂを含む。ディスプレーサ駆動軸２６はスコッチヨーク機構４８ｂの一部を形成する。また、スコッチヨーク機構４８ｂは、モータ４８ａの出力軸と平行に延在するとともに当該出力軸から偏心したクランクピン４９を備える。ディスプレーサ駆動軸２６はスコッチヨーク機構４８ｂによって軸方向に駆動されるようスコッチヨーク機構４８ｂに連結されている。したがって、モータ４８ａの回転によりディスプレーサ２４の軸方向往復移動が駆動される。駆動軸ガイド４６ａ、４６ｂは、スコッチヨーク機構４８ｂを挟んで軸方向に異なる位置にある。

バルブ部３４は、駆動機構４８に連結され、駆動機構ハウジング３０に収容されている。バルブ部３４は、ロータリバルブの形式をとる。バルブ部３４は、ロータバルブ樹脂部材（以下、単にロータバルブ部材ともいう）３４ａ及びステータバルブ金属部材（以下、単にステータバルブ部材ともいう）３４ｂを備える。つまり、ロータバルブ部材３４ａは樹脂材料（例えば、エンジニアリングプラスチック材料、フッ素樹脂材料）で形成され、ステータバルブ部材３４ｂは、金属（例えばアルミ材または鉄材）で形成されている。なお逆に、ロータバルブ部材３４ａが金属で形成され、ステータバルブ部材３４ｂが樹脂で形成されてもよい。

ロータバルブ部材３４ａは、モータ４８ａの回転により回転するようモータ４８ａの出力軸に連結されている。ロータバルブ部材３４ａは、ステータバルブ部材３４ｂに対し回転摺動するようステータバルブ部材３４ｂと面接触している。ステータバルブ部材３４ｂは、駆動機構ハウジング３０に固定されている。ステータバルブ部材３４ｂは、第１管１８ａから駆動機構ハウジング３０に入る高圧ガスを受け入れるよう構成されている。

上記の構成をもつ極低温冷凍機１０の動作を説明する。ディスプレーサ２４がシリンダ２８の下死点またはその近傍の位置に移動するとき、バルブ部３４は、圧縮機１２の吐出口１２ａをガス膨張室４０に接続するよう切り替わる。極低温冷凍機１０の吸気工程が開始される。高圧ガスが、バルブ部３４からハウジングガス流路３６、上部ガス室３７、ディスプレーサ上蓋ガス流路３８を通じて蓄冷器高温部１６ａに入る。ガスは蓄冷器１６を通過しながら冷却され、蓄冷器低温部１６ｂからディスプレーサ下蓋ガス流路３９を通じてガス膨張室４０に入る。ガスがガス膨張室４０に流入する間、ディスプレーサ２４はシリンダ２８の上死点に向けて移動する。それによりガス膨張室４０の容積が増加される。こうしてガス膨張室４０は高圧ガスで満たされる。

ディスプレーサ２４がシリンダ２８の上死点またはその近傍の位置に移動するとき、バルブ部３４は、圧縮機１２の吸入口１２ｂをガス膨張室４０に接続するよう切り替わる。吸気工程は終了され排気工程が開始される。高圧ガスはガス膨張室４０で膨張し冷却される。膨張したガスは、ガス膨張室４０からディスプレーサ下蓋ガス流路３９を通じて蓄冷器１６に入る。ガスは蓄冷器１６を通過しながら冷却する。ガスは、蓄冷器１６からハウジングガス流路３６、バルブ部３４、低圧ガス室４２を経て圧縮機１２に戻る。ガスがガス膨張室４０から流出する間、ディスプレーサ２４はシリンダ２８の下死点に向けて移動する。それによりガス膨張室４０の容積が減少され、ガス膨張室４０から低圧ガスが排出される。排気工程が終了すると再び吸気工程が開始される。

以上が極低温冷凍機１０における１回の冷却サイクルである。極低温冷凍機１０は冷却サイクルを繰り返すことで、冷却ステージ３２を所望の温度に冷却する。よって、極低温冷凍機１０は、冷却ステージ３２に熱的に結合された物体を極低温に冷却することができる。

図２は、図１に示す極低温冷凍機１０に使用されうる例示的なロータリバルブの要部を概略的に示す分解斜視図である。図２に示す一点鎖線Ｙは、バルブ部３４の回転軸を表す。

ステータバルブ部材３４ｂは平坦なステータ側回転摺動面５０を有し、ロータバルブ部材１３４ａは同じく平坦なロータ側回転摺動面５２を有する。ステータ側回転摺動面５０およびロータ側回転摺動面５２はともに回転軸Ｙに垂直である。ステータ側回転摺動面５０とロータ側回転摺動面５２が面接触することにより、冷媒ガスの漏れが防止される。

ステータバルブ部材３４ｂは、駆動機構ハウジング３０内にステータバルブ固定ピン５４で固定される。ステータバルブ固定ピン５４は、ステータバルブ部材３４ｂのステータ側回転摺動面５０と回転軸方向反対側に位置するステータバルブ端面５１に係合し、ステータバルブ部材３４ｂの回転を規制する。

ロータバルブ部材１３４ａは、図１に示すロータバルブ軸受５６により回転可能に支持されている。ロータバルブ部材１３４ａのロータ側回転摺動面５２と回転軸方向反対側に位置するロータバルブ端面５８には、クランクピン４９と係合する係合穴（図示せず）が形成されている。モータ４８ａがクランクピン４９を回転させることにより、ロータバルブ部材１３４ａはスコッチヨーク機構４８ｂと同期して回転する。また、ロータバルブ部材１３４ａは、ロータ側回転摺動面５２をロータバルブ端面５８に接続するロータバルブ外周面６０を備える。ロータバルブ外周面６０は、ロータバルブ軸受５６に支持されるとともに、低圧ガス室４２に面している。

ステータバルブ部材３４ｂは、高圧ガス流入口６２およびガス流通口６４を有する。高圧ガス流入口６２は、ステータ側回転摺動面５０の中心部に開口され、ステータバルブ部材３４ｂの中心部を回転軸方向に貫通するよう形成されている。高圧ガス流入口６２は、第１管１８ａを通じて圧縮機１２の吐出口１２ａに連通される。ガス流通口６４は、ステータ側回転摺動面５０において高圧ガス流入口６２に対し径方向外側に開口されている。ガス流通口６４は、高圧ガス流入口６２を中心とした円弧状溝に形成されている。

ステータバルブ部材３４ｂは、ガス流通口６４をハウジングガス流路３６につなぐようステータバルブ部材３４ｂに貫通形成されている連通路６６を有する。よってガス流通口６４は、連通路６６およびハウジングガス流路３６を経て最終的にガス膨張室４０に連通される。連通路６６は一端がガス流通口６４に開口され他端がステータバルブ部材３４ｂの側面に開口されている。連通路６６のガス流通口６４側の部分は回転軸方向に延びており、これに対し直交するよう連通路６６のハウジングガス流路３６側の部分は径方向に延びている。

極低温冷凍機１０の吸気行程においてはガス流通口６４を高圧ガスが流れる一方、排気工程においてはガス膨張室４０からの低圧戻りガスがガス流通口６４を流れる。

ロータバルブ部材１３４ａは、ロータバルブ高圧凹部６８およびロータバルブ開口部７０を有する。ロータ側回転摺動面５２は、ロータバルブ高圧凹部６８の周囲でステータ側回転摺動面５０に面接触する。同様に、ロータ側回転摺動面５２は、ロータバルブ開口部７０の周囲でステータ側回転摺動面５０に面接触する。

ロータバルブ高圧凹部６８は、ロータ側回転摺動面５２に開口され、長円状溝に形成されている。ロータバルブ高圧凹部６８は、ロータ側回転摺動面５２の中心部から径方向外側に延在する。ロータバルブ高圧凹部６８の深さはロータバルブ部材１３４ａの回転軸方向長さより短く、ロータバルブ高圧凹部６８はロータバルブ部材１３４ａを貫通していない。ロータ側回転摺動面５２上で高圧ガス流入口６２に対応する場所にロータバルブ高圧凹部６８の径方向一端が位置する。そのためロータバルブ高圧凹部６８は高圧ガス流入口６２に常時接続されている。ロータバルブ高圧凹部６８の径方向他端は、ステータバルブ部材３４ｂのガス流通口６４と概ね同一円周上に位置するよう形成されている。

このようにして、バルブ部３４に吸気バルブが構成される。ロータバルブ高圧凹部６８は、ロータバルブ部材１３４ａの回転の一周期の一部（例えば吸気工程）において高圧ガス流入口６２をガス流通口６４に連通し、当該一周期の残部（例えば排気工程）において高圧ガス流入口６２をガス流通口６４とは不通とするよう形成されている。ロータバルブ高圧凹部６８および高圧ガス流入口６２からなる二区域、または、ロータバルブ高圧凹部６８、高圧ガス流入口６２、およびガス流通口６４からなる三区域は、互いに連通してバルブ部３４内に高圧領域（または高圧流路）を形成する。ロータバルブ部材１３４ａは、高圧領域を密封し低圧周囲環境（すなわち低圧ガス室４２）から隔離するようステータバルブ部材３４ｂに隣接配置されている。ロータバルブ高圧凹部６８は、バルブ部３４の高圧流路における流れ方向変更部または流路折り返し部として設けられている。

一方、ロータバルブ開口部７０は、ロータバルブ部材１３４ａのロータ側回転摺動面５２からロータバルブ端面５８まで貫通する円弧状孔であり、低圧ガス室４２と連通する低圧流路を形成する。ロータバルブ開口部７０は、ロータ側回転摺動面５２の中心部に対しロータバルブ高圧凹部６８の外端部と概ね径方向反対側に位置する。ロータバルブ開口部７０は、ステータバルブ部材３４ｂのガス流通口６４と概ね同一円周上に位置するよう形成されている。このようにして、バルブ部３４に排気バルブが構成される。ロータバルブ部材１３４ａは、高圧ガス流入口６２がガス流通口６４から不通となる期間の少なくとも一部（例えば排気工程）においてガス流通口６４を低圧ガス室４２に連通するよう形成されている。

図３は、図１に示す極低温冷凍機１０に使用されうるロータバルブ部材２３４ａを概略的に示す斜視図である。ロータバルブ部材２３４ａは、図２に示すロータバルブ部材１３４ａと同様にロータバルブ高圧凹部６８およびロータバルブ開口部７０を有し、同様に吸排気バルブとして機能する。

ロータバルブ部材２３４ａは、凹部底壁面７２および凹部周壁面７４を備える。凹部底壁面７２は、ロータバルブ高圧凹部６８に面しておりロータバルブ高圧凹部６８の深さを定める。凹部底壁面７２は、ロータ側回転摺動面５２と平行であり回転軸方向に垂直である。凹部周壁面７４は、ロータ側回転摺動面５２上に長円状の凹部輪郭線７６を形成し、凹部輪郭線７６から凹部底壁面７２に向けて延びている。凹部周壁面７４は凹部底壁面７２と垂直に交差し、エッジ線７８を形成する。したがってエッジ線７８は、凹部輪郭線７６と同一の寸法および形状を有する。ロータバルブ開口部７０は、扇形状の貫通穴に形成されている。

ロータバルブ部材２３４ａは、凹部周壁面７４からロータバルブ外周面６０への樹脂厚さが凹部輪郭線７６に沿って変化しており、第１樹脂薄肉部８０および第２樹脂薄肉部８２を備える。第１樹脂薄肉部８０は、凹部周壁面７４からロータバルブ外周面６０への第１最小樹脂厚さ８４を有する。第２樹脂薄肉部８２は、凹部周壁面７４からロータバルブ開口部７０への第２最小樹脂厚さ８６を有する。第１最小樹脂厚さ８４は第２最小樹脂厚さ８６と等しくてもよいし異なってもよい。第１最小樹脂厚さ８４は第２最小樹脂厚さ８６より大きくてもよいし小さくてもよい。

凹部輪郭線７６は、第１円弧状部分７６ａ、第２円弧状部分７６ｂ、第１直線状部分７６ｃ、および第２直線状部分７６ｄを有する。第１円弧状部分７６ａおよび第２円弧状部分７６ｂはそれぞれ第１樹脂薄肉部８０および第２樹脂薄肉部８２に位置する。第１直線状部分７６ｃおよび第２直線状部分７６ｄは、第１円弧状部分７６ａを第２円弧状部分７６ｂに接続する。第１直線状部分７６ｃおよび第２直線状部分７６ｄは、ロータ側回転摺動面５２における中心部から径方向外側に延びており、第１直線状部分７６ｃと第２直線状部分７６ｄとの間隔は中心部から径方向外側に向かって徐々に広がっている。ロータバルブ高圧凹部６８は、中心部に比べて径方向外側で幅広である。ステータバルブ部材３４ｂのガス流通口６４が径方向外側にあるので、このようなロータバルブ高圧凹部６８の形状により、極低温冷凍機１０の吸気期間をいくらか延長することができる。

図４は、図３に示すロータバルブ部材２３４ａに関しバルブ部３４内の高圧流路の作動ガス流速シミュレーション結果を表す図である。図において流速の小さい領域が濃灰色で示され、流速の大きい領域が薄灰色で示されている。

図から理解されるように、ステータバルブ部材３４ｂの高圧ガス流入口６２からガス流通口６４へとロータバルブ高圧凹部６８で作動ガス流れが折り返されるとき、流速の小さい領域９２がエッジ線７８の近傍に形成される。この領域９２はほとんど流路として利用されず、流れに圧損を与える要因になる。領域９２は、ロータバルブ高圧凹部６８内のガス流れ領域との間にフィレット面状の境界９４を形成する。

図５は、本発明のある実施形態に係るロータバルブ部材３４ａを概略的に示す斜視図である。ロータバルブ部材３４ａは、図２に示すロータバルブ部材１３４ａおよび図３に示すロータバルブ部材２３４ａと同様にロータバルブ高圧凹部６８およびロータバルブ開口部７０を有し、同様に吸排気バルブとして機能する。

第１樹脂薄肉部８０および第２樹脂薄肉部８２はそれぞれ第１傾斜接合領域８８および第２傾斜接合領域９０を有する。第１傾斜接合領域８８は、凹部底壁面７２を凹部周壁面７４に接続し凹部底壁面７２および凹部周壁面７４それぞれに対し傾斜している。第２傾斜接合領域９０は、凹部底壁面７２を凹部周壁面７４に接続し凹部底壁面７２および凹部周壁面７４それぞれに対し傾斜している。

図示されるように、ロータバルブ部材３４ａは、凹部周壁面７４の全周にわたり凹部底壁面７２を凹部周壁面７４に接続するフィレット面を備える。第１傾斜接合領域８８および第２傾斜接合領域９０はそれぞれフィレット面の一部をなす。このようにして、ロータバルブ部材３４ａの凹部底壁面７２は、ドーム状に形成されている。ロータバルブ高圧凹部６８は、図３に示すロータバルブ部材２３４ａがもつようなエッジ線７８を有さず、凹部周壁面７４から凹部底壁面７２へと滑らかに湾曲している。

ドーム状の凹部底壁面７２は、ロータ側回転摺動面５２からのロータバルブ高圧凹部６８の最大深さを定めている。第１最小樹脂厚さ８４および第２最小樹脂厚さ８６はともに、この最大深さより小さい。このように、ロータバルブ部材３４ａの樹脂厚さは比較的薄い。これは、ロータバルブ部材３４ａを小型化に役立つ。

フィレット加工の容易性の観点から、フィレット面は、第１円弧状部分７６ａまたは第２円弧状部分７６ｂの半径より小さいフィレット半径を有する。また、フィレット半径は、円弧状部分の半径の１／１０より大きい。このようにすれば、第１樹脂薄肉部８０および第２樹脂薄肉部８２における応力緩和効果を得ることができる。フィレット半径を大きくすることにより、より大きな応力緩和効果を得ることができる。

図３に示すロータバルブ部材２３４ａと同様に、第１直線状部分７６ｃおよび第２直線状部分７６ｄは、ロータ側回転摺動面５２における中心部から径方向外側に延びており、第１直線状部分７６ｃと第２直線状部分７６ｄとの間隔は中心部から径方向外側に向かって徐々に広がっている。

上述のようにロータバルブ部材３４ａは、フッ素樹脂材料で形成されていてもよい。この場合、フィレット面は、凹部周壁面７４上に作用するミゼス応力の最大値がフッ素樹脂材料の引張強度の１／３より（または１／５より）小さくなるよう定められたフィレット半径を有してもよい。フィレット半径は、凹部周壁面７４上に作用するミゼス応力の最大値がフッ素樹脂材料の引張強度の１／５より小さくなるよう定められてもよい。このようにロータバルブ高圧凹部６８を設計することにより、第１樹脂薄肉部８０および第２樹脂薄肉部８２におけるロータバルブ部材３４ａの破損リスクを実用上十分に低減することができる。なおフィレット半径は、凹部周壁面７４上に作用するミゼス応力の最大値がフッ素樹脂材料の引張強度の１／６より（または１／８）より大きくなるよう定められてもよい。

図６は、図５に示すロータバルブ部材３４ａに作用するミゼス応力のシミュレーション結果を表す図である。図６は、極低温冷凍機１０の運転中（すなわち、ロータバルブ高圧凹部６８内の領域が高圧であり、ロータバルブ部材３４ａの周囲の領域（低圧ガス室４２）が低圧である状態）におけるシミュレーション結果を示す。図において応力の大きい領域が濃灰色で示され、応力の小さい領域が薄灰色で示されている。このシミュレーションモデルにおいてはロータバルブ開口部７０は省略されている。

図から理解されるように、ミゼス応力の最大値は、ロータバルブ高圧凹部６８に面する第１樹脂薄肉部８０の内面上に生じている。最大値は約６．６６ＭＰａである。ここで、使用されるフッ素樹脂材料の引張強度は、約３７ＭＰａである。したがって、ミゼス応力の最大値は、使用される材料の引張強度の１／５より小さい。

一方、同条件でのシミュレーション結果によると、エッジ線７８を有する図３に示すロータバルブ部材２３４ａは、ミゼス応力の最大値は同様に第１樹脂薄肉部８０の内面上に生じ、その値は約８．５ＭＰａである。

このようにして、本実施形態によると、ロータバルブ部材３４ａの樹脂薄肉部に傾斜接合領域を設けたことにより、薄肉部に作用する応力を低減することができる。薄肉部での破損リスクを低減しロータリバルブ機構の信頼性を向上することができる。また、ドーム状の凹部底壁面７２は、図４に示すような境界９４に沿って形成されうる。圧損に寄与する領域９２を材料で埋め、滑らかな湾曲表面を形成することにより、作動ガス流れの圧力損失を低減し、極低温冷凍機１０の冷凍性能を向上することができる。

以上、本発明を実施例にもとづいて説明した。本発明は上記実施形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、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。

上述の実施形態においては、第１傾斜接合領域８８および第２傾斜接合領域９０は、フィレット面上に形成されているが、これに限られない。第１傾斜接合領域８８及び／または第２傾斜接合領域９０は、平坦な傾斜面（例えば、４５度面取り面、または、その他任意角度の面取り面）であってもよい。

上記においては、単段式のＧＭ冷凍機に言及して実施の形態を説明した。本発明はこれに限られず、実施の形態に係る作動ガス流路構成は、二段式または多段式のＧＭ冷凍機、または、パルス管冷凍機などその他の極低温冷凍機に適用可能である。

１０極低温冷凍機、１２圧縮機、１２ａ吐出口、１２ｂ吸入口、１４膨張機、３４バルブ部、３４ａロータバルブ部材、３４ｂステータバルブ部材、４０ガス膨張室、４２低圧ガス室、５０ステータ側回転摺動面、５２ロータ側回転摺動面、６０ロータバルブ外周面、６２高圧ガス流入口、６４ガス流通口、６８ロータバルブ高圧凹部、７０ロータバルブ開口部、７２凹部底壁面、７４凹部周壁面、７６凹部輪郭線、８０第１樹脂薄肉部、８２第２樹脂薄肉部、８４第１最小樹脂厚さ、８６第２最小樹脂厚さ、８８第１傾斜接合領域、９０第２傾斜接合領域。

Claims

圧縮機吐出口および圧縮機吸入口を備える作動ガスの圧縮機と、
ガス膨張室と、前記圧縮機吸入口に連通される低圧ガス室と、を備える膨張機と、
前記低圧ガス室に配設され、ステータ側回転摺動面と、前記ステータ側回転摺動面に開口され前記圧縮機吐出口に連通される高圧ガス流入口と、前記ステータ側回転摺動面に開口され前記ガス膨張室に連通されるガス流通口と、を備えるステータバルブ部材と、
前記ステータバルブ部材に対し軸まわりに回転するよう前記低圧ガス室に配設され、ロータバルブ高圧凹部を前記低圧ガス室から隔離するよう構成されるロータバルブ樹脂部材であって、前記ロータバルブ高圧凹部は、ロータバルブ樹脂部材の回転の一周期の一部において前記高圧ガス流入口を前記ガス流通口に連通し当該一周期の残部において前記高圧ガス流入口を前記ガス流通口とは不通とするよう形成されるロータバルブ樹脂部材と、を備え、前記ロータバルブ樹脂部材は、
前記低圧ガス室に面するロータバルブ外周面と、
前記ロータバルブ高圧凹部の周囲で前記ステータ側回転摺動面に面接触するロータ側回転摺動面と、
前記ロータバルブ高圧凹部に面する凹部底壁面と、
前記ロータ側回転摺動面上に凹部輪郭線を形成し前記凹部輪郭線から前記凹部底壁面に向けて延びる凹部周壁面であって、前記ロータバルブ外周面への樹脂厚さが前記凹部輪郭線に沿って変化する凹部周壁面と、
前記凹部周壁面から前記ロータバルブ外周面への第１最小樹脂厚さを有する第１樹脂薄肉部であって、前記凹部底壁面を前記凹部周壁面に接続し前記凹部底壁面および前記凹部周壁面それぞれに対し傾斜した第１傾斜接合領域を有する第１樹脂薄肉部と、を備えることを特徴とする極低温冷凍機。
前記ロータバルブ樹脂部材は、前記ロータバルブ高圧凹部をロータバルブ開口部から隔離するよう構成され、前記ロータバルブ開口部は、前記一周期の残部の少なくとも一部において前記ガス流通口を前記低圧ガス室に連通するよう形成されており、
前記ロータバルブ樹脂部材は、前記凹部周壁面から前記ロータバルブ開口部への第２最小樹脂厚さを有する第２樹脂薄肉部であって、前記凹部底壁面を前記凹部周壁面に接続し前記凹部底壁面および前記凹部周壁面それぞれに対し傾斜した第２傾斜接合領域を有する第２樹脂薄肉部と、を備えることを特徴とする請求項１に記載の極低温冷凍機。
前記ロータバルブ樹脂部材は、前記凹部周壁面の全周にわたり前記凹部底壁面を前記凹部周壁面に接続するフィレット面を備え、前記第１傾斜接合領域および前記第２傾斜接合領域はそれぞれ前記フィレット面の一部をなすことを特徴とする請求項２に記載の極低温冷凍機。
前記凹部輪郭線は、少なくとも１つの円弧状部分を有し、前記フィレット面は、前記円弧状部分の半径より小さいフィレット半径を有することを特徴とする請求項３に記載の極低温冷凍機。
前記フィレット半径は、前記円弧状部分の半径の１／１０より大きいことを特徴とする請求項４に記載の極低温冷凍機。
前記ロータバルブ樹脂部材は、フッ素樹脂材料で形成されており、
前記フィレット面は、前記凹部周壁面上に作用するミゼス応力の最大値が前記フッ素樹脂材料の引張強度の１／３より小さくなるよう定められたフィレット半径を有することを特徴とする請求項３から５のいずれかに記載の極低温冷凍機。
前記凹部底壁面は、前記ロータ側回転摺動面からの前記ロータバルブ高圧凹部の最大深さを定めており、前記第１最小樹脂厚さは、前記最大深さより小さいことを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の極低温冷凍機。
前記高圧ガス流入口は、前記ステータ側回転摺動面における中心部に位置し、前記ガス流通口は、前記ステータ側回転摺動面において前記高圧ガス流入口に対し径方向外側に位置し、
前記凹部輪郭線は、前記ロータ側回転摺動面における中心部から径方向外側に延びる２本の直線状部分を有し、前記２本の直線状部分の間隔が中心部から径方向外側に向かって徐々に広がっていることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の極低温冷凍機。
極低温冷凍機のロータリバルブ機構であって、
極低温冷凍機の低圧ガス室に配設され、ステータ側回転摺動面と、前記ステータ側回転摺動面に開口される高圧ガス流入口と、前記ステータ側回転摺動面に開口されるガス流通口と、を備えるステータバルブ部材と、
前記ステータバルブ部材に対し軸まわりに回転するよう前記低圧ガス室に配設され、ロータバルブ高圧凹部を前記低圧ガス室から隔離するよう構成されるロータバルブ樹脂部材であって、前記ロータバルブ高圧凹部は、ロータバルブ樹脂部材の回転の一周期の一部において前記高圧ガス流入口を前記ガス流通口に連通し当該一周期の残部において前記高圧ガス流入口を前記ガス流通口とは不通とするよう形成されるロータバルブ樹脂部材と、を備え、前記ロータバルブ樹脂部材は、
前記低圧ガス室に面するロータバルブ外周面と、
前記ロータバルブ高圧凹部の周囲で前記ステータ側回転摺動面に面接触するロータ側回転摺動面と、
前記ロータバルブ高圧凹部に面する凹部底壁面と、
前記ロータ側回転摺動面上に凹部輪郭線を形成し前記凹部輪郭線から前記凹部底壁面に向けて延びる凹部周壁面であって、前記ロータバルブ外周面からの樹脂厚さが前記凹部輪郭線に沿って変化する凹部周壁面と、
前記凹部周壁面から前記ロータバルブ外周面への最小樹脂厚さを有する樹脂薄肉部であって、前記凹部底壁面を前記凹部周壁面に接続し前記凹部底壁面および前記凹部周壁面それぞれに対し傾斜した傾斜接合領域を有する樹脂薄肉部と、を備えることを特徴とするロータリバルブ機構。
樹脂製のドーム状高圧凹部および金属製の高圧流路の一方を備えるステータバルブ部材と、
前記樹脂製のドーム状高圧凹部および前記金属製の高圧流路の他方を備え、前記ドーム状高圧凹部に前記高圧流路を連通してなる高圧領域を密封し低圧周囲環境から隔離するよう前記ステータバルブ部材に隣接配置されるロータバルブ部材と、を備えることを特徴とするロータリバルブ機構。