JP2019128064A - Ｇｍ冷凍機 - Google Patents

Abstract

【課題】ガス駆動型ＧＭ冷凍機において圧縮機の負荷を低減する。【解決手段】ＧＭ冷凍機１０は、軸方向に往復動可能なディスプレーサ２０と、ディスプレーサ２０の軸方向往復動を駆動するようにディスプレーサ２０に連結された駆動ピストン２２と、駆動ピストン２２を収容する駆動室４６と、駆動室４６に接続され、駆動室４６に高圧と低圧の周期的な圧力変動を生成する副圧力切替バルブ６２と、副圧力切替バルブ６２と並列に駆動室４６に接続され、駆動室４６での周期的な圧力変動の間、高圧と低圧との中間圧を有する中間圧力源１００と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、ＧＭ（ギフォード・マクマホン、Gifford-McMahon）冷凍機に関する。

ＧＭ冷凍機は、ディスプレーサの駆動源によってモータ駆動型とガス駆動型の２種類に大きく分けられる。モータ駆動型においては、ディスプレーサがモータに機械的に連結され、モータによって駆動される。ガス駆動型においては、ディスプレーサがガス圧によって駆動される。

特開２０１４−１３９４９８号公報

典型的なガス駆動型ＧＭ冷凍機においては、モータ駆動型ＧＭ冷凍機に比べて、圧縮機の負荷が大きくなりがちである。モータ駆動型ＧＭ冷凍機では圧縮機は膨張室に作動ガスを供給すればよいのに対して、ガス駆動型ＧＭ冷凍機では圧縮機は膨張室への作動ガス供給だけでなくディスプレーサの駆動も担わなければならないからである。

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、ガス駆動型ＧＭ冷凍機において圧縮機の負荷を低減することにある。

本発明のある態様によると、ＧＭ冷凍機は、軸方向に往復動可能なディスプレーサと、前記ディスプレーサの軸方向往復動を駆動するように前記ディスプレーサに連結された駆動ピストンと、前記駆動ピストンを収容する駆動室と、前記駆動室に接続され、前記駆動室に高圧と低圧の周期的な圧力変動を生成する駆動室圧力切替バルブと、前記駆動室圧力切替バルブと並列に前記駆動室に接続され、前記駆動室での前記周期的な圧力変動の間、前記高圧と前記低圧との中間圧を有する中間圧力源と、を備える。

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、ガス駆動型ＧＭ冷凍機において圧縮機の負荷を低減することができる。

実施の形態に係るガス駆動型ＧＭ冷凍機を概略的に示す図である。 図１に示すＧＭ冷凍機のバルブタイミングと圧力変動を例示する図である。

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。説明および図面において同一または同等の構成要素、部材、処理には同一の符号を付し、重複する説明は適宜省略する。図示される各部の縮尺や形状は、説明を容易にするために便宜的に設定されており、特に言及がない限り限定的に解釈されるものではない。実施の形態は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

図１は、実施の形態に係るＧＭ冷凍機１０を示す概略図である。

ＧＭ冷凍機１０は、作動ガス（例えばヘリウムガス）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コールドヘッド１４と、を備える。圧縮機１２は、圧縮機吐出口１２ａ及び圧縮機吸入口１２ｂを有する。圧縮機吐出口１２ａ及び圧縮機吸入口１２ｂはそれぞれ、ＧＭ冷凍機１０の高圧源及び低圧源として機能する。コールドヘッド１４は膨張機とも呼ばれる。

詳しくは後述するように、圧縮機１２は、圧縮機吐出口１２ａからコールドヘッド１４に高圧（ＰＨ）の作動ガスを供給する。コールドヘッド１４には作動ガスを予冷する蓄冷器１５が備えられている。予冷された作動ガスは、コールドヘッド１４内での膨張によって更に冷却される。作動ガスは蓄冷器１５を通じて圧縮機吸入口１２ｂに回収される。作動ガスは蓄冷器１５を通るとき蓄冷器１５を冷却する。圧縮機１２は、回収した低圧（ＰＬ）の作動ガスを圧縮し、再びコールドヘッド１４に供給する。

図示されるコールドヘッド１４は単段式である。ただし、コールドヘッド１４は、多段式であってもよい。

コールドヘッド１４は、ガス駆動型である。よって、コールドヘッド１４は、ガス圧で駆動されるフリーピストンとしての軸方向可動体１６と、気密に構成され軸方向可動体１６を収容するコールドヘッドハウジング１８と、を備える。コールドヘッドハウジング１８は、軸方向可動体１６を軸方向に往復動可能に支持する。モータ駆動型のＧＭ冷凍機とは異なり、コールドヘッド１４は、軸方向可動体１６を駆動するモータおよび連結機構（例えばスコッチヨーク機構）を有しない。

軸方向可動体１６は、軸方向（図１において上下方向、矢印Ｃで示す）に往復動可能なディスプレーサ２０と、ディスプレーサ２０を軸方向に駆動するようにディスプレーサ２０に連結された駆動ピストン２２と、を備える。駆動ピストン２２は、ディスプレーサ２０と同軸にかつ軸方向に離れて配設されている。

コールドヘッドハウジング１８は、ディスプレーサ２０を収容するディスプレーサシリンダ２６と、駆動ピストン２２を収容するピストンシリンダ２８と、を備える。ピストンシリンダ２８は、ディスプレーサシリンダ２６と同軸にかつ軸方向に隣接して配設されている。詳細は後述するが、ガス駆動型であるコールドヘッド１４の駆動部は、駆動ピストン２２とピストンシリンダ２８を含んで構成されている。

また軸方向可動体１６は、ディスプレーサ２０が駆動ピストン２２と一体に軸方向に往復動するようディスプレーサ２０を駆動ピストン２２に剛に連結する連結ロッド２４を備える。連結ロッド２４もまたディスプレーサ２０および駆動ピストン２２と同軸にディスプレーサ２０から駆動ピストン２２へと延びている。

駆動ピストン２２は、ディスプレーサ２０に比べて小さい寸法を有する。駆動ピストン２２の軸方向長さはディスプレーサ２０のそれより短く、駆動ピストン２２の径もディスプレーサ２０のそれより小さい。連結ロッド２４の径は駆動ピストン２２のそれより小さい。

ピストンシリンダ２８の容積はディスプレーサシリンダ２６のそれより小さい。ピストンシリンダ２８の軸方向長さはディスプレーサシリンダ２６のそれより短く、ピストンシリンダ２８の径もディスプレーサシリンダ２６のそれより小さい。

なお、駆動ピストン２２とディスプレーサ２０の寸法関係は上述のものに限られず、それと異なっていてもよい。同様に、ピストンシリンダ２８とディスプレーサシリンダ２６の寸法関係は上述のものに限られず、それと異なっていてもよい。例えば、駆動ピストン２２は、連結ロッド２４の先端部であってもよく、駆動ピストン２２の径は連結ロッド２４の径と等しくてもよい。

ディスプレーサ２０の軸方向往復動は、ディスプレーサシリンダ２６によって案内される。通例、ディスプレーサ２０およびディスプレーサシリンダ２６はそれぞれ軸方向に延在する円筒状の部材であり、ディスプレーサシリンダ２６の内径はディスプレーサ２０の外径に一致するか又はわずかに大きい。同様に、駆動ピストン２２の軸方向往復動は、ピストンシリンダ２８によって案内される。通例、駆動ピストン２２およびピストンシリンダ２８はそれぞれ軸方向に延在する円筒状の部材であり、ピストンシリンダ２８の内径は駆動ピストン２２の外径に一致するか又はわずかに大きい。

ディスプレーサ２０と駆動ピストン２２は連結ロッド２４によって剛に連結されているので、駆動ピストン２２の軸方向ストロークはディスプレーサ２０の軸方向ストロークと等しく、両者はストローク全体にわたって一体に移動する。ディスプレーサ２０に対する駆動ピストン２２の位置は軸方向可動体１６の軸方向往復動の間、不変である。

また、コールドヘッドハウジング１８は、ディスプレーサシリンダ２６をピストンシリンダ２８に接続する連結ロッドガイド３０を備える。連結ロッドガイド３０はディスプレーサシリンダ２６およびピストンシリンダ２８と同軸にディスプレーサシリンダ２６からピストンシリンダ２８へと延びている。連結ロッドガイド３０には連結ロッド２４が貫通している。連結ロッドガイド３０は連結ロッド２４の軸方向往復動を案内する軸受として構成されている。

ディスプレーサシリンダ２６は、連結ロッドガイド３０を介してピストンシリンダ２８と気密に連結されている。こうして、コールドヘッドハウジング１８は、作動ガスの圧力容器として構成されている。なお連結ロッドガイド３０は、ディスプレーサシリンダ２６またはピストンシリンダ２８のいずれかの一部であるとみなされてもよい。

第１シール部３２が、連結ロッド２４と連結ロッドガイド３０の間に設けられている。第１シール部３２は、連結ロッド２４または連結ロッドガイド３０のいずれか一方に装着され、連結ロッド２４または連結ロッドガイド３０の他方と摺動する。第１シール部３２は例えば、スリッパーシールまたはＯリングなどのシール部材で構成される。第１シール部３２によって、ピストンシリンダ２８は、ディスプレーサシリンダ２６に対し気密に構成されている。こうして、ピストンシリンダ２８はディスプレーサシリンダ２６から流体的に隔離されており、ピストンシリンダ２８の内圧とディスプレーサシリンダ２６の内圧は異なる大きさをとることができる。第１シール部３２が設けられているので、ピストンシリンダ２８とディスプレーサシリンダ２６との直接のガス流通は生じない。

ディスプレーサシリンダ２６は、ディスプレーサ２０によって膨張室３４と室温室３６に仕切られている。ディスプレーサ２０は、軸方向一端にてディスプレーサシリンダ２６との間に膨張室３４を形成し、軸方向他端にてディスプレーサシリンダ２６との間に室温室３６を形成する。室温室３６は圧縮室と呼ぶこともできる。膨張室３４はディスプレーサ２０の下死点ＬＰ１側に配置され、室温室３６はディスプレーサ２０の上死点ＵＰ１側に配置されている。また、コールドヘッド１４には、膨張室３４を外包するようディスプレーサシリンダ２６に固着された冷却ステージ３８が設けられている。

蓄冷器１５はディスプレーサ２０に内蔵されている。ディスプレーサ２０はその上蓋部に、蓄冷器１５を室温室３６に連通する入口流路４０を有する。また、ディスプレーサ２０はその筒部に、蓄冷器１５を膨張室３４に連通する出口流路４２を有する。あるいは、出口流路４２は、ディスプレーサ２０の下蓋部に設けられていてもよい。加えて、蓄冷器１５は、上蓋部に内接する入口リテーナ４１と、下蓋部に内接する出口リテーナ４３と、を備える。蓄冷材は、たとえば銅製の金網でもよい。リテーナは蓄冷材よりも粗い金網でもよい。

第２シール部４４が、ディスプレーサ２０とディスプレーサシリンダ２６の間に設けられている。第２シール部４４は、例えばスリッパーシールであり、ディスプレーサ２０の筒部または上蓋部に装着されている。ディスプレーサ２０とディスプレーサシリンダ２６とのクリアランスが第２シール部４４によって封じられているので、室温室３６と膨張室３４との直接のガス流通（つまり蓄冷器１５を迂回するガス流れ）はない。

ディスプレーサ２０が軸方向に動くとき、膨張室３４および室温室３６は相補的に容積を増減させる。すなわち、ディスプレーサ２０が下動するとき、膨張室３４は狭くなり室温室３６は広くなる。逆も同様である。

作動ガスは、室温室３６から入口流路４０を通じて蓄冷器１５に流入する。より正確には、作動ガスは、入口流路４０から入口リテーナ４１を通って蓄冷器１５に流入する。作動ガスは、蓄冷器１５から出口リテーナ４３および出口流路４２を経由して膨張室３４に流入する。作動ガスが膨張室３４から室温室３６に戻るときは逆の経路を通る。つまり、作動ガスは、膨張室３４から、出口流路４２、蓄冷器１５、および入口流路４０を通って室温室３６に戻る。蓄冷器１５を迂回してクリアランスを流れようとする作動ガスは第２シール部４４によって遮断される。

ピストンシリンダ２８は、駆動ピストン２２を駆動するよう圧力が制御される駆動室４６を備える。駆動室４６は、ピストンシリンダ２８の内部空間にあたる。駆動室４６は、駆動ピストン２２によって、上部区画４６ａと下部区画４６ｂに分けられている。駆動ピストン２２は、軸方向一端にてピストンシリンダ２８との間に上部区画４６ａを形成し、軸方向他端にてピストンシリンダ２８との間に下部区画４６ｂを形成する。駆動ピストン２２が軸方向に動くとき、上部区画４６ａおよび下部区画４６ｂは相補的に容積を増減させる。連結ロッド２４は、駆動ピストン２２の下面から下部区画４６ｂを通って連結ロッドガイド３０へと延びている。さらに、連結ロッド２４は、室温室３６を通ってディスプレーサ２０の上蓋部まで延びている。

駆動ピストン２２とピストンシリンダ２８とのクリアランスである第３シール部５０が、駆動ピストン２２とピストンシリンダ２８の間に設けられている。第３シール部５０は、上部区画４６ａと下部区画４６ｂのガス流通に対し流路抵抗として作用する。なお第３シール部５０は、このクリアランスを封じるよう駆動ピストン２２の側面に装着されたスリッパーシールなどのシール部材を有してもよい。その場合、駆動室４６の下部区画４６ｂは、第１シール部３２および第３シール部５０によって密封されることになる。

駆動ピストン２２が下動するとき下部区画４６ｂは狭くなる。このとき下部区画４６ｂのガスは圧縮され、圧力が高まる。下部区画４６ｂの圧力は駆動ピストン２２の下面に上向きに作用する。よって、下部区画４６ｂは、駆動ピストン２２の下動に抗するガスばね力を発生させる。下部区画４６ｂは、ガスばね室と呼ぶこともできる。逆に、駆動ピストン２２が上動するとき下部区画４６ｂは広がる。下部区画４６ｂの圧力は下がり、駆動ピストン２２に作用するガスばね力も小さくなる。

コールドヘッド１４は、使用される現場で図示の向きに設置される。すなわち、ディスプレーサシリンダ２６が鉛直方向下方に、ピストンシリンダ２８が鉛直方向上方に、それぞれ配置されるようにして、コールドヘッド１４は縦向きに設置される。このように、冷却ステージ３８を鉛直方向下方に向ける姿勢で設置されるときＧＭ冷凍機１０は冷凍能力が最も高くなる。ただし、ＧＭ冷凍機１０の配置はこれに限定されない。逆に、コールドヘッド１４は冷却ステージ３８を鉛直方向上方に向ける姿勢で設置されてもよい。あるいは、コールドヘッド１４は、横向きまたはその他の向きに設置されてもよい。

作動ガス圧力により駆動ピストン２２に作用する駆動力は、駆動ピストン２２が下動するとき駆動ピストン２２に下向きに働く。軸方向可動体１６の自重による重力も下向きに働くから、コールドヘッド１４が冷却ステージ３８を鉛直方向下方に向ける姿勢で設置される場合、下動時の駆動力が重力と同じ向きとなる。反対に、上動時の駆動力は重力と逆向きとなる。ガスばね室（すなわち駆動室４６の下部区画４６ｂ）から駆動ピストン２２に作用するガスばね力は、軸方向可動体１６の上動と下動とで挙動に差異が生じることを緩和または防止するのに役立つ。

さらに、ＧＭ冷凍機１０は、圧縮機１２をコールドヘッド１４に接続する作動ガス回路５２を備える。作動ガス回路５２は、ピストンシリンダ２８（すなわち駆動室４６）とディスプレーサシリンダ２６（すなわち膨張室３４及び／または室温室３６）との間に圧力差を生成するよう構成されている。この圧力差によって軸方向可動体１６が軸方向に動く。ピストンシリンダ２８に対しディスプレーサシリンダ２６の圧力が低ければ、駆動ピストン２２が下動し、それに伴ってディスプレーサ２０も下動する。逆に、ピストンシリンダ２８に対しディスプレーサシリンダ２６の圧力が高ければ、駆動ピストン２２が上動し、それに伴ってディスプレーサ２０も上動する。

作動ガス回路５２は、バルブ部５４を備える。バルブ部５４は、コールドヘッドハウジング１８の中に配設され、圧縮機１２と配管で接続されていてもよい。バルブ部５４は、コールドヘッドハウジング１８の外に配設され、圧縮機１２およびコールドヘッド１４それぞれと配管で接続されていてもよい。

バルブ部５４は、膨張室圧力切替バルブ（以下、主圧力切替バルブともいう）６０と駆動室圧力切替バルブ（以下、副圧力切替バルブともいう）６２を備える。主圧力切替バルブ６０は、主吸気開閉バルブＶ１と主排気開閉バルブＶ２とを有する。副圧力切替バルブ６２は、副吸気開閉バルブＶ３と副排気開閉バルブＶ４とを有する。

作動ガス回路５２は、圧縮機１２をバルブ部５４に接続する高圧ライン１３ａおよび低圧ライン１３ｂを備える。高圧ライン１３ａは、圧縮機吐出口１２ａから延び、途中で分岐し、主吸気開閉バルブＶ１と副吸気開閉バルブＶ３に接続されている。低圧ライン１３ｂは、圧縮機吸入口１２ｂから延び、途中で分岐し、主排気開閉バルブＶ２と副排気開閉バルブＶ４に接続されている。

また、作動ガス回路５２は、コールドヘッド１４をバルブ部５４に接続する主連通路６４および副連通路６６を備える。主連通路６４は、ディスプレーサシリンダ２６を主圧力切替バルブ６０に接続する。主連通路６４は、室温室３６から延び、途中で分岐して、主吸気開閉バルブＶ１と主排気開閉バルブＶ２に接続されている。副連通路６６は、駆動室４６を副圧力切替バルブ６２に接続する。副連通路６６は、駆動室４６の上部区画４６ａから延び、途中で分岐して、副吸気開閉バルブＶ３と副排気開閉バルブＶ４に接続されている。

主圧力切替バルブ６０は、圧縮機吐出口１２ａまたは圧縮機吸入口１２ｂをディスプレーサシリンダ２６の室温室３６に選択的に連通するよう構成されている。主圧力切替バルブ６０においては、主吸気開閉バルブＶ１および主排気開閉バルブＶ２がそれぞれ排他的に開放される。すなわち、主吸気開閉バルブＶ１および主排気開閉バルブＶ２が同時に開くことは禁止されている。なお主吸気開閉バルブＶ１および主排気開閉バルブＶ２が一時的にともに閉じられてもよい。

主吸気開閉バルブＶ１が開いているとき主排気開閉バルブＶ２は閉じられる。圧縮機吐出口１２ａから高圧ライン１３ａおよび主連通路６４を通じてディスプレーサシリンダ２６に作動ガスが流れる。上述のように作動ガスは室温室３６から蓄冷器１５を通じて膨張室３４に流れる。こうして、高圧ＰＨの作動ガスが圧縮機１２から膨張室３４に供給され、膨張室３４は昇圧される。逆に主吸気開閉バルブＶ１が閉じているときは、圧縮機１２から膨張室３４への作動ガスの供給は停止される。

一方、主排気開閉バルブＶ２が開いているとき主吸気開閉バルブＶ１は閉じられる。まず高圧ＰＨの作動ガスが膨張室３４で膨張し減圧される。膨張室３４から蓄冷器１５を通じて室温室３６に作動ガスが流れる。ディスプレーサシリンダ２６から主連通路６４および低圧ライン１３ｂを通じて圧縮機吸入口１２ｂに作動ガスが流れる。こうして、低圧ＰＬの作動ガスがコールドヘッド１４から圧縮機１２に回収される。主排気開閉バルブＶ２が閉じているときは、膨張室３４から圧縮機１２への作動ガスの回収は停止される。

副圧力切替バルブ６２は、圧縮機吐出口１２ａまたは圧縮機吸入口１２ｂをピストンシリンダ２８の駆動室４６に選択的に連通するよう構成されている。副圧力切替バルブ６２は、副吸気開閉バルブＶ３および副排気開閉バルブＶ４がそれぞれ排他的に開放されるよう構成されている。すなわち、副吸気開閉バルブＶ３および副排気開閉バルブＶ４が同時に開くことは禁止されている。なお副吸気開閉バルブＶ３および副排気開閉バルブＶ４が一時的にともに閉じられてもよい。

副吸気開閉バルブＶ３が開いているとき副排気開閉バルブＶ４は閉じられる。圧縮機吐出口１２ａから高圧ライン１３ａおよび副連通路６６を通じてピストンシリンダ２８に作動ガスが流れる。こうして、高圧ＰＨの作動ガスが圧縮機１２から駆動室４６に供給され、駆動室４６は昇圧される。副吸気開閉バルブＶ３が閉じているときは、圧縮機１２から駆動室４６への作動ガスの供給は停止される。

一方、副排気開閉バルブＶ４が開いているとき副吸気開閉バルブＶ３は閉じられる。駆動室４６から副連通路６６および低圧ライン１３ｂを通じて圧縮機吸入口１２ｂに作動ガスが回収され、駆動室４６は低圧ＰＬに降圧される。副排気開閉バルブＶ４が閉じているときは、駆動室４６から圧縮機１２への作動ガスの回収は停止される。

このようにして、主圧力切替バルブ６０は、高圧ＰＨと低圧ＰＬの周期的な圧力変動を膨張室３４に生成する。また、副圧力切替バルブ６２は、駆動室４６に高圧ＰＨと低圧ＰＬの周期的な圧力変動を生成する。

副圧力切替バルブ６２は、駆動ピストン２２がディスプレーサ２０の軸方向往復動を駆動するように駆動室４６の圧力を制御するように構成されている。典型的には、駆動室４６での圧力変動は、膨張室３４での圧力変動と同じ周期でほぼ逆の位相で生成される。膨張室３４が高圧ＰＨのとき駆動室４６は低圧ＰＬとなり、駆動ピストン２２はディスプレーサ２０を上動させることができる。膨張室３４が低圧ＰＬのとき駆動室４６は高圧ＰＨとなり、駆動ピストン２２はディスプレーサ２０を下動させることができる。

バルブ部５４は、ロータリーバルブの形式をとってもよい。この場合、一群のバルブ（Ｖ１〜Ｖ４）がバルブ部５４に組み込まれており、同期して駆動される。バルブ部５４は、バルブ本体（またはバルブステータ）に対するバルブディスク（またはバルブロータ）の回転摺動によってバルブ（Ｖ１〜Ｖ４）が適正に切り替わるよう構成されている。一群のバルブ（Ｖ１〜Ｖ４）は、ＧＭ冷凍機１０の運転中に同一周期で切り替えられ、それにより４つの開閉バルブ（Ｖ１〜Ｖ４）は周期的に開閉状態を変化させる。４つの開閉バルブ（Ｖ１〜Ｖ４）はそれぞれ異なる位相で開閉される。

ＧＭ冷凍機１０は、バルブ部５４を回転させるようバルブ部５４に連結された回転駆動源５６を備えてもよい。回転駆動源５６はバルブ部５４と機械的に連結される。回転駆動源５６は例えばモータである。ただし、回転駆動源５６は、軸方向可動体１６には機械的に接続されていない。また、ＧＭ冷凍機１０は、バルブ部５４を制御する制御部５８を備えてもよい。制御部５８は、回転駆動源５６を制御してもよい。

ある実施形態においては、一群のバルブ（Ｖ１〜Ｖ４）は、複数の個別に制御可能なバルブの形式をとってもよい。各バルブ（Ｖ１〜Ｖ４）は、電磁開閉弁であってもよい。この場合、回転駆動源５６が設けられるのではなく、各バルブ（Ｖ１〜Ｖ４）は、制御部５８に電気的に接続される。制御部５８は、各バルブ（Ｖ１〜Ｖ４）の開閉を制御してもよい。

また、ＧＭ冷凍機１０は、副圧力切替バルブ６２と並列に駆動室に接続された中間圧力源１００を備える。中間圧力源１００は、駆動室４６との間に相互に作動ガスが流れることのできるように駆動室４６に接続されている。中間圧力源１００は、分岐点６８にて副連通路６６から分岐している。分岐点６８は、副連通路６６上で副圧力切替バルブ６２と駆動室４６の中間に位置する。代案として、中間圧力源１００は、副連通路６６を介することなく、駆動室４６に接続されていてもよい。

このようにして、中間圧力源１００は、副連通路６６を介して（または副連通路６６を介さずに）駆動室４６に連通している。中間圧力源１００は、ディスプレーサシリンダ２６、すなわち膨張室３４および室温室３６、および主連通路６４には連通していない。また、中間圧力源１００は、副圧力切替バルブ６２を介して高圧ライン１３ａおよび低圧ライン１３ｂに接続されるにすぎず、高圧ライン１３ａおよび低圧ライン１３ｂにも直接連通していない。

中間圧力源１００は、駆動室４６の吸気終了の時点、すなわち副吸気開閉バルブＶ３の閉鎖時点において、中間圧力源１００の圧力が駆動室４６の圧力を下回るように構成されている。また、中間圧力源１００は、駆動室４６の排気終了の時点、すなわち副排気開閉バルブＶ４の閉鎖時点において、中間圧力源１００の圧力が駆動室４６の圧力を上回るように構成されている。

より具体的には、中間圧力源１００は、駆動室４６での高圧ＰＨと低圧ＰＬの周期的な圧力変動の間、高圧ＰＨと低圧ＰＬとの中間圧を有する。中間圧力源１００は、駆動室４６での周期的な圧力変動の間、高圧ＰＨと低圧ＰＬとの中間圧を維持するように構成されている。

よって、中間圧力源１００は、圧縮機１２とは別に設けられた補助的なガス貯留槽として、副吸気開閉バルブＶ３の閉鎖の直後に駆動室４６から作動ガスを予備的に回収することができる。また、中間圧力源１００は、補助的なガス貯留槽として、副排気開閉バルブＶ４の閉鎖の直後に駆動室４６に作動ガスを予備的に供給することができる。

一例として、中間圧力源１００は、副圧力切替バルブ６２と並列に駆動室４６に接続された流路抵抗部材１０２と、流路抵抗部材１０２を介して駆動室４６に接続されたバッファ容積１０４と、を備える。流路抵抗部材１０２は、バッファ容積１０４と分岐点６８の間に接続されている。

流路抵抗部材１０２は、駆動室４６での周期的な圧力変動に対しバッファ容積１０４の圧力（以下、バッファ圧ともいう）の変動を遅らせる働きをもつ要素であり、例えばオリフィスである。流路抵抗部材１０２は、駆動室４６が高圧ＰＨのときバッファ容積１０４の圧力がそれより低くなり、駆動室４６が低圧ＰＬのときバッファ容積１０４の圧力がそれより高くなるように、駆動室４６とバッファ容積１０４との間に圧力差を形成するように設計されている。流路抵抗部材１０２は、流量制御バルブまたはそのほか流路抵抗を与える任意の部材であってもよい。

バッファ容積１０４は、高圧ＰＨと低圧ＰＬとの間の中間圧の作動ガスを貯留するよう構成されている。バッファ容積１０４は、例えばバッファタンクとして構成されている。バッファ容積１０４の形状は任意である。中間圧は例えば、高圧ＰＨと低圧ＰＬの平均圧ＰＭであってもよい。このようにすれば、高圧ＰＨと低圧ＰＬのそれぞれと、より大きい差圧を生成することができる。中間圧は、高圧ＰＨと低圧ＰＬとの間の任意の圧力であってもよい。

副吸気開閉バルブＶ３が開いているとき、駆動室４６だけでなくバッファ容積１０４にも高圧ＰＨの作動ガスが流入する。しかし、流路抵抗部材１０２が設けられているので、バッファ容積１０４の圧力増加の程度は駆動室４６に比べて小さくなる。よって、副吸気開閉バルブＶ３が閉じられたとき、バッファ容積１０４の圧力は、駆動室４６の圧力を下回る。また、副排気開閉バルブＶ４が開いているとき、駆動室４６からだけでなくバッファ容積１０４からも作動ガスが流出するが、流路抵抗部材１０２により、バッファ容積１０４の圧力減少の程度は駆動室４６に比べて小さくなる。よって、副排気開閉バルブＶ４が閉じられたとき、バッファ容積１０４の圧力は、駆動室４６の圧力を上回る。このようにして、直列接続された流路抵抗部材１０２とバッファ容積１０４との組み合わせは、駆動室４６の中間圧力源１００として機能する。

バッファ容積１０４は、駆動室４６に比べて容積が十分に大きく、そのため、バッファ圧は、ＧＭ冷凍機１０の運転中に理想的には一定に維持される（中間圧、例えば高圧ＰＨと低圧ＰＬの平均圧ＰＭに維持される）。実際にはバッファ容積１０４の容積は有限であり、バッファ容積１０４の圧力は、駆動室４６の圧力と副圧力切替バルブ６２の開閉状態に応じていくらか変動するが、それでも概ね一定に維持される（平均圧ＰＭを含む中間圧ゾーンに維持される）。

バッファ容積１０４は、一例として、駆動室４６の２倍以上の容積を有してもよい。このようにすれば、バッファ容積１０４の圧力変動を低減することができる。副吸気開閉バルブＶ３の開放に伴うバッファ容積１０４の過剰な昇圧、及び、副排気開閉バルブＶ４の開放に伴う過剰な降圧を避けることができる。また、ＧＭ冷凍機１０の大型化を抑制するために、バッファ容積１０４は、駆動室４６の１０倍以下の容積を有してもよい。このような観点から、バッファ容積１０４は、駆動室４６の例えば３倍から７倍の容積、例えば約５倍の容積を有してもよい。

バッファ容積１０４は、コールドヘッドハウジング１８に設置されていてもよい。あるいは、バッファ容積１０４は、コールドヘッドハウジング１８から離れて設置されていてもよい。

図２は、図１に示すＧＭ冷凍機１０のバルブタイミングと圧力変動を例示する図である。図２の上部には、各バルブ（Ｖ１〜Ｖ４）のバルブタイミングをＧＭ冷凍機１０の冷凍サイクルの一周期にわたって示し、図２の下部には、コールドヘッド１４における圧力変動を示す。ＧＭ冷凍機１０の冷凍サイクルの一周期は、第１期間Ｔ１、第２期間Ｔ２、第３期間Ｔ３、および第４期間Ｔ４の４つの期間に区分けされる。第２期間Ｔ２は第１期間Ｔ１に後続し、第３期間Ｔ３は第２期間Ｔ２に後続し、第４期間Ｔ４は第３期間Ｔ３に後続し、冷凍サイクルの次の一周期の第１期間Ｔ１が第４期間Ｔ４に後続する。第１期間Ｔ１から第４期間Ｔ４における膨張室３４、駆動室４６、およびバッファ容積１０４の圧力が示されている。バルブタイミングの図示において実線はバルブが開いていることを示し、破線はバルブが閉じていることを示す。

ディスプレーサ２０が下死点ＬＰ１またはその近傍の位置にあるとき、ＧＭ冷凍機１０の吸気工程が開始される。図示される第１期間Ｔ１と第２期間Ｔ２が、ＧＭ冷凍機１０の吸気工程にあたる。主吸気開閉バルブＶ１は開かれ、主排気開閉バルブＶ２は閉じている。膨張室３４は、高圧ＰＨとなる。

膨張室３４への吸気と同時に駆動室４６の排気が行われる。第１期間Ｔ１においては副吸気開閉バルブＶ３と副排気開閉バルブＶ４がともに閉じている。直前の第４期間Ｔ４で駆動室４６は高圧ＰＨに昇圧されているので、第１期間Ｔ１の開始時点で駆動室４６の圧力（ＰＨ）はバッファ容積１０４の圧力（ＰＭ）より高い。そのため駆動室４６からバッファ容積１０４へと作動ガスが排出される。第１期間Ｔ１において駆動室４６はバッファ容積１０４の圧力へと降圧される。ＧＭ冷凍機１０の吸気工程の途中で第１期間Ｔ１から第２期間Ｔ２に移行する。副吸気開閉バルブＶ３は閉じたままであるが、副排気開閉バルブＶ４が開かれる。そのため第２期間Ｔ２においては駆動室４６から圧縮機１２へと作動ガスが排出され、駆動室４６は低圧ＰＬへと降圧される。

上述のように流路抵抗部材１０２がバッファ容積１０４と副排気開閉バルブＶ４との間に設けられているので、バッファ容積１０４の圧力は、概ね一定に維持される。第２期間Ｔ２においてバッファ容積１０４の圧力減少は、駆動室４６に比べて抑制される。

したがって、吸気工程において駆動ピストン２２には駆動室４６と膨張室３４との差圧による駆動力が上向きに作用する。第１期間Ｔ１には差圧ＰＨ−ＰＭに比例する駆動力が駆動ピストン２２に作用し、第２期間Ｔ２には差圧ＰＨ−ＰＬに比例する駆動力が駆動ピストン２２に作用する。よって、ディスプレーサ２０は駆動ピストン２２とともに、下死点ＬＰ１から上死点ＵＰ１に向けて動く。こうして、膨張室３４の容積が増加されるとともに高圧ガスで満たされる。

ディスプレーサ２０が上死点ＵＰ１またはその近傍の位置にあるとき、ＧＭ冷凍機１０の排気工程が開始される。図示される第３期間Ｔ３と第４期間Ｔ４が、ＧＭ冷凍機１０の排気工程にあたる。主排気開閉バルブＶ２は開かれ、主吸気開閉バルブＶ１は閉じている。高圧ガスは膨張室３４で膨張し冷却される。膨張したガスは、蓄冷器１５を冷却しながら室温室３６を経て圧縮機１２に回収される。膨張室３４は、低圧ＰＬとなる。

膨張室３４からの排気と同時に駆動室４６への吸気が行われる。第３期間Ｔ３においては副吸気開閉バルブＶ３と副排気開閉バルブＶ４がともに閉じている。第３期間Ｔ３の開始時点で駆動室４６の圧力（ＰＬ）はバッファ容積１０４の圧力（ＰＭ）より低い。そのためバッファ容積１０４から駆動室４６へと作動ガスが供給される。第３期間Ｔ３において駆動室４６はバッファ容積１０４の圧力へと昇圧される。ＧＭ冷凍機１０の排気工程の途中で第３期間Ｔ３から第４期間Ｔ４に移行する。副排気開閉バルブＶ４は閉じたままであるが、副吸気開閉バルブＶ３が開かれる。そのため第４期間Ｔ４においては圧縮機１２から駆動室４６へと作動ガスが供給され、駆動室４６は高圧ＰＬへと昇圧される。

上述のように流路抵抗部材１０２がバッファ容積１０４と副吸気開閉バルブＶ３との間に設けられているので、バッファ容積１０４の圧力は、概ね一定に維持される。第４期間Ｔ４においてバッファ容積１０４の圧力増加は、駆動室４６に比べて抑制される。

したがって、排気工程において駆動ピストン２２には駆動室４６と膨張室３４との差圧による駆動力が下向きに作用する。第３期間Ｔ３には差圧ＰＭ−ＰＬに比例する駆動力が駆動ピストン２２に作用し、第４期間Ｔ４には差圧ＰＨ−ＰＬに比例する駆動力が駆動ピストン２２に作用する。よって、ディスプレーサ２０は駆動ピストン２２とともに、上死点ＵＰ１から下死点ＬＰ１に向けて動く。こうして、膨張室３４の容積が減少されるとともに低圧ガスは排出される。

ＧＭ冷凍機１０はこのような冷凍サイクル（すなわちＧＭサイクル）を繰り返すことで、冷却ステージ３８を冷却する。それにより、ＧＭ冷凍機１０は、冷却ステージ３８に熱的に結合された超伝導装置またはその他の被冷却物（図示せず）を冷却することができる。

図において同時に描かれているバルブタイミングは、厳密に同時である必要はなく、いくらかずれていてもよい。例えば、主吸気開閉バルブＶ１の閉鎖と副排気開閉バルブＶ４の閉鎖が同時であることは必須ではない。また、主排気開閉バルブＶ２の閉鎖と副吸気開閉バルブＶ３の閉鎖が同時であることは必須ではない。

実施の形態に係るＧＭ冷凍機１０では、中間圧力源１００が、副圧力切替バルブ６２と並列に駆動室４６に接続され、駆動室４６での周期的な圧力変動の間、高圧ＰＨと低圧ＰＬとの中間圧を有する。中間圧力源１００を補助的なガス源として利用できるので、圧縮機１２から駆動室４６へ供給する仕事が低減され、圧縮機１２の負荷を低減することができる。これにより圧縮機効率が高まり、ガス駆動型ＧＭ冷凍機のシステム全体の効率が向上する。

流路抵抗部材１０２は副圧力切替バルブ６２と並列に前記駆動室に接続され、バッファ容積１０４は流路抵抗部材１０２を介して駆動室４６に接続されている。このような構成により、圧縮機１２からの作動ガス供給により駆動室４６へと投入された仕事の一部をバッファ容積１０４に回収し、回収された仕事を次回の冷凍サイクルで再利用することが可能となる。

典型的なガス駆動型ＧＭ冷凍機では通例、主吸気開閉バルブＶ１の開放の間ずっと副排気開閉バルブＶ４も開いている。また、主排気開閉バルブＶ２の開放の間ずっと副吸気開閉バルブＶ３も開いている。

これに対して、実施の形態に係るＧＭ冷凍機１０では、上述のようにバッファ容積１０４と流路抵抗部材１０２が設けられているので、副排気開閉バルブＶ４を開くタイミングを主吸気開閉バルブＶ１の開放から遅らせ、かつ副排気開閉バルブＶ４の開放時間を主吸気開閉バルブＶ１に比べて短くすることができる。また、副吸気開閉バルブＶ３を開くタイミングを主排気開閉バルブＶ２の開放から遅らせ、かつ副吸気開閉バルブＶ３の開放時間を主排気開閉バルブＶ２に比べて短くすることができる。

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。

１０ ＧＭ冷凍機、 ２０ ディスプレーサ、 ２２ 駆動ピストン、 ４６ 駆動室、 １００ 中間圧力源、 １０２ 流路抵抗部材、 １０４ バッファ容積。

Claims (2)

1. 軸方向に往復動可能なディスプレーサと、
   前記ディスプレーサの軸方向往復動を駆動するように前記ディスプレーサに連結された駆動ピストンと、
   前記駆動ピストンを収容する駆動室と、
   前記駆動室に接続され、前記駆動室に高圧と低圧の周期的な圧力変動を生成する駆動室圧力切替バルブと、
   前記駆動室圧力切替バルブと並列に前記駆動室に接続され、前記駆動室での前記周期的な圧力変動の間、前記高圧と前記低圧との中間圧を有する中間圧力源と、を備えることを特徴とするＧＭ冷凍機。
2. 前記中間圧力源は、前記駆動室圧力切替バルブと並列に前記駆動室に接続された流路抵抗部材と、前記流路抵抗部材を介して前記駆動室に接続されたバッファ容積と、を備えることを特徴とする請求項１に記載のＧＭ冷凍機。

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