JP2019174061A - Cryogenic refrigerator - Google Patents

Cryogenic refrigerator Download PDF

Info

Publication number
JP2019174061A
JP2019174061A JP2018063714A JP2018063714A JP2019174061A JP 2019174061 A JP2019174061 A JP 2019174061A JP 2018063714 A JP2018063714 A JP 2018063714A JP 2018063714 A JP2018063714 A JP 2018063714A JP 2019174061 A JP2019174061 A JP 2019174061A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
displacer
expansion space
dead center
refrigerator
reversible motor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2018063714A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
暢恒 劉
Cchangheng LIU
暢恒 劉
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sumitomo Heavy Industries Ltd
Original Assignee
Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sumitomo Heavy Industries Ltd filed Critical Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority to JP2018063714A priority Critical patent/JP2019174061A/en
Priority to TW108105796A priority patent/TW201942469A/en
Priority to PCT/JP2019/009603 priority patent/WO2019188170A1/en
Publication of JP2019174061A publication Critical patent/JP2019174061A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B9/00Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • F25B9/14Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the cycle used, e.g. Stirling cycle

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanically-Actuated Valves (AREA)
  • Multiple-Way Valves (AREA)

Abstract

To improve the temperature increase efficiency of reverse temperature increase in a cryogenic refrigerator.SOLUTION: A cryogenic refrigerator 10 comprises: a reversible motor 40; a displacer 24 reciprocating in the axial direction; a cylinder 28 defining an expansion space 34 between the cylinder and the displacer 24, the expansion space having a maximum volume at a displacer top dead center; a refrigerator stage 32 thermally coupled to the expansion space 34; and a rotary valve 58 for switching between air intake and exhaust of the expansion space 34 in synchronization with the axial direction reciprocation of the displacer 24 such that the refrigerator stage 32 is cooled during forward rotation of the reversible motor 40 and the refrigerator stage 32 is heated during reverse rotation of the reversible motor 40. When a single cycle of the axial direction reciprocation of the displacer 24 is set to be 360 degrees, the phase of air intake start timing for the expansion space 34 during reverse rotation of the reversible motor 40 advances in the range of 0 degree to 10 degrees relative to the displacer top dead center.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、極低温冷凍機に関する。   The present invention relates to a cryogenic refrigerator.

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典型的に、軸方向に往復動するディスプレーサとこれを駆動するモータを有する。ディスプレーサはモータに機械的に連結されており、モータによってディスプレーサは軸方向に往復動される。このようなモータ駆動型のGM冷凍機においては従来から、いわゆる逆転昇温技術が知られている。逆転昇温を利用して、冷却されたGM冷凍機を例えば室温に戻すなど昇温することができる。   A cryogenic refrigerator represented by a Gifford-McMahon (GM) refrigerator typically includes a displacer that reciprocates in an axial direction and a motor that drives the displacer. The displacer is mechanically connected to the motor, and the displacer is reciprocated in the axial direction by the motor. In such a motor-driven GM refrigerator, a so-called reverse temperature raising technique is conventionally known. Using the reverse temperature increase, the temperature of the cooled GM refrigerator can be increased, for example, to room temperature.

特開平7−35070号公報JP-A-7-35070

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、極低温冷凍機における逆転昇温の昇温効率を向上することにある。   One of the exemplary purposes of an aspect of the present invention is to improve the temperature raising efficiency of the reverse temperature rise in the cryogenic refrigerator.

本発明のある態様によると、極低温冷凍機は、逆転可能モータと、前記逆転可能モータの正転と逆転それぞれにより軸方向に往復動するディスプレーサと、前記ディスプレーサを収容するシリンダであって、ディスプレーサ上死点にて最大容積を有しディスプレーサ下死点にて最小容積を有する膨張空間を前記ディスプレーサとの間に画定するシリンダと、前記膨張空間に熱的に結合された冷凍機ステージと、前記逆転可能モータの正転時に前記冷凍機ステージが冷却され、かつ前記逆転可能モータの逆転時に前記冷凍機ステージが加熱されるように、前記ディスプレーサの軸方向往復動と同期させて前記膨張空間の吸気と排気とを切り替えるロータリーバルブと、を備える。前記ディスプレーサの軸方向往復動の一周期を360°とするとき、前記逆転可能モータの逆転時における前記膨張空間の吸気開始タイミングの位相が、前記ディスプレーサ上死点に対して、0°より大きく10°以下の範囲で進んでいる。   According to an aspect of the present invention, a cryogenic refrigerator includes a reversible motor, a displacer that reciprocates in the axial direction by forward rotation and reverse rotation of the reversible motor, and a cylinder that houses the displacer. A cylinder defining an expansion space with the displacer having a maximum volume at a top dead center and a minimum volume at a displacer bottom dead center; a refrigerator stage thermally coupled to the expansion space; Intake of the expansion space in synchronism with the axial reciprocation of the displacer so that the refrigerator stage is cooled when the reversible motor rotates forward and the refrigerator stage is heated when the reverse motor rotates backward And a rotary valve for switching between exhaust and exhaust. When the period of the axial reciprocation of the displacer is 360 °, the phase of the intake start timing of the expansion space when the reversible motor is reverse is greater than 0 ° with respect to the displacer top dead center. It is progressing within the following range.

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。   In addition, what replaced the component and expression of this invention between methods, apparatuses, systems, etc. is also effective as an aspect of this invention.

本発明によれば、極低温冷凍機における逆転昇温の昇温効率を向上することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the temperature increase efficiency of reverse temperature increase in a cryogenic refrigerator can be improved.

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。1 schematically shows the overall configuration of a cryogenic refrigerator according to an embodiment. ある実施形態に係る極低温冷凍機の膨張機の駆動機構を概略的に示す分解斜視図である。It is a disassembled perspective view which shows schematically the drive mechanism of the expander of the cryogenic refrigerator which concerns on a certain embodiment. ある実施形態に係る極低温冷凍機のロータリバルブ機構を概略的に示す分解斜視図である。It is a disassembled perspective view which shows roughly the rotary valve mechanism of the cryogenic refrigerator which concerns on a certain embodiment. ある実施形態に係る極低温冷凍機の冷却運転のタイミングチャートを例示する図である。It is a figure which illustrates the timing chart of the cooling operation of the cryogenic refrigerator which concerns on a certain embodiment. ある実施形態に係る極低温冷凍機の逆転昇温運転のタイミングチャートを例示する図である。It is a figure which illustrates the timing chart of the reverse temperature rising operation of the cryogenic refrigerator which concerns on a certain embodiment.

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。   Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the description and drawings, the same or equivalent components, members, and processes are denoted by the same reference numerals, and redundant descriptions are omitted as appropriate. The scales and shapes of the respective parts shown in the drawings are set for convenience in order to facilitate explanation, and are not limitedly interpreted unless otherwise specified. The embodiments are illustrative and do not limit the scope of the present invention. All features and combinations thereof described in the embodiments are not necessarily essential to the invention.

図1は、ある実施形態に係る極低温冷凍機を概略的に示す図である。図2は、ある実施形態に係る極低温冷凍機の膨張機の駆動機構を概略的に示す分解斜視図である。図3は、ある実施形態に係る極低温冷凍機のロータリバルブ機構を概略的に示す分解斜視図である。   FIG. 1 is a diagram schematically illustrating a cryogenic refrigerator according to an embodiment. FIG. 2 is an exploded perspective view schematically showing a drive mechanism of an expander of a cryogenic refrigerator according to an embodiment. FIG. 3 is an exploded perspective view schematically showing a rotary valve mechanism of a cryogenic refrigerator according to an embodiment.

極低温冷凍機10は、作動ガス(冷媒ガスともいう)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。   The cryogenic refrigerator 10 includes a compressor 12 that compresses working gas (also referred to as refrigerant gas) and an expander 14 that cools the working gas by adiabatic expansion. The working gas is, for example, helium gas. The expander 14 is also called a cold head. The expander 14 is provided with a regenerator 16 for precooling the working gas. The cryogenic refrigerator 10 includes a gas pipe 18 including a first pipe 18a and a second pipe 18b that connect the compressor 12 and the expander 14, respectively. The illustrated cryogenic refrigerator 10 is a single-stage GM refrigerator.

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。   As is known, a working gas having a first high pressure is supplied to the expander 14 from the discharge port 12a of the compressor 12 through the first pipe 18a. Due to the adiabatic expansion in the expander 14, the working gas is depressurized from the first high pressure to a lower second high pressure. The working gas having the second high pressure is recovered from the expander 14 to the suction port 12b of the compressor 12 through the second pipe 18b. The compressor 12 compresses the recovered working gas having the second high pressure. Thus, the working gas is again boosted to the first high pressure. In general, both the first high pressure and the second high pressure are considerably higher than the atmospheric pressure. For convenience of explanation, the first high pressure and the second high pressure are also simply referred to as high pressure and low pressure, respectively. Typically, the high pressure is, for example, 2-3 MPa, and the low pressure is, for example, 0.5-1.5 MPa. The differential pressure between the high pressure and the low pressure is, for example, about 1.2 to 2 MPa.

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。   The expander 14 includes an expander movable part 20 and an expander stationary part 22. The expander movable portion 20 is configured to be capable of reciprocating in the axial direction (vertical direction in FIG. 1) with respect to the expander stationary portion 22. The moving direction of the expander movable portion 20 is indicated by an arrow A in FIG. The expander stationary part 22 is configured to support the expander movable part 20 so as to be capable of reciprocating in the axial direction. The expander stationary part 22 is configured as an airtight container that houses the expander movable part 20 together with high-pressure gas (including the first high-pressure gas and the second high-pressure gas).

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し、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。   The expander movable part 20 includes a displacer 24 and a displacer drive shaft 26 that drives the reciprocation thereof. The displacer 24 incorporates a regenerator 16. A cool storage material is filled in the internal space of the displacer 24, whereby the cool storage 16 is formed in the displacer 24. The displacer 24 has, for example, a substantially cylindrical shape extending in the axial direction, and has an outer diameter and an inner diameter that are substantially uniform in the axial direction. Therefore, the regenerator 16 also has a substantially cylindrical shape extending in the axial direction.

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24の外径よりわずかに大きい。   The expander stationary portion 22 roughly has a two-part configuration including a cylinder 28 and a drive mechanism housing 30. The axially upper part of the expander stationary part 22 is a drive mechanism housing 30, and the axially lower part of the expander stationary part 22 is a cylinder 28, which are firmly connected to each other. The cylinder 28 is configured to guide the reciprocating movement of the displacer 24. The cylinder 28 extends from the drive mechanism housing 30 in the axial direction. The cylinder 28 has a substantially uniform inner diameter in the axial direction, and thus the cylinder 28 has a substantially cylindrical inner surface extending in the axial direction. This inner diameter is slightly larger than the outer diameter of the displacer 24.

また、膨張機静止部分22は、冷凍機ステージ32を含む。冷凍機ステージ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。冷凍機ステージ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。その物体は冷凍機ステージ32に取り付けられ、極低温冷凍機10の動作時に冷凍機ステージ32によって冷却される。冷凍機ステージ32は、冷却ステージまたは熱負荷ステージと呼ばれることもある。   The expander stationary part 22 includes a refrigerator stage 32. The refrigerator stage 32 is fixed to the end of the cylinder 28 on the side opposite to the drive mechanism housing 30 in the axial direction. The refrigerator stage 32 is provided to conduct the cold generated by the expander 14 to other objects. The object is attached to the refrigerator stage 32 and is cooled by the refrigerator stage 32 during operation of the cryogenic refrigerator 10. The refrigerator stage 32 may be called a cooling stage or a heat load stage.

シリンダ28は、ディスプレーサ24によって膨張空間34と上部空間36に仕切られている。ディスプレーサ24は、軸方向一端にてシリンダ28との間に膨張空間34を画定し、軸方向他端にてシリンダ28との間に上部空間36を画定する。膨張空間34は、ディスプレーサ24の上死点にて最大容積を有し、ディスプレーサ24の下死点にて最小容積を有する。上部空間36は、ディスプレーサ24の上死点にて最小容積を有し、ディスプレーサ24の下死点にて最大容積を有する。冷凍機ステージ32は、膨張空間34を外包するようにシリンダ28に固着されている。冷凍機ステージ32は、膨張空間34に熱的に結合されている。   The cylinder 28 is divided into an expansion space 34 and an upper space 36 by the displacer 24. The displacer 24 defines an expansion space 34 with the cylinder 28 at one axial end and an upper space 36 with the cylinder 28 at the other axial end. The expansion space 34 has a maximum volume at the top dead center of the displacer 24 and a minimum volume at the bottom dead center of the displacer 24. The upper space 36 has a minimum volume at the top dead center of the displacer 24 and a maximum volume at the bottom dead center of the displacer 24. The refrigerator stage 32 is fixed to the cylinder 28 so as to enclose the expansion space 34. The refrigerator stage 32 is thermally coupled to the expansion space 34.

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。   During the operation of the cryogenic refrigerator 10, the regenerator 16 has a regenerator high-temperature part 16a on one side (upper side in the figure) in the axial direction and a regenerator low-temperature part 16b on the opposite side (lower side in the figure). . Thus, the regenerator 16 has a temperature distribution in the axial direction. The other components of the expander 14 (eg, the displacer 24 and the cylinder 28) surrounding the regenerator 16 have an axial temperature distribution as well, so that the expander 14 has a high temperature section on one axial side during its operation. A low temperature part is provided on the other side in the axial direction. The high temperature part has a temperature of about room temperature, for example. The low temperature part varies depending on the use of the cryogenic refrigerator 10, but is cooled to a certain temperature included in a range of about 100 K to about 10 K, for example.

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凍機ステージ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、冷凍機ステージ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。   In this document, the terms axial direction, radial direction, and circumferential direction are used for convenience of explanation. The axial direction represents the moving direction of the expander movable part 20 relative to the expander stationary part 22 as illustrated by the arrow A. The radial direction represents a direction perpendicular to the axial direction (lateral direction in the figure), and the circumferential direction represents a direction surrounding the axial direction. When an element of the expander 14 is relatively close to the refrigerator stage 32 with respect to the axial direction, it may be called “lower”, and when it is relatively far away, it may be called “upper”. Therefore, the high temperature part and the low temperature part of the expander 14 are located in the upper part and the lower part in the axial direction, respectively. These expressions are only used to help understand the relative positional relationship between the elements of the expander 14 and are not related to the placement of the expander 14 when installed in the field. For example, the expander 14 may be installed with the refrigerator stage 32 facing upward and the drive mechanism housing 30 facing downward. Or the expander 14 may be installed so that an axial direction may correspond to a horizontal direction.

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。ロータリバルブ機構の軸方向は、極低温冷凍機10の軸方向すなわち膨張機可動部分20の移動方向に垂直である。   The terms “axial direction”, “radial direction”, and “circumferential direction” are also used for the rotary valve mechanism. In this case, the axial direction represents the direction of the rotary shaft of the rotary valve mechanism. The axial direction of the rotary valve mechanism is perpendicular to the axial direction of the cryogenic refrigerator 10, that is, the moving direction of the expander movable part 20.

膨張機14は、膨張機静止部分22に支持され、ディスプレーサ24を駆動する駆動機構38を備える。駆動機構38は、逆転可能モータ40及びスコッチヨーク機構42を含む。ディスプレーサ駆動軸26はスコッチヨーク機構42の一部を形成する。ディスプレーサ駆動軸26はスコッチヨーク機構42によって軸方向に駆動されるようスコッチヨーク機構42に連結されている。したがって、逆転可能モータ40の正転と逆転それぞれ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。   The expander 14 is supported by the expander stationary portion 22 and includes a drive mechanism 38 that drives the displacer 24. The drive mechanism 38 includes a reversible motor 40 and a Scotch yoke mechanism 42. The displacer drive shaft 26 forms a part of the scotch yoke mechanism 42. The displacer drive shaft 26 is connected to the scotch yoke mechanism 42 so as to be driven in the axial direction by the scotch yoke mechanism 42. Accordingly, the reciprocating movement of the displacer 24 in the axial direction is driven by the forward rotation and the reverse rotation of the motor 40 that can rotate in reverse.

駆動機構38は、駆動機構ハウジング30の内部に画定される低圧ガス室37に収容されている。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37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37は常に低圧に維持される。   The drive mechanism 38 is accommodated in a low-pressure gas chamber 37 defined inside the drive mechanism housing 30. The second pipe 18b is connected to the drive mechanism housing 30, whereby the low-pressure gas chamber 37 communicates with the suction port 12b of the compressor 12 through the second pipe 18b. Therefore, the low pressure gas chamber 37 is always maintained at a low pressure.

極低温冷凍機10は、逆転可能モータ40が所定方向に回転するときに冷却運転し、逆転可能モータ40が反対方向に回転するときに昇温運転するように構成されている。極低温冷凍機10が冷却される回転方向を「正転」と称し、極低温冷凍機10が昇温される回転方向を「逆転」と称する。図2には、逆転可能モータ40の回転軸40aが示されている。ここでは、逆転可能モータ40の回転軸40aの時計回りを正転(矢印B方向)、逆転可能モータ40の回転軸40aの反時計回りを逆転とする(矢印C方向)。   The cryogenic refrigerator 10 is configured to perform a cooling operation when the reversible motor 40 rotates in a predetermined direction and to perform a temperature rising operation when the reversible motor 40 rotates in the opposite direction. The rotation direction in which the cryogenic refrigerator 10 is cooled is referred to as “forward rotation”, and the rotation direction in which the cryogenic refrigerator 10 is heated is referred to as “reverse rotation”. FIG. 2 shows a rotating shaft 40a of the reversible motor 40. Here, the clockwise rotation of the rotation shaft 40a of the reversible motor 40 is forward rotation (arrow B direction), and the counterclockwise rotation of the rotation shaft 40a of the reversible motor 40 is reverse rotation (arrow C direction).

図2に示されるように、スコッチヨーク機構42は、クランク44と、スコッチヨーク46と、を含む。クランク44は、逆転可能モータ40の回転軸40aに固定される。クランク44は、回転軸40aが固定される位置から偏心した位置にクランクピン44aを有する。したがって、クランク44を回転軸40aに固定すると、クランクピン44aは、逆転可能モータ40の回転軸40aと平行に延在するとともに回転軸40aから偏心した状態となる。   As shown in FIG. 2, the scotch yoke mechanism 42 includes a crank 44 and a scotch yoke 46. The crank 44 is fixed to the rotation shaft 40 a of the reversible motor 40. The crank 44 has a crank pin 44a at a position eccentric from the position where the rotation shaft 40a is fixed. Therefore, when the crank 44 is fixed to the rotating shaft 40a, the crank pin 44a extends in parallel with the rotating shaft 40a of the reversible motor 40 and is eccentric from the rotating shaft 40a.

スコッチヨーク46は、ヨーク板48と、ころ軸受50と、を含む。ヨーク板48は、板状の部材である。スコッチヨーク46には、その上部中央に、上部軸52が上方に延出するように連結され、その下部中央に、ディスプレーサ駆動軸26が下方に延出するように連結されている。図1に示されるように、上部軸52は、第1摺動軸受54によって軸方向に移動可能に支持され、ディスプレーサ駆動軸26は、第2摺動軸受56によって軸方向に移動可能に支持される。したがって、上部軸52およびディスプレーサ駆動軸26、ひいてはヨーク板48、ひいてはスコッチヨーク46は、軸方向に移動可能な構成となっている。   The scotch yoke 46 includes a yoke plate 48 and a roller bearing 50. The yoke plate 48 is a plate-like member. An upper shaft 52 is connected to the upper center of the scotch yoke 46 so as to extend upward, and a displacer drive shaft 26 is connected to the lower center of the scotch yoke 46 so as to extend downward. As shown in FIG. 1, the upper shaft 52 is supported by a first sliding bearing 54 so as to be movable in the axial direction, and the displacer drive shaft 26 is supported by a second sliding bearing 56 so as to be movable in the axial direction. The Therefore, the upper shaft 52 and the displacer drive shaft 26, and thus the yoke plate 48, and thus the scotch yoke 46 are configured to be movable in the axial direction.

ヨーク板48の中央には、横長窓48aが形成されている。横長窓48aは、上部軸52およびディスプレーサ駆動軸26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50は、転動可能に横長窓48a内に配設される。ころ軸受50の中心には、クランクピン44aと係合する係合孔50aが形成されており、クランクピン44aが係合孔50aを貫通する。   A laterally long window 48 a is formed at the center of the yoke plate 48. The horizontally elongated window 48a extends in a direction intersecting, for example, a direction orthogonal to the direction in which the upper shaft 52 and the displacer drive shaft 26 extend (that is, the axial direction). The roller bearing 50 is disposed in the horizontally elongated window 48a so as to be able to roll. An engagement hole 50a that engages with the crank pin 44a is formed at the center of the roller bearing 50, and the crank pin 44a passes through the engagement hole 50a.

第1摺動軸受54および第2摺動軸受56は、膨張機静止部分22の駆動機構ハウジング30に設けられている。第2摺動軸受56または駆動機構ハウジング30の下端部には、例えばスリッパシールやクリアランスシールといったシール部が設けられ、気密に構成されており、そのため低圧ガス室37は上部空間36から隔離されている。低圧ガス室37と上部空間36との直接のガス流通はない。   The first sliding bearing 54 and the second sliding bearing 56 are provided in the drive mechanism housing 30 of the expander stationary portion 22. A seal portion such as a slipper seal or a clearance seal is provided at the lower end portion of the second sliding bearing 56 or the drive mechanism housing 30, for example, so that the low pressure gas chamber 37 is isolated from the upper space 36. Yes. There is no direct gas flow between the low pressure gas chamber 37 and the upper space 36.

逆転可能モータ40が駆動し回転軸40aが回転すると、クランクピン44aと係合したころ軸受50は、円を描くように回転する。ころ軸受50が円を描くように回転することにより、スコッチヨーク46は、軸方向に往復運動する。この際、ころ軸受50は、軸方向に交差する方向に横長窓48a内を往復移動する。   When the reversible motor 40 is driven and the rotary shaft 40a rotates, the roller bearing 50 engaged with the crank pin 44a rotates so as to draw a circle. As the roller bearing 50 rotates to draw a circle, the scotch yoke 46 reciprocates in the axial direction. At this time, the roller bearing 50 reciprocates in the lateral window 48a in a direction intersecting the axial direction.

図1に示されるように、ディスプレーサ24は、ディスプレーサ駆動軸26に連結されている。ディスプレーサ駆動軸26は、低圧ガス室37から上部空間36を貫通してディスプレーサ24へと延びている。このため、スコッチヨーク46が軸方向に移動することにより、ディスプレーサ24はシリンダ28内を軸方向に往復移動する。   As shown in FIG. 1, the displacer 24 is connected to a displacer drive shaft 26. The displacer drive shaft 26 extends from the low pressure gas chamber 37 through the upper space 36 to the displacer 24. For this reason, when the scotch yoke 46 moves in the axial direction, the displacer 24 reciprocates in the cylinder 28 in the axial direction.

膨張機14は、逆転可能モータ40の正転時に冷凍機ステージ32が冷却され、かつ逆転可能モータ40の逆転時に冷凍機ステージ32が加熱されるように、ディスプレーサ24の軸方向往復動と同期させて膨張空間34の吸気と排気とを切り替えるロータリーバルブ58を備える。ロータリーバルブ58は、高圧ガスを膨張空間34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、低圧ガスを膨張空間34から排出するための排出路の一部として機能する。ロータリーバルブ58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、それにより膨張空間34の圧力を制御するよう構成されている。ロータリーバルブ58は、駆動機構38に連結され、駆動機構ハウジング30に収容されている。   The expander 14 is synchronized with the axial reciprocation of the displacer 24 so that the refrigerator stage 32 is cooled when the reversible motor 40 is rotated forward and the refrigerator stage 32 is heated when the reverse motor 40 is rotated reversely. And a rotary valve 58 for switching between intake and exhaust of the expansion space 34. The rotary valve 58 functions as a part of a supply path for supplying high-pressure gas to the expansion space 34 and functions as a part of a discharge path for discharging low-pressure gas from the expansion space 34. The rotary valve 58 is configured to switch the working gas supply function and the discharge function in synchronization with the reciprocating movement of the displacer 24, thereby controlling the pressure in the expansion space 34. The rotary valve 58 is connected to the drive mechanism 38 and is accommodated in the drive mechanism housing 30.

また、膨張機14は、ハウジングガス流路64、ディスプレーサ上蓋ガス流路66、ディスプレーサ下蓋ガス流路68を有する。高圧ガスは、第1管18aからロータリーバルブ58、ハウジングガス流路64、上部空間36、ディスプレーサ上蓋ガス流路66、蓄冷器16、ディスプレーサ下蓋ガス流路68を経て膨張空間34に流入する。膨張空間34からの戻りガスは、ディスプレーサ下蓋ガス流路68、蓄冷器16、ディスプレーサ上蓋ガス流路66、上部空間36、ハウジングガス流路64、ロータリーバルブ58を経て低圧ガス室37に受け入れられる。   Further, the expander 14 includes a housing gas flow path 64, a displacer upper lid gas flow path 66, and a displacer lower lid gas flow path 68. The high-pressure gas flows into the expansion space 34 from the first pipe 18a through the rotary valve 58, the housing gas flow path 64, the upper space 36, the displacer upper lid gas flow path 66, the regenerator 16, and the displacer lower lid gas flow path 68. The return gas from the expansion space 34 is received by the low pressure gas chamber 37 via the displacer lower cover gas flow path 68, the regenerator 16, the displacer upper cover gas flow path 66, the upper space 36, the housing gas flow path 64, and the rotary valve 58. .

ハウジングガス流路64は、膨張機静止部分22と上部空間36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。   The housing gas flow path 64 is formed through the drive mechanism housing 30 for gas flow between the expander stationary part 22 and the upper space 36.

上部空間36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、上部空間36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。上部空間36は、低圧ガス室37に隣接する。上部空間36は室温室とも呼ばれる。上部空間36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。   The upper space 36 is formed between the expander stationary part 22 and the displacer 24 on the regenerator high temperature part 16a side. More specifically, the upper space 36 is sandwiched between the drive mechanism housing 30 and the displacer 24 in the axial direction, and is surrounded by the cylinder 28 in the circumferential direction. The upper space 36 is adjacent to the low pressure gas chamber 37. The upper space 36 is also called a room temperature room. The upper space 36 is a variable volume formed between the expander movable part 20 and the expander stationary part 22.

ディスプレーサ上蓋ガス流路66は、蓄冷器高温部16aを上部空間36に連通するよう形成されたディスプレーサ24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68は、蓄冷器低温部16bを膨張空間34に連通するよう形成されたディスプレーサ24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70が、ディスプレーサ24の側面に設けられている。シール部70は、ディスプレーサ上蓋ガス流路66を周方向に囲むようディスプレーサ24に取り付けられていてもよい。   The displacer top gas channel 66 is at least one opening of the displacer 24 formed so as to communicate the regenerator high temperature portion 16a with the upper space 36. The displacer lower lid gas flow path 68 is at least one opening of the displacer 24 formed so as to communicate the regenerator low-temperature part 16 b with the expansion space 34. A seal portion 70 that seals the clearance between the displacer 24 and the cylinder 28 is provided on the side surface of the displacer 24. The seal portion 70 may be attached to the displacer 24 so as to surround the displacer upper lid gas flow channel 66 in the circumferential direction.

膨張空間34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。膨張空間34は上部空間36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膨張空間34の容積は上部空間36の容積と相補的に変動する。シール部70が設けられているので、上部空間36と膨張空間34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。   The expansion space 34 is formed between the cylinder 28 and the displacer 24 on the regenerator low temperature portion 16b side. The expansion space 34 is a variable volume formed between the expander movable part 20 and the expander stationary part 22 in the same manner as the upper space 36, and the volume of the expansion space 34 is increased by the relative movement of the displacer 24 with respect to the cylinder 28. It varies in a complementary manner to the volume of 36. Since the seal portion 70 is provided, there is no direct gas flow between the upper space 36 and the expansion space 34 (that is, a gas flow that bypasses the regenerator 16).

ロータリーバルブ58は、ロータバルブ部材60及びステータバルブ部材62を備える。ロータバルブ部材60は、逆転可能モータ40の回転により回転するよう逆転可能モータ40の出力軸に連結されている。ロータバルブ部材60は、ステータバルブ部材62に対し回転摺動するようステータバルブ部材62と面接触している。ステータバルブ部材62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62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。   The rotary valve 58 includes a rotor valve member 60 and a stator valve member 62. The rotor valve member 60 is connected to the output shaft of the reversible motor 40 so as to rotate by the rotation of the reversible motor 40. The rotor valve member 60 is in surface contact with the stator valve member 62 so as to rotate and slide with respect to the stator valve member 62. The stator valve member 62 is fixed to the drive mechanism housing 30. The stator valve member 62 is configured to receive high-pressure gas entering the drive mechanism housing 30 from the first pipe 18a.

図3に示す一点鎖線Yは、ロータリーバルブ58の回転軸を表す。ステータバルブ部材62は平坦なステータ側回転摺動面71を有し、ロータバルブ部材60は同じく平坦なロータ側回転摺動面72を有する。ステータ側回転摺動面71およびロータ側回転摺動面72はともに回転軸Yに垂直である。ステータ側回転摺動面71とロータ側回転摺動面72が面接触することにより、冷媒ガスの漏れが防止される。   An alternate long and short dash line Y shown in FIG. 3 represents the rotation axis of the rotary valve 58. The stator valve member 62 has a flat stator side rotational sliding surface 71, and the rotor valve member 60 has a flat rotor side rotational sliding surface 72. The stator side rotational sliding surface 71 and the rotor side rotational sliding surface 72 are both perpendicular to the rotational axis Y. The stator-side rotational sliding surface 71 and the rotor-side rotational sliding surface 72 are in surface contact with each other, thereby preventing refrigerant gas from leaking.

ステータバルブ部材62は、駆動機構ハウジング30内にステータバルブ固定ピン73で固定される。ステータバルブ固定ピン73は、ステータバルブ部材62のステータ側回転摺動面71とは回転軸方向反対側に位置するステータバルブ端面74に係合し、ステータバルブ部材62の回転を規制する。   The stator valve member 62 is fixed in the drive mechanism housing 30 with a stator valve fixing pin 73. The stator valve fixing pin 73 engages with the stator valve end surface 74 located on the opposite side of the rotation axis direction of the stator side rotation sliding surface 71 of the stator valve member 62 to restrict the rotation of the stator valve member 62.

ロータバルブ部材60は、図1に示すロータバルブ軸受75により回転可能に支持されている。ロータバルブ部材60のスコッチヨーク機構42側のロータバルブ端面76には、図2に示されるように、円弧形状の係合溝77が形成されている。ロータバルブ端面76は、ロータバルブ部材60のロータ側回転摺動面72とは回転軸方向反対側に位置する。ロータバルブ部材60は、ロータ側回転摺動面72をロータバルブ端面76に接続するロータバルブ外周面78を備える。ロータバルブ外周面78は、ロータバルブ軸受75に支持されるとともに、低圧ガス室37に面している。   The rotor valve member 60 is rotatably supported by a rotor valve bearing 75 shown in FIG. An arcuate engagement groove 77 is formed on the rotor valve end surface 76 of the rotor valve member 60 on the scotch yoke mechanism 42 side, as shown in FIG. The rotor valve end surface 76 is located on the opposite side to the rotor-side rotational sliding surface 72 of the rotor valve member 60 in the rotational axis direction. The rotor valve member 60 includes a rotor valve outer peripheral surface 78 that connects the rotor side rotational sliding surface 72 to the rotor valve end surface 76. The rotor valve outer peripheral surface 78 is supported by the rotor valve bearing 75 and faces the low pressure gas chamber 37.

図2に示されるように、係合溝77にはスコッチヨーク機構42のクランクピン44aの先端が進入している。逆転可能モータ40の回転軸40aの回転に伴いクランクピン44aが正転または逆転し、クランクピン44aが係合溝77の周方向一方側の端部77aまたは周方向他方側の端部77bに係合すると、クランク44の運動すなわち逆転可能モータ40の回転軸40aの回転がロータバルブ部材60に伝達され、ロータバルブ部材60はステータバルブ部材62に対して正転または逆転する。逆転可能モータ40がクランクピン44aを回転させることにより、ロータバルブ部材60はスコッチヨーク機構42と同期して回転する。   As shown in FIG. 2, the tip of the crank pin 44 a of the scotch yoke mechanism 42 enters the engagement groove 77. As the rotary shaft 40 a of the reversible motor 40 rotates, the crank pin 44 a rotates forward or reverse, and the crank pin 44 a engages with the end portion 77 a on the circumferential direction one side or the end portion 77 b on the other circumferential side of the engagement groove 77. In this case, the movement of the crank 44, that is, the rotation of the rotating shaft 40 a of the reversible motor 40 is transmitted to the rotor valve member 60, and the rotor valve member 60 rotates forward or backward with respect to the stator valve member 62. When the reversible motor 40 rotates the crank pin 44 a, the rotor valve member 60 rotates in synchronization with the scotch yoke mechanism 42.

係合溝77とクランクピン44aとは、ロータバルブ部材60と逆転可能モータ40の回転軸40aとを正転と逆転との間に所定の角度(例えば、200°以上360°未満であり、例えば280°)の空動を伴って連結されている。そのため、ディスプレーサ24の往復移動に対するロータリーバルブ58の吸排気タイミングは、回転軸40aおよびロータバルブ部材60が正転する(すなわち極低温冷凍機10が冷却運転する)ときと回転軸40aおよびロータバルブ部材60が逆転する(すなわち極低温冷凍機10が昇温運転する)ときとで異なる。   The engagement groove 77 and the crank pin 44a have a predetermined angle (for example, not less than 200 ° and less than 360 °) between the forward rotation and the reverse rotation of the rotor valve member 60 and the rotation shaft 40a of the reversible motor 40. 280 °). Therefore, the intake / exhaust timing of the rotary valve 58 with respect to the reciprocating movement of the displacer 24 is determined when the rotary shaft 40a and the rotor valve member 60 are rotated forward (that is, when the cryogenic refrigerator 10 is cooled), and It differs depending on when 60 reverses (that is, when the cryogenic refrigerator 10 is heated).

図3に示されるように、ステータバルブ部材62は、高圧ガス流入口79およびガス流通口80を有する。高圧ガス流入口79は、ステータ側回転摺動面71の中心部に開口され、ステータバルブ部材62の中心部を回転軸Yの方向に貫通するよう形成されている。高圧ガス流入口79は、第1管18aを通じて圧縮機12の吐出口12aに連通される(図1参照)。ガス流通口80は、ステータ側回転摺動面71において高圧ガス流入口79に対し径方向外側に開口されている。ガス流通口80は、高圧ガス流入口79を中心とした円弧状溝に形成されている。   As shown in FIG. 3, the stator valve member 62 has a high-pressure gas inlet 79 and a gas inlet 80. The high-pressure gas inlet 79 is opened at the center of the stator-side rotational sliding surface 71 and is formed so as to penetrate the center of the stator valve member 62 in the direction of the rotation axis Y. The high-pressure gas inlet 79 communicates with the discharge port 12a of the compressor 12 through the first pipe 18a (see FIG. 1). The gas circulation port 80 is opened radially outward with respect to the high-pressure gas inflow port 79 in the stator side rotational sliding surface 71. The gas circulation port 80 is formed in an arcuate groove centered on the high-pressure gas inlet 79.

ステータバルブ部材62は、ガス流通口80をハウジングガス流路64につなぐようステータバルブ部材62に貫通形成されている連通路81を有する。よってガス流通口80は、連通路81およびハウジングガス流路64を経て最終的に膨張空間34に連通される。連通路81は一端がガス流通口80に開口され他端がステータバルブ部材62の側面に開口されている。連通路81のガス流通口80側の部分は回転軸Yの方向に延びており、これに対し直交するよう連通路81のハウジングガス流路64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80および連通路81を高圧ガスが流れる一方、排気工程においては膨張空間34からの低圧戻りガスがガス流通口80および連通路81を流れる。   The stator valve member 62 has a communication passage 81 formed through the stator valve member 62 so as to connect the gas flow port 80 to the housing gas flow path 64. Therefore, the gas circulation port 80 is finally communicated with the expansion space 34 via the communication path 81 and the housing gas flow path 64. The communication passage 81 has one end opened to the gas flow port 80 and the other end opened to the side surface of the stator valve member 62. A portion of the communication passage 81 on the gas flow port 80 side extends in the direction of the rotation axis Y, and a portion of the communication passage 81 on the housing gas flow path 64 side extends in the radial direction so as to be orthogonal thereto. In the intake stroke of the cryogenic refrigerator 10, high-pressure gas flows through the gas circulation port 80 and the communication passage 81, while low-pressure return gas from the expansion space 34 flows through the gas circulation port 80 and the communication passage 81 in the exhaust process.

ロータバルブ部材60は、ロータバルブ高圧凹部82およびロータバルブ開口部83を有する。ロータ側回転摺動面72は、ロータバルブ高圧凹部82の周囲でステータ側回転摺動面71に面接触する。同様に、ロータ側回転摺動面72は、ロータバルブ開口部83の周囲でステータ側回転摺動面71に面接触する。   The rotor valve member 60 has a rotor valve high-pressure recess 82 and a rotor valve opening 83. The rotor-side rotational sliding surface 72 is in surface contact with the stator-side rotational sliding surface 71 around the rotor valve high-pressure recess 82. Similarly, the rotor-side rotational sliding surface 72 is in surface contact with the stator-side rotational sliding surface 71 around the rotor valve opening 83.

ロータバルブ高圧凹部82は、ロータ側回転摺動面72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82は、ロータ側回転摺動面72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82の深さはロータバルブ部材60の回転軸方向長さより短く、ロータバルブ高圧凹部82はロータバルブ部材60を貫通していない。ロータ側回転摺動面72上で高圧ガス流入口79に対応する場所にロータバルブ高圧凹部82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82は高圧ガス流入口79に常時接続されている。ロータバルブ高圧凹部82の径方向他端は、ステータバルブ部材62のガス流通口80と概ね同一円周上に位置するよう形成されている。   The rotor valve high-pressure recess 82 is opened in the rotor-side rotational sliding surface 72 and is formed in an oval groove. The rotor valve high-pressure recess 82 extends radially outward from the center of the rotor-side rotational sliding surface 72. The depth of the rotor valve high-pressure recess 82 is shorter than the length of the rotor valve member 60 in the rotation axis direction, and the rotor valve high-pressure recess 82 does not penetrate the rotor valve member 60. One end of the rotor valve high-pressure recess 82 in the radial direction is located on the rotor-side rotary sliding surface 72 at a location corresponding to the high-pressure gas inlet 79. Therefore, the rotor valve high-pressure recess 82 is always connected to the high-pressure gas inlet 79. The other end in the radial direction of the rotor valve high-pressure recess 82 is formed so as to be positioned substantially on the same circumference as the gas flow port 80 of the stator valve member 62.

このようにして、ロータリーバルブ58に吸気バルブが構成される。ロータバルブ高圧凹部82は、ロータバルブ部材60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79をガス流通口80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79をガス流通口80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82および高圧ガス流入口79からなる二区域、または、ロータバルブ高圧凹部82、高圧ガス流入口79、およびガス流通口80からなる三区域は、互いに連通してロータリーバルブ58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60は、高圧領域を密封し低圧周囲環境(すなわち低圧ガス室37)から隔離するようステータバルブ部材62に隣接配置されている。ロータバルブ高圧凹部82は、ロータリーバルブ58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。   Thus, the rotary valve 58 is configured as an intake valve. The rotor valve high-pressure recess 82 communicates the high-pressure gas inlet 79 with the gas circulation port 80 in a part of one period of rotation of the rotor valve member 60 (for example, the intake process), and in the remaining part of the one period (for example, the exhaust process). The high-pressure gas inlet 79 is formed so as not to communicate with the gas circulation port 80. Two sections consisting of the rotor valve high-pressure recess 82 and the high-pressure gas inlet 79, or three sections consisting of the rotor valve high-pressure recess 82, the high-pressure gas inlet 79, and the gas flow port 80 communicate with each other in the rotary valve 58. A high pressure region (or high pressure flow path) is formed. The rotor valve member 60 is disposed adjacent to the stator valve member 62 so as to seal the high pressure region and isolate it from the low pressure ambient environment (ie, the low pressure gas chamber 37). The rotor valve high-pressure recess 82 is provided as a flow direction changing portion or a channel turn-back portion in the high-pressure channel of the rotary valve 58.

一方、ロータバルブ開口部83は、ロータバルブ部材60のロータ側回転摺動面72からロータバルブ端面76まで貫通する円弧状孔であり、低圧ガス室37と連通する低圧流路を形成する。一例として、ロータバルブ開口部83は、係合溝77へとロータバルブ部材60を貫通している。ロータバルブ開口部83は、ロータ側回転摺動面72の中心部に対しロータバルブ高圧凹部82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83は、ステータバルブ部材62のガス流通口80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、ロータリーバルブ58に排気バルブが構成される。ロータバルブ部材60は、高圧ガス流入口79がガス流通口80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80を低圧ガス室37に連通するよう形成されている。   On the other hand, the rotor valve opening 83 is an arc-shaped hole that penetrates from the rotor-side rotational sliding surface 72 of the rotor valve member 60 to the rotor valve end surface 76, and forms a low-pressure channel that communicates with the low-pressure gas chamber 37. As an example, the rotor valve opening 83 penetrates the rotor valve member 60 into the engagement groove 77. The rotor valve opening 83 is located substantially on the opposite side in the radial direction from the outer end of the rotor valve high-pressure recess 82 with respect to the central portion of the rotor-side rotational sliding surface 72. The rotor valve opening 83 is formed so as to be positioned substantially on the same circumference as the gas flow port 80 of the stator valve member 62. In this way, the rotary valve 58 is configured as an exhaust valve. The rotor valve member 60 is formed so that the gas circulation port 80 communicates with the low-pressure gas chamber 37 in at least a part of the period during which the high-pressure gas inlet 79 is disconnected from the gas circulation port 80 (for example, an exhaust process).

図4は、ある実施形態に係る極低温冷凍機10の冷却運転のタイミングチャートを例示する図である。図4には、ロータリーバルブ58のバルブタイミング(実線で示す)と、ディスプレーサ24の軸方向位置(一点鎖線で示す)が、ディスプレーサ24の軸方向往復動の一周期にわたり時系列的に示されている。ディスプレーサ24の軸方向往復動の一周期が360°に対応付けられている。言い換えれば、図4の横軸は逆転可能モータ40の回転角度およびロータリーバルブ58の位相を表す。0°(360°)においてディスプレーサ24は上死点に位置し、膨張空間34の容積は最大となる。180°においてディスプレーサ24は下死点に位置し、膨張空間34の容積は最小となる。90°および270°では、ディスプレーサ24は上死点と下死点の中間点に位置する。図1から図4を参照しながら、極低温冷凍機10の冷却運転を説明する。   FIG. 4 is a diagram illustrating a timing chart of the cooling operation of the cryogenic refrigerator 10 according to an embodiment. In FIG. 4, the valve timing of the rotary valve 58 (shown by a solid line) and the axial position of the displacer 24 (shown by a one-dot chain line) are shown in time series over one cycle of the axial reciprocation of the displacer 24. Yes. One period of the axial reciprocation of the displacer 24 is associated with 360 °. In other words, the horizontal axis in FIG. 4 represents the rotation angle of the reversible motor 40 and the phase of the rotary valve 58. At 0 ° (360 °), the displacer 24 is located at the top dead center, and the volume of the expansion space 34 is maximized. At 180 °, the displacer 24 is located at the bottom dead center, and the volume of the expansion space 34 is minimized. At 90 ° and 270 °, the displacer 24 is located at the midpoint between the top dead center and the bottom dead center. The cooling operation of the cryogenic refrigerator 10 will be described with reference to FIGS.

まず、極低温冷凍機10を冷却運転する場合について説明する。冷却運転では、逆転可能モータ40を正転させることによってクランクピン44aがロータバルブ部材60の係合溝77の端部77aに係合し、ロータバルブ部材60が正転する。   First, the case where the cryogenic refrigerator 10 is cooled will be described. In the cooling operation, the reversible motor 40 is rotated forward to engage the crank pin 44a with the end 77a of the engagement groove 77 of the rotor valve member 60, and the rotor valve member 60 is rotated forward.

ディスプレーサ24が上死点に到達するのに先行して、ロータリーバルブ58は、圧縮機12の吸入口12bを膨張空間34に接続するように切り替わる。こうして、冷却運転の排気工程が開始される。例えば300°から360°(−60°から0°)の間で、排気バルブとしてのロータリーバルブ58が開かれる。図示される例では、冷却運転での排気開始タイミングは、例えばおよそ310°の位相に定められている。   Prior to the displacer 24 reaching top dead center, the rotary valve 58 is switched to connect the suction port 12 b of the compressor 12 to the expansion space 34. Thus, the exhaust process of the cooling operation is started. For example, the rotary valve 58 as an exhaust valve is opened between 300 ° and 360 ° (−60 ° and 0 °). In the illustrated example, the exhaust start timing in the cooling operation is set to a phase of about 310 °, for example.

このとき膨張空間34内の高圧ガスは膨張し冷却される。膨張したガスは、膨張空間34からディスプレーサ下蓋ガス流路68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64、ロータリーバルブ58、低圧ガス室37を経て圧縮機12に戻る。ガスが膨張空間34から流出する間、ディスプレーサ24は上死点から下死点に向けてシリンダ28内を軸方向下向きに動く。それにより膨張空間34の容積が減少され、膨張空間34から低圧ガスが排出される。ディスプレーサ24が下死点に到達するのに先行して、例えば120°から180°の間で、または例えば120°から150°の間で、排気バルブとしてのロータリーバルブ58が閉じられ、排気工程が終了する。図示される例では、冷却運転での排気終了タイミングは、例えばおよそ130°〜135°の位相に定められている。   At this time, the high-pressure gas in the expansion space 34 is expanded and cooled. The expanded gas enters the regenerator 16 from the expansion space 34 through the displacer lower lid gas flow path 68. The gas is cooled while passing through the regenerator 16. The gas returns from the regenerator 16 to the compressor 12 through the housing gas flow path 64, the rotary valve 58, and the low pressure gas chamber 37. While the gas flows out of the expansion space 34, the displacer 24 moves downward in the axial direction in the cylinder 28 from the top dead center to the bottom dead center. Thereby, the volume of the expansion space 34 is reduced, and the low pressure gas is discharged from the expansion space 34. Prior to the displacer 24 reaching bottom dead center, for example, between 120 ° and 180 °, or between 120 ° and 150 °, the rotary valve 58 as the exhaust valve is closed, and the exhaust process is performed. finish. In the illustrated example, the exhaust end timing in the cooling operation is set to a phase of about 130 ° to 135 °, for example.

ディスプレーサ24が下死点に到達するのに先行して、ロータリーバルブ58は、圧縮機12の吐出口12aを膨張空間34に接続するように切り替わる。こうして、冷却運転の吸気工程が開始される。排気工程の終了からディスプレーサ24の下死点への到達までの間に、吸気バルブとしてのロータリーバルブ58が開かれる。図示される例では、冷却運転での吸気開始タイミングは、例えばおよそ145°の位相に定められている。   Prior to the displacer 24 reaching the bottom dead center, the rotary valve 58 is switched to connect the discharge port 12a of the compressor 12 to the expansion space 34. Thus, the intake step of the cooling operation is started. Between the end of the exhaust process and the arrival at the bottom dead center of the displacer 24, the rotary valve 58 as an intake valve is opened. In the illustrated example, the intake start timing in the cooling operation is set to a phase of about 145 °, for example.

高圧ガスが、ロータリーバルブ58からハウジングガス流路64、上部空間36、ディスプレーサ上蓋ガス流路66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68を通じて膨張空間34に入る。ガスが膨張空間34に流入する間、ディスプレーサ24は下死点から上死点に向けてシリンダ28内を軸方向上向きに動く。それにより膨張空間34の容積が増加される。こうして膨張空間34は高圧ガスで満たされる。ディスプレーサ24が上死点に到達するのに先行して、例えば270°から360°の間で、または例えば270°から300°の間で、吸気バルブとしてのロータリーバルブ58が閉じられ、吸気工程が終了する。吸気工程が終了すると、再び排気工程が開始される。図示される例では、冷却運転での吸気終了タイミングは、例えばおよそ285°の位相に定められている。   The high-pressure gas enters the regenerator high temperature section 16 a from the rotary valve 58 through the housing gas flow path 64, the upper space 36, and the displacer upper lid gas flow path 66. The gas is cooled while passing through the regenerator 16, and enters the expansion space 34 from the regenerator low temperature portion 16 b through the displacer lower lid gas flow path 68. While the gas flows into the expansion space 34, the displacer 24 moves axially upward in the cylinder 28 from the bottom dead center to the top dead center. Thereby, the volume of the expansion space 34 is increased. Thus, the expansion space 34 is filled with high-pressure gas. Prior to the displacer 24 reaching top dead center, for example, between 270 ° and 360 °, or between 270 ° and 300 °, the rotary valve 58 as the intake valve is closed, and the intake process is performed. finish. When the intake process ends, the exhaust process starts again. In the illustrated example, the intake end timing in the cooling operation is set to a phase of about 285 °, for example.

以上が極低温冷凍機10における1回の冷凍サイクルである。極低温冷凍機10は冷凍サイクルを繰り返すことで、冷凍機ステージ32を所望の温度に冷却する。よって、極低温冷凍機10は、冷凍機ステージ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。   The above is one refrigeration cycle in the cryogenic refrigerator 10. The cryogenic refrigerator 10 cools the refrigerator stage 32 to a desired temperature by repeating the refrigeration cycle. Therefore, the cryogenic refrigerator 10 can cool the object thermally coupled to the refrigerator stage 32 to a cryogenic temperature.

図5は、ある実施形態に係る極低温冷凍機10の逆転昇温運転のタイミングチャートを例示する図である。図5には、図4と同様に、ロータリーバルブ58のバルブタイミング(実線で示す)と、ディスプレーサ24の軸方向位置(一点鎖線で示す)が、ディスプレーサ24の軸方向往復動の一周期にわたり時系列的に示されている。図1から図3、図5を参照しながら、極低温冷凍機10の逆転昇温運転を説明する。   FIG. 5 is a diagram illustrating a timing chart of the reverse temperature raising operation of the cryogenic refrigerator 10 according to an embodiment. In FIG. 5, as in FIG. 4, the valve timing of the rotary valve 58 (indicated by a solid line) and the axial position of the displacer 24 (indicated by a one-dot chain line) are measured over one cycle of the axial reciprocation of the displacer 24. Shown in series. The reverse temperature raising operation of the cryogenic refrigerator 10 will be described with reference to FIGS. 1 to 3 and 5.

逆転昇温運転では、逆転可能モータ40を逆転させることによって、クランクピン44aは、ロータバルブ部材60の係合溝77に沿って空転し、係合溝77の端部77bに係合する。これにより、ロータバルブ部材60が逆方向に回転する。したがって、上述のように、逆転昇温運転におけるロータリーバルブ58の吸排気タイミングは、ディスプレーサ24の往復動に対して、冷却運転におけるロータリーバルブ58の吸排気タイミングとは異なるものとなる。   In the reverse temperature raising operation, the reverse rotation of the reversible motor 40 causes the crank pin 44 a to idle along the engagement groove 77 of the rotor valve member 60 and engage with the end 77 b of the engagement groove 77. Thereby, the rotor valve member 60 rotates in the reverse direction. Therefore, as described above, the intake / exhaust timing of the rotary valve 58 in the reverse temperature rising operation is different from the intake / exhaust timing of the rotary valve 58 in the cooling operation with respect to the reciprocating motion of the displacer 24.

ディスプレーサ24が上死点に到達するのに先行して、ロータリーバルブ58は、圧縮機12の吐出口12aを膨張空間34に接続するように切り替わる。こうして、逆転昇温運転の吸気工程が開始される。例えば330°から360°の間、より具体的には、例えば350°から360°の間で、吸気バルブとしてのロータリーバルブ58が開かれる。このように、逆転可能モータ40の逆転時における膨張空間34の吸気開始タイミングの位相が、ディスプレーサ24の上死点に対して、0°より大きく10°以下の範囲で進んでいる。   Prior to the displacer 24 reaching top dead center, the rotary valve 58 is switched to connect the discharge port 12 a of the compressor 12 to the expansion space 34. Thus, the intake process of the reverse temperature raising operation is started. For example, the rotary valve 58 as the intake valve is opened between 330 ° and 360 °, more specifically, between 350 ° and 360 °, for example. As described above, the phase of the intake start timing of the expansion space 34 during the reverse rotation of the reversible motor 40 advances in the range of greater than 0 ° and less than or equal to 10 ° with respect to the top dead center of the displacer 24.

図示される例では、逆転昇温運転での吸気開始タイミングは、例えばおよそ355°〜360°の位相に定められている。このように、逆転可能モータ40の逆転時における膨張空間34の吸気開始タイミングの位相が、ディスプレーサ24の上死点に対して、0°より大きく5°以下の範囲で進んでいてもよい。   In the illustrated example, the intake start timing in the reverse temperature rising operation is set to a phase of, for example, about 355 ° to 360 °. In this way, the phase of the intake start timing of the expansion space 34 when the reverse-rotatable motor 40 is reverse may advance in the range of more than 0 ° and 5 ° or less with respect to the top dead center of the displacer 24.

吸気工程においては、高圧ガスが、ロータリーバルブ58から蓄冷器16を通じて膨張空間34に流入する。ガスが膨張空間34に流入する間、ディスプレーサ24は上死点から下死点に向けてシリンダ28内を軸方向下向きに動く。膨張空間34内の冷媒ガスはさらに圧縮されてさらに高圧になり、昇温する。ディスプレーサ24が下死点に到達するのに先行して、例えば120°から180°の間で、または例えば120°から150°の間で、吸気バルブとしてのロータリーバルブ58が閉じられ、吸気工程が終了する。図示される例では、逆転昇温運転での吸気終了タイミングは、例えばおよそ130°〜135°の位相に定められている。   In the intake process, high-pressure gas flows into the expansion space 34 from the rotary valve 58 through the regenerator 16. While the gas flows into the expansion space 34, the displacer 24 moves axially downward in the cylinder 28 from the top dead center to the bottom dead center. The refrigerant gas in the expansion space 34 is further compressed to a higher pressure, and the temperature rises. Prior to the displacer 24 reaching the bottom dead center, for example, between 120 ° and 180 °, or between 120 ° and 150 °, the rotary valve 58 as the intake valve is closed, and the intake process is performed. finish. In the example shown in the drawing, the intake end timing in the reverse temperature rising operation is set to a phase of, for example, about 130 ° to 135 °.

ディスプレーサ24が下死点に到達するのに先行して、ロータリーバルブ58は、圧縮機12の吸入口12bを膨張空間34に接続するように切り替わる。こうして、逆転昇温運転の排気工程が開始される。吸気工程の終了からディスプレーサ24の下死点への到達までの間に、例えば135°から180°の間で、排気バルブとしてのロータリーバルブ58が開かれ、排気工程が開始される。このように、逆転可能モータ40の逆転時における膨張空間34の排気開始タイミングの位相が、ディスプレーサ24の下死点に対して、0°より大きく45°以下の範囲で進んでいる。図示される例では、逆転昇温運転での排気開始タイミングは、例えばおよそ145°の位相に定められている。   Prior to the displacer 24 reaching the bottom dead center, the rotary valve 58 is switched to connect the suction port 12b of the compressor 12 to the expansion space 34. Thus, the exhaust process of the reverse temperature raising operation is started. Between the end of the intake process and the arrival at the bottom dead center of the displacer 24, for example, between 135 ° and 180 °, the rotary valve 58 as the exhaust valve is opened, and the exhaust process is started. As described above, the phase of the exhaust start timing of the expansion space 34 during the reverse rotation of the reversible motor 40 advances in the range from 0 ° to 45 ° with respect to the bottom dead center of the displacer 24. In the illustrated example, the exhaust start timing in the reverse temperature raising operation is set to a phase of, for example, about 145 °.

排気工程においては、膨張空間34から蓄冷器16およびロータリーバルブ58を経て作動ガスが圧縮機12へと回収される。ガスが膨張空間34から流出する間、ディスプレーサ24は下死点から上死点に向けてシリンダ28内を軸方向上向きに動く。膨張空間34の容積が増加され、低圧ガスで満たされる。ディスプレーサ24が上死点に到達するのに先行して、例えば300°から360°の間で、排気バルブとしてのロータリーバルブ58が閉じられ、排気工程が終了する。排気工程が終了すると、再び吸気工程が開始される。図示される例では、逆転昇温運転での排気終了タイミングは、例えばおよそ330°の位相に定められている。   In the exhaust process, the working gas is recovered from the expansion space 34 to the compressor 12 via the regenerator 16 and the rotary valve 58. While the gas flows out of the expansion space 34, the displacer 24 moves axially upward in the cylinder 28 from the bottom dead center to the top dead center. The volume of the expansion space 34 is increased and filled with low pressure gas. Prior to the displacer 24 reaching the top dead center, for example, between 300 ° and 360 °, the rotary valve 58 as an exhaust valve is closed, and the exhaust process ends. When the exhaust process ends, the intake process starts again. In the example shown in the figure, the exhaust end timing in the reverse temperature raising operation is set to a phase of about 330 °, for example.

以上が極低温冷凍機10における1回の昇温サイクルである。極低温冷凍機10は昇温サイクルを繰り返すことで、作動ガスの圧縮熱により冷凍機ステージ32を所望の温度に加熱することができる。   The above is one heating cycle in the cryogenic refrigerator 10. The cryogenic refrigerator 10 can heat the refrigerator stage 32 to a desired temperature by the compression heat of the working gas by repeating the heating cycle.

本実施形態によると、逆転可能モータ40の逆転時における膨張空間34の吸気開始タイミングの位相が、ディスプレーサ24の上死点に対して、0°より大きく10°以下の範囲で進んでいる。これにより、極低温冷凍機10における逆転昇温の昇温効率を向上することができる。より短い時間で冷凍機ステージ32を極低温から室温に昇温することができる。   According to the present embodiment, the phase of the intake start timing of the expansion space 34 during the reverse rotation of the reversible motor 40 advances in the range of greater than 0 ° and less than or equal to 10 ° with respect to the top dead center of the displacer 24. Thereby, the temperature increase efficiency of the reverse temperature increase in the cryogenic refrigerator 10 can be improved. The refrigerator stage 32 can be heated from extremely low temperature to room temperature in a shorter time.

ここで、第1比較例として、逆転可能モータ40の逆転時における膨張空間34の吸気開始タイミングの位相が、ディスプレーサ24の上死点に一致するか、またはディスプレーサ24の上死点からいくらか遅れている場合を考える。   Here, as a first comparative example, the phase of the intake start timing of the expansion space 34 during the reverse rotation of the reversible motor 40 coincides with the top dead center of the displacer 24 or is somewhat delayed from the top dead center of the displacer 24. Think if you are.

本発明者による実験結果によると、吸気開始タイミングの位相がディスプレーサ24の上死点に対して約5°進んでいる実施例では、冷凍機ステージ32の100Kから300Kへの昇温が約42分で完了した。これに対して、吸気開始タイミングの位相がディスプレーサ24の上死点に対して約5°遅れている第1比較例では、他の諸条件を実施例と共通として、冷凍機ステージ32の100Kから300Kへの昇温に約50分を要した。第1比較例では、昇温時間が実施例に対しおよそ2割長くなっている。   According to the experiment result by the present inventor, in the example in which the phase of the intake start timing is advanced by about 5 ° with respect to the top dead center of the displacer 24, the temperature increase from 100K to 300K of the refrigerator stage 32 is about 42 minutes. Completed with. On the other hand, in the first comparative example in which the phase of the intake start timing is delayed by about 5 ° with respect to the top dead center of the displacer 24, other conditions are the same as those in the example, and from 100K of the refrigerator stage 32. It took about 50 minutes to raise the temperature to 300K. In the first comparative example, the temperature raising time is about 20% longer than that of the example.

本発明者の考察によると、実施例の昇温効率が第1比較例に比べて高まるのは、主に次の2つの理由による。   According to the inventor's consideration, the temperature increase efficiency of the example is higher than that of the first comparative example mainly for the following two reasons.

第1に、作動ガスが膨張空間34へと流入するとき受ける圧力損失に起因して、第1比較例では実施例に比べて昇温効率が劣ることになる。圧力損失の主たる原因は、作動ガスが蓄冷器16を流れることによる。上部空間36から蓄冷器16を通じて膨張空間34に作動ガスが流れるのに、いくらかの時間を要する。そのため、作動ガスが膨張空間34に実際に流入するタイミングは、吸気バルブとしてのロータリーバルブ58が開く吸気開始タイミングから僅かに遅れる。この遅延の間にもディスプレーサ24は下動し、膨張空間34は狭くなっていく。膨張空間34が狭くなるほど、発生する圧縮熱は小さくなり、昇温効率も低下する。   First, due to the pressure loss experienced when the working gas flows into the expansion space 34, the temperature increase efficiency is inferior in the first comparative example compared to the example. The main cause of pressure loss is due to the working gas flowing through the regenerator 16. It takes some time for the working gas to flow from the upper space 36 through the regenerator 16 to the expansion space 34. Therefore, the timing at which the working gas actually flows into the expansion space 34 is slightly delayed from the intake start timing at which the rotary valve 58 as the intake valve opens. Also during this delay, the displacer 24 moves down and the expansion space 34 becomes narrower. As the expansion space 34 becomes narrower, the generated heat of compression becomes smaller and the temperature raising efficiency also decreases.

これに対して、実施例によると、吸気開始タイミングがディスプレーサ24の上死点に対して0°より大きく10°以下の範囲で先行している。ディスプレーサ24が上死点に向けて上動している最中に吸気工程が開始され、ディスプレーサ24が上死点またはその近傍に位置するときに膨張空間34の昇圧を完了することができる。したがって、実施例では第1比較例に比べて、膨張空間34がより広くなる。よって、発生する圧縮熱は増加され、昇温効率も向上される。   On the other hand, according to the embodiment, the intake start timing precedes the top dead center of the displacer 24 in the range of 0 ° to 10 °. While the displacer 24 is moving upward toward the top dead center, the intake process is started, and the pressurization of the expansion space 34 can be completed when the displacer 24 is located at or near the top dead center. Therefore, in the embodiment, the expansion space 34 is wider than in the first comparative example. Therefore, the generated heat of compression is increased and the temperature raising efficiency is improved.

第2に、作動ガスとディスプレーサ24の相対速度に起因して、第1比較例では実施例に比べて昇温効率が劣ることになる。吸気工程では、作動ガスは上部空間36から膨張空間34へと下向きに流れる。第1比較例では吸気開始タイミングでディスプレーサ24が既に下動しているから、作動ガスとディスプレーサ24の相対速度が比較的小さくなる。そのため、作動ガスと蓄冷器16が接触する時間が長くなり、作動ガスと蓄冷器16の熱交換が促進される。作動ガスは蓄冷器16によって冷却され、その結果、膨張空間34に流入する作動ガスの温度が低くなる。これも、冷凍機ステージ32の昇温を遅らせる要因となる。   Second, due to the relative speed of the working gas and the displacer 24, the temperature increase efficiency is inferior in the first comparative example as compared to the example. In the intake process, the working gas flows downward from the upper space 36 to the expansion space 34. In the first comparative example, since the displacer 24 has already moved down at the intake start timing, the relative speed between the working gas and the displacer 24 becomes relatively small. Therefore, the time for the working gas and the regenerator 16 to contact with each other becomes longer, and the heat exchange between the working gas and the regenerator 16 is promoted. The working gas is cooled by the regenerator 16, and as a result, the temperature of the working gas flowing into the expansion space 34 is lowered. This is also a factor for delaying the temperature rise of the refrigerator stage 32.

これに対して、実施例によると、上述のように、吸気開始タイミングがディスプレーサ24の上死点に対して0°より大きく10°以下の範囲で先行し、ディスプレーサ24が上死点に向けて上動している最中に吸気工程が開始される。よって、吸気開始タイミングで作動ガス流れの向きとディスプレーサ24の移動方向は逆向きであり、作動ガスとディスプレーサ24の相対速度は第1比較例に比べて顕著に大きくなる。したがって、実施例では第1比較例に比べて、作動ガスと蓄冷器16の熱交換は抑制され、膨張空間34に流入する作動ガスの温度が高くなり、冷凍機ステージ32の昇温も促進される。   In contrast, according to the embodiment, as described above, the intake start timing precedes the top dead center of the displacer 24 in the range of 0 ° to 10 ° and the displacer 24 is directed toward the top dead center. The intake process is started during the upward movement. Therefore, the direction of the working gas flow and the moving direction of the displacer 24 are opposite to each other at the intake start timing, and the relative speed between the working gas and the displacer 24 is significantly larger than that in the first comparative example. Therefore, in the embodiment, compared with the first comparative example, heat exchange between the working gas and the regenerator 16 is suppressed, the temperature of the working gas flowing into the expansion space 34 is increased, and the temperature rise of the refrigerator stage 32 is promoted. The

別の有利な点として、本実施形態によると、ディスプレーサ24を流れる作動ガスに起因する逆転可能モータ40の負荷を軽減することができる。上述のように、逆転可能モータ40の逆転時における膨張空間34の吸気開始タイミングの位相が、ディスプレーサ24の上死点に対して、0°より大きく10°以下の範囲で進んでいる。   As another advantage, according to this embodiment, the load of the reversible motor 40 caused by the working gas flowing through the displacer 24 can be reduced. As described above, the phase of the intake start timing of the expansion space 34 during the reverse rotation of the reversible motor 40 advances in the range of greater than 0 ° and less than or equal to 10 ° with respect to the top dead center of the displacer 24.

シリンダ28内での圧力変化は吸気開始タイミングの直後に最も大きい。この圧力変化によりディスプレーサ24に作用する軸方向反力も吸気開始タイミングの直後に最大となる。ディスプレーサ24が上死点の近傍に位置するとき、クランクピン44aは反時計回り回転においておよそ12時の位置を通過する。このときクランクピン44aの移動方向はディスプレーサ24の軸方向とほぼ直交している。ディスプレーサ24に作用する軸方向反力は、クランクピン44aの移動方向に向く成分をほとんど有しないか、または無視できる程度に小さくなる。したがって、逆転可能モータ40への負荷は、顕著に低減され、有利である。   The pressure change in the cylinder 28 is greatest immediately after the intake start timing. The axial reaction force acting on the displacer 24 due to this pressure change also becomes maximum immediately after the intake start timing. When the displacer 24 is positioned near top dead center, the crank pin 44a passes through the approximately 12 o'clock position in counterclockwise rotation. At this time, the moving direction of the crank pin 44 a is substantially orthogonal to the axial direction of the displacer 24. The axial reaction force acting on the displacer 24 has little or no negligible component in the moving direction of the crank pin 44a. Therefore, the load on the reversible motor 40 is significantly reduced and is advantageous.

これに対して、例えば、吸気開始タイミングがディスプレーサ24の上死点に対して70°以上先行する場合を考える。この場合、吸気開始タイミングは、クランクピン44aが反時計回り回転においておよそ3時の位置を通過するタイミングに一致しうる。このときクランクピン44aの移動方向は軸方向上向きとなる。吸気開始のガス圧変化によりディスプレーサ24には軸方向下向きの力が作用する。この力のほとんどすべてがクランクピン44aの移動方向と反対向きの成分となり、よって、モータ負荷が顕著に大きくなり、大きな駆動トルクを発生できる大型のモータが必要となりうる。   On the other hand, for example, consider a case where the intake start timing precedes the top dead center of the displacer 24 by 70 ° or more. In this case, the intake start timing may coincide with the timing at which the crank pin 44a passes through the approximately 3 o'clock position in the counterclockwise rotation. At this time, the moving direction of the crank pin 44a is upward in the axial direction. A downward force in the axial direction acts on the displacer 24 due to a change in gas pressure at the start of intake. Almost all of this force becomes a component opposite to the direction of movement of the crank pin 44a, so that the motor load is significantly increased and a large motor capable of generating a large driving torque may be required.

また、本実施形態によると、逆転可能モータ40の逆転時における膨張空間34の排気開始タイミングの位相が、ディスプレーサ24の下死点に対して、0°より大きく45°以下の範囲で進んでいる。このようにすれば、極低温冷凍機10の冷凍性能と逆転昇温の昇温効率とを両立するようにロータリーバルブ58を設計することが容易となる。   Further, according to the present embodiment, the phase of the exhaust start timing of the expansion space 34 during the reverse rotation of the reversible motor 40 advances in the range of 0 ° to 45 ° with respect to the bottom dead center of the displacer 24. . If it does in this way, it will become easy to design the rotary valve 58 so that the refrigerating performance of the cryogenic refrigerator 10 and the temperature increase efficiency of reverse temperature increase may be compatible.

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。   In the above, this invention was demonstrated based on the Example. It will be understood by those skilled in the art that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various design changes are possible, various modifications are possible, and such modifications are within the scope of the present invention. By the way.

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、モータによりディスプレーサの往復動を駆動するその他の極低温冷凍機に適用可能である。   In the above, the embodiment has been described with reference to a single-stage GM refrigerator. The present invention is not limited to this, and the working gas flow path configuration according to the embodiment is applied to a two-stage or multi-stage GM refrigerator or other cryogenic refrigerator that drives a reciprocating motion of a displacer by a motor. Is possible.

10 極低温冷凍機、 24 ディスプレーサ、 28 シリンダ、 32 冷凍機ステージ、 34 膨張空間、 40 逆転可能モータ、 58 ロータリーバルブ。   10 cryogenic refrigerator, 24 displacer, 28 cylinder, 32 refrigerator stage, 34 expansion space, 40 reversible motor, 58 rotary valve.

Claims (2)

逆転可能モータと、
前記逆転可能モータの正転と逆転それぞれにより軸方向に往復動するディスプレーサと、
前記ディスプレーサを収容するシリンダであって、ディスプレーサ上死点にて最大容積を有しディスプレーサ下死点にて最小容積を有する膨張空間を前記ディスプレーサとの間に画定するシリンダと、
前記膨張空間に熱的に結合された冷凍機ステージと、
前記逆転可能モータの正転時に前記冷凍機ステージが冷却され、かつ前記逆転可能モータの逆転時に前記冷凍機ステージが加熱されるように、前記ディスプレーサの軸方向往復動と同期させて前記膨張空間の吸気と排気とを切り替えるロータリーバルブと、を備え、
前記ディスプレーサの軸方向往復動の一周期を360°とするとき、前記逆転可能モータの逆転時における前記膨張空間の吸気開始タイミングの位相が、前記ディスプレーサ上死点に対して、0°より大きく10°以下の範囲で進んでいることを特徴とする極低温冷凍機。
Reversible motor,
A displacer that reciprocates in the axial direction by forward rotation and reverse rotation of the reversible motor;
A cylinder for housing the displacer, the cylinder defining an expansion space between the displacer and having a maximum volume at a displacer top dead center and a minimum volume at a displacer bottom dead center;
A refrigerator stage thermally coupled to the expansion space;
The expansion space is synchronized with the axial reciprocation of the displacer so that the refrigerator stage is cooled when the reversible motor rotates forward and the refrigerator stage is heated when the reverse motor rotates backward. A rotary valve that switches between intake and exhaust,
When one cycle of the reciprocating motion of the displacer in the axial direction is 360 °, the phase of the intake start timing of the expansion space when the reversible motor is reversely rotated is greater than 0 ° and 10 ° with respect to the top dead center of the displacer. Cryogenic refrigerator characterized by advancing in the range below °.
前記逆転可能モータの逆転時における前記膨張空間の排気開始タイミングの位相が、前記ディスプレーサ下死点に対して、0°より大きく45°以下の範囲で進んでいることを特徴とする請求項1に記載の極低温冷凍機。   2. The phase of exhaust start timing of the expansion space during reverse rotation of the reversible motor is advanced in a range from 0 ° to 45 ° with respect to the displacer bottom dead center. The cryogenic refrigerator described.
JP2018063714A 2018-03-29 2018-03-29 Cryogenic refrigerator Pending JP2019174061A (en)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2018063714A JP2019174061A (en) 2018-03-29 2018-03-29 Cryogenic refrigerator
TW108105796A TW201942469A (en) 2018-03-29 2019-02-21 Cryogenic refrigerator
PCT/JP2019/009603 WO2019188170A1 (en) 2018-03-29 2019-03-11 Cryogenic refrigerator

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2018063714A JP2019174061A (en) 2018-03-29 2018-03-29 Cryogenic refrigerator

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2019174061A true JP2019174061A (en) 2019-10-10

Family

ID=68058866

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2018063714A Pending JP2019174061A (en) 2018-03-29 2018-03-29 Cryogenic refrigerator

Country Status (3)

Country Link
JP (1) JP2019174061A (en)
TW (1) TW201942469A (en)
WO (1) WO2019188170A1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2021127857A (en) * 2020-02-13 2021-09-02 住友重機械工業株式会社 Cryogenic freezing machine and seal component

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114585867B (en) * 2019-10-15 2023-08-15 住友重机械工业株式会社 Ultralow temperature refrigerator, diagnosis device and diagnosis method for ultralow temperature refrigerator

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5361588A (en) * 1991-11-18 1994-11-08 Sumitomo Heavy Industries, Ltd. Cryogenic refrigerator
JPH06300378A (en) * 1993-04-14 1994-10-28 Sumitomo Heavy Ind Ltd Varying mechanism for valve timing of very low temperature refrigerator

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2021127857A (en) * 2020-02-13 2021-09-02 住友重機械工業株式会社 Cryogenic freezing machine and seal component
JP7464398B2 (en) 2020-02-13 2024-04-09 住友重機械工業株式会社 Cryogenic refrigerators and sealing parts

Also Published As

Publication number Publication date
WO2019188170A1 (en) 2019-10-03
TW201942469A (en) 2019-11-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5996483B2 (en) Cryogenic refrigerator
US11221079B2 (en) Cryocooler and rotary valve unit for cryocooler
US9657970B2 (en) Cryogenic refrigerator
US20200003466A1 (en) Pulse tube cryocooler and rotary valve unit for pulse tube cryocooler
WO2019188170A1 (en) Cryogenic refrigerator
JP2017120162A (en) Cryogenic refrigeration machine and rotary valve mechanism
US10371417B2 (en) Cryocooler and rotary valve mechanism
JP6305287B2 (en) Cryogenic refrigerator
CN107449171B (en) Cryogenic refrigerator
JP6573845B2 (en) Cryogenic refrigerator
JP6771293B2 (en) GM freezer
US11243014B2 (en) Cryocooler
US10551093B2 (en) Cryocooler and rotary valve mechanism
JP7164371B2 (en) cryogenic refrigerator
US11371754B2 (en) GM cryocooler
JP6773872B2 (en) GM freezer
JP2017048937A (en) Cryogenic refrigeration machine
JP6532392B2 (en) Cryogenic refrigerator
JP2021127857A (en) Cryogenic freezing machine and seal component
JPH10196454A (en) Stirling cycle engine