JP2022140969A - 極低温冷凍機 - Google Patents

Abstract

【課題】極低温冷凍機のディスプレーサとその駆動シャフトの連結部のガタつきによる振動を低減する。【解決手段】極低温冷凍機は、蓋部２４ａと本体部２４ｂを有するディスプレーサ２４と、蓋部２４ａと本体部２４ｂとの間に保持されるカラー部７２を有するディスプレーサ駆動シャフト２６と、カラー部７２と蓋部２４ａの間の、またはカラー部７２と本体部２４ｂの間のクリアランスに配置される緩衝体７８であって、軟質材７８ａと、軟質材７８ａに対してカラー部７２と反対側に配置される硬質材７８ｂとを有する緩衝体７８と、を備える。【選択図】図３

Description

本発明は、極低温冷凍機に関する。

極低温冷凍機には、たとえばギフォード・マクマホン（Gifford-McMahon；ＧＭ）冷凍機のように、作動ガスの膨張空間の容積を周期的に変化させるために往復動するディスプレーサを有するものがある。膨張空間の周期的な容積変動と適切に同期して膨張空間の圧力を変動させることにより、極低温冷凍機に冷凍サイクルが構成される。

特開平７－７１８３４号公報

ディスプレーサの往復動を駆動する代表的な方式の１つとして、電気モータなどの駆動源をディスプレーサに機械的に連結するタイプがある。ディスプレーサには、これを駆動するためのシャフトが機械的に連結される。この連結部には、組立性の向上の観点から、あるいは、部品の寸法精度に起因して、若干のガタつきが設けられる。極低温冷凍機の運転中、膨張空間の周期的な冷媒ガスの圧力変動がディスプレーサに作用するので、連結部のガタつきは、極低温冷凍機に振動を発生させる原因となりうる。

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、極低温冷凍機のディスプレーサとその駆動シャフトの連結部のガタつきによる振動を低減することにある。

本発明のある態様によると、極低温冷凍機は、蓋部と本体部を有するディスプレーサと、蓋部と本体部との間に保持されるカラー部を有するディスプレーサ駆動シャフトと、カラー部と蓋部の間の、またはカラー部と本体部の間のクリアランスに配置される緩衝体であって、軟質材と、軟質材に対してカラー部と反対側に配置される硬質材とを有する緩衝体と、を備える。

本発明によれば、極低温冷凍機のディスプレーサとその駆動シャフトの連結部のガタつきによる振動を低減することができる。

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１に示され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（ａ）および図３（ｂ）はそれぞれ、実施の形態に係り、ディスプレーサとディスプレーサ駆動シャフトの連結部を示す一部切り欠き斜視図および断面図である。 図４（ａ）および図４（ｂ）はそれぞれ、実施の形態に係り、図３（ａ）および図３（ｂ）とは別の方向から見たディスプレーサとディスプレーサ駆動シャフトの連結部を示す一部切り欠き斜視図および断面図である。

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、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、図１に示され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。

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。

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シャフト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。

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。

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。

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。

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。

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。

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を駆動するディスプレーサ駆動機構３８を備える。ディスプレーサ駆動機構３８は、たとえば電気モータなどのモータ４０と、スコッチヨーク機構４２とを含む。ディスプレーサ駆動シャフト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シャフト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。ディスプレーサ駆動シャフト２６は、ディスプレーサ２４よりも小径であり、たとえば、ディスプレーサ駆動シャフト２６の径は、ディスプレーサ２４の径の半分より小さい。

ディスプレーサ駆動機構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。

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、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、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。

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、上部ロッド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シャフト２６が下方に延出するように連結されている。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、上部ロッド５２およびディスプレーサ駆動シャフト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。

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。

図１に示されるように、ディスプレーサ駆動シャフト２６は、ディスプレーサ駆動機構３８をディスプレーサ２４に連結する。ディスプレーサ駆動シャフト２６は、一端がヨーク板４８に固定され、他端がディスプレーサ２４に固定される。ディスプレーサ駆動シャフト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。

図１に示されるように、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。上部ロッド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シャフト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、上部ロッド５２およびディスプレーサ駆動シャフト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。

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、例えばスリッパー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。

膨張機１４は、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、ディスプレーサ駆動機構３８に連結され、駆動機構ハウジング３０に収容されている。

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。

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。

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。

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。

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。

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、モータ４０の回転により回転するようモータ４０の回転軸４０ａ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。ロータバルブ部材６０は、図１に示すロータバルブ軸受７５により駆動機構ハウジング３０内で回転可能に支持されている。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。

図３（ａ）および図３（ｂ）はそれぞれ、実施の形態に係り、ディスプレーサ２４とディスプレーサ駆動シャフト２６の連結部を示す一部切り欠き斜視図および断面図である。図３（ａ）および図３（ｂ）に示される断面は、ディスプレーサ駆動シャフト２６の中心軸を含む平面による断面である。また、図４（ａ）および図４（ｂ）はそれぞれ、実施の形態に係り、図３（ａ）および図３（ｂ）とは別の方向から見たディスプレーサ２４とディスプレーサ駆動シャフト２６の連結部を示す一部切り欠き斜視図および断面図である。図４（ａ）および図４（ｂ）に示される断面は、ディスプレーサ駆動シャフト２６の中心軸を含み、図３（ａ）および図３（ｂ）の断面と直交する平面による断面である。

ディスプレーサ２４は、蓋部２４ａと本体部２４ｂを有する。蓋部２４ａは、ディスプレーサ２４の上蓋であり、円板状の形状を有する。蓋部２４ａは、金属材料またはその他の材料で形成される。蓋部２４ａは、例えばアルマイト処理されたアルミニウム合金で形成されてもよい。本体部２４ｂは、ディスプレーサ２４の軸方向に延在する円筒状の形状を有し、その内部に蓄冷器１６を有する。本体部２４ｂは、合成樹脂材料またはその他の材料で形成される。本体部２４ｂは、例えばベークライトなどのフェノール樹脂で形成されてもよい。

蓋部２４ａは、本体部２４ｂの軸方向上端に例えばボルトなどの締結部材７１で固定される。締結部材７１は、ディスプレーサ駆動シャフト２６を周方向に等角度間隔に囲むように複数設けられ、それぞれ蓋部２４ａから本体部２４ｂへと軸方向に差し込まれ、蓋部２４ａと本体部２４ｂを締結している。なお蓋部２４ａと本体部２４ｂは例えば接着など他の方法により互いに固定されてもよい。

蓋部２４ａと本体部２４ｂの上端部とを軸方向に貫通して上述のディスプレーサ上蓋ガス流路６６が形成されている。ディスプレーサ上蓋ガス流路６６は、ディスプレーサ駆動シャフト２６を周方向に等角度間隔に囲むように複数設けられている。ディスプレーサ上蓋ガス流路６６は、締結部材７１と同じ径方向位置で周方向に締結部材７１と交互に配置されている。なお、ディスプレーサ上蓋ガス流路６６（及び／または締結部材７１）は、周方向に不等間隔に配置されてもよい。

本体部２４ｂの上端部と蓄冷器１６との間には、例えば少なくとも一枚の金網で形成される整流層６７が設けられている。整流層６７は、線径及び／またはメッシュが互いに異なりまたは同じである複数枚の金網で形成されてもよい。上部空間３６とディスプレーサ２４（蓄冷器１６）との間で流れる冷媒ガスは、ディスプレーサ上蓋ガス流路６６から整流層６７を通過して蓄冷器１６へと（またはその逆向きに）流れる。

ディスプレーサ２４とシリンダ２８とのクリアランスへの冷媒ガス流れを封じるシール部７０が、蓋部２４ａと本体部２４ｂそれぞれの最外周部でこれらの間に挟み込まれ、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、例えばスリッパーシールなど適宜のシール部材であってもよい。

ディスプレーサ駆動シャフト２６は、蓋部２４ａと本体部２４ｂとの間に保持されるカラー部７２を有する。カラー部７２は、ディスプレーサ駆動シャフト２６の軸方向下端に設けられ、径方向外側に延出している。カラー部７２はシャフトの軸方向から見て円形状の形状を有する。ディスプレーサ駆動シャフト２６およびカラー部７２は、金属材料またはその他の材料で形成される。ディスプレーサ駆動シャフト２６は、カラー部７２が蓋部２４ａと本体部２４ｂに挟み込まれることによって、ディスプレーサ２４に連結される。

カラー部７２は、径方向に差し込まれる連結ピン７４によりディスプレーサ駆動シャフト２６とピン結合される。カラー部７２は、ディスプレーサ駆動シャフト２６の軸方向下端が差し込まれる短筒部を有し、この短筒部にディスプレーサ駆動シャフト２６が差し込まれたとき短筒部およびディスプレーサ駆動シャフト２６をシャフト直径に沿って貫通するピン穴が形成される。連結ピン７４がこのピン穴に差し込まれ、カラー部７２がディスプレーサ駆動シャフト２６に取り付けられる。連結ピン７４はカラー部７２とともに蓋部２４ａと本体部２４ｂとの間に配置される。

蓋部２４ａは、板状部７６と周壁部７７を有する。板状部７６は上述の締結部材７１で本体部２４ｂに取り付けられ、板状部７６の中心部をディスプレーサ駆動シャフト２６が貫通している。周壁部７７は、連結ピン７４が差し込まれた軸方向高さでディスプレーサ駆動シャフト２６を囲むように板状部７６から本体部２４ｂに向かって突出している。周壁部７７は、連結ピン７４の両端それぞれの径方向外側で径方向に薄肉化された薄肉部７７ａと、薄肉部７７ａどうしを周方向に接続する厚肉部７７ｂとを有する。薄肉部７７ａは、連結ピン７４の両端それぞれを受け入れる凹部を周壁部７７に形成する。薄肉部７７ａと厚肉部７７ｂとの段差が連結ピン７４の端部と周方向に係合するから、この段差は蓋部２４ａに対するカラー部７２の回り止め、つまりディスプレーサ２４に対するディスプレーサ駆動シャフト２６の回り止めとして働く。

本体部２４ｂの上端部は、その中心部に円形状の凹部を有し、この凹部内にディスプレーサ駆動シャフト２６の下端、カラー部７２および周壁部７７を受け入れる。この凹部の径方向外側に上述のディスプレーサ上蓋ガス流路６６および締結部材７１が配置されている。

カラー部７２と蓋部２４ａの間のクリアランスには、緩衝体７８が配置される。緩衝体７８は、軟質材７８ａと、軟質材７８ａに対してカラー部７２と反対側に配置される硬質材７８ｂとを有する。硬質材７８ｂは、片側で軟質材７８ａと接触し、反対側で蓋部２４ａの周壁部７７と接触する。

軟質材７８ａは、弾性体であってもよく、例えばゴム等の弾性変形可能な合成樹脂材料で形成されてもよい。硬質材７８ｂは、軟質材７８ａに比べて硬い材料、例えばステンレス鋼などの金属材料で形成されてもよい。硬質材７８ｂは、軟質材７８ａに比べて硬いプラスチックなど合成樹脂材料で形成されてもよい。例えば、軟質材７８ａは、ゴム製のワッシャーであり、硬質材７８ｂは、金属製のシムリングであってもよい。

緩衝体７８は、カラー部７２に沿ってディスプレーサ駆動シャフト２６のまわりに配置されるリング状の形状を有する。よって、軟質材７８ａは、カラー部７２上でディスプレーサ駆動シャフト２６まわりに配置されるリング形状を有する。この実施の形態では、軟質材７８ａのリング形状は、図３（ｂ）および図４（ｂ）に示されるように、駆動シャフト２６に沿う軸方向厚さよりも径方向幅が大きい矩形状の断面を有する。硬質材７８ｂは、軟質材７８ａ上でディスプレーサ駆動シャフト２６まわりに配置されるリング形状を有する。硬質材７８ｂの軸方向厚さは、軟質材７８ａの軸方向厚さよりも小さい。

軟質材７８ａは、硬質材７８ｂとカラー部７２の間に収められており、径方向に関して硬質材７８ｂとカラー部７２からはみ出していない。図示されるように、軟質材７８ａの内径および外径はそれぞれ、硬質材７８ｂの内径および外径と等しい。また、軟質材７８ａの内径および外径はそれぞれ、カラー部７２の内径および外径と等しい。よって、軟質材７８ａの片側全面が硬質材７８ｂと接触し、反対側の全面がカラー部７２と接触している。硬質材７８ｂと軟質材７８ａの接触面は平坦であり、カラー部７２と軟質材７８ａの接触面も平坦である。

なお、軟質材７８ａの内径は、硬質材７８ｂ及び／またはカラー部７２の内径よりいくらか大きくてもよい。また、軟質材７８ａの外径は、硬質材７８ｂ及び／またはカラー部７２の外径よりいくらか小さくてもよい。

硬質材７８ｂが軟質材７８ａと接触する面積は、硬質材７８ｂが蓋部２４ａと接触する面積よりも大きい。硬質材７８ｂは、その片側（図において下側）の全面で軟質材７８ａの全面と接触しているのに対して、反対側（図において上側）の面の一部で蓋部２４ａと接触している。蓋部２４ａの周壁部７７が、薄肉部７７ａおよび厚肉部７７ｂで硬質材７８ｂと接触している。連結ピン７４の両端それぞれの軸方向下方では、硬質材７８ｂと周壁部７７は接触していない。

軟質材７８ａの初期厚さ（つまり緩衝体７８が蓋部２４ａとカラー部７２の間に保持される前の状態での厚さ）と硬質材７８ｂの軸方向厚さの合計は、カラー部７２と蓋部２４ａの周壁部７７との間の軸方向距離よりも若干大きい。そのため、緩衝体７８が蓋部２４ａとカラー部７２の間に取り付けられたとき、軟質材７８ａは、圧縮された状態（若干押し潰された状態）で硬質材７８ｂとカラー部７２に挟まれている。

このようにして、緩衝体７８とともにカラー部７２が本体部２４ｂの凹部内で蓋部２４ａの周壁部７７と本体部２４ｂに挟み込まれ、ディスプレーサ駆動シャフト２６がディスプレーサ２４に連結される。

以上、実施の形態に係る極低温冷凍機１０の構成を述べた。続いてその動作を説明する。ディスプレーサ２４が下死点またはその近傍にあるとき、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り、冷凍サイクルの吸気工程が開始される。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、ディスプレーサ駆動シャフト２６によってディスプレーサ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が上死点またはその近傍にあるとき、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り、冷凍サイクルの排気工程が開始される。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、ディスプレーサ駆動シャフト２６によってディスプレーサ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。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。

実施の形態によると、ディスプレーサ２４にディスプレーサ駆動シャフト２６を取り付ける際に、緩衝体７８がカラー部７２とともにディスプレーサの蓋部２４ａと本体部２４ｂの間に挟み込まれる。緩衝体７８によってカラー部７２と蓋部２４ａの間のクリアランスを完全に埋め、または少なくとも低減することができ、それにより、極低温冷凍機１０の運転中に生じうるディスプレーサ駆動シャフト２６に対するディスプレーサ２４の振動を防止または低減することができる。

また、硬質材７８ｂは、片側で軟質材７８ａと接触し、反対側で蓋部２４ａと接触し、硬質材７８ｂが軟質材７８ａと接触する面積が、硬質材７８ｂが蓋部２４ａまたは本体部２４ｂと接触する面積よりも大きい。仮に硬質材７８ｂが無かった場合には蓋部２４ａ（例えば周壁部７７の薄肉部７７ａ）が軟質材７８ａに直接押し付けられ、その押付部で軟質材７８ａが局所的に変形され、さらには損傷されうる。しかしながら、この実施の形態では、緩衝体７８が蓋部２４ａとカラー部７２の間に挟み込まれることにより緩衝体７８に働く締め付け力が、蓋部２４ａから硬質材７８ｂを介して軟質材７８ａに伝わる。締め付け力による面圧は、硬質材７８ｂによって均一化され、軟質材７８ａの局所的な変形や損傷を防止または軽減することができる。

軟質材７８ａは、圧縮された状態で硬質材７８ｂとカラー部７２に挟まれている。そのため、緩衝体７８はカラー部７２と蓋部２４ａの間のクリアランスを完全に埋めることができ、ディスプレーサ駆動シャフト２６に対するディスプレーサ２４の振動をより効果的に防止または低減することができる。

軟質材７８ａのリング形状は、ディスプレーサ駆動シャフト２６に沿う軸方向厚さよりも径方向幅が大きい矩形状の断面を有する。緩衝体７８はカラー部７２と蓋部２４ａの間のクリアランスの寸法に適合しなければならないが、このクリアランスは軸方向高さがかなり小さい。軟質材７８ａとして一般的な円形断面のＯリングを用いることを仮定すると、クリアランスの軸方向高さに適合させるにはかなり細幅のＯリングが必要となり、緩衝効果に劣ることが懸念される。本実施の形態では、軟質材７８ａのリング形状が軸方向厚さよりも径方向幅が大きい矩形状の断面を有するので、このような不都合を避けられる。

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。ある実施の形態に関連して説明した種々の特徴は、他の実施の形態にも適用可能である。組合せによって生じる新たな実施の形態は、組み合わされる実施の形態それぞれの効果をあわせもつ。

上述の実施の形態では、緩衝体７８は、カラー部７２と蓋部２４ａの間に配置されているが、これに代えて（またはこれに加えて）、カラー部７２と本体部２４ｂの間のクリアランスに配置されてもよい。緩衝体７８は、軟質材７８ａと、軟質材７８ａに対してカラー部７２と反対側に配置される硬質材７８ｂとを有してもよい。硬質材７８ｂは、片側で軟質材７８ａと接触し、反対側で本体部２４ｂと接触してもよい。硬質材７８ｂが軟質材７８ａと接触する面積が、硬質材７８ｂが本体部２４ｂと接触する面積よりも大きくてもよい。

クリアランスの軸方向高さに適合させるために、軟質材７８ａは、複数枚の軟質材（例えば複数枚のゴム製のワッシャー）であってもよい。同様に、硬質材７８ｂは、複数枚の硬質材（例えば複数枚のシムリング）であってもよい。

緩衝体７８（軟質材７８ａ及び／または硬質材７８ｂ）は、単一のリング状部材であることは必須ではなく、分割された複数の部片でもよく、これら部片がカラー部７２に沿ってディスプレーサ駆動シャフト２６の周方向にリング状に配置されてもよい。

例えばカラー部７２の表面に溝または凹凸がある等、カラー部７２の形状によっては、軟質材７８ａとカラー部７２の間にもう１つの硬質材７８ｂが差し込まれてもよい。

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、実施の形態に係る緩衝体７８は、二段式または多段式のＧＭ冷凍機、または、ディスプレーサとディスプレーサ駆動シャフトの連結部を有するその他の極低温冷凍機に適用可能である。

実施の形態にもとづき、具体的な語句を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用の一側面を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。

１０ 極低温冷凍機、 ２４ ディスプレーサ、 ２４ａ 蓋部、 ２４ｂ 本体部、 ２６ ディスプレーサ駆動シャフト、 ７２ カラー部、 ７４ 連結ピン、 ７６ 板状部、 ７７ 周壁部、 ７７ａ 薄肉部、 ７７ｂ 厚肉部、 ７８ 緩衝体、 ７８ａ 軟質材、 ７８ｂ 硬質材。

Claims (5)

1. 蓋部と本体部を有するディスプレーサと、
   前記蓋部と前記本体部との間に保持されるカラー部を有するディスプレーサ駆動シャフトと、
   前記カラー部と前記蓋部の間の、または前記カラー部と前記本体部の間のクリアランスに配置される緩衝体であって、軟質材と、前記軟質材に対して前記カラー部と反対側に配置される硬質材とを有する緩衝体と、を備えることを特徴とする極低温冷凍機。
2. 前記硬質材は、片側で前記軟質材と接触し、反対側で前記蓋部または前記本体部と接触し、
   前記硬質材が前記軟質材と接触する面積が、前記硬質材が前記蓋部または前記本体部と接触する面積よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の極低温冷凍機。
3. 前記カラー部は、径方向に差し込まれる連結ピンにより前記ディスプレーサ駆動シャフトとピン結合され、前記連結ピンは前記カラー部とともに前記蓋部と前記本体部との間に配置され、
   前記蓋部は、前記本体部に取り付けられ前記ディスプレーサ駆動シャフトが貫通している板状部と、前記連結ピンが差し込まれた軸方向高さで前記ディスプレーサ駆動シャフトを囲むように前記板状部から前記本体部に向かって突出した周壁部とを備え、
   前記周壁部は、前記連結ピンの両端それぞれの径方向外側で径方向に薄肉化された薄肉部と、前記薄肉部どうしを周方向に接続する厚肉部とを有し、前記硬質材と前記薄肉部および前記厚肉部で接触することを特徴とする請求項２に記載の極低温冷凍機。
4. 前記軟質材は、圧縮された状態で前記硬質材と前記カラー部に挟まれていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の極低温冷凍機。
5. 前記カラー部は、前記ディスプレーサ駆動シャフトの先端部で径方向に延出し、
   前記軟質材は、前記カラー部上で前記ディスプレーサ駆動シャフトまわりに配置されるリング形状を有し、前記リング形状は、前記ディスプレーサ駆動シャフトに沿う軸方向厚さよりも径方向幅が大きい矩形状の断面を有することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の極低温冷凍機。

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