JP2877094B2 - 極低温冷凍機及びその制御方法 - Google Patents
極低温冷凍機及びその制御方法Info
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- JP2877094B2 JP2877094B2 JP8242866A JP24286696A JP2877094B2 JP 2877094 B2 JP2877094 B2 JP 2877094B2 JP 8242866 A JP8242866 A JP 8242866A JP 24286696 A JP24286696 A JP 24286696A JP 2877094 B2 JP2877094 B2 JP 2877094B2
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- gas
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
- F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
- F25B9/14—Compression 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
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
- F25B2309/00—Gas cycle refrigeration machines
- F25B2309/006—Gas cycle refrigeration machines using a distributing valve of the rotary type
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- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Compressors, Vaccum Pumps And Other Relevant Systems (AREA)
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ディスプレーサの
往復動によりヘリウム等の作動ガスを膨張させて極低温
レベルの寒冷を発生させる極低温冷凍機及びその制御方
法に関し、特に、その能力を向上させる技術分野に属す
る。
往復動によりヘリウム等の作動ガスを膨張させて極低温
レベルの寒冷を発生させる極低温冷凍機及びその制御方
法に関し、特に、その能力を向上させる技術分野に属す
る。
【０００２】
【従来の技術】従来より、この種の極低温冷凍機とし
て、シリンダ内に膨張空間を区画するディスプレーサを
備えてなり、このディスプレーサの往復動に伴い、上記
膨張空間に供給された高圧の作動ガスを膨張させて極低
温レベルの寒冷を発生させるとともに、膨張後の低圧の
作動ガスを膨張空間からシリンダ外に排出するようにし
たＧＭ（ギフォード・マクマホン）冷凍機はよく知られ
ている。
て、シリンダ内に膨張空間を区画するディスプレーサを
備えてなり、このディスプレーサの往復動に伴い、上記
膨張空間に供給された高圧の作動ガスを膨張させて極低
温レベルの寒冷を発生させるとともに、膨張後の低圧の
作動ガスを膨張空間からシリンダ外に排出するようにし
たＧＭ（ギフォード・マクマホン）冷凍機はよく知られ
ている。
【０００３】そして、例えば特開平６―３００３７８号
公報に示されるものでは、ディスプレーサをクランク軸
を介してモータに連結して、モータの作動によりディス
プレーサを往復動させる機械駆動式ＧＭ冷凍機におい
て、クランク軸と一体的に回転するバルブプレートに摺
接してそれを開閉するバルブ本体を外部から回転可能と
し、このバルブ本体のバルブプレートに対する相対位置
を変えることにより、シリンダ内の膨張空間に高圧作動
ガスを供給するタイミングと、膨張空間内で膨張した低
圧の作動ガスを排出するタイミングとを連係して可変と
することが提案されている。
公報に示されるものでは、ディスプレーサをクランク軸
を介してモータに連結して、モータの作動によりディス
プレーサを往復動させる機械駆動式ＧＭ冷凍機におい
て、クランク軸と一体的に回転するバルブプレートに摺
接してそれを開閉するバルブ本体を外部から回転可能と
し、このバルブ本体のバルブプレートに対する相対位置
を変えることにより、シリンダ内の膨張空間に高圧作動
ガスを供給するタイミングと、膨張空間内で膨張した低
圧の作動ガスを排出するタイミングとを連係して可変と
することが提案されている。
【０００４】ところで、シリンダ内に、高低圧の中間圧
力に設定された中間圧室を区画し、この中間圧室及び膨
張空間でのガス圧の圧力差によってピストンをディスプ
レーサと共に往復動させるようにしたガス圧駆動式（改
良ソルベー式）のＧＭ冷凍機についても知られている。
力に設定された中間圧室を区画し、この中間圧室及び膨
張空間でのガス圧の圧力差によってピストンをディスプ
レーサと共に往復動させるようにしたガス圧駆動式（改
良ソルベー式）のＧＭ冷凍機についても知られている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】そして、上記ガス圧駆
動式のＧＭ冷凍機では、ガス圧の圧力差によってディス
プレーサを駆動する方式であるため、ディスプレーサの
動きをスムーズに行う目的で、一般に、ディスプレーサ
の往復動の１サイクルにおいてシリンダ内の膨張空間に
高圧作動ガスを供給する高圧開弁状態と、膨張空間の作
動ガスを排出する低圧開弁状態との割合を略同じ（共に
略５０％）にすることが行われている。
動式のＧＭ冷凍機では、ガス圧の圧力差によってディス
プレーサを駆動する方式であるため、ディスプレーサの
動きをスムーズに行う目的で、一般に、ディスプレーサ
の往復動の１サイクルにおいてシリンダ内の膨張空間に
高圧作動ガスを供給する高圧開弁状態と、膨張空間の作
動ガスを排出する低圧開弁状態との割合を略同じ（共に
略５０％）にすることが行われている。
【０００６】しかし、本発明者が冷凍機の能力について
検討した結果、その能力の向上の面から見れば、上記高
圧開弁状態と低圧開弁状態との割合を略同じにすること
は必ずしも必要ではなく、却って冷凍能力の向上の妨げ
となることが判明した。
検討した結果、その能力の向上の面から見れば、上記高
圧開弁状態と低圧開弁状態との割合を略同じにすること
は必ずしも必要ではなく、却って冷凍能力の向上の妨げ
となることが判明した。
【０００７】本発明は斯かる点に鑑みてなされたもの
で、その目的は、上記のようにディスプレーサの往復動
により極低温レベルの寒冷を発生させる極低温冷凍機に
おいて、その膨張空間の作動ガスを排出する低圧開弁状
態の割合を適正に変更することにより、極低温冷凍機の
能力を向上させることにある。
で、その目的は、上記のようにディスプレーサの往復動
により極低温レベルの寒冷を発生させる極低温冷凍機に
おいて、その膨張空間の作動ガスを排出する低圧開弁状
態の割合を適正に変更することにより、極低温冷凍機の
能力を向上させることにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、この発明では、ディスプレーサの往復動の１サイ
クルにおける低圧作動ガスの排出時間の割合を高圧作動
ガスの供給時間の割合よりも長くするか、ディスプレー
サの往復動の１サイクルの半分よりも長くした。
めに、この発明では、ディスプレーサの往復動の１サイ
クルにおける低圧作動ガスの排出時間の割合を高圧作動
ガスの供給時間の割合よりも長くするか、ディスプレー
サの往復動の１サイクルの半分よりも長くした。
【０００９】すなわち、請求項１の発明では、図１及び
図２に示すように、シリンダ（２）内に膨張空間（２
９）〜（３１）を区画するディスプレーサ（２２）を備
え、該ディスプレーサ（２２）の往復動に伴い、上記膨
張空間（２９）〜（３１）に供給された高圧の作動ガス
を膨張させる一方、膨張後の低圧の作動ガスを膨張空間
（２９）〜（３１）からシリンダ（２）外に排出して極
低温レベルの寒冷を発生させるようにした極低温冷凍機
において、高圧及び低圧作動ガスの中間圧力に設定され
た中間圧室（８）が設けられており、ディスプレーサ
（２２）は、この中間圧室（８）に連通する圧力室（２
０）と膨張空間（２９）〜（３１）の圧力室（２９）と
のガス圧の圧力差によって往復動するように構成されて
いるものとする。さらに、上記ディスプレーサ（２２）
の往復動の１サイクルにおける低圧作動ガスの排出時間
の割合を高圧作動ガスの供給時間の割合よりも長く構成
する。
図２に示すように、シリンダ（２）内に膨張空間（２
９）〜（３１）を区画するディスプレーサ（２２）を備
え、該ディスプレーサ（２２）の往復動に伴い、上記膨
張空間（２９）〜（３１）に供給された高圧の作動ガス
を膨張させる一方、膨張後の低圧の作動ガスを膨張空間
（２９）〜（３１）からシリンダ（２）外に排出して極
低温レベルの寒冷を発生させるようにした極低温冷凍機
において、高圧及び低圧作動ガスの中間圧力に設定され
た中間圧室（８）が設けられており、ディスプレーサ
（２２）は、この中間圧室（８）に連通する圧力室（２
０）と膨張空間（２９）〜（３１）の圧力室（２９）と
のガス圧の圧力差によって往復動するように構成されて
いるものとする。さらに、上記ディスプレーサ（２２）
の往復動の１サイクルにおける低圧作動ガスの排出時間
の割合を高圧作動ガスの供給時間の割合よりも長く構成
する。
【００１０】上記の構成により、ガス圧駆動式の極低温
冷凍機において、ディスプレーサ（２２）の往復動の低
圧作動ガス排出時間の割合が高圧作動ガス供給時間の割
合よりも長いので、中間圧室（８）の圧力が下がって相
対的に高圧側よりも低圧側に近付く。その結果、高圧作
動ガスの供給時、膨張空間（２９）〜（３１）の圧力室
（２９）と中間圧室（８）に連通する圧力室（２０）と
の差圧が大きくなり、この増大した差圧によりディスプ
レーサ（２２）が素早く移動する一方、低圧作動ガスの
排出時には、上記両圧力室（２０），（２９）間の差圧
が小さくなるので、ディスプレーサ（２２）の移動速度
が上記高圧作動ガスの供給時よりも遅くなる。しかも、
ディスプレーサ（２２）の往復動の低圧作動ガス排出時
間の割合が高圧作動ガス供給時間の割合よりも長いの
で、高圧作動ガスの供給に比べ圧力損失の大きい低圧作
動ガス排出の流量を減少させることができ、全体として
圧力損失を減らし効率を上げることができる。また、膨
張空間（２９）〜（３１）の膨張室（３０），（３１）
での作動ガスの膨張時間が長くなり、温度を下げること
ができ、その分、冷凍機の能力を向上させることができ
る。
冷凍機において、ディスプレーサ（２２）の往復動の低
圧作動ガス排出時間の割合が高圧作動ガス供給時間の割
合よりも長いので、中間圧室（８）の圧力が下がって相
対的に高圧側よりも低圧側に近付く。その結果、高圧作
動ガスの供給時、膨張空間（２９）〜（３１）の圧力室
（２９）と中間圧室（８）に連通する圧力室（２０）と
の差圧が大きくなり、この増大した差圧によりディスプ
レーサ（２２）が素早く移動する一方、低圧作動ガスの
排出時には、上記両圧力室（２０），（２９）間の差圧
が小さくなるので、ディスプレーサ（２２）の移動速度
が上記高圧作動ガスの供給時よりも遅くなる。しかも、
ディスプレーサ（２２）の往復動の低圧作動ガス排出時
間の割合が高圧作動ガス供給時間の割合よりも長いの
で、高圧作動ガスの供給に比べ圧力損失の大きい低圧作
動ガス排出の流量を減少させることができ、全体として
圧力損失を減らし効率を上げることができる。また、膨
張空間（２９）〜（３１）の膨張室（３０），（３１）
での作動ガスの膨張時間が長くなり、温度を下げること
ができ、その分、冷凍機の能力を向上させることができ
る。
【００１１】また、請求項２の発明では、上記請求項１
の発明の前提と同じ極低温冷凍機において、ディスプレ
ーサ（２２）は、上記中間圧室（８）に連通する圧力室
（２０）と膨張空間（２９）〜（３１）の圧力室（２
９）とのガス圧の圧力差によって往復動するように構成
され、シリンダ（２）内の膨張空間（２９）〜（３１）
に高圧作動ガスを供給する高圧開弁状態と、膨張空間
（２９）〜（３１）の作動ガスを排出する低圧開弁状態
とに交互に切り換わるバルブ手段（３５）が設けられて
いる構成に対し、このバルブ手段（３５）による低圧開
弁状態の割合を高圧開弁状態の割合よりも大に設定す
る。このようにバルブ手段（３５）による低圧開弁状態
の割合が高圧開弁状態の割合よりも大きいので、上記請
求項１の発明と同様の作用効果が得られる。
の発明の前提と同じ極低温冷凍機において、ディスプレ
ーサ（２２）は、上記中間圧室（８）に連通する圧力室
（２０）と膨張空間（２９）〜（３１）の圧力室（２
９）とのガス圧の圧力差によって往復動するように構成
され、シリンダ（２）内の膨張空間（２９）〜（３１）
に高圧作動ガスを供給する高圧開弁状態と、膨張空間
（２９）〜（３１）の作動ガスを排出する低圧開弁状態
とに交互に切り換わるバルブ手段（３５）が設けられて
いる構成に対し、このバルブ手段（３５）による低圧開
弁状態の割合を高圧開弁状態の割合よりも大に設定す
る。このようにバルブ手段（３５）による低圧開弁状態
の割合が高圧開弁状態の割合よりも大きいので、上記請
求項１の発明と同様の作用効果が得られる。
【００１２】請求項３の発明では、請求項１の発明の前
提と同じ極低温冷凍機において、その低圧作動ガスの排
出時間の割合をディスプレーサ（２２）の往復動の１サ
イク ルの半分よりも長く構成する。この場合も、上記請
求項１の発明と同様に、圧力損失の大きい低圧作動ガス
排出の流量を減少させ、全体として圧力損失を減らし効
率を上げることができるとともに、膨張空間（２９）〜
（３１）の膨張室（３０），（３１）での作動ガスの膨
張時間を長くして温度を下げることができ、冷凍機の能
力を向上させることができる。
提と同じ極低温冷凍機において、その低圧作動ガスの排
出時間の割合をディスプレーサ（２２）の往復動の１サ
イク ルの半分よりも長く構成する。この場合も、上記請
求項１の発明と同様に、圧力損失の大きい低圧作動ガス
排出の流量を減少させ、全体として圧力損失を減らし効
率を上げることができるとともに、膨張空間（２９）〜
（３１）の膨張室（３０），（３１）での作動ガスの膨
張時間を長くして温度を下げることができ、冷凍機の能
力を向上させることができる。
【００１３】請求項４の発明では、上記バルブ手段（３
５）の開弁状態全体における低圧開弁状態の割合を５５
〜６５％とし、高圧開弁状態の割合は４５〜３５％とす
る。こうすれば、低圧開弁状態の割合の最適範囲が得ら
れる。
５）の開弁状態全体における低圧開弁状態の割合を５５
〜６５％とし、高圧開弁状態の割合は４５〜３５％とす
る。こうすれば、低圧開弁状態の割合の最適範囲が得ら
れる。
【００１４】請求項５の発明は極低温冷凍機の制御方法
の発明であり、上記請求項１の発明と同様に、シリンダ
（２）内に膨張空間（２９）〜（３１）を区画するディ
スプレーサ（２２）を備え、該ディスプレーサ（２２）
の往復動に伴い、上記膨張空間（２９）〜（３１）に供
給された高圧の作動ガスを膨張させる一方、膨張後の低
圧の作動ガスを膨張空間（２９）〜（３１）からシリン
ダ（２）外に排出して極低温レベルの寒冷を発生させる
ように構成され、かつ上記ディスプレーサ（２２）が、
高圧及び低圧作動ガスの中間圧力に設定された中間圧室
（８）に連通する圧力室（２０）と、膨張空間（２９）
〜（３１）の圧力室（２９）とのガス圧の圧力差によっ
て往復動するように構成された極低温冷凍機に対し、デ
ィスプレーサ（２２）の往復動の１サイクルにおける低
圧作動ガスの排出時間の割合を高圧作動ガスの供給時間
の割合よりも長くする。この発明でも請求項１の発明と
同様の作用効果が得られる。
の発明であり、上記請求項１の発明と同様に、シリンダ
（２）内に膨張空間（２９）〜（３１）を区画するディ
スプレーサ（２２）を備え、該ディスプレーサ（２２）
の往復動に伴い、上記膨張空間（２９）〜（３１）に供
給された高圧の作動ガスを膨張させる一方、膨張後の低
圧の作動ガスを膨張空間（２９）〜（３１）からシリン
ダ（２）外に排出して極低温レベルの寒冷を発生させる
ように構成され、かつ上記ディスプレーサ（２２）が、
高圧及び低圧作動ガスの中間圧力に設定された中間圧室
（８）に連通する圧力室（２０）と、膨張空間（２９）
〜（３１）の圧力室（２９）とのガス圧の圧力差によっ
て往復動するように構成された極低温冷凍機に対し、デ
ィスプレーサ（２２）の往復動の１サイクルにおける低
圧作動ガスの排出時間の割合を高圧作動ガスの供給時間
の割合よりも長くする。この発明でも請求項１の発明と
同様の作用効果が得られる。
【００１５】
【発明の実施の形態】図２は本発明の実施形態に係る極
低温冷凍機（Ｒ）の全体構成を示し、この極低温冷凍機
（Ｒ）は、後述の如くシリンダ（２）内でディスプレー
サ（２２）をヘリウムガス圧により往復動させて高圧の
ヘリウムガス（作動ガス）を膨張させるガス圧駆動式の
ＧＭサイクル（ギフォード・マクマホン・サイクル）の
膨張機で構成されている。
低温冷凍機（Ｒ）の全体構成を示し、この極低温冷凍機
（Ｒ）は、後述の如くシリンダ（２）内でディスプレー
サ（２２）をヘリウムガス圧により往復動させて高圧の
ヘリウムガス（作動ガス）を膨張させるガス圧駆動式の
ＧＭサイクル（ギフォード・マクマホン・サイクル）の
膨張機で構成されている。
【００１６】すなわち、極低温冷凍機（Ｒ）は密閉状の
モータヘッド（１）と、該モータヘッド（１）の上面に
気密状に連設され、下側の大径部（２ａ）及び上側の小
径部（２ｂ）からなる大小２段構造のシリンダ（２）と
を備えている。上記モータヘッド（１）の側面には高圧
ガス入口（４）とその上側に位置する低圧ガス出口
（５）とが形成され、高圧ガス入口（４）は図外の圧縮
機の吐出側に高圧配管を介して、また低圧ガス出口
（５）は同圧縮機の吸入側に低圧配管を介してそれぞれ
接続されている。
モータヘッド（１）と、該モータヘッド（１）の上面に
気密状に連設され、下側の大径部（２ａ）及び上側の小
径部（２ｂ）からなる大小２段構造のシリンダ（２）と
を備えている。上記モータヘッド（１）の側面には高圧
ガス入口（４）とその上側に位置する低圧ガス出口
（５）とが形成され、高圧ガス入口（４）は図外の圧縮
機の吐出側に高圧配管を介して、また低圧ガス出口
（５）は同圧縮機の吸入側に低圧配管を介してそれぞれ
接続されている。
【００１７】モータヘッド（１）の内部には、上記高圧
ガス入口（４）に連通するモータ室（６）と、該モータ
室（６）の上側に位置しかつ内部空間が下端にてモータ
室（６）に連通する上下方向の貫通孔からなる装着孔
（７）と、この装着孔（７）の周囲に位置する略環状の
空間からなる中間圧室（８）とが形成されている。
ガス入口（４）に連通するモータ室（６）と、該モータ
室（６）の上側に位置しかつ内部空間が下端にてモータ
室（６）に連通する上下方向の貫通孔からなる装着孔
（７）と、この装着孔（７）の周囲に位置する略環状の
空間からなる中間圧室（８）とが形成されている。
【００１８】また、モータヘッド（１）のシリンダ
（２）との境界部分にはシリンダ（２）下端（基端）の
閉塞部材を構成するバルブステム（９）が嵌挿されてい
る。このバルブステム（９）は、上記装着孔（７）に気
密嵌合されたバルブシート部（９ａ）と、シリンダ
（２）の大径部（２ａ）の内径よりも小径に形成され、
このシリンダ大径部（２ａ）内下部に同心に突出するピ
ストン支持部（９ｂ）と、上記中間圧室（８）の上壁を
構成するフランジ部（９ｃ）とを備えてなり、バルブシ
ート部（９ａ）の下面と装着孔（７）の壁面とで囲まれ
る空間により、高圧ガス入口（４）とモータ室（６）を
介して連通するバルブ室（１０）が形成されている。
（２）との境界部分にはシリンダ（２）下端（基端）の
閉塞部材を構成するバルブステム（９）が嵌挿されてい
る。このバルブステム（９）は、上記装着孔（７）に気
密嵌合されたバルブシート部（９ａ）と、シリンダ
（２）の大径部（２ａ）の内径よりも小径に形成され、
このシリンダ大径部（２ａ）内下部に同心に突出するピ
ストン支持部（９ｂ）と、上記中間圧室（８）の上壁を
構成するフランジ部（９ｃ）とを備えてなり、バルブシ
ート部（９ａ）の下面と装着孔（７）の壁面とで囲まれ
る空間により、高圧ガス入口（４）とモータ室（６）を
介して連通するバルブ室（１０）が形成されている。
【００１９】上記バルブステム（９）には、図４及び図
５にも示すように、下半部が２股状に分岐されかつ上記
バルブ室（１０）をシリンダ（２）内に連通する第１ガ
ス流路（１２）と、一端が該第１ガス流路（１２）に後
述するロータリバルブ（３５）の低圧ポート（３７）を
介して連通するとともに、他端が上記低圧ガス出口
（５）にモータヘッド（１）に形成した連通路（１３）
を介して連通する第２ガス流路（１４）とが貫通形成さ
れ、上記第１ガス流路（１２）はその途中にてキャピラ
リー管（１５）を介して上記中間圧室（８）に常時連通
されている。上記両ガス流路（１２），（１４）は、バ
ルブ室（１０）に臨むバルブステム（９）のバルブシー
ト（９ａ）下面において、第２ガス流路（１４）にあっ
てはバルブステム（９）中心部に、分岐された第１ガス
流路（１２），（１２）にあっては該第２ガス流路（１
４）に対して対称な位置にそれぞれ開口されている。
５にも示すように、下半部が２股状に分岐されかつ上記
バルブ室（１０）をシリンダ（２）内に連通する第１ガ
ス流路（１２）と、一端が該第１ガス流路（１２）に後
述するロータリバルブ（３５）の低圧ポート（３７）を
介して連通するとともに、他端が上記低圧ガス出口
（５）にモータヘッド（１）に形成した連通路（１３）
を介して連通する第２ガス流路（１４）とが貫通形成さ
れ、上記第１ガス流路（１２）はその途中にてキャピラ
リー管（１５）を介して上記中間圧室（８）に常時連通
されている。上記両ガス流路（１２），（１４）は、バ
ルブ室（１０）に臨むバルブステム（９）のバルブシー
ト（９ａ）下面において、第２ガス流路（１４）にあっ
てはバルブステム（９）中心部に、分岐された第１ガス
流路（１２），（１２）にあっては該第２ガス流路（１
４）に対して対称な位置にそれぞれ開口されている。
【００２０】一方、シリンダ（２）の大径部（２ａ）内
の下端部には底壁を有する略逆カップ形状のスラックピ
ストン（１７）がその内側面を上記バルブステム（９）
のピストン支持部（９ｂ）に摺動案内せしめた状態で往
復動可能に外嵌合され、このスラックピストン（１７）
によりシリンダ（２）内上部に上側圧力室（２９）が、
またシリンダ（２）内下端に下側圧力室（２０）がそれ
ぞれ区画形成され、上記下側圧力室（２０）は上記モー
タヘッド（１）内の中間圧室（８）にオリフィス（２
１）を介して常時連通されている。従って、下側圧力室
（２０）は高圧及び低圧のヘリウムガスの中間圧力に設
定されており、この下側圧力室（２０）と上側圧力室
（２９）との各ガス圧の圧力差によってスラックピスト
ン（１７）がディスプレーサ（２２）と共に往復動する
ようになされている。上記スラックピストン（１７）底
壁の中心部には大径の中心孔（１８）が貫通形成され、
周縁角部にはピストン（１７）内外を連通する複数の連
通孔（１９），（１９），…が形成されている。
の下端部には底壁を有する略逆カップ形状のスラックピ
ストン（１７）がその内側面を上記バルブステム（９）
のピストン支持部（９ｂ）に摺動案内せしめた状態で往
復動可能に外嵌合され、このスラックピストン（１７）
によりシリンダ（２）内上部に上側圧力室（２９）が、
またシリンダ（２）内下端に下側圧力室（２０）がそれ
ぞれ区画形成され、上記下側圧力室（２０）は上記モー
タヘッド（１）内の中間圧室（８）にオリフィス（２
１）を介して常時連通されている。従って、下側圧力室
（２０）は高圧及び低圧のヘリウムガスの中間圧力に設
定されており、この下側圧力室（２０）と上側圧力室
（２９）との各ガス圧の圧力差によってスラックピスト
ン（１７）がディスプレーサ（２２）と共に往復動する
ようになされている。上記スラックピストン（１７）底
壁の中心部には大径の中心孔（１８）が貫通形成され、
周縁角部にはピストン（１７）内外を連通する複数の連
通孔（１９），（１９），…が形成されている。
【００２１】また、上記シリンダ（２）内にはディスプ
レーサ（２２）（置換器）が往復動可能に嵌合されてい
る。このディスプレーサ（２２）は、シリンダ（２）の
大径部（２ａ）の略上半部内を摺動する密閉円筒状の大
径部（２２ａ）と、該大径部（２２ａ）上端に移動一体
に結合され、シリンダ（２）の小径部（２ｂ）内を摺動
する密閉円筒状の小径部（２２ｂ）とからなり、このデ
ィスプレーサ（２２）により、スラックピストン（１
７）上方のシリンダ（２）内の膨張空間（２９）〜（３
１）が下側から順に上記上側圧力室（２９）、第１段及
び第２段膨張室（３０），（３１）に区画されている。
上記ディスプレーサ（２２）の大径部（２２ａ）内の空
間は上記第１段膨張室（３０）に連通孔（２３）を介し
て常時連通され、この大径部（２２ａ）内の空間には蓄
冷型熱交換器よりなる第１段蓄冷器（２４）が嵌装され
ている。また、ディスプレーサ（２２）の小径部（２２
ｂ）内の空間は上記第１段膨張室（３０）に連通孔（２
５）を介して、また第２段膨張室（３１）に連通孔（２
６）を介してそれぞれ常時連通され、このディスプレー
サ小径部（２２ｂ）内の空間には上記第１段蓄冷器（２
４）と同様の第２段蓄冷器（２７）が嵌装されている。
レーサ（２２）（置換器）が往復動可能に嵌合されてい
る。このディスプレーサ（２２）は、シリンダ（２）の
大径部（２ａ）の略上半部内を摺動する密閉円筒状の大
径部（２２ａ）と、該大径部（２２ａ）上端に移動一体
に結合され、シリンダ（２）の小径部（２ｂ）内を摺動
する密閉円筒状の小径部（２２ｂ）とからなり、このデ
ィスプレーサ（２２）により、スラックピストン（１
７）上方のシリンダ（２）内の膨張空間（２９）〜（３
１）が下側から順に上記上側圧力室（２９）、第１段及
び第２段膨張室（３０），（３１）に区画されている。
上記ディスプレーサ（２２）の大径部（２２ａ）内の空
間は上記第１段膨張室（３０）に連通孔（２３）を介し
て常時連通され、この大径部（２２ａ）内の空間には蓄
冷型熱交換器よりなる第１段蓄冷器（２４）が嵌装され
ている。また、ディスプレーサ（２２）の小径部（２２
ｂ）内の空間は上記第１段膨張室（３０）に連通孔（２
５）を介して、また第２段膨張室（３１）に連通孔（２
６）を介してそれぞれ常時連通され、このディスプレー
サ小径部（２２ｂ）内の空間には上記第１段蓄冷器（２
４）と同様の第２段蓄冷器（２７）が嵌装されている。
【００２２】さらに、上記ディスプレーサ（２２）の大
径部（２２ａ）下端には、その大径部（２２ａ）内の空
間を上記上側圧力室（２９）に連通する管状の係止片
（３３）が一体に突設されている。この係止片（３３）
の下部は上記スラックピストン（１７）底壁の中心孔
（１８）を貫通してピストン（１７）内部に所定寸法だ
け延び、その下端部にはピストン（１７）底壁に係合す
るフランジ状の係止部（３３ａ）が一体に形成されてお
り、スラックピストン（１７）の上昇移動時、ピストン
（１７）が所定ストロークだけ上昇した時点でその底壁
上面とディスプレーサ（２２）下面との当接により、デ
ィスプレーサ（２２）がピストン（１７）に駆動されて
上昇開始する一方、スラックピストン（１７）の下降移
動時、ピストン（１７）が所定ストロークだけ下降した
時点でその底壁下面と係止片（３３）の係止部（３３
ａ）との係合により、ディスプレーサ（２２）がピスト
ン（１７）に駆動されて下降開始するように、つまりデ
ィスプレーサ（２２）が所定ストロークの遅れをもって
ピストン（１７）に追従移動するように構成されてい
る。
径部（２２ａ）下端には、その大径部（２２ａ）内の空
間を上記上側圧力室（２９）に連通する管状の係止片
（３３）が一体に突設されている。この係止片（３３）
の下部は上記スラックピストン（１７）底壁の中心孔
（１８）を貫通してピストン（１７）内部に所定寸法だ
け延び、その下端部にはピストン（１７）底壁に係合す
るフランジ状の係止部（３３ａ）が一体に形成されてお
り、スラックピストン（１７）の上昇移動時、ピストン
（１７）が所定ストロークだけ上昇した時点でその底壁
上面とディスプレーサ（２２）下面との当接により、デ
ィスプレーサ（２２）がピストン（１７）に駆動されて
上昇開始する一方、スラックピストン（１７）の下降移
動時、ピストン（１７）が所定ストロークだけ下降した
時点でその底壁下面と係止片（３３）の係止部（３３
ａ）との係合により、ディスプレーサ（２２）がピスト
ン（１７）に駆動されて下降開始するように、つまりデ
ィスプレーサ（２２）が所定ストロークの遅れをもって
ピストン（１７）に追従移動するように構成されてい
る。
【００２３】さらに、上記モータヘッド（１）のバルブ
室（１０）内には、シリンダ（２）内の膨張空間として
の上側圧力室（２９）及び膨張室（３０），（３１）に
高圧ヘリウムガスを供給する高圧開弁状態と、上側圧力
室（２９）及び膨張室（３０），（３１）のヘリウムガ
スを排出する低圧開弁状態とに交互に切り換わるバルブ
手段としてのロータリバルブ（３５）が配設され、該ロ
ータリバルブ（３５）は、モータ室（６）に配置したバ
ルブモータ（３９）により回転駆動される。そして、こ
のロータリバルブ（３５）の切換動作により、高圧ガス
入口（４）つまり該高圧ガス入口（４）に連通するバル
ブ室（１０）と、低圧ガス出口（５）つまり該低圧ガス
出口（５）に連通する連通路（１３）とをシリンダ
（２）内の上側圧力室（２９）、第１段及び第２段膨張
室（３０），（３１）に対し交互に連通するようになさ
れている。
室（１０）内には、シリンダ（２）内の膨張空間として
の上側圧力室（２９）及び膨張室（３０），（３１）に
高圧ヘリウムガスを供給する高圧開弁状態と、上側圧力
室（２９）及び膨張室（３０），（３１）のヘリウムガ
スを排出する低圧開弁状態とに交互に切り換わるバルブ
手段としてのロータリバルブ（３５）が配設され、該ロ
ータリバルブ（３５）は、モータ室（６）に配置したバ
ルブモータ（３９）により回転駆動される。そして、こ
のロータリバルブ（３５）の切換動作により、高圧ガス
入口（４）つまり該高圧ガス入口（４）に連通するバル
ブ室（１０）と、低圧ガス出口（５）つまり該低圧ガス
出口（５）に連通する連通路（１３）とをシリンダ
（２）内の上側圧力室（２９）、第１段及び第２段膨張
室（３０），（３１）に対し交互に連通するようになさ
れている。
【００２４】すなわち、上記ロータリバルブ（３５）の
下面中心部にはバルブモータ（３９）の出力軸（３９
ａ）が回転一体に係合されている。また、バルブ（３
５）下面とモータ（３９）との間にはスプリング（図示
せず）が縮装されており、このスプリングのばね力とバ
ルブ室（１０）の高圧ヘリウムガスの圧力とによりロー
タリバルブ（３５）上面をバルブステム（９）のバルブ
シート部（９ａ）下面に対し一定の押圧力で押し付ける
ようにしている。
下面中心部にはバルブモータ（３９）の出力軸（３９
ａ）が回転一体に係合されている。また、バルブ（３
５）下面とモータ（３９）との間にはスプリング（図示
せず）が縮装されており、このスプリングのばね力とバ
ルブ室（１０）の高圧ヘリウムガスの圧力とによりロー
タリバルブ（３５）上面をバルブステム（９）のバルブ
シート部（９ａ）下面に対し一定の押圧力で押し付ける
ようにしている。
【００２５】一方、図３に示す如く、上記ロータリバル
ブ（３５）の上面には、その半径方向に対向する外周縁
から中心方向に所定長さだけ切り込んでなる１対の高圧
ポート（３６），（３６）と、該高圧ポート（３６），
（３６）に対しロータリバルブ（３５）の回転方向（同
図で矢印にて示す方向）に略９０°の角度間隔をあけて
配置され、バルブ（３５）上面の中心から外周縁近傍に
向かって直径方向に切り欠いてなる有端凹溝状の低圧ポ
ート（３７）とが形成されており、バルブモータ（３
９）の駆動によりロータリバルブ（３５）をその上面が
バルブステム（９）下面に圧接した状態で回転させて開
閉切換えさせ、このロータリバルブ（３５）の切換えに
より上側圧力室（２９）と下側圧力室（２０）との間に
圧力差を生じさせて、この圧力差によりスラックピスト
ン（１７）及びディスプレーサ（２２）をシリンダ
（２）内で往復動させるようにしている。つまり、ロー
タリバルブ（３５）の回転により、図４に示すように、
その上面の高圧ポート（３６），（３６）の内端がそれ
ぞれバルブステム（９）のバルブシート部（９ａ）下面
に開口する第１ガス流路（１２）の２つの開口端に合致
したときには、バルブ室（１０）（高圧ガス入口
（４））を高圧ポート（３６），（３６）及び第１ガス
流路（１２）を介してシリンダ（２）内の上側圧力室
（２９）、第１段及び第２段膨張室（３０），（３１）
に連通させて、これら各室（２９）〜（３１）に高圧ヘ
リウムガスを導入充填するとともに、その高圧となった
上側圧力室（２９）と下側圧力室（２０）とのガス圧の
差によってスラックピストン（１７）をディスプレーサ
（２２）と共に下降させる。一方、図５に示す如く、バ
ルブシート部（９ａ）下面に開口する第２ガス流路（１
４）に央部にて常時連通する低圧ポート（３７）の両外
端がそれぞれ上記第１ガス流路（１２）の両開口端に合
致したときには、上記シリンダ（２）内の各室（２９）
〜（３１）を第１ガス流路（１２）、低圧ポート（３
７）、第２ガス流路（１４）及び連通路（１３）を介し
て低圧ガス出口（５）に連通させて、各室（２９）〜
（３１）に充填されているヘリウムガスを膨張させなが
ら低圧ガス出口（５）に排出するとともに、この低圧と
なった上側圧力室（２９）と下側圧力室（２０）とのガ
ス圧の差によってスラックピストン（１７）をディスプ
レーサ（２２）と共に上昇させ、このディスプレーサ
（２２）の上昇移動によりヘリウムガスをサイモン膨張
させて、その膨張に伴う温度降下により極低温レベルの
寒冷を発生させ、その寒冷により第１段膨張室（３０）
に対応するシリンダ（２）の大径部（２ａ）先端（上
端）の第１ヒートステーション（４１）を所定温度レベ
ルに、また小径部（２ｂ）先端（上端）の第２ヒートス
テーション（４２）を上記第１ヒートステーション（４
１）よりも低い温度レベルにそれぞれ冷却保持するよう
に構成されている。
ブ（３５）の上面には、その半径方向に対向する外周縁
から中心方向に所定長さだけ切り込んでなる１対の高圧
ポート（３６），（３６）と、該高圧ポート（３６），
（３６）に対しロータリバルブ（３５）の回転方向（同
図で矢印にて示す方向）に略９０°の角度間隔をあけて
配置され、バルブ（３５）上面の中心から外周縁近傍に
向かって直径方向に切り欠いてなる有端凹溝状の低圧ポ
ート（３７）とが形成されており、バルブモータ（３
９）の駆動によりロータリバルブ（３５）をその上面が
バルブステム（９）下面に圧接した状態で回転させて開
閉切換えさせ、このロータリバルブ（３５）の切換えに
より上側圧力室（２９）と下側圧力室（２０）との間に
圧力差を生じさせて、この圧力差によりスラックピスト
ン（１７）及びディスプレーサ（２２）をシリンダ
（２）内で往復動させるようにしている。つまり、ロー
タリバルブ（３５）の回転により、図４に示すように、
その上面の高圧ポート（３６），（３６）の内端がそれ
ぞれバルブステム（９）のバルブシート部（９ａ）下面
に開口する第１ガス流路（１２）の２つの開口端に合致
したときには、バルブ室（１０）（高圧ガス入口
（４））を高圧ポート（３６），（３６）及び第１ガス
流路（１２）を介してシリンダ（２）内の上側圧力室
（２９）、第１段及び第２段膨張室（３０），（３１）
に連通させて、これら各室（２９）〜（３１）に高圧ヘ
リウムガスを導入充填するとともに、その高圧となった
上側圧力室（２９）と下側圧力室（２０）とのガス圧の
差によってスラックピストン（１７）をディスプレーサ
（２２）と共に下降させる。一方、図５に示す如く、バ
ルブシート部（９ａ）下面に開口する第２ガス流路（１
４）に央部にて常時連通する低圧ポート（３７）の両外
端がそれぞれ上記第１ガス流路（１２）の両開口端に合
致したときには、上記シリンダ（２）内の各室（２９）
〜（３１）を第１ガス流路（１２）、低圧ポート（３
７）、第２ガス流路（１４）及び連通路（１３）を介し
て低圧ガス出口（５）に連通させて、各室（２９）〜
（３１）に充填されているヘリウムガスを膨張させなが
ら低圧ガス出口（５）に排出するとともに、この低圧と
なった上側圧力室（２９）と下側圧力室（２０）とのガ
ス圧の差によってスラックピストン（１７）をディスプ
レーサ（２２）と共に上昇させ、このディスプレーサ
（２２）の上昇移動によりヘリウムガスをサイモン膨張
させて、その膨張に伴う温度降下により極低温レベルの
寒冷を発生させ、その寒冷により第１段膨張室（３０）
に対応するシリンダ（２）の大径部（２ａ）先端（上
端）の第１ヒートステーション（４１）を所定温度レベ
ルに、また小径部（２ｂ）先端（上端）の第２ヒートス
テーション（４２）を上記第１ヒートステーション（４
１）よりも低い温度レベルにそれぞれ冷却保持するよう
に構成されている。
【００２６】本発明の特徴として、上記ディスプレーサ
（２２）の往復動の１サイクルにおける低圧ヘリウムガ
スの排出時間の割合が高圧ヘリウムガスの供給時間の割
合よりも長く、詳しくは、図１に示すようにロータリバ
ルブ（３５）による低圧開弁状態の割合が高圧開弁状態
の割合よりも大に設定され、バルブ（３５）の開弁状態
全体における低圧開弁状態の割合が５５〜６５％で、残
りの高圧開弁状態の割合は４５〜３５％とされている。
尚、このロータリバルブ（３５）の低圧開弁状態の割合
を変えるには、例えばロータリバルブ（３５）の高低圧
ポート（３６），（３７）やバルブステム（９）のガス
流路（１２），（１４）の形状、大きさ、形成位置等を
変えたり、ロータリバルブ（３５）の１回転中の回転速
度を可変としたりすることで達成できる。
（２２）の往復動の１サイクルにおける低圧ヘリウムガ
スの排出時間の割合が高圧ヘリウムガスの供給時間の割
合よりも長く、詳しくは、図１に示すようにロータリバ
ルブ（３５）による低圧開弁状態の割合が高圧開弁状態
の割合よりも大に設定され、バルブ（３５）の開弁状態
全体における低圧開弁状態の割合が５５〜６５％で、残
りの高圧開弁状態の割合は４５〜３５％とされている。
尚、このロータリバルブ（３５）の低圧開弁状態の割合
を変えるには、例えばロータリバルブ（３５）の高低圧
ポート（３６），（３７）やバルブステム（９）のガス
流路（１２），（１４）の形状、大きさ、形成位置等を
変えたり、ロータリバルブ（３５）の１回転中の回転速
度を可変としたりすることで達成できる。
【００２７】次に、上記実施形態の作用について説明す
る。極低温冷凍機（Ｒ）の作動は基本的に通常のものと
同様に行われる。すなわち、冷凍機（Ｒ）におけるシリ
ンダ（２）内の圧力が低圧であって、スラックピストン
（１７）とディスプレーサ（２２）とが上昇端位置にあ
る状態において、バルブモータ（３９）の駆動によるロ
ータリバルブ（３５）の回転により、その高圧ポート
（３６），（３６）がバルブステム（９）下面の第１ガ
ス流路（１２）の両開口端に合致してロータリバルブ
（３５）が高圧側に開く高圧開弁状態になると、冷凍機
（Ｒ）の高圧ガス入口（４）及びモータ室（６）を介し
てバルブ室（１０）に供給されている常温の高圧ヘリウ
ムガスが上記ロータリバルブ（３５）の高圧ポート（３
６），（３６）及び第１ガス流路（１２）を介してスラ
ックピストン（１７）上方の上側圧力室（２９）に導入
されるとともに、さらにこの上側圧力室（２９）から、
順次ディスプレーサ（２２）の各蓄冷器（２４），（２
７）を通って各膨張室（３０），（３１）に充填され、
この蓄冷器（２４），（２７）を通る間に熱交換によっ
て冷却される。
る。極低温冷凍機（Ｒ）の作動は基本的に通常のものと
同様に行われる。すなわち、冷凍機（Ｒ）におけるシリ
ンダ（２）内の圧力が低圧であって、スラックピストン
（１７）とディスプレーサ（２２）とが上昇端位置にあ
る状態において、バルブモータ（３９）の駆動によるロ
ータリバルブ（３５）の回転により、その高圧ポート
（３６），（３６）がバルブステム（９）下面の第１ガ
ス流路（１２）の両開口端に合致してロータリバルブ
（３５）が高圧側に開く高圧開弁状態になると、冷凍機
（Ｒ）の高圧ガス入口（４）及びモータ室（６）を介し
てバルブ室（１０）に供給されている常温の高圧ヘリウ
ムガスが上記ロータリバルブ（３５）の高圧ポート（３
６），（３６）及び第１ガス流路（１２）を介してスラ
ックピストン（１７）上方の上側圧力室（２９）に導入
されるとともに、さらにこの上側圧力室（２９）から、
順次ディスプレーサ（２２）の各蓄冷器（２４），（２
７）を通って各膨張室（３０），（３１）に充填され、
この蓄冷器（２４），（２７）を通る間に熱交換によっ
て冷却される。
【００２８】そして、上記スラックピストン（１７）上
側の上側圧力室（２９）のガス圧が下側の下側圧力室
（２０）よりも高くなると、両圧力室（２０），（２
９）間の圧力差によってピストン（１７）が下降し、こ
のピストン（１７）の下降ストロークが所定値に達した
ときに、該ピストン（１７）の底壁下面とディスプレー
サ（２２）下端における係止片（３３）の係止部（３３
ａ）とが係合して、ディスプレーサ（２２）は圧力変化
に対し遅れを持ってピストン（１７）により引き下げら
れ、このディスプレーサ（２２）の下降移動によりその
上方の膨張室（３０），（３１）にさらに高圧ガスが充
填される。
側の上側圧力室（２９）のガス圧が下側の下側圧力室
（２０）よりも高くなると、両圧力室（２０），（２
９）間の圧力差によってピストン（１７）が下降し、こ
のピストン（１７）の下降ストロークが所定値に達した
ときに、該ピストン（１７）の底壁下面とディスプレー
サ（２２）下端における係止片（３３）の係止部（３３
ａ）とが係合して、ディスプレーサ（２２）は圧力変化
に対し遅れを持ってピストン（１７）により引き下げら
れ、このディスプレーサ（２２）の下降移動によりその
上方の膨張室（３０），（３１）にさらに高圧ガスが充
填される。
【００２９】この後、上記ロータリバルブ（３５）が閉
じると、その後もディスプレーサ（２２）は慣性力によ
って下降し、これに伴い、ディスプレーサ（２２）上方
の上側圧力室（２９）内のヘリウムガスが膨張室（３
０），（３１）に移動する。
じると、その後もディスプレーサ（２２）は慣性力によ
って下降し、これに伴い、ディスプレーサ（２２）上方
の上側圧力室（２９）内のヘリウムガスが膨張室（３
０），（３１）に移動する。
【００３０】このディスプレーサ（２２）が下降端位置
に達した後、ロータリバルブ（３５）の低圧ポート（３
７）が上記バルブステム（９）下面の第１ガス流路（１
２）の開口端に合致してバルブ（３５）が低圧側に開く
低圧開弁状態となり、この開弁に伴い、上記ディスプレ
ーサ（２２）上方の各膨張室（３０），（３１）内のヘ
リウムガスがサイモン膨張し、このガスの膨張に伴う温
度降下により第１ヒートステーション（４１）が所定温
度レベルに、また第２ヒートステーション（４２）が第
１ヒートステーション（４１）よりも低い温度レベルに
それぞれ冷却される。
に達した後、ロータリバルブ（３５）の低圧ポート（３
７）が上記バルブステム（９）下面の第１ガス流路（１
２）の開口端に合致してバルブ（３５）が低圧側に開く
低圧開弁状態となり、この開弁に伴い、上記ディスプレ
ーサ（２２）上方の各膨張室（３０），（３１）内のヘ
リウムガスがサイモン膨張し、このガスの膨張に伴う温
度降下により第１ヒートステーション（４１）が所定温
度レベルに、また第２ヒートステーション（４２）が第
１ヒートステーション（４１）よりも低い温度レベルに
それぞれ冷却される。
【００３１】上記膨張室（３０），（３１）で低温状態
となったヘリウムガスは、上記ガス導入時とは逆に、デ
ィスプレーサ（２２）内の蓄冷器（２４），（２７）を
通って上記上側圧力室（２９）内に戻り、その間に蓄冷
器（２４），（２７）を冷却しながら自身が常温まで暖
められる。そして、この常温のヘリウムガスは、さらに
上側圧力室（２９）内のガスと共に第１ガス流路（１
２）、バルブ（３５）の低圧ポート（３７）、連通路
（１３）を介して冷凍機（Ｒ）外に排出され、低圧ガス
出口（５）を通って圧縮機に流れてそれに吸入される。
このガス排出に伴い上記上側圧力室（２９）内のガス圧
が低下し、その下側圧力室（２０）との圧力差によりス
ラックピストン（１７）が上昇し、このピストン（１
７）の底壁上面がディスプレーサ（２２）の下面に当接
した後は該ディスプレーサ（２２）が押圧されて上昇
し、このディスプレーサ（２２）の上昇移動により膨張
室（３０），（３１）内のガスが冷凍機（Ｒ）外にさら
に排出される。
となったヘリウムガスは、上記ガス導入時とは逆に、デ
ィスプレーサ（２２）内の蓄冷器（２４），（２７）を
通って上記上側圧力室（２９）内に戻り、その間に蓄冷
器（２４），（２７）を冷却しながら自身が常温まで暖
められる。そして、この常温のヘリウムガスは、さらに
上側圧力室（２９）内のガスと共に第１ガス流路（１
２）、バルブ（３５）の低圧ポート（３７）、連通路
（１３）を介して冷凍機（Ｒ）外に排出され、低圧ガス
出口（５）を通って圧縮機に流れてそれに吸入される。
このガス排出に伴い上記上側圧力室（２９）内のガス圧
が低下し、その下側圧力室（２０）との圧力差によりス
ラックピストン（１７）が上昇し、このピストン（１
７）の底壁上面がディスプレーサ（２２）の下面に当接
した後は該ディスプレーサ（２２）が押圧されて上昇
し、このディスプレーサ（２２）の上昇移動により膨張
室（３０），（３１）内のガスが冷凍機（Ｒ）外にさら
に排出される。
【００３２】次いで、ロータリバルブ（３５）が閉じる
が、この後もディスプレーサ（２２）は上昇端位置まで
上昇移動し、膨張室（３０），（３１）内のガスが排出
されて最初の状態に戻る。以上によりディスプレーサ
（２２）の動作の１サイクルが終了して、以後は上記と
同様な動作が繰り返され、各ヒートステーション（４
１），（４２）の温度は極低温レベルに向かって次第に
降下する。
が、この後もディスプレーサ（２２）は上昇端位置まで
上昇移動し、膨張室（３０），（３１）内のガスが排出
されて最初の状態に戻る。以上によりディスプレーサ
（２２）の動作の１サイクルが終了して、以後は上記と
同様な動作が繰り返され、各ヒートステーション（４
１），（４２）の温度は極低温レベルに向かって次第に
降下する。
【００３３】そして、この実施形態では、ディスプレー
サ（２２）の往復動の１サイクルにおけるロータリバル
ブ（３５）による低圧開弁状態の割合が高圧開弁状態の
割合よりも大であり、バルブ（３５）の開弁状態全体に
おける低圧開弁状態の割合が５５〜６５％で、高圧開弁
状態の割合は４５〜３５％とされているので、その低圧
開弁状態が長い分だけ、第１ガス流路（１２）にキャピ
ラリー管（１５）を介して常時連通されている中間圧室
（８）のガス圧及び該中間圧室（８）にオリフィス（２
１）を介して常時連通されている下側圧力室（２０）の
ガス圧が下がり、この下側圧力室（２０）のガス圧は高
圧及び低圧ヘリウムガスのガス圧の範囲において相対的
に低圧側に近付く。このため、高圧ヘリウムガスの供給
時の上側圧力室（２９）と下側圧力室（２０）とのガス
圧の差が大きくなる一方、低圧ヘリウムガスの排出時の
上側圧力室（２９）と下側圧力室（２０）との差圧が小
さくなり、ロータリバルブ（３５）の高圧開弁状態で
は、ピストン（１７）はディスプレーサ（２２）と共に
素早く下降移動する一方、低圧開弁状態では、ディスプ
レーサ（２２）の移動速度が上記高圧開弁状態よりも遅
くなる。その結果、このようなディスプレーサ（２２）
の昇降速度の差等に起因して、ガス圧駆動式の極低温冷
凍機（Ｒ）の能力を向上させることができる。
サ（２２）の往復動の１サイクルにおけるロータリバル
ブ（３５）による低圧開弁状態の割合が高圧開弁状態の
割合よりも大であり、バルブ（３５）の開弁状態全体に
おける低圧開弁状態の割合が５５〜６５％で、高圧開弁
状態の割合は４５〜３５％とされているので、その低圧
開弁状態が長い分だけ、第１ガス流路（１２）にキャピ
ラリー管（１５）を介して常時連通されている中間圧室
（８）のガス圧及び該中間圧室（８）にオリフィス（２
１）を介して常時連通されている下側圧力室（２０）の
ガス圧が下がり、この下側圧力室（２０）のガス圧は高
圧及び低圧ヘリウムガスのガス圧の範囲において相対的
に低圧側に近付く。このため、高圧ヘリウムガスの供給
時の上側圧力室（２９）と下側圧力室（２０）とのガス
圧の差が大きくなる一方、低圧ヘリウムガスの排出時の
上側圧力室（２９）と下側圧力室（２０）との差圧が小
さくなり、ロータリバルブ（３５）の高圧開弁状態で
は、ピストン（１７）はディスプレーサ（２２）と共に
素早く下降移動する一方、低圧開弁状態では、ディスプ
レーサ（２２）の移動速度が上記高圧開弁状態よりも遅
くなる。その結果、このようなディスプレーサ（２２）
の昇降速度の差等に起因して、ガス圧駆動式の極低温冷
凍機（Ｒ）の能力を向上させることができる。
【００３４】尚、上記実施形態では、ディスプレーサ
（２２）の往復動作の１サイクル中にロータリバルブ
（３５）を絶えず高圧及び低圧開弁状態の一方に切り換
えるようにしているが、両開弁状態の間に一定時間の閉
弁状態が保たれるように切り換えてもよい。
（２２）の往復動作の１サイクル中にロータリバルブ
（３５）を絶えず高圧及び低圧開弁状態の一方に切り換
えるようにしているが、両開弁状態の間に一定時間の閉
弁状態が保たれるように切り換えてもよい。
【００３５】また、上記実施形態では、スラックピスト
ン（１７）を備えたガス圧駆動式のＧＭ冷凍機（Ｒ）に
適用した場合であるが、本発明は、ディスプレーサ（２
２）を直接に往復駆動する機械駆動式のＧＭ冷凍機に対
しても適用することができる。
ン（１７）を備えたガス圧駆動式のＧＭ冷凍機（Ｒ）に
適用した場合であるが、本発明は、ディスプレーサ（２
２）を直接に往復駆動する機械駆動式のＧＭ冷凍機に対
しても適用することができる。
【００３６】
【実施例】図６及び図７は本発明者が具体的に実施した
実施例の結果を示し、図６ではロータリバルブを１０７
ｒｐｍで回転させた状態で低圧開弁状態の割合を５０〜
７０％（高圧開弁状態の割合は５０〜３０％）に変化さ
せたときの第１及び第２ヒートステーションでの冷凍負
荷に対する能力変化を示している。また、図７はロータ
リバルブを１４４ｒｐｍで回転させた状態で低圧開弁状
態の割合を５０〜６５％（高圧開弁状態の割合は５０〜
３５％）に変化させたときの第１及び第２ヒートステー
ションでの冷凍負荷に対する能力変化を示している。
尚、いずれの場合も第１ヒートステーションの温度は３
５Ｋ、第２ヒートステーションの温度は４．２Ｋであっ
た。
実施例の結果を示し、図６ではロータリバルブを１０７
ｒｐｍで回転させた状態で低圧開弁状態の割合を５０〜
７０％（高圧開弁状態の割合は５０〜３０％）に変化さ
せたときの第１及び第２ヒートステーションでの冷凍負
荷に対する能力変化を示している。また、図７はロータ
リバルブを１４４ｒｐｍで回転させた状態で低圧開弁状
態の割合を５０〜６５％（高圧開弁状態の割合は５０〜
３５％）に変化させたときの第１及び第２ヒートステー
ションでの冷凍負荷に対する能力変化を示している。
尚、いずれの場合も第１ヒートステーションの温度は３
５Ｋ、第２ヒートステーションの温度は４．２Ｋであっ
た。
【００３７】これら図６及び図７に示されるように、ロ
ータリバルブの開弁状態全体における高圧及び低圧開弁
状態の各割合がいずれも５０％である場合に比べ、その
低圧開弁状態の割合を５０％よりも大きくした方が冷凍
能力が上昇しており、低圧開弁状態の割合が５５〜６５
％（高圧開弁状態の割合は４５〜３５％）であるときが
良好で、さらには低圧開弁状態の割合を５８〜６２％
（高圧開弁状態の割合は４２〜３８％）とするのが好ま
しいことが判る。
ータリバルブの開弁状態全体における高圧及び低圧開弁
状態の各割合がいずれも５０％である場合に比べ、その
低圧開弁状態の割合を５０％よりも大きくした方が冷凍
能力が上昇しており、低圧開弁状態の割合が５５〜６５
％（高圧開弁状態の割合は４５〜３５％）であるときが
良好で、さらには低圧開弁状態の割合を５８〜６２％
（高圧開弁状態の割合は４２〜３８％）とするのが好ま
しいことが判る。
【００３８】
【発明の効果】以上説明したように、請求項１又は５の
発明では、高圧及び低圧作動ガスの中間圧力に設定され
た中間圧室を設け、この中間圧室及び膨張空間でのガス
圧の圧力差によってシリンダ内でディスプレーサを往復
動させ、このディスプレーサの往復動に伴い、高圧の作
動ガスを膨張空間で膨張させ、膨張後の低圧の作動ガス
を膨張空間からシリンダ外に排出して、極低温レベルの
寒冷を発生させるようにしたガス圧駆動式の極低温冷凍
機に対し、ディスプレーサの往復動の１サイクルにおけ
る低圧作動ガスの排出時間の割合が高圧作動ガスの供給
時間の割合よりも長く設定した。また、請求項２の発明
では、同様のガス圧駆動式の極低温冷凍機に対し、シリ
ンダ内の膨張空間に高圧作動ガスを供給する高圧開弁状
態と、膨張空間の作動ガスを排出する低圧開弁状態とに
交互に切り換わるバルブ手段を設け、このバルブ手段に
よる低圧開弁状態の割合を高圧開弁状態の割合よりも大
に設定した。さらに、請求項３の発明では、シリンダ内
のディスプレーサの往復動に伴い、シリンダ内の膨張空
間に供給された高圧の作動ガスを膨張させる一方、膨張
後の低圧の作動ガスを膨張空間からシリンダ外に排出し
て極低温レベルの寒冷を発生させる極低温冷凍機におい
て、その低圧作動ガスの排出時間の割合をディスプレー
サの往復動の１サイクルの半分よりも長くした。従っ
て、これら発明によると、極低温冷凍機の能力の向上を
図ることができる。
発明では、高圧及び低圧作動ガスの中間圧力に設定され
た中間圧室を設け、この中間圧室及び膨張空間でのガス
圧の圧力差によってシリンダ内でディスプレーサを往復
動させ、このディスプレーサの往復動に伴い、高圧の作
動ガスを膨張空間で膨張させ、膨張後の低圧の作動ガス
を膨張空間からシリンダ外に排出して、極低温レベルの
寒冷を発生させるようにしたガス圧駆動式の極低温冷凍
機に対し、ディスプレーサの往復動の１サイクルにおけ
る低圧作動ガスの排出時間の割合が高圧作動ガスの供給
時間の割合よりも長く設定した。また、請求項２の発明
では、同様のガス圧駆動式の極低温冷凍機に対し、シリ
ンダ内の膨張空間に高圧作動ガスを供給する高圧開弁状
態と、膨張空間の作動ガスを排出する低圧開弁状態とに
交互に切り換わるバルブ手段を設け、このバルブ手段に
よる低圧開弁状態の割合を高圧開弁状態の割合よりも大
に設定した。さらに、請求項３の発明では、シリンダ内
のディスプレーサの往復動に伴い、シリンダ内の膨張空
間に供給された高圧の作動ガスを膨張させる一方、膨張
後の低圧の作動ガスを膨張空間からシリンダ外に排出し
て極低温レベルの寒冷を発生させる極低温冷凍機におい
て、その低圧作動ガスの排出時間の割合をディスプレー
サの往復動の１サイクルの半分よりも長くした。従っ
て、これら発明によると、極低温冷凍機の能力の向上を
図ることができる。
【００３９】請求項４の発明によると、バルブ手段の開
弁状態全体における低圧開弁状態の割合を５５〜６５％
としたことで、低圧開弁状態の割合の最適範囲が得られ
る。
弁状態全体における低圧開弁状態の割合を５５〜６５％
としたことで、低圧開弁状態の割合の最適範囲が得られ
る。
【図１】ディスプレーサの往復動１サイクルにおけるロ
ータリバルブの低圧及び高圧開弁状態の比率を示す図で
ある。
ータリバルブの低圧及び高圧開弁状態の比率を示す図で
ある。
【図２】本発明の実施形態に係る極低温冷凍機の全体構
成を示す断面図である。
成を示す断面図である。
【図３】ロータリバルブの拡大斜視図である。
【図４】ロータリバルブの高圧開弁状態を示す拡大断面
図である。
図である。
【図５】ロータリバルブの低圧開弁状態を示す拡大断面
図である。
図である。
【図６】ロータリバルブを１０７ｒｐｍで回転させた状
態で低圧開弁状態の割合を変化させたときの冷凍負荷に
対する能力変化を示す図である。
態で低圧開弁状態の割合を変化させたときの冷凍負荷に
対する能力変化を示す図である。
【図７】ロータリバルブを１４４ｒｐｍで回転させた状
態での図６相当図である。
態での図６相当図である。
（Ｒ） 極低温冷凍機 （１） モータヘッド （２） シリンダ （８） 中間圧室 （９） バルブステム （１０） バルブ室 （１７） スラックピストン （２０） 下側圧力室 （２２） ディスプレーサ （２９） 上側圧力室（膨張空間） （３０），（３１） 膨張室（膨張空間） （３５） ロータリバルブ（バルブ手段） （３６） 高圧ポート （３７） 低圧ポート （３９） バルブモータ （４１），（４２） ヒートステーション
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) F25B 9/14 530
Claims (5)
- 【請求項１】 シリンダ（２）内に膨張空間（２９）〜
（３１）を区画するディスプレーサ（２２）を備え、該
ディスプレーサ（２２）の往復動に伴い、上記膨張空間
（２９）〜（３１）に供給された高圧の作動ガスを膨張
させる一方、膨張後の低圧の作動ガスを膨張空間（２
９）〜（３１）からシリンダ（２）外に排出して極低温
レベルの寒冷を発生させるようにした極低温冷凍機にお
いて、高圧及び低圧作動ガスの中間圧力に設定された中間圧室
（８）が設けられており、 ディスプレーサ（２２）は、上記中間圧室（８）に連通
する圧力室（２０）と膨張空間（２９）〜（３１）の圧
力室（２９）とのガス圧の圧力差によって往復動するよ
うに構成され、 上記ディスプレーサ（２２）の往復動の１サイクルにお
ける低圧作動ガスの排出時間の割合を高圧作動ガスの供
給時間の割合よりも長く構成したことを特徴とする極低
温冷凍機。 - 【請求項２】 シリンダ（２）内に膨張空間（２９）〜
（３１）を区画するディスプレーサ（２２）を備え、該
ディスプレーサ（２２）の往復動に伴い、上記膨張空間
（２９）〜（３１）に供給された高圧の作動ガスを膨張
させる一方、膨張後の低圧の作動ガスを膨張空間（２
９）〜（３１）からシリンダ（２）外に排出して極低温
レベルの寒冷を発生させるようにした極低温冷凍機にお
いて、高圧及び低圧作動ガスの中間圧力に設定された中間圧室
（８）が設けられており、 ディスプレーサ（２２）は、上記中間圧室（８）に連通
する圧力室（２０）と膨張空間（２９）〜（３１）の圧
力室（２９）とのガス圧の圧力差によって往復動するよ
うに構成され、 上記シリンダ（２）内の膨張空間（２９）〜（３１）に
高圧作動ガスを供給する高圧開弁状態と、膨張空間（２
９）〜（３１）の作動ガスを排出する低圧開弁状態とに
交互に切り換わるバルブ手段（３５）が設けられ、 上記バルブ手段（３５）による低圧開弁状態の割合を高
圧開弁状態の割合よりも大に設定したことを特徴とする
極低温冷凍機。 - 【請求項３】 シリンダ（２）内に膨張空間（２９）〜
（３１）を区画するディスプレーサ（２２）を備え、該
ディスプレーサ（２２）の往復動に伴い、上記膨張空間
（２９）〜（３１）に供給された高圧の作動ガスを膨張
させる一方、膨張後の低圧の作動ガスを膨張空間（２
９）〜（３１）からシリンダ（２）外に排出して極低温
レベルの寒冷を発生させるようにした極低温冷凍機にお
いて、 上記低圧作動ガスの排出時間の割合をディスプレーサ
（２２）の往復動の１サイクルの半分よりも長く構成し
たことを特徴とする極低温冷凍機。 - 【請求項４】 請求項２の極低温冷凍機において、 バルブ手段（３５）の開弁状態全体における低圧開弁状
態の割合を５５〜６５％とし、 高圧開弁状態の割合を４５〜３５％としたことを特徴と
する極低温冷凍機。 - 【請求項５】 シリンダ（２）内に膨張空間（２９）〜
（３１）を区画するディスプレーサ（２２）を備え、該
ディスプレーサ（２２）の往復動に伴い、上記膨張空間
（２９）〜（３１）に供給された高圧の作動ガスを膨張
させる一方、膨張後の低圧の作動ガスを膨張空間（２
９）〜（３１）からシリンダ（２）外に排出して極低温
レベルの寒冷を発生させるように構成され、 上記ディスプレーサ（２２）が、高圧及び低圧作動ガス
の中間圧力に設定された中間圧室（８）に連通する圧力
室（２０）と、膨張空間（２９）〜（３１）の圧力室
（２９）とのガス圧の圧力差によって往復動するように
構成された極低温冷凍機に対し、 上記ディスプレーサ（２２）の往復動の１サイクルにお
ける低圧作動ガスの排出時間の割合を高圧作動ガスの供
給時間の割合よりも長くすることを特徴とする極低温冷
凍機の制御方法。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8242866A JP2877094B2 (ja) | 1996-09-13 | 1996-09-13 | 極低温冷凍機及びその制御方法 |
| PCT/JP1997/003145 WO1998011394A1 (fr) | 1996-09-13 | 1997-09-05 | Refrigerateur cryogenique et procede de commande associe |
| US09/068,020 US6038866A (en) | 1996-09-13 | 1997-09-05 | Cryogenic refrigerating machine and control method therefor |
| EP97939207A EP0862030A4 (en) | 1996-09-13 | 1997-09-05 | LOW TEMPERATURE REFRIGERATION SYSTEM AND CONTROL METHOD THEREFOR |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8242866A JP2877094B2 (ja) | 1996-09-13 | 1996-09-13 | 極低温冷凍機及びその制御方法 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH1089789A JPH1089789A (ja) | 1998-04-10 |
| JP2877094B2 true JP2877094B2 (ja) | 1999-03-31 |
Family
ID=17095419
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|---|---|---|---|
| JP8242866A Expired - Fee Related JP2877094B2 (ja) | 1996-09-13 | 1996-09-13 | 極低温冷凍機及びその制御方法 |
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| Country | Link |
|---|---|
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| EP (1) | EP0862030A4 (ja) |
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| JP3584186B2 (ja) * | 1999-09-24 | 2004-11-04 | エア・ウォーター株式会社 | 深冷ガス分離装置 |
| DE10296590T5 (de) * | 2001-03-27 | 2004-04-22 | Sumitomo Heavy Industries, Ltd. | Hoch-Niedrig-Druckgas-Wegeventil für Kühleinrichtung |
| KR100811857B1 (ko) * | 2006-11-21 | 2008-03-10 | 한국과학기술원 | 완충형 로터리 밸브 |
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| JP6534348B2 (ja) * | 2012-07-26 | 2019-06-26 | スミトモ （エスエイチアイ） クライオジェニックス オブ アメリカ インコーポレイテッドＳｕｍｉｔｏｍｏ（ＳＨＩ）Ｃｒｙｏｇｅｎｉｃｓ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ，Ｉｎｃ． | ブレイトンサイクル冷却装置 |
| JP6067477B2 (ja) | 2013-05-16 | 2017-01-25 | 住友重機械工業株式会社 | 極低温冷凍機 |
| CN107850351B (zh) | 2015-06-03 | 2020-08-07 | 住友(Shi)美国低温研究有限公司 | 具有缓冲器的气体平衡发动机 |
| US11913697B1 (en) * | 2020-06-29 | 2024-02-27 | The United States Of America, As Represented By The Secretary Of The Navy | Pneumatically actuated cryocooler |
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|---|---|---|---|---|
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| US4478046A (en) * | 1982-04-22 | 1984-10-23 | Shimadzu Corporation | Cryogenic refrigerator |
| US4543793A (en) * | 1983-08-31 | 1985-10-01 | Helix Technology Corporation | Electronic control of cryogenic refrigerators |
| JPH0621724B2 (ja) * | 1986-07-15 | 1994-03-23 | 三洋電機株式会社 | 極低温冷凍機の給排気装置 |
| EP0254759A1 (de) * | 1986-07-29 | 1988-02-03 | Leybold Aktiengesellschaft | Verfahren zum Austauschen des Verdrängers eines Refrigerators und Refrigerator zur Durchführung des Verfahrens |
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| US5032772A (en) * | 1989-12-04 | 1991-07-16 | Gully Wilfred J | Motor driver circuit for resonant linear cooler |
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| WO1993010407A1 (en) * | 1991-11-18 | 1993-05-27 | Sumitomo Heavy Industries, Ltd. | Cryogenic refrigerating device |
| US5245830A (en) * | 1992-06-03 | 1993-09-21 | Lockheed Missiles & Space Company, Inc. | Adaptive error correction control system for optimizing stirling refrigerator operation |
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| JPH06300378A (ja) | 1993-04-14 | 1994-10-28 | Sumitomo Heavy Ind Ltd | 極低温冷凍機のバルブタイミング可変機構 |
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-
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- 1996-09-13 JP JP8242866A patent/JP2877094B2/ja not_active Expired - Fee Related
-
1997
- 1997-09-05 EP EP97939207A patent/EP0862030A4/en not_active Withdrawn
- 1997-09-05 WO PCT/JP1997/003145 patent/WO1998011394A1/ja not_active Application Discontinuation
- 1997-09-05 US US09/068,020 patent/US6038866A/en not_active Expired - Fee Related
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