JP5886167B2 - 極低温冷凍装置 - Google Patents

Description

本発明は極低温冷凍装置に係り、特にディスプレーサを有する極低温冷凍装置に関する。

従来より、ディスプレーサを備えた極低温冷凍装置として、ギフォード・マクマホン冷凍機（以下、ＧＭ冷凍機という）が知られている。このＧＭ冷凍機は、駆動装置によりシリンダ内でディスプレーサが往復移動する構成とされている。

また、シリンダとディスプレーサとの間には、膨張空間が形成されている。そして、ディスプレーサがシリンダ内で往復移動することにより、膨張空間に供給された高圧の冷媒ガスを膨張させ、これにより極低温の寒冷を発生させる構成とされている。

一般にこの種のＧＭ冷凍機では、ディスプレーサがシリンダ内で一往復する１サイクルにおいて、下死点から上死点に移動するときの移動速度と、上死点から下死点に移動するときの移動速度は等しく設定されていた。即ち、従来におけるディスプレーサの１サイクル中の移動は、略正弦波に沿って移動するよう構成されていた（特許文献１）。

特許第２６１７６８１号公報

一般に膨張室内における冷媒ガスを膨張させて寒冷を発生させる膨張処理は、ディスプレーサが上死点近傍位置にあるときに実施される。

しかしながら、特許文献１に開示された極低温冷凍装置は、上死点において瞬間的に停止するものの、直ぐに下死点に向かい動作を開始する構成とされていた。このため、冷媒ガスの膨張行程が不十分であり、冷却効率が低下してしまうという問題点が生じる。

本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、冷凍効率の向上を図った極低温冷凍装置を提供することを目的とする。

上記課題は、第１の観点からは、
軸受けが移動可能に係合するスコッチヨークを具備したスコッチヨーク機構により、シリンダ内で往復移動されるディスプレーサを有し、
該ディスプレーサの移動に伴い前記シリンダ内に形成された膨張空間内の冷媒ガスを膨張させることにより寒冷を発生させる極低温冷凍装置であって、
前記スコッチヨークは、前記膨張空間から遠い側に配置される上部水平枠部と、前記膨張空間に近い側に配置される下部水平枠部と、垂直枠部とを有する矩形状に形成されており、前記ディスプレーサの上死点と対応する前記上部水平枠部の内側の中心部に凹状部を設けたことを特徴とする極低温冷凍装置により解決することができる。

開示の極低温冷凍装置によれば、冷媒ガスの膨張行程を長くとることができるため冷却効率の向上を図ることができる。

図１は、本発明の一実施形態であるＧＭ冷凍機の概略構成図である。 図２は、本発明の一実施形態であるＧＭ冷凍機に設けられるスコッチヨーク機構を拡大して示す分解斜視図である。 図３（Ａ），（Ｂ）は、スコッチヨーク機構のスライダ枠を拡大して示す図である。 図４は本発明の一実施形態であるＧＭ冷凍機におけるディスプレーサの移動曲線図である。 図５は、本発明の一実施形態であるＧＭ冷凍機に設けられるスコッチヨーク機構の動作を説明するための図である。 図６は、本発明の一実施形態であるＧＭ冷凍機のＰ−Ｖ線図である。 図７は、本発明の効果を示す図である。 図８は、スコッチヨーク機構の第１変形例を示す図である。 図９は、スコッチヨーク機構の第２変形例を示す図である。

次に、本発明の実施の形態について図面と共に説明する。

図１は本発明の一実施形態である極低温冷凍装置を示している。以下の説明では、極低温冷凍装置としてギフォード・マクマホンサイクルを用いた極低温冷凍装置（以下、ＧＭ冷凍機という）を例に挙げて説明する。しかしながら、本発明の適用はＧＭ冷凍機に限定されるものではなく、ディスプレーサを使用する各種極低温冷凍装置（例えば、ソルベー冷凍機、スターリング冷凍機等）に適用が可能なものである。

本実施形態に係るＧＭ冷凍機１は２段式の冷凍機であり第１段目シリンダ１０と、第２段目シリンダ２０とを有している。この第１段目及び第２段目シリンダ１０，２０は、熱伝導率の低いステンレスで形成される。また、第２段目シリンダ２０の高温端が、第１段目シリンダ１０の低温端に連結された構成とされている。

第２段目シリンダ２０は、第１段目シリンダ１０よりも小さな径を有する。第１段目シリンダ１０及び第２段目シリンダ２０内に、それぞれ第１段目ディスプレーサ１１及び第２段目ディスプレーサ２１が挿入されている。第１段目ディスプレーサ１１と第２段目ディスプレーサ２１とは、相互に連結されており、駆動機構３により、シリンダ１０，２０の軸方向（図中矢印Ｚ１，Ｚ２方向）に往復駆動される。

また、第１段目ディスプレーサ１１及び第２段目ディスプレーサ２１の内部には、それぞれ蓄冷器１２，２２が設けられている。この蓄冷器１２，２２の内部には、それぞれ蓄冷材１３，２３が充填されている。また、第１段目シリンダ１０内の高温端には空洞１４が形成され、また低温端には第１段目膨張室１５が形成されている。更に、第２段目シリンダ２０の低温側には、第２段目膨張室２５が形成されている。

第１段目ディスプレーサ１１及び第２段目ディスプレーサ２１には、冷媒ガス（ヘリウムガス）が流れる複数のガス流路Ｌ１〜Ｌ４が設けられている。ガス流路Ｌ１は空洞１４と蓄冷器１２とを接続し、ガス流路Ｌ２は蓄冷器１２と第１段目膨張室１５とを接続する。また、ガス流路Ｌ３は第１段目膨張室１５と蓄冷器２２とを接続し、ガス流路Ｌ４は蓄冷器２２と第２段目膨張室２５とを接続する。

第１段目シリンダ１０の高温端側の空洞１４は、ガス供給系５に接続されている。ガス供給系５は、ガス圧縮機６、吸気バルブ７，排気バルブ８，及びガス流路９等を含んで構成されている。

吸気バルブ７はガス圧縮機６の吸気口側に接続されており、また排気バルブ８はガス圧縮機６の排気口側に接続されている。吸気バルブ７を開くと共に排気バルブ８を閉じると、ガス圧縮機６から吸気バルブ７及びガス流路９を通って空洞１４内に冷媒ガスが供給される。吸気バルブ７を閉じ、排気バルブ８を開くと、空洞１４内の冷媒ガスがガス流路９及び排気バルブ８を通ってガス圧縮機６に回収される。

駆動機構３は、第１及び第２段目ディスプレーサ１１，２１を第１及び第２段目シリンダ１０，２０内で往復移動させる。この駆動機構３は、モータ３０とスコッチヨーク機構３２とにより構成されている。図２は、スコッチヨーク機構３２を拡大して示している。スコッチヨーク機構３２は、大略するとクランク部材３４とスコッチヨーク３６とにより構成されている。

クランク部材３４は、モータ３０の回転軸（以下、モータ軸３１という）に固定される。このクランク部材３４は、モータ軸３１の取り付け位置から偏心した位置にクランクピン３４ａを設けた構成とされている。従って、クランク部材３４をモータ軸３１に取り付けると、モータ軸３１とクランクピン３４ａは偏心した状態となる。

また、スコッチヨーク３６には、各ディスプレーサ１１，２１の移動方向と直行する方向（図中、矢印Ｘ１，Ｘ２で示す方向）に延在するスライド溝３８が形成されている。よって、スコッチヨーク３６は枠形状とされている。

スコッチヨーク３６に形成されたスライド溝３８には、コロ軸受け３５が係合している。コロ軸受け３５は、スライド溝３８内で矢印Ｘ１，Ｘ２方向に転動可能な構成とされている。なお、説明の便宜上、スコッチヨーク３６及びスライド溝３８の具体的な構成については後に詳述するものとする。

コロ軸受け３５の中心位置には、クランクピン３４ａと係合するクランクピン係合孔３５ａが形成されている。従って、クランクピン３４ａをコロ軸受け３５に係合した状態でモータ軸３１が回転すると、クランクピン３４ａは円弧を描くように回転し、これによりスコッチヨーク３６は図中矢印Ｚ１，Ｚ２方向に往復移動する。この際、コロ軸受け３５は、スライド溝３８内を図中矢印Ｘ１，Ｘ２方向に往復移動する。

スコッチヨーク３６は、上方向及び下方向に延出する駆動アーム３７が設けられている。この内、下方の駆動アーム３７は、図１に示すように、第１段目ディスプレーサ１１に連結されている。よって上記のようにスコッチヨーク機構３２によりスコッチヨーク３６がＺ１，Ｚ２方向に往復移動すると、駆動アーム３７も上下方向に移動し、これにより第１及び第２段目ディスプレーサ１１，２１は第１及び第２段目シリンダ１０，２０内で往復移動する。

前記した吸気バルブ７及び排気バルブ８は、モータ３０により駆動されるロータリバルブ（図示せず）として構成されている。このロータリバルブが回転駆動されることにより、吸気バルブ７及び排気バルブ８は各ディスプレーサ１１，２１の往復駆動に対して所定の位相差を持って開閉する。よって冷媒ガスは第１段目膨張室１５及び第２段目膨張室２５内で所定のタイミングで膨張し、これにより第１段目膨張室１５及び第２段目膨張室２５内に寒冷が発生する。

なお、吸気バルブ７及び排気バルブ８を電磁弁により構成し、これを制御装置を用いて電気的に制御することにより、ディスプレーサ１１，２１の往復駆動に対して吸気バルブ７及び排気バルブ８を所定の位相差を持って開閉する構成とすることも可能である。

次に、上記構成とされたＧＭ冷凍機１の動作について説明する。

制御装置は、第１及び第２段目ディスプレーサ１１，２１が下死点に至る直前においてガス供給系５の吸気バルブ７を開弁する。具体的には本実施形態では、駆動機構３により第１及び第２段目ディスプレーサ１１，２１が下死点（ＢＤＣ）前３０°に達すると、吸気バルブ７が開弁されるよう構成されている。この際、排気バルブ８は閉弁した状態を維持する。

これによりガス圧縮機６（コンプレッサー）で生成された高圧の冷媒ガスは、ガス流路９及びガス流路Ｌ１を介して第１段目ディスプレーサ１１に形成された蓄冷器１２に流入する。蓄冷器１２内に流入した冷媒ガスは、蓄冷器１２内の蓄冷材１３により冷却されつつ進行し、続いてガス流路Ｌ２を介して第１段目膨張室１５に流入する。

第１段目膨張室１５に流入した冷媒ガスは、ガス流路Ｌ３を介して第２段目ディスプレーサ２１に形成された蓄冷器２２に流入する。そして、蓄冷器２２内に流入した冷媒ガスは、蓄冷器２２内の蓄冷材２３により冷却されつつ進行し、続いてガス流路Ｌ４を介して第２段目膨張室２５に流入する。

吸気バルブ７が開弁した後、第１及び第２段目ディスプレーサ１１，２１は、駆動機構３に駆動されて第１及び第２段目膨張室１５，２５の体積が最も小さくなる下死点に至り、下方（図中矢印Ｚ２方向）に向けた移動が瞬間的に停止する（移動速度がゼロとなる）。

その後、第１及び第２段目ディスプレーサ１１，２１は、上方（図中矢印Ｚ１方向）への移動を開始する。これに伴い、ガス圧縮機６から供給される高圧の冷媒ガスは、前記の経路を経て第１段目膨張室１５及び第２段目膨張室２５内に供給（吸入）されていく。そして、第１及び第２段目ディスプレーサ１１，２１が１２１°に達した時点で吸気バルブ７は閉弁され、ガス供給系５からＧＭ冷凍機１への冷媒ガスの供給が停止される。

吸気バルブ７の閉弁後、更に第１及び第２段目ディスプレーサ１１，２１が上動して１７０°に達すると、制御装置はガス供給系５を駆動して排気バルブ８を開弁する。この際、吸気バルブ７は閉弁された状態を維持する。これにより、第１及び第２段目膨張室１５，２５内の冷媒ガスは膨張し各膨張室１５，２５内で寒冷が発生する。

排気バルブ８が開弁した後、第１及び第２段目ディスプレーサ１１，２１は、駆動機構３に駆動されて上死点に至り、上方（図中矢印Ｚ１方向）に向けた移動が停止する（移動速度がゼロとなる）。その後、第１及び第２段目ディスプレーサ１１，２１は、下方（図中矢印Ｚ２方向）への移動を開始する。これに伴い、第２段目膨張室２５で膨張した冷媒ガスは、ガス流路Ｌ４を通り蓄冷器２２内に流入し、蓄冷器２２内の蓄冷材２３を冷却しつつ通過し、ガス流路Ｌ３を介して第１段目膨張室１５に流入する。

第１段目膨張室１５に流入した冷媒ガスは、第１段目膨張室１５で膨張した冷媒ガスと共に、ガス流路Ｌ２を介して蓄冷器１２に流入する。蓄冷器１２に流入した冷媒ガスは、蓄冷材１３を冷却しつつ進行し、そしてガス流路Ｌ１、ガス流路９、排気バルブ８を介してガス供給系５のガス圧縮機６に回収されていく。そして、第１及び第２段目ディスプレーサ１１，２１が３４０°に達した時点で排気バルブ８は閉弁され、ＧＭ冷凍機１からガス供給系５への冷媒ガスの回収（吸入）処理は停止される。

以上のサイクルを繰り返し行うことにより、第１段目膨張室１５では２０〜５０Ｋ程度の寒冷を発生することができ、第２段目膨張室２５では４〜１０Ｋ以下の極低温を発生させることができる。

ここで、駆動機構３を構成するスコッチヨーク３６に注目し、主に図２及び図３を用いてその構成及び機能について説明する。

図３（Ａ），（Ｂ）は、スコッチヨーク３６を正面視した図である。前記のように、スコッチヨーク３６にはＸ１，Ｘ２方向に延在するスライド溝３８が形成されている。従来のスコッチヨークのスライド溝は、横長の矩形状とされたものが一般的である。

これに対して本実施形態では、スライド溝３８のディスプレーサ１１，２１の下死点に対応する位置（図３（Ａ）に矢印Ａで示す位置。以下、下死点対応位置Ａという）に凸状部３９を設けた構成としている。また、スライド溝３８のディスプレーサ１１，２１の上死点に対応する領域に凹状部４５を設けた構成としている。なお、以下この上死点に対応する位置の中心を上死点中央位置Ｂという（図３（Ａ），（Ｂ）に矢印Ｂで示す位置）。

スコッチヨーク３６は、図２に示されるように、図中矢印Ｘ１，Ｘ２方向に延在する下部水平枠部３６ａ及び上部水平枠部３６ｂと、図中矢印Ｚ１，Ｚ２方向に延在する垂直枠部３６ｃを有し、全体として矩形な枠形状を有している。下部水平枠部３６ａは水平下部４０を有し、上部水平枠部３６ｂは水平上部４１を有する。

下部水平部４０は、スライド溝３８の下面を構成する。上部水平部４１は、スライド溝３８の上面を構成する。下部水平枠部３６ａ（水平下部４０）は、その略中心部において上方（Ｚ１方向）に突出し、凸状部３９を形成する。また、上部水平枠部３６ｂ（水平上部４１）は、その略中心部において上方（Ｚ１方向）に陥入し、凹状部４５を形成する。

先ず、図３（Ａ）を用いて凸状部３９について説明する。同図で、鉛直方向（Ｚ１，Ｚ２方向）に延在し、下死点対応位置Ａ及び上死点中央位置Ｂを通る線分を想定する。この線分は図３に一点鎖線で示す線分であり、以下の説明においてこの線分を中心線Ｚというものとする。前記した駆動アーム３７は、この中心線Ｚと一直線状となるよう構成されている。

凸状部３９は水平下部４０からＺ１方向に突出した形状とされている。この凸状部３９は、図３（Ａ）中矢印Ｏ１で示す位置（以下、この位置を第１の中心点Ｏ１という）を中心とした円弧形状とされている。また、本実施形態では、凸状部３９の形状は中心線Ｚを中心として図中矢印Ｘ１方向側及び矢印Ｘ２方向側で対称な形状とされている。

従って、凸状部３９のＸ１方向側の端部と第１の中心点Ｏ１とを結ぶ線分を線分Ｃ１とし、凸状部３９のＸ２方向側の端部と第１の中心点Ｏ１とを結ぶ線分を線分Ｄ１とすると、線分Ｃ１と中心線Ｚとがなす角度θ１と、線分Ｄ１と中心線Ｚとがなす角度θ２は等しくなる（θ１＝θ２）。

次に、図３（Ｂ）を用いて凹状部４５について説明する。凹状部４５は、水平上部４１からＺ１方向に窪んだ形状とされている。凹部状４５は、図３（Ｂ）中矢印Ｏ２で示す位置（以下、この位置を第２の中心点Ｏ２という）を中心とした円弧形状とされている。また本実施形態では、凹状部４５の形状も中心線Ｚを中心として図中矢印Ｘ１方向側及び矢印Ｘ２方向側で対称な形状とされている。

従って、凹状部４５のＸ１方向側の端部と第２の中心点Ｏ２とを結ぶ線分を線分Ｃ２とし、凹状部４５のＸ２方向側の端部と第２の中心点Ｏ２とを結ぶ線分を線分Ｄ２とすると、線分Ｃ２と中心線Ｚとがなす角度θ１と、線分Ｄ２と中心線Ｚとがなす角度θ２は等しくなる（θ１＝θ２）。

上記した各角度θ１，θ２の大きさは、本実施形態ではθ１＝θ２＝３０°に設定している。しかしながら、これらの角度はこれに限定されるものではなく、例えば２０°≦（θ１＝θ２）≦４０°の範囲で設定してもよい。

なお、凸状部３９及び凹状部４５の形成範囲を規定する角度θ１，θ２は、必ずしも上記のように同一角度に設定する必要はなく、異ならせた構成（θ１≠θ２）とすることも可能である。

また、上記したように本実施形態では、円弧形状の凸状部３９は水平部４０と直接に連結される構造になっているが、コロ軸受け３５が円滑に移動するため、円弧形状の凸状部３９と水平部４０の間に円滑な連結部（例えば、直線）があってもいい。

なお、上記したように本実施形態では、円弧形状の凹状部４５は水平部４１と直接に連結される構造になっているが、コロ軸受け３５が円滑に移動するため、円弧形状の凹状部４５と水平部４１の間に円滑な連結部（例えば、直線）があってもいい。

次に、上記構成とされたスコッチヨーク３６を有するスコッチヨーク機構３２を用いた各ディスプレーサ１１，２１の動作について、図４及び図５を用いて説明する。

図４は第２段目ディスプレーサ２１の移動曲線図であり、図５はスライド溝３８内におけるコロ軸受け３５の動作を示す図である。

なお、図４において横軸はクランク部材３４の回転角度（クランク角度）を示し、縦軸は第２段目ディスプレーサ２１の偏移（移動量）を示している。また、本実施形態に係るＧＭ冷凍機１の特性を実線で示し（図中、矢印Ａ示す）、凸状部３９及び凹状部４５を有しない従来のＧＭ冷凍機の特性を一点鎖線で示している（図中、矢印Ｂで示す）。更に、図５では、図示の便宜上、コロ軸受け３５とスライド溝３８との間に存在する間隙を実際よりも大きく記載している。

本実施形態に係るスコッチヨーク機構３２は、クランク角度０°が下死点（ＢＤＣ）前３０°に設定されている。よって、クランク角度０°のときのコロ軸受け３５のスライド溝３８内の位置は、図５（Ａ）に示すように、水平下部４０と凸状部３９との境界に位置している。

この状態からクランク部材３４が３０°回転すると、これに伴いコロ軸受け３５はスコッチヨーク３６を下方（Ｚ２方向）に向けて移動付勢する。この動作に伴い、コロ軸受け３５はスライド溝３８内をＸ２方向に移動する。

よってコロ軸受け３５は、凸状部３９に係合しつつスライド溝３８内をＸ２方向に移動する。具体的には、コロ軸受け３５はその移動に伴い、凸状部３９に乗り上げたような状態となる。

前記のように、コロ軸受け３５が取り付けられたクランクピン３４ａはクランク部材３４の中心に対して偏心した位置にあるため、コロ軸受け３５の移動に伴い、スコッチヨーク３６はＺ２方向に移動する。また、スコッチヨーク３６には駆動アーム３７を介してディスプレーサ１１，２１が接続されている。このため、スコッチヨーク３６の移動に伴い、ディスプレーサ１１，２１もＺ２方向へ移動する。

ここで、スコッチヨーク３６の移動速度（これは、ディスプレーサ１１，２１の移動速度と等価）に注目する。

凸状部３９は、水平下部４０よりも突出している。よって、単位時間におけるスコッチヨーク３６の移動量は、コロ軸受け３５が水平下部４０に係合しているときの移動量に比べ、コロ軸受け３５が凸状部３９と係合しているときの移動量の方が大きくなる。

図５（Ｂ）は、クランク角度が３０°の状態を示している。本実施形態では、クランク角度が３０°のときがディスプレーサ１１，２１の下死点（ＢＤＣ）となるよう設定している。このため、下死点（ＢＤＣ）において、コロ軸受け３５は凸状部３９の頂点部（中央位置）に位置している。

クランク部材３４の回転に伴い、コロ軸受け３５がディスプレーサ１１，２１の下死点（ＢＤＣ）に対応する位置を過ぎると、スコッチヨーク３６の移動方向は反転する。即ち、
下死点（ＢＤＣ）を過ぎるとスコッチヨーク３６は上方（Ｚ１方向）に向けた移動を開始する。

このとき、クランク角度が下死点（ＢＤＣ）からその後３０°の間もコロ軸受け３５は凸状部３９と係合した状態を維持する。具体的には、中心線ＺよりもＸ２方向側の部分と係合した状態を維持しつつ移動し、凸状部３９から離脱する（この状態を図５（Ｃ）に示す）。

そして更に、クランク部材３４が回転すると、図５（Ｄ）に示すように、コロ軸受け３５は水平上部４１と係合しつつスライド溝３８内を矢印Ｘ２方向に移動する。これに伴い、ディスプレーサ１１，２１は、上方（Ｚ１方向）に向けて移動する。

次に、コロ軸受け３５が凹状部４５と係合しているときの動作について説明する。

図５（Ｅ）〜図５（Ｇ）は、コロ軸受け３５が凹状部４５と係合しているときの動作を示している。凹状部４５は水平上部４１に対して窪んだ形状とされている。この凹状部４５は、コロ軸受け３５が凹状部４５と係合している間、スコッチヨーク３６（ディスプレーサ１１，２１）がＺ１，Ｚ２方向に移動しないよう構成されている。

また、この凹状部４５はクランク部材３４のクランク角度で１８０°〜２４０°の範囲（上死点中央位置Ｂとなる位置を中心として、クランク部材３４のクランク角にして±３０°）にわたり形成されている。従って、図４に示されるように、クランク角度で１８０°〜２４０°の範囲におけるディスプレーサ１１，２１は停止した状態となる。これにより、ディスプレーサ１１，２１は、変位量が２５ｍｍの位置（上死点）に停止した状態となる（図４参照）。

以下、コロ軸受け３５が凹状部４５と係合するときの具体的な動作について説明する。図５（Ｅ）は、コロ軸受け３５がクランク角度１８０°まで移動した状態を示している。この状態では、コロ軸受け３５は水平上部４１と直線状凹部４５ｃとの境界に位置している。

この状態からクランク部材３４が３０°回転すると、この動作に伴いコロ軸受け３５はスライド溝３８内をＸ１方向に移動する。

よってコロ軸受け３５は、凹状部４５に係合しつつスライド溝３８内をＸ１方向に移動する。具体的には、コロ軸受け３５は凹状部４５内に入り込んだような状態となる。

前記のように、クランクピン３４ａは、クランク部材３４の中心に対して偏心した位置にある。このため、コロ軸受け３５が水平上部４１と係合している場合には、コロ軸受け３５によりスコッチヨーク３６はＺ１方向に移動する。このため、スコッチヨーク３６の移動に伴い、ディスプレーサ１１，２１はＺ１方向へ移動する。

しかしながら本実施形態では、スコッチヨーク３６に凹状部４５が形成されており、この凹状部４５は水平上部４１に対して窪んだ形状とされている。

よって、クランク部材３４の回転に伴いコロ軸受け３５がＺ１方向に上動しても、コロ軸受け３５が窪んだ凹状部４５に入り込むことにより、スコッチヨーク３６はＺ１方向へ移動することなく停止した状態となる。凹状部４５の形状は、コロ軸受け３５が凹状部４５と係合している間、スコッチヨーク３６（ディスプレーサ１１，２１）がＺ１，Ｚ２方向に移動しないよう構成されている。

また、この凹状部４５は上死点中央位置Ｂとなる位置を中心として、クランク部材３４のクランク角にして±３０°にわたり形成されている。従って、図４に示されるように、クランク部材３４のクランク角度で１８０°〜２４０°の範囲においてディスプレーサ１１，２１の移動は停止される。よって、クランク部材３４のクランク角度で１８０°〜２４０°の範囲において、ディスプレーサ１１，２１は変位量が２５ｍｍの位置（上死点）に停止した状態となる。

この停止状態は、図５（Ｅ）に示すクランク角度１８０°から、図５（Ｆ）に示すクランク角度２１０°を経て、図５（Ｇ）に示すクランク角度２４０°まで維持される。

なお、クランク部材３４の回転に伴い、コロ軸受け３５がスコッチヨーク３６の上死点に対応する領域を過ぎると、スコッチヨーク３６の移動方向は反転し、下方（Ｚ２方向）に向けた移動を開始する。しかしながら、コロ軸受け３５が凹状部４５から離脱するまでは、スコッチヨーク３６（ディスプレーサ１１，２１）は停止した状態を維持する。

図５（Ｇ）は、コロ軸受け３５が凹状部４５から離脱した直後の状態を示している。この位置よりコロ軸受け３５がスライド溝３８内でＸ１方向に移動し水平下部４０と係合すると、スコッチヨーク３６は下方向（Ｚ２方向）への移動を開始し、これに伴いディスプレーサ１１，２１も下方向（Ｚ２方向）への移動を開始する。図５（Ｈ）は、コロ軸受け３５が水平下部４０と係合している状態を示している。

次に、スコッチヨーク３６（スライド溝３８）の凹状部４５を設けたことによる作用効果について説明する。

ＧＭ冷凍機１では、上死点（ＴＤＣ）において各膨張室１５，２５の体積が最大となり、また各膨張室１５，２５への高圧の冷媒ガスの充填量が最大となる。そして、上死点と同時或いは若干前において排気バルブ８を開弁し、冷媒ガスを膨張させて寒冷を発生させる。本実施形態では、上死点（クランク角度１８０°〜２４０°）前のクランク角度が１７０°で排気バルブ８を開弁する構成としている。この排気バルブ８の開弁により、冷媒ガスは膨張し寒冷が発生する。

ここで、仮にこの上死点近傍においてディスプレーサ１１，２１（スコッチヨーク３６）の移動が速い場合を想定すると、冷却された冷媒ガスが直ちに排気されてしまい冷却効率が低下してしまう。

これに対して本実施形態に係るＧＭ冷凍機１では、上死点（ＴＤＣ）を中心として所定の間（クランク角度にして１８０°〜２４０°の間）は、ディスプレーサ１１，２１が停止される。よって、寒冷が発生した冷媒ガスは各膨張室１５，２５に一時的に保持されるため、冷却ステージ２８及びフランジ１８との熱交換を確実に行うことができる。

また、冷媒ガスの膨張に伴い、寒冷が発生した冷媒ガスは蓄冷器１２，２２に流入する。この際、ディスプレーサ１１，２１が停止している間は、冷媒ガスの蓄冷器１２，２２内での流れ速度は遅くなる。これにより、蓄冷材１３，２３との間における熱交換を行う時間は長くなり、蓄冷材１３，２３を確実に冷却することができる。

よって、スコッチヨーク３６（スライド溝３８）に凹状部４５を設けることにより、ＧＭ冷凍機１の冷却効率を高めることができる。

図６は、本実施形態に係るＧＭ冷凍機１のＰ−Ｖ線図（矢印Ａで示す特性）と、比較例としてスライド溝３８に凹状部４５を設けないＧＭ冷凍機のＰ−Ｖ線図（図中、矢印Ｂで示す特性）とを並べて示している。

Ｐ−Ｖ線図において、ＧＭ冷凍機の１サイクル間に発生する寒冷量は、Ｐ−Ｖ線図で囲まれる面積に相当する。そこで図６を見ると、本実施形態に係るＧＭ冷凍機１のＰ−Ｖ線図の面積は、比較例に係るＧＭ冷凍機のＰ−Ｖ線図の面積よりも広くなっていることが分かる。よって図６により、本実施形態に係るＧＭ冷凍機１は、比較例に比べて冷却効率が高いことが実証された。

また、図７は本実施形態に係るＧＭ冷凍機１の冷却温度を比較例に係るＧＭ冷凍機の冷却温度と比較して示す図である。いずれのＧＭ冷凍機においても、第１段目膨張室の近傍温度と、第２段目膨張室の近傍温度を測定した。

同図に示すように、比較例に係るＧＭ冷凍機の１段目の温度が46.2Kであったのに対し、本実施形態に係るＧＭ冷凍機の１段目の温度は45.1Kであった。また、比較例に係るＧＭ冷凍機の２段目の温度が4.26Kであったのに対し、本実施形態に係るＧＭ冷凍機の２段目の温度は4.19Kであった。このように、図７からも、本実施形態に係るＧＭ冷凍機１は、比較例に比べて冷却効率が高いことが実証された。

一方、本実施形態では、上記のようにディスプレーサ１１，２１を停止させるのに、スコッチヨーク機構３２を構成するスコッチヨーク３６に凹状部４５を設ける構成としている。スコッチヨーク機構３２は、ＧＭ冷凍機１においてモータ３０の回転運動をディスプレーサ１１，２１の直線往復運動に変換する機構として多用されているものである。

ディスプレーサを直線往復運動させるものとしては、スコッチヨーク機構３２の他にも、ステッピングモータ等の他の駆動手段で駆動してもよい。しかしながら、ステッピングモータ等を用いる他の方法では、その構造及び制御が困難であると共にスコッチヨーク機構３２に比べて高価になってしまうため、スコッチヨーク機構３２を用いることが望ましい。

また、本実施形態では、このように安価で構造等が簡単なスコッチヨーク機構３２において、スライド溝３８に凹状部４５を設けるだけの構成で所定の間にわたりディスプレーサ１１，２１を停止させる構成としている。よって、本実施形態に係るＧＭ冷凍機１によれば、構造の簡単化及び製品コストの低減を図りつつ、冷却効率の高いＧＭ冷凍機１を実現することができる。

なお、本実施形態ではコロ軸受け３５が凹状部４５と係合している間は、スコッチヨーク３６（ディスプレーサ１１，２１）の移動を停止させる構成例を示した。しかしながら、スコッチヨーク３６の移動を完全に停止させる必要はなく、従来に比べて移動速度を遅くすることによっても、上記の効果を実現することができる。

図８及び図９は、スコッチヨーク機構の第１及び第２変形例を示している。なお、図８及び図９において、図１乃至図５に示した構成と対応する構成については同一符号を付してその説明を省略する。

図１乃至図５を用いて説明した実施形態では、スコッチヨーク機構３２の凹状部４５が円弧形状である例について説明した。しかしながら、凹状部は必ずしも円弧状である必要はなく、水平上部４１よりも上方側（Ｚ１方向側）に凹む形状であれば良い。同様に、凸状部３９も必ずしも円弧状である必要はなく、水平下部４０よりも上方側（Ｚ１方向側）に突出した形状であれば良い。

図８に示す第１変形例に係るスコッチヨーク機構５０では、凸状部３９は円弧形状部３９ａと直線形状部３９ｂとにより構成されている。円弧形状部３９ａは上方に向けて突出した円弧形状を有しており、凸状部３９の中央位置に形成されている。また、直線形状部３９ｂは直線形状を有しており、円弧形状部３９ａの両端部と水平下部４０との間に形成されている。よって、直線形状部３９ｂは傾斜した面となる。

同様に、凹状部４５は円弧形状部４５ａと直線形状部４５ｂとにより構成されている。円弧形状部４５ａは上方に向けて窪んだ円弧形状を有しており、凹状部４５の中央位置に形成されている。また、直線形状部４５ｂは直線形状を有しており、円弧形状部４５ａの両端部と水平上部４１との間に形成されている。よって、直線形状部４５ｂも傾斜した面となる。

この構成によれば、円弧形状部３９ａと水平下部４０との間、また円弧形状部４５ａと水平上部４１との間に直線形状部３９ｂ，４５ｂが形成されているため、図１乃至図５に示したスコッチヨーク機構３２に比べて振動や音の発生を抑制することができる。

なお、必ずしも凹状部及び凸状部に対して円弧形状部を形成する必要はなく、例えば凹状部及び凸状部を複数の直線形状部を組み合わせた多角形状とすることも可能である。

また、図１乃至図５に示した実施形態では、スライド溝３８内においてコロ軸受け３５が水平下部４０又は水平上部４１のいずれか一方に当接する構成例を示した。しかしながら、図９に示す第２変形例に係るスコッチヨーク機構５１のように、コロ軸受け３５が常にスライド溝３８の二箇所において接する構成とすることも可能である。この構成は、スライド溝３８の形状（具体的には、凸状部３９，凹状部４５，水平下部４０，及び水平上部４１等の形状）を適宜設定することにより実現することができる。この構成とした場合には、コロ軸受け３５とスライド溝３８との間において移動に伴う音の発生を抑制でき、静粛性の高いＧＭ冷凍機１を実現することができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は上記した特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能なものである。

１ ＧＭ冷凍機
３ 駆動機構
５ ガス供給系
６ ガス圧縮機
７ 吸気バルブ
８ 排気バルブ
９ ガス流路
１０ 第１段目シリンダ
１１ 第１段目ディスプレーサ
１２，２２ 蓄冷器
１３，２３ 蓄冷材
１５ 第１段目膨張室
２０ 第２段目シリンダ
２１ 第２段目ディスプレーサ
２５ 第２段目膨張室
２８ 冷却ステージ
３０ モータ
３１ モータ軸
３２，５０，５１ スコッチヨーク機構
３４ クランク部材
３５ コロ軸受け
３６ スコッチヨーク
３７ 駆動アーム
３８ スライド溝
３９ 凸状部
３９ａ，４５ａ 円弧形状部
３９ｂ，４５ｂ 直線形状部
４５ 凹状部

Claims (5)

1. 軸受けが移動可能に係合するスコッチヨークを具備したスコッチヨーク機構により、シリンダ内で往復移動されるディスプレーサを有し、
   該ディスプレーサの移動に伴い前記シリンダ内に形成された膨張空間内の冷媒ガスを膨張させることにより寒冷を発生させる極低温冷凍装置であって、
   前記スコッチヨークは、前記膨張空間から遠い側に配置される上部水平枠部と、前記膨張空間に近い側に配置される下部水平枠部と、垂直枠部とを有する矩形状に形成されており、前記ディスプレーサの上死点と対応する前記上部水平枠部の内側の中心部に凹状部を設けたことを特徴とする極低温冷凍装置。
2. 前記スコッチヨークの前記ディスプレーサの下死点と対応する前記下部水平枠部の内側の中心部に凸状部を設けたことを特徴とする請求項１記載の極低温冷凍装置。
3. 前記凹状部の中央部に円形状凹部を有することを特徴とする請求項２記載の極低温冷凍装置。
4. 前記円形状凹部の両側に直線状部を有することを特徴とする請求項３記載の極低温冷凍装置。
5. 前記軸受けが、前記スコッチヨークに形成されたスライド溝の二箇所に常に接する構成としたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の極低温冷凍装置。

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