JP6017327B2 - 極低温冷凍機 - Google Patents

Description

本発明は、モータによりディスプレーサを駆動する極低温冷凍機に関する。

極低温を発生する冷凍機としてギフォード・マクマホン（ＧＭ）冷凍機が知られている。ＧＭ冷凍機は、駆動手段を用いてシリンダ内で往復移動するディスプレーサによる空間の体積変化を利用し、ギフォード・マクマホン冷凍サイクルに基づいて冷却効果を得る冷凍機である。

このため、圧縮機で生成される高圧の作動ガスは、バルブ機構を用いて所定のタイミングでディスプレーサに供給される。また、冷凍効率を高めるために、ディスプレーサの内部には蓄冷材が配設されている。

このディスプレーサを駆動する駆動手段は、種々のものが提案されている。その一つとして、モータを駆動源として用いると共に、ハウジング内に設けられたスコッチヨークによりモータの回転を往復運動に変換し、スコッチヨークとディスプレーサを駆動軸で接続することよりディスプレーサを往復移動させるものがある。

このようなGM冷凍機において、ハウジングの駆動軸の先端部に空間（アシスト空間という）を設けると共に、このアシスト空間の圧力を調整することでモータに印加されるトルク低減を図ったものが提案されている（特許文献１）。

特公昭６３−０５３４６９号公報

このような、ハウジングの駆動軸の先端部に空間を有したＧＭ冷凍機は、ハウジング内にバルブ機構からアシスト空間に至るガス流路を形成し、圧縮機の高圧側配管及び低圧側配管との接続を切り替える構成としていた。

しかしながら、このようなGM冷凍機には、その構造の複雑さやガス流路での冷媒ガスのリークの虞などの問題があった。

また、駆動源の能力に対する冷凍能力の大型化に伴い、運転サイクル中で一時的に駆動トルクが増大する場合がある。これは、ディスプレーサ内で発生する圧力損失に起因するものであり、駆動トルクの増大量によっては、スコッチヨークを駆動するモータの同期脱出（スリップ）を引き起こす虞がある。

本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、構造の複雑化を伴うことなくモータに同期脱出が発生することを防止できる極低温冷凍機を提供することを目的とする。

本発明のある態様は、
作動ガスを圧縮する圧縮機と、
圧縮された前記作動ガスが供給されるディスプレーサと、
前記ディスプレーサを駆動する駆動軸であって、前記ディスプレーサと接続される第１の端部と該第１の端部の反対側の第２の端部を含む駆動軸を有する駆動機構と、
前記駆動機構を駆動するモータと、
前記駆動機構を収容するハウジングであって、前記圧縮機の吸気口に連通する第１空間を含むハウジングと、
前記ディスプレーサへの前記作動ガスの圧力を調整するバルブ機構と、を有した極低温冷凍機であって、
前記駆動軸のうちの少なくとも前記第２の端部を含む部分と前記ハウジングとの間に形成される第２空間と、
前記作動ガスを前記圧縮機から前記バルブ機構に供給する配管から分岐すると共に、前記第２空間に接続される分岐配管と、
前記駆動軸と前記ハウジングとの間に設けられ、前記第１空間と前記第２空間との間を気密に画成するスリッパーシールと、を備えることを特徴とする極低温冷凍機である。

また、本発明の別の態様は、
作動ガスを圧縮する圧縮機と、
圧縮された前記作動ガスが供給されるディスプレーサと、
前記ディスプレーサを駆動する駆動軸であって、前記ディスプレーサと接続される第１の端部と該第１の端部の反対側の第２の端部を含む駆動軸を有する駆動機構と、
前記駆動機構を駆動するモータと、
前記駆動機構を収容するハウジングであって、前記圧縮機の吸気口に連通する第１空間を含むハウジングと、
前記ディスプレーサへの前記作動ガスの圧力を調整するバルブ機構と、を有した極低温冷凍機であって、
前記ハウジングの外部に高圧流体を供給する高圧流体源と、
前記駆動軸のうちの少なくとも前記第２の端部を含む部分と前記ハウジングとの間に形成される第２空間と、
前記第２空間に接続され、前記高圧流体源から前記第２空間に前記高圧流体を供給する供給配管と、
前記駆動軸と前記ハウジングとの間に設けられ、前記第１空間と前記第２空間との間を気密に画成するスリッパーシールと、を備えることを特徴とする極低温冷凍機である。

開示の極低温冷凍機によれば、駆動軸とハウジングとの間に形成される空間に圧力流体が供給され駆動軸を付勢するため、モータ負荷トルクが軽減されモータに同期脱出が発生することを防止することができる。

図１は、本発明の第１実施形態であるＧＭ冷凍機の断面図である。 図２は、スコッチヨーク機構を拡大して示す図である。 図３は、本発明の第１実施形態であるＧＭ冷凍機の原理構成図である。 図４は、本発明の第２実施形態であるＧＭ冷凍機の構成図である。 図５は、本発明の第３実施形態であるＧＭ冷凍機の構成図である。 図６は、本発明の第４実施形態であるＧＭ冷凍機の構成図である。 図７は、本発明の効果を説明するための図である。 図８は、アシスト空間の圧力と同期脱出電圧との関係を示す図である。

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、本発明の第１実施形態である極低温冷凍機を示す断面図である。本実施形態では、極低温冷凍機としてギフォード・マクマホン（ＧＭ）型冷凍機を例に挙げて説明する。

本実施形態によるＧＭ型冷凍機は、ガス圧縮機１とコールドヘッド２とを有する。コールドヘッド２は、ハウジング２３とシリンダ部１０とを有する。

ガス圧縮機１は、排出配管１ｂが接続された吸気口から作動ガスを吸い込み、これを圧縮した後に吐出口に接続された供給配管１ａに高圧の作動ガスを供給する。作動ガスとしては、ヘリウムガスを用いることができる。

本実施形態では２段式のＧＭ型冷凍機を示しており、よってシリンダ部１０は第１段目シリンダ１０ａと第２段目シリンダ１０ｂの二つのシリンダを有している。第１段目シリンダ１０ａの内部には、第１段目ディスプレーサ３ａが挿入装着される。また、第２段目シリンダ１０ｂの内部には、第２段目ディスプレーサ３ｂが挿入装着される。

この第１段目及び第２段目ディスプレーサ３ａ，３ｂは相互に連結されており、各シリンダ１０ａ，１０ｂの内部でシリンダの軸方向に往復運動可能な構成とされている。この各ディスプレーサ３ａ，３ｂの内部にはガス流路が形成されており、このガス流路内には蓄冷材４ａ，４ｂが充填されている。

また、上部に位置する第１段目シリンダ１０ａは、上方（Ｚ１方向）に向けて延出する駆動軸３３ｂが設けられている。この駆動軸３３ｂは、後述するスコッチヨーク機構２２に接続されている。

第１段目シリンダ１０ａ内の第２段目シリンダ１０ｂ側の端部（図１に矢印Ｚ２で示す方向側の端部）には、第１段目膨張室１１ａが形成されている。また、第１段目シリンダ１０ａの他方の端部（図１に矢印Ｚ１で示す方向側の端部）には、上部室１３が形成されている。更に、第２段目シリンダ１０ｂ内の第１段目シリンダ１０ａ側とは反対側の端部（図１に矢印Ｚ２で示す方向側の端部）には、第２段目膨張室１１ｂが形成されている。

上部室１３と第１段目膨張室１１ａは、ガス流路Ｌ１、第１段目蓄冷材４ａ、及びガス流路Ｌ２を介して接続されている。なお、ガス流路Ｌ１は第１段目ディスプレーサ３ａの上部に形成されており、第１段目蓄冷材４ａは第１段目ディスプレーサ３ａの内部に形成された作動ガスのガス流路内に配設されている。更に、ガス流路Ｌ２は、第１段目ディスプレーサ３ａの下部に形成されている。

また、第１段目膨張室１１ａと第２段目膨張室１１ｂは、ガス流路Ｌ３、第２段目蓄冷材４ｂ、ガス流路Ｌ４を介して接続されている。なお、ガス流路Ｌ３は第２段目ディスプレーサ３ｂの上部に形成されており、ガス流路Ｌ４は第２段目ディスプレーサ３ｂの下部に形成されている。

第１段目シリンダ１０ａの外周面で、第１段目膨張室１１ａと対向する位置には、第１段目冷却ステージ６が取り付けられている。また、第２段目シリンダ１０ｂの外周面で、第２段目膨張室１１ｂと対向する位置には、第２段目冷却ステージ７が取り付けられている。

上記の第１段目及び第２段目ディスプレーサ３ａ，３ｂは、スコッチヨーク機構２２（請求項に記載の駆動機構に相当する）により第１段目及び第２段目シリンダ１０ａ，１０ｂ内を図中上下方向（矢印Ｚ１，Ｚ２方向）に移動する。図２は、スコッチヨーク機構２２を拡大して示している。

スコッチヨーク機構２２は、クランク１４とスコッチヨーク３２とを有した構成とされている。

クランク１４は、モータ１５の回転軸（以下、駆動回転軸１５ａという）に固定される。このクランク１４は、駆動回転軸１５ａの取り付け位置から偏心した位置に偏心ピン１４ａを設けた構成とされている。従って、クランク１４を駆動回転軸１５ａに取り付けると、駆動回転軸１５ａと偏心ピン１４ａは偏心した状態となる。

スコッチヨーク３２は、駆動軸３３ａ，３３ｂ、ヨーク板３６、及びころ軸受３７等により構成されている。ヨーク板３６の中央上下位置には、駆動軸３３が上下方向に延出するよう配設されている。

駆動軸３３ａはヨーク板３６から上方（Ｚ１方向）に延出し、ハウジング２３内に設けられた摺動軸受１７ａに摺動可能に支承されている。更に、駆動軸３３ａの上端部の所定範囲は後述するアシスト空間４１（アシスト室４８）内に挿入されている。

また、駆動軸３３ｂはヨーク板３６から下方（Ｚ２方向）に延出しており、ハウジング２３内に設けられた摺動軸受１７ｂに摺動可能に支承されている。よって、各駆動軸３３ａ，３３ｂが摺動軸受１７ａ，１７ｂ内で摺動することにより、スコッチヨーク３２はハウジング２３内で上下方向（図中矢印Ｚ１，Ｚ２方向）に往復移動する。

また、ヨーク板３６には、横長窓３９が形成されている。この横長窓３９は、駆動軸３３ａ，３３ｂの延出する方向に対して直行する方向（図２中、矢印Ｘ１，Ｘ２方向）に延在するよう形成されている。

この横長窓３９内には、ころ軸受３７が配設されている。ころ軸受３７は、横長窓３９内で転動可能な構成とされている。また、ころ軸受３７の中心位置には、偏心ピン１４ａと係合する係合孔３８が形成されている。

従って、偏心ピン１４ａをころ軸受３７に係合した状態でモータ１５が駆動し駆動回転軸１５ａが回転すると、偏心ピン１４ａは円弧を描くように回転し、これによりスコッチヨーク３２は図中矢印Ｚ１，Ｚ２方向に往復移動する。この際、ころ軸受３７は、横長窓３９内を図中矢印Ｘ１，Ｘ２方向に往復移動する。

スコッチヨーク３２の下部に配設された駆動軸３３ｂは、第１段目ディスプレーサ３ａに接続されている。よって、スコッチヨーク３２が図中矢印Ｚ１，Ｚ２方向に往復移動することにより、第１段目ディスプレーサ３ａ及びこれに接続された第２段目ディスプレーサ３ｂも第１段目及び第２段目シリンダ１０ａ，１０ｂ内で矢印Ｚ１，Ｚ２方向に往復移動する。

上記のように、スコッチヨーク機構２２の駆動はモータ１５が駆動することにより行われる。よって、各ディスプレーサ３ａ，３ｂに負荷が印加され、駆動軸３３ａ，３３ｂのＺ１，Ｚ２方向に対する移動抵抗が大きくなった場合、これはモータ負荷トルクとしてモータ１５に印加される。

ここで、ヨーク板３６から上方に延出する駆動軸３３ａに注目する。ハウジング２３のこの駆動軸３３ａと対応する位置にはアシスト室４８が形成されており、このアシスト室４８の内部にはアシスト空間４１が形成されている。このアシスト空間４１は、駆動軸３３ａの上端部とハウジング２３との間に形成される空間である。駆動軸３３ａは、このアシスト空間４１内で図中矢印Ｚ１，Ｚ２方向に移動可能な構成とされている。

また、アシスト空間４１のスコッチヨーク機構２２に近い端部で、かつ摺動軸受１７ａの配設位置より若干上部位置には、スリッパーシール３５が設けられている。よって、アシスト空間４１と、ハウジング２３の内部空間とは、スリッパーシール３５により気密に画成された構成となっている。また駆動軸３３ａは、この気密状態を維持しつつアシスト空間４１内で移動可能な構成とされている。従って、駆動軸３３ａとアシスト室４８はピストン・シリンダ機構を構成する。

このアシスト空間４１には分岐配管４０が接続されるが、分岐配管４０の詳細については後述するものとする。

次に、図１に戻りバルブ機構となるロータリバルブＲＶについて説明する。ロータリバルブＲＶは、作動ガスの流路において圧縮機１と上部室１３との間に設けられている。このロータリバルブＲＶは作動ガスの流路を切り換えることにより、ガス圧縮機１の吐出口から吐出された作動ガスを上部室１３内に導く給気用バルブ（Ｖ１）と、上部室１３内の作動ガスをガス圧縮機１の吸気口に導く排気用バルブ（Ｖ２）として機能する。

ロータリバルブＲＶは、ステータバルブ８とロータバルブ９とを有する。ロータバルブ９は、ハウジング２３内に回転可能に支持されている。

ステータバルブ８は、ピン１９によりハウジング２３に回転しないように固定されている。これに対し、ロータバルブ９にはスコッチヨーク機構２２の偏心ピン１４ａが接続されており、偏心ピン１４ａが回転することによりロータバルブ９はステータバルブ８に対して回転する構成とされている。よって、ロータリバルブＲＶもモータ１５を駆動源としてロータバルブ９を回転駆動する構成とされている。

また、ハウジング２３には、一端が上部室１３に接続されると共に、他端がロータリバルブＲＶに接続されるガス流路２１が形成されている。ロータリバルブＲＶを構成するロータバルブ９の回転に伴い給気用バルブＶ１が開くことにより、ガス圧縮機１の吐出側吐出口と上部室１３は連通され、ガス圧縮機１の吐出口から供給配管１ａを介して高圧の作動ガスが上部室１３に供給される。

一方、ロータバルブ９の回転に伴い排気用バルブＶ２が開くと、ガス流路２１とガス圧縮機１の吸気口が連通し、寒冷を発生させて低圧となった作動ガスが排出配管１ｂを介してガス圧縮機１の吸気口に流入する。

モータ１５によりロータバルブ９が回転すると、上部室１３への作動ガスの供給（給気）動作と、上部室１３からの作動ガスの回収（排気）動作が繰り返し実施される。作動ガスの供給及び回収の繰り返しと、ディスプレーサ３ａ，３ｂの往復駆動とは、共にクランク１４の回転に同期している。そこで、作動ガスの供給と回収の繰り返しの位相と、各ディスプレーサ３ａ，３ｂの往復駆動の位相とを適当に調節することにより、第１段目及び第２段目膨張室１１ａ，１１ｂ内で作動ガスが断熱膨張して寒冷が発生する。

ここで、ハウジング２３に形成されたアシスト空間４１及びこれに接続される分岐配管４０について、更に詳細に説明する。

なお以下の説明では、図１に示したＧＭ冷凍機の基本構成を示した図３を用いて説明するものとする。図３に示すＧＭ冷凍機は、図示及び説明の便宜を図るために１段式のＧＭ冷凍機を示しており、またロータリバルブＲＶも給気用バルブＶ１及び排気用バルブＶ２を簡略化して図示している。

更に、図１ではスコッチヨーク機構２２の下部に各ディスプレーサ３ａ，３ｂが配設された構成とされていたが、図３ではスコッチヨーク機構２２の上部（矢印Ｚ１方向側）にディスプレーサ３が配設された構成とされている。即ち、図３に示すＧＭ冷凍機は図１に示すＧＭ冷凍機を上下反転させた構成とされている。

一般に、ＧＭ冷凍機は使用される機器の構造に対応させ、種々の姿勢で機器に取り付けられる。よって、図３に示されるように、ＧＭ冷凍機を上下反転させた使用態様も多く実施される（例えば、クライオポンプ等）。

なお図３においては、クランク１４，偏心ピン１４ａ，モータ１５，及びころ軸受３７等の図示は省略している。

図３は、シリンダ部１０内でディスプレーサ３が可動し、膨張室１１の容積が最大になった状態を示している。この状態からディスプレーサ３を上動（矢印Ｚ１方向に移動）させる場合、給気用バルブＶ１は閉じられ排気用バルブＶ２が開くことにより、膨張室１１内の作動ガスはディスプレーサ３内に配設された蓄冷材４内を通り、ガス流路２１及びロータリバルブＲＶ（排気用バルブＶ２）等を介してガス圧縮機１の吸気口に流入する。

冷却効率を高めるために蓄冷材４はディスプレーサ３内に高密度に配設されており、よって作動ガスが蓄冷材４内を通過する際の圧力損失は大きくなる。この圧力損失による荷重は、駆動軸３３ｂを介してスコッチヨーク機構２２に伝達され、このスコッチヨーク機構２２を駆動するモータ１５にモータ負荷トルクとして印加される。

また図３に示すようにスコッチヨーク機構２２の上部にディスプレーサ３を配設した構成では、上動する際に、ディスプレーサ３の自重もスコッチヨーク機構２２に印加される。よって、このスコッチヨーク機構２２の自重も、モータ負荷トルクとしてモータ１５に印加される。

更に、ＧＭ冷凍機の能力が大きくなり大型化が図られた場合、これに伴いロータリバルブＲＶも大型化する。よって、大型化することによりシールに必要な押力により発生する摺動抵抗も増大したロータバルブ９を回転させる必要があり、これもモータ負荷トルクとしてモータ１５に印加される。

このようにモータ１５には、大きなモータ負荷トルクが印加される。そして、所定値以上のモータ負荷トルクが印加された場合、モータ１５に同期脱出（スリップ）が発生し、正常なサイクル運転を行うのが不可能となる可能性があることは前述した通りである。

しかしながら、本実施形態に係るＧＭ冷凍機には、前記したようにハウジング２３の駆動軸３３ａと対応する位置にアシスト空間４１が形成されている。駆動軸３３ａは、このアシスト空間４１内でディスプレーサ３の移動方向（図中矢印Ｚ１，Ｚ２方向）に移動可能な構成とされている。

このアシスト空間４１には、分岐配管４０が接続されている。分岐配管４０は、ガス圧縮機１と給気用バルブＶ１とを接続する供給配管１ａを分岐させた配管である。よって、分岐配管４０を介してアシスト空間４１には、ガス圧縮機１で生成された高圧の作動ガスが供給される。

ここで、分岐配管４０及びアシスト空間４１を設けたことによる作用について説明する。

前記のように、ガス圧縮機１で生成された高圧の作動ガスは分岐配管４０に供給される。また、分岐配管４０は給気用バルブＶ１の上流側で分岐されているため、アシスト空間４１には分岐配管４０を介して高圧の作動ガスが常時供給される構成となっている。

また、前記のようにアシスト空間４１のスコッチヨーク機構２２に近い端部にはスリッパーシール３５が設けられており、アシスト空間４１の内壁と駆動軸３３ａとの間をシールしている。よって、アシスト空間４１とハウジング２３の内部空間は気密に画成された構成となっており、分岐配管４０からアシスト空間４１に供給された高圧の作動ガスがハウジング２３の内部空間にリークするようなことはない。

従って、アシスト空間４１に高圧の作動ガスが供給されると、駆動軸３３ａは上方向に移動付勢される。前記のように駆動軸３３ａは、スコッチヨーク機構２２を介してディスプレーサ３に接続されている。よって、アシスト空間４１に供給された作動ガスの圧力により、ディスプレーサ３は上方向に向けて（膨張室１１の容積が小さくなる方向に向けて）移動付勢される。

即ち、アシスト空間４１に供給された作動ガスの圧力は、スコッチヨーク機構２２によりディスプレーサ３が上方向に向けて移動付勢する際、これをアシストするアシスト力として作用する。このアシスト力により、モータ１５に印加されるモータ負荷トルクは低減される。

このように本実施形態に係るＧＭ冷凍機では、アシスト空間４１に供給された作動ガスによりモータ負荷トルクが低減されるため、蓄冷材４内を流れる作動ガスによる圧力損失が大きい場合、またディスプレーサ３の自重がモータ１５に印加される場合、又ＧＭ冷凍機の出力の増大に伴いロータリバルブＲＶが大型化したような場合であっても、モータ１５に同期脱出（スリップ）が発生することを防止することができる。

また本実施形態では、分岐配管４０はハウジング２３の外部に設けられており、ハウジング２３の外部から直接アシスト空間４１に接続される構成とされている。具体的には、ハウジング２３のアシスト空間４１と対応する位置にはガス流通孔２３ａが形成されており、分岐配管４０がガス流通孔２３ａの外側端部と連通するよう、分岐配管４０の端部はハウジング２３に固定されている。

このように、分岐配管４０はハウジング２３の外部に配設され、ハウジング２３の外部からアシスト空間４１に接続されることにより、ハウジング２３内にアシスト空間４１とガス圧縮機１を接続する配管を設ける構成に比べ、ハウジング２３の構成を簡単化することができる。

また、ハウジング内に内部にアシスト空間とガス圧縮機を接続する配管を設けるには、ロータリバルブＲＶを構成するステータバルブ，ロータバルブ，及びハウジング２３等に作動ガスが流れるガス流路を形成する必要があり、またシールを行う箇所も増えるためにＧＭ冷凍機の構造が複雑化すると共に内部でリークが発生するリスクが増大する。

しかしながら、本実施形態に係るＧＭ冷凍機のように、ハウジング２３の外部から直接アシスト空間４１に分岐配管４０を接続する構成とすることにより、ＧＭ冷凍機の構成を簡単化することができ、また内部でリークが発生するリスクを低減することができる。

図７は、図３に示す本実施形態に係るＧＭ冷凍機のモータ１５に印加されるモータ負荷トルクを示している（図中矢印Ａで示す。以下、このトルクを本願モータ負荷トルクという）。また参考例として、従来のＧＭ冷凍機に印加されるモータ負荷トルクも合わせて図示している（図中矢印Ｂで示す。以下、このトルクを従来モータ負荷トルクという）。図７において、横軸は運転角度（クランク角度）を示しており、縦軸はモータ負荷トルクを示している。また運転角度は、膨張室１１の容積が最も大きいときの角度を０°としている。なお、従来のＧＭ冷凍機としては、分岐配管及びアシスト空間を設けてない点を除き、他の構成は本実施形態に係るＧＭ冷凍機と同じ構成のものを用いた。

運転角度が０°から約１８０°の範囲では、本願モータ負荷トルクＡは従来モータ負荷トルクＢよりも小さくなっている。これは、本実施形態に係るＧＭ冷凍機では、前記のようにアシスト空間４１に供給された作動ガスの圧力がディスプレーサ３を上方向に向けて移動付勢するアシスト力として作用し、これによりモータ１５に印加されるモータ負荷トルクは低減されることに起因している。

これに対し、運転角度が約１８０°から約３６０°の範囲では、本願モータ負荷トルクＡは従来モータ負荷トルクＢよりも大きくなっている。これは、本実施形態に係るＧＭ冷凍機では、アシスト空間４１に対して作動ガスは常時供給されるため、ディスプレーサ３が矢印Ｚ２方向に移動する場合（膨張室１１の容積が大きくなる方向にディスプレーサ３が移動する場合）においては逆にモータ負荷として印加されることになる。

ここで、モータ負荷トルクのトルクピーク値（モータ負荷トルクの最も大きな値）に注目すると、いずれのモータ負荷トルクＡ，Ｂも、運転角度が約９０°においてピークを有している。本願モータ負荷トルクのトルクピーク値をＰ１とし、従来モータ負荷トルクのトルクピーク値をＰ２とするとＰ２＞Ｐ１となっており、本願モータ負荷トルクのトルクピーク値Ｐ１は従来モータ負荷トルクのトルクピーク値Ｐ２に対して約３／５程度に低減している。

モータ１５において最も同期脱出が発生しやすいのは、モータ負荷トルクが最も大きいピーク時である。よって図７に示す結果より、ＧＭ冷凍機に分岐配管４０とアシスト空間４１を設けることにより、ピーク時におけるモータ負荷トルクが低減されることが実証された。よって、本実施形態に係るＧＭ冷凍機によれば、モータ１５に同期脱出（スリップ）が発生することを確実に防止することが可能となる。

一方、運転角度が約１８０°から約３６０°の範囲では、本願モータ負荷トルクＡは従来モータ負荷トルクＢよりも大きくなっている。これは、モータ１５及びスコッチヨーク機構２２がディスプレーサ３を移動させようとする方向と、アシスト空間４１に供給された作動ガスによるアシスト力の作用方向が逆方向になることによる。これにより、本実施形態においては、運転サイクル中のモータ負荷トルクのピーク値を抑制することができる。

図８は、本実施形態に係るＧＭ冷凍機の姿勢を各種変更した場合における、アシスト空間４１内の圧力（アシスト空間圧力）と同期脱出電圧との関係を示している。

なお、同図に示すアシスト空間圧力−同期脱出電圧特性は、図１に示すようなディスプレーサがスコッチヨーク機構の下部に位置するＧＭ冷凍機の特性である。

またＧＭ冷凍機の姿勢としては図１に示す状態を０°とし、これより９０°回転させた状態、１５０°回転させた状態、及び１８０°回転させた状態の各状態を選定し、それぞれについてアシスト空間圧力と同期脱出電圧を調べた。このＧＭ冷凍機の姿勢を示す各角度を、以下の説明では姿勢角度というものとする。

ここで上記の同期脱出電圧とは、モータ１５の出力トルクとモータ１５に要求されている必要トルクが等しくなっているときに当該モータ１５に印加されている電圧をいう。

モータ１５の出力トルクは、印加する電圧の増大に比例して増大する。また必要トルクとは、ＧＭ冷凍機を正常に運転するためモータ１５に要求されるトルク（例えば、ディスプレーサ３ａ，３ｂやスコッチヨーク機構２２等を駆動するトルク等）である。

モータ１５への印加電圧が十分に高いときは、モータ１５の出力トルクが必要トルクを上回るため同期脱出が発生することはない。従って、同期脱出電圧が低い場合は、ＧＭ冷凍機を運転する際の必要トルクが小さい状態であり、外乱等（例えばディスプレーサ３ａ，３ｂで発生する瞬間的な摩擦の増大等）が発生しても、必要トルクが出力トルクを上回ることはない。

これに対して同期脱出電圧が高い場合は、上記の外乱が発生すると必要トルクが出力トルクを超えてしまい、同期脱出が発生するおそれがある。即ち、同期脱出電圧が高い状態は、同期脱出が発生しやすい状態である。よって、ＧＭ冷凍機を安定して運転しようとする場合、同期脱出電圧が高い状態は望ましい状態ではない。

上記の事項に基づき図８を見ると、アシスト空間圧力が0.63MPaである状態は、アシスト空間４１に分岐配管４０から作動ガスが供給されていない状態（即ち、従来のＧＭ冷凍機と等価の状態）である。この時、殆どの各姿勢角度においても同期脱出電圧は最も高くなっており、同期脱出が発生しやすい状態となっていることが分かる。

更に、姿勢角度０°と姿勢角度１８０°を比較すると、姿勢角度１８０°の方が姿勢角度０°に対して同期脱出電圧が高く、同期脱出が発生しやすい状態であることが分かる。これは、ディスプレーサ３の自重の負荷がモータ１５にモータ負荷トルクとして印加されていることによるものである。

また、アシスト空間４１内のアシスト空間圧力を漸次増大させていくと、姿勢角度０°の場合は途中で膨張室１１を膨張する際の負荷が勝り、1MPa近傍を境にして同期脱出電圧は上昇する。また、姿勢角度１８０°の場合は、上記のように自重分の負荷があるため、測定範囲で一様にアシスト空間４１の加圧と共に同期脱出電圧が低くなる。更に、姿勢角度９０°，１５０°の場合は、アシスト空間圧力の増大に伴い同期脱出電圧が漸次減少することが分かる。

従って、図８に示す結果より、アシスト空間圧力を1.6MPa以上1.8MPa以下に設定することにより、姿勢角度に拘わらず同期脱出電圧の低減を図ることができることが分かる。

次に、本発明の第２乃至４実施形態について図４乃至図６を用いて説明する。

なお、図４乃至図６において、先の説明に用いた図１乃至図３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、その説明は省略する。

図４は、第２実施形態であるＧＭ冷凍機を示す構成図である。

本実施形態に係るＧＭ冷凍機は、供給配管１ａから分岐しアシスト空間４１に接続される分岐配管４０に減圧機構４２を設けたことを特徴としている。減圧機構４２は、分岐配管４０を流れてくる高圧の作動ガスの圧力を減圧するものである。この減圧機構４２としては、オリフィス、絞り弁等を用いることができる。

このように分岐配管４０に減圧機構４２を設けることにより、アシスト空間４１内のアシスト空間圧力を適切な一定値に保つことができ、モータ１５に対するアシスト力の安定化を図ることができる。

図５は、第３実施形態であるＧＭ冷凍機を示す構成図である。

本実施形態に係るＧＭ冷凍機は、供給配管１ａから分岐しアシスト空間４１に接続される分岐配管４０に圧力調整バルブ４４を設けたことを特徴としている。この圧力調整バルブ４４はアシスト空間４１の圧力を調整することができるバルブである。また、圧力調整バルブ４４には制御部４５が接続されており、この制御部４５は、アシスト空間４１が予め規定された圧力になるように当該圧力調整バルブを制御する。よって、この圧力調整バルブ４４を設けることにより、アシスト空間４１内のアシスト空間圧力を調整することが可能になる。

図８を用いて説明したように、ＧＭ冷凍機はその姿勢角度により同期脱出電圧が異なる。よって、分岐配管４０に圧力調整バルブ４４を設け、各姿勢角度に応じたアシスト力を発生するよう圧力調整バルブ４４を調整することにより、モータ１５に同期脱出が発生することを確実に防止することができる。

図６は、第４実施形態であるＧＭ冷凍機を示す構成図である。

前記の第１乃至第３実施形態に係るＧＭ冷凍機では、ガス圧縮機１の吐出口側に配設された供給配管１ａを分岐させた分岐配管４０を設け、これをアシスト空間４１に接続する構成としていた。即ち、第１乃至第３実施形態に係るＧＭ冷凍機では、アシスト空間４１に供給する高圧の作動ガスの高圧流体源をガス圧縮機１としていた。

これに対して本実施形態に係るＧＭ冷凍機では、アシスト空間４１に供給する高圧の作動ガスの高圧流体源をバッファタンク４６としたことを特徴としている。このバッファタンク４６の内部には、高圧の作動ガスが充填されている。

このバッファタンク４６とハウジング２３に形成されたアシスト空間４１は、アシスト配管４７（請求項に記載の供給配管に相当する）により接続されている。よって、バッファタンク４６内の高圧の作動ガスは、アシスト空間４１内に供給される。

また、バッファタンク４６内に充填されている作動ガスの圧力は、モータ１５に対して所定のアシスト力を付与しうる圧力とされている。従って、バッファタンク４６及びアシスト配管４７を設けることによっても、モータ１５に同期脱出が発生することを抑制することができる。

また、バッファタンク４６はハウジング２３の外部に配設されており、アシスト配管４７もアシスト空間４１にハウジング２３の外部から接続される構成とされている。よって、
本実施形態に係るＧＭ冷凍機においても、モータ１５をアシストする構成としても、ハウジング２３やロータリバルブＲＶの構造が複雑化するようなことはない。

なお、バッファタンク４６内に充填する高圧ガスは作動ガスに限定されるものではなく、アシスト力を発生することが可能な流体であれば、他の流体を用いることも可能である。

また本発明は、駆動軸を用いてディスプレーサを駆動する各種の極低温冷凍機に広く適用が可能なものである。

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。

実施の形態では、駆動軸とハウジングとの間にスリッパーシールを設ける例について説明したが、これに限られず、他のシール機構を採用することができる。また、必ずしもシール機構を設けなくてもよい。駆動軸とハウジングとの間にシール機構がない場合には、アシスト空間４１に供給された作動ガスは、ハウジング２３のガス圧縮機１の吸気口に連通する空間に流入する。そのため、冷凍機のシリンダには流入しないため、直接、冷凍能力には影響を与えない。

１ ガス圧縮機
１ａ 供給配管
１ｂ 排出配管
２ コールドヘッド
３ ディスプレーサ
３ａ，３ｂ ディスプレーサ
４ 蓄冷材
４ａ 第１段目蓄冷材
４ｂ 第２段目蓄冷材
６，７ 冷却ステージ
８ ステータバルブ
９ ロータバルブ
１０ シリンダ部
１０ａ 第１段目シリンダ
１０ｂ 第２段目シリンダ
１１ 膨張室
１１ａ 第１段目膨張室
１１ｂ 第２段目膨張室
１３ 上部室
１４ クランク
１４ａ 偏心ピン
１５ モータ
１６ 回転軸受
１７ａ，１７ｂ 摺動軸受
１９ ピン
２１ ガス流路
２２ スコッチヨーク機構
２３ ハウジング
３２ スコッチヨーク
３３ａ，３３ｂ 駆動軸
３５ スリッパーシール
４０ 分岐配管
４１ アシスト空間
４２ 減圧機構
４４ 圧力調整バルブ
４６ バッファタンク
４７ アシスト配管
４８ アシスト室
５０ シール機構
Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４ ガス流路
ＲＶ ロータリバルブ
Ｖ１ 給気用バルブ
Ｖ２ 排気用バルブ

Claims (6)

1. 作動ガスを圧縮する圧縮機と、
   圧縮された前記作動ガスが供給されるディスプレーサと、
   前記ディスプレーサを駆動する駆動軸であって、前記ディスプレーサと接続される第１の端部と該第１の端部の反対側の第２の端部を含む駆動軸を有する駆動機構と、
   前記駆動機構を駆動するモータと、
   前記駆動機構を収容するハウジングであって、前記圧縮機の吸気口に連通する第１空間を含むハウジングと、
   前記ディスプレーサへの前記作動ガスの圧力を調整するバルブ機構と、を有した極低温冷凍機であって、
   前記駆動軸のうちの少なくとも前記第２の端部を含む部分と前記ハウジングとの間に形成される第２空間と、
   前記作動ガスを前記圧縮機から前記バルブ機構に供給する配管から分岐すると共に、前記第２空間に接続される分岐配管と、
   前記駆動軸と前記ハウジングとの間に設けられ、前記第１空間と前記第２空間との間を気密に画成するスリッパーシールと、を備えることを特徴とする、
   極低温冷凍機。
2. 前記分岐配管は、減圧機構を備えていることを特徴とする、
   請求項１記載の極低温冷凍機。
3. 前記減圧機構は圧力調整バルブであって、前記第２空間が予め規定された圧力になるように当該圧力調整バルブを制御する制御部を備えていることを特徴とする、
   請求項２記載の極低温冷凍機。
4. 前記分岐配管は、前記ハウジングの外部に設けられる、
   請求項１乃至３のいずれか一項に記載の極低温冷凍機。
5. 前記駆動機構はスコッチヨーク機構であることを特徴とする、
   請求項１乃至４のいずれか一項に記載の極低温冷凍機。
6. 作動ガスを圧縮する圧縮機と、
   圧縮された前記作動ガスが供給されるディスプレーサと、
   前記ディスプレーサを駆動する駆動軸であって、前記ディスプレーサと接続される第１の端部と該第１の端部の反対側の第２の端部を含む駆動軸を有する駆動機構と、
   前記駆動機構を駆動するモータと、
   前記駆動機構を収容するハウジングであって、前記圧縮機の吸気口に連通する第１空間を含むハウジングと、
   前記ディスプレーサへの前記作動ガスの圧力を調整するバルブ機構と、を有した極低温冷凍機であって、
   前記ハウジングの外部に高圧流体を供給する高圧流体源と、
   前記駆動軸のうちの少なくとも前記第２の端部を含む部分と前記ハウジングとの間に形成される第２空間と、
   前記第２空間に接続され、前記高圧流体源から前記第２空間に前記高圧流体を供給する供給配管と、
   前記駆動軸と前記ハウジングとの間に設けられ、前記第１空間と前記第２空間との間を気密に画成するスリッパーシールと、を備えることを特徴とする、
   極低温冷凍機。

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