JP6117090B2

JP6117090B2 - 極低温冷凍機

Info

Publication number: JP6117090B2
Application number: JP2013260892A
Authority: JP
Inventors: 孝明森江
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2013-12-18
Filing date: 2013-12-18
Publication date: 2017-04-19
Anticipated expiration: 2033-12-18
Also published as: JP2015117872A

Description

本発明は、冷媒ガスを膨張させて発生した冷熱を蓄冷材に蓄冷する蓄冷器式冷凍機に関し、特に超伝導コイルの冷却に適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（Gifford-McMahon；ＧＭ）冷凍機が知られている。ＧＭ冷凍機は、シリンダ内でディスプレーサを往復移動することにより、膨張空間の体積を変化させる。この体積変化に対応して膨張空間と圧縮機の吐出側と吸気側とを選択的に接続することで、冷媒ガスが膨張空間で膨張する。

特開２０１３−２６８７号公報

一般に、ＧＭ冷凍機におけるディスプレーサの往復移動の動力としてモータが用いられる。また、ＧＭ冷凍機は、例えば超伝導を利用する装置等に組み込んで使用され、超伝導コイルを冷却するために使用されることもある。

ＧＭ冷凍機を超伝導コイルの冷却に使用する場合、ディスプレーサの往復移動の動力に使われるモータとして磁石モータを用いると、冷却対象である超伝導コイルが発生する磁場の影響でモータのトルクが低下する場合がある。この結果、ＧＭ冷凍機の運転に支障を来すことも起こりうる。

本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、低温冷凍機が備えるモータが受ける外部磁場の影響を低減する技術を提供することである。

上記課題を解決するために、本発明のある態様の極低温冷凍機は、モータと、モータに連結されている駆動回転軸と、駆動回転軸の回転を往復運動に変換するスコッチヨーク機構と、を備える。駆動回転軸は、その長手方向に複数の場所で回転自在に支持されており、複数の場所は、モータに接続される駆動回転軸の一端部と、スコッチヨーク機構に接続される駆動回転軸の他端部と、を含む。

本発明によれば、極低温冷凍機が備えるモータが受ける外部磁場の影響を低減する技術を提供することができる。

本発明のある実施の形態であるＧＭ冷凍機の断面図である。スコッチヨーク機構を拡大して示す分解斜視図である。ロータリーバルブを拡大して示す分解斜視図である。図４（ａ）−（ｂ）は、実施の形態に係るＧＭ冷凍機を用いて冷却対象の超伝導コイルを冷却するときの配置を示す図である。本発明の変形例に係るＧＭ冷凍機の断面図である。

本発明の実施の形態について図面と共に説明する。

まず、実施の形態の極低温冷凍機の全体構成について説明する。図１乃至図３は、本発明のある実施の形態である極低温冷凍機を説明するための図である。本実施の形態では、極低温冷凍機としてギフォード・マクマホン冷凍機（以下、ＧＭ冷凍機１０という）を例に挙げて説明する。本実施の形態に係るＧＭ冷凍機１０は、圧縮機１、シリンダ２、ハウジング３、およびモータ収容部５等を有している。

圧縮機１は、低圧配管１ａが接続された吸気側から低圧の冷媒ガスを回収し、これを圧縮した後に吐出側に接続された高圧配管１ｂに高圧の冷媒ガスを供給する。冷媒ガスとしては、ヘリウムガスを用いることができるがこれに限定されるものではない。

本実施の形態では２段式のＧＭ冷凍機１０を例に挙げて説明する。２段式のＧＭ冷凍機１０では、シリンダ２は第１段目シリンダ１１と第２段目シリンダ１２の二つのシリンダを有している。第１段目シリンダ１１の内部には、第１段目ディスプレーサ１３が挿入される。また、第２段目シリンダ１２の内部には、第２段目ディスプレーサ１４が挿入される。

第１段目ディスプレーサ１３および第２段目ディスプレーサ１４は相互に連結されており、それぞれシリンダ１１、１２の内部でシリンダの軸方向に往復移動可能な構成とされている。各ディスプレーサ１３、１４の内部には内部空間１５、１６が形成されている。内部空間１５、１６には蓄冷材が充填されており、蓄冷器１７、１８として機能する。

上部に位置する第１段目ディスプレーサ１３は、上方（Ｚ１方向）に向けて延出する駆動軸３６に連結される。この駆動軸３６は、後述するスコッチヨーク機構３２の一部を構成する。

また、第１段目ディスプレーサ１３の高温端側（Ｚ１方向側端部）には、ガス流路Ｌ１が形成されている。更に、第１段目ディスプレーサ１３の低温端側（Ｚ２方向側端部）には、内部空間１５と第１段目膨張空間２１とを連通するガス流路Ｌ２が形成されている。

第１段目シリンダ１１の低温側端部（図１に矢印Ｚ２で示す方向側の端部）には、第１段目膨張空間２１が形成されている。また、第１段目シリンダ１１の高温側端部（図１に矢印Ｚ１で示す方向側の端部）には、上部室２３が形成されている。

更に、第２段目シリンダ１２内の低温側端部（図１に矢印Ｚ２で示す方向側の端部）には、第２段目膨張室２２が形成されている。

第２段目ディスプレーサ１４は、図示しない連結機構により第１段目ディスプレーサ１３の下部に取り付けられている。この第２段目ディスプレーサ１４の高温側端部（図１に矢印Ｚ１で示す方向側の端部）には、第１段目膨張空間２１と内部空間１６とを連通するガス流路Ｌ３が形成されている。また、第２段目ディスプレーサ１４の低温側端部（図１に矢印Ｚ２で示す方向側の端部）には、内部空間１６と第２段目膨張室２２とを連通するガス流路Ｌ４が形成されている。

第１段目冷却ステージ１９は、第１段目シリンダ１１の外周面で、第１段目膨張空間２１と対向する位置に配設されている。また第２段目冷却ステージ２０は、第２段目シリンダ１２の外周面で第２段目膨張室２２と対向する位置に配設されている。

上記の第１段目ディスプレーサ１３および第２段目ディスプレーサ１４は、スコッチヨーク機構３２により第１段目シリンダ１１および第２段目シリンダ１２内を図中上下方向（矢印Ｚ１、Ｚ２方向）に移動する。

図１に示すように、ハウジング３はロータリーバルブ４０等を有し、モータ収容部５はモータ３１を収容する。

モータ３１、駆動回転軸３１ａ、およびスコッチヨーク機構３２は、駆動装置３０を構成する。モータ３１は回転駆動力を発生し、モータ３１に接続された回転軸（以下、「駆動回転軸３１ａ」という。）は、モータ３１の回転運動をスコッチヨーク機構３２に伝達する。なお、モータ３１は、本発明における回転駆動部に相当する。

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、クランク３３とスコッチヨーク３４等を有している。このスコッチヨーク機構３２は、例えばモータ３１等の駆動手段により駆動することができる。

クランク３３は、駆動回転軸３１ａに固定される。クランク３３は、駆動回転軸３１ａの取り付け位置から偏心した位置にクランクピン３３ｂを設けた構成とされている。従って、クランク３３を駆動回転軸３１ａに取り付けると、駆動回転軸３１ａに対しクランクピン３３ｂは偏心した状態となる。この意味で、クランクピン３３ｂは、偏心回転体として機能する。なお、駆動回転軸３１ａは、その長手方向に複数の場所で回転自在に支持される。より具体的には、第１駆動回転軸受６０ａ、第２駆動回転軸受６０ｂ、および第３駆動回転軸受６０ｃによって支持される。第１駆動回転軸受６０ａは、モータ３１のスコッチヨーク機構３２に対して反対側の端部に備えられる。第２駆動回転軸受６０ｂは、モータの出力側の端部において駆動回転軸３１ａを支持する。第３駆動回転軸受６０ｃは、スコッチヨーク機構に接続する側の端部において駆動回転軸３１ａを支持する。

スコッチヨーク３４は、駆動軸３６ａ、駆動軸３６ｂ、ヨーク板３５、及びころ軸受３７等を有している。ハウジング３内には、収容空間が形成されている。この収容空間は、スコッチヨーク３４及び後述するロータリーバルブ４０のロータバルブ４２等を収容する気密性を持った気密容器となっている。そこで、以下本明細書においてハウジング３内の収容空間を、「気密容器４」という。気密容器４は、低圧配管１ａを介して圧縮機１の吸気口と連通している。そのため、気密容器４は常に低圧に維持される。

駆動軸３６ａは、ヨーク板３５から上方（Ｚ１方向）に延出している。この駆動軸３６ａは、ハウジング３内に設けられた摺動軸受３８ａによって支持されている。よって駆動軸３６ａは、図中上下方向（図中矢印Ｚ１、Ｚ２方向）に移動可能な構成となっている。

駆動軸３６ｂは、ヨーク板３５から下方（Ｚ２方向）に延出している。この駆動軸３６ｂは、ハウジング３内に設けられた摺動軸受３８ｂによって支持されている。よって駆動軸３６も、図中上下方向（図中矢印Ｚ１、Ｚ２方向）に移動可能な構成となっている。

駆動軸３６ａおよび駆動軸３６ｂが、それぞれ摺動軸受３８ａおよび摺動軸受３８ｂによって支持されることにより、スコッチヨーク３４はハウジング３内で上下方向（図中矢印Ｚ１、Ｚ２方向）に移動可能な構成となっている。

なお、本実施の形態では、極低温冷凍機の構成要素の位置関係を分かりやすく表すために、「軸方向」という用語を使用することがある。軸方向は駆動軸３６ａおよび駆動軸３６ｂが延在する方向を表し、ディスプレーサ１３、１４が移動する方向とも一致する。便宜上、軸方向に関して膨張空間又は冷却ステージ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。つまり、低温側端部から相対的に遠いことを「上」、相対的に近いことを「下」と呼ぶことがある。なお、こうした表現はＧＭ冷凍機１０が取り付けられたときの配置とは関係しない。例えば、ＧＭ冷凍機１０は鉛直方向に膨張空間を上向きにして取り付けられてもよい。

ヨーク板３５は、横長窓３５ａが形成されている。この横長窓３５ａは、駆動軸３６ａおよび駆動軸３６ｂの延出する方向に対して交差する方向、例えば直交する方向（図２中、矢印Ｘ１、Ｘ２方向）に延在している。

ころ軸受３７は、この横長窓３５ａ内に配設されている。ころ軸受３７は、横長窓３５ａ内で転動可能な構成とされている。また、クランクピン３３ｂと係合する孔３７ａは、ころ軸受３７の中心位置に形成されている。横長窓３５ａは、クランクピン３３ｂおよびころ軸受３７の横方向の移動を許容する。横長窓３５ａは、横方向に延在する上枠部及び下枠部と、上枠部及び下枠部それぞれの横方向端部にて軸方向ないし縦方向に延在し上枠部と下枠部とを結合する第１側枠部及び第２側枠部と、を備える。

モータ３１が駆動し駆動回転軸３１ａが回転すると、クランクピン３３ｂは円弧を描くように回転する。これにより、スコッチヨーク３４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３５ａ内を図中矢印Ｘ１、Ｘ２方向に往復移動する。

第１段目ディスプレーサ１３は、スコッチヨーク３４の下部に配設された駆動軸３６ｂに接続されている。よって、スコッチヨーク３４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１３及びこれに連結された第２段目ディスプレーサ１４も第１段目シリンダ１１及び第２段目シリンダ１２内で矢印Ｚ１、Ｚ２方向に往復移動する。

次に、バルブ機構について説明する。本実施の形態ではバルブ機構としてロータリーバルブ４０を用いている。

ロータリーバルブ４０は、冷媒ガスの流路を切り換えるものである。このロータリーバルブ４０は、圧縮機１の吐出側から吐出された高圧の冷媒ガスを第１段目ディスプレーサ１３の上部室２３に導く供給用バルブとして機能すると共に、上部室２３から冷媒ガスを圧縮機１の吸気側に導く排気用バルブとして機能する。

このロータリーバルブ４０は、図１に加えて図３に示すように、ステータバルブ４１とロータバルブ４２とを有している。ステータバルブ４１は平坦なステータ側摺動面４５を有し、ロータバルブ４２は同じく平坦なロータ側摺動面５０を有している。そして、このステータ側摺動面４５とロータ側摺動面５０が面接触することにより、冷媒ガスの漏れが防止される。

ステータバルブ４１は、ハウジング３内に固定ピン４３で固定される。この固定ピン４３で固定されることにより、ステータバルブ４１は回転が規制される。

ロータバルブ４２は、ロータバルブ軸受６２により回転可能に支持されている。ロータバルブ４２のロータ側摺動面５０と反対側に位置する反対側端面５２には、クランクピン３３ｂと係合する係合穴（図示せず）が形成されている。クランクピン３３ｂは、ころ軸受３７に挿通された際にその先端部がころ軸受３７から矢印Ｙ１方向に突出する（図１参照）。

そして、ころ軸受３７から突出したクランクピン３３ｂの先端部は、ロータバルブ４２に形成された係合穴と係合する。よって、クランクピン３３ｂが回転（偏心回転）することにより、ロータバルブ４２はスコッチヨーク機構３２と同期して回転する。

ステータバルブ４１は、冷媒ガス供給孔４４、円弧状溝４６、及びガス流路４９を有している。冷媒ガス供給孔４４は圧縮機１の高圧配管１ｂに接続されており、ステータバルブ４１の中心部を貫通するよう形成されている。

円弧状溝４６は、ステータ側摺動面４５に形成されている。この円弧状溝４６は、冷媒ガス供給孔４４を中心とした円弧形状を有している。

ガス流路４９は、ステータバルブ４１とハウジング３とにわたって形成されている。ガス流路４９のうち、バルブ側の一端部は、円弧状溝４６内に開口し開口部４８を形成している。また、ガス流路４９において、ステータバルブ４１の側面には吐出口４７が開口している。吐出口４７は、ハウジング内のガス流路４９と連通している。また、ハウジング内のガス流路４９の他端部は、上部室２３、ガス流路Ｌ１、蓄冷器１７等を介して膨張空間２１に接続されている。

一方、ロータバルブ４２は、長円状溝５１及び円弧状孔５３を有している。

長円状溝５１は、ロータ側摺動面５０にその中心から径方向に延在するよう形成されている。また円弧状孔５３は、ロータバルブ４２のロータ側摺動面５０から反対側端面５２まで貫通し、気密容器４と接続している。この円弧状孔５３は、ステータバルブ４１の円弧状溝４６と同一円周上に位置するよう形成されている。

上記した冷媒ガス供給孔４４、長円状溝５１、円弧状溝４６、及び開口部４８により供給弁が構成される。また、開口部４８、円弧状溝４６、及び円弧状孔５３により排気弁が構成される。本実施の形態では、長円状溝５１、円弧状溝４６などのバルブの内部に存在する空間をまとめてバルブ内部空間と呼ぶことがある。

上記構成とされたＧＭ冷凍機１０において、モータ３１の回転駆動力が駆動回転軸３１ａを介してスコッチヨーク機構３２に伝達されてスコッチヨーク機構３２が駆動されると、スコッチヨーク３４はＺ１、Ｚ２方向に往復移動する。このスコッチヨーク３４の動作により、第１段目ディスプレーサ１３および第２段目ディスプレーサ１４は、第１段目シリンダ１１および第２段目シリンダ１２内を下死点ＬＰと上死点ＵＰとの間で往復移動する。

第１段目ディスプレーサ１３および第２段目ディスプレーサ１４が下死点ＬＰに達する際に、排気弁が閉じると共に供給弁が開く。即ち、冷媒ガス供給孔４４、長円状溝５１、円弧状溝４６、及びガス流路４９との間に冷媒ガス流路が形成される。

よって高圧の冷媒ガスは、圧縮機１から上部室２３に充填され始める。その後、第１段目ディスプレーサ１３および第２段目ディスプレーサ１４は下死点ＬＰを過ぎて上昇を始め、冷媒ガスは蓄冷器１７、１８を上から下に通過し、各膨張空間２１、２２に充填されてゆく。

そして、第１段目ディスプレーサ１３および第２段目ディスプレーサ１４が上死点ＵＰに達する際に、供給弁は閉じると共に排気弁が開弁する。即ち、ガス流路４９、円弧状溝４６、及び円弧状孔５３との間に冷媒ガス流路が形成される。

これにより、高圧の冷媒ガスは各膨張空間２１、２２内で膨脹することによって寒冷を発生させ、各冷却ステージ１９、２０を冷却する。また、寒冷を発生させた低温の冷媒ガスは、蓄冷器１７、１８内の蓄冷材を冷却しながら下から上に流れ、その後に圧縮機１の低圧配管１ａに還流する。

その後、第１段目ディスプレーサ１３および第２段目ディスプレーサ１４が下死点ＬＰに達する際に、排気弁が閉じると共に供給弁が開いて１サイクルを終了する。このようにして、冷媒ガスの圧縮、膨張のサイクルを繰り返すことによって、ＧＭ冷凍機１０の各冷却ステージ１９、２０は極低温に冷却される。ＧＭ冷凍機１０の各冷却ステージ１９、２０は、膨張空間２１、２２内の冷媒ガスを膨張させることにより発生した寒冷を、第１段目シリンダ１１および第２段目シリンダ１２の外部に伝導する。

以上説明したように、実施の形態に係るＧＭ冷凍機１０においては、モータ３１等の駆動装置の駆動力を第１段目ディスプレーサ１３および第２段目ディスプレーサ１４の往復移動に変換することで寒冷を発生させる。これにより、第２段目冷却ステージ２０の温度はおよそ４Ｋの極低温となる。

実施の形態に係るＧＭ冷凍機１０の冷却対象物の一例として、超伝導コイルがある。超伝導コイルは一般に強い磁場を発生させるために用いられる。このため、ＧＭ冷凍機１０を超伝導コイルの冷却用に使用すると、モータ３１も超伝導コイルが発生する磁場にさらされることになる。この磁場の影響により、モータ３１の出力トルクが低下することが起こりうる。この結果、モータ３１の出力トルクが第１段目ディスプレーサ１３および第２段目ディスプレーサ１４を往復移動させるために必要なトルクを下回ると、ＧＭ冷凍機１０が正常に運転できなくなるかもしれない。

超伝導コイルが発生する外部磁場からモータ３１が受ける影響を軽減するために、第２段目冷却ステージ２０に伝熱部材を取り付けてＧＭ冷凍機１０を延長し、モータ３１と超伝導コイルとの距離を長くすることもある。しかしながら、伝熱部材を長くすることによって第２段目冷却ステージ２０と超伝導コイルとの間の伝熱距離が長くなり、それに応じて損失が増加してしまう。このため、伝熱部材を長くする方法には限界がある。また、ＧＭ冷凍機１０の全高も高くなり、設置に支障を来しかねない。

これらの問題を解決するために、実施の形態に係るＧＭ冷凍機１０においては、モータ３１を収容するモータ収容部５と、ロータリーバルブ４０やスコッチヨーク機構３２を収容するハウジング３とを分離し、両者が離れるように構成されている。そのため、モータ収容部５とハウジング３とを近接させて両者を一体として構成する場合と比較して、駆動回転軸３１ａの全長は長くなる。

駆動回転軸３１ａはモータ３１の回転運動をスコッチヨーク機構３２に伝達する部材であるため、保護のために容器に収容されてもよい。この容器はハウジング３内の気密容器４と隣接している。このため、ハウジング３内の気密容器４の気密性を保つために、モータ３１を収容する容器も気密性を持っている。以下本明細書において、気密容器４を「第１気密容器４」ということもある。また、駆動回転軸３１ａを収容する気密性の容器を「第２気密容器６」という。第１気密容器４の気密性を保つために、第１気密容器４と第２気密容器６との間には第１シール部材６４ａが設けられている。第１シール部材６４ａは、駆動回転軸３１ａの軸方向から見て第３駆動回転軸受６０ｃの外側（駆動回転軸３１ａの径方向に関して第３駆動回転軸受６０ｃよりも駆動回転軸３１ａから遠い位置）に配置され、第１気密容器４と第２気密容器６との間を封止する。すなわち、第１シール部材６４ａは第３駆動回転軸受６０ｃよりも径が大きい。

また、第２気密容器６とモータ収容部との間には、第２シール部材６４ｂが設けられている。第２シール部材６４ｂは、駆動回転軸３１ａの軸方向から見て第２駆動回転軸受６０ｂよりも外側（駆動回転軸３１ａの径方向に関して第２駆動回転軸受６０ｂよりも駆動回転軸３１ａから遠い位置）に配置され、第２気密容器６とモータ収容部５との間を封止する。すなわち、第２シール部材６４ｂは第２駆動回転軸受６０ｂよりも径が大きい。第１シール部材６４ａと第２シール部材６４ｂとにより、確実に気密容器４の気密性を保つことができる。

モータ収容部５とハウジング３とを近接させて両者を一体として構成する場合と比較して、駆動回転軸３１ａの全長は長くなる。このため、図１に示すように、駆動回転軸３１ａは、例えば、第２駆動回転軸受６０ｂや第３駆動回転軸受６０ｃ等により、その長手方向に複数の場所で回転自在に支持されている。そして、第２気密容器６とモータ収容部５との間には第２シール部材６４ｂが設けられており、第２気密容器６の気密性が保たれている。第２シール部材６４ｂは、２気密容器６とモータ収容部５との間を封止する。第２気密容器６は、モータ収容部５を第１気密容器４から隔てるように、モータ収容部５と第１気密容器４とを接続する。

このように、モータ収容部５とハウジング３とを分離して両者が離れるように構成することにより、モータ３１と第２段目冷却ステージ２０との間の距離が長くなり、超伝導コイルが発生する磁場によるモータ３１の影響を低減することができる。また、モータ収容部５とハウジング３とを分離して両者が離れるように構成することによって、モータ収容部５とハウジング３とを近接させて両者を一体として構成する場合とは異なり、モータ収容部５を構成する壁面のうち駆動回転軸３１ａが貫通する側壁５ａが出現する。

実施の形態に係るモータ収容部５は、モータ３１の全面を覆うように、側壁、頂壁、および底壁を有する略直方体形状となっている。そして、モータ収容部５を構成する壁面には磁気シールド部材が備えられている。特に、超伝導コイルが設置される第２段目冷却ステージ２０を向く面である側壁５ａと底壁５ｂとに磁気シールド部材を備えることができるため、超伝導コイルが発生する磁場からモータ３１が受ける影響を効果的に低減することができる。さらに、頂壁等他の壁面にも磁気シールド部材を備えることで、超伝導コイルが発生する磁場からモータ３１が受ける影響をより効果的に低減できる。

図４（ａ）−（ｂ）は、実施の形態に係るＧＭ冷凍機１０を用いて冷却対象の超伝導コイル７０を冷却するときの配置を示す図である。図４（ａ）は、ＧＭ冷凍機１０の上方向から見た場合の配置を示す図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）におけるＢ−Ｂ断面図を示す。

図４（ａ）に示すように超伝導コイル７０は円環状のコイルであり、図示しない真空容器内に配置される。超伝導コイル７０は、超伝導コイル７０の軸方向の一端には冷却部材７２が設けられており、４つのＧＭ冷凍機１０によって冷却される。

より具体的には、４つのＧＭ冷凍機１０におけるそれぞれの第２段目冷却ステージ２０には伝熱ロッド７４が接続されており、ＧＭ冷凍機１０が発生した寒冷は伝熱ロッド７４を介して冷却部材７２に伝達される。ＧＭ冷凍機１０および伝熱ロッド７４は、例えば、冷却部材７２の周方向に４等配に設けられる。なお、伝熱ロッド７４は必須の構成ではなく、第２段目冷却ステージ２０を直接冷却部材７２と接触するようにしてもよい。

図４に示すように、実施の形態に係るＧＭ冷凍機１０は、冷却対象の超伝導コイル７０の軸方向と第１段目シリンダ１１および第２段目シリンダ１２の軸方向とが平行となるように、冷却部材７２に設置される。さらに、モータ３１とスコッチヨーク機構３２とを接続する駆動回転軸３１ａは、超伝導コイル７０の半径方向を向くように設置される。上述したように、実施の形態に係るＧＭ冷凍機１０は、モータ収容部５とハウジング３とが分離されており、駆動回転軸３１ａの長さは、モータ収容部５とハウジング３とが一体に構成される場合における駆動回転軸の長さと比較して長い。この結果、モータ収容部５とハウジング３とが一体に構成される場合と比較して、モータ３１を収容するモータ収容部５と超伝導コイル７０との間の距離が長くなる。また、モータ３１を収容するモータ収容部５は、円環状のコイルである超伝導コイル７０に対して、半径方向の外側に配置されることになる。これにより、超伝導コイルが発生する磁場からモータ３１が受ける影響を低減することができる。

以上説明したように、実施の形態に係るＧＭ冷凍機１０によれば、ＧＭ冷凍機１０が備えるモータ３１が受ける外部磁場の影響を低減することができる。

特に、超伝導コイル７０とＧＭ冷凍機１０との間に長い伝熱ロッドを挿入することで外部磁場の影響を低減する場合と比較すると、実施の形態に係るＧＭ冷凍機１０は全高を変えずにモータ３１が受ける外部磁場の影響を低減することができる。ＧＭ冷凍機１０がコンパクトになるため、ＧＭ冷凍機１０の設置の自由度を向上することができる。伝熱ロッド７４を省略したり、短くしたりすることができるため、ＧＭ冷凍機１０の伝熱効率を維持しつつ、モータ３１が受ける外部磁場の影響を低減することができる。

さらに、モータ３１を収容するモータ収容部５と、スコッチヨーク機構３２等を収容するハウジング３とを分離することにより、モータ収容部５を構成する壁面のうち、モータ３１の動力をスコッチヨーク機構３２に伝達する駆動回転軸３１ａが貫通する箇所以外の部分を磁気シールド部材で覆うことができる。これにより、モータ３１が受ける外部磁場の影響を効率よく低減することができる。

以上、実施の形態に基づき本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示すにすぎない。また、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可能である。例えば、第２気密容器６に代えて、第３駆動回転軸受６０ｃに気密性を保つ軸受を用いることで、第１気密容器の気密性を保つ構成にしてもよい。

（第１の変形例）
図５は、実施の形態の変形例に係るＧＭ冷凍機１０の断面図である。変形例に係るＧＭ冷凍機１０も、図１に示すＧＭ冷凍機１０と同様に、駆動回転軸３１ａは、モータ３１の出力側の端部における第２駆動回転軸受６０ｂと、スコッチヨーク機構３２と接続する側の端部における第３駆動回転軸受６０ｃとの少なくとも２箇所において支持される。これは、変形例に係るＧＭ冷凍機１０も、図１に示すＧＭ冷凍機１０と同様に、長めの駆動回転軸３１ａが用いられているからである。これにより、モータ３１と第２段目冷却ステージ２０との距離が長くなり、モータ３１が受ける外部磁場の影響を低減することができる。

図５に示すように、変形例に係るＧＭ冷凍機１０は、図１に示すＧＭ冷凍機１０とは異なり、駆動回転軸３１ａを収容する第２気密容器６は存在しない。その代わり、変形例に係るＧＭ冷凍機１０は、第１気密容器４が拡張されてモータ３１を収容する領域と接続しており、駆動回転軸３１ａは第１気密容器４に収容される。図１に示すＧＭ冷凍機１０と比較して、第１シール部材６４ａや第２シール部材６４ｂ等を用いずに第１気密容器４の気密性を保つことができる点で効果がある。また、モータ収容部５、第２気密容器６、およびハウジング３が分離しておらず一体の構成となっているため、ＧＭ冷凍機１０の強度を向上することができる。

（第２の変形例）
上記では、モータ３１とスコッチヨーク機構３２とを接続する駆動回転軸３１ａを長くすることで、モータ３１と第２段目冷却ステージ２０との距離を長くする場合について説明した。これに代えて、あるいはこれに加えて、ＧＭ冷凍機１０と冷却部材７２とを接続する伝熱ロッド７４を水平方向に延長してもよい。図示はしないが、例えば上述した図４（ｂ）において、伝熱ロッド７４を図４（ｂ）の横方向（超伝導コイルの半径方向）に延長することにより、ＧＭ冷凍機１０の全高が長くなることを抑えつつ、モータ３１と第２段目冷却ステージ２０との距離を長くすることができる。伝熱ロッド７４を延長することで伝熱距離が伸び冷却効率は悪化するかもしれないが、モータ収容部５とハウジング３とを近接させて両者を一体として構成する従来型のＧＭ冷凍機１０を流用できるため、コストの点で有利である。

１圧縮機、１ａ低圧配管、１ｂ高圧配管、２シリンダ、３ハウジング、４第１気密容器、５モータ収容部、６第２気密容器、１０ＧＭ冷凍機、１１第１段目シリンダ、１２第２段目シリンダ、１３第１段目ディスプレーサ、１４第２段目ディスプレーサ、１７蓄冷器、１９第１段目冷却ステージ、２０第２段目冷却ステージ、２１第１段目膨張空間、２２第２段目膨張室、２３上部室、３０駆動装置、３１モータ、３１ａ駆動回転軸、３２スコッチヨーク機構、３３クランク、３３ｂクランクピン、３４スコッチヨーク、３５ヨーク板、３５ａ横長窓、３６駆動軸、３７ころ軸受、３８ａ，３８ｂ摺動軸受、４０ロータリーバルブ、４１ステータバルブ、４２ロータバルブ、４３固定ピン、４４冷媒ガス供給孔、４５ステータ側摺動面、４６円弧状溝、４７吐出口、４８開口部、４９ガス流路、５０ロータ側摺動面、５１長円状溝、５２反対側端面、５３円弧状孔、６０ａ第１駆動回転軸受、６０ｂ第２駆動回転軸受、６０ｃ第３駆動回転軸受、６２ロータバルブ軸受、６４ａ第１シール部材，６４ｂ第２シール部材、７０超伝導コイル、７２冷却部材、７４伝熱ロッド。

Claims

超伝導コイルの冷却に適する極低温冷凍機であって、
モータと、
前記モータに連結されている駆動回転軸と、
前記駆動回転軸の回転を往復運動に変換するスコッチヨーク機構と、を備え、
前記駆動回転軸は、その長手方向に複数の場所で回転自在に支持されており、前記複数の場所は、前記モータに接続される前記駆動回転軸の一端部と、前記スコッチヨーク機構に接続される前記駆動回転軸の他端部と、を含み、
前記スコッチヨーク機構を収容して前記超伝導コイルの冷却に用いる冷媒ガスを受け入れるよう構成されている第１気密容器と、
前記駆動回転軸を収容する第２気密容器とをさらに備え、
前記第２気密容器は、前記モータを収容するモータ収容部を前記第１気密容器から隔てるように、前記モータ収容部と前記第１気密容器とを接続することを特徴とする極低温冷凍機。
超伝導コイルの冷却に適する極低温冷凍機であって、
モータと、
前記モータに連結されている駆動回転軸と、
前記駆動回転軸の回転を往復運動に変換するスコッチヨーク機構と、を備え、
前記駆動回転軸は、その長手方向に複数の場所で回転自在に支持されており、前記複数の場所は、前記モータに接続される前記駆動回転軸の一端部と、前記スコッチヨーク機構に接続される前記駆動回転軸の他端部と、を含み、
前記モータを収容するモータ収容部をさらに備え、
前記モータ収容部は、側壁と、頂壁と、底壁とを備え、
少なくとも前記底壁と前記駆動回転軸が貫通する側壁とは、それぞれ磁気シールド部材を備えることを特徴とする極低温冷凍機。
前記スコッチヨーク機構を収容して前記超伝導コイルの冷却に用いる冷媒ガスを受け入れるよう構成されている第１気密容器と、
前記駆動回転軸を収容する第２気密容器とをさらに備えることを特徴とする請求項２に記載の極低温冷凍機。
前記第２気密容器は、前記モータを収容するモータ収容部を前記第１気密容器から隔てるように、前記モータ収容部と前記第１気密容器とを接続することを特徴とする請求項３に記載の極低温冷凍機。
前記第１気密容器と前記第２気密容器との間を封止する第１シール部材と、
前記第２気密容器と前記モータを収容するモータ収容部との間を封止する第２シール部材とをさらに備えることを特徴とする請求項１、３または４に記載の極低温冷凍機。