JP6636356B2

JP6636356B2 - 極低温冷凍機

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Publication number: JP6636356B2
Application number: JP2016029022A
Authority: JP
Inventors: 名堯許; 孝明森江; 乾包
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2016-02-18
Filing date: 2016-02-18
Publication date: 2020-01-29
Anticipated expiration: 2036-02-18
Also published as: US20170241674A1; CN107091538A; JP2017146043A; US10371417B2; CN107091538B

Description

本発明は、極低温冷凍機、および極低温冷凍機のロータリバルブ機構に関する。

ギフォード・マクマホン（Gifford-McMahon；ＧＭ）冷凍機に代表される極低温冷凍機は、作動ガス（冷媒ガスともいう）の膨張機と圧縮機を有する。膨張機はたいてい、駆動手段によって軸方向に往復移動するディスプレーサとこれに内蔵された蓄冷器を有する。ディスプレーサは、その往復移動を案内するシリンダに収容されている。シリンダに対するディスプレーサの相対移動により両者の間に形成される可変容積が、作動ガスの膨張室として用いられる。膨張室の容積変化と圧力変化とを適切に同期させることによって、膨張機は寒冷を発生させることができる。

そのため、極低温冷凍機は、膨張室の圧力を制御するためのバルブ部を備える。バルブ部は、圧縮機から膨張機への高圧作動ガス供給と膨張機から圧縮機への低圧作動ガス回収とを交互に切り替えるよう構成されている。バルブ部には通例ロータリバルブ機構が用いられる。バルブ部は、パルス管冷凍機などその他の極低温冷凍機にも備えられている。

特開平９−２３６３４７号公報

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、極低温冷凍機のロータリバルブ機構における圧力損失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、圧縮機吐出口および圧縮機吸入口を備える作動ガスの圧縮機と、ガス膨張室と、前記圧縮機吸入口に連通される低圧ガス室と、を備える膨張機と、バルブ回転軸に垂直なステータ平面と、前記ステータ平面に開口され前記圧縮機吐出口に連通される高圧ガス流入口と、バルブ回転方向に互いに離れて位置するステータ凹部前縁線およびステータ凹部後縁線を前記ステータ平面上に定めるとともに前記ガス膨張室に連通されるステータ凹部と、を備え、前記低圧ガス室に配設されるバルブステータと、前記バルブ回転軸に垂直であり前記ステータ平面に面接触するロータ平面と、バルブ回転方向に互いに離れて位置するロータ凹部前縁線およびロータ凹部後縁線を前記ロータ平面上に定めるとともに前記高圧ガス流入口に連通されるロータ凹部と、を備え、前記バルブステータに対し前記バルブ回転軸まわりに回転するよう前記低圧ガス室に配設されるバルブロータと、を備える。前記ロータ凹部は、バルブ回転の第１位相で前記ロータ凹部前縁線が前記ステータ凹部前縁線を通過して前記ロータ凹部が前記ステータ凹部に流体的に連絡されかつバルブ回転の第２位相で前記ロータ凹部後縁線が前記ステータ凹部後縁線を通過して前記ロータ凹部が前記ステータ凹部から流体的に隔離されるよう前記バルブロータに形成されており、前記第１位相で前記ロータ凹部前縁線が前記ステータ凹部前縁線と重なり合うよう前記ロータ凹部前縁線の形状が前記ステータ凹部前縁線の形状に一致する。

本発明のある態様によると、極低温冷凍機のロータリバルブ機構は、バルブ回転軸に垂直なステータ平面と、バルブ回転方向に互いに離れて位置するステータ凹部前縁線およびステータ凹部後縁線を前記ステータ平面上に定めるとともに極低温冷凍機の作動ガス流路の一部であるステータ凹部と、を備えるバルブステータと、前記バルブ回転軸に垂直であり前記ステータ平面に面接触するロータ平面と、バルブ回転方向に互いに離れて位置するロータ凹部前縁線およびロータ凹部後縁線を前記ロータ平面上に定めるとともに極低温冷凍機の作動ガス流路の一部であるロータ凹部と、を備え、前記バルブステータに対し前記バルブ回転軸まわりに回転するよう配設されるバルブロータと、を備える。前記ロータ凹部は、バルブ回転の第１位相で前記ロータ凹部前縁線が前記ステータ凹部前縁線を通過して前記ロータ凹部が前記ステータ凹部に流体的に連絡されかつバルブ回転の第２位相で前記ロータ凹部後縁線が前記ステータ凹部後縁線を通過して前記ロータ凹部が前記ステータ凹部から流体的に隔離されるよう前記バルブロータに形成されており、前記第１位相で前記ロータ凹部前縁線が前記ステータ凹部前縁線と重なり合うよう前記ロータ凹部前縁線の形状が前記ステータ凹部前縁線の形状に一致する。

なお、本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、極低温冷凍機のロータリバルブ機構における圧力損失を低減することができる。

本発明のある実施形態に係る極低温冷凍機の全体構成を概略的に示す図である。本発明のある実施形態に係るバルブ部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、本発明のある実施形態に係るバルブロータおよびバルブステータを概略的に示す平面図である。本発明のある実施形態に係る極低温冷凍機の動作を例示する図である。図５（ａ）から図５（ｄ）は、本発明のある実施形態に係るバルブ部の動作を例示する図である。あるロータリバルブを概略的に示す。図７（ａ）および図７（ｂ）はそれぞれ、本発明の他の実施形態に係るバルブロータおよびバルブステータを概略的に示す平面図である。図８（ａ）から図８（ｄ）は、本発明の他の実施形態に係るバルブ部の動作を例示する図である。

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。なお、説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。また、以下に述べる構成は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。

図１は、本発明のある実施形態に係る極低温冷凍機１０を概略的に示す図である。極低温冷凍機１０は、作動ガスを圧縮する圧縮機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軸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は、蓄冷器１６を包囲するディスプレーサ部材２４ａを有する。ディスプレーサ部材２４ａ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が形成されている。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する。ディスプレーサ部材２４ａは、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、ディスプレーサ部材２４ａの外径よりわずかに大きい。

また、膨張機静止部分２２は、冷却ステージ３２を含む。冷却ステージ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。冷却ステージ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。その物体は冷却ステージ３２に取り付けられ、極低温冷凍機１０の動作時に冷却ステージ３２によって冷却される。

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。冷却ステージ３２は、シリンダ２８の低温部を外包するようにシリンダ２８に固着されている。

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却ステージ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、冷却ステージ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。

また、ロータリバルブ機構についても、軸方向、径方向、周方向との用語が使用される。この場合、軸方向は、ロータリバルブ機構の回転軸の方向を表す。ロータリバルブ回転軸方向は、膨張機軸方向に直交する。

膨張機１４における作動ガスの流路構成を説明する。膨張機１４は、バルブ部３４、ハウジングガス流路３６、上部ガス室３７、ディスプレーサ上蓋ガス流路３８、ディスプレーサ下蓋ガス流路３９、ガス膨張室４０、及び低圧ガス室４２を備える。高圧ガスは、第１管１８ａからバルブ部３４、ハウジングガス流路３６、上部ガス室３７、ディスプレーサ上蓋ガス流路３８、蓄冷器１６、ディスプレーサ下蓋ガス流路３９を経てガス膨張室４０に流入する。ガス膨張室４０からの戻りガスは、ディスプレーサ下蓋ガス流路３９、蓄冷器１６、ディスプレーサ上蓋ガス流路３８、上部ガス室３７、ハウジングガス流路３６、バルブ部３４を経て低圧ガス室４２に受け入れられる。

詳細は後述するが、バルブ部３４は、ディスプレーサ２４の往復移動と同期してガス膨張室４０の圧力を制御するよう構成されている。バルブ部３４は、高圧ガスをガス膨張室４０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、低圧ガスをガス膨張室４０から排出するための排出路の一部として機能する。バルブ部３４は、ディスプレーサ２４が下死点またはその近傍を通過するとき低圧ガスの排出を終了し高圧ガスの供給を開始するよう構成されている。バルブ部３４は、ディスプレーサ２４が上死点またはその近傍を通過するとき高圧ガスの供給を終了し低圧ガスの排出を開始するよう構成されている。このように、バルブ部３４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るよう構成されている。

ハウジングガス流路３６は、膨張機静止部分２２と上部ガス室３７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。

上部ガス室３７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、上部ガス室３７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。上部ガス室３７は、低圧ガス室４２に隣接する。上部ガス室３７は室温室とも呼ばれる。上部ガス室３７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３８は、蓄冷器高温部１６ａを上部ガス室３７に連通するよう形成されたディスプレーサ部材２４ａ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３９は、蓄冷器低温部１６ｂをガス膨張室４０に連通するよう形成されたディスプレーサ部材２４ａ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４４が、ディスプレーサ部材２４ａの側面に設けられている。シール部４４は、ディスプレーサ上蓋ガス流路３８を周方向に囲むようディスプレーサ部材２４ａに取り付けられていてもよい。

ガス膨張室４０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。ガス膨張室４０は上部ガス室３７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ガス膨張室４０の容積は上部ガス室３７の容積と相補的に変動する。シール部４４が設けられているので、上部ガス室３７とガス膨張室４０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。

低圧ガス室４２は、駆動機構ハウジング３０の内部に画定されている。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４２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４２は常に低圧に維持される。

ディスプレーサ駆動軸２６は、ディスプレーサ２４から上部ガス室３７を貫通して低圧ガス室４２へと突き出している。膨張機静止部分２２は、ディスプレーサ駆動軸２６を軸方向に移動可能に支持する一対の駆動軸ガイド４６ａ、４６ｂを備える。駆動軸ガイド４６ａ、４６ｂはそれぞれ、ディスプレーサ駆動軸２６を囲むように駆動機構ハウジング３０に設けられている。軸方向下側の駆動軸ガイド４６ｂまたは駆動機構ハウジング３０の下端部は気密に構成されており、そのため低圧ガス室４２は上部ガス室３７から隔離されている。低圧ガス室４２と上部ガス室３７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を駆動する駆動機構４８を備える。駆動機構４８は、低圧ガス室４２に収容されており、モータ４８ａ及びスコッチヨーク機構４８ｂを含む。ディスプレーサ駆動軸２６はスコッチヨーク機構４８ｂの一部を形成する。また、スコッチヨーク機構４８ｂは、モータ４８ａの出力軸と平行に延在するとともに当該出力軸から偏心したクランクピン４９を備える。ディスプレーサ駆動軸２６はスコッチヨーク機構４８ｂによって軸方向に駆動されるようスコッチヨーク機構４８ｂに連結されている。したがって、モータ４８ａの回転によりディスプレーサ２４の軸方向往復移動が駆動される。駆動軸ガイド４６ａ、４６ｂは、スコッチヨーク機構４８ｂを挟んで軸方向に異なる位置にある。

バルブ部３４は、駆動機構４８に連結され、駆動機構ハウジング３０に収容されている。バルブ部３４は、ロータリバルブの形式をとる。バルブ部３４は、ロータバルブ樹脂部材（以下、単にバルブロータともいう）３４ａ及びステータバルブ金属部材（以下、単にバルブステータともいう）３４ｂを備える。つまり、バルブロータ３４ａは樹脂材料（例えば、エンジニアリングプラスチック材料、フッ素樹脂材料）で形成され、バルブステータ３４ｂは、金属（例えばアルミ材または鉄材）で形成されている。なお逆に、バルブロータ３４ａが金属で形成され、バルブステータ３４ｂが樹脂で形成されてもよい。バルブロータ３４ａおよびバルブステータ３４ｂはそれぞれ、バルブディスクおよびバルブ本体と呼ばれることもある。

バルブロータ３４ａおよびバルブステータ３４ｂはともに、低圧ガス室４２に配設されている。バルブロータ３４ａは、モータ４８ａの回転により回転するようモータ４８ａの出力軸に連結されている。バルブロータ３４ａは、バルブステータ３４ｂに対し回転摺動するようバルブステータ３４ｂと面接触している。バルブステータ３４ｂは、駆動機構ハウジング３０に固定されている。バルブステータ３４ｂ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２は、本発明のある実施形態に係るバルブ部３４の要部を概略的に示す分解斜視図である。図２に示す一点鎖線は、バルブ回転軸Ｙを表す。また、図３（ａ）および図３（ｂ）はそれぞれ、本発明のある実施形態に係るバルブロータ３４ａおよびバルブステータ３４ｂを概略的に示す平面図である。

バルブステータ３４ｂはバルブ回転軸Ｙに垂直なステータ平面５０を有し、バルブロータ３４ａは同じくバルブ回転軸Ｙに垂直なロータ平面５２を有する。バルブロータ３４ａがバルブステータ３４ｂに対し回転するとき、ロータ平面５２はステータ平面５０に対し回転摺動する。ステータ平面５０とロータ平面５２が面接触することにより、冷媒ガスの漏れが防止される。

バルブステータ３４ｂは、駆動機構ハウジング３０内にバルブステータ固定ピン５４で固定される。バルブステータ固定ピン５４は、バルブステータ３４ｂのステータ平面５０と回転軸方向反対側に位置するバルブステータ端面５１に係合し、バルブステータ３４ｂの回転を規制する。

バルブロータ３４ａは、図１に示すロータ軸受５６により回転可能に支持されている。バルブロータ３４ａのロータ平面５２と回転軸方向反対側に位置するバルブロータ端面５８には、クランクピン４９と係合する係合穴（図示せず）が形成されている。モータ４８ａがクランクピン４９を回転させることにより、バルブロータ３４ａはスコッチヨーク機構４８ｂと同期して回転する。また、バルブロータ３４ａは、ロータ平面５２をバルブロータ端面５８に接続するロータ外周面６０を備える。ロータ外周面６０は、ロータ軸受５６に支持されるとともに、低圧ガス室４２に面している。

バルブステータ３４ｂは、高圧ガス流入口６２およびステータ凹部６４を有する。高圧ガス流入口６２は、ステータ平面５０の中心部に開口され、バルブステータ３４ｂの中心部を回転軸方向に貫通するよう形成されている。高圧ガス流入口６２は、バルブ回転軸Ｙを中心とする円形状の輪郭をステータ平面５０上に定める。高圧ガス流入口６２は、第１管１８ａを通じて圧縮機１２の吐出口１２ａに連通される。ステータ凹部６４は、ステータ平面５０において高圧ガス流入口６２に対し径方向外側に開口されている。ステータ凹部６４は、高圧ガス流入口６２を中心とした扇形状に形成されている。ステータ凹部６４の深さはバルブステータ３４ｂの回転軸方向長さより短く、ステータ凹部６４はバルブステータ３４ｂを貫通していない。

バルブステータ３４ｂは、ステータ凹部６４をハウジングガス流路３６につなぐようバルブステータ３４ｂに貫通形成されている連通路６６を有する。よってステータ凹部６４は、連通路６６およびハウジングガス流路３６を経て最終的にガス膨張室４０に連通される。連通路６６は一端がステータ凹部６４に開口され他端がバルブステータ３４ｂの側面に開口されている。連通路６６のステータ凹部６４側の部分は回転軸方向に延びており、これに対し直交するよう連通路６６のハウジングガス流路３６側の部分は径方向に延びている。

ステータ凹部６４は、ステータ平面５０上に扇形状のステータ凹部輪郭７２を定める。ステータ凹部輪郭７２は、ステータ凹部前縁線７２ａ、ステータ凹部後縁線７２ｂ、ステータ凹部内縁線７２ｃ、およびステータ凹部外縁線７２ｄを有する。ステータ凹部前縁線７２ａおよびステータ凹部後縁線７２ｂはバルブ回転方向Ｒに互いに離れて位置し、ステータ凹部内縁線７２ｃおよびステータ凹部外縁線７２ｄはバルブ径方向に互いに離れて位置する。ステータ凹部内縁線７２ｃはステータ凹部前縁線７２ａの一端をステータ凹部後縁線７２ｂの一端に接続し、ステータ凹部外縁線７２ｄはステータ凹部前縁線７２ａの他端をステータ凹部後縁線７２ｂの他端に接続する。

ステータ凹部前縁線７２ａおよびステータ凹部後縁線７２ｂはそれぞれ直線である。ステータ凹部前縁線７２ａおよびステータ凹部後縁線７２ｂはそれぞれ、バルブ回転軸Ｙを中心とする第１半径および第２半径に沿ってステータ平面５０上に形成されている。第１半径と第２半径は、互いに異なる角度位置にある。

ステータ凹部内縁線７２ｃおよびステータ凹部外縁線７２ｄはそれぞれバルブ回転軸Ｙを中心とする円弧であり、同一の中心角を有する。ステータ凹部内縁線７２ｃは、ステータ凹部外縁線７２ｄに対し径方向内側に位置する。つまり、ステータ凹部内縁線７２ｃの半径は、ステータ凹部外縁線７２ｄの半径より小さい。また、ステータ凹部内縁線７２ｃの半径は、高圧ガス流入口６２の円形輪郭線の半径より大きい。

バルブロータ３４ａは、ロータ凹部６８および低圧ガス流出口７０を有する。ロータ平面５２は、ロータ凹部６８の周囲でステータ平面５０に面接触する。同様に、ロータ平面５２は、低圧ガス流出口７０の周囲でステータ平面５０に面接触する。

ロータ凹部６８は、ロータ平面５２に開口され、扇形状に形成されている。ロータ凹部６８は、ロータ平面５２の中心部から径方向外側にわたり延在する。ロータ凹部６８の深さはバルブロータ３４ａの回転軸方向長さより短く、ロータ凹部６８はバルブロータ３４ａを貫通していない。ロータ凹部６８はロータ平面５２上で高圧ガス流入口６２に対応する場所に位置しており、ロータ凹部６８は高圧ガス流入口６２に常時連通している。

ロータ凹部６８は、ロータ平面５２上にロータ凹部輪郭７４を定める。ロータ凹部輪郭７４は、ロータ凹部前縁線７４ａ、ロータ凹部後縁線７４ｂ、ロータ凹部内縁線７４ｃ、およびロータ凹部外縁線７４ｄを有する。ロータ凹部前縁線７４ａおよびロータ凹部後縁線７４ｂはバルブ回転方向Ｒに互いに離れて位置し、ロータ凹部内縁線７４ｃおよびロータ凹部外縁線７４ｄはバルブ径方向に互いに離れて位置する。ロータ凹部内縁線７４ｃはロータ凹部前縁線７４ａの一端をロータ凹部後縁線７４ｂの一端に接続し、ロータ凹部外縁線７４ｄはロータ凹部前縁線７４ａの他端をロータ凹部後縁線７４ｂの他端に接続する。

ロータ凹部前縁線７４ａおよびロータ凹部後縁線７４ｂはそれぞれ直線である。ロータ凹部前縁線７４ａおよびロータ凹部後縁線７４ｂはそれぞれ、バルブ回転軸Ｙを中心とする第１半径および第２半径に沿ってロータ平面５２上に形成されている。第１半径と第２半径は、互いに異なる角度位置にある。

ロータ凹部内縁線７４ｃおよびロータ凹部外縁線７４ｄはそれぞれバルブ回転軸Ｙを中心とする円弧である。ロータ凹部内縁線７４ｃの中心角は、バルブ回転軸Ｙに対しロータ凹部外縁線７４ｄの中心角と反対側にある。ロータ凹部内縁線７４ｃは、ロータ凹部外縁線７４ｄに対し径方向内側に位置しており、ロータ凹部内縁線７４ｃの半径は、ステータ凹部外縁線７２ｄの半径より小さい。ロータ凹部内縁線７４ｃの半径は、高圧ガス流入口６２の円形輪郭線の半径と等しく、ロータ凹部外縁線７４ｄの半径は、ステータ凹部外縁線７２ｄの半径と等しい。

ロータ凹部６８は、バルブロータ３４ａの回転の一周期の一部（例えば吸気工程）において高圧ガス流入口６２をステータ凹部６４に連通し、当該一周期の残部（例えば排気工程）において高圧ガス流入口６２をステータ凹部６４とは不通とするようバルブロータ３４ａに形成されている。ロータ凹部６８および高圧ガス流入口６２からなる二区域、または、ロータ凹部６８、高圧ガス流入口６２、およびステータ凹部６４からなる三区域は、互いに連通してバルブ部３４内に高圧領域（または高圧流路）を形成する。バルブロータ３４ａは、高圧領域を密封し低圧周囲環境（すなわち低圧ガス室４２）から隔離するようバルブステータ３４ｂに隣接配置されている。ロータ凹部６８は、バルブ部３４の高圧流路における流れ方向変更部または流路折り返し部として設けられている。このようにして、吸気工程Ａ１を定める吸気バルブＶ１（図４参照）がバルブ部３４に構成される。

低圧ガス流出口７０は、ロータ平面５２上でロータ凹部６８と径方向反対側に開口され、バルブロータ３４ａを回転軸方向に貫通するよう形成されている。低圧ガス流出口７０は、バルブロータ３４ａのロータ平面５２からバルブロータ端面５８まで貫通する。低圧ガス流出口７０は、低圧ガス室４２と連通する低圧流路を形成する。

低圧ガス流出口７０は、ロータ平面５２上に扇形状の流出口輪郭７６を定める。流出口輪郭７６は、流出口前縁線７６ａ、流出口後縁線７６ｂ、流出口内縁線７６ｃ、および流出口外縁線７６ｄを有する。流出口前縁線７６ａおよび流出口後縁線７６ｂはバルブ回転方向Ｒに互いに離れて位置し、流出口内縁線７６ｃおよび流出口外縁線７６ｄはバルブ径方向に互いに離れて位置する。流出口内縁線７６ｃは流出口前縁線７６ａの一端を流出口後縁線７６ｂの一端に接続し、流出口外縁線７６ｄは流出口前縁線７６ａの他端を流出口後縁線７６ｂの他端に接続する。流出口輪郭７６は、ステータ凹部輪郭７２とほぼ同じ形状を有する。

流出口前縁線７６ａおよび流出口後縁線７６ｂはそれぞれ直線である。流出口前縁線７６ａおよび流出口後縁線７６ｂはそれぞれ、バルブ回転軸Ｙを中心とする第３半径および第４半径に沿ってステータ平面５０上に形成されている。第３半径および第４半径はそれぞれ、第１半径および第２半径のほぼ反対側にある。よって、流出口前縁線７６ａはロータ凹部前縁線７４ａからほぼ１８０度離れており、流出口後縁線７６ｂはロータ凹部後縁線７４ｂからほぼ１８０度離れている。

流出口内縁線７６ｃおよび流出口外縁線７６ｄはそれぞれバルブ回転軸Ｙを中心とする円弧であり、同一の中心角を有する。流出口内縁線７６ｃは、流出口外縁線７６ｄに対し径方向内側に位置する。つまり、流出口内縁線７６ｃの半径は、流出口外縁線７６ｄの半径より小さい。流出口内縁線７６ｃの半径は、ステータ凹部内縁線７２ｃの半径と等しく、流出口外縁線７６ｄの半径は、ステータ凹部外縁線７２ｄの半径と等しい。

低圧ガス流出口７０は、高圧ガス流入口６２がステータ凹部６４から不通となる期間の少なくとも一部（例えば排気工程）においてステータ凹部６４を低圧ガス室４２に連通するようバルブロータ３４ａに形成されている。このようにして、排気工程Ａ２を定める排気バルブＶ２（図４参照）がバルブ部３４に構成される。

上記の構成をもつ極低温冷凍機１０の動作を説明する。図４は、本発明のある実施形態に係る極低温冷凍機１０の動作を例示する図である。図５（ａ）から図５（ｄ）は、本発明のある実施形態に係るバルブ部３４の動作を例示する図である。

図４には、極低温冷凍機１０の吸気工程Ａ１および排気工程Ａ２が例示されている。図４ではバルブ部３４の回転の一周期（ディスプレーサ２４の軸方向往復動の一周期でもある）を３６０度に対応づけて表している。０度は周期の開始時点にあたり、３６０度は周期の終了時点にあたる。９０度、１８０度、２７０度はそれぞれ、１／４周期、半周期、３／４周期にあたる。

吸気工程Ａ１は、バルブ回転の第１位相θ１から第２位相θ２の範囲であり、排気工程Ａ２は、バルブ回転の第３位相θ３から第４位相θ４の範囲である。吸気工程Ａ１は排気工程Ａ２と交互である。吸気工程Ａ１と排気工程Ａ２が互いに重ならないように、吸気工程Ａ１は排気工程Ａ２の開始直前に終了し、排気工程Ａ２は吸気工程Ａ１の開始直前に終了する。第１位相θ１においてディスプレーサ２４は下死点またはその近傍に位置し、第３位相θ３においてディスプレーサ２４は上死点またはその近傍に位置する。

図４においては、第１位相θ１は約０度であり、第２位相θ２は約１８０度である。第３位相θ３は約１８０度であり、第４位相θ４は約３６０度である。しかし、第１位相θ１、第２位相θ２、第３位相θ３、および第４位相θ４は、これに限られない。

ディスプレーサ２４がシリンダ２８の下死点またはその近傍の位置に移動するとき、バルブ部３４は、圧縮機１２の吐出口１２ａをガス膨張室４０に接続するよう切り替わる。極低温冷凍機１０の吸気工程Ａ１が開始される。高圧ガスが、バルブ部３４からハウジングガス流路３６、上部ガス室３７、ディスプレーサ上蓋ガス流路３８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３９を通じてガス膨張室４０に入る。ガスがガス膨張室４０に流入する間、ディスプレーサ２４はシリンダ２８の上死点に向けて移動する。それによりガス膨張室４０の容積が増加される。こうしてガス膨張室４０は高圧ガスで満たされる。

ディスプレーサ２４がシリンダ２８の上死点またはその近傍の位置に移動するとき、バルブ部３４は、圧縮機１２の吸入口１２ｂをガス膨張室４０に接続するよう切り替わる。吸気工程Ａ１は終了され排気工程Ａ２が開始される。高圧ガスはガス膨張室４０で膨張し冷却される。膨張したガスは、ガス膨張室４０からディスプレーサ下蓋ガス流路３９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３６、バルブ部３４、低圧ガス室４２を経て圧縮機１２に戻る。ガスがガス膨張室４０から流出する間、ディスプレーサ２４はシリンダ２８の下死点に向けて移動する。それによりガス膨張室４０の容積が減少され、ガス膨張室４０から低圧ガスが排出される。排気工程Ａ２が終了すると再び吸気工程Ａ１が開始される。

図５（ａ）、図５（ｂ）、図５（ｃ）、および図５（ｄ）はそれぞれ、第１位相θ１、第２位相θ２、第３位相θ３、および第４位相θ４におけるバルブロータ３４ａとバルブステータ３４ｂの相対位置を示す。バルブロータ３４ａはバルブステータ３４ｂに対しバルブ回転方向Ｒ（図において反時計回り）に回転する。バルブステータ３４ｂの高圧ガス流入口６２およびステータ凹部６４を実線で図示し、バルブロータ３４ａのロータ凹部６８および低圧ガス流出口７０を破線で図示する。

第１位相θ１でロータ凹部前縁線７４ａがステータ凹部前縁線７２ａを通過してロータ凹部６８がステータ凹部６４に流体的に連絡される。図５（ａ）には、通過直後の様子を示す。ロータ凹部前縁線７４ａの形状がステータ凹部前縁線７２ａの形状に一致しており、第１位相θ１でロータ凹部前縁線７４ａがステータ凹部前縁線７２ａと重なり合う。こうして、第１位相θ１で吸気バルブＶ１が開き吸気工程Ａ１が始まる。吸気工程Ａ１の間、低圧ガス流出口７０はステータ凹部６４から流体的に隔離されている。

第２位相θ２でロータ凹部後縁線７４ｂがステータ凹部後縁線７２ｂを通過してロータ凹部６８がステータ凹部６４から流体的に隔離される。図５（ｂ）には、通過直前の様子を示す。ロータ凹部後縁線７４ｂの形状がステータ凹部後縁線７２ｂの形状に一致しており、第２位相θ２でロータ凹部後縁線７４ｂがステータ凹部後縁線７２ｂと重なり合う。こうして、第２位相θ２で吸気バルブＶ１が閉じ吸気工程Ａ１が終わる。

第３位相θ３で流出口前縁線７６ａがステータ凹部前縁線７２ａを通過して低圧ガス流出口７０がステータ凹部６４に流体的に連絡される。図５（ｃ）には、通過直後の様子を示す。流出口前縁線７６ａの形状がステータ凹部前縁線７２ａの形状に一致しており、第３位相θ３で流出口前縁線７６ａがステータ凹部前縁線７２ａと重なり合う。こうして、第３位相θ３で排気バルブＶ２が開き排気工程Ａ２が始まる。排気工程Ａ２の間、ロータ凹部６８はステータ凹部６４から流体的に隔離されている。

第４位相θ４で流出口後縁線７６ｂがステータ凹部後縁線７２ｂを通過して低圧ガス流出口７０がステータ凹部６４から流体的に隔離される。図５（ｄ）には、通過直前の様子を示す。流出口後縁線７６ｂの形状がステータ凹部後縁線７２ｂの形状に一致しており、第４位相θ４で流出口後縁線７６ｂがステータ凹部後縁線７２ｂと重なり合う。こうして、第４位相θ４で排気バルブＶ２が閉じ排気工程Ａ２が終わる。

このようにして、吸気工程Ａ１においては、高圧ガス流入口６２からロータ凹部６８を通じてステータ凹部６４へと高圧ガスが流れる。高圧ガスは最終的にガス膨張室４０に流入する。一方、排気工程Ａ２においては、ガス膨張室４０からの低圧戻りガスがステータ凹部６４から低圧ガス流出口７０を通じて低圧ガス室４２へと流れる。

以上が極低温冷凍機１０における１回の冷却サイクルである。極低温冷凍機１０は冷却サイクルを繰り返すことで、冷却ステージ３２を所望の温度に冷却する。よって、極低温冷凍機１０は、冷却ステージ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。

図６は、あるロータリバルブ９０を概略的に示す。ロータリバルブ９０は、第１ステータ円形穴９１、第２ステータ円形穴９２、ロータ長円穴９３、およびロータ円形穴９４を有する。図６には吸気工程の開始時点を示す。図示されるように、ロータ長円穴９３が第２ステータ円形穴９２と一つの接触点９５でつながる。

このようにロータリバルブ９０の回転流路と静止流路とが一点で重なる場合、その重なり部分の流路断面積は極めて小さい。そのため、重なり部分において作動ガス流れの圧力損失が大きくなる。圧力損失の増加は、冷凍機の冷凍効率を低下させうる。

これに対して、バルブ部３４は、バルブロータ３４ａの流路とバルブステータ３４ｂの流路とがバルブ開閉時に直線で重なり合うよう構成されている。これにより、重なり部分の流路断面積を大きくすることができる。よって作動ガス流れの圧力損失が低減され、極低温冷凍機１０の冷凍性能を向上することができる。

バルブの開き始めは圧力差が大きいので、流路断面積の増加による圧力損失低減の効果が大きくなる。よって、好ましくは、バルブ部３４は、少なくとも吸気工程Ａ１が始まるときに、ロータ凹部６８とステータ凹部６４が線で重なり合うよう構成されていてもよい。また、バルブ部３４は、少なくとも排気工程Ａ２が始まるときに、低圧ガス流出口７０とステータ凹部６４が線で重なり合うよう構成されていてもよい。

図７（ａ）および図７（ｂ）はそれぞれ、本発明の他の実施形態に係るバルブロータ１３４ａおよびバルブステータ１３４ｂを概略的に示す平面図である。図８（ａ）から図８（ｄ）は、本発明の他の実施形態に係るバルブ部１３４の動作を例示する図である。

図１から図５を参照して述べた実施形態と異なる流路穴の形状も、以下に説明するように可能である。既述の実施形態と同様にして、バルブ部１３４に吸気バルブおよび排気バルブが構成される。

バルブステータ１３４ｂは、高圧ガス流入口１６２およびステータ凹部１６４を有する。高圧ガス流入口１６２は、バルブ回転軸Ｙを中心とする円形状の輪郭をステータ平面１５０上に定める。ステータ凹部１６４は、ステータ平面１５０において高圧ガス流入口１６２に対し径方向外側に扇形状に開口されている。

ステータ凹部１６４は、ステータ凹部前縁線１７２ａ、ステータ凹部後縁線１７２ｂ、ステータ凹部内縁線１７２ｃ、およびステータ凹部外縁線１７２ｄをステータ平面１５０上に有する。ステータ凹部前縁線１７２ａおよびステータ凹部後縁線１７２ｂはバルブ回転方向Ｒに互いに離れて位置し、ステータ凹部内縁線１７２ｃおよびステータ凹部外縁線１７２ｄはバルブ径方向に互いに離れて位置する。ステータ凹部内縁線１７２ｃはステータ凹部前縁線１７２ａの一端をステータ凹部後縁線１７２ｂの一端に接続し、ステータ凹部外縁線１７２ｄはステータ凹部前縁線１７２ａの他端をステータ凹部後縁線１７２ｂの他端に接続する。

ステータ凹部前縁線１７２ａおよびステータ凹部後縁線１７２ｂはそれぞれ直線である。ステータ凹部前縁線１７２ａおよびステータ凹部後縁線１７２ｂはそれぞれ、バルブ回転軸Ｙを中心とする第１半径および第２半径と交差する方向に沿ってステータ平面１５０上に形成されている。第１半径と第２半径は、互いに異なる角度位置にある。

ステータ凹部内縁線１７２ｃおよびステータ凹部外縁線１７２ｄはそれぞれバルブ回転軸Ｙを中心とする円弧状である。ステータ凹部外縁線１７２ｄの中心角がステータ凹部内縁線１７２ｃの中心角より大きい。ステータ凹部内縁線１７２ｃは、ステータ凹部外縁線１７２ｄに対し径方向内側に位置しており、ステータ凹部内縁線１７２ｃの半径は、ステータ凹部外縁線１７２ｄの半径より小さい。また、ステータ凹部内縁線１７２ｃの半径は、高圧ガス流入口１６２の円形輪郭線の半径より大きい。

バルブロータ１３４ａは、ロータ凹部１６８および低圧ガス流出口１７０を有する。ロータ平面１５２は、ロータ凹部１６８の周囲でステータ平面１５０に面接触する。同様に、ロータ平面１５２は、低圧ガス流出口１７０の周囲でステータ平面１５０に面接触する。

ロータ凹部１６８は、ロータ平面１５２に開口され、長円状に形成されている。ロータ凹部１６８は、ロータ平面１５２の中心部から径方向外側にわたり延在する。ロータ凹部１６８はロータ平面１５２上で高圧ガス流入口１６２に対応する場所に位置しており、ロータ凹部１６８は高圧ガス流入口１６２に常時連通している。

ロータ凹部１６８は、ロータ凹部前縁線１７４ａ、ロータ凹部後縁線１７４ｂ、ロータ凹部内縁線１７４ｃ、およびロータ凹部外縁線１７４ｄをロータ平面１５２上に有する。ロータ凹部前縁線１７４ａおよびロータ凹部後縁線１７４ｂはバルブ回転方向Ｒに互いに離れて位置し、ロータ凹部内縁線１７４ｃおよびロータ凹部外縁線１７４ｄはバルブ径方向に互いに離れて位置する。ロータ凹部内縁線１７４ｃはロータ凹部前縁線１７４ａの一端をロータ凹部後縁線１７４ｂの一端に接続し、ロータ凹部外縁線１７４ｄはロータ凹部前縁線１７４ａの他端をロータ凹部後縁線１７４ｂの他端に接続する。ロータ凹部１６８は、中心部に比べて径方向外側で幅広である。

ロータ凹部前縁線１７４ａおよびロータ凹部後縁線１７４ｂはそれぞれ直線である。ロータ凹部前縁線１７４ａおよびロータ凹部後縁線１７４ｂは、ロータ平面１５２の中心部から径方向外側に延びており、ロータ凹部前縁線１７４ａとロータ凹部後縁線１７４ｂとの間隔は中心部から径方向外側に向かって徐々に広がっている。ロータ凹部内縁線１７４ｃは半円状であり、ロータ凹部内縁線１７４ｃの半径は高圧ガス流入口１６２の円形輪郭線の半径と等しい。ロータ凹部外縁線１７４ｄは、ステータ凹部外縁線１７２ｄと同じ径方向位置でステータ凹部外縁線１７２ｄに沿って湾曲している。

低圧ガス流出口１７０は、流出口前縁線１７６ａ、流出口後縁線１７６ｂ、流出口内縁線１７６ｃ、および流出口外縁線１７６ｄをロータ平面１５２上に有する。流出口前縁線１７６ａおよび流出口後縁線１７６ｂはバルブ回転方向Ｒに互いに離れて位置し、流出口内縁線１７６ｃおよび流出口外縁線１７６ｄはバルブ径方向に互いに離れて位置する。流出口内縁線１７６ｃは流出口前縁線１７６ａの一端を流出口後縁線１７６ｂの一端に接続し、流出口外縁線１７６ｄは流出口前縁線１７６ａの他端を流出口後縁線１７６ｂの他端に接続する。

流出口前縁線１７６ａおよび流出口後縁線１７６ｂはそれぞれ直線である。流出口前縁線１７６ａおよび流出口後縁線１７６ｂはそれぞれ、バルブ回転軸Ｙを中心とする第３半径および第４半径に交差する方向に沿ってステータ平面１５０上に形成されている。第３半径および第４半径はそれぞれ、バルブ回転軸Ｙに対し第１半径および第２半径のほぼ反対側にある。

流出口内縁線１７６ｃおよび流出口外縁線１７６ｄはそれぞれバルブ回転軸Ｙを中心とする円弧状である。流出口内縁線１７６ｃの中心角が流出口外縁線１７６ｄの中心角より大きい。流出口内縁線１７６ｃは流出口外縁線１７６ｄに対し径方向内側に位置し、流出口内縁線１７６ｃの半径は流出口外縁線１７６ｄの半径より小さい。流出口内縁線１７６ｃの半径は、ステータ凹部内縁線１７２ｃの半径と等しく、流出口外縁線１７６ｄの半径は、ステータ凹部外縁線１７２ｄの半径と等しい。

図８（ａ）、図８（ｂ）、図８（ｃ）、および図８（ｄ）はそれぞれ、第１位相、第２位相、第３位相、および第４位相におけるバルブロータ１３４ａとバルブステータ１３４ｂの相対位置を示す。バルブロータ１３４ａはバルブステータ１３４ｂに対しバルブ回転方向Ｒ（図において反時計回り）に回転する。バルブステータ１３４ｂを実線で図示し、バルブロータ１３４ａを破線で図示する。

図８（ａ）に示されるように、第１位相でロータ凹部前縁線１７４ａがステータ凹部前縁線１７２ａを通過してロータ凹部１６８がステータ凹部１６４に流体的に連絡される。ロータ凹部前縁線１７４ａの形状がステータ凹部前縁線１７２ａの形状に一致しており、第１位相でロータ凹部前縁線１７４ａがステータ凹部前縁線１７２ａと重なり合う。こうして、第１位相で吸気バルブが開き吸気工程が始まる。吸気工程の間、低圧ガス流出口１７０はステータ凹部１６４から流体的に隔離されている。

図８（ｂ）に示されるように、第２位相でロータ凹部後縁線１７４ｂがステータ凹部後縁線１７２ｂを通過してロータ凹部１６８がステータ凹部１６４から流体的に隔離される。ロータ凹部後縁線１７４ｂの形状がステータ凹部後縁線１７２ｂの形状に一致しており、第２位相でロータ凹部後縁線１７４ｂがステータ凹部後縁線１７２ｂと重なり合う。こうして、第２位相で吸気バルブが閉じ吸気工程が終わる。

図８（ｃ）に示されるように、第３位相で流出口前縁線１７６ａがステータ凹部前縁線１７２ａを通過して低圧ガス流出口１７０がステータ凹部１６４に流体的に連絡される。流出口前縁線１７６ａの形状がステータ凹部前縁線１７２ａの形状に一致しており、第３位相で流出口前縁線１７６ａがステータ凹部前縁線１７２ａと重なり合う。こうして、第３位相で排気バルブが開き排気工程が始まる。排気工程の間、ロータ凹部１６８はステータ凹部１６４から流体的に隔離されている。

図８（ｄ）に示されるように、第４位相で流出口後縁線１７６ｂがステータ凹部後縁線１７２ｂを通過して低圧ガス流出口１７０がステータ凹部１６４から流体的に隔離される。流出口後縁線１７６ｂの形状がステータ凹部後縁線１７２ｂの形状に一致しており、第４位相で流出口後縁線１７６ｂがステータ凹部後縁線１７２ｂと重なり合う。こうして、第４位相で排気バルブが閉じ排気工程が終わる。

このようにして、吸気工程においては、高圧ガス流入口１６２からロータ凹部１６８を通じてステータ凹部１６４へと高圧ガスが流れる。高圧ガスは最終的にガス膨張室４０に流入する。一方、排気工程においては、ガス膨張室４０からの低圧戻りガスがステータ凹部１６４から低圧ガス流出口１７０を通じて低圧ガス室４２へと流れる。

バルブ部１３４は、バルブロータ１３４ａの流路とバルブステータ１３４ｂの流路とがバルブ開閉時に直線で重なり合うよう構成されている。これにより、重なり部分の流路断面積を大きくすることができるので、作動ガス流れの圧力損失が低減され極低温冷凍機１０の冷凍性能を向上することができる。

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。

上述の実施形態においては、バルブロータ３４ａ、１３４ａの流路とバルブステータ３４ｂ、１３４ｂの流路とがバルブ開閉時に直線で重なり合うようバルブ部３４、１３４が構成されている。しかし、ある実施形態においては、バルブ部は、バルブロータの流路とバルブステータの流路とがバルブ開閉時に曲線で重なり合うよう構成されていてもよい。曲線は、例えば円弧状の曲線であってもよい。

ロータ凹部前縁線およびステータ凹部前縁線がそれぞれ曲線であり、第１位相でロータ凹部前縁線がステータ凹部前縁線と重なり合うようロータ凹部前縁線の形状がステータ凹部前縁線の形状に一致してもよい。ロータ凹部後縁線およびステータ凹部後縁線がそれぞれ曲線であり、第２位相でロータ凹部後縁線がステータ凹部後縁線と重なり合うようロータ凹部後縁線の形状がステータ凹部後縁線の形状に一致してもよい。

流出口前縁線およびステータ凹部前縁線がそれぞれ曲線であり、第３位相で流出口前縁線がステータ凹部前縁線と重なり合うよう流出口前縁線の形状がステータ凹部前縁線の形状に一致してもよい。流出口後縁線およびステータ凹部後縁線がそれぞれ曲線であり、第４位相で流出口後縁線がステータ凹部後縁線と重なり合うよう流出口後縁線の形状がステータ凹部後縁線の形状に一致してもよい。

また、バルブ部における流路構成も種々可能である。上述の実施形態においては、ロータ凹部６８がバルブロータ３４ａを貫通せずバルブロータ３４ａ内に底面を有する。しかし、これに代えて、ロータ凹部は、バルブロータを貫通する貫通穴であってもよい。同様に、ステータ凹部は、バルブステータを貫通する貫通穴であってもよい。高圧ガス流入口は、バルブステータを貫通せずバルブステータ内に底面を有してもよい。低圧ガス流出口は、バルブロータを貫通せずバルブロータ内に底面を有してもよい。高圧ガス流入口がバルブロータに形成されてもよい。低圧ガス流出口がバルブステータに形成されてもよい。

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、実施の形態に係るバルブ構成は、二段式または多段式のＧＭ冷凍機、または、パルス管冷凍機などその他の極低温冷凍機に適用可能である。

１０極低温冷凍機、１２圧縮機、１２ａ吐出口、１２ｂ吸入口、１４膨張機、３４ａ，１３４ａバルブロータ、３４ｂ，１３４ｂバルブステータ、４０ガス膨張室、４２低圧ガス室、５０，１５０ステータ平面、５２，１５２ロータ平面、６２，１６２高圧ガス流入口、６４，１６４ステータ凹部、６８，１６８ロータ凹部、７０，１７０低圧ガス流出口、７２ａ，１７２ａステータ凹部前縁線、７２ｂ，１７２ｂステータ凹部後縁線、７４ａ，１７４ａロータ凹部前縁線、７４ｂ，１７４ｂロータ凹部後縁線、７６ａ，１７６ａ流出口前縁線、７６ｂ，１７６ｂ流出口後縁線。

Claims

圧縮機吐出口および圧縮機吸入口を備える作動ガスの圧縮機と、
ガス膨張室と、前記圧縮機吸入口に連通される低圧ガス室と、を備える膨張機と、
バルブ回転軸に垂直なステータ平面と、前記ステータ平面に開口され前記圧縮機吐出口に連通される高圧ガス流入口と、バルブ回転方向に互いに離れて位置するステータ凹部前縁線およびステータ凹部後縁線を前記ステータ平面上に定めるとともに前記ガス膨張室に連通されるステータ凹部と、を備え、前記低圧ガス室に配設されるバルブステータと、
前記バルブ回転軸に垂直であり前記ステータ平面に面接触するロータ平面と、バルブ回転方向に互いに離れて位置するロータ凹部前縁線およびロータ凹部後縁線を前記ロータ平面上に定めるとともに前記高圧ガス流入口に連通されるロータ凹部と、を備え、前記バルブステータに対し前記バルブ回転軸まわりに回転するよう前記低圧ガス室に配設されるバルブロータと、を備え、
前記ロータ凹部は、バルブ回転の第１位相で前記ロータ凹部前縁線が前記ステータ凹部前縁線を通過して前記ロータ凹部が前記ステータ凹部に流体的に連絡されかつバルブ回転の第２位相で前記ロータ凹部後縁線が前記ステータ凹部後縁線を通過して前記ロータ凹部が前記ステータ凹部から流体的に隔離されるよう前記バルブロータに形成されており、前記第１位相で前記ロータ凹部前縁線が前記ステータ凹部前縁線と重なり合うよう前記ロータ凹部前縁線の形状が前記ステータ凹部前縁線の形状に一致し、
前記ステータ凹部は、前記ステータ凹部前縁線の一端を前記ステータ凹部後縁線の一端に接続するステータ凹部内縁線と、前記ステータ凹部前縁線の他端を前記ステータ凹部後縁線の他端に接続するステータ凹部外縁線とを有し、
前記ステータ凹部前縁線および前記ステータ凹部後縁線はそれぞれ、前記バルブ回転軸を中心とする半径と交差する方向に沿って前記ステータ平面上に形成され、
前記バルブ回転軸を中心として前記ステータ凹部外縁線の中心角が前記ステータ凹部内縁線の中心角より大きいことを特徴とする極低温冷凍機。
前記ロータ凹部前縁線および前記ステータ凹部前縁線はそれぞれ直線であることを特徴とする請求項１に記載の極低温冷凍機。
前記第２位相で前記ロータ凹部後縁線が前記ステータ凹部後縁線と重なり合うよう前記ロータ凹部後縁線の形状が前記ステータ凹部後縁線の形状に一致することを特徴とする請求項１または２に記載の極低温冷凍機。
前記ロータ凹部後縁線および前記ステータ凹部後縁線はそれぞれ直線であることを特徴とする請求項３に記載の極低温冷凍機。
前記バルブロータは、バルブ回転方向に互いに離れて位置する流出口前縁線および流出口後縁線を前記ロータ平面上に定めるとともに前記低圧ガス室に連通される低圧ガス流出口を備え、
前記低圧ガス流出口は、バルブ回転の第３位相で前記流出口前縁線が前記ステータ凹部前縁線を通過して前記低圧ガス流出口が前記ステータ凹部に流体的に連絡されかつバルブ回転の第４位相で前記流出口後縁線が前記ステータ凹部後縁線を通過して前記低圧ガス流出口が前記ステータ凹部から流体的に隔離されるよう前記バルブロータに形成されており、前記第３位相で前記流出口前縁線が前記ステータ凹部前縁線と重なり合うよう前記流出口前縁線の形状が前記ステータ凹部前縁線の形状に一致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。
前記流出口前縁線および前記ステータ凹部前縁線はそれぞれ直線であることを特徴とする請求項５に記載の極低温冷凍機。
前記第４位相で前記流出口後縁線が前記ステータ凹部後縁線と重なり合うよう前記流出口後縁線の形状が前記ステータ凹部後縁線の形状に一致することを特徴とする請求項５または６に記載の極低温冷凍機。
前記流出口後縁線および前記ステータ凹部後縁線はそれぞれ直線であることを特徴とする請求項７に記載の極低温冷凍機。
前記低圧ガス流出口は、前記流出口前縁線の一端を前記流出口後縁線の一端に接続する流出口内縁線と、前記流出口前縁線の他端を前記流出口後縁線の他端に接続する流出口外縁線とを有し、前記バルブ回転軸を中心として前記流出口内縁線の中心角が前記流出口外縁線の中心角より大きいことを特徴とする請求項５から８のいずれかに記載の極低温冷凍機。
前記ロータ凹部は、前記バルブ回転軸が前記ロータ凹部を通るように前記ロータ平面の中心部から径方向外側に延在し、前記ロータ凹部前縁線と前記ロータ凹部後縁線との間隔が前記ロータ平面の中心部から径方向外側に向かって徐々に広がっていることを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載の極低温冷凍機。