JP6767289B2 - Ｇｍ冷凍機 - Google Patents

Description

本発明は、ＧＭ（ギフォード・マクマホン、Gifford-McMahon）冷凍機に関する。

ＧＭ冷凍機は、ディスプレーサの駆動源によってモータ駆動型とガス駆動型の２種類に大きく分けられる。モータ駆動型においては、ディスプレーサがモータに機械的に連結され、モータによって駆動される。ガス駆動型においては、ディスプレーサがガス圧によって駆動される。

特許第３４３９６５１号公報

モータ駆動型の場合は連結機構によってディスプレーサのストロークが定まるから、ディスプレーサがシリンダに衝突しないようにモータ駆動型のＧＭ冷凍機を設計することが容易である。たとえばディスプレーサの下死点とシリンダ底面の間に若干の隙間を設ければディスプレーサとシリンダの衝突は回避される。ところが典型的なガス駆動型ＧＭ冷凍機においては、シリンダ底面に衝突または接触するまでディスプレーサがガス圧の作用により動き続ける。シリンダとのディスプレーサの衝突または接触は、振動や異音の原因となりうる。

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、ガス駆動型ＧＭ冷凍機の振動または異音を低減することにある。

本発明のある態様によると、ＧＭ冷凍機は、圧縮機吐出口及び圧縮機吸入口を備える圧縮機と、軸方向に往復動可能なディスプレーサと、前記ディスプレーサを収容するディスプレーサシリンダと、前記ディスプレーサを軸方向に駆動するよう前記ディスプレーサに連結された駆動ピストンと、前記駆動ピストンを駆動する駆動室と、前記ディスプレーサシリンダを前記圧縮機吐出口及び前記圧縮機吸入口に交互に接続するよう構成された主圧力切替バルブと、前記駆動室を前記圧縮機吐出口及び前記圧縮機吸入口に交互に接続するよう構成された副圧力切替バルブと、前記副圧力切替バルブと前記圧縮機との間に接続されたバッファ容積と、を備える。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや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、ガス駆動型ＧＭ冷凍機の振動または異音を低減することができる。

第１実施形態に係るガス駆動型ＧＭ冷凍機を概略的に示す図である。 図１に示すＧＭ冷凍機のバルブタイミングを例示する図である。 図２に示されるバルブタイミングに従ってＧＭ冷凍機１０が動作するときに得られるＧＭ冷凍機１０の動作波形を一周期にわたって示す概略図である。 第２実施形態に係るガス駆動型ＧＭ冷凍機を概略的に示す図である。 図４に示すＧＭ冷凍機のバルブタイミング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。説明および図面において同一または同等の構成要素、部材、処理には同一の符号を付し、重複する説明は適宜省略する。図示される各部の縮尺や形状は、説明を容易にするために便宜的に設定されており、特に言及がない限り限定的に解釈されるものではない。実施の形態は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係るＧＭ冷凍機１０を示す概略図である。

ＧＭ冷凍機１０は、作動ガス（例えばヘリウムガス）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コールドヘッド１４と、を備える。圧縮機１２は、圧縮機吐出口１２ａ及び圧縮機吸入口１２ｂを有する。圧縮機吐出口１２ａ及び圧縮機吸入口１２ｂはそれぞれ、ＧＭ冷凍機１０の高圧源及び低圧源として機能する。コールドヘッド１４は膨張機とも呼ばれる。

詳しくは後述するように、圧縮機１２は、圧縮機吐出口１２ａからコールドヘッド１４に高圧（ＰＨ）の作動ガスを供給する。コールドヘッド１４には作動ガスを予冷する蓄冷器１５が備えられている。予冷された作動ガスは、コールドヘッド１４内での膨張によって更に冷却される。作動ガスは蓄冷器１５を通じて圧縮機吸入口１２ｂに回収される。作動ガスは蓄冷器１５を通るとき蓄冷器１５を冷却する。圧縮機１２は、回収した低圧（ＰＬ）の作動ガスを圧縮し、再びコールドヘッド１４に供給する。

図示されるコールドヘッド１４は単段式である。ただし、コールドヘッド１４は、多段式であってもよい。

コールドヘッド１４は、ガス駆動型である。よって、コールドヘッド１４は、ガス圧で駆動されるフリーピストンとしての軸方向可動体１６と、気密に構成され軸方向可動体１６を収容するコールドヘッドハウジング１８と、を備える。コールドヘッドハウジング１８は、軸方向可動体１６を軸方向に往復動可能に支持する。モータ駆動型のＧＭ冷凍機とは異なり、コールドヘッド１４は、軸方向可動体１６を駆動するモータおよび連結機構（例えばスコッチヨーク機構）を有しない。

軸方向可動体１６は、軸方向（図１において上下方向、矢印Ｃで示す）に往復動可能なディスプレーサ２０と、ディスプレーサ２０を軸方向に駆動するようディスプレーサ２０に連結された駆動ピストン２２と、を備える。駆動ピストン２２は、ディスプレーサ２０と同軸にかつ軸方向に離れて配設されている。

コールドヘッドハウジング１８は、ディスプレーサ２０を収容するディスプレーサシリンダ２６と、駆動ピストン２２を収容するピストンシリンダ２８と、を備える。ピストンシリンダ２８は、ディスプレーサシリンダ２６と同軸にかつ軸方向に隣接して配設されている。詳細は後述するが、ガス駆動型であるコールドヘッド１４の駆動部は、駆動ピストン２２とピストンシリンダ２８を含んで構成されている。

また軸方向可動体１６は、ディスプレーサ２０が駆動ピストン２２と一体に軸方向に往復動するようディスプレーサ２０を駆動ピストン２２に剛に連結する連結ロッド２４を備える。連結ロッド２４もまたディスプレーサ２０および駆動ピストン２２と同軸にディスプレーサ２０から駆動ピストン２２へと延びている。

駆動ピストン２２は、ディスプレーサ２０に比べて小さい寸法を有する。駆動ピストン２２の軸方向長さはディスプレーサ２０のそれより短く、駆動ピストン２２の径もディスプレーサ２０のそれより小さい。連結ロッド２４の径は駆動ピストン２２のそれより小さい。

ピストンシリンダ２８の容積はディスプレーサシリンダ２６のそれより小さい。ピストンシリンダ２８の軸方向長さはディスプレーサシリンダ２６のそれより短く、ピストンシリンダ２８の径もディスプレーサシリンダ２６のそれより小さい。

なお、駆動ピストン２２とディスプレーサ２０の寸法関係は上述のものに限られず、それと異なっていてもよい。同様に、ピストンシリンダ２８とディスプレーサシリンダ２６の寸法関係は上述のものに限られず、それと異なっていてもよい。例えば、駆動ピストン２２は、連結ロッド２４の先端部であってもよく、駆動ピストン２２の径は連結ロッド２４の径と等しくてもよい。

ディスプレーサ２０の軸方向往復動は、ディスプレーサシリンダ２６によって案内される。通例、ディスプレーサ２０およびディスプレーサシリンダ２６はそれぞれ軸方向に延在する円筒状の部材であり、ディスプレーサシリンダ２６の内径はディスプレーサ２０の外径に一致するか又はわずかに大きい。同様に、駆動ピストン２２の軸方向往復動は、ピストンシリンダ２８によって案内される。通例、駆動ピストン２２およびピストンシリンダ２８はそれぞれ軸方向に延在する円筒状の部材であり、ピストンシリンダ２８の内径は駆動ピストン２２の外径に一致するか又はわずかに大きい。

ディスプレーサ２０と駆動ピストン２２は連結ロッド２４によって剛に連結されているので、駆動ピストン２２の軸方向ストロークはディスプレーサ２０の軸方向ストロークと等しく、両者はストローク全体にわたって一体に移動する。ディスプレーサ２０に対する駆動ピストン２２の位置は軸方向可動体１６の軸方向往復動の間、不変である。

また、コールドヘッドハウジング１８は、ディスプレーサシリンダ２６をピストンシリンダ２８に接続する連結ロッドガイド３０を備える。連結ロッドガイド３０はディスプレーサシリンダ２６およびピストンシリンダ２８と同軸にディスプレーサシリンダ２６からピストンシリンダ２８へと延びている。連結ロッドガイド３０には連結ロッド２４が貫通している。連結ロッドガイド３０は連結ロッド２４の軸方向往復動を案内する軸受として構成されている。

ディスプレーサシリンダ２６は、連結ロッドガイド３０を介してピストンシリンダ２８と気密に連結されている。こうして、コールドヘッドハウジング１８は、作動ガスの圧力容器として構成されている。なお連結ロッドガイド３０は、ディスプレーサシリンダ２６またはピストンシリンダ２８のいずれかの一部であるとみなされてもよい。

第１シール部３２が、連結ロッド２４と連結ロッドガイド３０の間に設けられている。第１シール部３２は、連結ロッド２４または連結ロッドガイド３０のいずれか一方に装着され、連結ロッド２４または連結ロッドガイド３０の他方と摺動する。第１シール部３２は例えば、スリッパーシールまたはＯリングなどのシール部材で構成される。第１シール部３２によって、ピストンシリンダ２８は、ディスプレーサシリンダ２６に対し気密に構成されている。こうして、ピストンシリンダ２８はディスプレーサシリンダ２６から流体的に隔離されており、ピストンシリンダ２８とディスプレーサシリンダ２６との直接のガス流通は生じない。

ディスプレーサシリンダ２６は、ディスプレーサ２０によって膨張室３４と室温室３６に仕切られている。ディスプレーサ２０は、軸方向一端にてディスプレーサシリンダ２６との間に膨張室３４を形成し、軸方向他端にてディスプレーサシリンダ２６との間に室温室３６を形成する。膨張室３４は下死点ＬＰ１側に配置され、室温室３６は上死点ＵＰ１側に配置されている。また、コールドヘッド１４には、膨張室３４を外包するようディスプレーサシリンダ２６に固着された冷却ステージ３８が設けられている。

蓄冷器１５はディスプレーサ２０に内蔵されている。ディスプレーサ２０はその上蓋部に、蓄冷器１５を室温室３６に連通する入口流路４０を有する。また、ディスプレーサ２０はその筒部に、蓄冷器１５を膨張室３４に連通する出口流路４２を有する。あるいは、出口流路４２は、ディスプレーサ２０の下蓋部に設けられていてもよい。加えて、蓄冷器１５は、上蓋部に内接する入口リテーナ４１と、下蓋部に内接する出口リテーナ４３と、を備える。蓄冷材は、たとえば銅製の金網でもよい。リテーナは蓄冷材よりも粗い金網でもよい。

第２シール部４４が、ディスプレーサ２０とディスプレーサシリンダ２６の間に設けられている。第２シール部４４は、例えばスリッパーシールであり、ディスプレーサ２０の筒部または上蓋部に装着されている。ディスプレーサ２０とディスプレーサシリンダ２６とのクリアランスが第２シール部４４によって封じられているので、室温室３６と膨張室３４との直接のガス流通（つまり蓄冷器１５を迂回するガス流れ）はない。

ディスプレーサ２０が軸方向に動くとき、膨張室３４および室温室３６は相補的に容積を増減させる。すなわち、ディスプレーサ２０が下動するとき、膨張室３４は狭くなり室温室３６は広くなる。逆も同様である。

作動ガスは、室温室３６から入口流路４０を通じて蓄冷器１５に流入する。より正確には、作動ガスは、入口流路４０から入口リテーナ４１を通って蓄冷器１５に流入する。作動ガスは、蓄冷器１５から出口リテーナ４３および出口流路４２を経由して膨張室３４に流入する。作動ガスが膨張室３４から室温室３６に戻るときは逆の経路を通る。つまり、作動ガスは、膨張室３４から、出口流路４２、蓄冷器１５、および入口流路４０を通って室温室３６に戻る。蓄冷器１５を迂回してクリアランスを流れようとする作動ガスは第２シール部４４によって遮断される。

ピストンシリンダ２８は、駆動ピストン２２を駆動するよう圧力が制御される駆動室４６と、駆動ピストン２２によって駆動室４６から仕切られたガスばね室４８と、を備える。駆動ピストン２２は、軸方向一端にてピストンシリンダ２８との間に駆動室４６を形成し、軸方向他端にてピストンシリンダ２８との間にガスばね室４８を形成する。駆動ピストン２２が軸方向に動くとき、駆動室４６およびガスばね室４８は相補的に容積を増減させる。

駆動室４６は、駆動ピストン２２に対しディスプレーサシリンダ２６と軸方向に反対側に配置されている。ガスばね室４８は、駆動ピストン２２に対しディスプレーサシリンダ２６と軸方向に同じ側に配置されている。言い換えれば、駆動室４６は上死点ＵＰ２側に配置され、ガスばね室４８は下死点ＬＰ２側に配置されている。駆動ピストン２２の上面は駆動室４６のガス圧を受け、駆動ピストン２２の下面はガスばね室４８のガス圧を受ける。

連結ロッド２４は、駆動ピストン２２の下面からガスばね室４８を通って連結ロッドガイド３０へと延びている。さらに、連結ロッド２４は、室温室３６を通ってディスプレーサ２０の上蓋部まで延びている。ガスばね室４８は、駆動ピストン２２に対し連結ロッド２４と同じ側に配置され、駆動室４６は、駆動ピストン２２に対し連結ロッド２４と反対側に配置されている。

駆動ピストン２２とピストンシリンダ２８とのクリアランスである第３シール部５０が、駆動ピストン２２とピストンシリンダ２８の間に設けられている。第３シール部５０は、駆動室４６とガスばね室４８のガス流通に対し流路抵抗として作用する。なお第３シール部５０は、このクリアランスを封じるよう駆動ピストン２２の側面に装着されたスリッパーシールなどのシール部材を有してもよい。その場合、ガスばね室４８は、第１シール部３２および第３シール部５０によって密封されることになる。

駆動ピストン２２が下動するときガスばね室４８は狭くなる。このときガスばね室４８のガスは圧縮され、圧力が高まる。ガスばね室４８の圧力は駆動ピストン２２の下面に上向きに作用する。よって、ガスばね室４８は、駆動ピストン２２の下動に抗するガスばね力を発生させる。逆に、駆動ピストン２２が上動するときガスばね室４８は広がる。ガスばね室４８の圧力は下がり、駆動ピストン２２に作用するガスばね力も小さくなる。

コールドヘッド１４は、使用される現場で図示の向きに設置される。すなわち、ディスプレーサシリンダ２６が鉛直方向下方に、ピストンシリンダ２８が鉛直方向上方に、それぞれ配置されるようにして、コールドヘッド１４は縦向きに設置される。このように、冷却ステージ３８を鉛直方向下方に向ける姿勢で設置されるときＧＭ冷凍機１０は冷凍能力が最も高くなる。ただし、ＧＭ冷凍機１０の配置はこれに限定されない。逆に、コールドヘッド１４は冷却ステージ３８を鉛直方向上方に向ける姿勢で設置されてもよい。あるいは、コールドヘッド１４は、横向きまたはその他の向きに設置されてもよい。

さらに、ＧＭ冷凍機１０は、圧縮機１２をコールドヘッド１４に接続する作動ガス回路５２を備える。作動ガス回路５２は、ピストンシリンダ２８（すなわち駆動室４６）とディスプレーサシリンダ２６（すなわち膨張室３４及び／または室温室３６）との間に圧力差を生成するよう構成されている。この圧力差によって軸方向可動体１６が軸方向に動く。ピストンシリンダ２８に対しディスプレーサシリンダ２６の圧力が低ければ、駆動ピストン２２が下動し、それに伴ってディスプレーサ２０も下動する。逆に、ピストンシリンダ２８に対しディスプレーサシリンダ２６の圧力が高ければ、駆動ピストン２２が上動し、それに伴ってディスプレーサ２０も上動する。

作動ガス回路５２は、バルブ部５４を備える。バルブ部５４は、コールドヘッドハウジング１８の中に配設され、圧縮機１２と配管で接続されていてもよい。バルブ部５４は、コールドヘッドハウジング１８の外に配設され、圧縮機１２およびコールドヘッド１４それぞれと配管で接続されていてもよい。

バルブ部５４は、主圧力切替バルブ６０と副圧力切替バルブ６２を備える。主圧力切替バルブ６０は、主吸気開閉バルブＶ１と主排気開閉バルブＶ２とを有する。副圧力切替バルブ６２は、副吸気開閉バルブＶ３と副排気開閉バルブＶ４とを有する。

主圧力切替バルブ６０は、圧縮機１２をコールドヘッド１４の室温室３６に接続する主吸排気流路６４に配設されている。主吸排気流路６４は主圧力切替バルブ６０にて主吸気路６４ａと主排気路６４ｂに分岐している。主吸気開閉バルブＶ１は、主吸気路６４ａに配設され、圧縮機吐出口１２ａを室温室３６に接続する。主排気開閉バルブＶ２は、主排気路６４ｂに配設され、圧縮機吸入口１２ｂを室温室３６に接続する。

主圧力切替バルブ６０は、圧縮機吐出口１２ａまたは圧縮機吸入口１２ｂをディスプレーサシリンダ２６の室温室３６に選択的に連通するよう構成されている。主圧力切替バルブ６０においては、主吸気開閉バルブＶ１および主排気開閉バルブＶ２がそれぞれ排他的に開放される。すなわち、主吸気開閉バルブＶ１および主排気開閉バルブＶ２が同時に開くことは禁止されている。主吸気開閉バルブＶ１が開いているとき主排気開閉バルブＶ２は閉じられる。圧縮機吐出口１２ａから主吸排気流路６４を通じてディスプレーサシリンダ２６に作動ガスが供給される。一方、主排気開閉バルブＶ２が開いているとき主吸気開閉バルブＶ１は閉じられる。ディスプレーサシリンダ２６から主吸排気流路６４を通じて圧縮機吸入口１２ｂに作動ガスが回収される。なお主吸気開閉バルブＶ１および主排気開閉バルブＶ２が一時的にともに閉じられてもよい。このようにして、ディスプレーサシリンダ２６は、圧縮機吐出口１２ａ及び圧縮機吸入口１２ｂと交互に接続される。

副圧力切替バルブ６２は、圧縮機１２をピストンシリンダ２８の駆動室４６に接続する副吸排気流路６６に配設されている。副吸排気流路６６は副圧力切替バルブ６２にて副吸気路６６ａと副排気路６６ｂに分岐している。副吸気開閉バルブＶ３は、副吸気路６６ａに配設され、圧縮機吐出口１２ａを駆動室４６に接続する。副排気開閉バルブＶ４は、副排気路６６ｂに配設され、圧縮機吸入口１２ｂを駆動室４６に接続する。

副圧力切替バルブ６２は、圧縮機吐出口１２ａまたは圧縮機吸入口１２ｂをピストンシリンダ２８の駆動室４６に選択的に連通するよう構成されている。副圧力切替バルブ６２は、副吸気開閉バルブＶ３および副排気開閉バルブＶ４がそれぞれ排他的に開放されるよう構成されている。すなわち、副吸気開閉バルブＶ３および副排気開閉バルブＶ４が同時に開くことは禁止されている。副吸気開閉バルブＶ３が開いているとき副排気開閉バルブＶ４は閉じられる。圧縮機吐出口１２ａから副吸排気流路６６を通じて駆動室４６に作動ガスが供給される。一方、副排気開閉バルブＶ４が開いているとき副吸気開閉バルブＶ３は閉じられる。駆動室４６から副吸排気流路６６を通じて圧縮機吸入口１２ｂに作動ガスが回収される。なお副吸気開閉バルブＶ３および副排気開閉バルブＶ４が一時的にともに閉じられてもよい。このようにして、駆動室４６は、圧縮機吐出口１２ａ及び圧縮機吸入口１２ｂと交互に接続される。

作動ガス回路５２は、副圧力切替バルブ６２と圧縮機１２との間に接続されたバッファ容積６８を備える。バッファ容積６８は、圧縮機吐出口１２ａと副吸気開閉バルブＶ３との間に接続され、副吸気路６６ａに配設されている。副排気路６６ｂにはバッファ容積は設けられていない。

また作動ガス回路５２は、補助開閉バルブＶ５をさらに備える。補助開閉バルブＶ５は、圧縮機吐出口１２ａとバッファ容積６８との間に接続され、副吸気路６６ａに配設されている。図１に示されるように、副吸気路６６ａは、分岐点７０にて主吸気路６４ａから分岐している。分岐点７０は主吸気路６４ａにおいて圧縮機吐出口１２ａと主吸気開閉バルブＶ１との間に位置する。副吸気路６６ａには、分岐点７０から、補助開閉バルブＶ５、バッファ容積６８、副吸気開閉バルブＶ３の順に配置されている。このように、副吸気開閉バルブＶ３及び補助開閉バルブＶ５は、圧縮機吐出口１２ａと駆動室４６の間で直列に接続されている。副吸気開閉バルブＶ３と補助開閉バルブＶ５の間にバッファ容積６８が接続されている。

バッファ容積６８は、高圧ＰＨと低圧ＰＬとの間の中間圧の作動ガスを貯留するよう構成されている。中間圧は、高圧ＰＨと低圧ＰＬとの間の任意の圧力であってもよい。中間圧は、高圧ＰＨと低圧ＰＬの平均圧ＰＭであってもよい。このようにすれば、高圧ＰＨと低圧ＰＬのそれぞれと、より大きい差圧を生成することができる。

副吸気開閉バルブＶ３が開かれるとき、バッファ容積６８は、副吸排気流路６６を通じて中間圧の作動ガスを駆動室４６に供給することができる。補助開閉バルブＶ５が開かれるとき、バッファ容積６８は、圧縮機吐出口１２ａから副吸気路６６ａを通じて高圧の作動ガスを受け入れ、圧力を回復することができる。このようにして、作動ガス回路５２は、バッファ容積６８、副吸気開閉バルブＶ３及び補助開閉バルブＶ５を備えることにより、駆動室４６の中間圧源として機能する。

バッファ容積６８は、駆動室４６の２倍以上の容積を有してもよい。このようにすれば、バッファ容積６８の圧力変動を低減することができる。副吸気開閉バルブＶ３の開放に伴うバッファ容積６８の過剰な降圧、及び、補助開閉バルブＶ５の開放に伴う過剰な昇圧を避けることができる。また、ＧＭ冷凍機１０の大型化を抑制するために、バッファ容積６８は、駆動室４６の１０倍以下の容積を有してもよい。このような観点から、バッファ容積６８は、駆動室４６の例えば３倍から７倍の容積、例えば約５倍の容積を有してもよい。

バッファ容積６８の形状は任意である。バッファ容積６８は、バッファタンクであってもよい。あるいは、バッファ容積６８は、配管のように延びていてもよく、この場合、バッファ容積６８は、補助開閉バルブＶ５を副吸気開閉バルブＶ３に接続する副吸気路６６ａの一部分であってもよい。バッファ容積６８は、直線的又は湾曲して延びていてもよいし、またはコイル状であってもよい。

バッファ容積６８は、コールドヘッドハウジング１８に設置されていてもよい。あるいは、バッファ容積６８は、コールドヘッドハウジング１８から離れて設置されていてもよい。

補助開閉バルブＶ５に代えて、作動ガス回路５２は、オリフィスなどの流路抵抗を備えてもよい。

主吸気開閉バルブＶ１は、予め定められた主吸気開始タイミングで開き主吸気終了タイミングで閉じるよう構成されている。主排気開閉バルブＶ２は、予め定められた主排気開始タイミングで開き主排気終了タイミングで閉じるよう構成されている。副吸気開閉バルブＶ３は、予め定められた副吸気開始タイミングで開き副吸気終了タイミングで閉じるよう構成されている。副排気開閉バルブＶ４は、予め定められた副排気開始タイミングで開き副排気終了タイミングで閉じるよう構成されている。補助開閉バルブＶ５は、予め定められた補助吸気開始タイミングで開き補助吸気終了タイミングで閉じるよう構成されている。

バルブ部５４は、ロータリーバルブの形式をとってもよい。この場合、一群のバルブ（Ｖ１〜Ｖ５）がバルブ部５４に組み込まれており、同期して駆動される。バルブ部５４は、バルブ本体（またはバルブステータ）に対するバルブディスク（またはバルブロータ）の回転摺動によってバルブ（Ｖ１〜Ｖ５）が適正に切り替わるよう構成されている。一群のバルブ（Ｖ１〜Ｖ５）は、ＧＭ冷凍機１０の運転中に同一周期で切り替えられ、それにより５つの開閉バルブ（Ｖ１〜Ｖ５）は周期的に開閉状態を変化させる。５つの開閉バルブ（Ｖ１〜Ｖ５）はそれぞれ異なる位相で開閉される。

ＧＭ冷凍機１０は、バルブ部５４を回転させるようバルブ部５４に連結された回転駆動源５６を備えてもよい。回転駆動源５６はバルブ部５４と機械的に連結される。回転駆動源５６は例えばモータである。ただし、回転駆動源５６は、軸方向可動体１６には機械的に接続されていない。また、ＧＭ冷凍機１０は、バルブ部５４を制御する制御部５８を備えてもよい。制御部５８は、回転駆動源５６を制御してもよい。

ある実施形態においては、一群のバルブ（Ｖ１〜Ｖ５）は、複数の個別に制御可能なバルブの形式をとってもよい。各バルブ（Ｖ１〜Ｖ５）は、電磁開閉弁であってもよい。この場合、回転駆動源５６が設けられるのではなく、各バルブ（Ｖ１〜Ｖ５）は、制御部５８に電気的に接続される。制御部５８は、各バルブ（Ｖ１〜Ｖ５）の開閉を制御してもよい。

ある実施形態においては、一群のバルブ（Ｖ１〜Ｖ５）は、ロータリーバルブと個別に制御可能なバルブの組み合わせであってもよい。例えば、主圧力切替バルブ６０及び副圧力切替バルブ６２（つまりＶ１〜Ｖ４）がロータリーバルブとして構成され、補助開閉バルブＶ５がロータリーバルブとは別の開閉弁であってもよい。

図２は、図１に示すＧＭ冷凍機１０のバルブタイミングを例示する図である。図２では軸方向可動体１６の軸方向往復動の一周期を３６０度に対応づけて表しているので、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。０度においてディスプレーサ２０および駆動ピストン２２は下死点ＬＰ１、ＬＰ２またはその近傍に位置し、１８０度においてディスプレーサ２０および駆動ピストン２２は上死点ＵＰ１、ＵＰ２またはその近傍に位置する。

図２には、コールドヘッド１４の第１吸気期間Ａ１および第１排気期間Ａ２と、駆動室４６の第２吸気期間Ａ３および第２排気期間Ａ４が例示されている。第１吸気期間Ａ１、第１排気期間Ａ２、第２吸気期間Ａ３、および第２排気期間Ａ４はそれぞれ、主吸気開閉バルブＶ１、主排気開閉バルブＶ２、副吸気開閉バルブＶ３、副排気開閉バルブＶ４によって定められている。加えて、図２には、補助開閉バルブＶ５によって定められる補助吸気期間Ａ５が例示されている。

第１吸気期間Ａ１において（すなわち主吸気開閉バルブＶ１が開いているとき）、圧縮機吐出口１２ａから主吸気開閉バルブＶ１及び主吸排気流路６４を通じて室温室３６に作動ガスが流れる。逆に主吸気開閉バルブＶ１が閉じているときは、圧縮機１２から室温室３６への作動ガスの供給は停止される。第１吸気期間Ａ１は、主吸気開始タイミングＴ１から始まり主吸気終了タイミングＴ２で終わる。主吸気開始タイミングＴ１は、例えば、０度から９０度の範囲から選択される。主吸気開始タイミングＴ１は、例えば０度である。主吸気終了タイミングＴ２は、例えば、９０度から１８０度の範囲から選択される。主吸気終了タイミングＴ２は、例えば１３５度である。

第１排気期間Ａ２において（すなわち主排気開閉バルブＶ２が開いているとき）、室温室３６から主排気開閉バルブＶ２及び主吸排気流路６４を通じて圧縮機吸入口１２ｂに作動ガスが流れる。主排気開閉バルブＶ２が閉じているときは、室温室３６から圧縮機１２への作動ガスの回収は停止される。第１排気期間Ａ２は、主排気開始タイミングＴ３から始まり主排気終了タイミングＴ４で終わる。第１排気期間Ａ２は、第１吸気期間Ａ１と交互かつ非重複である。主排気開始タイミングＴ３は、例えば、１８０度から２７０度の範囲から選択される。主排気開始タイミングＴ３は、例えば１８０度である。主排気終了タイミングＴ４は、例えば、２７０度から３６０度の範囲から選択される。主排気終了タイミングＴ４は、例えば３１５度である。

第２吸気期間Ａ３において（すなわち副吸気開閉バルブＶ３が開いているとき）、バッファ容積６８から副吸気開閉バルブＶ３及び副吸排気流路６６を通じて駆動室４６に作動ガスが流れる。副吸気開閉バルブＶ３が閉じているときは、バッファ容積６８から駆動室４６への作動ガスの供給は停止される。第２吸気期間Ａ３は、副吸気開始タイミングから始まり副吸気終了タイミングで終わる。図２に示されるバルブタイミングにおいては、副吸気開始タイミングは主排気開始タイミングＴ３と一致し、副吸気終了タイミングは主排気終了タイミングＴ４と一致するが、これに限られない。第２吸気期間Ａ３は第１排気期間Ａ２と少なくとも部分的に重なる。副吸気開始タイミングは例えば１８０度から２７０度の範囲から選択されてもよく、副吸気終了タイミングは例えば２７０度から３６０度の範囲から選択されてもよい。

第２排気期間Ａ４において（すなわち副排気開閉バルブＶ４が開いているとき）、駆動室４６から副排気開閉バルブＶ４及び副吸排気流路６６を通じて圧縮機吸入口１２ｂに作動ガスが流れる。副排気開閉バルブＶ４が閉じているときは、駆動室４６から圧縮機１２への作動ガスの回収は停止される。第２排気期間Ａ４は、副排気開始タイミングから始まり副排気終了タイミングで終わる。第２排気期間Ａ４は、第２吸気期間Ａ３と交互かつ非重複である。図２に示されるバルブタイミングにおいては、副排気開始タイミングは主吸気開始タイミングＴ１と一致し、副排気終了タイミングは主吸気終了タイミングＴ２と一致するが、これに限られない。第２排気期間Ａ４は第１吸気期間Ａ１と少なくとも部分的に重なる。副排気開始タイミングは例えば０度から９０度の範囲から選択されてもよく、副排気終了タイミングは例えば９０度から１８０度の範囲から選択されてもよい。

補助吸気期間Ａ５において（すなわち補助開閉バルブＶ５が開いているとき）、圧縮機吐出口１２ａから補助開閉バルブＶ５を通じてバッファ容積６８に作動ガスが流れる。補助開閉バルブＶ５が閉じているときは、圧縮機１２から室温室３６への作動ガスの供給は停止される。

補助吸気期間Ａ５は、補助吸気開始タイミングＴａから始まり補助吸気終了タイミングＴｂで終わる。補助吸気期間Ａ５は、第１排気期間Ａ２及び第２吸気期間Ａ３に比べて、遅れて開始されかつ遅れて終了する。補助吸気期間Ａ５は、第１排気期間Ａ２及び第２吸気期間Ａ３と部分的に重なる。すなわち、補助吸気開始タイミングＴａは、主排気開始タイミングＴ３及び副吸気開始タイミングより遅い。補助吸気終了タイミングＴｂは、主排気終了タイミングＴ４及び副吸気終了タイミングより遅い。補助吸気開始タイミングＴａは、例えば１８０度から２７０度の範囲から選択されてもよく、補助吸気終了タイミングＴｂは例えば２７０度から３６０度の範囲から選択されてもよい。また、補助吸気期間Ａ５は、第１吸気期間Ａ１及び第２排気期間Ａ４の開始前に終了し、これらと非重複である。

ただし、補助吸気期間Ａ５は、これに限られない。補助吸気期間Ａ５は、バッファ容積６８の圧力を中間圧に回復する限り、いつ行われてもよい。補助吸気期間Ａ５は、第１排気期間Ａ２及び第２吸気期間Ａ３と非重複であってもよい。補助吸気期間Ａ５は、第１吸気期間Ａ１及び／または第２排気期間Ａ４と少なくとも部分的に重なっていてもよい。補助吸気開始タイミングＴａ及び補助吸気終了タイミングＴｂは、０度から３６０度のうち任意の時点であってもよい。

また、補助吸気期間Ａ５は、一周期の間にひとまとまりに連続していることは必須ではない。複数回の補助吸気期間Ａ５が一周期の間に設定されてもよい。言い換えれば、補助開閉バルブＶ５の開閉が一周期の間に複数回繰り返されてもよい。

図３は、図２に示されるバルブタイミングに従ってＧＭ冷凍機１０が動作するときに得られるＧＭ冷凍機１０の動作波形を一周期にわたって示す概略図である。図３には、上から順に、ディスプレーサシリンダ２６、駆動室４６、及びバッファ容積６８の圧力を示す。

図１から図３を参照して、上記の構成をもつＧＭ冷凍機１０の動作を説明する。ディスプレーサ２０が下死点ＬＰ１またはその近傍の位置にあるとき、第１吸気期間Ａ１が開始される（図２及び図３の主吸気開始タイミングＴ１）。主吸気開閉バルブＶ１が開き、高圧ＰＨの作動ガスが圧縮機吐出口１２ａからコールドヘッド１４の室温室３６に供給される。ガスは蓄冷器１５を通過しながら冷却され、膨張室３４に入る。

第１吸気期間Ａ１と同時に第２排気期間Ａ４も開始される。副排気開閉バルブＶ４が開き、ピストンシリンダ２８の駆動室４６は圧縮機吸入口１２ｂに接続される。よって駆動室４６は低圧ＰＬとなる。

駆動ピストン２２には差圧ＰＨ−ＰＬによる駆動力が上向きに作用する。駆動ピストン２２は、下死点ＬＰ２から上死点ＵＰ２に向けて動く。駆動ピストン２２とともにディスプレーサ２０も下死点ＬＰ１から上死点ＵＰ１に向けて動く。

主吸気開閉バルブＶ１が閉じ、第１吸気期間Ａ１が終了する（図２及び図３の主吸気終了タイミングＴ２）。同時に副排気開閉バルブＶ４が閉じ、第２排気期間Ａ４が終了する。駆動ピストン２２およびディスプレーサ２０は引き続き上死点ＵＰ１、ＵＰ２に向けて移動する。こうして、膨張室３４の容積が増加されるとともに高圧ガスで満たされる。

ディスプレーサ２０が上死点ＵＰ１またはその近傍の位置にあるとき、第１排気期間Ａ２が開始される（図２及び図３の主排気開始タイミングＴ３）。主排気開閉バルブＶ２が開き、コールドヘッド１４は圧縮機１２の吸入口に接続される。高圧ガスは膨張室３４で膨張し冷却される。膨張したガスは、蓄冷器１５を冷却しながら室温室３６を経て圧縮機１２に回収される。

第１排気期間Ａ２と同時に第２吸気期間Ａ３も開始される。副吸気開閉バルブＶ３が開き、ピストンシリンダ２８の駆動室４６はバッファ容積６８に接続される。平均圧ＰＭの作動ガスがバッファ容積６８からピストンシリンダ２８の駆動室４６に供給され、駆動室４６は平均圧ＰＭとなる。

駆動ピストン２２には差圧ＰＭ−ＰＬによる駆動力が下向きに作用する。駆動ピストン２２は、上死点ＵＰ２から下死点ＬＰ２に向けて動く。バッファ容積６８の圧力は、平均圧ＰＭからいくらか小さくなる。駆動ピストン２２とともにディスプレーサ２０も上死点ＵＰ１から下死点ＬＰ１に向けて動く。

第２吸気期間Ａ３の途中で、補助吸気期間Ａ５が開始される（図２及び図３の補助吸気開始タイミングＴａ）。補助開閉バルブＶ５が開き、バッファ容積６８が圧縮機吐出口１２ａに接続される。高圧ＰＨの作動ガスが圧縮機１２からバッファ容積６８に供給される。こうして、バッファ容積６８の低下した圧力が平均圧ＰＭへと回復される。

主排気開閉バルブＶ２が閉じ、第１排気期間Ａ２が終了する（図２及び図３の主排気終了タイミングＴ４）。同時に副吸気開閉バルブＶ３が閉じ、第２吸気期間Ａ３が終了する。駆動ピストン２２およびディスプレーサ２０は引き続き下死点ＬＰ１、ＬＰ２に向けて移動する。こうして、膨張室３４の容積が減少されるとともに低圧ガスは排出される。

第２吸気期間Ａ３の終了後に補助開閉バルブＶ５は閉じられ補助吸気期間Ａ５は終了する（図２及び図３の補助吸気終了タイミングＴｂ）。

コールドヘッド１４はこのような冷却サイクル（すなわちＧＭサイクル）を繰り返すことで、冷却ステージ３８を冷却する。それにより、ＧＭ冷凍機１０は、冷却ステージ３８に熱的に結合された超伝導装置またはその他の被冷却物（図示せず）を冷却することができる。

コールドヘッド１４が冷却ステージ３８を鉛直方向下方に向ける姿勢で設置される場合、重力は、矢印Ｄで図示するように、下向きに作用する。そのため、軸方向可動体１６の自重は、駆動ピストン２２の下向きの駆動力を補助するように働く。駆動ピストン２２には上動時に比べて下動時に大きな駆動力が働く。よって、典型的なガス駆動式のＧＭ冷凍機においては、ディスプレーサの下死点でディスプレーサとディスプレーサシリンダの衝突または接触が生じやすい。

ところが、コールドヘッド１４には、上述のように、バッファ容積６８が設けられている。バッファ容積６８を駆動室４６の中間圧源として利用することにより、駆動ピストン２２を上動させる差圧ＰＨ−ＰＬよりも、駆動ピストン２２を下動させる差圧ＰＭ−ＰＬのほうが小さくなっている。これにより、下動時に駆動ピストン２２に働く重力が補償される。

こうして、駆動ピストン２２とピストンシリンダ２８の、及び／またはディスプレーサ２０とディスプレーサシリンダ２６の、接触または衝突を回避することができる。あるいは、たとえ衝突が起こったとしても、駆動ピストン２２の速度低下により衝突エネルギーが低減されるので、衝突音は抑制される。よって、ガス駆動型のＧＭ冷凍機１０の振動または異音を低減することができる。

上述のように冷却ステージ３８を鉛直方向下方に向ける姿勢で設置されるときＧＭ冷凍機１０は冷凍能力が最も高くなる。バッファ容積６８を圧縮機吐出口１２ａと副吸気開閉バルブＶ３の間に設置することにより、ＧＭ冷凍機１０が下向きの姿勢で使用される場合に重力を補償することができる。

オリフィスなどの流路抵抗に比べて、補助開閉バルブＶ５は、その開閉により圧縮機１２とバッファ容積６８との作動ガス流通を容易かつ確実に制御することができる。補助開閉バルブＶ５の開放によりバッファ容積６８への作動ガス供給が許容され、閉鎖によりバッファ容積６８への作動ガス供給が遮断される。

また、補助開閉バルブＶ５は、副吸気開閉バルブＶ３を通じた駆動室４６の吸気開始タイミングより遅れて開放される。補助吸気期間Ａ５が第２吸気期間Ａ３の途中で開始されている。バッファ容積６８が駆動室４６の作動ガス供給源として使用されている期間内に、バッファ容積６８の圧力を回復することができる。バッファ容積６８の使用中にバッファ容積６８の圧力を所望の水準に保持することができる。また、補助吸気期間Ａ５が第２吸気期間Ａ３の終了後に開始される場合に比べて、バッファ容積６８の大きさを小さくすることもできる。

加えて、コールドヘッド１４は、上述のように、ディスプレーサ２０とディスプレーサシリンダ２６の衝突または接触を緩和または防止するように駆動ピストン２２に作用するガスばね機構を備える。コールドヘッド１４にはガスばね室４８が設けられている。ガスばね室４８に貯留されたガスは、駆動ピストン２２が下動するときに圧縮され、圧力が高まる。この圧力は重力と逆向きに働くから、駆動ピストン２２に作用する駆動力が小さくなる。駆動ピストン２２が下死点ＬＰ２に到達する直前の速度を遅くすることができる。こうしたガスばね機構も、軸方向可動体１６とコールドヘッドハウジング１８の接触または衝突の回避に役立つ。

（第２実施形態）
図４は、第２実施形態に係るガス駆動型ＧＭ冷凍機を概略的に示す図である。図５は、図４に示すＧＭ冷凍機のバルブタイミングを例示する図である。第２実施形態に係るＧＭ冷凍機１０は、冷却ステージ３８が鉛直方向上方に向ける姿勢で設置される場合に適する構成を有する。

第２実施形態に係るＧＭ冷凍機１０の構成のうち、第１実施形態に係るＧＭ冷凍機１０と共通する構成については、上記の説明が援用される。第１実施形態及び第２実施形態に係るＧＭ冷凍機１０の共通する構成については、同一の符号を付し、冗長を避けるため、重複する説明は適宜省略する。

図４に示されるように、バッファ容積６８は、圧縮機吸入口１２ｂと副排気開閉バルブＶ４との間に接続されている。補助開閉バルブＶ５は、圧縮機吸入口１２ｂとバッファ容積６８との間に接続されている。バッファ容積６８及び補助開閉バルブＶ５は副排気路６６ｂに配設されている。作動ガス回路５２は、バッファ容積６８、副排気開閉バルブＶ４及び補助開閉バルブＶ５を備えることにより、駆動室４６の中間圧源として機能する。副吸気路６６ａにはバッファ容積は設けられていない。

補助開閉バルブＶ５は、副排気開閉バルブＶ４を通じた駆動室４６の排気開始タイミングより遅れて開放される。補助吸気期間Ａ５は、第１吸気期間Ａ１及び第２排気期間Ａ４に比べて、遅れて開始されかつ遅れて終了する。補助吸気期間Ａ５は、第１吸気期間Ａ１及び第２排気期間Ａ４と部分的に重なる。すなわち、補助吸気開始タイミングＴａは、主吸気開始タイミングＴ１及び副排気開始タイミングより遅い。補助吸気終了タイミングＴｂは、主吸気終了タイミングＴ２及び副排気終了タイミングより遅い。補助吸気開始タイミングＴａは、例えば０度から９０度の範囲から選択されてもよく、補助吸気終了タイミングＴｂは例えば９０度から１８０度の範囲から選択されてもよい。補助吸気期間Ａ５は、第１排気期間Ａ２及び第２吸気期間Ａ３の開始前に終了しており、これらと非重複である。

第１吸気期間Ａ１においてディスプレーサ２０が下動するとき、駆動ピストン２２には差圧ＰＨ−ＰＭに基づく下向きの駆動力が作用する。一方、第１排気期間Ａ２においてディスプレーサ２０が上動するとき、駆動ピストン２２には差圧ＰＨ−ＰＬに基づく上向きの駆動力が作用する。駆動ピストン２２を上動させる差圧ＰＨ−ＰＬよりも、駆動ピストン２２を下動させる差圧ＰＭ−ＰＬのほうが小さくなっている。これにより、下動時に駆動ピストン２２に働く重力が補償される。したがって、第２実施形態においても、第１実施形態と同様に、ガス駆動型のＧＭ冷凍機１０の振動または異音を低減することができる。

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。

Ｖ１ 主吸気開閉バルブ、 Ｖ２ 主排気開閉バルブ、 Ｖ３ 副吸気開閉バルブ、 Ｖ４ 副排気開閉バルブ、 １０ ＧＭ冷凍機、 １２ 圧縮機、 １２ａ 圧縮機吐出口、 １２ｂ 圧縮機吸入口、 ２０ ディスプレーサ、 ２２ 駆動ピストン、 ２６ ディスプレーサシリンダ、 ４６ 駆動室、 ６０ 主圧力切替バルブ、 ６２ 副圧力切替バルブ、 ６８ バッファ容積。

Claims (5)

1. 圧縮機吐出口及び圧縮機吸入口を備える圧縮機と、
   軸方向に往復動可能なディスプレーサと、前記ディスプレーサを収容するディスプレーサシリンダと、前記ディスプレーサを軸方向に駆動するよう前記ディスプレーサに連結された駆動ピストンと、前記駆動ピストンを駆動する駆動室と、を備え、前記ディスプレーサシリンダが鉛直方向下方に、前記駆動室が鉛直方向上方に、それぞれ配置されるようにして設置可能なコールドヘッドと、
   前記ディスプレーサシリンダを前記圧縮機吐出口及び前記圧縮機吸入口に交互に接続するよう構成された主圧力切替バルブと、
   前記圧縮機吐出口を前記駆動室に接続する副吸気開閉バルブと、前記圧縮機吸入口を前記駆動室に接続する副排気開閉バルブと、を備え、前記駆動室を前記圧縮機吐出口及び前記圧縮機吸入口に交互に接続するよう構成された副圧力切替バルブと、
   前記圧縮機吐出口と前記副吸気開閉バルブとの間に接続された中間圧バッファ容積と、を備えることを特徴とするＧＭ冷凍機。
2. 前記圧縮機吐出口と前記中間圧バッファ容積との間に接続された別の開閉バルブをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のＧＭ冷凍機。
3. 前記別の開閉バルブは、前記副吸気開閉バルブを通じた前記駆動室の吸気開始タイミングより遅れて開放されることを特徴とする請求項２に記載のＧＭ冷凍機。
4. 圧縮機吐出口及び圧縮機吸入口を備える圧縮機と、
   軸方向に往復動可能なディスプレーサと、前記ディスプレーサを収容するディスプレーサシリンダと、前記ディスプレーサを軸方向に駆動するよう前記ディスプレーサに連結された駆動ピストンと、前記駆動ピストンを駆動する駆動室と、を備え、前記ディスプレーサシリンダが鉛直方向上方に、前記駆動室が鉛直方向下方に、それぞれ配置されるようにして設置可能なコールドヘッドと、
   前記ディスプレーサシリンダを前記圧縮機吐出口及び前記圧縮機吸入口に交互に接続するよう構成された主圧力切替バルブと、
   前記駆動室を前記圧縮機吐出口に接続する副吸気開閉バルブと、前記駆動室を前記圧縮機吸入口に接続する副排気開閉バルブと、を備え、前記駆動室を前記圧縮機吐出口及び前記圧縮機吸入口に交互に接続するよう構成された副圧力切替バルブと、
   前記圧縮機吸入口と前記副排気開閉バルブとの間に接続された中間圧バッファ容積と、を備えることを特徴とするＧＭ冷凍機。
5. 前記圧縮機吸入口と前記中間圧バッファ容積との間に接続された別の開閉バルブをさらに備えることを特徴とする請求項４に記載のＧＭ冷凍機。

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