JP6767291B2 - 極低温冷凍機 - Google Patents

Description

本発明は、高圧の冷媒ガスを膨張させて寒冷を発生する極低温冷凍機に関する。

極低温を発生する冷凍機の一例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。

特許文献１には、アシスト室を備える極低温冷凍機が記載されている。アシスト室は、ディスプレーサを往復駆動する往復駆動機構から延出するロッドの先端を収容する。この極低温冷凍機では、アシスト室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、アシスト室内の圧力によりロッドひいてはディスプレーサの移動をアシストし、往復駆動機構にかかる負荷を低減している。

特開昭５８−４７９７０号公報

対象を加熱するために極低温冷凍機の冷凍サイクルを逆転させる場合がある。この場合、アシスト室内の圧力はロッドひいてはディスプレーサの移動の妨げとなり、往復駆動機構にかかる負荷はかえって増大する。

本発明は、こうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、ディスプレーサを往復駆動する往復駆動機構にかかる負荷を低減できる極低温冷凍機を提供することにある。

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、ディスプレーサと、ディスプレーサを往復移動可能に収容し、ディスプレーサとの間に膨張空間を形成するシリンダと、ディスプレーサを往復駆動するための往復駆動機構と、往復駆動機構からディスプレーサとは反対側に延出するアシストロッドと、往復駆動機構を収容する駆動機構収容室と、アシストロッドの先端を収容するアシスト室と、を有するハウジングと、膨張空間と圧縮機の吐出側とが接続されアシスト室と圧縮機の吸気側とが接続される状態と、膨張空間と圧縮機の吸気側とが接続されアシスト室と圧縮機の吐出側とが接続される状態と、を切り替える切替弁と、往復駆動機構を駆動するとともに切替弁を駆動する可逆モータと、切替弁とアシスト室とを接続するガス流路を開閉する開閉弁と、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、ディスプレーサを往復駆動する往復駆動機構にかかる負荷を低減できる。

比較例に係る極低温冷凍機の内部構造を概略的に示す断面図である。 スコッチヨーク機構の分解斜視図である。 図１の制御装置の機能構成を示すブロック図である。 比較例に係る極低温冷凍機のディスプレーサの位置と、膨張空間の圧力と、アシスト室の圧力との関係を示す図である。 実施の形態に係る極低温冷凍機の内部構造を概略的に示す断面図である。 図５の制御装置の機能構成を示すブロック図である。 変形例に係る極低温冷凍機の内部構造を概略的に示す断面図である。

以下、各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、工程には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、各図面における部材の寸法は、理解を容易にするために適宜拡大、縮小して示される。また、各図面において実施の形態を説明する上で重要ではない部材の一部は省略して表示する。

（比較例）
実施の形態に係る極低温冷凍機を説明する前に、実施の形態と比較すべき比較例に係る極低温冷凍機について説明する。図１は、比較例に係る極低温冷凍機１００ａを示す模式図である。図２は、図１のスコッチヨーク機構１４およびロータバルブ４８の分解斜視図である。

極低温冷凍機１００ａは、ギフォード・マクマホン冷凍機（ＧＭ冷凍機）である。極低温冷凍機１００ａは、対象を冷却するための冷却運転と対象を加熱するための昇温運転とが可能に構成される。昇温運転では、冷却運転の冷凍サイクルを逆転させる。また、極低温冷凍機１００ａは、アシスト室内の圧力によりディスプレーサの移動をアシストするガスアシスト機能を有する。つまり、比較例に係る極低温冷凍機１００ａは、昇温運転が可能な極低温冷凍機に、仮に、ガスアシスト機能を追加した極低温冷凍機である。

極低温冷凍機１００ａは、圧縮機１と、配管２と、膨張機３と、制御装置４と、を備える。

圧縮機１は、膨張機３から戻ってくる低圧の冷媒ガスを圧縮し、圧縮された高圧の冷媒ガスを膨張機３に供給する。配管２は、高圧配管２ａと低圧配管２ｂとを含む。高圧配管２ａは、圧縮機１の吐出側に接続される。圧縮機１から膨張機３に向かう高圧の冷媒ガスが高圧配管２ａを流れる。低圧配管２ｂは、圧縮機１の吸気側に接続される。膨張機３から圧縮機１に向かう低圧の冷媒ガスが低圧配管２ｂを流れる。冷媒ガスとしては、例えばヘリウムガスを用いることができる。なお、冷媒ガスとして窒素ガスやその他のガスを用いてもよい。

膨張機３は、圧縮機１から供給された高圧の冷媒ガスを膨張させて寒冷を発生させる。膨張機３は、シリンダ１０と、ディスプレーサ１２と、スコッチヨーク機構１４と、ハウジング１６と、モータ１８と、ロータリバルブ（切替弁）１９と、第１ロッド（アシストロッド）３８と、第２ロッド４０と、を含む。

以下では、膨張機３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、第１ロッド３８および第２ロッド４０が延在する方向を表す。軸方向は、ディスプレーサ１２が移動する方向とも一致する。便宜上、軸方向において膨張空間２４や冷却ステージ２６（いずれも後述）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。なお、こうした表現は、膨張機３が取り付けられたときの配置とは関係しない。

シリンダ１０は、円筒部と底部とが一体に形成された有底カップ形状を有し、ディスプレーサ１２を軸方向に往復移動可能に収容する。シリンダ１０は、強度、熱伝導率などを考慮して、例えばステンレス鋼により形成される。

ディスプレーサ１２は、シリンダ１０内を上死点と下死点との間で往復移動する。ここで、上死点は、膨張空間２４の容積が最も大きいときの膨張空間２４の位置をいい、下死点は、膨張空間２４が最も小さいときの膨張空間２４の位置をいう。ディスプレーサ１２は、円筒状の外周面を有しており、その内部には蓄冷材（不図示）が充填されている。ディスプレーサ１２は、比重、強度、熱伝導率などの観点から、例えばベークライト（布入りフェノール）等の樹脂により形成される。蓄冷材は、例えば金網等により構成される。

ディスプレーサ１２の上部には、ガス室２０とディスプレーサ１２の内部とを連通するガス流路Ｌ１が形成されている。ここで、ガス室２０は、シリンダ１０とディスプレーサ１２の上端により形成される空間である。ガス室２０は、ディスプレーサ１２の往復移動に伴い容積が変化する。

ディスプレーサ１２の下部には、ディスプレーサ１２の内部と膨張空間２４とを連通するガス流路Ｌ２が形成されている。ここで、膨張空間２４は、シリンダ１０とディスプレーサ１２の下端により形成される空間である。膨張空間２４は、ディスプレーサ１２の往復移動に伴い容積が変化する。シリンダ１０の外周のうち、膨張空間２４に対応する位置には、冷却対象物（不図示）に熱的に接続される冷却ステージ２６が配置される。冷却ステージ２６は、膨張空間２４の内部の冷媒ガスにより冷却される。

シリンダ１０の内周面とディスプレーサ１２との間にはシール２２が設けられている。したがって、ガス室２０と膨張空間２４との間の冷媒ガスの流れは、ディスプレーサ１２の内部を経由する。

モータ１８は、可逆モータであり、その回転軸１８ａを正回転または逆回転させる。なお、本実施の形態では、極低温冷凍機１００ａは、回転軸１８ａが正回転したときに冷却運転し、回転軸１８ａが逆回転したときに昇温運転する。

スコッチヨーク機構１４は、ディスプレーサ１２を往復駆動する。スコッチヨーク機構１４は、クランク２８と、スコッチヨーク３０と、を含む。

クランク２８は、モータ１８の回転軸１８ａに固定される。クランク２８は、回転軸１８ａが固定される位置から偏心した位置にクランクピン２８ａを有する。したがって、クランク２８を回転軸１８ａに固定すると、回転軸１８ａに対しクランクピン２８ａは偏心した状態となる。

スコッチヨーク３０は、ヨーク板３４と、ころ軸受３６と、を含む。ヨーク板３４は、板状の部材である。スコッチヨーク３０には、その上部中央に、第１ロッド３８が上方に延出するように連結され、その下部中央に、第２ロッド４０が下方に延出するように連結されている。第１ロッド３８は、第１摺動軸受４２によって軸方向に移動可能に支持され、第２ロッド４０は、第２摺動軸受４４によって軸方向に移動可能に支持される。したがって、第１ロッド３８および第２ロッド４０、ひいてはヨーク板３４、ひいてはスコッチヨーク３０は、軸方向に移動可能な構成となっている。

ヨーク板３４の中央には、横長窓３４ａが形成されている。横長窓３４ａは、第１ロッド３８および第２ロッド４０が延出する方向（すなわち軸方向）に対して交差する方向、例えば直交する方向に延在する。

ころ軸受３６は、転動可能に横長窓３４ａ内に配設される。ころ軸受３６の中心には、クランクピン２８ａと係合する係合孔３６ａが形成されており、クランクピン２８ａが係合孔３６ａを貫通する。

モータ１８が駆動し回転軸１８ａが回転すると、クランクピン２８ａと係合したころ軸受３６は、円を描くように回転する。ころ軸受３６が円を描くように回転することにより、スコッチヨーク３０は、軸方向に往復運動する。この際、ころ軸受３６は、軸方向に交差する方向に横長窓３４ａ内を往復移動する。

ディスプレーサ１２は、第２ロッド４０に連結されている。このため、スコッチヨーク３０が軸方向に移動することにより、ディスプレーサ１２はシリンダ１０内を軸方向に往復移動する。

ハウジング１６は、駆動機構収容室６０と、アシスト室６２と、を有する。駆動機構収容室６０は、スコッチヨーク機構１４を収容する。駆動機構収容室６０は、低圧配管２ｂを介して圧縮機１の吸気側に連通している。そのため、駆動機構収容室６０は、圧縮機１の吸気側と同程度の低圧に維持される。

アシスト室６２は、第１ロッド３８の上端部を収容する。アシスト室６２の下方には、シール６６が設けられる。シール６６は、第１ロッド３８の軸方向の移動を許容しつつ、アシスト室６２を駆動機構収容室６０から気密に隔離する。シール６６には、例えばスリッパシールやクリアランスシールを用いることができる。なお、第１摺動軸受４２とシール６６とを一体としてもよい。

ハウジング１６には、一端がガス室２０に連通し、他端がロータリバルブ１９に連通するガス流路Ｌ３が設けられている。また、ハウジング１６には、一端がアシスト室６２に連通し、他端がロータリバルブ１９に連通するガス流路Ｌ４が設けられている。

ロータリバルブ１９は、圧縮機１からガス室２０およびアシスト室６２に至る冷媒ガスの流路上に設けられる。ロータリバルブ１９は、ステータバルブ４６とロータバルブ４８とを含む。ステータバルブ４６は、回転しないようにピン５０によりハウジング１６に固定される。ロータバルブ４８は、ハウジング１６内において回転可能に支持される。

ロータバルブ４８のスコッチヨーク機構１４側の端面４８ａには円弧形状の係合溝４８ｂが形成されており、この係合溝４８ｂにスコッチヨーク機構１４のクランクピン２８ａの先端が進入している。モータ１８の回転軸１８ａの回転に伴いクランクピン２８ａが正回転または逆回転し、クランクピン２８ａが係合溝４８ｂの周方向一方側の端部４８ｃまたは周方向他方側の端部４８ｄに係合すると、クランク２８の運動すなわちモータ１８の回転軸１８ａの回転がロータバルブ４８に伝達され、ロータバルブ４８はステータバルブ４６に対して正回転または逆回転する。係合溝４８ｂとクランクピン２８ａとは、ロータバルブ４８とモータ１８の回転軸１８ａとを正回転と逆回転との間に所定の角度（例えば２８０°）の空動を伴って連結する。

ステータバルブ４６およびロータバルブ４８は、圧縮機１から吐出された高圧の作動ガスをガス室２０を介して膨張空間２４に導く膨張空間供給用バルブと、圧縮機１から吐出された高圧の作動ガスをアシスト室６２に導くアシスト室供給用バルブと、作動ガスをガス室２０を介して膨張空間２４から圧縮機１に導く膨張空間排気用バルブと、作動ガスをアシスト室６２から圧縮機１に導くアシスト室排気用バルブと、を構成する。膨張空間供給用バルブ、アシスト室供給用バルブ、膨張空間排気用バルブおよびアシスト室排気用バルブは、ロータバルブ４８の回転に伴い開閉する。

なお、上述のように、係合溝４８ｂとクランクピン２８ａとは、ロータバルブ４８とモータ１８の回転軸１８ａとを正回転と逆回転との間に所定の角度の空動を伴って連結するため、ディスプレーサ１２の往復移動に対する膨張空間供給用バルブ、アシスト室供給用バルブ、膨張空間排気用バルブおよびアシスト室排気用バルブの各バルブの開閉タイミングは、回転軸１８ａおよびロータバルブ４８が正回転する（すなわち極低温冷凍機１００ａが冷却運転する）ときと回転軸１８ａおよびロータバルブ４８が逆回転する（すなわち極低温冷凍機１００ａが昇温運転する）ときとで異なる。

膨張空間供給用バルブが開くと、圧縮機１から高圧の作動ガスがガス流路Ｌ３を通りガス室２０に供給される。一方、膨張空間排気用バルブが開くと、低圧となった作動ガスが、ガス室２０からガス流路Ｌ３を通り圧縮機１に回収される。

アシスト室供給用バルブが開くと、アシスト室６２は、ガス流路Ｌ４を介して圧縮機１の吐出側に接続され、高圧状態となる。アシスト室排気用バルブが開くと、アシスト室６２は、ガス流路Ｌ４を介して圧縮機１の吸気側に接続され、低圧状態となる。

アシスト室６２は、上述のように駆動機構収容室６０から気密に隔離されている。また、駆動機構収容室６０は、上述のように低圧に維持される。したがって、アシスト室６２の冷媒ガスが高圧状態となると、アシスト室６２と駆動機構収容室６０との圧力差により、第１ロッド３８には軸方向下方への力が作用する。第１ロッド３８はスコッチヨーク機構１４を介してディスプレーサ１２に接続されているため、この力によりディスプレーサ１２は軸方向下方に付勢される。すなわち、アシスト室６２に供給された作動ガスの圧力は、スコッチヨーク機構１４によりディスプレーサ１２が下方向に移動する際、これをアシストするアシスト力として作用しうる。このアシスト力を的確なタイミングで加えることにより、スコッチヨーク機構１４およびモータ１８にかかる負荷を低減できる。

図３は、図１の制御装置４の機能構成を示すブロック図である。ここに示す各ブロックは、ハードウェア的には、コンピュータのＣＰＵをはじめとする素子や機械装置で実現でき、ソフトウェア的にはコンピュータプログラム等によって実現されるが、ここでは、それらの連携によって実現される機能ブロックを描いている。したがって、これらの機能ブロックはハードウェア、ソフトウェアの組合せによっていろいろなかたちで実現できることは、当業者には理解されるところである。図６についても同様である。

制御装置４は、圧縮機制御部５４と、モータ制御部５６と、を含む。圧縮機制御部５４は、圧縮機１の動作を制御する。圧縮機制御部５４は例えば、圧縮機１の高圧と低圧との圧力差を目標圧に制御する。モータ制御部５６は、モータ１８の駆動を制御する。モータ制御部５６は例えば、モータ１８の回転軸１８ａを所望の回転数で正回転または逆回転させる。

図４は、比較例に係る極低温冷凍機１００ａのディスプレーサ１２の位置と、膨張空間２４の圧力と、アシスト室６２の圧力との関係を示す図である。図４において、横軸はモータ１８およびロータバルブ４８の回転角度を示す。０°（３６０°）はディスプレーサ１２が上死点にあるとき、すなわち膨張空間２４の容積が最も大きいときの角度であり、１８０°はディスプレーサ１２が下死点にあるとき、すなわち膨張空間２４の容積が最も小さいときの角度である。図１および図４を参照しつつ、極低温冷凍機１００ａの動作について説明する。

まず、極低温冷凍機１００ａを冷却運転する場合について説明する。冷却運転では、モータ１８を正回転させることによってクランクピン２８ａがロータバルブ４８の係合溝４８ｂの端部４８ｃに係合し、ロータバルブ４８が正回転する。

ディスプレーサ１２が下死点から上死点に向けて移動を開始する（モータ１８およびロータバルブ４８が０°から１８０°に向けて回転を開始する）。このとき、膨張空間供給用バルブおよびアシスト室排気用バルブが開いており、アシスト室供給用バルブおよび膨張空間排気用バルブが閉じている。そのため、アシスト室６２は、低圧配管２ｂおよびアシスト室排気用バルブを介して圧縮機１の吸気側に接続され、低圧状態となる。また、高圧配管２ａおよび膨張空間供給用バルブを介して圧縮機１からガス室２０に高圧の冷媒ガスが流入する。高圧の冷媒ガスは、ガス流路Ｌ１からディスプレーサ１２の内部に流入し、蓄冷材によって冷却される。冷却された冷媒ガスは、ガス流路Ｌ２から膨張空間２４に流入する。これにより、膨張空間２４内は、高圧状態となる。

膨張空間供給用バルブおよびアシスト室排気用バルブは、ディスプレーサ１２が上死点に到達する前に閉じられる。その後、ディスプレーサ１２が上死点に到達する直前にアシスト室供給用バルブおよび膨張空間排気用バルブが開かれる。これにより、アシスト室６２は、高圧配管２ａおよびアシスト室供給用バルブを介して圧縮機１の吐出側に接続され、高圧状態となる。また、膨張空間２４内の冷媒ガスは、高圧の状態から低圧の状態となり、膨張する。その結果、膨張空間２４内の冷媒ガスの温度がさらに下がる。また、温度が下がった冷媒ガスにより、冷却ステージ２６が冷却される。

ディスプレーサ１２は、上死点に到達すると、引き続き上死点から下死点に向かって移動を開始する（モータ１８およびロータバルブ４８が１８０°から３６０°に向けて回転する）。このとき、高圧状態にあるアシスト室６２内の作動ガスの圧力により、ディスプレーサ１２の下方向の移動がアシストされる。また、低圧の冷媒ガスは、上述の逆の順路を通り、蓄冷材を冷却しつつ、膨張空間排気用バルブおよび低圧配管２ｂを介して圧縮機１に戻る。

ディスプレーサ１２が下死点に到達する前にアシスト室供給用バルブおよび膨張空間排気用バルブが閉じられる。その後、ディスプレーサ１２が下死点に到達する直前に膨張空間供給用バルブおよびアシスト室排気用バルブが開かれると、再び高圧配管２ａおよび膨張空間供給用バルブを介して圧縮機１からガス室２０に高圧の冷媒ガスが流入する。ディスプレーサ１２は、下死点に到達すると、引き続き下死点から上死点に向けて移動を開始する（モータ１８およびロータバルブ４８が０°から１８０°に向けて回転を開始する）。

以上の動作を１サイクルとし、この冷凍サイクルを繰り返すことにより、冷却ステージ２６に熱的に接続された対象物は冷却される。

続いて、極低温冷凍機１００ａを昇温運転する場合について説明する。昇温運転では、モータ１８を逆回転させることによってクランクピン２８ａがロータバルブ４８の係合溝４８ｂの端部４８ｄに係合し、ロータバルブ４８が逆回転する。

ディスプレーサ１２が下死点から上死点に向けて移動を開始する（モータ１８およびロータバルブ４８が３６０°から１８０°に向けて逆回転を開始する）。ディスプレーサ１２が移動を開始するとすぐに、膨張空間供給用バルブおよびアシスト室排気用バルブが閉じられ、その後、アシスト室供給用バルブおよび膨張空間排気用バルブが開かれる。これにより、アシスト室６２は、高圧配管２ａおよびアシスト室供給用バルブを介して圧縮機１の吐出側に接続され、高圧状態となる。また、膨張空間２４内の冷媒ガスは、高圧の状態から低圧の状態となり、膨張する。温度が下がった冷媒ガスは、ガス室２０を介して圧縮機１の吸気側に排出される。

アシスト室供給用バルブおよび膨張空間排気用バルブは、ディスプレーサ１２が上死点に到達する前に閉じられる。その後、ディスプレーサ１２が上死点に到達する直前に膨張空間供給用バルブおよびアシスト室排気用バルブが開かれる。これにより、これにより、アシスト室６２は、低圧配管２ｂおよびアシスト室排気用バルブ介して圧縮機１の吸気側に接続され、低圧状態となる。また、高圧配管２ａおよび膨張空間供給用バルブを介して圧縮機１からガス室２０に高圧の冷媒ガスが流入する。

ディスプレーサ１２は、上死点に到達すると、引き続き上死点から下死点に向かって移動を開始する（モータ１８およびロータバルブ４８が１８０°から０°に向けて回転する）。高圧の冷媒ガスは、ガス流路Ｌ１からディスプレーサ１２の内部に流入し、ガス流路Ｌ２から膨張空間２４に流入する。これにより、膨張空間２４内は、高圧状態となる。このとき、ディスプレーサ１２が下死点に向かって移動しているため、膨張空間２４内の冷媒ガスはさらに圧縮されてさらに高圧になり、昇温する。

ディスプレーサ１２は、下死点に到達すると、引き続き下死点から上死点に向けて移動を開始する（モータ１８およびロータバルブ４８が３６０°から１８０°に向けて回転を開始する）。

以上の動作を１サイクルとし、この昇温サイクルを繰り返すことにより、冷却ステージ２６に熱的に接続された対象物は加熱される。

上述したように、昇温サイクルでは、ディスプレーサ１２が下死点から上死点に移動する際（モータ１８およびロータバルブ４８が３６０°から１８０°に向けて逆回転する際）にアシスト室６２が高圧状態になる。アシスト室６２と駆動機構収容室６０との圧力差により第１ロッド３８には軸方向下向きの力が作用する。つまり、第１ロッド３８にはディスプレーサ１２の移動方向とは反対向きの力が作用する。これは、ディスプレーサ１２の移動ひいてはスコッチヨーク機構１４およびモータ１８の回転を妨げる負荷となるおそれがある。その結果、モータ１８を逆回転させるための消費電力が増大するおそれがある。あるいは、モータ１８の許容トルクを超えてモータ１８が動かなくなるおそれがある。つまり、比較例に係る極低温冷凍機１００ａのように、昇温運転が可能に構成された極低温冷凍機に仮にアシスト機能を追加すると、こうした問題が生じるおそれがある。

（実施の形態）
図５は、実施の形態に係る極低温冷凍機１００を示す模式図である。図１との違いに焦点を当てる。

極低温冷凍機１００は、ガス流路Ｌ４上にガス流路Ｌ４を開閉するための開閉弁８８を備える。開閉弁８８は、本実施の形態では電磁弁であり、制御装置４に制御される。

図６は、制御装置４の機能構成を示すブロック図である。図３との違いに焦点を当てる。
制御装置４は、圧縮機制御部５４と、モータ制御部５６と、開閉弁制御部５８と、を含む。

開閉弁制御部５８は、開閉弁８８の開閉を制御する。開閉弁制御部５８は、極低温冷凍機１００が冷却運転しているときすなわちモータ１８が正回転しているときは、開閉弁８８を開く。

また、開閉弁制御部５８は、極低温冷凍機１００が昇温運転を開始するとすなわちモータ１８が逆回転を開始すると、開閉弁８８を閉じる。これにより、アシスト室６２にガスが供給されなくなる。ここで、アシスト室６２は、シール６６により、駆動機構収容室６０から気密に隔離されている。しかしながら、シール６６が第１ロッド３８の軸方向の移動を許容している以上、厳密には、アシスト室６２と駆動機構収容室６０との間を作動ガスが通りうる。したがって、仮にアシスト室６２が高圧状態のときに開閉弁８８を閉じても、アシスト室６２内の作動ガスが駆動機構収容室６０に漏れ出すことによってアシスト室６２は駆動機構収容室６０とほぼ同じ圧力すなわち低圧に近い状態になる。

したがって、本実施の形態では、昇温運転においてディスプレーサ１２が下死点から上死点に移動する際（モータ１８およびロータバルブ４８が３６０°から１８０°に向けて逆回転を開始する）にアシスト室６２は低圧状態になるため、第１ロッド３８に作用するディスプレーサ１２の移動方とは反対向きの力は軽減される。つまり、比較例の場合よりも、スコッチヨーク機構１４およびモータ１８の回転を妨げる負荷が軽減される。これにより、モータ１８を逆回転させるための消費電力が減少する。また、モータ１８の許容トルクを超えてモータ１８が動かなくなる可能性も低減する。

以上説明した実施の形態に係る極低温冷凍機１００によると、極低温冷凍機１００が昇温運転を開始すると開閉弁８８が閉じられ、アシスト室６２と圧縮機１の吐出側との接続が断たれる。アシスト室６２内の作動ガスは、シール６６と第１ロッド３８との僅かな隙間を通じて駆動機構収容室６０に漏れうる。そのため、アシスト室６２は、駆動機構収容室６０とほぼ同じ圧力すなわち低圧に近い状態になる。これにより、ディスプレーサ１２が下死点から上死点に移動する際にアシスト室６２内の作動ガスがディスプレーサ１２の移動ひいてはスコッチヨーク機構１４およびモータ１８の回転を妨げる負荷となるのが抑止される。

また、実施の形態に係る極低温冷凍機１００よると、開閉弁８８は電磁弁であり、制御装置４がモータ１８の逆回転を開始するとともに開閉弁８８を閉じる。これにより、ユーザが手動で開閉弁８８を閉じる必要がないため、ユーザの負荷が軽減される。

以上、実施の形態に係る極低温冷凍機について説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、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。以下変形例を示す。

（変形例１）
実施の形態では、開閉弁制御部５８が、極低温冷凍機１００が昇温運転を開始するとすなわちモータ１８が逆回転を開始すると、開閉弁８８を閉じる場合について説明したが、これに限られず、任意のタイミングに開閉弁８８を閉じればよい。

望ましくは、開閉弁８８は、アシスト室６２の圧力が予め規定された値（例えば低圧に近い所定の圧力）を下回った状態で閉じられる。さらに望ましくは、開閉弁８８は、アシスト室６２が駆動機構収容室６０と実質的に同じ圧力すなわち低圧状態になった状態で閉じられる。

図７は、変形例に係る極低温冷凍機１００を示す模式図である。極低温冷凍機１００は、図７に示すように、アシスト室６２内の圧力を所定の周期で検出する圧力センサ９０をさらに備えてもよい。この場合、開閉弁制御部５８は、昇温運転が開始され、かつ、圧力センサにより検出されるアシスト室６２の圧力が予め規定された値を下回った状態になると、開閉弁８８を閉じる。

また、極低温冷凍機１００は、図７に示すように、エンコーダ９２をさらに備えてもよい。エンコーダ９２は、モータ１８に予め内蔵されているものであってもよい。ここで、ロータバルブ４８はモータ１８の回転軸１８ａと同期して回転するため、回転軸１８ａの回転角度が分かれば、ロータバルブ４８の回転角が分かり、アシスト室排気用バルブが開いているか否かすなわちアシスト室６２が低圧状態にあるか否かが分かる。したがって、この場合、開閉弁制御部５８は、昇温運転が開始され、かつ、回転軸１８ａの回転角度がアシスト室排気用バルブが開いているべき回転角度になると、開閉弁８８を閉じる。

（変形例２）
実施の形態および上述の変形例では、開閉弁８８を閉じたら閉じたままにする場合について説明したが、これに限られず、開閉弁８８は、昇温運転の一部の期間だけ閉じられてもよい。例えば、アシスト室供給用バルブが開いている間だけ開閉弁８８が閉じられてもよい。具体的には、極低温冷凍機１００が図７のように構成される場合、開閉弁制御部５８は、アシスト室供給用バルブが開く前に開閉弁８８を閉じ、アシスト室排気用バルブが開く前に開閉弁８８を開いてもよい。

（変形例３）
実施の形態では、開閉弁８８が電磁弁である場合について説明したが、これに限られない。開閉弁８８は、ガス流路Ｌ４を開閉できればよく、他のタイプの開閉弁であってもよい。開閉弁８８は例えば、機械式切替弁であってもよい。この場合、例えば、モータ１８が逆回転を開始する前、開始するのと実質的同時に、または開始した直後に、手動で開閉弁８８を閉じればよい。

（変形例４）
実施の形態では、極低温冷凍機１００の膨張機３の段数が一段である場合について説明したが、これに限られず、膨張機３の段数は二段以上であってもよい。

上述した比較例と実施の形態と変形例の任意の組み合わせもまた本発明の実施の形態として有用である。組み合わせによって生じる新たな実施の形態は、組み合わされる実施の形態および変形例それぞれの効果をあわせもつ。

１ 圧縮機、 ３ 膨張機、 １０ シリンダ、 １２ ディスプレーサ、 １４ スコッチヨーク機構、 １６ ハウジング、 １８ モータ、 １９ ロータリバルブ、 ２４ 膨張空間、 ３８ 第１ロッド、 ６０ 駆動機構収容室、 ６２ アシスト室、 ８８ 開閉弁、 １００ 極低温冷凍機、 Ｌ４ ガス流路。

Claims (4)

1. ディスプレーサと、
   前記ディスプレーサを往復移動可能に収容し、前記ディスプレーサとの間に膨張空間を形成するシリンダと、
   前記ディスプレーサを往復駆動するための往復駆動機構と、
   前記往復駆動機構から前記ディスプレーサとは反対側に延出するアシストロッドと、
   前記往復駆動機構を収容する駆動機構収容室と、前記アシストロッドの先端を収容するアシスト室と、を有するハウジングと、
   前記膨張空間と圧縮機の吐出側とが接続され前記アシスト室と前記圧縮機の吸気側とが接続される状態と、前記膨張空間と前記圧縮機の吸気側とが接続され前記アシスト室と前記圧縮機の吐出側とが接続される状態と、を切り替える切替弁と、
   前記切替弁を駆動する可逆モータと、
   前記切替弁と前記アシスト室とを接続するガス流路を開閉する開閉弁と、を備えることを特徴とする極低温冷凍機。
2. 前記切替弁は、前記可逆モータが正回転するときに前記膨張空間で作動ガスが膨張し、前記可逆モータが逆回転するときに前記膨張空間で作動ガスが圧縮するように、前記膨張空間を圧縮機の吐出側または吸気側に接続することを特徴とする請求項１に記載の極低温冷凍機。
3. 前記開閉弁は電磁弁であり、
   当該極低温冷凍機は、前記電磁弁を制御する制御装置をさらに備え、
   前記制御装置は、前記可逆モータが逆回転する少なくとも一部の期間において前記電磁弁を閉じることを特徴とする請求項２に記載の極低温冷凍機。
4. 前記開閉弁は電磁弁であり、
   前記駆動機構収容室は前記圧縮機の吸気側に接続されており、
   当該極低温冷凍機は、
   前記モータおよび前記電磁弁を制御する制御装置と、
   前記アシスト室の圧力に関する情報を検出する検出部と、をさらに備え、
   前記制御装置は、前記検出部による検出結果が前記アシスト室内の圧力が予め規定された値を下回った状態で、前記電磁弁を閉じることを特徴とする請求項１に記載の極低温冷凍機。

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