JP6792990B2

JP6792990B2 - 極低温冷凍機

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Publication number: JP6792990B2
Application number: JP2016195867A
Authority: JP
Inventors: 孝明森江
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2016-10-03
Filing date: 2016-10-03
Publication date: 2020-12-02
Anticipated expiration: 2036-10-03
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Description

本発明は、極低温冷凍機に関する。

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、膨張室の圧力を制御するバルブを備える。こうした圧力制御バルブは、膨張室への高圧冷媒ガス供給と膨張室からの低圧冷媒ガス回収とを交互に切り替えるよう構成されている。極低温冷凍機には、圧力制御バルブを駆動する電磁モータが設けられている。

特開２００５−１６０２７７号公報

極低温冷凍機は、強磁場環境で使用される場合がある。極低温冷凍機は、例えば、強力な磁場を発生させるための超電導コイルを冷却するために用いられる。

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、強磁場環境がもたらす極低温冷凍機の電磁モータへの影響を低減する技術を提供することにある。

本発明のある態様によると、極低温冷凍機は、圧力制御バルブと、前記圧力制御バルブを収容するバルブハウジングと、モータケースと該モータケースから突出するモータ出力軸とを備える電磁モータと、前記モータ出力軸を前記圧力制御バルブに動力伝達可能に接続する減速機構と、前記モータケースの外側で前記電磁モータを包囲する磁気シールドケースであって、前記バルブハウジングに気密接続された磁気シールドケースと、を備える。

本発明のある態様によると、極低温冷凍機は、圧力制御バルブと、前記圧力制御バルブを収容するバルブハウジングと、モータ出力軸を備える電磁モータと、前記モータ出力軸を前記圧力制御バルブに動力伝達可能に接続する減速機構と、前記電磁モータを包囲する磁気シールドケースであって、前記バルブハウジングに気密接続された磁気シールドケースと、を備える。

本発明によれば、強磁場環境がもたらす極低温冷凍機の電磁モータへの影響を低減する技術を提供することができる。

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図である。実施の形態に係る極低温冷凍機の駆動部の分解斜視図を概略的に示す。実施の形態に係る極低温冷凍機の駆動部の分解斜視図を概略的に示す。実施の形態に係る極低温冷凍機に使用されうる減速機の一例の内部構造を概略的に示す。実施の形態に係る極低温冷凍機の駆動部の一部を拡大して示す概略分解斜視図である。実施の形態に係る極低温冷凍機に使用されうるバルブ部の一例を拡大して示す概略分解斜視図である。他の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。

一般に、極低温冷凍機における圧力制御バルブの駆動源として電磁モータ、例えば回転電動機が用いられる。極低温冷凍機の用途の一例は、強い磁場を発生する超伝導コイルの冷却である。そのような強磁場環境で極低温冷凍機が運転されるとき、磁場がモータの定格トルクを低減するよう影響しうる。不十分なトルクはモータに脱調や滑りを生じさせうる。例えばＧＭ冷凍機の場合、圧力制御バルブおよびディスプレーサの一定速度での運転が阻害され、冷凍能力が低下されうる。

強磁場がモータに作用するのを防ぐために磁気シールドが極低温冷凍機に設置されうる。強磁場の作用を効果的に防ぐためには、磁気シールドは十分な厚さをもつことが望まれる。しかし、そうした磁気シールドは、極低温冷凍機の顕著な重量および寸法の増加という副作用をもたらしうる。また、強磁場によって磁気シールドが磁化され、不所望の強い電磁吸引力が発生するかもしれない。

そこで実施の形態に係る極低温冷凍機は、外部磁場の遮蔽および冷媒ガスの気密保持の両方の効果を実現する極低温冷凍機駆動部ハウジング構造を備える。このようにすれば、気密容器である冷凍機ハウジングの外側に磁気シールドを別個に設置する場合に比べて、極低温冷凍機駆動部をより小さい外形寸法に収めることができる。また、極低温冷凍機駆動部ハウジング構造が外部磁場遮蔽と気密保持の両機能を兼ね備えるから、磁気シールドの過度の大型化も防止される。

また実施の形態においては、極低温冷凍機駆動部が直動機構で構成されるのではなく、バルブ駆動用の電磁モータが減速機構を介して圧力制御バルブに接続されている。モータから出力されるトルクが減速機構によって増幅されるから、極低温冷凍機駆動部にはバルブ駆動電磁モータとしてより小型のモータを採用することができる。モータが小型であれば、それを囲むのに必要な磁気シールドの寸法も小さくなる。

本発明者の検討によると、磁気シールドの厚さを一定とするとき磁気シールドの小径化はシールド効率の向上をもたらす。シールド効率とは、磁気シールドによってシールド内で磁場が低減される度合いを表す値であり、例えば、遮蔽すべき外部磁場とシールド内での低減された磁場との差の、外部磁場に対する比である。シールド効率の向上は、所望の磁気シールド性能をもつ磁気シールドを、より少量のシールド材料で形成することを可能にする。したがって、極低温冷凍機駆動部に減速機構を組み込むことによって、小型で軽量の磁気シールドによって外部の強磁場を遮蔽することができる。また、磁気シールドおよび駆動モータを備える極低温冷凍機を、既存の極低温冷凍機と同等のサイズまたは好ましくはそれより小さいサイズで実現することができる。

このようにして、実施の形態に係る極低温冷凍機は、強磁場環境がもたらす極低温冷凍機の電磁モータへの影響を低減することができる。

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から図６は、実施の形態に係る極低温冷凍機を説明するための図である。図１は、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図である。図２および図３は、実施の形態に係る極低温冷凍機の駆動部の分解斜視図を概略的に示す。図４は、実施の形態に係る極低温冷凍機に使用されうる減速機の一例の内部構造を概略的に示す。図５は、実施の形態に係る極低温冷凍機の駆動部の一部を拡大して示す概略分解斜視図である。図６は、実施の形態に係る極低温冷凍機に使用されうるバルブ部の一例を拡大して示す概略分解斜視図である。

以下では、極低温冷凍機としてＧＭ冷凍機１０を例に挙げて説明する。しかしながら、実施の形態に係る極低温冷凍機はＧＭ冷凍機に限られない。本発明はバルブの駆動にモータを用いるタイプの極低温冷凍機であれば適用でき、例えばソルベイ冷凍機、パルス管冷凍機にも適用できる。

ＧＭ冷凍機１０は、圧縮機１、シリンダ２、および駆動部ハウジング３を備える。

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、例えば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。また、知られているように、低圧配管１ａおよび高圧配管１ｂのガス圧力はともに大気圧よりかなり高い。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。

ＧＭ冷凍機１０は、２段式である。よって、シリンダ２は高温側シリンダ１１と低温側シリンダ１２の二つのシリンダを有している。高温側シリンダ１１の内部には、高温側ディスプレーサ１３が挿入される。また、低温側シリンダ１２の内部には、低温側ディスプレーサ１４が挿入される。なお、いうまでもないが、本発明は、単段式またはその他の冷凍機にも適用可能である。

高温側ディスプレーサ１３および低温側ディスプレーサ１４は相互に連結されており、それぞれ高温側シリンダ１１および低温側シリンダ１２の内部で、各シリンダの軸方向に往復移動可能な構成とされている。高温側ディスプレーサ１３および低温側ディスプレーサ１４の内部には、それぞれ高温側内部空間１５および低温側内部空間１６が形成されている。高温側内部空間１５および低温側内部空間１６には蓄冷材が充填されており、それぞれ高温側蓄冷器１７および低温側蓄冷器１８として機能する。

上部に位置する高温側ディスプレーサ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。

高温側シリンダ１１の低温側端部（図１に矢印Ｚ２で示す方向側の端部）には、高温側膨張空間２１が形成されている。また、高温側シリンダ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。低温側シリンダ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、低温側膨張空間２２が形成されている。

高温側ディスプレーサ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、高温側ディスプレーサ１３の低温端側（Ｚ２方向側端部）には、高温側内部空間１５と高温側膨張空間２１とを連通するガス流路Ｌ２が形成されている。

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

高温側冷却ステージ１９は、高温側シリンダ１１の外周面で、高温側膨張空間２１と対向する位置に配設されている。また低温側冷却ステージ２０は、低温側シリンダ１２の外周面で低温側膨張空間２２と対向する位置に配設されている。

上記の高温側ディスプレーサ１３および低温側ディスプレーサ１４は、スコッチヨーク機構３２により高温側シリンダ１１および低温側シリンダ１２内を図中上下方向（矢印Ｚ１、Ｚ２方向）に移動する。

駆動部ハウジング３は、モータ収容部としての磁気シールドケース７１、減速機ケース７２、およびバルブハウジング７３を備える。磁気シールドケース７１は、減速機ケース７２を介してバルブハウジング７３に気密接続されている。すなわち、磁気シールドケース７１は、減速機ケース７２に気密接続され、減速機ケース７２は、バルブハウジング７３に気密接続されている。

減速機ケース７２は、減速機ケース本体７２ａおよび磁気シールド部材７２ｂを備える。減速機ケース本体７２ａは、磁気シールド部材７２ｂに気密接続されている。

磁気シールドケース７１および磁気シールド部材７２ｂは、鉄材などの磁性材料で形成されている。よって、磁気シールドケース７１は、ＧＭ冷凍機１０の駆動源である電磁モータ（以下単に「モータ」ともいう）３１の磁気シールドを、磁気シールド部材７２ｂとともに形成する。一方、減速機ケース本体７２ａおよびバルブハウジング７３は、ステンレス鋼、アルミニウム合金などの非磁性材料で形成されている。よって、減速機ケース７２は、バルブハウジング７３に隣接する部分が非磁性材料で形成され、磁気シールドケース７１に隣接する部分が磁性材料で形成されている。

気密接続は、Ｏリング、溶接など種々の適切な手法で実現される。たとえば、磁気シールドケース７１と磁気シールド部材７２ｂの気密接続のために、Ｏリングなどの第１シール部７４が磁気シールドケース７１と磁気シールド部材７２ｂの間に設けられている。磁気シールドケース７１は、ボルトなど締結部材（図示せず）を用いて磁気シールド部材７２ｂに固定される。Ｏリングを受け入れる第１Ｏリング溝７５が磁気シールドケース７１のフランジ部７１ａに形成されている。

同様に、バルブハウジング７３と減速機ケース本体７２ａの気密接続のために、Ｏリングなどの第２シール部７６がバルブハウジング７３と減速機ケース本体７２ａの間に設けられている。バルブハウジング７３は、ボルトなど締結部材（図示せず）を用いて減速機ケース本体７２ａに固定される。Ｏリングを受け入れる第２Ｏリング溝７７がバルブハウジング７３に形成されている。

減速機ケース本体７２ａおよび磁気シールド部材７２ｂは溶接により互いに固定されている。

こうして駆動部ハウジング３は、ＧＭ冷凍機１０の駆動部を収容する気密性を持った気密容器として構成されている。そこで、以下本書において駆動部ハウジング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。図１においては、バルブハウジング７３が低圧配管１ａに接続されているが、駆動部ハウジング３の他の部分、例えば、磁気シールドケース７１、または減速機ケース７２が低圧配管１ａに接続されてもよい。

またＧＭ冷凍機１０の駆動部は、モータ３１に加えて、減速機であるギアボックス５、スコッチヨーク機構３２、および、圧力制御バルブの一例であるロータリーバルブ４０を含む。後述のように、ロータリーバルブ４０によって、高温側膨張空間２１および低温側膨張空間２２の圧力を制御することができる。図１に示すように、モータ３１は、磁気シールドケース７１に収容され、スコッチヨーク機構３２およびロータリーバルブ４０は、駆動部ハウジング３に収容される。駆動部ハウジング３は、圧力制御バルブを収容するバルブハウジングとして設けられている。ギアボックス５は、減速機ケース７２に加えて、減速機構６を備える。減速機構６は、減速機ケース７２に収容されている。

モータ３１は、モータケース３１ａと、モータケース３１ａから突出するモータ出力軸３１ｂと、を備える。モータケース３１ａは、モータ３１の外表面を定めている。モータケース３１ａには、ステータおよびロータからなるモータ本体（図示せず）が収容される。モータ出力軸３１ｂは、モータケース３１ａに対し回転可能である。モータ出力軸３１ｂは、ロータとともに回転する。磁気シールドケース７１は、モータケース３１ａの外側でモータ３１を包囲する。

図示されるように、磁気シールドケース７１とモータケース３１ａの間には隙間がある。あるいは、磁気シールドケース７１の内面がモータケース３１ａに接触してもよい。

モータ３１は、モータケース３１ａを備えなくてもよい。この場合、モータ３１のステータが磁気シールドケース７１に露出され、磁気シールドケース７１がモータ本体を包囲してもよい。

磁気シールドケース７１は、一端が開放され他端が閉じられた円筒状の形状を有する。ただし、磁気シールドケース７１の形状は任意であり、直方体状その他の形状であってもよい。磁気シールドケース７１の閉塞端には、モータ３１の給電及び／又は制御のための配線をモータ３１に接続するためにモータコネクタ７８が設けられている。磁気シールドケース７１の開放端にはフランジ部７１ａが全周にわたり設けられている。上述のようにフランジ部７１ａには第１Ｏリング溝７５が形成されており、フランジ部７１ａに沿って環状に第１シール部７４が配置されている。

磁気シールド部材７２ｂは、モータ出力軸３１ｂが貫通する貫通穴７９を有し、モータケース３１ａと減速機構６との間に配置されている。磁気シールド部材７２ｂは平板状の部材である。磁気シールド部材７２ｂの片面には、モータ３１、具体的にはモータケース３１ａが取り付けられ、磁気シールド部材７２ｂの反対側の面は、減速機構６に対向している。貫通穴７９は磁気シールド部材７２ｂの概ね中心部に形成されている。貫通穴７９にはモータ出力軸３１ｂを支持する軸受５８が配置されている。磁気シールド部材７２ｂには、軸受５８を支持する軸受ホルダ５９が貫通穴７９を囲むように形成されている。

減速機構６は、モータ出力軸３１ｂをロータリーバルブ４０に動力伝達可能に接続する。減速機構６は、ピニオン６４、伝動ベルト６５、および減速ギア６６を備える。ピニオン６４は、モータ出力軸３１ｂに接続されている。伝動ベルト６５は例えばタイミングベルトであり、減速ギア６６はピニオン６４より大径である。ピニオン６４は伝動ベルト６５と噛み合い、減速ギア６６は伝動ベルト６５と噛み合い、ピニオン６４と減速ギア６６は互いに接触していない。このようにして、ベルト伝動式の減速機構が構成されている。ベルト伝動式の減速機構は、潤滑剤（たとえばオイルまたはグリース）が不要となるかまたは使用量を最小化することができるので、ＧＭ冷凍機１０の冷媒ガスの潤滑剤汚染が生じにくい点で、好ましい。なお、減速機構６は、ベルト伝動式には限られず、歯車機構またはその他任意の減速機構であってもよい。

減速ギア６６は、駆動回転軸３９に接続されている。減速機ケース本体７２ａは、駆動回転軸３９が貫通する貫通穴８０を有する。貫通穴８０には駆動回転軸３９を支持する軸受６０が配置されている。減速機ケース本体７２ａには、軸受６０を支持する軸受ホルダ６１が貫通穴８０を囲むように形成されている。駆動回転軸３９がモータ出力軸３１ｂから偏心した位置に配置されているから、貫通穴８０も同様に貫通穴７９から偏心した場所に形成されている。減速機ケース本体７２ａは一端が開放され他端が閉じられた直方体状の形状を有するが、これに限られず、その他の形状を有してもよい。減速機ケース本体７２ａの開放側が磁気シールド部材７２ｂによって閉塞され、反対側に貫通穴８０が形成されている。

モータ３１は回転駆動力を発生し、それによりモータ出力軸３１ｂが回転する。モータ出力軸３１ｂとともに減速機構６のピニオン６４が回転し、伝動ベルト６５を介して減速ギア６６が回転する。減速ギア６６とともに駆動回転軸３９が回転する。このようにして、モータ３１の回転運動は減速機構６によって減速され、スコッチヨーク機構３２およびロータリーバルブ４０へと伝達される。すなわち、モータ３１の出力トルクが減速機構６によって増幅され、増幅されたトルクでスコッチヨーク機構３２およびロータリーバルブ４０が駆動される。

図５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。

クランク３３は、駆動回転軸３９に固定される。クランク３３は、駆動回転軸３９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３９に取り付けると、駆動回転軸３９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３９は、その長手方向に複数の場所で回転自在に支持されてもよい。

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。これらはバルブハウジング７３に収容される。

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、バルブハウジング７３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、バルブハウジング７３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３６ｂ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はバルブハウジング７３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、高温側ディスプレーサ１３および低温側ディスプレーサ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５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３９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。

高温側ディスプレーサ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、高温側ディスプレーサ１３及びこれに連結された低温側ディスプレーサ１４も高温側シリンダ１１及び低温側シリンダ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。ロータリーバルブ４０は、低圧の冷媒ガスの流路と高圧の冷媒ガスの流路とを切り換えるものである。ロータリーバルブ４０は、モータ３１によって駆動される。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高温側ディスプレーサ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。

ロータリーバルブ４０は、図１に加えて図６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。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、バルブハウジング７３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。

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とバルブハウジング７３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、高温側蓄冷器１７等を介して高温側膨張空間２１に接続されている。

一方、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）。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。

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３９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、高温側ディスプレーサ１３および低温側ディスプレーサ１４は、高温側シリンダ１１および低温側シリンダ１２内を下死点ＬＰと上死点ＵＰとの間で往復移動する。

高温側ディスプレーサ１３および低温側ディスプレーサ１４が下死点ＬＰに達する前に、排気弁が閉じ、その後、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、高温側ディスプレーサ１３および低温側ディスプレーサ１４は下死点ＬＰを過ぎて上昇を始め、冷媒ガスは高温側蓄冷器１７および低温側蓄冷器１８を上から下に通過し、それぞれ高温側膨張空間２１および低温側膨張空間２２に充填されてゆく。

そして、高温側ディスプレーサ１３および低温側ディスプレーサ１４が上死点ＵＰに達する際に、供給弁は閉じる。それと同時、もしくはその後、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、高圧の冷媒ガスは高温側膨張空間２１および低温側膨張空間２２内で膨脹することによって寒冷を発生させ、高温側冷却ステージ１９および低温側冷却ステージ２０を冷却する。また、寒冷を発生させた低温の冷媒ガスは、高温側蓄冷器１７および低温側蓄冷器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、高温側ディスプレーサ１３および低温側ディスプレーサ１４が下死点ＬＰに達する前に、排気弁が閉じ、その後、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の高温側冷却ステージ１９および低温側冷却ステージ２０は極低温に冷却される。ＧＭ冷凍機１０の高温側冷却ステージ１９および低温側冷却ステージ２０は、それぞれ高温側膨張空間２１および低温側膨張空間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、高温側シリンダ１１および低温側シリンダ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高温側ディスプレーサ１３および低温側ディスプレーサ１４の往復移動に変換し、これと同期した高温側膨張空間２１および低温側膨張空間２２の圧力変動を生成することで、高温側冷却ステージ１９および低温側冷却ステージ２０を冷却する。低温側冷却ステージ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、ＧＭ冷凍機１０およびその駆動部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。

しかしながら、ＧＭ冷凍機１０には磁気シールドが設けられている。磁気シールドケース７１および磁気シールド部材７２ｂによってモータ３１が囲われているので、超伝導コイルの強磁場にモータ３１はさらされない。強磁場によるモータ３１の定格トルク低減を防ぐことができるので、ＧＭ冷凍機１０の冷凍能力の低下も防がれる。

また、ＧＭ冷凍機１０の磁気シールド、すなわち磁気シールドケース７１および磁気シールド部材７２ｂは、気密容器４の一部を構成する。気密容器４は、磁気シールド、減速機ケース７２、およびバルブハウジング７３の相互接続によって形成されている。したがって、気密容器４とは別個に磁気シールドをＧＭ冷凍機１０に設置する場合に比べて、ＧＭ冷凍機１０のサイズを小さくすることができる。たとえば、仮に、気密容器４の外側を磁気シールドで覆うとしたら、大型で重い磁気シールドが必要となるであろう。逆に、気密容器４の中に磁気シールドを設けるとしたら、気密容器４が大型になるであろう。

さらに、ＧＭ冷凍機１０の駆動部に減速機構６を組み込むことによって、モータ３１の小型化が可能となる。これにより、上述のように、小型で軽量の磁気シールドを採用することができる。磁気シールドおよび駆動モータを備えるＧＭ冷凍機１０を、既存の極低温冷凍機と同等のサイズまたは好ましくはそれより小さいサイズで実現することができる。

図７は、他の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図である。この実施の形態は、減速機構６の配置を除いて、図１乃至図６を参照して説明した実施の形態と同様である。以下の説明では同様の箇所については冗長を避けるため説明を適宜省略する。図１乃至図６を参照して説明した実施の形態及びそれに付随して説明した各変形例は、以下に述べる実施の形態にも適宜組み合わせることが可能である。

図１に示すＧＭ冷凍機１０と同様に、図７に示すＧＭ冷凍機１０は、モータ３１とロータリーバルブ４０との間に配置され、モータ出力軸３１ｂをロータリーバルブ４０に動力伝達可能に接続する減速機構６を備える。減速機構６は、ピニオン６４、伝動ベルト６５、および減速ギア６６を備える。

ただし、減速機構６は、バルブハウジング７３に収容されている。このように、ＧＭ冷凍機１０は、減速機構６の専用の収容ケースを有しなくてもよい。言い換えれば、図１に示す減速機ケース７２は、バルブハウジング７３と一体化されていてもよい。よって、駆動部ハウジング３は、磁気シールドケース７１およびバルブハウジング７３を備える。

バルブハウジング７３は、非磁性材料で形成されたバルブハウジング本体７３ａと、磁性材料で形成された磁気シールド部材７２ｂと、を備える。バルブハウジング本体７３ａは、スコッチヨーク機構３２、ロータリーバルブ４０、および減速機構６を収容する。磁気シールド部材７２ｂは、バルブハウジング本体７３ａに気密接続されている。磁気シールド部材７２ｂは、バルブハウジング本体７３ａに溶接により固定されていてもよい。磁気シールドケース７１は、磁気シールド部材７２ｂに気密接続されている。Ｏリングなどの第１シール部７４が磁気シールドケース７１と磁気シールド部材７２ｂの間に設けられている。このようにして、気密容器４は、磁気シールドケース７１とバルブハウジング７３との相互の気密接続によって形成されている。

磁気シールド部材７２ｂは、モータ出力軸３１ｂが貫通する貫通穴７９を有し、モータケース３１ａと減速機構６との間に配置されている。貫通穴７９にはモータ出力軸３１ｂを支持する軸受５８が配置されている。磁気シールド部材７２ｂには、軸受５８を支持する軸受ホルダ５９が貫通穴７９を囲むように形成されている。モータ出力軸３１ｂにはピニオン６４が接続されている。減速ギア６６は、駆動回転軸３９に接続されている。バルブハウジング７３はその内部に軸受ホルダ６１を備える。軸受ホルダ６１は、駆動回転軸３９が貫通する貫通穴８０を囲むように形成されている。貫通穴８０には駆動回転軸３９を支持する軸受６０が配置されている。

図７に示す実施の形態においても、磁気シールドケース７１および磁気シールド部材７２ｂによってモータ３１を外部磁場から保護することができる。

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。

外部磁場の大きさ及び／又は方向によっては、磁気シールド部材７２ｂは必須ではない。例えば、モータ出力軸３１ｂに平行な軸方向に作用する外部磁場の成分が顕著でなく、モータ出力軸３１ｂに垂直な面内方向に作用する外部磁場の成分が顕著である場合には、磁気シールドケース７１のみによって外部磁場が十分に遮蔽されうる。こうした場合には、上述の実施の形態における磁気シールド部材７２ｂにあたる部分が非磁性材料で形成され、減速機ケース７２及び／またはバルブハウジング７３の全体が非磁性材料で形成されていてもよい。また、磁気シールドケース７１の少なくとも一部が非磁性材料で形成され、磁気シールドケース７１は、非磁性材料の部分と磁性材料の部分とを備えてもよい。

３駆動部ハウジング、４気密容器、６減速機構、１０ＧＭ冷凍機、３１モータ、３１ａモータケース、３１ｂモータ出力軸、６４ピニオン、６５伝動ベルト、６６減速ギア、７１磁気シールドケース、７２減速機ケース、７２ａ減速機ケース本体、７２ｂ磁気シールド部材、７３バルブハウジング、７４第１シール部、７６第２シール部、７９，８０貫通穴。

Claims

圧力制御バルブと、
前記圧力制御バルブを収容するバルブハウジングと、
モータケースと該モータケースから突出するモータ出力軸とを備える電磁モータと、
前記モータ出力軸を前記圧力制御バルブに動力伝達可能に接続する減速機構と、
前記減速機構を収容する減速機ケースと、
前記モータケースの外側で前記電磁モータを包囲する磁気シールドケースであって、前記バルブハウジングに前記減速機ケースを介して気密接続された磁気シールドケースと、を備え、
前記バルブハウジング、前記減速機ケースおよび前記磁気シールドケースを備える駆動部ハウジングが、圧縮機の吸気口と低圧配管を介して連通している気密容器を構成することを特徴とする極低温冷凍機。
前記減速機ケースは、
非磁性材料で形成された減速機ケース本体と、
磁性材料で形成され、前記減速機ケース本体に気密接続された磁気シールド部材であって、前記モータ出力軸が貫通する貫通穴を有し、前記モータケースと前記減速機構との間に配置された磁気シールド部材と、を備え、
前記磁気シールドケースは、前記磁気シールド部材に気密接続されていることを特徴とする請求項１に記載の極低温冷凍機。
前記減速機ケースは、前記バルブハウジングと一体化されていることを特徴とする請求項１に記載の極低温冷凍機。
前記バルブハウジングは、
非磁性材料で形成されたバルブハウジング本体と、
磁性材料で形成され、前記バルブハウジング本体に気密接続された磁気シールド部材であって、前記モータ出力軸が貫通する貫通穴を有し、前記モータケースと前記減速機構との間に配置された磁気シールド部材と、を備え、
前記磁気シールドケースは、前記磁気シールド部材に気密接続されていることを特徴とする請求項３に記載の極低温冷凍機。
圧力制御バルブと、
前記圧力制御バルブを収容するバルブハウジングと、
モータ出力軸を備える電磁モータと、
前記モータ出力軸を前記圧力制御バルブに動力伝達可能に接続する減速機構と、
前記減速機構を収容する減速機ケースと、
前記電磁モータを包囲する磁気シールドケースであって、前記バルブハウジングに前記減速機ケースを介して気密接続された磁気シールドケースと、を備え、
前記バルブハウジング、前記減速機ケースおよび前記磁気シールドケースを備える駆動部ハウジングが、圧縮機の吸気口と低圧配管を介して連通している気密容器を構成することを特徴とする極低温冷凍機。
前記減速機構は、伝動ベルトを備えることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の極低温冷凍機。