JP6842373B2 - 極低温冷凍機 - Google Patents

Description

本発明は、極低温冷凍機に関する。

従来から、コールドヘッドと圧縮機を備える極低温冷凍機が知られている。

特開２００５−２４２３９号公報 特表２００７−５１８９５６号公報

発明者は極低温冷凍機について以下のような認識を得た。回転する物体を冷却するために、コールドヘッドが回転部に設置される場合がある。コールドヘッドだけでなく圧縮機も回転部に設置したとすると、回転部の重量がかなり重くなる。回転部の重量増は回転駆動源の大型化を招くので、望まれない。そこで、圧縮機を静止部に設置することが考えられる。この場合、回転するコールドヘッドへの作動ガス供給と排出のための配管接続やコールドヘッドへの制御配線接続など、極低温冷凍機の構成が複雑になりがちである。複雑な構成は、製造コストの増加、信頼性の低下など、極低温冷凍機の性能に影響を与えうる。

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、回転する物体を冷却するための極低温冷凍機に関して、より簡素な構造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、回転部に設置されるコールドヘッドと、前記回転部を回転可能に支持する回転支持部に設置されるバルブユニットと、前記バルブユニットから前記コールドヘッドに作動ガスを供給するために前記バルブユニットを前記コールドヘッドに接続するロータリージョイントと、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、回転する物体を冷却するための極低温冷凍機に関して、より簡素な構造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。また、以下の説明において参照する図面において、各構成部材の大きさや厚みは説明の便宜上のものであり、必ずしも実際の寸法や比率を示すものではない。

図１は、実施の形態に係る極低温冷凍機を概略的に示す図である。

極低温冷凍機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および圧縮機吸入口１２ｂを有する。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（単に、シリンダと称することもある）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、コールドヘッド１４は、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。

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は軸方向に延在する円柱状の部材である。ピストンシリンダ２８は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によって軸方向に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。また、シール部材に代えて、連結ロッド２４と連結ロッドガイド３０の隙間をごく小さくして、隙間をクリアランスシールとして機能させてもよい。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、両リテーナに挟持された蓄冷材と、を備える。図１において蓄冷材は、入口リテーナ４１と出口リテーナ４３に挟まれた、ドットを付した領域として図示されている。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を収容する駆動室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。駆動ピストン２２を駆動するよう駆動室４６の圧力が制御される。

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。

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、例えばスリッパーシールであり、駆動ピストン２２の側面に装着されている。駆動ピストン２２とピストンシリンダ２８とのクリアランスが第３シール部５０によって封じられているので、駆動室４６とガスばね室４８との直接のガス流通はない。また、第１シール部３２が設けられているので、ガスばね室４８と室温室３６とのガス流通もない。このようにして、ガスばね室４８は、ディスプレーサシリンダ２６に対し気密に形成されている。ガスばね室４８は、第１シール部３２および第３シール部５０によって密封されている。

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。

なお、第３シール部５０は設けられていなくてもよい。駆動ピストン２２とピストンシリンダ２８の間にクリアランスが保持されてもよい。このクリアランスが駆動室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してもよい。

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極低温冷凍機１０は冷凍能力が最も高くなる。ただし、極低温冷凍機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。

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。

さらに、極低温冷凍機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、膨張室３４と駆動室４６の圧力差を制御するよう構成されたバルブユニット５４を備える。バルブユニット５４は、コールドヘッド１４と別体に設けられコールドヘッド１４と配管で接続されている。バルブユニット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る。

バルブユニット５４は、主圧力切換バルブ６０と副圧力切換バルブ６２を備える。主圧力切換バルブ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。副圧力切換バルブ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。

主圧力切換バルブ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は主圧力切換バルブ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。

主圧力切換バルブ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。主圧力切換バルブ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および圧縮機吸入口１２ｂと交互に接続される。

副圧力切換バルブ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は副圧力切換バルブ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。

副圧力切換バルブ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。副圧力切換バルブ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および圧縮機吸入口１２ｂと交互に接続される。

バルブユニット５４は、ロータリーバルブの形式をとってもよい。すなわち、バルブユニット５４は、バルブ本体に対するバルブディスクの回転摺動によってバルブＶ１〜Ｖ４が適正に切り替わるよう構成されていてもよい。その場合、バルブユニット５４は、バルブユニット５４（例えばバルブディスク）を回転駆動するための回転駆動源５６を備えてもよい。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には接続されていない。また、バルブユニット５４は、バルブユニット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、バルブユニット５４は、複数の個別に制御可能なバルブＶ１〜Ｖ４を備え、制御部５８がバルブＶ１〜Ｖ４それぞれの開閉を制御してもよい。この場合、バルブユニット５４は、回転駆動源５６を備えなくてもよい。

バルブユニット５４は、種々の公知の構成を採用することができる。

上記の構成をもつ極低温冷凍機１０の動作の一例を説明する。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、コールドヘッド１４の吸気工程が開始される。主吸気開閉バルブＶ１が開き、高圧ガスが圧縮機１２の吐出口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。

主吸気開閉バルブＶ１が開くと同時に、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１２の吸入口に接続される。よって駆動室４６は、室温室３６および膨張室３４に対し低圧となる。駆動ピストン２２が下死点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および副排気開閉バルブＶ４は閉じられる。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、コールドヘッド１４の排気工程が開始される。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。

主排気開閉バルブＶ２が開くと同時に、副吸気開閉バルブＶ３が開き、高圧ガスが圧縮機１２の吐出口からピストンシリンダ２８の駆動室４６に供給される。よって駆動室４６は、室温室３６および膨張室３４に対し高圧となる。駆動ピストン２２が上死点ＵＰ２から下死点ＬＰ２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も上死点ＵＰ１から下死点ＬＰ１に向けて動く。主排気開閉バルブＶ２および副吸気開閉バルブＶ３は閉じられる。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。

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、極低温冷凍機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。

作動ガス回路５２には、セルフシーリング・カップリングのような脱着可能な継手６８が設けられている。脱着可能な継手６８は、バルブユニット５４とコールドヘッド１４との間で主吸排気流路６４および副吸排気流路６６それぞれに設けられている。また、脱着可能な継手６８は、圧縮機１２とバルブユニット５４との間で主吸排気流路６４および副吸排気流路６６それぞれに設けられている。

したがって、バルブユニット５４は、圧縮機１２から取り外し可能に接続され、コールドヘッド１４からも取り外し可能に接続されている。作業者は、バルブユニット５４を圧縮機１２およびコールドヘッド１４から取り外してメンテナンスを施すことができる。あるいは、作業者は、バルブユニット５４を圧縮機１２およびコールドヘッド１４から取り外して、新品のまたはメンテナンス済みの他のバルブユニットと交換することができる。

図２は、実施の形態に係る極低温冷凍機を概略的に示す図である。図２に示される極低温冷凍機１０は、図１に示されるものと同様に、ガス駆動型のＧＭ冷凍機である。よって、極低温冷凍機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。また、極低温冷凍機１０は、バルブユニット５４およびロータリージョイント７０を備える。

極低温冷凍機１０は、回転支持部１００と回転部１０２を有する装置に設置されている。回転支持部１００は例えば静止部である。回転部１０２は、回転支持部１００に回転可能に支持されている。回転部１０２は所定の回転軸まわりに回転可能に回転支持部１００に支持されている。

回転部１０２の回転軸の方向は例えば、図２における上下方向である。ただし、回転部１０２の回転軸は任意の方向に向けられていてもよい。例えば、回転軸は水平面に平行であってもよい。

極低温冷凍機１０は、回転部１０２に設けられた回転する物体１０４を冷却する。物体１０４は例えば超伝導装置（例えば超電導コイル）である。そのため、コールドヘッド１４は、回転部１０２に設置されている。圧縮機１２およびバルブユニット５４は、回転支持部１００に設置されている。

回転部１０２は、回転テーブル１０６と真空容器１０８を備え、回転支持部１００は、支持表面１１０、支持体１１２、および支持台１１４を備える。回転テーブル１０６は、回転部１０２の回転軸まわりに回転可能に軸受１１６を介して支持体１１２に支持されている。真空容器１０８は回転テーブル１０６に取り付けられている。コールドヘッド１４は、その低温部が真空容器１０８に収容されるように真空容器１０８に取り付けられている。極低温冷凍機１０によって冷却されるべき物体１０４も真空容器１０８に収容されている。物体１０４は、コールドヘッド１４の低温部に熱的に連結されるとともに、回転テーブル１０６に物体支持部材１１８によって支持されている。物体支持部材１１８は、熱伝導率が小さい材料（例えば、ガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ））で形成されている。また、回転テーブル１０６は、回転部１０２の回転軸を中心とするテーブル開口１２０を有する。一方、支持体１１２は支持表面１１０に支持されている。支持台１１４もまた支持表面１１０に支持されている。圧縮機１２およびバルブユニット５４は、支持表面１１０に取り付けられている。

圧縮機１２は、高圧作動ガスをコールドヘッド１４に供給する。高圧作動ガスは、高圧ＰＨを有し、高圧ＰＨは、極低温冷凍機１０の周囲圧力Ｐａより高い。極低温冷凍機１０の周囲圧力Ｐａは例えば大気圧または０．１ＭＰａである。高圧ＰＨは例えば、周囲圧力Ｐａの１０倍の圧力（１ＭＰａ）、または、周囲圧力Ｐａの２０倍の圧力（２ＭＰａ）より大きい。

コールドヘッド１４における断熱膨張によって、高圧作動ガスは低圧作動ガスへと減圧される。低圧作動ガスは、低圧ＰＬを有し、低圧ＰＬは、極低温冷凍機１０の周囲圧力Ｐａより高く高圧ＰＨより低い。低圧ＰＬは例えば、周囲圧力Ｐａの１０倍の圧力（１ＭＰａ）、または、周囲圧力Ｐａの２０倍の圧力（２ＭＰａ）より小さい。

作動ガス回路５２は、圧縮機１２からコールドヘッド１４に高圧作動ガスを送出すると共にコールドヘッド１４から圧縮機１２に低圧作動ガスを還流するよう圧縮機１２をコールドヘッド１４に接続する。作動ガス回路５２は、圧縮機１２とコールドヘッド１４との間で作動ガスを循環させるための配管系である。作動ガス回路５２は、バルブユニット５４およびロータリージョイント７０に加えて、第１回転支持部ガスライン１２２、第２回転支持部ガスライン１２４、第１回転部ガスライン１２６、第２回転部ガスライン１２８、高圧ライン１３０、および低圧ライン１３２を備える。

ロータリージョイント７０は、バルブユニット５４からコールドヘッド１４に作動ガスを供給するためにバルブユニット５４をコールドヘッド１４に接続する。また、ロータリージョイント７０は、コールドヘッド１４からバルブユニット５４に作動ガスを排出するためにバルブユニット５４をコールドヘッド１４に接続する。ロータリージョイント７０は、第１ガス流路７２と第２ガス流路７４を有する。

第１回転支持部ガスライン１２２および第２回転支持部ガスライン１２４は回転支持部１００に配置されている。第１回転支持部ガスライン１２２は、バルブユニット５４の副吸気開閉バルブＶ３および副排気開閉バルブＶ４をロータリージョイント７０の第１ガス流路７２に接続する。第２回転支持部ガスライン１２４は、バルブユニット５４の主吸気開閉バルブＶ１および主排気開閉バルブＶ２をロータリージョイント７０の第２ガス流路７４に接続する。

第１回転部ガスライン１２６および第２回転部ガスライン１２８は回転部１０２に配置されている。第１回転部ガスライン１２６は、コールドヘッド１４の駆動室４６をロータリージョイント７０の第１ガス流路７２に接続する。第２回転部ガスライン１２８は、コールドヘッド１４の膨張室３４をロータリージョイント７０の第２ガス流路７４に接続する。第１回転部ガスライン１２６および第２回転部ガスライン１２８はそれぞれテーブル開口１２０を通じて第１ガス流路７２および第２ガス流路７４に接続されている。

また、高圧ライン１３０は、バルブユニット５４の主吸気開閉バルブＶ１および副吸気開閉バルブＶ３を圧縮機吐出口１２ａに接続する。低圧ライン１３２は、バルブユニット５４の主排気開閉バルブＶ２および副排気開閉バルブＶ４を圧縮機吸入口１２ｂに接続する。

ロータリージョイント７０は、ロータ７６とステータ７８を備える。ロータ７６は、回転部１０２の回転軸と同軸に配設される軸部材である。ロータ７６の一端が回転部１０２に固定されている。ロータ７６は、回転部１０２の回転軸を中心軸とする円筒状の外周面を有する。ステータ７８は、回転支持部１００に固定される非回転部材である。ステータ７８は、回転部１０２の回転軸と同軸に配設されロータ７６を囲む中空部材である。ステータ７８は、回転部１０２の回転軸を中心軸とする円筒状の内周面を有する。

ロータ７６とステータ７８との間にはクリアランス８０が形成されている。ステータ７８は、クリアランス８０を形成するようロータ７６と隣接配置されている。クリアランス８０は、ステータ７８に対するロータ７６の軸まわりの回転運動を許容するための僅かな径方向隙間であり、ステータ７８の内径はロータ７６の外径よりわずかに大きい。第１ガス流路７２は駆動室４６をクリアランス８０に連通させ、第２ガス流路７４は膨張室３４をクリアランス８０に連通させる。

また、ロータリージョイント７０は、第１ガス流路７２と第２ガス流路７４を互いに分離するために第１シール８２および第２シール８４を備える。第１シール８２は、クリアランス８０に配置され、周囲圧力から第１ガス流路７２をシールする。第２シール８４は、クリアランス８０に配置され、第１ガス流路７２から第２ガス流路７４をシールする。第１シール８２は、第２シール８４に比べて、ロータ７６の固定端に近接して配置されている。各シールは、ロータ７６の外周面とステータ７８の内周面との間を回転軸まわりに延在するリング状または環状のシール部材、例えばＯリングなどのシールリングである。

極低温冷凍機１０の吸気工程においては、上述のように、主吸気開閉バルブＶ１および副排気開閉バルブＶ４が開かれる。主排気開閉バルブＶ２および副吸気開閉バルブＶ３は閉じている。よって、圧縮機１２から、高圧ライン１３０、主吸気開閉バルブＶ１、第２回転支持部ガスライン１２４、第２ガス流路７４、第２回転部ガスライン１２８を介して、コールドヘッド１４の膨張室３４に高圧ＰＨの作動ガスが供給される。同時に、コールドヘッド１４の駆動室４６から、第１回転部ガスライン１２６、第１ガス流路７２、第１回転支持部ガスライン１２２、副排気開閉バルブＶ４、低圧ライン１３２を介して圧縮機１２に作動ガスが回収され、駆動室４６は低圧ＰＬとなる。

極低温冷凍機１０の排気工程においては、主排気開閉バルブＶ２および副吸気開閉バルブＶ３が開かれる。主吸気開閉バルブＶ１および副排気開閉バルブＶ４は閉じている。よって、コールドヘッド１４の膨張室３４から、第２回転部ガスライン１２８、第２ガス流路７４、第２回転支持部ガスライン１２４、主排気開閉バルブＶ２、低圧ライン１３２を介して圧縮機１２に作動ガスが回収され、膨張室３４は低圧ＰＬとなる。同時に、圧縮機１２から、高圧ライン１３０、副吸気開閉バルブＶ３、第１回転支持部ガスライン１２２、第１ガス流路７２、第１回転部ガスライン１２６を介して、コールドヘッド１４の駆動室４６に高圧ＰＨの作動ガスが供給される。

ガス駆動型のＧＭ冷凍機においては典型的に膨張室３４に比べて駆動室４６の容積が小さい。そのため、膨張室３４と圧縮機１２の間のガス流量に比べて駆動室４６と圧縮機１２の間のガス流量のほうが少ない。言い換えると、第１ガス流路７２の流量は第２ガス流路７４の流量より少ない。一般に、流量が大きいほど、シールを確実にすることが難しくなる。

第２シール８４は、第１ガス流路７２から第２ガス流路７４をシールし、第１シール８２は、周囲圧力から第１ガス流路７２をシールする。第１ガス流路７２は比較的低流量であり、第１シール８２は、第１ガス流路７２から周囲環境への作動ガスの漏れを低減または防止することができる。第１シール８２が第２シール８４に比べて周囲環境側に配置されることによって、第１ガス流路７２は、第２ガス流路７４と周囲環境との間の圧力緩衝領域として働くことができる。第２ガス流路７４から第１ガス流路７２への第２シール８４を通じた少量のガス漏れがあったとしても、第１シール８２が設けられているので、周囲環境へのガス漏れは低減または防止される。よって、ロータリージョイント７０から周囲環境への作動ガスの漏れを低減または防止することができる。

作動ガス回路５２には、セルフシーリング・カップリングのような脱着可能な継手６８が設けられている。脱着可能な継手６８は、バルブユニット５４をロータリージョイント７０に接続する。第１回転支持部ガスライン１２２および第２回転支持部ガスライン１２４にはそれぞれ継手６８が設けられている。したがって、バルブユニット５４は、ロータリージョイント７０から取り外し可能である。作業者は、バルブユニット５４をロータリージョイント７０から取り外してメンテナンスを施すことができる。また、高圧ライン１３０および低圧ライン１３２にも継手６８が設けられていてもよい。このようにすれば、バルブユニット５４を圧縮機１２から取り外し可能である。

一般に、バルブユニットがコールドヘッドに搭載されている場合、バルブユニットのメンテナンスは、コールドヘッドを極低温から室温に昇温してから行われる。昇温を待つ必要があるので、メンテナンス作業時間が長くなる。ところが、実施の形態に係る極低温冷凍機１０においては、バルブユニット５４がコールドヘッド１４から分離して配置されているので、コールドヘッド１４の昇温を待つことなくバルブユニット５４のメンテナンスを始めることができる。よって、バルブユニット５４のメンテナンス作業時間を短くすることができる。

極低温冷凍機１０の制御部５８は、回転支持部１００に設置されている。制御部５８は、回転駆動源５６を駆動するための電源８６を備えてもよい。電源８６は電源ケーブル８７によって回転駆動源５６に接続されている。バルブユニット５４と電源８６がともに回転支持部１００に配置されているので、電源ケーブル８７はロータリージョイント７０を通す必要がない。よって、ロータリージョイント７０の構造、ひいては極低温冷凍機１０の構造を簡素化することができる。

また、バルブユニット５４が回転駆動源５６を備えずに、複数の個別に制御可能なバルブＶ１〜Ｖ４を備える場合においても、同様である。すなわち、バルブユニット５４がコールドヘッド１４から分離されているので、バルブＶ１〜Ｖ４への電気接続のための配線をすべて回転支持部１００に配置することができる。ロータリージョイント７０は電気接続を提供する必要がない。よって、ロータリージョイント７０の構造を簡素化することができる。

コールドヘッド１４は、温度または圧力を測定するセンサ８８と、センサ８８の出力信号Ｓ１を送信する無線送信部９０と、を備えてもよい。センサ８８は例えば、コールドヘッド１４の冷却ステージの温度を測定する温度センサであってもよい。あるいは、センサ８８は、コールドヘッド１４または作動ガス回路５２の圧力を測定する圧力センサであってもよい。センサ８８の出力信号Ｓ１は、測定された温度または圧力を表す。無線送信部９０は、センサ８８と配線で接続されている。無線送信部９０は、センサ８８の出力信号Ｓ１を送信可能な公知の無線送信機を適宜採用することができる。

制御部５８は、センサ８８の出力信号Ｓ１を受信する無線受信部９２を備えてもよい。無線受信部９２は、センサ８８の出力信号Ｓ１を受信可能な公知の無線受信機を適宜採用することができる。このようにすれば、ロータリージョイント７０はセンサ８８の出力信号Ｓ１を伝送する配線を備える必要がない。よって、ロータリージョイント７０の構造を簡素化することができる。

制御部５８は、受信したセンサ８８の出力信号Ｓ１に基づいてバルブユニット５４を制御してもよい。センサ８８がコールドヘッド１４の冷却ステージの温度を測定する温度センサを含む場合、センサ８８の出力信号Ｓ１は、コールドヘッド１４の冷却ステージの温度測定値を表す測定温度信号を含んでもよい。制御部５８は、受信した温度測定値が予め定められた目標温度値に一致するように、バルブユニット５４の開閉タイミングを制御してもよい。制御部５８は、バルブユニット５４の開閉タイミングを制御するために、回転駆動源５６の回転数を制御してもよい。

制御部５８は、受信したセンサ８８の出力信号Ｓ１に基づいて圧縮機１２を制御してもよい。センサ８８が作動ガス回路５２の圧力を測定する圧力センサを含む場合、センサ８８の出力信号Ｓ１は、作動ガス回路５２の圧力測定値を表す測定圧力信号を含んでもよい。制御部５８は、受信した圧力測定値（例えば圧力測定値の平均値（時間平均値））が予め定められた目標圧力値に一致するように、圧縮機１２の運転周波数を制御してもよい。圧縮機１２は、圧縮機を駆動する圧縮機モータと、圧縮機モータの運転周波数を制御する圧縮機インバータとを備えてもよく、制御部５８によって制御される圧縮機１２の運転周波数は、圧縮機モータの運転周波数または回転数、または、圧縮機インバータの運転周波数であってもよい。

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。

図１および図２に示される極低温冷凍機１０は、１台のコールドヘッド１４を有するが、極低温冷凍機１０は、複数のコールドヘッド１４を備えてもよい。複数のコールドヘッド１４が回転部１０２に設置され、それらコールドヘッド１４が共通の１つのロータリージョイント７０に接続されていてもよい。

図１に示す極低温冷凍機１０も、図２に示すものと同様に、回転支持部１００と回転部１０２を有する装置に設置されることができる。コールドヘッド１４は、回転部１０２に設置され、バルブユニット５４および圧縮機１２は回転支持部１００に設置される。極低温冷凍機１０は、ロータリージョイント７０を備えなくてもよい。コールドヘッド１４とバルブユニット５４は、ロータリージョイント７０を介することなく接続されてもよい。

実施の形態に係る極低温冷凍機は、ガス駆動型のＧＭ冷凍機には限られない。ある実施の形態においては、極低温冷凍機は、パルス管冷凍機であってもよい。

１０ 極低温冷凍機、 １４ コールドヘッド、 ２０ ディスプレーサ、 ２２ 駆動ピストン、 ３４ 膨張室、 ４６ 駆動室、 ５４ バルブユニット、 ６８ 継手、 ７０ ロータリージョイント、 ７２ 第１ガス流路、 ７４ 第２ガス流路、 ７６ ロータ、 ７８ ステータ、 ８０ クリアランス、 ８２ 第１シール、 ８４ 第２シール、 ８８ センサ、 ９０ 無線送信部、 ９２ 無線受信部、 １００ 回転支持部、 １０２ 回転部。

Claims (3)

1. 回転部に設置されるコールドヘッドと、
   前記回転部を回転可能に支持する回転支持部に設置されるバルブユニットと、
   前記バルブユニットから前記コールドヘッドに作動ガスを供給するために前記バルブユニットを前記コールドヘッドに接続するロータリージョイントと、を備え、
   前記コールドヘッドは、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し前記ディスプレーサとの間に膨張室を形成するシリンダと、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収容する駆動室と、を備え、
   前記バルブユニットは、前記膨張室と前記駆動室の圧力差を制御するよう構成され、
   前記ロータリージョイントは、
   前記回転部の回転軸と同軸に前記回転部に固定されるロータと、
   前記ロータとの間にクリアランスを形成するよう前記ロータと隣接配置され前記回転支持部に固定されるステータと、
   前記駆動室を前記クリアランスに連通させる第１ガス流路と、
   前記膨張室を前記クリアランスに連通させる第２ガス流路と、
   前記クリアランスに配置され、周囲圧力から前記第１ガス流路をシールする第１シールと、
   前記クリアランスに配置され、前記第１ガス流路から前記第２ガス流路をシールする第２シールと、を備えることを特徴とする極低温冷凍機。
2. 前記バルブユニットを前記ロータリージョイントに接続する脱着可能な継手をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の極低温冷凍機。
3. 前記コールドヘッドは、温度または圧力を測定するセンサと、前記センサの出力信号を送信する無線送信部と、を備え、
   前記回転支持部に設置され、前記センサの出力信号を受信する無線受信部をさらに備え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。

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