JP6998776B2 - GM freezer - Google Patents

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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。 The present invention relates to a GM (Gifford-McMahon) refrigerator.

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。 GM refrigerators are roughly classified into two types, motor-driven type and gas-driven type, depending on the drive source of the displacer. In the motor-driven type, the displacer is mechanically connected to the motor and driven by the motor. In the gas-driven type, the displacer is driven by gas pressure.

特開2014-139498号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2014-139498

典型的なガス駆動型GM冷凍機においては、モータ駆動型GM冷凍機に比べて、圧縮機の負荷が大きくなりがちである。モータ駆動型GM冷凍機では圧縮機は膨張室に作動ガスを供給すればよいのに対して、ガス駆動型GM冷凍機では圧縮機は膨張室への作動ガス供給だけでなくディスプレーサの駆動も担わなければならないからである。 In a typical gas-driven GM refrigerator, the load on the compressor tends to be larger than that of the motor-driven GM refrigerator. In the motor-driven GM refrigerator, the compressor only needs to supply the working gas to the expansion chamber, whereas in the gas-driven GM refrigerator, the compressor not only supplies the working gas to the expansion chamber but also drives the displacer. Because it has to be.

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冷凍機において圧縮機の負荷を低減することにある。 One of the exemplary objects of an aspect of the present invention is to reduce the load on the compressor in a gas driven GM refrigerator.

本発明のある態様によると、GM冷凍機は、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の軸方向往復動を駆動するように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、前記駆動室に接続され、前記駆動室に高圧と低圧の周期的な圧力変動を生成する駆動室圧力切替バルブと、前記駆動室圧力切替バルブと並列に前記駆動室に接続され、前記駆動室での前記周期的な圧力変動の間、前記高圧と前記低圧との中間圧を有する中間圧力源と、を備える。 According to an aspect of the present invention, the GM refrigerating machine accommodates a displacer capable of reciprocating in the axial direction, a drive piston connected to the displacer so as to drive the reciprocating movement of the displacer in the axial direction, and the drive piston. The drive chamber is connected to the drive chamber, the drive chamber pressure switching valve that is connected to the drive chamber and generates periodic pressure fluctuations of high pressure and low pressure in the drive chamber, and the drive chamber pressure switching valve are connected to the drive chamber in parallel with the drive chamber pressure switching valve. It comprises an intermediate pressure source having an intermediate pressure between the high pressure and the low pressure during the periodic pressure fluctuations in the drive chamber.

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。 It should be noted that any combination of the above components or components or expressions of the present invention that are mutually replaced between methods, devices, systems, etc. are also effective as aspects of the present invention.

本発明によれば、ガス駆動型GM冷凍機において圧縮機の負荷を低減することができる。 According to the present invention, the load on the compressor can be reduced in the gas-driven GM refrigerator.

実施の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。It is a figure which shows schematically the gas drive type GM refrigerator which concerns on embodiment. 図1に示すGM冷凍機のバルブタイミングと圧力変動を例示する図である。It is a figure which illustrates the valve timing and pressure fluctuation of the GM refrigerator shown in FIG.

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。 Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the description and drawings, the same or equivalent components, members, and processes are designated by the same reference numerals, and duplicate description will be omitted as appropriate. The scales and shapes of the illustrated parts are set for convenience of explanation and are not limitedly interpreted unless otherwise specified. The embodiments are exemplary and do not limit the scope of the invention in any way. Not all features and combinations thereof described in the embodiments are essential to the invention.

図1は、実施の形態に係るGM冷凍機10を示す概略図である。 FIG. 1 is a schematic view showing a GM refrigerator 10 according to an embodiment.

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。 The GM refrigerator 10 includes a compressor 12 for compressing a working gas (for example, helium gas) and a cold head 14 for cooling the working gas by adiabatic expansion. The compressor 12 has a compressor discharge port 12a and a compressor suction port 12b. The compressor discharge port 12a and the compressor suction port 12b function as a high-pressure source and a low-pressure source of the GM refrigerator 10, respectively. The cold head 14 is also called an expander.

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。 As will be described in detail later, the compressor 12 supplies a high-pressure (PH) working gas to the cold head 14 from the compressor discharge port 12a. The cold head 14 is provided with a cold storage device 15 for precooling the working gas. The precooled working gas is further cooled by expansion in the cold head 14. The working gas is collected in the compressor suction port 12b through the cool storage device 15. The working gas cools the cooler 15 as it passes through the cooler 15. The compressor 12 compresses the recovered low-pressure (PL) working gas and supplies it to the cold head 14 again.

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。 The cold head 14 shown is a single-stage type. However, the cold head 14 may be of a multi-stage type.

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。 The cold head 14 is a gas drive type. Therefore, the cold head 14 includes an axially movable body 16 as a free piston driven by gas pressure, and a cold head housing 18 that is airtightly configured and accommodates the axially movable body 16. The cold head housing 18 supports the axially movable body 16 so as to be reciprocating in the axial direction. Unlike the motor-driven GM refrigerator, the cold head 14 does not have a motor and a coupling mechanism (eg, a Scotch yoke mechanism) that drives the axially movable body 16.

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にディスプレーサ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。 The axially movable body 16 includes a displacer 20 capable of reciprocating in the axial direction (vertical direction in FIG. 1, indicated by an arrow C) and a drive piston 22 connected to the displacer 20 so as to drive the displacer 20 in the axial direction. , Equipped with. The drive piston 22 is arranged coaxially with the displacer 20 and apart from each other in the axial direction.

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。 The cold head housing 18 includes a displacer cylinder 26 that houses the displacer 20 and a piston cylinder 28 that houses the drive piston 22. The piston cylinder 28 is arranged coaxially with the displacer cylinder 26 and adjacent to the displacer cylinder 26 in the axial direction. Although the details will be described later, the drive unit of the cold head 14 which is a gas drive type includes a drive piston 22 and a piston cylinder 28.

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。 Further, the axially movable body 16 includes a connecting rod 24 that rigidly connects the displacer 20 to the drive piston 22 so that the displacer 20 reciprocates in the axial direction integrally with the drive piston 22. The connecting rod 24 also extends from the displacer 20 to the drive piston 22 coaxially with the displacer 20 and the drive piston 22.

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。 The drive piston 22 has a smaller dimension than the displacer 20. The axial length of the drive piston 22 is shorter than that of the displacer 20, and the diameter of the drive piston 22 is also smaller than that of the displacer 20. The diameter of the connecting rod 24 is smaller than that of the drive piston 22.

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。 The volume of the piston cylinder 28 is smaller than that of the displacer cylinder 26. The axial length of the piston cylinder 28 is shorter than that of the displacer cylinder 26, and the diameter of the piston cylinder 28 is also smaller than that of the displacer cylinder 26.

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。 The dimensional relationship between the drive piston 22 and the displacer 20 is not limited to the above, and may be different from the above. Similarly, the dimensional relationship between the piston cylinder 28 and the displacer cylinder 26 is not limited to the above, and may be different from the above. For example, the drive piston 22 may be the tip end portion of the connecting rod 24, and the diameter of the drive piston 22 may be equal to the diameter of the connecting rod 24.

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。 The axial reciprocating movement of the displacer 20 is guided by the displacer cylinder 26. Typically, the displacer 20 and the displacer cylinder 26 are axially extending cylindrical members, respectively, and the inner diameter of the displacer cylinder 26 matches or is slightly larger than the outer diameter of the displacer 20. Similarly, the axial reciprocating movement of the drive piston 22 is guided by the piston cylinder 28. Typically, the drive piston 22 and the piston cylinder 28 are axially extending cylindrical members, respectively, and the inner diameter of the piston cylinder 28 matches or is slightly larger than the outer diameter of the drive piston 22.

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。 Since the displacer 20 and the drive piston 22 are rigidly connected by the connecting rod 24, the axial stroke of the drive piston 22 is equal to the axial stroke of the displacer 20, and both move integrally over the entire stroke. The position of the drive piston 22 with respect to the displacer 20 remains unchanged during the axial reciprocation of the axially movable body 16.

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。 Further, the cold head housing 18 includes a connecting rod guide 30 for connecting the displacer cylinder 26 to the piston cylinder 28. The connecting rod guide 30 extends from the displacer cylinder 26 to the piston cylinder 28 coaxially with the displacer cylinder 26 and the piston cylinder 28. The connecting rod 24 penetrates the connecting rod guide 30. The connecting rod guide 30 is configured as a bearing that guides the axial reciprocating movement of the connecting rod 24.

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。 The displacer cylinder 26 is airtightly connected to the piston cylinder 28 via the connecting rod guide 30. Thus, the cold head housing 18 is configured as a pressure vessel for the working gas. The connecting rod guide 30 may be regarded as a part of either the displacer cylinder 26 or the piston cylinder 28.

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の内圧とディスプレーサシリンダ26の内圧は異なる大きさをとることができる。第1シール部32が設けられているので、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。 The first seal portion 32 is provided between the connecting rod 24 and the connecting rod guide 30. The first seal portion 32 is attached to either the connecting rod 24 or the connecting rod guide 30, and slides on the other of the connecting rod 24 or the connecting rod guide 30. The first seal portion 32 is composed of, for example, a seal member such as a slipper seal or an O-ring. The piston cylinder 28 is hermetically configured with respect to the displacer cylinder 26 by the first seal portion 32. In this way, the piston cylinder 28 is fluidly isolated from the displacer cylinder 26, and the internal pressure of the piston cylinder 28 and the internal pressure of the displacer cylinder 26 can have different magnitudes. Since the first seal portion 32 is provided, direct gas flow between the piston cylinder 28 and the displacer cylinder 26 does not occur.

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。室温室36は圧縮室と呼ぶこともできる。膨張室34はディスプレーサ20の下死点LP1側に配置され、室温室36はディスプレーサ20の上死点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。 The displacer cylinder 26 is divided into an expansion chamber 34 and a room temperature chamber 36 by the displacer 20. The displacer 20 forms an expansion chamber 34 with the displacer cylinder 26 at one end in the axial direction, and a room temperature chamber 36 with the displacer cylinder 26 at the other end in the axial direction. The room temperature chamber 36 can also be called a compression chamber. The expansion chamber 34 is arranged on the bottom dead center LP1 side of the displacer 20, and the room temperature chamber 36 is arranged on the top dead center UP1 side of the displacer 20. Further, the cold head 14 is provided with a cooling stage 38 fixed to the displacer cylinder 26 so as to enclose the expansion chamber 34.

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。 The cold storage 15 is built in the displacer 20. The displacer 20 has an inlet flow path 40 at its upper lid, which communicates the cool storage device 15 with the room temperature chamber 36. Further, the displacer 20 has an outlet flow path 42 in the cylinder portion thereof, which communicates the cold storage device 15 with the expansion chamber 34. Alternatively, the outlet flow path 42 may be provided in the lower lid portion of the displacer 20. In addition, the cold storage 15 includes an inlet retainer 41 inscribed in the upper lid portion and an outlet retainer 43 inscribed in the lower lid portion. The cold storage material may be, for example, a copper wire mesh. The retainer may be a wire mesh that is coarser than the cold storage material.

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。 The second seal portion 44 is provided between the displacer 20 and the displacer cylinder 26. The second seal portion 44 is, for example, a slipper seal, and is attached to the cylinder portion or the upper lid portion of the displacer 20. Since the clearance between the displacer 20 and the displacer cylinder 26 is sealed by the second seal portion 44, there is no direct gas flow between the room temperature chamber 36 and the expansion chamber 34 (that is, the gas flow bypassing the cool storage 15).

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。 When the displacer 20 moves axially, the expansion chamber 34 and the room temperature chamber 36 complementarily increase or decrease the volume. That is, when the displacer 20 moves downward, the expansion chamber 34 becomes narrower and the room temperature chamber 36 becomes wider. The reverse is also true.

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。 The working gas flows from the room temperature chamber 36 into the cool storage device 15 through the inlet flow path 40. More precisely, the working gas flows from the inlet flow path 40 through the inlet retainer 41 into the cooler 15. The working gas flows from the cold storage 15 into the expansion chamber 34 via the outlet retainer 43 and the outlet flow path 42. When the working gas returns from the expansion chamber 34 to the room temperature chamber 36, it follows the reverse route. That is, the working gas returns from the expansion chamber 34 to the room temperature chamber 36 through the outlet flow path 42, the cold storage device 15, and the inlet flow path 40. The working gas that bypasses the cool storage 15 and tries to flow through the clearance is shut off by the second seal portion 44.

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を備える。駆動室46は、ピストンシリンダ28の内部空間にあたる。駆動室46は、駆動ピストン22によって、上部区画46aと下部区画46bに分けられている。駆動ピストン22は、軸方向一端にてピストンシリンダ28との間に上部区画46aを形成し、軸方向他端にてピストンシリンダ28との間に下部区画46bを形成する。駆動ピストン22が軸方向に動くとき、上部区画46aおよび下部区画46bは相補的に容積を増減させる。連結ロッド24は、駆動ピストン22の下面から下部区画46b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。 The piston cylinder 28 includes a drive chamber 46 whose pressure is controlled to drive the drive piston 22. The drive chamber 46 corresponds to the internal space of the piston cylinder 28. The drive chamber 46 is divided into an upper section 46a and a lower section 46b by the drive piston 22. The drive piston 22 forms an upper section 46a with the piston cylinder 28 at one end in the axial direction and a lower section 46b with the piston cylinder 28 at the other end in the axial direction. When the drive piston 22 moves axially, the upper compartment 46a and the lower compartment 46b complementarily increase or decrease the volume. The connecting rod 24 extends from the lower surface of the drive piston 22 through the lower section 46b to the connecting rod guide 30. Further, the connecting rod 24 extends through the room temperature chamber 36 to the upper lid portion of the displacer 20.

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、上部区画46aと下部区画46b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、駆動室46の下部区画46b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。 A third seal portion 50, which is a clearance between the drive piston 22 and the piston cylinder 28, is provided between the drive piston 22 and the piston cylinder 28. The third seal portion 50 acts as a flow path resistance with respect to the gas flow in the upper section 46a and the lower section 46b. The third seal portion 50 may have a seal member such as a slipper seal mounted on the side surface of the drive piston 22 so as to seal this clearance. In that case, the lower section 46b of the drive chamber 46 will be sealed by the first seal portion 32 and the third seal portion 50.

駆動ピストン22が下動するとき下部区画46bは狭くなる。このとき下部区画46bのガスは圧縮され、圧力が高まる。下部区画46b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、下部区画46b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。下部区画46bは、ガスばね室と呼ぶこともできる。逆に、駆動ピストン22が上動するとき下部区画46bは広がる。下部区画46b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。 When the drive piston 22 moves downward, the lower section 46b becomes narrower. At this time, the gas in the lower section 46b is compressed and the pressure increases. The pressure in the lower compartment 46b acts upward on the lower surface of the drive piston 22. Therefore, the lower section 46b generates a gas spring force that opposes the downward movement of the drive piston 22. The lower section 46b can also be referred to as a gas spring chamber. On the contrary, when the drive piston 22 moves upward, the lower section 46b expands. The pressure in the lower section 46b decreases, and the gas spring force acting on the drive piston 22 also decreases.

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。 The cold head 14 is installed in the orientation shown in the illustration at the site where it is used. That is, the cold head 14 is installed vertically so that the displacer cylinder 26 is arranged vertically downward and the piston cylinder 28 is arranged vertically upward. As described above, when the cooling stage 38 is installed in a posture facing downward in the vertical direction, the GM refrigerator 10 has the highest refrigerating capacity. However, the arrangement of the GM refrigerator 10 is not limited to this. On the contrary, the cold head 14 may be installed in a posture in which the cooling stage 38 faces upward in the vertical direction. Alternatively, the cold head 14 may be installed sideways or in any other orientation.

作動ガス圧力により駆動ピストン22に作用する駆動力は、駆動ピストン22が下動するとき駆動ピストン22に下向きに働く。軸方向可動体16の自重による重力も下向きに働くから、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、下動時の駆動力が重力と同じ向きとなる。反対に、上動時の駆動力は重力と逆向きとなる。ガスばね室(すなわち駆動室46の下部区画46b)から駆動ピストン22に作用するガスばね力は、軸方向可動体16の上動と下動とで挙動に差異が生じることを緩和または防止するのに役立つ。 The driving force acting on the drive piston 22 due to the working gas pressure acts downward on the drive piston 22 when the drive piston 22 moves downward. Since the gravity due to the weight of the axially movable body 16 also acts downward, when the cold head 14 is installed in a posture in which the cooling stage 38 is directed downward in the vertical direction, the driving force during downward movement is in the same direction as the gravity. On the contrary, the driving force at the time of upward movement is opposite to the gravity. The gas spring force acting on the drive piston 22 from the gas spring chamber (that is, the lower section 46b of the drive chamber 46) alleviates or prevents a difference in behavior between the upward movement and the downward movement of the axially movable body 16. Useful for.

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。 Further, the GM refrigerator 10 includes a working gas circuit 52 that connects the compressor 12 to the cold head 14. The working gas circuit 52 is configured to generate a pressure difference between the piston cylinder 28 (ie, drive chamber 46) and the displacer cylinder 26 (ie, expansion chamber 34 and / or room temperature chamber 36). This pressure difference causes the axially movable body 16 to move in the axial direction. If the pressure of the displacer cylinder 26 is lower than that of the piston cylinder 28, the drive piston 22 moves downward, and the displacer 20 also moves downward accordingly. On the contrary, if the pressure of the displacer cylinder 26 is higher than that of the piston cylinder 28, the drive piston 22 moves upward, and the displacer 20 also moves upward accordingly.

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。 The working gas circuit 52 includes a valve portion 54. The valve portion 54 may be disposed in the cold head housing 18 and may be connected to the compressor 12 by piping. The valve portion 54 may be disposed outside the cold head housing 18 and may be connected to each of the compressor 12 and the cold head 14 by piping.

バルブ部54は、膨張室圧力切替バルブ(以下、主圧力切替バルブともいう)60と駆動室圧力切替バルブ(以下、副圧力切替バルブともいう)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。 The valve portion 54 includes an expansion chamber pressure switching valve (hereinafter, also referred to as a main pressure switching valve) 60 and a drive chamber pressure switching valve (hereinafter, also referred to as an auxiliary pressure switching valve) 62. The main pressure switching valve 60 has a main intake opening / closing valve V1 and a main exhaust opening / closing valve V2. The auxiliary pressure switching valve 62 has an auxiliary intake opening / closing valve V3 and an auxiliary exhaust opening / closing valve V4.

作動ガス回路52は、圧縮機12をバルブ部54に接続する高圧ライン13aおよび低圧ライン13bを備える。高圧ライン13aは、圧縮機吐出口12aから延び、途中で分岐し、主吸気開閉バルブV1と副吸気開閉バルブV3に接続されている。低圧ライン13bは、圧縮機吸入口12bから延び、途中で分岐し、主排気開閉バルブV2と副排気開閉バルブV4に接続されている。 The working gas circuit 52 includes a high pressure line 13a and a low pressure line 13b that connect the compressor 12 to the valve portion 54. The high pressure line 13a extends from the compressor discharge port 12a, branches in the middle, and is connected to the main intake opening / closing valve V1 and the sub intake opening / closing valve V3. The low-pressure line 13b extends from the compressor suction port 12b, branches in the middle, and is connected to the main exhaust opening / closing valve V2 and the sub-exhaust opening / closing valve V4.

また、作動ガス回路52は、コールドヘッド14をバルブ部54に接続する主連通路64および副連通路66を備える。主連通路64は、ディスプレーサシリンダ26を主圧力切替バルブ60に接続する。主連通路64は、室温室36から延び、途中で分岐して、主吸気開閉バルブV1と主排気開閉バルブV2に接続されている。副連通路66は、駆動室46を副圧力切替バルブ62に接続する。副連通路66は、駆動室46の上部区画46aから延び、途中で分岐して、副吸気開閉バルブV3と副排気開閉バルブV4に接続されている。 Further, the working gas circuit 52 includes a main passage 64 and a sub-passage 66 that connect the cold head 14 to the valve portion 54. The main passage 64 connects the displacer cylinder 26 to the main pressure switching valve 60. The main passage 64 extends from the room temperature chamber 36, branches in the middle, and is connected to the main intake opening / closing valve V1 and the main exhaust opening / closing valve V2. The auxiliary passage 66 connects the drive chamber 46 to the auxiliary pressure switching valve 62. The auxiliary passage 66 extends from the upper section 46a of the drive chamber 46, branches in the middle, and is connected to the auxiliary intake opening / closing valve V3 and the auxiliary exhaust opening / closing valve V4.

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。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。 The main pressure switching valve 60 is configured to selectively communicate the compressor discharge port 12a or the compressor suction port 12b to the room temperature chamber 36 of the displacer cylinder 26. In the main pressure switching valve 60, the main intake opening / closing valve V1 and the main exhaust opening / closing valve V2 are exclusively opened. That is, it is prohibited to open the main intake opening / closing valve V1 and the main exhaust opening / closing valve V2 at the same time. The main intake opening / closing valve V1 and the main exhaust opening / closing valve V2 may be temporarily closed together.

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から高圧ライン13aおよび主連通路64を通じてディスプレーサシリンダ26に作動ガスが流れる。上述のように作動ガスは室温室36から蓄冷器15を通じて膨張室34に流れる。こうして、高圧PHの作動ガスが圧縮機12から膨張室34に供給され、膨張室34は昇圧される。逆に主吸気開閉バルブV1が閉じているときは、圧縮機12から膨張室34への作動ガスの供給は停止される。 When the main intake opening / closing valve V1 is open, the main exhaust opening / closing valve V2 is closed. Working gas flows from the compressor discharge port 12a to the displacer cylinder 26 through the high-pressure line 13a and the main passage 64. As described above, the working gas flows from the room temperature chamber 36 to the expansion chamber 34 through the cool storage device 15. In this way, the working gas of the high-pressure PH is supplied from the compressor 12 to the expansion chamber 34, and the expansion chamber 34 is boosted. On the contrary, when the main intake opening / closing valve V1 is closed, the supply of the working gas from the compressor 12 to the expansion chamber 34 is stopped.

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。まず高圧PHの作動ガスが膨張室34で膨張し減圧される。膨張室34から蓄冷器15を通じて室温室36に作動ガスが流れる。ディスプレーサシリンダ26から主連通路64および低圧ライン13bを通じて圧縮機吸入口12bに作動ガスが流れる。こうして、低圧PLの作動ガスがコールドヘッド14から圧縮機12に回収される。主排気開閉バルブV2が閉じているときは、膨張室34から圧縮機12への作動ガスの回収は停止される。 On the other hand, when the main exhaust opening / closing valve V2 is open, the main intake opening / closing valve V1 is closed. First, the working gas of high-pressure PH expands in the expansion chamber 34 and is depressurized. Working gas flows from the expansion chamber 34 to the room temperature chamber 36 through the cool storage device 15. Working gas flows from the displacer cylinder 26 to the compressor suction port 12b through the main passage 64 and the low pressure line 13b. In this way, the working gas of the low pressure PL is recovered from the cold head 14 to the compressor 12. When the main exhaust open / close valve V2 is closed, the recovery of the working gas from the expansion chamber 34 to the compressor 12 is stopped.

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。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。 The auxiliary pressure switching valve 62 is configured to selectively communicate the compressor discharge port 12a or the compressor suction port 12b to the drive chamber 46 of the piston cylinder 28. The sub-pressure switching valve 62 is configured such that the sub-intake opening / closing valve V3 and the sub-exhaust opening / closing valve V4 are exclusively opened. That is, it is prohibited to open the sub-intake open / close valve V3 and the sub-exhaust open / close valve V4 at the same time. The sub-intake open / close valve V3 and the sub-exhaust open / close valve V4 may be temporarily closed together.

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から高圧ライン13aおよび副連通路66を通じてピストンシリンダ28に作動ガスが流れる。こうして、高圧PHの作動ガスが圧縮機12から駆動室46に供給され、駆動室46は昇圧される。副吸気開閉バルブV3が閉じているときは、圧縮機12から駆動室46への作動ガスの供給は停止される。 When the sub-intake open / close valve V3 is open, the sub-exhaust open / close valve V4 is closed. Working gas flows from the compressor discharge port 12a to the piston cylinder 28 through the high-pressure line 13a and the auxiliary passage 66. In this way, the working gas of the high-pressure PH is supplied from the compressor 12 to the drive chamber 46, and the drive chamber 46 is boosted. When the sub intake opening / closing valve V3 is closed, the supply of the working gas from the compressor 12 to the drive chamber 46 is stopped.

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から副連通路66および低圧ライン13bを通じて圧縮機吸入口12bに作動ガスが回収され、駆動室46は低圧PLに降圧される。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。 On the other hand, when the sub-exhaust open / close valve V4 is open, the sub-intake open / close valve V3 is closed. The working gas is recovered from the drive chamber 46 to the compressor suction port 12b through the auxiliary passage 66 and the low pressure line 13b, and the drive chamber 46 is stepped down to the low pressure PL. When the sub-exhaust open / close valve V4 is closed, the collection of the working gas from the drive chamber 46 to the compressor 12 is stopped.

このようにして、主圧力切替バルブ60は、高圧PHと低圧PLの周期的な圧力変動を膨張室34に生成する。また、副圧力切替バルブ62は、駆動室46に高圧PHと低圧PLの周期的な圧力変動を生成する。 In this way, the main pressure switching valve 60 generates periodic pressure fluctuations of high pressure PH and low pressure PL in the expansion chamber 34. Further, the auxiliary pressure switching valve 62 generates periodic pressure fluctuations of high pressure PH and low pressure PL in the drive chamber 46.

副圧力切替バルブ62は、駆動ピストン22がディスプレーサ20の軸方向往復動を駆動するように駆動室46の圧力を制御するように構成されている。典型的には、駆動室46での圧力変動は、膨張室34での圧力変動と同じ周期でほぼ逆の位相で生成される。膨張室34が高圧PHのとき駆動室46は低圧PLとなり、駆動ピストン22はディスプレーサ20を上動させることができる。膨張室34が低圧PLのとき駆動室46は高圧PHとなり、駆動ピストン22はディスプレーサ20を下動させることができる。 The auxiliary pressure switching valve 62 is configured to control the pressure in the drive chamber 46 so that the drive piston 22 drives the axial reciprocating movement of the displacer 20. Typically, the pressure fluctuations in the drive chamber 46 are generated in the same period and in substantially opposite phases as the pressure fluctuations in the expansion chamber 34. When the expansion chamber 34 has a high voltage PH, the drive chamber 46 becomes a low voltage PL, and the drive piston 22 can move the displacer 20 upward. When the expansion chamber 34 has a low pressure PL, the drive chamber 46 becomes a high pressure PH, and the drive piston 22 can move the displacer 20 downward.

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~V4)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~V4)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~V4)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4つの開閉バルブ(V1~V4)は周期的に開閉状態を変化させる。4つの開閉バルブ(V1~V4)はそれぞれ異なる位相で開閉される。 The valve portion 54 may take the form of a rotary valve. In this case, a group of valves (V1 to V4) are incorporated in the valve portion 54 and are driven synchronously. The valve portion 54 is configured so that the valve (V1 to V4) is properly switched by the rotational sliding of the valve disc (or valve rotor) with respect to the valve body (or valve stator). A group of valves (V1 to V4) are switched at the same cycle during operation of the GM refrigerator 10, whereby the four open / close valves (V1 to V4) periodically change the open / close state. The four on-off valves (V1 to V4) are opened and closed in different phases.

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。 The GM refrigerator 10 may include a rotation drive source 56 connected to the valve portion 54 so as to rotate the valve portion 54. The rotary drive source 56 is mechanically connected to the valve portion 54. The rotary drive source 56 is, for example, a motor. However, the rotary drive source 56 is not mechanically connected to the axially movable body 16. Further, the GM refrigerator 10 may include a control unit 58 that controls the valve unit 54. The control unit 58 may control the rotation drive source 56.

ある実施形態においては、一群のバルブ(V1~V4)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~V4)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~V4)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~V4)の開閉を制御してもよい。 In certain embodiments, the group of valves (V1 to V4) may take the form of a plurality of individually controllable valves. Each valve (V1 to V4) may be an electromagnetic on-off valve. In this case, the rotary drive source 56 is not provided, and each valve (V1 to V4) is electrically connected to the control unit 58. The control unit 58 may control the opening and closing of each valve (V1 to V4).

また、GM冷凍機10は、副圧力切替バルブ62と並列に駆動室に接続された中間圧力源100を備える。中間圧力源100は、駆動室46との間に相互に作動ガスが流れることのできるように駆動室46に接続されている。中間圧力源100は、分岐点68にて副連通路66から分岐している。分岐点68は、副連通路66上で副圧力切替バルブ62と駆動室46の中間に位置する。代案として、中間圧力源100は、副連通路66を介することなく、駆動室46に接続されていてもよい。 Further, the GM refrigerator 10 includes an intermediate pressure source 100 connected to the drive chamber in parallel with the auxiliary pressure switching valve 62. The intermediate pressure source 100 is connected to the drive chamber 46 so that the working gas can flow between the intermediate pressure source 100 and the drive chamber 46. The intermediate pressure source 100 branches from the auxiliary passage 66 at the branch point 68. The branch point 68 is located between the auxiliary pressure switching valve 62 and the drive chamber 46 on the auxiliary passage 66. Alternatively, the intermediate pressure source 100 may be connected to the drive chamber 46 without going through the auxiliary passage 66.

このようにして、中間圧力源100は、副連通路66を介して(または副連通路66を介さずに)駆動室46に連通している。中間圧力源100は、ディスプレーサシリンダ26、すなわち膨張室34および室温室36、および主連通路64には連通していない。また、中間圧力源100は、副圧力切替バルブ62を介して高圧ライン13aおよび低圧ライン13bに接続されるにすぎず、高圧ライン13aおよび低圧ライン13bにも直接連通していない。 In this way, the intermediate pressure source 100 communicates with the drive chamber 46 via (or without) the sub-communications 66. The intermediate pressure source 100 does not communicate with the displacer cylinder 26, that is, the expansion chamber 34 and the room temperature chamber 36, and the main communication passage 64. Further, the intermediate pressure source 100 is merely connected to the high pressure line 13a and the low pressure line 13b via the auxiliary pressure switching valve 62, and does not directly communicate with the high pressure line 13a and the low pressure line 13b.

中間圧力源100は、駆動室46の吸気終了の時点、すなわち副吸気開閉バルブV3の閉鎖時点において、中間圧力源100の圧力が駆動室46の圧力を下回るように構成されている。また、中間圧力源100は、駆動室46の排気終了の時点、すなわち副排気開閉バルブV4の閉鎖時点において、中間圧力源100の圧力が駆動室46の圧力を上回るように構成されている。 The intermediate pressure source 100 is configured such that the pressure of the intermediate pressure source 100 is lower than the pressure of the drive chamber 46 at the time when the intake air of the drive chamber 46 ends, that is, at the time when the auxiliary intake opening / closing valve V3 is closed. Further, the intermediate pressure source 100 is configured such that the pressure of the intermediate pressure source 100 exceeds the pressure of the drive chamber 46 at the time when the exhaust of the drive chamber 46 ends, that is, at the time when the sub-exhaust opening / closing valve V4 is closed.

より具体的には、中間圧力源100は、駆動室46での高圧PHと低圧PLの周期的な圧力変動の間、高圧PHと低圧PLとの中間圧を有する。中間圧力源100は、駆動室46での周期的な圧力変動の間、高圧PHと低圧PLとの中間圧を維持するように構成されている。 More specifically, the intermediate pressure source 100 has an intermediate pressure between the high pressure PH and the low pressure PL during periodic pressure fluctuations between the high pressure PH and the low pressure PL in the drive chamber 46. The intermediate pressure source 100 is configured to maintain an intermediate pressure between the high pressure PH and the low pressure PL during periodic pressure fluctuations in the drive chamber 46.

よって、中間圧力源100は、圧縮機12とは別に設けられた補助的なガス貯留槽として、副吸気開閉バルブV3の閉鎖の直後に駆動室46から作動ガスを予備的に回収することができる。また、中間圧力源100は、補助的なガス貯留槽として、副排気開閉バルブV4の閉鎖の直後に駆動室46に作動ガスを予備的に供給することができる。 Therefore, the intermediate pressure source 100 can preliminarily recover the working gas from the drive chamber 46 immediately after closing the auxiliary intake opening / closing valve V3 as an auxiliary gas storage tank provided separately from the compressor 12. .. Further, the intermediate pressure source 100 can preliminarily supply the working gas to the drive chamber 46 immediately after closing the sub-exhaust opening / closing valve V4 as an auxiliary gas storage tank.

一例として、中間圧力源100は、副圧力切替バルブ62と並列に駆動室46に接続された流路抵抗部材102と、流路抵抗部材102を介して駆動室46に接続されたバッファ容積104と、を備える。流路抵抗部材102は、バッファ容積104と分岐点68の間に接続されている。 As an example, the intermediate pressure source 100 includes a flow path resistance member 102 connected to the drive chamber 46 in parallel with the auxiliary pressure switching valve 62, and a buffer volume 104 connected to the drive chamber 46 via the flow path resistance member 102. , Equipped with. The flow path resistance member 102 is connected between the buffer volume 104 and the branch point 68.

流路抵抗部材102は、駆動室46での周期的な圧力変動に対しバッファ容積104の圧力(以下、バッファ圧ともいう)の変動を遅らせる働きをもつ要素であり、例えばオリフィスである。流路抵抗部材102は、駆動室46が高圧PHのときバッファ容積104の圧力がそれより低くなり、駆動室46が低圧PLのときバッファ容積104の圧力がそれより高くなるように、駆動室46とバッファ容積104との間に圧力差を形成するように設計されている。流路抵抗部材102は、流量制御バルブまたはそのほか流路抵抗を与える任意の部材であってもよい。 The flow path resistance member 102 is an element having a function of delaying the fluctuation of the pressure (hereinafter, also referred to as the buffer pressure) of the buffer volume 104 with respect to the periodic pressure fluctuation in the drive chamber 46, and is, for example, an orifice. The flow path resistance member 102 has a drive chamber 46 such that the pressure of the buffer volume 104 becomes lower when the drive chamber 46 has a high pressure PH, and the pressure of the buffer volume 104 becomes higher when the drive chamber 46 has a low pressure PL. It is designed to form a pressure difference between and the buffer volume 104. The flow path resistance member 102 may be a flow rate control valve or any other member that provides flow path resistance.

バッファ容積104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。バッファ容積104は、例えばバッファタンクとして構成されている。バッファ容積104の形状は任意である。中間圧は例えば、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。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。 The buffer volume 104 is configured to store an intermediate pressure working gas between the high pressure PH and the low pressure PL. The buffer volume 104 is configured as, for example, a buffer tank. The shape of the buffer volume 104 is arbitrary. The intermediate pressure may be, for example, the average pressure PM of the high pressure PH and the low pressure PL. By doing so, it is possible to generate a larger differential pressure with each of the high pressure PH and the low pressure PL. The intermediate pressure may be any pressure between the high pressure PH and the low pressure PL.

副吸気開閉バルブV3が開いているとき、駆動室46だけでなくバッファ容積104にも高圧PHの作動ガスが流入する。しかし、流路抵抗部材102が設けられているので、バッファ容積104の圧力増加の程度は駆動室46に比べて小さくなる。よって、副吸気開閉バルブV3が閉じられたとき、バッファ容積104の圧力は、駆動室46の圧力を下回る。また、副排気開閉バルブV4が開いているとき、駆動室46からだけでなくバッファ容積104からも作動ガスが流出するが、流路抵抗部材102により、バッファ容積104の圧力減少の程度は駆動室46に比べて小さくなる。よって、副排気開閉バルブV4が閉じられたとき、バッファ容積104の圧力は、駆動室46の圧力を上回る。このようにして、直列接続された流路抵抗部材102とバッファ容積104との組み合わせは、駆動室46の中間圧力源100として機能する。 When the sub-intake open / close valve V3 is open, the high-pressure PH working gas flows into not only the drive chamber 46 but also the buffer volume 104. However, since the flow path resistance member 102 is provided, the degree of pressure increase in the buffer volume 104 is smaller than that in the drive chamber 46. Therefore, when the sub intake opening / closing valve V3 is closed, the pressure in the buffer volume 104 is lower than the pressure in the drive chamber 46. Further, when the sub-exhaust open / close valve V4 is open, the working gas flows out not only from the drive chamber 46 but also from the buffer volume 104, but the degree of pressure reduction of the buffer volume 104 due to the flow path resistance member 102 is the degree of pressure reduction in the drive chamber. It is smaller than 46. Therefore, when the sub-exhaust open / close valve V4 is closed, the pressure in the buffer volume 104 exceeds the pressure in the drive chamber 46. In this way, the combination of the flow path resistance member 102 and the buffer volume 104 connected in series functions as the intermediate pressure source 100 of the drive chamber 46.

バッファ容積104は、駆動室46に比べて容積が十分に大きく、そのため、バッファ圧は、GM冷凍機10の運転中に理想的には一定に維持される(中間圧、例えば高圧PHと低圧PLの平均圧PMに維持される)。実際にはバッファ容積104の容積は有限であり、バッファ容積104の圧力は、駆動室46の圧力と副圧力切替バルブ62の開閉状態に応じていくらか変動するが、それでも概ね一定に維持される(平均圧PMを含む中間圧ゾーンに維持される)。 The buffer volume 104 is sufficiently larger than the drive chamber 46, so that the buffer pressure is ideally maintained constant during operation of the GM refrigerator 10 (intermediate pressures such as high pressure PH and low pressure PL). The average pressure is maintained at PM). In reality, the volume of the buffer volume 104 is finite, and the pressure of the buffer volume 104 fluctuates somewhat depending on the pressure of the drive chamber 46 and the open / closed state of the auxiliary pressure switching valve 62, but is still maintained substantially constant (still. Maintained in an intermediate pressure zone containing average pressure PM).

バッファ容積104は、一例として、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104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104の過剰な昇圧、及び、副排気開閉バルブV4の開放に伴う過剰な降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104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104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。 As an example, the buffer volume 104 may have a volume more than twice that of the drive chamber 46. By doing so, the pressure fluctuation of the buffer volume 104 can be reduced. It is possible to avoid excessive boosting of the buffer volume 104 due to the opening of the sub-intake opening / closing valve V3 and excessive step-down due to opening of the sub-exhaust opening / closing valve V4. Further, in order to suppress the increase in size of the GM refrigerator 10, the buffer volume 104 may have a volume 10 times or less that of the drive chamber 46. From this point of view, the buffer volume 104 may have, for example, 3 to 7 times the volume of the drive chamber 46, for example, about 5 times the volume.

バッファ容積104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104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。 The buffer volume 104 may be installed in the cold head housing 18. Alternatively, the buffer volume 104 may be installed away from the cold head housing 18.

図2は、図1に示すGM冷凍機10のバルブタイミングと圧力変動を例示する図である。図2の上部には、各バルブ(V1~V4)のバルブタイミングをGM冷凍機10の冷凍サイクルの一周期にわたって示し、図2の下部には、コールドヘッド14における圧力変動を示す。GM冷凍機10の冷凍サイクルの一周期は、第1期間T1、第2期間T2、第3期間T3、および第4期間T4の4つの期間に区分けされる。第2期間T2は第1期間T1に後続し、第3期間T3は第2期間T2に後続し、第4期間T4は第3期間T3に後続し、冷凍サイクルの次の一周期の第1期間T1が第4期間T4に後続する。第1期間T1から第4期間T4における膨張室34、駆動室46、およびバッファ容積104の圧力が示されている。バルブタイミングの図示において実線はバルブが開いていることを示し、破線はバルブが閉じていることを示す。 FIG. 2 is a diagram illustrating valve timing and pressure fluctuation of the GM refrigerator 10 shown in FIG. The upper part of FIG. 2 shows the valve timing of each valve (V1 to V4) over one cycle of the refrigerating cycle of the GM refrigerator 10, and the lower part of FIG. 2 shows the pressure fluctuation in the cold head 14. One cycle of the refrigerating cycle of the GM refrigerator 10 is divided into four periods: a first period T1, a second period T2, a third period T3, and a fourth period T4. The second period T2 follows the first period T1, the third period T3 follows the second period T2, the fourth period T4 follows the third period T3, and the first period of the next cycle of the refrigeration cycle. T1 follows the fourth period T4. The pressures of the expansion chamber 34, the drive chamber 46, and the buffer volume 104 in the first period T1 to the fourth period T4 are shown. In the valve timing illustration, the solid line indicates that the valve is open, and the dashed line indicates that the valve is closed.

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、GM冷凍機10の吸気工程が開始される。図示される第1期間T1と第2期間T2が、GM冷凍機10の吸気工程にあたる。主吸気開閉バルブV1は開かれ、主排気開閉バルブV2は閉じている。膨張室34は、高圧PHとなる。 When the displacer 20 is at or near the bottom dead center LP1, the intake process of the GM refrigerator 10 is started. The illustrated first period T1 and second period T2 correspond to the intake process of the GM refrigerator 10. The main intake open / close valve V1 is open, and the main exhaust open / close valve V2 is closed. The expansion chamber 34 has a high pressure PH.

膨張室34への吸気と同時に駆動室46の排気が行われる。第1期間T1においては副吸気開閉バルブV3と副排気開閉バルブV4がともに閉じている。直前の第4期間T4で駆動室46は高圧PHに昇圧されているので、第1期間T1の開始時点で駆動室46の圧力(PH)はバッファ容積104の圧力(PM)より高い。そのため駆動室46からバッファ容積104へと作動ガスが排出される。第1期間T1において駆動室46はバッファ容積104の圧力へと降圧される。GM冷凍機10の吸気工程の途中で第1期間T1から第2期間T2に移行する。副吸気開閉バルブV3は閉じたままであるが、副排気開閉バルブV4が開かれる。そのため第2期間T2においては駆動室46から圧縮機12へと作動ガスが排出され、駆動室46は低圧PLへと降圧される。 The drive chamber 46 is exhausted at the same time as the intake air to the expansion chamber 34. In the first period T1, both the sub-intake open / close valve V3 and the sub-exhaust open / close valve V4 are closed. Since the drive chamber 46 is boosted to the high pressure PH in the fourth period T4 immediately before, the pressure (PH) of the drive chamber 46 is higher than the pressure (PM) of the buffer volume 104 at the start of the first period T1. Therefore, the working gas is discharged from the drive chamber 46 to the buffer volume 104. In the first period T1, the drive chamber 46 is stepped down to the pressure of the buffer volume 104. In the middle of the intake process of the GM refrigerator 10, the first period T1 is shifted to the second period T2. The sub-intake open / close valve V3 remains closed, but the sub-exhaust open / close valve V4 is opened. Therefore, in the second period T2, the working gas is discharged from the drive chamber 46 to the compressor 12, and the drive chamber 46 is stepped down to the low pressure PL.

上述のように流路抵抗部材102がバッファ容積104と副排気開閉バルブV4との間に設けられているので、バッファ容積104の圧力は、概ね一定に維持される。第2期間T2においてバッファ容積104の圧力減少は、駆動室46に比べて抑制される。 Since the flow path resistance member 102 is provided between the buffer volume 104 and the sub-exhaust open / close valve V4 as described above, the pressure of the buffer volume 104 is maintained substantially constant. In the second period T2, the pressure decrease of the buffer volume 104 is suppressed as compared with the drive chamber 46.

したがって、吸気工程において駆動ピストン22には駆動室46と膨張室34との差圧による駆動力が上向きに作用する。第1期間T1には差圧PH-PMに比例する駆動力が駆動ピストン22に作用し、第2期間T2には差圧PH-PLに比例する駆動力が駆動ピストン22に作用する。よって、ディスプレーサ20は駆動ピストン22とともに、下死点LP1から上死点UP1に向けて動く。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。 Therefore, in the intake process, the driving force due to the differential pressure between the driving chamber 46 and the expansion chamber 34 acts upward on the driving piston 22. In the first period T1, a driving force proportional to the differential pressure PH-PM acts on the drive piston 22, and in the second period T2, a driving force proportional to the differential pressure PH-PL acts on the drive piston 22. Therefore, the displacer 20 moves from the bottom dead center LP1 to the top dead center UP1 together with the drive piston 22. In this way, the volume of the expansion chamber 34 is increased and filled with high-pressure gas.

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、GM冷凍機10の排気工程が開始される。図示される第3期間T3と第4期間T4が、GM冷凍機10の排気工程にあたる。主排気開閉バルブV2は開かれ、主吸気開閉バルブV1は閉じている。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。膨張室34は、低圧PLとなる。 When the displacer 20 is at or near top dead center UP1, the exhaust process of the GM refrigerator 10 is started. The illustrated third period T3 and fourth period T4 correspond to the exhaust process of the GM refrigerator 10. The main exhaust open / close valve V2 is open, and the main intake open / close valve V1 is closed. The high-pressure gas expands and is cooled in the expansion chamber 34. The expanded gas is recovered in the compressor 12 through the room temperature chamber 36 while cooling the cool storage device 15. The expansion chamber 34 becomes a low pressure PL.

膨張室34からの排気と同時に駆動室46への吸気が行われる。第3期間T3においては副吸気開閉バルブV3と副排気開閉バルブV4がともに閉じている。第3期間T3の開始時点で駆動室46の圧力(PL)はバッファ容積104の圧力(PM)より低い。そのためバッファ容積104から駆動室46へと作動ガスが供給される。第3期間T3において駆動室46はバッファ容積104の圧力へと昇圧される。GM冷凍機10の排気工程の途中で第3期間T3から第4期間T4に移行する。副排気開閉バルブV4は閉じたままであるが、副吸気開閉バルブV3が開かれる。そのため第4期間T4においては圧縮機12から駆動室46へと作動ガスが供給され、駆動室46は高圧PLへと昇圧される。 At the same time as the exhaust from the expansion chamber 34, the intake air to the drive chamber 46 is performed. In the third period T3, both the sub-intake open / close valve V3 and the sub-exhaust open / close valve V4 are closed. At the start of the third period T3, the pressure (PL) of the drive chamber 46 is lower than the pressure (PM) of the buffer volume 104. Therefore, the working gas is supplied from the buffer volume 104 to the drive chamber 46. In the third period T3, the drive chamber 46 is boosted to the pressure of the buffer volume 104. In the middle of the exhaust process of the GM refrigerator 10, the transition from the third period T3 to the fourth period T4. The sub-exhaust open / close valve V4 remains closed, but the sub-intake open / close valve V3 is opened. Therefore, in the fourth period T4, the working gas is supplied from the compressor 12 to the drive chamber 46, and the drive chamber 46 is boosted to the high pressure PL.

上述のように流路抵抗部材102がバッファ容積104と副吸気開閉バルブV3との間に設けられているので、バッファ容積104の圧力は、概ね一定に維持される。第4期間T4においてバッファ容積104の圧力増加は、駆動室46に比べて抑制される。 Since the flow path resistance member 102 is provided between the buffer volume 104 and the sub intake opening / closing valve V3 as described above, the pressure of the buffer volume 104 is maintained substantially constant. In the fourth period T4, the pressure increase of the buffer volume 104 is suppressed as compared with the drive chamber 46.

したがって、排気工程において駆動ピストン22には駆動室46と膨張室34との差圧による駆動力が下向きに作用する。第3期間T3には差圧PM-PLに比例する駆動力が駆動ピストン22に作用し、第4期間T4には差圧PH-PLに比例する駆動力が駆動ピストン22に作用する。よって、ディスプレーサ20は駆動ピストン22とともに、上死点UP1から下死点LP1に向けて動く。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。 Therefore, in the exhaust process, the driving force due to the differential pressure between the drive chamber 46 and the expansion chamber 34 acts downward on the drive piston 22. In the third period T3, a driving force proportional to the differential pressure PM-PL acts on the drive piston 22, and in the fourth period T4, a driving force proportional to the differential pressure PH-PL acts on the drive piston 22. Therefore, the displacer 20 moves from the top dead center UP1 to the bottom dead center LP1 together with the drive piston 22. In this way, the volume of the expansion chamber 34 is reduced and the low pressure gas is discharged.

GM冷凍機10はこのような冷凍サイクル(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。 The GM refrigerator 10 cools the cooling stage 38 by repeating such a refrigerating cycle (that is, a GM cycle). Thereby, the GM refrigerator 10 can cool the superconducting device or other object to be cooled (not shown) thermally coupled to the cooling stage 38.

図において同時に描かれているバルブタイミングは、厳密に同時である必要はなく、いくらかずれていてもよい。例えば、主吸気開閉バルブV1の閉鎖と副排気開閉バルブV4の閉鎖が同時であることは必須ではない。また、主排気開閉バルブV2の閉鎖と副吸気開閉バルブV3の閉鎖が同時であることは必須ではない。 The valve timings depicted at the same time in the figure do not have to be exactly at the same time and may be slightly different. For example, it is not essential that the main intake opening / closing valve V1 and the sub-exhaust opening / closing valve V4 are closed at the same time. Further, it is not essential that the main exhaust opening / closing valve V2 is closed and the sub intake opening / closing valve V3 is closed at the same time.

実施の形態に係るGM冷凍機10では、中間圧力源100が、副圧力切替バルブ62と並列に駆動室46に接続され、駆動室46での周期的な圧力変動の間、高圧PHと低圧PLとの中間圧を有する。中間圧力源100を補助的なガス源として利用できるので、圧縮機12から駆動室46へ供給する仕事が低減され、圧縮機12の負荷を低減することができる。これにより圧縮機効率が高まり、ガス駆動型GM冷凍機のシステム全体の効率が向上する。 In the GM refrigerator 10 according to the embodiment, the intermediate pressure source 100 is connected to the drive chamber 46 in parallel with the auxiliary pressure switching valve 62, and the high pressure PH and the low pressure PL are connected during the periodic pressure fluctuation in the drive chamber 46. Has an intermediate pressure with. Since the intermediate pressure source 100 can be used as an auxiliary gas source, the work supplied from the compressor 12 to the drive chamber 46 can be reduced, and the load on the compressor 12 can be reduced. As a result, the efficiency of the compressor is increased, and the efficiency of the entire system of the gas-driven GM refrigerator is improved.

流路抵抗部材102は副圧力切替バルブ62と並列に前記駆動室に接続され、バッファ容積104は流路抵抗部材102を介して駆動室46に接続されている。このような構成により、圧縮機12からの作動ガス供給により駆動室46へと投入された仕事の一部をバッファ容積104に回収し、回収された仕事を次回の冷凍サイクルで再利用することが可能となる。 The flow path resistance member 102 is connected to the drive chamber in parallel with the auxiliary pressure switching valve 62, and the buffer volume 104 is connected to the drive chamber 46 via the flow path resistance member 102. With such a configuration, a part of the work input to the drive chamber 46 by supplying the working gas from the compressor 12 can be collected in the buffer volume 104, and the collected work can be reused in the next refrigeration cycle. It will be possible.

典型的なガス駆動型GM冷凍機では通例、主吸気開閉バルブV1の開放の間ずっと副排気開閉バルブV4も開いている。また、主排気開閉バルブV2の開放の間ずっと副吸気開閉バルブV3も開いている。 In a typical gas-driven GM refrigerator, the sub-exhaust open / close valve V4 is also normally open while the main intake open / close valve V1 is open. Further, the sub intake opening / closing valve V3 is also open during the opening of the main exhaust opening / closing valve V2.

これに対して、実施の形態に係るGM冷凍機10では、上述のようにバッファ容積104と流路抵抗部材102が設けられているので、副排気開閉バルブV4を開くタイミングを主吸気開閉バルブV1の開放から遅らせ、かつ副排気開閉バルブV4の開放時間を主吸気開閉バルブV1に比べて短くすることができる。また、副吸気開閉バルブV3を開くタイミングを主排気開閉バルブV2の開放から遅らせ、かつ副吸気開閉バルブV3の開放時間を主排気開閉バルブV2に比べて短くすることができる。 On the other hand, in the GM refrigerator 10 according to the embodiment, since the buffer volume 104 and the flow path resistance member 102 are provided as described above, the timing for opening the sub-exhaust open / close valve V4 is set to the main intake open / close valve V1. It is possible to delay the opening of the sub-exhaust opening / closing valve V4 and shorten the opening time of the sub-exhaust opening / closing valve V4 as compared with the main intake opening / closing valve V1. Further, the timing of opening the sub intake opening / closing valve V3 can be delayed from the opening of the main exhaust opening / closing valve V2, and the opening time of the sub intake opening / closing valve V3 can be shortened as compared with the main exhaust opening / closing valve V2.

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。 The present invention has been described above based on examples. It will be understood by those skilled in the art that the present invention is not limited to the above embodiment, various design changes are possible, various modifications are possible, and such modifications are also within the scope of the present invention. By the way.

10 GM冷凍機、 20 ディスプレーサ、 22 駆動ピストン、 46 駆動室、 100 中間圧力源、 102 流路抵抗部材、 104 バッファ容積。 10 GM refrigerator, 20 displacer, 22 drive piston, 46 drive chamber, 100 intermediate pressure source, 102 flow path resistance member, 104 buffer volume.

Claims (6)

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の軸方向往復動を駆動するように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、
前記駆動室に接続され、前記駆動室に高圧と低圧の周期的な圧力変動を生成する駆動室圧力切替バルブと、
前記駆動室圧力切替バルブと並列に前記駆動室に接続され、前記駆動室での前記周期的な圧力変動の間、前記高圧と前記低圧との中間圧を有する中間圧力源と、を備えることを特徴とするGM冷凍機。
A displacer that can reciprocate in the axial direction and
A drive piston connected to the displacer so as to drive the axial reciprocating motion of the displacer,
A drive chamber accommodating the drive piston and
A drive chamber pressure switching valve that is connected to the drive chamber and generates periodic pressure fluctuations between high pressure and low pressure in the drive chamber.
Provided with an intermediate pressure source connected to the drive chamber in parallel with the drive chamber pressure switching valve and having an intermediate pressure between the high pressure and the low pressure during the periodic pressure fluctuations in the drive chamber. The featured GM refrigerator.
前記中間圧力源は、前記駆動室圧力切替バルブと並列に前記駆動室に接続された流路抵抗部材と、前記流路抵抗部材を介して前記駆動室に接続されたバッファ容積と、を備えることを特徴とする請求項1に記載のGM冷凍機。 The intermediate pressure source includes a flow path resistance member connected to the drive chamber in parallel with the drive chamber pressure switching valve, and a buffer volume connected to the drive chamber via the flow path resistance member. The GM refrigerator according to claim 1. 前記駆動ピストンは、連結ロッドにより前記ディスプレーサに剛に連結されていることを特徴とする請求項1または2に記載のGM冷凍機。The GM refrigerator according to claim 1 or 2, wherein the drive piston is rigidly connected to the displacer by a connecting rod. 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、前記連結ロッドまたは前記連結ロッドを軸方向に案内するガイドに設けられ、前記ディスプレーサシリンダから前記駆動室を隔離するシール部と、をさらに備えることを特徴とする請求項3に記載のGM冷凍機。A claim further comprising a displacer cylinder accommodating the displacer and a seal portion provided on a connecting rod or a guide for axially guiding the connecting rod and separating the drive chamber from the displacer cylinder. Item 3. The GM refrigerator according to item 3. 前記駆動室は、前記駆動ピストンによって第1区画と第2区画に仕切られ、前記駆動室圧力切替バルブと前記中間圧力源が前記第1区画に接続され、前記連結ロッドが前記第2区画を通って前記ディスプレーサへと延びており、The drive chamber is divided into a first section and a second section by the drive piston, the drive chamber pressure switching valve and the intermediate pressure source are connected to the first section, and the connecting rod passes through the second section. Extends to the displacer
前記第2区画は、前記駆動ピストンが前記第2区画を狭くするように移動するとき前記駆動ピストンの当該移動に抗するガスばね力を生じさせるガスばね室として働くことを特徴とする請求項3または4に記載のGM冷凍機。3. The second compartment functions as a gas spring chamber that generates a gas spring force that opposes the movement of the drive piston when the drive piston moves so as to narrow the second compartment. Or the GM refrigerator according to 4.
前記駆動室は、前記駆動ピストンによって第1区画と第2区画に仕切られ、The drive chamber is divided into a first section and a second section by the drive piston.
前記第1区画と前記第2区画のガス流通に対する流路抵抗として作用するクリアランスが、前記駆動ピストンと前記駆動室の間に設けられてい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GM冷凍機。One of claims 1 to 5, wherein a clearance acting as a flow path resistance to the gas flow of the first section and the second section is provided between the drive piston and the drive chamber. The described GM refrigerator.
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