JP7075816B2 - 極低温冷凍機のロータリーバルブおよび極低温冷凍機 - Google Patents

Description

本発明は、極低温冷凍機のロータリーバルブおよび極低温冷凍機に関する。

ＧＭ（ギフォード・マクマホン、Gifford-McMahon）冷凍機やパルス管冷凍機などの極低温冷凍機においては、コールドヘッドへの作動ガスの吸気と排気を交互に切り替えるために、ロータリーバルブが通例使用されている。

あるロータリーバルブの構成は、静止したバルブプレートとモータによって軸まわりに回転するバルブヘッドとを備える。作動ガスが流れるいくつかのポートが、バルブプレートとバルブヘッドとの間の界面部に設けられている。界面部にて作動ガスの圧力がバルブヘッドをバルブプレートに押し付けるように働き、それにより、ポートは互いにシールされ、各ポートは異なる必要な圧力をとることができる。バルブプレートに対するバルブヘッドの回転によりポート間の接続が切り替えられ、コールドヘッドの吸排気が可能となる。

特開平２－７８８６４号公報

上述のバルブ構成においては、回転軸方向に界面部と反対側のバルブヘッドの表面に低圧のボアが形成されている。このボアは、バルブヘッドをバルブプレートに軸方向に押し付ける力を弱める働きをもつ。バルブヘッドが回転するときの界面部での摩擦力が低減され、モータの駆動トルクを小さくすることができる。しかしながら、モータシャフトから延びた延長部材の先端がボアを密閉するためにボア内に進入していることから、周囲の高圧とボアの低圧との圧力差は、延長部材およびモータシャフトをモータから軸方向に引っ張る力を生じさせる。この引張力は、モータ内部の部品、例えば、モータシャフトを支持するベアリングに過剰な負荷を与えうる。モータの寿命短縮という不利益をもたらしうる。あるいは、引張力に耐える頑丈なモータを使用する場合には、製造コストの上昇を招きうる。

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、より低コストに、極低温冷凍機のロータリーバルブの駆動トルク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、極低温冷凍機のロータリーバルブであって、バルブステータと、バルブロータと、前記バルブロータを前記バルブステータに対して軸まわりに回転させる回転部材と、前記バルブロータとともに軸まわりに回転するように前記バルブロータに連結されたロータホルダであって、前記バルブロータを前記バルブステータに押し付ける軸方向の力を低減するように周囲圧力より低い圧力の低圧部を前記バルブロータとの間に形成するロータホルダと、を備える。前記回転部材は、前記ロータホルダを介して前記バルブロータを軸まわりに回転させるように前記ロータホルダに連結されている。前記ロータホルダは、軸方向において前記回転部材と前記バルブロータとの間に配置され、前記回転部材に対して軸方向に移動可能である。

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、より低コストに、極低温冷凍機のロータリーバルブの駆動トルク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を概略的に示す図である。 極低温冷凍機の動作の一例を示す図である。 実施の形態に係る極低温冷凍機のロータリーバルブ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ロータリーバルブ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ロータリーバルブの他の例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ロータリーバルブの他の例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ロータリーバルブの他の例を概略的に示す図である。

以下、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、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、図面の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１０を概略的に示す図である。極低温冷凍機１０は、一例として、ガス駆動型ＧＭ冷凍機である。

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、極低温冷凍機１０の高圧源及び低圧源として機能する。コールドヘッド１４は膨張機とも呼ばれる。

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

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

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

軸方向可動体１６は、軸方向（図１において上下方向、矢印Ｃ１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。

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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。

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

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

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

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

ピストンシリンダ２８は、駆動ピストン２２を駆動するよう圧力が制御される駆動室４６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。

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。

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。

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。

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。

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、ロータリーバルブ５４を備える。ロータリーバルブ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。ロータリーバルブ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。

ロータリーバルブ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、主吸気バルブＶ１と主排気バルブＶ２とを有する。副圧力切替バルブ６２は、副吸気バルブＶ３と副排気バルブＶ４とを有する。

作動ガス回路５２は、圧縮機１２をロータリーバルブ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、主吸気バルブＶ１と副吸気バルブ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、主排気バルブＶ２と副排気バルブＶ４に接続されている。

また、作動ガス回路５２は、コールドヘッド１４をロータリーバルブ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、主吸気バルブＶ１と主排気バルブ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、副吸気バルブＶ３と副排気バルブＶ４に接続されている。

主圧力切替バルブ６０は、圧縮機吐出口１２ａまたは圧縮機吸入口１２ｂをディスプレーサシリンダ２６の室温室３６に選択的に連通するよう構成されている。主圧力切替バルブ６０においては、主吸気バルブＶ１および主排気バルブＶ２がそれぞれ排他的に開放される。すなわち、主吸気バルブＶ１および主排気バルブＶ２が同時に開くことは禁止されている。なお主吸気バルブＶ１および主排気バルブＶ２が一時的にともに閉じられてもよい。

主吸気バルブＶ１が開いているとき主排気バルブ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。

一方、主排気バルブＶ２が開いているとき主吸気バルブ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。

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、副吸気バルブＶ３および副排気バルブ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、副吸気バルブＶ３および副排気バルブＶ４が同時に開くことは禁止されている。なお副吸気バルブＶ３および副排気バルブＶ４が一時的にともに閉じられてもよい。

副吸気バルブＶ３が開いているとき副排気バルブ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。

一方、副排気バルブＶ４が開いているとき副吸気バルブ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。

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。

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。

一群のバルブ（Ｖ１～Ｖ４）がロータリーバルブ５４に組み込まれており、同期して駆動される。ロータリーバルブ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、極低温冷凍機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。

極低温冷凍機１０は、ロータリーバルブ５４を回転させるようロータリーバルブ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はロータリーバルブ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。

図２は、極低温冷凍機１０の動作の一例を示す図である。図２では軸方向可動体１６の軸方向往復動の一周期を３６０度に対応づけて表しているので、０度は周期の開始時点にあたり、３６０度は周期の終了時点にあたる。９０度、１８０度、２７０度はそれぞれ、１／４周期、半周期、３／４周期にあたる。０度においてディスプレーサ２０は下死点ＬＰ１またはその近傍に位置し、１８０度においてディスプレーサ２０は上死点ＵＰ１またはその近傍に位置する。

図２には、コールドヘッド１４の主吸気期間Ａ１および主排気期間Ａ２と、駆動室４６の副吸気期間Ａ３および副排気期間Ａ４が例示されている。主吸気期間Ａ１は、主吸気バルブＶ１が開いている期間を表し、主排気期間Ａ２は、主排気バルブＶ２が開いている期間を表す。同様に、副吸気期間Ａ３は、副吸気バルブＶ３が開いている期間を表し、副排気期間Ａ４は、副排気バルブＶ４が開いている期間を表す。

図２に示す例においては、主吸気期間Ａ１および副排気期間Ａ４は、０度から１３５度の範囲であり、主排気期間Ａ２および副吸気期間Ａ３は、１８０度から３１５度の範囲である。主吸気期間Ａ１は主排気期間Ａ２と交互かつ非重複であり、副吸気期間Ａ３は副排気期間Ａ４と交互かつ非重複である。主吸気期間Ａ１は副排気期間Ａ４と重なり、主排気期間Ａ２は副吸気期間Ａ３と重なっている。

上記の構成をもつ極低温冷凍機１０の動作を説明する。ディスプレーサ２０が下死点ＬＰ１またはその近傍の位置にあるとき、主吸気期間Ａ１が開始される（図２の０度）。主吸気バルブ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。

主吸気期間Ａ１と同時に副排気期間Ａ４も開始される（図２の０度）。副排気バルブ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が下死点から上死点に向けて動く。

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。主吸気バルブＶ１が閉じ、主吸気期間Ａ１が終了する（図２の１３５度）。副排気バルブＶ４が閉じ、副排気期間Ａ４が終了する（図２の１３５度）。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、主排気期間Ａ２が開始される（図２の１８０度）。主排気バルブ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。

主排気期間Ａ２とともに副吸気期間Ａ３も開始される（図２の１８０度）。副吸気バルブ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が上死点から下死点に向けて動く。

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。主排気バルブＶ２が閉じ、主排気期間Ａ２が終了する（図２の３１５度）。副吸気バルブＶ３が閉じ、副吸気期間Ａ３が終了する（図２の３１５度）。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。

図３および図４は、実施の形態に係る極低温冷凍機１０のロータリーバルブ５４を概略的に示す図である。図３には、極低温冷凍機１０の運転中におけるロータリーバルブ５４の状態が示され、図４には、極低温冷凍機１０の停止中におけるロータリーバルブ５４の状態が示されている。

図３に示されるように、極低温冷凍機１０の運転中においては、高圧ＰＨの作動ガスが高圧ライン１３ａからロータリーバルブ５４に導入されるとともに、低圧ＰＬの作動ガスが低圧ライン１３ｂからロータリーバルブ５４に導入される。ロータリーバルブ５４は、高圧ＰＨと低圧ＰＬとの圧力差を保持するように構成されている。一方、図４に示されるように、極低温冷凍機１０の停止中においては、作動ガスは均圧化されるので、高圧ライン１３ａと低圧ライン１３ｂのいずれからも中間圧ＰＭ（例えば、高圧ＰＨと低圧ＰＬの平均圧）が導入される。よって、極低温冷凍機１０の停止中には、運転中とは異なり、ロータリーバルブ５４に圧力差は作用しない。

ロータリーバルブ５４は、バルブハウジング５８、バルブステータ６８、バルブロータ７０、ロータホルダ７２、および回転部材７４を備える。また、ロータリーバルブ５４は、複数の第１連結ピン７６、複数の第２連結ピン７８、バルブベアリング８０、ロータシール部材８２、ステータシール部材８４、および第１バネ８６を備える。

回転駆動源５６は、モータ本体５６ａとモータシャフト５６ｂを備える。モータ本体５６ａは、バルブハウジング５８の外面に設置され、モータシャフト５６ｂは、モータ本体５６ａからバルブハウジング５８の内部へとバルブハウジング５８を貫通して延びている。モータシャフト５６ｂは、ロータリーバルブ５４の軸方向（図３および図４において上下方向、矢印Ｃ２で示す）に延びている。モータ本体５６ａの駆動により、モータシャフト５６ｂは、軸まわりに回転する（図３および図４において矢印Ｒで示す）。回転駆動源５６は、モータシャフト５６ｂを軸まわりに回転可能に支持する少なくとも１つのモータベアリング５７をモータ本体５６ａの内部に有してもよい。

ロータリーバルブ５４の軸方向Ｃ２に沿って、モータシャフト５６ｂ、回転部材７４、ロータホルダ７２、バルブロータ７０、およびバルブステータ６８がこの順に同軸配置されている。回転部材７４、ロータホルダ７２、およびバルブロータ７０は、それぞれ別個の部品であるが、モータシャフト５６ｂの軸まわり回転に伴って軸まわりに一体に回転するように互いに連結されている。

バルブハウジング５８は、バルブステータ６８、バルブロータ７０、ロータホルダ７２、回転部材７４、およびその他のロータリーバルブ５４の構成要素を収容する気密容器である。バルブハウジング５８には、高圧ライン１３ａ、低圧ライン１３ｂ、主連通路６４、および副連通路６６が接続されており、これらを通じて、作動ガスがロータリーバルブ５４へと流入し、またはロータリーバルブ５４から流出することができる。

バルブステータ６８は、蓄冷器流路６８ａ、駆動室流路６８ｂ、およびステータ低圧流路６８ｃを有する。蓄冷器流路６８ａ、駆動室流路６８ｂ、およびステータ低圧流路６８ｃはそれぞれ、バルブステータ６８を貫通する穴であり、それらの一端はバルブステータ６８の上面で互いに異なる場所に位置する。蓄冷器流路６８ａ、駆動室流路６８ｂ、およびステータ低圧流路６８ｃの他端はそれぞれ、バルブハウジング５８を貫通して、主連通路６４、副連通路６６、および低圧ライン１３ｂに連通している。

典型的には、バルブステータ６８は、円柱状の形状を有し、バルブハウジング５８は対応する形状の凹部を有する。バルブステータ６８は、バルブハウジング５８の凹部に嵌め込まれて、バルブハウジング５８に固定されている。複数のステータシール部材８４が、バルブステータ６８の周面とこれに接触するバルブハウジング５８の凹部の表面との間で、互いに軸方向Ｃ２に異なる位置に配置されている。ステータシール部材８４によって、蓄冷器流路６８ａ、駆動室流路６８ｂ、およびステータ低圧流路６８ｃは互いにシールされ、相互間の作動ガスの漏れが防止される。ステータシール部材８４は、例えば、Ｏリングやスリッパーシール、またはその他の円環状のシール部材であり、バルブステータ６８の周面に沿ってその全周にわたり延びている。

バルブロータ７０は、ロータ低圧流路８８とロータ高圧流路９０を有する。ロータ低圧流路８８は、バルブロータ７０を貫通する穴であり、ロータ高圧流路９０は、バルブロータ７０に形成された凹部またはバルブロータ７０を貫通する穴である。ロータ低圧流路８８とロータ高圧流路９０はそれぞれ、バルブロータ７０の底面で互いに異なる場所に位置する。

ロータ高圧流路９０は、高圧室９２に連通し、高圧室９２は、高圧ポート９３を通じて高圧ライン１３ａに連通している。高圧室９２は、バルブハウジング５８の内部の空間であり、高圧ポート９３は、バルブハウジング５８に形成された貫通穴である。高圧室９２に、バルブステータ６８、バルブロータ７０、ロータホルダ７２、回転部材７４、およびその他のロータリーバルブ５４の構成要素が配置されている。

バルブステータ６８の上面とバルブロータ７０の底面はともに平面であり、互いに面接触している。バルブロータ７０が軸まわりに回転するとき、バルブロータ７０の底面はバルブステータ６８の上面に対して回転摺動する。バルブロータ７０とバルブステータ６８の面接触は、バルブステータ６８とバルブロータ７０を流通する作動ガスの気密性を保持するようになっている。換言すれば、バルブロータ７０及びバルブステータ６８の回転摺動面は高圧ガス領域と低圧ガス領域を有し、これらはバルブロータ７０とバルブステータ６８との接触面圧によって互いにシールされている。後述するように、低圧ガス領域は、回転摺動面の中心部にあり、高圧ガス領域は、低圧ガス領域を囲む回転摺動面の外周部にある。

ロータ低圧流路８８は、ステータ低圧流路６８ｃに連通し、ロータ高圧流路９０は、高圧室９２に連通している。バルブステータ６８に対するバルブロータ７０の回転摺動によって、蓄冷器流路６８ａは、ロータ低圧流路８８とロータ高圧流路９０に交互に接続され、こうして主吸気バルブＶ１および主排気バルブＶ２が構成される。駆動室流路６８ｂは、ロータ低圧流路８８とロータ高圧流路９０に交互に接続され、副吸気バルブＶ３および副排気バルブＶ４が構成される。蓄冷器流路６８ａへのロータ高圧流路９０とロータ低圧流路８８の交互接続と、駆動室流路６８ｂへのロータ高圧流路９０とロータ低圧流路８８の交互接続は、異なる位相（例えば、上述のように、１８０度異なる位相）で行われる。

こうしたバルブステータ６８とバルブロータ７０からなるロータリーバルブ５４の具体的な流路構成は、種々の公知のものを適宜採用することができるので、詳細説明は省略する。

回転部材７４は、バルブロータ７０をバルブステータ６８に対して軸まわりに回転させるように構成されている。回転部材７４は、ロータホルダ７２を介してバルブロータ７０を軸まわりに回転させるようにロータホルダ７２に連結されている。

回転部材７４は、その上面でモータシャフト５６ｂの先端（下端）に固定されている。回転部材７４は、モータシャフト５６ｂと一体形成されていてもよいし、あるいは、適宜の固定部材によってモータシャフト５６ｂに固定されていてもよい。よって、モータシャフト５６ｂが回転するとき、回転部材７４は、モータシャフト５６ｂとともに軸まわりに回転する。回転部材７４は、一例として、円板状または円柱状の形状を有し、その径はモータシャフト５６ｂの径よりも大きい。

回転部材７４は、複数の第１連結ピン７６を介して、ロータホルダ７２に連結されている。第１連結ピン７６は、軸方向Ｃ２に延在する細長い棒状（例えば円柱状）の部材である。各第１連結ピン７６は、その一端（上端）が回転部材７４の底面に形成された対応するピン穴に挿し込まれている。また、各第１連結ピン７６は、他端（下端）がロータホルダ７２の上面に形成された対応するピン穴に挿し込まれている。第１連結ピン７６は、回転部材７４の中心軸（すなわち回転軸）から径方向に外れた位置に配置されている。第１連結ピン７６は、回転部材７４とともにクランクを構成している。第１連結ピン７６は、回転部材７４の底面外周部において、周方向に等角度間隔に配置されていてもよい。なお、回転部材７４は、少なくとも１本の第１連結ピン７６を介して、ロータホルダ７２に連結されていてもよい。

このようにして、第１連結ピン７６は、ロータホルダ７２が回転部材７４とともに軸まわりに回転可能にロータホルダ７２を回転部材７４に連結する。回転部材７４が回転するとき、第１連結ピン７６を介して回転部材７４の回転力（周方向の駆動力）がロータホルダ７２に伝達される。

また、第１連結ピン７６は、ロータホルダ７２が回転部材７４に対して軸方向Ｃ２に移動可能にロータホルダ７２を回転部材７４に連結する。ロータホルダ７２と第１連結ピン７６との間で、または、回転部材７４と第１連結ピン７６との間で、互いに軸方向Ｃ２に摺動することができ、それにより、ロータホルダ７２は、回転部材７４に対して軸方向Ｃ２に移動可能である。

回転部材７４の底面とロータホルダ７２の上面との間には第１隙間９６が形成され、ロータホルダ７２の上面は、回転部材７４の底面と接触していない。よって、ロータホルダ７２と回転部材７４との間で軸方向Ｃ２の力は、まったく又はほとんど伝達されない。第１隙間９６、すなわちロータホルダ７２と回転部材７４の軸方向間隔は、例えば、１ｍｍ以上、または２ｍｍ以上であってもよい。第１隙間９６は、例えば、５ｍｍ以下、または１０ｍｍ以下であってもよい。

ロータホルダ７２は、バルブロータ７０とともに軸まわりに回転するようにバルブロータ７０に連結されている。ロータホルダ７２は、複数の第２連結ピン７８を介して、バルブロータ７０に連結されている。第２連結ピン７８は、軸方向Ｃ２に延在する細長い棒状（例えば円柱状）の部材である。各第２連結ピン７８は、その一端（上端）がロータホルダ７２の底面に形成された対応するピン穴に挿し込まれている。また、各第２連結ピン７８は、他端（下端）がバルブロータ７０の上面に形成された対応するピン穴に挿し込まれている。第２連結ピン７８は、ロータホルダ７２の中心軸（すなわち回転軸）から径方向に外れた位置に配置されている。第２連結ピン７８は、周方向に等角度間隔に配置されていてもよい。なお、ロータホルダ７２は、少なくとも１本の第２連結ピン７８を介して、バルブロータ７０に連結されていてもよい。

このようにして、第２連結ピン７８は、バルブロータ７０がロータホルダ７２とともに軸まわりに回転可能にロータホルダ７２をバルブロータ７０に連結する。ロータホルダ７２が回転するとき、第２連結ピン７８を介してロータホルダ７２の回転力（周方向の駆動力）がバルブロータ７０に伝達される。

また、第２連結ピン７８は、ロータホルダ７２がバルブロータ７０に対して軸方向Ｃ２に移動可能にロータホルダ７２をバルブロータ７０に連結する。ロータホルダ７２と第２連結ピン７８との間で、または、バルブロータ７０と第２連結ピン７８との間で、互いに軸方向Ｃ２に摺動することができ、それにより、ロータホルダ７２は、バルブロータ７０に対して軸方向Ｃ２に移動可能である。

ロータホルダ７２の底面とバルブロータ７０の上面との間には第２隙間９８が形成され、バルブロータ７０の上面は、ロータホルダ７２の底面と接触していない（ただし、ロータシール部材８２およびその近傍では、バルブロータ７０とロータホルダ７２は接触している。）。よって、よって、ロータホルダ７２とバルブロータ７０との間で軸方向Ｃ２の力は、まったく又はほとんど伝達されない。第２隙間９８を介してロータホルダ７２がバルブロータ７０から隔てて配置されることにより、ロータホルダ７２からバルブロータ７０へと軸方向Ｃ２に押し付ける力が過剰に作用しないようになっている。第２隙間９８、すなわちロータホルダ７２とバルブロータ７０の軸方向間隔は、例えば、１ｍｍ以上、または２ｍｍ以上であってもよい。第２隙間９８は、例えば、５ｍｍ以下、または１０ｍｍ以下であってもよい。

なお、第１連結ピン７６は、回転部材７４またはロータホルダ７２のいずれかに一体形成されていてもよい。第１連結ピン７６は、回転部材７４の底面に一体形成され回転部材７４から軸方向に下方に突出し、ロータホルダ７２の上面に形成されたピン穴に挿し込まれていてもよい。あるいは、第１連結ピン７６は、ロータホルダ７２の上面に一体形成されロータホルダ７２から軸方向に上方に突出し、回転部材７４の下面に形成されたピン穴に挿し込まれていてもよい。同様に、第２連結ピン７８は、ロータホルダ７２またはバルブロータ７０のいずれかに一体形成されていてもよい。第２連結ピン７８は、ロータホルダ７２の底面に一体形成されロータホルダ７２から軸方向に下方に突出し、バルブロータ７０の上面に形成されたピン穴に挿し込まれていてもよい。あるいは、第２連結ピン７８は、バルブロータ７０の上面に一体形成されバルブロータ７０から軸方向に上方に突出し、ロータホルダ７２の下面に形成されたピン穴に挿し込まれていてもよい。

ロータホルダ７２は、軸まわりに回転可能にバルブベアリング８０に支持されている。バルブベアリング８０の外周側がバルブハウジング５８に固定され、バルブベアリング８０の内周側がロータホルダ７２を支持する。ロータホルダ７２は、バルブベアリング８０に対して軸方向Ｃ２に移動可能に支持されている。ロータホルダ７２の外周面がバルブベアリング８０に対し軸方向Ｃ２に摺動可能である。

また、ロータホルダ７２とバルブロータ７０との間に第１バネ８６が介在する。第１バネ８６は、ロータホルダ７２の下面とバルブロータ７０の上面との間に配置され、ロータホルダ７２をバルブロータ７０から離間するようにバルブロータ７０に対しロータホルダ７２を軸方向Ｃ２に付勢する。

ロータホルダ７２は、一例として、円板状または円柱状の形状を有する。ただし、ロータホルダ７２は、ホルダ中心部７２ａとホルダ外周部７２ｂとを有し、これらは互いに軸方向厚さが異なる。ホルダ中心部７２ａは、ホルダ外周部７２ｂに比べて軸方向厚さが小さく、そのため、ロータホルダ７２の底面は平坦ではなく、ホルダ中心部７２ａはホルダ外周部７２ｂに対して凹んだ凹部を形成する。第２連結ピン７８と第１バネ８６は、この凹部に配置されている。ロータホルダ７２の上面は、ピン穴を除いて、平坦である。

バルブロータ７０は、一例として、円板状または円柱状の形状を有する。ただし、バルブロータ７０は、ロータ中心部７０ａとロータ外周部７０ｂとを有し、これらは互いに軸方向厚さが異なる。ロータ中心部７０ａは、ロータ外周部７０ｂに比べて軸方向厚さが大きく、そのため、バルブロータ７０の上面は平坦ではなく、ロータ中心部７０ａはロータ外周部７０ｂに対してロータホルダ７２へと突き出した凸部を形成する。

ロータホルダ７２の底面の凹部は、バルブロータ７０の上面の凸部と対応する形状を有する。ホルダ外周部７２ｂの内径は、ロータ中心部７０ａの外径より僅かに大きいかほぼ等しい。ホルダ外周部７２ｂは、ロータ中心部７０ａによって案内され軸方向Ｃ２に移動可能（摺動可能）である。

ロータ中心部７０ａの外周面とホルダ外周部７２ｂの内周面との間には、ロータシール部材８２が設けられている。ロータシール部材８２は、例えば、Ｏリングやスリッパーシール、またはその他の円環状のシール部材であり、ロータ中心部７０ａの外周面に沿ってその全周にわたり延びている。ロータシール部材８２によって、バルブロータ７０およびロータホルダ７２の外周部（すなわちロータ外周部７０ｂとホルダ外周部７２ｂ）から、バルブロータ７０およびロータホルダ７２の中心部（すなわちロータ中心部７０ａとホルダ中心部７２ａ）への作動ガスの漏れが防止される。

ロータ低圧流路８８は、ロータ中心部７０ａに形成され、ロータ高圧流路９０は、ロータ外周部７０ｂに形成されている。ロータ低圧流路８８は、ロータ中心部７０ａを軸方向Ｃ２に貫通している。一方、ロータ高圧流路９０は、ロータ外周部７０ｂに形成された凹部であって、ロータ外周部７０ｂを貫通していない。そのため、バルブロータ７０の上面において、ロータ外周部７０ｂはロータ中心部７０ａとの間に軸方向Ｃ２の段差を形成している。

ロータホルダ７２は、バルブロータ７０をバルブステータ６８に押し付ける軸方向Ｃ２の力を低減するように、周囲圧力より低い圧力の低圧部９４をバルブロータ７０との間に形成する。周囲圧力は、高圧室９２の圧力であり、極低温冷凍機１０の運転中には高圧ＰＨである。低圧部９４は、ロータ中心部７０ａとホルダ中心部７２ａとの間に形成された空間である。低圧部９４は、ロータ低圧流路８８を通じてステータ低圧流路６８ｃに連通している。よって、低圧部９４は、極低温冷凍機１０の運転中に低圧ＰＬを有する。ロータシール部材８２によって、低圧部９４は高圧室９２からシールされている。よって、極低温冷凍機１０の運転中、低圧部９４と高圧室９２の圧力差が保持される。

仮に、ロータシール部材８２が設けられていなかったとすると、低圧部９４の圧力も周囲と同様に高圧ＰＨとなる。また、ロータ低圧流路８８がバルブロータ７０を貫通していなかった場合にも、低圧部９４の圧力は高圧ＰＨとなる。このように、低圧部９４が存在しなかった場合には、バルブロータ７０の上面の全域に高圧ＰＨが作用する。一方、バルブロータ７０の底面の一部（中心部）には、流路切替のために低圧ＰＬが作用する。そのため、バルブロータ７０には、上面と底面の圧力差によって比較的大きい軸方向Ｃ２に下向きの力が作用し、この力はバルブロータ７０をバルブステータ６８に押し付けるように働く。過剰な押し付け力は、バルブロータ７０の回転摺動に伴う摩擦抵抗力を大きくし、それにより、回転駆動源５６の必要トルクの増加や、バルブロータ７０またはバルブステータ６８の摩耗促進を招きうるので、好ましくない。

低圧部９４を設けることにより、バルブロータ７０をバルブステータ６８に押し付ける軸方向Ｃ２の力を低減することができる。したがって、バルブロータ７０の回転摺動に伴う摩擦抵抗力を低減し、回転駆動源５６の必要トルクの増加やバルブロータ７０またはバルブステータ６８の摩耗を抑制することができる。

ところで、仮に、ロータホルダ７２と回転部材７４が一体の部品であったとすると、低圧部９４と高圧室９２の圧力差は、この一体回転部品を軸方向Ｃ２に下向きに引っ張る力を生じさせることになる。その場合、回転部材７４はモータシャフト５６ｂに固定されているので、モータシャフト５６ｂにもモータ本体５６ａから引き出されるような軸力が作用する。こうした軸力は、モータ本体５６ａの内部の部品、例えばモータベアリング５７に過剰な軸方向負荷を与えるかもしれない。過剰な負荷が連続的に作用すれば、回転駆動源５６の寿命が短くなるかもしれない。また、そうした軸力に耐える構成を採用すれば、回転駆動源５６の製造コストの上昇を招きうる。

実施の形態によると、回転部材７４は、ロータホルダ７２を介してバルブロータ７０を軸まわりに回転させるようにロータホルダ７２に連結されている。ロータホルダ７２は、軸方向Ｃ２において回転部材７４とバルブロータ７０との間に配置され、回転部材７４に対して軸方向Ｃ２に移動可能である。

したがって、周囲圧力と低圧部９４の圧力差によりロータホルダ７２に軸方向Ｃ２に下向きの力が作用したとき、ロータホルダ７２は回転部材７４から離れるように軸方向Ｃ２に下向きに移動できる。ロータホルダ７２に働く軸方向Ｃ２の力は回転部材７４に伝わらず、回転部材７４は、ロータホルダ７２に引っ張られることなく、元の位置に保持される。回転部材７４は通例、モータシャフト５６ｂに固定され、またはモータシャフト５６ｂの一部をなす。回転部材７４に働く軸方向Ｃ２の引っ張り力が軽減されることにより、モータ構成要素（例えば、モータベアリング５７）にかかる負荷も軽くなり、回転駆動源５６を長持ちさせることができる。低圧部９４は、バルブロータ７０のバルブステータ６８への押し付け力を低減するから、それにより、ロータリーバルブ５４の駆動トルクも小さくなる。回転駆動源５６の小型化、軽量化、低コスト化が可能となる。よって、より低コストに、極低温冷凍機１０のロータリーバルブ５４の駆動トルクを低減することができる。

ロータホルダ７２は、極低温冷凍機１０の運転中は周囲圧力と低圧部９４との圧力差により軸方向Ｃ２にバルブロータ７０側に移動し、極低温冷凍機１０の停止中は軸方向Ｃ２に回転部材７４側に移動するように構成されている。

極低温冷凍機１０の運転中は、図３に示されるように、ロータホルダ７２は、回転部材７４から離れ、バルブロータ７０に近づくように、軸方向に下方に移動する。周囲圧力（高圧ＰＨ）と低圧部９４との圧力差により、第１バネ８６は圧縮される。第１隙間９６は拡大され、第２隙間９８は縮小される。

このようにして、周囲圧力と低圧部９４との圧力差による軸方向Ｃ２の力は、ロータホルダ７２の軸方向移動を生じさせ、回転部材７４には伝わらない。極低温冷凍機１０の運転中は、ロータホルダ７２をバルブロータ７０に対して適切な位置へと移動させることができる。

反対に、極低温冷凍機１０の停止中は、図４に示されるように、ロータホルダ７２は、回転部材７４に近づき、バルブロータ７０から離れるように、軸方向に上方に移動する。周囲圧力と低圧部９４との圧力差が解消されるため、第１バネ８６は伸長し、それにより、第１隙間９６は縮小され、第２隙間９８は拡大される。こうして、ロータホルダ７２は、回転部材７４側に移動して初期位置に戻ることができる。

また、第１連結ピン７６は、ロータホルダ７２が回転部材７４とともに軸まわりに回転可能に、かつロータホルダ７２が回転部材７４に対して軸方向Ｃ２に移動可能に、ロータホルダ７２を回転部材７４に連結する。第１連結ピン７６は、軸方向Ｃ２に延在する。

ある構成においては、軸方向ではなく、径方向に延びるピンを用いて、ロータホルダ７２を回転部材７４に連結することも可能である。より大きな回転トルクを回転部材７４からロータホルダ７２に伝達するためには、径方向ピンをより太くする必要がある。しかし、太い径方向ピンで二部材を連結する構成は、ピン径の増加とともに二部材の連結部分の軸方向寸法も大きくなり、ロータリーバルブ５４の大型化につながる。これは好ましくない。

これに対して、第１連結ピン７６が軸方向Ｃ２に延在する構成では、回転部材７４およびロータホルダ７２を大型化することなく第１連結ピン７６の径を大きくすることが比較的容易である。

第２連結ピン７８は、ロータホルダ７２がバルブロータ７０とともに軸まわりに回転可能に、かつロータホルダ７２がバルブロータ７０に対して軸方向Ｃ２に移動可能に、ロータホルダ７２をバルブロータ７０に連結する。第２連結ピン７８は、低圧部９４に配置されている。このようにすれば、ロータリーバルブ５４の使用につれて、第２連結ピン７８またはその付近から摩耗粉が発生したとしても、摩耗粉は低圧部９４から低圧ライン１３ｂへと排出されることができる。よって、摩耗粉は、蓄冷器流路６８ａおよび駆動室流路６８ｂに到達しにくく、コールドヘッド１４の摩耗粉による汚染を抑制することができる。

関連して、高圧ポート９３およびロータ高圧流路９０は、第１連結ピン７６に対して軸方向下側（すなわちバルブステータ６８側）に設けられている。高圧ポート９３から高圧室９２に流入する作動ガス流れは、第１連結ピン７６の近傍で軸方向上向き成分をもつことになる。よって、第１連結ピン７６またはその付近から摩耗粉が発生したとしても、摩耗粉は、ロータ高圧流路９０に到達しにくく、コールドヘッド１４の摩耗粉による汚染を抑制することができる。

図５は、実施の形態に係る極低温冷凍機１０のロータリーバルブ５４の他の例を概略的に示す図である。ロータリーバルブ５４は、ロータホルダ７２の回転部材７４側への軸方向移動を制限する第１制限部材を備え、ここで、第１制限部材は、第２バネ１００である。

第２バネ１００は、ロータホルダ７２と回転部材７４との間、すなわち第１隙間９６に配置されている。第２バネ１００は、回転部材７４の下面とロータホルダ７２の上面との間に配置され、ロータホルダ７２を回転部材７４から離間するように回転部材７４に対しロータホルダ７２を軸方向Ｃ２に付勢する。

ロータホルダ７２が軸方向Ｃ２に上向きに移動し、第１隙間９６が狭くなるとき、第２バネ１００は、圧縮され、ロータホルダ７２の上向き移動に抗する力を弾性的に発生させる。よって、第２バネ１００は、ロータホルダ７２の回転部材７４側への軸方向移動を制限することができる。

上述のように、通常は、ロータホルダ７２の底面とバルブロータ７０の上面との間にロータシール部材８２が挟み込まれており、それにより低圧部９４が高圧室９２から密閉されている。仮に、ロータホルダ７２が回転部材７４側に大きく動いたとすると、ロータホルダ７２がバルブロータ７０から外れてしまい、低圧部９４の密閉が不完全または不能となるおそれがある。

これに対して、第２バネ１００のような第１制限部材は、ロータホルダ７２の回転部材７４側への軸方向移動を制限することができるので、低圧部９４が密閉されなくなるリスクを低減することができる。

図６は、実施の形態に係る極低温冷凍機１０のロータリーバルブ５４の他の例を概略的に示す図である。ロータリーバルブ５４は、ロータホルダ７２の回転部材７４側への軸方向移動を制限する第１制限部材を備え、ここで、第１制限部材は、拘束材１０２である。

拘束材１０２は、バルブベアリング８０の軸方向下側に隣接してホルダ外周部７２ｂに取り付けられている。拘束材１０２は、ロータホルダ７２の全周にわたって、または周方向の少なくとも一部にわたって設けられている。極低温冷凍機１０の運転中は、拘束材１０２は、バルブベアリング８０からいくらか下方に離れて位置する。極低温冷凍機１０が停止されると上述のように圧力差が解消され、ロータホルダ７２が軸方向Ｃ２に上向きに移動し、第１隙間９６が狭くなる。このとき、拘束材１０２は、バルブベアリング８０と係合し、ロータホルダ７２の上向き移動を規制する。このようにして、拘束材１０２は、ロータホルダ７２の回転部材７４側への軸方向移動を制限することができ、低圧部９４が密閉されなくなるリスクを低減することができる。

図７は、実施の形態に係る極低温冷凍機１０のロータリーバルブ５４の他の例を概略的に示す図である。ロータリーバルブ５４は、ロータホルダ７２の回転部材７４側への軸方向移動を制限する第１制限部材を備え、ここで、第１制限部材は、回転部材７４である。

極低温冷凍機１０の運転中は、上述の各実施の形態と同様に、ロータホルダ７２は、回転部材７４からいくらか下方に離れて位置し、回転部材７４とロータホルダ７２の間には第１隙間９６が形成される。極低温冷凍機１０が停止されると上述のように圧力差が解消され、ロータホルダ７２が軸方向Ｃ２に上向きに移動する。ロータホルダ７２は回転部材７４と接触し、それにより、回転部材７４は、ロータホルダ７２の上向き移動を規制する。このとき第１隙間９６は存在しない。このようにして、回転部材７４は、ロータホルダ７２の回転部材７４側への軸方向移動を制限することができ、低圧部９４が密閉されなくなるリスクを低減することができる。

再び図３および図４を参照すると、ロータリーバルブ５４は、ロータホルダ７２のバルブロータ７０側への軸方向移動を制限する第２制限部材を備え、ここで、第２制限部材は、バルブベアリング８０である。ロータホルダ７２のホルダ外周部７２ｂは、バルブベアリング８０の軸方向上側に隣接する係合部１０４を有する。係合部１０４は、ロータホルダ７２の全周にわたって、または周方向の少なくとも一部にわたって設けられている。

極低温冷凍機１０の停止中は、係合部１０４は、バルブベアリング８０からいくらか上方に離れて位置する。極低温冷凍機１０の運転中は上述のように周囲圧力と低圧部９４の圧力差によりロータホルダ７２が軸方向Ｃ２に下向きに移動し、係合部１０４がバルブベアリング８０と係合し、ロータホルダ７２の下向き移動を規制する。これにより、ロータホルダ７２とバルブロータ７０との間の第２隙間９８が確実に形成される。このようにして、ロータホルダ７２からバルブロータ７０へと軸方向Ｃ２に押し付ける力が過剰に作用しないようになっている。そのため、バルブロータ７０からバルブステータ６８への押し付け力を適正に保つことができる。

本発明は、上述した実施の形態及び変形例に限定されるものではなく、実施の形態及び変形例を組み合わせたり、当業者の知識に基づいて各種の設計変更などのさらなる変形を加えることも可能であり、そのような組み合わせられ、もしくはさらなる変形が加えられた実施の形態や変形例も本発明の範囲に含まれる。上述した実施の形態や変形例、及び上述した実施の形態や変形例と以下の変形との組合せによって生じる新たな実施の形態は、組み合わされる実施の形態、変形例及びさらなる変形それぞれの効果をあわせもつ。

上述の実施の形態においては、ロータホルダ７２の底面が中心に凹部を有し、ここにバルブロータ７０の上面の中心凸部が入り込み、ロータホルダ７２の凹部の内周面とバルブロータ７０の中心凸部の外周面との間にロータシール部材８２が設けられている。しかし、逆に、バルブロータ７０の上面が中心に凹部を有し、ここにロータホルダ７２の底面の中心凸部が入り込み、バルブロータ７０の凹部の内周面とロータホルダ７２の中心凸部の外周面との間にロータシール部材８２が設けられてもよい。このようにしても、バルブロータ７０とロータホルダ７２との間に低圧部９４を形成することができる。

実施の形態に係るロータリーバルブ５４の適用は、ＧＭ冷凍機に限られない。ロータリーバルブ５４は、パルス管冷凍機またはそのほかの極低温冷凍機に適用することもできる。例えば、ロータリーバルブ５４がパルス管冷凍機に適用される場合には、蓄冷器流路６８ａは、コールドヘッド１４の蓄冷器の高温端に接続される。駆動室流路６８ｂは、駆動室に代えて、パルス管の高温端に接続される。

ある実施の形態に関連して説明した種々の特徴は、他の実施の形態にも適用可能である。組合せによって生じる新たな実施の形態は、組み合わされる実施の形態それぞれの効果をあわせもつ。

１０ 極低温冷凍機、 ５４ ロータリーバルブ、 ６８ バルブステータ、 ７０ バルブロータ、 ７２ ロータホルダ、 ７４ 回転部材、 ７６ 第１連結ピン、 ７８ 第２連結ピン、 ９４ 低圧部。

Claims (11)

1. 極低温冷凍機のロータリーバルブであって、
   バルブステータと、
   バルブロータと、
   前記バルブロータを前記バルブステータに対して軸まわりに回転させる回転部材と、
   前記バルブロータとともに軸まわりに回転するように前記バルブロータに連結されたロータホルダであって、前記バルブロータを前記バルブステータに押し付ける軸方向の力を低減するように周囲圧力より低い圧力の低圧部を前記バルブロータとの間に形成するロータホルダと、を備え、
   前記回転部材は、前記ロータホルダを介して前記バルブロータを軸まわりに回転させるように前記ロータホルダに連結され、
   前記ロータホルダは、軸方向において前記回転部材と前記バルブロータとの間に配置され、前記回転部材に対して軸方向に移動可能であり、
   前記ロータホルダは、極低温冷凍機の運転中は前記周囲圧力と前記低圧部との圧力差により軸方向にバルブロータ側に移動し、前記極低温冷凍機の停止中は軸方向に回転部材側に移動するように構成されていることを特徴とするロータリーバルブ。
2. 前記ロータホルダの回転部材側への軸方向移動を制限する第１制限部材をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のロータリーバルブ。
3. 前記ロータホルダのバルブロータ側への軸方向移動を制限する第２制限部材をさらに備えることを特徴とする請求項１または２に記載のロータリーバルブ。
4. 前記ロータホルダが前記回転部材とともに軸まわりに回転可能に、かつ前記ロータホルダが前記回転部材に対して軸方向に移動可能に、前記ロータホルダを前記回転部材に連結する第１連結ピンをさらに備え、
   前記第１連結ピンは、軸方向に延在することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のロータリーバルブ。
5. 前記ロータホルダが前記バルブロータとともに軸まわりに回転可能に、かつ前記ロータホルダが前記バルブロータに対して軸方向に移動可能に、前記ロータホルダを前記バルブロータに連結する第２連結ピンをさらに備え、
   前記第２連結ピンは、前記低圧部に配置されていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のロータリーバルブ。
6. 前記バルブロータの上面と前記ロータホルダの底面との間に隙間が形成さ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ロータリーバルブ。
7. 前記バルブロータは、軸方向厚さが互いに異なるロータ中心部とロータ外周部とを有することを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載のロータリーバルブ。
8. 極低温冷凍機のロータリーバルブであって、
   バルブステータと、
   バルブロータと、
   前記バルブロータを前記バルブステータに対して軸まわりに回転させる回転部材と、
   前記バルブロータとともに軸まわりに回転するように前記バルブロータに連結されたロータホルダであって、前記バルブロータを前記バルブステータに押し付ける軸方向の力を低減するように周囲圧力より低い圧力の低圧部を前記バルブロータとの間に形成するロータホルダと、を備え、
   前記回転部材は、前記ロータホルダを介して前記バルブロータを軸まわりに回転させるように前記ロータホルダに連結され、
   前記ロータホルダは、軸方向において前記回転部材と前記バルブロータとの間に配置され、前記回転部材に対して軸方向に移動可能であり、
   前記バルブロータは、軸方向厚さが互いに異なるロータ中心部とロータ外周部とを有し、
   前記低圧部は、前記ロータ中心部とロータホルダ中心部との間に形成された空間であることを特徴とするロータリーバルブ。
9. 極低温冷凍機のロータリーバルブであって、
   バルブステータと、
   バルブロータと、
   前記バルブロータを前記バルブステータに対して軸まわりに回転させる回転部材と、
   前記バルブロータとともに軸まわりに回転するように前記バルブロータに連結されたロータホルダであって、前記バルブロータを前記バルブステータに押し付ける軸方向の力を低減するように周囲圧力より低い圧力の低圧部を前記バルブロータとの間に形成するロータホルダと、を備え、
   前記回転部材は、前記ロータホルダを介して前記バルブロータを軸まわりに回転させるように前記ロータホルダに連結され、
   前記ロータホルダは、軸方向において前記回転部材と前記バルブロータとの間に配置され、前記回転部材に対して軸方向に移動可能であり、
   前記バルブロータは、軸方向厚さが互いに異なるロータ中心部とロータ外周部とを有し、
   前記ロータ中心部は、前記ロータ外周部に対して前記ロータホルダへと突き出した凸部を形成することを特徴とするロータリーバルブ。
10. 極低温冷凍機のロータリーバルブであって、
    バルブステータと、
    バルブロータと、
    前記バルブロータを前記バルブステータに対して軸まわりに回転させる回転部材と、
    前記バルブロータとともに軸まわりに回転するように前記バルブロータに連結されたロータホルダであって、前記バルブロータを前記バルブステータに押し付ける軸方向の力を低減するように周囲圧力より低い圧力の低圧部を前記バルブロータとの間に形成するロータホルダと、を備え、
    前記回転部材は、前記ロータホルダを介して前記バルブロータを軸まわりに回転させるように前記ロータホルダに連結され、
    前記ロータホルダは、軸方向において前記回転部材と前記バルブロータとの間に配置され、前記回転部材に対して軸方向に移動可能であり、
    前記バルブロータは、軸方向厚さが互いに異なるロータ中心部とロータ外周部とを有し、
    前記ロータ中心部の外周面とロータホルダ外周部の内周面との間には、ロータシール部材が設けられていることを特徴とするロータリーバルブ。
11. 請求項１から１０のいずれかに記載のロータリーバルブを備えることを特徴とする極低温冷凍機。

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