JP7164340B2

JP7164340B2 - 極低温冷凍機および極低温冷凍機の流路切替機構

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Publication number: JP7164340B2
Application number: JP2018131466A
Authority: JP
Inventors: 名堯許; 乾包
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2018-07-11
Filing date: 2018-07-11
Publication date: 2022-11-01
Anticipated expiration: 2038-07-11
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Description

本発明は、極低温冷凍機および極低温冷凍機の流路切替機構に関する。

物体を極低温に冷却するために極低温冷凍機が利用されている。極低温冷凍機のひとつの代表的な例は、ＧＭ（ギフォード・マクマホン、Gifford-McMahon）冷凍機である。ＧＭ冷凍機はそ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。

典型的に、極低温冷凍機では流路切替機構としてロータリーバルブがよく用いられている。ロータリーバルブは、バルブステータとこれに面接触しているバルブロータを有し、接触面には複数の作動ガス流路が形成されている。バルブロータがバルブステータに対して回転摺動することによって作動ガス流路間の接続が切り替わり、それにより、極低温冷凍機を適正に動作させるための流路切替が可能となる。

特許第５７１０６０２号公報

極低温冷凍機の冷凍性能を高めるうえで、ロータリーバルブの作動ガス流路で作動ガスに生じる圧力損失を低減することが望まれる。一つの方策は個々の作動ガス流路をそれぞれ広くとることであるが、そのような流路の拡大はバルブロータの回転摺動面の面積増加をもたらしうる。回転摺動面が大きくなれば、回転するバルブロータに働く摩擦抵抗も増加する。そうすると、バルブロータを駆動するのに必要なトルクも大きくなり、そのため、ロータリーバルブを駆動するモータなどの駆動源の大型化を招く。このような不利益は、大型の極低温冷凍機において顕著となりうる。

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、極低温冷凍機のための流路切替機構の駆動源の大型化を抑制することにある。

本発明のある態様によると、極低温冷凍機は、軸方向に移動可能なディスプレーサと、前記ディスプレーサを軸方向に移動させ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、を備えるコールドヘッドであって、前記ディスプレーサとの間に膨張室を形成し、前記駆動ピストンとの間にピストン駆動室を形成し、前記駆動ピストンが前記ピストン駆動室と前記膨張室の圧力差により軸方向に駆動されるコールドヘッドと、バルブ駆動室と、前記バルブ駆動室の圧力に応じて第１位置と第２位置とを移動するスプールと、を備え、前記スプールは、前記第１位置で前記膨張室を圧縮機吐出口に接続し、前記第２位置で前記膨張室を圧縮機吸入口に接続し、前記スプールの前記第１位置および前記第２位置間の往復動により前記膨張室に周期的な圧力変動を生成するスプールバルブと、前記スプールが前記第１位置および前記第２位置間で往復動するように前記バルブ駆動室の圧力を制御するとともに、前記スプールの往復動と同期して前記膨張室の圧力変動とは逆位相の圧力変動を前記ピストン駆動室に生成するように構成された圧力制御機構と、を備える。

本発明のある態様によると、極低温冷凍機の流路切替機構が提供される。前記極低温冷凍機は、軸方向に移動可能なディスプレーサと、前記ディスプレーサを軸方向に移動させ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、を備えるコールドヘッドであって、前記ディスプレーサとの間に膨張室を形成し、前記駆動ピストンとの間にピストン駆動室を形成し、前記駆動ピストンが前記ピストン駆動室と前記膨張室の圧力差により軸方向に駆動されるコールドヘッドを備える。前記流路切替機構は、バルブ駆動室と、前記バルブ駆動室の圧力に応じて第１位置と第２位置とを移動するスプールと、を備え、前記スプールは、前記第１位置で前記膨張室を圧縮機吐出口に接続し、前記第２位置で前記膨張室を圧縮機吸入口に接続し、前記スプールの前記第１位置および前記第２位置間の往復動により前記膨張室に周期的な圧力変動を生成するスプールバルブと、前記スプールが前記第１位置および前記第２位置間で往復動するように前記バルブ駆動室の圧力を制御するとともに、前記スプールの往復動と同期して前記膨張室の圧力変動とは逆位相の圧力変動を前記ピストン駆動室に生成するように構成された圧力制御機構と、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、極低温冷凍機のための流路切替機構の駆動源の大型化を抑制することができる。

第１の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。第１の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。ある実施の形態に係る極低温冷凍機に適用可能な圧力制御機構の例示的な構成を概略的に示す図である。第１の実施の形態に係る極低温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。ある実施の形態に係る極低温冷凍機に適用可能なスプールバルブの他の構成を概略的に示す図である。ある実施の形態に係る極低温冷凍機に適用可能なスプールバルブの他の構成を概略的に示す図である。第２の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。第２の実施の形態に係る極低温冷凍機の他の構成を概略的に示す図である。第３の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。第３の実施の形態に係る極低温冷凍機の他の構成を概略的に示す図である。図１０に示される圧力制御機構のバルブタイミングを例示する図である。第４の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１２に示される圧力制御機構のバルブタイミングを例示する図である。ある実施の形態に係る極低温冷凍機に適用可能な圧力制御機構の他の構成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。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。

図１および図２は、第１の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。図１には極低温冷凍機１０の吸気工程が示され、図２には極低温冷凍機１０の排気工程が示される。

極低温冷凍機１０は、ガス駆動型のＧＭ冷凍機として構成されている。

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。膨張により減圧された作動ガスは蓄冷器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。

一般に高圧ＰＨ及び低圧ＰＬはともに、極低温冷凍機１０の周囲環境圧力（例えば大気圧）よりかなり高い。よって、高圧ＰＨ及び低圧ＰＬはそれぞれ、第１高圧及び第２高圧と呼ぶこともできる。通例、高圧ＰＨは例えば２～３ＭＰａである。低圧ＰＬは例えば０．５～１．５ＭＰａである。

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、ガス駆動型であるから、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。

ロッドシール部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。ロッドシール部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。ロッドシール部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。ロッドシール部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。ロッドシール部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の下死点側に配置され、室温室３６はディスプレーサ２０の上死点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。

ディスプレーサシール部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。ディスプレーサシール部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ディスプレーサシール部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ディスプレーサシール部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ピストン駆動室４６を備える。ピストン駆動室４６は、ピストンシリンダ２８の内部空間にあたる。ピストン駆動室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ピストンシール部４８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。ピストンシール部４８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。なおピストンシール部４８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、ピストン駆動室４６の下部区画４６ｂは、ロッドシール部３２およびピストンシール部４８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（すなわちピストン駆動室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。

極低温冷凍機１０は、ピストンシリンダ２８（すなわちピストン駆動室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。

また、詳しくは後述するが、作動ガスの流路切替機構として、極低温冷凍機１０は、スプールバルブ５０と、一例としてロータリーバルブであってもよい圧力制御機構５２とを備える。これに対して、典型的な極低温冷凍機は、作動ガスの流路切替機構としてロータリーバルブのみを有する。

スプールバルブ５０は、バルブ駆動室（第１スプールバルブ室とも称しうる）５４と、バルブ駆動室５４の圧力に応じて第１位置と第２位置とを移動するスプール５６と、を備える。スプール５６は、第１位置で膨張室３４を圧縮機吐出口１２ａに接続し、第２位置で膨張室３４を圧縮機吸入口１２ｂに接続する。スプールバルブ５０は、スプール５６の第１位置および第２位置間の往復動により膨張室３４に周期的な圧力変動を生成する。図１にはスプール５６の第１位置が示され、図２にはスプール５６の第２位置が示されている。

圧力制御機構５２は、スプール５６が第１位置および第２位置間で往復動するようにバルブ駆動室５４の圧力を制御するとともに、スプール５６の往復動と同期して膨張室３４の圧力変動とは逆位相の圧力変動をピストン駆動室４６に生成するように構成されている。

本書において「逆位相」とは、同じ周期をもつ二室の周期的な圧力変動が約１８０度の位相差をもつことを意味しうるが、これに限定されない。二室（例えば、膨張室３４とピストン駆動室４６）の圧力変動の位相差は、極低温冷凍機１０の熱力学的サイクルを形成するようにスプール５６の往復動（およびそれによる膨張室３４の圧力変動）と同期してディスプレーサ２０の往復動（およびそれによる膨張室３４の容積変動）を生じさせる大きさである限り、「逆位相」と言える。二室の圧力変動の位相差は、例えば、１５０度またはそれより大きく、１６０度またはそれより大きく、１７０度またはそれより大きく、または、１７５度またはそれより大きくてもよい。二室の圧力変動の位相差は、例えば、２１０度またはそれより小さく、２００度またはそれより小さく、１９０度またはそれより小さく、または、１８５度またはそれより小さくてもよい。

圧力制御機構５２は、具体的には、スプールバルブ圧力切替バルブ（以下、主圧力切替バルブともいう）５８とピストン駆動室圧力切替バルブ（以下、副圧力切替バルブともいう）６０とを備える。主圧力切替バルブ５８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６０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。

主圧力切替バルブ５８は、圧縮機吐出口１２ａまたは圧縮機吸入口１２ｂをスプールバルブ５０のバルブ駆動室５４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５８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。

副圧力切替バルブ６０は、圧縮機吐出口１２ａまたは圧縮機吸入口１２ｂをピストンシリンダ２８のピストン駆動室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６０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。

副圧力切替バルブ６０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ピストン駆動室４６の圧力を制御するように構成されている。典型的には、ピストン駆動室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のときピストン駆動室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のときピストン駆動室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。

圧力制御機構５２がロータリーバルブの形式をとる場合、一群のバルブ（Ｖ１～Ｖ４）がロータリーバルブ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、圧縮機１２をスプールバルブ５０および圧力制御機構５２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、高圧ライン分岐部１７ａで分岐し、スプールバルブ５０の高圧ポート６２、主吸気開閉バルブＶ１、および副吸気開閉バルブ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、低圧ライン分岐部１７ｂで分岐し、スプールバルブ５０の低圧ポート６４、主排気開閉バルブＶ２、および副排気開閉バルブＶ４に接続されている。

また、極低温冷凍機１０は、主圧力切替バルブ５８をスプールバルブ５０に接続する第１ガスライン６６ａと、スプールバルブ５０をコールドヘッド１４のディスプレーサシリンダ２６に接続する第２ガスライン６６ｂと、副圧力切替バルブ６０をピストンシリンダ２８に接続する第３ガスライン６６ｃと、を備える。第１ガスライン６６ａは、バルブ駆動室５４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。第２ガスライン６６ｂは、第２スプールバルブ室５５から延び、コールドヘッド１４の室温室３６に接続されている。第３ガスライン６６ｃは、ピストン駆動室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。

高圧ライン１３ａおよび低圧ライン１３ｂはそれぞれ、圧縮機１２とコールドヘッド１４と圧力制御機構５２を接続する剛性または可撓性の配管であってもよい。同様に、第１ガスライン６６ａ、第２ガスライン６６ｂ、第３ガスライン６６ｃはそれぞれ、剛性または可撓性の配管であってもよい。

スプールバルブ５０は、スプール５６を収容するとともにスプール５６の移動を案内するスリーブ６８を有する。バルブ駆動室５４は、スプール５６の一端とスリーブ６８との間に形成されている。第２スプールバルブ室５５は、スプール５６の他端とスリーブ６８との間に形成されている。バルブ駆動室５４と第２スプールバルブ室５５は、スプール５６に対して互いに反対側に位置する。

スプール５６は、バルブ駆動室５４と第２スプールバルブ室５５の圧力差によってスリーブ６８に対して移動することができる。バルブ駆動室５４が第２スプールバルブ室５５より低圧であるとき、スプール５６は、バルブ駆動室５４を縮小し第２スプールバルブ室５５を拡張するようにスリーブ６８内を移動する（図において上向きに動く）。逆に、バルブ駆動室５４が第２スプールバルブ室５５より高圧であるとき、スプール５６は、バルブ駆動室５４を拡張し第２スプールバルブ室５５を縮小するようにスリーブ６８内を移動する（図において下向きに動く）。

スリーブ６８は、高圧ポート６２および低圧ポート６４として働く２つの貫通穴を有する。また、スリーブ６８には、別の２つの貫通穴が設けられ、その一方を通じてバルブ駆動室５４が第１ガスライン６６ａに連通し、他方を通じて第２スプールバルブ室５５が第２ガスライン６６ｂに連通している。

一例として、スプール５６は、円柱状の部材であり、スリーブ６８は、スプール５６と同軸配置された円筒状の内周面を有する部材である。スプール５６およびスリーブ６８はそれぞれ、ピストンおよびシリンダと呼ぶこともできる。高圧ポート６２および低圧ポート６４はスリーブ６８の側面に形成され、別の２つの貫通穴はそれぞれスリーブ６８の端面に形成されている。なおスプール５６とスリーブ６８の延在方向は、コールドヘッド１４の軸方向Ｃに一致してもよいし、あるいは、他の方向であってもよい。

また、スプールバルブ５０は、スプール５６とスリーブ６８との間のクリアランスに配置された複数のシール部材、具体的には、第１シール部材７０ａ、第２シール部材７０ｂ、第３シール部材７０ｃ、および第４シール部材７０ｄを有する。これらシール部材は、互いに異なる軸方向位置でスプール５６に装着され、スプール５６の周方向に延びている。シール部材は、例えばスリッパーシールまたはＯリングなどの作動ガスを密閉する部材であるが、望まれるシール性能を有する限り、その他の接触シールまたは非接触シールであってもよい。

スプールバルブ５０の内部の作動ガス空間は、シール部材によって、バルブ駆動室５４と第２スプールバルブ室５５を含む５つの区画に分離されている。残りの３つの区画は、スプール５６とスリーブ６８との間のクリアランスに形成されている。すなわち、クリアランスは、第１クリアランス領域７２ａ、第２クリアランス領域７２ｂ、および第３クリアランス領域７２ｃに分離され、これらはスプール５６の軸方向に互いに隣接している。

第１シール部材７０ａは、バルブ駆動室５４と第１クリアランス領域７２ａとの間に配置され、これらの間での直接の作動ガスの流通を防止または最小化するように構成されている。第２シール部材７０ｂは、第１クリアランス領域７２ａと第２クリアランス領域７２ｂとの間に配置され、これらの間での直接の作動ガスの流通を防止または最小化するように構成されている。第３シール部材７０ｃは、第２クリアランス領域７２ｂと第３クリアランス領域７２ｃとの間に配置され、これらの間での直接の作動ガスの流通を防止または最小化するように構成されている。第４シール部材７０ｄは、第３クリアランス領域７２ｃと第２スプールバルブ室５５との間に配置され、これらの間での直接の作動ガスの流通を防止または最小化するように構成されている。

スプール５６は、スプール主流路７４を有する。スプール主流路７４の一端は第２クリアランス領域７２ｂに連通し、スプール主流路７４の他端は第２スプールバルブ室５５に連通している。スプール主流路７４は、スプール５６の側面から端面へとスプール５６を貫通して形成されていてもよい。

また、スプール５６とスリーブ６８との間には、戻しバネ７６が設けられている。戻しバネ７６は、例えば、スプール５６の上死点と下死点との中間の初期位置にスプール５６を付勢する。戻しバネ７６は、スプール５６が上死点にあるときスプール５６を下向きに引き戻し、スプール５６が下死点にあるときスプール５６を上向きに引き戻すことができる。戻しバネ７６は、第２スプールバルブ室５５に収容されている。なお戻しバネ７６は、バルブ駆動室５４に設けられてもよい。また、戻しバネ７６を設けることは必須ではなく、スプールバルブ５０は戻しバネ７６を備えなくてもよい。

スプールバルブ５０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および圧力制御機構５２と配管で接続されていてもよい。例えば、スプールバルブ５０は、室温室３６に隣接して配置されるようにコールドヘッド１４に搭載されていてもよい。このようにすれば、第２ガスライン６６ｂの長さを短くすることができる。スプール主流路７４、第２スプールバルブ室５５、および第２ガスライン６６ｂは、極低温冷凍機１０の冷凍能力に寄与しないいわゆる死容積（デッドボリューム）を形成する。したがって、第２ガスライン６６ｂの長さを短くすることにより、死容積を小さくすることができる。これは、極低温冷凍機１０の冷凍能力の向上に役立つ。

あるいは、スプールバルブ５０は、コールドヘッド１４から離れて配置され、コールドヘッド１４と配管で接続されていてもよい。

図３は、ある実施の形態に係る極低温冷凍機１０に適用可能な圧力制御機構５２の例示的な構成を概略的に示す図である。圧力制御機構５２は、圧縮機吐出口１２ａおよび圧縮機吸入口１２ｂをバルブ駆動室５４に交互に接続するとともに、圧縮機吐出口１２ａおよび圧縮機吸入口１２ｂをピストン駆動室４６に交互に接続するロータリーバルブ７８を備える。

ロータリーバルブ７８は、例えば回転電動機などのモータ７８ａ、バルブロータ７８ｂ、バルブステータ７８ｃ、およびバルブハウジング７８ｄを備える。バルブロータ７８ｂおよびバルブステータ７８ｃはバルブハウジング７８ｄに収容され、両者はバルブ摺動面７８ｅで互いに面接触するように隣接して配置されている。バルブステータ７８ｃは、バルブハウジング７８ｄに固定されている。モータ７８ａは、バルブハウジング７８ｄの外側に設置され、モータ７８ａの出力軸がバルブハウジング７８ｄを貫通してバルブロータ７８ｂへと延びている。

バルブハウジング７８ｄの内部には、圧力室７８ｆが形成され、バルブロータ７８ｂおよびバルブステータ７８ｃは、圧力室７８ｆに配置されている。一例として、圧力室７８ｆには、高圧ライン１３ａが接続され、高圧ＰＨが導入されている。バルブステータ７８ｃには、低圧ライン１３ｂ、第１ガスライン６６ａ、および第３ガスライン６６ｃが接続されている。バルブステータ７８ｃとバルブハウジング７８ｄの間には少なくとも２つのシール部材が装着され、１つのシール部材によって低圧ライン１３ｂが圧力室７８ｆ（すなわち高圧ライン１３ａ）からシールされ、他の１つのシール部材によって第１ガスライン６６ａおよび第３ガスライン６６ｃが低圧ライン１３ｂからシールされる。第１ガスライン６６ａと第３ガスライン６６ｃも、適宜のシール部材によって互いシールされる。したがって、ロータリーバルブ７８の内部において高圧ライン１３ａ、低圧ライン１３ｂ、第１ガスライン６６ａ、および第３ガスライン６６ｃの間での直接の作動ガスの流通は防止される。

モータ７８ａの駆動により出力軸が回転し、それにより、バルブロータ７８ｂがバルブステータ７８ｃに対して回転摺動する。バルブロータ７８ｂの回転摺動に伴ってバルブ摺動面７８ｅで流路接続が周期的に切り替わり、ロータリーバルブ７８は、高圧ライン１３ａと低圧ライン１３ｂを第１ガスライン６６ａに交互に接続する。同様に、バルブロータ７８ｂの回転摺動に伴ってバルブ摺動面７８ｅで流路接続が周期的に切り替わり、ロータリーバルブ７８は、高圧ライン１３ａと低圧ライン１３ｂを第３ガスライン６６ｃに交互に接続する。

バルブロータ７８ｂとバルブステータ７８ｃからなるロータリーバルブ７８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。上述の説明では、圧力室７８ｆに高圧ライン１３ａが接続され、バルブステータ７８ｃに低圧ライン１３ｂが接続されているが、これとは逆に、バルブステータ７８ｃに高圧ライン１３ａが接続され、圧力室７８ｆに低圧ライン１３ｂが接続される構成も可能である。

このように、圧力制御機構５２がロータリーバルブ７８として構成される場合には、極低温冷凍機のロータリーバルブの既存の設計を流用することができる。よって、圧力制御機構５２を容易に製造することができ、有利である。

極低温冷凍機１０の用途の一例は、強い磁場を発生する超伝導電磁石の冷却である。そのような強磁場環境で極低温冷凍機１０が運転されるとき、磁場がモータ７８ａの定格トルクを低減するよう影響しうる。不十分なトルクはモータ７８ａに脱調や滑りを生じさせうる。例えばＧＭ冷凍機の場合、ロータリーバルブ７８の一定速度での運転が阻害され、冷凍能力が低下されうる。

強磁場がモータ７８ａに作用するのを防ぐために磁気シールドが極低温冷凍機１０に設置されうる。強磁場の作用を効果的に防ぐためには、磁気シールドは十分な厚さをもつことが望まれる。しかし、そうした磁気シールドは、極低温冷凍機１０の顕著な重量および寸法の増加という副作用をもたらしうる。また、強磁場によって磁気シールドが磁化され、不所望の強い電磁吸引力が発生するかもしれない。

そこで、圧力制御機構５２、すなわちロータリーバルブ７８は、コールドヘッド１４から離れて配置され、コールドヘッド１４と配管で接続されていてもよい。このようにすれば、コールドヘッド１４および冷却すべき超伝導電磁石から十分に離れた場所にモータ７８ａを配置し、モータ７８ａへの強磁場の影響を十分に低減することが可能となる。モータ７８ａを囲む磁気シールドが不要となりうるので、上述のいくつかの問題を緩和しまたは対処することができる。

あるいは、極低温冷凍機１０に強磁場が作用しない他の用途に使用される場合には、圧力制御機構５２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およびスプールバルブ５０と配管で接続されていてもよい。

図４は、第１の実施の形態に係る極低温冷凍機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４の上部には、各バルブ（Ｖ１～Ｖ４）のバルブタイミングを極低温冷凍機１０の冷凍サイクルの一周期にわたって示し、図４の下部には、膨張室３４、ピストン駆動室４６、およびバルブ駆動室５４の圧力変動を示す。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。また、圧力変動は、バルブの開閉に伴う過渡的な変化は無視して概略的に図示している。

図１、図２、および図４を参照して、極低温冷凍機１０の動作を説明する。上述のように、図１には極低温冷凍機１０の吸気工程の様子が示され、図２には極低温冷凍機１０の排気工程の様子が示されている。スプールバルブ５０のスプール５６は、吸気工程において第１位置に移動し、排気工程において第２位置に移動する。第１位置および第２位置はそれぞれ、吸気位置および排気位置と呼ぶこともできる。

ディスプレーサ２０が下死点またはその近傍の位置にあるとき、極低温冷凍機１０の吸気工程が開始される（なお、このときのディスプレーサ２０の位置は図２に示されている。なぜなら、排気工程が終了したときに吸気工程が開始されるからである）。

吸気工程においては、図１および図４に示されるように、主排気開閉バルブＶ２が開かれ、主吸気開閉バルブＶ１は閉じている。圧縮機吸入口１２ｂがバルブ駆動室５４に連通され、バルブ駆動室５４の圧力は、低圧ＰＬとなる。このとき第２スプールバルブ室５５は低圧ＰＬより若干高い圧力を有する。なぜなら、コールドヘッド１４（すなわち膨張室３４および室温室３６）内の圧力変動はバルブ駆動室５４での圧力変動に対していくらか遅延しているからである。吸気工程の開始時点では、スプール５６は下死点またはその近傍に位置する（図１において第２スプールバルブ室５５に破線で示す）。バルブ駆動室５４と第２スプールバルブ室５５の圧力差によりスプール５６はバルブ駆動室５４を縮小するようにスリーブ６８内を軸方向に移動する（破線の矢印で示す）。戻しバネ７６の復元力もスプール５６の上動に役立つ。

図１に示されるように、スプール５６の上動によりスプール５６が第１位置、すなわち上死点またはその近傍に到達すると、第２クリアランス領域７２ｂが高圧ポート６２に隣接する。高圧ポート６２がスプール主流路７４を通じて第２スプールバルブ室５５に接続される。こうして、スプールバルブ５０は、圧縮機吐出口１２ａを膨張室３４に接続する。高圧ＰＨの作動ガスが圧縮機吐出口１２ａからスプールバルブ５０および第２ガスライン６６ｂを経て、コールドヘッド１４に供給される。さらに、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。膨張室３４は、高圧ＰＨとなる。このとき低圧ポート６４には第３クリアランス領域７２ｃが隣接する。低圧ポート６４はスプール５６によって塞がれているので、膨張室３４と圧縮機吸入口１２ｂとの接続は遮断されている。

膨張室３４への吸気開始と同時に、または膨張室３４への吸気開始から僅かに遅延して（例えば図４に示される第１遅延時間ΔＴ_１）、ピストン駆動室４６の排気が行われる。吸気工程においては、図１および図４に示されるように、副排気開閉バルブＶ４が開かれ、副吸気開閉バルブＶ３は閉じている。ピストン駆動室４６から第３ガスライン６６ｃ、副排気開閉バルブＶ４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、ピストン駆動室４６は低圧ＰＬに降圧される。なお、第１遅延時間ΔＴ_１は、膨張室３４が実質的に高圧ＰＨにまで昇圧されてからディスプレーサ２０が上動を開始するように設定されてもよい。これは極低温冷凍機１０の冷凍能力の向上に寄与する。

したがって、吸気工程において駆動ピストン２２にはピストン駆動室４６と膨張室３４との差圧による駆動力（すなわち差圧ＰＨ－ＰＬに比例する駆動力）が上向きに作用する。よって、ディスプレーサ２０は駆動ピストン２２とともに、コールドヘッド１４内で下死点から上死点に向けて動く。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。こうして、ディスプレーサ２０が上死点またはその近傍の位置に達した状態が図１に示されている。

ディスプレーサ２０が上死点またはその近傍の位置にあるとき、極低温冷凍機１０の排気工程が開始される。図２および図４に示されるように、排気工程においては、主吸気開閉バルブＶ１が開かれ、主排気開閉バルブＶ２が閉じている。圧縮機吐出口１２ａがバルブ駆動室５４に連通され、バルブ駆動室５４の圧力は、高圧ＰＨとなる。このとき第２スプールバルブ室５５は高圧ＰＨより若干低い圧力を有する。排気工程の開始時点では、スプール５６は上死点またはその近傍に位置する（図２においてバルブ駆動室５４に破線で示す）。バルブ駆動室５４と第２スプールバルブ室５５の圧力差によりスプール５６はバルブ駆動室５４を拡張するようにスリーブ６８内を軸方向に移動する（破線の矢印で示す）。戻しバネ７６の復元力もスプール５６の下動に役立つ。

図２に示されるように、スプール５６の下動によりスプール５６が第２位置、すなわち下死点またはその近傍に到達すると、第２クリアランス領域７２ｂが低圧ポート６４に隣接する。低圧ポート６４がスプール主流路７４を通じて第２スプールバルブ室５５に接続される。こうして、スプールバルブ５０は、圧縮機吸入口１２ｂを膨張室３４に接続する。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を経てスプールバルブ５０に流れる。作動ガスは、スプールバルブ５０および低圧ライン１３ｂを通じて圧縮機１２に回収される。膨張室３４は、低圧ＰＬとなる。このとき高圧ポート６２には第１クリアランス領域７２ａが隣接する。高圧ポート６２はスプール５６によって塞がれているので、膨張室３４と圧縮機吐出口１２ａとの接続は遮断されている。

膨張室３４からの排気開始と同時に、または膨張室３４への排気開始から僅かに遅延して（例えば図４に示される第２遅延時間ΔＴ_２）、ピストン駆動室４６への吸気が行われる。排気工程においては、図２および図４に示されるように、副吸気開閉バルブＶ３が開かれ、副排気開閉バルブＶ４は閉じている。圧縮機吐出口１２ａから高圧ライン１３ａ、副吸気開閉バルブＶ３および第３ガスライン６６ｃを通じてピストン駆動室４６に作動ガスが供給され、ピストン駆動室４６は高圧ＰＨとなる。なお、第２遅延時間ΔＴ_２は、膨張室３４が実質的に低圧ＰＬにまで降圧されてからディスプレーサ２０が下動を開始するように設定されてもよい。これは極低温冷凍機１０の冷凍能力の向上に寄与する。

したがって、排気工程において駆動ピストン２２にはピストン駆動室４６と膨張室３４との差圧による駆動力（すなわち差圧ＰＨ－ＰＬに比例する駆動力）が下向きに作用する。よって、ディスプレーサ２０は駆動ピストン２２とともに、コールドヘッド１４内で上死点から下死点に向けて動く。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。

このようにして、スプールバルブ５０は、圧縮機吐出口１２ａおよび圧縮機吸入口１２ｂを膨張室３４に交互に接続する極低温冷凍機１０の流路切替機構として機能する。圧力制御機構５２は、この流路切替機構の駆動源として機能する。圧力制御機構５２は、圧縮機吐出口１２ａおよび圧縮機吸入口１２ｂをスプールバルブ５０のバルブ駆動室５４に交互に接続し、スプール５６を適切に往復動させるようにバルブ駆動室５４の圧力を制御することができる。また、圧力制御機構５２は、圧縮機吐出口１２ａおよび圧縮機吸入口１２ｂをピストン駆動室４６に交互に接続し、それによりディスプレーサ２０を適切に往復動させるようにピストン駆動室４６の圧力を制御することができる。

極低温冷凍機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、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４に描かれているバルブタイミングは、例示であって、限定的に解釈すべきではない。各バルブ（Ｖ１～Ｖ４）のバルブタイミングは図示される例からいくらかずれていてもよい。例えば、図４においては、副吸気開閉バルブＶ３の閉鎖が主吸気開閉バルブＶ１の閉鎖よりもいくらか先行しているが、これは必須ではない。副吸気開閉バルブＶ３の閉鎖は、主吸気開閉バルブＶ１の閉鎖と同時あってもよいし、あるいは主吸気開閉バルブＶ１の閉鎖からいくらか遅延してもよい。同様に、副排気開閉バルブＶ４の閉鎖が主排気開閉バルブＶ２の閉鎖よりもいくらか先行しているが、これは必須ではない。

上述のように、典型的な極低温冷凍機は、流路切替機構としてロータリーバルブを用いており、ロータリーバルブの回転摺動面にはいくつかの作動ガスポートが設けられている。これら作動ガスポート間の相互接続を回転によって切り替えるために、これらポートは回転摺動面において径方向に互いに異なる場所に配置される。ロータリーバルブ内で作動ガスに生じる圧力損失を低減するにはポートを広くとる必要があるが、これはロータリーバルブの径の拡大、つまり回転摺動面の面積増加を招く。回転摺動面が大きくなれば回転時に働く摩擦抵抗が大きくなるから、ロータリーバルブを駆動するのに必要なトルクも増加し、モータなどの駆動源も大型のものが必要になる。これは、ロータリーバルブの製造コストの上昇や、極低温冷凍機の大型化などの不利益をもたらす。とくに、大きな冷凍能力を出力する大型の極低温冷凍機に関しては、こうした不利益が顕著となりうる。

ロータリーバルブを用いる極低温冷凍機では、例えばＧＭ冷凍機のように、ロータリーバルブがコールドヘッドに設置されている。ロータリーバルブを回転させるモータもコールドヘッドの一部をなすことになり、大型の極低温冷凍機の既存設計では、大型のモータがコールドヘッドに直接設置されることになる。大型モータは相応の電磁気的ノイズ及び／または機械的振動の発生源となるので、好ましくない。また、上述のように、極低温冷凍機が強磁場環境で使用される場合には、モータへの強磁場の影響を抑制するために、分厚い磁気シールドが必要となり得る。

こうした問題を避けるために、ロータリーバルブユニットをコールドヘッドから離れた場所に配置し、両者を長い配管で接続する設計も考えられる。ところが、この設計では、ロータリーバルブの作動ガス出入口からコールドヘッドの蓄冷器までの配管容積も大きくなる。この容積は冷凍能力に寄与しない死容積であるから、その増加は望まれない。

このように、流路切替機構としてロータリーバルブを用いる既存の極低温冷凍機では、ロータリーバルブからコールドヘッドに伝達されるノイズ・振動の十分な低減を、死容積の増加および冷凍能力の低下を避けることなく実現することは困難である。

これに対して、実施の形態に係る極低温冷凍機１０は、コールドヘッド１４の膨張室３４への流路切替機構としてスプールバルブ５０を用いている。そのため、上述のようなロータリーバルブに起因する不利益が生じにくい。

スプールバルブ５０においては、スプール主流路７４などバルブ内部流路を拡張しても、それは駆動源の大型化に直接関係しない。スプールバルブ５０はバルブ駆動室５４の作動ガス圧によって流体的に動作する。そのため、バルブ駆動室５４の容積は比較的小さくてよい。よって、バルブ駆動室５４のサイズは小さく抑えつつ、スプールバルブ５０の内部流路を拡張することができ、それにより、スプールバルブ５０内で作動ガスに生じる圧力損失を低減することができる。ロータリーバルブを採用する場合に比べて、極低温冷凍機１０のための流路切替機構の駆動源の大型化を抑制することができる。

また、圧力制御機構５２にはロータリーバルブ７８が採用されているが、ロータリーバルブ７８はピストン駆動室４６およびバルブ駆動室５４に接続され、膨張室３４には接続されていない。圧力制御機構５２をコールドヘッド１４から遠隔に配置した場合には圧力制御機構５２をコールドヘッド１４に接続する配管（例えば第１ガスライン６６ａおよび第３ガスライン６６ｃ）が長くなり、それらの容積が増えるが、コールドヘッド１４への吸排気と逆位相になっているため、これは死容積にあたらない。したがって、コールドヘッド１４に対する圧力制御機構５２の配置が極低温冷凍機１０の冷凍能力に与える影響は、ほとんど無いかまったく無い。

よって、実施の形態に係る極低温冷凍機１０においては、圧力制御機構５２をコールドヘッド１４から離れて配置することが許容される。それにより、圧力制御機構５２が発生させうるノイズ・振動のコールドヘッド１４への伝達を抑制することができる。また、上述のように、圧力制御機構５２に付設されうる磁気シールドを簡素化し、または不要とすることができる。

加えて、ピストン駆動室４６およびバルブ駆動室５４の容積はそれぞれ比較的小さくてよいので、圧力制御機構５２も比較的小型でよい。よって、圧力制御機構５２が発生させうるノイズまたは振動はそもそも小さく、コールドヘッド１４に与えうる影響も小さい。

さらに、実施の形態に係る極低温冷凍機１０においては、圧力制御機構５２は、膨張室３４の圧力変動とは逆位相の圧力変動を（ピストン駆動室４６だけでなく）バルブ駆動室５４にも生成するように構成されている。このようにすれば、図４に示されるように、吸気工程でピストン駆動室４６およびバルブ駆動室５４に作動ガスを供給する必要が無い。そのため、圧縮機１２から膨張室３４への作動ガス供給流量を低減することができ、これは圧縮機１２の負荷低減および小型化に役立つ。

なお、圧力制御機構５２は、膨張室３４の圧力変動とは同位相または任意の位相差をもつ圧力変動をバルブ駆動室５４にも生成するように構成されてもよい。圧縮機１２は膨張室３４とバルブ駆動室５４に同時に作動ガスを供給しなければならないかもしれない。しかし、バルブ駆動室５４の容積が比較的小さければ、顕著な影響は生じない。この構成においては、後述するように、スプール５６の往復動とスプールバルブ５０による膨張室３４の圧力制御を適切に同期させるために、スプール主流路７４が第２スプールバルブ室５５に連通されずに第２スプールバルブ室５５から分離されてもよい。第２スプールバルブ室５５の圧力が適切に制御されてもよい。

また、実施の形態に係る極低温冷凍機１０においては、スプールバルブ５０は、バルブ駆動室５４と反対側でスプール５６に隣接する第２スプールバルブ室５５と、バルブ駆動室５４からシールされ、第２スプールバルブ室５５を経由して膨張室３４に接続された接続流路とを備える。接続流路は、スプール主流路７４を含む。接続流路は、スプール５６が第１位置にあるとき膨張室３４を圧縮機吐出口１２ａに接続し、スプール５６が第２位置にあるとき膨張室３４を圧縮機吸入口１２ｂに接続する。このようにすれば、スプールバルブ５０内の作動ガス流路面積を比較的広くとりやすい。

図５は、ある実施の形態に係る極低温冷凍機１０に適用可能なスプールバルブ５０の他の構成を概略的に示す図である。図１および図２を参照して説明した実施の形態ではスプール主流路７４がスプール５６の側面の１箇所に開口され第２スプールバルブ室５５へと連通しており、スプール主流路７４はスプール５６の中心軸まわりに対称ではない。これに対して、図５に示されるように、スプールバルブ５０は、スプール５６の中心軸まわりに対称配置されたスプール内部流路７５を備えてもよい。

スプール内部流路７５は、スプール５６の中心軸まわりに対称配置された複数の流路７５ａを有する。複数の流路７５ａはいずれも第２クリアランス領域７２ｂに開口し、スプール５６の周方向に等間隔に配置されている。また、スプール内部流路７５は、複数の流路７５ａの合流点から中心軸に沿って延び、これら複数の流路７５ａを第２スプールバルブ室５５に接続する連通路７５ｂを有する。複数の流路７５ａに対応して、スリーブ６８には、複数の高圧ポート６２と複数の低圧ポート６４が設けられている。複数の高圧ポート６２は高圧ライン１３ａに接続され、複数の低圧ポート６４は低圧ライン１３ｂに接続されている。高圧ポート６２および低圧ポート６４も、スプール５６の中心軸まわりに対称配置されている。

このように、スプールバルブ５０がスプール５６の中心軸まわりに対称配置された流路を備えることにより、スプール５６の偏心を抑えることができる。スプール５６が軸方向に往復動するときに生じうるスプール５６の偏った摩耗を抑えることができる。

図６は、ある実施の形態に係る極低温冷凍機１０に適用可能なスプールバルブ５０の他の構成を概略的に示す図である。図示されるように、スプール５６は、第１突起７９ａおよび第２突起７９ｂを備える。この点を除いて、図６に示されるスプールバルブ５０は、図１に示されるスプールバルブ５０と共通する構成を有する。

第１突起７９ａは、バルブ駆動室５４に面するスプール５６の第１端面から突出している。第１突起７９ａは、スプール５６が上死点またはその近傍に位置するときバルブ駆動室５４への第１ガスライン６６ａの出口を閉塞するようにスプール５６の第１端面に配置されている。第１ガスライン６６ａの出口は、スプール５６の第１端面に対向するスリーブ６８の上面に形成されている。スリーブ６８の上面には、第１突起７９ａを受け入れる第１凹部７９ｃが形成されている。第１突起７９ａ、第１凹部７９ｃ、および第１ガスライン６６ａの出口はともに、スプール５６の中心軸上に配置されている。第１突起７９ａは、スプール５６が上死点から離れると、第１凹部７９ｃから離脱する。

スプール５６が上動して第１ガスライン６６ａの出口に第１突起７９ａが進入するときスプール５６の第１端面とスリーブ６８の上面との間に形成される作動ガス領域（バルブ駆動室５４のうち外周部分）は実質的に密閉される。そのため、この作動ガス領域は、図１を参照して既に説明したピストン駆動室４６の下部区画４６ｂと同様に、ガスばね室として機能する。スプール５６が上死点でスリーブ６８と衝突または接触することを防止し、または、衝突または接触したとしてもその衝撃を和らげることができる。スプール５６の往復動に伴って生じうる振動を低減することができる。

同様に、第２突起７９ｂは、第２スプールバルブ室５５に面するスプール５６の第２端面から突出している。ただし、第２端面にはスプール主流路７４が開口しているので、第２突起７９ｂはこの開口を囲むようにして第２端面に形成されている。第２突起７９ｂは、スプール５６が下死点またはその近傍に位置するとき第２スプールバルブ室５５への第２ガスライン６６ｂの出口を閉塞するようにスプール５６の第２端面に配置されている。第２ガスライン６６ｂの出口は、スプール５６の第２端面に対向するスリーブ６８の下面に形成されている。スリーブ６８の下面には、第２突起７９ｂを受け入れる第２凹部７９ｄが形成されている。第２突起７９ｂ、第２凹部７９ｄ、および第２ガスライン６６ｂの出口はともに、スプール５６の中心軸上に配置されている。第２突起７９ｂは、スプール５６が下死点から離れると、第２凹部７９ｄから離脱する。

図６に破線で示すように、スプール５６が下動して第２ガスライン６６ｂの出口に第２突起７９ｂが進入するときスプール５６の第２端面とスリーブ６８の下面との間に形成される作動ガス領域（第２スプールバルブ室５５のうち外周部分）は実質的に密閉される。そのため、作動ガス領域はガスばね室として機能する。スプール５６が下死点でスリーブ６８と衝突または接触することを防止し、または、衝突または接触したとしてもその衝撃を和らげることができる。スプール５６の往復動に伴って生じうる振動を低減することができる。

なお、第１突起７９ａおよび第２突起７９ｂの両方をスプール５６に設けることは必須ではなく、スプール５６は、第１突起７９ａおよび第２突起７９ｂのうち片方のみを有してもよい。

図７は、第２の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。第２の実施の形態に係る極低温冷凍機１０は、作動ガス回路の配管接続に関して、第１の実施の形態に係る極低温冷凍機１０と異なり、その余については第１の実施の形態に係る極低温冷凍機１０と共通する構成をもつ。以下、第２の実施の形態に係る極低温冷凍機１０について、第１の実施の形態と異なる構成を中心に説明し、共通する構成については簡単に説明するか、あるいは説明を省略する。

第２の実施の形態に係る極低温冷凍機１０においても、流路切替機構としてスプールバルブ５０と圧力制御機構５２の組み合わせが利用される。したがって、第１の実施の形態に係る極低温冷凍機１０と同様に、流路切替機構としてロータリーバルブのみを採用する既存の典型的な極低温冷凍機に比べて、有利である。スプールバルブ５０は、コールドヘッド１４のコールドヘッドハウジング１８に収容されている。

図７に示されるように、極低温冷凍機１０は、バルブ駆動室５４を圧力制御機構５２に接続する脱着可能な継手８０と、ピストン駆動室４６を圧力制御機構５２に接続するもう一つの脱着可能な継手８０と、を備える。脱着可能な継手８０は、第１ガスライン６６ａおよび第３ガスライン６６ｃそれぞれの途中に設けられている。脱着可能な継手８０は、例えば、セルフシーリング・カップリングである。

このようにして、圧力制御機構５２を脱着可能な継手８０を介してコールドヘッド１４に接続しているので、第１ガスライン６６ａおよび第３ガスライン６６ｃを長くして圧力制御機構５２をコールドヘッド１４から遠隔に配置することが容易となる。これは、圧力制御機構５２で発生しうる電磁気的ノイズ及び／または機械的振動のコールドヘッド１４への伝達を抑制することに役立つ。また、圧力制御機構５２は、脱着可能な継手８０によりコールドヘッド１４から取り外し可能に接続されているから、作業者は、圧力制御機構５２をコールドヘッド１４から取り外してメンテナンスを施すことができる。

脱着可能な継手８０は、極低温冷凍機１０の作動ガス回路の他の場所に追加して設けられてもよい。図７に示されるように、例えば、脱着可能な継手８０が、高圧ライン１３ａおよび低圧ライン１３ｂの少なくとも一方に設けられてもよい。このようにすれば、圧縮機１２からコールドヘッド１４へのノイズや振動の伝達を抑制することができる。

また、極低温冷凍機１０は、高圧ライン分岐部１７ａおよび低圧ライン分岐部１７ｂを有するマニホールド８１を備えてもよい。マニホールド８１を介して、圧縮機１２とコールドヘッド１４が接続され、かつ圧縮機１２と圧力制御機構５２が接続されている。マニホールド８１は、床面またはその他の静止部に固定されてもよい。圧縮機１２は、マニホールド８１から離れて配置され、配管により接続されている。このようにすれば、圧縮機１２からコールドヘッド１４へのノイズや振動の伝達を抑制することができる。

図７に示されるように、圧力制御機構５２は、マニホールド８１から離れて配置され、配管により接続されてもよい。あるいは、圧力制御機構５２は、マニホールド８１に搭載されてもよい。

図８は、第２の実施の形態に係る極低温冷凍機１０の他の構成を概略的に示す図である。極低温冷凍機１０は、高圧ライン１３ａ、低圧ライン１３ｂ、第１ガスライン６６ａ、および第３ガスライン６６ｃの少なくとも１つに設置されたノイズ遮断構造８２を備えてもよい。ノイズ遮断構造８２は、脱着可能な継手８０に直接にまたは配管を介して連結され、ノイズ遮断構造８２が設置された配管を伝達する電磁気的ノイズを遮断または低減するように構成されている。脱着可能な継手８０は、ノイズ遮断構造８２の少なくとも片側（図８においては両側）に設けられている。

一例として、ノイズ遮断構造８２は、一対のフランジ８２ａと、これらフランジ８２ａに挟持されたノイズ遮断体８２ｂとを備える。ノイズ遮断体８２ｂは、例えば、セラミックコーティングまたはフッ素樹脂コーティングなどの絶縁性コーティング材で被覆された金属体である。フランジ８２ａおよびノイズ遮断体８２ｂは、ボルトやナットなどの適宜の締結具により相互に固定されている。フランジ８２ａおよびノイズ遮断体８２ｂを貫通して、作動ガス流路が形成されている。

ノイズ遮断構造８２を設けることにより、圧縮機１２または圧力制御機構５２からコールドヘッド１４へのノイズの伝達をさらに抑制することができる。

図９は、第３の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。第３の実施の形態に係る極低温冷凍機１０は、スプールバルブ５０の第２スプールバルブ室５５に関して、第１の実施の形態に係る極低温冷凍機１０と異なり、その余については第１の実施の形態に係る極低温冷凍機１０と共通する構成をもつ。以下、第３の実施の形態に係る極低温冷凍機１０について、第１の実施の形態と異なる構成を中心に説明し、共通する構成については簡単に説明するか、あるいは説明を省略する。

スプールバルブ５０は、バルブ駆動室５４と反対側でスプール５６に隣接する複数の互いにシールされた区画を備える。スプール５６は、バルブ駆動室５４と複数の区画のうち少なくとも１つの区画との圧力差により第１位置と第２位置とを移動する。第２スプールバルブ室５５が、背圧室としての第１区画５５ａと、コールドヘッド１４への作動ガス流路の一部をなす第２区画５５ｂとに分割されている。第１区画５５ａは第２スプールバルブ室５５のうち外周部にあたり、第２区画５５ｂは第２スプールバルブ室５５のうち中心部にあたる。

第２スプールバルブ室５５に面するスプール５６の第２端面から第２突起７９ｂが突出している。第２端面にはスプール主流路７４が開口しているので、第２突起７９ｂはこの開口を囲むようにして第２端面に形成されている。スリーブ６８の下面には、第２突起７９ｂを受け入れる第２凹部７９ｄが形成されている。第２突起７９ｂは、スプール５６が下死点にあるときだけでなく上死点にあるときにも第２凹部７９ｄ内に配置される。第２突起７９ｂの長さおよび第２凹部７９ｄの深さは、スプール５６の全ストロークにわたって第２突起７９ｂの少なくとも先端部が第２凹部７９ｄ内に進入するように定められている。

スプールバルブ５０は、第１区画５５ａと第２区画５５ｂとの間に配置され、これらの間での直接の作動ガスの流通を防止または最小化するように構成された第５シール部材７０ｅを備える。第５シール部材７０ｅは、第２突起７９ｂの先端に近い側面の外周に設けられ、スプール５６の位置にかかわらず第２突起７９ｂと第２凹部７９ｄの間に挟み込まれている。従って、スプール５６の往復動の間、第１区画５５ａと第２区画５５ｂは第５シール部材７０ｅによって常時シールされている。

第１区画５５ａには、中間圧バッファ８３が接続されている。中間圧バッファ８３は、高圧ＰＨと低圧ＰＬとの中間圧ＰＭ（例えば高圧ＰＨと低圧ＰＬの平均圧）を有する。よって、第１区画５５ａの圧力は、中間圧ＰＭに保持される。なお、中間圧バッファ８３は、後述するように圧力制御機構５２がリニア圧縮機を有する場合には、リニア圧縮機の背圧室（例えば、図１４に示す背圧室８６ｄ）であってもよい。

第２区画５５ｂは、スプール主流路７４を第２ガスライン６６ｂに接続する。第２ガスライン６６ｂの出口は、第２凹部７９ｄ内においてスプール５６の第２端面に対向するスリーブ６８の下面に形成されている。

第３の実施の形態に係る極低温冷凍機１０においても、図４に示されるバルブタイミングを採用することができる。

よって、極低温冷凍機１０の吸気工程においては、主排気開閉バルブＶ２が開かれ、主吸気開閉バルブＶ１は閉じている。圧縮機吸入口１２ｂがバルブ駆動室５４に連通され、バルブ駆動室５４の圧力は、低圧ＰＬとなる。第１区画５５ａは中間圧ＰＭを有するから、バルブ駆動室５４と第１区画５５ａの圧力差によりスプール５６はバルブ駆動室５４を縮小するようにスリーブ６８内を軸方向に移動する。スプール主流路７４が高圧ポート６２に接続される。高圧ＰＨの作動ガスが圧縮機吐出口１２ａからスプールバルブ５０を通じてコールドヘッド１４の膨張室３４に供給される。

排気工程においては、主吸気開閉バルブＶ１が開かれ、主排気開閉バルブＶ２が閉じている。圧縮機吐出口１２ａがバルブ駆動室５４に連通され、バルブ駆動室５４の圧力は、高圧ＰＨとなる。第１区画５５ａは中間圧ＰＭを有するから、バルブ駆動室５４と第１区画５５ａの圧力差によりスプール５６はバルブ駆動室５４を拡張するようにスリーブ６８内を軸方向に移動する。スプール主流路７４が低圧ポート６４に接続される。膨張室３４で作動ガスが膨張し、その結果生じる低圧ＰＬの作動ガスが膨張室３４からスプールバルブ５０を通じて圧縮機吸入口１２ｂへと回収される。

このようにして、第３の実施の形態に係るスプールバルブ５０は、第１の実施の形態に係るスプールバルブ５０と同様に、圧縮機吐出口１２ａおよび圧縮機吸入口１２ｂを膨張室３４に交互に接続する極低温冷凍機１０の流路切替機構として機能することができる。第１区画５５ａに中間圧ＰＭが導入され、これとバルブ駆動室５４との圧力差によってスプール５６の駆動を支援することができるから、第３の実施の形態に係るスプールバルブ５０は、図１および図２に示される戻しバネ７６を有しなくてもよい。

図１０は、第３の実施の形態に係る極低温冷凍機１０の他の構成を概略的に示す図である。第１区画５５ａを一定の圧力に保持すること（すなわち第１区画５５ａを中間圧バッファ８３を設けること）は必須ではない。圧力制御機構５２は、スプール５６の往復動を支援するように第１区画５５ａの圧力を制御してもよい。

圧力制御機構５２は、バルブ駆動室５４の圧力変動とは逆位相の圧力変動を第１区画５５ａに生成するように構成されている。圧力制御機構５２は、既述の４つのバルブ（Ｖ１～Ｖ４）に加えて、第３吸気開閉バルブＶ５および第３排気開閉バルブＶ６を備える。第３吸気開閉バルブＶ５は、圧縮機吐出口１２ａを第１区画５５ａに接続し、第３排気開閉バルブＶ６は、圧縮機吸入口１２ｂを第２区画５５ｂに接続する。

図１１は、図１０に示される圧力制御機構５２のバルブタイミングを例示する図である。ここで、第１の実施の形態と共通する４つのバルブ（Ｖ１～Ｖ４）については、図４に示されるバルブタイミングを採用することができる。第３吸気開閉バルブＶ５は、主排気開閉バルブＶ２と同時に開き、主排気開閉バルブＶ２が閉じる前に閉じる。第３排気開閉バルブＶ６は、主吸気開閉バルブＶ１と同時に開き、主吸気開閉バルブＶ１が閉じる前に閉じる。図１１に示されるように、第３吸気開閉バルブＶ５は、主排気開閉バルブＶ２が開いている期間の当初のみ開き、第３排気開閉バルブＶ６は、主吸気開閉バルブＶ１が開いている期間の当初のみ開いている。

よって、吸気工程においては、最初に主排気開閉バルブＶ２と第３吸気開閉バルブＶ５が開かれる。圧縮機吐出口１２ａが第１区画５５ａに連通されて第１区画５５ａの圧力は高圧ＰＨとなり、圧縮機吸入口１２ｂがバルブ駆動室５４に連通されてバルブ駆動室５４の圧力は低圧ＰＬとなる。バルブ駆動室５４と第１区画５５ａの圧力差によりスプール５６はバルブ駆動室５４を縮小するようにスリーブ６８内を軸方向に移動する。スプール主流路７４が高圧ポート６２に接続される。高圧ＰＨの作動ガスが圧縮機吐出口１２ａからスプールバルブ５０を通じてコールドヘッド１４の膨張室３４に供給される。

排気工程においては、最初に主吸気開閉バルブＶ１と第３排気開閉バルブＶ６が開かれる。圧縮機吐出口１２ａがバルブ駆動室５４に連通されてバルブ駆動室５４の圧力は高圧ＰＨとなり、圧縮機吸入口１２ｂが第１区画５５ａに連通されて第１区画５５ａの圧力は低圧ＰＬとなる。バルブ駆動室５４と第１区画５５ａの圧力差によりスプール５６はバルブ駆動室５４を拡張するようにスリーブ６８内を軸方向に移動する。スプール主流路７４が低圧ポート６４に接続される。膨張室３４で作動ガスが膨張し、その結果生じる低圧ＰＬの作動ガスが膨張室３４からスプールバルブ５０を通じて圧縮機吸入口１２ｂへと回収される。

図１２は、第４の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。第４の実施の形態に係る極低温冷凍機１０は、主にスプールバルブ５０に関して、第１の実施の形態に係る極低温冷凍機１０と異なり、その余については第１の実施の形態に係る極低温冷凍機１０と共通する構成をもつ。以下、第４の実施の形態に係る極低温冷凍機１０について、第１の実施の形態と異なる構成を中心に説明し、共通する構成については簡単に説明するか、あるいは説明を省略する。

スプールバルブ５０は、バルブ駆動室５４と反対側でスプール５６に隣接する背圧室８４と、バルブ駆動室５４および背圧室８４からシールされた接続流路８５とを備える。接続流路８５は、スプール５６が第１位置にあるとき膨張室３４を圧縮機吐出口１２ａに接続し、スプール５６が第２位置にあるとき膨張室３４を圧縮機吸入口１２ｂに接続する。

また、スプールバルブ５０は、スプール５６とスリーブ６８との間のクリアランスに配置された複数のシール部材、具体的には、第１シール部材７０ａ、第２シール部材７０ｂ、第３シール部材７０ｃ、第４シール部材７０ｄ、第５シール部材７０ｅ、および第６シール部材７０ｆを有する。これらのシール部材によって、スプールバルブ５０の内部の作動ガス空間は、バルブ駆動室５４、第１クリアランス領域７２ａ、第２クリアランス領域７２ｂ、第３クリアランス領域７２ｃ、第４クリアランス領域７２ｄ、第５クリアランス領域７２ｅ、および背圧室８４に分離されている。背圧室８４は、第６シール部材７０ｆによって第５クリアランス領域７２ｅからシールされている。

背圧室８４には、ピストン駆動室４６の下部区画４６ｂ（すなわちガスばね室）が接続されている。背圧室８４は、第４ガスライン６６ｄを通じて下部区画４６ｂに接続されている。背圧室８４およびガスばね室は、高圧ＰＨと低圧ＰＬとの中間圧ＰＭ（例えば高圧ＰＨと低圧ＰＬの平均圧）を有する。そのために、上述の実施の形態とは異なり、極低温冷凍機１０は、スプール５６が上死点に位置するとき駆動ピストン２２は下死点に位置し、スプール５６が下死点に位置するとき駆動ピストン２２は上死点に位置するように構成されている。こうして、スプール５６および駆動ピストン２２が往復動するときの背圧室８４およびガスばね室の合計容積の変動を抑制し、それにより背圧室８４およびガスばね室の圧力変動も軽減される。

接続流路８５は、第４クリアランス領域７２ｄを第２クリアランス領域７２ｂに接続するようにスプール５６を貫通している。スプール５６が上死点にあるとき低圧ポート６４が第４クリアランス領域７２ｄに接続され、高圧ポート６２は第５クリアランス領域７２ｅによって閉鎖される。スプール５６が下死点にあるとき高圧ポート６２が第４クリアランス領域７２ｄに接続され、低圧ポート６４は第３クリアランス領域７２ｃによって閉鎖される。

また、第２ガスライン６６ｂは、膨張室３４から延び、途中で２つの枝路に分岐してスプールバルブ５０に接続されている。第１枝路がスプールバルブ５０から膨張室３４への作動ガス供給に使用され、第２枝路が膨張室３４からスプールバルブ５０への作動ガス排出に使用される。スプール５６が上死点にあるとき第２ガスライン６６ｂの第２枝路が第２クリアランス領域７２ｂに接続され、第２ガスライン６６ｂの第１枝路が第３クリアランス領域７２ｃによって閉鎖される。スプール５６が下死点にあるとき第２ガスライン６６ｂの第１枝路が第２クリアランス領域７２ｂに接続され、第２ガスライン６６ｂの第２枝路が第１クリアランス領域７２ａによって閉鎖される。

図１３は、図１２に示される圧力制御機構５２のバルブタイミングを例示する図である。ここで、主吸気開閉バルブＶ１および主排気開閉バルブＶ２については、図４に示されるバルブタイミングとは反転したバルブタイミングが用いられる。副吸気開閉バルブＶ３および副排気開閉バルブＶ４については、図４に示されるバルブタイミングを採用することができる。すなわち、図１３に示されるように、主吸気開閉バルブＶ１が開いている間に副排気開閉バルブＶ４が開き、主排気開閉バルブＶ２が開いている間に副吸気開閉バルブＶ３が開く。

よって、吸気工程においては、主吸気開閉バルブＶ１と副排気開閉バルブＶ４が開く。圧縮機吐出口１２ａがバルブ駆動室５４に連通され、バルブ駆動室５４の圧力は、高圧ＰＨとなる。背圧室８４は中間圧ＰＭを有するから、バルブ駆動室５４と背圧室８４の圧力差によりスプール５６はバルブ駆動室５４を拡張するようにスリーブ６８内を軸方向に移動する。接続流路８５が高圧ポート６２を第２ガスライン６６ｂに接続する。高圧ＰＨの作動ガスが圧縮機吐出口１２ａからスプールバルブ５０を通じてコールドヘッド１４の膨張室３４に供給される。

このとき、副排気開閉バルブＶ４の開放によりピストン駆動室４６の上部区画４６ａが低圧ＰＬとなり、駆動ピストン２２は下部区画４６ｂを拡張するようにピストン駆動室４６内を軸方向に移動する。そのため、スプール５６の移動により背圧室８４から押し出される作動ガスを第４ガスライン６６ｄを通じて下部区画４６ｂに受け入れることができる。

排気工程においては、主排気開閉バルブＶ２と副吸気開閉バルブＶ３が開く。圧縮機吸入口１２ｂがバルブ駆動室５４に連通され、バルブ駆動室５４の圧力は、低圧ＰＬとなる。背圧室８４は中間圧ＰＭを有するから、バルブ駆動室５４と背圧室８４の圧力差によりスプール５６はバルブ駆動室５４を縮小するようにスリーブ６８内を軸方向に移動する。接続流路８５が低圧ポート６４を第２ガスライン６６ｂに接続する。膨張室３４で作動ガスが膨張し、その結果生じる低圧ＰＬの作動ガスが膨張室３４からスプールバルブ５０を通じて圧縮機吸入口１２ｂへと回収される。

このとき、副吸気開閉バルブＶ３の開放によりピストン駆動室４６の上部区画４６ａが高圧ＰＨとなり、駆動ピストン２２は下部区画４６ｂを縮小するようにピストン駆動室４６内を軸方向に移動する。そのため、今度は駆動ピストン２２の移動により下部区画４６ｂから押し出される作動ガスを第４ガスライン６６ｄを通じて背圧室８４に受け入れることができる。

このようにして、第４の実施の形態に係るスプールバルブ５０は、第１の実施の形態に係るスプールバルブ５０と同様に、圧縮機吐出口１２ａおよび圧縮機吸入口１２ｂを膨張室３４に交互に接続する極低温冷凍機１０の流路切替機構として機能することができる。背圧室８４に中間圧ＰＭが導入され、これとバルブ駆動室５４との圧力差によってスプール５６の駆動を支援することができる。

なお、背圧室８４の接続先はピストン駆動室４６の下部区画４６ｂには限られない。例えば、背圧室８４は、図９に示される実施の形態と同様に、中間圧バッファ８３に接続されてもよい。あるいは、背圧室８４は、コールドヘッド１４の室温室３６に接続されてもよく、その場合、背圧室８４を室温室３６に接続する流路には流路抵抗（例えば、オリフィス、または絞り弁など）が設けられてもよい。背圧室８４は、接続流路８５に接続されてもよく、その場合、背圧室８４を接続流路８５に接続するスプール５６内部の流路には流路抵抗が設けられてもよい。

図１４は、ある実施の形態に係る極低温冷凍機１０に適用可能な圧力制御機構５２の他の構成を概略的に示す図である。図１４に示されるように、圧力制御機構５２は、バルブ駆動室５４およびピストン駆動室４６に接続されたリニア圧縮機８６を備えてもよい。この場合、圧力制御機構５２は、ロータリーバルブを有しない。

リニア圧縮機８６は、電磁石などのアクチュエータ８６ａと、アクチュエータ８６ａの駆動により往復動する圧縮機ピストン８６ｂと、バルブ駆動室５４およびピストン駆動室４６に接続された圧縮室８６ｃと、背圧室８６ｄとを備える。圧縮室８６ｃにおいては、圧縮機ピストン８６ｂが前進するとき（図１４において圧縮機ピストン８６ｂが下に移動するとき）作動ガスが圧縮され、高圧の作動ガスが圧縮室８６ｃからバルブ駆動室５４およびピストン駆動室４６に供給される。圧縮機ピストン８６ｂが後退するとき（図１４において圧縮機ピストン８６ｂが上に移動するとき）圧縮室８６ｃの圧力は低下し、それにより、バルブ駆動室５４およびピストン駆動室４６の圧力も低下する。なお、リニア圧縮機８６は、公知の構成のものを適宜採用することができる。

このようにして、圧力制御機構５２は、図４に示されるものと同様の圧力変動をバルブ駆動室５４およびピストン駆動室４６に発生させることができる。したがって、圧力制御機構５２は、圧縮機吐出口１２ａおよび圧縮機吸入口１２ｂを膨張室３４に交互に接続するようにスプールバルブ５０を動作させることができる。

なお、必要とされる場合には、圧力変動の位相調整またはその他の理由により、リニア圧縮機８６をバルブ駆動室５４に接続する流路に第１流路抵抗８８ａが設けられ、リニア圧縮機８６をピストン駆動室４６に接続する流路に第２流路抵抗８８ｂが設けられてもよい。

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。

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。

例えば、第２の実施の形態において説明した脱着可能な継手８０は、第３の実施の形態、または第４の実施の形態、またはその他の実施の形態に係る極低温冷凍機１０に適用されてもよい。

１０極低温冷凍機、１２圧縮機、１２ａ圧縮機吐出口、１２ｂ圧縮機吸入口、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ピストン駆動室、５０スプールバルブ、５２圧力制御機構、５４バルブ駆動室、５６スプール、７５ａ流路、７８ロータリーバルブ、８０脱着可能な継手、８４背圧室、８５接続流路、８６リニア圧縮機。

Claims

軸方向に移動可能なディスプレーサと、前記ディスプレーサを軸方向に移動させ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、を備えるコールドヘッドであって、前記ディスプレーサとの間に膨張室を形成し、前記駆動ピストンとの間にピストン駆動室を形成し、前記駆動ピストンが前記ピストン駆動室と前記膨張室の圧力差により軸方向に駆動されるコールドヘッドと、
バルブ駆動室と、前記バルブ駆動室の圧力に応じて第１位置と第２位置とを移動するスプールと、を備え、前記スプールは、前記第１位置で前記膨張室を圧縮機吐出口に接続し、前記第２位置で前記膨張室を圧縮機吸入口に接続し、前記スプールの前記第１位置および前記第２位置間の往復動により前記膨張室に周期的な圧力変動を生成するスプールバルブと、
前記スプールが前記第１位置および前記第２位置間で往復動するように前記バルブ駆動室の圧力を制御するとともに、前記スプールの往復動と同期して前記膨張室の圧力変動とは逆位相の圧力変動を前記ピストン駆動室に生成するように構成された圧力制御機構と、を備え、
前記圧力制御機構は、前記膨張室の圧力変動とは逆位相の圧力変動を前記バルブ駆動室にも生成するように構成されていることを特徴とする極低温冷凍機。
前記圧力制御機構は、前記コールドヘッドから離れて配置されることを特徴とする請求項１に記載の極低温冷凍機。
前記バルブ駆動室を前記圧力制御機構に接続する第１の脱着可能な継手と、前記ピストン駆動室を前記圧力制御機構に接続する第２の脱着可能な継手と、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。
前記圧力制御機構は、前記圧縮機吐出口および前記圧縮機吸入口を前記バルブ駆動室に交互に接続するとともに、前記圧縮機吐出口および前記圧縮機吸入口を前記ピストン駆動室に交互に接続するロータリーバルブを備え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極低温冷凍機。
軸方向に移動可能なディスプレーサと、前記ディスプレーサを軸方向に移動させ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、を備えるコールドヘッドであって、前記ディスプレーサとの間に膨張室を形成し、前記駆動ピストンとの間にピストン駆動室を形成し、前記駆動ピストンが前記ピストン駆動室と前記膨張室の圧力差により軸方向に駆動されるコールドヘッドと、
バルブ駆動室と、前記バルブ駆動室の圧力に応じて第１位置と第２位置とを移動するスプールと、を備え、前記スプールは、前記第１位置で前記膨張室を圧縮機吐出口に接続し、前記第２位置で前記膨張室を圧縮機吸入口に接続し、前記スプールの前記第１位置および前記第２位置間の往復動により前記膨張室に周期的な圧力変動を生成するスプールバルブと、
前記スプールが前記第１位置および前記第２位置間で往復動するように前記バルブ駆動室の圧力を制御するとともに、前記スプールの往復動と同期して前記膨張室の圧力変動とは逆位相の圧力変動を前記ピストン駆動室に生成するように構成された圧力制御機構と、を備え、
前記圧力制御機構は、前記バルブ駆動室および前記ピストン駆動室に接続されたリニア圧縮機を備えることを特徴とする極低温冷凍機。
前記スプールバルブは、前記バルブ駆動室と反対側で前記スプールに隣接する複数の互いにシールされた区画を備え、前記スプールは、前記バルブ駆動室と前記複数の区画のうち少なくとも１つの区画との圧力差により前記第１位置と前記第２位置とを移動することを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の極低温冷凍機。
前記スプールバルブは、前記スプールの中心軸まわりに対称配置された流路を備え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極低温冷凍機。
前記スプールバルブは、
前記バルブ駆動室と反対側で前記スプールに隣接する背圧室と、
前記バルブ駆動室および前記背圧室からシールされた接続流路であって、前記スプールが前記第１位置にあるとき前記膨張室を前記圧縮機吐出口に接続し、前記スプールが前記第２位置にあるとき前記膨張室を前記圧縮機吸入口に接続する接続流路と、を備えることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の極低温冷凍機。
軸方向に移動可能なディスプレーサと、前記ディスプレーサを軸方向に移動させ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、を備えるコールドヘッドであって、前記ディスプレーサとの間に膨張室を形成し、前記駆動ピストンとの間にピストン駆動室を形成し、前記駆動ピストンが前記ピストン駆動室と前記膨張室の圧力差により軸方向に駆動されるコールドヘッドと、
バルブ駆動室と、前記バルブ駆動室の圧力に応じて第１位置と第２位置とを移動するスプールと、を備え、前記スプールは、前記第１位置で前記膨張室を圧縮機吐出口に接続し、前記第２位置で前記膨張室を圧縮機吸入口に接続し、前記スプールの前記第１位置および前記第２位置間の往復動により前記膨張室に周期的な圧力変動を生成するスプールバルブと、
前記スプールが前記第１位置および前記第２位置間で往復動するように前記バルブ駆動室の圧力を制御するとともに、前記スプールの往復動と同期して前記膨張室の圧力変動とは逆位相の圧力変動を前記ピストン駆動室に生成するように構成された圧力制御機構と、を備え、
前記スプールバルブは、
前記バルブ駆動室と反対側で前記スプールに隣接する第２ガス室と、
前記バルブ駆動室からシールされ、前記第２ガス室を経由して前記膨張室に接続された接続流路であって、前記スプールが前記第１位置にあるとき前記膨張室を前記圧縮機吐出口に接続し、前記スプールが前記第２位置にあるとき前記膨張室を前記圧縮機吸入口に接続する接続流路と、を備えることを特徴とする極低温冷凍機。
極低温冷凍機の流路切替機構であって、前記極低温冷凍機は、軸方向に移動可能なディスプレーサと、前記ディスプレーサを軸方向に移動させ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、を備えるコールドヘッドであって、前記ディスプレーサとの間に膨張室を形成し、前記駆動ピストンとの間にピストン駆動室を形成し、前記駆動ピストンが前記ピストン駆動室と前記膨張室の圧力差により軸方向に駆動されるコールドヘッドを備え、
前記流路切替機構は、
バルブ駆動室と、前記バルブ駆動室の圧力に応じて第１位置と第２位置とを移動するスプールと、を備え、前記スプールは、前記第１位置で前記膨張室を圧縮機吐出口に接続し、前記第２位置で前記膨張室を圧縮機吸入口に接続し、前記スプールの前記第１位置および前記第２位置間の往復動により前記膨張室に周期的な圧力変動を生成するスプールバルブと、
前記スプールが前記第１位置および前記第２位置間で往復動するように前記バルブ駆動室の圧力を制御するとともに、前記スプールの往復動と同期して前記膨張室の圧力変動とは逆位相の圧力変動を前記ピストン駆動室に生成するように構成された圧力制御機構と、を備え、
前記圧力制御機構は、前記膨張室の圧力変動とは逆位相の圧力変動を前記バルブ駆動室にも生成するように構成されていることを特徴とする極低温冷凍機の流路切替機構。