JP7164371B2 - 極低温冷凍機 - Google Patents

Description

本発明は、極低温冷凍機、および極低温冷凍機のロータリバルブ機構に関する。

ギフォード・マクマホン（Gifford-McMahon；ＧＭ）冷凍機に代表される極低温冷凍機は、作動ガス（冷媒ガスともいう）の膨張機と圧縮機を有する。膨張機はたいてい、駆動手段によって軸方向に往復移動するディスプレーサとこれに内蔵された蓄冷器を有する。駆動手段はモータを有しうる。ディスプレーサは、その往復移動を案内するシリンダに収容されている。シリンダに対するディスプレーサの相対移動により両者の間に形成される可変容積が、作動ガスの膨張室として用いられる。膨張室の容積変化と圧力変化とを適切に同期させることによって、膨張機は寒冷を発生させることができる。

そのため、極低温冷凍機は、膨張室の圧力を制御するためのバルブ部を備える。バルブ部は、圧縮機から膨張機への高圧作動ガス供給と膨張機から圧縮機への低圧作動ガス回収とを交互に切り替えるよう構成されている。バルブ部には通例ロータリバルブ機構が用いられる。バルブ部は、パルス管冷凍機などその他の極低温冷凍機にも備えられている。

特開２０１３－８３４３３号公報

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、２つの冷却運転モードを切替可能とする極低温冷凍機を提供することにある。

本発明のある態様によると、極低温冷凍機は、逆転可能モータと、前記逆転可能モータの駆動により往復動するよう前記逆転可能モータに連結されているディスプレーサと、前記ディスプレーサを収容し、前記ディスプレーサとの間にガス膨張室を形成する膨張機気密容器と、バルブステータとバルブロータとを備え、前記バルブステータに対する前記バルブロータの回転により前記ガス膨張室を圧縮機吐出口及び圧縮機吸入口に交互に接続するロータリーバルブ機構と、を備える。前記逆転可能モータは、前記バルブロータを前記バルブステータに対し回転させるように前記バルブロータに連結されている。前記逆転可能モータが第１方向に回転するときの第１バルブ開き速度が、前記逆転可能モータが前記第１方向とは反対の第２方向に回転するときの第２バルブ開き速度と異なる。

なお、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、２つの冷却運転モードを切替可能とする極低温冷凍機を提供することができる。

本発明のある実施形態に係る極低温冷凍機の全体構成を概略的に示す図である。 本発明のある実施形態に係るバルブ部を概略的に示す分解斜視図である。 図３（ａ）および図３（ｂ）はそれぞれ、本発明のある実施形態に係るバルブロータおよびバルブステータを概略的に示す平面図である。 本発明のある実施形態に係る極低温冷凍機の動作を例示する図である。 本発明のある実施形態に係るバルブ部の動作を例示する図である。 ある典型的なＧＭ冷凍機の一周期にわたる差圧変動測定結果の例である。 他の実施形態に係るバルブロータを概略的に示す平面図である。 図８（ａ）および図８（ｂ）はそれぞれ、他の実施形態に係るバルブロータおよびバルブステータを概略的に示す平面図である。 他の実施形態に係るバルブステータを概略的に示す平面図である。 第２実施形態に係る極低温冷凍機の全体構成を概略的に示す図である。 第２実施形態に係る極低温冷凍機の例示的なバルブタイミングを概略的に示す図である。 第２実施形態に係る極低温冷凍機の例示的なバルブタイミングを概略的に示す図である。 第２実施形態に係る極低温冷凍機に使用されうるバルブタイミングの別の例を概略的に示す図である。 第２実施形態に係る極低温冷凍機に使用されうるバルブ部を概略的に示す分解斜視図である。

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。なお、説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。また、以下に述べる構成は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。

（第１実施形態）
図１は、本発明のある実施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、作動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膨張機１４とを備える。作動ガスは例えばヘリウムガスである。膨張機１４はコールドヘッドとも呼ばれる。膨張機１４には作動ガスを予冷する蓄冷器１６が備えられている。極低温冷凍機１０は、圧縮機１２と膨張機１４とを各々が接続する第１管１８ａと第２管１８ｂを含むガス配管１８を備える。図示される極低温冷凍機１０は、単段式のＧＭ冷凍機である。

知られているように、第１高圧を有する作動ガスが圧縮機１２の吐出口１２ａから第１管１８ａを通じて膨張機１４に供給される。膨張機１４における断熱膨張により、作動ガスは第１高圧からそれより低い第２高圧に減圧される。第２高圧を有する作動ガスは、膨張機１４から第２管１８ｂを通じて圧縮機１２の吸入口１２ｂに回収される。圧縮機１２は、回収された第２高圧を有する作動ガスを圧縮する。こうして作動ガスは再び第１高圧に昇圧される。一般に第１高圧及び第２高圧はともに大気圧よりかなり高い。説明の便宜上、第１高圧及び第２高圧はそれぞれ単に高圧及び低圧とも呼ばれる。通例、高圧は例えば２～３ＭＰａであり、低圧は例えば０．５～１．５ＭＰａである。高圧と低圧との差圧は例えば１．２～２ＭＰａ程度である。

膨張機１４は、膨張機可動部分２０と膨張機静止部分２２とを備える。膨張機可動部分２０は、膨張機静止部分２２に対し軸方向（図１における上下方向）に往復移動可能であるよう構成されている。膨張機可動部分２０の移動方向を図１に矢印Ａで示す。膨張機静止部分２２は、膨張機可動部分２０を軸方向に往復移動可能に支持するよう構成されている。また、膨張機静止部分２２は、膨張機可動部分２０を高圧ガス（第１高圧ガス及び第２高圧ガスを含む）とともに収容する気密容器として構成されている。

膨張機可動部分２０は、ディスプレーサ２４と、その往復移動を駆動するディスプレーサ駆動軸２６とを含む。ディスプレーサ２４には蓄冷器１６が内蔵されている。ディスプレーサ２４は、蓄冷器１６を包囲するディスプレーサ部材２４ａを有する。ディスプレーサ部材２４ａの内部空間に蓄冷材が充填され、それによりディスプレーサ２４内に蓄冷器１６が形成されている。ディスプレーサ２４は、例えば、軸方向に延在する実質的に円柱状の形状を有する。ディスプレーサ部材２４ａは、軸方向において実質的に一様な外径及び内径を有する。よって、蓄冷器１６も、軸方向に延在する実質的に円柱状の形状を有する。

膨張機静止部分２２は、大まかに、シリンダ２８及び駆動機構ハウジング３０からなる二部構成を有する。膨張機静止部分２２の軸方向上部が駆動機構ハウジング３０であり、膨張機静止部分２２の軸方向下部がシリンダ２８であり、これらは相互に堅く結合されている。シリンダ２８は、ディスプレーサ２４の往復移動を案内するよう構成されている。シリンダ２８は、駆動機構ハウジング３０から軸方向に延在する。シリンダ２８は、軸方向において実質的に一様な内径を有し、よって、シリンダ２８は、軸方向に延在する実質的に円筒の内面を有する。この内径は、ディスプレーサ部材２４ａの外径よりわずかに大きい。

また、膨張機静止部分２２は、冷却ステージ３２を含む。冷却ステージ３２は、軸方向において駆動機構ハウジング３０と反対側でシリンダ２８の末端に固定されている。冷却ステージ３２は、膨張機１４が生成する寒冷を他の物体に伝導するために設けられている。その物体は冷却ステージ３２に取り付けられ、極低温冷凍機１０の動作時に冷却ステージ３２によって冷却される。

極低温冷凍機１０の動作時において、蓄冷器１６は、軸方向において一方側（図において上側）に蓄冷器高温部１６ａを有し反対側（図において下側）に蓄冷器低温部１６ｂを有する。このように蓄冷器１６は軸方向に温度分布を有する。蓄冷器１６を包囲する膨張機１４の他の構成要素（例えばディスプレーサ２４及びシリンダ２８）も同様に軸方向温度分布を有し、従って膨張機１４はその動作時に軸方向一方側に高温部を有し軸方向他方側に低温部を有する。高温部は、例えば室温程度の温度を有する。低温部は、極低温冷凍機１０の用途により異なるが、例えば約１００Ｋから約１０Ｋの範囲に含まれるある温度に冷却される。冷却ステージ３２は、シリンダ２８の低温部を外包するようにシリンダ２８に固着されている。

本書では説明の便宜上、軸方向、径方向、周方向との用語が使用される。軸方向は、矢印Ａで図示されるように、膨張機静止部分２２に対する膨張機可動部分２０の移動方向を表す。径方向は軸方向に垂直な方向（図において横方向）を表し、周方向は軸方向を囲む方向を表す。膨張機１４のある要素が軸方向に関して冷却ステージ３２に相対的に近いことを「下」、相対的に遠いことを「上」と呼ぶことがある。よって、膨張機１４の高温部及び低温部はそれぞれ軸方向において上部及び下部に位置する。こうした表現は、膨張機１４の要素間の相対的な位置関係の理解を助けるために用いられるにすぎず、現場で設置されるときの膨張機１４の配置とは関係しない。例えば、膨張機１４は、冷却ステージ３２を上向きに駆動機構ハウジング３０を下向きにして設置されてもよい。あるいは、膨張機１４は、軸方向を水平方向に一致させるようにして設置されてもよい。

また、ロータリバルブ機構についても、軸方向、径方向、周方向との用語が使用される。この場合、軸方向は、ロータリバルブ機構の回転軸の方向を表す。ロータリバルブ回転軸方向は、膨張機軸方向に直交する。

膨張機１４における作動ガスの流路構成を説明する。膨張機１４は、バルブ部３４、ハウジングガス流路３６、上部ガス室３７、ディスプレーサ上蓋ガス流路３８、ディスプレーサ下蓋ガス流路３９、ガス膨張室４０、及び低圧ガス室４２を備える。高圧ガスは、第１管１８ａからバルブ部３４、ハウジングガス流路３６、上部ガス室３７、ディスプレーサ上蓋ガス流路３８、蓄冷器１６、ディスプレーサ下蓋ガス流路３９を経てガス膨張室４０に流入する。ガス膨張室４０からの戻りガスは、ディスプレーサ下蓋ガス流路３９、蓄冷器１６、ディスプレーサ上蓋ガス流路３８、上部ガス室３７、ハウジングガス流路３６、バルブ部３４を経て低圧ガス室４２に受け入れられる。

詳細は後述するが、バルブ部３４は、ディスプレーサ２４の往復移動と同期してガス膨張室４０の圧力を制御するよう構成されている。バルブ部３４は、高圧ガスをガス膨張室４０に供給するための供給路の一部として機能するとともに、低圧ガスをガス膨張室４０から排出するための排出路の一部として機能する。バルブ部３４は、ディスプレーサ２４が下死点またはその近傍を通過するとき低圧ガスの排出を終了し高圧ガスの供給を開始するよう構成されている。バルブ部３４は、ディスプレーサ２４が上死点またはその近傍を通過するとき高圧ガスの供給を終了し低圧ガスの排出を開始するよう構成されている。このように、バルブ部３４は、ディスプレーサ２４の往復移動と同期して作動ガスの供給機能と排出機能とを切り替えるよう構成されている。

ハウジングガス流路３６は、膨張機静止部分２２と上部ガス室３７との間のガス流通のために駆動機構ハウジング３０に貫通形成されている。

上部ガス室３７は、蓄冷器高温部１６ａの側で膨張機静止部分２２とディスプレーサ２４との間に形成されている。より詳しくは、上部ガス室３７は、軸方向において駆動機構ハウジング３０とディスプレーサ２４とに挟まれ、周方向にシリンダ２８に囲まれている。上部ガス室３７は、低圧ガス室４２に隣接する。上部ガス室３７は室温室とも呼ばれる。上部ガス室３７は膨張機可動部分２０と膨張機静止部分２２との間に形成された可変容積である。

ディスプレーサ上蓋ガス流路３８は、蓄冷器高温部１６ａを上部ガス室３７に連通するよう形成されたディスプレーサ部材２４ａの少なくとも１つの開口である。ディスプレーサ下蓋ガス流路３９は、蓄冷器低温部１６ｂをガス膨張室４０に連通するよう形成されたディスプレーサ部材２４ａの少なくとも１つの開口である。ディスプレーサ２４とシリンダ２８とのクリアランスを封じるシール部４４が、ディスプレーサ部材２４ａの側面に設けられている。シール部４４は、ディスプレーサ上蓋ガス流路３８を周方向に囲むようディスプレーサ部材２４ａに取り付けられていてもよい。

ガス膨張室４０は、蓄冷器低温部１６ｂの側でシリンダ２８とディスプレーサ２４との間に形成されている。ガス膨張室４０は上部ガス室３７と同様に膨張機可動部分２０と膨張機静止部分２２との間に形成された可変容積であり、シリンダ２８に対するディスプレーサ２４の相対移動によってガス膨張室４０の容積は上部ガス室３７の容積と相補的に変動する。シール部４４が設けられているので、上部ガス室３７とガス膨張室４０との直接のガス流通（つまり蓄冷器１６を迂回するガス流れ）はない。

低圧ガス室４２は、駆動機構ハウジング３０の内部に画定されている。第２管１８ｂが駆動機構ハウジング３０に接続されており、それにより低圧ガス室４２が第２管１８ｂを通じて圧縮機１２の吸入口１２ｂに連通している。そのため、低圧ガス室４２は常に低圧に維持される。

ディスプレーサ駆動軸２６は、ディスプレーサ２４から上部ガス室３７を貫通して低圧ガス室４２へと突き出している。膨張機静止部分２２は、ディスプレーサ駆動軸２６を軸方向に移動可能に支持する一対の駆動軸ガイド４６ａ、４６ｂを備える。駆動軸ガイド４６ａ、４６ｂはそれぞれ、ディスプレーサ駆動軸２６を囲むように駆動機構ハウジング３０に設けられている。軸方向下側の駆動軸ガイド４６ｂまたは駆動機構ハウジング３０の下端部は気密に構成されており、そのため低圧ガス室４２は上部ガス室３７から隔離されている。低圧ガス室４２と上部ガス室３７との直接のガス流通はない。

膨張機１４は、ディスプレーサ２４を駆動する駆動機構４８を備える。駆動機構４８は、低圧ガス室４２に収容されており、モータ４８ａ及びスコッチヨーク機構４８ｂを含む。ディスプレーサ駆動軸２６はスコッチヨーク機構４８ｂの一部を形成する。また、スコッチヨーク機構４８ｂは、モータ４８ａの出力軸と平行に延在するとともに当該出力軸から偏心したクランクピン４９を備える。ディスプレーサ駆動軸２６はスコッチヨーク機構４８ｂによって軸方向に駆動されるようスコッチヨーク機構４８ｂに連結されている。したがって、モータ４８ａの回転によりディスプレーサ２４の軸方向往復移動が駆動される。駆動軸ガイド４６ａ、４６ｂは、スコッチヨーク機構４８ｂを挟んで軸方向に異なる位置にある。

バルブ部３４は、駆動機構４８に連結され、駆動機構ハウジング３０に収容されている。バルブ部３４は、ロータリバルブの形式をとる。バルブ部３４は、ロータバルブ樹脂部材（以下、単にバルブロータともいう）３４ａ及びステータバルブ金属部材（以下、単にバルブステータともいう）３４ｂを備える。つまり、バルブロータ３４ａは樹脂材料（例えば、エンジニアリングプラスチック材料、フッ素樹脂材料）で形成され、バルブステータ３４ｂは、金属（例えばアルミ材または鉄材）で形成されている。なお逆に、バルブロータ３４ａが金属で形成され、バルブステータ３４ｂが樹脂で形成されてもよい。バルブロータ３４ａおよびバルブステータ３４ｂはそれぞれ、バルブディスクおよびバルブ本体と呼ばれることもある。

バルブロータ３４ａおよびバルブステータ３４ｂはともに、低圧ガス室４２に配設されている。バルブロータ３４ａは、モータ４８ａの回転により回転するようモータ４８ａの出力軸に連結されている。バルブロータ３４ａは、バルブステータ３４ｂに対し回転摺動するようバルブステータ３４ｂと面接触している。バルブステータ３４ｂは、駆動機構ハウジング３０に固定されている。バルブステータ３４ｂは、第１管１８ａから駆動機構ハウジング３０に入る高圧ガスを受け入れるよう構成されている。

図２は、本発明のある実施形態に係るバルブ部３４の要部を概略的に示す分解斜視図である。図２に示す一点鎖線は、バルブ回転軸Ｙを表す。図３（ａ）および図３（ｂ）はそれぞれ、本発明のある実施形態に係るバルブロータ３４ａおよびバルブステータ３４ｂを概略的に示す平面図である。理解の容易のために、図３（ａ）および図３（ｂ）には一点鎖線で同一の位置を示す。

バルブステータ３４ｂはバルブ回転軸Ｙに垂直なステータ平面５０を有し、バルブロータ３４ａは同じくバルブ回転軸Ｙに垂直なロータ平面５２を有する。バルブロータ３４ａがバルブステータ３４ｂに対し回転するとき、ロータ平面５２はステータ平面５０に対し回転摺動する。ステータ平面５０とロータ平面５２が面接触することにより、冷媒ガスの漏れが防止される。

バルブステータ３４ｂは、駆動機構ハウジング３０内にバルブステータ固定ピン５４で固定される。バルブステータ固定ピン５４は、バルブステータ３４ｂのステータ平面５０と回転軸方向反対側に位置するバルブステータ端面５１に係合し、バルブステータ３４ｂの回転を規制する。

バルブロータ３４ａは、図１に示すロータ軸受５６により回転可能に支持されている。バルブロータ３４ａのロータ平面５２と回転軸方向反対側に位置するバルブロータ端面５８には、クランクピン４９と係合する係合穴（図示せず）が形成されている。モータ４８ａがクランクピン４９を回転させることにより、バルブロータ３４ａはスコッチヨーク機構４８ｂと同期して回転する。また、バルブロータ３４ａは、ロータ平面５２をバルブロータ端面５８に接続するロータ外周面６０を備える。ロータ外周面６０は、ロータ軸受５６に支持されるとともに、低圧ガス室４２に面している。

バルブステータ３４ｂは、高圧ガス流入口６２およびステータ凹部６４を有する。高圧ガス流入口６２は、ステータ平面５０の中心部に開口され、バルブステータ３４ｂの中心部を回転軸方向に貫通するよう形成されている。高圧ガス流入口６２は、バルブ回転軸Ｙを中心とする円形状の輪郭をステータ平面５０上に定める。高圧ガス流入口６２は、第１管１８ａを通じて圧縮機１２の吐出口１２ａに連通される。ステータ凹部６４は、ステータ平面５０において高圧ガス流入口６２に対し径方向外側に開口されている。ステータ凹部６４は、高圧ガス流入口６２を中心とした円弧状に形成されている。ステータ凹部６４の深さはバルブステータ３４ｂの回転軸方向長さより短く、ステータ凹部６４はバルブステータ３４ｂを貫通していない。

バルブステータ３４ｂは、ステータ凹部６４をハウジングガス流路３６につなぐようバルブステータ３４ｂに貫通形成されている連通路６６を有する。よってステータ凹部６４は、連通路６６およびハウジングガス流路３６を経て最終的にガス膨張室４０に連通される。連通路６６は一端がステータ凹部６４に開口され他端がバルブステータ３４ｂの側面に開口されている。連通路６６のステータ凹部６４側の部分は回転軸方向に延びており、これに対し直交するよう連通路６６のハウジングガス流路３６側の部分は径方向に延びている。

ステータ凹部６４は、ステータ平面５０上に円弧状のステータ凹部輪郭７２を定める。ステータ凹部輪郭７２は、ステータ凹部前縁線７２ａ、ステータ凹部後縁線７２ｂ、ステータ凹部内縁線７２ｃ、およびステータ凹部外縁線７２ｄを有する。ステータ凹部前縁線７２ａおよびステータ凹部後縁線７２ｂはバルブ周方向に互いに離れて位置し、ステータ凹部内縁線７２ｃおよびステータ凹部外縁線７２ｄはバルブ径方向に互いに離れて位置する。ステータ凹部内縁線７２ｃはステータ凹部前縁線７２ａの一端をステータ凹部後縁線７２ｂの一端に接続し、ステータ凹部外縁線７２ｄはステータ凹部前縁線７２ａの他端をステータ凹部後縁線７２ｂの他端に接続する。

ステータ凹部前縁線７２ａおよびステータ凹部後縁線７２ｂはそれぞれ逆向きの半円状曲線である。ステータ凹部内縁線７２ｃおよびステータ凹部外縁線７２ｄはそれぞれバルブ回転軸Ｙを中心とする円弧であり、同一の中心角を有する。ステータ凹部内縁線７２ｃは、ステータ凹部外縁線７２ｄに対し径方向内側に位置する。つまり、ステータ凹部内縁線７２ｃの半径は、ステータ凹部外縁線７２ｄの半径より小さい。また、ステータ凹部内縁線７２ｃの半径は、高圧ガス流入口６２の円形輪郭線の半径より大きい。

バルブロータ３４ａは、ロータ凹部６８と、第２ロータ凹部としての低圧ガス流出口７０とを有する。ロータ平面５２は、ロータ凹部６８の周囲でステータ平面５０に面接触する。同様に、ロータ平面５２は、低圧ガス流出口７０の周囲でステータ平面５０に面接触する。

ロータ凹部６８は、ロータ平面５２に開口され、長円状に形成されている。ロータ凹部６８は、ロータ平面５２の中心部から径方向外側へと延在する。ロータ凹部６８の深さはバルブロータ３４ａの回転軸方向長さより短く、ロータ凹部６８はバルブロータ３４ａを貫通していない。ロータ凹部６８はロータ平面５２上で高圧ガス流入口６２に対応する場所に位置しており、ロータ凹部６８は高圧ガス流入口６２に常時連通している。

ロータ凹部６８は、ロータ平面５２上にロータ凹部輪郭７４を定める。ロータ凹部輪郭７４は、ロータ凹部前縁線７４ａ、ロータ凹部後縁線７４ｂ、ロータ凹部内縁線７４ｃ、およびロータ凹部外縁線７４ｄを有する。ロータ凹部前縁線７４ａおよびロータ凹部後縁線７４ｂはバルブ周方向に互いに離れて位置し、ロータ凹部内縁線７４ｃおよびロータ凹部外縁線７４ｄはバルブ径方向に互いに離れて位置する。ロータ凹部内縁線７４ｃはロータ凹部前縁線７４ａの一端をロータ凹部後縁線７４ｂの一端に接続し、ロータ凹部外縁線７４ｄはロータ凹部前縁線７４ａの他端をロータ凹部後縁線７４ｂの他端に接続する。

ロータ凹部前縁線７４ａおよびロータ凹部後縁線７４ｂはそれぞれ直線である。ロータ凹部内縁線７４ｃおよびロータ凹部外縁線７４ｄはそれぞれ逆向きの半円状曲線である。ロータ凹部内縁線７４ｃの半径は、高圧ガス流入口６２の円形輪郭線の半径と等しく、両者は重なり合う。

ロータ凹部６８は、バルブロータ３４ａの回転の一周期の一部（例えば吸気工程）において高圧ガス流入口６２をステータ凹部６４に連通し、当該一周期の残部（例えば排気工程）において高圧ガス流入口６２をステータ凹部６４とは不通とするようバルブロータ３４ａに形成されている。ロータ凹部６８および高圧ガス流入口６２からなる二区域、または、ロータ凹部６８、高圧ガス流入口６２、およびステータ凹部６４からなる三区域は、互いに連通してバルブ部３４内に高圧領域（または高圧流路）を形成する。バルブロータ３４ａは、高圧領域を密封し低圧周囲環境（すなわち低圧ガス室４２）から隔離するようバルブステータ３４ｂに隣接配置されている。ロータ凹部６８は、バルブ部３４の高圧流路における流れ方向変更部または流路折り返し部として設けられている。このようにして、吸気工程Ａ１を定める吸気バルブＶ１（図４参照）がバルブ部３４に構成される。

また、バルブロータ３４ａは、ロータ平面５２に開口しロータ凹部６８へと延びる第１ロータ連通溝８０を有する。第１ロータ連通溝８０は、ロータ平面５２上に形成され、ロータ凹部６８に比べて細長い。第１ロータ連通溝８０は、図３（ａ）に一点鎖線で示されるステータ凹部６４の中心半径（すなわち、ステータ凹部内縁線７２ｃとステータ凹部外縁線７２ｄの平均半径）に沿って円弧状に延びている。ロータ平面５２からの第１ロータ連通溝８０の深さは、ロータ凹部６８の深さより小さい。

第１ロータ連通溝８０は、ロータ平面５２に開口する第１始端８０ａと、ロータ凹部６８に連通する第１終端８０ｂと、を有する。第１終端８０ｂは、ロータ凹部前縁線７４ａ上にある。第１ロータ連通溝８０は、第１始端８０ａから第１終端８０ｂへと延びている。第１始端８０ａから第１終端８０ｂへの角度Ｃ１は、３度より大きく３０度より小さい。

低圧ガス流出口７０は、ロータ平面５２上でロータ凹部６８と径方向反対側に開口され、バルブロータ３４ａを回転軸方向に貫通するよう形成されている。低圧ガス流出口７０は、バルブロータ３４ａのロータ平面５２からバルブロータ端面５８まで貫通する。低圧ガス流出口７０は、低圧ガス室４２と連通する低圧流路を形成する。

低圧ガス流出口７０は、ロータ平面５２上に円弧状の流出口輪郭７６を定める。流出口輪郭７６は、流出口前縁線７６ａ、流出口後縁線７６ｂ、流出口内縁線７６ｃ、および流出口外縁線７６ｄを有する。流出口前縁線７６ａおよび流出口後縁線７６ｂはバルブ回転方向Ｒに互いに離れて位置し、流出口内縁線７６ｃおよび流出口外縁線７６ｄはバルブ径方向に互いに離れて位置する。流出口内縁線７６ｃは流出口前縁線７６ａの一端を流出口後縁線７６ｂの一端に接続し、流出口外縁線７６ｄは流出口前縁線７６ａの他端を流出口後縁線７６ｂの他端に接続する。低圧ガス流出口７０は、ステータ凹部６４に比べてバルブ周方向に長く延びている。

流出口前縁線７６ａおよび流出口後縁線７６ｂはそれぞれ逆向きの半円状曲線である。流出口内縁線７６ｃおよび流出口外縁線７６ｄはそれぞれバルブ回転軸Ｙを中心とする円弧であり、同一の中心角を有する。流出口内縁線７６ｃは、流出口外縁線７６ｄに対し径方向内側に位置する。つまり、流出口内縁線７６ｃの半径は、流出口外縁線７６ｄの半径より小さい。流出口内縁線７６ｃの半径は、ステータ凹部内縁線７２ｃの半径と等しく、流出口外縁線７６ｄの半径は、ステータ凹部外縁線７２ｄの半径と等しい。

低圧ガス流出口７０は、高圧ガス流入口６２がステータ凹部６４から不通となる期間の少なくとも一部（例えば排気工程）においてステータ凹部６４を低圧ガス室４２に連通するようバルブロータ３４ａに形成されている。このようにして、排気工程Ａ２を定める排気バルブＶ２（図４参照）がバルブ部３４に構成される。

また、バルブロータ３４ａは、ロータ平面５２に開口し低圧ガス流出口７０へと延びる第２ロータ連通溝８２を有する。第２ロータ連通溝８２は、ロータ平面５２上に形成され、低圧ガス流出口７０に比べて細長い。第２ロータ連通溝８２は、図３（ａ）に一点鎖線で示されるステータ凹部６４の中心半径（すなわち、ステータ凹部内縁線７２ｃとステータ凹部外縁線７２ｄの平均半径）に沿って円弧状に延びている。よって、第２ロータ連通溝８２は第１ロータ連通溝８０と同じ円周上にある。ロータ平面５２からの第２ロータ連通溝８２の深さは、低圧ガス流出口７０の深さより小さい。第２ロータ連通溝８２の深さは、第１ロータ連通溝８０の深さと等しくてもよい。

第２ロータ連通溝８２は、ロータ平面５２に開口する第２始端８２ａと、低圧ガス流出口７０に連通する第２終端８２ｂと、を有する。第２終端８２ｂは、流出口前縁線７６ａ上にある。第２ロータ連通溝８２は、第２始端８２ａから第２終端８２ｂへと延びている。第２始端８２ａから第２終端８２ｂへの角度Ｃ２は、３度より大きく３０度より小さい。図示の例では、角度Ｃ２は、角度Ｃ１と同じである。しかし、角度Ｃ２は、角度Ｃ１と異なっていてもよい。

上記の構成をもつ極低温冷凍機１０の動作を説明する。図４は、本発明のある実施形態に係る極低温冷凍機１０の動作を例示する図である。図５は、本発明のある実施形態に係るバルブ部３４の動作を例示する図である。

図４の横軸はバルブ部３４の回転における位相を表す。バルブ部３４の回転の一周期（ディスプレーサ２４の軸方向往復動の一周期でもある）が３６０度に対応づけられている。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。図４の縦軸はバルブ部３４の開度を表す。ここで、バルブ部３４の開度は、バルブロータ３４ａ側の凹部とバルブステータ３４ｂ側の凹部との重なり面積に相当する。

極低温冷凍機１０の吸気工程Ａ１および排気工程Ａ２が図４に例示されている。吸気工程Ａ１は、バルブ回転の第１位相θ１から第３位相θ３の範囲であり、排気工程Ａ２は、バルブ回転の第４位相θ４から第６位相θ６の範囲である。吸気工程Ａ１は排気工程Ａ２と交互である。吸気工程Ａ１と排気工程Ａ２が互いに重ならないように、吸気工程Ａ１は排気工程Ａ２の開始前に終了し、排気工程Ａ２は吸気工程Ａ１の開始前に終了する。

第１位相θ１から第２位相θ２までが吸気工程Ａ１の先行部分にあたり、第２位相θ２から第３位相θ３までが吸気工程Ａ１の本体部分にあたる。第４位相θ４から第５位相θ５までが排気工程Ａ２の先行部分にあたり、第５位相θ５から第６位相θ６までが排気工程Ａ２の本体部分にあたる。

図５はバルブ部３４をバルブロータ３４ａ側から透過して見た様子を示し、高圧ガス流入口６２、ステータ凹部６４、ロータ凹部６８、および低圧ガス流出口７０の相対位置を示す。バルブロータ３４ａはバルブステータ３４ｂに対しバルブ回転方向Ｒ（図において反時計回り）に回転する。バルブステータ３４ｂの高圧ガス流入口６２およびステータ凹部６４を実線で図示し、バルブロータ３４ａのロータ凹部６８および低圧ガス流出口７０を破線で図示する。

第１ロータ連通溝８０の第１始端８０ａは、第１位相θ１でステータ凹部前縁線７２ａを通過するようロータ平面５２上に位置する。ロータ凹部６８は、第１位相θ１で第１ロータ連通溝８０を通じてステータ凹部６４と流体的に連絡される。こうして、第１位相θ１で吸気バルブＶ１が開き吸気工程Ａ１が始まる。第１位相θ１以降、所定の微小開度Ｓ１で吸気バルブＶ１が開く。

上述のように、第１始端８０ａから第１終端８０ｂへの角度Ｃ１は、第１位相θ１と第２位相θ２の位相差に相当する。よって、第１位相θ１と第２位相θ２の位相差は、３度より大きく３０度より小さい。第１ロータ連通溝８０の溝長さがこの範囲にあれば、冷凍能力への顕著な低下は生じない。

第１ロータ連通溝８０の第１終端８０ｂは、第２位相θ２でステータ凹部前縁線７２ａを通過するようロータ平面５２上に位置する。第２位相θ２は第１位相θ１に後続する。第２位相θ２でロータ凹部前縁線７４ａがステータ凹部前縁線７２ａを通過する。第２位相θ２以降、吸気バルブＶ１の開度は大きくなり、最大開度Ｓ２に達する。図４および図５を参照して第２位相θ２と第３位相θ３の間の位相θａに例示されるように、吸気バルブＶ１が最大開度Ｓ２で開かれる。

第３位相θ３でロータ凹部後縁線７４ｂがステータ凹部後縁線７２ｂを通過してロータ凹部６８がステータ凹部６４から流体的に隔離される。こうして、第３位相θ３で吸気バルブＶ１が閉じ吸気工程Ａ１が終わる。吸気工程Ａ１の間、低圧ガス流出口７０はステータ凹部６４から流体的に隔離されている。

図４および図５を参照して第３位相θ３と第４位相θ４の間の位相θｂに例示されるように、吸気工程Ａ１と排気工程Ａ２との間は吸気バルブＶ１および排気バルブＶ２がともに閉じている。

第２ロータ連通溝８２の第２始端８２ａは、第４位相θ４でステータ凹部前縁線７２ａを通過するようロータ平面５２上に位置する。低圧ガス流出口７０は、第４位相θ４で第２ロータ連通溝８２を通じてステータ凹部６４と流体的に連絡される。こうして、第４位相θ４で排気バルブＶ２が開き排気工程Ａ２が始まる。第４位相θ４以降、所定の微小開度Ｓ３で排気バルブＶ２が開く。開度Ｓ３は開度Ｓ１と等しい。

上述のように、第２始端８２ａから第２終端８２ｂへの角度Ｃ２は、第４位相θ４と第５位相θ５の位相差に相当する。よって、第４位相θ４と第５位相θ５の位相差は、３度より大きく３０度より小さい。

第２ロータ連通溝８２の第２終端８２ｂは、第５位相θ５でステータ凹部前縁線７２ａを通過するようロータ平面５２上に位置する。第５位相θ５は第４位相θ４に後続する。第５位相θ５で流出口前縁線７６ａがステータ凹部前縁線７２ａを通過する。第５位相θ５以降、排気バルブＶ２の開度は大きくなり、最大開度Ｓ４に達する。図４および図５を参照して第５位相θ５と第６位相θ６の間の位相θｃに例示されるように、排気バルブＶ２が最大開度Ｓ４で開かれる。図示の例では、排気バルブＶ２が最大開度Ｓ４が吸気バルブＶ１の最大開度Ｓ２より大きい。

第６位相θ６で流出口後縁線７６ｂがステータ凹部後縁線７２ｂを通過して低圧ガス流出口７０がステータ凹部６４から流体的に隔離される。こうして、第６位相θ６で排気バルブＶ２が閉じ排気工程Ａ２が終わる。排気工程Ａ２の間、ロータ凹部６８はステータ凹部６４から流体的に隔離されている。第６位相θ６と第１位相θ１との間は吸気バルブＶ１および排気バルブＶ２がともに閉じている。

このようにして、ロータ凹部６８は、バルブ回転の第２位相θ２でロータ凹部６８がステータ凹部６４と第１開度で流体的に連絡されかつ第２位相θ２に後続するバルブ回転の第３位相θ３でロータ凹部６８がステータ凹部６４から流体的に隔離されるようバルブロータ３４ａに形成されている。第１ロータ連通溝８０は、第６位相θ６に後続し第２位相θ２に先行するバルブ回転の第１位相θ１でロータ凹部６８がステータ凹部６４と第１開度より小さい開度で流体的に連絡されるようバルブロータ３４ａに形成されている。

また、低圧ガス流出口７０は、バルブ回転の第５位相θ５で低圧ガス流出口７０がステータ凹部６４と第２開度で流体的に連絡されかつ第５位相θ５に後続するバルブ回転の第６位相θ６で低圧ガス流出口７０がステータ凹部６４から流体的に隔離されるようバルブロータ３４ａに形成されている。第２ロータ連通溝８２は、第３位相θ３に後続し第５位相θ５に先行するバルブ回転の第４位相θ４で低圧ガス流出口７０がステータ凹部６４と第２開度より小さい開度で流体的に連絡されるようバルブロータ３４ａに形成されている。

第１位相θ１においてディスプレーサ２４は下死点またはその近傍に位置する。バルブ部３４は、圧縮機１２の吐出口１２ａをガス膨張室４０に接続するよう切り替わる。極低温冷凍機１０の吸気工程Ａ１が開始される。バルブ部３４においては、高圧ガス流入口６２からロータ凹部６８を通じてステータ凹部６４へと高圧ガスが流れる。高圧ガスは、バルブ部３４からハウジングガス流路３６、上部ガス室３７、ディスプレーサ上蓋ガス流路３８を通じて蓄冷器高温部１６ａに入る。ガスは蓄冷器１６を通過しながら冷却され、蓄冷器低温部１６ｂからディスプレーサ下蓋ガス流路３９を通じて最終的にガス膨張室４０に入る。ガスがガス膨張室４０に流入する間、ディスプレーサ２４はシリンダ２８の上死点に向けて移動する。それによりガス膨張室４０の容積が増加される。こうしてガス膨張室４０は高圧ガスで満たされる。

第４位相θ４においてディスプレーサ２４は上死点またはその近傍に位置する。バルブ部３４は、圧縮機１２の吸入口１２ｂをガス膨張室４０に接続するよう切り替わる。排気工程Ａ２が開始される。高圧ガスはガス膨張室４０で膨張し冷却される。膨張したガスは、ガス膨張室４０からディスプレーサ下蓋ガス流路３９を通じて蓄冷器１６に入る。ガスは蓄冷器１６を通過しながら冷却する。ガスは、蓄冷器１６からハウジングガス流路３６、バルブ部３４、低圧ガス室４２を経て圧縮機１２に戻る。バルブ部３４においては、ガス膨張室４０からの低圧戻りガスがステータ凹部６４から低圧ガス流出口７０を通じて低圧ガス室４２へと流れる。ガスがガス膨張室４０から流出する間、ディスプレーサ２４はシリンダ２８の下死点に向けて移動する。それによりガス膨張室４０の容積が減少され、ガス膨張室４０から低圧ガスが排出される。排気工程Ａ２が終了すると再び吸気工程Ａ１が開始される。

以上が極低温冷凍機１０における１回の冷却サイクルである。極低温冷凍機１０は冷却サイクルを繰り返すことで、冷却ステージ３２を所望の温度に冷却する。よって、極低温冷凍機１０は、冷却ステージ３２に熱的に結合された物体を極低温に冷却することができる。

図６は、ある典型的なＧＭ冷凍機の一周期にわたる差圧変動測定結果の例である。上部ガス室とガス膨張室との測定差圧が示されている。差圧のピークが吸気工程Ａ１の開始直後と排気工程Ａ２の開始直後の二度あることがわかる。いずれのピークもロータリバルブが開かれる時に生じる。

本実施形態によると、ロータ凹部６８には第１ロータ連通溝８０が設けられ、低圧ガス流出口７０には第２ロータ連通溝８２が設けられている。バルブ回転方向に先行する細溝がバルブ穴に付加されている。吸気バルブＶ１および排気バルブＶ２が徐々に開かれるので、シリンダ２８内の圧力急変が抑制され、差圧ピークは低減される。差圧ピークはディスプレーサ２４を駆動するモータ４８ａに作用する負荷トルク最大値を決めるから、負荷トルク最大値も低減される。負荷トルク最大値は、採用するモータ４８ａの能力およびサイズの設計に大きく影響する。よって、より小型のモータ４８ａを採用することができる。第１ロータ連通溝８０および第２ロータ連通溝８２は、モータ４８ａの大型化の防止に役立つ。

図６によると、吸気工程Ａ１の差圧ピークのほうが排気工程Ａ２の差圧ピークより大きい。したがって、少なくとも吸気バルブＶ１（つまりロータ凹部６８）に連通溝を設けることが望ましい。ただし、必要に応じて、排気バルブＶ２（つまり低圧ガス流出口７０）のみに連通溝が設けられてもよい。

図７は、他の実施形態に係るバルブロータ３４ａを概略的に示す平面図である。図示されるように、第１ロータ連通溝８０および第２ロータ連通溝８２は、直線状であってもよい。

図８（ａ）および図８（ｂ）はそれぞれ、他の実施形態に係るバルブロータ１３４ａおよびバルブステータ１３４ｂを概略的に示す平面図である。図示されるように、バルブ回転方向に先行する細溝がバルブステータ１３４ｂに設けられていてもよい。バルブロータ１３４ａはそうした細溝を有しない。

バルブステータ１３４ｂは、ステータ平面５０に開口しステータ凹部６４へと延びるステータ連通路８４を有する。ステータ連通路８４は、ステータ平面５０上に形成され、ステータ凹部６４に比べて細長い溝である。ステータ連通路８４は、図８（ｂ）に一点鎖線で示されるステータ凹部６４の中心半径（すなわち、ステータ凹部内縁線７２ｃとステータ凹部外縁線７２ｄの平均半径）に沿って円弧状に延びている。ステータ平面５０からのステータ連通路８４の深さは、ステータ凹部６４の深さより小さい。

ステータ連通路８４は、ステータ平面５０に開口する第３始端８４ａと、ステータ凹部６４に連通する第３終端８４ｂと、を有する。第３終端８４ｂは、ステータ凹部前縁線７２ａ上にある。ステータ連通路８４は、第３始端８４ａから第３終端８４ｂへと延びている。第３始端８４ａから第３終端８４ｂへの角度Ｃ３は、３度より大きく３０度より小さい。

ステータ連通路８４は、第２位相θ２に先行するバルブ回転の第１位相θ１でロータ凹部６８がステータ凹部６４と第１開度より小さい開度で流体的に連絡されるようバルブステータ１３４ｂに形成されている。また、ステータ連通路８４は、第５位相θ５に先行するバルブ回転の第４位相θ４で低圧ガス流出口７０がステータ凹部６４と第２開度より小さい開度で流体的に連絡されるようバルブステータ１３４ｂに形成されている。

このようにしてバルブステータ１３４ｂに連通路を設けても、図２から図５を参照して述べた実施形態と同様に、モータ４８ａに作用する負荷トルク最大値を低減することができる。

図９は、他の実施形態に係るバルブステータ１３４ｂを概略的に示す平面図である。図示されるように、ステータ連通路８４は、直線状であってもよい。

（第２実施形態）
図１０は、第２実施形態に係る極低温冷凍機１０の全体構成を概略的に示す図である。第２実施形態に係る極低温冷凍機１０は、モータ４８ａが逆転可能モータである点で、第１実施形態に係る極低温冷凍機１０と異なる。その他の特徴は同様であり、第２実施形態に係る極低温冷凍機１０は、図２から図５を参照して説明したバルブ部３４を備える。よって、バルブロータ３４ａには、第１ロータ連通溝８０および第２ロータ連通溝８２が設けられている。

モータ４８ａは、バルブロータ３４ａを、図２および図５に示されるバルブ回転方向Ｒ（以下、第２方向ともいう）だけではなく、これと反対方向（以下、第１方向ともいう）にも回転させることができる。モータ４８ａは、第１方向の回転により、バルブ回転軸Ｙまわりにバルブロータ３４ａを第１方向に回転させる。また、モータ４８ａは、第１方向とは反対の第２方向に回転可能である。モータ４８ａは、第２方向の回転により、バルブ回転軸Ｙまわりにバルブロータ３４ａを第２方向に回転させる。モータ４８ａは、一定の速度で第１方向にバルブロータ３４ａを回転させ、これと同じ一定の速度で第２方向にバルブロータ３４ａを回転させることができる。モータ４８ａは、第１速度で第１方向にバルブロータ３４ａを回転させ、第１速度と異なる第２速度で第２方向にバルブロータ３４ａを回転させるように構成されていてもよい。第２速度は第１速度より速くてもよい。

極低温冷凍機１０は、モータ４８ａの回転方向を制御するモータ制御部８６を備えてもよい。モータ制御部８６は、使用者による入力に従ってモータ４８ａの回転方向を切り替えるよう構成されていてもよい。例えば、モータ制御部８６は、使用者が操作するスイッチを備えてもよい。このスイッチの操作によりモータ４８ａの回転方向が反転する（第１方向から第２方向、または第２方向から第１方向に切り替わる）。モータ制御部８６は、モータ４８ａの回転速度を制御するように構成されていてもよい。例えば、モータ制御部８６は、第１速度で第１方向にモータ４８ａを回転させ、第１速度と異なる第２速度で第２方向にモータ４８ａを回転させるようにモータ４８ａを制御してもよい。モータ制御部８６は、モータ４８ａの回転速度を制御するインバータを備えてもよい。

図１１および図１２は、第２実施形態に係る極低温冷凍機１０の例示的なバルブタイミングを概略的に示す図である。図１１には、バルブロータ３４ａが第１方向に回転するときの吸気バルブＶ１および排気バルブＶ２の開度の変化が示されている。図１２には、バルブロータ３４ａが第２方向に回転するときの吸気バルブＶ１および排気バルブＶ２の開度の変化が示されている。よって、図１２のバルブタイミングと極低温冷凍機１０の動作は、図４および図５を参照して上述したものと同様である。ただし、図１１および図１２では、図４とは逆に、ディスプレーサ２４が上死点に位置するタイミングを０度と定め、ディスプレーサ２４が下死点に位置するタイミングを１８０度と定めている。図１１のバルブタイミングは、図１２のバルブタイミングに対して逆転されている。また、図１１および図１２にはガス膨張室４０での圧力変化も図示されている。

図１１に示されるバルブタイミングにおいては、ディスプレーサ２４が下死点（位相１８０度）およびその近傍にあるとき吸気バルブＶ１が開き、ガス膨張室４０は昇圧される（すなわち吸気工程Ａ１が行われる）。ディスプレーサ２４が上死点（位相０度）およびその近傍にあるとき排気バルブＶ２が開き、ガス膨張室４０は減圧される（すなわち排気工程Ａ２が行われる）。こうしたバルブタイミングにより、バルブロータ３４ａが第１方向に回転するときガス膨張室４０において冷却サイクルが形成され、極低温冷凍機１０は、冷却ステージ３２を所望の温度に冷却することができる。

より具体的には、吸気バルブＶ１は位相θＡで開き、位相θＢで閉じる。位相θＡは１８０度（すなわち下死点）より前であり、位相θＢは１８０度より後である。排気バルブＶ２は位相θＣで開き、位相θＤで閉じる。位相θＣは０度（すなわち上死点）より前であり、位相θＤは０度より後である。図１１のバルブタイミングにおいてバルブ部３４は図５に示されるバルブ部３４とは逆方向に回転しているから、図１１の位相θＡ、θＢ、θＣ、θＤでのバルブロータ３４ａとバルブステータ３４ｂの相対位置はそれぞれ、図５の位相θ３、θ１、θ６、θ４に示されている。

図から理解されるように、吸気バルブＶ１が開くとき（図１１のθＡ、すなわち図５のθ３）、ロータ凹部後縁線７４ｂがステータ凹部前縁線７２ａを通過して、ロータ凹部６８がステータ凹部６４と接続される。第１ロータ連通溝８０は第１方向におけるロータ凹部６８の後端に位置するから、吸気バルブＶ１のバルブ開き速度に関与しない。

続いて、排気バルブＶ２が開くとき（図１１のθＣ、すなわち図５のθ６）、流出口外縁線７６ｄがステータ凹部後縁線７２ｂを通過して、低圧ガス流出口７０がステータ凹部６４と接続される。第２ロータ連通溝８２は第１方向における低圧ガス流出口７０の後端に位置するから、排気バルブＶ２のバルブ開き速度に関与しない。

本書において用語「バルブ開き速度」は、バルブ部３４（すなわち、吸気バルブＶ１または排気バルブＶ２）の開度がゼロから最大値まで増加するときの開度の平均変化率と定義しうる。図１１には、バルブロータ３４ａが第１方向に回転するときの吸気バルブＶ１の第１バルブ開き速度α１と排気バルブＶ２の第１バルブ開き速度β１が示されている。第１バルブ開き速度（α１、β１）は、比較的大きくなる。

図１２に示されるバルブタイミングにおいても、図１１と同様に、ディスプレーサ２４の下死点およびその近傍で吸気バルブＶ１が開いて吸気工程Ａ１が行われ、ディスプレーサ２４の上死点およびその近傍で排気バルブＶ２が開いて排気工程Ａ２が行われる。こうしたバルブタイミングにより、バルブロータ３４ａが第２方向に回転するときガス膨張室４０において冷却サイクルが形成され、極低温冷凍機１０は、冷却ステージ３２を所望の温度に冷却することができる。

吸気バルブＶ１は位相θＥで開き、位相θＦで閉じる。排気バルブＶ２は位相θＣで開き、位相θＤで閉じる。図１２のバルブタイミングにおいてバルブ部３４は図５に示されるバルブ部３４と同方向に回転しているから、図１１の位相θＥ、θＦ、θＧ、θＨでのバルブロータ３４ａとバルブステータ３４ｂの相対位置はそれぞれ、図５の位相θ１、θ３、θ４、θ６に示されている。

吸気バルブＶ１が開くとき（図１２のθＥ、すなわち図５のθ１）、第１ロータ連通溝８０の第１始端８０ａがステータ凹部前縁線７２ａを通過して、ロータ凹部６８が第１ロータ連通溝８０を通じてステータ凹部６４と接続される。排気バルブＶ２が開くとき（図１２のθＧ、すなわち図５のθ４）、第２ロータ連通溝８２の第２始端８２ａがステータ凹部前縁線７２ａを通過して、低圧ガス流出口７０が第２ロータ連通溝８２を通じてステータ凹部６４と接続される。

図１２には、バルブロータ３４ａが第２方向に回転するときの吸気バルブＶ１の第２バルブ開き速度α２と排気バルブＶ２の第２バルブ開き速度β２が示されている。第１ロータ連通溝８０および第２ロータ連通溝８２が設けられているので、第２バルブ開き速度（α２、β２）は、比較的小さくなる。吸気バルブＶ１の第２バルブ開き速度α２は、吸気バルブＶ１の第１バルブ開き速度α１より小さい。排気バルブＶ２の第２バルブ開き速度β２は、排気バルブＶ２の第１バルブ開き速度β１より小さい。

このようにして、バルブロータ３４ａは、モータ４８ａが第１方向に回転するときの第１バルブ開き速度（α１、β１）が、モータ４８ａが第２方向に回転するときの第２バルブ開き速度（α２、β２）と異なるように構成されている。

モータ４８ａは逆転可能モータであるから、作業者は、第１方向または第２方向いずれかの回転を選択して極低温冷凍機１０を運転することができる。第１方向の回転を極低温冷凍機１０の第１冷却運転モードと称し、第２方向の回転を極低温冷凍機１０の第２冷却運転モードと称することができる。第２実施形態に係る極低温冷凍機１０は、第１冷却運転モードと第２冷却運転モードとを状況に応じて切り替えることができる。

第１冷却運転モードは、第２冷却運転モードに比べて、ガス膨張室４０の圧力を素早く切り替えることを可能にする。冷却サイクルにおいて発生するＰＶ仕事がより大きくなるので、第１冷却運転モードは、極低温冷凍機１０の冷凍能力を高めるのに有利である。例えば、室温から極低温へと物体を急冷するときや物体への入熱量が大きいときなど、極低温冷凍機１０が高い冷凍能力を提供すべき状況では、第１方向の回転が選択され、極低温冷凍機１０は第１冷却運転モードで運転される。

第２冷却運転モードは、第１冷却運転モードに比べて、ガス膨張室４０の圧力急変を抑制する。バルブ部３４において吸気バルブＶ１（または排気バルブＶ２）が開くとき高圧側から低圧側へのガス流れが騒音を生じさせうる。圧力が急変すると騒音が大きくなりうる。そのため、第２冷却運転モードは、そうした騒音を低減するのに有利である。極低温冷凍機１０の作動音を低減することが望まれる状況では、第２方向の回転が選択され、極低温冷凍機１０は第２冷却運転モードで運転される。極低温冷凍機１０は静粛に運転されうる。

第２冷却運転モードにおいては、モータ４８ａの回転速度（すなわちバルブ部３４の回転速度）が、第１冷却運転モードに比べて大きくてもよい。第２冷却運転モードにおける冷凍能力を高めることができる。

このようにして、第２実施形態に係る極低温冷凍機１０は、第１冷却運転モードと第２冷却運転モードとを状況に応じて切り替えることができる。

なお、第２実施形態においては、バルブロータ３４ａに第１ロータ連通溝８０および第２ロータ連通溝８２が設けられている場合に言及したが、他の構成も可能である。図８（ａ）および図８（ｂ）に示されるように、バルブステータ１３４ｂが、ステータ連通路８４を有してもよい。バルブロータ１３４ａが第１ロータ連通溝８０および第２ロータ連通溝８２を有しない。このようにして、バルブステータ１３４ｂは、モータ４８ａが第１方向に回転するときの第１バルブ開き速度が、モータ４８ａが第２方向に回転するときの第２バルブ開き速度と異なるように構成されていてもよい。

上述の実施形態では、モータ４８ａの回転とバルブ部３４の回転との位相差が第１冷却運転モードと第２冷却運転モードで同じである。しかしながら、第１冷却運転モード及び／または第２冷却運転モードの冷凍能力を調整する（例えば、最適化する）ために、極低温冷凍機１０は、モータ４８ａの回転とバルブ部３４の回転との位相差Δθが第１冷却運転モードと第２冷却運転モードとで変更されるように構成されてもよい。

図１３は、第２実施形態に係る極低温冷凍機１０に使用されうる第２運転モードのバルブタイミングの別の例を概略的に示す図である。図１３においては、比較のために、図１２に示される第２冷却運転モードのバルブタイミングおよび圧力変化を破線で示す。図１３のバルブタイミングは、図１２のバルブタイミングに対して位相差Δθを有する。位相差Δθは、第１冷却運転モードと第２冷却運転モードの両方において冷却サイクルを形成するために、９０度以内であってもよい。図１３のバルブタイミングによるガス膨張室４０での圧力変化は実線で図示されている。

図１４は、第２実施形態に係る極低温冷凍機１０に使用されうるバルブ部３４を概略的に示す分解斜視図である。図１４に示されるバルブ部３４は、モータ４８ａの回転とバルブ部３４の回転との位相差を第１冷却運転モードと第２冷却運転モードとで変更することを可能にする。例えば、バルブ部３４は、第１冷却運転モードにおいて図１１のバルブタイミングで運転され、第２冷却運転モードにおいて図１３のバルブタイミングで運転されることができる。

バルブロータ端面５８には、クランクピン４９と係合する円弧状の係合溝８８が形成されている。係合溝８８は、バルブ回転軸Ｙを中心とする。係合溝８８の中心角が上述の位相差Δθに相当する。モータ４８ａが第１方向に回転しているとき、クランクピン４９は、係合溝８８の一端に係合している。それにより、バルブロータ３４ａはモータ４８ａの回転により第１方向に回転する。モータ４８ａの回転が第１方向から第２方向に切り替わるとき、クランクピン４９は、係合溝８８の一端から他端へと移動する。クランクピン４９が移動する間、バルブロータ３４ａは回転せず静止している。クランクピン４９が係合溝８８の他端に達すると、クランクピン４９が係合溝８８と係合し、バルブロータ３４ａの第２方向の回転が開始される。こうして、モータ４８ａの回転方向が変更されるとき、モータ４８ａの回転とバルブ部３４の回転との位相差が変更される。上述のようにモータ４８ａの回転によりディスプレーサ２４が往復動するので、ディスプレーサ２４の往復動とバルブ部３４の回転との位相差が変更される。

以上、本発明を実施例にもとづいて説明した。本発明は上記実施形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。

連通路の形状は種々可能である。連通路の終端は凹部の前縁線上に限られず、凹部輪郭の他の位置にあってもよい。連通路の始端は、先行してバルブを開く任意の位置にあってもよい。連通路は、円弧状または直線状の形状に限られず、曲線状または折れ線状その他の形状であってもよい。

連通路は、ロータ平面（またはステータ平面）に沿っていなくてもよい。バルブロータまたはバルブステータの内部を通ってもよい。連通路の始端が平面上にあり、終端が平面外にあってもよい。

ある実施形態においては、ロータ連通路とステータ連通路の両方がバルブ部に設けられてもよい。第１位相でロータ連通路とステータ連通路とが連絡されてもよい。

ある実施形態においては、第２ステータ凹部としての高圧ガス流入口６２に第２ステータ連通路が設けられてもよい。

また、バルブ部における流路構成も種々可能である。上述の実施形態においては、ロータ凹部６８がバルブロータ３４ａを貫通せずバルブロータ３４ａ内に底面を有する。しかし、これに代えて、ロータ凹部は、バルブロータを貫通する貫通穴であってもよい。同様に、ステータ凹部は、バルブステータを貫通する貫通穴であってもよい。高圧ガス流入口は、バルブステータを貫通せずバルブステータ内に底面を有してもよい。低圧ガス流出口は、バルブロータを貫通せずバルブロータ内に底面を有してもよい。高圧ガス流入口がバルブロータに形成されてもよい。低圧ガス流出口がバルブステータに形成されてもよい。

上記においては、単段式のＧＭ冷凍機に言及して実施の形態を説明した。本発明はこれに限られず、実施の形態に係るバルブ構成は、二段式または多段式のＧＭ冷凍機、または、パルス管冷凍機などその他の極低温冷凍機に適用可能である。

１０ 極低温冷凍機、 １２ 圧縮機、 １２ａ 吐出口、 １２ｂ 吸入口、 １４ 膨張機、 ２４ ディスプレーサ、 ３４ａ バルブロータ、 ３４ｂ バルブステータ、 ４０ ガス膨張室、 ４２ 低圧ガス室、 ４８ａ モータ、 ５０ ステータ平面、 ５２ ロータ平面、 ６２ 高圧ガス流入口、 ６４ ステータ凹部、 ６６ 連通路、 ６８ ロータ凹部、 ７０ 低圧ガス流出口、 ７２ ステータ凹部輪郭、 Ｙ バルブ回転軸、 ８０ａ 第１始端、 ８４ ステータ連通路。

Claims (4)

1. 極低温冷凍機であって、
   逆転可能モータと、
   前記逆転可能モータの駆動により往復動するよう前記逆転可能モータに連結されているディスプレーサと、
   前記ディスプレーサを収容し、前記ディスプレーサとの間にガス膨張室を形成する膨張機気密容器と、
   バルブステータとバルブロータとを備え、前記バルブステータに対する前記バルブロータの回転により前記ガス膨張室を圧縮機吐出口及び圧縮機吸入口に交互に接続するロータリーバルブ機構と、を備え、
   前記逆転可能モータは、前記バルブロータを前記バルブステータに対し回転させるように前記バルブロータに連結され、
   前記極低温冷凍機は、前記逆転可能モータが第１方向に回転するとき第１冷却運転モードで運転され、前記逆転可能モータが前記第１方向とは反対の第２方向に回転するとき第２冷却運転モードで運転され、
   前記逆転可能モータが前記第２方向に回転するときの第２バルブ開き速度が、前記逆転可能モータが前記第１方向に回転するときの第１バルブ開き速度より小さいことを特徴とする極低温冷凍機。
2. 前記極低温冷凍機は、前記逆転可能モータの回転と前記ロータリーバルブ機構の回転との位相差が前記第１冷却運転モードと前記第２冷却運転モードとで変更されるように構成されており、
   前記位相差は、９０度以内であることを特徴とする請求項１に記載の極低温冷凍機。
3. 前記膨張機気密容器は、前記圧縮機吸入口に連通される低圧ガス室を備え、
   前記バルブステータは、バルブ回転軸に垂直なステータ平面と、前記ステータ平面に開口し前記圧縮機吐出口に連通される高圧ガス流入口と、前記ステータ平面に開口し前記ガス膨張室に連通されるステータ凹部と、を備え、前記低圧ガス室に配設され、
   前記バルブロータは、前記バルブ回転軸に垂直であり前記ステータ平面に面接触するロータ平面と、前記ロータ平面に開口し前記高圧ガス流入口に連通されるロータ凹部と、前記ロータ平面に開口し前記ロータ凹部へと延びる第１ロータ連通路と、を備え、前記バルブステータに対し前記バルブ回転軸まわりに回転するよう前記低圧ガス室に配設され、
   前記ロータ凹部は、前記逆転可能モータが前記第２方向に回転するとき、バルブ回転の第２位相で前記ロータ凹部が前記ステータ凹部と第１開度で流体的に連絡されかつ前記第２位相に後続するバルブ回転の第３位相で前記ロータ凹部が前記ステータ凹部から流体的に隔離されるよう前記バルブロータに形成され、
   前記第１ロータ連通路は、前記逆転可能モータが前記第２方向に回転するとき、前記第２位相に先行するバルブ回転の第１位相で前記ロータ凹部が前記ステータ凹部と前記第１開度より小さい開度で流体的に連絡されるよう前記バルブロータに形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の極低温冷凍機。
4. 前記バルブロータは、前記ロータ平面に開口し前記低圧ガス室に連通される低圧ガス流出口と、前記ロータ平面に開口し前記低圧ガス流出口へと延びる第２ロータ連通路と、を備え、
   前記低圧ガス流出口は、前記逆転可能モータが前記第２方向に回転するとき、バルブ回転の第５位相で前記低圧ガス流出口が前記ステータ凹部と第２開度で流体的に連絡されかつ前記第５位相に後続するバルブ回転の第６位相で前記低圧ガス流出口が前記ステータ凹部から流体的に隔離されるよう前記バルブロータに形成され、
   前記第２ロータ連通路は、前記逆転可能モータが前記第２方向に回転するとき、前記第３位相に後続し前記第５位相に先行するバルブ回転の第４位相で前記低圧ガス流出口が前記ステータ凹部と前記第２開度より小さい開度で流体的に連絡されるよう前記バルブロータに形成されていることを特徴とする請求項３に記載の極低温冷凍機。

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