JP7277166B2 - ディスプレーサ組立体および極低温冷凍機 - Google Patents

Description

本発明は、ディスプレーサ組立体および極低温冷凍機に関する。

極低温冷凍機には、たとえばギフォード・マクマホン（Gifford-McMahon；ＧＭ）冷凍機のように、作動ガスの膨張空間の容積を周期的に変化させるために往復動するディスプレーサを有するものがある。膨張空間の周期的な容積変動と適切に同期して膨張空間の圧力を変動させることにより、極低温冷凍機に冷凍サイクルが構成される。

特開２０１５－１４０９９１号公報

ディスプレーサを有する極低温冷凍機は、全体的な形状が軸方向に長くなりがちである。なぜなら、ディスプレーサは軸方向に細長く延びた形状をもち、軸方向に往復動するからである。二段式など多段式の極低温冷凍機であれば二つのディスプレーサが軸方向に連結されているので、極低温冷凍機の全長はさらに長くなる。

通例、二つのディスプレーサは、剛に連結されるわけではなく、ユニバーサルジョイントのように一方のディスプレーサが他方のディスプレーサに対してある程度の角度範囲で傾斜できるように連結される。ディスプレーサ連結部は、典型的に、円柱状の接続ロッドと二本のピンから成る。一本のピンで一つのディスプレーサの下端と接続ロッドの上端が互いに回動可能に連結され、もう一方のピンで接続ロッドの下端と他のディスプレーサの上端が互いに回動可能に連結され、これら二本のピンはそれぞれ軸方向（たとえばｚ方向）に垂直な第１方向（たとえばｘ方向）および第２方向（たとえばｙ方向）に沿って延びている。接続ロッドは、軸方向に延びた形状をもつ。よって、このようなディスプレーサ連結部は、極低温冷凍機の全長の増加をもたらしうる。

ディスプレーサ自体の長さを短くすれば、極低温冷凍機の全長は短くなる。しかしながら、多くの場合、ディスプレーサには蓄冷材が内蔵されることから、ディスプレーサの短縮は蓄冷材の量を減らすことを意味する。蓄冷材の減少は、極低温冷凍機の性能低下を招きうるから、望ましくない。

全長を短くする他の方策として、二つのディスプレーサを一本のピンのみで連結することも提案されている。しかし、この連結構造では、ユニバーサルジョイント型の連結に比べて、二つのディスプレーサ間の角度および傾斜方向の調整可能な範囲は制限されうる。これにより、使用される現場での極低温冷凍機の設置姿勢によっては、極低温冷凍機の性能に影響が生じうる。

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、多段式の極低温冷凍機について性能低下を抑えつつ全長を短くすることにある。

本発明のある態様によると、ディスプレーサ組立体は、第１ディスプレーサ下蓋部を備え、ディスプレーサ中心軸に沿って延在する第１ディスプレーサと、第２ディスプレーサ上蓋部を備え、第２ディスプレーサ上蓋部がディスプレーサ中心軸に沿って第１ディスプレーサ下蓋部と隣接するように配置された第２ディスプレーサと、第１コネクタピンおよび第２コネクタピンを備え、第２ディスプレーサが第１ディスプレーサに対して前後左右に傾斜可能となるように第２ディスプレーサ上蓋部を第１ディスプレーサ下蓋部に連結する十字状コネクタと、を備える。第１ディスプレーサ下蓋部は、第２ディスプレーサ上蓋部を受け入れる第１凹部と、ディスプレーサ中心軸を挟んで第１凹部の両側で第１ディスプレーサ下蓋部を径方向に貫通する一対の第１ピン穴とを有し、第１コネクタピンがディスプレーサ中心軸と直交するように一対の第１ピン穴に挿通されている。第２ディスプレーサ上蓋部は、第１凹部内に位置する第２凹部と、ディスプレーサ中心軸を挟んで第２凹部の両側で第２ディスプレーサ上蓋部を径方向に貫通する一対の第２ピン穴とを有し、第２コネクタピンがディスプレーサ中心軸と直交するように一対の第２ピン穴に挿通されている。第２コネクタピンは、一対の第１ピン穴と直線的に並ぶように第２凹部内に位置する横穴を有し、第１コネクタピンは、第２コネクタピンと横穴で垂直に交差する。

本発明のある態様によると、極低温冷凍機は、上述のディスプレーサ組立体を備える。

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、多段式の極低温冷凍機について性能低下を抑えつつ全長を短くすることができる。

実施の形態に係る極低温冷凍機を概略的に示す図である。 実施の形態に係るディスプレーサ組立体を概略的に示す分解斜視図である。 図３（ａ）から図３（ｃ）は、実施の形態に係るディスプレーサ組立体の組立手順を示す概略図である。 実施の形態に係る十字状コネクタを示す概略斜視図である。 図５（ａ）は、実施の形態に係るディスプレーサ組立体の連結部のｘｚ面による概略断面図であり、図５（ｂ）は、実施の形態に係るディスプレーサ組立体の連結部のｙｚ面による概略断面図である。 比較例に係るディスプレーサ連結部を示す。 図７（ａ）および図７（ｂ）は、実施の形態に係るディスプレーサ組立体の他の一例を示す概略図である。

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、二段式のギフォード・マクマホン（Gifford-McMahon；ＧＭ）冷凍機である。

極低温冷凍機１０は、圧縮機１２と、膨張機１４とを備える。圧縮機１２は、極低温冷凍機１０の作動ガスを膨張機１４から回収し、回収した作動ガスを昇圧して、再び作動ガスを膨張機１４に供給するよう構成されている。作動ガスは、冷媒ガスとも称され、通例はヘリウムガスであるが、適切な他のガスが用いられてもよい。

膨張機１４は、シリンダ部１６と、ディスプレーサ組立体１８とを備える。シリンダ部１６は、第１シリンダ１６ａ、第２シリンダ１６ｂを有する。ディスプレーサ組立体１８は、第１ディスプレーサ２０、第２ディスプレーサ２２、十字状コネクタ２４を有する。

詳細は後述するが、十字状コネクタ２４は、第２ディスプレーサ２２が第１ディスプレーサ２０に対して前後左右に傾斜可能となるように第２ディスプレーサ上蓋部２２ａを第１ディスプレーサ下蓋部２０ｂに連結する。十字状コネクタ２４は、第１コネクタピン２４ａおよび第２コネクタピン２４ｂを備える。

本書では、極低温冷凍機１０の構成要素間の位置関係を説明するために、便宜上、ディスプレーサの軸方向往復動の上死点に近い側を「上」、下死点に近い側を「下」と表記することとする。上死点は膨張空間の容積が最大となるディスプレーサの位置であり、下死点は膨張空間の容積が最小となるディスプレーサの位置である。極低温冷凍機１０の運転時には軸方向上方から下方へと温度が下がる温度勾配が生じるので、上側を高温側、下側を低温側と呼ぶこともできる。

また、説明の便宜上、図１に示されるように、ディスプレーサ中心軸の方向をｚ方向、ディスプレーサ中心軸に垂直な平面と平行で互いに直交する二方向をｘ方向、ｙ方向と表記する場合がある。

第１ディスプレーサ２０は、第１シリンダ１６ａに収容され、第２ディスプレーサ２２は、第２シリンダ１６ｂに収容されている。第１ディスプレーサ２０は、第１シリンダ１６ａに沿ってｚ方向に往復移動可能であり、第２ディスプレーサ２２は、第２シリンダ１６ｂに沿ってｚ方向に往復移動可能である。第１ディスプレーサ２０と第２ディスプレーサ２２は十字状コネクタ２４によって互いに連結されているから、一体に移動する。

第１シリンダ１６ａと第２シリンダ１６ｂは、一例として、円筒形状を有する部材であり、第２シリンダ１６ｂが第１シリンダ１６ａよりも小径である。第１シリンダ１６ａと第２シリンダ１６ｂは同軸に配置され、第１シリンダ１６ａの下端が第２シリンダ１６ｂの上端に剛に連結されている。シリンダ部１６はディスプレーサ組立体１８を収容する気密容器となっている。

同様に、第１ディスプレーサ２０と第２ディスプレーサ２２は、一例として、円筒形状を有する部材であり、第２ディスプレーサ２２が第１ディスプレーサ２０よりも小径である。第１ディスプレーサ２０と第２ディスプレーサ２２は同軸に配置され、第１ディスプレーサ下蓋部２０ｂが第２ディスプレーサ上蓋部２２ａに十字状コネクタ２４を介して連結されている。

ディスプレーサ組立体１８は、第１ディスプレーサ２０の中心軸に対して第２ディスプレーサ２２の中心軸をいくらか傾斜させるように十字状コネクタ２４で折り曲げ可能である。ただし、図１に示されるように、ディスプレーサ組立体１８がシリンダ部１６に挿入されているときには、ディスプレーサ組立体１８とシリンダ部１６との間の径方向クリアランスが微小であるため、第１ディスプレーサ２０に対する第２ディスプレーサ２２の傾きはシリンダ部１６によって規制される。ディスプレーサ組立体１８がシリンダ部１６から取り出されている場合には、十字状コネクタ２４によって許容される角度範囲内で第２ディスプレーサ２２を第１ディスプレーサ２０に対してｘ方向およびｙ方向に自由に傾斜させることができる。

第１ディスプレーサ２０は、第１蓄冷器２６を収容する。第１蓄冷器２６は、第１ディスプレーサ２０の筒状の本体部の中に、例えば銅などの金網またはその他適宜の第１蓄冷材を充填することによって形成されている。第１ディスプレーサ上蓋部２０ａおよび第１ディスプレーサ下蓋部２０ｂは第１ディスプレーサ２０の本体部とは別の部材として提供されてもよく、第１ディスプレーサ上蓋部２０ａおよび第１ディスプレーサ下蓋部２０ｂは、締結、溶接など適宜の手段で本体に固定されてもよい。

同様に、第２ディスプレーサ２２は、第２蓄冷器２８を収容する。第２蓄冷器２８は、第２ディスプレーサ２２の筒状の本体部の中に、例えばビスマスなどの非磁性蓄冷材、ＨｏＣｕ_２などの磁性蓄冷材、またはその他適宜の第２蓄冷材を充填することによって形成されている。第２蓄冷材は粒状に成形されていてもよい。第２ディスプレーサ上蓋部２２ａおよび第２ディスプレーサ下蓋部２２ｂは第２ディスプレーサ２２の本体部とは別の部材として提供されてもよく、第２ディスプレーサ上蓋部２２ａおよび第２ディスプレーサ下蓋部２２ｂは、締結、溶接など適宜の手段で本体に固定されてもよい。

ディスプレーサ組立体１８は、室温室３０、第１膨張室３２、第２膨張室３４をシリンダ部１６の内部に形成する。室温室３０は、第１ディスプレーサ上蓋部２０ａと第１シリンダ１６ａの上部との間に形成される。第１膨張室３２は、第１ディスプレーサ下蓋部２０ｂと第１シリンダ１６ａの下部との間に形成される。第２膨張室３４は、第２ディスプレーサ下蓋部２２ｂと第２シリンダ１６ｂの下部との間に形成される。

極低温冷凍機１０によって冷却すべき所望の物体または媒体との熱交換のために、膨張機１４は、第１冷却ステージ３３と第２冷却ステージ３５を備える。第１冷却ステージ３３は、第１膨張室３２を取り囲むように第１シリンダ１６ａの下部に固着され、第２冷却ステージ３５は、第２膨張室３４を取り囲むように第２シリンダ１６ｂの下部に固着されている。

第１蓄冷器２６は、第１ディスプレーサ上蓋部２０ａに形成された作動ガス流路３６ａを通じて室温室３０に接続され、第１ディスプレーサ下蓋部２０ｂに形成された作動ガス流路３６ｂを通じて第１膨張室３２に接続されている。第２蓄冷器２８は、第１ディスプレーサ下蓋部２０ｂに形成された作動ガス流路３６ｃおよび第２ディスプレーサ上蓋部２２ａに形成された作動ガス流路３６ｄを通じて第１蓄冷器２６に接続されている。また、第２蓄冷器２８は、第２ディスプレーサ下蓋部２２ｂに形成された作動ガス流路３６ｅを通じて第２膨張室３４に接続されている。

第１膨張室３２、第２膨張室３４と室温室３０との間の作動ガス流れが、シリンダ部１６とディスプレーサ組立体１８との間のクリアランスではなく、第１蓄冷器２６、第２蓄冷器２８に導かれるようにするために、第１シール３８ａ、第２シール３８ｂが設けられていてもよい。第１シール３８ａは、第１ディスプレーサ２０と第１シリンダ１６ａとの間に配置されるように第１ディスプレーサ上蓋部２０ａに装着されてもよい。第２シール３８ｂは、第２ディスプレーサ２２と第２シリンダ１６ｂとの間に配置されるように第２ディスプレーサ上蓋部２２ａに装着されてもよい。

極低温冷凍機１０は、シリンダ部１６内の作動ガス圧力を制御するために、高圧バルブ４０ａと低圧バルブ４０ｂを備える。圧縮機１２の作動ガス吐出口が高圧バルブ４０ａを介して室温室３０に接続され、圧縮機１２の作動ガス吸入口が低圧バルブ４０ｂを介して室温室３０に接続されている。高圧バルブ４０ａと低圧バルブ４０ｂは、選択的かつ交互に開閉するように（すなわち、一方が開いているとき他方が閉じるように）構成されている。高圧（例えば２～３ＭＰａ）の作動ガスが圧縮機１２から高圧バルブ４０ａを通じて膨張機１４に供給され、低圧（例えば０．５～１．５ＭＰａ）の作動ガスが膨張機１４から低圧バルブ４０ｂを通じて圧縮機１２に回収される。理解のために、作動ガスの流れる方向を図１に矢印で示す。

また、極低温冷凍機１０は、ディスプレーサ組立体１８の往復動を駆動する駆動モータ４２を備える。駆動モータ４２は、たとえばスコッチヨーク機構などの運動変換機構４３を介してディスプレーサ駆動軸４４に連結されている。ディスプレーサ駆動軸４４は、運動変換機構４３から室温室３０の中へと延び、第１ディスプレーサ上蓋部２０ａに固定されている。駆動モータ４２が駆動されるとき、駆動モータ４２の回転出力は運動変換機構４３によってディスプレーサ駆動軸４４の軸方向往復動に変換され、ディスプレーサ組立体１８はシリンダ部１６内を軸方向に往復する。また、駆動モータ４２は、高圧バルブ４０ａと低圧バルブ４０ｂを選択的かつ交互に開閉するようにこれらバルブに連結されている。

極低温冷凍機１０は、圧縮機１２および駆動モータ４２が運転されるとき、第１膨張室３２および第２膨張室３４において周期的な容積変動とこれに同期した作動ガスの圧力変動を発生させ、それにより冷凍サイクルが構成され、第１冷却ステージ３３および第２冷却ステージ３５が所望の極低温に冷却される。第１冷却ステージ３３は、例えば約２０Ｋ～約４０Ｋの範囲にある第１冷却温度に冷却されることができる。第２冷却ステージ３５は、第１冷却温度より低い第２冷却温度（例えば、約１Ｋ～約４Ｋ）に冷却されることができる。

図２は、実施の形態に係るディスプレーサ組立体１８を概略的に示す分解斜視図である。図３（ａ）から図３（ｃ）は、実施の形態に係るディスプレーサ組立体１８の組立手順を示す概略図である。図４は、実施の形態に係る十字状コネクタ２４を示す概略斜視図である。図５（ａ）は、実施の形態に係るディスプレーサ組立体１８の連結部のｙｚ面による概略断面図であり、図５（ｂ）は、実施の形態に係るディスプレーサ組立体１８の連結部のｘｚ面による概略断面図である。

図１および図２に示されるように、第１ディスプレーサ２０は、ディスプレーサ中心軸（ｚ方向）に沿って延在し、第２ディスプレーサ２２は、第２ディスプレーサ上蓋部２２ａがディスプレーサ中心軸に沿って第１ディスプレーサ下蓋部２０ｂと隣接するように配置されている。

第１ディスプレーサ下蓋部２０ｂは、第２ディスプレーサ上蓋部２２ａを受け入れる第１凹部４６を有する。第１ディスプレーサ下蓋部２０ｂは、第１凹部４６を囲むように形成され、第１凹部４６は、第１ディスプレーサ下蓋部２０ｂの下端面４７に開口している。例えば、第１凹部４６は、円柱状の開口部であり、第１ディスプレーサ下蓋部２０ｂは、これを囲むように円筒形状を有する。

また、第１ディスプレーサ下蓋部２０ｂは、第１ディスプレーサ下蓋部２０ｂを径方向（ｘ方向）に貫通する一対の第１ピン穴４８を有する。第１ピン穴４８は、ディスプレーサ中心軸を挟んで第１凹部４６の両側に位置する。これら２つの第１ピン穴４８は、第１ディスプレーサ下蓋部２０ｂの側面から第１凹部４６へと延び、第１ディスプレーサ下蓋部２０ｂの直径に沿って直線状に並んでいる。

第２ディスプレーサ上蓋部２２ａは、第２ディスプレーサ上蓋部２２ａが第１凹部４６に挿入されたとき第１凹部４６内に位置する第２凹部５０を有する。第２ディスプレーサ上蓋部２２ａは、第２凹部５０を囲むように形成され、第２凹部５０は、第２ディスプレーサ上蓋部２２ａの上端面５１に開口している。例えば、第２凹部５０は、円柱状の開口部であり、第２ディスプレーサ上蓋部２２ａは、これを囲むように円筒形状を有する。

また、第２ディスプレーサ上蓋部２２ａは、第２ディスプレーサ上蓋部２２ａを径方向（ｙ方向）に貫通する一対の第２ピン穴５２を有する。第２ピン穴５２は、ディスプレーサ中心軸を挟んで第２凹部５０の両側に位置する。これら２つの第２ピン穴５２は、第２ディスプレーサ上蓋部２２ａの側面から第２凹部５０へと延び、第２ディスプレーサ上蓋部２２ａの直径に沿って直線状に並んでいる。

さらに、第２ディスプレーサ上蓋部２２ａは、第１コネクタピン２４ａを受け入れる一対のコネクタピン受入部５４を有する。なお図２では、図示の便宜上、片方のコネクタピン受入部５４が示されている。コネクタピン受入部５４は、ディスプレーサ中心軸を挟んで第２凹部５０の両側に位置し、第２ディスプレーサ上蓋部２２ａを径方向（ｘ方向）に貫通している。コネクタピン受入部５４は、例えば、Ｕ字状の溝またはノッチとして形成されている。しかし、コネクタピン受入部５４は、他の形状の溝であってもよいし、第２ピン穴５２のような穴であってもよい。これら２つのコネクタピン受入部５４は、第２ディスプレーサ上蓋部２２ａの側面から第２凹部５０へと延び、第２ディスプレーサ上蓋部２２ａの直径に沿って直線状に並んでいる。第２ディスプレーサ上蓋部２２ａが第１凹部４６に挿入されたとき、コネクタピン受入部５４と第１ピン穴４８は、第１ディスプレーサ下蓋部２０ｂの直径に沿って直線状に並ぶことになる。

ディスプレーサ組立体１８を組み立てる際には、まず、図２および図３（ａ）に示されるように、第２コネクタピン２４ｂが一対の第２ピン穴５２に（ｙ方向に）挿通される。第２コネクタピン２４ｂは、ディスプレーサ中心軸と直交するように第２ディスプレーサ上蓋部２２ａに配置される。第２コネクタピン２４ｂと第２ピン穴５２のはめ合いは、たとえば、すきまばめとされる。よって、第２コネクタピン２４ｂは、第２ピン穴５２に挿し込まれた状態で第２ディスプレーサ上蓋部２２ａに対して第２コネクタピン２４ｂの中心軸まわりに回転可能である。第２コネクタピン２４ｂは第２ピン穴５２に挿通されるだけであり、第２コネクタピン２４ｂは第２ディスプレーサ上蓋部２２ａに固定されてはいない。

第２コネクタピン２４ｂは、第２コネクタピン２４ｂが第２ピン穴５２に挿通されたとき第２凹部５０内に位置する横穴５６を有する。横穴５６は、第２コネクタピン２４ｂの中心軸の方向において中間部で第２コネクタピン２４ｂを貫通している。第２コネクタピン２４ｂを回転させることにより、横穴５６がコネクタピン受入部５４と直線的に並ぶように第２凹部５０内で位置を合わせることができる。

次に、図２および図３（ｂ）に示されるように、第２ディスプレーサ２２が第１ディスプレーサ下蓋部２０ｂの第１凹部４６に挿入される。第２ディスプレーサ上蓋部２２ａが第１凹部４６内に配置される。このとき、コネクタピン受入部５４および横穴５６が一対の第１ピン穴４８と直線的に並ぶように第１ディスプレーサ下蓋部２０ｂと第２ディスプレーサ下蓋部２２ｂの位置を合わせることができる。

そして、図２および図３（ｃ）に示されるように、第１コネクタピン２４ａが一対の第１ピン穴４８に（ｘ方向に）挿通される。第１ピン穴４８、コネクタピン受入部５４、および横穴５６が直線的に並んでいるから、第１コネクタピン２４ａは、ディスプレーサ中心軸と直交するように第１ディスプレーサ下蓋部２０ｂ、横穴５６に挿し通される。こうして、第１ディスプレーサ２０が第２ディスプレーサ２２と連結され、ディスプレーサ組立体１８は完成する。

第１コネクタピン２４ａと第１ピン穴４８とのはめ合いは、たとえば、すきまばめとされる。同様に、第１コネクタピン２４ａと第２コネクタピン２４ｂの横穴５６とのはめ合いは、たとえば、すきまばめとされる。よって、第１コネクタピン２４ａは、第１ピン穴４８および横穴５６に挿し込まれた状態で第１ディスプレーサ下蓋部２０ｂに対して第１コネクタピン２４ａの中心軸まわりに回転可能である。第１コネクタピン２４ａは第１ピン穴４８、横穴５６に挿通されるだけであり、第１コネクタピン２４ａは第１ディスプレーサ下蓋部２０ｂ、第２コネクタピン２４ｂに固定されてはいない。また、このとき第１コネクタピン２４ａはコネクタピン受入部５４と接触していない。第１コネクタピン２４ａとコネクタピン受入部５４との間には、第１コネクタピン２４ａと第１ピン穴４８（または横穴５６）とのはめ合い公差よりも大きい隙間がある。

図４には、第１コネクタピン２４ａが第２コネクタピン２４ｂの横穴５６に挿し通された状態が示されている。第１コネクタピン２４ａは、第２コネクタピン２４ｂと横穴５６で垂直に交差する。図示されるように、第１コネクタピン２４ａの中心軸５８ａと第２コネクタピン２４ｂの中心軸５８ｂは、ディスプレーサ中心軸６０に垂直なひとつの平面上で直交する。十字状コネクタ２４はこの状態でディスプレーサ組立体１８に組み込まれている。

十字状コネクタ２４は、２つの部品、すなわち第１コネクタピン２４ａと第２コネクタピン２４ｂのみからなる。第１コネクタピン２４ａと第２コネクタピン２４ｂは、ともに円柱形状を有する。第２コネクタピン２４ｂは、第１コネクタピン２４ａより太く、短い。つまり、第２コネクタピン２４ｂの直径Ｄ２は、第１コネクタピン２４ａの直径Ｄ１より大きく、第２コネクタピン２４ｂの長さＬ２は、第１コネクタピン２４ａの長さＬ１より小さい。第２コネクタピン２４ｂが第１コネクタピン２４ａより太いので、第２コネクタピン２４ｂには横穴５６を形成することができる。

図５（ａ）に示されるように、第１ディスプレーサ下蓋部２０ｂの内径（すなわち第１凹部４６の直径）Ｅ１は、第２ディスプレーサ上蓋部２２ａの外径Ｅ２より若干大きく、それにより、第１ディスプレーサ下蓋部２０ｂの内径と第２ディスプレーサ上蓋部２２ａの外径との間に径方向隙間６２が形成される。軸方向についても、第１ディスプレーサ下蓋部２０ｂと第２ディスプレーサ上蓋部２２ａとの間には軸方向隙間６４が形成される。径方向隙間６２および軸方向隙間６４はそれぞれ、例えば数ｍｍ（例えば、約１～２ｍｍ）の隙間である。

上述のように、第１コネクタピン２４ａは第２コネクタピン２４ｂの横穴５６に挿し通され、第２コネクタピン２４ｂは横穴５６にて第１コネクタピン２４ａまわりに回転可能である。したがって、第２ディスプレーサ２２は、径方向隙間６２および軸方向隙間６４によって定められる角度範囲内で、第１ディスプレーサ２０に対して第２コネクタピン２４ｂとともに第１コネクタピン２４ａまわりに回転することができる（矢印６６）。

第２コネクタピン２４ｂの長さＬ２は、第１ディスプレーサ２０と干渉しないように定められている。第２コネクタピン２４ｂの長さＬ２は、第１ディスプレーサ下蓋部２０ｂの内径Ｅ１より短い。また、第２コネクタピン２４ｂの長さＬ２は、第２コネクタピン２４ｂが第２ピン穴５２から外に突き出さないように定められている。第２コネクタピン２４ｂの長さＬ２は、第２ディスプレーサ上蓋部２２ａの外径Ｅ２より短い。第２コネクタピン２４ｂの両端が第２ピン穴５２で支持されるために、第２コネクタピン２４ｂの長さＬ２は、第２ディスプレーサ上蓋部２２ａの内径（すなわち第２凹部５０の直径）Ｅ３より長くなっている。

図５（ｂ）に示されるように、コネクタピン受入部５４において第１コネクタピン２４ａと第２ディスプレーサ上蓋部２２ａとの間には、ピン受入隙間６８が形成される。ピン受入隙間６８は、径方向隙間６２および軸方向隙間６４と同程度の隙間であってもよい。上述のように、第２コネクタピン２４ｂは第２ピン穴５２に回転可能に挿し通されている。よって、第２ディスプレーサ２２は、径方向隙間６２、軸方向隙間６４、およびピン受入隙間６８によって定められる角度範囲内で、第１ディスプレーサ２０に対して第２コネクタピン２４ｂまわりに回転することができる（矢印７０）。

第１コネクタピン２４ａの長さＬ１は、第１コネクタピン２４ａが第１ピン穴４８から外に突き出さないように定められている。第１コネクタピン２４ａの長さＬ１は、第１ディスプレーサ下蓋部２０ｂの外径Ｅ４より短い。また、第１コネクタピン２４ａの両端が第１ピン穴４８で支持されるために、第１コネクタピン２４ａの長さＬ１は、第１ディスプレーサ下蓋部２０ｂの内径Ｅ１より長くなっている。

このようにして、第１ディスプレーサ２０と第２ディスプレーサ２２は、十字状コネクタ２４によって、第２ディスプレーサ２２が第１ディスプレーサ２０に対して前後左右に傾斜可能となるように連結されている。十字状コネクタ２４は、ユニバーサルジョイントのような連結部をディスプレーサ組立体１８に形成することができる。十字状コネクタ２４による第２ディスプレーサ２２の傾動により、ｘ方向およびｙ方向に第２ディスプレーサ下蓋部２２ｂを例えば±５ｍｍ程度の範囲で動かすことができる。

図６は、比較例に係るディスプレーサ連結部を示す。ディスプレーサ連結部７２は、３つの部品からなる。ディスプレーサ連結部７２は、円柱状の接続ロッド７２ａと二本のピンから成る。第１ピン７２ｂで一つのディスプレーサの下端と接続ロッド７２ａの上端が互いに回動可能に連結され、第２ピン７２ｃで接続ロッド７２ａの下端と他のディスプレーサの上端が互いに回動可能に連結される。第１ピン７２ｂと第２ピン７２ｃは異なる高さに位置し、それぞれ軸方向に垂直な第１方向および第２方向に沿って延びている。接続ロッド７２ａは、軸方向に細長く延びた形状をもつ。そのため、ディスプレーサ連結部７２は、軸方向高さＨを有する。

これに対して、図４に示されるように、十字状コネクタ２４においては、第１コネクタピン２４ａが第２コネクタピン２４ｂと横穴５６で垂直に交差する。好ましくは、第１コネクタピン２４ａの中心軸５８ａと第２コネクタピン２４ｂの中心軸５８ｂは、ディスプレーサ中心軸６０に垂直なひとつの平面上で直交する。

よって、十字状コネクタ２４の軸方向高さは第２コネクタピン２４ｂの直径Ｄ２に抑えられる。図６の比較例と比べると、十字状コネクタ２４の軸方向高さは、かなり小さくなる。したがって、実施の形態に係るディスプレーサ組立体１８は、比較例に比べて、軸方向長さを例えば数％短くすることができる。第１ディスプレーサ２０、第２ディスプレーサ２２それ自体の長さを短縮する必要はないので、蓄冷材の量を減らさなくて済む。よって、極低温冷凍機１０の冷凍性能の低下を抑えつつ全長を短くすることができる。

また、第２ディスプレーサ上蓋部２２ａがコネクタピン受入部５４を有することも、ディスプレーサ組立体１８の軸長を短くすることに役立っている。これにより、第１コネクタピン２４ａは、第２ディスプレーサ上蓋部２２ａの上端面５１より下方を通すことができ、連結部の軸方向高さが小さくなる。

実施の形態によれば、ディスプレーサ組立体１８の組立工程が比較的容易であるという利点もある。第２コネクタピン２４ｂを第２ディスプレーサ上蓋部２２ａに挿通したうえで、第１ディスプレーサ下蓋部２０ｂの第１ピン穴４８と横穴５６を直線状に並べ、これらの穴に第１コネクタピン２４ａが挿し通される。こうして、十字状コネクタ２４が形成されるとともに第１コネクタピン２４ａが第１ディスプレーサ下蓋部２０ｂに支持され、ディスプレーサ組立体１８が組み立てられる。仮に、２本のコネクタピンが一体形成された十字状の連結ピンを用いる場合を想定すると、ディスプレーサ組立体１８の組立はこれほど容易ではないだろう。

図７（ａ）および図７（ｂ）は、実施の形態に係るディスプレーサ組立体１８の他の一例を示す概略図である。図７（ａ）は、十字状コネクタ２４および第２ディスプレーサ上蓋部２２ａを上から見た図であり、図７（ｂ）は、十字状コネクタ２４および第２ディスプレーサ上蓋部２２ａの概略斜視図である。

第２ディスプレーサ上蓋部２２ａの第２凹部５０は作動ガスの流路となるが、実際に作動ガスが流れることができるのは第２ディスプレーサ上蓋部２２ａと十字状コネクタ２４に挟まれたエリア（図７（ａ）の斜線部）である。ところが、第１コネクタピン２４ａと第２コネクタピン２４ｂが第２凹部５０内で十字に交差するので、このエリアは狭くなりがちである。流れる作動ガスが減少すれば、極低温冷凍機１０の第２段の冷凍能力が低下しうる。

そこで、図７（ａ）および図７（ｂ）に示されるディスプレーサ組立体１８においては、第２ディスプレーサ上蓋部２２ａは、第１コネクタピン２４ａの中心軸５８ａおよび第２コネクタピン２４ｂの中心軸５８ｂよりも下側で第２ディスプレーサ上蓋部２２ａを径方向に貫通する冷媒ガス流入口７４を備える。

冷媒ガス流入口７４は、第２ディスプレーサ上蓋部２２ａにおいて第２ピン穴５２とコネクタピン受入部５４との間に形成されている。図示される例では、冷媒ガス流入口７４は、円形の穴である。しかし、冷媒ガス流入口７４は、コネクタピン受入部５４と同様に、例えばＵ字状の溝であってもよい。

冷媒ガス流入口７４が追加されることにより、第２凹部５０を通じて第２ディスプレーサ２２内に、より多くの作動ガスを導くことができる。したがって、極低温冷凍機１０の第２段の冷凍能力低下は抑制される。

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。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。

上述の実施の形態では、ディスプレーサ組立体１８は駆動モータ４２に機械的に連結され、駆動モータ４２によって駆動される。しかしながら、極低温冷凍機１０はこうしたモータ駆動型には限られない。極低温冷凍機１０は、ガス駆動型であってもよい。この場合、運動変換機構４３の代わりに、ディスプレーサ駆動軸４４には、ピストンが固定され、このピストンに作用する圧力が制御され、それによりディスプレーサ組立体１８の往復動が駆動される。

実施の形態にもとづき、具体的な語句を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用の一側面を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。

１０ 極低温冷凍機、 １８ ディスプレーサ組立体、 ２０ 第１ディスプレーサ、 ２０ｂ 第１ディスプレーサ下蓋部、 ２２ 第２ディスプレーサ、 ２２ａ 第２ディスプレーサ上蓋部、 ２４ 十字状コネクタ、 ２４ａ 第１コネクタピン、 ２４ｂ 第２コネクタピン、 ４６ 第１凹部、 ４８ 第１ピン穴、 ５０ 第２凹部、 ５２ 第２ピン穴、 ５４ コネクタピン受入部、 ５６ 横穴、 ６０ ディスプレーサ中心軸。

Claims (7)

1. 第１ディスプレーサ下蓋部を備え、ディスプレーサ中心軸に沿って延在する第１ディスプレーサと、
   第２ディスプレーサ上蓋部を備え、前記第２ディスプレーサ上蓋部が前記ディスプレーサ中心軸に沿って前記第１ディスプレーサ下蓋部と隣接するように配置された第２ディスプレーサと、
   第１コネクタピンおよび第２コネクタピンを備え、前記第２ディスプレーサが前記第１ディスプレーサに対して前後左右に傾斜可能となるように前記第２ディスプレーサ上蓋部を前記第１ディスプレーサ下蓋部に連結する十字状コネクタと、を備え、
   前記第１ディスプレーサ下蓋部は、前記第２ディスプレーサ上蓋部を受け入れる第１凹部と、前記ディスプレーサ中心軸を挟んで前記第１凹部の両側で前記第１ディスプレーサ下蓋部を径方向に貫通する一対の第１ピン穴とを有し、前記第１コネクタピンが前記ディスプレーサ中心軸と直交するように前記一対の第１ピン穴に挿通されており、
   前記第２ディスプレーサ上蓋部は、前記第１凹部内に位置する第２凹部と、前記ディスプレーサ中心軸を挟んで前記第２凹部の両側で前記第２ディスプレーサ上蓋部を径方向に貫通する一対の第２ピン穴とを有し、前記第２コネクタピンが前記ディスプレーサ中心軸と直交するように前記一対の第２ピン穴に挿通されており、
   前記第２コネクタピンは、前記一対の第１ピン穴と直線的に並ぶように前記第２凹部内に位置する横穴を有し、前記第２コネクタピンの長さは、前記第１ディスプレーサ下蓋部の内径より短く、前記第１コネクタピンは、前記第２コネクタピンと前記横穴で垂直に交差することを特徴とするディスプレーサ組立体。
2. 前記第１コネクタピンの中心軸と前記第２コネクタピンの中心軸は、前記ディスプレーサ中心軸に垂直なひとつの平面上で直交することを特徴とする請求項１に記載のディスプレーサ組立体。
3. 前記第２ディスプレーサ上蓋部は、前記第１コネクタピンの中心軸および前記第２コネクタピンの中心軸よりも下側で前記第２ディスプレーサ上蓋部を径方向に貫通する冷媒ガス流入口を備えることを特徴とする請求項１または２に記載のディスプレーサ組立体。
4. 前記第２ディスプレーサ上蓋部は、前記第１コネクタピンを受け入れるコネクタピン受入部を有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ディスプレーサ組立体。
5. 前記コネクタピン受入部において前記第１コネクタピンと前記第２ディスプレーサ上蓋部との間には、ピン受入隙間が形成されることを特徴とする請求項４に記載のディスプレーサ組立体。
6. 前記十字状コネクタは、前記第１ディスプレーサ下蓋部に対する前記第１コネクタピンの回転および前記第２ディスプレーサ上蓋部に対する前記第２コネクタピンの回転により、前記第２ディスプレーサを前記第１ディスプレーサに対して前後左右に傾斜可能と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ディスプレーサ組立体。
7. 請求項１から６のいずれかに記載のディスプレーサ組立体を備えることを特徴とする極低温冷凍機。

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