JPH0271058A - 極低温膨張機及び該膨張機を用いた極低温冷凍機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、ヘリウム等の冷媒ガスを断熱膨脹させて極低
温レベルの寒冷を発生させる極低温膨脹機及び該膨脹機
を用いる極低温冷凍機に関し、特に、その高効率化、小
形化を図る技術に関するものである。

（従来の技術） 従来より、この種の極低温冷凍機として、その最終到達
温度レベルとして約４にの寒冷を発生させる場合、予冷
冷凍回路とＪ−Ｔ回路とを組み合わせた２元の冷凍回路
を持つものが知られている。

すなわち、このものは、例えば冷媒ガスとしてのヘリウ
ムガスを圧縮する圧縮機及び同ガスを膨脹させる膨脹機
を閉回路に接続してなる予冷冷凍回路と、圧縮機から吐
出されたヘリウムガスをＪ−Ｔ熱交換器でのリターン側
ヘリウムガスとの熱交換及び上記予冷冷凍回路との熱交
換により冷却した後にＪ−Ｔ弁でジュールトムソン膨脹
させるＪ−Ｔ回路とを備え、そのＪ−Ｔ回路のＪ−Ｔ弁
で膨脹したヘリウムガスの潜熱により４にレベルの寒冷
を得るようになされている。

（発明が解決しようとする課′ＸＪ） しかし、この従来のものでは、冷媒ガスをその流路を絞
って膨脹させるＪ−Ｔ弁を用いているため、そのロスが
大きく、しかも、Ｊ−Ｔ回路が常温レベルから極低温レ
ベルまで亘って配置されるために、大形化する難がある
。

ところで、圧縮機又は膨脹機を極低温レベルのクライオ
スタット（低温槽）内に配設し、極低温レベルで冷媒ガ
スの圧縮又は膨脹を行うようにすると、圧縮機の作動効
率を高め、併せてその小形化をも図り得ることは知られ
ている。

しかるに、現状では、上記の如き極低温レベルで高い信
頼性をもって作動する膨脹機がなく、その実用化が妨げ
られている。

本発明の目的は、極低温レベルで高い信頼性をもって作
動する極低温膨脹機を提供し、よって極低温冷凍機の高
効率化、小形化を実現しようとすることにある。

（課題を解決するための手段） 上記目的を達成するために、本発明の解決手段は、基本
的に、膨脹機におけるピストンで発生する仕事を吸収す
るために振動型のリニアモータを使用することとする。

すなわち、本発明では、例えば第１図及び第３図に示す
ように、極低温膨脹機として、シリンダ（１４）と、該
シリンダ（１４）内に膨脹室（１５）を区画形成するよ
うに往復動可能に嵌装されたピストン（１６）とををし
、該ピストン（１６）の往復動により膨脹室（１５）で
冷媒ガスを膨脹させる膨脹機構（１３）を備えるととも
に、上記ピストン（１６）の往復動に伴って発生する仕
事を吸収する振動型リニアモータ（１つ）を備えたもの
とし、上記膨脹機構（１３）及びリニアモータ（１９）
を、極低温レベルに保持されるクライオスタット（Ｃ）
内に配設する。

さらに、こうした膨脹機の用途として、膨脹機（１２）
を、冷媒ガスを圧縮する圧縮機（７）。

（１１）に対し閉回路に接続することにより、圧縮機（
７）、（１１，）から吐出された冷媒ガスを膨脹機（１
２）で膨脹させて極低温レベルの寒冷を発生させるよう
にした極低温冷凍機を構成する。

また、具体的には、上記膨脹機構（１３）の膨脹室（１
５）に対するガスの供給排出を行う吸入弁（３１）及び
吐出弁（４４）を設け、該両弁（３１）、　　（４４）
を、上記ピストン（１６）の往復動により発生する仕事
を吸収するためのリニアモータ（１９）に同期して作動
する振動型リニアモータ（３６）により開閉駆動するよ
うに構成する。

又は、第４図に示すように、膨脹機構（１３’）をいわ
ゆるドルエダ（Ｄｏ　１１＆Ｅｄ　ｅ　ｒ）タイプのも
のとする。すなわち、膨脹機構（１３’）におけるピス
トン（１６’）として、一端が膨脹室（１５）に開口し
、他端がピストン（１６’）外周面に開口するボア（２
７）を有するものとする一方、シリンダ（１４’　）は
、ピストン（１６′）が非膨脹方向に向かうストローク
エンドに移動したときに上記ボア（２７）のピストン（
１６′）外周面への開口端に連通ずる吸入口（１７’）
と、ピストン（１６’）が膨脹方向に向かうストローク
エンドに移動したときに膨脹室（１５）に連通する吐出
Ｄ（１８’）とを有するものとする。

（作用） 上記の構成により、本発明では、膨脹機構（１３）にお
けるピストン（１６）がシリンダ（１４）内で往復動す
ると、このピストン（１６）の往復動により膨脹室（１
５）内で冷媒ガスが膨脹するとともに、その往復動に伴
って発生する仕事か振動型のリニアモータ（１９）によ
り吸収される。

このとき、上記ピストン（１６）による仕事吸収用のア
クチュエータが振動型のリニアモータ（１９）であるの
で、たとえ膨脹機構（１３）及びリニアモータ（１９）
がクライオスタット（Ｃ）内で極低温レベルに保持され
ていても、その作動か支障なく行われ、膨脹機の作動信
頼性を向上できることとなる。

また、このように膨脹機（１２）をクライオスタット（
Ｃ）内の極低温レベルでも高い信頼性でもって作動させ
ることができるので、この膨脹践（１２）を圧縮機（７
）、　　（１１）と閉回路に接続して極低温冷凍機を構
成することにより、その冷凍機の作動効率を高めること
ができる。

さらに、上記膨脹機構（１３）における膨脹室（１５）
に対するガスの供給排出を行う吸入弁（３１）及び吐出
弁（４４）を、上記ピストン（１６）による仕事吸収用
のリニアモータ（１つ）に同期して作動する振動型リニ
アモータ（３６）により開閉駆動するようにすると、吸
入／吐出弁（３１）、（４４）の作動をも安定して確実
に行わせることができ、上記膨脹機（１２）の作動信頼
性をさらに向上できる。

また、膨脹機ＩＮ（１Ｂ’）をドルエダタイプのものと
すると、膨脹室（１５）に対する冷媒ガスの給排を、吸
気弁（３１）及び吐出弁（４４）を要することなくピス
トン（１６’）の往復動に伴って自動的に行うことがで
き、構造の簡単化及び作動信頼性のより一層の向上を図
ることができる。

（実施例） 以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第３図は本発明の第１実施例に係る極低温冷凍機として
の２元の圧縮サイクルを持つヘリウム冷凍機の全体構成
を示し、（１）は冷媒ガスとしてのヘリウムガスを圧縮
した後に膨脹させて寒冷を発生させる予冷冷凍回路、（
６）は、圧縮されたヘリウムガスを上記予冷冷凍回路（
１）により予冷した後に膨脹させて予冷冷凍回路（１）
による寒冷よりも低いレベルの寒冷を発生させる主冷凍
回路である。上記予冷冷凍回路（１）はヘリウムガスを
圧縮する公知の圧縮機（図示せず）と、該圧縮機から吐
出された高圧ヘリウムガスを膨脹させる膨脹機（２）を
備え、この膨脹機（２）は極低温レベルに保持されるク
ライオスタット（Ｃ）（低温槽）に嵌装されている。

上記膨脹機（２）は、大径部（３ａ）及びその下側に小
径部（３ｂ）を有する２段構造の密閉状シリンダ（３）
と、該シリンダ（３）内に往復動可能に嵌装され、シリ
ンダ（３）内に膨脹室を区画形成するディスプレーサ（
いずれも図示せず）と、上記膨脹室に対し圧縮機の吐出
側又は吸入側を交互に切り換えて連通させる切換バルブ
（図示せず）とを備え、上記シリンダ（３）の大径部（
３ａ）及び小径部（３ｂ）の各下端部はそれぞれ第１及
び第２のヒートステーション（４）。

（５）とされている。そして、切換バルブの開閉に伴う
ディスプレーサの往復動より、高圧のヘリウムガスをシ
リンダ（３）の膨脹室内で断熱膨脹させて所定温度レベ
ルの寒冷を発生させるとともに、その寒冷をシリンダ（
３）の第１及び第２ヒートステーシヨン（４）、　　（
５）にて保持するようになされている。よって、圧縮機
から吐出された高圧のヘリウムガスを膨脹機（２）に供
給し、その膨脹機（２）でのヘリウムガスの断熱膨脹に
より後述の予冷器（５１）、　　（５２）を冷却するた
めの寒冷を発生させるとともに、その膨脹した低圧ヘリ
ウムガスを圧縮機吸入側に戻して再圧縮するようにした
予冷冷凍回路（１）が構成されている。

一方、上記主冷凍回路（６）は、ヘリウムガスを常温で
所定圧力に圧縮する常温圧縮機（７）と、上記クライオ
スタット（Ｃ）内に配設され、１次側及び２次側をそれ
ぞれ通過するヘリウムガス間で互いに熱交換させる第１
〜第３の熱交換器（８）〜（１０）と、クライオスタッ
ト（Ｃ）内に配設され、ヘリウムガスを極低温レベルで
圧縮する極低温圧縮機（１１）と、クライオスタット（
Ｃ）内に配設され、ヘリウムガスを極低温レベルで膨脹
させる極低温膨脹機（１２）とを備えている。

上記第１熱交換器（８）の１次側配管は高圧配管（５０
）を介して上記常温圧縮機（７）の吐出側に接続されて
いる。また、上記第１及び第２の熱交換器（９）、（１
０）の各１次側配管同士は、上記予冷冷凍回路（１）に
おける膨脹機（２）の第１ヒートステーシヨン（４）に
配置した第１予冷器（５１）を介して互いに接続され、
第２及び第３熱交換器（９）、（１０）の各１次側配管
同士は同様に膨脹機（２）の第２ヒートステーシヨン（
５）に配置した第２予冷器（５２）を介して互いに接続
されている。さらに、上記第３熱交換器（１０）の１次
側配管は上記極低温膨脹機（１２）を介して冷却器（５
３）に接続されている。

この冷却器（５３）は上記極低温圧縮機（１１）の吸入
側に接続され、この圧縮機（１１）の吐出側は上記第３
〜第１熱交換器（１０）〜（８）の各２次側及び低圧配
管（５４）を介して常温圧縮機（７）の吸入側に接続さ
れている。よって、上記常温圧縮機（７）によりヘリウ
ムガスを高圧に圧縮し、その高圧ヘリウムガスを高圧配
管（５０）を介してクライオスタット（Ｃ）側に供給し
て、第１〜第３の熱交換器（８）〜（１０）において常
温圧縮機（７）に戻る２次側の低温低圧のヘリウムガス
と熱交換させるとともに、第１及び第２予冷器（５１）
、（５２）で膨脹機（２）の第１及び第２ヒートステー
シヨン（４）、　　（５）により冷却した後、極低温膨
脹機（１２）で断熱膨脹させて冷却器（５３）で１気圧
、約４にのヘリウムガスとなし、しかる後、その低圧の
ヘリウムガスを極低温圧縮機（１１）により極低温レベ
ルで圧縮したのち、第３〜第１熱交換器（１０）〜（８
）の各２次側を通して元の常温圧縮機（７）に吸入させ
て再圧縮するようにした主冷凍回路（６）が構成されて
いる。

上記極低温膨脹機（１２）は、その構造を第１図に概略
的に示すように、冷媒ガスとしてのヘリウムガスを膨脹
させる膨脹機構（１３）と、該膨脹機構（１３）に対す
るヘリウムガスの給排を切り換える弁機構（３０）とか
らなる。上記膨脹機構（１３）は、上端が開放されたシ
リンダ（１４）と、該シリンダ（１４）に往復動可能に
気密シールせしめて嵌装され、シリンダ（１４）内下部
に膨脹室（１５）を区画形成するピストン（１６）とを
備え、上記シリンダ（１４）の底壁にはガス吸入口（１
７）及び吐出口（１８）が開口されている。

上記シリンダ（１４）周りには、上記ピストン（１６）
の往復動に伴って発生する仕事を吸収するための振動型
のリニアモータ（１９）が配設されている。このリニア
モータ（１９）は、シリンダ（１４）の周りに配置され
かつシリンダ（１４）の底壁に一体的に形成された底壁
を有する密閉状のケーシング（２０）を備え、該ケーシ
ング（２０）の内側壁には、上方に開放された間隙（２
１）内に磁界を形成する環状の磁石部（２２）がシリン
ダ（１４）を取り巻くように配置されて取り付けられ、
該磁石部（２２）の間隙（２１）にはリング状の振動子
（２３）が上下方向に移動可能に嵌挿されている。また
、上記振動子（２３）にはコイル（２４）か一体に取り
付けられており、振動子（２３）の上方向の移動により
コイル（２４）に誘導起電力を生じるものである。そし
て、上記振動子（２３）は連結部（２５）を介して上記
ピストン（１６）の上端に移動一体に連結されている。

また、ピストン（１６）上端とケーシング（２０）土壁
内面との間にはピストン（１６）を下方（膨脹室（１５
）容積を減少させる方向）に付勢するスプリング（２６
）が縮装されており、第２図（ａ）に示すように、リニ
アモータ（１９）のコイル（２４）には、ピストン（１
６）のシリンダ（１４）内での往復動によって周期状の
電圧を発生させるようになされている。

上記弁機構（３０）は吸入弁（３１）と吐出弁（４４）
とからなる。上記吸入弁（３１）は、内部が上記シリン
ダ（１４）のガス吸入口（１７）に接続された上下方向
に延びる円筒状のバルブケース（３２）を備え、該バル
ブケース（３２）の中間部にはシリンダ（１４）内の膨
脹室（１５）にガス吸入口（１７）を介して連通ずる弁
孔（３３）が開口され、該弁孔（３３）にはガス吸入管
（３４）が接続され、この吸入管（３４）は上記常温圧
縮機（７）の吐出側（第３熱交換器（１０）の１次側）
に連通されている。また、バルブケース（３２）にはロ
ッド状の弁体（３５）が摺動可能に気密シールして嵌装
されており、この弁体（３５）の摺動により弁孔（３３
）を開閉し、弁体（３５）を上昇端位置に位置付けたと
きには、弁体（３５）により弁孔（３３）を閉塞する一
方、下降端位置に位置付けたときには、弁孔（３３）を
開いてガス吸入管（３４）内のヘリウムガスを膨脹室（
１５）に流入させるようになされている。

また、上記吸入弁（３１）は振動型の吸入弁駆動リニア
モータ（３６）によって駆動されるように構成されてい
る。このリニアモータ（３６）は、上記バルブケース（
３２）の下端に一体的に接合された密閉状のケーシング
（３７）を備え、該ケーシング（３７）の内側壁には上
方に開放された間隙（３８）に磁界を形成する環状の磁
石部（３９）が取り付けられ、該磁石部（３つ）の間隙
（３８）には振動子（４０）が上下方向に移動可能に嵌
挿されている。上記振動子（４０）には励磁用のコイル
（４１）が取り付けられており、コイル（４１）への通
電により振動子（４０）を下方向に移動させる。そして
、上記振動子（４０）は連結部（４２）を介して上記吸
入弁（３１）における弁体（３５）の下端に移動一体に
連結されている。また、該弁体（３５）の下端とケーシ
ング（３７）底壁内面に突設したスプリング受部（３７
ａ）との間には弁体（３５）を閉弁方向（上方向）に付
勢するスプリング（４３）が縮装されており、リニアモ
ータ（３６）の駆動力により弁体（３５）をバルブケー
ス（３２）内で往復動させて吸入弁（３１）を開閉駆動
するようになされている。

一方、上記吐出弁（４４）は上記吸入弁（３１）と同様
の構成であり、シリンダ（１４）のガス吐出口（１８）
に接続され弁孔（４５）が開設された円筒状のバルブケ
ース（４６）と、該バルブケース（４６）内に摺動可能
に嵌装され、弁孔（４゜５）を開閉するロッド状の弁体
（４７）とを備えてなり、弁孔（４５）にはガス吐出管
（４８）が接続されている。また、この吐出弁（４４）
は図示しないが上記吸入弁駆動リニアモータ（３６）と
同じ構造の吐出弁駆動リニアモータ及びスプリングに駆
動連結されており、リニアモータの駆動力及びスプリン
グの付勢力により弁体（４７）をバルブケース（４６）
内で往復動させて吐出弁（４４）を開閉駆動するように
なされている。

そして、上記吸入弁駆動リニアモータ（３６）及び吐出
弁駆動リニアモータに電圧を印加して、それらを第２図
に示すようにピストン（１６）での仕事吸収用のリニア
モータ（１９）と共に所定のタイミングで同期させて作
動させることにより、吸入／吐出弁（３１）、（４４）
を開閉して、ピストン（１６）をシリンダ（１４）内で
往復動させ、ピストン（１６）が膨脹方向（図で上方向
）に向かうストロークでは、その初期に吸入弁（３１）
を開いて、膨脹室（１５）にヘリウムガスを吸入しく吸
入行程）、その後のストロークでは同弁（３１）を閉じ
て膨脹室（１５）内のヘリウムガスを膨脹させて極低温
レベルの寒冷を発生させる一方、ピストン（１６）が非
膨脹方向（図で下方向）に向かうストロークでは、吐出
弁（４４）を開いて膨脹室（１５）内の膨脹ガスを吐出
させる（吐出行程）ように構成されている。

これに対し、上記極低温圧縮機（１１）は、基本的に上
記極低温膨脹機（１２）と同様であり、膨脹機（１２）
における吸入側が吐出側に、吐出側が吸入側に、またピ
ストン（１６）がピストンにそれぞれ代ったものである
ので、ここではその構造及び作動についての説明は省略
する。

次に、上記実施例のヘリウム冷凍機の作動について説明
する。

予冷冷凍回路（１）の圧縮機と、主冷凍回路（６）の２
台の圧縮機（７）、（１１）及び極低温膨脹機（１２）
とが起動された後の冷凍機の定常運転状態では、予冷冷
凍回路（１）における圧縮機から供給された高圧のヘリ
ウムガスがクライオスタット（Ｃ）の膨脹機（２）で膨
脹し、このガスの膨脹作用によりそのシリンダ（３）の
第１ヒートステーシヨン（４）が例えば７０Ｋに、また
第２ヒートステーシヨン（５）が２０Ｋにそれぞれ温度
降下する。

一方、これと同時に、主冷凍回路（６）では、常温圧縮
機（７）から吐出された高圧のヘリウムガスがクライオ
スタット（Ｃ）側に供給され、この高圧ヘリウムガスは
第１熱交換器（８）の１次側配管に入り、上記常温圧縮
機（７）へ戻る２次側内の低圧ヘリウムガスと熱交換さ
れて冷却され、その後、上記予冷冷凍回路（１）の膨脹
機（２）における第１ヒートステーシヨン（４）外周の
第１予冷器（５１）に入って約７０Ｋまで冷却される。

この冷却されたガスは第２熱交換器（９）の１次側配管
に入って、常温圧縮機（７）へ戻る２次側内の低圧ヘリ
ウムガスとの熱交換によりさらに冷却された後、同膨脹
機（２）の第２ヒートステーシヨン（５）外周の第２予
冷器（５２）に入って約２０Ｋまで冷却される。さらに
、ガスは第３熱交換器（１０）の１次側配管に入って、
その２次側の低圧ヘリウムガスとの熱交換により約１０
Ｋまで冷却され、極低温膨脹機（１２）に至る。

この極低温膨脹機（１２）で高圧ヘリウムガスは断熱膨
脹し、その後、冷却器（５３）へ供給される。この冷却
器（５３）では、ヘリウムの潜熱がクライオスタット（
Ｃ）内の蒸発ヘリウムガスの液化や再凝縮或いは冷却対
象物の冷却に利用される。

しかる後、上記冷却器（５３）を経由した低圧ヘリウム
ガスは、約４，２にの飽和ガスとなり、極低温圧縮機（
１１）に吸入されて圧縮され、次いで第３〜第１熱交換
器（１０）〜（８）においてそれぞれ１次側配管内の高
圧ヘリウムガスを冷却して、最後に約３００Ｋに温度上
昇した後、常温圧縮機（７）の吸入側に吸入される。以
後、同様なサイクルが繰り返されて冷凍運転が行われる
。

そして、この実施例では、上記主冷凍回路（６）におけ
る極低温膨脹機（１２）のピストン（１６）の往復動に
伴って発生する仕事が振動型のリニアモータ（１９）に
よって吸収されるので、膨脹機構（１３）及びリニアモ
ータ（１つ）がクライオスタット（Ｃ）内で極低温レベ
ルに保持されていても、その作動を支障なく行うことが
でき、よって極低温膨脹機（１２）の作動信頼性を向上
させることができる。しかも、極低温圧縮機（１１）に
ついても、そのピストンが振動型のリニアモータによっ
て駆動される構造であるので、その圧縮機構及びリニア
モータをクライオスタット（Ｃ）内の極低温レベルに保
持しつつ、その作動を支障なく行うことができ、よって
極低温圧縮機（１１）の作動信頼性を向上できる。

また、このように圧縮機（１１）及び膨脹機（１２）の
極低温レベルでの安定した作動を確保できるので、この
圧縮機（１１）及び膨脹機（１２）を閉回路に接続して
なる極低温冷凍機の作動効率を高めることができるとと
もに、その小形化を図ることができる。

さらに、上記極低温膨脹機（１２）の膨脹機構（１３）
における膨脹室（１５）に対するガスの供給排出を行う
吸入弁（３１）及び吐出弁（４４）が、振動型リニアモ
ータ（３６）により上記ピストン（］６）での仕事吸収
用のリニアモータ（１９）に同期して開閉駆動されるの
で、極低温レベルで吸入／吐出弁（３１）、　　（４４
）の作動を安定して確実に行わせることができ、膨脹機
（１２）の作動信頼性をさらに向上させて、極低温冷凍
機の高効率化及び小形化に寄与することができる。

第４図は本発明の第２実施例を示しく尚、第１図と同じ
部分については同じ符号を付してその詳細な説明は省略
する）、極低温膨脹機（１２’）の膨脹機構（１３Ｍと
して、ドルエダ（Ｄｏｌｌ＆Ｅｄｅｒ）タイプのものを
使用したものである。

すなイつち、この実施例では、膨脹機構（１３’）にお
けるピストン（１６’）にはその中心部に貫通状のボア
（２７）か形成され、該ボア（２７）の一端はピストン
（１６’）下端においてシリンダ（１４”）内の膨脹室
（１５）に開口している。

また、ボア（２７）の上端は２股状に分岐し、その各分
岐部（２７ａ）の先端はピストン（１６’）外周に穿設
した溝部（２８）に開口している。

一方、シリンダ（１４’　）にはその中間側壁の所定位
置にガス吸入口（１７′）及びガス吐出口（１８’）が
開口し、ガス吸入口（１７’）にはガス吸入管（３４）
が、またガス吐出口（１８’）にはガス吐出管（４８）
がそれぞれ接続されている。そして、上記ガス吸入口（
１７’）及びガス吐出口（１８’）は、ピストン（１６
’）が図で仮想線にて示すように非膨脹方向（図で下方
向）に向かうストロークエンドに移動したときには、ガ
ス吸入口（１７Ｍが上記ボア（２７）のピストン（１６
’）外周に開口する開口端に連通し、一方、ピストン（
１６’）が膨脹方向（図で上方向）に向かうストローク
エンドに移動したときに、ガス吐出口（１８’）が膨脹
室（１５）に連通ずるように設定されており、ピストン
（１６’）がシリンダ（１４’　）内で往復動したとき
、そのシリンダ（１４’　）側壁のガス吸入口（１７’
）とピストン（１６’）のボア（２７）との連通及びガ
ス吐出口（１８’）と膨脹室（１５）との連通を交互に
行わせ、ピストン（１６’）の膨脹方向へのストローク
エンドでガス吸入口（１７’）に合致したボア（２７）
により膨脹室（１５）内にヘリウムガスを吸入し、その
吸入ガスを膨脹方向へのストロークで断熱膨脹させて寒
冷を発生させる一方、ピストン（１６’）の非膨脹方向
へのストロークでは膨脹室（１５）内のガスをガス吐出
口（１８’）を介して吐出させるようになされている。

したがって、この実施例の場合、上記実施例の如き吸入
／吐出弁（３１）、　　（４４）及びその駆動用リニア
モータ（３６）が不要であるので、極低温膨脹機（１２
’）の構造を簡単化することができる利点がある。

尚、クライオスタット（Ｃ）内に配設される。極低温圧
縮機（１１）における圧縮機構を上記ドルエダタイプと
することも可能である。

さらに、第５図は第３実施例を示し、主冷凍回路（６′
）を変更したものである。

この実施例では、主冷凍回路（６）は極低温圧縮機（１
１）、極低温膨脹機（１２）、熱交換器（５５）、予冷
器（５６）及び冷却器（５３）で構成され、これらの機
器はいずれもクライオスタット（Ｃ）内に配設され、上
記予冷器（５６）は予冷冷凍回路（１）における膨脹機
（２）の第２ヒートステーシヨン（５）周囲に配設され
ている。

そして、上記圧縮機（１１）の吐出側は予冷器（５６）
及び熱交換器（５５）の１次側を介して極低温膨脹機（
１２）の吸入側に接続され、この膨脹機（１２）の吐出
側は上記熱交換器（５５）の２次側を介して圧縮機（１
１）の吸入側に接続されており、クライオスタット（Ｃ
）内の極低温レベルで、圧縮機（１１）によりヘリウム
ガスを圧縮し、そのヘリウムガスを予冷器（５６）及び
熱交換器（５５）で冷却した後、極低温膨脹機（１２）
で膨脹させて極低温レベルの寒冷を発生させ、さらに膨
脹機（１２）で膨脹した後のヘリウムガスを熱交換器（
５５）で１次側ヘリウムガスの冷却に供したのち、圧縮
機（１１）に吸入して圧縮するようにした主冷凍回路（
６′）が構成されている。

したがって、この実施例では、ヘリウムガスの圧縮及び
膨脹がいずれも極低温レベルで行われるので、上記第１
実施例に比べ、冷凍機をさらに小形化することができる
。

尚、本発明は、上記実施例の如くヘリウムガスを使用す
るタイプ以外の極低温膨脹機及び冷凍機に対しても適用
することができるのはいうまでもない。

（発明の効果） 以上の如く、本発明によると、極低ｌＲ膨膨脹として、
シリンダと、該シリンダ内に膨脹室を区画形成するよう
に往復動可能に嵌装されたピストンとを有し、該ピスト
ンの往復動により膨脹室で冷媒ガスを膨脹させる膨脹機
構を備えるとともに、上記ピストンでの仕事を吸収する
振動型リニアモータを備えたものとし、上記膨脹機構及
びリニアモータを、極低温レベルに保持されるクライオ
スタット内に配設したことにより、極低温レベル条件下
での膨脹機の作動信頼性を高めることができる。このた
め、この膨脹機を、冷媒ガスを圧縮する圧縮機に対し閉
回路に接続して極低温冷凍機を構成すると、膨脹機の極
低温レベルでの作動により冷凍機の作動効率の向上及び
その小形化を図ることができる。

また、上記膨脹機構の膨脹室に対するガスの供給排出を
行う吸入弁及び吐出弁を設け、その両弁を振動型リニア
モータにより上記ピストン仕事吸収用のリニアモータに
同期して開閉駆動するようにすると、吸入／吐出弁の極
低２Ｈレベルでの作動を安定して確実に行うことができ
、膨脹機の作動信頼性のより一層の向上を図ることがで
きる。

また、膨脹機構として、内部にボアをａするピストンと
、該ピストンが非膨脹方向へのストロークエンドに移動
したときにピストン外周のボア開口端に連通ずる吸入口
及びピストンが膨脹方向へのストロークエンドに移動し
たときに膨脹室に連通ずる吐出口を有するシリンダとを
備えたドルエダタイプのものとすると、吸入弁及び吐出
弁が不要となり、膨脹機の構造の簡単化及び作動信頼性
の向上を図ることかできる。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の実施例を示し、第１図は第１実施例にお
ける極低温膨脹機の概略断面図、第２図はピストンの往
復動作に対する吸入弁及び吐出弁の作動タイミングを示
すタイムチャート図、第３図は冷凍機の回路構成を示す
冷凍回路図である。 第４図は第２実施例における膨脹機の概略断面図である
。第５図は第３実施例における冷凍機の冷凍回路図であ
る。 （１）・・・予冷冷凍回路、（２）・・・膨脹機、（６
）（６′）・・・主冷凍回路、（７）・・・常７ｍ圧縮
機、（１１）・・・極低温圧縮機、（１２）、　　（１
２’　）・・・極低温膨脹機、（１３）、　　（１３’
　）・・・膨脹機構、（１４）、　　（１４’　）・・
・シリンダ、（１５）・・・膨脹室、（１６）、　　（
１６’）・・・ピストン、（１７）、　　（１７’　）
・・・ガス吸入口、（１８）。 （１８’）・・・ガス吐出口、（１９）・・・リニアモ
ータ、（２７）・・・ボア、（３０）・・・弁環ＪＭ、
（３１）・・・吸入弁、（３６）・・・吸入弁駆動リニ
アモータ、（４４）・・・吐出弁、（Ｃ）・・・クライ
オスタット。 特許出願人　ダイキン工業株式会社 代　理　人　弁理士　前　１）　弘（ほか２名）第 図 第 図

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）シリンダ（１４）と、該シリンダ（１４）内に膨
   脹室（１５）を区画形成するように往復動可能に嵌装さ
   れたピストン（１６）とを有し、該ピストン（１６）の
   往復動により膨脹室（１５）で冷媒ガスを膨脹させる膨
   脹機構（１３）を備えるとともに、上記ピストン（１６
   ）の往復動に伴って発生する仕事を吸収する振動型リニ
   アモータ（１９）を備え、上記膨脹機構（１３）及びリ
   ニアモータ（１９）は、極低温レベルに保持されるクラ
   イオスタット（Ｃ）内に配設されていることを特徴とす
   る極低温膨脹機。
2. （２）膨脹機構（１３）の膨脹室（１５）に対する冷媒
   ガスの供給排出を行う吸入弁（３１）及び吐出弁（４４
   ）を有し、該両弁（３１）、（４４）は、ピストン（１
   ６）の往復動による仕事を吸収するためのリニアモータ
   （１９）に同期して作動する振動型リニアモータ（３６
   ）により開閉駆動されるように構成されている請求項（
   １）記載の極低温膨脹機。
3. （３）膨脹機構（１３′）のピストン（１６′）は、一
   端が膨脹室（１５）に開口し、他端がピストン（１６′
   ）外周面に開口するボア（２７）を有し、シリンダ（１
   ４′）は、ピストン（１６′）が非膨脹方向に向かうス
   トロークエンドに移動したときに上記ボア（２７）のピ
   ストン（１６′）外周面への開口端に連通する吸入口（
   １７′）と、ピストン（１６′）が膨脹方向に向かうス
   トロークエンドに移動したときに膨脹室（１５）に連通
   する吐出口（１８′）とを有する請求項（１）記載の極
   低温膨脹機。
4. （４）冷媒ガスを圧縮する圧縮機（７）、（１１）と、
   極低温レベルに保持されるクライオスタット（Ｃ）内に
   配設され、シリンダ（１４）及び該シリンダ（１４）内
   に膨脹室（１５）を区画形成するように往復動可能に嵌
   装されたピストン（１６）を有し、該ピストン（１６）
   の往復動により膨脹室（１５）で冷媒ガスを膨脹させる
   膨脹機構（１３）を備えるとともに、上記クライオスタ
   ット（Ｃ）内に配設され、上記ピストン（１６）の往復
   動に伴って発生する仕事を吸収する振動型リニアモータ
   （１９）を備えた膨脹機（１２）とを閉回路に接続して
   なり、圧縮機（７）、（１１）から吐出された冷媒ガス
   を膨脹機（１２）で膨脹させて極低温レベルの寒冷を発
   生させ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。