JPH0468267A - 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、膨張機のシリンダ内でディスプレーサをガス
圧により往復動させて該ディスプレーサの往復動に伴う
冷媒ガスの断熱膨張により極低温レベルの寒冷を発生さ
せる極低温冷凍機に関する。

（従来の技術） 従来より、この種の極低温冷凍機として、ＧＭ（ギフオ
ードψマクマホン）サイクルの冷媒サイクルを有するガ
ス圧駆動式のＧＭ冷凍機が知られている。この冷凍機の
膨張機はシリンダと、該シリンダ内に往復動可能に配設
されたディスプレーサ及びスラックピストンとを備えて
なり、ディスプレーサによりシリンダ内の先端に膨張室
が区画され、この膨張室はディスプレーサ内のりジェネ
レータを介してシリンダ基端側の空間に連通している。

スラックピストンは、シリンダの基端側に該基端側空間
をガス給排室と中間圧室とに区画するように配置され、
かつディスプレーサに対し該ディスプレーサを所定スト
ロークの遅れをもって駆動するように係合している。上
記中間圧室はサージボリュームに連通されている一方、
ガス給排室は圧縮機の吐出側及び吸込側にそれぞれ接続
される高圧ガス入口及び低圧ガス出口に切換バルブを介
して連通している。そして、切換バルブをバルブモータ
により駆動させることで、ガス給排室ないし膨張室に対
する冷媒ガスの給排を切り換え、ガス給排室と中間圧室
との差圧によりスラックピストンを移動させてディスプ
レーサを往復動させ、このディスプレーサの往復動に伴
う冷媒ガスの膨張室での膨張により膨張室周りのシリン
ダに寒冷を発生させるようになされている。

ところで、近年、超電導デバイスの１つとして、ジョセ
フソン効果を利用した超電導量子干渉素子（Ｓｕｐｅｒ
ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ　Ｑｕａｎｔｕｍ　Ｉｎｔｅｒｆ
ｅｒｅｎｃｅ　Ｄｅｖｉｃｅ二以下、５ＱＵＩＤと略称
する）が注目されている。この５ＱＵＩＤに超電導コイ
ルからなる磁束入力回路を接続することにより、例えば
生体内に流れる微小電流に伴う磁界や体内の微小磁石か
らの磁界等、極めて微弱な磁束を測定するようにしたグ
ラジオメータを得ることができる。

しかし、この５ＱＵＩＤを作動温度レベルに冷却するた
めに上記したガス圧駆動式のＧＭ冷凍機を使用する場合
、冷凍機には切換バルブを駆動するためのバルブモータ
が設けられているため、このモータからの磁束が５ＱＵ
ＩＤに有害なノイズとなって検出され、その測定精度が
低下するという問題がある。

そこで、従来、上記バルブモータの影響を低減するため
に、膨張機におけるバルブ及びバルブモータをシリンダ
部分と分離し、これら分離したバルブモータアッセンブ
リ及びシリンダアッセンブリを冷媒配管で接続すること
により、バルブモータを５ＱＵＩＤつまりシリンダ先端
から離して、バルブモータからの磁束による有害なノイ
ズを低減するようにした別体型のものが提案されている
（例えば１９８Ｂ、８．１８〜８．１９に開催された会
議“５ｔｈ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｌｏｎａｌ　Ｃｒｙｏｃ
ｏｏｌｅｒ　Ｃｏｎｆ’ｅｒｅｎｃｅ　’での米国論文
“Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　Ａ　Ｈｙｂｒｉｄ　
Ｇｌｆｆｏｒｄ−Ｍｅｍａｈｏｎ　　Ｊ６ｕｌｅ−Ｔｈ
ｏｓｐｓｏｎ　　Ｂａ５ｅｄ　　Ｎｅｕｒｏｗａｇｎｅ
ｔｏＩＩｅｔｅｒ、Ｃｒｙｏｓｑｕｉｄ”参照）。

（発明が解決しようとする課題） しかるに、このような別体型の膨張機においては、バル
ブモータがシリンダ部分と一体化されている一体型のも
のに比べ、圧縮機と膨張機との間を循環する冷媒ガス量
が減少するため、シリンダの低温端（先端）でガスが奪
った圧縮熱は十分に放熱されず、シリンダの常温部（基
端部）に溜まることとなる。この熱の滞留によりシリン
ダ基端側に配置されているサージボリュームが加熱され
、その内部のガス圧が高くなり、ガスの中間圧と高圧と
の差圧が小さくなってスラックピストン及びディスプレ
ーサのスムーズな移動に支障を来し、クールダウン時間
が長くなったり、最悪の場合にはディスプレーサが停止
するいう問題が生じる。

この問題は、冷媒配管に小径のものを用いることである
程度解決することができる。すなわち、冷媒配管が小径
であると、大径の冷媒配管に比しシリンダアッセンブリ
とバルブアッセンブリとの間で往来する冷媒ガス量が多
くなり、圧縮熱の放熱が促進されてシリンダの常温端に
熱が溜まり難くなるからである。

ところが、反面、冷媒配管が小径であると、その部分で
のガスの圧力損失が大きくなり、冷媒ガスの圧力と体積
とで決まるいわゆるＰＶ図示面積が小さくなり、冷凍能
力の低下は免れ得ない。

例えば第５図〜第７図は本発明者等が行った実験の結果
であり、第５図は一体型の膨張機と別体型の膨張機（シ
リンダアッセンブリとバルブモータアッセンブリとを長
さ５ｍｓ配管径３／８′の冷媒配管で接続したもの）と
のＰｖ線図を示す。

この図によると、別体型膨張機ではディスプレーサの動
きが阻害され、冷凍機の冷凍能力が低下していることが
示される。また、第６図は冷媒配管の配管径及び配管長
さとＰｖ而面比との関係を、また第７図は冷媒配管の配
管径及び配管長とシリンダの常温端（ヘッド）の温度と
の関係をそれぞれ示しており、配管長が長くなるほど、
また配管径が小さいほどシリンダ常温端の温度が低くな
るが、反面、２７面積比は小さくなることが判る。

本発明は斯かる点に鑑みてなされたもので、その目的は
、上記した別体型の膨張機に対し所定の改良を加えるこ
とにより、サージボリュームに対する加熱の影響をなく
し、ディスプレーサの往復運動を安定させてクールダウ
ン時間の短縮維持すると同時に、連絡配管での圧力損失
を低減して冷凍能力を確保することにある。

（課題を解決するための手段） 上記の目的を達成すべく、請求項（１）の発明では、別
体型の膨張機において、シリンダアッセンブリとバルブ
モータアッセンブリとを径の異なる２本の並列な冷媒配
管により接続し、これら２本の冷媒配管を冷凍機の運転
状態に応じて切り換えるようにした。

具体的には、この発明は、第１図に示すように、冷媒ガ
スを圧縮して高圧ガスを発生させる圧縮機（１）と、該
圧縮機（１）から供給された高圧ガスを断熱膨張させて
極低温レベルの寒冷を発生させる膨張機（２）とで構成
された極低温冷凍機において、上記膨張機（２）を、ガ
ス給排口（５）を介してシリンダ（１０）内へガスを給
排してディスプレーサ（１６）を往復動させ、シリンダ
（１０）内の膨張室（１８）、（１９）でガスを膨張さ
せるシリンダアッセンブリ（３）と、バルブモータ（５
４）により切換バルブ（５１）を駆動して、上記圧縮機
（１）の吐出側及び吸込側にそれぞれ接続される高圧ガ
ス人口（４３）及び低圧ガス出口（４４）とガス給排口
（４５）との連通を切り換えるバルブモータアッセンブ
リ（４０）とに分離する。

そして、上記シリンダアッセンブリ（３）のガス給排口
（５）とバルブモータアッセンブリ（４０）のガス給排
口（４５）とは第１冷媒配管（６０）と、該第１冷媒配
管（６０）に並列に接続され、第１冷媒配管（６０）よ
りも小径の第２冷媒配管（６１）とにより連通ずる。

さらに、両ガス給排口（５）、　　（４５）の連通を第
１又は第２冷媒配管（６０）、（６１）に選択的に切り
換える切換手段（６２）、　　（６３）を設ける。

請求項（２の発明では、上記請求項（１）の発明と同様
の構成において、第４図に示す如く、シリンダアッセン
ブリ（３）のガス給排口（５）とバルブモータアッセン
ブリ（４０）のガス給排口（４５）とを複数本の冷媒配
管（６５）、　　（６６）で接続する。

また、両ガス給排口（５）、（４５）間を連通ずる冷媒
配管（６５）、　　（６６）の数等を変えることで、両
ガス給排口（５）、　　（４５）の連通時の通路断面積
を、少なくとも２以上の冷媒配管（６５）、（６６）を
選択してなる大断面積モードと、該大断面積モードにお
ける通路断面積よりも小断面積となる冷媒配管を選択し
てなる小断面積モードとの間で切り換える切換手段（６
７）を設ける。

（作用） 上記の構成により、請求項（１）の発明では、例えば冷
凍機のクールダウン運転時には、切換手段（６２）、　
　（６３）によりシリンダアッセンブリ（３）及びバル
ブモータアッセンブリ（４０）の各ガス給排口（５）、
　　（４５）を小径の第２冷媒配管（６１）を通して連
通ずる。冷凍機のクールダウン運転時はシリンダ（１０
）の低温端の温度が高いので、その常温端への圧縮熱滞
留の影響がクールダウン後よりも大きいが、小径の第２
冷媒配管（６１）で連通ずることにより、この小径の冷
媒配管（６１）で往来する冷媒ガスの量が多くなり、シ
リンダ（ｌＯ）の低温端で奪われた圧縮熱が冷媒ガスと
の熱交換により良好に放熱される。

このため、シリンダ（１０）常温端の温度上昇を効果的
に抑えて中間圧を適正範囲に維持でき、よってディスプ
レーサ（１６）の往復運動を正常に保つことができる。

一方、冷凍機のクールダウン運転が終了して定常運転状
態になると、切換手段（６２）、　　（６３）によりシ
リンダアッセンブリ（３）及びバルブモータアッセンブ
リ（４０）の各ガス給排口（５）。

（４５）を大径の第１冷媒配管（６０）を通して連通ず
るとよい。この大径の冷媒配管（６０）ではガスの圧力
損失が小さくなり、Ｐｖ図示面積が太き（保たれ、よっ
て冷凍機の冷凍能力を増大させることができる。

請求項（ａの発明では、冷凍機のクールダウン運転時、
切換手段（６７）によりシリンダアッセンブリ（３）及
びバルブモータアッセンブリ（４０）のガス給排口（５
）、　　（４５）同士を小断面積モード（例えば少数の
冷媒配管（６６）を通して）で連通ずる。このため、両
ガス給排口（５）。

（４５）同士を連通ずる通路の断面積は小さくなり、両
ガス給排口（５）、（４５）同土間で往来する冷媒ガス
の量が多くなり、よって、上記と同様に、シリンダ（１
０）常温端の温度上昇を効果的に抑えてディスプレーサ
（１６）の往復運動を正常に保つことができる。

これに対し、クールダウン運転後は、ガス給排口（５）
、（４５）同士を大断面積モード（例えば多数の冷媒配
管（６５）、　　（６６）を通して）で連通ずる、この
大断面積モードでは、連通通路の断面積が全体として増
大し、このため、冷媒配管（６５）、（６６）でのガス
圧力損失を低減して冷凍機の冷凍能力を増大させること
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１図は本発明の第１実施例に係るガス圧駆動式のＧＭ
型型紙低温冷凍機全体構成を示し、この冷凍機はヘリウ
ムガス（冷媒ガス）のジュールトムソン膨張を利用した
図外のＪＴ冷凍機の予冷冷凍機として用いられ、ＪＴ冷
凍機により５ＱＵＩＤ（図示せず）を極低温レベルに冷
却するようになっている。

図において、（１）はヘリウムガスを圧縮して高圧ガス
を発生させる圧縮機、（２）は該圧縮機（１）から供給
された高圧ガスを断熱膨張させて極低温レベルの寒冷を
発生させる膨張機であって、この膨張機（２）は、シリ
ンダアッセンブリ（３）とバルブモータアッセンブリ（
４０）とからなっている。

シリンダアッセンブリ（３）は、上方に開放された有底
円筒状のシリンダ（１０）と、該シリンダ（１０）の上
端側（基端側）の開口を気密状に閉塞するバルブステム
（４）とを有する。上記バルブステム（４）はシリンダ
（１０）内にその内壁と所定の間隔をあけて同心状に突
出する円柱状の突出部（４ａ）を有する。また、バルブ
ステム（４）には、その上面のシリンダ中心線上に開口
するガス給排口（５）と、比較的小さい容積のサージボ
リューム（７）と、上記ガス給排口（５）をシリンダ（
１０）内に連通ずるガス流路（８）とが形成されている
。また、上記ガス流路（８）は通路断面積の小さい連通
路（９）を介して上記サージボリューム（７）に常時連
通しており、この連通路（９）によりサージボリューム
（７）での中間圧を適正値に設定するようにしている。

一方、上記シリンダ（１０）は、上端側（基端側）の大
径部（１０ａ）と該大径部（１０ａ）の下端（先端）に
連続する小径部（１０ｂ）とで２段構造に形成され、上
記大径部（１０ａ）の下端部には例えば５５〜６０にの
温度レベルに保持される第１段ヒートステーション（１
１）が、また小径部（１０ｂ）の下端には上記第１段ヒ
ートステーション（１１）よりも低い例えば１５〜２０
にの温度レベルに保持される第２段ヒートステーション
（１２）がそれぞれ設けられており、この両段ヒートス
テーション（１１）、　　（１２）から伝熱されてＪＴ
冷凍機でのヘリウムガスが予冷されるようになっている
。

シリンダ（１０）の大径部（１０ａ）上端の内部には該
大径部（１０ａ）内部に中間圧室（１３）を区画形成す
るスラックピストン（１５）が配設され、上記中間圧室
（１３）は上記バルブステム（４）内のサージボリュー
ム（７）にオリフィス（１４）を介して常時連通してい
る。上記スラツクピストン（１５）は底壁を有する略カ
ップ形状のもので、その内周上端が上記バルブステム（
４）の突出部（４ａ）外周に、また外周下端がシリンダ
（１０）の大径部（１０ａ）内周にそれぞれ気密状に摺
接している。また、スラックピストン（１５）の底壁中
心部には中心孔（１５ａ）が、また底壁の隅角部にはピ
ストン（１５）内外を連通ずる複数の連通孔（１５ｂ）
、（１５ｂ）、・・・がそれぞれ貫通形成されている。

また、シリンダ（１０）内にはディスプレーサ（１６）
が往復動可能に嵌挿されている。このディスプレーサ（
１６）は、シリンダ（１０）の大径部（１０ａ）にて気
密摺動可能に配置された大径部（１６ａ）と、該大径部
（１６ａ）の下端（先端）に連続し、シリンダ（１０）
の小径部（１０ｂ）に気密摺動可能に配置された小径部
（１６ｂ）とからなる２段構造のもので、大径部（１６
ａ）及び小径部（１６ｂ）の内部にはそれぞれ密閉空間
が形成されており、このディスプレーサ（１６）により
、シリンダ（１０）内の空間が、ディスプレーサ（１６
）の上端及びスラックピストン（１５）で囲まれるガス
給排室（１７）と、ディスプレーサ（１６）の大径部（
１６ａ）及びシリンダ（１０）の大径部（１０ａ）で囲
まれ、上記第１段ヒートステーション（１１）に対応す
る第１段膨張室（１８）と、ディスプレーサ（１６）の
小径部（１６ｂ）及びシリンダ（１０）の小径部（１０
ｂ）で囲まれ、上記第２段ヒートステーション（１２）
に対応する第２段膨張室（１９）とに区画されている。

また、ディスプレーサ（１６）の大径部（１６ａ）下端
には大径部（１６ａ）内の密閉空間を上記第１段膨張室
（１８）に常時連通ずる連通孔（２０）、（２０）が形
成されている。また、小径部（１６ｂ）上端には小径部
（１６ｂ）内の空間を第１段膨張室（１８）に常時連通
ずる連通孔（２１）、（２１）が、同下端には密閉空間
を上記第２段膨張室（１９）に常時連通する連通孔（２
２）、（２２）がそれぞれ形成されている。

さらに、上記ディスプレーサ（１６）の大径部（１６ａ
）上端には大径部（１６ａ）内の空間を上記ガス給排室
（１７）に連通ずる管状の係止片（２３）が一体に突設
され、該係止片（２３）は上記スラックピストン（１５
）底壁の中心孔（１５ａ）を貫通してピストン（１５）
内に所定寸法だけ延び、その上端部にはピストン（１５
）底壁に係合するフランジ状の係止部（２３ａ）が一体
に形成されており、スラックピストン（１５）の移動時
、ピストン（１５）が所定ストロークだけ移動した時点
で係合によりディスプレーサ（１６）を移動開始させる
ように、つまりディスプレーサ（１６）を所定ストロー
クの遅れをもってピストン（１５）に追従移動させるよ
うになされている。

そして、上記ディスプレーサ（１６）の大径部（１６ａ
）内の密閉空間には第１段リジェネレータ（２４）（蓄
冷器）が、また小径部（１６ｂ）内の密閉空間には第２
段リジェネレータ（２５）がそれぞれ嵌装されている。

これらリジェネレータ（２４）、（２５）はいずれも蓄
冷型の熱交換器からなる。具体的には、上記第１段リジ
ェネレータ（２４）は、密閉空間内に蓄冷材として円板
状の多数の銅メツシユを積層したものであり、−方、第
２段リジェネレータ（２５）では空間内に蓄冷材として
所定の直径を有する多数の鉛球（鉛のショット）が充填
封入され、これらメツシュの網目及び鉛球間の間隙がガ
ス通路とされており、このガス通路を流れるヘリウムガ
スの冷熱をメツシュ及び各鉛球に蓄えるようにしている
。すなわち、ディスプレーサ（１６）がシリンダ（１０
）内を上昇する吸気行程にあるときには、前の排気行程
で極低温レベルに温度降下したメツシュ及び鉛球をガス
給排室（１７）から第１及び第２段膨張室（１８）、（
１９）に向かう常温のヘリウムガスと接触させて、両者
の熱交換によりそのガスを極低温レベル近くまで冷却す
る。一方、ディスプレーサ（１６）が下降する排気行程
にあるときには、各膨張室（１８）、（１９）での膨張
により極低温レベルに温度降下したヘリウムガスをシリ
ンダ（１０）外に排出する途中でメツシュ及び鉛球と接
触させて、両者の熱交換によりメツシュ及び鉛球を極低
温レベル近くまで再度冷却するように構成されている。

これに対し、上記バルブモータアッセンブリ（４０）は
、上端が閉塞された有底円筒状のバルブハウジング（４
１）と、該ハウジング（４１）の下端開口を気密状に閉
塞するバルブステム（４２）とで構成された密閉円筒状
のもので、バルブハウジング（４１）の側壁には圧縮機
（１）の吐出側に接続される高圧ガス入口（４３）と、
同吸込側に接続される低圧ガス出口（４４）とが開口さ
れている。また、バルブステム（４２）の下端には上記
シリンダアッセンブリ（３）のガス給排口（５）と同径
のガス給排口（４５）が開口されている。バルブハウジ
ング（４１）の内部には、上記高圧ガス入口（４３）に
連通ずるバルブ室（４６）とが形成され、上記バルブ室
（４６）にはバルブステム（４２）の上面が臨んでいる
。

バルブステム（４２）には、上半部が２つに分岐されか
つ上記バルブ室（４６）を上記ガス給排口（４５）に連
通ずる第１ガス流路（４８）と、一端が該第１ガス流路
（４８）に後述のバルブディスク（５１）の低圧ボー）
　（５３）を介して連通するとともに、他端が上記低圧
ガス出口（４４）にバルブハウジング（４１）に形成し
た連通路（５０）を介して連通ずる第２ガス流路（４９
）とが貫通形成されている。両ガス流路（４８）。

（４９）は、第２図に示すように、バルブステム（４２
）上面においてバルブ室（４６）に対し、第２ガス流路
（４９）にあってはバルブステム（４２）中心部に、第
１ガス流路（４８）の２つの分岐部分にあっては上記第
２ガス流路（４９）の開口部に対して対称な位置にそれ
ぞれ開口されている。

また、バルブ室（４６）内にはバルブモータ（５４）に
よって回転駆動される切換バルブとしてのバルブディス
ク（５１）が配設され、該バルブディスク（５１）の切
換動作により、高圧ガス入口（４３）に連通ずるバルブ
室（４６）と、低圧ガス出口（４４）に連通ずる連通路
（５０）とをガス給排口（４５）に対し交互に連通ずる
ようになされている。

詳しくは、上記バルブディスク（５１）はバルブモータ
（５４）の出力軸（５４ａ）に回転不能にかつ摺動可能
に連結されている。また、バルブディスク（５１）上面
とモータ（５４）との間にはスプリング（５５）が縮装
されており、このスプリング（５５）のばね力及びバル
ブ室（４６）に導入された高圧ヘリウムガスの圧力によ
りバルブディスク（５１）下面をバルブステム（４２）
上面に対し一定の押圧力で押し付けている。また、第３
図に示す如く、バルブディスク（５１）の下面には、そ
の半径方向に対向する外周縁から中心方向に所定長さだ
け切り込んでなる１対の高圧ポー）　（５２）、　　（
５２）と、該高圧ボート（５２）（５２）に対しバルブ
ディスク（５１）の回転方向に略９０″の角度間隔をあ
けて配置され、バルブディスク（５１）下面の中心から
外周縁近傍に向かって直径方向に切り欠いてなる低圧ポ
ート（５３）とが形成されている。そして、バルブモー
タ（５４）の駆動によりバルブディスク（５１）がその
下面をバルブステム（４２）上面に圧接させながら回転
して切換動作する際、このバルブディスク（５１）の切
換動作に応じて高圧ガス入口（４３）又は低圧ガス出口
（４４）を交互にガス給排口（４５）に所定のタイミン
グで連通させるようにしている。

さらに、本発明の特徴として、上記シリンダアッセンブ
リ（３）のガス給排口（５）とバルブモータアッセンブ
リ（４０）のガス給排口（４５）とは、上記ガス給排口
（５）、　　（４５）と同等の断面積を有する大径（例
えば３／８インチ）の第１冷媒配管（６０）と、該第１
冷媒配管（６０）の途中から分岐接続され、第１冷媒配
管（６０）よりも小径（例えば１／４インチ）の第２冷
媒配管（６１）との２本の配管により接続されている。

そして、上記第１冷媒配管（６０）は手動操作式の１対
の第１開閉弁（６２）、　　（６２）により、また第２
冷媒配管（６１）は同様の１対の第２開閉弁（６３）、
　　（６３）によりそれぞれ開閉されるようになってお
り、これら開閉弁（６２）。

（６３）により、両ガス給排口（５）、　　（４５）の
連通を第１又は第２冷媒配管（６０）、（６１）に選択
的に切り換える切換手段が構成されている。

そして、バルブモータアッセンブリ（４０）でのバルブ
ディスク（５１）の切換えにより、シリンダアッセンブ
リ（３）のガス給排口（５）に高圧ガス入口（４３）か
らの高圧ガス又は低圧ガス出口（４４）からの低圧ガス
を交互に作用させてスラブクピストン（１５）及びディ
スプレーサ（１６）をシリンダ（１０）内で往復動させ
、第２図（ａ）に示す如く、バルブディスク（５１）下
面の高圧ボート（５２）、　　（５２）の内端がそれぞ
れバルブステム（４２）上面の第１ガス流路（４８）、
（４８）に合致したときには、バルブ室（４６）を高圧
ボート（５２）、　　（５２）　、第１ガス流路（４８
）及び冷媒配管（６０）（又は（６１）ｌ　を介してシ
リンダ（１０）内のガス給排室（１７）、第１及び第２
段膨張室（１８）。

（１９）に連通させて、これら各室（１７）〜（１９）
に高圧ヘリウムガスを導入充填することにより、スラッ
クピストン（１５）及び該ピストン（１５）によって駆
動されるディスプレーサ（１６）を上昇させる。一方、
第２図（ｂ）に示す如く、バルブステム（４２）上面に
開口する第２ガス流路（４９）に央部にて常時連通する
低圧ポート（５３）の外端が上記第１ガス流路（４８）
に合致したときには、上記シリンダ（１０）内の各室（
１７）〜（１９）を冷媒配管（６０）（又は（６１）ｌ
、第１ガス流路（４８）、　　（４８）、低圧ポート（
５３）、第２ガス流路（４９）及び連通路（５０）を介
して低圧ガス出口（４４）に連通させて、各室（１７）
〜（１９）に充填されているヘリウムガスを低圧ガス出
口（４４）に排出することにより、スラックピストン（
１５）及びディスプレーサ（１６）を下降させ、このデ
ィスプレーサ（１６）の下降移動に伴う膨張室（１８）
、　　（１９）内のヘリウムガスの膨張によって各ヒー
トステーション（１１）、　　（１２）に寒冷を発生す
るように構成されている。

次に、上記実施例の作用について説明する。

クールダウン時には、ＧＭ冷凍機及びＪＴ冷凍機の運転
に伴って５ＱＵＩＤが徐々に低温度レベルに冷却され、
その５ＱＵＩＤの温度が極低温レベル（約４Ｋ）まで降
下した後に冷凍機は定常運転状態に移り、その状態で５
ＱＵＩＤが作動する。

上記ＧＭ冷凍機の運転を詳しく説明すると、先ず、クー
ルダウン運転時、手動操作により、第２開閉弁（６３）
、　　（６３）が共に開かれ、かつ第１開閉弁（６２）
、　　（６２）は共に閉じられる。

このため、シリンダアッセンブリ（３）のガス給排口（
５）とバルブモータアッセンブリ（４０）のガス給排口
（４５）とは小径の第２冷媒配管（６１）によって連通
される。

膨張機（２）のシリンダアッセンブリ（３）におけるシ
リンダ（１０）内の圧力が低圧であって、スラックピス
トン（１５）とディスプレーサ（１６）とが下降端位置
にある状態で、バルブモータアッセンブリ（４０）のバ
ルブモータ（５４）の駆動によりバルブディスク（５１
）が回転し、第２図（ａ）に示す如く、その高圧ポート
（５２）。

（５２）がバルブステム（４２）上面の第１ガス流路（
４８）、　　（４８）に合致してバルブディスク（５１
）が高圧側に開く。これに伴い、圧縮機（１）から高圧
ガス入口（４３）を介してバルブモータアッセンブリ（
４０）のバルブ室（４６）に供給されている常温の高圧
ヘリウムガスがバルブディスク（５１）の高圧ポート（
５２）、　　（５２）及び第１ガス流路（４８）を介し
てガス給排口（４５）に供給され、このガス給排口（４
５）から第２冷媒配管（６１）、シリンダアッセンブリ
（３）のガス給排口（５）及びガス流路（８）を介して
スラックピストン（１５）下方のガス給排室（１７）に
導入される。さらに、このガスはガス給排室（１７）か
らディスプレーサ（１６）の各リジェネレータ（２４）
、（２５）を通って順に各膨張室（１８）、　　（１９
）に充填され、このリジェネレータ（２４）、　　（２
５）を通る間に前の排気行程で冷却されている銅メツシ
ユ及び鉛球との熱交換によって冷却される。

また、上記スラックピストン（１５）上側の中間圧室（
１３）はオリフィス（１４）を介してサージボリューム
（７）に連通しているので、その圧力は一定の適正値に
保たれている。このため、上記ガス給排室（１７）へ高
圧ヘリウムガスが導入されると、その内部の圧力が上記
中間圧室（１３）よりも高くなり、両室（１３）、（１
７）間の圧力差によってピストン（１５）が上昇する。

そして、このピストン（１５）が所定ストロークだけ上
昇すると、該ピストン（１５）の底壁とディスプレーサ
（１６）上端の係止片（２３）とが係合して、ディスプ
レーサ（１６）は圧力変化に対し遅れを持ってピストン
（１５）により引き上げられ、このディスプレーサ（１
６）の上昇移動によりその下方の膨張室（１８）、（１
９）にさらに高圧ガスが充填される（吸気行程）。

この後、上記バルブディスク（５１）が９０゜回転して
閉じるが、その後もディスプレーサ（１６）は慣性力に
よって上昇し、これに伴い、ディスプレーサ（１６）上
方のガス給排室（１７）内のヘリウムガスが第１及び第
２段膨張室（１８）。

（１９）に移動する。

そして、ディスプレーサ（１６）が上昇端位置に達した
後、バルブディスク（５１）が９０″回転し、第２図（
ｂ）に示す如く、低圧ボート（５３）が第１ガス流路（
４８）に合致してバルブディスク（５１）が低圧側に開
き、この開弁に伴い、上記ディスプレーサ（１６）下方
の各膨張室（１８）、（１９）内のヘリウムガスがサイ
モン膨張し、このヘリウムガスの膨張によって寒冷が発
生する（膨張行程）。

この極低温状態となったヘリウムガスは、上記ガス導入
時とは逆に、ディスプレーサ（１６）内のりジェネレー
タ（２４）、　　（２５）を通って上記ガス給排室（１
７）内に戻り、その間にリジェネレータ（２４）、　　
（２５）内の銅メツシユ及び鉛球を冷却しながら自身が
常温まで暖められる。

そして、この常温のヘリウムガスは、ガス給排室（１７
）内のガスと共に、上記とは逆に、ガス流路（８）、ガ
ス給排口（５）、第２冷媒配管（６１）、バルブモータ
アッセンブリ（４０）のガス給排口（４５）、第１ガス
流路（４８）、バルブディスク（５１）の低圧ボート（
５３）及び連通路（５０）を介して低圧ガス出口（４４
）に流れ、そこから圧縮機（１）に吸入される。このガ
ス排出に伴い、上記ガス給排室（１７）内のガス圧が低
下して中間圧室（１３）よりも低くなり、この画室（１
３）、　　（１７）での圧力差によりスラックピストン
（１５）が下降し、このピストン（１５）の底壁がディ
スプレーサ（１６）の上面に当接した後は該ディスプレ
ーサ（１６）が押圧されて下降し、このディスプレーサ
（１６）の下降移動により膨張室（１８）、　　（１９
）内のガスが膨張機（２）外にさらに排出される（排気
行程）。

次いで、バルブディスク（５１）が９０°回転して閉じ
、この後もディスプレーサ（１６）は下降端位置まで下
降し、膨張室（１８）、　　（１９）内のガスが排出さ
れて最初の状態に戻る。以上により膨張機（２）の動作
の１サイクルが終了し、以後は上記と同様な動作が繰り
返される。この繰返しによりシリンダ（１０）の両ヒー
トステーション（１１）、　　（１２）が徐々に冷却さ
れ、両段ヒートステーション（１１）、　　（１２）か
らの寒冷を受けたＪＴ冷凍機のヘリウムガスが予冷され
、このＪＴ冷凍機により５ＱＵＩＤが極低温レベルに冷
却される。

このクールダウン運転時、シリンダ（１０）の低温端の
温度が高いので、その常温端への圧縮熱滞留の影響がク
ールダウン後よりも大きいが、このとき、シリンダアッ
センブリ（３）及びバルブモータアッセンブリ（４０）
の各ガス給排口（５）（４５）同士は小径の第２冷媒配
管（６１）を通して連通しているので、この小径の冷媒
配管（６１）で往来する冷媒ガスの量が多くなり、シリ
ンダ（１０）の低温端で奪われた圧縮熱が冷媒ガスとの
熱交換により良好に放熱される。このため、膨張機（２
）がシリンダアッセンブリ（３）とバルブモータアッセ
ンブリ（４０）とに分離されていても、シリンダ（１０
）常温端の温度上昇を効果的に抑え得、サージボリュー
ム（７）による中間圧を適正範囲に維持でき、よってデ
ィスプレーサ（１６）の往復運動を正常に保って、冷凍
機のクールダウン時間を短時間に維持することができる
。

そして、このようにして冷凍機の始動から所定時間の経
過後、又はＳＱＵ　ＩＤの温度が所定温度に低下した後
、クールダウン運転が終了し、冷凍機は定常運転状態に
なる。この状態では、上記第２開閉弁（６３）、　　（
６３）は閉じられ、その代わり第１開閉弁（６２）、　
　（６２）が開いて、シリンダアッセンブリ（３）のガ
ス給排口（５）とバルブモータアッセンブリ（４０）の
ガス給排口（４５）とは大径の第１冷媒配管（６０）に
よって連通される。その他は上記クールダウン運転時と
同様である。

この定常運転状態では、シリンダアッセンブリ（３）及
びバルブモータアッセンブリ（４０）の各ガス給排口（
５）、（４５）同士が大径の第１冷媒配管（６０）を通
して連通しているので、この大径の冷媒配管（６０）で
のガスの圧力損失が小さくなり、冷凍機のＰｖ図示面積
が大きく保たれ、よってその冷凍能力を増大維持するこ
とができる。

したがって、この実施例では、膨張機（２）が互いに分
離したバルブモータアッセンブリ（４０）とシリンダア
ッセンブリ（３）とで構成されていて、バルブモータ（
５４）がシリンダ（１０）下端から離隔しているので、
バルブモータ（５４）からの磁束が５ＱＵＩＤの磁束検
出にノイズとして悪影響を及ぼすのが抑制され、よって
５ＱＵＩＤを冷凍機によって問題なく冷却することがで
きる。

（他の実施例） 第４図は第２実施例を示す。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。

この実施例では、膨張機（２′）のシリンダアッセンブ
リ（３）及びバルブモータアッセンブリ（４０）のガス
給排口（５）、　　（４５）同士は互いに並列な２本の
同径の第１及び第２の冷媒配管（６５）、（６６）によ
り接続され、両開管（６５）、（６６）の断面積の合計
はガス給排口（５）（又は（４５）］　の断面積と略同
じとされている。

第１冷媒配管（６５）には該配管（６５）を開閉する切
換手段としての手動操作式の１対の開閉弁（６７）、（
６７）が配設されており、この両開閉弁（６７）、（６
７）を開閉することで、両ガス給排口（５）、（４５）
の連通時の通路断面積を、２本の冷媒配管（６５）、　
　（６６）を選択してなる大断面積モードと、該大所面
積モードにおける通路断面積よりも小断面積となる第２
冷媒配管（６６）のみを選択してなる小断面積モードと
の間で大小２通りに切り換えるようにしている。

したがって、この実施例では、冷凍機のクールダウン運
転時、開閉弁（６７）、（６７）が閉じられ、シリンダ
アッセンブリ（３）及びバルブモータアッセンブリ（４
０）との両ガス給排口（５）（４５）同士は第２冷媒配
管（６６）のみにより連通して、両ガス給排口（５）、
（４５）の連通時の通路断面積が小さくなる。このため
、冷媒配管（６５）でガスの往来する量が増大して、シ
リンダ（１０）常温端での圧縮熱の滞留が抑えられ、よ
ってディスプレーサ（１６）の往復運動を適正に保って
クールダウン時間を短縮することができる。

これに対し、クールダウン後の定常運転時には、開閉弁
（６７）、　　（６７）が開弁され、両ガス給排口（５
）、　　（４５）は２本の冷媒配管（６５）。

（６６）を介して連通ずる。その結果、冷媒配管（６５
）、（６６）でのガスの圧力損失を低減して、冷凍機の
冷凍能力を大に保つことができる。

尚、上記第２実施例において、互いに同径の冷媒配管の
数を３本以上に増やしてもよく、開閉弁の開閉により両
ガス給排口（５）、　　（４５）の連通断面積が大小２
通りになるように切り換えてもよい。

また、両ガス給排口（５）、（４５）同士を接続する複
数本の冷媒配管は必ずしも同径である必要はなく、両ガ
ス給排口（５）、（４５）同士を異径の複数本の冷媒配
管で接続し、それらの選択により大断面積モードと小断
面積モードとの間で通路断面積が大小２通りに異なるよ
うに組み合わせるようにしてもよく、両モードでの通路
断面積の比を必要に応じて様々に変更することができる
。

また、上記各実施例は、５ＱＵＩＤを冷却する例である
が、本発明は、その他、モータからの磁束が有害となる
超電導デバイスを冷却する場合にも適用することができ
る。

（発明の効果） 以上説明したように、請求項（１）の発明では、ガス圧
駆動式のＧＭ冷凍機に対し、その膨張機をバルブモータ
アッセンブリとシリンダアッセンブリとに分離し、両ア
ッセンブリのガス給排口同士を径の異なる２種類の並列
な冷媒配管で接続し、両ガス給排口同士の連通を切り換
えるようにした。

また、請求項（２）の発明では、両アッセンブリのガス
給排口同士を複数の並列な冷媒配管で接続し、両ガス給
排口同士を連通ずる冷媒配管を断面積モードが大小２通
りになるように選択切換えするようにした。従って、こ
れらの発明によれば、シリンダ常温端への圧縮熱の滞留
の影響の大きいクールダウン運転では、冷媒配管での断
面積を小さくすることができ、シリンダの低温端で奪わ
れた圧縮熱によるシリンダ常温端の温度上昇を効果的に
抑えて中間圧を適正範囲に維持でき、ディスプレーサの
往復運動を正常に保つことができる一方、クールダウン
運転後は、冷媒配管でのガスの圧力損失を小さくして冷
凍機のＰＶ図示面積を大きく保つことができる。よって
、５ＱＵＩＤ等に対する磁気ノイズ低減のために膨張機
がシリンダアッセンブリとバルブモータアッセンブリと
に分離されたガス圧駆動式ＧＭ冷凍機であっても、その
クールダウン運転時間の短縮維持及びクールダウン運転
後の冷凍能力の増大維持を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第３図は本発明の第１実施例を示し、第１図は
膨張機の断面図、第２図はバルブ室に臨むバルブステム
上面の平面図、第３図はバルブディスク下面の平面図で
ある。第４図は第２実施例を示す第１図相当図である。 第５図は一体型及び別体型膨張機によるＰｖ線図、第６
図は冷媒配管の配管径及び配管長さとＰｖ面積比との関
係を示す特性図、第７図は冷媒配管の配管径及び配管長
とシリンダ常温端部の温度との関係を示す特性図である
。 （１）・・・圧縮機 （２）、　　（２’）・・・膨張機 （３）・・・シリンダアッセンブリ （４）・・・バルブステム（閉塞部材）（５）・・・ガ
ス給排口 （７）・・・サージボリューム （１０）・・・シリンダ （１１）、（１２）・・・ヒートステーション（１３）
・・・中間圧室 （１５）・・・スラックピストン （１６）・・・ディスプレーサ （１７）・・・ガス給排室 （１８）、（１９）・・・膨張室 （２４）、　　（２５）・・・リジェネレータ（４０）
・・・バルブモータアッセンブリ（４２）・・・バルブ
ステム （４３）・・・高圧ガス入口 （４４）・・・低圧ガス出口 （４５）・・・ガス給排口 （５１）・・・バルブディスク（バルブ）（５４）・・
・バルブモータ （６０）・・・第１冷媒配管 （６１）・・・第２冷媒配管 （６２）、（６３）・・・開閉弁（切換手段）（６５）
、（６６）・・・冷媒配管 ・・・開閉弁 （切換手段） （５）・・・ガス給排口 （７）・・・サージボリューム ・・・ディスプレーサ （４２）・・・バルブステム （４３）・・・高圧ガス入口 （４４）・・・低圧ガス出口 ・・・バルブモータ ・・・開閉弁（切換手段） 兜３図 第２図（ａ） 第２区（ｂ）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）冷媒ガスを圧縮して高圧ガスを発生させる圧縮機
   （１）と、該圧縮機（１）から供給された高圧ガスを断
   熱膨張させて極低温レベルの寒冷を発生させる膨張機（
   ２）とで構成された極低温冷凍機であって、 上記膨張機（２）は、ガス給排口（５）を介してシリン
   ダ（１０）内へガスを給排してディスプレーサ（１６）
   を往復動させ、シリンダ（１０）内の膨張室（１８）、
   （１９）でガスを膨張させるシリンダアッセンブリ（３
   ）と、バルブモータ（５４）により切換バルブ（５１）
   を駆動して、上記圧縮機（１）の吐出側及び吸込側にそ
   れぞれ接続される高圧ガス入口（４３）及び低圧ガス出
   口（４４）とガス給排口（４５）との連通を切り換える
   バルブモータアッセンブリ（４０）とに分離され、 上記シリンダアッセンブリ（３）のガス給排口（５）と
   バルブモータアッセンブリ（４０）のガス給排口（４５
   ）とは第１冷媒配管（６０）と、該第１冷媒配管（６０
   ）に並列に接続され、第１冷媒配管（６０）よりも小径
   の第２冷媒配管（６１）とにより連通され、両ガス給排
   口（５）、（４５）の連通を第１又は第２冷媒配管（６
   ０）、（６１）に選択的に切り換える切換手段（６２）
   、（６３）が設けられていることを特徴とする極低温冷
   凍機。
2. （２）冷媒ガスを圧縮して高圧ガスを発生させる圧縮機
   （１）と、該圧縮機（１）から供給された高圧ガスを断
   熱膨張させて極低温レベルの寒冷を発生させる膨張機（
   ２）とで構成された極低温冷凍機であって、 上記膨張機（２）は、ガス給排口（５）を介してシリン
   ダ（１０）内へガスを給排してディスプレーサ（１６）
   を往復動させ、シリンダ（１０）内の膨張室（１８）、
   （１９）でガスを膨張させるシリンダアッセンブリ（３
   ）と、バルブモータ（５４）により切換バルブ（５１）
   を駆動して、上記圧縮機（１）の吐出側及び吸込側にそ
   れぞれ接続される高圧ガス入口（４３）及び低圧ガス出
   口（４４）とガス給排口（４５）との連通を切り換える
   バルブモータアッセンブリ（４０）とに分離され、 上記シリンダアッセンブリ（３）のガス給排口（５）と
   バルブモータアッセンブリ（４０）のガス給排口（４５
   ）とは複数本の冷媒配管（６５）、（６６）で接続され
   、 両ガス給排口（５）、（４５）の連通時の通路断面積を
   、少なくとも２以上の冷媒配管（６５）、（６６）を選
   択してなる大断面積モードと、該大断面積モードにおけ
   る通路断面積よりも小断面積となる冷媒配管を選択して
   なる小断面積モードとの間で切り換える切換手段（６７
   ）が設けられていることを特徴とする極低温冷凍機。