JPH0468268A - 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・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（Ｓｕｐｃｒ
ｃｏｎｄｕｃｔｌｖｃ　ＱｕａｎｔｕＩＩＩｎｔｅｒｆ
ｅｒｅｎｃｅ　ＤｅｖｉｃＣ：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冷凍機を利用する場合
、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δＰＩ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、膨張機における切換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１９８８．８．１８〜８．１９に開催され
た会議’５ｔｈ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｌｏｎａｌ　Ｃｒｙ
ｏｃｏｏｌｅｒ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅでの米国論文“
Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｒＡ　Ｈｙｂｒｉｄ　Ｇｉ
ｆｆｏｒｄ−Ｍｃｍａｈｏｎ　Ｊｏｕｌｅ−Ｔｈｏｍｐ
ｓｏｎ　Ｂａ５ｅｄ　Ｎｅｕｒｏｇ＋ａｇｎｅｔｏｍｅ
ｔｅｒ、Ｃｒｙｏｓｑｕｉｄ”　）。

（発明が解決しようとする課題） ところが、バルブモータがシリンダ部分と一体化されて
いる一体型の膨張機では、高低圧ガスが圧縮機との間で
循環しており、シリンダの低温端（先端）でガスが奪っ
た圧縮熱はガスが圧縮機に戻る間に放出されるので、問
題は生じないが、上記の如き別体型の膨張機では、圧縮
機との間を循環する冷媒ガス量が減少し、このため、上
記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ツ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、クールダウン後の定常運転時の冷凍能力
が低下したりするという不具合が生じる。

本発明は斯かる点に鑑みてなされたものであり、その目
的とするところは、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
させて冷凍機のクールダウン時間の短縮維持及び定常運
転時の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、そのシリンダ側及びバルブモー
タ側の双方にサージボリュームを配設し、シリンダ側の
サージボリュームをバルブモータ側よりも小さくすると
ともに、これらのサージボリューム同士を配管で接続し
た。

具体的には、この発明は、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
対し、上記膨張機（２）を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）とに分離する。

シリンダアッセンブリ（３）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、上記ガス給
排口（５）に連通ずるガス給排室（１７）と中間圧室（
１３）との差圧によりディスプレーサ（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ものとし、一方、バルブモータアッ
センブリ（４０）は、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
通を切り換えるものとする。

上記シリンダアッセンブリ（３）に上記中間圧室（１３
）に連通ずるサージボリューム（７）を、またバルブモ
ータアッセンブリ（４０）には上記シリンダアッセンブ
リ（３）側のサージボリューム（７）よりも大きい容積
を有するサージボリューム（４７）をそれぞれ設ける。

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）とを冷媒配管（６０）により接続する。

また、シリンダアッセンブリ（３）のサージボリューム
（７）とバルブモータアッセンブリ（４０）のサージボ
リューム（４７）とを中間圧力配管（６１）により接続
する。

請求項（ａの発明では、別体型の膨張機において、その
バルブモータ側のみにサージボリュームを配設し、この
サージボリュームを直接シリンダ側の中間圧室と配管で
接続した。

すなわち、この発明は、第４図に示すように、上記請求
項（１）の発明と同様の構成の極低温冷凍機において、
バルブモータアッセンブリ（４０）は、所定の容積を有
するサージボリューム（４７）を備える構成とする。

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）とを冷媒配管（６０）により接続するととも
に、シリンダアッセンブリ（３）の中間圧室（１３）と
バルブモータアッセンブリ（４０）のサージボリューム
（４７）とを中間圧力配管（６１）により接続する。

請求項（３）の発明では、第４図に示す如く、上記請求
項（２の発明の構成に加え、バルブモータアッセンブリ
（４０）のサージボリューム（４７）と中間圧室（１３
）との間で中間圧力配管（６１）を含む通路に、開度変
更可能の可変オリフィス（６２）を配設したことを特徴
としている。

（作用） 上記の構成により、請求項（１）の発明では、シリンダ
アッセンブリ（３）のサージボリューム（７）とバルブ
モータアッセンブリ（４０）のサージボリューム（４７
）とは中間圧力配管（６１）により接続されているので
、中間圧室（１３）の中間圧はサージボリューム（７）
、　　（４７）により適正に保たれる。また、サージボ
リューム（４７）がシリンダ（１０）から離れ、しかも
シリンダアッセンブリ（３）サージボリューム（７）の
容積はバルブモータアッセンブリ（４０）のサージボリ
ューム（４７）よりも小さいので、シリンダ（１０）の
低温端でガスに奪われた圧縮熱がその常温部に滞留して
も、その熱により加熱されるのは小容積の中間圧室（１
３）ないしサージボリューム（７）であり、大きな容積
のサージボリューム（４７）は加熱されず、中間圧が過
度に上昇するのが防止される。よって中間圧と高低圧と
の差圧が適正に保たれてディスプレーサ（１６）の往復
運動が安定して行われ、冷凍機のクールダウン時間を短
時間に維持できるとともに、定常運転時の冷凍能力を増
大させることができる。

請求項（２）の発明では、バルブモータアッセンブリ（
４０）のみにサージボリューム（４７）が設けられ、こ
のサージボリューム（４７）は直接シリンダアッセンブ
リ（３）の中間圧室（１３）に中間圧力配管（６１）に
より接続されているので、中間圧室（１３）の中間圧は
サージボリューム（４７）により適正に保たれ、また、
シリンダ（１０）の低温端でガスに奪われた圧縮熱によ
り加熱されるのは小容積の中間圧室（１３）であり、大
きな容積のサージボリューム（４７）は加熱されず、該
サージボリューム（４７）のガス圧が上昇するのが防止
される。よって中間圧と高低圧との差圧を請求項（１）
の発明に比べさらに適正に保つことができる。

請求項（３）の発明では、バルブモータアッセンブリ（
４０）のサージボリューム（４７）と中間圧室（１３）
との間に可変オリフィス（６２）が配設されているので
、このオリフィス（６２）の開度を変えることで、たと
え冷凍機の運転中等であっても、中間圧室（１３）の最
適中間圧を容易に変更することができる。

（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
型極低温冷凍機の全体構成を示し、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ＪＴ冷凍機の予冷用冷凍機として用いられ、この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）は冷媒
ガスとしての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
。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（１１）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）から伝熱されて図外のＪＴ冷
凍機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。上記スラックピストン（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（１０ｇ）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）内外を連通する複数の連通孔（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（１ｏ）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）に常時連通ずる連通孔（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（１５ｇ）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
で係合してディスプレーサ（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、上記シリンダアッセンブリ（３
）のサージボリューム（７）よりも大きな容積のサージ
ボリューム（４７）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
通する第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）の低圧ボート
（５３）を介して連通ずるとともに、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、このスブリング（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対の高圧ポート（５２）、　　（５
２）と、該高圧ポート（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）とは冷媒配管（６０）
により接続されている。また、シリンダアッセンブリ（
３）の中間圧室（１３）に連通ずるサージボリューム（
７）とバルブモータアッセンブリ（４０）のサージボリ
ューム（４７）とは中間圧力配管（６１）により接続さ
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ックピストン（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）下面の高圧ポート（５２）、　　（５２）の内
端がそれぞれバルブステム（４２）の第１ガス流路（４
８）、　　（４８）に合致したときには、バルブ室（４
６）を高圧ポート（５２）、　　（５２）、第１ガス流
路（４８）及び冷媒配管（６０）を介してシリンダ（１
０）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。二方、第２図（ｂ）に示すように、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）、　　（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）、第１ガス流路（４８）、低圧ポート（５
Ｂ）、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（１
５）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。

すなわち、上記ＧＭ冷凍機の運転を詳しく説明すると、
先ず、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）に示すように、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（５
１）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（４５）から冷媒配管（６０）、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）、　　（２５）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）はサージボリューム（７）及び中間圧力配管（６
１）を介してバルブモータアッセンブリ（４０）のサー
ジボリューム（４７）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）、　　（１７）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（１６）の上昇移動によりその下方の膨
張室（１８）、（１９）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）がさらに９０°回転し、第
２図（ｂ）に示す如く、その低圧ポート（５Ｂ）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、その間にリジエ＊レ−９（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）、冷媒配管（６０）、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）の低圧ポート（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、この両室（１３）
、（１７）での圧力差によりスラツクピストン（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（１
６）が抑圧されて下降し、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′
−トステーシラン（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冷却され、
この冷却されたガスのジュールトムソン膨張により極低
温レベルの寒冷が生じ、この寒冷により５ＱＵＩＤが冷
却される。

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）先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
ＧＭ冷凍機によって問題なく冷却することができる。

また、膨張機（２）が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）とに分離しているの
で、バルブモータアッセンブリ（４０）に対して給排さ
れたヘリウムガスは冷媒配管（６０）内を往復移動する
だけであり、膨張機（２）を循環するヘリウムガス量が
減少する。このため、シリンダ（ｌＯ）の低温端（下端
）でガスが奪った圧縮熱は十分に放熱されず、シリンダ
（１０）の常温部（上端）に溜まる。しかし、この実施
例では、バルブモータアッセンブリ（４０）に大容積の
サージボリューム（４７）が設けられ、シリンダアッセ
ンブリ（３）でのサージボリューム（７）の容積は小さ
く、両サージボリューム（７）、（４７）は中間圧力配
管（６１）により接続されているので、上記のようにシ
リンダ（１０）低温端でガスに奪われた熱がその常温部
に滞留しても、その熱により加熱されるのは小容積のサ
ージボリューム（７）及び中間圧室（１３）のみであり
、大きな容積のサージボリューム（４７）は加熱されな
い。その結果、両サージボリューム（７）、（４７）で
設定される中間圧室（１３）のガス圧が過度に上昇する
のは防止され、中間圧と高低圧との差圧が適正に保たれ
る。よって、ディスプレーサ（１６）の往復運動を安定
して行うことができ、冷凍機のクールダウン時間を短時
間に維持できるとともに、定常運転時の冷凍能力を増大
させることができる。

（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′）にはサージボリューム（７）が設けられてお
らず、その中間圧室（１３）は直接、中間圧力配管（６
１）を介してバルブモータアッセンブリ（４０）のサー
ジボリューム（４７）に連通されている。

また、中間圧力配管（６１）に開度変更可能な可変オリ
フィスとしてのオリフィスバルブ（６２）が配設されて
おり、このオリフィスバルブ（６２）の開度調整により
中間圧を設定するようにしている。

したがって、この実施例では、上記第１実施例と同様の
作用効果を奏することができる。また、それに加え、中
間圧力配管（６１）にオリフィスバルブ（６２）が配設
されているので、たとえ運転中であっても、このオリフ
ィスバルブ（６２）の開度を調整することで、例えばク
ールダウン運転時と定常運転時との間で中間圧室（１３
）の中間圧を容易に変更することができる利点がある。

尚、上記第２実施例において、オリフィスバルブ（６２
）の位置は中間圧力配管（６１）に限定されず、シリン
ダアッセンブリ（３）の中間圧室（１３）とバルブモー
タアッセンブリ（４０）のサージボリューム（４７）と
の間の通路であればよい。

また、オリフィスバルブ（６２）は必ずしも設ける必要
はなく、運転に最適な中間圧を初期設定することで省略
することもできる。

さらに、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冷媒配管で接続するとと
もに、バルブモータアッセンブリにシリンダアッセンブ
リよりも大きい容積のサージボリュームを設けて、該サ
ージボリュームを中間圧力配管を介してシリンダアッセ
ンブリのサージボリュームに接続した。また、請求項（
′２Ｊの発明では、バルブモータアッセンブリのみにサ
ージボリュームを設けて、該サージボリュームを中間圧
力配管を介してシリンダアッセンブリの中間圧室に接続
した。これらの発明によると、シリンダの低温端から奪
われた熱が常温端に溜まっても、その熱により大容積の
サージボリュームが直接に加熱されるのを回避すること
ができ、ディスプレーサの往復運動を安定して行わせて
、冷凍機のクールダウン時間を短縮維持できるとともに
、定常運転での冷凍能力を大に維持できる。よって極低
温レベルで作動する５ＱＵＩＤ等の超電導デバイスの冷
却に有効な冷凍機を得ることができる。

請求項（３）の発明によれば、上記請求項（２の発明に
おいて、シリンダアッセンブリ（３）の中間圧室（１３
）とバルブモータアッセンブリ（４０）のサージボリュ
ーム（４７）との間の通路に開度変更可能な可変オリフ
ィスを設けたので、このオリフィスの開度を変えること
で、中間圧室の最適な中間圧を容易に変更することがで
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
膨張機の拡大断面図、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。 （１）・・・圧縮機 （２）、　　（２’）・・・膨張機 （３）、（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・・・中
間圧室 ・・・スラックピストン ・・・ディスプレーサ ・・・ガス給排室 、（１９）・・・膨張室 、　　（２５）・・・リジェネレータ ・・・バルブモータアッセンブリ ・・・バルブステム ・・・高圧ガス入口 ・・・低圧ガス出口 ・・・ガス給排口 ・・・サージボリューム ・・・バルブディスク（切換バルブ） ・・・バルブモータ ・・・冷媒配管 ・・・中間圧力配管 ・・・オリフィスバルブ （可変オリフィス） （１）・・・圧縮機 （２）、　　（２’）・・・膨張機 （３）、　　（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（１
３）・・・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 （４７）・・・サージボリューム （５１）・・・バルブディスク（切換バルブ）（５４）
・・・バルブモータ （６０）・・・冷媒配管 （６１）・・・中間圧力配管 （６２）・・・オリフィスバルブ（可変オリフィス） 用３図 第２図（ａ） 第２図（ｂ）

Claims (3)

【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、上記ガス給排口（５）
   に連通するガス給排室（１７）と中間圧室（１３）との
   差圧によりディスプレーサ（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（４
   ４）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）は、上記中間圧室（１３）に連通
   するサージボリューム（７）を備える一方、バルブモー
   タアッセンブリ（４０）は、上記シリンダアッセンブリ
   （３）側のサージボリューム（７）よりも大きい容積を
   有するサージボリューム（４７）を備え、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）とは冷媒配
   管（６０）により接続されているとともに、シリンダア
   ッセンブリ（３）のサージボリューム（７）とバルブモ
   ータアッセンブリ（４０）のサージボリューム（４７）
   とは中間圧力配管（６１）により接続されていることを
   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、上記ガス給排口（５）
   に連通するガス給排室（１７）と中間圧室（１３）との
   差圧によりディスプレーサ（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（４
   ４）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、上記バルブ
   モータアッセンブリ（４０）は、所定の容積を有するサ
   ージボリューム（４７）を備え、 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
   ）とは冷媒配管（６０）により接続されているとともに
   、 シリンダアッセンブリ（３）の中間圧室（１３）とバル
   ブモータアッセンブリ（４０）のサージボリューム（４
   ７）とは中間圧力配管（６１）により接続されているこ
   とを特徴とする極低温冷凍機。
3. （３）中間圧室（１３）とバルブモータアッセンブリ（
   ４０）のサージボリューム（４７）との間の通路に、開
   度を変更可能な可変オリフィス（６２）を配設したこと
   を特徴とする請求項（２）記載の極低温冷凍機。