JPH0545015A

JPH0545015A - 極低温冷凍機

Info

Publication number: JPH0545015A
Application number: JP22517291A
Authority: JP
Inventors: Naoki Fukui; 直樹福井
Original assignee: Daikin Industries Ltd
Current assignee: Daikin Industries Ltd
Priority date: 1991-08-10
Filing date: 1991-08-10
Publication date: 1993-02-23

Abstract

(57)【要約】【目的】被冷却物とバルブモータアッセンブリとを可
能な限り離し、しかもクールダウン所要時間の短縮およ
びシリンダアッセンブリの常温端の昇温を抑制する。【構成】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とのガス給排口５，４５同士を連通するた
めの、長さが短い第１冷媒配管６０と長さが長いフレキ
シブル冷媒配管６１を並列に設けるとともに、２方向切
換弁６２，６３を設け、クールダウン運転時には第１冷
媒配管６０で両ガス給排口５，４５を連通し、定常運転
時にはフレキシブル冷媒配管６１で両ガス給排口５，４
５を連通するとともに、第１冷媒配管６０をカプリング
６０ａ部において分離する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は極低温冷凍機に関し、
さらに詳細にいえば，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、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ものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、この種の極低温冷凍機とし
て、ＧＭ（ギフォード・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
往復動可能に配置されたディスプレーサおよびスラック
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
レーサ内のリ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所定スト
ロークの間隔をあけて係合している。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連通している。そして、ガス給
排室ないし膨張室に対する冷媒ガスの給排を周期的に切
り換えることで、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。

【０００３】そして、上記ガスの給排を切り換える場
合、大別してモータや電磁弁等、電気的アクチュエータ
を用いるものと、特開昭５８−１９０６６５号公報に示
されるように膨張機でのガス圧の変動を利用するように
したものとに分れる。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（Superconductive Quantum Interference Dev
ice:以下、ＳＱＵＩＤと略称する）が注目されている。
このＳＱＵＩＤ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。

【０００４】しかし、このＳＱＵＩＤを作動温度レベル
に冷却するために、上記した電気アクチュエータを有す
るガス圧駆動式のＧＭ冷凍機を利用する場合、冷凍機に
はモータや電磁弁等、磁束を発生するアクチュエータが
設けられているため、このアクチュエータからの磁束が
有害なノイズとなって検出され、その測定精度が低下す
るという不都合がある。

【０００５】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、バルブモータアッセンブリ
とシリンダアッセンブリとを配管で接続することによ
り、バルブモータをＳＱＵＩＤ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“NASA ConferencePublication 2287”に発表され
た論文“Gifford-Mcmahon Refrigerator With Split Co
ld Head ”および1988.8.18〜 8.19 に開催された会議
“5th International Cryocooler Conference ”での米
国論文“Development of A Hybrid Gifford-Mcmahon Jo
ule-Thompson Based Neuromagnetometer,Cryosquid”参
照）。

【０００６】

【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、上述し
たような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、このためシリンダの低温端（先
端）でガスが奪った圧縮熱は十分には放出されず、シリ
ンダの常温部（基端部）に溜まることになる。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
ンおよびディスプレーサのスムーズな移動に支障をきた
し、クールダウン時間が長くなったり、クールダウン後
の定常運停時の冷凍能力が低下したりするという不都合
がある。

【０００７】例えば、図５〜図７は本件発明者らが行な
った実験結果を示す図であり、図５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５ｍ、配管径３／８インチの冷媒
配管で接続したもの）とのＰＶ線図を示す。この図から
明らかなように、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
分る。また、図６は冷媒配管の配管径および配管長さと
ＰＶ面積比との関係を、図７は冷媒配管の配管径および
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、配管長が短くなるほど、また配管
径が小さくなるほどシリンダ常温端の温度が低くなり、
配管長が短くなるほど、また配管径が大きくなるほどＰ
Ｖ面積比が大きくなることが分る。

【０００８】

【発明の目的】この発明は上記の問題点に鑑みてなされ
たものであり、クールダウン時間を短縮でき、しかもシ
リンダの常温部の昇温を大巾に抑制できる極低温冷凍機
を提供することを目的としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めの、請求項１の極低温冷凍機は、冷媒ガスを圧縮して
高圧ガスを発生させる圧縮機と、圧縮機から供給された
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
せる膨張機とで構成された極低温冷凍機であって、上記
膨張機が、ガス給排口を介してシリンダ内へガスを給排
してディスプレーサを往復動させ、シリンダ内の膨張室
でガスを膨張させるシリンダアッセンブリと、バルブモ
ータにより切換バルブを駆動して、上記圧縮機の吐出側
および吸入側に夫々連通される高圧ガス入口および低圧
ガス出口とガス給排口とを選択的に連通するバルブモー
タアッセンブリとに分離され、上記シリンダアッセンブ
リのガス給排口とバルブモータアッセンブリのガス給排
口とが第１冷媒配管と、第１冷媒配管と並列に配置され
かつ第１冷媒配管よりも長い可撓性冷媒配管とで連通さ
れ、両ガス給排口を選択的に第１冷媒配管または可撓性
冷媒配管に連通させる切換手段が設けられている。

【００１０】請求項２の極低温冷凍機は、第１冷媒配管
が、中央部所定位置にカップリングを有している。

【００１１】

【作用】請求項１の極低温冷凍機であれば、クールダウ
ン運転時には、切換手段によりシリンダアッセンブリお
よびバルブモータアッセンブリの各ガス給排口を長さが
短い第１冷媒配管を介して連通するのであるから、全体
として冷媒流路の長さを短くでき、圧縮機との間を循環
する冷媒ガス量の減少を抑制してクールダウンの所要時
間を短縮できる。また、この場合にはシリンダの低温端
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、シリンダアッセンブリと
バルブモータとを長さが短い第１冷媒配管により連通し
ているいるため、冷媒配管でのガスの圧力損失により冷
凍能力が低下し或は圧縮機の負荷が増大したり、シリン
ダ常温端での圧縮熱の滞留によりディスプレーサの往復
運動が悪影響を受けたりするのを回避することができ
る。さらに、シリンダアッセンブリの常温端の異常昇温
を防止できる関係上、水冷等の異常昇温対策を施す必要
がなくなるとともに、シリンダアッセンブリに収容され
る樹脂材料への悪影響を未然に防止できる。

【００１２】そして、クールダウン運転が終了して定常
運転を行なう場合には、切換手段によりシリンダアッセ
ンブリおよびバルブモータアッセンブリの各ガス給排口
を長さが長い可撓性冷媒配管を介して連通し、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十分に離
すことができる。即ち、バルブモータを用いて高低圧を
切り換えているが、この高低圧により切り換えているの
は膨張機内の切換バルブであるから、バルブモータをシ
リンダ低温端，つまりＳＱＵＩＤ等から十分離して設置
でき、ＳＱＵＩＤ等に対する磁気ノイズを低減すること
ができる。

【００１３】請求項２の極低温冷凍機であれば、第１冷
媒配管が所定位置にカプリングを有しているのであるか
ら、クールダウン運転終了後に第１冷媒配管を取外すこ
となくカプリングによる第１冷媒配管の部分同士の接続
を外すだけでシリンダアッセンブリとバルブモータアッ
センブリとの間隔を大きくできる。

【００１４】

【実施例】以下、実施例を示す添付図面によって詳細に
説明する。図１はこの発明の一実施例としてのガス圧駆
動式のＧＭ型極低温冷凍機の全体構成を示す縦断面図で
あり、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ＳＱＵＩＤ（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１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る。そして、望郷機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
とから構成されている。

【００１５】上記シリンダアッセンブリ３は、上方に解
放された有底円筒状のシリンダ１０と、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。このバルブステム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、比較的小さい容量のサージボリューム７と、ガス給
排口５をシリンダ１０内に連通するガス流路８とが形成
されている。さらに、ガス流路８は通路断面積の小さい
連通路９を介してサージボリューム７に常時連通してお
り、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。

【００１６】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１
０ａの下端部には例えば５５〜６０Ｋ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１５〜２０Ｋ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。

【００１７】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、中間圧室１３はバルブ
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。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１
０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
連通する複数の連通孔１５ｂ，１５ｂ，…がそれぞれ貫
通形成されている。

【００１８】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１６ａ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および
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およびシリンダ１０の
小径部１０ｂ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
通する連通孔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に常時連通する連通孔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。

【００１９】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に連通する管状の係止片２３が一体に突設され、係
止片２３は上記スラックピストン１５底壁の中心孔１５
ａ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の上昇移動時、ピストン１５が所定ストロークだけ
上昇した時点でその底壁と係止片２３の係止部２３ａと
の係合により、ディスプレーサ１６をピストン１５によ
って駆動して上昇開始させるように、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。

【００２０】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がそれぞれ嵌挿されている。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ッシ
ュを積層したものであり、一方、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、これらメッシ
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ッシュ及び
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
ッシュ及び鉛球をガ給排室１７から第１及び第２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ッシュ及び鉛球と接触させて、両
者の熱交換によりメッ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。

【００２１】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４１と、ハウジング４１の下端開口を機密状に閉塞
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、高圧ガス入口４３に
連通するバルブ室４６が形成され、バルブ室４６にはバ
ルブステム４２の上面が臨んでいる。

【００２２】バルブステム４２には、上半分が２つに分
岐されかつバルブ室４６をガス給排口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の低圧ポート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を介して連通する第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、図２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。

【００２３】また、バルブ室４６内にはバルブモータ５
４によって所定周期で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に連通するバルブ
室４６と低圧ガス出口４４に連通する連通路５０とをガ
ス給排口４５に対し交互に連通するようになされてい
る。

【００２４】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、図３に示すように、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、高圧ポート５２，５２に対しバルブディスク５１
の回転方向にほぼ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。

【００２５】さらに、この発明の特徴として、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、長さが短い第１冷媒配
管６０と長さが長いフレキシブル冷媒配管６１とにより
並列的に連通されている。そして、両ガス給排口５，４
５を２方向切換弁６２，６３により第１冷媒配管６０ま
たはフレキシブル冷媒配管６１と選択的に連通させるよ
うにしている。さらに、第１冷媒配管６０は、途中部に
カップリング６０ａを有しており、カップリング６０ａ
を操作することにより第１冷媒配管６０の全範囲の連通
状態と切離し状態とを簡単に選択できるようにしてい
る。

【００２６】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
ガスまたは低圧ガス出口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およびディスプレーサ１
６をシリンダ１０内で往復動させ、図２（Ａ）に示すよ
うに、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上面の第１ガス流路
４８に合致したときには、バルブ室４６を高圧ポート５
２，５２、第１ガス流路４８および冷媒配管６０（また
は６１）を介してシリンダ１０内のガス給排室１７、第
１および第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およびこのピストン１５
によって駆動されるディスプレーサ１６を上昇させる。

【００２７】他方、図２（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に中央部にて
常時連通する低圧ポート５３の外端が第１ガス流路４８
に合致した場合には、シリンダ１０内の各室１７〜１９
を冷媒配管６０（または６１）、第１ガス流路４８，４
８、低圧ポート５３、第２ガス流路４９および連通路５
０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およびデ
ィスプレーサ１６を下降させ、このディスプレーサ１６
の下降移動に伴なう膨張室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。

【００２８】上記構成の極低温冷凍機の作用は次のとお
りである。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ＳＱＵＩＤが徐々に低温度レベルに
冷却され、そのＳＱＵＩＤの温度が極低温レベル（約４
Ｋ）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ＳＱＵＩＤが作動する。

【００２９】すなわち、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には、２方向切
換弁６２，６３を第１冷媒配管６０側に切換えるので、
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とは長さが短い第１
冷媒配管６０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５
１が回転し、図２（Ａ）に示すように、高圧ポート５
２，５２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
れに伴なって、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および第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
第１冷媒配管６０、シリンダアッセンブリ３のガス給排
口５およびガス流路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を通って純に各膨張室１８，１９に充填
され、これらリジェネレータ２４，２５を通る間に前の
排気行程で冷却されている銅メッシュおよび鉛球との熱
交換によって冷却される。

【００３０】また、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、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、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）。

【００３１】この後、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は閑静力に
よって上昇し、これに伴なってディスプレーサ１６上方
のガス給排室１７内のヘリウムガスが第１および第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９
０°回転し、図２（Ｂ）に示すように、低圧ポート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、この開弁に伴なってディスプレーサ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）。

【００３２】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内のリジ
ェネレータ２４，２５を通ってガス給排室１７内に戻
り、その間にリジェネレータ２４，２５内の銅メッシュ
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１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
５１４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１
６の上面に当接した後はディスプレーサ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）。

【００３３】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
の繰り返しによりシリンダ１０の両段ヒートステーショ
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ＳＱＵＩＤが極
低温レベルに冷却される。

【００３４】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同士は長さが短い冷媒配管６０
を通して連通しているので、第１冷媒配管６０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
凍機によるクールダウンを短時間で達成することができ
る。

【００３５】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ＳＱＵＩＤ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、図４に示すように、２
方向切換弁６２，６３がクールダウン動作時と逆の状態
に切換えられ、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
長さが長いフレキシブル冷媒配管６１によって連通され
る。そして、第１冷媒配管６０は、カプリング６０ａを
操作することにより中央部が切離される。その他は上記
クールダウン運転時と同様である。

【００３６】この定運転状態では、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同士が長さが長いフレキシブル冷媒配管６１を
通して連通しているので、このフレキシブル冷媒配管６
１の許容範囲内において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とを離した状態で定常運転を
行ない、ＳＱＵＩＤに対するバルブモータアッセンブリ
４０に起因するノイズ磁束の影響を大巾に低減できる。

【００３７】尚、この発明は上記の実施例に限定される
ものではなく、例えば、フレキシブル冷媒配管６１によ
り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とを連通する定常運転状態において両２方向切換弁
６２，６３と第１冷媒配管６０とを切離すことが可能で
あるほか、各冷媒配管６０，６１にそれぞれ開閉弁を設
けることが可能であり、その他、この発明の要旨を変更
しない範囲において種々の設計変更を施すことが可能で
ある。

【００３８】

【発明の効果】以上のように請求項１の発明は、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が
短い第１冷媒配管で連通した状態でクールダウンを行な
うので、クールダウン所要時間を短縮できるとともに、
シリンダアッセンブリの常温端の昇温を抑制でき、しか
もクールダウン後の定常運転時には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が長い可撓性冷
媒配管で連通した状態で運転を行なうので、バルブモー
タアッセンブリに起因するノイズ磁束が被冷却物に与え
る影響を大巾に低減できるという特有の効果を奏する。

【００３９】請求項２の発明は、請求項１の効果に加
え、シリンダアッセンブリとバルブモータアッセンブリ
との間隔に対応して第１冷媒配管の分離、連通を簡単に
達成できるという特有の効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例としてのガス圧駆動式のＧ
Ｍ型極低温冷凍機のクールダウン運転状態の全体構成を
示す縦断面図である。

【図２】バルブ室に臨むバルブステム上面の平面図であ
る。

【図３】バルブディスク下面の平面図である。

【図４】この発明の一実施例としてのガス圧駆動式のＧ
Ｍ型極低温冷凍機の定常運転状態の全体構成を示す縦断
面図である。

【図５】一体型および別体型膨張機によるＰＶ線図であ
る。

【図６】冷媒配管の配管径および配管長さとＰＶ面積比
との関係を示す特製図である。

【図７】冷媒配管の配管径および配管長とシリンダアッ
センブリ常温端部の温度との関係を示す特製図である。

【符号の説明】

１圧縮機２膨張機３シリンダアッセンブ
リ５ガス給排口１０シリンダ１６ディスプ
レーサ１８，１９膨張室４０バルブモータアッセンブ
リ４３高圧ガス入口４４低圧ガス出口４５
ガス給排口６０第１冷媒配管６０ａカプリング６１
フレキシブル冷媒配管６２，６３２方向切換弁

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項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、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）が、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（１８，１
９）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）の吐出側および吸入側に夫
々連通される高圧ガス入口（４３）および低圧ガス出口
（４４）とガス給排口（４５）とを選択的に連通するバ
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）とが
第１冷媒配管（６０）と、第１冷媒配管（６０）と並列
に配置されかつ第１冷媒配管（６０）よりも長い可撓性
冷媒配管（６１）とで連通され、両ガス給排口（５，４
５）を選択的に第１冷媒配管（６０）または可撓性冷媒
配管（６１）に連通させる切換手段（６２，６３）が設
けられていることを特徴とする極低温冷凍機。
【請求項２】第１冷媒配管（６０）が、中央部所定位
置にカップリング（６０ａ）を有している請求項１に記
載の極低温冷凍機。