JPH08200865A

JPH08200865A - 極低温冷凍機

Info

Publication number: JPH08200865A
Application number: JP1483095A
Authority: JP
Inventors: Shuji Fujimoto; 修二藤本
Original assignee: Daikin Industries Ltd
Current assignee: Daikin Industries Ltd
Priority date: 1995-01-31
Filing date: 1995-01-31
Publication date: 1996-08-06

Abstract

(57)【要約】【目的】膨張機の膨張空間を圧縮機の吐出側、吸入側
と選択的に連通するための切換バルブを迅速、かつスム
ーズに動作させる。【構成】切換バルブ６３の第１圧力室６３ｃをバルブ
モータ５４と接続し、第２圧力室を膨張機２の膨張空間
５と接続し、高圧と低圧との差圧により切換バルブ６３
の弁体６３ｂを動作させる。

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）サイクルの冷凍サ
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マグネト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。図５は一体型の膨張機と別体型の膨張機とのＰ
Ｖ線図の一例を示しており、別体型の膨張機では、いわ
ゆるＰＶ図示能力が圧力損失の分だけ低下して冷凍能力
が低下していることが分かる。もちろん、圧縮機の負荷
も増大する。

【０００７】上述の問題点を解決するために、電動機式
のモータを用いない切換バルブを膨張機に設置すること
が提案されている（特開平４−６８２６６号公報参
照）。特開平４−６８２６６号公報に記載された極低温
冷凍機は、膨張機から十分に離した位置にバルブモータ
を設置し、切換バルブの弁体を往復動させるための２つ
の圧力室の一方にバルブモータによって発生される圧力
波を供給し、他方に圧縮機の吐出側および吸入側を接続
している。したがって、上記他方の圧力室には、圧縮機
の吐出側圧力である高圧と、吸入側圧力である低圧との
中間圧力が常に与えられ、この中間圧力とバルブモータ
によって発生される圧力波との差圧によって弁体を動作
させ、膨張機を選択的に圧縮機の吐出側または吸入側と
連通させることができる。

【０００８】しかし、バルブモータによって発生される
圧力波と中間圧力との差圧により弁体を動作させるので
あるから、弁体の動作圧力を十分に大きくすることがで
きず、この結果、弁体の動きが鈍くなってしまい、弁体
の動作開始から動作完了までの所要時間が長くなってし
まう。また、上記他方の圧力室と高圧側配管との間のシ
ールが不完全であれば中間圧力が高くなるので、上記一
方の圧力室に高圧の圧力波を供給した場合に弁体の動き
が著しく鈍くなってしまい、またシール抵抗が大きい場
合には弁体を動作させることができなくなってしまう。

【０００９】

【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、切換バルブの動作を迅速かつスムーズに
することができ、ひいては膨張空間のガス圧の切り換え
に遅れ、なまりが生じることを防止できる極低温冷凍機
を提供することを目的としている。

【００１０】

【課題を解決するための手段】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、ガス給排口を選択的に圧縮機の吐出側
または吸入側に連通させる切換バルブと、切換バルブを
駆動する圧力波を発生するバルブモータとから構成さ
れ、上記切換バルブが、弁体を往復動させるための２つ
の圧力室を有しているとともに、ガス給排口と圧縮機の
吐出側とを連通すべく弁体を動作させるための圧力室が
バルブモータの圧力波発生部と連通され、ガス給排口と
圧縮機の吸入側とを連通すべく弁体を動作させるための
圧力室が膨張機の膨張空間と連通されている。

【００１１】請求項２の極低温冷凍機は、上記膨張機の
膨張空間と切換バルブとを接続するガス流路の所定位置
に、ガス流に対して抵抗として機能する小径部を設けた
ものである。

【００１２】

【作用】請求項１の極低温冷凍機であれば、膨張機の膨
張空間が低圧であり、ガス給排口と圧縮機の吐出側とを
連通すべく弁体を動作させるための圧力室（以下、一方
の圧力室と略称する）の圧力も低圧である状態におい
て、ガス給排口と圧縮機の吸入側とを連通すべく弁体を
動作させるための圧力室（以下、他方の圧力室と略称す
る）にバルブモータの圧力波（高圧の圧力波）を供給す
れば、両圧力室の圧力差により弁体が一方の圧力室側に
移動し、圧縮機から吐出された高圧ガスを膨張機の内部
に供給することができる。

【００１３】逆に、圧縮機から吐出された高圧ガスが膨
張機の内部に供給され、膨張機の膨張空間が高圧であ
り、一方の圧力室も高圧である状態において、他方の圧
力室にバルブモータの圧力波（低圧の圧力波）を供給す
れば、両圧力室の圧力差により弁体が他方の圧力室側に
移動し、膨張機内部のガスが圧縮機の吸入側に流れ込
む。

【００１４】なお、何れの場合にも、一方の圧力室の圧
力が膨張機の膨張空間の圧力変化に追従して変化し、最
終的に両圧力室の圧力が等しくなる。したがって、バル
ブモータの圧力波を高圧と低圧とに周期的に変化させる
ことにより、膨張機の膨張空間を周期的に、かつ交互に
圧縮機の吐出側、吸入側と連通することができ、膨張機
の膨張空間のガス圧を高低圧に変化し、これに伴なって
ディスプレーサが往復動し、通常の冷凍機と同様に冷凍
サイクルを行うことができる。

【００１５】そして、この極低温冷凍機においては、切
換バルブを動作させるための圧力として、中間圧力を採
用することなく、高圧と低圧のみを採用しているのであ
るから、切換バルブの弁体を動作させるための圧力差を
十分に大きくすることができ、この結果、弁体を迅速
に、かつスムーズに動作させることができ、ひいては膨
張空間のガス圧の切り換えに遅れ、なまりが生じるとい
う不都合の発生を防止できる。

【００１６】請求項２の極低温冷凍機であれば、上記膨
張機の膨張空間と切換バルブとを接続するガス流路の所
定位置に、ガス流に対して抵抗として機能する小径部を
設けたものを採用しているのであるから、膨張機の膨張
空間に接続された圧力室の圧力変化が急激になることを
防止でき、圧力変化に起因する発熱を大幅に抑制するこ
とができ、切換バルブを冷却するための特別の装置を不
要にすることができる。

【００１７】

【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、図２は切換バルブの構成を示す拡大縦断面図であ
る。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、膨張機２はシリ
ンダアッセンブリ３と、切換バルブ６３と、バルブモー
タアッセンブリ４０とから構成されている。

【００１８】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。

【００１９】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。

【００２０】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。

【００２１】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２２，２２がそれぞれ形成されている。

【００２２】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。

【００２３】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ス給排室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。

【００２４】上記切換バルブ６３は、図２にも示すよう
に、筒状のケーシング６３ａの内部に弁体６３ｂを往復
摺動自在に収容してあるとともに、弁体６３ｂの両側に
第１、第２圧力室６３ｃ，６３ｄを形成してある。ま
た、ケーシング６３ａの所定位置を貫通する状態で、圧
縮機１の吐出側、吸入側とそれぞれ連通される第１、第
２管路６３ｅ，６３ｆが設けられてあるとともに、シリ
ンダアッセンブリ３のガス給排口５と連通される第３管
路６３ｇが設けられてある。そして、弁体６３ｂは、第
３管路６３ｇを第１管路６３ｅまたは第２管路６３ｆと
連通するための凹所６３ｈを中央部外周に有していると
ともに、凹所６３ｈと両圧力室６３ｃ，６３ｄとの間の
気密を保持するためのシール部材６３ｉを有している。
さらに、第３管路６３ｇを圧縮機１の吸入側と連通され
る第２管路６３ｆと連通すべく弁体６３ｂを動作させる
ための第２圧力室６３ｄ（図１中、右側の圧力室）を第
５管路６３ｋを介して第３管路６３ｇの途中部と連通し
ている。そして、第３管路６３ｇを圧縮機１の吐出側と
連通される第１管路６３ｅと連通すべく弁体６３ｂを動
作させるための第１圧力室６３ｃ（図１中、左側の圧力
室）を第４管路６３ｊを介してバルブモータ５４の圧力
波出力ポート（ガス給排口）４５と連通している。さら
に、第５管路６３ｋの所定位置に、ガス流に対して抵抗
として機能する小径部（例えば、ニードルバルブなど）
６３ｍを設けている。

【００２５】上記バルブモータ５４を含むバルブモータ
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、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。

【００２６】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３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。

【００２７】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。

【００２８】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４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５２，５２
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。

【００２９】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３（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。

【００３０】他方、図３（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。

【００３１】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。

【００３２】上記ＧＭ冷凍機の運転を詳しく説明する。
膨張機２のシリンダアッセンブリ３におけるシリンダ１
０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、図３（Ａ）に示すよう
に、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から管路５４ｊを介して切換バルブ５１の
第１圧力室５４ｃに導入される。また、このとき、シリ
ンダ１０内の圧力が低圧であるから、切換バルブ６３の
第２圧力室６３ｄの圧力は低圧である。したがって、両
圧力室６３ｃ，６３ｄの圧力差により弁体６３ｂが迅
速、かつスムーズに動作し、ガス給排口５と連通される
第３管路６３ｇを圧縮機１の吐出側と連通される第１管
路６３ｅと連通させる。この状態で、第１管路６３ｅか
ら切換バルブ６３、第３管路６３ｇ、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１
６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、これらリジェネレータ２４，２
５を通る間に前の排気行程で冷却されている銅メッシュ
および鉛球との熱交換によって冷却される。

【００３３】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）。

【００３４】ディスプレーサ１６は、バルブディスク５
１が９０°回転して閉じる前に、上昇運動をほぼ完了し
て、上端に到達している。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、図３（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切換バルブ６３の第１圧力
室６３ｃの圧力が低圧になる。ただし、この時点におい
ては、シリンダ１０内の圧力が高圧であるから第２圧力
室６３ｄの圧力も高圧であり、両圧力室６３ｃ，６３ｄ
の差圧によって弁体６３ｂが反対側に迅速、かつスムー
ズに動作し、第３管路６３ｇと第２管路６３ｆとを連通
させる。この連通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）。

【００３５】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３管路６３ｇ、切換バルブ６３、第２管路６３ｆ
を介して圧縮機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１６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）。

【００３６】次いで、バルブディスク５１が９０°回転
して閉じる頃には、ディスプレーサ１６は、下端位置ま
で下降する。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。

【００３７】また、切換バルブ６３を動作させるために
第２圧力室の圧力が低圧から高圧、または高圧から低圧
に変化するのであるが、第５管路６３ｋの途中部に小径
部６３ｍを設けているのであるから、圧力変化をゆるや
かに行わせることができ、圧力変化に起因する第２圧力
室６３ｄの温度上昇を抑制することができる。この結
果、特別に冷却装置を設ける必要がなくなる。ただし、
冷却装置を設けることが許容される場合には、小径部６
３ｍを省略することができる。

【００３８】以上の説明から明らかなように、切換バル
ブ６３の弁体６３ｂを動作させるための圧力差がバルブ
モータ５４からの圧力波と中間圧力により得られている
のではなく、バルブモータ５４からの圧力波と膨張機２
の膨張空間の圧力とにより得られているのであるから、
十分に大きい圧力差を得ることができ、弁体６３ｂを迅
速、かつスムーズに動作させることができ、ひいては膨
張空間のガス圧の切り換えに遅れ、なまりが生じるとい
う不都合の発生を防止することができる。

【００３９】さらに、切換バルブ６３のシールが不十分
な場合には高圧側の圧力室の圧力が多少低下し、または
低圧側の圧力室の圧力が多少上昇するが、中間圧力を基
準として弁体を動作させるための圧力差を得ているので
はなく、高圧と低圧とに基づいて弁体を動作させるため
の圧力差を得ているのであるから、弁体６３ｂを迅速
に、かつスムーズに動作させることができる。

【００４０】

【発明の効果】請求項１の発明は、バルブモータにより
発生する圧力波と膨張機の膨張空間圧力とにより切換バ
ルブの弁体を動作させるための圧力差を得るので、圧力
波と中間圧力とにより圧力差を得る場合と比較して圧力
差を大きくすることができ、弁体を迅速に、かつスムー
ズに動作させることができ、ひいては膨張空間のガス圧
の切り換えに遅れ、なまりを生じるという不都合の発生
を防止できるという特有の効果を奏する。また、中間圧
力が一定に保たれるため、ディスプレーサの動きが安定
し、冷凍能力も安定する。

【００４１】請求項２の発明は、請求項１の効果に加
え、切換バルブにおける温度上昇を抑制することができ
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】切換バルブの拡大縦断面図である。

【図３】バルブ室に臨むバルブステム上面の平面図であ
る。

【図４】バルブディスク下面の平面図である。

【図５】一体型および別体型膨張機によるＰＶ線図であ
る。

【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４５ガス給排口５４バルブモータ６３切換バルブ６３ｂ弁体６３ｃ第１圧力室６３ｄ第２圧力室６３ｋ第５管路６３ｍ小径部

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、ガス給排口（５）を選択的に圧縮機（１）の吐出側
または吸入側に連通させる切換バルブ（６３）と、切換
バルブ（６３）を駆動する圧力波を発生するバルブモー
タ（５４）とから構成され、上記切換バルブ（６３）が、弁体（６３ｂ）を往復動さ
せるための２つの圧力室（６３ｃ）（６３ｄ）を有して
いるとともに、ガス給排口（５）と圧縮機（１）の吐出
側とを連通すべく弁体（６３ｂ）を動作させるための圧
力室（６３ｃ）がバルブモータ（５４）の圧力波発生部
（４５）と連通され、ガス給排口（５）と圧縮機（１）
の吸入側とを連通すべく弁体（６３ｂ）を動作させるた
めの圧力室（６３ｄ）が膨張機（２）の膨張空間（５）
と連通されていることを特徴とする極低温冷凍機。
【請求項２】上記膨張機（２）の膨張空間と切換バル
ブ（６３）とを接続するガス流路（６３ｋ）の所定位置
に、ガス流に対して抵抗として機能する小径部（６３
ｍ）を設けている請求項１に記載の極低温冷凍機。