JPH1089790A - 極低温冷凍機及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 スラックピストン１７及びそれに連結された
ディスプレーサ２２によりシリンダ２内を、中間圧室８
に連通する下側圧力室２０と、上側圧力室２９と、膨張
室３０，３１とに区画し、ロータリバルブ３５により、
上側圧力室２９及び膨張室３０，３１に高圧ヘリウムガ
スを供給する高圧開弁状態と、上側圧力室２９及び膨張
室３０，３１のヘリウムガスを排出する低圧開弁状態と
に交互に切り換え、上側圧力室２９及び下側圧力室２０
でのガス圧の圧力差によってピストン１７を駆動してデ
ィスプレーサ２２を往復動させるようにしたガス圧駆動
式の極低温冷凍機におけるディスプレーサ２２の挙動を
安定化かつ最適化する。 【解決手段】 ロータリバルブ３５の高圧開弁状態で下
側圧力室２０に連通する中間圧室８のガスを排出ガス流
路４５により排出する一方、低圧開弁状態で高圧作動ガ
スを供給ガス流路４６により中間圧室８に導き、上側圧
力室２９と中間圧室８との差圧を制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ディスプレーサの
往復動によりヘリウム等の作動ガスを膨張させて極低温
レベルの寒冷を発生させる極低温冷凍機及びその制御方
法に関し、特に、そのディスプレーサの挙動を安定させ
る技術分野に属する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、この種の極低温冷凍機とし
て、シリンダ内に膨張空間を区画するディスプレーサを
備えてなり、このディスプレーサの往復動に伴い、上記
膨張空間に供給された高圧の作動ガスを膨張させて極低
温レベルの寒冷を発生させるとともに、膨張後の低圧の
作動ガスを膨張空間からシリンダ外に排出するようにし
たＧＭ（ギフォード・マクマホン）冷凍機はよく知られ
ている。

【０００３】そして、例えば特開平６―３００３７８号
公報に示されるものでは、ディスプレーサをクランク軸
を介してモータに連結して、モータの作動によりディス
プレーサを往復動させる機械駆動式ＧＭ冷凍機におい
て、クランク軸と一体的に回転するバルブプレートに摺
接してそれを開閉するバルブ本体を外部から回転可能と
し、このバルブ本体のバルブプレートに対する相対位置
を変えることにより、シリンダ内の膨張空間に高圧作動
ガスを供給するタイミングと、膨張空間内で膨張した低
圧の作動ガスを排出するタイミングとを連係して可変と
することが提案されている。

【０００４】ところで、シリンダ内に、ディスプレーサ
により膨張空間と高低圧の中間圧力に設定された中間圧
室を区画形成し、切換バルブにより膨張空間を高圧又は
低圧に交互に切り換えて中間圧室との間にガスの圧力差
を生じさせ、この膨張空間及び中間圧室での圧力差によ
ってディスプレーサを往復動させるようにしたガス圧駆
動式（改良ソルベー式）のＧＭ冷凍機についても知られ
ている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、このガス圧駆
動式のＧＭ冷凍機では、ガス圧の圧力差によってディス
プレーサを駆動する方式であるため、切換バルブの高低
圧切換えによってディスプレーサの往復動の挙動が決定
されてしまい、そのディスプレーサの挙動を上記機械駆
動式の冷凍機のように作動ガスの給排とは別個に制御し
て最適化することは困難であった。

【０００６】また、一般に、ディスプレーサの動きをス
ムーズに行う目的で、ディスプレーサの往復動の１サイ
クルにおいてシリンダ内の膨張空間に高圧作動ガスを供
給する高圧開弁状態と、膨張空間の作動ガスを排出する
低圧開弁状態との割合は略同じとされているが、例えば
高圧開弁状態と低圧開弁状態との割合を変えた場合、そ
の割合の大きい側の圧力に中間圧が変化し、その膨張空
間との差圧が変わってディスプレーサの挙動が不安定と
なる問題が生じる。

【０００７】本発明は斯かる諸点に鑑みてなされたもの
であり、その目的は、上記のように膨張空間と中間圧室
との差圧によりディスプレーサを往復動させて極低温レ
ベルの寒冷を発生させるガス圧駆動式の極低温冷凍機に
おいて、その中間圧室の中間圧を制御することにより、
ディスプレーサの挙動を安定させかつ最適化することに
ある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、この発明では、膨張空間に対する作動ガスの給排
状態に同期して中間圧室の圧力を変化させるようにし
た。

【０００９】すなわち、請求項１の発明では、図１〜図
７に示すように、シリンダ（２）内に、膨張空間（２
９）〜（３１）と高圧及び低圧作動ガスの中間圧力に設
定された中間圧室（８）に連通する圧力室（２０）との
間の圧力差により往復動するディスプレーサ（２２）を
備え、該ディスプレーサ（２２）の往復動に伴い、上記
膨張空間（２９）〜（３１）に供給された高圧の作動ガ
スを膨張させる一方、膨張後の低圧の作動ガスを膨張空
間（２９）〜（３１）からシリンダ（２）外に排出して
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
機が前提である。

【００１０】そして、上記膨張空間（２９）〜（３１）
への高圧作動ガスの供給状態及び膨張空間（２９）〜
（３１）からの低圧作動ガスの排出状態に同期して上記
中間圧室（８）の圧力を可変とする中間圧可変手段（４
４）を設ける。

【００１１】この構成により、中間圧可変手段（４４）
によって中間圧室（８）の圧力が膨張空間（２９）〜
（３１）に対する作動ガスの給排状態に同期して変えら
れるので、例えば膨張空間（２９）〜（３１）への高圧
作動ガスの供給状態では中間圧室（８）の圧力を下げる
一方、膨張空間（２９）〜（３１）からの低圧作動ガス
の排出状態では中間圧室（８）の圧力を上げるようにす
れば、膨張空間（２９）〜（３１）と中間圧室（８）と
の差圧を常に増大させることができ、ディスプレーサ
（２２）の挙動を安定させることができる。

【００１２】また、中間圧室（８）の圧力を可変調整だ
けでディスプレーサ（２２）の動きを制御できるので、
その挙動の最適化を容易に図ることができる。

【００１３】請求項２の発明では、図９に示すように、
上記中間圧可変手段（４４）は冷凍機外部に設けられて
いるものとする。このことで、中間圧室（８）の圧力制
御を容易に行うことができる。

【００１４】請求項３の発明では、シリンダ（２）内の
膨張空間（２９）〜（３１）に高圧作動ガスを供給する
高圧開弁状態と、膨張空間（２９）〜（３１）の作動ガ
スを排出する低圧開弁状態とに交互に切り換わるバルブ
手段（３５）が設けられており、中間圧可変手段（４
４）は、上記バルブ手段（３５）の高圧開弁状態で中間
圧室（８）のガスを排出する排出ガス流路（４５）と、
バルブ手段（３５）の低圧開弁状態で高圧作動ガスを中
間圧室（８）に導く供給ガス流路（４６）とを備えてい
るものとする。

【００１５】このことで、バルブ手段（３５）の高圧開
弁状態でシリンダ（２）内の膨張空間（２９）〜（３
１）に高圧作動ガスが供給されているとき、中間圧室
（８）のガスが排出ガス流路（４５）によって排出され
てその中間圧室（８）の圧力が下がり、中間圧室（８）
に連通する圧力室（２０）と膨張空間（２９）〜（３
１）との差圧が大きくなる。一方、バルブ手段（３５）
の低圧開弁状態で膨張空間（２９）〜（３１）の作動ガ
スが排出されているときには、供給ガス流路（４６）に
よって高圧作動ガスが中間圧室（８）に導かれてその中
間圧室（８）の圧力が上がり、このときにも中間圧室
（８）と膨張空間（２９）〜（３１）との差圧が大きく
なる。従って、バルブ手段（３５）を利用して中間圧室
（８）の圧力制御を容易に行うことができる。

【００１６】請求項４の発明では、ディスプレーサ（２
２）の往復動の１サイクルにおける低圧作動ガスの排出
時間の割合を高圧作動ガスの供給時間の割合よりも長く
構成する。このことにより、ディスプレーサ（２２）の
往復動の低圧作動ガス排出時間の割合が高圧作動ガス供
給時間の割合よりも長いので、膨張空間（２９）〜（３
１）での作動ガスの膨張時間が長くなるようにディスプ
レーサ（２２）が移動し、その分、冷凍機の能力が向上
する。よって、ガス圧駆動式の極低温冷凍機におけるデ
ィスプレーサの挙動安定化を図りながら、その冷凍機の
能力を向上させることができる。

【００１７】請求項５の発明は極低温冷凍機の制御方法
の発明であり、上記請求項１の発明の前提の極低温冷凍
機の制御方法として、膨張空間（２９）〜（３１）への
高圧作動ガスの供給状態及び膨張空間（２９）〜（３
１）からの低圧作動ガスの排出状態に同期して中間圧室
（８）の圧力を可変とする。この発明でも請求項１の発
明と同様の作用効果が得られる。

【００１８】

【発明の実施の形態】

（実施形態１）図７は本発明の実施形態１に係る極低温
冷凍機（Ｒ）の全体構成を示し、この極低温冷凍機
（Ｒ）は、後述の如くシリンダ（２）内でディスプレー
サ（２２）をヘリウムガス圧により往復動させて高圧の
ヘリウムガス（作動ガス）を膨張させるガス圧駆動式の
ＧＭサイクル（ギフォード・マクマホン・サイクル）の
膨張機で構成されている。

【００１９】すなわち、極低温冷凍機（Ｒ）は密閉状の
モータヘッド（１）と、該モータヘッド（１）の上面に
気密状に連設され、下側の大径部（２ａ）及び上側の小
径部（２ｂ）からなる大小２段構造のシリンダ（２）と
を備えている。上記モータヘッド（１）の側面には高圧
ガス入口（４）とその上側に位置する低圧ガス出口
（５）とが形成され、高圧ガス入口（４）は図外の圧縮
機の吐出側に高圧配管を介して、また低圧ガス出口
（５）は同圧縮機の吸入側に低圧配管を介してそれぞれ
接続されている。

【００２０】モータヘッド（１）の内部には、上記高圧
ガス入口（４）に連通するモータ室（６）と、該モータ
室（６）の上側に位置しかつ内部空間が下端にてモータ
室（６）に連通する上下方向の貫通孔からなる装着孔
（７）と、この装着孔（７）の周囲に位置する略環状の
空間からなる中間圧室（８）とが形成されている。

【００２１】また、モータヘッド（１）のシリンダ
（２）との境界部分にはシリンダ（２）下端（基端）の
閉塞部材を構成するバルブステム（９）が嵌挿されてい
る。このバルブステム（９）は、上記装着孔（７）に気
密嵌合されたバルブシート部（９ａ）と、シリンダ
（２）の大径部（２ａ）の内径よりも小径に形成され、
このシリンダ大径部（２ａ）内下部に同心に突出するピ
ストン支持部（９ｂ）と、上記中間圧室（８）の上壁を
構成するフランジ部（９ｃ）とを備えてなり、バルブシ
ート部（９ａ）の下面と装着孔（７）の壁面とで囲まれ
る空間により、高圧ガス入口（４）とモータ室（６）を
介して連通するバルブ室（１０）が形成されている。

【００２２】上記バルブステム（９）には、下半部が２
股状に分岐されかつ上記バルブ室（１０）をシリンダ
（２）内に連通する第１ガス流路（１２）と、一端が該
第１ガス流路（１２）に後述するロータリバルブ（３
５）の低圧ポート（３７）を介して連通するとともに、
他端が上記低圧ガス出口（５）にモータヘッド（１）に
形成した連通路（１３）を介して連通する第２ガス流路
（１４）とが貫通形成されている。上記両ガス流路（１
２），（１４）は、図１にも示すように、バルブ室（１
０）に臨むバルブステム（９）のバルブシート（９ａ）
下面において、第２ガス流路（１４）にあってはバルブ
ステム（９）中心部に、また分岐された第１ガス流路
（１２），（１２）にあっては該第２ガス流路（１４）
に対して対称な位置にそれぞれ開口されている。

【００２３】一方、シリンダ（２）の大径部（２ａ）内
の下端部には底壁を有する略逆カップ形状のスラックピ
ストン（１７）がその内側面を上記バルブステム（９）
のピストン支持部（９ｂ）に摺動案内せしめた状態で往
復動可能に外嵌合され、このスラックピストン（１７）
によりシリンダ（２）内上部に膨張空間（２９）〜（３
１）が、またシリンダ（２）内下端に下側圧力室（２
０）がそれぞれ区画形成され、この下側圧力室（２０）
は上記モータヘッド（１）内の中間圧室（８）にオリフ
ィス（２１）を介して常時連通されている。従って、下
側圧力室（２０）は高圧及び低圧のヘリウムガスの中間
圧力に設定されており、この下側圧力室（２０）と膨張
空間（２９）〜（３１）（詳しくは上側圧力室（２
９））との各ガス圧の圧力差によってスラックピストン
（１７）がディスプレーサ（２２）と共に往復動するよ
うになされている。上記スラックピストン（１７）底壁
の中心部には大径の中心孔（１８）が貫通形成され、周
縁角部にはピストン（１７）内外を連通する複数の連通
孔（１９），（１９），…が形成されている。

【００２４】また、上記シリンダ（２）内にはディスプ
レーサ（２２）（置換器）が往復動可能に嵌合されてい
る。このディスプレーサ（２２）は、シリンダ（２）の
大径部（２ａ）の略上半部内を摺動する密閉円筒状の大
径部（２２ａ）と、該大径部（２２ａ）上端に移動一体
に結合され、シリンダ（２）の小径部（２ｂ）内を摺動
する密閉円筒状の小径部（２２ｂ）とからなり、このデ
ィスプレーサ（２２）により、スラックピストン（１
７）上方のシリンダ（２）内にある膨張空間が下側から
順に上側圧力室（２９）、第１段及び第２段膨張室（３
０），（３１）に区画されている。上記ディスプレーサ
（２２）の大径部（２２ａ）内の空間は上記第１段膨張
室（３０）に連通孔（２３）を介して常時連通され、こ
の大径部（２２ａ）内の空間には蓄冷型熱交換器よりな
る第１段蓄冷器（２４）が嵌装されている。また、ディ
スプレーサ（２２）の小径部（２２ｂ）内の空間は上記
第１段膨張室（３０）に連通孔（２５）を介して、また
第２段膨張室（３１）に連通孔（２６）を介してそれぞ
れ常時連通され、このディスプレーサ小径部（２２ｂ）
内の空間には上記第１段蓄冷器（２４）と同様の第２段
蓄冷器（２７）が嵌装されている。

【００２５】さらに、上記ディスプレーサ（２２）の大
径部（２２ａ）下端には、その大径部（２２ａ）内の空
間を上記上側圧力室（２９）に連通する管状の係止片
（３３）が一体に突設されている。この係止片（３３）
の下部は上記スラックピストン（１７）底壁の中心孔
（１８）を貫通してピストン（１７）内部に所定寸法だ
け延び、その下端部にはピストン（１７）底壁に係合す
るフランジ状の係止部（３３ａ）が一体に形成されてお
り、スラックピストン（１７）の上昇移動時、ピストン
（１７）が所定ストロークだけ上昇した時点でその底壁
上面とディスプレーサ（２２）下面との当接により、デ
ィスプレーサ（２２）がピストン（１７）に駆動されて
上昇開始する一方、スラックピストン（１７）の下降移
動時、ピストン（１７）が所定ストロークだけ下降した
時点でその底壁下面と係止片（３３）の係止部（３３
ａ）との係合により、ディスプレーサ（２２）がピスト
ン（１７）に駆動されて下降開始するように、つまりデ
ィスプレーサ（２２）が所定ストロークの遅れをもって
ピストン（１７）に追従移動するように構成されてい
る。

【００２６】さらに、上記モータヘッド（１）のバルブ
室（１０）内には、シリンダ（２）内の上側圧力室（２
９）及び膨張室（３０），（３１）に高圧ヘリウムガス
を供給する高圧開弁状態と、上側圧力室（２９）及び膨
張室（３０），（３１）のヘリウムガスを排出する低圧
開弁状態とに交互に切り換わるバルブ手段としてのロー
タリバルブ（３５）が配設され、該ロータリバルブ（３
５）は、モータ室（６）に配置したバルブモータ（４
０）により回転駆動される。そして、このロータリバル
ブ（３５）の切換動作により、高圧ガス入口（４）つま
り該高圧ガス入口（４）に連通するバルブ室（１０）
と、低圧ガス出口（５）つまり該低圧ガス出口（５）に
連通する連通路（１３）とをシリンダ（２）内の上側圧
力室（２９）、第１段及び第２段膨張室（３０），（３
１）に対し交互に連通するようになされている。

【００２７】すなわち、上記ロータリバルブ（３５）の
下面中心部にはバルブモータ（４０）の出力軸（４０
ａ）が回転一体に係合されている。また、バルブ（３
５）下面とモータ（４０）との間にはスプリング（図示
せず）が縮装されており、このスプリングのばね力とバ
ルブ室（１０）の高圧ヘリウムガスの圧力とによりロー
タリバルブ（３５）上面をバルブステム（９）のバルブ
シート部（９ａ）下面に対し一定の押圧力で押し付ける
ようにしている。

【００２８】一方、図２に示す如く、上記ロータリバル
ブ（３５）の上面には、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（３６），（３６）と、該高圧ポート（３６），
（３６）に対しロータリバルブ（３５）の回転方向（同
図で矢印にて示す方向）に略９０°の角度間隔をあけて
配置され、バルブ（３５）上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有端凹溝状の低圧ポ
ート（３７）とが形成されており、バルブモータ（４
０）の駆動によりロータリバルブ（３５）をその上面が
バルブステム（９）下面に圧接した状態で回転させて開
閉切換えさせ、このロータリバルブ（３５）の切換えに
より上側圧力室（２９）と下側圧力室（２０）との間に
圧力差を生じさせて、この圧力差によりスラックピスト
ン（１７）及びディスプレーサ（２２）をシリンダ
（２）内で往復動させるようにしている。つまり、ロー
タリバルブ（３５）の回転により、図３に示すように、
その上面の高圧ポート（３６），（３６）の内端がそれ
ぞれバルブステム（９）のバルブシート部（９ａ）下面
に開口する第１ガス流路（１２）の２つの開口端に合致
したときには、バルブ室（１０）（高圧ガス入口
（４））を高圧ポート（３６），（３６）及び第１ガス
流路（１２）を介してシリンダ（２）内の上側圧力室
（２９）、第１段及び第２段膨張室（３０），（３１）
に連通させて、これら各室（２９）〜（３１）に高圧ヘ
リウムガスを導入充填するとともに、その高圧となった
上側圧力室（２９）と下側圧力室（２０）とのガス圧の
差によってスラックピストン（１７）をディスプレーサ
（２２）と共に下降させる。一方、図５に示す如く、バ
ルブシート部（９ａ）下面に開口する第２ガス流路（１
４）に央部にて常時連通する低圧ポート（３７）の両外
端がそれぞれ上記第１ガス流路（１２）の両開口端に合
致したときには、上記シリンダ（２）内の各室（２９）
〜（３１）を第１ガス流路（１２）、低圧ポート（３
７）、第２ガス流路（１４）及び連通路（１３）を介し
て低圧ガス出口（５）に連通させて、各室（２９）〜
（３１）に充填されているヘリウムガスを膨張させなが
ら低圧ガス出口（５）に排出するとともに、この低圧と
なった上側圧力室（２９）と下側圧力室（２０）とのガ
ス圧の差によってスラックピストン（１７）をディスプ
レーサ（２２）と共に上昇させ、このディスプレーサ
（２２）の上昇移動によりヘリウムガスをサイモン膨張
させて、その膨張に伴う温度降下により極低温レベルの
寒冷を発生させ、その寒冷により第１段膨張室（３０）
に対応するシリンダ（２）の大径部（２ａ）先端（上
端）の第１ヒートステーション（４１）を所定温度レベ
ルに、また小径部（２ｂ）先端（上端）の第２ヒートス
テーション（４２）を上記第１ヒートステーション（４
１）よりも低い温度レベルにそれぞれ冷却保持するよう
に構成されている。

【００２９】さらに、本発明の特徴として、図１、図４
及び図６に示す如く、上記ロータリバルブ（３５）の回
転による膨張空間（２９）〜（３１）に対するヘリウム
ガスの給排状態に同期して上記下側圧力室（２０）の圧
力を可変とする中間圧可変機構（４４）が設けられてい
る。すなわち、上記バルブステム（９）のバルブシート
部（９ａ）にはその直径方向に対向した位置に小径の貫
通孔からなる１対の第３ガス流路（１５），（１５）が
形成され、この両第３ガス流路（１５），（１５）の一
端（上端）は、図示しないが上記中間圧室（８）、従っ
て中間圧室（８）とオリフィス（２１）を介して接続さ
れている下側圧力室（２０）に常時連通されている。ま
た、第３ガス流路（１５），（１５）の他端（下端）
は、バルブシート部（９ａ）下面において第１ガス流路
（１２），（１２）及び第２ガス流路（１４）の各開口
を結ぶ線に対してバルブ回転方向（図１仮想線の矢印に
て示す方向）の前側に所定角度（θ）だけずれた位置に
開口されている。

【００３０】一方、図２に示す如く、ロータリバルブ
（３５）の上面には、各高圧ポート（３６）の途中から
バルブ回転方向後側に延びる細溝からなる１対のガス供
給ポート（３８），（３８）と、低圧ポート（３７）の
両端部から半径方向外側に延びた後にバルブ回転方向後
側に延びる同様の１対のガス排出ポート（３９），（３
９）とが形成されている。上記各ガス供給ポート（３
８）の先端部は上記低圧ポート（３７）を通る線に対
し、また各ガス排出ポート（３９）の先端部は上記両高
圧ポート（３６），（３６）を通る線に対しそれぞれバ
ルブ回転方向前側に上記第３ガス流路（１５），（１
５）の開口のずれ角度（θ）と同じ角度だけずれた位置
に配置されており、図１で仮想線にて或いは図３に示す
ように、高圧開弁状態でロータリバルブ（３５）の高圧
ポート（３６），（３６）がバルブステム（９）のバル
ブシート部（９ａ）における第１ガス流路（１２）の両
開口端に一致したとき、同時に、図４に示すように、ロ
ータリバルブ（３５）のガス排出ポート（３９），（３
９）の先端部をそれぞれバルブシート部（９ａ）の第３
ガス流路（１５），（１５）の開口端に一致させて、下
側圧力室（２０）内のガスをオリフィス（２１）、中間
圧室（８）、第３ガス流路（１５），（１５）、ロータ
リバルブ（３５）のガス排出ポート（３９），（３
９）、該ガス排出ポート（３９），（３９）に連通する
低圧ポート（３７）、第２ガス流路（１４）及び連通路
（１３）を介して低圧ガス出口（５）に排出する。一
方、図５に示すように、低圧開弁状態でロータリバルブ
（３５）の低圧ポート（３７）がバルブシート部（９
ａ）の第２ガス流路（１４）の開口端に一致したとき、
同時に、図６に示すように、ロータリバルブ（３５）の
ガス供給ポート（３８），（３８）の先端部をそれぞれ
バルブシート部（９ａ）の第３ガス流路（１５），（１
５）の開口端に一致させて、バルブ室（１０）内の高圧
ヘリウムガスをロータリバルブ（３５）の高圧ポート
（３６），（３６）、該高圧ポート（３６），（３６）
に連通するガス供給ポート（３８），（３８）、第３ガ
ス流路（１５），（１５）、中間圧室（８）及びオリフ
ィス（２１）を介して下側圧力室（２０）に供給するよ
うになっている。つまり、上記中間圧可変機構（４４）
は、ロータリバルブ（３５）の高圧開弁状態で下側圧力
室（２０）のヘリウムガスを排出する排出ガス流路（４
５）と、同バルブ（３５）の低圧開弁状態で高圧ヘリウ
ムガスを下側圧力室（２０）に導く供給ガス流路（４
６）とを備えている。

【００３１】また、上記ディスプレーサ（２２）の往復
動の１サイクルにおける低圧ヘリウムガスの排出時間の
割合が高圧ヘリウムガスの供給時間の割合よりも長く、
詳しくは、ロータリバルブ（３５）による低圧開弁状態
の割合が高圧開弁状態の割合よりも大に設定されてい
る。尚、このロータリバルブ（３５）の低圧開弁状態の
割合を変えるには、例えばロータリバルブ（３５）の高
低圧ポート（３６），（３７）やバルブステム（９）の
ガス流路（１２），（１４）の形状、大きさ、形成位置
等を変えたり、ロータリバルブ（３５）の１回転中の回
転速度を可変としたりすることで達成できる。

【００３２】次に、上記実施形態の作用について説明す
る。極低温冷凍機（Ｒ）の作動は基本的に通常のものと
同様に行われる。この基本的な作動を説明するに、冷凍
機（Ｒ）におけるシリンダ（２）内の圧力が低圧であっ
て、スラックピストン（１７）とディスプレーサ（２
２）とが上昇端位置にある状態において、バルブモータ
（４０）の駆動によるロータリバルブ（３５）の回転に
より、その高圧ポート（３６），（３６）がバルブステ
ム（９）下面の第１ガス流路（１２）の両開口端に合致
してロータリバルブ（３５）が高圧側に開く高圧開弁状
態になると、冷凍機（Ｒ）の高圧ガス入口（４）及びモ
ータ室（６）を介してバルブ室（１０）に供給されてい
る常温の高圧ヘリウムガスが上記ロータリバルブ（３
５）の高圧ポート（３６），（３６）及び第１ガス流路
（１２）を介してスラックピストン（１７）上方の上側
圧力室（２９）に導入されるとともに、さらにこの上側
圧力室（２９）から、順次ディスプレーサ（２２）の各
蓄冷器（２４），（２７）を通って各膨張室（３０），
（３１）に充填され、この蓄冷器（２４），（２７）を
通る間に熱交換によって冷却される。

【００３３】そして、上記スラックピストン（１７）上
側の上側圧力室（２９）のガス圧が下側圧力室（２０）
よりも高くなると、両室（２０），（２９）間の圧力差
によってピストン（１７）が下降し、このピストン（１
７）の下降ストロークが所定値に達したときに、該ピス
トン（１７）の底壁下面とディスプレーサ（２２）下端
における係止片（３３）の係止部（３３ａ）とが係合し
て、ディスプレーサ（２２）は圧力変化に対し遅れを持
ってピストン（１７）により引き下げられ、このディス
プレーサ（２２）の下降移動によりその上方の膨張室
（３０），（３１）にさらに高圧ガスが充填される。

【００３４】この後、上記ロータリバルブ（３５）が閉
じると、その後もディスプレーサ（２２）は慣性力によ
って下降し、これに伴い、ディスプレーサ（２２）上方
の上側圧力室（２９）内のヘリウムガスが膨張室（３
０），（３１）に移動する。

【００３５】このディスプレーサ（２２）が下降端位置
に達した後、ロータリバルブ（３５）の低圧ポート（３
７）が上記バルブステム（９）下面の第１ガス流路（１
２）の開口端に合致してバルブ（３５）が低圧側に開く
低圧開弁状態となり、この開弁に伴い、上記ディスプレ
ーサ（２２）上方の各膨張室（３０），（３１）内のヘ
リウムガスがサイモン膨張し、このガスの膨張に伴う温
度降下により第１ヒートステーション（４１）が所定温
度レベルに、また第２ヒートステーション（４２）が第
１ヒートステーション（４１）よりも低い温度レベルに
それぞれ冷却される。

【００３６】上記膨張室（３０），（３１）で低温状態
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（２２）内の蓄冷器（２４），（２７）を
通って上記上側圧力室（２９）内に戻り、その間に蓄冷
器（２４），（２７）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、さらに
上側圧力室（２９）内のガスと共に第１ガス流路（１
２）、バルブ（３５）の低圧ポート（３７）、連通路
（１３）を介して冷凍機（Ｒ）外に排出され、低圧ガス
出口（５）を通って圧縮機に流れてそれに吸入される。
このガス排出に伴い上記上側圧力室（２９）内のガス圧
が低下し、その下側圧力室（２０）との圧力差によりス
ラックピストン（１７）が上昇し、このピストン（１
７）の底壁上面がディスプレーサ（２２）の下面に当接
した後は該ディスプレーサ（２２）が押圧されて上昇
し、このディスプレーサ（２２）の上昇移動により膨張
室（３０），（３１）内のガスが冷凍機（Ｒ）外にさら
に排出される。

【００３７】次いで、ロータリバルブ（３５）が閉じる
が、この後もディスプレーサ（２２）は上昇端位置まで
上昇移動し、膨張室（３０），（３１）内のガスが排出
されて最初の状態に戻る。以上によりディスプレーサ
（２２）の動作の１サイクルが終了して、以後は上記と
同様な動作が繰り返され、各ヒートステーション（４
１），（４２）の温度は極低温レベルに向かって次第に
降下する。

【００３８】そして、この実施形態では、上記ロータリ
バルブ（３５）の高圧ポート（３６），（３６）がバル
ブステム（９）のバルブシート部（９ａ）における第１
ガス流路（１２）の両開口端に一致して高圧開弁状態に
なり（図３参照）、スラックピストン（１７）が下降し
てディスプレーサ（２２）を下降移動させると、それと
同時に、図１で仮想線にて或いは図４に示す如く、ロー
タリバルブ（３５）上面のガス排出ポート（３９），
（３９）の先端部がそれぞれバルブシート部（９ａ）の
第３ガス流路（１５），（１５）の開口端に一致する。
このため、中間圧室（８）が第３ガス流路（１５），
（１５）、ロータリバルブ（３５）のガス排出ポート
（３９），（３９）、このガス排出ポート（３９），
（３９）に連通する低圧ポート（３７）、第２ガス流路
（１４）及び連通路（１３）を介して低圧ガス出口
（５）に連通することとなり、中間圧室（８）内のガス
が以上の連通部分（排出ガス流路（４５））を経て低圧
ガス出口（５）に排出される。このことで、例えば図８
（ａ）に破線にて示すように、バルブ（３５）の高圧開
弁状態の前半部で中間圧室（８）の圧力が下がって、下
側圧力室（２０）と高圧状態の上側圧力室（２９）との
差圧が大きくなり、その結果、図８（ｂ）に実線にて示
す如く、スラックピストン（１７）によってディスプレ
ーサ（２２）がストロークエンドまで確実に下降移動す
る。

【００３９】一方、ロータリバルブ（３５）の低圧ポー
ト（３７）がバルブシート部（９ａ）の第２ガス流路
（１４）の開口端に一致して低圧開弁状態になると（図
５参照）、スラックピストン（１７）がディスプレーサ
（２２）を上昇移動させるが、同時に、図６に示す如
く、今度はロータリバルブ（３５）のガス供給ポート
（３８），（３８）の先端部がそれぞれバルブシート部
（９ａ）の第３ガス流路（１５），（１５）の開口端に
一致する。このため、バルブ室（１０）がロータリバル
ブ（３５）の高圧ポート（３６），（３６）、この高圧
ポート（３６），（３６）に連通するガス供給ポート
（３８），（３８）及び第３ガス流路（１５），（１
５）を介して中間圧室（８）に連通することとなり、バ
ルブ室（１０）内の高圧ヘリウムガスが以上の連通部分
（供給ガス流路（４６））を経て中間圧室（８）に供給
される。このことで、例えば同図８（ａ）に破線にて示
すように、バルブ（３５）の低圧開弁状態の前半部で下
側圧力室（２０）の圧力が上がってその低圧状態にある
上側圧力室（２９）との差圧が大きくなり、その結果、
図８（ｂ）に実線にて示す如く、スラックピストン（１
７）によってディスプレーサ（２２）がストロークエン
ドまで確実に上昇移動する。

【００４０】このように、中間圧室（８）の圧力が膨張
空間（２９）〜（３１）に対するヘリウムガスの給排状
態に同期して上側圧力室（２９）と下側圧力室（２０）
との差圧が増大するように変わるので、ディスプレーサ
（２２）の最適な昇降動作を安定して行わせることがで
きる。

【００４１】尚、図８（ａ），（ｂ）における一点鎖線
は、中間圧室（８）が第１ガス流路（１２）に常時連通
されている従来例の特性を示しており、高圧開弁状態で
は高圧ガスの流入により中間圧室（８）のガス圧が上昇
して上側圧力室（２９）と中間圧室（８）（下側圧力室
（２０））との差圧が次第に減少し、ディスプレーサ
（２２）の下降側ストロークエンドで移動し難くなって
いる一方、低圧開弁状態ではガスの排出により中間圧室
（８）のガス圧が低下してその上側圧力室（２９）との
差圧が次第に減少し、ディスプレーサ（２２）の上昇側
ストロークエンドで移動し難くなっており、これに比べ
て本発明ではディスプレーサ（２２）の挙動を安定化か
つ適正化できる。

【００４２】また、この実施形態では、ディスプレーサ
（２２）の往復動の１サイクルにおけるロータリバルブ
（３５）による低圧開弁状態の割合が高圧開弁状態の割
合よりも大であるので、その低圧開弁状態が長い分だ
け、ガス圧駆動式の極低温冷凍機（Ｒ）の能力を向上さ
せることができる。

【００４３】しかも、このようにディスプレーサ（２
２）の往復動の１サイクルにおけるロータリバルブ（３
５）による低圧開弁状態の割合が高圧開弁状態の割合よ
りも大に設定しても、上記のように中間圧室（８）での
中間圧の制御によりディスプレーサ（２２）の挙動が安
定して行われ、よってガス圧駆動式の極低温冷凍機にお
けるディスプレーサ（２２）の挙動安定化を図りなが
ら、その冷凍機の能力の向上を確実に実現することがで
きる。

【００４４】（実施形態２）図９は本発明の実施形態２
を示し（尚、図７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）、上記実施形態では冷凍
機（Ｒ）のロータリバルブ（３５）を利用して中間圧可
変機構（４４）を設けているのに対し、中間圧可変機構
（４４′）を冷凍機（Ｒ）の外部に別設したものであ
る。

【００４５】中間圧可変機構（４４′）は、冷凍機
（Ｒ）の中間圧室（８）にガス配管（４８）を介して接
続されていて、ロータリバルブ（３５）の高低圧開弁切
換えに同期して圧力振幅を発生させる。この中間圧可変
機構（４４′）としては、例えば自身で圧力振幅を発生
させるピストン装置やスピーカ装置、或いは定常圧力か
ら圧力波を発生させる電磁弁やロータリバルブ等が用い
られる。こうすれば、中間圧可変機構（４４′）による
中間圧室（８）の圧力制御を冷凍機（Ｒ）の動作とは独
立して容易に行うことができる。

【００４６】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１又は５の
発明によると、シリンダ内に、膨張空間と中間圧室との
圧力差により往復動するディスプレーサを設け、このデ
ィスプレーサの往復動に伴い、高圧の作動ガスを膨張空
間で膨張させる一方、膨張後の低圧の作動ガスを膨張空
間からシリンダ外に排出するようにした極低温冷凍機に
おいて、膨張空間への作動ガスの給排に同期して中間圧
室の圧力を可変としたことにより、膨張空間と中間圧室
との差圧を安定して増大させることができ、よって、ガ
ス圧駆動式の極低温冷凍機におけるディスプレーサの挙
動の安定化及びその最適化を図ることができる。

【００４７】請求項２の発明によると、上記中間圧室の
圧力を可変と中間圧可変手段を冷凍機外部に設けたこと
により、中間圧室の圧力制御の容易化を図ることができ
る。

【００４８】請求項３の発明によると、膨張空間に高圧
作動ガスを供給する高圧開弁状態と、膨張空間の作動ガ
スを排出する低圧開弁状態とに交互に切り換わるバルブ
手段を設け、このバルブ手段の高圧開弁状態で中間圧室
のガスを排出する一方、低圧開弁状態で高圧作動ガスを
中間圧室に導くようにしたことにより、バルブ手段を利
用して中間圧室の圧力制御を容易に行うことができる。

【００４９】請求項４の発明によると、ディスプレーサ
の往復動の１サイクルにおける低圧作動ガスの排出時間
の割合を高圧作動ガスの供給時間の割合よりも長くした
ことにより、ディスプレーサの挙動を安定に保ちつつ、
その冷凍機の能力を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】バルブステムのバルブシート部下面を示す拡大
平面図である。

【図２】ロータリバルブの上面を示す拡大平面図であ
る。

【図３】ロータリバルブが高圧開弁状態にあるときを示
す図１のＡ−Ａ線断面図である。

【図４】ロータリバルブが高圧開弁状態にあるときを示
す図１のＢ−Ｂ線断面図である。

【図５】ロータリバルブが低圧開弁状態にあるときを示
す図１のＡ−Ａ線断面図である。

【図６】ロータリバルブが低圧開弁状態にあるときを示
す図１のＢ−Ｂ線断面図である。

【図７】本発明の実施形態１に係る極低温冷凍機の全体
構成を示す断面図である。

【図８】中間圧の変化及びディスプレーサの挙動を関連
して示す図である。

【図９】本発明の実施形態２を示す図７相当図である。

【符号の説明】

（Ｒ） 極低温冷凍機 （１） モータヘッド （２） シリンダ （８） 中間圧室 （９） バルブステム （１０） バルブ室 （１２） 第１ガス流路 （１４） 第２ガス流路 （１５） 第３ガス流路 （１７） スラックピストン （２０） 下側圧力室 （２２） ディスプレーサ （２９） 上側圧力室（膨張空間） （３０），（３１） 膨張室（膨張空間） （３５） ロータリバルブ（バルブ手段） （３６） 高圧ポート （３７） 低圧ポート （３８） ガス供給ポート （３９） ガス排出ポート （４０） バルブモータ （４１），（４２） ヒートステーション （４４），（４４′） 中間圧可変機構（中間圧可変手
段） （４５） 排出ガス流路 （４６） 供給ガス流路

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 シリンダ（２）内に、膨張空間（２９）
   〜（３１）と高圧及び低圧作動ガスの中間圧力に設定さ
   れた中間圧室（８）に連通する圧力室（２０）との間の
   圧力差により往復動するディスプレーサ（２２）を備
   え、該ディスプレーサ（２２）の往復動に伴い、上記膨
   張空間（２９）〜（３１）に供給された高圧の作動ガス
   を膨張させる一方、膨張後の低圧の作動ガスを膨張空間
   （２９）〜（３１）からシリンダ（２）外に排出して極
   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
   において、 上記膨張空間（２９）〜（３１）への高圧作動ガスの供
   給状態及び膨張空間（２９）〜（３１）からの低圧作動
   ガスの排出状態に同期して上記中間圧室（８）の圧力を
   可変とする中間圧可変手段（４４）を設けたことを特徴
   とする極低温冷凍機。
2. 【請求項２】 請求項１の極低温冷凍機において、 中間圧可変手段（４４）は、冷凍機外部に設けられてい
   ることを特徴とする極低温冷凍機。
3. 【請求項３】 請求項１の極低温冷凍機において、 シリンダ（２）内の膨張空間（２９）〜（３１）に高圧
   作動ガスを供給する高圧開弁状態と、膨張空間（２９）
   〜（３１）の作動ガスを排出する低圧開弁状態とに交互
   に切り換わるバルブ手段（３５）が設けられ、 中間圧可変手段（４４）は、上記バルブ手段（３５）の
   高圧開弁状態で中間圧室（８）のガスを排出する排出ガ
   ス流路（４５）と、バルブ手段（３５）の低圧開弁状態
   で高圧作動ガスを中間圧室（８）に導く供給ガス流路
   （４６）とを備えていることを特徴とする極低温冷凍
   機。
4. 【請求項４】 請求項１〜３のいずれかの極低温冷凍機
   において、 ディスプレーサ（２２）の往復動の１サイクルにおける
   低圧作動ガスの排出時間の割合を高圧作動ガスの供給時
   間の割合よりも長く構成したことを特徴とする極低温冷
   凍機。
5. 【請求項５】 シリンダ（２）内に、膨張空間（２９）
   〜（３１）と高圧及び低圧作動ガスの中間圧力に設定さ
   れた中間圧室（８）に連通する圧力室（２０）との間の
   圧力差により往復動するディスプレーサ（２２）を備
   え、該ディスプレーサ（２２）の往復動に伴い、上記膨
   張空間（２９）〜（３１）に供給された高圧の作動ガス
   を膨張させる一方、膨張後の低圧の作動ガスを膨張空間
   （２９）〜（３１）からシリンダ（２）外に排出して極
   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
   の制御方法であって、 上記膨張空間（２９）〜（３１）への高圧作動ガスの供
   給状態及び膨張空間（２９）〜（３１）からの低圧作動
   ガスの排出状態に同期して上記中間圧室（８）の圧力を
   可変とすることを特徴とする極低温冷凍機の制御方法。