JPH11270917A - 極低温冷凍機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 バルブステムに対してロータリバルブが摺接
しながら回転することで作用圧力を切り換えてシリンダ
内でディスプレーサを往復動させるようにした極低温冷
凍機に対し、作用圧力の切り換えタイミングの最適化
と、バルブモータの小型化による装置のコンパクト化と
の両立を図る。 【解決手段】 シリンダ(2)内でのディスプレーサ(22)
の往復動により冷媒ガスを膨張室内で膨張させて温度降
下させるようにした膨張機(A)を備えた極低温冷凍機に
おいて、回転することにより高圧開弁状態と低圧開弁状
態とを切り換えるロータリバルブ(35)の外周部のうち、
バルブ切り換えタイミングを変えることのない領域を上
面から下面に亘って削除する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、シリンダ内でのデ
ィスプレーサ（置換器）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
低温冷凍機に関する。特に、ロータリバルブの回転動作
によってシリンダ内に作用する圧力を切り換えてディス
プレーサを往復動させるようにしたものの改良に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来より、高圧の作動ガスをシリンダ内
で膨張させて寒冷を発生させる膨張機を有する極低温冷
凍装置として、例えば特開平８−３３４２７３号公報に
開示されているようなＧＭ（ギフォード・マクマホン）
冷凍機が知られている。この冷凍機は、作動ガスとして
のヘリウムガスを圧縮する圧縮機と、この圧縮されたガ
スを膨張させる膨張機とを高圧配管及び低圧配管によっ
て閉回路に接続して成る。膨張機に備えられたロータリ
バルブの回転により上記高圧配管及び低圧配管を膨張機
のシリンダ内に交互に連通させてシリンダ内に作用する
圧力を切り換える。この圧力切り換え動作によりシリン
ダ内でスラックピストンが往復動する。このスラックピ
ストンの動作に伴いディスプレーサも往復駆動し、シリ
ンダ内でヘリウムガスを膨張させ寒冷を発生させるよう
になっている。

【０００３】この作用圧力の切り換え機構について説明
すると、図８に示すように、上記ロータリバルブ(a)
は、一端面に作用圧力切り換え用のポート(b,c)が形成
されていると共に図示しないバルブモータの駆動軸に連
結されている。また、このロータリバルブ(a)の一端面
は、図９に示すバルブステム(d)の一端面に押圧されて
いる。このバルブステム(d)には複数のガス流路(e,f)が
形成されている。

【０００４】バルブモータの駆動に伴ってバルブ(a)が
バルブステム(d)に摺接しながら回転し、バルブ(a)に形
成されたポート(b,c)と、バルブステム(d)に形成された
ガス流路(f,f)との連通状態を切り換えることで、膨張
機のシリンダ内に作用する圧力が切り換わる構成となっ
ている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、この種の冷
凍機において、ロータリバルブ(a)は、高圧配管から作
用する高圧と、低圧配管から作用する低圧との差圧によ
ってバルブステム(d)の一端面に押圧されている。この
ため、このロータリバルブ(a)を安定して回転させるた
めには、バルブモータの発生トルクとして、ある程度の
高いトルクが必要である。この必要トルクが小さくでき
れば、小型のバルブモータの採用が可能となり、装置全
体としてのコンパクト化が図れる。

【０００６】ところが、この種の装置は、シリンダ内に
対する作用圧力の切り換えタイミングが冷凍能力を大き
く左右する。この切り換えタイミングを最適化するため
の１つの手段としては、ロータリバルブ(a)の外径を大
きくすることが挙げられる。

【０００７】しかし、これでは、ロータリバルブ(a)と
バルブステム(d)との摺接面積が大きくなってしまい、
これに伴ってロータリバルブ(a)を安定して回転させる
ために必要なトルクも大きくなる。これでは、バルブモ
ータの小型化を図ることができない。

【０００８】このように、従来のこの種の装置にあって
は、上記切り換えタイミングの最適化を図ることと、バ
ルブモータの小型化により装置をコンパクト化すること
とを両立させるのは困難であった。

【０００９】本発明は、この点に鑑みてなされたもので
あって、その目的とするところは、バルブステムに対し
てロータリバルブが摺接しながら回転することで作用圧
力を切り換えてシリンダ内でディスプレーサを往復動さ
せるようにした極低温冷凍機に対し、作用圧力の切り換
えタイミングの最適化と、バルブモータの小型化による
装置のコンパクト化とを両立することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的の達成のため、
本発明では、バルブステムに当接するロータリバルブの
一端面のうち、バルブ切り換えタイミングを変化させな
い領域を切除することにより、ロータリバルブとバルブ
ステムとの接触面積を低減させている。

【００１１】具体的に本発明が講じた第１の解決手段
は、図１及び図３に示すように、シリンダ(2)内にディ
スプレーサ(22)が往復動可能に収容されていると共に、
シリンダ(2)内部を高圧空間(10)に連通させて該シリン
ダ(2)内に高圧の作動ガスを作用させる高圧開弁状態と
シリンダ(2)内部を低圧空間(13)に連通させて該シリン
ダ(2)内に低圧の作動ガスを作用させる低圧開弁状態と
に交互に切り換えるバルブ手段(9,35)が備えられ、上記
バルブ手段(9,35)は、当接面(9d,35b)において互いに当
接するバルブステム(9)とロータリバルブ(35)とを備
え、ロータリバルブ(35)の当接面(35b)には高圧ポート
(36)及び低圧ポート(37)が形成されており、該ロータリ
バルブ(35)の回転により、バルブステム(9)に形成され
たガス流路(12)に対する各ポート(36,37)の連通状態が
切り換わることで上記高圧開弁状態と低圧開弁状態とを
交互に切り換えるようになっていて、この開弁状態の切
り換わり動作によってシリンダ(2)内部の圧力が変化し
て、ディスプレーサ(22)がシリンダ(2)内で往復動し、
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
ようにした極低温冷凍機を前提としている。この極低温
冷凍機に対し、高圧開弁状態と低圧開弁状態との切り換
わり時に、バルブステム(9)のガス流路(12)が、ロータ
リバルブ(35)の各ポート(36,37)間に位置してロータリ
バルブ(35)の当接面(35a)の所定領域(C)により閉鎖され
るようにする。一方、上記ロータリバルブ(35)を、円柱
状のバルブ本体(35a)の一部を当接面(35b)から背面(35
c)に亘って削除して成す。そして、この削除部分を、上
記所定領域(C)とは異なる領域にした構成としている。

【００１２】この特定事項により、膨張機では、ロータ
リバルブ(35)がバルブステム(9)に当接しながら回転す
る。これにより、バルブステム(9)に形成されたガス流
路(12)に対する各ポート(36,37)の連通状態が切り換わ
り、高圧開弁状態と低圧開弁状態とが交互に切り換わっ
て、ディスプレーサ(22)がシリンダ(2)内で往復動す
る。この作用圧力変化により、シリンダ(2)内で作動ガ
スが膨張して極低温レベルの寒冷が発生する。また、ロ
ータリバルブ(35)は、高圧開弁状態と低圧開弁状態との
切り換わり時にバルブステム(9)のガス流路(12)を閉鎖
する所定領域(C)とは異なる領域が削除されている。こ
のため、ロータリバルブ(35)とバルブステム(9)との接
触面積が低減し、ロータリバルブ(35)を安定して回転さ
せるために必要なトルクは小さくて済む。

【００１３】第２の解決手段及び第３の解決手段は、ロ
ータリバルブ(35)とバルブステム(9)との接触状態を特
定したものである。つまり、第２の解決手段は、上記第
１の解決手段において、ロータリバルブ(35)が、高圧空
間(10)の高圧により当接面(35b)がバルブステム(9)の当
接面(9d)に押圧されながら回転するものとしている。

【００１４】第３の解決手段は、上記第１の解決手段に
おいて、ロータリバルブ(35)が、背面側に設けられた付
勢手段により、当接面(35b)がバルブステム(9)の当接面
(9d)に押圧されながら回転するものとしている。

【００１５】第４の解決手段は、上記第１の解決手段に
おいて、ロータリバルブ(35)の削除部分の外縁形状を、
ガス流路(12)を閉鎖するロータリバルブ(35)の当接面(3
5a)の所定領域(C)の外縁形状に沿わせた構成としてい
る。

【００１６】この特定事項により、ロータリバルブ(35)
の削除部分を、バルブ切り換えタイミングを変えること
のない範囲で最大限まで拡大することが可能となる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面に
基いて説明する。また、本形態では、本発明をＧＭサイ
クル（ギフォード・マクマホン・サイクル）を行うヘリ
ウム冷凍機に適用した場合について説明する。

【００１８】図１は、本冷凍機の膨張機(A)の内部構造
を示している。該膨張機(A)は、図示しない圧縮機で圧
縮された冷媒ガスとしてのヘリウムガスを膨張可能とす
るように、圧縮機に対し図示しない高圧ガス管及び低圧
ガス管によって接続され、該圧縮機との間で閉回路を構
成している。

【００１９】以下、膨張機(A)の構成について説明す
る。

【００２０】図１及び図２に示すように、この膨張機
(A)は、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サイクルを行う構
成とされている。また、この膨張機(A)は２段膨張機で
なっている。つまり、シリンダ(2)は大径部(2a)及び小
径部(2b)からなる大小２段構造で成っている。また、こ
のシリンダ(2)内で往復動するディスプレーサ(22)は、
シリンダ(2)の大径部(2a)内を摺動する密閉円筒状の第
１段ディスプレーサ(22a)と、該第１段ディスプレーサ
(22a)の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第２段ディスプレーサ
(22b)とからなっている。これにより、第１段ディスプ
レーサ(22a)の先端側に第１段膨張室(3a)が、第２段デ
ィスプレーサの先端側に第２段膨張室(3b)がそれぞれ形
成されている。

【００２１】また、この膨張機(A)は、シリンダ(2)の下
端に気密状に連結されたモータヘッド(1)を備えてい
る。このモータヘッド(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)は上記圧縮機の吐出側に高圧ガス管を介
して、また、低圧ガス出口(5)は圧縮機の吸入側に低圧
ガス管を介してそれぞれ接続している。

【００２２】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
上側に位置し且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。

【００２３】また、モータヘッド(1)におけるシリンダ
(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)の内径よりも小径に
形成され、このシリンダ(2)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)の上壁の一部を
構成するフランジ部(9c)とを備えている。バルブシート
部(9a)の下面(9d)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)に対しモータ室(6)を介して連
通する高圧空間となるバルブ室(10)が形成されている。

【００２４】上記バルブステム(9)には、図４及び図５
にも示すように、下半部が２股状に分岐され且つ図４に
示す状態において上記バルブ室(10)をシリンダ(2)内に
連通する第１ガス流路(12)と、図５に示す状態において
一端が第１ガス流路(12)に後述するロータリバルブ(35)
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)に形成した低圧空
間となる低圧通路(13)を介して連通する第２ガス流路(1
4)とが貫通形成されている。上記第１ガス流路(12)はそ
の途中にてキャピラリ管(15)を介して上記中間圧室(8)
に常時連通している。上記両ガス流路(12,14)は、バル
ブ室(10)に臨むバルブシート部(9a)の下面(9d)におい
て、図６に示すように、第２ガス流路(14)にあってはバ
ルブステム(9)の中心部に、分岐された第１ガス流路(1
2,12)にあっては該第２ガス流路(14)の外周囲で周方向
に等しい角度間隔（１８０°）を存した２箇所にそれぞ
れ開口されている。

【００２５】一方、シリンダ(2)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)内上部に上側圧
力室(29)が、またシリンダ(2)内下端に下側圧力室(20)
がそれぞれ区画形成され、上記下側圧力室(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)と上側圧力室(29)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(2
2)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。

【００２６】また、上記シリンダ(2)内にはディスプレ
ーサ(22)（置換器）が膨張室(3a,3b)の体積の最大とな
る上死点（下降端位置）と同体積の最小となる下死点
（上昇端位置）との間で往復動するように嵌合されてい
る。第１段ディスプレーサ(22a)により、スラックピス
トン(17)上方のシリンダ(2)内の空間が下側から順に上
記上側圧力室(29)、第１段膨張室(3a)に区画されてい
る。また、第２段ディスプレーサ(22b)によりシリンダ
(2)の先端部分に第２段膨張室(3b)が形成されている。
これら各ディスプレーサ(22a,22b)内の空間は上記膨張
室(3a,3b)に図示しない連通孔を介して常時連通され、
このディスプレーサ(22)内の空間には蓄冷型熱交換器よ
りなる蓄冷器(24)が嵌装されている。

【００２７】さらに、上記ディスプレーサ(22)には、そ
の内部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
てスラックピストン(17)内部に所定寸法だけ延び、その
下端部にはスラックピストン(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(3
3a)との係合により、ディスプレーサ(22)がピストン(1
7)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。

【００２８】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)内の膨張空間としての上側圧
力室(29)及び膨張室(30)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)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
ロータリバルブ(35)が配設されている。このロータリバ
ルブ(35)は、モータ室(6)に配置したバルブモータ(39)
により回転駆動される。そして、このロータリバルブ(3
5)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)に連通する低圧通路(13)とを
シリンダ(2)内の上側圧力室(29)、膨張室(3a,3b)に対し
交互に連通するようになされている。

【００２９】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(39)の出力軸(39a)が回転一体
に係合されている。また、ロータリバルブ(35)の下面(3
5c)とバルブモータ(39)との間にはスプリングが縮装さ
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)の当
接面としての上面(35b)をバルブシート部(9a)の当接面
としての下面(9d)に対し一定の押圧力で押し付けるよう
にしている。このバルブステム(9)及びロータリバルブ
(35)によって本発明でいうバルブ手段が構成されてい
る。

【００３０】次に、本形態の特徴とする部材であるロー
タリバルブ(35)について説明する。図３(a)はロータリ
バルブ(35)の上面(35b)を示している。図３(b)は図３
(a)のＢ矢視図である。このように、ロータリバルブ(3
5)は、円柱状のバルブ本体(35a)の外周部の一部が切除
された形状で成っている。つまり、図３(a)に仮想線で
示す部分である左右両側部が上面(35b)から背面として
の下面(35c)に亘って切除された形状となっている。

【００３１】また、このロータリバルブ(35)の上面(35
b)には、２個の高圧ポート(36,36)と低圧ポート(37,37)
とが形成されている。高圧ポート(36,36)は、上記切除
部分に対応した位置に形成されている。つまり、周方向
に等角度間隔を存した２箇所において外周縁から中心方
向に所定長さだけ切り込んでなる。低圧ポート(37,37)
は、高圧ポート(36,36)に対しロータリバルブ(35)の周
方向に９０°の角度間隔をあけて配置されている。これ
ら低圧ポート(37,37)は、バルブ(35)の上面(35b)の中心
から外周縁近傍に向かって半径方向に延びるように切り
欠いてなる連絡溝(38)によって互いに連通されている。
バルブモータ(39)の駆動によりロータリバルブ(35)をそ
の上面(35b)がバルブステム(9)の下面(9d)に押圧された
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)の切換え動作により上側圧力室(29)と下側圧力室(2
0)との間に圧力差を生じさせて、この圧力差によりシリ
ンダ(2)内でスラックピストン(17)を昇降移動させ、デ
ィスプレーサ(22)を上死点（下降端位置）と下死点（上
昇端位置）との間で往復動させるようにしている。

【００３２】また、このロータリバルブ(35)の上面(35
b)の削除領域について説明すると、このロータリバルブ
(35)が回転する際に、高圧開弁状態と低圧開弁状態との
切り換わり時で、バルブステム(9)の第１ガス流路(12)
が、高圧ポート(36)にも低圧ポート(37)にも連通してい
ないで（図３には、この状態での第１ガス流路(12)の位
置を一点鎖線で示している）、上記削除領域(D)が第１
ガス流路(12)に臨まない位置となるように設定されてい
る。つまり、この削除領域(D)は、高圧開弁状態と低圧
開弁状態との切り換わり時であってバルブステム(9)の
第１ガス流路(12)を閉塞するロータリバルブ(35)の上面
(35a)の所定領域(C)とは異なる領域に設定されている。
即ち、高圧開弁状態と低圧開弁状態とが切り換わる切り
換えタイミングが変わってしまうことのないように切除
領域(D)が設定されている。

【００３３】以上の構成により、ロータリバルブ(35)の
回転により、図４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)、膨張室(3a,3b)に連
通させて、これら各室(29,3a,3b)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(2
9)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。

【００３４】一方、図５に示す如く、バルブシート部(9
a)の下面(9d)に開口する第２ガス流路(14)に連絡溝(38)
を介して常時連通する低圧ポート(37,37)がそれぞれ上
記第１ガス流路(12)の各開口端に合致したときには、上
記シリンダ(2)内の各室(29,3a,3b)を第１ガス流路(1
2)、低圧ポート(37,37)、第２ガス流路(14)及び低圧通
路(13)を介して低圧ガス出口(5)に連通させて、各室(2
9,3a,3b)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、その間、ヘリウムガスはサイモン膨張しな
がら低圧ガス出口(5)に抜けていく。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
により膨張室(3a,3b)に対応するシリンダ(2a,2b)の先端
（上端）のヒートステーション(41a,41b)を所定温度レ
ベルに冷却保持するように構成されている。

【００３５】−運転動作の説明− 次に、上述の如く構成された極低温冷凍機の運転動作に
ついて説明する。膨張機(A)におけるシリンダ(2)内の圧
力が低圧であって、ディスプレーサ(22)がスラックピス
トン(17)と共に下死点つまり上昇端位置にある状態にお
いて、バルブモータ(39)の駆動によるロータリバルブ(3
5)の回転により、その高圧ポート(36,36)がバルブステ
ム(9)の下面(9d)の第１ガス流路(12)の各開口端に合致
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、膨張機(A)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(35)の高圧ポート(36,3
6)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、ディスプレーサ(22)の蓄冷器(2
4)を通って膨張室(3a,3b)に充填され、この蓄冷器(24)
を通る間に熱交換によって冷却される。

【００３６】そして、上記スラックピストン(17)上側の
上側圧力室(29)のガス圧が下側の下側圧力室(20)よりも
高くなると、両圧力室(20,29)間の圧力差によってスラ
ックピストン(17)が下降し、このピストン(17)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)により下死点から
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)にさらに高圧ガスが充填され
る。

【００３７】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(3a,3b)に移動する。

【００３８】このディスプレーサ(22)が上死点つまり下
降端位置に達した後、ロータリバルブ(35)の低圧ポート
(37,37)が上記バルブステム(9)下面の第１ガス流路(12)
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)
上方の膨張室(3a,3b)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ディスプ
レーサ先端側の膨張室及び第２ディスプレーサ先端側の
膨張室それぞれにおいて極低温レベルの寒冷が発生さ
れ、ヒートステーション(41)が所定温度レベルに冷却さ
れる。

【００３９】上記膨張室(3a,3b)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)を通って上記上側圧力室(29)内に
戻り、その間に蓄冷器(24)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(12)、
バルブ(35)の低圧ポート(37)、低圧通路(13)を介して膨
張機(A)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(17)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)が押圧されて上死点
から上昇し、このディスプレーサ(22)の上昇移動により
膨張室(3a,3b)内のガスが膨張機(A)外にさらに排出され
る。

【００４０】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)は下死点（上昇端位置）ま
で上昇移動し、膨張室(30)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、ヒートステーション(41a,41b)の温度は極低温レ
ベルに向かって次第に降下する。

【００４１】−実施形態の効果− 上述のように、ロータリバルブ(35)は、上面(35b)が部
分的に切除されて、バルブステム(9)の下面(9d)との接
触面積が削減されている。特に、この切除部分は、ロー
タリバルブ(35)の外周縁部分である。即ち、ロータリバ
ルブ(35)の切り換えタイミングに影響を与えない領域を
削除して、ロータリバルブ(35)とバルブステム(9)との
接触面積を低減させている。このため、このロータリバ
ルブ(35)を円滑に回転させるために必要なバルブモータ
(39)の発生トルクは比較的小さくて済む。このため、小
型のバルブモータ(39)を採用することが可能となって、
装置全体としてのコンパクト化を図ることができる。従
って、本形態によれば、ロータリバルブ(35)の圧力の切
り換えタイミングの最適化と、バルブモータ(39)の小型
化による装置のコンパクト化とを両立することができ
る。

【００４２】−変形例− 図７は、ロータリバルブ(35)の切除領域(D)の変形例で
ある。本図においても高圧開弁状態と低圧開弁状態との
切り換わり時に第１ガス流路(12)を閉塞する所定領域
(C)を一点鎖線で示している。

【００４３】そして、本形態の切除領域(D)の外縁形状
は、上記所定領域(C)の外縁形状に沿った形状とされて
いる。

【００４４】これによれば、ロータリバルブ(35)の切り
換えタイミングに影響を与えない範囲で、切除領域(D)
を最大限に広げることができる。つまり、ロータリバル
ブ(35)とバルブステム(9)との接触面積を可能な限り低
減することができ、バルブモータ(39)の発生トルクの更
なる低減を図ることができる。

【００４５】尚、本発明は、上記実施例の如きＧＭサイ
クルを持つヘリウム冷凍機に限らず、ヘリウムガス以外
の冷媒ガスを使用するものに対しても適用できるのは勿
論である。

【００４６】また、本形態では膨張機(A)のロータリバ
ルブ(35)には高圧ポート(36,36)及び低圧ポート(37,37)
をそれぞれ２個づつ設けたが、ポートの数はこれに限る
ものではない。

【００４７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明では、以下
に述べるような効果が発揮される。請求項１記載の発明
では、バルブステム(9)に対してロータリバルブ(35)が
摺接しながら回転することで作用圧力を切り換えてシリ
ンダ(2)内でディスプレーサ(22)を往復動させるように
した極低温冷凍機に対し、ロータリバルブ(35)の一端面
のうち、バルブ切り換えタイミングを変化させない領域
を切除することにより、ロータリバルブ(35)とバルブス
テム(9)との接触面積を低減させるようにしている。こ
のため、ロータリバルブ(35)を円滑に回転させるために
必要なバルブモータ(39)の発生トルクは比較的小さくて
済む。このため、小型のバルブモータ(39)を採用するこ
とが可能となって、装置全体としてのコンパクト化を図
ることができる。その結果、ロータリバルブ(35)の圧力
の切り換えタイミングの最適化と、バルブモータ(39)の
小型化による装置のコンパクト化とを両立することがで
きる。

【００４８】請求項２及び３記載の発明では、ロータリ
バルブ(35)とバルブステム(9)との接触状態を具体化す
ることができる。

【００４９】請求項４記載の発明では、ロータリバルブ
(35)の削除部分の外縁形状を、ガス流路(12)を閉鎖する
ロータリバルブ(35)の当接面(35a)の所定領域(C)の外縁
形状に沿わせている。このため、ロータリバルブ(35)の
削除部分を、バルブ切り換えタイミングを変えることの
ない範囲で最大限まで拡大することが可能となり、請求
項１記載の発明の効果を最大限に発揮することが可能と
なる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施形態に係る膨張機の全体構成を示す断面図
である。

【図２】膨張機のモータヘッド内部の構成を示す断面図
である。

【図３】(a)はロータリバルブの平面図、(b)はその側面
図である。

【図４】ロータリバルブの高圧開弁状態を示す拡大断面
図である。

【図５】ロータリバルブの低圧開弁状態を示す拡大断面
図である。

【図６】バルブステム下端面を示す図である。

【図７】変形例における図３(a)相当図である。

【図８】従来のロータリバルブを示す平面図である。

【図９】従来のバルブステム下端面を示す図である。

【符号の説明】

(A) 膨張機 (2) シリンダ (9) バルブステム（バルブ手段） (10) バルブ室（高圧室） (12) 第１ガス流路 (13) 低圧通路（低圧空間） (22) ディスプレーサ (35) ロータリバルブ（バルブ手段） (35a) バルブ本体 (35b) 上面（当接面） (36) 高圧ポート (37) 低圧ポート

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 シリンダ(2)内にディスプレーサ(22)が
   往復動可能に収容されていると共に、シリンダ(2)内部
   を高圧空間(10)に連通させて該シリンダ(2)内に高圧の
   作動ガスを作用させる高圧開弁状態とシリンダ(2)内部
   を低圧空間(13)に連通させて該シリンダ(2)内に低圧の
   作動ガスを作用させる低圧開弁状態とに交互に切り換え
   るバルブ手段(9,35)が備えられ、 上記バルブ手段(9,35)は、当接面(9d,35b)において互い
   に当接するバルブステム(9)とロータリバルブ(35)とを
   備え、ロータリバルブ(35)の当接面(35b)には高圧ポー
   ト(36)及び低圧ポート(37)が形成されており、該ロータ
   リバルブ(35)の回転により、バルブステム(9)に形成さ
   れたガス流路(12)に対する各ポート(36,37)の連通状態
   が切り換わることで上記高圧開弁状態と低圧開弁状態と
   を交互に切り換えるようになっていて、 この開弁状態の切り換わり動作によってシリンダ(2)内
   部の圧力が変化して、ディスプレーサ(22)がシリンダ
   (2)内で往復動し、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ようにした極低温冷凍機において、 高圧開弁状態と低圧開弁状態との切り換わり時には、バ
   ルブステム(9)のガス流路(12)が、ロータリバルブ(35)
   の各ポート(36,37)間に位置してロータリバルブ(35)の
   当接面(35a)の所定領域(C)により閉鎖されるようになっ
   ている一方、 上記ロータリバルブ(35)は、円柱状のバルブ本体(35a)
   の一部が当接面(35b)から背面(35c)に亘って削除されて
   成っており、この削除部分は、上記所定領域(C)とは異
   なる領域であることを特徴とする極低温冷凍機。
2. 【請求項２】 請求項１記載の極低温冷凍機において、 ロータリバルブ(35)は、高圧空間(10)の高圧により当接
   面(35b)がバルブステム(9)の当接面(9d)に押圧されなが
   ら回転することを特徴とする極低温冷凍機。
3. 【請求項３】 請求項１記載の極低温冷凍機において、 ロータリバルブ(35)は、背面側に設けられた付勢手段に
   より、当接面(35b)がバルブステム(9)の当接面(9d)に押
   圧されながら回転することを特徴とする極低温冷凍機。
4. 【請求項４】 請求項１記載の極低温冷凍機において、 ロータリバルブ(35)の削除部分の外縁形状は、ガス流路
   (12)を閉鎖するロータリバルブ(35)の当接面(35a)の所
   定領域(C)の外縁形状に沿っていることを特徴とする極
   低温冷凍機。