WO2011132563A1 - ロータリバルブ及びこれを用いた極低温冷凍機 - Google Patents

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    • F25B9/14—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the cycle used, e.g. Stirling cycle

Definitions

  • the present invention relates to a rotary valve and a cryogenic refrigerator using the rotary valve, and more particularly, to a rotary valve that switches a flow path by rotating a valve plate in contact with a valve body and a cryogenic refrigerator using the rotary valve. .
  • FIG. 5 shows a rotary valve 100 used in a conventional GM refrigerator.
  • the conventional rotary valve 100 includes a valve body 101 (stator) having a sliding surface 101a and a valve plate 102 (rotor) having a sliding surface 102a.
  • First and second gas flow paths 104 and 105 are formed in the valve body 101, and a groove portion 106 and a gas flow path 107 are formed in the valve plate 102.
  • the valve plate 102 is rotatably supported by the rotary bearing 103 and is configured to rotate by a rotation drive mechanism (not shown).
  • the valve body 101 is configured to be non-rotatable and is pressed and urged toward the valve plate 102.
  • the sliding surfaces 101a and 102a are in airtight contact with each other.
  • each gas flow path 104,105,107 are opened to the sliding surfaces 101a and 102a. Therefore, when the valve plate 102 is rotated, the second gas flow path 105 communicates with the gas flow path 107, and the second gas flow path 105 is connected to the first gas flow path 104 via the groove 106. Switching processing can be performed between the communicating states.
  • the GM refrigerator is often used in a magnetic field such as an MRI (Magnetic Resonance Imaging) system, and there is a problem that the magnetic field is disturbed when a magnetic structure is moved in the magnetic field.
  • MRI Magnetic Resonance Imaging
  • a non-magnetic material such as aluminum is used for the valve plate 102 on the rotating side, and a highly functional resin is used for the valve body 101 on the fixed side.
  • the surface treatment layer 108 is formed by performing hard anodizing on the entire surface, and the surface treatment layer 108 is further polished. Had been implemented.
  • the surface treatment layer 108 is formed on the valve plate 102 as described above, and the surface treatment layer 108 needs to be subjected to a surface polishing treatment, which makes the production of the valve plate 102 very troublesome.
  • the present invention generally aims to provide an improved and useful rotary valve that solves the above-described problems of the prior art and a cryogenic refrigerator using the same.
  • a more detailed object of the present invention is to provide a rotary valve capable of reducing the cost and a cryogenic refrigerator using the rotary valve.
  • the present invention provides: It has a valve body in which a body side flow path is formed and a valve plate in which a plate side flow path is formed, and the body side sliding surface of the valve body is in close contact with the plate side sliding surface of the valve plate And a rotary valve that switches the connection state of the main body side flow path and the plate side flow path by rotating the valve plate,
  • the valve plate includes a resin valve sliding body having the plate-side sliding surface and a valve plate body made of a nonmagnetic material in which a storage chamber for storing the valve sliding body is formed. It is a feature.
  • the valve plate may include a rotation restricting member that restricts rotation of the valve sliding body with respect to the valve plate main body.
  • valve sliding body may be detachable from the valve plate body.
  • valve body may be made of steel.
  • the present invention provides: A compressor that compresses the refrigerant gas sucked from the intake port and discharges it to the discharge port; A cylinder to which the refrigerant gas is supplied; A displacer for reciprocating in the cylinder to expand the refrigerant gas compressed in the cylinder; A drive device for reciprocating the displacer in the cylinder; Having the above rotary valve,
  • the main body side flow path of the valve main body is constituted by a first main body side flow path connected to the discharge port and a second main body side flow path connected to the cylinder,
  • a plate side channel formed in the valve plate of the rotary valve is configured to be connected to the intake port, When the valve plate is rotated, the second main body side channel is selectively connected to the first main body side channel or the plate side channel.
  • the valve plate is configured to have a resin valve sliding body having a plate-side sliding surface and a valve plate body in which a storage chamber for storing the valve sliding body is formed.
  • Conventional surface polishing treatment is not necessary on the moving surface, and the cost of the rotary valve and the cryogenic refrigerator can be reduced.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a cryogenic refrigerator that is one embodiment of the present invention
  • FIGS. 2 to 4 are views for explaining a rotary valve that is one embodiment of the present invention.
  • a GM refrigerator Gifford-McMahon type refrigerator
  • the GM refrigerator and the rotary valve according to the present embodiment are assumed to be used in an environment that dislikes disturbing a magnetic field in a magnetic field, such as MRI.
  • the GM refrigerator includes a gas compressor 1 and a cold head 2.
  • the cold head 2 has a housing 23 and a cylinder part 10.
  • the gas compressor 1 draws in refrigerant gas from the intake port 1a, compresses it, and discharges it as high-pressure refrigerant gas from the discharge port 1b. Further, helium gas is used as the refrigerant gas.
  • the cylinder portion 10 has a two-stage configuration of a first-stage cylinder 10A and a second-stage cylinder 10B, and the second-stage cylinder 10B is set to be thinner than the first-stage cylinder 10A. Further, a first stage displacer 3A can be reciprocated in the first stage cylinder 10A, and a second stage displacer 3B can be reciprocated in the axial direction of each cylinder 10A, 10B inside the second stage cylinder 10B. Has been inserted.
  • the first stage displacer 3A and the second stage displacer 3B are connected to each other by a joint mechanism (not shown).
  • the first stage displacer 3A is provided with a cool storage material 4A
  • the second stage displacer 3B is filled with the cool storage material 4B.
  • gas flow paths L1 to L4 through which the refrigerant gas passes are formed in the first stage displacers 3A and 3B.
  • the first stage expansion chamber 11 is formed at the end of the first stage cylinder 10A on the second stage cylinder 10B side, and the upper chamber 13 is formed at the other end.
  • a second-stage expansion chamber 12 is formed at the end of the second-stage cylinder 10B opposite to the first-stage cylinder 10A side.
  • the upper chamber 13 and the first stage expansion chamber 11 are connected to each other via a gas flow path L1, a first stage cold storage material filling chamber filled with the cold storage material 4, and a gas flow path L2.
  • the first-stage expansion chamber 11 and the second-stage expansion chamber 12 are connected via the gas flow path L3, the second-stage cold storage material filling chamber filled with the cold storage material 4B, and the gas flow path L4. ing.
  • the cooling stage 6 is disposed at a position substantially corresponding to the first stage expansion chamber 11 in the outer peripheral surface of the first stage cylinder 10A.
  • a cooling stage 7 is disposed at a position substantially corresponding to the second stage expansion chamber 12 in the outer peripheral surface of the second stage cylinder 10B.
  • the sealing material 50 is disposed in the vicinity of the end on the upper chamber 13 side in the outer peripheral surface of the first stage displacer 3A.
  • the sealing material 50 seals between the outer peripheral surface of the first stage displacer 3A and the inner peripheral surface of the cylinder 10A.
  • the first stage displacer 3A is coupled to the output shaft 22a of the scotch yoke 22 via a coupling mechanism (not shown).
  • the scotch yoke 22 is supported by a pair of sliding bearings 17a and 17b fixed to the housing 23 so as to be movable in the axial direction of the first stage displacers 3A and 3B.
  • the sliding bearing 17b In the sliding bearing 17b, the airtightness of the sliding portion is maintained, and the space in the housing 23 and the upper chamber 13 are airtightly defined.
  • the motor 15 is connected to the scotch yoke 22.
  • the rotational movement of the motor 15 is converted into a reciprocating movement by the crank 14 and the scotch yoke 22.
  • This reciprocating motion is transmitted to the first stage displacer 3A via the output shaft 22a and the coupling mechanism, whereby the first stage displacer 3A is in the first stage cylinder 10A and the second stage displacer 3B is in the first stage. Reciprocal movement is performed in the second-stage cylinder 10B.
  • the motor 15 and the scotch yoke 22 (including the output shaft 22a) constitute the drive device described in the claims.
  • the volume of the upper chamber 13 decreases, and conversely, the volumes of the first-stage and second-stage expansion chambers 11 and 12 increase. Conversely, when the first stage displacers 3A and 3B move downward in the figure, the volume of the upper chamber 13 increases and the volumes of the first and second stage expansion chambers 11 and 12 decrease. To do. As the volumes of the upper chamber 13 and the expansion chambers 11 and 12 change, the refrigerant gas moves through the gas flow paths L1 to L4.
  • FIG. 2 is an exploded perspective view of the rotary valve RV
  • FIG. 3 is a sectional view of the rotary valve RV in an exploded state
  • FIG. 4 is a sectional view of the assembled rotary valve RV.
  • the rotary valve RV is disposed between the intake port 1a and the discharge port 1b of the compressor 1 and the upper chamber 13 in the refrigerant gas flow path.
  • the rotary valve RV has a function of switching the flow path of the refrigerant gas.
  • the rotary valve RV has a first mode for guiding the refrigerant gas discharged from the discharge port 1b of the gas compressor 1 into the upper chamber 13, and the refrigerant gas in the upper chamber 13 of the gas compressor 1. Switching processing to the second mode leading to the intake port 1a is performed.
  • the rotary valve RV has a valve body 8 and a valve plate 9.
  • the valve plate 9 includes a valve plate body 30 and a valve sliding member 31 (this will be described in detail later).
  • the valve plate 9 is rotatably supported in the housing 23 by a rotary bearing 16.
  • the eccentric pin 14a of the crank 14 that drives the scotch yoke 22 revolves around the rotation axis, the valve plate 9 rotates.
  • the valve body 8 is pressed against the valve plate 9 by a coil spring 20 and is fixed so as not to rotate by a pin 19.
  • the coil spring 20 is provided with pressing means for pressing the valve body 8 so that the valve body 8 does not move away from the valve plate 9 when the pressure on the exhaust side becomes larger than the pressure on the supply side. It is.
  • the force that presses the valve body 8 against the valve plate 9 during operation is generated by the pressure difference between the supply side pressure and the exhaust side pressure of the refrigerant gas acting on the valve body 8.
  • the valve body 8 has a cylindrical shape.
  • a flat sliding surface 8 a is formed on the surface of the valve body 8 facing the valve plate 9, and the sliding surface 8 a is in surface contact with the sliding surface 31 a of the valve sliding member 31 constituting the valve plate 9. To do.
  • the first gas flow path 8b (first main body side flow path) is formed through the valve main body 8 along the central axis of the valve main body 8. One end of the first gas channel 8b is open to the sliding surface 8a. The other end of the first gas flow path 8b is connected to the discharge port 1b of the gas compressor 1 shown in FIG.
  • a groove 8 c is formed on the sliding surface 8 a of the valve body 8 along an arc centered on the central axis of the valve body 8.
  • the valve main body 8 is formed with a second gas flow path 8d (second main body side flow path) having an inverted L shape in a side view.
  • One end of the second gas flow path 8 d opens at the bottom surface of the groove 8 c, and the other end opens at the outer peripheral surface of the valve body 8.
  • An end portion of the first gas flow path 8b opened in the outer peripheral surface of the valve body 8 communicates with the upper chamber 13 via a gas flow path 21 formed in the housing 23 shown in FIG.
  • the groove 31d extending in the radial direction from the center is formed on the sliding surface 31a of the valve plate 9 (valve sliding member 31).
  • the valve plate 9 rotates and the outer peripheral end of the groove 31a partially overlaps the groove 8c, the first gas flow path 8b and the second gas flow path 8d communicate with each other via the groove 31a. .
  • the plate-side gas flow path 9b (configured by the gas flow paths 30b and 31b) extends through the valve plate 9 (the valve plate body 30 and the valve sliding member 31) in a direction parallel to the rotation axis. ing. One end of the plate-side gas flow path 9b is open to the sliding surface 31a. The end of the plate-side gas flow path 9b is opened at a position corresponding to the groove 8c formed in the sliding surface 8a in the sliding surface 31a.
  • the second gas passage 8d and the plate side gas passage 9b is in a state of communication.
  • the other end of the plate-side gas flow path 9b communicates with the intake port 1a of the gas compressor 1 through the cavity in the housing 23 shown in FIG.
  • the refrigerant gas sent from the compressor 1 is sent into the upper chamber 13 via the rotary valve RV.
  • the second gas flow path 8d and the plate-side gas flow path 9b communicate with each other, the refrigerant gas in the upper chamber 13 is recovered by the gas compressor 1. Therefore, when the valve plate 9 is rotated, the introduction (supply) of the refrigerant gas into the upper chamber 13 and the recovery (exhaust) of the refrigerant gas from the upper chamber 13 are repeated.
  • valve body 8 and the valve plate 9 will be described in more detail.
  • the valve body 8 serving as the stator (fixed side) is formed of a metal such as hardened steel. Even if the valve body 8 is formed of such a metal, which is a magnetic material, the valve body 8 does not rotate. Therefore, even if the cryogenic refrigerator and the rotary valve RV are applied to MRI or the like, The magnetic field is not disturbed due to the cryogenic refrigerator and the rotary valve RV.
  • the material of the valve body 8 is not limited to a magnetic material, and a nonmagnetic material such as an alumite-treated aluminum surface can also be used.
  • valve plate 9 is composed of a valve plate body 30 and a valve sliding member 31.
  • the valve plate body 30 is made of stainless steel, which is a nonmagnetic metal material.
  • the valve plate body 30 is rotatably supported by the housing 23 by the rotary bearing 16. Therefore, a flange 30e that engages with the rotary bearing 16 is formed on the front side of the valve plate main body 30 (the side facing the valve main body 8).
  • a storage chamber 30 a for storing the valve sliding member 31 is formed on the surface of the valve plate body 30 facing the valve body 8.
  • the storage chamber 30a has a recessed shape, and a detent pin 30c (corresponding to a rotation restricting member described in claims) is formed on the bottom surface.
  • the detent pin 30 c is engaged with a detent recess 30 f formed in the valve plate body 30 and a detent recess 31 c formed in the valve slide member 31, so that the valve slide member 31 with respect to the valve plate body 30 is engaged. Regulate the rotation of However, the non-rotating pin 30c does not completely fix the valve sliding member 31 to the valve plate main body 30, but only functions to restrict rotation. Therefore, the valve sliding member 31 is configured to be attachable / detachable to / from the valve plate body 30 (attachable / detachable in the rotation axis direction).
  • valve plate body 30 is formed with a gas flow path 30b that constitutes a part of the plate-side gas flow path 9b.
  • the gas flow path 30 b is formed through the bottom plate portion of the storage chamber 30 a of the valve plate body 30. Therefore, one end of the gas flow path 30b opens to the bottom surface of the storage chamber 30a, and the other end communicates with the intake port 1a of the gas compressor 1 through the cavity in the housing 23 as described above.
  • the valve sliding member 31 is made of resin and has a disk shape.
  • the resin used for the valve sliding member 31 is made of, for example, tetrafluoroethylene (for example, BEAREE FL3000 manufactured by NTN).
  • the valve sliding member 31 has the groove 31 d formed on a sliding surface 31 a that is in close contact with the valve body 8.
  • the valve sliding member 31 is formed with a gas passage 31b that constitutes the plate-side gas passage 9b.
  • the gas flow path 31b communicates with the gas flow path 30b formed in the valve plate main body 30 when the valve sliding member 31 is mounted in the storage chamber 30a of the valve plate main body 30 so that the plate side gas flow path 9b is Form.
  • valve plate main body 30 when the valve plate main body 30 is rotated by the driving means in a state where the valve sliding member 31 is mounted, the valve sliding member mounted in a state in which the rotation is restricted to the valve plate main body 30 by the detent pin 30c. 31 also starts to rotate.
  • the valve plate 9 the valve plate body 30, the valve sliding member 31
  • the first gas flow path 8b and the second gas flow path 8d are grooved 31d as described above. Is switched between the state in which the second gas passage 8d is connected to the valve plate 9 and the state in which the second gas flow path 8d is connected to the valve plate 9.
  • the valve plate body 30 is made of a nonmagnetic metal material such as stainless steel, and the valve sliding member 31 is also made of a nonmagnetic resin. For this reason, even if the cryogenic refrigerator and the rotary valve RV according to the present embodiment are used in an environment that does not like the fluctuation of the magnetic field, the magnetic field is disturbed by the rotation of the valve plate body 30 and the valve sliding member 31. There is nothing.
  • the sliding surface 31 a of the valve plate 9 is formed on the resin valve sliding member 31. Therefore, the alumite treatment that is necessary for the conventional valve plate 102 made of aluminum can be eliminated, and the cost of the valve plate 9 can be reduced.
  • the sliding surface 101a and the sliding surface 102a are both consumable parts in the prior art, and therefore the valve body 101 and the valve plate 102 are both replaced (See FIG. 5).
  • the valve plate main body 30 there is no consumable part in the valve plate main body 30 and the valve sliding member 31 is detachable from the valve plate main body 30. It is only necessary to replace the 8-valve sliding member 31.
  • the valve plate main body 30 is expensive with respect to the valve sliding member 31 because it is necessary to provide the storage chamber 30a, the gas flow path 30b, the rotation stopper pin 30c and the like in stainless steel. Therefore, at the time of maintenance, it is only necessary to replace the valve sliding member 31 and the valve body 8, which are inexpensive, with respect to the valve plate body 30. Therefore, it is possible to reduce the cost of replacement parts at the time of maintenance.

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Abstract

　本発明はロータリバルブ及びこれを用いた極低温冷凍機に係り、本体側流路が形成されたバルブ本体と、プレート側流路が形成されたバルブプレートとを有しており、前記バルブ本体の本体側摺動面を前記バルブプレートのプレート側摺動面に密着させると共に、前記バルブプレートを回転させることにより、前記本体側流路と前記プレート側流路の接続状態を切換えるロータリバルブであって、前記バルブプレートを、前記プレート側摺動面を有する樹脂製のバルブ摺動体と、該バルブ摺動体を収納する収納室が形成された非磁性材よりなるバルブプレート本体とを備える。

Description

ロータリバルブ及びこれを用いた極低温冷凍機
　本発明はロータリバルブ及びこれを用いた極低温冷凍機に係り、特にバルブ本体に当接させたバルブプレートを回転させることにより流路の切換えを行うロータリバルブ及びこれを用いた極低温冷凍機に関する。
　一般に、ロータリバルブ方式のギフォード・マクマホン（ＧＭ）冷凍機では、ステータ及びロータとなる２枚の円盤を押し付けながらロータを回転させ、冷媒ガスの気密とバルブの切換えを行っている（特許文献１）。
　図５は、従来のＧＭ冷凍機に用いられていたロータリバルブ１００を示している。従来のロータリバルブ１００は、摺動面１０１ａを有するバルブ本体１０１（ステータ）と摺動面１０２ａを有するバルブプレート１０２（ロータ）とにより構成されている。バルブ本体１０１には第１及び第２のガス流路１０４，１０５が形成されており、またバルブプレート１０２には溝部１０６及びガス流路１０７が形成されている。
　バルブプレート１０２は回転軸受１０３に回転可能に支持されており、図示しない回転駆動機構により回転する構成とされている。これに対して、バルブ本体１０１は回転不能な構成とされており、またバルブプレート１０２に向け押圧付勢される。バルブ本体１０１がバルブプレート１０２に押し付けられることにより、各摺動面１０１ａ，１０２ａは気密に摺接する。
　各ガス流路１０４，１０５，１０７の一端部及び溝部１０６は、摺動面１０１ａ，１０２ａに開口している。よってバルブプレート１０２が回転させることにより、第２のガス流路１０５がガス流路１０７とが連通する状態と、第２のガス流路１０５が溝部１０６を介して第１のガス流路１０４と連通する状態との間で切換え処理を行うことができる。
　ところでＧM冷凍機は、MRI（Magnetic Resonance Imaging system：磁気共鳴画像装置）等の磁場中で使用されることが多く、磁場中で磁性体の構造物を動かすと磁場を乱すという問題がある。このため、従来では回転側であるバルブプレート１０２にはアルミニウム等の非磁性材料を使用し、固定側であるバルブ本体１０１は高機能樹脂を用いていた。更に、バルブプレート１０２のバルブ本体１０１と摺接する摺動面１０２ａを保護するため、全体に硬質アルマイトを実施することにより表面処理層１０８を形成し、更にこの表面処理層１０８を表面研磨することが実施されていた。
特開２００７－２０５５８１号公報
　しかしながら従来のロータリバルブ１００では、上記のようにバルブプレート１０２に表面処理層１０８を形成すると共に、この表面処理層１０８を表面研磨する処理が必要となり作製が面倒で、これによりバルブプレート１０２が非常に高価になってしまうという問題点があった。また定期メンテ時においては、バルブ本体１０１及びバルブプレート１０２の両方を交換する必要があり、メンテナンスに要する交換部品コストも高価となるという問題点があった。
　本発明は、上述した従来技術の問題を解決する、改良された有用なロータリバルブ及びこれを用いた極低温冷凍機を提供することを総括的な目的とする。
　本発明のより詳細な目的は、低コスト化を図りうるロータリバルブ及びこれを用いた極低温冷凍機を提供することにある。
　この目的を達成するために、本発明は、
　本体側流路が形成されたバルブ本体と、プレート側流路が形成されたバルブプレートとを有しており、前記バルブ本体の本体側摺動面を前記バルブプレートのプレート側摺動面に密着させると共に、前記バルブプレートを回転させることにより、前記本体側流路と前記プレート側流路の接続状態を切換えるロータリバルブであって、
　前記バルブプレートを、前記プレート側摺動面を有する樹脂製のバルブ摺動体と、該バルブ摺動体を収納する収納室が形成された非磁性材よりなるバルブプレート本体とを有する構成としたことを特徴とするものである。
　また上記発明において、前記バルブプレートが、前記バルブ摺動体の前記バルブプレート本体に対する回転を規制する回転規制部材を有する構成としてもよい。
　また上記発明において、前記バルブ摺動体を前記バルブプレート本体に対して着脱可能な構成としてもよい。
　また上記発明において、前記バルブ本体を鋼により構成してもよい。
　また、上記の目的を達成するために、本発明は、
　吸気口から吸入された冷媒ガスを圧縮して排出口に排出するする圧縮機と、
　前記冷媒ガスが供給されるシリンダと、
　該シリンダ内で往復移動して前記シリンダ内で圧縮された前記冷媒ガスを膨張させるディスプレーサと、
　前記ディスプレーサを前記シリンダ内で往復移動させる駆動装置と、
　上記のロータリバルブとを有しており、
　前記バルブ本体の前記本体側流路を、前記排出口に接続される第１の本体側流路と、前記シリンダに接続される第２の本体側流路とにより構成し、
　前記ロータリバルブの前記バルブプレートに形成されたプレート側流路を前記吸気口に接続するよう構成し、
　前記バルブプレートが回転することにより、前記第２の本体側流路が前記第１の本体側流路又は前記プレート側流路に選択的に接続するよう構成したことを特徴とするものである。
　本発明によれば、バルブプレートをプレート側摺動面を有する樹脂製のバルブ摺動体と、このバルブ摺動体を収納する収納室が形成されたバルブプレート本体とを有する構成としたため、プレート側摺動面に従来のような表面研磨処理が不要となり、ロータリバルブ及び極低温冷凍機のコスト低減を図ることが可能となる。
本発明の一実施形態であるロータリバルブ及びこれを用いた極低温冷凍機を示す断面図である。 本発明の一実施形態であるロータリバルブの分解斜視図である。 本発明の一実施形態であるロータリバルブを分解した状態の断面図である。 本発明の一実施形態であるロータリバルブの断面図である。 従来の一例であるロータリバルブの断面図である。
１　　ガス圧縮機
２　　コールドヘッド
３Ａ　　第１段目ディスプレーサ
３Ｂ　　第２段目ディスプレーサ
４Ａ，４Ｂ　　蓄冷材
６，７　　冷却ステージ
８　　バルブ本体
８ａ　　摺動面
８ｂ　　第１のガス流路
８ｃ　　溝８ｃ           名詞
８ｄ　　第２のガス流路
９　　バルブプレート
９ｂ　　プレート側ガス流路
１０　　シリンダ部
１０Ａ　　第１段目シリンダ
１０Ｂ　　第２段目シリンダ
１１　　第１段目膨張室
１２　　第２段目膨張室
１３　　上部室
１４　　クランク
１５　　モータ
１６　　回転軸受
２２　　スコッチヨーク
３０　　バルブプレート本体
３０ａ　　収納室
３０ｂ　　ガス流路
３０ｃ　　回り止めピン
３１　　バルブ摺動部材
３１ａ　　摺動面
３１ｂ　　ガス流路
３１ｃ　　回り止め凹部
３１ｄ　　溝３１
　以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ説明する。
　図１は本発明の一実施形態である極低温冷凍機を示す断面図であり、図２乃至図４は本発明の一実施形態であるロータリバルブを説明するための図である。尚、本実施形態では、極低温冷凍機としてギフォード・マクマホン型冷凍機（以下、ＧＭ冷凍機という）を例に挙げて説明するものとする。また本実施形態に係るＧＭ冷凍機及びロータリバルブは、MRI等のように磁場中で磁場を乱すことを嫌う環境下で使用されるものであるとする。
　本実施形態によるＧＭ型冷凍機は、ガス圧縮機１とコールドヘッド２とを有する。コールドヘッド２は、ハウジング２３とシリンダ部１０とを有する。ガス圧縮機１は、吸気口１ａから冷媒ガスを吸い込み、圧縮して、吐出口１ｂから高圧の冷媒ガスとして吐出する。また、冷媒ガスとしては、ヘリウムガスを用いている。
　シリンダ部１０は、第１段目シリンダ１０Ａと第２段目シリンダ１０Ｂとの２段構成であり、第２段目シリンダ１０Ｂは、第１段目シリンダ１０Ａよりも細く設定されている。また、第１段目シリンダ１０Ａの内部には第１段目ディスプレーサ３Ａが、第２段目シリンダ１０Ｂの内部には第２段目ディスプレーサ３Ｂが、各シリンダ１０Ａ，１０Ｂの軸方向に往復運動可能に挿入されている。
　第１段目ディスプレーサ３Ａと第２段目ディスプレーサ３Ｂは、図示を省略したジョイント機構により相互に連結されている。また、第１段目ディスプレーサ３Ａの内部には蓄冷材４Ａが設けられ、第２段目ディスプレーサ３Ｂには蓄冷材４Ｂが充填されている。更に、各第１段目ディスプレーサ３Ａ，３Ｂには、冷媒ガスが通過するガス流路Ｌ１～Ｌ４が形成されている。
　第１段目シリンダ１０Ａ内の、第２段目シリンダ１０Ｂ側の端部には第１段目膨張室１１が形成され、他方の端部には上部室１３が形成されている。また、第２段目シリンダ１０Ｂの第１段目シリンダ１０Ａ側とは反対側の端部には、第２段目膨張室１２が形成されている。
　上部室１３と第１段目膨張室１１とは、ガス流路Ｌ１、蓄冷材４が充填された第１段蓄冷材充填室、及びガス流路Ｌ２を介して接続されている。また、第１段目膨張室１１と第２段目膨張室１２とは、ガス流路Ｌ３、蓄冷材４Ｂが充填された第２段蓄冷材充填室、及びガス流路Ｌ４を介して接続されている。
　第１段目シリンダ１０Ａの外周面の内、第１段目膨張室１１にほぼ対応する位置には冷却ステージ６が配設されている。また、第２段目シリンダ１０Ｂの外周面の内、第２段目膨張室１２にほぼ対応する位置には冷却ステージ７が配設されている。
　第１段目ディスプレーサ３Ａの外周面のうち、上部室１３側の端部近傍にシール材５０が配置されている。このシール材５０は、第１段目ディスプレーサ３Ａの外周面とシリンダ１０Ａの内周面との間をシールする。
　第１段目ディスプレーサ３Ａは、図示を省略した連結機構を介してスコッチヨーク２２の出力軸２２ａに連結されている。スコッチヨーク２２は、ハウジング２３に固定された一対の摺動軸受１７ａ，１７ｂにより、第１段目ディスプレーサ３Ａ，３Ｂの軸方向に移動可能に支持されている。摺動軸受１７ｂにおいては、摺動部の気密性が保たれており、ハウジング２３内の空間と上部室１３とが気密に画成されている。
　また、スコッチヨーク２２にはモータ１５が接続されている。モータ１５の回転運動は、クランク１４及びスコッチヨーク２２により往復運動に変換される。この往復運動は出力軸２２ａ及び連結機構を介して第１段目ディスプレーサ３Ａに伝達され、これにより第１段目ディスプレーサ３Ａは第１段目シリンダ１０Ａ内で、また第２段目ディスプレーサ３Ｂは第２段目シリンダ１０Ｂ内で往復移動を行う。このモータ１５及びスコッチヨーク２２（出力軸２２ａを含む）は、請求項に記載の駆動装置を構成する。
　各第１段目ディスプレーサ３Ａ，３Ｂが図中上方に移動する時、上部室１３の容積は減少し、逆に第１段目及び第２段目の膨張室１１，１２の容積は増加する。また反対に、各第１段目ディスプレーサ３Ａ，３Ｂが図中下方に移動する時、上部室１３の容積は増大し、第１段目及び第２段目の膨張室１１，１２の容積は減少する。この上部室１３、膨張室１１，１２の容積の変動に伴い、冷媒ガスがガス流路Ｌ１～Ｌ４を通って移動する。
　また、冷媒ガスが各ディスプレーサ３Ａ，３Ｂに充填された蓄冷材４Ａ，４Ｂ内を通過する際、冷媒ガスと蓄冷材４Ａ，４Ｂとの間で熱交換が行われる。これにより、蓄冷材４Ａ，４Ｂは冷媒ガスにより冷却される。
　次に、ロータリバルブＲＶについて、図１に加えて図２乃至図４を用いて説明する。図２はロータリバルブＲＶの分解斜視図であり、図３はロータリバルブＲＶの分解した状態の断面図であり、図４はロータリバルブＲＶの組み立て状態の断面図である。
　ロータリバルブＲＶは、冷媒ガスの流路において圧縮機１の吸気口１ａ及び吐出口１ｂと上部室１３との間に配置されている。ロータリバルブＲＶは、冷媒ガスの流路を切換える機能を奏する。具体的には、ロータリバルブＲＶは、ガス圧縮機１の吐出口１ｂから吐出された冷媒ガスを上部室１３内に導く第１の態様と、上部室１３内の冷媒ガスをガス圧縮機１の吸気口１ａに導く第２の態様との切換え処理を行う。
　ロータリバルブＲＶは、バルブ本体８及びバルブプレート９とを有する。また、バルブプレート９は、バルブプレート本体３０とバルブ摺動部材３１とにより構成されている（これについては後に詳述する）。
　バルブプレート９は、回転軸受１６により、ハウジング２３内に回転可能に支持されている。スコッチヨーク２２を駆動するクランク１４の偏心ピン１４ａが回転軸を中心として公転することにより、バルブプレート９が回転する。バルブ本体８は、コイルバネ２０によりバルブプレート９に押し付けられ、またピン１９により回転しないように固定されている。
　コイルバネ２０は、排気側の圧力が給気側の圧力より大きくなってしまった場合に、バルブ本体８がバルブプレート９から離れてしまわないようにバルブ本体８を押圧するために設けられた押圧手段である。作動時にバルブ本体８をバルブプレート９に押圧する力は、冷媒ガスの給気側の圧力と排気側の圧力の差圧がバルブ本体８に作用することにより生じるようになっている。
　バルブ本体８は、円柱状を有している。このバルブ本体８のバルブプレート９と対向する面は平坦な摺動面８ａが形成されており、この摺動面８ａがバルブプレート９を構成するバルブ摺動部材３１の摺動面３１ａと面接触する。
　第１のガス流路８ｂ（第１の本体側流路）は、バルブ本体８の中心軸に沿ってバルブ本体８を貫通して形成されている。この第１のガス流路８ｂの一端は、摺動面８ａに開口している。また第１のガス流路８ｂの他端は、図１に示したガス圧縮機１の吐出口１ｂに接続されている。
　またバルブ本体８の摺動面８ａには、バルブ本体８の中心軸を中心とした円弧に沿った溝８ｃが形成されている。更に、バルブ本体８には、側面視で逆Ｌ字形状を有した第２のガス流路８ｄ（第２の本体側流路）が形成されている。この第２のガス流路８ｄの一端は溝８ｃの底面に開口すると共に、その他端はバルブ本体８の外周面に開口している。このバルブ本体８の外周面に開口した第１のガス流路８ｂの端部は、図１に示すハウジング２３に形成されたガス流路２１を経由して上部室１３に連通している。
　バルブプレート９（バルブ摺動部材３１）の摺動面３１ａには、その中心から半径方向に伸びる溝３１ｄが形成されている。バルブプレート９が回転し、溝３１ａの外周側の端部が溝８ｃに部分的に重なった時、第１のガス流路８ｂと第２のガス流路８ｄとが溝３１ａを介して連通する。
　プレート側ガス流路９ｂ（ガス流路３０ｂ，３１ｂとにより構成される）は、バルブプレート９（バルブプレート本体３０及びバルブ摺動部材３１）を貫通して回転軸に平行な方向に延在している。プレート側ガス流路９ｂの一端部は、摺動面３１ａに開口している。このプレート側ガス流路９ｂの端部は、摺動面３１ａ内の摺動面８ａに形成された溝８ｃと対応する位置に開口している。
　よって、バルブプレート９が回転し、プレート側ガス流路９ｂの開口部（バルブ本体８側の端部）が溝８ｃに部分的に重なると、第２のガス流路８ｄとプレート側ガス流路９ｂとが連通した状態となる。プレート側ガス流路９ｂの他端は、図１に示したハウジング２３内の空洞を介してガス圧縮機１の吸気口１ａに連通している。
　よって、第１のガス流路８ｂとガス流路８ｄとが溝８ｃを介して連通している時、圧縮機１から送られる冷媒ガスはロータリバルブＲＶを介して上部室１３内に送り込まれる。一方、第２のガス流路８ｄとプレート側ガス流路９ｂとが連通している時、上部室１３内の冷媒ガスがガス圧縮機１に回収される。従って、バルブプレート９を回転させると、上部室１３への冷媒ガスの導入（給気）と、上部室１３からの冷媒ガスの回収（排気）が繰り返され実施される。
　ここで、バルブ本体８及びバルブプレート９について、更に詳細に説明する。
　本実施形態では、ステータ（固定側）となるバルブ本体８は、焼入れ鋼等の金属により形成されている。このような磁性材料である金属によりバルブ本体８を形成しても、バルブ本体８は回転しない構成であるため、極低温冷凍機及びロータリバルブＲＶをMRI等に適用しても、その磁場中で磁場が極低温冷凍機及びロータリバルブＲＶに起因して乱れるようなことはない。
　尚、バルブ本体８の材料は磁性材料に限定されるものではなく、アルミニウムの表面をアルマイト処理したもの等の非磁性材料を用いることも可能である。
　また、バルブプレート９は、バルブプレート本体３０とバルブ摺動部材３１とにより構成されている。バルブプレート本体３０は、非磁性金属材であるステンレスにより形成されている。このバルブプレート本体３０は、回転軸受１６によりハウジング２３に回転可能に支持される。よって、バルブプレート本体３０の前面側（バルブ本体８と対向する側）には、回転軸受１６と係合する鍔部３０ｅが形成されている。
　また、バルブプレート本体３０のバルブ本体８と対向する面には、バルブ摺動部材３１を収納するための収納室３０ａが形成されている。この収納室３０ａは窪んだ形状とされており、その底面には回り止めピン３０ｃ（請求項に記載の回転規制部材に相当する）が形成されている。
　この回り止めピン３０ｃは、バルブプレート本体３０に形成された回り止め凹部３０ｆ及びバルブ摺動部材３１に形成された回り止め凹部３１ｃと係合することにより、バルブプレート本体３０に対するバルブ摺動部材３１の回転を規制する。しかしながら、回り止めピン３０ｃはバルブ摺動部材３１を完全にバルブプレート本体３０に固定するものではなく、回転を規制するのみの機能を奏するものである。よって、バルブ摺動部材３１はバルブプレート本体３０に対して装着脱可能（回転軸方向に装着脱可能）な構成となっている。
　更に、バルブプレート本体３０には、プレート側ガス流路９ｂの一部を構成するガス流路３０ｂが形成されている。このガス流路３０ｂは、バルブプレート本体３０の収納室３０ａの底板部を貫通して形成されている。よって、ガス流路３０ｂの一端は収納室３０ａの底面に開口し、他端は前記のようにハウジング２３内の空洞を介してガス圧縮機１の吸気口１ａに連通している。
　一方、バルブ摺動部材３１は樹脂により形成されており、円盤形状を有している。バルブ摺動部材３１に用いる樹脂としては、例えば四フッ化エチレン（例えば、ＮＴＮ社製のベアリーＦＬ３０００）により形成されている。このバルブ摺動部材３１はバルブ本体８と密着する摺動面３１ａに、前記の溝３１ｄが形成されている。また、バルブ摺動部材３１にはプレート側ガス流路９ｂを構成するガス流路３１ｂが貫通形成されている。このガス流路３１ｂは、バルブ摺動部材３１をバルブプレート本体３０の収納室３０ａに装着した際、バルブプレート本体３０に形成されたガス流路３０ｂと連通することによりプレート側ガス流路９ｂを形成する。
　従って、バルブ摺動部材３１が装着された状態でバルブプレート本体３０が駆動手段により回転されると、回り止めピン３０ｃによりバルブプレート本体３０に回転規制された状態で装着されているバルブ摺動部材３１も回転を開始する。このようにバルブ本体８に対してバルブプレート９（バルブプレート本体３０，バルブ摺動部材３１）が回転すると、上記のように第１のガス流路８ｂと第２のガス流路８ｄを溝３１ｄにより接続する状態と、第２のガス流路８ｄをバルブプレート９に接続する状態との間で切換えが行われる。
　この際、前記のようにバルブプレート本体３０はステンレス等の非磁性金属材により形成されおり、またバルブ摺動部材３１も非磁性である樹脂により形成されている。このため、本実施形態に係る極低温冷凍機及びロータリバルブＲＶを磁場の変動を嫌う環境下で使用しても、バルブプレート本体３０及びバルブ摺動部材３１の回転により磁場が乱されるようなことはない。
　また本実施形態では、バルブプレート９の摺動面３１ａは樹脂製のバルブ摺動部材３１に形成されている。よって、従来のアルミニウム製のバルブプレート１０２では必要であったアルマイト処理を不要とすることができ、バルブプレート９のコスト低減を図ることができる。
　更に、ロータリバルブＲＶに対してメンテナンスを行う場合、従来では摺動面１０１ａ及び摺動面１０２ａが共に消耗部分であったため、バルブ本体１０１及びバルブプレート１０２を共に交換することが行われていた（図５参照）。しかしながら、本実施形態に係るロータリバルブＲＶでは、バルブプレート本体３０に消耗部分は存在せず、かつバルブ摺動部材３１がバルブプレート本体３０に対して着脱可能な構成であるため、メンテナンス時にはバルブ本体８バルブ摺動部材３１の交換を行うだけで済む。
　バルブプレート本体３０はステンレスに収納室３０ａ，ガス流路３０ｂ，回り止めピン３０ｃ等を設ける必要があるため、バルブ摺動部材３１に対して高価である。よってメンテナンス時には、バルブプレート本体３０に対して低価格であるバルブ摺動部材３１及びバルブ本体８を交換すればよいため、メンテナンス時における交換部品のコストダウンも図ることができる。
　以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は上記した特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能なものである。
　本国際出願は２０１０年４月１９日に出願された日本国特許出願２０１０－０９５９２１号に基づく優先権を主張するものであり、日本国特許出願２０１０－０９５９２１号の全内容をここに本国際出願に援用する。

Claims (5)

  1. 　本体側流路が形成されたバルブ本体と、プレート側流路が形成されたバルブプレートとを有しており、前記バルブ本体の本体側摺動面を前記バルブプレートのプレート側摺動面に密着させると共に、前記バルブプレートを回転させることにより、前記本体側流路と前記プレート側流路の接続状態を切換えるロータリバルブであって、
    　前記バルブプレートを、前記プレート側摺動面を有する樹脂製のバルブ摺動体と、該バルブ摺動体を収納する収納室が形成された非磁性材よりなるバルブプレート本体とを有する構成としたことを特徴とするロータリバルブ。
  2. 　前記バルブプレートは、前記バルブ摺動体の前記バルブプレート本体に対する回転を規制する回転規制部材を有することを特徴とする請求項１記載のロータリバルブ。
  3. 　前記バルブ摺動体は、前記バルブプレート本体に対して着脱可能な構成であることを特徴とする請求項１記載のロータリバルブ。
  4. 　前記バルブ本体は、磁性材料により形成されてなることを特徴とする請求項１記載のロータリバルブ。
  5. 　吸気口から吸入された冷媒ガスを圧縮して排出口に排出するする圧縮機と、
    　前記冷媒ガスが供給されるシリンダと、
    　該シリンダ内で往復移動して前記シリンダ内で圧縮された前記冷媒ガスを膨張させるディスプレーサと、
    　前記ディスプレーサを前記シリンダ内で往復移動させる駆動装置と、
    　請求項１記載のロータリバルブとを有しており、
    　前記バルブ本体の前記本体側流路を、前記排出口に接続される第１の本体側流路と、前記シリンダに接続される第２の本体側流路とにより構成し、
    　前記ロータリバルブの前記バルブプレートに形成されたプレート側流路を前記吸気口に接続するよう構成し、
    　前記バルブプレートが回転することにより、前記第２の本体側流路が前記第１の本体側流路又は前記プレート側流路に選択的に接続するよう構成したことを特徴とするロータリバルブを用いた極低温冷凍機。
     
     
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