WO2019188170A1

WO2019188170A1 - 極低温冷凍機

Info

Publication number: WO2019188170A1
Application number: PCT/JP2019/009603
Authority: WO
Inventors: 暢恒劉
Original assignee: 住友重機械工業株式会社
Priority date: 2018-03-29
Filing date: 2019-03-11
Publication date: 2019-10-03
Also published as: JP2019174061A; TW201942469A

Abstract

極低温冷凍機１０は、逆転可能モータ４０と、軸方向に往復動するディスプレーサ２４と、ディスプレーサ上死点にて最大容積を有する膨張空間３４をディスプレーサ２４との間に画定するシリンダ２８と、膨張空間３４に熱的に結合された冷凍機ステージ３２と、逆転可能モータ４０の正転時に冷凍機ステージ３２が冷却されかつ逆転可能モータ４０の逆転時に冷凍機ステージ３２が加熱されるように、ディスプレーサ２４の軸方向往復動と同期させて膨張空間３４の吸気と排気とを切り替えるロータリーバルブ５８と、を備える。ディスプレーサ２４の軸方向往復動の一周期を３６０°とするとき、逆転可能モータ４０の逆転時における膨張空間３４の吸気開始タイミングの位相が、ディスプレーサ上死点に対して、０°より大きく１０°以下の範囲で進んでいる。

Description

極低温冷凍機

　本発明は、極低温冷凍機に関する。

　ギフォード・マクマホン（Gifford-McMahon；ＧＭ）冷凍機に代表される極低温冷凍機は典型的に、軸方向に往復動するディスプレーサとこれを駆動するモータを有する。ディスプレーサはモータに機械的に連結されており、モータによってディスプレーサは軸方向に往復動される。このようなモータ駆動型のＧＭ冷凍機においては従来から、いわゆる逆転昇温技術が知られている。逆転昇温を利用して、冷却されたＧＭ冷凍機を例えば室温に戻すなど昇温することができる。

特開平７－３５０７０号公報

　本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、極低温冷凍機における逆転昇温の昇温効率を向上することにある。

　本発明のある態様によると、極低温冷凍機は、逆転可能モータと、前記逆転可能モータの正転と逆転それぞれにより軸方向に往復動するディスプレーサと、前記ディスプレーサを収容するシリンダであって、ディスプレーサ上死点にて最大容積を有しディスプレーサ下死点にて最小容積を有する膨張空間を前記ディスプレーサとの間に画定するシリンダと、前記膨張空間に熱的に結合された冷凍機ステージと、前記逆転可能モータの正転時に前記冷凍機ステージが冷却され、かつ前記逆転可能モータの逆転時に前記冷凍機ステージが加熱されるように、前記ディスプレーサの軸方向往復動と同期させて前記膨張空間の吸気と排気とを切り替えるロータリーバルブと、を備える。前記ディスプレーサの軸方向往復動の一周期を３６０°とするとき、前記逆転可能モータの逆転時における前記膨張空間の吸気開始タイミングの位相が、前記ディスプレーサ上死点に対して、０°より大きく１０°以下の範囲で進んでいる。

　なお、本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

　本発明によれば、極低温冷凍機における逆転昇温の昇温効率を向上することができる。

ある実施形態に係る極低温冷凍機の全体構成を概略的に示す。ある実施形態に係る極低温冷凍機の膨張機の駆動機構を概略的に示す分解斜視図である。ある実施形態に係る極低温冷凍機のロータリバルブ機構を概略的に示す分解斜視図である。ある実施形態に係る極低温冷凍機の冷却運転のタイミングチャートを例示する図である。ある実施形態に係る極低温冷凍機の逆転昇温運転のタイミングチャートを例示する図である。

　以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。説明および図面において同一または同等の構成要素、部材、処理には同一の符号を付し、重複する説明は適宜省略する。図示される各部の縮尺や形状は、説明を容易にするために便宜的に設定されており、特に言及がない限り限定的に解釈されるものではない。実施の形態は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

　図１は、ある実施形態に係る極低温冷凍機を概略的に示す図である。図２は、ある実施形態に係る極低温冷凍機の膨張機の駆動機構を概略的に示す分解斜視図である。図３は、ある実施形態に係る極低温冷凍機のロータリバルブ機構を概略的に示す分解斜視図である。

　極低温冷凍機１０は、作動ガス（冷媒ガスともいう）を圧縮する圧縮機１２と、作動ガスを断熱膨張により冷却する膨張機１４とを備える。作動ガスは例えばヘリウムガスである。膨張機１４はコールドヘッドとも呼ばれる。膨張機１４には作動ガスを予冷する蓄冷器１６が備えられている。極低温冷凍機１０は、圧縮機１２と膨張機１４とを各々が接続する第１管１８ａと第２管１８ｂを含むガス配管１８を備える。図示される極低温冷凍機１０は、単段式のＧＭ冷凍機である。

　知られているように、第１高圧を有する作動ガスが圧縮機１２の吐出口１２ａから第１管１８ａを通じて膨張機１４に供給される。膨張機１４における断熱膨張により、作動ガスは第１高圧からそれより低い第２高圧に減圧される。第２高圧を有する作動ガスは、膨張機１４から第２管１８ｂを通じて圧縮機１２の吸入口１２ｂに回収される。圧縮機１２は、回収された第２高圧を有する作動ガスを圧縮する。こうして作動ガスは再び第１高圧に昇圧される。一般に第１高圧及び第２高圧はともに大気圧よりかなり高い。説明の便宜上、第１高圧及び第２高圧はそれぞれ単に高圧及び低圧とも呼ばれる。通例、高圧は例えば２～３ＭＰａであり、低圧は例えば０．５～１．５ＭＰａである。高圧と低圧との差圧は例えば１．２～２ＭＰａ程度である。

　膨張機１４は、膨張機可動部分２０と膨張機静止部分２２とを備える。膨張機可動部分２０は、膨張機静止部分２２に対し軸方向（図１における上下方向）に往復移動可能であるよう構成されている。膨張機可動部分２０の移動方向を図１に矢印Ａで示す。膨張機静止部分２２は、膨張機可動部分２０を軸方向に往復移動可能に支持するよう構成されている。また、膨張機静止部分２２は、膨張機可動部分２０を高圧ガス（第１高圧ガス及び第２高圧ガスを含む）とともに収容する気密容器として構成されている。

　膨張機可動部分２０は、ディスプレーサ２４と、その往復移動を駆動するディスプレーサ駆動軸２６とを含む。ディスプレーサ２４には蓄冷器１６が内蔵されている。ディスプレーサ２４の内部空間に蓄冷材が充填され、それによりディスプレーサ２４内に蓄冷器１６が形成される。ディスプレーサ２４は、例えば、軸方向に延在する実質的に円柱状の形状を有し、軸方向において実質的に一様な外径及び内径を有する。よって、蓄冷器１６も、軸方向に延在する実質的に円柱状の形状を有する。

　膨張機静止部分２２は、大まかに、シリンダ２８及び駆動機構ハウジング３０からなる二部構成を有する。膨張機静止部分２２の軸方向上部が駆動機構ハウジング３０であり、膨張機静止部分２２の軸方向下部がシリンダ２８であり、これらは相互に堅く結合されている。シリンダ２８は、ディスプレーサ２４の往復移動を案内するよう構成されている。シリンダ２８は、駆動機構ハウジング３０から軸方向に延在する。シリンダ２８は、軸方向において実質的に一様な内径を有し、よって、シリンダ２８は、軸方向に延在する実質的に円筒の内面を有する。この内径は、ディスプレーサ２４の外径よりわずかに大きい。

　また、膨張機静止部分２２は、冷凍機ステージ３２を含む。冷凍機ステージ３２は、軸方向において駆動機構ハウジング３０と反対側でシリンダ２８の末端に固定されている。冷凍機ステージ３２は、膨張機１４が生成する寒冷を他の物体に伝導するために設けられている。その物体は冷凍機ステージ３２に取り付けられ、極低温冷凍機１０の動作時に冷凍機ステージ３２によって冷却される。冷凍機ステージ３２は、冷却ステージまたは熱負荷ステージと呼ばれることもある。

　シリンダ２８は、ディスプレーサ２４によって膨張空間３４と上部空間３６に仕切られている。ディスプレーサ２４は、軸方向一端にてシリンダ２８との間に膨張空間３４を画定し、軸方向他端にてシリンダ２８との間に上部空間３６を画定する。膨張空間３４は、ディスプレーサ２４の上死点にて最大容積を有し、ディスプレーサ２４の下死点にて最小容積を有する。上部空間３６は、ディスプレーサ２４の上死点にて最小容積を有し、ディスプレーサ２４の下死点にて最大容積を有する。冷凍機ステージ３２は、膨張空間３４を外包するようにシリンダ２８に固着されている。冷凍機ステージ３２は、膨張空間３４に熱的に結合されている。

　極低温冷凍機１０の動作時において、蓄冷器１６は、軸方向において一方側（図において上側）に蓄冷器高温部１６ａを有し反対側（図において下側）に蓄冷器低温部１６ｂを有する。このように蓄冷器１６は軸方向に温度分布を有する。蓄冷器１６を包囲する膨張機１４の他の構成要素（例えばディスプレーサ２４及びシリンダ２８）も同様に軸方向温度分布を有し、従って膨張機１４はその動作時に軸方向一方側に高温部を有し軸方向他方側に低温部を有する。高温部は、例えば室温程度の温度を有する。低温部は、極低温冷凍機１０の用途により異なるが、例えば約１００Ｋから約１０Ｋの範囲に含まれるある温度に冷却される。

　本書では説明の便宜上、軸方向、径方向、周方向との用語が使用される。軸方向は、矢印Ａで図示されるように、膨張機静止部分２２に対する膨張機可動部分２０の移動方向を表す。径方向は軸方向に垂直な方向（図において横方向）を表し、周方向は軸方向を囲む方向を表す。膨張機１４のある要素が軸方向に関して冷凍機ステージ３２に相対的に近いことを「下」、相対的に遠いことを「上」と呼ぶことがある。よって、膨張機１４の高温部及び低温部はそれぞれ軸方向において上部及び下部に位置する。こうした表現は、膨張機１４の要素間の相対的な位置関係の理解を助けるために用いられるにすぎず、現場で設置されるときの膨張機１４の配置とは関係しない。例えば、膨張機１４は、冷凍機ステージ３２を上向きに駆動機構ハウジング３０を下向きにして設置されてもよい。あるいは、膨張機１４は、軸方向を水平方向に一致させるようにして設置されてもよい。

　また、ロータリバルブ機構についても、軸方向、径方向、周方向との用語が使用される。この場合、軸方向は、ロータリバルブ機構の回転軸の方向を表す。ロータリバルブ機構の軸方向は、極低温冷凍機１０の軸方向すなわち膨張機可動部分２０の移動方向に垂直である。

　膨張機１４は、膨張機静止部分２２に支持され、ディスプレーサ２４を駆動する駆動機構３８を備える。駆動機構３８は、逆転可能モータ４０及びスコッチヨーク機構４２を含む。ディスプレーサ駆動軸２６はスコッチヨーク機構４２の一部を形成する。ディスプレーサ駆動軸２６はスコッチヨーク機構４２によって軸方向に駆動されるようスコッチヨーク機構４２に連結されている。したがって、逆転可能モータ４０の正転と逆転それぞれによりディスプレーサ２４の軸方向往復移動が駆動される。

　駆動機構３８は、駆動機構ハウジング３０の内部に画定される低圧ガス室３７に収容されている。第２管１８ｂが駆動機構ハウジング３０に接続されており、それにより低圧ガス室３７が第２管１８ｂを通じて圧縮機１２の吸入口１２ｂに連通している。そのため、低圧ガス室３７は常に低圧に維持される。

　極低温冷凍機１０は、逆転可能モータ４０が所定方向に回転するときに冷却運転し、逆転可能モータ４０が反対方向に回転するときに昇温運転するように構成されている。極低温冷凍機１０が冷却される回転方向を「正転」と称し、極低温冷凍機１０が昇温される回転方向を「逆転」と称する。図２には、逆転可能モータ４０の回転軸４０ａが示されている。ここでは、逆転可能モータ４０の回転軸４０ａの時計回りを正転（矢印Ｂ方向）、逆転可能モータ４０の回転軸４０ａの反時計回りを逆転とする（矢印Ｃ方向）。

　図２に示されるように、スコッチヨーク機構４２は、クランク４４と、スコッチヨーク４６と、を含む。クランク４４は、逆転可能モータ４０の回転軸４０ａに固定される。クランク４４は、回転軸４０ａが固定される位置から偏心した位置にクランクピン４４ａを有する。したがって、クランク４４を回転軸４０ａに固定すると、クランクピン４４ａは、逆転可能モータ４０の回転軸４０ａと平行に延在するとともに回転軸４０ａから偏心した状態となる。

　スコッチヨーク４６は、ヨーク板４８と、ころ軸受５０と、を含む。ヨーク板４８は、板状の部材である。スコッチヨーク４６には、その上部中央に、上部軸５２が上方に延出するように連結され、その下部中央に、ディスプレーサ駆動軸２６が下方に延出するように連結されている。図１に示されるように、上部軸５２は、第１摺動軸受５４によって軸方向に移動可能に支持され、ディスプレーサ駆動軸２６は、第２摺動軸受５６によって軸方向に移動可能に支持される。したがって、上部軸５２およびディスプレーサ駆動軸２６、ひいてはヨーク板４８、ひいてはスコッチヨーク４６は、軸方向に移動可能な構成となっている。

　ヨーク板４８の中央には、横長窓４８ａが形成されている。横長窓４８ａは、上部軸５２およびディスプレーサ駆動軸２６が延出する方向（すなわち軸方向）に対して交差する方向、例えば直交する方向に延在する。ころ軸受５０は、転動可能に横長窓４８ａ内に配設される。ころ軸受５０の中心には、クランクピン４４ａと係合する係合孔５０ａが形成されており、クランクピン４４ａが係合孔５０ａを貫通する。

　第１摺動軸受５４および第２摺動軸受５６は、膨張機静止部分２２の駆動機構ハウジング３０に設けられている。第２摺動軸受５６または駆動機構ハウジング３０の下端部には、例えばスリッパシールやクリアランスシールといったシール部が設けられ、気密に構成されており、そのため低圧ガス室３７は上部空間３６から隔離されている。低圧ガス室３７と上部空間３６との直接のガス流通はない。

　逆転可能モータ４０が駆動し回転軸４０ａが回転すると、クランクピン４４ａと係合したころ軸受５０は、円を描くように回転する。ころ軸受５０が円を描くように回転することにより、スコッチヨーク４６は、軸方向に往復運動する。この際、ころ軸受５０は、軸方向に交差する方向に横長窓４８ａ内を往復移動する。

　図１に示されるように、ディスプレーサ２４は、ディスプレーサ駆動軸２６に連結されている。ディスプレーサ駆動軸２６は、低圧ガス室３７から上部空間３６を貫通してディスプレーサ２４へと延びている。このため、スコッチヨーク４６が軸方向に移動することにより、ディスプレーサ２４はシリンダ２８内を軸方向に往復移動する。

　膨張機１４は、逆転可能モータ４０の正転時に冷凍機ステージ３２が冷却され、かつ逆転可能モータ４０の逆転時に冷凍機ステージ３２が加熱されるように、ディスプレーサ２４の軸方向往復動と同期させて膨張空間３４の吸気と排気とを切り替えるロータリーバルブ５８を備える。ロータリーバルブ５８は、高圧ガスを膨張空間３４に供給するための供給路の一部として機能するとともに、低圧ガスを膨張空間３４から排出するための排出路の一部として機能する。ロータリーバルブ５８は、ディスプレーサ２４の往復移動と同期して作動ガスの供給機能と排出機能とを切り替え、それにより膨張空間３４の圧力を制御するよう構成されている。ロータリーバルブ５８は、駆動機構３８に連結され、駆動機構ハウジング３０に収容されている。

　また、膨張機１４は、ハウジングガス流路６４、ディスプレーサ上蓋ガス流路６６、ディスプレーサ下蓋ガス流路６８を有する。高圧ガスは、第１管１８ａからロータリーバルブ５８、ハウジングガス流路６４、上部空間３６、ディスプレーサ上蓋ガス流路６６、蓄冷器１６、ディスプレーサ下蓋ガス流路６８を経て膨張空間３４に流入する。膨張空間３４からの戻りガスは、ディスプレーサ下蓋ガス流路６８、蓄冷器１６、ディスプレーサ上蓋ガス流路６６、上部空間３６、ハウジングガス流路６４、ロータリーバルブ５８を経て低圧ガス室３７に受け入れられる。

　ハウジングガス流路６４は、膨張機静止部分２２と上部空間３６との間のガス流通のために駆動機構ハウジング３０に貫通形成されている。

　上部空間３６は、蓄冷器高温部１６ａの側で膨張機静止部分２２とディスプレーサ２４との間に形成されている。より詳しくは、上部空間３６は、軸方向において駆動機構ハウジング３０とディスプレーサ２４とに挟まれ、周方向にシリンダ２８に囲まれている。上部空間３６は、低圧ガス室３７に隣接する。上部空間３６は室温室とも呼ばれる。上部空間３６は膨張機可動部分２０と膨張機静止部分２２との間に形成された可変容積である。

　ディスプレーサ上蓋ガス流路６６は、蓄冷器高温部１６ａを上部空間３６に連通するよう形成されたディスプレーサ２４の少なくとも１つの開口である。ディスプレーサ下蓋ガス流路６８は、蓄冷器低温部１６ｂを膨張空間３４に連通するよう形成されたディスプレーサ２４の少なくとも１つの開口である。ディスプレーサ２４とシリンダ２８とのクリアランスを封じるシール部７０が、ディスプレーサ２４の側面に設けられている。シール部７０は、ディスプレーサ上蓋ガス流路６６を周方向に囲むようディスプレーサ２４に取り付けられていてもよい。

　膨張空間３４は、蓄冷器低温部１６ｂの側でシリンダ２８とディスプレーサ２４との間に形成されている。膨張空間３４は上部空間３６と同様に膨張機可動部分２０と膨張機静止部分２２との間に形成された可変容積であり、シリンダ２８に対するディスプレーサ２４の相対移動によって膨張空間３４の容積は上部空間３６の容積と相補的に変動する。シール部７０が設けられているので、上部空間３６と膨張空間３４との直接のガス流通（つまり蓄冷器１６を迂回するガス流れ）はない。

　ロータリーバルブ５８は、ロータバルブ部材６０及びステータバルブ部材６２を備える。ロータバルブ部材６０は、逆転可能モータ４０の回転により回転するよう逆転可能モータ４０の出力軸に連結されている。ロータバルブ部材６０は、ステータバルブ部材６２に対し回転摺動するようステータバルブ部材６２と面接触している。ステータバルブ部材６２は、駆動機構ハウジング３０に固定されている。ステータバルブ部材６２は、第１管１８ａから駆動機構ハウジング３０に入る高圧ガスを受け入れるよう構成されている。

　図３に示す一点鎖線Ｙは、ロータリーバルブ５８の回転軸を表す。ステータバルブ部材６２は平坦なステータ側回転摺動面７１を有し、ロータバルブ部材６０は同じく平坦なロータ側回転摺動面７２を有する。ステータ側回転摺動面７１およびロータ側回転摺動面７２はともに回転軸Ｙに垂直である。ステータ側回転摺動面７１とロータ側回転摺動面７２が面接触することにより、冷媒ガスの漏れが防止される。

　ステータバルブ部材６２は、駆動機構ハウジング３０内にステータバルブ固定ピン７３で固定される。ステータバルブ固定ピン７３は、ステータバルブ部材６２のステータ側回転摺動面７１とは回転軸方向反対側に位置するステータバルブ端面７４に係合し、ステータバルブ部材６２の回転を規制する。

　ロータバルブ部材６０は、図１に示すロータバルブ軸受７５により回転可能に支持されている。ロータバルブ部材６０のスコッチヨーク機構４２側のロータバルブ端面７６には、図２に示されるように、円弧形状の係合溝７７が形成されている。ロータバルブ端面７６は、ロータバルブ部材６０のロータ側回転摺動面７２とは回転軸方向反対側に位置する。ロータバルブ部材６０は、ロータ側回転摺動面７２をロータバルブ端面７６に接続するロータバルブ外周面７８を備える。ロータバルブ外周面７８は、ロータバルブ軸受７５に支持されるとともに、低圧ガス室３７に面している。

　図２に示されるように、係合溝７７にはスコッチヨーク機構４２のクランクピン４４ａの先端が進入している。逆転可能モータ４０の回転軸４０ａの回転に伴いクランクピン４４ａが正転または逆転し、クランクピン４４ａが係合溝７７の周方向一方側の端部７７ａまたは周方向他方側の端部７７ｂに係合すると、クランク４４の運動すなわち逆転可能モータ４０の回転軸４０ａの回転がロータバルブ部材６０に伝達され、ロータバルブ部材６０はステータバルブ部材６２に対して正転または逆転する。逆転可能モータ４０がクランクピン４４ａを回転させることにより、ロータバルブ部材６０はスコッチヨーク機構４２と同期して回転する。

　係合溝７７とクランクピン４４ａとは、ロータバルブ部材６０と逆転可能モータ４０の回転軸４０ａとを正転と逆転との間に所定の角度（例えば、２００°以上３６０°未満であり、例えば２８０°）の空動を伴って連結されている。そのため、ディスプレーサ２４の往復移動に対するロータリーバルブ５８の吸排気タイミングは、回転軸４０ａおよびロータバルブ部材６０が正転する（すなわち極低温冷凍機１０が冷却運転する）ときと回転軸４０ａおよびロータバルブ部材６０が逆転する（すなわち極低温冷凍機１０が昇温運転する）ときとで異なる。

　図３に示されるように、ステータバルブ部材６２は、高圧ガス流入口７９およびガス流通口８０を有する。高圧ガス流入口７９は、ステータ側回転摺動面７１の中心部に開口され、ステータバルブ部材６２の中心部を回転軸Ｙの方向に貫通するよう形成されている。高圧ガス流入口７９は、第１管１８ａを通じて圧縮機１２の吐出口１２ａに連通される（図１参照）。ガス流通口８０は、ステータ側回転摺動面７１において高圧ガス流入口７９に対し径方向外側に開口されている。ガス流通口８０は、高圧ガス流入口７９を中心とした円弧状溝に形成されている。

　ステータバルブ部材６２は、ガス流通口８０をハウジングガス流路６４につなぐようステータバルブ部材６２に貫通形成されている連通路８１を有する。よってガス流通口８０は、連通路８１およびハウジングガス流路６４を経て最終的に膨張空間３４に連通される。連通路８１は一端がガス流通口８０に開口され他端がステータバルブ部材６２の側面に開口されている。連通路８１のガス流通口８０側の部分は回転軸Ｙの方向に延びており、これに対し直交するよう連通路８１のハウジングガス流路６４側の部分は径方向に延びている。極低温冷凍機１０の吸気行程においてはガス流通口８０および連通路８１を高圧ガスが流れる一方、排気工程においては膨張空間３４からの低圧戻りガスがガス流通口８０および連通路８１を流れる。

　ロータバルブ部材６０は、ロータバルブ高圧凹部８２およびロータバルブ開口部８３を有する。ロータ側回転摺動面７２は、ロータバルブ高圧凹部８２の周囲でステータ側回転摺動面７１に面接触する。同様に、ロータ側回転摺動面７２は、ロータバルブ開口部８３の周囲でステータ側回転摺動面７１に面接触する。

　ロータバルブ高圧凹部８２は、ロータ側回転摺動面７２に開口され、長円状溝に形成されている。ロータバルブ高圧凹部８２は、ロータ側回転摺動面７２の中心部から径方向外側に延在する。ロータバルブ高圧凹部８２の深さはロータバルブ部材６０の回転軸方向長さより短く、ロータバルブ高圧凹部８２はロータバルブ部材６０を貫通していない。ロータ側回転摺動面７２上で高圧ガス流入口７９に対応する場所にロータバルブ高圧凹部８２の径方向一端が位置する。そのためロータバルブ高圧凹部８２は高圧ガス流入口７９に常時接続されている。ロータバルブ高圧凹部８２の径方向他端は、ステータバルブ部材６２のガス流通口８０と概ね同一円周上に位置するよう形成されている。

　このようにして、ロータリーバルブ５８に吸気バルブが構成される。ロータバルブ高圧凹部８２は、ロータバルブ部材６０の回転の一周期の一部（例えば吸気工程）において高圧ガス流入口７９をガス流通口８０に連通し、当該一周期の残部（例えば排気工程）において高圧ガス流入口７９をガス流通口８０とは不通とするよう形成されている。ロータバルブ高圧凹部８２および高圧ガス流入口７９からなる二区域、または、ロータバルブ高圧凹部８２、高圧ガス流入口７９、およびガス流通口８０からなる三区域は、互いに連通してロータリーバルブ５８内に高圧領域（または高圧流路）を形成する。ロータバルブ部材６０は、高圧領域を密封し低圧周囲環境（すなわち低圧ガス室３７）から隔離するようステータバルブ部材６２に隣接配置されている。ロータバルブ高圧凹部８２は、ロータリーバルブ５８の高圧流路における流れ方向変更部または流路折り返し部として設けられている。

　一方、ロータバルブ開口部８３は、ロータバルブ部材６０のロータ側回転摺動面７２からロータバルブ端面７６まで貫通する円弧状孔であり、低圧ガス室３７と連通する低圧流路を形成する。一例として、ロータバルブ開口部８３は、係合溝７７へとロータバルブ部材６０を貫通している。ロータバルブ開口部８３は、ロータ側回転摺動面７２の中心部に対しロータバルブ高圧凹部８２の外端部と概ね径方向反対側に位置する。ロータバルブ開口部８３は、ステータバルブ部材６２のガス流通口８０と概ね同一円周上に位置するよう形成されている。このようにして、ロータリーバルブ５８に排気バルブが構成される。ロータバルブ部材６０は、高圧ガス流入口７９がガス流通口８０から不通となる期間の少なくとも一部（例えば排気工程）においてガス流通口８０を低圧ガス室３７に連通するよう形成されている。

　図４は、ある実施形態に係る極低温冷凍機１０の冷却運転のタイミングチャートを例示する図である。図４には、ロータリーバルブ５８のバルブタイミング（実線で示す）と、ディスプレーサ２４の軸方向位置（一点鎖線で示す）が、ディスプレーサ２４の軸方向往復動の一周期にわたり時系列的に示されている。ディスプレーサ２４の軸方向往復動の一周期が３６０°に対応付けられている。言い換えれば、図４の横軸は逆転可能モータ４０の回転角度およびロータリーバルブ５８の位相を表す。０°（３６０°）においてディスプレーサ２４は上死点に位置し、膨張空間３４の容積は最大となる。１８０°においてディスプレーサ２４は下死点に位置し、膨張空間３４の容積は最小となる。９０°および２７０°では、ディスプレーサ２４は上死点と下死点の中間点に位置する。図１から図４を参照しながら、極低温冷凍機１０の冷却運転を説明する。

　まず、極低温冷凍機１０を冷却運転する場合について説明する。冷却運転では、逆転可能モータ４０を正転させることによってクランクピン４４ａがロータバルブ部材６０の係合溝７７の端部７７ａに係合し、ロータバルブ部材６０が正転する。

　ディスプレーサ２４が上死点に到達するのに先行して、ロータリーバルブ５８は、圧縮機１２の吸入口１２ｂを膨張空間３４に接続するように切り替わる。こうして、冷却運転の排気工程が開始される。例えば３００°から３６０°（－６０°から０°）の間で、排気バルブとしてのロータリーバルブ５８が開かれる。図示される例では、冷却運転での排気開始タイミングは、例えばおよそ３１０°の位相に定められている。

　このとき膨張空間３４内の高圧ガスは膨張し冷却される。膨張したガスは、膨張空間３４からディスプレーサ下蓋ガス流路６８を通じて蓄冷器１６に入る。ガスは蓄冷器１６を通過しながら冷却する。ガスは、蓄冷器１６からハウジングガス流路６４、ロータリーバルブ５８、低圧ガス室３７を経て圧縮機１２に戻る。ガスが膨張空間３４から流出する間、ディスプレーサ２４は上死点から下死点に向けてシリンダ２８内を軸方向下向きに動く。それにより膨張空間３４の容積が減少され、膨張空間３４から低圧ガスが排出される。ディスプレーサ２４が下死点に到達するのに先行して、例えば１２０°から１８０°の間で、または例えば１２０°から１５０°の間で、排気バルブとしてのロータリーバルブ５８が閉じられ、排気工程が終了する。図示される例では、冷却運転での排気終了タイミングは、例えばおよそ１３０°～１３５°の位相に定められている。

　ディスプレーサ２４が下死点に到達するのに先行して、ロータリーバルブ５８は、圧縮機１２の吐出口１２ａを膨張空間３４に接続するように切り替わる。こうして、冷却運転の吸気工程が開始される。排気工程の終了からディスプレーサ２４の下死点への到達までの間に、吸気バルブとしてのロータリーバルブ５８が開かれる。図示される例では、冷却運転での吸気開始タイミングは、例えばおよそ１４５°の位相に定められている。

　高圧ガスが、ロータリーバルブ５８からハウジングガス流路６４、上部空間３６、ディスプレーサ上蓋ガス流路６６を通じて蓄冷器高温部１６ａに入る。ガスは蓄冷器１６を通過しながら冷却され、蓄冷器低温部１６ｂからディスプレーサ下蓋ガス流路６８を通じて膨張空間３４に入る。ガスが膨張空間３４に流入する間、ディスプレーサ２４は下死点から上死点に向けてシリンダ２８内を軸方向上向きに動く。それにより膨張空間３４の容積が増加される。こうして膨張空間３４は高圧ガスで満たされる。ディスプレーサ２４が上死点に到達するのに先行して、例えば２７０°から３６０°の間で、または例えば２７０°から３００°の間で、吸気バルブとしてのロータリーバルブ５８が閉じられ、吸気工程が終了する。吸気工程が終了すると、再び排気工程が開始される。図示される例では、冷却運転での吸気終了タイミングは、例えばおよそ２８５°の位相に定められている。

　以上が極低温冷凍機１０における１回の冷凍サイクルである。極低温冷凍機１０は冷凍サイクルを繰り返すことで、冷凍機ステージ３２を所望の温度に冷却する。よって、極低温冷凍機１０は、冷凍機ステージ３２に熱的に結合された物体を極低温に冷却することができる。

　図５は、ある実施形態に係る極低温冷凍機１０の逆転昇温運転のタイミングチャートを例示する図である。図５には、図４と同様に、ロータリーバルブ５８のバルブタイミング（実線で示す）と、ディスプレーサ２４の軸方向位置（一点鎖線で示す）が、ディスプレーサ２４の軸方向往復動の一周期にわたり時系列的に示されている。図１から図３、図５を参照しながら、極低温冷凍機１０の逆転昇温運転を説明する。

　逆転昇温運転では、逆転可能モータ４０を逆転させることによって、クランクピン４４ａは、ロータバルブ部材６０の係合溝７７に沿って空転し、係合溝７７の端部７７ｂに係合する。これにより、ロータバルブ部材６０が逆方向に回転する。したがって、上述のように、逆転昇温運転におけるロータリーバルブ５８の吸排気タイミングは、ディスプレーサ２４の往復動に対して、冷却運転におけるロータリーバルブ５８の吸排気タイミングとは異なるものとなる。

　ディスプレーサ２４が上死点に到達するのに先行して、ロータリーバルブ５８は、圧縮機１２の吐出口１２ａを膨張空間３４に接続するように切り替わる。こうして、逆転昇温運転の吸気工程が開始される。例えば３３０°から３６０°の間、より具体的には、例えば３５０°から３６０°の間で、吸気バルブとしてのロータリーバルブ５８が開かれる。このように、逆転可能モータ４０の逆転時における膨張空間３４の吸気開始タイミングの位相が、ディスプレーサ２４の上死点に対して、０°より大きく１０°以下の範囲で進んでいる。

　図示される例では、逆転昇温運転での吸気開始タイミングは、例えばおよそ３５５°～３６０°の位相に定められている。このように、逆転可能モータ４０の逆転時における膨張空間３４の吸気開始タイミングの位相が、ディスプレーサ２４の上死点に対して、０°より大きく５°以下の範囲で進んでいてもよい。

　吸気工程においては、高圧ガスが、ロータリーバルブ５８から蓄冷器１６を通じて膨張空間３４に流入する。ガスが膨張空間３４に流入する間、ディスプレーサ２４は上死点から下死点に向けてシリンダ２８内を軸方向下向きに動く。膨張空間３４内の冷媒ガスはさらに圧縮されてさらに高圧になり、昇温する。ディスプレーサ２４が下死点に到達するのに先行して、例えば１２０°から１８０°の間で、または例えば１２０°から１５０°の間で、吸気バルブとしてのロータリーバルブ５８が閉じられ、吸気工程が終了する。図示される例では、逆転昇温運転での吸気終了タイミングは、例えばおよそ１３０°～１３５°の位相に定められている。

　ディスプレーサ２４が下死点に到達するのに先行して、ロータリーバルブ５８は、圧縮機１２の吸入口１２ｂを膨張空間３４に接続するように切り替わる。こうして、逆転昇温運転の排気工程が開始される。吸気工程の終了からディスプレーサ２４の下死点への到達までの間に、例えば１３５°から１８０°の間で、排気バルブとしてのロータリーバルブ５８が開かれ、排気工程が開始される。このように、逆転可能モータ４０の逆転時における膨張空間３４の排気開始タイミングの位相が、ディスプレーサ２４の下死点に対して、０°より大きく４５°以下の範囲で進んでいる。図示される例では、逆転昇温運転での排気開始タイミングは、例えばおよそ１４５°の位相に定められている。

　排気工程においては、膨張空間３４から蓄冷器１６およびロータリーバルブ５８を経て作動ガスが圧縮機１２へと回収される。ガスが膨張空間３４から流出する間、ディスプレーサ２４は下死点から上死点に向けてシリンダ２８内を軸方向上向きに動く。膨張空間３４の容積が増加され、低圧ガスで満たされる。ディスプレーサ２４が上死点に到達するのに先行して、例えば３００°から３６０°の間で、排気バルブとしてのロータリーバルブ５８が閉じられ、排気工程が終了する。排気工程が終了すると、再び吸気工程が開始される。図示される例では、逆転昇温運転での排気終了タイミングは、例えばおよそ３３０°の位相に定められている。

　以上が極低温冷凍機１０における１回の昇温サイクルである。極低温冷凍機１０は昇温サイクルを繰り返すことで、作動ガスの圧縮熱により冷凍機ステージ３２を所望の温度に加熱することができる。

　本実施形態によると、逆転可能モータ４０の逆転時における膨張空間３４の吸気開始タイミングの位相が、ディスプレーサ２４の上死点に対して、０°より大きく１０°以下の範囲で進んでいる。これにより、極低温冷凍機１０における逆転昇温の昇温効率を向上することができる。より短い時間で冷凍機ステージ３２を極低温から室温に昇温することができる。

　ここで、第１比較例として、逆転可能モータ４０の逆転時における膨張空間３４の吸気開始タイミングの位相が、ディスプレーサ２４の上死点に一致するか、またはディスプレーサ２４の上死点からいくらか遅れている場合を考える。

　本発明者による実験結果によると、吸気開始タイミングの位相がディスプレーサ２４の上死点に対して約５°進んでいる実施例では、冷凍機ステージ３２の１００Ｋから３００Ｋへの昇温が約４２分で完了した。これに対して、吸気開始タイミングの位相がディスプレーサ２４の上死点に対して約５°遅れている第１比較例では、他の諸条件を実施例と共通として、冷凍機ステージ３２の１００Ｋから３００Ｋへの昇温に約５０分を要した。第１比較例では、昇温時間が実施例に対しおよそ２割長くなっている。

　本発明者の考察によると、実施例の昇温効率が第１比較例に比べて高まるのは、主に次の２つの理由による。

　第１に、作動ガスが膨張空間３４へと流入するとき受ける圧力損失に起因して、第１比較例では実施例に比べて昇温効率が劣ることになる。圧力損失の主たる原因は、作動ガスが蓄冷器１６を流れることによる。上部空間３６から蓄冷器１６を通じて膨張空間３４に作動ガスが流れるのに、いくらかの時間を要する。そのため、作動ガスが膨張空間３４に実際に流入するタイミングは、吸気バルブとしてのロータリーバルブ５８が開く吸気開始タイミングから僅かに遅れる。この遅延の間にもディスプレーサ２４は下動し、膨張空間３４は狭くなっていく。膨張空間３４が狭くなるほど、発生する圧縮熱は小さくなり、昇温効率も低下する。

　これに対して、実施例によると、吸気開始タイミングがディスプレーサ２４の上死点に対して０°より大きく１０°以下の範囲で先行している。ディスプレーサ２４が上死点に向けて上動している最中に吸気工程が開始され、ディスプレーサ２４が上死点またはその近傍に位置するときに膨張空間３４の昇圧を完了することができる。したがって、実施例では第１比較例に比べて、膨張空間３４がより広くなる。よって、発生する圧縮熱は増加され、昇温効率も向上される。

　第２に、作動ガスとディスプレーサ２４の相対速度に起因して、第１比較例では実施例に比べて昇温効率が劣ることになる。吸気工程では、作動ガスは上部空間３６から膨張空間３４へと下向きに流れる。第１比較例では吸気開始タイミングでディスプレーサ２４が既に下動しているから、作動ガスとディスプレーサ２４の相対速度が比較的小さくなる。そのため、作動ガスと蓄冷器１６が接触する時間が長くなり、作動ガスと蓄冷器１６の熱交換が促進される。作動ガスは蓄冷器１６によって冷却され、その結果、膨張空間３４に流入する作動ガスの温度が低くなる。これも、冷凍機ステージ３２の昇温を遅らせる要因となる。

　これに対して、実施例によると、上述のように、吸気開始タイミングがディスプレーサ２４の上死点に対して０°より大きく１０°以下の範囲で先行し、ディスプレーサ２４が上死点に向けて上動している最中に吸気工程が開始される。よって、吸気開始タイミングで作動ガス流れの向きとディスプレーサ２４の移動方向は逆向きであり、作動ガスとディスプレーサ２４の相対速度は第１比較例に比べて顕著に大きくなる。したがって、実施例では第１比較例に比べて、作動ガスと蓄冷器１６の熱交換は抑制され、膨張空間３４に流入する作動ガスの温度が高くなり、冷凍機ステージ３２の昇温も促進される。

　別の有利な点として、本実施形態によると、ディスプレーサ２４を流れる作動ガスに起因する逆転可能モータ４０の負荷を軽減することができる。上述のように、逆転可能モータ４０の逆転時における膨張空間３４の吸気開始タイミングの位相が、ディスプレーサ２４の上死点に対して、０°より大きく１０°以下の範囲で進んでいる。

　シリンダ２８内での圧力変化は吸気開始タイミングの直後に最も大きい。この圧力変化によりディスプレーサ２４に作用する軸方向反力も吸気開始タイミングの直後に最大となる。ディスプレーサ２４が上死点の近傍に位置するとき、クランクピン４４ａは反時計回り回転においておよそ１２時の位置を通過する。このときクランクピン４４ａの移動方向はディスプレーサ２４の軸方向とほぼ直交している。ディスプレーサ２４に作用する軸方向反力は、クランクピン４４ａの移動方向に向く成分をほとんど有しないか、または無視できる程度に小さくなる。したがって、逆転可能モータ４０への負荷は、顕著に低減され、有利である。

　これに対して、例えば、吸気開始タイミングがディスプレーサ２４の上死点に対して７０°以上先行する場合を考える。この場合、吸気開始タイミングは、クランクピン４４ａが反時計回り回転においておよそ３時の位置を通過するタイミングに一致しうる。このときクランクピン４４ａの移動方向は軸方向上向きとなる。吸気開始のガス圧変化によりディスプレーサ２４には軸方向下向きの力が作用する。この力のほとんどすべてがクランクピン４４ａの移動方向と反対向きの成分となり、よって、モータ負荷が顕著に大きくなり、大きな駆動トルクを発生できる大型のモータが必要となりうる。

　また、本実施形態によると、逆転可能モータ４０の逆転時における膨張空間３４の排気開始タイミングの位相が、ディスプレーサ２４の下死点に対して、０°より大きく４５°以下の範囲で進んでいる。このようにすれば、極低温冷凍機１０の冷凍性能と逆転昇温の昇温効率とを両立するようにロータリーバルブ５８を設計することが容易となる。

　以上、本発明を実施例にもとづいて説明した。本発明は上記実施形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。

　上記においては、単段式のＧＭ冷凍機に言及して実施の形態を説明した。本発明はこれに限られず、実施の形態に係る作動ガス流路構成は、二段式または多段式のＧＭ冷凍機、または、モータによりディスプレーサの往復動を駆動するその他の極低温冷凍機に適用可能である。

　本発明は、極低温冷凍機の分野における利用が可能である。

　１０　極低温冷凍機、　２４　ディスプレーサ、　２８　シリンダ、　３２　冷凍機ステージ、　３４　膨張空間、　４０　逆転可能モータ、　５８　ロータリーバルブ。

Claims

　逆転可能モータと、
　前記逆転可能モータの正転と逆転それぞれにより軸方向に往復動するディスプレーサと、
　前記ディスプレーサを収容するシリンダであって、ディスプレーサ上死点にて最大容積を有しディスプレーサ下死点にて最小容積を有する膨張空間を前記ディスプレーサとの間に画定するシリンダと、
　前記膨張空間に熱的に結合された冷凍機ステージと、
　前記逆転可能モータの正転時に前記冷凍機ステージが冷却され、かつ前記逆転可能モータの逆転時に前記冷凍機ステージが加熱されるように、前記ディスプレーサの軸方向往復動と同期させて前記膨張空間の吸気と排気とを切り替えるロータリーバルブと、を備え、
　前記ディスプレーサの軸方向往復動の一周期を３６０°とするとき、前記逆転可能モータの逆転時における前記膨張空間の吸気開始タイミングの位相が、前記ディスプレーサ上死点に対して、０°より大きく１０°以下の範囲で進んでいることを特徴とする極低温冷凍機。
　前記逆転可能モータの逆転時における前記膨張空間の排気開始タイミングの位相が、前記ディスプレーサ下死点に対して、０°より大きく４５°以下の範囲で進んでいることを特徴とする請求項１に記載の極低温冷凍機。
　前記逆転可能モータの逆転時における前記膨張空間の吸気開始タイミングの位相が、前記ディスプレーサ上死点に対して、０°より大きく５°以下の範囲で進んでいることを特徴とする請求項１または２に記載の極低温冷凍機。