JP7195824B2 - 極低温冷凍機 - Google Patents

Description

本発明は、極低温冷凍機に関する。

極低温冷凍機の代表例の１つであるＧＭ（ギフォード・マクマホン、Gifford-McMahon）冷凍機は、ディスプレーサの駆動源によってモータ駆動型とガス駆動型の２種類に大きく分けられる。モータ駆動型においては、ディスプレーサがモータに機械的に連結され、モータによって駆動される。ガス駆動型においては、ディスプレーサがガス圧によって駆動される。

特開平２－１９７７６５号公報

本発明者らは、ガス駆動型の極低温冷凍機について鋭意研究を重ねた結果、以下の課題を認識するに至った。典型的なガス駆動型の極低温冷凍機では、ガス圧によってディスプレーサがシリンダ端部に干渉（例えば衝突）するまで移動する。干渉は振動および騒音を生じさせうる。ディスプレーサとシリンダ端部との干渉を防止し、振動および騒音を低減するために、「カラーバンパー」と称される設計が採用されうる。しかしながら、カラーバンパー方式のガス駆動型極低温冷凍機では、ディスプレーサが下死点に到達するとき、カラーの一方側に低圧の密閉領域が形成され、カラーの他方側の高圧領域との差圧によって上死点に向かうディスプレーサの移動が妨げられうる。

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、カラーバンパー方式のガス駆動型極低温冷凍機においてディスプレーサの下死点から上死点に向かう移動を容易にすることにある。

本発明のある態様によると、極低温冷凍機は、シリンダと、シリンダ内に配置され、ガス圧により往復動が駆動されるディスプレーサと、ディスプレーサとともに往復動するようにディスプレーサに剛に連結されたカラーと、カラーによって上部区画と下部区画とに分けられたカラー室と、ディスプレーサが下死点にあるときディスプレーサとシリンダとの干渉を緩和するように下部区画に設けられた下部バンパーと、ディスプレーサが下死点にあるとき上部区画と下部区画との連通を保証するようにカラーまたはカラー室に形成された連通路と、を備える。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや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、カラーバンパー方式のガス駆動型極低温冷凍機においてディスプレーサの下死点から上死点に向かう移動を容易にすることができる。

実施の形態に係る極低温冷凍機を概略的に示す図である。 実施の形態に係る極低温冷凍機を概略的に示す図である。 他の実施の形態に係るカラーおよびバンパーを概略的に示す図である。

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および図２は、実施の形態に係る極低温冷凍機１０を示す概略図である。極低温冷凍機１０は、例えば、ガス駆動型のＧＭ冷凍機である。

極低温冷凍機１０は、作動ガス（例えばヘリウムガス）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コールドヘッド１４と、を備える。圧縮機１２は、圧縮機吐出口１２ａ及び圧縮機吸入口１２ｂを有する。圧縮機吐出口１２ａ及び圧縮機吸入口１２ｂはそれぞれ、極低温冷凍機１０の高圧源及び低圧源として機能する。コールドヘッド１４は膨張機とも呼ばれる。

詳しくは後述するように、圧縮機１２は、圧縮機吐出口１２ａからコールドヘッド１４に高圧（ＰＨ）の作動ガスを供給する。コールドヘッド１４には作動ガスを予冷する蓄冷器１５が備えられている。予冷された作動ガスは、コールドヘッド１４内での膨張によって更に冷却される。作動ガスは蓄冷器１５を通じて圧縮機吸入口１２ｂに回収される。作動ガスは蓄冷器１５を通るとき蓄冷器１５を冷却する。圧縮機１２は、回収した低圧（ＰＬ）の作動ガスを圧縮し、再びコールドヘッド１４に供給する。

図示されるコールドヘッド１４は単段式である。ただし、コールドヘッド１４は、多段式であってもよい。

コールドヘッド１４は、ガス圧で駆動されるフリーピストンとしての軸方向可動体１６と、気密に構成され軸方向可動体１６を収容するコールドヘッドハウジング１８と、を備える。コールドヘッドハウジング１８は、軸方向可動体１６を軸方向に往復動可能に支持するとともに、作動ガスの圧力容器として構成されている。モータ駆動型のＧＭ冷凍機とは異なり、コールドヘッド１４は、軸方向可動体１６を駆動するモータおよび連結機構（例えばスコッチヨーク機構）を有しない。

軸方向可動体１６は、軸方向（図１において上下方向、矢印Ｃで示す）に往復動可能なディスプレーサ２０と、ディスプレーサ２０を軸方向に駆動するようにディスプレーサ２０に同軸に連結された駆動ピストン２２と、を備える。駆動ピストン２２は、ディスプレーサ２０が駆動ピストン２２と一体に軸方向に往復動するようにディスプレーサ２０に剛に連結されている。駆動ピストン２２は、ディスプレーサ２０に比べて小さい寸法を有する。駆動ピストン２２の軸方向長さはディスプレーサ２０のそれより短く、駆動ピストン２２の径もディスプレーサ２０のそれより小さい。

コールドヘッドハウジング１８は、ディスプレーサ２０を収容するディスプレーサシリンダ２６と、駆動ピストン２２を収容するピストンシリンダ２８と、を備える。ピストンシリンダ２８は、ディスプレーサシリンダ２６と同軸にかつ軸方向に隣接して配設されている。詳細は後述するが、ガス駆動型であるコールドヘッド１４の駆動部は、駆動ピストン２２とピストンシリンダ２８を含んで構成されている。ピストンシリンダ２８の容積はディスプレーサシリンダ２６のそれより小さい。ピストンシリンダ２８の軸方向長さはディスプレーサシリンダ２６のそれより短く、ピストンシリンダ２８の径もディスプレーサシリンダ２６のそれより小さい。

ディスプレーサ２０の軸方向往復動は、ディスプレーサシリンダ２６によって案内される。通例、ディスプレーサ２０およびディスプレーサシリンダ２６はそれぞれ軸方向に延在する円筒状の部材であり、ディスプレーサシリンダ２６の内径はディスプレーサ２０の外径に一致するか又はわずかに大きい。同様に、駆動ピストン２２の軸方向往復動は、ピストンシリンダ２８によって案内される。通例、駆動ピストン２２およびピストンシリンダ２８はそれぞれ軸方向に延在する円筒状の部材であり、ピストンシリンダ２８の内径は駆動ピストン２２の外径に一致するか又はわずかに大きい。

ディスプレーサ２０と駆動ピストン２２は剛に連結されているので、駆動ピストン２２の軸方向ストロークはディスプレーサ２０の軸方向ストロークと等しく、両者はストローク全体にわたって一体に移動する。ディスプレーサ２０に対する駆動ピストン２２の位置は軸方向可動体１６の軸方向往復動の間、不変である。

第１シール部３２が、駆動ピストン２２とピストンシリンダ２８の間に設けられている。第１シール部３２は、駆動ピストン２２またはピストンシリンダ２８のいずれか一方に装着され、駆動ピストン２２またはピストンシリンダ２８の他方と摺動する。第１シール部３２は例えば、スリッパーシールまたはＯリングなどのシール部材で構成される。第１シール部３２によって、ピストンシリンダ２８は、ディスプレーサシリンダ２６に対し気密に構成されている。第１シール部３２が設けられているので、ピストンシリンダ２８とディスプレーサシリンダ２６との直接のガス流通は生じない。ピストンシリンダ２８の内圧とディスプレーサシリンダ２６の内圧は異なる大きさをとることができる。

ディスプレーサシリンダ２６は、ディスプレーサ２０によって膨張室３４と室温室３６に仕切られている。ディスプレーサ２０は、軸方向一端にてディスプレーサシリンダ２６との間に膨張室３４を形成し、軸方向他端にてディスプレーサシリンダ２６との間に室温室３６を形成する。室温室３６は圧縮室と呼ぶこともできる。また、コールドヘッド１４には、膨張室３４を外包するようディスプレーサシリンダ２６に固着された冷却ステージ３８が設けられている。

蓄冷器１５はディスプレーサ２０に内蔵されている。ディスプレーサ２０はその上蓋部に、蓄冷器１５を室温室３６に連通する入口流路４０を有する。また、ディスプレーサ２０はその筒部に、蓄冷器１５を膨張室３４に連通する出口流路４２を有する。あるいは、出口流路４２は、ディスプレーサ２０の下蓋部に設けられていてもよい。加えて、蓄冷器１５は、上蓋部に内接する入口リテーナ４１と、下蓋部に内接する出口リテーナ４３と、を備える。蓄冷材は、たとえば銅製の金網でもよい。リテーナは蓄冷材よりも粗い金網でもよい。

第２シール部４４が、ディスプレーサ２０とディスプレーサシリンダ２６の間に設けられている。第２シール部４４は、例えばスリッパーシールであり、ディスプレーサ２０の筒部または上蓋部に装着されている。ディスプレーサ２０とディスプレーサシリンダ２６とのクリアランスが第２シール部４４によって封じられているので、室温室３６と膨張室３４との直接のガス流通（つまり蓄冷器１５を迂回するガス流れ）はない。

作動ガスは、室温室３６から入口流路４０を通じて蓄冷器１５に流入する。より正確には、作動ガスは、入口流路４０から入口リテーナ４１を通って蓄冷器１５に流入する。作動ガスは、蓄冷器１５から出口リテーナ４３および出口流路４２を経由して膨張室３４に流入する。作動ガスが膨張室３４から室温室３６に戻るときは逆の経路を通る。つまり、作動ガスは、膨張室３４から、出口流路４２、蓄冷器１５、および入口流路４０を通って室温室３６に戻る。蓄冷器１５を迂回してクリアランスを流れようとする作動ガスは第２シール部４４によって遮断される。

コールドヘッド１４は、使用される現場で図示の向きに設置される。すなわち、ディスプレーサシリンダ２６が鉛直方向下方に、ピストンシリンダ２８が鉛直方向上方に、それぞれ配置されるようにして、コールドヘッド１４は縦向きに設置される。このように、冷却ステージ３８を鉛直方向下方に向ける姿勢で設置されるとき極低温冷凍機１０は冷凍能力が最も高くなる。ただし、極低温冷凍機１０の配置はこれに限定されない。逆に、コールドヘッド１４は冷却ステージ３８を鉛直方向上方に向ける姿勢で設置されてもよい。あるいは、コールドヘッド１４は、横向きまたはその他の向きに設置されてもよい。コールドヘッド１４はどのような姿勢で設置されたとしても冷却運転可能である。

ディスプレーサ２０の往復動ストロークの膨張室３４側の末端をディスプレーサ２０の下死点と称し、ディスプレーサ２０の往復動ストロークの室温室３６側の末端をディスプレーサ２０の上死点と称する。上死点に向かうディスプレーサ２０の移動を上動と称し、下死点に向かうディスプレーサ２０の移動を下動と称してもよい。ただし、こうした用語は、コールドヘッド１４の姿勢を限定するものではない。

ディスプレーサ２０が軸方向に動くとき、膨張室３４および室温室３６は相補的に容積を増減させる。すなわち、ディスプレーサ２０が下動するとき、膨張室３４は狭くなり室温室３６は広くなる。逆も同様である。したがって、ディスプレーサ２０が下死点に位置するとき膨張室３４の容積は最小となる（室温室３６の容積は最大となる）。ディスプレーサ２０が上死点に位置するとき膨張室３４の容積は最大となる（室温室３６の容積は最小となる）。

さらに、極低温冷凍機１０は、圧縮機１２をコールドヘッド１４に接続する作動ガス回路５２を備える。作動ガス回路５２は、ピストンシリンダ２８とディスプレーサシリンダ２６（すなわち膨張室３４及び／または室温室３６）との間に圧力差を生成するよう構成されている。この圧力差によって軸方向可動体１６が軸方向に動く。ピストンシリンダ２８に対しディスプレーサシリンダ２６の圧力が低ければ、駆動ピストン２２が下動し、それに伴ってディスプレーサ２０も下動する。逆に、ピストンシリンダ２８に対しディスプレーサシリンダ２６の圧力が高ければ、駆動ピストン２２が上動し、それに伴ってディスプレーサ２０も上動する。

作動ガス回路５２は、バルブ部５４を備える。バルブ部５４は、コールドヘッドハウジング１８と一体となるようにピストンシリンダ２８に隣接して配設され、圧縮機１２と配管で接続されていてもよい。バルブ部５４は、コールドヘッドハウジング１８の外に配設され、圧縮機１２およびコールドヘッド１４それぞれと配管で接続されていてもよい。

バルブ部５４は、膨張室圧力切替バルブ（以下、主圧力切替バルブともいう）６０と駆動室圧力切替バルブ（以下、副圧力切替バルブともいう）６２を備える。主圧力切替バルブ６０は、主吸気開閉バルブＶ１と主排気開閉バルブＶ２とを有する。副圧力切替バルブ６２は、副吸気開閉バルブＶ３と副排気開閉バルブＶ４とを有する。

作動ガス回路５２は、圧縮機１２をバルブ部５４に接続する高圧ライン１３ａおよび低圧ライン１３ｂを備える。高圧ライン１３ａは、圧縮機吐出口１２ａから延び、途中で分岐し、主吸気開閉バルブＶ１と副吸気開閉バルブＶ３に接続されている。低圧ライン１３ｂは、圧縮機吸入口１２ｂから延び、途中で分岐し、主排気開閉バルブＶ２と副排気開閉バルブＶ４に接続されている。

また、作動ガス回路５２は、コールドヘッド１４をバルブ部５４に接続する主連通路６４および副連通路６６を備える。主連通路６４は、ディスプレーサシリンダ２６を主圧力切替バルブ６０に接続する。主連通路６４は、室温室３６から延び、途中で分岐して、主吸気開閉バルブＶ１と主排気開閉バルブＶ２に接続されている。副連通路６６は、ピストンシリンダ２８を副圧力切替バルブ６２に接続する。副連通路６６は、ピストンシリンダ２８から延び、途中で分岐して、副吸気開閉バルブＶ３と副排気開閉バルブＶ４に接続されている。

主圧力切替バルブ６０は、圧縮機吐出口１２ａまたは圧縮機吸入口１２ｂをディスプレーサシリンダ２６の室温室３６に選択的に連通するよう構成されている。主圧力切替バルブ６０においては、主吸気開閉バルブＶ１および主排気開閉バルブＶ２がそれぞれ排他的に開放される。すなわち、主吸気開閉バルブＶ１および主排気開閉バルブＶ２が同時に開くことは禁止されている。なお主吸気開閉バルブＶ１および主排気開閉バルブＶ２が一時的にともに閉じられてもよい。

主吸気開閉バルブＶ１が開いているとき主排気開閉バルブＶ２は閉じられる。圧縮機吐出口１２ａから高圧ライン１３ａおよび主連通路６４を通じてディスプレーサシリンダ２６に作動ガスが流れる。上述のように作動ガスは室温室３６から蓄冷器１５を通じて膨張室３４に流れる。こうして、高圧ＰＨの作動ガスが圧縮機１２から膨張室３４に供給され、膨張室３４は昇圧される。逆に主吸気開閉バルブＶ１が閉じているときは、圧縮機１２から膨張室３４への作動ガスの供給は停止される。

一方、主排気開閉バルブＶ２が開いているとき主吸気開閉バルブＶ１は閉じられる。まず高圧ＰＨの作動ガスが膨張室３４で膨張し減圧される。膨張室３４から蓄冷器１５を通じて室温室３６に作動ガスが流れる。ディスプレーサシリンダ２６から主連通路６４および低圧ライン１３ｂを通じて圧縮機吸入口１２ｂに作動ガスが流れる。こうして、低圧ＰＬの作動ガスがコールドヘッド１４から圧縮機１２に回収される。主排気開閉バルブＶ２が閉じているときは、膨張室３４から圧縮機１２への作動ガスの回収は停止される。

副圧力切替バルブ６２は、圧縮機吐出口１２ａまたは圧縮機吸入口１２ｂをピストンシリンダ２８に選択的に連通するよう構成されている。副圧力切替バルブ６２は、副吸気開閉バルブＶ３および副排気開閉バルブＶ４がそれぞれ排他的に開放されるよう構成されている。すなわち、副吸気開閉バルブＶ３および副排気開閉バルブＶ４が同時に開くことは禁止されている。なお副吸気開閉バルブＶ３および副排気開閉バルブＶ４が一時的にともに閉じられてもよい。

副吸気開閉バルブＶ３が開いているとき副排気開閉バルブＶ４は閉じられる。圧縮機吐出口１２ａから高圧ライン１３ａおよび副連通路６６を通じてピストンシリンダ２８に作動ガスが流れる。こうして、高圧ＰＨの作動ガスが圧縮機１２からピストンシリンダ２８に供給され、ピストンシリンダ２８は昇圧される。副吸気開閉バルブＶ３が閉じているときは、圧縮機１２からピストンシリンダ２８への作動ガスの供給は停止される。

一方、副排気開閉バルブＶ４が開いているとき副吸気開閉バルブＶ３は閉じられる。ピストンシリンダ２８から副連通路６６および低圧ライン１３ｂを通じて圧縮機吸入口１２ｂに作動ガスが回収され、ピストンシリンダ２８は低圧ＰＬに降圧される。副排気開閉バルブＶ４が閉じているときは、ピストンシリンダ２８から圧縮機１２への作動ガスの回収は停止される。

このようにして、主圧力切替バルブ６０は、高圧ＰＨと低圧ＰＬの周期的な圧力変動を膨張室３４に生成する。また、副圧力切替バルブ６２は、ピストンシリンダ２８に高圧ＰＨと低圧ＰＬの周期的な圧力変動を生成する。

副圧力切替バルブ６２は、駆動ピストン２２がディスプレーサ２０の軸方向往復動を駆動するようにピストンシリンダ２８の圧力を制御するように構成されている。典型的には、ピストンシリンダ２８での圧力変動は、膨張室３４での圧力変動と同じ周期でほぼ逆の位相で生成される。膨張室３４が高圧ＰＨのときピストンシリンダ２８は低圧ＰＬとなり、駆動ピストン２２はディスプレーサ２０を上動させることができる。膨張室３４が低圧ＰＬのときピストンシリンダ２８は高圧ＰＨとなり、駆動ピストン２２はディスプレーサ２０を下動させることができる。

バルブ部５４は、ロータリーバルブの形式をとってもよい。この場合、一群のバルブ（Ｖ１～Ｖ４）がバルブ部５４に組み込まれており、同期して駆動される。バルブ部５４は、バルブ本体（またはバルブステータ）に対するバルブディスク（またはバルブロータ）の回転摺動によってバルブ（Ｖ１～Ｖ４）が適正に切り替わるよう構成されている。一群のバルブ（Ｖ１～Ｖ４）は、極低温冷凍機１０の運転中に同一周期で切り替えられ、それにより４つの開閉バルブ（Ｖ１～Ｖ４）は周期的に開閉状態を変化させる。４つの開閉バルブ（Ｖ１～Ｖ４）はそれぞれ異なる位相で開閉される。

極低温冷凍機１０は、バルブ部５４を回転させるようバルブ部５４に連結された回転駆動源５６を備えてもよい。回転駆動源５６はバルブ部５４と機械的に連結される。回転駆動源５６は例えばモータである。ただし、回転駆動源５６は、軸方向可動体１６には機械的に接続されていない。また、極低温冷凍機１０は、バルブ部５４を制御する制御部５８を備えてもよい。制御部５８は、回転駆動源５６を制御してもよい。

ある実施形態においては、一群のバルブ（Ｖ１～Ｖ４）は、複数の個別に制御可能なバルブの形式をとってもよい。各バルブ（Ｖ１～Ｖ４）は、電磁開閉弁であってもよい。この場合、回転駆動源５６が設けられるのではなく、各バルブ（Ｖ１～Ｖ４）は、制御部５８に電気的に接続される。制御部５８は、各バルブ（Ｖ１～Ｖ４）の開閉を制御してもよい。

図１には、ディスプレーサ２０が下死点に位置する状態が示され、図２には、ディスプレーサ２０が上死点に位置する状態が示されている。

極低温冷凍機１０はカラーバンパー方式であるため、コールドヘッド１４は、カラー７０と、カラー７０によって上部区画７２ａと下部区画７２ｂとに分けられたカラー室７２とを備える。カラー７０は、ディスプレーサ２０とともに往復動するようにディスプレーサ２０に剛に連結されており、軸方向可動体１６の一部を構成する。後述するように、カラー室７２におけるカラー７０の往復動ストロークがディスプレーサ２０の往復動ストロークを定めている。

ディスプレーサシリンダ２６は、シリンダ上部開口を定めるシリンダフランジ２６ａを備える。シリンダフランジ２６ａは、ディスプレーサシリンダ２６の軸方向上端から径方向外側に延出している。コールドヘッドハウジング１８は、天板３０とスリーブ７３とを備える。ピストンシリンダ２８およびスリーブ７３は天板３０に固定され、バルブ部５４が天板３０上に搭載されている。シリンダフランジ２６ａはスリーブ７３を介して天板３０に接続されている。スリーブ７３は、ピストンシリンダ２８を囲むようにピストンシリンダ２８の外側に配置されている。

カラー７０は、筒状の本体７０ａと、カラー上端７０ｂとを備える。本体７０ａは、ディスプレーサ２０とほぼ同一の外径を有し、ディスプレーサ２０の室温室３６側から上方に延びている。本体７０ａの内径は、ピストンシリンダ２８の外径より大きい。カラー上端７０ｂは、ディスプレーサ２０の外径よりも外側に存在する。カラー上端７０ｂによって、カラー室７２は、上部区画７２ａと下部区画７２ｂとに分けられている。カラー室７２は、室温室３６に連通している。ディスプレーサ２０がディスプレーサシリンダ２６内を往復するとき、カラー７０は、ディスプレーサシリンダ２６およびピストンシリンダ２８と摩擦することなくカラー室７２を往復する。カラー７０は、スリーブ７３の内周面と摩擦することもない。

また、コールドヘッド１４は、ディスプレーサ２０が上死点にあるときディスプレーサ２０とディスプレーサシリンダ２６との干渉を緩和するように上部区画７２ａに設けられた上部バンパー７４を備える。上部バンパー７４は、カラー室７２の上面に設置され、上部緩衝材７４ａおよび上部リテーナ７４ｂを有する。上部バンパー７４は、例えば、スリーブ７３に取り付けられている。上部緩衝材７４ａは、例えばＯリングのような樹脂製の環状部材であり、カラー室７２の上面と上部リテーナ７４ｂに挟まれている。上部リテーナ７４ｂは例えば樹脂材料で形成されている。なお、上部リテーナ７４ｂは設けられていなくてもよい。

上部バンパー７４は、ディスプレーサ２０が上死点に位置するときカラー７０と接触し、ディスプレーサ２０とディスプレーサシリンダ２６との室温室３６側での衝突を防止する。カラー上端７０ｂは、ディスプレーサ２０が上動するときディスプレーサ２０がピストンシリンダ２８に衝突する前に、カラー室７２内で上部バンパー７４と係合する。このとき、カラー上端７０ｂは上部リテーナ７４ｂに接触し、上部緩衝材７４ａが圧縮され、衝撃が吸収される。

コールドヘッド１４は、ディスプレーサ２０が下死点にあるときディスプレーサ２０とディスプレーサシリンダ２６との干渉を緩和するように下部区画７２ｂに設けられた下部バンパー７６を備える。下部バンパー７６は、カラー室７２の下面に設置され、下部緩衝材７６ａおよび下部リテーナ７６ｂを有する。下部バンパー７６は、例えば、シリンダフランジ２６ａに取り付けられている。下部バンパー７６は、スリーブ７３に取り付けられていてもよい。下部緩衝材７６ａは、例えばＯリングのような樹脂製の環状部材であり、カラー室７２の下面と下部リテーナ７６ｂに挟まれている。下部リテーナ７６ｂは例えば樹脂材料で形成されている。なお、下部リテーナ７６ｂは設けられていなくてもよい。

下部バンパー７６は、ディスプレーサ２０が下死点に位置するときカラー７０と接触し、ディスプレーサ２０とディスプレーサシリンダ２６との膨張室３４側での衝突を防止する。カラー上端７０ｂは、ディスプレーサ２０が下動するときディスプレーサ２０が膨張室３４側でディスプレーサシリンダ２６と衝突する前に、カラー室７２内で下部バンパー７６と係合する。このとき、カラー上端７０ｂは下部リテーナ７６ｂに接触し、下部緩衝材７６ａが圧縮され、衝撃が吸収される。

上部区画７２ａは、室温室３６と連通している。ピストンシリンダ２８の外周面とカラー７０の内周面との間に第１隙間７８ａが形成され、第１隙間７８ａを通じて室温室３６と上部区画７２ａとの間で作動ガスが流れることができる。

下部区画７２ｂは、上部区画７２ａと連通している。スリーブ７３の内周面とカラー上端７０ｂの外周面との間に第２隙間７８ｂが形成され、第２隙間７８ｂを通じて上部区画７２ａと下部区画７２ｂとの間で作動ガスが流れることができる。ただし、ディスプレーサ２０が下死点に位置するときには、カラー上端７０ｂが下部バンパー７６と接触し、第２隙間７８ｂを通じた下部区画７２ｂと上部区画７２ａの連通は遮断される。ディスプレーサ２０が上死点に位置するときには、カラー上端７０ｂが上部バンパー７４と接触し、第２隙間７８ｂを通じた下部区画７２ｂと上部区画７２ａの連通は遮断される。よって、ディスプレーサ２０が上死点と下死点との間の中間位置にあるとき、下部区画７２ｂは、上部区画７２ａを通じて室温室３６に連通し、室温室３６と下部区画７２ｂとの間で作動ガスが流れることができる。また、下部区画７２ｂは、第２シール部４４によって封じられているので、膨張室３４とは連通していない。

また、コールドヘッド１４は、ディスプレーサ２０が下死点にあるとき上部区画７２ａと下部区画７２ｂとの連通を保証する連通路８０を備える。連通路８０は、カラー上端７０ｂが下部バンパー７６と接触した状態において上部区画７２ａが下部区画７２ｂと連通するように、カラー７０に形成されている。連通路８０は、上部区画７２ａから下部区画７２ｂへとカラー７０（例えばカラー上端７０ｂ）を貫通するように形成され、周方向に少なくとも１つあればよい。図示されるように、カラー上端７０ｂがカラー７０の本体７０ａから径方向外向きに延出している場合には、連通路８０は、下部バンパー７６に対して径方向内側の位置においてカラー上端７０ｂに形成される。連通路８０は、カラー７０の本体７０ａを貫通するように形成されてもよい。

第１隙間７８ａ、第２隙間７８ｂ、および連通路８０は、流路抵抗として働く。そのため、ディスプレーサ２０が往復するとき、上部区画７２ａおよび下部区画７２ｂはそれぞれガスばね力を発生させることができる。ディスプレーサ２０が上動するとともにカラー上端７０ｂも上動し、上部区画７２ａは狭くなる。このとき上部区画７２ａのガスは圧縮され、圧力が高まる。上部区画７２ａの圧力はカラー上端７０ｂの上面に下向きに作用する。よって、上部区画７２ａは、カラー７０およびディスプレーサ２０の上動に抗するガスばね力を発生させる。同様に、ディスプレーサ２０が下動するとき、下部区画７２ｂは、カラー７０およびディスプレーサ２０の下動に抗するガスばね力を発生させる。上部区画７２ａおよび下部区画７２ｂはそれぞれ、上部ガスばね室および下部ガスばね室と称してもよい。ガスばね力は、カラー７０が上部バンパー７４および下部バンパー７６と接触するとき生じうる振動および騒音を低減することに役立つ。

極低温冷凍機１０の動作を説明する。ディスプレーサ２０が下死点またはその近傍の位置にあるとき、極低温冷凍機１０の吸気工程が開始される。主吸気開閉バルブＶ１は開かれ、主排気開閉バルブＶ２は閉じる。圧縮機吐出口１２ａから主吸気開閉バルブＶ１を通じてコールドヘッド１４のディスプレーサシリンダ２６に作動ガスが供給され、膨張室３４および室温室３６は、高圧ＰＨとなる。膨張室３４への吸気と同時にピストンシリンダ２８の排気が行われる。副吸気開閉バルブＶ３は閉じ、副排気開閉バルブＶ４が開かれる。ピストンシリンダ２８から副排気開閉バルブＶ４を通じて圧縮機吸入口１２ｂへと作動ガスが排出され、ピストンシリンダ２８は低圧ＰＬへと降圧される。

したがって、吸気工程において駆動ピストン２２にはピストンシリンダ２８と膨張室３４との差圧（ＰＨ－ＰＬ）による駆動力が上向きに作用する。その結果、ディスプレーサ２０は駆動ピストン２２とともに、下死点から上死点に向けて動く。こうして、膨張室３４の容積が増加されるとともに高圧ガスで満たされる。

ディスプレーサ２０とともにカラー７０も上動する。カラー７０は、ディスプレーサ２０がディスプレーサシリンダ２６の高温端部（例えばピストンシリンダ２８）と衝突する前に、上部バンパー７４に接触する。上部緩衝材７４ａが圧縮され、衝撃が吸収される。カラー７０が上動する間、上部区画７２ａは第１隙間７８ａを通じて室温室３６に連通し、下部区画７２ｂは第２隙間７８ｂおよび連通路８０を通じて上部区画７２ａに連通しているから、上部区画７２ａおよび下部区画７２ｂは、室温室３６と同様に高圧ＰＨとなる。

ディスプレーサ２０が上死点またはその近傍の位置にあるとき、極低温冷凍機１０の排気工程が開始される。主排気開閉バルブＶ２が開かれ、主吸気開閉バルブＶ１は閉じる。高圧ガスは膨張室３４で膨張し冷却される。膨張したガスは、蓄冷器１５を冷却しながら室温室３６を経て圧縮機吸入口１２ｂに回収される。膨張室３４および室温室３６は、低圧ＰＬとなる。膨張室３４からの排気と同時にピストンシリンダ２８への吸気が行われる。副排気開閉バルブＶ４は閉じ、副吸気開閉バルブＶ３が開かれる。圧縮機吐出口１２ａから副吸気開閉バルブＶ３を通じてピストンシリンダ２８に作動ガスが供給され、ピストンシリンダ２８は高圧ＰＨへと昇圧される。

したがって、排気工程において駆動ピストン２２にはピストンシリンダ２８と膨張室３４との差圧（ＰＨ－ＰＬ）による駆動力が下向きに作用する。その結果、ディスプレーサ２０は駆動ピストン２２とともに、上死点から下死点に向けて動く。こうして、膨張室３４の容積が減少されるとともに低圧ガスは排出される。

ディスプレーサ２０とともにカラー７０も下動する。カラー７０は、ディスプレーサ２０がディスプレーサシリンダ２６の低温端部と衝突する前に、下部バンパー７６に接触する。下部緩衝材７６ａが圧縮され、衝撃が吸収される。カラー７０が下動する間、上部区画７２ａは第１隙間７８ａを通じて室温室３６に連通し、下部区画７２ｂは第２隙間７８ｂおよび連通路８０を通じて上部区画７２ａに連通しているから、上部区画７２ａおよび下部区画７２ｂは、室温室３６と同様に低圧ＰＬとなる。

極低温冷凍機１０はこのような冷凍サイクル（すなわちＧＭサイクル）を繰り返すことで、冷却ステージ３８を冷却する。それにより、極低温冷凍機１０は、冷却ステージ３８に熱的に結合された被冷却物（図示せず）を冷却することができる。

極低温冷凍機１０は、カラーバンパー方式であるため、カラー７０とバンパー（７４、７６）との接触によりディスプレーサ２０とディスプレーサシリンダ２６との干渉（例えば衝突）を防止し、振動および騒音を低減することができる。

ところで、典型的なカラーバンパー方式のガス駆動型極低温冷凍機は、上述の実施の形態と異なり、連通路８０を有しない。この場合、カラー７０が下死点に位置するとき、下部区画７２ｂには低圧ＰＬの作動ガスが密閉されうる。この状態において吸気工程の開始時に上部区画７２ａが高圧ＰＨに昇圧されると、カラー上端７０ｂが差圧（ＰＨ－ＰＬ）によって下部バンパー７６に押し付けられうる。この差圧力は、ディスプレーサ２０の上動を妨げうる。

しかしながら、実施の形態に係る極低温冷凍機１０は、ディスプレーサ２０が下死点にあるとき上部区画７２ａと下部区画７２ｂとの連通を保証するようにカラー７０に形成された連通路８０を備える。そのため、カラー７０が下死点に位置しカラー上端７０ｂが下部バンパー７６に接触していても、下部区画７２ｂが連通路８０を通じて上部区画７２ａに連通している。下部区画７２ｂは密閉されない。上部区画７２ａと下部区画７２ｂとの間に生じうる差圧は連通路８０を通じて低減または解消されるので、ディスプレーサ２０の上動は妨げられない。したがって、ディスプレーサ２０は下死点から上死点に向けて移動することができる。

連通路８０は、カラー７０に形成されている。このようにすれば、製造上、連通路８０を形成することが容易である。

図３は、他の実施の形態に係るカラーおよびバンパーを概略的に示す図である。図示されるように、連通路８０は、カラー７０の本体７０ａまたはカラー上端７０ｂに形成されるのではなく、カラー室７２に形成されてもよい。連通路８０は、例えば、下部バンパー７６に形成されてもよい。連通路８０は、例えば、下部緩衝材７６ａとは反対側となる下部リテーナ７６ｂの上面に形成された溝であってもよい。図３に示されるカラー室７２に形成された連通路８０は、図１および図２に示される極低温冷凍機１０またはその他のカラーバンパー方式のガス駆動型極低温冷凍機に適用可能である。

このようにしても、連通路８０は、ディスプレーサ２０が下死点にあるとき上部区画７２ａと下部区画７２ｂとの連通を保証することができる。上部区画７２ａと下部区画７２ｂとの間に生じうる差圧は連通路８０を通じて低減または解消されるので、ディスプレーサ２０の下死点から上死点に向かう移動を容易にすることができる。

連通路８０がカラー室７２に形成される他の例においては、連通路８０は、コールドヘッドハウジング１８に形成された流路であってもよい。例えば、連通路８０は、上部区画７２ａからスリーブ７３およびシリンダフランジ２６ａを経由して下部区画７２ｂへと延びていてもよい。このようにしても、連通路８０は、ディスプレーサ２０が下死点にあるとき上部区画７２ａと下部区画７２ｂとの連通を保証することができる。

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。ある実施の形態に関連して説明した種々の特徴は、他の実施の形態にも適用可能である。組合せによって生じる新たな実施の形態は、組み合わされる実施の形態それぞれの効果をあわせもつ。

上述の実施の形態では、カラー上端７０ｂは、ディスプレーサ２０に対して径方向に外側に設けられているが、こうした具体的形状であることは必須ではない。例えば、カラー上端７０ｂは、本体７０ａから径方向に内向きに延出し、ディスプレーサ２０の外径よりも内側に存在してもよい。この場合、カラー室７２は、上述のようにスリーブ７３側に形成されるのではなく、ピストンシリンダ２８側に形成される。

上述の実施の形態では、上部バンパー７４は、カラー室７２の上面に取り付けられ、上部区画７２ａに配置され、下部バンパー７６は、カラー室７２の下面に取り付けられ、下部区画７２ｂに配置されている。しかし、上部バンパー７４および下部バンパー７６がカラー７０に取り付けられてもよい。例えば、上部バンパー７４がカラー上端７０ｂの上面に取り付けられて上部区画７２ａに配置され、下部バンパー７６がカラー上端７０ｂの下面に取り付けられて下部区画７２ｂに配置されてもよい。このようにしても、カラー室７２とバンパー（７４、７６）との接触によりディスプレーサ２０とディスプレーサシリンダ２６との干渉（例えば衝突）を防止し、振動および騒音を低減することができる。

上述の実施の形態は、ＧＭ冷凍機を例として説明したが、上述の連通路８０を有するカラーバンパー方式の設計は、ガス駆動型の他の極低温冷凍機にも適用されうる。その場合、上述の説明における「ディスプレーサ」および「駆動ピストン」との用語はそれぞれ、「第１ピストン」および「第２ピストン」を意味しうる。

１０ 極低温冷凍機、 ２０ ディスプレーサ、 ７０ カラー、 ７２ カラー室、 ７２ａ 上部区画、 ７２ｂ 下部区画、 ７６ 下部バンパー、 ８０ 連通路。

Claims (9)

1. シリンダと、
   前記シリンダ内に配置され、ガス圧により往復動が駆動されるディスプレーサと、
   前記ディスプレーサとともに往復動するように前記ディスプレーサに剛に連結されたカラーと、
   前記カラーによって上部区画と下部区画とに分けられたカラー室と、
   前記ディスプレーサと前記シリンダの間に設けられ、前記下部区画を封じるシール部と、
   前記ディスプレーサが下死点にあるとき前記ディスプレーサと前記シリンダとの干渉を緩和するように前記下部区画に設けられた下部バンパーと、
   前記ディスプレーサが下死点にあるとき前記上部区画と前記下部区画との連通を保証するように前記カラーまたは前記カラー室に形成された連通路と、を備え、
   前記ディスプレーサは、軸方向一端にて前記シリンダとの間に膨張室を形成し、軸方向他端にて前記シリンダとの間に室温室を形成し、
   第１隙間が、前記カラーの内周面に径方向に内側に隣接して形成され、第２隙間が、前記カラーの外周面に径方向に外側に隣接して形成され、
   前記カラー室の前記上部区画は、前記第１隙間を通じて前記室温室と連通し、
   前記カラー室の前記下部区画は、前記第１隙間、前記上部区画、前記第２隙間を通じて前記室温室と連通し、
   前記ディスプレーサが下死点にあるとき前記第２隙間を通じた前記下部区画と前記上部区画の連通が遮断されることを特徴とする極低温冷凍機。
2. 前記連通路は、前記カラーに形成されていることを特徴とする請求項１に記載の極低温冷凍機。
3. 前記カラーは、前記ディスプレーサの軸方向に前記ディスプレーサから上方に延在する筒状の本体と、前記本体から径方向に延出するカラー上端と、を備え、
   前記連通路は、前記ディスプレーサの軸方向に前記カラー上端を貫通していることを特徴とする請求項２に記載の極低温冷凍機。
4. シリンダと、
   前記シリンダ内に配置され、ガス圧により往復動が駆動されるディスプレーサと、
   前記ディスプレーサとともに往復動するように前記ディスプレーサに剛に連結されたカラーと、
   前記カラーによって上部区画と下部区画とに分けられたカラー室と、
   前記ディスプレーサと前記シリンダの間に設けられ、前記下部区画を封じるシール部と、
   前記ディスプレーサが下死点にあるとき前記ディスプレーサと前記シリンダとの干渉を緩和するように前記下部区画に設けられた下部バンパーと、
   前記ディスプレーサが下死点にあるとき前記上部区画と前記下部区画との連通を保証するように前記カラーまたは前記カラー室に形成された連通路と、を備え、
   前記連通路は、前記下部バンパーに形成されていることを特徴とする極低温冷凍機。
5. 前記下部バンパーは、前記カラー室の下面に設置された下部緩衝材および下部リテーナを備え、
   前記連通路は、前記下部緩衝材とは反対側となる前記下部リテーナの上面に形成された溝を含むことを特徴とする請求項４に記載の極低温冷凍機。
6. 前記シリンダを含むコールドヘッドハウジングと、
   前記ディスプレーサが上死点にあるとき前記ディスプレーサと前記コールドヘッドハウジングとの干渉を緩和するように前記上部区画に設けられた上部バンパーと、をさらに備えることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の極低温冷凍機。
7. 前記カラー室の前記上部区画は、上部ガスばね室として働き、前記カラー室の前記下部区画は、下部ガスばね室として働くことを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の極低温冷凍機。
8. 前記ディスプレーサを往復動させる前記ガス圧を制御するバルブ部と、
   前記バルブ部を駆動する駆動源と、をさらに備え、
   前記ディスプレーサおよび前記カラーは、前記駆動源と機械的に連結されていないことを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の極低温冷凍機。
9. 前記極低温冷凍機は、ガス駆動型ＧＭ冷凍機であることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の極低温冷凍機。

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