JPWO2011129317A1 - 極低温冷凍機 - Google Patents

Abstract

本発明は、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す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、前記駆動装置と前記ディスプレーサを連結する連結機構とを有する極低温冷凍機であって、前記連結機構が、前記駆動装置から前記ディスプレーサに向け延出した出力軸と、前記ディスプレーサの往復移動方向と交差する方向に延出するよう前記出力軸を貫通して設けられた係合ピンと、前記ディスプレーサが回転する際に前記係合ピンと係合し、該ディスプレーサの回転を防止する回転防止機構と、前記ディスプレーサの前記一端部に固定されると共に前記出力軸と係合する蓋体とを有する構成とする。

Description

本発明は極低温冷凍機に係り、特に駆動装置とディスプレーサを連結する連結機構を有した極低温冷凍機に関する。

一般に、極低温を発生する冷凍機としてギフォード・マクマホン冷凍機（以下、ＧＭ冷凍機という）が知られている。このＧＭ冷凍機は、蓄冷材を内蔵するディスプレーサの動きとバルブによる冷媒ガスの断熱膨張とが連動するギフォード・マクマホンサイクルに基づいて冷却効果を得る冷凍機である。

ＧＭ冷凍機は、まず、圧縮機により圧力を高めた冷媒ガスをシリンダに供給する。この時点ディスプレーサは下死点にある。冷媒ガスの圧力差により、またモータの力によりディスプレーサは上昇する。ディスプレーサが上死点に達した時バルブを切替え、ディスプレーサ下部に溜まった冷媒ガスを断熱膨張させ、冷媒ガスを冷却し、ディスプレーサに内蔵された蓄冷材と熱交換させる。その時、ディスプレーサは下降し始め、下死点に戻ったらバルブを切替え、再び圧縮機により圧力を高めた冷媒ガスがシリンダ内に入り、ディスプレーサ内の蓄冷材と熱交換して冷却され、これを繰り返すことで、シリンダ下端部の熱負荷フランジ部が冷却する。一般的に、モータの回転運動をクランク機構やスコッチヨーク機構を利用して直線運動に変換し、ディスプレーサの往復運動を得ている（例えば、特許文献１参照）。

従来、スコッチヨーク機構の往復動する出力軸をディスプレーサに接続する場合、図７及び図８に示す連結機構が用いられていた。この連結機構は、ピンカラー１０２，平行ピン１０４，アッパーカップ１０５，スプリングピン１０７等により構成されていた。

出力軸１０１はロッド状の部材であり、図示しないスコッチヨークに接続されることにより図中上下方向に往復運動する。この出力軸１０１の下端部にはドーナツ状のピンカラー１０２が嵌合され、ピンカラー１０２と出力軸１０１を貫通する平行ピン１０４により固定されている。

ディスプレーサ１０３の上端面には軸孔１０３ａが形成され、その中に出力軸１０１及びピンカラー１０２が挿入されている。また、ディスプレーサ１０３の上端面には、固定ボルト１０６によりアッパーカップ１０５が固定されている。

このアッパーカップ１０５の中央には開口１０５ａが形成されており、出力軸１０１はこの開口１０５ａを貫通して上方に向け延在している。また、ピンカラー１０２の直径は、開口１０５ａの直径よりも大きく設定されている。

上記構成において、出力軸１０１が上方に移動すると、ピンカラー１０２の上面がアッパーカップ１０５と係合して引っ張られ、これによりディスプレーサ１０３はシリンダ１００内で上方に向け移動する。一方、出力軸１０１が図中下方に移動すると、ディスプレーサ１０３はピンカラー１０２により下方に向けて押圧され、よってディスプレーサ１０３はシリンダ１００内で下方に向け移動する。これにより、ディスプレーサ１０３はシリンダ１００内で往復移動を行う。

また、ＧＭ冷凍機は冷媒ガスをシリンダ１００内で膨張することにより寒冷を発生させるため、シリンダ１００の内壁とディスプレーサ１０３の外壁との間に冷媒ガスが流れると（いわゆる冷媒ガスの吹き抜けが発生すると）、冷却効率が低下する原因となる。そこで、ディスプレーサ１０３の側面にシリンダ１００と摺接するシール材１０８を設け、冷媒ガスの吹き抜けの発生を抑制している。

ところで、ディスプレーサ１０３がシリンダ１００内で往復移動する際、ディスプレーサ１０３が上下動の軸回りで回転してしまうと、ディスプレーサ１０３の側面に配置されたシール材１０８とシリンダ１００の内周面との当たり面が変化してしまう。このため、冷媒ガスの吹き抜けが発生し、ＧＭ冷凍機による冷却処理が不安定となる。これを防止するため、上記の連結機構にはディスプレーサ１０３の回転を防止する機構（回転防止機構）が付加されている。

従来の回転防止機構は、図７に加えて図８に示すように、アッパーカップ１０５にスプリングピン１０７を圧入固定すると共にピンカラー１０２に溝１０２ａを形成し、スプリングピン１０７を溝１０２ａに係合させる構成としていた。出力軸１０１は、スコッチヨーク等に接続されることにより回転が規制されている。また、ディスプレーサ１０３は、スプリングピン１０７により出力軸１０１に対する回転が規制されている。これにより、従来の回転防止機構では、ディスプレーサ１０３のシリンダ１００内における回転が防止される構成とされていた。

特開２００７−２０５５８２号公報

しかしながら上記従来の極低温冷凍機では、アッパーカップ１０５にアッパーカップ１０５を圧入・固定し、圧入したスプリングピン１０７をピンカラー１０２に形成した溝１０２ａに係合させることで回り止めを実施していたため、ディスプレーサ１０３に対してこれを回転させようとする力が作用した場合、この力は全てスプリングピン１０７に印加されてしまう。

このため従来の極低温冷凍機では、スプリングピン１０７が破断するおそれがあるという問題点があった。仮にスプリングピン１０７が破断した場合には、ディスプレーサ１０３がシリンダ１００内で回転してしまい、極低温冷凍機による冷凍処理が不安定になってしまう。

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、ディスプレーサの回転を防止することにより冷凍処理の安定化を図っ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、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す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、前記駆動装置と前記ディスプレーサを連結する連結機構とを有する極低温冷凍機であって、
前記連結機構は、前記駆動装置から前記ディスプレーサに向け延出した出力軸と、前記ディスプレーサの往復移動方向と交差する方向に延出するよう前記出力軸を貫通して設けられた係合ピンと、前記ディスプレーサが回転する際に前記係合ピンと係合し、該ディスプレーサの回転を防止する回転防止機構と、前記ディスプレーサの前記一端部に固定されると共に前記出力軸と係合する蓋体とを有することを特徴とするものである。

また上記発明において、前記回転防止機構を、前記ディスプレーサに形成されると共に、前記出力軸が前記ディスプレーサに装着された際に前記係合ピンの両端部分が係合する一対の係合溝とを有する構成としてもよい。

また上記発明において、前記回転防止機構を、前記ディスプレーサに立設されると共に、前記出力軸が前記ディスプレーサに装着された際に前記係合ピンの両端部分が係合する立設ピンを有する構成としてもよい。

また上記発明において、前記係合ピンを中実丸棒としてもよい。

また上記発明において、前記立設ピンをボルトとし、下部に形成されたねじ部が前記ディスプレーサに螺合されると共に、上部が前記蓋体に形成された凹部と係合する構成としてもよい。

本発明によれば、回転防止機構によりディスプレーサの回りが防止されるため、安定した冷却処理を行うことが可能となる。

本発明の一実施形態である極低温冷凍機の断面図である。 本発明の一実施形態である極低温冷凍機に設けられ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極低温冷凍機に設けられるディスプレーサ近傍を拡大して示す断面図である。 図３におけるＡ−Ａ線に沿う断面図である。 本発明の変形例である極低温冷凍機に設けられるディスプレーサ近傍を拡大して示す断面図である。 図５におけるＢ−Ｂ線に沿う断面図である。 従来の一例である極低温冷凍機に設けられるディスプレーサ近傍を拡大して示す断面図である。 図７におけるＣ−Ｃ線に沿う断面図である。

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
９ バルブプレート
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 係合ピン
３０ａ，３０ｂ 端部
３１ ピンカラー
３１ａ 貫通孔
３２ 軸孔
３３ 貫通孔
３４ 固定ボルト
３５ ねじ孔
３６Ａ，３６Ｂ 係合溝
３７ アッパーカップ
４０Ａ，４０Ｂ 係合ボルト
４１ 上端凹部
５０ シール材

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乃至図４は、本発明の一実施形態である極低温冷凍機を説明するための図である。なお、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。

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。

前記のように、第１段目シリンダ１０Ａの内壁と第１段目ディスプレーサ３Ａの外壁との間で冷媒ガスの吹き抜けが発生すると、ＧＭ冷凍機の冷却効率が低下してしまう。そこで、第１段目ディスプレーサ３Ａの外側面に第１段目シリンダ１０Ａの内周面と摺接するシール材５０を設け、冷媒ガスの吹き抜けの発生を抑制している。

第１段目ディスプレーサ３Ａは、連結機構（これについては後に詳述する）を介して、回転・往復運動変換機構を構成するスコッチヨーク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。本実施形態では、このモータ１５及びスコッチヨーク２２（出力軸２２ａを含む）が、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（Ｚ１方向）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及び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及び１２の容積は減少する。この上部室１３、膨張室１１及び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、冷媒ガスが各第１段目ディスプレーサ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。

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との間には、ロータリバルブＲＶが配置されている。ロータリバルブＲＶは、冷媒ガスの流路を切り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の態様との切り換え処理を行う。

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を有する。バルブプレート９は、例えばアルミニウム合金で形成され、バルブ本体８は、例えば四フッ化エチレン（例えば、ＮＴＮ社製のベアリーＦＬ３０００）で形成されている。バルブ本体８及びバルブプレート９は平坦な摺動面を有し、この平坦な摺動面同士が面接触している。両者の摺動面の少なくとも一方に、摩擦を低減して耐磨耗性を向上させるために、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）等の硬質材からなる薄膜が形成されることが好ましい。

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、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。

図２は、ロータリバルブＲＶの分解斜視図である。円柱状のバルブ本体８の平坦な摺動面８ａとバルブプレート９の平坦な摺動面９ａとが面接触する。ガス供給路となるガス流路８ｂが、バルブ本体８の中心軸に沿ってバルブ本体８を貫通している。すなわち、ガス流路８ｂの一端が、摺動面８ａに開口している。

ガス流路８ｂの他端は、図２に示したガス圧縮機１の吐出口１ｂに接続されている。圧縮機１の吐出口１ｂからバルブ本体８のガス流路８ｂまでがガス供給路に相当する。

バルブ本体８の摺動面８ａに、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。バルブ本体８の内部に形成されたガス流路８ｄの一端が、溝８ｃの底面に開口している。ガス流路８ｄの他端は、バルブ本体８の外周面に開口し、更に図２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の摺動面９ａに、その中心から半径方向に伸びる溝９ｄが形成されている。バルブプレート９が回転し、溝９ｄの外周側の端部が溝８ｃに部分的に重なった時、ガス流路８ｂとガス流路８ｄとが溝９ｄを介して連通する。

回転軸に平行なガス流路９ｂが、バルブプレート９を貫通して延在している。ガス流路９ｂは、摺動面９ａ内の半径方向に関して、バルブ本体８の摺動面８ａに形成された溝８ｃとほぼ同じ位置に開口している。バルブプレート９が回転し、ガス流路９ｂの開口部が溝８ｃに部分的に重なった時、ガス流路８ｄとガス流路９ｂとが連通する。ガス流路９ｂの他端は、図２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。バルブプレート９のガス流路から圧縮機１の吸気口１ａまでがガス排出路に相当する。

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。ガス流路８ｄとガス流路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）が繰り返される。

次に、上記構成のＧＭ冷凍機において、スコッチヨーク２２の往復動部材である出力軸２２ａと第１段目ディスプレーサ３Ａとを連結する連結機構について、主に図３及び図４を用いて説明する。図３は出力軸２２ａと第１段目ディスプレーサ３Ａとの連結部分を拡大して示す図であり、図４は図３におけるＡ−Ａ線に沿う断面を示している。

出力軸２２ａと第１段目ディスプレーサ３Ａ（以下、単にディスプレーサ３Ａという）とを連結する連結機構は、大略すると出力軸２２ａ、係合ピン３０、ピンカラー３１、軸孔３２、アッパーカップ３７、及び回転防止機構等により構成されている。本実施形態に係る回転防止機構は、係合溝３６Ａ，３６Ｂを有した構成とされている。

出力軸２２ａは、その下端近傍にディスプレーサ３Ａの往復移動方向（図１，３に矢印Ｚ１，Ｚ２で示す方向）と直行する方向（図１，３に矢印Ｘ１，Ｘ２で示す方向）に延在するよう貫通孔３３が形成されている。この係合ピン３０は、この貫通孔３３を貫通するよう取り付けられる。よってこの取り付け状態において、係合ピン３０はディスプレーサ３Ａの往復移動方向と直行する方向（Ｘ１，Ｘ２方向）に延出した状態となる。また、係合ピン３０の長さは、出力軸２２ａの直径より長いため、係合ピン３０の両端部３０ａ，３０ｂは出力軸２２ａを中心として外側に向けて延出した状態となる。

出力軸２２ａの下端部には、ピンカラー３１が設けられる。ピンカラー３１は、中央に出力軸２２ａが挿入される挿通孔３１ａが形成された中空円柱形状を有している。このピンカラー３１は、例えばステンレスにより形成されている。また、ピンカラー３１には、ディスプレーサ３Ａの往復移動方向と直行する方向に延在する挿通孔３１ａが形成されている。

ピンカラー３１が出力軸２２ａの所定装着位置に装着された状態で、出力軸２２ａに形成された貫通孔３３と、ピンカラー３１に形成された挿通孔３１ａは一直線上に連通した状態となる。この連通状態において、係合ピン３０は挿通孔３１ａ及び貫通孔３３に装着される。係合ピン３０の長さは、ピンカラー３１の直径よりも長く設定されている。よって、係合ピン３０を出力軸２２ａ及びピンカラー３１に装着した状態においても、係合ピン３０の両端部３０ａ，３０ｂはピンカラー３１を中心として、その外周面より外側に向けて延出する。

また、係合ピン３０を出力軸２２ａ及びピンカラー３１に装着した状態において、ピンカラー３１は出力軸２２ａに係合ピン３０を介して保持された状態となる。よって、出力軸２２ａがディスプレーサ３Ａの往復移動方向（Ｚ１，Ｚ２方向）に移動する際、ピンカラー３１も一体的に往復移動方向（Ｚ１，Ｚ２方向）に移動する。

軸孔３２及び係合溝３６Ａ，３６Ｂは、ディスプレーサ３Ａの上端部（Ｚ１方向端部）に形成されている。軸孔３２は、円柱形状とされたディスプレーサ３Ａの中心軸と同軸的に形成されている。この軸孔３２の直径は、ピンカラー３１の直径よりも若干大きく設定されている。即ち、軸孔３２は、その内部にピンカラー３１が取り付けられた出力軸２２ａが挿入されうる構成とされている。また、前記した係合ピン３０の長さは、この軸孔３２の直径よりも長く設定されている。

係合溝３６Ａ，３６Ｂは、軸孔３２の側壁に形成されている。この係合溝３６Ａ，３６Ｂは１８０°離間して形成されており、よって係合溝３６Ａと係合溝３６Ｂは互いに対向するよう形成されている。また各係合溝３６Ａ，３６Ｂは同一形状とされており、よってその長さ（図４に矢印Ｌ１で示す）及び幅（図４に矢印Ｗで示す）は同一寸法とされている。

また、各係合溝３６Ａ，３６Ｂの長さＬ１は、係合ピン３０の各端部３０ａ，３０ｂがピンカラー３１の外周面から外側に突出する長さ（図４に矢印Ｌ２で示す）よりも大きくなるよう設定されている（Ｌ１＞Ｌ２）。更に、各係合溝３６Ａ，３６Ｂの幅Ｗは、係合ピン３０の断面直径（図４に矢印Ｒで示す）よりも大きくなるよう設定されている（Ｗ＞Ｒ）。従って、係合ピン３０及びピンカラー３１が取り付けられた出力軸２２ａを軸孔３２に挿入装着することにより、係合ピン３０の両端部３０ａ，３０ｂは係合溝３６Ａ，３６Ｂに挿入されて係合した状態となる（図４参照）。

アッパーカップ３７は、ディスプレーサ３Ａの上端部を塞ぐ蓋として機能するものである。このアッパーカップ３７はアルミニウムからなり、中央に挿通孔３７ａが形成された円盤形状とされている。この挿通孔３７ａには、出力軸２２ａが挿通される。また、アッパーカップ３７には、ガス流路Ｌ１を形成する孔と、固定ボルト３４を装着する装着凹部が形成されている。

このアッパーカップ３７は、固定ボルト３４を装着凹部に挿入すると共に、ディスプレーサ３Ａの上端部に形成されたねじ孔３５に螺着することによりディスプレーサ３Ａに固定される。この固定状態において、ピンカラー３１はアッパーカップ３７の下部に位置している。また、アッパーカップ３７に形成された挿通孔３７ａの直径は、ピンカラー３１の直径よりも小さく設定されている。よって、アッパーカップ３７がディスプレーサ３Ａに固定された状態おいて、ピンカラー３１はアッパーカップ３７に係合（当接）した状態となる。

上記構成において、駆動装置が駆動することにより出力軸２２ａが上動（Ｚ１方向に移動）すると、係合ピン３０により出力軸２２ａに取り付けられているピンカラー３１も上動する。この際、ピンカラー３１はアッパーカップ３７と係合しているため、ピンカラー３１の上動に伴いアッパーカップ３７も上動付勢される。

よって、出力軸２２ａが上動に伴いピンカラー３１はアッパーカップ３７と係合し、ディスプレーサ３Ａを上方向に向け移動付勢する。即ち、アッパーカップ３７は、ピンカラー３１を介して出力軸２２ａと係合した状態となる。よって、出力軸２２ａの上動に伴い、ディスプレーサ３Ａは上動する。

また、出力軸２２ａが下動する場合も、上記と同様の理由によりディスプレーサ３Ａは出力軸２２ａの下動に伴い下動する。よって、本実施形態に係る連結機構によれば、駆動装置の出力軸２２ａの上下動作により、ディスプレーサ３Ａを上下方向に往復移動させることが可能となる。

ここで、本実施形態に係る連結機構において、ディスプレーサ３Ａに対して回転方向（図４に矢印Ｃ１，Ｃ２で示す）に力が作用したことを想定する。

いま、ディスプレーサ３Ａに対して図４に矢印Ｃ１で示す方向に回転させる力が作用したとすると、ディスプレーサ３ＡのＣ１方向の回転に伴い、係合溝３６Ａ，３６Ｂも矢印Ｃ１方向に回転を行う。よって、Ｃ１方向の回転に伴い、係合溝３６Ａの一の内壁が係合ピン３０の端部３０ａと係合（当接）し、係合溝３６Ｂの一の内壁が係合ピン３０の端部３０ｂと係合した状態となる。

しかしながら、出力軸２２ａは前記のように駆動装置を構成するスコッチヨーク機構に接続されているため回転不能な構成となっており、従って出力軸２２ａの貫通孔３３に貫通された係合ピン３０も回転不能な構成となっている。よって、各係合溝３６Ａ，３６Ｂの内壁が係合ピン３０の各端部３０ａ，３０ｂと係合した後は、ディスプレーサ３Ａのそれ以上のＣ１方向の回転は規制される。

また、ディスプレーサ３Ａに対して図４に矢印Ｃ２で示す方向に回転させる力が作用した時も同様であり、Ｃ２方向の回転に伴い係合溝３６Ａの他の内壁が係合ピン３０の端部３０ａと係合（当接）し、係合溝３６Ｂの他の内壁が係合ピン３０の端部３０ｂと係合する。よって、各係合溝３６Ａ，３６Ｂの内壁が係合ピン３０の各端部３０ａ，３０ｂと係合した後は、ディスプレーサ３Ａのそれ以上のＣ２方向の回転も規制される。

本実施形態では、ディスプレーサ３Ａの回転の規制は、係合ピン３０の両端部３０ａ，３０ｂが回転防止機構を構成する一対の係合溝３６Ａ，３６Ｂに係合することにより行われる。即ち、従来ではスプリングピン１０７のみにより、換言すれば一箇所のみでディスプレーサ１０３の回転を規制していたのに対し、本実施形態では２箇所でディスプレーサ３Ａの回転を規制することができる。

よって、ディスプレーサ３Ａの回転規制時に係合ピン３０の各端部３０ａ，３０ｂに印加される剪断力を従来に比べて小さくすることができるため、ディスプレーサ３Ａの回転規制時に係合ピン３０が破損することを防止できる。これにより、ディスプレーサ３Ａに配設されたシール材５０が第１段目シリンダ１０Ａから離間して冷媒ガスの吹き抜けが発生することが防止され、ＧＭ冷凍機の冷却処理の安定化を図ることができる。

また本実施形態では、係合ピン３０として金属（例えば、ステンレス）製の中実丸棒を用いている。よって、係合ピン３０の強度は、従来のスプリングピン１０７に比べて強く、これによっても係合ピン３０の破損防止が図られている。

また、本実施形態では従来では必要とされたスプリングピン１０７を不要とでき、またアッパーカップ１０５にスプリングピン１０７を固定するための固定孔の形成も不要となる。

更に本実施形態では、ディスプレーサ１０３に対して小さい部品であるピンカラー１０２に溝１０２ａを形成する必要もなくなる。よって本実施形態に係るＧＭ冷凍機によれば、従来構成の冷凍機に比べて部品点数の削減及び製造工程の簡単化を図ることが可能となる。

図５及び図６は、上記した連結機構の変形例を示している。上記した実施形態に係る連結機構では、回転防止機構として係合溝３６Ａ，３６Ｂを設け、第１段目ディスプレーサ３ＡがＣ１，Ｃ２方向に回転した際、係合ピン３０と係合溝３６Ａ，３６Ｂとが係合（当接）し、これにより第１段目ディスプレーサ３Ａの回転を防止する構成としていた。

これに対して本変形例では連結機構の回転防止機構として、第１段目ディスプレーサ３Ａの上端部に立設された立設ピンを用いたことを特徴としている。また、本変形例ではこの立設ピンとしてボルト４０Ａ，４０Ｂ（以下、係合ボルト４０Ａ，４０Ｂという）を用いた構成としている。

この係合ボルト４０Ａは係合ピン３０の一方の端部３０ａに２本配設されており、また係合ボルト４０Ｂは係合ピン３０の他方の端部３０ｂに２本配設されている。よって本変形例では、合計４本のボルト４０Ａ，４０Ｂが第１段目ディスプレーサ３Ａの上端部に立設されている。

なお、立設ピンはボルトに限定されるものではなく、第１段目ディスプレーサ３Ａの上端部に立設できるものであれば、他の構成の部品を用いることも可能である。

一方、第１段目ディスプレーサ３Ａの上端部には、円形の凹部４１（以下、上端凹部４１という）が形成されている。この上端凹部４１の中心位置には、出力軸２２ａが挿通される。また上端凹部４１の直径は、係合ピン３０の長さよりも長く設定されている。

また、上端凹部４１の底面には４個のねじ孔が形成されている。前記の４本のボルト４０Ａ，４０Ｂはこのねじ孔に螺着することにより、第１段目ディスプレーサ３Ａ（具体的には、上端凹部４１の底面）に立設された状態となる。

図６に示すように、一対の係合ボルト４０Ａは、出力軸２２ａを第１段目ディスプレーサ３Ａに装着した際、係合ピン３０の端部３０ａを挟む位置に立設される。同様に、一対の係合ボルト４０Ｂは、出力軸２２ａを第１段目ディスプレーサ３Ａに装着した際、係合ピン３０の端部３０ｂを挟む位置に立設される。

一方、アッパーカップ３７の各係合ボルト４０Ａ，４０Ｂの配設位置に対応する位置には、係合凹部４２Ａ，４２Ｂが形成されている。この係合凹部４２Ａ，４２Ｂは、アッパーカップ３７を第１段目ディスプレーサ３Ａに装着した際、ピンカラー３１に立設された各係合ボルト４０Ａ，４０Ｂの上端部と係合するよう構成されている（図５参照）。

このように、各係合ボルト４０Ａ，４０Ｂはその下端が第１段目ディスプレーサ３Ａにボルト締結されると共に、その上端部がアッパーカップ３７の係合凹部４２Ａ，４２Ｂに係合することにより固定される。このように、各係合ボルト４０Ａ，４０Ｂはその上下両端部が固定されるため、その強度は高くなっている。

上記構成とされた本変形例に係る連結機構において、ディスプレーサ３Ａに対して回転方向（図６に矢印Ｃ１，Ｃ２で示す）に力が作用したことを想定する。

いま、ディスプレーサ３Ａに対して図４に矢印Ｃ１で示す方向に回転させる力が作用したとすると、ディスプレーサ３ＡのＣ１方向の回転に伴い、各係合ボルト４０Ａ，４０Ｂも矢印Ｃ１方向に回転を行う。よって、このＣ１方向の回転に伴い、一対の係合ボルト４０Ａの内一の係合ボルト４０Ａ（図６中、下に位置する係合ボルト４０Ａ）が係合ピン３０の端部３０ａと係合（当接）する。同様に、一対の係合ボルト４０Ｂの内一の係合ボルト４０Ｂ（図６中、上に位置する係合ボルト４０Ａ）が端部３０ｂと係合（当接）する。

前記のように出力軸２２ａは、駆動装置を構成するスコッチヨーク機構に接続されているため回転不能な構成となっており、従って係合ピン３０も回転不能な構成となっている。よって、上記のように係合ボルト４０Ａ，４０Ｂが係合ピン３０の各端部３０ａ，３０ｂと係合した後は、ディスプレーサ３Ａはそれ以上のＣ１方向の回転が規制される。

また、ディスプレーサ３Ａに対して図６に矢印Ｃ２で示す方向に回転させる力が作用した時も同様であり、Ｃ１方向に回転した時に端部３０ａ，３０ｂに係合したものと異なる係合ボルト４０Ａ，４０Ｂが端部３０ａ，３０ｂに係合（当接）することにより、ディスプレーサ３ＡのＣ２方向の回転が規制される。

このように本変形例では、ディスプレーサ３Ａの回転の規制は、係合ピン３０の両端部３０ａ，３０ｂが回転防止機構を構成する係合ボルト４０Ａ，４０Ｂに係合することにより行われる。

この際、前記のように各係合ボルト４０Ａ，４０Ｂはその上下を第１段目ディスプレーサ３Ａ及びアッパーカップ３７に固定された強固な構成とされているため、第１段目ディスプレーサ３Ａの回転を確実に防止することができる。また、各係合ボルト４０Ａ，４０Ｂが強固な構成であることにより、係合ピン３０と係合する際に係合ボルト４０Ａ，４０Ｂが損傷することを防止することができる。

ここで、本変形例では立設ピンとして係合ボルト４０Ａ，４０Ｂを用い、これを上端凹部４１の底面に形成されたねじ孔に螺着することにより固定する構成としたが、立設ピンを接着剤を用いて上端凹部４１の底面に固定する構成としてもよい。

また、本変形例では係合ピン３０に対して４本の係合ボルト４０Ａ，４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｂが係合する構成としたが、係合ピン３０の一方の端部のみに２本の係合ボルトが係合する構成としてもよい。

具体的には、係合ピン３０の一方の端部３０ａに２本の係合ボルト４０Ａ，４０Ａのみを設ける構成としてもよく、また係合ピン３０の他方の端部３０ａに２本の係合ボルト４０Ｂ，４０Ｂのみを設ける構成としてもよい。

更に、係合ピン３０の両端部３０ａ，３０ｂにそれぞれ１本ずつ係合ボルト４０Ａ，４０Ｂを配設し、この一対の係合ボルト４０Ａ，４０Ｂが係合ピン３０の同一側に共に配置される構成としてもよい。

具体的には、図６において係合ピン３０の図中上側に位置する係合ボルト４０Ａ，４０Ｂのみを残すと共に、下側に位置する係合ボルト４０Ａ，４０Ｂを取り除いた構成としてもよい。逆に、図６において係合ピン３０の図中下側に位置する係合ボルト４０Ａ，４０Ｂのみを残すと共に、上側に位置する係合ボルト４０Ａ，４０Ｂを取り除いた構成としてもよい。

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。

具体的には、本発明は２段式に限らず、１段式あるいは多段式のＧＭ冷凍機にも適用することができる。また、本発明はスコッチヨーク機構により往復動を発生するものに限ることなく、例えばクランク機構などの往復動を発生する他の機構にも適用することが可能なものである。

また、出力軸２２ａにディスプレーサ３Ａを完全に固定することも考えられるが、ディスプレーサ３Ａはシリンダ部１０内を往復移動する構成であるため、冷媒ガスの吹き抜けが発生しない範囲内である程度回転を許容することが望ましい。本実施形態では、係合ピン３０の直径Ｒに対して係合溝３６Ａ，３６Ｂの幅Ｗを調整することにより、この回転許容範囲を容易に設定することができる。

本国際出願は２０１０年４月１４日に出願された日本国特許出願２０１０−０９３２８１号に基づく優先権を主張するものであり、日本特許出願２０１０−０９３２８１号の全内容をここに本国際出願に援用する。

Claims (5)

1. 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す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、
   前記駆動装置と前記ディスプレーサを連結する連結機構とを有する極低温冷凍機であって、
   前記連結機構は、
   前記駆動装置から前記ディスプレーサに向け延出した出力軸と、
   前記ディスプレーサの往復移動方向と交差する方向に延出するよう前記出力軸を貫通して設けられた係合ピンと、
   前記ディスプレーサが回転する際に前記係合ピンと係合し、該ディスプレーサの回転を防止する回転防止機構と、
   前記ディスプレーサの前記一端部に固定されると共に前記出力軸と係合する蓋体とを有することを特徴とする極低温冷凍機。
2. 前記回転防止機構は、
   前記ディスプレーサに形成されると共に、前記出力軸が前記ディスプレーサに装着された際に前記係合ピンの端部が係合する係合溝を有することを特徴とする請求項１記載の極低温冷凍機。
3. 前記回転防止機構は、
   前記ディスプレーサに立設されると共に、前記出力軸が前記ディスプレーサに装着された際に前記係合ピンの端部が係合する立設ピンを有することを特徴とする請求項１記載の極低温冷凍機。
4. 前記係合ピンは中実丸棒である請求項１記載の極低温冷凍機。
5. 前記立設ピンはボルトであり、下部に形成されたねじ部が前記ディスプレーサに螺合されると共に、上部が前記蓋体に形成された凹部と係合する構成であることを特徴とする請求項３記載の極低温冷凍機。

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