(57)【要約】【課題】極低温冷凍機のための新たな昇温技術を提供する。【解決手段】極低温冷凍機用のロータリーバルブユニットは、ロータリーバルブ５４と逆転可能モータ５６を備える。ロータリーバルブ５４は、逆転可能モータ５６が正転するとき第１バルブ部品が第２バルブ部品とバルブ回転軸まわりに第１相対角度を保持し、逆転可能モータ５６が逆転するとき第１バルブ部品が第２バルブ部品とバルブ回転軸まわりに第２相対角度を保持するように、第１バルブ部品と第２バルブ部品を互いに連結する連結機構を備える。第１相対角度は、極低温冷凍機を冷却するよう設計され、第２相対角度は、極低温冷凍機を加熱するよう設計されている。連結機構は、逆転可能モータ５６の回転方向の反転に伴って第１相対角度と第２相対角度とを切り替えるよう構成されている。【選択図】図１
2018151129.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
極低温冷凍機であって、
軸方向に往復動可能なディスプレーサと、
前記ディスプレーサを収容するシリンダと、
前記ディスプレーサを軸方向に駆動する駆動ピストンと、
前記駆動ピストンを収容する駆動室と、
ロータリーバルブ回転軸まわりに回転可能なバルブロータまたはバルブステータのうちいずれか一方である第１バルブ要素と、前記バルブロータまたは前記バルブステータの他方である第２バルブ要素と、を備え、前記第１バルブ要素が、前記第２バルブ要素に対する相対回転により前記シリンダを圧縮機吐出口及び圧縮機吸入口に交互に接続するよう構成された第１部品と、前記第２バルブ要素に対する相対回転により前記駆動室を前記圧縮機吐出口及び前記圧縮機吸入口に交互に接続するよう構成された第２部品と、を備えるロータリーバルブと、
前記ロータリーバルブ回転軸まわりに前記ロータリーバルブを回転させるよう前記ロータリーバルブに連結された逆転可能モータと、を備え、
前記ロータリーバルブは、前記逆転可能モータが正転するとき前記第１部品が前記第２部品と前記ロータリーバルブ回転軸まわりに第１相対角度を保持し、前記逆転可能モータが逆転するとき前記第１部品が前記第２部品と前記ロータリーバルブ回転軸まわりに第２相対角度を保持するように、前記第１部品と前記第２部品を互いに連結する連結機構を備え、前記第１相対角度は、前記極低温冷凍機を冷却するよう設計され、前記第２相対角度は、前記極低温冷凍機を加熱するよう設計されており、
前記連結機構は、前記逆転可能モータの回転方向の反転に伴って前記第１相対角度と前記第２相対角度とを切り替えるよう構成されていることを特徴とする極低温冷凍機。
【請求項２】
前記第１バルブ要素は、前記バルブロータであり、前記第２バルブ要素は、前記バルブステータであり、
前記第１部品及び前記第２部品はそれぞれ、前記ロータリーバルブ回転軸まわりに前記バルブステータに対し回転するよう前記逆転可能モータに連結された第１バルブロータ及び第２バルブロータであり、
前記連結機構は、前記逆転可能モータが正転するとき前記第１バルブロータが前記第２バルブロータと前記第１相対角度を保持して両バルブロータが前記ロータリーバルブ回転軸まわりに回転するように、かつ前記逆転可能モータが逆転するとき前記第１バルブロータが前記第２バルブロータと前記第２相対角度を保持して両バルブロータが前記ロータリーバルブ回転軸まわりに回転するように、前記第１バルブロータと前記第２バルブロータを互いに連結することを特徴とする請求項１に記載の極低温冷凍機。
【請求項３】
前記連結機構は、
前記ロータリーバルブ回転軸を中心として前記第１バルブロータと前記第２バルブロータのうち一方に形成された円弧状の連結ピン案内溝と、
前記第１バルブロータと前記第２バルブロータのうち他方に固定的に支持された連結ピンであって、前記逆転可能モータが正転するとき前記第１バルブロータが前記第２バルブロータと前記第１相対角度を保持するよう前記連結ピン案内溝の第１溝端部と係合し、前記逆転可能モータが逆転するとき前記第１バルブロータが前記第２バルブロータと第２相対角度を保持するよう前記連結ピン案内溝の第２溝端部と係合する連結ピンと、を備え、
前記連結ピン案内溝は、前記逆転可能モータが正転から逆転に切り替わるとき前記連結ピンを前記第１溝端部から前記第２溝端部へと案内し、前記逆転可能モータが逆転から正転に切り替わるとき前記連結ピンを前記第２溝端部から前記第１溝端部へと案内するよう形成され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。
【請求項４】
前記第１バルブロータは、第１円筒面を有し、前記第２バルブロータは、第２円筒面を有し、前記第１円筒面と前記第２円筒面は、互いに接触しており、
前記ロータリーバルブは、作動ガス流路の出入口が前記第１円筒面と前記第２円筒面のいずれにも存在しないよう構成されていることを特徴とする請求項２または３に記載の極低温冷凍機。
【請求項５】
前記バルブステータは、樹脂材料で形成された第１ステータ平面を有する第１バルブステータと、金属材料で形成された第２ステータ平面を有する第２バルブステータと、を備えるとともに、前記第１バルブロータは、金属材料で形成され前記第１ステータ平面に面接触する第１ロータ平面を有し、前記第２バルブロータは、樹脂材料で形成され前記第２ステータ平面に面接触する第２ロータ平面を有し、または、
前記バルブステータは、金属材料で形成された第１ステータ平面を有する第１バルブステータと、樹脂材料で形成された第２ステータ平面を有する第２バルブステータと、を備えるとともに、前記第１バルブロータは、樹脂材料で形成され前記第１ステータ平面に面接触する第１ロータ平面を有し、前記第２バルブロータは、金属材料で形成され前記第２ステータ平面に面接触する第２ロータ平面を有することを特徴とする請求項２から４のいずれかに記載の極低温冷凍機。
【請求項６】
前記第２相対角度は、３０°から６０°の範囲から選択された角度だけ前記第１相対角度からずれていることを特徴とする請求項２から５のいずれかに記載の極低温冷凍機。
【請求項７】
極低温冷凍機用のロータリーバルブユニットであって、
ロータリーバルブ回転軸まわりに回転可能なバルブロータまたはバルブステータのうちいずれか一方である第１バルブ要素と、前記バルブロータまたは前記バルブステータの他方である第２バルブ要素と、を備え、前記第１バルブ要素が、前記第２バルブ要素に対する相対回転により前記極低温冷凍機の第１ガス室を圧縮機吐出口及び圧縮機吸入口に交互に接続するよう構成された第１部品と、前記第２バルブ要素に対する相対回転により前記極低温冷凍機の第２ガス室を前記圧縮機吐出口及び前記圧縮機吸入口に交互に接続するよう構成された第２部品と、を備えるロータリーバルブと、
前記ロータリーバルブ回転軸まわりに前記ロータリーバルブを回転させるよう前記ロータリーバルブに連結された逆転可能モータと、を備え、
前記ロータリーバルブは、前記逆転可能モータが正転するとき前記第１部品が前記第２部品と前記ロータリーバルブ回転軸まわりに第１相対角度を保持し、前記逆転可能モータが逆転するとき前記第１部品が前記第２部品と前記ロータリーバルブ回転軸まわりに第２相対角度を保持するように、前記第１部品と前記第２部品を互いに連結する連結機構を備え、前記第１相対角度は、前記極低温冷凍機を冷却するよう設計され、前記第２相対角度は、前記極低温冷凍機を加熱するよう設計されており、
前記連結機構は、前記逆転可能モータの回転方向の反転に伴って前記第１相対角度と前記第２相対角度とを切り替えるよう構成されていることを特徴とする極低温冷凍機用のロータリーバルブユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、極低温冷凍機及び極低温冷凍機用のロータリーバルブユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
代表的な極低温冷凍機であるＧＭ冷凍機（ギフォード・マクマホン、Gifford-McMahon）は、ディスプレーサの駆動源によってガス駆動型とモータ駆動型の２種類に大きく分けられる。典型的なガス駆動型ＧＭ冷凍機においては、作動ガス膨張室の圧力を制御するためにロータリーバルブと、これを回転させるよう機械的に連結されたバルブ駆動モータが設けられている。このモータからディスプレーサは機械的に切り離されており、ディスプレーサはガス圧によって駆動される。膨張室圧力だけではなく、この駆動ガス圧も、ロータリーバルブによって制御される。モータはロータリーバルブを回転させ、それにより、作動ガス膨張室の周期的な容積変化と膨張室の周期的な圧力変動とが適正に同期し冷凍サイクルが形成される。こうして、ガス駆動型ＧＭ冷凍機は極低温に冷却される。
【０００３】
一方、モータ駆動型ＧＭ冷凍機においては、ディスプレーサがディスプレーサ駆動モータに機械的に連結されている。このモータによってディスプレーサは軸方向に往復動され、それにより作動ガス膨張室の容積が周期的に変化する。ディスプレーサ駆動モータは、作動ガス膨張室の圧力を制御するためのロータリーバルブにも機械的に連結されている。モータはロータリーバルブを回転させるとともにディスプレーサを駆動し、それにより、作動ガス膨張室の周期的な容積変化と膨張室の周期的な圧力変動とが適正に同期して冷凍サイクルが形成される。こうして、モータ駆動型ＧＭ冷凍機は極低温に冷却される。
【０００４】
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。ディスプレーサ駆動モータの正転時には作動ガスの膨張による冷凍サイクルが形成される一方、モータの逆転時には作動ガスの圧縮による昇温サイクルが形成される。モータ回転方向を切り替えることによって、ＧＭ冷凍機は冷凍と昇温を切り替えることができる。昇温サイクルにおいては膨張室で作動ガスの断熱圧縮が生じ、その結果発生する圧縮熱に基づきＧＭ冷凍機を加熱することができる。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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第２６１７６８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明者らは、ガス駆動型ＧＭ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。モータ駆動型ＧＭ冷凍機と同様にして、従来のガス駆動型ＧＭ冷凍機において、バルブ駆動モータの回転方向をたとえ反転させたとしても、逆転昇温は実現されない。なぜなら、バルブ駆動モータの回転によって、膨張室の作動ガス圧力だけではなく、ディスプレーサの駆動ガス圧も決定づけられているからである。従来のガス駆動型ＧＭ冷凍機ではモータを逆転させても有効な昇温サイクルが形成されない。このことは、モータ駆動型ではディスプレーサがモータと機械的に連結されモータ駆動により強制的に動かせるのに対し、ガス駆動型ではガス圧の作用によってのみディスプレーサを動かせるという両者の基本的差異に起因する。そのため、モータ駆動型では可能な逆転昇温が、ガス駆動型に適用された例はこれまでに存在しない。このような課題はガス駆動型ＧＭ冷凍機に限られず、ガス圧でディスプレーサが駆動されるその他の極低温冷凍機についても生じうる。
【０００７】
本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、極低温冷凍機のための新たな昇温技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のある態様によると、極低温冷凍機は、軸方向に往復動可能なディスプレーサと、前記ディスプレーサを収容するシリンダと、前記ディスプレーサを軸方向に駆動する駆動ピストンと、前記駆動ピストンを収容する駆動室と、ロータリーバルブ回転軸まわりに回転可能なバルブロータまたはバルブステータのうちいずれか一方である第１バルブ要素と、前記バルブロータまたは前記バルブステータの他方である第２バルブ要素と、を備え、前記第１バルブ要素が、前記第２バルブ要素に対する相対回転により前記シリンダを圧縮機吐出口及び圧縮機吸入口に交互に接続するよう構成された第１部品と、前記第２バルブ要素に対する相対回転により前記駆動室を前記圧縮機吐出口及び前記圧縮機吸入口に交互に接続するよう構成された第２部品と、を備えるロータリーバルブと、前記ロータリーバルブ回転軸まわりに前記ロータリーバルブを回転させるよう前記ロータリーバルブに連結された逆転可能モータと、を備える。前記ロータリーバルブは、前記逆転可能モータが正転するとき前記第１部品が前記第２部品と前記ロータリーバルブ回転軸まわりに第１相対角度を保持し、前記逆転可能モータが逆転するとき前記第１部品が前記第２部品と前記ロータリーバルブ回転軸まわりに第２相対角度を保持するように、前記第１部品と前記第２部品を互いに連結する連結機構を備える。前記第１相対角度は、前記極低温冷凍機を冷却するよう設計されている。前記第２相対角度は、前記極低温冷凍機を加熱するよう設計されている。前記連結機構は、前記逆転可能モータの回転方向の反転に伴って前記第１相対角度と前記第２相対角度とを切り替えるよう構成されている。
【０００９】
本発明のある態様によると、極低温冷凍機用のロータリーバルブユニットは、ロータリーバルブ回転軸まわりに回転可能なバルブロータまたはバルブステータのうちいずれか一方である第１バルブ要素と、前記バルブロータまたは前記バルブステータの他方である第２バルブ要素と、を備え、前記第１バルブ要素が、前記第２バルブ要素に対する相対回転により前記極低温冷凍機の第１ガス室を圧縮機吐出口及び圧縮機吸入口に交互に接続するよう構成された第１部品と、前記第２バルブ要素に対する相対回転により前記極低温冷凍機の第２ガス室を前記圧縮機吐出口及び前記圧縮機吸入口に交互に接続するよう構成された第２部品と、を備えるロータリーバルブと、前記ロータリーバルブ回転軸まわりに前記ロータリーバルブを回転させるよう前記ロータリーバルブに連結された逆転可能モータと、を備える。前記ロータリーバルブは、前記逆転可能モータが正転するとき前記第１部品が前記第２部品と前記ロータリーバルブ回転軸まわりに第１相対角度を保持し、前記逆転可能モータが逆転するとき前記第１部品が前記第２部品と前記ロータリーバルブ回転軸まわりに第２相対角度を保持するように、前記第１部品と前記第２部品を互いに連結する連結機構を備える。前記第１相対角度は、前記極低温冷凍機を冷却するよう設計されている。前記第２相対角度は、前記極低温冷凍機を加熱するよう設計されている。前記連結機構は、前記逆転可能モータの回転方向の反転に伴って前記第１相対角度と前記第２相対角度とを切り替えるよう構成されている。
【００１０】
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。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、極低温冷凍機のための新たな昇温技術を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施の形態に係るガス駆動型ＧＭ冷凍機を概略的に示す図である。
【図２】実施の形態に係るロータリーバルブユニットを示す概略斜視図である。
【図３】図３（ａ）から図３（ｅ）は、実施の形態に係るロータリーバルブユニットの回転摺動面を示す概略平面図である。
【図４】図４（ａ）及び図４（ｂ）は、ロータリーバルブ内部の流路構成を説明するための概略断面図である。
【図５】図５（ａ）及び図５（ｂ）は、ロータリーバルブ内部の流路構成を説明するための概略断面図である。
【図６】実施の形態に係る第１バルブロータ及び第２バルブロータを示す概略斜視分解図である。
【図７】実施の形態に係る第２バルブロータを示す概略斜視図である。
【図８】図８（ａ）から図８（ｃ）は、実施の形態に係るＧＭ冷凍機の動作を説明するための図である。
【図９】図９（ａ）から図９（ｃ）は、実施の形態に係るＧＭ冷凍機の動作を説明するための図である。
【図１０】他の実施の形態に係るバルブステータを示す概略断面図である。
【図１１】図１１（ａ）及び図１１（ｂ）は、更なる他の実施の形態に係るロータリーバルブを示す概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
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。
【００１４】
図１は、実施の形態に係るガス駆動型ＧＭ冷凍機を概略的に示す図である。
【００１５】
ＧＭ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。コールドヘッド１４は膨張機とも呼ばれる。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
コールドヘッド１４は、ガス駆動型である。よって、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。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。
【００１９】
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ディスプレーサ２０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と同軸にかつ軸方向に離れて配設されている。
【００２０】
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（単に、シリンダと称することもある）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。
【００２１】
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。また、コールドヘッド１４は、ディスプレーサ２０とディスプレーサシリンダ２６の衝突または接触を緩和または防止するように駆動ピストン２２に作用するガスばね機構を備える。
【００２２】
また軸方向可動体１６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ディスプレーサ２０を駆動ピストン２２に剛に連結する連結ロッド２４を備える。連結ロッド２４もまたディスプレーサ２０および駆動ピストン２２と同軸にディスプレーサ２０から駆動ピストン２２へと延びている。
【００２３】
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。連結ロッド２４の径は駆動ピストン２２のそれより小さい。
【００２４】
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。
【００２５】
なお、駆動ピストン２２とディスプレーサ２０の寸法関係は上述のものに限られず、それと異なっていてもよい。同様に、ピストンシリンダ２８とディスプレーサシリンダ２６の寸法関係は上述のものに限られず、それと異なっていてもよい。例えば、駆動ピストン２２は、連結ロッド２４の先端部であってもよく、駆動ピストン２２の径は連結ロッド２４の径と等しくてもよい。
【００２６】
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は軸方向に延在する円柱状の部材である。ピストンシリンダ２８は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。
【００２７】
ディスプレーサ２０と駆動ピストン２２は連結ロッド２４によって軸方向に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。
【００２８】
また、コールドヘッドハウジング１８は、ディスプレーサシリンダ２６をピストンシリンダ２８に接続する連結ロッドガイド３０を備える。連結ロッドガイド３０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と同軸にディスプレーサシリンダ２６からピストンシリンダ２８へと延びている。連結ロッドガイド３０には連結ロッド２４が貫通している。連結ロッドガイド３０は連結ロッド２４の軸方向往復動を案内する軸受として構成されている。
【００２９】
ディスプレーサシリンダ２６は、連結ロッドガイド３０を介してピストンシリンダ２８と気密に連結されている。こうして、コールドヘッドハウジング１８は、作動ガスの圧力容器として構成されている。なお連結ロッドガイド３０は、ディスプレーサシリンダ２６またはピストンシリンダ２８のいずれかの一部であるとみなされてもよい。
【００３０】
第１シール部３２が、連結ロッド２４と連結ロッドガイド３０の間に設けられている。第１シール部３２は、連結ロッド２４または連結ロッドガイド３０のいずれか一方に装着され、連結ロッド２４または連結ロッドガイド３０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。また、シール部材に代えて、連結ロッド２４と連結ロッドガイド３０の隙間をごく小さくして、隙間をクリアランスシールとして機能させてもよい。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。こうして、ピストンシリンダ２８はディスプレーサシリンダ２６から流体的に隔離されており、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。
【００３１】
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。膨張室３４は下死点ＬＰ１側に配置され、室温室３６は上死点ＵＰ１側に配置されている。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。
【００３２】
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、両リテーナに挟持された蓄冷材と、を備える。図１において蓄冷材は、入口リテーナ４１と出口リテーナ４３に挟まれた、ドットを付した領域として図示されている。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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
ピストンシリンダ２８は、駆動ピストン２２を駆動するよう圧力が制御される駆動室４６と、駆動ピストン２２によって駆動室４６から仕切られたガスばね室４８と、を備える。駆動ピストン２２は、軸方向一端にてピストンシリンダ２８との間に駆動室４６を形成し、軸方向他端にてピストンシリンダ２８との間にガスばね室４８を形成する。駆動ピストン２２が軸方向に動くとき、駆動室４６およびガスばね室４８は相補的に容積を増減させる。
【００３７】
駆動室４６は、駆動ピストン２２に対しディスプレーサシリンダ２６と軸方向に反対側に配置されている。ガスばね室４８は、駆動ピストン２２に対しディスプレーサシリンダ２６と軸方向に同じ側に配置されている。言い換えれば、駆動室４６は上死点ＵＰ２側に配置され、ガスばね室４８は下死点ＬＰ２側に配置されている。駆動ピストン２２の上面は駆動室４６のガス圧を受け、駆動ピストン２２の下面はガスばね室４８のガス圧を受ける。
【００３８】
連結ロッド２４は、駆動ピストン２２の下面からガスばね室４８を通って連結ロッドガイド３０へと延びている。さらに、連結ロッド２４は、室温室３６を通ってディスプレーサ２０の上蓋部まで延びている。ガスばね室４８は、駆動ピストン２２に対し連結ロッド２４と同じ側に配置され、駆動室４６は、駆動ピストン２２に対し連結ロッド２４と反対側に配置されている。
【００３９】
第３シール部５０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３シール部５０は、例えばスリッパーシールであり、駆動ピストン２２の側面に装着されている。駆動ピストン２２とピストンシリンダ２８とのクリアランスが第３シール部５０によって封じられているので、駆動室４６とガスばね室４８との直接のガス流通はない。また、第１シール部３２が設けられているので、ガスばね室４８と室温室３６とのガス流通もない。このようにして、ガスばね室４８は、ディスプレーサシリンダ２６に対し気密に形成されている。ガスばね室４８は、第１シール部３２および第３シール部５０によって密封されている。
【００４０】
駆動ピストン２２が下動するときガスばね室４８は狭くなる。このときガスばね室４８のガスは圧縮され、圧力が高まる。ガスばね室４８の圧力は駆動ピストン２２の下面に上向きに作用する。よって、ガスばね室４８は、駆動ピストン２２の下動に抗するガスばね力を発生させる。逆に、駆動ピストン２２が上動するときガスばね室４８は広がる。ガスばね室４８の圧力は下がり、駆動ピストン２２に作用するガスばね力も小さくなる。
【００４１】
なお、第３シール部５０は設けられていなくてもよい。駆動ピストン２２とピストンシリンダ２８の間にクリアランスが保持されてもよい。このクリアランスが駆動室４６とガスばね室４８のガス流通に対し流路抵抗として作用してもよい。
【００４２】
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ＧＭ冷凍機１０は冷凍能力が最も高くなる。ただし、ＧＭ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。
【００４３】
コールドヘッド１４が冷却ステージ３８を鉛直方向下方に向ける姿勢で設置される場合、重力は、矢印Ｄで図示するように、下向きに作用する。そのため、軸方向可動体１６の自重は、駆動ピストン２２の下向きの駆動力を補助するように働く。駆動ピストン２２には上動時に比べて下動時に大きな駆動力が働く。よって、典型的なガス駆動式のＧＭ冷凍機においては、ディスプレーサの下死点でディスプレーサとディスプレーサシリンダの衝突または接触が生じやすい。
【００４４】
ところが、コールドヘッド１４にはガスばね室４８が設けられている。ガスばね室４８に貯留されたガスは、駆動ピストン２２が下動するときに圧縮され、圧力が高まる。この圧力は重力と逆向きに働くから、駆動ピストン２２に作用する駆動力が小さくなる。駆動ピストン２２が下死点ＬＰ２に到達する直前の速度を遅くすることができる。
【００４５】
こうして、駆動ピストン２２とピストンシリンダ２８の、及び／またはディスプレーサ２０とディスプレーサシリンダ２６の、接触または衝突を回避することができる。あるいは、たとえ衝突が起こったとしても、駆動ピストン２２の速度低下により衝突エネルギーが低減されるので、衝突音は抑制される。
【００４６】
さらに、ＧＭ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（すなわち駆動室４６）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。
【００４７】
作動ガス回路５２は、ロータリーバルブ５４を備える。ロータリーバルブ５４は、コールドヘッドハウジング１８の中に配設され、圧縮機１２と配管で接続されていてもよい。ロータリーバルブ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。
【００４８】
ロータリーバルブ５４は、主圧力切換バルブ６０と副圧力切換バルブ６２を備える。主圧力切換バルブ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。副圧力切換バルブ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。
【００４９】
主圧力切換バルブ６０は、圧縮機１２をコールドヘッド１４の室温室３６に接続する主吸排気流路６４に配設されている。主吸排気流路６４は主圧力切換バルブ６０にて主吸気路６４ａと主排気路６４ｂに分岐している。主吸気開閉バルブＶ１は、主吸気路６４ａに配設され、圧縮機吐出口１２ａを室温室３６に接続する。主排気開閉バルブＶ２は、主排気路６４ｂに配設され、圧縮機吸入口１２ｂを室温室３６に接続する。
【００５０】
主圧力切換バルブ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。主圧力切換バルブ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。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から主吸排気流路６４を通じてディスプレーサシリンダ２６に作動ガスが供給される。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。ディスプレーサシリンダ２６から主吸排気流路６４を通じて圧縮機吸入口１２ｂに作動ガスが回収される。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。このようにして、ディスプレーサシリンダ２６は、圧縮機吐出口１２ａ及び圧縮機吸入口１２ｂと交互に接続される。
【００５１】
副圧力切換バルブ６２は、圧縮機１２をピストンシリンダ２８の駆動室４６に接続する副吸排気流路６６に配設されている。副吸排気流路６６は副圧力切換バルブ６２にて副吸気路６６ａと副排気路６６ｂに分岐している。副吸気開閉バルブＶ３は、副吸気路６６ａに配設され、圧縮機吐出口１２ａを駆動室４６に接続する。副排気開閉バルブＶ４は、副排気路６６ｂに配設され、圧縮機吸入口１２ｂを駆動室４６に接続する。
【００５２】
副圧力切換バルブ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の駆動室４６に選択的に連通するよう構成されている。副圧力切換バルブ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。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から副吸排気流路６６を通じて駆動室４６に作動ガスが供給される。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。駆動室４６から副吸排気流路６６を通じて圧縮機吸入口１２ｂに作動ガスが回収される。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。このようにして、駆動室４６は、圧縮機吐出口１２ａ及び圧縮機吸入口１２ｂと交互に接続される。
【００５３】
この一群のバルブ（Ｖ１〜Ｖ４）は、詳細は後述するが、ＧＭ冷凍機１０を冷却するための冷却用バルブタイミングに従って、またはＧＭ冷凍機１０を加熱するための加熱用バルブタイミングに従って動作可能である。
【００５４】
一群のバルブ（Ｖ１〜Ｖ４）がロータリーバルブ５４に組み込まれており、同期して駆動される。ロータリーバルブ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、ＧＭ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。
【００５５】
ＧＭ冷凍機１０は、ロータリーバルブ回転軸まわりにロータリーバルブ５４を回転させるようロータリーバルブ５４に連結された逆転可能モータ５６を備える。逆転可能モータ５６はロータリーバルブ５４と機械的に連結される。ロータリーバルブ５４は、逆転可能モータ５６が正転するとき冷却用バルブタイミングに従って動作し、逆転可能モータ５６が逆転するとき加熱用バルブタイミングに従って動作するよう構成される。
【００５６】
ＧＭ冷凍機１０は、逆転可能モータ５６の回転方向を制御するモータ制御部５８を備えてもよい。モータ制御部５８は、使用者による入力に従って逆転可能モータ５６の回転方向を切り替えるよう構成されていてもよい。例えば、モータ制御部５８は、使用者が操作する切替スイッチを備えてもよい。この切替スイッチの操作により逆転可能モータ５６の回転方向が反転する（正転から逆転、または逆転から正転に切り替わる）。
【００５７】
ＧＭ冷凍機１０用のロータリーバルブユニットは、ロータリーバルブ５４と逆転可能モータ５６を含む。ロータリーバルブユニットは、モータ制御部５８を含んでもよい。ロータリーバルブユニットは、ＧＭ冷凍機１０のコールドヘッド１４に一体に搭載されてもよい。あるいは、ロータリーバルブユニットは、コールドヘッド１４と別体に設けられコールドヘッド１４と配管で接続されてもよい。
【００５８】
図２は、実施の形態に係るロータリーバルブユニットを示す概略斜視図である。理解を容易にするために、破線により内部構造の一部を示す。
【００５９】
ロータリーバルブ５４は、バルブステータ１５０とバルブロータ１５２を備える。ロータリーバルブ５４がコールドヘッドハウジング１８に収容されている場合には、バルブステータ１５０は、コールドヘッドハウジング１８に固定される。ロータリーバルブ５４がコールドヘッド１４とは別に設けられた場合には、バルブステータ１５０は、ロータリーバルブ５４を収容するバルブハウジングまたはその他の静止部に固定される。
【００６０】
バルブステータ１５０は、第１バルブステータ１５０ａと第２バルブステータ１５０ｂとを含む。第１バルブステータ１５０ａと第２バルブステータ１５０ｂはともにコールドヘッドハウジング１８またはその他の静止部に固定されている。第１バルブステータ１５０ａと第２バルブステータ１５０ｂは円筒状に形成され、ロータリーバルブ回転軸（以下、バルブ回転軸ともいう）１５６と同軸に配置されている。第２バルブステータ１５０ｂが第１バルブステータ１５０ａを囲むように第１バルブステータ１５０ａの外側に配置されている。第２バルブステータ１５０ｂの内側の円筒面が第１バルブステータ１５０ａの外側の円筒面と接触している。
【００６１】
このようにして、バルブステータ１５０は、２つのステータ部品に分割されている。ただし、こうした分割は必須ではなく、バルブステータ１５０は、単一の部品であってもよい。
【００６２】
バルブステータ１５０は、シリンダポート１５８及び駆動室ポート１６０を有する。ロータリーバルブ５４は、シリンダポート１５８を通じて、図１に示される室温室３６に接続され、ディスプレーサシリンダ２６と流体的に連絡している。シリンダポート１５８は、図１に示される主吸排気流路６４にあたる。またロータリーバルブ５４は、駆動室ポート１６０を通じて、図１に示される駆動室４６に接続され、ピストンシリンダ２８と流体的に連絡している。駆動室ポート１６０は、図１に示される副吸排気流路６６にあたる。
【００６３】
シリンダポート１５８及び駆動室ポート１６０は、第２バルブステータ１５０ｂの円筒側面に開口している。シリンダポート１５８と駆動室ポート１６０は、バルブ回転軸１５６を挟んで互いに反対側に配置されている。シリンダポート１５８は、第２バルブステータ１５０ｂから第１バルブステータ１５０ａへと両者の接触面を貫通している。第２バルブステータ１５０ｂと第１バルブステータ１５０ａとの接触面においてＯリングなどのシール部材によってシリンダポート１５８と駆動室ポート１６０を互いにシールするために、シリンダポート１５８と駆動室ポート１６０はバルブ回転軸１５６の方向に異なる位置にある。
【００６４】
またバルブステータ１５０は、高圧ポート１６２を有する。ロータリーバルブ５４は、高圧ポート１６２を通じて、図１に示される圧縮機吐出口１２ａに接続され、圧縮機１２と流体的に連絡している。高圧ポート１６２は、図１に示される主吸気路６４ａ及び副吸気路６６ａにあたる。高圧ポート１６２は、第１バルブステータ１５０ａの底面（すなわちバルブ回転軸１５６の方向にバルブロータ１５２とは反対側の面）に開口している。
【００６５】
バルブロータ１５２は、バルブ回転軸１５６まわりにバルブステータ１５０に対し回転するよう逆転可能モータ５６に連結されている。例えば、バルブロータ１５２は、バルブ回転軸１５６の方向に一端側で、クランク機構などの回転伝達機構１６６を介して逆転可能モータ５６の出力軸に連結されている。バルブロータ１５２は、逆転可能モータ５６の出力軸に直接連結されていてもよい。バルブロータ１５２は、矢印Ｒで示されるように、バルブ回転軸１５６まわりに正逆両方向に回転可能である。
【００６６】
またバルブロータ１５２は、バルブ回転軸１５６の方向に他端側で、バルブステータ１５０に対し回転摺動するようバルブステータ１５０と面接触している。バルブロータ１５２とバルブステータ１５０の面接触は、バルブステータ１５０とバルブロータ１５２を流通する作動ガスの気密性を保持するようになっている。換言すれば、バルブロータ１５２とバルブステータ１５０との接触面圧によって、バルブロータ１５２及びバルブステータ１５０の回転摺動面を貫通する高圧ガス流路と低圧ガス流路は、互いにシールされている。
【００６７】
バルブロータ１５２は、第１バルブロータ１５２ａと第２バルブロータ１５２ｂとを含む。第１バルブロータ１５２ａ及び第２バルブロータ１５２ｂは、バルブ回転軸１５６まわりにバルブステータ１５０に対し回転するよう逆転可能モータ５６に連結されている。第１バルブロータ１５２ａは、回転によりディスプレーサシリンダ２６を圧縮機吐出口及び圧縮機吸入口に交互に接続するよう構成されている。第２バルブロータ１５２ｂは、回転によりピストンシリンダ２８を圧縮機吐出口及び圧縮機吸入口に交互に接続するよう構成されている。ロータリーバルブ５４の内部の流路構成については後述する。
【００６８】
第１バルブロータ１５２ａと第２バルブロータ１５２ｂは円筒状に形成され、バルブ回転軸１５６と同軸に配置されている。第２バルブロータ１５２ｂが第１バルブロータ１５２ａを囲むように第１バルブロータ１５２ａの外側に配置されている。第２バルブロータ１５２ｂの内側の円筒面が第１バルブロータ１５２ａの外側の円筒面と接触している。第２バルブロータ１５２ｂは、バルブ回転軸１５６の方向に一端側が閉じられ他端側が開放されており、第１バルブロータ１５２ａを嵌め入れる凹部を有する。第２バルブロータ１５２ｂの閉じた端部に第１バルブロータ１５２ａの上面（バルブ回転軸１５６の方向にバルブステータ１５０とは反対側の面）が接触している。
【００６９】
このようにして、バルブロータ１５２は、２つのロータ部品に分割されている。
【００７０】
バルブロータ１５２は、主低圧ポート１６４及び副低圧ポート１６５を有する。ロータリーバルブ５４は、主低圧ポート１６４及び副低圧ポート１６５を通じて、図１に示される圧縮機吸入口１２ｂに接続され、圧縮機１２と流体的に連絡している。主低圧ポート１６４は、図１に示される主排気路６４ｂにあたる。副低圧ポート１６５は、図１に示される副排気路６６ｂにあたる。主低圧ポート１６４及び副低圧ポート１６５は、第２バルブロータ１５２ｂの上面に開口している。図においては主低圧ポート１６４が２つのガス出口を含むが、ガス出口は１つだけでもよい。
【００７１】
第１バルブロータ１５２ａは、第１バルブステータ１５０ａに対し回転摺動するよう第１バルブステータ１５０ａと面接触している。第１バルブロータ１５２ａの外径は第１バルブステータ１５０ａの外径と一致している。第２バルブロータ１５２ｂは、第２バルブステータ１５０ｂに対し回転摺動するよう第２バルブステータ１５０ｂと面接触している。第２バルブロータ１５２ｂの内径及び外径は、第２バルブステータ１５０ｂの内径及び外径と一致している。なお外径については第２バルブロータ１５２ｂと第２バルブステータ１５０ｂとで異なっていてもよい。
【００７２】
第１バルブステータ１５０ａと第１バルブロータ１５２ａの組み合わせが、図１に示される主圧力切換バルブ６０、すなわち主吸気開閉バルブＶ１及び主排気開閉バルブＶ２を構成する。第２バルブステータ１５０ｂと第２バルブロータ１５２ｂの組み合わせが、図１に示される副圧力切換バルブ６２、すなわち副吸気開閉バルブＶ３及び副排気開閉バルブＶ４を構成する。
【００７３】
第１バルブロータ１５２ａと第２バルブロータ１５２ｂは、バルブロータ連結機構１６８によって互いに連結されている。バルブロータ連結機構１６８は、逆転可能モータ５６が正転するとき第１バルブロータ１５２ａが第２バルブロータ１５２ｂと第１相対角度を保持して両バルブロータがバルブ回転軸１５６まわりに回転するように、かつ逆転可能モータ５６が逆転するとき第１バルブロータ１５２ａが第２バルブロータ１５２ｂと第２相対角度を保持して両バルブロータがバルブ回転軸１５６まわりに回転するように、第１バルブロータ１５２ａと第２バルブロータ１５２ｂを互いに連結する。逆転可能モータ５６の回転は回転伝達機構１６６を介して（または直接）第２バルブロータ１５２ｂに伝えられ、第２バルブロータ１５２ｂの回転はバルブロータ連結機構１６８を介して第１バルブロータ１５２ａに伝えられる。こうして、第１バルブロータ１５２ａと第２バルブロータ１５２ｂは、一体に回転する。
【００７４】
バルブロータ連結機構１６８は、逆転可能モータ５６の回転方向の反転に伴って第１バルブロータ１５２ａと第２バルブロータ１５２ｂの相対位置を変更するよう構成されている。より具体的には、バルブロータ連結機構１６８は、逆転可能モータ５６の回転方向の反転に伴って第１相対角度と第２相対角度とを切り替えるよう構成されている。バルブロータ連結機構１６８の詳細は後述する。
【００７５】
第２相対角度は、第１相対角度と異なる。詳細は後述するが、第１相対角度は、ＧＭ冷凍機１０を冷却するよう設計されている。第２相対角度は、ＧＭ冷凍機１０を加熱するよう設計されている。第２相対角度は、３０°から６０°の範囲から選択された角度だけ第１相対角度からずれていてもよい。第２相対角度は、第１相対角度から約４５°ずれていてもよい。このようにすれば、逆転可能モータ５６が正転するとき冷却用バルブタイミングに従ってロータリーバルブ５４を動作させ、逆転可能モータ５６が逆転するとき加熱用バルブタイミングに従ってロータリーバルブ５４を動作させることができる。
【００７６】
図３（ａ）から図５（ｂ）を参照して、ロータリーバルブ５４の流路構成を説明する。
【００７７】
図３（ａ）から図３（ｅ）は、実施の形態に係るロータリーバルブユニットの回転摺動面を示す概略平面図である。図３（ａ）にはバルブロータ１５２と面接触するバルブステータ１５０の面を示し、図３（ｂ）から図３（ｅ）にはバルブステータ１５０と面接触するバルブロータ１５２の面を示す。図３（ｂ）から図３（ｅ）には、バルブロータ１５２に関し、第１バルブロータ１５２ａと第２バルブロータ１５２ｂの相対位置のいくつかの例を示す。
【００７８】
また、図４（ａ）、図４（ｂ）、図５（ａ）、及び図５（ｂ）は、ロータリーバルブ５４内部の流路構成を説明するための概略断面図である。理解を容易にするために、図４（ａ）においては、図３（ｄ）に示されるバルブロータ１５２を例として、主吸気開閉バルブＶ１及び副吸気開閉バルブＶ３が開いた状態（つまり主排気開閉バルブＶ２及び副排気開閉バルブＶ４は閉じた状態）を示す。また図４（ｂ）においては、図３（ｄ）に示されるバルブロータ１５２を例として、主排気開閉バルブＶ２及び副排気開閉バルブＶ４が開いた状態（つまり主吸気開閉バルブＶ１及び副吸気開閉バルブＶ３は閉じた状態）を示す。
【００７９】
また、図５（ａ）においては、図３（ｅ）に示されるバルブロータ１５２を例として、主吸気開閉バルブＶ１及び副排気開閉バルブＶ４が開いた状態（つまり主排気開閉バルブＶ２及び副吸気開閉バルブＶ３は閉じた状態）を示す。また図５（ｂ）においては、図３（ｅ）に示されるバルブロータ１５２を例として、主排気開閉バルブＶ２及び副吸気開閉バルブＶ３が開いた状態（つまり主吸気開閉バルブＶ１及び副排気開閉バルブＶ４は閉じた状態）を示す。図４（ａ）から図５（ｂ）は、バルブ回転軸１５６を含む断面を示す。
【００８０】
図３（ａ）に示されるように、第１バルブステータ１５０ａは第１ステータ平面１７０ａを有し、第２バルブステータ１５０ｂは第２ステータ平面１７０ｂを有する。第１ステータ平面１７０ａは第１バルブステータ１５０ａの端面であり、第２ステータ平面１７０ｂは第２バルブステータ１５０ｂの端面である。上述のようにバルブステータ１５０は第１バルブステータ１５０ａ及び第２バルブステータ１５０ｂを内筒及び外筒とする二重円筒構造をもつから、第１ステータ平面１７０ａは円形領域を有し、第２ステータ平面１７０ｂは第１ステータ平面１７０ａを囲む円環領域を有する。第１ステータ平面１７０ａと第２ステータ平面１７０ｂは、バルブ回転軸１５６の方向に概ね同じ高さに位置しており、よって第１ステータ平面１７０ａと第２ステータ平面１７０ｂは概ね同じ平面上にある。
【００８１】
第１ステータ平面１７０ａには高圧ポート１６２及びシリンダポート１５８が開口している。高圧ポート１６２は第１ステータ平面１７０ａの中心に位置する。すなわち高圧ポート１６２は、バルブ回転軸１５６の方向に第１バルブステータ１５０ａを貫通している。シリンダポート１５８は、第１ステータ平面１７０ａの外周部から第２バルブステータ１５０ｂの円筒側面へと貫通している。すなわちシリンダポート１５８は、バルブ回転軸１５６の方向に第１バルブステータ１５０ａ内に進入し、径方向外向きに屈曲され、第１バルブステータ１５０ａの円筒側面に開口している。そして、シリンダポート１５８は、第２バルブステータ１５０ｂを径方向に貫通する穴へとつながっている。
【００８２】
第２ステータ平面１７０ｂには駆動室ポート１６０が開口している。駆動室ポート１６０は、高圧ポート１６２（すなわちバルブ回転軸１５６）を挟んでシリンダポート１５８と反対側に位置する。駆動室ポート１６０は、第２ステータ平面１７０ｂからバルブ回転軸１５６の方向に第２バルブステータ１５０ｂ内に進入し、径方向外向きに屈曲され、第２バルブステータ１５０ｂの円筒側面へと貫通している。
【００８３】
図３（ｂ）に示されるように、第１バルブロータ１５２ａは、第１ステータ平面１７０ａと面接触する第１ロータ平面１７２ａを有し、第２バルブロータ１５２ｂは、第２ステータ平面１７０ｂと面接触する第２ロータ平面１７２ｂを有する。第１ロータ平面１７２ａは第１バルブロータ１５２ａの端面であり、第２ロータ平面１７２ｂは第２バルブロータ１５２ｂの端面である。上述のようにバルブロータ１５２は第１バルブロータ１５２ａ及び第２バルブロータ１５２ｂを内筒及び外筒とする二重円筒構造をもつから、第１ロータ平面１７２ａは円形領域を有し、第２ロータ平面１７２ｂは第１ロータ平面１７２ａを囲む円環領域を有する。第１バルブステータ１５０ａと第２バルブステータ１５０ｂは、バルブ回転軸１５６の方向に概ね同じ高さに位置しており、よって第１バルブステータ１５０ａと第２バルブステータ１５０ｂは概ね同じ平面上にある。
【００８４】
第１ロータ平面１７２ａには、第１ロータ高圧流路１７４が開口している。第１ロータ高圧流路１７４は、第１ロータ平面１７２ａの中心部から径方向外側に延びる矩形状または長円状のガス入口を第１ロータ平面１７２ａ上に定める。このガス入口は第１ロータ平面１７２ａの径方向に延びている。ただし、第１ロータ高圧流路１７４は第１バルブロータ１５２ａの円筒側面までは達していない。第１ロータ高圧流路１７４の径方向長さは、第１ステータ平面１７０ａ上の高圧ポート１６２からシリンダポート１５８までの径方向長さとほぼ等しい。第１ロータ高圧流路１７４の外周部とシリンダポート１５８とはバルブ回転軸１５６を中心とする概ね同一円周上に位置する。
【００８５】
第１ロータ高圧流路１７４の中心部は、第１ロータ平面１７２ａから、バルブ回転軸１５６の方向に第１バルブロータ１５２ａの上面（第１ロータ平面１７２ａとは反対側の端面）まで貫通している（図４（ａ）参照）。第１ロータ高圧流路１７４は、高圧ポート１６２と常時つながっている。
【００８６】
また第１ロータ平面１７２ａには、第１ロータ低圧流路１７６が開口している。第１ロータ平面１７２ａ上でのバルブ回転軸１５６から第１ロータ低圧流路１７６までの径方向長さは、第１ステータ平面１７０ａ上でのバルブ回転軸１５６からシリンダポート１５８までの径方向長さとほぼ等しい。第１ロータ低圧流路１７６とシリンダポート１５８とはバルブ回転軸１５６を中心とする概ね同一円周上に位置する。第１ロータ低圧流路１７６は、バルブ回転軸１５６に対し第１ロータ高圧流路１７４とは反対側に位置する。第１ロータ低圧流路１７６は、第１ロータ平面１７２ａから、バルブ回転軸１５６の方向に第１バルブロータ１５２ａの上面まで貫通している（図４（ａ）参照）。
【００８７】
第２ロータ平面１７２ｂには、副低圧ポート１６５及び第２ロータ高圧流路１７８が開口している。副低圧ポート１６５、第２ロータ高圧流路１７８、及び第２ステータ平面１７０ｂ上の駆動室ポート１６０は、バルブ回転軸１５６を中心とする概ね同一円周上に位置する。副低圧ポート１６５は、バルブ回転軸１５６の方向に第２バルブロータ１５２ｂの上面まで貫通している。第２ロータ高圧流路１７８は、第２バルブロータ１５２ｂの内部で折れ曲がり、第１ロータ高圧流路１７４に至る（図４（ａ）参照）。第２ロータ高圧流路１７８は、第１バルブロータ１５２ａの上面にて第１ロータ高圧流路１７４と常時つながっている。
【００８８】
図４（ａ）に示されるように、主低圧ポート１６４は、第２バルブロータ１５２ｂの上面から第２バルブロータ１５２ｂを貫通している。そして、主低圧ポート１６４は、円弧状の低圧溝１８０を含む。円弧状の低圧溝１８０は、第１バルブロータ１５２ａが第２バルブロータ１５２ｂと接触する面（すなわち第１バルブロータ１５２ａの上面と対向する第２バルブロータ１５２ｂの面）に形成されている（破線で示す）。図７にも示されるように、円弧状の低圧溝１８０と第１ロータ低圧流路１７６は、バルブ回転軸１５６を中心とする概ね同一円周上に位置する。第１ロータ低圧流路１７６は円弧状の低圧溝１８０を通じて主低圧ポート１６４と常時つながっている。このようにして、主低圧ポート１６４は、第２ロータ高圧流路１７８を避けるように第２バルブロータ１５２ｂに形成されている。
【００８９】
図３（ｂ）には、逆転可能モータ５６が正転するときの第１バルブロータ１５２ａと第２バルブロータ１５２ｂの相対位置を示す。第１バルブロータ１５２ａは第２バルブロータ１５２ｂに対し第１相対角度６８を有する。第１バルブロータ１５２ａが第２バルブロータ１５２ｂとバルブ回転軸１５６まわりに第１相対角度６８を保持しながら、バルブロータ１５２が正転方向７２に回転することによって、ロータリーバルブ５４は、冷却用バルブタイミングで動作する。図３（ｂ）には、第１ロータ高圧流路１７４及び第１ロータ低圧流路１７６を通る第１ロータ平面１７２ａの中心線７４と、副低圧ポート１６５及び第２ロータ高圧流路１７８を通る第２ロータ平面１７２ｂの中心線７６を併せて示す。第１相対角度６８は、第１ロータ平面１７２ａの中心線７４が、第２ロータ平面１７２ｂの中心線７６となす角度として表すことができ、ここで、第１相対角度６８は、４５°である。
【００９０】
図３（ｃ）には、逆転可能モータ５６が逆転するときの第１バルブロータ１５２ａと第２バルブロータ１５２ｂの相対位置を示す。第１バルブロータ１５２ａは第２バルブロータ１５２ｂに対し第２相対角度７０を有する。第１バルブロータ１５２ａが第２バルブロータ１５２ｂとバルブ回転軸１５６まわりに第２相対角度７０を保持しながら、バルブロータ１５２が逆転方向８０に回転することによって、ロータリーバルブ５４は、加熱用バルブタイミングで動作する。第２相対角度７０は、第１ロータ平面１７２ａの中心線７４が、第２ロータ平面１７２ｂの中心線７６となす角度として表すことができ、ここで、第２相対角度７０は、９０°である。したがって、第２相対角度７０は、第１相対角度６８から４５°ずれている。
【００９１】
このように、第１バルブロータ１５２ａと第２バルブロータ１５２ｂの角度的な相対位置関係が、冷却用バルブタイミングと加熱用バルブタイミングとで異なる。図３（ｂ）と図３（ｃ）を対比するとわかるように、第１バルブロータ１５２ａが第２バルブロータ１５２ｂに対し４５°回転している。
【００９２】
図３（ｄ）には、他の例として、第１バルブロータ１５２ａと第２バルブロータ１５２ｂの相対角度が０°の場合を示す。図３（ｅ）には、第１バルブロータ１５２ａと第２バルブロータ１５２ｂの相対角度が１８０°の場合を示す。
【００９３】
図３（ｂ）に示されるように、第１バルブロータ１５２ａは、第１円筒面１７３ａを有し、第２バルブロータ１５２ｂは、第２円筒面１７３ｂを有する。第１円筒面１７３ａは、第１バルブロータ１５２ａの側面であり、第２円筒面１７３ｂは、第２バルブロータ１５２ｂの内側の側面である。第１円筒面１７３ａと第２円筒面１７３ｂは、互いに接触している。
【００９４】
ロータリーバルブ５４は、作動ガス流路の出入口が第１円筒面１７３ａと第２円筒面１７３ｂのいずれにも存在しないよう構成されている。第１バルブロータ１５２ａの作動ガス流路はすべて、回転摺動面である第１ロータ平面１７２ａから、反対側の面である上面へと貫通している。第２バルブロータ１５２ｂの作動ガス流路は、回転摺動面である第２ロータ平面１７２ｂから、上面または第１バルブロータ１５２ａとの接触面へと貫通している。
【００９５】
このようにすれば、作動ガス流路が存在しないから、第１円筒面１７３ａと第２円筒面１７３ｂの間には、Ｏリングなどのシール部材を設ける必要がない。仮にシール部材が設けられたとすると、第１バルブロータ１５２ａに対する第２バルブロータ１５２ｂの相対回転は、シール部材に不所望の変形を生じさせうる。その結果、シール部材の耐久性に影響が生じうる。
【００９６】
ある実施の形態においては、ロータリーバルブ５４は、作動ガス流路の出入口が第１円筒面１７３ａと第２円筒面１７３ｂに存在するように構成されていてもよい。その場合、第１円筒面１７３ａと第２円筒面１７３ｂの間にＯリングなどのシール部材が設けられてもよい。
【００９７】
相対回転における摺動性を向上するために、第１バルブロータ１５２ａと第２バルブロータ１５２ｂは、異なる材料で形成されることが望ましい。同様に、良好な摺動のために、バルブステータ１５０とバルブロータ１５２は異なる材料で形成されることが望ましい。例えば、２つの摺動部品の一方が金属材料（例えばアルミ材または鉄材）、他方が樹脂材料（例えば、エンジニアリングプラスチック材料、フッ素樹脂材料）で形成される場合、良好な摺動性を得ることができる。
【００９８】
したがって、第１ステータ平面１７０ａが樹脂材料で形成され、第２ステータ平面１７０ｂが金属材料で形成され、第１ロータ平面１７２ａが金属材料で形成され、第２ロータ平面１７２ｂが樹脂材料で形成されていてもよい。あるいは、第１ステータ平面１７０ａが金属材料で形成され、第２ステータ平面１７０ｂが樹脂材料で形成され、第１ロータ平面１７２ａが樹脂材料で形成され、第２ロータ平面１７２ｂが金属材料で形成されていてもよい。ここで、ロータ平面を含むバルブロータの一部分のみ、またはステータ平面を含むバルブステータの一部分のみが所望の材料で形成されていてもよい。あるいは、バルブステータの全体、またはバルブロータの全体が所望の材料で形成されていてもよい。
【００９９】
ロータリーバルブ５４において主吸気開閉バルブＶ１は、高圧ポート１６２、第１ロータ高圧流路１７４、及びシリンダポート１５８によって構成される。バルブロータ１５２の回転中において、第１ロータ高圧流路１７４がシリンダポート１５８と重なるとき高圧ポート１６２がシリンダポート１５８と接続する。高圧ポート１６２から第１ロータ高圧流路１７４を通じてシリンダポート１５８への高圧作動ガスの流入が可能となる。これが主吸気開閉バルブＶ１の開状態である（図４（ａ）及び図５（ａ））。一方、第１ロータ高圧流路１７４がシリンダポート１５８と重ならないとき高圧ポート１６２がシリンダポート１５８から切断され、高圧ポート１６２からシリンダポート１５８への作動ガスの流入は不能となる。これが主吸気開閉バルブＶ１の閉状態である（図４（ｂ）及び図５（ｂ））。
【０１００】
主排気開閉バルブＶ２は、シリンダポート１５８、第１ロータ低圧流路１７６、及び主低圧ポート１６４によって構成される。バルブロータ１５２の回転中において、第１ロータ低圧流路１７６がシリンダポート１５８と重なるときシリンダポート１５８が主低圧ポート１６４と接続する。シリンダポート１５８から第１ロータ低圧流路１７６を通じて主低圧ポート１６４へと低圧作動ガスの流出が可能となる。これが主排気開閉バルブＶ２の開状態である（図４（ｂ）及び図５（ｂ））。一方、第１ロータ低圧流路１７６がシリンダポート１５８と重ならないとき主低圧ポート１６４からシリンダポート１５８が切断され、シリンダポート１５８から主低圧ポート１６４への作動ガスの流出は不能となる。これが主排気開閉バルブＶ２の閉状態である（図４（ａ）及び図５（ａ））。
【０１０１】
副吸気開閉バルブＶ３は、高圧ポート１６２、第１ロータ高圧流路１７４、第２ロータ高圧流路１７８、及び駆動室ポート１６０によって構成される。バルブロータ１５２の回転中において、第２ロータ高圧流路１７８が駆動室ポート１６０と重なるとき高圧ポート１６２が駆動室ポート１６０と接続する。高圧ポート１６２から第１ロータ高圧流路１７４及び第２ロータ高圧流路１７８を通じて駆動室ポート１６０への高圧作動ガスの流入が可能となる。これが副吸気開閉バルブＶ３の開状態である（図４（ａ）及び図５（ａ））。一方、第２ロータ高圧流路１７８が駆動室ポート１６０と重ならないとき高圧ポート１６２が駆動室ポート１６０から切断され、高圧ポート１６２から駆動室ポート１６０への作動ガスの流入は不能となる。これが副吸気開閉バルブＶ３の閉状態である（図４（ｂ）及び図５（ｂ））。
【０１０２】
副排気開閉バルブＶ４は、駆動室ポート１６０及び副低圧ポート１６５によって構成される。バルブロータ１５２の回転中において、副低圧ポート１６５が駆動室ポート１６０と重なるとき駆動室ポート１６０が副低圧ポート１６５と接続し、駆動室ポート１６０から副低圧ポート１６５へと低圧作動ガスの流出が可能となる。これが副排気開閉バルブＶ４の開状態である（図４（ｂ）及び図５（ｂ））。一方、副低圧ポート１６５が駆動室ポート１６０と重ならないとき副低圧ポート１６５から駆動室ポート１６０が切断され、駆動室ポート１６０から副低圧ポート１６５への作動ガスの流出は不能となる。これが副排気開閉バルブＶ４の閉状態である（図４（ａ）及び図５（ａ））。
【０１０３】
図６及び図７を参照して、バルブロータ連結機構１６８について、例示的な構成を説明する。図６は、実施の形態に係るバルブロータ１５２を示す概略斜視分解図であり、図７は、実施の形態に係る第２バルブロータ１５２ｂを示す概略斜視図である。図７には、第１バルブロータ１５２ａを受け入れるために第２バルブロータ１５２ｂに形成された凹部が、第２ロータ平面１７２ｂとともに示されている。
【０１０４】
バルブロータ連結機構１６８は、連結ピン案内溝１８２、連結ピン１８４、及び連結ピン固定穴１８６を備える。連結ピン案内溝１８２は、第１バルブロータ１５２ａの上面１８８に形成されている。連結ピン案内溝１８２は、バルブ回転軸１５６を中心として円弧状に形成されている。連結ピン案内溝１８２は、第１溝端部１８２ａ及び第２溝端部１８２ｂを有する。第１溝端部１８２ａ及び第２溝端部１８２ｂは、周方向に連結ピン案内溝１８２の両端にあたる。連結ピン案内溝１８２の中心角の大きさは、第１相対角度と第２相対角度の位相差に相当する。したがって、連結ピン案内溝１８２の中心角の大きさは、例えば、３０°から６０°の範囲から選択された角度である。本実施の形態においては、連結ピン案内溝１８２の中心角の大きさは、約４５°である。
【０１０５】
連結ピン１８４は、第２バルブロータ１５２ｂに固定的に支持されている。連結ピン１８４は、バルブ回転軸１５６と平行に延びている。連結ピン１８４の一端が連結ピン案内溝１８２に挿入され、他端が連結ピン固定穴１８６に取り付けられる。連結ピン１８４は、連結ピン固定穴１８６に嵌め込まれて固定されていてもよいし、多少の遊びをもって連結ピン固定穴１８６に挿入されていてもよい。連結ピン固定穴１８６は、第２バルブロータ１５２ｂに形成されている。第２バルブロータ１５２ｂが第１バルブロータ１５２ａの上面１８８と接触する接触面１９０に連結ピン固定穴１８６が形成されている。連結ピン案内溝１８２と連結ピン固定穴１８６は、バルブ回転軸１５６を中心として同一円周上にある。連結ピン固定穴１８６は、円弧状の低圧溝１８０とも同一円周上にある。
【０１０６】
連結ピン１８４は、図１及び図２に示される逆転可能モータ５６が正転するとき第１バルブロータ１５２ａが第２バルブロータ１５２ｂと第１相対角度を保持するよう連結ピン案内溝１８２の第１溝端部１８２ａと係合する。また、連結ピン１８４は、逆転可能モータ５６が逆転するとき第１バルブロータ１５２ａが第２バルブロータ１５２ｂと第２相対角度を保持するよう連結ピン案内溝１８２の第２溝端部１８２ｂと係合する。連結ピン案内溝１８２は、逆転可能モータ５６が正転から逆転に切り替わるとき連結ピン１８４を第１溝端部１８２ａから第２溝端部１８２ｂへと案内し、逆転可能モータ５６が逆転から正転に切り替わるとき連結ピン１８４を第２溝端部１８２ｂから第１溝端部１８２ａへと案内するよう形成されている。
【０１０７】
したがって、逆転可能モータ５６が正転から逆転に切り替わるとき第２バルブロータ１５２ｂが第１バルブロータ１５２ａに対し角度的に変位し、両バルブロータの相対角度が第１相対角度から第２相対角度に切り替わる。また、逆転可能モータ５６が逆転から正転に切り替わるとき第２バルブロータ１５２ｂが第１バルブロータ１５２ａに対し角度的に変位し、両バルブロータの相対角度が第２相対角度から第１相対角度に切り替わる。
【０１０８】
このようにすれば、連結ピン案内溝１８２と連結ピン１８４の組み合わせという比較的簡単な構造で、第１バルブロータ１５２ａと第２バルブロータ１５２ｂの相対角度を切り替えることができる。
【０１０９】
なお、連結ピン案内溝１８２が、第２バルブロータ１５２ｂに形成され、連結ピン１８４が、第１バルブロータ１５２ａに固定的に支持されてもよい。連結ピン固定穴１８６は、第１バルブロータ１５２ａに形成されていてもよい。
【０１１０】
図７には、第２バルブロータ１５２ｂの接触面１９０に形成された円弧状の低圧溝１８０が示されている。円弧状の低圧溝１８０の中心角は、第１相対角度と第２相対角度の位相差より大きく、または等しくてもよい。本実施の形態においては、円弧状の低圧溝１８０の中心角は約２７０°であり、第１相対角度と第２相対角度の位相差の約４５°より大きい。このようにすれば、両バルブロータの相対角度が切り替わっても、円弧状の低圧溝１８０を通じて主低圧ポート１６４を第１ロータ低圧流路１７６と常時接続することができる。
【０１１１】
図８（ａ）から図９（ｃ）を参照して、実施の形態に係るＧＭ冷凍機１０の動作を説明する。図８（ａ）から図８（ｃ）は、ＧＭ冷凍機１０の冷却用バルブタイミングを説明するための図であり、図９（ａ）から図９（ｃ）は、ＧＭ冷凍機１０の加熱用バルブタイミングを説明するための図である。
【０１１２】
図８（ａ）には、ＧＭ冷凍機１０のタイミングチャートを例示し、これが冷却用バルブタイミングの一例を示す。図８（ａ）には、ＧＭ冷凍機１０のバルブ開閉状態が１サイクルにわたり時系列的に示されている。１サイクルが３６０°に対応付けられている。図３（ｂ）に示されるバルブロータ１５２がバルブステータ１５０に対し正転方向７２に回転するとき、ロータリーバルブ５４は、図８（ａ）に示される冷却用バルブタイミングを実現することができる。図示されるように、ロータリーバルブ５４は、副吸気開閉バルブＶ３、主吸気開閉バルブＶ１、副排気開閉バルブＶ４、主排気開閉バルブＶ２の順番で開閉する。副吸気開閉バルブＶ３が開く位相と主吸気開閉バルブＶ１が開く位相との位相差（例えば４５°）が、第１バルブロータ１５２ａと第２バルブロータ１５２ｂとの第１相対角度に基づき定まる。
【０１１３】
図８（ｂ）は、図８（ａ）に示される冷却用バルブタイミングに従ってＧＭ冷凍機１０が動作するときに得られるＧＭ冷凍機１０の動作波形を１サイクルにわたって示す。実線はディスプレーサシリンダ２６の圧力波形、一点鎖線は駆動室４６の圧力波形、点線はディスプレーサ２０の位置波形を表す。
【０１１４】
ディスプレーサシリンダ２６の圧力波形は、駆動室４６の圧力波形から４５°遅れている。これにより、ディスプレーサシリンダ２６の作動ガス室（すなわち膨張室３４及び室温室３６）と駆動室４６との間に差圧が発生し、ディスプレーサ２０を移動させることができる。図示されるように、ディスプレーサ２０が下死点ＬＰ１に位置するときディスプレーサシリンダ２６で吸気工程が行われ、ディスプレーサ２０が上死点ＵＰ１に位置するときディスプレーサシリンダ２６で排気工程が行われる。つまり膨張室３４が最大の容積をとるとき高圧（ＰＨ）の作動ガスが膨張し減圧される。したがって、通常の冷凍サイクルと同様に、ＧＭ冷凍機１０は寒冷を発生することができる。
【０１１５】
図８（ｃ）は、図８（ａ）に示される冷却用バルブタイミングに従ってＧＭ冷凍機１０が動作するときに得られるＰＶ図である。ＰＶ図が時計回りに閉じた図形を描いていることから、作動ガスは外部から吸熱している。ここからも、ＧＭ冷凍機１０が冷却用バルブタイミングに従って動作するとき寒冷を発生することがわかる。
【０１１６】
図９（ａ）には、ＧＭ冷凍機１０のタイミングチャートを例示し、これが加熱用バルブタイミングの一例を示す。図３（ｃ）に示されるバルブロータ１５２がバルブステータ１５０に対し逆転方向８０に回転するとき、ロータリーバルブ５４は、図９（ａ）に示される加熱用バルブタイミングを実現することができる。逆転可能モータ５６によってロータリーバルブ５４が逆転するため、図示されるように、ロータリーバルブ５４は、主排気開閉バルブＶ２、副排気開閉バルブＶ４、主吸気開閉バルブＶ１、副吸気開閉バルブＶ３の順番で開閉する。図９（ａ）の加熱用バルブタイミングは、図８（ｂ）の冷却用バルブタイミングとは逆のバルブ開閉順序である。副吸気開閉バルブＶ３が開く位相と主吸気開閉バルブＶ１が開く位相との位相差が、第１バルブロータ１５２ａと第２バルブロータ１５２ｂとの第２相対角度に基づき定まる。
【０１１７】
図９（ｂ）は、図９（ａ）に示される加熱用バルブタイミングに従ってＧＭ冷凍機１０が動作するときに得られるＧＭ冷凍機１０の動作波形を１サイクルにわたって示す。図８（ｂ）と同様に、実線はディスプレーサシリンダ２６の圧力波形、一点鎖線は駆動室４６の圧力波形、点線はディスプレーサ２０の位置波形を表す。
【０１１８】
ディスプレーサシリンダ２６の圧力波形は、駆動室４６の圧力波形から９０°進んでいる。これにより、ディスプレーサシリンダ２６の作動ガス室（すなわち膨張室３４及び室温室３６）と駆動室４６との間に差圧が発生し、ディスプレーサ２０を移動させることができる。図示されるように、ディスプレーサ２０が下死点ＬＰ１またはその近傍に位置するときディスプレーサシリンダ２６で排気工程が行われ、ディスプレーサ２０が上死点ＵＰ１またはその近傍に位置するときディスプレーサシリンダ２６で吸気工程が行われる。つまり膨張室３４が最大の容積をとるとき高圧（ＰＨ）の作動ガスが導入され圧縮される。したがって、ＧＭ冷凍機１０は発熱することができる。
【０１１９】
図９（ｃ）は、図９（ａ）に示される加熱用バルブタイミングに従ってＧＭ冷凍機１０が動作するときに得られるＰＶ図である。ＰＶ図が反時計回りに閉じた図形を描いていることから、作動ガスは外部に発熱している。ここからも、ＧＭ冷凍機１０が加熱用バルブタイミングに従って動作するとき熱を発生することがわかる。
【０１２０】
このようにして、実施の形態に係るＧＭ冷凍機１０によると、逆転可能モータ５６によってロータリーバルブ５４が正転するときＧＭ冷凍機１０には冷凍サイクルが形成され、ＧＭ冷凍機１０は冷却される。そして、逆転可能モータ５６の回転方向が正転から逆転に切り替わるとき第１バルブロータ１５２ａと第２バルブロータ１５２ｂの相対角度が第１相対角度から第２相対角度に切り替わる。逆転可能モータ５６によってロータリーバルブ５４が逆転するときＧＭ冷凍機１０には昇温サイクルが形成され、作動ガスの圧縮熱に基づきＧＭ冷凍機１０を昇温することができる。
【０１２１】
実施の形態に係るＧＭ冷凍機１０によると、ガス駆動型のＧＭ冷凍機においてはじめて、モータ駆動型のＧＭ冷凍機の逆転昇温と同様に作動ガスの圧縮熱に基づく昇温が可能となった。作動ガスの圧縮熱を利用するので、自然昇温に比べて、効率的に短時間でＧＭ冷凍機１０を昇温することができる。また、電気ヒータなど加熱素子を追加することなく、ＧＭ冷凍機１０を室温よりも高温まで昇温することもできる。
【０１２２】
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。
【０１２３】
上記の実施の形態においては、ロータリーバルブ５４の内筒部（第１バルブステータ１５０ａ及び第１バルブロータ１５２ａ）が主圧力切換バルブ６０を構成し、ロータリーバルブ５４の外筒部（第２バルブステータ１５０ｂ及び第２バルブロータ１５２ｂ）が副圧力切換バルブ６２を構成している。しかし、ロータリーバルブ５４の内筒部が副圧力切換バルブ６２を構成し、ロータリーバルブ５４の外筒部が主圧力切換バルブ６０を構成することも可能である。また、ロータリーバルブ５４の内部の流路構成は、説明したものには限定されず、種々の具体的構成が可能である。
【０１２４】
上記の実施の形態においては、バルブロータ１５２が二部品に分割され、それら二部品の相対位置が切替可能である。しかし、本発明はこれに限られない。図１０は、ある他の実施の形態に係るバルブステータを示す概略断面図である。ある実施の形態においては、バルブステータ１５０が二部品に分割され、それら二部品の相対位置が切替可能であってもよい。この場合、バルブロータ１５２は第１バルブロータ１５２ａと第２バルブロータ１５２ｂが一体化された単一の部品であってもよい。ロータリーバルブ５４は、逆転可能モータ５６が正転するとき第１バルブステータ１５０ａが第２バルブステータ１５０ｂと第１相対角度を保持し、逆転可能モータ５６が逆転するとき第１バルブステータ１５０ａが第２バルブステータ１５０ｂと第２相対角度を保持するように、第１バルブステータ１５０ａと第２バルブステータ１５０ｂを互いに連結するバルブステータ連結機構９２を備えてもよい（図１０参照）。
【０１２５】
バルブステータ連結機構９２は、ボルトなどの締結具によって第１バルブステータ１５０ａを第２バルブステータ１５０ｂと連結するよう構成され、第１相対角度と第２相対角度を切替可能に構成されていてもよい。バルブステータ連結機構９２は、例えば手動によりバルブステータ１５０から取り外し可能とされ、相対角度の切替後に再びバルブステータ１５０に取付可能とされていてもよい。
【０１２６】
上記の実施の形態においては、バルブロータ１５２が二部品に分割され、それら二部品の相対位置としてバルブ回転軸１５６まわりの相対角度が切替可能である。しかし、本発明はこれに限られない。適用可能であれば、ロータリーバルブ５４は、第１バルブロータ１５２ａと第２バルブロータ１５２ｂとの回転軸方向の相対移動によって、冷却用バルブタイミングと加熱用バルブタイミングを切り替えるよう構成されていてもよい。また、ロータリーバルブ５４は、第１バルブステータ１５０ａと第２バルブステータ１５０ｂとの回転軸方向の相対移動によって、冷却用バルブタイミングと加熱用バルブタイミングを切り替えるよう構成されていてもよい。
【０１２７】
図１１（ａ）及び図１１（ｂ）は、更なる他の実施の形態に係るロータリーバルブ５４を示す概略断面図である。なお説明の便宜上、図１１（ａ）及び図１１（ｂ）においてはロータリーバルブ５４の内部流路の図示は省略されている。
【０１２８】
図示されるロータリーバルブ５４においては、第１樹脂バルブ部材が第１金属バルブ部材によって囲まれている場合に、第１樹脂バルブ部材が第１金属バルブ部材に対して軸方向に突出し、それにより第１樹脂バルブ部材の回転摺動面が第１金属バルブ部材の回転摺動面と異なる軸方向高さにある。また、第２金属バルブ部材が第２樹脂バルブ部材によって囲まれている場合に、第２樹脂バルブ部材が第２金属バルブ部材に対して軸方向に突出し、それにより第２樹脂バルブ部材の回転摺動面が第２金属バルブ部材の回転摺動面と異なる軸方向高さにある。
【０１２９】
第２金属バルブ部材は第１樹脂バルブ部材と回転摺動するよう配置され、第１樹脂バルブ部材の径（例えば外径）が、第２金属バルブ部材の径（例えば外径）よりも小さい。また、第１金属バルブ部材は第２樹脂バルブ部材と回転摺動するよう配置され、第２樹脂バルブ部材の径（例えば外径）が、第２金属バルブ部材の径（例えば外径）よりも小さい。
【０１３０】
その結果、第１樹脂バルブ部材のうち回転摺動面を含む部分は、第２樹脂バルブ部材によって囲まれた凹部に入り込んでいる。第１樹脂バルブ部材は、第２樹脂バルブ部材との間に径方向に隙間を有する。第１金属バルブ部材は、第２金属バルブ部材から軸方向に距離をあけて配置されている。
【０１３１】
第１樹脂バルブ部材及び／または第２樹脂バルブ部材は、ロータリーバルブ５４の長期の使用によって摩耗しうる。しかし、第１金属バルブ部材が第２金属バルブ部材から軸方向に距離をあけて配置されているので、樹脂バルブ部材に多少の摩耗が生じたとしても、第１金属バルブ部材と第２金属バルブ部材との接触を避けられる。
【０１３２】
例えば、図１１（ａ）に示されるロータリーバルブ５４においては、第１バルブステータ１５０ａが金属材料で形成され、第２バルブステータ１５０ｂが樹脂材料で形成されている。第１バルブロータ１５２ａが樹脂材料で形成され、第２バルブロータ１５２ｂが金属材料で形成されている。第２バルブステータ１５０ｂが第１バルブステータ１５０ａに対して軸方向に突出している。そのため、第２ステータ平面１７０ｂの軸方向高さが第１ステータ平面１７０ａに比べて高くなっている（図において第２ステータ平面１７０ｂが第１ステータ平面１７０ａに比べて上方に位置する）。第１バルブロータ１５２ａが第２バルブロータ１５２ｂに対して軸方向に突出している。そのため、第１ロータ平面１７２ａの軸方向高さが第２ロータ平面１７２ｂに比べて高くなっている（図において第１ロータ平面１７２ａが第２ロータ平面１７２ｂに比べて下方に位置する）。
【０１３３】
第１バルブロータ１５２ａの径は、第１バルブステータ１５０ａの径より小さい。そのため、第２バルブロータ１５２ｂの内径は、第２バルブステータ１５０ｂの内径より小さい。また、第２バルブステータ１５０ｂの外径は、第２バルブロータ１５２ｂの外径より小さい。
【０１３４】
したがって、第１バルブロータ１５２ａのうち第１ロータ平面１７２ａを含む末端部分は、第２バルブステータ１５０ｂによって囲まれた凹部に入り込んでいる。第１バルブロータ１５２ａは、第２バルブステータ１５０ｂとの間に径方向に隙間９４を有する。第２バルブロータ１５２ｂは、第１バルブステータ１５０ａから軸方向に距離をあけて配置されている。隙間９４の軸方向高さが、第１バルブステータ１５０ａから第２バルブロータ１５２ｂへの軸方向距離に相当する。
【０１３５】
図１１（ｂ）に示されるロータリーバルブ５４においては、第２バルブステータ１５０ｂが金属材料で形成され、第１バルブステータ１５０ａが樹脂材料で形成されている。第２バルブロータ１５２ｂが樹脂材料で形成され、第１バルブロータ１５２ａが金属材料で形成されている。第１バルブステータ１５０ａが第２バルブステータ１５０ｂに対して軸方向に突出している。そのため、第１ステータ平面１７０ａの軸方向高さが第２ステータ平面１７０ｂに比べて高くなっている。第２バルブロータ１５２ｂが第１バルブロータ１５２ａに対して軸方向に突出している。そのため、第２ロータ平面１７２ｂの軸方向高さが第１ロータ平面１７２ａに比べて高くなっている。
【０１３６】
第１バルブステータ１５０ａの径は、第１バルブロータ１５２ａの径より小さい。そのため、第２バルブステータ１５０ｂの内径は、第２バルブロータ１５２ｂの内径より小さい。また、第２バルブロータ１５２ｂの外径は、第２バルブステータ１５０ｂの外径より小さい。
【０１３７】
したがって、第１バルブステータ１５０ａのうち第１ステータ平面１７０ａを含む末端部分は、第２バルブロータ１５２ｂによって囲まれた凹部に入り込んでいる。第１バルブステータ１５０ａは、第２バルブロータ１５２ｂとの間に径方向に隙間９４を有する。第１バルブロータ１５２ａは、第２バルブステータ１５０ｂから軸方向に距離をあけて配置されている。隙間９４の軸方向高さが、第２バルブステータ１５０ｂから第１バルブロータ１５２ａへの軸方向距離に相当する。
【０１３８】
ある実施の形態においては、ロータリーバルブは、ロータリーバルブ回転軸まわりに回転可能なバルブロータまたはバルブステータのうちいずれか一方である第１バルブ要素と、バルブロータまたはバルブステータの他方である第２バルブ要素と、を備えてもよい。第１バルブ要素が、第２バルブ要素に対する相対回転によりディスプレーサシリンダを圧縮機吐出口及び圧縮機吸入口に交互に接続するよう構成された第１部品と、第２バルブ要素に対する相対回転により駆動室を圧縮機吐出口及び圧縮機吸入口に交互に接続するよう構成された第２部品と、を備えてもよい。ロータリーバルブは、逆転可能モータが正転するとき第１部品が第２部品とロータリーバルブ回転軸まわりに第１相対角度を保持し、逆転可能モータが逆転するとき第１部品が第２部品とロータリーバルブ回転軸まわりに第２相対角度を保持するように、第１部品と第２部品を互いに連結する連結機構を備えてもよい。第１相対角度は、極低温冷凍機を冷却するよう設計され、第２相対角度は、極低温冷凍機を加熱するよう設計されていてもよい。連結機構は、逆転可能モータの回転方向の反転に伴って第１相対角度と第２相対角度とを切り替えるよう構成されていてもよい。
【０１３９】
第１バルブ要素は、バルブロータであり、第２バルブ要素は、バルブステータであり、第１部品及び第２部品はそれぞれ、第１バルブロータ及び第２バルブロータであってもよい。あるいは、第１バルブ要素は、バルブステータであり、第２バルブ要素は、バルブロータであり、第１部品及び第２部品はそれぞれ、第１バルブステータ及び第２バルブステータであってもよい。
【０１４０】
上記の実施の形態は、例としてガス駆動型ＧＭ冷凍機に言及して説明された。しかし、本発明はこれに限られない。実施の形態に係るロータリーバルブユニットは、ガス圧でディスプレーサが駆動されるその他の極低温冷凍機に採用されてもよい。また、実施の形態に係るロータリーバルブユニットの適用は、単段式の冷凍機には限られず、二段またはそれ以上の多段冷凍機にも可能である。
【符号の説明】
【０１４１】
１０  ＧＭ冷凍機、  １２  圧縮機、  １２ａ  圧縮機吐出口、  １２ｂ  圧縮機吸入口、  ２０  ディスプレーサ、  ２２  駆動ピストン、  ４６  駆動室、  ５４  ロータリーバルブ、  ５６  逆転可能モータ、  ６８  第１相対角度、  ７０  第２相対角度、  １５０  バルブステータ、  １５０ａ  第１バルブステータ、  １５０ｂ  第２バルブステータ、  １５２  バルブロータ、  １５２ａ  第１バルブロータ、  １５２ｂ  第２バルブロータ、  １５６  バルブ回転軸、  １７０ａ  第１ステータ平面、  １７０ｂ  第２ステータ平面、  １７２ａ  第１ロータ平面、  １７２ｂ  第２ロータ平面、  １７３ａ  第１円筒面、  １７３ｂ  第２円筒面、  １８２  連結ピン案内溝、  １８２ａ  第１溝端部、  １８２ｂ  第２溝端部、  １８４  連結ピン。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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