(57)【要約】【課題】実用に適する多気筒式のＧＭ冷凍機を提供する。【解決手段】ＧＭ冷凍機１０は、軸方向に往復動可能な第１ディスプレーサ２０ａと、第１ディスプレーサ２０ａを軸方向に駆動する第１駆動ピストン２２ａと、第１駆動ピストン２２ａを収容する第１駆動室２８ａと、を備える第１コールドヘッド１４ａと、軸方向に往復動可能な第２ディスプレーサ２０ｂと、第２ディスプレーサ２０ｂを収容する第２シリンダ２６ｂと、を備える第２コールドヘッド１４ｂと、第１駆動室２８ａと第２シリンダ２６ｂに作動ガスを並行して供給するよう第１駆動室２８ａと第２シリンダ２６ｂの両方に接続された第１吸気バルブＶ１と、第１駆動室２８ａと第２シリンダ２６ｂから作動ガスを並行して回収するよう第１駆動室２８ａと第２シリンダ２６ｂの両方に接続された第１排気バルブＶ２と、を備える。【選択図】図１
2018091601.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸方向に往復動可能な第１ディスプレーサと、前記第１ディスプレーサを収容する第１シリンダと、前記第１ディスプレーサを軸方向に駆動する第１駆動ピストンと、前記第１駆動ピストンを収容する第１駆動室と、を備える第１コールドヘッドと、
軸方向に往復動可能な第２ディスプレーサと、前記第２ディスプレーサを収容する第２シリンダと、前記第２ディスプレーサを軸方向に駆動する第２駆動ピストンと、前記第２駆動ピストンを収容する第２駆動室と、を備える第２コールドヘッドと、
前記第１駆動室と前記第２シリンダに作動ガスを並行して供給するよう前記第１駆動室と前記第２シリンダの両方に接続された第１吸気バルブと、
前記第１駆動室と前記第２シリンダから作動ガスを並行して回収するよう前記第１駆動室と前記第２シリンダの両方に接続された第１排気バルブと、
前記第２駆動室と前記第１シリンダに作動ガスを並行して供給するよう前記第２駆動室と前記第１シリンダの両方に接続された第２吸気バルブと、
前記第２駆動室と前記第１シリンダから作動ガスを並行して回収するよう前記第２駆動室と前記第１シリンダの両方に接続された第２排気バルブと、を備えることを特徴とするＧＭ冷凍機。
【請求項２】
前記第１吸気バルブは、前記第１駆動室および前記第２シリンダに作動ガスを供給する第１吸気期間を定め、
前記第１排気バルブは、前記第１駆動室および前記第２シリンダから作動ガスを回収する第１排気期間を定め、
前記第２吸気バルブは、前記第２駆動室および前記第１シリンダに作動ガスを供給する第２吸気期間を定め、前記第２吸気期間は、前記第１排気期間と少なくとも部分的に重なり、
前記第２排気バルブは、前記第２駆動室および前記第１シリンダから作動ガスを回収する第２排気期間を定め、前記第２排気期間は、前記第１吸気期間と少なくとも部分的に重なることを特徴とする請求項１に記載のＧＭ冷凍機。
【請求項３】
前記第２吸気期間は、前記第１吸気期間から遅延され、及び／または、
前記第２排気期間は、前記第１排気期間から遅延されていることを特徴とする請求項２に記載のＧＭ冷凍機。
【請求項４】
前記第２シリンダに接続された第１主流路と、前記第１駆動室に接続された第１副流路と、を備え、前記第１吸気バルブおよび前記第１排気バルブそれぞれを前記第１主流路と前記第１副流路の両方に接続する第１分岐流路と、
前記第１シリンダに接続された第２主流路と、前記第２駆動室に接続された第２副流路と、を備え、前記第２吸気バルブおよび前記第２排気バルブそれぞれを前記第２主流路と前記第２副流路の両方に接続する第２分岐流路と、をさらに備えることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のＧＭ冷凍機。
【請求項５】
前記第１分岐流路は、前記第１副流路が前記第１主流路から分岐する第１分岐点を備え、前記第１副流路は、前記第１分岐点と前記第１駆動室との間に第１流路抵抗部を備え、及び／または、
前記第２分岐流路は、前記第２副流路が前記第２主流路から分岐する第２分岐点を備え、前記第２副流路は、前記第２分岐点と前記第２駆動室との間に第２流路抵抗部を備えることを特徴とする請求項４に記載のＧＭ冷凍機。
【請求項６】
前記第２主流路を前記第１副流路に接続する第１バイパス流路であって、前記第１コールドヘッドが非設置のとき作動ガスを流すよう構成された第１バイパス流路と、
前記第１主流路を前記第２副流路に接続する第２バイパス流路であって、前記第２コールドヘッドが非設置のとき作動ガスを流すよう構成された第２バイパス流路と、をさらに備えることを特徴とする請求項４または５に記載のＧＭ冷凍機。
【請求項７】
前記第１駆動室は、前記第１吸気バルブおよび前記第１排気バルブに接続された第１区画と、前記第１区画から前記第１駆動ピストンによって仕切られた第１ガスばね室と、を備え、及び／または、
前記第２駆動室は、前記第２吸気バルブおよび前記第２排気バルブに接続された第２区画と、前記第２区画から前記第２駆動ピストンによって仕切られた第２ガスばね室と、を備えることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載のＧＭ冷凍機。
【請求項８】
前記第１ガスばね室を前記第２ガスばね室に連絡する短絡流路をさらに備え、前記短絡流路は、流路抵抗部を備えることを特徴とする請求項７に記載のＧＭ冷凍機。
【請求項９】
軸方向に往復動可能な第１ディスプレーサと、前記第１ディスプレーサを軸方向に駆動する第１駆動ピストンと、前記第１駆動ピストンを収容する第１駆動室と、を備える第１コールドヘッドと、
軸方向に往復動可能な第２ディスプレーサと、前記第２ディスプレーサを収容する第２シリンダと、を備える第２コールドヘッドと、
前記第１駆動室と前記第２シリンダに作動ガスを並行して供給するよう前記第１駆動室と前記第２シリンダの両方に接続された第１吸気バルブと、
前記第１駆動室と前記第２シリンダから作動ガスを並行して回収するよう前記第１駆動室と前記第２シリンダの両方に接続された第１排気バルブと、を備えることを特徴とするＧＭ冷凍機。
【請求項１０】
ガス駆動型の多気筒式のＧＭ冷凍機の運転方法であって、
第１コールドヘッドの第１駆動室を前記ＧＭ冷凍機の第１副流路から取り外すことと、前記第１コールドヘッドの第１シリンダを前記ＧＭ冷凍機の第２主流路から取り外すことと、を含む、前記ＧＭ冷凍機から第１コールドヘッドを取り外すことと、
前記第２主流路を前記第１副流路に接続する第１バイパス流路を形成することと、
前記ＧＭ冷凍機から前記第１コールドヘッドが取り外されている間、前記ＧＭ冷凍機に設置された第２コールドヘッドに作動ガスを供給することと、
前記ＧＭ冷凍機から前記第１コールドヘッドが取り外されている間、前記第１バイパス流路に作動ガスを流すことと、を備えることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＧＭ（ギフォード・マクマホン、Gifford-McMahon）冷凍機に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＧＭ冷凍機はそ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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−８３４２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
モータ駆動型ＧＭ冷凍機については１つのモータで２つのディスプレーサを駆動する２気筒式の構成が提案されている。しかしながら、２気筒式のガス駆動型ＧＭ冷凍機を構成する試みは稀である。
【０００５】
本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、実用に適する多気筒式のＧＭ冷凍機を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明のある態様によると、ＧＭ冷凍機は、軸方向に往復動可能な第１ディスプレーサと、前記第１ディスプレーサを収容する第１シリンダと、前記第１ディスプレーサを軸方向に駆動する第１駆動ピストンと、前記第１駆動ピストンを収容する第１駆動室と、を備える第１コールドヘッドと、軸方向に往復動可能な第２ディスプレーサと、前記第２ディスプレーサを収容する第２シリンダと、前記第２ディスプレーサを軸方向に駆動する第２駆動ピストンと、前記第２駆動ピストンを収容する第２駆動室と、を備える第２コールドヘッドと、前記第１駆動室と前記第２シリンダに作動ガスを並行して供給するよう前記第１駆動室と前記第２シリンダの両方に接続された第１吸気バルブと、前記第１駆動室と前記第２シリンダから作動ガスを並行して回収するよう前記第１駆動室と前記第２シリンダの両方に接続された第１排気バルブと、前記第２駆動室と前記第１シリンダに作動ガスを並行して供給するよう前記第２駆動室と前記第１シリンダの両方に接続された第２吸気バルブと、前記第２駆動室と前記第１シリンダから作動ガスを並行して回収するよう前記第２駆動室と前記第１シリンダの両方に接続された第２排気バルブと、を備える。
【０００７】
本発明のある態様によると、ＧＭ冷凍機は、軸方向に往復動可能な第１ディスプレーサと、前記第１ディスプレーサを軸方向に駆動する第１駆動ピストンと、前記第１駆動ピストンを収容する第１駆動室と、を備える第１コールドヘッドと、軸方向に往復動可能な第２ディスプレーサと、前記第２ディスプレーサを収容する第２シリンダと、を備える第２コールドヘッドと、前記第１駆動室と前記第２シリンダに作動ガスを並行して供給するよう前記第１駆動室と前記第２シリンダの両方に接続された第１吸気バルブと、前記第１駆動室と前記第２シリンダから作動ガスを並行して回収するよう前記第１駆動室と前記第２シリンダの両方に接続された第１排気バルブと、を備える。
【０００８】
本発明のある態様によると、ガス駆動型の多気筒式のＧＭ冷凍機の運転方法が提供される。本方法は、第１コールドヘッドの第１駆動室を前記ＧＭ冷凍機の第１副流路から取り外すことと、前記第１コールドヘッドの第１シリンダを前記ＧＭ冷凍機の第２主流路から取り外すことと、を含む、前記ＧＭ冷凍機から第１コールドヘッドを取り外すことと、前記第２主流路を前記第１副流路に接続する第１バイパス流路を形成することと、前記ＧＭ冷凍機から前記第１コールドヘッドが取り外されている間、前記ＧＭ冷凍機に設置された第２コールドヘッドに作動ガスを供給することと、前記ＧＭ冷凍機から前記第１コールドヘッドが取り外されている間、前記第１バイパス流路に作動ガスを流すことと、を備える。
【０００９】
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】
【００１０】
本発明によれば、実用に適する多気筒式のＧＭ冷凍機を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１実施形態に係るＧＭ冷凍機を示す概略図である。
【図２】ＧＭ冷凍機のコールドヘッドを示す概略図である。
【図３】ＧＭ冷凍機の動作の一例を示す図である。
【図４】ＧＭ冷凍機の動作を説明するための図である。
【図５】ＧＭ冷凍機の動作を説明するための図である。
【図６】ＧＭ冷凍機の駆動力を例示する図である。
【図７】比較例に係るＧＭ冷凍機を示す概略図である。
【図８】第２実施形態に係るＧＭ冷凍機を示す概略図である。
【図９】ＧＭ冷凍機の駆動力を例示する図である。
【図１０】第３実施形態に係るＧＭ冷凍機を示す概略図である。
【図１１】第４実施形態に係るＧＭ冷凍機を示す概略図である。
【図１２】第５実施形態に係るＧＭ冷凍機を示す概略図である。
【図１３】第６実施形態に係るＧＭ冷凍機を示す概略図である。
【図１４】第６実施形態に係るＧＭ冷凍機を示す概略図である。
【図１５】第６実施形態に係るＧＭ冷凍機の運転方法を例示するフローチャートである。
【図１６】第６実施形態に係るＧＭ冷凍機に備えられるバイパス流路の代替例を示す概略図である。
【図１７】第６実施形態に係るＧＭ冷凍機の他の例を示す概略図である。
【図１８】第６実施形態に係るＧＭ冷凍機の他の例を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。なお、以下に述べる構成は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。また、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。また、以下の説明において参照する図面において、各構成部材の大きさや厚みは説明の便宜上のものであり、必ずしも実際の寸法や比率を示すものではない。
【００１３】
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係るＧＭ冷凍機１０を示す概略図である。
【００１４】
ＧＭ冷凍機１０は、多気筒式である。よって、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複数のコールドヘッドと、を備える。コールドヘッドは膨張機とも呼ばれる。図示されるＧＭ冷凍機１０は２つのコールドヘッドをもつので、２気筒式とも呼べる。
【００１５】
詳しくは後述するように、圧縮機１２は、コールドヘッドに高圧の作動ガスを供給する。コールドヘッドには作動ガスを予冷する蓄冷器が備えられている。予冷された作動ガスは、コールドヘッド内での膨張によって更に冷却される。作動ガスは蓄冷器を通じて圧縮機１２に回収される。作動ガスは蓄冷器を通るとき蓄冷器を冷却する。圧縮機１２は、回収した作動ガスを圧縮し、再び膨張機に供給する。
【００１６】
ＧＭ冷凍機１０は、並列配置された第１コールドヘッド１４ａおよび第２コールドヘッド１４ｂを備える。これらのコールドヘッドは単段式である。ただし、ＧＭ冷凍機１０は、多段式のコールドヘッドを備えてもよい。
【００１７】
第１コールドヘッド１４ａは、軸方向（図１および図２において上下方向、矢印Ｃで示す）に往復動可能な第１ディスプレーサ２０ａと、第１ディスプレーサ２０ａを収容する第１シリンダ２６ａと、第１ディスプレーサ２０ａを軸方向に駆動する第１駆動ピストン２２ａと、第１駆動ピストン２２ａを収容する第１駆動室２８ａと、を備える。同様に、第２コールドヘッド１４ｂは、軸方向に往復動可能な第２ディスプレーサ２０ｂと、第２ディスプレーサ２０ｂを収容する第２シリンダ２６ｂと、第２ディスプレーサ２０ｂを軸方向に駆動する第２駆動ピストン２２ｂと、第２駆動ピストン２２ｂを収容する第２駆動室２８ｂと、を備える。
【００１８】
また、ＧＭ冷凍機１０は、圧縮機１２を第１コールドヘッド１４ａおよび第２コールドヘッド１４ｂに接続する作動ガス回路５２を備える。作動ガス回路５２は、第１駆動室２８ａと第１シリンダ２６ａとの間に圧力差を生成するよう構成されている。また、作動ガス回路５２は、第２駆動室２８ｂと第２シリンダ２６ｂとの間に圧力差を生成するよう構成されている。圧力差によって第１ディスプレーサ２０ａおよび第１駆動ピストン２２ａが軸方向に動く。第１駆動室２８ａに対し第１シリンダ２６ａの圧力が低ければ、第１駆動ピストン２２ａが下動し、それに伴って第１ディスプレーサ２０ａも下動する。逆に、第１駆動室２８ａに対し第１シリンダ２６ａの圧力が高ければ、第１駆動ピストン２２ａが上動し、それに伴って第１ディスプレーサ２０ａも上動する。第２コールドヘッド１４ｂにおいても同様に、圧力差によって第２ディスプレーサ２０ｂおよび第２駆動ピストン２２ｂが軸方向に動く。
【００１９】
作動ガス回路５２は、第１コールドヘッド１４ａと第２コールドヘッド１４ｂとに共用されるバルブ部５４を備える。バルブ部５４は、第１吸気バルブＶ１、第１排気バルブＶ２、第２吸気バルブＶ３、および第２排気バルブＶ４を備える。詳細は後述するが、バルブ部５４は、第１コールドヘッド１４ａと第２コールドヘッド１４ｂを同一周期かつ逆位相で駆動するよう構成されている。
【００２０】
第１吸気バルブＶ１は、第１駆動室２８ａと第２シリンダ２６ｂに作動ガスを並行して供給するよう圧縮機１２の吐出口を第１駆動室２８ａと第２シリンダ２６ｂの両方に接続する。第１排気バルブＶ２は、第１駆動室２８ａと第２シリンダ２６ｂから作動ガスを並行して回収するよう圧縮機１２の吸入口を第１駆動室２８ａと第２シリンダ２６ｂの両方に接続する。第２吸気バルブＶ３は、第２駆動室２８ｂと第１シリンダ２６ａに作動ガスを並行して供給するよう圧縮機１２の吐出口を第２駆動室２８ｂと第１シリンダ２６ａの両方に接続する。第２排気バルブＶ４は、第２駆動室２８ｂと第１シリンダ２６ａから作動ガスを並行して回収するよう圧縮機１２の吸入口を第２駆動室２８ｂと第１シリンダ２６ａの両方に接続する。
【００２１】
図２は、ＧＭ冷凍機１０の第１コールドヘッド１４ａを示す概略図である。第２コールドヘッド１４ｂは、第１コールドヘッド１４ａと同一の構成をもつ。よって以下の説明では、「第１コールドヘッド１４ａ」、「第１ディスプレーサ２０ａ」、「第１駆動ピストン２２ａ」、「第１シリンダ２６ａ」、「第１駆動室２８ａ」等をそれぞれ、「第２コールドヘッド１４ｂ」、「第２ディスプレーサ２０ｂ」、「第２駆動ピストン２２ｂ」、「第２シリンダ２６ｂ」、「第２駆動室２８ｂ」等と読み替えることができる。
【００２２】
第１コールドヘッド１４ａは、ガス駆動型である。よって、第１コールドヘッド１４ａ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、第１コールドヘッド１４ａ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。
【００２３】
上述のバルブ部５４は、第１コールドヘッド１４ａ（または第２コールドヘッド１４ｂ）のコールドヘッドハウジング１８の中に配設され、圧縮機１２および他のコールドヘッド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、第１コールドヘッド１４ａ、および第２コールドヘッド１４ｂと配管で接続されていてもよい。
【００２４】
軸方向可動体１６は、第１ディスプレーサ２０ａおよび第１駆動ピストン２２ａを備える。第１駆動ピストン２２ａは、第１ディスプレーサ２０ａと同軸にかつ軸方向に離れて配設されている。
【００２５】
コールドヘッドハウジング１８は、第１シリンダ２６ａおよび第１駆動室２８ａを備える。第１駆動室２８ａは、第１シリンダ２６ａと同軸にかつ軸方向に隣接して配設されている。
【００２６】
詳細は後述するが、ガス駆動型である第１コールドヘッド１４ａの駆動部は、第１駆動ピストン２２ａと第１駆動室２８ａを含んで構成されている。また、第１コールドヘッド１４ａは、第１ディスプレーサ２０ａと第１シリンダ２６ａの衝突または接触を緩和または防止するように第１駆動ピストン２２ａに作用するガスばね機構を備える。
【００２７】
また軸方向可動体１６は、第１ディスプレーサ２０ａが第１駆動ピストン２２ａと一体に軸方向に往復動するよう第１ディスプレーサ２０ａを第１駆動ピストン２２ａに剛に連結する連結ロッド２４を備える。連結ロッド２４もまた第１ディスプレーサ２０ａおよび第１駆動ピストン２２ａと同軸に第１ディスプレーサ２０ａから第１駆動ピストン２２ａへと延びている。
【００２８】
第１駆動ピストン２２ａは、第１ディスプレーサ２０ａに比べて小さい寸法を有する。第１駆動ピストン２２ａの軸方向長さは第１ディスプレーサ２０ａのそれより短く、第１駆動ピストン２２ａの径も第１ディスプレーサ２０ａのそれより小さい。連結ロッド２４の径は第１駆動ピストン２２ａのそれより小さい。
【００２９】
第１駆動室２８ａの容積は第１シリンダ２６ａのそれより小さい。第１駆動室２８ａの軸方向長さは第１シリンダ２６ａのそれより短く、第１駆動室２８ａの径も第１シリンダ２６ａのそれより小さい。
【００３０】
なお、第１駆動ピストン２２ａと第１ディスプレーサ２０ａ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、第１駆動室２８ａと第１シリンダ２６ａ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。
【００３１】
第１ディスプレーサ２０ａの軸方向往復動は、第１シリンダ２６ａによって案内される。通例、第１ディスプレーサ２０ａおよび第１シリンダ２６ａはそれぞれ軸方向に延在する円筒状の部材であり、第１シリンダ２６ａの内径は第１ディスプレーサ２０ａの外径に一致するか又はわずかに大きい。同様に、第１駆動ピストン２２ａの軸方向往復動は、第１駆動室２８ａによって案内される。通例、第１駆動ピストン２２ａおよび第１駆動室２８ａはそれぞれ軸方向に延在する円筒状の部材であり、第１駆動室２８ａの内径は第１駆動ピストン２２ａの外径に一致するか又はわずかに大きい。
【００３２】
第１ディスプレーサ２０ａと第１駆動ピストン２２ａは連結ロッド２４によって剛に連結されているので、第１駆動ピストン２２ａの軸方向ストロークは第１ディスプレーサ２０ａ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。第１ディスプレーサ２０ａに対する第１駆動ピストン２２ａ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。
【００３３】
また、コールドヘッドハウジング１８は、第１シリンダ２６ａを第１駆動室２８ａ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は第１シリンダ２６ａおよび第１駆動室２８ａと同軸に第１シリンダ２６ａから第１駆動室２８ａ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。
【００３４】
第１シリンダ２６ａは、連結ロッドガイド３０を介して第１駆動室２８ａ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、第１シリンダ２６ａまたは第１駆動室２８ａのいずれかの一部であるとみなされてもよい。
【００３５】
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。第１シール部３２によって、第１駆動室２８ａは、第１シリンダ２６ａに対し気密に構成されている。こうして、第１駆動室２８ａは第１シリンダ２６ａから流体的に隔離されており、第１駆動室２８ａと第１シリンダ２６ａとの直接のガス流通は生じない。
【００３６】
第１シリンダ２６ａは、第１ディスプレーサ２０ａによって膨張室３４と室温室３６に仕切られている。第１ディスプレーサ２０ａは、軸方向一端にて第１シリンダ２６ａとの間に膨張室３４を形成し、軸方向他端にて第１シリンダ２６ａとの間に室温室３６を形成する。膨張室３４は下死点ＬＰ側に配置され、室温室３６は上死点ＵＰ側に配置されている。また、第１コールドヘッド１４ａには、膨張室３４を外包するよう第１シリンダ２６ａに固着された冷却ステージ３８が設けられている。
【００３７】
蓄冷器１５は第１ディスプレーサ２０ａに内蔵されている。第１ディスプレーサ２０ａ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、第１ディスプレーサ２０ａ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、第１ディスプレーサ２０ａの下蓋部に設けられていてもよい。加えて、第１ディスプレーサ２０ａは、上蓋部に内接する入口整流器４１と、下蓋部に内接する出口整流器４３と、を備える。蓄冷器１５は、こうした一対の整流器に挟まれている。
【００３８】
第２シール部４４が、第１ディスプレーサ２０ａと第１シリンダ２６ａ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、第１ディスプレーサ２０ａの筒部または上蓋部に装着されている。第１ディスプレーサ２０ａと第１シリンダ２６ａ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。
【００３９】
第１ディスプレーサ２０ａ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、第１ディスプレーサ２０ａ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。
【００４０】
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から入口整流器４１を通って蓄冷器１５に流入する。作動ガスは、蓄冷器１５から出口整流器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。
【００４１】
第１駆動室２８ａは、第１駆動ピストン２２ａを駆動するよう圧力が制御される第１区画４６ａと、第１駆動ピストン２２ａによって第１区画４６ａから仕切られた第１ガスばね室４８ａと、を備える。第１駆動ピストン２２ａは、軸方向一端にて第１駆動室２８ａとの間に第１区画４６ａを形成し、軸方向他端にて第１駆動室２８ａとの間に第１ガスばね室４８ａを形成する。第１駆動ピストン２２ａが軸方向に動くとき、第１区画４６ａおよび第１ガスばね室４８ａは相補的に容積を増減させる。
【００４２】
第１区画４６ａは、第１駆動ピストン２２ａに対し第１シリンダ２６ａと軸方向に反対側に配置されている。第１ガスばね室４８ａは、第１駆動ピストン２２ａに対し第１シリンダ２６ａと軸方向に同じ側に配置されている。第１駆動ピストン２２ａの上面は第１区画４６ａのガス圧を受け、第１駆動ピストン２２ａの下面は第１ガスばね室４８ａのガス圧を受ける。
【００４３】
同様に、第２駆動室２８ｂは、第２駆動ピストン２２ｂを駆動するよう圧力が制御される第２区画４６ｂと、第２駆動ピストン２２ｂによって第２区画４６ｂから仕切られた第２ガスばね室４８ｂと、を備える。
【００４４】
連結ロッド２４は、第１駆動ピストン２２ａの下面から第１ガスばね室４８ａ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を通って第１ディスプレーサ２０ａの上蓋部まで延びている。第１ガスばね室４８ａは、第１駆動ピストン２２ａに対し連結ロッド２４と同じ側に配置され、第１区画４６ａは、第１駆動ピストン２２ａに対し連結ロッド２４と反対側に配置されている。
【００４５】
第３シール部５０が、第１駆動ピストン２２ａと第１駆動室２８ａ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、第１駆動ピストン２２ａの側面に装着されている。第１駆動ピストン２２ａと第１駆動室２８ａ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、第１区画４６ａと第１ガスばね室４８ａ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、第１ガスばね室４８ａと室温室３６とのガス流通もない。このようにして、第１ガスばね室４８ａは、第１シリンダ２６ａに対し気密に形成されている。第１ガスばね室４８ａ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。
【００４６】
第１駆動ピストン２２ａが下動するとき第１ガスばね室４８ａは狭くなる。このとき第１ガスばね室４８ａのガスは圧縮され、圧力が高まる。第１ガスばね室４８ａの圧力は第１駆動ピストン２２ａの下面に上向きに作用する。よって、第１ガスばね室４８ａは、第１駆動ピストン２２ａの下動に抗するガスばね力を発生させる。
【００４７】
逆に、第１駆動ピストン２２ａが上動するとき第１ガスばね室４８ａは広がる。第１ガスばね室４８ａの圧力は下がり、第１駆動ピストン２２ａに作用するガスばね力も小さくなる。なお、このとき第１区画４６ａは狭くなる。よって、第２吸気バルブＶ３および第２排気バルブＶ４が閉じられている間は、第１区画４６ａを、第１駆動ピストン２２ａの上動に抗する下向きガスばね力を発生するもう１つのガスばね室とみなすこともできる。
【００４８】
第１コールドヘッド１４ａは、使用される現場で図示の向きに設置される。すなわち、第１シリンダ２６ａが鉛直方向下方に、第１駆動室２８ａが鉛直方向上方に、それぞれ配置されるようにして、第１コールドヘッド１４ａ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、第１コールドヘッド１４ａ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、第１コールドヘッド１４ａは、横向きまたはその他の向きに設置されてもよい。
【００４９】
上述のように第１コールドヘッド１４ａは冷却ステージ３８を鉛直方向下方に向ける姿勢で設置されているから、重力は、図２に矢印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、第１駆動ピストン２２ａの下向きの駆動力を補助するように働く。第１駆動ピストン２２ａ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。
【００５０】
ところが、第１コールドヘッド１４ａには第１ガスばね室４８ａが設けられている。第１ガスばね室４８ａに貯留されたガスは、第１駆動ピストン２２ａ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、第１駆動ピストン２２ａに作用する駆動力が小さくなる。第１駆動ピストン２２ａが下死点に到達する直前の速度を遅くすることができる。
【００５１】
こうして、第１駆動ピストン２２ａと第１駆動室２８ａの、及び／または第１ディスプレーサ２０ａと第１シリンダ２６ａ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、第１駆動ピストン２２ａ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。
【００５２】
ＧＭ冷凍機１０は、第１ガスばね室４８ａおよび第２ガスばね室４８ｂの少なくとも一方を備えてもよい。
【００５３】
再び図１を参照する。バルブ部５４は、ロータリーバルブの形式をとってもよい。すなわち、バルブ部５４は、バルブ本体に対するバルブディスク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てもよい。その場合、バルブ部５４は、バルブ部５４（例えばバルブディスク）を回転駆動するための回転駆動源５６を備えてもよい。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、図２に示す軸方向可動体１６には接続されていない。また、バルブ部５４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。
【００５４】
ある実施形態においては、バルブ部５４は、複数の個別に制御可能なバルブＶ１〜Ｖ４を備え、制御部５８がバルブＶ１〜Ｖ４それぞれの開閉を制御してもよい。この場合、バルブ部５４は、回転駆動源５６を備えなくてもよい。
【００５５】
ＧＭ冷凍機１０の作動ガス回路５２は、第１吸気流路６０、第１排気流路６２、第２吸気流路６４、第２排気流路６６、第１分岐流路６８、第２分岐流路７０を備える。
【００５６】
第１吸気流路６０は、圧縮機１２の吐出口を第１吸気バルブＶ１に接続する。第１排気流路６２は、圧縮機１２の吸入口を第１排気バルブＶ２に接続する。第２吸気流路６４は、圧縮機１２の吐出口を第２吸気バルブＶ３に接続する。第２排気流路６６は、圧縮機１２の吸入口を第２排気バルブＶ４に接続する。図示されるように、第２吸気流路６４の一部が圧縮機１２側で第１吸気流路６０と共通であってもよい。また、第２排気流路６６の一部が圧縮機１２側で第１排気流路６２と共通であってもよい。
【００５７】
第１分岐流路６８は、第１駆動室２８ａを第１吸気バルブＶ１と第１排気バルブＶ２の両方に接続するとともに、第２シリンダ２６ｂを第１吸気バルブＶ１と第１排気バルブＶ２の両方に接続する。第１分岐流路６８は、第２シリンダ２６ｂに接続された第１主流路６８ａと、第１駆動室２８ａに接続された第１副流路６８ｂと、第１副流路６８ｂが第１主流路６８ａから分岐する第１分岐点６８ｃと、を備える。第１主流路６８ａは、第２コールドヘッド１４ｂの室温室３６に接続され、第１副流路６８ｂは、第１駆動室２８ａの第１区画４６ａに接続されている。第１分岐流路６８は、第１吸気バルブＶ１を第１主流路６８ａと第１副流路６８ｂの両方に接続するとともに、第１排気バルブＶ２を第１主流路６８ａと第１副流路６８ｂの両方に接続する。
【００５８】
第２分岐流路７０は、第２駆動室２８ｂを第２吸気バルブＶ３と第２排気バルブＶ４の両方に接続するとともに、第１シリンダ２６ａを第２吸気バルブＶ３と第２排気バルブＶ４の両方に接続する。第２分岐流路７０は、第１シリンダ２６ａに接続された第２主流路７０ａと、第２駆動室２８ｂに接続された第２副流路７０ｂと、第２副流路７０ｂが第２主流路７０ａから分岐する第２分岐点７０ｃと、を備える。第２主流路７０ａは、第１コールドヘッド１４ａの室温室３６に接続され、第２副流路７０ｂは、第２駆動室２８ｂの第２区画４６ｂに接続されている。第２分岐流路７０は、第２吸気バルブＶ３を第２主流路７０ａと第２副流路７０ｂの両方に接続するとともに、第２排気バルブＶ４を第２主流路７０ａと第２副流路７０ｂの両方に接続する。
【００５９】
図３は、ＧＭ冷凍機１０の動作の一例を示す図である。図３では軸方向可動体１６の軸方向往復動の一周期を３６０度に対応づけて表しているので、０度は周期の開始時点にあたり、３６０度は周期の終了時点にあたる。９０度、１８０度、２７０度はそれぞれ、１／４周期、半周期、３／４周期にあたる。なお、図３に例示されるバルブタイミングは、第１実施形態だけでなく、後述する第２から第５実施形態にも適用可能である。
【００６０】
図３には、第２コールドヘッド１４ｂの第１吸気期間Ａ１および第１排気期間Ａ２と、第１コールドヘッド１４ａの第２吸気期間Ａ３および第２排気期間Ａ４が例示されている。第１吸気期間Ａ１、第１排気期間Ａ２、第２吸気期間Ａ３、および第２排気期間Ａ４はそれぞれ、第１吸気バルブＶ１、第１排気バルブＶ２、第２吸気バルブＶ３、第２排気バルブＶ４によって定められている。
【００６１】
第１吸気期間Ａ１において（すなわち第１吸気バルブＶ１が開いているとき）、圧縮機１２の吐出口から第１主流路６８ａを通じて第２コールドヘッド１４ｂの室温室３６に作動ガスが供給される。並行して、第１副流路６８ｂを通じて第１駆動室２８ａにも作動ガスが供給される。逆に第１吸気バルブＶ１が閉じているときは、圧縮機１２からこれら両室への作動ガス供給は停止される。
【００６２】
第１排気期間Ａ２において（すなわち第１排気バルブＶ２が開いているとき）、第２コールドヘッド１４ｂの室温室３６から第１主流路６８ａを通じて圧縮機１２の吸入口に作動ガスが回収される。並行して、第１副流路６８ｂを通じて第１駆動室２８ａからも作動ガスが回収される。第１排気バルブＶ２が閉じているときは、これら両室から圧縮機１２への作動ガス回収は停止される。
【００６３】
第２吸気期間Ａ３において（すなわち第２吸気バルブＶ３が開いているとき）、圧縮機１２の吐出口から第２主流路７０ａを通じて第１コールドヘッド１４ａの室温室３６に作動ガスが供給される。並行して、第２副流路７０ｂを通じて第２駆動室２８ｂにも作動ガスが供給される。逆に第２吸気バルブＶ３が閉じているときは、圧縮機１２からこれら両室への作動ガス供給は停止される。
【００６４】
第２排気期間Ａ４において（すなわち第２排気バルブＶ４が開いているとき）、第１コールドヘッド１４ａの室温室３６から第２主流路７０ａを通じて圧縮機１２の吸入口に作動ガスが回収される。並行して、第２副流路７０ｂを通じて第２駆動室２８ｂからも作動ガスが回収される。第２排気バルブＶ４が閉じているときは、これら両室から圧縮機１２への作動ガス回収は停止される。
【００６５】
図３に示す例においては、第１吸気期間Ａ１および第２排気期間Ａ４は、第１開始タイミングｔ１から第１終了タイミングｔ２の範囲であり、第１排気期間Ａ２および第２吸気期間Ａ３は、第２開始タイミングｔ３から第２終了タイミングｔ４の範囲である。第１開始タイミングｔ１は例えば０度である。第１終了タイミングｔ２は例えば１３５度から１８０度の範囲から選択される。第２開始タイミングｔ３は例えば１８０度である。第２終了タイミングｔ４は例えば３１５度から３６０度の範囲から選択される。
【００６６】
第１吸気期間Ａ１は第１排気期間Ａ２と交互かつ非重複であり、第２吸気期間Ａ３は第２排気期間Ａ４と交互かつ非重複である。第１吸気期間Ａ１は第２排気期間Ａ４と重なり、第１排気期間Ａ２は第２吸気期間Ａ３と重なっている。第１開始タイミングｔ１において軸方向可動体１６は下死点ＬＰまたはその近傍に位置し、第２開始タイミングｔ３において軸方向可動体１６は上死点ＵＰまたはその近傍に位置する。
【００６７】
なお、第１吸気期間Ａ１が第２排気期間Ａ４と正確に一致していなくてもよい。第２排気期間Ａ４は、第１吸気期間Ａ１と少なくとも部分的に重なっていればよい。同様に、第１排気期間Ａ２が第２吸気期間Ａ３と正確に一致していなくてもよい。第２吸気期間Ａ３は、第１排気期間Ａ２と少なくとも部分的に重なっていればよい。
【００６８】
上述の実施形態においては、第２吸気期間Ａ３は、第１吸気期間Ａ１と重なっていない。また、第２排気期間Ａ４は、第１排気期間Ａ２と重なっていない。このように、第１コールドヘッド１４ａへの圧縮機１２からの吸排気タイミングが、第２コールドヘッド１４ｂへの圧縮機１２からの吸排気タイミングと完全にずれている。このようにすれば、圧縮機１２の高低圧間の変動を抑制し、圧縮機１２の効率を向上することができる。
【００６９】
こうした利点を得るには、２つのコールドヘッドの吸排気タイミングが完全にずれている必要はない。第２吸気期間Ａ３が、好ましくは１５０度以上、第１吸気期間Ａ１から遅延されていればよい。それとともに、またはそれに代えて、第２排気期間Ａ４が、好ましくは１５０度以上、第１排気期間Ａ２から遅延されていればよい。
【００７０】
なお、第１吸気期間Ａ１と第２排気期間Ａ４とは長さが異なってもよい。同様に、第１排気期間Ａ２と第２吸気期間Ａ３とは長さが異なってもよい。吸気期間と排気期間との差は、例えば２０度以内または５度以内であってもよい。このようにして、第１コールドヘッド１４ａと第２コールドヘッド１４ｂとの冷凍能力の差が調整されてもよい。
【００７１】
また、第１吸気期間Ａ１と第１排気期間Ａ２とは長さが異なってもよい。同様に、第２吸気期間Ａ３と第２排気期間Ａ４とは長さが異なってもよい。この場合も、吸気期間と排気期間との差は、例えば２０度以内または５度以内であってもよい。
【００７２】
図１から図３に加えて図４から図６を参照し、上記の構成をもつＧＭ冷凍機１０の動作を説明する。図４には、第１開始タイミングｔ１における第１ディスプレーサ２０ａおよび第２ディスプレーサ２０ｂの位置を示す。図５には、第２開始タイミングｔ３における第１ディスプレーサ２０ａおよび第２ディスプレーサ２０ｂの位置を示す。図６には、ＧＭ冷凍機１０の１周期の運転における第１コールドヘッド１４ａおよび第２コールドヘッド１４ｂの駆動力の変化を示す。図６においては軸方向に上向きの駆動力を正、下向きの駆動力を負として表している。
【００７３】
第２ディスプレーサ２０ｂが第２シリンダ２６ｂの下死点ＬＰまたはその近傍の位置にあるとき、第１吸気期間Ａ１が開始される（第１開始タイミングｔ１）。図４に示されるように、第１吸気バルブＶ１が開き、高圧ガスが圧縮機１２の吐出口から第２コールドヘッド１４ｂの室温室３６に供給される。ガスは蓄冷器１５を通過しながら冷却され、第２コールドヘッド１４ｂの膨張室３４に入る。
【００７４】
第１吸気期間Ａ１と同時に第２排気期間Ａ４も開始される。第２排気バルブＶ４が開き、第２駆動室２８ｂの第２区画４６ｂは圧縮機１２の吸入口に接続される。よって第２駆動室２８ｂは、室温室３６および膨張室３４に対し低圧となる。よって、図６に示されるように、第２コールドヘッド１４ｂにおいては第２駆動ピストン２２ｂに上向きの駆動力が働く。
【００７５】
第２駆動ピストン２２ｂの上動により、第２ディスプレーサ２０ｂも下死点ＬＰから上死点ＵＰに向けて動く。第１吸気バルブＶ１が閉じて第１吸気期間Ａ１が終了するとともに、第２排気バルブＶ４が閉じて第２排気期間Ａ４が終了する（第１終了タイミングｔ２）。第２駆動ピストン２２ｂおよび第２ディスプレーサ２０ｂは引き続き上死点ＵＰに向けて移動する。こうして、第２コールドヘッド１４ｂの膨張室３４の容積が増加されるとともに高圧ガスで満たされる。
【００７６】
一方、第２排気期間Ａ４が開始されると、第１コールドヘッド１４ａの膨張室３４は圧縮機１２の吸入口に接続される。このとき、第１ディスプレーサ２０ａは第１シリンダ２６ａの上死点ＵＰまたはその近傍の位置にある。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１２に回収される。
【００７７】
また、第１吸気期間Ａ１が開始されると、第１駆動室２８ａの第１区画４６ａは圧縮機１２の吐出口に接続される。よって第１駆動室２８ａは、室温室３６および膨張室３４に対し高圧となり、図６に示されるように、第１コールドヘッド１４ａの第１駆動ピストン２２ａに下向きの駆動力が働く。第１駆動ピストン２２ａおよび第１ディスプレーサ２０ａは上死点ＵＰから下死点ＬＰに向けて動き、低圧ガスは第１コールドヘッド１４ａの膨張室３４から排出される。
【００７８】
このようにして、第１コールドヘッド１４ａにおいては排気工程が行われ、それと並行して第２コールドヘッド１４ｂにおいては吸気工程が行われる。
【００７９】
続いて、第２ディスプレーサ２０ｂが第２シリンダ２６ｂの上死点ＵＰまたはその近傍の位置にあるとき、第１排気期間Ａ２が開始される（第２開始タイミングｔ３）。図５に示されるように、第１排気バルブＶ２が開き、第２コールドヘッド１４ｂの膨張室３４は圧縮機１２の吸入口に接続される。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１２に回収される。
【００８０】
第１排気期間Ａ２と同時に第２吸気期間Ａ３も開始される。第２吸気バルブＶ３が開き、第２駆動室２８ｂの第２区画４６ｂは圧縮機１２の吐出口に接続される。よって第２駆動室２８ｂは、室温室３６および膨張室３４に対し高圧となる。よって、図６に示されるように、第２コールドヘッド１４ｂにおいては第２駆動ピストン２２ｂに下向きの駆動力が働く。
【００８１】
第２駆動ピストン２２ｂの下動により、第２ディスプレーサ２０ｂも上死点ＵＰから下死点ＬＰに向けて動く。第１排気バルブＶ２が閉じて第１排気期間Ａ２が終了するとともに、第２吸気バルブＶ３が閉じて第２吸気期間Ａ３が終了する（第２終了タイミングｔ４）。第２駆動ピストン２２ｂおよび第２ディスプレーサ２０ｂは引き続き下死点ＬＰに向けて移動する。こうして、第２コールドヘッド１４ｂの膨張室３４の容積が減少されるとともに低圧ガスは排出される。
【００８２】
一方、第２吸気期間Ａ３が開始されると、第１コールドヘッド１４ａの室温室３６は圧縮機１２の吐出口に接続される。このとき、第１ディスプレーサ２０ａは第１シリンダ２６ａの下死点ＬＰまたはその近傍の位置にある。高圧ガスが圧縮機１２の吐出口から第１コールドヘッド１４ａの室温室３６に供給される。ガスは蓄冷器１５を通過しながら冷却され、第１コールドヘッド１４ａの膨張室３４に入る。
【００８３】
また、第１排気期間Ａ２が開始されると、第１駆動室２８ａの第１区画４６ａは圧縮機１２の吸入口に接続される。よって第１駆動室２８ａは、室温室３６および膨張室３４に対し低圧となり、図６に示されるように、第１コールドヘッド１４ａの第１駆動ピストン２２ａに上向きの駆動力が働く。第１駆動ピストン２２ａおよび第１ディスプレーサ２０ａは下死点ＬＰから上死点ＵＰに向けて動き、第１コールドヘッド１４ａの膨張室３４は高圧ガスで満たされる。
【００８４】
このようにして、第１コールドヘッド１４ａにおいては吸気工程が行われ、それと並行して第２コールドヘッド１４ｂにおいては排気工程が行われる。ＧＭ冷凍機１０においては、第１コールドヘッド１４ａが第２コールドヘッド１４ｂと同一周期かつ逆位相で駆動される。
【００８５】
第１コールドヘッド１４ａおよび第２コールドヘッド１４ｂはこのような冷却サイクル（すなわちＧＭサイクル）を繰り返すことで、それぞれの冷却ステージ３８を冷却する。それにより、ＧＭ冷凍機１０は、冷却ステージ３８に熱的に結合された超伝導装置（例えば超伝導ケーブル）またはその他の被冷却物（図示せず）を冷却することができる。
【００８６】
図７は、比較例に係るＧＭ冷凍機を示す概略図である。典型的なガス駆動型のＧＭ冷凍機は、膨張室の吸排気のために一組の吸気バルブおよび排気バルブを有し、駆動室の吸排気のためにもう一組の吸気バルブおよび排気バルブを有する。つまり１つのＧＭ冷凍機の４つのバルブが必要である。よって、２気筒式のＧＭ冷凍機は、図示されるように、８つのバルブＶ１〜Ｖ８をもつ。バルブ数が多く、流路構成と駆動部が複雑になる。
【００８７】
ところが、第１実施形態に係るＧＭ冷凍機１０によると、バルブ部５４が第１コールドヘッド１４ａと第２コールドヘッド１４ｂとに共用される。第１コールドヘッド１４ａの第１駆動室２８ａと第２コールドヘッド１４ｂの第２シリンダ２６ｂへの吸排気タイミングが共通する一組の吸排気バルブ、すなわち第１吸気バルブＶ１および第１排気バルブＶ２によって制御される。第２コールドヘッド１４ｂの第２駆動室２８ｂと第１コールドヘッド１４ａの第１シリンダ２６ａへの吸排気タイミングが共通するもう一組の吸排気バルブ、すなわち第２吸気バルブＶ３および第２排気バルブＶ４によって制御される。こうして、４つのバルブで２つのコールドヘッドが駆動されるので、ＧＭ冷凍機１０の駆動部をより単純で小型の構成とすることができる。
【００８８】
（第２実施形態）
図８は、第２実施形態に係るＧＭ冷凍機１０を示す概略図である。第２実施形態に係るＧＭ冷凍機１０は、オリフィスなどの流路抵抗部が駆動室とバルブ部の間に追加されていることを除いて、第１実施形態に係るＧＭ冷凍機１０と同様である。
【００８９】
第１副流路６８ｂは、第１分岐点６８ｃと第１駆動室２８ａとの間に第１流路抵抗部７２ａを備える。第１流路抵抗部７２ａは、第１主流路６８ａに対して第１副流路６８ｂの流路抵抗を増加する。第２副流路７０ｂは、第２分岐点７０ｃと第２駆動室２８ｂとの間に第２流路抵抗部７２ｂを備える。第２流路抵抗部７２ｂは、第２主流路７０ａに対して第２副流路７０ｂの流路抵抗を増加する。ＧＭ冷凍機１０は、第１流路抵抗部７２ａおよび第２流路抵抗部７２ｂの少なくとも一方を備えてもよい。
【００９０】
図９には、第１コールドヘッド１４ａの排気工程（図３に示す第２排気期間Ａ４）における第１コールドヘッド１４ａの駆動力の変化を示す。図６においては軸方向に上向きの駆動力を正、下向きの駆動力を負として表している。図９においては比較のために、流路抵抗部が無い場合である図６に示す第１コールドヘッド１４ａの駆動力の変化を併せて示す。
【００９１】
第１流路抵抗部７２ａが設けられているので、第１コールドヘッド１４ａの排気工程において、膨張室３４の減圧に対し第１駆動室２８ａの減圧に遅延が生じる。それにより、第１駆動ピストン２２ａに働く下向きの駆動力の立ち上がりを遅らせることができる。図９に示されるように、第１開始タイミングｔ１からタイミングｔ１’までの間、第１駆動ピストン２２ａには上向きの駆動力が作用している。第１駆動ピストン２２ａが下死点ＬＰに到達する直前の速度を遅くすることができる。よって、コールドヘッドにおける接触や衝突を抑制し、ＧＭ冷凍機１０の振動や異音を低減することができる。
【００９２】
第２実施形態においても第１実施形態と同様に、４つのバルブで２つのコールドヘッドが駆動される。よって、ＧＭ冷凍機１０の駆動部をより単純で小型の構成とすることができる。
【００９３】
なお、後述する第３から第５実施形態においても第２実施形態と同様に、第１流路抵抗部７２ａおよび第２流路抵抗部７２ｂの少なくとも一方が設けられてもよい。
【００９４】
（第３実施形態）
図１０は、第３実施形態に係るＧＭ冷凍機１０を示す概略図である。第３実施形態に係るＧＭ冷凍機１０は、第１ガスばね室４８ａと第２ガスばね室４８ｂを連絡するオリフィスなどの第３流路抵抗部７４が追加されていることを除いて、第１実施形態に係るＧＭ冷凍機１０と同様である。
【００９５】
ＧＭ冷凍機１０は、第１ガスばね室４８ａを第２ガスばね室４８ｂに連絡する短絡流路７６を備える。第３流路抵抗部７４は、短絡流路７６の中途に配置されている。
【００９６】
第１実施形態と同様に、第１ガスばね室４８ａに貯留されたガスは、第１駆動ピストン２２ａが下動するときに圧縮され、圧力が高まる。第１コールドヘッド１４ａにおける接触や衝突が抑制され、ＧＭ冷凍機１０の振動や異音を低減することができる。また、第３流路抵抗部７４が設けられているので、第１駆動ピストン２２ａが過剰に下動し第１ガスばね室４８ａが過剰に昇圧された場合に、第１ガスばね室４８ａから第２ガスばね室４８ｂに圧力を解放することができる。よって第１駆動室２８ａが保護される。
【００９７】
第２ガスばね室４８ｂも同様に機能し、第２コールドヘッド１４ｂに接触や衝突が抑制される。また、第２ガスばね室４８ｂから第１ガスばね室４８ａに圧力を解放することができるので、過剰な圧力から第２駆動室２８ｂが保護される。
【００９８】
第３実施形態においても第１実施形態と同様に、４つのバルブで２つのコールドヘッドが駆動される。よって、ＧＭ冷凍機１０の駆動部をより単純で小型の構成とすることができる。
【００９９】
（第４実施形態）
図１１は、第４実施形態に係るＧＭ冷凍機１０を示す概略図である。第４実施形態に係るＧＭ冷凍機１０は、第１ガスばね室４８ａおよび第２ガスばね室４８ｂを備えないことを除いて、第１実施形態に係るＧＭ冷凍機１０と同様である。このようにしても、第１実施形態と同様に、４つのバルブで２つのコールドヘッドが駆動される。よって、ＧＭ冷凍機１０の駆動部をより単純で小型の構成とすることができる。
【０１００】
（第５実施形態）
図１２は、第５実施形態に係るＧＭ冷凍機１０を示す概略図である。第５実施形態に係るＧＭ冷凍機１０は、第２コールドヘッド１４ｂがモータ駆動型であることを除いて、第１実施形態に係るＧＭ冷凍機１０と同様である。
【０１０１】
第２コールドヘッド１４ｂは、第２ディスプレーサ２０ｂを軸方向に往復動するよう回転駆動源５６を第２ディスプレーサ２０ｂに連結する連結機構（例えばスコッチヨーク機構）７８を備える。回転駆動源５６は、バルブ部５４を回転駆動するようバルブ部５４にも連結されている。
【０１０２】
上述の実施形態と同様にガス駆動型である第１コールドヘッド１４ａは、第１シリンダ２６ａの吸排気のために第２吸気バルブＶ３および第２排気バルブＶ４に接続されている。第１コールドヘッド１４ａの室温室３６が吸排気流路８０を通じて第２吸気バルブＶ３および第２排気バルブＶ４に接続されている。第１分岐流路６８は、第１駆動室２８ａを第１吸気バルブＶ１と第１排気バルブＶ２の両方に接続するとともに、第２シリンダ２６ｂを第１吸気バルブＶ１と第１排気バルブＶ２の両方に接続する。
【０１０３】
このようにしても、第１実施形態と同様に、４つのバルブで２つのコールドヘッドが駆動される。よって、ＧＭ冷凍機１０の駆動部をより単純で小型の構成とすることができる。
【０１０４】
（第６実施形態）
図１３は、第６実施形態に係るＧＭ冷凍機１０を示す概略図である。第６実施形態に係るＧＭ冷凍機１０は、第１コールドヘッド１４ａおよび第２コールドヘッド１４ｂがそれぞれ作動ガス回路５２から容易に取り外し可能であることを除いて、第１実施形態に係るＧＭ冷凍機１０と同様である。
【０１０５】
ＧＭ冷凍機１０は、第１コールドヘッド１４ａおよび第２コールドヘッド１４ｂを個別にバルブ部５４から切り離すことのできるバルブ切り離し機構を備える。バルブ切り離し機構の一例として、作動ガス回路５２には、セルフシーリング・カップリングのような脱着可能な継手８２が設けられている。
【０１０６】
脱着可能な継手８２は、第１副流路６８ｂおよび第２主流路７０ａそれぞれに設けられている。よって、第１コールドヘッド１４ａの第１駆動室２８ａは第１副流路６８ｂから取り外し可能であり、第１コールドヘッド１４ａの第１シリンダ２６ａは第２主流路７０ａから取り外し可能である。また、脱着可能な継手８２は、第１主流路６８ａおよび第２副流路７０ｂそれぞれに設けられている。よって、第２コールドヘッド１４ｂの第２駆動室２８ｂは第２副流路７０ｂから取り外し可能であり、第２コールドヘッド１４ｂの第２シリンダ２６ｂは第１主流路６８ａから取り外し可能である。
【０１０７】
作動ガス回路５２は、第１バイパス流路８４ａおよび第２バイパス流路８４ｂを備える。第１バイパス流路８４ａは、第２主流路７０ａを第１副流路６８ｂに接続し、第１コールドヘッド１４ａが非設置のとき作動ガスを流すよう構成されている。第２バイパス流路８４ｂは、第１主流路６８ａを第２副流路７０ｂに接続し、第２コールドヘッド１４ｂが非設置のとき作動ガスを流すよう構成されている。第１バイパス流路８４ａおよび第２バイパス流路８４ｂは、継手８２に対してバルブ部５４側に配置されている。
【０１０８】
第１バイパス流路８４ａは、第４流路抵抗部８６と、開閉バルブ８８とを備える。第４流路抵抗部８６と開閉バルブ８８は直列に接続されている。第４流路抵抗部８６は、第１バイパス流路８４ａに適切な流路抵抗を与えるために設けられている。開閉バルブ８８は、第１コールドヘッド１４ａが作動ガス回路５２に接続されているとき閉鎖され、第１コールドヘッド１４ａが取り外されているとき開放される。開閉バルブ８８は、例えば、手動により開閉可能である。
【０１０９】
あるいは、開閉バルブ８８は、流量センサ９０により検出される作動ガス流量に基づいて自動的に開閉されてもよい。流量センサ９０は、第２主流路７０ａにおける作動ガス流量を検出するよう第２主流路７０ａに設けられている。流量センサ９０は、第１副流路６８ｂにおける作動ガス流量を検出するよう第１副流路６８ｂに設けられていてもよい。開閉バルブ８８は、例えば、検出される作動ガス流量がある流量閾値を超えるとき閉鎖され、検出される作動ガス流量が当該流量閾値を下回るとき開放される。
【０１１０】
第１バイパス流路８４ａと同様に、第２バイパス流路８４ｂは、第４流路抵抗部８６と、開閉バルブ８８とを備える。開閉バルブ８８は、第２コールドヘッド１４ｂが作動ガス回路５２に接続されているとき閉鎖され、第２コールドヘッド１４ｂが取り外されているとき開放される。第２バイパス流路８４ｂの自動開閉のために、流量センサ９０は、第１主流路６８ａ（または第２副流路７０ｂ）に設けられてもよい。
【０１１１】
なお、第４流路抵抗部８６と開閉バルブ８８は、１つの流量制御バルブによって置き換えられてもよい。第１バイパス流路８４ａ（または第２バイパス流路８４ｂ）の作動ガス流量が、流量センサ９０により検出される作動ガス流量に基づいて、流量制御バルブによって調整されてもよい。
【０１１２】
図１４には、第２コールドヘッド１４ｂは設置されている一方、第１コールドヘッド１４ａはＧＭ冷凍機１０から取り外された状態の第６実施形態に係るＧＭ冷凍機１０が示されている。図１５は、第６実施形態に係るＧＭ冷凍機１０の運転方法を例示するフローチャートである。
【０１１３】
まず、作業者は、ＧＭ冷凍機１０から第１コールドヘッド１４ａを取り外す（Ｓ１０）。第１駆動室２８ａを第１副流路６８ｂから取り外し、第１シリンダ２６ａを第２主流路７０ａから取り外すことによって、ＧＭ冷凍機１０から第１コールドヘッド１４ａが取り外される。
【０１１４】
第１バイパス流路８４ａが形成される（Ｓ１２）。第１コールドヘッド１４ａを取り外した後、作業者が手動により開閉バルブ８８を開くことで、第１バイパス流路８４ａが形成される。あるいは、第１コールドヘッド１４ａの取り外しに伴って、第２主流路７０ａおよび第１副流路６８ｂの作動ガス流量は低下し、またはほとんどゼロとなる。これを流量センサ９０が検出し、開閉バルブ８８が開放され、第１バイパス流路８４ａが形成されてもよい。
【０１１５】
ＧＭ冷凍機１０から第１コールドヘッド１４ａが取り外されている間、ＧＭ冷凍機１０に設置された第２コールドヘッド１４ｂには、作動ガスが供給される（Ｓ１４）。第２コールドヘッド１４ｂの運転は継続されている。それにより、ＧＭ冷凍機１０は、被冷却物の冷却を続けることができる。
【０１１６】
また、ＧＭ冷凍機１０から第１コールドヘッド１４ａが取り外されている間、第１バイパス流路８４ａには作動ガスが流れる（Ｓ１４）。第１バイパス流路８４ａは、第１コールドヘッド１４ａが非設置のときに第２コールドヘッド１４ｂに供給される作動ガス流量が、第１コールドヘッド１４ａが設置されたときに第２コールドヘッド１４ｂに供給される標準の作動ガス流量を過剰に超えないように、作動ガスに第２コールドヘッド１４ｂをバイパスさせる役割をもつ。
【０１１７】
作業者は、取り外された第１コールドヘッド１４ａにメンテナンスを施す（Ｓ１６）。メンテナンスの完了後に、作業者は、第１コールドヘッド１４ａをＧＭ冷凍機１０に再び取り付ける（Ｓ１８）。こうして、再び２台のコールドヘッドが運転される。
【０１１８】
作業者は、同様にして、第２コールドヘッド１４ｂをＧＭ冷凍機１０から取り外して、メンテナンスを施すことができる。この場合、第２バイパス流路８４ｂが形成される。ＧＭ冷凍機１０から第２コールドヘッド１４ｂが取り外されている間、設置された第１コールドヘッド１４ａには作動ガスが供給され、第２バイパス流路８４ｂには作動ガスが流れる。
【０１１９】
このようにして、作業者は、ＧＭ冷凍機１０の運転中にＧＭ冷凍機１０からコールドヘッドを容易に取り外すことができる。作業者は、いずれかのコールドヘッドの運転を続けながら、他のいずれかのコールドヘッドをＧＭ冷凍機１０から取り外してメンテナンスを施すことができる。あるいは、作業者は、取り外したコールドヘッドを、新品のまたはメンテナンス済みのコールドヘッドと交換することができる。
【０１２０】
また、ＧＭ冷凍機１０には、第１バイパス流路８４ａおよび第２バイパス流路８４ｂが設けられている。仮に、こうしたバイパス流路が無かったとすると、１台のコールドヘッドが取り外された場合、２台のコールドヘッドに供給されるはずであった作動ガスが、もう１台の運転中のコールドヘッドに集中して供給されることになる。そうすると、運転中のコールドヘッドに流れる作動ガスは過剰となり、例えば、過剰な高圧がそのコールドヘッドに作用するといった不都合が生じうる。しかし、実際には、バイパス流路を通じて作動ガスを逃がすことができるので、コールドヘッドの取り外し前と同様に、ＧＭ冷凍機１０の運転を安定して続けることができる。
【０１２１】
典型的なメンテナンス方法では、まずＧＭ冷凍機の運転が停止され、被冷却物を昇温したうえで、コールドヘッドのメンテナンスが行われる。それから、ＧＭ冷凍機を再び作動させ、被冷却物を再冷却しなければならない。こうしてメンテナンスが完了する。一般に被冷却物の昇温と再冷却にはかなり時間がかかるので、その結果、メンテナンスの開始から完了までに長い時間を要する。しかし、第６実施形態に係るＧＭ冷凍機１０によれば、ＧＭ冷凍機１０の被冷却物を冷却したままで昇温することなく、コールドヘッドを取り外してメンテナンスをすることができる。メンテナンスのために被冷却物の昇温と再冷却をする必要がないので、短い時間でメンテナンスを完了することができる。
【０１２２】
図１６には、バイパス流路についての代替的な実施形態を示す。図示されるように、ＧＭ冷凍機１０には、第１バイパス流路８４ａおよび第２バイパス流路８４ｂは備えられていない。その代わりに、第１コールドヘッド１４ａが取り外されたとき、代替のバイパス管９２が、作動ガス回路５２に取り付けられる。バイパス管９２が、第２主流路７０ａを第１副流路６８ｂに接続する第１バイパス流路を形成すると言える。バイパス管９２は、必要とされる場合には、第４流路抵抗部８６を備えてもよい。第１コールドヘッド１４ａがＧＭ冷凍機１０に再び取り付けられるときは、バイパス管９２が取り外され、代わりに第１コールドヘッド１４ａが取り付けられる。このようにしても、図１３および図１４に示す第１バイパス流路８４ａと同様に、第２コールドヘッド１４ｂへの作動ガスの過剰な供給を抑制するといった効果を奏することができる。
【０１２３】
同様にして、第２コールドヘッド１４ｂが取り外されるときは、バイパス管９２が代わりに取り付けられ、第１主流路６８ａを第２副流路７０ｂに接続する第２バイパス流路を形成することができる。
【０１２４】
上述のバイパス構成は、図７に例示される８つのバルブＶ１〜Ｖ８をもつ２気筒式のＧＭ冷凍機１０にも、同様に適用可能であり、それにより、同様の効果を奏することができる。図１７に示されるように、ＧＭ冷凍機１０においては、第１コールドヘッド１４ａおよび第２コールドヘッド１４ｂがそれぞれ継手８２により個別に脱着可能とされている。第１コールドヘッド１４ａと第１バルブ群（Ｖ３，Ｖ４，Ｖ７，Ｖ８）との間に第１バイパス流路８４ａが設けられ、第２コールドヘッド１４ｂと第２バルブ群（Ｖ１，Ｖ２，Ｖ５，Ｖ６）との間に第２バイパス流路８４ｂが設けられている。あるいは、図１８に示されるように、第２コールドヘッド１４ｂ（または第１コールドヘッド１４ａ）が取り外されたとき、代替のバイパス管９２が取り付けられてもよい。
【０１２５】
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。
【０１２６】
上述の実施形態においては、１つの圧縮機１２に１つのバルブ部５４が設けられ、２つのコールドヘッドが駆動される。ある実施形態においては、１つの圧縮機１２に２つのバルブ部５４が並列に接続されてもよい。各バルブ部５４で２つのコールドヘッドを駆動することにより、１つの圧縮機１２と４つのコールドヘッドを有する４気筒式のＧＭ冷凍機を構成することもできる。同様にして、１つの圧縮機１２と偶数個のコールドヘッドを有するＧＭ冷凍機を構成することもできる。
【０１２７】
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。例えば、第６実施形態に関連して説明したバイパス流路が、第１実施形態から第５実施形態のいずれかに適用されてもよい。
【符号の説明】
【０１２８】
１０  ＧＭ冷凍機、  １４ａ  第１コールドヘッド、  １４ｂ  第２コールドヘッド、  ２０ａ  第１ディスプレーサ、  ２０ｂ  第２ディスプレーサ、  ２２ａ  第１駆動ピストン、  ２２ｂ  第２駆動ピストン、  ２６ａ  第１シリンダ、  ２６ｂ  第２シリンダ、  ２８ａ  第１駆動室、  ２８ｂ  第２駆動室、  ４６ａ  第１区画、  ４６ｂ  第２区画、  ４８ａ  第１ガスばね室、  ４８ｂ  第２ガスばね室、  ６８  第１分岐流路、  ６８ａ  第１主流路、  ６８ｂ  第１副流路、  ６８ｃ  第１分岐点、  ７０  第２分岐流路、  ７０ａ  第２主流路、  ７０ｂ  第２副流路、  ７０ｃ  第２分岐点、  ７２ａ  第１流路抵抗部、  ７２ｂ  第２流路抵抗部、  ７６  短絡流路、  ８４ａ  第１バイパス流路、  ８４ｂ  第２バイパス流路、  Ａ１  第１吸気期間、  Ａ２  第１排気期間、  Ａ３  第２吸気期間、  Ａ４  第２排気期間、  Ｖ１  第１吸気バルブ、  Ｖ２  第１排気バルブ、  Ｖ３  第２吸気バルブ、  Ｖ４  第２排気バルブ。
【図１】
2018091601.tif 000003
【図２】
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【図３】
2018091601.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2018091601.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
2018091601.tif 000016
【図１５】
2018091601.tif 000017
【図１６】
2018091601.tif 000018
【図１７】
2018091601.tif 000019
【図１８】
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