(57)【要約】【課題】差圧駆動式の極低温冷凍機の故障リスクを低減する技術を提供する。【解決手段】極低温冷凍機１００において、高圧流路は、高圧の冷媒ガスを流す。低圧流路は、低圧の冷媒ガスを流す。バルブ４は、高圧流路と低圧流路とを切り換える。シリンダ３は、高圧流路を介して受け入れた冷媒ガスを膨張させ、膨張させた冷媒ガスを低圧流路を介して排出させる。中間圧室２３は、高圧流路を流れる冷媒ガスの圧力と、低圧流路を流れる低圧の冷媒ガスの圧力との間の圧力の冷媒ガスを格納する。ピストン２５は、シリンダ３における冷媒ガスの圧力と、中間圧室２３における冷媒ガスの圧力との差圧で駆動する。バルブ４は、ピストン２５を動力として動作する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高圧の冷媒ガスを流す高圧流路と、
低圧の冷媒ガスを流す低圧流路と、
前記高圧流路と前記低圧流路とを切り換えるバルブと、
前記高圧流路を介して受け入れた冷媒ガスを膨張させ、膨張させた冷媒ガスを前記低圧流路を介して排出させるシリンダと、
前記高圧流路を流れる冷媒ガスの圧力と、前記低圧流路を流れる低圧の冷媒ガスの圧力との間の圧力の冷媒ガスを格納する中間圧室と、
前記シリンダにおける冷媒ガスの圧力と、前記中間圧室における冷媒ガスの圧力との差圧で駆動するピストンとを備え、
前記バルブは、前記ピストンを動力として動作することを特徴とする極低温冷凍機。
【請求項２】
前記中間圧室における冷媒ガスの圧力と前記シリンダにおける冷媒ガスの圧力との差圧を動力として往復運動するディスプレーサをさらに備え、
前記バルブは、前記ディスプレーサの往復運動を動力として作動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】
前記バルブは、前記高圧流路と接続する導入管路と、前記低圧流路と接続する排出管路とを備え、往復運動することによって前記導入管路と前記排出管路とを切り換えることを特徴とする請求項１または２に記載の極低温冷凍機。
【請求項４】
前記バルブの往復運動は、前記導入管路から前記排出管路に切り換える往路動作と、前記排出管路から前記導入管路に切り換える復路動作とを含み、
本極低温冷凍機は、前記バルブと接続する弾性体をさらに備え、
前記バルブは、前記往路動作と前記復路動作とのいずれか一方は前記差圧を動力として作動し、もう一方は前記弾性体の付勢力を動力として作動することを特徴とする請求項３に記載の極低温冷凍機。
【請求項５】
前記弾性体は、本極低温冷凍機が停止しているとき、付勢力によって前記高圧流路と前記バルブにおける前記導入管路とが接続させるか、または前記低圧流路と前記排出管路とが接続させるかのいずれか一方となるように構成されていることを特徴とする請求項４に記載の極低温冷凍機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷媒ガスを膨張させて発生した冷熱を蓄冷材に蓄冷する蓄冷器式の極低温冷凍機に関する。
【背景技術】
【０００２】
極低温を発生する冷凍機としてギフォードマクマホン（Gifford-McMahon；ＧＭ）冷凍機が知られている。ＧＭ冷凍機は、シリンダ内でディスプレーサを往復移動することにより、膨張空間の体積を変化させる。この体積変化に対応して膨張空間と圧縮機の吐出側と吸気側とを選択的に接続することで、冷媒ガスが膨張空間で膨張する。ＧＭ冷凍機の中には、モータを用いてディスプレーサを駆動する種類のものと、以下の特許文献１のように、圧力の異なる冷媒ガスの差圧を利用してディスプレーサを駆動する種類のものとが存在する。
【０００３】
圧力の異なる冷媒ガスの差圧を利用してディスプレーサを駆動する種類の極低温冷凍機は、ディスプレーサを駆動するためのモータは用いない。しかしながら、この種類の極低温冷凍機であっても、冷媒ガスの導入および排出を切り換えるためのバルブを駆動するためにモータを用いる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平４−６８２６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
モータは回転軸や回転軸を支える軸受、磁石のような機械部品や、コイル等の電機部品から構成される複雑な部品であり、故障のリスクが存在する。一方、極低温冷凍機は、例えば超伝導コイルの冷却に用いられるが、超伝導コイルは温度が上昇すると超伝導性が低下する。このため、極低温冷凍機の故障リスクを低減することが望まれている。
【０００６】
本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、差圧駆動式の極低温冷凍機の故障リスクを低減する技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明のある態様の極低温冷凍機は、高圧の冷媒ガスを流す高圧流路と、低圧の冷媒ガスを流す低圧流路と、高圧流路と低圧流路とを切り換えるバルブと、高圧流路を介して受け入れた冷媒ガスを膨張させ、膨張させた冷媒ガスを低圧流路を介して排出させるシリンダと、高圧流路を流れる冷媒ガスの圧力と、低圧流路を流れる低圧の冷媒ガスの圧力との間の圧力の冷媒ガスを格納する中間圧室と、シリンダにおける冷媒ガスの圧力と、中間圧室における冷媒ガスの圧力との差圧で駆動するピストンとを備える。バルブは、ピストンを動力として動作する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、差圧駆動式の極低温冷凍機の故障リスクを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１（ａ）−（ｂ）は、実施の形態の前提技術に係る極低温冷凍機を示す模式図である。
【図２】実施の形態に係る極低温冷凍機を示す模式図である。
【図３】図３（ａ）−（ｃ）は、実施の形態に係るバルブの往復駆動を説明するための模式図である。
【図４】実施の形態の第１の変形例に係るバルブを説明するための模式図である。
【図５】実施の形態の第２の変形例に係るバルブを説明するための模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明を実施するための形態について、添付図面を参照しながら説明する。
【００１１】
（前提技術）
極低温冷凍機として、ギフォードマクマホン冷凍機やスターリング冷凍機等がある。以下、本発明の実施の形態に係る極低温冷凍機の前提技術として、ギフォードマクマホン冷凍機のうち、冷媒ガスの差圧を動力として動作する差圧駆動式の極低温冷凍機について簡単に説明する。
【００１２】
図１（ａ）−（ｂ）は、実施の形態の前提技術に係る極低温冷凍機１を示す模式図である。図１（ａ）および図１（ｂ）に示すように、この極低温冷凍機１は、圧縮機２からの高圧の冷媒ガスをシリンダ３内に導入および排出するためのバルブ４を有している。冷媒ガスとしては、ヘリウムガスを用いることができるがこれに限定されるものではない。
【００１３】
圧縮機２は、低圧配管２ａが接続された吸気側から低圧の冷媒ガスを回収し、これを圧縮した後に吐出側に接続された高圧配管２ｂに高圧の冷媒ガスを供給する。圧縮機２から供給される冷媒ガスは、第１カップリング５ａからモータハウジング６に導入される。
【００１４】
モータハウジング６は気密性の保たれた気密容器となっており、バルブモータ７を収容する。モータハウジング６内の気密容器は、圧縮機２から供給される高圧の冷媒ガスも収容する。
【００１５】
ベース８は、モータハウジング６と隣接して設けられる。モータハウジング６内の気密容器の気密性を保つために、モータハウジング６とベース８との間にはシール部材９が設けられる。また、ベース８と嵌合するようにバルブステム１０が設けられている。ベース８とバルブステム１０とによって、冷媒ガスを収容可能な空間であるサージボリューム１１が形成される。詳細は後述するが、サージボリューム１１は、圧縮機２から供給される高圧の冷媒ガスの圧力よりもやや低い圧力の冷媒ガスを収容する。
【００１６】
サージボリューム１１の気密性を保つために、ベース８とバルブステム１０との間も複数のシール部材１２が設けられる。煩雑となることを避けるために、図１（ａ）−（ｂ）において、シール部材１２の符号は１カ所のみ示したが、ベース８とバルブステム１０との間に存在する黒塗りの矩形は、シール部材１２を示す。バルブ４は、バルブモータ７の回転軸と接続され、バルブモータ７を動力としてバルブステム１０と面接触しながら回転する。
【００１７】
ディスプレーサ１３はシリンダ３に収容され、シリンダ３との間に冷媒ガスの膨張空間１４を形成する。ディスプレーサ１３は円筒状の外周面を有しており、ディスプレーサ１３の内部には、図示しない蓄冷材が充填されている。これにより、ディスプレーサ１３の内部容積は蓄冷器１５として機能する。ディスプレーサ１３はシリンダ３内部で往復可能であり、シリンダ３内でディスプレーサ１３が往復移動することで膨張空間１４内の冷媒ガスが膨張し、寒冷が発生する。
【００１８】
バルブステム１０には、モータハウジング６内の冷媒ガスを膨張空間１４に導入したり、膨張空間１４内の冷媒ガスを第２カップリング５ｂを介して圧縮機２に排出したりするための第１ガス流路１６が形成されている。ベース８にも、膨張空間１４内の冷媒ガスを第２カップリング５ｂを介して圧縮機２に排出するための第２ガス流路１７が設けられており、第１ガス流路１６と第２ガス流路１７とは、バルブ４を介して連通可能である。
【００１９】
バルブステム１０にはまた、第１ガス流路１６を流れる冷媒ガスの一部をサージボリューム１１に導入するためのガス分岐路１８が、第１ガス流路１６から分岐して設けられている。ガス分岐路１８のサージボリューム１１側の出口には、ガス分岐路１８からサージボリューム１１内に導入される冷媒ガスの流量を調整するために、キャピラリ１９が設けられている。
【００２０】
サージボリューム１１には、サージボリューム１１内の冷媒ガスの圧力を調整するために、ブリード２０が設けられている。ブリード２０は第２ガス流路１７と連通しており、サージボリューム１１内の冷媒ガスの一部を圧縮機２に排出することができる。サージボリューム１１にはさらに、サージボリューム１１内の冷媒ガスの圧力を調整するためのオリフィス２１も設けられている。
【００２１】
サージボリューム１１は、第３ガス流路２２を介して、中間圧室２３と連通している。中間圧室２３は、圧縮機２が吸気する低圧の冷媒ガスの圧力より高く、圧縮機２が供給する高圧の冷媒ガスの圧力よりも低い圧力の冷媒ガスを格納する。より具体的には、中間圧室２３内の冷媒ガスは、高圧の冷媒ガスの圧力と低圧の冷媒ガスの圧力との、中間の圧力であることが好ましい。
【００２２】
中間圧室２３と、シリンダ３の内部空間のうちディスプレーサ１３を収容している空間（以下、シリンダ３の内部空間のうちディスプレーサ１３を収容している空間を、単に「シリンダ」ということもある。）との間は、シール部材２４が設けられている。これにより、シリンダ３内の冷媒ガスの圧力と、中間圧室２３内の冷媒ガスの圧力との間に差圧が生じる。
【００２３】
上述したように、バルブ４は、バルブモータ７を動力として回転する。バルブ４には、高圧な冷媒ガスをシリンダ３内に導入するための導入管路と、シリンダ３内の冷媒ガスを圧縮機２に排出するための排出管路とが設けられている。バルブモータ７を動力として回転することで、バルブ４は導入管路と排出管路とを切り換える。
【００２４】
図１（ａ）は、シリンダ３内への冷媒ガスの導入時におけるバルブ４の位置を示している。バルブ４の導入管路が第１ガス流路１６と接続することにより、モータハウジング６とシリンダ３とが連通し、高圧の冷媒ガスがシリンダ３内に供給される。この意味で、バルブ４の導入管路と第１ガス流路１６とは、高圧の冷媒ガスが流れる高圧流路として機能する。
【００２５】
図１（ｂ）は、圧縮機２への冷媒ガスの排出時におけるバルブ４の位置を示している。バルブ４の排出管路が第１ガス流路１６と第２ガス流路１７とを接続することにより、シリンダ３と低圧配管２ａとが連通する。これにより、シリンダ３内の冷媒ガスが圧縮機２に排出される。この意味で、バルブ４の導入管路、第１ガス流路１６、および第２ガス流路１７は、低圧の冷媒ガスが流れる低圧流路として機能する。
【００２６】
次に、実施の形態の前提技術に係る極低温冷凍機１の動作を説明する。
【００２７】
圧縮機２から供給される高圧の冷媒ガスは、高圧配管２ｂおよび第１カップリングを介してモータハウジング６内に供給される。バルブ４はバルブモータ７を動力として回転駆動することにより、図１（ａ）に示すように、ある時点でバルブ４の導入管路が第１ガス流路と接続されて高圧流路が形成される。モータハウジング６内の高圧の冷媒ガスは、高圧流路を介してシリンダ３に供給される。
【００２８】
シリンダ３内に供給された高圧の冷媒ガスは、ディスプレーサ１３を介して膨張空間１４に到達する。シリンダ３内に高圧の冷媒ガスが供給されるにしたがってシリンダ３内の圧力が上昇し、中間圧室２３内の冷媒ガスの圧力よりも高くなる。これにより、中間圧室２３内の圧力とシリンダ３内の圧力との差圧によって、ディスプレーサ１３は中間圧室２３側に向かって移動する。ディスプレーサ１３冷媒ガスは蓄冷材によって冷却されながら膨張空間１４に至り、膨張空間１４の体積が増加する。
【００２９】
一方、バルブ４が回転し、図１（ｂ）に示すように、バルブ４の排出管路が第１ガス流路１６と第２ガス流路１７とを接続すると、シリンダ３と圧縮機２との間に低圧流路が形成される。これにより、膨張空間１４内の冷媒ガスが一気に減圧され、発生した冷熱で冷却された冷媒ガスが、ディスプレーサ１３内の蓄冷材を冷却しながら第２カップリング５ｂを介して圧縮機２に排出される。この際、シリンダ３内の冷媒ガスの圧力は中間圧室２３内の冷媒ガスの圧力よりも低くなる。これにより、中間圧室２３内の圧力とシリンダ３内の圧力との差圧によって、ディスプレーサ１３は膨張空間１４に向かって移動し、膨張空間１４の体積が減少する。
【００３０】
以下本明細書において、説明の便宜のため、シリンダ３内の冷媒ガスの圧力が中間圧室２３内の冷媒ガスの圧力よりも高くなったときにディスプレーサ１３が動く方向を「上方向」と記載し、その逆の方向を「下方向」と記載することがある。しかしながら、「上方向」と「下方向」とはディスプレーサ１３が動く方向を示す便宜上の言葉であり、極低温冷凍機１が実際に設置される向きとは関係しない。
【００３１】
以上のように、バルブモータ７によってバルブ４が回転駆動することにより、シリンダ３の端部のうち、膨張空間１４が形成される側の端部が極低温に冷却される。また、得られた冷熱がディスプレーサ１３内の蓄冷材に蓄えられる。なお、実施の形態の前提技術に係る極低温冷凍機１において、ディスプレーサ１３はシリンダ３の内圧と中間圧室２３の内圧との差圧を動力として往復駆動する。このため、ディスプレーサ１３を駆動するためのモータ等の動力装置は不要である。
【００３２】
（実施の形態）
以上、本発明の実施の形態の前提技術に係る極低温冷凍機１について説明した。続いて、実施の形態に係る極低温冷凍機について説明する。
【００３３】
前提技術に係る差圧駆動式の極低温冷凍機１において、バルブモータ７は、高圧の冷媒ガスの導入と低圧の冷媒ガスの排出とを切り換えるためにバルブ４を回転させる動作のみを担っている。バルブモータ７は、例えばディスプレーサ１３の往復駆動等、冷媒ガスの導入や排出の切替以外の仕事は担っていない。
【００３４】
一方で、前提技術に係る差圧駆動式の極低温冷凍機１において、ディスプレーサ１３の往復駆動は、シリンダ３の内圧と中間圧室２３の内圧との差圧を、シール部材２４で受けることによって実現している。
【００３５】
本願の発明者は、シリンダ３の内圧と中間圧室２３の内圧との差圧を、ディスプレーサ１３の往復駆動の動力のみならず、バルブ４の駆動力として用いることにより、差圧駆動式の極低温冷凍機１からバルブモータ７を取り除くことができる可能性について認識するに至った。より具体的には、バルブ４が高圧の冷媒ガスの導入と低圧の冷媒ガスの排出とを切り換えることでディスプレーサ１３を駆動させ、そのディスプレーサ１３の駆動を動力としてバルブを切り換えることができれば、バルブの切り換えるためのバルブモータ７が不要となる。これにより、極低温冷凍機１のコストの削減や、モータの故障による極低温冷凍機１の故障リスクを低減することができる可能性について認識するに至った。
【００３６】
実施の形態に係る極低温冷凍機は、バルブ４の駆動力にシリンダ３の内圧と中間圧室２３の内圧との差圧を用いることで、前提技術に係る差圧駆動式の極低温冷凍機１からバルブモータ７を取り除いた構成となっている。以下、実施の形態に係る極低温冷凍機について図面を参照しながら説明する。
【００３７】
図２は、実施の形態に係る極低温冷凍機１００を示す模式図である。以下において、実施の形態に係る極低温冷凍機１００を構成する部材のうち、前提技術に係る極低温冷凍機１と共通する部材については同一の符号を付して説明する。また、実施の形態に係る極低温冷凍機１００と前提技術に係る極低温冷凍機１とで重複する説明については、適宜省略または簡略化して記載し、主に相違点を中心に説明する。
【００３８】
実施の形態に係る極低温冷凍機１００は、前提技術に係る極低温冷凍機１と比較すると、バルブ４を回転駆動するためのバルブモータ７を含まない。このため、実施の形態に係る極低温冷凍機１００は、モータハウジング６も有しない。一方で、実施の形態に係る極低温冷凍機１００は、前提技術に係る極低温冷凍機１が備えないピストン２５を備える。ピストン２５は、一端がディスプレーサ１３に接続し、他端がバルブ４と接触している。
【００３９】
上述したように、ディスプレーサ１３は、中間圧室２３における冷媒ガスの圧力と、シリンダ３における冷媒ガスの圧力との差圧を動力として往復駆動する。ピストン２５の一端はディスプレーサ１３に接続しているため、ピストン２５は、ディスプレーサ１３の往復駆動と連動して往復駆動する。
【００４０】
詳細は後述するが、図２に示すように、ピストン２５の他端はピストン２５の軸方向に対して傾斜する面を備える。この面と、バルブ４に設けられた傾斜面とが面接触しており、ピストン２５の軸方向における運動が、バルブ４における軸方向と直交する方向の運動に変換されて伝達される。これにより、バルブ４はディスプレーサ１３の往復駆動を動力として作動することになる。ピストン２５のバルブ４と接触する端部は、例えばフッ素樹脂のような摩擦係数が少ない部材でコーティングすることが好ましい。同様に、バルブ４に設けられた傾斜面も、フッ素樹脂のような摩擦係数が少ない部材でコーティングすることが好ましい。
【００４１】
バルブ４はコイル等の弾性体２６を介してベース８と接続する。ディスプレーサ１３の往復駆動を動力として作動したバルブ４は、弾性体２６の付勢力によって元に位置に戻る。
【００４２】
図３（ａ）−（ｃ）は、実施の形態に係るバルブ４の往復駆動を説明するための模式図である。より具体的に、図３（ａ）は、実施の形態に係る極低温冷凍機１００の吸気工程におけるバルブ４の位置を示す模式図である。吸気工程においては、ディスプレーサ１３は下死点に位置し、バルブ４は弾性体２６の付勢力によって基準位置に存在する。
【００４３】
ここでバルブ４の「基準位置」とは、実施の形態に係る極低温冷凍機１００の動作が停止しているとき、すなわち、圧縮機２の動作が停止しているときに、バルブ４が存在する位置であり、いわばニュートラルポジションである。図３（ａ）は、バルブ４における導入管路２７が第１ガス流路１６と接続され、導入管路２７と第１ガス流路１６とは高圧流路を形成することを示している。このように、図３（ａ）に示す例では、高圧の冷媒ガスが圧縮機２からシリンダ３内に導入可能となる状態が、バルブ４の「基準位置」として示されている。
【００４４】
バルブ４が基準位置にあるとき、導入管路２７と第１ガス流路１６とは高圧流路を構成し、シリンダ３内に高圧の冷媒ガスが導入される。これによりシリンダ３内の冷媒ガスの圧力が上昇し、やがて中間圧室２３内の冷媒ガスの圧力よりも高くなる。シリンダ３内の冷媒ガスの圧力が中間圧室２３内の冷媒ガスの圧力よりも高くなると、その差圧によってディスプレーサ１３はバルブ４の方向（上述した上方向）に移動し、膨張空間１４の体積が増加する。これに伴い、ディスプレーサ１３に接続されたピストン２５も、上方向に移動する。
【００４５】
バルブ４には、ピストン２５の駆動方向に対して傾斜するように設けられた傾斜面２９を備える。ピストン２５の端部は、バルブ４の傾斜面２９と面接触するように構成されており、ピストン２５の往復運動がバルブ４に作用する力は、その往復運動の方向に対して平行な成分と垂直な成分とを持つことになる。
【００４６】
ここで、圧縮機２が供給する高圧の冷媒ガスの圧力は例えば２．２ＭＰａであり、圧縮機２が吸気する低圧の冷媒ガスの圧力は、例えば０．８ＭＰａである。このため、バルブ４は高圧の冷媒ガスの圧力と低圧の冷媒ガスの圧力との差圧程度の力（１．４ＭＰａ程度）でバルブステム１０に押しつけられることになる。
【００４７】
上述したとおり、ディスプレーサ１３は、中間圧室２３内の冷媒ガスの圧力とシリンダ３内の冷媒ガスの圧力との差圧を動力として駆動する。ここで、中間圧室２３内の冷媒ガスの圧力が、高圧の冷媒ガスの圧力と低圧の冷媒ガスの圧力との中間の圧力であるとすれば、その値は１．５ＭＰａとなる。この場合、中間圧室２３内の冷媒ガスの圧力とシリンダ３内の冷媒ガスの圧力との差圧は、最大で０．７ＭＰａ程度となる。
【００４８】
したがって、ピストン２５の往復運動によって、上方向の力をバルブ４に作用させても、バルブ４はその方向に動くことはない。ゆえに、バルブ４は、往復運動するピストン２５から力を受けることにより、その往復運動の方向に対して垂直な方向に移動する。ピストン２５の往復運動の方向を縦とするならば、バルブ４は横方向に摺動する。
【００４９】
図３（ｂ）は、実施の形態に係る極低温冷凍機１００の移送工程におけるバルブ４の位置を示す模式図である。往復運動するピストン２５から力を受けることによってバルブ４は横方向に摺動し、図３（ｂ）に示すように、移送工程においてはバルブ４の導入管路２７は、第１ガス流路１６から切断される。また、移送工程においてはバルブ４の排出管路２８は第２ガス流路１７から切断されている。以上より、移送工程においてはシリンダ３は圧縮機２の吸気側および排気側とのいずれとも切断される。バルブ４がさらに横方向に摺動すると、実施の形態に係る極低温冷凍機１００は排気工程に移行する。
【００５０】
図３（ｃ）は、実施の形態に係る極低温冷凍機１００の排気工程におけるバルブ４の位置を示す模式図である。図３（ｃ）においては、ディスプレーサ１３は上死点に到達し、バルブ４内の排出管路２８は第２ガス流路１７と接続する。バルブ４の導入管路２７、第１ガス流路１６、および第２ガス流路１７によって低圧流路が形成され、シリンダ３は圧縮機２の吸気側と連通する。この結果、シリンダ３内の冷媒ガスが圧縮機２に排出され、シリンダ３において寒冷が発生する。
【００５１】
シリンダ３内の冷媒ガスが圧縮機２に排出されるとシリンダ３内の冷媒ガスの圧力は下降し、やがて中間圧室２３内の冷媒ガスの圧力よりも小さくなる。この結果、ディスプレーサ１３は膨張空間１４の方向、すなわち下方向に向かって移動し、膨張空間１４の体積が減少する。バルブ４は、弾性体２６の付勢力によって基準位置に向かって移動する。この結果、バルブ４は図３（ｂ）に示す移送工程を経て、図３（ａ）に示す吸気工程に戻る。
【００５２】
このように、バルブ４はディスプレーサ１３に接続されたピストン２５の縦方向の往復駆動を動力として横方向に往復駆動する。これにより、バルブ４は、導入管路２７と排出管路２８とを切り換え、シリンダ３と高圧流路との接続、およびシリンダ３と低圧流路との接続を切り換える。
【００５３】
上述したように、バルブ４の往復駆動は、導入管路２７から排出管路２８に切り換える往路動作と、排出管路２８から導入管路２７に切り換える復路動作とを含み、往路動作と復路動作とを繰り返すことでシリンダ３において寒冷を発生させる。図３に示す例では、バルブ４の往路動作はディスプレーサ１３に接続されたピストン２５の往復駆動を動力として駆動し、復路動作は弾性体２６の付勢力を動力として駆動する場合を示すが、これには限られない。
【００５４】
バルブ４は、往路動作と復路動作とのいずれか一方をピストン２５の往復駆動、すなわちシリンダ３の内圧と中間圧室２３の内圧との差圧を動力として駆動し、もう一方は弾性体２６の付勢力を動力として駆動すればよい。したがって、バルブ４は復路動作を差圧を動力として駆動し、往路動作を弾性体２６の付勢力を動力として駆動するようにしてもよい。この場合、図３（ｃ）に示す排気工程におけるバルブ４の位置が、バルブ４の基準位置となる。すなわち、排出管路２８が第２ガス流路１７と接続され、排出管路２８と第２ガス流路１７、および第１ガス流路１６が低圧流路を形成する位置が、バルブ４の基準位置となる。
【００５５】
以上説明したように、実施の形態に係る極低温冷凍機１００は、シリンダ３の内圧と中間圧室２３の内圧との差圧を動力として、バルブ４を駆動する。これにより、バルブ４の駆動にバルブモータが不要となり、故障リスクを低減することができる。さらには、極低温冷凍機１００のコンパクト化、コスト削減、および振動の抑制にも資する。
【００５６】
上述したように、本発明によれば、差圧駆動式の極低温冷凍機１００の故障リスクを低減することができる。
【００５７】
以上本発明の好ましい実施例について詳細に説明したが、本発明は上述した実施例に制限されることなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施例に種々の変形および置換を加えることができる。
【００５８】
（第１の変形例）
図４は、実施の形態の第１の変形例に係るバルブ４を説明するための模式図である。図４に示すバルブ４は、図３（ａ）−（ｃ）に示す例と比較して、第１ピン３０ａ、第２ピン３０ｂ、および溝部３１をさらに備える。
【００５９】
第１ピン３０ａと第２ピン３０ｂとはともに、例えばベース８の内壁に固定され、ディスプレーサ１３の往復駆動の方向とバルブ４の往復駆動の方向との両者に直行する方向に延在する。バルブ４は、第１ピン３０ａと第２ピン３０ｂとを収容する溝部３１を備える。ここで、バルブ４の溝部３１は、バルブ４が吸気工程に位置するとき、第１ピン３０ａが溝部３１の一端と接するように構成されている。バルブ４の溝部３１はまた、バルブ４が排気工程に位置するとき、第２ピン３０ｂが溝部３１の他端と接するように構成されている。すなわち、第１ピン３０ａと第２ピン３０ｂとは、バルブ４の往復駆動を規制するための規制手段として機能する。これにより、バルブ４の往復駆動の振幅が一定範囲となることが保証され、極低温冷凍機１００の吸気工程と排気工程との精度を向上することができる。
【００６０】
（第２の変形例）
図５は、実施の形態の第２の変形例に係るバルブ４を説明するための模式図である。図５に示すバルブ４は、図３（ａ）−（ｃ）に示す例と比較して、ピン３２および溝部３３をさらに備えるが、弾性体２６は有しない。
【００６１】
ピン３２は、ピストン２５と交差して接続している。より具体的には、ピン３２は、ディスプレーサ１３の往復駆動の方向とバルブ４の往復駆動の方向との両者に直行する方向に延在するように、ピストン２５と交差して接続している。ピン３２は、バルブ４の内部に設けられた溝部３３に収容される。溝部３３は、図３（ａ）−（ｃ）に示す傾斜面２９と同様に、ピストン２５の駆動方向とバルブ４の駆動方向との両者に対して傾斜するように設けられている。
【００６２】
極低温冷凍機１００が吸気工程から吸気工程に移行するまでの間は、ピストン２５は、上述した「上方向」に向かって移動する。これに伴い、溝部３３の上方向の面は、ピン３２から「上方向」に力を受ける。溝部３３はピストン２５の駆動方向に対して傾斜するように設けられているため、溝部３３は横方向にも力を受ける。この結果、バルブ４は摺動して往路動作をする。
【００６３】
極低温冷凍機１００が排気工程から吸気工程に移行するまでの間は、ピストン２５は下方向に向かって移動する。このとき、溝部３３の下方向の面は、ピン３２から下方向に力を受ける。溝部３３はピストン２５の駆動方向に対して傾斜するように設けられているため、溝部３３は横方向にも力を受ける。この結果、バルブ４は摺動して復路動作をする。
【００６４】
このように、第２の変形例に係るバルブ４は、往路動作と復路動作との両者とも、シリンダ３の内圧と中間圧室２３の内圧との差圧を動力として駆動する。図３（ａ）−（ｃ）に示す例と比較すると、弾性体２６を省略することができる。弾性体２６は経年変化によって付勢力が低下しうる。弾性体２６の付勢力の低下はバルブ４の動作に影響するため極低温冷凍機１００の故障の原因となり得るが、第２の変形例に係るバルブ４によれば弾性体２６が不要となるので、極低温冷凍機１００の故障リスクをさらに低減することができる。
【００６５】
（第３の変形例）
上述した極低温冷凍機においては段数が一段である場合を示したが、この段数は二段以上に適宜選択することが可能である。
【符号の説明】
【００６６】
２  圧縮機、  ２ａ  低圧配管、  ２ｂ  高圧配管、  ３  シリンダ、  ４  バルブ、  ５ａ  第１カップリング、  ５ｂ  第２カップリング、  ６  モータハウジング、  ７  バルブモータ、  ８  ベース、  ９  シール部材、  １０  バルブステム、  １１  サージボリューム、  １２  シール部材、  １３  ディスプレーサ、  １４  膨張空間、  １５  蓄冷器、  １６  第１ガス流路、  １７  第２ガス流路、  １８  ガス分岐路、  １９  キャピラリ、  ２０  ブリード、  ２１  オリフィス、  ２２  第３ガス流路、  ２３  中間圧室、  ２４  シール部材、  ２５  ピストン、  ２６  弾性体、  ２７  導入管路、  ２８  排出管路、  ２９  傾斜面、１００  極低温冷凍機。
【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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