(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハウジング底面を備えるハウジングと、
前記ハウジング底面との間に上部ガス室を形成するディスプレーサ上面を備え、前記ハウジングに対し軸方向に往復移動可能であるディスプレーサと、
前記ハウジングに形成され、前記上部ガス室に開口したハウジングガス流路と、
前記ディスプレーサに形成され、前記上部ガス室に開口したディスプレーサ上部ガス流路と、
前記上部ガス室の一部をなすよう前記ハウジング底面および前記ディスプレーサ上面の少なくとも一方に形成されたガス導流溝であって、前記ディスプレーサがその軸方向往復移動において上死点に位置するとき前記ハウジングガス流路を前記ディスプレーサ上部ガス流路に連絡するガス導流溝と、を備えることを特徴とする極低温冷凍機。
【請求項２】
前記ディスプレーサ上部ガス流路は、前記ディスプレーサ上面に形成された複数の穴を備え、
前記ガス導流溝は、前記複数の穴に面するよう前記ハウジング底面に形成され、
前記ハウジングガス流路は、前記ガス導流溝に開口していることを特徴とする請求項１に記載の極低温冷凍機。
【請求項３】
前記ガス導流溝は、前記ハウジングガス流路に面するよう前記ディスプレーサ上面に形成され、
前記ディスプレーサ上部ガス流路は、前記ガス導流溝に開口した複数の穴を備え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４】
前記ガス導流溝は、前記ガス導流溝の容積が前記ディスプレーサが前記上死点に位置するときの前記上部ガス室の容積の半分以下となるように形成されてい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極低温冷凍機。
【請求項５】
前記ガス導流溝は、前記ディスプレーサの中心軸まわりに延在することを特徴とする請求項１から４のいずれか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、極低温冷凍機に関する。
【背景技術】
【０００２】
ギフォード・マクマホン（Gifford-McMahon；ＧＭ）冷凍機に代表される極低温冷凍機は、作動ガス（冷媒ガスともいう）の膨張機と圧縮機を有する。膨張機はたいてい、駆動手段によって軸方向に往復移動するディスプレーサとこれに内蔵された蓄冷器を有する。ディスプレーサは、その往復移動を案内するシリンダに収容されている。シリンダに対するディスプレーサの相対移動により両者の間に形成される可変容積が、作動ガスの膨張室として用いられる。膨張室の容積変化と圧力変化とを適切に同期させることによって、膨張機は寒冷を発生させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１４−１９４２９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ディスプレーサの駆動手段を収容しうるハウジングが、膨張室と軸方向反対側でシリンダに固定されている。ディスプレーサの軸方向往復移動のストロークを確保するために、もう１つのガス空間がディスプレーサとハウジングの間に形成される。膨張室とは異なり、このガス空間は、寒冷の発生に寄与しない死容積である。よって、その容積は、ディスプレーサ往復移動のストロークを適正に確保する限り、なるべく小さいことが望まれる。
【０００５】
ディスプレーサとハウジングの間に形成されるガス空間は、極低温冷凍機の作動ガス流路の一部を構成するという別の役割も有しうる。ガス空間が過剰に狭い場合、とくにディスプレーサが往復移動における上死点に位置するとき、ガス空間を通るガス流れに過大な圧力損失がもたらされうる。その結果、極低温冷凍機の冷凍能力が低下しうる。
【０００６】
本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、極低温冷凍機の作動ガス流路における圧力損失を低減しつつ死容積の過剰な増加を抑えることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のある態様によると、極低温冷凍機は、ハウジング底面を備えるハウジングと、前記ハウジング底面との間に上部ガス室を形成するディスプレーサ上面を備え、前記ハウジングに対し軸方向に往復移動可能であるディスプレーサと、前記ハウジングに形成され、前記上部ガス室に開口したハウジングガス流路と、前記ディスプレーサに形成され、前記上部ガス室に開口したディスプレーサ上部ガス流路と、前記上部ガス室の一部をなすよう前記ハウジング底面および前記ディスプレーサ上面の少なくとも一方に形成されたガス導流溝であって、前記ディスプレーサがその軸方向往復移動において上死点に位置するとき前記ハウジングガス流路を前記ディスプレーサ上部ガス流路に連絡するガス導流溝と、を備える。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、極低温冷凍機の作動ガス流路における圧力損失を低減しつつ死容積の過剰な増加を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】ある実施形態に係る極低温冷凍機の全体構成を概略的に示す図である。
【図２】ある実施形態に係る膨張機の作動ガス流路構成の一部を示す。
【図３】ある実施形態に係る膨張機の作動ガス流路構成の一部を示す。
【図４】ある実施形態に係る膨張機の作動ガス流路構成の一部を示す。
【図５】ある実施形態に係る膨張機の作動ガス流路構成の一部を示す。
【図６】他の実施形態に係る極低温冷凍機の全体構成を概略的に示す図である。
【図７】他の実施形態に係る膨張機の作動ガス流路構成の一部を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
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。なお、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。
【００１１】
図１は、ある実施形態に係る極低温冷凍機１０を概略的に示す図である。極低温冷凍機１０は、作動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膨張機１４とを備える。作動ガスは例えばヘリウムガスである。膨張機１４はコールドヘッドとも呼ばれる。膨張機１４には作動ガスを予冷する蓄冷器１６が備えられている。極低温冷凍機１０は、圧縮機１２と膨張機１４とを各々が接続する第１管１８ａと第２管１８ｂを含むガス配管１８を備える。図示される極低温冷凍機１０は、単段式のＧＭ冷凍機である。
【００１２】
知られているように、第１高圧を有する作動ガスが圧縮機１２の吐出口１２ａから第１管１８ａを通じて膨張機１４に供給される。膨張機１４における断熱膨張により、作動ガスは第１高圧からそれより低い第２高圧に減圧される。第２高圧を有する作動ガスは、膨張機１４から第２管１８ｂを通じて圧縮機１２の吸入口１２ｂに回収される。圧縮機１２は、回収された第２高圧を有する作動ガスを圧縮する。こうして作動ガスは再び第１高圧に昇圧される。一般に第１高圧及び第２高圧はともに大気圧よりかなり高い。説明の便宜上、第１高圧及び第２高圧はそれぞれ単に高圧及び低圧とも呼ばれる。通例、高圧は例えば２〜３ＭＰａであり、低圧は例えば０．５〜１．５ＭＰａである。高圧と低圧との差圧は例えば１．２〜２ＭＰａ程度である。
【００１３】
膨張機１４は、膨張機可動部分２０と膨張機静止部分２２とを備える。膨張機可動部分２０は、膨張機静止部分２２に対し軸方向（図１における上下方向）に往復移動可能であるよう構成されている。膨張機可動部分２０の移動方向を図１に矢印Ａで示す。膨張機静止部分２２は、膨張機可動部分２０を軸方向に往復移動可能に支持するよう構成されている。また、膨張機静止部分２２は、膨張機可動部分２０を高圧ガス（第１高圧ガス及び第２高圧ガスを含む）とともに収容する気密容器として構成されている。
【００１４】
膨張機可動部分２０は、ディスプレーサ２４と、その往復移動を駆動するディスプレーサ駆動軸２６とを含む。ディスプレーサ２４には蓄冷器１６が内蔵されている。ディスプレーサ２４は、蓄冷器１６を包囲するディスプレーサ部材２４ａを有する。ディスプレーサ部材２４ａの内部空間に蓄冷材が充填され、それによりディスプレーサ２４内に蓄冷器１６が形成されている。ディスプレーサ２４は、例えば、軸方向に延在する実質的に円柱状の形状を有する。ディスプレーサ部材２４ａは、軸方向において実質的に一様な外径及び内径を有する。よって、蓄冷器１６も、軸方向に延在する実質的に円柱状の形状を有する。
【００１５】
また、ディスプレーサ２４は、ディスプレーサ上面２４ｂを備える。ディスプレーサ上面２４ｂは、軸方向に垂直な実質的に円形の領域である。ディスプレーサ上面２４ｂの中心にディスプレーサ駆動軸２６の一端が固定されている。
【００１６】
膨張機静止部分２２は、大まかに、シリンダ２８及び駆動機構ハウジング（以下単にハウジングともいう）３０からなる二部構成を有する。膨張機静止部分２２の軸方向上部がハウジング３０であり、膨張機静止部分２２の軸方向下部がシリンダ２８であり、これらは相互に堅く結合されている。シリンダ２８は、ディスプレーサ２４の往復移動を案内するよう構成されている。シリンダ２８は、ハウジング３０から軸方向に延在する。シリンダ２８は、軸方向において実質的に一様な内径を有し、よって、シリンダ２８は、軸方向に延在する実質的に円筒の内面を有する。この内径は、ディスプレーサ部材２４ａの外径よりわずかに大きい。
【００１７】
ハウジング３０は、ハウジング底面３０ａを備える。ハウジング底面３０ａは、ハウジング３０の表面の一部であり、ディスプレーサ上面２４ｂと向かい合っている。ハウジング底面３０ａは、ディスプレーサ上面２４ｂと平行であり、ディスプレーサ上面２４ｂと同様に、軸方向に垂直な実質的に円形の領域である。ただし、ハウジング底面３０ａの中心はディスプレーサ駆動軸２６によって貫通されている。ディスプレーサ２４は、ハウジング３０に対し軸方向に往復移動可能である。
【００１８】
また、膨張機静止部分２２は、冷却ステージ３２を含む。冷却ステージ３２は、軸方向においてハウジング３０と反対側でシリンダ２８の末端に固定されている。冷却ステージ３２は、膨張機１４が生成する寒冷を他の物体に伝導するために設けられている。その物体は冷却ステージ３２に取り付けられ、極低温冷凍機１０の動作時に冷却ステージ３２によって冷却される。
【００１９】
本書では説明の便宜上、軸方向、径方向、周方向との用語が使用される。軸方向は、矢印Ａで図示されるように、膨張機静止部分２２に対する膨張機可動部分２０の移動方向を表す。径方向は軸方向に垂直な方向（図において横方向）を表し、周方向は軸方向を囲む方向を表す。膨張機１４のある要素が軸方向に関して冷却ステージ３２に相対的に近いことを「下」、相対的に遠いことを「上」と呼ぶことがある。よって、膨張機１４の高温部及び低温部はそれぞれ軸方向において上部及び下部に位置する。こうした表現は、膨張機１４の要素間の相対的な位置関係の理解を助けるために用いられるにすぎず、現場で設置されるときの膨張機１４の配置とは関係しない。例えば、膨張機１４は、冷却ステージ３２を上向きにハウジング３０を下向きにして設置されてもよい。あるいは、膨張機１４は、軸方向を水平方向に一致させるようにして設置されてもよい。
【００２０】
極低温冷凍機１０の動作時において、蓄冷器１６は、軸方向において一方側（図において上側）に蓄冷器高温部１６ａを有し反対側（図において下側）に蓄冷器低温部１６ｂを有する。このように蓄冷器１６は軸方向に温度分布を有する。蓄冷器１６を包囲する膨張機１４の他の構成要素（例えばディスプレーサ２４及びシリンダ２８）も同様に軸方向温度分布を有し、従って膨張機１４はその動作時に軸方向一方側に高温部を有し軸方向他方側に低温部を有する。高温部は、例えば室温程度の温度を有する。低温部は、極低温冷凍機１０の用途により異なるが、例えば約１００Ｋから約１０Ｋの範囲に含まれるある温度に冷却される。冷却ステージ３２は、シリンダ２８の低温部を外包するようにシリンダ２８に固着されている。
【００２１】
膨張機１４における作動ガスの流路構成を説明する。図２および図３は、ある実施形態に係る膨張機１４の作動ガス流路構成の一部を示す。図２および図３には、ディスプレーサ上面２４ｂおよびハウジング底面３０ａとその周囲の作動ガス流路を示す。
【００２２】
膨張機１４は、バルブ部３４、ハウジングガス流路３６、上部ガス室３７、ディスプレーサ上部ガス流路３８、ディスプレーサ下部ガス流路３９、ガス膨張室４０、及び低圧ガス室４２を備える。高圧ガスは、第１管１８ａからバルブ部３４、ハウジングガス流路３６、上部ガス室３７、ディスプレーサ上部ガス流路３８、蓄冷器１６、ディスプレーサ下部ガス流路３９を経てガス膨張室４０に流入する。ガス膨張室４０からの戻りガスは、ディスプレーサ下部ガス流路３９、蓄冷器１６、ディスプレーサ上部ガス流路３８、上部ガス室３７、ハウジングガス流路３６、バルブ部３４を経て低圧ガス室４２に受け入れられる。
【００２３】
詳しくは後述するが、上部ガス室３７は、ガス導流溝４３を含む。ガス導流溝４３は、ハウジング底面３０ａに形成され、上部ガス室３７の一部をなす。ガス導流溝４３は、ディスプレーサ２４がその軸方向往復移動において上死点に位置するときハウジングガス流路３６をディスプレーサ上部ガス流路３８に連絡する。図２には、上部ガス室３７における軸方向に垂直な平面による膨張機１４の断面が概略的に示されている。図３は、図１に示すガス導流溝４３の一部を拡大して示す。
【００２４】
バルブ部３４は、ディスプレーサ２４の往復移動と同期してガス膨張室４０の圧力を制御するよう構成されている。バルブ部３４は、高圧ガスをガス膨張室４０に供給するための供給路の一部として機能するとともに、低圧ガスをガス膨張室４０から排出するための排出路の一部として機能する。バルブ部３４は、ディスプレーサ２４が下死点またはその近傍を通過するとき低圧ガスの排出を終了し高圧ガスの供給を開始するよう構成されている。バルブ部３４は、ディスプレーサ２４が上死点またはその近傍を通過するとき高圧ガスの供給を終了し低圧ガスの排出を開始するよう構成されている。このように、バルブ部３４は、ディスプレーサ２４の往復移動と同期して作動ガスの供給機能と排出機能とを切り替えるよう構成されている。
【００２５】
ハウジングガス流路３６は、膨張機静止部分２２と上部ガス室３７との間のガス流通のためにハウジング３０に貫通形成されている。ハウジングガス流路３６は、ハウジング３０に形成され、上部ガス室３７に開口している。ハウジングガス流路３６は、バルブ部３４から始まり上部ガス室３７で終端する。つまり、ハウジングガス流路３６の一端はバルブ部３４のガス通路に接続され、ハウジングガス流路３６の他端は上部ガス室３７に接続されている。
【００２６】
上部ガス室３７は、蓄冷器高温部１６ａの側で膨張機静止部分２２とディスプレーサ２４との間に形成されている。より詳しくは、上部ガス室３７は、軸方向においてハウジング底面３０ａとディスプレーサ上面２４ｂとに挟まれ、周方向にシリンダ２８に囲まれている。上部ガス室３７は、低圧ガス室４２に隣接する。上部ガス室３７は室温室とも呼ばれる。上部ガス室３７は膨張機可動部分２０と膨張機静止部分２２との間に形成された可変容積である。
【００２７】
ディスプレーサ上部ガス流路３８は、ディスプレーサ２４に形成され、上部ガス室３７に開口している。ディスプレーサ上部ガス流路３８は、蓄冷器高温部１６ａを上部ガス室３７に連通するよう形成されたディスプレーサ部材２４ａの少なくとも１つの穴である。
【００２８】
具体的には、ディスプレーサ上部ガス流路３８は、ディスプレーサ上面２４ｂに形成された複数の穴を備える。これら複数の穴は、ディスプレーサ上面２４ｂから蓄冷器高温部１６ａへとディスプレーサ部材２４ａを軸方向に貫通している。また、これらの穴は、ディスプレーサ駆動軸２６を囲むようにディスプレーサ上面２４ｂに配列されている。複数の穴は、ディスプレーサ中心軸を中心とするある円周上で周方向に等角度間隔に配置されている。例えば、ディスプレーサ上面２４ｂには４つの穴が９０度おきに形成され、これら４つの穴はディスプレーサ上面２４ｂの中心から等距離にある。理解のために、図２においてディスプレーサ上部ガス流路３８を破線で示す。
【００２９】
複数の穴のうちある１つの穴が軸方向に垂直な平面による断面においてハウジングガス流路３６と同じ位置（すなわちハウジングガス流路３６の直下）に配置されている。複数の穴のうち残りの穴は、軸方向に垂直な平面による断面においてハウジングガス流路３６と異なる位置に形成されている。
【００３０】
図１に示されるように、ディスプレーサ下部ガス流路３９は、蓄冷器低温部１６ｂをガス膨張室４０に連通するよう形成されたディスプレーサ部材２４ａの少なくとも１つの穴である。
【００３１】
ディスプレーサ２４とシリンダ２８とのクリアランスを封じるシール部４４が、ディスプレーサ部材２４ａの側面に設けられている。シール部４４は、ディスプレーサ上部ガス流路３８を周方向に囲むようディスプレーサ部材２４ａに取り付けられていてもよい。
【００３２】
ガス膨張室４０は、蓄冷器低温部１６ｂの側でシリンダ２８とディスプレーサ２４との間に形成されている。ガス膨張室４０は上部ガス室３７と同様に膨張機可動部分２０と膨張機静止部分２２との間に形成された可変容積であり、シリンダ２８に対するディスプレーサ２４の相対移動によってガス膨張室４０の容積は上部ガス室３７の容積と相補的に変動する。シール部４４が設けられているので、上部ガス室３７とガス膨張室４０との直接のガス流通（つまり蓄冷器１６を迂回するガス流れ）はない。
【００３３】
低圧ガス室４２は、ハウジング３０の内部に画定されている。第２管１８ｂがハウジング３０に接続されており、それにより低圧ガス室４２が第２管１８ｂを通じて圧縮機１２の吸入口１２ｂに連通している。そのため、低圧ガス室４２は常に低圧に維持される。
【００３４】
膨張機１４の駆動構成を説明する。図１に示されるように、ディスプレーサ駆動軸２６は、ディスプレーサ２４から上部ガス室３７を貫通して低圧ガス室４２へと突き出している。膨張機静止部分２２は、ディスプレーサ駆動軸２６を軸方向に移動可能に支持する一対の駆動軸ガイド４６ａ、４６ｂを備える。駆動軸ガイド４６ａ、４６ｂはそれぞれ、ディスプレーサ駆動軸２６を囲むようにハウジング３０に設けられている。軸方向下側の駆動軸ガイド４６ｂまたはハウジング３０の下端部は気密に構成されており、そのため低圧ガス室４２は上部ガス室３７から隔離されている。低圧ガス室４２と上部ガス室３７との直接のガス流通はない。
【００３５】
膨張機１４は、ディスプレーサ２４を駆動する駆動機構４８を備える。駆動機構４８は、低圧ガス室４２に収容されており、モータ４８ａ及びスコッチヨーク機構４８ｂを含む。ディスプレーサ駆動軸２６はスコッチヨーク機構４８ｂの一部を形成する。また、スコッチヨーク機構４８ｂは、モータ４８ａの出力軸と平行に延在するとともに当該出力軸から偏心したクランクピン４９を備える。ディスプレーサ駆動軸２６はスコッチヨーク機構４８ｂによって軸方向に駆動されるようスコッチヨーク機構４８ｂに連結されている。したがって、モータ４８ａの回転によりディスプレーサ２４の軸方向往復移動が駆動される。駆動軸ガイド４６ａ、４６ｂは、スコッチヨーク機構４８ｂを挟んで軸方向に異なる位置にある。
【００３６】
バルブ部３４は、駆動機構４８に連結され、ハウジング３０に収容されている。バルブ部３４は、バルブロータ３４ａおよびバルブステータ３４ｂを有するロータリバルブの形式をとる。バルブロータ３４ａおよびバルブステータ３４ｂはともに、低圧ガス室４２に配設されている。バルブロータ３４ａは、モータ４８ａの回転により回転するようモータ４８ａの出力軸に連結されている。バルブロータ３４ａは、バルブステータ３４ｂに対し回転摺動するようバルブステータ３４ｂと面接触している。バルブステータ３４ｂは、ハウジング３０に固定されている。バルブステータ３４ｂは、第１管１８ａからハウジング３０に入る高圧ガスを受け入れるよう構成されている。
【００３７】
ガス導流溝４３の詳細を説明する。図示されるように、ガス導流溝４３は、ディスプレーサ上部ガス流路３８を構成する複数の穴に面するようハウジング底面３０ａに形成されている。また、ガス導流溝４３には、ハウジングガス流路３６が開口している。つまり、ハウジングガス流路３６の出口は、ガス導流溝４３の底面に配置されている。こうした構成によれば、ディスプレーサ２４が上死点に位置するときのようにディスプレーサ上面２４ｂがハウジング底面３０ａにごく近接するときであっても、ハウジングガス流路３６とディスプレーサ上部ガス流路３８との間のガス流れを許容する容積がガス導流溝４３によって確保される。また、ガス導流溝４３をハウジング底面３０ａに加工するのは比較的容易であり、膨張機１４の製造工程への新たな負荷は小さい。
【００３８】
ガス導流溝４３は、ガス導流溝４３の容積がディスプレーサ２４が上死点に位置するときの上部ガス室３７の容積の半分以下となるように形成されている。このようにすれば、ガス導流溝４３の容積を比較的小さくすることができるので、ガス導流溝４３の形成による死容積の過剰な増加を防ぐことができる。それとともに、ディスプレーサ２４が上死点に位置するときの上部ガス室３７での圧力損失が低減され、極低温冷凍機１０の冷凍能力の低下が抑制される。
【００３９】
具体的には、ガス導流溝４３の高さ、幅、および長さが、ガス導流溝４３の容積を、ディスプレーサ２４が上死点に位置するときの上部ガス室３７の容積の半分以下とするように定められている。ここで、ガス導流溝４３の高さ、幅、および長さはそれぞれ、例えば、ガス導流溝４３の軸方向寸法、径方向寸法、および周方向寸法にあたる。
【００４０】
図３に示されるように、ガス導流溝４３は、ハウジング底面３０ａからのガス導流溝４３の軸方向高さＤ１が、ディスプレーサ２４が上死点に位置するときのハウジング底面３０ａからディスプレーサ上面２４ｂへの軸方向間隔Ｄ２より大きくなるように形成されていてもよい。軸方向間隔Ｄ２は、ディスプレーサ２４の往復移動におけるハウジング底面３０ａからディスプレーサ上面２４ｂへの最小距離にあたる。また、ガス導流溝４３は、ハウジング底面３０ａからのガス導流溝４３の軸方向高さＤ１が、ガス導流溝４３の径方向幅Ｄ３より小さくなるように形成されていてもよい。このようにしても、上部ガス室３７での死容積の過剰な増加を防ぐとともに、上部ガス室３７での圧力損失を低減することができる。
【００４１】
図２に示されるように、ガス導流溝４３は、ディスプレーサ２４の中心軸（例えばディスプレーサ駆動軸２６）まわりに延在する。例えば、ガス導流溝４３は、ディスプレーサ２４の中心軸を中心とする環状の溝である。このようにすれば、ガス導流溝４３を比較的容易に加工することができる。
【００４２】
図示されるように、ガス導流溝４３の断面形状は例えば矩形状であるが、これに限られず、ガス導流溝４３はその他任意の断面形状を有してもよい。
【００４３】
上記の構成をもつ極低温冷凍機１０の動作を説明する。ディスプレーサ２４がシリンダ２８の下死点またはその近傍の位置に移動するとき、バルブ部３４は、圧縮機１２の吐出口をガス膨張室４０に接続するよう切り替わる。ディスプレーサ２４がシリンダ２８の下死点またはその近傍に位置するから、上部ガス室３７は広い。高圧ガスが、バルブ部３４から、ハウジングガス流路３６、ガス導流溝４３、上部ガス室３７、ディスプレーサ上部ガス流路３８を通じて蓄冷器高温部１６ａに容易に流入する。ガスは蓄冷器１６を通過しながら冷却され、蓄冷器低温部１６ｂからディスプレーサ下部ガス流路３９を通じてガス膨張室４０に入る。ガスがガス膨張室４０に流入する間、ディスプレーサ２４はシリンダ２８の上死点に向けて移動する。それによりガス膨張室４０の容積が増加される。こうしてガス膨張室４０は高圧ガスで満たされる。
【００４４】
ディスプレーサ２４がシリンダ２８の上死点またはその近傍の位置に移動するとき（図１および図３参照）、バルブ部３４は、圧縮機１２の吸入口をガス膨張室４０に接続するよう切り替わる。高圧ガスはガス膨張室４０で膨張し冷却される。膨張したガスは、ガス膨張室４０からディスプレーサ下部ガス流路３９を通じて蓄冷器１６に入る。ガスは蓄冷器１６を通過しながら冷却する。ガスは、蓄冷器１６からディスプレーサ上部ガス流路３８、ガス導流溝４３、ハウジングガス流路３６、バルブ部３４、低圧ガス室４２を経て圧縮機１２に戻る。ガスがガス膨張室４０から流出する間、ディスプレーサ２４はシリンダ２８の下死点に向けて移動する。それによりガス膨張室４０の容積が減少され、ガス膨張室４０から低圧ガスが排出される。
【００４５】
以上が極低温冷凍機１０における１回の冷却サイクルである。極低温冷凍機１０は冷却サイクルを繰り返すことで、冷却ステージ３２を所望の温度に冷却する。よって、極低温冷凍機１０は、冷却ステージ３２に熱的に結合された物体を極低温に冷却することができる。
【００４６】
ディスプレーサ２４が上死点に位置するときハウジング底面３０ａとディスプレーサ上面２４ｂとの軸方向間隔はかなり狭く、例えば数ｍｍ（例えば１〜３ｍｍ程度）である。これは、死容積を低減するためである。上述のように、ガス導流溝４３は、ハウジング底面３０ａに形成され、上部ガス室３７の一部をなす。ガス導流溝４３は、ディスプレーサ２４がその軸方向往復移動において上死点に位置するときハウジングガス流路３６をディスプレーサ上部ガス流路３８に連絡する。したがって、ディスプレーサ２４が上死点に位置するときであっても、ハウジングガス流路３６とディスプレーサ上部ガス流路３８との間の作動ガス流れが確保される。蓄冷器１６の中をガスがスムーズかつ均等に流れることができる。圧力損失が低減され、極低温冷凍機１０の冷凍能力の低下が抑制される。
【００４７】
ある実施形態においては、図４に示されるように、ディスプレーサ上部ガス流路３８の複数の穴がすべて、軸方向に垂直な平面による断面においてハウジングガス流路３６と異なる位置に形成されていてもよい（つまり、この場合、ハウジングガス流路３６の直下にディスプレーサ上部ガス流路３８が存在しない）。この構成は、作動ガス流れの均一化に役立つ。
【００４８】
ある実施形態においては、ガス導流溝４３は、複数の穴に面する限り、ディスプレーサ２４の中心軸まわりに全周にわたり延在していなくてもよい。図５に示されるように、ガス導流溝４３は、例えばＣ字状の溝であってもよい。Ｃ字状のガス導流溝４３は、ハウジングガス流路３６と反対側で開いており、ガス導流溝４３の２つの端部それぞれにディスプレーサ上部ガス流路３８としての穴が配置されている。このようにすれば、ガス導流溝４３の長さが（ガス導流溝４３が全周にわたる場合に比べて）短くなり、ガス導流溝４３による死容積の過剰な増加を防ぐことができる。
【００４９】
図６は、他の実施形態に係る極低温冷凍機１０の全体構成を概略的に示す図である。図７は、他の実施形態に係る膨張機１４の作動ガス流路構成の一部を示す。
【００５０】
図１から図３を参照して説明した実施形態においては、ガス導流溝４３がハウジング底面３０ａに形成されているが、これに限られない。図６および図７に示すように、ガス導流溝４３は、ディスプレーサ上面２４ｂに形成されてもよい。ガス導流溝４３は、ハウジングガス流路３６に面するようディスプレーサ上面２４ｂに形成されている。ディスプレーサ上部ガス流路３８は、ガス導流溝４３に開口した複数の穴を備える。理解のために、図７においてハウジングガス流路３６を破線で示す。
【００５１】
このようにしても、上部ガス室３７での死容積の過剰な増加を防ぐとともに、上部ガス室３７での圧力損失を低減することができる。また、ガス導流溝４３を比較的容易に加工することができ、製造性が向上される。
【００５２】
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。
【００５３】
ガス導流溝４３は、上部ガス室３７の一部をなすようハウジング底面３０ａおよびディスプレーサ上面２４ｂの両方に形成されていてもよい。すなわち、ハウジング底面３０ａに形成された溝状の凹部とディスプレーサ上面２４ｂに形成された溝状の凹部との組み合わせによって、ガス導流溝４３が形成されていてもよい。
【００５４】
図示されるように、ハウジングガス流路３６は１本だけであり、上部ガス室３７に開口したハウジングガス流路３６の出口は１つである。しかし、ある実施形態においては、ハウジングガス流路３６が上部ガス室３７に開口した複数の出口を有するようハウジング３０内で分岐してもよいし、あるいは、ハウジング３０に複数のハウジングガス流路３６が形成されていてもよい。上部ガス室３７に開口したハウジングガス流路３６の複数の出口がディスプレーサ駆動軸２６を囲むようにハウジング底面３０ａ（またはガス導流溝４３）に配置されていてもよい。
【００５５】
上記においては、単段式のＧＭ冷凍機に言及して実施の形態を説明した。本発明はこれに限られず、実施の形態に係る作動ガス流路構成は、二段式または多段式のＧＭ冷凍機、または、パルス管冷凍機などその他の極低温冷凍機に適用可能である。
【符号の説明】
【００５６】
１０  極低温冷凍機、  ２４  ディスプレーサ、  ２４ｂ  ディスプレーサ上面、  ３０  ハウジング、  ３０ａ  ハウジング底面、  ３６  ハウジングガス流路、  ３７  上部ガス室、  ３８  ディスプレーサ上部ガス流路、  ４３  ガス導流溝。
【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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