(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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ディスプレーサシリンダと、
前記ディスプレーサを軸方向に駆動するよう前記ディスプレーサに連結された駆動ピストンと、
前記駆動ピストンを収容するピストンシリンダであって、前記駆動ピストンを駆動するよう圧力が制御される駆動室と、前記ディスプレーサシリンダに対し気密に形成され、前記駆動ピストンによって前記駆動室から仕切られたガスばね室と、を備えるピストンシリンダと、を備えることを特徴とするＧＭ冷凍機。
【請求項２】
前記ガスばね室を前記駆動室に連通する流路抵抗部をさらに備え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】
前記流路抵抗部は、前記ピストンシリンダと前記駆動ピストンとの間に形成された径方向クリアランスを備え、
前記径方向クリアランスは、前記駆動ピストンが下死点にあるとき第１流路抵抗を有し、前記駆動ピストンが上死点にあるとき第２流路抵抗を有し、前記第１流路抵抗は、前記第２流路抵抗より大きいことを特徴とする請求項２に記載のＧＭ冷凍機。
【請求項４】
前記径方向クリアランスは、前記第２流路抵抗を有する径方向クリアランス上部と、前記径方向クリアランス上部と軸方向に隣接し前記第１流路抵抗を有する径方向クリアランス下部と、を備え、
前記ピストンシリンダは、前記径方向クリアランス上部と前記径方向クリアランス下部の境界となる段部を備えることを特徴とする請求項３に記載のＧＭ冷凍機。
【請求項５】
前記駆動ピストンは、前記駆動ピストンが下死点にあるとき前記ガスばね室を前記径方向クリアランス下部に連通し、前記駆動ピストンが上死点にあるとき前記ガスばね室を前記径方向クリアランス上部に連通するよう形成された連通路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】
前記流路抵抗部は、前記ピストンシリンダと前記駆動ピストンとの間に形成された径方向クリアランスを備え、
前記径方向クリアランスは、前記駆動ピストンが下死点にあるとき第１流路抵抗を有し、前記駆動ピストンが上死点にあるとき第２流路抵抗を有し、前記駆動ピストンが前記下死点と前記上死点との中間点にあるとき第３流路抵抗を有するよう構成され、
前記第３流路抵抗は、前記第１流路抵抗より小さく、かつ前記第２流路抵抗より小さいことを特徴とする請求項２に記載のＧＭ冷凍機。
【請求項７】
前記径方向クリアランスは、前記第２流路抵抗を有する径方向クリアランス上部と、前記径方向クリアランス上部と軸方向に隣接し前記第３流路抵抗を有する径方向クリアランス中間部と、前記径方向クリアランス中間部と軸方向に隣接し前記第１流路抵抗を有する径方向クリアランス下部と、を備えることを特徴とする請求項６に記載のＧＭ冷凍機。
【請求項８】
前記径方向クリアランス中間部の軸方向長さは、前記駆動ピストンのストロークの半分より長く、前記径方向クリアランス下部の軸方向長さは、前記径方向クリアランス上部の軸方向長さより長いことを特徴とする請求項７に記載のＧＭ冷凍機。
【請求項９】
前記流路抵抗部は、前記ピストンシリンダと前記駆動ピストンとの間に形成され、前記径方向クリアランスに連通するバッファ容積を備えることを特徴とする請求項３から８のいずれかに記載のＧＭ冷凍機。
【請求項１０】
前記駆動室は、前記駆動室の圧力制御のためのガス出入口を備え、前記ガス出入口は、前記駆動ピストンが上死点にあるとき前記駆動ピストンによって少なくとも部分的に閉塞されることを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載のＧＭ冷凍機。
【請求項１１】
前記ガスばね室から前記駆動室へのガス流出に抗するよう前記ガスばね室と前記駆動室の間に配設されたチェックバルブをさらに備えることを特徴とする請求項１から１０のいずれかに記載のＧＭ冷凍機。
【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】米国特許第６２５６９９７号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
モータ駆動型の場合は連結機構によってディスプレーサのストロークが定まるから、ディスプレーサがシリンダに衝突しないようにモータ駆動型のＧＭ冷凍機を設計することが容易である。たとえばディスプレーサの下死点とシリンダ底面の間に若干の隙間を設ければディスプレーサとシリンダの衝突は回避される。ところが典型的なガス駆動型ＧＭ冷凍機においては、シリンダ底面に衝突または接触するまでディスプレーサがガス圧の作用により動き続ける。シリンダとのディスプレーサの衝突または接触は、振動や異音の原因となりうる。【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、ガス駆動型ＧＭ冷凍機の振動または異音を低減することにある。
【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ディスプレーサと、前記ディスプレーサを収容するディスプレーサシリンダと、前記ディスプレーサを軸方向に駆動するよう前記ディスプレーサに連結された駆動ピストンと、前記駆動ピストンを収容するピストンシリンダであって、前記駆動ピストンを駆動するよう圧力が制御される駆動室と、前記ディスプレーサシリンダに対し気密に形成され、前記駆動ピストンによって前記駆動室から仕切られたガスばね室と、を備えるピストンシリンダと、を備える。【０００７】
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】
【０００８】
本発明によれば、ガス駆動型ＧＭ冷凍機の振動または異音を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【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冷凍機の動作の一例を示す図である。
【図３】第２実施形態に係るＧＭ冷凍機を示す概略図である。
【図４】第３実施形態に係るＧＭ冷凍機を示す概略図である。
【図５】第３実施形態に係るＧＭ冷凍機を示す概略図である。
【図６】第３実施形態に係るＧＭ冷凍機を示す概略図である。
【図７】第３実施形態に係るＧＭ冷凍機を示す概略図である。
【図８】第３実施形態に係るＧＭ冷凍機を示す概略図である。
【図９】第３実施形態に係るＧＭ冷凍機を示す概略図である。
【図１０】図１０（ａ）および図１０（ｂ）は、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３実施形態に係るＧＭ冷凍機を示す概略図である。
【図１２】第３実施形態に係るＧＭ冷凍機を示す概略図である。
【図１３】第３実施形態に係るＧＭ冷凍機を示す概略図である。
【図１４】第３実施形態に係るＧＭ冷凍機を示す概略図である。
【図１５】第３実施形態に係るＧＭ冷凍機を示す概略図である。
【図１６】第３実施形態に係るＧＭ冷凍機を示す概略図である。
【図１７】図１７（ａ）および図１７（ｂ）は、第３実施形態に係るＧＭ冷凍機を示す概略図である。
【図１８】第３実施形態に係るＧＭ冷凍機を示す概略図である。
【図１９】第４実施形態に係るＧＭ冷凍機を示す概略図である。
【図２０】第４実施形態に係るＧＭ冷凍機を示す概略図である。
【図２１】第４実施形態に係るＧＭ冷凍機を示す概略図である。
【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。
【００１１】
（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。
【００１２】
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。コールドヘッド１４は膨張機とも呼ばれる。詳しくは後述するように、圧縮機１２は、コールドヘッド１４に高圧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１２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、回収した作動ガスを圧縮し、再びコールドヘッド１４に供給する。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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およびピストンシリンダ２８はそれぞれ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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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、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。
【００２７】
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。
【００２８】
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、ディスプレーサ２０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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。なお、このとき駆動室４６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、駆動室４６を、駆動ピストン２２の上動に抗する下向きガスばね力を発生する第２ガスばね室とみなすこともできる。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
作動ガス回路５２は、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。第２吸気バルブＶ３および第２排気バルブＶ４はそれぞれ、駆動ピストン２２を駆動するための高圧バルブおよび低圧バルブと呼ぶこともできる。
【００４１】
バルブ部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。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。
【００４２】
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、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。
【００４３】
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。
【００４４】
第１吸気バルブＶ１は、圧縮機１２の吐出口をコールドヘッド１４の室温室３６に接続する第１吸気流路６０に配設されている。第１排気バルブＶ２は、圧縮機１２の吸入口をコールドヘッド１４の室温室３６に接続する第１排気流路６２に配設されている。図示されるように、第１排気流路６２の一部が室温室３６側で第１吸気流路６０と共通であり、第１排気流路６２の残部がバルブ部５４側で第１吸気流路６０から分岐していてもよい。
【００４５】
第２吸気バルブＶ３は、圧縮機１２の吐出口をピストンシリンダ２８の駆動室４６に接続する第２吸気流路６４に配設されている。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。第２排気バルブＶ４は、圧縮機１２の吸入口をピストンシリンダ２８の駆動室４６に接続する第２排気流路６６に配設されている。図示されるように、第２排気流路６６の一部が駆動室４６側で第２吸気流路６４と共通であり、第２排気流路６６の残部がバルブ部５４側で第２吸気流路６４から分岐していてもよい。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。
【００４６】
図２は、ＧＭ冷凍機１０の動作の一例を示す図である。図２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２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４実施形態にも適用可能である。
【００４７】
図２には、コールドヘッド１４の第１吸気期間Ａ１および第１排気期間Ａ２と、駆動室４６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。
【００４８】
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の吐出口から室温室３６に作動ガスが流れる。逆に第１吸気バルブＶ１が閉じているときは、圧縮機１２から室温室３６への作動ガスの供給は停止される。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）、室温室３６から圧縮機１２の吸入口に作動ガスが流れる。第１排気バルブＶ２が閉じているときは、室温室３６から圧縮機１２への作動ガスの回収は停止される。
【００４９】
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の吐出口から駆動室４６に作動ガスが流れる。第２吸気バルブＶ３が閉じているときは、圧縮機１２から駆動室４６への作動ガスの供給は停止される。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）、駆動室４６から圧縮機１２の吸入口に作動ガスが流れる。第２排気バルブＶ４が閉じているときは、駆動室４６から圧縮機１２への作動ガスの回収は停止される。
【００５０】
図２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、０度から１３５度の範囲であり、第１排気期間Ａ２および第２吸気期間Ａ３は、１８０度から３１５度の範囲である。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。０度においてディスプレーサ２０および駆動ピストン２２は下死点ＬＰ１、ＬＰ２またはその近傍に位置し、１８０度においてディスプレーサ２０および駆動ピストン２２は上死点ＵＰ１、ＵＰ２またはその近傍に位置する。
【００５１】
上記の構成をもつＧＭ冷凍機１０の動作を説明する。ディスプレーサ２０が下死点ＬＰ１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（図２の０度）。第１吸気バルブＶ１が開き、高圧ガスが圧縮機１２の吐出口からコールドヘッド１４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、膨張室３４に入る。
【００５２】
第１吸気期間Ａ１と同時に第２排気期間Ａ４も開始される（図２の０度）。第２排気バルブＶ４が開き、ピストンシリンダ２８の駆動室４６は圧縮機１２の吸入口に接続される。よって駆動室４６は、室温室３６および膨張室３４に対し低圧となる。駆動ピストン２２が下死点ＬＰ２から上死点ＵＰ２に向けて動く。
【００５３】
駆動ピストン２２とともにディスプレーサ２０も下死点ＬＰ１から上死点ＵＰ１に向けて動く。第１吸気バルブＶ１が閉じ、第１吸気期間Ａ１が終了する（図２の１３５度）。第２排気バルブＶ４が閉じ、第２排気期間Ａ４が終了する（図２の１３５度）。駆動ピストン２２およびディスプレーサ２０は引き続き上死点ＵＰ１、ＵＰ２に向けて移動する。こうして、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。
【００５４】
ディスプレーサ２０が上死点ＵＰ１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（図２の１８０度）。第１排気バルブＶ２が開き、コールドヘッド１４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。
【００５５】
第１排気期間Ａ２とともに第２吸気期間Ａ３も開始される（図２の１８０度）。第２吸気バルブＶ３が開き、高圧ガスが圧縮機１２の吐出口からピストンシリンダ２８の駆動室４６に供給される。よって駆動室４６は、室温室３６および膨張室３４に対し高圧となる。駆動ピストン２２が上死点ＵＰ２から下死点ＬＰ２に向けて動く。
【００５６】
駆動ピストン２２とともにディスプレーサ２０も上死点ＵＰ１から下死点ＬＰ１に向けて動く。第１排気バルブＶ２が閉じ、第１排気期間Ａ２が終了する（図２の３１５度）。第２吸気バルブＶ３が閉じ、第２吸気期間Ａ３が終了する（図２の３１５度）。駆動ピストン２２およびディスプレーサ２０は引き続き下死点ＬＰ１、ＬＰ２に向けて移動する。こうして、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。
【００５７】
コールドヘッド１４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、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。
【００５８】
上述のようにコールドヘッド１４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、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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
（第２実施形態）
図３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、ガスばね室４８を駆動室４６に連通する流路抵抗部６８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。
【００６２】
ＧＭ冷凍機１０は、ガスばね室４８から駆動室４６にガス圧を解放するようガスばね室４８を駆動室４６に連通する圧力解放路７０を備える。圧力解放路７０は、ガスばね室４８を駆動室４６に短絡するようピストンシリンダ２８に設けられている。オリフィスなどの流路抵抗部６８が、圧力解放路７０の中途に配置されている。
【００６３】
なお図３において破線で図示するように、圧力解放路７０および流路抵抗部６８が駆動ピストン２２に設けられていてもよい。
【００６４】
このようにしても、第１実施形態と同様に、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。軸方向可動体１６とコールドヘッドハウジング１８の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。
【００６５】
流路抵抗部６８が設けられているので、駆動ピストン２２が過剰に下動しガスばね室４８が過剰に昇圧された場合に、ガスばね室４８から駆動室４６に圧力を解放することができる。よってピストンシリンダ２８が保護される。
【００６６】
（第３実施形態）
図４から図１６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、駆動ピストン２２とピストンシリンダ２８の間のクリアランスを流路抵抗部として利用したことを除いて、第１実施形態に係るＧＭ冷凍機１０と同様である。よって、第１実施形態とは異なり第３シール部５０は設けられていない。ガスばね室４８は密閉されていない。
【００６７】
図４に示されるように、ＧＭ冷凍機１０は、流路抵抗部としての径方向クリアランス７２を備える。径方向クリアランス７２を通じてガスばね室４８が駆動室４６に連通される。径方向クリアランス７２は、駆動ピストン２２とピストンシリンダ２８の間に形成されている。すなわち、径方向クリアランス７２は、駆動ピストン２２の外径とピストンシリンダ２８の内径によって定まる径方向の隙間である。径方向クリアランス７２は、軸方向に一定とされている。このようにしても、上述の各実施形態と同様に、ＧＭ冷凍機１０の振動や異音を低減することができる。
【００６８】
図５に示されるように、ピストンシリンダ２８は、筒状のガイド部材２８ａ、例えばガイドブッシュを備えてもよい。ガイド部材２８ａの内周面に沿って駆動ピストン２２が摺動することにより、ガイド部材２８ａは駆動ピストン２２を軸方向に案内することができる。駆動ピストン２２との良好な摺動性を実現するためにガイド部材２８ａは例えば適切な樹脂材料で形成される。ガイド部材２８ａは駆動ピストン２２の軸方向ストローク全体にわたり駆動ピストン２２を案内するようピストンシリンダ２８に配置されていてもよい。ガイド部材２８ａは、ガスばね室４８を囲んでいる。駆動ピストン２２とガイド部材２８ａによりガスばね室４８が形成されている。
【００６９】
径方向クリアランス７２が駆動ピストン２２とピストンシリンダ２８（またはガイド部材２８ａ）との間で有効なシールとして機能するためには、径方向クリアランス７２の径方向幅は、０．１ｍｍ以下であることが望ましい。また、製造容易性の観点から、径方向クリアランス７２の径方向幅は、０．０１ｍｍ以上であることが望ましい。
【００７０】
径方向クリアランス７２は、軸方向に連続的または段階的に変化していてもよい。それにより、径方向クリアランス７２の流路抵抗が、ピストンシリンダ２８に対する駆動ピストン２２の軸方向位置に応じて異なっていてもよい。一般に、流路抵抗の値は、主として流路の形状および寸法から一意的に定まる。
【００７１】
例えば、径方向クリアランス７２は、駆動ピストン２２が第１軸方向位置（例えば下死点ＬＰ２）にあるとき第１流路抵抗Ｒ１を有し、駆動ピストン２２が第２軸方向位置（例えば上死点ＵＰ２）にあるとき第２流路抵抗Ｒ２を有してもよい。ここで、第１軸方向位置は、第２軸方向位置に比べて駆動ピストン２２の下死点ＬＰ２に近く、第１流路抵抗Ｒ１は、第２流路抵抗Ｒ２より大きくてもよい。このようにすれば、駆動ピストン２２が下死点ＬＰ２またはその近傍にあるときの流路抵抗を、駆動ピストン２２が上死点ＵＰ２またはその近傍にあるときの流路抵抗に比べて大きくすることができる。その結果、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、駆動ピストン２２の下死点ＬＰ２またはその近傍でより効果的に発生させることができる。
【００７２】
図６に示されるように、径方向クリアランス７２は、軸方向下方に向かって徐々に狭くなっていてもよい。そのために、ピストンシリンダ２８の内周面が円すい状に形成されていてもよい。こうして、径方向クリアランス７２は、軸方向に連続的に変化していてもよい。
【００７３】
図７に示されるように、径方向クリアランス７２は、第２流路抵抗Ｒ２を有する径方向クリアランス上部７２ａと、第１流路抵抗Ｒ１を有する径方向クリアランス下部７２ｂと、を備える。上述のように、第１流路抵抗Ｒ１は、第２流路抵抗Ｒ２より大きい。径方向クリアランス下部７２ｂは、径方向クリアランス上部７２ａと軸方向に隣接する。よって、ガスばね室４８は、径方向クリアランス上部７２ａおよび径方向クリアランス下部７２ｂを通じて駆動室４６に連通される。径方向クリアランス上部７２ａおよび径方向クリアランス下部７２ｂの径方向幅は、例えば、０．０１ｍｍから０．１ｍｍの範囲にある。
【００７４】
ピストンシリンダ２８は、径方向クリアランス上部７２ａと径方向クリアランス下部７２ｂの境界となる段部７４を備える。段部７４の軸方向上側でピストンシリンダ２８は第１内径を有し、段部７４の軸方向下側でピストンシリンダ２８は第１内径より小さい第２内径を有する。第１内径および第２内径はともに駆動ピストン２２の外径より大きい。よって、径方向クリアランス下部７２ｂの径方向幅は、径方向クリアランス上部７２ａの径方向幅より狭い。こうして、径方向クリアランス７２は、軸方向に段階的に変化していてもよい。
【００７５】
図８に示されるように、駆動ピストン２２は、ガスばね室４８を径方向クリアランス７２に連通する連通路７６を備えてもよい。連通路７６は、駆動ピストン２２に形成された貫通孔であり、ピストンシリンダ２８の内周面に向けられた出口７６ａを有する。
【００７６】
連通路７６は、駆動ピストン２２が下死点ＬＰ２にあるときガスばね室４８を径方向クリアランス下部７２ｂに連通し、駆動ピストン２２が上死点ＵＰ２にあるときガスばね室４８を径方向クリアランス上部７２ａに連通するよう駆動ピストン２２に形成されている。言い換えれば、出口７６ａは、駆動ピストン２２が下死点ＬＰ２にあるとき段部７４よりも軸方向下方に位置し、駆動ピストン２２が上死点ＵＰ２にあるとき段部７４よりも軸方向上方に位置するように配置されている。
【００７７】
この場合、駆動ピストン２２はピストンシリンダ２８と協働して流量制御弁を構成するとみなすこともできる。出口７６ａが段部７４より下方に位置するとき、ガスばね室４８は径方向クリアランス下部７２ｂ（および径方向クリアランス上部７２ａ）を通じて駆動室４６に連通される。径方向クリアランス下部７２ｂは流路抵抗が大きいので、ガスばね室４８から駆動室４６への流量は制限される。逆に、出口７６ａが段部７４より上方に位置するとき、ガスばね室４８は径方向クリアランス上部７２ａを通じて駆動室４６に連通される。径方向クリアランス上部７２ａは流路抵抗が小さいので、ガスばね室４８から駆動室４６への流量は増加される。
【００７８】
駆動ピストン２２の下動時に出口７６ａが段部７４を通過するタイミングは、第１吸気期間Ａ１の中央領域Ｂ（図２に矢印で示す）にあることが望ましい。中央領域Ｂは、例えば、第１吸気期間Ａ１の１／４から３／４であってもよい。このようにすれば、駆動ピストン２２の上死点ＵＰ２と下死点ＬＰ２の中間でガスばね力を増加することができる。
【００７９】
図９に示されるように、連通路７６は、駆動ピストン２２の外周面に形成された縦溝であってもよい。この縦溝は、ガスばね室４８から駆動ピストン２２の中央部まで軸方向に延びている。
【００８０】
図８および図９においては、径方向クリアランス下部７２ｂは、非常に狭いか、又は無くてもよい。図１に示す第３シール部５０が径方向クリアランス下部７２ｂに設けられてもよい。また、上述の例では連通路７６が１つであるが、駆動ピストン２２に複数の連通路７６が設けられてもよい。その場合、連通路７６は、駆動ピストン２２の周方向に等角度間隔で形成されてもよい。
【００８１】
図１０（ａ）に示されるように、流路抵抗部としての径方向クリアランス７２は、径方向クリアランス７２に連通するバッファ容積９６を備えてもよい。バッファ容積９６は、ピストンシリンダ２８と駆動ピストン２２との間に形成されている。
【００８２】
バッファ容積９６は、駆動ピストン２２の側面（外周面）上で全周にわたり形成された溝または凹部である。バッファ容積９６の深さＤ１は、径方向クリアランス７２の径方向幅ｔよりも大きい。例えば、バッファ容積９６の深さＤ１は、径方向クリアランス７２の径方向幅ｔの１０倍以上であってもよい。
【００８３】
バッファ容積９６は、駆動ピストン２２の側面における軸方向中間部に配置され、径方向クリアランス上部７２ａおよび径方向クリアランス下部７２ｂと連通する。バッファ容積９６を介して径方向クリアランス上部７２ａと径方向クリアランス下部７２ｂが互いに連通している。この例では、径方向クリアランス上部７２ａおよび径方向クリアランス下部７２ｂの径方向幅は等しいが、それは必須ではなく、異なっていてもよい。
【００８４】
このようにして、バッファ容積９６は、径方向クリアランス７２を通じて駆動室４６およびガスばね室４８のそれぞれに接続されている。バッファ容積９６は、駆動室４６およびガスばね室４８と直接にはつながっていない。
【００８５】
バッファ容積９６は、径方向クリアランス７２を通じて駆動室４６およびガスばね室４８と連通しているから、駆動室４６とガスばね室４８の中間圧力をとりうる。駆動室４６が高圧となるとき、駆動室４６から径方向クリアランス上部７２ａを通じてバッファ容積９６にガスが流入しうる。バッファ容積９６の中間圧力が駆動室４６の高圧よりも低くなっている間は、バッファ容積９６は、流入するガスを受け入れ、一時的に貯めることができる。よって、バッファ容積９６が無い場合に比べて、駆動室４６からガスばね室４８へと径方向クリアランス７２を通るガスの流量は抑制される。逆に、ガスばね室４８が高圧となるときには、バッファ容積９６はガスばね室４８から径方向クリアランス下部７２ｂを通じて流入するガスを受け入れることができる。バッファ容積９６が無い場合に比べて、ガスばね室４８から駆動室４６へと径方向クリアランス７２を通るガスの流量は抑制される。
【００８６】
このように、バッファ容積９６には、径方向クリアランス７２を通るガスの流量を抑制する効果がある。したがって、バッファ容積９６は、径方向クリアランス７２の径方向幅の変動によるシール性への影響を軽減することができる。製造誤差により径方向クリアランス７２の径方向幅が設計上の寸法から多少ずれたとしても径方向クリアランス７２のシール性の変動は緩和される。ＧＭ冷凍機１０を量産品として製造する際の径方向クリアランス７２のロバスト性を確保することが容易になる。
【００８７】
バッファ容積９６の形状は任意である。バッファ容積９６は、駆動ピストン２２の側面に形成された任意形状の溝または凹部であってもよい。例えば、図１０（ｂ）に示されるように、バッファ容積９６は、駆動ピストン２２の側面に形成された複数本の溝であってもよい。これらの溝は、駆動ピストン２２の側面上で全周にわたり互いに平行に延びている。バッファ容積９６は、径方向クリアランス７２を通じて駆動室４６およびガスばね室４８に接続されている。このようにして、複数のバッファ容積９６が駆動ピストン２２の側面上で軸方向に並んでいてもよい。あるいは、複数本の溝に代えて、バッファ容積９６は、駆動ピストン２２の側面に形成された一本または複数本のらせん状の溝であってもよい。バッファ容積９６は、駆動ピストン２２の全周にわたり延びていることは必須ではなく、例えば、駆動ピストン２２の側面上に形成された複数の凹部が周方向に配列されていてもよい。
【００８８】
図８および図９を参照して説明したように、駆動ピストン２２に連通路７６が設けられている場合には、バッファ容積９６は、連通路７６とは連通しないように形成される。バッファ容積９６と連通路７６は、駆動ピストン２２に形成された別個のガス空間である。よって、バッファ容積９６と連通路７６との間に直接のガス流通はない。よって、バッファ容積９６は、連通路７６の出口７６ａを避けて駆動ピストン２２の側面に配置される。たとえば、出口７６ａが複数設けられている場合、複数のバッファ容積９６と複数の出口７６ａは周方向に交互に配置されてもよい。あるいは、バッファ容積９６は、出口７６ａとは軸方向に異なる場所に配置されてもよい。
【００８９】
バッファ容積９６が駆動ピストン２２に設けられることは必須ではない。バッファ容積９６は、ピストンシリンダ２８に設けられてもよく、例えば図５に示されるガイド部材２８ａの内周面に設けることも可能である。
【００９０】
図１１に示されるように、流路抵抗部としての径方向クリアランス７２は、駆動ピストン２２が第１軸方向位置（例えば下死点ＬＰ２）にあるとき第１流路抵抗Ｒ１を有し、駆動ピストン２２が第２軸方向位置（例えば上死点ＵＰ２）にあるとき第２流路抵抗Ｒ２を有し、駆動ピストン２２が第３軸方向位置にあるとき第３流路抵抗Ｒ３を有してもよい。ここで、第３軸方向位置は、第１軸方向位置と第２軸方向位置との間に位置し、例えば、下死点ＬＰ２と上死点ＵＰ２との中間点ＭＰであってもよい。すなわち、下死点ＬＰ２から中間点ＭＰまでの軸方向距離は、上死点ＵＰ２から中間点ＭＰまでの軸方向距離と等しい。
【００９１】
第３流路抵抗Ｒ３は、第１流路抵抗Ｒ１より小さく、かつ第２流路抵抗Ｒ２より小さい。上述のように第１流路抵抗Ｒ１が第２流路抵抗Ｒ２より大きくてもよいが、それは必須ではなく、第１流路抵抗Ｒ１が第２流路抵抗Ｒ２より小さくてもよい。
【００９２】
このようにすれば、駆動ピストン２２が下死点ＬＰ２またはその近傍にあるとき、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ことができる。また、駆動ピストン２２が上死点ＵＰ２またはその近傍にあるとき、第２ガスばね室としての駆動室４６は、駆動ピストン２２の上動に抗するガスばね力を発生させることができる。
【００９３】
ガスばね力が過剰に強い場合には、駆動ピストン２２の上下動が抑制され、駆動ピストン２２のストロークが小さくなる。それに伴い、ディスプレーサ２０のストロークも小さくなる。これは、膨張室３４におけるＰＶ仕事を低下させうるから、ＧＭ冷凍機１０の冷凍能力に影響しうる。こうした悪影響を抑制する対策の１つとして、ピストンシリンダ２８の軸長を長くすることで駆動ピストン２２のストロークを大きくすることが考えられる。しかし、その結果、ＧＭ冷凍機１０のサイズが大きくなりうる。
【００９４】
上述のように第３流路抵抗Ｒ３を小さくすることによって、駆動ピストン２２がそのストロークの中間部を移動するとき駆動ピストン２２に作用するガスばね力を小さくすることができる。これにより、駆動ピストン２２によるディスプレーサ２０の駆動力が大きくなり、ディスプレーサ２０のストロークが維持され、ＧＭ冷凍機１０の冷凍能力低下を抑制することができる。
【００９５】
図１１に示されるように、径方向クリアランス７２は、駆動室４６から軸方向下方に向かって徐々に広くなっていてもよい。径方向クリアランス７２は、ガスばね室４８から軸方向上方に向かって徐々に広くなっていてもよい。こうして、径方向クリアランス７２は、軸方向に連続的に変化していてもよい。
【００９６】
図１２に示されるように、径方向クリアランス７２は、第２流路抵抗Ｒ２を有する径方向クリアランス上部７２ａと、第１流路抵抗Ｒ１を有する径方向クリアランス下部７２ｂと、第３流路抵抗Ｒ３を有する径方向クリアランス中間部７２ｃと、を備える。駆動ピストン２２の上死点ＵＰ２は径方向クリアランス上部７２ａに位置し、駆動ピストン２２の下死点ＬＰ２は径方向クリアランス下部７２ｂに位置し、駆動ピストン２２の中間点ＭＰは径方向クリアランス中間部７２ｃに位置する。
【００９７】
上述のように、第３流路抵抗Ｒ３は、第１流路抵抗Ｒ１より小さく、かつ第２流路抵抗Ｒ２より小さい。径方向クリアランス中間部７２ｃは、径方向クリアランス上部７２ａと軸方向に隣接する。径方向クリアランス下部７２ｂは、径方向クリアランス中間部７２ｃと軸方向に隣接する。よって、ガスばね室４８は、径方向クリアランス上部７２ａ、径方向クリアランス中間部７２ｃ、および径方向クリアランス下部７２ｂを通じて駆動室４６に連通される。
【００９８】
ピストンシリンダ２８は、径方向クリアランス上部７２ａと径方向クリアランス中間部７２ｃの境界となる第１段部９２ａと、径方向クリアランス中間部７２ｃと径方向クリアランス下部７２ｂの境界となる第２段部９２ｂとを備える。ピストンシリンダ２８は、第２段部９２ｂの軸方向下側で第１内径を有し、第１段部９２ａの軸方向上側で第２内径を有し、第１段部９２ａと第２段部９２ｂの間で第３内径を有する。第３内径は、第１内径より大きく、かつ第２内径より大きい。第１内径、第２内径、および第３内径はいずれも駆動ピストン２２の外径より大きい。よって、径方向クリアランス中間部７２ｃの径方向幅は、径方向クリアランス上部７２ａの径方向幅より大きく、かつ径方向クリアランス下部７２ｂの径方向幅より大きい。こうして、径方向クリアランス７２は、軸方向に段階的に変化していてもよい。
【００９９】
図１３には、図１２に示される駆動ピストン２２のストロークＳを示す。上死点ＵＰ２に位置するときの駆動ピストン２２が実線で示され、下死点ＬＰ２に位置するときの駆動ピストン２２が破線で示され、中間点ＭＰに位置するときの駆動ピストン２２が一点鎖線で示されている。図示されるように、径方向クリアランス上部７２ａは、第１径方向幅ｔ１を有し、径方向クリアランス下部７２ｂは、第２径方向幅ｔ２を有し、径方向クリアランス中間部７２ｃは、第３径方向幅ｔ３を有する。第１径方向幅ｔ１は、例えば、０．０１ｍｍから０．１ｍｍの範囲にあり、第２径方向幅ｔ２は、例えば、０．０１ｍｍから０．１ｍｍの範囲にあり、第３径方向幅ｔ３は、例えば、０．１５ｍｍから１．０ｍｍの範囲にある。
【０１００】
また、径方向クリアランス上部７２ａは、第１軸方向長さＬ１を有し、径方向クリアランス下部７２ｂは、第２軸方向長さＬ２を有し、径方向クリアランス中間部７２ｃは、第３軸方向長さＬ３を有する。径方向クリアランス中間部７２ｃの第３軸方向長さＬ３は、駆動ピストン２２のストロークＳの半分より長くてもよい。径方向クリアランス下部７２ｂの第２軸方向長さＬ２は、径方向クリアランス上部７２ａの第１軸方向長さＬ１より長くてもよい。このようにして径方向クリアランス７２の軸方向長さを定めることは、駆動ピストン２２のストロークを維持しつつ、ピストンシリンダ２８の軸長を比較的短くすることに役立つ。
【０１０１】
図１４に示されるように、駆動ピストン２２は、ガスばね室４８を径方向クリアランス７２に連通する連通路７６を備えてもよい。連通路７６は、駆動ピストン２２に形成された貫通孔であってもよい。連通路７６は、図８に示される実施形態と同様に機能する。また、必要とされる場合には、駆動ピストン２２は、駆動室４６を径方向クリアランス７２に連通するもう１つの連通路９４を備えてもよい。
【０１０２】
図１５に示されるように、連通路７６は、駆動ピストン２２の外周面に形成された縦溝であってもよい。この縦溝は、ガスばね室４８から駆動ピストン２２の中央部まで軸方向に延びている。連通路７６は、図９に示される実施形態と同様に機能する。また、もう１つの連通路９４についても、縦溝であってもよい。
【０１０３】
径方向クリアランス７２に径方向クリアランス中間部７２ｃを設けることに代えて、図１６に示されるように、ＧＭ冷凍機１０は、径方向クリアランス７２とともに圧力解放路７０を備えてもよい。上述のように、圧力解放路７０は、ガスばね室４８を駆動室４６に短絡するようピストンシリンダ２８に設けられている。オリフィスなどの流路抵抗部６８が、圧力解放路７０の中途に配置されている。圧力解放路７０は、軸方向上方に第１出口７０ａを備え、軸方向下方に第２出口７０ｂを備える。
【０１０４】
このようにしても、駆動ピストン２２が下死点ＬＰ２またはその近傍にあるとき（すなわち駆動ピストン２２が第２出口７０ｂよりも軸方向に下方に位置するとき）、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ことができる。また、駆動ピストン２２が上死点ＵＰ２またはその近傍にあるとき（すなわち駆動ピストン２２が第１出口７０ａよりも軸方向に上方に位置するとき）、第２ガスばね室としての駆動室４６は、駆動ピストン２２の上動に抗するガスばね力を発生させることができる。
【０１０５】
駆動ピストン２２が第１出口７０ａと第２出口７０ｂの間で軸方向に移動するとき、ガスばね室４８と駆動室４６が径方向クリアランス７２と圧力解放路７０の両方を通じて連通される。したがって、駆動ピストン２２がそのストロークの中間部を移動するとき駆動ピストン２２に作用するガスばね力を小さくすることができる。これにより、駆動ピストン２２によるディスプレーサ２０の駆動力が大きくなり、ディスプレーサ２０のストロークが維持され、ＧＭ冷凍機１０の冷凍能力低下を抑制することができる。
【０１０６】
なお、図１６においては径方向クリアランス７２は軸方向に一定とされているが、それは必須ではない。径方向クリアランス７２は、径方向クリアランス上部７２ａ、径方向クリアランス下部７２ｂ、および径方向クリアランス中間部７２ｃを備えてもよい。この場合、第１出口７０ａは、径方向クリアランス上部７２ａに設けられてもよい。第２出口７０ｂは、径方向クリアランス下部７２ｂに設けられてもよい。あるいは、第１出口７０ａおよび第２出口７０ｂが径方向クリアランス中間部７２ｃに設けられてもよい。
【０１０７】
図１７（ａ）に示されるように、駆動ピストン突起２２ａが駆動ピストン２２の上面から軸方向に突出していてもよい。駆動ピストン突起２２ａは、第２吸気流路６４の出口６４ａに挿入可能であるとともに、駆動ピストン２２の軸方向往復動に伴って出口６４ａに進退するよう配置されている。第２吸気流路６４の出口６４ａは、第２排気流路６６の出口でもある。この出口６４ａは、駆動室４６の圧力制御のための駆動室のガス出入口であり、出口６４ａを通じて圧縮機１２と駆動室４６との間でガスが流れる。出口６４ａは、駆動室４６（すなわちピストンシリンダ２８）の上面に貫通して形成されている。
【０１０８】
駆動ピストン突起２２ａは、駆動ピストン２２が上死点ＵＰ２またはその近傍に位置するとき第２吸気流路６４の出口６４ａに挿入される。挿入された駆動ピストン突起２２ａは出口６４ａを完全にまたは部分的に閉塞し、それにより出口６４ａのガス流通が妨げられ、または出口６４ａを通るガス流量が制限される。駆動ピストン突起２２ａは、駆動ピストン２２が上死点ＵＰ２またはその近傍から離れるとき第２吸気流路６４の出口６４ａから引き抜かれる。よって、駆動ピストン突起２２ａは、駆動ピストン２２が下死点ＬＰ２またはその近傍に位置するとき第２吸気流路６４の出口６４ａには挿入されず、出口６４ａの外に位置する。駆動ピストン突起２２ａが出口６４ａから外れているので、出口６４ａのガス流通は回復される。
【０１０９】
したがって、駆動ピストン２２が上死点ＵＰ２に向けて上動するとき駆動ピストン突起２２ａが第２吸気流路６４の出口６４ａに進入し、駆動ピストン２２がさらに上動し駆動室４６が狭くなるにつれて、駆動室４６の圧力が効果的に高まる。駆動ピストン２２が上死点ＵＰ２またはその近傍にあるとき、第２ガスばね室としての駆動室４６は、駆動ピストン２２の上動に抗するガスばね力を発生させることができる。たとえ、第２吸気バルブＶ３または第２排気バルブＶ４のいずれかが開放されていたとしても、駆動ピストン突起２２ａの第２吸気流路６４の出口６４ａへの挿入により出口６４ａのガス流量が低減され、駆動室４６はガスばね力を発生させることができる。このようにして、軸方向可動体１６とコールドヘッドハウジング１８の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。
【０１１０】
なお、図１７（ｂ）に示されるように、ピストンシリンダ２８の上面から軸方向に突出する突起２８ｂが第２吸気流路６４の出口６４ａを囲むように形成され、この突起２８ｂを受け入れ可能な凹部２２ｂが駆動ピストン２２の上面に形成されてもよい。このようにしても、ピストンシリンダ２８の突起２８ｂは、駆動ピストン２２が上死点ＵＰ２またはその近傍に位置するとき駆動ピストン２２の凹部２２ｂに受け入れられる。それにより出口６４ａは、駆動ピストン２２が上死点ＵＰ２にあるとき駆動ピストン２２によって少なくとも部分的に閉塞される。こうして、出口６４ａのガス流通が妨げられ、または出口６４ａを通るガス流量が制限される。よって、駆動室４６は、駆動ピストン２２の上動に抗するガスばね力を発生させることができる。
【０１１１】
図１８に示されるように、第２吸気流路６４の出口６４ａが駆動室４６（すなわちピストンシリンダ２８）の側面に配置されてもよい。
【０１１２】
駆動ピストン２２が上死点ＵＰ２またはその近傍にあるとき（すなわち駆動ピストン２２が出口６４ａよりも軸方向に上方に位置するとき）、駆動ピストン２２の側面が出口６４ａに対向し、それにより出口６４ａのガス流通が妨げられ、または出口６４ａを通るガス流量が制限される。また、駆動ピストン２２が下動するとき出口６４ａは駆動室４６に露出され、出口６４ａのガス流通は回復される。このようにしても、駆動ピストン２２が上死点ＵＰ２またはその近傍にあるとき、第２ガスばね室としての駆動室４６は、駆動ピストン２２の上動に抗するガスばね力を効果的に発生させることができる。
【０１１３】
なお、図１７（ａ）、図１７（ｂ）、図１８においては径方向クリアランス７２は軸方向に一定とされているが、それは必須ではない。図７から図９に示される実施の形態と同様に、径方向クリアランス７２は、径方向クリアランス上部７２ａおよび径方向クリアランス下部７２ｂを備えてもよい。この場合、出口６４ａは、径方向クリアランス上部７２ａに設けられてもよい。図１１から図１５に示される実施の形態と同様に、径方向クリアランス７２は、径方向クリアランス上部７２ａ、径方向クリアランス下部７２ｂ、および径方向クリアランス中間部７２ｃを備えてもよい。出口６４ａは、径方向クリアランス上部７２ａまたは径方向クリアランス中間部７２ｃに設けられてもよい。
【０１１４】
（第４実施形態）
図１９から図２１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、短絡路８０にチェックバルブ７８を備えることを除いて、第１実施形態に係るＧＭ冷凍機１０と同様である。
【０１１５】
図１９に示されるように、チェックバルブ７８は、ガスばね室４８から駆動室４６へのガス流出に抗するようガスばね室４８と駆動室４６の間に配設されている。ピストンシリンダ２８は、ガスばね室４８を駆動室４６に短絡する短絡路８０を備える。チェックバルブ７８は、短絡路８０の中途に配置されている。
【０１１６】
このようにすれば、駆動ピストン２２が下動するときチェックバルブ７８は閉鎖される。よって、駆動ピストン２２は、ガスばね室４８に貯留されたガスを圧縮することができる。第１実施形態と同様に、軸方向可動体１６とコールドヘッドハウジング１８の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。
【０１１７】
図２０に示されるように、チェックバルブ（以下第１チェックバルブともいう）７８と並列にガスばね室４８と駆動室４６を連通する第２チェックバルブ８２が設けられていてもよい。ただし、第２チェックバルブ８２はチェックバルブ７８と逆向きに設けられ、駆動室４６からガスばね室４８へのガス流出に抗する。第１チェックバルブ７８を開く設定差圧は、第２チェックバルブ８２を開く設定差圧より小さい。このようにしても、ＧＭ冷凍機１０の振動や異音を低減することができる。また、ガスばね室４８の過剰な圧力を駆動室４６に逃がすことができる。
【０１１８】
図２１に示されるように、チェックバルブと直列に流路抵抗が接続されてもよい。第１チェックバルブ７８と直列に第１流路抵抗部８４が接続され、第２チェックバルブ８２と直列に第２流路抵抗部８６が接続されている。第１流路抵抗部８４のほうが第２流路抵抗部８６よりも流路抵抗が小さい。第１チェックバルブ７８を開く設定差圧は、第２チェックバルブ８２を開く設定差圧と等しくてもよい。このようにしても、図２０に示される構成と同様の効果を奏することができる。
【０１１９】
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。
【０１２０】
ある実施形態においては、駆動室４６とバルブ部５４の間に流路抵抗部９０が設けられていてもよい。流路抵抗部９０は、第２吸気流路６４において駆動室４６と第２吸気バルブＶ３との間に設けられていてもよい。このようにすれば、コールドヘッド１４の排気工程（図２に示す第１排気期間Ａ２）において駆動室４６の昇圧（図２に示す第２吸気期間Ａ３）に遅延が生じる。それにより、駆動ピストン２２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。これも、軸方向可動体１６とコールドヘッドハウジング１８の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に役立つ。
【０１２１】
ＧＭ冷凍機１０が上向きに設置されるよう設計される場合には、駆動室４６とガスばね室４８の配置が逆でも良い。ガスばね室４８が、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、駆動室４６が、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もよい。
【０１２２】
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４実施形態に関連して説明したチェックバルブが、第１実施形態から第３実施形態に適用されてもよい。
【符号の説明】
【０１２３】
１０  ＧＭ冷凍機、  ２０  ディスプレーサ、  ２２  駆動ピストン、  ２６  ディスプレーサシリンダ、  ２８  ピストンシリンダ、  ４６  駆動室、  ４８  ガスばね室、  ６８  流路抵抗部、  ７２  径方向クリアランス、  ７２ａ  径方向クリアランス上部、  ７２ｂ  径方向クリアランス下部、  ７４  段部、  ７６  連通路、  ７８  チェックバルブ、  ９６  バッファ容積。
【産業上の利用可能性】
【０１２４】
本発明は、ＧＭ冷凍機の分野における利用が可能である。
【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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