(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ディスプレーサ上蓋と前記ディスプレーサ上蓋に軸方向に隣接する蓄冷器とを備え、軸方向往復動可能なディスプレーサと、
前記ディスプレーサ上蓋から軸方向に前記蓄冷器と反対側に延在し、前記ディスプレーサと堅く結合され、前記ディスプレーサとともに軸方向往復動可能なスプール弁体と、
高圧ガス入口と低圧ガス出口とを備え、前記スプール弁体の軸方向往復動を案内するスプール弁スリーブと、
前記ディスプレーサ上蓋から前記スプール弁体へと貫通形成され、前記スプール弁体の軸方向往復動により前記蓄冷器を前記高圧ガス入口または前記低圧ガス出口のいずれかに選択的に連通するガス流路と、を備え、
前記スプール弁体は、前記高圧ガス入口および前記低圧ガス出口を越えて軸方向に前記蓄冷器と反対側に延在していることを特徴とする極低温冷凍機。
【請求項２】
前記スプール弁体は、くびれ部を備え、
前記ガス流路は、
前記ディスプレーサ上蓋から前記くびれ部へと貫通形成された吸排気穴と、
前記くびれ部と前記スプール弁スリーブとの間に形成され、前記スプール弁体の軸方向往復動により前記高圧ガス入口または前記低圧ガス出口のいずれかに選択的に連通される吸排気空間と、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３】
前記スプール弁体の径は、前記ディスプレーサの径の５０％より大きい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。
【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。このような極低温冷凍機の膨張機はたいてい、駆動手段によって軸方向に往復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は、作動ガスの膨張室として用いられる。膨張機は、圧縮機から供給される高圧ガスを膨張室内で断熱膨張させ、これにより寒冷を発生させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１４−３５０９８号公報
【特許文献２】実開平２−４１６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ディスプレーサとシリンダとの間には軸方向において膨張室と反対側にもう１つの可変容積、いわゆる圧縮室、が形成されうる。シリンダに対するディスプレーサの相対移動によって圧縮室が狭くなるとき、そこに滞在するガスはディスプレーサによって圧縮されうる。ガス圧縮に伴う圧縮熱は、極低温冷凍機に熱損失をもたらしうる。とくに、極低温冷凍機の容量が大きいほど、圧縮熱による熱損失も大きくなる。
【０００５】
本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、極低温冷凍機の膨張機に生じうる圧縮熱による熱損失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、極低温冷凍機は、ディスプレーサ上蓋と前記ディスプレーサ上蓋に軸方向に隣接する蓄冷器とを備え、軸方向往復動可能なディスプレーサと、前記ディスプレーサ上蓋から軸方向に前記蓄冷器と反対側に延在し、前記ディスプレーサとともに軸方向往復動可能なスプール弁体と、高圧ガス入口と低圧ガス出口とを備え、前記スプール弁体の軸方向往復動を案内するスプール弁スリーブと、前記ディスプレーサ上蓋から前記スプール弁体へと貫通形成され、前記スプール弁体の軸方向往復動により前記蓄冷器を前記高圧ガス入口または前記低圧ガス出口のいずれかに選択的に連通するガス流路と、を備える。
【０００７】
なお、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、極低温冷凍機の膨張機に生じうる圧縮熱による熱損失を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の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とともに、極低温冷凍機の膨張機の断面を概略的に示す。
【図２】図１に示すスプール弁体のＡ−Ａ線による断面図である。
【図３】ある実施形態に係るディスプレーサ駆動機構の一部を示す。
【図４】本発明の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とともに、極低温冷凍機の膨張機の断面を概略的に示す。
【図５】本発明の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とともに、極低温冷凍機の膨張機の断面を概略的に示す。
【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、本発明の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。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】
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。また、膨張機１４は、蓄冷器１６を内蔵するディスプレーサ２４と、ディスプレーサ２４を収容するシリンダ２８と、シリンダ２８の末端に固定された冷却ステージ３０と、を備える。
【００１３】
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。
【００１４】
詳細は後述するが、膨張機１４は、典型的なロータリー弁方式の流路切替機構に代えて、スプール弁２０を備える。スプール弁２０は、スプール弁体２１とスプール弁スリーブ２２とを備える。
【００１５】
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Ｃで図示されるように、膨張機静止部分に対する膨張機可動部分の移動方向を表す。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３０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３０を上向きにスプール弁２０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。
【００１６】
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３０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。
【００１７】
膨張機１４は、膨張機可動部分と膨張機静止部分とを備える。膨張機可動部分は、膨張機静止部分に対し軸方向（図１における上下方向）に往復動可能であるよう構成されている。膨張機可動部分の移動方向を図１に矢印Ｃで示す。膨張機静止部分は、膨張機可動部分を軸方向に往復動可能に支持するよう構成されている。また、膨張機静止部分は、膨張機可動部分を高圧ガス（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。
【００１８】
膨張機可動部分は、ディスプレーサ２４とスプール弁体２１とを含む。膨張機可動部分の軸方向上部がスプール弁体２１であり、膨張機可動部分の軸方向下部がディスプレーサ２４であり、これらは気密性を保つよう相互に堅く結合されている。膨張機静止部分は、シリンダ２８とスプール弁スリーブ２２とを含む。膨張機静止部分の軸方向上部がスプール弁スリーブ２２であり、膨張機静止部分の軸方向下部がシリンダ２８であり、これらは気密性を保つよう相互に堅く結合されている。また、膨張機静止部分の軸方向下端に冷却ステージ３０が設けられている。
【００１９】
ディスプレーサ２４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、ディスプレーサ上蓋２４ａ、ディスプレーサ筒部２４ｂ、およびディスプレーサ下蓋２４ｃを備える。ディスプレーサ上蓋２４ａは、蓄冷器１６（蓄冷器高温部１６ａ）と軸方向一方側で隣接し、ディスプレーサ下蓋２４ｃは、蓄冷器１６（蓄冷器低温部１６ｂ）と軸方向他方側で隣接する。ディスプレーサ筒部２４ｂは、ディスプレーサ上蓋２４ａをディスプレーサ下蓋２４ｃに接続するとともに、蓄冷器１６を包囲する。
【００２０】
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２４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。
【００２１】
シリンダ２８は、ディスプレーサ２４の往復動を案内するよう構成されている。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２４の外径よりわずかに大きい。よって、シリンダ２８の内周面とディスプレーサ２４の外周面との間にわずかなクリアランスが形成される。また、シリンダ２８は、軸方向上端にフランジ部を有する。
【００２２】
冷却ステージ３０は、軸方向においてスプール弁２０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３０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３０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３０によって冷却される。
【００２３】
膨張機１４における作動ガスの流路構成を説明する。スプール弁２０に加えて、膨張機１４は、高圧ガス入口３２、低圧ガス出口３４、第１ガス流路３６、第２ガス流路３８、及びガス膨張室４０を備える。簡単に言うと、高圧ガスは、第１管１８ａから高圧ガス入口３２、第１ガス流路３６、蓄冷器１６、第２ガス流路３８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、第２ガス流路３８、蓄冷器１６、第１ガス流路３６、低圧ガス出口３４を経て、第２管１８ｂに戻る。
【００２４】
第１ガス流路３６は、膨張機静止部分と蓄冷器１６（蓄冷器高温部１６ａ）との間のガス流通のために設けられている。第１ガス流路３６は、膨張機１４の高温部に形成されている。第１ガス流路３６の詳細は後述する。
【００２５】
第２ガス流路３８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下蓋２４ｃの少なくとも１つの開口である。第２ガス流路３８は、膨張機１４の低温部に形成されている。第２ガス流路３８は、ディスプレーサ筒部２４ｂの軸方向下端部に形成されていてもよい。
【００２６】
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。
【００２７】
スプール弁２０は、ディスプレーサ２４の往復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。スプール弁２０は、高圧ガスをガス膨張室４０に供給するための吸気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気路の一部として機能する。スプール弁２０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。スプール弁２０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、スプール弁２０は、ディスプレーサ２４の往復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、膨張機１４の流路切替機構として機能する。
【００２８】
スプール弁体２１は、ディスプレーサ上蓋２４ａから軸方向に蓄冷器１６と反対側に（すなわち軸方向上方に）延在し、ディスプレーサ２４とともに軸方向往復動可能である。スプール弁スリーブ２２は、シリンダ２８のフランジ部から軸方向上方に延在する。スプール弁スリーブ２２は、スプール弁体２１を収容し、スプール弁体２１の軸方向往復動を案内する。スプール弁体２１とスプール弁スリーブ２２との間にはクリアランス４２が形成されている。
【００２９】
スプール弁体２１は、クリアランス４２を径方向内側に拡張するよう形成されたくびれ部２１ａを備える。くびれ部２１ａとスプール弁スリーブ２２との間に吸排気空間４４が形成され、吸排気空間４４は、クリアランス４２より大きい径方向幅を有する。また、スプール弁体２１は、上側大径部２１ｂおよび下側大径部２１ｃを備え、これらの間にくびれ部２１ａが形成されている。よって、くびれ部２１ａの径は上側大径部２１ｂおよび下側大径部２１ｃの径より小さい。上側大径部２１ｂおよび下側大径部２１ｃの径はスプール弁スリーブ２２の内径よりわずかに小さいので、上述のクリアランス４２が形成される。上側大径部２１ｂおよび下側大径部２１ｃは、軸方向に延在する実質的に円柱状の形状を有し、同径である。しかし、上側大径部２１ｂと下側大径部２１ｃとは、異なる径を有してもよい。
【００３０】
スプール弁体２１の径は、ディスプレーサ上蓋２４ａの径の５０％より大きく、好ましくはディスプレーサ上蓋２４ａの径の８０％より大きい。つまり、くびれ部２１ａ、上側大径部２１ｂ、および下側大径部２１ｃの径は、ディスプレーサ上蓋２４ａの径の５０％または８０％より大きい。図示される実施形態においては、上側大径部２１ｂおよび下側大径部２１ｃの径がディスプレーサ上蓋２４ａの径に等しい。上述のようにディスプレーサ２４は一定の径をもつから、スプール弁体２１の径は、ディスプレーサ２４の径の５０％より大きく、ディスプレーサ２４の径以下である。
【００３１】
スプール弁体２１は、例えばボルト等の締結部材２３によって、ディスプレーサ上蓋２４ａに結合されている。締結部材２３は、くびれ部２１ａ、上側大径部２１ｂ、および下側大径部２１ｃを貫通してディスプレーサ上蓋２４ａに達している。
【００３２】
スプール弁スリーブ２２は、高圧ガス入口３２と低圧ガス出口３４とを備える。低圧ガス出口３４は、高圧ガス入口３２に対し軸方向上方に配置されている。高圧ガス入口３２は、ディスプレーサ２４の下死点で吸排気空間４４が高圧ガス入口３２に連通するよう軸方向に位置決めされている。低圧ガス出口３４は、図示されるように、ディスプレーサ２４の上死点で吸排気空間４４が低圧ガス出口３４に連通するよう軸方向に位置決めされている。
【００３３】
第１ガス流路３６は、ディスプレーサ上蓋２４ａからスプール弁体２１へと貫通形成され、スプール弁体２１の軸方向往復動により蓄冷器１６を高圧ガス入口３２または低圧ガス出口３４のいずれかに選択的に連通する。
【００３４】
第１ガス流路３６は、ディスプレーサ上蓋２４ａからくびれ部２１ａへと貫通形成された少なくとも１つの（例えば複数の）吸排気穴を有する。具体的には、吸排気穴は、ディスプレーサ上蓋２４ａの外周部から下側大径部２１ｃの外周部へと貫通形成されている。吸排気穴のそれぞれは、軸方向に平行に直線的に形成されている。吸排気空間４４は、第１ガス流路３６の一部を形成する。吸排気空間４４は、スプール弁体２１の軸方向往復動により高圧ガス入口３２または低圧ガス出口３４のいずれかに選択的に連通される。
【００３５】
図２は、図１に示すスプール弁体２１のＡ−Ａ線による断面図である。図２に示されるように、第１ガス流路３６は、８つの吸排気穴からなる。これらの吸排気穴は、スプール弁体２１の下側大径部２１ｃの外周部に等角度間隔に形成されている。また、スプール弁体２１には４本の締結部材２３が設けられている。なお図１に示されるのは、図２に示すＢ−Ｂ線による断面である。
【００３６】
図１に示されるように、スプール弁２０は、高圧ガス入口３２と低圧ガス出口３４との間の直接のガス流れを遮断するようクリアランス４２に配設されたスプール弁シール部４６を備える。スプール弁シール部４６は、第１シール部材４６ａ、第２シール部材４６ｂ、第３シール部材４６ｃ、および第４シール部材４６ｄを備える。これらシール部材はそれぞれ、スプール弁スリーブ２２に装着され周方向に延在する。シール部材は、例えばスリッパーシールであるが、望まれるシール性能を有する限り、その他の接触シールまたは非接触シールであってもよい。
【００３７】
スプール弁シール部４６は、クリアランス４２を高圧区間４８、中間区間５０、低圧区間５２に仕切る。高圧区間４８は、第１シール部材４６ａと第２シール部材４６ｂとの間に形成され、中間区間５０は、第２シール部材４６ｂと第３シール部材４６ｃとの間に形成され、低圧区間５２は、第３シール部材４６ｃと第４シール部材４６ｄとの間に形成される。高圧区間４８には高圧ガス入口３２を通じて第１管１８ａが接続され、低圧区間５２には低圧ガス出口３４を通じて第２管１８ｂが接続される。
【００３８】
また、ディスプレーサシール部５４が、クリアランス４２とガス膨張室４０との間の軸方向ガス流れを遮断するようディスプレーサ２４とシリンダ２８との間に配置されている。ディスプレーサシール部５４は、ディスプレーサ上蓋２４ａ、またはディスプレーサ筒部２４ｂの上部に装着され周方向に延在する。ディスプレーサシール部５４は、例えばスリッパーシールであるが、望まれるシール性能を有する限り、その他の接触シールまたは非接触シールであってもよい。
【００３９】
膨張機１４は、ディスプレーサ２４の軸方向往復動を駆動するディスプレーサ駆動機構５６を備える。ディスプレーサ駆動機構５６は、モータ５６ａ及びスコッチヨーク機構５６ｂを含む。スプール弁体２１の上側大径部２１ｂは、スコッチヨーク窓５６ｃを有する。スコッチヨーク窓５６ｃの中にはブッシュ５６ｄが配設されている。ブッシュ５６ｄの駆動軸５６ｅは、クランク５６ｆを介してモータ５６ａの出力軸と偏心接続されている。このようにして、スプール弁体２１はスコッチヨーク機構５６ｂの一部を形成する。モータ５６ａの回転がスコッチヨーク機構５６ｂによりスプール弁体２１の軸方向往復動に変換される。こうしてディスプレーサ２４はスプール弁体２１とともに軸方向に駆動される。
【００４０】
図３は、ある実施形態に係るディスプレーサ駆動機構５６の一部を示す。図示されるように、ブッシュ５６ｄは、凸の湾曲面５８（例えば球状面）を上部および下部に有してもよい。これらの湾曲面５８により、ブッシュ５６ｄはスコッチヨーク窓５６ｃの上辺および下辺に点接触または線接触することができる。ディスプレーサ駆動機構５６の軸はスプール弁２０の軸と理想的には直交するが、これらは製造誤差等により完全な直交から多少ずれうる。その場合、湾曲面５８の作用によりブッシュ５６ｄがわずかに傾くことで、軸間のずれを吸収することができる。
【００４１】
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、スプール弁２０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。高圧ガスが、高圧ガス入口３２から吸排気空間４４および第１ガス流路３６を通じて蓄冷器高温部１６ａに入る。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から第２ガス流路３８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。
【００４２】
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、スプール弁２０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から第２ガス流路３８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から第１ガス流路３６および吸排気空間４４を経て低圧ガス出口３４から圧縮機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。
【００４３】
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３０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３０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。
【００４４】
この実施形態においては、スプール弁体２１がディスプレーサ２４と同じ太さをもち、ディスプレーサ２４から軸方向上方に延在している。したがって、従来一般的な膨張機ではディスプレーサの軸方向上方に隣接して圧縮空間が形成されるのとは対照的に、膨張機１４はそうしたガス空間を有しない。よって、実施形態に係る極低温冷凍機１０の膨張機１４は、従来のそれに比べて、圧縮熱による熱損失を大きく低減することができる。また、極低温冷凍機１０の効率が向上される。こうした利点は、大容量の極低温冷凍機１０に顕著である。従来構成を採用したとすると圧縮空間が大きくなるからである。
【００４５】
また、膨張機１４は、典型的なロータリー弁方式の流路切替機構に代えて、スプール弁２０を備える。これにより、膨張機１４内のガス流路長さが比較的短くなりうる。ガス流路長さの短縮は死容積の低減につながる。
【００４６】
さらに、スプール弁２０は、スプール弁シール部４６を備え、これによりスプール弁体２１の軸方向往復動が案内される。よって、従来一般的な膨張機が有するディスプレーサ用の軸受部品（例えばガイドブッシュ等）が不要となる。部品点数を削減することができる。
【００４７】
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。
【００４８】
図４は、本発明の他の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。図示されるように、スプール弁体２１の径は、ディスプレーサ２４の径より小さくてもよい。この場合にも、図１を参照して説明した実施形態と同様の作用効果を奏することができる。
【００４９】
図示されるように、スプール弁体２１がディスプレーサ２４より細いので、ディスプレーサ２４とシリンダ２８との間にガス空間６０が形成される。スプール弁スリーブ２２は低圧ガス出口３４から分岐した低圧ガス流路６２を追加的に有する。低圧ガス流路６２がガス空間６０を低圧ガス出口３４に連通する。そのため、ガス空間６０は常に低圧に維持される。したがって、ガス空間６０は、従来一般的な膨張機と異なり、圧縮空間となり得ない。なお、低圧ガス流路６２を設けることは必須ではない。
【００５０】
図４に示す実施形態においても、図１に示す実施形態と同様に、スプール弁体２１の径は、ディスプレーサ２４（例えばディスプレーサ上蓋２４ａ）の径の５０％（または、好ましくは８０％）より大きくてもよい。このようにすれば、ガス空間６０の容積をかなり小さくすることができるので、圧縮熱による熱損失は低減される。
【００５１】
スプール弁体２１の径は、ディスプレーサ２４の径の５０％以下であってもよい。このようにすれば、スプール弁体２１ひいては膨張機可動部分を軽量化することができる。その結果、ディスプレーサ駆動機構５６の小型化も可能となる。
【００５２】
図５は、本発明の他の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。図示されるように、スプール弁体２１は、くびれ部２１ａを有しなくてもよい。この場合、第１ガス流路３６は、個別に形成された吸気路３６ａおよび排気路３６ｂを備えてもよい。吸気路３６ａおよび排気路３６ｂはそれぞれＬ字状に形成されている。ディスプレーサ２４が上死点に位置するとき、排気路３６ｂは低圧ガス出口３４に連通され、吸気路３６ａは中間区間５０に封じられる。ディスプレーサ２４が下死点に位置するとき、吸気路３６ａは高圧ガス入口３２に連通され、排気路３６ｂは中間区間５０に封じられる。このようにしても、図１を参照して説明した実施形態と同様の作用効果を奏することができる。
【００５３】
図５に示す実施形態においても、図４に示す実施形態と同様に、スプール弁体２１の径は、ディスプレーサ２４の径より小さくてもよい。
【００５４】
上記においては、ディスプレーサ駆動機構５６は、スプール弁体２１に組み込まれたスコッチヨーク機構５６ｂを有するが、これに代えて、公知のスコッチヨーク機構を備えてもよい。その場合、スコッチヨーク機構の往復動をスプール弁体２１に伝えるために、ディスプレーサ駆動機構５６は、スコッチヨーク機構をスプール弁体２１に接続する接続ロッドを備えてもよい。
【００５５】
上記においては、単段式のＧＭ冷凍機に言及して実施形態を説明した。本発明はこれに限られず、実施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、ディスプレーサ内蔵蓄冷器を有する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、  １６  蓄冷器、  ２０  スプール弁、  ２１  スプール弁体、  ２１ａ  くびれ部、  ２２  スプール弁スリーブ、  ２４  ディスプレーサ、  ２４ａ  ディスプレーサ上蓋、  ３２  高圧ガス入口、  ３４  低圧ガス出口、  ３６  第１ガス流路、  ４４  吸排気空間。
【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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