(57)【要約】【課題】作動ガスの純度を容易に高めることができる冷却機の作動ガス精製システム、冷却機、冷却機の作動ガス精製方法、冷却機の作動ガス置換方法、および冷却機製造方法を提供する。【解決手段】作動ガス精製システム１は、作動ガスを圧縮する圧縮機１０と、圧縮機１０により圧縮された作動ガスを膨張させて冷熱を取り出すコールドヘッド５０とを備える冷却機２の作動ガスを精製するためのシステムであって、圧縮機１０及びコールドヘッド５０に連結され、圧縮機１０及びコールドヘッド５０を含む閉じた経路で作動ガスを循環させる循環ライン４と、循環ライン４中に配置され、作動ガスから不純物を取り除くガス精製装置５とを備える。【選択図】図１
2008202888.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
作動ガスを圧縮する圧縮機と、前記圧縮機により圧縮された作動ガスを膨張させて冷熱を取り出す膨張機とを備える冷却機の前記作動ガスを精製するためのシステムであって、
前記圧縮機及び前記膨張機に連結され、前記圧縮機及び前記膨張機を含む閉じた経路で前記作動ガスを循環させる循環ラインと、
前記循環ライン中に配置され、前記作動ガスから不純物を取り除くガス精製装置と
を備えることを特徴とする、冷却機の作動ガス精製システム。
【請求項２】
前記循環ラインが、
前記圧縮機及び前記膨張機から排気するための排気口と、
前記圧縮機及び前記膨張機へ前記作動ガスを供給するための供給口と、
前記ガス精製装置を迂回する開閉可能なバイパスラインと
を有することを特徴とする、請求項１に記載の冷却機の作動ガス精製システム。
【請求項３】
前記循環ラインが、
前記ガス精製装置の導入口と前記膨張機とを接続する開閉可能な第１のラインと、
前記ガス精製装置の排出口と前記圧縮機とを接続する開閉可能な第２のラインと、
前記ガス精製装置の導入口と前記圧縮機とを接続する開閉可能な第３のラインと、
前記ガス精製装置の排出口と前記膨張機とを接続する開閉可能な第４のラインと
を有することを特徴とする、請求項１または２に記載の冷却機の作動ガス精製システム。
【請求項４】
作動ガスを圧縮する圧縮機と、
前記圧縮機により圧縮された作動ガスを膨張させて冷熱を取り出す膨張機と
を備え、
前記圧縮機及び前記膨張機のそれぞれが、
ガス精製装置を有し前記圧縮機及び前記膨張機を含む閉じた経路で前記作動ガスを循環させる循環ラインに連結されるための連結ポートを有することを特徴とする、冷却機。
【請求項５】
作動ガスを圧縮する圧縮機と、前記圧縮機により圧縮された作動ガスを膨張させて冷熱を取り出す膨張機とを備える冷却機の前記作動ガスを精製する方法であって、
ガス精製装置を有し、前記圧縮機及び前記膨張機を含む閉じた経路で前記作動ガスを循環させる循環ラインを前記圧縮機及び前記膨張機に連結し、前記作動ガスを循環させつつ前記ガス精製装置により前記作動ガスから不純物を取り除くことを特徴とする、冷却機の作動ガス精製方法。
【請求項６】
前記ガス精製装置の導入口と前記膨張機とを接続し、前記ガス精製装置の排出口と前記圧縮機とを接続することにより前記圧縮機から前記膨張機への向きに前記作動ガスを循環させる第１のステップと、
前記ガス精製装置の導入口と前記圧縮機とを接続し、前記ガス精製装置の排出口と前記膨張機とを接続することにより前記膨張機から前記圧縮機への向きに前記作動ガスを循環させる第２のステップと
を備えることを特徴とする、請求項５に記載の冷却機の作動ガス精製方法。
【請求項７】
作動ガスを圧縮する圧縮機と、前記圧縮機により圧縮された作動ガスを膨張させて冷熱を取り出す膨張機とを備える冷却機の前記作動ガスを置換する方法であって、
ガス精製装置と、排気口と、供給口と、前記ガス精製装置を迂回する開閉可能なバイパスラインとを有し、前記圧縮機及び前記膨張機を含む閉じた経路で前記作動ガスを循環させる循環ラインを前記圧縮機及び前記膨張機に連結し、前記バイパスラインを開き、前記排気口を介して前記圧縮機及び前記膨張機から排気し、前記供給口から前記圧縮機及び前記膨張機へ前記作動ガスを供給することを特徴とする、冷却機の作動ガス置換方法。
【請求項８】
作動ガスを圧縮する圧縮機と、前記圧縮機により圧縮された作動ガスを膨張させて冷熱を取り出す膨張機とを備える冷却機を製造する方法であって、
前記圧縮機及び前記膨張機に前記作動ガスを充填するガス充填工程と、
ガス精製装置を有し、前記圧縮機及び前記膨張機を含む閉じた経路で前記作動ガスを循環させる循環ラインを前記圧縮機及び前記膨張機に連結する連結工程と、
前記循環ラインにより前記作動ガスを循環させつつ前記ガス精製装置により前記作動ガスから不純物を取り除く不純物除去工程と
を備えることを特徴とする、冷却機製造方法。
【請求項９】
作動ガスを圧縮する圧縮機と、前記圧縮機により圧縮された作動ガスを膨張させて冷熱を取り出す膨張機とを備える冷却機を製造する方法であって、
ガス精製装置と、排気口と、供給口と、前記ガス精製装置を迂回する開閉可能なバイパスラインとを有し、前記圧縮機及び前記膨張機を含む閉じた経路で前記作動ガスを循環させる循環ラインを前記圧縮機及び前記膨張機に連結する連結工程と、
前記バイパスラインを開き、前記排気口を介して前記圧縮機及び前記膨張機から排気し、前記供給口から前記圧縮機及び前記膨張機へ前記作動ガスを供給するガス充填工程と
を備えることを特徴とする、冷却機製造方法。
【請求項１０】
前記ガス充填工程の後に、前記バイパスラインを閉じ、前記循環ラインにより前記作動ガスを循環させつつ前記ガス精製装置により前記作動ガスから不純物を取り除く不純物除去工程を更に備えることを特徴とする、請求項９に記載の冷却機製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷却機および冷却機の作動ガス精製システム、作動ガス精製方法、作動ガス置換方法、および製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
極低温を生じさせるための冷却機として、例えば特許文献１に開示されたスターリング冷却機がある。この冷却機は、作動ガスを圧縮する圧縮機と、コールドヘッドと、これらを繋ぐガス流路とを備えている。圧縮機は、所定軸に沿って往復動可能な対向する一対の可動ピストンと、この一対の可動ピストンを収容する固定シリンダとを備えている。対向する一対の可動ピストンの間には、圧縮空間が形成されている。この圧縮空間と連通する固定シリンダの部位からは、作動ガスが通るガス流路が設けられている。
【０００３】
このような従来の冷却機では、可動ピストンを往復動させて、圧縮機から圧縮された作動ガスをコールドヘッドに送る。コールドヘッドでは、作動ガスの膨張に際して冷熱が生じる。膨張した作動ガスは、ガス流路を通して圧縮機に戻される。この動作を繰り返すことにより、コールドヘッドにおいて冷却作用が生じる。
【０００４】
特許文献１に示される従来の冷却機では、作動ガスを封入するための封入口（ガスチャージポート）が圧縮機に設けられており、作動ガスはこの封入口から圧縮機の内部へ導入され、また、ガス流路を通ってコールドヘッドへ導入される。なお、特許文献１に示された冷却機では、作動ガスを導入後、封入口をチップオフすることにより作動ガスを封入している。
【特許文献１】特許第２９２１２２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
冷却機に封入された作動ガスは、時間の経過に応じて不純物が混ざり、その純度が低下（劣化）する。作動ガスの純度が低下すると、冷却能力が低下する。このため、上述した従来の冷却機においては、このような作動ガスの純度への要請に対し、例えば圧縮機の封入口をチップオフせずに開閉可能としておき、古い作動ガスを封入口から排気したのちに新しい作動ガスを導入していた。
【０００６】
しかし、このような方法では次の問題点がある。冷却機において作動ガスが存在する領域としては、圧縮機内の圧縮空間、圧縮機とコールドヘッドとを連結するガス流路、およびコールドヘッド内の膨張空間があり、純度が低下した作動ガスを排出する際には、これらの領域の隅々に亘って作動ガスを完全に排出する必要がある。これらの領域の作動ガス全てを圧縮機の封入口のみから排出する場合、排気コンダクタンスが小さく、作動ガスを十分に排出することが難しい。従って、古い作動ガスが圧縮機内やコールドヘッド内に残ってしまい、作動ガスの純度を十分に高めることが難しい。
【０００７】
本発明は、上記した問題点を鑑みてなされたものであり、作動ガスの純度を容易に高めることができる冷却機の作動ガス精製システム、冷却機、冷却機の作動ガス精製方法、冷却機の作動ガス置換方法、および冷却機製造方法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】
【０００８】
上記した課題を解決するために、本発明による冷却機の作動ガス精製システムは、作動ガスを圧縮する圧縮機と、圧縮機により圧縮された作動ガスを膨張させて冷熱を取り出す膨張機とを備える冷却機の作動ガスを精製するためのシステムであって、圧縮機及び膨張機に連結され、圧縮機及び膨張機を含む閉じた経路で作動ガスを循環させる循環ラインと、循環ライン中に配置され、作動ガスから不純物を取り除くガス精製装置とを備えることを特徴とする。
【０００９】
この冷却機の作動ガス精製システムによれば、循環ラインが圧縮機及び膨張機の双方に連結されるので排気コンダクタンスを高めることができ、また、圧縮機、膨張機、および循環ラインにより形成される閉じた経路において作動ガスを循環させつつ、ガス精製装置により作動ガスから不純物を連続的に取り除くことができる。従って、圧縮機の封入口のみで作動ガスを置換する方式と比較して、作動ガスの純度を容易に高めることができる。
【００１０】
また、冷却機の作動ガス精製システムは、循環ラインが、圧縮機及び膨張機から排気するための排気口と、圧縮機及び膨張機へ作動ガスを供給するための供給口と、ガス精製装置を迂回する開閉可能なバイパスラインとを有することを特徴としてもよい。これにより、作動ガスの置換、すなわちバイパスラインを開いて排気口から圧縮機及び膨張機を排気し、供給口から圧縮機及び膨張機へ作動ガスを供給することが容易にできる。また、このシステムによれば、圧縮機及び膨張機それぞれに設けられた循環ラインとの連結口（連結ポート）から排気できるので、圧縮機の封入口のみから排気する方式と比較して、排気コンダクタンスを高めることができる。また、作動ガスを供給した後に、バイパスラインを閉じ、循環ラインにより作動ガスを循環させつつガス精製装置により作動ガスから不純物を取り除くことも可能である。
【００１１】
また、冷却機の作動ガス精製システムは、循環ラインが、ガス精製装置の導入口と膨張機とを接続する開閉可能な第１のラインと、ガス精製装置の排出口と圧縮機とを接続する開閉可能な第２のラインと、ガス精製装置の導入口と圧縮機とを接続する開閉可能な第３のラインと、ガス精製装置の排出口と膨張機とを接続する開閉可能な第４のラインとを有することを特徴としてもよい。この構成において、第１及び第２のラインを開いて第３及び第４のラインを閉じると、作動ガスは、ガス精製装置から圧縮機、膨張機の順に循環して再びガス精製装置へ戻る。また、第３及び第４のラインを開いて第１及び第２のラインを閉じると、作動ガスは、ガス精製装置から膨張機、圧縮機の順に循環して再びガス精製装置へ戻る。このように、循環ラインが上記構成を有することにより、作動ガスの循環方向を容易に変更できる。
【００１２】
また、本発明による冷却機は、作動ガスを圧縮する圧縮機と、圧縮機により圧縮された作動ガスを膨張させて冷熱を取り出す膨張機とを備え、圧縮機及び膨張機のそれぞれが、ガス精製装置を有し圧縮機及び膨張機を含む閉じた経路で作動ガスを循環させる循環ラインに連結されるための連結ポートを有することを特徴とする。
【００１３】
この冷却機によれば、圧縮機及び膨張機の双方が連結ポートを有するので、排気コンダクタンスを高めることができる。そして、圧縮機、膨張機、および循環ラインにより形成される閉じた経路において作動ガスを循環させつつ、ガス精製装置により作動ガスから不純物を連続的に取り除くことができる。従って、作動ガスの純度を容易に高めることができる。
【００１４】
また、本発明による冷却機の作動ガス精製方法は、作動ガスを圧縮する圧縮機と、圧縮機により圧縮された作動ガスを膨張させて冷熱を取り出す膨張機とを備える冷却機の作動ガスを精製する方法であって、ガス精製装置を有し、圧縮機及び膨張機を含む閉じた経路で作動ガスを循環させる循環ラインを圧縮機及び膨張機に連結し、作動ガスを循環させつつガス精製装置により作動ガスから不純物を取り除くことを特徴とする。
【００１５】
この冷却機の作動ガス精製方法によれば、循環ラインを圧縮機及び膨張機の双方に連結するので排気コンダクタンスを高めることができる。また、圧縮機、膨張機、および循環ラインにより形成される閉じた経路において作動ガスを循環させつつ、ガス精製装置により作動ガスから不純物を連続的に取り除くことができる。従って、圧縮機の封入口のみで作動ガスを置換する方式と比較して、作動ガスの純度を容易に高めることができる。
【００１６】
また、冷却機の作動ガス精製方法は、ガス精製装置の導入口と膨張機とを接続し、ガス精製装置の排出口と圧縮機とを接続することにより圧縮機から膨張機への向きに作動ガスを循環させる第１のステップと、ガス精製装置の導入口と圧縮機とを接続し、ガス精製装置の排出口と膨張機とを接続することにより膨張機から圧縮機への向きに作動ガスを循環させる第２のステップとを備えることを特徴としてもよい。循環ラインにおいて一方向に作動ガスを循環させ続けると、膨張機及び圧縮機の一方の汚れが他方に定着してしまう場合がある。この精製方法のように作動ガスの循環方向を変えることによって、汚れの定着を防止できる。
【００１７】
また、本発明による冷却機の作動ガス置換方法は、作動ガスを圧縮する圧縮機と、圧縮機により圧縮された作動ガスを膨張させて冷熱を取り出す膨張機とを備える冷却機の作動ガスを置換する方法であって、ガス精製装置と、排気口と、供給口と、ガス精製装置を迂回する開閉可能なバイパスラインとを有し、圧縮機及び膨張機を含む閉じた経路で作動ガスを循環させる循環ラインを圧縮機及び膨張機に連結し、バイパスラインを開き、排気口を介して圧縮機及び膨張機から排気し、供給口から圧縮機及び膨張機へ作動ガスを供給することを特徴とする。
【００１８】
この冷却機の作動ガス置換方法によれば、圧縮機及び膨張機それぞれに設けられた循環ラインとの連結口（連結ポート）から排気できるので、圧縮機の封入口のみから排気する方式と比較して、排気コンダクタンスを高めることができる。従って、作動ガスの純度を容易に高めることができる。また、作動ガスを供給した後に、バイパスラインを閉じ、循環ラインにより作動ガスを循環させつつガス精製装置により作動ガスから不純物を取り除くことも可能である。
【００１９】
また、本発明による第１の冷却機製造方法は、作動ガスを圧縮する圧縮機と、圧縮機により圧縮された作動ガスを膨張させて冷熱を取り出す膨張機とを備える冷却機を製造する方法であって、圧縮機及び膨張機に作動ガスを充填するガス充填工程と、ガス精製装置を有し、圧縮機及び膨張機を含む閉じた経路で作動ガスを循環させる循環ラインを圧縮機及び膨張機に連結する連結工程と、循環ラインにより作動ガスを循環させつつガス精製装置により作動ガスから不純物を取り除く不純物除去工程とを備えることを特徴とする。
【００２０】
この第１の冷却機製造方法によれば、連結工程において循環ラインを圧縮機及び膨張機の双方に連結するので排気コンダクタンスを高めることができる。また、不純物除去工程において、圧縮機、膨張機、および循環ラインにより形成される閉じた経路において作動ガスを循環させつつ、ガス精製装置により作動ガスから不純物を連続的に取り除くことができる。従って、冷却機製造時における作動ガスの純度を容易に高めることができる。
【００２１】
また、本発明による第２の冷却機製造方法は、作動ガスを圧縮する圧縮機と、圧縮機により圧縮された作動ガスを膨張させて冷熱を取り出す膨張機とを備える冷却機を製造する方法であって、ガス精製装置と、排気口と、供給口と、ガス精製装置を迂回する開閉可能なバイパスラインとを有し、圧縮機及び膨張機を含む閉じた経路で作動ガスを循環させる循環ラインを圧縮機及び膨張機に連結する連結工程と、バイパスラインを開き、排気口を介して圧縮機及び膨張機から排気し、供給口から圧縮機及び膨張機へ作動ガスを供給するガス充填工程とを備えることを特徴とする。
【００２２】
この第２の冷却機製造方法によれば、ガス充填工程において、圧縮機及び膨張機それぞれに設けられた循環ラインとの連結口（連結ポート）から排気できるので、圧縮機の封入口のみから排気する方式と比較して、排気コンダクタンスを高めることができる。従って、冷却機製造時における作動ガスの純度を容易に高めることができる。また、ガス充填工程の後に、バイパスラインを閉じ、循環ラインにより作動ガスを循環させつつガス精製装置により作動ガスから不純物を取り除く不純物除去工程を更に備えてもよい。
【発明の効果】
【００２３】
本発明による冷却機の作動ガス精製システム、冷却機、冷却機の作動ガス精製方法、冷却機の作動ガス置換方法、および冷却機製造方法によれば、作動ガスの純度を容易に高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、添付図面を参照しながら本発明による冷却機の作動ガス精製システム、冷却機、冷却機の作動ガス精製方法、冷却機の作動ガス置換方法、および冷却機製造方法の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００２５】
（第１の実施の形態）
図１は、第１実施形態に係る冷却機および作動ガス精製システムの構成を示す断面図である。本実施形態の作動ガス精製システム１は、冷却機２と、この冷却機２に接続されるガス精製置換装置３とを備えている。冷却機２は、スターリングサイクルを利用したスターリング冷却機であり、圧縮機１０と、コールドヘッド５０と、圧縮機１０およびコールドヘッド５０を互いに接続する配管（ガス流路）８０とを備えている。
【００２６】
圧縮機１０は、基準となる軸Ｘ方向に沿って延びる第１の固定ピストン１２と、軸Ｘ方向に沿って往復動可能に設けられ、一端に第１の固定ピストン１２を収容して第１の圧縮空間Ｓ１を形成する第１の凹部を有する第１の可動シリンダ１６と、第１の圧縮空間Ｓ１と外部とを連通する第１の連通路１８とを備えている。また圧縮機１０は、軸Ｘ方向に沿って第１の固定ピストン１２と反対方向に延びる第２の固定ピストン２２と、軸Ｘ方向に沿って往復動可能に設けられ、一端に第２の固定ピストン２２を収容して第２の圧縮空間Ｓ２を形成する第２の凹部を有する第２の可動シリンダ２６と、第２の圧縮空間Ｓ２と外部とを連通する第２の連通路２８とを備えている。
【００２７】
第１及び第２の固定ピストン１２，２２は、それらの結合部に設けられ軸Ｘと交差する方向に延びる支持壁３２を介して気密容器３０の側壁３４に固定されている。第１及び第２の連通路１８，２８は、第１及び第２の固定ピストン１２，２２の内部にそれぞれ形成されている。第１及び第２の連通路１８，２８は途中で合流して、支持壁３２内を通って容器の側壁３４まで延びている。そして、第１及び第２の連通路１８，２８とコールドヘッド５０のガス流路６８（後述）とが、配管８０により連通されている。
【００２８】
第１の固定ピストン１２と第１の可動シリンダ１６との第１の隙間ＣＬ１、および第２の固定ピストン２２と第２の可動シリンダ２６との第２の隙間ＣＬ２は、例えば数十マイクロメートル程度のクリアランスでシールされており、第１の圧縮空間Ｓ１、第２の圧縮空間Ｓ２において圧縮された作動ガスは第１及び第２の連通路１８，２８へそれぞれ流れる。
【００２９】
第１及び第２の可動シリンダ１６，２６は、可動コイル４２と磁石４４とを有するボイスコイルモータ４０によって、軸Ｘ方向に往復駆動される。これら第１及び第２の可動シリンダ１６，２６は、内端側及び外端側を板バネ４６により支持されている。
【００３０】
また、圧縮機１０の気密容器３０の内部には、第１の隙間ＣＬ１を介して第１の圧縮空間Ｓ１と繋がる第１の作動ガス封入空間Ｓ３、および第２の隙間ＣＬ２を介して第２の圧縮空間Ｓ２と繋がる第２の作動ガス封入空間Ｓ４が形成されている。圧縮機１０は、第１の作動ガス封入空間Ｓ３および第２の作動ガス封入空間Ｓ４と外部とを連通する第３の連通路３６を備えている。第３の連通路３６は支持壁３２の内部に形成されており、支持壁３２の厚さ方向（軸Ｘ方向）に延びる部分によって第１の作動ガス封入空間Ｓ３と第２の作動ガス封入空間Ｓ４とを互いに連通すると共に、支持壁３２内を通って気密容器３０の側壁３４まで延びる部分によってこれらの空間Ｓ３，Ｓ４と外部とを連通する。
【００３１】
第３の連通路３６の先端には、後述するガス精製置換装置３の循環ライン４の一端と連結される連結ポート３８が設けられている。冷却機２の冷却動作の際には、連結ポート３８はキャップ４８により気密に封止される。
【００３２】
コールドヘッド５０は、圧縮機１０から配管８０を介して送られる圧縮された作動ガスを膨張させて冷熱を取り出す膨張機である。コールドヘッド５０は、作動ロッド５４に支持されたディスプレーサ５６を、作動ガスの膨張力を利用してシリンダ５８内で往復動させ、作動ガスから冷熱を取り出すと共に作動ガスを圧縮機１０へ戻す。なお、このような構成のコールドヘッド５０は一段式と称されるが、コールドヘッドは多段式であってもよい。
【００３３】
作動ロッド５４は、基準となる軸Ｙ方向を長手方向として容器６０内に収容されており、シリンダ５８と容器６０とを仕切る壁６４を貫通してディスプレーサ５６まで延びている。なお、壁６４と作動ロッド５４との隙間は気密にシールされている。シリンダ５８は、ディスプレーサ５６を軸Ｙに沿う方向に往復動可能なように収容する。シリンダ５８の軸Ｙ方向の先端部には、ディスプレーサ５６との間に作動ガスの膨張空間Ｓｃが設けられている。コールドヘッド５０には、配管８０とシリンダ５８とを結ぶガス流路６８が設けられている。ディスプレーサ５６は、内部に蓄冷材６２を有する。
【００３４】
作動ロッド５４は、ディスプレーサ５６の往復動作に従い、容器６０の内部において軸Ｙに沿う方向に往復動作する。容器６０の内部には板バネ７０が設けられており、板バネ７０は、作動ロッド５４の基端側を支持する。この板バネ７０は、金属等の材料から円盤状に形成されており、中心には作動ロッド５４が挿通固定される穴が設けられている。また、板バネ７０の板面には複数のスリットが設けられている。
【００３５】
また、コールドヘッド５０には、容器６０の内部とシリンダ５８内部とを連通する第４の連通路６６、および容器６０の内部とコールドヘッド５０の外部とを連通する第５の連通路７２を備えている。図２（ａ）は、第４の連通路６６の構成を示す拡大図である。第４の連通路６６は、容器６０の内外を仕切る壁の内部において軸Ｙ方向と交差する方向に延びており、シリンダ５８の上端側（軸Ｙ方向の容器６０に近い側）の側面５８ａと連通する開口６６ａ、および容器６０の内部と連通する開口６６ｂを含む。また、第４の連通路６６の一端はコールドヘッド５０の外部と連通しており、第４の連通路６６にはプラグ７４が差し込まれている。このプラグ７４は、冷却動作時には図２（ｂ）に示すように第４の連通路６６を閉じ、シリンダ５８と容器６０の内部とを気密に隔離する。また、作動ガスの精製・置換時には、プラグ７４は図２（ａ）に示すように第４の連通路６６を開き、容器６０の内部とシリンダ５８内部とを連通する。
【００３６】
第５の連通路７２は、容器６０の頂部に形成され、軸Ｙ方向に延びている。第５の連通路７２の先端には、後述するガス精製置換装置３の循環ライン４の他端と連結される連結ポート７６が設けられている。冷却機２の冷却動作の際には、連結ポート７６はキャップ７８により気密に封止される。
【００３７】
次に、冷却機２の冷却動作について説明する。まず、ボイスコイルモータ４０により第１及び第２の可動シリンダ１６，２６を互いに内方向に駆動する。すると、第１及び第２の圧縮空間Ｓ１，Ｓ２で作動ガスが圧縮され、高圧の作動ガスが圧縮機１０から第１及び第２の連通路１８，２８を通り、配管８０を通ってコールドヘッド５０に送られる。コールドヘッド５０に送られた作動ガスは、ガス流路６８を通ってシリンダ５８内に送られる。このとき、作動ロッド５４は最下端に位置し、膨張空間Ｓｃは最も狭い状態となっている。シリンダ５８内に送られた作動ガスは、ディスプレーサ５６内に送り出される。
【００３８】
次に、作動ガスが蓄冷材６２にて予冷されると共に、膨張空間Ｓｃに送り出される。この作動ガスが膨張空間Ｓｃにおいて膨張し、ディスプレーサ５６が上方に移動することにより、膨張空間Ｓｃが拡大する。このとき、作動ガスの膨張により冷熱が生じる。膨張した作動ガスは、蓄冷材６２を冷却しながら、逆の経路を辿って圧縮機１０へ戻る。以上の動作が繰り返されることで冷却作用を生じ、コールドヘッド５０の先端部が４０Ｋ程度の温度まで低下する。
【００３９】
続いて、ガス精製置換装置３について説明する。本実施形態のガス精製置換装置３は、循環ライン４、ガス精製装置５、循環用ポンプ６、ガス純度測定器８、及び複数のバルブ９Ａ〜９Ｆを備えている。
【００４０】
循環ライン４は、その一端が圧縮機１０の連結ポート３８に連結され、他端がコールドヘッド５０の連結ポート７６に連結され、圧縮機１０及びコールドヘッド５０を含む閉じた経路によって作動ガスを循環させる。すなわち、この閉じた経路とは、循環ライン４から、連結ポート３８、第３の連通路３６、第１及び第２の作動ガス封入空間Ｓ３，Ｓ４、第１及び第２の隙間ＣＬ１，ＣＬ２、第１及び第２の圧縮空間Ｓ１，Ｓ２、第１及び第２の連通路１８，２８、配管８０、シリンダ５８、第４の連通路６６、容器６０内部、第５の連通路７２、及び連結ポート７６を経由して、再び循環ライン４に至る経路である。循環ライン４の閉じた経路の途中には、循環用ポンプ６が設けられている。循環ライン４は、主に配管によって構成される。
【００４１】
また、循環ライン４は、排気・供給ライン４ａを有する。排気・供給ライン４ａは、その一端が循環ライン４の閉じた経路と連通しており、他端が二方向に分岐して排気口８６及び供給口８８へそれぞれ延びている。排気口８６は圧縮機１０及びコールドヘッド５０を排気するために設けられており、供給口８８は圧縮機１０及びコールドヘッド５０へ作動ガスを供給するために設けられている。排気・供給ライン４ａの分岐点と排気口８６との間には排気用ポンプ９０及びバルブ９Ａが設けられている。排気・供給ライン４ａの分岐点と供給口８８との間にはバルブ９Ｂが設けられている。供給口８８には、作動ガスが封入されたガスボンベ９２が連結されている。
【００４２】
ガス精製装置５は、循環ライン４を循環する作動ガスから不純物を取り除くための装置である。ガス精製装置５は、例えば作動ガスがヘリウムである場合、水分、酸素、二酸化炭素、水素、アルゴン、ネオンといったヘリウム以外の成分を作動ガスから除去する。ガス精製装置５は、循環ライン４の途中に配置される。ガス純度測定器８は、作動ガスの純度を測定するための機器であり、ガス精製装置５と並んで循環ライン４中に配置される。
【００４３】
図３は、ガス精製装置５の構成を概略的に示す図である。ガス精製装置５は、冷却機８２を備えている。冷却機８２は第１の冷却部８２ａと、第１の冷却部８２ａより低温の第２の冷却部８２ｂとを有しており、循環ライン４は、第１及び第２の冷却部８２ａ，８２ｂそれぞれの近傍を通過して作動ガスを冷却させる。作動ガスがヘリウムの場合、第１の冷却部８２ａの温度は例えば４０Ｋが好適であり、第２の冷却部８２ｂの温度は例えば４Ｋが好適である。この場合、第１の冷却部８２ａの近傍においてはＣＯ２、Ｎ２、Ｈ２Ｏといった高沸点の不純物が液化または固化し、また、第２の冷却部８２ｂの近傍においてはＨ２、Ａｒ、Ｎｅといった低沸点の不純物が液化または固化し、それぞれ作動ガス（Ｈｅ）から取り除かれる。
【００４４】
循環ライン４は、バイパスライン４ｂを更に有する。バイパスライン４ｂは、循環ライン４においてガス精製装置５を迂回するように設けられており、バルブによって開閉可能となっている。すなわち、循環ライン４においては、ガス精製装置５、循環用ポンプ６、及びガス純度測定器８を通る精製ライン４ｃとこれらを迂回するバイパスライン４ｂとが並行して設けられており、精製ライン４ｃの両端にはそれぞれバルブ９Ｃ，９Ｄが設けられ、バイパスライン４ｂの両端にはそれぞれバルブ９Ｅ，９Ｆが設けられている。
【００４５】
作動ガス精製システム１を用いた作動ガス精製方法について、ガス精製置換装置３の動作と共に説明する。図４は、本実施形態による作動ガス精製方法を示すフローチャートである。まず、循環ライン４の両端を圧縮機１０の連結ポート３８及びコールドヘッド５０の連結ポート７６に連結する（ステップＳ１０）。次に、バルブ９Ｃ，９Ｄを開いて精製ライン４ｃを開通させると共に、バルブ９Ｅ，９Ｆを閉じてバイパスライン４ｂを閉じる（ステップＳ１２）。また、プラグ７４を開いて第４の連通路６６を開通させ、バルブ９Ａ，９Ｂを閉じる。そして、循環用ポンプ６を作動させ、圧縮機１０及びコールドヘッド５０に封入されていた作動ガスを上述した閉じた経路で循環させつつガス精製装置５により作動ガスから不純物を取り除く（ステップＳ１４）。ガス純度測定器８により測定される作動ガスの純度が所定値に達するまで、作動ガスの循環を継続させる（ステップＳ１６）。
【００４６】
また、作動ガス精製システム１を用いた作動ガス置換方法は、次の通りである。図５は、本実施形態による作動ガス置換方法を示すフローチャートである。まず、循環ライン４の両端を圧縮機１０の連結ポート３８及びコールドヘッド５０の連結ポート７６に連結する（ステップＳ２０）。次に、バルブ９Ｅ，９Ｆを開いてバイパスライン４ｂを開通させると共に、バルブ９Ｃ，９Ｄを閉じて精製ライン４ｃを閉じる（ステップＳ２２）。また、プラグ７４を開いて第４の連通路６６を開通させ、バルブ９Ａを開き、バルブ９Ｂを閉じる。そして、排気用ポンプ９０を作動させ、圧縮機１０及びコールドヘッド５０に封入された古い作動ガスを排気口８６から排出する（ステップＳ２４）。このとき、圧縮機１０に封入された作動ガスは連結ポート３８を通って排出され、コールドヘッド５０に封入された作動ガスは連結ポート７６を通って排出される。
【００４７】
続いて、バルブ９Ａを閉じ、バルブ９Ｂを開く。そして、ガスボンベ９２の新しい作動ガスを、供給口８８から圧縮機１０及びコールドヘッド５０へ供給する（ステップＳ２６）。この新しい作動ガスは、連結ポート３８を通って圧縮機１０に供給され、また連結ポート７６を通ってコールドヘッド５０に供給される。圧縮機１０及びコールドヘッド５０内の作動ガスが所定の圧力に達するまで、作動ガスを供給する。なお、作動ガスの純度を高めるため、上記ステップＳ２４及びＳ２６を繰り返し行ってもよい。
【００４８】
また、上述した作動ガス精製方法および作動ガス置換方法は、冷却機の製造時に使用されてもよい。すなわち、これらの方法を用いた冷却機製造方法は、次の通りである。図６は、本実施形態による冷却機製造方法を示すフローチャートである。まず、組み立てられた圧縮機１０及びコールドヘッド５０を用意し、循環ライン４の両端を圧縮機１０の連結ポート３８及びコールドヘッド５０の連結ポート７６に連結する（連結工程、ステップＳ３０）。次に、バルブ９Ｅ，９Ｆを開いてバイパスライン４ｂを開通させると共に、バルブ９Ｃ，９Ｄを閉じて精製ライン４ｃを閉じる（ステップＳ３２）。また、プラグ７４を開いて第４の連通路６６を開通させ、バルブ９Ａを開き、バルブ９Ｂを閉じる。そして、排気用ポンプ９０を作動させ、圧縮機１０及びコールドヘッド５０内部の大気を排気口８６から排出する（ガス充填工程、ステップＳ３４）。このとき、圧縮機１０内の大気は連結ポート３８を通って排出され、コールドヘッド５０内の大気は連結ポート７６を通って排出される。
【００４９】
続いて、バルブ９Ａを閉じ、バルブ９Ｂを開く。そして、ガスボンベ９２の作動ガスを、供給口８８から圧縮機１０及びコールドヘッド５０へ供給する（ガス充填工程、ステップＳ３６）。この作動ガスは、連結ポート３８を通って圧縮機１０に供給され、また連結ポート７６を通ってコールドヘッド５０に供給される。圧縮機１０及びコールドヘッド５０内の作動ガスが所定の圧力に達するまで、作動ガスを供給する。なお、作動ガスの純度を高めるため、上記ステップＳ３４及びＳ３６を繰り返し行ってもよい。
【００５０】
続いて、バルブ９Ｃ，９Ｄを開いて精製ライン４ｃを開通させると共に、バルブ９Ｅ，９Ｆを閉じてバイパスライン４ｂを閉じる（ステップＳ３８）。また、バルブ９Ａ，９Ｂを閉じる。そして、循環用ポンプ６を作動させ、圧縮機１０及びコールドヘッド５０に封入されている作動ガスを循環させつつガス精製装置５により作動ガスから不純物を取り除く（不純物除去工程、ステップＳ４０）。ガス純度測定器８により測定される作動ガスの純度が所定値に達するまで、作動ガスの循環を継続させる（ステップＳ４２）。なお、ステップＳ３０〜Ｓ３６によって作動ガスの純度を十分に高めることができれば、ステップＳ３８〜Ｓ４２を省略してもよい。
【００５１】
図７は、冷却機製造方法の別の形態を示すフローチャートである。この形態では、まず、ガス精製置換装置３を使用せずに作動ガスを圧縮機１０及びコールドヘッド５０に充填したのち（ステップＳ５０）、循環ライン４の両端を圧縮機１０の連結ポート３８及びコールドヘッド５０の連結ポート７６に連結する（連結工程、ステップＳ５２）。そして、精製ライン４ｃを開通させると共にバイパスライン４ｂを閉じる（ステップＳ５４）。また、バルブ９Ａ，９Ｂを閉じる。そして、循環用ポンプ６を作動させ、圧縮機１０及びコールドヘッド５０に封入されている作動ガスを循環させつつガス精製装置５により作動ガスから不純物を取り除く（不純物除去工程、ステップＳ５６）。ガス純度測定器８により測定される作動ガスの純度が所定値に達するまで、作動ガスの循環を継続させる（ステップＳ５８）。
【００５２】
以上に説明した冷却機２、作動ガス精製システム１、作動ガス精製方法、および冷却機製造方法によれば、圧縮機１０及びコールドヘッド５０の双方が連結ポート３８，７６を有しており、循環ライン４が圧縮機１０及びコールドヘッド５０の双方に連結されるので、圧縮機の封入口でのみ排気可能な従来の方式と比較して排気コンダクタンスを高めることができる。また、圧縮機１０、コールドヘッド５０、および循環ライン４により形成される閉じた経路において作動ガスを循環させつつ、ガス精製装置５により作動ガスから不純物を連続的に取り除くことができる。従って、圧縮機の封入口のみで作動ガスを置換する従来の方式と比較して、作動ガスの純度を容易に高めることができる。
【００５３】
また、作動ガス精製システム１、作動ガス置換方法、および冷却機製造方法によれば、循環ライン４が、排気口８６、供給口８８、及びバイパスライン４ｂを有するので、作動ガスの置換、すなわちバイパスライン４ｂを開いて排気口８６から圧縮機１０及びコールドヘッド５０を排気し、供給口８８から圧縮機１０及びコールドヘッド５０へ作動ガスを供給することが容易にできる。また、圧縮機１０及びコールドヘッド５０それぞれに設けられた連結ポート３８，７６から排気できるので、圧縮機１０の封入口のみから排気する従来の方式と比較して排気コンダクタンスを高めることができ、作動ガスや大気の排気をより短時間に、且つより完全に実施できる。また、作動ガスを供給した後に、バイパスライン４ｂを閉じ、作動ガスを循環させつつガス精製装置５により作動ガスから不純物を取り除くことも可能である。
【００５４】
（第２の実施の形態）
図８は、第２実施形態に係る冷却機および作動ガス精製システムの構成を示す断面図である。本実施形態の作動ガス精製システム１Ａは、冷却機２と、この冷却機２に接続されるガス精製置換装置３Ａとを備えている。ガス精製置換装置３Ａは、循環ライン１４、ガス精製装置５、循環用ポンプ６、ガス純度測定器８、及び複数のバルブ９Ａ〜９Ｊを備えている。なお、冷却機２、ガス精製装置５、循環用ポンプ６、ガス純度測定器８、及びバルブ９Ａ〜９Ｆの構成については、第１実施形態と同様なので詳細な説明を省略する。
【００５５】
本実施形態の循環ライン１４が第１実施形態の循環ライン４と異なる点は、第１〜第４のライン１４ａ〜１４ｄを備えている点である。第１のライン１４ａは、ガス精製装置５の導入口５ａとコールドヘッド５０の連結ポート７６とを接続するラインであり、バイパスライン４ｂと精製ライン４ｃとの導入口５ａ側の連結点１４ｅと、連結ポート７６との間に配設されている。第２のライン１４ｂは、ガス精製装置５の排出口５ｂと圧縮機１０の連結ポート３８とを接続するラインであり、バイパスライン４ｂと精製ライン４ｃとの排出口５ｂ側の連結点１４ｆと、連結ポート３８との間に配設されている。第３のライン１４ｃは、ガス精製装置５の導入口５ａと圧縮機１０の連結ポート３８とを接続するラインであり、連結点１４ｅと連結ポート３８との間に配設されている。第４のライン１４ｄは、ガス精製装置５の排出口５ｂとコールドヘッド５０の連結ポート７６とを接続するラインであり、連結点１４ｆと連結ポート７６との間に配設されている。また、第１〜第４のライン１４ａ〜１４ｄにはそれぞれバルブ９Ｇ〜９Ｊが設置されており、ライン１４ａ〜１４ｄは開閉可能となっている。
【００５６】
作動ガス精製システム１Ａを用いた作動ガス精製方法について、ガス精製置換装置３Ａの動作と共に説明する。図９は、本実施形態による作動ガス精製方法を示すフローチャートである。まず、循環ライン１４の両端を圧縮機１０の連結ポート３８及びコールドヘッド５０の連結ポート７６に連結する（ステップＳ６０）。次に、バルブ９Ｃ，９Ｄを開いて精製ライン４ｃを開通させると共に、バルブ９Ｅ，９Ｆを閉じてバイパスライン４ｂを閉じる（ステップＳ６２）。また、バルブ９Ｇ，９Ｈを開いて第１及び第２のライン１４ａ，１４ｂを開通させることによって、ガス精製装置５の導入口５ａとコールドヘッド５０とを接続し、ガス精製装置５の排出口５ｂと圧縮機１０とを接続する。更に、バルブ９Ｉ，９Ｊを閉じて第３及び第４のライン１４ｃ，１４ｄを閉じる（ステップＳ６４）。また、プラグ７４を開いて第４の連通路６６を開通させ、バルブ９Ａ，９Ｂを閉じる。そして、循環用ポンプ６を作動させ、圧縮機１０及びコールドヘッド５０に封入されていた作動ガスを循環させつつガス精製装置５により作動ガスから不純物を取り除く（ステップＳ６６）。このとき、作動ガスの循環方向は、圧縮機１０からコールドヘッド５０への向きとなる。
【００５７】
作動ガスの循環を或る時間だけ継続させたのち、バルブ９Ｇ，９Ｈを閉じて第１及び第２のライン１４ａ，１４ｂを閉じる。そして、バルブ９Ｉ，９Ｊを開いて第３及び第４のライン１４ｃ，１４ｄを開通させることによって、ガス精製装置５の導入口５ａと圧縮機１０とを接続し、ガス精製装置５の排出口５ｂとコールドヘッド５０とを接続する（ステップＳ６８）。そして、作動ガスの循環を再開し、ガス精製装置５により作動ガスから不純物を取り除く（ステップＳ７０）。このとき、作動ガスの循環方向は、コールドヘッド５０から圧縮機１０への向きとなる。この後、ガス純度測定器８により測定される作動ガスの純度が所定値に達するまで、作動ガスの循環を継続させる（ステップＳ７２）。なお、作動ガスの純度が所定値に達するまで、上述したステップＳ６４〜Ｓ７０を必要に応じて繰り返し行ってもよい。
【００５８】
循環ラインにおいて一方向に作動ガスを循環させ続けると、膨張機及び圧縮機の一方の汚れが他方に定着してしまう場合がある。このような場合、作動ガスの循環方向を変えることで、汚れの定着を防止できる。本実施形態の作動ガス精製システム１Ａにおいては、開閉可能な第１〜第４のライン１４ａ〜１４ｄを循環ライン１４が有することによって、作動ガスの循環方向を容易に変更できる。また、本実施形態の作動ガス精製方法においては、ステップＳ６４〜Ｓ７０において作動ガスの循環方向を変えているので、汚れの定着を好適に防止できる。
【００５９】
本発明による冷却機の作動ガス精製システム、冷却機、冷却機の作動ガス精製方法、冷却機の作動ガス置換方法、および冷却機製造方法は、上記した実施形態に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、上記実施形態では冷却機としてスターリング型冷却機を例示しているが、本発明は、例えばパルスチューブ型やジュール・トムソン型といった他のタイプの冷却機にも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】第１実施形態に係る冷却機および作動ガス精製システムの構成を示す断面図である。
【図２】（ａ）第４の連通路の構成を示す拡大図である。（ｂ）第４の連通路のプラグが閉じた状態を示す図である。
【図３】ガス精製装置の構成を概略的に示す図である。
【図４】作動ガス精製方法の第１実施形態を示すフローチャートである。
【図５】作動ガス置換方法の第１実施形態を示すフローチャートである。
【図６】冷却機製造方法の第１実施形態を示すフローチャートである。
【図７】冷却機製造方法の別の形態を示すフローチャートである。
【図８】第２実施形態に係る冷却機および作動ガス精製システムの構成を示す断面図である。
【図９】作動ガス精製方法の第２実施形態を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００６１】
１，１Ａ…作動ガス精製システム、２…冷却機、３，３Ａ…ガス精製置換装置、４，１４…循環ライン、４ａ…排気・供給ライン、４ｂ…バイパスライン、４ｃ…精製ライン、５…ガス精製装置、６…循環用ポンプ、８…ガス純度測定器、９Ａ〜９Ｆ…バルブ、１０…圧縮機、１２，２２…固定ピストン、１４ａ〜１４ｄ…第１〜第４のライン、１６，２６…可動シリンダ、３８，７６…連結ポート、４８，７８…キャップ、５０…コールドヘッド、５４…作動ロッド、５６…ディスプレーサ、７４…プラグ、８０…配管、８６…排気口、８８…供給口、９０…排気用ポンプ、９２…ガスボンベ。
【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】
2008202888.tif 000009
【図８】
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【図９】
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