(57)【要約】【課題】より効率的に高出力化が図れる極低温冷凍機を提供すること。【解決手段】本発明による極低温冷凍機１は、第一シリンダ２と、第一シリンダ２に対して往復動が可能な第一ディスプレーサ３と、第二シリンダ４と、第二シリンダ４に対して往復動が可能な第二ディスプレーサ５と、第一シリンダ２内又は第二シリンダ４内のいずれか一方に吸気を行うとともに他方に排気を行う吸排気動作を交互に行う吸排気系統６（６１〜６６＋Ｖ１〜Ｖ４）と、第一シリンダ２内と第二シリンダ４内とを連通する連通路７と、連通路７を開閉する開閉手段Ｖ５を含むことを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一シリンダと、当該第一シリンダに対して往復動が可能な第一ディスプレーサと、第二シリンダと、当該第二シリンダに対して往復動が可能な第二ディスプレーサと、前記第一シリンダ内又は前記第二シリンダ内のいずれか一方に吸気を行うとともに他方に排気を行う吸排気動作を交互に行う吸排気系統と、前記第一シリンダ内と前記第二シリンダ内とを連通する連通路と、当該連通路を開閉する開閉手段を含むことを特徴とする極低温冷凍機。
【請求項２】
前記吸排気動作の直前の所定時間において前記開閉手段を開と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】
前記第一ディスプレーサと前記第二ディスプレーサを異なる位相で駆動する駆動機構と、当該駆動機構を駆動する一の駆動手段を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の極低温冷凍機。
【請求項４】
前記第一ディスプレーサと前記第二ディスプレーサをそれぞれ複数含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項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、圧縮装置から供給される高圧の冷媒ガスを用いて、サイモン膨張を発生させて極低温の寒冷を発生する極低温冷凍機に関する。
【背景技術】
【０００２】
極低温冷凍機の用途が広がるにつれて、高出力化が求められている。従来、極低温冷凍機の性能を向上させるために、冷凍機のシリンダ口径を太くすること、ストロークを長くすること、冷媒ガスの高低圧差を大きくすることが一般的に行われてきた。これ以外にも、特許文献１に記載されるように、複数台の圧縮機と複数台の膨張機を組み合わせることも提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−２５７７７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところが、上述した従来技術においては、圧縮機を含む圧縮機ユニットの大型化や効率の悪化を招くとともに、圧縮機ユニットの負担が大きくなり寿命が短小化することも招きやすい。つまりより効率的に高出力化を図れる極低温冷凍機を構築できていない。
【０００５】
本発明はより効率的に高出力化が図れる極低温冷凍機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】
【０００６】
上記の問題を解決するため、本発明による極低温冷凍機は、
第一シリンダと、当該第一シリンダに対して往復動が可能な第一ディスプレーサと、第二シリンダと、当該第二シリンダに対して往復動が可能な第二ディスプレーサと、前記第一シリンダ内又は前記第二シリンダ内のいずれか一方に吸気を行うとともに他方に排気を行う吸排気動作を交互に行う吸排気系統と、前記第一シリンダ内と前記第二シリンダ内とを連通する連通路と、当該連通路を開閉する開閉手段を含むことを特徴とする。
【０００７】
ここで、前記吸排気動作の直前の所定時間において前記開閉手段を開とすることとし、前記第一ディスプレーサと前記第二ディスプレーサを異なる位相で駆動する駆動機構と、当該駆動機構を駆動する一の駆動手段を含むこととし、前記第一ディスプレーサと前記第二ディスプレーサをそれぞれ複数含むこととしてもよい。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の極低温冷凍機によれば、圧縮機から第一シリンダ及び第二シリンダの一方に吸気された高圧の冷媒ガスを開閉手段の開動作により他方に融通することができる。他方から一方への融通も同様に可能である。これにより、圧縮機の高圧側の変動、低圧側の変動の双方を抑制して、圧縮機の負担を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明に係る実施例の極低温冷凍機１の一実施形態について示す模式図である。
【図２】実施例の極低温冷凍機１の一実施形態が含む駆動機構について示す模式図である。
【図３】実施例の極低温冷凍機１の連通バルブＶ５（開閉手段）のバルブタイミングＶＴの具体的形態を示す模式図である。
【図４】実施例の極低温冷凍機１のバルブタイミングＶＴを第一及び第二ディスプレーサ３、５の位置ＤＰ及び第一及び第二シリンダ２、４内の圧力Ｐ、圧縮機８の高圧側Ｈ及び低圧側Ｌの圧力８Ｐとともに示すタイムチャートである。
【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。
【実施例】
【００１１】
本実施例の極低温冷凍機１は、例えば、冷媒ガスとしてヘリウムガスを用いるギフォードマクマホン（ＧＭ）タイプの冷凍機である。図１に示すように、極低温冷凍機１は、第一シリンダ２と、第一ディスプレーサ３と、第二シリンダ４と、第二ディスプレーサ５と、吸排気系統６をなす配管群及びバルブ群Ｖ１〜Ｖ４と、連結管７（連通路）と、連通バルブＶ５（開閉手段）とを含んで構成される。また、極低温冷凍機１は、バルブ群Ｖ１〜Ｖ４と連通バルブＶ５の開閉を制御する制御手段としての図示しないマイクロコンピュータを含む
吸排気系統６をなす配管群は、第一供給配管６１、第一排気配管６２、第二供給配管６３、第二排気配管６４、第一給排共通配管６５、第二給排共通配管６６を含んで構成される。第一供給配管６１は一方端が圧縮機８の高圧側Ｈに接続され、他方端が第一シリンダ２に幹部分が接続されたＹ字状の第一給排共通配管６５の一対の枝部分の一方に第一吸気バルブＶ１を介して接続される。
【００１２】
第二供給配管６３の一方端は第一供給配管６１の中途に接続され、他方端は第二吸気バルブＶ３を介して第二シリンダ４に幹部分が接続されたＹ字状の第二給排共通配管６６の一対の枝部分の一方に接続される。第二排気配管６４の一方端は圧縮機８の低圧側Ｌに接続され、他方端はＹ字状の第二給排共通配管６６の一対の枝部分の他方に第二排気バルブＶ４を介して接続される。第一排気配管６２の一方端は第二排気配管６４の中途に接続され、他方端は第一排気バルブＶ２を介してＹ字状の第一給排共通配管６５の一対の枝部分の他方に接続される。
【００１３】
連結管７は第一給排共通配管６５のＹ字状の幹部分に一方端が接続され、他方端が第二給排共通配管６６のＹ字状の幹部分に接続される。連結管７の中間に連通バルブＶ５が設置される。
【００１４】
第一シリンダ２は有底円筒状に構成され、第一ディスプレーサ３を外包し、第二シリンダ４は、第二ディスプレーサ５を外包した上で、図１に示すように共通の蓋部９により上部を気密に閉塞される。第一シリンダ２と第二シリンダ４は図１中左右方向に並列され、左右方向中間の壁面から上側には支持柱２１が設けられる。
【００１５】
図１中下部において、第一ディスプレーサ３と、第一シリンダ２とは第一膨張空間を形成し、第二ディスプレーサ５と、第二シリンダ４とは第二膨張空間を形成する。図１中下部において、第一シリンダ２及び第二シリンダ４は、第一膨張空間及び第二膨張空間に隣接するとともに外包するように位置する冷却ステージ１０を含む。冷却ステージ１０は、例えば銅、アルミニウム、ステンレス等により構成される。
【００１６】
第一シリンダ２は第一ディスプレーサ３を長手方向に往復移動可能に収容する。第二シリンダ４も第二ディスプレーサ５を長手方向に往復移動可能に収容する。第一シリンダ２及び第二シリンダ４には、強度、熱伝導率、ヘリウム遮断能の確保を主な観点として例えばステンレス鋼が用いられる。
【００１７】
第一ディスプレーサ３及び第二ディスプレーサ５は円筒状の外周面を有しており、内部には、蓄冷材が充填されている。この第一ディスプレーサ３及び第二ディスプレーサ５の内部容積は蓄冷器を構成する。蓄冷器の上端側つまり室温室側にはヘリウムガスの流れを整流する上側の整流器が設けられ、蓄冷器の下端側には下側の整流器が設けられる。
【００１８】
第一ディスプレーサ３及び第二ディスプレーサ５の高温端には、図１中上側の室温室から蓄冷器にヘリウムガスを流通する開口が形成されている。室温室は、第一シリンダ２と第一ディスプレーサ３の高温端又は第二シリンダ４と第二ディスプレーサ５とにより形成される空間であり、第一ディスプレーサ３及び第二ディスプレーサ５の往復移動に伴い容積が変化する。
【００１９】
第一ディスプレーサ３及び第二ディスプレーサ５の低温端には、第一膨張空間又は第二膨張空間にクリアランスを介してヘリウムガスを導入する開口が形成されている。第一膨張空間又は第二膨張空間は、第一ディスプレーサ３及び第二ディスプレーサ５の往復移動に伴い容積が変化する。被冷却物に熱的に接続された冷却ステージ１０はクリアランスを通るヘリウムガスにより冷却される。
【００２０】
第一ディスプレーサ３及び第二ディスプレーサ５には、比重と耐摩耗性、強度、熱伝導率の観点から、例えばベークライト（布入りフェノール）等が用いられる。蓄冷材は例えば金網等により構成される。
【００２１】
極低温冷凍機１は、スコッチヨーク機構を含む。図２に示すように、第一ディスプレーサ３の第一ロッド３１は、シリンダ２の室温室側から上側かつ外側に蓋部９の挿通穴を介して突出し、中途に窓部３２を有している。窓部３２にはスコッチヨーク機構の一部をなすクランク軸１１が第一ロッド３１の軸方向に相対移動可能に挿通されている。また、第二ディスプレーサ５の第二ロッド５１は、シリンダ４の室温室側から上側かつ外側に蓋部９の挿通穴を介して突出している。
【００２２】
極低温冷凍機１は、駆動機構としてリンク機構１２又はリンク機構１３の少なくとも一方を含む。
【００２３】
リンク機構１２は一方端が第一ロッド３１の端部に軸方向にスライド可能かつ揺動自在に連結され、他方端が第二ロッド５１の端部に軸方向にスライド可能かつ揺動自在に連結され、シリンダ２及びシリンダ４中間から上側かつ外側に突出する支持柱２１に中央が揺動自在に連結される。
【００２４】
リンク機構１３は一方端が第一ロッド３１の窓部３２よりも下側の中間に軸方向にスライド可能かつ揺動自在に連結され、他方端が第二ロッド５１の中間に軸方向にスライド可能かつ揺動自在に連結され、中央が支持柱２１に揺動自在に連結される。つまり、リンク機構１２とリンク機構１３のそれぞれの中間は支持柱２１に対して上下方向に固定された状態で揺動可能とされ、相互に平行をなす。
【００２５】
クランク軸１１は図示しないモータ（駆動手段）により回転させられ、クランク軸１１は窓部３２の長辺方向にスライドしながら、第一ロッド３１及び第一ディスプレーサ３を上下方向に揺動させ往復動させる。
【００２６】
この往復動に従って、リンク機構１２及びリンク機構１３の一方端も第一ロッド３１の軸方向にスライドしながら上下方向に往復動させられ、リンク機構１２及びリンク機構１３は、支持軸２１への連結点を揺動中心として揺動する。これに伴って、リンク機構１２及びリンク機構１３の他方端も第二ロッド５１の軸方向にスライドしながら一方端とは逆位相で往復させられ、第二ロッド５１に連結された第二ディスプレーサ５は、第一ディスプレーサ３とは逆位相にて上下方向に往復動させる。
【００２７】
次に極低温冷凍機１の第一吸気バルブＶ１、第一排気バルブＶ２、第二吸気バルブＶ３、第二排気バルブＶ４、連通バルブＶ５の動作態様つまりバルブタイミングＶＴを、図３及び図４のタイムチャートを用いて説明する。なお、図示の便宜上図３においてはバルブタイミングＶＴを太線で示し、図４においては図３に示すバルブタイミングＶＴをブロック状に模式的に示している。
【００２８】
図３及び図４中縦軸は五つのバルブＶ１〜Ｖ５の開閉状態を示し、横軸は時間を示す。横軸は原点を時刻ｔ０としている。五つのバルブの動作は、図４中最上段に示す第一ディスプレーサ３、第二ディスプレーサ５の位置ＤＰに基づいて定められる。ここで、第一ディスプレーサ３の位置ＤＰは実線にて、第二ディスプレーサ５の位置ＤＰは破線にて示す。図４中最上段から明らかなように、第一ディスプレーサ３と第二ディスプレーサ５とは、相互に逆位相となるように駆動される。図４中上から二段目の圧力Ｐについても第一シリンダ２内を実線にて、第二シリンダ４内を破線にて示している。
【００２９】
図３及び図４の時刻ｔ１は第二ディスプレーサ５の位置ＤＰが下死点Ｄに位置する時刻よりもわずかに前であり、時刻ｔ１に連通バルブＶ５は制御手段により開とされ、所定時間開状態が継続されて、第二シリンダ４内の高圧のヘリウムガスは、第一シリンダ２内に連結管７を介して供給される。
【００３０】
この所定時間は、図４の上から二段目に示す、第二シリンダ４内の圧力Ｐの高圧Ｈから低圧Ｌまでの降下時間又は第一シリンダ２内の圧力Ｐの低圧Ｌから高圧Ｈまでの上昇時間に基づいて定められる。この降下時間又は上昇時間は、例えば実験又はシミュレーションにより定めることができ、概ね所定時間は降下時間又は上昇時間の半分程度に設定される。つまり、時刻ｔ１から所定時間経過した時刻ｔ２においては、第二シリンダ４内と第一シリンダ２内の圧力Ｐはほぼ等しくなる。
【００３１】
所定時間連通バルブＶ５の開状態が継続された後の時刻ｔ２において、連通バルブＶ５は制御手段により閉とされる。また、時刻ｔ２から一定時間経過後の時刻ｔ３において、第一吸気バルブＶ１が開とされ、第一シリンダ２内に圧縮機８の高圧側Ｈから、第一供給配管６１及び第一給排共通配管６５を介して高圧のヘリウムガスが供給され、第一シリンダ２内の圧力Ｐは高圧Ｈとされる。
【００３２】
同様に、時刻ｔ２から一定時間経過後の時刻ｔ３において、第二排気バルブＶ４が開とされ、第二シリンダ４内のヘリウムガスは、圧縮機８の低圧側Ｌに、第二給排共通配管６６及び第二排気配管６４を介して排出され、第二シリンダ４内の圧力Ｐは低圧Ｌとされる。
【００３３】
図３及び図４の時刻ｔ４は第一ディスプレーサ３の位置ＤＰが下死点Ｄに位置する時刻よりもわずかに前であり、時刻ｔ４に連通バルブＶ５は制御手段により開とされ、所定時間開状態が継続されて、第一シリンダ２内の高圧のヘリウムガスは、第二シリンダ４内に連結管７を介して供給される。時刻ｔ４から所定時間経過した時刻ｔ５においては、第二シリンダ４内と第一シリンダ２内の圧力Ｐはほぼ等しくなる。
【００３４】
所定時間連通バルブＶ５の開状態が継続された後の時刻ｔ５において、連通バルブＶ５は制御手段により閉とされる。また、時刻ｔ５から一定時間経過後の時刻ｔ６において、第二吸気バルブＶ３が開とされ、第二シリンダ４内に圧縮機８の高圧側Ｈから、第二供給配管６３及び第二給排共通配管６６を介して高圧のヘリウムガスが供給され、第二シリンダ４内の圧力Ｐは高圧Ｈとされる。
【００３５】
同様に、時刻ｔ５から一定時間経過後の時刻ｔ６において、第一排気バルブＶ２が開とされ、第一シリンダ２内のヘリウムガスは、圧縮機８の低圧側Ｌに、第一給排共通配管６５及び第一排気配管６２を介して排出され、第一シリンダ２内の圧力Ｐは低圧Ｌとされる。
【００３６】
なお、時刻ｔ７〜ｔ９におけるバルブの動作は、時刻ｔ１〜ｔ３の動作を第一ディスプレーサ３又は第二ディスプレーサ５の往復動の周期だけ遅らせた動作である。また、時刻ｔ１０〜１２におけるバルブの動作は、時刻ｔ４〜ｔ６の動作を第一ディスプレーサ３又は第二ディスプレーサ５の往復動の周期だけ遅らせた動作である。
【００３７】
次に、本実施例の極低温冷凍機１の冷凍機としての動作を説明する。説明の便宜上、第一シリンダ２及び第一ディスプレーサ３による冷凍動作についてのみ説明する。ヘリウムガス供給工程のある時点においては、第二ディスプレーサ５は第二シリンダ４内の図１中下側の上死点Ｕに位置する。それよりもわずかに前にずれたタイミング、つまり図３、４の時刻ｔ１〜ｔ２で連通バルブＶ５を制御手段により所定時間だけ開とする。
【００３８】
連通バルブＶ５及び連通管７を介して第二シリンダ４内の高圧のヘリウムガスが第一シリンダ２内に流れ込み、第二シリンダ４内の圧力は下がり、第一シリンダ２内の圧力は上がる。開から所定時間経過すると制御手段により、バルブ５は閉とされ、第一吸気バルブＶ１を開とし第二排気バルブＶ４を開とする。
【００３９】
圧縮機８の高圧側Ｈから第一供給配管６１、第一給排共通配管６５を介して第一シリンダ２内に高圧のヘリウムガスが流れ込み、第二シリンダ４内の高圧のヘリウムガスが第二給排共通配管６６、第二排気配管６４を介して圧縮機８の低圧側に流れ込む。
【００４０】
高圧のヘリウムガスは、第一シリンダ２内に供給され、第一ディスプレーサ３の上部に位置する開口から第一ディスプレーサ３の内部の蓄冷器に流入する。蓄冷器に流入した高圧のヘリウムガスは、蓄冷材により冷却されながら第一ディスプレーサ３の下部に位置する開口及びクリアランスを介して、第一膨張空間に供給される。
【００４１】
このようにして、第一膨張空間は、高圧のヘリウムガスで満たされ、上述したように第一吸気バルブＶ１は閉とされる。この時、第一ディスプレーサ３は、第一シリンダ２内の図１中上側の下死点Ｄに位置する。それよりわずかに前に第一排気バルブＶ２を開とすると、第一膨張空間のヘリウムガスは減圧され、膨張する。膨張により低温になった第一膨張空間のヘリウムガスはクリアランスを介して冷却ステージ１０の熱を吸収する。
【００４２】
第一ディスプレーサ３は図１中下側の上死点Ｕに向けて移動し、第一膨張空間の容積は減少する。第一膨張空間内のヘリウムガスは、クリアランス、開口、蓄冷器、開口を介して圧縮機８の吸入側つまり低圧側Ｌに戻される。その際、蓄冷材は、ヘリウムガスにより冷却される。この工程を１サイクルとし、冷凍機はこの冷却サイクルを繰り返すことで、冷却ステージ１０を冷却する。
【００４３】
本実施例の極低温冷凍機１においては、ディスプレーサ３、５及び対応するシリンダ２、４を一対用いて、相互に逆位相で動作させて、連通バルブＶ５の適宜の開閉に基づいて、対をなすシリンダ２、４相互間で圧縮機８を介さずに高圧の冷媒ガスを融通し合うことができる。
【００４４】
図４中において、上から四段目に示すように、本実施例の連通バルブＶ５と連結管７がない四バルブタイプにおけるバルブタイミングＶＴ（４Ｖ）を示す。このバルブタイミングＶＴ（４Ｖ）は、時刻ｔ１〜ｔ３の間に第一吸気バルブＶ１の開動作を行い第二排気バルブＶ４の開動作を行い、また、時刻ｔ４〜時刻ｔ６の間に、第二吸気バルブＶ３の開動作を行い第一排気バルブＶ２の開動作を行う。
【００４５】
この場合における圧縮機８の高圧側Ｈの圧力変動と低圧側Ｌの圧力変動の波形を図４中下から三段目の８Ｐ（４Ｖ）で示す。また、本実施例の五バルブタイプの極低温冷凍機１における圧縮機８の高圧側Ｈの圧力変動と低圧側Ｌの圧力変動の波形を図４中最下段の８Ｐで示す。
【００４６】
この両者の波形を比較すると、８Ｐ（４Ｖ）に比べて、８Ｐは圧力変動幅がほぼ半分程度に抑制されていることが分かる。すなわち本実施例によれば、吸排気動作の初期段階において、圧力が高い側のシリンダから低い側のシリンダに高圧のヘリウムガスを融通し供給することで、圧縮機８の圧力変動を抑制することができる。
【００４７】
このため、本実施例の極低温冷凍機１においては、圧縮機８の負担を軽減することができる。そのため、圧縮機８を含む圧縮機ユニットの大型化や効率の悪化を招くことがない。さらに本実施例では、圧力変動を抑制できることから、圧縮機ユニットの負担増大に起因する寿命短小化を抑制できる。加えて、圧縮機８自体の仕事量低減も図れることから省エネルギー化も図ることができる。
【００４８】
なお、本実施例では吸排気系統６の含むバルブＶ１〜Ｖ４、連通バルブＶ５をそれぞれ独立した電磁弁とする形態を示したが、これらのバルブは周知のロータリバルブを構成するバルブプレートとバルブ本体に置換することもできる。
【００４９】
この場合、図２に示した第一シリンダ２及び第二シリンダ４の蓋部９の上側に位置するスコッチヨーク機構を駆動するモータ（駆動手段）のモータシャフトにバルブプレートを駆動結合し、蓋部９の上側にバルブ本体を適宜固定することで構成することが可能である。すなわち、ロータリバルブを用いた場合は制御手段を省略することができる。
【００５０】
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。
【００５１】
例えば、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、三段等に適宜選択することが可能であり、ディスプレーサの対数も一対ではなく複数対とすることもできる。また、実施の形態では、極低温冷凍機がＧＭ冷凍機である例について説明したが、これに限られない。
【００５２】
本発明は、スターリング冷凍機、ソルベイ冷凍機など、ディスプレーサを備える何れの冷凍機にも適用することができる。また、上死点、下死点の定義は上記と逆の定義としてもよい。さらに、所定時間や一定時間の設定の仕方はあくまで一例を示したものであり、降下時間や上昇時間に基づいて他の比率として定義してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
本発明は、極低温冷凍機においてディスプレーサ及び対応するシリンダを一対又は複数対用いて、対をなすシリンダ相互間で圧縮機を介さずに高圧の冷媒ガスを融通し合うことで、圧縮機の負担を軽減することができる。つまり、本発明は、圧縮機を含む圧縮機ユニットの大型化や効率の悪化を招かない。また、本発明は、圧縮機ユニットの負担が大きくなり寿命が短小化することも防止できる。このため本発明は種々の極低温冷凍機に適用可能なものである。
【符号の説明】
【００５４】
１        極低温冷凍機
２        第一シリンダ
２１      支持柱
３        第一ディスプレーサ
３１      第一ロッド
３２      窓部
４        第二シリンダ
５        第二ディスプレーサ
５１      第二ロッド
６        吸排気系統
６１      第一供給配管
６２      第一排気配管
６３      第二供給配管
６４      第二排気配管
６５      第一給排共通配管
６６      第二給排共通配管
Ｖ１      第一吸気バルブ
Ｖ２      第一排気バルブ
Ｖ３      第二吸気バルブ
Ｖ４      第二排気バルブ
７        連結管（連通管）
Ｖ５      連通バルブ（開閉手段）
８        圧縮機
９        蓋部
１０        冷却ステージ
１１        クランク軸
１２        リンク機構（駆動機構）
１３        リンク機構（駆動機構）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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