(57)【要約】【課題】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。【解決手段】極低温冷凍機１０は、軸方向一方側に蓄冷器高温部１６ａを有し反対側に蓄冷器低温部１６ｂを有する蓄冷器１６を備え、軸方向に往復移動可能であるディスプレーサ２４と、ディスプレーサ２４を収容しディスプレーサ２４を軸方向に往復移動可能に支持する膨張機静止部分２２であって、蓄冷器高温部１６ａ側でディスプレーサ２４との間にガス空間４４を形成し、蓄冷器低温部１６ｂ側でディスプレーサ２４との間にガス膨張室４０を形成する膨張機静止部分２２と、ガス空間４４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と膨張機静止部分２２との間に配置されたシール部５０と、膨張機静止部分２２と蓄冷器１６との間のガス流通のための、ガス空間４４を迂回しシール部５０を経由するよう構成された第１ガス流路３６と、を備える。【選択図】図１
2017048937.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸方向において一方側に蓄冷器高温部を有し反対側に蓄冷器低温部を有する蓄冷器を備え、軸方向に往復移動可能であるディスプレーサと、
前記ディスプレーサを収容し前記ディスプレーサを軸方向に往復移動可能に支持する膨張機静止部分であって、前記蓄冷器高温部の側で前記ディスプレーサとの間にガス空間を形成し、前記蓄冷器低温部の側で前記ディスプレーサとの間にガス膨張室を形成する膨張機静止部分と、
前記ガス空間と前記ガス膨張室との間の軸方向ガス流れを遮断するよう前記ディスプレーサと前記膨張機静止部分との間に配置されたシール部と、
前記膨張機静止部分と前記蓄冷器との間のガス流通のためのガス流路であって、前記ガス空間を迂回し前記シール部を経由するよう構成されたガス流路と、を備えることを特徴とする極低温冷凍機。
【請求項２】
前記膨張機静止部分に収容され、前記ディスプレーサの往復移動と同期して前記ガス膨張室の圧力を制御するよう構成されたバルブ部をさらに備え、
前記ディスプレーサは、軸方向において実質的に一様な外径を有し前記蓄冷器を包囲するディスプレーサ部材を備え、
前記シール部は、ガス流通隙間をそれらの間に定めるよう軸方向に離れて配置された第１及び第２シール部材を備え、前記第１及び第２シール部材はそれぞれ前記ディスプレーサ部材に装着され周方向に延在し、前記第１シール部材は、前記ガス空間と前記ガス流通隙間との間のガス流れを遮断するよう構成され、前記第２シール部材は、前記ガス流通隙間と前記ガス膨張室との間のガス流れを遮断するよう構成され、
前記ガス流路は、
前記膨張機静止部分に形成され、前記バルブ部から始まり前記ガス流通隙間で終端する接続通路と、
前記ディスプレーサ部材に形成され、前記ガス流通隙間を前記蓄冷器高温部に連通する連通路と、を含む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】
前記膨張機静止部分は、前記ガス流通隙間と径方向に隣接し前記ガス流通隙間に開放された前記接続通路の出口を備え、
前記接続通路の出口は、前記ディスプレーサの往復移動中に前記第１シール部材と前記第２シール部材とに挟まれるよう定められた軸方向位置を有することを特徴とする請求項２に記載の極低温冷凍機。
【請求項４】
前記膨張機静止部分は、前記ディスプレーサの往復移動を案内するシリンダを備え、
前記シリンダは、前記ガス流通隙間と径方向に隣接し前記ガス流通隙間に開放された前記接続通路の出口を備え、
前記シリンダは、前記ガス空間を囲むよう周方向及び軸方向に延在し径方向に第１厚さを有する第１厚さ領域と、前記ガス膨張室を囲むよう周方向及び軸方向に延在し径方向に第２厚さを有する第２厚さ領域と、を備え、前記第１厚さは、前記第２厚さより大きく、
前記接続通路の出口は、前記第１厚さ領域に形成されていることを特徴とする請求項２または３に記載の極低温冷凍機。
【請求項５】
前記接続通路は、周方向に沿って形成された少なくとも１つの出口溝、または、周方向に配列された複数の出口穴を備えることを特徴とする請求項２から４のいずれかに記載の極低温冷凍機。
【請求項６】
前記膨張機静止部分は、前記ガス膨張室からの戻りガスを前記ガス流路を通じて受け入れるガス室を備え、
前記ガス空間は、前記ガス室に連通していることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の極低温冷凍機。
【請求項７】
前記極低温冷凍機は、単段の極低温冷凍機であることを特徴とする請求項１から６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。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２０１４−１９４２９１号公報
【特許文献２】特開２０１５−１１７８７２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、軸方向において一方側に蓄冷器高温部を有し反対側に蓄冷器低温部を有する蓄冷器を備え、軸方向に往復移動可能であるディスプレーサと、前記ディスプレーサを収容し前記ディスプレーサを軸方向に往復移動可能に支持する膨張機静止部分であって、前記蓄冷器高温部の側で前記ディスプレーサとの間にガス空間を形成し、前記蓄冷器低温部の側で前記ディスプレーサとの間にガス膨張室を形成する膨張機静止部分と、前記ガス空間と前記ガス膨張室との間の軸方向ガス流れを遮断するよう前記ディスプレーサと前記膨張機静止部分との間に配置されたシール部と、前記膨張機静止部分と前記蓄冷器との間のガス流通のためのガス流路であって、前記ガス空間を迂回し前記シール部を経由するよう構成されたガス流路と、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】本発明のある実施の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】本発明のある実施の形態に係る極低温冷凍機の膨張機の要部の断面を概略的に示す。
【図３】本発明のある実施の形態に係る極低温冷凍機の膨張機の一部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、本発明のある実施の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。ＧＭ冷凍機の基本的な構造及び動作は、例えば特開２０１４−１９４２９１号公報及び特開２０１５−１１７８７２号公報に開示されている。これらの文献を参照によりその全体を本願明細書に援用する。
【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。
【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】
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。
【００１５】
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。
【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の軸方向上部が駆動機構ハウジング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、駆動機構ハウジング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】
シリンダ２８は、径方向に第１厚さＴ１を有する第１厚さ領域２８ａと、径方向に第２厚さＴ２を有する第２厚さ領域２８ｂと、を備える。第１厚さ領域２８ａ及び第２厚さ領域２８ｂはそれぞれ周方向に延在し、軸方向に互いに隣接し連続する異径の環状部分である。第１厚さＴ１は、第２厚さＴ２より大きい。シリンダ２８は一定の内径を有するから、第１厚さ領域２８ａにおけるシリンダ２８の第１外径は、第２厚さ領域２８ｂにおけるシリンダ２８の第２外径より大きい。第１外径及び第２外径はそれぞれ軸方向において実質的に一様である。こうして、シリンダ２８は、その外側面に第１段部２８ｃを有する。第１段部２８ｃは、第１厚さ領域２８ａと第２厚さ領域２８ｂとの境界に位置する。
【００１８】
このように、シリンダ２８の高温部に厚肉部を形成し、シリンダ２８の低温部に薄肉部を形成することにより、シリンダ２８の高温部から駆動機構ハウジング３０に熱を逃がしやすくなる。そのため、シリンダ２８の高温部から低温部への熱侵入を小さくすることができる。
【００１９】
シリンダ２８は、その外側面に第２段部２８ｄを有してもよい。第２段部２８ｄは、フランジ部２８ｅと第１厚さ領域２８ａとの境界に位置する。フランジ部２８ｅは、シリンダ２８を駆動機構ハウジング３０に取り付けるために設けられている。フランジ部２８ｅの外径は、第１厚さ領域２８ａの第１外径より大きい。
【００２０】
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、軸方向において駆動機構ハウジング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。
【００２１】
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。
【００２２】
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を上向きに駆動機構ハウジング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。
【００２３】
膨張機１４における作動ガスの流路構成を説明する。膨張機１４は、バルブ部３４、第１ガス流路３６、第２ガス流路３８、ガス膨張室４０、及び低圧ガス室４２を備える。簡単に言うと、高圧ガスは、第１管１８ａからバルブ部３４、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、バルブ部３４を経て低圧ガス室４２に受け入れられる。
【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】
第１ガス流路３６は、膨張機静止部分２２と蓄冷器１６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、バルブ部３４を蓄冷器高温部１６ａにつなぐ。よって、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。
【００２６】
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部材２４ａ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。
【００２７】
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。シリンダ２８の第２厚さ領域２８ｂは、ガス膨張室４０を囲むよう周方向及び軸方向に延在する。
【００２８】
低圧ガス室４２は、駆動機構ハウジング３０の内部に画定されている。第２管１８ｂが駆動機構ハウジング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。
【００２９】
膨張機１４は、ガス空間４４を備える。ガス空間４４は、ガス膨張室４０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る。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、ガス空間４４の容積はガス膨張室４０の容積と相補的に変動する。
【００３０】
ガス空間４４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、ガス空間４４は、軸方向において駆動機構ハウジング３０とディスプレーサ２４とに挟まれ、周方向にシリンダ２８に囲まれている。ガス空間４４は、低圧ガス室４２に隣接する。シリンダ２８の第１厚さ領域２８ａは、ガス空間４４を囲むよう周方向及び軸方向に延在する。ガス空間４４は室温室とも呼ばれる。
【００３１】
重要なことは、ガス空間４４は、上述の流路構成に含まれないということである。ガス空間４４は、蓄冷器１６から隔離されている。そのために、第１ガス流路３６は、ガス空間４４を迂回するよう形成されている。したがって、ガス空間４４は、従来一般的な膨張機において圧縮室とも呼ばれる空間と同じ場所に位置するにもかかわらず、そことガス膨張室４０との間で作動ガスは流通しない。ガス空間４４で作動ガスの圧縮は実質的に生じないので、ガス空間４４はもはや圧縮室ではない。
【００３２】
ディスプレーサ駆動軸２６は、ディスプレーサ２４からガス空間４４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を囲むように駆動機構ハウジング３０に設けられている。ガス空間４４は、軸方向下側の駆動軸ガイド４６ｂとディスプレーサ駆動軸２６とのクリアランスを通じて低圧ガス室４２に連通している。そのためガス空間４４も低圧ガス室４２と同様に低圧に維持される。
【００３３】
なお、ガス空間４４を低圧ガス室４２に連通するための別の開口が膨張機静止部分２２（シリンダ２８及び／または駆動機構ハウジング３０）に形成されていてもよい。
【００３４】
このようにガス空間４４が低圧ガス室４２の一部となることにより、低圧ガス室４２の容積を実効的に増加することができる。低圧ガス室４２の容積が大きいほど、極低温冷凍機１０の効率が高まる。
【００３５】
膨張機１４は、低圧ガス室４２に収容されたディスプレーサ駆動機構４８を備える。ディスプレーサ駆動機構４８は、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。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、ディスプレーサ駆動機構４８に連結され、駆動機構ハウジング３０に収容されている。バルブ部３４は、ロータリーバルブの形式をとる。よって、バルブ部３４は、ロータバルブ部材３４ａ及びステータバルブ部材３４ｂを備える。ロータバルブ部材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。ロータバルブ部材３４ａは、ステータバルブ部材３４ｂに対し回転摺動するようステータバルブ部材３４ｂと面接触している。ステータバルブ部材３４ｂは、駆動機構ハウジング３０に固定されている。ステータバルブ部材３４ｂは、第１管１８ａから駆動機構ハウジング３０に入る高圧ガスを受け入れるよう構成されている。
【００３７】
図２は、本発明のある実施の形態に係る膨張機１４の要部の断面を概略的に示す。図２においては、ディスプレーサ２４が下死点に位置するときの様子を実線で示し、ディスプレーサ２４が上死点に位置するときの様子を破線で示す。
【００３８】
図１及び図２に示されるように、膨張機１４は、ガス空間４４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と膨張機静止部分２２との間に配置されたシール部５０を備える。シール部５０は、ガス流通隙間５２をそれらの間に定めるよう軸方向に離れて配置された第１シール部材５０ａ及び第２シール部材５０ｂを備える。第１シール部材５０ａは、ディスプレーサ２４とシリンダ２８の第１厚さ領域２８ａとの間に配置されている。第２シール部材５０ｂは、ディスプレーサ２４とシリンダ２８の第１厚さ領域２８ａ（または第２厚さ領域２８ｂ）との間に配置されている。こうして、シール部５０は、ディスプレーサ２４の高温部に取り付けられている。
【００３９】
第１シール部材５０ａ及び第２シール部材５０ｂはそれぞれディスプレーサ部材２４ａに装着され周方向に延在する。第１シール部材５０ａはディスプレーサ部材２４ａの上蓋部に装着され、第２シール部材５０ｂはディスプレーサ部材２４ａの側筒部に装着されている。
【００４０】
第１シール部材５０ａは、ガス空間４４とガス流通隙間５２との間のガス流れを遮断するよう構成されている。第２シール部材５０ｂは、ガス流通隙間５２とガス膨張室４０との間のガス流れを遮断するよう構成されている。第１シール部材５０ａ及び第２シール部材５０ｂはそれぞれ、例えばスリッパーシールである。第１シール部材５０ａ及び第２シール部材５０ｂは、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。
【００４１】
ガス流通隙間５２は、これら２つのシール部材に沿って周方向にディスプレーサ２４を囲む環状の空洞である。ガス流通隙間５２は、径方向にはディスプレーサ２４とシリンダ２８に挟まれている。
【００４２】
第１ガス流路３６は、ガス空間４４を迂回しシール部５０を経由するよう構成されている。第１ガス流路３６は、接続通路５４、ガス流通隙間５２、及び連通路５６を含む。ガス流通隙間５２は２つのシール部材に挟まれているから、第１ガス流路３６からガス空間４４へのガス漏れは生じない。同様に、第１ガス流路３６からガス膨張室４０へのガス漏れも生じない。
【００４３】
接続通路５４は、膨張機静止部分２２に形成されている。接続通路５４は、バルブ部３４から始まりガス流通隙間５２で終端する。接続通路５４は、駆動機構ハウジング３０からシリンダ２８の第１厚さ領域２８ａへと貫通する。接続通路５４は、駆動機構ハウジング３０内を軸方向に延び、シリンダ２８の第１厚さ領域２８ａ内で径方向に内向きに曲がっている。接続通路５４は、膨張機静止部分２２の片側（径方向に関しバルブ部３４が配置されている側）に設けられている。
【００４４】
接続通路５４の出口５４ａは、ガス流通隙間５２と径方向に隣接しガス流通隙間５２に開放されている。接続通路５４の出口５４ａは、シリンダ２８の第１厚さ領域２８ａに形成されている。なお、接続通路５４の出口５４ａは、シリンダ２８の第２厚さ領域２８ｂに形成されていてもよい。
【００４５】
接続通路５４の出口５４ａは、ディスプレーサ２４のストロークの範囲内でシール部５０内（つまり第１シール部材５０ａ及び第２シール部材５０ｂ間）に納まるよう設定される。言い換えれば、接続通路５４の出口５４ａは、ディスプレーサ２４が下死点にあるとき軸方向において第１シール部材５０ａの下方に位置し（図２の実線を参照）、ディスプレーサ２４が上死点にあるとき軸方向において第２シール部材５０ｂの上方に位置する（図２の破線を参照）。こうして、接続通路５４の出口５４ａは、ディスプレーサ２４の往復移動中、第１シール部材５０ａと第２シール部材５０ｂとに挟まれるよう定められた軸方向位置を有する。こうして、接続通路５４のガス流通隙間５２への接続を冷却サイクルを通じて常に維持することができる。
【００４６】
連通路５６は、径方向に沿ってディスプレーサ部材２４ａに形成された開口である。連通路５６は、軸方向において第１シール部材５０ａと第２シール部材５０ｂとの間に形成されている。連通路５６は、ガス流通隙間５２を蓄冷器高温部１６ａに連通する。
【００４７】
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。高圧ガスが、バルブ部３４から第１ガス流路３６を通じて蓄冷器高温部１６ａに入る。このときガスは、接続通路５４、ガス流通隙間５２、連通路５６を通る。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。
【００４８】
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、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、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。
【００４９】
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。
【００５０】
上述のように、第１ガス流路３６は、ガス空間４４を迂回しシール部５０を経由するよう形成されている。圧縮機１２と膨張機１４とを循環する作動ガス流れは、ガス空間４４を通らずに、２つのシール部材の間を流れる。したがって、従来一般的な膨張機ではガス空間４４に相当する場所でガスの圧縮が生じるのとは対照的に、ガス空間４４は圧縮熱をほとんど又はまったく発生させない。よって、実施の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、ガス空間４４の容積が大きい極低温冷凍機１０、つまり大容量の極低温冷凍機１０に顕著である。
【００５１】
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。
【００５２】
図３は、本発明のある実施の形態に係る膨張機１４の一部の断面を概略的に示す。図３には、理解を助けるために、シリンダ２８の一部を実線で示し、ディスプレーサ２４の一部を破線で示す。
【００５３】
第１ガス流路３６は、種々の形状をとりうる。例えば、接続通路５４は、周方向に沿って形成された出口溝５８を備えてもよい。出口溝５８は、全周に連続している。なお、接続通路５４は、周方向に配列された複数の出口溝または出口穴を備えてもよい。同様に、ディスプレーサ部材２４ａの連通路５６も、周方向に沿って形成された少なくとも１つの溝、または、周方向に配列された複数の穴を備えてもよい。このようにすれば、蓄冷器１６に流入する作動ガスの周方向流れ分布を均一化することができる。これは、蓄冷器１６の軸方向に垂直な断面における温度分布の均一化に役立つ。
【００５４】
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、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】
【００５５】
１０  極低温冷凍機、  １４  膨張機、  １６  蓄冷器、  １６ａ  蓄冷器高温部、  １６ｂ  蓄冷器低温部、  ２２  膨張機静止部分、  ２４  ディスプレーサ、  ２４ａ  ディスプレーサ部材、  ２８  シリンダ、  ２８ａ  第１厚さ領域、  ２８ｂ  第２厚さ領域、  ３４  バルブ部、  ３６  第１ガス流路、  ４０  ガス膨張室、  ４２  低圧ガス室、  ４４  ガス空間、  ５０  シール部、  ５０ａ  第１シール部材、  ５０ｂ  第２シール部材、  ５２  ガス流通隙間、  ５４  接続通路、  ５４ａ  出口、  ５６  連通路、  ５８  出口溝。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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