JPH0468266A - 極低温冷凍機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、膨張機のシリンダ内でディスプレーサをガス
圧により往復動させて該ディスプレーサの往復動に伴う
冷媒ガスの断熱膨張により極低温レベルの寒冷を発生さ
せる極低温冷凍機に関するものである。

（従来の技術） 従来より、この種の極低温冷凍機として、ＧＭ（ギフオ
ード・マクマホン）サイクルの冷媒サイクルを有するガ
ス圧駆動式のＧＭ冷凍機が知られている。この冷凍機の
膨張機はシリンダと、該シリンダ内に往復動可能に配設
されたディスプレーサ及びスラックピストンとを備えて
なり、ディスプレーサによりシリンダ内の先端に膨張室
が区画され、この膨張室はディスプレーサ内のりジェネ
レータを介してシリンダ基端側の空間に連通している。

スラックピストンは、シリンダの基端側に該基端側空間
をガス給排室と中間圧室とに区画するように配置され、
かつディスプレーサに対し所定ストロークの間隔をあけ
て係合している。上記中間圧室はサージボリュームに連
通されている一方、ガス給排室は圧縮機の吐出側及び吸
込側にそれぞれ接続される高圧ガス入口及び低圧ガス出
口に連通している。そして、ガス給排室ないし膨張室に
対する冷媒ガスの給排を周期的に切り換えることで、ガ
ス給排室と中間圧室との差圧によりスラックピストンを
移動させてディスプレーサを往復動させ、このディスプ
レーサの往復動に伴う冷媒ガスの膨張室での膨張により
膨張室周りのシリンダに寒冷を発生させるようになされ
ている。

そして、上記ガスの給排を切り換える場合、大別してモ
ータや電磁弁等、電気的アクチュエータを用いるものと
、特開昭５８−１９０６６５号公報に示されるように膨
張機でのガス圧の変動を利用するようにしたものとに分
れる。

ところで、近年、超電導デバイスの１つとして、ジョセ
フソン効果を利用した超電導量子干渉素子（Ｓｕｐｅｒ
ｃｏｎｄｕｅｔｉｖｅ　ＱｕａｎｔｕｌｌＩｎｔｅｒｒ
ｅｒｅｎｃｅ　Ｄｅｖｉｃｃ＝以下、５ＱＵＩＤと略称
する）が注目されている。この５ＱＵＩＤに超電導コイ
ルからなる磁束入力回路を接続することにより、例えば
生体内に流れる微小電流に伴う磁界や体内の微小磁石か
らの磁界等、極めて微弱な磁束をｎ１定するようにした
グラジオメータを得ることができる。

しかし、この５ＱＵＩＤを作動温度レベルに冷却するた
めに、上記した電気アクチュエータを有するガス圧駆動
式のＧＭ冷凍機を利用する場合、冷凍機にはモータや電
磁弁等、磁束を発生するアクチュエータタが設けられて
いるため、このアクチュエータからの磁束が有害なノイ
ズとなって検出され、その測定精度が低下するという問
題がある。

そこで、従来、上記バルブモータの影響を低減するため
に、膨張機におけるバルブ及びバルブモータをシリンダ
部分と分離し、バルブモータアッセンブリとシリンダア
ッセンブリとを配管で接続することにより、バルブモー
タを５ＱＵＩＤつまりシリンダ先端から離して、バルブ
モータからの磁束による有害なノイズを低減するように
した別体型のものが提案されている（例えば１９８８．
８．１８〜８．１９に開催された会議“５ｔｈ　Ｉｎｔ
ｅｒｎａｔｌｏｎａｌ　Ｃｒｙｏｃｏｏｌｅｒ　Ｃｏｎ
１’ｅｒｅｎｃｅ　”での米国論文“Ｄｅｖｅｌｏｐｓ
ｅｎｔ　ｏｒ　Ａ　Ｈｙｂｒｌｄ　ＧｉｆＴｏｒｄ−Ｍ
ｃ＋ｇａｈｏｎ　Ｊｏｕｌｅ−Ｔｈｏａｐｓｏｎ　Ｂａ
５ｅｄ　Ｎｅｕｒｏｍａｇｎｅｔｏｍｅｔｅｒ、Ｃｒｙ
ｏｓｑｕｉｄ’参照）０（発明が解決しようとする課題
） ところが、このようにバルブモータがシリンダ部分と分
離されている別体型の膨張機では、両者を接続する冷媒
配管内で冷媒ガスの圧力損失が生じるため、一体型のも
のに比べ、例えば第６図に示すように、いわゆるＰｖ図
示能力が圧力損失の分だけ低下して冷凍能力が低下する
のは避けられ得ず、しかも圧縮機の負荷も増大する。

また、一体型の膨張機では、高低圧ガスが圧縮機との間
で循環しており、シリンダの低温端でガスが奪った圧縮
熱はガスが圧縮機に戻る間に放出されるので、問題は生
じないが、上記の如き別体型の膨張機では、圧縮機との
間を循環する冷媒ガス量が減少し、このため、上記圧縮
熱は十分に放熱されず、シリンダアッセンブリの常温部
分に溜まることとなる。この熱の滞留によりシリンダ基
端側に配置されているサージボリュームが加熱され、そ
の内部のガス圧が高くなり、中間圧と高圧との差圧が小
さくなってスラックピストン及びディスプレーサのスム
ーズな移動に支障を来し、クールダウン時間が長くなっ
たり、クールダウン後の定常運転時の冷凍能力が低下し
たりするという不具合が生じる。

そして、冷凍能力を大に確保すべく冷媒配管の管径を大
きくすると、上記圧縮熱が蓄積され易くなり、逆に細く
すると、圧力損失が大きくなるという背反した問題が生
じ、冷媒配管の適正な管径の選択も重要となる。

一方、膨張機でのガス圧の変動を利用する冷凍機では、
可動部分の材質に関する限り電磁ノイズの発生の心配は
ないものの、反面、ガス流路や弁の配置等の構造が著し
く複雑になり、長期間の連続運転する場合の信頼性が低
く、メインテナンス時の分解組立てが繁雑になる等、実
用的とは言い難い。

本発明は斯かる諸点に鑑みてなされたものであり、その
目的とするところは、上記したアクチュエータ駆動型の
膨張機に対し所定の改良を加えることにより、バルブモ
ータをシリンダ部分に接続する冷媒配管によるガスの圧
力損失や、サージボリュームに対する加熱の影響をなく
すようにして、ディスプレーサの往復運動の安定化及び
冷凍能力の確保を図ることにある。

（課題を解決するための手段） 上記の目的を達成すべく、請求項（１）の発明では、膨
張機において、そのシリンダに対する高圧及び低圧冷媒
ガスの給排をガス圧駆動式の切換バルブで切り換えるよ
うにし、かつ、この切換バルブの駆動のためのガス圧を
膨張機から離れたバルブモータで切換供給するようにし
た。

具体的には、この発明では、ｗｓ１図又は第４図に示す
ように、冷媒ガスを圧縮して高圧ガスを発生させる圧縮
機（１）と、シリンダ（３）内に嵌挿されたディスプレ
ーサ（１０）を備え、該ディスプレーサ（１０）の往復
動により、上記圧縮機（１）から供給された高圧ガスを
シリンダ（３）内の膨張室（１２）、（１３）で断熱膨
張させて極低温レベルの寒冷を発生させる膨張機（２）
とで構成された極低温冷凍機に対し、上記膨張機（２）
を以下の構成とする。

すなわち、膨張機（２）には、上記膨張室（１２）、　
　（１３）内に連通ずる高圧ガス入口（２８）及び低圧
ガス出口（２９）と、圧力室（３７）に対するガス圧の
高低切換えにより上記高圧ガス入口（２８）及び低圧ガ
ス出口（２９）を膨張室（１２）、　　（１３）に対し
択一的に連通させるように切り換わる切換バルブ（３２
）とを設ける。

そして、上記高圧ガス入口（２８）を、上記圧縮機（１
）の吐出側に高圧配管（９１）を介して接続する一方、
低圧ガス出口（２９）は圧縮機（１）の吸込側に低圧配
管（９２）を介して接続する。

上記膨張機（２）の圧力室（３７）に対するガス圧を高
圧又は低圧に周期的に切り換える圧力切換手段（５１）
を膨張機（２）とは離隔して配設し、この圧力切換手段
（５１）は、上記圧力室（３７）に連絡配管（９３）を
介して連通するガス給排口（５７）と、上記圧縮機（１
）の吐出側及び吸込側にそれぞれ接続される高圧ガスポ
ート（５３）及び低圧ガスポート（５４）と、上記ガス
給排口（５７）に対し高圧ガスポート（５３）及び低圧
ガスポート（５４）の連通を切り換えるバルブ（６２）
と、該バルブ（６２）を所定のタイミングで切換駆動す
るバルブモータ（６１）とを備えた構成とする。

請求項（２）の発明では、上記請求項（１）の発明の構
成において、圧力切換手段はバルブモータによるバルブ
手段に代えてリニアモータ圧縮機とする。

すなわち、この発明では、第５図に示す如く、圧力切換
手段（７１）は、シリンダ（７３）と、該シリンダ（７
３）内に往復動可能に配設され、シリンダ（７３）内に
上記圧力室（３７）に連絡配管（９３）を介して連通ず
る圧縮室（７４）を形成するピストン（７５）と、該ピ
ストン（７５）を往復動させるリニアモータ（７６）と
を備えていることを特徴とする。

（作用） 上記の構成により、請求項（１）の発明では、圧力切換
手段（５１）におけるバルブ（６２）がバルブモータ（
６１）により所定のタイミングで切り換えられると、圧
縮機（１）の吐出側及び吸込側が交互にガス給排口（５
７）に連通する。このガス給排口（５７）は連絡配管（
９３）を介して膨張機（２）の圧力室（３７）に連通し
ているので、上記バルブ（６２）の切換えに伴い、圧力
室（３７）のガス圧が増減変化する。この圧力室（３７
）に対するガス圧の高低切換えにより切換バルブ（３２
）が高圧ガス入口（２８）及び低圧ガス出口（２９）を
ガス給排室（１１）に対し択一的に連通させるように切
り換わり、このことによってガス給排室（１１）ないし
膨張室（１２）、（１３）に対するガスの給排が行われ
る。

この発明では、バルブモータ（６１）を用いて高低圧を
切り換えているが、この高低圧により切り換えているの
は膨張機（２）内の切換バルブ（３２）であるので、バ
ルブモータ（６１）をシリンダ（３）低温端、つまり５
ＱＵＩＤ等から十分能して設置でき、５ＱＵＩＤ等に対
する磁気ノイズを低減することができる。

また、バルブモータ（６１）によるバルブ（６２）で切
換バルブ（３２）を切り換える構造であり、膨張機（２
）と圧縮機（１）とは高圧及び低圧配管（９１）、（９
２）で接続されるため、圧縮機（１）と膨張機（２）と
の間の冷媒ガスの流れはバルブモータ（６１）を分離し
ていない一体型のものと同等となる。従って、バルブ部
分をシリンダ部分から分離し、両者を冷媒配管を介して
接続する別体型冷凍機のように、冷媒配管でのガスの圧
力損失により冷凍能力が低下し或いは圧縮１１　（１）
の負荷が増大したり、シリンダ（３）常温端での圧縮熱
の滞留によりディスプレーサ（１０）の往復運動が悪影
響を受けたりするのを回避することができる。

さらに、膨張機（２）外の圧力切換手段（５１）により
膨張機（２）の圧力室（３７）のガス圧を切り換え、こ
のガス圧で切換バルブ（３２）を駆動するため、膨張機
（２）にはガス圧による切換バルブ（３２）を設けるだ
けで済み、膨張機（２）内でのバルブ構造は極めて簡単
になる。

請求項（ａの発明では、圧力切換手段（７１）はりニア
モータ圧縮機で構成されているので、そのリニアモータ
（７６）の作動に伴い、ピストン（７５）がシリンダ（
７３）内で所定周期で往復動じ、圧縮室（７４）内のガ
ス圧が高低に変化する。この圧縮室（７４）は連絡配管
（９３）を介して膨張機（２）の圧力室（３７）に連通
しているので、上記ピストン（７５）の往復動により、
膨張機（２）の切換バルブ（３２）が高圧ガス入口（２
８）及び低圧ガス出口（２９）をガス給排室（１１）に
対し択一的に連通させるように切り換わり、ガス給排室
（１１）ないし膨張室（１２）（１３）に対するガスの
給排が行われる。従って、この発明でも上記と同様の作
用効果が得られる。

（実施例） 以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第１図は本発明の第１実施例に係るガス圧駆動式のＧＭ
型極低温冷凍機の全体構成を示し、この冷凍機は、ヘリ
ウムガス（冷媒ガス）のジュールトムソン膨張を利用し
たＪＴ冷凍機の予冷用冷凍機として用いられ、このＪＴ
冷凍機により５ＱＵＩＤ（図示せず）を極低温レベルに
冷却するようになっている。図において、（１）は冷媒
ガスとしてのヘリウムガスを圧縮して高圧ガスを発生さ
せる圧縮機、（２）は該圧縮機（１）から供給された高
圧ガスを断熱膨張させて極低温レベルの寒冷を発生させ
る膨張機である。

上記膨張機（２）は、有底円筒状のシリンダ（３）と、
該シリンダ（３）の基端側聞口を気密状に閉塞する蓋部
材（２１）とを有する。上記シリンダ（３）は、基端側
の大径部（３ａ）と該大径部（３ａ）の先端に連続する
小径部（３ｂ）とで２段構造に形成され、上記大径部（
３ａ）の下端部には例えば５５〜６０にの温度レベルに
保持される第１段ヒートステーション（４）が、また小
径部（３ｂ）の下端には上記第１段ヒートステーション
（４）よりも低い例えば１５〜２０にの温度レベルに保
持される第２段ヒートステーション（５）がそれぞれ設
けられており、この両段ヒートステーション（４）、（
５）から伝熱されて図外のＪＴ冷凍機のヘリウムガスが
予冷されるようになっている。

シリンダ（３）の大径部（３ａ）上端の内部には該大径
部（３ａ）内部に中間圧室（６）を区画形成するスラッ
クピストン（７）が配設されている。上記スラックピス
トン（７）は底壁を有する略カップ形状のもので、その
内周上端が後述するバルブステム（２２）の突出部（２
２ａ）外周に、また外周下端がシリンダ（３）の大径部
（３ａ）内周にそれぞれ気密状に摺接している。また、
スラックピストン（７）の底壁中心部には中心孔（８）
が、また底壁の隅角部にはピストン（７）内外を連通ず
る複数の連通孔（９）、（９）、・・・がそれぞれ貫通
形成されている。

また、シリンダ（３）内にはディスプレーサ（１０）が
往復動可能に嵌挿されている。このディスプレーサ（１
０）は、シリンダ（３）の大径部（３ａ）にて気密摺動
可能に配置された大径部（１０ａ）と、該大径部（１０
ａ）の先端に連続し、シリンダ（３）の小径部（３ｂ）
に気密摺動可能に配置された小径部（１０ｂ）とからな
る２段構造のもので、大径部（１０ａ）及び小径部（１
０ｂ）の内部にはそれぞれ密閉空間が形成されており、
このディスプレーサ（１０）により、シリンダ（３）内
の空間が、ディスプレーサ（１０）の上端及びスラック
ピストン（７）で囲まれるガス給排室（１１）と、ディ
スプレーサ（１０）の大径部（１０ａ）先端及びシリン
ダ（３）の大径部（３ａ）先端で囲まれ、上記第１段ヒ
ートステーション（４）に対応する第１段膨張室（１２
）と、ディスプレーサ（１０）の小径部（１０ｂ）先端
及びシリンダ（３）の小径部（３ｂ）先端で囲まれ、上
記第２段ヒートステーション（５）に対応する第２段膨
張室（１３）とに区画されている。

また、ディスプレーサ（１０）の大径部（１０ａ）下端
には大径部（１０ａ）内の密閉空間を上記第１段膨張室
（１２）に常時連通ずる連通孔（１４）、　　（１４）
が形成されている。また、小径部（１０ｂ）上端には小
径部（１０ｂ）内の空間を第１段膨張室（１２）に常時
連通ずる連通孔（１５）、　　（１５）が、同下端には
密閉空間を上記第２段膨張室（１３）に常時連通する連
通孔（１６）、　　（１６）がそれぞれ形成されている
。

さらに、上記ディスプレーサ（１０）の大径部（１０ａ
）上端には大径部（１０ａ）内の空間を上記ガス給排室
（１１）に連通ずる管状の係止片（１７）が一体に突設
され、該係止片（１７）は上記スラックピストン（７）
底壁の中心孔（８）を貫通してピストン（７）内に所定
寸法だけ延び、その上端部にはピストン（７）底壁に係
合するフランジ状の係止部（１７ａ）が一体に形成され
ており、スラックピストン（７）の上昇移動時、ピスト
ン（７）が所定ストロークだけ上昇した時点でその底壁
と係止片（１７）の係止部（１７ａ）との係合により、
ディスプレーサ（１０）をピストン（７）によって駆動
して上昇開始させるように　つまりディスプレーサ（１
０）を所定ストロークの遅れをもってピストン（７）に
追従移動させるようになされている。

そして、上記ディスプレーサ（１０）の大径部（１０ａ
）内の密閉空間には第１段リジェネレータ（１８）（蓄
冷器）が、また小径部（１０ｂ）内の密閉空間には第２
段リジェネレータ（１９）がそれぞれ嵌装されている。

これらリジェネレータ（１８）、、（１９）はいずれも
蓄冷型の熱交換器からなる。具体的には、上記第１段リ
ジェネレータ（１８）は、密閉空間内に蓄冷材として円
板状の多数の銅メツシユを積層したものであり、−方、
第２段リジェネレータ（１９）では空間内に蓄冷材とし
て所定の直径を有する多数の鉛球（鉛のショット）が充
填封入され、これらメツシュの網目及び鉛球間の間隙が
ガス通路とされており、このガス通路を流れるヘリウム
ガスの冷熱をメツシュ及び各鉛球に蓄えるようにしてい
る。すなわち、ディスプレーサ（１０）がシリンダ（３
）内を上昇する吸気行程にあるときには、前の排気行程
で極低温レベルに温度降下したメツシュ及び鉛球をガス
給排室（１１）から第１及び第２段膨張室（１２）、（
１３）に向かう常温のヘリウムガスと接触させて、両者
の熱交換によりそのガスを極低温レベル近くまで冷却す
る。一方、ディスプレーサ（１０）が下降する排気行程
にあるときには、各膨張室（１２）、　　（１３）での
膨張により極低温レベルに温度降下したヘリウムガスを
シリンダ（３）外に排出する途中でメツシュ及び鉛球と
接触させて、両者の熱交換によりメツシュ及び鉛球を極
低温レベル近くまで再度冷却するように構成されている
。

一方、上記蓋部材（２１）は、シリンダ（３）の開口を
閉塞するバルブステム（２２）と、該バルブステム（２
２）の上側に連設されたバルブケース（２７）とからな
る。上記バルブステム（２２）はシリンダ（３）内にそ
の内壁と所定の間隔をあけて同心状に突出する円柱状の
突出部（２２ａ）を有する。また、バルブステム（２２
）には、そのシリンダ中心線上を上面から突出部（２２
ａ）下面（ガス給排室（１１））まで貫通するガス流路
（２３）と、所定容積のサージボリューム（２４）とが
形成されている。上記ガス流路（２３）は、通路断面積
の小さい連通路（２５）を介して上記サージボリューム
（２４）に常時連通しており、この連通路（２５）によ
りサージボリューム（２４）での中間圧を適正値に設定
するようにしている。また、サージボリューム（２４）
は上記中間圧室（６）にオリフィス（２６）を介して常
時連通している。

上記バルブケース（２７）の上面には高圧ガス入口（２
８）及び低圧ガス出口（２９）が所定間隔をあけて並ん
で開口され、高圧ガス入口（２８）は高圧配管（９１）
を介して圧縮機（１）の吐出口に、また低圧ガス出口（
２９）は低圧配管（９２）を介して圧縮機（１）の吸込
側にそれぞれ接続されている。バルブケース（２７）は
切換バルブ（３２）の一部を構成するもので、該切換バ
ルブ（３２）により、上記高圧ガス入口（２８）及び低
圧ガス出口（２９）を上記ガス給排室（１１）に対し択
一的に連通させるようにしている。

すなわち、バルブケース（２７）内には上記高圧ガス入
口（２８）から低圧ガス出口（２９）に向かう方向に延
びる円柱状の空間（３３）が形成され、該空間（３３）
の上側壁面には高圧ガス人口（２８）及び低圧ガス出口
（２９）の各下端が開口している。一方、空間（３３）
の下側壁面には上記高圧ガス入口（２８）及び低圧ガス
出口（２９）と同径の２つのポート（３４）、　　（３
５）がそれぞれ高圧ガス入口（２８）及び低圧ガス出口
（２９）に上下に対応して開口され、これらのポート（
３４）、　　（３５）はバルブケース（２７）内で互い
に合流された後、上記バルブステム（２２）のガス流路
（２３）に連通されている。上記空間（３３）にはスプ
ール（３６）が摺動可能に嵌挿され、このスプール（３
６）により空間（３３）が図で右側の圧力室（３７）と
左側のばね室（３８）とに区画されている。スプール（
３６）には流路（３９）が上下に貫通形成されている。

また、ばね室（３８）にはスプール（３６）を図で右側
に付勢するばね（４０）が縮装されており、スプール（
３６）の移動により流路（３９）の高圧ガス入口（２８
）又は低圧ガス出口（２９）に対する連通を切り換え、
図で実線にて示す如く、圧力室（３７）の圧力上昇によ
りスプール（３６）かばね（４０）の付勢力に抗して左
端の高圧位置に移動したときには、その流路（３９）を
高圧ガス入口（２８）に合致させて、高圧ガス人口（２
８）とそれに対応するボート（３４）とを流路（３９）
を介して連通させる一方、圧力室（３７）の圧力低下に
伴いスプール（３６）かばね（４０）の付勢力により右
端の低圧位置に移動したときには、流路（３９）を低圧
ガス出口（２９）に合致させて、低圧ガス出口（２９）
とそれに対応するボート（３５）とを流路（３９）を介
して連通させるようにしている。

尚、上記ばね室（３８）と上記高圧配管（９１）とは中
間圧力調整弁（４１）を配設した配管（４２）により、
またばね室（３８）と低圧配管（９２）とは中間圧力調
整弁（４３）を配設した配管（４４）によりそれぞれ連
通しており、これらの調整弁（４１）、（４３）により
ばね室（３８）でのガス圧を調整している。

上記膨張機（２）の圧力室（３７）に対するガス圧を高
圧又は低圧に周期的に切り換えるための圧力切換手段と
してのバルブモータアッセンブリ（５１）が膨張機（２
）とは離隔して配設されている。

このバルブモータアッセンブリ（５１）は、上端が閉塞
された有底円筒状のバルブハウジング（５２）と、該ハ
ウジング（５２）の下端開口を気密状に閉塞するバルブ
ステム（５６）とで構成された密閉円筒状のもので、バ
ルブハウジング（５２）の側壁には上記高圧配管（９１
）、つまり圧縮機（１）の吐出側に接続される高圧ガス
ポー１（５３）と、低圧配管（９２）、つまり圧縮機（
１）の吸込側に接続される低圧ガスポート（５４）とが
開口されている。また、バルブステム（５６）の下端に
はガス給排口（５７）が開口され、このガス給排口（５
７）は連絡配管（９３）を介して上記膨張機（２）の圧
力室（３７）に接続されている。バルブハウジング（５
２）の内部には、上記高圧ガスポート（５３）に連通ず
るバルブ室（５５）が形成され、このバルブ室（５５）
にはバルブステム（５６）の上面が臨んでいる。

バルブステム（５６）には、上半部が２つに分岐されか
つ上記バルブ室（５５）を上記ガス給排口（５７）に連
通ずる第１ガス流路（５８）と、一端が該第１ガス流路
（５８）に後述のバルブディスク（６２）の低圧ボート
（６４）を介して連通ずるとともに、他端が上記低圧ガ
スポート（５４）にバルブハウジング（５２）に形成し
た連通路（５９）を介して連通ずる第２ガス流路（６０
）とが貫通形成されている。両ガス流路（５８）。

（６０）は、第２図に示すように、バルブステム（５６
）上面においてバルブ室（５５）に対し、第２ガス流路
（６０）にあってはバルブステム中心部に、第１ガス流
路（５８）の２つの分岐部分にあっては上記第２ガス流
路（６０）の開口部に対して対称な位置にそれぞれ開口
されている。

また、バルブ室（５５）内にはバルブモータ（６１）に
よって所定周期で回転駆動される切換バルブとしてのバ
ルブディスク（６２）が配設され、該バルブディスク（
６２）の切換動作により、高圧ガスポート（５３）に連
通ずるバルブ室（５５）と、低圧ガスポー１−　（５４
）に連通ずる連通路（５９）とをガス給排口（５７）に
対し交互に連通ずるようになされている。

詳しくは、上記バルブディスク（６２）はバルブモータ
（６１）の出力軸（６１ａ）にかつ摺動可能に連結され
ている。また、バルブディスク（６２）上面とモータ（
６１）との間にはスプリング（６５）が縮装されており
、このスプリング（６５）のばね力及びバルブ室（５５
）に導入された高圧ヘリウムガスの圧力によりバルブデ
ィスク（６２）下面をバルブステム（５６）上面に対し
一定の押圧力で押し付けている。また、第３図に示す如
く、バルブディスク（６２）の下面には、その半径方向
に対向する外周縁から中心方向に所定長さだけ切り込ん
でなる１対の高圧ボート（６３）、　　（６３）と、該
高圧ボー）（６３）、　　（６３）に対しバルブディス
ク（６２）の回転方向に略９０″の角度間隔をあけて配
置され、バルブディスク（６２）下面の中心から外周縁
近傍に向かって直径方向に切り欠いてなる低圧ポート（
６４）とが形成されている。そして、バルブモータ（６
１）の駆動によりバルブディスク（６２）がその下面を
バルブステム（５６）上面に圧接させながら回転して切
換動作する際、このバルブディスク（６２）の切換動作
に応じて高圧ガスポート（５３）又は低圧ガスポート（
５４）を交互にガス給排口（５７）に所定のタイミング
で連通させるようにしている。

そして、バルブモータアッセンブリ（５１）でのバルブ
ディスク（６２）の切換えにより、膨張機（２）の圧力
室（３７）に高圧ガスポート（５３）からの高圧ガス又
は低圧ガスポート（５４）からの低圧ガスを交互に作用
させて切換バルブ（３２）のスプール（３６）を移動さ
せ、第２図（ａ）に示す如（、バルブディスク（６２）
下面の高圧ポート（６３）、（６３）の内端がそれぞれ
バルブステム（５６）上面に開口する第１ガス流路（５
８）に合致したときには、膨張機（２）の圧力室（３７
）に高圧ヘリウムガスを導入してスプール（３６）を図
で左端の高圧位置に移動させ、膨張機（２）の高圧ガス
入口（２８）をスプール（３６）の流路（３９）及びガ
ス流路（２３）を介してシリンダ（３）内のガス給排室
（１１）、第１及び第２段膨張室（１２）、（１３）に
連通させて、これら各室（１１）〜（１３）に高圧ヘリ
ウムガスを導入充填することにより、スラックピストン
（７）及び該ピストン（７）によって駆動されるディス
プレーサ（１０）を上昇させる。

一方、第２図（ｂ）に示すように、バルブステム（５６
）上面に開口する第２ガス流路（６０）に央部にて常時
連通ずる低圧ポート（６４）の外端が上記第１ガス流路
（５８）に合致したときには、ばね（４０）の付勢力に
よりスプール（３６）を図で右側の低圧位置に移動させ
、上記シリンダ（３）内の各室（１１）〜（１３）を第
１ガス流路（５８）及びスプール（３６）の流路（３９
）を介して低圧ガス出口（２９）に連通させて、各室（
１１）〜（１３）に充填されているヘリウムガスを低圧
ガス出口（２９）に排出することにより、スラックピス
トン（７）及びディスプレーサ（１０）を下降させ、こ
のディスプレーサ（１０）の下降移動に伴う膨張室（１
２）、（１３）内のヘリウムガスの膨張によって各ヒー
トステーション（４）、（５）に寒冷を発生させるよう
に構成されている。

次に、上記実施例の作用について説明する。

クールダウン時には、ＧＭ冷凍機及びＪＴ冷凍機の運転
に伴って５ＱＵＩＤが徐々に低温度レベルに冷却され、
その５ＱＵＩＤの温度が極低温レベル（約４Ｋ）まで降
下した後に冷凍機は定常運転状態に移り、その状態で５
ＱＵＩＤが作動する。

すなわち、上記ＧＭ冷凍機の運転を詳しく説明すると、
膨張機（２）における切換バルブ（３２）のスプール（
３６）は閉じ位置にある。また、シリンダ（３）内の圧
力が低圧であって、スラックピストン（７）とディスプ
レーサ（１０）とが下降端位置にあるとする。この状態
で、バルブモータアッセンブリ（５１）のバルブモータ
（６１）の駆動によりバルブディスク（６２）が回転し
、第２図（ａ）に示すように、その高圧ボート（６３）
、（６３）がバルブステム（５６）上面の第１ガス流路
（５８）に合致してバルブディスク（６２）が高圧側に
開く。これに伴い、圧縮機（１）から高圧ガスポート（
５３）を介してバルブモータアッセンブリ（５１）のバ
ルブ室（５５）に供給されている高圧ヘリウムガスがバ
ルブディスク（６２）の高圧ポート（６３）、　　（６
Ｂ）及び第１ガス流路（５８）を介してガス給排口（５
７）に供給され、このガス給排口（５７）から連絡配管
（９３）を介して膨張機（２）の圧力室（３７）に導入
される。この圧力室（３７）のガス圧の上昇によりスプ
ール（３６）かばね（４０）の付勢力に抗して第１図で
左側に移動して高圧位置に位置付けられ、その流路（３
９）が高圧ガス入口（２８）及びポート（３４）に合致
して両者を連通し、これに伴い、高圧ガス入口（２８）
のガスがガス流路（２３）を介してスラツクピストン（
７）下方のガス給排室（１１）に導入される。

さらに、このガスはガス給排室（１１）からディスプレ
ーサ（１０）の各リジェネレータ（１８）。

（１９）を通って順に各膨張室（１２）、　　（１３）
に充填され、このリジェネレータ（１８）、　　（１９
）を通る間に前の排気行程で冷却されている銅メツシユ
及び鉛球との熱交換によって冷却される。

また、上記スラックピストン（７）上側の中間圧室（６
）はオリフィス（２６）を介してサージボリューム（２
４）に連通しているので、その圧力は一定の適正値に保
たれている。このため、上記ガス給排室（１１）へ高圧
ヘリウムガスが導入されると、その内部の圧力が上記中
間圧室（６）よりも高くなり、画室（６）、’　　（１
１）間の圧力差によってピストン（７）が上昇する。そ
して、このピストン（７）が所定ストロークだけ上昇す
ると、該ピストン（７）の底壁とディスプレーサ（１０
）上端の係止片（１７）とが係合して、ディスプレーサ
（１０）は圧力変化に対し遅れを持ってピストン（７）
により引き上げられ、このディスプレーサ（１０）の上
昇移動によりその下方の膨張室（１２）、　　（１３）
にさらに高圧ガスが充填される（吸気行程）。

この後、上記バルブディスク（６２）が９０″回転して
閉じるが、その後もディスプレーサ（１０）は慣性力に
よって上昇し、これに伴い、ディスプレーサ（１０）上
方のガス給排室（１１）内のヘリウムガスが第１及び第
２段膨張室（１２）。

（１３）に移動する。

そして、ディスプレーサ（１０）が上昇端位置に達した
後、バルブディスク（６２）がさらに９０″回転し、第
２図（ｂ）に示す如く、その低圧ポート（６４）が第１
ガス流路（５８）に合致してバルブディスク（６２）が
低圧側に開き、この開弁に伴い上記切換バルブ（３２）
の圧力室（３７）が低下し、スプール（３６）かばね（
４０）の付勢力により第１図で右側に移動して低圧位置
に位置付けられ、その流路（３９）が低圧ガス出口（２
９）及びポート（３５）に合致して両者を連通ずる。こ
の切換バルブ（３２）の低圧側への開弁に伴い、上記デ
ィスプレーサ（１０）下方の各膨張室（１２）、（１３
）内のヘリウムガスがサイモン膨張し、このヘリウムガ
スの膨張によって寒冷が発生する（膨張行程）。

この極低温状態となったヘリウムガスは、上記ガス導入
時とは逆に、ディスプレーサ（１ｏ）内のりジェネレー
タ（１９）、　　（１８）を通って上記ガス給排室（１
１）内に戻り、−その間にリジェネレータ（１９）、　
　（１８）内の銅メツシユ及び鉛球を冷却しながら自身
が常温まで暖められる。

そして、この常温のヘリウムガスは、ガス給排室（１１
）内のガスと共に、上記とは逆に、ガス流路（２３）を
介して低圧ガス出口（２９）に戻り、そこから低圧配管
（９２）を経て圧縮機（１）に吸い込まれる。このガス
排出に伴い、上記ガス給排室（１１）内のガス圧が低下
して中間圧室（６）よりも低くなり、この両室（６）、
　　（１１）での圧力差によりスラブクピストン（７）
が下降し、このピストン（７）の底壁がディスプレーサ
（１０）の上面に当接した後は該ディスプレーサ（１０
）が押圧されて下降し、このディスプレーサ（１０）の
下降移動により膨張室（１２）、（１３）内のガスが膨
張機（２）外にさらに排出される（排気行程）。

次いで、バルブディスク（６２）が９０″回転して閉じ
、その後もディスプレーサ（１ｏ）は下降端位置まで下
降し、膨張室（１２）、（１３）内のガスが排出されて
最初の状態に戻る。以上により膨張８！　（２）の動作
の１サイクルが終了し、以後は上記と同様な動作が繰り
返される。この繰返しによりシリンダ（３）の両段ヒー
トステーション（４）、　　（５）が徐々に冷却され、
両ヒートステーション（４）、　　（５）からの寒冷を
受けたＪＴ冷凍機のヘリウムガスが冷却される。

この実施例では、膨張機（２）からバルブモータアッセ
ンブリ（５１）が分離され、バルブモータ（６１）がシ
リンダ（３）から離隔しているので、バルブモータ（６
１）からの磁束が５ＱＵＩＤの磁束検出にノイズとして
悪影響を及ぼすのが抑制され、よって５ＱＵＩＤをＧＭ
冷凍機によって問題なく冷却することができる。

また、バルブモータアッセンブリ（５１）におけるバル
ブディスク（６２）の高低圧の切換えにより膨張機（２
）の切換バルブ（３２）を切り換える構造であり、膨張
機（２）と圧縮機（１）とは従来の一体型冷凍機と同様
に高圧配管（９１）及び低圧配管（９２）で接続される
ため、圧縮機（１）と膨張機（２）との間をヘリウムガ
スは一体型冷凍機と同等に流れる。従って、バルブ部分
をシリンダ部分から分離して両者を冷媒配管を介して接
続する別体型冷凍機のように、冷媒配管でのガスの圧力
損失により冷凍能力が低下したり、或いは圧縮機（１）
の負荷が増大したりすることはない。また、シリンダ（
３）低温端で奪われた圧縮熱がシリンダ（３）常温端で
止まることもないことから、サージボリューム（２４）
で設定される中間圧室（６）のガス圧が上昇するのは防
止され、中間圧と高低圧との差圧が適正に保たれる。

よって、ディスプレーサ（１０）の往復運動を安定して
行うことができ、冷凍機のクールダウン時間を短時間に
維持することができるとともに、定常運転時の冷凍能力
を増大させることができる。

さらに、膨張機（２）外のバルブモータアッセンブリ（
５１）により膨張機（２）の切換バルブ（３２）におけ
る圧力室（３７）のガス圧を切り換え、このガス圧で切
換バルブ（３２）を駆動するため、膨張機（２）にはガ
ス圧による切換バルブ（３２）を設けるだけで済み、膨
張機（２）内でのバルブ構造を極めて簡単にすることが
できる。

（他の実施例） 第４図は第２実施例を示す。尚、第１図と同じ部分につ
いては同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。

この実施例では、上記第１実施例と同じ構成のバルブモ
ータアッセンブリ（５１’）が圧縮機（１）に内蔵され
ており、図示しないが、その高圧ガスポートは圧縮機（
１）の内部で高圧側に、低圧ガスポートは同低圧側にそ
れぞれ接続されている。

したがって、この実施例でも上記第１実施例と同様の作
用効果を奏することができる。加えて、バルブモータア
ッセンブリ（５１”）が圧縮機（１）に内蔵されている
ので、圧縮機（１）と膨張機（２）とを３本の配管（９
１）〜（９３）で接続するだけでよく、配管の接続構造
を簡略にすることができる等の利点がある。

第５図は第３実施例を示す（第２図と同じ部分について
は同じ符号を付してその詳細な説明は省略する）。

この実施例では、上記第１実施例の構成において、バル
ブモータアッセンブリ（５１）をリニアモータ圧縮機（
７１）に代えたものである。

上記リニアモータ圧縮ＩＩ（７１）は、密閉状のケーシ
ング（７２）と、該ケーシング（７２）内に形成された
シリンダ（７３）と、該シリンダ（７３）内に往復動可
能に嵌装され、シリンダ（７３）内空間に圧縮室（７４
）を区画形成するピストン（７５）と、該ピストン（７
５）を往復駆動する駆動源としてのりニアモータ（７６
）とを備えている。このリニアモータ（７６）はシリン
ダ（７３）周りに配置された環状の永久磁石（７７）を
有し、この磁石（７７）により、シリンダ（７３）の中
心と同心の円筒状の間隙に磁界を発生させる。上記間隙
には中心部にて上記ピストン（７５）に一体固定された
略述カップ状のボビン（７８）が往復動可能に配設され
、該ボビン（７８）の外周には、リード線（７９ａ）、
　　（７９ａ）により通電されるコイル（７９）が巻き
付けられている。また、上記ボビン（７８）の底面外側
（ピストン（７５）と反対側）とケーシング（７２）内
底面との間にはピストン（７５）を往復動可能に弾性支
持するためのコイルばね（８０）が架設されており、コ
イル（７９）に所定周波数の交流を通電することで、間
隙内を通る磁界との作用によりコイル（７９）及びボビ
ン（７８）を駆動してピストン（７５）をシリンダ（７
３）内で往復移動させることにより、圧縮室（７４）で
所定周期のガス圧を発生させるようになされている。

そして、上記圧縮室（７４）に連絡配管（９３）の一端
が接続され、その他端が膨張機（２）における切換バル
ブ（３２）の圧力室（３７）に連通しており、圧縮室（
７４）のガス圧により膨張機（２）の切換バルブ（３２
）を開閉切換えするようにしている。

したがって、この実施例の場合、リニアモータ圧縮機（
７１）のりニアモータ（７６）の作動に伴い、ピストン
（７５）がシリンダ（７３）内で所定周期で往復動し、
圧縮室（７４）内のガス圧が高低に変化する。この圧縮
室（７４）は連絡配管（９３）を介して膨張機（２）の
圧力室（３７）に連通しているので、上記ピストン（７
５）の往復動により、膨張機（２）の切換バルブ（３２
）が高圧ガス人口（２８）及び低圧ガス出口（２９）を
ガス給排室（１１）に対し択一的に連通させるように切
り換わり、ガス給排室（１１）ないし膨張室（１２）、
（１３）に対するガスの給排が行われる。よって、この
実施例でも上記第１実施例と同様の作用効果が得られる
。

尚、上記リニアモータ圧縮機（７１）を第２実施例と同
様に圧縮機（１）に内蔵させることも可能である。

また、上記各実施例は、５ＱＵＩＤを冷却する例である
が、本発明は、その他、モータからの磁束が有害となる
超電導デバイスを冷却する場合にも適用することができ
る。

（発明の効果） 以上説明したように、請求項（１）に係る発明では、ガ
ス圧駆動式のＧＭ冷凍機に対し、その膨張機に圧縮機か
らの高圧及び低圧冷媒ガスのシリンダ膨張室に対する給
排を切り換えるガス圧駆動式の切換バルブを設ける一方
、膨張機の外部に、上記切換バルブの圧力室に対するガ
ス圧をバルブモータにより切り換える圧力切換手段を設
けた。また、請求項（２の発明では、圧力切換手段をリ
ニアモータ圧縮機とした。従って、これらの発明による
と、バルブモータのシリンダからの分離により５ＱＵＩ
Ｄ等の超電導デバイスに対する磁気ノイズの影響をなく
すことができるとともに、圧縮機と膨張室とは一体型冷
凍機と同様に高圧及び低圧配管で接続でき、冷媒ガスの
圧力損失の低下やそれに伴う圧縮機負荷の増大、膨張機
のシリンダ常温端での圧縮熱の滞留によるディスプレー
サ往復運動の障害を回避できる。また、従来のガス圧駆
動式の冷凍機に比べ、膨張機でのバルブ構造を簡単化す
ることができる等、実用上優れた効果を奏することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第３図は本発明の第１実施例を示し、第１図は
冷凍機の断面図、第２図はバルブモータアッセンブリに
おけるバルブ室に臨むバルブステム上面の平面図、第３
図はバルブディスク下面の平面図である。第４図は第２
実施例に係る冷凍機の概略構成図である。第５図は第３
実施例を示す第２図相当図である。第６図は従来の別体
型冷凍機のＰＶ図示能力を示す図である。 （１）・・・圧縮機 （２）・・・膨張機 （３）・・・シリンダ （６）・・・中間圧室 （７）・・・スラックピストン （１０）・・・ディスプレーサ （１１）・・・ガス給排室 （１８）、　　（１９）・・・リジェネレータ（２１）
・・・蓋部材 （２４）・・・サージボリューム （２６）・・・オリフィス （２８）・・・高圧ガス入口 （２９）・・・低圧ガス出口 （３２）・・・切換バルブ （３７）・・・圧力室 （５１）、（５１’　）・・・ バルブモータアッセンブリ（圧力切換手段）（５３）・
・・高圧ガスポート （５４）・・・低圧ガスポート （５７）・・・ガス給排口 （６１）・・・バルブモータ （６２）・・・バルブディスク （７１）・・・リニアモータ圧縮機 （７３）・・・シリンダ （７４）・・・圧縮室 （７５）・・・ピストン （７６）・・・リニアモータ （９１）・・・高圧配管 （圧力切換手段） （９２）・・・低圧配管 （９３）・・・連絡配管

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）冷媒ガスを圧縮して高圧ガスを発生させる圧縮機
   （１）と、 シリンダ（３）内に嵌挿されたディスプレーサ（１０）
   を備え、該ディスプレーサ（１０）の往復動により、上
   記圧縮機（１）から供給された高圧ガスをシリンダ（３
   ）内の膨張室（１２）、（１３）で断熱膨張させて極低
   温レベルの寒冷を発生させる膨張機（２）とで構成され
   た極低温冷凍機であって、 上記膨張機（２）には、上記膨張室（１２）、（１３）
   内に連通する高圧ガス入口（２８）及び低圧ガス出口（
   ２９）と、圧力室（３７）に対するガス圧の高低切換え
   により上記高圧ガス入口（２８）及び低圧ガス出口（２
   ９）を膨張室（１２）、（１３）に対し択一的に連通さ
   せるように切り換わる切換バルブ（３２）とが設けられ
   、 上記高圧ガス入口（２８）は、上記圧縮機 （１）の吐出側に高圧配管（９１）を介して接続される
   一方、低圧ガス出口（２９）は圧縮機（１）の吸込側に
   低圧配管（９２）を介して接続され、 上記膨張機（２）の圧力室（３７）に対するガス圧を高
   圧又は低圧に周期的に切り換える圧力切換手段（５１）
   が膨張機（２）とは離隔して配設され、 上記圧力切換手段（５１）は、上記圧力室（３７）に連
   絡配管（９３）を介して連通するガス給排口（５７）と
   、上記圧縮機（１）の吐出側及び吸込側にそれぞれ接続
   される高圧ガスポート（５３）及び低圧ガスポート（５
   ４）と、上記ガス給排口（５７）に対し高圧ガスポート
   （５３）及び低圧ガスポート（５４）の連通を切り換え
   るバルブ（６２）と、該バルブ（６２）を所定のタイミ
   ングで切換駆動するバルブモータ（６１）とを備えてい
   ることを特徴とする極低温冷凍機。
2. （２）冷媒ガスを圧縮して高圧ガスを発生させる圧縮機
   （１）と、 シリンダ（３）内に嵌挿されたディスプレーサ（１０）
   を備え、該ディスプレーサ（１０）の往復動により、上
   記圧縮機（１）から供給された高圧ガスをシリンダ（３
   ）内の膨張室（１２）、（１３）で断熱膨張させて極低
   温レベルの寒冷を発生させる膨張機（２）とで構成され
   た極低温冷凍機であって、 上記膨張機（２）には、上記膨張室（１２）、（１３）
   内に連通する高圧ガス入口（２８）及び低圧ガス出口（
   ２９）と、圧力室（３７）に対するガス圧の高低切換え
   により上記高圧ガス入口（２８）及び低圧ガス出口（２
   ９）を膨張室（１２）、（１３）に対し択一的に連通さ
   せるように切り換わる切換バルブ（３２）とが設けられ
   、 上記高圧ガス入口（２８）は、上記圧縮機（１）の吐出
   側に高圧配管（９１）を介して接続される一方、低圧ガ
   ス出口（２９）は圧縮機（１）の吸込側に低圧配管（９
   ２）を介して接続され、 上記圧力切換手段（７１）は、シリンダ（７３）と、該
   シリンダ（７３）内に往復動可能に配設され、シリンダ
   （７３）内に上記圧力室（３７）に連絡配管（９３）を
   介して連通する圧縮室（７４）を形成するピストン（７
   ５）と、該ピストン（７５）を往復動させるリニアモー
   タ（７６）とを備えていることを特徴とする極低温冷凍
   機。