JPH0618111A - 極低温冷凍機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 被冷却物とバルブモータアッセンブリとを可
能な限り離し、しかもクールダウン所要時間の短縮およ
びシリンダアッセンブリの常温端の昇温を抑制する。 【構成】 シリンダアッセンブリ３とバルブモータアッ
センブリ４０とのガス給排口５，４５同士を長さが長い
フレキシブル冷媒配管６１で連通するとともに、シリン
ダアッセンブリ３のガス流路８に対してガス圧が低い場
合にのみ連通される膨張ガス流路８ａを膨張ガス配管６
０を介して圧縮機１の吸入側と連通する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は極低温冷凍機に関し、
さらに詳細にいえば，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、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。

【０００２】

【従来の技術】従来より、この種の極低温冷凍機とし
て、ＧＭ（ギフォード・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
往復動可能に配置されたディスプレーサおよびスラック
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
レーサ内のリ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。

【０００３】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伝導量子
干渉素子（Superconductive Quantum Interference Dev
ice:以下、ＳＱＵＩＤと略称する）が注目されている。
このＳＱＵＩＤに超伝導コイルからなるグラジオメータ
等の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測定可能な磁束計を得ること
ができる。

【０００４】しかし、このＳＱＵＩＤ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
るという不都合がある。

【０００５】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ＳＱＵＩＤ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“NASA ConferencePublication 2287”に発表され
た論文“Gifford-Mcmahon Refrigerator With Split Co
ld Head ”および1988.8.18 〜 8.19 に開催された会議
“5th International Cryocooler Conference ”での米
国論文“Development of A Hybrid Gifford-Mcmahon Jo
ule-Thompson Based Neuromagnetometer,Cryosquid”参
照）。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところが、バルブモー
タがシリンダ部分と一体化されている一体型の膨張機で
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（先端）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、上述し
たような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、このためシリンダの低温端（先
端）でガスが奪った圧縮熱は十分には放出されず、シリ
ンダの常温部（基端部）に溜まることになる。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、ガス
の中間圧と高圧との差圧が小さくなってスラックピスト
ンおよびディスプレーサのスムーズな移動に支障をきた
し、クールダウン時間が長くなったり、クールダウン後
の定常運停時の冷凍能力が低下したりするという不都合
がある。

【０００７】このような不都合を解消するために、シリ
ンダ基端側に冷却フィンを設けること、水冷配管を設け
ること、バルブモータからの低圧ガスをシリンダ部分に
設けられた熱交換器に導いた後に圧縮機に戻すこと（CR
YOGENICS.APRIL 1984 に発表された論文"Interfacing s
mall closed-cycle refrigerators to liquid heliumcr
yostats" 参照）等が考えられる。しかし、何れの構成
を採用した場合にも構成がかなり複雑化するとともに、
第１番目、第３番目の構成を採用した場合には十分な冷
却効率を達成できないという不都合がある。

【０００８】

【発明の目的】この発明は上記の問題点に鑑みてなされ
たものであり、簡単な構成でありながら、クールダウン
時間を短縮でき、しかもシリンダの常温部の昇温を大幅
に抑制できる極低温冷凍機を提供することを目的として
いる。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めの、請求項１の極低温冷凍機は、冷媒ガスを圧縮して
高圧ガスを発生させる圧縮機と、圧縮機から供給された
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
せる膨張機とで構成された極低温冷凍機であって、上記
膨張機が、ガス給排口を介してシリンダ内へガスを給排
してディスプレーサを往復動させ、シリンダ内の膨張室
でガスを膨張させるシリンダアッセンブリと、バルブモ
ータにより切換バルブを駆動して、上記圧縮機の吐出側
および吸入側に夫々連通される高圧ガス入口および低圧
ガス出口とガス給排口とを選択的に連通するバルブモー
タアッセンブリとに分離され、上記シリンダアッセンブ
リが、ガス圧が低い場合にのみガス流路と連通される膨
張ガス出口をさらに有しているとともに、膨張ガス吐出
口を圧縮機の吸入側と連通する膨張ガス流路をさらに有
している。

【００１０】

【作用】請求項１の極低温冷凍機であれば、バルブモー
タアッセンブリのバルブモータにより切換バルブを駆動
して、ガス給排口を介してシリンダ内へガスを給排して
ディスプレーサを往復動させる場合において、シリンダ
内からのガス排出時に膨張ガスが膨張ガス流路を通じて
圧縮機の吸入側に戻され、熱交換されるので、シリンダ
アッセンブリの常温端における圧縮熱滞留を大幅に抑制
できる。この結果、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は圧縮機の負荷が増大したり、シリ
ンダ常温端での圧縮熱の滞留によりディスプレーサの往
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。また、シリンダアッセンブリに収容される樹脂材料
への悪影響を未然に防止できる。さらに、シリンダと圧
縮機の吸入側とを連通する膨張ガス流路を付加するだけ
でよいから、構成の複雑化を大幅に抑制できる。

【００１１】

【実施例】以下、実施例を示す添付図面によって詳細に
説明する。図２はこの発明の一実施例としてのガス圧駆
動式のＧＭ型極低温冷凍機の全体構成を示す縦断面図で
あり、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ＳＱＵＩＤ（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２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。そして、膨張機２はシ
リンダアッセンブリ３とバルブモータアッセンブリ４０
とから構成されている。

【００１２】上記シリンダアッセンブリ３は、上方に解
放された有底円筒状のシリンダ１０と、シリンダ１０の
上端側（基端側）の開口を気密状に閉塞するバルブステ
ム４とを有する。このバルブステム４はシリンダ１０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４ａを有する。また、バルブステム４には、
その上面のシリンダ中心線上に開口するガス給排口５
と、比較的小さい容量のサージボリューム７と、ガス給
排口５をシリンダ１０内に連通するガス流路８とが形成
されている。さらに、ガス流路８は通路断面積の小さい
連通路９を介してサージボリューム７に常時連通してお
り、連通路９によりサージボリューム７での中間圧を適
正値に設定するようにしている。

【００１３】上記シリンダ１０は、上端側（基端側）の
大径部１０ａと該大径部１０ａの下端（先端）に連続す
る小径部１０ｂとで２段構造に形成され、上記大径部１
０ａの下端部には例えば５５〜６０Ｋの温度レベルに保
持される第１段ヒートステーション１１が、また小径部
１０ｂの下端には上記第１段ヒートステーション１１よ
りも低い例えば１５〜２０Ｋの温度レベルに保持される
第２段ヒートステーション１２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１１，１２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。

【００１４】シリンダ１０の大径部１０ａ上端の内部に
は該大径部１０ａ内部に中間圧室１３を区画形成するス
ラックピストン１５が配設され、中間圧室１３はバルブ
ステム４内のサージボリューム７にオリフィス１４を介
して常時連通している。スラックピストン１５は底壁を
有する略カップ形状のもので、その内周上端がバルブス
テム４の突出部４ａ外周に、また外周下端がシリンダ１
０の大径部１０ａ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１５の底壁中心部には中心
孔１５ａが、また底壁の隅角部にはピストン１５内外を
連通する複数の連通孔１５ｂ，１５ｂ，…がそれぞれ貫
通形成されている。

【００１５】また、シリンダ１０内にはディスプレーサ
１６が往復動可能に嵌挿されている。このディスプレー
サ１６は、シリンダ１０の大径部１０ａにて気密摺動可
能に配置された大径部１６ａと、該大径部１６ａの下端
（先端）に連続し、シリンダ１０の小径部１０ｂに気密
摺動可能に配置された小径部１６ｂとからなる２段構造
のもので、大径部１６ａ及び小径部１６ｂ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
１６により、シリンダ１０内の空間が、ディスプレーサ
１６の上端及びスラックピストン１５で囲まれるガス給
排室１７と、ディスプレーサ１６の大径部１６ａおよび
シリンダ１０の大径部１０ａで囲まれ、上記第１段ヒー
トステーション１１に対応する第１段膨張室１８と、デ
ィスプレーサ１６の小径部１６ｂおよびシリンダ１０の
小径部１０ｂで囲まれ、上記第２段ヒートステーション
１２に対応する第２段膨張室１９とに区画されている。

【００１６】また、ディスプレーサ１６の大径部１６ａ
下端には大径部１６ａ内の密閉空間を上記第１段膨張室
１８に常時連通する連通孔２０，２０が形成されてい
る。また、小径部１６ｂ上端には小径部１６ｂ内の空間
を第１段膨張室１８に常時連通する連通孔２１，２１
が、同下端には密閉空間を上記第２段膨張室１９に常時
連通する連通孔２２，２２がそれぞれ形成されている。

【００１７】さらに、上記ディスプレーサ１６の大径部
１６ａ上端には大径部１６ａ内の空間を上記ガス給排室
１７に連通する管状の係止片２３が一体に突設され、係
止片２３は上記スラックピストン１５底壁の中心孔１５
ａを貫通してピストン１５内に所定寸法だけ延び、その
上端部にはピストン１５底壁に係合するフランジ状の係
止部２３ａが一体に形成されており、スラックピストン
１５の上昇移動時、ピストン１５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２３の係止部２３ａと
の係合により、ディスプレーサ１６をピストン１５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１６を所定ストロークの遅れをもってピストン１５
に追従移動させるようになされている。

【００１８】そして、上記ディスプレーサ１６の大径部
１６ａ内の密閉空間には第１段リジェネレータ２４（蓄
冷器）が、また、小径部１６ｂ内の密閉空間には第２段
リジェネレータ２５がそれぞれ嵌挿されている。これら
リジェネレータ２４，２５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２４
は、密閉空間内に蓄冷材として円板状の多数の銅メッシ
ュを積層したものであり、一方、第２段リジェネレータ
２５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、これらメッシ
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ッシュ及び
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１６がシリンダ１０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
ッシュ及び鉛球をガス給排室１７から第１及び第２膨張
室１８，１９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１６が下降する排気
行程にあるときには、各膨張室１８，１９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
１０外に排出する途中でメッシュ及び鉛球と接触させ
て、両者の熱交換によりメッ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。

【００１９】これに対し、上記バルブモータアッセンブ
リ４０は、上端が閉塞された有底円筒状のバルブハウジ
ング４１と、ハウジング４１の下端開口を機密状に閉塞
するバルブステム４２とで構成された密閉円筒状のもの
で、バルブハウジング４１の側壁には圧縮機１の吐出側
に接続される高圧ガス入口４３と、同吸込側に接続され
る低圧ガス出口４４とが開口されている。また、バルブ
ステム４２の下端には上記シリンダアッセンブリ３のガ
ス給排口５と同径のガス給排口４５が開口されている。
バルブハウジング４１の内部には、高圧ガス入口４３に
連通するバルブ室４６が形成され、バルブ室４６にはバ
ルブステム４２の上面が臨んでいる。

【００２０】バルブステム４２には、上半分が２つに分
岐されかつバルブ室４６をガス給排口４５に連通する第
１ガス流路４８と、一端が該第１ガス流路４８に後述の
バルブディスク５１の低圧ポート５３を介して連通する
とともに、他端が上記低圧ガス出口４４にバルブハウジ
ング４１に形成した連通路５０を介して連通する第２ガ
ス流路４９とが貫通形成されている。両ガス流路４８，
４９は、図３に示すように、バルブステム４２上面にお
いてバルブ室４６に対し、第２ガス流路４９にあっては
バルブステム４２中心部に、第１ガス流路４８の２つの
分岐部分にあっては第２ガス流路４９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。

【００２１】また、バルブ室４６内にはバルブモータ５
４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５１が配設され該バルブディスク５１
の切換動作により、高圧ガス入口４３に連通するバルブ
室４６と低圧ガス出口４４に連通する連通路５０とをガ
ス給排口４５に対し交互に連通するようになされてい
る。

【００２２】詳しくは、上記バルブディスク５１はバル
ブモータ５４の出力軸５４ａにかつ摺動可能に連結され
ている。また、バルブディスク５１上面とモータ５４と
の間にはスプリング５５が縮装されており、このスプリ
ング５５のばね力及びバルブ室４６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５１下面をバル
ブステム４２上面に対し一定の押圧力で押し付けてい
る。また、図４に示すように、バルブディスク５１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対の高圧ポート５２，５
２と、高圧ポート５２，５２に対しバルブディスク５１
の回転方向にほぼ９０°の角度間隔をあけて配置され、
バルブディスク５１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５３とが形成さ
れている。そして、バルブモータ５４の駆動によりバル
ブディスク５１がその下面をバルブステム４２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５１の切換動作に応じて高圧ガス入口４３又は低圧
ガス出口４４を交互にガス給排口４５に所定のタイミン
グで連通させるようにしている。

【００２３】さらに、この発明の特徴として、図１に示
すように、シリンダアッセンブリ３のガス給排口５とバ
ルブモータアッセンブリ４０のガス給排口４５とが長さ
が長いフレキシブル冷媒配管６１により連通されてお
り、このフレキシブル冷媒配管６１と連通されるガス流
路８の所定位置から分岐される膨張ガス流路８ａを有し
ている。そして、分岐部に、バルブモータアッセンブリ
４０から供給される高圧ガスの圧力により膨張ガス流路
８ａへの分岐を閉塞する弁本体８ｂを有しているととも
に、低圧ガスがバルブモータアッセンブリ４０に戻され
る場合に膨張ガス流路８ａへの分岐を解放すべく弁本体
８ｂを動作させるバネ部材８ｃを有している。尚、膨張
ガス流路８ａと圧縮機１の吸入側とを膨張ガス配管６０
により連通している。

【００２４】上記の構成のＧＭ型極低温冷凍機の作用は
次のとおりである。圧縮機１により発生された高圧ガス
をシリンダアッセンブリ３に供給し得るようにバルブモ
ータアッセンブリ４０を動作させれば、高低圧ガス配管
６１を通してシリンダアッセンブリ３に高圧ガスを供給
できる。そして、バルブモータアッセンブリ４０でのバ
ルブディスク５１の切換えにより、シリンダアッセンブ
リ３のガス給排口５に高圧ガス入口４３からの高圧ガス
または低圧ガス出口４４からの低圧ガスを交互に作用さ
せてスラックピストン１５およびディスプレーサ１６を
シリンダ１０内で往復動させ、図３（Ａ）に示すよう
に、バルブディスク５１下面の高圧ポート５２，５２の
内端がそれぞれバルブステム４２上面の第１ガス流路４
８に合致したときには、バルブ室４６を高圧ポート５
２，５２、第１ガス流路４８およびフレキシブル冷媒配
管６１を介してシリンダ１０内のガス給排室１７、第１
および第２段膨張室１８，１９に連通させて、これら各
室１７〜１９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１５およびこのピストン１５に
よって駆動されるディスプレーサ１６を上昇させる。
尚、ガス流路８に供給される高圧ガスの圧力により弁本
体８ｂがバネ８ｃに抗して移動され、膨張ガス流路８ａ
への分岐を閉塞する｛図１（Ａ）参照｝。

【００２５】他方、図３（Ｂ）に示すように、バルブス
テム４２上面に開口する第２ガス流路４９に中央部にて
常時連通する低圧ポート５３の外端が第１ガス流路４８
に合致した場合には、シリンダ１０内の各室１７〜１９
をフレキシブル冷媒配管６１、第１ガス流路４８，４
８、低圧ポート５３、第２ガス流路４９および連通路５
０を介して低圧ガス出口４４に連通させて、各室１７〜
１９に充填されているヘリウムガスを低圧ガス出口４４
に排出することにより、スラックピストン１５およびデ
ィスプレーサ１６を下降させ、このディスプレーサ１６
の下降移動に伴なう膨張室１８，１９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１１，１２に寒冷
を発生するように構成されている。尚、この場合には、
ガス流路８のガスの圧力が低いのであるから、弁本体８
ｂがバネ８ｃにより移動されて膨張ガス流路８ａへの分
岐を開放する｛図１（Ｂ）参照｝。したがって、膨張ガ
スのかなりの量を、バルブモータアッセンブリ４０を通
すことなく、膨張ガス配管６０を通して圧縮機１の吸入
側に直接供給できる。

【００２６】上記構成の極低温冷凍機の作用は次のとお
りである。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ＳＱＵＩＤが徐々に低温度レベルに
冷却され、そのＳＱＵＩＤの温度が極低温レベル（約４
Ｋ）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ＳＱＵＩＤが作動する。

【００２７】上記ＧＭ冷凍機の運転を詳しく説明する。
膨張機２のシリンダアッセンブリ３におけるシリンダ１
０内の圧力が低圧であって、スラックピストン１５とデ
ィスプレーサ１６とが下降端位置にある状態で、バルブ
モータアッセンブリ４０のバルブモータ５４の駆動によ
りバルブディスク５１が回転し、図３（Ａ）に示すよう
に、高圧ポート５２，５２がバルブステム４２上面の第
１ガス流路４８，４８に合致してバルブディスク５１が
高圧側に開く。これに伴なって、圧縮機１から高圧ガス
入口４３を介してバルブモータアッセンブリ４０のバル
ブ室４６に供給されている常温の高圧ヘリウムガスがバ
ルブディスク５１の高圧ポート５２，５２および第１ガ
ス流路４８を介してガス給排口４５に供給され、このガ
ス給排口４５からフレキシブル冷媒配管６１、シリンダ
アッセンブリ３のガス給排口５およびガス流路８を介し
てスラックピストン１５下方のガス給排室１７に導入さ
れる。さらに、このガスはガス給排室１７からディスプ
レーサ１６の各リジェネレータ２４，２５を通って順に
各膨張室１８，１９に充填され、これらリジェネレータ
２４，２５を通る間に前の排気行程で冷却されている銅
メッシュおよび鉛球との熱交換によって冷却される。

【００２８】また、スラックピストン１５上側の中間圧
室１３はオリフィス１４を介してサージボリューム７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、ガス給排室１７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１３より
も高くなり、両室１３，１７間の圧力差によってピスト
ン１５が上昇する。そして、このピストン１５が所定ス
トロークだけ上昇すると、ピストン１５の底壁とディス
プレーサ１６上端の係止片２３とが係合して、ディスプ
レーサ１６は圧力変化に対し遅れを持ってピストン１５
により引き上げられ、このディスプレーサ１６の上昇移
動によりその下方の膨張室１８，１９にさらに高圧ガス
が充填される（吸気行程）。

【００２９】この後、バルブディスク５１が９０°回転
して閉じるが、その後もディスプレーサ１６は慣性力に
よって上昇し、これに伴なってディスプレーサ１６上方
のガス給排室１７内のヘリウムガスが第１および第２段
膨張室１８，１９に移動する。そして、ディスプレーサ
１６が上昇端位置に達した後、バルブディスク５１が９
０°回転し、図３（Ｂ）に示すように、低圧ポート５３
が第１ガス流路４８に合致してバルブディスク５１が低
圧側に開き、この開弁に伴なってディスプレーサ１６下
方の各膨張室１８，１９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）。

【００３０】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１６内のリジ
ェネレータ２４，２５を通ってガス給排室１７内に戻
り、その間にリジェネレータ２４，２５内の銅メッシュ
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１７内の
ガスと共に、上記とは逆に、ガス流路８、ガス給排口
５、膨張ガス配管６０、バルブモータアッセンブリ４０
のガス給排口４５、第１ガス流路４８、バルブディスク
５１の低圧ポート５３及び連通路５０を介して低圧ガス
出口４４に流れ、そこから圧縮機１に吸入される。ま
た、ガス流路８を流れるガスの圧力は低いのであるか
ら、弁本体８ｂがバネ８ｃにより動作して膨張ガス流路
８ａへの分岐を開放し、膨張ガスのかなりの量が上記経
路を通らず、膨張ガス配管６０を通って圧縮機１に吸入
される。このガス圧が低下して中間圧室１３よりも低く
なり、この両室１３，１７での圧力差によりスラックピ
ストン１５が下降し、このピストン１５の底壁がディス
プレーサ１６の上面に当接した後はディスプレーサ１６
が押圧されて下降し、このディスプレーサ１６の下降移
動により膨張室１８，１９内のガスが膨張機２外にさら
に排出される（排気行程）。

【００３１】次いで、バルブディスク５１が９０°回転
して閉じ、この後もディスプレーサ１６は下降端位置ま
で下降し、膨張室１８，１９内のガスが排出されて最初
の状態に戻る。以上により膨張機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
の繰り返しによりシリンダ１０の両段ヒートステーショ
ン１１，１２が徐々に冷却され、両段ヒートステーショ
ン１１，１２からの寒冷を受けたＪＴ冷凍機のヘリウム
ガスが予冷され、このＪＴ冷凍機によりＳＱＵＩＤが極
低温レベルに冷却される。

【００３２】このクールダウン運転時、シリンダ１０の
低温端の温度が高いので、その常温端への圧縮熱滞留の
影響がクールダウン後よりも大きいが、膨張ガスはフレ
キシブル冷媒配管６１のみならず膨張ガス配管６０を通
して圧縮機１に吸入されるので、シリンダ１０の低温端
で奪われた圧縮熱が冷媒ガスとの熱交換により良好に放
熱される。このため、膨張機２がシリンダアッセンブリ
３とバルブモータアッセンブリ４０とに分離されていて
も、シリンダ１０常温端の温度上昇を効果的に抑え得、
サージボリューム７による中間圧を適正範囲に維持で
き、よってディスプレーサ１６の往復運動を正常に保っ
て、冷凍機によるクールダウンを短時間で達成すること
ができる。

【００３３】そして、このようにして冷凍機の始動から
所定時間の経過後、又はＳＱＵＩＤの温度が所定温度に
低下した後、クールダウン運転が終了し、冷凍機は定常
運転状態になる。この状態においてもクールダウン運転
時と同様の動作を行なう。この定運転状態では、シリン
ダアッセンブリ３及びバルブモータアッセンブリ４０の
各ガス給排口５，４５同士が長さが長いフレキシブル冷
媒配管６１を通して連通しているので、このフレキシブ
ル冷媒配管６１の許容範囲内においてシリンダアッセン
ブリ３とバルブモータアッセンブリ４０とを離した状態
で定常運転を行ない、ＳＱＵＩＤに対するバルブモータ
アッセンブリ４０に起因するノイズ磁束の影響を大幅に
低減できる。

【００３４】尚、この発明は上記の実施例に限定される
ものではなく、例えば、弁本体８ｂとバネ８ｃを用いる
代わりに、所定のバネ特性を有する弁本体を用いること
が可能であるほか、この発明の要旨を変更しない範囲に
おいて種々の設計変更を施すことが可能である。

【００３５】

【発明の効果】以上のように請求項１の発明は、シリン
ダ内からのガス排出時に膨張ガスが膨張ガス流路を通じ
て圧縮機の吸入側に戻され、熱交換されるので、シリン
ダアッセンブリの常温端における圧縮熱滞留を大幅に抑
制でき、冷媒配管でのガスの圧力損失により冷凍能力が
低下し或は圧縮機の負荷が増大したり、シリンダ常温端
での圧縮熱の滞留によりディスプレーサの往復運動が悪
影響を受けたりするのを回避することができるととも
に、シリンダアッセンブリに収容される樹脂材料への悪
影響を未然に防止でき、さらに、シリンダと圧縮機の吸
入側とを連通する膨張ガス流路を付加するだけでよいか
ら、構成の複雑化を大幅に抑制できるという特有の効果
を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の極低温冷凍機の要部を示す概略拡大
縦断面図である。

【図２】この発明の一実施例としてのガス圧駆動式のＧ
Ｍ型極低温冷凍機の全体構成を示す縦断面図である。

【図３】バルブ室に臨むバルブステム上面の平面図であ
る。

【図４】バルブディスク下面の平面図である。

【符号の説明】

１ 圧縮機 ２ 膨張機 ３ シリンダアッセンブ
リ ５ ガス給排口 ８ ガス流路 ８ａ 膨張ガス流路 ８ｂ 弁本体 ８ｃ バネ １０ シリンダ １６ ディスプレー
サ １８，１９ 膨張室 ４０ バルブモータアッセンブ
リ ４３ 高圧ガス入口 ４４ 低圧ガス出口 ４５ ガス給排口 ５１ バルブディスク ５４ バルブモータ ６０ 膨張ガス配管

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項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、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（２）とで構成された極低温冷凍機であって、上記
   膨張機（２）が、ガス給排口（５）を介してシリンダ
   （１０）内へガスを給排してディスプレーサ（１６）を
   往復動させ、シリンダ（１０）内の膨張室（１８）（１
   ９）でガスを膨張させるシリンダアッセンブリ（３）
   と、バルブモータ（５４）により切換バルブ（５１）を
   駆動して、上記圧縮機（１）の吐出側および吸入側にそ
   れぞれ連通される高圧ガス入口（４３）および低圧ガス
   出口（４４）とガス給排口（４５）とを選択的に連通す
   るバルブモータアッセンブリ（４０）とに分離され、上
   記シリンダアッセンブリ（３）が、ガス圧が低い場合に
   のみガス流路（８）と連通される膨張ガス出口（８ａ）
   をさらに有しているとともに、膨張ガス出口（８ａ）を
   圧縮機（１）の吸入側と連通する膨張ガス流路（６０）
   をさらに有していることを特徴とする極低温冷凍機。