JP6067477B2 - 極低温冷凍機 - Google Patents

Description

本発明は、ロータリーバルブを有する極低温冷凍機に関する。

極低温を発生する冷凍機としてギフォード・マクマホン（ＧＭ）冷凍機が知られている。ＧＭ冷凍機は、シリンダ内でディスプレーサを往復移動することにより、膨張空間の体積を変化させる。この体積変化に対応して膨張空間と圧縮機の吐出側と吸気側とを選択的に接続することで、作動ガスが膨張空間で膨張する。膨張空間と吐出側又は吸気側との接続切り換えにはロータリーバルブが用いられることがある。

特開２００７−２０５５８１号公報

ところで、ロータリーバルブには、回転するステータバルブにロータバルブを押し付けて摺動させることで、摺動面に設けられた流路を切り替えるものがある。摺動面における作動ガスのリークは極低温冷凍機の性能に与える影響が小さくない。摺動面におけるシール性能は、例えばロータバルブの押し付け力を大きくすることで向上する。しかしながら、このような改良は、バルブの駆動トルクの増大などの観点から好ましくない。

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、バルブの駆動トルクの増大を伴うことなく作動ガスのリークを抑制した極低温冷凍機を提供することである。

本発明のある態様によると、低圧の作動ガスを回収する吸気側と高圧の作動ガスを吐出する吐出側とを有する圧縮機と、前記高圧の作動ガスを膨張させる膨張空間と、前記圧縮機の吐出側に接続する第１の流路を有する第１の部材と、前記膨張空間に接続する第２の流路を有する第２の部材とを有し、前記第１の部材と前記第２の部材とが接触しながら相対回転することにより前記第１の流路と前記第２の流路とを連通又は遮断するバルブと、を有する極低温冷凍機であって、前記第１の部材と前記第２の部材とが接触する摺動面において、前記第１の部材又は前記第２の部材のうち小径である方の外周で定められるバルブ外周と前記第１の流路との最近接距離である第１の距離は、前記バルブ外周と前記第２の流路との最近接距離である第２の距離よりも長い極低温冷凍機が提供される。
本発明のある態様によると、低圧の作動ガスを回収する吸気側と高圧の作動ガスを吐出する吐出側とを有する圧縮機と、前記高圧の前記作動ガスを膨張させる膨張空間と、前記圧縮機の吐出側に接続する第１の流路を有する第１の部材と、前記膨張空間に接続する第２の流路を有する第２の部材とを有し、前記第１の部材と前記第２の部材の少なくとも一方を回転することにより前記第１の流路と前記第２の流路とを連通又は遮断するバルブと、を有する極低温冷凍機であって、前記第１の部材と前記第２の部材が接触する摺動面において、前記第１の流路の図心は前記第２の流路の図心よりも前記第１の部材又は前記第２の部材のうち小径である方の外周で定められるバルブ外周の中心に近いことを特徴とする極低温冷凍機が提供される。

本発明のある態様によると、ロータリーバルブにおける作動ガスの漏れを抑制することができる。

図１は、本発明のある実施形態であるＧＭ冷凍機の断面図である。 図２は、スコッチヨーク機構を拡大して示す分解斜視図である。 図３は、ロータリーバルブを拡大して示す分解斜視図である。 図４は、ロータリーバルブのロータの溝とステータの円弧状溝とが連通した状態を示す図である。 図５は、図４（Ａ）におけるＡ１−Ａ１線に沿う断面図である。 図６は、バルブシール長比と冷凍性能との関係を示す図である。 図７は、バルブシール長とバルブ径との比と冷凍性能との関係を示す図である。 図８は、本発明の他の実施形態であるＧＭ冷凍機のロータリーバルブの摺動面を拡大して示す図である。 図９は、図８におけるＡ２−Ａ２線に沿う断面図である。

次に、本発明の実施の形態について図面と共に説明する。

図１乃至図３は、本発明のある実施形態である極低温冷凍機を説明するための図である。本実施形態では、極低温冷凍機としてギフォード・マクマホン冷凍機（以下、ＧＭ冷凍機という）を例に挙げて説明する。本実施形態に係るＧＭ冷凍機は、圧縮機１、シリンダ２、及びハウジング３等を有している。

圧縮機１は、排出配管１ｂが接続された吸気側から低圧の作動ガスを回収し、これを圧縮した後に吐出側に接続された供給配管１ａに高圧の作動ガスを供給する。作動ガスとしては、ヘリウムガスを用いることができるがこれに限定されるものではない。

本実施形態では２段式のＧＭ冷凍機を例に挙げて説明する。２段式のＧＭ冷凍機では、シリンダ２は第１段目シリンダ１１と第２段目シリンダ１２の二つのシリンダを有している。第１段目シリンダ１１の内部には、第１段目ディスプレーサ１３が挿入される。また、第２段目シリンダ１２の内部には、第２段目ディスプレーサ１４が挿入される。

この第１段目及び第２段目ディスプレーサ１３，１４は相互に連結されており、各シリンダ１１，１２の内部でシリンダの軸方向に往復移動可能な構成とされている。この各ディスプレーサ１３，１４の内部には内部空間１５，１６が形成されている。この内部空間１５，１６には蓄冷材が充填されており、蓄冷器１７，１８として機能する。

上部に位置する第１段目ディスプレーサ１３は、上方（Ｚ１方向）に向けて延出する駆動軸３６ｂに連結される。この駆動軸３６ｂは、後述するスコッチヨーク機構３２の一部を構成する。

また、第１段目ディスプレーサ１３の高温端側（Ｚ１方向側端部）には、ガス流路Ｌ１が形成されている。更に、第１段目ディスプレーサ１３の低温端側（Ｚ２方向側端部）には、内部空間１５と第１段目膨張空間２１とを連通するガス流路Ｌ２が形成されている。

第１段目シリンダ１１の低温側端部（図１に矢印Ｚ２で示す方向側の端部）には、第１段目膨張空間２１が形成されている。また、第１段目シリンダ１１の高温側端部（図１に矢印Ｚ１で示す方向側の端部）には、上部室２３が形成されている。

更に、第２段目シリンダ１２内の低温側端部（図１に矢印Ｚ２で示す方向側の端部）には、第２段目膨張室２２が形成されている。

第２段目ディスプレーサ１４は、図示しない連結機構により第１段目ディスプレーサ１３の下部に取り付けられている。この第２段目ディスプレーサ１４の高温側端部（図１に矢印Ｚ１で示す方向側の端部）には、第１段目膨張空間２１と内部空間１６とを連通するガス流路Ｌ３が形成されている。また、第２段目ディスプレーサ１４の低温側端部（図１に矢印Ｚ２で示す方向側の端部）には、内部空間１６と第２段目膨張室２２とを連通するガス流路Ｌ４が形成されている。

第１段目冷却ステージ１９は、第１段目シリンダ１１の外周面で、第１段目膨張空間２１と対向する位置に配設されている。また第２段目冷却ステージ２０は、第２段目シリンダ１２の外周面で第２段目膨張室２２と対向する位置に配設されている。

上記の第１段目及び第２段目ディスプレーサ１３，１４は、スコッチヨーク機構３２により第１段目及び第２段目シリンダ１１，１２内を図中上下方向（矢印Ｚ１，Ｚ２方向）に移動する。

図２は、スコッチヨーク機構３２を拡大して示している。スコッチヨーク機構３２は、クランク３３とスコッチヨーク３４等を有している。このスコッチヨーク機構３２は、例えばモータ３１等の駆動手段により駆動することができる。

クランク３３は、モータ３１の回転軸（以下、駆動回転軸３１ａという）に固定される。このクランク３３は、駆動回転軸３１ａの取り付け位置から偏心した位置にクランクピン３３ｂを設けた構成とされている。従って、クランク３３を駆動回転軸３１ａに取り付けると、駆動回転軸３１ａに対しクランクピン３３ｂは偏心した状態となる。

スコッチヨーク３４は、駆動軸３６ａ，３６ｂ、ヨーク板３５、及びころ軸受３７等を有している。ハウジング３内には、収容空間４が形成されている。収容空間４は、スコッチヨーク３４及び後述するロータリーバルブ４０のロータバルブ４２等を収容する。この収容空間４は、排出配管１ｂを介して圧縮機１の吸気口と連通している。そのため、収容空間４は常に低圧に維持される。

駆動軸３６ａは、ヨーク板３５から上方（Ｚ１方向）に延出している。この駆動軸３６ａは、ハウジング３に設けた摺動軸受３８ａに軸承されている。よって駆動軸３６ａは、図中上下方向（図中矢印Ｚ１，Ｚ２方向）に移動可能な構成となっている。

駆動軸３６ｂは、ヨーク板３５から下方（Ｚ２方向）に延出している。この駆動軸３６ｂは、ハウジング３内に設けられた摺動軸受３８ｂに軸承されている。よって駆動軸３６ｂも、図中上下方向（図中矢印Ｚ１，Ｚ２方向）に移動可能な構成となっている。

各駆動軸３６ａ，３６ｂが摺動軸受３８ａ，３８ｂに軸承されることにより、スコッチヨーク３４はハウジング３内で上下方向（図中矢印Ｚ１，Ｚ２方向）に移動可能な構成となっている。

なお、本実施形態では、極低温冷凍機の構成要素の位置関係を分かりやすく表すために、「軸方向」という用語を使用することがある。軸方向は駆動軸３６ａ，３６ｂが延在する方向を表し、ディスプレーサ１３，１４が移動する方向とも一致する。便宜上、軸方向に関して膨張空間又は冷却ステージ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。つまり、低温側端部から相対的に遠いことを「上」、相対的に近いことを「下」と呼ぶことがある。なお、こうした表現はＧＭ冷凍機が取り付けられたときの配置とは関係しない。例えば、ＧＭ冷凍機は鉛直方向に膨張空間を上向きにして取り付けられてもよい。

ヨーク板３５は、横長窓３５ａが形成されている。この横長窓３５ａは、駆動軸３６ａ，３６ｂの延出する方向に対して交差する方向、例えば直交する方向（図２中、矢印Ｘ１，Ｘ２方向）に延在している。

ころ軸受３７は、この横長窓３５ａ内に配設されている。ころ軸受３７は、横長窓３５ａ内で転動可能な構成とされている。また、クランクピン３３ｂと係合する孔３７ａは、ころ軸受３７の中心位置に形成されている。

モータ３１が駆動し駆動回転軸３１ａが回転すると、クランクピン３３ｂは円弧を描くように回転する。これにより、スコッチヨーク３４は図中矢印Ｚ１，Ｚ２方向に往復移動する。この際、ころ軸受３７は、横長窓３５ａ内を図中矢印Ｘ１，Ｘ２方向に往復移動する。

第１段目ディスプレーサ１３は、スコッチヨーク３４の下部に配設された駆動軸３６ｂに接続されている。よって、スコッチヨーク３４が図中矢印Ｚ１，Ｚ２方向に往復移動することにより、第１段目ディスプレーサ１３及びこれに連結された第２段目ディスプレーサ１４もシリンダ第１段目及び第２段目シリンダ１１，１２内で矢印Ｚ１，Ｚ２方向に往復移動する。

次に、バルブ機構について説明する。本実施形態ではバルブ機構としてロータリーバルブ４０を用いている。

ロータリーバルブ４０は、作動ガスの流路を切り換えるものである。このロータリーバルブ４０は、圧縮機１の吐出側から吐出された高圧の作動ガスを第１段目ディスプレーサ１３の上部室２３に導く供給用バルブとして機能すると共に、上部室２３から作動ガスを圧縮機１の吸気側に導く排気用バルブとして機能する。

このロータリーバルブ４０は、図１に加えて図３に示すように、ステータバルブ４１とロータバルブ４２とを有している。ステータバルブ４１は平坦なステータ側摺動面４５を有し、ロータバルブ４２は同じく平坦なロータ側摺動面５０を有している。そして、このステータ側摺動面４５とロータ側摺動面５０が面接触することにより、作動ガスの漏れが防止される（これについては、後に詳述する）。

ステータバルブ４１は、ハウジング３内に固定ピン４３で固定される。この固定ピン４３で固定されることにより、ステータバルブ４１は回転が規制される。

ロータバルブ４２のロータ側摺動面５０と反対側に位置する反対側端面５２には、クランクピン３３ｂと係合する係合穴（図示せず）が形成されている。クランクピン３３ｂは、ころ軸受３７に挿通された際にその先端部がころ軸受３７から矢印Ｙ１方向に突出する（図１参照）。

そして、ころ軸受３７から突出したクランクピン３３ｂの先端部は、ロータバルブ４２に形成された係合穴と係合する。よって、クランクピン３３ｂが回転（偏心回転）することにより、ロータバルブ４２はスコッチヨーク機構３２と同期して回転する。

ステータバルブ４１は、作動ガス供給孔４４、円弧状溝４６、及びバルブ側流路４９ａを有している。作動ガス供給孔４４は圧縮機１の供給配管１ａに接続されており、ステータバルブ４１の中心部を貫通するよう形成されている。

円弧状溝４６は、ステータ側摺動面４５に形成されている。この円弧状溝４６は、作動ガス供給孔４４を中心とした円弧形状を有している。

ガス流路４９は、ステータバルブ４１及びハウジング３に形成されている。このガス流路４９は、ステータバルブ４１内に形成されたバルブ側流路４９ａと、ハウジング３内に形成されたハウジング側流路４９ｂとにより構成されている。

バルブ側流路４９ａの一端部は、円弧状溝４６内に開口し開口部４８を形成している。また、バルブ側流路４９ａの他端部４７（図３参照）は、ステータバルブ４１の側面に開口している。

このバルブ側流路４９ａの他端部４７は、ハウジング側流路４９ｂの一端部と連通している。また、ハウジング側流路４９ｂの他端部は、上部室２３、ガス流路Ｌ１、蓄冷器１７等を介して膨張空間２１に接続されている。

一方、ロータバルブ４２は、長円状溝５１及び円弧状孔５３を有している。

長円状溝５１は、ロータ側摺動面５０にその中心から径方向に延在するよう形成されている。また円弧状孔５３は、ロータバルブ４２のロータ側摺動面５０から反対側端面５２まで貫通し、収容空間４と接続している。この円弧状孔５３は、ステータバルブ４１の円弧状溝４６と同一円周上に位置するよう形成されている。

上記した作動ガス供給孔４４、長円状溝５１、円弧状溝４６、及び開口部４８により供給弁が構成される。また、開口部４８、円弧状溝４６、及び円弧状孔５３により排気弁が構成される。本実施の形態では、長円状溝５１、円弧状溝４６などのバルブの内部に存在する空間をまとめてバルブ内部空間と呼ぶことがある。

上記構成とされたＧＭ冷凍機において、モータ３１によりスコッチヨーク機構３２が駆動されると、スコッチヨーク３４はＺ１、Ｚ２方向に往復移動する。このスコッチヨーク３４の動作により、第１段目及び第２段目ディスプレーサ１３，１４は、第１段目及び第２段目シリンダ１１，１２内を下死点と上死点との間で往復移動する。

第１段目及び第２段目ディスプレーサ１３，１４が下死点に達する際に、排気弁が閉じると共に供給弁が開く。即ち、作動ガス供給孔４４，長円状溝５１，円弧状溝４６，及びガス流路４９との間に作動ガス流路が形成される。

よって高圧の作動ガスは、圧縮機１から上部室２３に充填され始める。その後、第１段目及び第２段目ディスプレーサ１３，１４は下死点を過ぎて上昇を始め、作動ガスは蓄冷器１７，１８を上から下に通過し、各膨張空間２１、２２に充填されてゆく。

そして、第１段目及び第２段目ディスプレーサ１３，１４が上死点に達する際に、供給弁は閉じると共に排気弁が開弁する。即ち、ガス流路４９，円弧状溝４６，及び円弧状孔５３との間に作動ガス流路が形成される。

これにより、高圧の作動ガスは各膨張空間２１，２２内で膨脹することによって寒冷を発生させ、各冷却ステージ１９，２０を冷却する。また、寒冷を発生させた低温の作動ガスは、蓄冷器１７，１８内の蓄冷材を冷却しながら下から上に流れ、その後に圧縮機１の排出配管１ｂに還流する。

その後、第１段目及び第２段目ディスプレーサ１３，１４が下死点に達する際に、排気弁は閉じると共に供給弁が開いて１サイクルを終了する。このようにして、作動ガスの圧縮、膨張のサイクルを繰り返すことによって、ＧＭ冷凍機の各冷却ステージ１９，２０は極低温に冷却される。

ここで、ロータリーバルブ４０のステータ側摺動面４５及びロータ側摺動面５０の摺動位置に注目し、更に詳述する。

前記のようにロータリーバルブ４０は、ステータバルブ４１に対してロータバルブ４２が回転することにより作動ガスの流路の切替えを行っている。この際、ステータ側摺動面４５とロータ側摺動面５０は気密にする必要がある。

このため本実施形態では、ロータリーバルブ４０にはばね６１等の付勢手段が設けられており、このばね６１でステータバルブ４１をロータバルブ４２に向け押し付けることにより、ステータ側摺動面４５とロータ側摺動面５０との間で気密を維持している。この付勢手段は、ばね６１の他にも作動ガスの圧力を利用することもできる。

なお以下の説明において、ステータ側摺動面４５とロータ側摺動面５０とが接触している接触面をシール面６０ということがある。

ステータ側摺動面４５には作動ガス供給孔４４及び円弧状溝４６が形成されており、ロータ側摺動面５０には長円状溝５１及び円弧状孔５３が形成されている。円弧状溝４６と、長円状溝５１及び円弧状孔５３とのシール面６０における相対的な位置は、ロータバルブ４２の回転に伴い変化する。

また作動ガス供給孔４４は、供給配管１ａを介し圧縮機１から常時高圧の作動ガスが供給されている。よって、作動ガス供給孔４４と常に連通している長円状溝５１にも、高圧の作動ガスが常時供給されている。

この作動ガスの圧力は、ステータ側摺動面４５とロータ側摺動面５０を離間させる力として作用する。換言すると、作動ガスの圧力は、ステータ側摺動面４５とロータ側摺動面５０との間のシール性を低下させる力として作用する。

また、ロータバルブ４２が配設される収容空間４は、排出配管１ｂと接続された空間であり、供給配管１ａから供給される作動ガスの圧力に対して低圧な空間である。よって、仮にシール面６０のシール性が低下した場合には、高圧の作動ガスが低圧の収容空間４に漏れるかもしれない。

シール面６０からの作動ガスの漏れ（以下、この漏れをリークという場合がある）の抑制は、ステータバルブ４１に対するロータバルブ４２の回転状態に拘わらず行う必要がある。即ち、ロータバルブ４２の回転に伴い円弧状溝４６と長円状溝５１及び円弧状孔５３との相対的な位置に変化が生じても、いずれの位置関係においてもシール面６０からの作動ガスのリークを抑制する必要がある。

図４は、吸気時のロータリーバルブ４０を示している。また図５は図４におけるＡ１−Ａ１線に沿う断面図である。

なお、図４はロータリーバルブ４０をその回転中心軸Yから見た図である。図４において、実線で示すのはステータバルブ４１の各構成であり、一点鎖線で示すのはロータバルブ４２の各構成である。ロータバルブ４２は、ステータバルブ４１と同一の回転中心軸Yを中心として回転する。

ここで、ステータバルブ４１とロータバルブ４２の接触面において、ステータバルブ４１とロータバルブ４２うち小径である部材の外周をバルブ外周と呼ぶ。また、バルブ外周の直径をバルブ径（矢印Ｌで示す）と呼ぶ。

本実施の形態では、接触面においてステータバルブ４１よりもロータバルブ４２の径が大きいので、バルブ外周はステータバルブ４１の外周になり、バルブ径はステータバルブ４１の径となる。逆に、接触面においてステータバルブ４１よりもロータバルブ４２の径が小さい場合には、バルブ外周はロータバルブの外周となり、バルブ径ロータバルブの径となる。また、バルブ内部空間においてバルブ外周との距離が最も短い位置を最外側位置と呼ぶ（図８，図９参照）。

長円状溝５１と収容空間４との間のシール性能は、接触面における長円状溝５１と収容空間４との距離に依存する。この距離が長いほどシール性能が向上し、長円状溝５１から収容空間４への作動ガスのリーク量は低減する。そこで、長円状溝５１の領域と、収容空間４の領域との最近接距離を第１のシール長さｔ１とする。つまり、第１のシール長さｔ１は長円状溝５１の最外側位置５１ａとバルブ外周との最短距離である。

同様に、円弧状溝４６と収容空間４との間のシール性能は、接触面における円弧状溝４６と収容空間４との距離に依存する。この距離が長いほどシール性能が向上し、円弧状溝４６から収容空間４への作動ガスのリーク量は低減する。そこで、円弧状溝４６の領域と、収容空間４の領域との最近接距離を第２のシール長さｔ２とする。つまり、第２のシール長さｔ２は円弧状溝４６の最外側位置４６ａとバルブ外周との最短距離である。

ロータリーバルブ４０のシール性能を向上させるには、第１及び第２のシール長さｔ１，ｔ２を長く設定することが望ましい。しかしながら、第１及び第２のシール長さｔ１，ｔ２を長くするに従い、バルブ径が大きくなる。バルブ径の大径化は、駆動トルクの増大や構造の大型化の観点から好ましくない。

また、ロータリーバルブ４０のバルブ内部空間と収容空間４との間のリーク量は、空間同士の圧力差にも依存する。２つの空間の圧力差が大きいほどリーク量が増加する。そこで、冷凍サイクル１周期あたりのリーク量に注目する。

長円状溝５１は常に圧縮機１の吐出側と接続しているため、長円状溝５１の作動ガス圧力は１周期の間常に高圧である。つまり、長円状溝５１の作動ガスの１周期の平均圧力は、圧縮機１の吐出側から突出される高圧の作動ガスの圧力に等しい。

それに対して、円弧状溝４６は、ガス流路４９を介してディスプレーサ１３，１４に接続されるため、円弧状溝４６の作動ガス圧力は、ディスプレーサ１３，１４（膨張空間２１，２２）の圧力と同等である。ここで、１周期の間に膨張空間は圧縮機の吐出側と吸気側に選択的に接続される。そのため、円弧状溝４６の作動ガスの１周期の平均圧力は、圧縮機１の吐出側から吐出される高圧の作動ガスの圧力よりも低い。

従って、１周期あたりに発生する長円状溝５１と収容空間４との間のリーク量は、円弧状溝４６と収容空間４との間のリーク量よりも大きい。つまり、長円状溝５１に要求されるシール性に対して円弧状溝４６に要求されるシール性は低い。

そこで本実施形態では、第１のシール長さｔ１が第２のシール長さｔ２に対して長くなるよう構成した。この構成とすることにより、ロータリーバルブの大型化を抑制しながら、バルブ内部空間から収容空間４へのリーク量を低減することができる。

図６は、実験により第１のシール長さｔ１と第２のシール長さｔ２との比（ｔ１／ｔ２）と、ＧＭ冷凍機の冷凍性能との関係を求めた結果を図示したものである。図６に示す実験例では、２段式のＧＭ冷凍機の１段温度をＧＭ冷凍機の冷凍性能として評価した。

同図に示されるように（ｔ１／ｔ２）＝１である場合、冷凍温度は約50.5Kであった。これに対して、第２のシール長さｔ２に対して第１のシール長さｔ１が長くなると冷凍温度は低下し、（ｔ１／ｔ２）＝１．２５以上では、冷凍温度が46.5K〜47.1K程度まで低下した。

よって図６に示す実験結果より、第１のシール長さｔ１を第２のシール長さｔ２に対して長くすることによりシール性が向上し、ＧＭ冷凍機の冷凍性能が向上することが実証された。

次に、ステータ側摺動面４５に形成される円弧状溝４６及びロータ側摺動面５０に形成される長円状溝５１のシール面６０における配置に注目する。

これらの配置を表す指標として、ステータ側摺動面４５に形成される円弧状溝４６及びロータ側摺動面５０に形成される長円状溝５１のシール面６０における図心を用いる。図心とは、平面図形の重心をいう。図４に示すように、シール面６０における長円状溝５１の図心を第１の図心Ｇ１とし、円弧状溝４６の図心を第２の図心Ｇ２とする。

前記のように、圧縮機１から高圧の作動ガスが供給される作動ガス供給孔４４は、ステータ側摺動面４５の中心位置に設けられている。よって、作動ガス供給孔４４の位置は、シール面６０の中心位置となる。そして、長円状溝５１はシール面６０の中心位置から径方向に延在する。

これに対して円弧状溝４６は、ステータ側摺動面４５の外周近傍位置に形成されている。この位置は長円状溝５１の径方向外側の端部近傍と重なるように配置される。よって、円弧状溝４６の位置は、シール面６０の外周近傍位置となる。

本実施形態では、第１のシール長さｔ１を第２のシール長さｔ２に対して長くなるよう構成されている（ｔ１＞ｔ２）。つまり、円弧状溝４６の配置は長円状溝５１よりも外周に近い位置であるといえる。よって、シール面６０において第１の図心Ｇ１の位置は第２の図心Ｇ２の位置よりも中心位置（この位置は、回転中心軸Ｙの位置と同じ）に近い位置になっている。

次に、シール面６０の直径と第１のシール長さｔ１との関係について説明する。

バルブ径Ｌは、前記のようにステータバルブ４１の直径Ｄ１とロータバルブ４２の直径Ｄ２の内、小さい方の直径である。図４及び図５に示すように、本実施形態ではステータバルブ４１の直径Ｄ１がバルブ径Ｌとなる。

また前記のように、第１のシール長さｔ１は、長円状溝５１の最外側位置５１ａとシール面６０の最外周位置との距離である。このため、本実施形態では第１のシール長さｔ１は、長円状溝５１の最外側位置５１ａとステータ外周位置４１ａとの距離となる。

シール面６０におけるステータ側摺動面４５とロータ側摺動面５０との間のシール性は、第１のシール長さｔ１の長さにより変化する。すなわち、長円状溝５１の形状はそのままにバルブ径Ｌを長くすることにより高めることができる。

しかしながら、バルブ径Ｌを長くするとロータリーバルブ４０が大型化してしまう。このため、バルブ径ＬはＧＭ冷凍機の大きさ等から制限を受け、その長さには限界が存在するかもしれない。

一方、バルブ径Ｌをそのままに、長円状溝５１の形状を変更することで第１のシール長さｔ１を長くすると、作動ガス供給孔４４と円弧状溝４６及び開口部４８とのシール性が低下するかもしれない。又は、作動ガスが長円状溝５１から円弧状溝４６に流れる際に発生する圧力損失が増加するかもしれない。よって、シール面６０におけるシール性を高めには、第１のシール長さｔ１とバルブ径Ｌを適切な比率になるように設計することが好ましい。

図７は、第１のシール長さｔ１とバルブ径Ｌとの比（ｔ１／Ｌ）と、ＧＭ冷凍機の冷凍性能との関係を図示したものである。図７に示す実験例では、２段式のＧＭ冷凍機を用い、縦軸に当該ＧＭ冷凍機の第１段冷凍温度を取った。

同図に示されるように、ＧＭ冷凍機の冷凍温度は、（ｔ１／Ｌ）の値が大きくなるに従い低下する。そして、冷凍温度は（ｔ１／Ｌ）の値が０．０７〜０．１６の範囲において最低冷凍温度（約４６．５Ｋ）となる。そして、冷凍温度はその後に緩やかに上昇する特性を示した。なお、（ｔ１／Ｌ）の値が０．０７未満の範囲では、（ｔ１／Ｌ）の増加に伴いシール性能が向上するため、急激に冷凍温度が低下していると考えられる。

一方、（ｔ１／Ｌ）の値が０．１６を超える範囲では、長円状溝５１から円弧状溝４６に流れる際に発生する圧力損失が増加することによる影響が冷凍温度に表れていると考えられる。

ＧＭ冷凍機のある用途においては、冷凍性能劣化が２％を越えると冷凍性能に問題があると判断されるかもしれない。そこで本実施形態では、冷凍性能劣化が２％を越える範囲を異常であると設定すると、第１のシール長さｔ１とバルブ径Ｌとの比（ｔ１／Ｌ）を０．０７≦（ｔ１／Ｌ）≦０．１６の範囲にとすることが好ましい。

次に、本発明の他の実施形態について説明する。

図８及び図９は、他の実施形態であるＧＭ冷凍機のロータリーバルブ７０を拡大して示す図である。

本実施形態は、ロータリーバルブ７０の構成に特徴があり、他の構成は図１乃至図５に示した構成と同一である。このため、本実施形態の説明においては、ロータリーバルブ７０のみを図示して説明するものとする。また図８及び図９において、図１乃至図５に示した構成と対応する構成については、同一符号を付してその説明を省略する。

前記した実施形態では、ロータバルブ４２の直径Ｄ２がステータバルブ４１の直径Ｄ１よりも大きい構成とされていた（Ｄ２＞Ｄ１）。これに対して本実施形態のロータリーバルブ７０は、ステータバルブ４１の直径Ｄ１がロータバルブ４２の直径Ｄ２に比べて大きい構成とされている（Ｄ１＞Ｄ２）。

ステータバルブ４１の直径Ｄ１とロータバルブ４２の直径Ｄ２は、ステータバルブ４１及びロータバルブ４２の材質によりその大小が設定される。よって、前記した実施形態のロータリーバルブ４０と本実施形態のロータリーバルブ７０のように、ステータバルブ４１の直径Ｄ１とロータバルブ４２の直径Ｄ２の大小関係が逆になることがある。

ステータバルブ４１の直径Ｄ１がロータバルブ４２の直径Ｄ２より大きい場合、ステータ側摺動面４５のロータ側摺動面５０よりも外側の領域（図８及び図９に符号Ｓ２で示す領域）は、作動ガスの漏れ防止に寄与してない領域となる。

従って本実施の形態では、接触面においてロータバルブ４２よりもステータバルブ４１の径が大きいので、バルブ外周はロータバルブ４２の外周になり、バルブ径はロータバルブ４２の径となる。

また本実施形態においても、単にロータリーバルブ４０のシール性能を向上させるためにバルブ径を大径化することは、駆動トルクの増大や構造の大型化の観点から好ましくない。また、１周期あたりに発生する長円状溝５１と収容空間４との間のリーク量は円弧状溝４６と収容空間４との間のリーク量よりも大きいため、長円状溝５１に要求されるシール性に対して円弧状溝４６に要求されるシール性は低い。

これらの事項は、前記した実施形態（図１乃至図５に示す実施形態、以下前記実施形態という）と同様である。

そこで本実施形態においても、第１のシール長さｔ１が第２のシール長さｔ２に対して長くなるよう構成した（ｔ１＞ｔ２）。よって本実施形態においても、シール面６０における第１の図心Ｇ１の位置は、第２の図心Ｇ２の位置よりもシール面６０の中心位置（回転中心軸Ｙの位置と同位置）に近い位置となっている。また第１のシール長さｔ１とバルブ径Ｌとの比（ｔ１／Ｌ）も、前記実施形態と同様に０．０７≦（ｔ１／Ｌ）≦０．１６の範囲に設定することが望ましい。

この構成とすることにより、シール面６０におけるシール性の向上及びＧＭ冷凍機の冷凍性能の向上を図ることができると共に、ロータリーバルブ７０の小型化を図ることができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は上記した特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能なものである。

即ち、ＧＭ冷凍機を例に説明したが、パルス管冷凍機やソルベイ冷凍機など様々な極低温冷凍機に適用することができる。また、ディスプレーサの駆動機構としてスコッチヨーク機構を例に説明したが、リニアモータで駆動しても良い。

また、実施の形態では、収容空間４が圧縮機の吸気側に接続される例について説明したが、これに限られない。例えば、収容空間４を圧縮機の吐出側に接続してもよい。収容空間４を高圧空間にした場合には、作動ガスは収容空間４からバルブ内部にリークすることになる。このような場合には、長円状溝５１が常に圧縮機の吸気側に接続される。そのため、１周期あたりの長円状溝５１の平均圧力は、円弧状溝４６の１周期あたりの平均圧力よりも小さくなる。

１ 圧縮機
２ シリンダ
３ ハウジング
１１ 第１段目シリンダ
１２ 第２段目シリンダ
１３ 第１段目ディスプレーサ
１４ 第２段目ディスプレーサ
１７，１８ 蓄冷器
１９ 第１段目冷却ステージ
２０ 第２段目冷却ステージ
２１、２２ 膨張空間
３０ 駆動装置
３１ モータ
３２ スコッチヨーク機構
４０，７０ ロータリーバルブ
４１ ステータバルブ
４２ ロータバルブ
４４ 作動ガス供給孔
４５ ステータ側摺動面
４６ 円弧状溝
４６ａ，５１ａ 最外側位置
４９ ガス流路
５０ ロータ側摺動面
５１ 長円状溝
５３ 円弧状孔
ｔ１ 第１のシール長さ
ｔ２ 第２のシール長さ
Ｇ１ 第１の図心
Ｇ２ 第２の図心
Ｌ バルブ径

Claims (3)

1. 低圧の作動ガスを回収する吸気側と高圧の作動ガスを吐出する吐出側とを有する圧縮機と、
   前記高圧の作動ガスを膨張させる膨張空間と、
   前記圧縮機の吐出側に接続する第１の流路を有する第１の部材と、前記膨張空間に接続する第２の流路を有する第２の部材とを有し、前記第１の部材と前記第２の部材とが接触しながら相対回転することにより前記第１の流路と前記第２の流路とを連通又は遮断するバルブと、を有する極低温冷凍機であって、
   前記第１の部材と前記第２の部材とが接触する摺動面において、前記第１の部材又は前記第２の部材のうち小径である方の外周で定められるバルブ外周と前記第１の流路との最近接距離である第１の距離は、前記バルブ外周と前記第２の流路との最近接距離である第２の距離よりも長く、
   前記第１の距離をｔ１とし、前記バルブ外周の直径をＬとしたとき、距離ｔ１と直径Ｌとの比（ｔ１／Ｌ）は０．０７≦（ｔ１／Ｌ）≦０．１６を満たす、
   極低温冷凍機。
2. 前記第１の部材は回転可能であり、前記第２の部材は固定されている、請求項１記載の極低温冷凍機。
3. 前記吸気側と接続する低圧空間を有するハウジングを更に有し、前記低圧空間内に前記第１の部材を収容したことを特徴とする請求項１又は２記載の極低温冷凍機。

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