特開 2025-58512 極低温冷凍機

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2025058512

(43)【公開日】2025-04-09

(54)【発明の名称】極低温冷凍機

(51)【国際特許分類】

   F25B 9/00 20060101AFI20250402BHJP

【ＦＩ】

F25B9/00 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023168494

(22)【出願日】2023-09-28

(71)【出願人】

【識別番号】000002107

【氏名又は名称】住友重機械工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100105924

【弁理士】

【氏名又は名称】森下 賢樹

(74)【代理人】

【識別番号】100116274

【弁理士】

【氏名又は名称】富所 輝観夫

(72)【発明者】

【氏名】森江 孝明

(57)【要約】

【課題】極低温冷凍機の長期的な信頼性を向上する。
【解決手段】極低温冷凍機１０は、コールドヘッドモータ４０と、コールドヘッドモータ４０に連結されたクランク４４と、コールドヘッドモータ４０とクランク４４を収容するコールドヘッドハウジング２０と、クランク４４を支持するクランク支持ベアリング５０であって、クランク４４とともにコールドヘッドハウジング２０を第１室２２ａと第２室２２ｂに区分けするようにコールドヘッドハウジング２０に取り付けられたクランク支持ベアリング５０と、第１室２２ａと第２室２２ｂを接続する均圧通路５８と、を備える。均圧通路５８は、クランク４４に形成されていてもよく、またはコールドヘッドハウジング２０に形成されていてもよい。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

コールドヘッドモータと、
前記コールドヘッドモータに連結されたクランクと、
前記コールドヘッドモータと前記クランクを収容するハウジングと、
前記クランクを支持するベアリングであって、前記クランクとともに前記ハウジングを二室に区分けするように前記ハウジングに取り付けられたベアリングと、
前記二室を接続する均圧通路と、を備えることを特徴とする極低温冷凍機。

【請求項2】

前記均圧通路は、前記クランクに形成されてい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】

前記均圧通路は、前記ハウジングに形成されてい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4】

前記ハウジングは、前記極低温冷凍機の作動ガスを排出する排気ポートを備え、
前記二室は、前記排気ポートに接続されていることを特徴とする請求項１から３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】

極低温冷凍機には、たとえばギフォード・マクマホン（Gifford-McMahon；ＧＭ）冷凍機のように、作動ガスの膨張空間の容積を周期的に変化させるために往復動するディスプレーサを有するものがある。膨張空間の周期的な容積変動と適切に同期して膨張空間の圧力を変動させることにより、極低温冷凍機に冷凍サイクルが構成される。ディスプレーサの往復動を駆動する代表的な方式の１つとして、例えばスコッチヨーク機構などの運動変換機構を介してモータをディスプレーサに機械的に連結するタイプがある。運動変換機構は、モータの出力する回転運動をディスプレーサの直線的な往復動に変換することができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１６－５７０２５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

極低温冷凍機の運転中、作動ガスの吸排気に応じた周期的な荷重がディスプレーサに作用し、これはモータへの負荷となる。高い冷凍能力をもつ大型の極低温冷凍機では、こうした作動ガスの吸排気に起因するモータの負荷は大きくなりがちである。過剰な負荷は、モータの動作異常や故障の原因となりうる。

【0005】

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、極低温冷凍機の長期的な信頼性を向上することにある。

【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、コールドヘッドモータと、コールドヘッドモータに連結されたクランクと、コールドヘッドモータとクランクを収容するハウジングと、クランクを支持するベアリングであって、クランクとともにハウジングを二室に区分けするようにハウジングに取り付けられたベアリングと、二室を接続する均圧通路と、を備える。

【発明の効果】

【0007】

本発明によれば、極低温冷凍機の長期的な信頼性を向上することができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】実施の形態に係る極低温冷凍機を概略的に示す図である。

【図2】実施の形態に係る極低温冷凍機を概略的に示す図である。

【図3】実施の形態に係る極低温冷凍機を概略的に示す図である。

【図4】実施の形態に係り、コールドヘッドの駆動部の要部の分解斜視図を概略的に示す図である。

【図5】他の実施の形態に係る極低温冷凍機を概略的に示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

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。説明および図面において同一または同等の構成要素、部材、処理には同一の符号を付し、重複する説明は適宜省略する。図示される各部の縮尺や形状は、説明を容易にするために便宜的に設定されており、特に言及がない限り限定的に解釈されるものではない。実施の形態は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

【0010】

図１から図３は、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１には極低温冷凍機１０の外観が示される。図２には極低温冷凍機１０の低温部の内部構造が示され、図３には駆動部の内部構造が示される。極低温冷凍機１０は、一例として、二段式のギフォード・マクマホン（Gifford-McMahon；ＧＭ）冷凍機である。

【0011】

極低温冷凍機１０は、圧縮機１２と、膨張機１４とを備える。圧縮機１２は、極低温冷凍機１０の作動ガスを膨張機１４から回収し、回収した作動ガスを昇圧して、再び作動ガスを膨張機１４に供給するよう構成されている。圧縮機１２と膨張機１４により極低温冷凍機１０の冷凍サイクルが構成され、それにより極低温冷凍機１０は所望の極低温冷却を提供することができる。膨張機１４は、コールドヘッドともしばしば称される。コールドヘッドは通例、図示しない真空容器に、低温部が真空容器内に配置され駆動部が真空容器外の周囲環境（例えば室温大気圧環境）に配置されるようにして設置され、圧縮機１２は周囲環境に配置される。作動ガスは、冷媒ガスとも称され、通例はヘリウムガスであるが、適切な他のガスが用いられてもよい。理解のために、作動ガスの流れる方向を図１に矢印で示す。

【0012】

なお、一般に、圧縮機１２から膨張機１４に供給される作動ガスの圧力と、膨張機１４から圧縮機１２に回収される作動ガスの圧力は、ともに大気圧よりかなり高く、それぞれ第１高圧及び第２高圧と呼ぶことができる。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。典型的には、高圧は例えば２～３ＭＰａである。低圧は例えば０．５～１．５ＭＰａであり、例えば約０．８ＭＰａである。理解のために、作動ガスの流れる方向を矢印で示す。

【0013】

膨張機１４は、コールドヘッドシリンダ１６と、ディスプレーサ組立体（以下では単にディスプレーサと呼ぶこともある）１８と、コールドヘッドハウジング（以下、単にハウジングとも呼ぶ）２０とを備える。コールドヘッドシリンダ１６は、ディスプレーサ１８の直線往復運動をガイドするとともに、ディスプレーサ１８との間に作動ガスの膨張空間としての膨張室（３２、３４）を形成する。コールドヘッドシリンダ１６はコールドヘッドハウジング２０に固定され、それにより、膨張機１４の筐体が構成され、ディスプレーサ１８を収容する気密空間がコールドヘッドシリンダ１６内に形成される。

【0014】

本書では、極低温冷凍機１０の構成要素間の位置関係を説明するために、便宜上、ディスプレーサ１８の軸方向往復動の上死点に近い側を「上」、下死点に近い側を「下」と表記することとする。上死点は膨張空間の容積が最大となるディスプレーサ１８の位置であり、下死点は膨張空間の容積が最小となるディスプレーサ１８の位置である。極低温冷凍機１０の運転時には上方から下方へと温度が下がる温度勾配が生じるので、上側を高温側、下側を低温側と呼ぶこともできる。

【0015】

コールドヘッドシリンダ１６は、第１シリンダ１６ａ、第２シリンダ１６ｂを有する。第１シリンダ１６ａと第２シリンダ１６ｂは、一例として、円筒形状を有する部材であり、第２シリンダ１６ｂが第１シリンダ１６ａよりも小径である。第１シリンダ１６ａと第２シリンダ１６ｂは同軸に配置され、第１シリンダ１６ａの下端が第２シリンダ１６ｂの上端に剛に連結されている。

【0016】

ディスプレーサ組立体１８は、互いに連結された第１ディスプレーサ１８ａと第２ディスプレーサ１８ｂを備え、これらは一体に移動する。第１ディスプレーサ１８ａと第２ディスプレーサ１８ｂは、一例として、円筒形状を有する部材であり、第２ディスプレーサ１８ｂが第１ディスプレーサ１８ａよりも小径である。第１ディスプレーサ１８ａと第２ディスプレーサ１８ｂは同軸に配置されている。

【0017】

第１ディスプレーサ１８ａは、第１シリンダ１６ａに収容され、第２ディスプレーサ１８ｂは、第２シリンダ１６ｂに収容されている。第１ディスプレーサ１８ａは、第１シリンダ１６ａに沿って軸方向に往復移動可能であり、第２ディスプレーサ１８ｂは、第２シリンダ１６ｂに沿って軸方向に往復移動可能である。

【0018】

図２に示されるように、第１ディスプレーサ１８ａは、第１蓄冷器２６を収容する。第１蓄冷器２６は、第１ディスプレーサ１８ａの筒状の本体部の中に、例えば銅などの金網またはその他適宜の第１蓄冷材を充填することによって形成されている。第１ディスプレーサ１８ａの上蓋部および下蓋部は第１ディスプレーサ１８ａの本体部とは別の部材として提供されてもよく、第１ディスプレーサ１８ａの上蓋部および下蓋部は、締結、溶接など適宜の手段で本体に固定され、それにより第１蓄冷材が第１ディスプレーサ１８ａに収容されてもよい。

【0019】

同様に、第２ディスプレーサ１８ｂは、第２蓄冷器２８を収容する。第２蓄冷器２８は、第２ディスプレーサ１８ｂの筒状の本体部の中に、例えばビスマスなどの非磁性蓄冷材、ＨｏＣｕ_２などの磁性蓄冷材、またはその他適宜の第２蓄冷材を充填することによって形成されている。第２蓄冷材は粒状に成形されていてもよい。第２ディスプレーサ１８ｂの上蓋部および下蓋部は第２ディスプレーサ１８ｂの本体部とは別の部材として提供されてもよく、第２ディスプレーサ１８ｂの上蓋部の下蓋部は、締結、溶接など適宜の手段で本体に固定され、それにより第２蓄冷材が第２ディスプレーサ１８ｂに収容されてもよい。

【0020】

ディスプレーサ１８は、上部室３０、第１膨張室３２、第２膨張室３４をコールドヘッドシリンダ１６の内部に形成する。極低温冷凍機１０によって冷却すべき所望の物体または媒体との熱交換のために、膨張機１４は、第１冷却ステージ３３と第２冷却ステージ３５を備える。上部室３０は、第１ディスプレーサ１８ａの上蓋部と第１シリンダ１６ａの上部との間に形成される。第１膨張室３２は、第１ディスプレーサ１８ａの下蓋部と第１冷却ステージ３３との間に形成される。第２膨張室３４は、第２ディスプレーサ１８ｂの下蓋部と第２冷却ステージ３５との間に形成される。第１冷却ステージ３３は、第１膨張室３２を取り囲むように第１シリンダ１６ａの下部に固着され、第２冷却ステージ３５は、第２膨張室３４を取り囲むように第２シリンダ１６ｂの下部に固着されている。

【0021】

第１蓄冷器２６は、第１ディスプレーサ１８ａの上蓋部に形成された作動ガス流路３６ａを通じて上部室３０に接続され、第１ディスプレーサ１８ａの下蓋部に形成された作動ガス流路３６ｂを通じて第１膨張室３２に接続されている。第２蓄冷器２８は、第１ディスプレーサ１８ａの下蓋部から第２ディスプレーサ１８ｂの上蓋部へと形成された作動ガス流路３６ｃを通じて第１蓄冷器２６に接続されている。また、第２蓄冷器２８は、第２ディスプレーサ１８ｂの下蓋部に形成された作動ガス流路３６ｄを通じて第２膨張室３４に接続されている。

【0022】

第１膨張室３２、第２膨張室３４と上部室３０との間の作動ガス流れが、コールドヘッドシリンダ１６とディスプレーサ１８との間のクリアランスではなく、第１蓄冷器２６、第２蓄冷器２８に導かれるようにするために、第１シール３８ａ、第２シール３８ｂが設けられていてもよい。第１シール３８ａは、第１ディスプレーサ１８ａと第１シリンダ１６ａとの間に配置されるように第１ディスプレーサ１８ａの上蓋部に装着されてもよい。第２シール３８ｂは、第２ディスプレーサ１８ｂと第２シリンダ１６ｂとの間に配置されるように第２ディスプレーサ１８ｂの上蓋部に装着されてもよい。

【0023】

図３に示されるように、コールドヘッドハウジング２０には、極低温冷凍機１０の作動ガスの膨張機１４への入口である吸気ポート２０ａと、膨張機１４からの作動ガスの出口である排気ポート２０ｂが設けられている。吸気ポート２０ａは、圧縮機１２の高圧側に接続され、排気ポート２０ｂは、圧縮機１２の低圧側に接続されている。作動ガスは、吸気ポート２０ａから膨張機１４に供給され、排気ポート２０ｂから圧縮機１２へと排出される。

【0024】

コールドヘッドの駆動部は、コールドヘッドモータ４０と、ロータリーバルブ４２と、運動変換機構４３とを備える。駆動部のこれら構成要素は、コールドヘッドハウジング２０の内部に画定される低圧ガス室２２に収容されている。低圧ガス室２２は、排気ポート２０ｂを通じて圧縮機１２の低圧側に連通している。そのため、低圧ガス室２２は常に低圧に維持される。

【0025】

コールドヘッドモータ４０は、ディスプレーサ１８およびロータリーバルブ４２の駆動源として膨張機１４に設けられている。コールドヘッドモータ４０は、適宜の電磁モータであってもよく、モータ回転軸４０ａを一定の回転速度で回転させるように構成され、またはモータ回転軸４０ａの回転速度を可変に制御可能としてもよい。

【0026】

ロータリーバルブ４２は、圧縮機１２の高圧側と低圧側を交互にコールドヘッドシリンダ１６（つまり、上部室３０、第１膨張室３２および第２膨張室３４）に接続し、コールドヘッドシリンダ１６の吸気と排気とを周期的に切り替えるように構成されている。

【0027】

ロータリーバルブ４２は、バルブロータ４２ａとバルブステータ４２ｂを備え、バルブロータ４２ａは、バルブステータ４２ｂに対し摺動しながら回転するようにバルブステータ４２ｂと接触している。バルブステータ４２ｂは、コールドヘッドハウジング２０に固定されている。バルブステータ４２ｂとコールドヘッドハウジング２０との間には、バルブロータ４２ａの回転軸の方向にバルブステータ４２ｂをバルブロータ４２ａに向かって押し付けるためのスプリングなどの弾性体が介在してもよい。

【0028】

コールドヘッドハウジング２０にはロータリーバルブ４２を上部室３０に接続するハウジング内部流路２４が形成されている。ロータリーバルブ４２のバルブロータ４２ａとバルブステータ４２ｂには、ハウジング内部流路２４をコールドヘッドハウジング２０の吸気ポート２０ａと低圧ガス室２２に交互に接続するようにバルブ内部流路が形成されている。バルブ内部流路にはさまざまな公知の形態を採用することができ、ここでは詳述しない。

【0029】

運動変換機構４３は、モータ回転軸４０ａの回転をロータリーバルブ４２に伝達するとともにディスプレーサ１８の直線往復動に変換するように、コールドヘッドモータ４０をロータリーバルブ４２とディスプレーサ１８に連結するように構成されている。運動変換機構４３の一例は後述する。モータ回転軸４０ａの一回転が運動変換機構４３を介してディスプレーサ１８の一往復をもたらし、それにより作動ガスの膨張空間の容積が周期的に変化する。同時に、モータ回転軸４０ａの一回転が運動変換機構４３を介してロータリーバルブ４２の一回転をもたらし、それにより作動ガスの膨張空間の圧力が周期的に変化する。

【0030】

図４は、実施の形態に係り、コールドヘッドの駆動部の要部の分解斜視図を概略的に示す図である。図４には、モータ回転軸４０ａと運動変換機構４３が示されている。運動変換機構４３は、この実施の形態では、スコッチヨーク機構を含む。よって、図３および図４に示されるように、運動変換機構４３は、クランクピン４４ａを有するクランク４４と、スコッチヨーク軸４５と、クランクピン軸受４６とを備える。スコッチヨーク軸４５は、スコッチヨーク板４５ａと、上部ロッド４５ｂと、下部ロッド４５ｃとを備える。

【0031】

クランク４４は、モータ回転軸４０ａに固定され、それにより、コールドヘッドモータ４０に連結される。クランク４４は、コールドヘッドモータ４０とともにコールドヘッドハウジング２０に収容されている。クランク４４は、モータ回転軸４０ａとは反対側で、スコッチヨーク機構に向かって延出しているクランクピン４４ａを有する。クランクピン４４ａは、モータ回転軸４０ａから偏心した位置でモータ回転軸４０ａと平行に延びている。

【0032】

スコッチヨーク板４５ａは、横長窓４７を有する矩形の板状部材である。横長窓４７は、コールドヘッドの軸方向およびモータ回転軸４０ａに垂直な方向に延在する。この横長窓４７にクランクピン軸受４６が転動可能に配置される。クランクピン軸受４６は例えば、ころ軸受であってもよい。クランクピン軸受４６の中心には、クランクピン４４ａと係合する係合孔４６ａが形成されており、クランクピン４４ａが係合孔４６ａを貫通する。

【0033】

スコッチヨーク板４５ａに対してクランク４４と反対側には、ロータリーバルブ４２のバルブロータ４２ａがその中心軸をモータ回転軸４０ａと一致させて配置されており、係合孔４６ａを貫通したクランクピン４４ａの先端はバルブロータ４２ａに固定される。

【0034】

上部ロッド４５ｂは、スコッチヨーク板４５ａの上枠中央から上方に延出し、下部ロッド４５ｃは、スコッチヨーク板４５ａの下枠中央から下方に延出し、これらロッドは同軸に配置されている。スコッチヨーク板４５ａと上部ロッド４５ｂは低圧ガス室２２に収容され、下部ロッド４５ｃはコールドヘッドハウジング２０を貫通してコールドヘッドシリンダ１６内へと延出している。下部ロッド４５ｃの先端はコールドヘッドシリンダ１６内でディスプレーサ１８に連結されている。

【0035】

第１摺動軸受４８ａが上部ロッド４５ｂとコールドヘッドハウジング２０との間に設けられ、第２摺動軸受４８ｂが下部ロッド４５ｃとコールドヘッドハウジング２０との間に設けられている。コールドヘッドハウジング２０はその上部に上部ロッド４５ｂを受け入れる凹部を有しており、第１摺動軸受４８ａはこの凹部に配置され、上部ロッド４５ｂを軸方向に摺動可能に支持する。また、第２摺動軸受４８ｂは、下部ロッド４５ｃを通すコールドヘッドハウジング２０の貫通穴が配置され、下部ロッド４５ｃを軸方向に摺動可能に支持する。第２摺動軸受４８ｂには、例えばスリッパーシールやクリアランスシールといったシール部が設けられ、気密に構成されており、そのため低圧ガス室２２は上部室３０から隔離されている。低圧ガス室２２と上部室３０との直接のガス流通はない。

【0036】

この実施の形態では、図３に示されるように、クランク４４は、クランク支持ベアリング５０によってコールドヘッドハウジング２０に対して回転可能に支持されている。クランク支持ベアリング５０は、クランク４４の外周に固定された内輪と、コールドヘッドハウジング２０に固定された外輪と、内輪と外輪との間に配置された転動体とを備えてもよく、例えば、深溝玉軸受、アンギュラ玉軸受など、適宜のベアリングであってもよい。クランク支持ベアリング５０は、クランク４４の回転を許容するとともに、作動ガスの吸排気に起因してディスプレーサ１８からクランク４４にかかるコールドヘッド軸方向（つまりスコッチヨーク軸４５の延在する方向）の荷重を支えることができる。

【0037】

クランク支持ベアリング５０は、クランク４４とともに、コールドヘッドハウジング２０内の低圧ガス室２２を第１室２２ａと第２室２２ｂに区分けするようにコールドヘッドハウジング２０に取り付けられている。第１室２２ａにはコールドヘッドモータ４０が収容され、第２室２２ｂにはスコッチヨーク軸４５とロータリーバルブ４２が収容されている。

【0038】

コールドヘッドハウジング２０へのクランク支持ベアリング５０の取付の一例として、ベアリング保持部材５２が用いられてもよい。ベアリング保持部材５２は、クランク４４との間に隙間を有してクランク４４を囲むようにリング状の形状を有しており、コールドヘッドハウジング２０に固定されている。ベアリング保持部材５２は、クランク支持ベアリング５０に対してコールドヘッドモータ４０側で、クランク支持ベアリング５０に隣接して配置されている。コールドヘッドハウジング２０には、クランク支持ベアリング５０に対してスコッチヨーク軸４５側にベアリング保持部５３が形成されている。クランク支持ベアリング５０は、ベアリング保持部材５２とベアリング保持部５３に挟み込まれることで、モータ回転軸４０ａの方向に関して位置決めされている。ベアリング保持部材５２とクランク支持ベアリング５０との間には、例えばＯリングなどの緩衝材５４が挟み込まれていてもよい。

【0039】

クランク４４と同様に、ロータリーバルブ４２のバルブロータ４２ａも、バルブ支持ベアリング５６によってコールドヘッドハウジング２０に対して回転可能に支持されている。バルブ支持ベアリング５６は、スコッチヨーク軸４５に対してクランク支持ベアリング５０と対称的に配置されてもよい。例えば、クランク支持ベアリング５０とバルブ支持ベアリング５６は、スコッチヨーク軸４５から概ね等距離に配置されてもよい。このようにすれば、作動ガスの吸排気に起因してディスプレーサ１８およびスコッチヨーク軸４５に働く軸方向荷重をクランク支持ベアリング５０とバルブ支持ベアリング５６で均等に支持することができる。

【0040】

また、この実施の形態では、クランク４４は、第１室２２ａと第２室２２ｂを接続する均圧通路５８を備える。第１室２２ａは、均圧通路５８を通じて第２室２２ｂに接続され、第２室２２ｂは、排気ポート２０ｂに接続されている。このようにして、低圧ガス室２２、すなわち第１室２２ａと第２室２２ｂは、排気ポート２０ｂに接続されている。

【0041】

均圧通路５８は、クランク４４に形成された少なくとも１つの貫通穴であってもよく、モータ回転軸４０ａの方向に延在してもよい。図４に示されるように、クランク４４は、均圧通路５８として複数の貫通穴を有してもよく、これら貫通穴は、モータ回転軸４０ａが嵌め込まれるクランク４４の軸穴４４ｂの周囲に形成されていてもよい。

【0042】

均圧通路５８の径は、軸穴４４ｂの径以下、例えば、軸穴４４ｂの径の９０～１００％であってもよい。均圧通路５８の穴径を軸穴４４ｂにそろえるか又はそれより若干小さくすることで、クランク４４に軸穴４４ｂを加工する工程で均圧通路５８も同時に加工できる。クランク４４を効率的に製造することができる。

【0043】

なお、均圧通路５８は、貫通穴に限られない。例えば、均圧通路５８は、クランク４４の外周に形成された溝、切り欠きなど、クランク支持ベアリング５０を跨いで第１室２２ａと第２室２２ｂを接続する任意の形状であってもよい。

【0044】

極低温冷凍機１０の上述の構成において、コールドヘッドモータ４０が駆動されると、モータ回転軸４０ａが回転される。回転は、ロータリーバルブ４２および運動変換機構４３へと伝達される。モータ回転軸４０ａの回転により、クランクピン４４ａと係合したクランクピン軸受４６は、円を描くように回転する。このときクランクピン軸受４６は、スコッチヨーク板４５ａの横長窓４７を往復移動し、それとともにスコッチヨーク軸４５およびディスプレーサ１８が軸方向に往復運動する。このようにして、コールドヘッドモータ４０は、ディスプレーサ１８の軸方向往復動を駆動するとともに、これと同期してロータリーバルブ４２を回転させる。

【0045】

このようにして、同期した容積変動と圧力変動が膨張空間にもたらされ、極低温冷凍機１０の冷凍サイクルが構成され、それにより極低温冷凍機１０は所望の極低温冷却を提供することができる。第１冷却ステージ３３は、第１冷却温度に冷却され、第２冷却ステージ３５は、第１冷却温度より低い第２冷却温度に冷却されることができる。第１冷却温度は、例えば、約１０Ｋ～約１００Ｋの範囲、または約２０Ｋ～約４０Ｋの範囲にあってもよい。第２冷却温度は、例えば、約２０Ｋ以下、または約１０Ｋ以下、または約１Ｋ～約４Ｋの範囲にあってもよい。

【0046】

極低温冷凍機１０の運転中、作動ガスの吸排気に応じた周期的な荷重がディスプレーサ１８に作用する。ディスプレーサ１８が上向きに移動するとき作動ガスが第１蓄冷器２６、第２蓄冷器２８を経由して膨張空間（３２、３４）に吸気されるため、ディスプレーサ１８は、作動ガスから下向きの荷重を受ける。また、ディスプレーサ１８が下向きに移動するとき作動ガスが膨張空間から排気されるため、ディスプレーサは作動ガスから上向きの荷重を受ける。ディスプレーサ１８の移動方向とは逆向きのこのような荷重は、コールドヘッドモータ４０への負荷となる。高い冷凍能力をもつ大型の極低温冷凍機ではとりわけ、こうした作動ガスの吸排気に起因するモータの負荷は大きくなりがちである。過剰な負荷は、モータの動作異常や故障の原因となりうる。

【0047】

クランク支持ベアリング５０によるクランク４４の支持は、コールドヘッドモータ４０へのこうした負荷を軽減することに役立つ。クランク４４はモータ回転軸４０ａに比べてスコッチヨーク軸４５の近くに配置されているから、クランク４４をベアリングで支持することにより、モータ回転軸４０ａを支持する場合に比べて、スコッチヨーク軸４５から受ける軸荷重をより効果的に支持できる。

【0048】

ところが、既存の極低温冷凍機では、中実のクランクが使用されているため、クランクがベアリングで支持された場合、クランクとベアリングによってコールドヘッドハウジング内の空間が二分されることになる。クランクとベアリングを境界として、モータ側の空間とスコッチヨーク側の空間で作動ガスの圧力が異なり、これら２つの空間に差圧が生成されうる。差圧によりベアリングに働く荷重は、ベアリングの動作や信頼性に悪影響を及ぼす可能性が懸念される。

【0049】

この実施の形態によると、クランク４４に均圧通路５８が設けられているため、クランク支持ベアリング５０の両側、つまり第１室２２ａと第２室２２ｂに差圧が生じるのを回避することができる。これにより、クランク支持ベアリング５０への負荷を軽減し、ひいては極低温冷凍機１０の長期的な信頼性を向上することができる。

【0050】

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。ある実施の形態に関連して説明した種々の特徴は、他の実施の形態にも適用可能である。組合せによって生じる新たな実施の形態は、組み合わされる実施の形態それぞれの効果をあわせもつ。

【0051】

図５は、他の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５には、図３と同様に、コールドヘッドの駆動部の内部構造が示される。図５に示されるように、均圧通路５８は、コールドヘッドハウジング２０に形成されてもよい。このようにしても、クランク支持ベアリング５０の両側、つまり第１室２２ａと第２室２２ｂに差圧が生じるのを回避することができる。

【0052】

上記においては、二段式の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、実施の形態に係る均圧通路５８は、単段式または多段式のＧＭ冷凍機、または、クランク４４がコールドヘッドハウジング２０にクランク支持ベアリング５０で支持されるその他の極低温冷凍機に適用可能である。

【0053】

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。

【符号の説明】

【0054】

１０ 極低温冷凍機、 １２ 圧縮機、 １４ 膨張機、 ２０ コールドヘッドハウジング、 ２０ａ 吸気ポート、 ２０ｂ 排気ポート、 ２２ 低圧ガス室、 ２２ａ 第１室、 ２２ｂ 第２室、 ４０ コールドヘッドモータ、 ４４ クランク、 ５０ クランク支持ベアリング、 ５８ 均圧通路。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】