極低温冷凍装置
【課題】本発明はディスプレーサを有する極低温冷凍装置において、冷凍効率の向上を図る。
【解決手段】モータ３０及びスコッチヨーク機構３２によりシリンダ１０，２０内で往復移動されるディスプレーサ１１，２１を有し、このディスプレーサ１１，２１の移動に伴いシリンダ１０，２０内に形成された膨張空間１５，２５内の冷媒ガスを膨張させることにより寒冷を発生させる極低温冷凍装置であって、ディスプレーサ１１，２１の下死点近傍おける移動速度が上死点近傍における移動速度よりも速くなるよう構成する。
【解決手段】モータ３０及びスコッチヨーク機構３２によりシリンダ１０，２０内で往復移動されるディスプレーサ１１，２１を有し、このディスプレーサ１１，２１の移動に伴いシリンダ１０，２０内に形成された膨張空間１５，２５内の冷媒ガスを膨張させることにより寒冷を発生させる極低温冷凍装置であって、ディスプレーサ１１，２１の下死点近傍おける移動速度が上死点近傍における移動速度よりも速くなるよう構成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は極低温冷凍装置に係り、特にディスプレーサを有する極低温冷凍装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、ディスプレーサを備えた極低温冷凍装置として、ギフォード・マクマホン冷凍機（以下、ＧＭ冷凍機という）が知られている。このＧＭ冷凍機は、駆動装置によりシリンダ内でディスプレーサが往復移動する構成とされている。
【０００３】
また、シリンダとディスプレーサとの間には、膨張空間が形成されている。そして、ディスプレーサがシリンダ内で往復移動することにより、膨張空間に供給された高圧の冷媒ガスを膨張させ、これにより極低温の寒冷を発生させる構成とされている。
【０００４】
一般にこの種のＧＭ冷凍機では、ディスプレーサがシリンダ内で一往復する１サイクルの移動速度は単振動の速度と等しく設定されていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第2617681号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
一般にディスプレーサが下死点近傍位置にあるとき、ＧＭ冷凍機はシリンダ内に高圧の冷媒ガスを吸入する処理を行う。
【０００７】
しかしながら、特許文献１に開示された極低温冷凍装置のように、１サイクルにおけるディスプレーサの移動速度が単振動の速度に等しい設定では、冷媒ガスの膨張空間への流入速度が遅いため、膨張空間内における冷媒ガスの圧力上昇が十分でない。よって、寒冷発生時に十分な寒冷を発生することができず、冷却効率が低下してしまうという問題点が生じる。
【０００８】
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、冷凍効率の向上を図った極低温冷凍装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の課題は、第１の観点からは、
駆動装置によりシリンダ内で往復移動されるディスプレーサと、
前記シリンダ内に冷媒ガスを供給する際に開弁される吸気バルブと、
前記シリンダ内から冷媒ガスを排気する際に開弁される排気バルブとを有し、
該ディスプレーサの移動に伴い前記シリンダ内に形成された膨張空間内の冷媒ガスを膨張させることにより寒冷を発生させる極低温冷凍装置であって、
前記ディスプレーサの下死点近傍おける移動速度を上死点近傍における移動速度よりも速くしたことを特徴とする極低温冷凍装置により解決することができる。
【発明の効果】
【００１０】
開示の極低温冷凍装置によれば、ガス供給時に効率よく冷媒ガスをシリンダ内に供給することが可能となるため冷却効率の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、本発明の第１実施形態であるＧＭ冷凍機の概略構成図である。
【図２】図２は、本発明の第１実施形態であるＧＭ冷凍機に設けられる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】図３は、スコッチヨーク機構のスライダ枠を拡大して示す図である。
【図４】図４は、本発明の第１実施形態であるＧＭ冷凍機におけるディスプレーサの移動曲線図である。
【図５】図５は、本発明の第１実施形態であるＧＭ冷凍機に設けられるスコッチヨーク機構の動作を説明するための図である。
【図６】図６は、本発明の第１実施形態であるＧＭ冷凍機のＰ−Ｖ線図である。
【図７】図７は、本発明の効果を示す図である。
【図８】図８は、第１実施形態の変形例であるスコッチヨーク機構を拡大して示す図である。
【図９】図９は、第１実施形態の変形例であるＧＭ冷凍機におけるディスプレーサの移動曲線図である。
【図１０】図１０は、本発明の第２実施形態であるＧＭ冷凍機の概略構成図である。
【図１１】図１１（Ａ）は本発明の第２実施形態であるＧＭ冷凍機のバルブタイミングを示す図であり、図１１（Ｂ）は本発明の第２実施形態であるＧＭ冷凍機におけるディスプレーサの移動曲線図である。
【図１２】図１２は、第２実施形態の変形例であるＧＭ冷凍機の概略構成図である。
【図１３】図１３は、本発明の第３実施形態であるＧＭ冷凍機の概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
次に、本発明の実施の形態について図面と共に説明する。
【００１３】
図１は本発明の第１実施形態である極低温冷凍装置を示している。以下の説明では、極低温冷凍装置としてギフォード・マクマホンサイクルを用いた極低温冷凍装置（以下、ＧＭ冷凍機という）を例に挙げて説明する。しかしながら、本発明の適用はＧＭ冷凍機に限定されるものではなく、ディスプレーサを使用する各種極低温冷凍装置（例えば、ソルベー冷凍機、スターリング冷凍機等）に適用が可能なものである。
【００１４】
本実施形態に係るＧＭ冷凍機１は２段式の冷凍機であり第１段目シリンダ１０と、第２段目シリンダ２０とを有している。この第１段目及び第２段目シリンダ１０，２０は、熱伝導率の低いステンレスで形成される。また、第２段目シリンダ２０の高温端が、第１段目シリンダ１０の低温端に連結された構成とされている。
【００１５】
第２段目シリンダ２０は、第１段目シリンダ１０よりも小さな径を有する。第１段目シリンダ１０及び第２段目シリンダ２０内に、それぞれ第１段目ディスプレーサ１１及び第２段目ディスプレーサ２１が挿入されている。第１段目ディスプレーサ１１と第２段目ディスプレーサ２１とは、相互に連結されており、駆動装置３により、シリンダ１０，２０の軸方向（図中矢印Ｚ１，Ｚ２方向）に往復駆動される。
【００１６】
また、第１段目ディスプレーサ１１及び第２段目ディスプレーサ２１の内部には、それぞれ蓄冷器１２，２２が設けられている。この蓄冷器１２，２２の内部には、それぞれ蓄冷材１３，２３が充填されている。また、第１段目シリンダ１０内の高温端には空洞１４が形成され、また低温端には第１段目膨張室１５が形成されている。更に、第２段目シリンダ２０の低温側には、第２段目膨張室２５が形成されている。
【００１７】
第１段目ディスプレーサ１１及び第２段目ディスプレーサ２１には、冷媒ガス（ヘリウムガス）が流れる複数のガス流路Ｌ１〜Ｌ４が設けられている。ガス流路Ｌ１は空洞１４と蓄冷器１２とを接続し、ガス流路Ｌ２は蓄冷器１２と第１段目膨張室１５とを接続する。また、ガス流路Ｌ３は第１段目膨張室１５と蓄冷器２２とを接続し、ガス流路Ｌ４は蓄冷器２２と第２段目膨張室２５とを接続する。
【００１８】
第１段目シリンダ１０の高温端側の空洞１４は、ガス供給系５に接続されている。ガス供給系５は、ガス圧縮機６、バルブ７，８、及びガス流路９等を含んで構成されている。
【００１９】
吸気バルブ７はガス圧縮機６の吸気口側に接続されており、また排気バルブ８はガス圧縮機６の排気口側に接続されている。吸気バルブ７を開くと共に排気バルブ８を閉じると、ガス圧縮機６からバルブ７及びガス流路９を通って空洞１４内に冷媒ガスが供給される。吸気バルブ７を閉じ、排気バルブ８を開くと、空洞１４内の冷媒ガスがガス流路９及びバルブ８を通ってガス圧縮機６に回収される。
【００２０】
駆動装置３は、第１及び第２段目ディスプレーサ１１，２１を第１及び第２段目シリンダ１０，２０内で往復移動させる。この駆動装置３は、モータ３０とスコッチヨーク機構３２とにより構成されている。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、大略するとクランク部材３４とスコッチヨーク３６とにより構成されている。
【００２１】
クランク部材３４は、モータ３０の回転軸（以下、モータ軸３１という）に固定される。このクランク部材３４は、モータ軸３１の取り付け位置から偏心した位置にクランクピン３４ａを設けた構成とされている。従って、クランク部材３４をモータ軸３１に取り付けると、モータ軸３１とクランクピン３４ａは偏心した状態となる。
【００２２】
また、スコッチヨーク３６には、各ディスプレーサ１１，２１の移動方向と直行する方向（図中、矢印Ｘ１，Ｘ２で示す方向）に延在するスライド溝３８が形成されている。よって、スコッチヨーク３６は枠形状とされている。
【００２３】
スコッチヨーク３６に形成されたスライド溝３８には、コロ軸受け３５が係合している。コロ軸受け３５は、スライド溝３８内で矢印Ｘ１，Ｘ２方向に転動可能な構成とされている。なお、説明の便宜上、スコッチヨーク３６及びスライド溝３８の具体的な構成については後に詳述するものとする。
【００２４】
コロ軸受け３５の中心位置には、クランクピン３４ａと係合するクランクピン係合孔３５ａが形成されている。従って、クランクピン３４ａをコロ軸受け３５に係合した状態でモータ軸３１が回転すると、クランクピン３４ａは円弧を描くように回転し、これによりスコッチヨーク３６は図中矢印Ｚ１，Ｚ２方向に往復移動する。この際、コロ軸受け３５は、スライド溝３８内を図中矢印Ｘ１，Ｘ２方向に往復移動する。
【００２５】
スコッチヨーク３６は、上方向及び下方向に延出する駆動アーム３７が設けられている。この内、下方の駆動アーム３７は、図１に示すように、第１段目ディスプレーサ１１に連結されている。よって上記のようにスコッチヨーク機構３２によりスコッチヨーク３６がＺ１，Ｚ２方向に往復移動すると、駆動アーム３７も上下方向に移動し、これにより第１及び第２段目ディスプレーサ１１，２１は第１及び第２段目シリンダ１０，２０内で往復移動する。
【００２６】
前記した吸気バルブ７及び排気バルブ８の駆動は、モータ３０により駆動される図示しないロータリバルブにより制御されている。ロータリバルブは、吸気バルブ７及び排気バルブ８の開閉と、各ディスプレーサ１１，２１の往復駆動とが所定の位相差を有するよう駆動制御する。この位相差により、第１段目膨張室１５及び第２段目膨張室２５内において冷媒ガスが膨張し寒冷が発生する。
【００２７】
次に、上記構成とされたＧＭ冷凍機１の動作について説明する。
【００２８】
ロータリバルブは、第１及び第２段目ディスプレーサ１１，２１が下死点に至る直前においてガス供給系５の吸気バルブ７を開弁する。具体的には本実施形態では、駆動装置３により第１及び第２段目ディスプレーサ１１，２１が下死点（ＢＤＣ）前３０°に達すると、吸気バルブ７が開弁されるよう構成されている。この際、排気バルブ８は閉弁した状態を維持する。
【００２９】
これによりガス圧縮機６（コンプレッサー）で生成された高圧の冷媒ガスは、ガス流路９及びガス流路Ｌ１を介して第１段目ディスプレーサ１１に形成された蓄冷器１２に流入する。蓄冷器１２内に流入した冷媒ガスは、蓄冷器１２内の蓄冷材１３により冷却されつつ進行し、続いてガス流路Ｌ２を介して第１段目膨張室１５に流入する。
【００３０】
第１段目膨張室１５に流入した冷媒ガスは、ガス流路Ｌ３を介して第２段目ディスプレーサ２１に形成された蓄冷器２２に流入する。そして、蓄冷器２２内に流入した冷媒ガスは、蓄冷器２２内の蓄冷材２３により冷却されつつ進行し、続いてガス流路Ｌ４を介して第２段目膨張室２５に流入する。
【００３１】
吸気バルブ７が開弁した後、第１及び第２段目ディスプレーサ１１，２１は、駆動装置３に駆動されて第１及び第２段目膨張室１５，２５の体積が最も小さくなる下死点に至り、下方（図中矢印Ｚ２方向）に向けた移動が瞬間的に停止する（移動速度がゼロとなる）。
【００３２】
その後、第１及び第２段目ディスプレーサ１１，２１は、上方（図中矢印Ｚ１方向）への移動を開始する。これに伴い、ガス圧縮機６から供給される高圧の冷媒ガスは、前記の経路を経て第１段目膨張室１５及び第２段目膨張室２５内に供給（吸入）されていく。そして、第１及び第２段目ディスプレーサ１１，２１が１２１°に達した時点で吸気バルブ７は閉弁され、ガス供給系５からＧＭ冷凍機１への冷媒ガスの供給が停止される。
【００３３】
吸気バルブ７の閉弁後、更に第１及び第２段目ディスプレーサ１１，２１が上動して１７０°に達すると、ロータリバルブは排気バルブ８を開弁する。この際、吸気バルブ７は閉弁された状態を維持する。これにより、第１及び第２段目膨張室１５，２５内の冷媒ガスは膨張し各膨張室１５，２５内で寒冷が発生する。
【００３４】
排気バルブ８が開弁した後、第１及び第２段目ディスプレーサ１１，２１は、駆動装置３に駆動されて上死点に至り、上方（図中矢印Ｚ１方向）に向けた移動が停止する（移動速度がゼロとなる）。その後、第１及び第２段目ディスプレーサ１１，２１は、下方（図中矢印Ｚ２方向）への移動を開始する。これに伴い、第２段目膨張室２５で膨張した冷媒ガスは、ガス流路Ｌ４を通り蓄冷器２２内に流入し、蓄冷器２２内の蓄冷材２３を冷却しつつ通過し、ガス流路Ｌ３を介して第１段目膨張室１５に流入する。
【００３５】
第１段目膨張室１５に流入した冷媒ガスは、第１段目膨張室１５で膨張した冷媒ガスと共に、ガス流路Ｌ２を介して蓄冷器１２に流入する。蓄冷器１２に流入した冷媒ガスは、蓄冷材１３を冷却しつつ進行し、そしてガス流路Ｌ１、ガス流路９、排気バルブ８を介してガス供給系５のガス圧縮機６に回収されていく。そして、第１及び第２段目ディスプレーサ１１，２１が３４０°に達した時点で排気バルブ８は閉弁され、ＧＭ冷凍機１からガス供給系５への冷媒ガスの回収（吸入）処理は停止される。
【００３６】
以上のサイクルを繰り返し行うことにより、第１段目膨張室１５では２０〜５０Ｋ程度の寒冷を発生することができ、第２段目膨張室２５では４〜１０Ｋ以下の極低温を発生させることができる。
【００３７】
ここで、駆動装置３を構成するスコッチヨーク３６に注目し、主に図２及び図３を用いてその構成及び機能について説明する。
【００３８】
図３は、スコッチヨーク３６を正面視した図である。前記のように、スコッチヨーク３６にはＸ１，Ｘ２方向に延在するスライド溝３８が形成されている。従来のスコッチヨークのスライド溝は、横長の矩形状とされたものが一般的である。
【００３９】
これに対して本実施形態では、スライド溝３８のディスプレーサ１１，２１の下死点に対応する位置（図３に矢印Ａで示す位置。以下、下死点対応位置Ａという）に凸状部３９を設けた構成としている。また、スライド溝３８のディスプレーサ１１，２１の上死点に対応する位置（図３に矢印Ｂで示す位置。以下、上死点対応位置Ｂという）に凹状部４５が設けられている。
【００４０】
スライド溝３８は、下部にＸ１，Ｘ２方向に直線状に延在する下部水平部４０（直線状部）を有し、上部に同様にＸ１，Ｘ２方向に直線状に延在する上部水平部４１（直線状部）を有している。凸状部３９は、下部水平部４０の略中央位置に上方（Ｚ１方向）に突出するよう形成されている。また、凹状部４５は、上部水平部４１の略中央位置に上方（Ｚ１方向）に向け窪むよう形成されている。
【００４１】
ここで、鉛直方向（Ｚ１，Ｚ２方向）に延在し、下死点対応位置Ａを通る線分を想定する。この線分は図３に一点鎖線で示す線分であり、以下の説明においてこの線分を中心線Ｚというものとする。前記した駆動アーム３７は、この中心線Ｚと一直線状となるよう構成されている。
【００４２】
凸状部３９は、図中矢印Ｏで示す位置（以下、この位置を中心点Ｏという）を中心とした円弧形状とされ、円形状部を形成した構成とされている。
【００４３】
本実施形態では、凸状部３９の形状は中心線Ｚを中心として図中矢印Ｘ１方向側及び矢印Ｘ２方向側で対称な形状とされている。
【００４４】
従って、凸状部３９のＸ１方向側の端部と中心点Ｏとを結ぶ線分を線分Ｃとし、凸状部３９のＸ２方向側の端部と中心点Ｏとを結ぶ線分を線分Ｄとすると、線分Ｃと中心線Ｚとがなす角度θ１と、線分Ｄと中心線Ｚとがなす角度θ２は等しくなる（θ１＝θ２）。
【００４５】
この角度θ１〜θ２の大きさは特定されるものではないが、本実施形態ではθ１＝θ２＝３０°、に設定している。しかしながら、これらの角度はこれに限定されるものではなく、例えば２０°≦（θ１＝θ２）≦４０°の範囲で設定してもよい。
【００４６】
なお、凸状部３９の形成範囲を規定する角度θ１，θ２は、必ずしも上記のように同一角度に設定する必要はなく、異ならせた構成（θ１≠θ２）とすることも可能である。
【００４７】
次に、上記構成とされたスコッチヨーク３６を有するスコッチヨーク機構３２を用いた各ディスプレーサ１１，２１の動作について、図４及び図５を用いて説明する。
【００４８】
図４は、ディスプレーサ１１，２１の移動曲線図である。また、図５はスライド溝３８内におけるコロ軸受け３５の動作を示している。
【００４９】
なお、図４において横軸はクランク部材３４の回転角度（クランク角度）を示し、縦軸は第２段目ディスプレーサ２１の偏移（移動量）を示している。また、本実施形態に係るＧＭ冷凍機１の特性を実線で示し（図中、矢印Ａ示す）、凸状部３９及び凹状部４５を有しない従来のＧＭ冷凍機の特性を一点鎖線で示している（図中、矢印Ｂで示す）。
【００５０】
本実施形態に係るスコッチヨーク機構３２は、クランク角度０°が下死点（ＢＤＣ）前３０°に設定されている。よって、クランク角度０°の時のコロ軸受け３５のスライド溝３８内の位置は、図５（Ａ）に示すように、下部水平部４０と凸状部３９との境界に位置している。
【００５１】
この状態からクランク部材３４が３０°回転すると、これに伴いコロ軸受け３５はスコッチヨーク３６を下方（Ｚ２方向）に向けて移動付勢する。この動作に伴い、コロ軸受け３５はスライド溝３８内をＸ２方向に移動する。よってコロ軸受け３５は、凸状部３９に係合しつつスライド溝３８内をＸ２方向に移動する。具体的には、コロ軸受け３５はその移動に伴い凸状部３９と係合し、凸状部３９に乗り上げたような状態となる。
【００５２】
前記のように、コロ軸受け３５が取り付けられたクランクピン３４ａはクランク部材３４の中心に対して偏心した位置にあるため、コロ軸受け３５の移動に伴い、スコッチヨーク３６はＺ２方向に移動する。また、スコッチヨーク３６には駆動アーム３７を介してディスプレーサ１１，２１が接続されている。このため、スコッチヨーク３６の移動に伴い、ディスプレーサ１１，２１もＺ２方向へ移動する。
【００５３】
ここで、スコッチヨーク３６の移動速度（これは、ディスプレーサ１１，２１の移動速度と等価）に注目する。
【００５４】
凸状部３９は、下部水平部４０よりも突出している。よって、単位時間におけるスコッチヨーク３６の移動量は、コロ軸受け３５が従来の水平部４６に係合しているときの移動量に比べ、コロ軸受け３５が凸状部３９と係合しているときの移動量の方が大きくなる。
【００５５】
換言すると、コロ軸受け３５の移動によりスコッチヨーク３６が下方（Ｚ２方向）に移動する移動速度Ｖ１（図４参照）は、コロ軸受け３５が従来の下部水平部４６と係合しているときのスコッチヨーク３６の移動速度Ｖ１Ｂに比べて速くなる（Ｖ１＞Ｖ１Ｂ）。
【００５６】
図５（Ｂ）は、クランク角度が３０°の状態を示している。本実施形態では、クランク角度が３０°時がディスプレーサ１１，２１の下死点（ＢＤＣ）となるよう設定している。このため、下死点（ＢＤＣ）において、コロ軸受け３５は凸状部３９の頂点部（中央位置）に位置している。
【００５７】
クランク部材３４の回転に伴い、コロ軸受け３５がディスプレーサ１１，２１の下死点（ＢＤＣ）に対応する位置を過ぎると、スコッチヨーク３６の移動方向は反転する。即ち、
下死点（ＢＤＣ）を過ぎるとスコッチヨーク３６は上方（Ｚ１方向）に向けた移動を開始する。
【００５８】
このとき、クランク角度が下死点（ＢＤＣ）からその後３０°の間、コロ軸受け３５は凸状部３９と係合した状態を維持する。具体的には、コロ軸受け３５は凸状部３９（具体的には、中心線ＺよりもＸ２方向側の部分）と係合した状態を維持しつつ移動して水平部４０，４１と対向する位置に至る（この状態を図５（Ｃ）に示す）。
【００５９】
よって、コロ軸受け３５の移動によりスコッチヨーク３６が上方（Ｚ１方向）に移動する移動速度Ｖ２（図４参照）は、コロ軸受け３５が従来の水平部４６と係合しているときのスコッチヨーク３６の移動速度Ｖ２Ｂに比べて速くなる（Ｖ２＞Ｖ２Ｂ）。これは、コロ軸受け３５が図５（Ａ）に示す状態から図５（Ｂ）に示す状態に移動するときと同様である。
【００６０】
更に、クランク部材３４が回転すると、図５（Ｄ）に示すように、スライド溝３８内の水平部４０，４１と対向する位置に移動する。この時の、スコッチヨーク３６がＺ１方向の移動速度をＶ３とする。このスコッチヨーク３６の移動速度Ｖ３は、コロ軸受け３５が水平部４０と係合しているため、従来の移動速度Ｖ３Ｂと略同等である。
【００６１】
また、上記したように本実施形態では、凸状部３９の形状は中心線Ｚを介して対称形状となっている。よって、下死点対応位置Ａの前後３０°におけるスコッチヨーク３６の移動速度Ｖ１，Ｖ２は、その方向は異なるが絶対値は等しくなる。なお、凸状部３９の形状は中心線Ｚを介して対称形状とした場合、スコッチヨーク３６の製造を容易化することができる。
【００６２】
また、上記したように本実施形態では、円弧形状の凸状部３９は水平部４０と直接に連結される構造になっているが、コロ軸受け３５が円滑に移動するため、円弧形状の凸状部３９と水平部４０の間に円滑な連結部（例えば、直線）があってもいい。
【００６３】
図５（Ｅ）〜図５（Ｇ）は、コロ軸受け３５が凹状部４５と係合しているときの動作を示している。凹状部４５は水平上部４１に対して窪んだ形状とされている。この凹状部４５は、コロ軸受け３５が凹状部４５と係合している間、スコッチヨーク３６（ディスプレーサ１１，２１）の移動速度Ｖ４は、コロ軸受け３５が従来の水平部４７と係合しているときのスコッチヨーク３６の移動速度Ｖ４Ｂに比べて遅くなる（Ｖ４＜Ｖ４Ｂ）。
【００６４】
また、この凹状部４５は上死点対応位置Ｂとなる位置を中心として、クランク部材３４のクランク角にして±３０°にわたり形成されている。従って、図４に示されるように、上死点（ＴＤＣ）を中心として±３０°の範囲におけるディスプレーサ１１，２１の移動速度Ｖ４はコロ軸受け３５が従来の水平部４７と係合しているときのスコッチヨーク３６の移動速度Ｖ４Ｂに比べて遅くなる（Ｖ４＜Ｖ４Ｂ）。
【００６５】
そして、図５（Ｇ）に示す状態から、更にクランク部材３４が回転すると、図５（Ｈ）に示すように、コロ軸受け３５はスライド溝３８内の水平部４０，４１と対向する位置に移動する。これにより、スコッチヨーク３６は移動を開始し、これに伴いディスプレーサ１１，２１も移動を開始する。
【００６６】
この時のスコッチヨーク３６のＺ１方向の移動速度をＶ５とすると、この移動速度Ｖ５はコロ軸受け３５が水平部４１と係合しているため、従来の移動速度Ｖ５Ｂと略同等である。
【００６７】
上記の説明から明らかなように本実施形態に係るＧＭ冷凍機１は、ディスプレーサ１１，２１の下死点における移動速度Ｖ１，Ｖ２が上死点における移動速度Ｖ４よりも速くなるよう設定されている（Ｖ１＞Ｖ４，Ｖ２＞Ｖ４）。よって、図４に示されるように、従来のＧＭ冷凍機のディスプレーサの移動曲線（図中、矢印Ｂで示す一点鎖線）に比べ、本実施形態に係るディスプレーサの移動曲線（図中、矢印Ａで示す実線）は、下死点近傍において急峻な特性となっている。
【００６８】
ここで、「ディスプレーサ１１，２１の下死点における移動速度」とは、スライド溝３８に凸状部３９が形成された範囲におけるディスプレーサ１１，２１の移動速度をいうものとする。また、「上死点における移動速度」とは、スライド溝３８に凹状部４５が形成された範囲におけるディスプレーサ１１，２１の移動速度をいうものとする。
【００６９】
また本実施形態では、ディスプレーサ１１，２１が下死点（ＢＤＣ）前３０°に達した時点で吸気バルブ７が開弁される構成とされている。よって本実施形態では、吸気バルブ７が開弁されると同時に、ディスプレーサ１１，２１（スコッチヨーク３６）の移動速度がＶ５からＶ１に変化する（従来のＶ１Ｂより速くなる）。
【００７０】
なお、本実施形態では上死点近傍でディスプレーサ１１，２１（スコッチヨーク３６）の移動速度が変化するタイミングと、吸気バルブ７が開弁されるタイミングが同時となるよう設定しているが、吸気バルブ７の開弁のタイミングは、ディスプレーサ１１，２１（スコッチヨーク３６）の移動速度が変化するタイミングよりも早く設定することも可能である。
【００７１】
この構成した場合には、吸気バルブ７が開弁したときからディスプレーサ１１，２１が下死点に至るときまでの間に、ディスプレーサ１１，２１（スコッチヨーク３６）の移動速度が速なる構成となる。
【００７２】
更に本実施形態では、ディスプレーサ１１，２１（スコッチヨーク３６）が下死点に至ったときから、排気バルブ８を開弁するときまでの間に、ディスプレーサ１１，２１（スコッチヨーク３６）の移動速度は従来のディスプレーサの移動速度と略同等になる。具体的には、ディスプレーサ１１，２１（スコッチヨーク３６）の移動速度は、クランク角度が３０°において移動速度Ｖ２から移動速度Ｖ３に変化され、従来の移動速度Ｖ３Ｂと略同等になる。なお、本実施形態における吸気バルブ７はクランク角度が１２１°で閉弁される。
【００７３】
次に、ディスプレーサ１１，２１の下死点における移動速度Ｖ１，Ｖ２を上死点における移動速度Ｖ４よりも速く設定することによる作用効果について説明する。
【００７４】
前記のように吸気バルブ７が開弁することにより、ＧＭ冷凍機１にはガス供給系５から高圧の冷媒ガスが供給される。冷媒ガスは、高圧になると密度が大きくなる特性を有している。よって、冷媒ガスは高圧とすることにより圧力損失を小さくすることができる。
【００７５】
また本実施形態のように、ディスプレーサ１１，２１の下死点における移動速度Ｖ１，Ｖ２を速めることにより、ガス供給系５からＧＭ冷凍機１内へのガス供給量を増大させることができる。このように、ＧＭ冷凍機１内へのガス供給量を増大させても、冷媒ガスは高圧であるため圧力損失を小さい。このため、大量の冷媒ガスをＧＭ冷凍機１内に効率よく供給することが可能となる。
【００７６】
よって、冷媒ガスをＧＭ冷凍機１に供給し、吸気バルブ７を閉弁した後に排気バルブ８を開弁した際、大量の冷媒ガスを膨張させることが可能となる。これにより、ＧＭ冷凍機１の冷却効率を高めることが可能となる。
【００７７】
このように、ＧＭ冷凍機１に対して高圧の冷媒ガスを効率よく供給するためには、吸気バルブ７が開弁したときからディスプレーサ１１，２１が下死点に至るときまでの間に、ディスプレーサ１１，２１の移動速度を速くする構成することが望ましい。
【００７８】
図６は、本実施形態に係るＧＭ冷凍機１のＰ−Ｖ線図（矢印Ａで示す特性）と、比較例としてスライド溝３８に凸状部３９を設けないＧＭ冷凍機のＰ−Ｖ線図（図中、矢印Ｂで示す特性）とを並べて示している。
【００７９】
Ｐ−Ｖ線図において、ＧＭ冷凍機の１サイクル間に発生する寒冷量は、Ｐ−Ｖ線図で囲まれる面積に相当する。そこで図６を見ると、本実施形態に係るＧＭ冷凍機１のＰ−Ｖ線図の面積は、比較例に係るＧＭ冷凍機のＰ−Ｖ線図の面積よりも広くなっていることが分かる。よって図６により、本実施形態に係るＧＭ冷凍機１は、比較例に比べて冷却効率が高いことが実証された。
【００８０】
また、図７は本実施形態に係るＧＭ冷凍機１の冷却温度を比較例に係るＧＭ冷凍機の冷却温度と比較して示す図である。いずれのＧＭ冷凍機においても、第１段目膨張室の近傍温度と、第２段目膨張室の近傍温度を測定した。
【００８１】
同図に示すように、比較例に係るＧＭ冷凍機の１段目の温度が46.2Kであったのに対し、本実施形態に係るＧＭ冷凍機の１段目の温度は45.1Kであった。また、比較例に係るＧＭ冷凍機の２段目の温度が4.26Kであったのに対し、本実施形態に係るＧＭ冷凍機の２段目の温度は4.19Kであった。このように、図７からも、本実施形態に係るＧＭ冷凍機１は、比較例に比べて冷却効率が高いことが実証された。
【００８２】
図８は、上記した実施形態の変形例であるＧＭ冷凍機のスコッチヨーク機構４８を示している。同ずでは、スコッチヨーク機構４８のスコッチヨーク４９を拡大して示している。なお、図８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、その説明は省略する。
【００８３】
図１乃至図５に示したＧＭ冷凍機１に設けられたスコッチヨーク機構３２は、スコッチヨーク３６の上部水平部４１に凹状部４５を設けた構成とした。これに対して本変形例では、上部水平部４１に凹状部４５を設けることなく、平らな構成としたことを特徴とするものである。
【００８４】
図９は、図８に示すスコッチヨーク４９を用いたＧＭ冷凍機のディスプレーサ１１，２１の移動曲線図である。本変形例に係るＧＭ冷凍機では、上部水平部４１に凹状部４５を設けられていないため、上死点近傍においてディスプレーサ１１，２１が停止することはなく、その移動は単振動的な移動となる。
【００８５】
いま、上死点（ＴＤＣ）前３０°から上死点に至るまでのディスプレーサ１１，２１の移動速度をＶ４ａとし、上死点から上死点（ＴＤＣ）後３０°までのディスプレーサ１１，２１の移動速度をＶ４ｂとする。
【００８６】
前記のように下死点（ＢＤＣ）近傍におけるディスプレーサ１１，２１の移動速度Ｖ１，Ｖ２は、コロ軸受け３５が下部水平部４０に形成された凸状部３９と係合するため、その速度はコロ軸受け３５が水平部４０，４１と係合しているときの速度に比べて速くなる。よって、本変形性の構成によっても、下死点近傍おけるディスプレーサ１１，２１の移動速度Ｖ１，Ｖ２は、上死点近傍におけるディスプレーサ１１，２１の移動速度Ｖ４ａ，Ｖ４ｂよりも速くなる。
【００８７】
従って、本変形例に係るＧＭ冷凍機の構成としても、前記した実施形態に係るＧＭ冷凍機１と同様に、冷却効率の向上を図ることができる。
【００８８】
なお、本実施形態では凸状部３９が円弧状である例について説明したが、凸状部３９の形状はこれに限定されるものではなく、水平下部４０よりも上側に突出した形状であれば良く、例えば、複数の直線又は曲線を組み合わせて凸状部３９を構成しても良い。
【００８９】
次に、本発明の第２実施形態について説明する。
【００９０】
図１０は、第２実施形態であるＧＭ冷凍機５０を示している。本実施形態では一段式のＧＭ冷凍機を例に挙げて説明する。
【００９１】
ＧＭ冷凍機５０は、駆動装置５１、ディスプレーサ５２、シリンダ５４、冷却ステージ５５、蓄冷器５７、及び圧縮機６２等を有している。本実施形態に係るＧＭ冷凍機５０は、ディスプレーサ５２を駆動する駆動装置５１として、ガス駆動方式を適用していることを特徴としている。
【００９２】
ディスプレーサ５２は、ディスプレーサ本体５２Ａ、低温側熱伝導部５２Ｂ、及び蓄冷器５７等を有した構成とされている。ディスプレーサ本体５２Ａは有底筒状とされており、その内部には蓄冷材が収納された蓄冷器５７が設けられている。
【００９３】
蓄冷器５７の高温側（図中、上方が高温側となる）には、冷媒ガスの流れを整流する整流器５９が設けられている。また、蓄冷器５７の低温側（図中、下方が低温側となる）にも、冷媒ガスの流れを整流する整流器６０が設けられている。
【００９４】
ディスプレーサ５２の高温端に位置する天板部５２Ｄには、冷媒ガスを室温室５８から蓄冷器５７に流すための流路６１が複数形成されている。室温室５８は、ディスプレーサ５２の天板部５２Ｄとシリンダ５４の天板部５４Ａとの間に形成されている。
【００９５】
この室温室５８は、圧縮機６２と接続されている。具体的には、室温室５８には圧縮機６２のサプライ側に接続されたサプライ配管６７、及び圧縮機６２のリターン側に接続されたリターン配管６８が接続されている。サプライ配管６７は、吸気バルブ６３（バルブＶ１ということもある）を介して室温室５８に接続されている。またリターン配管６８は、排気バルブ６４（バルブＶ２ということもある）を介して室温室５８に接続されている。なお、各配管６７，６８は、各バルブ６３，６４の下流側で一本になって室温室５８に接続されている。
【００９６】
従って、吸気バルブ６３が開弁する共に排気バルブ６４が閉弁することにより、圧縮機６２で生成された高圧の冷媒ガスは室温室５８に供給される。逆に、吸気バルブ６３が閉弁すると共に排気バルブ６４が開弁することにより、室温室５８から圧縮機６２に冷媒ガスは還流される。
【００９７】
ディスプレーサ５２の低温端には、低温側熱伝導部５２Ｂが設けられている。また、ディスプレーサ本体５２Ａと低温側熱伝導部５２Ｂとの間には、蓄冷器５７と膨張空間５３を連通する第２流路６６が形成されている。この低温側熱伝導部５２Ｂは、ピン５６を用いてディスプレーサ本体５２Ａに結合されている。
【００９８】
膨張空間５３は、シリンダ５４とディスプレーサ５２（低温側熱伝導部５２Ｂ）との間に形成されている。この膨張空間５３には、圧縮機６２から高圧の冷媒ガスが導入される。また、導入された冷媒ガスが断熱膨張することにより、膨張空間５３内で寒冷が発生するよう構成されている。
【００９９】
シリンダ５４は、その内部にディスプレーサ５２を移動可能に収容する。このシリンダ５４は、有底筒状の形状を有しており、開口側となる低温端部に冷却ステージ５５が配設されている。この冷却ステージ５５は被冷却物に熱的に接続されており、膨張空間５３で寒冷が発生することにより発生被冷却物は冷却される。
【０１００】
また、シリンダ５４とディスプレーサ５２との間にはシール６５が装着されている。このシール６５により、圧縮機６２から供給された冷媒ガスがディスプレーサ５２とシリンダ５４との間の間隙を通り膨張空間５３に流入することを防止する。
【０１０１】
このシリンダ５４の高温端には、ディスプレーサ５２を駆動する駆動装置５１が設けられている。駆動装置５１は、駆動ピストン５２Ｅ、駆動室７０、駆動用高圧バルブ７１、駆動用低圧バルブ７２等を有した構成とされている。また本実施形態では、圧縮機６２で生成される高圧の冷媒ガスを駆動ガスとして使用している。
【０１０２】
駆動ピストン５２Ｅは、駆動室７０のディスプレーサ側の壁を構成すると共に、ディスプレーサ５２と一体的な構成とされている。駆動ピストン５２Ｅは、例えばディスプレーサ５２の天板部５２Ｄの中央位置から上方に向けて突出するよう設けることができる。よって、駆動ピストン５２Ｅが上下に移動すると、これに伴いディスプレーサ５２もシリンダ５４内で上下移動を行う。
【０１０３】
駆動室７０は、シリンダ５４の天板部５４Ａの中央位置に形成されている。この駆動室７０は天板部５４Ａから上方に突出した構成とされており、前記した駆動ピストン５２Ｅは駆動室７０内で上下方向（シリンダ５４の軸方向）に移動可能な構成とされている。
【０１０４】
また駆動室７０内の所定位置には、シール７３が配設されている。このシール７３は、駆動室７０の内壁とディスプレーサ５２Ｅとの間に配設されている。これにより、駆動室７０は、室温室５８に対し気密に画成された構成となる。また、シール７３を設けることにより、駆動ピストン５２Ｅは駆動室７０の気密状態を維持しつつ上下移動を行うことが可能となる。
【０１０５】
更に、駆動室７０は、圧縮機６２と接続されている。具体的には、駆動室７０にはサプライ配管６７及びリターン配管６８が接続されている。サプライ配管６７は、駆動用高圧バルブ７１（バルブＶ３ということもある）を介して駆動室７０に接続されている。またリターン配管６８は、駆動用低圧バルブ７２（バルブＶ４ということもある）を介して駆動室７０に接続されている。なお、各配管６７，６８は各バルブ７１，７２の下流側で一本になって駆動室７０に接続されている。
【０１０６】
従って、駆動用高圧バルブ７１が開弁すると共に駆動用低圧バルブ７２が閉弁することにより、圧縮機６２で生成された高圧の冷媒ガスは駆動室７０に供給され、駆動室７０内の圧力（以下、この圧力をＰ２という）は高くなる。逆に、駆動用高圧バルブ７１が閉弁すると共に駆動用低圧バルブ７２が開弁することにより、駆動室７０内の冷媒ガスは圧縮機６２に還流され、駆動室７０内の圧力Ｐ２は低くなる。
【０１０７】
このように、駆動室７０内の圧力Ｐ２は、駆動用高圧バルブ７１及び駆動用低圧バルブ７２の開閉により制御することができる。一方、シリンダ５４内の圧力（以下、この圧力をＰ１という）は、吸気バルブ６３及び排気バルブ６４の開閉により制御することができる。
【０１０８】
よって、各バルブ６３，６４，７１，７２の開閉制御により、シリンダ５４内の圧力Ｐ１が駆動室７０内の圧力Ｐ２よりも大きくなると（Ｐ１＞Ｐ２）、ディスプレーサ５２は上動（上死点方向への移動）を行う。逆に、シリンダ５４内の圧力Ｐ１が駆動室７０内の圧力Ｐ２よりも小さい場合（Ｐ１＜Ｐ２）には、ディスプレーサ５２は下動（下死点方向への移動）を行う。このように、本実施形態に係るＧＭ冷凍機５０は、駆動装置５１によりディスプレーサ５２を駆動する構成としている。
【０１０９】
なお、上記した各バルブバルブ６３，６４，７１，７２（バルブＶ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４）は、ロータリバルブとして一体構成とされており、ロータリバルブが１回転（３６０°の回転）することによりディスプレーサ５２が１回往復移動する（１サイクルの動作を行う）構成とされている。
【０１１０】
次に、図１１を参照し、上記構成とされたＧＭ冷凍機５０の動作について説明する。
【０１１１】
図１１は、本実施形態に係るＧＭ冷凍機５０の動作を示している。図１１（Ａ）は本実施形態であるＧＭ冷凍機５０のバルブタイミングを示し、図１１（Ｂ）はＧＭ冷凍機５０におけるディスプレーサ５２の移動を示している。
【０１１２】
なお、図１１（Ａ）において、太い実線で示すのは各バルブ６３，６４，７１，７２（バルブＶ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４）が開弁している期間であり、また横軸はロータリバルブの回転角度（以下、単にバルブ回転角度という）を示している。また、図１２（Ｂ）において、横軸はロータリバルブの回転角度を示し、縦軸はディスプレーサ５２の変位量を示している。
【０１１３】
図１１（Ａ）を参照すると、バルブ回転角度が０°であるとき、駆動装置５１を構成する駆動用高圧バルブ７１（Ｖ３）のみが開弁し、他のバルブ７２，６３，６４（Ｖ１，Ｖ２，Ｖ４）は閉弁した状態となっている。よって、圧縮機６２で昇圧された冷媒ガスは、駆動用高圧バルブ７１（Ｖ３）を通り駆動室７０に供給される。
【０１１４】
このため、駆動室７０内の圧力Ｐ２はシリンダ５４内の圧力Ｐ１よりも大きくなる（Ｐ１＜Ｐ２）。従ってディスプレーサ５２は、下死点（ＢＤＣ）に向けて下動を行う。ここで、この下動時におけるディスプレーサ５２の移動速度をＶＣ１とする。
【０１１５】
本実施形態に係るＧＭ冷凍機５０は、下死点（ＢＤＣ）をバルブ回転角度９０°よりも早い角度に設定している。また、吸気バルブ６３（Ｖ１）は、下死点（ＢＤＣ）よりも早いバルブ回転角度θ１で開弁するよう設定している。更に、駆動用高圧バルブ７１（Ｖ３）は、バルブ回転角度θ１と下死点（ＢＤＣ）との間であるバルブ回転角度θ２で閉弁されるよう設定されている。
【０１１６】
このように、駆動用高圧バルブ７１（Ｖ３）が閉弁されると共に、吸気バルブ６３（Ｖ１）が開弁されると、吸気バルブ６３（Ｖ１）を介して圧縮機６２から高圧の冷媒ガスがシリンダ５４内（室温室５８及び膨張空間５３）に導入される。これにより、シリンダ５４内の圧力Ｐ１は上昇する。
【０１１７】
また、ディスプレーサ５２が下死点（ＢＤＣ）に至ると、駆動用低圧バルブ７２（Ｖ４）が開弁される。これにより駆動室７０はリターン配管６８に接続されるため、その内部圧力Ｐ２は低くなる。従って、シリンダ５４内の圧力Ｐ１は、駆動室７０内の圧力Ｐ２よりも高くなり、ディスプレーサ２は上死点（ＴＤＣ）に向けて上動を行う。ここで、上動時におけるディスプレーサ５２の移動速度をＶＣ２とする。
【０１１８】
このディスプレーサ５２の上動に伴い、圧縮機６２で生成された高圧の冷媒ガスは、室温室５８、流路６１、蓄冷器５７、及び第２流路６６を通り膨張空間５３に流入する。この際、冷媒ガスは蓄冷器５７内の蓄冷材により冷却が行われる。
【０１１９】
吸気バルブ６３（Ｖ１）は、バルブ回転角度θ３で閉弁する。このバルブ回転角度θ３の時点で、シリンダ５４内は高圧の冷媒ガスが充填されており、内部圧力Ｐ１は高い状態を維持している。また、駆動用低圧バルブ７２（Ｖ４）はバルブ回転角度θ３においても開弁状態を維持し、よって駆動室７０内の圧力Ｐ２は低い状態となっている。このため、バルブ回転角度θ３においても、ディスプレーサ５２は上動を維持する。
【０１２０】
本実施形態では、バルブ回転角度１８０°で排気バルブ６４（Ｖ２）を開弁する構成としている。排気バルブ６４（Ｖ２）が開弁されることにより、膨張空間５３内の冷媒ガスは膨張し、これにより膨張空間５３内に寒冷が発生する。この膨張空間５３に発生した寒冷により、冷却ステージ５５に接続された被冷却物は冷却される。
【０１２１】
上記のように排気バルブ６４（Ｖ２）が開弁された後も、駆動用低圧バルブ７２（Ｖ４）は開弁した状態を維持する。排気バルブ６４（Ｖ２）が開弁されることによりシリンダ５４内の圧力Ｐ２は低い圧力となる。同様に、駆動用低圧バルブ７２（Ｖ４）が開くことにより、駆動室７０内の圧力Ｐ２も低い圧力となっている。更にこの状態では、シリンダ５４内に形成された空間部（膨張空間５３及び室温室５８等）及び駆動室７０は、いずれもリターン配管６８に接続されている。
【０１２２】
従って、排気バルブ６４（Ｖ２）と駆動用低圧バルブ７２（Ｖ４）が共に開弁した状態では、シリンダ５４内の圧力Ｐ１と駆動室７０内の圧力Ｐ２は略等しくなる（Ｐ１≒Ｐ２）。このように、シリンダ５４内の圧力Ｐ１と駆動室７０内の圧力Ｐ２とが略等しい状態では、ディスプレーサ５２は略停止した状態を維持する。よって、この時のディスプレーサ５２の速度をＶＣ３とすると、ＶＣ３≒０となる。
【０１２３】
駆動用低圧バルブ７２（Ｖ４）は、バルブ回転角度θ４において閉弁される。また、駆動用低圧バルブ７２（Ｖ４）が閉弁されると、その後バルブ回転角度θ５において駆動用高圧バルブ７１（Ｖ３）が開弁される。
【０１２４】
駆動用低圧バルブ７２（Ｖ４）が閉弁し、駆動用高圧バルブ７１（Ｖ３）が開弁することにより、駆動室７０には圧縮機６２から高圧の冷媒ガスが流入し、よって駆動室７０内の圧力Ｐ２は上昇する。一方、バルブ回転角度θ５においても、排気バルブ６４（Ｖ２）は開弁された状態を維持し、シリンダ４内の圧力Ｐ１は低い状態となっている。よって、駆動用高圧バルブ７１（Ｖ３）が開弁することにより、駆動ピストン５２Ｅは下動付勢され、ディスプレーサ５２は下死点に向けて下動を開始する。この時のディスプレーサ５２の速度をＶＣ４とする。
【０１２５】
排気バルブ６４（Ｖ２）が開弁している状態においてディスプレーサ５２が下動すると、膨張空間５３及び室温室５８等のシリンダ５４内の冷媒ガスは、リターン配管６８を介して圧縮機６２に還流される。
【０１２６】
その後、バルブ回転角度θ６において、排気バルブ６４（Ｖ２）は閉弁される。これにより、圧縮機６２からの高圧の冷媒ガスは駆動用高圧バルブ７１（Ｖ３）を介して駆動室７０のみに供給され、よってディスプレーサ５２の下動速度は前記したＶＣ１となる。
【０１２７】
上記の説明から明らかなように本実施形態に係るＧＭ冷凍機５０においても、ディスプレーサ５２の下死点（ＢＤＣ）近傍における移動速度ＶＣ１，ＶＣ２は、上死点（ＴＤＣ）近傍における移動速度ＶＣ３よりも速くなる（ＶＣ１＞ＶＣ３，ＶＣ２＞ＶＣ３）。
【０１２８】
これは、本実施形態では駆動用高圧バルブ７１（Ｖ３）の開弁時間に対して、駆動用低圧バルブ７２（Ｖ４）の開弁時間を長く設定していることによる。具体的には、駆動用高圧バルブ７１（Ｖ３）は１サイクル（３６０°）中にバルブ回転角度θ５〜θ２の間（約１２０°）開弁しているのに対し、駆動用低圧バルブ７２（Ｖ４）はバルブ回転角度ＢＤＣ〜θ４の間（約２４５°）開弁している。
【０１２９】
このように、駆動用高圧バルブ７１（Ｖ３）が開弁している時間に比べ、駆動用低圧バルブ７２（Ｖ４）が開弁している時間を長くすることにより、駆動用低圧バルブ７２（Ｖ４）と吸気バルブ６３（Ｖ１）が共に開弁している時間（ＢＤＣ〜θ３）、及び駆動用低圧バルブ７２（Ｖ４）と排気バルブ６４（Ｖ２）が共に開弁している時間（１８０°〜θ４）を長くすることができる。
【０１３０】
即ち、駆動用低圧バルブ７２（Ｖ４）と吸気バルブ６３（Ｖ１）が共に開弁している時間（ＢＤＣ〜θ３）が長くなることにより、ディスプレーサ５２が上動する速度ＶＣ２を速くすることができる。また、駆動用低圧バルブ７２（Ｖ４）と排気バルブ６４（Ｖ２）が共に開弁している時間（１８０°〜θ４）が長くなることにより、ディスプレーサ５２の速度が遅くなり、相対的に下死点（ＢＤＣ）近傍における速度を速めることができる。
【０１３１】
このように本実施形態においても、第１実施形態と同様にディスプレーサ５２下死点（ＢＤＣ）における移動速度Ｖ１，Ｖ２を速めることができるため、大量の冷媒ガスをＧＭ冷凍機５０（膨張空間５３）内に効率よく供給することが可能となる。よって、寒冷発生時に膨張空間５３内において大量の冷媒ガスを膨張させることが可能となり、ＧＭ冷凍機５０の冷却効率を高めることが可能となる。
【０１３２】
図１２は、上記した第２実施形態に係るＧＭ冷凍機５０の変形例であるＧＭ冷凍機８０を示している。
【０１３３】
なお、図１２において、図１０に示した第２実施形態に係るＧＭ冷凍機５０と対応する構成については同一符号を付し、その説明は省略する。
【０１３４】
本変形例に係るＧＭ冷凍機８０は、サプライ配管６７の駆動用高圧バルブ７１と駆動室７０との間に、流体抵抗となる流路抵抗バルブ８１を設けたことを特徴としている。この流路抵抗バルブ８１は、弁開度を調整可能な電磁弁を用いることができる。流路抵抗バルブ８１を設けることにより、サプライ配管６７の駆動用高圧バルブ７１と駆動室７０との間の流路抵抗を大きくすることが可能となる。
【０１３５】
これにより、シリンダ５４から冷媒ガスを圧縮機６２へ還流する吸気時において、シリンダ５４内の圧力Ｐ１と駆動室７０内の圧力Ｐ２との差圧を小さくすることができ、上死点（ＴＤＣ）近傍におけるディスプレーサ５２の移動速度を更に遅くすることができる。また、流路抵抗８１を設けることにより、駆動室７０へガス導入する速度が遅くなるため、駆動室７０内の圧力が高圧まで上昇する時間が長くなる。それにより、バルブＶ１が開くときにシリンダ５４内の圧力Ｐ１を駆動室７０内の圧力Ｐ２より大きくすることができ、下死点（ＢＤＣ）近傍におけるディスプレーサ５２の移動速度を更に早めることができる。よって、更に冷却効率を高めることができる。
【０１３６】
なお、流体抵抗は電磁弁に限定されるものではなく、オリフィス等の他のものを用いることも可能である。
【０１３７】
図１３は、本発明の第３実施形態であるＧＭ冷凍機９０を示している。
【０１３８】
なお、図１３においても、図１０に示した第２実施形態に係るＧＭ冷凍機５０と対応する構成については同一符号を付し、その説明は省略する。
【０１３９】
本実施形態に係るＧＭ冷凍機９０は、駆動装置９１としてリニアモータを用いたことを特徴とするものである。この駆動装置９１は、マグネット９２、駆動コイル９３、及び制御装置９４等を有している。
【０１４０】
マグネット９２は、Ｎ極とＳ極が所定ピッチで交互に着磁された棒状の磁石である。このマグネット９２は、ディスプレーサ５２の天板部５２Ｄの中央部に上方に向けて突出するよう設けられている。
【０１４１】
駆動コイル９３は、複数の電磁石により構成されている。この各電磁石は、電流を流すことにより磁力を発生する。マグネット９２は、駆動コイル９３の中心部に形成された空間内に上下方向に移動可能に挿通される。この駆動コイル９３は、制御装置９４に接続されている。
【０１４２】
制御装置９４は、駆動コイル９３の駆動制御を行うものである。具体的には、制御装置９４は、駆動コイル９３に供給する電流の大きさ及びその流れ方向を可変する。前記のようにマグネット９２は、Ｎ極とＳ極が所定ピッチで交互に着磁されている。よって制御装置９４が駆動コイル９３を構成する複数の電磁石の磁極が順次変化するよう制御することにより、マグネット９２は直線移動を行う。
【０１４３】
マグネット９２は、ディスプレーサ５２に固定されている。よって、駆動コイル９３によりマグネット９２が移動されることにより、ディスプレーサ５２も移動を行う。よって、駆動装置９１によりディスプレーサ５２を駆動することができる。
【０１４４】
駆動装置９１によるディスプレーサ５２の移動は、駆動コイル９３に流す電流の大きさ及びその流れ方向を制御することにより調整することが可能である。本実施形態では、制御装置９４にマイクロコンピュータを組み込んでおり、またディスプレーサ５２を図４に実線で示す移動を行うよう設定されたプログラムも組み込まれている。
【０１４５】
よって、制御装置９４で駆動コイル９３を制御することにより、ディスプレーサ５２は図４に実線で示す移動を行う。これにより、駆動装置９１としてリニアモータを使用した本実施形態においても、第１実施形態と同様にディスプレーサ５２下死点（ＢＤＣ）における移動速度Ｖ１，Ｖ２を速めることができるため、大量の冷媒ガスをＧＭ冷凍機５０（シリンダ４）内に効率よく供給することが可能となる。よって、寒冷発生時に膨張空間５３内において大量の冷媒ガスを膨張させることが可能となり、ＧＭ冷凍機９０の冷却効率を高めることができる。
【０１４６】
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。
【符号の説明】
【０１４７】
１，５０，８０，９０ ＧＭ冷凍機
３，５１，９１ 駆動装置
５ ガス供給系
６ ガス圧縮機
７，６３ 吸気バルブ
８，６４ 排気バルブ
９ ガス流路
１０ 第１段目シリンダ
１１ 第１段目ディスプレーサ
１２，２２，５７ 蓄冷器
１３，２３ 蓄冷材
１５ 第１段目膨張室
２０ 第２段目シリンダ
２１ 第２段目ディスプレーサ
２５ 第２段目膨張室
２８，５５ 冷却ステージ
３０ モータ
３１ モータ軸
３２，５２ スコッチヨーク機構
３４ クランク部材
３５ コロ軸受け
３６，５６ スコッチヨーク
３７ 駆動アーム
３８ スライド溝
３９ 凸状部
４５ 凹状部
５２ ディスプレーサ
５２Ｅ 駆動ピストン
５３ 膨張空間
５４ シリンダ
５８ 室温室
７０ 駆動室
７１ 駆動用高圧バルブ
７２ 駆動用低圧バルブ
８１ 流路抵抗バルブ
９２ マグネット
９３ 駆動コイル９３
【技術分野】
【０００１】
本発明は極低温冷凍装置に係り、特にディスプレーサを有する極低温冷凍装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、ディスプレーサを備えた極低温冷凍装置として、ギフォード・マクマホン冷凍機（以下、ＧＭ冷凍機という）が知られている。このＧＭ冷凍機は、駆動装置によりシリンダ内でディスプレーサが往復移動する構成とされている。
【０００３】
また、シリンダとディスプレーサとの間には、膨張空間が形成されている。そして、ディスプレーサがシリンダ内で往復移動することにより、膨張空間に供給された高圧の冷媒ガスを膨張させ、これにより極低温の寒冷を発生させる構成とされている。
【０００４】
一般にこの種のＧＭ冷凍機では、ディスプレーサがシリンダ内で一往復する１サイクルの移動速度は単振動の速度と等しく設定されていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第2617681号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
一般にディスプレーサが下死点近傍位置にあるとき、ＧＭ冷凍機はシリンダ内に高圧の冷媒ガスを吸入する処理を行う。
【０００７】
しかしながら、特許文献１に開示された極低温冷凍装置のように、１サイクルにおけるディスプレーサの移動速度が単振動の速度に等しい設定では、冷媒ガスの膨張空間への流入速度が遅いため、膨張空間内における冷媒ガスの圧力上昇が十分でない。よって、寒冷発生時に十分な寒冷を発生することができず、冷却効率が低下してしまうという問題点が生じる。
【０００８】
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、冷凍効率の向上を図った極低温冷凍装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の課題は、第１の観点からは、
駆動装置によりシリンダ内で往復移動されるディスプレーサと、
前記シリンダ内に冷媒ガスを供給する際に開弁される吸気バルブと、
前記シリンダ内から冷媒ガスを排気する際に開弁される排気バルブとを有し、
該ディスプレーサの移動に伴い前記シリンダ内に形成された膨張空間内の冷媒ガスを膨張させることにより寒冷を発生させる極低温冷凍装置であって、
前記ディスプレーサの下死点近傍おける移動速度を上死点近傍における移動速度よりも速くしたことを特徴とする極低温冷凍装置により解決することができる。
【発明の効果】
【００１０】
開示の極低温冷凍装置によれば、ガス供給時に効率よく冷媒ガスをシリンダ内に供給することが可能となるため冷却効率の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、本発明の第１実施形態であるＧＭ冷凍機の概略構成図である。
【図２】図２は、本発明の第１実施形態であるＧＭ冷凍機に設けられる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】図３は、スコッチヨーク機構のスライダ枠を拡大して示す図である。
【図４】図４は、本発明の第１実施形態であるＧＭ冷凍機におけるディスプレーサの移動曲線図である。
【図５】図５は、本発明の第１実施形態であるＧＭ冷凍機に設けられるスコッチヨーク機構の動作を説明するための図である。
【図６】図６は、本発明の第１実施形態であるＧＭ冷凍機のＰ−Ｖ線図である。
【図７】図７は、本発明の効果を示す図である。
【図８】図８は、第１実施形態の変形例であるスコッチヨーク機構を拡大して示す図である。
【図９】図９は、第１実施形態の変形例であるＧＭ冷凍機におけるディスプレーサの移動曲線図である。
【図１０】図１０は、本発明の第２実施形態であるＧＭ冷凍機の概略構成図である。
【図１１】図１１（Ａ）は本発明の第２実施形態であるＧＭ冷凍機のバルブタイミングを示す図であり、図１１（Ｂ）は本発明の第２実施形態であるＧＭ冷凍機におけるディスプレーサの移動曲線図である。
【図１２】図１２は、第２実施形態の変形例であるＧＭ冷凍機の概略構成図である。
【図１３】図１３は、本発明の第３実施形態であるＧＭ冷凍機の概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
次に、本発明の実施の形態について図面と共に説明する。
【００１３】
図１は本発明の第１実施形態である極低温冷凍装置を示している。以下の説明では、極低温冷凍装置としてギフォード・マクマホンサイクルを用いた極低温冷凍装置（以下、ＧＭ冷凍機という）を例に挙げて説明する。しかしながら、本発明の適用はＧＭ冷凍機に限定されるものではなく、ディスプレーサを使用する各種極低温冷凍装置（例えば、ソルベー冷凍機、スターリング冷凍機等）に適用が可能なものである。
【００１４】
本実施形態に係るＧＭ冷凍機１は２段式の冷凍機であり第１段目シリンダ１０と、第２段目シリンダ２０とを有している。この第１段目及び第２段目シリンダ１０，２０は、熱伝導率の低いステンレスで形成される。また、第２段目シリンダ２０の高温端が、第１段目シリンダ１０の低温端に連結された構成とされている。
【００１５】
第２段目シリンダ２０は、第１段目シリンダ１０よりも小さな径を有する。第１段目シリンダ１０及び第２段目シリンダ２０内に、それぞれ第１段目ディスプレーサ１１及び第２段目ディスプレーサ２１が挿入されている。第１段目ディスプレーサ１１と第２段目ディスプレーサ２１とは、相互に連結されており、駆動装置３により、シリンダ１０，２０の軸方向（図中矢印Ｚ１，Ｚ２方向）に往復駆動される。
【００１６】
また、第１段目ディスプレーサ１１及び第２段目ディスプレーサ２１の内部には、それぞれ蓄冷器１２，２２が設けられている。この蓄冷器１２，２２の内部には、それぞれ蓄冷材１３，２３が充填されている。また、第１段目シリンダ１０内の高温端には空洞１４が形成され、また低温端には第１段目膨張室１５が形成されている。更に、第２段目シリンダ２０の低温側には、第２段目膨張室２５が形成されている。
【００１７】
第１段目ディスプレーサ１１及び第２段目ディスプレーサ２１には、冷媒ガス（ヘリウムガス）が流れる複数のガス流路Ｌ１〜Ｌ４が設けられている。ガス流路Ｌ１は空洞１４と蓄冷器１２とを接続し、ガス流路Ｌ２は蓄冷器１２と第１段目膨張室１５とを接続する。また、ガス流路Ｌ３は第１段目膨張室１５と蓄冷器２２とを接続し、ガス流路Ｌ４は蓄冷器２２と第２段目膨張室２５とを接続する。
【００１８】
第１段目シリンダ１０の高温端側の空洞１４は、ガス供給系５に接続されている。ガス供給系５は、ガス圧縮機６、バルブ７，８、及びガス流路９等を含んで構成されている。
【００１９】
吸気バルブ７はガス圧縮機６の吸気口側に接続されており、また排気バルブ８はガス圧縮機６の排気口側に接続されている。吸気バルブ７を開くと共に排気バルブ８を閉じると、ガス圧縮機６からバルブ７及びガス流路９を通って空洞１４内に冷媒ガスが供給される。吸気バルブ７を閉じ、排気バルブ８を開くと、空洞１４内の冷媒ガスがガス流路９及びバルブ８を通ってガス圧縮機６に回収される。
【００２０】
駆動装置３は、第１及び第２段目ディスプレーサ１１，２１を第１及び第２段目シリンダ１０，２０内で往復移動させる。この駆動装置３は、モータ３０とスコッチヨーク機構３２とにより構成されている。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、大略するとクランク部材３４とスコッチヨーク３６とにより構成されている。
【００２１】
クランク部材３４は、モータ３０の回転軸（以下、モータ軸３１という）に固定される。このクランク部材３４は、モータ軸３１の取り付け位置から偏心した位置にクランクピン３４ａを設けた構成とされている。従って、クランク部材３４をモータ軸３１に取り付けると、モータ軸３１とクランクピン３４ａは偏心した状態となる。
【００２２】
また、スコッチヨーク３６には、各ディスプレーサ１１，２１の移動方向と直行する方向（図中、矢印Ｘ１，Ｘ２で示す方向）に延在するスライド溝３８が形成されている。よって、スコッチヨーク３６は枠形状とされている。
【００２３】
スコッチヨーク３６に形成されたスライド溝３８には、コロ軸受け３５が係合している。コロ軸受け３５は、スライド溝３８内で矢印Ｘ１，Ｘ２方向に転動可能な構成とされている。なお、説明の便宜上、スコッチヨーク３６及びスライド溝３８の具体的な構成については後に詳述するものとする。
【００２４】
コロ軸受け３５の中心位置には、クランクピン３４ａと係合するクランクピン係合孔３５ａが形成されている。従って、クランクピン３４ａをコロ軸受け３５に係合した状態でモータ軸３１が回転すると、クランクピン３４ａは円弧を描くように回転し、これによりスコッチヨーク３６は図中矢印Ｚ１，Ｚ２方向に往復移動する。この際、コロ軸受け３５は、スライド溝３８内を図中矢印Ｘ１，Ｘ２方向に往復移動する。
【００２５】
スコッチヨーク３６は、上方向及び下方向に延出する駆動アーム３７が設けられている。この内、下方の駆動アーム３７は、図１に示すように、第１段目ディスプレーサ１１に連結されている。よって上記のようにスコッチヨーク機構３２によりスコッチヨーク３６がＺ１，Ｚ２方向に往復移動すると、駆動アーム３７も上下方向に移動し、これにより第１及び第２段目ディスプレーサ１１，２１は第１及び第２段目シリンダ１０，２０内で往復移動する。
【００２６】
前記した吸気バルブ７及び排気バルブ８の駆動は、モータ３０により駆動される図示しないロータリバルブにより制御されている。ロータリバルブは、吸気バルブ７及び排気バルブ８の開閉と、各ディスプレーサ１１，２１の往復駆動とが所定の位相差を有するよう駆動制御する。この位相差により、第１段目膨張室１５及び第２段目膨張室２５内において冷媒ガスが膨張し寒冷が発生する。
【００２７】
次に、上記構成とされたＧＭ冷凍機１の動作について説明する。
【００２８】
ロータリバルブは、第１及び第２段目ディスプレーサ１１，２１が下死点に至る直前においてガス供給系５の吸気バルブ７を開弁する。具体的には本実施形態では、駆動装置３により第１及び第２段目ディスプレーサ１１，２１が下死点（ＢＤＣ）前３０°に達すると、吸気バルブ７が開弁されるよう構成されている。この際、排気バルブ８は閉弁した状態を維持する。
【００２９】
これによりガス圧縮機６（コンプレッサー）で生成された高圧の冷媒ガスは、ガス流路９及びガス流路Ｌ１を介して第１段目ディスプレーサ１１に形成された蓄冷器１２に流入する。蓄冷器１２内に流入した冷媒ガスは、蓄冷器１２内の蓄冷材１３により冷却されつつ進行し、続いてガス流路Ｌ２を介して第１段目膨張室１５に流入する。
【００３０】
第１段目膨張室１５に流入した冷媒ガスは、ガス流路Ｌ３を介して第２段目ディスプレーサ２１に形成された蓄冷器２２に流入する。そして、蓄冷器２２内に流入した冷媒ガスは、蓄冷器２２内の蓄冷材２３により冷却されつつ進行し、続いてガス流路Ｌ４を介して第２段目膨張室２５に流入する。
【００３１】
吸気バルブ７が開弁した後、第１及び第２段目ディスプレーサ１１，２１は、駆動装置３に駆動されて第１及び第２段目膨張室１５，２５の体積が最も小さくなる下死点に至り、下方（図中矢印Ｚ２方向）に向けた移動が瞬間的に停止する（移動速度がゼロとなる）。
【００３２】
その後、第１及び第２段目ディスプレーサ１１，２１は、上方（図中矢印Ｚ１方向）への移動を開始する。これに伴い、ガス圧縮機６から供給される高圧の冷媒ガスは、前記の経路を経て第１段目膨張室１５及び第２段目膨張室２５内に供給（吸入）されていく。そして、第１及び第２段目ディスプレーサ１１，２１が１２１°に達した時点で吸気バルブ７は閉弁され、ガス供給系５からＧＭ冷凍機１への冷媒ガスの供給が停止される。
【００３３】
吸気バルブ７の閉弁後、更に第１及び第２段目ディスプレーサ１１，２１が上動して１７０°に達すると、ロータリバルブは排気バルブ８を開弁する。この際、吸気バルブ７は閉弁された状態を維持する。これにより、第１及び第２段目膨張室１５，２５内の冷媒ガスは膨張し各膨張室１５，２５内で寒冷が発生する。
【００３４】
排気バルブ８が開弁した後、第１及び第２段目ディスプレーサ１１，２１は、駆動装置３に駆動されて上死点に至り、上方（図中矢印Ｚ１方向）に向けた移動が停止する（移動速度がゼロとなる）。その後、第１及び第２段目ディスプレーサ１１，２１は、下方（図中矢印Ｚ２方向）への移動を開始する。これに伴い、第２段目膨張室２５で膨張した冷媒ガスは、ガス流路Ｌ４を通り蓄冷器２２内に流入し、蓄冷器２２内の蓄冷材２３を冷却しつつ通過し、ガス流路Ｌ３を介して第１段目膨張室１５に流入する。
【００３５】
第１段目膨張室１５に流入した冷媒ガスは、第１段目膨張室１５で膨張した冷媒ガスと共に、ガス流路Ｌ２を介して蓄冷器１２に流入する。蓄冷器１２に流入した冷媒ガスは、蓄冷材１３を冷却しつつ進行し、そしてガス流路Ｌ１、ガス流路９、排気バルブ８を介してガス供給系５のガス圧縮機６に回収されていく。そして、第１及び第２段目ディスプレーサ１１，２１が３４０°に達した時点で排気バルブ８は閉弁され、ＧＭ冷凍機１からガス供給系５への冷媒ガスの回収（吸入）処理は停止される。
【００３６】
以上のサイクルを繰り返し行うことにより、第１段目膨張室１５では２０〜５０Ｋ程度の寒冷を発生することができ、第２段目膨張室２５では４〜１０Ｋ以下の極低温を発生させることができる。
【００３７】
ここで、駆動装置３を構成するスコッチヨーク３６に注目し、主に図２及び図３を用いてその構成及び機能について説明する。
【００３８】
図３は、スコッチヨーク３６を正面視した図である。前記のように、スコッチヨーク３６にはＸ１，Ｘ２方向に延在するスライド溝３８が形成されている。従来のスコッチヨークのスライド溝は、横長の矩形状とされたものが一般的である。
【００３９】
これに対して本実施形態では、スライド溝３８のディスプレーサ１１，２１の下死点に対応する位置（図３に矢印Ａで示す位置。以下、下死点対応位置Ａという）に凸状部３９を設けた構成としている。また、スライド溝３８のディスプレーサ１１，２１の上死点に対応する位置（図３に矢印Ｂで示す位置。以下、上死点対応位置Ｂという）に凹状部４５が設けられている。
【００４０】
スライド溝３８は、下部にＸ１，Ｘ２方向に直線状に延在する下部水平部４０（直線状部）を有し、上部に同様にＸ１，Ｘ２方向に直線状に延在する上部水平部４１（直線状部）を有している。凸状部３９は、下部水平部４０の略中央位置に上方（Ｚ１方向）に突出するよう形成されている。また、凹状部４５は、上部水平部４１の略中央位置に上方（Ｚ１方向）に向け窪むよう形成されている。
【００４１】
ここで、鉛直方向（Ｚ１，Ｚ２方向）に延在し、下死点対応位置Ａを通る線分を想定する。この線分は図３に一点鎖線で示す線分であり、以下の説明においてこの線分を中心線Ｚというものとする。前記した駆動アーム３７は、この中心線Ｚと一直線状となるよう構成されている。
【００４２】
凸状部３９は、図中矢印Ｏで示す位置（以下、この位置を中心点Ｏという）を中心とした円弧形状とされ、円形状部を形成した構成とされている。
【００４３】
本実施形態では、凸状部３９の形状は中心線Ｚを中心として図中矢印Ｘ１方向側及び矢印Ｘ２方向側で対称な形状とされている。
【００４４】
従って、凸状部３９のＸ１方向側の端部と中心点Ｏとを結ぶ線分を線分Ｃとし、凸状部３９のＸ２方向側の端部と中心点Ｏとを結ぶ線分を線分Ｄとすると、線分Ｃと中心線Ｚとがなす角度θ１と、線分Ｄと中心線Ｚとがなす角度θ２は等しくなる（θ１＝θ２）。
【００４５】
この角度θ１〜θ２の大きさは特定されるものではないが、本実施形態ではθ１＝θ２＝３０°、に設定している。しかしながら、これらの角度はこれに限定されるものではなく、例えば２０°≦（θ１＝θ２）≦４０°の範囲で設定してもよい。
【００４６】
なお、凸状部３９の形成範囲を規定する角度θ１，θ２は、必ずしも上記のように同一角度に設定する必要はなく、異ならせた構成（θ１≠θ２）とすることも可能である。
【００４７】
次に、上記構成とされたスコッチヨーク３６を有するスコッチヨーク機構３２を用いた各ディスプレーサ１１，２１の動作について、図４及び図５を用いて説明する。
【００４８】
図４は、ディスプレーサ１１，２１の移動曲線図である。また、図５はスライド溝３８内におけるコロ軸受け３５の動作を示している。
【００４９】
なお、図４において横軸はクランク部材３４の回転角度（クランク角度）を示し、縦軸は第２段目ディスプレーサ２１の偏移（移動量）を示している。また、本実施形態に係るＧＭ冷凍機１の特性を実線で示し（図中、矢印Ａ示す）、凸状部３９及び凹状部４５を有しない従来のＧＭ冷凍機の特性を一点鎖線で示している（図中、矢印Ｂで示す）。
【００５０】
本実施形態に係るスコッチヨーク機構３２は、クランク角度０°が下死点（ＢＤＣ）前３０°に設定されている。よって、クランク角度０°の時のコロ軸受け３５のスライド溝３８内の位置は、図５（Ａ）に示すように、下部水平部４０と凸状部３９との境界に位置している。
【００５１】
この状態からクランク部材３４が３０°回転すると、これに伴いコロ軸受け３５はスコッチヨーク３６を下方（Ｚ２方向）に向けて移動付勢する。この動作に伴い、コロ軸受け３５はスライド溝３８内をＸ２方向に移動する。よってコロ軸受け３５は、凸状部３９に係合しつつスライド溝３８内をＸ２方向に移動する。具体的には、コロ軸受け３５はその移動に伴い凸状部３９と係合し、凸状部３９に乗り上げたような状態となる。
【００５２】
前記のように、コロ軸受け３５が取り付けられたクランクピン３４ａはクランク部材３４の中心に対して偏心した位置にあるため、コロ軸受け３５の移動に伴い、スコッチヨーク３６はＺ２方向に移動する。また、スコッチヨーク３６には駆動アーム３７を介してディスプレーサ１１，２１が接続されている。このため、スコッチヨーク３６の移動に伴い、ディスプレーサ１１，２１もＺ２方向へ移動する。
【００５３】
ここで、スコッチヨーク３６の移動速度（これは、ディスプレーサ１１，２１の移動速度と等価）に注目する。
【００５４】
凸状部３９は、下部水平部４０よりも突出している。よって、単位時間におけるスコッチヨーク３６の移動量は、コロ軸受け３５が従来の水平部４６に係合しているときの移動量に比べ、コロ軸受け３５が凸状部３９と係合しているときの移動量の方が大きくなる。
【００５５】
換言すると、コロ軸受け３５の移動によりスコッチヨーク３６が下方（Ｚ２方向）に移動する移動速度Ｖ１（図４参照）は、コロ軸受け３５が従来の下部水平部４６と係合しているときのスコッチヨーク３６の移動速度Ｖ１Ｂに比べて速くなる（Ｖ１＞Ｖ１Ｂ）。
【００５６】
図５（Ｂ）は、クランク角度が３０°の状態を示している。本実施形態では、クランク角度が３０°時がディスプレーサ１１，２１の下死点（ＢＤＣ）となるよう設定している。このため、下死点（ＢＤＣ）において、コロ軸受け３５は凸状部３９の頂点部（中央位置）に位置している。
【００５７】
クランク部材３４の回転に伴い、コロ軸受け３５がディスプレーサ１１，２１の下死点（ＢＤＣ）に対応する位置を過ぎると、スコッチヨーク３６の移動方向は反転する。即ち、
下死点（ＢＤＣ）を過ぎるとスコッチヨーク３６は上方（Ｚ１方向）に向けた移動を開始する。
【００５８】
このとき、クランク角度が下死点（ＢＤＣ）からその後３０°の間、コロ軸受け３５は凸状部３９と係合した状態を維持する。具体的には、コロ軸受け３５は凸状部３９（具体的には、中心線ＺよりもＸ２方向側の部分）と係合した状態を維持しつつ移動して水平部４０，４１と対向する位置に至る（この状態を図５（Ｃ）に示す）。
【００５９】
よって、コロ軸受け３５の移動によりスコッチヨーク３６が上方（Ｚ１方向）に移動する移動速度Ｖ２（図４参照）は、コロ軸受け３５が従来の水平部４６と係合しているときのスコッチヨーク３６の移動速度Ｖ２Ｂに比べて速くなる（Ｖ２＞Ｖ２Ｂ）。これは、コロ軸受け３５が図５（Ａ）に示す状態から図５（Ｂ）に示す状態に移動するときと同様である。
【００６０】
更に、クランク部材３４が回転すると、図５（Ｄ）に示すように、スライド溝３８内の水平部４０，４１と対向する位置に移動する。この時の、スコッチヨーク３６がＺ１方向の移動速度をＶ３とする。このスコッチヨーク３６の移動速度Ｖ３は、コロ軸受け３５が水平部４０と係合しているため、従来の移動速度Ｖ３Ｂと略同等である。
【００６１】
また、上記したように本実施形態では、凸状部３９の形状は中心線Ｚを介して対称形状となっている。よって、下死点対応位置Ａの前後３０°におけるスコッチヨーク３６の移動速度Ｖ１，Ｖ２は、その方向は異なるが絶対値は等しくなる。なお、凸状部３９の形状は中心線Ｚを介して対称形状とした場合、スコッチヨーク３６の製造を容易化することができる。
【００６２】
また、上記したように本実施形態では、円弧形状の凸状部３９は水平部４０と直接に連結される構造になっているが、コロ軸受け３５が円滑に移動するため、円弧形状の凸状部３９と水平部４０の間に円滑な連結部（例えば、直線）があってもいい。
【００６３】
図５（Ｅ）〜図５（Ｇ）は、コロ軸受け３５が凹状部４５と係合しているときの動作を示している。凹状部４５は水平上部４１に対して窪んだ形状とされている。この凹状部４５は、コロ軸受け３５が凹状部４５と係合している間、スコッチヨーク３６（ディスプレーサ１１，２１）の移動速度Ｖ４は、コロ軸受け３５が従来の水平部４７と係合しているときのスコッチヨーク３６の移動速度Ｖ４Ｂに比べて遅くなる（Ｖ４＜Ｖ４Ｂ）。
【００６４】
また、この凹状部４５は上死点対応位置Ｂとなる位置を中心として、クランク部材３４のクランク角にして±３０°にわたり形成されている。従って、図４に示されるように、上死点（ＴＤＣ）を中心として±３０°の範囲におけるディスプレーサ１１，２１の移動速度Ｖ４はコロ軸受け３５が従来の水平部４７と係合しているときのスコッチヨーク３６の移動速度Ｖ４Ｂに比べて遅くなる（Ｖ４＜Ｖ４Ｂ）。
【００６５】
そして、図５（Ｇ）に示す状態から、更にクランク部材３４が回転すると、図５（Ｈ）に示すように、コロ軸受け３５はスライド溝３８内の水平部４０，４１と対向する位置に移動する。これにより、スコッチヨーク３６は移動を開始し、これに伴いディスプレーサ１１，２１も移動を開始する。
【００６６】
この時のスコッチヨーク３６のＺ１方向の移動速度をＶ５とすると、この移動速度Ｖ５はコロ軸受け３５が水平部４１と係合しているため、従来の移動速度Ｖ５Ｂと略同等である。
【００６７】
上記の説明から明らかなように本実施形態に係るＧＭ冷凍機１は、ディスプレーサ１１，２１の下死点における移動速度Ｖ１，Ｖ２が上死点における移動速度Ｖ４よりも速くなるよう設定されている（Ｖ１＞Ｖ４，Ｖ２＞Ｖ４）。よって、図４に示されるように、従来のＧＭ冷凍機のディスプレーサの移動曲線（図中、矢印Ｂで示す一点鎖線）に比べ、本実施形態に係るディスプレーサの移動曲線（図中、矢印Ａで示す実線）は、下死点近傍において急峻な特性となっている。
【００６８】
ここで、「ディスプレーサ１１，２１の下死点における移動速度」とは、スライド溝３８に凸状部３９が形成された範囲におけるディスプレーサ１１，２１の移動速度をいうものとする。また、「上死点における移動速度」とは、スライド溝３８に凹状部４５が形成された範囲におけるディスプレーサ１１，２１の移動速度をいうものとする。
【００６９】
また本実施形態では、ディスプレーサ１１，２１が下死点（ＢＤＣ）前３０°に達した時点で吸気バルブ７が開弁される構成とされている。よって本実施形態では、吸気バルブ７が開弁されると同時に、ディスプレーサ１１，２１（スコッチヨーク３６）の移動速度がＶ５からＶ１に変化する（従来のＶ１Ｂより速くなる）。
【００７０】
なお、本実施形態では上死点近傍でディスプレーサ１１，２１（スコッチヨーク３６）の移動速度が変化するタイミングと、吸気バルブ７が開弁されるタイミングが同時となるよう設定しているが、吸気バルブ７の開弁のタイミングは、ディスプレーサ１１，２１（スコッチヨーク３６）の移動速度が変化するタイミングよりも早く設定することも可能である。
【００７１】
この構成した場合には、吸気バルブ７が開弁したときからディスプレーサ１１，２１が下死点に至るときまでの間に、ディスプレーサ１１，２１（スコッチヨーク３６）の移動速度が速なる構成となる。
【００７２】
更に本実施形態では、ディスプレーサ１１，２１（スコッチヨーク３６）が下死点に至ったときから、排気バルブ８を開弁するときまでの間に、ディスプレーサ１１，２１（スコッチヨーク３６）の移動速度は従来のディスプレーサの移動速度と略同等になる。具体的には、ディスプレーサ１１，２１（スコッチヨーク３６）の移動速度は、クランク角度が３０°において移動速度Ｖ２から移動速度Ｖ３に変化され、従来の移動速度Ｖ３Ｂと略同等になる。なお、本実施形態における吸気バルブ７はクランク角度が１２１°で閉弁される。
【００７３】
次に、ディスプレーサ１１，２１の下死点における移動速度Ｖ１，Ｖ２を上死点における移動速度Ｖ４よりも速く設定することによる作用効果について説明する。
【００７４】
前記のように吸気バルブ７が開弁することにより、ＧＭ冷凍機１にはガス供給系５から高圧の冷媒ガスが供給される。冷媒ガスは、高圧になると密度が大きくなる特性を有している。よって、冷媒ガスは高圧とすることにより圧力損失を小さくすることができる。
【００７５】
また本実施形態のように、ディスプレーサ１１，２１の下死点における移動速度Ｖ１，Ｖ２を速めることにより、ガス供給系５からＧＭ冷凍機１内へのガス供給量を増大させることができる。このように、ＧＭ冷凍機１内へのガス供給量を増大させても、冷媒ガスは高圧であるため圧力損失を小さい。このため、大量の冷媒ガスをＧＭ冷凍機１内に効率よく供給することが可能となる。
【００７６】
よって、冷媒ガスをＧＭ冷凍機１に供給し、吸気バルブ７を閉弁した後に排気バルブ８を開弁した際、大量の冷媒ガスを膨張させることが可能となる。これにより、ＧＭ冷凍機１の冷却効率を高めることが可能となる。
【００７７】
このように、ＧＭ冷凍機１に対して高圧の冷媒ガスを効率よく供給するためには、吸気バルブ７が開弁したときからディスプレーサ１１，２１が下死点に至るときまでの間に、ディスプレーサ１１，２１の移動速度を速くする構成することが望ましい。
【００７８】
図６は、本実施形態に係るＧＭ冷凍機１のＰ−Ｖ線図（矢印Ａで示す特性）と、比較例としてスライド溝３８に凸状部３９を設けないＧＭ冷凍機のＰ−Ｖ線図（図中、矢印Ｂで示す特性）とを並べて示している。
【００７９】
Ｐ−Ｖ線図において、ＧＭ冷凍機の１サイクル間に発生する寒冷量は、Ｐ−Ｖ線図で囲まれる面積に相当する。そこで図６を見ると、本実施形態に係るＧＭ冷凍機１のＰ−Ｖ線図の面積は、比較例に係るＧＭ冷凍機のＰ−Ｖ線図の面積よりも広くなっていることが分かる。よって図６により、本実施形態に係るＧＭ冷凍機１は、比較例に比べて冷却効率が高いことが実証された。
【００８０】
また、図７は本実施形態に係るＧＭ冷凍機１の冷却温度を比較例に係るＧＭ冷凍機の冷却温度と比較して示す図である。いずれのＧＭ冷凍機においても、第１段目膨張室の近傍温度と、第２段目膨張室の近傍温度を測定した。
【００８１】
同図に示すように、比較例に係るＧＭ冷凍機の１段目の温度が46.2Kであったのに対し、本実施形態に係るＧＭ冷凍機の１段目の温度は45.1Kであった。また、比較例に係るＧＭ冷凍機の２段目の温度が4.26Kであったのに対し、本実施形態に係るＧＭ冷凍機の２段目の温度は4.19Kであった。このように、図７からも、本実施形態に係るＧＭ冷凍機１は、比較例に比べて冷却効率が高いことが実証された。
【００８２】
図８は、上記した実施形態の変形例であるＧＭ冷凍機のスコッチヨーク機構４８を示している。同ずでは、スコッチヨーク機構４８のスコッチヨーク４９を拡大して示している。なお、図８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、その説明は省略する。
【００８３】
図１乃至図５に示したＧＭ冷凍機１に設けられたスコッチヨーク機構３２は、スコッチヨーク３６の上部水平部４１に凹状部４５を設けた構成とした。これに対して本変形例では、上部水平部４１に凹状部４５を設けることなく、平らな構成としたことを特徴とするものである。
【００８４】
図９は、図８に示すスコッチヨーク４９を用いたＧＭ冷凍機のディスプレーサ１１，２１の移動曲線図である。本変形例に係るＧＭ冷凍機では、上部水平部４１に凹状部４５を設けられていないため、上死点近傍においてディスプレーサ１１，２１が停止することはなく、その移動は単振動的な移動となる。
【００８５】
いま、上死点（ＴＤＣ）前３０°から上死点に至るまでのディスプレーサ１１，２１の移動速度をＶ４ａとし、上死点から上死点（ＴＤＣ）後３０°までのディスプレーサ１１，２１の移動速度をＶ４ｂとする。
【００８６】
前記のように下死点（ＢＤＣ）近傍におけるディスプレーサ１１，２１の移動速度Ｖ１，Ｖ２は、コロ軸受け３５が下部水平部４０に形成された凸状部３９と係合するため、その速度はコロ軸受け３５が水平部４０，４１と係合しているときの速度に比べて速くなる。よって、本変形性の構成によっても、下死点近傍おけるディスプレーサ１１，２１の移動速度Ｖ１，Ｖ２は、上死点近傍におけるディスプレーサ１１，２１の移動速度Ｖ４ａ，Ｖ４ｂよりも速くなる。
【００８７】
従って、本変形例に係るＧＭ冷凍機の構成としても、前記した実施形態に係るＧＭ冷凍機１と同様に、冷却効率の向上を図ることができる。
【００８８】
なお、本実施形態では凸状部３９が円弧状である例について説明したが、凸状部３９の形状はこれに限定されるものではなく、水平下部４０よりも上側に突出した形状であれば良く、例えば、複数の直線又は曲線を組み合わせて凸状部３９を構成しても良い。
【００８９】
次に、本発明の第２実施形態について説明する。
【００９０】
図１０は、第２実施形態であるＧＭ冷凍機５０を示している。本実施形態では一段式のＧＭ冷凍機を例に挙げて説明する。
【００９１】
ＧＭ冷凍機５０は、駆動装置５１、ディスプレーサ５２、シリンダ５４、冷却ステージ５５、蓄冷器５７、及び圧縮機６２等を有している。本実施形態に係るＧＭ冷凍機５０は、ディスプレーサ５２を駆動する駆動装置５１として、ガス駆動方式を適用していることを特徴としている。
【００９２】
ディスプレーサ５２は、ディスプレーサ本体５２Ａ、低温側熱伝導部５２Ｂ、及び蓄冷器５７等を有した構成とされている。ディスプレーサ本体５２Ａは有底筒状とされており、その内部には蓄冷材が収納された蓄冷器５７が設けられている。
【００９３】
蓄冷器５７の高温側（図中、上方が高温側となる）には、冷媒ガスの流れを整流する整流器５９が設けられている。また、蓄冷器５７の低温側（図中、下方が低温側となる）にも、冷媒ガスの流れを整流する整流器６０が設けられている。
【００９４】
ディスプレーサ５２の高温端に位置する天板部５２Ｄには、冷媒ガスを室温室５８から蓄冷器５７に流すための流路６１が複数形成されている。室温室５８は、ディスプレーサ５２の天板部５２Ｄとシリンダ５４の天板部５４Ａとの間に形成されている。
【００９５】
この室温室５８は、圧縮機６２と接続されている。具体的には、室温室５８には圧縮機６２のサプライ側に接続されたサプライ配管６７、及び圧縮機６２のリターン側に接続されたリターン配管６８が接続されている。サプライ配管６７は、吸気バルブ６３（バルブＶ１ということもある）を介して室温室５８に接続されている。またリターン配管６８は、排気バルブ６４（バルブＶ２ということもある）を介して室温室５８に接続されている。なお、各配管６７，６８は、各バルブ６３，６４の下流側で一本になって室温室５８に接続されている。
【００９６】
従って、吸気バルブ６３が開弁する共に排気バルブ６４が閉弁することにより、圧縮機６２で生成された高圧の冷媒ガスは室温室５８に供給される。逆に、吸気バルブ６３が閉弁すると共に排気バルブ６４が開弁することにより、室温室５８から圧縮機６２に冷媒ガスは還流される。
【００９７】
ディスプレーサ５２の低温端には、低温側熱伝導部５２Ｂが設けられている。また、ディスプレーサ本体５２Ａと低温側熱伝導部５２Ｂとの間には、蓄冷器５７と膨張空間５３を連通する第２流路６６が形成されている。この低温側熱伝導部５２Ｂは、ピン５６を用いてディスプレーサ本体５２Ａに結合されている。
【００９８】
膨張空間５３は、シリンダ５４とディスプレーサ５２（低温側熱伝導部５２Ｂ）との間に形成されている。この膨張空間５３には、圧縮機６２から高圧の冷媒ガスが導入される。また、導入された冷媒ガスが断熱膨張することにより、膨張空間５３内で寒冷が発生するよう構成されている。
【００９９】
シリンダ５４は、その内部にディスプレーサ５２を移動可能に収容する。このシリンダ５４は、有底筒状の形状を有しており、開口側となる低温端部に冷却ステージ５５が配設されている。この冷却ステージ５５は被冷却物に熱的に接続されており、膨張空間５３で寒冷が発生することにより発生被冷却物は冷却される。
【０１００】
また、シリンダ５４とディスプレーサ５２との間にはシール６５が装着されている。このシール６５により、圧縮機６２から供給された冷媒ガスがディスプレーサ５２とシリンダ５４との間の間隙を通り膨張空間５３に流入することを防止する。
【０１０１】
このシリンダ５４の高温端には、ディスプレーサ５２を駆動する駆動装置５１が設けられている。駆動装置５１は、駆動ピストン５２Ｅ、駆動室７０、駆動用高圧バルブ７１、駆動用低圧バルブ７２等を有した構成とされている。また本実施形態では、圧縮機６２で生成される高圧の冷媒ガスを駆動ガスとして使用している。
【０１０２】
駆動ピストン５２Ｅは、駆動室７０のディスプレーサ側の壁を構成すると共に、ディスプレーサ５２と一体的な構成とされている。駆動ピストン５２Ｅは、例えばディスプレーサ５２の天板部５２Ｄの中央位置から上方に向けて突出するよう設けることができる。よって、駆動ピストン５２Ｅが上下に移動すると、これに伴いディスプレーサ５２もシリンダ５４内で上下移動を行う。
【０１０３】
駆動室７０は、シリンダ５４の天板部５４Ａの中央位置に形成されている。この駆動室７０は天板部５４Ａから上方に突出した構成とされており、前記した駆動ピストン５２Ｅは駆動室７０内で上下方向（シリンダ５４の軸方向）に移動可能な構成とされている。
【０１０４】
また駆動室７０内の所定位置には、シール７３が配設されている。このシール７３は、駆動室７０の内壁とディスプレーサ５２Ｅとの間に配設されている。これにより、駆動室７０は、室温室５８に対し気密に画成された構成となる。また、シール７３を設けることにより、駆動ピストン５２Ｅは駆動室７０の気密状態を維持しつつ上下移動を行うことが可能となる。
【０１０５】
更に、駆動室７０は、圧縮機６２と接続されている。具体的には、駆動室７０にはサプライ配管６７及びリターン配管６８が接続されている。サプライ配管６７は、駆動用高圧バルブ７１（バルブＶ３ということもある）を介して駆動室７０に接続されている。またリターン配管６８は、駆動用低圧バルブ７２（バルブＶ４ということもある）を介して駆動室７０に接続されている。なお、各配管６７，６８は各バルブ７１，７２の下流側で一本になって駆動室７０に接続されている。
【０１０６】
従って、駆動用高圧バルブ７１が開弁すると共に駆動用低圧バルブ７２が閉弁することにより、圧縮機６２で生成された高圧の冷媒ガスは駆動室７０に供給され、駆動室７０内の圧力（以下、この圧力をＰ２という）は高くなる。逆に、駆動用高圧バルブ７１が閉弁すると共に駆動用低圧バルブ７２が開弁することにより、駆動室７０内の冷媒ガスは圧縮機６２に還流され、駆動室７０内の圧力Ｐ２は低くなる。
【０１０７】
このように、駆動室７０内の圧力Ｐ２は、駆動用高圧バルブ７１及び駆動用低圧バルブ７２の開閉により制御することができる。一方、シリンダ５４内の圧力（以下、この圧力をＰ１という）は、吸気バルブ６３及び排気バルブ６４の開閉により制御することができる。
【０１０８】
よって、各バルブ６３，６４，７１，７２の開閉制御により、シリンダ５４内の圧力Ｐ１が駆動室７０内の圧力Ｐ２よりも大きくなると（Ｐ１＞Ｐ２）、ディスプレーサ５２は上動（上死点方向への移動）を行う。逆に、シリンダ５４内の圧力Ｐ１が駆動室７０内の圧力Ｐ２よりも小さい場合（Ｐ１＜Ｐ２）には、ディスプレーサ５２は下動（下死点方向への移動）を行う。このように、本実施形態に係るＧＭ冷凍機５０は、駆動装置５１によりディスプレーサ５２を駆動する構成としている。
【０１０９】
なお、上記した各バルブバルブ６３，６４，７１，７２（バルブＶ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４）は、ロータリバルブとして一体構成とされており、ロータリバルブが１回転（３６０°の回転）することによりディスプレーサ５２が１回往復移動する（１サイクルの動作を行う）構成とされている。
【０１１０】
次に、図１１を参照し、上記構成とされたＧＭ冷凍機５０の動作について説明する。
【０１１１】
図１１は、本実施形態に係るＧＭ冷凍機５０の動作を示している。図１１（Ａ）は本実施形態であるＧＭ冷凍機５０のバルブタイミングを示し、図１１（Ｂ）はＧＭ冷凍機５０におけるディスプレーサ５２の移動を示している。
【０１１２】
なお、図１１（Ａ）において、太い実線で示すのは各バルブ６３，６４，７１，７２（バルブＶ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４）が開弁している期間であり、また横軸はロータリバルブの回転角度（以下、単にバルブ回転角度という）を示している。また、図１２（Ｂ）において、横軸はロータリバルブの回転角度を示し、縦軸はディスプレーサ５２の変位量を示している。
【０１１３】
図１１（Ａ）を参照すると、バルブ回転角度が０°であるとき、駆動装置５１を構成する駆動用高圧バルブ７１（Ｖ３）のみが開弁し、他のバルブ７２，６３，６４（Ｖ１，Ｖ２，Ｖ４）は閉弁した状態となっている。よって、圧縮機６２で昇圧された冷媒ガスは、駆動用高圧バルブ７１（Ｖ３）を通り駆動室７０に供給される。
【０１１４】
このため、駆動室７０内の圧力Ｐ２はシリンダ５４内の圧力Ｐ１よりも大きくなる（Ｐ１＜Ｐ２）。従ってディスプレーサ５２は、下死点（ＢＤＣ）に向けて下動を行う。ここで、この下動時におけるディスプレーサ５２の移動速度をＶＣ１とする。
【０１１５】
本実施形態に係るＧＭ冷凍機５０は、下死点（ＢＤＣ）をバルブ回転角度９０°よりも早い角度に設定している。また、吸気バルブ６３（Ｖ１）は、下死点（ＢＤＣ）よりも早いバルブ回転角度θ１で開弁するよう設定している。更に、駆動用高圧バルブ７１（Ｖ３）は、バルブ回転角度θ１と下死点（ＢＤＣ）との間であるバルブ回転角度θ２で閉弁されるよう設定されている。
【０１１６】
このように、駆動用高圧バルブ７１（Ｖ３）が閉弁されると共に、吸気バルブ６３（Ｖ１）が開弁されると、吸気バルブ６３（Ｖ１）を介して圧縮機６２から高圧の冷媒ガスがシリンダ５４内（室温室５８及び膨張空間５３）に導入される。これにより、シリンダ５４内の圧力Ｐ１は上昇する。
【０１１７】
また、ディスプレーサ５２が下死点（ＢＤＣ）に至ると、駆動用低圧バルブ７２（Ｖ４）が開弁される。これにより駆動室７０はリターン配管６８に接続されるため、その内部圧力Ｐ２は低くなる。従って、シリンダ５４内の圧力Ｐ１は、駆動室７０内の圧力Ｐ２よりも高くなり、ディスプレーサ２は上死点（ＴＤＣ）に向けて上動を行う。ここで、上動時におけるディスプレーサ５２の移動速度をＶＣ２とする。
【０１１８】
このディスプレーサ５２の上動に伴い、圧縮機６２で生成された高圧の冷媒ガスは、室温室５８、流路６１、蓄冷器５７、及び第２流路６６を通り膨張空間５３に流入する。この際、冷媒ガスは蓄冷器５７内の蓄冷材により冷却が行われる。
【０１１９】
吸気バルブ６３（Ｖ１）は、バルブ回転角度θ３で閉弁する。このバルブ回転角度θ３の時点で、シリンダ５４内は高圧の冷媒ガスが充填されており、内部圧力Ｐ１は高い状態を維持している。また、駆動用低圧バルブ７２（Ｖ４）はバルブ回転角度θ３においても開弁状態を維持し、よって駆動室７０内の圧力Ｐ２は低い状態となっている。このため、バルブ回転角度θ３においても、ディスプレーサ５２は上動を維持する。
【０１２０】
本実施形態では、バルブ回転角度１８０°で排気バルブ６４（Ｖ２）を開弁する構成としている。排気バルブ６４（Ｖ２）が開弁されることにより、膨張空間５３内の冷媒ガスは膨張し、これにより膨張空間５３内に寒冷が発生する。この膨張空間５３に発生した寒冷により、冷却ステージ５５に接続された被冷却物は冷却される。
【０１２１】
上記のように排気バルブ６４（Ｖ２）が開弁された後も、駆動用低圧バルブ７２（Ｖ４）は開弁した状態を維持する。排気バルブ６４（Ｖ２）が開弁されることによりシリンダ５４内の圧力Ｐ２は低い圧力となる。同様に、駆動用低圧バルブ７２（Ｖ４）が開くことにより、駆動室７０内の圧力Ｐ２も低い圧力となっている。更にこの状態では、シリンダ５４内に形成された空間部（膨張空間５３及び室温室５８等）及び駆動室７０は、いずれもリターン配管６８に接続されている。
【０１２２】
従って、排気バルブ６４（Ｖ２）と駆動用低圧バルブ７２（Ｖ４）が共に開弁した状態では、シリンダ５４内の圧力Ｐ１と駆動室７０内の圧力Ｐ２は略等しくなる（Ｐ１≒Ｐ２）。このように、シリンダ５４内の圧力Ｐ１と駆動室７０内の圧力Ｐ２とが略等しい状態では、ディスプレーサ５２は略停止した状態を維持する。よって、この時のディスプレーサ５２の速度をＶＣ３とすると、ＶＣ３≒０となる。
【０１２３】
駆動用低圧バルブ７２（Ｖ４）は、バルブ回転角度θ４において閉弁される。また、駆動用低圧バルブ７２（Ｖ４）が閉弁されると、その後バルブ回転角度θ５において駆動用高圧バルブ７１（Ｖ３）が開弁される。
【０１２４】
駆動用低圧バルブ７２（Ｖ４）が閉弁し、駆動用高圧バルブ７１（Ｖ３）が開弁することにより、駆動室７０には圧縮機６２から高圧の冷媒ガスが流入し、よって駆動室７０内の圧力Ｐ２は上昇する。一方、バルブ回転角度θ５においても、排気バルブ６４（Ｖ２）は開弁された状態を維持し、シリンダ４内の圧力Ｐ１は低い状態となっている。よって、駆動用高圧バルブ７１（Ｖ３）が開弁することにより、駆動ピストン５２Ｅは下動付勢され、ディスプレーサ５２は下死点に向けて下動を開始する。この時のディスプレーサ５２の速度をＶＣ４とする。
【０１２５】
排気バルブ６４（Ｖ２）が開弁している状態においてディスプレーサ５２が下動すると、膨張空間５３及び室温室５８等のシリンダ５４内の冷媒ガスは、リターン配管６８を介して圧縮機６２に還流される。
【０１２６】
その後、バルブ回転角度θ６において、排気バルブ６４（Ｖ２）は閉弁される。これにより、圧縮機６２からの高圧の冷媒ガスは駆動用高圧バルブ７１（Ｖ３）を介して駆動室７０のみに供給され、よってディスプレーサ５２の下動速度は前記したＶＣ１となる。
【０１２７】
上記の説明から明らかなように本実施形態に係るＧＭ冷凍機５０においても、ディスプレーサ５２の下死点（ＢＤＣ）近傍における移動速度ＶＣ１，ＶＣ２は、上死点（ＴＤＣ）近傍における移動速度ＶＣ３よりも速くなる（ＶＣ１＞ＶＣ３，ＶＣ２＞ＶＣ３）。
【０１２８】
これは、本実施形態では駆動用高圧バルブ７１（Ｖ３）の開弁時間に対して、駆動用低圧バルブ７２（Ｖ４）の開弁時間を長く設定していることによる。具体的には、駆動用高圧バルブ７１（Ｖ３）は１サイクル（３６０°）中にバルブ回転角度θ５〜θ２の間（約１２０°）開弁しているのに対し、駆動用低圧バルブ７２（Ｖ４）はバルブ回転角度ＢＤＣ〜θ４の間（約２４５°）開弁している。
【０１２９】
このように、駆動用高圧バルブ７１（Ｖ３）が開弁している時間に比べ、駆動用低圧バルブ７２（Ｖ４）が開弁している時間を長くすることにより、駆動用低圧バルブ７２（Ｖ４）と吸気バルブ６３（Ｖ１）が共に開弁している時間（ＢＤＣ〜θ３）、及び駆動用低圧バルブ７２（Ｖ４）と排気バルブ６４（Ｖ２）が共に開弁している時間（１８０°〜θ４）を長くすることができる。
【０１３０】
即ち、駆動用低圧バルブ７２（Ｖ４）と吸気バルブ６３（Ｖ１）が共に開弁している時間（ＢＤＣ〜θ３）が長くなることにより、ディスプレーサ５２が上動する速度ＶＣ２を速くすることができる。また、駆動用低圧バルブ７２（Ｖ４）と排気バルブ６４（Ｖ２）が共に開弁している時間（１８０°〜θ４）が長くなることにより、ディスプレーサ５２の速度が遅くなり、相対的に下死点（ＢＤＣ）近傍における速度を速めることができる。
【０１３１】
このように本実施形態においても、第１実施形態と同様にディスプレーサ５２下死点（ＢＤＣ）における移動速度Ｖ１，Ｖ２を速めることができるため、大量の冷媒ガスをＧＭ冷凍機５０（膨張空間５３）内に効率よく供給することが可能となる。よって、寒冷発生時に膨張空間５３内において大量の冷媒ガスを膨張させることが可能となり、ＧＭ冷凍機５０の冷却効率を高めることが可能となる。
【０１３２】
図１２は、上記した第２実施形態に係るＧＭ冷凍機５０の変形例であるＧＭ冷凍機８０を示している。
【０１３３】
なお、図１２において、図１０に示した第２実施形態に係るＧＭ冷凍機５０と対応する構成については同一符号を付し、その説明は省略する。
【０１３４】
本変形例に係るＧＭ冷凍機８０は、サプライ配管６７の駆動用高圧バルブ７１と駆動室７０との間に、流体抵抗となる流路抵抗バルブ８１を設けたことを特徴としている。この流路抵抗バルブ８１は、弁開度を調整可能な電磁弁を用いることができる。流路抵抗バルブ８１を設けることにより、サプライ配管６７の駆動用高圧バルブ７１と駆動室７０との間の流路抵抗を大きくすることが可能となる。
【０１３５】
これにより、シリンダ５４から冷媒ガスを圧縮機６２へ還流する吸気時において、シリンダ５４内の圧力Ｐ１と駆動室７０内の圧力Ｐ２との差圧を小さくすることができ、上死点（ＴＤＣ）近傍におけるディスプレーサ５２の移動速度を更に遅くすることができる。また、流路抵抗８１を設けることにより、駆動室７０へガス導入する速度が遅くなるため、駆動室７０内の圧力が高圧まで上昇する時間が長くなる。それにより、バルブＶ１が開くときにシリンダ５４内の圧力Ｐ１を駆動室７０内の圧力Ｐ２より大きくすることができ、下死点（ＢＤＣ）近傍におけるディスプレーサ５２の移動速度を更に早めることができる。よって、更に冷却効率を高めることができる。
【０１３６】
なお、流体抵抗は電磁弁に限定されるものではなく、オリフィス等の他のものを用いることも可能である。
【０１３７】
図１３は、本発明の第３実施形態であるＧＭ冷凍機９０を示している。
【０１３８】
なお、図１３においても、図１０に示した第２実施形態に係るＧＭ冷凍機５０と対応する構成については同一符号を付し、その説明は省略する。
【０１３９】
本実施形態に係るＧＭ冷凍機９０は、駆動装置９１としてリニアモータを用いたことを特徴とするものである。この駆動装置９１は、マグネット９２、駆動コイル９３、及び制御装置９４等を有している。
【０１４０】
マグネット９２は、Ｎ極とＳ極が所定ピッチで交互に着磁された棒状の磁石である。このマグネット９２は、ディスプレーサ５２の天板部５２Ｄの中央部に上方に向けて突出するよう設けられている。
【０１４１】
駆動コイル９３は、複数の電磁石により構成されている。この各電磁石は、電流を流すことにより磁力を発生する。マグネット９２は、駆動コイル９３の中心部に形成された空間内に上下方向に移動可能に挿通される。この駆動コイル９３は、制御装置９４に接続されている。
【０１４２】
制御装置９４は、駆動コイル９３の駆動制御を行うものである。具体的には、制御装置９４は、駆動コイル９３に供給する電流の大きさ及びその流れ方向を可変する。前記のようにマグネット９２は、Ｎ極とＳ極が所定ピッチで交互に着磁されている。よって制御装置９４が駆動コイル９３を構成する複数の電磁石の磁極が順次変化するよう制御することにより、マグネット９２は直線移動を行う。
【０１４３】
マグネット９２は、ディスプレーサ５２に固定されている。よって、駆動コイル９３によりマグネット９２が移動されることにより、ディスプレーサ５２も移動を行う。よって、駆動装置９１によりディスプレーサ５２を駆動することができる。
【０１４４】
駆動装置９１によるディスプレーサ５２の移動は、駆動コイル９３に流す電流の大きさ及びその流れ方向を制御することにより調整することが可能である。本実施形態では、制御装置９４にマイクロコンピュータを組み込んでおり、またディスプレーサ５２を図４に実線で示す移動を行うよう設定されたプログラムも組み込まれている。
【０１４５】
よって、制御装置９４で駆動コイル９３を制御することにより、ディスプレーサ５２は図４に実線で示す移動を行う。これにより、駆動装置９１としてリニアモータを使用した本実施形態においても、第１実施形態と同様にディスプレーサ５２下死点（ＢＤＣ）における移動速度Ｖ１，Ｖ２を速めることができるため、大量の冷媒ガスをＧＭ冷凍機５０（シリンダ４）内に効率よく供給することが可能となる。よって、寒冷発生時に膨張空間５３内において大量の冷媒ガスを膨張させることが可能となり、ＧＭ冷凍機９０の冷却効率を高めることができる。
【０１４６】
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。
【符号の説明】
【０１４７】
１，５０，８０，９０ ＧＭ冷凍機
３，５１，９１ 駆動装置
５ ガス供給系
６ ガス圧縮機
７，６３ 吸気バルブ
８，６４ 排気バルブ
９ ガス流路
１０ 第１段目シリンダ
１１ 第１段目ディスプレーサ
１２，２２，５７ 蓄冷器
１３，２３ 蓄冷材
１５ 第１段目膨張室
２０ 第２段目シリンダ
２１ 第２段目ディスプレーサ
２５ 第２段目膨張室
２８，５５ 冷却ステージ
３０ モータ
３１ モータ軸
３２，５２ スコッチヨーク機構
３４ クランク部材
３５ コロ軸受け
３６，５６ スコッチヨーク
３７ 駆動アーム
３８ スライド溝
３９ 凸状部
４５ 凹状部
５２ ディスプレーサ
５２Ｅ 駆動ピストン
５３ 膨張空間
５４ シリンダ
５８ 室温室
７０ 駆動室
７１ 駆動用高圧バルブ
７２ 駆動用低圧バルブ
８１ 流路抵抗バルブ
９２ マグネット
９３ 駆動コイル９３
【特許請求の範囲】
【請求項１】
駆動装置によりシリンダ内で往復移動されるディスプレーサと、
前記シリンダ内に冷媒ガスを供給する際に開弁される吸気バルブと、
前記シリンダ内から冷媒ガスを排気する際に開弁される排気バルブとを有し、
該ディスプレーサの移動に伴い前記シリンダ内に形成された膨張空間内の冷媒ガスを膨張させることにより寒冷を発生させる極低温冷凍装置であって、
前記ディスプレーサの下死点近傍おける移動速度を上死点近傍における移動速度よりも速くしたことを特徴とする極低温冷凍装置。
【請求項２】
前記吸気バルブが開弁したときから前記ディスプレーサが下死点に至るときまでの間に、前記ディスプレーサの移動速度を速くすることを特徴とする請求項１記載の極低温冷凍装置。
【請求項３】
前記ディスプレーサの下死点を中心とした移動が対称となるよう構成したことを特徴とする請求項１乃至２のいずれか一項に記載の極低温冷凍装置。
【請求項４】
前記駆動装置は、軸受けと、該軸受けが移動可能に係合するスライド溝を有したスコッチヨークとを具備するスコッチヨーク機構を有し、
該スライド溝の前記ディスプレーサの下死点に対応する位置に凸状部を設けたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の極低温冷凍装置。
【請求項５】
前記凸状部の中央部に円形状部を有することを特徴とする請求項４記載の極低温冷凍装置。
【請求項６】
前記円形状部の両側に直線状部を有することを特徴とする請求項５記載の極低温冷凍装置。
【請求項７】
駆動装置は、
前記ディスプレーサを移動付勢する駆動ガスが供給される駆動室と、開弁されることにより前記駆動室に前記駆動ガスを供給する高圧バルブと、開弁されることにより前記駆動室内の前記駆動ガスを排気する低圧バルブとを有することを特徴する請求項１又は２記載の極低温冷凍装置。
【請求項８】
前記低圧バルブの開弁時間を前記高圧バルブの開弁時間よりも長く設定したことを特徴とする請求項７記載の極低温冷凍装置。
【請求項９】
前記高圧バルブと前記駆動室との間に、流路抵抗を設けたことを特徴とする請求項７又は８記載の極低温冷凍装置。
【請求項１０】
前記駆動装置は、前記ディスプレーサに接続されたリニアモータであることを特徴とする請求項１又は２記載の極低温冷凍装置。
【請求項１】
駆動装置によりシリンダ内で往復移動されるディスプレーサと、
前記シリンダ内に冷媒ガスを供給する際に開弁される吸気バルブと、
前記シリンダ内から冷媒ガスを排気する際に開弁される排気バルブとを有し、
該ディスプレーサの移動に伴い前記シリンダ内に形成された膨張空間内の冷媒ガスを膨張させることにより寒冷を発生させる極低温冷凍装置であって、
前記ディスプレーサの下死点近傍おける移動速度を上死点近傍における移動速度よりも速くしたことを特徴とする極低温冷凍装置。
【請求項２】
前記吸気バルブが開弁したときから前記ディスプレーサが下死点に至るときまでの間に、前記ディスプレーサの移動速度を速くすることを特徴とする請求項１記載の極低温冷凍装置。
【請求項３】
前記ディスプレーサの下死点を中心とした移動が対称となるよう構成したことを特徴とする請求項１乃至２のいずれか一項に記載の極低温冷凍装置。
【請求項４】
前記駆動装置は、軸受けと、該軸受けが移動可能に係合するスライド溝を有したスコッチヨークとを具備するスコッチヨーク機構を有し、
該スライド溝の前記ディスプレーサの下死点に対応する位置に凸状部を設けたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の極低温冷凍装置。
【請求項５】
前記凸状部の中央部に円形状部を有することを特徴とする請求項４記載の極低温冷凍装置。
【請求項６】
前記円形状部の両側に直線状部を有することを特徴とする請求項５記載の極低温冷凍装置。
【請求項７】
駆動装置は、
前記ディスプレーサを移動付勢する駆動ガスが供給される駆動室と、開弁されることにより前記駆動室に前記駆動ガスを供給する高圧バルブと、開弁されることにより前記駆動室内の前記駆動ガスを排気する低圧バルブとを有することを特徴する請求項１又は２記載の極低温冷凍装置。
【請求項８】
前記低圧バルブの開弁時間を前記高圧バルブの開弁時間よりも長く設定したことを特徴とする請求項７記載の極低温冷凍装置。
【請求項９】
前記高圧バルブと前記駆動室との間に、流路抵抗を設けたことを特徴とする請求項７又は８記載の極低温冷凍装置。
【請求項１０】
前記駆動装置は、前記ディスプレーサに接続されたリニアモータであることを特徴とする請求項１又は２記載の極低温冷凍装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１３−８３４２８（Ｐ２０１３−８３４２８Ａ）
【公開日】平成２５年５月９日（２０１３．５．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−１１８３３２（Ｐ２０１２−１１８３３２）
【出願日】平成２４年５月２４日（２０１２．５．２４）
【出願人】（０００００２１０７）住友重機械工業株式会社 (2,241)
【公開日】平成２５年５月９日（２０１３．５．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年５月２４日（２０１２．５．２４）
【出願人】（０００００２１０７）住友重機械工業株式会社 (2,241)
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