GM制冷机

摘要

本发明的GM制冷机(10)具备：压缩机(12)，具备压缩机排出口(12a)及压缩机吸入口(12b)；置换器(20)，能够沿轴向往复移动；置换器缸体(26)，容纳置换器(20)；驱动活塞(22)，与置换器(20)连结，从而沿轴向驱动置换器(20)；驱动室(46)，驱动驱动活塞(22)；主压力转换阀(60)，其构成为将置换器缸体(26)交替连接于压缩机排出口(12a)及压缩机吸入口(12b)；副压力转换阀(62)，其构成为将驱动室(46)交替连接于压缩机排出口(12a)及压缩机吸入口(12b)；及缓冲容积(68)，连接于副压力转换阀(62)与压缩机(12)之间。

权利要求

1.一种气体驱动型GM制冷机，其特征在于，具备：压缩机，具备压缩机排出口及压缩机吸入口；

置换器，能够沿轴向往复移动；

置换器缸体，容纳所述置换器；

驱动活塞，与所述置换器连结，从而沿轴向驱动所述置换器；

驱动室，驱动所述驱动活塞；

主压力转换阀，其构成为将所述置换器缸体交替连接于所述压缩机排出口及所述压缩机吸入口；

副压力转换阀，其构成为将所述驱动室交替连接于所述压缩机排出口及所述压缩机吸入口；及缓冲容积，连接于所述副压力转换阀与所述压缩机之间。

2.根据权利要求1所述的气体驱动型GM制冷机，其特征在于，所述副压力转换阀具备：副进气开闭阀，将所述压缩机排出口连接于所述驱动室；及副排气开闭阀，将所述压缩机吸入口连接于所述驱动室，所述缓冲容积连接于所述压缩机排出口与所述副进气开闭阀之间。

3.根据权利要求2所述的气体驱动型GM制冷机，其特征在于，还具备连接于所述压缩机排出口与所述缓冲容积之间的另一开闭阀。

4.根据权利要求3所述的气体驱动型GM制冷机，其特征在于，所述另一开闭阀比基于所述副进气开闭阀的所述驱动室的进气开始时刻延迟开放。

5.根据权利要求1所述的气体驱动型GM制冷机，其特征在于，所述副压力转换阀具备：副进气开闭阀，将所述驱动室连接于所述压缩机排出口；及副排气开闭阀，将所述驱动室连接于所述压缩机吸入口，所述缓冲容积连接于所述压缩机吸入口与所述副排气开闭阀之间。

说明书

GM制冷机

技术领域

[0001] 本发明涉及一种GM(吉福德-麦克马洪、Gifford-McMahon)制冷机。

背景技术

[0002] GM制冷机根据置换器的驱动源大致分为马达驱动型和气体驱动型这两种。在马达驱动型中，置换器与马达机械性地连结，从而由马达进行驱动。在气体驱动型中，置换器通过气体压力进行驱动。

[0003] 以往技术文献

[0004] 专利文献

[0005] 专利文献1：日本专利第3439651号公报

发明内容

[0006] 发明要解决的技术课题

[0007] 在马达驱动型的情况下，由连结机构决定置换器的冲程，因此容易将马达驱动型的GM制冷机设计成避免置换器与缸体碰撞。例如，若在置换器的下止点与缸体底面之间设置些许空隙，则能够避免置换器与缸体的碰撞。但是，在典型的气体驱动型GM制冷机中，通过气体压力的作用，置换器继续移动至与缸体底面碰撞或接触为止。置换器与缸体的碰撞或接触有可能会成为振动或异常声音的原因。

[0008] 本发明的一种实施方式的示例性目的之一在于减小气体驱动型GM制冷机的振动或异常声音。

[0009] 用于解决技术课题的手段

[0010] 根据本发明的一种实施方式，GM制冷机具备：压缩机，具备压缩机排出口及压缩机吸入口；置换器，能够沿轴向往复移动；置换器缸体，容纳所述置换器；驱动活塞，与所述置换器连结，从而沿轴向驱动所述置换器；驱动室，驱动所述驱动活塞；主压力转换阀，其构成为将所述置换器缸体交替连接于所述压缩机排出口及所述压缩机吸入口；副压力转换阀，其构成为将所述驱动室交替连接于所述压缩机排出口及所述压缩机吸入口；及缓冲容积，连接于所述副压力转换阀与所述压缩机之间。

[0011] 另外，将以上构成要件的任意组合、本发明的构成要件或表述方式在方法、装置及系统等之间相互置换的方式也作为本发明的实施方式而有效。

[0012] 发明效果

[0013] 根据本发明，能够减小气体驱动型GM制冷机的振动或异常声音。

附图说明

[0014] 图1是概略地表示第1实施方式所涉及的气体驱动型GM制冷机的图。

[0015] 图2是例示图1所示的GM制冷机的阀定时的图。

[0016] 图3是表示GM制冷机10按照图2所示的阀定时运转时获得的GM制冷机10的一个周期的动作波形的概略图。

[0017] 图4是概略地表示第2实施方式所涉及的气体驱动型GM制冷机的图。

[0018] 图5是例示图4所示的GM制冷机的阀定时的图。

具体实施方式

[0019] 以下，参考附图对本发明的实施方式进行详细说明。在以下说明及附图中，对相同或等同的构成要件、部件及处理标注相同的符号，并适当省略重复说明。为了便于说明，在附图中适当设定各部的缩尺和形状，除非另有特别说明，其不作限定性解释。实施方式只是例示，其不对本发明的范围作任何限定。实施方式中记载的所有特征和其组合并不一定是发明的本质。

[0020] (第1实施方式)

[0021] 图1是表示第1实施方式所涉及的GM制冷机10的概略图。

[0022] GM制冷机10具备：压缩机12，对工作气体(例如，氦气)进行压缩；及冷头14，通过使工作气体绝热膨胀而使工作气体冷却。压缩机12具有压缩机排出口12a及压缩机吸入口12b。压缩机排出口12a及压缩机吸入口12b分别作为GM制冷机10的高压源及低压源而发挥作用。冷头14还被称为膨胀机。

[0023] 详细内容如后述，压缩机12从压缩机排出口12a向冷头14供应高压(P H)的工作气体。冷头14具备对工作气体进行预冷的蓄冷器15。被预冷的工作气体在冷头14内膨胀而被进一步冷却。工作气体通过蓄冷器15回收至压缩机吸入口12b。工作气体在通过蓄冷器15时对蓄冷器15进行冷却。压缩机12对所回收的低压(PL)的工作气体进行压缩后重新供给至冷头14。

[0024] 图示的冷头14为单级式。但是，冷头14也可以是多级式。

[0025] 冷头14为气体驱动型。因此，冷头14具备利用气体压力驱动的自由活塞(即，轴向可动体16)及气密地构成且容纳轴向可动体16的冷头壳体18。冷头壳体18将轴向可动体16支承为能够沿轴向往复移动。与马达驱动型的GM制冷机不同，冷头14不具有驱动轴向可动体16的马达及连结机构(例如，止转棒轭机构)。

[0026] 轴向可动体16具备：置换器20，能够沿轴向(图1中的上下方向，以箭头C表示)往复移动；及驱动活塞22，以沿轴向驱动置换器20的方式与置换器20连结。驱动活塞22与置换器20同轴配设且在轴向上分开配设。

[0027] 冷头壳体18具备：置换器缸体26，容纳置换器20；及活塞缸体28，容纳驱动活塞22。活塞缸体28与置换器缸体26同轴配设且在轴向上相邻配设。详细内容将在后面进行叙述，气体驱动型的冷头14的驱动部构成为包括驱动活塞22及活塞缸体28。

[0028] 并且，轴向可动体16具备连杆24，该连杆24刚性连结置换器20和驱动活塞22，以使置换器20与驱动活塞22一体地沿轴向往复移动。连杆24也与置换器20及驱动活塞22同轴配设且从置换器20朝向驱动活塞22延伸。

[0029] 驱动活塞22的尺寸小于置换器20的尺寸。驱动活塞22的轴向长度比置换器20的轴向长度短，驱动活塞22的直径也小于置换器20的直径。连杆24的直径小于驱动活塞22的直径。

[0030] 活塞缸体28的容积小于置换器缸体26的容积。活塞缸体28的轴向长度比置换器缸体26的轴向长度短，并且活塞缸体28的直径也小于置换器缸体26的直径。

[0031] 另外，驱动活塞22与置换器20之间的尺寸关系并不只限于上述尺寸关系，其尺寸关系也可以与上述尺寸关系不同。同样地，活塞缸体28与置换器缸体26之间的尺寸关系也并不只限于上述尺寸关系，其尺寸关系也可以与上述尺寸关系不同。例如，驱动活塞22也可以是连杆24的前端部，驱动活塞22的直径也可以与连杆24的直径相等。

[0032] 置换器20的轴向往复移动被置换器缸体26引导。通常，置换器20及置换器缸体26均为沿轴向延伸的圆筒状的部件，并且置换器缸体26的内径等于或稍大于置换器20的外径。同样地，驱动活塞22的轴向往复移动被活塞缸体28引导。通常，驱动活塞22及活塞缸体28均为沿轴向延伸的圆筒状的部件，并且活塞缸体28的内径等于或稍大于驱动活塞22的外径。

[0033] 置换器20与驱动活塞22通过连杆24刚性连结，因此驱动活塞22的轴向冲程与置换器20的轴向冲程相等，两者在整个冲程中一体地移动。驱动活塞22相对于置换器20的位置在轴向可动体16沿轴向往复移动的期间不变。

[0034] 并且，冷头壳体18具备将置换器缸体26连接于活塞缸体28的连杆引导件30。连杆引导件30与置换器缸体26及活塞缸体28同轴配设且从置换器缸体26向活塞缸体28延伸。连杆24贯穿于连杆引导件30。连杆引导件30构成引导连杆24沿轴向往复移动的轴承。

[0035] 置换器缸体26经由连杆引导件30与活塞缸体28气密地连结。如此，冷头壳体18构成工作气体的压力容器。另外，连杆引导件30也可以视作置换器缸体26或活塞缸体28的一部分。

[0036] 第1密封部32设置于连杆24与连杆引导件30之间。第1密封部32安装于连杆24或连杆引导件30中的任一个上，并且与连杆24或连杆引导件30中的另一个进行滑动。第1密封部32例如由滑动密封件或O型环等密封部件构成。通过第1密封部32，活塞缸体28构成为相对于置换器缸体26气密。由此，活塞缸体28从置换器缸体26被流体隔离，活塞缸体28与置换器缸体26之间不会产生直接的气体流通。

[0037] 置换器缸体26被置换器20分隔为膨胀室34和室温室36。置换器20的轴向上的一端与置换器缸体26之间形成膨胀室34，轴向上的另一端与置换器缸体26之间形成室温室36。膨胀室34配置于下止点LP1侧，室温室36配置于上止点UP1侧。并且，在冷头14设置有冷却台
38，其以从外侧包围膨胀室34的方式固定在置换器缸体26上。

[0038] 蓄冷器15内置于置换器20。在置换器20的上盖部具有使蓄冷器15与室温室36连通的入口流路40。并且，在置换器20的筒部具有使蓄冷器15与膨胀室34连通的出口流路42。或者，出口流路42也可以设置于置换器20的下盖部。而且，蓄冷器15具备内接于上盖部的入口保持架41及内接于下盖部的出口保持架43。蓄冷材料例如可以是铜制的金属丝网。保持架可以是比蓄冷材料更粗的金属丝网。

[0039] 第2密封部44设置于置换器20与置换器缸体26之间。第2密封部44例如为滑动密封件，其安装于置换器20的筒部或上盖部。置换器20与置换器缸体26之间的间隙被第2密封部44封闭，因此在室温室36与膨胀室34之间不会存在直接的气体流通(即，绕过蓄冷器15的气流)。

[0040] 在置换器20沿轴向移动时，膨胀室34及室温室36的容积以互补方式增减。即，置换器20向下移动时，膨胀室34变窄而室温室36变宽。反之亦然。

[0041] 工作气体从室温室36通过入口流路40流入蓄冷器15。更准确地说，工作气体从入口流路40通过入口保持架41流入蓄冷器15。工作气体从蓄冷器15经由出口保持架43及出口流路42流入膨胀室34。在工作气体从膨胀室34返回室温室36时，通过相反的路径。即，工作气体从膨胀室34通过出口流路42、蓄冷器15及入口流路40返回至室温室36。欲绕过蓄冷器15而流过间隙的工作气体被第2密封部44阻隔。

[0042] 活塞缸体28具备：驱动室46，其压力被控制成驱动驱动活塞22；及气体弹簧室48，通过驱动活塞22而与驱动室46分隔。驱动活塞22的轴向上的一端与活塞缸体28之间形成驱动室46，轴向上的另一端与活塞缸体28之间形成气体弹簧室48。在驱动活塞22沿轴向移动时，驱动室46及气体弹簧室48的容积以互补方式增减。

[0043] 驱动室46相对于驱动活塞22配置于轴向上与置换器缸体26相反的一侧。气体弹簧室48相对于驱动活塞22配置于轴向上与置换器缸体26相同的一侧。换言之，驱动室46配置于上止点UP2侧，气体弹簧室48配置于下止点LP2侧。驱动活塞22的上表面受到驱动室46的气体压力，驱动活塞22的下表面受到气体弹簧室48的气体压力。

[0044] 连杆24从驱动活塞22的下表面通过气体弹簧室48朝向连杆引导件30延伸。而且，连杆24通过室温室36后延伸至置换器20的上盖部。气体弹簧室48相对于驱动活塞22配置于与连杆24相同的一侧，驱动室46相对于驱动活塞22配置于与连杆24相反的一侧。

[0045] 驱动活塞22与活塞缸体28之间的间隙(即，第3密封部50)设置于驱动活塞22与活塞缸体28之间。第3密封部50对驱动室46和气体弹簧室48之间的气体流通起到流路阻力的作用。另外，第3密封部50也可以具有以封闭该间隙的方式安装于驱动活塞22的侧面的滑动密封件等密封部材。此时，气体弹簧室48被第1密封部32及第3密封部50密封。

[0046] 在驱动活塞22向下移动时，气体弹簧室48变窄。此时，气体弹簧室48的气体被压缩，压力变高。气体弹簧室48的压力向上作用于驱动活塞22的下表面。因此，气体弹簧室48产生抵抗驱动活塞22向下移动的气体弹簧力。相反地，驱动活塞22向上移动时，气体弹簧室48变宽。气体弹簧室48的压力下降，作用于驱动活塞22的气体弹簧力也变小。

[0047] 冷头14在所使用现场以图1所示的朝向设置。即，纵置设置冷头14，以使置换器缸体26配置于铅垂方向下方且使活塞缸体28配置于铅垂方向上方。如此，在以冷却台38朝向铅垂方向下方的姿势设置冷头14的情况下，GM制冷机10的制冷能力变得最高。但是，GM制冷机10的配置并不只限于此。相反地，也可以以冷却台38朝向铅垂方向上方的姿势设置冷头14。或者，冷头14也可以横向设置或其他朝向设置。

[0048] 而且，GM制冷机10具备将压缩机12连接于冷头14的工作气体流路52。工作气体流路52构成为，在活塞缸体28(即，驱动室46)与置换器缸体26(即，膨胀室34和/或室温室36)之间产生压力差。通过该压力差，轴向可动体16沿轴向移动。若置换器缸体26的压力低于活塞缸体28的压力，则驱动活塞22向下移动，随之，置换器20也向下移动。相反地，若置换器缸体26的压力高于活塞缸体28的压力，则驱动活塞22向上移动，随之，置换器20也向上移动。

[0049] 工作气体流路52具备阀部54。阀部54可以配设于冷头壳体18内，并且通过配管与压缩机12连接。阀部54也可以配设于冷头壳体18外，并且通过配管分别与压缩机12及冷头14连接。

[0050] 阀部54具备主压力转换阀60及副压力转换阀62。主压力转换阀60具有主进气开闭阀V1及主排气开闭阀V2。副压力转换阀62具有副进气开闭阀V3及副排气开闭阀V4。

[0051] 主压力转换阀60配设于将压缩机12连接于冷头14的室温室36的主进排气流路64上。主进排气流路64通过主压力转换阀60分支为主进气路64a和主排气路64b。主进气开闭阀V1配设于主进气路64a，将压缩机排出口12a连接于室温室36。主排气开闭阀V2配设于主排气路64b，将压缩机吸入口12b连接于室温室36。

[0052] 主压力转换阀60构成为，使压缩机排出口12a或压缩机吸入口12b选择性地连通于置换器缸体26的室温室36。在主压力转换阀60中，主进气开闭阀V1及主排气开闭阀V2分别被排他性地开放。即，禁止主进气开闭阀V1及主排气开闭阀V2同时打开。在主进气开闭阀V1打开的期间主排气开闭阀V2被关闭。工作气体从压缩机排出口12a通过主进排气流路64供给至置换器缸体26。另一方面，在主排气开闭阀V2打开的期间主进气开闭阀V1被关闭。工作气体从置换器缸体26通过主进排气流路64回收至压缩机吸入口12b。另外，主进气开闭阀V1及主排气开闭阀V2也可以同时关闭一段时间。如此，置换器缸体26与压缩机排出口12a及压缩机吸入口12b交替连接。

[0053] 副压力转换阀62配设于将压缩机12连接于活塞缸体28的驱动室46的副进排气流路66上。副进排气流路66通过副压力转换阀62分支为副进气路66a和副排气路66b。副进气开闭阀V3配设于副进气路66a，将压缩机排出口12a连接于驱动室46。副排气开闭阀V4配设于副排气路66b，将压缩机吸入口12b连接于驱动室46。

[0054] 副压力转换阀62构成为，使压缩机排出口12a或压缩机吸入口12b选择性地连通于活塞缸体28的驱动室46。副压力转换阀62构成为副进气开闭阀V3及副排气开闭阀V4分别被排他性地开放。即，禁止副进气开闭阀V3及副排气开闭阀V4同时打开。在副进气开闭阀V3打开的期间副排气开闭阀V4被关闭。工作气体从压缩机排出口12a通过副进排气流路66供给至驱动室46。另一方面，在副排气开闭阀V4打开的期间副进气开闭阀V3被关闭。工作气体从驱动室46通过副进排气流路66回收至压缩机吸入口12b。另外，副进气开闭阀V3及副排气开闭阀V4也可以同时关闭一段时间。如此，驱动室46与压缩机排出口12a及压缩机吸入口12b交替连接。

[0055] 工作气体流路52具备缓冲容积68，其连接于副压力转换阀62与压缩机12之间。缓冲容积68连接于压缩机排出口12a与副进气开闭阀V3之间，即，配设于副进气路66a上。在副排气路66b并未设置有缓冲容积。

[0056] 并且，工作气体流路52还具备辅助开闭阀V5。辅助开闭阀V5连接于压缩机排出口12a与缓冲容积68之间，即，配设于副进气路66a上。如图1所示，副进气路66a在分支点70从主进气路64a分支。分支点70在主进气路64a上位于压缩机排出口12a与主进气开闭阀V1之间。在副进气路66a，从分支点70依次配置有辅助开闭阀V5、缓冲容积68及副进气开闭阀V3。
如此，副进气开闭阀V3与辅助开闭阀V5在压缩机排出口12a与驱动室46之间串联连接。在副进气开闭阀V3与辅助开闭阀V5之间连接有缓冲容积68。

[0057] 缓冲容积68构成为积存高压PH与低压PL之间的中间压力的工作气体。中间压力可以是高压PH与低压PL之间的任意压力。中间压力也可以是高压PH与低压PL的平均压力PM。由此，能够在其与高压PH及低压PL之间分别产生更大的压差。

[0058] 在副进气开闭阀V3被打开时，缓冲容积68能够通过副进排气流路66向驱动室46供给中间压力的工作气体。在辅助开闭阀V5被打开时，缓冲容积68能够从压缩机排出口12a通过副进气路66a接收高压的工作气体从而恢复压力。如此，工作气体流路52具备缓冲容积68、副进气开闭阀V3及辅助开闭阀V5，从而作为驱动室46的中间压力源而发挥作用。

[0059] 缓冲容积68可以具有驱动室46的容积的两倍以上的容积。如此一来，能够减少缓冲容积68的压力变动。能够避免伴随副进气开闭阀V3的开放的缓冲容积68的过度降压及伴随辅助开闭阀V5的开放的过度升压。并且，为了抑制GM制冷机10的大型化，缓冲容积68可以具有驱动室46的容积的十倍以下的容积。从这种观点考虑，缓冲容积68也可以具有驱动室46的容积的例如三倍至七倍的容积，例如可以具有约五倍的容积。

[0060] 缓冲容积68的形状为任意形状。缓冲容积68可以是缓冲箱。或者，缓冲容积68也可以像配管那样延伸，此时，缓冲容积68可以是将辅助开闭阀V5连接于副进气开闭阀V3的副进气路66a的一部分。缓冲容积68可以直线或弯曲延伸，或也可以螺旋状延伸。

[0061] 缓冲容积68可以设置于冷头壳体18。或者，缓冲容积68也可以与冷头壳体18分开设置。

[0062] 工作气体流路52也可以具备节流孔等流路阻力来代替辅助开闭阀V5。

[0063] 主进气开闭阀V1构成为，在预先规定的主进气开始时刻打开并在主进气结束时刻关闭。主排气开闭阀V2构成为，在预先规定的主排气开始时刻打开并在主排气结束时刻关闭。副进气开闭阀V3构成为，在预先规定的副进气开始时刻打开并在副进气结束时刻关闭。副排气开闭阀V4构成为，在预先规定的副排气开始时刻打开并在副排气结束时刻关闭。辅助开闭阀V5构成为，在预先规定的辅助进气开始时刻打开并在辅助进气结束时刻关闭。

[0064] 阀部54可以采取回转阀的形式。此时，一组阀(V1～V5)组装于阀部54，并同步驱动。阀部54构成为，通过阀盘(或阀转子)相对于阀主体(或阀定子)的旋转滑动，准确地切换阀(V1～V5)。一组阀(V1～V5)在GM制冷机10的运行中以相同周期进行切换，由此五个开闭阀(V1～V5)周期性地改变开闭状态。五个开闭阀(V1～V5)分别以不同的相位打开或关闭。

[0065] GM制冷机10可以具备以使阀部54旋转的方式与阀部54连结的旋转驱动源56。旋转驱动源56与阀部54机械性地连结。旋转驱动源56例如为马达。但是，旋转驱动源56并未与轴向可动体16机械性地连接。并且，GM制冷机10还可以具备控制阀部54的控制部58。控制部58也可以控制旋转驱动源56。

[0066] 在一种实施方式中，一组阀(V1～V5)可以采用多个可单独控制的阀的形式。各阀(V1～V5)也可以是电磁开闭阀。此时，并不设置旋转驱动源56，而是各阀(V1～V5)与控制部58电连接。控制部58可以控制各阀(V1～V5)的打开或关闭。

[0067] 在一种实施方式中，一组阀(V1～V5)也可以是回转阀与可单独控制的阀的组合。例如，主压力转换阀60及副压力转换阀62(即，V1～V4)可以由回转阀构成，辅助开闭阀V5可以为与回转阀不同的开闭阀。

[0068] 图2是例示图1所示的GM制冷机10的阀定时的图。在图2中，将轴向可动体16的轴向往复移动的一个周期表示为对应于360度，因此0度相当于周期的开始时刻，360度相当于周期的结束时刻。90度、180度及270度分别相当于1/4周期、半个周期及3/4周期。在0度，置换器20及驱动活塞22位于下止点LP1、LP2或其附近，在180度，置换器20及驱动活塞22位于上止点U P1、UP2或其附近。

[0069] 在图2中例示了冷头14的第1进气期间A1及第1排气期间A2和驱动室46的第2进气期间A3及第2排气期间A4。第1进气期间A1、第1排气期间A2、第2进气期间A3及第2排气期间A4分别由主进气开闭阀V1、主排气开闭阀V2、副进气开闭阀V3及副排气开闭阀V4决定。而且，在图2中例示了由辅助开闭阀V5决定的辅助进气期间A5。

[0070] 在第1进气期间A1(即，主进气开闭阀V1被打开的期间)，工作气体从压缩机排出口12a通过主进气开闭阀V1及主进排气流路64流向室温室36。相反地，在主进气开闭阀V1被关闭的期间，停止从压缩机12向室温室36供给工作气体。第1进气期间A1从主进气开始时刻T1开始且在主进气结束时刻T2结束。主进气开始时刻T1例如选自0度至90度的范围。主进气开始时刻T1例如为0度。主进气结束时刻T2例如选自90度至180度的范围。主进气结束时刻T2例如为135度。

[0071] 在第1排气期间A2(即，主排气开闭阀V2被打开的期间)，工作气体从室温室36通过主排气开闭阀V2及主进排气流路64流向压缩机吸入口12b。在主排气开闭阀V2被关闭的期间，停止从室温室36向压缩机12回收工作气体。第1排气期间A2从主排气开始时刻T3开始且在主排气结束时刻T4结束。第1排气期间A2与第1进气期间A1交替且并不重叠。主排气开始时刻T3例如选自180度至270度的范围。主排气开始时刻T3例如为180度。主排气结束时刻T4例如选自270度至360度的范围。主排气结束时刻T4例如为315度。

[0072] 在第2进气期间A3(即，副进气开闭阀V3被打开的期间)，工作气体从缓冲容积68通过副进气开闭阀V3及副进排气流路66流向驱动室46。在副进气开闭阀V3被关闭的期间，停止从缓冲容积68向驱动室46供给工作气体。第2进气期间A3从副进气开始时刻开始且在副进气结束时刻结束。在图2所示的阀定时中，副进气开始时刻与主排气开始时刻T3一致，副进气结束时刻与主排气结束时刻T4一致，但并不只限于此。第2进气期间A3与第1排气期间A2至少一部分重叠。副进气开始时刻例如可以选自180度至270度的范围，副进气结束时刻例如可以选自270度至360度的范围。

[0073] 在第2排气期间A4(即，副排气开闭阀V4被打开的期间)，工作气体从驱动室46通过副排气开闭阀V4及副进排气流路66流向压缩机吸入口12b。在副排气开闭阀V4被关闭的期间，停止从驱动室46向压缩机12回收工作气体。第2排气期间A4从副排气开始时刻开始且在副排气结束时刻结束。第2排气期间A4与第2进气期间A3交替且并不重叠。在图2所示的阀定时中，副排气开始时刻与主进气开始时刻T1一致，副排气结束时刻与主进气结束时刻T2一致，但并不只限于此。第2排气期间A4与第1进气期间A1至少一部分重叠。副排气开始时刻例如可以选自0度至90度的范围，副排气结束时刻例如可以选自90度至180度的范围。

[0074] 在辅助进气期间A5(即，辅助开闭阀V5被打开的期间)，工作气体从压缩机排出口12a通过辅助开闭阀V5流向缓冲容积68。在辅助开闭阀V5被关闭的期间，停止从压缩机12向室温室36供给工作气体。

[0075] 辅助进气期间A5从辅助进气开始时刻Ta开始且在辅助进气结束时刻Tb结束。与第1排气期间A2及第2进气期间A3相比，辅助进气期间A5延迟开始且延迟结束。辅助进气期间A5与第1排气期间A2及第2进气期间A3一部分重叠。即，辅助进气开始时刻Ta比主排气开始时刻T3及副进气开始时刻晚。辅助进气结束时刻Tb比主排气结束时刻T4及副进气结束时刻晚。辅助进气开始时刻Ta例如可以选自180度至270度的范围，辅助进气结束时刻Tb例如可以选自270度至360度的范围。并且，辅助进气期间A5在第1进气期间A1及第2排气期间A4开始之前结束，从而不与这些期间重叠。

[0076] 但是，辅助进气期间A5并不只限于此。只要能够使缓冲容积68的压力恢复为中间压力，辅助进气期间A5在任何时间进行均可。辅助进气期间A5也可以不与第1排气期间A2及第2进气期间A3重叠。辅助进气期间A5也可以与第1进气期间A1及/或第2排气期间A4至少一部分重叠。辅助进气开始时刻T a及辅助进气结束时刻Tb也可以是0度至360度中的任意时刻。

[0077] 并且，辅助进气期间A5并非必须在一个周期内连贯地连续。可以在一个周期内设定多次辅助进气期间A5。换言之，可以在一个周期内重复多次辅助开闭阀V5的打开或关闭。

[0078] 图3是表示GM制冷机10按照图2所示的阀定时运转时获得的GM制冷机10的一个周期的动作波形的概略图。在图3中，从上往下依次表示置换器缸体26的压力、驱动室46的压力及缓冲容积68的压力。

[0079] 下面，参考图1至图3，对具有上述结构的GM制冷机10的动作进行说明。在置换器20位于下止点LP1或其附近位置时，开始第1进气期间A1(图2及图3的主进气开始时刻T1)。主进气开闭阀V1被打开，高压PH的工作气体从压缩机排出口12a供给至冷头14的室温室36。气体通过蓄冷器15的同时被冷却并进入膨胀室34。

[0080] 第2排气期间A4也与第1进气期间A1同时开始。副排气开闭阀V4被打开，活塞缸体28的驱动室46连接于压缩机吸入口12b。因此，驱动室46变成低压PL。

[0081] 基于压差PH-PL的驱动力向上作用于驱动活塞22。驱动活塞22从下止点LP2朝向上止点UP2移动。置换器20也与驱动活塞22一同从下止点LP1朝向上止点UP1移动。

[0082] 接着，主进气开闭阀V1被关闭，结束第1进气期间A1(图2及图3的主进气结束时刻T2)。同时，副排气开闭阀V4被关闭，结束第2排气期间A4。驱动活塞22及置换器20继续朝向上止点UP1、UP2移动。如此，膨胀室34的容积增加的同时被高压气体填满。

[0083] 在置换器20位于上止点UP1或其附近位置时，开始第1排气期间A2(图2及图3的主排气开始时刻T3)。主排气开闭阀V2被打开，冷头14连接于压缩机12的吸入口。高压气体在膨胀室34内膨胀并被冷却。膨胀的气体对蓄冷器15进行冷却的同时经过室温室36回收至压缩机12。

[0084] 第2进气期间A3也与第1排气期间A2同时开始。副进气开闭阀V3被打开，活塞缸体28的驱动室46连接于缓冲容积68。平均压力PM的工作气体从缓冲容积68供给至活塞缸体28的驱动室46，驱动室46成为平均压力PM。

[0085] 基于压差PM-PL的驱动力向下作用于驱动活塞22。驱动活塞22从上止点UP2朝向下止点LP2移动。缓冲容积68的压力变得稍小于平均压力PM。置换器20也与驱动活塞22一同从上止点UP1朝向下止点LP1移动。

[0086] 在第2进气期间A3中，开始辅助进气期间A5(图2及图3的辅助进气开始时刻Ta)。辅助开闭阀V5被打开，缓冲容积68连接于压缩机排出口12a。高压PH的工作气体从压缩机12供给至缓冲容积68。如此，缓冲容积68的下降的压力恢复为平均压力PM。

[0087] 接着，主排气开闭阀V2被关闭，结束第1排气期间A2(图2及图3的主排气结束时刻T4)。同时，副进气开闭阀V3被关闭，结束第2进气期间A3。驱动活塞22及置换器20继续朝向下止点LP1、LP2移动。如此，膨胀室34的容积减小的同时低压气体被排出。

[0088] 在第2进气期间A3结束之后，辅助开闭阀V5被关闭，结束辅助进气期间A5(图2及图3的辅助进气结束时刻Tb)。

[0089] 冷头14重复进行上述冷却循环(即，GM循环)，从而对冷却台38进行冷却。由此，GM制冷机10能够对与冷却台38热连接的超导装置或其他被冷却物(未图示)进行冷却。

[0090] 在冷头14以使冷却台38朝向铅垂方向下方的姿势设置的情况下，重力如箭头D所示向下作用。因此，轴向可动体16的自重起到辅助使驱动活塞22向下移动的驱动力的作用。驱动活塞22在向下移动时施加有比向上移动时更大的驱动力。因此，在典型的气体驱动式的GM制冷机中，置换器与置换器缸体在置换器的下止点容易产生碰撞或接触。

[0091] 但是，如上述，在冷头14设置有缓冲容积68。通过将缓冲容积68用作驱动室46的中间压力源，使驱动活塞22向下移动的压差PM-PL变得比使驱动活塞22向上移动的压差PH-PL更小。由此，向下移动时作用于驱动活塞22的重力得到补偿。

[0092] 由此，能够避免驱动活塞22与活塞缸体28接触或碰撞和/或置换器20与置换器缸体26接触或碰撞。或者，即使发生了碰撞，也因驱动活塞22的速度降低会导致碰撞能量减少，因此碰撞声得到抑制。因此，能够减小气体驱动型GM制冷机10的振动或异常声音。

[0093] 如上述，在以使冷却台38朝向铅垂方向下方的姿势设置冷头14时，GM制冷机10的制冷能力变得最高。通过将缓冲容积68设置于压缩机排出口12a与副进气开闭阀V3之间，在以冷却台38朝下的姿势使用GM制冷机10时能够补偿重力。

[0094] 与节流孔等流路阻力相比，辅助开闭阀V5能够通过其打开或关闭容易且可靠地控制压缩机12与缓冲容积68之间的工作气体流通。通过开放辅助开闭阀V5，容许工作气体向缓冲容积68的供给，通过关闭辅助开闭阀V5，切断工作气体向缓冲容积68的供给。

[0095] 并且，辅助开闭阀V5比基于副进气开闭阀V3的驱动室46的进气开始时刻延迟开放。辅助进气期间A5在第2进气期间A3中开始。在将缓冲容积68用作驱动室46的工作气体供给源的期间内，能够恢复缓冲容积68的压力。因而，能够在缓冲容积68的使用中将缓冲容积68的压力保持在所希望的水平。并且，与辅助进气期间A5在第2进气期间A3结束之后开始的情况相比，还能够缩小缓冲容积68的大小。

[0096] 而且，如上述，冷头14具备气体弹簧机构，其以缓和或防止置换器20与置换器缸体26碰撞或接触的方式作用于驱动活塞22。在冷头14设置有气体弹簧室48。积存在气体弹簧室48的气体在驱动活塞22向下移动时被压缩，其压力变高。由于该压力朝向与重力相反的方向作用，因此作用于驱动活塞22的驱动力变小。能够减慢驱动活塞22即将到达下止点LP2之前的速度。这种气体弹簧机构也有助于避免轴向可动体16与冷头壳体18接触或碰撞。

[0097] (第2实施方式)

[0098] 图4是概略地表示第2实施方式所涉及的气体驱动型GM制冷机的图。图5是例示图4所示的GM制冷机的阀定时的图。第2实施方式所涉及的GM制冷机10具有适于以使冷却台38朝向铅垂方向上方的姿势设置情况的结构。

[0099] 在第2实施方式所涉及的GM制冷机10的结构中，对于与第1实施方式所涉及的GM制冷机10相同的结构，援用上述说明。对于第1实施方式及第2实施方式所涉及的GM制冷机10的相同的结构，标注相同的符号，并且为了避免赘述，适当省略重复说明。

[0100] 如图4所示，缓冲容积68连接于压缩机吸入口12b与副排气开闭阀V4之间。辅助开闭阀V5连接于压缩机吸入口12b与缓冲容积68之间。缓冲容积68及辅助开闭阀V5配设于副排气路66b上。工作气体流路52具备缓冲容积68、副排气开闭阀V4及辅助开闭阀V5，从而作为驱动室46的中间压力源而发挥作用。在副进气路66a上并未设置有缓冲容积。

[0101] 辅助开闭阀V5比基于副排气开闭阀V4的驱动室46的排气开始时刻延迟开放。与第1进气期间A1及第2排气期间A4相比，辅助进气期间A5延迟开始且延迟结束。辅助进气期间A5与第1进气期间A1及第2排气期间A4一部分重叠。即，辅助进气开始时刻Ta比主进气开始时刻T1及副排气开始时刻晚。辅助进气结束时刻Tb比主进气结束时刻T2及副排气结束时刻晚。辅助进气开始时刻Ta例如可以选自0度至90度的范围，辅助进气结束时刻Tb例如可以选自90度至180度的范围。辅助进气期间A5在第1排气期间A2及第2进气期间A3开始之前结束，从而不与这些期间重叠。

[0102] 在第1进气期间A1置换器20向下移动时，基于压差PH-PM的向下的驱动力作用于驱动活塞22。另一方面，在第1排气期间A2置换器20向上移动时，基于压差PH-PL的向上的驱动力作用于驱动活塞22。与使驱动活塞22向上移动的压差PH-PL相比，使驱动活塞22向下移动的压差PM-PL变得更小。由此，向下移动时作用于驱动活塞22的重力得到补偿。因此，与第1实施方式同样地，在第2实施方式中也能够减小气体驱动型的GM制冷机10的振动或异常声音。

[0103] 以上，根据实施例对本发明进行了说明。本发明并不只限于上述实施方式，本领域技术人员可以理解能够进行各种设计改变，能够进行各种变形例，并且这种变形例也在本发明的范围内。

[0104] 符号说明

[0105] V1-主进气开闭阀，V2-主排气开闭阀，V3-副进气开闭阀，V4-副排气开闭阀，10-GM制冷机，12-压缩机，12a-压缩机排出口，12b-压缩机吸入口，20-置换器，22-驱动活塞，26-置换器缸体，46-驱动室，60-主压力转换阀，62-副压力转换阀，68-缓冲容积。

[0106] 产业上的可利用性

[0107] 本发明可利用于GM(吉福德-麦克马洪、Gifford-McMahon)制冷机领域中。