技術領域

本發(fā)明涉及一種使高壓制冷劑氣體膨脹而產(chǎn)生寒冷的超低溫制冷機。

背景技術：

作為產(chǎn)生超低溫的制冷機的一例已知有吉福德-麥克馬洪(Gifford-McMahon；GM)制冷機。GM制冷機通過使置換器在缸體內進行往復移動來改變膨脹空間的體積。并且，通過對應于該體積變化而選擇性地連接膨脹空間和壓縮機的吐出側或膨脹空間和壓縮機的吸氣側，使制冷劑氣體在膨脹空間內膨脹。通過此時產(chǎn)生的寒冷來冷卻冷卻對象(參考專利文獻1)。

專利文獻1：日本特開昭58-47970號公報

在置換器上施加有基于其內部的制冷劑氣體的壓力損失而產(chǎn)生的力。若置換器伴隨GM制冷機的大型化而變大，則作用于置換器的基于壓力損失的力也會變大。此時，驅動置換器所需的負載就會增大，施加于驅動置換器的驅動機構上的負載也會增大。這樣一來，施加于構成驅動機構的構成組件上的負載也增大，其壽命可能會變短。并且，若施加于驅動機構的負載增大，則驅動驅動機構的馬達所受的負載會增大，例如在驅動馬達使用同步馬達時，會引起同步脫落(滑移)，可能會導致GM制冷機難以進行正常的周期運轉。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明是鑒于這種情況而完成的，其目的在于提供一種能夠減少施加于置換器的驅動機構上的負載的超低溫制冷機。

為了解決上述課題，本發(fā)明的一種實施方式的超低溫制冷機具備：置換器，沿軸向延伸；缸體，以使置換器能夠沿軸向往復移動的方式容納置換器；驅動機構，驅動置換器；及殼體，容納驅動機構。驅動機構包括：偏心旋轉體；軛板，通過偏心旋轉體的旋轉而往復移動；第2軸部，從軛板沿軸向延伸并且與置換器連接；及第1軸部，從軛板向與第2軸部相反的一側延伸。在缸體的軸向一側與置換器之間形成有氣體膨脹室，在缸體的軸向另一側與置換器之間形成有常溫室，殼體包括：第1室，容納偏心旋轉體和軛板；第2室，容納第1軸部的前端且能夠調整為比第1室的壓力高的壓力；及第3室，設置于第1室與氣體室之間或第1室與第2室之間，并且能夠調整為比第1室的壓力高的壓力。

為了解決上課題，本發(fā)明的一種實施方式的超低溫制冷機具備：置換器，沿軸向延伸；缸體，以使置換器能夠沿軸向往復移動的方式容納置換器；驅動機構，驅動置換器；及殼體，容納驅動機構。驅動機構包括：偏心旋轉體；軛板，通過偏心旋轉體的旋轉而往復移動；及軸部，從軛板沿軸向延伸。殼體包括：第1室，容納偏心旋轉體和軛板；第2室，與第1室相鄰且容納軸部的一部分，并且能夠調整為比第1室的壓力更高的壓力。超低溫制冷機還具備控制裝置，該控制裝置獲取與施加于驅動機構的軸向力有關的信息，并以緩和該力的方式調整第2室的壓力。

另外，以上構成要件的任意組合、本發(fā)明的構成要件或表現(xiàn)在方法、裝置、系統(tǒng)等之間的相互置換也作為本發(fā)明的方式有效。

根據(jù)本發(fā)明，能夠減少施加于置換器的驅動機構上的負載。

附圖說明

圖1為表示第1前提技術所涉及的超低溫制冷機的示意圖。

圖2為止轉棒軛機構的分解立體圖。

圖3為表示圖1的控制裝置的功能結構的框圖。

圖4表示施加于第1前提技術所涉及的超低溫制冷機的馬達上的負載及轉矩。

圖5為表示第2前提技術所涉及的超低溫制冷機的示意圖。

圖6為表示實施方式所涉及的超低溫制冷機的示意圖。

圖7為表示圖6的控制裝置的功能結構的框圖。

圖8為表示實施方式的變形例所涉及的超低溫制冷機的示意圖。

圖中：1-壓縮機，3-膨脹機，4-控制裝置，10-缸體，12-置換器，14-止轉棒軛機構，16-殼體，34-軛板，38-第1驅動軸，40-第2驅動軸，55-應變信息獲取部，56-力運算部，57-閥控制部，60-驅動機構容納室，62-第1輔助室，64-第2輔助室，76-應變傳感器，100-超低溫制冷機。

具體實施方式

以下，在各附圖中，對相同或相等的構成要件、部件、工序標注相同的符號，并適當省略重復說明。并且，為了便于理解，在各附圖中適當放大或縮小部件的尺寸。并且，在各附圖中，省略了對實施方式的說明并不重要的部件的一部分。

(第1前提技術)

在對實施方式所涉及的超低溫制冷機進行說明之前，對其前提技術進行說明。圖1為表示第1前提技術所涉及的超低溫制冷機100的示意圖。超低溫制冷機100為吉福德-麥克馬洪制冷機(GM制冷機)，其具備壓縮機1、配管2、膨脹機3及控制裝置4。

壓縮機1對從膨脹機3返回的低壓制冷劑氣體進行壓縮，并將壓縮后的高壓制冷劑氣體供給到膨脹機3。配管2包括高壓配管2a和低壓配管2b。高壓配管2a連接于壓縮機1的吐出側。從壓縮機1流向膨脹機3的高壓制冷劑氣體在高壓配管2a中流動。低壓配管2b連接于壓縮機1的吸氣側。從膨脹機3流向壓縮機1的低壓制冷劑氣體在低壓配管2b中流動。作為制冷劑氣體，例如可以使用氦氣。另外，作為制冷劑氣體也可以使用氮氣或其他氣體。

膨脹機3使從壓縮機1供給過來的高壓制冷劑氣體膨脹從而產(chǎn)生寒冷。膨脹機3包括缸體10、置換器12、止轉棒軛機構14、殼體16、馬達18及回轉閥19。

以下，為了通俗易懂地表示膨脹機3的構成要件的位置關系，有時使用“軸向”的術語。軸向表示第1驅動軸38及第2驅動軸40(均進行后述)所延伸的方向。軸向還與置換器12的移動方向一致。為方便起見，有時將軸向上相對靠近膨脹空間24或冷卻臺26(均進行后述)的一側稱為“下”，相對遠離膨脹空間24或冷卻臺26的一側稱為“上”。另外，這種表達方式與安裝了膨脹機3時的配置無關。

缸體10具有圓筒部與底部形成為一體的有底杯狀形狀，且容納有置換器12以使置換器能夠沿軸向往復移動?？紤]到強度、導熱系數(shù)等，缸體10例如由不銹鋼制成。

置換器12在缸體10內的上止點與下止點之間進行往復移動。在此，上止點是指膨脹空間24的容積最大時的膨脹空間24的位置，下止點是指膨脹空間24的容積最小時的膨脹空間24的位置。置換器12具有圓筒狀的外周面，在其內部填充有蓄冷材料(未圖示)。從比重、強度、導熱系數(shù)等觀點出發(fā)，置換器12由例如酚醛樹脂(夾布酚醛)等樹脂制成。蓄冷材料例如由金屬絲網(wǎng)等制成。

在置換器12的上部形成有使氣體室20與置換器12的內部連通的氣體流路L1。在此，氣體室20為由缸體10和置換器12的上端形成的空間。氣體室20的容積隨著置換器12的往復移動而變化。氣體室20的溫度接近設置膨脹機的室溫，因此有時還將氣體室20稱為常溫室。

在置換器12的下部形成有使置換器12的內部與膨脹空間24連通的氣體流路L2。在此，膨脹空間24為由缸體10和置換器12的下端形成的空間。膨脹空間24的容積隨著置換器12的往復移動而變化。在缸體10的外周中的與膨脹空間24相對應的位置配置有與冷卻對象物(未圖示)熱連接的冷卻臺26。冷卻臺26通過膨脹空間24內部的制冷劑氣體而被冷卻。

在缸體10的內周面與置換器12之間設置有密封件22。因此，氣體室20與膨脹空間24之間的制冷劑氣體的流動經(jīng)由置換器12的內部。

馬達18使連接于馬達18的旋轉軸18a旋轉。

圖2為止轉棒軛機構14的分解立體圖。止轉棒軛機構14驅動置換器12往復移動。止轉棒軛機構14包括曲柄28和止轉棒軛30。

曲柄28固定于馬達18的旋轉軸18a。曲柄28在從固定有旋轉軸18a的位置偏心的位置具有曲柄銷28a。因此，若將曲柄28固定在旋轉軸18a，則曲柄銷28a成為相對于旋轉軸18a偏心的狀態(tài)。

止轉棒軛30包括驅動軸32、軛板34及滾子軸承36。驅動軸32包括第1驅動軸38和第2驅動軸40。第1驅動軸38從軛板34的上部中央朝向上方延伸。第2驅動軸40從軛板34的下部中央朝向下方延伸。

第1驅動軸38被第1滑動軸承42支承為能夠沿軸向移動。第2驅動軸40被第2滑動軸承44支承為能夠沿軸向移動。即，驅動軸32甚至止轉棒軛30構成為能夠沿軸向移動。

軛板34為板狀的部件，在其中央形成有橫向窗34a。橫向窗34a沿與第1驅動軸38及第2驅動軸40的延伸方向(即軸向)交叉的方向(例如正交的方向)延伸。

滾子軸承36可轉動地配設于橫向窗34a內。在滾子軸承36的中心形成有與曲柄銷28a卡合的卡合孔36a，曲柄銷28a貫穿卡合孔36a。

若馬達18驅動而使旋轉軸18a旋轉，則曲柄銷28a和與曲柄銷28a卡合的滾子軸承36以描繪圓的方式旋轉。通過使?jié)L子軸承36以描繪圓的方式旋轉，止轉棒軛30沿軸向往復運動。此時，滾子軸承36在橫向窗34a內沿與軸向交叉的方向往復移動。

第2驅動軸40與置換器12連結。因此，通過使止轉棒軛30沿軸向移動，置換器12在缸體10內沿軸向往復移動。

返回到圖1，殼體16具有驅動機構容納室60。驅動機構容納室60容納止轉棒軛機構14。驅動機構容納室60經(jīng)由低壓配管2b與壓縮機1的吸氣側連通。因此，驅動機構容納室60維持在與壓縮機1的吸氣側相同程度的低壓。在殼體16設置有一端與氣體室20連通且另一端與回轉閥19連通的氣體流路L3。

回轉閥19設置于從壓縮機1至氣體室20的制冷劑氣體的流路上?；剞D閥19包括定子閥46和轉子閥48。轉子閥48可旋轉地支承在殼體16內。定子閥46以不旋轉的方式固定于殼體16。在轉子閥48上連接有止轉棒軛機構14的曲柄銷28a的前端。因此，若曲柄銷28a隨著馬達18的旋轉軸18a的旋轉而旋轉，則轉子閥48相對于定子閥46進行旋轉。由此，轉子閥48與止轉棒軛機構14同步旋轉。

定子閥46及轉子閥48構成將從壓縮機1吐出的高壓工作氣體經(jīng)由氣體室20導向膨脹空間24的供給用閥50以及將工作氣體從膨脹空間24經(jīng)由氣體室20導向壓縮機1的排氣用閥52。供給用閥50及排氣用閥52隨著轉子閥48的旋轉而進行開閉。

若供給用閥50隨著轉子閥48的旋轉而開啟，則高壓工作氣體從壓縮機1通過氣體流路L3而供給到氣體室20。另一方面，若排氣用閥52隨著轉子閥48的旋轉而開啟，則低壓工作氣體從氣體室20通過氣體流路L3而被回收到壓縮機1。

圖3為表示圖1的控制裝置4的功能結構的框圖。就該圖所示的各框而言，在硬件方面能夠通過以計算機的CPU為首的元件和機械裝置來實現(xiàn)，在軟件方面能夠通過計算機程序等來實現(xiàn)，但在此表示通過硬件和軟件的協(xié)作來實現(xiàn)的功能框。因此，本領域技術人員應當理解這些功能框通過硬件、軟件的組合以各種形式得以實現(xiàn)。關于圖7也相同。

控制裝置4包括壓縮機控制部53和馬達控制部54。壓縮機控制部53控制壓縮機1的動作。壓縮機控制部53例如將壓縮機1的高壓與低壓的壓力差控制為目標壓力。馬達控制部54控制馬達18的驅動。馬達控制部54例如使馬達18的旋轉軸18a以所期望的轉速進行旋轉。

以下，對上述結構的超低溫制冷機100的動作進行說明。

假設置換器12從下止點向上止點移動，供給用閥50處于開啟狀態(tài)。此時，高壓制冷劑氣體從壓縮機1經(jīng)由高壓配管2a及供給用閥50流入到氣體室20。高壓制冷劑氣體從氣體流路L1流入到置換器12的內部，并被蓄冷材料冷卻。被冷卻的制冷劑氣體從氣體流路L2流入到膨脹空間24。由此，膨脹空間24內成為高壓狀態(tài)。

供給用閥50在置換器12到達上止點之前被關閉。之后，排氣用閥52在置換器12剛要到達上止點之前被開啟，由此，在膨脹空間24內的制冷劑氣體從高壓狀態(tài)變成低壓狀態(tài)，從而進行膨脹。其結果，膨脹空間24內的制冷劑氣體的溫度進一步下降。并且，冷卻臺26通過溫度下降的制冷劑氣體而被冷卻。

置換器12到達上止點后繼續(xù)從上止點向下止點移動。隨之，低壓制冷劑氣體通過與上述路徑相反的路徑，并且冷卻蓄冷材料的同時經(jīng)由排氣用閥52及低壓配管2b返回到壓縮機1。而且，排氣用閥52在置換器12到達下止點之前被關閉。之后，供給用閥50在置換器12剛要到達下止點之前被開啟，由此，高壓制冷劑氣體再次從壓縮機1經(jīng)由高壓配管2a及供給用閥50流入到氣體室20。置換器12到達下止點后繼續(xù)從下止點向上止點移動。

將以上動作設為1個周期，通過反復進行該制冷周期，對與冷卻臺26熱連接的冷卻對象物進行冷卻。

圖4表示施加于第1前提技術所涉及的超低溫制冷機100的馬達18上的軸向負載及施加于馬達18上的負載轉矩。在圖4中，橫軸表示運轉角度(曲柄28的角度)[deg]。0°(360°)為置換器12處于上止點時，即膨脹空間24的容積最大時的角度，180°為置換器12處于下止點時，即膨脹空間24的容積最小時的角度。并且，在圖4中，左邊的縱軸表示置換器12的位移[cm]和施加于馬達18的負載轉矩[N·m]。右邊的縱軸表示施加于馬達18的軸向負載[N]。在此，將朝上的負載設為正。曲線90表示置換器12的位移，曲線92表示施加于止轉棒軛機構14甚至馬達18的軸向負載，曲線94表示施加于馬達18的負載轉矩。另外，在曲線94中，作為恒定值附加有使轉子閥48旋轉所需的負載轉矩。

如上所述，為了提高冷卻效率，在置換器12的內部填充有蓄冷材料。因此，在制冷劑氣體流過置換器12的內部時會產(chǎn)生壓力損失，而基于該壓力損失產(chǎn)生的力會作用于置換器12上。

在此，將排氣用閥52處于開啟狀態(tài)的期間稱為排氣期間。在排氣期間中的包含在運轉角度為0°～180°范圍的期間(例如0°～120°)，置換器12的移動方向(下方向)與制冷劑氣體流動方向成為相反方向。因此，置換器12受到與其移動方向相反方向的基于壓力損失產(chǎn)生的力。該力經(jīng)由第2驅動軸40傳遞到止轉棒軛機構14，成為妨礙驅動止轉棒軛機構14的馬達18旋轉的負載。

在此，將供給用閥50處于開啟狀態(tài)的期間稱為吸氣期間。在吸氣期間中的包含在運轉角度為0°～180°范圍的期間(例如120°～180°)，置換器12的移動方向(下方向)與制冷劑氣體流動方向成為相同方向。因此，置換器12受到與其移動方向相同方向的基于壓力損失產(chǎn)生的力。該力經(jīng)由第2驅動軸40傳遞到止轉棒軛機構14，成為幫助驅動止轉棒軛機構14的馬達18旋轉的負載。

在吸氣期間中的包含在運轉角度為180°～360°范圍的期間(例如180°～260°)，置換器12的移動方向(上方向)與制冷劑氣體的流動方向成為相反方向。因此，置換器12受到與其移動方向相反方向的基于壓力損失產(chǎn)生的力。該力成為妨礙馬達18旋轉的負載而施加于馬達18。

在排氣期間中的包含在運轉角度為180°～360°范圍的期間(例如320°～360°)，置換器12的移動方向(上方向)與制冷劑氣體的流動方向成為相同方向。因此，置換器12受到與其移動方向相同方向的基于壓力損失產(chǎn)生的力。該力成為幫助馬達18旋轉的負載而施加于馬達18。

如此，在止轉棒軛機構14及馬達18上施加有基于壓力損失產(chǎn)生的負載。若在止轉棒軛機構14上施加有較大的負載，則其構成組件的壽命會變短。并且，無論是妨礙馬達18旋轉的負載還是幫助馬達18旋轉的負載，只要有大于容許值的負載施加于馬達18，則會產(chǎn)生馬達18的同步脫離(滑移)，有可能使超低溫制冷機100無法進行正常的循環(huán)運轉。

另外，若增加超低溫制冷機100的冷卻容量，則流過置換器12的內部的氣體量也會增加，因此制冷劑氣體流過置換器12的內部時產(chǎn)生的壓力損失也會變大。因此，若增加超低溫制冷機100的冷卻容量，則施加于止轉棒軛機構14及馬達18的負載也會變大。因此，超低溫制冷機100越大，該問題越顯著。

(第2前提技術)

接著，說明對第1前提技術進行了改進的第2前提技術。

圖5為表示第2前提技術所涉及的超低溫制冷機100的示意圖。在此，重點對與圖1的不同點進行說明。

殼體16具有驅動機構容納室60和第1輔助室62。第1輔助室62容納第1驅動軸38的上端部。在第1輔助室62的下方設置有密封件66。密封件66容許第1驅動軸38的軸向移動，并且從驅動機構容納室60氣密地隔離第1輔助室62。作為密封件66例如可以使用滑動密封件或間隙密封件。另外，也可以將第1滑動軸承42與密封件66設為一體。

在第1輔助室62連接有高壓配管2a和低壓配管2b。在第1輔助室62與壓縮機1之間的高壓配管2a上設置有第1閥78。若第1閥78被開啟，則第1輔助室62的制冷劑氣體成為高壓狀態(tài)。在第1輔助室62與壓縮機1之間的低壓配管2b上設置有第2閥80。若第2閥80被開啟，則第1輔助室62的制冷劑氣體成為低壓狀態(tài)。如上所述，第1輔助室62從驅動機構容納室60被氣密地隔離，因此基于第1輔助室62與驅動機構容納室60的壓力差，在第1驅動軸38上施加有下式表示的軸向力F₁。在此，將朝下設為正。

F₁＝S_U×(P_U-P_L) (1)

在此，S_U為第1驅動軸38的與軸向正交的截面的面積(以下，簡稱為“截面積”)，P_U為第1輔助室62的壓力，P_L為驅動機構容納室60的壓力。

如上所述，由于驅動機構容納室60維持在低壓，因此若第1輔助室62的制冷劑氣體成為高壓狀態(tài)，則基于第1輔助室62與驅動機構容納室60的壓力差，在第1驅動軸38上施加有朝向軸向下方的力。由于第1驅動軸38經(jīng)由止轉棒軛機構14與置換器12連接，因此基于該力，置換器12向軸向下方施力。即，在通過止轉棒軛機構14使置換器12向下方移動時，供給到第1輔助室62的工作氣體的壓力能夠作為幫助該移動的輔助力而發(fā)揮作用。通過適時施加該輔助力，能夠減少施加于止轉棒軛機構14及馬達18的負載。

然而，在第2前提技術所涉及的超低溫制冷機100中，即便第1輔助室62的制冷劑氣體成為低壓狀態(tài)，第1輔助室62與驅動機構容納室60之間也不會產(chǎn)生壓力差，無法基于第1輔助室62與驅動機構容納室60的壓力差而使置換器12向軸向上方施力。因此，在圖4的吸氣期間中的包含在運轉角度為0°～180°范圍的期間，無法減少施加于馬達18及止轉棒軛機構14的負載。并且，在第2前提技術中，通常，在通過設計而預先確定的時刻使輔助力發(fā)揮作用。因此，無法應對由于超低溫制冷機100的姿勢、運轉狀態(tài)(即，過渡運轉狀態(tài)還是穩(wěn)定運轉狀態(tài))、機械誤差等而導致壓力損失甚至施加于馬達18的負載的大小及上述時刻與設計不同的情況，并且若輔助力過強，則反而會造成不良影響。

(實施方式)

下面，對實施方式所涉及的超低溫制冷機的概要進行說明。實施方式所涉及的超低溫制冷機除了第1輔助室之外還具備第2輔助室。第2輔助室構成為使朝向軸向上方的輔助力作用于止轉棒軛機構。由此，不僅在排氣期間，在吸氣期間也能夠減少施加于馬達18及止轉棒軛機構14的負載。

并且，實施方式所涉及的超低溫制冷機獲取施加于止轉棒軛機構甚至馬達18上的負載，并以緩和該負載的方式使各輔助力作用于止轉棒軛機構14。由此，能夠適時使適當方向的輔助力作用于止轉棒軛機構14。

另外，也可以考慮測定施加于馬達的轉矩，并以降低其轉矩的方式使各輔助力作用于止轉棒軛機構。然而，即便以降低施加于馬達的轉矩的方式使各輔助力作用于止轉棒軛機構，也存在施加于止轉棒軛機構的軸向負載并不下降的運轉時刻。例如在運轉角度為0°和180°的時刻，即便在止轉棒軛機構上施加有軸向負載，也不會產(chǎn)生轉矩。即，在該時刻，即便測定轉矩，也無法降低施加于止轉棒軛機構的軸向負載。此時，可能對止轉棒軛機構的構成組件的壽命帶來不良影響。另一方面，若降低施加于止轉棒軛機構的負載，則施加于止轉棒軛機構的軸向負載及施加于馬達的負載轉矩也下降。因此，在本實施方式中，獲取施加于止轉棒軛機構14的負載。以下，對實施方式所涉及的超低溫制冷機進行具體說明。

圖6為表示實施方式所涉及的超低溫制冷機100的示意圖。在此，重點對與圖1及圖5不同的點進行說明。

第1驅動軸38具有第1小形部38a及截面積大于第1小形部38a的截面積的第1大形部38b。在本實施方式中，第1小形部38a及第1大形部38b均為圓柱形形狀。

第2驅動軸40具有：第2小形部40a；第2大形部40b，截面積大于第2小形部40a的截面積；第2中形部40c，截面積大于第2小形部40a的截面積且小于第2大形部40b的截面積。另外，第2小形部40a與第2中形部40c的截面積的大小關系可以相反。

在第1驅動軸38的第1小形部38a，以夾著軸彼此對置的方式粘貼有兩個應變傳感器76。應變傳感器76安裝于第1驅動軸38的位于驅動機構容納室60的部分。同樣地，在第2驅動軸40的第2小形部40a，也以夾著軸彼此對置的方式粘貼有兩個應變傳感器77。應變傳感器77安裝于第2驅動軸40的位于驅動機構容納室60的部分。另外，應變傳感器76、77優(yōu)選設置于滾子軸承36的附近。

殼體16具有驅動機構容納室60、第1輔助室62及第2輔助室64。第1輔助室62、驅動機構容納室60、第2輔助室64依次自上而下排列。

第1輔助室62、第1閥78、第2閥80的結構與第2前提技術的第1輔助室62、第1閥78、第2閥80的結構相同。因此，式(1)的軸向力作為輔助力而作用于第1驅動軸38上。

第2輔助室64容納第2大形部40b的下端部和第2中形部40c的上側部分。換言之，第2輔助室64容納第2大形部40b與第2中形部40c之間的連接部分。在第2輔助室64的上方設置有密封件70。密封件70容許第2大形部40b的軸向移動，并且從驅動機構容納室60氣密地隔離第2輔助室64。在第2輔助室64的下方設置有密封件74。密封件74容許第2中形部40c的軸向移動，并且從氣體室20氣密地隔離第2輔助室64。與密封件66相同，密封件70、密封件74例如也可以使用滑動密封件或間隙密封件。

在第2輔助室64連接有高壓配管2a和低壓配管2b。在第2輔助室64與壓縮機1之間的高壓配管2a上設置有第3閥82，在第2輔助室64與壓縮機1之間的低壓配管2b上設置有第4閥84。若第3閥82被開啟，則第2輔助室64的制冷劑氣體成為高壓狀態(tài)。若第4閥84被開啟，則第2輔助室64的制冷劑氣體成為低壓狀態(tài)。如上所述，第2輔助室64從驅動機構容納室60及氣體室20被氣密地隔離，因此基于第2輔助室64與驅動機構容納室60及氣體室20的壓力差，在第2驅動軸40上施加有下式表示的軸向力F₂。在此，將朝下設為正。

F₂＝S_M×(P_L-P_V)+S_L×(P_V-P_R) (2)

在此，S_M為第2驅動軸40的第2大形部40b的截面積，P_V為第2輔助室64的壓力，S_L為第2驅動軸40的第2中形部40c的截面積，P_R為氣體室20的壓力。

如上所述，由于驅動機構容納室60維持在低壓，并且在S_M足夠大于S_L時可忽略式(2)的第2項，因此若第2輔助室64的制冷劑氣體成為高壓狀態(tài)，則基于第2輔助室64與驅動機構容納室60的壓力差，在第2驅動軸40上施加有朝向軸向上方的力。由于第2驅動軸40經(jīng)由止轉棒軛機構14與置換器12連接，因此基于該力，置換器12向軸向上方施力。即，在通過止轉棒軛機構14使置換器12向上方移動時，供給到第2輔助室64的工作氣體的壓力能夠作為幫助該移動的輔助力而發(fā)揮作用。

圖7為表示圖6的控制裝置4的功能結構的框圖。在此，重點對與圖3不同的點進行說明。

控制裝置4包括壓縮機控制部53、馬達控制部54、應變信息獲取部55、力運算部56及閥控制部57。

應變信息獲取部55從應變傳感器76、77獲取第1小形部38a、第2小形部40a的應變量的測定值。

力運算部56運算出施加于止轉棒軛機構14的軸向力F₃。在本實施方式中，根據(jù)應變信息獲取部55所獲取的應變量進行運算。在此，將朝下設為正。

F₃＝X₁×S_T×E-X₂×S_N×E (3)

在此，X₁為第1小形部38a的應變量，S_T為第1小形部38a的截面積，X₂為第2小形部40a的應變量，S_N為第2小形部40a的截面積，E為驅動軸材料的楊氏模量。

閥控制部57控制第1閥78～第4閥84的開閉。在第1閥78被開啟且第2閥80被關閉的狀態(tài)下，第1輔助室62成為高壓，式(1)的朝向軸向下方的輔助力作用于止轉棒軛機構14。另一方面，在第3閥82被開啟且第4閥84被關閉的狀態(tài)下，第2輔助室64成為高壓，式(2)的朝向軸向上方的輔助力作用于止轉棒軛機構14。

因此，當利用式(3)運算出的力為“-”時，閥控制部57開啟第1閥78且關閉第2閥80從而使第1輔助室62成為高壓，并且開啟第4閥84且關閉第3閥82從而使第2輔助室64成為低壓，以使朝下的輔助力作用于止轉棒軛機構14。

另一方面，當利用式(3)運算出的力為“+”時，閥控制部57開啟第2閥80且關閉第1閥78從而使第1輔助室62成為低壓，并且開啟第3閥82且關閉第4閥84從而使第2輔助室64成為高壓，以使朝上的輔助力作用于止轉棒軛機構14。

即，閥控制部57以緩和施加于止轉棒軛機構14及馬達18的負載的方式(即，使負載接近零的方式)控制第1閥78～第4閥84的開閉，從而使輔助力作用于止轉棒軛機構14。

根據(jù)上述實施方式所涉及的超低溫制冷機100，除了朝向軸向下方的輔助力之外，能夠在任意時刻使朝向軸向上方的輔助力作用于止轉棒軛機構14。因此，不論在運轉周期的哪一時刻均能夠減少施加于止轉棒軛機構14的負載。由此，能夠減少施加于止轉棒軛機構14的構成組件上的負載，從而能夠實現(xiàn)止轉棒軛機構14的構成組件的長壽命化。并且，由于施加于驅動止轉棒軛機構14的馬達18上的負載轉矩也得到減少，因此同步脫離的產(chǎn)生也得到抑制。

并且，根據(jù)實施方式所涉及的超低溫制冷機100，能夠監(jiān)控施加于止轉棒軛機構14的力，并以緩和施加于止轉棒軛機構14的負載的方式使輔助力發(fā)揮作用。因此，無論超低溫制冷機100的姿勢、運轉狀態(tài)(即，過渡運轉狀態(tài)還是穩(wěn)定運轉狀態(tài))、機械誤差等，均能夠適時施加適當大小的輔助力。

并且，根據(jù)實施方式所涉及的超低溫制冷機100，應變傳感器76、77安裝于位于驅動機構容納室60的第1驅動軸38及第2驅動軸40的靠近曲柄銷28a的上端附近。因此，能夠通過應變傳感器76、77獲取基于壓力損失產(chǎn)生的力、由置換器12的自身重量產(chǎn)生的負載、驅動慣性力、密封件的摩擦負載等與伴隨驅動的負載有關的幾乎所有信息。即，能夠比較準確地運算出施加于止轉棒軛機構14的負載。

并且，根據(jù)實施方式所涉及的超低溫制冷機100，應變傳感器76、77粘貼于第1驅動軸38的第1小形部38a和第2驅動軸40的第2小形部40a。換言之，粘貼于與其他部分相比截面積較小的縮頸部。由于在縮頸部容易產(chǎn)生應變，因此與粘貼于其他部分的情況相比，能夠更準確地獲取應變量，從而能夠更準確地運算出施加于止轉棒軛機構14的軸向力。

以上，對實施方式所涉及的超低溫制冷機進行了說明。該實施方式為例示，本領域技術人員應當理解，在這些各構成要件或各處理程序的組合中可存在各種變形例，而且這種變形例也在本發(fā)明的范圍內。以下，示出變形例。

(變形例1)

在實施方式中，對通過將第1輔助室62設為高壓并將第2輔助室64設為低壓，從而施加朝向軸向下方的輔助力，并且通過將第1輔助室62設為低壓并將第2輔助室64設為高壓，從而施加朝向軸向上方的輔助力的情況進行了說明，但并不限于此。也可以將第1輔助室62或第2輔助室64中的一個固定為低壓與高壓之間的壓力，并將第1輔助室62或第2輔助室64中的另一個在低壓和高壓之間進行切換。例如，可以將第1輔助室62的壓力固定為低壓與高壓之間的中間壓。此時，可以將第1閥78和第2閥80分別開啟1/2的開度，從而固定為中間壓。根據(jù)本變形例，只要將其中一個輔助室的壓力在低壓和高壓之間進行切換即可，因此控制變得比較輕松。

在實施方式中，對第1輔助室62、驅動機構容納室60、第2輔助室64依次自上而下排列的情況進行了說明，但并不限于此。圖8表示實施方式的變形例所涉及的超低溫制冷機100。在本變形例中，在第1輔助室62與驅動機構容納室60之間設置有第2輔助室64。根據(jù)本變形例，也能夠得到與實施方式所涉及的超低溫制冷機100相同的作用效果。

(變形例2)

在實施方式中，對超低溫制冷機100的膨脹機3的級數(shù)為一級的情況進行了說明，但并不限于此，膨脹機3的級數(shù)也可以是二級以上。

(變形例3)

在實施方式中，對根據(jù)來自粘貼于第1驅動軸38和第2驅動軸40這兩者上的應變傳感器的測定值來運算出施加于止轉棒軛機構14的負載的情況進行了說明，但并不限于此。根據(jù)超低溫制冷機100的使用環(huán)境、超低溫制冷機100的使用方法，有時根據(jù)第1驅動軸38或第2驅動軸40中的一個軸的應變量運算出施加于止轉棒軛機構14的負載也足以。此時，也可以僅在第1驅動軸38或第2驅動軸40中的一個軸上粘貼應變傳感器。

(變形例4)

在實施方式中，對控制裝置4包括馬達控制部54的情況進行了說明，但并不限于此。例如，當馬達18為以恒定速度旋轉的馬達時，控制裝置4也可以不具有馬達控制部54。

上述前提技術、實施方式及變形例的任意組合作為本發(fā)明的實施方式同樣有用。通過組合而產(chǎn)生的新實施方式兼具所組合的實施方式及變形例各自的效果。