GM制冷机的制作方法

本发明涉及一种gm(吉福德-麦克马洪、gifford-mcmahon)制冷机。

背景技术：

gm制冷机根据其驱动源大致分为马达驱动型与气体驱动型这两种。在马达驱动型gm制冷机中，置换器与马达机械连结，并且被马达驱动。在气体驱动型gm制冷机中，置换器被气体压力驱动。

以往技术文献

专利文献

专利文献1：美国专利第6256997号说明书

技术实现要素：

发明要解决的技术课题

在马达驱动型gm制冷机的情况下，置换器的行程取决于连结机构，因此容易将马达驱动型gm制冷机设计成使置换器不与缸体碰撞。例如，只要在置换器的下止点与缸体底面之间设置微小间隙即可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，置换器通过气体压力的作用而移动直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噪声的原因。

本发明是鉴于这种情况而完成的，本发明的一种实施方式的例示性目的之一在于减少气体驱动型gm制冷机的振动或异常噪声。

用于解决技术课题的手段

根据本发明的一种实施方式提供一种gm制冷机，其具备：置换器，其能够沿轴向往复移动；置换器缸体，其容纳所述置换器；驱动活塞，其以沿轴向驱动所述置换器的方式与所述置换器连结；及活塞缸体，其容纳所述驱动活塞，且其具备驱动室及气体弹簧室，所述驱动室的压力被控制成驱动所述驱动活塞的，所述气体弹簧室形成为相对于所述置换器缸体气密且通过所述驱动活塞而从所述驱动室分隔。

另外，以上构成要件的任意组合以及在方法、装置、系统等之间相互置换本发明的构成要件和表述的方式也作为本发明的方式而有效。

发明效果

根据本发明，能够减少气体驱动型gm制冷机的振动或异常噪声。

附图说明

图1为表示第1实施方式所涉及的gm制冷机的概略图。

图2为表示gm制冷机的动作的一例的图。

图3为表示第2实施方式所涉及的gm制冷机的概略图。

图4为表示第3实施方式所涉及的gm制冷机的概略图。

图5为表示第3实施方式所涉及的gm制冷机的概略图。

图6为表示第3实施方式所涉及的gm制冷机的概略图。

图7为表示第3实施方式所涉及的gm制冷机的概略图。

图8为表示第3实施方式所涉及的gm制冷机的概略图。

图9为表示第3实施方式所涉及的gm制冷机的概略图。

图10(a)及图10(b)为表示第3实施方式所涉及的gm制冷机的概略图。

图11为表示第3实施方式所涉及的gm制冷机的概略图。

图12为表示第3实施方式所涉及的gm制冷机的概略图。

图13为表示第3实施方式所涉及的gm制冷机的概略图。

图14为表示第3实施方式所涉及的gm制冷机的概略图。

图15为表示第3实施方式所涉及的gm制冷机的概略图。

图16为表示第3实施方式所涉及的gm制冷机的概略图。

图17(a)及图17(b)为表示第3实施方式所涉及的gm制冷机的概略图。

图18为表示第3实施方式所涉及的gm制冷机的概略图。

图19为表示第4实施方式所涉及的gm制冷机的概略图。

图20为表示第4实施方式所涉及的gm制冷机的概略图。

图21为表示第4实施方式所涉及的gm制冷机的概略图。

具体实施方式

以下，对本发明的实施方式进行详细说明。另外，以下所述的结构为示例，对本发明的范围不做任何限定。并且，在各附图中，对相同的要件标注相同的符号，并适当省略重复说明。并且，在以下说明中所参考的附图中，为了便于说明，各构成部件的大小及厚度并不一定表示实际尺寸和比率。

(第1实施方式)

图1为表示第1实施方式所涉及的gm制冷机10的概略图。

gm制冷机10具备压缩工作气体(例如，氦气)的压缩机12及通过使工作气体绝热膨胀以使其冷却的冷头14。冷头14也称为膨胀机。详细如后面叙述，压缩机12向冷头14供给高压的工作气体。冷头14具备对工作气体进行预冷的蓄冷器15。经过预冷的工作气体在冷头14内膨胀从而进一步被冷却。工作气体通过蓄冷器15回收至压缩机12。工作气体通过蓄冷器15时冷却蓄冷器15。压缩机12压缩回收过来的工作气体后再次供给至冷头14。

图示的冷头14为单级式。但是，冷头14也可以是多级式。

冷头14为气体驱动型。因此，冷头14具备被气体压力驱动的自由活塞(即，轴向可动体16)及容纳轴向可动体16且构成为气密的冷头壳体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并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)。

轴向可动体16具备能够沿轴向(图1中为上下方向，用箭头c表示)往复移动的置换器20及与置换器20连结且沿轴向驱动置换器20的驱动活塞22。驱动活塞22与置换器20同轴配设且在轴向上与置换器20分开配设。

冷头壳体18具备容纳置换器20的置换器缸体26及容纳驱动活塞22的活塞缸体28。活塞缸体28与置换器缸体26同轴配设且在轴向上与置换器缸体26相邻配设。

详细在后面叙述，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。并且，冷头14具备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的气体弹簧机构。

并且，轴向可动体16具备连结杆24，该连结杆24刚性连结置换器20与驱动活塞22，以使置换器20与驱动活塞22一体地沿轴向往复移动。连结杆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。

驱动活塞22的尺寸比置换器20的尺寸小。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的直径也比置换器20的直径小。连结杆24的直径比驱动活塞22的直径小。

活塞缸体28的容积比置换器缸体26的容积小。活塞缸体28的轴向长度比置换器缸体26的轴向长度短，活塞缸体28的直径也比置换器缸体26的直径小。

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，其尺寸关系可以与上述尺寸关系不同。相同地，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，其尺寸关系也可以与上述尺寸关系不同。

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的内径与置换器20的外径一致或比其稍大。相同地，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的内径与驱动活塞22的外径一致或比其稍大。

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

并且，冷头壳体18具备将置换器缸体26连接于活塞缸体28的连结杆引导件30。连结杆引导件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朝向活塞缸体28延伸。连结杆24贯穿于连结杆引导件30。连结杆引导件30构成引导连结杆24沿轴向往复移动的轴承。

置换器缸体26经由连结杆引导件30与活塞缸体28气密地连结。因此，冷头壳体18构成工作气体的压力容器。另外，连结杆引导件30也可以被视为置换器缸体26或活塞缸体28的一部分。

第1密封部32设置于连结杆24与连结杆引导件30之间。第1密封部32安装于连结杆24或连结杆引导件30中的任意一个上，并且与连结杆24或连结杆引导件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。

置换器缸体26被置换器20分隔为膨胀室34与室温室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设置有以从外侧包围膨胀室34的方式固定于置换器缸体26的冷却台38。

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。此外，置换器20还具备内接于上盖部的入口整流器41及内接于下盖部的出口整流器43。蓄冷器15夹在这一对整流器之间。

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之间不存在直接的气体流通(即，绕过蓄冷器15的气体流动)。

在置换器20沿轴向移动时，膨胀室34及室温室36的容积以互补的方式增减。即，在置换器20向下移动时，膨胀室34变窄而室温室36变宽。反之也相同。

工作气体从室温室36通过入口流路40流入蓄冷器15。更准确而言，工作气体从入口流路40通过入口整流器41流入蓄冷器15。工作气体从蓄冷器15经由出口整流器43及出口流路42流入膨胀室34。在工作气体从膨胀室34返回到室温室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返回到室温室36。绕过蓄冷器15而欲流过间隙的工作气体被第2密封部44阻断。

活塞缸体28具备以驱动驱动活塞22的方式得到压力控制的驱动室46及通过驱动活塞22而从驱动室46分隔的气体弹簧室48。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的容积以互补的方式增减。

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。

连结杆24从驱动活塞22的下表面通过气体弹簧室48而朝向连结杆引导件30延伸。而且，连结杆24通过室温室36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配置于与连结杆24相同的一侧，驱动室46相对于驱动活塞22配置于与连结杆24相反的一侧。

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例如为滑动密封件，其安装于驱动活塞22的侧面。驱动活塞22与活塞缸体28之间的间隙被第3密封部50封闭，因此在驱动室46与气体弹簧室48之间不存在直接的气体流通。并且，由于设置有第1密封部32，因此在气体弹簧室48与室温室36之间也不存在气体流通。因此，气体弹簧室48形成为相对于置换器缸体26气密。气体弹簧室48被第1密封部32及第3密封部50密封。

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的压力朝上作用于驱动活塞22的下表面。由此，气体弹簧室48产生抵抗驱动活塞22的向下移动的气体弹簧力。

相反，在驱动活塞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。另外，此时驱动室46变窄。因此，在第2进气阀v3及第2排气阀v4被关闭的期间，也可以将驱动室46视为产生抵抗驱动活塞22的向上移动的朝下的气体弹簧力的第2气体弹簧室。

冷头14在使用现场以图示朝向设置。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，在以使冷却台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的制冷能力达到最高。但是，gm制冷机10的配置并不只限于此。相反，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也可以设置成横向或其他朝向。

此外，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，使轴向可动体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，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。

工作气体流路52具备阀部54。阀部54具备第1进气阀v1、第1排气阀v2、第2进气阀v3及第2排气阀v4。可以将第2进气阀v3及第2排气阀v4分别称为用于驱动驱动活塞22的高压阀及低压阀。

阀部54配设于冷头壳体18之内，其可以通过配管与压缩机12连接。阀部54也可以配设于冷头壳体18的外部，并且通过配管分别与压缩机12及冷头14连接。

阀部54可以采用回转阀的形式。即，阀部54可以构成为，通过使阀盘相对于阀主体旋转滑动，适当地切换阀v1～v4。此时，阀部54可以具备用于旋转驱动阀部54(例如，阀盘)的旋转驱动源56。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连接。并且，阀部54还可以具备控制阀部54的控制部58。控制部58可以控制旋转驱动源56。

在一种实施方式中，阀部54可以具备多个可独立控制的阀v1～v4，并且由控制部58分别控制阀v1～v4的开闭。此时，阀部54也可以不具备旋转驱动源56。

第1进气阀v1配设于将压缩机12的吐出口连接于冷头14的室温室36的第1进气流路60上。第1排气阀v2配设于将压缩机12的吸入口连接于冷头14的室温室36的第1排气流路62上。如图1所示，第1排气流路62的一部分在室温室36侧可以与第1进气流路60通用，第1排气流路62的剩余部分在阀部54侧可以从第1进气流路60分支。

第2进气阀v3配设于将压缩机12的吐出口连接于活塞缸体28的驱动室46的第2进气流路64上。如图1所示，第2进气流路64的一部分在压缩机12侧可以与第1进气流路60通用。第2排气阀v4配设于将压缩机12的吸入口连接于活塞缸体28的驱动室46的第2排气流路66上。如图1所示，第2排气流路66的一部分在驱动室46侧可以与第2进气流路64通用，第2排气流路66的剩余一部分在阀部54侧可以从第2进气流路64分支。并且，第2排气流路66的一部分在压缩机12侧可以与第1排气流路62通用。

图2为表示gm制冷机10的动作的一例的图。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与360度相对应，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、270度分别相当于1/4周期、半个周期、3/4周期。另外，图2中例示的阀定时不仅能够适用于第1实施方式，也能够适用于后述的第2实施方式至第4实施方式。

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、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分别由第1进气阀v1、第1排气阀v2、第2进气阀v3及第2排气阀v4来确定。

在第1进气期间a1(即，第1进气阀v1被开启的期间)，工作气体从压缩机12的吐出口流向室温室36。相反，若第1进气阀v1被关闭，则从压缩机12至室温室36的工作气体的供给得到停止。在第1排气期间a2(即，第1排气阀v2被开启的期间)，工作气体从室温室36流向压缩机12的吸入口。若第1排气阀v2被关闭，则从室温室36至压缩机12的工作气体的回收得到停止。

在第2进气期间a3(即，第2进气阀v3被开启的期间)，工作气体从压缩机12的吐出流口向驱动室46。若第2进气阀v3被关闭，则从压缩机12至驱动室46的工作气体的供给得到停止。在第2排气期间a4(即，第2排气阀v4被开启的期间)，工作气体从驱动室46流向压缩机12的吸入口。若第2排气阀v4被关闭，则从驱动室46至压缩机12的工作气体的回收得到停止。

在图2所示的例子中，第1进气期间a1及第2排气期间a4在0度至135度的范围，第1排气期间a2及第2进气期间a3在180度至315度的范围。第1进气期间a1与第1排气期间a2彼此交替且并不重叠，第2进气期间a3与第2排气期间a4彼此交替且并不重叠。第1进气期间a1与第2排气期间a4重叠，第1排气期间a2与第2进气期间a3重叠。在0度时，置换器20及驱动活塞22位于下止点lp1、lp2或其附近，在180度时，置换器20及驱动活塞22位于上止点up1、up2或其附近。

下面，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中的0度)。第1进气阀v1被开启，高压气体从压缩机12的吐出口供给至冷头14的室温室36。气体一边通过蓄冷器15一边被冷却，并进入到膨胀室34。

第2排气期间a4与第1进气期间a1同时开始(图2中的0度)。第2排气阀v4被开启，活塞缸体28的驱动室46与压缩机12的吸入口连接。由此，驱动室46相对于室温室36及膨胀室34成为低压。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。第1进气阀v1被关闭，结束第1进气期间a1(图2中的135度)。第2排气阀v4被关闭，结束第2排气期间a4(图2中的135度)。驱动活塞22及置换器20继续朝向上止点up1、up2移动。由此，膨胀室34的容积增加并且被高压气体充满。

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中的180度)。第1排气阀v2被开启，冷头14与压缩机12的吸入口连接。高压气体在膨胀室34内膨胀而被冷却。膨胀的气体一边冷却蓄冷器15一边经过室温室36而回收至压缩机12。

第2进气期间a3与第1排气期间a2一同开始(图2中的180度)。第2进气阀v3被开启，高压气体从压缩机12的吐出口供给至活塞缸体28的驱动室46。由此，驱动室46相对于室温室36及膨胀室34成为高压。驱动活塞22从上止点up2朝向下止点lp2移动。

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。第1排气阀v2被关闭，结束第1排气期间a2(图2中的315度)。第2进气阀v3被关闭，结束第2进气期间a3(图2中的315度)。驱动活塞22及置换器20继续朝向下止点lp1、lp2移动。由此，膨胀室34的容积变小并且排出低压气体。

冷头14通过反复进行这种冷却循环(即，gm循环)来冷却冷却台38。由此，gm制冷机10能够冷却热耦合于冷却台38的超导装置或其他被冷却物(未图示)。

如上所述，由于冷头14设置成冷却台38朝向铅垂方向下方的姿势，因此，如箭头d所示，重力朝下作用。因此，轴向可动体16的自重起到辅助使驱动活塞22朝下移动的驱动力的作用。在驱动活塞22朝下移动时施加有比朝上移动时更大的驱动力。因此，在典型的气体驱动式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。

然而，在冷头14设置有气体弹簧室48。储存于气体弹簧室48的气体在驱动活塞22向下移动时被压缩，其压力变高。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的刚要到达下止点lp2之前的速度。

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，即使产生碰撞，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。

(第2实施方式)

图3为表示第2实施方式所涉及的gm制冷机10的概略图。在第2实施方式所涉及的gm制冷机10中，追加设置了使气体弹簧室48与驱动室46连通的流路阻力部68，除此之外，其他结构与第1实施方式所涉及的gm制冷机10相同。

gm制冷机10具备压力释放路70，该压力释放路70连通气体弹簧室48与驱动室46以从气体弹簧室48向驱动室46释放气体压力。压力释放路70以使气体弹簧室48与驱动室46短路的方式设置于活塞缸体28。节流孔等流路阻力部68配置于压力释放路70的中途。

另外，如图3中虚线所示，压力释放路70及流路阻力部68也可以设置于驱动活塞22。

如此，也与第1实施方式相同，储存于气体弹簧室48的气体在驱动活塞22向下移动时被压缩，其压力变高。能够抑制轴向可动体16与冷头壳体18接触或碰撞，并且能够减少gm制冷机10的振动或异常噪声。

由于设置有流路阻力部68，因此，在驱动活塞22向下移动过度导致气体弹簧室48过度升压的情况下，能够从气体弹簧室48向驱动室46释放压力。由此，能够保护活塞缸体28。

(第3实施方式)

图4至图16为表示第3实施方式所涉及的gm制冷机10的概略图。在第3实施方式所涉及的gm制冷机10中，将驱动活塞22与活塞缸体28之间的间隙用作流路阻力部，除此之外，其他结构与第1实施方式所涉及的gm制冷机10相同。因此，与第1实施方式不同，未设置有第3密封部50。气体弹簧室48未被密闭。

如图4所示，gm制冷机10具备径向间隙72作为流路阻力部。通过径向间隙72，气体弹簧室48与驱动室46连通。径向间隙72形成于驱动活塞22与活塞缸体28之间。即，径向间隙72为由驱动活塞22的外径与活塞缸体28的内径确定的径向上的间隙。径向间隙72在轴向上恒定。如此，也能够与上述各实施方式相同地减少gm制冷机10的振动或异常噪声。

如图5所示，活塞缸体28可以具备筒状的引导部件28a(例如，导衬)。通过使驱动活塞22沿引导部件28a的内周面滑动，引导部件28a能够沿轴向引导驱动活塞22。为了实现与驱动活塞22的良好的滑动性，引导部件28a例如由适当的树脂材料形成。引导部件28a可以以在驱动活塞22的整个轴向行程中引导驱动活塞22的方式配置于活塞缸体28。引导部件28a包围气体弹簧室48。由驱动活塞22与引导部件28a形成气体弹簧室48。

为了使径向间隙72在驱动活塞22与活塞缸体28(或引导部件28a)之间作为有效的密封件而发挥作用，径向间隙72的径向宽度优选为0.1mm以下。并且，从容易制造的观点考虑，径向间隙72的径向宽度优选为0.01mm以上。

径向间隙72也可以沿轴向连续变化或阶段性地变化。由此，可以使径向间隙72的流路阻力基于相对于活塞缸体28的驱动活塞22的轴向上的位置而不同。通常，流路阻力的值主要根据流路的形状及尺寸唯一地确定。

例如，径向间隙72可以在驱动活塞22位于第1轴向位置(例如，下止点lp2)时具有第1流路阻力r1，在驱动活塞22位于第2轴向位置(例如，上止点up2)时具有第2流路阻力r2。在此，第1轴向位置可以比第2轴向位置更靠近驱动活塞22的下止点lp2，第1流路阻力r1可以比第2流路阻力r2更大。如此一来，能够将驱动活塞22位于下止点lp2或其附近时的流路阻力设为比驱动活塞22位于上止点up2或其附近时的流路阻力更大。其结果，气体弹簧室48能够在驱动活塞22的下止点lp2或其附近更有效地生成抵抗驱动活塞22的向下移动的气体弹簧力。

如图6所示，径向间隙72可以设为随着朝向轴向下方而逐渐变窄。因此，活塞缸体28的内周面可以形成为圆锥状。如此，径向间隙72可以沿轴向连续变化。

如图7所示，径向间隙72具备具有第2流路阻力r2的径向间隙上部72a及具有第1流路阻力r1的径向间隙下部72b。如上所述，第1流路阻力r1比第2流路阻力r2更大。径向间隙下部72b与径向间隙上部72a在轴向上相邻。由此，气体弹簧室48通过径向间隙上部72a及径向间隙下部72b与驱动室46连通。径向间隙上部72a及径向间隙下部72b的径向宽度例如在0.01mm至0.1mm的范围。

活塞缸体28具备成为径向间隙上部72a与径向间隙下部72b之间的分界的阶梯部74。在阶梯部74的轴向上的上侧，活塞缸体28具有第1内径，在阶梯部74的轴向上的下侧，活塞缸体28具有比第1内径更小的第2内径。第1内径及第2内径均比驱动活塞22的外径更大。由此，径向间隙下部72b的径向宽度比径向间隙上部72a的径向宽度更窄。如此，径向间隙72可以沿轴向阶段性地变化。

如图8所示，驱动活塞22可以具备使气体弹簧室48与径向间隙72连通的连通路76。连通路76为形成于驱动活塞22的贯穿孔，其具有朝向活塞缸体28内周面的出口76a。

连通路76以驱动活塞22位于下止点lp2时连通气体弹簧室48与径向间隙下部72b且驱动活塞22位于上止点up2时连通气体弹簧室48与径向间隙上部72a的方式形成于驱动活塞22。换言之，出口76a配置成在驱动活塞22位于下止点lp2时位于比阶梯部74更靠轴向上的下方而在驱动活塞22位于上止点up2时位于比阶梯部74更靠轴向上的上方。

此时，也可以视为驱动活塞22与活塞缸体28协作构成流量控制阀。在出口76a位于比阶梯部74更靠下方时，气体弹簧室48通过径向间隙下部72b(及径向间隙上部72a)与驱动室46连通。由于径向间隙下部72b的流路阻力大，因此从气体弹簧室48流向驱动室46的气体流量被限制。相反，在出口76a位于比阶梯部74更靠上方时，气体弹簧室48通过径向间隙上部72a与驱动室46连通。由于径向间隙上部72a的流路阻力小，因此从气体弹簧室48流向驱动室46的气体流量增加。

驱动活塞22向下移动时出口76a经过阶梯部74的时间优选在第1进气期间a1的中央区域b(图2中用箭头表示)。中央区域b例如可以是第1进气期间a1的1/4至3/4。如此一来，能够在驱动活塞22的上止点up2与下止点lp2的中间增加气体弹簧力。

如图9所示，连通路76也可以是形成于驱动活塞22的外周面的纵向槽。该纵向槽从气体弹簧室48沿轴向延伸至驱动活塞22的中央部为止。

在图8及图9中，径向间隙下部72b也可以非常窄或没有间隙。图1所示的第3密封部50也可以设置于径向间隙下部72b。并且，在上述例子中，连通路76仅为一个，但也可以在驱动活塞22设置多个连通路76。此时，连通路76可以沿驱动活塞22的周向等角度间隔形成。

如图10(a)所示，作为流路阻力部的径向间隙72可以具备与径向间隙72连通的缓冲容积96。缓冲容积96形成于活塞缸体28与驱动活塞22之间。

缓冲容积96为在驱动活塞22的侧面(外周面)遍及整周而形成的槽或凹部。缓冲容积96的深度d1比径向间隙72的径向宽度t更大。例如，缓冲容积96的深度d1可以是径向间隙72的径向宽度t的10倍以上。

缓冲容积96配置于驱动活塞22的侧面的轴向上的中间部，且其与径向间隙上部72a及径向间隙下部72b连通。径向间隙上部72a与径向间隙下部72b经由缓冲容积96彼此连通。在该例子中，径向间隙上部72a及径向间隙下部72b的径向宽度相等，但并非必须相等，也可以不同。

如此，缓冲容积96通过径向间隙72分别与驱动室46及气体弹簧室48连通。缓冲容积96并未与驱动室46及气体弹簧室48直接连通。

由于缓冲容积96通过径向间隙72与驱动室46及气体弹簧室48连通，因此可成为驱动室46与气体弹簧室48的中间压力。在驱动室46成为高压时，气体可从驱动室46通过径向间隙上部72a流入缓冲容积96。在缓冲容积96的中间压力低于驱动室46的高压的期间，缓冲容积96能够接收并暂时储存所流入的气体。由此，与不存在缓冲容积96的情况相比，抑制从驱动室46通过径向间隙72流向气体弹簧室48的气体的流量。相反，在气体弹簧室48成为高压时，缓冲容积96能够接收从气体弹簧室48通过径向间隙下部72b流入的气体。与不存在缓冲容积96的情况相比，抑制从气体弹簧室48通过径向间隙72流向驱动室46的气体的流量。

如此，缓冲容积96具有抑制通过径向间隙72的气体流量的效果。因此，缓冲容积96能够减轻径向间隙72的径向宽度的变动对密封性带来的影响。即使因制造误差导致径向间隙72的径向宽度稍微偏离设计上的尺寸，径向间隙72的密封性的变动也会得到缓和。容易确保批量生产制造gm制冷机10时的径向间隙72的鲁棒性。

缓冲容积96的形状可以采用任意形状。缓冲容积96可以是形成于驱动活塞22的侧面的任意形状的槽或凹部。例如，如图10(b)所示，缓冲容积96也可以是形成于驱动活塞22的侧面的多条槽。这些槽在驱动活塞22的侧面遍及整周延伸并且彼此平行。缓冲容积96通过径向间隙72与驱动室46及气体弹簧室48连通。如此，多个缓冲容积96可以在驱动活塞22的侧面上沿轴向排列。或者，缓冲容积96也可以是形成于驱动活塞22的侧面的一条或多条螺旋状的槽，从而代替多条槽。缓冲容积96并非一定要遍及驱动活塞22的整周而延伸，例如，形成于驱动活塞22的侧面上的多个凹部也可以沿周向排列。

如图8及图9所述那样在驱动活塞22设置有连通路76时，缓冲容积96形成为不与连通路76连通。缓冲容积96及连通路76分别为形成于驱动活塞22的独立的气体空间。因此，缓冲容积96与连通路76之间不存在直接的气体流通。因此，缓冲容积96避开连通路76的出口76a而配置于驱动活塞22的侧面。例如，在设置有多个出口76a时，多个缓冲容积96与多个出口76a可以沿周向交替配置。或者，缓冲容积96也可以配置于轴向上与出口76a不同的位置。

缓冲容积96无需一定要设置于驱动活塞22。缓冲容积96也可以设置于活塞缸体28，例如，也可以设置于图5所示的引导部件28a的内周面。

如图11所示，作为流路阻力部的径向间隙72也可以构成为，驱动活塞22位于第1轴向位置(例如，下止点lp2)时具有第1流路阻力r1，驱动活塞22位于第2轴向位置(例如，上止点up2)时具有第2流路阻力r2，驱动活塞22位于第3轴向位置时具有第3流路阻力r3。在此，第3轴向位置位于第1轴向位置与第2轴向位置之间，例如，可以是下止点lp2与上止点up2之间的中间点mp。即，下止点lp2至中间点mp为止的轴向距离与上止点up2至中间点mp为止的轴向距离相等。

第3流路阻力r3比第1流路阻力r1更小且比第2流路阻力r2更小。如上所述，第1流路阻力r1可以比第2流路阻力r2更大，但这并不是必须的，第1流路阻力r1也可以比第2流路阻力r2更小。

如此一来，在驱动活塞22位于下止点lp2或其附近时，气体弹簧室48能够产生抵抗驱动活塞22的向下移动的气体弹簧力。并且，在驱动活塞22位于上止点up2或其附近时，作为第2气体弹簧室的驱动室46能够产生抵抗驱动活塞22的向上移动的气体弹簧力。

若气体弹簧力过强，则驱动活塞22的上下移动会得到抑制，会导致驱动活塞22的行程变小。随之，置换器20的行程也会变小。这会降低膨胀室34中的pv做功，因此有可能会影响gm制冷机10的制冷能力。作为抑制这种恶劣影响的对策之一，可以考虑加长活塞缸体28的轴长以加大驱动活塞22的行程。但是，其结果会导致gm制冷机10的尺寸变大。

如上所述，通过将第3流路阻力r3设为较小，能够减小驱动活塞22在其行程的中间部移动时作用于驱动活塞22的气体弹簧力。由此，基于驱动活塞22的置换器20的驱动力变大，置换器20的行程得到维持，从而能够抑制gm制冷机10的制冷能力下降。

如图11所示，径向间隙72可以设为随着从驱动室46朝向轴向下方而逐渐变宽。径向间隙72可以设为随着从气体弹簧室48朝向轴向上方逐渐变宽。如此，径向间隙72可以沿轴向连续变化。

如图12所示，径向间隙72具备具有第2流路阻力r2的径向间隙上部72a、具有第1流路阻力r1的径向间隙下部72b及具有第3流路阻力r3的径向间隙中间部72c。驱动活塞22的上止点up2位于径向间隙上部72a，驱动活塞22的下止点lp2位于径向间隙下部72b，驱动活塞22的中间点mp位于径向间隙中间部72c。

如上所述，第3流路阻力r3比第1流路阻力r1更小且比第2流路阻力r2更小。径向间隙中间部72c与径向间隙上部72a在轴向上相邻。径向间隙下部72b与径向间隙中间部72c在轴向上相邻。因此，气体弹簧室48通过径向间隙上部72a、径向间隙中间部72c及径向间隙下部72b与驱动室46连通。

活塞缸体28具备成为径向间隙上部72a与径向间隙中间部72c之间的分界的第1阶梯部92a及成为径向间隙中间部72c与径向间隙下部72b之间的分界的第2阶梯部92b。活塞缸体28在第2阶梯部92b的轴向上的下侧具有第1内径，在第1阶梯部92a的轴向上的上侧具有第2内径，在第1阶梯部92a与第2阶梯部92b之间具有第3内径。第3内径比第1内径更大并且比第2内径更大。第1内径、第2内径及第3内径均比驱动活塞22的外径更大。因此，径向间隙中间部72c的径向宽度比径向间隙上部72a的径向宽度更大并且比径向间隙下部72b的径向宽度更大。如此，径向间隙72可以沿轴向阶段性地变化。

图13中示出了图12所示的驱动活塞22的行程s。用实线表示位于上止点up2时的驱动活塞22，用虚线表示位于下止点lp2时的驱动活塞22，用单点划线表示位于中间点mp时的驱动活塞22。如图13所示，径向间隙上部72a具有第1径向宽度t1，径向间隙下部72b具有第2径向宽度t2，径向间隙中间部72c具有第3径向宽度t3。第1径向宽度t1例如在0.01mm至0.1mm的范围，第2径向宽度t2例如在0.01mm至0.1mm的范围，第3径向宽度t3例如在0.15mm至1.0mm的范围。

并且，径向间隙上部72a具有第1轴向长度l1，径向间隙下部72b具有第2轴向长度l2，径向间隙中间部72c具有第3轴向长度l3。径向间隙中间部72c的第3轴向长度l3可以比驱动活塞22的行程s的一半更长。径向间隙下部72b的第2轴向长度l2可以比径向间隙上部72a的第1轴向长度l1更长。如此设定径向间隙72的轴向长度有助于维持驱动活塞22的行程的同时将活塞缸体28的轴向长度设定为比较短。

如图14所示，驱动活塞22可以具备使气体弹簧室48与径向间隙72连通的连通路76。连通路76可以是形成于驱动活塞22的贯穿孔。连通路76具有与图8所示的实施方式相同的功能。并且，必要时，驱动活塞22还可以具备使驱动室46与径向间隙72连通的另一个连通路94。

如图15所示，连通路76也可以是形成于驱动活塞22的外周面的纵向槽。该纵向槽从气体弹簧室48沿轴向延伸至驱动活塞22中央部为止。连通路76具有与图9所示的实施方式相同的功能。并且，另一个连通路94也可以是纵向槽。

如图16所示，gm制冷机10可以同时具备径向间隙72及压力释放路70，从而取代在径向间隙72设置径向间隙中间部72c。如上所述，压力释放路70以使气体弹簧室48与驱动室46短路方式设置于活塞缸体28。节流孔等流路阻力部68配置于压力释放路70的中途。压力释放路70在轴向上的上方具备第1出口70a，在轴向上的下方具备第2出口70b。

如此，气体弹簧室48也能够在驱动活塞22位于下止点lp2或其附近时(即，驱动活塞22位于比第2出口70b更靠轴向上的下方时)产生抵抗驱动活塞22的向下移动的气体弹簧力。并且，作为第2气体弹簧室的驱动室46也能够在驱动活塞22位于上止点up2或其附近时(即，驱动活塞22位于第1出口70a更靠轴向上的上方时)产生抵抗驱动活塞22的向上移动的气体弹簧力。

驱动活塞22在第1出口70a与第2出口70b之间沿轴向移动时，气体弹簧室48与驱动室46通过径向间隙72及压力释放路70这两个而连通。因此，能够减小驱动活塞22在其行程的中间部移动时作用于驱动活塞22的气体弹簧力。由此，基于驱动活塞22的置换器20的驱动力变大，置换器20的行程得到维持，从而能够抑制gm制冷机10的制冷能力下降。

另外，在图16中，径向间隙72在轴向上恒定，但这并不是必须的。径向间隙72也可以具备径向间隙上部72a、径向间隙下部72b及径向间隙中间部72c。此时，第1出口70a可以设置于径向间隙上部72a。第2出口70b可以设置于径向间隙下部72b。或者，第1出口70a及第2出口70b也可以设置于径向间隙中间部72c。

如图17(a)所示，驱动活塞突起22a可以从驱动活塞22的上表面沿轴向突出。驱动活塞突起22a配置成能够插入于第2进气流路64的出口64a并且伴随驱动活塞22的轴向往复移动而相对于出口64进退。第2进气流路64的出口64a又是第2排气流路66的出口。该出口64a为用于驱动室46的压力控制的驱动室的气体出入口，气体通过出口64a在压缩机12与驱动室46之间流动。出口64a贯穿形成于驱动室46(即，活塞缸体28)的上表面。

驱动活塞突起22a在驱动活塞22位于上止点up2或其附近时插入于第2进气流路64的出口64a。插入的驱动活塞突起22a完全或部分封闭出口64a，从而阻碍出口64a的气体流通或限制通过出口64a的气体流量。驱动活塞突起22a在驱动活塞22从上止点up2或其附近离开时从第2进气流路64的出口64a拔出。因此，驱动活塞突起22a在驱动活塞22位于下止点lp2或其附近时并未插入于第2进气流路64的出口64a，而位于出口64a的外部。由于驱动活塞突起22a从出口64a脱离，因此出口64a恢复气体流通。

因此，在驱动活塞22朝向上止点up2向上移动时，驱动活塞突起22a进入到第2进气流路64的出口64a，随着驱动活塞22进一步向上移动，驱动室46变窄，驱动室46的压力有效地变高。在驱动活塞22位于上止点up2或其附近时，作为第2气体弹簧室的驱动室46能够产生抵抗驱动活塞22的向上移动的气体弹簧力。即使第2进气阀v3或第2排气阀v4中的一个阀处于开启状态，通过使驱动活塞突起22a插入于第2进气流路64的出口64a，出口64a的气体流量也会减少，驱动室46能够产生气体弹簧力。由此，抑制轴向可动体16与冷头壳体18的接触或碰撞，从而能够减少gm制冷机10的振动或异常噪声。

另外，如图17(b)所示，从活塞缸体28的上表面沿轴向突出的突起28b可以形成为包围第2进气流路64的出口64a，并且在驱动活塞22的上表面形成有能够接受该突起28b的凹部22b。如此，活塞缸体28的突起28b在驱动活塞22位于上止点up2或其附近时进入驱动活塞22的凹部22b。由此，出口64a的至少一部分在驱动活塞22位于上止点up2时被驱动活塞22封闭。如此，出口64a的气体流通受阻或通过出口64a的气体流量受到限制。由此，驱动室46能够产生抵抗驱动活塞22的向上移动的气体弹簧力。

如图18所示，第2进气流路64的出口64a可以配置于驱动室46(即，活塞缸体28)的侧面。

在驱动活塞22位于上止点up2或其附近时(即，驱动活塞22位于比出口64a更靠轴向上的上方时)，驱动活塞22的侧面与出口64a对置，由此，出口64a的气体流通受阻或通过出口64a的气体流量受到限制。并且，在驱动活塞22向下移动时，出口64a暴露于驱动室46，出口64a恢复气体流通。如此，作为第2气体弹簧室的驱动室46能够在驱动活塞22位于上止点up2或其附近时有效地产生抵抗驱动活塞22的向上移动的气体弹簧力。

另外，在图17(a)、图17(b)及图18中，径向间隙72在轴向上恒定，但这并不是必须的。与图7(a)至图9所示的实施方式相同，径向间隙72也可以具备径向间隙上部72a及径向间隙下部72b。此时，出口64a可以设置于径向间隙上部72a。并且，与图11至图15所示的实施方式相同，径向间隙72也可以具备径向间隙上部72a、径向间隙下部72b及径向间隙中间部72c。此时，出口64a可以设置于径向间隙上部72a或径向间隙中间部72c。

(第4实施方式)

图19至图21为表示第4实施方式所涉及的gm制冷机10的概略图。在第4实施方式所涉及的gm制冷机10中，在短路路径80上具备单向阀78，除此之外，其他结构与第1实施方式所涉及的gm制冷机10相同。

如图19所示，单向阀78配设于气体弹簧室48与驱动室46之间以阻止气体从气体弹簧室48流向驱动室46。活塞缸体28具备使气体弹簧室48与驱动室46短路的短路路径80。单向阀78配置于短路路径80的中途。

如此一来，在驱动活塞22向下移动时，单向阀78被关闭。由此，驱动活塞22能够压缩储存于气体弹簧室48的气体。与第1实施方式相同，能够抑制轴向可动体16与冷头壳体18接触或碰撞，从而能够减少gm制冷机10的振动或异常噪声。

如图20所示，可以以与单向阀(以下也称为第1单向阀)78并联的方式设置有使气体弹簧室48与驱动室46连通的第2单向阀82。但是，第2单向阀82与单向阀78反向设置，从而阻止气体从驱动室46流向气体弹簧室48。开启第1单向阀78的设定差压比开启第2单向阀82的设定差压更小。如此，也能够减少gm制冷机10的振动或异常噪声。并且，能够将气体弹簧室48中的过剩的压力排放到驱动室46。

如图21所示，可以以与单向阀串联的方式连接流路阻力部。第1单向阀78与第1流路阻力部84串联连接，第2单向阀82与第2流路阻力部86串联连接。第1流路阻力部84的流路阻力比第2流路阻力部86的流路阻力更小。开启第1单向阀78的设定差压可以与开启第2单向阀82的设定差压相等。如此，也能够获得与图20所示的结构相同的效果。

以上，根据实施例对本发明进行了说明。本发明并不限定于上述实施方式，本领域技术人员应当可以理解本发明可以进行各种设计变更，可以存在各种变形例，并且这种变形例也属于本发明的范围。

在一种实施方式中，也可以在驱动室46与阀部54之间设置流路阻力部90。流路阻力部90也可以设置在第2进气流路64上的驱动室46与第2进气阀v3之间。如此一来，在冷头14的排气工序(图2所示的第1排气期间a2)中，驱动室46的升压(图2所示的第2进气期间a3)产生延迟。由此，能够延迟作用于驱动活塞22的朝下的驱动力的上升。这也有助于抑制轴向可动体16与冷头壳体18接触或碰撞从而减少gm制冷机10的振动或异常噪声。

在gm制冷机10被设计成朝上设置时，驱动室46与气体弹簧室48的配置可以相反。气体弹簧室48相对于驱动活塞22可以配置于轴向上与置换器缸体26相反的一侧，驱动室46相对于驱动活塞22可以配置于轴向上与置换器缸体26相同的一侧。

在一种实施方式中说明的各种特征可以适用于其他实施方式中。通过组合而产生的新的实施方式兼具所组合的实施方式各自的效果。例如，在第4实施方式中说明的单向阀也可以适用于第1实施方式至第3实施方式中。

符号说明

10-gm制冷机，20-置换器，22-驱动活塞，26-置换器缸体，28-活塞缸体，46-驱动室，48-气体弹簧室，68-流路阻力部，72-径向间隙，72a-径向间隙上部，72b-径向间隙下部，74-阶梯部，76-连通路，78-单向阀，96-缓冲容积。

产业上的可利用性

本发明能够利用于gm制冷机领域中。