JP2004144461A

JP2004144461A - 蓄冷型冷凍機及び蓄冷型冷凍機を搭載した超電導マグネット

Info

Publication number: JP2004144461A
Application number: JP2003120824A
Authority: JP
Inventors: Takashi Inaguchi; 稲口　隆; Takahiro Matsumoto; 松本　隆博
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2002-08-29
Filing date: 2003-04-25
Publication date: 2004-05-20
Anticipated expiration: 2023-04-25
Also published as: JP3962353B2

Abstract

【課題】各種の規模の蓄冷型冷凍機においても冷却性能を、より一層、良好なものにすることができる蓄冷型冷凍機、及びその蓄冷型冷凍機を搭載した超伝導マグネットを提供する。
【解決手段】圧縮機１９によって圧縮された冷媒ガス１を受け入れて作動するシリンダ、ディスプレーサ及び蓄冷材を内蔵する蓄冷器からなる膨張機２００を備え、前記シリンダ内の冷媒ガスを膨張させて寒冷を発生させる蓄冷型冷凍機において、前記シリンダ１５とディスプレーサ１５との間隙を冷媒ガスが通流するのを防ぐシール部１３を前記ディスプレーサの軸方向の少なくとも一箇所に設け、このディスプレーサの外壁面に、前記冷媒ガスとディスプレーサとの熱交換用溝２６を、前記ディスプレーサを周回する形に設けたものである。
【選択図】　　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、冷媒ガスを用い、蓄冷材を収容した蓄冷器を有する蓄冷型冷凍機とこの蓄冷型冷凍機を搭載した超電導マグネットに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ヘリウムなどの冷媒ガスを用い、蓄冷材を収容した蓄冷器を有する蓄冷型冷凍機としては、ギフォード・マクマホン（ＧＭ）サイクル冷凍機（以下ではＧＭ冷凍機と略記する。）や、スターリングサイクル冷凍機等が知られている。以下では、ＧＭ冷凍機を例に説明するが、もとよりこの発明はＧＭ冷凍機に限定されるものではない。ＧＭ冷凍機は、ヘリウムガス圧縮機からのガス流路を、弁を用いて制御し、膨張室でヘリウムガスを膨張させることにより寒冷を発生させる。極低温を得るには、通常、複数段をシリーズに接続して構成した冷凍機が用いられる。
【０００３】
冷媒ガスが効率よく冷却されるためには、ディスプレーサの動作時に、蓄冷器に収容されている蓄冷材と冷媒ガスが効率よく熱交換してくれることが必要であり、ディスプレーサとシリンダ間の間隙であるサイドクリアランスからの冷媒ガスの漏洩を抑えることが重要となる。
【０００４】
例えば、特公昭４６‐３０４３３号公報（特許文献１）には、ＧＭ冷凍機を２段接続して構成された２段型の蓄冷型冷凍機において、ディスプレーサとシリンダとの間にシールを設けることにより、漏洩による高温／低温の冷媒ガスの混合がなくなり、シールのない場合に比べて、冷凍機の冷却性能が改善されることが示されている。また、特許第２６５９６８４号公報（特許文献２）には、シールによる漏洩低減効果が不安定であることを考慮し、シールによる漏洩防止をやめ、ディスプレーサ外表面と漏洩冷媒ガスとの間での熱交換効率を改善することにより、漏洩してきた冷媒ガスの温度を漏洩先の冷媒ガス温度に近づけるようにして、冷却効率の改善を図った発明が示されている。
【０００５】
【特許文献１】
特公昭４６‐３０４３３号公報（第２頁、図１）
【特許文献２】
特許第２６５９６８４号公報（第５頁、図１）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特許文献１に記載された発明では、シールの気密性能が完全であれば良いが、特に極低温領域では上記シールの気密性能を保持することは、容易ではなく、シールを介しての冷媒ガスの漏洩は無視できない。そのために冷凍機の冷却性能が劣化してしまう問題があった。また特許文献２に記載された発明では、シールを併用すると冷却効率は低下するとして、シールを併用しないことを主張しているが、シールがないことにより漏洩流量が増加するため、漏洩冷媒ガスが十分に熱交換されるためには、十分な伝熱面積が必要になる。直径の小さいディスプレーサや長さの短いディスプレーサの場合、十分な伝熱面積を確保することができないので、十分熱交換されず、その分が熱損失となり、冷却性能が必ずしも十分に改善されたとはいえない状況であった。
【０００７】
この発明はこのような従来技術の課題を解消するためになされたものであり、各種の規模の蓄冷型冷凍機においても冷却性能を、より一層、良好なものにすることができる蓄冷型冷凍機、及びその蓄冷型冷凍機を搭載した超伝導マグネットを提供することを目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る蓄冷型冷凍機は、冷媒ガスの圧縮機と、この圧縮機によって圧縮された冷媒ガスを受け入れるシリンダ、ディスプレーサ及び蓄冷材を内蔵する蓄冷器からなる膨張機とを備え、前記シリンダ内の冷媒ガスを膨張させて寒冷を発生させる蓄冷型冷凍機において、前記シリンダとディスプレーサとの間隙を冷媒ガスが通流するのを防ぐシール部を前記ディスプレーサの軸方向の少なくとも一箇所に設け、このディスプレーサの外壁面に、前記冷媒ガスとディスプレーサとの熱交換用溝を、前記ディスプレーサを周回する形に設けるようにしたものである。
【０００９】
また、本発明に係る超電導マグネットは、上記本発明に係る蓄冷型冷凍機を搭載したものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１及び図２は実施の形態１になる蓄冷型冷凍機を示すもので、図１は全体的な要部構成を模式的に示す断面図、図２（ａ）は図１に示す第２段ディスプレーサが下死点近傍にあるときの第２段冷凍機を示す構成図、図２（ｂ）は第２段ディスプレーサが上死点近傍にあるときの第２段冷凍機を示す構成図である。なお、以下各図を通じて同一符合は同一もしくは相当部分を示すものとする。図に示すように、この実施の形態１の蓄冷型冷凍機は、ヘリウム等の冷媒ガス１を圧縮する圧縮機１９と、圧縮された冷媒ガスを受け入れて作動する第１段膨張機（冷凍機）１００と、この第１段膨張機１００に連結された第２段膨張機（冷凍機）２００からなる。
【００１１】
上記第１段膨張機１００の図の上部は、所定時に圧縮された冷媒ガス１を吸気する吸気バルブ２を介して圧縮機１９の圧縮ガス吐出部に連通され、さらに所定時に冷媒ガス１を排気する排気バルブ３を介して圧縮機１９の吸気側に連通されている。
【００１２】
そして第１段膨張機１００は、第１段シリンダ９と、この第１段シリンダ９の中を往復運動して冷媒ガス１を移動させる第１段ディスプレーサ５と、この第１段ディスプレーサ５の内部に形成された冷媒ガスの寒冷を蓄冷する第１段蓄冷器６と、この第１段蓄冷器６の中に収納された第１段蓄冷材、例えば燐青銅の円盤状の金網を積層したものなど（図示省略）と、第１段ディスプレーサ５の図の下部に形成された第１段膨張室４と、第１段膨張室４の寒冷を外部に伝える第１段冷凍ステージ８と、第１段膨張室４の冷媒ガス１が第１段ディスプレーサ５の外周を経由して漏洩するのを防止する第１段シール７などから形成されている。
【００１３】
第２段膨張機２００は、第１段冷凍ステージ８に固定された第２段シリンダ１５と、第１段ディスプレーサ５に図示を省略しているピンによって連結され第２段シリンダ１５の内部を往復運動して冷媒ガス１を移動させる第２段ディスプレーサ１１と、この第２段ディスプレーサ１１の内部に設けられた冷媒ガスで発生した寒冷を蓄冷する第２段蓄冷器１２と、この第２段蓄冷器１２の内部に収納された例えば鉛の小球などからなる第２段蓄冷材（図示省略）と、第２段ディスプレーサ１１の図の下部に形成された第２段膨張室１０と、第２段膨張室１０の寒冷を外部に伝える第２段冷凍ステージ１４などから構成されている。
【００１４】
上記第１段膨張機１００の外部にはモータ１６が固定されており、第１段ディスプレーサ５及び第２段ディスプレーサ１１は、モータ１６の駆動力を伝える駆動軸１７、及びクランク１８を介してモータ１６の出力軸に連結されている。
【００１５】
第１段ディスプレーサ５の高温側には、冷媒ガス１の第１段蓄冷器６への出入口である第１段ディスプレーサ冷媒ガス高温側出入口２０が設けられ、また第１段ディスプレーサ５の低温側には、冷媒ガス１の第１段蓄冷器６への出入口である第１段ディスプレーサ冷媒ガス低温側出入口２１が設けられている。なお、２４は第１段シリンダ９と第１段ディスプレーサ５との間の第１段サイドクリアランスである。
【００１６】
また、第２段ディスプレーサ１１の高温側には、冷媒ガス１の第２段蓄冷器１２への出入口である第２段ディスプレーサ冷媒ガス高温側出入口２２が設けられ、第２段ディスプレーサ１１の低温側には、冷媒ガス１の第２段蓄冷器１２への出入口である第２段ディスプレーサ冷媒ガス低温側出入口２３が設けられている。なお、上記第２段ディスプレーサ冷媒ガス高温側出入口２２は第２段ディスプレーサ１１の頂部に設けられている。また、２５は第２段ディスプレーサ１１の外表面と第２段シリンダ１５の内表面との間に存在するサイドクリアランスである。
【００１７】
１３は本発明の特徴の１つをなしている第２段シール部であり、第２段膨張室１０の冷媒ガス１が、第２段ディスプレーサ１１の外周部のサイドクリアランス２５を経由して第１段膨張室側に漏洩することを防止するもので、この実施の形態１ではラビリンスシール１３Ｌからなり、第２段ディスプレーサ１１の高温側、すなわち第１段膨張室４に近い位置で、第２段蓄冷器１２への冷媒ガスの流出入口２２よりも低温側に設けられている。
【００１８】
２６は本発明の第２の特徴をなしている熱交換用溝であり、上記ラビリンスシール１３Ｌと第２段ディスプレーサ１１の低温側、すなわち第２段膨張室１０の側にある第２段蓄冷器１２の流出入口２３までの間の第２段ディスプレーサ１１を周回する形に設けられ、サイドクリアランス２５内で、第２段ディスプレーサ１１の外表面に、冷媒ガス１の補助流路となり、この流路を通過中の冷媒ガス１が、第２段ディスプレーサ１１の外表面を介して熱交換できる。すなわち、特許文献２に示されている発明では、サイドクリアランス２５を補助流路とするのに対し、本発明ではサイドクリアランス２５に冷媒ガスが流れないようにラビリンスシール１３Ｌが設けられている。
【００１９】
次に動作について説明する。図１に示す第１段ディスプレーサ５と第２段ディスプレーサ１１はピン（図示省略）で連結されており、モータ１６の動きに応じて、クランク１８、駆動軸１７を介して、同じ向きの動作をする。また、第１段、第２段ディスプレーサ５、１１はともに蓄冷器とその高温側、低温側に冷媒ガスの出入口を設けた構造を持つので、第１段、第２段ディスプレーサ５、１１の動作に対応した冷媒ガスの蓄冷器への流出入も共通したものとなる。
【００２０】
第１段ディスプレーサ５及び第２段ディスプレーサ１１が下死点近傍（図の下方向）にあるとき、排気バルブ３が閉じ、吸気バルブ２が開き、圧縮機１９からの高圧の冷媒ガス１が第１段シリンダ９内に流入する。第１段シリンダ９内に流入した冷媒ガス１は、第１段蓄冷器６の流出入口２０を経由して第１段蓄冷器６を通過し、通過中に、第１段蓄冷器６に収納されている蓄冷材と熱交換を行いながら、第１段蓄冷器６の流出入口２１を経由して第１段膨張室４に達する。
【００２１】
冷媒ガス１は、更に、第２段蓄冷器１２の図の上端部に設けられた流出入口２２を経由して第２段蓄冷器１２を通過し、通過中に、第２段蓄冷器１２に収納されている蓄冷材と熱交換を行いながら、第２段蓄冷器１２の流出入口２３を経由して第２段膨張室１０に供給される。上記状態のままディスプレーサは上死点方向に移動する。
【００２２】
第１段ディスプレーサ５及び第２段ディスプレーサ１１が上死点近傍に達すると、吸気バルブ２が閉じ、排気バルブ３が開き、第２段シリンダ１５と第１段シリンダ９内の高圧の冷媒ガス１は、吸気の場合とは逆の経路をたどり圧縮機１９に回収される。この時、第１段膨張室４と第２段膨張室１０は低圧になるため、冷媒ガスの膨張により寒冷が発生する。この様にして冷却された冷媒ガスは、圧縮機１９に回収される際に第２段蓄冷器１２、及び第１段蓄冷器６に収納された蓄冷材と熱交換することにより蓄冷材を冷却する。上記状態のままディスプレーサは下死点方向に移動する。
【００２３】
以上の工程を繰り返すことにより、冷媒ガス１の冷却が進められる。したがって、第１段ディスプレーサ５、第２段ディスプレーサ１１とも、それぞれ流出入口２０、２２の設置されている方が高温側となり、流出入口２１、２３の設置されている方が低温側となる。
【００２４】
なお、この様な構成において、冷媒ガス１が効率よく冷却されるためには、ディスプレーサの動作時に、冷媒ガス１が、効率よく、蓄冷器に収容されている蓄冷材と熱交換してくれることが必要である。すなわち、ディスプレーサとシリンダ間の間隙である第１段サイドクリアランス２４、及び第２段サイドクリアランス２５からの冷媒ガスの漏洩を抑えることが重要となる。
【００２５】
図１に示す第１段シール７は、圧縮機１９から供給される高圧の、すなわち高温の冷媒ガス１が、第１段蓄冷器６を通過せずに第１段サイドクリアランス２４を介して第１段膨張室４へ漏洩すること、及び、その逆に、第１段膨張室４にある低圧の、すなわち低温の冷媒ガス１が、第１段蓄冷器６を通過せずに第１段サイドクリアランス２４を介して圧縮機１９側に漏洩することを防止するためのものであり、第２段シール部１３は、同様に、第２段蓄冷器１２を介さずに、第２段サイドクリアランス２５を介しての、第１段膨張室４と第２段膨張室１０間での冷媒ガスの漏洩を防止するためのものである。
【００２６】
このことを、第２段膨張機（冷凍機）２００を例に詳細に説明する。以下、便宜上、特に支障のない限り「第２段」という段数を示す用語は省略することにする。ディスプレーサ１１が下死点近傍に位置するとき（図２（ａ））、第１段膨張室４に達した冷媒ガス１の一部は更に流出入口２２から蓄冷器１２に入り、収納されている蓄冷材と熱交換しながら流出入口２３を通って膨張室１０に達する。なお、サイドクリアランス２５は、蓄冷器に比べると熱容量、伝熱面積が極めて小さく、ここに冷媒ガスが流れると、熱交換の効率が低下するので、ラビリンスシール１３Ｌが設けられている。
【００２７】
上記ラビリンスシール１３Ｌは隙間を十分小さくした部分と隙間を大きくした部分を交互に並べたものであり、ガスの粘性でガスが流れなくなる効果とともに流路面積の拡大縮小にともなう流れ抵抗増加の効果があり、シール性能がすぐれている。なお、このシール部１３もシリンダ１５とディスプレーサ１１を同材料、たとえばステンレスで構成し、ディスプレーサ１１壁に耐摩耗性材料をコーティングしておくと、摩擦熱が小さくかつ長期間運転しても性能劣化することがないシールを得ることができる。
【００２８】
さて、流出入口２３を出た冷媒ガス１は膨張室１０に向かうが、一部の冷媒ガス１はサイドクリアランス２５を第１段膨張室４の方へ向かって流れようとするが、ラビリンスシール１３Ｌでふさがれているために、冷媒ガス１の流れはラビリンスシール１３Ｌのところで止まる。なお、このサイドクリアランス２５を流れる冷媒ガス１は蓄冷器１２を通過してきているので温度が低い状態にある。従ってこの低温の冷媒ガスが第１段膨張室４側すなわち高温側にまでそのまま移動した場合には、折角発生させた寒冷を無駄に高温側に捨てていることになる。
【００２９】
しかしながら、この発明においては、図に示すようにディスプレーサ１１の外周部に螺旋状の熱交換用溝２６が設けられていることにより、サイドクリアランス２５の伝熱面積が増加し、ディスプレーサ１１の外壁を通じて蓄冷器１２の蓄冷材あるいは蓄冷器１２を流れる冷媒ガスと熱交換しやすくなる。このため、螺旋状の熱交換用溝２６を通過してラビリンスシール１３Ｌの近傍まで達した冷媒ガス１は温度が十分に高くなっており、熱損失が低減される。
【００３０】
膨張室１０の圧力が高圧まで達すると、ディスプレーサ１１は図２に示す下死点から図１に示す上死点に向かって移動する。上死点近傍に達したとき（図２（ｂ））、膨張室１０の冷媒ガス１は第１段膨張室４の方へ流れようとする。このとき、サイドクリアランス２５にはラビリンスシール１３Ｌが設けられているので、膨張室１０の大部分の冷媒ガス１は、流出入口２３より蓄冷器１２内に入り、そこを通過する間に熱交換して、流出入口２２から第１段膨張室４に達する。
【００３１】
この場合もラビリンスシール１３Ｌがなければ熱交換率の悪いサイドクリアランス２５に相当量の冷媒ガスが流入し、熱交換の効率が悪くなる。また、サイドクリアランス２５内にもともとあった冷媒ガスは高圧状態であるので、第１段膨張室４の方へ流れようとするが、この場合もラビリンスシール１３Ｌにより、一旦膨張室１０の側に移動し、流出入口２３を経由して蓄冷器１２に入り、熱交換して、流出入口２２から第１段膨張室４に達する。この際、サイドクリアランス２５の第１段膨張室４側にある冷媒ガス１の温度は高いので、この温度の高い冷媒ガス１が膨張室１０にまでそのまま移動した場合には熱損失が生じる。
【００３２】
しかしこの場合も、この発明の実施の形態１によればディスプレーサ１１の外周に螺旋状の熱交換用溝２６が設けられていることにより、伝熱面積が増加し、ディスプレーサ１１の外壁を通じて蓄冷器１２の蓄冷材あるいは蓄冷器１２を流れる冷媒ガスと熱交換しやすくなる。このため、螺旋状の熱交換用溝２６を通過して膨張空間１０の近傍まで達した冷媒ガス１は温度が十分に低くなっており、熱損失は低減される。
【００３３】
次に、シール部１３からの漏れがある場合について説明する。
たとえば図２（ａ）の場合、シール部１３の部分に示した破線矢印が、シール部１３からの冷媒ガス１の漏れを模式的に示したものである。すなわち、シール部１３から漏れた高温の冷媒ガス１はサイドクリアランス２５を流れる低温の冷媒ガスと混じりあうことにより熱交換する。漏洩冷媒ガスについてみると、低高温の冷媒ガスが直接混じることにより行う熱交換は、ディスプレーサ１１の外壁を介した蓄冷器１２との熱交換よりも直接的で効率が良い。
【００３４】
更に、熱交換用溝２６の設置により膨張室１０に至るまでの流路長を長く取ることが出来、確実な熱交換が行われるため、膨張室１０での熱損失は低減される。したがって、仮にシール部１３からの漏れが多少存在しても冷却性能の劣化を回避できる。図２（ｂ）の場合も同様の効果がある。
【００３５】
また、サイドクリアランス２５内を流れる冷媒ガスの主要な流れの向きと、
蓄冷器１２内を流れる冷媒ガスの流れの向きとがこの発明では異なることになる。これは熱交換用溝２６を移動する冷媒ガスの主要な流れの方向と蓄冷器１２内を流れる冷媒ガスの流れの向きとが異なること、及び熱交換用溝２６を移動する冷媒ガスの流量に比べると、シール部１３からの漏洩冷媒ガス量は僅かであるという理由による（詳細は後述する。）。このようにディスプレーサ１１の外壁をはさんでその内外での冷媒ガスの流れの方向が逆の場合、冷媒ガス間の熱交換効率は冷媒ガスの流れが同一方向の場合に比べると高くなる。
【００３６】
一方、特許文献２（特許第２６５９６８４号）では蓄冷器１２内を流れる冷媒ガスとサイドクリアランス２５内を流れる冷媒ガスの主要な流れの向きは、シール部１３がないため、常に同じである。従って、ディスプレーサ１１の外壁を介した冷媒ガスの熱交換効率は、本発明の場合に比べ低くなる。
【００３７】
更に、シール部１３を設けたことにより、第１段膨張室４と第２段膨張室１０の間の熱交換用溝２６を流れる冷媒ガスの流量が大幅に低減される。従って、熱交換用溝２６での必要な熱交換量はシール部１３のない場合に比べると大きく低減される（詳細は後述する。）。サイドクリアランス２５を利用した熱交換用溝２６は熱容量、伝熱面積が限られているので、必要な熱交換量は少ない方が膨張室１０への熱損失が低減され、冷凍能力の向上が期待できる。以下、更に具体的に説明する。
【００３８】
＜シールからの漏れ量とサイドクリアランスの冷媒ガス移動量の比較＞
ディスプレーサ１１の直径が２４ｍｍの場合で、シール部１３として例えばラビリンスシール１３Ｌを使用した場合、漏れ量の測定結果は、差圧０．０５ＭＰａで０．０３８Ｌ／ｍｉｎであった。これから、実際に冷凍機を動作させた場合、すなわち温度２０Ｋにおける漏れ量ｍ_ｌｅａｋは次式で評価できる。

ここでは、冷媒ガスとしてヘリウムを使用し、高圧時（２．２ＭＰａ）、２０Ｋでのヘリウム密度は５１．３９ｋｇ／ｍ^３を使用した。
【００３９】
一方、螺旋状の熱交換用溝２６を幅１．７ｍｍ×深さ０．６ｍｍ、ピッチ４ｍｍ、サイドクリアランス２５の体積を８．２ｃｍ^３とする。サイドクリアランス２５を移動する冷媒ガスの流量ｍ_ｓｉｄｅは次式で評価できる。

ρ_ｈ：高圧時のガスの密度＝９４．７ｋｇ／ｍ^３（２．２ＭＰａ、１２Ｋ）
ρ_ｌ：低圧時のガスの密度＝３５．８５ｋｇ／ｍ^３（０．８ＭＰａ、１２Ｋ）
Ｖ：サイドクリアランスの体積＝８．２ｃｍ^３
ｆ：サイクル周波数＝１．２Ｈｚ
以上より、シール部１３からの漏れ量は０．０３ｇ／ｓに対して、サイドクリアランス２５の冷媒ガス移動量は０．５７ｇ／ｓとなり、シール部１３からの漏れ量はサイドクリアランス２５の冷媒ガス移動量の１／１０以下であることがわかる。
【００４０】
＜シールの有無による必要な熱交換量と冷凍能力の比較＞
▲１▼シール有りの場合の必要な熱交換量Ｈ_ｓｅａｌ
（イ）シール部１３からの漏れ量に対する必要な熱交換量Ｈ_ｌｅａｋ
第１段冷凍機での到達温度を２０Ｋ、第２段冷凍機での到達温度を４．２Ｋとする。シール部１３からの漏れがあった場合、膨張室に達するまでに完全に熱交換された場合の熱交換量Ｈ_ｌｅａｋは次のようになる。

ｍ_ｌｅａｋ：冷媒ガス（ヘリウムガス）のシール漏れ量＝０．０３ｇ／ｓ
ｃ_ｐ：定圧比熱＝６１４７Ｊ／ｋｇ・Ｋ（ヘリウムガス）
ΔＴ：温度差＝２０Ｋ−４．２Ｋ＝１５．８Ｋ
（ロ）サイドクリアランスの冷媒ガス移動量に対する必要な熱交換量Ｈ_ｓｉｄｅ
Ｈ_ｓｉｄｅは上記Ｈ_ｌｅａｋの算式中、ｍ_ｌｅａｋをｍ_ｓｉｄｅに置き換えることにより計算でき、Ｈ_ｓｉｄｅ＝５５．４Ｗ　となる。
以上、（イ）、（ロ）より、
Ｈ_ｓｅａｌ＝Ｈ_ｌｅａｋ＋Ｈ_ｓｉｄｅ＝５８．３Ｗ
【００４１】
▲２▼シール無しの場合の必要な熱交換量Ｈ_{ｎｏｎ−ｓｅａｌ}
上記「シールからの漏れ量とサイドクリアランスの冷媒ガス移動量の比較」の項で述べたディスプレーサにおいて、シール部分を削除し、補助流路を流れる流量を測定すると、差圧０．０５ＭＰａで２．４１Ｌ／ｍｉｎであった。この値を元に上記（式１）を使って漏れ量を計算すると２．１ｇ／ｓになる。また、このとき補助流路で完全に熱交換が行われたとすると、熱交換量Ｈ_{ｎｏｎ−ｓｅａｌ}は上記（式３）を使って２１３Ｗになる。
以上▲１▼▲２▼よりシール部１３が有る場合は、シール部１３が無い場合に比べて、約１／３の熱交換量で済むことになる。
【００４２】
図１、及び従来例である特許文献２の冷凍ステージ１４に、それぞれ０．４Ｗの熱負荷を与えた場合の、冷却温度を評価してみると、シール部１３がある場合は４．０３Ｋ、シール部１３がない場合は４．１９Ｋとなり、シール部１３を設置したことにより冷凍能力が改善されることがわかる。
【００４３】
このように、本発明に係るサイドクリアランスの熱交換用溝の動作は特許文献２（特許第２６５９６８４号）で言う補助流路とは全く異なるものであり、本発明により必要熱交換量を低減することができ、冷却性能の良好な冷凍機を提供することができる。また、この実施の形態１ではシール部１３をラビリンスシール１３Ｌとしたことにより、摩擦熱を増加させることなく性能の高いシールとすることができる。また、部品点数を増やすことなく冷却性能を高めることができる効果が得られる。
【００４４】
実施の形態２．
図３は実施の形態２になる蓄冷型冷凍機の要部を模式的に示す断面図であり、上記図１に示すシール部１３をクリアランスシール１３Ｃとした他は、実施の形態１と同様に構成したものである。このクリアランスシール１３Ｃはシリンダ１５とディスプレーサ１１の隙間を十分小さくたものである。ガスには粘性があるので隙間を十分に小さくすることによりガスはほとんど流れなくなる。したがってクリアランスシールの性能において重要なことは、隙間を十分小さくすること、温度変化があってもその隙間が大きくならないようにすることが重要である。
【００４５】
なお、この実施の形態２では、シリンダとディスプレーサは同材料で構成しており、たとえばステンレスを使用している。ステンレス同士であると摺動性が悪いので、ディスプレーサ表面には耐摩耗性に優れた材料、たとえばポリイミド、エチレン／テトラフルオルエチレン共重合体、フッ素樹脂等をコーティングしている。これにより摺動性が改善され摩擦熱を低減できるとともに長期間運転しても性能劣化することがないシールを得ることができる。
【００４６】
実施の形態３．
図４は実施の形態３による冷凍機の要部を示す断面図である。この実施の形態３では、シール部１３としてピストンリング１３Ｐを使用した他は、実施の形態１と同様に構成したものである。このようにシール部１３をピストンリング１３Ｐとした場合には、シール据付部分のシリンダ１５とディスプレーサ１１の隙間の精度は重要でなくなる。
【００４７】
なお、上記実施の形態１〜３では、第２段シール部１３として、ラビリンスシール１３Ｌ、クリアランスシール１３Ｃ、ピストンリング１３Ｐを用いた場合を例に説明したが、これらのシール手段のみに限定されるものではなく、この他、同様の機能をもつものであれば、他のシール手段に置き換えても同様の効果が得られることはいうまでもない。
【００４８】
実施の形態４．
図５は実施の形態４による蓄例型冷凍機の要部を示す断面図であり、図５（ａ）はディスプレーサ１１が下死点にあるとき、図５（ｂ）はディスプレーサ１１が上死点にある場合を示す。図に示すようにこの実施の形態ではディスプレーサ１１の低温部にラビリンスシール１３Ｌを設けたものである。その他の構成は上記実施の形態１と同様である。ディスプレーサ１１が下死点近傍に位置するとき、冷媒ガスは蓄冷器１２を熱交換しながら通過し、膨張室１０に達する。膨張室１０に達した冷媒の一部はサイドクリアランス２５を通過しようとするが、低温部にラビリンスシール１３Ｌがあるので、せき止められる。したがって、低温の冷媒が高温部まで移動することがなく、折角発生させた寒冷を無駄にすることがない。
【００４９】
また冷媒ガスが蓄冷器１２に流入する際、一部のガスはサイドクリアランス２５を通過するが、ディスプレーサ１１壁に熱交換溝２６が設けられているので、熱交換しながら低温まで移動するので、熱損失になりにくい。たとえディスプレーサ１１壁で十分熱交換されなくとも低温部にラビリンスシール１３Ｌが設けられているので、十分熱交換されなかったガスが、膨張室１０の空間に流入することはなく、熱損失にならない。
【００５０】
圧力が高圧まで達すると、ディスプレーサ１１は下死点から図５（ｂ）に示す上死点に向かって移動する。ディスプレーサ１１が上死点近傍に達したとき、膨張室１０の冷媒ガスは蓄冷器１２を通過し、第１段膨張室４の方へ流れようとする。このとき一部のガスはサイドクリアランス２５に流れようとするが、ラビリンスシール１３Ｌがあるのでせき止められ、低温の冷媒が高温側まで移動することがなく、折角発生させた寒冷を無駄にすることはない。
【００５１】
また高温側にシールを設置したときのように、膨張時、サイドクリアランス２５を通過して一旦膨張室１０を冷媒が通過して、蓄冷器１２から第１段膨張室４に流れるということはなく、熱損失になることはない。また熱交換溝２６で自然対流が生じても、自然対流による熱損失はラビリンスシール１３Ｌでせき止められる。上記のように実施の形態４によれば、ディスプレーサ１１の低温側にシール部１３を設けたことにより、圧力変動の影響でサイドクリアランス２５を冷媒ガスが往復動し、ポンピング損失が生じるのを防ぐことができる。
【００５２】
実施の形態５．
図６は実施の形態５になる冷凍機の要部を示す断面図である。この実施の形態５では図に示すようにディスプレーサ１１の低温側にクリアランスシール１３Ｃが設置されている。この実施の形態５の動作は上記実施の形態４と実質的に同様であるので説明を省略する。この実施の形態５によれば、実施の形態４と同様の効果が得られる他、シール部１３をクリアランスシール１３Ｃによって構成したことにより、シールのための溝加工が不要となるので、装置をより安価に得ることができるという利点がある。
【００５３】
実施の形態６．
図７は実施の形態６による蓄冷型冷凍機の要部を示す断面図である。この実施の形態６では、ディスプレーサ１１の高温側と低温側にそれぞれラビリンスシール１３Ｌを設置したものである。このようにディスプレーサ１１の高温側と低温側の両側にシール部を設けた場合には、サイドクリアランス２５を流れる冷媒ガスを一層抑制できるので、シール１３Ｌからの漏れによる熱損失や、圧縮時、膨張室１０から低温の冷媒が高温側に移動することによる損失、あるいは膨張時、高温側から膨張室１０に冷媒が移動することによる損失をさらに低減できる。また熱交換用溝２６で自然対流が生じても、自然対流による熱損失をさらにせき止め易くなる。
【００５４】
実施の形態７．
図８は実施の形態７による蓄冷型冷凍機の要部を示す断面図である。この実施の形態７では、ディスプレーサ１１の高温側にラビリンスシール１３Ｌを、低温側にクリアランスシール１３Ｃをそれぞれ設置したものである。ディスプレーサ１１の高温側と低温側に互いに異なるシールを配設したものであるが、この場合でも実質的に上記実施の形態６と同様に動作し、ほぼ同様の効果が得られる。
【００５５】
実施の形態８．
図９は実施の形態８による蓄冷型冷凍機の要部を示す断面図である。この実施の形態８では、例えばステンレスからなるディスプレーサ１１の外周面に、たとえばポリイミド、エチレン／テトラフルオルエチレン共重合体、フッ素樹脂等耐摩耗性樹脂膜などからなるコーティング被覆３２を形成した後、該コーティング被覆３２の層がなくなり、ディスプレーサ１１のステンレス表面が露出するまで螺旋状に切削することにより熱交換用溝２６を形成したものである。なお、３３は図示を省略している第１段ディスプレーサに対して第２段ディスプレーサ１１を連結するピンを挿入するためのピン挿入孔である。
【００５６】
上記のように構成された実施の形態８によれば、熱伝導率の悪い樹脂層を螺旋状に取り除き、ディスプレーサ１１のステンレス表面を露出させて熱交換用溝２６を形成したことにより、溝を流れる冷媒ガスと、ディスプレーサ１１壁、さらには蓄冷器１２との熱交換を促進することができる。また、ディスプレーサ１１の表面には耐摩耗性に優れたコーティング被覆３２を設けたことにより、シリンダ１５との摺動性が改善され摩擦熱を低減できるとともに長期間運転しても性能劣化することがない。
【００５７】
実施の形態９．
図１０は実施の形態９に係る蓄冷型冷凍機の要部を示す断面図である。この実施の形態９では、例えばステンレスからなるディスプレーサ１１の外周面に耐摩耗性樹脂からなるコーティング被覆３２を形成した後、該コーティング被覆３２の表面部から、ディスプレーサ１１を構成しているステンレス表面部に至り、さらにそのステンレスの表面部分からその内部に至るまで削って螺旋状に切削し熱交換用溝２６を形成したものである。
【００５８】
上記のように構成された実施の形態９の動作は、上記実施の形態８と同様であるが、ディスプレーサ１１の構成素材であるステンレスの内部にまで凹凸を深く形成して熱交換用溝２６を形成しているので、熱交換用溝２６を流れる冷媒ガスと、ディスプレーサ１１の凹凸による壁部、さらには蓄冷器１２との熱交換をさらに一層促進させた蓄冷型冷凍機を提供することができる。
【００５９】
実施の形態１０．
図１１は実施の形態１０になる蓄冷型冷凍機の要部を示す断面図である。この実施の形態１０では、耐摩耗性コーティング３４がシリンダ１５の内周面に設けられている。耐摩耗性コーティング３４は一般的に熱伝導率が悪いが、この実施の形態１０ではディスプレーサ１１に耐摩耗性コーティングをする必要がなくなったことにより、ディスプレーサ１１に設けた熱交換用溝２６における冷媒ガスとディスプレーサとの熱交換が促進され、熱損失が低減される。またシリンダ１５の厚み方向の熱伝導率が小さくなることにより、シリンダ１５内をディスプレーサが往復動することによって生じるシャトル損失が低減される。
【００６０】
実施の形態１１．
上記実施の形態１〜１０においては、２段冷凍機における２段目ディスプレーサ１１の高温側及び／または低温側にシール部１３を設けると共に、２段目ディスプレーサ１１の外周面に沿って螺旋状の熱交換用溝２６を形成する場合について主に説明してきたが、それらに限定されるものではない。例えば、シール部１３はディスプレーサ１１の軸方向における任意の位置に設けてもよいし、また、例えば３段冷凍機における３段目、あるいは２段目、あるいは１段目に適用し、さらにはそれらの複数の段に適用した場合においても同様の作用効果が期待できる。
【００６１】
実施の形態１２．
図１２及び図１３は実施の形態１２に係る蓄冷型冷凍機の要部を示すもので、図１２は第２段ディスプレーサの外周面に設けた熱交換用溝を示す構成図、図１３は図１２の変形例を示す構成図である。この実施の形態の特徴は、ディスプレーサ１１の外周面に円環状の複数の熱交換用溝２６を形成し、隣接するこの溝の間に冷媒ガス１の流路となる貫通流路Ａ３０（図１２）や貫通流路Ｂ３１（図１３）を設けたものである。
【００６２】
図１２に示す実施例ではこの貫通流路Ａ３０は、Ａ−Ａ’断面図、Ｂ−Ｂ’断面図に示すように円盤を一部切り欠くようにして形成されている。また、図１３に示す変形例では、貫通流路Ｂ３１は円環の一部を矩形に切り欠いた如き形状に形成されている。なお、これら貫通流路を形成するための切り欠きの形状などは両例に限定されるものではなく、要するに隣接する円環状の熱交換用溝２６を連通するものであればよく、いずれも同様な効果を奏することができる。
【００６３】
また、隣り合う貫通流路は円周上の同じ位置ではなく、異なる位置に配置するのが好ましい。更に図には示していないが、円環状の熱交換用溝２６に冷媒ガスが一方向に流れるように仕切り板をいれ、この仕切り板を挟んで隣り合う貫通流路を配置するようにしても良い。前記のようにしてディスプレーサ１１の外壁面に形成された多数の円環状の熱交換用溝２６はシール部１３と併用され、その他の部分は実施の形態１と同様に構成されている。
【００６４】
上記のように構成された本発明の実施の形態１２によれば、前記熱交換用溝をディスプレーサの外壁面を取り巻く２以上の円環状の溝とし、且つ、この円環状の溝間、ディスプレーサ高温側の端にあるこの円環状の溝とその隣接外部、ディスプレーサ低温側の端にあるこの円環状の溝とその隣接外部をそれぞれ結ぶ貫通流路を設け、隣接する当該貫通流路を、当該円環周上で互いにずらした位置に配置した蓄冷型冷凍機としたので、必要熱交換量を低減することができ、冷却性能の良好な冷凍機を提供することができる。
【００６５】
実施の形態１３．
図１４は実施の形態１３に係る蓄冷型冷凍機の要部である第２段ディスプレーサの構成を示す側面図である。この実施の形態１３では、ディスプレーサ１１の外周面に断面楔状の熱交換用溝２６を形成している。その他の構成は実施の形態１と同様である。なお、ａは断面楔状の熱交換用溝２６の頂部における隙間を示す。この実施の形態１３の特徴は、ディスプレーサ１１の外周面に設けた螺旋状の熱交換用溝２６の断面形状を楔形にしたことにある。溝加工が容易になるという利点があり、このようにして形成された熱交換用溝２６とシール部１３を併用することにより、実施の形態１で説明した理由により、冷却性能の良好な冷凍機を提供することができる。
【００６６】
実施の形態１４．
図１５及び図１６は実施の形態１４に係る蓄冷型冷凍機を説明するもので、図１５は熱交換用溝内で生じる冷媒ガスの自然対流を示す概念図、図１６は冷凍機冷凍能力の熱交換用溝幅依存性について測定された特性図である。なお、図１５は図３のディスプレーサ１１及びシリンダ１５の一部を拡大して、ディスプレーサ１１の低温部を上に、高温部を下にして設置した場合を示したものである。この図では熱交換用溝２６が水平線との間で成す角度をθ、熱交換用溝２６の幅をｄとしている。
【００６７】
このような場合には、熱交換用溝２６部に示す矢印の方向に冷媒ガスが流れる際に、図に示すような自然対流が生じる。この自然対流による伝熱の効果が熱交換用溝２６中の冷媒ガスの流れによる熱伝達に比べ無視できなくなると冷凍能力に有意な悪影響を与えることになる。従って、この自然対流による伝熱を低減する方策が重要となる。このためのもっとも簡単な方法は、熱交換用溝２６の幅を低減し、ｄ／ｃｏｓθ＝ａの値を小さくすることである。
【００６８】
このａ値と冷凍機到達最低温度との関係は図１６に示すように、ａの値が１ｍｍまでは、冷凍性能はａの値に依らずほぼ一定で、１ｍｍから１．５ｍｍで徐々に劣化し、１．５ｍｍ以上になると急速に劣化することがわかる。従って、自然対流の効果を低減するためには、上記ａ値を１．５ｍｍ以下にすることが効果的である。なお、幅ｄは、より好ましくは１ｍｍから１．５ｍｍの間の値、たとえば１．２ｍｍ以下に、また、更により好ましくは１ｍｍ以下の値にするのが良い。なお、通常の設計では、ｃｏｓθは１に近い数値であるため、上記ａの値は熱交換用溝２６の幅ｄとほぼ同じと考えても実用上は差し支えない。
【００６９】
このように、前記対流防止機能として、熱交換用溝２６の幅を１．５ｍｍ以下と小さく抑えることで、自然対流の効果を抑え、自然対流による熱損失を低減することができ、蓄冷型冷凍機の冷却性能を良好で安定したものにすることができる。前記熱交換用溝２６が水平に対して角度θ傾いて設けられている場合に、前記対流防止機能として、前記熱交換用溝２６の幅を、その幅をｃｏｓθで除した値が１．５ｍｍ以下であるようにしたので、自然対流による熱損失を低減することができ、蓄冷型冷凍機の冷却性能を良好で安定したものにすることができる。
【００７０】
実施の形態１５．
図１７、図１８及び図１９は実施の形態１５に係る蓄冷型冷凍機の要部構成を説明する概念図である。何れも螺旋状の熱交換用溝２６中に対流防止部材を設けたもので、図１７は不連続の多数の対流防止板２７を設けたもの、図１８は熱交換用溝２６に沿って連続的な対流防止板２８を設けた変形例、図１９は高温側／低温側の配置が、水平線上若しくはそれに近い状態で用いられる場合に、熱交換用溝２６の方向に交差する方向に多数の対流防止板２９を設けた他の変形例である。
【００７１】
図１７、及び図１８のようにディスプレーサの軸線を垂直方向に配設して用いられる場合には、対流防止板２７、２８により、図１５で示したａに対応する幅ａ、ａ’を実効的に低減するものである。なお、図示したａ、ａ’の値は実施の形態１４で説明したとおりの値でよい。
【００７２】
なお、図１７、図１８とも高温側／低温側の設置方向は上下方向に一致しているが、図１９に示すように、高温側／低温側を水平線上若しくはそれに近い状態に設置した場合は、自然対流はほぼ熱交換用溝の走行方向に沿って発生することになる。従って、対流の長さに相当する前記ａに対応する値は、実効的に大きなものとなり、図１７の２７、図１８の２８に示すような対流防止板では対流を有効に防止することは困難で、冷凍能力は大きく劣化してしまうが、この様な場合、対流防止板は、図１９の２９に示すような形に設置すればよい。
【００７３】
このように冷凍機の設置条件に合わせて、適切な対流防止部材を熱交換用溝２６内に設置することにより、自然対流による熱損失を低減することができ、蓄冷型冷凍機の冷却性能を良好で安定したものにすることができる。
【００７４】
実施の形態１６．
磁性蓄冷材は多段式冷凍機のより低温段の蓄冷材として用いられ、主にヘリウム液化可能な温度レベルで使用される。本発明に係る冷凍機の冷媒ガスとしてはヘリウムが使用されるが、ヘリウムの物性上、液体ヘリウム温度付近では発生冷凍量が極端に少なくなり、従って、熱損失を出来るだけ低減する必要がある。
【００７５】
シール部からの漏れによる熱損失も温度が高いレベルでは問題にならない程度のものが磁性蓄冷材が使用される段の温度レベルでは大きな問題となるため、蓄冷器の蓄冷材として磁性蓄冷材を用いた蓄冷型冷凍機に、上記実施の形態１から１５に記載の本発明に係る蓄冷型冷凍機を適用すると、熱損失を格段に低減できるので蓄冷型冷凍機の冷却性能をより一層向上させ安定化することができる。
【００７６】
実施の形態１７．
これまで説明してきた熱交換用溝による熱交換効率を良好なものとするためには、この溝にのみ冷媒ガスが流れ、シリンダ１５とディスプレーサ１１の隙間（サイドクリアランス２５ではない。）を十分小さく、且つ温度変化があってもその隙間の間隔が大きくならないようにして、この隙間には冷媒ガスが流れにくくすることが重要である。そのためには、シリンダとディスプレーサが同材料、若しくは同程度の熱膨張率を有する材料である方が望ましい。
【００７７】
なお、冷媒ガスの漏れの観点からは、上記隙間は小さいほうが良いが、あまり小さいと両者の摩擦が大きくなるため、ディスプレーサ外壁面若しくはシリンダ内壁面の少なくとも一方に、耐磨耗性に優れた材料をコーティングすることにより冷凍機の寿命が向上する。
【００７８】
従って、この様な表面コーティングを施したディスプレーサ／シリンダと、このディスプレーサと同一材料で作られたシリンダで構成された冷凍機に実施の形態１から１６の何れかの発明を適用することにより、蓄冷型冷凍機の冷却性能をより一層向上させ安定化することができるとともに、冷凍機の寿命を改善することができる。
【００７９】
実施の形態１８．
多段式蓄冷型冷凍機の第１段ディスプレーサに使用する第１段シール７は、室温に設置されているので、Ｏリング等のゴム材をベースにしたものが使用でき、シール性能も良いことから、本発明を適用する必要性はあまりない。しかし、多段式冷凍機で、より低温の段ではゴム材や油などシール性能の良いシール材を用いることが出来ないため、シールからの漏れが無視できなくなる。従って、多段式蓄冷型冷凍機の、より低温側で本発明を適用すると効果が大きく、シールからの冷媒ガスの漏れが無視できなくなる場合であっても、冷却性能をより一層向上させ安定化することができる。
【００８０】
実施の形態１９．
超電導マグネットは、液体ヘリウム等の冷媒ガスで冷却されるが、室温からの熱侵入は断熱技術を駆使しても完全に遮断することは出来ないため、液体ヘリウムは蒸発する。このため、蒸発したヘリウムを再凝縮させ、液化したヘリウムの補充間隔を長くするかあるいは補充を不要にすることを目的として冷凍機の搭載という方法が採用されている。また、別の超電導マグネットではヘリウムを使用せず、超電導コイルを直接冷凍機で極低温まで冷却して超電導状態を保つタイプのマグネットもある。
【００８１】
いずれも、シールからの漏れによる熱損失の増大で冷凍機の冷凍能力が低下するとヘリウムの再凝縮を十分行なえなかったり、また、超電導状態を安定して保持することが出来なくなる。本発明を適用した冷凍機はシールの漏れによる熱損失を格段に低減できるので、冷凍能力を向上させ、また、冷凍能力を安定化することができる。このため、ヘリウムの補充期間を長く、あるいは補充を不要にすることが可能になり、また、超電導状態を安定に保つことができる。
【００８２】
【発明の効果】
以上説明したとおり、本発明によれば、シリンダとディスプレーサとの間隙を冷媒ガスが通流するのを防ぐシール部を前記ディスプレーサの軸方向の少なくとも一箇所に設け、このディスプレーサの外壁面に、前記冷媒ガスとディスプレーサとの熱交換用溝を、前記ディスプレーサを周回する形に設けたことにより、必要熱交換量を低減することができ、冷却性能の良好な蓄冷型冷凍機を提供することができる。
【００８３】
また、超電導マグネットの冷却系に上記本発明にかかる蓄冷型冷凍機を搭載したので、超電導マグネットを冷却するためのヘリウムの補充期間を長くし、あるいは補充を不要にすることが可能になり、また、超電導状態を安定に保つことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態１による蓄冷型冷凍機の全体的な要部構成を模式的に示す断面図。
【図２】図１の第２段ディスプレーサの動作を説明する図であり、（ａ）はディスプレーサが下死点近傍にあるときの第２段冷凍機の構成図、（ｂ）はディスプレーサが上死点近傍にあるときの第２段冷凍機の構成図。
【図３】実施の形態２による蓄冷型冷凍機の要部を示す図であり、（ａ）はディスプレーサが下死点近傍にあるときの第２段冷凍機の構成図、（ｂ）はディスプレーサが上死点近傍にあるときの第２段冷凍機の構成図。
【図４】実施の形態３による蓄冷型冷凍機の要部を示す断面図。
【図５】実施の形態４による蓄冷型冷凍機の要部を示す断面図。
【図６】実施の形態５による蓄冷型冷凍機の要部を示す断面図。
【図７】実施の形態６による蓄冷型冷凍機の要部を示す断面図。
【図８】実施の形態７による蓄冷型冷凍機の要部を示す断面図。
【図９】実施の形態８による蓄冷型冷凍機の要部を示す断面図。
【図１０】実施の形態９による蓄冷型冷凍機の要部を示す断面図。
【図１１】実施の形態１０による蓄冷型冷凍機の要部を示す断面図。
【図１２】実施の形態１２に係る蓄冷型冷凍機に用いるディスプレーサ外周面に設けた熱交換用溝の構造図。
【図１３】図１２の変形例になるディスプレーサ外周面に設けた熱交換用溝の構造図。
【図１４】実施の形態１３に係る蓄冷型冷凍機に用いるディスプレーサ外周面に設けた熱交換用溝を示す側面図。
【図１５】実施の形態１４に係る熱交換用溝内で生じる冷媒ガスの自然対流を示す概念図。
【図１６】実施の形態１４に係る蓄冷型冷凍機について測定された冷凍能力の熱交換用溝幅依存性を示す特性図。
【図１７】実施の形態１５に係る蓄冷型冷凍機に用いる対流防止板の構造図。
【図１８】図１７の変形例になる対流防止板の構造図。
【図１９】図１７の他の変形例になる対流防止板の構造図。
【符号の説明】
１　冷媒ガス、　２　吸気バルブ、　３　排気バルブ、　４　第１段膨張室、５　第１段ディスプレーサ、　６　第１段蓄冷器、　７　第１段シール、　８第１段冷凍ステージ、　９　第１段シリンダ、　１０　第２段膨張室、　１１第２段ディスプレーサ、　１２　第２段蓄冷器、　１３　（第２段）シール、１３Ｃ　クリアランスシール、　１３Ｌ　ラビリンスシール、　１３Ｐ　ピストンリング、　１４　第２段冷凍ステージ、　１５　第２段シリンダ、　１６　駆動モータ、　１７　駆動軸、　１８　クランク、　１９　圧縮機、　２０　第１段ディスプレーサ高温側冷媒ガス流出入口、　２１　第１段ディスプレーサ低温側冷媒ガス流出入口、　２２　第２段ディスプレーサ高温側冷媒ガス流出入口、　２３　第２段ディスプレーサ低温側冷媒ガス流出入口、　２４　第１段サイドクリアランス、　２５　第２段サイドクリアランス、　２６　熱交換用溝、　２７　対流防止板Ａ、　２８　対流防止板Ｂ、　２９　対流防止板Ｃ、　３０　貫通流路Ａ、　３１　貫通流路Ｂ、　３２　コーティング被膜、　３３　ピン挿入孔、　３４　耐摩耗性コーティング。

Claims

冷媒ガスの圧縮機と、この圧縮機によって圧縮された冷媒ガスを受け入れるシリンダ、ディスプレーサ及び蓄冷材を内蔵する蓄冷器からなる膨張機とを備え、前記シリンダ内の冷媒ガスを膨張させて寒冷を発生させる蓄冷型冷凍機において、前記シリンダとディスプレーサとの間隙を冷媒ガスが通流するのを防ぐシール部を前記ディスプレーサの軸方向の少なくとも一箇所に設け、このディスプレーサの外壁面に、前記冷媒ガスとディスプレーサとの熱交換用溝を、前記ディスプレーサを周回する形に設けたことを特徴とする蓄冷型冷凍機。
前記シール部は、前記ディスプレーサの高温側に設けられ、前記熱交換用溝は、該シール部と該ディスプレーサの低温側との間に設けられてなることを特徴とする請求項１に記載の蓄冷型冷凍機。
前記シール部は、前記ディスプレーサの低温側に設けられ、前記熱交換用溝は、該シール部と該ディスプレーサの高温側との間に設けられてなることを特徴とする請求項１に記載の蓄冷型冷凍機。
前記シール部は、前記ディスプレーサの高温側と低温側にそれぞれ設けられ、前記熱交換用溝は、これら二つのシール部の間におけるディスプレーサの外壁面に設けられてなることを特徴とする請求項１に記載の蓄冷型冷凍機。
前記シール部は、ラビリンスシールを用いてなることを特徴とする請求項１ないし請求項４の何れかに記載の蓄冷型冷凍機。
前記シール部は、クリアランスシールを用いてなることを特徴とする請求項１ないし請求項４の何れかに記載の蓄冷型冷凍機。
前記熱交換用溝に冷媒ガスの対流防止機能を施したことを特徴とする請求項１ないし請求項６の何れかに記載の蓄冷型冷凍機。
前記対流防止機能として、前記熱交換用溝の幅を１．５ｍｍ以下としたことを特徴とする請求項７に記載の蓄冷型冷凍機。
前記熱交換用溝が水平に対して角度θ傾いて設けられている場合に、前記対流防止機能として、前記熱交換用溝の幅を、その幅をｃｏｓθで除した値が１．５ｍｍ以下であるようにしたことを特徴とする請求項７に記載の蓄冷型冷凍機。
前記対流防止機能として、熱交換用溝に対流防止板を設置したことを特徴とする請求項７に記載の蓄冷型冷凍機。
前記熱交換用溝をディスプレーサの低温側から高温側に到る螺旋形状の溝としたことを特徴とする請求項１ないし請求項１０の何れかに記載の蓄冷型冷凍機。
前記熱交換用溝をディスプレーサの外壁面を取り巻く２以上の円環状の溝とし、且つ、この円環状の溝間、ディスプレーサ高温側の端にあるこの円環状の溝とその隣接外部、ディスプレーサ低温側の端にあるこの円環状の溝とその隣接外部をそれぞれ結ぶ貫通流路を設け、隣接する当該貫通流路を、当該円環周上で互いにずらした位置に配置したことを特徴とする請求項１ないし請求項１０の何れかに記載の蓄冷型冷凍機。
蓄冷器の蓄冷材として磁性蓄冷材を用いたことを特徴とする請求項１ないし請求項１２の何れかに記載の蓄冷型冷凍機。
シリンダとディスプレーサを同一材料で構成するとともに、ディスプレーサ外壁面若しくはシリンダ内壁面の少なくとも一方を耐磨耗性材料でコーティングしたことを特徴とする請求項１ないし請求項１３の何れかに記載の蓄冷型冷凍機。
前記ディスプレーサの外壁面に、耐摩耗性材料からなるコーティング層を形成し、前記熱交換用溝は、このコーティング層の表面部から少なくとも前記ディスプレーサの表面部が露出する深さに形成されてなることを特徴とする請求項１４に記載の蓄冷型冷凍機。
請求項１ないし請求項１５の何れかに記載の蓄冷型冷凍機を搭載したことを特徴とする超電導マグネット。