JP2010216711A - 蓄冷器式冷凍機 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は蓄冷材が装填されたディスプレーサがシリンダ内で往復動することにより極低温を得ることができる蓄冷器式冷凍機に関し、蓄冷材としてビスマスを用いつつ、１５Ｋ以下の極低温を実現することを課題とする。
【解決手段】円筒状の内周面を有するシリンダ１と、シリンダ１内に軸方向に往復運動可能に配置されると共にシリンダ１内の一端に膨張空間６を形成するディスプレーサ２と、ディスプレーサ２の外周面の両端を結ぶ補助ガス流路３を構成するように形成され、シリンダ１とディスプレーサ２との間の隙間を前記外周面の一端から他端に向かって流れるガスがシリンダ１及びディスプレーサ２と積極的に熱交換を行うように少なくとも一部がディスプレーサ２の軸方向に対して交差する方向に沿う溝を含んで構成された溝パターン２ａと、膨張空間６に対してガスの供給／回収するための主ガス流路３と、ビスマスの粒体よりなり主ガス流路３内の少なくとも一部に配置されたビスマス蓄冷材５とを含む。
【選択図】 図１

Description

本発明は蓄冷器式冷凍機に係り、特に蓄冷材が装填されたディスプレーサがシリンダ内で往復動することにより極低温を得ることができる蓄冷器式冷凍機に関する。

極低温領域で広く使われている冷凍機の一つに、蓄冷式冷凍機がある。これは、蓄冷器と称される蓄熱型の熱交換器を備えている。この蓄冷器は、容器内部に蓄冷材と呼ばれる熱交換材料を内蔵している。

蓄冷材としては、対象となる温度で大きな比熱を持つ材料が用いられる。冷凍機は、使用温度が室温から４．２Ｋ程度までの広い範囲であるため、その全領域でできる限り大きな比熱を持つ材料を選ぶ必要がある。比熱は、材料によって温度依存性が大きく異なっており、１つの材料で全温度領域に対応できるものはない。そのため、温度に応じて最適な材料を組み合わせて用いられている。

また、冷凍機は、液体ヘリウム凝縮に使用する最低到達温度が４．２Ｋとなるものと、クライオポンプ等で１０Ｋで使用するものとがある。そして、蓄冷器を２つ有する２段形式が良く用いられている。

通常、１０Ｋの冷凍機では１段蓄冷器に金網状の銅やステンレス鋼を用い、２段目蓄冷器には球状の鉛を用いている。鉛は、５０Ｋ以下の温度領域で他の材料より高い比熱と、ある程度の構造的強度を持ち、安価でもあることから、広く用いられてきている（例えば特許文献１参照）。

しかしながら、環境に対する影響から、ヨーロッパでは２００６年から電気製品への使用を禁止する指令（RoHS規制）が施行されることが検討されている。規制の内容は、一部の軍事用、宇宙用を除く殆どの電気製品から鉛を排除するというものである。よって、蓄冷材として鉛を用いた場合には、この蓄冷器式冷凍機も規制対象品となる可能性がある。そこで、蓄冷器式冷凍機に用いられる蓄冷材の材料として、鉛に替わる蓄冷材が各種提案されている（特許文献２参照）。

特許文献２では、鉛に替わる蓄冷材として、インジウムとビスマス及び更に第３の材料の合金が挙げられている。インジウムは、５０Ｋ以下の温度で鉛に次ぐ比熱を持っているので、その特性を活かそうという思想である。

しかしながら、インジウムは大変軟らかい金属であるため、そのままでは蓄冷材として使えず、ビスマスや他の金属との合金にすることで、蓄冷材に求められる硬度まで上げているが、それでも蓄冷材として利用するには不十分である。又、インジウムの価格は鉛の約３倍であり、蓄冷材として使うのには高すぎるという問題がある。これに対して、鉛に替わる蓄冷材として、ビスマス又はビスマスとアンチモンの合金を用いることが提案されている（特許文献３参照）。

特開平３−９９１６２号公報 特開２００４−２２５９２０号公報 特開２００６−２４２４８４号公報

鉛に替わる蓄冷材としてビスマスを用いた場合、ビスマスは化粧品の材料にも使われていることから安全性が高く、環境汚染の心配もないと考えられ、しかも安価である。しかしながら、ビスマスは鉛に比べて比熱が小さく、特に１５Ｋ以下の極低温環境下においては比熱が大きく低下してしまう。このため、極低温を実現するための蓄冷器式冷凍機においては、上記のように安全性及び環境負荷の面では良好な特性を有するものの、ビスマスを蓄冷材として用いることは困難であると考えられていた。

また、この問題点を解決するために、ビスマスと他の蓄冷材とのハイブリッド化も提案されている（引用文献３参照）。しかしながら、ハイブリッド化を行う場合、ビスマスと他の蓄冷材の混合比を決定するのが困難であり、また通常蓄冷材として使用できる他の蓄冷材は高コストであり、蓄冷器式冷凍機の価格が上昇してしまうという問題点が生じる。

本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、蓄冷材としてビスマスを用いつつ、１５Ｋ以下の極低温を得ることができる蓄冷器式冷凍機を提供することを目的とする。

上記の課題は、無負荷の最低到達温度で５Ｋ以上１５Ｋ以下の極低温を得ることができる蓄冷器式冷凍機であって、
熱伝導率が低く、気密性の高い材料で形成された円筒状の内周面を有するシリンダと、
前記シリンダの内周面よりもやや小さい径の円筒状形状に沿う外周面を有し、前記シリンダ内に軸方向に往復運動可能に配置され、前記シリンダ内の一端に膨張空間を形成するディスプレーサと、
前記ディスプレーサの外周面上又は前記シリンダの内周面上のいずれか一方に、該外周面又は該内周面の両端を結ぶ補助ガス流路を構成するように形成され、前記シリンダと前記ディスプレーサとの間の隙間を該外周面又は該内周面の一端から他端に向かって流れるガスが前記シリンダ及び前記ディスプレーサと積極的に熱交換を行うように少なくとも一部が前記ディスプレーサの軸方向に対して交差する方向に沿う溝を含んで構成された溝パターンと、
前記膨張空間にガスを供給、及び前記膨張空間からガスを回収するための主ガス流路と、
ビスマスの粒体よりなり、前記主ガス流路内の少なくとも一部に配置された蓄冷材とを含む蓄冷器式冷凍機により解決することができる。

開示の蓄冷器式冷凍機は、蓄冷材としてビスマスを用いているため、環境に与える負荷を低減することができる。

また、ディスプレーサの外周面に溝パターンが形成されているため、蓄冷材を有する正規のガス流路から分岐してディスプレーサとシリンダとの隙間を流れるガスは、この溝パターンに沿って流れる。この溝パターンは、溝内を流れるガスがディスプレーサ及びシリンダと積極的に熱交換を行うように、ディスプレーサの軸方向に対して交差する方向に沿う溝を含むように形成してある。

このため、分岐したガスが高温側から低温側に流れる時は、軸方向に直接流れる場合に比べて、より冷却され、逆に低温側から高温側に流れる時は、ディスプレーサ及びシリンダをより冷却するため、冷却材として従来用いられていた鉛に比べて比熱が小さいビスマスを用いても、１５Ｋ以下の極低温を確実に得ることができる。

図１は、本発明に係る蓄冷器式冷凍機の基本構成を示す断面図である。 図２は、本発明の一実施形態である２段構成の蓄冷器式冷凍機の概略構成を示す断面図である。 図３は、本発明の一実施形態である２段構成の蓄冷器式冷凍機の第２段目ディスプレーサの構成例を示す断面図である。 図４は、ビスマスサイズと冷凍能力の関係の例を示す図である。 図５は、蓄冷材を構成する材料の体積比熱を示す図である。 図６は本発明の一実施形態である２段構成の蓄冷器式冷凍機（無負荷状態：圧縮機の運転周波数は５０Ｈｚ）の特性を従来と比較して示す図であり、（Ａ）は１段目の温度特性、（Ｂ）は２段目の温度特性を示す図である。 図７は本発明の一実施形態である２段構成の蓄冷器式冷凍機（負荷印加状態：圧縮機の運転周波数は５０Ｈｚ）の特性を従来と比較して示す図であり、（Ａ）は１段目の温度特性、（Ｂ）は２段目の温度特性を示す図である。 図８は本発明の一実施形態である２段構成の蓄冷器式冷凍機（無負荷状態：圧縮機の運転周波数は６０Ｈｚ）の特性を従来と比較して示す図であり、（Ａ）は１段目の温度特性、（Ｂ）は２段目の温度特性を示す図である。 図９は本発明の一実施形態である２段構成の蓄冷器式冷凍機（負荷印加状態：圧縮機の運転周波数は６０Ｈｚ）の特性を従来と比較して示す図であり、（Ａ）は１段目の温度特性、（Ｂ）は２段目の温度特性を示す図である。 図１０は、本発明の一実施形態である２段構成の蓄冷器式冷凍機の第２段目ディスプレーサの他の構成例を示す断面図である。 図１１は、本発明の一実施形態である２段構成の蓄冷器式冷凍機の第１段目ディスプレーサの構成例を示す断面図である。 図１２は、ディスプレーサ表面に形成する溝パターンの構成例を示す概略展開図である。 図１３は、本発明に係る蓄冷器式冷凍機の他の基本構成を示す断面図である。

次に、本発明の実施の形態について図面と共に説明する。

図１に、本発明に係る蓄冷器式冷凍機の基本構成を示す。シリンダ１は、ステンレス等の熱伝導率が低く、気密性の高い剛性材料で形成されている。シリンダ１内には、円筒状のディスプレーサ２が配置されている。ディスプレーサ２の外周面には、上面と下面を結ぶ１本或いは複数本の螺旋状の溝パターン２ａからなる螺旋状ガス流路４が形成されている。

ディスプレーサ２は中空構造であり、その内部にガス流路３が形成されている。このガス流路３に作動温度において高い熱容量を有する蓄冷材５が収容される。本発明では、蓄冷材５としてビスマスを用いている。また、ディスプレーサとシリンダ１の下端の間には、膨張空間６が画定される。

上方から供給される冷媒ガスは、ディスプレーサ２内のガス流路３を通って膨張空間６に供給される。また、一部の冷媒ガスは、ガス流路３から分岐しディスプレーサ２とシリンダ１との間の間隙を流れる。この分岐ガスは、ディスプレーサ外周面に設けた螺旋状ガス流路４を通って、ディスプレーサ２とシリンダ１の表面と熱交換しながら下方に流れ膨張空間６に供給される。

この冷媒ガスは、ディスプレーサ２の移動に伴い膨張空間６内で膨張し冷却される。冷媒ガスの回収の際、冷却された冷媒ガスは冷媒ガス流路３を流れ、その際にビスマス蓄冷材５を冷却する。膨張空間６内で冷却された冷媒ガスの一部は、分岐して螺旋状ガス流路４をディスプレーサ２とシリンダ１の表面と熱交換しながら上方に流れ、その後にガス流路３を流れた冷媒ガスと合流する。

上記のように本発明に係る蓄冷器式冷凍機は、ビスマス蓄冷材５を用いている。前記のように、ビスマスは化粧品の材料にも使われていることから安全性が高く、環境汚染の心配もないと考えられ、しかも安価である。よって、ビスマス蓄冷材５は、安全性及び環境負荷の面では良好な蓄冷材であるといえる。

しかしながら、単に蓄冷材としてビスマスを用いた構成では、ビスマスは鉛に比べて比熱が小さく、特に１５Ｋ以下の極低温環境下においては比熱が大きく低下してしまうため、１５Ｋ以下の極低温を実現する蓄冷器式冷凍機に使用することは困難であると考えられていた。

本発明では、蓄冷材５としてビスマスを用いると共に、ディスプレーサ２の外周面に溝パターン２ａよりなる螺旋状ガス流路４を設けたことを特徴としている。ディスプレーサ２の外周面に溝パターン２ａよりなる螺旋状ガス流路４を設け、冷媒ガスがこの螺旋状ガス流路４を通る構成としたことにより、冷媒ガスがディスプレーサ２内のガス流路３のみを流れる場合に比べて、冷媒ガスはディスプレーサ２とシリンダ１の表面と熱的に十分接することになるため、ガス流路表面と冷媒ガスとの間で多くの熱交換を行うことができる。

これにより、蓄冷材５として１５Ｋ以下の極低温において従来用いられていた鉛に対して比熱が小さいビスマスを用いても、ビスマス蓄冷材５に対する熱効率を高めることができ、冷凍性能を向上させることが可能となった。

次に、上記した原理に基づいた本発明の一実施形態である蓄冷器式冷凍機について説明する。以下の説明では、２段式のギフォードマクマホンサイクル冷凍機（以下、２段式ＧＭ冷凍機という）を例に挙げて説明する。図２は、２段式ＧＭ式冷凍機の構成例を概略的に示しており、４．２〜１０Ｋ程度の極低温を得るものである。以下では、１０Ｋ程度の極低温を得るものについて説明する。

ヘリウム圧縮機１０は、ヘリウムガスを約２０Ｋｇｆ／ｃｍ2 に圧縮し、高圧ヘリウムガスを供給する。高圧ヘリウムガスは、吸気弁Ｖ１、ガス流路１６を介して第１段目シリンダ１１内に供給される。第１段目シリンダ１１には、第２段目シリンダ１２が結合されている。

第１段目シリンダ１１、第２段目シリンダ１２内には、相互に結合された第１段目ディスプレーサ１３、第２段目ディスプレーサ１４がそれぞれ収容されている。第１段目シリンダ１１からは、軸部材Ｓが上方に延在し、駆動用モータＭに結合したクランク機構１５と結合している。

第１段目ディスプレーサ１３、第２段目ディスプレーサ１４は、それぞれ蓄冷材１７、１８を収容する中空空間を有し、外部と中空空間を接続するガス流路２３、２４を有している。また、第１段目ディスプレーサ１３、第２段目ディスプレーサ１４と、第１段目シリンダ１１、第２段目シリンダ１２との間には、膨張空間２１、２２が画定されている。

通常、第１段目シリンダ１１、第２段目シリンダ１２は、十分な強度、低い熱伝導率、十分なヘリウムガス遮蔽能を有するステンレス綱（たとえばＳＵＳ３０４）等によって形成される。また、第１段目ディスプレーサ１３、第２段目ディスプレーサ１４は、比重が軽く、十分な耐摩耗性、比較的高い強度、及び低い熱伝導率を有する布入りフェノール（ベークライト）等によって形成される。

ヘリウム圧縮機１０から吸気弁Ｖ１を介して供給される高圧ヘリウムガスは、ガス流路１６を介して第１段目シリンダ１１内に供給され、ガス流路２３ａ、金網等で構成された第１段目用蓄冷材１７、及びガス流路２３ｂを通って、第１段目膨張空間２１に供給される。第１段目膨張空間２１の圧縮ヘリウムガスは、更にガス流路２４ａ、ビスマスで構成された第２段目用蓄冷材１８（以下、ビスマス蓄冷材１８という）、及びガス流路２４ｂを通って第２段目の膨張空間２２に供給される。尚、ガス流路２３ａ、２４ａは、冷媒ガスの流れを説明するために機能的に記載したものであり、実際の構造とは異なる。

吸気弁Ｖ１が閉じ、排気弁Ｖ２が開いた時には、第２段目シリンダ１２、第１段目シリンダ１１内の高圧ヘリウムガスは、吸気の場合とは逆の経路をたどってガス流路１６、排気弁Ｖ２を介してヘリウム圧縮機１０に回収される。

蓄冷器式冷凍機の作動時においては、駆動用モータＭの回転によって第１段目ディスプレーサ１３、第２段目ディスプレーサ１４が図中矢印で示すように上下に往復駆動される。第１段目ディスプレーサ１３、第２段目ディスプレーサ１４が下方に駆動された時、吸気弁Ｖ１が開き、高圧ヘリウムガスが第１段目シリンダ１１、第２段目シリンダ１２内に供給される。

駆動用モータＭによって第１段目ディスプレーサ１３、第２段目ディスプレーサ１４が上方に駆動された時、吸気弁Ｖ１が閉じ、排気弁Ｖ２が開いて、ヘリウムガスはヘリウム圧縮機１０に回収され、第１段目シリンダ１１、第２段目シリンダ１２内の膨張空間は低圧になる。この時、膨張空間２１、２２においては、ヘリウムガスの膨張によって寒冷が発生する。冷却されたヘリウムガスは、第１及び第２ディスプレーサ１３，１４の内部等を通り回収され、その過程において蓄冷材１８、１７を冷却する（この冷却処理については、後に詳述する）。

次の吸気工程で供給される高圧ヘリウムガスは、蓄冷材１７、１８を通って供給されることにより冷却される。冷却されたヘリウムガスが膨張することにより、更に冷却が進む。定常状態においては、第１段目シリンダ１１の膨張空間２１が、例えば４０Ｋ〜７０Ｋ程度の温度に保たれ、第２段目シリンダ１２の膨張空間２２の温度は９．５Ｋ〜１５Ｋ程度の極低温に保たれる。

第１段目シリンダの下方を囲んで、第１段目ヒートステーション１９が熱的に結合されており、第２段目シリンダ１２の下部分を囲んで、第２段目ヒートステーション２０が熱的に結合している。第１段目ヒートステーション１９は、例えばクライオパネル等に結合され、ガス分子を吸着させる。また、第２段目ヒートステーション２０は、例えば活性炭等の吸着材を収容する吸着塔に結合され、残留ガス分子の吸着を行う。このような構成を有するクライオポンプは、スパッタリング装置等において清浄な真空を形成するために用いられる。

図３は、図２の２段式ＧＭ冷凍機の第２段目ディスプレーサ１４の構成を示す。布入りフェノールで形成された筒状部材３０は上下端が開放された円筒状形状を有する。例えば、図２に示す第２段目シリンダの内径が３５ｍｍの場合、筒状部材３０の外径は３５ｍｍ、内径は３０ｍｍとする。ディスプレーサの軸方向の長さは、例えば２００ｍｍ程度とする。筒状部材３０の下端には、布入りフェノール等で形成された蓋部材３１が挿入接着され、その上に金網３２が配置され、その上にフェルト栓３３が配置されている。

フェルト栓３３の上には、ビスマスよりなるビスマスビスマス蓄冷材１８が充填される。ビスマス蓄冷材１８の上にはフェルト栓３４が配置され、フェルト栓３４の上にはパンチングメタル３５が配置される。パンチングメタル３５は、筒状部材３０の内面上部に円周に沿って設けられた段差により固定されている。筒状部材３０の上端には、図２に示す第１段目ディスプレーサ１３と結合するための結合機構３６が取り付けられている。

筒状部材３０の側壁には、金網３２の高さの位置にガス流路を形成する開口３７が設けられている。筒状部材３０の開口３７よりも上の外周面には、開口３７の位置と上端とを結ぶ１本の螺旋状の溝からなる螺旋状ガス流路３８が形成されている。この溝は、例えば、幅約２ｍｍ、深さ約０．６ｍｍ、ピッチ約４ｍｍである。

開口３７よりも下の筒状部材３０の外径は、それよりも上の部分の外径よりもわずかに小さくされている。従って、開口３７よりも下の部分では、筒状部材３０と第２段目シリンダとの間に間隙が形成される。この間隙は、筒状部材３０の内部と図２に示す膨張空間２２とを結ぶガス流路を形成する。

筒状部材３０の外周面と第２段目シリンダ１２の内面との間の隙間は、ディスプレーサを安定に往復駆動するために０．０１ｍｍ以上であることが好ましく、漏洩ガスが軸方向に直線的に流れることを防止するために、０．０３ｍｍ以下であることが好ましい。

上記のように構成された２段式ＧＭ冷凍機は、５Ｋ〜１０Ｋ程度の極低温を生成する第２段目ディスプレーサ１４の蓄冷材としてビスマス蓄冷材５を用いている。前記のように、ビスマスは安全性及び環境負荷の面では良好な蓄冷材であるが、ビスマスは鉛に比べて比熱が小さい。図５は、ビスマスと共に蓄冷材として用いられる材料の体積比熱を示す図である。同図に示すように、ビスマスの比熱は鉛に比べて小さく、特に１０Ｋ以下の極低温環境下においては比熱が大きく低下してしまうため、１０Ｋ以下の極低温を実現する蓄冷器式冷凍機に使用することは困難であると考えられていた。

本発明者は蓄冷材としてビスマスを使用しつつ、１０Ｋ以下の極低温を実現する蓄冷器式冷凍機の研究を鋭意行ったところ、第２段目ディスプレーサ１４の外周面上又は第２段目シリンダ１２の内周面上のいずれか一方に、この外周面又は内周面の両端を結ぶ螺旋状ガス流路３８を形成することにより、蓄冷材としてビスマスを使用しつつ１５Ｋ以下の極低温を実現することができた。

この螺旋状ガス流路３８内を流れるヘリウムガス（冷媒ガス)は、第２段目ディスプレーサ１４内を流れるヘリウムガスを主ガス流路とした場合、補助ガス流路を構成する。また、この螺旋状ガス流路３８は、第２段目シリンダ１２と第２段目ディスプレーサ１４との間の隙間を前記外周面又は内周面の一端から他端に向かって流れるヘリウムガスが第２段目シリンダ１２及び第２段目ディスプレーサ１４と積極的に熱交換を行うように少なくとも一部が第２段目ディスプレーサ１４の軸方向（図中、上下方向）に対して交差する方向（図中、左右方向）に沿う溝を含んで構成された溝パターンが形成されている。図２及び図３に示す２段式ＧＭ冷凍機は、第２段目ディスプレーサ１４の外周面上に螺旋状ガス流路３８を形成した例を示している。

図６乃至図９は、本実施形態に係る２段式ＧＭ冷凍機（以下、実施例という）の冷却特性を従来の２段式ＧＭ冷凍機（以下、比較例という）と比較して示している。ここで従来の２段式ＧＭ冷凍機は、蓄冷材として鉛を用い、かつ第２のシリンダと第２のディスプレーサとの間にガスの流れを規制するシールリングを配設したものを用いた。尚、図では本実施形態に係る２段式ＧＭ冷凍機を「Ｂｉ＋螺旋」と示し、また従来の２段式ＧＭ冷凍機を「Ｐｂ＋シールリング」と示している。

また、図６及び図７は運転周波数を５０Ｈｚとした特性であり、図８及び図９は運転周波数を６０Ｈｚとした特性である。また、図６及び図８は第１段目ステーション１９及び第２段目ステーション２０のいずれも無負荷とした時の特性であり、図７及び図９は第１段目ステーション１９に１２Ｗの負荷を印加すると共に第２段目ステーション２０に３Ｗの負荷を印加した時の特性を示している。更に、各図において、（Ａ）は１段目ヒートステーションの温度特性を示し、（Ｂ）は２段目ヒートステーションの温度特性を示している。

図６及び図８に示すように、無負荷における運転においては、図６（Ａ）及び図８（Ａ）に示すように、１段目の温度は実施例と比較例で略同等である。しかしながら２段目の温度は、図６（Ｂ）及び図８（Ｂ）に示すように、比較例では６．５Ｋ〜７．２Ｋであったが、実施例では５．３Ｋ〜５．５Ｋに温度特性の向上を図ることができた。

また、図７に示す負荷を印加した運転（５０Ｈｚ）においては、図７（Ａ）に示す１段目では比較例が７１Ｋ〜８０Ｋであったが、実施例では６５Ｋ〜６６Ｋに温度特性の向上を図ることができた。また、図７（Ｂ）に示す２段目では比較例が１０．１Ｋ〜１１．０Ｋであったが、実施例では９．５〜９．８Ｋに温度特性の向上を図ることができた。

また、図９に示す負荷を印加した運転（６０Ｈｚ）においては、図９（Ａ）に示す１段目では比較例が６５Ｋ〜７８Ｋであったが、実施例では６２Ｋ〜６３Ｋに温度特性の向上を図ることができた。また、図９（Ｂ）に示す２段目では比較例が９．８Ｋ〜１０．７Ｋであったが、実施例では９．２〜９．４Ｋに温度特性の向上を図ることができた。

このように、本実施形態に係る２段式ＧＭ冷凍機が比較例に対して良好な冷却特性を示すのは、次の理由によると考えられる。即ち、本実施形態に係る２段式ＧＭ冷凍機は、第２段目ディスプレーサ１４の外周面に螺旋状ガス流路３８を構成する溝パターンが形成されているため、ヘリウムガス（冷媒ガス）は第２段目ディスプレーサ１４内を通る正規のガス流路から分岐し、第２段目ディスプレーサ１４と第２段目シリンダ１２との間に形成された螺旋状ガス流路３８内を流れる。

螺旋状ガス流路３８を構成する溝パターンは、溝内を流れるヘリウムガスが第２段目ディスプレーサ１４及び第２段目シリンダ１２と積極的に熱交換を行うように、第２段目ディスプレーサ１４の軸方向に対して交差する方向に沿う溝を含むように形成してある。

このため、冷媒ガスであるヘリウムガスが低温側から高温側に流れる時は、第２段目ディスプレーサ１４及び第２段目シリンダ１２を従来に比べて効率よく冷却する。このため、第２段目ディスプレーサ１４に充填されているビスマス蓄冷材１８も、螺旋状ガス流路３８を有しない従来構成に比べてより効率的に冷却される。また、逆に分岐したヘリウムガスが高温側から低温側に流れる時は、軸方向に直接流れる場合に比べてヘリウムガスはより冷却される。このため、１５Ｋ以下の極低温領域において鉛よりも比熱が小さいビスマスを蓄冷材１８として用いも、螺旋状ガス流路３８を設けることにより冷却効率を高めることができると考えられる。

一方、図４はビスマス蓄冷材１８のビスマスサイズ（粒径）と冷凍能力の関係の一例を示している。同図より、粒径が０．１４ｍｍ未満の場合は、第２段目ディスプレーサ１４に充填する際の密度が高くなりすぎ、冷却ガスであるの通過抵抗が急激に増大することになる。又、粒径が１．６ｍｍを超える場合には、ビスマス蓄冷材１８とヘリウムガス及び第２段目ディスプレーサ１４との間の熱交換効率が著しく低下してしまう恐れがある。よって、ビスマスの粒体は、粒径が０．１４ｍｍ以上１．６ｍｍ以下であることが望ましい。

図１０は、第２段目ディスプレーサ１４の他の構成例を示す。本構成における筒状部材３０は、円筒状のステンレス管３９の表面上に、布入りフェノールで形成された耐摩耗性樹脂部材４０が固着されたものである。

例えば、耐摩耗性樹脂部材４０の外径は３５ｍｍ、内径は３２ｍｍ、ステンレス管３９の内径は３０ｍｍとする。機械的強度の高いステンレス管が内側に配置されることにより、冷却時の耐磨耗性樹脂部材４０の熱収縮が抑制される。このため、ステンレス製シリンダとディスプレーサとの熱変形特性が近づく。

筒状部材３０の上端開放部には、円環状の蓋部材４１が挿入されている。その他の構成は、図３に示すディスプレーサと同様である。図３、図４に示すような第２段目ディスプレーサ１４の構成例によれば、シールリングを収容する必要がないため、筒状部材３０の側壁の厚さを薄くすることができる。

このことは、第２段目ディスプレーサ１４内のビスマス蓄冷材１８の収容空間を増大できることを意味する。ビスマス蓄冷材１８の増量は、冷凍能力の増大につながる。特に比熱が鉛に比べて小さいビスマスを蓄冷材１８として用いる場合、このビスマス蓄冷材１８の増量は冷凍特性を向上させる点からは有利である。

また、図２に示す蓄冷器式冷凍機は、第２段目ディスプレーサ１４にのみ螺旋状ガス流路３８を設けた構成について説明した。しかしながら、第１段目ディスプレーサに螺旋状ガス流路を設けてもよい。図６は、外周面に螺旋状のガス流路を設けた第１段目ディスプレーサの構成例を示している。

布入りフェノール樹脂で形成された筒状部材５０は、上蓋を有する円筒状形状であり、その下端は開放されている。筒状部材５０の上蓋上面には、筒状部材５０の外径よりもやや小さい径を有するフランジ５１が取り付けられている。フランジ５１と筒状部材５０の上蓋にはガス流路を形成する開口５２が設けられている。フランジ５１の上面には、筒状部材５０を図中矢印の方向に上下駆動するための駆動軸Ｓが取り付けられている。

筒状部材５０内には、上面に図示しない金網が配置されている。金網の下には、銅金網等の蓄冷材１７が充填されている。蓄冷材１７の下には図示しない他の金網が配置されている。筒状部材５０の側壁には、蓄冷材１７の下側の金網が配置されている高さに、ガス流路を形成するための開口５３が形成されている。

更に、筒状部材５０の下側開放端には、布入りフェノール樹脂等で形成された蓋部材５４が挿入され、筒状部材５０と接着されている。蓋部材５４は盲蓋であり、筒状部材５０の下端の開口を気密に閉じる。また、蓋部材５４の下面には、第２段目ディスプレーサ１４と接続するための結合機構３６を取り付けるための凹部が形成されている。

筒状部材５０の外周面には、上端から開口５３が形成されている高さまで、１本の螺旋状溝からなる螺旋状ガス流路５５が形成されている。筒状部材５０の開口５３の高さよりも下の部分の外径は、その上の部分の外径よりもわずかに小さくされている。従って、開口５３の高さよりも下の部分では、第１段目シリンダ１１の内面と筒状部材５０の外周面との間に間隙が形成される。この間隙部分が筒状部材５０の内部と図２に示す膨張空間２１との間を結ぶガス流路となる。

フランジ５１の径は、筒状部材５０の外径よりもやや小さいため、フランジの外周面とシリンダ内面との間に間隙が形成される。この間隙が、ガス流路５３と図２に示す第１段目シリンダ１１内の上部空間とを結ぶガス流路となる。このように、第１段目ディスプレーサに螺旋状ガス流路５５を設けることにより、前記した第２段目で冷却特性が向上するのと同様の理由で、第１段目における冷却特性を向上させることができる。

また、上記実施形態では、ディスプレーサ表面に螺旋状ガス流路３８を形成した場合について説明したが、シリンダ２，１１，１２とディスプレーサ３，１３，１４との隙間を流れるヘリウムガスが、ガス流路表面と十分に熱交換しながら流れるような形状であれば螺旋状に限らずその他の形状でもよい。以下、図１２を参照してその他のガス流路形状について説明する。

図１２は、ディスプレーサの外周面に形成された溝パターンを円周方向に展開した概略展開図を示す。尚、図１２は溝パターンの形状の特徴を示すものであり、溝のピッチ、溝の軸方向に対する傾き等を示すものではない。

図１２（Ａ）は、ディスプレーサ外周面の一端から他端まで１本の螺旋状溝を形成した場合を示す。図１２（Ｂ）に示すように、螺旋状の溝を複数本設けてもよい。図１２（Ｂ）では、４本の溝を略平行に形成した場合を示す。また、図１２（Ｃ）及び（Ｄ）に示すように、螺旋状の溝を波線又はジグザグ線としてもよい。更に、図１２（Ｅ）に示すように、ディスプレーサの軸方向に平行な直線と垂直な直線とを組み合わせて、階段状のジグザグ線としてもよい。また、図１２（Ｆ）に示すように、波線とジグザグ線とを組み合わせてもよい。

図１２（Ｇ）に示すように、螺旋の回転方向が相互に逆向きになる２つの螺旋、或いは２つ以上の螺旋を組み合わせて螺旋状溝が相互に交差するようにしてもよい。更に、図１２（Ｈ）に示すように、外周面の円周方向に複数の円周状溝を形成し、隣接する溝を相互に接続する接続溝を設けた形状としてもよい。このとき、ガス流路長をなるべく長くするために円周状溝の上下に形成される接続溝を、円周上の異なる位置に設けることが好ましい。更には、相互に軸対称となる位置に設けることが好ましい。

このように、溝パターンのうち少なくとも一部の溝が、ディスプレーサの軸方向に対して交差する方向に沿うように形成することにより、ガスが軸方向に平行に流れる場合に比べて、より長い経路を流れることになる。このため、ガスとディスプレーサ及びシリンダとの間で、より効率的に熱交換することが可能になる。

ディスプレーサの外周面に形成されたガス流路の断面は、矩形、三角形、半円形等、その他の形状でもよい。また、ディスプレーサの外周面に形成されたガス流路を流れるガスの熱交換効率を高めるために、ディスプレーサ外周面或いはガス流路の内面に蓄冷材を貼りつけてもよい。また、ガス流路内に蓄冷材を充填してもよい。

上記実施形態では、ディスプレーサ３，１３，１４の外周面に溝パターンを形成する場合について説明したが、シリンダ２，１１，１２の内周面に溝パターンを形成しても同様の効果が得られる。この時には、シリンダ内周面のうち、少なくともディスプレーサが往復運動する範囲を含む円筒状領域の両端を結ぶように溝パターンを形成すればよい。

図１３は、シリンダ内周面に溝パターンを形成したシリンダ及びディスプレーサの基本構成を示す。ディスプレーサ２の外周面に形成された螺旋状ガス流路４の代わりに、シリンダ１の内周面に螺旋状ガス流路４ａが形成されている。その他は図１の基本構成と同様の構成である。尚、螺旋状の溝パターンに限らず、図１２に示すような種々の溝パターンを形成してもよい。

以上実施形態に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、蓄冷器式冷凍機に限らず、スターリング冷凍機やソルベイサイクル冷凍機等その他の蓄冷器を用いた冷凍機に本発明を適用することが可能である。

また、２段式ディスプレーサの構成を例に説明したが、１段式或いは３段式以上のディスプレーサを用いる場合にも適用できる。また、その他の構成においても、低温においてディスプレーサを用いる蓄冷器式冷凍機に本発明を適用することができる。その他、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

１ シリンダ
２ ディスプレーサ
３ ガス流路
４ 螺旋状ガス流路
５ 蓄冷材
６ 膨張空間
１０ ヘリウム圧縮機
１１ 第１段目シリンダ
１２ 第２段目シリンダ
１３ 第１段目ディスプレーサ
１４ 第２段目ディスプレーサ
１５ クランク機構
１６ ガス流路
１７、１８ 蓄冷材
１９、２０ ヒートステーション
２１、２２ 膨張空間
２３、２４ ガス流路
３０ 筒状部材
３１ 蓋部材
３６ 結合機構
３７ 開口
３８ 螺旋状ガス流路
５０ 筒状部材
５５ 螺旋状ガス流路
６０ シリンダ
６１ ディスプレーサ
６２ 上部空間
６３ 膨張空間
６４、６６ 配管
６５ 蓄冷器
６７ ヘリウム圧縮機

Claims (6)

1. 無負荷の最低到達温度５Ｋ以上１５Ｋ以下の極低温を得ることができる蓄冷器式冷凍機であって、
   熱伝導率が低く、気密性の高い材料で形成された円筒状の内周面を有するシリンダと、
   前記シリンダの内周面よりもやや小さい径の円筒状形状に沿う外周面を有し、前記シリンダ内に軸方向に往復運動可能に配置され、前記シリンダ内の一端に膨張空間を形成するディスプレーサと、
   前記ディスプレーサの外周面上又は前記シリンダの内周面上のいずれか一方に、該外周面又は該内周面の両端を結ぶ補助ガス流路を構成するように形成され、前記シリンダと前記ディスプレーサとの間の隙間を該外周面又は該内周面の一端から他端に向かって流れるガスが前記シリンダ及び前記ディスプレーサと積極的に熱交換を行うように少なくとも一部が前記ディスプレーサの軸方向に対して交差する方向に沿う溝を含んで構成された溝パターンと、
   前記膨張空間にガスを供給、及び前記膨張空間からガスを回収するための主ガス流路と、
   ビスマスの粒体よりなり、前記主ガス流路内の少なくとも一部に配置された蓄冷材とを含む蓄冷器式冷凍機。
2. 前記溝パターンは、螺旋状形状である請求項１記載の蓄冷器式冷凍機。
3. 前記溝パターンは、少なくとも２本以上の螺旋が略平行に配置された多重螺旋形状である請求項２記載の蓄冷器式冷凍機。
4. 前記ディスプレーサは、内部に中空空洞を有し、該中空空洞内に前記蓄冷材が充填され、該中空空洞が前記主ガス流路を形成している請求項１乃至３のいずれか一項に記載の蓄冷器式冷凍機。
5. 前記シリンダの内周面と前記ディスプレーサの前記外周面との隙間は０．０１ｍｍ〜０．０３ｍｍである請求項１乃至４のいずれか一項に記載の蓄冷器式冷凍機。
6. 前記ビスマスの粒体は、粒径が０．１４ｍｍ以上１．６ｍｍ以下である請求項１乃至５のいずれか一項に記載の蓄冷器式冷凍機。

Images