JP2015117885A - 極低温冷凍機 - Google Patents

Abstract

【課題】シャトル損失を低減しつつ、冷媒ガスと熱交換器との間の熱交換効率を向上する技術を提供する。【解決手段】極低温冷凍機１において、ディスプレーサ２は、ディスプレーサ２の低温端に蓋部２ｂを備える。シリンダ４は、ディスプレーサ２を長手方向に往復移動自在に収容するとともに蓋部２ｂとの間に冷媒ガスの膨張空間３を形成する。蓋部２ｂは、ディスプレーサ２と膨張空間３とを連通する冷媒ガスの流路１６が形成される。冷媒ガスの流路１６は、膨張空間３内に流出する冷媒ガスの流出方向が、ディスプレーサ２の長手方向に対して傾斜している。【選択図】図１

Description

本発明は、圧縮装置から供給される高圧の冷媒ガスを用いて、サイモン膨張を発生させて極低温の寒冷を発生する極低温冷凍機に関し、特に極低温冷凍機で用いられるディスプレーサに関する。

極低温を発生する冷凍機の一例としてギフォードマクマホン（Gifford-McMahon；ＧＭ）冷凍機が知られている。ＧＭ冷凍機は、シリンダ内でディスプレーサを往復移動することにより、膨張空間の体積を変化させる。この体積変化に対応して膨張空間と圧縮機の吐出側と吸気側とを選択的に接続することで、冷媒ガスが膨張空間で膨張する。このとき発生する寒冷によって、冷却対象を冷却する。

特開２０１３−１４２４７９号公報

ＧＭ冷凍機を初めとするディスプレーサを備える冷凍機は、シリンダ内でディスプレーサを往復移動させるために、シリンダとディスプレーサとの間にはクリアランスが設けられている。シリンダの低温側端部には冷却ステージが設けられており、このクリアランスの一部は、クリアランス内の冷媒ガスと冷却ステージとの間で熱交換をおこなう熱交換器として機能する。一方で、クリアランスに存在する冷媒ガスの熱伝導によってシャトル損失と呼ばれる損失があることも知られている。

熱交換器を長くして冷媒ガスと熱交換面積を広くすれば冷媒ガスと冷却ステージとの間の熱交換効率は向上する。しかしながら、熱交換器が長くなるほどシャトル損失が大きくなる。このように、熱交換器の長さの変更による熱交換効率の向上とシャトル損失の低減とはトレードオフの関係にある。

本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、シャトル損失を低減しつつ、冷媒ガスと熱交換器との間の熱交換効率を向上する技術を提供することである。

上記課題を解決するために、本発明のある態様の極低温冷凍機は、ディスプレーサと、ディスプレーサの低温端に備えられた蓋部と、ディスプレーサを長手方向に往復移動自在に収容するとともに蓋部との間に冷媒ガスの膨張空間を形成するシリンダとを備える。蓋部は、ディスプレーサと膨張空間とを連通する冷媒ガスの流路が形成され、冷媒ガスの流路は、膨張空間内に流出する冷媒ガスの流出方向が、ディスプレーサの長手方向に対して傾斜している。

本発明によれば、シャトル損失を低減しつつ、冷媒ガスと熱交換器との間の熱交換効率を向上する技術を提供することができる。

本発明のある実施の形態に係る極低温冷凍機およびディスプレーサを示す模式図である。 図２（ａ）−（ｂ）は、本発明の実施の形態に係る極低温冷凍機における、冷媒ガスの流路の一例を示す図である。 図３（ａ）−（ｂ）は、本発明の実施の形態に係る冷媒ガスの流路の別の例を示す図である。 本発明の実施の形態に係る２段式の極低温冷凍機の構成を示す模式図である。 図５（ａ）−（ｂ）は、本発明の実施の形態に係る２段式の極低温冷凍機の別の構成を示す模式図である。 本発明の実施の形態のある変形例に係る極低温冷凍機およびディスプレーサを示す模式図である。

本発明の実施の形態について図面と共に説明する。

実施の形態に係る極低温冷凍機１は、例えば、冷媒ガスとしてヘリウムガスを用いるギフォードマクマホン（ＧＭ）タイプの冷凍機である。極低温冷凍機１は、ディスプレーサ２と、ディスプレーサ２との間に膨張空間３を形成するシリンダ４と、膨張空間３に隣接するとともに外包するように位置する有底円筒状の冷却ステージ５を備える。冷却ステージ５は、冷却対象と冷媒ガスとの間の熱交換を行う熱交換器として機能する。ディスプレーサ２は、本体部２ａと低温端に備えられた蓋部２ｂとを含む。蓋部２ｂは、本体部２ａと同一の部材で構成されてもよい。また、蓋部２ｂは、本体部２ａよりも熱伝導率が高い材質で構成されてもよい。そうすると、蓋部２ｂは、蓋部２ｂ内を流れる冷媒ガスとの間で熱交換を行なう熱伝導部としても機能する。蓋部２ｂには、例えば、銅、アルミニウム、ステンレスなど、少なくとも本体部２ａよりも熱伝導率の大きな材料が用いられる。冷却ステージ５は、例えば銅、アルミニウム、ステンレス等により構成される。

圧縮機１２は、吸気側から低圧の冷媒ガスを回収し、これを圧縮した後に高圧の冷媒ガスを極低温冷凍機１に供給する。冷媒ガスとしては、例えばヘリウムガスを用いることができるがこれに限定されるものではない。

シリンダ４は、ディスプレーサ２を長手方向に往復移動可能に収容する。シリンダ４には強度、熱伝導率、ヘリウム遮断能などの観点から、例えばステンレス鋼が用いられる。

ディスプレーサ２の高温端には、ディスプレーサ２を往復駆動する図示しないスコッチヨーク機構が設けられており、ディスプレーサ２はシリンダ４の軸方向にそって往復移動する。

ディスプレーサ２は円筒状の外周面を有しており、ディスプレーサ２の内部には、蓄冷材が充填されている。このディスプレーサ２の内部容積は蓄冷器７を構成する。蓄冷器７の上端側および下端側にはヘリウムガスの流れを整流する整流器（図示せず）が設けられてもよい。

ディスプレーサ２の高温端には、室温室８からディスプレーサ２に冷媒ガスを流通する上部開口１１が形成されている。室温室８は、シリンダ４とディスプレーサ２の高温端により形成される空間であり、ディスプレーサ２の往復移動に伴い容積が変化する。

室温室８には、圧縮機１２、サプライバルブ１３、リターンバルブ１４からなる吸排気系統を相互に接続する配管のうち、給排共通配管が接続されている。また、ディスプレーサ２の高温端よりの部分とシリンダ４との間にはシール１５が装着されている。

ディスプレーサ２の低温端には、膨張空間３に冷媒ガスを導入する冷媒ガスの流路１６が形成されている。膨張空間３は、シリンダ４とディスプレーサ２により形成される空間であり、ディスプレーサ２の往復移動に伴い容積が変化する。シリンダ４の外周および底部の膨張空間３に対応する位置には、冷却対象に熱的に接続された冷却ステージ５が配置されており、冷却ステージ５は冷媒ガスの流路１６を通り膨張空間３に流入する冷媒ガスにより冷却される。

ディスプレーサ２の本体部２ａには、比重、強度、熱伝導率などの観点から、例えばフェノール樹脂等が用いられる。蓄冷材は例えば金網等により構成される。なお、図１は極低温冷凍機１の運転中の状態を示している。そのため、低温により本体部２ａの若干の収縮に伴い双方の外径が同一となった状態であるが、常温においては、蓋部２ｂの外径は本体部２ａの外径よりもわずかに小さい。

次に、極低温冷凍機１の動作を説明する。冷媒ガス供給工程のある時点においては、ディスプレーサ２はシリンダ４の下死点ＬＰに位置する。それと同時、またはわずかにずれたタイミングでサプライバルブ１３を開くと、サプライバルブ１３を介して高圧の冷媒ガスが給排共通配管からシリンダ４内に供給される。この結果、ディスプレーサ２の上部に位置する上部開口１１から、高圧の冷媒ガスがディスプレーサ２の内部の蓄冷器７に流入する。蓄冷器７に流入した高圧の冷媒ガスは、蓄冷材により冷却されながらディスプレーサ２の下部に位置する冷媒ガスの流路１６を介して、膨張空間３に供給される。

膨張空間３が高圧の冷媒ガスで満たされると、サプライバルブ１３は閉じられる。この時、ディスプレーサ２は、シリンダ４内の上死点ＵＰに位置する。それと同時、またはわずかにずれたタイミングでリターンバルブ１４を開くと、膨張空間３の冷媒ガスは減圧され、膨張する。膨張により低温になった膨張空間３のヘリウムガスは冷却ステージ５の熱を吸収する。

ディスプレーサ２は下死点ＬＰに向けて移動し、膨張空間３の容積は減少する。膨張空間３内の冷媒ガスは、冷媒ガスの流路１６、蓄冷器７、上部開口１１を介して圧縮機１２の吸入側に戻される。その際、蓄冷材は、冷媒ガスにより冷却される。この工程を１サイクルとし、極低温冷凍機１はこの冷却サイクルを繰り返すことで、冷却ステージ５を冷却する。

実施の形態に係る極低温冷凍機１およびディスプレーサ２では、冷却ステージ５から進入する熱は、膨張空間３に存在する冷媒ガスを介して、蓋部２ｂにまで進入する。すなわち、膨張空間３で発生した低温の冷媒ガスが冷媒ガスの流路１６を通過する際に、冷媒ガスと蓋部２ｂとの間の熱交換が行われる。

また、蓋部２ｂに進入した熱は、さらに蓋部２ｂ内部を膨張空間３に向けて伝達する。上述したように、蓋部２ｂはディスプレーサ２の低温端に備えられている。このため、蓋部２ｂは膨張空間３内の低温冷媒ガスと接触しており、冷却ステージ５と冷媒ガスとの間の熱交換効率をさらに向上させることができる。

なお、ディスプレーサ２の蓋部２ｂを、例えばフェノール樹脂等で構成することもある。しかしながら、本体部２ａよりも熱伝導率が高い材質で蓋部２ｂを構成する本実施の形態に係る極低温冷凍機１と比較すると、冷媒ガスと蓋との間の熱交換が小さくなり、実質的には熱交換が行われない。そのため、膨張空間３で発生した低温の冷媒ガスと冷却ステージ５との間の熱交換のみで行われることになり、冷却効率が悪化する。したがって、ディスプレーサ２の蓋は本体部２ａよりも熱伝導率が高い材質として蓋部２ｂを構成する方が好ましい。

以上説明したように、実施の形態に係る極低温冷凍機１においては、シリンダ４内でディスプレーサ２が往復移動することで膨張空間３内の冷媒ガスが膨張し、寒冷が発生する。図１に示すように、ディスプレーサ２の往復移動のために、シリンダ４とディスプレーサ２との間にクリアランスＣが設けられている。クリアランスＣのうち、冷却ステージ５に隣接する部分は、冷却ステージ５とクリアランスＣ内の冷媒ガスとの間で熱交換を行なう熱交換器として機能する。

ここで、ディスプレーサ２内の冷媒ガスが熱交換器を通過させるように、冷媒ガスの流路１６をシリンダ４の半径方向（シリンダ４の側面に向かう方向）に向ける技術も知られている。この方法によると、熱交換面積が大きくなる利点があるものの、冷媒ガスの流路１６が折れ曲がり、また流路面積が狭くなる傾向にある。この結果、流路抵抗が大きくなり、圧力損失が生じる。また、ディスプレーサ２がシリンダ４内を往復移動するとき、クリアランスＣに存在する冷媒ガスの熱伝導によって損失が生じる、いわゆる「シャトル損失」も大きくなる。

これに対し、シャトル損失を低減するために、冷媒ガスの流路１６をシリンダ４の軸方向に設け、冷媒ガスがシリンダ４の底面に流出させる技術も知られている。この方法は、クリアランスＣで積極的に熱交換を行なわないため、冷媒ガスの流路１６の流路抵抗を小さくできる。このため、冷媒ガスの流路１６をシリンダ４の半径方向に向ける方法と比較すると、圧力損失やシャトル損失は小さくなる。一方で、膨張空間３内で膨張した冷媒ガスと冷却対象物との間の熱交換面積は狭くなり、熱交換効率が低下する。

そこで実施の形態に係るディスプレーサ２と膨張空間３と連通する冷媒ガスの流路１６は、ディスプレーサ２から流入した冷媒ガスが、膨張空間３内に流出するとき、その向きがディスプレーサ２の長手方向に対して傾斜するように設けられる。以下、実施の形態に係る冷媒ガスの流路１６についてより具体的に説明する。

図１には、実施の形態に係る冷媒ガスの流路１６の一例が図示されている。図１に示すように、ディスプレーサ２の蓋部２ｂには、ディスプレーサ２の内部側の面（以下、「内部面１９」という。）に第１開口部１７が設けられるとともに、ディスプレーサ２の外部側の面（以下、「外部面２０」という。）に第２開口部１８が設けられている。冷媒ガスの流路１６は、第１開口部１７を一端、第２開口部１８を他端として、蓋部２ｂにおける内部面１９と外部面２０とを連通するように設けられている。

ここで、内部面１９における第１開口部１７を、ディスプレーサ２の長手方向に沿って外部面２０に投影したとき、投影後の第１開口部１７の位置と第２開口部１８の位置は異なるように冷媒ガスの流路１６が設けられている。これにより、第１開口部１７から流入した冷媒ガスが第２開口部１８から膨張空間３内に流出するときに、ディスプレーサ２の長手方向とは異なる向きに冷媒ガスが流出する。この結果、実施の形態に係る極低温冷凍機１は、冷媒ガスの流路１６をシリンダ４の軸方向に沿って図１中下向きに設ける場合と比較すると、第２開口部１８から膨張空間３内に流出する冷媒ガスの作用により、膨張空間３内に冷媒ガスの渦が発生しやすくなる。ゆえに、冷媒ガスと冷却ステージ５との間の熱交換効率が向上する。

また、冷媒ガスの流路１６をシリンダ４の半径方向に向ける場合と比較すると、実施の形態に係る極低温冷凍機１は、冷媒ガスの流路１６の流路面積を広くできるので、シャトル損失および圧力損失を低減することができる。

ここで冷媒ガスの流路１６は、第２開口部１８から流出する冷媒ガスがシリンダ４の側面に向かうように設けられていることが好ましい。これにより、第２開口部１８から流出した冷媒ガスがシリンダ４の側面に当たって移動方向が変えられるため、膨張空間３内における冷媒ガスの動きが複雑となる。このため膨張空間３内に冷媒ガスの渦がより発生しやすくなり、冷媒ガスと冷却ステージ５との間の熱交換効率がさらに向上する。

さらに、ディスプレーサ２の蓋部２ｂには、第１開口部１７と第２開口部１８とを連通する冷媒ガスの流路１６を複数備えることが好ましい。これにより、冷媒ガスの流路１６の流路面積を全体として広くすることができ、圧力損失をさらに低減することができる。また、複数箇所から膨張空間３内に冷媒ガスが流出するため、膨張空間３内における冷媒ガスの動きが複雑となる。このため膨張空間３内に冷媒ガスの乱流が発生しやすくなり、冷媒ガスと冷却ステージ５との間の熱交換効率がさらに向上する。

図２（ａ）−（ｂ）は、本発明の実施の形態に係る極低温冷凍機１における、冷媒ガスの流路１６の別の例を示す図である。図２（ａ）および図２（ｂ）に示す例も、図１に示す例と同様に、第１開口部１７を一端、第２開口部１８を他端として、蓋部２ｂにおける内部面１９と外部面２０とを連通するように冷媒ガスの流路１６が設けられている。また、内部面１９における第１開口部１７を、ディスプレーサ２の長手方向に沿って外部面２０に投影したとき、投影後の第１開口部１７の位置と第２開口部１８の位置は異なる。

一方で、図２（ａ）および図２（ｂ）に示す例は、図１に示す例とは異なり、ひとつの冷媒ガスの流路１６を通った冷媒ガスが膨張空間３内に流出する方向と、別の冷媒ガスの流路１６を通った冷媒ガスが膨張空間３内に流出する方向とが同じである。これにより、膨張空間３に流出する冷媒ガスの働きで、膨張空間３の冷媒ガスを回転させる方向に力が働き、膨張空間３の冷媒ガスに渦が発生しやすくなる。なお、図２（ａ）に示す例では、冷媒ガスの流路１６は直線状に構成されているのに対し、図２（ｂ）に示す例は、冷媒ガスの流路１６はらせん形状に構成されている。図２（ａ）に示す例は、図２（ｂ）に示す例と比較して、冷媒ガスの流路１６の加工が容易となる点で効果がある。一方、図２（ｂ）に示す例は、図２（ａ）に示す例と比較して、冷媒ガスの流路１６が長くなる。このため、冷媒ガスの流路１６を流れる冷媒ガスと蓋部２ｂとの間での熱交換効率が向上する効果がある。

図３（ａ）−（ｂ）は、本発明の実施の形態に係る冷媒ガスの流路１６のさらに別の例を示す図であり、蓋部２ｂおよび冷媒ガスの流路１６とを示す斜視図である。より具体的に、図３（ａ）−（ｂ）はそれぞれ、蓋部２ｂに４本の冷媒ガスの流路１６（冷媒ガスの流路１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、および１６ｄ）が設けられる場合を示す図である。なお、図３（ａ）−（ｂ）では、図１および図２に示す例と比較して、蓋部２ｂの形状を一部省略して記載している。

ここで図３（ａ）は、４本の冷媒ガスの流路１６がそれぞれ、第１開口部１７から第２開口部１８に至るまで直線状に構成されている例を示している。また図３（ｂ）は、４本の冷媒ガスの流路１６がそれぞれ、第１開口部１７から第２開口部１８に至るまでらせん形状に構成されている例を示している。図３（ａ）−（ｂ）において、４つの冷媒ガスの流路１６のうち、ひとつの冷媒ガスの流路１６を通った冷媒ガスが膨張空間３内に流出する方向は、別の冷媒ガスの流路１６を通った冷媒ガスが膨張空間３内に流出する方向とは異なる。

例えば、図３（ａ）において、冷媒ガスの流路１６ａを通過した冷媒ガスは、膨張空間３内において図３（ａ）中右下方向に流出する。これに対し、冷媒ガスの流路１６ｃを通過した冷媒ガスは、膨張空間３内において、冷媒ガスの流路１６ａを通過した冷媒ガスの流出方向の反対側、すなわち図３（ａ）中右下方向に流出する。これにより、膨張空間３に流出する冷媒ガスの働きで、膨張空間３の冷媒ガスを回転させる方向に力が働き、膨張空間３の冷媒ガスに渦が発生しやすくなる。

さらに具体的には、図３（ａ）において、４本の冷媒ガスの流路１６は、ディスプレーサ２の長手方向の中心軸に対して回転対称となるように設けられている。ここでディスプレーサ２の長手方向の中心軸は蓋部２ｂを円柱と見なした場合の中心軸と一致する。したがって、図３（ａ）において４本の冷媒ガスの流路１６は、蓋部２ｂの中心軸に対して回転対称となるように設けられているとも言える。

例えば図３（ａ）に示す蓋部２ｂを、中心軸を中心として時計回りに９０度回転すると、回転後の冷媒ガスの流路１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、および１６ｄの位置は、それぞれ回転前の冷媒ガスの流路１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ、および１６ａに一致する。１８０度、または２７０度回転した場合も同様であり、回転後の冷媒ガスの流路１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、および１６ｄの位置は、それぞれ回転前の冷媒ガスの流路１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、および１６ｄのいずれかに一致する。

これにより、冷媒ガスの流路１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、および１６ｄを通過し膨張空間３に流出する冷媒ガスは、いずれも同一の回転方向に膨張空間３の冷媒ガスを回転させるように作用する。結果として膨張空間３の冷媒ガスに渦が発生しやすくなり、膨張空間３における冷媒ガスと蓋部２ｂとの間での熱交換効率をさらに向上することができる。

なお、図３（ｂ）に示す例も、図３（ａ）に示す例と同様であり、４本の冷媒ガスの流路１６は、ディスプレーサ２の長手方向の中心軸に対して回転対称となるように設けられている。したがってその作用効果も図３（ａ）に示す例と同様であり、膨張空間３の冷媒ガスに渦が発生しやすくなり、膨張空間３における冷媒ガスと蓋部２ｂとの間での熱交換効率をさらに向上することができる。

以上、実施の形態に係る極低温冷凍機１として一段式のものを前提として説明した。極低温冷凍機１は一段式に限られず多段でもよく、例えば以下に述べるように２段式のものに適用することもできる。

図４は、本発明の実施の形態に係る２段式の極低温冷凍機３１を示す模式図である。極低温冷凍機３１は、上述した一段式極低温冷凍機１と同様に、冷媒ガスとしてヘリウムガスを用いるギフォードマクマホン（ＧＭ）タイプの冷凍機である。図４に示すように、極低温冷凍機３１は、第１ディスプレーサ３２と、第１ディスプレーサ３２に長手方向に連結される第２ディスプレーサ３６を備える。第１ディスプレーサ３２と第２ディスプレーサとは、例えば図５に示すように、ピン３３、コネクタ３４、ピン３５を介して接続される。

第１シリンダ３７と第２シリンダ３８は一体に形成されており、第１シリンダ３７の低温端と第２シリンダ３８の高温端が第１シリンダ３７の底部にて接続されている。第２シリンダ３８は第１シリンダ３７と同軸に形成され、第１シリンダ３７よりも小径の円筒部材である。第１シリンダ３７は第１ディスプレーサ３２を長手方向に往復移動可能に収容し、第２シリンダ３８は第２ディスプレーサ３６を長手方向に往復移動可能に収容する。

第１シリンダ３７、第２シリンダ３８には、強度、熱伝導率、ヘリウム遮断能などを考慮して、例えばステンレス鋼が用いられる。第２ディスプレーサ３６は、ステンレス鋼などの金属製の筒の外周面上に、フッ素樹脂などの耐摩耗性樹脂の皮膜で被覆して構成する。

第１ディスプレーサ３２は円筒状の外周面を有しており、第１ディスプレーサ３２の内部には、第１蓄冷材（図示せず）が充填されている。この第１ディスプレーサ３２の内部容積は第１蓄冷器４１として機能する。図示はしないが、第１蓄冷器４１の上部および下部にそれぞれ整流器を設置してもよい。第１ディスプレーサ３２の高温端には、室温室３９から第１ディスプレーサ３２に冷媒ガスを流通する上部開口４２が形成されている。室温室３９は、第１シリンダ３７と第１ディスプレーサ３２の高温端により形成される空間であり、第１ディスプレーサ３２の往復移動に伴い容積が変化する。室温室３９には、圧縮機４３、サプライバルブ４４、リターンバルブ４５からなる吸排気系統を相互に接続する配管のうち、給排共通配管が接続されている。また、第１ディスプレーサ３２の高温端よりの部分と第１シリンダ３７との間にはシール４６が装着されている。

第１ディスプレーサ３２の低温端には、第１膨張空間４７に冷媒ガスを導入する冷媒ガスの流路４８が形成されている。第１膨張空間４７は、第１シリンダ３７と第１ディスプレーサ３２により形成される空間であり、第１ディスプレーサ３２の往復移動に伴い容積が変化する。第１シリンダ３７外周の第１膨張空間４７に対応する位置には、図示しない被冷却物に熱的に接続された第１冷却ステージ４９が配置されており、第１冷却ステージ４９は第１膨張空間４７の冷媒ガスにより冷却される。

第２ディスプレーサ３６は円筒状の外周面を有しており、第２ディスプレーサ３６の内部には、第２蓄冷材（図示せず）が充填されている。この第２ディスプレーサ３６の内部容積は第２蓄冷器５０を構成する。第１膨張空間４７と第２ディスプレーサ３６の高温端とは、図示しない連通路で連通されている。この連通路を介して第１膨張空間４７から第２蓄冷器５０に冷媒ガスが流通する。

第２ディスプレーサ３６の低温端には、第２膨張空間５１に冷媒ガスを流通させるための冷媒ガスの流路５６が形成されている。第２膨張空間５１は、第２シリンダ３８と第２ディスプレーサ３６により形成される空間であり、第２ディスプレーサ３６の往復移動に伴い容積が変化する。

第２シリンダ３８外周の第２膨張空間５１に対応する位置には、冷却対象に熱的に接続された第２冷却ステージ５４が配置されており、第２冷却ステージ５４は第２膨張空間５１内の冷媒ガスにより冷却される。

第１ディスプレーサ３２には、比重、強度、熱伝導率などの観点から、例えば布入りフェノール等が用いられる。第１蓄冷材は例えば金網等により構成される。また、第２蓄冷材は、例えば鉛球等の蓄冷材をフェルト及び金網により軸方向に挟持することにより構成されている。さらに第２ディスプレーサ３６の外周面には、らせん状に第１膨張空間４７側に延びる螺旋溝５３が形成されている。

図４に示す例において、冷媒ガスの流路４８は、第１ディスプレーサ３２の低温端にある蓋部３２ｂを連通するように構成されている。冷媒ガスの流路５６は、第２ディスプレーサ３６の低温端にある蓋部５２ｂを連通するように構成されている。冷媒ガスの流路４８および冷媒ガスの流路５６は、図１に示す冷媒ガスの流路１６と同様に、第１ディスプレーサ３２および第２ディスプレーサ３６の長手方向に対して斜めとなるように設けられている。これにより、冷媒ガスの流路４８を通過した冷媒ガスは、第１膨張空間４７において冷媒ガスの渦を発生する。同様に、冷媒ガスの流路５６を通過した冷媒ガスは、第２膨張空間５１において冷媒ガスの渦を発生する。

結果として、第１膨張空間４７内の冷媒ガスと第１冷却ステージ４９との間の熱交換効率、および第２膨張空間５１内の冷媒ガスと第２冷却ステージ５４との間の熱交換効率を向上することができる。また、第１シリンダ３７と第１ディスプレーサ３２との間のシャトル損失、および第２シリンダ３８と第２ディスプレーサ３６との間のシャトル損失を低減することもできる。

図５（ａ）−（ｂ）は、本発明の実施の形態に係る２段式の極低温冷凍機３１の別の構成を示す模式図である。図５（ａ）−（ｂ）に示す例は、図４に示す例と比較して、第２ディスプレーサ３６の低温端にある蓋部５２ｂを連通する冷媒ガスの流路５６の形状が異なり、他の部分は共通する。したがって、共通部分は適宜省略または簡略化して説明する。

図５（ａ）に示す例における冷媒ガスの流路５６の形状は、図２（ａ）に示す冷媒ガスの流路１６の形状と同様である。また図５（ｂ）における冷媒ガスの流路５６の形状は、図２（ｂ）に示す冷媒ガスの流路１６の形状と同様である。したがって、その作用効果も同様であり、第２膨張空間５１内における冷媒ガスと、第２冷却ステージ５４との間の熱交換効率を向上することができる。また、第１シリンダ３７と第１ディスプレーサ３２との間のシャトル損失、および第２シリンダ３８と第２ディスプレーサ３６との間のシャトル損失を低減することもできる。

以上説明したように、実施の形態に係る極低温冷凍機１および極低温冷凍機３１はシャトル損失を低減しつつ、冷媒ガスと熱交換器との間の熱交換効率を向上することができる。

以上、実施の形態に基づき本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示すにすぎない。また、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が可能である。

例えば、上述した極低温冷凍機においては、段数が１段及び２段である場合を示したが、この段数は３段等に適宜選択することが可能である。また、実施の形態では、極低温冷凍機がＧＭ冷凍機である例について説明したが、これに限られない。例えば、本発明は、スターリング冷凍機、ソルベイ冷凍機など、ディスプレーサを備える何れの冷凍機にも適用することができる。

上記では、図４および図５（ａ）−（ｂ）において、冷媒ガスの流路４８は、第１ディスプレーサ３２の低温端にある蓋部３２ｂを連通する冷媒ガスの流路４８の形状が、図１に示す冷媒ガスの流路１６の形状と同様である場合について説明した。しかしながら、２段式の極低温冷凍機３１における冷媒ガスの流路４８の形状はこれに限られず、例えば図２（ａ）−（ｂ）または図３（ａ）−（ｂ）に示す形状であってもよく、それによる作用効果も図２（ａ）−（ｂ）または図３（ａ）−（ｂ）に示す場合と同様である。

上記では、冷媒ガスの流路１６の一端である第１開口部１７がディスプレーサ２の低温端側の蓋における内部面１９に設けられ、他端である第２開口部１８が外部面２０に設けられている場合について説明した。ここで、冷媒ガスの流路１６において、第２開口部１８から流出する冷媒ガスの向きがディスプレーサ２の長手方向に対して斜めとなるように設けられればよく、第１開口部１７や第２開口部１８がディスプレーサ２の低温端側の蓋上に向けられる場合には限定されない。

図６は、本発明の実施の形態のある変形例に係る極低温冷凍機１およびディスプレーサ２を示す模式図である。図６に示すように、変形例に係る極低温冷凍機１においては、冷媒ガスの流路１６の両端である第１開口部１７および第２開口部１８は、ディスプレーサ２の本体部２ａに設けられている。ここで、ディスプレーサ２の長軸方向に沿った第１開口部１７と第２開口部１８とは異なり、冷媒ガスの流路１６は図中斜め下方向を向く。

第２開口部１８はクリアランスＣに位置し、第１開口部１７から流入して冷媒ガスの流路１６を通ったガスは、第２開口部１８からシリンダ４の側面に向けて流出する。これにより、第２開口部１８から流出した冷媒ガスがシリンダ４の側面に当たって移動方向が変えられるため、膨張空間３内における冷媒ガスの動きが複雑となる。このため膨張空間３内に冷媒ガスの渦がより発生しやすくなり、冷媒ガスと冷却ステージ５との間の熱交換効率を向上することができる。またシャトル損失を低減することもできる。

上記では、図１に示すように、冷媒ガスの流路１６の一端である第１開口部１７がディスプレーサ２の低温端側の蓋における内部面１９に設けられ、他端である第２開口部１８が外部面２０に設けられている場合について説明した。これに加えて、例えば図６に示すように、ディスプレーサ２の本体部２ａに流路の両端が設けられた冷媒ガスの流路をさらに備えてもよい。このとき、本体部２ａに設ける冷媒ガスの流路が、ディスプレーサ２の軸方向に対して直交する、いわば「横噴きの流路」としてもよい。

なお、上記の変形例に係る極低温冷凍機１は段数が１段である場合を示したが、２段以上であっても適用できる。各段において、冷媒ガスの流路１６をシリンダの側面に設けるとともに、第２開口部１８から流出する冷媒ガスの向きがディスプレーサ２の長手方向に対して斜めとなるように設けられればよい。さらに、第１開口部１７を蓋の内部面１９に設けるとともに、第２開口部１８をシリンダの側面に設けるようにしてもよい。

１ 極低温冷凍機、 ２ ディスプレーサ、 ２ａ 本体部、 ２ｂ 蓋部、 ３ 膨張空間、 ４ シリンダ、 ５ 冷却ステージ、 ７ 蓄冷器、 ８ 室温室、 １１ 上部開口、 １２ 圧縮機、 １３ サプライバルブ、 １４ リターンバルブ、 １５ シール、 １６ 冷媒ガスの流路、 １７ 第１開口部、 １８ 第２開口部、 １９ 内部面、 ２０ 外部面、 ３１ 極低温冷凍機、 ３２ 第１ディスプレーサ、 ３２ｂ 蓋部、 ３３ ピン、 ３４ コネクタ、 ３５ ピン、 ３６ 第２ディスプレーサ、 ３７ 第１シリンダ、 ３８ 第２シリンダ、 ３９ 室温室、 ４１ 第１蓄冷器、 ４２ 上部開口、 ４３ 圧縮機、 ４４ サプライバルブ、 ４５ リターンバルブ、 ４６ シール、 ４７ 第１膨張空間、 ４８ 冷媒ガスの流路、 ４９ 第１冷却ステージ、 ５０ 第２蓄冷器、 ５１ 第２膨張空間、 ５２ｂ 蓋部、 ５３ 螺旋溝、 ５４ 第２冷却ステージ、 ５６ 冷媒ガスの流路。

Claims (5)

1. ディスプレーサと、
   前記ディスプレーサの低温端に備えられた蓋部と、
   前記ディスプレーサを長手方向に往復移動自在に収容するとともに前記蓋部との間に冷媒ガスの膨張空間を形成するシリンダとを備え、
   前記蓋部は、前記ディスプレーサと前記膨張空間とを連通する冷媒ガスの流路が形成され、
   前記冷媒ガスの流路は、前記膨張空間内に流出する冷媒ガスの流出方向が、前記ディスプレーサの長手方向に対して傾斜していることを特徴とする極低温冷凍機。
2. 前記冷媒ガスの流路は、前記膨張空間内に流出する冷媒ガスが、前記シリンダの側面に向かうように設けられていることを特徴とする請求項１に記載の極低温冷凍機。
3. 前記蓋部は、複数の冷媒ガスの流路を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の極低温冷凍機。
4. 前記複数の冷媒ガスの流路のうち、ひとつの流路を通った冷媒ガスが前記膨張空間内に流出する方向は、別の流路を通った冷媒ガスが前記膨張空間内に流出する方向とは異なることを特徴とする請求項３に記載の極低温冷凍機。
5. 前記複数の冷媒ガスの流路は、前記ディスプレーサの長手方向の中心軸に対して回転対称となるように設けられていることを特徴とする請求項３または４に記載の極低温冷凍機。

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