JP2015143596A - 蓄冷器および蓄冷器式冷凍機 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、蓄冷器式冷凍機の冷凍性能を維持しつつ、蓄冷材の使用量を抑える技術を提供する。【解決手段】冷媒ガスの膨張により発生した寒冷を蓄積する蓄冷器３４であって、非磁性材からなる蓄冷材と、磁性材からなる蓄冷材と、高温端と低温端とを有し、高温端側に非磁性材からなる蓄冷材を収容するとともに低温端側に磁性材からなる蓄冷材を収容する容器とを備える。容器はさらに、磁性材からなる蓄冷材を収容する領域を流れる冷媒ガスの流路面積を、低温端側の流路面積が高温端側の流路面積と比較して狭くなるように変更する挿入部材３５を収容する。【選択図】図４

Description

本発明は、圧縮装置から供給される高圧の冷媒ガスのサイモン膨張により発生した寒冷を蓄積する蓄冷器、およびその蓄冷器を備える蓄冷器式冷凍機に関する。

蓄冷器式冷凍機として例えば特許文献１に記載のものがある。ディスプレーサ式の蓄冷器式冷凍機はディスプレーサをシリンダ内部で往復運動させながら、膨張空間内の冷媒ガスを膨張させて寒冷を発生する。また、パルスチューブ式の蓄冷器式冷凍機はパルス管内のガスピストンを往復運動させながら、膨張空間内の冷媒ガスを膨張させて寒冷を発生する。膨張空間で発生した冷媒ガスの寒冷は、蓄冷器にて蓄積されながら冷却ステージに伝達されて所望の極低温に到達して、冷却ステージに接続された冷却対象を冷却する。なお、冷媒ガスとしては、例えばヘリウムガスが用いられる。

蓄冷器には蓄冷材が用いられる。銅等の非磁性材からなる蓄冷材は、たとえば１０Ｋ以下の極低温領域においては、冷媒ガスであるヘリウムガスの比熱よりも小さくなる。そのため、極低温領域における蓄冷器には、その温度領域において比熱が大きい磁性材からなる蓄冷材が用いられる。

特開２００８−２２４１６１号公報

一般に、磁性材からなる蓄冷材は、非磁性材からなる蓄冷材よりもコストがかかる。このため、蓄冷器およびその蓄冷器を備える蓄冷器式冷凍機のコスト削減の観点から、冷凍性能を維持しつつ磁性材からなる蓄冷材を減らすことが望まれている。

本発明は、蓄冷器式冷凍機の冷凍性能を維持しつつ、蓄冷材の使用量を抑える技術を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のある態様の蓄冷器は、冷媒ガスの膨張により発生した寒冷を蓄積する蓄冷器であって、非磁性材からなる蓄冷材と、磁性材からなる蓄冷材と、高温端と低温端とを有し、高温端側に非磁性材からなる蓄冷材を収容するとともに低温端側に磁性材からなる蓄冷材を収容する容器とを備える。容器はさらに、磁性材からなる蓄冷材を収容する領域を流れる冷媒ガスの流路面積を、低温端側の流路面積が高温端側の流路面積と比較して狭くなるように変更する挿入部材を収容する。

本発明によれば、蓄冷器式冷凍機の冷凍性能を維持しつつ、蓄冷材の使用量を抑えることができる。

実施の形態のに係る蓄冷器式冷凍機の一例を模式的に示す図である。 実施の形態に係る第２蓄冷器の温度プロファイルの一例を示す図である。 第２蓄冷器における冷媒ガスの質量分布を説明するための図である。 図４（ａ）−（ｄ）は、実施の形態に係る第２蓄冷器が収容する挿入部材を模式的に示す図である。 図５（ａ）−（ｂ）は、実施の形態に係る第２蓄冷器が収容する、複数の部材から構成される挿入部材を模式的に示す図である。 パルスチューブ型の蓄冷器式冷凍機を模式的に示す図である。

以下、本発明を実施するための形態について、添付図面を参照しながら説明する。

本発明の実施の形態に係る蓄冷器を説明する前に、実施の形態に係る蓄冷器を利用する蓄冷器式冷凍機について説明する。

図１は、実施の形態に係る蓄冷器式冷凍機１の一例を模式的に示す図である。実施の形態に係る蓄冷器式冷凍機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）タイプの極低温冷凍機である。図１に示すように、蓄冷器式冷凍機１は、第１ディスプレーサ２と、第１ディスプレーサ２に長手方向に連結される第２ディスプレーサ３を備える。第１ディスプレーサ２と第２ディスプレーサ３とは、例えば、ピン４、コネクタ５、ピン６を介して接続される。

第１シリンダ７と第２シリンダ８とは一体に形成されており、それぞれ高温端と低温端とを備える。第１シリンダ７の低温端と第２シリンダ８の高温端とが第１シリンダ７の底部にて接続されている。第２シリンダ８は第１シリンダ７と同一の軸方向に延在する形態にて形成されており、第１シリンダ７よりも小径の円筒部材である。第１シリンダ７は第１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容器である。また第２シリンダ８は第２ディスプレーサ３を長手方向に往復移動可能に収容する容器である。

第１シリンダ７、第２シリンダ８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３の外周部は、ステンレス鋼などの金属製の筒である。第２ディスプレーサ３の外周面上には、フッ素樹脂などの耐摩耗性樹脂の皮膜を形成してもよい。

第１シリンダ７の高温端には、第１ディスプレーサ２および第２ディスプレーサ３を往復駆動するスコッチヨーク機構（図示せず）が設けられている。第１ディスプレーサ２、第２ディスプレーサ３は、それぞれ第１シリンダ７、第２シリンダ８にそって往復移動する。第１ディスプレーサ２および第２ディスプレーサ３は、それぞれ高温端と低温端とを備える。

第１ディスプレーサ２は円筒状の外周面を有しており、第１ディスプレーサ２の内部には、第１蓄冷材が充填されている。第１ディスプレーサ２の内部容積は第１蓄冷器９として機能する。第１蓄冷器９の上部には整流器１０が、下部には整流器１１が設置される。第１ディスプレーサ２の高温端には、室温室１２から第１ディスプレーサ２に冷媒ガスを流通する第１開口１３が形成されている。

室温室１２は、第１シリンダ７と第１ディスプレーサ２の高温端により形成される空間である。室温室１２は、第１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１２には、圧縮機１４、サプライバルブ１５、リターンバルブ１６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２の高温端よりの部分と第１シリンダ７との間にはシール１７が装着されている。

第１ディスプレーサ２の低温端には、第１膨張空間１８に第１クリアランスＣ１を介して冷媒ガスを導入する第２開口１９が形成されている。第１膨張空間１８は、第１シリンダ７と第１ディスプレーサ２により形成される空間である。第１膨張空間１８は、第１ディスプレーサ２の往復移動に伴い容積が変化する。第１シリンダ７の外周のうち、第１膨張空間１８に対応する位置には、図示しない冷却対象物に熱的に接続された第１冷却ステージ２０が配置されている。第１冷却ステージ２０は、第１クリアランスＣ１を通る冷媒ガスにより冷却される。

第２ディスプレーサ３は円筒状の外周面を有している。第２ディスプレーサ３の内部は、上端の整流器２１、下端の整流器２２、上下中間に位置する仕切り材２３を挟んで軸方向に二段に分かれている。第２ディスプレーサ３の内部容積のうち、仕切り材２３よりも高温側の高温側領域２４には、例えば鉛やビスマスなどの非磁性材からなる第２蓄冷材が充填される。仕切り材２３の低温（下段）側の低温側領域２５には、高温側領域２４とは異なる蓄冷材、例えばＨｏＣｕ_２などの磁性材からなる第３蓄冷材が充填される。鉛やビスマス、ＨｏＣｕ_２等は球状に形成されており、複数の球状の形成物が集まって蓄冷材が構成されている。仕切り材２３は、高温側領域２４の蓄冷材と低温側領域２５の蓄冷材とが混合するのを防止する。この第２ディスプレーサ３の内部容積である高温側領域２４と低温側領域２５とが第２蓄冷器３４として機能する。第１膨張空間１８と第２ディスプレーサ３の高温端とは、コネクタ５周りの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１８から第２蓄冷器３４に冷媒ガスが流通する。

第２ディスプレーサ３の低温端には、第２膨張空間２６に第２クリアランスＣ２を介して冷媒ガスを流通させるための第３開口２７が形成されている。第２膨張空間２６は、第２シリンダ８と第２ディスプレーサ３により形成される空間である。第２膨張空間２６は、第２ディスプレーサ３の往復移動に伴い容積が変化する。第２クリアランスＣ２は、第２シリンダ８の低温端と第２ディスプレーサ３により形成される。

第２シリンダ８の外周の第２膨張空間２６に対応する位置には、冷却対象物に熱的に接続された第２冷却ステージ２８が配置されている。第２冷却ステージ２８は、第２クリアランスＣ２を通る冷媒ガスにより冷却される。

第１ディスプレーサ２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樹脂等が用いられる。第１蓄冷材は例えば金網等により構成される。また、第２ディスプレーサ３は、例えば鉛、ビスマスなどの球状の第２蓄冷材をフェルトおよび金網により軸方向に挟持することにより構成される。なお、上述のように、第２ディスプレーサ３の内部容積を、仕切り材により複数の領域に分割してもよい。

第１ディスプレーサ２および第２ディスプレーサ３は、それぞれ低温端に蓋部２９および蓋部３０を備えてもよい。蓋部２９および蓋部３０は、ディスプレーサ本体との接合の観点から、二段状の円柱形状を有している。蓋部２９は圧入ピン３１により第１ディスプレーサ２に固定され、蓋部３０は圧入ピン３２により第２ディスプレーサ３に固定される。これにより、第１冷却ステージ２０、第２冷却ステージ２８の双方において実質的な熱交換面積を増やして、冷却効率を高めている。

次に、実施の形態に係る蓄冷器式冷凍機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、第１ディスプレーサ２および第２ディスプレーサ３は、第１シリンダ７および第２シリンダ８の下死点に位置する。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１５を開とすると、サプライバルブ１５を介して高圧のヘリウムガス（例えば２．２ＭＰａのヘリウムガス）が給排共通配管から第１シリンダ７内に供給され、第１ディスプレーサ２の上部に位置する第１開口１３から第１ディスプレーサ２の内部の第１蓄冷器９に流入する。第１蓄冷器９に流入した高圧のヘリウムガスは、第１蓄冷材により冷却されながら第１ディスプレーサ２の下部に位置する第２開口１９および第１クリアランスＣ１を介して、第１膨張空間１８に供給される。

第１膨張空間１８に供給された高圧のヘリウムガスは、コネクタ５周りの連通路を介して、第２ディスプレーサ３の内部の第２蓄冷器３４に流入する。第２蓄冷器３４に流入した高圧のヘリウムガスは、第２蓄冷材により冷却されながら第２ディスプレーサ３の下部に位置する第３開口２７および第２クリアランスを介して、第２膨張空間２６に供給される。

このようにして、第１膨張空間１８および第２膨張空間２６は、高圧のヘリウムガスで満たされ、サプライバルブ１５は閉とされる。このとき、第１ディスプレーサ２および第２ディスプレーサ３は、第１シリンダ７および第２シリンダ８内の上死点に位置する。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１６を開とすると、第１膨張空間１８、第２膨張空間２６内の冷媒ガスは減圧され膨張し、低圧のヘリウムガス（例えば０．８ＭＰａのヘリウムガス）となる。このとき、冷媒ガスの膨張により、寒冷が発生する。膨張により低温になった第１膨張空間１８のヘリウムガスは第１クリアランスＣ１を介して第１冷却ステージ２０の熱を吸収する。また、第２膨張空間２６のヘリウムガスは第２クリアランスＣ２を介して第２冷却ステージ２８の熱を吸収する。

第１ディスプレーサ２および第２ディスプレーサ３は下死点に向けて移動し、第１膨張空間１８および第２膨張空間２６の容積は減少する。第２膨張空間２６内のヘリウムガスは、第２クリアランスＣ２、第３開口２７、第２蓄冷器３４、および連通路を介して第１膨張空間１８に戻される。さらに、第１膨張空間１８内のヘリウムガスは、第２開口１９、第１蓄冷器９、および第１開口１３を介して、圧縮機１４の吸入側に戻される。その際、第１蓄冷材、第２蓄冷材、および第３蓄冷材は、冷媒ガスにより冷却される。すなわち、第１蓄冷材、第２蓄冷材、および第３蓄冷材は、冷媒ガスの膨張により生じた寒冷を蓄積する。この工程を１サイクルとし、蓄冷器式冷凍機１はこの冷却サイクルを繰り返すことで、第１冷却ステージ２０および第２冷却ステージ２８を冷却する。

次に、実施の形態に係る第２蓄冷器３４の内部構成についてより詳細に説明する。

上述したように、蓄冷器式冷凍機１における冷却サイクルは、冷媒ガスであるヘリウムガスが第２蓄冷器へ流入と流出を繰り返す動作を含む。以下、第２蓄冷器に３４存在するヘリウムガスの温度プロファイル、および質量変化について説明する。

図２は、実施の形態に係る第２蓄冷器３４の温度プロファイルの一例を示す図であり、第２蓄冷器の高温端から低温端に至るまでの距離を１として正規化した場合における第２蓄冷器３４の温度プロファイルを示すグラフである。図２に示すように、第２蓄冷器３４の温度プロファイルは、高温端から低温端に向けて線形に減少するものではない。図２に示すように、第２蓄冷器３４の高温端（正規化距離が０）では温度は４０Ｋ程度であり、低温端（正規化距離が１）では温度が５Ｋ程度である。第２蓄冷器３４の温度プロファイルは、高温端から正規化距離で０．２前後において１０Ｋ程度となるまで下がり、正規化距離において２／３〜３／４となるまでの間に５Ｋ程度まで下がる。

このように、第２蓄冷器３４において、低温端から正規化距離で１／４から１／３の領域はほとんど温度勾配がない。このため、低温端から正規化距離で１／４から１／３の領域の蓄冷材を減らしても、冷凍性能の低下にはつながらないと考えられる。なお、低温端から正規化距離で１／４から１／３の領域は、温度は５Ｋ前後の領域であり、ＨｏＣｕ_２などの磁性材からなる第３蓄冷材が充填される領域である。以下、第２蓄冷器３４における冷媒ガスの質量分布と冷凍能力との関係について説明する。

図３は、第２蓄冷器３４における冷媒ガスの質量分布を説明するための図である。第２蓄冷器３４に存在するヘリウムガスの質量をＭ_ｒとし、その単位時間あたりの変化量をｄＭ_ｒ／ｄｔとする。また、第２蓄冷器３４の高温端に流入するヘリウムガスの質量流量をｄｍ_ａ／ｄｔとし、低温端から流出するヘリウムガスの質量流量をｄｍ_ｅ／ｄｔとする。このとき、以下の式が成り立つ。
ｄｍ_ａ／ｄｔ＝ｄｍ_ａ／ｄｔ−ｄＭ_ｒ／ｄｔ （１）
なお、ｄｍ_ａ／ｄｔは第２蓄冷器３４の高温端におけるヘリウムガスの質量ｍ_ａの時間微分を表す。同様に、ｄｍ_ｅ／ｄｔは第２蓄冷器３４の低温端におけるヘリウムガスの質量ｍ_ｅの時間微分を表す。

第２蓄冷器３４の容積をＶとし、第２蓄冷器３４におけるヘリウムガスの平均密度をρとする。第２蓄冷器３４の容積Ｖは一定であると仮定すれば、第２蓄冷器３４に存在するヘリウムガスの質量Ｍ_ｒは
Ｍ_ｒ＝Ｖρ （２）
となる。式（２）を式（１）に代入すると、以下の式を得る。
ｄｍ_ａ／ｄｔ＝ｄｍ_ａ／ｄｔ−Ｖｄρ／ｄｔ （３）

周知のように、極低温領域におけるヘリウムガスの密度は圧力に大きく依存する。例えば、２．２ＭＰａのヘリウムガスの密度は、温度が２５Ｋのときおよそ４０ｋｇ／ｍ^３であるが、温度が５Ｋのときはおよそ１６０ｋｇ／ｍ^３となる。このため、第２蓄冷器３４の高温端から流入したヘリウムガスは、低温端に向かって流れるにしたがって冷却され、密度が大きくなる。すなわち、上記式（３）において、Ｖｄρ／ｄｔ＞０である。以上より、以下の式（４）を得る。
ｄｍ_ａ／ｄｔ＞ｄｍ_ａ／ｄｔ （４）
式（４）は、第２蓄冷器３４の低温端から流出するヘリウムガスの質量流量は、高温端に流入するヘリウムガスの質量流量よりも小さいことを示している。

第２蓄冷器３４の低温端におけるヘリウムガスの圧力をＰ_ｅとする。冷媒ガス供給工程においては、圧縮機１４から高圧のヘリウムガスが供給されるので、第２膨張空間２６においてヘリウムガスは等圧膨張する。ヘリウムガスが微少体積ｄＶだけ増加したときに、ヘリウムガスがする仕事ｗ_ｅは、以下の式（５）で与えられる。
ｗ_ｅ＝Ｐ_ｅｄＶ （５）
なお、第２膨張空間２６においてヘリウムガスがする仕事ｗ_ｅが大きいほど、第２膨張空間２６においてより大きな寒冷が発生する。

ここで、第２蓄冷器３４の低温端において質量Ｍのヘリウムガスが流出することによってヘリウムガスが微少体積ｄＶだけ増加したとする。このとき、ρｄＶ＝ｄＭが成り立つ。ｄＭは第２膨張空間２６におけるヘリウムガスの質量増加である。これはすなわち、第２蓄冷器３４の低温端から流出するヘリウムガスに起因する。以上より式（６）を得る。
ｗ_ｅ＝Ｐ_ｅ／ρ×ｄｍ_ｅ （６）

さらに、第２蓄冷器３４の低温端におけるヘリウムガスの圧力をＰ_ｅは、第２蓄冷器３４の低温端に働く力ｆを第２蓄冷器３４の低温端の流路面積Ｓ_ｅで割った値である。すなわち、
Ｐ_ｅ＝ｆ／Ｓ_ｅ （７）
である。
式（７）を式（６）に代入すると、以下の式（８）を得る。
ｗ_ｅ＝Ｐ_ｅ／（ρ×Ｓ_ｅ）×ｄｍ_ｅ （８）

式（８）は、第２膨張空間２６においてヘリウムガスがする仕事ｗ_ｅは、第２蓄冷器３４の低温端から流出するヘリウムガスの質量ｄｍ_ｅに比例し、第２蓄冷器３４の低温端の流路面積Ｓ_ｅに反比例することを示している。

以上を整理すると、式（４）と式（８）から、少なくとも以下のことが導き出される。
（ａ）第２蓄冷器３４の低温端から流出するヘリウムガスの質量流量は、第２蓄冷器３４の高温端に流入するヘリウムガスの質量流量よりも小さい。
（ｂ）第２膨張空間２６においてヘリウムガスがする仕事ｗ_ｅは、第２蓄冷器３４の低温端から流出するヘリウムガスの質量ｄｍ_ｅに比例する。
（ｃ）第２膨張空間２６においてヘリウムガスがする仕事ｗ_ｅは、第２蓄冷器３４の低温端の流路面積Ｓ_ｅに反比例する。

（ａ）は、第２蓄冷器３４の低温端付近におけるヘリウムガスの質量流量ｄｍ_ｅ／ｄｔが小さい、すなわち流入するエンタルピーが小さいので、蓄熱すべき熱量も小さくてもよいことを示唆している。これは、第２蓄冷器３４の低温端付近の蓄冷材を減らすことができる可能性を示唆している。

（ｂ）は、第２蓄冷器３４の低温端付近におけるヘリウムガスの質量流量ｄｍ_ｅ／ｄｔが小さくなると、第２膨張空間２６においてヘリウムガスがする仕事ｗ_ｅも小さくなることを示している。一方で、（ｃ）は、第２蓄冷器３４の低温端付近におけるヘリウムガスの質量流量が小さくなったとしても、第２蓄冷器３４の低温端の流路面積Ｓ_ｅを小さくすることで、仕事ｗ_ｅの減少量を相殺すことができる可能性を示唆している。少なくとも仕事ｗ_ｅの大きな低減を防ぐことができそうである。これは、仮にヘリウムガスの質量流量ｄｍ_ｅ／ｄｔが減ったとしても、第２蓄冷器３４の低温端の流路面積Ｓ_ｅを小さくすることによって圧力振幅が増加するので、仕事量を維持できるからである。

以上を踏まえ、実施の形態に係る第２蓄冷器３４は、磁性材からなる第３蓄冷材を収容する領域を流れるヘリウムガスの流路面積を、低温端側の流路面積が高温端側の流路面積と比較して狭くなるように変更する挿入部材を収容する。

図４（ａ）−（ｄ）は、実施の形態に係る第２蓄冷器３４が収容する挿入部材３５を模式的に示す図である。より具体的には、図４（ａ）−（ｄ）は、第２蓄冷器３４が挿入部材３５を収容した状態における、第２蓄冷器３４の長軸を含む平面での断面図である。

図４（ａ）は、一端から他端に向かって、長軸に垂直な断面の面積が連続的に増加するように構成されている挿入部材３５を示している。図４（ａ）は、長軸に平行な断面が、一端から他端に向かって裾野が直線状となる台形形状である挿入部材３５を示している。この他にも、一端から他端に向かって裾野が曲線状に広がってもよい。

図４（ａ）に示すように、挿入部材３５は、一端が第２蓄冷器３４の高温側となり、他端が第２蓄冷器３４の低温側となるように、第２蓄冷器３４における磁性材からなる第３蓄冷材を収容する領域（上述した低温側領域２５）に挿入される。これにより、第２蓄冷器３４において磁性材からなる第３蓄冷材を収容する空間の体積は、挿入部材３５を収容する前と比較して、小さくなる。このため、第２蓄冷器３４に充填すべき磁性材からなる第３蓄冷材の量も少なくなる。

また、第２蓄冷器３４において磁性材からなる第３蓄冷材を収容する低温側領域２５のヘリウムガスの流路面積が、低温端側が高温端側と比較して狭くなる。これにより第２蓄冷器３４の低温端におけるヘリウムガスの圧力振幅を大きくすることができる。結果として、第２蓄冷器３４に挿入部材３５を挿入する前と比較して、第２膨張空間２６においてヘリウムガスがする仕事ｗ_ｅを大きくすることができる。

図４（ｂ）は、挿入部材３５の別の形態を示す図である。図４（ｂ）に示す挿入部材３５は、一端から他端に向かって流路面積が連続的に減少する流路が設けられた管状の部材である。なお、図４（ｂ）は流路の断面が一端から他端に向かって裾野が直線状となる場合を示すが、一端から他端に向かって裾野が曲線状に広がっていてもよい。

図４（ｂ）に示すように、挿入部材３５は、一端が第２蓄冷器３４の高温側となり、他端が第２蓄冷器３４の低温側となるように、磁性材からなる第３蓄冷材を収容する低温側領域２５に嵌挿される。また、磁性材からなる第３蓄冷材は、挿入部材３５に設けられた流路に収容される。これにより、第２蓄冷器３４において磁性材からなる第３蓄冷材を収容する空間の体積は、挿入部材３５を収容する前と比較して、小さくなる。このため、第２蓄冷器３４に充填すべき磁性材からなる第３蓄冷材の量が少なくなる。

また、図４（ａ）に示す場合と同様に、第２蓄冷器３４において磁性材からなる第３蓄冷材を収容する領域のヘリウムガスの流路面積が、低温端側が高温端側と比較して狭くなる。これにより第２蓄冷器３４の低温端におけるヘリウムガスの圧力振幅を大きくすることができる。結果として、第２蓄冷器３４に挿入部材３５を挿入する前と比較して、第２膨張空間２６においてヘリウムガスがする仕事ｗ_ｅを大きくすることができる。ゆえに、冷凍性能の低下を抑制し、冷凍性能を維持することができる。

図４（ｃ）は、挿入部材３５のさらに別の形態を示す図である。図４（ｃ）に示す挿入部材３５は、一端から他端に向かって断面積が段階的に増加するように構成されている。図４（ｃ）に示す挿入部材３５は、図４（ａ）に示す挿入部材３５とは異なり、一端から他端に向かって断面積が連続的には増加しない。その他は図４（ａ）に示す挿入部材３５と同様であり、図４（ｃ）に示す挿入部材も、一端が第２蓄冷器３４の高温側となり、他端が第２蓄冷器３４の低温側となるように、第２蓄冷器３４における磁性材からなる第３蓄冷材を収容する低温側領域２５に挿入される。その効果も図４（ａ）に示す挿入部材３５と同様である。

図４（ｄ）は、挿入部材３５のさらに別の形態を示す図である。図４（ｄ）に示す挿入部材３５は、一端から他端に向かって流路面積が段階的に減少する流路が設けられた管状の部材である。図４（ｄ）に示す挿入部材３５は、図４（ｂ）に示す挿入部材３５とは異なり、流路面積が連続的には減少しない。その他は図４（ｂ）に示す挿入部材３５と同様であり、図４（ｄ）に示す挿入部材３５も、一端が第２蓄冷器３４の高温側となり、他端が第２蓄冷器３４の低温側となるように、磁性材からなる第３蓄冷材を収容する低温側領域２５に嵌挿される。その効果も図４（ｂ）に示す挿入部材３５と同様である。

図４（ａ）−（ｄ）に示す例はいずれも、既存の第２蓄冷器３４に挿入部材３５を挿入することにより、第２蓄冷器３４に充填すべき磁性材からなる第３蓄冷材を低減しつつ、冷凍性能を維持することができる。既存の第２蓄冷器３４を流用できるため、蓄冷器式冷凍機の製造コストを抑えることもできる。また、図４（ａ）−（ｄ）に示す挿入部材３５はいずれも、既知の布入りフェノール樹脂等を用いて実現できる。

なお、図４（ｂ）および図４（ｄ）は、挿入部材３５を嵌挿することで第２蓄冷器３４における磁性材からなる第３蓄冷材の流路面積を変更した。これに代えて、第２蓄冷器３４における磁性材からなる第３蓄冷材を収容する容器自体の形状を変形してもよい。具体的には、第２蓄冷器３４における磁性材からなる第３蓄冷材を収容する容器自体の形状を、図４（ｂ）または図４（ｄ）を挿入した後の流路面積を持つように変形してもよい。

図４（ａ）−（ｄ）は、挿入部材３５が単体の部材である場合の例を示す図である。挿入部材３５は単体の部材には限られず、複数の部材から構成されてもよい。以下この場合について説明する。

図５（ａ）−（ｂ）は、実施の形態に係る第２蓄冷器３４が収容する、複数の部材から構成される挿入部材３５を模式的に示す図である。より具体的に、図５（ａ）は複数の部材から構成される挿入部材３５を挿入した状態を示す第２蓄冷器３４の斜視図である。また図５（ｂ）は、図５（ａ）に示す第２蓄冷器３４の、その長軸を含む平面における断面図を示す。

図５（ａ）−（ｂ）に示す挿入部材３５は、複数の薄肉管３６から構成される。すなわち、複数の薄肉管３６を合わせることで、ひとつの挿入部材３５として機能する。ここで各薄肉管３６の内径は１ｍｍ未満であり、好ましくは０．３ｍｍ程度である。また各薄肉管３６の長軸方向の長さは、第２蓄冷器３４における磁性材からなる蓄冷材を収容する低温側領域２５の長軸方向の長さよりも短い。複数の薄肉管３６は、第２蓄冷器３４における磁性材からなる蓄冷材を収容する低温側領域２５における低温側に分散して収容される。

ここで「分散して収容」とは、複数の薄肉管３６の各長軸が第２蓄冷器３４の長軸と平行となるようにしつつ、かつ、複数の薄肉管３６が第２蓄冷器３４の長軸と垂直な方向に分散して収容することを意味する。これにより、図５（ｂ）に示すように、第２蓄冷器３４において低温側領域２５のヘリウムガスの流路面積は、高温側領域２４の流路面積よりも小さくなる。ゆえに、第２蓄冷器３４が図４（ａ）−（ｄ）に示した挿入部材３５を挿入した場合と同様の効果を得ることができる。

加えて、複数の薄肉管３６を第２蓄冷器３４の低温側領域２５に分散して収容することにより、薄肉管３６とヘリウムガスとが接触する部分の面積を大きくすることができる。実施の形態に係る薄肉管３６には、冷媒ガスであるヘリウムガスと同じヘリウムガスが高圧の状態で封入されている。このため、薄肉管３６はそれぞれ蓄冷材としての機能も持つ。薄肉管３６とヘリウムガスとが接触する部分の面積を大きくすることにより、ヘリウムガスと薄肉管３６との間の熱交換の効率が上がる。結果として、複数の薄肉管３６から構成される挿入部材３５をひとつの蓄冷材として機能させることもできる。

（パルスチューブ型の冷凍機）
以上、実施の形態に係る第２蓄冷器３４を、ディスプレーサ式の冷凍機に適用する形態を示したが、本発明はパルスチューブ型の冷凍機にも適用することができる。以下本発明をパルスチューブ型の冷凍機に適用する場合について述べる。

図６は、パルスチューブ型の蓄冷器式冷凍機１０１を模式的に示す図である。パルスチューブ型の蓄冷器式冷凍機１０１は、図６に示すように、第１蓄冷器１０２と、第２蓄冷器１０３と、第１パルス管１０４と、第２パルス管１０５と、を備える。第１蓄冷器１０２と第１パルス管１０４と第２パルス管１０５のそれぞれの高温端は、圧縮機１０７の吐出側から三分岐する分岐管１０８および吸込側から三分岐する分岐管１０９と、それぞれの高温端に対応する第１給排共通配管１１０、第２給排共通配管１１１、および第３給排共通配管１１２を介して接続されている。

分岐管１０８の第１給排共通配管１１０への第１接続点Ｐ１の手前には、蓄冷器サプライバルブＶ１が配置される。分岐管１０８の第２給排共通配管１１１への第２接続点Ｐ２の手前には第１サプライバルブＶ３が配置される。さらに、分岐管１０８の第３給排共通配管１１２への第３接続点Ｐ３の手前には第２サプライバルブＶ５が配置される。

分岐管１０９の第１給排共通配管１１０への第１接続点Ｐ１の手前には蓄冷器リターンバルブＶ２が配置される。分岐管１０９の第２給排共通配管１１１への第２接続点Ｐ２の手前には第１リターンバルブＶ４が配置される。分岐管１０９の第３給排共通配管１１２への第３接続点Ｐ３の手前には第２リターンバルブＶ６が配置される。

第２給排共通配管１１１の第１パルス管１０４の高温端と第２接続点Ｐ２との間には、流量制御バルブＶ７が配置される。また第３給排共通配管１１２の第２パルス管１０５の高温端と第３接続点Ｐ３との間には、流量制御バルブＶ８が配置される。これらの流量制御バルブはパルス管内に発生するガスピストンの位相調整機構として作用する。また、流量制御バルブに代えてオリフィスを用いることもできる。

第１パルス管１０４の高温端には第１整流熱交換器１１３が配置され、低温端には第２整流熱交換器１１４が配置される。第２パルス管１０５の高温端には第３整流熱交換器１１５が配置され、低温端には第４整流熱交換器１１６が配置される。

第１パルス管１０４の低温端と第１蓄冷器１０２の低温端とは冷却ステージ１１７により熱的に連結される。冷却ステージ１１７の内部に位置する第１低温端連結管１１８により、第１パルス管１０４の低温端と第１蓄冷器１０２の低温端は冷媒ガスが通流可能に接続される。第２パルス管１０５の低温端と第２蓄冷器１０３の低温端は第２低温端連結管１１９により冷媒ガスが通流可能に接続される。

さらにパルスチューブ型の蓄冷器式冷凍機１０１において、第２蓄冷器１０３内部は上述したディスプレーサ式の第２蓄冷器３４と同様に、上段に非磁性材を含む高温側領域１２４、下段に磁性材の蓄冷材を有する低温側領域１２５とを含む。高温側領域１２４と低温側領域１２５とを合わせて、第２蓄冷器１０３を構成する。

このように構成されたバルブパルスチューブ型の蓄冷器式冷凍機１０１では、高圧の冷媒ガスの供給過程において、第１サプライバルブＶ３、第２サプライバルブＶ５が開かれると、冷媒ガスは、分岐管１０８および第２給排共通配管１１１または第３給排共通配管１１２を介して、第１パルス管１０４および第２パルス管１０５の低温端に流入する。

また、蓄冷器サプライバルブＶ１が開かれると、冷媒ガスは、圧縮機１０７から分岐管１０８および第１給排共通配管１１０を通り、第１蓄冷器１０２から第１パルス管１０４の低温端に流入するとともに、第２蓄冷器１０３を通って第２パルス管１０５の高温端に流入する。

一方、低圧の冷媒ガスの回収過程では、第１リターンバルブＶ４または第２リターンバルブＶ６が開かれると、第１パルス管１０４または第２パルス管１０５内の冷媒ガスは、それぞれの高温端から、第２給排共通配管１１１または第３給排共通配管１１２および分岐管１０９を通り、圧縮機１０７に回収される。また、蓄冷器リターンバルブＶ２が開かれると、第１パルス管１０４内の冷媒ガスは、低温端から第１蓄冷器１０２、第１給排共通配管１１０、分岐管１０９を介して、圧縮機１０７に回収される。同様に、第２パルス管１０５内の冷媒ガスは第２蓄冷器１０３、第１蓄冷器１０２、第１給排共通配管１１０、分岐管１０９を介して圧縮機１０７に回収される。

パルスチューブ型の蓄冷器式冷凍機１０１では、圧縮機１０７により圧縮された作動流体であるヘリウムガス等の冷媒ガスが第１蓄冷器１０２、第２蓄冷器１０３および第１パルス管１０４、第２パルス管１０５に流入する動作と、作動流体が第１パルス管１０４、第２パルス管１０５および第１蓄冷器１０２、第２蓄冷器１０３から流出され、圧縮機１０７に回収される動作を繰り返すことで、蓄冷器およびパルス管の低温端に寒冷が形成される。また、これらの低温端に、冷却対象を熱的に接触させることで、冷却対象から熱を奪うことができる。

上述したディスプレーサ式の蓄冷器式冷凍機１における第２蓄冷器３４の場合と同様に、パルスチューブ型の蓄冷器式冷凍機１０１においても、第２蓄冷器１０３の低温側領域１２５に、図４または図５に示す挿入部材３５を挿入することができる。その効果は、ディスプレーサ式の蓄冷器式冷凍機１の場合と同様である。なお図６は、パルスチューブ型の蓄冷器式冷凍機１０１において、第２蓄冷器１０３の低温側領域１２５に、図４（ａ）に示す挿入部材３５を挿入している様子を図示する。

以上説明したように、本発明の第２蓄冷器３４および第２蓄冷器１０３によれば、蓄冷器式冷凍機の冷凍性能を維持しつつ、蓄冷材の使用量を抑えることができる。

以上本発明の好ましい実施例について詳細に説明したが、本発明は上述した実施例に制限されることなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施例に種々の変形および置換を加えることができる。

例えば、上述した蓄冷器式冷凍機においては段数が二段である場合を示したが、この段数は三段以上に適宜選択することが可能である。また、実施の形態では、蓄冷器式冷凍機がディスプレーサ式のＧＭ冷凍機やパルスチューブ型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にも適用することができる。

１ 蓄冷器式冷凍機、 Ｃ１ 第１クリアランス、 Ｐ１ 第１接続点、 Ｖ１ 蓄冷器サプライバルブ、 ２ 第１ディスプレーサ、 Ｃ２ 第２クリアランス、 Ｐ２ 第２接続点、 Ｖ２ 蓄冷器リターンバルブ、 ３ 第２ディスプレーサ、 Ｐ３ 第３接続点、 Ｖ３ 第１サプライバルブ、 ４ ピン、 Ｖ４ 第１リターンバルブ、 ５ コネクタ、 Ｖ５ 第２サプライバルブ、 ６ ピン、 Ｖ６ 第２リターンバルブ、 ７ 第１シリンダ、 Ｖ７ 流量制御バルブ、 ８ 第２シリンダ、 Ｖ８ 流量制御バルブ、 ９ 第１蓄冷器、 １０，１１ 整流器、 １２ 室温室、 １３ 第１開口、 １４ 圧縮機、 １５ サプライバルブ、 １６ リターンバルブ、 １７ シール、 １８ 第１膨張空間、 １９ 第２開口、 ２０ 第１冷却ステージ、 ２１，２２ 整流器、 ２４ 高温側領域、 ２５ 低温側領域、 ２６ 第２膨張空間、 ２７ 第３開口、 ２８ 第２冷却ステージ、 ２９，３０ 蓋部、 ３１，３２ 圧入ピン、 ３４ 第２蓄冷器、 ３５ 挿入部材、 ３６ 薄肉管、 １０１ 蓄冷器式冷凍機、 １０２ 第１蓄冷器、 １０３ 第２蓄冷器、 １０４ 第１パルス管、 １０５ 第２パルス管、 １０７ 圧縮機、 １０８，１０９ 分岐管、 １１０ 第１給排共通配管、 １１１ 第２給排共通配管、 １１２ 第３給排共通配管、 １１３ 第１整流熱交換器、 １１４ 第２整流熱交換器、 １１５ 第３整流熱交換器、 １１６ 第４整流熱交換器、 １１７ 冷却ステージ、 １１８ 第１低温端連結管、 １１９ 第２低温端連結管、 １２４ 高温側領域、 １２５ 低温側領域。

Claims (7)

1. 冷媒ガスの膨張により発生した寒冷を蓄積する蓄冷器であって、
   非磁性材からなる蓄冷材と、
   磁性材からなる蓄冷材と、
   高温端と低温端とを有し、高温端側に前記非磁性材からなる蓄冷材を収容するとともに低温端側に前記磁性材からなる蓄冷材を収容する容器とを備え、
   前記容器はさらに、前記磁性材からなる蓄冷材を収容する領域を流れる冷媒ガスの流路面積を、低温端側の流路面積が高温端側の流路面積と比較して狭くなるように変更する挿入部材を収容することを特徴とする蓄冷器。
2. 前記挿入部材は、一端から他端に向かって断面積が増加するように構成されており、
   前記容器は、前記挿入部材の一端が高温側となり他端が低温側となるように、前記挿入部材を前記磁性材からなる蓄冷材を収容する領域に収容することを特徴とする請求項１に記載の蓄冷器。
3. 前記挿入部材は、一端から他端に向かって流路面積が減少する流路が設けられた管状の部材であり、一端が前記容器の高温側となり、他端が前記容器の低温側となるように、前記容器の前記磁性材からなる蓄冷材を収容する領域に嵌挿され、
   前記磁性材からなる蓄冷材は、前記挿入部材に設けられた流路に収容されていることを特徴とする請求項１に記載の蓄冷器。
4. 前記挿入部材は複数の薄肉管から構成され、
   前記複数の薄肉管の長軸方向の長さはそれぞれ、前記容器における前記磁性材からなる蓄冷材を収容する領域の長軸方向の長さよりも短く、
   前記容器は、前記磁性材からなる蓄冷材を収容する領域の低温側に、前記複数の薄肉管を分散して収容することを特徴とする請求項１に記載の蓄冷器。
5. 前記挿入部材はフェノール樹脂で構成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の蓄冷器。
6. 前記挿入部材を構成する複数の薄肉管は、それぞれ前記冷媒ガスと同種のガスが封入されていることを特徴とする請求項４に記載の蓄冷器。
7. 請求項１から６のいずれかに記載の蓄冷器と、
   前記蓄冷器に高圧の冷媒ガスを供給するとともに、前記蓄冷器から戻ってきた低圧の冷媒ガスを圧縮する圧縮機とを備えることを特徴とする蓄冷器式冷凍機。

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