JP2015175578A - 蓄冷器式冷凍機 - Google Patents

Abstract

【課題】蓄冷器式冷凍機の冷凍性能をより効果的に高める技術を提供する。
【解決手段】蓄冷器式冷凍機１において、蓄冷器は、ヘリウムガスの膨張により発生した寒冷を蓄積する非磁性蓄冷材と、非磁性蓄冷材が充填された容器とを含む。この容器のうち非磁性蓄冷材を収容した部分は、蓄冷器式冷凍機１の動作中の温度が６Ｋ以上１５Ｋ以下となる第１領域２４ａと、それ以外の温度範囲となる第２領域２４ｂとを含む。ここで第１領域２４ａにおける空隙率が、第２領域２４ｂにおける空隙率よりも小さい。
【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のサイモン膨張により発生した寒冷を蓄積す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。この蓄冷式冷凍機は、膨張室内のヘリウムガスを膨張させて寒冷を発生させる。膨張室で発生したヘリウムガスの寒冷は、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。

特開２００６−２４２４８４号公報

冷媒ガスとしては、例えばヘリウムガスが用いられる。圧縮機は、低圧（例えば０．８ＭＰa）のヘリウムガスを圧縮し、高圧（例えば２．２ＭＰａ）のヘリウムガスを生成する。高圧ヘリウムガスの密度と低圧ヘリウムガスの密度との密度差は、極低温付近において温度依存性が大きくなり、特に温度が８Ｋ付近のときに、その密度差が最大となる。このため蓄冷器中の温度が８Ｋ付近となる領域に大量のヘリウムガスが溜まり、冷凍機全体の圧力差が小さくなり、冷凍性能が低下してしまう。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、蓄冷器式冷凍機の冷凍性能をより効果的に高め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式冷凍機は、蓄冷器式冷凍機であって、ヘリウムガスの膨張により発生した寒冷を蓄積する非磁性蓄冷材と、非磁性蓄冷材が充填された容器と、を含む蓄冷器を備える。容器のうち非磁性蓄冷材を収容した部分は、蓄冷器式冷凍機の動作中の温度が６Ｋ以上１５Ｋ以下となる第１領域と、それ以外の温度範囲となる第２領域とを含む。第１領域における空隙率が、第２領域における空隙率よりも小さい。

本発明の蓄冷器式冷凍によれば、蓄冷器式冷凍機の冷凍性能をより効果的に高める技術を提供することができる。

実施の形態に係る蓄冷器式冷凍機及び蓄冷器の一実施形態について示す模式図である。 ２．２ＭＰａのヘリウムガスと０．８ＭＰａのヘリウムガスとの、それぞれの密度の温度変化、および両者の密度差の温度変化を示す図である。 実施の形態に係る第２蓄冷器の高温側領域の拡大図を模式的に示す図である。 図４（ａ）−（ｂ）は、最密充填されている場合における、互いに隣接する４つの第２非磁性蓄冷材を模式的に示す図である。 最密充填された４つの第２非磁性蓄冷材の空隙に接するように、第１蓄冷材が配置されている様子を模式的に示す図である。 図６（ａ）−（ｂ）は、実施の形態の第１の変形例に係る第２蓄冷器３４が第１領域に充填する非磁性蓄冷材の焼結体を模式的に示す図である。 実施の形態の第２の変形例に係る第２蓄冷器の一部の拡大した模式図である。

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。

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（Gifford-McMahon; GM）タイプの蓄冷器式冷凍機である。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とを備える。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り、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おり、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の第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ＨｏＣｕ２などの磁性材の第２蓄冷材が充填される。鉛やビスマス、ＨｏＣｕ２等は球形状に形成されており、複数の球形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。

なお、高温側領域２４はさらに第１領域２４ａと第２領域２４ｂとに分かれる。第１領域２４ａと第２領域２４ｂとの詳細は後述する。

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り、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。

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。

以上のように、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。蓄冷器式冷凍機１の動作中、第２蓄冷器３４は高温端から低温端に向かって４０Ｋ〜４Ｋ程度の温度勾配を持つ。以下、第２蓄冷器に存在するヘリウムガスの密度変化について説明する。

図２は、２．２ＭＰａのヘリウムガスと０．８ＭＰａのヘリウムガスとのそれぞれの、極低温領域における密度の温度変化、および両者の密度差の温度変化を示す図である。図２に示す温度範囲は、蓄冷器式冷凍機１が動作中における第２蓄冷器３４内のヘリウムガスの温度範囲に相当する。

図２に示すように、２．２ＭＰａのヘリウムガスと０．８ＭＰａのヘリウムガスとの密度差は、温度がおよそ８Ｋのとき最大となる。ヘリウムガスの温度が８Ｋよりも低い場合は、２．２ＭＰａのヘリウムガスと０．８ＭＰａのヘリウムガスとの密度差は温度に対して単調増加し、ヘリウムガスの温度が８Ｋよりも高い場合は、密度差は温度に対して単調減少する。

ここで、第２蓄冷器３４に存在するヘリウムガスの質量をＭとする。また、第２蓄冷器３４の高温端、すなわち上端の整流器２１に流入するヘリウムガスの単位時間あたりの質量をｍ_ｉｎとし、下端の整流器２２から流出するヘリウムガスの単位時間あたりの質量をｍ_ｏｕｔとする。もし、第２蓄冷器３４にヘリウムガスが流入すれば、第２蓄冷器３４に存在するヘリウムガスの質量Ｍは増加する。一方、第２蓄冷器３４からヘリウムガスが流出すれば、第２蓄冷器３４に存在するヘリウムガスの質量Ｍは減少する。したがって、第２蓄冷器３４に存在するヘリウムガスの質量Ｍの単位時間あたりの変化量ｄＭ／ｄｔは、流入質量ｍｉｎと流出質量ｍｏｕｔとの差分で表せる。以上より、以下の関係式（１）を得る。
ｍ_ｉｎ＝ｍ_ｏｕｔ＋ｄＭ／ｄｔ （１）
ここで、ｄＭ／ｄｔは、第２蓄冷器３４に存在するヘリウムガスの質量Ｍの時間ｔによる微分を表す。

上述したように、第２蓄冷器３４は第２ディスプレーサ３の内部であり、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。したがって、第２蓄冷器３４の容積は一定と見なすことができるので、その値をＶとする。また、第２蓄冷器３４中のヘリウムガスの平均密度をρとすると、第２蓄冷器３４に存在する冷媒ガスの質量Ｍは、以下の式（２）で表せる。
Ｍ＝Ｖρ （２）

式（１）に式（２）を代入すると、以下の式（３）を得る。
ｍ_ｉｎ＝ｍ_ｏｕｔ＋Ｖｄρ／ｄｔ （３）
ここで、ｄρ／ｄｔは、ヘリウムガスの密度ρの時間微分を表す。

式（３）において、第２蓄冷器３４に流入したヘリウムガスの密度が時間によって変化しないと仮定すると、ｍ_ｉｎ＝ｍ_ｏｕｔとなり、ヘリウムガスは第２蓄冷器３４に流入した分だけ、第２蓄冷器３４から流出する。すなわち、第２蓄冷器３４に存在するヘリウムガスの質量Ｍは変化しないことを意味する。実際の冷却サイクルにおいては、サプライバルブ１５が開にされると、サプライバルブ１５を介して高圧のヘリウムガスが供給される。この結果、第２蓄冷器３４にも高圧のヘリウムガスが流入し、第２蓄冷器３４に充填されている低圧のヘリウムガスは昇圧され、高圧のヘリウムガスとなる。

図２に示すように、高圧のヘリウムガスと低圧のヘリウムガスとは、その密度に差がある。したがって、第２蓄冷器３４に高圧のヘリウムガスが流入し、第２蓄冷器３４中の低圧のヘリウムガスが昇圧されて高圧のヘリウムガスとなると、ヘリウムガスの密度は図２において実線で示す密度差だけ大きくなる。以上より、以下の不等式（４）を得る。
ｍ_ｉｎ−ｍ_ｏｕｔ＝Ｖｄρ／ｄｔ＞０ （４）

上述したとおり、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と第２クリアランスとを介して、第２膨張空間２６に供給される。しかしながら、上記不等式（４）は、第２蓄冷器から第２膨張空間２６に流出するヘリウムガスの質量は、第２蓄冷器に流入するヘリウムガスの質量よりも小さいことを示している。これは、第２蓄冷器３４がいわばヘリウムガスのバッファのような作用を示し、ヘリウムガスをため込むことになる。結果として、第２膨張空間２６の圧力上昇が抑制され、圧力差も小さくなる。

また、リターンバルブ１６が開とされると、第２蓄冷器３４内の高圧のヘリウムガスは低圧のヘリウムガスとなる。このとき、式（３）における右辺は図２において直線で示す密度差を絶対値とする負の値となる。したがって、以下の不等式（５）を得る。
ｍ_ｉｎ−ｍ_ｏｕｔ＝Ｖｄρ／ｄｔ＜０ （５）

これは、第２膨張空間２６から第２蓄冷器３４に流入するヘリウムガスの質量よりも、第２蓄冷器３４から流出するヘリウムガスの質量の方が大きいことを示している。ヘリウムガスが第２膨張空間２６で十分に膨張するほど、より多くの寒冷が発生する。そのためには、ヘリウムガスが第２膨張空間２６および第２蓄冷器３４から速やかに排出され、圧縮機１４に戻ることが好ましい。しかしながら、式（５）は、第２膨張空間２６で膨張して第２蓄冷器３４に流入したヘリウムガスのみならず、第２蓄冷器３４にとどまっていたヘリウムガスも、第２蓄冷器３４から流出することを示している。圧縮機１４のヘリウムガスを回収する能力は一定であるため、第２蓄冷器３４にとどまっていたヘリウムガスの分だけ第２膨張空間２６から排出されるヘリウムガスの回収が遅れてしまう。

そこで実施の形態に係る蓄冷器式冷凍機１は、第２蓄冷器３４の非磁性蓄冷材を収容した部分のうち、高圧のヘリウムガスと低圧のヘリウムガスとの密度差が極大となる温度範囲を含む部分は、他の部分と比べてヘリウムガスが溜まりにくいように構成されている。なお、第２蓄冷器３４の非磁性蓄冷材を収容した部分とは、具体的には上述した高温側領域２４である。

ここで、高圧のヘリウムガスと低圧のヘリウムガスとの密度差が極大となる温度は、図２に示すように、およそ９Ｋである。したがって、高圧のヘリウムガスと低圧のヘリウムガスとの密度差が極大となる温度を含む温度範囲は、９Ｋを含む所定の広がりを持った温度範囲である。具体的には、５Ｋから２０Ｋの温度範囲であり、より好ましくは６Ｋから１５Ｋの温度範囲である。７Ｋから１１Ｋの温度範囲であってもよい。

以下、実施の形態に係る蓄冷器式冷凍機１が動作中に、第２蓄冷器３４の高温側領域２４において、高圧のヘリウムガスと低圧のヘリウムガスとの密度差が極大となる温度範囲となる領域を「第１領域２４ａ」という。また、第２蓄冷器３４のうち非磁性蓄冷材を収容した部分において、第１領域２４ａ以外の領域を「第２領域２４ｂ」という。実施の形態に係る第２蓄冷器３４は、第１領域２４ａにおける空隙率が、第２領域２４ｂにおける空隙率よりも小さくすることで、ヘリウムガスが溜まりにくくしている。

上述したように、第２蓄冷器３４に充填される蓄冷材は球形状である。一般に、多数の同一半径の球を容器内に充填するとき、その充填率は球の半径によらず一定である。同一半径の球を最密充填すると、充填率は約７４％であることが知られている。なお、蓄冷材の加工において球の半径は厳密にはばらつく。しかしながら、充填率を考える上では、加工精度によるばらつきは無視できる程度と考えられる。したがって、第１領域２４ａに球形状の非磁性蓄冷材を充填すると、その空隙率は最小でも１００％−７４％＝２６％程度であると考えられる。

そこで、実施の形態に係る第２蓄冷器３４は、図１に示すように、第１領域２４ａに、粒子径の異なる非磁性蓄冷材が充填されている。これにより、同一半径の蓄冷材を充填する場合と比較して、第１領域２４ａの空隙率を小さくすることができる。

図３は、実施の形態に係る第２蓄冷器３４の高温側領域２４の拡大図を模式的に示す図である。図３に示すように、第２蓄冷器３４の高温側領域２４においては、第１領域２４ａに、第１非磁性蓄冷材３５と、第１非磁性蓄冷材３５の粒子径よりも大きな粒子径を持つ第２非磁性蓄冷材３６とを充填する。また、第２蓄冷器３４の高温側領域２４においては、第２領域２４ｂに、第１非磁性蓄冷材３５の粒子径よりも大きく、かつ第２非磁性蓄冷材３６の粒子径よりも小さい粒子径を持つ第３非磁性蓄冷材３７を充填している。なお、第１非磁性蓄冷材３５、第２非磁性蓄冷材３６、および第３非磁性蓄冷材３７はそれぞれ粒子径が異なっていればよい。したがって、第１非磁性蓄冷材３５、第２非磁性蓄冷材３６、および第３非磁性蓄冷材３７はそれぞれ異なる物質であってもよいし、同じ物質であってもよい。

以下、第２非磁性蓄冷材３６の半径に対する第１非磁性蓄冷材３５の半径の割合について考察する。

図４（ａ）−（ｂ）は、最密充填されている場合における、互いに隣接する４つの第２非磁性蓄冷材３６を模式的に示す図である。図４（ａ）は、最密充填時における互いに隣接する４つの位置関係を示す図である。図４（ａ）においては、互いに隣接する４つの第２非磁性蓄冷材３６が同一の半径を持っていることを仮定している。

同一の半径の４つの球が最密充填されると、４つの球の中心は正四面体の４つの頂点を構成する。図４（ａ）に示す例では、３つの第２非磁性蓄冷材３６ａ、第２非磁性蓄冷材３６ｂ、および第２非磁性蓄冷材３６ｃが同一平面上に互いに接して配置され、その上に４つめの第２非磁性蓄冷材３６ｄが置かれている。

図４（ｂ）は、第２非磁性蓄冷材３６ａ、第２非磁性蓄冷材３６ｂ、および第２非磁性蓄冷材３６ｃの中心を含む平面で、第２非磁性蓄冷材３６ａ、第２非磁性蓄冷材３６ｂ、および第２非磁性蓄冷材３６ｃを切断したときの切断面を示す図である。図４（ｂ）において、点３８ａ、点３８ｂ、および点３８ｃは、それぞれ図４（ａ）における第２非磁性蓄冷材３６ａ、第２非磁性蓄冷材３６ｂ、および第２非磁性蓄冷材３６ｃの中心である。点３８ａ、点３８ｂ、および点３８ｃを３頂点とする３角形は正四面体の底面を構成する正三角形となる。

第２非磁性蓄冷材３６ａ、第２非磁性蓄冷材３６ｂ、第２非磁性蓄冷材３６ｃ、および第２非磁性蓄冷材３６ｄの半径をＲとする。このとき、図４（ｂ）から明らかなように、第２非磁性蓄冷材３６ａ、第２非磁性蓄冷材３６ｂ、第２非磁性蓄冷材３６ｃ、および第２非磁性蓄冷材３６ｄの中心を頂点とする正四面体の一辺の長さは２Ｒとなる。

図４（ａ）は、第２非磁性蓄冷材３６ａ、第２非磁性蓄冷材３６ｂ、第２非磁性蓄冷材３６ｃ、および第２非磁性蓄冷材３６ｄを最密充填となるように配置した様子を示す。球の対称性から、第２非磁性蓄冷材３６ａ、第２非磁性蓄冷材３６ｂ、第２非磁性蓄冷材３６ｃ、および第２非磁性蓄冷材３６ｄの中心で構成される正四面体の重心を含む空間に空隙が生じる。この空隙を第１非磁性蓄冷材３５で埋めることができれば、第１領域２４ａの空隙率を小さくすることができる。

図５は、最密充填された４つの第２非磁性蓄冷材３６の空隙において、４つの第２非磁性蓄冷材３６と接するように第１非磁性蓄冷材３５が配置されている様子を模式的に示す図である。図形の対称性から、第１非磁性蓄冷材３５を構成する球の中心３９は、第２非磁性蓄冷材３６ａ、第２非磁性蓄冷材３６ｂ、第２非磁性蓄冷材３６ｃ、および第２非磁性蓄冷材３６ｄの中心を頂点とする正四面体の重心ｗに一致する。

第１非磁性蓄冷材３５を構成する球の半径をｒとする。このとき、正四面体の頂点から重心ｗまでの距離Ｌは、第２非磁性蓄冷材３６の半径Ｒと第１非磁性蓄冷材３５の半径ｒとの和に等しい。

正四面体の一辺の長さは２Ｒであるから、正四面体の高さＨは２√６Ｒ／３となる。正四面体の頂点から重心ｗまでの距離Ｌは正四面体の高さＨの２／３であるから、Ｌ＝４√６Ｒ／９となる。ゆえに、ｒ＝Ｌ−Ｒ＝（４√６／９−１）Ｒ≒０．０８８６６Ｒとなる。以上より、第１非磁性蓄冷材３５の半径ｒは、第２非磁性蓄冷材３６の半径Ｒの８．８％以下であれば、第２非磁性蓄冷材３６が最密充填されている場合であっても、第２非磁性蓄冷材３６の空隙を埋めることができる。なお、８．８％は第２非磁性蓄冷材３６の半径が完全に同一であることを仮定した場合の理論値である。実際には、第２非磁性蓄冷材３６の半径は加工精度が生じると考えられるので、第１非磁性蓄冷材３５の半径ｒは、第２非磁性蓄冷材３６の半径Ｒの８．８％未満、好ましくは８％未満、さらには５％未満とすることが好ましい。

第３非磁性蓄冷材３７の半径は、第１非磁性蓄冷材３５の半径ｒよりも大きく、かつ第２非磁性蓄冷材３６の半径Ｒよりも小さい。したがって、第３非磁性蓄冷材３７の半径は、第２非磁性蓄冷材３６の半径Ｒの１０％以上であり、第２非磁性蓄冷材３６の半径Ｒの５０％〜６０％とするのが好ましい。

以上説明したように、実施の形態に係る第２蓄冷器３４は、第１領域２４ａに粒子径の異なる非磁性蓄冷材が充填されている。これにより、小さい方の非磁性蓄冷材が、大きい方の非磁性蓄冷材の隙間に入り込み、第１領域２４ａの空隙率を小さくすることができる。第１領域２４ａは高圧のヘリウムガスと低圧のヘリウムガスとの密度差が極大となる温度範囲を含む領域である。したがって実施の形態に係る第２蓄冷器３４は、高圧のヘリウムガスと低圧のヘリウムガスとの密度差が極大となる領域のヘリウムガスの滞留が少なくなる。結果として、蓄冷器式冷凍機１の圧力差が大きくなり、冷凍能力を向上することができる。

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。

（第１の変形例）
上記では、実施の形態に係る第２蓄冷器３４の第１領域２４ａに、粒子径の異なる非磁性蓄冷材を充填することにより、第１領域２４ａの空隙率を小さくする場合につて説明した。第１領域２４ａの空隙率を小さくするためには、粒子径の異なる非磁性蓄冷材を充填することに代えて、非磁性蓄冷材の焼結体を充填してもよい。

図６（ａ）−（ｂ）は、実施の形態の第１の変形例に係る第２蓄冷器３４が第１領域２４ａに充填する非磁性蓄冷材の焼結体を模式的に示す図である。より具体的に、図６（ａ）は焼結前の非磁性蓄冷材を示す図である。また図６（ｂ）は、図６（ａ）を焼結してできる非磁性蓄冷材の焼結体を模式的に示す図である。図６（ａ）−（ｂ）において斜線で示す領域は空隙であり、その他の領域は非磁性蓄冷材が存在する領域である。

図６（ａ）は、複数の球形状の金属である非磁性蓄冷材が充填されて様子を示す。互いに接触している非磁性蓄冷材同士は焼結によって固まり、図６（ｂ）に示すように全体として焼結前よりも緻密なものとなる。この結果、非磁性蓄冷材の空隙率が減少する。第２蓄冷器３４の第１領域２４ａに非磁性蓄冷材の焼結体を充填することにより、第１領域２４ａに対流するヘリウムガスを少なくすることができる。

ここで、非磁性蓄冷材を焼結すると、非磁性蓄冷材は焼結前と比較して大きな固まりとなる。このため、非磁性蓄冷材の焼結体の形状は、第２蓄冷器３４である容器の形状とは一致しないかもしれない。そこで、第２蓄冷器３４の第１領域２４ａに非磁性蓄冷材の焼結体を充填するとともに、容器と焼結体との間の隙間を焼結をしていない蓄冷材で埋めてもよい。隙間を埋める蓄冷材は、例えば、焼結前の球形状の非磁性蓄冷材である。これにより、第２蓄冷器３４である容器と非磁性蓄冷材の焼結体との間の隙間に、焼結前の球形状の非磁性蓄冷材が充填され、第１領域２４ａの空隙率をさらに小さくすることができる。

（第２の変形例）
上記では、第２蓄冷器３４の第１領域２４ａに、粒子径の異なる非磁性蓄冷材を充填したり、非磁性蓄冷材の焼結体を充填したりすることにより、第１領域２４ａの空隙率を小さくする場合について説明した。この他にも第２蓄冷器３４の第１領域２４ａにヘリウムガスの流通孔が設けられたパンチングプレートを収容することで、第１領域２４ａの空隙率を小さくすることもできる。

図７は、実施の形態の第２の変形例に係る第２蓄冷器３４の一部の拡大した模式図である。図７に示すように、第２の変形例に係る第２蓄冷器３４は、球形状の非磁性蓄冷材に代えて、複数のパンチングプレート４０を第１領域２４ａに収容する。

パンチングプレートは金属等の薄板であり、表面から裏面まで貫通する複数の穴が設けられた部材である。図７においては、煩雑となることを避けるために、全てのパンチングプレート４０に符号を付してはいないが、第２蓄冷器３４は複数のパンチングプレート４０を、第１領域２４ａに層状に収容している。パンチングプレート４０はそれぞれ、複数のヘリウムガスの流通孔４１が設けられている。

図７に示すように、第２蓄冷器３４の第１領域２４ａに複数のパンチングプレート４０を収容した場合、第１領域２４ａの空隙率はパンチングプレート４０に設けられた流通孔４１の大きさおよび密度で決定される。流通孔４１の大きさおよび密度はパンチングプレート４０の加工の際に自由に設計できる。そこで第１領域２４ａの空隙率が２６％未満となるように流通孔４１を設けることにより、同一半径の球形状の非磁性蓄冷材を第１領域２４ａに充填する場合と比較して、第１領域２４ａの空隙率を小さくすることができる。

なお、蓄冷器式冷凍機１の組み立て工程において、パンチングプレート４０を第２蓄冷器３４に収容する。このとき、第２蓄冷器３４の容器の断面よりもパンチングプレート４０を小さめにしておく方が、収容の容易化の点から好ましい。しかしながら、第２蓄冷器３４の容器の断面よりもパンチングプレート４０を小さめにすると、第２蓄冷器３４の容器とパンチングプレート４０との間に隙間が生じるため、第１領域２４ａの空隙率が大きくなる。

そこで、第２蓄冷器３４の第１領域２４ａに複数のパンチングプレート４０を収容するとともに、球形状の粒子からなる非磁性蓄冷材をさらに充填してもよい。これにより、第２蓄冷器３４である容器とパンチングプレート４０との間の隙間に球形状の非磁性蓄冷材が充填され、第１領域２４ａの空隙率を小さくすることができる。また、パンチングプレート４０の流通孔４１に球形状の非磁性蓄冷材が入り込むと、第１領域２４ａの空隙率がさらに小さくなる。これにより、蓄冷器式冷凍機１の組み立て工程の容易化と、第１領域２４ａの空隙率の減少とを両立することができる。

上記では、蓄冷器式冷凍機１においては、段数が二段であるＧＭ冷凍機について主に説明したが、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１がディスプレーサ式の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、パルスチューブ型のＧＭ冷凍機、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、 ２ 第１ディスプレーサ、 Ｃ２ 第２クリアランス、 ３ 第２ディスプレーサ、 ４ ピン、 ５ コネクタ、 ６ ピン、 ７ 第１シリンダ、 ８ 第２シリンダ、 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、 ２３ 仕切り材、 ２４ 高温側領域、 ２４ａ 第１領域、 ２４ｂ 第２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 第１非磁性蓄冷材、 ３６ 第２非磁性蓄冷材、 ３７ 第３非磁性蓄冷材、 ４０ パンチングプレート、 ４１ 流通孔。

Claims (6)

1. 蓄冷器式冷凍機であって、
   ヘリウムガスの膨張により発生した寒冷を蓄積する非磁性蓄冷材と、
   前記非磁性蓄冷材が充填された容器と、を含む蓄冷器を備え、
   前記容器のうち前記非磁性蓄冷材を収容した部分は、
   前記蓄冷器式冷凍機の動作中の温度が６Ｋ以上１５Ｋ以下となる第１領域と、それ以外の温度範囲となる第２領域とを含み、
   前記第１領域における空隙率が、第２領域における空隙率よりも小さいことを特徴とする蓄冷器式冷凍機。
2. 前記非磁性蓄冷材は球形状の粒子からなり、
   前記容器は、前記第１領域に、粒子径の異なる非磁性蓄冷材が充填されていることを特徴とする請求項１に記載の蓄冷器式冷凍機。
3. 前記容器は、
   前記第１領域に第１非磁性蓄冷材と、第１非磁性蓄冷材の粒子径よりも大きな粒子径を持つ第２非磁性蓄冷材とを充填し、
   前記第２領域に、第１非磁性蓄冷材の粒子径よりも大きく、かつ第２非磁性蓄冷材の粒子径よりも小さい粒子径を持つ第３非磁性蓄冷材を充填していることを特徴とする請求項１または２に記載の蓄冷器式冷凍機。
4. 前記容器は、前記第１領域に非磁性蓄冷材の焼結体を充填していることを特徴とする請求項１に記載の蓄冷器式冷凍機。
5. 前記容器は、前記第１領域に複数のヘリウムガスの流通孔が設けられたパンチングプレートを収容していることを特徴とする請求項１に記載の蓄冷器式冷凍機。
6. 前記容器は、前記第１領域に、球形状の粒子からなる非磁性蓄冷材も充填していることを特徴とする請求項４または５に記載の蓄冷器式冷凍機。

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