JP2019128082A - 蓄冷型冷凍機 - Google Patents

Abstract

【課題】簡素な構成により、冷却に要する時間を短縮することが可能な蓄冷型冷凍機を提供すること。【解決手段】蓄冷型冷凍機１０は、第一シリンダ部１１ａの低温端側に固定されて第二シリンダ部１１ｂよりも大径の第一コールドヘッド１１ｃと、第二シリンダ部１１ｂの超電導磁石４に熱的に接触する低温端側に固定されて第二シリンダ部１１ｂよりも大径の第二コールドヘッド１１ｄと、の間の温度差によって対流する作動流体Ｒが封入された対流室Ｄを備える。【選択図】図２

Description

本発明は、蓄冷型冷凍機に関する。

従来から、例えば、下記特許文献１に開示された冷凍機冷却型超電導磁石装置が知られている。この従来の冷凍機冷却型超電導磁石装置は、二段型のＧＭ（ギフォード・マクマホン）冷凍機を用い、ＧＭ冷凍機の一段冷却ステージが熱シールド板に接続されて冷却し、第二段冷却ステージが伝熱板を介して超電導コイルを冷却するようになっている。

又、従来から、例えば、下記特許文献２に開示された低温冷却装置も知られている。この従来の低温冷却装置は、超電導コイルを液体ヘリウムで冷却し、熱シールド板を液体窒素で冷却されるようになっている。具体的に、従来の低温冷却装置では、超電導コイルはヘリウム液化機で液化された液体ヘリウムで冷却され、超電導コイルの周囲に配置される熱シールド板は液体窒素用冷凍機で冷却、再液化された液体窒素で冷却される。

更に、従来から、例えば、下記特許文献３に開示されたＧＭ冷凍機も知られている。この従来のＧＭ冷凍機は、二段型のシリンダを備えており、大径の第一シリンダ部と、小径の第二シリンダ部と、第一シリンダ部の低温端側に固定された第一コールドヘッドと、第二シリンダ部の低温端側に固定された第二コールドヘッドと、を備えている。

特開２００１−１６７９２３号公報 特開平７−１７６４２３号公報 特開２０１４−６００１号公報

上記従来の冷凍機冷却型超電導磁石装置のように、被冷却物である超電導コイル（超電導磁石）は、一般に、熱容量が大きい。このため、超電導コイル（超電導磁石）を速やかに冷却するためには、第一冷却ステージ（第一コールドヘッド）の冷却能力を増加させて熱シールド板（輻射シールド）の温度を下げ、超電導コイル（超電導磁石）への熱進入量を低減する必要がある。

ここで、上記従来のＧＭ冷凍機等の蓄冷型冷凍機に要求される極低温温度、吸熱量（冷却能力）を達成する場合は、作動ガス（主としてヘリウムガス）の圧力、駆動周波数の他に、膨張空間容積と蓄冷材容積、材質等を適切に選択する必要がある。このため、例えば、上記従来の冷凍機冷却型超電導磁石装置に対して上記従来のＧＭ冷凍機を用いて超電導コイル（超電導磁石）を冷却する場合を想定すると、第一冷却ステージ（第一コールドヘッド）側の膨張空間容積を大きくすることが有効である。

しかしながら、この場合には、第二冷却ステージ（第二コールドヘッド）側の膨張空間容積が相対的に小さくなり、その結果、超電導コイル（超電導磁石）の冷却中（特に、予冷却中）における第二冷却ステージ（第二コールドヘッド）の冷却能力が低下して、超電導コイル（超電導磁石）の冷却（予冷却）に要する時間が長くなる可能性がある。冷却に要する時間を短縮する場合、上記従来の低温冷却装置のように、液体ヘリウムや液体窒素を用いることが可能であるが、装置の複雑化が懸念される。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものである。即ち、本発明の目的は、簡素な構成により、冷却に要する時間を短縮することが可能な蓄冷型冷凍機を提供することにある。

上記の課題を解決するため、請求項１に係る蓄冷型冷凍機の発明は、大径の第一シリンダ部、及び、被冷却物に熱的に接触して第一シリンダ部よりも小径の第二シリンダ部を有する多段シリンダと、多段シリンダの内部を往復動可能に配置されて、作動ガスを膨張させて膨張仕事をさせるディスプレーサと、ディスプレーサを多段シリンダに対して相対的に移動させる駆動源と、を備えた蓄冷型冷凍機であって、第一シリンダ部の低温端側に固定されて第二シリンダ部よりも大径の第一コールドヘッドと、第二シリンダ部の被冷却物に熱的に接触する低温端側に固定されて第二シリンダ部よりも大径の第二コールドヘッドと、の間の温度差によって対流する作動流体が封入された対流室を備える。

これによれば、第一シリンダ部の低温端側に固定された第一コールドヘッドの冷却速度（単位時間当たりの温度低下割合）は、第二シリンダ部の低温端側、即ち、被冷却物に熱的に接触する第二コールドヘッドの冷却速度よりも速くなる。このため、被冷却物を冷却する場合、第一コールドヘッドは、第二コールドヘッドに比べて、早く冷却されて安定温度に達することができる。このように、第一コールドヘッドが第二コールドヘッドよりも早く冷却される状況において、対流室の内部に封入された作動流体のうち、第一コールドヘッドの近傍に存在する作動流体は、第二コールドヘッドの近傍に存在する作動流体よりも低温になる。

これにより、対流室に封入された作動流体は、第一コールドヘッドと第二コールドヘッドとの間の温度差によって対流室の内部にて対流を生じ、第一コールドヘッド側と第二コールドヘッド側との間で熱交換を促進し、第二コールドヘッドの冷却速度を速めることができる。従って、作動流体を封入する対流室を設けた簡素な構成によって、蓄冷型冷凍機の冷却に要する時間を大幅に短縮することができる。

本発明の実施形態に係る蓄冷型冷凍機の概要を示す概略図である。 図１の蓄冷型冷凍機の構成を示す断面図である。 図２の駆動源の構成を示す一部断面図である。 図２の蓄冷型冷凍機における作動流体の対流を説明するための図である。 図２の蓄冷型冷凍機における作動流体の対流の停止を説明するための図である。 図２の蓄冷型冷凍機を用いた場合と比較用の蓄冷型冷凍機を用いた場合との冷却時における温度推移を説明するための図である。 本発明の実施形態の変形例に係る蓄冷型冷凍機の構成を示す図である。 本発明の実施形態のその他の変形例に係る蓄冷型冷凍機の構成を示す図である。

以下、本発明の実施形態に係る蓄冷型冷凍機について図面を参照しながら説明する。尚、以下の実施形態及び変形例の相互において、互いに同一又は均等である部分には、同一の符号を付してある。又、説明に用いる各図は、概念図であり、各部の形状は必ずしも厳密なものではない場合がある。

本実施形態において、蓄冷型冷凍機１０は、図１に示すように、超電導磁石装置１に用いられる。超電導磁石装置１は、図示を省略する支持部材に固定された真空容器２と、真空容器２の内部に収容された輻射シールド３と、輻射シールド３の内部に収容された被冷却物である超電導磁石４と、超電導磁石４に熱的に接触する伝熱部材５と、から構成される。尚、以下の説明においては、超電導磁石装置１の構成及び作動についての詳細な説明を省略する。

真空容器２は、金属材料（例えば、ステンレス材）から形成されて内部が所定の真空度となるように真空に維持されており、収容している輻射シールド３、超電導磁石４及び伝熱部材５を真空により断熱するようになっている。輻射シールド３は、金属材料（例えば、アルミ材）から形成されて真空容器２と超電導磁石４との間に配置されており、真空容器２の外部即ち常温からの輻射による熱進入を防止する。超電導磁石４は、例えば、銅酸化物系の超電導線材を円環状に巻回して形成されており、冷却されることにより超電導状態で磁力を発生するものである。伝熱部材５は、高熱伝導性を有する金属材料（例えば、銅）から板状且つ円環状に形成されており、鉛直方向にて超電導磁石４の上面に配置されている。これにより、伝熱部材５は、冷却に際して、超電導磁石４の熱を蓄冷型冷凍機１０に効率よく伝熱することができる。尚、超電導線材は、銅酸化物系に限らず、例えば、金属系超電導線材（二ホウ化マグネシウム等）であっても良い。

本実施形態の蓄冷型冷凍機１０は、ギフォード・マクマホン冷凍機（ＧＭ冷凍機）であり、図１に示すように、鉛直方向に沿った軸線Ｊを有する略軸状に形成されている。蓄冷型冷凍機１０は、真空容器２に対して、図示を省略する真空フランジを介して、気密的に組み付けられている。蓄冷型冷凍機１０は、図２に示すように、多段シリンダ１１と、ディスプレーサ１２と、外筒１３と、を備えている。又、蓄冷型冷凍機１０は、図２及び図３に示すように、ディスプレーサ１２を往復動させる駆動源２０が接続されており、駆動源２０は、クランクケース２１と、連結ロッド２２と、カムシャフト２３と、駆動軸２４と、駆動装置２５と、圧力切替弁機構２６と、圧縮機２７と、を備えている。

多段シリンダ１１は、金属材料（例えば、ステンレス材）から形成されており、有底筒状で内径が大径の第一シリンダ部１１ａと、有底筒状で第一シリンダ部１１ａよりも内径が小径の第二シリンダ部１１ｂと、第一シリンダ部１１ａの低温端側に固定された第一コールドヘッド１１ｃと、第二シリンダ部１１ｂの低温端側に固定された第二コールドヘッド１１ｄと、を備えている。第一コールドヘッド１１ｃ及び第二コールドヘッド１１ｄは、高熱伝導性を有する金属材料（例えば、銅）から板状且つ円盤状に形成されている。第二コールドヘッド１１ｄは、第一コールドヘッド１１ｃに対して鉛直方向にて下側に配置され、伝熱部材５を介して超電導磁石４に熱的に接触している。

第一シリンダ部１１ａは、高温側にフランジ部１１ａ１が設けられている。第一シリンダ部１１ａのフランジ部１１ａ１と、後述するクランクケース２１のフランジ部２１ａとが複数のボルト（図２を参照）により気密的に固定されている。

ディスプレーサ１２は、樹脂材料から形成されており、大径の第一ピストン部１２１と、第一ピストン部１２１に一体に連結された小径の第二ピストン部１２２と、を有している。第一ピストン部１２１は、第一シリンダ部１１ａの内部に往復動可能に収容されている。第二ピストン部１２２は、第二シリンダ部１１ｂの内部に往復動可能に収容されている。

第一ピストン部１２１は、有底筒状のピストン本体１２１ａと、ピストン本体１２１ａの開口を覆うようにピストン本体１２１ａに固定されるキャップ１２１ｂと、を有している。第一ピストン部１２１の内部には、ピストン本体１２１ａとキャップ１２１ｂとにより第一内部空間Ａが形成されている。第一内部空間Ａには、第一蓄冷器１２１ｃが収容されている。第一蓄冷器１２１ｃは、第一内部空間Ａにおいて、複数の金網等の蓄冷材等によって構成されている。

ピストン本体１２１ａは、高温側に壁部１２１ａ１を有し、壁部１２１ａ１には第一内部空間Ａと外部（第一シリンダ部１１ａの高温端側の内部空間Ｂ０）とを連通させる貫通孔１２１ａ２が形成されている。ピストン本体１２１ａの低温側の外周部には、第一内部空間Ａと外部（第一シリンダ部１１ａの低温端側の内部空間Ｂ１）に連通する貫通孔１２１ａ３が形成されている。キャップ１２１ｂは、第二ピストン部１２２と気密的に連結した状態で、ピストン本体１２１ａの第一内部空間Ａと後述する第二ピストン部１２２の第二内部空間Ｃとを連通させる貫通孔１２１ｂ１が形成されている。

内部空間ＢＯは、第一シリンダ部１１ａの内部において、ピストン本体１２１ａの壁部１２１ａ１と第一シリンダ部１１ａの高温端壁１１ａ２との間に形成される空間であり、背面室Ｂ０と称する。内部空間Ｂ１は、第一シリンダ部１１ａの内部において、キャップ１２１ｂと第一シリンダ部１１ａの低温端壁１１ａ３及び第一コールドヘッド１１ｃとの間に形成される空間であり、第一膨張室Ｂ１と称呼する。

第二ピストン部１２２は、筒状のピストン本体１２２ａと、ピストン本体１２２ａの低温側の開口を覆うようにピストン本体１２２ａに固定されるキャップ１２２ｂと、を有している。第二ピストン部１２２の内部には、ピストン本体１２２ａ、キャップ１２２ｂ及び第一ピストン部１２１のキャップ１２１ｂにより、第二内部空間Ｃが形成されている。第二内部空間Ｃには、第二蓄冷器１２２ｃが収容されている。第二蓄冷器１２２ｃは、第二内部空間Ｃにおいて、微小な球状の蓄冷材や網状の蓄冷材等によって構成されている。

ピストン本体１２２ａの低温側の外周部には、第二内部空間Ｃと外部（第二シリンダ部１１ｂの低温端側の内部空間Ｂ２）とを連通させる貫通孔１２２ａ１が形成されている。内部空間Ｂ２は、第二シリンダ部１１ｂの内部において、キャップ１２２ｂと第二シリンダ部１１ｂの低温端壁１１ｂ１及び第二コールドヘッド１１ｄとの間に形成される空間であり、第二膨張室Ｂ２と称する。

外筒１３は、金属材料（例えば、ステンレス材）から形成されており、多段シリンダ１１の第二シリンダ部１１ｂの外径よりも大径となる内径を有している。外筒１３は、図２に示すように、多段シリンダ１１の第一コールドヘッド１１ｃと第二コールドヘッド１１ｄとを気密的に連結するように設けられており、少なくとも、第二シリンダ部１１ｂ、第一コールドヘッド１１ｃ及び第二コールドヘッド１１ｄとともに対流室Ｄを構成している。対流室Ｄには、外筒１３に設けられた封入管（図示省略）を介して作動流体Ｒが封入される。

作動流体Ｒは、具体例として、不活性ガスであるネオン（Ｎｅ）及びアルゴン（Ａｒ）、並びに、窒素（Ｎ_２）及び酸素（Ｏ_２）のうちの少なくとも一つが選択される。尚、これら各物質の混合物を作動流体Ｒとすることも可能である。

これらの作動流体Ｒは、それぞれ、蒸発及び凝縮に関連する物理特性が異なる。これにより、作動流体Ｒが対流室Ｄの内部にて対流を生じ、凝縮して液化した作動流体Ｒが蒸発によって気化する際に放出（放熱）する放熱量の大きさ、及び、気化した作動流体Ｒが凝縮によって液化する際に吸収（吸熱）する吸熱量の大きさは、対流室Ｄの内部に封入される作動流体Ｒによって異なる。従って、被冷却物である超電導磁石４を作動前に予め冷却する温度である予冷却温度及び超電導磁石４を作動させる温度である作動温度に応じて、対流室Ｄの内部に封入される作動流体Ｒを適宜選択することにより、第一コールドヘッド１１ｃと第二コールドヘッド１１ｄとの間で行われる熱交換、即ち、熱輸送特性を調整することができる。

クランクケース２１は、第一シリンダ部１１ａの高温端部であるフランジ部１１ａ１及び高温端壁１１ａ２に固定された金属製容器であって、内部に主に連結ロッド２２及びカムシャフト２３を収容している。クランクケース２１には、内部と背面室Ｂ０とを連通させる貫通孔２１ａ１が形成されている。貫通孔２１ａ１は、軸線Ｊに沿ったディスプレーサ１２の延伸方向（長手方向）、即ち、多段シリンダ１１の低温側から高温側（又は高温側から低温側）に向かう方向に延びている。

クランクケース２１は、ディスプレーサ１２の延伸方向に直交する方向（後述する駆動軸２４の軸方向）に対面する一方の側壁位置に開口部２１ｂを有するとともに、開口部２１ｂに対向する側壁２１ｃに支持部２１ｄを有している。開口部２１ｂには、駆動装置２５が嵌合されて固定されている。支持部２１ｄは、側壁２１ｃに設けられた窪みである。尚、後述するが、クランクケース２１又は駆動装置２５には、図３に示すように、高圧ポート３１と、低圧ポート３２と、背面室Ｂ０に繋がる流路３３，３４と、が形成されている。

連結ロッド２２は、金属製のロッドヨークであって、貫通孔２１ａ１を通って第一ピストン部１２１と後述するカムシャフト２３の偏心部２３ｂとを連結している。連結ロッド２２は、図２に示すように、棒状の第一本体２２ａと、棒状の第二本体２２ｂと、環状の環状部２２ｃと、を備えている。第一本体２２ａの一端は、第一ピストン部１２１に固定され、第一本体２２ａの他端は、環状部２２ｃと一体になっている。第二本体２２ｂの一端は、環状部２２ｃと一体になっており、第二本体２２ｂの他端は、クランクケース２１の支持部２１ｄに設けられた凹部２１ｅの内部に往復動可能に収容されている。環状部２２ｃは、第一本体２２ａと第二本体２２ｂとの間で且つクランクケース２１の内部に位置している。環状部２２ｃは、クランクケース２１の開口部２１ｂから支持部２１ｄに向かって貫通する四角枠状に形成されている。

カムシャフト２３は、鉄製の冷凍機カムであって、接続部２３ａと、偏心部２３ｂと、延長部２３ｃと、を備えている。接続部２３ａは、棒状の部材であって、一旦に駆動軸２４が同軸的に嵌合する凹部２３ａ１を有し、他端の回転中心から偏心した位置に偏心部２３ｂに向かう方向に延びている。本実施形態では、接続部２３ａの一端は、クランクケース２１の内部空間に位置している。

偏心部２３ｂは、一端が接続部２３ａ（凹部２３ａ１）に一体に固定され、接続部２３ａ及び駆動軸２４の軸線に対して連結ロッド２２の軸線Ｊの方向に沿って偏心（図２において上下方向に偏心）するようになっている。偏心部２３ｂは、連結ロッド２２の環状部２２ｃの内側に挿通して係合しており、駆動軸２４及び接続部２３ａの回転に伴って偏心して回転することにより連結ロッド２２を軸線Ｊに沿った方向に移動させるようになっている。

延長部２３ｃは、棒状の部材であって、偏心部２３ｂの他端からクランクケース２１の支持部２１ｄまで、駆動軸２４及び接続部２３ａと同軸的に延びている。延長部２３ｃは、一端が偏心部２３ｂの他端に固定され、他端が支持部２１ｄに挿入されたベアリング２１ｆを介して回転可能に支持されている。

駆動軸２４は、鉄製のモータシャフトであって、モータである駆動装置２５の駆動力をカムシャフト２３に伝達するものである。駆動軸２４は、カムシャフト２３の接続部２３ａの凹部２３ａ１に挿入されて嵌合固定される。駆動軸２４は、接続部２３ａ及び延長部２３ｃと同軸上に配置されている。

駆動装置２５は、モータであり、このモータのハウジング２５ａがクランクケース２１の開口部２１ｂに嵌合されて固定されている。これにより、ハウジング２５ａは、クランクケース２１の側壁を構成する。駆動装置２５は、ハウジング２５ａに対向するハウジング２５ｂを有し、ロータ２５ｃが一体に固定された駆動軸２４の両端が、ハウジング２５ａに設けられたベアリング２５ｄ及びハウジング２５ｂに設けられたベアリング２５ｅによって回転可能に支持されている。

駆動装置２５が駆動軸２４を回転させると、駆動軸２４の回転に連動してカムシャフト２３が回転する。これにより、カムシャフト２３の偏心部２３ｂの回転に連動して連結ロッド２２が往復動（図２において上下動）し、連結ロッド２２の往復動に連動してディスプレーサ１２が多段シリンダ１１の内部で往復動する。

圧力切替弁機構２６は、公知の構造を有しており、多段シリンダ１１と圧縮機２７との間に配置されていて、偏心部２３ｂの回転に応じて開閉するバルブ機構である。圧力切替弁機構２６は、図３に示すように、高圧側切替弁２６ａと、低圧側切替弁２６ｂと、を備えている。高圧側切替弁２６ａ及び低圧側切替弁２６ｂは、それぞれ、カム２６ａ１及びカム２６ｂ１を有している。カム２６ａ１及びカム２６ｂ１は、カムシャフト２３、より詳しくは、偏心部２３ｂの回転に伴って押圧されることにより、開閉される。一サイクルにおいて、高圧側切替弁２６ａが開状態では低圧側切替弁２６ｂが閉状態となり、高圧側切替弁２６ａが閉状態では低圧側切替弁２６ｂが開状態となる。

高圧側切替弁２６ａは、高圧ポート３１と流路３３を接続し、カム２６ａ１の押圧状態に応じて両者間の弁を開閉する。高圧ポート３１は、作動ガス（例えば、ヘリウムガス）を圧縮する圧縮機２７の吐出口２７ａと高圧側切替弁２６ａとを接続するための流路である。高圧側切替弁２６ａが開状態になると、高圧の作動ガスが圧縮機２７から高圧ポート３１、高圧側切替弁２６ａ及び流路３３を介して背面室Ｂ０に供給される。

低圧側切替弁２６ｂは、クランクケース２１の内部空間と流路３４とを接続し、カム２６ｂ１の押圧状態に応じて両者間の弁を開閉する。クランクケース２１の内部空間は、ハウジング２５ａ内及び低圧ポート３２を介して圧縮機２７の吸入口２７ｂに連通している。ここで、低圧ポート３２は、圧縮機２７の吸入口２７ｂとクランクケース２１の内部空間とを接続するための流路である。低圧側切替弁２６ｂが開状態になると、低圧の作動ガスが、背面室Ｂ０から流路３４、低圧側切替弁２６ｂ、クランクケース２１の内部空間、及び、低圧ポート３２を介して圧縮機２７の吸入口２７ｂに導入される。尚、圧縮機２７は、作動ガスを圧縮する装置である。

蓄冷型冷凍機１０即ちＧＭ冷凍機の冷凍過程については公知であるため、以下に簡単に説明する。駆動装置２５が作動すると、駆動軸２４の回転がカムシャフト２３に伝達される。これにより、カムシャフト２３の偏心部２３ｂに連結された連結ロッド２２が往復動し、連結ロッド２２に連結されたディスプレーサ１２即ち第一ピストン部１２１及び第二ピストン部１２２が往復動する。又、カムシャフト２３の偏心部２３ｂによって圧力切替弁機構２６のカム２６ａ１及びカム２６ｂ１が押圧されることにより、背面室Ｂ０に圧縮機２７によって圧縮されて高圧とされた作動ガスが給気又は排気される。

ディスプレーサ１２が多段シリンダ１１即ち第一シリンダ部１１ａ及び第二シリンダ部１１ｂの内部において往復動すると、第一膨張室Ｂ１及び第二膨張室Ｂ２において、作動ガスがそれぞれ膨張仕事（ＰＶ仕事）を行う。これにより、第一膨張室Ｂ１及び第二膨張室Ｂ２において、作動ガスが冷却作用を発揮する。そして、作動ガスが第一膨張室Ｂ１及び第二膨張室Ｂ２において冷却作用を発揮することにより、第一膨張室Ｂ１及び第二膨張室Ｂ２の外周側に設けられた第一コールドヘッド１１ｃ及び第二コールドヘッド１１ｄが冷却される。

尚、この場合、ＰＶ仕事を行った作動ガスは、第一ピストン部１２１に設けられた貫通孔１２１ａ３を介して第一膨張室Ｂ１から第一内部空間Ａに進入し、第一内部空間Ａに収容された第一蓄冷器１２１ｃを冷却する。又、ＰＶ仕事によって冷却された作動ガスは、第二ピストン部１２２に設けられた貫通孔１２２ａ１を介して第二膨張室Ｂ２から第二内部空間Ｃに進入し、第二内部空間Ｃに収容された第二蓄冷器１２２ｃを冷却する。

ところで、図２に示すように、第一膨張室Ｂ１は大径の第一ピストン部１２１に対応して設けられ、第二膨張室Ｂ２は小径の第二ピストン部１２２に対応して設けられる。又、第二シリンダ部１１ｂに設けられる第二コールドヘッド１１ｄは、被冷却物である超電導磁石４に熱的に接触している。これらにより、作動ガスが第一膨張室Ｂ１及び第二膨張室Ｂ２のそれぞれにおいてＰＶ仕事を行った場合、第一膨張室Ｂ１は第二膨張室Ｂ２に比べて単位時間当たりの冷却の変化を表す冷却速度が大きくなる。即ち、第一膨張室Ｂ１は、第二膨張室Ｂ２に比べて、早く温度が低下する。その結果、第一コールドヘッド１１ｃは、第二コールドヘッド１１ｄに比べて、早く冷却される。

蓄冷型冷凍機１０においては、外筒１３、第二シリンダ部１１ｂ、第一コールドヘッド１１ｃ及び第二コールドヘッド１１ｄによって、対流室Ｄが画定される。そして、対流室Ｄには、作動流体Ｒとして、例えば、窒素（Ｎ_２）が封入されている。上述したように、第一コールドヘッド１１ｃが第二コールドヘッド１１ｄよりも早く冷却されると、第一コールドヘッド１１ｃが低温側になり第二コールドヘッド１１ｄが相対的に高温側になる。

この場合、図４に示すように、対流室Ｄに封入された窒素（Ｎ_２）は、高温側の第二コールドヘッド１１ｄに接触して蒸発することによって気化し、上昇気流により低温側の第一コールドヘッド１１ｃに向けて移動（上昇）する。上昇した窒素（Ｎ_２）は、低温側の第一コールドヘッド１１ｃに接触して冷却され凝縮することによって液化し、下降気流により高温側の第二コールドヘッド１１ｄに向けて移動（降下）する。そして、降下した窒素（Ｎ_２）は、高温側の第二コールドヘッド１１ｄに接触することにより、再び気化し、低温側の第一コールドヘッド１１ｃに向けて移動（上昇）する。

即ち、第一コールドヘッド１１ｃ及び第二コールドヘッド１１ｄに温度差が生じている場合には、対流室Ｄの内部において、作動流体Ｒである窒素（Ｎ_２）の対流が生じる。この対流において、液化した窒素（Ｎ_２）が高温側の第二コールドヘッド１１ｄに接触することにより蒸発によって潜熱を吸収して気化することにより、第二コールドヘッド１１ｄの熱を吸熱する。即ち、対流室Ｄの内部に対流が生じた状況においては、作動流体Ｒである窒素（Ｎ_２）の蒸発及び凝縮によって熱輸送が行われ、第一コールドヘッド１１ｃに比べて高温の第二コールドヘッド１１ｄが速やかに冷却される。

一方、第二コールドヘッド１１ｄが窒素（Ｎ_２）の蒸発によって冷却されると、液化した窒素（Ｎ_２）の蒸発が抑えられる。これにより、図５に示すように、液化した窒素（Ｎ_２）又は第二コールドヘッド１１ｄ温度低下に伴って一部が固化した窒素（Ｎ_２）が、第二コールドヘッド１１ｄの側に貯留される。そして、液化又は固化した窒素（Ｎ_２）が第二コールドヘッド１１ｄの側に貯留される状況においては、第一コールドヘッド１１ｃに向けて移動（上昇）する気化した窒素（Ｎ_２）が少なくなる。即ち、第一コールドヘッド１１ｃ及び第二コールドヘッド１１ｄの間の温度差が小さくなると、対流室Ｄにおける対流が徐々に生じなくなる。

このように、第二コールドヘッド１１ｄの冷却に伴って対流が生じなくなると、第一コールドヘッド１１ｃ及び第二コールドヘッド１１ｄの温度変化が小さくなって冷却温度が安定する。ここで、対流室Ｄにおける対流が徐々に生じなくなる状態では、作動流体Ｒである窒素（Ｎ_２）は、対流室Ｄにおいて液相、固相及び気相が存在するようになる。

従って、外筒１３を設けることによって画定された対流室Ｄを有する蓄冷型冷凍機１０においては、超電導磁石装置１の超電導磁石４を短時間で冷却し、超電導磁石４の立ち上げ時間を短縮することができる。以下、蓄冷型冷凍機１０に外筒１３を用いた対流室Ｄを設け、超電導磁石４を常温から冷却する過程での第一コールドヘッド１１ｃ及び第二コールドヘッド１１ｄの温度推移について、図６を用いて説明する。尚、以下の説明において、外筒１３の有無、即ち、対流室Ｄの有無を比較するために、外筒１３を省略した（対流室Ｄを有していない）蓄冷型冷凍機を比較品として採用する。

図６において、ａ線（長破線）は比較品における第一コールドヘッドの温度推移を示し、ｂ線（細破線）は比較品における第二コールドヘッドの温度推移を示す。又、図６において、ｃ線（細実線）は作動流体Ｒとして窒素（Ｎ_２）を蓄冷型冷凍機１０の対流室Ｄの内部に封入した場合の第一コールドヘッド１１ｃの温度推移を示し、ｄ線（太実線）は作動流体Ｒとして窒素（Ｎ_２）を対流室Ｄの内部に封入した場合の第二コールドヘッド１１ｄの温度推移を示す。

一般に、超電導磁石４の熱容量は、輻射シールド３の熱容量に比べて極めて大きい。このため、図６のａ線及びｂ線により示すように、対流室Ｄを有していない比較品の場合、超電導磁石４の予冷却において、蓄冷型冷凍機１０の第一コールドヘッドの温度が安定してから、超電導磁石４に熱的に接触する第二コールドヘッドの温度が安定するまでに長時間を要する。即ち、比較品においては、図６にて時間ｔ１として示すように、超電導磁石４の冷却に要する時間、具体的には、超電導磁石４の予冷却に要する時間が長くなる。

これに対して、蓄冷型冷凍機１０は、作動流体Ｒである窒素（Ｎ_２）が対流可能な対流室Ｄを備えている。これにより、上述したように、超電導磁石４から伝熱部材５を介して伝わった熱によって第二コールドヘッド１１ｄの温度が窒素（Ｎ_２）の沸点及び三重点よりも高い場合には、窒素（Ｎ_２）が第二コールドヘッド１１ｄの潜熱を吸収して気化して対流室Ｄの内部を第一コールドヘッド１１ｃに向けて上昇し、窒素（Ｎ_２）が第二コールドヘッド１１ｄよりも低温の第一コールドヘッド１１ｃに接触することにより潜熱を放出して液化する。そして、液化した窒素（Ｎ_２）は対流室Ｄの内部を第二コールドヘッド１１ｄに向けて下降し、再び、第二コールドヘッド１１ｄの潜熱を吸収して第一コールドヘッド１１ｃに向けて上昇する。即ち、作動流体Ｒである窒素（Ｎ_２）が対流室Ｄの内部で対流を生じることにより、第二コールドヘッド１１ｄの潜熱が第一コールドヘッド１１ｃに向けて熱輸送される。

従って、図６のｃ線及びｄ線により示すように、蓄冷型冷凍機１０が対流室Ｄを有する場合には、窒素（Ｎ_２）の対流が生じることにより、第二コールドヘッド１１ｄが第一コールドヘッド１１ｃによって冷却されるため、第二コールドヘッド１１ｄに伝熱部材５を介して熱的に接続された超電導磁石４が速やかに予冷却される。従って、図６にて時間ｔ２として示すように、対流室Ｄを有する場合は、対流室Ｄを有していない比較品に比べて、温度が安定するまでの時間、換言すれば、超電導磁石４を予冷却する時間が大幅に短縮される。

ここで、第二コールドヘッド１１ｄの温度が安定した後は、対流室Ｄの内部にて作動流体Ｒである窒素（Ｎ_２）の対流が停止する。従って、図６にてｄ線により示すように、第二コールドヘッド１１ｄの温度が所定の冷却温度まで低下した後は、第二コールドヘッド１１ｄの温度が安定して推移する。

以上の説明からも理解できるように、上記実施形態の蓄冷型冷凍機１０は、大径の第一シリンダ部１１ａ、及び被冷却物である超電導磁石４に熱的に接触して第一シリンダ部よりも小径の第二シリンダ部１１ｂを有する多段シリンダ１１と、多段シリンダ１１の内部を往復動可能に配置されて、作動ガス（ヘリウムガス）を膨張させて膨張仕事（ＰＶ仕事）をさせるディスプレーサと１２と、ディスプレーサ１２を多段シリンダ１１に対して相対的に移動させる駆動源２０と、を備えた蓄冷型冷凍機であって、第一シリンダ部１１ａの低温端側に固定されて第二シリンダ部１１ｂよりも大径の第一コールドヘッド１１ｃと、第二シリンダ部１１ｂの超電導磁石４に熱的に接触する低温端側に固定されて第二シリンダ部１１ｂよりも大径の第二コールドヘッド１１ｄと、の間の温度差によって対流する作動流体Ｒが封入された対流室Ｄを備える。この場合、対流室Ｄは、少なくとも、第二シリンダ部１１ｂと、第一コールドヘッド１１ｃと、第二コールドヘッド１１ｄと、第二シリンダ部１１ｂよりも大径で第一コールドヘッド１１ｃ及び第二コールドヘッド１１ｄに気密的に接続される外筒１３と、によって構成される。

又、この場合、ディスプレーサ１２は、第一シリンダ部１１ａの内部を往復動可能に配置された大径の第一ピストン部１２１及び第二シリンダ部１１ｂの内部を往復動可能に配置された小径の第二ピストン部１２２を有して作動ガスを膨張させて膨張仕事をさせるとともに、第一ピストン部１２１の内部に設けられた第一内部空間Ａに収容されて作動ガスの膨張仕事によって冷却される蓄冷材を含んでなる第一蓄冷器１２１ｃ及び第二ピストン部１２２の内部に設けられた第二内部空間Ｃに収容されて作動ガスの膨張仕事によって冷却される蓄冷材を含んでなる第二蓄冷器１２２ｃを有し、駆動源２０は、多段シリンダ１１の第一シリンダ部１１ａの側に固定されたクランクケース２１と、クランクケース２１に収容されるとともに、回転中心から偏心した偏心部２３ｂを有するカムシャフト２３と、ディスプレーサ１２と偏心部２３ｂとを連結させる連結ロッド２２と、ディスプレーサ１２を多段シリンダ１１に対して相対的に移動させる駆動力を発生する駆動装置２５（モータ）と、カムシャフト２３と連結し駆動装置２５の駆動力をカムシャフト２３に伝達する駆動軸２４と、作動ガスを圧縮する圧縮機２７と、多段シリンダ１１と圧縮機２７との間に配置された圧力切替弁機構２６と、を備える。

これらによれば、駆動源２０の駆動力によってディスプレーサ１２が多段シリンダ１１に対して相対的に移動し、作動ガスが膨張仕事をして第一シリンダ部１１ａ及び第二シリンダ部１１ｂの低温端を冷却することができる。これにより、第一シリンダ部１１ａの低温端部に固定された第一コールドヘッド１１ｃ及び第二シリンダ部１１ｂの低温端部に固定された第二コールドヘッド１１ｄが冷却され、第二コールドヘッド１１ｄに熱的に接触した超電導磁石４を冷却することができる。

対流室Ｄに封入された作動流体Ｒは、第一コールドヘッド１１ｃと第二コールドヘッド１１ｄとの間の温度差によって対流室Ｄの内部にて対流を生じ、第一コールドヘッド１１ｃ側と第二コールドヘッド１１ｄ側との間で熱交換を促進し、第二コールドヘッド１１ｄの冷却速度を速めることができる。従って、外筒１３を用いた簡素な構成によって作動流体Ｒを封入する対流室Ｄを形成することにより、蓄冷型冷凍機１０の冷却に要する時間、具体的には、予冷却する時間を大幅に短縮することができる。

又、対流室Ｄの内部における作動流体Ｒの対流によって第二コールドヘッド１１ｄが冷却されて、第一コールドヘッド１１ｃと第二コールドヘッド１１ｄとの間の温度差が小さくなると、対流室Ｄの内部における作動流体Ｒの対流が抑制される。具体的に、第二コールドヘッド１１ｄの温度が低下することにより、作動流体Ｒの一部が液化又は固化することにより気化している作動流体Ｒが相対的に少なくなり、その結果、作動流体Ｒの対流が抑制される。これにより、第一コールドヘッド１１ｃ側と第二コールドヘッド１１ｄ側との間における作動流体Ｒによる熱交換は抑制されるため、第二コールドヘッド１１ｄの温度を定常温度で安定的に維持することができる。

この場合、作動流体Ｒは、例えば、不活性ガスであるネオン（Ｎｅ）及びアルゴン（Ａｒ）、並びに、窒素（Ｎ_２）及び酸素（Ｏ_２）のうちの少なくとも一つである。

これによれば、被冷却物である超電導磁石４の作動に必要な冷却温度に応じて作動流体Ｒを適宜選択することができ、対流室Ｄの内部を対流する作動流体Ｒの熱輸送効率（冷却効率）を適宜調整することができる。

又、これらの場合、第二コールドヘッド１１ｄは、第一コールドヘッド１１ｃに対して、鉛直方向にて下側に配置される。

これによれば、第一コールドヘッド１１ｃの近傍に存在する作動流体Ｒが冷却されて凝縮して液化した場合、凝縮（液化）した作動流体Ｒは自重により速やかに第二コールドヘッド１１ｄに向けて降下することができる。これにより、対流室Ｄの内部に気化した作動流体Ｒの上昇気流と凝縮（液化）した作動流体Ｒの下降気流とを確実に生じさせることができて、対流室Ｄの内部に対流を効率よく生じさせることができる。従って、第二コールドヘッド１１ｄの冷却速度が大きくなり、超電導磁石４を速やかに且つ効率よく冷却することができるため、超電導磁石４を、例えば、液体ヘリウム等を用いて別途冷却する必要がなく、蓄冷型冷凍機１０の構造を簡素化することができる。

（変形例）
上記実施形態の蓄冷型冷凍機１０においては、対流室Ｄを形成する外筒１３が軸線に沿った方向における径が一定となるようにした。これに代えて、蓄冷型冷凍機１０が、図７に示すように、軸線に沿った方向において外径及び内径が周期的に変化する波形状（又は、螺旋状に変化するコルゲート形状）を有する外筒４０を有することも可能である。このように、外筒４０を、周期的に外径及び内径が変化する波形状（又は、螺旋状に外径及び内径が変化するコルゲート形状）に形成することにより、対流室Ｄの内部において作動流体Ｒの増大した圧力に対する剛性が増すため、外筒４０の板厚（肉厚）を、例えば、外筒１３の板厚（肉厚）に対して薄くすることができる。

本発明の実施に当たっては、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を逸脱しない限りにおいて種々の変形が可能である。

例えば、上記実施形態及び上記変形例においては、蓄冷型冷凍機１０が多段シリンダ１１及びディスプレーサ１２を有するギフォード・マクマホン（ＧＭ）冷凍機であるとした。これに代えて、多段シリンダを有するとともに他の駆動源を有する機械式冷凍機を備えた蓄冷型冷凍機、例えば、スターリング冷凍機や図８に示すパルス管冷凍機等を用いることが可能である。この場合においても、スターリング冷凍機やパルス管冷凍機が外筒１３又は外筒４０を用いて形成される対流室Ｄを有し、対流室Ｄの内部において作動流体Ｒが対流することにより、上記実施形態及び上記変形例と同等の効果が得られる。

又、上記実施形態及び上記変形例においては、軸線Ｊに直交する平面における断面円形の外筒１３及び外筒４０が第一コールドヘッド１１ｃと第二コールドヘッド１１ｄとを気密的に接続し、対流室Ｄを形成するようにした。これに代えて、外筒１３及び外筒４０の断面形状を、扁平（楕円状）に形成したり、多角形に形成したりすることも可能である。このように、外筒１３及び外筒４０の断面形状を変更した場合であっても、対流室Ｄの内部において作動流体Ｒを対流させて第一コールドヘッド１１ｃと第二コールドヘッド１１ｄとの間の熱交換を促進することができるため、上記実施形態及び上記変形例と同等の効果が期待できる。

１…超電導磁石装置、２…真空容器、３…輻射シールド、４…超電導磁石、５…伝熱部材、１０…蓄冷型冷凍機、１１…多段シリンダ、１１ａ…第一シリンダ部、１１ａ１…フランジ部、１１ａ２…高温端壁、１１ａ３…低温端壁、１１ｂ…第二シリンダ部、１１ｂ１…低温端壁、１１ｃ…第一コールドヘッド、１１ｄ…第二コールドヘッド、１２…ディスプレーサ、１２１…第一ピストン部、１２１ａ…ピストン本体、１２１ａ１…壁部、１２１ａ２…貫通孔、１２１ａ３…貫通孔、１２１ｂ…キャップ、１２１ｂ１…貫通孔、１２１ｃ…第一蓄冷器、１２２…第二ピストン部、１２２ａ…ピストン本体、１２２ａ１…貫通孔、１２２ｂ…キャップ、１２２ｃ…第二蓄冷器、１３…外筒、２０…駆動源、２１…クランクケース、２１ａ…フランジ部、２１ａ１…貫通孔、２１ｂ…開口部、２１ｃ…側壁、２１ｄ…支持部、２１ｅ…凹部、２１ｆ…ベアリング、２２…連結ロッド、２２ａ…第一本体、２２ｂ…第二本体、２２ｃ…環状部、２３…カムシャフト、２３ａ…接続部、２３ａ１…凹部、２３ｂ…偏心部、２３ｃ…延長部、２４…駆動軸、２５…駆動装置、２５ａ…ハウジング、２５ｂ…ハウジング、２５ｃ…ロータ、２５ｄ…ベアリング、２５ｅ…ベアリング、２６…圧力切替弁機構、２６ａ…高圧側切替弁、２６ａ１…カム、２６ｂ…低圧側切替弁、２６ｂ１…カム、２７…圧縮機、２７ａ…吐出口、２７ｂ…吸入口、３１…高圧ポート、３２…低圧ポート、３３…流路、３４…流路、４０…外筒、Ｒ…作動流体、Ａ…第一内部空間、Ｂ０…内部空間、Ｂ０…背面室、Ｂ１…第一膨張室、Ｂ１…内部空間、Ｂ２…第二膨張室、Ｂ２…内部空間、ＢＯ…内部空間、Ｃ…第二内部空間、Ｄ…対流室、Ｊ…軸線、ｔ１…時間、ｔ２…時間

Claims (5)

1. 大径の第一シリンダ部、及び、被冷却物に熱的に接触して前記第一シリンダ部よりも小径の第二シリンダ部を有する多段シリンダと、
   前記多段シリンダの内部を往復動可能に配置されて、作動ガスを膨張させて膨張仕事をさせるディスプレーサと、
   前記ディスプレーサを前記多段シリンダに対して相対的に移動させる駆動源と、を備えた蓄冷型冷凍機であって、
   前記第一シリンダ部の低温端側に固定されて前記第二シリンダ部よりも大径の第一コールドヘッドと、前記第二シリンダ部の前記被冷却物に熱的に接触する低温端側に固定されて前記第二シリンダ部よりも大径の第二コールドヘッドと、の間の温度差によって対流する作動流体が封入された対流室を備えた、蓄冷型冷凍機。
2. 前記対流室は、少なくとも、
   前記第二シリンダ部と、前記第一コールドヘッドと、前記第二コールドヘッドと、前記第二シリンダ部よりも大径で前記第一コールドヘッド及び前記第二コールドヘッドに気密的に接続される外筒と、によって構成される、請求項１に記載の蓄冷型冷凍機。
3. 前記外筒は、
   外径及び内径が軸線に沿った方向において周期的に又は螺旋状に変化する波形状を有する、請求項２に記載の蓄冷型冷凍機。
4. 前記第二コールドヘッドは、
   前記第一コールドヘッドに対して、鉛直方向にて下側に配置される、請求項１に記載の蓄冷型冷凍機。
5. 前記ディスプレーサは、
   前記第一シリンダ部の内部を往復動可能に配置された大径の第一ピストン部及び前記第二シリンダ部の内部を往復動可能に配置された小径の第二ピストン部を有して作動ガスに前記膨張仕事をさせるとともに、前記第一ピストン部の内部に設けられた第一内部空間に収容されて前記作動ガスの前記膨張仕事によって冷却される蓄冷材を含んでなる第一蓄冷器及び前記第二ピストン部の内部に設けられた第二内部空間に収容されて前記作動ガスの前記膨張仕事によって冷却される前記蓄冷材を含んでなる第二蓄冷器を有し、
   前記駆動源は、
   前記多段シリンダの前記第一シリンダ部の側に固定されたクランクケースと、
   前記クランクケースに収容されるとともに、回転中心から偏心した偏心部を有するカムシャフトと、
   前記ディスプレーサと前記偏心部とを連結させる連結ロッドと、
   前記ディスプレーサを前記多段シリンダに対して相対的に移動させる駆動力を発生する駆動装置と、
   前記カムシャフトと連結し前記駆動装置の前記駆動力を前記カムシャフトに伝達する駆動軸と、
   前記作動ガスを圧縮する圧縮機と、
   前記多段シリンダと前記圧縮機との間に配置された圧力切替弁機構と、
   を備える、請求項１に記載の蓄冷型冷凍機。

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