JP3271370B2 - 極低温冷凍機 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、シリンダ内でのディス
プレーサ（置換器）の往復動により冷媒ガスを膨張させ
て寒冷を発生させる極低温冷凍機に関し、特に、冷媒ガ
スを膨張させる膨張空間の周辺部構造の改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、高圧の冷媒ガスをシリンダ内
で膨張させて寒冷を発生させる膨張機を有する極低温冷
凍機として、例えば特開昭５８−２１４７５８号公報に
開示されているように、冷媒ガスとしてのヘリウムガス
を圧縮する圧縮機と、その圧縮されたガスを膨張させる
膨張機とを高圧配管及び低圧配管によって閉回路に接続
してなり、上記膨張機における切換バルブにより上記高
圧及び低圧配管を膨張機のシリンダ内に交互に連通させ
るとともに、この切換バルブの切換動作に応じてシリン
ダ内でスラックピストンを往復動させ、このピストンに
よりディスプレーサを往復駆動してヘリウムガスを膨張
させることにより、寒冷を発生させるようにしたＧ−Ｍ
サイクル（ギフォード・マクマホンサイクル）のヘリウ
ム冷凍機が知られている。

【０００３】この種の冷凍機における膨張空間周辺部の
構成について説明すると、図３に示すように、一端が閉
塞されたシリンダ(a) 内にディスプレーサ(b) が往復動
自在に嵌装されており、このシリンダ(a) とディスプレ
ーサ(b) との間に膨張空間(c) が形成されている。ま
た、このシリンダ(a) は、膨張空間(c) 内の圧力に絶え
得るように耐圧容器となっている必要があると共に、冷
熱を発生する膨張空間(c) への高温側から該シリンダ長
手方向に沿った熱伝導（図３において矢印で示す熱伝
導）や外気温の影響を回避できるように、剛性が高く且
つ熱伝導率が比較的低い材料としてステンレスによって
形成されている。そして、シリンダ(a) の外周部には、
上記膨張空間(c) において発生した冷熱を効率良く被冷
却物(d) へ伝熱できるように、熱伝導率が高い銅製のヒ
ートステーション(e) が取付けられている。このような
構成により、上記膨張空間(c) において発生された冷熱
がシリンダ(a) を経てヒートステーション(e) に伝熱さ
れて被冷却物(d) を冷却するようになっている。更に、
シリンダ(a) からヒートステーション(e) への熱伝導が
効率良く行えるように、シリンダ(a) の外周面とヒート
ステーション(e) の内周面との間隙にはろう材(f) が流
し込まれている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
ように構成されている膨張空間周辺部にあっては、膨張
室(c) 内で発生された冷熱をそのままの温度状態でヒー
トステーション(e) を介して被冷却物(d) に伝熱するこ
とは難しく、膨張空間(c) の冷熱がヒートステーション
(e) に達するまでに例えば４Ｋ程度（定格出力時）の温
度上昇を伴ってしまい、冷却効率を向上させるには限界
があった。

【０００５】そこで、本発明者らは、このような膨張空
間(c) の冷熱がヒートステーション(e) に達するまでの
間での温度上昇の原因について考察した。そして、その
原因の１つとしては、シリンダ(a) の材質が比較的熱伝
導率が低い材料であることから膨張空間(c) 内の冷熱が
シリンダ(a) の厚さ方向へ流れる際に温度上昇を招いて
しまうことが掲げられる。また、他の原因としては、シ
リンダ(a) の外周面とヒートステーション(e) の内周面
との間隙は、その全体に亘って同一寸法であるため、こ
の部分に流し込まれるろう材(f) が十分にこの間隙内の
全体に充填されず、この間隙に部分的な空隙が存在して
伝熱効率を低下させていることが掲げられる。

【０００６】本発明は斯かる点に鑑みてなされたもの
で、膨張空間の冷熱がヒートステーションに達するまで
の間での温度上昇を抑制することにより冷凍機の冷凍能
力を向上させることを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的の達成のため、
請求項１記載の発明は、シリンダの材質が比較的熱伝導
率が低い材料であることに着目してなされたものであっ
て、その解決手段は、シリンダの膨張室に臨む部分のみ
を薄肉化し、この薄肉化に伴う剛性の低下をヒートステ
ーションによって補うようにした。すなわち、本発明の
極低温冷凍機は、図１及び図２に示すように、熱伝導率
の低い材料で形成されたシリンダ(5) と、該シリンダ
(5) 内に往復動可能に嵌装され、且つシリンダ(5) 内に
膨張空間(20),(21) を区画形成し、往復動することによ
って圧縮機から供給された冷媒ガスを上記膨張空間(2
0),(21) 内で膨張させて温度降下させ、該膨張空間(2
0),(21)内で冷熱を発生させるディスプレーサ(18)と、
上記シリンダ(5) の外側部に装着されて、上記膨張空間
(20),(21) 内で発生した冷熱を被冷却物(A) に与える熱
伝導率の高い材料で形成されたヒートステーション(31)
とを備えた極低温冷凍機を前提としている。そして、上
記シリンダ(5) における上記膨張空間(20),(21) に臨む
領域を、それ以外の領域よりも薄肉に形成する。一方、
上記ヒートステーション(31)を、上記シリンダ(5) の薄
肉に形成された領域の外側部に装着して、上記膨張空間
(20),(21) の内圧に対し、シリンダ(5) と共に十分な強
度が得られるように厚肉に形成するような構成としてい
る。

【０００８】また、請求項２記載の発明は、シリンダの
外周面とヒートステーションの内周面との間隙に流し込
まれているろう材が十分に上記間隙内に充填されておら
ず、この間隙に部分的な空隙が存在していることに着目
してなされたものであって、その解決手段は、シリンダ
外周面若しくはヒートステーション内周面の形状を改良
することによって、この間隙の全域に亘ってろう材を流
し込めるようにした。すなわち、本発明の極低温冷凍機
は、図１及び図２に示すように、シリンダ(5)と、該シ
リンダ(5) 内に往復動可能に嵌装され、且つシリンダ
(5) 内に膨張空間(20),(21) を区画形成し、往復動する
ことによって圧縮機から供給された冷媒ガスを上記膨張
空間(20),(21) 内で膨張させて温度降下させ、該膨張空
間(20),(21) 内で冷熱を発生させるディスプレーサ(18)
と、上記シリンダ(5) の外側部に配置され、該シリンダ
(5) との間にろう材(32)が流し込まれて該シリンダ(5)
に一体的に取付けられ、上記膨張空間(20),(21) 内で発
生した冷熱を被冷却物(A) に与えるヒートステーション
(31)とを備えた極低温冷凍機を前提としている。そし
て、上記ヒートステーション(31)の内側面とシリンダ
(5) の外側面との間に先細り状の空間を形成して該空間
に上記ろう材(32)を流し込むように、上記ヒートステー
ション(31)の内側面及びシリンダ(5) の外側面の少なく
とも片側を傾斜面で形成するような構成としている。

【０００９】そして、請求項３記載の発明は、上述した
請求項１記載の発明の構成と請求項２記載の発明の構成
とを兼ね備えたものであって、熱伝導率の低い材料で形
成されたシリンダ(5) と、該シリンダ(5) 内に往復動可
能に嵌装され、且つシリンダ(5) 内に膨張空間(20),(2
1) を区画形成し、往復動することによって圧縮機から
供給された冷媒ガスを上記膨張空間(20),(21) 内で膨張
させて温度降下させ、該膨張空間(20),(21) 内で冷熱を
発生させるディスプレーサ(18)と、上記シリンダ(5) の
外側部に配置され、該シリンダ(5) との間にろう材(32)
が流し込まれて該シリンダ(5) に一体的に取付けられ、
上記膨張空間(20),(21) 内で発生した冷熱を被冷却物
(A) に与えるヒートステーション(31)とを備えた極低温
冷凍機を前提としている。そして、上記シリンダ(5) に
おける上記膨張空間(20),(21) に臨む領域を、それ以外
の領域よりも薄肉に形成する。また、上記ヒートステー
ション(31)を、上記シリンダ(5) の薄肉に形成された領
域の外側部に装着して、上記膨張空間(20),(21) の内圧
に対し、シリンダ(5) と共に十分な強度が得られるよう
に厚肉に形成する。一方、上記ヒートステーション(31)
の内側面とシリンダ(5)の外側面との間に先細り状の空
間を形成して該空間に上記ろう材(32)を流し込むよう
に、上記ヒートステーション(31)の内側面及びシリンダ
(5) の外側面の少なくとも片側を傾斜面で形成するよう
な構成としている。

【００１０】

【作用】上記の構成により、本発明では、以下に述べる
ような作用が得られる。請求項１記載の発明では、ヒー
トステーション(31)がシリンダ(5) 内において往復動す
ることによって圧縮機から供給された冷媒ガスが膨張空
間(20),(21) 内で膨張されて温度降下し、該膨張空間(2
0),(21) 内で冷熱が発生される。そして、ここで発生さ
れた冷熱はシリンダ(5) を経てヒートステーション(31)
から被冷却物(A)に与えられ、該被冷却物(A) が冷却さ
れることになる。このような冷熱の発生動作において、
膨張空間(20),(21) 内の冷熱はシリンダ(5) の薄肉に形
成された領域を経てヒートステーション(31)に伝熱され
ることになるので、この冷熱がシリンダ(5) の厚さ方向
へ流れる際の温度上昇が低減されることになってヒート
ステーション(31)に膨張空間(20),(21) 内の冷熱と略同
程度の低温度の冷熱が与えられる。また、シリンダ(5)
の薄肉に形成された領域ではその剛性が低下している
が、ヒートステーション(31)が厚肉に形成されているこ
とにより、該ヒートステーション(31)がこのシリンダ
(5) 剛性の低下を補うことになる。

【００１１】請求項２記載の発明では、冷熱の発生動作
は上述した請求項１記載の発明に係る作用と同様であ
る。また、冷凍機作製時には、ヒートステーション(31)
の内側面とシリンダ(5) の外側面との間に形成された先
細り状の空間にろう材(32)を流し込むことによって行
い、この際、ろう材(32)は、このヒートステーション(3
1)とシリンダ(5) との間の空間の全体に亘って充填され
ることになる。このため、シリンダ(5) からヒートステ
ーション(31)への冷熱の伝熱に際し、このヒートステー
ション(31)とシリンダ(5) との間に部分的な空隙が存在
するようなことがないので高い伝熱効率でもって冷熱が
伝熱される。

【００１２】請求項３記載の発明では、上述した請求項
１記載の発明に係る作用としての冷熱がシリンダ(5) の
厚さ方向へ流れる際の温度上昇の低減と、上述した請求
項２記載の発明に係る作用としてのヒートステーション
(31)とシリンダ(5) との間の全体にろう材(32)を充填す
ることとにより、更に効果的に、ヒートステーション(3
1)に膨張空間(20),(21) 内の冷熱と略同程度の低温度の
冷熱が与えられる。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。図１は本発明をＧ−Ｍサイクルを持つヘリウム冷
凍機に適用した実施例を示し、(1) は図外の圧縮機で圧
縮された冷媒ガスとしてのヘリウムガスを膨張させる膨
張機であって、この膨張機(1) は圧縮機に対し高圧及び
低圧ガス配管（いずれも図示せず）によって接続されて
閉回路が形成されている。

【００１４】上記膨張機(1) は、上記高圧ガス配管が接
続される高圧ガス入口(2) 及び低圧ガス配管が接続され
る低圧ガス出口(3) を有するバルブハウジング(4) と、
該バルブハウジング(4) の下部に一体的に気密接合さ
れ、上側の大径部(5a)及び下側の小径部(5b)よりなる２
段構造のシリンダ(5) とを備え、上記バルブハウジング
(4) の内部には上記高圧ガス入口(2) に連通するモータ
室(6) と、該モータ室(6) に連通する上下方向の貫通孔
(7) と、上記低圧ガス出口(3) に補助オリフィス(8) を
介して連通するサージボリューム(9) とが形成されてい
る。

【００１５】また、上記バルブハウジング(4) とシリン
ダ(5) との接合部には該シリンダ(5) の上側閉塞端部を
構成するバルブステム(10)が嵌装され、該バルブステム
(10)は上記バルブハウジング(4) の貫通孔(7) に気密嵌
合されたバルブシート部(10a) と、シリンダ大径部(5a)
の内径よりも小径に形成され、該シリンダ大径部(5a)内
上部に垂下する垂下部(10b) とを備えてなり、バルブシ
ート部(10a) の上面と貫通孔(7) の壁面とで囲まれる空
間により、上記高圧ガス配管にモータ室(6) を介して連
通するバルブ室(11)が形成されている。また、上記バル
ブステム(10)には、上半部が２つの分岐流路(12a),(12
a) に分岐されかつ上記バルブ室(11)をシリンダ(5) 内
に連通する第１ガス流路(12)と、一端が該第１ガス流路
(12)に後述するロータリバルブ(24)の低圧ポート(27)を
介して連通するとともに、他端が上記低圧ガス出口(3)
にバルブハウジング(4) に形成した連通路(14)を介して
連通する第２ガス流路(13)とが貫通形成され、該両ガス
流路(12),(13) は、バルブステム(10)上面においてバル
ブ室(11)に対し、第２ガス流路(13)にあってはバルブス
テム(10)中心部に、第１ガス流路(12)の分岐流路(12a),
(12a) にあっては上記第２ガス流路(13)の開口部に対し
て対称な位置にそれぞれ開口されている。

【００１６】一方、シリンダ(5) における大径部(5a)内
の上端部には、該シリンダ大径部(5a)内上部に駆動空間
(15)を区画形成する略カップ形状のスラックピストン(1
6)がその上端内側面を上記バルブステム(10)の垂下部(1
0b) に気密状に摺接せしめた状態で往復動可能に嵌合さ
れ、上記駆動空間(15)は上記バルブハウジング(4) 内の
サージボリューム(9) にオリフィス(17)を介して常時連
通している。上記スラックピストン(16)は底壁(16a) を
有し、該底壁(16a) にはピストン(16)内外を連通する中
心孔(16b) 及び連通孔(16c) が貫通形成されている。

【００１７】また、上記シリンダ(5) 内にはディスプレ
ーサ(18)が往復動可能に嵌合されている。該ディスプレ
ーサ(18)は、シリンダ(5) の大径部(5a)の下半部内を摺
動する密閉円筒状の大径部(18a) と、該大径部(18a) 下
端に一体形成され、シリンダ(5) の小径部(5b)内を摺動
する密閉円筒状の小径部(18b) とからなり、このディス
プレーサ(18)により、上記スラックピストン(16)下方の
シリンダ(5) 内空間が上側から順に中間空間(19)、第１
段膨張空間(20)及び第２段膨張空間(21)に区画されてい
る。そして、図示しない連通孔により、上記ディスプレ
ーサ(18)の大径部(18a) 内の空間は上記第１段膨張空間
(20)に常時連通されている。

【００１８】さらに、上記ディスプレーサ(18)の大径部
(18a) 上端にはその大径部(18a) 内の空間を上記中間空
間(19)に連通する管状の係止片(22)が一体に突設され、
該係止片(22)は上記スラックピストン底壁(16a) の中心
孔(16b) を貫通してピストン(16)内部に所定寸法だけ延
び、その上端部にはピストン底壁(16a) に係合するフラ
ンジ状の係止部(22a) が一体に形成されており、スラッ
クピストン(16)の上昇移動時、ピストン(16)が所定スト
ロークだけ上昇した時点でその底壁(16a) と係止片(22)
の係止部(22a) との係合により、ディスプレーサ(18)を
ピストン(16)によって駆動して上昇開始させるように，
つまりディスプレーサ(18)を所定ストロークの遅れをも
ってピストン(16)に追従移動させるようになされてい
る。

【００１９】また、上記バルブハウジング(4) のバルブ
室(11)内にはモータ室(6) に配置したバルブモータ(23)
によって回転駆動される切換バルブとしてのロータリバ
ルブ(24)が配設され、該ロータリバルブ(24)の切換動作
により、高圧ガス配管つまり該高圧ガス配管に連通する
バルブ室(11)と、低圧ガス配管つまり該低圧ガス配管に
連通する連通路(14)とをシリンダ(5) 内の中間空間(1
9)、第１及び第２段膨張空間(20),(21) に対し交互に連
通するようになされている。

【００２０】すなわち、上記ロータリバルブ(24)はバル
ブモータ(23)の出力軸(23a) に回転不能にかつ摺動可能
に連結されている。また、バルブ(24)上面とモータ(23)
との間にはスプリング(25)が縮装されており、このスプ
リング(25)のばね力及びバルブ室(11)に導入された高圧
ヘリウムガスの圧力によりロータリバルブ(24)下面をバ
ルブステム(10)上面に対し一定の押圧力で押し付けるよ
うになされている。

【００２１】一方、上記ロータリバルブ(24)の下面に
は、その半径方向に対向する外周縁から中心方向に所定
長さだけ切り込んでなる１対の高圧ポート(26),(26)
と、該高圧ポート(26),(26) に対しロータリバルブ(24)
の回転方向に略９０°の角度間隔をあけて配置され、バ
ルブ(24)下面の中心から外周縁近傍に向かって直径方向
に切り欠いてなる低圧ポート(27)とが形成されている。
そして、バルブモータ(23)の駆動によりロータリバルブ
(24)がその下面をバルブステム(10)上面に圧接させなが
ら回転して切換動作する際、このロータリバルブ(24)の
切換動作に応じてスラックピストン(16)及びディスプレ
ーサ(18)をシリンダ(5) 内で往復動させ、バルブ(24)下
面の高圧ポート(26),(26) の内端がそれぞれバルブステ
ム(10)上面に開口する第１ガス流路(12)に合致したとき
には、バルブ室(11)を高圧ポート(26),(26) 及び第１ガ
ス流路(12)を介してシリンダ(5) 内の中間空間(19)、第
１及び第２段膨張空間(20),(21) に連通させて、これら
各空間(19)〜(21)に高圧ヘリウムガスを導入充填するこ
とにより、スラックピストン(16)及び該ピストン(16)に
よって駆動されるディスプレーサ(18)を上昇させる。一
方、バルブステム(10)上面に開口する第２ガス流路(13)
に央部にて常時連通する低圧ポート(27)の外端が上記第
１ガス流路(12)に合致したときには、上記シリンダ(5)
内の各空間(19)〜(21)を第１ガス流路(12)、低圧ポート
(27)、第２ガス流路(13)及び連通路(14)を介して低圧ガ
ス出口(3) に連通させて、各空間(19)〜(21)に充填され
ているヘリウムガスを低圧ガス配管に排出することによ
り、スラックピストン(16)及びディスプレーサ(18)を下
降させ、このディスプレーサ(18)の下降移動に伴う膨張
空間(20),(21) 内のヘリウムガスの膨張によって寒冷を
発生するように構成されている。

【００２２】さらに、上記ディスプレーサ(18)の大径部
(18a) 内の空間には蓄冷型の熱交換器からなる第１段蓄
冷器(28)が、小径部(18b) 内の空間には蓄冷型の熱交換
器からなる第２段蓄冷器(29)が嵌装されている。この各
蓄冷器(28),(29) は、大径部(18a) 及び小径部(18b) の
空間内に例えば銅等の金属製メッシュからなる円板状の
蓄冷材(30)を多数枚積層して充填したもので、これら蓄
冷材(30),(30),…のメッシュの網目がガス通路とされて
おり、このガス通路を流れるヘリウムガスの冷熱を各蓄
冷材(30)に蓄えるようにしている。

【００２３】そして、ディスプレーサ(18)がシリンダ
(5) 内を上昇する吸気行程にあるときには、前の排気行
程で極低温レベルに温度降下した各蓄冷器(28),(29) を
中間空間(19)から第１又は第２段膨張空間(20),(21) に
向かう常温のヘリウムガスと接触させて、両者の熱交換
によりそのガスを極低温レベル近くまで冷却する。一
方、ディスプレーサ(18)が下降する排気行程にあるとき
には、各膨張空間(20),(21) での膨張により極低温レベ
ルに温度降下したヘリウムガスをシリンダ(5) 外に排出
する途中で各蓄冷器(28),(29) と接触させて、両者の熱
交換によりその蓄冷器(28),(29) を極低温レベル近くま
で再度冷却するように構成されている。

【００２４】そして、本例の特徴とする構成としては、
上記シリンダ(5) における大径部(5a)及び小径部(5b)の
各下端部周辺構造にある。尚、この下端部周辺構造は大
径部(5a)及び小径部(5b)共に同様の構成であるため、こ
こでは小径部(5b)の下端部周辺構造について図２を用い
て説明する。尚、本膨張機(1) の製作時には図１に示す
状態とは上下が反転された状態で行われるので、上記図
１を用いた説明でいう下方が、以下で述べる図２を用い
た説明では上方となる。この図２に示す如く、上記シリ
ンダ(5) は、第２段膨張空間(21)内の圧力に絶え得るよ
うに耐圧容器となっている必要があると共に、冷熱を発
生する第２段膨張空間(21)への高温側から該シリンダ
(5) の手方向に沿った熱伝導（図２において矢印で示す
熱伝導）や外気温の影響を回避できるように、剛性が高
く且つ熱伝導率が比較的低い材料としてステンレスによ
って形成されている。そして、この図２に示す如く、こ
のシリンダ(5) の小径部(5b)の上端部においては、その
第２段膨張空間(21)に臨む領域の外周面が僅かに切除さ
れて、それ以外の領域に対して１／３程度の厚さ寸法に
設定されている。つまり、この第２段膨張空間(21)に対
向する部分が薄肉に形成されている。また、この薄肉に
形成されている部分の下端部は、応力集中が発生しない
ように湾曲面を経てシリンダ(5) の厚肉部分に連接され
ている。更に、このシリンダ(5) の小径部(5b)の上端部
の外周部には上記第２段膨張空間(21)において発生した
冷熱を効率良く被冷却物(A) への伝熱が行えるように、
熱伝導率が高い銅製のヒートステーション(31)が取付け
られている。このヒートステーション(31)は、上部が円
盤状の水平部(31a) で形成されていると共に、この水平
部(31a) の下側には該水平部(31a) の内周縁から下方に
延びる円筒状の垂直部(31b) が一体形成されている。そ
して、この垂直部(31b) は、比較的厚肉に形成されてい
ると共に、その内周面は、その上端部が上記シリンダ
(5) の外周面との間に比較的大きな間隔を存する一方、
その下端部が上記シリンダ(5) の外周面との間隙が小さ
くなるように、下方に向うに従って内径寸法が小さくな
るような傾斜面で形成されている。つまり、このシリン
ダ(5) とヒートステーション(31)との間に形成されてい
る空間は、下方に向うに従って次第に薄肉になる円筒状
空間となっている。また、上述したように、シリンダ
(5) は部分的に薄肉に形成されていることにより、その
部分では剛性が劣ることになるが、この薄肉に形成され
ている部分の外周囲には比較的厚肉のヒートステーショ
ン(31)が装着されているので、該ヒートステーション(3
1)によって上記シリンダ(5) の剛性の低下を補うように
なっており、第２段膨張空間(21)内の圧力に対しても十
分な剛性が得られるようになっている。そして、このシ
リンダ(5) とヒートステーション(31)との間に形成され
ている空間には、ろう材(32)が流し込まれており、シリ
ンダ(5) からヒートステーション(31)への熱伝導が効率
良く行えるようになっている。従って、この膨張機(1)
の製作時には、シリンダ(5) の薄肉に形成されている部
分の外周部にヒートステーション(31)を装着し、このシ
リンダ(5) とヒートステーション(31)との間に形成され
ている空間に、ろう材(32)を流し込むことによって行わ
れる。この際、上述したように、シリンダ(5) とヒート
ステーション(31)との間に形成されている空間は、下方
に向うに従って次第に薄肉になる円筒状空間で形成され
ているので、ろう材(32)が円滑に流し込まれ、この空間
の全体に亘って充填されることになるので、従来のよう
に、この空間に部分的な空隙が存在してシリンダ(5) か
らヒートステーション(31)への伝熱効率が低下してしま
うといったような状況を回避することができる。

【００２５】次に、上記実施例の作動について説明す
る。冷凍機の作動は基本的に通常のものと同様に行われ
る。すなわち、先ず、膨張機(1) におけるシリンダ(5)
内の圧力が低圧であって、スラックピストン(16)とディ
スプレーサ(18)とが下降端位置にある状態において、バ
ルブモータ(23)の駆動によるロータリバルブ(24)の回転
により、その高圧ポート(26),(26) がバルブステム(10)
上面の第１ガス流路(12)に合致してロータリバルブ(24)
が高圧側に開く。これに伴い、圧縮機から高圧ガス配管
及び膨張機(1) のモータ室(6) を介してバルブ室(11)に
供給されている常温の高圧ヘリウムガスがロータリバル
ブ(24)の高圧ポート(26),(26) 及び第１ガス流路(12)を
介してスラックピストン(16)下方の中間空間(19)に導入
される。さらに、このガスは中間空間(19)からディスプ
レーサ(18)の各蓄冷器(28),(29) を通って順次各膨張空
間(20),(21) に充填され、この蓄冷器(28),(29) を通る
間に前の排気行程で冷却されている蓄冷器(28),(29) と
の熱交換によって極低温レベル近くまで冷却される。ま
た、上記ピストン(16)上側の駆動空間(15)と下側の中間
空間(19)との圧力差によってピストン(16)が上昇する。
そして、このピストン(16)の上昇ストロークが所定値に
達すると、該ピストン(16)の底壁(16a) とディスプレー
サ(18)上端の係止片(22)とが係合して、ディスプレーサ
(18)は圧力変化に対し遅れを持ってピストン(16)により
引き上げられ、このディスプレーサ(18)の上昇移動によ
りその下方の膨張空間(20),(21) にさらに高圧ガスが充
填される（吸気行程）。

【００２６】この後、上記ロータリバルブ(24)が閉じる
と、その後もディスプレーサ(18)は慣性力によって上昇
し、これに伴い、ディスプレーサ(18)下方の中間空間(1
9)内のヘリウムガスが第１及び第２段膨張空間(20),(2
1) に移動する。

【００２７】そして、ディスプレーサ(18)が上昇端位置
に達した後、ロータリバルブ(24)の低圧ポート(27)が上
記バルブステム(10)上面の第１ガス流路(12)に合致して
バルブ(24)が低圧側に開き、この開弁に伴い、上記ディ
スプレーサ(18)下方の各膨張空間(20),(21) 内のヘリウ
ムガスが断熱膨張し、このヘリウムガスの膨張によって
寒冷が発生する（膨張行程）。

【００２８】この極低温状態となったヘリウムガスは、
上記ガス導入時とは逆に、ディスプレーサ(18)内の蓄冷
器(28),(29) を通って上記中間空間(19)内に戻り、その
間に蓄冷器(28),(29) 内の各蓄冷材(30),(31) を極低温
レベルまで冷却しながら自身が常温まで暖められる。そ
して、この常温のヘリウムガスは、さらに中間空間(19)
内のガスと共に第１ガス流路(12)、バルブ(24)の低圧ポ
ート(27)、連通路(14)を介して膨張機(1) 外に排出さ
れ、低圧ガス配管を通って圧縮機に流れてそれに吸入さ
れる。このガス排出に伴い上記中間空間(19)内のガス圧
が低下して、その駆動空間(15)との圧力差によりスラッ
クピストン(16)が下降し、このピストン(16)の底壁(16
a) がディスプレーサ(18)の上面に当接した後は該ディ
スプレーサ(18)が押圧されて下降し、このディスプレー
サ(18)の下降移動により膨張空間(20),(21) 内のガスが
膨張機(1) 外にさらに排出される（排気行程）。

【００２９】次いで、ロータリバルブ(24)が閉じるが、
この後もディスプレーサ(18)は下降端位置まで下降し、
膨張空間(20),(21) 内のガスが排出されて最初の状態に
戻る。以上により膨張機(1) の動作の１サイクルが終了
し、以後は上記と同様な動作が繰り返される。

【００３０】そして、このような冷熱発生動作におい
て、上述したように、熱伝導率の低い材料で形成されて
いるシリンダ(5) は、その膨張空間(20),(21) に臨む部
分においては薄肉に形成されているために、膨張空間(2
0),(21) 内の冷熱がシリンダ(5) の厚さ方向へ流れる際
の温度上昇を大幅に低減することができて、ヒートステ
ーション(3) に、膨張空間(20),(21) 内で発生した冷熱
と同程度の冷熱を与えることができ、これによって冷凍
機の冷凍能力が向上され、被冷却物(A) を冷却する到達
温度の降下を図ることができることになる。更には、膨
張機(1) の製作時において、シリンダ(5) とヒートステ
ーション(31)との間の空間の全体に亘ってろう材(32)が
充填されていて、従来のようにこの空間に部分的な空隙
が存在して伝熱効率が低下してしまうといったような状
況が回避されているので、これによっても、ヒートステ
ーション(31)に、膨張空間(20),(21) 内で発生した冷熱
と同じ程度の冷熱を与えることができ、冷凍機の冷凍能
力を向上させることができる。また、同一出力点が低温
側に移行することになるので、冷凍機の機械効率の向上
も図られる。つまり、低出力で従来と同様の到達温度を
達成することができることになる。

【００３１】尚、本発明は、上記各実施例の如きＧ−Ｍ
サイクルを持つヘリウム冷凍機に限らず、ヘリウムガス
以外の冷媒ガスを使用するものに対しても適用できるの
は勿論である。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
以下に述べるような効果が発揮される。請求項１記載の
発明によれば、シリンダ(5) における膨張空間(20),(2
1) に臨む領域を、それ以外の領域よりも薄肉に形成す
る一方、ヒートステーション(31)を、上記シリンダ(5)
の薄肉に形成された領域の外側部に装着して、上記膨張
空間(20),(21) の内圧に対し、シリンダ(5) と共に十分
な強度が得られるように厚肉に形成するようにしたため
に、膨張空間(20),(21) 内の冷熱がシリンダ(5) の厚さ
方向へ流れる際の温度上昇を大幅に低減することがで
き、ヒートステーション(3) に、膨張空間(20),(21) 内
で発生した冷熱と同程度の冷熱を与えることができるの
で、冷凍機の冷凍能力の向上が図れ、被冷却物(A) を冷
却する到達温度の降下を図ることができる。また、低出
力で従来と同様の到達温度を達成することもできる。

【００３３】請求項２記載の発明によれば、ヒートステ
ーション(31)の内側面とシリンダ(5) の外側面との間に
先細り状の空間を形成して該空間にろう材(32)を流し込
むように、上記ヒートステーション(31)の内側面及びシ
リンダ(5) の外側面の少なくとも片側を傾斜面で形成す
るようにしたために、従来のようにヒートステーション
(31)の内側面とシリンダ(5) の外側面との間の空間に部
分的な空隙が存在して伝熱効率が低下してしまうといっ
たような状況が回避されているので、ヒートステーショ
ン(31)に、膨張空間(20),(21) 内で発生した冷熱と同じ
程度の冷熱を与えることができ、冷凍機の冷凍能力の向
上を図ることができる。

【００３４】請求項３記載の発明によれば、上述した請
求項１記載の発明に係る効果と請求項２記載の発明に係
る効果とが相俟って、更に効果的に、ヒートステーショ
ン(31)に膨張空間(20),(21) 内の冷熱と略同程度の低温
度の冷熱を与えることができ、冷凍機の冷凍能力の更な
る向上を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る冷凍機における膨張機
の断面図である。

【図２】膨張空間周辺部の縦断面図である。

【図３】従来例における図２相当図である。

【符号の説明】

(5) シリンダ (18) ディスプレーサ (20),(21) 膨張空間 (31) ヒートステーション (32) ろう材

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F25B 9/14 510 F25B 9/14 530 F25B 9/00

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 熱伝導率の低い材料で形成されたシリン
   ダ(5) と、 該シリンダ(5) 内に往復動可能に嵌装され、且つシリン
   ダ(5) 内に膨張空間(20),(21) を区画形成し、往復動す
   ることによって圧縮機から供給された冷媒ガスを上記膨
   張空間(20),(21) 内で膨張させて温度降下させ、該膨張
   空間(20),(21)内で冷熱を発生させるディスプレーサ(1
   8)と、 上記シリンダ(5) の外側部に装着されて、上記膨張空間
   (20),(21) 内で発生した冷熱を被冷却物(A) に与える熱
   伝導率の高い材料で形成されたヒートステーション(31)
   とを備えた極低温冷凍機において、 上記シリンダ(5) における上記膨張空間(20),(21) に臨
   む領域は、それ以外の領域よりも薄肉に形成されている
   一方、上記ヒートステーション(31)は、上記シリンダ
   (5) の薄肉に形成された領域の外側部に装着されてい
   て、上記膨張空間(20),(21) の内圧に対し、シリンダ
   (5) と共に十分な強度が得られるように厚肉に形成され
   ていることを特徴とする極低温冷凍機。
2. 【請求項２】 シリンダ(5) と、 該シリンダ(5) 内に往復動可能に嵌装され、且つシリン
   ダ(5) 内に膨張空間(20),(21) を区画形成し、往復動す
   ることによって圧縮機から供給された冷媒ガスを上記膨
   張空間(20),(21) 内で膨張させて温度降下させ、該膨張
   空間(20),(21)内で冷熱を発生させるディスプレーサ(1
   8)と、 上記シリンダ(5) の外側部に配置され、該シリンダ(5)
   との間にろう材(32)が流し込まれて該シリンダ(5) に一
   体的に取付けられ、上記膨張空間(20),(21) 内で発生し
   た冷熱を被冷却物(A) に与えるヒートステーション(31)
   とを備えた極低温冷凍機において、 上記ヒートステーション(31)の内側面とシリンダ(5) の
   外側面との間に先細り状の空間が形成され該空間に上記
   ろう材(32)が流し込まれるように、上記ヒートステーシ
   ョン(31)の内側面及びシリンダ(5) の外側面の少なくと
   も片側は傾斜面で形成されていることを特徴とする極低
   温冷凍機。
3. 【請求項３】 熱伝導率の低い材料で形成されたシリン
   ダ(5) と、 該シリンダ(5) 内に往復動可能に嵌装され、且つシリン
   ダ(5) 内に膨張空間(20),(21) を区画形成し、往復動す
   ることによって圧縮機から供給された冷媒ガスを上記膨
   張空間(20),(21) 内で膨張させて温度降下させ、該膨張
   空間(20),(21)内で冷熱を発生させるディスプレーサ(1
   8)と、 上記シリンダ(5) の外側部に配置され、該シリンダ(5)
   との間にろう材(32)が流し込まれて該シリンダ(5) に一
   体的に取付けられ、上記膨張空間(20),(21) 内で発生し
   た冷熱を被冷却物(A) に与えるヒートステーション(31)
   とを備えた極低温冷凍機において、 上記シリンダ(5) における上記膨張空間(20),(21) に臨
   む領域は、それ以外の領域よりも薄肉に形成されてお
   り、上記ヒートステーション(31)は、上記シリンダ(5)
   の薄肉に形成された領域の外側部に装着されていて、上
   記膨張空間(20),(21) の内圧に対し、シリンダ(5) と共
   に十分な強度が得られるように厚肉に形成されている一
   方、上記ヒートステーション(31)の内側面とシリンダ
   (5) の外側面との間に先細り状の空間が形成され該空間
   に上記ろう材(32)が流し込まれるように、上記ヒートス
   テーション(31)の内側面及びシリンダ(5) の外側面の少
   なくとも片側は傾斜面で形成されていることを特徴とす
   る極低温冷凍機。