JP5507481B2 - 蓄冷器式冷凍機 - Google Patents

Description

本発明は、ヘリウムガス等の冷媒ガスを用い、蓄冷材を収容した蓄冷器を有する蓄冷器式冷凍機に関する。

例えば４Ｋ程度の極低温を得るために、ヘリウムガス等の冷媒ガスを用い、蓄冷材を収容した蓄冷器を有する蓄冷器式冷凍機が用いられている。また、蓄冷器式冷凍機として、例えばギフォード・マクマホン（Gifford-McMahon；ＧＭ）冷凍機が用いられている。

ＧＭ冷凍機は、圧縮機からの例えばヘリウムガスよりなる冷媒ガスをシリンダ内に形成された膨張空間に供給し、供給した冷媒ガスを膨張空間で膨張させることによって、冷熱を発生する。発生した冷熱により極低温を得るために、ＧＭ冷凍機は、通常、複数段により構成される。

ＧＭ冷凍機の各段は、シリンダと、シリンダ内に設けられたディスプレーサを有する。ディスプレーサは、シリンダ内に、シリンダに沿って往復動可能に設けられており、ディスプレーサの一端とシリンダとの間に膨張空間を形成する。また、ディスプレーサの内部には、膨張空間に冷媒ガスを供給及び排出するための冷媒ガス流路が形成されている。また、ディスプレーサの内部に形成された冷媒ガス流路には、冷媒ガスと接触して冷熱を蓄冷するための蓄冷材が収容されている。

シリンダに沿って往復動することによって、膨張空間を気密に膨張させるか、又は気密に収縮させるため、ディスプレーサは、シリンダの内径よりやや小さい外径を有している（例えば、特許文献１参照。）。

特開２０００−１９９６５１号公報

ところが、上記したＧＭ冷凍機等の蓄冷器式冷凍機には、次のような問題がある。

蓄冷器式冷凍機を運転し、室温から使用温度まで冷却した状態では、ディスプレーサの高温端と低温端との間には、温度差が発生する。例えば極低温用二段式ＧＭ冷凍機であれば、定常運転時、1段目のディスプレーサの高温端は室温付近の300K程度、低温端は40K程度と260K程度の温度差があり、２段目のディスプレーサの高温端は40K程度、低温端は4K程度と36K程度の温度差がある。

室温においてディスプレーサの低温端の外径が高温端の外径と等しい場合、使用温度まで冷却したときに、低温端の外径は高温端の外径よりも小さくなる。そして、室温から使用温度まで冷却したときのディスプレーサの熱収縮率が、室温から使用温度まで冷却したときのシリンダの熱収縮率よりも大きいときは、低温端におけるディスプレーサの外周面とシリンダの内周面との隙間は、高温端における隙間よりも大きくなる。

ディスプレーサの外周面とシリンダの内周面との隙間が大きくなると、ディスプレーサの低温端とシリンダとの間に形成される膨張空間に流れ込んだ冷媒ガスが、ディスプレーサの外周面とシリンダの内周面との隙間に流れ込むことがある。この隙間に流れ込んだガスはディスプレーサ及びシリンダと熱交換をして温められ、今度隙間から膨張空間を通り出て行く際には冷凍能力を低下させる原因となる場合があり、隙間の大きさが大きい程冷凍能力低下は大きくなる。

低温端におけるディスプレーサの外周面とシリンダの内周面との隙間を小さくするためには、ディスプレーサの外径を大きくすればよいとも考えられる。しかし、ディスプレーサの外径を大きくすると、高温端におけるディスプレーサの外周面とシリンダの内周面との隙間が極めて小さくなるため、ディスプレーサの往復駆動に伴い、ディスプレーサとシリンダとの間で熱交換がなされることによって結果的に高温端から低温端への熱輸送が促進され、熱的な損失が発生し、冷凍能力が低下することがある。

本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、上記二種類の熱的損失の総量を減少させ、冷凍能力の低下を抑制することができる蓄冷器式冷凍機を提供する。

上記の課題を解決するために本発明では、次に述べる手段を講じたことを特徴とするものである。

本発明は、シリンダと、前記シリンダ内に、前記シリンダに沿って往復動可能に設けられ、前記シリンダ内の一端に膨張空間を形成するとともに、内部に、前記膨張空間に冷媒ガスを供給及び排出するための冷媒ガス流路が形成されているディスプレーサと、前記冷媒ガス流路内に収容されており、前記ディスプレーサが前記シリンダに沿って往復動する際に、前記膨張空間に供給した冷媒ガスを膨張させることによって発生した冷熱を蓄冷する蓄冷材とを有し、前記ディスプレーサは、室温において、低温端の外径が高温端の外径よりも大きく、室温から使用温度まで冷却したときの前記ディスプレーサの熱収縮率が、室温から使用温度まで冷却したときの前記シリンダの熱収縮率よりも大きい、蓄冷器式冷凍機である。

また、本発明は、上述の蓄冷器式冷凍機において、前記ディスプレーサは、室温において、前記高温端から前記低温端に向かって外径が段階的に増加する複数の段部を有するものである。

また、本発明は、上述の蓄冷器式冷凍機において、前記ディスプレーサは、室温から使用温度まで冷却したときに、前記ディスプレーサの外周面と前記シリンダの内周面との隙間が前記シリンダに沿って一定になるように、室温において、前記高温端から前記低温端に向かって外径が連続的に増加するものである。

また、本発明は、上述の蓄冷器式冷凍機において、前記ディスプレーサは、室温から使用温度まで冷却したときに、それぞれの前記段部の外周面と前記シリンダの内周面との間の、前記シリンダに沿った平均隙間が、互いに等しくなるものである。

本発明によれば、蓄冷器式冷凍機において、ディスプレーサ外周面とシリンダ内周面の間の隙間に存在するガスの移動に伴いもたらされる熱的損失と、ディスプレーサがシリンダ内を往復動することによりもたらされる熱的損失の総和を低減し、冷凍能力の低下を抑制できる。

実施の形態に係るＧＭ冷凍機の構成を示す概略断面図である。 実施の形態に係るＧＭ冷凍機における第１段目ディスプレーサの構成を、第１段目シリンダとともに示す概略断面図である。 実施の形態に係るＧＭ冷凍機における第２段目ディスプレーサの構成を、第２段目シリンダとともに示す概略断面図である。 実施の形態に係るＧＭ冷凍機を室温から使用温度まで冷却するときの、第１段目ディスプレーサと第１段目シリンダとの隙間の変化を示す一部断面を含む図である。 比較例に係るＧＭ冷凍機を室温から使用温度まで冷却するときの、第１段目ディスプレーサと第１段目シリンダとの隙間の変化を示す一部断面を含む図である。 第１段目シリンダにおける隙間と損失との関係を説明するためのグラフである。 第１段目シリンダにおけるシャトル損失を説明するための一部断面を含む図である。 第１段目シリンダにおけるポンピング損失を説明するための断面図である。 実施の形態の変形例に係るＧＭ冷凍機における第１段目ディスプレーサの構成を、第１段目シリンダとともに示す概略断面図である。 実施の形態の変形例に係るＧＭ冷凍機を室温から使用温度まで冷却するときの、第１段目ディスプレーサと第１段目シリンダとの隙間の変化を示す一部断面を含む図である。

次に、本発明を実施するための形態について図面と共に説明する。
（実施の形態）
図１を参照し、実施の形態に係るＧＭ冷凍機について説明する。このＧＭ冷凍機は、本発明に係る蓄冷器式冷凍機をＧＭ冷凍機に適用した例であり、数Ｋ〜２０Ｋ程度の極低温を得るのに適した２段構成を有する。

図１は、本実施の形態に係るＧＭ冷凍機の構成を示す概略断面図である。

ＧＭ冷凍機は、圧縮機１０、第１段目シリンダ１１、第２段目シリンダ１２、第１段目ディスプレーサ１３、第２段目ディスプレーサ１４、クランク機構１５、冷媒ガス流路１６、蓄冷材１７、１８、ヒートステーション１９、２０、膨張空間２１、２２、中空空間（冷媒ガス流路）２３、２４を有する。

なお、図１に示す配置において、第１段目シリンダ１１、第２段目シリンダ１２、第１段目ディスプレーサ１３及び第２段目ディスプレーサ１４の上端は高温端であり、下端は低温端である（図２から図５、図７及び図８においても同様）。

圧縮機１０は、ヘリウムガス（冷媒ガス）を約２０Ｋｇｆ／ｃｍ^２に圧縮し、高圧ヘリウムガスを生成する。生成された高圧ヘリウムガスは、吸気弁Ｖ１、冷媒ガス流路１６を介して第１段目シリンダ１１内に供給される。また、第１段目シリンダ１１から排出された低圧ヘリウムガスは、冷媒ガス流路１６、排気弁Ｖ２を介して圧縮機１０に回収される。

第１段目シリンダ１１には、第２段目シリンダ１２が結合されている。第１段目シリンダ１１、第２段目シリンダ１２内には、相互に連結された第１段目ディスプレーサ１３、第２段目ディスプレーサ１４がそれぞれ収容されている。

第１段目シリンダ１１からは、駆動軸Ｓｈが上方に延在し、駆動用モータＭに結合したクランク機構１５と結合している。

第１段目ディスプレーサ１３は、第１段目シリンダ１１内に、第１段目シリンダ１１に沿って往復動可能に設けられている。第１段目ディスプレーサ１３は、第１段目シリンダ１１の一端に、膨張空間２１を形成する。第１段目ディスプレーサ１３は、回転体形状を有している。

また、第１段目ディスプレーサ１３の内部には、膨張空間２１に冷媒ガスを供給及び排出するための中空空間（冷媒ガス流路）２３が形成されている。第１段目ディスプレーサ１３が図１の最上点付近に達した際に排気バルブを開放させ、膨張空間２１に供給した冷媒ガスを膨張させることによって冷熱を発生させる。

中空空間２３内には、蓄冷材１７が収容されている。蓄冷材１７は、膨張空間２１から冷媒ガスを排出する際に、排出した冷媒ガスと接触して冷熱を蓄冷する。すなわち、蓄冷材１７は、膨張空間２１に供給した冷媒ガスを膨張させることによって発生した冷熱を蓄冷する。

第２段目ディスプレーサ１４は、第２段目シリンダ１２内に、第２段目シリンダ１２に沿って往復動可能に設けられている。第２段目ディスプレーサ１４は、第２段目シリンダ１２の一端に、膨張空間２２を形成する。第２段目ディスプレーサ１４は、回転体形状を有している。

また、第２段目ディスプレーサ１４の内部には、膨張空間２２に冷媒ガスを供給及び排出するための中空空間（冷媒ガス流路）２４が形成されている。第２段目ディスプレーサ１４が図１の最上点付近に達した際に、排気バルブを開放させ、膨張空間２２に供給した冷媒ガスを膨張させることによって冷熱を発生させる。

中空空間２４内には、蓄冷材１８が収容されている。蓄冷材１８は、膨張空間２２から冷媒ガスを排出する際に、排出した冷媒ガスと接触して冷熱を蓄冷する。すなわち、蓄冷材１８は、膨張空間２２に供給した冷媒ガスを膨張させることによって発生した冷熱を蓄冷する。

第１段目シリンダ１１の下端（低温端）を囲むように、第１段目のヒートステーション１９が熱的に結合されており、第２段目シリンダ１２の下端（低温端）を囲むように、第２段目のヒートステーション２０が熱的に結合している。

第１段目シリンダ１１、第２段目シリンダ１２は、例えばステンレス綱（例えばＳＵＳ３０４）等によって形成されていることが好ましい。これにより、第１段目シリンダ１１、第２段目シリンダ１２に、高い強度、低い熱伝導率、及び高いヘリウムガス遮蔽能を持たせることができる。

第１段目ディスプレーサ１３、第２段目ディスプレーサ１４は、例えば布入りフェノール（ベークライト）等によって形成されていることが好ましい。これにより、第１段目ディスプレーサ１３、第２段目ディスプレーサ１４について、軽量化するとともに、耐摩耗性及び強度を向上させ、高温側から低温側への侵入熱量を低減することができる。

このとき、第１段目ディスプレーサ１３を構成する材料は、第１段目シリンダ１１を構成する材料よりも、室温から使用温度まで冷却したときの熱収縮率が大きい。すなわち、室温から使用温度まで冷却したときの第１段目ディスプレーサ１３の熱収縮量は、室温から使用温度まで冷却したときの第１段目シリンダ１１の熱収縮量よりも大きい。

第１段目の蓄冷材１７は、例えば金網等により構成されることが好ましく、第２段目の蓄冷材１８は、例えば鉛球又は磁性蓄冷材等により構成されることが好ましい。これにより、低温領域において、十分高い熱容量を確保することができる。

このように構成されているＧＭ冷凍機では、以下のようにして冷熱を発生する。

圧縮機１０から吸気弁Ｖ１を介して供給された、冷媒ガスである高圧ヘリウムガスは、冷媒ガス流路１６を介して第１段目シリンダ１１内に供給される。そして、開口（冷媒ガス流路）２３ａ、蓄冷材１７が収容された中空空間（冷媒ガス流路）２３、開口（冷媒ガス流路）２３ｂを通って、第１段目の膨張空間２１に供給される。

第１段目の膨張空間２１に供給された高圧ヘリウムガスは、更に開口（冷媒ガス流路）２４ａ、蓄冷材１８が収容された中空空間（冷媒ガス流路）２４、開口（冷媒ガス流路）２４ｂを通って第２段目の膨張空間２２に供給される。

なお、冷媒ガス流路２３ａ、２３ｂ、２４ａ、２４ｂは、冷媒ガスの流れを説明するために機能的に記載したものであり、図２以降を用いて説明する実際の構造とは異なる。

吸気弁Ｖ１が閉じ、排気弁Ｖ２が開く際には、第２段目シリンダ１２、第１段目シリンダ１１内の高圧ヘリウムガスは、吸気の場合とは逆の経路をたどって冷媒ガス流路１６、排気弁Ｖ２を介して圧縮機１０に回収される。

ＧＭ冷凍機の作動時においては、クランク機構１５によって駆動用モータＭの回転駆動力が駆動軸Ｓｈの往復駆動力に変換される。そして、駆動軸Ｓｈによって、第１段目ディスプレーサ１３、第２段目ディスプレーサ１４が、図１中の矢印で示すように、上下に（それぞれ第１段目シリンダ１１及び第２段目シリンダ１２に沿って）往復駆動される。

駆動軸Ｓｈによって第１段目ディスプレーサ１３、第２段目ディスプレーサ１４が駆動軸Ｓｈ側（図１の上方）に駆動される際には、吸気弁Ｖ１が開き、排気弁Ｖ２が閉じる。そして、第１段目シリンダ１１内の膨張空間２１、及び第２段目シリンダ１２内の膨張空間２２に高圧ヘリウムガスが供給される（供給工程）。

また、駆動軸Ｓｈによって第１段目ディスプレーサ１３、第２段目ディスプレーサ１４が駆動軸Ｓｈと反対側（図１の下方）に駆動される際には、吸気弁Ｖ１が閉じ、排気弁Ｖ２が開く。そして、第１段目シリンダ１１内の膨張空間２１、及び第２段目シリンダ１２内の膨張空間２２が低圧になるとともに、膨張空間２１及び膨張空間２２からヘリウムガスは排出され、圧縮機１０に回収される（排出工程）。

このとき、膨張空間２１、２２において、ヘリウムガスが膨張することによって、冷熱が発生する。冷熱を発生し、冷却されたヘリウムガスは、膨張空間２１、２２から排出される際に、蓄冷材１７、１８と接触し、熱交換することによって、蓄冷材１７、１８を冷却する。すなわち、蓄冷材１７、１８に、発生した冷熱が蓄冷される。

次の供給工程で供給される高圧ヘリウムガスは、蓄冷材１７、１８を通って供給されることにより冷却される。冷却されたヘリウムガスが膨張空間２１、２２で膨張することにより、さらに冷却が進む。

以上のようにして、供給工程と排出工程とを繰り返すことにより、第１段目シリンダ１１内の膨張空間２１が、例えば４０Ｋ〜７０Ｋ程度の温度に冷却され、第２段目シリンダ１２内の膨張空間２２が、例えば数Ｋ〜２０Ｋ程度の温度に冷却される。

次に、図２を参照し、第１段目ディスプレーサ１３の詳細な構成について説明する。

図２は、本実施の形態に係るＧＭ冷凍機における第１段目ディスプレーサ１３の構成を、第１段目シリンダ１１とともに示す概略断面図である。なお、図２では、ヒートステーション１９の図示を省略している。

第１段目ディスプレーサ１３は、回転体形状部材３０を有する。

回転体形状部材３０は、回転体形状を有する上蓋を有し、その下端は開放されている。回転体形状部材３０の上蓋上面には、回転体形状部材３０の高温端の外径と略等しい外径を有するフランジ３１が取り付けられている。フランジ３１と回転体形状部材３０の上蓋には、開口３２（図１に示す２３ａ）が設けられている。開口３２には、中空空間（冷媒ガス流路）２３の高温端が連通している。フランジ３１の上面には、回転体形状部材３０を図２中矢印の方向に上下駆動するための駆動軸Ｓｈが取り付けられている。

回転体形状部材３０内には、上面に密着するように図示しない金網が配置されている。金網の下には、銅金網等の蓄冷材１７が充填されている。蓄冷材１７の下には図示しない他の金網が配置されている。

さらに、回転体形状部材３０の下側開放端には、回転体形状部材３０の低温端の外径と略等しい外径を有する蓋部材３３が挿入され、回転体形状部材３０と接着されている。蓋部材３３は盲蓋であり、回転体形状部材３０の下端の開口を気密に閉じる。また、蓋部材３３の下面には、第２段目ディスプレーサ１４と連結するための、連結機構５０が取り付けられている。

回転体形状部材３０の外周面には、蓄冷材１７の下側の金網が配置されている高さに、開口３４（図１に示す２３ｂ）が設けられている。開口３４には、中空空間（冷媒ガス流路）２３の低温端が連通している。

回転体形状部材３０及び蓋部材３３は、例えば布入りフェノールで形成されることが好ましい。これにより、回転体形状部材３０及び蓋部材３３について、軽量化するとともに、耐摩耗性及び強度を向上させ、高温側から低温側への侵入熱量を低減することができる。

回転体形状部材３０の外周面と第１段目シリンダ１１の内周面との間には、隙間Ｇが形成される。隙間Ｇは、後述するように、第１段目シリンダ１１における損失、すなわち、第１段目ディスプレーサ１３の高温側から低温側へ侵入する熱量が最小となるような所定の間隔であることが好ましい。

第１段目ディスプレーサ１３の外周面と第１段目シリンダ１１の内周面との間には、高温端側に例えばピストンリング等のシール部材３５が設けられていることが好ましい。シール部材３５は、第１段目ディスプレーサ１３の低温側に形成される膨張空間２１の第１段目ディスプレーサ１３の高温側に対する気密を確保するためのものである。これにより、第１段目ディスプレーサ１３と第１段目シリンダ１１との隙間を通って冷媒ガスが膨張空間２１から高温側に漏れることを防止することができ、ＧＭ冷凍機の冷凍能力を増大させることができる。

なお、シール部材３５に代え、回転体形状部材３０の外周面には、上端（高温端）から開口３４が形成されている高さまで、らせん溝が形成されていてもよい。

本実施の形態では、室温において、第１段目ディスプレーサ１３の高温端、すなわち図２の上端における外径をＤＯ１とし、第１段目ディスプレーサ１３の低温端、すなわち図２の下端における外径をＤＯ２とする。また、室温において、第１段目シリンダ１１の第１段目ディスプレーサ１３の高温端と対向する部分における内径をＤＩ１とし、第１段目シリンダ１１の第１段目ディスプレーサ１３の低温端と対向する部分における内径をＤＩ２とする。また、室温において、第１段目ディスプレーサ１３の高温端の外周面と、対向する第１段目シリンダ１１の内周面との隙間をＧ１とし、第１段目ディスプレーサ１３の低温端の外周面と、対向する第１段目シリンダ１１の内周面との隙間をＧ２とする。

前述したように、室温から使用温度まで冷却したときの第１段目ディスプレーサ１３の熱収縮率が、室温から使用温度まで冷却したときの第１段目シリンダ１１の熱収縮率よりも大きいものとする。そして、室温において、第１段目ディスプレーサ１３の低温端の外径ＤＯ２が高温端の外径ＤＯ１よりも大きいものとする。すなわち、ＤＯ２＞ＤＯ１とする。

第１段目シリンダ１１の内径ＤＩ１を例えば９０ｍｍとする。そして、回転体形状部材３０の高温端における隙間Ｇ１を例えば５００μｍとした場合、回転体形状部材３０の高温端における外径ＤＯ１を、例えば８９ｍｍとすることができる。また、回転体形状部材３０の低温端における隙間Ｇ２を例えば２００μｍとした場合、回転体形状部材３０の低温端における外径ＤＯ２を例えば８９．６ｍｍとすることができる。また、回転体形状部材３０の軸方向の長さを例えば１５０ｍｍとすることができる。

次に、図３を参照し、第２段目ディスプレーサ１４の詳細な構成について説明する。

図３は、本実施の形態に係るＧＭ冷凍機における第２段目ディスプレーサ１４の構成を、第２段目シリンダ１２とともに示す概略断面図である。なお、図３では、ヒートステーション２０の図示を省略している。

第２段目ディスプレーサ１４は、回転体形状部材４０を有する。

回転体形状部材４０は、上下端が開放された回転体形状を有する。回転体形状部材４０の上端は、第１段目ディスプレーサ１３に、連結機構５０を介して連結されている。回転体形状部材４０の下端には、蓋部材４１が挿入接着されている。蓋部材４１の上には、金網４２が配置され、その上にフェルト栓４３が配置されている。

回転体形状部材４０及び蓋部材４１は、例えば布入りフェノールや金属と樹脂の複合材料等で形成されることが好ましい。これにより、回転体形状部材４０及び蓋部材４１について、軽量化するとともに、耐摩耗性及び強度を向上させ、高温側から低温側への侵入熱量を低減することができる。

フェルト栓４３の上には、前述したように、例えば鉛球や磁性材料で形成された蓄冷材１８が充填される。蓄冷材１８の上にはフェルト栓４４が配置され、フェルト栓４４の上にはパンチングメタル４５が配置される。

回転体形状部材４０の上端（高温端）には、第１段目ディスプレーサ１３と連結するための連結機構５０が取り付けられている。また、回転体形状部材４０の上端（高温端）には、連結機構５０の周囲に開口４６ａ（図１に示す２４ａ）が設けられている。そして、開口４６ａには、中空空間（冷媒ガス流路）２４の高温端が連通している。

回転体形状部材４０の外周面には、金網４２の高さの位置に冷媒ガス流路を形成する開口４６ｂが設けられている。開口４６ｂには、中空空間（冷媒ガス流路）２４の低温端が連通している。

第２段目ディスプレーサ１４の外周面と第２段目シリンダ１２の内周面との間には、高温端に例えばピストンリング等のシール部材４７が設けられていることが好ましい。シール部材４７は、第２段目ディスプレーサ１４の低温側に形成される膨張空間２２の第２段目ディスプレーサ１４の高温側に対する気密を確保するためのものである。これにより、第２段目ディスプレーサ１４と第２段目シリンダ１２との隙間を通って冷媒ガスが膨張空間２２から高温側に漏れることを防止することができ、ＧＭ冷凍機の冷凍能力を増大させることができる。

なお、シール部材４７に代え、回転体形状部材４０の外周面にらせん溝が形成されていてもよい。

次に、図４から図８を参照し、本実施の形態に係るＧＭ冷凍機が、ディスプレーサ外周面とシリンダ内周面の間の隙間に存在するガスの移動に伴いもたらされる熱的損失と、ディスプレーサがシリンダ内を往復動することによりもたらされる熱的損失の総和を低減し、冷凍能力の低下を抑制できる作用効果について、比較例と対比しながら説明する。

最初に、図４及び図５を参照し、本実施の形態に係るＧＭ冷凍機によれば、冷却時の低温端の隙間を小さくできることを説明する。

図４は、本実施の形態に係るＧＭ冷凍機を室温から使用温度まで冷却するときの、第１段目ディスプレーサ１３と第１段目シリンダ１１との隙間の変化を示す一部断面を含む図である。図４（ａ）は室温の状態を示し、図４（ｂ）は冷却時の状態を示す。なお、図４では、図示を容易にするため、第１段目シリンダ１１、回転体形状部材３０、及びシール部材３５以外の部分の図示を省略している。

一方、比較例に係るＧＭ冷凍機は、室温において、第１段目ディスプレーサ１３の低温端の外径が高温端の外径と等しい点を除き、実施の形態に係るＧＭ冷凍機と同様である。

図５は、比較例に係るＧＭ冷凍機を室温から使用温度まで冷却するときの、第１段目ディスプレーサ１３と第１段目シリンダ１１との隙間の変化を示す一部断面を含む図である。図５（ａ）は室温の状態を示し、図５（ｂ）は冷却時の状態を示す。なお、図５でも、図示を容易にするため、第１段目シリンダ１１、回転体形状部材３０ａ、及びシール部材３５以外の部分の図示を省略している。

実施の形態及び比較例のいずれにおいても、室温から使用温度まで冷却したときの第１段目ディスプレーサ１３の熱収縮率が、室温から使用温度まで冷却したときの第１段目シリンダ１１の熱収縮率よりも大きいものとする。従って、図４及び図５では、図示を容易にするために、室温から使用温度まで冷却したときに、第１段目ディスプレーサ１３が径方向に収縮するのに対し、第１段目シリンダ１１が径方向にほとんど収縮していないように図示している。

室温においては、図４及び図５のいずれにおいても、第１段目ディスプレーサ１３の高温端、すなわち図４（ａ）及び図５（ａ）の上端における外径をＤＯ１とする。また、実施の形態では、第１段目ディスプレーサ１３の低温端、すなわち図４（ａ）の下端における外径をＤＯ２とし、比較例では、第１段目ディスプレーサ１３の低温端、すなわち図５（ａ）の下端における外径をＤＯ２Ａとする。また、実施の形態では、ＤＯ２＞ＤＯ１であり、比較例では、ＤＯ２Ａ＝ＤＯ１である。

また、室温においては、第１段目シリンダ１１の第１段目ディスプレーサ１３の高温端と対向する部分における内径をＤＩ１とし、第１段目シリンダ１１の第１段目ディスプレーサ１３の低温端と対向する部分における内径をＤＩ２とする。
また、室温においては、第１段目ディスプレーサ１３の高温端の外周面と、対向する第１段目シリンダ１１の内周面との隙間をＧ１とする。また、実施の形態では、第１段目ディスプレーサ１３の低温端の外周面と、対向する第１段目シリンダ１１の内周面との隙間をＧ２とし、比較例では、第１段目ディスプレーサ１３の低温端の外周面と、対向する第１段目シリンダ１１の内周面との隙間をＧ２Ａとする。

冷却時においては、図４及び図５のいずれにおいても、第１段目ディスプレーサ１３の高温端、すなわち図４（ｂ）及び図５（ｂ）の上端における外径をＤＯ１´とする。また、実施の形態では、第１段目ディスプレーサ１３の低温端、すなわち図４（ｂ）の下端における外径をＤＯ２´とし、比較例では、第１段目ディスプレーサ１３の低温端、すなわち図５（ｂ）の下端における外径をＤＯ２Ａ´とする。

また、冷却時においては、第１段目シリンダ１１の第１段目ディスプレーサ１３の高温端と対向する部分における内径をＤＩ１´とし、第１段目シリンダ１１の第１段目ディスプレーサ１３の低温端と対向する部分における内径をＤＩ２´とする。

また、冷却時においては、第１段目ディスプレーサ１３の高温端の外周面と、対向する第１段目シリンダ１１の内周面との隙間をＧ１´とする。また、実施の形態では、第１段目ディスプレーサ１３の低温端の外周面と、対向する第１段目シリンダ１１の内周面との隙間をＧ２´とし、比較例では、第１段目ディスプレーサ１３の低温端の外周面と、対向する第１段目シリンダ１１の内周面との隙間をＧ２Ａ´とする。

このとき、実施の形態では、
Ｇ１´＝（ＤＩ１´−ＤＯ１´）／２ （１）
Ｇ２´＝（ＤＩ２´−ＤＯ２´）／２ （２）
となる。また、比較例では、Ｇ１´は、式（１）で表されるものの、Ｇ２Ａ´は、
Ｇ２Ａ´＝（ＤＩ２´−ＤＯ２Ａ´）／２ （３）
となる。

実施の形態及び比較例のいずれにおいても、第１段目ディスプレーサ及び第１段目シリンダ１１は、ともに室温から使用温度に冷却される際に収縮する。ここで、室温から使用温度に冷却されたときの第１段目ディスプレーサの熱収縮率が、室温から使用温度に冷却されたときの第１段目シリンダ１１の熱収縮率よりも大きい。そのため、比較例では、
ＤＯ１´−ＤＯ２Ａ´＞ＤＩ１´−ＤＩ２´ （４）
とし、Ｇ１´＜＜ＤＯ１´（ＤＩ１´≒ＤＯ１´）とする。このとき、式（１）、式（３）及び式（４）により、
Ｇ２Ａ´＞Ｇ１´ （５）
となる。すなわち、比較例に係るＧＭ冷凍機によれば、冷却時の低温端の隙間Ｇ２Ａ´は高温端の隙間Ｇ１´よりも大きい。

一方、実施の形態では、ＤＯ２＞ＤＯ２Ａのため、ＤＯ２´＞ＤＯ２Ａ´である。従って、式（２）及び式（３）により、
Ｇ２´＜Ｇ２Ａ´ （６）
となる。すなわち、Ｇ２´をＧ２Ａ´よりも小さくすることができる。従って、実施の形態に係るＧＭ冷凍機によれば、冷却時の低温端の隙間Ｇ２´を小さくすることができる。

更に、実施の形態では、冷却時に低温端の隙間Ｇ２Ａ´が高温端の隙間Ｇ１´よりも大きくなることを見越した上で、冷却時に低温端の隙間Ｇ２´が所定の間隔になるように、室温における第１段目ディスプレーサ１３の低温端の外径ＤＯ２を決定することができる。例えば、室温から使用温度まで冷却したときに、第１段目ディスプレーサ１３の外周面と第１段目シリンダ１１の内周面との隙間Ｇが第１段目シリンダ１１に沿って一定になるように、第１段目ディスプレーサ１３を、室温において、高温端から低温端に向かって外径が連続的に増加するものとしてもよい。

次に、図６から図８を参照し、実施の形態では、隙間Ｇを所定の間隔にすることによって、第１段目シリンダ１１における熱的な損失、すなわち、第１段目ディスプレーサ１３の高温側から低温側へ侵入する熱量を低減できることを説明する。

図６は、第１段目シリンダ１１における隙間Ｇと熱的な損失との関係を説明するためのグラフである。図７は、第１段目シリンダ１１におけるシャトル損失を説明するための一部断面を含む図である。図７（ａ）は、往復動する第１段目ディスプレーサ１３が上端位置にある状態を示し、図７（ｂ）は、往復動する第１段目ディスプレーサ１３が下端位置にある状態を示す。図８は、第１段目シリンダ１１におけるポンピング損失を説明するための断面図である。図８（ａ）は、冷媒ガスの供給時の状態を示し、図８（ｂ）は、冷媒ガスの排出時の状態を示す。

図６に示すように、熱的な損失は、シャトル損失ＬＳとポンピング損失ＬＰとの和で表すことができる。

第１段目ディスプレーサ１３が往復動するときは、図７（ａ）に示すように、第１段目ディスプレーサ１３が上端位置すなわち高温側の位置にあるときに、第１段目ディスプレーサ１３は第１段目シリンダ１１から熱Ｈを受け取る。そして、第１段目ディスプレーサ１３が下端位置すなわち低温側の位置にあるときに、第１段目ディスプレーサ１３が第１段目シリンダ１１に熱Ｈを受け渡す。従って、第１段目シリンダ１１では、第１段目ディスプレーサ１３の往復動に伴って、高温側から低温側へ熱量が侵入し、熱的な損失が発生する。これを、シャトル損失という。

また、第１段目ディスプレーサ１３の外周面と第１段目シリンダ１１の内周面との隙間Ｇが小さいほど、第１段目ディスプレーサ１３の外周面と第１段目シリンダ１１の内周面との熱交換が容易となるため、シャトル損失ＬＳが大きくなる。従って、図６に示すように、シャトル損失ＬＳは、隙間Ｇの減少に伴って単調に増加する。

第１段目シリンダ１１内に冷媒ガスが供給されるときは、第１段目ディスプレーサ１３内の冷媒ガス流路２３を通って第１段目ディスプレーサ１３の低温側に形成された膨張空間２１に流れ込んだ冷媒ガスが、第１段目ディスプレーサ１３の外周面と第１段目シリンダ１１の内周面との隙間に流れ込む。このとき、第１段目ディスプレーサ１３の外周面と第１段目シリンダ１１の内周面との隙間に流れ込んだ冷媒ガスが第１段目シリンダ１１及び第１段目ディスプレーサ１３から熱Ｈを受け取る。そして、第１段目シリンダ１１内から冷媒ガスが排出されるときは、第１段目ディスプレーサ１３の外周面と第１段目シリンダ１１の内周面との隙間にある冷媒ガスが、第１段目ディスプレーサ１３の低温側に形成された膨張空間２１及び第１段目ディスプレーサ１３内の冷媒ガス流路２３を通って排出される。このとき、第１段目ディスプレーサ１３の下端を回り込んで流れる冷媒ガスが、第１段目ディスプレーサ１３の下端側に熱Ｈを受け渡す。従って、第１段目シリンダ１１では、冷媒ガスの供給と排出の繰り返しに伴って、高温側から低温側へ熱量が侵入し、熱的な損失が発生する。これを、ポンピング損失という。

また、第１段目ディスプレーサ１３の外周面と第１段目シリンダ１１の内周面との隙間Ｇが大きいほど、第１段目ディスプレーサ１３の外周面と第１段目シリンダ１１の内周面との隙間に流れ込む冷媒ガスの量が増加するため、ポンピング損失ＬＰが大きくなる。従って、図６に示すように、ポンピング損失ＬＰは、隙間Ｇの増加に伴って単調に増加する。

このように、シャトル損失ＬＳは、隙間Ｇの減少に伴って単調に増加し、ポンピング損失ＬＰは、隙間Ｇの増加に伴って単調に増加する。従って、シャトル損失ＬＳとポンピング損失ＬＰの和は、隙間Ｇが図６のＧｍｉｎで示される所定の長さであるときに、最小となる。すなわち、隙間Ｇを所定の長さＧｍｉｎにすることによって、第１段目シリンダ１１における熱的な損失を最小限に低減することができる。

以上、本実施の形態によれば、室温において、第１段目ディスプレーサ１３の低温端の径を高温端の径よりも大きくする。これにより、冷却時の低温端の隙間を小さくすることができ、ディスプレーサ外周面とシリンダ内周面の間の隙間に存在するガスの移動に伴いもたらされる熱的損失と、ディスプレーサがシリンダ内を往復動することによりもたらされる熱的損失の総和を低減し、冷凍能力の低下を抑制できる。

また、本実施の形態では、冷却したときに、第１段目ディスプレーサ１３の外周面と第１段目シリンダ１１の内周面との隙間Ｇが第１段目シリンダ１１に沿って一定になるように、高温端から低温端に向かって外径が連続的に増加する形状としてもよい。これにより、第１段目ディスプレーサ１３の外周面と第１段目シリンダ１１の内周面との隙間Ｇに流れ込む冷媒ガスの量を低減できる。

更に、本実施の形態では、第１段目ディスプレーサ１３の外周面と第１段目シリンダ１１の内周面との隙間Ｇをシャトル損失ＬＳとポンピング損失ＬＰの和が最小となるような所定の間隔にしてもよい。これにより、ディスプレーサ外周面とシリンダ内周面の間の隙間に存在するガスの移動に伴いもたらされる熱的損失と、ディスプレーサがシリンダ内を往復動することによりもたらされる熱的損失の総和を低減し、冷凍能力の低下を更に抑制できる。

なお、第１段目ディスプレーサ１３に代え、第２段目ディスプレーサ１４の低温端の径を高温端の径よりも大きくしてもよい。このときは、第２段目シリンダ１２において、同様の効果が得られる。
（実施の形態の変形例）
次に、図９及び図１０を参照し、実施の形態の変形例に係るＧＭ冷凍機について説明する。本変形例に係るＧＭ冷凍機では、第１段目ディスプレーサ１３ｂの高温端から低温端に向かって外径が段階的に増加する複数の段部を有する。

本変形例に係るＧＭ冷凍機も、第１段目ディスプレーサ１３ｂの回転体形状部材３０ｂ以外の部分は、実施の形態に係るＧＭ冷凍機と同様である。従って、本変形例では、回転体形状部材３０ｂ以外の部分についての説明を省略する。

図９は、本変形例に係るＧＭ冷凍機における第１段目ディスプレーサ１３ｂの構成を、第１段目シリンダ１１とともに示す概略断面図である。

なお、図９に示す配置において、第１段目シリンダ１１及び第１段目ディスプレーサ１３ｂの上端は高温端であり、下端は低温端である（図１０においても同様）。

本変形例では、回転体形状部材３０ｂ、すなわち、第１段目ディスプレーサ１３ｂは、高温端から低温端に向かって外径が段階的に増加する複数の段部を有する。図９に示すように、例えば外径が３段階で増加するように構成できる。すなわち、第１段目ディスプレーサ１３ｂは、３段よりなる段部３０ｂ−１〜３０ｂ−３を有していてもよい。また、段部は、第１段目ディスプレーサ１３ｂの高温端側から低温端側へ向かって、順に１段目３０ｂ−１、２段目３０ｂ−２、３段目３０ｂ−３と呼ぶ。

本変形例でも、回転体形状部材３０ｂは、例えば布入りフェノールで形成されることが好ましい。これにより、回転体形状部材３０ｂについて、軽量化するとともに、耐摩耗性及び強度を向上させ、高温側から低温側への侵入熱量を低減することができる。

また、外径が段階的に増加する回転体形状部材３０ｂは、例えば円筒形状の部材を、段階的に旋盤加工等を施すことによって、容易に加工することができる。そのため、製造コストを低減することができる。

図９及び後述する図１０に示すように、本変形例では、室温において、第１段目ディスプレーサ１３ｂ（回転体形状部材３０ｂ）の１段目３０ｂ−１、２段目３０ｂ−２、３段目３０ｂ−３における外径を、それぞれＤＯ１１、ＤＯ１２、ＤＯ１３とする。また、室温において、第１段目シリンダ１１の第１段目ディスプレーサ１３ｂの１段目３０ｂ−１、２段目３０ｂ−２、３段目３０ｂ−３と対向する部分における内径を、それぞれＤＩ１１、ＤＩ１２、ＤＩ１３とする。また、室温において、第１段目ディスプレーサ１３ｂの１段目３０ｂ−１、２段目３０ｂ−２、３段目３０ｂ−３の外周面と、対向する第１段目シリンダ１１の内周面との隙間を、それぞれＧ１１、Ｇ１２、Ｇ１３とする。

本変形例でも、室温から使用温度まで冷却したときの第１段目ディスプレーサ１３ｂの熱収縮率が、室温から使用温度まで冷却したときの第１段目シリンダ１１の熱収縮率よりも大きいものとする。そして、室温において、回転体形状部材３０ｂの３段目３０ｂ−３の外径ＤＯ１３が２段目の外径ＤＯ１２よりも大きく、２段目の外径ＤＯ１２が１段目の外径ＤＯ１１よりも大きいものとする。すなわち、ＤＯ１１＜ＤＯ１２＜ＤＯ１３とする。

図１０は、本変形例に係るＧＭ冷凍機を室温から使用温度まで冷却するときの、第１段目ディスプレーサ１３ｂと第１段目シリンダ１１との隙間の変化を示す一部断面を含む図である。図１０（ａ）は室温の状態を示し、図１０（ｂ）は冷却時の状態を示す。なお、図１０では、図示を容易にするため、第１段目シリンダ１１、回転体形状部材３０ｂ、及びシール部材３５以外の部分の図示を省略している。

前述したように、第１段目ディスプレーサ１３ｂの熱収縮率は、第１段目シリンダ１１の熱収縮率よりも大きい。従って、図１０では、図示を容易にするために、室温から使用温度まで冷却したときに、第１段目ディスプレーサ１３ｂが径方向に収縮するのに対し、第１段目シリンダ１１が径方向にほとんど収縮していないように図示している。

冷却時においては、図１０（ｂ）に示すように、第１段目ディスプレーサ１３ｂの１段目３０ｂ−１、２段目３０ｂ−２、３段目３０ｂ−３における、第１段目シリンダ１１に沿った平均外径を、それぞれＤＯ１１´、ＤＯ１２´、ＤＯ１３´とする。また、冷却時において、第１段目ディスプレーサ１３ｂの１段目３０ｂ−１、２段目３０ｂ−２、３段目３０ｂ−３と対向する部分における、第１段目シリンダ１１の平均内径を、それぞれＤＩ１１´、ＤＩ１２´、ＤＩ１３´とする。また、冷却時において、１段目３０ｂ−１、２段目３０ｂ−２、３段目３０ｂ−３における、第１段目ディスプレーサ１３ｂの外周面と第１段目シリンダ１１の内周面との間の第１段目シリンダ１１に沿った平均隙間を、それぞれＧ１１´、Ｇ１２´、Ｇ１３´とする。

このとき、
Ｇ１１´＝（ＤＩ１１´−ＤＯ１１´）／２ （７）
Ｇ１２´＝（ＤＩ１２´−ＤＯ１２´）／２ （８）
Ｇ１３´＝（ＤＩ１３´−ＤＯ１３´）／２ （９）
となる。

ここで、ＤＯ１１＝ＤＯ１２＝ＤＯ１３であるときは、Ｇ１１´＜Ｇ１２´＜Ｇ１３´である。ところが、本変形例では、ＤＯ１１＜ＤＯ１２＜ＤＯ１３であるため、Ｇ１１´とＧ１２´との差、Ｇ１２´とＧ１３´との差を小さくすることができる。これにより、低温端側の隙間を小さくすることができる。これにより、冷却時の低温端の隙間を小さくすることができ、ディスプレーサ外周面とシリンダ内周面の間の隙間に存在するガスの移動に伴いもたらされる熱的損失と、ディスプレーサがシリンダ内を往復動することによりもたらされる熱的損失の総和を低減し、冷凍能力の低下を抑制できる。

また、本変形例では、室温から使用温度まで冷却したときに、それぞれの段部の外周面と第１段目シリンダ１１の内周面との間の、第１段目シリンダ１１に沿った平均隙間が、互いに等しくなるような形状としてもよい。これにより、第１段目ディスプレーサ１３ｂの外周面と第１段目シリンダ１１の内周面との隙間に流れ込む冷媒ガスの量を低減できる。

更に、本変形例では、第１段目ディスプレーサ１３ｂの外周面と第１段目シリンダ１１の内周面との隙間をシャトル損失ＬＳとポンピング損失ＬＰの和が最小となるような所定の間隔にしてもよい。これにより、ディスプレーサ外周面とシリンダ内周面の間の隙間に存在するガスの移動に伴いもたらされる熱的損失と、ディスプレーサがシリンダ内を往復動することによりもたらされる熱的損失の総和を低減し、冷凍能力の低下を更に抑制できる。

なお、第１段目ディスプレーサ１３ｂに代え、第２段目ディスプレーサ１４を、高温端から低温端に向かって外径が段階的に増加する複数の段部を有するようにしてもよい。このときは、第２段目シリンダ１２において、同様の効果が得られる。

以上、本発明の好ましい実施の形態について記述したが、本発明はかかる特定の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１０ 圧縮機
１１ 第１段目シリンダ
１２ 第２段目シリンダ
１３、１３ｂ 第１段目ディスプレーサ
１４ 第２段目ディスプレーサ
１５ クランク機構
１６ 冷媒ガス流路
１７、１８ 蓄冷材
１９、２０ ヒートステーション
２１、２２ 膨張空間
２３、２４ 中空空間（冷媒ガス流路）
３０、３０ｂ、４０ 回転体形状部材
３０ｂ−１〜３０ｂ−３ 段部
３１ フランジ
３２、３４、４６ａ、４６ｂ 開口
３３、４１ 蓋部材
３５、４７ シール部材
４２ 金網

Claims (4)

1. シリンダと、
   前記シリンダ内に、前記シリンダに沿って往復動可能に設けられ、前記シリンダ内の一端に膨張空間を形成するとともに、内部に、前記膨張空間に冷媒ガスを供給及び排出するための冷媒ガス流路が形成されているディスプレーサと、
   前記冷媒ガス流路内に収容されており、前記ディスプレーサが前記シリンダに沿って往復動する際に、前記膨張空間に供給した冷媒ガスを膨張させることによって発生した冷熱を蓄冷する蓄冷材と
   を有し、
   前記ディスプレーサは、室温において、低温端の外径が高温端の外径よりも大きく、
   室温から使用温度まで冷却したときの前記ディスプレーサの熱収縮率が、室温から使用温度まで冷却したときの前記シリンダの熱収縮率よりも大きい、蓄冷器式冷凍機。
2. 前記ディスプレーサは、室温において、前記高温端から前記低温端に向かって外径が段階的に増加する複数の段部を有するものである、請求項１に記載の蓄冷式冷凍機。
3. 前記ディスプレーサは、室温から使用温度まで冷却したときに、前記ディスプレーサの外周面と前記シリンダの内周面との隙間が前記シリンダに沿って一定になるように、室温において、前記高温端から前記低温端に向かって外径が連続的に増加するものである、請求項１に記載の蓄冷器式冷凍機。
4. 前記ディスプレーサは、室温から使用温度まで冷却したときに、それぞれの前記段部の外周面と前記シリンダの内周面との間の、前記シリンダに沿った平均隙間が、互いに等しくなるものである、請求項２に記載の蓄冷器式冷凍機。

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