JP6361182B2 - 蓄冷型冷凍機 - Google Patents

Description

本発明は、蓄冷型冷凍機に関する。

ＧＭ（ギホード・マクマホン）冷凍機、スターリング冷凍機、パルス管冷凍機等により代表される蓄冷型冷凍機は、蓄冷材が充填されたシリンダ部材を備え、シリンダ部材内で作動ガスを往復移動させるとともに、シリンダ部材の一方端部（低温端部）内にて作動ガスに膨張仕事をさせることによって、シリンダ部材の一方端部にて冷熱が発生するように構成される。発生した冷熱を被冷却体に与えることによって、被冷却体が冷却される。また、発生した冷熱は作動ガスの移動によってシリンダ部材内の蓄冷材に蓄えられる。故に、蓄冷材として低温比熱或いは極低温比熱の大きな物質が好ましく用いられる。

４Ｋ〜２０Ｋ程度の極低温を得るためには、作動ガスを２段階に膨張させる２段式の蓄冷型冷凍機が好ましく用いられる。２段式の蓄冷型冷凍機として特許文献１に２段型ＧＭ冷凍機が開示される。２段型ＧＭ冷凍機は、大径の１段目シリンダ部と小径の２段目シリンダ部とを有する段付き円筒形状のシリンダ部材を備える。１段目シリンダ部の一方端部内にて作動ガスが膨張することにより、６０〜１００Ｋ程度の低温（冷熱）を得ることができ、２段目シリンダ部の一方端部内にて作動ガスが膨張することにより、４〜２０Ｋ程度の極低温（冷熱）を得ることができる。

特開２０１２−４７３６８号公報

（発明が解決しようとする課題）
従来の蓄冷型冷凍機によれば、シリンダ部材の一方端部（低温端部）の先端面に被冷却体の被冷却面が接触される。従って、特殊な形状の被冷却面にシリンダ部材の一方端部の先端面を面接触させることは困難であった。また、被冷却面の配置形状が変更された場合、シリンダ部材の一方端部（低温端部）の先端面を被冷却面の配置形状に適合させるために、新たにシリンダ部材を作製しなければならなかった。

また、シリンダ部材の一方端部（低温端部）において、冷却された低温の作動ガスは、シリンダ部材の内周側面に沿って流れる場合が多い。このため、発生した冷熱を取り出し得る部分のうち最も温度が低下する部分は、シリンダ部材の一方端部（低温端部）の外周側面である。従来においては最も温度が低下するシリンダ部材の一方端部（低温端部）の外周側面から冷熱を取り出していないので、冷凍機の冷凍能力を十分に活かしきれていないという問題がある。加えて、シリンダ部材の一方端部（低温端部）の先端面の面積は小さいので、従来の吸熱方式では吸熱量が低下するという問題がある。

本発明は、被冷却面の形状に応じて新たにシリンダ部材を作製する必要がなく、且つ、効率的に冷熱を取り出すことができるように構成された蓄冷型冷凍機を提供することを目的とする。

（課題を解決するための手段）
本発明は、一方端部及び他方端部を有する円筒形状に形成されるとともに内部に蓄冷材が充填されたシリンダ部材を備え、シリンダ部材内で作動ガスを往復移動させるとともにシリンダ部材の一方端部内にて作動ガスに膨張仕事をさせることによってシリンダ部材の一方端部にて冷熱が発生するように構成された蓄冷型冷凍機であって、シリンダ部材の一方端部内にて発生した冷熱を被冷却体に伝達するための冷熱伝達部材を備え、冷熱伝達部材が、シリンダ部材の一方端部の外周側面に周方向に沿って接触するとともに、シリンダ部材の一方端部に接続され、シリンダ部材の一方端部内にて発生した冷熱が伝達される冷熱取り出し部と、冷熱取り出し部から連続して形成され、被冷却体に設けられる被冷却面に接触することにより冷熱取り出し部に伝達された冷熱が被冷却体に伝達されるように被冷却体に接続された接続部と、を備え、接続部は、締結部材を介して被冷却体に接続され、冷熱取り出し部は、接続部と被冷却体とを接続する締結部材の締め付け力によりシリンダ部材の一方端部に接続されるとともに、締結部材の締め付け力を弱めることによりシリンダ部材の一方端部から取り外し可能に構成される、蓄冷型冷凍機を提供する。

本発明によれば、シリンダ部材の一方端部内にて発生した冷熱が冷熱伝達部材を介して被冷却体に伝達されることにより、被冷却体が冷却される。また、冷熱伝達部材の冷熱取り出し部は、シリンダ部材のうち最も温度が低下する一方端部の外周側面に周方向に沿って接触している。このためシリンダ部材から効率的に冷熱を取り出すことができる。

また、上記のように効率的に冷熱を取り出すことができることから、冷熱伝達部の接続部の形状自由度、特に被冷却面に接触する接続部の形状自由度は高い。よって、複雑な形状の被冷却面、あるいは、冷熱の発生部位から遠くに位置する被冷却面、等に適合するように接続部を構成した場合であっても、十分に冷熱を被冷却体に伝達することができる。

また、被冷却面の配置形状が変更された場合、その被冷却面の配置形状に適合するように接続部を形成すればよく、被冷却面の配置形状に合わせてシリンダ部材をその都度作製する必要がない。このように、本発明によれば、被冷却面の配置形状に合わせて新たにシリンダ部材を作製する必要がなく、且つ、効率的に冷熱を取り出すことができるように構成された蓄冷型冷凍機を提供することができる。

接続部は変形可能であるのがよい。好ましくは、接続部は、被冷却面の配置形状に応じてその配置形状に適合するように変形可能であるのがよい。これによれば、被冷却面に接触するように被冷却面の配置形状に応じて接続部を変形させることによって、被冷却体の被冷却面がどのような配置形状であっても、シリンダ部材を新たに作製することなく蓄冷型冷凍機で発生した冷熱を被冷却体に伝達することができる。なお、「被冷却面の配置形状」とは、被冷却面の位置、形状、向き、を総称した概念である。

また、冷熱取り出し部は、シリンダ部材の一方端部に取り外し可能に接続される。つまり、冷熱伝達部がシリンダ部材の一方端部に取り外し可能である。これによれば、被冷却面の配置形状が変更された場合、現在使用されている冷熱伝達部材をシリンダ部材から取り外し、変更後の被冷却面の配置形状に適合する接続部を有する冷熱伝達部材に付け替えることができる。このように冷熱伝達部のみを交換することにより、被冷却面の配置形状に合わせてシリンダ部材を新たに製することなく、蓄冷型冷凍機で発生した冷熱を被冷却体に伝達することができる。

冷熱伝達部材は、シリンダ部材の一方端部の外周側面に周方向に沿って接触するようにリング状に形成されているリング部分と、リング部分から連続して伸びている延設部分とを有するのがよい。そして、リング部分により冷熱取り出し部が構成され、延設部分により接続部が構成されるのがよい。この場合、冷熱伝達部材は、可撓性を有する金属薄板の積層体により構成されるのがよい。これによれば、冷熱取り出し部と接続部が一体的に形成されているので熱伝達損失を抑えることができる。また、延設部（接続部）を折り曲げたり捩じったり撓ませたりすることにより、様々な被冷却面の位置、形状、向き、に合うように接続部を変形させることができる。

第１実施形態に係る２段型ＧＭ冷凍機を示す部分断面概略図である。 被冷却体への冷熱伝達部材の取付態様を図１の上方から見た平面図である。 被冷却体への冷熱伝達部材の取付態様の別例を示す図である。 被冷却体への冷熱伝達部材の取付態様のさらに別例を示す図である。 被冷却体への冷熱伝達部材の取付態様のさらに別例を示す図である。 第２実施形態に係る２段型ＧＭ冷凍機を示す部分断面概略図である。 冷熱伝達部のシリンダ部への取付態様を示す平面図である。 被冷却体への冷熱伝達部の取付態様の別例を示す部分断面概略図である。 被冷却体への冷熱伝達部の取付態様のさらに別例を示す部分断面概略図である。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本実施形態に係る蓄冷型冷凍機である２段型ＧＭ冷凍機を示す部分断面概略図である。図１に示すように、本実施形態に係る２段型ＧＭ冷凍機１は、シリンダ部材２と、ディスプレーサ３と、駆動装置４と、圧力振動装置５と、第１冷熱伝達部材６１と、第２冷熱伝達部材６２とを備える。

シリンダ部材２は、第１シリンダ部２１及び第２シリンダ部２２を有する。第１シリンダ部２１は、低温端部（一方端部）２１１及びその反対側の高温端部（他方端部）２１２を有する円筒形状に形成される。第２シリンダ部２２は、低温端部（一方端部）２２１及びその反対側の高温端部（他方端部）２２２を有する円筒形状に形成される。なお、図１においては、シリンダ部（２１、２２）の低温端部（２１１、２２１）が上方の端部として表され、高温端部（２１２、２２２）が下方の端部として表されているが、ここにおける「上方」、「下方」は、図面を参照した説明の便宜のために用いているのみであって、絶対空間における「上方」、「下方」を意味するものではない。また、以下の説明においても、「上」、「下」といった方向を表す用語は、図面を参照した説明の便宜のために用いるのみであって、必ずしも絶対空間における「上」、「下」を意味するものではない。

第１シリンダ部２１の内径は第２シリンダ部の内径よりも大きく、第１シリンダ部２１の外径は第２シリンダ部２２の外径よりも大きい。第１シリンダ部２１の上部に第２シリンダ部２２が接続される。このため、第１シリンダ部２１の低温端部２１１と第２シリンダ部２２の高温端部２２２がそれぞれの端面で連結されており、シリンダ部材２は先端側（図１において上方側）に向かうほど径が小さくなる段付円筒形状を呈する。また、第１シリンダ部２１の内部空間が第２シリンダ部２２の内部空間に連通している。従って、シリンダ部材２の内部空間の形状は、先端側（図１において上方側）に向かうほど径が小さくなる段付き円柱形状である。

ディスプレーサ３はシリンダ部材２の内部空間に配設される。ディスプレーサ３は、内部に円柱状の空間が形成された第１ピストン部３１及び第２ピストン部３２を有する。第１ピストン部３１の内径は第２ピストン部３２の内径よりも大きく、第１ピストン部３１の外径は第２ピストン部３２の外径よりも大きい。第１ピストン部３１の上部に第２ピストン部３２が接続される。このためディスプレーサ３もシリンダ部材２と同様に、先端側（図１において上方側）に向かうほど径が小さくなる段付き円筒形状を呈する。

第１ピストン部３１の外径は第１シリンダ部２１の内径よりも僅かに小さい。第１ピストン部３１が第１シリンダ部２１内に同軸的に配設される。また、第２ピストン部の外径は第２シリンダ部２２の内径よりも僅かに小さい。第２ピストン部３２は、図１に示すように第１ピストン部３１の図１において上端面から上方に延設され、第２シリンダ部２２の内部空間に進入している。

第１ピストン部３１の軸方向長さ（高さ）は、第１シリンダ部２１の内部空間の軸方向長さ（高さ）よりも短い。従って、第１シリンダ部２１内の空間のうち、第１ピストン部３１の上端面よりも上方に第１膨張空間２１ａが形成され、第１ピストン部３１の下端面よりも下方に背面空間２１ｂが形成される。図１からわかるように、第１膨張空間２１ａは第１シリンダ部２１の低温端部２１１内の空間により構成され、背面空間２１ｂは第１シリンダ部２１の高温端部２２２内の空間により構成される。また、第２シリンダ部２２の内部空間のうち、第２ピストン部３２の上端面よりも上方に第２膨張空間２２ａが形成される。第２膨張空間２２ａは第２シリンダ部２２の低温端部２２１内の空間により構成される。

ディスプレーサ３は、第１ピストン部３１の図１において下方の端部に接続されたロッド３６を介して駆動装置４に接続される。駆動装置４は、例えばモータ及びスコッチヨークなどにより構成されており、駆動することによってロッド３６をその軸方向に往復駆動させる。ロッド３６の往復駆動によって、ロッド３６に接続したディスプレーサ３がシリンダ部材２内で往復移動する。

シリンダ部材２に第１連通路２３が形成される。第１連通路２３の一方端がシリンダ部材２内の背面空間２１ｂに開口する。第１連通路２３の他方端は、圧力振動装置５に接続される。圧力振動装置５は、本実施形態では、コンプレッサ５１と、高圧開閉弁５２と、低圧開閉弁５３と、開閉制御装置５４と、共通通路５５とを備える。

コンプレッサ５１は、作動ガスとしてのヘリウムガスを吸入口５１ａから吸入し、内部にてヘリウムガスを圧縮し、圧縮した高圧のヘリウムガスを吐出口５１ｂから吐出する。従って、コンプレッサ５１の吸入口５１ａ側にて低圧が生成され、コンプレッサ５１の吐出口５１ｂ側にて高圧が生成される。

高圧開閉弁５２は２つのポートを有し、開状態であるときに２つのポートの連通を許容し、閉状態であるときに２つのポートの連通を遮断することができるように構成される。高圧開閉弁５２の２つのポートのうちの一方のポートがコンプレッサ５１の吐出口５１ｂに接続され、他方のポートが共通通路５５の一方端に接続される。低圧開閉弁も２つのポートを有し、開状態であるときに２つのポートの連通を許容し、閉状態であるときに２つのポートの連通を遮断することができるように構成される。低圧開閉弁５３の２つのポートのうちの一方のポートがコンプレッサ５１の吸入口５１ａに接続され、他方のポートが共通通路５５の一方端に接続される。共通通路５５の他方端が、シリンダ部材２に形成された第１連通路２３に接続される。

開閉制御装置５４は、高圧開閉弁５２と低圧開閉弁５３のいずれか一方が開いているときに他方が閉じているように、これらの開閉弁の開閉作動を制御する。開閉制御装置５４の作動により、共通通路５５内の圧力が高圧から低圧に、或いは低圧から高圧に切り替えられる。高圧開閉弁５２、低圧開閉弁５３、及び開閉制御装置５４は、これらが一体となったロータリバルブユニットにより構成されていてもよい。この場合、駆動源として駆動装置４に内蔵されたモータなどを利用して、ディスプレーサ３の往復移動と圧力振動装置５による高低圧の切り替え作動を連動させてもよい。

第１ピストン部３１の内部空間内には、約６０〜１００Ｋ程度の低温における比熱が大きい材質からなる第１蓄冷材３３が充填される。第１蓄冷材３３は、例えばりん青銅により形成された金網などの積層体により構成するすることができる。第１蓄冷材３３が充填されている第１ピストン部３１の内部空間を、以下、第１蓄冷室３１ａと呼ぶ。また、第２ピストン部３２の内部空間内には、約４〜２０Ｋ程度の極低温における比熱が大きい材質からなる第２蓄冷材３４が充填される。第２蓄冷材３４として、例えば鉛球などを用いることができる。第２蓄冷材３４が充填されている第２ピストン部３２の内部空間を、以下、第２蓄冷室３２ａと呼ぶ。

第１ピストン部３１に、第２連通路３１１、第３連通路３１２、第４連通路３１３が形成される。第２連通路３１１は第１ピストン部３１の下端壁に形成されており、第１蓄冷室３１ａの図１において下方の部分と背面空間２１ｂとを連通する。第３連通路３１２は第１ピストン部３１の側周壁の上端部分に形成されており、第１蓄冷室３１ａの図１において上方の部分と第１膨張空間２１ａとを連通する。第４連通路３１３は第１ピストン部３１の上端壁に形成されており、第１蓄冷室３１ａの図１において上方の部分と第２蓄冷室３２ａの下方の部分とを連通する。

第２ピストン部３２に、第５連通路３２１が形成される。第５連通路３２１は、第２ピストン部３２の側周壁の上端部分に形成されており、第２蓄冷室３２ａの図１において上方の部分と第２膨張空間２２ａとを連通する。

第１ピストン部３１の外周側面の図１において下方部分に、周方向にわたって第１シールリング３１４が取り付けられている。第１シールリング３１４によって、背面空間２１ｂと第１膨張空間２１ａとの連通が遮断される。また、第２ピストン部３２の外周側面の下方部分であって、第２シリンダ部２２の内周側面と対面する部分に、第２シールリング３２２が取り付けられる。第２シールリング３２２によって、第１膨張空間２１ａと第２膨張空間２２ａとの連通が遮断される。

第２蓄冷室３２ａの上端部及び下端部に、第２蓄冷室３２ａ内に充填されている第２蓄冷材３４（例えば鉛球）の径よりも小さいメッシュ径を有する金網３５が配設される。金網３５によって、第２蓄冷室３２ａ内の第２蓄冷材３４が外部に漏出することが防止される。

第１冷熱伝達部材６１は、第１シリンダ部２１の低温端部２１１の外周側面に取り付けられる。第２冷熱伝達部材６２は、第２シリンダ部２２の低温端部２２１の外周側面に取り付けられる。第１冷熱伝達部材６１は、第１シリンダ部２１の低温端部２１１内にて発生した冷熱を被冷却体Ｃ１に伝達する。第２冷熱伝達部材６２は、第２シリンダ部２２の低温端部２２１内にて発生した冷熱を被冷却体Ｃ２に伝達する。

第１冷熱伝達部材６１は、リング部分６１ａと延設部分６１ｂとを有し、第２冷熱伝達部材６２は、リング部分６２ａと延設部分６２ｂとを有する。以下において、第１冷熱伝達部材６１と第２冷熱伝達部材６２とを区別せずに説明するときは、これらを総称して、冷熱伝達部材６と称し、リング部分６１ａとリング部分６２ａを区別せずに説明するときは、これらを総称して、リング部分６ａと称し、延設部分６１ｂと延設部分６２ｂを区別せずに説明するときは、これらを総称して、延設部分６ｂと称する。

図２は、被冷却体への冷熱伝達部材６の取付態様を図１の上方から見た平面図である。図２に示すように、冷熱伝達部材６は、複数枚の金属薄板を重ね合わせて積層した積層体により構成される。金属薄板は薄いために可撓性を有する。従って、可撓性を有する金属薄板を積層した積層体は変形させることができる。例えば、曲げたり捩じったりすることができる。金属薄板の材質は熱伝導の良好な材質であるのがよい。例えば、アルミニウム、或いは銅が、金属薄板の材質として好ましく用いられる。

冷熱伝達部材６は、金属薄板の積層体の中間部分を丸めるとともに、丸められた部分の一方の端部から連続した部分と他方の端部から連続した部分とを重ね合わせることにより形成される。こうして形成された冷熱伝達部材６のうち、丸められた部分がリング部分６ａであり、リング部分６ａから連続して延びている部分が延設部分６ｂである。

上記のようにして形成された冷熱伝達部材６のリング部分６ａは、径方向が金属薄板の積層方向に一致したリング形状をなす。そして、シリンダ部（２１、２２）の低温端部（２１１、２２１）の外周側面２ａを取り囲むように、シリンダ部（２１、２２）に対してリング部分６ａが配設される。そのため、リング部分６ａの内周面が低温端部（２１１、２２１）の外周側面２ａに周方向に沿って接触する。また、延設部分６ｂは、リング部分６ａから連続して形成されており、リング部分６ａから径外方に延設される。

また、冷熱伝達部材６の延設部分６ｂには、複数の貫通孔６ｃが設けられる。これらの貫通孔６ｃは、延設部分６ｂを構成する金属薄板の積層方向に沿って延設される。これらの貫通孔６ｃにボルトＢＴがそれぞれ挿通される。貫通孔６ｃを挿通したボルトＢＴに被冷却体Ｃ（Ｃ１、Ｃ２）を挟んでナットＮＴを螺合することにより、締結部材（ボルトＢＴ及びナットＮＴ）を介して被冷却体Ｃが延設部分６ｂに接続される。また、こうした締結部材による締結力は、リング部分６ａを閉じるように（すなわちリング部分６ａの内径を縮めるように）リング部分６ａにも作用する。このためリング部分６ａがシリンダ部（２１、２２）の低温端部（２１１、２２１）を締め付ける。斯かる締め付け力によってリング部分６ａの内周面がシリンダ部（２１、２２）の低温端部（２１１、２２１）の外周側面２ａに密着するとともに、冷熱伝達部材６がシリンダ部（２１、２２）の低温端部（２１１、２２１）に固定される。

また、被冷却体Ｃには被冷却面Ｓが設けられていて、締結部材を介して被冷却体Ｃが延設部分６ｂに接続されたときに、被冷却面Ｓに延設部分６ｂの片側面が面接触する。この場合において、延設部分６ｂは金属薄板の積層体により構成されており、比較的自由に撓むことができる。従って、被冷却面Ｓの形状に合わせて延設部分６ｂを変形させることにより、十分に冷熱が被冷却面Ｓに伝わるように、被冷却面Ｓに延設部分６ｂを面接触させることができる。

上記構成の２段型ＧＭ冷凍機において、以下に、その作動について簡単に説明する。ディスプレーサ３がシリンダ部材２内にて図１において最も上方に位置しているときには、圧力振動装置５の高圧開閉弁５２が開いており低圧開閉弁５３が閉じている。従って、高圧の作動ガスが、共通通路５５、第１連通路２３を経由してシリンダ部材２内に導入される。次いで、ディスプレーサ３がシリンダ部材２に対して下方に変位される。すると、背面空間２１ｂ内の高圧の作動ガスが、第２連通路３１１を通って第１蓄冷室３１ａに導入される。第１蓄冷室３１ａ内に導入された作動ガスは第１蓄冷材３３から冷熱を奪うことにより冷却される。そして、第１蓄冷材３３により冷却された作動ガスは第３連通路３１２を通って第１膨張空間２１ａに導入される。また、第１蓄冷室３１ａ内に導入された作動ガスの一部は、第４連通路３１３を通って第２蓄冷室３２ａに導入される。第２蓄冷室３２ａ内に導入された作動ガスは第２蓄冷材３４から冷熱を奪うことにより冷却される。そして、第２蓄冷材３４により冷却された作動ガスは第５連通路３２１を通って第２膨張空間２２ａに導入される。

その後、圧力振動装置５の高圧開閉弁５２が閉じるとともに低圧開閉弁５３が開く。これによって、第１シリンダ部２１の低温端部２１１側に位置する第１膨張空間２１ａ内の作動ガス及び、第２シリンダ部２２の低温端部２２１側に位置する第２膨張空間２２ａ内の作動ガスが、それぞれ膨張仕事を行う。斯かる膨張仕事によって、それぞれの膨張空間２１ａ，２２ａ内、すなわち第１シリンダ部２１の低温端部２１１内及び第２シリンダ部２２の低温端部２２１内にて冷熱が発生する。

次に、ディスプレーサ３がシリンダ部材２に対して上方に変位される。すると、第２膨張空間２２ａ内の作動ガスは、第５連通路３２１、第２蓄冷室３２ａ、第４連通路３１３、第１蓄冷室３１ａ、第２連通路３１１を経由して、背面空間２１ｂに導入される。このとき、第２蓄冷室３２ａ内の第２蓄冷材３４及び第１蓄冷室３１ａ内の第１蓄冷材３３に冷熱を奪われることによって、作動ガスが加熱される。また、第１膨張空間２１ａ内の作動ガスは、第３連通路３１２、第１蓄冷室３１ａ、第２連通路３１１を経由して、背面空間２１ｂに導入される。このとき第１蓄冷室３１ａ内の第１蓄冷材３３に冷熱を奪われることによって、作動ガスが加熱される。

次いで、圧力振動装置５の高圧開閉弁５２が開くとともに低圧開閉弁５３が閉じる。これによって、背面空間２１ｂ内の作動ガスが圧縮仕事を行う。斯かる圧縮仕事によって発生する熱は、コンプレッサ５１の吐出側に設置された図示しない放熱器によって外部に放熱される。

上記した熱サイクル（ＧＭサイクル）が繰り返されることによって、第１膨張空間２１ａ内が約６０〜１００Ｋ程度に冷却され、第２膨張空間２２ａ内が約４〜２０Ｋ程度に冷却される。第１膨張空間２１ａ内（第１シリンダ部２１の低温端部２１１内）で生じた冷熱は、第１冷熱伝達部材６１のリング部分６１ａに伝達され、リング部分６１ａからさらに延設部分６１ｂに冷熱が伝達される。そして、延設部分６１ｂから第１被冷却体Ｃ１に伝達される。このようにして第１被冷却体Ｃ１が冷却される。また、第２膨張空間２２ａ内（第２シリンダ部２２の低温端部２２１内）で生じた冷熱は、第２冷熱伝達部材６２のリング部分６２ａに伝達され、リング部分６２ａからさらに延設部分６２ｂに伝達される。そして、延設部分６２ｂから第２被冷却体Ｃ２に伝達される。このようにして第２被冷却体Ｃ２が冷却される。

被冷却体Ｃ１、Ｃ２が冷却されている際に、第１膨張空間２１ａに流入或いは第１膨張空間２１ａから流出する作動ガスは、第３連通路３１２を通る。図１に示すように第３連通路３１２は、第１ピストン部３１の側周面に形成されている。従って、第３連通路３１２を経由する作動ガスは、必然的に、第１ピストン部３１の外周側面と第１シリンダ部２１の内周側面との間の空間を通ることとなる。具体的には、第１蓄冷室３１ａから第３連通路３１２を経由して第１膨張空間２１ａに流れる作動ガスは、第１シリンダ部２１の低温端部２１１の内周側面に沿って流れて第１膨張空間２１ａに進入する。また、第１膨張空間２１ａから第３連通路３１２を経由して第１蓄冷室３１ａに流れる作動ガスは、第１シリンダ部２１の低温端部２１１の内周側面に沿って流れた後に第３連通路３１２を通って第１蓄冷室３１ａ内に進入する。このように、第１シリンダ部２１の低温端部２１１内において、冷却された低温の作動ガスは第１シリンダ部２１の低温端部２１１の内周側面に沿って流れる場合が多い。このため、第１シリンダ部２１の低温端部２１１内（第１膨張空間２１ａ内）にて発生した冷熱を取り出し得る部分のうち最も温度が低下する部分は、第１シリンダ部２１の低温端部２１１の外周側面である。本実施形態においては、最も温度が低下する第１シリンダ部２１の低温端部２１１の外周側面に第１冷熱伝達部材６１のリング部分６１ａが接触しているため、最も効率的に第１シリンダ部２１から冷熱を取り出すことができる。

また、被冷却体Ｃ１、Ｃ２が冷却されている際に、第２膨張空間２２ａに流入或いは第２膨張空間２２ａから流出する作動ガスは、第５連通路３２１を通る。図１に示すように第５連通路３２１は、第２ピストン部３２の側壁に形成されている。従って、第５連通路３２１を経由する作動ガスは、必然的に、第２ピストン部３２の外周側面と第２シリンダ部２２の内周側面との間の空間を通ることとなる。具体的には、第２蓄冷室３２ａから第５連通路３２１を経由して第２膨張空間２２ａに流れる作動ガスは、第２シリンダ部２２の低温端部２２１の内周側面に沿って流れて第２膨張空間２２ａに進入する。また、第２膨張空間２２ａから第５連通路３２１を経由して第２蓄冷室３２ａに流れる作動ガスは、第２シリンダ部２２の低温端部２２１の内周側面に沿って流れた後に、第５連通路３２１を通って第２蓄冷室３２ａ内に進入する。このように、第２シリンダ部２２の低温端部２２１内において、冷却された低温の作動ガスは第２シリンダ部２２の低温端部２２１の内周側面に沿って流れる場合が多い。このため、第２シリンダ部２２の低温端部２２１内（第２膨張空間２２ａ内）にて発生した冷熱を取り出し得る部分のうち最も温度が低下する部分は、第２シリンダ部２２の低温端部２２１の外周側面である。本実施形態においては、最も温度が低下する第２シリンダ部２２の低温端部２２１の外周側面に第２冷熱伝達部材６２のリング部分６２ａが接触しているため、最も効率的に第２シリンダ部２２から冷熱を取り出すことができる。

ところで、ＧＭ冷凍機により冷却される対象は多岐に渡り、それ故に、被冷却体の形状及び被冷却面の配置形状は被冷却体によって異なる。従来では、シリンダ部材の低温端部の先端面に被冷却面を接触させるように構成されていたので、特殊な配置形状の被冷却面を冷却することは困難であった。また、被冷却体に最も冷熱が伝達されるように被冷却面の箇所を変更する場合もあり、こうした場合には、従来では、変更後の被冷却面にシリンダ部材の低温端部の先端面が接触できるように、シリンダ部材を新たに作製しなければならなかった。

これに対し、本実施形態によれば、２段型ＧＭ冷凍機１にて生じた冷熱が一旦冷熱伝達部材６（第１冷熱伝達部材６１及び第２冷熱伝達部材６２）に伝達され、この冷熱伝達部材６を介して被冷却体Ｃ（Ｃ１、Ｃ２）に冷熱が伝達されるように構成されているため、冷熱伝達部材６の形状（特に延設部分６ｂの形状）を被冷却面Ｓの形状に合わせることによって、シリンダ部材をその都度作製せずとも、様々な形状の被冷却面に２段型ＧＭ冷凍機１にて生じた冷熱を伝達させることができる。

また、上記のように効率的に冷熱を取り出すことができることから、冷熱伝達部６の延設部分６ｂの形状自由度は高い。よって、複雑な形状の被冷却面、あるいは、冷熱の発生部位から遠くに位置する被冷却面、等、従来では適合させることが困難な被冷却面に適合するように延設部分６ｂを構成した場合であっても、十分に冷熱を被冷却体Ｃに伝達することができる。

また、冷熱伝達部材６は、図２に示すように、締結部材の締め付け力によってシリンダ部（２１、２２）に取り付けられているため、締結部材による締め付け力を弱めることによって、冷熱伝達部材６はシリンダ部（２１、２２）から簡単に取り外すことができる。すなわち、冷熱伝達部材６（リング部分６ａ）は、シリンダ部（２１，２２）の低温端部（２１１、２２１）に取り外し可能に接続されている。したがって、被冷却面が変更された場合には、変更後の被冷却面に接触し得るような冷熱伝達部材に取り換えることもできる。こうして冷熱伝達部材のみを交換することで、シリンダ部材２を新たに作製することなく、十分に冷熱を被冷却体Ｃに伝えることができる。

図３は、被冷却体Ｃへの冷熱伝達部材６の取付態様の別例を示す図である。図３に示すように、被冷却面Ｓの位置に応じて被冷却面Ｓに延設部分６ｂを接続するための締結部材の取付位置を調整することにより、冷熱伝達部材６を様々な位置にある被冷却面Ｓに面接触させることができる。このため、被冷却面Ｓの位置がどのような位置であっても、シリンダ部材２を新たに作製することなく、十分に冷熱を被冷却体Ｃに伝えることができる。

図４は、被冷却体Ｃへの冷熱伝達部材６の取付態様のさらに別例を示す図である。上述したように、冷熱伝達部材６の延設部分６ｂは可撓性を有する金属薄板の積層体により構成されていて、変形可能である。そのため、例えば図４に示すように、被冷却面Ｓの向きに応じて延設部分６ｂを折り曲げることにより、冷熱伝達部材６を様々な方向を向いた被冷却面Ｓに面接触させることができる。このため、被冷却面Ｓの向きがどのような向きであっても、延設部分６ｂを折り曲げることで（或いは捩じることで）、シリンダ部材２を新たに作製することなく、十分に冷熱を被冷却体Ｃに伝えることができる。

図５は、被冷却体Ｃへの冷熱伝達部材６の取付態様のさらに別例を示す図である。上述したように延設部分６ｂは変形可能である。そのため、例えば図５に示すように、被冷却面Ｓの形状に応じて延設部分６ｂの形状を変形させることにより、冷熱伝達部材６を様々な形状の被冷却面Ｓに面接触させることができる。このため、被冷却面Ｓの形状がどのような形状であっても、延設部分６ｂを変形させることで、シリンダ部材２を新たに作製することなく、十分に冷熱を被冷却体Ｃに伝えることができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態に係る蓄冷型冷凍機について説明する。本例に係る蓄冷型冷凍機も、上記第１実施形態と同様に、２段型ＧＭ冷凍機である。本実施形態に係る２段型ＧＭ冷凍機は、基本的には第１実施形態に係る２段型ＧＭ冷凍機と同一の構造であり、異なるところは、冷熱伝達部の構造及び被冷却体への冷熱伝達部の取付態様のみである。従って、同一部分については同一の符号で示してその具体的説明は省略する。

図６は、第２実施形態に係る２段型ＧＭ冷凍機１’を示す部分断面概略図である。図６に示すように、第２実施形態に係る２段型ＧＭ冷凍機１’は、第１冷熱伝達部材７１と第２冷熱伝達部材７２とを備える。第１冷熱伝達部材７１は、第１シリンダ部２１の低温端部２１１の外周側面に取り付けられ、第２冷熱伝達部材７２は、第２シリンダ部２２の低温端部２２１の外周側面に取り付けられる。以下において、第１冷熱伝達部材７１と第２冷熱伝達部材７２とを区別せずに説明するときは、これらを総称して、冷熱伝達部材７と称する。

図７は、冷熱伝達部材７のシリンダ部（第１シリンダ部２１、第２シリンダ部２２）への取付態様を示す平面図である。図７に示すように、冷熱伝達部材７はリング形状を呈する。冷熱伝達部材７は、内周面７ａ、外周面７ｂ、上端面７ｃ、及び下端面７ｄ（図６参照）を有する。内周面７ａがシリンダ部（２１、２２）の低温端部（２１１、２２１）の外周側面２ａに周方向に沿って接触している。また、上端面７ｃは、図６に示すように、被冷却体（Ｃ１、Ｃ２）の被冷却面Ｓに接触している。冷熱伝達部材７は、熱伝導の良好な金属で形成されているとよい。また、冷熱伝達部材７は、比較的硬度の低い金属で形成されているとよい。この場合、アルミニウム、銅などが、冷熱伝達部材７として好ましく用いられる。

また、冷熱伝達部材７には、その内周面７ａから外周面７ｂにかけて径方向に延びたスリット７ｅが形成されている。このスリット７ｅによって、冷熱伝達部材７の周方向に沿った隙間が上端面７ｃから下端面７ｄにかけて形成される。また、冷熱伝達部材７の外周面７ｂに一対の段差面７ｆ，７ｆがスリット７ｅを挟んで対称的に形成される。さらに、それぞれの段差面７ｆ，７ｆの基端から径外方に延設されるように一対の突部７ｇ，７ｇが形成される。図７に示すように一対の突部７ｇ，７ｇは、スリット７ｅを挟んで向かい合わされている。一対の突部７ｇ，７ｇには、その延設方向に直交する方向に伸びるように貫通孔７ｉ，７ｉがそれぞれ同心的に設けられる。これらの貫通孔７ｉ，７ｉに締め付けボルトＢＴ１が挿通される。締め付けボルトＢＴ１の先端にナットＮＴが螺合される。締め付けボルトＢＴ１にナットＮＴを螺合する際の締結力によってスリット７ｅにより形成される隙間が狭められることにより、冷熱伝達部材７がシリンダ部（２１、２２）の低温端部（２１１、２２１）の外周側面２ａに取り付けられる。また、上記締結力を弱めることにより冷熱伝達部材７をシリンダ部（２１、２２）から取り外すことができる。すなわち、冷熱伝達部材７は、シリンダ部（２１、２２）の低温端部（２１１、２２１）に取り外し可能に取り付けられる。

また、図７に示すように、冷熱伝達部材７の上端面７ｃから下端面７ｄに貫通した複数の貫通孔７ｊが、冷熱伝達部材７の周方向に所定の間隔をあけて形成される。これらの貫通孔７ｊに取付ボルトＢＴ２がそれぞれ挿通される。図６に示すように、取付ボルトＢＴ２は、貫通孔７ｊに下端面７ｄ側から挿通される。

取付ボルトＢＴ２は、冷熱伝達部材７の上端面７ｃ上に載置される被冷却体Ｃ（Ｃ１、Ｃ２）に差し込まれて固定される。このように、取付ボルトＢＴ２を介して、冷熱伝達部材７の上端面７ｃに被冷却体Ｃ（Ｃ１、Ｃ２）の被冷却面Ｓが面接触される。

本実施形態に係る２段型ＧＭ冷凍機１’においても、第１シリンダ部２１の低温端部２１１内（第１膨張空間２１ａ内）にて発生した冷熱を取り出し得る部分のうち最も温度が低下する低温端部２１１の外周側面に第１冷熱伝達部材７１の内周面７ａが接触しているため、最も効率的に第１シリンダ部２１から冷熱を取り出すことができる。同様に、第２シリンダ部２２の低温端部２２１内（第２膨張空間２２ａ内）にて発生した冷熱を取り出し得る部分のうち最も温度が低下する第２シリンダ部２２の低温端部２２１の外周側面に第２冷熱伝達部材７２の内周面７ａが接触しているため、最も効率的に第２シリンダ部２２から冷熱を取り出すことができる。そして、冷熱伝達部材７の内周面７ａから連続して形成されている上端面７ｃが被冷却体Ｃの被冷却面Ｓに面接触しているため、効率的に冷熱を被冷却体Ｃ（Ｃ１、Ｃ２）に伝えることができる。

また、冷熱伝達部材７は、図７に示すように、締め付けボルトＢＴ１とナットＮＴとの螺合による締め付け力によってシリンダ部（２１、２２）に取り付けられているため、この締め付け力を弱めることによって、冷熱伝達部材７をシリンダ部（２１、２２）から取り外すことができる。従って、被冷却面が変更された場合には、変更後の被冷却面に接触し得るような冷熱伝達部材に取り換えることで、シリンダ部材を新たに作製することなく、十分に冷熱を被冷却体Ｃに伝えることができる。

図８は、被冷却体への冷熱伝達部材７の取付態様の別例を示す部分断面概略図である。図８は、２段型ＧＭ冷凍機１’の第２シリンダ部２２の低温端部２２１付近の概略断面図である。図８に示すように被冷却体Ｃ２の被冷却面Ｓが曲面である場合、その曲面に面接触するように、第２冷熱伝達部材７２の上端面７ｃの形状を曲面に構成することもできる。このように、冷熱伝達部材７を様々な形状の被冷却面に面接触させて、十分に冷熱を被冷却体に伝えることができる。

以上説明したように、上記第１実施形態及び第２実施形態に係る２段型ＧＭ冷凍機１，１’は、シリンダ部（２１、２２）の低温端部（２１１、２２１）内にて発生した冷熱を被冷却体Ｃ（Ｃ１、Ｃ２）に伝達するための冷熱伝達部材（６、７）を備える。また、冷熱伝達部材（６、７）は、シリンダ部（２１、２２）の低温端部（２１１、２２１）の外周側面に周方向に沿って接触するとともに、シリンダ部（２１、２２）の低温端部（２１１、２２１）に接続され、シリンダ部（２１、２２）の低温端部（２１１、２２１）内にて発生した冷熱が伝達される冷熱取り出し部（第１実施形態においてはリング部分６ａ、第２実施形態においては内周面７ａ）と、冷熱取り出し部から連続して形成され、被冷却体Ｃに設けられる被冷却面Ｓに接触することにより冷熱取り出し部に伝達された冷熱が被冷却体Ｃに伝達されるように、被冷却体Ｃに接続された接続部（第１実施形態においては延設部分６ｂ、第２実施形態においては上端面７ｃ）と、を備える。

上記第１、第２実施形態によれば、冷熱取り出し部（６ａ、７ａ）がシリンダ部（２１、２２）のうち最も温度が低下する低温端部（２１１、２２１）の外周側面に周方向に沿って接触しているので、シリンダ部（２１、２２）から効率的に冷熱を取り出すことができる。

また、被冷却面Ｓの配置形状が変更された場合、その被冷却面の配置形状に適合するように接続部を形成することにより、シリンダ部材２を新たに作製することなく、冷熱を被冷却体Ｃに伝えることができる。

また、冷熱取り出し部（６ａ、７ａ）は、シリンダ部（２１，２２）の低温端部（２１１、２２１）に取り外し可能に接続される。従って、被冷却体の形状、特に被冷却面の配置形状に応じて、その配置形状に合った冷熱伝達部材を用いることにより、シリンダ部材２を新たに作製することなく、冷熱を被冷却体Ｃに伝えることができる。

また、上記第１実施形態によれば、図３に示すように、締結部材の取付位置を調整して、被冷却面Ｓに接触する面を変更することができる。このため、被冷却面がどのような位置にあっても、締結部材の取付位置を調整して接続部（延設部分６ｂ）を被冷却面Ｓに面接触させることにより、シリンダ部材２を新たに作製することなく、発生した冷熱を被冷却体Ｃに伝達することができる。また、上記第１実施形態によれば、被冷却面Ｓの配置形状に応じて接続部（延設部分６ｂ）を変形させて、冷熱伝達部材６を被冷却面Ｓに面接触させることにより、シリンダ部材２を新たに作製することなく、発生した冷熱を被冷却体Ｃに伝達することができる。

また、上記第１実施形態によれば、冷熱伝達部材６は、シリンダ部（２１、２２）の低温端部（２１１、２２１）の外周側面に周方向に沿って接触するようにリング状に形成されているリング部分６ａと、リング部分６ａから連続して伸びている延設部分６ｂとを有する。そして、リング部分６ａにより冷熱取り出し部が構成され、延設部分６ｂにより接続部が構成される。さらに、上記第１実施形態によれば、冷熱伝達部材６は、可撓性を有する金属薄板の積層体により構成される。これによれば、冷熱取り出し部と接続部が一体的に形成されているので熱伝達損失を抑えることができる。また、延設部分６ｂを曲げたり、捩じったり、撓ませたりすることにより、様々な被冷却面の位置、形状、向き、に合うように延設部分６ｂを変形させることができる。

以上、本発明の様々な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるべきものではない。例えば、上記第１、第２実施形態においては、２段式の蓄冷型冷凍機について説明したが、１段の蓄冷型冷凍機にも本発明を適用することができる。また、上記第１、第２実施形態においては、蓄冷側冷凍機としてＧＭ冷凍機を例にとって説明したが、その他の蓄冷型冷凍機、例えばスターリング冷凍機、パルス管冷凍機、等にも、本発明を適用することができる。また、上記第１実施形態によれば、金属薄板の積層体により冷熱伝達部材６を構成した例を説明したが、熱伝導性の良好なものであればどのようなもので冷熱伝達部材を構成してもよい。さらに、上記第１実施形態において示した延設部分６を捩じることによって、延設部分６を被冷却面の向きに合わせることもできる。また、上記第２実施形態においては、冷熱伝達部材７の上端面７ｃに被冷却面Ｓを接触させた例を示したが、例えば図９に示すように、冷熱伝達部材７の外周面７ｂから突出するように継手状の突部７３を連続的に形成し、この継手状の突部７３に被冷却体Ｃの被冷却面Ｓを接触させるように構成してもよい。このようにすることにより、どのような配置形状の被冷却体に対しても、十分に冷熱を伝達させることができる。このように、本発明は、その趣旨を逸脱しない限りにおいて、変形可能である。

１…２段型ＧＭ冷凍機（蓄冷型冷凍機）、２…シリンダ部材、２ａ…外周側面、２１…第１シリンダ部、２１ａ…第１膨張空間、２１ｂ…背面空間、２１１…低温端部（一方端部）、２２…第２シリンダ部、２２ａ…第２膨張空間、２２１…低温端部（一方端部）、２３…第１連通路、３…ディスプレーサ、３１…第１ピストン部、３１ａ…第１蓄冷室、３２…第２ピストン部、３２ａ…第２蓄冷室、３３…第１蓄冷材、３４…第２蓄冷材、４…駆動装置、５…圧力振動装置、６…冷熱伝達部材、６ａ，６１ａ，６２ａ…リング部（冷熱取り出し部）、６ｂ，６１ｂ，６２ｂ…延設部（接続部）、７…冷熱伝達部材、７ａ…内周面（冷熱取り出し部）、７ｂ…外周面、７ｃ…上端面（接続部）、７ｄ…下端面、７ｅ…スリット、６１，７１…第１冷熱伝達部材、６２，７２…第２冷熱伝達部材、３１１…第２連通路、３１２…第３連通路、３１３…第４連通路、３２１…第５連通路、ＢＴ…ボルト、ＢＴ１…締め付けボルト、ＢＴ２…取付ボルト、ＮＴ…ナット、Ｃ，Ｃ１，Ｃ２…被冷却体、Ｓ…被冷却面

Claims (4)

1. 一方端部及び他方端部を有する円筒形状に形成されるとともに内部に蓄冷材が充填されたシリンダ部材を備え、前記シリンダ部材内で作動ガスを往復移動させるとともに前記シリンダ部材の一方端部内にて作動ガスに膨張仕事をさせることによって前記シリンダ部材の一方端部にて冷熱が発生するように構成された蓄冷型冷凍機であって、
   前記シリンダ部材の一方端部内にて発生した冷熱を被冷却体に伝達するための冷熱伝達部材を備え、
   前記冷熱伝達部材が、
   前記シリンダ部材の一方端部の外周側面に周方向に沿って接触するとともに、前記シリンダ部材の一方端部に接続され、前記シリンダ部材の一方端部内にて発生した冷熱が伝達される冷熱取り出し部と、
   前記冷熱取り出し部から連続して形成され、前記被冷却体に設けられる被冷却面に接触することにより前記冷熱取り出し部に伝達された冷熱が前記被冷却体に伝達されるように前記被冷却体に接続された接続部と、を備え、
   前記接続部は、締結部材を介して前記被冷却体に接続され、
   前記冷熱取り出し部は、前記接続部と前記被冷却体とを接続する前記締結部材の締め付け力により前記シリンダ部材の一方端部に接続されるとともに、前記締結部材の締め付け力を弱めることにより前記シリンダ部材の一方端部から取り外し可能に構成される、蓄冷型冷凍機。
2. 請求項１に記載の蓄冷型冷凍機において、
   前記接続部が変形可能である、蓄冷型冷凍機。
3. 請求項１又は２に記載の蓄冷型冷凍機において、
   前記冷熱伝達部材は、前記シリンダ部材の一方端部の外周側面に周方向に沿って接触するようにリング状に形成されているリング部分と、前記リング部分から連続して伸びている延設部分とを有し、前記リング部分により前記冷熱取り出し部が構成され、前記延設部分により前記接続部が構成される、蓄冷型冷凍機。
4. 請求項３に記載の蓄冷型冷凍機において、
   前記冷熱伝達部材は、可撓性を有する金属薄板の積層体により構成される、蓄冷型冷凍機。
   

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