JP2780928B2 - 蓄冷器式冷凍機を使用した低温装置及び冷却方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は冷凍機に関し、特にヘリ
ウム等のガス冷媒を用い、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。

【０００２】

【従来の技術】ヘリウム等のガス冷媒を用い、蓄冷材を
収容した蓄冷器を有する蓄冷器式冷凍機としては、ギフ
ォードマクマホン（ＧＭ）サイクル冷凍機、（逆）スタ
ーリングサイクル冷凍機等が知られている。以下、制限
的な意味なく、ギフォードマクマホン（ＧＭ）冷凍機を
例にとって説明する。

【０００３】ＧＭ冷凍機は、ヘリウムガス圧縮機からの
ガス流路を弁を用いて制御し、膨張空間でヘリウムガス
を膨張させることによって寒冷を得る。極低温を得るに
は、通常、複数段階の構成を用いる。ジュールトムソン
（ＪＴ）弁機構と組み合わせることもできる。

【０００４】半導体装置製造用のスパッタリング装置等
で清浄な真空を得たい場合、クライオポンプが用いられ
る。近年、クライオポンプ用冷凍機としてＧＭ式冷凍機
が用いられている。勿論、ＧＭ式冷凍機はクライオポン
プに限らず、種々の目的に使用することができる。

【０００５】図２に、ＧＭ式冷凍機の構成例を概略的に
示す。２段構成で数Ｋ〜２０Ｋ程度の極低温を得るのに
適した構成である。なお、図２は後に本願発明の実施例
においても使用する。

【０００６】ヘリウム圧縮機１０は、ヘリウムガスを約
２０Ｋｇｆ／ｃｍ² に圧縮し、高圧ヘリウムガスを供給
する。高圧ヘリウムガスは、吸気弁Ｖ１、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。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。

【０００７】第１段目シリンダ１１、第２段目シリンダ
１２内には、相互に結合された第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、軸部材Ｓ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。

【０００８】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、それぞれ蓄冷材１７、１８を収容
する中空空間を有し、外部と中空空間を接続するガス流
路２３、２４を有している。

【０００９】また、第１段目ディスプレーサ１３、第２
段目ディスプレーサ１４と、第１段目シリンダ１１、第
２段目シリンダ１２との間には、膨張空間２１、２２が
画定されている。

【００１０】通常、第１段目シリンダ１１、第２段目シ
リンダ１２は、十分な強度、低い熱伝導率、十分なヘリ
ウムガス遮蔽能を有するステンレス綱（たとえばＳＵＳ
３０４）等によって形成される。

【００１１】また、第１段目ディスプレーサ１３、第２
段目ディスプレーサ１４は、比重が軽く、十分な耐摩耗
性、比較的高い強度、及び低い熱伝導率を有する布入り
フェノール（ベークライト）等によって形成される。

【００１２】ヘリウム圧縮機１０から吸気弁Ｖ１を介し
て供給される高圧ヘリウムガスは、ガス流路１６を介し
て第１段目シリンダ１１内に供給され、ガス流路２３
ａ、金網等で構成された第１段目用蓄冷材１７、ガス流
路２３ｂを通って、第１段目膨張空間２１に供給され
る。

【００１３】第１段目膨張空間２１の圧縮ヘリウムガス
は、さらにガス流路２４ａ、鉛球等で構成された第２段
目用蓄冷材１８、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、ガス流路２３、２４
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、実際の構造とは異なる。

【００１４】吸気弁Ｖ１が閉じ、排気弁Ｖ２が開いた時
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
ってガス流路１６、排気弁Ｖ２を介してヘリウム圧縮機
１０に回収される。

【００１５】ＧＭ式冷凍機の作動時においては、駆動用
モータＭの回転によって第１段目ディスプレーサ１３、
第２段目ディスプレーサ１４が図中矢印で示すように上
下に往復駆動される。第１段目ディスプレーサ１３、第
２段目ディスプレーサ１４が下方に駆動された時、吸気
弁Ｖ１が開き、高圧ヘリウムガスが第１段目シリンダ１
１、第２段目シリンダ１２内に供給される。

【００１６】駆動用モータＭ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が上方に駆動
された時、吸気弁Ｖ１が閉じ、排気弁Ｖ２が開いて、ヘ
リウムガスはヘリウム圧縮機１０に回収され、第１段目
シリンダ１１、第２段目シリンダ１２内の膨張空間は低
圧になる。

【００１７】この時、膨張空間２１、２２においては、
ヘリウムガスの膨張によって寒冷が発生する。冷却され
たヘリウムガスは、蓄冷材１８、１７を通って蓄冷材を
冷却する。

【００１８】次の吸気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することに
より、さらに冷却が進む。定常状態においては、第１段
目シリンダ１１の膨張空間２１が、たとえば４０Ｋ〜７
０Ｋ程度の温度に保たれ、第２段目シリンダ１２の膨張
空間２２の温度は数Ｋ〜２０Ｋ程度の温度に保たれる。

【００１９】第１段目シリンダの下方を囲んで、第１段
目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の下部分を囲んで、第２段目ヒート
ステーション２０が熱的に結合している。

【００２０】第１段目ヒートステーション１９は、たと
えばクライオパネル等に結合され、ガス分子を吸着させ
る。また、第２段目ヒートステーション２０は、たとえ
ば活性炭等の吸着材を収容する吸着塔に結合され、残留
ガス分子の吸着を行なう。このような構成を有するクラ
イオポンプは、スパッタリング装置等において清浄な真
空を形成するために用いられる。

【００２１】このような構成において、シリンダ上部か
ら供給されるガスは、ディスプレーサ内部を通ってシリ
ンダ下部に供給されるように設計されている。ディスプ
レーサとシリンダの間の隙間を、ヘリウムガスが通過す
ることを防止するため、シリンダとディスプレーサの間
には気密機構が形成される。

【００２２】図示していないが、第１段目ディスプレー
サ１３と第１段目シリンダ１１との間にシールリングが
配置され、第１段目シリンダ内において、この気密機構
を形成している。同様に、第２段目ディスプレーサ１４
と第２段目シリンダ１２の間にも同様のシールリングが
配置され、第２段目シリンダ内において気密機構を形成
している。

【００２３】図１５（Ａ）、（Ｂ）に、第２段目に配置
するディスプレーサの構成例を示す。図１５（Ａ）に示
すように、布入りフェノール樹脂で形成された筒状部材
８０は、円筒状形状を有し、その外周にシールリングを
収容するための円周方向の溝８１が形成されている。ま
た、筒状部材８０の下の部分には、ガス流路を形成する
ための開口８２も形成されている。

【００２４】筒状部材８０下端には、布入りフェノール
樹脂等で形成された蓋部材８３が挿入され、筒状部材８
０と接着されている。蓋部材８３は盲蓋であり、筒状部
材８０の下端の開口を気密に閉じる。なお、蓋部材８３
は、布入りフェノール樹脂以外の材料で構成することも
できるが、ディスプレーサの運動性のためには比重の小
さい材料が好ましい。

【００２５】蓋部材８３の上面は、ガス流路８２よりわ
ずか下に配置されており、蓋部材８３の上に金網８４が
配置される。この金網８４の高さは、開口８２の位置と
整合している。筒状部材８０の開口８２よりも下の部分
の外径は、その上の部分の外径よりもわずかに小さくさ
れている。従って、開口８２の高さよりも下の部分で
は、筒状部材８０の外周面とシリンダの内面との間に間
隙が形成される。この間隙が、筒状部材８０の内部と図
２に示す膨張空間２２とを結ぶガス流路となる。

【００２６】金網８４の上にはフェルト栓８５が配置さ
れ、フェルト栓８５の上に鉛球等の蓄冷材１８が充填さ
れる。蓄冷材１８の上方には、フェルト栓８６が配置さ
れ、その上にパンチングメタル８７が配置されている。

【００２７】パンチングメタル８７の上方には、第１段
目ディスプレーサと結合させるための結合機構８８が挿
入され、筒状部材８０に取り付けられている。なお、結
合機構８８はＡｌまたはＡｌ合金等で形成される。

【００２８】図１５（Ｂ）は、筒状部材８０とシリンダ
１２の間に配置されるシールリングの構成を示す。筒状
部材８０の溝８１内に、内側にエキスパンダリング８
９、外側にピストンリング９０が収容される。

【００２９】図１６（Ａ）、（Ｂ）に、第１段目に配置
するディスプレーサの構成例を示す。図１６（Ａ）に示
すように、布入りフェノール樹脂で形成された筒状部材
１００は、上蓋を有する円筒状形状である。筒状部材１
００の上蓋にはガス流路を形成する開口１０１が設けら
れており、その上面外周にはシールリングを収容するた
めの円環状段差１０２が形成されている。

【００３０】図１６（Ｂ）に示すように、円環状段差１
０２には、Ｏリング１０３とスリッパシール１０４がは
め込まれている。Ｏリング１０３とスリッパシール１０
４は、筒状部材１００の上面にボルトで取り付けられた
フランジ１０５により、固定されている。スリッパシー
ル１０４の外周面は、筒状部材１００の外周面よりもわ
ずかに突出しており、第１段目シリンダ１１の内面に接
している。

【００３１】図１６（Ａ）に示すように、フランジ１０
５の上面には、筒状部材１００を図中矢印の方向に上下
駆動するための駆動軸Ｓが取り付けられている。筒状部
材１００内には、上面に密着するように金網１０６が配
置されている。金網１０６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の下には金網１０７
が配置されている。筒状部材１００の側壁には、金網１
０７が配置されている高さに、ガス流路を形成するため
の開口１０８が形成されている。

【００３２】金網１０７の下には、布入りフェノール樹
脂等で形成された蓋部材１０９が挿入され、筒状部材１
００と接着されている。蓋部材１０９は盲蓋であり、筒
状部材１００の下端の開口を気密に閉じる。また、蓋部
材１０９の下面には、図１５（Ａ）に示す結合機構８８
を取り付けるための凹部が形成されている。

【００３３】筒状部材１００の開口１０８の高さよりも
下の部分の外径は、シリンダの内径よりもわずかに小さ
くされている。従って、開口１０８の高さよりも下の部
分では、第１段目シリンダ１１の内面と筒状部材１００
の外周面との間に間隙が形成される。この間隙部分が筒
状部材１００の内部と図２に示す膨張空間２１との間を
結ぶガス流路となる。

【００３４】

【発明が解決しようとする課題】以上説明したような蓄
冷器式冷凍機において、冷却温度が設計値に達しなかっ
たり、温度変動が大きくなったりすることがある。

【００３５】このように、所定の冷凍性能が得られない
場合、冷凍機を分解し、低温部に配置されるディスプレ
ーサとシリンダ間のシールリング（たとえば、図２の構
成において、第２段目ディスプレーサ１４と第２段目シ
リンダ１２の間に配置される図１５（Ｂ）に示すエキス
パンダリング８９とピストンリング９０との組み合わせ
によるシールリング）を交換すると、所定の冷凍性能が
得られる場合がある。このような経験から判断すると、
冷凍性能は、ディスプレーサとシリンダとの間の気密機
構に大きな影響を受けることが推察される。

【００３６】また、図１５、図１６に示した従来型の蓄
冷器式冷凍機においては、第２段目シリンダが下になる
ように、かつシリンダ軸が鉛直になるように設置した場
合（以下、このように設置する場合を「正立」と呼ぶ）
に所定の冷凍性能が得られる。シリンダ軸を傾けたり、
上下を逆に設置すると所定の性能を得ることができない
ことがある。従って、所定の冷凍性能を得るためには、
冷凍機を正立させて使用することが望ましい。さらに、
冷却温度が低くなるほど、その傾向が強い。

【００３７】本発明の目的は、冷却対象物を倒立または
鉛直方向に対して斜めの方向から支持して冷却する技術
を提供することである。

【００３８】

【課題を解決するための手段】本発明の低温装置は、熱
伝導率が低く、気密性の高い材料で形成された円筒状の
内周面を有するシリンダ、前記シリンダの内周面よりも
やや小さい径の円筒状形状に沿う外周面を有し、前記シ
リンダ内に軸方向に往復運動可能に配置され、前記シリ
ンダ内の一端に膨張空間を形成するディスプレーサ、前
記ディスプレーサの外周面上に、該外周面の両端を結ぶ
補助ガス流路を構成するように形成され、前記シリンダ
と前記ディスプレーサとの間の隙間を該外周面の一端か
ら他端に向かって流れるガスが前記シリンダ及び前記デ
ィスプレーサと積極的に熱交換を行うように少なくとも
一部が前記ディスプレーサの軸方向に対して交差する方
向に沿う溝を含んで構成された溝パターン、前記膨張空
間にガスを供給、及び前記膨張空間からガスを回収する
ための主ガス流路、及び前記主ガス流路内の少なくとも
一部に配置された蓄冷材とを有する少なくとも１つの蓄
冷器式冷凍機と、前記シリンダの軸方向が鉛直方向に対
して斜めになるように、または、前記シリンダの軸方向
が鉛直方向に沿いかつ前記膨張空間が前記シリンダの上
方の一端に形成されるように前記蓄冷器式冷凍機を支持
するための支持手段とを有する。

【００３９】

【作用】ディスプレーサの外周面に溝パターンが形成さ
れているため、蓄冷材を有する正規のガス流路から分岐
してディスプレーサとシリンダとの隙間を流れるガス
は、この溝パターンに沿って流れる。この溝パターン
は、溝内を流れるガスがディスプレーサ及びシリンダと
積極的に熱交換を行うように、ディスプレーサの軸方向
に対して交差する方向に沿う溝を含むように形成してあ
る。

【００４０】このため、分岐したガスが高温側から低温
側に流れるときは、軸方向に直接流れる場合に比べて、
より冷却され、逆に低温側から高温側に流れるときは、
ディスプレーサ及びシリンダをより冷却する。このた
め、分岐ガスによる熱損失を低減することができる。

【００４１】また、ディスプレーサとシリンダ間にシー
ル部材を設ける必要がないため、シールが不完全である
ことによる冷凍能力の低下、冷却温度の不安定性を防止
することができる。

【００４２】さらに、シリンダを正立状態から傾いて設
置した場合または倒立させた場合にも、ほぼ所定の冷却
性能を得ることができる。

【００４３】

【実施例】図１に、本発明の実施例による蓄冷器式冷凍
機の基本構成を示す。シリンダ１は、ステンレス等の熱
伝導率が低く、気密性の高い剛性材料で形成されてい
る。シリンダ１内には、円筒状のディスプレーサ２が配
置されている。ディスプレーサ２の外周面には、上面と
下面を結ぶ１本あるいは複数本のらせん状の溝からなる
らせん状ガス流路４が形成されている。

【００４４】ディスプレーサ２は、中空構造であり、そ
の内部にガス流路３を形成している。このガス流路３に
作動温度において高い熱容量を有する蓄冷材５が収容さ
れる。ディスプレーサとシリンダ１の下端の間には、膨
張空間６が画定される。

【００４５】上方から供給される冷媒ガスは、ディスプ
レーサ２内のガス流路３を通って膨張空間６に供給され
る。また、一部の冷媒ガスは、ガス流路３から分岐しデ
ィスプレーサ２とシリンダ１との間の間隙を流れる。こ
の分岐ガスは、ディスプレーサ外周面に設けたらせん状
ガス流路４を通って、ディスプレーサ２とシリンダ１の
表面と熱交換しながら下方に流れ膨張空間６に供給され
る。

【００４６】これらの冷媒ガスが膨張することによって
冷却され再び上方に回収される時は、冷媒ガス流路３を
流れ、その際に蓄冷材５を冷却する。上記と同様に、冷
媒ガスの一部は、らせん状ガス流路４を、ディスプレー
サ２とシリンダ１の表面と熱交換しながら上方に流れ、
ガス流路３を流れた冷媒ガスと合流する。

【００４７】冷媒ガスがらせん状ガス流路４を流れる場
合は、ディスプレーサ２とシリンダ１との間の間隙を軸
方向に直線的に流れる場合に比べて、ディスプレーサ２
とシリンダ１の表面と熱的に十分接することになるた
め、ガス流路表面と冷媒ガスとの間で多くの熱交換を行
うことができる。

【００４８】従来技術の蓄冷器式冷凍機では、ディスプ
レーサとシリンダの隙間を流れる冷媒ガスを少なくする
ためにシールリングを使用していた。しかし、その気密
性を実現するのは極めて困難であり、シール性能が不安
定となって冷却温度が高くなったり、変動したりするも
のと考えられる。

【００４９】本実施例においては、低温部にシールリン
グを用いる必要がなくなるため、上述のような劣化が生
じにくい。以下、図２に概略的に示す２段式ＧＭ冷凍機
を例に、本発明の実施例について説明する。なお、図２
に示すＧＭ式冷凍機についてはすでに説明したので、こ
こでは説明を省略する。

【００５０】図３は、図２の２段式ＧＭ冷凍機の第２段
目ディスプレーサ１４の構成を示す。布入りフェノール
で形成された筒状部材３０は上下端が開放された円筒状
形状を有する。例えば、図２に示す第２段目シリンダの
内径が３５ｍｍの場合、筒状部材３０の外径は３５ｍ
ｍ、内径は３０ｍｍとする。ディスプレーサの軸方向の
長さは、たとえば２００ｍｍ程度とする。筒状部材３０
の下端には、布入りフェノール等で形成された蓋部材３
１が挿入接着され、その上に金網３２が配置され、その
上にフェルト栓３３が配置されている。

【００５１】フェルト栓３３の上には、たとえば鉛球で
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３４が配置され、フェルト栓３４の上には
パンチングメタル３５が配置される。パンチングメタル
３５は、筒状部材３０の内面上部に円周に沿って設けら
れた段差により固定されている。筒状部材３０の上端に
は、図２に示す第１段目ディスプレーサ１３と結合する
ための結合機構３６が取り付けられている。

【００５２】筒状部材３０の側壁には、金網３２の高さ
の位置にガス流路を形成する開口３７が設けられてい
る。筒状部材３０の開口３７よりも上の外周面には、開
口３７の位置と上端とを結ぶ１本のらせん状の溝からな
るらせん状ガス流路３８が形成されている。この溝は、
例えば、幅約２ｍｍ、深さ約０．６ｍｍ、ピッチ約４ｍ
ｍである。

【００５３】開口３７よりも下の筒状部材３０の外径
は、それよりも上の部分の外径よりもわずかに小さくさ
れている。従って、開口３７よりも下の部分では、筒状
部材３０と第２段目シリンダとの間に間隙が形成され
る。この間隙は、筒状部材３０の内部と図２に示す膨張
空間２２とを結ぶガス流路を形成する。

【００５４】筒状部材３０の外周面と第２段目シリンダ
１２の内面との間の隙間は、ディスプレーサを安定に往
復駆動するために０．０１ｍｍ以上であることが好まし
く、漏洩ガスが軸方向に直線的に流れることを防止する
ために、０．０３ｍｍ以下であることが好ましい。

【００５５】なお、蓄冷材１８は、他の材料で形成して
もよい。たとえば、磁性蓄冷材を用いて冷却性能を高め
ることもできる。図４は、第２段目ディスプレーサ１４
の他の構成例を示す。本構成における筒状部材３０は、
円筒状のステンレス管３９の表面上に、布入りフェノー
ルで形成された耐摩耗性樹脂部材４０が固着されたもの
である。

【００５６】たとえば、耐摩耗性樹脂部材４０の外径は
３５ｍｍ、内径は３２ｍｍ、ステンレス管３９の内径は
３０ｍｍとする。機械的強度の高いステンレス管が内側
に配置されることにより、冷却時の耐磨耗性樹脂部材４
０の熱収縮が抑制される。このため、ステンレス製シリ
ンダとディスプレーサとの熱変形特性が近づく。

【００５７】筒状部材３０の上端開放部には、円環状の
蓋部材４１が挿入されている。その他の構成は、図３に
示すディスプレーサと同様である。図３、図４に示すよ
うなディスプレーサの構成例によれば、シールリングを
収容する必要がないため、筒状部材３０の側壁の厚さを
薄くすることができる。

【００５８】このことは、ディスプレーサ内の蓄冷材収
容空間を増大できることを意味する。蓄冷材の増量は、
冷凍能力の増大につながる。また、シールリングを不要
にするため、部品点数が低減し、組み立て工程が簡単化
するとともに製造コストを低減することが可能になる。

【００５９】図２の構成のＧＭ式冷凍機において、第１
段目ディスプレーサ１３として従来技術による図１６の
構成例を用い、第２段目ディスプレーサ１４として図４
の構成例を用いた場合と、従来技術による図１５及び図
１６の構成例を用いた場合についてそれぞれ冷却性能を
測定した。なお、ディスプレーサのストロークは３０ｍ
ｍとし、蓄冷材としては径０．２〜０．５ｍｍのエルビ
ウム・ホルミウム・ニッケル（ＥｒＨｏＮｉ）磁性蓄冷
材を用い、ディスプレーサの回転数は６０ｒｐｍとし
た。

【００６０】図５は、第１段ヒートステーションに３０
Ｗの熱負荷を与えて、上記条件で行った冷却試験の測定
結果を示す。横軸は第２段ヒートステーションの温度を
単位Ｋで表し、縦軸は第２段ヒートステーションに与え
る熱負荷を単位Ｗで表す。曲線ａは、図４の構成例によ
るディスプレーサを使用した場合、曲線ｂは、図１５の
従来例によるディスプレーサを使用した場合を示す。

【００６１】従来例によるディスプレーサを使用した場
合では、最低到達温度は８．４Ｋであるのに対し、図４
の構成例によるディスプレーサを使用した場合には５．
４Ｋにまで達した。第２段ヒートステーションに熱負荷
を与えると、共に第２段ヒートステーション温度は上昇
するが、図４の構成例によるディスプレーサを使用した
場合の方が２〜３Ｋ程度低い。

【００６２】図４のようにらせん状のガス流路を有する
ディスプレーサ構成とすることにより、冷凍性能を向上
することができた。また、グラフには示さないが、温度
の安定性も改善された。

【００６３】上記実施例では、らせん状の溝の幅約２ｍ
ｍ、深さ約０．６ｍｍ、ピッチ約４ｍｍの場合について
示したが、らせん状の溝の幅２〜３ｍｍ、深さ０．６〜
０．７ｍｍ、ピッチ３、４、及び６ｍｍとした場合にも
良好な冷却性能を得ることができた。また、らせん状の
溝の幅１〜６ｍｍ、深さ０．３〜１．５ｍｍ、ピッチ
１．５〜１２ｍｍとした場合も同様の効果を得ることが
できると考えられる。

【００６４】さらに、らせん溝の効果を確かめるため
に、図１５に示す従来型のディスプレーサのピストンリ
ング９０、エキスパンダリング８９を外したディスプレ
ーサを使用した場合と、図３の構成例によるディスプレ
ーサを使用した場合について冷却性能を比較した。蓄冷
材にはＥｒＨｏＮｉ磁性蓄冷材と鉛粒とを重量が１：１
の割合のものを用いた。すなわち、両者の相違は、外周
面にらせん溝があるかないかという点のみである。

【００６５】ディスプレーサのストロークを２５ｍｍ、
回転数を６０ｒｐｍとして最低到達温度を測定した。図
３の構成例によるディスプレーサを使用した場合には、
最低到達温度が６．２Ｋであったのに対し、図１５の従
来型ディスプレーサからピストンリング９０、エキスパ
ンダリング８９を取り外したものを使用した場合には
９．５Ｋであった。この差は、らせん溝の有無によるも
のと考えられる。

【００６６】また、らせん溝を形成したディスプレーサ
にピストンリング及びエキスパンダリングを取り付けた
構成とした場合には、らせん溝のみの構成とした場合に
比べて冷却性能は悪くなった。このことから、ディスプ
レーサとシリンダとの間の隙間に一定量のガスを流し、
ディスプレーサ及びシリンダと積極的に熱交換させる方
が、ガス流を止めるよりも好ましいことがわかる。

【００６７】従来技術による蓄冷器式冷凍機では、ディ
スプレーサとシリンダ間の隙間を流れる漏洩ガスを少な
くするためにシールリングを用いている。この漏洩ガス
は、吸気工程においては、上段の温度の高いガスが蓄冷
器を通らずに直接低温の膨張室に流入してその温度を上
昇させる。また、排気工程においては、膨張して温度の
低くなったガスが蓄冷器を冷却させることなく直接上段
の高温部へ逃げることになる。このように、漏洩ガスは
冷却性能を著しく損なう作用をする。

【００６８】従って、シールリングの機能は極めて重要
であるが、技術的に困難な問題を有している。シールリ
ング材質は一般にはテフロン樹脂が用いられるが、低温
では冷媒ガスの粘性が低下して漏洩しやすくなるにもか
かわらず、シールリング材は硬化する。このため、低温
ではシール性能が大幅に低下することになる。また、吸
気工程と排気工程ではシールリングの上下面の圧力差が
逆転すること、及びディスプレーサが上下に駆動される
ためにシールリングが溝の中で動き易くなることから、
シール性能が不安定になりやすい。

【００６９】さらに、シリンダ軸を鉛直方向から傾けて
設置すると、ディスプレーサは常に下方に偏心して往復
駆動されることになり、シール性能が不安定になりやす
い。また、シールリングの気密が完全な場合であって
も、ディスプレーサとシリンダとの隙間には吸気排気の
工程毎に膨張室とシールリングの間をガスが出入りす
る。このガスは漏洩ガスの場合と同様に熱交換を行わな
いため、熱損失の原因となる。特に、シリンダ軸を鉛直
方向から傾けたり、冷凍機を倒立させた場合にその損失
が大きくなる。

【００７０】上記実施例のように、ディスプレーサの外
周面にらせん状の溝を形成すると、蓄冷材を有する正規
のガス流路から分岐して流れるガスは、シリンダの内面
とディスプレーサの外周面との隙間をこのガス流路に沿
って流れる。このガス流路に沿って流れるガスは、ガス
流路表面に触れて熱交換しながら流れる。このため、熱
損失を低減することができる。

【００７１】また、シール部材を設ける必要がないた
め、シールが不完全であることによる冷却温度の不安定
性を防止することができる。さらに、シール部材の磨耗
に起因する寿命の低下も防止することができる。

【００７２】図３〜図５では、図２に示すＧＭ式冷凍機
の第２段目ディスプレーサにらせん状のガス流路を設け
た場合について説明したが、第１段目ディスプレーサに
らせん状ガス流路を設けてもよい。

【００７３】図６は、外周面にらせん状のガス流路を設
けた第１段目ディスプレーサの構成例を示す。布入りフ
ェノール樹脂で形成された筒状部材５０は、上蓋を有す
る円筒状形状であり、その下端は開放されている。筒状
部材５０の上蓋上面には、筒状部材５０の外径よりもや
や小さい径を有するフランジ５１が取り付けられてい
る。フランジ５１と筒状部材５０の上蓋にはガス流路を
形成する開口５２が設けられている。フランジ５１の上
面には、筒状部材５０を図中矢印の方向に上下駆動する
ための駆動軸Ｓが取り付けられている。

【００７４】筒状部材５０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。筒状部材５
０の側壁には、蓄冷材１７の下側の金網が配置されてい
る高さに、ガス流路を形成するための開口５３が形成さ
れている。

【００７５】さらに、筒状部材５０の下側開放端には、
布入りフェノール樹脂等で形成された蓋部材５４が挿入
され、筒状部材５０と接着されている。蓋部材５４は盲
蓋であり、筒状部材５０の下端の開口を気密に閉じる。
また、蓋部材５４の下面には、図３または４に示す第２
段目ディスプレーサと接続するための結合機構３６を取
り付けるための凹部が形成されている。

【００７６】筒状部材５０の外周面には、上端から開口
５３が形成されている高さまで、１本のらせん状溝から
なるらせん状ガス流路５５が形成されている。筒状部材
５０の開口５３の高さよりも下の部分の外径は、その上
の部分の外径よりもわずかに小さくされている。従っ
て、開口５３の高さよりも下の部分では、第１段目シリ
ンダ１１の内面と筒状部材５０の外周面との間に間隙が
形成される。この間隙部分が筒状部材５０の内部と図２
に示す膨張空間２１との間を結ぶガス流路となる。

【００７７】フランジ５１の径は、筒状部材５０の外径
よりもやや小さいため、フランジの外周面とシリンダ内
面との間に間隙が形成される。この間隙が、ガス流路５
３と図２に示す第１段目シリンダ１１内の上部空間とを
結ぶガス流路となる。

【００７８】例えば、第１段目シリンダの内径が８２ｍ
ｍの場合、筒状部材５０の外径は８２ｍｍ、内径は７２
ｍｍ、筒状部材５０の開口５３よりも下部分の外径及び
フランジ５１の外径は８１．５ｍｍ、筒状部材５０の軸
方向の長さは１５０ｍｍ、フランジ５１の厚さは１０ｍ
ｍである。

【００７９】図２の構成のＧＭ式冷凍機において、第１
段、第２段共にらせん状ガス流路を有するディスプレー
サを使用した場合の冷却性能を測定した。図７は、第２
段ディスプレーサにのみらせん状の溝を形成した場合
と、第１段、第２段ディスプレーサ共にらせん状の溝を
形成した場合の第１段ヒートステーションの冷却温度を
示す。横軸は第１段ヒートステーションの温度を絶対温
度で表し、縦軸は第１段ヒートステーションの熱負荷を
単位Ｗで表す。

【００８０】図中の曲線ｃは、第１段、第２段ディスプ
レーサ共にらせん状の溝を形成した場合、曲線ｄは、第
２段ディスプレーサにのみらせん状の溝を形成した場合
を示す。第１段ディスプレーサに形成したらせん状の溝
の深さは約１．０ｍｍ、幅は約２．０ｍｍ、ピッチは約
４．０ｍｍである。

【００８１】なお、蓄冷材として、第１段目には銅金
網、第２段目には５８０ｇのＥｒＨｏＮｉ磁性蓄冷材を
用いた。また、ディスプレーサの運転周波数は６０ｒｐ
ｍ、ストロークは３０ｍｍとし、第２段ヒートステーシ
ョンに１０Ｗの熱負荷を与えた。

【００８２】曲線ｃ、ｄ共に、第１段ヒートステーショ
ンの熱負荷を増加すると第１段ヒートステーション温度
は上昇するが、同一熱負荷であれば、曲線ｃは曲線ｄに
比べて５〜１５Ｋ程度低い温度を示す。すなわち、第１
段ディスプレーサにらせん状溝を形成することにより、
第１段ヒートステーションをより低温まで冷却すること
ができる。このように、第２段ディスプレーサのみなら
ず、第１段ディスプレーサにらせん状の溝を形成するこ
とにより、冷却性能を向上することができる。

【００８３】図５、図７は、冷凍機が正立の状態におけ
る冷凍性能について示したが、次に、冷凍機を傾けて設
置した場合の冷凍性能について説明する。図８は、冷凍
機の取り付け姿勢を変化させたときの第２段目ヒートス
テーションの温度を示す。横軸は、鉛直方向とシリンダ
軸とのなす角（以下、「取付角」と呼ぶ）を示す。な
お、第２段目シリンダが第１段目シリンダの下方になる
ように設置した場合を０度としている。縦軸は、第２段
目ヒートステーションの温度を絶対温度で示す。

【００８４】曲線ｅは、第２段目ディスプレーサとして
図４に示す構成のものを使用した場合、破線ｆは、図１
５に示す従来例のものを使用した場合を示す。なお、第
１段目ディスプレーサは、共に図１６に示す従来型のも
のを使用した。また、その他の条件は両者同一であり、
第１段目シリンダの径は８２ｍｍ、第２段目シリンダの
径は３５ｍｍ、ディスプレーサのストロークは３０ｍ
ｍ、回転数は４８ｒｐｍ、第１段目蓄冷材は銅金網、第
２段目蓄冷材は磁性蓄冷材（Ｅｒ₃ Ｎｉ／ＥｒＮｉ_0.9
Ｃｏ_0.1 を重量比１：１にして充填したもの）、熱負荷
は第１段目、第２段目ヒートステーション共に０Ｗであ
る。

【００８５】図８の曲線ｆで示すように、従来型のディ
スプレーサを使用した場合には、正立の時には約２．９
Ｋの冷却温度を得ることができるが、冷凍機を傾けてい
くと冷却温度は徐々に上昇し、取付角を１８０度すなわ
ち冷凍機を倒立させた場合には、冷却温度は６．１Ｋと
なる。

【００８６】これに対し、第２段目ディスプレーサにら
せん溝を形成し図４の構成とした場合には、冷凍機を傾
けても冷却温度の低下はわずかである。すなわち、正立
状態及び倒立状態のときに冷却温度は約２．８Ｋであ
り、取付角を９０度すなわちシリンダ軸を水平としたと
きに冷却温度は最も高くなり、３．０Ｋとなる。このよ
うに、あらゆる取付角において冷却温度は３．０Ｋ以下
となり、安定した冷凍性能を得ることができる。

【００８７】なお、図８の実施例では、第２段目ディス
プレーサにのみらせん溝を形成した場合について説明し
たが、第１段目、第２段目双方のディスプレーサにらせ
ん溝を形成してもよい。

【００８８】このように、ディスプレーサにらせん溝を
形成することにより、種々の取付角で蓄冷器式冷凍機を
取り付け，所望の冷凍性能を得ることができる。冷凍機
の取り付けの際に、取付角の制約を受けなくなるため、
極低温を必要とする装置のうち適用が困難であったもの
への適用が可能となる。また、従来から冷凍機が使用さ
れていた極低温装置においても、装置の操作性の向上あ
るいはメンテナンス性の向上を図ることができる。

【００８９】以下に、ディスプレーサにらせん溝を形成
した蓄冷器式冷凍機（以下、「らせん溝付き冷凍機」と
呼ぶ）の種々の応用例について説明する。図９は、宇宙
電波望遠鏡用に使用される超伝導素子（ＳＩＳ素子）の
冷却に適用した場合を示す。電波は、主鏡１１０ａ、副
鏡１１０ｂから構成されるパラボラアンテナにより２次
焦点に集められる。２次焦点には電波を検出するための
ＳＩＳ素子１１１が取り付けられている。ＳＩＳ素子１
１１を冷却するための冷凍機１１２は、２次焦点に入射
する電波の入射軸にシリンダ軸が一致するように取り付
けられている。なお、図では電波の入射軸とシリンダ軸
が一致する場合について示したが、必ずしも一致させる
必要はない。

【００９０】観測中に、パラボラアンテナの向きは様々
に変化するため、冷凍機の取付角もアンテナの向きに応
じて変化する。このため、従来の冷凍機では十分な冷却
温度を得ることができず適用が不可能であった。従来
は、ミラーを組み合わせた光学系を用い、アンテナの回
転にかかわらず電波を一点に集めていたためこの問題は
生じなかったが、反射によって生ずるさまざまな伝搬ロ
スが問題であった。らせん溝付き冷凍機を使用すること
により、ＳＩＳ素子を直接パラボラアンテナの２次焦点
に配置して観測することが可能になる。

【００９１】次に図１０を参照して超伝導マグネット装
置への適用例について説明する。図１０（Ａ）は、らせ
ん溝付き冷凍機を使用した超伝導マグネット装置の概略
断面図を示す。らせん溝付き冷凍機１２０は、モータ部
１２１、モータの回転運動を往復運動に変換するための
スコッチヨーク機構部１２２、第１段目シリンダ１２３
及び第２段目シリンダ１２４を含んで構成されている。
なお、ガス配管、圧縮機等は省略してある。らせん溝付
き冷凍機１２０は、第１段目シリンダ１２３及び第２段
目シリンダ１２４が真空容器１３０内に配置されるよう
に、真空容器１３０に取り付けられている。

【００９２】円盤状の第２段目冷却ステージ１２７のほ
ぼ中心が冷凍機１２０の第２段目冷却部に、シリンダ軸
に対してほぼ垂直に取り付けられ、熱的に結合してい
る。第２段目冷却ステージ１２７の反対側の面には、超
伝導マグネット１２８が冷凍機１２０の中心軸と同軸上
に取り付けられている。

【００９３】第２段目冷却ステージ１２７及び超伝導マ
グネット１２８は、第１段目冷却ステージ１２５と熱的
に接続された輻射シールド板１２６によって周囲を取り
囲まれている。また、輻射シールド板１２６及び真空容
器１３０は、超伝導マグネット１２８の円筒状の内周面
に沿う形状とされており、円柱状の室温磁場空間１２９
を画定している。

【００９４】図１０（Ｂ）は、図１０（Ａ）の超伝導マ
グネット装置を支持する一構成例を示す。真空容器１３
０が、その中心軸が鉛直面内で回転可能に、２本の支持
棒１３１で支持されている。２本の支持棒１３１は、支
持台１３２に固定されている。

【００９５】図１０（Ｂ）に示すように、超伝導マグネ
ット装置を支持することにより、室温磁場空間１２９を
鉛直方向、水平方向あるいは所望の方向に固定して利用
することができる。

【００９６】従来の冷凍機では、正立状態でしか所望の
冷凍性能を得ることができなかったため、室温磁場空間
１２９を図１０（Ｂ）に示すように所望の角度で利用す
るためには、超伝導マグネット１２８にＮｂ₃ Ｓｎ等の
臨界温度の比較的高い材料を使用する必要があった。図
８の曲線ｅで示す特性を有する冷凍機を使用することに
より、任意の取付角で４Ｋ以下の極低温を得ることがで
きるため、比較的臨界温度が低く取扱いが容易なＮｂＴ
ｉ等の材料を使用することが可能になる。

【００９７】なお、比較のため、従来型の冷凍機を使用
した超伝導マグネット装置の構成例について図１１を参
照して説明する。図１１は、従来型の超伝導マグネット
装置の構成例を示す。図１１（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）の
超伝導マグネット装置の各構成部分には、図１０（Ａ）
の超伝導マグネット装置の対応する構成部分と同一の符
号を付して示している。図１１（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）
共に、冷凍機１２０の十分な冷凍性能を確保するために
正立の状態に固定配置されている。

【００９８】図１１（Ａ）、（Ｂ）に示すように、室温
磁場空間１２９の上部に開口を設けるためには、超伝導
マグネット１２８の中心軸を冷凍機１２０のシリンダの
中心軸からずらして配置する必要がある。このため、第
２段目冷却ステージ１２７に超伝導マグネット１２８と
冷凍機１２０の第２段目冷却部とを取り付ける領域を別
々に確保する必要がある。さらに、室温磁場空間１２９
の磁場中心が上部開口から深いところにあるため、取扱
いが困難となる。

【００９９】また、鉛直方向以外の室温磁場空間を得た
い場合には、図１１（Ａ）、（Ｂ）に示す超伝導マグネ
ット装置を使用することはできない。これらの装置を傾
けて使用すると、冷凍機１２０の所望の冷凍性能を得る
ことができなくなるからである。

【０１００】図１１（Ｃ）は、水平方向の室温磁場空間
を形成するための構成例を示す。第２段目冷却ステージ
１２７上に超伝導マグネット１２８が、その中心軸が水
平になるように取り付けられている。このように、水平
方向に室温磁場空間を得るためには、専用の装置を準備
する必要がある。

【０１０１】これに対し、図１０に示す超伝導マグネッ
ト装置の場合は、第２段目冷却ステージ１２７の大きさ
を必要最小限とし、かつ室温磁場空間１２９を所望の角
度に傾けて使用することができる。

【０１０２】図１２は、らせん溝付き冷凍機を物性測定
装置用のクライオスタットに適用した例を示す。冷凍機
１４０が、機構部１４１、第１段目シリンダ１４２及び
第２段目シリンダ１４３を含んで構成されている。冷凍
機１４０は、倒立状態にされ、第２段目シリンダ１４３
及び第１段目シリンダ１４２は真空容器１４６内に収容
されている。第２段目シリンダ１４３の先端には、試料
を載置するためのサンプルホルダ１４７が取り付けられ
ている。サンプルホルダ１４７及び第２段目シリンダ１
４３は、第１段目冷却ステージ１４４に熱的に接続され
た輻射シールド板１４５により取り囲まれている。

【０１０３】従来型の冷凍機を図１２に示すように倒立
状態で使用すると、十分な冷凍性能を得ることができな
かった。例えば、液体Ｈｅ温度の実験は困難であった。
これに対し、らせん溝付き冷凍機を使用することによ
り、倒立状態でも十分な冷凍性能を得ることが可能にな
る。

【０１０４】図１３は、らせん溝付き冷凍機を磁気共鳴
イメージング装置（ＭＲＩ）に適用した例を示す。図１
３（Ａ）は、従来においても使用されていたＭＲＩの概
略断面図を示す。中央部に磁場を発生するための円柱状
の空洞１５０が画定されており、その周囲に超伝導マグ
ネット１５１が巻回されている。超伝導マグネット１５
１の周囲には、液体ヘリウムタンク１５２が配置されて
いる。液体ヘリウムタンク１５２には、液体ヘリウム投
入口１５５から液体ヘリウムが投入される。

【０１０５】液体ヘリウムタンク１５２は、第２輻射シ
ールド板１５３及び第１輻射シールド板１５４により、
二重に取り囲まれており、外部からの輻射熱に対してシ
ールドされている。第２及び第１輻射シールド板１５
３、１５４は、それぞれ斜め下方から取り付けられた冷
凍機１６０の第２段目冷却部及び第１段目冷却部に熱的
に接続されている。このように構成されたＭＲＩが支持
台１５６に固定されている。

【０１０６】図１３（Ａ）に示すように、冷凍機１６０
が斜め下方から取り付けられているのは、メンテナンス
のし易さを考慮したためである。このように斜めに取り
付けると、従来型の冷凍機では、冷凍性能の低下は避け
られなかった。この冷凍機をらせん溝付き冷凍機とする
ことにより、斜めに取り付けた場合でも十分な冷凍性能
を発揮することができる。このため、輻射熱シールド効
果を高めることが可能となる。

【０１０７】図１３（Ｂ）は、らせん溝付き冷凍機をＭ
ＲＩに適用した他の構成例を示す。超伝導マグネット１
５１の周囲に放射状に複数のらせん溝付き冷凍機１６０
が取り付けられ、第２段目冷却部が直接超伝導マグネッ
ト１５１に熱的に接続されている。図１３（Ｂ）では、
９０度の間隔で４個の冷凍機を取り付けた場合を示して
いる。

【０１０８】超伝導マグネット１５１は、各冷凍機１６
０の第１段目冷却部と熱的に接続された輻射シールド板
１６１により取り囲まれ、外部からの輻射熱に対してシ
ールドされている。このように構成されたＭＲＩが支持
台１５６に固定されている。

【０１０９】らせん溝付き冷凍機を使用することによ
り、図１３（Ｂ）に示すように冷却対象物に対して様々
な角度から取り付けることが可能になる。従って、１台
の冷凍機のみでは冷凍能力が足りないときに、複数の冷
凍機を用いることにより、所望の冷凍能力を得ることが
できる。これにより、液体ヘリウムを使用しないＭＲＩ
を実現することが可能になる。

【０１１０】以上図９〜図１３を参照してらせん溝付き
冷凍機を種々の装置に適用した場合について説明した
が、その他の極低温を必要とする装置に適用することも
できる。例えば、リニア車両用車載冷凍機、半導体製造
装置のクライオポンプ冷却用冷凍機、または超伝導磁気
シールド、超伝導限流器、超伝導変圧器、超伝導アンテ
ナ、超伝導共振器、超伝導フィルタ、ＳＩＳ素子、赤外
線検出素子あるいはＳＱＵＩＤ等の超伝導材料を利用し
た各種装置の超伝導材料冷却用冷凍機として使用するこ
とができる。

【０１１１】上記実施例においては、ディスプレーサの
中に蓄冷材を充填し、ディスプレーサ内にガス流路を形
成する例について説明したが、蓄冷材をディスプレーサ
の外部に配置してもよい。

【０１１２】図１４は、蓄冷材をディスプレーサの外部
に配置した場合の１段ＧＭ式冷凍機の概略を示す。シリ
ンダ６０内に、図の矢印の方向に上下に駆動されるディ
スプレーサ６１が配置されている。ディスプレーサ６１
は例えば熱伝導率の低い布入りフェノール等からなる無
垢の円柱状形状である。シリンダ６０内には、ディスプ
レーサ６１の上部に上部空間６２、下部に膨張空間６３
が形成される。図は、ディスプレーサ６１が最下点に移
動した場合を示している。

【０１１３】シリンダ６０内の上部空間６２と膨張空間
６３は、配管６４、内部に蓄冷材が充填された蓄冷器６
５及び配管６６を介して接続されている。ディスプレー
サ６１が上下に移動すると、ヘリウムガスが蓄冷器６５
と熱交換しながら下部膨張空間６３に供給、または下部
膨張空間６３から回収される。

【０１１４】ヘリウム圧縮機６７から供給される高圧ヘ
リウムガスは、吸気弁Ｖ１、配管６４を介してシリンダ
６０内の上部空間６２にも供給される。また、膨張空間
６３内のヘリウムガスは配管６６、蓄冷器６５及び排気
弁Ｖ２を介してヘリウム圧縮機６７に回収される。

【０１１５】このように、蓄冷材がディスプレーサの外
部に配置されている構造の冷凍機においても、ディスプ
レーサ６１の外周面にらせん状溝を形成することによ
り、シリンダ６０内面とディスプレーサ６１との間隙を
通って流れるガスは、らせん状溝に沿って流れる。この
ため、ガスがシリンダ及びディスプレーサと効率的に熱
交換を行うため、蓄冷材がディスプレーサの中に充填さ
れている場合と同様の効果を得ることができる。

【０１１６】上記実施例では、ディスプレーサ表面にら
せん状のガス流路を形成した場合について説明したが、
シリンダとディスプレーサとの隙間を流れるガスが、ガ
ス流路表面と十分に熱交換しながら流れるような形状で
あればらせん状に限らずその他の形状でもよい。以下、
図１７を参照してその他のガス流路形状について説明す
る。

【０１１７】図１７は、ディスプレーサの外周面に形成
された溝パターンを円周方向に展開した概略展開図を示
す。なお、図１７は溝パターンの形状の特徴を示すもの
であり、溝のピッチ、溝の軸方向に対する傾き等を示す
ものではない。

【０１１８】図１７（Ａ）は、図３、図４に示すように
ディスプレーサ外周面の一端から他端まで１本のらせん
状溝を形成した場合を示す。図１７（Ｂ）に示すよう
に、らせん状の溝を複数本設けてもよい。図１７（Ｂ）
では、４本の溝をほぼ平行に形成した場合を示す。

【０１１９】図１７（Ｃ）及び（Ｄ）に示すように、ら
せん状の溝を波線またはジグザグ線としてもよい。さら
に、図１７（Ｅ）に示すように、ディスプレーサの軸方
向に平行な直線と垂直な直線とを組み合わせて、階段状
のジグザグ線としてもよい。また、図１７（Ｆ）に示す
ように、波線とジグザグ線とを組み合わせてもよい。

【０１２０】図１７（Ｇ）に示すように、らせんの回転
方向が相互に逆向きになる２つのらせん、あるいは２つ
以上のらせんを組み合わせてらせん状溝が相互に交差す
るようにしてもよい。

【０１２１】図１７（Ｈ）に示すように、外周面の円周
方向に複数の円周状溝を形成し、隣接する溝を相互に接
続する接続溝を設けた形状としてもよい。このとき、ガ
ス流路長をなるべく長くするために円周状溝の上下に形
成される接続溝を、円周上の異なる位置に設けることが
好ましい。さらには、相互に軸対称となる位置に設ける
ことが好ましい。

【０１２２】このように、溝パターンのうち少なくとも
一部の溝が、ディスプレーサの軸方向に対して交差する
方向に沿うように形成することにより、ガスが軸方向に
平行に流れる場合に比べて、より長い経路を流れること
になる。このため、ガスとディスプレーサ及びシリンダ
との間で、より効率的に熱交換することが可能になる。

【０１２３】ディスプレーサの外周面に形成されたガス
流路の断面は、矩形、三角形、半円形等、その他の形状
でもよい。また、ディスプレーサの外周面に形成された
ガス流路を流れるガスの熱交換効率を高めるために、デ
ィスプレーサ外周面あるいはガス流路の内面に蓄冷材を
貼りつけてもよい。また、ガス流路内に蓄冷材を充填し
てもよい。

【０１２４】上記実施例では、ディスプレーサの外周面
に溝パターンを形成する場合について説明したが、シリ
ンダの内周面に溝パターンを形成しても同様の効果が得
られるであろう。このときには、シリンダ内周面のう
ち、少なくともディスプレーサが往復運動する範囲を含
む円筒状領域の両端を結ぶように溝パターンを形成すれ
ばよい。

【０１２５】図１８は、シリンダ内周面に溝パターンを
形成したシリンダ及びディスプレーサの基本構成を示
す。ディスプレーサ２の外周面に形成されたらせん状ガ
ス流路４の代わりに、シリンダ１の内周面にらせん状ガ
ス流路４ａが形成されている。その他は図１の基本構成
と同様の構成である。なお、らせん状の溝パターンに限
らず、図１７に示すような種々の溝パターンを形成して
もよい。

【０１２６】以上実施例に沿って本発明を説明したが、
本発明はこれらに制限されるものではない。たとえば、
ＧＭ式冷凍機に限らず、スターリング冷凍機やソルベイ
サイクル冷凍機等その他の蓄冷器を用いた冷凍機に本発
明を適用することが可能である。

【０１２７】また、２段式ディスプレーサの構成を例に
説明したが、１段式あるいは３段式以上のディスプレー
サを用いる場合にも適用できる。また、その他の構成に
おいても、低温においてディスプレーサを用いる蓄冷器
式冷凍機に本発明を適用することができる。その他、種
々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に
自明であろう。

【０１２８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
蓄冷器式冷凍機において、その冷凍性能を向上すること
ができる。

【０１２９】また、寿命の上でも磨耗が問題となるシー
ル機構がなく、部品点数の少ない蓄冷器式冷凍機を構成
することができるため、蓄冷器式冷凍機の組み立て、保
守が簡単化される。さらに、蓄冷材収容空間を増大する
ことができるため、冷凍能力を向上されることも可能と
なる。

【０１３０】また、冷却対象物に対して、冷凍機を種々
の角度から取り付けることができる。また、冷却しなが
ら冷凍機と共に冷却対象物の向きを変更することができ
る。さらに、メンテナンス性の向上、複数台の冷凍機に
よる同時冷却が可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例による蓄冷器式冷凍機の基本構
成を示す断面図である。

【図２】２段構成のＧＭ式冷凍機の構成を概略的に示す
断面図である。

【図３】本発明の実施例による蓄冷器式冷凍機の第２段
目ディスプレーサの構成例を示す断面図である。

【図４】本発明の実施例による蓄冷器式冷凍機の第２段
目ディスプレーサの他の構成例を示す断面図である。

【図５】第２段目ディスプレーサにらせん状溝を形成し
た蓄冷器式冷凍機の冷却性能を従来技術による蓄冷器式
冷凍機の冷却性能と比較して示すグラフである。

【図６】本発明の実施例による蓄冷器式冷凍機の第１段
目ディスプレーサの構成例を示す断面図である。

【図７】第１段目及び第２段目ディスプレーサにらせん
状溝を形成した蓄冷器式冷凍機の冷却性能を第２段目デ
ィスプレーサのみにらせん状溝を形成した蓄冷器式冷凍
機の冷却性能と比較して示すグラフである。

【図８】冷凍機の取付角と第２段目ヒートステーション
の温度の関係を示すグラフである。

【図９】らせん溝付き冷凍機を適用した宇宙電波望遠鏡
の概略断面図である。

【図１０】室温磁場空間の固定角度を変えることができ
る超伝導マグネット装置の概略断面図及び概略斜視図で
ある。

【図１１】従来型の超伝導マグネット装置の概略断面図
である。

【図１２】物性測定装置用のクライオスタットの概略断
面図である。

【図１３】ＭＲＩの概略断面図である。

【図１４】蓄冷材をディスプレーサの外部に配置した１
段構成ＧＭ式冷凍機の構成を概略的に示す断面図であ
る。

【図１５】従来技術による第２段目ディスプレーサを説
明するための断面図である。

【図１６】従来技術による第１段目ディスプレーサを説
明するための断面図である。

【図１７】本発明の実施例による蓄冷器式冷凍機のディ
スプレーサ表面に形成する溝パターンの構成例を示す概
略展開図である。

【図１８】本発明の実施例による蓄冷器式冷凍機の他の
基本構成を示す断面図である。

【符号の説明】

１ シリンダ ２ ディスプレーサ ３ ガス流路 ４ らせん状ガス流路 ５ 蓄冷材 ６ 膨張空間 １０ ヘリウム圧縮機 １１ 第１段目シリンダ １２ 第２段目シリンダ １３ 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 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 ガス流路 ３０ 筒状部材 ３１ 蓋部材 ３２ 金網 ３３、３４ フェルト栓 ３５ パンチングメタル ３６ 結合機構 ３７ 開口 ３８ らせん状ガス流路 ３９ ステンレス管 ４０ 耐磨耗性樹脂部材 ４１ 蓋部材 ５０ 筒状部材 ５１ フランジ ５２、５３ 開口 ５４ 蓋部材 ５５ らせん状ガス流路 ６０ シリンダ ６１ ディスプレーサ ６２ 上部空間 ６３ 膨張空間 ６４、６６ 配管 ６５ 蓄冷器 ６７ ヘリウム圧縮機 ８０ 筒状部材 ８１ 溝 ８２ 開口 ８３ 蓋部材 ８４ 金網 ８５、８６ フェルト栓 ８７ パンチングメタル ８８ 結合機構 ８９ エキスパンダリング ９０ ピストンリング １００ 筒状部材 １０１ 開口 １０２ 段差 １０３ Ｏリング １０４ スリッパシール １０５ フランジ １０６、１０７ 金網 １０８ 開口 １０９ 蓋部材 １１０ａ 主鏡 １１０ｂ 副鏡 １１１ ＳＩＳ素子 １１２ 冷凍機 １２０ 冷凍機 １２１ モータ部 １２２ 機構部 １２３ 第１段目シリンダ １２４ 第２段目シリンダ １２５ 第１段目冷却ステージ １２６ 輻射シールド板 １２７ 第２段目冷却ステージ １２８ 超伝導マグネット １２９ 室温磁場空間 １３０ 真空容器 １３１ 支持棒 １３２ 支持台 １４０ 冷凍機 １４１ 機構部 １４２ 第１段目シリンダ １４３ 第２段目シリンダ １４４ 第１段目冷却ステージ １４５ 輻射シールド板 １４６ 真空容器 １４７ サンプルホルダ １５０ 空洞 １５１ 超伝導マグネット １５２ 液体ヘリウムタンク １５３ 第２輻射シールド板 １５４ 第１輻射シールド板 １５５ 液体ヘリウム投入口 １５６ 支持台 １６０ 冷凍機 １６１ 輻射シールド板 Ｖ 弁 Ｍ 駆動用モータ Ｓ 軸部材

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平６−159828（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−324831（ＪＰ，Ａ) 実開 平５−79358（ＪＰ，Ｕ) 実開 平２−16954（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭62−85878（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) F25B 9/14 510

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 熱伝導率が低く、気密性の高い材料で形
   成された円筒状の内周面を有するシリンダ（１）、 前記シリンダの内周面よりもやや小さい径の円筒状形状
   に沿う外周面を有し、前記シリンダ内に軸方向に往復運
   動可能に配置され、前記シリンダ内の一端に膨張空間
   （６）を形成するディスプレーサ（２）、 前記ディスプレーサの外周面上に、該外周面の両端を結
   ぶ補助ガス流路を構成するように形成され、前記シリン
   ダと前記ディスプレーサとの間の隙間を該外周面の一端
   から他端に向かって流れるガスが前記シリンダ及び前記
   ディスプレーサと積極的に熱交換を行うように少なくと
   も一部が前記ディスプレーサの軸方向に対して交差する
   方向に沿う溝を含んで構成された溝パターン、 前記膨張空間にガスを供給、及び前記膨張空間からガス
   を回収するための主ガス流路（３）、 及び前記主ガス流路内の少なくとも一部に配置された蓄
   冷材（５）とを有する少なくとも１つの蓄冷器式冷凍機
   と、 前記シリンダの軸方向が鉛直方向に対して斜めになるよ
   うに、または、前記シリンダの軸方向が鉛直方向に沿い
   かつ前記膨張空間が前記シリンダの上方の一端に形成さ
   れるように前記蓄冷器式冷凍機を支持するための支持手
   段とを有する低温装置。
2. 【請求項２】 熱伝導率が低く、気密性の高い材料で形
   成された円筒状の内周面を有するシリンダ（１）、 前記シリンダの内周面よりもやや小さい径の円筒状形状
   に沿う外周面を有し、前記シリンダ内に軸方向に往復運
   動可能に配置され、前記シリンダ内の一端に膨張空間
   （６）を形成するディスプレーサ（２）、 前記ディスプレーサの外周面上に、該外周面の両端を結
   ぶ補助ガス流路を構成するように形成され、前記シリン
   ダと前記ディスプレーサとの間の隙間を該外周面の一端
   から他端に向かって流れるガスが前記シリンダ及び前記
   ディスプレーサと積極的に熱交換を行うように少なくと
   も一部が前記ディスプレーサの軸方向に対して交差する
   方向に沿う溝を含んで構成された溝パターン、 前記膨張空間にガスを供給、及び前記膨張空間からガス
   を回収するための主ガス流路（３）、 及び前記主ガス流路内の少なくとも一部に配置された蓄
   冷材（５）とを有する少なくとも１つの蓄冷器式冷凍機
   を、前記シリンダの軸方向が鉛直方向に対して斜めにな
   るように、または、前記シリンダの軸方向が鉛直方向に
   沿いかつ前記膨張空間が前記シリンダの上方の一端に形
   成されるように支持する準備工程と、 前記ディスプレーサを往復運動させつつ、前記主ガス流
   路及び前記補助ガス流路を通して、所定の周期で前記膨
   張空間に作動ガスを導入及び前記膨張空間から作動ガス
   を回収して前記シリンダの前記一端に結合された冷却対
   象物を冷却する冷却工程とを含む冷却方法。
3. 【請求項３】 前記冷却工程は、 さらに、前記シリンダの前記冷却対象物を冷却しつつ、
   前記シリンダの軸方向と鉛直方向との成す角を変化させ
   る工程を含む請求項２記載の冷却方法。
4. 【請求項４】 前記準備工程は、２つ以上の前記蓄冷器
   式冷凍機を支持する請求項２記載の冷却方法。
5. 【請求項５】 熱伝導率が低く、気密性の高い材料で形
   成された円筒状の内周面を有するシリンダ（１）、 前記シリンダの内周面よりもやや小さい径の円筒状形状
   に沿う外周面を有し、前記シリンダ内に軸方向に往復運
   動可能に配置され、前記シリンダ内の一端に膨張空間
   （６）を形成するディスプレーサ（２）、 前記ディスプレーサの外周面上に、該外周面の両端を結
   ぶ補助ガス流路を構成するように形成され、前記シリン
   ダと前記ディスプレーサとの間の隙間を該外周面の一端
   から他端に向かって流れるガスが前記シリンダ及び前記
   ディスプレーサと積極的に熱交換を行うように少なくと
   も一部が前記ディスプレーサの軸方向に対して交差する
   方向に沿う溝を含んで構成された溝パターン、 前記膨張空間にガスを供給、及び前記膨張空間からガス
   を回収するための主ガス流路（３）、 及び前記主ガス流路内の少なくとも一部に配置された蓄
   冷材（５）とを有する少なくとも１つの蓄冷器式冷凍機
   を、前記シリンダの軸方向が鉛直方向に対して斜めにな
   るように、または、前記シリンダの軸方向が鉛直方向に
   沿いかつ前記膨張空間が前記シリンダの上方の一端に形
   成されるように支持することを特徴とする蓄冷器式冷凍
   機の使用方法。