JP3390612B2 - 蓄冷型冷凍機 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【発明の属する技術分野】この発明は、蓄冷型冷凍機に
関し、特に冷却ステージの熱交換の効率を高め、冷凍能
力を向上するものである。 【０００２】 【従来の技術】図２７は特開平３−１０５３号公報に示
された従来の蓄冷型冷凍機の２段ＧＭ冷凍機を示す図で
ある。図において、１、２は直径が順次縮小したパイプ
を同軸上に連結一体化した筒としての１段目シリンダお
よび２段目シリンダ、３は１段目シリンダ１内にて上死
点および下死点間を往復運動可能に配設された１段目デ
ィスプレーサ、４は２段目シリンダ２内にて上死点およ
び下死点間を往復運動可能に配設された２段目ディスプ
レーサで、１段目ディスプレーサ３と２段目ディスプレ
ーサ４とは、それぞれ自在継手（図示せず）で連結一体
化にて構成されている。４ａはこの２段目ディスプレー
サ４の凹状底面である。なお、図２７は往復運動の上死
点の際を示すものである。 【０００３】５は１段目シリンダ１の内壁と１段目ディ
スプレーサ３の外壁との間をシールするための１段目シ
ール、６は２段目シリンダ２の内壁と２段目ディスプレ
ーサ４の外壁との間をシールするための２段目シール、
７は１段目ディスプレーサ３内に充填された１段目蓄冷
器、８は２段目ディスプレーサ４内に充填された２段目
蓄冷器、９は１段目シリンダ１の低温端側の外周面に配
設された１段目冷却ステージ、１０は２段目シリンダ２
の低温端側の外周面を覆うように配設された２段目冷却
ステージ、１０ａは２段目ディスプレーサの凹状底面４
ａと嵌合するように設けられた２段目冷却ステージの凸
状底面である。 【０００４】１１は１段目シリンダ１の低温端側に、１
段目ディスプレーサ３の往復運動により容積が変化する
１段目膨張空間、１２は２段目シリンダ２の低温端側
に、２段目ディスプレーサ４の往復運動により容積が変
化する２段目膨張空間、１３は作動ガスとしてのヘリウ
ムガスを圧縮するコンプレッサ、１４はこのコンプレッ
サ１３から高圧のヘリウムガスを１段目シリンダ１内に
供給するタイミングを制御するための吸気バルブであ
る。 【０００５】１５は１段目シリンダ１内からコンプレッ
サ１３に低圧のヘリウムガスを排出するタイミングを制
御するための排気バルブ、１６は両ディスプレーサ３、
４を往復運動させるとともに、この往復運動に連動して
吸気バルブ１４および排気バルブ１５の開閉を行う駆動
モータ、１７は１段目蓄冷器７へヘリウムガスを流出入
させるため、１段目ディスプレーサ３の高温端側に設け
られた１段目高温側流路である。 【０００６】１８は１段目蓄冷器７および１段目膨張空
間１１へヘリウムガスを流出入させるため、１段目ディ
スプレーサ３の低温端側に設けられた１段目低温側流
路、１９は２段目蓄冷器８へヘリウムガスを流出入させ
るため、２段目ディスプレーサ４の高温端側に設けられ
た２段目高温側流路、２０は２段目蓄冷器８および２段
目膨張空間１２へヘリウムガスを流出入させるため、２
段目ディスプレーサ４の低温端側に設けられた２段目低
温側流路である。 【０００７】次に、上記のように構成された従来の蓄冷
型冷凍機の動作について説明する。まず、両ディスプレ
ーサ３、４が両シリンダ１、２内にて下死点にある。そ
して、吸気バルブ１４が開、排気バルブ１５が閉の状態
にされ、コンプレッサ１３から圧縮された高圧のヘリウ
ムガスが、１段目高温側流路１７から１段目蓄冷器７に
流入される。そして、流入されたヘリウムガスは、１段
目蓄冷器７の蓄冷材によって所定の温度まで冷却され、
１段目低温側流路１８から１段目膨張空間１１へ流出さ
れる。 【０００８】そして、１段目膨張空間１１へ流入した高
圧のヘリウムガスの一部は、２段目高温側流路１９から
２段目蓄冷器８に流入される。そして、流入されたヘリ
ウムガスは、２段目蓄冷器８の蓄冷材によって、さらに
低い所定の温度まで冷却され、２段目低温側流路２０か
ら２段目膨張空間１２へ流出される。 【０００９】この結果、両膨張空間１１、１２内は高圧
状態となる。その後、両ディスプレーサ３、４は上死点
側へと移動する。それに伴い、高圧のヘリウムガスは次
々と各膨張空間１１、１２に供給される。 【００１０】そして、両ディスプレーサ３、４が上死点
に達すると（図２７の状態）、吸気バルブ１４をまず閉
じ、少し遅れて排気バルブ１５を開く。すると、この時
ヘリウムガスは、高圧の状態から低圧の状態となり体積
が膨張し、各膨張空間１１、１２にて寒冷を発生する。
そしてこの際、各膨張空間１１、１２内のヘリウムガス
はもとの状態より低温、低圧となり、各冷却ステージ
９、１０を冷却することとなる。そして、各冷却ステー
ジ９、１０は、これらの周囲から熱を奪い、周囲を冷却
することとなる。 【００１１】次に、両ディスプレーサ３、４を下死点に
移動させる。そして、上記にて示した逆の順路を通り、
ヘリウムガスは排気バルブ１５から排気され、コンプレ
ッサ１３に戻る。この際、ヘリウムガスは両蓄冷器７、
８をそれぞれ冷却することとなる。そして、両ディスプ
レーサ３、４が下死点に達し、両膨張空間１１、１２の
体積が最小になると、再び排気バルブ１５を閉、吸気バ
ルブ１９を開く。以上の動作を１サイクルとし、上記動
作を繰り返すこととなる。 【００１２】上記動作を繰り返すことにより両冷却ステ
ージ９、１０は周囲から熱を奪う。また、両ディスプレ
ーサ３、４の往復運動の動作の間、２段目ディスプレー
サ４の凹状底面４ａは２段目冷却ステージ１０の凸状底
面１０ａをガイドにして摺動している。 【００１３】次に、他の従来の例として、図２８に示す
ものがある。これは、図２７に示した従来の例のうち２
段目のディスプレーサ側のみを示す図である。図におい
て、上記従来と同様の部分は同一符号を付して説明を省
略する。４ｂは２段目ディスプレーサ４の２段目膨張空
間１２と接する底面で、平坦に形成されている。２１は
２段目シリンダ４の低温端側の外周面を覆うように配設
された２段目冷却ステージで、２段目冷却ステージ２１
の２段目膨張空間１２と接する底面２１ａは平坦に形成
されている。 【００１４】上記のように構成された他の従来の蓄冷型
冷凍機の動作は、２段目ディスプレーサの底面４ｂおよ
び２段目冷却ステージの底面２１ａが平坦であるので、
上記した従来の例のように、２段目ディスプレーサ４の
凹状底面４ａが２段目冷却ステージ１０の凸状底面１０
ａをガイドにして摺動するというような動作がなく、往
復運動が行われる。また、両底面４ｂ、２１ａが平坦で
あるため、上記従来の例より、２段目膨張空間１２内の
ヘリウムガスと、２段目冷却ステージ２１との伝熱面積
が小さくなる。 【００１５】 【発明が解決しようとする課題】従来の蓄冷型冷凍機は
以上のようにそれぞれ構成されている。従来例のよう
に、２段目ディスプレーサ４の凹状底面４ａと２段目冷
却ステージ１０の凸状底面１０ａとを形成することによ
り、２段目膨張空間１２内のヘリウムガスと、２段目冷
却ステージ１０との伝熱面積が大きくなり、冷凍能力が
向上する。しかしながら、２段目ディスプレーサ４の往
復運動の際に、２段目ディスプレーサ４の凹状底面４ａ
が２段目冷却ステージ１０の凸状底面１０ａをガイドと
して摺動するので、この箇所で摩擦熱が生じ、冷凍能力
を低減させてしまうという問題点がある。 【００１６】又、他の従来例のように、２段目ディスプ
レーサの底面４ｂと２段目冷却ステージの底面２１ａと
が平坦であれば、２段目ディスプレーサ４の往復運動の
際に摩擦熱は生じないものの、２段目膨張空間１２内の
ヘリウムガスと、２段目冷却ステージ２１との伝熱面積
が小さくなるので、冷凍能力が低減するという問題点が
ある。 【００１７】この発明は上記のような問題点を解決する
ためになされたもので、冷却ステージの熱交換の効率を
高め、冷凍能力が向上する蓄冷型冷凍機を提供するもの
である。 【００１８】 【課題を解決するための手段】この発明に係る請求項１
の蓄冷型冷凍機は、筒と、筒の一端を覆うように設けら
れた冷却ステージと、筒内にて往復運動可能に設けられ
た往復部材と、筒の冷却ステージにて覆われた側に往復
部材の往復運動により容積が変化する膨張空間とを備え
て成り、膨張空間に圧縮された作動ガスが導入され、作
動ガスを膨張させて寒冷を発生させる蓄冷型冷凍機にお
いて、冷却ステージの内部に、膨張空間とキャピラリを
介して連通するバッファータンクを備えたものである。 【００１９】 【発明の実施の形態】実施の形態１． 以下、この発明の実施の形態を図について説明する。図
１はこの発明の実施の形態１における蓄冷型冷凍機の２
段ＧＭ冷凍機を示す図である。図において、２２、２３
は直径が順次縮小したパイプを同軸上に連結一体化した
筒としての１段目シリンダおよび２段目シリンダで、例
えばステンレスにて形成されている。２４は１段目シリ
ンダ２２内にて上死点および下死点間を往復運動可能に
配設された往復部材としての１段目ディスプレーサ、２
５は２段目シリンダ２３内にて上死点および下死点間を
往復運動可能に配設された往復部材としての２段目ディ
スプレーサで、１段目ディスプレーサ２４と２段目ディ
スプレーサ２５とは、それぞれ自在継手（図示せず）で
連結一体化にて構成されている。各ディスプレーサ２
４、２５は、例えばステンレスにて形成されている。な
お、図１は往復運動の上死点の際を示すものである。 【００２０】２６は１段目シリンダ２２の内壁と１段目
ディスプレーサ２４の外壁との間をシールするための１
段目シール、２７は２段目シリンダ２３の内壁と２段目
ディスプレーサ２５の外壁との間をシールするための２
段目シール、２８は１段目ディスプレーサ２４内に充填
された１段目蓄冷器、２９は２段目ディスプレーサ２５
内に充填された２段目蓄冷器、３０は１段目シリンダ２
２の低温端側の外周面に配設された１段目冷却ステー
ジ、３１は２段目シリンダ２３の一端としての低温端側
の外周面を覆うように配設された２段目冷却ステージ
で、各冷却ステージ３０、３１は例えば銅にて形成され
ている。 【００２１】３２は１段目シリンダ２２の低温端側に、
１段目ディスプレーサ２４の往復運動により容積が変化
する１段目膨張空間、３３は２段目シリンダ２５の低温
端側に、２段目ディスプレーサ２５の往復運動により容
積が変化する２段目膨張空間、３４は作動ガスとしての
ヘリウムガスを圧縮するコンプレッサ、３５はこのコン
プレッサ３４から高圧のヘリウムガスを１段目シリンダ
１内に供給するタイミングを制御するための吸気バルブ
である。 【００２２】３６は１段目シリンダ２２内からコンプレ
ッサ３４に低圧のヘリウムガスを排出するタイミングを
制御するための排気バルブ、３７は両ディスプレーサ２
４、２５を往復運動させるとともに、この往復運動に連
動して吸気バルブ３５および排気バルブ３６の開閉を行
う駆動モータ、３８は１段目蓄冷器２８へヘリウムガス
を流出入させるため、１段目ディスプレーサ２４の高温
端側に設けられた１段目高温側流路である。 【００２３】３９は１段目蓄冷器２８および１段目膨張
空間３２へヘリウムガスを流出入させるため、１段目デ
ィスプレーサ２４の低温端側に設けられた１段目低温側
流路、４０は２段目蓄冷器２９へヘリウムガスを流出入
させるため、２段目ディスプレーサ２５の高温端側に設
けられた２段目高温側流路、４１は２段目蓄冷器２９お
よび２段目膨張空間３３へヘリウムガスを流出させるた
め、２段目ディスプレーサ２５の低温端側に設けられた
２段目低温側流路である。 【００２４】２５ａは２段目ディスぺーサ２５の２段目
膨張空間３３と接する第２の面で、山形の円錐形状に形
成されている。３１ａは２段目冷却ステージ３１の２段
目膨張空間３３と接する第１の面で、山形の円錐形状に
形成されている。そして、これら第２の面２５ａと第１
の面３１ａとの軸方向に対向する位置の距離が互いに等
しいとともに、第２の面２５ａおよび第１の面３１ａが
往復運動方向と直角の方向に対して傾きを有しているも
のである。 【００２５】次に、上記のように構成された実施の形態
１における蓄冷型冷凍機の動作について説明する。ま
ず、両ディスプレーサ２４、２５が両シリンダ２２、２
３内にて下死点にある。そして、吸気バルブ３５が開、
排気バルブ３６が閉の状態にされ、コンプレッサ３４で
圧縮された高圧のヘリウムガスが、１段目高温側流路３
８から１段目蓄冷器２８に流入される。そして、流入さ
れたヘリウムガスは、１段目蓄冷器２８の蓄冷材によっ
て所定の温度まで冷却され、１段目低温側流路３９から
１段目膨張空間３２へ流出される。 【００２６】そして、１段目膨張空間３２へ流入した高
圧のヘリウムガスの一部は、２段目高温側流路４０から
２段目蓄冷器２９に流入される。そして、流入されたヘ
リウムガスは、２段目蓄冷器２９の蓄冷材によって、さ
らに低い所定の温度まで冷却され、２段目低温側流路４
１から２段目膨張空間３３へ流出される。 【００２７】この結果、両膨張空間３２、３３内は例え
ば、２０Ｋｇ／ｃｍ^２くらいの高圧状態となり、両ディ
スプレーサ２４、２５は上死点側へと移動する。それに
伴い、高圧のヘリウムガスは上記動作と同様に、次々と
各膨張空間３２、３３に供給される。 【００２８】そして、両ディスプレーサ２４、２５が上
死点に達すると（図１の状態）、吸気バルブ３５をまず
閉じ、少し遅れて排気バルブ３６を開く。すると、この
時ヘリウムガスは、高圧の状態から低圧の状態となり体
積が膨張し、各膨張空間３２、３３にて寒冷を発生す
る。そしてこの際、各膨張空間３２、３３内のヘリウム
ガスはもとの状態より低温、低圧となり、各冷却ステー
ジ３０、３１を冷却することとなる。そして、１段目冷
却ステージ３０では例えば５０Ｋにて、又、２段目冷却
ステージ３１では例えば４．２Ｋにて、これらの周囲か
ら熱を奪い、周囲を冷却することとなる。 【００２９】次に、両ディスプレーサ２４、２５を下死
点に移動させる。そして、上記にて示した逆の順路を通
り、ヘリウムガスは排気バルブ３６から排気され、コン
プレッサ３４に戻る。この際、ヘリウムガスは両蓄冷器
２８、２９をそれぞれ冷却することとなる。そして、両
ディスプレーサ２４、２５が下死点に達し、両膨張空間
３２、３３の体積が最小になると、再び排気バルブ３６
を閉、吸気バルブ３５を開く。以上の動作を１サイクル
（例えば１サイクルを１秒間にて行う）とし、上記動作
を繰り返すこととなる。 【００３０】上記動作を繰り返すことにより両冷却ステ
ージ３０、３１は周囲から熱を奪う。また、両ディスプ
レーサ２４、２５の往復運動の動作の間、２段目ディス
プレーサの第２の面２５ａと２段目冷却ステージの第１
の面３１ａとは軸方向に対向する位置の距離が互いに一
定であるので、２段目ディスプレーサ２５の往復運動の
際、第１の面３１ａおよび第２の面２５ａ間で摩擦熱を
生じることはない。又、２段目シリンダ２３の内径が例
えば３ｃｍで、第１の面３１ａの円錐の高さが３ｃｍと
すれば、伝熱面積は、各面が平坦の場合と比較すると
２．８倍になる。したがって、伝熱量は伝熱面積に比例
するので、２．８倍の伝熱量が得られ、２段目膨張空間
３３のヘリウムガスと２段目冷却ステージ３１との温度
差は、各面が平坦の場合と比較すると１／２．８にな
る。 【００３１】上記のように構成された実施の形態１の蓄
冷型冷凍機は、第１の面２５ａと第２の面３１ａとの軸
方向に対向する位置の距離が互いに一定で等しく、又、
各面２５ａ、３１ａが往復運動方向と直角の方向に対し
て傾きを有し、伝熱面積を拡大している。よって、２段
目ディスプレーサ２５の往復運動の際、各面２５ａ、３
１ａ間で摩擦熱が生じることはなく、且つ、２段目冷却
ステージ３１の温度が２段目膨張空間３３内のヘリウム
ガスの温度により近づき２段目冷却ステージでの損失を
少なくすることができ、冷凍能力を向上することができ
る。尚以下、様々な実施の形態を説明するが、各ディス
プレーサ２４、２５の動作は同様で、又、ヘリウムガス
の流れも同様であるので説明は適宜省略する。又、２段
目シリンダ側のみを用いて説明するため、２段目の言葉
は適宜省略する。 【００３２】実施の形態２． 上記実施の形態１では第１および第２の面３１ａ、２５
ａを山形の円錐状にて形成する例を示したが、これに限
られることはなく、冷却ステージの膨張空間と接する第
１の面と往復部材の膨張空間と接する第２の面との軸方
向に対向する位置の距離が互いに等しいとともに、第１
の面および第２の面が往復運動方向と直角の方向に対し
て傾きを有していれば、何れの形状でも上記実施の形態
１と同様の効果を奏することができる。以下、数例を図
に基づいて説明する。 【００３３】図２は実施の形態２の一例を示す蓄冷型冷
凍機である。図において、上記実施の形態１と同様の部
分は同一符号を付して説明を省略する。２５ｂはディス
プレーサ２５の膨張空間３３と接する第２の面で谷形の
円錐状に形成されている。３１ｂは、冷却ステージ３１
の膨張空間３３と接する第１の面で谷形の円錐状に形成
されている。 【００３４】上記のように構成すれば、第１の面３１ｂ
と第２の面２５ｂとの軸方向に対向する位置の距離が互
いに等しいとともに、第１の面３１ｂおよび第２の面２
５ｂが往復運動方向と直角の方向に対して傾きを有して
いるため、上記実施の形態１と同様の効果を奏する。 【００３５】又、図３は実施の形態２の一例を示す蓄冷
型冷凍機である。図において、上記実施の形態１と同様
の部分は同一符号を付して説明を省略する。２５ｃはデ
ィスプレーサ２５の膨張空間３３と接する第２の面で、
山形の円錐状が２連にて形成されている。３１ｃは冷却
ステージ３１の膨張空間３３と接する第１の面で山形の
円錐状が２連にて形成されている。 【００３６】上記のように構成すれば、第１の面３１ｃ
と第２の面２５ｃとの軸方向に対向する位置の距離が互
いに等しいとともに、第１の面３１ｃおよび第２の面２
５ｃが往復運動方向と直角の方向に対して傾きを有して
いるため、上記実施の形態１と同様の効果を奏するのは
もちろんのこと、各面２５ｃ、３１ｃが２連の山形の円
錐状にて形成されているので、伝熱面積がさらに拡大さ
れ、さらに冷凍能力を向上することができる。 【００３７】又、図４は実施の形態２の一例を示す蓄冷
型冷凍機である。図において、上記実施の形態１と同様
の部分は同一符号を付して説明を省略する。２５ｃはデ
ィスプレーサ２５の膨張空間３３と接する第２の面で、
半球形状にて形成されている。３１ｄは冷却ステージ３
１の膨張空間３３と接する第１の面で半球形状にて形成
されている。 【００３８】上記のように構成すれば、第１の面３１ｄ
と第２の面２５ｄとの軸方向に対向する位置の距離が互
いに等しいとともに、第１の面３１ｄおよび第２の面２
５ｄが往復運動方向と直角の方向に対して傾きを有して
いるため、上記実施の形態１と同様の効果を奏する。 【００３９】実施の形態３． 図５はこの発明の実施の形態３の蓄冷型冷凍機の構成を
示す図である。図において、上記各実施の形態と同様の
部分は同一符号を付して説明を省略する。３１ｅは冷却
ステージ３１の膨張空間３３と接する第１の面で、第２
の面２５ａと軸方向に対向する位置の距離が互いに一定
の範囲内で等しいとともに、ディスプレーサ２５の往復
運動方向と直角の方向に対して傾きを有しており、さら
に、傾きを有する箇所が、段階形状にて形成されてい
る。 【００４０】上記実施の形態３は、第１の面３１ｅが第
２の面２５ａとの距離が一定範囲内となるよう、階段形
状にて形成されているため、階段形状にて形成されてい
ない場合と比較して、無効容積は増加するものの、伝熱
面積はさらに拡大される。冷凍能力の大きな蓄冷型冷凍
機では、無効容積が増加して冷凍能力が減少する効果よ
り、冷却ステージの熱伝達が向上して、冷凍能力が向上
する効果の方が大きく、全体として冷凍能力の増大に有
効である。 【００４１】さらに、伝熱面積を拡大するために、図６
に示すように冷却ステージ３１の膨張空間３３と接する
側面３１ｆに複数の溝を備えるように形成し、伝熱面積
を拡大してもよい。このように形成すれば、伝熱面積が
増加するため、無効容積は増加するものの、上記で示し
たような冷凍能力の大きな蓄冷型冷凍機では冷凍能力を
向上することができる。 【００４２】実施の形態４． 図７はこの発明の実施の形態４における蓄冷型冷凍機の
構成を示す図である。図において、上記各実施の形態と
同様の部分は同一符号を付して説明を省略する。２５ｅ
はディスプレーサ２５の膨張空間３３と接する第２の
面、３１ｇは冷却ステージ３１の膨張空間３３と接する
第１の面で、第１の面３１ｇと第２の面２５ｅとは軸方
向に対向する位置の距離が互いに等しいとともに、第１
の面３１ｇおよび第２の面２５ｅがディスプレーサ２５
の往復運動方向と直角の方向を有している。 【００４３】４２は膨張空間３３の壁面（冷却ステージ
３１の膨張空間３３と接する面）に配設された伝熱面積
拡大部材で、例えば０．４ｍｍ径程度の粒状の金属で、
例えば銅、銀等にて成る。取り付け方法として、粒状の
金属の表面にろう材を塗布し、この状態で粒状の金属を
冷却ステージ３１の膨張空間３３と接する面に付けて、
温度を上昇させることにより、ろう材を融解させ付着さ
せる。 【００４４】上記のように構成された実施の形態４によ
れば、伝熱面積拡大部材４２が粒状にて形成されている
ため、冷却ステージ３１と膨張空間３３内の作動ガスと
の伝熱面積を拡大することができる。よって、熱伝達が
大幅に改良され冷凍能力を向上することができる。 【００４５】又、図８に示すように上記実施の形態１に
て示したような第１の面２５ａおよび第２の面３１ａが
形成されている場合、伝熱面拡大部材４３を、膨張空間
３３の壁面（冷却ステージ３１の膨張空間３３と接する
面）に同様に配設してもよい。このようにすれば、伝熱
面積はさらに拡大され、冷凍能力をさらに向上すること
ができる。 【００４６】実施の形態５． 図９はこの発明の実施の形態５における蓄冷型冷凍機の
構成を示す図である。図において、上記各実施の形態と
同様の部分は同一符号を付して説明を省略する。４４は
膨張空間３３内に備えられた伝熱面積拡大部材で、網目
状の金属で、例えば銅にて形成され、膨張空間３３の底
面に載置されている。そして、この伝熱面積拡大部材４
４は例えば体積率が約２３％の網目状金属を５ｍｍ程度
積層したものである。 【００４７】上記のように形成された実施の形態５の蓄
冷型冷凍機によれば、伝熱面積拡大部材４４を備えるこ
とにより、備えない場合と比較し、伝熱面積が約５倍と
なる。よって、伝熱面積の拡大により、冷凍能力を向上
することができる。 【００４８】又、伝熱面積拡大部材４４を網目状にて形
成する例を示したが、これに限られることはなく、図１
０に示すように例えば粒状の銅、鉛（径が０．４ｍｍ程
度のもの）を膨張空間３３内に配設して、伝熱面積拡大
部材４５を形成すればよい。この際、これら伝熱面積拡
大部材４５のとび出しを防止するため、開口を有する押
え６１を設けておく。よって容易に伝熱面積を拡大する
ことができ、冷凍能力を容易に向上させることができ
る。又、図示はしないものの上面に開口を有する箱状の
ものに、上記伝熱面積拡大部材４５を入れ設置してもよ
い。 【００４９】実施の形態６． 図１１はこの発明の実施の形態６における蓄冷型冷凍機
の構成を示す図である。図において、上記各実施の形態
と同様の部分は同一符号を付して説明を省略する。３１
ｈは、冷却ステージ３１の外周面に設けられた複数の溝
である。 【００５０】上記のように構成された実施の形態６の蓄
冷型冷凍機は、例えば冷却ステージ３１がたとえば被冷
凍部としてのヘリウムガス中に設置され、ヘリウムガス
を凝縮するような場合、冷却ステージ３１の外周面の面
積が、溝３１ｈにより拡大されているため、凝縮面の伝
熱面積が拡大され、熱交換の効率があがる。よって、冷
凍能力を向上することができる。 【００５１】又、図１２に示すように上記実施の形態１
にて示したような第１の面２５ａおよび第２の面３１ａ
が形成されている場合、冷却ステージ３１の外周面に複
数の溝３１ｈを形成してもよい。このようにすれば、伝
熱面積の膨張面及び凝縮面ともに拡大することができ、
冷凍能力をさらに向上することができる。 【００５２】実施の形態７． 図１３はこの発明の実施の形態７における蓄冷型冷凍機
の構成を示す図である。図において、上記各実施の形態
と同様の部分は同一符号を付して説明を省略する。４６
は冷却ステージ３１の外周面に配設された伝熱面積拡大
部材で、たとえば０．４ｍｍ径程度の粒状の金属で、例
えば銅、銀等にて成る、取り付け方法としては粒状の金
属の表面にろう材を塗布し、この状態で粒状の金属を冷
却ステージ３１の外周面に付けて、温度を上昇させるこ
とにより、ろう材を融解させ付着させる。 【００５３】上記のように構成された実施の形態７によ
れば、上記実施の形態６と同様に伝熱面積としての凝縮
面を拡大することができるため、熱交換の効率があが
る。よって、冷凍能力を向上することができる。 【００５４】又、図１４に示すように上記実施の形態１
にて示したような第１の面２５ａおよび第２の面３１ａ
が形成されている場合、冷却ステージ３１の外周面に伝
熱面積拡大部材４６を配設してもよい。このようにすれ
ば、伝熱面積の膨張面及び凝縮面ともに拡大することが
でき、冷凍能力をさらに向上することができる。 【００５５】実施の形態８． 図１５はこの発明の実施の形態８における蓄冷型冷凍機
の構成を示す図である。図において、上記各実施の形態
と同様の部分は同一符号を付して説明を省略する。４７
は冷却ステージ３１の内部に形成された流路で、流路４
７の一端および他端が冷却ステージ３１にて開口されて
おり、流路４７内にヘリウムガスを流出入することがで
きる。 【００５６】上記のように構成された実施の形態８の蓄
冷型冷凍機によれば、流路４７内にてヘリウムガスの流
れが生じ、このヘリウムガスが流路４７内を通る際に、
ヘリウムガスと冷却ステージ３１との間で熱交換が行わ
れる為、冷却ステージ３１での熱交換を容易に効率よく
行うことができるため、冷凍能力を向上することができ
る。 【００５７】実施の形態９． 図１６はこの発明の実施の形態９における蓄冷型冷凍機
の構成を示す図である。図において上記各実施の形態と
同様の部分は同一符号を付して説明を省略する。４８は
冷却ステージ３１の内部に形成された流路で、流路４８
の一端４８ａはディスプレーサ２５が往復運動の上死点
の位置に達した際に、ディスプレーサ２５のガス流出入
り口としての低温側流路４１とが対向する位置に形成さ
れ、又、流路４８の他端４８ｂは第１の面３１ｇに形成
されている。 【００５８】上記のように構成された実施の形態９の蓄
冷型冷凍機によれば、ディスプレーサ２５の往復運動の
上死点の位置に達した際に、流路４８の一端４８ａと低
温側流路４１とが、対向する位置に形成されているた
め、ヘリウムガスの流出入が多量となる往復運動の上死
点の際、流路４８の一端４８ａから低温側流路４１への
ヘリウムガスの流れが、直接行われやすくなる。よっ
て、ヘリウムガスの体積が膨張し、膨張空間３３にて寒
冷が発生した際、ヘリウムガスのほとんどは、冷却ステ
ージ３１の流路の他端４８ｂから流路４８を介して、流
路４８の一端４８ａから、低温側流路４１へ流れること
となる。 【００５９】以上のように構成された実施の形態９の蓄
冷型冷凍機は、膨張空間３３にて寒冷を発生したヘリウ
ムガスが、流路４８を通り、低温側流路４１に流れるた
め、冷却ステージ３１の熱交換が一層効率よく行われる
ことになる。そして、冷却ステージ３１の温度とヘリウ
ムガスの温度とがほぼ等しくなるため、冷却ステージ３
１での熱の損失が生じなくなる。よって、冷却ステージ
３１にて被冷凍部の熱を確実に膨張空間３３に伝熱する
ことができ、冷凍能力を増大することができる。 【００６０】さらに、ヘリウムガスの流れを確実にする
ために、図１７に示すようにシリンダ２３の内壁とディ
スプレーサ２５の外壁との間をシール部材４９にてシー
ルし、ディスプレーサ２５が往復運動の上死点の位置に
達した際に、ヘリウムガスが、流路４８の一端４８ａか
ら膨張空間３３を通り流路４８の他端４８ｂへ流出する
のを阻止する。 【００６１】このように構成すれば、シール部材４８に
よりヘリウムガスは、流路４８の一端４８ａから低温側
流路４１にのみ確実に流れるようになる。よって、冷凍
能力をより一層増大することができる。 【００６２】さらに、流路４８に流れるヘリウムガスの
熱交換による熱容量を増大させるために、図１８に示す
ように流路４８内に蓄冷材５０を配設してもよい。この
蓄冷材５０としては、例えば、Ｅｒ_３Ｎｉ，Ｈｏ_１．５
Ｅｒ_１．５Ｒｕ，ＥｒＮｉ_０．９Ｃｏ_０．１，ＧｄＲ
ｈ，Ｃｕ等にてなる玉状、メッシュ状などを用いること
ができる。尚、後述に際しても、流路内に蓄冷材を配設
する例を示すが、これらは、ここで示した蓄冷材と同様
に形成することが可能となるため、その説明は適宜省略
する。 【００６３】このように構成すれば、吸気バルブが閉
じ、排気バルブが開いた過程においては、膨張空間３３
で膨張し低温になったヘリウムガスは、流路４８の他端
４８ｂから冷却ステージ３１内の蓄冷材５０を通り、流
路４８の一端４８ａから低温側流路４１にはいる。この
際、冷却ステージ３１内の蓄冷材５０をヘリウムガスが
冷却する。次に、排気バルブが閉じ、吸気バルブが開い
た過程においては、低温側流路４１から流入したヘリウ
ムガスは、流路４８の一端４８ａから冷却ステージ３１
内の蓄冷材５０を通り、流路４８の他端４８ｂから膨張
空間３３に到達する。この際、上記過程において冷却さ
れた蓄冷材５０とヘリウムガスとは熱交換するため膨張
空間３３に流入するヘリウムガスはより低温になってい
る。このことにより大きな冷凍能力を有することができ
るようになる。 【００６４】また冷却ステージ内の流路４８にヘリウム
ガスが通過することにより、膨張空間３３内のヘリウム
ガスと冷却ステージ３１との熱交換が充分行われ、冷却
ステージ３１での熱の損失が減少し、冷凍能力を向上す
ることができる。さらに冷却ステージ３１内に、熱容量
の大きい蓄冷材５０が存在するため、冷却ステージ３１
全体の熱容量が大きくなる。このため冷却ステージ３１
の温度振幅が小さくなる。したがって等温膨張に近づ
き、冷凍能力を向上することができる。 【００６５】又、上記実施の形態１にて示したような第
１の面２５ａおよび第２の面３１ａが形成されている場
合にも、上記示したような流路を同様に形成してもよ
い。その内の数例を図１９および図２０に示す。まず、
図１９に示すように、５１は冷却ステージ３１の内部に
形成された流路で、流路５１の一端５１ａはディスプレ
ーサ２５が往復運動の上死点の位置に達した際に、ディ
スプレーサ２５の低温側流路４１とが対向する位置に形
成され、又、流路５１の他端５１ｂは第１の面３１ａに
形成されている。 【００６６】このように構成すれば、上記実施の形態１
の効果および上記実施の形態９の効果の両効果を得るこ
ととなり、冷凍能力はより一層向上することができる。 【００６７】又、さらに、図２０に示すように流路５１
内に蓄冷材５２を備えるようにすれば、冷凍能力のより
一層の向上および増大を図ることが可能となる。 【００６８】実施の形態１０． 図２１はこの発明の実施の形態１０における蓄冷型冷凍
機の構成を示す図である。図において、５３はディスプ
レーサ２５の凸状に形成された凸状底面、５４はこの凸
状底面５３に形成されたヘリウムガスを流出するガス流
出入口としての低温側流路、５５は冷却ステージ３１の
ディスプレーサ２５と接する底面で、ディスプレーサ２
５の凸状底面５３に嵌合する凹状底面、５６は冷却ステ
ージ３１の内部に形成された流路、５６ａはディスプレ
ーサ２５が往復運動の下死点の位置に達した際に、ディ
スプレーサ２５の低温側流路５４からヘリウムガスが流
出するように形成された流路５６の一端、５６ｂはディ
スプレーサ２５が往復運動の下死点の位置に達した際
に、ヘリウムガスが低温側流路５４から直接流入しない
ように形成された流路５６の他端である。 【００６９】次に、上記のように構成された実施の形態
１０の蓄冷型冷凍機の動作について説明する。吸気バル
ブが開き、排気バルブが閉じた過程においては、低温側
流路５４から流出されたヘリウムガスは流路５６の一端
５６ａから流路５６を介して流路５６の他端５６ｂから
膨張空間３３に入る。又、排気バルブが開き、吸気バル
ブが閉じた過程において、膨張空間３３にて膨張したヘ
リウムガスは、冷却ステージ３１の他端５６ｂから流路
５６を通り、流路５６の一端５６ａから、低温側流路５
４へ流出される。 【００７０】上記のように構成された実施の形態１０の
蓄冷型冷凍機は、冷却ステージ３１内の流路５６にヘリ
ウムガスが通過することにより、ヘリウムガスと冷却ス
テージ３１の熱交換が上記実施の形態９の場合と同様に
充分に行われ、冷却ステージ３１での熱の損失が減少
し、冷凍能力を向上することができる。 【００７１】さらに、図２２に示すように流路５６内に
蓄冷材５７を備えるようにすれば、冷却ステージ３１内
の熱容量を大きくできるため、上記実施の形態９の場合
と同様に冷却ステージ３１の温度振幅が小さくなり、等
温膨張に近づき、冷凍能力を向上することができる。
尚、ここで示す流路５６の一端５６ａ及び他端５６ｂ
は、図２１で示した場合と同様に形成されている。しか
しながら、冷却ステージ３１内の流路５６は、図２１に
て示したように、複数の流路５６を形成するのではな
く、図２２に示すように１つの流路５６のみにて形成さ
れている。これは、流路５６内に蓄冷材５７を備えるた
め、流路５６を複数に分離しなくとも、冷却ステージ３
１が耐久性に劣ることなく、流路５６を容易に形成でき
るからである。 【００７２】さらに、図２３に示すように、ディスプレ
ーサ２５の凸状底面５３と冷却ステージ３１の凹状底面
５５との間をシール部材５８にてシールし、ディスプレ
ーサ２５が往復運動の下死点の位置に達した際に、ヘリ
ウムガスが、流路５６の一端５６ａから膨張空間３３を
通り流路５６の他端５６ｂへ流出するのを確実に阻止す
るようにすれば、ヘリウムガスの流出は確実に流路５６
を介して膨張空間３３に行われるため、冷凍能力をより
一層向上することができる。 【００７３】さらに、図２４に示すように上記したシー
ル部材５８を備え、且つ、蓄冷材５７を備えるようにす
れば、冷凍能力がより一層向上することは言うまでもな
い。 【００７４】実施の形態１１． 図２５はこの発明の実施の形態１１における蓄冷型冷凍
機の構成を示す図である。図において、上記各実施の形
態と同様の部分は同一符号を付して説明を省略する。５
９は冷却ステージ３１の内部に膨張空間３３と例えば内
径１ｍｍ程度のキャピラリーチューブより成るキャピラ
リ６０を介して連通するバッファータンクである。 【００７５】次に、上記のように構成された実施の形態
１１の蓄冷型冷凍機の動作について説明する。まず、吸
気バルブが開くと、低温側流路４１から膨張空間３３
に、たとえば圧力２０Ｋｇ／ｃｍ^２でヘリウムガスが流
入する。このヘリウムガスはキャピラリ６０を通る際、
圧力抵抗によりバッファータンク５９に流入するため、
１５．５Ｋｇ／ｃｍ^２程度の圧力になる。逆に、排気バ
ルブが開き膨張空間３３のヘリウムガスが１０Ｋｇ／ｃ
ｍ^２に膨張し、蓄冷器２９へ戻るとき、バッファータン
ク５９のヘリウムガスはキャピラリ６０で圧力抵抗をう
け１４．５Ｋｇ／ｃｍ^２の圧力になる。つまり、膨張空
間３３の圧力変化が２０Ｋｇ／ｃｍ^２から１０Ｋｇ／ｃ
ｍ^２に変化してもバッファータンク５９内の圧力変化は
わずか１Ｋｇ／ｃｍ^２の圧力変化しか生じない。このた
めバッファータンク５９へのヘリウムガスの流量は極め
てわずかで、また圧縮熱もほとんど生じない。 【００７６】膨張空間３３内のヘリウムガスと冷却ステ
ージ３１との伝熱面積は、このバッファータンク５９の
面積分が増加したこととなり、冷却ステージ３１と膨張
空間３３との熱伝達が改良され、冷凍能力が向上する。
また、バッファータンク５９内にヘリウムガスが充填さ
れているため、たとえば４．２Ｋなどの低温ではバッフ
ァータンク５９の熱容量が非常に大きくなり、冷却ステ
ージの温度振幅が小さくなる。したがって等温膨張に近
づき、冷凍能力を向上することができる。また、バッフ
ァータンク５９内にはキャピラリ６０によりわずかなが
らもヘリウムガスの流出入が生じるため、バッファータ
ンク５９内のヘリウムガスは対流を生じ、バッファータ
ンク５９内の中心部と外周部とのヘリウムガスの温度差
は生じない。 【００７７】又、図２６に示すように上記実施の形態１
にて示したような第１の面２５ａおよび第２の面３１ａ
が形成されている場合にも、上記示したようなバッファ
タンク５９をキャピラリ６０を介して備えるようにすれ
ば、上記実施の形態１の効果および上記実施の形態１１
の効果の両効果を得ることとなり、冷凍能力をより一層
向上することができる。 【００７８】以上の各実施の形態では、２段ＧＭ冷凍機
を例にあげて説明したが単段ＧＭ冷凍機、および３段Ｇ
Ｍ冷凍機にも適用できるのはもちろんのこと、他の蓄冷
形冷凍機、たとえばパルスチューブ冷凍機、スターリン
グ冷凍機、ビルマイヤー冷凍機にも適用できることはい
うまでもない。 【００７９】 【発明の効果】以上のようにこの発明の請求項１によれ
ば、筒と、筒の一端を覆うように設けられた冷却ステー
ジと、筒内にて往復運動可能に設けられた往復部材と、
筒の冷却ステージにて覆われた側に往復部材の往復運動
により容積が変化する膨張空間とを備えて成り、膨張空
間に圧縮された作動ガスが導入され、作動ガスを膨張さ
せて寒冷を発生させる蓄冷型冷凍機において、冷却ステ
ージの内部に、膨張空間とキャピラリを介して連通する
バッファータンクを備えたもので、冷却ステージと作動
ガスとの伝熱面積が拡大でき、且つ、冷却ステージの熱
容量が増大することができるため、冷凍能力の向上を図
ることができる蓄冷型冷凍機を提供することが可能であ
る。

【図面の簡単な説明】 【図１】 この発明の実施の形態１による蓄冷型冷凍機
を示す図である。 【図２】 この発明の実施の形態２による蓄冷型冷凍機
を示す図である。 【図３】 この発明の実施の形態２による蓄冷型冷凍機
を示す図である。 【図４】 この発明の実施の形態２による蓄冷型冷凍機
を示す図である。 【図５】 この発明の実施の形態３による蓄冷型冷凍機
を示す図である。 【図６】 この発明の実施の形態３による蓄冷型冷凍機
を示す図である。 【図７】 この発明の実施の形態４による蓄冷型冷凍機
を示す図である。 【図８】 この発明の実施の形態４による蓄冷型冷凍機
を示す図である。 【図９】 この発明の実施の形態５による蓄冷型冷凍機
を示す図である。 【図１０】 この発明の実施の形態５による蓄冷型冷凍
機を示す図である。 【図１１】 この発明の実施の形態６による蓄冷型冷凍
機を示す図である。 【図１２】 この発明の実施の形態６による蓄冷型冷凍
機を示す図である。 【図１３】 この発明の実施の形態７による蓄冷型冷凍
機を示す図である。 【図１４】 この発明の実施の形態７による蓄冷型冷凍
機を示す図である。 【図１５】 この発明の実施の形態８による蓄冷型冷凍
機を示す図である。 【図１６】 この発明の実施の形態９による蓄冷型冷凍
機を示す図である。 【図１７】 この発明の実施の形態９による蓄冷型冷凍
機を示す図である。 【図１８】 この発明の実施の形態９による蓄冷型冷凍
機を示す図である。 【図１９】 この発明の実施の形態９による蓄冷型冷凍
機を示す図である。 【図２０】 この発明の実施の形態９による蓄冷型冷凍
機を示す図である。 【図２１】 この発明の実施の形態１０による蓄冷型冷
凍機を示す図である。 【図２２】 この発明の実施の形態１０による蓄冷型冷
凍機を示す図である。 【図２３】 この発明の実施の形態１０による蓄冷型冷
凍機を示す図である。 【図２４】 この発明の実施の形態１０による蓄冷型冷
凍機を示す図である。 【図２５】 この発明の実施の形態１１による蓄冷型冷
凍機を示す図である。 【図２６】 この発明の実施の形態１１による蓄冷型冷
凍機を示す図である。 【図２７】 従来の蓄冷型冷凍機を示す図である。 【図２８】 他の従来の蓄冷型冷凍機を示す図である。 【符号の説明】 ２２ １段目シリンダ、２３ ２段目シリンダ、２４
１段目ディスプレーサ、２５ ２段目ディスプレーサ、
２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｅ 第２の面、２６ １
段目シール、２７ ２段目シール、２８ １段目蓄冷
器、２９ ２段目蓄冷器、３０ １段目冷却ステージ、
３１ ２段目冷却ステージ、３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，
３１ｄ，３１ｅ，３１ｇ 第１の面、３１ｆ 側面、３
１ｈ 溝、３２ １段目膨張空間、３３ ２段目膨張空
間、３４ コンプレッサ、３５ 吸気バルブ、３６ 排
気バルブ、３７ 駆動モータ、３８ １段目高温側流
路、３９ １段目低温側流路、４０ ２段目高温側流
路、４１ ２段目低温側流路、４２，４３，４４，４
５，４６ 伝熱面積拡大部材、４７，４８，５１，５６
流路、４８ａ，５１ａ，５６ａ 一端、４８ｂ，５１
ｂ，５６ｂ 他端、４９，５８ シール部材、５０，５
２，５７ 蓄冷材、５３ 凸状底面、５４ 低温側流
路、５５ 凹状底面、５９ バッファータンク、６０
キャピラリ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 長尾 政志 東京都千代田区丸の内二丁目２番３号 三菱電機株式会社内 (56)参考文献 特開 平５−306846（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−196313（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−210714（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−62160（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−143058（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−1053（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−14777（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−230062（ＪＰ，Ａ) 実開 平４−132368（ＪＰ，Ｕ) 実公 昭52−11719（ＪＰ，Ｙ１) 実公 昭52−11720（ＪＰ，Ｙ１) 特表 平４−506862（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F25B 9/14 530 F25B 9/14 510 F25B 9/00

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】 筒と、上記筒の一端を覆うように設けら
   れた冷却ステージと、上記筒内にて往復運動可能に設け
   られた往復部材と、上記筒の上記冷却ステージにて覆わ
   れた側に上記往復部材の往復運動により容積が変化する
   膨張空間とを備えて成り、上記膨張空間に圧縮された作
   動ガスが導入され、上記作動ガスを膨張させて寒冷を発
   生させる蓄冷型冷凍機において、上記冷却ステージの内
   部に、上記膨張空間とキャピラリを介して連通するバッ
   ファータンクを備えたことを特徴とする蓄冷型冷凍機。