JP6109057B2 - 蓄冷器式冷凍機 - Google Patents

Description

本発明は、圧縮装置から供給される高圧の冷媒ガスを用いて、サイモン膨張を発生させて蓄冷器により寒冷を蓄積して所望の極低温の寒冷を発生する蓄冷器式冷凍機に関する。

蓄冷器式冷凍機として例えば特許文献１に記載のものがある。ディスプレーサ式の蓄冷器式冷凍機はディスプレーサをシリンダ内部で往復運動させながら、膨張空間内の冷媒ガスを膨張させて寒冷を発生する。また、パルスチューブ式の蓄冷器式冷凍機はパルス管内のガスピストンを往復運動させながら、膨張空間内の冷媒ガスを膨張させて寒冷を発生する。膨張空間で発生した冷媒ガスの寒冷は、蓄冷器にて蓄積されながら冷却ステージに伝達されて所望の極低温に到達して、冷却ステージに接続された冷却対象を冷却する。

特開２００８−２２４１６１号公報

冷媒ガスとしては、例えばヘリウムガスが用いられる。圧縮機は、低圧（例えば０．８ＭＰa）のヘリウムガスを圧縮し、高圧（例えば２．２ＭＰａ）のヘリウムガスを生成する。高圧ヘリウムガスの密度と低圧ヘリウムガスの密度との密度差は、極低温付近において温度依存性が大きくなり、特に温度が８Ｋ付近のときに、その密度差が最大となる。このため蓄冷器中の温度が８Ｋ付近となる領域に大量のヘリウムガスが溜まり、冷凍機全体の圧力差が小さくなり、冷凍性能が低下してしまう。

本発明は、蓄冷器式冷凍機の冷凍性能をより効果的に高める技術を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のある態様の蓄冷器式冷凍機は、第１蓄冷材と当該第１蓄冷材を収容する第１シリンダとを備える第１蓄冷器と、第２蓄冷材と当該第２蓄冷材を収容する第２シリンダとを備えるとともに第１蓄冷器の低温端と接続する第２蓄冷器と、第１蓄冷器から排出される冷媒ガスを第２蓄冷器の途中に導くガス管路とを備える。

本発明の蓄冷器式冷凍によれば、冷媒ガスの密度差が大きくなる温度領域に熱を伝達することができ、冷凍機の効率を高めることができる。

実施の形態１に係る蓄冷器式冷凍機及び蓄冷器の一実施形態について示す模式図である。 ２．２ＭＰａのヘリウムガスと０．８ＭＰａのヘリウムガスとの、それぞれの密度の温度変化、および両者の密度差の温度変化を示す図である。 実施の形態１に係る第２蓄冷器の温度プロファイルの一例を示す図である。 図４（ａ）−（ｄ）は、実施の形態１に係るガス管路の別の例を示す図である。 実施の形態２に係るパルスチューブ型の蓄冷器式冷凍機を模式的に示す図である。 図６（ａ）−（ｂ）は、実施の形態２に係る蓄冷器式冷凍機が備えるガス管路の別の例を示す図である。

以下、本発明を実施するための形態について、添付図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
実施の形態１に係る蓄冷器式冷凍機１は、例えば冷媒ガスとしてヘリウムガスを用いるギフォードマクマホン（ＧＭ）タイプの極低温冷凍機である。図１に示すように、蓄冷器式冷凍機１は、第１ディスプレーサ２と、第１ディスプレーサ２に長手方向に連結される第２ディスプレーサ３を備える。第１ディスプレーサ２と第２ディスプレーサ３とは、例えば、ピン４、コネクタ５、ピン６を介して接続される。

第１シリンダ７と第２シリンダ８とは一体に形成されており、それぞれ高温端と低温端とを備える。第１シリンダ７の低温端と第２シリンダ８の高温端が第１シリンダ７の底部にて接続されている。第２シリンダ８は第１シリンダ７と同一の軸方向に延在する形態にて形成されており、第１シリンダ７よりも小径の円筒部材である。第１シリンダ７は第１ディスプレーサ２を長手方向に往復移動可能に収容し、第２シリンダ８は第２ディスプレーサ３を長手方向に往復移動可能に収容する。

第１シリンダ７、第２シリンダ８には、強度、熱伝導率、ヘリウム遮断能などを考慮して、例えばステンレス鋼が用いられる。第２ディスプレーサ３の外周部はステンレス鋼などの金属製の筒である。第２ディスプレーサ３の外周面上には、フッ素樹脂などの耐摩耗性樹脂の皮膜を形成してもよい。

第１シリンダ７の高温端には、第１ディスプレーサ２および第２ディスプレーサ３を往復駆動するスコッチヨーク機構（図示せず）が設けられている。第１ディスプレーサ２、第２ディスプレーサ３は、それぞれ第１シリンダ７、第２シリンダ８にそって往復移動する。第１ディスプレーサ２および第２ディスプレーサ３は、それぞれ高温端と低温端とを備える。

第１ディスプレーサ２は円筒状の外周面を有しており、第１ディスプレーサ２の内部には、第１蓄冷材が充填されている。第１ディスプレーサ２の内部容積は第１蓄冷器９として機能する。第１蓄冷器９の上部には整流器１０が、下部には整流器１１が設置される。第１ディスプレーサ２の高温端には、室温室１２から第１ディスプレーサ２に冷媒ガスを流通する第１開口１３が形成されている。

室温室１２は、第１シリンダ７と第１ディスプレーサ２の高温端により形成される空間であり、第１ディスプレーサ２の往復移動に伴い容積が変化する。室温室１２には、圧縮機１４、サプライバルブ１５、リターンバルブ１６からなる吸排気系統を相互に接続する配管のうち、給排共通配管が接続されている。また、第１ディスプレーサ２の高温端よりの部分と第１シリンダ７との間にはシール１７が装着されている。

第１ディスプレーサ２の低温端には、第１膨張空間１８に第１クリアランスＣ１を介して冷媒ガスを導入する第２開口１９が形成されている。第１膨張空間１８は、第１シリンダ７と第１ディスプレーサ２により形成される空間であり、第１ディスプレーサ２の往復移動に伴い容積が変化する。第１シリンダ７の外周のうち、第１膨張空間１８に対応する位置には、図示しない冷却対象物に熱的に接続された第１冷却ステージ２０が配置されており、第１冷却ステージ２０は第１クリアランスＣ１を通る冷媒ガスにより冷却される。

第２ディスプレーサ３は円筒状の外周面を有しており、第２ディスプレーサ３の内部は、上端の整流器２１、下端の整流器２２、上下中間に位置する仕切り材２３を挟んで軸方向に二段に分かれている。第２ディスプレーサ３の内部容積のうち、仕切り材２３よりも高温側の高温側領域２４には、例えば鉛やビスマスなどの非磁性材の第２蓄冷材が充填される。仕切り材２３の低温（下段）側の低温側領域２５には、高温側領域２４とは異なる蓄冷材、例えばＨｏＣｕ_２などの磁性材の第２蓄冷材が充填される。鉛やビスマス、ＨｏＣｕ_２等は球状に形成されており、複数の球状の形成物が集まって蓄冷材が構成されている。仕切り材２３は、高温側領域２４の蓄冷材と低温側領域２５の蓄冷材とが混合するのを防止する。この第２ディスプレーサ３の内部容積である高温側領域２４と低温側領域２５とが第２蓄冷器３４として機能する。第１膨張空間１８と第２ディスプレーサ３の高温端とは、コネクタ５周りの連通路で連通されている。この連通路を介して第１膨張空間１８から第２蓄冷器３４に冷媒ガスが流通する。

第２ディスプレーサ３の低温端には、第２膨張空間２６に第２クリアランスＣ２を介して冷媒ガスを流通させるための第３開口２７が形成されている。第２膨張空間２６は、第２シリンダ８と第２ディスプレーサ３により形成される空間であり、第２ディスプレーサ３の往復移動に伴い容積が変化する。第２クリアランスＣ２は、第２シリンダ８の低温端と第２ディスプレーサ３により形成される。

第２シリンダ８の外周の第２膨張空間２６に対応する位置には、冷却対象物に熱的に接続された第２冷却ステージ２８が配置されている。第２冷却ステージ２８は、第２クリアランスＣ２を通る冷媒ガスにより冷却される。

第１ディスプレーサ２には、比重、強度、熱伝導率などの観点から、例えば布入りフェノール等が用いられる。第１蓄冷材は例えば金網等により構成される。また、第２ディスプレーサ３は、例えば鉛、ビスマスなどの球状の第２蓄冷材をフェルトおよび金網により軸方向に挟持することにより構成される。なお、上述のように、第２ディスプレーサ３の内部容積を、仕切り材により複数の領域に分割してもよい。

第１ディスプレーサ２および第２ディスプレーサ３は、それぞれ低温端に熱交換部２９および熱交換部３０を備えてもよい。熱交換部２９および熱交換部３０は、ディスプレーサ本体との接合の観点から、二段状の円柱形状を有している。熱交換部２９は圧入ピン３１により第１ディスプレーサ２に固定され、熱交換部３０は圧入ピン３２により第２ディスプレーサ３に固定される。これにより、第１冷却ステージ２０、第２冷却ステージ２８の双方において実質的な熱交換面積を増やして、冷却効率を高めている。

さらに実施の形態１に係る蓄冷器式冷凍機１では、図１に示すように、第１蓄冷器９から排出される冷媒ガスを、第２蓄冷器の途中に導くガス管路３３を備える。より具体的に、ガス管路３３は、第１蓄冷器９から排出される冷媒ガスを第２蓄冷器の高温側領域２４に導く。

ガス管路３３は高温側領域２４の非磁性材の第２蓄冷材に埋設される。また、図１から明らかなようにガス管路３３の高温端は第１冷却ステージ２０の下端よりも低温側に位置し、ガス管路３３の低温端は第２冷却ステージ２８の上端よりも高温側に位置している。

高温側領域２４におけるガス管路３３の軸方向の位置は、蓄冷器式冷凍機１の通常運転時における第２蓄冷器の温度プロファイルを考慮して定められる。ガス管路３３の埋設位置についての詳細は後述するが、一般的な極低温冷凍機においては、図１中下側のガス管路３３の低温端は仕切り材２３よりも、所定距離だけ高温側に離隔していることが好ましい。また、ガス管路３３の図１中上側の高温端は整流器２１を貫通してもよい。なお、図１中では図示しないが、ガス管路３３は高温側領域２４における軸方向の位置を維持するために、支持部材を備えてもよい。例えば、ガス管路３３の低温端に十字形状の支持部材を設けることができる。

次に、実施の形態１に係る蓄冷器式冷凍機１の動作を説明する。冷媒ガス供給工程のある時点においては、第１ディスプレーサ２および第２ディスプレーサ３は、第１シリンダ７および第２シリンダ８の下死点に位置する。それと同時、またはわずかにずれたタイミングでサプライバルブ１５を開とすると、サプライバルブ１５を介して高圧のヘリウムガスが給排共通配管から第１シリンダ７内に供給され、第１ディスプレーサ２の上部に位置する第１開口１３から第１ディスプレーサ２の内部の第１蓄冷器９に流入する。第１蓄冷器９に流入した高圧のヘリウムガスは、第１蓄冷材により冷却されながら第１ディスプレーサ２の下部に位置する第２開口１９および第１クリアランスＣ１を介して、第１膨張空間１８に供給される。

第１膨張空間１８に供給された高圧のヘリウムガスは、コネクタ５周りの連通路を介して、第２ディスプレーサ３の内部の第２蓄冷器３４に流入する。第２蓄冷器３４に流入した高圧のヘリウムガスは、第２蓄冷材により冷却されながら第２ディスプレーサ３の下部に位置する第３開口２７および第２クリアランスを介して、第２膨張空間２６に供給される。

このようにして、第１膨張空間１８および第２膨張空間２６は、高圧のヘリウムガスで満たされ、サプライバルブ１５は閉とされる。このとき、第１ディスプレーサ２および第２ディスプレーサ３は、第１シリンダ７および第２シリンダ８内の上死点に位置する。それと同時、またはわずかにずれたタイミングでリターンバルブ１６を開とすると、第１膨張空間１８、第２膨張空間２６内の冷媒ガスは減圧され膨張する。膨張により低温になった第１膨張空間１８のヘリウムガスは第１クリアランスＣ１を介して第１冷却ステージ２０の熱を吸収し、第２膨張空間２６のヘリウムガスは第２クリアランスＣ２を介して第２冷却ステージ２８の熱を吸収する。

第１ディスプレーサ２および第２ディスプレーサ３は下死点に向けて移動し、第１膨張空間１８および第２膨張空間２６の容積は減少する。第２膨張空間２６内のヘリウムガスは、第２クリアランスＣ２、第３開口２７、第２蓄冷器３４、および連通路を介して第１膨張空間１８に戻される。さらに、第１膨張空間１８内のヘリウムガスは、第２開口１９、第１蓄冷器９、および第１開口１３を介して、圧縮機１４の吸入側に戻される。その際、第１蓄冷材および第２蓄冷材は、冷媒ガスにより冷却される。この工程を１サイクルとし、蓄冷器式冷凍機１はこの冷却サイクルを繰り返すことで、第１冷却ステージ２０および第２冷却ステージ２８を冷却する。

以上のように、蓄冷器式冷凍機１における冷却サイクルは、冷媒ガスであるヘリウムガスが第２蓄冷器へ流入と流出を繰り返す動作を含む。以下、第２蓄冷器に存在するヘリウムガスの温度プロファイル、および質量変化について説明する。

図２は、２．２ＭＰａのヘリウムガスと０．８ＭＰａのヘリウムガスとの、それぞれの密度の温度変化、および両者の密度差の温度変化を示す図である。図２に示すように、２．２ＭＰａのヘリウムガスと０．８ＭＰａのヘリウムガスとの密度差は、温度がおよそ８Ｋのとき最大となる。ヘリウムガスの温度が８Ｋよりも低い場合は、２．２ＭＰａのヘリウムガスと０．８ＭＰａのヘリウムガスとの密度差は温度に対して単調増加し、ヘリウムガスの温度が８Ｋよりも高い場合は、密度差は温度に対して単調減少する。

ここで、第２蓄冷器３４に存在するヘリウムガスの質量をＭとする。また、第２蓄冷器３４の高温端、すなわち上端の整流器２１に流入するヘリウムガスの単位時間あたりの質量をｍ_ｉｎとし、下端の整流器２２から流出するヘリウムガスの単位時間あたりの質量をｍ_ｏｕｔとする。もし、第２蓄冷器３４にヘリウムガスが流入すれば、第２蓄冷器３４に存在するヘリウムガスの質量Ｍは増加する。一方、第２蓄冷器３４からヘリウムガスが流出すれば、第２蓄冷器３４に存在するヘリウムガスの質量Ｍは減少する。したがって、第２蓄冷器３４に存在するヘリウムガスの質量Ｍの単位時間あたりの変化量ｄＭ／ｄｔは、流入質量ｍ_ｉｎと流出質量ｍ_ｏｕｔとの差分で表せる。以上より、以下の関係式（１）を得る。
ｍ_ｉｎ−ｍ_ｏｕｔ＝ｄＭ／ｄｔ （１）
ここで、ｄＭ／ｄｔは、第２蓄冷器３４に存在するヘリウムガスの質量Ｍの時間ｔによる微分を表す。

上述したように、第２蓄冷器３４は第２ディスプレーサ３の内部であり、第２ディスプレーサ３は、例えば鉛、ビスマスなどの球状の第２蓄冷材をフェルトおよび金網により軸方向に挟持することにより構成される。したがって、第２蓄冷器３４の容積は一定と見なすことができるので、その値をＶとする。また、第２蓄冷器３４中のヘリウムガスの平均密度をρとすると、第２蓄冷器３４に存在する冷媒ガスの質量Ｍは、以下の式（２）で表せる。
Ｍ＝Ｖρ （２）

式（１）に式（２）を代入すると、以下の式（３）を得る。
ｍ_ｉｎ−ｍ_ｏｕｔ＝Ｖｄρ／ｄｔ （３）
ここで、ｄρ／ｄｔは、ヘリウムガスの密度ρの時間微分を表す。

式（３）において、第２蓄冷器３４に流入したヘリウムガスの密度が時間によって変化しないと仮定すると、ｍ_ｉｎ−ｍ_ｏｕｔ＝０となり、第２蓄冷器３４に存在するヘリウムガスの質量Ｍは変化しないことになる。すなわち、ヘリウムガスは第２蓄冷器３４に流入した分だけ、第２蓄冷器３４から流出することを意味する。実際の冷却サイクルにおいては、サプライバルブ１５が開にされると、サプライバルブ１５を介して高圧のヘリウムガスが供給される。この結果、第２蓄冷器３４にも高圧のヘリウムガスが流入し、第２蓄冷器３４に充填されている低圧のヘリウムガスは昇圧され、高圧のヘリウムガスとなる。

図２に示すように、高圧のヘリウムガスと低圧のヘリウムガスとは、その密度に差がある。したがって、第２蓄冷器３４に高圧のヘリウムガスが流入し、その中の低圧のヘリウムガスが昇圧されて高圧のヘリウムガスとなると、式（３）における右辺は正の値となる。より具体的には、式（３）における右辺は、図２において実線で示す密度差となる。以上より、以下の不等式（４）を得る。
ｍ_ｉｎ−ｍ_ｏｕｔ＝Ｖｄρ／ｄｔ＞０ （４）

上述したとおり、第２蓄冷器３４に流入した高圧のヘリウムガスは、第２蓄冷材により冷却されながら第２ディスプレーサ３の下部に位置する第３開口２７および第２クリアランスを介して、第２膨張空間２６に供給される。しかしながら、上記不等式（４）は、第２蓄冷器から第２膨張空間２６に流出するヘリウムガスの質量は、第２蓄冷器に流入するヘリウムガスの質量よりも小さいことを示している。これは、第２蓄冷器３４がいわばヘリウムガスのバッファのような作用を示すことになる。結果として、第２膨張空間２６の圧力低下が抑制され、圧力差も小さくなる。

また、リターンバルブ１６が開とされると、第２蓄冷器３４内の高圧のヘリウムガスは低圧のヘリウムガスとなる。このとき、式（３）における右辺は図２において直線で示す密度差を絶対値とする負の値となる。したがって、以下の不等式（５）を得る。
ｍ_ｉｎ−ｍ_ｏｕｔ＝Ｖｄρ／ｄｔ＜０ （５）

これは、第２膨張空間２６から第２蓄冷器３４に流入するヘリウムガスの質量よりも、第２蓄冷器３４から流出するヘリウムガスの質量の方が大きいことを示している。

図３は、実施の形態１に係る第２蓄冷器の温度プロファイルの一例を示す図であり、第２蓄冷器の高温端から低温端に至るまでの距離を１とした場合における第２蓄冷器３４の温度プロファイルを示すグラフである。図３において、実線で示すグラフは、従来技術における第２蓄冷器３４の温度分布、すなわち、ガス管路３３を備えていない第２蓄冷器の温度分布を示す。

図３の実線に示すように、従来技術における２段式冷凍機の第２蓄冷器３４では、高温端から低温端に向けての温度プロファイルは、高温端からの距離に反比例するような形となり、双曲線のような形のプロファイルとなる。図３において、温度勾配が最も大きくなるのは、正規化距離がおよそ０．２となる場所であり、これは高温側領域２４に存在する。正規化距離が０．２付近のとき、温度は８Ｋ程度となり、これは図２における密度差が最大となる温度と一致する。これはすなわち、従来技術における第２蓄冷器において、ヘリウムガスの温度が８Ｋとなる領域のヘリウムガスを暖めることで、第２蓄冷器の温度プロファイルを直線に近づけることができれば、ヘリウムガスの密度差の増加を抑制し、ひいては冷凍機全体の冷凍能力を向上することができる。

そこで実施の形態１に係る第２蓄冷器３４は、第１蓄冷器９から第１膨張空間１８に排出された冷媒ガスを、第２蓄冷器３４の途中に導くガス管路３３を備える。ガス管路３３の低温側の出口は、第２蓄冷器３４の長さを１としたとき、第２蓄冷器３４の高温端側から０．２〜０．３の位置に存在する。これにより、ガス管路３３が存在しない場合にヘリウムガスの温度がおよそ８Ｋとなる領域に、第１膨張空間１８におけるヘリウムガス（およそ５０Ｋのヘリウムガス）が供給されるため、第２蓄冷器の温度プロファイルを直線に近づけることができる。なお、以下本明細書において、第２蓄冷器の温度プロファイルを直線に近づけることを、「温度プロファイルを改善する」のように記載することがある。

図３において、一点鎖線は、実施の形態１に係るガス管路３３を備える第２蓄冷器３４の温度プロファイルを示す図である。図３に示すように、ガス管路３３を用いて第２蓄冷器３４の途中にヘリウムガスをバイパスすることにより、第２蓄冷器３４の、特に高温側領域２４の温度プロファイルを改善することができる。この高温側領域２４内部の温度プロファイルの上昇によりこの領域に溜まるヘリウムガスの量が少なくなり、冷凍機システム全体の圧力差が大きくなるため、冷凍性能を高くすることができる。

ガス管路３３の第２蓄冷器側の端部が位置する軸方向の領域は、冷媒のヘリウムガスの比熱が非磁性材の第２蓄冷材の比熱を上回る領域であって、冷凍機の運転中においては例えば８〜２０Ｋの温度範囲（より好ましくは８〜１０数Ｋ）に収まる領域である。また、この温度領域で比熱が高い蓄冷材として非磁性材である鉛やビスマスが挙げられる。

図４は、実施の形態１に係るガス管路３３の別の例を示す図である。図４（ａ）は、複数のガス管路３３を備える第２蓄冷器３４を示している。上述したとおり、第２蓄冷材は複数の球状の金属を含むので、ガス管路３３の内径は、球状の金属の直径よりも小さく、より具体的には０．３ｍｍ以下であることが好ましい。これにより、ガス管路３３に蓄冷材が詰まることを抑制できる。また、複数のガス管路３３を設けることにより、第２蓄冷器の途中に導くヘリウムガスの量を増加することもできる。

また、各ガス管路３３の第２蓄冷器側の端部に開口が蓄冷材の直径よりも小さい網を設けてもよい。これにより、ガス管路３３に蓄冷材が詰まることをより効果的に抑制できる。

図４（ｂ）は、管路の途中に複数のガス抜き穴を備えるガス管路３３を示す図である。管路の途中に複数のガス抜き穴があるため、図４（ｂ）に示すガス管路３３を流れるヘリウムガスは、第２蓄冷器３４の比較的高温端側においても第２蓄冷器３４中に流入する。ガス管路３３の端部でのみヘリウムガスが抜ける場合と比較して、第２蓄冷器３４内のヘリウムガスとガス管路３３によってバイパスされたヘリウムガスとの温度差が小さくなる。これにより、温度の異なるヘリウムガスが混合する際に生じるエントロピー損失を低減することが可能となる。

図４（ｃ）は、ジグザグに曲がったガス管路３３を示す図である。図４（ｃ）に示す例は、図４（ｂ）に示す例と同様に、管路の途中に複数のガス抜き穴を備える。管路がＺ字状に何度も折れ曲がっていることと相まって、図４（ｂ）に示す例と比較して、第２蓄冷器３４内のより広範囲にヘリウムガスをバイパスすることが可能となる。これにより、より効果的に第２蓄冷器３４の温度プロファイルを改善することができる。

なお、図４（ｂ）および図４（ｃ）は、ガス管路３３が一つの場合を示しているが、図４（ａ）に示すように、ガス管路３３は複数あってもよい。

図４（ｄ）は、ガス管路３３が第２ディスプレーサ３の壁内に設けられている場合を示す図である。上記の例と比較して、ガス管路３３が第２蓄冷器３４内に存在しないため、蓄冷材を減らさずに第１蓄冷器９から排出されるヘリウムガスを、第２蓄冷器３４の途中に導くことができる点で有利である。

（実施の形態２）
上述した実施の形態１においては、ディスプレーサ式の冷凍機に本発明を適用する形態を示したが、本発明はパルスチューブ型の冷凍機にも適用することができる。以下実施の形態２として、本発明をパルスチューブ型の冷凍機にも適用する場合について述べる。

図５は、実施の形態２に係るパルスチューブ型の蓄冷器式冷凍機１０１を模式的に示す図である。実施の形態２に係るパルスチューブ型の蓄冷器式冷凍機１０１は、図５に示すように、第１蓄冷器１０２と、第２蓄冷器１０３と、第１パルス管１０４と、第２パルス管１０５と、を備える。第１蓄冷器１０２と第１パルス管１０４と第２パルス管１０５のそれぞれの高温端は、圧縮機１０７の吐出側から三分岐する分岐管１０８および吸込側から三分岐する分岐管１０９と、それぞれの高温端に対応する第１給排共通配管１１０、第２給排共通配管１１１、および第３給排共通配管１１２を介して接続されている。

分岐管１０８の第１給排共通配管１１０への第１接続点Ｐ１の手前には、蓄冷器サプライバルブＶ１が配置される。分岐管１０８の第２給排共通配管１１１への第２接続点Ｐ２の手前には第１サプライバルブＶ３が配置される。さらに、分岐管１０８の第３給排共通配管１１２への第３接続点Ｐ３の手前には第２サプライバルブＶ５が配置される。

分岐管１０９の第１給排共通配管１１０への第１接続点Ｐ１の手前には蓄冷器リターンバルブＶ２が配置される。分岐管１０９の第２給排共通配管１１１への第２接続点Ｐ２の手前には第１リターンバルブＶ４が配置される。分岐管１０９の第３給排共通配管１１２への第３接続点Ｐ３の手前には第２リターンバルブＶ６が配置される。

第２給排共通配管１１１の第１パルス管１０４の高温端と第２接続点Ｐ２との間には、流量制御バルブＶ７が配置される。また第３給排共通配管１１２の第２パルス管１０５の高温端と第３接続点Ｐ３との間には、流量制御バルブＶ８が配置される。これらの流量制御バルブはパルス管内に発生するガスピストンの位相調整機構として作用する。また、流量制御バルブに代えてオリフィスを用いることもできる。

第１パルス管１０４の高温端には第１整流熱交換器１１３が配置され、低温端には第２整流熱交換器１１４が配置される。第２パルス管１０５の高温端には第３整流熱交換器１１５が配置され、低温端には第４整流熱交換器１１６が配置される。

第１パルス管１０４の低温端と第１蓄冷器１０２の低温端とは冷却ステージ１１７により熱的に連結される。冷却ステージ１１７の内部に位置する第１低温端連結管１１８により、第１パルス管１０４の低温端と第１蓄冷器１０２の低温端は冷媒ガスが通流可能に接続される。第２パルス管１０５の低温端と第２蓄冷器１０３の低温端は第２低温端連結管１１９により冷媒ガスが通流可能に接続される。

さらに実施の形態２に係る蓄冷器式冷凍機１０１は、第２蓄冷器１０３内部は上述した実施の形態１に係る第２蓄冷器と同様に、上段に非磁性材を含む高温側領域１２４、下段に磁性材の蓄冷材を有する低温側領域１２５とを含む。高温側領域１２４と低温側領域１２５とを合わせて、第２蓄冷器１０３を構成する。

このように構成されたバルブパルスチューブ型の蓄冷器式冷凍機１０１では、高圧の冷媒ガスの供給過程において、第１サプライバルブＶ３、第２サプライバルブＶ５が開かれると、冷媒ガスは、分岐管１０８および第２給排共通配管１１１または第３給排共通配管１１２を介して、第１パルス管１０４および第２パルス管１０５の低温端に流入する。

また、蓄冷器サプライバルブＶ１が開かれると、冷媒ガスは、圧縮機１０７から分岐管１０８および第１給排共通配管１１０を通り、第１蓄冷器１０２から第１パルス管１０４の低温端に流入するとともに、第２蓄冷器１０３を通って第２パルス管１０５の高温端に流入する。

一方、低圧の冷媒ガスの回収過程では、第１リターンバルブＶ４または第２リターンバルブＶ６が開かれると、第１パルス管１０４または第２パルス管１０５内の冷媒ガスは、それぞれの高温端から、第２給排共通配管１１１または第３給排共通配管１１２および分岐管１０９を通り、圧縮機１０７に回収される。また、蓄冷器リターンバルブＶ２が開かれると、第１パルス管１０４内の冷媒ガスは、低温端から第１蓄冷器１０２、第１給排共通配管１１０、分岐管１０９を介して、圧縮機１０７に回収される。同様に、第２パルス管１０５内の冷媒ガスは第２蓄冷器１０３、第１蓄冷器１０２、第１給排共通配管１１０、分岐管１０９を介して圧縮機１０７に回収される。

実施の形態２に係るパルスチューブ型の蓄冷器式冷凍機１０１では、圧縮機１０７により圧縮された作動流体であるヘリウムガス等の冷媒ガスが第１蓄冷器１０２、第２蓄冷器１０３および第１パルス管１０４、第２パルス管１０５に流入する動作と、作動流体が第１パルス管１０４、第２パルス管１０５および第１蓄冷器１０２、第２蓄冷器１０３から流出され、圧縮機１０７に回収される動作を繰り返すことで、蓄冷器およびパルス管の低温端に寒冷が形成される。また、これらの低温端に、冷却対象を熱的に接触させることで、冷却対象から熱を奪うことができる。

実施の形態２に係るパルスチューブ型の蓄冷器式冷凍機１０１では、第１蓄冷器１０２の低温端と第１パルス管１０４の低温端との間で冷媒ガスを流通させる第１低温端連結管１１８の途中から分岐して、冷媒ガスを第２蓄冷器１０３の途中に導くガス管路１３３を備える。これにより、ガス管路１３３は、第１蓄冷器１０２から排出されて第１低温端連結管１１８を流れる冷媒ガスの一部を、第２蓄冷器１０３の途中に導くことができる。

ガス管路１３３の第２蓄冷器１０３との連結部は、第２蓄冷器１０３において非磁性材を含む高温側領域１２４である。第２蓄冷器１０３において、この連結部が存在する軸方向の領域は、冷媒のヘリウムガスの比熱が非磁性材の蓄冷材の比熱を上回る領域であって、冷凍機の運転中においては例えば８〜２０Ｋの温度範囲（より好ましくは８〜１０数Ｋ）に収まる領域である。

実施の形態２に係る蓄冷器式冷凍機１０１によれば以下のような作用効果が得られる。すなわち実施の形態１で上述したように、上段の蓄冷器の高温端から低温端に向けての温度プロファイルの中間領域が高温側にシフトすることにより、この領域に溜まるヘリウムガスの量が少なくなり、冷凍機システム全体の圧力差が大きくなるため、冷凍性能を高くすることができる。

図６（ａ）−（ｂ）は、実施の形態２に係る蓄冷器式冷凍機１０１が備えるガス管路１３３の別の例を示す図である。より具体的に、図６（ａ）は、複数の分岐路を備え、第２蓄冷器１０３の複数の箇所に冷媒ガスをバイパスするガス管路１３３を示す図である。また図６（ｂ）は、ガス管路１３３と第２蓄冷器１０３との接続部をより詳細に示す図である。

図６（ａ）に示すように、複数の分岐路を備えるガス管路１３３を用いることで、第２蓄冷器１０３の比較的高温端側においても第２蓄冷器１０３中に流入する。ガス管路１３３の端部でのみヘリウムガスが抜ける場合と比較して、第２蓄冷器１０３内のヘリウムガスとガス管路１３３によってバイパスされたヘリウムガスとの温度差が小さくなる。これにより、温度の異なるヘリウムガスが混合する際に生じるエントロピー損失を低減することが可能となり、図４（ａ）に示したガス管路３３と同様の効果を得ることができる。

上述したように、実施の形態２に係るガス管路１３３は、第１低温端連結管１１８を流れる冷媒ガスの一部を、第２蓄冷器１０３において非磁性材を含む高温側領域１２４に連結させる。ここで、高温側領域１２４が備える非磁性材は球状に形成されている。図６（ｂ）にも示すように、高温側領域１２４においてガス管路１３３が連結する箇所には、非磁性材の直径よりも細かい編み目をもつ金網が備えられている。これにより、ガス管路１３３に非磁性材が詰まることを抑制できる。

以上本発明の好ましい実施例について詳細に説明したが、本発明は上述した実施例に制限されることなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施例に種々の変形および置換を加えることができる。

例えば、上述した蓄冷器式冷凍機においては段数が二段である場合を示したが、この段数は三段以上に適宜選択することが可能である。また、実施の形態では、蓄冷器式冷凍機がディスプレーサ式のＧＭ冷凍機やパルスチューブ型である例について説明したが、これに限られない。例えば、本発明は、スターリング冷凍機、ソルベイ冷凍機などにも適用することができる。

１ 蓄冷器式冷凍機、 Ｃ１ 第１クリアランス、 Ｐ１ 第１接続点、 Ｖ１ 蓄冷器サプライバルブ、 ２ 第１ディスプレーサ、 Ｃ２ 第２クリアランス、 Ｐ２ 第２接続点、 Ｖ２ 蓄冷器リターンバルブ、 ３ 第２ディスプレーサ、 Ｐ３ 第３接続点、 Ｖ３ 第１サプライバルブ、 ４ ピン、 Ｖ４ 第１リターンバルブ、 ５ コネクタ、 Ｖ５ 第２サプライバルブ、 ６ ピン、 Ｖ６ 第２リターンバルブ、 ７ 第１シリンダ、 Ｖ７ 流量制御バルブ、 ８ 第２シリンダ、 Ｖ８ 流量制御バルブ、 ９ 第１蓄冷器、 １０，１１ 整流器、 １２ 室温室、 １３ 第１開口、 １４ 圧縮機、 １５ サプライバルブ、 １６ リターンバルブ、 １７ シール、 １８ 第１膨張空間、 １９ 第２開口、 ２０ 第１冷却ステージ、 ２１，２２ 整流器、 ２３ 仕切り材、 ２４ 高温側領域、 ２５ 低温側領域、 ２６ 第２膨張空間、 ２７ 第３開口、 ２８ 第２冷却ステージ、 ２９，３０ 熱交換部、 ３１，３２ 圧入ピン、 ３３ ガス管路、 ３４ 第２蓄冷器、 １０１ 蓄冷器式冷凍機、 １０２ 第１蓄冷器、 １０３ 第２蓄冷器、 １０４ 第１パルス管、 １０５ 第２パルス管、 １０７ 圧縮機、 １０８，１０９ 分岐管、 １１０ 第１給排共通配管、 １１１ 第２給排共通配管、 １１２ 第３給排共通配管、 １１３ 第１整流熱交換器、 １１４ 第２整流熱交換器、 １１５ 第３整流熱交換器、 １１６ 第４整流熱交換器、 １１７ 冷却ステージ、 １１８ 第１低温端連結管、 １１９ 第２低温端連結管、 １２４ 高温側領域、 １２５ 低温側領域、 １３３ ガス管路。

Claims (7)

1. 第１シリンダと、
   第２シリンダと、
   第１蓄冷材を備え、前記第１シリンダに収容された第１蓄冷器と、
   球状蓄冷材である第２蓄冷材を備え、前記第２シリンダに収容され、前記第１蓄冷器の低温端と接続する第２蓄冷器と、
   前記第１蓄冷器から排出される冷媒ガスを、前記第２蓄冷器において前記球状蓄冷材の領域の途中に導くガス管路と、
   を備えることを特徴とする蓄冷器式冷凍機。
2. 前記第２蓄冷器は、非磁性材からなる蓄冷材を含む高温側領域と、磁性材からなる蓄冷材を含む低温側領域とを有し、
   前記ガス管路の第２蓄冷器側の端部は、高温側領域に位置することを特徴とする請求項１に記載の蓄冷器式冷凍機。
3. 前記ガス管路は、管路の途中に複数のガス抜き穴を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の蓄冷器式冷凍機。
4. 前記第２蓄冷材は複数の球状の金属を含み、
   前記ガス管路の内径は、前記球状の金属の直径よりも小さいことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の蓄冷器式冷凍機。
5. 前記ガス管路は、第２蓄冷器側の端部に網が設けられていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の蓄冷器式冷凍機。
6. 前記第１シリンダは、前記第１蓄冷材を収容するディスプレーサをさらに備え、
   前記ディスプレーサは、前記第１シリンダに長手方向に往復移動自在に収容されるとともに、前記第１シリンダの低温端との間に冷媒ガスの膨張空間を形成し、
   前記ガス管路は、前記膨張空間内の冷媒ガスを前記第２蓄冷器の途中に導くことを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の蓄冷器式冷凍機。
7. 冷媒ガスを圧縮する圧縮機と、
   前記圧縮機に接続される高温端と、低温端とを備える第１パルス管と、
   前記第１パルス管の低温端と、前記第１シリンダの低温端とを接続する低温端連結管とをさらに備え、
   前記ガス管路は、前記第１蓄冷器から排出されて前記低温端連結管を流れる冷媒ガスの一部を、前記第２蓄冷器の途中に導くことを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の蓄冷器式冷凍機。

Images