JP6188619B2 - 極低温冷凍機 - 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極低温の寒冷を発生する極低温冷凍機に関する。

極低温を発生する冷凍機の一例としてギフォードマクマホン（Gifford-McMahon；ＧＭ）冷凍機が知られている。ＧＭ冷凍機は、シリンダ内でディスプレーサを往復移動することにより、膨張空間の体積を変化させる。この体積変化に対応して膨張空間と圧縮機の吐出側と吸気側とを選択的に接続することで、冷媒ガスが膨張空間で膨張する。このとき発生する寒冷によって、冷却対象を冷却する。

特開２０１３−１４２４７９号公報

本発明の目的は、極低温冷凍機の冷凍性能を向上する技術を提供することである。

上記課題を解決するために、本発明のある態様の極低温冷凍機は、内部空間を有し、当該内部空間を冷媒ガスが流通するディスプレーサと、ディスプレーサを往復移動可能に収容し、ディスプレーサの底面との間に冷媒ガスの膨張空間を形成するシリンダとを備える。ディスプレーサは、シリンダ内を下死点から上死点に移動する間に膨張空間に冷媒ガスを供給し、シリンダ内を上死点から下死点に移動する間に膨張空間から冷媒ガスを回収し、ディスプレーサと膨張空間との間の流路抵抗は、ディスプレーサが下死点にあるときの方が、ディスプレーサが上死点にあるときよりも小さくなるように構成されている。

本発明の別の態様もまた、極低温冷凍機である。この極低温冷凍機は、内部空間を有し、当該内部空間を冷媒ガスが流通するディスプレーサと、ディスプレーサを往復移動可能に収容し、ディスプレーサの底面との間に冷媒ガスの膨張空間を形成するシリンダと、ディスプレーサの側壁とシリンダの内壁との間に設けられ、ディスプレーサの内部空間と膨張空間とを結ぶ冷媒ガスの流路となるクリアランスとを備える。ディスプレーサは、シリンダ内を下死点から上死点に移動する間に膨張空間に冷媒ガスを供給し、シリンダ内を上死点から下死点に移動する間に膨張空間から冷媒ガスを回収し、クリアランスは、ディスプレーサがシリンダ内を下死点から上死点に移動するとき、移動の前半における流路抵抗の平均値が、後半における流路抵抗の平均値よりも小さくなるように構成されている。

本発明によれば、極低温冷凍機の冷凍性能を向上する技術を提供することができる。

本発明の第１の実施の形態に係る極低温冷凍機を示す模式図である。 第１の実施の形態に係る極低温冷凍機において、ディスプレーサが上死点ＵＰに位置する様子を示す模式図である。 本発明の第２の実施の形態に係る極低温冷凍機において、ディスプレーサが下死点ＬＰに位置する様子を示す模式図である。 本発明の第２の実施の形態に係る極低温冷凍機において、ディスプレーサが上死点ＵＰに位置する様子を示す模式図である。 本発明の第３の実施の形態に係る極低温冷凍機において、ディスプレーサが下死点ＬＰに位置する様子を示す模式図である。 本発明の第３の実施の形態に係る極低温冷凍機において、ディスプレーサが上死点ＵＰに位置する様子を示す模式図である。 本発明の第４の実施の形態に係る極低温冷凍機において、ディスプレーサが下死点ＬＰに位置する様子を示す模式図である。

ＧＭ冷凍機をはじめとするディスプレーサを備える冷凍機は、シリンダ内でディスプレーサを往復移動させるために、シリンダとディスプレーサとの間にはクリアランスが設けられている。シリンダの低温側端部には冷却ステージが設けられており、このクリアランスの一部は、クリアランス内の冷媒ガスと冷却ステージとの間で熱交換をおこなう熱交換器として機能する。

一般にこれらの冷凍機では、膨張空間で膨張した冷媒ガスがクリアランスを通って膨張空間から排気されるときに、冷媒ガスは冷却ステージと熱交換をする。一方で、膨張空間に供給される冷媒ガスは、冷却ステージを冷却するほど低温ではない。このため、膨張空間に冷媒ガスが供給されるときは、冷媒ガスは冷凍に寄与しないにも関わらず、流路抵抗の大きいクリアランスを通ることになる。これは冷凍機の圧力損失の一因となり、ひいては冷凍機の冷凍性能を低下させる原因となる。そこで本発明のある実施形態に係る冷凍機は、ディスプレーサと膨張空間との間の流路抵抗は、ディスプレーサが下死点ＬＰにあるときの方が、ディスプレーサが上死点ＵＰにあるときよりも小さくなるように構成されている。

本発明の実施の形態について図面と共に説明する。

（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る極低温冷凍機１を示す模式図である。第１の実施の形態に係る極低温冷凍機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タイプの冷凍機である。極低温冷凍機１は、ディスプレーサ２と、ディスプレーサ２との間に膨張空間３を形成するシリンダ４と、膨張空間３に隣接するとともに外包するように位置する有底円筒状の冷却ステージ５を備える。冷却ステージ５は、冷却対象と冷媒ガスとの間の熱交換を行う熱交換器として機能する。ディスプレーサ２は、本体部２ａと低温端に備えられた蓋部２ｂとを含む。蓋部２ｂは、本体部２ａと同一の部材で構成されてもよい。また、蓋部２ｂは、本体部２ａよりも熱伝導率が高い材質で構成されてもよい。そうすると、蓋部２ｂは、蓋部２ｂ内を流れる冷媒ガスとの間で熱交換を行なう熱伝導部としても機能する。蓋部２ｂには、例えば、銅、アルミニウム、ステンレスなど、少なくとも本体部２ａよりも熱伝導率の大きな材料が用いられる。冷却ステージ５は、例えば銅、アルミニウム、ステンレス等により構成される。

圧縮機１２は、吸気側から低圧の冷媒ガスを回収し、これを圧縮した後に高圧の冷媒ガスを極低温冷凍機１に供給する。冷媒ガスとしては、例えばヘリウムガスを用いることができるがこれに限定されるものではない。

シリンダ４は、ディスプレーサ２を長手方向に往復移動可能に収容する。シリンダ４には強度、熱伝導率、ヘリウム遮断能などの観点から、例えばステンレス鋼が用いられる。

ディスプレーサ２の高温端には、ディスプレーサ２を往復駆動する図示しないスコッチヨーク機構が設けられており、ディスプレーサ２はシリンダ４の軸方向にそって往復移動する。

ディスプレーサ２は円筒状の外周面を有しており、ディスプレーサ２の内部には、蓄冷材が充填されている。このディスプレーサ２の内部空間は蓄冷器７を構成する。蓄冷器７の上端側および下端側には、それぞれヘリウムガスの流れを整流する上端側整流器９および下端側整流器１０が設けられている。

ディスプレーサ２の高温端には、室温室８からディスプレーサ２に冷媒ガスを流通する上部開口１１が形成されている。室温室８は、シリンダ４とディスプレーサ２の高温端により形成される空間であり、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８には、圧縮機１２、サプライバルブ１３、リターンバルブ１４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、ディスプレーサ２の高温端よりの部分とシリンダ４との間にはシール１５が装着されている。

ディスプレーサ２の低温端には、膨張空間３に冷媒ガスを導入する冷媒ガスの吹き出し口１６が形成されている。また、ディスプレーサ２の外壁とシリンダ４の内壁との間には、ディスプレーサ２の内部空間と膨張空間３とを結ぶ冷媒ガスの流路となるクリアランスＣが設けられている。

膨張空間３は、シリンダ４とディスプレーサ２により形成される空間であり、ディスプレーサ２の往復移動に伴い容積が変化する。シリンダ４の外周および底部の膨張空間３に対応する位置には、冷却対象に熱的に接続された冷却ステージ５が配置されている。冷媒ガスは、冷媒ガスの吹き出し口１６およびクリアランスＣを通って膨張空間３に流入する冷媒ガスにより膨張空間３に供給される。

ディスプレーサ２の本体部２ａには、比重、強度、熱伝導率などの観点から、例えばフェノール樹脂等が用いられる。蓄冷材は例えば金網等により構成される。なお、図１は極低温冷凍機１の運転中の状態を示している。そのため、低温により本体部２ａの若干の収縮に伴い双方の外径が同一となった状態であるが、常温においては、蓋部２ｂの外径は本体部２ａの外径よりもわずかに小さい。

次に、極低温冷凍機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、ディスプレーサ２は、図１に示すようにシリンダ４の下死点ＬＰ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１３を開くと、サプライバルブ１３を介して高圧の冷媒ガスが給排共通配管からシリンダ４内に供給される。この結果、ディスプレーサ２の上部に位置する上部開口１１から、高圧の冷媒ガスがディスプレーサ２の内部の蓄冷器７に流入する。蓄冷器７に流入した高圧の冷媒ガスは、蓄冷材により冷却されながらディスプレーサ２の下部に位置する冷媒ガスの吹き出し口１６およびクリアランスＣを介して、膨張空間３に供給される。

膨張空間３が高圧の冷媒ガスで満たされると、サプライバルブ１３は閉じられる。この時、ディスプレーサ２は、シリンダ４内の上死点ＵＰに位置する。図２は、第１の実施の形態に係る極低温冷凍機１において、ディスプレーサ２が上死点ＵＰに位置する様子を示す模式図である。ディスプレーサ２がシリンダ４内の上死点ＵＰに位置すると同時、またはわずかにずれたタイミングでリターンバルブ１４を開くと、膨張空間３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膨張空間３のヘリウムガスは、冷媒ガスは冷却ステージ５の熱を吸収する。

ディスプレーサ２は下死点ＬＰに向けて移動し、膨張空間３の容積は減少する。膨張空間３内の冷媒ガスは、冷媒ガスの吹き出し口１６およびクリアランスＣを通ってディスプレーサ２内に回収される。このときも、冷媒ガスは冷却ステージ５の熱を吸収する。膨張空間３から蓄冷器７に戻った冷媒ガスは、蓄冷器７内の蓄冷材も冷却する。ディスプレーサ２に回収された冷媒ガスはさらに、蓄冷器７、上部開口１１を介して圧縮機１２の吸入側に戻される。以上の工程を１サイクルとし、極低温冷凍機１はこの冷却サイクルを繰り返すことで、冷却ステージ５を冷却する。

第１の実施の形態に係る極低温冷凍機１およびディスプレーサ２では、冷却ステージ５から進入する熱は、膨張空間３に存在する冷媒ガスを介して、蓋部２ｂにまで進入する。すなわち、膨張空間３で発生した低温の冷媒ガスが冷媒ガスの吹き出し口１６を通過する際に、冷媒ガスと蓋部２ｂとの間で熱交換が行われる。

また、蓋部２ｂに進入した熱は、さらに蓋部２ｂ内部を膨張空間３に向けて伝達する。上述したように、蓋部２ｂはディスプレーサ２の低温端に備えられている。このため、蓋部２ｂは膨張空間３内の低温冷媒ガスと接触しており、冷却ステージ５と冷媒ガスとの間の熱交換効率をさらに向上させることができる。

なお、ディスプレーサ２の蓋部２ｂを、例えばフェノール樹脂等で構成することもある。しかしながら、本体部２ａよりも熱伝導率が高い材質で蓋部２ｂを構成する形態に係る極低温冷凍機１と比較すると、冷媒ガスと蓋との間の熱交換が小さくなり、実質的には熱交換が行われない。そのため、膨張空間３で発生した低温の冷媒ガスと冷却ステージ５との間の熱交換のみで行われることになり、冷却効率が悪化する。したがって、ディスプレーサ２の蓋は本体部２ａよりも熱伝導率が高い材質として蓋部２ｂを構成する方が好ましい。

以上説明したように、第１の実施の形態に係る極低温冷凍機１においては、シリンダ４内でディスプレーサ２が往復移動することで膨張空間３内の冷媒ガスが膨張し、寒冷が発生する。図１に示すように、ディスプレーサ２の往復移動のために、シリンダ４とディスプレーサ２との間にクリアランスＣが設けられている。クリアランスＣのうち、冷却ステージ５に隣接する部分は、冷却ステージ５とクリアランスＣ内の冷媒ガスとの間で熱交換を行なう熱交換器として機能する。

続いて、第１の実施の形態に係る極低温冷凍機１におけるディスプレーサ２と膨張空間３との間の流路抵抗について説明する。

上述したように、ディスプレーサ２は、シリンダ４内を上死点ＵＰから下死点ＬＰに移動する間に膨張空間３から冷媒ガスを回収する。またディスプレーサ２は、シリンダ４内を下死点ＬＰから上死点ＵＰに移動する間に膨張空間３に冷媒ガスを供給する。

ディスプレーサ２が膨張空間３から冷媒ガスを回収するとき、膨張空間３内の冷媒ガスは膨張によって冷却ステージ５よりも低温となっている。冷媒ガスはクリアランスＣおよび冷媒ガスの吹き出し口１６を通って膨張空間３からディスプレーサ２に至り、この間に冷却ステージ５を冷却する。

ディスプレーサ２が膨張空間３に冷媒ガスを供給するとき、冷媒ガスは蓄冷器７の蓄冷材によって冷却されている。しかしながら、ディスプレーサ２が膨張空間３に供給する冷媒ガスは、膨張空間３から回収するときの冷媒ガスと比較すると、温度が高い。そのため、冷却ステージ５の冷却には実質的に寄与しないかもしれない。ディスプレーサ２が膨張空間３に供給する冷媒ガスの温度が冷却ステージ５よりも高い場合には、冷媒ガスは冷却ステージ５に熱を与えてしまうかもしれない。

一般に、冷媒ガスの流速を速くすると、冷媒ガスと冷却ステージ５との間の熱交換効率は向上する。圧縮機１２が供給する冷媒ガスの供給量は一定なので、冷媒ガスの流速は、クリアランスＣの流路面積が狭くなるにしたがって速くなる。そのため、冷媒ガスが膨張空間３からディスプレーサ２に戻るときは、冷媒ガスがクリアランスＣの流路面積が小さい方が冷媒ガスの流速が速くなるので、熱交換効率が高まる。特に、ディスプレーサ２が上死点ＵＰから下死点ＬＰに移動する冷媒ガスの回収工程において、膨張空間３から排出される冷媒ガスの大部分は、回収工程の前半でディスプレーサ２に流入する。そのため、特に冷媒ガスの回収工程の前半（ディスプレーサ２が上死点ＵＰに近い位置にあるとき）における熱交換効率を向上させることが好ましい。一方、冷媒ガスがディスプレーサ２から膨張空間３に流入するときは、圧力損失を少なくするために、クリアランスＣの流路抵抗は小さい方が好ましい。

そこで第１の実施の形態に係る極低温冷凍機１は、図１および図２に示すように、ディスプレーサ２が下死点ＬＰにあるときの方が、ディスプレーサ２が上死点ＵＰにあるときよりも、ディスプレーサ２の側壁とシリンダ４の内壁との間のクリアランスＣが大きく取られている。この結果、ディスプレーサ２が下死点ＬＰにあるときの方が、ディスプレーサ２が上死点ＵＰにあるときよりも、クリアランスＣの流路面積が大きくなる。クリアランスＣの流路面積が小さいほど流路抵抗が大きくなるので、ディスプレーサ２と膨張空間３との間の流路抵抗は、ディスプレーサ２が下死点ＬＰにあるときの方が、ディスプレーサ２が上死点ＵＰにあるときよりも小さくなる。なお、冷媒ガスの回収工程の後半（ディスプレーサ２が下死点ＬＰに近い位置にあるとき）にも、冷媒ガスは膨張空間３から排出される。しかしながら、回収工程の後半で膨張空間３から排出される冷媒ガスの量は、回収工程の前半において膨張空間３から排出される冷媒ガスの量と比較すると、少ない。そのため、回収工程の後半で熱交換効率が低下しても、冷凍性能に与える影響は軽微である。

一方、ディスプレーサ２から膨張空間３に供給される冷媒ガスの大部分は、供給工程の前半（ディスプレーサ２が下死点ＬＰに近い位置にあるとき）に供給される。そのため、圧力損失の低下を抑制するためには、供給工程前半におけるクリアランスＣの流路抵抗を小さくすることが好ましい。すなわち、回収工程の前半におけるクリアランスＣの流路抵抗の平均値が、後半における流路抵抗の平均値よりも大きくなるように構成することで、圧力損失による冷凍能力の低下を抑制しつつ、冷却ステージ５との熱交換効率を向上することができる。

以上より、第１の実施の形態に係る極低温冷凍機１は、冷媒ガスの回収工程の前半において冷媒ガスが冷却ステージ５を冷却するときは冷媒ガスがクリアランスＣを通過する際の流速が速くなり、熱交換器における熱交換効率が上昇する。また冷媒ガスが膨張空間３に供給されるときの流路抵抗が小さいため、圧力損失が抑制できる。第１の実施の形態に係る極低温冷凍機１によれば熱交換器の熱交換効率が上昇し、かつ圧力損失が抑制されるので、冷凍性能を向上することができる。

（第２の実施の形態）
第２の実施の形態に係る極低温冷凍機１について説明する。第２の実施の形態に係る極低温冷凍機１も、第１の実施の形態に係る極低温冷凍機１と同様に、ディスプレーサ２と膨張空間３との間の流路抵抗が、ディスプレーサ２が下死点ＬＰにあるときの方が、ディスプレーサ２が上死点ＵＰにあるときよりも小さくなるように構成されている。以下、第１の実施の形態に係る極低温冷凍機１と重複する記載については、適宜省略または簡略化して説明する。

図３は、本発明の第２の実施の形態に係る極低温冷凍機１を示す模式図であり、ディスプレーサ２が下死点ＬＰに位置する様子を示す図である。図３に示すように、第２の実施の形態に係る極低温冷凍機１は、膨張空間３を構成するシリンダ４の側壁、すなわち冷却ステージ５の側壁中に、バイパス流路１７を備える。バイパス流路１７は、第１開口部１８と第２開口部１９とを両端とする流路である。ここで第１開口部１８は、第２開口部１９よりも上死点ＵＰ側に設けられている。

図３に示すように、第１開口部１８は、ディスプレーサ２が下死点ＬＰにあるとき、吹き出し口１６と対向する位置に備えられている。これにより、冷媒ガスがディスプレーサ２から膨張空間３に供給されるとき、冷媒ガスの多くは第１開口部１８からバイパス流路１７に流入する。バイパス流路１７に流入した冷媒ガスは、第２開口部１９から膨張空間３に流入する。また冷媒ガスの一部は、第１の実施の形態に係る極低温冷凍機１と同様に、クリアランスＣを通って膨張空間３に流入する。

このように、第２の実施の形態に係る極低温冷凍機１は、冷媒ガスがディスプレーサ２から膨張空間３に供給されるときに、ディスプレーサ２から膨張空間３に至るまでの流路として、クリアランスＣとバイパス流路１７との２系統が存在する。このためディスプレーサ２から膨張空間３に至るまでの流路がクリアランスＣだけの場合と比較して、ディスプレーサ２と膨張空間３との間の流路抵抗が小さくなる。なお、バイパス流路１７の流路面積をクリアランスＣの流路面積よりも大きくする方が、ディスプレーサ２と膨張空間３との間の流路抵抗がより小さくなるため好ましい。

図４は、本発明の第２の実施の形態に係る極低温冷凍機１を示す模式図であり、ディスプレーサ２が上死点ＵＰに位置する様子を示す図である。図４に示すように、第１開口部１８は、ディスプレーサ２が上死点ＵＰにあるとき、冷媒ガスの吹き出し口１６よりも下死点ＬＰ側に設けられている。

上述したように、ディスプレーサ２が上死点ＵＰにあるとき、冷媒ガスは冷却ステージ５を冷却しながら、膨張空間３からディスプレーサ２に回収される。このとき、膨張空間３からディスプレーサ２に至るまでの冷媒ガスの流路はクリアランスＣだけである。このため、ディスプレーサ２と膨張空間３との間の流路抵抗は、ディスプレーサ２が上死点ＵＰにあるときの方が、ディスプレーサ２が下死点ＬＰにあるときよりも大きくなる。結果として、冷媒ガスが膨張空間３からディスプレーサ２に回収されるときにクリアランスＣを通過する際の流速が速くなり、冷却ステージ５の冷却効率が上昇する。

冷媒ガスが膨張空間３からディスプレーサ２に回収される間におけるディスプレーサ２と膨張空間３との間の流路抵抗を大きくする観点から見ると、ディスプレーサ２が上死点ＵＰにあるとき、第１開口部１８と冷媒ガスの吹き出し口１６との距離は長い方がよい。そこで、図４に示すように、第１開口部１８は、ディスプレーサ２が上死点ＵＰにあるとき、ディスプレーサ２の底面である蓋部２ｂよりもさらに下死点ＬＰ側に備えられてもよい。

この場合、図３に示すように、ディスプレーサ２が下死点ＬＰにあるときに第１開口部１８が吹き出し口１６と対向する位置に備えられることを両立させるとより好ましい。これは、冷媒ガスの吹き出し口１６とディスプレーサ２の底面までの距離を、ディスプレーサ２のストローク長よりも短くすることで実現できる。これにより、冷媒ガスが膨張空間３からディスプレーサ２に戻る間は、ディスプレーサ２と膨張空間３との間の流路抵抗を大きくすることができる。さらに、ディスプレーサ２が下死点ＬＰに到達し、ディスプレーサ２から膨張空間３への冷媒ガスの供給が開始されるときは、ディスプレーサ２と膨張空間３との間の流路抵抗を小さくすることができる。

なお、図３および図４に示すように、第２開口部１９は、膨張空間３の底面の高さ、すなわち下死点ＬＰの高さに設けられている。ディスプレーサ２から膨張空間３への冷媒ガスの供給が開始されると、ディスプレーサ２は下死点ＬＰから上死点ＵＰに向かって移動する。このため、冷媒ガスの供給が開始されるとすぐに、第２開口部１９と対向していたディスプレーサ２の蓋部２ｂは、第２開口部１９よりも上死点側に移動する。

ここで第２開口部１９は、冷媒ガスの供給時におけるバイパス流路１７の出口である。したがって、冷媒ガスの供給開始後すぐに第２開口部１９と対向する蓋部２ｂがなくなることは、バイパス流路１７の出口付近における流路抵抗が小さくなることを意味する。これにより、冷媒ガスの供給時におけるディスプレーサ２と膨張空間３との間の流路抵抗を小さくすることができる。

以上より、第２の実施の形態に係る極低温冷凍機１は、冷媒ガスの回収工程の前半における冷媒ガスの流速が速くなり、熱交換器における熱交換効率が上昇する。また冷媒ガスはバイパス流路１７を通って膨張空間３に流入するため、冷媒ガスの供給工程の前半におけるディスプレーサ２と膨張空間３との間の流路抵抗は小さくなり、圧力損失が抑制できる。第２の実施の形態に係る極低温冷凍機１によれば熱交換器の熱交換効率が上昇し、かつ圧力損失が抑制されるので、冷凍性能を向上することができる。

（第３の実施の形態）
第３の実施の形態に係る極低温冷凍機１について説明する。第３の実施の形態に係る極低温冷凍機１も、第１の実施の形態に係る極低温冷凍機１および第２の実施の形態に係る極低温冷凍機１と同様に、ディスプレーサ２と膨張空間３との間の流路抵抗が、ディスプレーサ２が下死点ＬＰにあるときの方が、ディスプレーサ２が上死点ＵＰにあるときよりも小さくなるように構成されている。以下、第１の実施の形態に係る極低温冷凍機１または第２の実施の形態に係る極低温冷凍機１と重複する記載については、適宜省略または簡略化して説明する。

図５は、本発明の第３の実施の形態に係る極低温冷凍機１を示す模式図であり、ディスプレーサ２が下死点ＬＰに位置する様子を示す図である。図５に示すように、第３の実施の形態に係る極低温冷凍機１は、ディスプレーサ２の底面である蓋部２ｂに設けられた第２バイパス流路２０を備える。第２バイパス流路２０は、ディスプレーサ２の内部空間（すなわち、蓄冷器７）と、膨張空間３とを結ぶ冷媒ガスの流路である。

ディスプレーサ２が下死点ＬＰにあるとき、ディスプレーサ２から膨張空間３への冷媒ガスの供給が開始する。このとき、冷媒ガスがディスプレーサ２から膨張空間３に供給されるためのルートは、冷媒ガスの吹き出し口１６とクリアランスＣを通るルートと、第２バイパス流路２０を通るルートとの、２系統のルートが存在する。このためディスプレーサ２から膨張空間３に至るまでの流路がクリアランスＣだけの場合と比較して、ディスプレーサ２と膨張空間３との間の流路抵抗が小さくなる。

第２バイパス流路２０の途中、または第２バイパス流路の膨張空間３側の端部には、逆止弁２１が設けられている。逆止弁２１は、第２バイパス流路２０を通って膨張空間３からディスプレーサ２に流れる冷媒ガスを規制する。すなわち、第２バイパス流路２０は、ディスプレーサ２から膨張空間３に向かう一方通行の流路である。

図６は、本発明の第３の実施の形態に係る極低温冷凍機１を示す模式図であり、ディスプレーサ２が上死点ＵＰに位置する様子を示す図である。上述したように、ディスプレーサ２が上死点ＵＰにあるとき、膨張空間３の冷媒ガスはディスプレーサ２に回収される。このとき、逆止弁２１は第２バイパス流路２０を通って膨張空間３からディスプレーサ２に流れる冷媒ガスを規制するため、冷媒ガスが膨張空間３からディスプレーサ２まで至るルートは、クリアランスＣおよび冷媒ガスの吹き出し口１６を通るルートだけとなる。結果として、ディスプレーサ２と膨張空間３との間の流路抵抗は、ディスプレーサ２が上死点ＵＰにあるときの方が、ディスプレーサ２が上死点ＬＰにあるときよりも大きくなる。結果として、冷媒ガスが膨張空間３からディスプレーサ２に戻るときの流速が速くなり、冷媒ガスと冷却ステージ５との間の冷却効率が上昇する。

以上より、第３の実施の形態に係る極低温冷凍機１は、冷媒ガスの回収工程の前半においては冷媒ガスが冷却ステージ５を冷却するときは冷媒ガスはクリアランスＣのみを通過する。このため、冷媒ガスの回収工程の前半における冷媒ガスの流速が速くなり、熱交換器における熱交換効率が上昇する。また冷媒ガスの供給工程の前半において、冷媒ガスは第２バイパス流路２０とクリアランスＣとの両方のルートを通って膨張空間３に流入する。このため、冷媒ガスの供給工程の前半におけるディスプレーサ２と膨張空間３との間の流路抵抗は小さくなり、圧力損失が抑制される。このように、第３の実施の形態に係る極低温冷凍機１によれば、熱交換器の熱交換効率が上昇しかつ圧力損失が抑制されるので、冷凍性能を向上することができる。

（第４の実施の形態）
第４の実施の形態に係る極低温冷凍機１について説明する。以下では、第１の実施の形態に係る極低温冷凍機１、第２の実施の形態に係る極低温冷凍機、または第３の実施の形態に係る極低温冷凍機１と重複する記載については、適宜省略または簡略化して説明する。

第４の実施の形態に係る極低温冷凍機１も、第１の実施の形態に係る極低温冷凍機１、第２の実施の形態に係る極低温冷凍機１、および第３の実施の形態に係る極低温冷凍機１と同様に、ディスプレーサ２と膨張空間３との間の流路抵抗が、ディスプレーサ２が下死点ＬＰにあるときの方が、ディスプレーサ２が上死点ＵＰにあるときよりも小さくなるように構成されている。以下、第１の実施の形態に係る極低温冷凍機１、第２の実施の形態に係る極低温冷凍機１、または第３の実施の形態に係る極低温冷凍機１と重複する記載については、適宜省略または簡略化して説明する。

図７は、本発明の第４の実施の形態に係る極低温冷凍機１を示す模式図であり、ディスプレーサ２が下死点ＬＰに位置する様子を示す図である。図７に示すように、第４の実施の形態に係る極低温冷凍機１においては、ディスプレーサ２が下死点ＬＰにあるとき、冷媒ガスの吹き出し口１６の位置におけるクリアランスＣの流路面積が最も広くなる。また、冷媒ガスの吹き出し口１６の位置におけるクリアランスＣの流路面積は、ディスプレーサ２が上死点ＵＰにあるとき、最も狭くなる。そして、第４の実施の形態に係る極低温冷凍機１においては、クリアランスＣの流路面積が、最も広くなる箇所から最も狭くなる箇所に至るまで、連続的に減少するように構成されている。

このように、第４の実施の形態に係る極低温冷凍機１のクリアランスＣは、ディスプレーサ２がシリンダ４内を下死点ＬＰから上死点ＵＰに移動するとき、移動の前半における流路抵抗の平均値が、移動の後半における流路抵抗の平均値よりも小さくなる。ここで「移動の前半」とは、ディスプレーサ２が下死点ＬＰから上死点ＬＰに、または上死点ＵＰから下死点ＬＰに移動する際の、前半分の移動を意味する。同様に、「移動の前半」とは、ディスプレーサ２が下死点ＬＰから上死点ＬＰに、または上死点ＵＰから下死点ＬＰに移動する際の、後半分の移動を意味する。

第４の実施の形態に係る極低温冷凍機１は、冷媒ガスの供給工程においてディスプレーサ２が下死点ＬＰから上死点ＵＰに移動するときは、クリアランスＣの流路抵抗が小さく、圧力損失が抑制される。一方、冷媒ガスが冷却ステージ５を冷却するとき、すなわち冷媒ガスの回収工程においては冷媒ガスの流速が速くなり、熱交換器における熱交換効率が上昇する。このように、第４の実施の形態に係る極低温冷凍機１によれば、熱交換器の熱交換効率が上昇しかつ圧力損失が抑制されるので、冷凍性能を向上することができる。

以上説明したように、実施の形態に係る極低温冷凍機１によれば、熱交換機における圧力損失を低減することができる。

以上、いくつかの実施の形態に基づき本発明を説明したが、これらの実施の形態は、本発明の原理、応用を示すにすぎない。これらの実施の形態を任意に組み合わせることによって生じる新たな実施の形態も、本発明に含まれる。例えば第１の実施の形態に係る極低温冷凍機１や第２の実施の形態に係る極低温冷凍機１に、第３の実施の形態に係る第２バイパス流路２０および逆止弁２１を組み合わせることができる。

また、上述した実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が可能である。

例えば、上述した極低温冷凍機においては、段数が１段である場合を示したが、この段数は２段以上とする等、適宜選択することが可能である。また、実施の形態では、極低温冷凍機がＧＭ冷凍機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、ディスプレーサを備える何れの冷凍機にも適用することができる。

上記の各実施の形態に係る極低温冷凍機１はいずれも、ディスプレーサ２と膨張空間３との間の流路抵抗が、ディスプレーサ２が下死点ＬＰにあるときの方が、ディスプレーサ２が上死点ＵＰにあるときよりも小さくなるように構成されている。この他、ディスプレーサ２が下死点ＬＰにあるときのディスプレーサ２と膨張空間３との間の流路抵抗と、ディスプレーサ２が上死点にあるときの流路抵抗とは、同じ大きさであってもよい。この場合、ディスプレーサ２がシリンダ４内を下死点から上死点に移動するとき、移動の前半におけるクリアランスＣの流路抵抗の平均値が、後半における流路抵抗の平均値よりも小さくなるように構成されていればよい。

例えば、ディスプレーサ２が下死点ＬＰにあるとき、冷媒ガスの吹き出し口１６の位置におけるクリアランスＣの流路面積は、ディスプレーサ２が上死点ＵＰにあるときの流路面積と変わらないとする。この場合であっても、ディスプレーサ２が下死点ＬＰから上死点ＵＰに向かって移動することで、冷媒ガスの吹き出し口１６の位置におけるクリアランスＣの流路面積が、ディスプレーサ２が下死点ＬＰにあるときの流路面積よりも広くなればよい。これによりディスプレーサ２がシリンダ４内を下死点ＬＰから上死点ＵＰに移動するとき、移動の前半におけるクリアランスＣの流路抵抗の平均値が、移動の後半における流路抵抗の平均値よりも小さくなる。

上記のように構成することで、冷媒ガスがディスプレーサ２から膨張空間３に流入するとき、すなわち冷媒ガスの供給工程においては、その前半はクリアランスの流路抵抗が小さく、圧力損失が抑制される。一方、冷媒ガスが冷却ステージ５を冷却するとき、すなわち冷媒ガスの回収工程においては、その前半においてクリアランスＣを流れる冷媒ガスの流速が速くなり、熱交換器における熱交換効率が上昇する。このように、第４の実施の形態に係る極低温冷凍機１によれば、熱交換器の熱交換効率が上昇しかつ圧力損失が抑制されるので、冷凍性能を向上することができる。

１ 極低温冷凍機、 ２ ディスプレーサ、 ２ａ 本体部、 ２ｂ 蓋部、 ３ 膨張空間、 ４ シリンダ、 ５ 冷却ステージ、 ７ 蓄冷器、 ８ 室温室、 ９ 上端側整流器、 １０ 下端側整流器、 １１ 上部開口、 １２ 圧縮機、 １３ サプライバルブ、 １４ リターンバルブ、 １５ シール、 １６ 吹き出し口、 １７ バイパス流路、 １８ 第１開口部、 １９ 第２開口部、 ２０ 第２バイパス流路、 ２１ 逆止弁。

Claims (8)

1. 内部空間を有し、当該内部空間を冷媒ガスが流通するディスプレーサと、
   前記ディスプレーサを往復移動可能に収容し、前記ディスプレーサの底面との間に冷媒ガスの膨張空間を形成するシリンダとを備え、
   前記ディスプレーサは、
   前記シリンダ内を下死点から上死点に移動する間に前記膨張空間に冷媒ガスを供給し、
   前記シリンダ内を上死点から下死点に移動する間に前記膨張空間から冷媒ガスを回収し、
   前記ディスプレーサと前記膨張空間との間の流路抵抗は、前記ディスプレーサが下死点にあるときの方が、前記ディスプレーサが上死点にあるときよりも小さくなるように構成されていることを特徴とする極低温冷凍機。
2. 前記ディスプレーサの側壁と前記シリンダの内壁との間のクリアランスは、前記ディスプレーサの内部空間と前記膨張空間とを結ぶ冷媒ガスの流路であり、
   前記ディスプレーサは前記クリアランスに冷媒ガスを導入する吹き出し口を備え、
   前記クリアランスの流路面積は、前記ディスプレーサが下死点にあるときの方が、前記ディスプレーサが上死点にあるときよりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の極低温冷凍機。
3. 第１開口部と第２開口部とを両端とし、前記膨張空間を構成する前記シリンダの側壁に設けられた冷媒ガスのバイパス流路を備え、
   前記第１開口部は、前記ディスプレーサが上死点にあるときの前記吹き出し口よりも下死点側に備えられ、かつ前記第２開口部よりも上死点側に備えられていることを特徴とする請求項２に記載の極低温冷凍機。
4. 前記第１開口部は、前記ディスプレーサが上死点にあるときの前記ディスプレーサの底面よりも下死点側に備えられていることを特徴とする請求項３に記載の極低温冷凍機。
5. 前記第１開口部は、前記ディスプレーサが下死点にあるとき、前記吹き出し口と対向する位置に備えられていることを特徴とする請求項３または４記載の極低温冷凍機。
6. 前記第２開口部は、前記膨張空間の底面の高さに設けられていることを特徴とする請求項３から５のいずれかに記載の極低温冷凍機。
7. 前記ディスプレーサの底面に設けられ、前記内部空間と前記膨張空間とを結ぶ冷媒ガスの第２バイパス流路と、
   前記膨張空間から、前記第２バイパス流路を通って前記内部空間に流れる冷媒ガスを規制する逆止弁とをさらに備えることを特徴とする請求項３から６のいずれかに記載の極低温冷凍機。
8. 内部空間を有し、当該内部空間を冷媒ガスが流通するディスプレーサと、
   前記ディスプレーサを往復移動可能に収容し、前記ディスプレーサの底面との間に冷媒ガスの膨張空間を形成するシリンダと、
   前記ディスプレーサの側壁と前記シリンダの内壁との間に設けられ、前記ディスプレーサの内部空間と前記膨張空間とを結ぶ冷媒ガスの流路となるクリアランスとを備え、
   前記ディスプレーサは、
   前記シリンダ内を下死点から上死点に移動する間に前記膨張空間に冷媒ガスを供給し、
   前記シリンダ内を上死点から下死点に移動する間に前記膨張空間から冷媒ガスを回収し、
   前記クリアランスは、前記ディスプレーサが前記シリンダ内を下死点から上死点に移動するとき、移動の前半における流路抵抗の平均値が、後半における流路抵抗の平均値よりも小さくなるように構成されていることを特徴とする極低温冷凍機。

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