特許 5917153 極低温冷凍機、ディスプレーサ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5917153

(24)【登録日】2016年4月15日

(45)【発行日】2016年5月11日

(54)【発明の名称】極低温冷凍機、ディスプレーサ

(51)【国際特許分類】

   F25B 9/14 20060101AFI20160422BHJP

【ＦＩ】

   F25B9/14 530Z

【請求項の数】10

【全頁数】12

(21)【出願番号】特願2012-1627(P2012-1627)

(22)【出願日】2012年1月6日

(65)【公開番号】特開2013-142479(P2013-142479A)

(43)【公開日】2013年7月22日

【審査請求日】2014年5月21日

(73)【特許権者】

【識別番号】000002107

【氏名又は名称】住友重機械工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100070150

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠彦

(72)【発明者】

【氏名】許 名堯

(72)【発明者】

【氏名】森江 孝明

【審査官】 横溝 顕範

(56)【参考文献】

【文献】 特開平１１−１７３６９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−１９９６５１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００８−５１７５７３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−２８０３８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−２８５３４０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１１／１３２５６３（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ２５Ｂ ９／１４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ディスプレーサと、
当該ディスプレーサを軸方向に移動可能に収容するとともに当該ディスプレーサの低温端との間に膨張空間を形成するシリンダと、
前記ディスプレーサと前記シリンダとの間に形成され、冷媒ガスを前記膨張空間に流通するためのクリアランス流路と、
前記膨張空間に隣接して位置する冷却ステージと、を備え、
前記ディスプレーサは、本体部と、当該本体部よりも熱伝導率が高い材質で構成される熱伝導部と、低温側に形成され前記ディスプレーサの内部空間に貫通する貫通孔とを含み、
前記熱伝導部は、前記本体部よりも低温側に位置し、前記冷却ステージに前記クリアランス流路を介して対向し、
前記本体部は、前記貫通孔よりも高温側のディスプレーサ外周面に配置され、
前記熱伝導部は、前記貫通孔よりも低温側の前記ディスプレーサ外周面に配置されることを特徴とする極低温冷凍機。

【請求項2】

前記熱伝導部は前記本体部よりも線膨張係数が低いことを特徴とする請求項１に記載の極低温冷凍機。

【請求項3】

前記熱伝導部は筒形状であって、周方向に不連続となるスリットを有することを特徴とする請求項１又は２に記載の極低温冷凍機。

【請求項4】

前記熱伝導部は前記本体部に対して前記ディスプレーサのストローク方向に重複する重複部を有し、前記本体部は当該重複部に対応する被重複部を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の極低温冷凍機。

【請求項5】

前記熱伝導部は有底筒形状であることを特徴とする請求項４に記載の極低温冷凍機。

【請求項6】

前記重複部と前記被重複部はネジ部を構成することを特徴とする請求項４又は５に記載の極低温冷凍機。

【請求項7】

前記重複部が第一孔部を有し、前記被重複部が前記第一孔部に対応する第二孔部を有し、前記本体部と前記熱伝導部とは、当該第二孔部と前記第一孔部の双方に挿入される挿入部材により接続されることを特徴とする請求項４乃至６のいずれか一項に記載の極低温冷凍機。

【請求項8】

前記熱伝導部は銅、アルミニウム、ステンレスのいずれかであることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の極低温冷凍機。

【請求項9】

低温端を有するディスプレーサであって、
本体部と、当該本体部よりも熱伝導率が高い材質で構成される熱伝導部と、低温側に形成されディスプレーサ内部空間に貫通する貫通孔とを含み、
前記本体部は、前記貫通孔よりも高温側のディスプレーサ外周面に配置され、
前記熱伝導部は、前記貫通孔よりも低温側の前記ディスプレーサ外周面に配置されることを特徴とするディスプレーサ。

【請求項10】

前記熱伝導部の外径は前記本体部の外径に対して常温において小さいことを特徴とする請求項９に記載のディスプレーサ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

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及び極低温冷凍機に用いられるディスプレーサに関する。

【背景技術】

【0002】

極低温冷凍機として例えば特許文献１に記載のものがある。この極低温冷凍機はディスプレーサをシリンダ内部で往復動させながら、バルブの開閉により膨張空間内の冷媒ガスを膨張させて寒冷を発生する。冷媒ガスは、ディスプレーサとシリンダとの間のクリアランスを通して膨張空間に供給及び排出される。膨張空間で発生した冷媒ガスの寒冷は、クリアランス及び膨張空間の外周側に位置する冷却ステージと冷媒ガスとが熱交換をすることにより、冷却ステージに接続された被冷却物の冷凍を行う。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１１−１７４５７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ところが、特許文献１に記載の技術においては、クリアランスを通過するガスは、クリアランスの外周側に位置する冷却ステージとの間でのみ熱交換が行われる。そのため、実質的な熱交換面積を十分に確保することが難しい。本発明はより効果的に実質的な熱交換面積を十分に確保することができる極低温冷凍機及びディスプレーサ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】

【0005】

上記の問題を解決するため、本発明による極低温冷凍機は、
ディスプレーサと、
当該ディスプレーサを軸方向に移動可能に収容するとともに当該ディスプレーサの低温端との間に膨張空間を形成するシリンダと、
前記ディスプレーサと前記シリンダとの間に形成され、冷媒ガスを前記膨張空間に流通するためのクリアランス流路と、
前記膨張空間に隣接して位置する冷却ステージと、を備え、
前記ディスプレーサは、本体部と、当該本体部よりも熱伝導率が高い材質で構成される熱伝導部と、低温側に形成され前記ディスプレーサの内部空間に貫通する貫通孔とを含み、
前記熱伝導部は、前記本体部よりも低温側に位置し、前記冷却ステージに前記クリアランス流路を介して対向し、
前記本体部は、前記貫通孔よりも高温側の前記ディスプレーサ外周面に配置され、
前記熱伝導部は、前記貫通孔よりも低温側の前記ディスプレーサ外周面に配置されることを特徴とする。

【0006】

ここで、前記熱伝導部は前記本体部よりも線膨張係数が低いこととしてもよく、前記熱伝導部は前記本体部に対して前記ディスプレーサのストローク方向に重複する重複部を有し、前記本体部は当該重複部に対応する被重複部を有することとしてもよい。また、前記熱伝導部は有底筒形状であることとしてもよく、前記熱伝導部は筒形状であって、周方向に不連続となるスリットを有することとしてもよい。

【0007】

さらに、前記重複部と前記被重複部はネジ部を構成することとしてもよく、前記重複部が第一孔部を有し、前記被重複部が前記第一孔部に対応する第二孔部を有し、前記本体部と前記熱伝導部とは、当該第二孔部と前記第一孔部の双方に挿入される挿入部材により接続されることしてもよい。加えて、前記熱伝導部は銅、アルミニウム、ステンレスのいずれかであることとしてもよい。

【0008】

また上記の課題を解決するため、本発明によるディスプレーサは、
低温端を有するディスプレーサであって、本体部よりも前記低温端側に位置して前記本体部よりも熱伝導率が高い材質で構成される熱伝導部を含むことを特徴とする。ここで、前記熱伝導部の外径は前記本体部の外径に対して常温において小さいこととしてもよい。

【発明の効果】

【0009】

本発明の極低温冷凍機及びディスプレーサによれば、前記冷却ステージから前記熱伝導部に対してディスプレーサの外周側のクリアランス流路を介して熱が入り、クリアランス流路に膨張により浸入する冷媒ガスに対して前記熱伝導部が熱を運び、前記冷却ステージの温度差を小さくして、熱交換に寄与する実質的な熱交換面積を増やして、熱交換効率を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本発明に係る実施例１の極低温冷凍機及びディスプレーサの一実施形態について示す模式図である。

【図2】本発明に係る実施例２の極低温冷凍機及びディスプレーサの一実施形態について示す模式図である。

【図3】実施例２の極低温冷凍機及びディスプレーサの熱伝導部の変形例を示す模式図である。

【図4】実施例２の極低温冷凍機及びディスプレーサの熱伝導部の変形例を示す模式図である。

【図5】本発明に係る実施例３の二段式の極低温冷凍機の一実施形態について示す模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

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。

【実施例1】

【0012】

本実施例１の極低温冷凍機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（ＧＭ）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との間にクリアランスＣと膨張空間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を含み、ディスプレーサ２は本体部２ａと本体部２ａよりも熱伝導率が高い材質で構成される熱伝導部２ｂを含み、熱伝導部２ｂは冷却ステージ５にクリアランスＣ（クリアランス流路）を介して対向する。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。

【0013】

ここで、熱伝導部２ｂは本体部２ａよりも線膨張係数が低いこととし、熱伝導部２ｂは本体部２ａに対してディスプレーサ２のストローク方向に重複する重複部２ｂａを有し、本体部２ａは重複部２ｂａに対応する被重複部２ａｂを有する。また本実施例１では、熱伝導部２ｂは二段状の円柱形状であるものとし、重複部２ｂａは図１中下から見て二段目の円柱形状により形成されている。

【0014】

さらに、重複部２ｂａが第一孔部２ｂａｈを有し、被重複部２ａｂが第一孔部２ｂａｈに対応する第二孔部２ａｂｈを有する。本体部２ａと熱伝導部２ｂとは、第二孔部２ａｂｈと第一孔部２ｂａｈの双方に圧入して挿入される圧入ピン６（挿入部）により接続される。圧入ピン６は周方向において適宜の箇所に設けられる。熱伝導部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。圧入ピン６はベークライト（登録商標：布入りフェノール）、ステンレスのいずれでもよい。圧入ピン６を第一孔部２ｂａｈ及び第二孔部２ａｂｈに圧入することにより、重複部２ｂａが被重複部２ａｂに固定される。

【0015】

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。

【0016】

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。

【0017】

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の内部容積は蓄冷器７を構成する。蓄冷器７の上端側つまり室温室８側にはヘリウムガスの流れを整流する上側の整流器９が設けられ、蓄冷器７の下端側には下側の整流器１０が設けられる。

【0018】

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。

【0019】

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。

【0020】

ディスプレーサ２の低温端には、膨張空間３にクリアランスＣを介して冷媒ガスを導入する開口１６が形成されている。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外周及び底部の膨張空間３に対応する位置には、被冷却物に熱的に接続された冷却ステージ５が配置されており、冷却ステージ５はクリアランスＣを通る冷媒ガスにより冷却される。

【0021】

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、例えばベークライト（布入りフェノール）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、熱伝導部２ｂの外径は本体部２ａの外径よりもわずかに小さい。

【0022】

次に、冷凍機の動作を説明する。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はシリンダ４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１３を開とすると、サプライバルブ１３を介して高圧のヘリウムガスが給排共通配管からシリンダ４内に供給され、ディスプレーサ２の上部に位置する開口１１からディスプレーサ２の内部の蓄冷器７に流入する。蓄冷器７に流入した高圧のヘリウムガスは、蓄冷材により冷却されながらディスプレーサ２の下部に位置する開口１６及びクリアランスＣを介して、膨張空間３に供給される。

【0023】

このようにして、膨張空間３は、高圧のヘリウムガスで満たされ、サプライバルブ１３は閉とされる。この時、ディスプレーサ２は、シリンダ４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１４を開とすると、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のヘリウムガスはクリアランスＣを介して冷却ステージ５の熱を吸収する。

【0024】

ディスプレーサ２は下死点に向けて移動し、膨張空間３の容積は減少する。膨張空間３内のヘリウムガスは、クリアランスＣ、開口１６、蓄冷器７、開口１１を介して圧縮機１２の吸入側に戻される。その際、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、冷凍機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。

【0025】

本実施例１の極低温冷凍機１及びディスプレーサ２では、熱伝導部２ｂが冷却ステージ５に対して、クリアランスＣを介して常に対向している。冷却ステージから進入する熱は、クリアランスＣに存在するヘリウムガスを介して、熱伝導部２ｂにまで進入する。そのため、膨張空間３で発生した低温のヘリウムガスがクリアランスＣを通過する際には、ヘリウムガスと冷却ステージ５との間の熱交換に加えて、ヘリウムガスと熱伝導部２ｂとの間の熱交換も行われる。これにより、冷却ステージ５と低温のヘリウムガスとの間の実質的な熱交換面積を増大することができる。

【0026】

また、熱伝導部２ｂに進入した熱は、さらに熱伝導部２ｂ内部を膨張空間３に向けて伝達する。そのため、熱伝導部２ｂと膨張空間３内の低温ヘリウムガスとが接触するように熱伝導部２ｂを構成すると、さらに熱交換効率を向上させることができる。

【0027】

それに対して、熱伝導部２ｂを具備しない形態、すなわち熱伝導部２ｂに対応する部分がベークライトで構成された従来のディスプレーサでは、ヘリウムガスとベークライトとの間の熱交換は非常に小さく、実質的には熱交換が行われない。そのため、膨張空間３で発生した低温のヘリウムガスがクリアランスＣを通過する際には、ヘリウムガスと冷却ステージ５との間の熱交換のみで行われる。

【0028】

このように、本実施例１の極低温冷凍機１及びディスプレーサ２によれば、従来のディスプレーサに比べて、熱伝導部２ｂをも有効に熱交換に寄与させることができるため、実質的な熱交換面積を大きくすることができる。また、上述した熱伝導部２ｂの内部で発生する熱の流れにより、さらに熱交換効率を向上させることができる。すなわち、冷却ステージ５の図１中上下方向の温度差をも小さくすることができ、特に被冷却物を冷却ステージ５の下側に設置する場合の温度差を小さくすることができる。

【0029】

また、従来のディスプレーサのように熱伝導部２ｂに対応する部分にベークライトを用いると、ベークライトの比較的線膨張係数が高いことから温度が下がると収縮して、重複部２ｂａが被重複部２ａｂから外れる恐れがある。それに対して、本実施例１の極低温冷凍機１及びディスプレーサ２では、本体部２ａの被重複部２ａｂの内周側に、本体部２ａよりも線膨張係数の大きい重複部２ｂａが配置されている。そのため、本体部２ａの被重複部２ａｂが冷却されて収縮すると、熱伝導部２ｂの重複部２ｂａを締付けるような力が働き、重複部２ｂａが外れることを防止することができる。

【0030】

また、本実施例１の極低温冷凍機１及びディスプレーサ２によれば、熱伝導部２ｂも熱交換に寄与することで、実質的な熱交換面積を増大している。そのため、従来のディスプレーサに比べて冷却ステージ５及びクリアランスＣの軸方向（ディスプレーサの移動方向）の長さを短くしても、所望の冷凍能力を得ることが可能である。これにより、クリアランスＣにおける流路抵抗や圧力損失を低減することができ、冷凍機の冷凍効率を増大することができる。また、クリアランスＣの容積を小さくすることは、寒冷の発生に寄与しないデッドボリュームを減少させることにもつながる。それにより、デッドボリュームに起因して１サイクル内の高圧と低圧の圧力差が低減することを抑制することも期待できる。

【0031】

なお、重複部２ｂａと被重複部２ａｂはネジ部を構成し、螺合により接続するものとしてもよい。これによれば、本体部２ａと熱伝導部２ｂとの脱着をより容易なものとすることができる。なお、この場合においても、本体部２ａの被重複部２ａｂが冷却されて収縮すると、熱伝導部２ｂの重複部２ｂａを締付けるような力が働き、重複部２ｂａが外れることをさらに防止することができる。

【実施例2】

【0032】

上述した実施例１では熱伝導部２ｂを円柱形状としたが、以下に述べるように筒形状としてもよい。図２は本実施例２の極低温冷凍機２１及びディスプレーサ２２を示す模式図である。なお、図１の実施例１と共通する構成要素については同一の符号を付し、相違点を主に説明する。

【0033】

本実施例２のディスプレーサ２２においては、熱伝導部２２ｂを筒形状とし、熱伝導部２２ｂ全体が本体部２２ａに対してストローク方向に重複する重複部２２ｂａを構成する。本体部２２ａの開口１６より低温側（図２中下方）に位置する部分は、開口１６よりも高温側（上方）に位置する部分よりも小径とされる。そして、この小径部分が重複部２２ｂａに対応する被重複部２２ａｂを構成する。

【0034】

重複部２２ｂａは第一孔部２２ｂａｈを有し、被重複部２２ａｂが第一孔部２２ｂａｈに対応する第二孔部２２ａｂｈを有する。本体部２ａと熱伝導部２ｂとは、第二孔部２２ａｂｈと第一孔部２２ｂａｈの双方に圧入して挿入される圧入ピン２６（挿入部）により接続される。熱伝導部２２ｂには、実施例１と同様に、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。圧入ピン２６はここでもベークライト（布入りフェノール）、ステンレスのいずれでもよい。圧入ピン２６を第一孔部２２ｂａｈ及び第二孔部２２ａｂｈに挿入することにより、重複部２２ｂａが被重複部２２ａｂに固定される。

【0035】

本実施例２の極低温冷凍機２１及びディスプレーサ２２によっても、実施例１と同様に熱伝導部２２ｂを熱交換に寄与させることにより、熱交換面積を増大させることができる。これに加えて、本実施例２では実施例１に比べて、熱伝導部２２ｂを熱交換に寄与するディスプレーサ２２の外周側にのみ配置している。そのため、実施例１と比較して熱伝導部２２ｂの体積及び質量を小さくすることができ、可動部であるディスプレーサ２２全体の質量を小さくすることができる。

【0036】

また、磁場が存在する場合において、導体である熱伝導部２２ｂが往復動すると、渦電流が発生し、それによる発熱、すなわち銅損が発生する。本実施例２の形態では、熱伝導部２２ｂの体積が比較的小さいことから、それに応じて銅損の発生も抑制することができる。

【0037】

また、熱伝導部２２ｂを規格品の管材により構成することが可能であるので、実施例１と比較してコストダウンを図ることもできる。

【0038】

上述したとおり、導体の体積を低減することにより銅損の発生を抑制することが期待できるが、形状の工夫により渦電流の発生を抑制することで銅損の発生を抑制することもできる。例えば、図３は、図２で示した筒形状の熱伝導部２２ｂに周方向に不連続となるスリットＳを設けたものである。このような構成によると、特に周方向に継続して渦電流が流れることを防止できるので、銅損の発生をより効果的に抑制できる。

【0039】

また、図４に示すように、熱伝導部２２ｂを有底筒形状とすることもできる。熱伝導部２２ｂを有底筒形状とすることにより、冷却ステージ５から熱伝導部２ｂに進入した熱は、熱伝導部２２ｂの底部と膨張空間との間で熱交換される。それにより、図２の冷凍機と比較して、冷却効率を高めることができる。

【実施例3】

【0040】

上述した実施例１〜２においては、冷凍機を一段式のものとしたが、以下に述べるように二段式のものに適用することもできる。図５は本実施例３の極低温冷凍機３１及びディスプレーサ３２を示す模式図である。

【0041】

本実施例３の極低温冷凍機３１は、実施例１〜２と同様に例えば、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）タイプの冷凍機である。図５に示すように、極低温冷凍機３１は、第一ディスプレーサ３２と、第一ディスプレーサ３２に長手方向に連結される第二ディスプレーサ３６を備える。第一ディスプレーサ３２と第二ディスプレーサとは、例えば図５に示すように、ピン３３、コネクタ３４、ピン３５を介して接続される。

【0042】

第一シリンダ３７と第二シリンダ３８は、一体に形成されており、第一シリンダ３７の低温端と第二シリンダ３８の高温端が第一シリンダ３７底部にて接続されている。第二シリンダ３８は第一シリンダ３７と同軸に形成され、第一シリンダ３７よりも小径の円筒部材である。第一シリンダ３７は第一ディスプレーサ３２を長手方向に往復移動可能に収容し、第二シリンダ３８は第二ディスプレーサ３６を長手方向に往復移動可能に収容する。

【0043】

第一シリンダ３７、第二シリンダ３８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。第二ディスプレーサ３６は、ステンレス鋼などの金属製の筒の外周面上に、フッ素樹脂などの耐摩耗性樹脂の皮膜を構成する。

【0044】

第一シリンダ３７の高温端には、第一ディスプレーサ３２及び第二ディスプレーサ３６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、第一ディスプレーサ３２、第二ディスプレーサ３６はそれぞれ第一シリンダ３７、第二シリンダ３８にそって往復移動する。

【0045】

第一ディスプレーサ３２は円筒状の外周面を有しており、第一ディスプレーサ３２の内部には、第一蓄冷材が充填されている。この第一ディスプレーサ３２の内部容積は第一蓄冷器５９として機能する。第一蓄冷器５９の上部には整流器４０が、下部には整流器４１が設置される。第一ディスプレーサ３２の高温端には、室温室３９から第一ディスプレーサ３２に冷媒ガスを流通する第一開口４２が形成されている。室温室３９は、第一シリンダ３７と第一ディスプレーサ３２の高温端により形成される空間であり、第一ディスプレーサ３２の往復移動に伴い容積が変化する。室温室３９には、圧縮機４３、サプライバルブ４４、リターンバルブ４５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、第一ディスプレーサ３２の高温端よりの部分と第一シリンダ３７との間にはシール４６が装着されている。

【0046】

第一ディスプレーサ３２の低温端には、第一膨張空間４７に第一クリアランスＣ１を介して冷媒ガスを導入する第二開口４８が形成されている。第一膨張空間４７は、第一シリンダ３７と第一ディスプレーサ３２により形成される空間であり、第一ディスプレーサ３２の往復移動に伴い容積が変化する。第一シリンダ３７外周の第一膨張空間４７に対応する位置には、図示しない被冷却物に熱的に接続された第一冷却ステージ４９が配置されており、第一冷却ステージ４９は第一クリアランスＣ１を通る冷媒ガスにより冷却される。

【0047】

第二ディスプレーサ３６は円筒状の外周面を有しており、第二ディスプレーサ３６の内部には、第二蓄冷材が充填されている。この第二ディスプレーサ３６の内部容積は第二蓄冷器５０を構成する。第一膨張空間４７と第二ディスプレーサ３６の高温端とは、図示しない連通路で連通されている。この連通路を介して第一膨張空間４７から第二蓄冷器５０に冷媒ガスが流通する。

【0048】

第二ディスプレーサ３６の低温端には、第二膨張空間５１に第二クリアランスＣ２を介して冷媒ガスを流通させるための第三開口５２が形成されている。第二膨張空間５１は、第二シリンダ３８と第二ディスプレーサ３６により形成される空間であり、第二ディスプレーサ３６の往復移動に伴い容積が変化する。第二クリアランスＣ２は、第二シリンダ３８の低温端部分と第二ディスプレーサ３６により形成されるものであり、この第二クリアランスＣ２は後述する螺旋溝を有する第二ディスプレーサ３６と第二シリンダ３８の間のクリアランスよりも大きくなるように構成される。

【0049】

第二シリンダ３８外周の第二膨張空間５１に対応する位置には、被冷却物に熱的に接続された第二冷却ステージ５３が配置されており、第二冷却ステージ５３は第二クリアランスＣ２を通る冷媒ガスにより冷却される。

【0050】

第一ディスプレーサ３２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。第一蓄冷材は例えば金網等により構成される。また、第二蓄冷材は、例えば鉛球等の蓄冷材をフェルト及び金網により軸方向に挟持することにより構成されている。

【0051】

さらに第二ディスプレーサ３６の外周面には、第二膨張空間５１に第二クリアランスＣ２を介して連通する始端を有するとともに、螺旋状に第一膨張空間４７側に延びる螺旋溝６０が形成されている。

【0052】

本実施例３においても、第一ディスプレーサ３２及び第二ディスプレーサ３６の双方は冷温端に熱伝達部３２ｂ、３６ｂをそれぞれ具備している。双方ともに二段状の円柱形状を有している。熱伝達部３２ｂは圧入ピン５４により本体部３２ａに固定され、熱伝達部３６ｂは圧入ピン５５により本体部３６ａに固定される。本実施例３においても、実施例１〜２において述べた理由により、第一冷却ステージ４９、第二冷却ステージ５３の双方において実質的な熱交換面積を増やして、冷却効率を高めることができる。

【0053】

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。

【0054】

例えば、上述した極低温冷凍機においては段数が一段及び二段である場合を示したが、この段数は三段等に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。

【産業上の利用可能性】

【0055】

本発明は、サイドクリアランスを介しての熱交換に実質的に寄与する熱交換面積を、冷却ステージの軸方向における長さを増大させることなく、効果的に増加させて、熱交換の効率を高めて、冷凍の効率を高めることができる。従って、種々の極低温冷凍機に適用可能なものである。

【符号の説明】

【0056】

１ 極低温冷凍機
２ ディスプレーサ
２ａ 本体部
２ａｂ 被重複部
２ａｂｈ 第二孔部
２ｂ 熱伝導部
２ｂａ 重複部
２ｂａｈ 第一孔部
３ 膨張空間
４ シリンダ
５ 冷却ステージ
６ 圧入ピン（挿入部）
７ 蓄冷器
８ 室温室
９ 整流器
１０ 整流器
１１ 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 開口

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】