特許 6284788 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】6284788

(24)【登録日】2018年2月9日

(45)【発行日】2018年2月28日

(54)【発明の名称】ディスプレーサ

(51)【国際特許分類】

   F25B 9/00 20060101AFI20180215BHJP

【ＦＩ】

   F25B9/00 D

   F25B9/00 311

【請求項の数】4

【全頁数】12

(21)【出願番号】特願2014-46142(P2014-46142)

(22)【出願日】2014年3月10日

(65)【公開番号】特開2015-169409(P2015-169409A)

(43)【公開日】2015年9月28日

【審査請求日】2016年9月15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】100105924

【弁理士】

【氏名又は名称】森下 賢樹

(74)【代理人】

【識別番号】100109047

【弁理士】

【氏名又は名称】村田 雄祐

(74)【代理人】

【識別番号】100109081

【弁理士】

【氏名又は名称】三木 友由

(74)【代理人】

【識別番号】100116274

【弁理士】

【氏名又は名称】富所 輝観夫

(72)【発明者】

【氏名】幾島 悠喜

【審査官】 金丸 治之

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０６−１５９８２８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１１−２４８２７９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０９−２２９５０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第０６０８２１１７（ＵＳ，Ａ）

【文献】 米国特許第０５３９８５１２（ＵＳ，Ａ）

【文献】 特開平０６−０７４５８６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ２５Ｂ ９／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

極低温冷凍機のディスプレーサであって、
高温端と低温端とを有し、冷媒ガスを流通させる容器と、
前記容器に充填された蓄冷材と、
前記容器のうち前記蓄冷材が充填されている領域に挿入された挿入部材とを備え、
前記挿入部材は、前記容器の高温端から低温端に向かう冷媒ガスの流路抵抗が、前記容器の低温端から高温端に向かう冷媒ガスの流路抵抗よりも大きくなるように構成され、
前記挿入部材は、ボルダの口金であることを特徴とするディスプレーサ。

【請求項2】

前記挿入部材は、
前記容器の高温端側に向けられた第１開口部と前記容器の低温端側に向けられた第２開口部とを有する冷媒ガスの流路を備え、
前記流路は、前記第１開口部の面積が、前記第２開口部の面積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請求項１に記載のディスプレーサ。

【請求項3】

前記極低温冷凍機は複数のディスプレーサを備える多段式の冷凍機であり、
前記ディスプレーサは、前記極低温冷凍機の最終段に備えられるディスプレーサであることを特徴とする請求項１または２に記載のディスプレーサ。

【請求項4】

極低温冷凍機のディスプレーサであって、
高温端と低温端とを有し、冷媒ガスを流通させる容器と、
前記容器に充填された蓄冷材と、
前記容器のうち前記蓄冷材が充填されている領域に挿入された挿入部材とを備え、
前記挿入部材は、前記容器の高温端から低温端に向かう冷媒ガスの流路抵抗が、前記容器の低温端から高温端に向かう冷媒ガスの流路抵抗よりも大きくなるように構成され、
前記挿入部材は、前記容器の高温端側の面に複数の錐体状の凸部を備える板であり、各錐体状の凸部における錐体の頂点と前記挿入部材の低温端側の面との間に冷媒ガスの流路が形成されており、
前記流路は、前記錐体の頂点における開口部の面積が、前記挿入部材の低温端側の面における開口部の面積よりも小さいことを特徴とするディスプレーサ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明はディスプレーサに関し、特に圧縮装置から供給される高圧の冷媒ガスをサイモン膨張させて寒冷を発生させる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】

ディスプレーサ式の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。膨張空間に隣接して冷却ステージが設けられており、膨張空間で発生した冷媒ガスの寒冷で冷却ステージに接続された冷却対象を冷却する。なお、冷媒ガスとしては、例えばヘリウムガスが用いられる。

【0003】

ディスプレーサは蓄冷材を収容している。圧縮機がディスプレーサに高温高圧の冷媒ガスを給気するとき、蓄冷材は冷媒ガスを冷却する。またディスプレーサが低温低圧の冷媒ガスを圧縮機に排気するとき、蓄冷材は冷媒ガスによって冷却される。このように、蓄冷材と冷媒ガスとは極低温冷凍機の動作中に熱を交換する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００８−２２４１６１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

蓄冷材と冷媒ガスとの間で交換する熱量を大きくするには、蓄冷材と冷媒ガスとの接触時間を長くする方がよい。一方、十分な寒冷を得るために冷媒ガスを膨張空間で十分に膨張させるには、冷媒ガスが蓄冷材を収容するディスプレーサから圧縮機に短時間で排気することが好ましい。冷媒ガスと蓄冷材との間の熱交換効率と、冷媒ガスの膨張のしやすさとは、極低温冷凍機の冷凍性能の安定化に影響する。このため、極低温冷凍機の冷凍性能を安定化するために、冷媒ガスの吸排気時における流速のバランスを調整する余地があると考えられる。

【0006】

本発明は、極低温冷凍機の冷凍性能を安定化する技術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】

【0007】

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のディスプレーサは、高温端と低温端とを有し、冷媒ガスを流通させる容器と、容器に充填された蓄冷材と、容器のうち蓄冷材が充填されている領域に挿入された挿入部材とを備える。挿入部材は、容器の高温端から低温端に向かう冷媒ガスの流路抵抗が、容器の低温端から高温端に向かう冷媒ガスの流路抵抗よりも大きくなるように構成されている。

【発明の効果】

【0008】

本発明によれば、極低温冷凍機の冷凍性能を安定化することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】実施の形態に係る極低温冷凍機の一例を模式的に示す図である。

【図2】実施の形態に係る第２蓄冷器の温度勾配の一例を示す図である。

【図3】図３（ａ）−（ｂ）は、実施の形態に係る挿入部材の形状の一例を模式的に示す断面図である。

【図4】実施の形態に係る挿入部材の形状の別の例を模式的に示す図である。

【図5】実施の形態に係る挿入部材の形状のさらに別の例を模式的に示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

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。

【0011】

図１は、実施の形態に係る極低温冷凍機１の一例を模式的に示す図である。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（Gifford-McMahon; GM）タイプの極低温冷凍機である。図１に示すように、極低温冷凍機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。

【0012】

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の高温端とが第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する容器である。また第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容器である。

【0013】

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。

【0014】

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。

【0015】

第１ディスプレーサ２は円筒状の外周面を有する容器である。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樹脂等が用いられる。第１ディスプレーサ２の内部には、例えばメッシュ状に加工された金属（金網）を積層した第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。

【0016】

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る。室温室１２は、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。

【0017】

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る。第１膨張空間１８は、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が配置されている。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。

【0018】

第２ディスプレーサ３は円筒状の外周面を有する容器である。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からなる第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などの磁性材からなる第３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。

【0019】

第２ディスプレーサ３は、冷媒ガスの流れる向きによって冷媒ガスの流路抵抗が異なる挿入部材３５が挿入されている。より具体的に、挿入部材３５は、第２ディスプレーサ３の高温端から低温端に向かう冷媒ガスの流路抵抗が、低温端から高温端に向かう冷媒ガスの流路抵抗よりも大きくなるように構成されている。挿入部材３５の詳細は後述する。

【0020】

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る。第２膨張空間２６は、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。

【0021】

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。

【0022】

第１ディスプレーサ２および第２ディスプレーサ３は、それぞれ低温端に蓋部２９および蓋部３０を備えてもよい。蓋部２９および蓋部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。蓋部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、蓋部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。

【0023】

次に、実施の形態に係る極低温冷凍機１の冷却サイクルを説明する。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（例えば２．２ＭＰａ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。

【0024】

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。

【0025】

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。以上が冷媒ガスの給気工程である。

【0026】

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し、低圧のヘリウムガス（例えば０．８ＭＰａのヘリウムガス）となる。このとき、冷媒ガスの膨張により、寒冷が発生する。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の熱を吸収する。また、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。

【0027】

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、第２蓄冷材、および第３蓄冷材は、冷媒ガスにより冷却される。すなわち、第１蓄冷材、第２蓄冷材、および第３蓄冷材は、冷媒ガスの膨張により生じた寒冷を蓄積する。以上が冷媒ガスの排気工程である。給気工程と排気工程とを合わせた工程を１サイクルとする冷却サイクルを繰り返すことで、極低温冷凍機１は第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。

【0028】

次に、実施の形態に係る挿入部材３５についてより詳細に説明する。

【0029】

上述したように、極低温冷凍機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ディスプレーサ３内の第２蓄冷器３４へ流入と流出を繰り返す動作を含む。極低温冷凍機１の動作中、第２蓄冷器３４の蓄冷材は、第２蓄冷器３４の軸に沿って温度勾配が生じる。

【0030】

図２は、実施の形態に係る第２蓄冷器３４の温度勾配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として正規化した場合における第２蓄冷器３４の温度勾配を示すグラフである。図２に示すように、第２蓄冷器３４の温度勾配は、高温端から低温端に向けて線形に減少するものではない。図２に示すように、第２蓄冷器３４の高温端（正規化距離が０）では温度は４０Ｋ程度であり、低温端（正規化距離が１）では温度が５Ｋ程度である。

【0031】

上述した冷却サイクルの給気工程において、第２ディスプレーサ３の高温端から４０Ｋ程度の温度の冷媒ガスが流入する。第２ディスプレーサ３の高温端に流入した冷媒ガスは、第２蓄冷器３４内の蓄冷材に冷却されながら低温端に向かう。このため、給気工程において第２ディスプレーサ３の高温端に流入した冷媒ガスが十分に冷却されずに流れると、比較的高温の冷媒ガスが第２膨張空間２６に流入することになり、極低温冷凍機１の冷凍性能を低下させる要因となる。

【0032】

一方、上述した冷却サイクルの排気工程において、第２膨張空間２６で減圧され膨張する冷媒ガスは、第２ディスプレーサ３の低温端から流入し、第２蓄冷器３４内の蓄冷材を通って高温端から流出する。このため、排気工程において第２ディスプレーサ３の低温端に流入した冷媒ガスが第２ディスプレーサ３を速やかに通過できないと、冷媒ガスは第２膨張空間２６で十分な膨張が得られない。

【0033】

冷媒ガスが蓄冷材と接触する時間を長くすることで、冷媒ガスと蓄冷材との間の熱交換を十分に行うことができる。これは蓄冷材の中を流れる冷媒ガスの流速を小さくすることで実現できる。これに対し、第２膨張空間２６で冷媒ガスを十分に膨張させるためには、蓄冷材の中を流れる冷媒ガスの流速を大きくすればよい。しかしながら、一般に蓄冷材はメッシュ形状や粒形状である。これらの形状は、第２ディスプレーサ３の高温端から低温端に向かう方向と、低温端から高温端に向かう方向とについて等方的な形状である。したがって、第２ディスプレーサ３が収容する蓄冷材は、第２ディスプレーサ３の高温端から低温端に向かう冷媒ガスの流路抵抗と、低温端から高温端に向かう冷媒ガスの流路抵抗とは、実質的に等しい。

【0034】

そこで実施の形態に係る第２ディスプレーサ３は、蓄冷材が充填されている領域に、流路抵抗に異方性がある挿入部材３５を備える。

【0035】

図３（ａ）−（ｂ）は、実施の形態に係る挿入部材３５の形状の一例を模式的に示す断面図である。図３（ａ）は、挿入部材３５がいわゆるボルダの口金（Borda's mouthpiece）である場合の断面を示す図である。ボルダの口金は、第１開口部３５ａと第２開口部３５ｂとを両端に備える漏斗状の形状であり、第１開口部３５ａの面積が、第２開口部３５ｂの面積よりも小さい。挿入部材３５は、第１開口部３５ａが高温端に向き、第２開口部３５ｂが低温端に向くようにして、第２ディスプレーサ３の蓄冷材が充填されている領域に挿入される。

【0036】

挿入部材３５は、第２開口部３５ｂから第１開口部３５ａに向かって、冷媒ガスの流路面積が連続的に減少する。このため、冷媒ガスが第２ディスプレーサ３の低温端から高温端に向かって流れるとき、冷媒ガスは第２開口部３５ｂから挿入部材３５に流入する。一方、冷媒ガスが第２ディスプレーサ３の高温端から低温端に向かって流れるとき、冷媒ガスは第１開口部３５ａから挿入部材３５に流入する。そのため、冷媒ガスが第２ディスプレーサ３の低温端から高温端に向かって流れるときの挿入部材３５の流入口の面積は、冷媒ガスが第２ディスプレーサ３の高温端から低温端に向かって流れるときの挿入部材３５の流入口の面積よりも大きい。したがって、挿入部材３５は、第２ディスプレーサ３の高温端から低温端に向かう冷媒ガスの流路抵抗が、低温端から高温端に向かう冷媒ガスの流路抵抗よりも大きくなる。結果として、冷却サイクルの給気工程において第２ディスプレーサ３の高温端から低温端に向かうときの冷媒ガスの流速は、排気工程において低温端から高温端に向かうときの流速よりも小さくなる。ゆえに、給気工程においては冷媒ガスは蓄冷材によって冷却されやすくなり、排気工程において冷媒ガスは第２膨張空間２６で膨張しやすくなる。

【0037】

図３（ａ）に示すように、ボルダの口金の断面は曲線である。このため、第２開口部３５ｂから第１開口部３５ａに向かうとき、挿入部材３５の流路面積は非線形に変化する。より具体的には、挿入部材３５の両端、すなわち第１開口部３５ａおよび第２開口部３５ｂ付近の流路面積の変化率は、挿入部材３５の中央部の変化率よりも小さい。

【0038】

この他、挿入部材３５は、流路面積が線形に変化する線形テーパ形状であってもよい。図３（ｂ）は、挿入部材３５が線形テーパである場合の断面を示す図である。図３（ｂ）に示す挿入部材３５も、図３（ａ）に示す挿入部材３５と同様に、第１開口部３５ａと第２開口部３５ｂとを両端に備える。挿入部材３５の第１開口部３５ａの面積は第２開口部３５ｂの面積よりも小さい。挿入部材３５は、第１開口部３５ａが高温端に向き、第２開口部３５ｂが低温端に向くようにして、第２ディスプレーサ３の蓄冷材が充填されている領域に挿入される。これにより、図３（ｂ）に示す挿入部材３５も、第２ディスプレーサ３の高温端から低温端に向かう冷媒ガスの流路抵抗が、低温端から高温端に向かう冷媒ガスの流路抵抗よりも大きくなる。

【0039】

図４（ａ）−（ｂ）は、実施の形態に係る挿入部材３５の形状の別の例を模式的に示す図である。この挿入部材３５は、複数の冷媒ガスの流路を備える円板形状のパンチング板である。図４（ａ）は挿入部材３５の上面図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）におけるＡ−Ａ’断面図である。

【0040】

図４に示す挿入部材３５は、第２ディスプレーサ３の蓄冷材が充填されている領域に嵌挿される。挿入部材３５は例えばステンレス等の金属で構成されており、打ち抜き加工（パンチング）によって複数の冷媒ガスの流路が形成されている。これらの冷媒ガスの流路はそれぞれ、第２ディスプレーサ３の高温端側に向けられた第１開口部３５ａと、低温端側に向けられた第２開口部３５ｂとを備えている。

【0041】

図４（ｂ）に示すように、各冷媒ガスの流路において、第１開口部３５ａの面積は第２開口部３５ｂの面積よりも小さくなるように構成されている。これにより、冷媒ガスが第２ディスプレーサ３の低温端から高温端に向かって流れるときに挿入部材３５を通過するための流入口の面積は、高温端から低温端に向かって流れるときの面積よりも大きくなる。したがって、挿入部材３５は、第２ディスプレーサ３の高温端から低温端に向かう冷媒ガスの流路抵抗が、低温端から高温端に向かう冷媒ガスの流路抵抗よりも大きくなる。結果として、冷却サイクルの給気工程において第２ディスプレーサ３の高温端から低温端に向かうときの冷媒ガスの流速は、排気工程において低温端から高温端に向かうときの流速よりも小さくなる。ゆえに、給気工程においては冷媒ガスは蓄冷材によって冷却されやすくなり、排気工程において冷媒ガスは第２膨張空間２６で膨張しやすくなる。

【0042】

図５（ａ）−（ｂ）は、実施の形態に係る挿入部材３５の形状のさらに別の例を模式的に示す図である。この挿入部材３５は、複数の冷媒ガスの流路を備える円形状の板状部材である。図５（ａ）は挿入部材３５の上面図であり、図５（ｂ）は、図５（ａ）におけるＡ−Ａ’断面図である。

【0043】

図５に示す挿入部材３５も、図４に示す挿入部材３５と同様に、第２ディスプレーサ３の蓄冷材が充填されている領域に嵌挿される。挿入部材３５は例えば布入りフェノール等の樹脂であり、一方の面にエンボス加工が施されている。このため、図５に示す挿入部材３５は、エンボス加工が施されている面に複数の錐体状の凸部を備える。ここで各錐体状の凸部における錐体の頂点と挿入部材３５のもう一方の面とは貫通しており、冷媒ガスの流路が形成されている。この流路はそれぞれ、錐体の頂点側に第１開口部３５ａ、もう一方の面側に第２開口部３５ｂを備えており、第１開口部３５ａの面積が、第２開口部３５ｂの面積よりも小さくなっている。挿入部材３５は、第２ディスプレーサ３の高温端側に第１開口部３５ａ、低温端側に第２開口部３５ｂが向くように、第２ディスプレーサ３に嵌挿される。

【0044】

これにより、冷媒ガスが第２ディスプレーサ３の低温端から高温端に向かって流れるときに挿入部材３５を通過するための流入口の面積は、高温端から低温端に向かって流れるときの面積よりも大きくなる。したがって、挿入部材３５は、第２ディスプレーサ３の高温端から低温端に向かう冷媒ガスの流路抵抗が、低温端から高温端に向かう冷媒ガスの流路抵抗よりも大きくなる。結果として、冷却サイクルの給気工程において第２ディスプレーサ３の高温端から低温端に向かうときの冷媒ガスの流速は、排気工程において低温端から高温端に向かうときの流速よりも小さくなる。ゆえに、給気工程においては冷媒ガスは蓄冷材によって冷却されやすくなり、排気工程において冷媒ガスは第２膨張空間２６で膨張しやすくなる。

【0045】

ここで、図４および図５に示す挿入部材３５は、複数の冷媒ガスの流路が、挿入部材３５の表面に分散して配置されている。このため、図３に示す挿入部材３５と比較すると、冷媒ガスは第２ディスプレーサ３内の広い範囲において挿入部材３５を通過することができる。したがって、図４および図５に示す挿入部材３５を通過後に冷媒ガスが蓄冷材と接触する面積も、図３に示す挿入部材３５と比較して広くなる。ゆえに、図４および図５に示す挿入部材３５は、図３に示す挿入部材３５と比較して、挿入部材３５を通過した冷媒ガスと蓄冷材との間の熱交換効率を向上できる。

【0046】

一方、図４および図５に示す挿入部材３５は、図３に示す挿入部材３５よりも厚みがある。このため、第２ディスプレーサ３に挿入したときに、図３に示す挿入部材３５は、図４および図５に示す挿入部材３５と比較して死容積（dead volume）が小さくなる。したがって、第２ディスプレーサ３に挿入したときに、図３に示す挿入部材３５は、図４および図５に示す挿入部材３５と比較して、蓄冷材をより多く充填することができる。

【0047】

以上説明したように、実施の形態に係る第２ディスプレーサ３は、図３、図４、または図５に示す挿入部材３５を備えることにより、第２ディスプレーサ３の高温端から低温端に向かう冷媒ガスの流路抵抗が、低温端から高温端に向かう冷媒ガスの流路抵抗よりも大きくなる。これにより、給気工程において冷媒ガスが蓄冷材と接触する時間が長くなり、冷媒ガスは蓄冷材によって十分冷却される。また排気工程においては冷媒ガスは第２ディスプレーサ３から速やかに排出されるため、冷媒ガスは第２膨張空間２６で膨張しやすくなる。この結果、極低温冷凍機１の冷凍性能を安定化することができる。

【0048】

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。

【0049】

上述した極低温冷凍機においては段数が二段である場合を示したが、この段数は一段であってもよいし、三段以上に適宜選択してもよい。また、実施の形態では、極低温冷凍機がディスプレーサ式のＧＭ冷凍機を例について説明したが、これに限られない。蓄冷器内部を冷媒ガスが往復する冷凍機であれば本発明を適用することができ、例えば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。

【0050】

上記では挿入部材３５を第２ディスプレーサ３が収容する蓄冷材の中に挿入する場合について主に説明した。挿入部材３５は第２ディスプレーサ３に代えて、あるいはこれに加えて、第１ディスプレーサ２に挿入してもよい。挿入部材３５を第１ディスプレーサ２に挿入することにより、冷却サイクルの給気工程において第１ディスプレーサ２の高温端から低温端に向かうときの冷媒ガスの流速は、排気工程において低温端から高温端に向かうときの流速よりも小さくなる。ゆえに、給気工程においては冷媒ガスは第１ディスプレーサ２内の蓄冷材によって冷却されやすくなり、排気工程において冷媒ガスは第１膨張空間１８で膨張しやすくなる。これにより、極低温冷凍機１の冷凍性能をさらに安定化することができる。

【0051】

ここで上述したように、第１ディスプレーサ２が収容する蓄冷材はメッシュ状に加工された金属を積層したものである。したがって第１ディスプレーサ２に図３に示す挿入部材３５を挿入する場合、蓄冷材であるメッシュとメッシュとの間に挿入するしてもよい。

【0052】

一方、第２ディスプレーサ３が収容する蓄冷材は、例えば直径が０．５ｍｍ程度の球状に加工された金属である。このため、第２ディスプレーサ３が収容する蓄冷材に図３に示す挿入部材３５を挿入すると、挿入部材３５は蓄冷材によって保持され、その形状も保たれる。そのため、図３に示す挿入部材３５は、第２ディスプレーサ３に挿入することが好ましい。極低温冷凍機１が３つ以上のディスプレーサを備える多段式の冷凍機である場合は、図３に示す挿入部材３５は、その最終段に備えられるディスプレーサに挿入するのが好ましい。

【符号の説明】

【0053】

１ 極低温冷凍機、 Ｃ１ 第１クリアランス、 ２ 第１ディスプレーサ、 Ｃ２ 第２クリアランス、 ３ 第２ディスプレーサ、 ４ ピン、 ５ コネクタ、 ６ ピン、 ７ 第１シリンダ、 ８ 第２シリンダ、 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 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 蓋部、 ３１，３２ 圧入ピン、 ３４ 第２蓄冷器、 ３５ 挿入部材、 ３５ａ 第１開口部、 ３５ｂ 第２開口部。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】