特許 6376793 蓄冷器式冷凍機

(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】6376793

(24)【登録日】2018年8月3日

(45)【発行日】2018年8月22日

(54)【発明の名称】蓄冷器式冷凍機

(51)【国際特許分類】

   F25B 9/00 20060101AFI20180813BHJP

   F25B 9/14 20060101ALI20180813BHJP

【ＦＩ】

   F25B9/00 D

   F25B9/14 530Z

【請求項の数】2

【全頁数】11

(21)【出願番号】特願2014-63108(P2014-63108)

(22)【出願日】2014年3月26日

(65)【公開番号】特開2015-183970(P2015-183970A)

(43)【公開日】2015年10月22日

【審査請求日】2016年8月10日

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２５年度、独立行政法人情報通信研究機構「高度通信・放送研究開発委託研究／光・量子情報通信用超伝導単一光子検出システムの小型化技術の研究開発 副題；小型２Ｋ冷凍システム」、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願

(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】許 名堯

【審査官】 庭月野 恭

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００９−１０３４１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−２３７４７８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−２４２４８４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−０２０７１６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−０９６０４０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１１−２５７７７１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０４−２８８４５５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実開昭６１−１５９７６６（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 特開２００６−０９０６４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第９８／０２８５８５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２００５／０２２３７１４（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 国際公開第９７／０３１２２６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 増山新二、鈴木雄文、長尾望宏、沼澤健則，4K-GM冷凍機の２段目蓄冷器の等価的形状変化，第88回 2013年度秋季低温工学・超電導学会，日本，公益社団法人 低温工学・超電導学会，２０１３年１２月 ４日，７１頁

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ２５Ｂ ９／００，９／１４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

蓄冷器式冷凍機であって、
寒冷を蓄積するＧｄ_２Ｏ_２Ｓを含む磁性蓄冷材と、
前記磁性蓄冷材を低温側領域に収容し、非磁性蓄冷材を高温側領域に収容する容器と、を含む蓄冷器を備え、
前記容器のうち前記磁性蓄冷材を収容した前記低温側領域は、
前記蓄冷器式冷凍機の動作中にＧｄ_２Ｏ_２Ｓの比熱が極大となる４．５Ｋ〜５．５Ｋの温度範囲を含む第１領域と、前記第１領域とは異なる温度範囲である第２領域とを含み、
前記第１領域においてＧｄ_２Ｏ_２Ｓを収容する部分の断面積は、前記第２領域においてＧｄ_２Ｏ_２Ｓを収容する部分の断面積と比較して小さく、
前記磁性蓄冷材はＨｏＣｕ_２をさらに含み、前記第１領域は、前記蓄冷器式冷凍機の動作中において４．５Ｋ〜１０Ｋの温度範囲であり、
前記第１領域においてＨｏＣｕ_２を収容する部分の断面積は、前記高温側領域の断面積と比較して小さく、
前記容器のうち前記磁性蓄冷材を収容した前記低温側領域は、前記高温側領域よりも軸方向の温度勾配が緩やかであることを特徴とする蓄冷器式冷凍機。

【請求項2】

前記容器は、前記第１領域に、磁性蓄冷材とは異なる挿入部材を収容していることを特徴とする請求項１に記載の蓄冷器式冷凍機。

【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のサイモン膨張により発生した寒冷を蓄積する蓄冷器式冷凍機に関する。

【背景技術】

【0002】

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。この蓄冷式冷凍機は、膨張室内のヘリウムガスを膨張させて寒冷を発生させる。膨張室で発生したヘリウムガスの寒冷は、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。

【0003】

蓄冷器には蓄冷材が用いられる。銅等の非磁性材からなる蓄冷材は、たとえば１０Ｋ以下の極低温領域においては、冷媒ガスであるヘリウムガスの比熱よりも小さくなる。そのため、極低温領域における蓄冷器には、その温度領域において比熱が大きい磁性材からなる蓄冷材が用いられる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】国際公開第１９９７／０３１２２６号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

本発明は、蓄冷器式冷凍機の冷凍性能を維持しつつ、磁性蓄冷材の使用量を抑え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】

【0006】

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、寒冷を蓄積する磁性蓄冷材と磁性蓄冷材を収容する容器とを含む蓄冷器を備える。容器のうち磁性蓄冷材を収容した部分は、蓄冷器式冷凍機の動作中に磁性蓄冷材の比熱が極大となる温度範囲を含む第１領域と、第１領域とは異なる温度範囲である第２領域とを含む。第１領域において磁性蓄冷材を収容する部分の断面積は、第２領域において磁性蓄冷材を収容する部分の断面積と比較して小さい。

【発明の効果】

【0007】

本発明によれば、蓄冷器式冷凍機の冷凍性能を維持しつつ、磁性蓄冷材の使用量を抑えることができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】実施の形態に係る蓄冷器式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蓄冷器の温度プロファイルの一例を示す図である。

【図3】磁性蓄冷材の比熱の温度変化を示す図である。

【図4】第２蓄冷器の低温側領域に収容する磁性蓄冷材が、２種類である場合を示す図である。

【図5】第１の変形例に係る蓄冷器式冷凍機の一例を模式的に示す図である。

【図6】第２の変形例に係る蓄冷器式冷凍機の一例を模式的に示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

一般に、磁性材からなる蓄冷材は、非磁性材からなる蓄冷材よりもコストがかかる。このため、蓄冷器およびその蓄冷器を備える蓄冷器式冷凍機のコスト削減の観点から、本発明の実施の形態に係る蓄冷器式冷凍機は、蓄冷器のうち磁性蓄冷材を収容する部分の断面積は、非磁性蓄冷材を収容する部分の断面積と比較して小さい。

【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、実施の形態に係る蓄冷器式冷凍機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（Gifford-McMahon; 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とを備える。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。

【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している。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やＧｄ_２Ｏ_２Ｓ（ＧＯＳ）などの磁性材からなる第３蓄冷材が充填される。低温側領域２５にはさらに、磁性蓄冷材とは異なる挿入部材３５も収容されている。挿入部材３５の詳細は後述する。

【0019】

鉛やビスマス、ＨｏＣｕ_２やＧＯＳ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。

【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。

【0023】

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。

【0024】

次に、実施の形態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（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。

【0025】

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。

【0026】

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。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。

【0028】

次に、実施の形態に係る第２蓄冷器３４の内部構成についてより詳細に説明する。以下では、まず第２蓄冷器３４の温度プロファイル（温度勾配）、および磁性蓄冷材の比熱の温度変化について説明する。

【0029】

図２は、実施の形態に係る第２蓄冷器３４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として正規化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２に示すように、蓄冷器式冷凍機１が動作中に、第２蓄冷器３４の高温端（正規化距離が０）は、温度が４０Ｋ程度となり、低温端（正規化距離が１）は温度が５Ｋ程度となる。

【0030】

上述したように、第２蓄冷器３４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やＧｄ_２Ｏ_２Ｓ（ＧＯＳ）などの磁性材からなる第３蓄冷材が充填される。ここで低温側領域２５は、第２蓄冷器３４のうち、温度が４Ｋ程度〜１０Ｋ程度の範囲となる領域である。

【0031】

図３は、磁性蓄冷材の比熱の温度変化を示す図であり、より具体的には、極低温領域におけるＨｏＣｕ_２およびＧＯＳの比熱の温度変化を示すグラフである。図３に示すように、ＨｏＣｕ_２およびＧＯＳは、温度が４Ｋ程度〜１０Ｋ程度の範囲、すなわち、第２蓄冷器３４のうちＨｏＣｕ_２やＧＯＳが収容される領域の温度範囲に、比熱が極大となるピークを持つ。例えば、ＨｏＣｕ_２の比熱は、温度が約６Ｋおよび約９Ｋの２箇所において比熱が極大となる。またＧＯＳの比熱は約５Ｋにおいて、非常に先鋭なピークを持つ。

【0032】

磁性蓄冷材が充填された領域を冷媒ガスが流れると、冷媒ガスと磁性蓄冷材との間で熱交換が行われる。ここで、磁性蓄冷材の熱浸透の深さＬは、蓄冷材の比熱Ｃが大きくなるほど、小さな値となる。また磁性蓄冷材の熱浸透の深さＬは、磁性蓄冷材の表面の温度Ｔ_ｏと磁性蓄冷材の内部の温度Ｔ_ｉとの差ΔＴが大きいほど、大きな値となる。

【0033】

磁性蓄冷材の表面は、冷媒ガスとの間の熱交換によって冷却される。ここで磁性蓄冷材と冷媒ガスとの間の熱伝達係数ｈは冷媒ガスの流速Ｖに依存し、冷媒ガスの流速Ｖが早いほど、熱伝達係数ｈが大きくなる。

【0034】

一般に、第２蓄冷器３４は円筒形状の容器でありその断面積Ｓは容器の軸方向の位置によらず一定である。また、磁性蓄冷材は、半径がほぼ一定となるように加工された球形状の粒子である。したがって、第２蓄冷器３４は、断面積Ｓが一定な容器に一様な球形状部材が充填されたものであるといえる。また、第２蓄冷器３４の低温側領域２５は軸方向の温度勾配が緩やかである。このため、第２蓄冷器３４の低温側領域２５の冷媒ガスの粘度は、軸方向の位置によらずほぼ等しいといえる。したがって、低温側領域２５の冷媒ガスの流路抵抗Ｒは、容器の軸方向の位置によらずほぼ一定とみなすことができる。結果として、第２蓄冷器３４の低温側領域２５を流れる冷媒ガスの流速Ｖも低温側領域２５の位置によらず一定となる。

【0035】

冷媒ガスの流速Ｖが第２蓄冷器３４の低温側領域２５の位置によらず一定の場合、磁性蓄冷材と冷媒ガスとの間の熱伝達係数ｈも低温側領域２５の位置によらずほぼ一定となる。磁性蓄冷材と冷媒ガスとの間の熱伝達係数ｈが一定の場合、磁性蓄冷材の表面の温度Ｔ_ｏと磁性蓄冷材の内部の温度Ｔ_ｉとの差ΔＴも容器の位置によらず一定となる。したがって、磁性蓄冷材の熱浸透の深さＬも、低温側領域２５の位置によらず、ほぼ一定となる。

【0036】

熱浸透が浅い場合は、熱浸透が深い場合と比較して、磁性蓄冷材の全体の体積に対して蓄冷に寄与する部分の体積が小さくなる。特に、比熱がピークとなる温度範囲にある磁性蓄冷材は、他の領域と比較して比熱Ｃが大きい。そのため、第２蓄冷器３４の低温側領域２５に収容される磁性蓄冷材は、一様に熱浸透の深さＬが浅く、磁性蓄冷材粒子の表層のみが蓄冷に寄与していると考えられる。

【0037】

そこで実施の形態に係る第２蓄冷器３４の低温側領域２５は、蓄冷器式冷凍機１の動作中に磁性蓄冷材の比熱が極大となる温度範囲を含む領域における容器の断面積Ｓ_１が、他の温度範囲における容器の断面積Ｓ_２と比較して、小さくなるように構成されている。以下説明の便宜上、第２蓄冷器３４を構成する容器のうち、蓄冷器式冷凍機１が動作中において磁性蓄冷材の比熱が極大となる温度範囲とを含む領域を「第１領域３６」という。また、第２蓄冷器３４を構成する容器のうち、蓄冷器式冷凍機１が動作中において磁性蓄冷材の比熱が極大となる温度範囲以外の領域を「第２領域３７」という。すなわち、第１領域３６における容器の断面積がＳ_１であり、第２領域３７における容器の断面積がＳ_２である。

【0038】

図１において、第２蓄冷器３４のうち挿入部材３５が収容されている領域が第１領域３６である。挿入部材３５は、例えばフェノール樹脂や金属等の冷媒ガスを通過させない物質で構成されている。このため、第１領域３６に挿入部材３５を挿入することにより、第１領域３６における容器の断面積Ｓ_１を実質的に小さくすることができる。第２蓄冷器３４を流れる冷媒ガスの流量は容器の位置によらず一定であるため、冷媒ガスの流速Ｖは、容器の断面積Ｓに反比例する。したがって、第１領域３６を流れる冷媒ガスの流速Ｖ_１は、第２領域３７を流れる冷媒ガスの流速Ｖ_２よりも早くなる。

【0039】

第１領域３６において冷媒ガスの流速Ｖ_１が早くなると、第１領域３６における磁性蓄冷材と冷媒ガスとの間の熱伝達係数ｈ_１も大きくなる。磁性蓄冷材と冷媒ガスとの間の熱伝達係数ｈ_１が大きいほど、磁性蓄冷材の表面は冷媒ガスによってより冷やされる。したがって、第１領域３６における磁性蓄冷材粒子の表面温度Ｔ_ｏ１は、挿入部材３５を挿入する前と比較して低くなる。このため、第１領域３６における磁性蓄冷材粒子の表面の温度Ｔ_ｏ１と磁性蓄冷材粒子の内部の温度Ｔ_ｉ１との差ΔＴ_１は、挿入部材３５を挿入する前と比較して大きくなる。結果として、第１領域３６における磁性蓄冷材粒子の熱浸透の深さＬ_１は、挿入部材３５を挿入する前と比較して大きくなる。つまり、挿入部材３５を挿入することにより、第１領域３６における磁性蓄冷材粒子の蓄冷に寄与する部分の体積を増加することができる。

【0040】

ここで、第１領域３６に挿入部材３５を挿入すると、挿入部材３５の体積の分だけ、第１領域３６に充填できる磁性蓄冷材の体積が減ることになる。一般に、蓄冷器式冷凍機１において磁性蓄冷材の体積を減らすことは、蓄冷器式冷凍機１の冷凍性能低下に帰着する。しかしながら、上述したように磁性蓄冷材の比熱Ｃがピークとなる温度範囲に収容されている磁性蓄冷材は、比熱Ｃが大きい分だけ熱浸透の深さＬの値が小さいため、その蓄冷性能を十分に発揮していないと考えられる。これはつまり、磁性蓄冷材の比熱Ｃがピークとなる温度範囲に収容されている磁性蓄冷材の蓄冷能力を十分に発揮させることができれば、磁性蓄冷材の体積が減ったとしても、蓄冷器式冷凍機１が性能を維持できることを示している。

【0041】

実施の形態に係る第２蓄冷器３４は、第１領域３６に挿入部材３５を挿入することで第１領域３６を流れる冷媒ガスの流速Ｖ_１を早くすることにより、磁性蓄冷材の蓄冷能力を向上している。結果として、蓄冷器式冷凍機１の冷凍性能を維持しつつ、磁性蓄冷材の使用量を抑えることができる。また、第１領域３６に挿入部材３５を挿入することで第１領域３６における容器の断面積Ｓ_１を小さくするので、第２蓄冷器３４自体の形状を変える必要はない。このため従来の第２蓄冷器３４を流用することができ、蓄冷器式冷凍機１の製造コストの増加を抑制できる。

【0042】

図１は、第２蓄冷器３４の低温側領域２５に収容する磁性蓄冷材が、ＨｏＣｕ_２である場合を図示している。図３に示すように、ＨｏＣｕ_２は約６Ｋおよび約９Ｋの２箇所において比熱Ｃが極大となる。したがって、第１領域３６は、第２蓄冷器３４の低温側領域２５のうち、蓄冷器式冷凍機１の動作中において５〜１０Ｋの温度範囲とするのが好ましい。これにより、第１領域３６には挿入部材３５が挿入されるため充填できるＨｏＣｕ_２の量は減るが、ＨｏＣｕ_２の熱浸透の深さＬが深くなるので、結果として冷凍性能は維持される。ゆえに、磁性蓄冷材の量を削減しつつ蓄冷器式冷凍機１の冷凍性能を維持することができる。

【0043】

図４は、第２蓄冷器３４の低温側領域２５に収容する磁性蓄冷材が、ＨｏＣｕ_２とＧＯＳとの２種類である場合を示す図である。図１に示す場合と比較して磁性蓄冷材の種類が増えるため、低温側領域２５には仕切り材２３’が挿入され、第１低温側領域２５ａと第２低温側領域２５ｂとに分割されている。図４において、ＨｏＣｕ_２は、第１低温側領域２５ａに充填され、ＧＯＳは第２低温側領域２５ｂに充填される。ＨｏＣｕ_２は約６Ｋおよび約９Ｋの２箇所において比熱Ｃが極大となるので、第１低温側領域２５ａは蓄冷器式冷凍機１の動作中において５〜１０Ｋの温度範囲とするのが好ましい。

【0044】

図３に示すように、ＧＯＳは約５Ｋのときに比熱Ｃが極大となる。そこで、ＧＯＳは、５Ｋを含むように、例えば蓄冷器式冷凍機１の動作中において４．５Ｋ〜５．５Ｋの温度範囲とするのが好ましい。以上より、第１領域３６は、４．５Ｋ〜１０Ｋの温度範囲とするのが好ましい。これにより、磁性蓄冷材がＨｏＣｕ_２とＧＯＳとを含む場合に、第１領域３６においてそれらの比熱Ｃが極大となる。第１領域３６は挿入部材３５の影響で冷媒ガスの流速Ｖ_１が早くなるため、ＨｏＣｕ_２とＧＯＳとの熱浸透の深さＬが深くなり、結果として磁性蓄冷材の体積が減っても冷凍性能は維持される。なお、第１領域３６は、第１低温側領域２５ａと、第２低温側領域２５ｂの一部とを含む。

【0045】

以上説明したように、本発明の蓄冷器式冷凍機１によれば、冷凍性能を維持しつつ、蓄冷材の使用量を抑えることができる。

【0046】

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。

【0047】

上記では、蓄冷器式冷凍機１の第２蓄冷器３４における第１領域３６に、挿入部材３５を挿入することでその断面積Ｓ_１を小さくする場合について説明した。しかしながら、第１領域３６の断面積Ｓ_１を小さくする方法は上記の場合に限られない。

【0048】

図５は、第１の変形例に係る蓄冷器式冷凍機１の一例を模式的に示す図であり、第２蓄冷器３４の低温側領域２５に収容する磁性蓄冷材がＨｏＣｕ_２である場合を示す図である。図５に示すように、第１の変形例に係る蓄冷器式冷凍機１の第２蓄冷器３４は、挿入部材３５が挿入されていない。その代わり、第１の変形例に係る第２蓄冷器３４は、第１領域３６に相当する部分の側壁が肉厚となり、その分だけ容器の断面積Ｓ_１が小さくなっている。これにより、第１領域３６に充填できるＨｏＣｕ_２の量は減るが、第１領域３６を流れる冷媒ガスの流速Ｖ_１が早くなるため、ＨｏＣｕ_２の熱浸透の深さＬが深くなる。結果として、磁性蓄冷材の量を削減しても蓄冷器式冷凍機１の冷凍性能は維持される。

【0049】

図６は、第２の変形例に係る蓄冷器式冷凍機１の一例を模式的に示す図であり、第２蓄冷器３４の低温側領域２５に収容する磁性蓄冷材がＨｏＣｕ_２とＧＯＳとの２種類である場合を示す図である。図６に示す例も、図４に示す例と同様に、仕切り材２３’によって低温側領域２５が第１低温側領域２５ａと第２低温側領域２５ｂとに分割されている。

【0050】

第１低温側領域２５ａにはＨｏＣｕ_２が充填される。また、第２低温側領域２５ｂにはＧＯＳが充填される。ここで第１低温側領域２５ａと、第２低温側領域２５ｂのうち、仕切り材２３’に隣接する領域の一部が第１領域に相当する。図６に示す蓄冷器式冷凍機１の第２蓄冷器３４は、図５に示す例と同様に、第１領域３６に相当する部分の側壁が肉厚となり、その分だけ容器の断面積Ｓ_１が小さくなっている。これにより、第１領域３６に充填できるＨｏＣｕ_２およびＧＯＳの量は減るが、第１領域３６を流れる冷媒ガスの流速Ｖ_１が早くなるため、ＨｏＣｕ_２およびＧＯＳの熱浸透の深さＬが深くなる。結果として、磁性蓄冷材の量を削減しても蓄冷器式冷凍機１の冷凍性能は維持される。

【0051】

上述した蓄冷器式冷凍機１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１がディスプレーサ式の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、パルスチューブ型のＧＭ冷凍機、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。

【符号の説明】

【0052】

１ 蓄冷器式冷凍機、 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 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 蓋部、 ３１，３２ 圧入ピン、 ３４ 第２蓄冷器、 ３５ 挿入部材、 ３６ 第１領域、 ３７ 第２領域。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】