特許 6403539 極低温冷凍機

(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】6403539

(24)【登録日】2018年9月21日

(45)【発行日】2018年10月10日

(54)【発明の名称】極低温冷凍機

(51)【国際特許分類】

   F25B 9/14 20060101AFI20181001BHJP

【ＦＩ】

   F25B9/14 530Z

【請求項の数】9

【全頁数】12

(21)【出願番号】特願2014-220594(P2014-220594)

(22)【出願日】2014年10月29日

(65)【公開番号】特開2016-90061(P2016-90061A)

(43)【公開日】2016年5月23日

【審査請求日】2017年4月17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】許 名堯

【審査官】 西山 真二

(56)【参考文献】

【文献】 特開平１０−１２２６８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実開昭４８−１００２３６（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 米国特許第０６５３２７４８（ＵＳ，Ｂ１）

【文献】 特開２００２−２５７４２８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−２８４０６１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−１４２４７９（ＪＰ，Ａ）

(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】

内部空間を有し、当該内部空間を作動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作動ガスの膨張空間を形成するシリンダと、
前記シリンダの外周および底部において、前記膨張空間に対応する位置に設けられた冷却ステージと、
前記膨張空間の内部に備えられ、前記冷却ステージと熱的に接続する熱交換器と、
前記内部空間と前記膨張空間とを結ぶ作動ガスの流路であって、
前記ディスプレーサの前記膨張空間側の端部に備えられ、前記内部空間と前記膨張空間との間の作動ガスの出入り口となる開口部を含み、前記熱交換器を迂回する第１流路と、
前記ディスプレーサの底部において前記膨張空間に突出するように形成された管路を含み、前記熱交換器を経由する第２流路と、を備える作動ガスの流路とを備えることを特徴とする極低温冷凍機。

【請求項2】

少なくとも前記ディスプレーサが上死点にあるとき、前記第２流路の流路抵抗が前記第１流路の流路抵抗より小さ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】

少なくとも前記ディスプレーサが下死点にあるとき、前記第１流路の流路抵抗が前記第２流路の流路抵抗より小さいことを特徴とする請求項１または２に記載の極低温冷凍機。

【請求項4】

前記膨張空間の底部に設けられ、少なくとも前記ディスプレーサが下死点にあるとき、前記流路の前記膨張空間側の端部を収容して作動ガスの流通を遮断する収容部をさらに備えることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の極低温冷凍機。

【請求項5】

前記収容部の深さは、前記ディスプレーサのストローク長の半分以下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】

前記熱交換器は、金網の集合体またはスリットであることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の極低温冷凍機。

【請求項7】

前記第１流路は、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、前記開口部と連通するクリアランスを含むことを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の極低温冷凍機。

【請求項8】

内部空間を有し、当該内部空間を作動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作動ガスの膨張空間を形成するシリンダと、
前記シリンダの外周および底部において、前記膨張空間に対応する位置に設けられた冷却ステージと、
前記膨張空間の内部に備えられ、前記冷却ステージと熱的に接続する熱交換器と、
前記熱交換器を迂回して、前記内部空間と前記膨張空間とを結ぶ第１流路と、
前記熱交換器を経由して、前記内部空間と前記膨張空間とを結ぶ第２流路と、を備え、
少なくとも前記ディスプレーサが上死点にあるとき、前記第２流路の流路抵抗が前記第１流路の流路抵抗より小さいことを特徴とする極低温冷凍機。

【請求項9】

内部空間を有し、当該内部空間を作動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作動ガスの膨張空間を形成するシリンダと、
前記シリンダの外周および底部において、前記膨張空間に対応する位置に設けられた冷却ステージと、
前記膨張空間の内部に備えられ、前記冷却ステージと熱的に接続する熱交換器と、
前記熱交換器を迂回して、前記内部空間と前記膨張空間とを結ぶ第１流路と、
前記熱交換器を経由して、前記内部空間と前記膨張空間とを結ぶ第２流路と、を備え、
少なくとも前記ディスプレーサが下死点にあるとき、前記第１流路の流路抵抗が前記第２流路の流路抵抗より小さいことを特徴とする極低温冷凍機。

【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作動ガスを用いて、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。

【背景技術】

【0002】

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、作動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。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１３−１４２４７９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

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。

【課題を解決するための手段】

【0005】

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、当該内部空間を作動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作動ガスの膨張空間を形成するシリンダと、シリンダの外周および底部において、膨張空間に対応する位置に設けられた冷却ステージと、膨張空間の内部に備えられ、冷却ステージと熱的に接続する熱交換器と、ディスプレーサの膨張空間側の端部に備えられ、内部空間と膨張空間との間の作動ガスの出入り口となる開口部と、熱交換器を経由して、内部空間と膨張空間とを結ぶ作動ガスの流路とを備える。

【発明の効果】

【0006】

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。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】図１（ａ）−（ｂ）は、本発明の第１の実施の形態に係る極低温冷凍機を模式的に示す図である。

【図2】第１の実施の形態に係る熱交換器の一例を模式的に示す図である。

【図3】第１の実施の形態に係る熱交換器の別の例を模式的に示す図である。

【図4】図４（ａ）−（ｂ）は、本発明の第２の実施の形態に係る極低温冷凍機を模式的に示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0008】

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、クリアランス内の作動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。

【0009】

一般にこれらの冷凍機では、膨張空間で膨張した作動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、作動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作動ガスは、冷却ステージを冷却するほど低温ではない。このため、膨張空間に作動ガスが供給されるときは、作動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りうる。このため、ディスプレーサを備える冷凍機において、膨張空間における作動ガスの給排気、および熱交換には改良の余地があると考えられる。

【0010】

以下、本発明の実施の形態について図面と共に説明する。

【0011】

（第１の実施の形態）
図１（ａ）−（ｂ）は、本発明の第１の実施の形態に係る極低温冷凍機１を模式的に示す図である。第１の実施の形態に係る極低温冷凍機１は、例えば、作動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、冷却対象と作動ガスとの間の熱交換を行う熱交換器として機能する。

【0012】

圧縮機１２は、吸気側から低圧の作動ガスを回収し、これを圧縮した後に高圧の作動ガスを極低温冷凍機１に供給する。作動ガスとしては、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。

【0013】

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。

【0014】

ディスプレーサ２は、本体部２ａと底部２ｂとを含む。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。底部２ｂは、本体部２ａと同一の部材で構成されてもよい。また、底部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、底部２ｂは、底部２ｂ内を流れる作動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。底部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。

【0015】

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いる。ディスプレーサ２はシリンダ４の軸方向にそって、シリンダ４内において上死点ＵＰと下死点ＬＰとの間を往復移動する。なお、図１（ａ）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。また図１（ｂ）は、本発明の第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が下死点ＬＰに位置する様子を示す模式図である。

【0016】

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。

【0017】

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に作動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。

【0018】

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。

【0019】

ディスプレーサ２の膨張空間３側の端部である低温端には開口部２１が形成されている。開口部２１は、ディスプレーサ２の内部空間と膨張空間３との間の作動ガスの出入り口となる。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１７が設けられている。

【0020】

ディスプレーサ２の底部２ｂには、ディスプレーサ２の内部空間と膨張空間３とを結ぶ作動ガスの流路１６が形成されている。流路１６は、ディスプレーサ２の底部において膨張空間３に突出するように形成された管路であり、ディスプレーサ２の底部２ｂの中心部を貫通して膨張空間３の底部付近まで通じている。流路１６は、膨張空間３の作動ガスをディスプレーサ２の内部空間に戻す作動ガスの吸い込み部として機能する。また、ディスプレーサ２の内部空間の作動ガスを膨張空間３に導入する作動ガスの吹き出し部としても機能する。

【0021】

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。

【0022】

膨張空間３の内部には、冷却ステージ５と熱的に接続する熱交換器１８が備えられている。膨張空間３の内部にはまた、熱交換器１８を経由して、ディスプレーサ２の内部空間と膨張空間３とを結ぶ作動ガスの流路１９も備えられている。図１（ａ）および図１（ｂ）に示すように、熱交換器１８は、膨張空間３の底部側に備えられている。熱交換器１８と膨張空間３の底部との間にはクリアランスが存在し、このクリアランスが流路１９として機能する。上述した流路１６の膨張空間３側の端部から吹き出した作動ガスは、流路１９および熱交換器１８を経由して膨張空間３に導入される。また、膨張空間３から熱交換器１８を経由した作動ガスは、流路１９および流路１６を通ってディスプレーサ２の内部空間に回収される。

【0023】

このように、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の内部空間と膨張空間３とを連通する作動ガスの流路が２つ存在する。１つ目の流路は、開口部２１とクリアランス１７とを通る流路である。２つ目の流路は、流路１６、流路１９、および熱交換器１８を通る流路である。１つ目の流路は、熱交換器１８を経由せずに、いわば熱交換器１８を迂回して、ディスプレーサ２の内部空間と膨張空間３とを連通する流路である。２つ目の流路は、熱交換器１８を経由してディスプレーサ２の内部空間と膨張空間３とを連通する流路である。以下便宜のため、開口部２１とクリアランス１７とを通る流路を「１つ目の流路」、流路１６、流路１９、および熱交換器１８を通る流路を「２つ目の流路」と記載することがある。

【0024】

膨張空間３の底部には、少なくともディスプレーサ２が下死点ＬＰにあるとき、流路１６の膨張空間３側の端部を収容する収容部２２が備えられている。ディスプレーサ２の膨張空間３側の端部が収容部２２に収容された状態となると、収容部２２は、流路１６における作動ガスの流通を遮断する。このため、ディスプレーサ２の膨張空間３側の端部が収容部２２に収容されている間は、上述した２つ目の流路における作動ガスの流通は停止する。この意味で、収容部２２は流路１６の弁として機能する。

【0025】

収容部２２の深さ、すなわち、膨張空間３の底面から収容部の底面に至るまでのディスプレーサ２のストローク方向に沿った長さは、ディスプレーサ２のストローク長の半分以下である。このため、ディスプレーサ２の往復移動において、少なくともディスプレーサ２が上死点ＵＰ側にあるときは、作動ガスは流路１６を流れる。ディスプレーサ２が下死点ＬＰ側に近づき、流路１６の膨張空間３の底部側の端部が収容部２２の入り口に至ると、作動ガスの流路１６における流通が実質的に停止する。このように、２つ目の流路はディスプレーサ２の往復運動中に常に開通しているわけではなく、ディスプレーサ２が上死点ＵＰ側にあるときに開通し、下死点ＬＰ側にあるときは閉鎖される流路である。

【0026】

上述したように、クリアランス１７はディスプレーサ２の内部空間と膨張空間３との間に設けられた隙間である。一方、詳細は後述するが、熱交換器１８は金網の集合体またはスリットである。このため、熱交換器１８における作動ガスの流路抵抗は、クリアランス１７の流路抵抗よりも小さい。また流路１９は熱交換器１８と膨張空間３の底部との間の隙間である。このため、流路１６の流路面積はクリアランス１７の流路面積より広く、流路抵抗は小さい。さらに、流路１６の流路面積はクリアランス１７の流路面積よりも広くなるように形成されており、流路１６の流路抵抗はクリアランス１７の流路抵抗よりも小さい。

【0027】

１つ目の流路全体としても流路抵抗は、２つ目の流路全体としての流路抵抗よりも大きい。この結果、ディスプレーサ２が上死点ＵＰ側にあって流路１６が開通しているとき、作動ガスは１つ目の流路よりも２つ目の流路の方が流れやすくなる。

【0028】

次に、極低温冷凍機１の動作を説明する。

【0029】

作動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（ｂ）に示すようにシリンダ４の下死点ＬＰに位置する。このとき、流路１６における作動ガスの流通は遮断されている。ディスプレーサ２がシリンダ４の下死点ＬＰに位置するときと同時、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を介して高圧の作動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、高圧の作動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に流入した高圧の作動ガスは、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部２１を介して、膨張空間３に供給される。

【0030】

膨張空間３に高圧の作動ガスが流入すると、ディスプレーサ２は、下死点ＬＰから上死点ＵＰに向けて移動を開始する。移動の途中において流路１６の膨張空間３側の端部が収容部２２の入り口に至ると流路１６が開通する。この結果、ディスプレーサ２の内部空間の作動ガスは、開口部２１のみならず、流路１６を介しても膨張空間３に流入する。なお、作動ガスの大部分は吸気工程の前半に膨張空間３に供給されるため、流路１６を介して膨張空間３に流入する作動ガスは比較的小量である。

【0031】

膨張空間３が高圧の作動ガスで満たされると、サプライバルブ１３は閉じられる。このとき、図１（ａ）に示すように、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。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の作動ガスは減圧され、膨張する。膨張により低温になった膨張空間３の作動ガス（例えばヘリウムガス）は冷却ステージ５の熱を吸収する。

【0032】

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。作動ガスは、１つ目の流路、すなわちクリアランス１７および開口部２１を経由する流路よりも、２つ目の流路、すなわち熱交換器１８、流路１９、および流路１６を経由する流路の方が流れやすい。このため、作動ガスは主に熱交換器１８を経由してディスプレーサ２内に回収される。２つ目の流路を通る作動ガスは、熱交換器１８との熱交換により熱交換器１８の熱を吸収する。熱交換器１８は冷却ステージ５と熱的に接続されているので、結果として作動ガスは冷却ステージ５の熱を吸収することにもなる。

【0033】

ディスプレーサ２が下死点ＬＰに向けて移動すると、途中で流路１６の膨張空間３側の端部が収容部２２の入り口に到達する。流路１６の膨張空間３側の端部が収容部２２の入り口に到達すると、流路１６における作動ガスの流通が遮断される。このため、作動ガスは熱交換器１８を経由せずに、１つ目の流路を通ってディスプレーサ２内に回収される。なお、作動ガスの大部分は排気工程の前半にディスプレーサ２内に回収されるため、１つ目の流路を通ってディスプレーサ２内に回収される作動ガスは比較的小量である。

【0034】

膨張空間３から蓄冷器７に戻った作動ガスは、蓄冷器７内の蓄冷材も冷却する。ディスプレーサ２に回収された作動ガスはさらに、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。

【0035】

図２は、第１の実施の形態に係る熱交換器１８の一例を模式的に示す図である。図２は、熱交換器１８をシリンダ４の軸方向に垂直な面で切断した断面を示す模式図である。熱交換器１８は、網状部材２５を備える。熱交換器１８は、さらに外壁２３と内壁２４とを備えてもよい。

【0036】

外壁２３は円筒形状の金属製部材である。内壁２４も、外壁２３と同様に円筒形状の金属製部材である。内壁２４の径は外壁２３の径より短く、内壁２４は外壁２３の内部に配置されている。外壁２３と内壁２４との間に、金属製のメッシュで構成された網状部材２５が収容されている。網状部材２５は金属製のメッシュで構成された金網の集合体であるため、作動ガスが流通可能である。網状部材２５は内壁２４と外壁２３とに把持され、網状部材２５を作動ガスが流通したときに、網状部材２５が移動することが抑制されている。作動ガスは網状部材２５を流通するときに、網状部材２５との間で熱交換をおこなう。

【0037】

外壁２３および内壁２４は金属製の円筒であるため、作動ガスは通過することができない。このため、膨張空間３から熱交換器１８に流入した作動ガスは、流路１９に至るまでの間に熱交換器１８から抜け出ることはない。なお、内壁２４の径は流路１６の外径よりも大きく、内壁２４の内部と流路１６との間にはクリアランスがある。このため、流路１６は内壁２４の内部を往復移動することができる。内壁２４の内部と流路１６との間のクリアランスは網状部材２５の網目よりも十分小さい。このため、膨張空間３から内壁２４の内部と流路１６との間のクリアランスを通って流路１６に至る作動ガスは、網状部材２５を通る作動ガスよりも十分少量である。

【0038】

上述したように、作動ガスは膨張空間３内で減圧されて膨張し、寒冷が発生する。このため膨張後の作動ガスは高い冷凍能力を持っている。このような作動ガスは、主に熱交換器１８を経由してディスプレーサ２の内部空間に回収されるので、熱交換効率を向上させることができる。

【0039】

一方、ディスプレーサ２の内部空間から膨張空間３に供給される作動ガスは、冷却ステージ５を冷却するほど低温ではない。このため、膨張空間３に供給され作動ガスは、冷凍の寄与が低いと考えられる。

【0040】

このため第１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の内部空間から膨張空間３に作動ガスが供給された直後は、作動ガスは１つ目の流路のみを流れる。作動ガスの大部分は吸気工程の前半に膨張空間３に供給されるため、温かい作動ガスの熱が熱交換器１８に伝導することを大幅に抑制できる。また、２つ目の流路は１つ目の流路よりも流路抵抗が小さいため、極低温冷凍機１の圧力損失を抑制することができる。

【0041】

図３は、第１の実施の形態に係る熱交換器１８の別の例を模式的に示す図である。図３に示す例では、熱交換器１８はスリットを用いて実現されている。より具体的には、図３に示す熱交換器１８は、円柱形状の金属製の本体部２６に、複数のスリット２７が設けられている。図２に示す熱交換器１８と同様に、本体部２６の中心には、流路１６が往復移動するための穴が設けられている。この穴とスリット２７との間には、金属製の円筒形状の内壁２４が設けられている。

【0042】

スリット２７を流れる作動ガスは、内壁２４に遮られる。このため、膨張空間３からスリット２７に流入した作動ガスは、流路１９に至るまでの間にスリット２７から抜け出ることはない。なお、スリット２７を流れる間に、作動ガスは本体部２６との間で熱交換を行う。このように、図３に示す例では、複数のスリット２７が熱交換器として機能する。

【0043】

図２に示す熱交換器１８と同様に、図３に示す熱交換器においても、内壁２４と流路１６の外壁との間のクリアランスは、スリット２７よりも十分小さい。このため、膨張空間３から流路１６に至る作動ガスの経路は、実質的にスリット２７のみといえる。また、スリット２７は複数存在するため、スリット２７の流路面積は、全体としてクリアランス１７および開口部２１の流路面積より大きい。したがって、流路１６が開通しているときは、膨張空間３内の作動ガスは、主に２つ目の流路を経由してディスプレーサ２の内部空間に回収される。これにより、膨張によって寒冷が発生し、冷凍能力が高くなった作動ガスの多くは熱交換器１８を経由してディスプレーサ２の内部空間に回収される。ゆえに、極低温冷凍機１の熱交換効率を向上することができる。

【0044】

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によれば、作動ガスと熱交換器１８との間の熱交換効率を向上することができ、ひいては作動ガスと冷却ステージ５との間の熱交換効率を向上することができる。また、ディスプレーサ２の内部空間から膨張空間３に作動ガスを供給する際の流路面積が拡大し、極低温冷凍機１の圧力損失を低減することができる。結果として、極低温冷凍機１の冷凍性能を向上することができる。

【0045】

（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。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。

【0046】

図４（ａ）−（ｂ）は、本発明の第２の実施の形態に係る極低温冷凍機１を模式的に示す図である。図４（ａ）は、第２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。また図４（ｂ）は、本発明の第２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が下死点ＬＰに位置する様子を示す模式図である。

【0047】

第２の実施の形態に係る極低温冷凍機１においては、第１の実施の形態に係る極低温冷凍機１の熱交換器１８に対応する部分には、作動ガスの流通を阻害する遮蔽部材２８が備えられている。遮蔽部材２８の外壁と膨張空間３の内壁との間、すなわち遮蔽部材２８の外壁と冷却ステージ５の内壁との間には、作動ガスの流路となるクリアランス２０ｂが備えられている。なお、第１の実施の形態に係る極低温冷凍機１におけるクリアランス１７に対応する部分には、同様なクリアランス２０ａが備えられている。

【0048】

また、遮蔽部材２８と膨張空間３の底部との間にはクリアランスが存在し、作動ガスの流路１９となっている。このため、第２の実施の形態に係る極低温冷凍機１においても、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の内部空間と膨張空間３とを連通する作動ガスの流路が２つ存在する。１つ目の流路は、開口部２１とクリアランス２０ａとを通る流路である。２つ目の流路は、流路１６、流路１９、およびクリアランス２０ｂを通る流路である。

【0049】

第２の実施の形態に係る極低温冷凍機１において、１つ目の流路におけるクリアランス２０ａは、熱交換器として機能する。同様に、２つ目の流路におけるクリアランス２０ｂおよび流路１９も、熱交換器として機能する。２つ目の流路における熱交換面積は、１つ目の流路における熱交換面積よりも大きい。

【0050】

第２の実施の形態に係る極低温冷凍機１においては、膨張空間３内の作動ガスがディスプレーサ２の内部空間に回収されるとき、１つ目の流路と２つ目の流路とを通る。これにより、実質的な熱交換面積が増加し、極低温冷凍機１の熱交換効率を向上することができる。

【0051】

第１の実施の形態に係る極低温冷凍機と同様に、第２の実施の形態に係る極低温冷凍機１においても、ディスプレーサ２が下死点ＬＰにあるとき、流路１６の膨張空間３側の端部は収容部２２に収容されている。ディスプレーサ２の内部空間から膨張空間３に供給される冷凍能力の小さい作動ガスが、２つ目の流路を通ることが抑制される。２つ目の流路における熱交換面積は１つ目の流路における熱交換面積よりも大きいため、冷却に対する寄与が少ない作動ガスが２つ目の流路を流れ、場合によっては冷却ステージ５の温度を上昇させることを抑制できる。

【0052】

流路１６の膨張空間３側の端部が収容部２２の入り口に至ると、２つ目の流路が開通する。しかし作動ガスの大部分は吸気工程の前半に膨張空間３に供給されるため、２つ目の流路を通って膨張空間３に供給される作動ガスは比較的少量である。また、ディスプレーサ２の内部空間から膨張空間３に至るまでの作動ガスの流路が１つ目の流路に加えて２つ目の流路が追加されることになり、作動ガスの流路面積が拡大する。これによって作動ガスの流路抵抗が小さくなり、圧力損失を低減することができる。

【0053】

なお、２つ目の流路における最小の流路面積が、１つ目の流路における最小の流路面積よりも大きくなるように構成してもよい。すなわち、２つ目の流路における流路抵抗が、全体として１つ目の流路における流路抵抗よりも小さくするようにする。これにより、膨張空間３からディスプレーサ２の内部空間に作動ガスが回収されるとき、多くの作動ガスが２つ目の流路を流れることになる。２つ目の流路は１つ目の流路よりも熱交換面積が大きいので、熱交換効率をさらに上昇させることができる。

【0054】

以上説明したように、第２の実施の形態に係る極低温冷凍機１によれば、作動ガスの冷凍能力が高くなったときにおける熱交換面積を増加することができる。これにより、極低温冷凍機１の熱交換効率を向上することができる。また、作動ガスを膨張空間３に供給する際の流路抵抗を小さくし、極低温冷凍機１の圧力損失を低減することができる。このように、第２の実施の形態に係る極低温冷凍機１によれば、冷凍性能を向上することができる。

【0055】

以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。これらの実施の形態には、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。

【0056】

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、各実施の形態では、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いずれの冷凍機にも適用することができる。

【0057】

第１の実施の形態においては、熱交換器１８が金網の集合体またはスリットである場合について説明したが、熱交換器１８は金網の集合体またはスリットである場合に限られない。例えば、熱交換器１８は、粉末の金属を固めた焼結体を用いても実現できる。

【符号の説明】

【0058】

１ 極低温冷凍機、 ２ ディスプレーサ、 ２ａ 本体部、 ２ｂ 底部、 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 流路、 １７ クリアランス、 １８ 熱交換器、 １９ 流路、 ２０ａ，２０ｂ クリアランス、 ２１ 開口部、 ２２ 収容部、 ２３ 外壁、 ２４ 内壁、 ２５ 網状部材、 ２６ 本体部、 ２７ スリット、 ２８ 遮蔽部材。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】