JP5908324B2

JP5908324B2 - 蓄冷式冷凍機

Info

Publication number: JP5908324B2
Application number: JP2012085943A
Authority: JP
Inventors: 名堯許
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2012-04-04
Filing date: 2012-04-04
Publication date: 2016-04-26
Anticipated expiration: 2032-04-04
Also published as: JP2013217516A

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蓄冷器により寒冷を蓄積して所望の極低温の寒冷を発生する蓄冷式冷凍機に関する。

蓄冷式冷凍機として例えば特許文献１に記載のものがある。ディスプレーサ式の蓄冷式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、膨張空間内の冷媒ガスを膨張させて寒冷を発生する。また、パルスチューブ式の蓄冷式冷凍機はパルス管内のガスピストンを往復動させながら、膨張空間内の冷媒ガスを膨張させて寒冷を発生する。膨張空間で発生した冷媒ガスの寒冷は、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被冷却物の冷凍を行う。

特開２００８−２２４１６１号公報

本発明はより効果的に冷凍性能を高めることができる蓄冷式冷凍機を提供することを目的とする。

上記の問題を解決するため、本発明による蓄冷式冷凍機は、蓄冷材を収容するシリンダと、前記シリンダの内部を流れる冷媒ガスを膨張させる膨張空間と、を有する膨張機と、前記膨張機の温度が相互に異なる二箇所間を、前記膨張機の外部に位置して熱的に連結する伝熱部材と、を備えることを特徴とする。

本発明の蓄冷式冷凍機によれば、伝熱部材の高温端から低温端に熱を伝達して、伝熱部材の高温端に隣接して位置する冷却ステージの温度を下げて、より効果的に冷凍性能を高めることができる。

本発明に係る実施例１の蓄冷式冷凍機１の一実施形態について示す模式図である。実施例１の蓄冷式冷凍機１の他の実施形態について示す模式図である。実施例１の蓄冷式冷凍機１の他の実施形態について示す模式図である。実施例１の蓄冷式冷凍機１の他の実施形態について示す模式図である。本発明に係る実施例２の蓄冷式冷凍機４１の一実施形態について示す模式図である。本発明に係る実施例３の単段式の蓄冷式冷凍機５１及び蓄冷器の一実施形態について示す模式図である。本発明に係る実施例４の蓄冷式冷凍機１０１及び二段目蓄冷器１０３の一実施形態について示す模式図である。実施例４の蓄冷式冷凍機１０１の他の実施形態について示す模式図である。実施例４の蓄冷式冷凍機１０１の他の実施形態について示す模式図である。

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。

本実施例１の蓄冷式冷凍機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（ＧＭ）タイプの極低温冷凍機である。この冷凍機は、蓄冷器と、膨張空間と、それらを収容するシリンダと、を含む膨張機により、寒冷を発生する冷凍機である。

以下、図１を用いて詳細に説明する。蓄冷式冷凍機１は、第一ディスプレーサ２と、第一ディスプレーサ２に長手方向に連結される第二ディスプレーサ３を備える。第一ディスプレーサ２と第二ディスプレーサ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。

第一シリンダ７と第二シリンダ８は、一体に形成されており、第一シリンダ７の低温端と第二シリンダ８の高温端が第一シリンダ７底部にて接続されている。第二シリンダ８は第一シリンダ７と同一の軸方向に延在する形態にて形成され、第一シリンダ７よりも小径の円筒部材である。第一シリンダ７は第一ディスプレーサ２を長手方向に往復移動可能に収容し、第二シリンダ８は第二ディスプレーサ３を長手方向に往復移動可能に収容する。

第一シリンダ７、第二シリンダ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。第二ディスプレーサ３のステンレス鋼などの金属製の筒の外周面上には、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。

第一シリンダ７の高温端には、第一ディスプレーサ２及び第二ディスプレーサ３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２、第二ディスプレーサ３はそれぞれ第一シリンダ７、第二シリンダ８にそって往復移動する。

第一ディスプレーサ２は円筒状の外周面を有しており、第一ディスプレーサ２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２の内部容積は第一蓄冷器９として機能する。第一蓄冷器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。第一ディスプレーサ２の高温端には、室温室１２から第一ディスプレーサ２に冷媒ガスを流通する第一開口１３が形成されている。

室温室１２は、第一シリンダ７と第一ディスプレーサ２の高温端により形成される空間であり、第一ディスプレーサ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、第一ディスプレーサ２の高温端よりの部分と第一シリンダ７との間にはシール１７が装着されている。

第一ディスプレーサ２の低温端には、第一膨張空間１８に第一クリアランスを介して冷媒ガスを導入する第二開口１９が形成されている。第一膨張空間１８は、第一シリンダ７と第一ディスプレーサ２により形成される空間であり、第一ディスプレーサ２の往復移動に伴い容積が変化する。第一シリンダ７外周の第一膨張空間１８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２０が配置されており、第一冷却ステージ２０は第一クリアランスを通る冷媒ガスにより冷却される。

第二ディスプレーサ３は円筒状の外周面を有しており、第二ディスプレーサ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。この第二ディスプレーサ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の第二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ＨｏＣｕ２などの磁性材の第二蓄冷材が充填される。仕切り材２３により、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が防止される。この第二ディスプレーサ３の内部容積である高温側領域２４と低温側領域２５とが第二蓄冷器として機能する。第一膨張空間１８と第二ディスプレーサ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一膨張空間１８から第二蓄冷器２４、２５に冷媒ガスが流通する。

第二ディスプレーサ３の低温端には、第二膨張空間２６に第二クリアランスを介して冷媒ガスを流通させるための第三開口２７が形成されている。第二膨張空間２６は、第二シリンダ８と第二ディスプレーサ３により形成される空間であり、第二ディスプレーサ３の往復移動に伴い容積が変化する。第二クリアランスは、第二シリンダ８の低温端部分と第二ディスプレーサ３により形成されるものである。

第二シリンダ８外周の第二膨張空間２６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２８が配置されており、第二冷却ステージ２８は第二クリアランスを通る冷媒ガスにより冷却される。

第一ディスプレーサ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、第二ディスプレーサ３は、例えば鉛、ビスマスなどの球状の第二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る。なお、上述のように、第二ディスプレーサ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。

第一ディスプレーサ２及び第二ディスプレーサ３は、それぞれ低温端に熱交換部２９、３０を具備してもよい。熱交換部２９、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。熱交換部２９は圧入ピン３１により第一ディスプレーサ２に固定され、熱交換部３０は圧入ピン３２により第二ディスプレーサ３に固定される。これにより、第一冷却ステージ２０、第二冷却ステージ２８の双方において実質的な熱交換面積を増やして、冷却効率を高めている。

さらに本実施例１の蓄冷式冷凍機１では、図１に示すように、第二ディスプレーサ３内部の高温側領域２４に対応する軸方向の位置に寒冷取出部８ａが形成され、この寒冷取出部８ａと第一冷却ステージ２０を熱的に連結する線状部材により形成される伝熱部材３３が配置される。伝熱部材３３は、少なくとも蓄冷器よりも軸方向に大きな熱を伝えることができる材料、つまり熱伝導係数が大きい材質が用いられる。具体的には、例えば銅、アルミニウム及びそれらの合金などの熱伝導率の高い材質が挙げられる。また、伝熱部材３３には、蓄冷器の側壁を構成する材質よりも熱伝導係数が大きい材質を用いることが好ましい。

伝熱部材３３は膨張機を構成する第一シリンダ７及び第二シリンダ８の外部に設置され、軸方向に異なる二箇所間を連結している。また、図１から明らかなように伝熱部材３３の高温端は第一冷却ステージ２０の下端に位置し、伝熱部材３３の低温端は第二冷却ステージ２８の上端よりも高温側に位置している。

高温側領域２４に対応する伝熱部材３３の軸方向の位置は、蓄冷式冷凍機１の通常運転時における高温側領域２４の温度分布を考慮して定められる。一般的な極低温冷凍機においては、図１中下側の伝熱部材３３の低温端は仕切り材２３よりも、所定距離だけ高温側に離隔していることが好ましい。また、伝熱部材３３の図１中上側の高温端は整流器２１よりも高温側に位置してもよい。

この低温端が位置する軸方向の領域は、冷媒ガスのヘリウムガスの比熱が非磁性材の第二蓄冷材の比熱を上回る領域であって、冷凍機の運転中においては例えば８〜２０Ｋの温度範囲（より好ましくは８〜１０数Ｋ）に収まる領域である。また、この温度領域で比熱が高い蓄冷材として非磁性材である鉛やビスマスが挙げられる。

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、第一ディスプレーサ２及び第二ディスプレーサ３は第一シリンダ７及び第二シリンダ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が給排共通配管から第一シリンダ７内に供給され、第一ディスプレーサ２の上部に位置する第一開口１３から第一ディスプレーサ２の内部の第一蓄冷器９に流入する。第一蓄冷器９に流入した高圧のヘリウムガスは、第一蓄冷材により冷却されながら第一ディスプレーサ２の下部に位置する第二開口１９及び第一クリアランスを介して、第一膨張空間１８に供給される。

第一膨張空間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、第二ディスプレーサ３の内部の第二蓄冷器２４、２５に流入する。第二蓄冷器２４、２５に流入した高圧のヘリウムガスは、第二蓄冷材により冷却されながら第二ディスプレーサ３の下部に位置する第三開口２７及び第二クリアランスを介して、第二膨張空間２６に供給される。

このようにして、第一膨張空間１８及び第二膨張空間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。この時、第一ディスプレーサ２及び第二ディスプレーサ３は、第一シリンダ７及び第二シリンダ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、第一膨張空間１８、第二膨張空間２６内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第一膨張空間１８のヘリウムガスは第一クリアランスを介して第一冷却ステージ２０の熱を吸収し、第二膨張空間２６のヘリウムガスは第二クリアランスを介して第二冷却ステージ２８の熱を吸収する。

第一ディスプレーサ２及び第二ディスプレーサ３は下死点に向けて移動し、第一膨張空間１８及び第二膨張空間２６の容積は減少する。第二膨張空間２６内のヘリウムガスは、第二クリアランス、第三開口２７、第二蓄冷器２５、２４、連通路を介して第一膨張空間１８に戻される。さらに、第一膨張空間１８内のヘリウムガスは、第二開口１９、第一蓄冷器９、第一開口１３を介して、圧縮機１４の吸入側に戻される。その際、第一蓄冷材及び第二蓄冷材は、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、第一冷却ステージ２０及び第二冷却ステージ２８を冷却する。

本実施例１の蓄冷式冷凍機１によれば以下のような作用効果が得られる。高温側領域２４の高温端から低温端に向けての温度プロファイルは高温端からの距離に逆比例的な傾向を示し、双曲線的なプロファイルとなる。この温度プロファイルの中間領域（８Ｋ〜３０Ｋ）は、伝熱部材３３により高温端から熱が伝わることから、伝熱部材３３が無い場合の温度プロファイルよりも高温側にシフトされる。この高温側領域２４内部の温度プロファイルの上昇によりこの領域に溜まるヘリウムガスの量が少なくなり、冷凍機システム全体の圧力差が大きくなるため、冷凍性能を高くすることができる。

加えて、外部配置された伝熱部材３３により、第一冷却ステージ２０から寒冷取出部８ａに向けて熱を伝達することから、第一冷却ステージ２０の温度を低下させて一段目の冷凍性能を高めることができる。また、伝熱部材３３の低温端が上述した冷媒ガスの比熱が蓄冷材の比熱を上回る温度領域に対応する寒冷取出部８ａに接続されていることから、伝熱部材３３により高温側から低温側に熱が伝達されても、高温側領域２４内の第二蓄冷材や冷媒ガスの温度も上昇されることがない。つまり、二段目の冷凍性能を確保した上で一段目の冷凍性能を高めることができる。加えて、伝熱部材３３を外付けとすることにより、特に低温端の接続箇所の軸方向における調整を容易なものとし、第一冷却ステージ２０の温度調整をより容易なものとすることができる。

なお、上述した図１における伝熱部材３３は例示的に線状部材つまり配線により構成した形態を示したが、製造のし易さや温度プロファイルのオフセットのさせ方つまり第二蓄冷材や冷媒ガスとの熱交換の程度に応じて適宜異なる形態とすることができる。つまり、伝熱部材３３の断面積や本数を適宜調節することができる。

つまり図１における一本の線状部材からなる伝熱部材３３に換えて、図２に示すように二本の伝熱部材３３を配置することができる。図３においては、二本の伝熱部材３３に対応する二の寒冷取出部８ａは第二シリンダ８の外周面の軸方向に並列配置している。もちろん、同一の軸方向の位置に周方向に並列配置してもよい。この場合、伝熱部材３３複数本のトータルの熱容量と第二蓄冷材の体積及び熱容量とのバランスを考慮して、図１に示した伝熱部材３３よりも一本あたりの断面積を適宜小さく設定することもできる。

さらに伝熱部材の配置形態は上述した形態に限られず、例えば図３に示すように伝熱部材３３を第一シリンダ７の第一冷却ステージ２０よりも高温側に接続することもできる。この場合、第一シリンダ７の対応する位置には寒冷取込部７ａが構成される。この配置とした場合には、第二シリンダ８の寒冷取出部８ａから伝熱部材３３を介して伝達される寒冷は、直接的には第一シリンダ７内の第一蓄冷器９内に取り込まれるが、これにより第一蓄冷器９が冷却されることにより結果として第一冷却ステージ２０の温度を低下させることができる。また、図１に示した伝熱部材３３の配置形態と、図３に示した配置形態は図４に示すように併用することもできる。

上述した実施例１及び関連する変形例においては、伝熱部材３３は第一シリンダ７及び第二シリンダ８の外部に外付けの配線として配置するものとしたが、第二シリンダ８の外周面に沿わせて配置することもできる。以下それについての実施例２について述べる。

図５に示す本実施例２の蓄冷式冷凍機４１は、冷凍機としての機能、動作態様、基本的な構成要素は実施例１に示したものとほぼ同様であるため、同等の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。

本実施例２の蓄冷式冷凍機４１では、第二シリンダ８の高温端から高温側領域２４の低温端よりも高温端側に位置する領域までを外包する円筒形状（中空円環形状）の伝熱部材３４を具備している。伝熱部材３４の外周面形状は第二シリンダ８の外周面形状よりも部材の厚み分大径とされる。伝熱部材３４の低温端は第一シリンダ７の低温端をなす底面部に連結される。

つまり本実施例２においては伝熱部材３４の高温端は軸方向において第一冷却ステージ２０の下端に対して同等の位置に配置される。伝熱部材３４の低温端は実施例１において述べたものと同様に例えば８Ｋ〜２０Ｋの温度領域をなす軸方向の位置に配置される。本実施例２によっても伝熱部材３４の軸方向における寒冷の伝達作用に基づいて、第一冷却ステージ２０の温度をより効果的に低下させることができ、二段目の温度低下も併せて防止できる。

上述した実施例１〜２においては本発明の二段式の冷凍機への適用形態を示したが、単段式の冷凍機へ適用することももちろん可能である。以下それについての実施例３について述べる。なお、図６においては図１の一段目で使用した符号と同等の構成要素については同一の符号を付し、以下の記述においては相違点を主に説明する。

本実施例３の蓄冷式冷凍機５１においては、図６に示すように、ディスプレーサ２内部の上段には銅やアルミニウムの金網等により構成される高温側領域５９が配置され、軸方向において高温側領域５９よりも仕切り板５２を挟んで低温側に位置する領域には、非磁性材の球である蓄冷材を複数有する低温側領域５３が配置されている。低温側領域５３よりも低温側には整流器１１との間にもう一つの仕切り板５２が配置されている。低温側領域５３と高温側領域５９とが蓄冷として機能する。

球状の蓄冷材が複数存在する低温側領域５３の外周に位置するシリンダ７の外周面には、軸方向に異なる二箇所の高温側に寒冷取込部７ａが配置され低温側には寒冷取出部７ｂが配置され、寒冷取込部７ａと寒冷取出部７ｂを連結する線状部材である伝熱部材５４が配置される。本実施例３においては、伝熱部材５４の高温端は軸方向において上側の仕切り板５２から離隔しており、低温端も下側の仕切り板５２から離隔している。本実施例３においても伝熱部材５４の低温端は、実施例１〜２で述べた８Ｋ〜２０Ｋの温度領域に相当する軸方向の位置に配置される。

本実施例３の蓄冷式冷凍機５１及び蓄冷器によれば、伝熱部材５４の低温端から高温端に向けて寒冷が伝達されて、伝熱部材５４よりも高温側に位置する低温側領域５３の内部の蓄冷材が冷却され、冷凍機全体の冷凍能力を高めることができる。これとともに、伝熱部材５４の低温端は上述した温度領域に位置しているため、伝熱部材５４の高温端から熱が伝達されても、冷媒ガスの比熱が蓄冷材の比熱を上回っているため、温度上昇は防止され、冷凍能力の低下を招くことを防止できる。

上述した実施例１〜３においてはディスプレーサ式の冷凍機に本発明を適用する形態を示したが、本発明はパルスチューブ型の冷凍機にも適用することができる。以下それについての実施例４について述べる。

本実施例４のパルスチューブ型の蓄冷式冷凍機１０１は、シリンダに蓄冷材を収容した蓄冷器と、蓄冷器を通過した冷媒ガスを膨張させる膨張空間よして機能するパルス管と、を含む膨張機により、寒冷を発生する冷凍機である。以下、図７を用いて詳細に説明する。蓄冷式冷凍機１０１は、一段目蓄冷器１０２と、二段目蓄冷器１０３と、一段目パルス管１０４と、二段目パルス管１０５と、を含んで構成される。

一段目蓄冷器１０２は、実施例１の第一蓄冷器と同様に、シリンダに第一蓄冷材である銅などの金網を収容して形成される。二段目蓄冷器１０３は、実施例１の第二蓄冷器と同様に、シリンダ内で、鉛やビスマスなどの球状の第二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で形成される。実施例１と同様に、二段目蓄冷器１０３を仕切り材により、複数の領域に分割してもよい。

一段目蓄冷器１０２と一段目パルス管１０４と二段目パルス管１０５のそれぞれの高温端は、圧縮機１０７の吐出側から三分岐する分岐管１０８及び吸込側から三分岐する分岐管１０９と、それぞれの高温端に対応する給排共通配管１１０、１１１、１１２を介して接続されている。

分岐管１０８の給排共通配管１１０への第一接続点Ｐ１の手前には蓄冷器サプライバルブＶ１が配置され、分岐管１０８の給排共通配管１１１への第二接続点Ｐ２の手前には一段目サプライバルブＶ３が配置され、分岐管１０８の給排共通配管１１２への第三接続点Ｐ３の手前には二段目サプライバルブＶ５が配置される。

分岐管１０９の給排共通配管１１０への第一接続点Ｐ１の手前には蓄冷器リターンバルブＶ２が配置され、分岐管１０９の給排共通配管１１１への第二接続点Ｐ２の手前には一段目リターンバルブＶ４が配置され、分岐管１０９の給排共通配管１１２への第三接続点Ｐ３の手前には二段目リターンバルブＶ６が配置される。

給排共通配管１１１の一段目パルス管１０４の高温端と第二接続点Ｐ２との間には流量制御バルブＶ７が配置され、給排共通配管１１２の二段目パルス管１０５の高温端と第三接続点Ｐ３との間には流量制御バルブＶ８が配置される。これらの流量制御バルブはパルス管内に発生するガスピストンの位相調整機構として作用する。また、流量制御バルブに換えてオリフィスを用いることもできる。

一段目パルス管１０４の高温端には整流熱交換器１１３が配置され、低温端には整流熱交換器１１４が配置される。二段目パルス管１０５の高温端には整流熱交換器１１５が配置され低温端には整流熱交換器１１６が配置される。

一段目パルス管１０４の低温端と一段目蓄冷器１０２の低温端とは一段冷却ステージ１１７により熱的に連結され、一段冷却ステージ１１７の内部に位置する一段目低温端連結管１１８により、一段目パルス管１０４の低温端と一段目蓄冷器１０２の低温端は冷媒ガスが通流可能に接続される。二段目パルス管１０５の低温端と二段目蓄冷器１０３の低温端は二段目低温端連結管１１９により冷媒ガスが通流可能に接続される。

さらに本実施例４の蓄冷式冷凍機１０１では、図７では図示は省略しているが、二段目蓄冷器１０３内部は実施例１の第二蓄冷器と同様に、上段に非磁性材を含む高温側領域。下段に磁性材を有する低温側領域とを含み、高温側領域の軸方向の位置に対応させて、二段目蓄冷器１０３の外周面を構成するシリンダには寒冷取出部１０３ａが配置される。この寒冷取出部１０３ａと一段冷却ステージ１１７は、伝熱部材１２０により熱的に連結される。伝熱部材１２０は、実施例１と同様に、例えば銅、アルミ等の熱伝導率の高い材質の線状部材により構成される。

伝熱部材１２０の高温端は一段冷却ステージ１１７の下端に位置し、伝熱部材１２０の低温端は二段目蓄冷器１０３の低温端に位置する図示しない二段冷却ステージの上端よりも高温側に位置している。

伝熱部材１２０の低温端が位置する軸方向の領域は、冷媒ガスのヘリウムガスの比熱が非磁性材の蓄冷材の比熱を上回る領域であって、冷凍機の運転中においては例えば８〜２０Ｋの温度範囲（より好ましくは８〜１０数Ｋ）に収まる領域である。この温度領域で比熱が高い蓄冷材は、例えば非磁性材である鉛やビスマスなどであり、これらの蓄冷材と対向する領域に伝熱部材１２０の低温端が連結される。

このように構成されたパルスチューブ型の蓄冷器型冷凍機１０１では、高圧の冷媒ガスの供給過程において、一段目サプライバルブＶ３、二段目サプライバルブＶ５が開かれると、冷媒ガスは、分岐管１０８および給排共通配管１１１又は給排共通配管１１２を介して、一段目パルス管１０４及び二段目パルス管１０５の高温端に流入する。

また、蓄冷器サプライバルブＶ１が開かれると、冷媒ガスは、圧縮機１０７から分岐管１０８および給排共通配管１１０を通り、一段目蓄冷器１０２から一段目パルス管１０４の低温端に流入するとともに、二段目蓄冷器１０３を通って二段目パルス管１０５の高温端に流入する。

一方、低圧の冷媒ガスの回収過程では、一段目リターンバルブＶ４又は二段目リターンバルブＶ６が開かれると、一段目パルス管１０４又は二段目パルス管１０５内の冷媒ガスは、それぞれの高温端から、給排共通配管１１１又は給排共通配管１１２及び分岐管１０９を通り、圧縮機１０７に回収される。また、蓄冷器リターンバルブＶ２が開かれると、一段目パルス管１０４内の冷媒ガスは、低温端から一段目蓄冷器１０２、給排共通配管１１０、分岐管１０９を介して、圧縮機１０７に回収される。同様に、二段目パルス管１０５内の冷媒ガスは二段目蓄冷器１０３、一段目蓄冷器１０２、給排共通配管１１０、分岐管１０９を介して圧縮機１０７に回収される。

本実施例４のパルスチューブ型の蓄冷式冷凍機１０１では、圧縮機１０７により圧縮された作動流体である冷媒ガス（例えば、ヘリウムガス）が一段目蓄冷器１０２、二段目蓄冷器１０３および一段目パルス管１０４、二段目パルス管１０５に流入する動作と、作動流体が一段目パルス管１０４、二段目パルス管１０５及び一段目蓄冷器１０２、二段目蓄冷器１０３から流出され、圧縮機１０７に回収される動作を繰り返すことで、蓄冷器およびパルス管の低温端に寒冷が形成される。また、これらの低温端に、被冷却対象を熱的に接触させることで、被冷却対象から熱を奪うことができる。

本実施例４の蓄冷式冷凍機１０２及び上段の蓄冷器によれば以下のような作用効果が得られる。つまり実施例１で述べたように、上段の蓄冷器の高温端から低温端に向けての温度プロファイルの中間領域が高温側にシフトすることにより、この領域に溜まるヘリウムガスの量が少なくなり、冷凍機システム全体の圧力差が大きくなるため、冷凍性能を高くすることができる。

また、伝熱部材１２０が軸方向に延在しており、伝熱部材１２０の高温端から低温端に向けて熱を伝達することから、一段冷却ステージ１１７の温度を低下させて一段目の冷凍性能を高めることができる。伝熱部材１２０の低温端が上述した冷媒ガスの比熱が蓄冷材の比熱を上回る温度領域に位置していることから、伝熱部材１２０により高温端から低温端に熱が伝達されても、低温端近傍の上段の蓄冷器内の蓄冷材や冷媒ガスの温度も上昇されることがない。すなわち、二段目の冷凍性能を確保した上で一段目の冷凍性能を高めることができる。

なお二段目蓄冷器１０３の上段の蓄冷器内を通流する冷媒ガスが中心から径方向に離隔するにつれて流速が低減する傾向があることを考慮して、例えば図８に示すように伝熱部材１２０に対応する寒冷取出部８ａの内周側には適宜、複数の通流孔を有する円板状の熱交換器１２１を付加することができる。これにより、より効果的に第一冷却ステージ２０の温度を低下させ冷凍効率を高めることができる。実施例４においても、実施例３と同様に単段式パルスチューブ式とすることもできる。

また、伝熱部材１２０の配置形態は図７、図８に示した形態以外にも、例えば図９に示すように、膨張機の一つである二段目パルス管１０５の外周面に寒冷取出部１０５ａを設けて、この寒冷取出部１０５ａと一段冷却ステージ１１７を伝熱部材１２０が連結することとしてもよい。

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。

例えば、上述した蓄冷式冷凍機においては段数が二段及び単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、蓄冷式冷凍機がディスプレーサ式のＧＭ冷凍機やパルスチューブ型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にも適用することができる。

本発明は、軸方向に延在する外部配置の伝熱部材の設置により、冷凍の効率を高めることができる。従って、種々の蓄冷式冷凍機に適用可能なものである。

１蓄冷式冷凍機
２第一ディスプレーサ
３第二ディスプレーサ
４ピン
５コネクタ
６ピン
７第一シリンダ
８第二シリンダ
８ａ寒冷取出部
９第一蓄冷器
１０整流器
１１整流器
１２室温室
１３第一開口
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第一膨張空間
１９第二開口
２０第一冷却ステージ
２１整流器
２２整流器
２３仕切り材
２４高温側領域（本発明の蓄冷器）
２５低温側領域
２６第二膨張空間
２７第三開口
２８第二冷却ステージ
２９熱交換部
３０熱交換部
３１圧入ピン
３２圧入ピン
３３伝熱部材

Claims

蓄冷材を収容するシリンダと、前記シリンダの内部を流れる冷媒ガスを膨張させる膨張空間と、を有する膨張機と、
前記膨張機の温度が相互に異なる二箇所間を、前記膨張機の外部に位置して熱的に連結する伝熱部材と、を備え、
前記伝熱部材の一端は、当該蓄冷式冷凍機の運転中に前記シリンダの内部を流れる冷媒ガスの比熱が前記蓄冷材の比熱を上回る温度となる前記シリンダの外周の領域に連結され、前記伝熱部材の他端は、前記シリンダの延在方向において、前記一端が連結される領域よりも高温側に連結される、
ことを特徴とする蓄冷式冷凍機。
前記シリンダは、前記蓄冷材が非磁性材である高温側領域と、前記蓄冷材が磁性材である低温側領域と、を含み、前記伝熱部材の前記一端は前記高温側領域の前記シリンダの外周に連結されることを特徴とする請求項１に記載の蓄冷式冷凍機。
前記シリンダは、一段冷却ステージと、前記一段冷却ステージよりも低温に冷却される二段冷却ステージと、を備え、
前記伝熱部材の前記他端は、前記一段冷却ステージに連結されることを特徴とする請求項１又は２に記載の蓄冷式冷凍機。
前記伝熱部材の前記他端は、前記シリンダの外周に連結されることを特徴とする請求項１又は２に記載の蓄冷式冷凍機。
前記伝熱部材は、前記シリンダを取り囲む中空円環形状であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の蓄冷式冷凍機。