JP2002286311A - 極低温冷凍機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】蓄冷器の温度が極低温レベルに低下しても、蓋
部や区分け部材とシリンダとの間の隙間が増大しないよ
うにし、冷凍機の運転時に蓄冷器で冷媒ガスの偏流が生
じるのを抑制して、蓄冷材とガスとの熱交換効率を高
め、極低温冷凍機の冷却性能を向上させる。 【解決手段】極低温冷凍機における蓄冷器３が、シリン
ダ３４と、その端部を閉じる蓋部３５Ｈ，３５Ｌと、シ
リンダ３４の内部に層状に充填された３種類の粒状蓄冷
材３６Ｈ〜３６Ｌと、異種類の蓄冷材３６Ｈ〜３６Ｌの
境界部に配置された区分け部材３７Ｈ，３７Ｌとを有す
るものとし、蓄冷器３の蓋部３５Ｈ，３５Ｌ及び各区分
け部材３７Ｈ，３７Ｌを、温度に対して負の膨張率を持
つ材料で構成し、冷凍機の運転中は蓋部３５Ｈ，３５Ｌ
や区分け部材３７Ｈ，３７Ｌの外径をシリンダ３４に対
し相対的に増大させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、冷媒ガスの圧縮及
び膨張を繰り返して冷熱（寒冷）を発生させる極低温冷
凍機に関し、特に、その蓄冷器（再生式熱交換器）の構
造に関する技術分野に属する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、この種の極低温冷凍機は一般
に知られており、例えばヘリウムガス等からなる冷媒ガ
スを圧縮する圧縮機と、この圧縮機からの高圧冷媒ガス
及び圧縮機に戻る低圧冷媒ガスを切り換える切換弁と、
この切換弁に接続され、上記冷媒ガスの膨張時の冷熱を
蓄冷する蓄冷器と、この蓄冷器に接続された１つ以上の
冷却ステージとを備え、この冷却ステージにおいて、切
換弁の切換えにより蓄冷器を通して加えられる冷媒ガス
の圧力波によりその圧縮及び膨張を繰り返して冷熱を発
生させるようにしている。

【０００３】上記蓄冷器としては、例えばシリンダ内に
粒状の蓄冷材を充填し、その充填後にシリンダの端部を
冷媒ガスの流通可能な蓋部により閉じたものが用いられ
る。そして、上記蓄冷器におけるシリンダの一端部は、
冷却対象を冷却するため等に極低温レベル（例えば４．
２Ｋ）に温度が下がる低温端部となり、他端部は上記低
温端部よりも高い温度（例えば５０Ｋ）の高温端部とな
る。

【０００４】これに対し、上記蓄冷材は、極低温レベル
での温度域で十分な熱容量を持つ特性の磁性蓄冷材が用
いられる。この磁性蓄冷材は、比熱が最大となる固有の
温度を有し、その比熱のピークとなる温度が蓄冷材の種
類毎に異なる。従って、蓄冷材として、上記蓄冷器にお
けるシリンダの例えば低温端部側（又は高温端部側）の
温度域で比熱が最大となる同じ１種類の蓄冷材を蓄冷器
全体に亘り充填すると、高温端部側（又は低温端部側）
の温度域では蓄冷材の比熱のピークとなる温度からずれ
ることとなり、蓄冷器の蓄冷効率が不十分となる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】そこで、比熱のピーク
となる温度が各々で異なる複数種類の蓄冷材を用い、そ
の複数種類の蓄冷材を蓄冷器において異なる温度域に対
応するように層状に充填配置するとともに、これら異な
る種類の蓄冷材間の境界部に両種類の蓄冷材が互いに混
じり合わないように冷媒ガスの流通可能な区分け部材を
配置すれば、各種類の蓄冷材の持つ比熱を有効に利用し
て蓄冷器の蓄冷効率を高めることができる。

【０００６】ところで、このような区分け部材を有する
蓄冷器、或いは区分け部材のない蓄冷器を製造すると
き、シリンダの一端部に一方の蓋部を嵌挿してからその
蓋部を底壁として蓄冷材を充填し、区分け部材を有する
ものについては、その区分け部材を嵌挿した後に他の種
類の蓄冷材を充填し、最後にシリンダの他端部に他方の
蓋部を嵌挿することで、蓄冷器が製造される。

【０００７】その場合、蓋部又は区分け部材をシリンダ
に嵌挿するためにシリンダ内周面と蓋部又は区分け部材
の各外周部との間に生じる隙間は必要最小限に設定され
る。しかし、こうした常温での蓄冷器の製造時に、上記
シリンダ内周面と蓋部又は区分け部材の各外周部との間
の隙間を最小に設定したとしても、冷凍機の運転時に蓄
冷器が極低温レベルに温度降下すると、それに伴って上
記隙間が大きくなるのは避けられない。このため、本来
は蓋部や区分け部材を通って流通すべき冷媒ガスが上記
増大した隙間を通って流れるようになり、蓄冷器内部や
蓄冷器内外でのガスの流れに偏流が生じてガス流量の分
布が一様でなくなり（図５参照）、その結果、蓄冷材と
ガスとの熱交換効率が下がって冷凍機の冷却性能が低下
するという問題が生じる。

【０００８】本発明は斯かる点に鑑みてなされたもの
で、その目的は、上記したように蓄冷器のシリンダに嵌
挿される蓋部や区分け部材の材料を特定することで、蓄
冷器の温度が極低温レベルに低下しても、蓋部や区分け
部材とシリンダとの間の隙間が増大しないようにし、冷
凍機の運転時に蓄冷器で冷媒ガスの偏流が生じるのを抑
制して、蓄冷材とガスとの熱交換効率を高め、極低温冷
凍機の冷却性能を向上させることにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、この発明では、蓄冷器における蓋部及び／又は区
分け部材を、温度が下がるほど膨張する負の膨張率の材
料で構成した。

【００１０】具体的には、請求項１の発明では、冷媒ガ
スの圧力波を発生させる圧力波発生手段（２４）と、こ
の圧力波発生手段（２４）による冷媒ガスの圧力波によ
って冷媒ガスの圧縮及び膨張を繰り返して冷熱を発生す
る少なくとも１つの冷却ステージ（９，１１）と、上記
冷媒ガスの膨張時の冷熱を蓄冷する蓄冷器（２，３）と
を備えた極低温冷凍機を前提とする。

【００１１】そして、上記蓄冷器（３）は、シリンダ
（３４）と、このシリンダ（３４）の端部に嵌挿され、
冷媒ガスの流通可能な蓋部（３５Ｈ，３５Ｌ）と、この
蓋部（３５Ｈ，３５Ｌ）で閉じられたシリンダ（３４）
の内部に充填された蓄冷材（３６Ｈ〜３６Ｌ）とを備
え、上記蓋部（３５Ｈ，３５Ｌ）は、温度に対して零又
は負の膨張率を持つ材料からなるものとする。

【００１２】請求項２の発明では、上記請求項１の発明
の前提と同様の極低温冷凍機において、その蓄冷器
（３）は、シリンダ（３４）と、このシリンダ（３４）
の端部に嵌挿され、冷媒ガスの流通可能な蓋部（３５
Ｈ，３５Ｌ）と、この蓋部（３５Ｈ，３５Ｌ）で閉じら
れたシリンダ（３４）の内部に、該シリンダ（３４）の
軸方向に層状に充填された少なくとも２種類の蓄冷材
（３６Ｈ〜３６Ｌ）と、上記シリンダ（３４）内に上記
異なる種類の蓄冷材（３６Ｈ〜３６Ｌ）の境界部に位置
するように嵌挿され、冷媒ガスの流通可能な区分け部材
（３７Ｈ，３７Ｌ）とを備え、上記区分け部材（３７
Ｈ，３７Ｌ）は、温度に対して零又は負の膨張率を持つ
材料からなるものとする。

【００１３】請求項３の発明では、上記請求項２の発明
の極低温冷凍機において、その蓄冷器（３）の蓋部（３
５Ｈ，３５Ｌ）は、温度に対して零又は負の膨張率を持
つ材料からなるものとする。

【００１４】これらの各発明の構成によると、蓄冷器
（３）の蓋部（３５Ｈ，３５Ｌ）及び／又は区分け部材
（３７Ｈ，３７Ｌ）が温度に対して零又は負の膨張率を
持つ材料からなるので、これら蓋部（３５Ｈ，３５Ｌ）
や区分け部材（３７Ｈ，３７Ｌ）は、その温度が冷凍機
の運転中に極低温レベルに低下したときに膨張して、そ
の外径がシリンダ（３４）に対して相対的に増大する。
このため、蓄冷器（３）の常温での製造時に、蓋部（３
５Ｈ，３５Ｌ）や区分け部材（３７Ｈ，３７Ｌ）の外径
を、シリンダ（３４）の内部に嵌挿するために必要な隙
間を持つようにシリンダ（３４）の内径よりも小さくし
ていても、冷凍機が運転状態になって、その蓋部（３５
Ｈ，３５Ｌ）や区分け部材（３７Ｈ，３７Ｌ）が温度降
下すると、上記蓋部（３５Ｈ，３５Ｌ）や区分け部材
（３７Ｈ，３７Ｌ）の膨張によりその外周面とシリンダ
（３４）の内周面との間の隙間は十分小さくなるか零
（０）になる。その結果、蓄冷器（３）内外間又は内部
で冷媒ガスの偏流が発生せず、その冷媒ガスの流量分布
が一様となり、冷凍機の冷却性能を向上維持することが
できる。

【００１５】請求項４の発明では、請求項２の発明の極
低温冷凍機において、区分け部材（３７Ｈ，３７Ｌ）が
複数設けられている場合に、それら複数の区分け部材
（３７Ｈ，３７Ｌ）の温度に対する膨張率を蓄冷器
（３）の冷却温度位置に応じて異ならせる。

【００１６】また、請求項５の発明では、請求項１又は
３の発明の極低温冷凍機において、シリンダ（３４）の
両端部にそれぞれ位置する蓋部（３５Ｈ，３５Ｌ）の温
度に対する膨張率を互いに異ならせる。

【００１７】こうすれば、蓄冷器（３）での温度領域に
応じて蓋部（３５Ｈ，３５Ｌ）や区分け部材（３７Ｈ，
３７Ｌ）の膨張率を適正に対応させて、冷凍機の運転中
の蓋部（３５Ｈ，３５Ｌ）や区分け部材（３７Ｈ，３７
Ｌ）とシリンダ（３４）との間の隙間を略一定に保つこ
とができる。

【００１８】請求項６の発明では、上記圧力波発生手段
（２４）は、冷媒ガスを圧縮する圧縮機（１６）と、こ
の圧縮機（１６）からの高圧冷媒ガス及び圧縮機（１
６）に戻る低圧冷媒ガスを切り換える切換弁（１７）と
を備えてなるものとする。このことで、望ましい圧力波
発生手段（２４）を具体化することができる。

【００１９】

【発明の実施の形態】図４は本発明の実施形態に係る極
低温冷凍機（Ｒ）の全体構成を示し、この冷凍機（Ｒ）
は、冷媒ガスとして例えばヘリウムガスを用いる２段の
パルス管冷凍機からなる。（１）は内部が真空断熱状態
に保たれる真空槽で、その内部には再生式熱交換器から
なる第１段及び第２段の蓄冷器（２，３）と、第１段及
び第２段のパルス管（５，６）とが収容され、これらは
真空槽（１）の上壁に断熱状態で吊下げ支持されてい
る。

【００２０】上記各蓄冷器（２，３）は真空槽（１）の
略中央に配置され、第１段蓄冷器（２）の上端部は真空
槽（１）上壁の外側に位置していて高温端部（常温端
部）に形成されている。第１段蓄冷器（２）の外径（詳
しくは後述するシリンダ（３４）の外径）は第２段蓄冷
器（３）よりも大径とされ、両蓄冷器（２，３）は互い
に冷媒ガスが流通可能に連通されている。

【００２１】そして、第１段蓄冷器（２）の下端部は、
上記第１段パルス管（５）内部の膨張空間での冷媒ガス
の膨張により極低温レベル（例えば５０Ｋ以下）に温度
降下する第１段冷却ステージ（９）に、また第２段蓄冷
器（３）の下端部は、同様に上記第２段パルス管（６）
内部の膨張空間での冷媒ガスの膨張により第１段冷却ス
テージ（９）よりも低い温度レベル（例えば４．２Ｋ）
に温度降下する第２段冷却ステージ（１１）にそれぞれ
接続され、その第１段冷却ステージ（９）には、第２段
冷却ステージ（１１）の全体及び第２段蓄冷器（３）の
低温端部を周りから輻射シールドするためのシールド部
（１４）が、また第２段冷却ステージ（１１）には図外
の冷却対象がそれぞれ伝熱可能に接触している。

【００２２】一方、上記第１段及び第２段のパルス管
（５，６）はそれぞれ真空槽（１）の異なる周辺位置に
配置され、各パルス管（５，６）の上端部は真空槽
（１）上壁の外側に位置していて高温端部となってい
る。これらのパルス管（５，６）は、後述の圧力波発生
手段（２４）による冷媒ガスの圧力波により内部で冷媒
ガスの仮想ピストンを往復動させ、上記冷却ステージ
（９，１１）で冷媒ガスの圧縮及び膨張を繰り返させて
冷熱（寒冷）を発生させるもので、第１段パルス管
（５）下端の低温端部と上記第１段蓄冷器（２）の下端
とは第１段連通管（１２）により冷媒ガスの流通可能に
連通されている。また、第２段パルス管（６）下端の低
温端部と第２段蓄冷器（３）の下端とは第２段連通管
（１３）により冷媒ガスの流通可能に連通されている。

【００２３】上記第１段蓄冷器（２）の高温端部にはガ
ス給排配管（１５）の一端部（下端部）が接続され、こ
のガス給排配管（１５）の他端部（上端部）は、例えば
ヘリウム等の冷媒ガスを圧縮して定常的に高圧冷媒ガス
を発生させる圧縮機（１６）にロータリバルブ（１７）
を介して接続されている。このロータリバルブ（１７）
は互いに接する固定弁体（１８）及び回転弁体（１９）
からなり、固定弁体（１８）の接触面には上記ガス給排
配管（１５）（第１段蓄冷器（２）の高温端部）に常時
連通する給排ポート（２０）と、圧縮機（１６）の吸込
み部に常時連通する低圧ポート（２１）とが、また回転
弁体（１９）の接触面には圧縮機（１６）の吐出部に常
時連通する高圧ポート（２２）と、連通部（２３）とが
それぞれ開口されており、回転弁体（１９）を固定弁体
（１８）に対し相対回転させて給排ポート（２０）に圧
縮機（１６）の吐出部又は吸込み部を切り換えて連通さ
せ、回転弁体（１９）の高圧ポート（２２）を固定弁体
（１８）の給排ポート（２０）に連通させたときには、
圧縮機（１６）からの高圧冷媒ガスを高圧ポート（２
２）ないし給排ポート（２０）を経て蓄冷器（２，３）
及びパルス管（５，６）に供給する一方、回転弁体（１
９）の回転によりその連通部（２３）を給排ポート（２
０）に連通させたときには、パルス管（５，６）及び蓄
冷器（２，３）から冷媒ガスを給排ポート（２０）、連
通部（２３）及び低圧ポート（２１）を介して圧縮機
（１６）の吸込み部に戻すようになっている。よって、
上記圧縮機（１６）とロータリバルブ（１７）とにより
冷媒ガスの所定周期の圧力波を発生させる圧力波発生手
段（２４）が構成されている。

【００２４】上記各パルス管（５，６）の高温端部に
は、その高温端部に対する冷媒ガス圧の位相を制御し
て、パルス管（５，６）内における冷媒ガスの仮想ピス
トンの往復動についてロータリバルブ（１７）による高
圧又は低圧冷媒ガスの給排切換えに対し位相差を作るた
めの位相制御手段（２６ａ，２６ｂ）が設けられてい
る。

【００２５】この各位相制御手段（２６ａ，２６ｂ）
は、各パルス管（５，６）の高温端部に配管（２７ａ，
２７ｂ）を介して連通するバッファ空間（図示せず）が
内部に形成されたバッファタンク（２８ａ，２８ｂ）を
備え、上記各配管（２７ａ，２７ｂ）の途中には一定開
度を有する第１流量調整バルブ（２９ａ，２９ｂ）が接
続されている。この流量調整バルブ（２９ａ，２９ｂ）
と各パルス管（５，６）の高温端部との間の配管（２７
ａ，２７ｂ）にはそれぞれ分岐配管（３０ａ，３０ｂ）
の一端部が分岐接続され、この各分岐配管（３０ａ，３
０ｂ）の他端部は上記第１段蓄冷器（２）とロータリバ
ルブ（１７）との間のガス給排配管（１５）に接続さ
れ、この分岐配管（３０ａ，３０ｂ）の途中には一定開
度を有する第２流量調整バルブ（３１ａ，３１ｂ）が接
続されている。上記各流量調整バルブ（２９ａ，２９
ｂ，３１ａ，３１ｂ）は各配管（２７ａ，２７ｂ，３０
ａ，３０ｂ）内を流れる冷媒ガスに流動抵抗を与える機
能を有する。そして、ロータリバルブ（１７）で発生し
た冷媒ガスの圧力波を第２流量調整バルブ（３１ａ，３
１ｂ）で流動抵抗を付与しながら各パルス管（５，６）
の高温端部に供給するとともに、その高温端部から冷媒
ガスを第１流量調整バルブ（２９ａ，２９ｂ）で流動抵
抗を付与しながらバッファタンク（２８ａ，２８ｂ）内
のバッファ空間に給排することで、パルス管（５，６）
の高温端部に対する冷媒ガス圧の位相を制御して、パル
ス管（５，６）内で冷媒ガスの仮想ピストンを往復動さ
せ、この仮想ピストンの往復動により冷却ステージ
（９，１１）内の膨張空間で冷媒ガスを膨張させて、そ
の冷却ステージ（９，１１）に極低温レベルの冷熱を発
生させるようにしている。尚、上記位相制御手段（２６
ａ，２６ｂ）は上記バッファタンク（２８ａ，２８
ｂ）、第１流量調整バルブ（２９ａ，２９ｂ）及び第２
流量調整バルブ（３１ａ，３１ｂ）により構成されてい
る。

【００２６】また、各蓄冷器（２，３）においては、ガ
ス給排配管（１５）が圧縮機（１６）の吸込み部（低圧
側）に連通するようにロータリバルブ（１７）が切り換
えられて、対応する各パルス管（５，６）から冷媒ガス
が、対応する蓄冷器（２，３）及びガス給排配管（１
５）を介して圧縮機（１６）の吸込み部に戻されるとき
に、冷却ステージ（９，１１）内の膨張空間で発生した
冷媒ガスの冷熱を後述の蓄冷材に熱交換により蓄冷する
一方、逆に、ガス給排配管（１５）が圧縮機（１６）の
吐出部（高圧側）に連通するようにロータリバルブ（１
７）が切り換えられて、高圧の冷媒ガスがガス給排配管
（１５）及び対応する蓄冷器（２，３）を介して各パル
ス管（５，６）に供給されるときに、その冷媒ガスに対
し上記蓄冷した冷熱を熱交換により与えるようになって
いる。

【００２７】上記第１段蓄冷器（２）は、図示しない
が、例えばステンレス鋼からなる円筒状のシリンダの内
部に、銅合金或いはステンレス鋼製の金網を円形状に打
ち抜いた蓄冷材を多数枚積層して充填して構成される。

【００２８】これに対し、第２段蓄冷器（３）は、図３
に示すように、例えばステンレス鋼からなる円筒状のシ
リンダ（３４）と、このシリンダ（３４）の両端開口部
に嵌挿されて係止され、この各開口部をそれぞれ閉じる
高温側及び低温側の各蓋部（３５Ｈ，３５Ｌ）とを備え
ている。図２に低温側蓋部（３５Ｌ）について拡大して
例示するように（高温側蓋部（３５Ｈ）も同様の構成で
ある）、この各蓋部（３５Ｈ，３５Ｌ）は底部（３５
ａ）と、該底部（３５ａ）の周縁から円筒状に延びる側
壁部（３５ｂ）とからなり、少なくとも底部（３５ａ）
は多数の貫通状の円形の細孔（図示せず）が形成された
多孔板で構成され、この多孔板に銅合金製金網（図示せ
ず）が貼り付けられており、この細孔により蓋部（３５
Ｈ，３５Ｌ）は冷媒ガスをシリンダ（３４）の内外で、
つまり低温側蓋部（３５Ｌ）にあってはシリンダ（３
４）の内部と膨張空間との間で、また高温側蓋部（３５
Ｈ）にあってはシリンダ（３４）の内部と膨張空間又は
ガス給排配管（１５）との間でそれぞれ流通可能とされ
ている。

【００２９】また、上記両蓋部（３５Ｈ，３５Ｌ）で閉
じられたシリンダ（３４）の内部には高温側、中温側及
び低温側の３種類の各蓄冷材（３６Ｈ，３６Ｍ，３６
Ｌ）がシリンダ（３４）の軸方向に層状に充填配置され
ている。この各蓄冷材（３６Ｈ〜３６Ｌ）は、例えば粒
径０．５ｍｍ程度の粒状の鉛合金或いは磁性蓄冷材から
なり、比熱のピークとなる温度が各々で異なっており、
高温側蓄冷材（３６Ｈ）はその比熱のピーク温度が中温
側蓄冷材（３６Ｍ）よりも高いものが、また該中温側蓄
冷材（３６Ｍ）は比熱のピーク温度が低温側蓄冷材（３
６Ｌ）よりも高いものがそれぞれ用いられている。

【００３０】さらに、上記シリンダ（３４）内には高温
側及び低温側の２つの区分け部材（３７Ｈ，３７Ｌ）が
上記異なる３種類の蓄冷材（３６Ｈ〜３６Ｌ）の境界部
に位置するように配置されて嵌挿係止されている。この
各区分け部材（３７Ｈ，３７Ｌ）は、図１に低温側区分
け部材（３７Ｌ）について拡大して例示するように（高
温側区分け部材（３７Ｈ）も同様の構成である）、上記
各蓋部（３５Ｈ，３５Ｌ）と同様に、底部（３７ａ）と
該底部（３７ａ）の周縁から円筒状に延びる側壁部（３
７ｂ）とからなり、その少なくとも底部（３７ａ）は多
数の円形の細孔（図示せず）が貫通形成された多孔板で
構成され、この多孔板に銅合金製金網（図示せず）が貼
り付けられており、この細孔により区分け部材（３７
Ｈ，３７Ｌ）はその両側の空間内の冷媒ガスを流通可能
とされている。

【００３１】上記第２段蓄冷器（２）を製造する場合に
は、シリンダ（３４）内にその低温端部となる一端側か
ら、低温側蓋部（３５Ｌ）を側壁部（３５ｂ）が他端側
（高温端部側）に向くように配置して嵌挿し、次いで、
シリンダ（３４）内にその高温端部となる他端開口から
低温側蓄冷材（３６Ｌ）を低温側蓋部（３５Ｌ）上に積
層されるように充填した後、同じ高温端部となる他端開
口からシリンダ（３４）内に低温側区分け部材（３７
Ｌ）を上記低温側蓋部（３５Ｌ）と同じ向きにしかつ低
温側蓄冷材（３６Ｌ）に接するように嵌挿し、同様にし
て中温側蓄冷材（３６Ｍ）の充填、高温側区分け部材
（３７Ｈ）の嵌挿及び高温側蓄冷材（３６Ｈ）の充填を
それぞれ順に行った後、シリンダ（３４）の他端開口
に、高温側蓋部（３５Ｈ）をその側壁部（３５ｂ）が一
端側（低温端部側）に向くように、つまり上記低温側蓋
部（３５Ｌ）や区分け部材（３７Ｈ，３７Ｌ）とは逆の
向きに配置して嵌挿する。

【００３２】そして、上記両蓋部（３５Ｈ，３５Ｌ）及
び両区分け部材（３７Ｈ，３７Ｌ）は、いずれも温度に
対して零（０）又は負の膨張率を持つ材料からなる。ま
た、２つの蓋部（３５Ｈ，３５Ｌ）及び区分け部材（３
７Ｈ，３７Ｌ）の膨張率は蓄冷器（３）の冷却温度位置
に応じて異なっており、その蓄冷器（３）での膨張率の
大きさを並べると、低温側蓋部（３５Ｌ）＞低温側区分
け部材（３７Ｌ）＞高温側区分け部材（３７Ｈ）＞高温
側蓋部（３５Ｈ）の順になっている。

【００３３】具体的には、上記蓋部（３５Ｈ，３５Ｌ）
及び区分け部材（３７Ｈ，３７Ｌ）の材料は、例えばダ
イニーマ繊維ＦＲＰ（（株）東洋紡の商品名）、アラミ
ド繊維ＦＲＰ、カーボン繊維ＦＲＰ等からなり、いずれ
も繊維の長さ方向に対して負の膨張率を有する。但し、
これらの繊維は、その長さ方向と直交する径方向に正の
膨張率を有するので、繊維を長さ方向が蓋部（３５Ｈ，
３５Ｌ）及び区分け部材（３７Ｈ，３７Ｌ）の径方向に
沿うように配列する必要がある。また、これらの繊維の
含有率を変えることで温度に対する膨張率が変更されて
おり、繊維の含有率が多いほど膨張率が大きくなる。

【００３４】次に、上記実施形態の極低温冷凍機（Ｒ）
の作動について説明する。冷凍機（Ｒ）の運転中、ロー
タリバルブ（１７）が回転切換えされ、このロータリバ
ルブ（１７）の切換えにより、圧縮機（１６）から吐出
された高圧冷媒ガスと、圧縮機（１６）に戻る低圧冷媒
ガスとが交互に切り換えられて冷媒ガスの所定周期の圧
力波が生成され、この圧力波はガス給排配管（１５）、
第１段及び第２段の蓄冷器（２，３）並びに連通管（１
２，１３）を経て第１段及び第２段のパルス管（５，
６）の低温端部からその内部に伝達される。また、位相
制御手段（２６）により各パルス管（５，６）の高温端
部に対する冷媒ガス圧の位相が制御されて、各パルス管
（５，６）内における冷媒ガスの仮想ピストンが所定の
周期で往復動する。この冷媒ガスの仮想ピストンの往復
動により冷媒ガスが各蓄冷器（２，３）下側における冷
却ステージ（９，１１）内の膨張空間で膨張し、この冷
媒ガスの膨張により冷熱が生じて第１段冷却ステージ
（９）が極低温レベルに、また第２段冷却ステージ（１
１）が第１段冷却ステージ（９）よりも低い極低温レベ
ルにそれぞれ冷却され、その第２段冷却ステージ（１
１）に伝熱可能に配置された冷却対象が同じ極低温レベ
ルの設定温度に冷却保持される。

【００３５】この間、上記ガス給排配管（１５）が圧縮
機（１６）の吸込み部に連通するようにロータリバルブ
（１７）が切り換えられて、各パルス管（５，６）から
冷媒ガスが蓄冷器（２，３）を通って圧縮機（１６）の
吸込み部に戻されるときに、その冷媒ガスは各蓄冷器
（２，３）のシリンダ内部の蓄冷材に蓄冷される。具体
的に、第２段蓄冷器（３）にあっては、冷媒ガスは低温
側蓋部（３５Ｌ）からシリンダ（３４）内に入り、その
シリンダ（３４）内の低温側蓄冷材（３６Ｌ）間の空
間、低温側区分け部材（３７Ｌ）、中温側蓄冷材（３６
Ｍ）間の空間、高温側区分け部材（３７Ｈ）及び高温側
蓄冷材（３６Ｈ）間の空間を通過した後に高温側蓋部
（３５Ｈ）からシリンダ（３４）外に流出し、上記各蓄
冷材（３６Ｈ〜３６Ｌ）間の空間を通過する間に冷媒ガ
スの冷熱が熱交換により蓄冷材（３６Ｈ〜３６Ｌ）に蓄
冷される。

【００３６】一方、逆にガス給排配管（１５）が圧縮機
（１６）の吐出部に連通するようにロータリバルブ（１
７）が切り換えられて、高圧の冷媒ガスが各パルス管
（５，６）に供給されるときに、上記蓄冷時とは逆に、
その冷媒ガスは各蓄冷器（２，３）で上記蓄冷した冷熱
が熱交換により与えられ、第２段蓄冷器（３）にあって
は、高温側蓋部（３５Ｈ）からシリンダ（３４）内に入
り、そのシリンダ（３４）内の高温側蓄冷材（３６Ｈ）
間の空間、高温側区分け部材（３７Ｈ）、中温側蓄冷材
（３６Ｍ）間の空間、低温側区分け部材（３７Ｌ）及び
低温側蓄冷材（３６Ｌ）間の空間を通過した後に低温側
蓋部（３５Ｌ）からシリンダ（３４）外に流出し、上記
各蓄冷材（３６Ｈ〜３６Ｌ）間の空間を通過する冷媒ガ
スに対し上記蓄冷した冷熱が熱交換により与えられる。

【００３７】そして、上記第２段蓄冷器（３）では、比
熱のピークとなる温度の異なる３種類の蓄冷材（３６Ｈ
〜３６Ｌ）が各々の比熱のピークとなる温度域に対応す
るようにシリンダ（３４）内に層状に充填され、これら
異なる種類の蓄冷材（３６Ｈ〜３６Ｌ）間の境界部に両
種類の蓄冷材（３６Ｈ〜３６Ｌ）が互いに混じり合わな
いように冷媒ガスの流通可能な区分け部材（３７Ｈ，３
７Ｌ）を配置されているので、各種類の蓄冷材（３６Ｈ
〜３６Ｌ）の持つ比熱を有効に利用して蓄冷器（３）の
蓄冷効率を高めることができる。

【００３８】また、第２段蓄冷器（３）における蓋部
（３５Ｈ，３５Ｌ）及び区分け部材（３７Ｈ，３７Ｌ）
が温度に対して零又は負の膨張率を持つ材料からなるの
で、これら蓋部（３５Ｈ，３５Ｌ）や区分け部材（３７
Ｈ，３７Ｌ）の温度が冷凍機（Ｒ）の運転中に極低温レ
ベルに低下しても、各々の外径はシリンダ（３４）に対
して相対的に増大する。このため、常温での蓄冷器
（３）の製造時に蓋部（３５Ｈ，３５Ｌ）や区分け部材
（３７Ｈ，３７Ｌ）をシリンダ（３４）の内部に嵌挿可
能とする目的で、その側壁部（３５ｂ，３７ｂ）とシリ
ンダ（３４）内壁面との間に嵌挿のために必要な隙間が
生じるように側壁部（３５ｂ，３７ｂ）の外径をシリン
ダ（３４）の内径よりも小さ目に設定していても、冷凍
機（Ｒ）が運転状態になると、上記蓋部（３５Ｈ，３５
Ｌ）や区分け部材（３７Ｈ，３７Ｌ）の温度降下に伴う
膨張により側壁部（３５ｂ，３７ｂ）外周面とシリンダ
（３４）の内周面との間の隙間は十分小さくなるか又は
零（０）になり、その側壁部（３５ｂ，３７ｂ）外周面
とシリンダ（３４）内周面とが略密接する。その結果、
図５に示す如く、区分け部材（３７Ｈ，３７Ｌ）の側壁
部（３５ｂ）（又は蓋部（３５Ｈ，３５Ｌ）の側壁部
（３７ｂ））外周面とシリンダ（３４）内周面との隙間
（ｄ）が大きくなる場合のように、その隙間（ｄ）を経
ての冷媒ガスの流通が抑制ないしは阻止され、冷媒ガス
は底部（３５ａ）（又は（３７ａ））の細孔のみを通る
ようになる。このことで、蓄冷器（３）内外間又は内部
で冷媒ガスの偏流が発生せず、その冷媒ガスの流量分布
が一様となり、冷凍機（Ｒ）の冷却性能を向上維持する
ことができる。

【００３９】しかも、上記２つの蓋部（３５Ｈ，３５
Ｌ）及び区分け部材（３７Ｈ，３７Ｌ）の各膨張率が蓄
冷器（３）の冷却温度位置に応じて異なっており、蓄冷
器（３）の低温側にある蓋部（３５Ｌ）及び区分け部材
（３７Ｌ）の温度に対する膨張率がそれぞれ高温側の蓋
部（３５Ｈ）及び区分け部材（３７Ｈ）の温度に対する
膨張率よりも大きいので、蓄冷器（３）での温度領域に
応じて蓋部（３５Ｈ，３５Ｌ）や区分け部材（３７Ｈ，
３７Ｌ）の温度に対する膨張率を適正に対応させて、冷
凍機（Ｒ）の運転中の蓋部（３５Ｈ，３５Ｌ）や区分け
部材（３７Ｈ，３７Ｌ）とシリンダ（３４）との間の隙
間を略一定に保つことができる。

【００４０】尚、上記実施形態では、冷媒ガスを圧縮す
る圧縮機（１６）と、この圧縮機（１６）からの高圧冷
媒ガス及び圧縮機（１６）に戻る低圧冷媒ガスを切り換
えるロータリバルブ（１７）とで圧力波発生手段（２
４）を構成しているが、シリンダ内でピストンを往復動
させて冷媒ガスを周期的に圧縮する往復動ピストン型圧
縮機を用いることもできる。

【００４１】また、上記実施形態では、第２段蓄冷器
（３）の蓋部（３５Ｈ，３５Ｌ）及び区分け部材（３７
Ｈ，３７Ｌ）の全てを、温度に対し零又は負の膨張率を
持つ材料で構成しているが、これらのうちから選んだも
のを同材料で構成することもできる。その場合、寧ろ高
温側よりも低温側にある蓋部（３５Ｌ）や区分け部材
（３７Ｌ）を負の膨張率を持つ材料で構成するのが好ま
しい。

【００４２】また、上記実施形態では、３種類の蓄冷材
（３６Ｈ〜３６Ｌ）を用いているが、２種類以下又は４
種類以上の蓄冷材を用いることもできる。但し、１種類
の蓄冷材を用いる場合、区分け部材は不要であるので、
蓋部（３５Ｈ，３５Ｌ）のみについて負の膨張率を持つ
材料で構成すればよい。

【００４３】さらに、上記実施形態は、極低温冷凍機
（Ｒ）が２段のパルス管冷凍機からなるものであるが、
本発明は、１段又は３段以上のパルス管冷凍機からなる
極低温冷凍機に適用でき、さらにはシリンダ内でディス
プレーサを往復動させるディスプレーサ型膨張機を備え
たスターリング冷凍機や、ギフォード・マクマホンサイ
クルを有するＧＭ冷凍機等の蓄冷器にも適用することが
できる。

【００４４】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１の発明で
は、圧力波発生手段により冷媒ガスの圧力波を発生さ
せ、この冷媒ガスの圧力波によって冷媒ガスの圧縮及び
膨張を繰り返して冷熱を発生する少なくとも１つの冷却
ステージと、上記冷媒ガスの膨張時の冷熱を蓄冷する蓄
冷器とを備えた極低温冷凍機において、蓄冷器は、シリ
ンダの端部を冷媒ガスの流通可能に閉じる蓋部と、シリ
ンダの内部に充填された蓄冷材とを備え、その蓋部を、
温度に対して零又は負の膨張率を持つ材料で構成した。
また、請求項２の発明では、上記蓄冷器は、シリンダの
端部を冷媒ガスの流通可能に閉じる蓋部と、シリンダの
内部に、シリンダの軸方向に層状に充填された少なくと
も２種類の粒状蓄冷材と、上記シリンダ内に上記異なる
種類の蓄冷材の境界部に位置するように嵌挿され、冷媒
ガスの流通可能な区分け部材とを備え、その区分け部材
を、温度に対して零又は負の膨張率を持つ材料で構成し
た。さらに、請求項３の発明では、上記請求項２の発明
の極低温冷凍機における蓄冷器の蓋部を、温度に対して
零又は負の膨張率を持つ材料で構成した。これらの各発
明によると、蓄冷器の製造時に蓋部や区分け部材の外径
を、シリンダの内部に嵌挿するために必要な隙間を持つ
ように小さくしていても、冷凍機の運転中は蓋部や区分
け部材の外径がシリンダに対し相対的に増大して、蓋部
や区分け部材の外周面とシリンダ内周面との間の隙間は
十分小さくないしは零になり、蓄冷器内外間又は内部で
冷媒ガスの偏流の発生を抑制して冷凍機の冷却性能を向
上維持することができる。

【００４５】請求項４の発明では、複数の区分け部材の
温度に対する膨張率を蓄冷器の冷却温度位置に応じて異
ならせるようにした。また、請求項５の発明では、シリ
ンダの両端部にそれぞれ位置する蓋部の温度に対する膨
張率を互いに異ならせるようにした。従って、これらの
発明によれば、蓄冷器での温度領域に応じて蓋部や区分
け部材の膨張率を適正に対応させて、冷凍機の運転中の
蓋部や区分け部材とシリンダとの間の隙間を略一定に保
つことができる。

【００４６】請求項６の発明によると、圧力波発生手段
は、冷媒ガスを圧縮する圧縮機と、この圧縮機からの高
圧冷媒ガス及び圧縮機に戻る低圧冷媒ガスを切り換える
切換弁とを備えてなるものとしたことにより、望ましい
圧力波発生手段を具体化することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態において冷凍機の運転中に冷
媒ガスが蓄冷器の区分け部材を通過する状態を拡大して
示す断面図である。

【図２】冷凍機の運転中に冷媒ガスが蓄冷器の蓋部を通
過する状態を拡大して示す断面図である。

【図３】蓄冷器の断面図である。

【図４】本発明の実施形態に係る極低温冷凍機の全体構
成を示す図である。

【図５】冷凍機の運転中に蓄冷器の区分け部材とシリン
ダとの間の隙間が増大した状態での冷媒ガスの通過状態
を示す図１相当図である。

【符号の説明】 （Ｒ） 極低温冷凍機 （２，３） 蓄冷器 （５，６） パルス管 （９，１１） 冷却ステージ （１６） 圧縮機 （１７） ロータリバルブ（切換弁） （２４） 圧力波発生手段 （３４） シリンダ （３５Ｈ，３５Ｌ） 蓋部 （３６Ｈ〜３６Ｌ） 蓄冷材 （３７Ｈ，３７Ｌ） 区分け部材

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 冷媒ガスの圧力波を発生させる圧力波発
   生手段（２４）と、 上記圧力波発生手段（２４）による冷媒ガスの圧力波に
   よって冷媒ガスの圧縮及び膨張を繰り返して冷熱を発生
   する少なくとも１つの冷却ステージ（９，１１）と、 上記冷媒ガスの膨張時の冷熱を蓄冷する蓄冷器（２，
   ３）とを備えた極低温冷凍機において、 上記蓄冷器（３）は、シリンダ（３４）と、 上記シリンダ（３４）の端部に嵌挿され、冷媒ガスの流
   通可能な蓋部（３５Ｈ，３５Ｌ）と、 上記蓋部（３５Ｈ，３５Ｌ）で閉じられたシリンダ（３
   ４）の内部に充填された蓄冷材（３６Ｈ〜３６Ｌ）とを
   備え、 上記蓋部（３５Ｈ，３５Ｌ）は、温度に対して零又は負
   の膨張率を持つ材料からなることを特徴とする極低温冷
   凍機。
2. 【請求項２】 冷媒ガスの圧力波を発生させる圧力波発
   生手段（２４）と、 上記圧力波発生手段（２４）による冷媒ガスの圧力波に
   よって冷媒ガスの圧縮及び膨張を繰り返して冷熱を発生
   する少なくとも１つの冷却ステージ（９，１１）と、 上記冷媒ガスの膨張時の冷熱を蓄冷する蓄冷器（２，
   ３）とを備えた極低温冷凍機において、 上記蓄冷器（３）は、シリンダ（３４）と、 上記シリンダ（３４）の端部に嵌挿され、冷媒ガスの流
   通可能な蓋部（３５Ｈ，３５Ｌ）と、 上記蓋部（３５Ｈ，３５Ｌ）で閉じられたシリンダ（３
   ４）の内部に、該シリンダ（３４）の軸方向に層状に充
   填された少なくとも２種類の蓄冷材（３６Ｈ〜３６Ｌ）
   と、 上記シリンダ（３４）内に上記異なる種類の蓄冷材（３
   ６Ｈ〜３６Ｌ）の境界部に位置するように嵌挿され、冷
   媒ガスの流通可能な区分け部材（３７Ｈ，３７Ｌ）とを
   備え、 上記区分け部材（３７Ｈ，３７Ｌ）は、温度に対して零
   又は負の膨張率を持つ材料からなることを特徴とする極
   低温冷凍機。
3. 【請求項３】 請求項２の極低温冷凍機において、 蓄冷器（３）の蓋部（３５Ｈ，３５Ｌ）は、温度に対し
   て零又は負の膨張率を持つ材料からなることを特徴とす
   る極低温冷凍機。
4. 【請求項４】 請求項２の極低温冷凍機において、 区分け部材（３７Ｈ，３７Ｌ）が複数設けられており、 上記複数の区分け部材（３７Ｈ，３７Ｌ）の温度に対す
   る膨張率が蓄冷器（３）の冷却温度位置に応じて異なっ
   ていることを特徴とする極低温冷凍機。
5. 【請求項５】 請求項１又は３の極低温冷凍機におい
   て、 シリンダ（３４）の両端部にそれぞれ位置する蓋部（３
   ５Ｈ，３５Ｌ）の温度に対する膨張率が互いに異なって
   いることを特徴とする極低温冷凍機。
6. 【請求項６】 請求項１〜５のいずれか１つの極低温冷
   凍機において、 圧力波発生手段（２４）は、冷媒ガスを圧縮する圧縮機
   （１６）と、 上記圧縮機（１６）からの高圧冷媒ガスと圧縮機（１
   ６）に戻る低圧冷媒ガスとを切り換える切換弁（１７）
   とを備えてなることを特徴とする極低温冷凍機。