極低温冷凍機
【課題】より効果的に冷凍の効率を高めることができる極低温冷凍機を提供すること。
【解決手段】本発明による極低温冷凍機１は、第一ディスプレーサ２と、第一ディスプレーサ２との間に第一膨張空間３を形成する第一シリンダ４と、第一ディスプレーサ２に連結される第二ディスプレーサ５と、第二ディスプレーサ５との間に第二膨張空間６を形成する第二シリンダ７と、第二ディスプレーサ５の外周面に形成されて第二膨張空間６から螺旋状に延びる螺旋溝８とを含み、螺旋溝８は第一膨張空間３に連通するとともに、螺旋溝８の断面積は第二膨張空間６側よりも第一膨張空間３側の方が小さいことを特徴とする。
【解決手段】本発明による極低温冷凍機１は、第一ディスプレーサ２と、第一ディスプレーサ２との間に第一膨張空間３を形成する第一シリンダ４と、第一ディスプレーサ２に連結される第二ディスプレーサ５と、第二ディスプレーサ５との間に第二膨張空間６を形成する第二シリンダ７と、第二ディスプレーサ５の外周面に形成されて第二膨張空間６から螺旋状に延びる螺旋溝８とを含み、螺旋溝８は第一膨張空間３に連通するとともに、螺旋溝８の断面積は第二膨張空間６側よりも第一膨張空間３側の方が小さいことを特徴とする。
【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】
例えば、特許文献１には、二段側のディスプレーサの外周面の高温側において、クリアランスシール機構を施すとともに、二段側のディスプレーサの残余部分に螺旋溝を設けることが記載されている。このような構成により、螺旋溝内の冷媒ガスのサーフェイスヒートポンピング作用を冷凍機の冷凍能力に利用している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第３８５１９２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところが、特許文献１に記載の技術においては、螺旋溝内の冷媒ガスによる冷凍効率が十分でない。本発明はより効果的に螺旋溝内の冷媒ガスの冷凍効率を高めることができる極低温冷凍機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】
【０００５】
上記の問題を解決するため、本発明による極低温冷凍機は、
第一ディスプレーサと、当該第一ディスプレーサとの間に第一膨張空間を形成する第一シリンダと、前記第一ディスプレーサに連結される第二ディスプレーサと、当該第二ディスプレーサとの間に第二膨張空間を形成する第二シリンダと、前記第二ディスプレーサの外周面に形成されて前記第二膨張空間から螺旋状に延びる螺旋溝とを含み、前記螺旋溝は前記第一膨張空間に連通するとともに、前記螺旋溝の断面積は前記第二膨張空間側よりも前記第一膨張空間側の方が小さいことを特徴とする。
【０００６】
ここで、前記断面積は前記第二膨張空間から前記第一膨張空間側に向かうにつれて段階的に小さくなることとしてもよく、最も小さい前記断面積の前記螺旋溝が形成される領域の前記第二ディスプレーサの軸方向における長さは、前記第二ディスプレーサのストロークよりも長いこととしてもよい。
【０００７】
また、前記断面積は前記第二膨張空間から前記第一膨張空間に向かうにつれて連続的に小さくなることとしてもよい。
【０００８】
さらに、前記断面積は前記螺旋溝の深さにより調整することとしてもよく、前記螺旋溝は前記第一膨張空間側に開口するテーパ部分を含むこととしてよい。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の極低温冷凍機によれば、螺旋溝内の冷媒ガスの冷凍効率を高めることで、冷凍機全体の冷凍効率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明に係る実施例１の極低温冷凍機１の一実施形態について示す模式図である。
【図２】実施例１の極低温冷凍機１の第二ディスプレーサ５における螺旋溝８の一実施形態について示す模式図である。
【図３】実施例１の極低温冷凍機１のサイドクリアランスをパルス冷凍機のパルスチューブと視た場合のフロー図である。
【図４】本発明に係る実施例２の極低温冷凍機１の一実施形態について示す模式図である。
【図５】本発明に係る実施例３の極低温冷凍機１の一実施形態について示す模式図である。
【図６】本発明に係る実施例４の極低温冷凍機１の一実施形態について示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
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。
【実施例１】
【００１２】
本実施例１の極低温冷凍機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（ＧＭ）タイプの冷凍機である。図１に示すように、極低温冷凍機１は、第一ディスプレーサ２と、第一ディスプレーサ２に長手方向に直列に連結される第二ディスプレーサ５を備える。
【００１３】
第一シリンダ４と第二シリンダ７は、一体に形成されており、第一シリンダ４の低温端と第二シリンダ７の高温端が第一シリンダ４底部にて接続されている。第二シリンダ７は第一シリンダ４と同軸に形成され、第一シリンダ４よりも小径の円筒部材である。第一シリンダ４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７は第二ディスプレーサ５を長手方向に往復移動可能に収容する。
【００１４】
第一シリンダ４、第二シリンダ７には、高い強度、低い熱伝導率、十分なヘリウム遮断能の確保を目的と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５は、ステンレス鋼などの金属製の筒の外周面上に、フッ素樹脂などの耐摩耗性樹脂の皮膜を構成する。
【００１５】
第一シリンダ４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５を往復駆動するスコッチヨーク機構（図示しない）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５はそれぞれ第一シリンダ４、第二シリンダ７にそって往復移動する。
【００１６】
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の内部容積を第一蓄冷器９とも表現できる。第一ディスプレーサ２の高温端には、室温室１９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１５が形成されている。室温室１９は、第一シリンダ４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１９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、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４との間にはシール１１が装着されている。
【００１７】
第一ディスプレーサ２の低温端には、第一膨張空間３に第一熱交換器２０を介して冷媒ガスを導入する第二開口１６が形成されている。第一膨張空間３は、第一シリンダ４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４外周の第一膨張空間３に対応する位置には、被冷却物に熱的に接続された第一冷却ステージ（図示しない）が配置されており、第一冷却ステージは第一熱交換器２０により冷却される。
【００１８】
第二ディスプレーサ５は円筒状の外周面を有しており、第二ディスプレーサ５の内部には、第二蓄冷材が充填されている。この第二ディスプレーサ５の内部容積を第二蓄冷器１０とも表現できる。第一膨張空間３と第二ディスプレーサ５の高温端とは、連通路１７で連通されている。この連通路１７を介して第一膨張空間３から第二蓄冷器１０に冷媒ガスが流通する。
【００１９】
第二ディスプレーサ５の低温端には、第二膨張空間６に第二熱交換器２１を介して冷媒ガスを流通させるための第四開口１８が形成されている。第二膨張空間６は、第二シリンダ７と第二ディスプレーサ５により形成される空間であり、第二ディスプレーサ５の往復移動に伴い容積が変化する。第二熱交換器２１は、第二シリンダ７の低温端部分と第二ディスプレーサ５により形成されるクリアランスであり、このクリアランスは螺旋溝を有する第二ディスプレーサ５と第二シリンダ７の間のクリアランスよりも大きくなるように構成される。
【００２０】
第二シリンダ７外周の第二膨張空間６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（図示しない）が配置されており、第二冷却ステージは第二熱交換器２１により冷却される。
【００２１】
第一ディスプレーサ２には、軽い比重と十分な耐摩耗性、比較的高い強度、低い熱伝導率の確保を目的として、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、第二蓄冷材は、例えば鉛球等の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ている。
【００２２】
さらに第二ディスプレーサ５の外周面には、第二膨張空間６に第二熱交換器２１を介して連通する始端を有するとともに、螺旋状に第一膨張空間３側に延びる螺旋溝８が形成されている。この螺旋溝８は、図１中下側（低温側）には断面積の大きい螺旋溝８ａを構成し、上側（高温側）には断面積の小さい螺旋溝８ｂを構成する。螺旋溝８ｂは第二ディスプレーサ５の上端にて終了する終端を有し、第一膨張空間３に連通している。また、螺旋溝８の断面積は第二膨張空間６から第一膨張空間３側に向かうにつれて段階的に小さくなるように形成されている。より具体的には、図２に示すように、段数を二段として螺旋溝８ｂの溝を浅く形成することで、螺旋溝８ａよりも断面積を小さくしている。また、最も小さい断面積の螺旋溝８ｂが形成される領域の第二ディスプレーサ５の軸方向における長さは、第二ディスプレーサ５のストロークよりも長くなるように形成し、第二ディスプレーサ５が上死点に位置する状態でも第二シリンダ７内に螺旋溝８ｂが存在するように形成する。
【００２３】
図３は、螺旋溝８ａをパルスチューブ型冷凍機のパルス管に見立てた冷媒ガスフロー図である。螺旋溝８ｂは、第二蓄冷器１０と螺旋溝８ａ（パルスチューブ）の高温側とを連通する連通路に配置されたダブルインレット（オリフィス）に対応する。螺旋溝８ａ内の冷媒ガスは、軸方向の略中間に位置する部分が仮想的なガスピストン８Ｐを構成する。つまり、螺旋溝８、第二蓄冷器１０はダブルインレット式パルスチューブ冷凍機とみなすことができる。
【００２４】
ここで、ガスピストン８Ｐは、必ず往復運動中螺旋溝８ａ内に収まり、ガスピストン８Ｐの高温側に高温側空間８Ｈが存在し、低温側に低温側空間８Ｌが存在するようにガスピストン８Ｐの軸方向の長さと位相が調整される。ガスピストン８Ｐの軸方向の長さと位相は、位相調整機構として機能するダブルインレット（螺旋溝８ｂの断面積）により調整される。
【００２５】
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および第二ディスプレーサ５はそれぞれ第一シリンダ４および第二シリンダ７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１３を開とすると、サプライバルブ１３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４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１５から第一ディスプレーサ２の内部（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１６を介して、第一膨張空間３に供給される。
【００２６】
第一膨張空間３に供給された高圧のヘリウムガスは更にその大部分が、連通路１７を介して第二蓄冷器１０に供給される。ここで、第二蓄冷器１０に供給されない残りのヘリウムガスは、螺旋溝８ｂを通じて螺旋溝８ａに高温側から供給される。このガスは図３における高温側空間８Hに存在するヘリウムガスに対応し、ガスピストン８Ｐが螺旋溝８ａから第一膨張空間３に流出することを抑える役割を果たす。
【００２７】
第二蓄冷器１０に流入した高圧のヘリウムガスは、第二蓄冷材によりさらに冷却されながら、第四開口１８、第二熱交換器２１を介して第二膨張空間６に供給される。第二膨張空間６に供給された高圧のヘリウムガスのうち一部分は、螺旋溝８ａ内に低温側から供給される。このガスは、図３における低温側空間８L内に存在するヘリウムガスに対応する。
【００２８】
ここで、上述のとおり、螺旋溝８ｂの断面積は、螺旋溝８ａの断面積と比べて小さいため、高温側空間８Hに流入するヘリウムガスが螺旋溝８ａに流入する際の流入抵抗は、低温側空間８Lに流入するヘリウムガスが螺旋溝８ａに流入する際の流入抵抗に比べて大きい。そのため、高温側空間８Hに流入するヘリウムガスのガス量は、低温側空間８Lに流入するヘリウムガスのガス量よりも小さくなり、高温側空間８Hのガスが第二膨張空間６に抜けることは防止される。
【００２９】
このようにして、第一膨張空間３、第二膨張空間６、螺旋溝８ａは、高圧のヘリウムガスで満たされ、サプライバルブ１３は閉とされる。この時、第一ディスプレーサ２および第二ディスプレーサ５は、第一シリンダ４及び第二シリンダ７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１４を開とすると、第一膨張空間３、第二膨張空間６、螺旋溝８ａ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３のヘリウムガスは第一熱交換器２０を介して第一冷却ステージの熱を吸収し、第二膨張空間６のヘリウムガスは第二熱交換器２１を介して第二冷却ステージの熱を吸収する。
【００３０】
第一ディスプレーサ２及び第二ディスプレーサ５は下死点に向けて移動し、第一膨張空間３、第二膨張空間６の容積は減少する。第二膨張空間６のヘリウムガスは、上述した開口１８、第二蓄冷器１０を介して第一膨張空間３内に回収される。ここで、螺旋溝８ａ内の低温側空間８Lのヘリウムガスも、第二膨張空間６を介して回収され、螺旋溝８ａ内の高温側空間８Ｈのヘリウムガスは、螺旋溝８ｂを介して第一膨張空間３内に流入される。
【００３１】
第一膨張空間３内のヘリウムガスは、第二開口１６、第一蓄冷器９を介して圧縮機１２の吸入側に戻される。その際、第一蓄冷材、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、第二冷却ステージを冷却する。
【００３２】
このような本実施例１の極低温冷凍機１によれば、以下のような有利な作用効果を得ることができる。つまり螺旋溝８ａ内に仮想的なガスピストン８Ｐを構成して、このガスピストン８Ｐをサイドクリアランスの低温側と高温側との間のヘリウムガスの通流を防止するシールとして機能させることができる。
【００３３】
加えて、この仮想的なガスピストン８Ｐによりサイドクリアランスをパルスチューブ型冷凍機とみたて、ガスピストン８Ｐよりも低温側の低温側空間８Ｌを第三の膨張空間として利用することができるので、これによっても２段冷却ステージを冷凍する能力を高めることができる。
【００３４】
上述した実施例１の極低温冷凍機１において、最も小さい断面積の螺旋溝８ｂが形成される領域の第二ディスプレーサ５の軸方向における長さは、第二ディスプレーサ５のストロークよりも長いこととすることにより、螺旋溝８ｂにダブルインレットの機能を具備させるにあたって、第二ディスプレーサ５が上支点に位置していてもこの機能を確保することができる。
【００３５】
このように本実施例１においては位相調整機能を安定させることができることから、ガスピストン８Ｐの長さと位相を安定させて、上述したシール機能も安定させるとともに、第三の膨張空間もより冷凍効率を高めることができる。
【００３６】
上述したガスピストン８Ｐを定義した上での冷凍効率を高める効果は以下の側面からも説明することもできる。つまり、第二ディスプレーサ５の外周面上に形成する螺旋溝８について、低温側の螺旋溝８ａを高温側の螺旋溝８ｂよりも大きくすれば、高温側からサイドクリアランスを通して浸入してくる、換言すれば漏れてくる作動流体であるヘリウムガスは、低温側の螺旋溝８ａによりトラップつまり捕捉され閉じこめられる。つまり、低温側の螺旋溝８ａの断面積を大きくすれば、より多くの作動流体をトラップすることが可能となる。
【００３７】
また、高温側から漏れてくる作動流体は低温側の螺旋溝８ａ内の作動流体と混合すると、作動流体の温度が下がる。温度が下がった作動流体が低温端に流入した場合、エンタルピーは高温側から低温側に貫通する場合よりも少なくなるため、リーク損失を低減することができる。同様に、螺旋溝８を低温端から高温端に貫通することにより、螺旋溝８内の作動流体つまりガスが圧縮されても、高温端に放出される放出熱を少なくすることができる。
【実施例２】
【００３８】
上述した実施例１の極低温冷凍機１では、高圧ヘリウムガスは、第一膨張空間３から螺旋溝８ａに向けて螺旋溝８ｂを通流し、低圧ヘリウムガスは、螺旋溝８ａから第一膨張空間３に通流する。つまり、冷媒ガスがダブルインレットとして機能する螺旋溝８ｂを双方向に通流する。ここで、高圧ヘリウムガスは低圧ヘリウムガスよりも密度が高いため、低圧ヘリウムガスと比較して流速が小さく、圧力損失が小さい。そのため、１サイクルに螺旋溝８ｂを通過するガス量は、高圧ヘリウムガスの方が低圧ヘリウムガスよりもわずかに多く、双方向に通流するガス流量の間にアンバランスが生じる。その結果、冷却サイクルを重ねるごとに螺旋溝８ａの高温側から低温側に向けた定常流れが発生しる。この流れは、図２中時計回りの矢印Ｌに示す二次流れである。
【００３９】
本実施例２では、上述した実施例１における第一膨張空間３に開口する部分の螺旋溝８ｂの断面積を図４（ａ）に示すように螺旋溝８ｂの延在方向に一定とすることに換えて、図４（ｂ）に示すように第一膨張空間３に向かうにつれて連続的に大きくなることとして、テーパ部分８ｂｂを構成している。なお、図４においては、テーパ部分８ｂｂにおいて第二ディスプレーサ５の径方向から視た幅方向寸法の調整により断面積を調整しているが、径方向の深さ方向も合わせて調整してもよい。
【００４０】
これによれば、図２に示した二次流れＬの発生を予め妨げる抵抗をテーパ部分８ｂｂによりヘリウムガスの流れに付与することができる。つまり、第一膨張空間３から螺旋溝８ａに向けて螺旋溝８ｂを通流する際の螺旋溝８ｂによる流路抵抗を、螺旋溝８ａから第一膨張空間３にむけて通流する際の螺旋溝８ｂによる流路抵抗よりも大きくすることで、二次流れＬの発生を抑制することができる。そのため、二次流れＬに伴う熱損失を防止して、冷凍効率を高めることができる。
【実施例３】
【００４１】
上述した実施例１及び実施例２においては、螺旋溝８の断面積を二段階に変化させる形態を示したが、三段階に変化させることもできる。以下それについての実施例３について述べる。
【００４２】
本実施例３の極低温冷凍機１は、螺旋溝８以外の構成は図１に示した実施例１と基本的に同様であるため、共通する構成要素には同一の符号を付し相違点を主に説明する。つまり、図５に示すように、本実施例３の極低温冷凍機１においても、第二ディスプレーサ５の外周面に形成されて第二膨張空間６から螺旋状に延びる螺旋溝８を含む。螺旋溝８は第一膨張空間３に連通するとともに、螺旋溝８の断面積は第二膨張空間６側よりも第一膨張空間３側の方が小さく、断面積は第二膨張空間６から第一膨張空間３側に向かうにつれて三段階的に小さくなる。
【００４３】
本実施例３においては、螺旋溝８ａは、断面積が大きい順番に螺旋溝８ａａ、螺旋溝８ａｂ、螺旋溝８ｂの三段階の形態をなしている。最も断面積の小さい螺旋溝８ｂはダブルインレットとして機能し、第一シリンダ４の底部つまり第一膨張空間３に対して常に一部が下に位置している。
【００４４】
なお、図５においても、螺旋溝８ａａ、８ａｂ、８ｂの断面積は第二ディスプレーサ５の中心軸線を通る断面内における断面積として示されており、それぞれ、深さと幅の双方により調整されていて、溝形状は曲面形状とされている。この断面積は螺旋溝８の延在方向に垂直な断面内での断面積としてもよく、溝形状は方形状であってもよい。
【００４５】
本実施例３においても、図５に示すように上述した実施例１と同様に、第二ディスプレーサ５の外周面と第二シリンダ７の内周面との間のサイドクリアランスを構成する螺旋溝８ａａと螺旋溝８ａｂからなる高温側の螺旋溝８ａを、図２に示したようにパルスチューブ型冷凍機と見立てて、螺旋溝８ａ内に仮想的なガスピストン８Ｐを構成して、螺旋溝８ｂをダブルインレットとしてガスピストン８Ｐの長さと位相を適切に調整することができる。
【００４６】
つまりガスピストン８Ｐにより確実なシール機能を具備させてリーク損失を防止して、冷凍効率を高めることができ、螺旋溝８ａ内の低温側空間８Ｌを第三の膨張空間として利用して付加的な冷凍を行いこれによっても冷凍効率を高めることができる。
【実施例４】
【００４７】
上述した実施例１〜３においては、螺旋溝８を第二ディスプレーサ５の外周面に対して延在する方向に段階的に断面積を変更する形態としているが、第一膨張空間３に向けて連続的に小さくする形態とすることもできる。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の極低温冷凍機１は、螺旋溝８が第一膨張空間３に向けて連続的に断面積を小さくする形態とすること以外の構成は図１に示した実施例１と基本的に同様であるため、共通する構成要素には同一の符号を付し相違点を主に説明する。
【００４８】
図６に示すように、本実施例４の極低温冷凍機１においては、第二ディスプレーサ５の外周面に形成されて第二膨張空間６から螺旋状に延びる螺旋溝８であって、断面積が第二膨張空間６に連通する始端から第一膨張空間３に連通する終端に向けて連続的に小さくなる形態を有している。
【００４９】
本実施例４においても、上述した実施例１と同様に、第二ディスプレーサ５の外周面と第二シリンダ７の内周面との間のサイドクリアランスを構成する螺旋溝８のうち、第二ディスプレーサ５の軸方向の中間の任意の位置、例えば下端から第二ディスプレーサ５の軸方向の全体長さの三分の二程度を境界として低温側に位置する螺旋溝８ａと、高温側に位置する螺旋溝８ｂに区分して、螺旋溝８ａを、図２に示したようにパルスチューブ型冷凍機と見立てて、螺旋溝８ａ内に仮想的なガスピストン８Ｐを構成し、螺旋溝８ｂをダブルインレットとして長さと位相と適切に調整することができる。
【００５０】
すなわち、リーク損失を防止して冷凍効率を高めることができ、螺旋溝８ａ内の低温側空間８Ｌを第三の膨張空間として利用してこれによっても冷凍効率を高めることができる。
【００５１】
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。
【００５２】
例えば、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、この段数は三段等に適宜選択することが可能である。
【００５３】
また、螺旋溝８ａ、８ｂの断面積は、第二ディスプレーサ５の中心軸線を通る断面内における断面積としてもよく、螺旋溝８の延在方向に垂直な断面内での断面積としてもよい。また、それぞれ、断面積は、深さと幅の双方により調整することができ、溝形状は曲面形状、方形状など何れの形状であってもよい。
【００５４】
また、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何れの冷凍機にも適用することができる。
【００５５】
また、実施の形態では、螺旋溝８が第二ディスプレーサ５の高温側端部まで形成された例について説明したが、これに限られず、第二ディスプレーサ５が下死点に位置するときに第一膨張空間３に螺旋溝８ａが到達していれば、同様の効果を奏することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
本発明は、サイドクリアランスにおけるリーク損失を低減し、かつ、サイドクリアランスを第三の膨張空間として利用して、冷凍の効率を高める極低温冷凍機に関するものである。
【００５７】
本発明によれば、サイドクリアランスをパルスチューブ型冷凍機として利用するにあたり仮想的なガスピストンの軸方向の長さや位相の調整をより容易なものとすることができる。
【符号の説明】
【００５８】
１ 極低温冷凍機
２ 第一ディスプレーサ
３ 第一膨張空間
４ 第一シリンダ
５ 第二ディスプレーサ
６ 第二膨張空間
７ 第二シリンダ
８ 螺旋溝
８ａ 螺旋溝（低温側）
８ｂ 螺旋溝（高温側）
９ 第一蓄冷器
１０ 第二蓄冷器
１１ シール
１２ 圧縮機
１３ サプライバルブ
１４ リターンバルブ
１５ 第一開口
１６ 第二開口
１７ 連通路
１８ 第四開口
１９ 室温室
２０ 第一熱交換器
２１ 第二熱交換器
【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】
例えば、特許文献１には、二段側のディスプレーサの外周面の高温側において、クリアランスシール機構を施すとともに、二段側のディスプレーサの残余部分に螺旋溝を設けることが記載されている。このような構成により、螺旋溝内の冷媒ガスのサーフェイスヒートポンピング作用を冷凍機の冷凍能力に利用している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第３８５１９２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところが、特許文献１に記載の技術においては、螺旋溝内の冷媒ガスによる冷凍効率が十分でない。本発明はより効果的に螺旋溝内の冷媒ガスの冷凍効率を高めることができる極低温冷凍機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】
【０００５】
上記の問題を解決するため、本発明による極低温冷凍機は、
第一ディスプレーサと、当該第一ディスプレーサとの間に第一膨張空間を形成する第一シリンダと、前記第一ディスプレーサに連結される第二ディスプレーサと、当該第二ディスプレーサとの間に第二膨張空間を形成する第二シリンダと、前記第二ディスプレーサの外周面に形成されて前記第二膨張空間から螺旋状に延びる螺旋溝とを含み、前記螺旋溝は前記第一膨張空間に連通するとともに、前記螺旋溝の断面積は前記第二膨張空間側よりも前記第一膨張空間側の方が小さいことを特徴とする。
【０００６】
ここで、前記断面積は前記第二膨張空間から前記第一膨張空間側に向かうにつれて段階的に小さくなることとしてもよく、最も小さい前記断面積の前記螺旋溝が形成される領域の前記第二ディスプレーサの軸方向における長さは、前記第二ディスプレーサのストロークよりも長いこととしてもよい。
【０００７】
また、前記断面積は前記第二膨張空間から前記第一膨張空間に向かうにつれて連続的に小さくなることとしてもよい。
【０００８】
さらに、前記断面積は前記螺旋溝の深さにより調整することとしてもよく、前記螺旋溝は前記第一膨張空間側に開口するテーパ部分を含むこととしてよい。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の極低温冷凍機によれば、螺旋溝内の冷媒ガスの冷凍効率を高めることで、冷凍機全体の冷凍効率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明に係る実施例１の極低温冷凍機１の一実施形態について示す模式図である。
【図２】実施例１の極低温冷凍機１の第二ディスプレーサ５における螺旋溝８の一実施形態について示す模式図である。
【図３】実施例１の極低温冷凍機１のサイドクリアランスをパルス冷凍機のパルスチューブと視た場合のフロー図である。
【図４】本発明に係る実施例２の極低温冷凍機１の一実施形態について示す模式図である。
【図５】本発明に係る実施例３の極低温冷凍機１の一実施形態について示す模式図である。
【図６】本発明に係る実施例４の極低温冷凍機１の一実施形態について示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
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。
【実施例１】
【００１２】
本実施例１の極低温冷凍機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（ＧＭ）タイプの冷凍機である。図１に示すように、極低温冷凍機１は、第一ディスプレーサ２と、第一ディスプレーサ２に長手方向に直列に連結される第二ディスプレーサ５を備える。
【００１３】
第一シリンダ４と第二シリンダ７は、一体に形成されており、第一シリンダ４の低温端と第二シリンダ７の高温端が第一シリンダ４底部にて接続されている。第二シリンダ７は第一シリンダ４と同軸に形成され、第一シリンダ４よりも小径の円筒部材である。第一シリンダ４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７は第二ディスプレーサ５を長手方向に往復移動可能に収容する。
【００１４】
第一シリンダ４、第二シリンダ７には、高い強度、低い熱伝導率、十分なヘリウム遮断能の確保を目的と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５は、ステンレス鋼などの金属製の筒の外周面上に、フッ素樹脂などの耐摩耗性樹脂の皮膜を構成する。
【００１５】
第一シリンダ４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５を往復駆動するスコッチヨーク機構（図示しない）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５はそれぞれ第一シリンダ４、第二シリンダ７にそって往復移動する。
【００１６】
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の内部容積を第一蓄冷器９とも表現できる。第一ディスプレーサ２の高温端には、室温室１９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１５が形成されている。室温室１９は、第一シリンダ４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１９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、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４との間にはシール１１が装着されている。
【００１７】
第一ディスプレーサ２の低温端には、第一膨張空間３に第一熱交換器２０を介して冷媒ガスを導入する第二開口１６が形成されている。第一膨張空間３は、第一シリンダ４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４外周の第一膨張空間３に対応する位置には、被冷却物に熱的に接続された第一冷却ステージ（図示しない）が配置されており、第一冷却ステージは第一熱交換器２０により冷却される。
【００１８】
第二ディスプレーサ５は円筒状の外周面を有しており、第二ディスプレーサ５の内部には、第二蓄冷材が充填されている。この第二ディスプレーサ５の内部容積を第二蓄冷器１０とも表現できる。第一膨張空間３と第二ディスプレーサ５の高温端とは、連通路１７で連通されている。この連通路１７を介して第一膨張空間３から第二蓄冷器１０に冷媒ガスが流通する。
【００１９】
第二ディスプレーサ５の低温端には、第二膨張空間６に第二熱交換器２１を介して冷媒ガスを流通させるための第四開口１８が形成されている。第二膨張空間６は、第二シリンダ７と第二ディスプレーサ５により形成される空間であり、第二ディスプレーサ５の往復移動に伴い容積が変化する。第二熱交換器２１は、第二シリンダ７の低温端部分と第二ディスプレーサ５により形成されるクリアランスであり、このクリアランスは螺旋溝を有する第二ディスプレーサ５と第二シリンダ７の間のクリアランスよりも大きくなるように構成される。
【００２０】
第二シリンダ７外周の第二膨張空間６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（図示しない）が配置されており、第二冷却ステージは第二熱交換器２１により冷却される。
【００２１】
第一ディスプレーサ２には、軽い比重と十分な耐摩耗性、比較的高い強度、低い熱伝導率の確保を目的として、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、第二蓄冷材は、例えば鉛球等の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ている。
【００２２】
さらに第二ディスプレーサ５の外周面には、第二膨張空間６に第二熱交換器２１を介して連通する始端を有するとともに、螺旋状に第一膨張空間３側に延びる螺旋溝８が形成されている。この螺旋溝８は、図１中下側（低温側）には断面積の大きい螺旋溝８ａを構成し、上側（高温側）には断面積の小さい螺旋溝８ｂを構成する。螺旋溝８ｂは第二ディスプレーサ５の上端にて終了する終端を有し、第一膨張空間３に連通している。また、螺旋溝８の断面積は第二膨張空間６から第一膨張空間３側に向かうにつれて段階的に小さくなるように形成されている。より具体的には、図２に示すように、段数を二段として螺旋溝８ｂの溝を浅く形成することで、螺旋溝８ａよりも断面積を小さくしている。また、最も小さい断面積の螺旋溝８ｂが形成される領域の第二ディスプレーサ５の軸方向における長さは、第二ディスプレーサ５のストロークよりも長くなるように形成し、第二ディスプレーサ５が上死点に位置する状態でも第二シリンダ７内に螺旋溝８ｂが存在するように形成する。
【００２３】
図３は、螺旋溝８ａをパルスチューブ型冷凍機のパルス管に見立てた冷媒ガスフロー図である。螺旋溝８ｂは、第二蓄冷器１０と螺旋溝８ａ（パルスチューブ）の高温側とを連通する連通路に配置されたダブルインレット（オリフィス）に対応する。螺旋溝８ａ内の冷媒ガスは、軸方向の略中間に位置する部分が仮想的なガスピストン８Ｐを構成する。つまり、螺旋溝８、第二蓄冷器１０はダブルインレット式パルスチューブ冷凍機とみなすことができる。
【００２４】
ここで、ガスピストン８Ｐは、必ず往復運動中螺旋溝８ａ内に収まり、ガスピストン８Ｐの高温側に高温側空間８Ｈが存在し、低温側に低温側空間８Ｌが存在するようにガスピストン８Ｐの軸方向の長さと位相が調整される。ガスピストン８Ｐの軸方向の長さと位相は、位相調整機構として機能するダブルインレット（螺旋溝８ｂの断面積）により調整される。
【００２５】
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および第二ディスプレーサ５はそれぞれ第一シリンダ４および第二シリンダ７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１３を開とすると、サプライバルブ１３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４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１５から第一ディスプレーサ２の内部（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１６を介して、第一膨張空間３に供給される。
【００２６】
第一膨張空間３に供給された高圧のヘリウムガスは更にその大部分が、連通路１７を介して第二蓄冷器１０に供給される。ここで、第二蓄冷器１０に供給されない残りのヘリウムガスは、螺旋溝８ｂを通じて螺旋溝８ａに高温側から供給される。このガスは図３における高温側空間８Hに存在するヘリウムガスに対応し、ガスピストン８Ｐが螺旋溝８ａから第一膨張空間３に流出することを抑える役割を果たす。
【００２７】
第二蓄冷器１０に流入した高圧のヘリウムガスは、第二蓄冷材によりさらに冷却されながら、第四開口１８、第二熱交換器２１を介して第二膨張空間６に供給される。第二膨張空間６に供給された高圧のヘリウムガスのうち一部分は、螺旋溝８ａ内に低温側から供給される。このガスは、図３における低温側空間８L内に存在するヘリウムガスに対応する。
【００２８】
ここで、上述のとおり、螺旋溝８ｂの断面積は、螺旋溝８ａの断面積と比べて小さいため、高温側空間８Hに流入するヘリウムガスが螺旋溝８ａに流入する際の流入抵抗は、低温側空間８Lに流入するヘリウムガスが螺旋溝８ａに流入する際の流入抵抗に比べて大きい。そのため、高温側空間８Hに流入するヘリウムガスのガス量は、低温側空間８Lに流入するヘリウムガスのガス量よりも小さくなり、高温側空間８Hのガスが第二膨張空間６に抜けることは防止される。
【００２９】
このようにして、第一膨張空間３、第二膨張空間６、螺旋溝８ａは、高圧のヘリウムガスで満たされ、サプライバルブ１３は閉とされる。この時、第一ディスプレーサ２および第二ディスプレーサ５は、第一シリンダ４及び第二シリンダ７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１４を開とすると、第一膨張空間３、第二膨張空間６、螺旋溝８ａ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３のヘリウムガスは第一熱交換器２０を介して第一冷却ステージの熱を吸収し、第二膨張空間６のヘリウムガスは第二熱交換器２１を介して第二冷却ステージの熱を吸収する。
【００３０】
第一ディスプレーサ２及び第二ディスプレーサ５は下死点に向けて移動し、第一膨張空間３、第二膨張空間６の容積は減少する。第二膨張空間６のヘリウムガスは、上述した開口１８、第二蓄冷器１０を介して第一膨張空間３内に回収される。ここで、螺旋溝８ａ内の低温側空間８Lのヘリウムガスも、第二膨張空間６を介して回収され、螺旋溝８ａ内の高温側空間８Ｈのヘリウムガスは、螺旋溝８ｂを介して第一膨張空間３内に流入される。
【００３１】
第一膨張空間３内のヘリウムガスは、第二開口１６、第一蓄冷器９を介して圧縮機１２の吸入側に戻される。その際、第一蓄冷材、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、第二冷却ステージを冷却する。
【００３２】
このような本実施例１の極低温冷凍機１によれば、以下のような有利な作用効果を得ることができる。つまり螺旋溝８ａ内に仮想的なガスピストン８Ｐを構成して、このガスピストン８Ｐをサイドクリアランスの低温側と高温側との間のヘリウムガスの通流を防止するシールとして機能させることができる。
【００３３】
加えて、この仮想的なガスピストン８Ｐによりサイドクリアランスをパルスチューブ型冷凍機とみたて、ガスピストン８Ｐよりも低温側の低温側空間８Ｌを第三の膨張空間として利用することができるので、これによっても２段冷却ステージを冷凍する能力を高めることができる。
【００３４】
上述した実施例１の極低温冷凍機１において、最も小さい断面積の螺旋溝８ｂが形成される領域の第二ディスプレーサ５の軸方向における長さは、第二ディスプレーサ５のストロークよりも長いこととすることにより、螺旋溝８ｂにダブルインレットの機能を具備させるにあたって、第二ディスプレーサ５が上支点に位置していてもこの機能を確保することができる。
【００３５】
このように本実施例１においては位相調整機能を安定させることができることから、ガスピストン８Ｐの長さと位相を安定させて、上述したシール機能も安定させるとともに、第三の膨張空間もより冷凍効率を高めることができる。
【００３６】
上述したガスピストン８Ｐを定義した上での冷凍効率を高める効果は以下の側面からも説明することもできる。つまり、第二ディスプレーサ５の外周面上に形成する螺旋溝８について、低温側の螺旋溝８ａを高温側の螺旋溝８ｂよりも大きくすれば、高温側からサイドクリアランスを通して浸入してくる、換言すれば漏れてくる作動流体であるヘリウムガスは、低温側の螺旋溝８ａによりトラップつまり捕捉され閉じこめられる。つまり、低温側の螺旋溝８ａの断面積を大きくすれば、より多くの作動流体をトラップすることが可能となる。
【００３７】
また、高温側から漏れてくる作動流体は低温側の螺旋溝８ａ内の作動流体と混合すると、作動流体の温度が下がる。温度が下がった作動流体が低温端に流入した場合、エンタルピーは高温側から低温側に貫通する場合よりも少なくなるため、リーク損失を低減することができる。同様に、螺旋溝８を低温端から高温端に貫通することにより、螺旋溝８内の作動流体つまりガスが圧縮されても、高温端に放出される放出熱を少なくすることができる。
【実施例２】
【００３８】
上述した実施例１の極低温冷凍機１では、高圧ヘリウムガスは、第一膨張空間３から螺旋溝８ａに向けて螺旋溝８ｂを通流し、低圧ヘリウムガスは、螺旋溝８ａから第一膨張空間３に通流する。つまり、冷媒ガスがダブルインレットとして機能する螺旋溝８ｂを双方向に通流する。ここで、高圧ヘリウムガスは低圧ヘリウムガスよりも密度が高いため、低圧ヘリウムガスと比較して流速が小さく、圧力損失が小さい。そのため、１サイクルに螺旋溝８ｂを通過するガス量は、高圧ヘリウムガスの方が低圧ヘリウムガスよりもわずかに多く、双方向に通流するガス流量の間にアンバランスが生じる。その結果、冷却サイクルを重ねるごとに螺旋溝８ａの高温側から低温側に向けた定常流れが発生しる。この流れは、図２中時計回りの矢印Ｌに示す二次流れである。
【００３９】
本実施例２では、上述した実施例１における第一膨張空間３に開口する部分の螺旋溝８ｂの断面積を図４（ａ）に示すように螺旋溝８ｂの延在方向に一定とすることに換えて、図４（ｂ）に示すように第一膨張空間３に向かうにつれて連続的に大きくなることとして、テーパ部分８ｂｂを構成している。なお、図４においては、テーパ部分８ｂｂにおいて第二ディスプレーサ５の径方向から視た幅方向寸法の調整により断面積を調整しているが、径方向の深さ方向も合わせて調整してもよい。
【００４０】
これによれば、図２に示した二次流れＬの発生を予め妨げる抵抗をテーパ部分８ｂｂによりヘリウムガスの流れに付与することができる。つまり、第一膨張空間３から螺旋溝８ａに向けて螺旋溝８ｂを通流する際の螺旋溝８ｂによる流路抵抗を、螺旋溝８ａから第一膨張空間３にむけて通流する際の螺旋溝８ｂによる流路抵抗よりも大きくすることで、二次流れＬの発生を抑制することができる。そのため、二次流れＬに伴う熱損失を防止して、冷凍効率を高めることができる。
【実施例３】
【００４１】
上述した実施例１及び実施例２においては、螺旋溝８の断面積を二段階に変化させる形態を示したが、三段階に変化させることもできる。以下それについての実施例３について述べる。
【００４２】
本実施例３の極低温冷凍機１は、螺旋溝８以外の構成は図１に示した実施例１と基本的に同様であるため、共通する構成要素には同一の符号を付し相違点を主に説明する。つまり、図５に示すように、本実施例３の極低温冷凍機１においても、第二ディスプレーサ５の外周面に形成されて第二膨張空間６から螺旋状に延びる螺旋溝８を含む。螺旋溝８は第一膨張空間３に連通するとともに、螺旋溝８の断面積は第二膨張空間６側よりも第一膨張空間３側の方が小さく、断面積は第二膨張空間６から第一膨張空間３側に向かうにつれて三段階的に小さくなる。
【００４３】
本実施例３においては、螺旋溝８ａは、断面積が大きい順番に螺旋溝８ａａ、螺旋溝８ａｂ、螺旋溝８ｂの三段階の形態をなしている。最も断面積の小さい螺旋溝８ｂはダブルインレットとして機能し、第一シリンダ４の底部つまり第一膨張空間３に対して常に一部が下に位置している。
【００４４】
なお、図５においても、螺旋溝８ａａ、８ａｂ、８ｂの断面積は第二ディスプレーサ５の中心軸線を通る断面内における断面積として示されており、それぞれ、深さと幅の双方により調整されていて、溝形状は曲面形状とされている。この断面積は螺旋溝８の延在方向に垂直な断面内での断面積としてもよく、溝形状は方形状であってもよい。
【００４５】
本実施例３においても、図５に示すように上述した実施例１と同様に、第二ディスプレーサ５の外周面と第二シリンダ７の内周面との間のサイドクリアランスを構成する螺旋溝８ａａと螺旋溝８ａｂからなる高温側の螺旋溝８ａを、図２に示したようにパルスチューブ型冷凍機と見立てて、螺旋溝８ａ内に仮想的なガスピストン８Ｐを構成して、螺旋溝８ｂをダブルインレットとしてガスピストン８Ｐの長さと位相を適切に調整することができる。
【００４６】
つまりガスピストン８Ｐにより確実なシール機能を具備させてリーク損失を防止して、冷凍効率を高めることができ、螺旋溝８ａ内の低温側空間８Ｌを第三の膨張空間として利用して付加的な冷凍を行いこれによっても冷凍効率を高めることができる。
【実施例４】
【００４７】
上述した実施例１〜３においては、螺旋溝８を第二ディスプレーサ５の外周面に対して延在する方向に段階的に断面積を変更する形態としているが、第一膨張空間３に向けて連続的に小さくする形態とすることもできる。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の極低温冷凍機１は、螺旋溝８が第一膨張空間３に向けて連続的に断面積を小さくする形態とすること以外の構成は図１に示した実施例１と基本的に同様であるため、共通する構成要素には同一の符号を付し相違点を主に説明する。
【００４８】
図６に示すように、本実施例４の極低温冷凍機１においては、第二ディスプレーサ５の外周面に形成されて第二膨張空間６から螺旋状に延びる螺旋溝８であって、断面積が第二膨張空間６に連通する始端から第一膨張空間３に連通する終端に向けて連続的に小さくなる形態を有している。
【００４９】
本実施例４においても、上述した実施例１と同様に、第二ディスプレーサ５の外周面と第二シリンダ７の内周面との間のサイドクリアランスを構成する螺旋溝８のうち、第二ディスプレーサ５の軸方向の中間の任意の位置、例えば下端から第二ディスプレーサ５の軸方向の全体長さの三分の二程度を境界として低温側に位置する螺旋溝８ａと、高温側に位置する螺旋溝８ｂに区分して、螺旋溝８ａを、図２に示したようにパルスチューブ型冷凍機と見立てて、螺旋溝８ａ内に仮想的なガスピストン８Ｐを構成し、螺旋溝８ｂをダブルインレットとして長さと位相と適切に調整することができる。
【００５０】
すなわち、リーク損失を防止して冷凍効率を高めることができ、螺旋溝８ａ内の低温側空間８Ｌを第三の膨張空間として利用してこれによっても冷凍効率を高めることができる。
【００５１】
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。
【００５２】
例えば、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、この段数は三段等に適宜選択することが可能である。
【００５３】
また、螺旋溝８ａ、８ｂの断面積は、第二ディスプレーサ５の中心軸線を通る断面内における断面積としてもよく、螺旋溝８の延在方向に垂直な断面内での断面積としてもよい。また、それぞれ、断面積は、深さと幅の双方により調整することができ、溝形状は曲面形状、方形状など何れの形状であってもよい。
【００５４】
また、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何れの冷凍機にも適用することができる。
【００５５】
また、実施の形態では、螺旋溝８が第二ディスプレーサ５の高温側端部まで形成された例について説明したが、これに限られず、第二ディスプレーサ５が下死点に位置するときに第一膨張空間３に螺旋溝８ａが到達していれば、同様の効果を奏することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
本発明は、サイドクリアランスにおけるリーク損失を低減し、かつ、サイドクリアランスを第三の膨張空間として利用して、冷凍の効率を高める極低温冷凍機に関するものである。
【００５７】
本発明によれば、サイドクリアランスをパルスチューブ型冷凍機として利用するにあたり仮想的なガスピストンの軸方向の長さや位相の調整をより容易なものとすることができる。
【符号の説明】
【００５８】
１ 極低温冷凍機
２ 第一ディスプレーサ
３ 第一膨張空間
４ 第一シリンダ
５ 第二ディスプレーサ
６ 第二膨張空間
７ 第二シリンダ
８ 螺旋溝
８ａ 螺旋溝（低温側）
８ｂ 螺旋溝（高温側）
９ 第一蓄冷器
１０ 第二蓄冷器
１１ シール
１２ 圧縮機
１３ サプライバルブ
１４ リターンバルブ
１５ 第一開口
１６ 第二開口
１７ 連通路
１８ 第四開口
１９ 室温室
２０ 第一熱交換器
２１ 第二熱交換器
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一ディスプレーサと、当該第一ディスプレーサとの間に第一膨張空間を形成する第一シリンダと、前記第一ディスプレーサに連結される第二ディスプレーサと、当該第二ディスプレーサとの間に第二膨張空間を形成する第二シリンダと、前記第二ディスプレーサの外周面に形成されて前記第二膨張空間から螺旋状に延びる螺旋溝とを含み、前記螺旋溝は前記第一膨張空間に連通するとともに、前記螺旋溝の断面積は前記第二膨張空間側よりも前記第一膨張空間側の方が小さいことを特徴とする極低温冷凍機。
【請求項２】
前記断面積は前記第二膨張空間から前記第一膨張空間側に向かうにつれて段階的に小さくなる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】
最も小さい前記断面積の前記螺旋溝が形成される領域の前記第二ディスプレーサの軸方向における長さは、前記第二ディスプレーサのストロークよりも長いことを特徴とする請求項２に記載の極低温冷凍機。
【請求項４】
前記断面積は前記第二膨張空間から前記第一膨張空間に向かうにつれて連続的に小さくなる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５】
前記断面積は前記螺旋溝の深さにより調整す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極低温冷凍機。
【請求項６】
前記螺旋溝は前記第一膨張空間側に開口するテーパ部分を含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の極低温冷凍機。
【請求項１】
第一ディスプレーサと、当該第一ディスプレーサとの間に第一膨張空間を形成する第一シリンダと、前記第一ディスプレーサに連結される第二ディスプレーサと、当該第二ディスプレーサとの間に第二膨張空間を形成する第二シリンダと、前記第二ディスプレーサの外周面に形成されて前記第二膨張空間から螺旋状に延びる螺旋溝とを含み、前記螺旋溝は前記第一膨張空間に連通するとともに、前記螺旋溝の断面積は前記第二膨張空間側よりも前記第一膨張空間側の方が小さいことを特徴とする極低温冷凍機。
【請求項２】
前記断面積は前記第二膨張空間から前記第一膨張空間側に向かうにつれて段階的に小さくなる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】
最も小さい前記断面積の前記螺旋溝が形成される領域の前記第二ディスプレーサの軸方向における長さは、前記第二ディスプレーサのストロークよりも長いことを特徴とする請求項２に記載の極低温冷凍機。
【請求項４】
前記断面積は前記第二膨張空間から前記第一膨張空間に向かうにつれて連続的に小さくなる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５】
前記断面積は前記螺旋溝の深さにより調整す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極低温冷凍機。
【請求項６】
前記螺旋溝は前記第一膨張空間側に開口するテーパ部分を含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の極低温冷凍機。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１３−６８３４５（Ｐ２０１３−６８３４５Ａ）
【公開日】平成２５年４月１８日（２０１３．４．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２０６４４２（Ｐ２０１１−２０６４４２）
【出願日】平成２３年９月２１日（２０１１．９．２１）
【出願人】（０００００２１０７）住友重機械工業株式会社 (2,241)
【公開日】平成２５年４月１８日（２０１３．４．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月２１日（２０１１．９．２１）
【出願人】（０００００２１０７）住友重機械工業株式会社 (2,241)
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