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の第一ディスプレーサ２側に連通される第一絞り部９と、第一絞り部９の第一ディスプレーサ２側に連通される容積部１０とを、第二シリンダ７が含むことを特徴とする。
【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の第一ディスプレーサ２側に連通される第一絞り部９と、第一絞り部９の第一ディスプレーサ２側に連通される容積部１０とを、第二シリンダ７が含むことを特徴とする。
【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、ＧＭ冷凍機のピストンとシリンダとの間の隙間のガスに膨張仕事をさせるＧＭ冷凍機が、記載されている。この冷凍機は、オリフィスとして機能する軸方向に延びる直線溝を備えている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】中国特許出願公開第１０１９００４４７Ａ号明細書
【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構成では、二段式のディスプレーサが往復運動するにあたり、上述した直線溝の高温側部分が一段側の膨張空間に対して進入と退出を繰り返すこととなるため、オリフィスとしての流路抵抗が変化する。そのため、冷凍の効率を高めることができないという問題があった。
【０００５】
本発明は、上記問題に鑑み、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を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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、当該螺旋溝の前記第一ディスプレーサ側に連通される第一絞り部と、当該第一絞り部の前記第一ディスプレーサ側に連通される容積部とを、前記第二シリンダが含むことを特徴とする。
【０００７】
ここで、前記極低温冷凍機において、
前記容積部は前記外周面よりも径方向の内側にある又は前記外周面に面する円環状空間であることとしてもよい。
【０００８】
また、前記極低温冷凍機において、
前記螺旋溝の前記第一ディスプレーサ側を前記第二ディスプレーサ内の蓄冷室に連通する第二絞り部を含むこととしてもよい。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の極低温冷凍機によれば、前記第二ディスプレーサの外周側のサイドクリアランスをパルス冷凍機に見立てた上で、適切な位相調整を行った上で損失を低減し、冷凍の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の全体構成の一実施形態について示す模式図である。
【図２】本発明に係る実施例１の極低温冷凍機１の主要部分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】実施例２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。
【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は例えばギフォードマクマホン（ＧＭ）タイプのものとして構成可能であり、図１に示すように、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とを含む。
【００１３】
さらに、極低温冷凍機１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と、螺旋溝８の第一ディスプレーサ２側に連通される第一絞り部９と、第一絞り部９の第一膨張空間３側に連通される容積部１０と、を含む。容積部１０は第一膨張空間３よりも常に第二膨張空間６側に位置するものとしている。
【００１４】
第一ディスプレーサ２と第二ディスプレーサ５とはともに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、第一蓄冷器１１が配置され、第二ディスプレーサ５に内部には第二蓄冷器１２が配置される。第一ディスプレーサ２の高温端側よりの部分と第一シリンダ４との間にはシール１３が設けられており、第一シリンダ４の上端には圧縮機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第一シリンダ４に接続される給排共通配管が接続されている。
【００１５】
第一ディスプレーサ２の上端は図示しない軸部材が結合されて、この軸部材は第一シリンダ４の上端から突出されており、図示しないクランク機構を介して図示しない駆動用モータに連結されている。軸部材、クランク機構、駆動用モータは第一ディスプレーサ２と第二ディスプレーサ５を軸方向に往復運動させる駆動機構を構成する。
【００１６】
第一ディスプレーサ２は下部が開口した有底円筒形状の第一シリンダ４内に収納され、第二ディスプレーサ５は上部が開口した有底円筒形状の第二シリンダ７内に収納されており、第一シリンダ４と第二シリンダ７とは一体的に構成されている。
【００１７】
第一シリンダ４、第二シリンダ７は高い強度と、低い熱伝導率、十分なヘリウム遮断能を有する、例えばステンレス鋼により構成される。第一ディスプレーサ２は、軽い比重と十分な耐摩耗性、比較的高い強度、低い熱伝導率を有する例えば布入りフェノール等により構成される。第二ディスプレーサ５は、例えば外周面に耐摩耗性の高いフッ素樹脂などの皮膜を施した金属製の筒で構成される。第一蓄冷器１１は例えば金網等の第一蓄冷材により構成され、第二蓄冷器１２は、例えば鉛球等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ている。
【００１８】
第二ディスプレーサ５の外周面には、図２に示されるように、第一シリンダ４の低温側に形成される第二膨張空間６に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が形成されており、螺旋溝８は第二ディスプレーサ５の軸方向の中央よりも高温側に位置する部分にて終了する終端を有している。
【００１９】
この螺旋溝８の終端から第二ディスプレーサ５の外周面において軸方向に延びる溝状の第一絞り部９が形成され、第一絞り部９の終端は、第二ディスプレーサ５の外周面に形成された容積部１０に連通されている。図１に示したように、第一ディスプレーサ２と第二ディスプレーサ５の上死点において、容積部１０は第一シリンダ４の底面よりも下側に位置するものとしている。
【００２０】
なお、第一膨張空間３よりも常に第二膨張空間６側に容積部１０が位置するとは、容積部１０全体が、第一膨張空間３が最大となる第一ディスプレーサ２が上死点に位置する場合に第一膨張空間３に露出する外周面の露出部分よりも第二膨張空間６側に位置することを指す。また、図２において、第二ディスプレーサ５の外周面の容積部１０よりも高温側に位置する部分は、第一シリンダ４の内周面に対して径方向の隙間を小さくするクリアランスシール部を構成している。
【００２１】
容積部１０は第二ディスプレーサ５の外周面においてクリアランスシール部よりも径方向に掘り下げられた形態を有しており、周方向に延びる円環状溝部つまり円環状空間を形成している。この容積部１０と第二シリンダ７の内周面とにより画成する円環状空間の容積は、螺旋溝８の総容積の少なくとも半分以上の容積を有して構成されている。
【００２２】
圧縮機１４を動作させてサプライバルブ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上述した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内の上端と第一蓄冷器１１を連通する連通路と第一蓄冷器１１、第一蓄冷器１１と第一膨張空間３とを連通する連通路を介して、第一膨張空間３に供給される。
【００２３】
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、第一膨張空間３と第二蓄冷器１２とを連通する連通路を介して第二蓄冷器１２に供給され、さらに、第二蓄冷器１２と第二膨張空間６とを連通する連通路を介して第二膨張空間６に供給される。なお、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、低温側から螺旋溝８内に供給される。
【００２４】
図３は、螺旋溝８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。第一絞り部９は、バッファとして機能する容積部１０とパルス管として機能する螺旋溝８の高温側とを連通する連通路に配置されたオリフィスに対応する。螺旋溝８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。
【００２５】
ここで、ガスピストン８Ｐは、必ず往復運動中螺旋溝８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容積部１０（バッファ）の容積と、第一絞り部９（オリフィス）の断面積により調整される。
【００２６】
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４内に供給され、第一ディスプレーサ２の上部から第一ディスプレーサ２の内部（第一蓄冷器１１）に流入する。第一蓄冷器１１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の下部に位置する連通路を介して、第一膨張空間３に供給される。
【００２７】
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図示しない連通路を介して第二ディスプレーサ５内部の第二蓄冷器１２に供給される。ここで、第二ディスプレーサ５は高温側端部にクリアランスシール部を備えるため、ヘリウムガスが第一膨張空間３から容積部１０に流入することは抑制される。
【００２８】
また、この時点では、螺旋溝８内のヘリウムガスの圧力は、圧縮機１４の低圧側の圧力と略同等であるのに対して、容積部１０内のヘリウムガスは、圧縮機１４の高圧と低圧の中間圧力程度である。そのため、容積部１０内のヘリウムガスが、第一絞り部９を介して、螺旋溝８の高温側に流入する。
【００２９】
第二蓄冷器１２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、連通路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８内に低温側から流入する。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。
【００３０】
ここで、上述のとおり、第一絞り部９の断面積は、螺旋溝８の断面積と比べて小さいため、容積部１０から高温側空間８Ｈに流入するヘリウムガスが螺旋溝８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８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のヘリウムガスが第二膨張空間６に抜けることは防止される。一方、高温側空間８Ｈのヘリウムガスの一部は、ガスピストン８Ｐに押されて容積部１０に流入することは許容される。
【００３１】
このようにして、第一膨張空間３、第二膨張空間６、螺旋溝８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１６を開とすると、第一膨張空間３、第二膨張空間６、螺旋溝８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のヘリウムガスは図示しない第一冷却ステージの熱を吸収し、第二膨張空間６のヘリウムガスは図示しない第二冷却ステージの熱を吸収する。
【００３２】
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、上述した連通路、第二蓄冷器１２を介して第一膨張空間３内に回収される。ここで、螺旋溝８内の低温側空間８Ｌのヘリウムガスも、第二膨張空間６を介して回収される。
【００３３】
第一膨張空間３内のヘリウムガスは、第一蓄冷器１１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、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。
【００３４】
上述した本実施例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。第二ディスプレーサ５と第二シリンダ７とのサイドクリアランスを構成する螺旋溝８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。
【００３５】
つまり、仮想的なガスピストン８Ｐにより、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介してヘリウムガスが相互に移動することを防止して、リーク損失が発生することを防止して冷凍の効率を高めることができる。
【００３６】
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よりも低温側の螺旋溝８内の低温側空間８Ｌを第三の膨張空間として利用することができるので、これによっても冷凍効率を高めることができる。
【００３７】
また、ガスピストン８Ｐの軸方向の長さと位相を調整する位相調整機構を構成するオリフィスを、第二ディスプレーサ５の外周面に軸方向に延在する溝状の第一絞り部９により構成し、バッファを容積部１０により構成している。そのため、より確実に位相調整を行うことができる。さらに、この容積部１０を上述した第一ディスプレーサ２と第二ディスプレーサ５の往復運動に係わらずに常に第一膨張空間３内に入らない構成としている。そのため、容積部１０内のヘリウムガスの圧力を安定させることができ、容積部１０内をバッファ容積として機能させることができる。また、第一絞り部９も容積部１０と同様に、第一ディスプレーサ２と第二ディスプレーサ５の往復運動に係わらずに常に第一膨張空間３内に入らない構成としている。そのため、オリフィスとして機能する第一絞り部９の流量係数を往復運動の全領域にわたって一定として、位相調整機能を安定させることができる。
【００３８】
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、リーク損失をより確実に防止するとともに、第三の膨張空間もより確実に確保して冷凍効率を高めることができる。
【実施例２】
【００３９】
上述した本実施例１の極低温冷凍機１では、第一絞り部９は第二ディスプレーサ５の外周面上の軸方向に延びる溝状としているが、これに第一絞り部９の始端から第二ディスプレーサ５の径方向に延びて第二蓄冷器１２に連通する孔部を第二絞り部１７として付加することもできる。なお、第二蓄冷器１２の第二絞り部１７と連通する部分の上下には、図示しない仕切り部材を設けて、蓄冷材の無い空間を設けることが好ましい。また、第二絞り部１７の径は、第二蓄冷材の粒径よりも小さくすることが好ましい。以下それについての実施例２について述べる。
【００４０】
本実施例２においては、上述した実施例１に加えて、図４に示すように、第一絞り部９の高温側端部から第二ディスプレーサ５の径方向内側に延びて第二蓄冷器１２に連通する第二絞り部１７を付加している。この場合のフロー図は図５に示すとおりとなる。
【００４１】
第一絞り部９は、バッファとして機能する容積部１０とパルス管として機能する螺旋溝８の高温側とを連通する連通路に配置されたオリフィスに対応する。さらに、第二絞り部１７は、第二蓄冷器１２と螺旋溝８（パルス管）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。つまり、螺旋溝８、第二蓄冷器１２はバッファ容積を備えた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。
【００４２】
螺旋溝８内の冷媒ガスは、実施例１と同様に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。ガスピストン８Ｐは、必ず往復運動中螺旋溝８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容積部１０（バッファ）の容積と、第一絞り部９の断面積（オリフィス）、第二絞り部１７の断面積により調整される。
【００４３】
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４内に供給され、第一ディスプレーサ２の上部から第一ディスプレーサ２の内部（第一蓄冷器１１）に流入する。第一蓄冷器１１に流入した高圧のヘリウムガスは、第一蓄冷器１１内部の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の下部に位置する連通路を介して、第一膨張空間３に供給される。
【００４４】
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図示しない連通路を介して第二蓄冷器１２に供給される。ここで、第二ディスプレーサ５はクリアランスシール部を備えるため、ヘリウムガスが第一膨張空間３から容積部１０に流入することは抑制される。
【００４５】
また、この時点では、螺旋溝８内のヘリウムガスの圧力は、圧縮機１４の低圧側の圧力と略同等であるのに対して、容積部１０内のヘリウムガスは、圧縮機１４の高圧と低圧の中間圧力程度である。そのため、容積部１０内のヘリウムガスが、第一絞り部９を介して、螺旋溝８の高温側に流入する。
【００４６】
第二蓄冷器１２に流入した高圧のヘリウムガスの大部分は、第二蓄冷材によりさらに冷却されながら、連通路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８内に低温側から流入する。このガスは、図５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。ここで、第二蓄冷器１２に流入した高圧のヘリウムガスの一部は、第二絞り部１７から、螺旋溝８の高温端に流入する。
【００４７】
ここで、上述のとおり、第一絞り部９の断面積および第二絞り部１７の断面積は、ともに螺旋溝８の断面積と比べて小さいため、容積部１０及び第二蓄冷器１２から高温側空間８Ｈに流入するヘリウムガスが螺旋溝８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８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のヘリウムガスが第二膨張空間６に抜けることは防止される。一方、高温側空間８Ｈのヘリウムガスの一部は、ガスピストン８Ｐに押されて容積部１０に流入することは許容される。
【００４８】
このようにして、第一膨張空間３、第二膨張空間６、螺旋溝８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１６を開とすると、第一膨張空間３、第二膨張空間６、螺旋溝８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のヘリウムガスは図示しない第一冷却ステージの熱を吸収し、第二膨張空間６のヘリウムガスは図示しない第二冷却ステージの熱を吸収する。
【００４９】
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、第二蓄冷器１２を介して第一膨張空間３内に回収される。ここで、螺旋溝８内の低温側空間８Ｌのヘリウムガスも、第二膨張空間６を介して回収される。一方、螺旋溝８内の高温側空間８Ｈのヘリウムガスの一部は、第二絞り部１７を介して第二蓄冷器１２に流入する。
【００５０】
第一膨張空間３内のヘリウムガスは、第一蓄冷器１１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、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。
【００５１】
本実施例２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を、図５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８内に仮想的なガスピストン８Ｐを構成して、流量係数が一定の第一絞り部９をオリフィスとし、さらに、流量係数が一定の第二絞り部１７を第二蓄冷器１２とパルス管である螺旋溝８とを連通する連通流路上のダブルインレットとして長さと位相とさらに適切に調整することができる。
【００５２】
つまりガスピストン８Ｐにさらに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８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。
【００５３】
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。
【００５４】
また、第一絞り部９の断面積は、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。また、第一絞り部９が第二ディスプレーサ５の軸方向に直線状に形成された例について説明したが、これに限られない。例えば、螺旋溝を延長線に沿うように形成してもよく、要は容積部１０と螺旋溝の高温端とを連通していれば、同様の効果を奏することができる。
【００５５】
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、これに限れない。例えば、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。
【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確実に行うことができる。
【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
８Ｐ ガスピストン
８Ｈ 高温側空間
８Ｌ 低温側空間
９ 第一絞り部
１０ 容積部
１１ 第一蓄冷器
１２ 第二蓄冷器
１３ シール
１４ 圧縮機
１５ サプライバルブ
１６ リターンバルブ
１７ 第二絞り部
【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、ＧＭ冷凍機のピストンとシリンダとの間の隙間のガスに膨張仕事をさせるＧＭ冷凍機が、記載されている。この冷凍機は、オリフィスとして機能する軸方向に延びる直線溝を備えている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】中国特許出願公開第１０１９００４４７Ａ号明細書
【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構成では、二段式のディスプレーサが往復運動するにあたり、上述した直線溝の高温側部分が一段側の膨張空間に対して進入と退出を繰り返すこととなるため、オリフィスとしての流路抵抗が変化する。そのため、冷凍の効率を高めることができないという問題があった。
【０００５】
本発明は、上記問題に鑑み、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を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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、当該螺旋溝の前記第一ディスプレーサ側に連通される第一絞り部と、当該第一絞り部の前記第一ディスプレーサ側に連通される容積部とを、前記第二シリンダが含むことを特徴とする。
【０００７】
ここで、前記極低温冷凍機において、
前記容積部は前記外周面よりも径方向の内側にある又は前記外周面に面する円環状空間であることとしてもよい。
【０００８】
また、前記極低温冷凍機において、
前記螺旋溝の前記第一ディスプレーサ側を前記第二ディスプレーサ内の蓄冷室に連通する第二絞り部を含むこととしてもよい。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の極低温冷凍機によれば、前記第二ディスプレーサの外周側のサイドクリアランスをパルス冷凍機に見立てた上で、適切な位相調整を行った上で損失を低減し、冷凍の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の全体構成の一実施形態について示す模式図である。
【図２】本発明に係る実施例１の極低温冷凍機１の主要部分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】実施例２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。
【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は例えばギフォードマクマホン（ＧＭ）タイプのものとして構成可能であり、図１に示すように、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とを含む。
【００１３】
さらに、極低温冷凍機１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と、螺旋溝８の第一ディスプレーサ２側に連通される第一絞り部９と、第一絞り部９の第一膨張空間３側に連通される容積部１０と、を含む。容積部１０は第一膨張空間３よりも常に第二膨張空間６側に位置するものとしている。
【００１４】
第一ディスプレーサ２と第二ディスプレーサ５とはともに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、第一蓄冷器１１が配置され、第二ディスプレーサ５に内部には第二蓄冷器１２が配置される。第一ディスプレーサ２の高温端側よりの部分と第一シリンダ４との間にはシール１３が設けられており、第一シリンダ４の上端には圧縮機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第一シリンダ４に接続される給排共通配管が接続されている。
【００１５】
第一ディスプレーサ２の上端は図示しない軸部材が結合されて、この軸部材は第一シリンダ４の上端から突出されており、図示しないクランク機構を介して図示しない駆動用モータに連結されている。軸部材、クランク機構、駆動用モータは第一ディスプレーサ２と第二ディスプレーサ５を軸方向に往復運動させる駆動機構を構成する。
【００１６】
第一ディスプレーサ２は下部が開口した有底円筒形状の第一シリンダ４内に収納され、第二ディスプレーサ５は上部が開口した有底円筒形状の第二シリンダ７内に収納されており、第一シリンダ４と第二シリンダ７とは一体的に構成されている。
【００１７】
第一シリンダ４、第二シリンダ７は高い強度と、低い熱伝導率、十分なヘリウム遮断能を有する、例えばステンレス鋼により構成される。第一ディスプレーサ２は、軽い比重と十分な耐摩耗性、比較的高い強度、低い熱伝導率を有する例えば布入りフェノール等により構成される。第二ディスプレーサ５は、例えば外周面に耐摩耗性の高いフッ素樹脂などの皮膜を施した金属製の筒で構成される。第一蓄冷器１１は例えば金網等の第一蓄冷材により構成され、第二蓄冷器１２は、例えば鉛球等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ている。
【００１８】
第二ディスプレーサ５の外周面には、図２に示されるように、第一シリンダ４の低温側に形成される第二膨張空間６に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が形成されており、螺旋溝８は第二ディスプレーサ５の軸方向の中央よりも高温側に位置する部分にて終了する終端を有している。
【００１９】
この螺旋溝８の終端から第二ディスプレーサ５の外周面において軸方向に延びる溝状の第一絞り部９が形成され、第一絞り部９の終端は、第二ディスプレーサ５の外周面に形成された容積部１０に連通されている。図１に示したように、第一ディスプレーサ２と第二ディスプレーサ５の上死点において、容積部１０は第一シリンダ４の底面よりも下側に位置するものとしている。
【００２０】
なお、第一膨張空間３よりも常に第二膨張空間６側に容積部１０が位置するとは、容積部１０全体が、第一膨張空間３が最大となる第一ディスプレーサ２が上死点に位置する場合に第一膨張空間３に露出する外周面の露出部分よりも第二膨張空間６側に位置することを指す。また、図２において、第二ディスプレーサ５の外周面の容積部１０よりも高温側に位置する部分は、第一シリンダ４の内周面に対して径方向の隙間を小さくするクリアランスシール部を構成している。
【００２１】
容積部１０は第二ディスプレーサ５の外周面においてクリアランスシール部よりも径方向に掘り下げられた形態を有しており、周方向に延びる円環状溝部つまり円環状空間を形成している。この容積部１０と第二シリンダ７の内周面とにより画成する円環状空間の容積は、螺旋溝８の総容積の少なくとも半分以上の容積を有して構成されている。
【００２２】
圧縮機１４を動作させてサプライバルブ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上述した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内の上端と第一蓄冷器１１を連通する連通路と第一蓄冷器１１、第一蓄冷器１１と第一膨張空間３とを連通する連通路を介して、第一膨張空間３に供給される。
【００２３】
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、第一膨張空間３と第二蓄冷器１２とを連通する連通路を介して第二蓄冷器１２に供給され、さらに、第二蓄冷器１２と第二膨張空間６とを連通する連通路を介して第二膨張空間６に供給される。なお、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、低温側から螺旋溝８内に供給される。
【００２４】
図３は、螺旋溝８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。第一絞り部９は、バッファとして機能する容積部１０とパルス管として機能する螺旋溝８の高温側とを連通する連通路に配置されたオリフィスに対応する。螺旋溝８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。
【００２５】
ここで、ガスピストン８Ｐは、必ず往復運動中螺旋溝８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容積部１０（バッファ）の容積と、第一絞り部９（オリフィス）の断面積により調整される。
【００２６】
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４内に供給され、第一ディスプレーサ２の上部から第一ディスプレーサ２の内部（第一蓄冷器１１）に流入する。第一蓄冷器１１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の下部に位置する連通路を介して、第一膨張空間３に供給される。
【００２７】
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図示しない連通路を介して第二ディスプレーサ５内部の第二蓄冷器１２に供給される。ここで、第二ディスプレーサ５は高温側端部にクリアランスシール部を備えるため、ヘリウムガスが第一膨張空間３から容積部１０に流入することは抑制される。
【００２８】
また、この時点では、螺旋溝８内のヘリウムガスの圧力は、圧縮機１４の低圧側の圧力と略同等であるのに対して、容積部１０内のヘリウムガスは、圧縮機１４の高圧と低圧の中間圧力程度である。そのため、容積部１０内のヘリウムガスが、第一絞り部９を介して、螺旋溝８の高温側に流入する。
【００２９】
第二蓄冷器１２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、連通路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８内に低温側から流入する。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。
【００３０】
ここで、上述のとおり、第一絞り部９の断面積は、螺旋溝８の断面積と比べて小さいため、容積部１０から高温側空間８Ｈに流入するヘリウムガスが螺旋溝８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８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のヘリウムガスが第二膨張空間６に抜けることは防止される。一方、高温側空間８Ｈのヘリウムガスの一部は、ガスピストン８Ｐに押されて容積部１０に流入することは許容される。
【００３１】
このようにして、第一膨張空間３、第二膨張空間６、螺旋溝８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１６を開とすると、第一膨張空間３、第二膨張空間６、螺旋溝８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のヘリウムガスは図示しない第一冷却ステージの熱を吸収し、第二膨張空間６のヘリウムガスは図示しない第二冷却ステージの熱を吸収する。
【００３２】
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、上述した連通路、第二蓄冷器１２を介して第一膨張空間３内に回収される。ここで、螺旋溝８内の低温側空間８Ｌのヘリウムガスも、第二膨張空間６を介して回収される。
【００３３】
第一膨張空間３内のヘリウムガスは、第一蓄冷器１１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、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。
【００３４】
上述した本実施例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。第二ディスプレーサ５と第二シリンダ７とのサイドクリアランスを構成する螺旋溝８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。
【００３５】
つまり、仮想的なガスピストン８Ｐにより、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介してヘリウムガスが相互に移動することを防止して、リーク損失が発生することを防止して冷凍の効率を高めることができる。
【００３６】
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よりも低温側の螺旋溝８内の低温側空間８Ｌを第三の膨張空間として利用することができるので、これによっても冷凍効率を高めることができる。
【００３７】
また、ガスピストン８Ｐの軸方向の長さと位相を調整する位相調整機構を構成するオリフィスを、第二ディスプレーサ５の外周面に軸方向に延在する溝状の第一絞り部９により構成し、バッファを容積部１０により構成している。そのため、より確実に位相調整を行うことができる。さらに、この容積部１０を上述した第一ディスプレーサ２と第二ディスプレーサ５の往復運動に係わらずに常に第一膨張空間３内に入らない構成としている。そのため、容積部１０内のヘリウムガスの圧力を安定させることができ、容積部１０内をバッファ容積として機能させることができる。また、第一絞り部９も容積部１０と同様に、第一ディスプレーサ２と第二ディスプレーサ５の往復運動に係わらずに常に第一膨張空間３内に入らない構成としている。そのため、オリフィスとして機能する第一絞り部９の流量係数を往復運動の全領域にわたって一定として、位相調整機能を安定させることができる。
【００３８】
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、リーク損失をより確実に防止するとともに、第三の膨張空間もより確実に確保して冷凍効率を高めることができる。
【実施例２】
【００３９】
上述した本実施例１の極低温冷凍機１では、第一絞り部９は第二ディスプレーサ５の外周面上の軸方向に延びる溝状としているが、これに第一絞り部９の始端から第二ディスプレーサ５の径方向に延びて第二蓄冷器１２に連通する孔部を第二絞り部１７として付加することもできる。なお、第二蓄冷器１２の第二絞り部１７と連通する部分の上下には、図示しない仕切り部材を設けて、蓄冷材の無い空間を設けることが好ましい。また、第二絞り部１７の径は、第二蓄冷材の粒径よりも小さくすることが好ましい。以下それについての実施例２について述べる。
【００４０】
本実施例２においては、上述した実施例１に加えて、図４に示すように、第一絞り部９の高温側端部から第二ディスプレーサ５の径方向内側に延びて第二蓄冷器１２に連通する第二絞り部１７を付加している。この場合のフロー図は図５に示すとおりとなる。
【００４１】
第一絞り部９は、バッファとして機能する容積部１０とパルス管として機能する螺旋溝８の高温側とを連通する連通路に配置されたオリフィスに対応する。さらに、第二絞り部１７は、第二蓄冷器１２と螺旋溝８（パルス管）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。つまり、螺旋溝８、第二蓄冷器１２はバッファ容積を備えた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。
【００４２】
螺旋溝８内の冷媒ガスは、実施例１と同様に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。ガスピストン８Ｐは、必ず往復運動中螺旋溝８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容積部１０（バッファ）の容積と、第一絞り部９の断面積（オリフィス）、第二絞り部１７の断面積により調整される。
【００４３】
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４内に供給され、第一ディスプレーサ２の上部から第一ディスプレーサ２の内部（第一蓄冷器１１）に流入する。第一蓄冷器１１に流入した高圧のヘリウムガスは、第一蓄冷器１１内部の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の下部に位置する連通路を介して、第一膨張空間３に供給される。
【００４４】
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図示しない連通路を介して第二蓄冷器１２に供給される。ここで、第二ディスプレーサ５はクリアランスシール部を備えるため、ヘリウムガスが第一膨張空間３から容積部１０に流入することは抑制される。
【００４５】
また、この時点では、螺旋溝８内のヘリウムガスの圧力は、圧縮機１４の低圧側の圧力と略同等であるのに対して、容積部１０内のヘリウムガスは、圧縮機１４の高圧と低圧の中間圧力程度である。そのため、容積部１０内のヘリウムガスが、第一絞り部９を介して、螺旋溝８の高温側に流入する。
【００４６】
第二蓄冷器１２に流入した高圧のヘリウムガスの大部分は、第二蓄冷材によりさらに冷却されながら、連通路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８内に低温側から流入する。このガスは、図５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。ここで、第二蓄冷器１２に流入した高圧のヘリウムガスの一部は、第二絞り部１７から、螺旋溝８の高温端に流入する。
【００４７】
ここで、上述のとおり、第一絞り部９の断面積および第二絞り部１７の断面積は、ともに螺旋溝８の断面積と比べて小さいため、容積部１０及び第二蓄冷器１２から高温側空間８Ｈに流入するヘリウムガスが螺旋溝８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８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のヘリウムガスが第二膨張空間６に抜けることは防止される。一方、高温側空間８Ｈのヘリウムガスの一部は、ガスピストン８Ｐに押されて容積部１０に流入することは許容される。
【００４８】
このようにして、第一膨張空間３、第二膨張空間６、螺旋溝８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１６を開とすると、第一膨張空間３、第二膨張空間６、螺旋溝８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のヘリウムガスは図示しない第一冷却ステージの熱を吸収し、第二膨張空間６のヘリウムガスは図示しない第二冷却ステージの熱を吸収する。
【００４９】
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、第二蓄冷器１２を介して第一膨張空間３内に回収される。ここで、螺旋溝８内の低温側空間８Ｌのヘリウムガスも、第二膨張空間６を介して回収される。一方、螺旋溝８内の高温側空間８Ｈのヘリウムガスの一部は、第二絞り部１７を介して第二蓄冷器１２に流入する。
【００５０】
第一膨張空間３内のヘリウムガスは、第一蓄冷器１１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、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。
【００５１】
本実施例２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を、図５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８内に仮想的なガスピストン８Ｐを構成して、流量係数が一定の第一絞り部９をオリフィスとし、さらに、流量係数が一定の第二絞り部１７を第二蓄冷器１２とパルス管である螺旋溝８とを連通する連通流路上のダブルインレットとして長さと位相とさらに適切に調整することができる。
【００５２】
つまりガスピストン８Ｐにさらに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８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。
【００５３】
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。
【００５４】
また、第一絞り部９の断面積は、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。また、第一絞り部９が第二ディスプレーサ５の軸方向に直線状に形成された例について説明したが、これに限られない。例えば、螺旋溝を延長線に沿うように形成してもよく、要は容積部１０と螺旋溝の高温端とを連通していれば、同様の効果を奏することができる。
【００５５】
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、これに限れない。例えば、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。
【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確実に行うことができる。
【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
８Ｐ ガスピストン
８Ｈ 高温側空間
８Ｌ 低温側空間
９ 第一絞り部
１０ 容積部
１１ 第一蓄冷器
１２ 第二蓄冷器
１３ シール
１４ 圧縮機
１５ サプライバルブ
１６ リターンバルブ
１７ 第二絞り部
【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、当該螺旋溝の前記第一ディスプレーサ側に連通される第一絞り部と、当該第一絞り部の前記第一ディスプレーサ側に連通される容積部とを、前記第二シリンダが含むことを特徴とする極低温冷凍機。
【請求項２】
前記容積部は前記外周面よりも径方向の内側にある又は前記外周面に面する円環状空間であ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】
前記螺旋溝の前記第一ディスプレーサ側を前記第二ディスプレーサ内の蓄冷室に連通する第二絞り部を含む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、当該螺旋溝の前記第一ディスプレーサ側に連通される第一絞り部と、当該第一絞り部の前記第一ディスプレーサ側に連通される容積部とを、前記第二シリンダが含むことを特徴とする極低温冷凍機。
【請求項２】
前記容積部は前記外周面よりも径方向の内側にある又は前記外周面に面する円環状空間であ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】
前記螺旋溝の前記第一ディスプレーサ側を前記第二ディスプレーサ内の蓄冷室に連通する第二絞り部を含むことを特徴とする請求項２に記載の極低温冷凍機。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１３−７２５９７（Ｐ２０１３−７２５９７Ａ）
【公開日】平成２５年４月２２日（２０１３．４．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２１２２４０（Ｐ２０１１−２１２２４０）
【出願日】平成２３年９月２８日（２０１１．９．２８）
【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２２日（２０１３．４．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月２８日（２０１１．９．２８）
【出願人】（０００００２１０７）住友重機械工業株式会社 (2,241)
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