蓄冷器式冷凍機
【課題】極低温用の蓄冷材としてガス蓄冷材を用いることにより製造コストを低減できるとともに、冷媒ガスとガス蓄冷材との熱交換の効率を向上できる蓄冷器式冷凍機を提供する。
【解決手段】冷媒ガスを断熱膨張させるためのシリンダと、シリンダと接続されており、内部に、冷媒ガスが流れる第１の空間Ｓ１と、ガスよりなる蓄冷材が充填される第２の空間Ｓ２とを画成する画成部材３５を含み、冷媒ガスの断熱膨張に伴ってシリンダで発生した冷熱を、第２の空間Ｓ２に充填された蓄冷材に蓄冷する蓄冷管３２とを有する。画成部材３５が第２の空間Ｓ２に露出している面積は、画成部材３５が第１の空間Ｓ１に露出している面積よりも大きい。
【解決手段】冷媒ガスを断熱膨張させるためのシリンダと、シリンダと接続されており、内部に、冷媒ガスが流れる第１の空間Ｓ１と、ガスよりなる蓄冷材が充填される第２の空間Ｓ２とを画成する画成部材３５を含み、冷媒ガスの断熱膨張に伴ってシリンダで発生した冷熱を、第２の空間Ｓ２に充填された蓄冷材に蓄冷する蓄冷管３２とを有する。画成部材３５が第２の空間Ｓ２に露出している面積は、画成部材３５が第１の空間Ｓ１に露出している面積よりも大きい。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヘリウムガス等の冷媒ガスを用い、蓄冷材を収容した蓄冷器を有する蓄冷器式冷凍機に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば４Ｋ程度の極低温を得るために、ヘリウムガス等の冷媒ガスを用い、蓄冷材を収容した蓄冷器を有する蓄冷器式冷凍機が用いられている。また、蓄冷器式冷凍機として、例えばギフォード・マクマホン（Gifford-McMahon；ＧＭ）冷凍機、パルス管冷凍機等の冷凍機が用いられている。
【０００３】
蓄冷器式冷凍機は、冷媒ガスを断熱膨張させ、その際に発生する冷熱を蓄冷材に蓄冷することによって冷凍冷却を行う。そのため、蓄冷器式冷凍機は、シリンダと、シリンダと接続された蓄冷管を有し、蓄冷管の内部に、冷熱を蓄冷するための蓄冷材を備える。
【０００４】
蓄冷材は、使用温度である極低温で大きな比熱を有する必要がある。しかしながら、一般に鉛等の金属の比熱は、１５Ｋ以下の極低温において、温度の低下とともに急激に減少する。そこで、１５Ｋ以下の温度で鉛よりも大きな比熱を有する、例えばＨｏＣｕ２等の磁性蓄冷材が蓄冷材として用いられる。しかし、磁性蓄冷材は、１５Ｋ以下で大きな磁化率を有し、磁気ノイズを発生させるおそれがあるため、蓄冷管の周囲に磁気シールド部材を設ける必要があり、製造コストが増加する。
【０００５】
一方、冷媒ガスとして用いられるヘリウムは、使用温度である極低温で大きな比熱を有する。そのため、１５Ｋ以下の極低温用の蓄冷材として、ヘリウムガスよりなるガス蓄冷材を用いることがある。（例えば、特許文献１参照。）。ヘリウムガスよりなるガス蓄冷材を用いることによって、蓄冷管の周囲に磁気シールド材を設ける必要がないため、製造コストを低減できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特表２００６−５２４３０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところが、上記した極低温用蓄冷材としてガス蓄冷材を用いる蓄冷器式冷凍機には、次のような問題がある。
【０００８】
蓄冷管の内部に、ヘリウムガスよりなるガス蓄冷材が気密に充填された中空体を入れてなる場合、蓄冷管の内部であって中空体の外部を流れるヘリウムガスよりなる冷媒ガスと、中空体の内部のヘリウムガスよりなるガス蓄冷材とが、中空体の壁を介して熱交換する。
【０００９】
このとき、ガスの熱伝達係数はガスの流速が速い方が大きい。そのため、中空体に充填され、流速を有しないヘリウムガスよりなるガス蓄冷材の熱伝達係数は、流速を有するヘリウムガスよりなる冷媒ガスの熱伝達係数よりも小さい。従って、ガス蓄冷材と冷媒ガスとの熱交換の効率が低い。
【００１０】
また、中空体の内周面の面積は、中空体の外周面の面積よりも小さい。従って、ヘリウムガスよりなるガス蓄冷材が中空体と接触する接触面積は、ヘリウムガスよりなる冷媒ガスが中空体と接触する接触面積よりも小さい。そのため、ガス蓄冷材と冷媒ガスとの熱交換の効率が低い。
【００１１】
また、上記した課題は、ヘリウムガス以外のガスよりなるガス蓄冷材を用いる場合にも共通する課題である。
【００１２】
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、極低温用の蓄冷材としてガス蓄冷材を用いることにより製造コストを低減できるとともに、冷媒ガスとガス蓄冷材との熱交換の効率を向上できる蓄冷器式冷凍機を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記の課題を解決するために本発明では、次に述べる手段を講じたことを特徴とするものである。
【００１４】
本発明は、冷媒ガスを断熱膨張させるためのシリンダと、前記シリンダと接続されており、内部に、前記冷媒ガスが流れる第１の空間と、ガスよりなる蓄冷材が充填される第２の空間とを画成する画成部材を含み、前記冷媒ガスの断熱膨張に伴って前記シリンダで発生した冷熱を、前記第２の空間に充填された前記蓄冷材に蓄冷する蓄冷管とを有し、前記画成部材が前記第２の空間に露出している面積は、前記画成部材が前記第１の空間に露出している面積よりも大きい、蓄冷器式冷凍機である。
【００１５】
また、本発明は、上述の蓄冷器式冷凍機において、前記画成部材は、前記蓄冷管の高温側と前記蓄冷管の低温側とを連通させる配管を含み、前記第１の空間は、前記配管の内部の空間であり、前記第２の空間は、前記配管の外部の空間であって、かつ、前記蓄冷管の高温側及び前記蓄冷管の低温側のいずれとも連通していないものである。
【００１６】
また、本発明は、上述の蓄冷器式冷凍機において、前記画成部材は、前記蓄冷管の高温側と前記蓄冷管の低温側とを連通させるように第１のスリット空間が形成されているとともに、前記蓄冷管の高温側及び前記蓄冷管の低温側のいずれとも連通しないように第２のスリット空間が形成されており、前記第１の空間は、前記第１のスリット空間を含み、前記第２の空間は、前記第２のスリット空間を含み、前記画成部材が前記第２のスリット空間に露出している面積は、前記画成部材が前記第１のスリット空間に露出している面積よりも大きい。
【００１７】
また、本発明は、上述の蓄冷器式冷凍機において、前記配管は、前記配管の外側の表面積を増やすための部材を有する。
【００１８】
また、本発明は、上述の蓄冷器式冷凍機において、前記部材はフィンである。
【００１９】
また、本発明は、上述の蓄冷器式冷凍機において、前記蓄冷管は、前記第２の空間に充填された、金属よりなる充填材を含む。
【００２０】
また、本発明は、上述の蓄冷器式冷凍機において、前記充填材は、前記配管と一体化されたものである。
【００２１】
また、本発明は、上述の蓄冷器式冷凍機において、前記充填材は、拡散接合により前記配管と一体化されたものである。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、蓄冷器式冷凍機において、極低温用の蓄冷材としてガス蓄冷材を用いることにより製造コストを低減できるとともに、冷媒ガスとガス蓄冷材との熱交換の効率を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】第１の実施の形態に係るパルス管冷凍機の構成を模式的に示す図である。
【図２】第１の実施の形態に係るパルス管冷凍機の第２段目蓄冷管の周辺の構成を模式的に示す図である。
【図３】低温側第２段目蓄冷管の構成を拡大して模式的に示す断面図である。
【図４】各圧力でのヘリウムガスの比熱の温度依存性を、磁性蓄冷材の比熱の温度依存性と対比して示すグラフである
【図５】内部配管の管壁を介して熱交換される際の様子を模式的に示す図である。
【図６】低温側第２段目蓄冷管の構成を拡大して模式的に示す断面図である。
【図７】低温側第２段目蓄冷管の構成を拡大して模式的に示す断面図である。
【図８】低温側第２段目蓄冷管の構成を拡大して模式的に示す縦断面図である。
【図９】画成部材を一部切断して示す斜視図である。
【図１０】第３の実施の形態に係るＧＭ冷凍機の構成を示す概略断面図である。
【図１１】低温側第２段目蓄冷管の構成を拡大して模式的に示す縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
次に、本発明を実施するための形態について図面と共に説明する。
（第１の実施の形態）
図１を参照し、第１の実施の形態に係るパルス管冷凍機について説明する。本実施の形態に係るパルス管冷凍機は、本発明に係る蓄冷器式冷凍機をパルス管冷凍機に適用した例であり、数Ｋ〜２０Ｋ程度の極低温を得るのに適した２段構成を有する。
【００２５】
図１は、本実施の形態に係るパルス管冷凍機の構成を模式的に示す図である。
【００２６】
図１に示すように、本実施の形態に係るパルス管冷凍機１０は、圧縮機１１、バルブユニット１２、膨張機２０を有する。膨張機２０は、第１段目蓄冷管２１、第２段目蓄冷管２２、第１段目パルス管２３、第２段目パルス管２４、第１段目冷却ステージ２５、第２段目冷却ステージ２６、第１のオリフィス２７、第２のオリフィス２８を有する。
【００２７】
なお、図１では、図示を容易にするため、第１段目冷却ステージ２５、第２段目冷却ステージ２６を破線により示す。
【００２８】
圧縮機１１は、吐出側に高圧配管１３、吸入側に低圧配管１４を有する。圧縮機１１は、低圧配管１４を介して冷媒ガスを吸入することによって、膨張機２０から冷媒ガスを回収する。また、吸入した冷媒ガスを圧縮し、圧縮した冷媒ガスを高圧配管１３に吐出することによって、膨張機２０へ冷媒ガスを供給する。
【００２９】
また、本実施の形態では、一端が圧縮機１１の吐出側である高圧配管１３から分岐するとともに、他端が第２段目蓄冷管２２の後述する低温側第２段目蓄冷管３２に接続されており、ガス蓄冷材を低温側第２段目蓄冷管３２の内部空間に導入するための導入配管１５を有する。
【００３０】
バルブユニット１２は、バルブＶ１〜Ｖ６を有する。バルブユニット１２は、圧縮機１１と膨張機２０との間に接続されており、圧縮機１１の吐出側である高圧配管１３、圧縮機１１の吸入側である低圧配管１４を交互に膨張機２０に連通させる。バルブＶ１は、高圧配管１３と第１段目蓄冷管２１とを連通又は遮断する。バルブＶ２は、低圧配管１４と第１段目蓄冷管２１とを連通又は遮断する。バルブＶ３は、高圧配管１３と第１段目パルス管２３とを連通又は遮断する。バルブＶ４は、低圧配管１４と第１段目パルス管２３とを連通又は遮断する。バルブＶ５は、高圧配管１３と第２段目パルス管２４とを連通又は遮断する。バルブＶ６は、低圧配管１４と第２段目パルス管２４とを連通又は遮断する。
【００３１】
第１段目蓄冷管２１は、冷媒ガスであるヘリウムガスが断熱膨張を繰り返して発生する冷熱を蓄冷する。第１段目蓄冷管２１は、高温端がバルブユニット１２に接続されており、低温端が第２段目蓄冷管２２の高温端と、第１段目パルス管２３の低温端とに接続されている。
【００３２】
第１段目蓄冷管２１の内部には、第１段目蓄冷材２９が充填される。第１段目蓄冷材２９としては、例えば銅網（網状の形状に加工された銅線）を用いることができる。また、第１段目蓄冷管２１は、軸方向の伝導損失を最小に抑えるため、肉薄のＳＵＳ材を用いることができる。ＳＵＳ材として、例えばＳＵＳ３０４等の材質を用いることができる。
【００３３】
第２段目蓄冷管２２は、第１段目蓄冷管２１と同様に、冷媒ガスであるヘリウムガスが断熱膨張を繰り返して発生する冷熱を蓄冷する。第２段目蓄冷管２２は、高温端が第１段目蓄冷管２１の低温端に接続されており、低温端が第２段目パルス管２４の低温端に接続されている。
【００３４】
第２段目蓄冷管２２の詳細な構造の例は、図２を用いて後述する。
【００３５】
第１段目パルス管２３は、高温端がバルブユニット１２に接続されており、低温端が第１段目蓄冷管２１の低温端側に接続されている。第１段目パルス管２３は、第１段目蓄冷管２１を通して供給される冷媒ガスであるヘリウムガスが断熱膨張を繰り返して冷熱を発生する。
【００３６】
第２段目パルス管２４は、高温端がバルブユニット１２に接続されており、低温端が第２段目蓄冷管２２の低温端に接続されている。第２段目パルス管２４は、第１段目パルス管２３と同様に、第２段目蓄冷管２２を通して供給される冷媒ガスであるヘリウムガスが断熱膨張を繰り返して冷熱を発生する。なお、第２段目パルス管２４は、本発明におけるシリンダに相当する。
【００３７】
第１段目パルス管２３は、高温端、低温端に各々整流器２３ａ、２３ｂを有する。第２段目パルス管２４は、高温端、低温端に各々整流器２４ａ、２４ｂを有する。整流器２３ａ、２３ｂ、２４ａ、２４ｂは、第１段目パルス管２３、第２段目パルス管２４における冷媒ガスの供給又は回収に伴う冷媒ガスの流れを安定化させるためのものである。
【００３８】
第１段目冷却ステージ２５は、第１段目蓄冷管２１の低温端及び第１段目パルス管２３の低温端が固定される部分である。第１段目冷却ステージ２５は、第１段目パルス管２３から冷熱が伝導され、低温に維持される。また、第１段目冷却ステージ２５は、第２段目蓄冷管２２の高温端が固定される部分でもある。
【００３９】
第２段目冷却ステージ２６は、第２段目蓄冷管２２の低温端及び第２段目パルス管２４の低温端が固定される部分である。第２段目冷却ステージ２６は、第２段目パルス管２４から冷熱が伝導され、極低温に維持される。
【００４０】
第１のオリフィス２７は、第１段目パルス管２３とバルブユニット１２との間に設けられる。また、第２のオリフィス２８は、第２段目パルス管２４とバルブユニット１２との間に設けられる。従って、バルブユニット１２から第１段目パルス管２３の高温端へ流入出する冷媒ガスは、第１のオリフィス２７で流量を制限される。また、バルブユニット１２から第２段目パルス管２４の高温端へ流入出する冷媒ガスは、第２のオリフィス２８で流量を制限される。
【００４１】
上記構成を有するパルス管冷凍機１０では、バルブユニット１２に収容されたバルブＶ１及びＶ２を連通させる動作及び遮断させる動作を、互いに逆の動作になるように繰り返す。すると、第１段目蓄冷管２１の高温端は、高圧配管１３又は低圧配管１４と切換え連通される。その結果、第１段目蓄冷管２１の低温端と連通された第１段目パルス管２３に冷媒ガスが周期的に供給／回収されるため、第１段目パルス管２３内で冷媒ガスが圧縮と膨張とを繰返し、その際に断熱膨張により冷熱が発生する。そして、発生した冷熱を第１段目蓄冷管２１に蓄冷することにより、第１段目蓄冷管２１の低温端側は冷却される。
【００４２】
また、第１段目蓄冷管２１の低温端と接続された第２段目蓄冷管２２も、高圧配管１３又は低圧配管１４と切換え連通される。その結果、第２段目蓄冷管２２の低温端と連通された第１段目パルス管２３に冷媒ガスが周期的に供給／回収されるため、第２段目パルス管２４内で冷媒ガスが圧縮と膨張とを繰返し、その際に断熱膨張により冷熱が発生する。そして、発生した冷熱を第２段目蓄冷管２２に蓄冷することにより、第２段目蓄冷管２２の低温端側は冷却される。
【００４３】
このとき、バルブＶ３、Ｖ４を用いて、第１段目パルス管２３の高温端からの冷媒ガスの流入出を抑制する。この結果、第１段目パルス管２３内の圧力変化と流速変化のタイミングが第１段目蓄冷管２１の圧力変化と流速変化のタイミングとずれて位相差が大きくなる。そのため、冷媒ガスの圧縮／膨張が繰返されるときに冷凍機が冷熱を発生する仕事量が大きくなり、冷凍能力が向上する。
【００４４】
また、バルブＶ５、Ｖ６を用いて、第２段目パルス管２４の高温端からの冷媒ガスの流入出を抑制する。この結果、第２段目パルス管２４内の圧力変化と流速変化のタイミングが第２段目蓄冷管２２の圧力変化と流速変化のタイミングとずれて位相差が大きくなる。そのため、冷媒ガスの圧縮／膨張が繰返されるときに冷凍機が冷熱を発生する仕事量が大きくなり、冷凍能力が向上する。
【００４５】
本実施の形態に係るパルス管冷凍機１０において、冷媒ガスとして、例えば０．５〜２．５ＭＰａの圧力を有するヘリウム（Ｈｅ）ガスが用いられ、例えば２Ｈｚ程度の繰返し速度で冷媒ガスの圧縮・膨張を繰返す。これにより、第１段目蓄冷管２１の低温端で例えば５０Ｋ程度の低温を得ることができ、第２段目蓄冷管２２の低温端で、例えば４Ｋ程度の低温を得ることができる。
【００４６】
図２は、本実施の形態に係るパルス管冷凍機の第２段目蓄冷管２２の周辺の構成を模式的に示す図である。また、図３は、低温側第２段目蓄冷管３２の構成を拡大して模式的に示す断面図である。図３（ａ）は、縦断面図であり、図３（ｂ）は、横断面図である。図４は、各圧力でのヘリウムガスの比熱の温度依存性を、磁性蓄冷材の比熱の温度依存性と対比して示すグラフである。
【００４７】
第２段目蓄冷管２２は、高温側から低温側に向かって順に、高温側第２段目蓄冷管３１、低温側第２段目蓄冷管３２を有する。低温側第２段目蓄冷管３２は、本発明における蓄冷管に相当する。
【００４８】
高温側第２段目蓄冷管３１は、高温端が第１段目蓄冷管２１の低温端と接続されており、低温端が低温側第２段目蓄冷管３２の高温端と接続されている。また、高温側第２段目蓄冷管３１は、高温端が第１段目冷却ステージ２５に固定されている。
【００４９】
高温側第２段目蓄冷管３１の内部には、高温側第２段目蓄冷材３０が充填される。高温側第２段目蓄冷管３１は、軸方向の伝導損失を最小に抑えるため、肉薄のＳＵＳ材を用いることができる。ＳＵＳ材として、例えばＳＵＳ３０４等の材質を用いることができる。また、高温側第２段目蓄冷材３０としては、例えば鉛球を用いることができる。鉛は１５〜４０Ｋの温度領域では、金属の中では大きな比熱を有するためである。
【００５０】
低温側第２段目蓄冷管３２は、高温端が高温側第２段目蓄冷管３１の低温端と接続されており、低温端が第２段目パルス管２４の低温端と接続されている。また、低温側第２段目蓄冷管３２は、低温端が第２段目冷却ステージ２６に固定されている。
【００５１】
低温側第２段目蓄冷管３２は、高温側画成部材３３、低温側画成部材３４、内部配管３５、導入口３６を有する。高温側画成部材３３は、低温側第２段目蓄冷管３２の内部空間ＳＩと低温側第２段目蓄冷管３２の高温側とを画成する。低温側画成部材３４は、低温側第２段目蓄冷管３２の内部空間ＳＩと低温側第２段目蓄冷管３２の低温側とを画成する。内部配管３５は、高温側画成部材３３と低温側画成部材３４とを貫通するとともに、一端が高温側画成部材３３の高温側に開口し、他端が低温側画成部材３４の低温側に開口している。すなわち、内部配管３５は、低温側第２段目蓄冷管３２の高温側と低温側第２段目蓄冷管３２の低温側とを連通させる。このように、低温側第２段目蓄冷管３２は、内部に内部配管３５が収容された、いわゆるチューブインチューブ構造を有する。また、導入口３６は、前述した導入配管１５を介し、圧縮機１１の吐出側の高圧配管１３からヘリウムガスをガス蓄冷材として低温側第２段目蓄冷管３２の内部に導入するためのものである。
【００５２】
なお、内部配管３５は、本発明における配管に相当する。
【００５３】
また、チューブインチューブ構造を有する低温側第２段目蓄冷管３２は、図２に示すように長尺の配管を複数回折り曲げた構造を有していてもよく、その他、長尺の配管をスパイラル状に曲げた構造を有していてもよい。これにより、第１段目冷却ステージ２５と第２段目冷却ステージ２６との限られた距離の間に、長尺の低温側第２段目蓄冷管３２を設けることができる。
【００５４】
あるいは、第１段目冷却ステージ２５と第２段目冷却ステージ２６との距離を長くすること等により、低温側第２段目蓄冷管３２を途中で折り曲げず、上下方向に延在する円筒形状としてもよい。
【００５５】
図３（ａ）及び図３（ｂ）に示すように、内部配管３５は、低温側第２段目蓄冷管３２の内部空間ＳＩを、第１の空間Ｓ１と第２の空間Ｓ２とに画成する。第１の空間Ｓ１は、内部配管３５の内部の空間である。第２の空間Ｓ２は、低温側第２段目蓄冷管３２の内部の空間であって、内部配管３５の外部の空間である。前述したように、内部配管３５は、高温側画成部材３３と低温側画成部材３４とを貫通するため、第１の空間Ｓ１は、低温側第２段目蓄冷管３２の高温側と低温側第２段目蓄冷管３２の低温側とを連通させるものである。また、第１の空間Ｓ１には、冷媒ガスが流れる。
【００５６】
第２の空間Ｓ２には、低温側第２段目蓄冷材が充填される。低温側第２段目蓄冷材として、例えばヘリウムガス等のガスよりなるガス蓄冷材を用いることができる。図４に示すように、ヘリウムガスは、例えば１．５ＭＰａの圧力、５〜１５Ｋの温度領域で、低温で大きな比熱を有する磁性蓄冷材であるＨｏＣｕ２に比べ、更に大きな比熱を有する。
【００５７】
低温側第２段目蓄冷管３２の軸方向に垂直な断面の形状として、例えば外径を１２ｍｍ、内径を１０ｍｍとすることができる。また、内部配管３５の軸方向に垂直な断面の形状として、例えば外径を１．０ｍｍ、内径を０．８ｍｍとすることができる。
【００５８】
次に、本実施の形態において、冷媒ガスとガス蓄冷材との熱交換の効率を向上できる作用効果について説明する。
【００５９】
図５は、内部配管３５の管壁３８を介して熱交換される際の様子を模式的に示す図である。
【００６０】
一般的に、流れるガスの熱伝達係数をαとし、流れるガスのレイノルズ数をＲｅとすると、下記式（１）
α∝Ｒｅ０．８ （１）
の関係を満たす。また、ガスが流速ｖで流れているとすると、レイノルズ数Ｒｅは、下記式（２）
α∝ｖ （２）
の関係を満たす。
【００６１】
ここで、管壁３８の左側に、冷媒ガスが流速ｖｉで流れており、管壁３８の右側にガス蓄冷材が流速ｖｏ（０に等しい）で充填されているとする。そして、冷媒ガスの温度をＴｉ、冷媒ガスの熱伝達係数をαｉ、冷媒ガスの管壁３８との接触面積をＡｉとする。また、ガス蓄冷材の温度をＴｏ、ガス蓄冷材の熱伝達係数をαｏ、ガス蓄冷材の管壁３８との接触面積をＡｏとする。更に、管壁３８の厚さをδとし、管壁３８の熱伝導率をλとする。冷媒ガスの管壁３８との接触面積Ａｉは、内部配管３５が第１の空間Ｓ１に露出している面積に相当し、ガス蓄冷材の管壁３８との接触面積Ａｏは、内部配管３５が第２の空間Ｓ２に露出している面積に相当する。
【００６２】
このとき、管壁３８を介して冷媒ガスからガス蓄冷材に熱交換される際の熱抵抗率Ｒｔは、下記式（３）
Ｒｔ＝（１／αｉＡｉ）＋（δ／λ）＋（１／αｏＡｏ） （３）
により表される。
【００６３】
式（１）及び式（２）により、流速ｖｏが０に等しいガス蓄冷材の熱伝達係数αｏは、流速ｖｉで流れる冷媒ガスの熱伝達係数αｉよりも小さい。従って、式（３）の右辺の第３項（１／αｏＡｏ）が大きくなるため、熱抵抗Ｒｔが大きくなり、冷媒ガスとガス蓄冷材との熱交換の効率を向上できない。
【００６４】
一方、本実施の形態では、内部配管３５の内径をｒ、外径をＲ（＞ｒ）とするとき、
Ａｉ／Ａｏ=ｒ／Ｒ＜１
となり、ガス蓄冷材の管壁３８との接触面積Ａｏは、冷媒ガスの管壁３８との接触面積Ａｉよりも大きい。そのため、式（３）の右辺の第３項（１／αｏＡｏ）がより小さくなるため、熱抵抗Ｒｔを小さくすることができ、冷媒ガスとガス蓄冷材との熱交換の効率を向上できる。
（第１の実施の形態の第１の変形例）
次に、図６を参照し、第１の実施の形態の第１の変形例に係るパルス管冷凍機について説明する。本変形例に係るパルス管冷凍機では、内部配管は、内部配管の外側の表面積を増やすための部材を有する。
【００６５】
なお、本変形例に係るパルス管冷凍機は、低温側第２段目蓄冷管３２ａ以外の部分は、第１の実施の形態に係るパルス管冷凍機と同一にすることができ、低温側第２段目蓄冷管３２ａ以外の部分についての説明を省略する。
【００６６】
図６は、低温側第２段目蓄冷管３２ａの構成を拡大して模式的に示す断面図である。図６（ａ）は、縦断面図であり、図６（ｂ）は、横断面図である。
【００６７】
低温側第２段目蓄冷管３２ａは、第１の実施の形態と同様に、高温側画成部材３３、低温側画成部材３４、内部配管３５ａ、導入口３６を有する。内部配管３５ａ以外の構造は、第１の実施の形態における構造と同一にすることができる。また、内部配管３５ａが、低温側第２段目蓄冷管３２ａの内部空間ＳＩを、第１の空間Ｓ１と第２の空間Ｓ２とに画成する構造も、第１の実施の形態における構造と同一にすることができる。
【００６８】
本変形例では、内部配管３５ａが、内部配管３５ａの外側の表面積を増やすための部材として、フィン３９を有する。図６（ｂ）に示すように、内部配管３５ａに垂直な断面視において、例えば８枚等の複数枚のフィン３９が放射状に設けられていてもよい。これにより、ガス蓄冷材の内部配管との接触面積を更に増大させることができ、冷媒ガスとガス蓄冷材との熱交換の効率を向上できる。
【００６９】
なお、フィンに代え、内部配管の外周面に波状の表面加工を施した部材を設ける等、内部配管の外側の表面積を増やすための各種の部材を用いることができる。
（第１の実施の形態の第２の変形例）
次に、図７を参照し、第１の実施の形態の第２の変形例に係るパルス管冷凍機について説明する。本変形例に係るパルス管冷凍機では、低温側第２段目蓄冷管は、第２の空間に充填された、金属よりなる充填材を含む。
【００７０】
なお、本変形例に係るパルス管冷凍機も、低温側第２段目蓄冷管３２ｂ以外の部分は、第１の実施の形態に係るパルス管冷凍機と同一にすることができ、低温側第２段目蓄冷管３２ｂ以外の部分についての説明を省略する。
【００７１】
図７は、低温側第２段目蓄冷管３２ｂの構成を拡大して模式的に示す断面図である。図７（ａ）は、縦断面図であり、図７（ｂ）は、横断面図である。
【００７２】
低温側第２段目蓄冷管３２ｂは、第１の実施の形態と同様に、高温側画成部材３３、低温側画成部材３４、内部配管３５、導入口３６を有する。これらの構造は、第１の実施の形態における構造と同一にすることができる。また、内部配管３５が、低温側第２段目蓄冷管３２ｂの内部空間ＳＩを、第１の空間Ｓ１と第２の空間Ｓ２とに画成する構造も、第１の実施の形態における構造と同一にすることができる。
【００７３】
本変形例では、低温側第２段目蓄冷管３２ｂは、第２の空間Ｓ２に充填された、金属よりなる充填材４０を含む。図７（ａ）及び図７（ｂ）に示すように、金属よりなる充填材４０は、金属粉の集合体であってもよい。充填材４０と内部配管３５とは、部分的に接触している。そのため、ガス蓄冷材と、充填材４０を含めた内部配管３５との接触面積を増大させることができ、冷媒ガスとガス蓄冷材との熱交換の効率を向上できる。
【００７４】
また、本変形例では、例えば拡散接合、超音波接合等の各種の接合方法により、充填材が内部配管と一体化されていてもよい。これにより、充填材と内部配管とがより確実に熱的に接触できるため、ガス蓄冷材と、充填材を含めた内部配管との接触面積を更に増大させることができ、冷媒ガスとガス蓄冷材との熱交換の効率を更に向上できる。
（第２の実施の形態）
次に、図８及び図９を参照し、第２の実施の形態に係るパルス管冷凍機について説明する。本実施の形態に係るパルス管冷凍機では、低温側第２段目蓄冷管は、チューブインチューブ構造に代え、スリット構造を有する。
【００７５】
なお、本実施の形態に係るパルス管冷凍機は、低温側第２段目蓄冷管３２ｃ以外の部分は、第１の実施の形態に係るパルス管冷凍機と同一にすることができ、低温側第２段目蓄冷管３２ｃ以外の部分についての説明を省略する。
【００７６】
図８は、低温側第２段目蓄冷管３２ｃの構成を拡大して模式的に示す縦断面図である。図９は、画成部材４３を一部切断して示す斜視図である。なお、図９では、破線で囲まれた部分Ｉを切断して示している。また、図９では、シール部材の図示を省略している。
【００７７】
本実施の形態では、低温側第２段目蓄冷管３２ｃを、上下方向に延在する円筒形状とすることができる。
【００７８】
低温側第２段目蓄冷管３２ｃは、高温側シール部材４１、低温側シール部材４２、画成部材４３、導入口３６を有する。画成部材４３は、円筒形状を有しており、画成部材４３の外径は、低温側第２段目蓄冷管３２ｃの内径よりも小さい。画成部材４３と高温側シール部材４１とは、低温側第２段目蓄冷管３２ｃの内部であって、画成部材４３との間に形成される内部空間ＳＩと、低温側第２段目蓄冷管３２ｃの高温側とを画成する。画成部材４３と低温側シール部材４２とは、低温側第２段目蓄冷管３２ｃと画成部材４３との間に形成される内部空間ＳＩと、低温側第２段目蓄冷管３２ｃの低温側とを画成する。
【００７９】
画成部材４３は、第１のスリット空間Ｓ１が形成されるとともに、第２のスリット空間Ｓ２が形成されている。
【００８０】
第１のスリット空間Ｓ１は、画成部材４３の高温端の端面及び画成部材４３の低温端の端面のいずれにも開口するように形成されている。すなわち、第１のスリット空間Ｓ１は、低温側第２段目蓄冷管３２ｃの高温側と低温側第２段目蓄冷管３２ｃの低温側とを連通させるように形成されている。また、第１のスリット空間Ｓ１は、画成部材４３の外周面には開口していない。すなわち、第１のスリット空間Ｓ１は、低温側第２段目蓄冷管３２ｃの内周面と画成部材４３の外周面とに囲まれた空間とは連通しないように形成されている。
【００８１】
なお、図９に示すように、画成部材４３には、画成部材４３の高温端の端面と低温端の端面との間を貫通する貫通孔４４が形成されていてもよい。このとき、第１のスリット空間は、貫通孔４４の側周面に開口していてもよい。
【００８２】
一方、第２のスリット空間Ｓ２は、画成部材４３の高温端の端面及び画成部材４３の低温端の端面のいずれにも開口していない。すなわち、第２のスリット空間Ｓ２は、低温側第２段目蓄冷管３２ｃの高温側及び低温側第２段目蓄冷管３２ｃの低温側のいずれとも連通しないように形成されている。その代わり、第２のスリット空間Ｓ２は、画成部材４３の外周面に開口している。すなわち、第２のスリット空間Ｓ２は、低温側第２段目蓄冷管３２ｃの内周面と画成部材４３の外周面とに囲まれた空間に連通するように形成されている。
【００８３】
このように、低温側第２段目蓄冷管３２ｃは、内部にスリット空間が形成された、いわゆるスリット構造を有する。また、導入口３６は、前述した導入配管１５を介し、圧縮機１１の吐出側の高圧配管１３からヘリウムガスをガス蓄冷材として内部に導入するためのものである。
【００８４】
図８及び図９に示すように、画成部材４３は、低温側第２段目蓄冷管３２ｃの内部空間ＳＩを、第１の空間Ｓ１と第２の空間Ｓ２とに画成する。第１の空間Ｓ１は、第１のスリット空間Ｓ１を含む空間である。第２の空間Ｓ２は、低温側第２段目蓄冷管３２ｃの内周面、画成部材４３の外周面、高温側シール部材４１及び低温側シール部材４２に囲まれた空間と、第２のスリット空間Ｓ２を含む空間である。また、第１の空間Ｓ１には、冷媒ガスが流れる。
【００８５】
低温側第２段目蓄冷管３２ｃの軸方向に垂直な断面の形状として、例えば外径を３２ｍｍ、内径を３０ｍｍとすることができる。また、画成部材４３の軸方向に垂直な断面の形状として、例えば外径を２９．５ｍｍとすることができる。
【００８６】
本実施の形態では、画成部材４３が第２のスリット空間Ｓ２に露出している面積は、画成部材４３が第１のスリット空間Ｓ１に露出している面積よりも大きくする。これにより、ガス蓄冷材と画成部材４３との接触面積を、冷媒ガスと画成部材４３との接触面積よりも大きくすることができ、冷媒ガスとガス蓄冷材との熱交換の効率を向上できる。
【００８７】
図９に示す例では、画成部材４３の径方向に沿った長さの異なる２種類の第２のスリット空間Ｓ２が形成されており、そのうち、短い方の第２のスリット空間Ｓ２−１は、長い方の第２のスリット空間Ｓ２−２の２倍の個数形成されている。そして、１つの第１のスリット空間Ｓ１、長い方の１つの第２のスリット空間Ｓ２−２、短い方の２つの第２のスリット空間Ｓ２−１よりなるスリット空間の組が、放射状に配置されるように、画成部材４３の周方向に沿って繰り返し形成されている。このときは、画成部材４３が第１のスリット空間Ｓ１に露出している面積は、第１のスリット空間Ｓ１における画成部材４３の径方向の長さＬ１により表すことができる。また、画成部材４３が第２のスリット空間Ｓ２に露出している面積は、長い方の第２のスリット空間Ｓ２−２の径方向の長さＬＬ２と、短い方の第２のスリット空間Ｓ２−１の径方向の長さＬＳ２の２倍との和（ＬＬ２＋ＬＳ２×２）により表すことができる。そして、この例では、ＬＬ２＋ＬＳ２×２をＬ１よりも大きくすればよい。
【００８８】
なお、画成部材４３が第２のスリット空間Ｓ２に露出している面積が、画成部材４３が第１のスリット空間Ｓ１に露出している面積よりも大きくなればよく、第１のスリット空間Ｓ１及び第２のスリット空間Ｓ２は、図９に示す例以外の各種の形状をとることができる。
（第３の実施の形態）
次に、図１０及び図１１を参照し、第３の実施の形態に係るＧＭ冷凍機について説明する。このＧＭ冷凍機は、本発明に係る蓄冷器式冷凍機をＧＭ冷凍機に適用した例であり、数Ｋ〜２０Ｋ程度の極低温を得るのに適した２段構成を有する。
【００８９】
図１０は、本実施の形態に係るＧＭ冷凍機５０の構成を示す概略断面図である。図１１は、低温側第２段目蓄冷管の構成を拡大して模式的に示す縦断面図である。
【００９０】
ＧＭ冷凍機５０は、圧縮機５１、冷媒ガス流路５２、第１段目シリンダ６１、第２段目シリンダ６２、第１段目ディスプレーサ６３、第２段目ディスプレーサ６４、クランク機構６５、蓄冷材６７、６８、ヒートステーション６９、７０、膨張空間７１、７２、中空空間（冷媒ガス流路）７３、７４を有する。
【００９１】
圧縮機５１は、ヘリウムガス（冷媒ガス）を約２０Ｋｇｆ／ｃｍ２に圧縮し、高圧ヘリウムガスを生成する。生成された高圧ヘリウムガスは、吸気弁Ｖ１１、冷媒ガス流路５２を介して第１段目シリンダ６１内に供給される。また、第１段目シリンダ６１から排出された低圧ヘリウムガスは、冷媒ガス流路５２、排気弁Ｖ１２を介して圧縮機５１に回収される。
【００９２】
また、本実施の形態では、一端が圧縮機５１の吐出側から分岐するとともに、他端が後述する第２段目ディスプレーサ６４の低温側第２段目蓄冷管３２ｄに接続されており、ガス蓄冷材を第２段目ディスプレーサ６４の内部空間に導入するための導入配管５３を有する。
【００９３】
第１段目シリンダ６１には、第２段目シリンダ６２が結合されている。第１段目シリンダ６１、第２段目シリンダ６２内には、相互に連結された第１段目ディスプレーサ６３、第２段目ディスプレーサ６４がそれぞれ収容されている。
【００９４】
第１段目シリンダ６１からは、駆動軸Ｓｈが上方に延在し、駆動用モータＭに結合したクランク機構６５と結合している。
【００９５】
第１段目ディスプレーサ６３は、第１段目シリンダ６１内に、第１段目シリンダ６１に沿って往復動可能に設けられている。第１段目ディスプレーサ６３は、第１段目シリンダ６１の一端に、膨張空間７１を形成する。第１段目ディスプレーサ６３は、回転体形状を有している。
【００９６】
また、第１段目ディスプレーサ６３の内部には、膨張空間７１に冷媒ガスを供給及び排出するための中空空間（冷媒ガス流路）７３が形成されている。第１段目ディスプレーサ６３の外周面と第１段目シリンダ６１の内周面との間には、例えばピストンリング等のシール部材７５が設けられている。第１段目ディスプレーサ６３は、第１段目シリンダ６１に沿って往復動する際に、膨張空間７１に供給した冷媒ガスを膨張させることによって冷熱を発生させる。
【００９７】
中空空間７３内には、蓄冷材６７が収容されている。蓄冷材６７は、膨張空間７１から冷媒ガスを排出する際に、排出した冷媒ガスと接触して冷熱を蓄冷する。すなわち、蓄冷材６７は、第１段目ディスプレーサ６３が第１段目シリンダ６１に沿って往復動する際に、膨張空間７１に供給した冷媒ガスを膨張させることによって発生した冷熱を蓄冷する。
【００９８】
第２段目ディスプレーサ６４は、第２段目シリンダ６２内に、第２段目シリンダ６２に沿って往復動可能に設けられている。第２段目ディスプレーサ６４は、第２段目シリンダ６２の一端に、膨張空間７２を形成する。第２段目ディスプレーサ６４は、回転体形状を有している。
【００９９】
また、第２段目ディスプレーサ６４の内部には、膨張空間７２に冷媒ガスを供給及び排出するための中空空間（冷媒ガス流路）７４が形成されている。第２段目ディスプレーサ６４の外周面と第２段目シリンダ６２の内周面との間には、例えばピストンリング等のシール部材７６が設けられている。第２段目ディスプレーサ６４は、第２段目シリンダ６２に沿って往復動する際に、膨張空間７２に供給した冷媒ガスを膨張させることによって冷熱を発生させる。
【０１００】
なお、第２段目ディスプレーサ６４の後述する低温側第２段目蓄冷管３２ｄの外周面と第２段目シリンダ６２の内周面との間にも、例えばピストンリング等のシール部材７７、７８が設けられている。シール部材７７、７８は、導入配管５３が接続される導入口３６を中心として高温側及び低温側に設けられている。
【０１０１】
中空空間７４内には、蓄冷材６８が収容されている。蓄冷材６８は、膨張空間７２から冷媒ガスを排出する際に、排出した冷媒ガスと接触して冷熱を蓄冷する。すなわち、蓄冷材６８は、第２段目ディスプレーサ６４が第２段目シリンダ６２に沿って往復動する際に、膨張空間７２に供給した冷媒ガスを膨張させることによって発生した冷熱を蓄冷する。
【０１０２】
第１段目シリンダ６１の下端（低温端）を囲むように、第１段目のヒートステーション６９が熱的に結合されており、第２段目シリンダ６２の下端（低温端）を囲むように、第２段目のヒートステーション７０が熱的に結合している。
【０１０３】
第１段目シリンダ６１、第２段目シリンダ６２は、例えばステンレス綱（例えばＳＵＳ３０４）等によって形成されていることが好ましい。これにより、第１段目シリンダ６１、第２段目シリンダ６２に、高い強度、低い熱伝導率、及び高いヘリウムガス遮蔽能を持たせることができる。
【０１０４】
第１段目ディスプレーサ６３、第２段目ディスプレーサ６４は、例えば布入りフェノール（ベークライト）等によって形成されていることが好ましい。これにより、第１段目ディスプレーサ６３、第２段目ディスプレーサ６４について、軽量化するとともに、耐摩耗性及び強度を向上させ、高温側から低温側への侵入熱量を低減することができる。
【０１０５】
第１段目の蓄冷材６７は、例えば金網等により構成されることが好ましく、第２段目の蓄冷材６８は、後述するように、例えば鉛球等により構成されることが好ましい。これにより、低温領域において、十分高い熱容量を確保することができる。
【０１０６】
このように構成されているＧＭ冷凍機では、以下のようにして冷熱を発生する。
【０１０７】
圧縮機５１から吸気弁Ｖ１１を介して供給された、冷媒ガスである高圧ヘリウムガスは、冷媒ガス流路５２を介して第１段目シリンダ６１内に供給される。そして、開口（冷媒ガス流路）７３ａ、蓄冷材６７が収容された中空空間（冷媒ガス流路）７３、開口（冷媒ガス流路）７３ｂを通って、第１段目の膨張空間７１に供給される。
【０１０８】
第１段目の膨張空間７１に供給された高圧ヘリウムガスは、更に開口（冷媒ガス流路）７４ａ、蓄冷材６８が収容された中空空間（冷媒ガス流路）７４、開口（冷媒ガス流路）７４ｂを通って第２段目の膨張空間７２に供給される。
【０１０９】
吸気弁Ｖ１１が閉じ、排気弁Ｖ１２が開く際には、第２段目シリンダ６２、第１段目シリンダ６１内の高圧ヘリウムガスは、吸気の場合とは逆の経路をたどって冷媒ガス流路５２、排気弁Ｖ１２を介して圧縮機５１に回収される。
【０１１０】
ＧＭ冷凍機の作動時においては、クランク機構６５によって駆動用モータＭの回転駆動力が駆動軸Ｓｈの往復駆動力に変換される。そして、駆動軸Ｓｈによって、第１段目ディスプレーサ６３、第２段目ディスプレーサ６４が、図１０中の矢印で示すように、上下に（それぞれ第１段目シリンダ６１及び第２段目シリンダ６２に沿って）往復駆動される。
【０１１１】
駆動軸Ｓｈによって第１段目ディスプレーサ６３、第２段目ディスプレーサ６４が駆動軸Ｓｈと反対側（図１０の下方）に駆動される際には、吸気弁Ｖ１１が開き、排気弁Ｖ１２が閉じる。そして、第１段目シリンダ６１内の膨張空間７１、及び第２段目シリンダ６２内の膨張空間７２に高圧ヘリウムガスが供給される（供給工程）。
【０１１２】
また、駆動軸Ｓｈによって第１段目ディスプレーサ６３、第２段目ディスプレーサ６４が駆動軸Ｓｈ側（図１０の上方）に駆動される際には、吸気弁Ｖ１１が閉じ、排気弁Ｖ１２が開く。そして、第１段目シリンダ６１内の膨張空間７１、及び第２段目シリンダ６２内の膨張空間７２が低圧になるとともに、膨張空間７１及び膨張空間７２からヘリウムガスは排出され、圧縮機５１に回収される（排出工程）。
【０１１３】
このとき、膨張空間７１、７２において、ヘリウムガスが膨張することによって、冷熱が発生する。冷熱を発生し、冷却されたヘリウムガスは、膨張空間７１、７２から排出される際に、蓄冷材６７、６８と接触し、熱交換することによって、蓄冷材６７、６８を冷却する。すなわち、蓄冷材６７、６８に、発生した冷熱が蓄冷される。
【０１１４】
次の供給工程で供給される高圧ヘリウムガスは、蓄冷材６７、６８を通って供給されることにより冷却される。冷却されたヘリウムガスが膨張空間７１、７２で膨張することにより、さらに冷却が進む。
【０１１５】
以上のようにして、供給工程と排出工程とを繰り返すことにより、第１段目シリンダ６１内の膨張空間７１が、例えば４０Ｋ〜７０Ｋ程度の温度に冷却され、第２段目シリンダ６２内の膨張空間７２が、例えば数Ｋ〜２０Ｋ程度の温度に冷却される。
【０１１６】
次に、第２段目ディスプレーサ６４について説明する。
【０１１７】
第２段目ディスプレーサ６４は、高温側から低温側に向かって順に、高温側第２段目蓄冷管３１ｄ、低温側第２段目蓄冷管３２ｄを有する。低温側第２段目蓄冷管３２ｄは、本発明における蓄冷管に相当する。
【０１１８】
高温側第２段目蓄冷管３１ｄは、高温端が第１段目ディスプレーサ６３の低温端と接続されており、低温端が低温側第２段目蓄冷管３２ｄの高温端と接続されている。
【０１１９】
高温側第２段目蓄冷管３１ｄの内部には、前述したように、蓄冷材６８が充填されている。高温側第２段目蓄冷管３１ｄは、軸方向の伝導損失を最小に抑えるため、肉薄のＳＵＳ材を用いることができる。ＳＵＳ材として、例えばＳＵＳ３０４等の材質を用いることができる。また、蓄冷材６８としては、例えば鉛球を用いることができる。
【０１２０】
低温側第２段目蓄冷管３２ｄは、高温端が高温側第２段目蓄冷管３１ｄの低温端と接続されている。
【０１２１】
低温側第２段目蓄冷管３２ｄは、第１の実施の形態における低温側第２段目蓄冷管３２と同様にすることができる。すなわち、低温側第２段目蓄冷管３２ｄは、高温側画成部材３３、低温側画成部材３４、内部配管３５、導入口３６を有する。高温側画成部材３３は、低温側第２段目蓄冷管３２ｄの内部空間ＳＩと低温側第２段目蓄冷管３２ｄの高温側とを画成する。低温側画成部材３４は、低温側第２段目蓄冷管３２ｄの内部空間ＳＩと低温側第２段目蓄冷管３２ｄの低温側とを画成する。内部配管３５は、高温側画成部材３３と低温側画成部材３４とを貫通するとともに、一端が高温側画成部材３３の高温側に開口し、他端が低温側画成部材３４の低温側に開口している。すなわち、内部配管３５は、低温側第２段目蓄冷管３２ｄの高温側と低温側第２段目蓄冷管３２ｄの低温側とを連通させる。このように、低温側第２段目蓄冷管３２ｄは、内部に内部配管３５が収容された、いわゆるチューブインチューブ構造を有する。また、導入口３６は、第２段目シリンダ６２及び低温側第２段目蓄冷管３２ｄの管壁を貫通して設けられており、前述した導入配管５３を介し、圧縮機５１の吐出側からヘリウムガスをガス蓄冷材として、低温側第２段目蓄冷管３２ｄの内部に導入するためのものである。
【０１２２】
本実施の形態でも、図１０及び図１１に示すように、低温側第２段目蓄冷管３２ｄを途中で折り曲げず、上下方向に延在する円筒形状としてもよく、第１の実施の形態で図２を用いて説明したように、長尺の配管を複数回折り曲げた構造を有していてもよい。
【０１２３】
本実施の形態でも、内部配管３５は、低温側第２段目蓄冷管３２ｄの内部空間ＳＩを、第１の空間Ｓ１と第２の空間Ｓ２とに画成する。第１の空間Ｓ１は、内部配管３５の内部の空間である。第２の空間Ｓ２は、低温側第２段目蓄冷管３２ｄの内部の空間であって、内部配管３５の外部の空間である。前述したように、内部配管３５は、高温側画成部材３３と低温側画成部材３４とを貫通するものであるため、第１の空間Ｓ１は、低温側第２段目蓄冷管３２ｄの高温側と低温側第２段目蓄冷管３２ｄの低温側とを連通させるものである。また、第１の空間Ｓ１には、冷媒ガスが流れる。
【０１２４】
第２の空間Ｓ２には、低温側第２段目蓄冷材が充填される。低温側第２段目蓄冷材として、例えばヘリウムガス等のガスよりなるガス蓄冷材を用いることができる。ヘリウムガスは、例えば１．５ＭＰａの圧力、５〜１５Ｋの温度領域で、低温で大きな比熱を有する磁性蓄冷材であるＨｏＣｕ２に比べ、更に大きな比熱を有する。
【０１２５】
本実施の形態でも、第１の実施の形態と同様に、ガス蓄冷材の内部配管の管壁との接触面積は、冷媒ガスの内部配管の管壁との接触面積よりも大きい。これにより、冷媒ガスとガス蓄冷材とが熱交換される際の熱抵抗を小さくすることができ、冷媒ガスとガス蓄冷材との熱交換の効率を向上できる。
【０１２６】
なお、本実施の形態でも、第１の実施の形態の第１の変形例と同様に、内部配管は、内部配管の外側の表面積を増やすための部材を有してもよい。また、第１の実施の形態の第２の変形例と同様に、低温側第２段目蓄冷管は、第２の空間に充填された、金属よりなる充填材を含んでもよい。また、第２の実施の形態と同様に、チューブインチューブ構造に代え、スリット構造を有してもよい。
【０１２７】
以上、本発明の好ましい実施の形態について記述したが、本発明はかかる特定の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【符号の説明】
【０１２８】
１０ パルス管冷凍機
２１ 第１段目蓄冷管
２２ 第２段目蓄冷管
２３ 第１段目パルス管
２４ 第２段目パルス管
２９ 第１段目蓄冷材
３０ 高温側第２段目蓄冷材
３１、３１ｄ 高温側第２段目蓄冷管
３２、３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄ 低温側第２段目蓄冷管
３５、３５ａ 内部配管
３９ フィン
４０ 充填材
４３ 画成部材
５０ ＧＭ冷凍機
６１ 第１段目シリンダ
６２ 第２段目シリンダ
６３ 第１段目ディスプレーサ
６４ 第２段目ディスプレーサ
６７、６８ 蓄冷材
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヘリウムガス等の冷媒ガスを用い、蓄冷材を収容した蓄冷器を有する蓄冷器式冷凍機に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば４Ｋ程度の極低温を得るために、ヘリウムガス等の冷媒ガスを用い、蓄冷材を収容した蓄冷器を有する蓄冷器式冷凍機が用いられている。また、蓄冷器式冷凍機として、例えばギフォード・マクマホン（Gifford-McMahon；ＧＭ）冷凍機、パルス管冷凍機等の冷凍機が用いられている。
【０００３】
蓄冷器式冷凍機は、冷媒ガスを断熱膨張させ、その際に発生する冷熱を蓄冷材に蓄冷することによって冷凍冷却を行う。そのため、蓄冷器式冷凍機は、シリンダと、シリンダと接続された蓄冷管を有し、蓄冷管の内部に、冷熱を蓄冷するための蓄冷材を備える。
【０００４】
蓄冷材は、使用温度である極低温で大きな比熱を有する必要がある。しかしながら、一般に鉛等の金属の比熱は、１５Ｋ以下の極低温において、温度の低下とともに急激に減少する。そこで、１５Ｋ以下の温度で鉛よりも大きな比熱を有する、例えばＨｏＣｕ２等の磁性蓄冷材が蓄冷材として用いられる。しかし、磁性蓄冷材は、１５Ｋ以下で大きな磁化率を有し、磁気ノイズを発生させるおそれがあるため、蓄冷管の周囲に磁気シールド部材を設ける必要があり、製造コストが増加する。
【０００５】
一方、冷媒ガスとして用いられるヘリウムは、使用温度である極低温で大きな比熱を有する。そのため、１５Ｋ以下の極低温用の蓄冷材として、ヘリウムガスよりなるガス蓄冷材を用いることがある。（例えば、特許文献１参照。）。ヘリウムガスよりなるガス蓄冷材を用いることによって、蓄冷管の周囲に磁気シールド材を設ける必要がないため、製造コストを低減できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特表２００６−５２４３０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところが、上記した極低温用蓄冷材としてガス蓄冷材を用いる蓄冷器式冷凍機には、次のような問題がある。
【０００８】
蓄冷管の内部に、ヘリウムガスよりなるガス蓄冷材が気密に充填された中空体を入れてなる場合、蓄冷管の内部であって中空体の外部を流れるヘリウムガスよりなる冷媒ガスと、中空体の内部のヘリウムガスよりなるガス蓄冷材とが、中空体の壁を介して熱交換する。
【０００９】
このとき、ガスの熱伝達係数はガスの流速が速い方が大きい。そのため、中空体に充填され、流速を有しないヘリウムガスよりなるガス蓄冷材の熱伝達係数は、流速を有するヘリウムガスよりなる冷媒ガスの熱伝達係数よりも小さい。従って、ガス蓄冷材と冷媒ガスとの熱交換の効率が低い。
【００１０】
また、中空体の内周面の面積は、中空体の外周面の面積よりも小さい。従って、ヘリウムガスよりなるガス蓄冷材が中空体と接触する接触面積は、ヘリウムガスよりなる冷媒ガスが中空体と接触する接触面積よりも小さい。そのため、ガス蓄冷材と冷媒ガスとの熱交換の効率が低い。
【００１１】
また、上記した課題は、ヘリウムガス以外のガスよりなるガス蓄冷材を用いる場合にも共通する課題である。
【００１２】
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、極低温用の蓄冷材としてガス蓄冷材を用いることにより製造コストを低減できるとともに、冷媒ガスとガス蓄冷材との熱交換の効率を向上できる蓄冷器式冷凍機を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記の課題を解決するために本発明では、次に述べる手段を講じたことを特徴とするものである。
【００１４】
本発明は、冷媒ガスを断熱膨張させるためのシリンダと、前記シリンダと接続されており、内部に、前記冷媒ガスが流れる第１の空間と、ガスよりなる蓄冷材が充填される第２の空間とを画成する画成部材を含み、前記冷媒ガスの断熱膨張に伴って前記シリンダで発生した冷熱を、前記第２の空間に充填された前記蓄冷材に蓄冷する蓄冷管とを有し、前記画成部材が前記第２の空間に露出している面積は、前記画成部材が前記第１の空間に露出している面積よりも大きい、蓄冷器式冷凍機である。
【００１５】
また、本発明は、上述の蓄冷器式冷凍機において、前記画成部材は、前記蓄冷管の高温側と前記蓄冷管の低温側とを連通させる配管を含み、前記第１の空間は、前記配管の内部の空間であり、前記第２の空間は、前記配管の外部の空間であって、かつ、前記蓄冷管の高温側及び前記蓄冷管の低温側のいずれとも連通していないものである。
【００１６】
また、本発明は、上述の蓄冷器式冷凍機において、前記画成部材は、前記蓄冷管の高温側と前記蓄冷管の低温側とを連通させるように第１のスリット空間が形成されているとともに、前記蓄冷管の高温側及び前記蓄冷管の低温側のいずれとも連通しないように第２のスリット空間が形成されており、前記第１の空間は、前記第１のスリット空間を含み、前記第２の空間は、前記第２のスリット空間を含み、前記画成部材が前記第２のスリット空間に露出している面積は、前記画成部材が前記第１のスリット空間に露出している面積よりも大きい。
【００１７】
また、本発明は、上述の蓄冷器式冷凍機において、前記配管は、前記配管の外側の表面積を増やすための部材を有する。
【００１８】
また、本発明は、上述の蓄冷器式冷凍機において、前記部材はフィンである。
【００１９】
また、本発明は、上述の蓄冷器式冷凍機において、前記蓄冷管は、前記第２の空間に充填された、金属よりなる充填材を含む。
【００２０】
また、本発明は、上述の蓄冷器式冷凍機において、前記充填材は、前記配管と一体化されたものである。
【００２１】
また、本発明は、上述の蓄冷器式冷凍機において、前記充填材は、拡散接合により前記配管と一体化されたものである。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、蓄冷器式冷凍機において、極低温用の蓄冷材としてガス蓄冷材を用いることにより製造コストを低減できるとともに、冷媒ガスとガス蓄冷材との熱交換の効率を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】第１の実施の形態に係るパルス管冷凍機の構成を模式的に示す図である。
【図２】第１の実施の形態に係るパルス管冷凍機の第２段目蓄冷管の周辺の構成を模式的に示す図である。
【図３】低温側第２段目蓄冷管の構成を拡大して模式的に示す断面図である。
【図４】各圧力でのヘリウムガスの比熱の温度依存性を、磁性蓄冷材の比熱の温度依存性と対比して示すグラフである
【図５】内部配管の管壁を介して熱交換される際の様子を模式的に示す図である。
【図６】低温側第２段目蓄冷管の構成を拡大して模式的に示す断面図である。
【図７】低温側第２段目蓄冷管の構成を拡大して模式的に示す断面図である。
【図８】低温側第２段目蓄冷管の構成を拡大して模式的に示す縦断面図である。
【図９】画成部材を一部切断して示す斜視図である。
【図１０】第３の実施の形態に係るＧＭ冷凍機の構成を示す概略断面図である。
【図１１】低温側第２段目蓄冷管の構成を拡大して模式的に示す縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
次に、本発明を実施するための形態について図面と共に説明する。
（第１の実施の形態）
図１を参照し、第１の実施の形態に係るパルス管冷凍機について説明する。本実施の形態に係るパルス管冷凍機は、本発明に係る蓄冷器式冷凍機をパルス管冷凍機に適用した例であり、数Ｋ〜２０Ｋ程度の極低温を得るのに適した２段構成を有する。
【００２５】
図１は、本実施の形態に係るパルス管冷凍機の構成を模式的に示す図である。
【００２６】
図１に示すように、本実施の形態に係るパルス管冷凍機１０は、圧縮機１１、バルブユニット１２、膨張機２０を有する。膨張機２０は、第１段目蓄冷管２１、第２段目蓄冷管２２、第１段目パルス管２３、第２段目パルス管２４、第１段目冷却ステージ２５、第２段目冷却ステージ２６、第１のオリフィス２７、第２のオリフィス２８を有する。
【００２７】
なお、図１では、図示を容易にするため、第１段目冷却ステージ２５、第２段目冷却ステージ２６を破線により示す。
【００２８】
圧縮機１１は、吐出側に高圧配管１３、吸入側に低圧配管１４を有する。圧縮機１１は、低圧配管１４を介して冷媒ガスを吸入することによって、膨張機２０から冷媒ガスを回収する。また、吸入した冷媒ガスを圧縮し、圧縮した冷媒ガスを高圧配管１３に吐出することによって、膨張機２０へ冷媒ガスを供給する。
【００２９】
また、本実施の形態では、一端が圧縮機１１の吐出側である高圧配管１３から分岐するとともに、他端が第２段目蓄冷管２２の後述する低温側第２段目蓄冷管３２に接続されており、ガス蓄冷材を低温側第２段目蓄冷管３２の内部空間に導入するための導入配管１５を有する。
【００３０】
バルブユニット１２は、バルブＶ１〜Ｖ６を有する。バルブユニット１２は、圧縮機１１と膨張機２０との間に接続されており、圧縮機１１の吐出側である高圧配管１３、圧縮機１１の吸入側である低圧配管１４を交互に膨張機２０に連通させる。バルブＶ１は、高圧配管１３と第１段目蓄冷管２１とを連通又は遮断する。バルブＶ２は、低圧配管１４と第１段目蓄冷管２１とを連通又は遮断する。バルブＶ３は、高圧配管１３と第１段目パルス管２３とを連通又は遮断する。バルブＶ４は、低圧配管１４と第１段目パルス管２３とを連通又は遮断する。バルブＶ５は、高圧配管１３と第２段目パルス管２４とを連通又は遮断する。バルブＶ６は、低圧配管１４と第２段目パルス管２４とを連通又は遮断する。
【００３１】
第１段目蓄冷管２１は、冷媒ガスであるヘリウムガスが断熱膨張を繰り返して発生する冷熱を蓄冷する。第１段目蓄冷管２１は、高温端がバルブユニット１２に接続されており、低温端が第２段目蓄冷管２２の高温端と、第１段目パルス管２３の低温端とに接続されている。
【００３２】
第１段目蓄冷管２１の内部には、第１段目蓄冷材２９が充填される。第１段目蓄冷材２９としては、例えば銅網（網状の形状に加工された銅線）を用いることができる。また、第１段目蓄冷管２１は、軸方向の伝導損失を最小に抑えるため、肉薄のＳＵＳ材を用いることができる。ＳＵＳ材として、例えばＳＵＳ３０４等の材質を用いることができる。
【００３３】
第２段目蓄冷管２２は、第１段目蓄冷管２１と同様に、冷媒ガスであるヘリウムガスが断熱膨張を繰り返して発生する冷熱を蓄冷する。第２段目蓄冷管２２は、高温端が第１段目蓄冷管２１の低温端に接続されており、低温端が第２段目パルス管２４の低温端に接続されている。
【００３４】
第２段目蓄冷管２２の詳細な構造の例は、図２を用いて後述する。
【００３５】
第１段目パルス管２３は、高温端がバルブユニット１２に接続されており、低温端が第１段目蓄冷管２１の低温端側に接続されている。第１段目パルス管２３は、第１段目蓄冷管２１を通して供給される冷媒ガスであるヘリウムガスが断熱膨張を繰り返して冷熱を発生する。
【００３６】
第２段目パルス管２４は、高温端がバルブユニット１２に接続されており、低温端が第２段目蓄冷管２２の低温端に接続されている。第２段目パルス管２４は、第１段目パルス管２３と同様に、第２段目蓄冷管２２を通して供給される冷媒ガスであるヘリウムガスが断熱膨張を繰り返して冷熱を発生する。なお、第２段目パルス管２４は、本発明におけるシリンダに相当する。
【００３７】
第１段目パルス管２３は、高温端、低温端に各々整流器２３ａ、２３ｂを有する。第２段目パルス管２４は、高温端、低温端に各々整流器２４ａ、２４ｂを有する。整流器２３ａ、２３ｂ、２４ａ、２４ｂは、第１段目パルス管２３、第２段目パルス管２４における冷媒ガスの供給又は回収に伴う冷媒ガスの流れを安定化させるためのものである。
【００３８】
第１段目冷却ステージ２５は、第１段目蓄冷管２１の低温端及び第１段目パルス管２３の低温端が固定される部分である。第１段目冷却ステージ２５は、第１段目パルス管２３から冷熱が伝導され、低温に維持される。また、第１段目冷却ステージ２５は、第２段目蓄冷管２２の高温端が固定される部分でもある。
【００３９】
第２段目冷却ステージ２６は、第２段目蓄冷管２２の低温端及び第２段目パルス管２４の低温端が固定される部分である。第２段目冷却ステージ２６は、第２段目パルス管２４から冷熱が伝導され、極低温に維持される。
【００４０】
第１のオリフィス２７は、第１段目パルス管２３とバルブユニット１２との間に設けられる。また、第２のオリフィス２８は、第２段目パルス管２４とバルブユニット１２との間に設けられる。従って、バルブユニット１２から第１段目パルス管２３の高温端へ流入出する冷媒ガスは、第１のオリフィス２７で流量を制限される。また、バルブユニット１２から第２段目パルス管２４の高温端へ流入出する冷媒ガスは、第２のオリフィス２８で流量を制限される。
【００４１】
上記構成を有するパルス管冷凍機１０では、バルブユニット１２に収容されたバルブＶ１及びＶ２を連通させる動作及び遮断させる動作を、互いに逆の動作になるように繰り返す。すると、第１段目蓄冷管２１の高温端は、高圧配管１３又は低圧配管１４と切換え連通される。その結果、第１段目蓄冷管２１の低温端と連通された第１段目パルス管２３に冷媒ガスが周期的に供給／回収されるため、第１段目パルス管２３内で冷媒ガスが圧縮と膨張とを繰返し、その際に断熱膨張により冷熱が発生する。そして、発生した冷熱を第１段目蓄冷管２１に蓄冷することにより、第１段目蓄冷管２１の低温端側は冷却される。
【００４２】
また、第１段目蓄冷管２１の低温端と接続された第２段目蓄冷管２２も、高圧配管１３又は低圧配管１４と切換え連通される。その結果、第２段目蓄冷管２２の低温端と連通された第１段目パルス管２３に冷媒ガスが周期的に供給／回収されるため、第２段目パルス管２４内で冷媒ガスが圧縮と膨張とを繰返し、その際に断熱膨張により冷熱が発生する。そして、発生した冷熱を第２段目蓄冷管２２に蓄冷することにより、第２段目蓄冷管２２の低温端側は冷却される。
【００４３】
このとき、バルブＶ３、Ｖ４を用いて、第１段目パルス管２３の高温端からの冷媒ガスの流入出を抑制する。この結果、第１段目パルス管２３内の圧力変化と流速変化のタイミングが第１段目蓄冷管２１の圧力変化と流速変化のタイミングとずれて位相差が大きくなる。そのため、冷媒ガスの圧縮／膨張が繰返されるときに冷凍機が冷熱を発生する仕事量が大きくなり、冷凍能力が向上する。
【００４４】
また、バルブＶ５、Ｖ６を用いて、第２段目パルス管２４の高温端からの冷媒ガスの流入出を抑制する。この結果、第２段目パルス管２４内の圧力変化と流速変化のタイミングが第２段目蓄冷管２２の圧力変化と流速変化のタイミングとずれて位相差が大きくなる。そのため、冷媒ガスの圧縮／膨張が繰返されるときに冷凍機が冷熱を発生する仕事量が大きくなり、冷凍能力が向上する。
【００４５】
本実施の形態に係るパルス管冷凍機１０において、冷媒ガスとして、例えば０．５〜２．５ＭＰａの圧力を有するヘリウム（Ｈｅ）ガスが用いられ、例えば２Ｈｚ程度の繰返し速度で冷媒ガスの圧縮・膨張を繰返す。これにより、第１段目蓄冷管２１の低温端で例えば５０Ｋ程度の低温を得ることができ、第２段目蓄冷管２２の低温端で、例えば４Ｋ程度の低温を得ることができる。
【００４６】
図２は、本実施の形態に係るパルス管冷凍機の第２段目蓄冷管２２の周辺の構成を模式的に示す図である。また、図３は、低温側第２段目蓄冷管３２の構成を拡大して模式的に示す断面図である。図３（ａ）は、縦断面図であり、図３（ｂ）は、横断面図である。図４は、各圧力でのヘリウムガスの比熱の温度依存性を、磁性蓄冷材の比熱の温度依存性と対比して示すグラフである。
【００４７】
第２段目蓄冷管２２は、高温側から低温側に向かって順に、高温側第２段目蓄冷管３１、低温側第２段目蓄冷管３２を有する。低温側第２段目蓄冷管３２は、本発明における蓄冷管に相当する。
【００４８】
高温側第２段目蓄冷管３１は、高温端が第１段目蓄冷管２１の低温端と接続されており、低温端が低温側第２段目蓄冷管３２の高温端と接続されている。また、高温側第２段目蓄冷管３１は、高温端が第１段目冷却ステージ２５に固定されている。
【００４９】
高温側第２段目蓄冷管３１の内部には、高温側第２段目蓄冷材３０が充填される。高温側第２段目蓄冷管３１は、軸方向の伝導損失を最小に抑えるため、肉薄のＳＵＳ材を用いることができる。ＳＵＳ材として、例えばＳＵＳ３０４等の材質を用いることができる。また、高温側第２段目蓄冷材３０としては、例えば鉛球を用いることができる。鉛は１５〜４０Ｋの温度領域では、金属の中では大きな比熱を有するためである。
【００５０】
低温側第２段目蓄冷管３２は、高温端が高温側第２段目蓄冷管３１の低温端と接続されており、低温端が第２段目パルス管２４の低温端と接続されている。また、低温側第２段目蓄冷管３２は、低温端が第２段目冷却ステージ２６に固定されている。
【００５１】
低温側第２段目蓄冷管３２は、高温側画成部材３３、低温側画成部材３４、内部配管３５、導入口３６を有する。高温側画成部材３３は、低温側第２段目蓄冷管３２の内部空間ＳＩと低温側第２段目蓄冷管３２の高温側とを画成する。低温側画成部材３４は、低温側第２段目蓄冷管３２の内部空間ＳＩと低温側第２段目蓄冷管３２の低温側とを画成する。内部配管３５は、高温側画成部材３３と低温側画成部材３４とを貫通するとともに、一端が高温側画成部材３３の高温側に開口し、他端が低温側画成部材３４の低温側に開口している。すなわち、内部配管３５は、低温側第２段目蓄冷管３２の高温側と低温側第２段目蓄冷管３２の低温側とを連通させる。このように、低温側第２段目蓄冷管３２は、内部に内部配管３５が収容された、いわゆるチューブインチューブ構造を有する。また、導入口３６は、前述した導入配管１５を介し、圧縮機１１の吐出側の高圧配管１３からヘリウムガスをガス蓄冷材として低温側第２段目蓄冷管３２の内部に導入するためのものである。
【００５２】
なお、内部配管３５は、本発明における配管に相当する。
【００５３】
また、チューブインチューブ構造を有する低温側第２段目蓄冷管３２は、図２に示すように長尺の配管を複数回折り曲げた構造を有していてもよく、その他、長尺の配管をスパイラル状に曲げた構造を有していてもよい。これにより、第１段目冷却ステージ２５と第２段目冷却ステージ２６との限られた距離の間に、長尺の低温側第２段目蓄冷管３２を設けることができる。
【００５４】
あるいは、第１段目冷却ステージ２５と第２段目冷却ステージ２６との距離を長くすること等により、低温側第２段目蓄冷管３２を途中で折り曲げず、上下方向に延在する円筒形状としてもよい。
【００５５】
図３（ａ）及び図３（ｂ）に示すように、内部配管３５は、低温側第２段目蓄冷管３２の内部空間ＳＩを、第１の空間Ｓ１と第２の空間Ｓ２とに画成する。第１の空間Ｓ１は、内部配管３５の内部の空間である。第２の空間Ｓ２は、低温側第２段目蓄冷管３２の内部の空間であって、内部配管３５の外部の空間である。前述したように、内部配管３５は、高温側画成部材３３と低温側画成部材３４とを貫通するため、第１の空間Ｓ１は、低温側第２段目蓄冷管３２の高温側と低温側第２段目蓄冷管３２の低温側とを連通させるものである。また、第１の空間Ｓ１には、冷媒ガスが流れる。
【００５６】
第２の空間Ｓ２には、低温側第２段目蓄冷材が充填される。低温側第２段目蓄冷材として、例えばヘリウムガス等のガスよりなるガス蓄冷材を用いることができる。図４に示すように、ヘリウムガスは、例えば１．５ＭＰａの圧力、５〜１５Ｋの温度領域で、低温で大きな比熱を有する磁性蓄冷材であるＨｏＣｕ２に比べ、更に大きな比熱を有する。
【００５７】
低温側第２段目蓄冷管３２の軸方向に垂直な断面の形状として、例えば外径を１２ｍｍ、内径を１０ｍｍとすることができる。また、内部配管３５の軸方向に垂直な断面の形状として、例えば外径を１．０ｍｍ、内径を０．８ｍｍとすることができる。
【００５８】
次に、本実施の形態において、冷媒ガスとガス蓄冷材との熱交換の効率を向上できる作用効果について説明する。
【００５９】
図５は、内部配管３５の管壁３８を介して熱交換される際の様子を模式的に示す図である。
【００６０】
一般的に、流れるガスの熱伝達係数をαとし、流れるガスのレイノルズ数をＲｅとすると、下記式（１）
α∝Ｒｅ０．８ （１）
の関係を満たす。また、ガスが流速ｖで流れているとすると、レイノルズ数Ｒｅは、下記式（２）
α∝ｖ （２）
の関係を満たす。
【００６１】
ここで、管壁３８の左側に、冷媒ガスが流速ｖｉで流れており、管壁３８の右側にガス蓄冷材が流速ｖｏ（０に等しい）で充填されているとする。そして、冷媒ガスの温度をＴｉ、冷媒ガスの熱伝達係数をαｉ、冷媒ガスの管壁３８との接触面積をＡｉとする。また、ガス蓄冷材の温度をＴｏ、ガス蓄冷材の熱伝達係数をαｏ、ガス蓄冷材の管壁３８との接触面積をＡｏとする。更に、管壁３８の厚さをδとし、管壁３８の熱伝導率をλとする。冷媒ガスの管壁３８との接触面積Ａｉは、内部配管３５が第１の空間Ｓ１に露出している面積に相当し、ガス蓄冷材の管壁３８との接触面積Ａｏは、内部配管３５が第２の空間Ｓ２に露出している面積に相当する。
【００６２】
このとき、管壁３８を介して冷媒ガスからガス蓄冷材に熱交換される際の熱抵抗率Ｒｔは、下記式（３）
Ｒｔ＝（１／αｉＡｉ）＋（δ／λ）＋（１／αｏＡｏ） （３）
により表される。
【００６３】
式（１）及び式（２）により、流速ｖｏが０に等しいガス蓄冷材の熱伝達係数αｏは、流速ｖｉで流れる冷媒ガスの熱伝達係数αｉよりも小さい。従って、式（３）の右辺の第３項（１／αｏＡｏ）が大きくなるため、熱抵抗Ｒｔが大きくなり、冷媒ガスとガス蓄冷材との熱交換の効率を向上できない。
【００６４】
一方、本実施の形態では、内部配管３５の内径をｒ、外径をＲ（＞ｒ）とするとき、
Ａｉ／Ａｏ=ｒ／Ｒ＜１
となり、ガス蓄冷材の管壁３８との接触面積Ａｏは、冷媒ガスの管壁３８との接触面積Ａｉよりも大きい。そのため、式（３）の右辺の第３項（１／αｏＡｏ）がより小さくなるため、熱抵抗Ｒｔを小さくすることができ、冷媒ガスとガス蓄冷材との熱交換の効率を向上できる。
（第１の実施の形態の第１の変形例）
次に、図６を参照し、第１の実施の形態の第１の変形例に係るパルス管冷凍機について説明する。本変形例に係るパルス管冷凍機では、内部配管は、内部配管の外側の表面積を増やすための部材を有する。
【００６５】
なお、本変形例に係るパルス管冷凍機は、低温側第２段目蓄冷管３２ａ以外の部分は、第１の実施の形態に係るパルス管冷凍機と同一にすることができ、低温側第２段目蓄冷管３２ａ以外の部分についての説明を省略する。
【００６６】
図６は、低温側第２段目蓄冷管３２ａの構成を拡大して模式的に示す断面図である。図６（ａ）は、縦断面図であり、図６（ｂ）は、横断面図である。
【００６７】
低温側第２段目蓄冷管３２ａは、第１の実施の形態と同様に、高温側画成部材３３、低温側画成部材３４、内部配管３５ａ、導入口３６を有する。内部配管３５ａ以外の構造は、第１の実施の形態における構造と同一にすることができる。また、内部配管３５ａが、低温側第２段目蓄冷管３２ａの内部空間ＳＩを、第１の空間Ｓ１と第２の空間Ｓ２とに画成する構造も、第１の実施の形態における構造と同一にすることができる。
【００６８】
本変形例では、内部配管３５ａが、内部配管３５ａの外側の表面積を増やすための部材として、フィン３９を有する。図６（ｂ）に示すように、内部配管３５ａに垂直な断面視において、例えば８枚等の複数枚のフィン３９が放射状に設けられていてもよい。これにより、ガス蓄冷材の内部配管との接触面積を更に増大させることができ、冷媒ガスとガス蓄冷材との熱交換の効率を向上できる。
【００６９】
なお、フィンに代え、内部配管の外周面に波状の表面加工を施した部材を設ける等、内部配管の外側の表面積を増やすための各種の部材を用いることができる。
（第１の実施の形態の第２の変形例）
次に、図７を参照し、第１の実施の形態の第２の変形例に係るパルス管冷凍機について説明する。本変形例に係るパルス管冷凍機では、低温側第２段目蓄冷管は、第２の空間に充填された、金属よりなる充填材を含む。
【００７０】
なお、本変形例に係るパルス管冷凍機も、低温側第２段目蓄冷管３２ｂ以外の部分は、第１の実施の形態に係るパルス管冷凍機と同一にすることができ、低温側第２段目蓄冷管３２ｂ以外の部分についての説明を省略する。
【００７１】
図７は、低温側第２段目蓄冷管３２ｂの構成を拡大して模式的に示す断面図である。図７（ａ）は、縦断面図であり、図７（ｂ）は、横断面図である。
【００７２】
低温側第２段目蓄冷管３２ｂは、第１の実施の形態と同様に、高温側画成部材３３、低温側画成部材３４、内部配管３５、導入口３６を有する。これらの構造は、第１の実施の形態における構造と同一にすることができる。また、内部配管３５が、低温側第２段目蓄冷管３２ｂの内部空間ＳＩを、第１の空間Ｓ１と第２の空間Ｓ２とに画成する構造も、第１の実施の形態における構造と同一にすることができる。
【００７３】
本変形例では、低温側第２段目蓄冷管３２ｂは、第２の空間Ｓ２に充填された、金属よりなる充填材４０を含む。図７（ａ）及び図７（ｂ）に示すように、金属よりなる充填材４０は、金属粉の集合体であってもよい。充填材４０と内部配管３５とは、部分的に接触している。そのため、ガス蓄冷材と、充填材４０を含めた内部配管３５との接触面積を増大させることができ、冷媒ガスとガス蓄冷材との熱交換の効率を向上できる。
【００７４】
また、本変形例では、例えば拡散接合、超音波接合等の各種の接合方法により、充填材が内部配管と一体化されていてもよい。これにより、充填材と内部配管とがより確実に熱的に接触できるため、ガス蓄冷材と、充填材を含めた内部配管との接触面積を更に増大させることができ、冷媒ガスとガス蓄冷材との熱交換の効率を更に向上できる。
（第２の実施の形態）
次に、図８及び図９を参照し、第２の実施の形態に係るパルス管冷凍機について説明する。本実施の形態に係るパルス管冷凍機では、低温側第２段目蓄冷管は、チューブインチューブ構造に代え、スリット構造を有する。
【００７５】
なお、本実施の形態に係るパルス管冷凍機は、低温側第２段目蓄冷管３２ｃ以外の部分は、第１の実施の形態に係るパルス管冷凍機と同一にすることができ、低温側第２段目蓄冷管３２ｃ以外の部分についての説明を省略する。
【００７６】
図８は、低温側第２段目蓄冷管３２ｃの構成を拡大して模式的に示す縦断面図である。図９は、画成部材４３を一部切断して示す斜視図である。なお、図９では、破線で囲まれた部分Ｉを切断して示している。また、図９では、シール部材の図示を省略している。
【００７７】
本実施の形態では、低温側第２段目蓄冷管３２ｃを、上下方向に延在する円筒形状とすることができる。
【００７８】
低温側第２段目蓄冷管３２ｃは、高温側シール部材４１、低温側シール部材４２、画成部材４３、導入口３６を有する。画成部材４３は、円筒形状を有しており、画成部材４３の外径は、低温側第２段目蓄冷管３２ｃの内径よりも小さい。画成部材４３と高温側シール部材４１とは、低温側第２段目蓄冷管３２ｃの内部であって、画成部材４３との間に形成される内部空間ＳＩと、低温側第２段目蓄冷管３２ｃの高温側とを画成する。画成部材４３と低温側シール部材４２とは、低温側第２段目蓄冷管３２ｃと画成部材４３との間に形成される内部空間ＳＩと、低温側第２段目蓄冷管３２ｃの低温側とを画成する。
【００７９】
画成部材４３は、第１のスリット空間Ｓ１が形成されるとともに、第２のスリット空間Ｓ２が形成されている。
【００８０】
第１のスリット空間Ｓ１は、画成部材４３の高温端の端面及び画成部材４３の低温端の端面のいずれにも開口するように形成されている。すなわち、第１のスリット空間Ｓ１は、低温側第２段目蓄冷管３２ｃの高温側と低温側第２段目蓄冷管３２ｃの低温側とを連通させるように形成されている。また、第１のスリット空間Ｓ１は、画成部材４３の外周面には開口していない。すなわち、第１のスリット空間Ｓ１は、低温側第２段目蓄冷管３２ｃの内周面と画成部材４３の外周面とに囲まれた空間とは連通しないように形成されている。
【００８１】
なお、図９に示すように、画成部材４３には、画成部材４３の高温端の端面と低温端の端面との間を貫通する貫通孔４４が形成されていてもよい。このとき、第１のスリット空間は、貫通孔４４の側周面に開口していてもよい。
【００８２】
一方、第２のスリット空間Ｓ２は、画成部材４３の高温端の端面及び画成部材４３の低温端の端面のいずれにも開口していない。すなわち、第２のスリット空間Ｓ２は、低温側第２段目蓄冷管３２ｃの高温側及び低温側第２段目蓄冷管３２ｃの低温側のいずれとも連通しないように形成されている。その代わり、第２のスリット空間Ｓ２は、画成部材４３の外周面に開口している。すなわち、第２のスリット空間Ｓ２は、低温側第２段目蓄冷管３２ｃの内周面と画成部材４３の外周面とに囲まれた空間に連通するように形成されている。
【００８３】
このように、低温側第２段目蓄冷管３２ｃは、内部にスリット空間が形成された、いわゆるスリット構造を有する。また、導入口３６は、前述した導入配管１５を介し、圧縮機１１の吐出側の高圧配管１３からヘリウムガスをガス蓄冷材として内部に導入するためのものである。
【００８４】
図８及び図９に示すように、画成部材４３は、低温側第２段目蓄冷管３２ｃの内部空間ＳＩを、第１の空間Ｓ１と第２の空間Ｓ２とに画成する。第１の空間Ｓ１は、第１のスリット空間Ｓ１を含む空間である。第２の空間Ｓ２は、低温側第２段目蓄冷管３２ｃの内周面、画成部材４３の外周面、高温側シール部材４１及び低温側シール部材４２に囲まれた空間と、第２のスリット空間Ｓ２を含む空間である。また、第１の空間Ｓ１には、冷媒ガスが流れる。
【００８５】
低温側第２段目蓄冷管３２ｃの軸方向に垂直な断面の形状として、例えば外径を３２ｍｍ、内径を３０ｍｍとすることができる。また、画成部材４３の軸方向に垂直な断面の形状として、例えば外径を２９．５ｍｍとすることができる。
【００８６】
本実施の形態では、画成部材４３が第２のスリット空間Ｓ２に露出している面積は、画成部材４３が第１のスリット空間Ｓ１に露出している面積よりも大きくする。これにより、ガス蓄冷材と画成部材４３との接触面積を、冷媒ガスと画成部材４３との接触面積よりも大きくすることができ、冷媒ガスとガス蓄冷材との熱交換の効率を向上できる。
【００８７】
図９に示す例では、画成部材４３の径方向に沿った長さの異なる２種類の第２のスリット空間Ｓ２が形成されており、そのうち、短い方の第２のスリット空間Ｓ２−１は、長い方の第２のスリット空間Ｓ２−２の２倍の個数形成されている。そして、１つの第１のスリット空間Ｓ１、長い方の１つの第２のスリット空間Ｓ２−２、短い方の２つの第２のスリット空間Ｓ２−１よりなるスリット空間の組が、放射状に配置されるように、画成部材４３の周方向に沿って繰り返し形成されている。このときは、画成部材４３が第１のスリット空間Ｓ１に露出している面積は、第１のスリット空間Ｓ１における画成部材４３の径方向の長さＬ１により表すことができる。また、画成部材４３が第２のスリット空間Ｓ２に露出している面積は、長い方の第２のスリット空間Ｓ２−２の径方向の長さＬＬ２と、短い方の第２のスリット空間Ｓ２−１の径方向の長さＬＳ２の２倍との和（ＬＬ２＋ＬＳ２×２）により表すことができる。そして、この例では、ＬＬ２＋ＬＳ２×２をＬ１よりも大きくすればよい。
【００８８】
なお、画成部材４３が第２のスリット空間Ｓ２に露出している面積が、画成部材４３が第１のスリット空間Ｓ１に露出している面積よりも大きくなればよく、第１のスリット空間Ｓ１及び第２のスリット空間Ｓ２は、図９に示す例以外の各種の形状をとることができる。
（第３の実施の形態）
次に、図１０及び図１１を参照し、第３の実施の形態に係るＧＭ冷凍機について説明する。このＧＭ冷凍機は、本発明に係る蓄冷器式冷凍機をＧＭ冷凍機に適用した例であり、数Ｋ〜２０Ｋ程度の極低温を得るのに適した２段構成を有する。
【００８９】
図１０は、本実施の形態に係るＧＭ冷凍機５０の構成を示す概略断面図である。図１１は、低温側第２段目蓄冷管の構成を拡大して模式的に示す縦断面図である。
【００９０】
ＧＭ冷凍機５０は、圧縮機５１、冷媒ガス流路５２、第１段目シリンダ６１、第２段目シリンダ６２、第１段目ディスプレーサ６３、第２段目ディスプレーサ６４、クランク機構６５、蓄冷材６７、６８、ヒートステーション６９、７０、膨張空間７１、７２、中空空間（冷媒ガス流路）７３、７４を有する。
【００９１】
圧縮機５１は、ヘリウムガス（冷媒ガス）を約２０Ｋｇｆ／ｃｍ２に圧縮し、高圧ヘリウムガスを生成する。生成された高圧ヘリウムガスは、吸気弁Ｖ１１、冷媒ガス流路５２を介して第１段目シリンダ６１内に供給される。また、第１段目シリンダ６１から排出された低圧ヘリウムガスは、冷媒ガス流路５２、排気弁Ｖ１２を介して圧縮機５１に回収される。
【００９２】
また、本実施の形態では、一端が圧縮機５１の吐出側から分岐するとともに、他端が後述する第２段目ディスプレーサ６４の低温側第２段目蓄冷管３２ｄに接続されており、ガス蓄冷材を第２段目ディスプレーサ６４の内部空間に導入するための導入配管５３を有する。
【００９３】
第１段目シリンダ６１には、第２段目シリンダ６２が結合されている。第１段目シリンダ６１、第２段目シリンダ６２内には、相互に連結された第１段目ディスプレーサ６３、第２段目ディスプレーサ６４がそれぞれ収容されている。
【００９４】
第１段目シリンダ６１からは、駆動軸Ｓｈが上方に延在し、駆動用モータＭに結合したクランク機構６５と結合している。
【００９５】
第１段目ディスプレーサ６３は、第１段目シリンダ６１内に、第１段目シリンダ６１に沿って往復動可能に設けられている。第１段目ディスプレーサ６３は、第１段目シリンダ６１の一端に、膨張空間７１を形成する。第１段目ディスプレーサ６３は、回転体形状を有している。
【００９６】
また、第１段目ディスプレーサ６３の内部には、膨張空間７１に冷媒ガスを供給及び排出するための中空空間（冷媒ガス流路）７３が形成されている。第１段目ディスプレーサ６３の外周面と第１段目シリンダ６１の内周面との間には、例えばピストンリング等のシール部材７５が設けられている。第１段目ディスプレーサ６３は、第１段目シリンダ６１に沿って往復動する際に、膨張空間７１に供給した冷媒ガスを膨張させることによって冷熱を発生させる。
【００９７】
中空空間７３内には、蓄冷材６７が収容されている。蓄冷材６７は、膨張空間７１から冷媒ガスを排出する際に、排出した冷媒ガスと接触して冷熱を蓄冷する。すなわち、蓄冷材６７は、第１段目ディスプレーサ６３が第１段目シリンダ６１に沿って往復動する際に、膨張空間７１に供給した冷媒ガスを膨張させることによって発生した冷熱を蓄冷する。
【００９８】
第２段目ディスプレーサ６４は、第２段目シリンダ６２内に、第２段目シリンダ６２に沿って往復動可能に設けられている。第２段目ディスプレーサ６４は、第２段目シリンダ６２の一端に、膨張空間７２を形成する。第２段目ディスプレーサ６４は、回転体形状を有している。
【００９９】
また、第２段目ディスプレーサ６４の内部には、膨張空間７２に冷媒ガスを供給及び排出するための中空空間（冷媒ガス流路）７４が形成されている。第２段目ディスプレーサ６４の外周面と第２段目シリンダ６２の内周面との間には、例えばピストンリング等のシール部材７６が設けられている。第２段目ディスプレーサ６４は、第２段目シリンダ６２に沿って往復動する際に、膨張空間７２に供給した冷媒ガスを膨張させることによって冷熱を発生させる。
【０１００】
なお、第２段目ディスプレーサ６４の後述する低温側第２段目蓄冷管３２ｄの外周面と第２段目シリンダ６２の内周面との間にも、例えばピストンリング等のシール部材７７、７８が設けられている。シール部材７７、７８は、導入配管５３が接続される導入口３６を中心として高温側及び低温側に設けられている。
【０１０１】
中空空間７４内には、蓄冷材６８が収容されている。蓄冷材６８は、膨張空間７２から冷媒ガスを排出する際に、排出した冷媒ガスと接触して冷熱を蓄冷する。すなわち、蓄冷材６８は、第２段目ディスプレーサ６４が第２段目シリンダ６２に沿って往復動する際に、膨張空間７２に供給した冷媒ガスを膨張させることによって発生した冷熱を蓄冷する。
【０１０２】
第１段目シリンダ６１の下端（低温端）を囲むように、第１段目のヒートステーション６９が熱的に結合されており、第２段目シリンダ６２の下端（低温端）を囲むように、第２段目のヒートステーション７０が熱的に結合している。
【０１０３】
第１段目シリンダ６１、第２段目シリンダ６２は、例えばステンレス綱（例えばＳＵＳ３０４）等によって形成されていることが好ましい。これにより、第１段目シリンダ６１、第２段目シリンダ６２に、高い強度、低い熱伝導率、及び高いヘリウムガス遮蔽能を持たせることができる。
【０１０４】
第１段目ディスプレーサ６３、第２段目ディスプレーサ６４は、例えば布入りフェノール（ベークライト）等によって形成されていることが好ましい。これにより、第１段目ディスプレーサ６３、第２段目ディスプレーサ６４について、軽量化するとともに、耐摩耗性及び強度を向上させ、高温側から低温側への侵入熱量を低減することができる。
【０１０５】
第１段目の蓄冷材６７は、例えば金網等により構成されることが好ましく、第２段目の蓄冷材６８は、後述するように、例えば鉛球等により構成されることが好ましい。これにより、低温領域において、十分高い熱容量を確保することができる。
【０１０６】
このように構成されているＧＭ冷凍機では、以下のようにして冷熱を発生する。
【０１０７】
圧縮機５１から吸気弁Ｖ１１を介して供給された、冷媒ガスである高圧ヘリウムガスは、冷媒ガス流路５２を介して第１段目シリンダ６１内に供給される。そして、開口（冷媒ガス流路）７３ａ、蓄冷材６７が収容された中空空間（冷媒ガス流路）７３、開口（冷媒ガス流路）７３ｂを通って、第１段目の膨張空間７１に供給される。
【０１０８】
第１段目の膨張空間７１に供給された高圧ヘリウムガスは、更に開口（冷媒ガス流路）７４ａ、蓄冷材６８が収容された中空空間（冷媒ガス流路）７４、開口（冷媒ガス流路）７４ｂを通って第２段目の膨張空間７２に供給される。
【０１０９】
吸気弁Ｖ１１が閉じ、排気弁Ｖ１２が開く際には、第２段目シリンダ６２、第１段目シリンダ６１内の高圧ヘリウムガスは、吸気の場合とは逆の経路をたどって冷媒ガス流路５２、排気弁Ｖ１２を介して圧縮機５１に回収される。
【０１１０】
ＧＭ冷凍機の作動時においては、クランク機構６５によって駆動用モータＭの回転駆動力が駆動軸Ｓｈの往復駆動力に変換される。そして、駆動軸Ｓｈによって、第１段目ディスプレーサ６３、第２段目ディスプレーサ６４が、図１０中の矢印で示すように、上下に（それぞれ第１段目シリンダ６１及び第２段目シリンダ６２に沿って）往復駆動される。
【０１１１】
駆動軸Ｓｈによって第１段目ディスプレーサ６３、第２段目ディスプレーサ６４が駆動軸Ｓｈと反対側（図１０の下方）に駆動される際には、吸気弁Ｖ１１が開き、排気弁Ｖ１２が閉じる。そして、第１段目シリンダ６１内の膨張空間７１、及び第２段目シリンダ６２内の膨張空間７２に高圧ヘリウムガスが供給される（供給工程）。
【０１１２】
また、駆動軸Ｓｈによって第１段目ディスプレーサ６３、第２段目ディスプレーサ６４が駆動軸Ｓｈ側（図１０の上方）に駆動される際には、吸気弁Ｖ１１が閉じ、排気弁Ｖ１２が開く。そして、第１段目シリンダ６１内の膨張空間７１、及び第２段目シリンダ６２内の膨張空間７２が低圧になるとともに、膨張空間７１及び膨張空間７２からヘリウムガスは排出され、圧縮機５１に回収される（排出工程）。
【０１１３】
このとき、膨張空間７１、７２において、ヘリウムガスが膨張することによって、冷熱が発生する。冷熱を発生し、冷却されたヘリウムガスは、膨張空間７１、７２から排出される際に、蓄冷材６７、６８と接触し、熱交換することによって、蓄冷材６７、６８を冷却する。すなわち、蓄冷材６７、６８に、発生した冷熱が蓄冷される。
【０１１４】
次の供給工程で供給される高圧ヘリウムガスは、蓄冷材６７、６８を通って供給されることにより冷却される。冷却されたヘリウムガスが膨張空間７１、７２で膨張することにより、さらに冷却が進む。
【０１１５】
以上のようにして、供給工程と排出工程とを繰り返すことにより、第１段目シリンダ６１内の膨張空間７１が、例えば４０Ｋ〜７０Ｋ程度の温度に冷却され、第２段目シリンダ６２内の膨張空間７２が、例えば数Ｋ〜２０Ｋ程度の温度に冷却される。
【０１１６】
次に、第２段目ディスプレーサ６４について説明する。
【０１１７】
第２段目ディスプレーサ６４は、高温側から低温側に向かって順に、高温側第２段目蓄冷管３１ｄ、低温側第２段目蓄冷管３２ｄを有する。低温側第２段目蓄冷管３２ｄは、本発明における蓄冷管に相当する。
【０１１８】
高温側第２段目蓄冷管３１ｄは、高温端が第１段目ディスプレーサ６３の低温端と接続されており、低温端が低温側第２段目蓄冷管３２ｄの高温端と接続されている。
【０１１９】
高温側第２段目蓄冷管３１ｄの内部には、前述したように、蓄冷材６８が充填されている。高温側第２段目蓄冷管３１ｄは、軸方向の伝導損失を最小に抑えるため、肉薄のＳＵＳ材を用いることができる。ＳＵＳ材として、例えばＳＵＳ３０４等の材質を用いることができる。また、蓄冷材６８としては、例えば鉛球を用いることができる。
【０１２０】
低温側第２段目蓄冷管３２ｄは、高温端が高温側第２段目蓄冷管３１ｄの低温端と接続されている。
【０１２１】
低温側第２段目蓄冷管３２ｄは、第１の実施の形態における低温側第２段目蓄冷管３２と同様にすることができる。すなわち、低温側第２段目蓄冷管３２ｄは、高温側画成部材３３、低温側画成部材３４、内部配管３５、導入口３６を有する。高温側画成部材３３は、低温側第２段目蓄冷管３２ｄの内部空間ＳＩと低温側第２段目蓄冷管３２ｄの高温側とを画成する。低温側画成部材３４は、低温側第２段目蓄冷管３２ｄの内部空間ＳＩと低温側第２段目蓄冷管３２ｄの低温側とを画成する。内部配管３５は、高温側画成部材３３と低温側画成部材３４とを貫通するとともに、一端が高温側画成部材３３の高温側に開口し、他端が低温側画成部材３４の低温側に開口している。すなわち、内部配管３５は、低温側第２段目蓄冷管３２ｄの高温側と低温側第２段目蓄冷管３２ｄの低温側とを連通させる。このように、低温側第２段目蓄冷管３２ｄは、内部に内部配管３５が収容された、いわゆるチューブインチューブ構造を有する。また、導入口３６は、第２段目シリンダ６２及び低温側第２段目蓄冷管３２ｄの管壁を貫通して設けられており、前述した導入配管５３を介し、圧縮機５１の吐出側からヘリウムガスをガス蓄冷材として、低温側第２段目蓄冷管３２ｄの内部に導入するためのものである。
【０１２２】
本実施の形態でも、図１０及び図１１に示すように、低温側第２段目蓄冷管３２ｄを途中で折り曲げず、上下方向に延在する円筒形状としてもよく、第１の実施の形態で図２を用いて説明したように、長尺の配管を複数回折り曲げた構造を有していてもよい。
【０１２３】
本実施の形態でも、内部配管３５は、低温側第２段目蓄冷管３２ｄの内部空間ＳＩを、第１の空間Ｓ１と第２の空間Ｓ２とに画成する。第１の空間Ｓ１は、内部配管３５の内部の空間である。第２の空間Ｓ２は、低温側第２段目蓄冷管３２ｄの内部の空間であって、内部配管３５の外部の空間である。前述したように、内部配管３５は、高温側画成部材３３と低温側画成部材３４とを貫通するものであるため、第１の空間Ｓ１は、低温側第２段目蓄冷管３２ｄの高温側と低温側第２段目蓄冷管３２ｄの低温側とを連通させるものである。また、第１の空間Ｓ１には、冷媒ガスが流れる。
【０１２４】
第２の空間Ｓ２には、低温側第２段目蓄冷材が充填される。低温側第２段目蓄冷材として、例えばヘリウムガス等のガスよりなるガス蓄冷材を用いることができる。ヘリウムガスは、例えば１．５ＭＰａの圧力、５〜１５Ｋの温度領域で、低温で大きな比熱を有する磁性蓄冷材であるＨｏＣｕ２に比べ、更に大きな比熱を有する。
【０１２５】
本実施の形態でも、第１の実施の形態と同様に、ガス蓄冷材の内部配管の管壁との接触面積は、冷媒ガスの内部配管の管壁との接触面積よりも大きい。これにより、冷媒ガスとガス蓄冷材とが熱交換される際の熱抵抗を小さくすることができ、冷媒ガスとガス蓄冷材との熱交換の効率を向上できる。
【０１２６】
なお、本実施の形態でも、第１の実施の形態の第１の変形例と同様に、内部配管は、内部配管の外側の表面積を増やすための部材を有してもよい。また、第１の実施の形態の第２の変形例と同様に、低温側第２段目蓄冷管は、第２の空間に充填された、金属よりなる充填材を含んでもよい。また、第２の実施の形態と同様に、チューブインチューブ構造に代え、スリット構造を有してもよい。
【０１２７】
以上、本発明の好ましい実施の形態について記述したが、本発明はかかる特定の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【符号の説明】
【０１２８】
１０ パルス管冷凍機
２１ 第１段目蓄冷管
２２ 第２段目蓄冷管
２３ 第１段目パルス管
２４ 第２段目パルス管
２９ 第１段目蓄冷材
３０ 高温側第２段目蓄冷材
３１、３１ｄ 高温側第２段目蓄冷管
３２、３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄ 低温側第２段目蓄冷管
３５、３５ａ 内部配管
３９ フィン
４０ 充填材
４３ 画成部材
５０ ＧＭ冷凍機
６１ 第１段目シリンダ
６２ 第２段目シリンダ
６３ 第１段目ディスプレーサ
６４ 第２段目ディスプレーサ
６７、６８ 蓄冷材
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒ガスを断熱膨張させるためのシリンダと、
前記シリンダと接続されており、内部に、前記冷媒ガスが流れる第１の空間と、ガスよりなる蓄冷材が充填される第２の空間とを画成する画成部材を含み、前記冷媒ガスの断熱膨張に伴って前記シリンダで発生した冷熱を、前記第２の空間に充填された前記蓄冷材に蓄冷する蓄冷管と
を有し、
前記画成部材が前記第２の空間に露出している面積は、前記画成部材が前記第１の空間に露出している面積よりも大きい、蓄冷器式冷凍機。
【請求項２】
前記画成部材は、前記蓄冷管の高温側と前記蓄冷管の低温側とを連通させる配管を含み、
前記第１の空間は、前記配管の内部の空間であり、
前記第２の空間は、前記配管の外部の空間であって、かつ、前記蓄冷管の高温側及び前記蓄冷管の低温側のいずれとも連通していないものである、請求項１に記載の蓄冷器式冷凍機。
【請求項３】
前記画成部材は、前記蓄冷管の高温側と前記蓄冷管の低温側とを連通させるように第１のスリット空間が形成されているとともに、前記蓄冷管の高温側及び前記蓄冷管の低温側のいずれとも連通しないように第２のスリット空間が形成されており、
前記第１の空間は、前記第１のスリット空間を含み、
前記第２の空間は、前記第２のスリット空間を含み、
前記画成部材が前記第２のスリット空間に露出している面積は、前記画成部材が前記第１のスリット空間に露出している面積よりも大きい、請求項１に記載の蓄冷器式冷凍機。
【請求項４】
前記配管は、前記配管の外側の表面積を増やすための部材を有する、請求項２に記載の蓄冷器式冷凍機。
【請求項５】
前記部材はフィンである、請求項４に記載の蓄冷器式冷凍機。
【請求項６】
前記蓄冷管は、前記第２の空間に充填された、金属よりなる充填材を含む、請求項２、請求項４又は請求項５に記載の蓄冷器式冷凍機。
【請求項７】
前記充填材は、前記配管と一体化されたものである、請求項６に記載の蓄冷器式冷凍機。
【請求項８】
前記充填材は、拡散接合により前記配管と一体化されたものである、請求項７に記載の蓄冷器式冷凍機。
【請求項１】
冷媒ガスを断熱膨張させるためのシリンダと、
前記シリンダと接続されており、内部に、前記冷媒ガスが流れる第１の空間と、ガスよりなる蓄冷材が充填される第２の空間とを画成する画成部材を含み、前記冷媒ガスの断熱膨張に伴って前記シリンダで発生した冷熱を、前記第２の空間に充填された前記蓄冷材に蓄冷する蓄冷管と
を有し、
前記画成部材が前記第２の空間に露出している面積は、前記画成部材が前記第１の空間に露出している面積よりも大きい、蓄冷器式冷凍機。
【請求項２】
前記画成部材は、前記蓄冷管の高温側と前記蓄冷管の低温側とを連通させる配管を含み、
前記第１の空間は、前記配管の内部の空間であり、
前記第２の空間は、前記配管の外部の空間であって、かつ、前記蓄冷管の高温側及び前記蓄冷管の低温側のいずれとも連通していないものである、請求項１に記載の蓄冷器式冷凍機。
【請求項３】
前記画成部材は、前記蓄冷管の高温側と前記蓄冷管の低温側とを連通させるように第１のスリット空間が形成されているとともに、前記蓄冷管の高温側及び前記蓄冷管の低温側のいずれとも連通しないように第２のスリット空間が形成されており、
前記第１の空間は、前記第１のスリット空間を含み、
前記第２の空間は、前記第２のスリット空間を含み、
前記画成部材が前記第２のスリット空間に露出している面積は、前記画成部材が前記第１のスリット空間に露出している面積よりも大きい、請求項１に記載の蓄冷器式冷凍機。
【請求項４】
前記配管は、前記配管の外側の表面積を増やすための部材を有する、請求項２に記載の蓄冷器式冷凍機。
【請求項５】
前記部材はフィンである、請求項４に記載の蓄冷器式冷凍機。
【請求項６】
前記蓄冷管は、前記第２の空間に充填された、金属よりなる充填材を含む、請求項２、請求項４又は請求項５に記載の蓄冷器式冷凍機。
【請求項７】
前記充填材は、前記配管と一体化されたものである、請求項６に記載の蓄冷器式冷凍機。
【請求項８】
前記充填材は、拡散接合により前記配管と一体化されたものである、請求項７に記載の蓄冷器式冷凍機。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１２−１６７８６７（Ｐ２０１２−１６７８６７Ａ）
【公開日】平成２４年９月６日（２０１２．９．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２９３０８（Ｐ２０１１−２９３０８）
【出願日】平成２３年２月１５日（２０１１．２．１５）
【出願人】（０００００２１０７）住友重機械工業株式会社 (2,241)
【公開日】平成２４年９月６日（２０１２．９．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月１５日（２０１１．２．１５）
【出願人】（０００００２１０７）住友重機械工業株式会社 (2,241)
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