蓄冷型冷凍機の低温発生ユニット
【課題】 圧縮ユニットの消費電力を低減できる蓄冷型冷凍機の低温発生ユニットを提供することを目的とすること。
【解決手段】ＧＭ冷凍機１の低温発生ユニット３は、大径の第１シリンダ２１と小径の第２シリンダ２２とにより形成した内面が二段凸型形状のシリンダ２０と、各シリンダ２１、２２にそれぞれ往復動可能に挿設した第１ピストン３１と第２ピストン３４とにより形成される二段凸型形状のディスプレーサ３０と、各ピストン３１、３２にそれぞれ内蔵される第１蓄冷器４１と、第２蓄冷器４４と、ディスプレーサ３０を往復動させる駆動部１０とを備え、第２蓄冷器４４の軸に直交する断面積は第２シリンダ２２の穴の軸に直交する断面積の４５％〜６２％に設定され、第１蓄冷器４１の軸に直交する断面積は第１シリンダ２１の穴の軸に直交する断面積の３０％〜５８％に設定される。
【解決手段】ＧＭ冷凍機１の低温発生ユニット３は、大径の第１シリンダ２１と小径の第２シリンダ２２とにより形成した内面が二段凸型形状のシリンダ２０と、各シリンダ２１、２２にそれぞれ往復動可能に挿設した第１ピストン３１と第２ピストン３４とにより形成される二段凸型形状のディスプレーサ３０と、各ピストン３１、３２にそれぞれ内蔵される第１蓄冷器４１と、第２蓄冷器４４と、ディスプレーサ３０を往復動させる駆動部１０とを備え、第２蓄冷器４４の軸に直交する断面積は第２シリンダ２２の穴の軸に直交する断面積の４５％〜６２％に設定され、第１蓄冷器４１の軸に直交する断面積は第１シリンダ２１の穴の軸に直交する断面積の３０％〜５８％に設定される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、クライオポンプなどに使用される蓄冷型冷凍機に関し、詳しくは蓄冷型冷凍機の圧縮機（圧縮ユニット）の消費電力を低減可能な蓄冷型冷凍機の低温発生ユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来技術の蓄冷型冷凍機の低温発生ユニットとして、圧縮機ユニットと、温度の異なる第１段目膨張空間と第２段目膨張空間を備えた２段膨張方式の膨張ユニット（低温発生ユニット）を備えた蓄冷型極低温冷凍機が開示されている。この膨張ユニットは、階段状に先端部ほど細くなる２段に形成されたシリンダと、このシリンダ内に挿入され段状に先端部ほど細くなる２段に形成されたディスプレーサと、ディスプレーサの各段に内蔵された１段目蓄冷器と、２段目蓄冷器とを備える。そして２段目ディスプレーサの根元側にピストンリングが少なくとも二つ取付けられている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、蓄冷型の極低温冷凍機の蓄冷器において、蓄冷器の容器内に充填した金網のうち、容器内における低温端面側の領域に積層する金網（例えば、４００メッシュ、線径３０μｍ）は空間率が小さく、かつ線径の細いものとし、高温端面側の領域に積層する金網は低温側に積層する金網の空間率よりも空間率を大きく、かつ線径も太いもの（例えば、３２５メッシュ、線径３５μｍ）を選定した極低温冷凍機が開示されている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平３−１９９８５５号公報
【特許文献２】特開２００３−１４８８２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１によれば、２段目ディスプレーサにピストンリングを二つ以上取付けることにより、ピストンリングを介して第１段目膨張空間から第２段目膨張空間へ流入するヘリウム量は減少する。しかし、２段目蓄冷器を流動するヘリウムは低温で粘度が低いので、２段目蓄冷器の圧力損失は小さい。このため、２段目ディスプレーサにピストンリングを二つ以上取付けても、第１段目膨張空間から第２段目膨張空間へ流入するヘリウムの減少量は僅かである。従って、第２段目膨張空間での冷凍能力の向上は僅かであり、また第１段目膨張空間の冷凍能力の向上は殆どないので、要求冷凍能力に対して圧縮機の消費電力の低減量効果は僅かであるといった問題がある。
【０００６】
また、特許文献２によれば、圧力損失と蓄冷器の非効率損失の両方を改善するため、低温端面側の領域に例えば４００メッシュ、線径３０μｍの金網を積層し、高温端面側の領域に例えば３２５メッシュ、線径３５μｍの金網を積層している。しかし、高温端面側の領域では蓄冷器の効率向上より蓄冷器の圧力損失低減を図り、低温端面側の領域では蓄冷器の圧力損失低減よりも蓄冷器の効率向上を図っている。結果、圧力損失と非効率損失の両方が僅かに改善されるだけであるので、特許文献１と同じ問題がある。
【０００７】
近年、ＣＯ２削減の電力削減のため、半導体製造装置などに使用されるクライオポンプは、消費電力の低減が要求されている。このため、作動ガスを供給する圧縮ユニット（圧縮機）を小型なものを使用する方法（以下、方法１）と、１台の圧縮ユニットで複数台の蓄冷型冷凍機を運転させる方法（以下、方法２）が考えられる。しかし、従来技術の蓄冷型冷凍機、例えばギフォードマクマホン冷凍機（以下、ＧＭ冷凍機）は多量のガス流量を必要とする。このため、要求される冷凍量を得るには、従来技術の蓄冷型冷凍機を使用して、方法１あるいは方法２を実施しても、消費電力の低減は難しい問題がある。
【０００８】
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、圧縮ユニットの消費電力を低減できる蓄冷型冷凍機の低温発生ユニット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】
【０００９】
上記課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、第１シリンダと該第１シリンダより小さな内径の第２シリンダとにより形成される内面が二段凸型形状のシリンダと、第１シリンダに往復動可能に挿設される第１ピストンと第２シリンダに往復動可能に挿設される第２ピストンとにより形成され、作動ガスを膨張させる二段凸型形状のディスプレーサと、第１ピストンに内蔵される第１蓄冷器と、第２ピストンに内蔵される第２蓄冷器と、
第１ピストンの高温端側に連結したロッドを介してディスプレーサを往復動させる駆動部と、を備え、 ロッドが貫通され第１シリンダの高温側に配設される隔壁と、第１シリンダと、第１ピストンと、ロッドと、で包囲され、作動ガスが流出入する背面室が形成され、
第１蓄冷器の高温端は背面室に導通され、第１蓄冷器の低温端は第１シリンダと、第１ピストンと、第２ピストンと、で包囲して形成された第１膨張室に導通され、第２蓄冷器の低温端は第２シリンダと第２ピストンと、で包囲して形成された第２膨張室に導通され、第２蓄冷器の高温端は第１膨張室と第１蓄冷器の低温端との少なくともいずれか一方に導通され、第２蓄冷器の軸に直交する断面積は、第２シリンダの穴の軸に直交する断面積の４５％〜６２％に設定され、第１蓄冷器の軸に直交する断面積は、第１シリンダの穴の軸に直交する断面積の３０％〜５８％に設定される。
【００１０】
また、請求項２に記載の発明は、駆動部には、圧縮ユニットの吐出口により吐出される作動ガスを供給配管を介して背面室へ導く高圧側切換弁と、背面室から圧縮ユニットの吸入口に戻る作動ガスを戻り配管を介して該吸入口へ導く低圧側切換弁とを備え、
高圧側切換弁が開状態では低圧側切換弁が閉状態であり、低圧側切換弁が開状態では高圧側切換弁が閉状態である。
【発明の効果】
【００１１】
また、請求項１に記載の発明では、第２蓄冷器の軸に直交する断面積が第２シリンダの穴の軸に直交する断面積の４５％〜６２％に設定され、第１蓄冷器の軸に直交する断面積は、第１シリンダの穴の軸方向に直交する断面積の３０％〜５８％に設定される。これにより、作動ガス供給時、１サイクルにおいて第１蓄冷器と第２蓄冷器とに貯め込まれる作動ガス量は制限される。結果、圧縮ユニットから低温発生ユニットへ供給する作動ガスの流量が低減され、蓄冷型冷凍機の低温発生ユニットは、圧縮ユニットの消費電力を低減できる。
【００１２】
また、請求項２に記載の発明では、低温発生ユニットの駆動部には、圧縮ユニットからの作動ガスを供給配管を介して背面室へ導く高圧側切換弁と、背面室から戻り配管を介して圧縮ユニットへ作動ガスを導く低圧側切換弁とを備えている。高圧側切換弁より供給配管は常時、高圧が保持され、低圧側切換弁により戻り配管は常時、低圧に保持される。これにより、供給配管と戻り配管の各容積が増減しても、圧縮ユニットの吐出流量は増減せず、一定の吐出流量が保持される。結果、供給配管と戻り配管の各本数を増加し、各容積が増大しても、各膨張室で発生される冷凍能力の低下は阻止される。従って、１台の圧縮ユニットと、複数台（例えば、２台）の低温発生ユニットとを複数本（例えば、２本）の戻り配管と、複数本（例えば、２本）の供給配管とでそれぞれ並列接続することにより、複数（例えば、２台）の第１膨張室の冷凍量の合計と、複数（例えば、２台）の第２膨張室の冷凍量の合計は共に増大する。結果、蓄冷型冷凍機の低温発生ユニットは、要求される冷凍能力に対して、圧縮ユニットの消費電力が低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１実施形態に係るＧＭ冷凍機の説明図である。
【図２】図１の低温発生ユニットの第１蓄冷器と第１シリンダとの断面積比に対する第２膨張室の冷凍能力を示す図である。
【図３】第１実施形態の圧縮ユニット（１台）と低温発生ユニット（２台）とで構成したＧＭ冷凍機をクライオポンプに適応した説明図である。
【図４】第１実施形態のＧＭ冷凍機（２台）をクライオポンプに適応した説明図である。
【図５】図３と図４に示すクライオポンプ用のＧＭ冷凍機の第１膨張室の冷凍能力を示す図である。
【図６】図３と図４に示すクライオポンプ用のＧＭ冷凍機の第２膨張室の冷凍能力を示す図である。
【図７】本発明の第２実施形態に係るスプリット型スターリング冷凍機の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下に本発明の実施例を図面を参照しつつ詳細に説明する。
【００１５】
第１実施形態
図１は、本発明の第１実施形態に係るＧＭ冷凍機の説明図である。図１に示すようにＧＭ冷凍機（蓄冷型冷凍機）１は、圧縮ユニット２と低温発生ユニット３とを戻り配管４および供給配管５を介して接続したもので、ヘリウムなどの作動ガスが充填される。
【００１６】
圧縮ユニット２は、圧縮機（図示せず）と放熱器（図示せず）を備え、低温発生ユニット３の低圧ポート１１から戻り配管４を介し、圧縮ユニット２の吸入口２ａに戻ってきた低圧（例えば、０．９ＭＰａ）を圧縮機で昇圧（例えば、２．１ＭＰａ）する。そして、放熱器で圧縮熱を外部へ放熱する。放熱器された作動ガスは、圧縮ユニット２の吐出口２ｂから供給配管５を介して低温発生ユニット３の高圧ポート１２へ供給される。
【００１７】
低温発生ユニット３は、駆動部１０と、内面が二段凸型形状のシリンダ２０と、シリンダ２０に往復動可能に挿入された二段凸型形状のディスプレーサ３０と、第１蓄冷器４１と、第２蓄冷器４４と、ディスプレーサ３０の高温端に固定したロッド３１ｂと、を備える。
【００１８】
駆動部１０は、ディスプレーサ３０を往復駆動するスコッチヨークなどの駆動機構（図示せず）と、駆動機構を駆動するモータ１３と、低圧側切換弁１８と、高圧側切換弁１９とを備えている。低圧側切換弁１８と高圧側切換弁１９は、それぞれ駆動機構に連動したカム１４、１５により開閉される。そして１サイクルにおいて、低圧側切換弁１８が開状態では高圧側切換弁１９は閉状態であり、高圧側切換弁１９が開状態では低圧側切換弁１８は閉状態である。
【００１９】
低圧側切換弁１８は、開状態において、低圧の作動ガスを背面室２６から順次、流路１６、低圧側切換弁１８、駆動室１０ｄ、およびモータ室（図示せず）を介して低圧ポート１１へ導く。高圧側切換弁１９は、開状態において、供給配管５から高圧ポート１２へ流入した高圧の作動ガスを順次、流路１２ａ（一部のみ図示）、高圧側切換弁１９、および流路１７を介して後述する背面室２６へ導入する。
【００２０】
シリンダ２０は、大径の第１シリンダ２１と、小径の第２シリンダ２２と、第１シリンダ２１の低温端側に固定した第１コールドヘッド２３と、第２シリンダ２２の低温端側に固定した第２コールドヘッド２４とを備える。そして、第１シリンダ２１の高温側のフランジ部２１ａが、Ｏリング２５を介在して駆動部１０のフランジ部１０ａに複数のボルトで気密に固定される。
【００２１】
ディスプレーサ３０は、大径の第１ピストン３１と小径の第２ピストン３４とが継手３７を介して連結され、第１ピストン３１は第１蓄冷器４１を内蔵し、第２ピストン３４は第２蓄冷器４４を内蔵する。
【００２２】
第１ピストン３１は、高温側が有底の壁３２ｄを有すると共に、低温端から開口された穴３２ａを有するピストン本体３２と、穴３２ａの低温端に設けたキャップ３３とを備える。そして、キャップ３３と壁３２ｄとに挟まれた穴３２ａ部分により、第１蓄冷器４１の容器４２が形成される。第１蓄冷器４１には、容器４２に複数枚の金網（例えば、２００メッシュ、線径０．０５ｍｍ、材質りん青銅）などの蓄冷材４３が充填される。
【００２３】
壁３２ｄには、一端が第１蓄冷器４１の高温端へ導通し、他端が背面室２６へ導通する複数本の流路３２ｂが設けられる。そしてピストン本体３２の低温端側の外周面には、一端が第１蓄冷器４１の低温端へ導通し、他端が第１膨張室２７へ導通する複数本の流路３２ｃが設けられる。
【００２４】
第２ピストン３４は、ピストン本体３５とキャップ３６を備える。ピストン本体３５は、低温端から蓄冷材４６が充填される穴３５ａが開口され、高温端には継手３７が挿入される孔３５ｂが開口され、孔３５ｂは穴３５ａより小径である。そして、キャップ３６と継手３７とに挟まれた穴３５ａ部分により、第２蓄冷器４４の容器４５が形成される。
【００２５】
第２蓄冷器４４は、容器４５に微小（例えば、直径０．２ｍｍ）な鉛球などの蓄冷材４６が充填され、蓄冷材４６の流出を阻止するため複数枚の金網４７が容器４５の両端に積層される。そして穴３５ａに挿入したキャップ３６と、ピストン本体３５とにピン３９ａが密嵌され、キャップ３６がピストン本体３５に固定される。
【００２６】
第２ピストン３４の外周面の高温端側と低温端側には、それぞれ複数本の流路３５ｃと複数本の流路３５ｄが設けられる。流路３５ｃの一端は第１膨張室２７へ、他端は第２蓄冷器４４の高温端へ導通される。流路３５ｄの一端はキャップ３６に設けた複数の放射溝からなる流路３６ａを介して第２蓄冷器４４の低温端へ導通され、他端は第２膨張室２８へ導通される。
【００２７】
上述したようにディスプレーサ３０は、第１ピストン３１と第２ピストン３４とが継手３７を介在して連結される。詳しく述べると、第１ピストン３１のキャップ３３の図１における上面側には、第２ピストン３４の外径より僅かに大きい座グリ３３ａと、継手３７の外径より僅かに大きい有底の穴３３ｂとが削孔される。座グリ３３ａと、穴３３ｂとには、それぞれ第２ピストン３４の高温端側と、継手３７とが遊嵌される。そして第１ピストン３１と、キャップ３３と、継手３７と、にピン３８を挿入して、第１ピストン３１と継手３７とが連結される。ピン３８は、第１ピストン３１とキャップ３３には密嵌され、継手３７には遊嵌される。また、第２ピストン３４と継手３７とにピン３９ｂが挿入され、第２ピストン３４と継手３７が連結される。ピン３９ｂは、第２ピストン３４に密嵌され、継手３７には遊嵌される。
【００２８】
また、第１ピストン３１の高温側と第２ピストン３４の高温側には、それぞれピストンリング３１ａとピストンリング３４ａとが各ピストン３１、３４に設けた溝に装着される。そして、第１ピストン３１は第１シリンダ２１に、第２ピストン３４は第２シリンダ２２に往復動可能に挿設される。
【００２９】
背面室２６は、第１シリンダ２１と、第１ピストン３１と、ロッド３１ｂと、駆動部１０の隔壁１０ｂとに包囲されて第１シリンダ２１の高温側に形成される。そして、隔壁１０ｂに設けたロッドシール１０ｃにより、背面室２６と駆動室１０ｄとの間のガス漏れが阻止される。
【００３０】
第１膨張室２７は、第１シリンダ２１と、第１ピストン３１と、第２ピストン３４とに包囲されて第１シリンダ２１の低温側に形成される。そしてピストンリング３１ａにより、背面室２６と第１膨張室２７との間のガス漏れが阻止される。
【００３１】
第２膨張室２８は、第２シリンダ２２と第２ピストン３４とに包囲されて第２シリンダ２２の低温側に形成され、ピストンリング３４ａにより第２膨張室２８と第１膨張室２７との間のガス漏れが阻止される。
【００３２】
低温発生ユニット３の作動回路は、順次、流路１６、１７と、背面室２６と、流路３２ｂと、第１蓄冷器４１と、流路３２ｃと、第１膨張室２７と、流路３５ｃと、第２蓄冷器４４と、流路３６ａと、流路３５ｄと、第２膨張室２８とを連通して形成される。
【００３３】
次に、本発明の第１実施形態に係るＧＭ冷凍機１の作動と効果について説明する。
【００３４】
ディスプレーサ３０が、下死点の僅か手前の位置から中立点と上死点の間の位置の区間において、高圧側切換弁１９が開状態であり、低圧側切換弁１８は閉状態である。この区間に圧縮ユニット２からの高圧の作動ガスが、高圧ポート１２を通過して低温発生ユニット３へ供給される。ディスプレーサ３０が上死点の僅か手前の位置から中立点と下死点の間の位置の区間において、低圧側切換弁１８は開で、高圧側切換弁１９が閉である。この区間において低圧ポート１１を通過して低温発生ユニット３から低圧の作動ガスが圧縮ユニット２へ戻される。そして、ディスプレーサ３０の１サイクルの往復動により、第１膨張室２７と第２膨張室２８とにおいて、作動ガスはそれぞれ膨張仕事（ＰＶ仕事）Ｗ１、Ｗ２をなす。これにより、例えば第１膨張室２７で略１２０Ｋの冷凍、第２膨張室２８で略２０Ｋの冷凍が発生される。
【００３５】
第２膨張室２８の膨張仕事Ｗ２は第２蓄冷器４４の軸Ｙに直交する断面のガス素片のＰＶ仕事Ｗ２として第２蓄冷器４４の低温端から高温端へ伝達され、第１蓄冷器４１の低温端に流入する。そして、第１蓄冷器４１の低温端に流入したＰＶ仕事Ｗ２と、第１膨張室２７のＰＶ仕事Ｗ１とは、第１蓄冷器４１の低温端で足し合わされ、第１蓄冷器４１の軸Ｙに直交する断面のガス素片のＰＶ仕事として第１蓄冷器４１の低温端から高温端へ伝達され、低圧側切換弁１８において消費される。
【００３６】
ところで、高圧側切換弁１９が開状態、低圧側切換弁１８が閉状態において、圧縮ユニット２から高圧ポート１２を介して低温発生ユニット３へ供給される高圧の１サイクルの作動ガス量ＭＣは、低温発生ユニット３の作動回路に貯め込まれる高圧の作動ガス量ＭＨになる。低温発生ユニット３から圧縮ユニット２に戻される低圧の１サイクルの作動ガス量ＭＬは、作動ガス量ＭＣと同じ値である。
【００３７】
以下において、説明を解り易くするため、作動回路の流路１６、１７と、流路３２ｂと、流路３２ｃと、流路３５ｃと、流路３６ａと、流路３５ｄに貯め込まれる高圧の作動ガス量は、微小量であるので省略する。従って、高圧の作動ガス量ＭＣ（＝ＭＨ＝ＭＬ）は背面室２６と、第１蓄冷器４１と、第１膨張室２７と、第２蓄冷器４４と、第２膨張室２８とに貯め込まれる１サイクルにおけるそれぞれの高圧の作動ガス量ＭＢと、ＭＲ１と、ＭＥ１と、ＭＲ２と、ＭＥ２の合計になる。
【００３８】
作動ガス量ＭＢと、ＭＲ１と、ＭＥ１と、ＭＲ２と、ＭＥ２は気体の状態方程式Ｍ＝ΔＰＶ／（ＲＴ）により求められる。ここで、Ｒは気体定数、Ｔは各部位のガス温度、Ｖは各部位の作動ガスが占める容積、ΔＰは高圧側切換弁１９の開状態における低温発生ユニット３の作動回路のガス圧ＰＨと低圧側切換弁１８の開状態における作動回路のガス圧ＰＬとの差圧（ＰＨ−ＰＬ）である。尚、前記の温度Ｔは、各蓄冷器４１、４４では高温端と低温端の平均ガス温度ＴＲ１、ＴＲ２であり、他の部位ではその部位内のガス温度である。
【００３９】
低温発生ユニット３において、第１蓄冷器４１の容器４２の内径のみ減少させる。そして、第１シリンダ２１と、第２シリンダ２２の内径と、第１蓄冷器４１の容器４２の長さと、第２蓄冷器４４の容器４５の内径および長さと、ディスプレーサ３０のストロークおよび各段の外径は一定寸法を維持する。これにより、第１蓄冷器４１の作動ガスが占める容積ＶＲ１は減少するが、背面室２６、第１膨張室２７、第２蓄冷器４４、第２膨張室２８の作動ガスが占める各容積ＶＢ、ＶＥ１、ＶＲ２、ＶＥ２は変化しない。
【００４０】
従って、圧縮ユニット２から作動回路へ供給される高圧の作動ガス量ＭＣは、第１蓄冷器４１に貯め込まれる作動ガス量ＭＲ１（＝ΔＰＶＲ１／（ＲＴＲ１））の減少量と同じ量、減少するので、圧縮ユニット２の吐出流量は低減される。この場合、第１蓄冷器４１の容器４２の軸Ｙ（図１）に直交する断面積（以下、第１蓄冷器４１の断面積）ＡＲ１と第１シリンダ２１の穴の断面積ＡＣ１（以下、第１シリンダ２１の断面積）との断面積比α（＝ＡＲ１／ＡＣ１）は、減少している。
【００４１】
ところで、第１蓄冷器４１の蓄冷材４３の充填量は、多過ぎると容器４２の容積が増大して、圧縮ユニット２の吐出流量が増大し、消費電力も増大する。一方、少な過ぎると第１蓄冷器４１を往復流動する作動ガスと蓄冷材４３との熱交換時における温度差が増大して、第１蓄冷器４１の熱損失が増大する。その結果、第１膨張室２７の冷凍能力Ｑ１と、第２膨張室２８の冷凍能力Ｑ２が低下する。従って、第１蓄冷器４１は適正量の蓄冷材４３を確保するため、第１蓄冷器４１の大きさ（断面積ＡＲ１）を適正にする。これにより、以下の作用に基づき、冷凍能力Ｑ１、Ｑ２を確保しつつ、圧縮ユニット２の消費電力が低減される。
【００４２】
即ち、低温発生ユニット３の前述の差圧（ＰＨ−ＰＬ）を一定に保ち、第１蓄冷器４１の断面積ＡＲ１のみ適正に減少させる。断面積ＡＲ１の減少前後において、作動ガスの差圧（ＰＨ−ＰＬ）は変化しないので、第１膨張部４１と第２膨張部４２の膨張仕事Ｗ１、Ｗ２は、断面積ＡＲ１を変える前後では変化せず一定値が保持される。これにより、第１膨張部４１と第２膨張部４２の冷凍能力Ｑ１、Ｑ２も変化せず維持される。一方、第１蓄冷器４１の断面積ＡＲ１のみ適正に減少したので、１サイクルにおける第１蓄冷器４１に貯め込まれるガス量のみ減少する。結果、圧縮ユニット２から低温発生ユニット３へ供給されるガス流量が低減され、圧縮ユニット２の消費電力が低減される。
【００４３】
また、圧縮ユニット２から低温発生ユニット３への供給流量を一定に保ち、第１蓄冷器４１の断面積ＡＲ１のみ大きさを適正に減少させる。この場合、ガス供給時において、低温発生ユニット３の作動回路に貯め込まれる１サイクルにおけるガス量は、断面積ＡＲ１を変えた前後では変化せず一定量である。従って、第１蓄冷器４１の断面積ＡＲ１のみ減少したので、低温発生ユニット３の差圧（ＰＨ−ＰＬ）が増大する。結果、第１膨張部４１と第２膨張部４２の膨張仕事Ｗ１、Ｗ２が増大し、各膨張部４１、４２の冷凍能力Ｑ１、Ｑ２が増大する。この場合、圧縮ユニット２の吐出圧Ｐｏｕｔと吸入圧力Ｐｉｎとの圧力差（Ｐｏｕｔ−Ｐｉｎ）は、第１蓄冷器４１大きさを変えた前後で殆ど変化しないので、圧縮ユニット２の消費電力も殆ど変化せず、ほぼ一定である。しかし、冷凍能力Ｑ１、Ｑ２が増大するので、ＧＭ冷凍機１の効率が増大し、第１膨張部４１と第２膨張部４２の要求される各冷凍量に対して、圧縮ユニット２の消費電力が低減される。
【００４４】
また、低温発生ユニット３は、圧縮ユニット２からの作動ガスを供給配管５を介して背面室２６へ導く高圧側切換弁１９と、背面室２６から戻り配管４を介して圧縮ユニット２へ作動ガスを導く低圧側切換弁１８とを備えている。高圧側切換弁１９により供給配管５は常時、高圧が保持され、低圧側切換弁１８により戻り配管４は常時、低圧に保持される。これにより、供給配管５と戻り配管４の各容積が増減しても、圧縮ユニット２の吐出流量は増減せず、一定の吐出流量が保持される。結果、供給配管５と戻り配管４の各本数を増加し、各容積が増大しても、各膨張室２７、２８で発生される冷凍能力の低下は阻止される。従って、１台の圧縮ユニット２と、複数台（例えば、２台）の低温発生ユニット３とを複数本（例えば、２本）の戻り配管４と、複数本（例えば、２本）の供給配管５とでそれぞれ並列接続することにより、複数の第１膨張室２７の冷凍能力の合計ΣＱ１と、複数の第２膨張室２８の冷凍能力の合計ΣＱ２は共に増大する。結果、要求される冷凍量に対して、圧縮ユニット２の消費電力が低減できる。
【００４５】
以下、試験例および適応例の各試験結果に基づき、第１蓄冷器４１の適正な断面積ＡＲ１と効果ついて説明する。
【００４６】
（試験例）
第１実施形態のＧＭ冷凍機１の試験結果の比較について説明する。
【００４７】
図２は、サイズの異なる２機種（大型と小型）の低温発生ユニット３の断面積比α（＝ＡＲ１／ＡＣ１）に対する第２膨張室２８の２０Ｋにおける冷凍能力Ｑ２の試験結果を示した図である。図中、○印はサイズの大きな低温発生ユニット３（以下、大型機）の試験結果を示し、□印はサイズの小さな低温発生ユニット３（以下、小型機）の試験結果を示す。大型機では、断面積比αは４１．３％と、７３．５％の２つの試験結果を示す。この場合、作動ガスの供給流量は一定である。小型機では、断面積比αは３３．８％と、６６．９％の２つの試験結果を示し、この場合も作動ガスの供給流量は一定である。また、第２蓄冷器４４の容器４５の軸Ｙに直交する断面積ＡＲ２（以後、第２蓄冷器４４の断面積ＡＲ２）と第２シリンダ２２の穴の軸Ｙに直交する断面積ＡＣ２（以後、第２シリンダ２２の断面積ＡＣ２）との断面積比β（＝ＡＲ２／ＡＣ２）は、大型機が４９．０％、小型機が４７．９％に設定されている。
【００４８】
そして、図２の太実線は大型機の冷凍能力を示す冷凍能力曲線であり、図２の太破線は小型機の冷凍能力を示す冷凍能力曲線である。各冷凍能力曲線は、それぞれの冷凍能力Ｑ２の試験結果と、断面積比α＝０％における冷凍能力０の点とを曲線で結んでいる。
【００４９】
図２の試験結果によれば、大型機の第２膨張室２８の冷凍能力Ｑ２は、断面積比α＝７３．５％で６．２５Ｗに対して、断面積比α＝４１．３％では７．８０Ｗである。従って、断面積比α＝４１．３％の場合の冷凍能力Ｑ２は、断面積比α＝７３．５％に比べて１．２４８倍増大している。この場合、低温発生ユニット３への供給流量はα＝４１．３％とα＝７３．５％とで同じであるので、断面積比α＝４１．３％と断面積比α＝７３．５％の圧縮ユニット２の消費電力は同じである。
【００５０】
大型機において、第１膨張室２７の断面積比α＝４１．３％と断面積比α＝７３．５％の場合の各冷凍能力Ｑ２を同一にする。即ち、各断面積比αの冷凍能力Ｑ２を２０Ｋで６．２５Ｗに揃える。この条件下では、断面積比α＝４１．３％の圧縮ユニット２の消費電力は、断面積比α＝７３．５％の消費電力の略８０％（＝６．２５Ｗ／７．８０＝８０．１％）になり、略２０％低減される。
【００５１】
一方、小型機の第２膨張室２８の冷凍能力Ｑ２は、断面積比α＝３３．８％で７．８０Ｗに対して、断面積比α＝６６．９％では５．４０Ｗである。従って、断面積比α＝３３．８％の場合の冷凍能力Ｑ２は、断面積比α＝６６．９％に比べて１．４４倍増大している。この場合、α＝３３．８％とα＝６６．９％とでは低温発生ユニット３への供給流量が同じであるので、断面積比α＝３３．８％と断面積比α＝６６．９％の圧縮ユニット２の消費電力は同じである。
【００５２】
小型機において、第１膨張室２７の断面積比α＝３３．８％と断面積比α＝６６．９％の場合の各冷凍能力Ｑ２を同一にする。即ち、各断面積比αの冷凍能力Ｑ２を２０Ｋで５．４０Ｗに揃える。この条件下では、断面積比α＝３３．８％の圧縮ユニット２の消費電力は、断面積比α＝６６．９％の消費電力の略６９％（＝５．４０Ｗ／７．８０Ｗ＝６９．２％）になり、略３１％低減される。
【００５３】
図２に示すように、大型機と小型機とでは、断面積比αがそれぞれ略４８％と略３９％で冷凍能力Ｑ２が最大になり、最大冷凍能力になる断面積比αは異なる。そして、断面積比αが図２の２本の一点差線で示す３０％〜５８％の範囲では、低温発生ユニット３のサイズの大小に係わらず冷凍能力Ｑ２は高くなる。また、断面積比αが３０％〜５８％の範囲で、第１膨張室２７の冷凍能力Ｑ１も、第２膨張室２８の冷凍能力Ｑ２の増加率と略同じように増大する。
【００５４】
以上により、第１膨張部２７と、第２膨張部２８において所定の冷凍量を得る際、断面積比αを３０％〜５８％に設定する。これにより、大型機、小型機のサイズの異なる機種によらず、圧縮ユニット２の消費電力が低減された効率の高い低温発生ユニット３が提供できる。
【００５５】
上述の説明では、第２蓄冷器４４の断面積ＡＲ２と第２シリンダ２２の断面積ＡＣ２との断面積比βは、大型機で４９．０％、小型機で４７．９％であったが、以下の理由により断面積比βは４５％〜６２％に設定される。
【００５６】
即ち、第２蓄冷器４４は、第１蓄冷器４１に比べて低い温度領域（例えば、略１２０Ｋ〜略２０Ｋ）で作用する。ヘリウムなどの作動ガスは、温度が低くなると密度が大きくなり、また比熱も略１０Ｋまでは大きくなる。一方、鉛などの蓄冷材は、温度が低くなるほど比熱が低下する。従って、第２膨張室２８において所定の温度、所定の冷凍量を得るためには、蓄冷材４６は、第２蓄冷器４４内の作動ガス量を少なく確保しつつ、第２蓄冷器４４を往復流動する作動ガスと僅かな温度差で熱交換できる適正量の蓄冷材４６が必要になる。このため、第２蓄冷器４４の断面積ＡＲ２（第２蓄冷器４４の死容積）を適正値にしなければならない。
【００５７】
第２蓄冷器４４の断面積ＡＲ２の適正値を確保するにあたり、第２ピストン３４の機械的強度も確保しなければならない。第２ピストン３４は、ピストンリング３４ａ用のリング溝と、第２蓄冷器４４用の穴３５ａとが設けられている。このため、リング溝付近の機械的強度を確保しなければならず、穴３５ａの径寸法はリング溝深さにより制約を受ける。
【００５８】
例えば小型機の試験結果では、第２膨張室２８の２０Ｋにおける冷凍能力Ｑ２は、断面積比βが３７．８％で７．４５Ｗで、４７．９％で８．１５Ｗのであり、４７．９％を超えても冷凍能力Ｑ２は増加傾向にある。そして、第２シリンダ２２の内径が小さくなるほど、ピストンリング溝深さの制約の影響が大きくなり、断面積比βの適正値は小さくなる。第２シリンダ２２の内径が大きくなるほど、ピストンリング溝深さの制約の影響が少なくなり、断面積比βの適正値は大きくなる。
【００５９】
蓄冷材４６の適性量確保と、第２ピストン３４の機械的強度確保とを考慮して、第２ピストン３４に内蔵される内蔵型の第２蓄冷器４４では、第２蓄冷器４４の断面積ＡＲ２と第２シリンダ２２の断面積ＡＣ２との断面積比β（＝ＡＲ２／ＡＣ２）は、４５％〜６２％に設定される。
【００６０】
（適応例）
図３は、本発明の低温発生ユニット３（図１）をクライオポンプに適応した説明図であり、低温発生ユニット３（試験例の大型機）の断面積比αは４１．３％、断面積比βは４９．０％に設定されている。ここで、断面積比α＝４１．３％、断面積比β＝４９．０％の低温発生ユニット３を低温発生ユニット３ａとする。
【００６１】
図３に示すように、クライオポンプ６ａ用のＧＭ冷凍機（蓄冷型冷凍機）７は、２台の低温発生ユニット３ａ、３ａに１台の圧縮ユニット２を戻り配管４ａ、４ｂと、供給配管５ａ、５ｂとを介して接続される。
【００６２】
図３の圧縮ユニット２は、図１の圧縮ユニット２と同じ物である。尚、図３のＧＭ冷凍機７は、低温発生ユニット３ａ、戻り配管４ａ、４ｂと、供給配管５ａ、５ｂを除き、図１のＧＭ冷凍機１と同じ符番を付す。
【００６３】
クライオポンプ６ａは、ＧＭ冷凍機７と、真空容器５１と、輻射シールド５２と、バッフル５３と、クライオパネル５４と、架台５５とにより構成される。
【００６４】
真空容器５１は、低温発生ユニット３ａ、３ａのフランジ部２１ａ、２１ａに気密に固定される。輻射シールド５２は、真空容器５１内に配置され、低温発生ユニット３ａ、３ａの第１コールドヘッド２３、２３に固定される。輻射シールド５２の開口部５２ａ側には、バッフル５３が固定される。輻射シールド５２とバッフル５３とは、第１膨張室２７、２７で発生される例えば略１２０Ｋの冷凍により第１膨張室２７の温度近くに冷却される。
【００６５】
輻射シールド５２とバッフル５３に包囲された空間には、低温発生ユニット３ａ、３ａの第２コールドヘッド２４、２４に固定されたクライオパネル５４が配備される。そしてクライオパネル５４は、第２膨張室２８、２８で発生された例えば略２０Ｋの冷凍により第２膨張室２８の温度近くに冷却される。
【００６６】
図４は、低温発生ユニット３（図１）を適応した他のクライオポンプの説明図であり、低温発生ユニット３（試験例の大型機）の断面積比αは７３．５％、断面積比βは４９．０％に設定されている。ここで、断面積比α＝７３．５％、断面積比β＝４９．０％の低温発生ユニット３を低温発生ユニット３ｂとする。
【００６７】
図４に示すように、クライオポンプ６ｂ用のＧＭ冷凍機８は、２台のＧＭ冷凍機１（図１）により構成される。即ち、クライオポンプ６ｂは、２台の低温発生ユニット３ｂ、３ｂにそれぞれ１台の圧縮ユニット２を戻り配管４、４と、供給配管５、５とを介して接続される。クライオポンプ６ｂの他の構成は、図３のクライオポンプ６ａと同じであり、図４の低温発生ユニット３ｂと図３の低温発生ユニット３ａとは、断面積比αのみ異なり、他の諸元は同一である。また、図３の圧縮ユニット２と図４の圧縮ユニット２とは、同じ物である。
【００６８】
図５は、本発明によるクライオポンプ６ａ用のＧＭ冷凍機７の第１膨張室２７、２７と、クライオポンプ６ｂ用のＧＭ冷凍機８の第１膨張室２７、２７の各冷凍機７、８の冷凍能力を示す図である。図５の冷凍能力は、２つの第１膨張室２７、２７の各冷凍量を足し合せた値ΣＱ１である。また図６は、本発明によるクライオポンプ６ａ用のＧＭ冷凍機７の第２膨張室２８、２８の冷凍量を足し合せた冷凍能力ΣＱ２と、クライオポンプ６ｂ用のＧＭ冷凍機８の第８膨張室２８と、２８の冷凍量を足し合せた冷凍能力ΣＱ２を示す図である。図５および図６中、○印はＧＭ冷凍機７の試験結果を、□印はＧＭ冷凍機８の試験結果を示す。
【００６９】
図５に示すように、ＧＭ冷凍機８の１２０Ｋでの冷凍能力ΣＱ１は１３１．０Ｗであり、ＧＭ冷凍機７の冷凍能力ΣＱ１は１２０Ｋで１１４．２Ｗで、ＧＭ冷凍機８の冷凍能力ΣＱ１の８７．２％である。ＧＭ冷凍機８は２台の低温発生ユニット３ａに対して各々１台の圧縮ユニット２より作動ガスを供給し、２台の圧縮ユニット２を足し合せた消費電力は８．４ｋＷである。一方、ＧＭ冷凍機７は２台の低温発生ユニット３ａに１台の圧縮ユニット２から作動ガスを供給し、圧縮ユニット２の消費電力は４．２０ｋＷであり、ＧＭ冷凍機７の消費電力は、ＧＭ冷凍機８の消費電力の１／２になる。そしてＧＭ冷凍機８の冷凍量が、ＧＭ冷凍機７と同じ冷凍量、即ち１２０Ｋで１１４．２Ｗの場合では、圧縮ユニット２の消費電力は、８．４０ｋＷ×（１１４．２Ｗ／１３１Ｗ）＝７．３２ｋＷになる。従って、ＧＭ冷凍機７はＧＭ冷凍機８より消費電力が３．１２ｋＷ低減される。
【００７０】
図６に示すように、ＧＭ冷凍機８の冷凍能力ΣＱ２は２０Ｋ、１９．８０Ｗであり、ＧＭ冷凍機７の冷凍能力ΣＱ２は、２０Ｋ、１４．３５Ｗで、ＧＭ冷凍機８の冷凍能力ΣＱ２の７２．５％になっている。しかし、ＧＭ冷凍機７は２台の低温発生ユニット３ａ、３ａに１台の圧縮ユニット２より作動ガスを供給し、消費電力４．２０ｋＷである。一方、ＧＭ冷凍機８は２台の低温発生ユニット３ｂ、３ｂに対して各々１台の圧縮ユニット２より作動ガスを供給しているので、消費電力８．４０ｋＷになる。従って、ＧＭ冷凍機７の消費電力は、ＧＭ冷凍機８の消費電力の１／２になる。これにより、ＧＭ冷凍機８の冷凍量が、ＧＭ冷凍機７と同じ冷凍量、即ち２０Ｋで１４．３５Ｗの場合では、圧縮ユニット２の消費電力は、８．４ｋＷ×（１４．３５Ｗ／１９．８０Ｗ）＝６．０９ｋＷになる。結果、ＧＭ冷凍機７は、ＧＭ冷凍機８より消費電力が１．８９ｋＷ（＝６．０９ｋＷ−４．２０ｋＷ）低減され、ＧＭ冷凍機７は、ＧＭ冷凍機８に比べて圧縮ユニット２の消費電力が大幅に低減されることが実証された。
【００７１】
以上により、低温発生ユニット３ａの駆動部１０には、圧縮ユニット２の吐出口２ｂより吐出される作動ガスを背面室２６へ導く高圧側切換弁１９と、背面室２６から圧縮ユニット２に戻る作動ガスを圧縮ユニット２の吸入口２ａへ導く低圧側切換弁１８とを備えている。これにより、１台の圧縮ユニット２から作動ガスを複数台の低温発生ユニット３ａへ並列に供給できるので、ＧＭ冷凍機７の効率が高くなり、圧縮ユニット２の消費電力が低減される。
【００７２】
尚、図５の一点鎖線の曲線は太破線で示されたＧＭ冷凍機８（断面積比α＝７３．５％）の冷凍能力ΣＱ１の１／２を示している。この曲線は、第１膨張室２７の温度が５９ＫでＧＭ冷凍機７の冷凍能力曲線に交わり、温度が５９Ｋより高くなると、ＧＭ冷凍機７の冷凍能力曲線の下側にあり、５９Ｋより低くなると上側にある。これにより、低温発生ユニット３ａの第１膨張室２７が５９Ｋより低くなると、ＧＭ冷凍機７の効率（ＣＯＰ＝冷凍能力／消費電力）は、ＧＭ冷凍機８の効率より低くなる。低温発生ユニット３ａの第１膨張室２７が５９Ｋより高くなると、ＧＭ冷凍機７の効率は、ＧＭ冷凍機８の効率より高くなる。従って、同じ冷凍能力では、第１膨張室２７が５９Ｋより高いと、ＧＭ冷凍機７はＧＭ冷凍機８より消費電力が低くなる。
【００７３】
第２実施形態
図７は、本発明の第２実施形態に係るスプリット型スターリング冷凍機の説明図である。図７に示すように、スプリット型スターリング冷凍機（蓄冷型冷凍機）９は、圧縮ユニット６０と、低温発生ユニット３ｃとを配管６７を介在して接続される。尚、低温発生ユニット３ｃは、駆動部７０を除き、図１の低温発生ユニット３の符番と同じ符番を付す。
【００７４】
圧縮ユニット６０は、圧縮部６１と、駆動部６５と、放熱部６６とを備える。圧縮部６１は、圧縮シリンダ６２と、ピストン本体６３ａにピストンリング６３ｂと保持器６３ｃとを備えた圧縮ピストン６３とにより構成される。そして保持器６３ｃは、駆動部６５に設けた例えばリニアモータ等の駆動機構（図示せず）に連結される。
【００７５】
放熱部６６は、圧縮シリンダ６２の図７における右端に接続され、そして圧縮シリンダ６２と、圧縮ピストン６３と、放熱部６６とに包囲されて圧縮室６４が形成される。圧縮室６４の作動ガスは、圧縮ピストン６３の上死点へ向かう移動により圧縮され、圧縮時の圧縮熱は放熱部６６により外部に放熱される。
【００７６】
低温発生ユニット３ｃは、図１の低温発生ユニット３の駆動部１０に代わり、駆動部７０が第１シリンダ２１のフランジ部２１ａに複数本のボルトで固定され、他の構成は低温発生ユニット３（図１）と同じである。
【００７７】
駆動部７０には、例えば板バネなどの駆動手段（図示せず）が配設され、隔壁７１を貫通したロッド３１ｂが駆動手段に連結される。そして、隔壁７１に設けたロッドシール７２と、ピストンリング３１ａとにより背面室２６の気密が確保される。また、隔壁７１には流路７３が設けられ、流路７３の一端は背面室２６へ導通し、他端は配管６７を介して放熱部６６に接続される。
【００７８】
圧縮ピストン６３が往復動すると、ディスプレーサ３０は圧縮ピストン６３に対して例えば略８０°位相が進むように往復動する。そして圧縮室６４および背面室２６で作動ガスが圧縮され、圧縮熱は放熱部６６で外部へ放熱され、さらに第１蓄冷器４１と第２蓄冷器４４で冷却される。そして第１膨張室２７と第２膨張室２８で作動ガスが膨張し、第１膨張室２７では例えば略１２０Ｋの冷凍が発生され、第２膨張室２８では例えば略２０Ｋの冷凍が発生される。
【００７９】
第１実施形態の低温発生ユニット３（図１）と同様に、低温発生ユニット３ｃの第１蓄冷器４１の断面積ＡＲ１と第１シリンダ２１の穴の断面積ＡＣ１との断面積比α（＝ＡＲ１／ＡＣ１）は、３０％〜５８％に設定される。また、第２蓄冷器４４の断面積ＡＲ２と第２シリンダ２２の穴の断面積ＡＣ２との断面積比β（＝ＡＲ２／ＡＣ２）は、４５％〜６２％に設定される。従って、低温発生ユニット３の低圧側切換弁１８と高圧側切換弁１９による効果を除き、低温発生ユニット３ｃは第１実施形態の低温発生ユニット３と同じ理由により、同じ効果を生じる。
【００８０】
尚、スプリット型スターリング冷凍機９は、圧縮ユニット６０と、低温発生ユニット３ｃとを配管６７で接続しているが、配管６７を使用せず、放熱部６６を第１シリンダ２１のフランジ部２１ａに接続したインテグレート型スターリング冷凍機でも良い。この場合、ロッド３１ｂは放熱部６６を貫通して圧縮ユニット６０の駆動部６５に設けた板バネなどの駆動手段に連結される。そして、配管６７が取除かれるので圧縮比が高くなり、冷凍能力Ｑ１、Ｑ２はスプリット型スターリング冷凍機９より増大する。
【００８１】
また、スプリット型スターリング冷凍機９は、第１蓄冷器４１と第２蓄冷器４４がディスプレーサ３０に内蔵されているが、シリンダ２０の外部に第１蓄冷器と第２蓄冷器を設けても良い。そして、外部に設けた第１蓄冷器の断面積ＡＲ１と、第１シリンダの断面積ＡＣ１との断面積比α（＝ＡＲ１／ＡＣ１）を３０％〜５８％に設定する。同様に、外部に設けた第２蓄冷器の断面積ＡＲ２と、第２シリンダの断面積ＡＣ２との断面積比β（＝ＡＲ２／ＡＣ２）は４５％〜６２％に設定する。これにより、第１実施形態の低温発生ユニット３と同じ理由で、スターリング冷凍機の消費電力が低減できる。
【００８２】
尚、二段凸型形状のシリンダ２０に挿入される二段凸型形状のピストンは、ディスプレーサでも膨張ピストンでも良い。膨張ピストンの場合には、膨張ピストンのロッドが連結される側のピストン端面に、例えば駆動部の略一定の圧力が作用する。この場合、ロッドは駆動部に設けたクランク機構などの駆動手段に連結される。
【００８３】
また、第１蓄冷器４１と第２蓄冷器４４をディスプレーサ３０から取外してシリンダ２０の外部に設けると共に、第１シリンダ２１と第２シリンダ２２とより形成された１本の二段凸型形状のシリンダ２０を、各々別体の第１シリンダと第２シリンダにしても良い。この場合は、第１シリンダの断面積ＡＣ１は第２シリンダの断面積ＡＣ２が除かれている。従って、第１蓄冷器の断面積ＡＲ１と、第１シリンダの断面積ＡＣ１と第２シリンダの断面積ＡＣ２とを足し合せた断面積（ＡＣ１＋ＡＣ２）との断面積比γ＝（ＡＲ１／（ＡＣ１＋ＡＣ２））が４５％〜５８％に設定される。一方、第２蓄冷器の断面積ＡＲ２と第２シリンダの断面積ＡＣ２との断面積比β（＝ＡＲ２／ＡＣ２）は４５％〜６２％に設定される。これにより、第１実施形態の低温発生ユニット３と同じ理由で、スターリング冷凍機の消費電力が低減できる。
【符号の説明】
【００８４】
１、７ ＧＭ冷凍機（蓄冷型冷凍機）
２、６０ 圧縮ユニット
２ａ 吸入口
２ｂ 吐出口
３、３ａ、３ｃ 低温発生ユニット
４、４ａ、４ｂ 戻り配管
５、５ａ、５ｂ 供給配管
９ スプリット型スターリング冷凍機（蓄冷型冷凍機）
１０、７０ 駆動部
１０ｂ、７１ 隔壁
１８ 低圧側切換弁
１９ 高圧側切換弁
２０ シリンダ
２１ 第１シリンダ
２２ 第２シリンダ
２６ 背面室
２７ 第１膨張室
２８ 第２膨張室
３０ ディスプレーサ
３１ 第１ピストン
３１ｂ ロッド
３４ 第２ピストン
４１ 第１蓄冷器
４４ 第２蓄冷器
Ｙ 軸
【技術分野】
【０００１】
本発明は、クライオポンプなどに使用される蓄冷型冷凍機に関し、詳しくは蓄冷型冷凍機の圧縮機（圧縮ユニット）の消費電力を低減可能な蓄冷型冷凍機の低温発生ユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来技術の蓄冷型冷凍機の低温発生ユニットとして、圧縮機ユニットと、温度の異なる第１段目膨張空間と第２段目膨張空間を備えた２段膨張方式の膨張ユニット（低温発生ユニット）を備えた蓄冷型極低温冷凍機が開示されている。この膨張ユニットは、階段状に先端部ほど細くなる２段に形成されたシリンダと、このシリンダ内に挿入され段状に先端部ほど細くなる２段に形成されたディスプレーサと、ディスプレーサの各段に内蔵された１段目蓄冷器と、２段目蓄冷器とを備える。そして２段目ディスプレーサの根元側にピストンリングが少なくとも二つ取付けられている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、蓄冷型の極低温冷凍機の蓄冷器において、蓄冷器の容器内に充填した金網のうち、容器内における低温端面側の領域に積層する金網（例えば、４００メッシュ、線径３０μｍ）は空間率が小さく、かつ線径の細いものとし、高温端面側の領域に積層する金網は低温側に積層する金網の空間率よりも空間率を大きく、かつ線径も太いもの（例えば、３２５メッシュ、線径３５μｍ）を選定した極低温冷凍機が開示されている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平３−１９９８５５号公報
【特許文献２】特開２００３−１４８８２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１によれば、２段目ディスプレーサにピストンリングを二つ以上取付けることにより、ピストンリングを介して第１段目膨張空間から第２段目膨張空間へ流入するヘリウム量は減少する。しかし、２段目蓄冷器を流動するヘリウムは低温で粘度が低いので、２段目蓄冷器の圧力損失は小さい。このため、２段目ディスプレーサにピストンリングを二つ以上取付けても、第１段目膨張空間から第２段目膨張空間へ流入するヘリウムの減少量は僅かである。従って、第２段目膨張空間での冷凍能力の向上は僅かであり、また第１段目膨張空間の冷凍能力の向上は殆どないので、要求冷凍能力に対して圧縮機の消費電力の低減量効果は僅かであるといった問題がある。
【０００６】
また、特許文献２によれば、圧力損失と蓄冷器の非効率損失の両方を改善するため、低温端面側の領域に例えば４００メッシュ、線径３０μｍの金網を積層し、高温端面側の領域に例えば３２５メッシュ、線径３５μｍの金網を積層している。しかし、高温端面側の領域では蓄冷器の効率向上より蓄冷器の圧力損失低減を図り、低温端面側の領域では蓄冷器の圧力損失低減よりも蓄冷器の効率向上を図っている。結果、圧力損失と非効率損失の両方が僅かに改善されるだけであるので、特許文献１と同じ問題がある。
【０００７】
近年、ＣＯ２削減の電力削減のため、半導体製造装置などに使用されるクライオポンプは、消費電力の低減が要求されている。このため、作動ガスを供給する圧縮ユニット（圧縮機）を小型なものを使用する方法（以下、方法１）と、１台の圧縮ユニットで複数台の蓄冷型冷凍機を運転させる方法（以下、方法２）が考えられる。しかし、従来技術の蓄冷型冷凍機、例えばギフォードマクマホン冷凍機（以下、ＧＭ冷凍機）は多量のガス流量を必要とする。このため、要求される冷凍量を得るには、従来技術の蓄冷型冷凍機を使用して、方法１あるいは方法２を実施しても、消費電力の低減は難しい問題がある。
【０００８】
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、圧縮ユニットの消費電力を低減できる蓄冷型冷凍機の低温発生ユニット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】
【０００９】
上記課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、第１シリンダと該第１シリンダより小さな内径の第２シリンダとにより形成される内面が二段凸型形状のシリンダと、第１シリンダに往復動可能に挿設される第１ピストンと第２シリンダに往復動可能に挿設される第２ピストンとにより形成され、作動ガスを膨張させる二段凸型形状のディスプレーサと、第１ピストンに内蔵される第１蓄冷器と、第２ピストンに内蔵される第２蓄冷器と、
第１ピストンの高温端側に連結したロッドを介してディスプレーサを往復動させる駆動部と、を備え、 ロッドが貫通され第１シリンダの高温側に配設される隔壁と、第１シリンダと、第１ピストンと、ロッドと、で包囲され、作動ガスが流出入する背面室が形成され、
第１蓄冷器の高温端は背面室に導通され、第１蓄冷器の低温端は第１シリンダと、第１ピストンと、第２ピストンと、で包囲して形成された第１膨張室に導通され、第２蓄冷器の低温端は第２シリンダと第２ピストンと、で包囲して形成された第２膨張室に導通され、第２蓄冷器の高温端は第１膨張室と第１蓄冷器の低温端との少なくともいずれか一方に導通され、第２蓄冷器の軸に直交する断面積は、第２シリンダの穴の軸に直交する断面積の４５％〜６２％に設定され、第１蓄冷器の軸に直交する断面積は、第１シリンダの穴の軸に直交する断面積の３０％〜５８％に設定される。
【００１０】
また、請求項２に記載の発明は、駆動部には、圧縮ユニットの吐出口により吐出される作動ガスを供給配管を介して背面室へ導く高圧側切換弁と、背面室から圧縮ユニットの吸入口に戻る作動ガスを戻り配管を介して該吸入口へ導く低圧側切換弁とを備え、
高圧側切換弁が開状態では低圧側切換弁が閉状態であり、低圧側切換弁が開状態では高圧側切換弁が閉状態である。
【発明の効果】
【００１１】
また、請求項１に記載の発明では、第２蓄冷器の軸に直交する断面積が第２シリンダの穴の軸に直交する断面積の４５％〜６２％に設定され、第１蓄冷器の軸に直交する断面積は、第１シリンダの穴の軸方向に直交する断面積の３０％〜５８％に設定される。これにより、作動ガス供給時、１サイクルにおいて第１蓄冷器と第２蓄冷器とに貯め込まれる作動ガス量は制限される。結果、圧縮ユニットから低温発生ユニットへ供給する作動ガスの流量が低減され、蓄冷型冷凍機の低温発生ユニットは、圧縮ユニットの消費電力を低減できる。
【００１２】
また、請求項２に記載の発明では、低温発生ユニットの駆動部には、圧縮ユニットからの作動ガスを供給配管を介して背面室へ導く高圧側切換弁と、背面室から戻り配管を介して圧縮ユニットへ作動ガスを導く低圧側切換弁とを備えている。高圧側切換弁より供給配管は常時、高圧が保持され、低圧側切換弁により戻り配管は常時、低圧に保持される。これにより、供給配管と戻り配管の各容積が増減しても、圧縮ユニットの吐出流量は増減せず、一定の吐出流量が保持される。結果、供給配管と戻り配管の各本数を増加し、各容積が増大しても、各膨張室で発生される冷凍能力の低下は阻止される。従って、１台の圧縮ユニットと、複数台（例えば、２台）の低温発生ユニットとを複数本（例えば、２本）の戻り配管と、複数本（例えば、２本）の供給配管とでそれぞれ並列接続することにより、複数（例えば、２台）の第１膨張室の冷凍量の合計と、複数（例えば、２台）の第２膨張室の冷凍量の合計は共に増大する。結果、蓄冷型冷凍機の低温発生ユニットは、要求される冷凍能力に対して、圧縮ユニットの消費電力が低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１実施形態に係るＧＭ冷凍機の説明図である。
【図２】図１の低温発生ユニットの第１蓄冷器と第１シリンダとの断面積比に対する第２膨張室の冷凍能力を示す図である。
【図３】第１実施形態の圧縮ユニット（１台）と低温発生ユニット（２台）とで構成したＧＭ冷凍機をクライオポンプに適応した説明図である。
【図４】第１実施形態のＧＭ冷凍機（２台）をクライオポンプに適応した説明図である。
【図５】図３と図４に示すクライオポンプ用のＧＭ冷凍機の第１膨張室の冷凍能力を示す図である。
【図６】図３と図４に示すクライオポンプ用のＧＭ冷凍機の第２膨張室の冷凍能力を示す図である。
【図７】本発明の第２実施形態に係るスプリット型スターリング冷凍機の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下に本発明の実施例を図面を参照しつつ詳細に説明する。
【００１５】
第１実施形態
図１は、本発明の第１実施形態に係るＧＭ冷凍機の説明図である。図１に示すようにＧＭ冷凍機（蓄冷型冷凍機）１は、圧縮ユニット２と低温発生ユニット３とを戻り配管４および供給配管５を介して接続したもので、ヘリウムなどの作動ガスが充填される。
【００１６】
圧縮ユニット２は、圧縮機（図示せず）と放熱器（図示せず）を備え、低温発生ユニット３の低圧ポート１１から戻り配管４を介し、圧縮ユニット２の吸入口２ａに戻ってきた低圧（例えば、０．９ＭＰａ）を圧縮機で昇圧（例えば、２．１ＭＰａ）する。そして、放熱器で圧縮熱を外部へ放熱する。放熱器された作動ガスは、圧縮ユニット２の吐出口２ｂから供給配管５を介して低温発生ユニット３の高圧ポート１２へ供給される。
【００１７】
低温発生ユニット３は、駆動部１０と、内面が二段凸型形状のシリンダ２０と、シリンダ２０に往復動可能に挿入された二段凸型形状のディスプレーサ３０と、第１蓄冷器４１と、第２蓄冷器４４と、ディスプレーサ３０の高温端に固定したロッド３１ｂと、を備える。
【００１８】
駆動部１０は、ディスプレーサ３０を往復駆動するスコッチヨークなどの駆動機構（図示せず）と、駆動機構を駆動するモータ１３と、低圧側切換弁１８と、高圧側切換弁１９とを備えている。低圧側切換弁１８と高圧側切換弁１９は、それぞれ駆動機構に連動したカム１４、１５により開閉される。そして１サイクルにおいて、低圧側切換弁１８が開状態では高圧側切換弁１９は閉状態であり、高圧側切換弁１９が開状態では低圧側切換弁１８は閉状態である。
【００１９】
低圧側切換弁１８は、開状態において、低圧の作動ガスを背面室２６から順次、流路１６、低圧側切換弁１８、駆動室１０ｄ、およびモータ室（図示せず）を介して低圧ポート１１へ導く。高圧側切換弁１９は、開状態において、供給配管５から高圧ポート１２へ流入した高圧の作動ガスを順次、流路１２ａ（一部のみ図示）、高圧側切換弁１９、および流路１７を介して後述する背面室２６へ導入する。
【００２０】
シリンダ２０は、大径の第１シリンダ２１と、小径の第２シリンダ２２と、第１シリンダ２１の低温端側に固定した第１コールドヘッド２３と、第２シリンダ２２の低温端側に固定した第２コールドヘッド２４とを備える。そして、第１シリンダ２１の高温側のフランジ部２１ａが、Ｏリング２５を介在して駆動部１０のフランジ部１０ａに複数のボルトで気密に固定される。
【００２１】
ディスプレーサ３０は、大径の第１ピストン３１と小径の第２ピストン３４とが継手３７を介して連結され、第１ピストン３１は第１蓄冷器４１を内蔵し、第２ピストン３４は第２蓄冷器４４を内蔵する。
【００２２】
第１ピストン３１は、高温側が有底の壁３２ｄを有すると共に、低温端から開口された穴３２ａを有するピストン本体３２と、穴３２ａの低温端に設けたキャップ３３とを備える。そして、キャップ３３と壁３２ｄとに挟まれた穴３２ａ部分により、第１蓄冷器４１の容器４２が形成される。第１蓄冷器４１には、容器４２に複数枚の金網（例えば、２００メッシュ、線径０．０５ｍｍ、材質りん青銅）などの蓄冷材４３が充填される。
【００２３】
壁３２ｄには、一端が第１蓄冷器４１の高温端へ導通し、他端が背面室２６へ導通する複数本の流路３２ｂが設けられる。そしてピストン本体３２の低温端側の外周面には、一端が第１蓄冷器４１の低温端へ導通し、他端が第１膨張室２７へ導通する複数本の流路３２ｃが設けられる。
【００２４】
第２ピストン３４は、ピストン本体３５とキャップ３６を備える。ピストン本体３５は、低温端から蓄冷材４６が充填される穴３５ａが開口され、高温端には継手３７が挿入される孔３５ｂが開口され、孔３５ｂは穴３５ａより小径である。そして、キャップ３６と継手３７とに挟まれた穴３５ａ部分により、第２蓄冷器４４の容器４５が形成される。
【００２５】
第２蓄冷器４４は、容器４５に微小（例えば、直径０．２ｍｍ）な鉛球などの蓄冷材４６が充填され、蓄冷材４６の流出を阻止するため複数枚の金網４７が容器４５の両端に積層される。そして穴３５ａに挿入したキャップ３６と、ピストン本体３５とにピン３９ａが密嵌され、キャップ３６がピストン本体３５に固定される。
【００２６】
第２ピストン３４の外周面の高温端側と低温端側には、それぞれ複数本の流路３５ｃと複数本の流路３５ｄが設けられる。流路３５ｃの一端は第１膨張室２７へ、他端は第２蓄冷器４４の高温端へ導通される。流路３５ｄの一端はキャップ３６に設けた複数の放射溝からなる流路３６ａを介して第２蓄冷器４４の低温端へ導通され、他端は第２膨張室２８へ導通される。
【００２７】
上述したようにディスプレーサ３０は、第１ピストン３１と第２ピストン３４とが継手３７を介在して連結される。詳しく述べると、第１ピストン３１のキャップ３３の図１における上面側には、第２ピストン３４の外径より僅かに大きい座グリ３３ａと、継手３７の外径より僅かに大きい有底の穴３３ｂとが削孔される。座グリ３３ａと、穴３３ｂとには、それぞれ第２ピストン３４の高温端側と、継手３７とが遊嵌される。そして第１ピストン３１と、キャップ３３と、継手３７と、にピン３８を挿入して、第１ピストン３１と継手３７とが連結される。ピン３８は、第１ピストン３１とキャップ３３には密嵌され、継手３７には遊嵌される。また、第２ピストン３４と継手３７とにピン３９ｂが挿入され、第２ピストン３４と継手３７が連結される。ピン３９ｂは、第２ピストン３４に密嵌され、継手３７には遊嵌される。
【００２８】
また、第１ピストン３１の高温側と第２ピストン３４の高温側には、それぞれピストンリング３１ａとピストンリング３４ａとが各ピストン３１、３４に設けた溝に装着される。そして、第１ピストン３１は第１シリンダ２１に、第２ピストン３４は第２シリンダ２２に往復動可能に挿設される。
【００２９】
背面室２６は、第１シリンダ２１と、第１ピストン３１と、ロッド３１ｂと、駆動部１０の隔壁１０ｂとに包囲されて第１シリンダ２１の高温側に形成される。そして、隔壁１０ｂに設けたロッドシール１０ｃにより、背面室２６と駆動室１０ｄとの間のガス漏れが阻止される。
【００３０】
第１膨張室２７は、第１シリンダ２１と、第１ピストン３１と、第２ピストン３４とに包囲されて第１シリンダ２１の低温側に形成される。そしてピストンリング３１ａにより、背面室２６と第１膨張室２７との間のガス漏れが阻止される。
【００３１】
第２膨張室２８は、第２シリンダ２２と第２ピストン３４とに包囲されて第２シリンダ２２の低温側に形成され、ピストンリング３４ａにより第２膨張室２８と第１膨張室２７との間のガス漏れが阻止される。
【００３２】
低温発生ユニット３の作動回路は、順次、流路１６、１７と、背面室２６と、流路３２ｂと、第１蓄冷器４１と、流路３２ｃと、第１膨張室２７と、流路３５ｃと、第２蓄冷器４４と、流路３６ａと、流路３５ｄと、第２膨張室２８とを連通して形成される。
【００３３】
次に、本発明の第１実施形態に係るＧＭ冷凍機１の作動と効果について説明する。
【００３４】
ディスプレーサ３０が、下死点の僅か手前の位置から中立点と上死点の間の位置の区間において、高圧側切換弁１９が開状態であり、低圧側切換弁１８は閉状態である。この区間に圧縮ユニット２からの高圧の作動ガスが、高圧ポート１２を通過して低温発生ユニット３へ供給される。ディスプレーサ３０が上死点の僅か手前の位置から中立点と下死点の間の位置の区間において、低圧側切換弁１８は開で、高圧側切換弁１９が閉である。この区間において低圧ポート１１を通過して低温発生ユニット３から低圧の作動ガスが圧縮ユニット２へ戻される。そして、ディスプレーサ３０の１サイクルの往復動により、第１膨張室２７と第２膨張室２８とにおいて、作動ガスはそれぞれ膨張仕事（ＰＶ仕事）Ｗ１、Ｗ２をなす。これにより、例えば第１膨張室２７で略１２０Ｋの冷凍、第２膨張室２８で略２０Ｋの冷凍が発生される。
【００３５】
第２膨張室２８の膨張仕事Ｗ２は第２蓄冷器４４の軸Ｙに直交する断面のガス素片のＰＶ仕事Ｗ２として第２蓄冷器４４の低温端から高温端へ伝達され、第１蓄冷器４１の低温端に流入する。そして、第１蓄冷器４１の低温端に流入したＰＶ仕事Ｗ２と、第１膨張室２７のＰＶ仕事Ｗ１とは、第１蓄冷器４１の低温端で足し合わされ、第１蓄冷器４１の軸Ｙに直交する断面のガス素片のＰＶ仕事として第１蓄冷器４１の低温端から高温端へ伝達され、低圧側切換弁１８において消費される。
【００３６】
ところで、高圧側切換弁１９が開状態、低圧側切換弁１８が閉状態において、圧縮ユニット２から高圧ポート１２を介して低温発生ユニット３へ供給される高圧の１サイクルの作動ガス量ＭＣは、低温発生ユニット３の作動回路に貯め込まれる高圧の作動ガス量ＭＨになる。低温発生ユニット３から圧縮ユニット２に戻される低圧の１サイクルの作動ガス量ＭＬは、作動ガス量ＭＣと同じ値である。
【００３７】
以下において、説明を解り易くするため、作動回路の流路１６、１７と、流路３２ｂと、流路３２ｃと、流路３５ｃと、流路３６ａと、流路３５ｄに貯め込まれる高圧の作動ガス量は、微小量であるので省略する。従って、高圧の作動ガス量ＭＣ（＝ＭＨ＝ＭＬ）は背面室２６と、第１蓄冷器４１と、第１膨張室２７と、第２蓄冷器４４と、第２膨張室２８とに貯め込まれる１サイクルにおけるそれぞれの高圧の作動ガス量ＭＢと、ＭＲ１と、ＭＥ１と、ＭＲ２と、ＭＥ２の合計になる。
【００３８】
作動ガス量ＭＢと、ＭＲ１と、ＭＥ１と、ＭＲ２と、ＭＥ２は気体の状態方程式Ｍ＝ΔＰＶ／（ＲＴ）により求められる。ここで、Ｒは気体定数、Ｔは各部位のガス温度、Ｖは各部位の作動ガスが占める容積、ΔＰは高圧側切換弁１９の開状態における低温発生ユニット３の作動回路のガス圧ＰＨと低圧側切換弁１８の開状態における作動回路のガス圧ＰＬとの差圧（ＰＨ−ＰＬ）である。尚、前記の温度Ｔは、各蓄冷器４１、４４では高温端と低温端の平均ガス温度ＴＲ１、ＴＲ２であり、他の部位ではその部位内のガス温度である。
【００３９】
低温発生ユニット３において、第１蓄冷器４１の容器４２の内径のみ減少させる。そして、第１シリンダ２１と、第２シリンダ２２の内径と、第１蓄冷器４１の容器４２の長さと、第２蓄冷器４４の容器４５の内径および長さと、ディスプレーサ３０のストロークおよび各段の外径は一定寸法を維持する。これにより、第１蓄冷器４１の作動ガスが占める容積ＶＲ１は減少するが、背面室２６、第１膨張室２７、第２蓄冷器４４、第２膨張室２８の作動ガスが占める各容積ＶＢ、ＶＥ１、ＶＲ２、ＶＥ２は変化しない。
【００４０】
従って、圧縮ユニット２から作動回路へ供給される高圧の作動ガス量ＭＣは、第１蓄冷器４１に貯め込まれる作動ガス量ＭＲ１（＝ΔＰＶＲ１／（ＲＴＲ１））の減少量と同じ量、減少するので、圧縮ユニット２の吐出流量は低減される。この場合、第１蓄冷器４１の容器４２の軸Ｙ（図１）に直交する断面積（以下、第１蓄冷器４１の断面積）ＡＲ１と第１シリンダ２１の穴の断面積ＡＣ１（以下、第１シリンダ２１の断面積）との断面積比α（＝ＡＲ１／ＡＣ１）は、減少している。
【００４１】
ところで、第１蓄冷器４１の蓄冷材４３の充填量は、多過ぎると容器４２の容積が増大して、圧縮ユニット２の吐出流量が増大し、消費電力も増大する。一方、少な過ぎると第１蓄冷器４１を往復流動する作動ガスと蓄冷材４３との熱交換時における温度差が増大して、第１蓄冷器４１の熱損失が増大する。その結果、第１膨張室２７の冷凍能力Ｑ１と、第２膨張室２８の冷凍能力Ｑ２が低下する。従って、第１蓄冷器４１は適正量の蓄冷材４３を確保するため、第１蓄冷器４１の大きさ（断面積ＡＲ１）を適正にする。これにより、以下の作用に基づき、冷凍能力Ｑ１、Ｑ２を確保しつつ、圧縮ユニット２の消費電力が低減される。
【００４２】
即ち、低温発生ユニット３の前述の差圧（ＰＨ−ＰＬ）を一定に保ち、第１蓄冷器４１の断面積ＡＲ１のみ適正に減少させる。断面積ＡＲ１の減少前後において、作動ガスの差圧（ＰＨ−ＰＬ）は変化しないので、第１膨張部４１と第２膨張部４２の膨張仕事Ｗ１、Ｗ２は、断面積ＡＲ１を変える前後では変化せず一定値が保持される。これにより、第１膨張部４１と第２膨張部４２の冷凍能力Ｑ１、Ｑ２も変化せず維持される。一方、第１蓄冷器４１の断面積ＡＲ１のみ適正に減少したので、１サイクルにおける第１蓄冷器４１に貯め込まれるガス量のみ減少する。結果、圧縮ユニット２から低温発生ユニット３へ供給されるガス流量が低減され、圧縮ユニット２の消費電力が低減される。
【００４３】
また、圧縮ユニット２から低温発生ユニット３への供給流量を一定に保ち、第１蓄冷器４１の断面積ＡＲ１のみ大きさを適正に減少させる。この場合、ガス供給時において、低温発生ユニット３の作動回路に貯め込まれる１サイクルにおけるガス量は、断面積ＡＲ１を変えた前後では変化せず一定量である。従って、第１蓄冷器４１の断面積ＡＲ１のみ減少したので、低温発生ユニット３の差圧（ＰＨ−ＰＬ）が増大する。結果、第１膨張部４１と第２膨張部４２の膨張仕事Ｗ１、Ｗ２が増大し、各膨張部４１、４２の冷凍能力Ｑ１、Ｑ２が増大する。この場合、圧縮ユニット２の吐出圧Ｐｏｕｔと吸入圧力Ｐｉｎとの圧力差（Ｐｏｕｔ−Ｐｉｎ）は、第１蓄冷器４１大きさを変えた前後で殆ど変化しないので、圧縮ユニット２の消費電力も殆ど変化せず、ほぼ一定である。しかし、冷凍能力Ｑ１、Ｑ２が増大するので、ＧＭ冷凍機１の効率が増大し、第１膨張部４１と第２膨張部４２の要求される各冷凍量に対して、圧縮ユニット２の消費電力が低減される。
【００４４】
また、低温発生ユニット３は、圧縮ユニット２からの作動ガスを供給配管５を介して背面室２６へ導く高圧側切換弁１９と、背面室２６から戻り配管４を介して圧縮ユニット２へ作動ガスを導く低圧側切換弁１８とを備えている。高圧側切換弁１９により供給配管５は常時、高圧が保持され、低圧側切換弁１８により戻り配管４は常時、低圧に保持される。これにより、供給配管５と戻り配管４の各容積が増減しても、圧縮ユニット２の吐出流量は増減せず、一定の吐出流量が保持される。結果、供給配管５と戻り配管４の各本数を増加し、各容積が増大しても、各膨張室２７、２８で発生される冷凍能力の低下は阻止される。従って、１台の圧縮ユニット２と、複数台（例えば、２台）の低温発生ユニット３とを複数本（例えば、２本）の戻り配管４と、複数本（例えば、２本）の供給配管５とでそれぞれ並列接続することにより、複数の第１膨張室２７の冷凍能力の合計ΣＱ１と、複数の第２膨張室２８の冷凍能力の合計ΣＱ２は共に増大する。結果、要求される冷凍量に対して、圧縮ユニット２の消費電力が低減できる。
【００４５】
以下、試験例および適応例の各試験結果に基づき、第１蓄冷器４１の適正な断面積ＡＲ１と効果ついて説明する。
【００４６】
（試験例）
第１実施形態のＧＭ冷凍機１の試験結果の比較について説明する。
【００４７】
図２は、サイズの異なる２機種（大型と小型）の低温発生ユニット３の断面積比α（＝ＡＲ１／ＡＣ１）に対する第２膨張室２８の２０Ｋにおける冷凍能力Ｑ２の試験結果を示した図である。図中、○印はサイズの大きな低温発生ユニット３（以下、大型機）の試験結果を示し、□印はサイズの小さな低温発生ユニット３（以下、小型機）の試験結果を示す。大型機では、断面積比αは４１．３％と、７３．５％の２つの試験結果を示す。この場合、作動ガスの供給流量は一定である。小型機では、断面積比αは３３．８％と、６６．９％の２つの試験結果を示し、この場合も作動ガスの供給流量は一定である。また、第２蓄冷器４４の容器４５の軸Ｙに直交する断面積ＡＲ２（以後、第２蓄冷器４４の断面積ＡＲ２）と第２シリンダ２２の穴の軸Ｙに直交する断面積ＡＣ２（以後、第２シリンダ２２の断面積ＡＣ２）との断面積比β（＝ＡＲ２／ＡＣ２）は、大型機が４９．０％、小型機が４７．９％に設定されている。
【００４８】
そして、図２の太実線は大型機の冷凍能力を示す冷凍能力曲線であり、図２の太破線は小型機の冷凍能力を示す冷凍能力曲線である。各冷凍能力曲線は、それぞれの冷凍能力Ｑ２の試験結果と、断面積比α＝０％における冷凍能力０の点とを曲線で結んでいる。
【００４９】
図２の試験結果によれば、大型機の第２膨張室２８の冷凍能力Ｑ２は、断面積比α＝７３．５％で６．２５Ｗに対して、断面積比α＝４１．３％では７．８０Ｗである。従って、断面積比α＝４１．３％の場合の冷凍能力Ｑ２は、断面積比α＝７３．５％に比べて１．２４８倍増大している。この場合、低温発生ユニット３への供給流量はα＝４１．３％とα＝７３．５％とで同じであるので、断面積比α＝４１．３％と断面積比α＝７３．５％の圧縮ユニット２の消費電力は同じである。
【００５０】
大型機において、第１膨張室２７の断面積比α＝４１．３％と断面積比α＝７３．５％の場合の各冷凍能力Ｑ２を同一にする。即ち、各断面積比αの冷凍能力Ｑ２を２０Ｋで６．２５Ｗに揃える。この条件下では、断面積比α＝４１．３％の圧縮ユニット２の消費電力は、断面積比α＝７３．５％の消費電力の略８０％（＝６．２５Ｗ／７．８０＝８０．１％）になり、略２０％低減される。
【００５１】
一方、小型機の第２膨張室２８の冷凍能力Ｑ２は、断面積比α＝３３．８％で７．８０Ｗに対して、断面積比α＝６６．９％では５．４０Ｗである。従って、断面積比α＝３３．８％の場合の冷凍能力Ｑ２は、断面積比α＝６６．９％に比べて１．４４倍増大している。この場合、α＝３３．８％とα＝６６．９％とでは低温発生ユニット３への供給流量が同じであるので、断面積比α＝３３．８％と断面積比α＝６６．９％の圧縮ユニット２の消費電力は同じである。
【００５２】
小型機において、第１膨張室２７の断面積比α＝３３．８％と断面積比α＝６６．９％の場合の各冷凍能力Ｑ２を同一にする。即ち、各断面積比αの冷凍能力Ｑ２を２０Ｋで５．４０Ｗに揃える。この条件下では、断面積比α＝３３．８％の圧縮ユニット２の消費電力は、断面積比α＝６６．９％の消費電力の略６９％（＝５．４０Ｗ／７．８０Ｗ＝６９．２％）になり、略３１％低減される。
【００５３】
図２に示すように、大型機と小型機とでは、断面積比αがそれぞれ略４８％と略３９％で冷凍能力Ｑ２が最大になり、最大冷凍能力になる断面積比αは異なる。そして、断面積比αが図２の２本の一点差線で示す３０％〜５８％の範囲では、低温発生ユニット３のサイズの大小に係わらず冷凍能力Ｑ２は高くなる。また、断面積比αが３０％〜５８％の範囲で、第１膨張室２７の冷凍能力Ｑ１も、第２膨張室２８の冷凍能力Ｑ２の増加率と略同じように増大する。
【００５４】
以上により、第１膨張部２７と、第２膨張部２８において所定の冷凍量を得る際、断面積比αを３０％〜５８％に設定する。これにより、大型機、小型機のサイズの異なる機種によらず、圧縮ユニット２の消費電力が低減された効率の高い低温発生ユニット３が提供できる。
【００５５】
上述の説明では、第２蓄冷器４４の断面積ＡＲ２と第２シリンダ２２の断面積ＡＣ２との断面積比βは、大型機で４９．０％、小型機で４７．９％であったが、以下の理由により断面積比βは４５％〜６２％に設定される。
【００５６】
即ち、第２蓄冷器４４は、第１蓄冷器４１に比べて低い温度領域（例えば、略１２０Ｋ〜略２０Ｋ）で作用する。ヘリウムなどの作動ガスは、温度が低くなると密度が大きくなり、また比熱も略１０Ｋまでは大きくなる。一方、鉛などの蓄冷材は、温度が低くなるほど比熱が低下する。従って、第２膨張室２８において所定の温度、所定の冷凍量を得るためには、蓄冷材４６は、第２蓄冷器４４内の作動ガス量を少なく確保しつつ、第２蓄冷器４４を往復流動する作動ガスと僅かな温度差で熱交換できる適正量の蓄冷材４６が必要になる。このため、第２蓄冷器４４の断面積ＡＲ２（第２蓄冷器４４の死容積）を適正値にしなければならない。
【００５７】
第２蓄冷器４４の断面積ＡＲ２の適正値を確保するにあたり、第２ピストン３４の機械的強度も確保しなければならない。第２ピストン３４は、ピストンリング３４ａ用のリング溝と、第２蓄冷器４４用の穴３５ａとが設けられている。このため、リング溝付近の機械的強度を確保しなければならず、穴３５ａの径寸法はリング溝深さにより制約を受ける。
【００５８】
例えば小型機の試験結果では、第２膨張室２８の２０Ｋにおける冷凍能力Ｑ２は、断面積比βが３７．８％で７．４５Ｗで、４７．９％で８．１５Ｗのであり、４７．９％を超えても冷凍能力Ｑ２は増加傾向にある。そして、第２シリンダ２２の内径が小さくなるほど、ピストンリング溝深さの制約の影響が大きくなり、断面積比βの適正値は小さくなる。第２シリンダ２２の内径が大きくなるほど、ピストンリング溝深さの制約の影響が少なくなり、断面積比βの適正値は大きくなる。
【００５９】
蓄冷材４６の適性量確保と、第２ピストン３４の機械的強度確保とを考慮して、第２ピストン３４に内蔵される内蔵型の第２蓄冷器４４では、第２蓄冷器４４の断面積ＡＲ２と第２シリンダ２２の断面積ＡＣ２との断面積比β（＝ＡＲ２／ＡＣ２）は、４５％〜６２％に設定される。
【００６０】
（適応例）
図３は、本発明の低温発生ユニット３（図１）をクライオポンプに適応した説明図であり、低温発生ユニット３（試験例の大型機）の断面積比αは４１．３％、断面積比βは４９．０％に設定されている。ここで、断面積比α＝４１．３％、断面積比β＝４９．０％の低温発生ユニット３を低温発生ユニット３ａとする。
【００６１】
図３に示すように、クライオポンプ６ａ用のＧＭ冷凍機（蓄冷型冷凍機）７は、２台の低温発生ユニット３ａ、３ａに１台の圧縮ユニット２を戻り配管４ａ、４ｂと、供給配管５ａ、５ｂとを介して接続される。
【００６２】
図３の圧縮ユニット２は、図１の圧縮ユニット２と同じ物である。尚、図３のＧＭ冷凍機７は、低温発生ユニット３ａ、戻り配管４ａ、４ｂと、供給配管５ａ、５ｂを除き、図１のＧＭ冷凍機１と同じ符番を付す。
【００６３】
クライオポンプ６ａは、ＧＭ冷凍機７と、真空容器５１と、輻射シールド５２と、バッフル５３と、クライオパネル５４と、架台５５とにより構成される。
【００６４】
真空容器５１は、低温発生ユニット３ａ、３ａのフランジ部２１ａ、２１ａに気密に固定される。輻射シールド５２は、真空容器５１内に配置され、低温発生ユニット３ａ、３ａの第１コールドヘッド２３、２３に固定される。輻射シールド５２の開口部５２ａ側には、バッフル５３が固定される。輻射シールド５２とバッフル５３とは、第１膨張室２７、２７で発生される例えば略１２０Ｋの冷凍により第１膨張室２７の温度近くに冷却される。
【００６５】
輻射シールド５２とバッフル５３に包囲された空間には、低温発生ユニット３ａ、３ａの第２コールドヘッド２４、２４に固定されたクライオパネル５４が配備される。そしてクライオパネル５４は、第２膨張室２８、２８で発生された例えば略２０Ｋの冷凍により第２膨張室２８の温度近くに冷却される。
【００６６】
図４は、低温発生ユニット３（図１）を適応した他のクライオポンプの説明図であり、低温発生ユニット３（試験例の大型機）の断面積比αは７３．５％、断面積比βは４９．０％に設定されている。ここで、断面積比α＝７３．５％、断面積比β＝４９．０％の低温発生ユニット３を低温発生ユニット３ｂとする。
【００６７】
図４に示すように、クライオポンプ６ｂ用のＧＭ冷凍機８は、２台のＧＭ冷凍機１（図１）により構成される。即ち、クライオポンプ６ｂは、２台の低温発生ユニット３ｂ、３ｂにそれぞれ１台の圧縮ユニット２を戻り配管４、４と、供給配管５、５とを介して接続される。クライオポンプ６ｂの他の構成は、図３のクライオポンプ６ａと同じであり、図４の低温発生ユニット３ｂと図３の低温発生ユニット３ａとは、断面積比αのみ異なり、他の諸元は同一である。また、図３の圧縮ユニット２と図４の圧縮ユニット２とは、同じ物である。
【００６８】
図５は、本発明によるクライオポンプ６ａ用のＧＭ冷凍機７の第１膨張室２７、２７と、クライオポンプ６ｂ用のＧＭ冷凍機８の第１膨張室２７、２７の各冷凍機７、８の冷凍能力を示す図である。図５の冷凍能力は、２つの第１膨張室２７、２７の各冷凍量を足し合せた値ΣＱ１である。また図６は、本発明によるクライオポンプ６ａ用のＧＭ冷凍機７の第２膨張室２８、２８の冷凍量を足し合せた冷凍能力ΣＱ２と、クライオポンプ６ｂ用のＧＭ冷凍機８の第８膨張室２８と、２８の冷凍量を足し合せた冷凍能力ΣＱ２を示す図である。図５および図６中、○印はＧＭ冷凍機７の試験結果を、□印はＧＭ冷凍機８の試験結果を示す。
【００６９】
図５に示すように、ＧＭ冷凍機８の１２０Ｋでの冷凍能力ΣＱ１は１３１．０Ｗであり、ＧＭ冷凍機７の冷凍能力ΣＱ１は１２０Ｋで１１４．２Ｗで、ＧＭ冷凍機８の冷凍能力ΣＱ１の８７．２％である。ＧＭ冷凍機８は２台の低温発生ユニット３ａに対して各々１台の圧縮ユニット２より作動ガスを供給し、２台の圧縮ユニット２を足し合せた消費電力は８．４ｋＷである。一方、ＧＭ冷凍機７は２台の低温発生ユニット３ａに１台の圧縮ユニット２から作動ガスを供給し、圧縮ユニット２の消費電力は４．２０ｋＷであり、ＧＭ冷凍機７の消費電力は、ＧＭ冷凍機８の消費電力の１／２になる。そしてＧＭ冷凍機８の冷凍量が、ＧＭ冷凍機７と同じ冷凍量、即ち１２０Ｋで１１４．２Ｗの場合では、圧縮ユニット２の消費電力は、８．４０ｋＷ×（１１４．２Ｗ／１３１Ｗ）＝７．３２ｋＷになる。従って、ＧＭ冷凍機７はＧＭ冷凍機８より消費電力が３．１２ｋＷ低減される。
【００７０】
図６に示すように、ＧＭ冷凍機８の冷凍能力ΣＱ２は２０Ｋ、１９．８０Ｗであり、ＧＭ冷凍機７の冷凍能力ΣＱ２は、２０Ｋ、１４．３５Ｗで、ＧＭ冷凍機８の冷凍能力ΣＱ２の７２．５％になっている。しかし、ＧＭ冷凍機７は２台の低温発生ユニット３ａ、３ａに１台の圧縮ユニット２より作動ガスを供給し、消費電力４．２０ｋＷである。一方、ＧＭ冷凍機８は２台の低温発生ユニット３ｂ、３ｂに対して各々１台の圧縮ユニット２より作動ガスを供給しているので、消費電力８．４０ｋＷになる。従って、ＧＭ冷凍機７の消費電力は、ＧＭ冷凍機８の消費電力の１／２になる。これにより、ＧＭ冷凍機８の冷凍量が、ＧＭ冷凍機７と同じ冷凍量、即ち２０Ｋで１４．３５Ｗの場合では、圧縮ユニット２の消費電力は、８．４ｋＷ×（１４．３５Ｗ／１９．８０Ｗ）＝６．０９ｋＷになる。結果、ＧＭ冷凍機７は、ＧＭ冷凍機８より消費電力が１．８９ｋＷ（＝６．０９ｋＷ−４．２０ｋＷ）低減され、ＧＭ冷凍機７は、ＧＭ冷凍機８に比べて圧縮ユニット２の消費電力が大幅に低減されることが実証された。
【００７１】
以上により、低温発生ユニット３ａの駆動部１０には、圧縮ユニット２の吐出口２ｂより吐出される作動ガスを背面室２６へ導く高圧側切換弁１９と、背面室２６から圧縮ユニット２に戻る作動ガスを圧縮ユニット２の吸入口２ａへ導く低圧側切換弁１８とを備えている。これにより、１台の圧縮ユニット２から作動ガスを複数台の低温発生ユニット３ａへ並列に供給できるので、ＧＭ冷凍機７の効率が高くなり、圧縮ユニット２の消費電力が低減される。
【００７２】
尚、図５の一点鎖線の曲線は太破線で示されたＧＭ冷凍機８（断面積比α＝７３．５％）の冷凍能力ΣＱ１の１／２を示している。この曲線は、第１膨張室２７の温度が５９ＫでＧＭ冷凍機７の冷凍能力曲線に交わり、温度が５９Ｋより高くなると、ＧＭ冷凍機７の冷凍能力曲線の下側にあり、５９Ｋより低くなると上側にある。これにより、低温発生ユニット３ａの第１膨張室２７が５９Ｋより低くなると、ＧＭ冷凍機７の効率（ＣＯＰ＝冷凍能力／消費電力）は、ＧＭ冷凍機８の効率より低くなる。低温発生ユニット３ａの第１膨張室２７が５９Ｋより高くなると、ＧＭ冷凍機７の効率は、ＧＭ冷凍機８の効率より高くなる。従って、同じ冷凍能力では、第１膨張室２７が５９Ｋより高いと、ＧＭ冷凍機７はＧＭ冷凍機８より消費電力が低くなる。
【００７３】
第２実施形態
図７は、本発明の第２実施形態に係るスプリット型スターリング冷凍機の説明図である。図７に示すように、スプリット型スターリング冷凍機（蓄冷型冷凍機）９は、圧縮ユニット６０と、低温発生ユニット３ｃとを配管６７を介在して接続される。尚、低温発生ユニット３ｃは、駆動部７０を除き、図１の低温発生ユニット３の符番と同じ符番を付す。
【００７４】
圧縮ユニット６０は、圧縮部６１と、駆動部６５と、放熱部６６とを備える。圧縮部６１は、圧縮シリンダ６２と、ピストン本体６３ａにピストンリング６３ｂと保持器６３ｃとを備えた圧縮ピストン６３とにより構成される。そして保持器６３ｃは、駆動部６５に設けた例えばリニアモータ等の駆動機構（図示せず）に連結される。
【００７５】
放熱部６６は、圧縮シリンダ６２の図７における右端に接続され、そして圧縮シリンダ６２と、圧縮ピストン６３と、放熱部６６とに包囲されて圧縮室６４が形成される。圧縮室６４の作動ガスは、圧縮ピストン６３の上死点へ向かう移動により圧縮され、圧縮時の圧縮熱は放熱部６６により外部に放熱される。
【００７６】
低温発生ユニット３ｃは、図１の低温発生ユニット３の駆動部１０に代わり、駆動部７０が第１シリンダ２１のフランジ部２１ａに複数本のボルトで固定され、他の構成は低温発生ユニット３（図１）と同じである。
【００７７】
駆動部７０には、例えば板バネなどの駆動手段（図示せず）が配設され、隔壁７１を貫通したロッド３１ｂが駆動手段に連結される。そして、隔壁７１に設けたロッドシール７２と、ピストンリング３１ａとにより背面室２６の気密が確保される。また、隔壁７１には流路７３が設けられ、流路７３の一端は背面室２６へ導通し、他端は配管６７を介して放熱部６６に接続される。
【００７８】
圧縮ピストン６３が往復動すると、ディスプレーサ３０は圧縮ピストン６３に対して例えば略８０°位相が進むように往復動する。そして圧縮室６４および背面室２６で作動ガスが圧縮され、圧縮熱は放熱部６６で外部へ放熱され、さらに第１蓄冷器４１と第２蓄冷器４４で冷却される。そして第１膨張室２７と第２膨張室２８で作動ガスが膨張し、第１膨張室２７では例えば略１２０Ｋの冷凍が発生され、第２膨張室２８では例えば略２０Ｋの冷凍が発生される。
【００７９】
第１実施形態の低温発生ユニット３（図１）と同様に、低温発生ユニット３ｃの第１蓄冷器４１の断面積ＡＲ１と第１シリンダ２１の穴の断面積ＡＣ１との断面積比α（＝ＡＲ１／ＡＣ１）は、３０％〜５８％に設定される。また、第２蓄冷器４４の断面積ＡＲ２と第２シリンダ２２の穴の断面積ＡＣ２との断面積比β（＝ＡＲ２／ＡＣ２）は、４５％〜６２％に設定される。従って、低温発生ユニット３の低圧側切換弁１８と高圧側切換弁１９による効果を除き、低温発生ユニット３ｃは第１実施形態の低温発生ユニット３と同じ理由により、同じ効果を生じる。
【００８０】
尚、スプリット型スターリング冷凍機９は、圧縮ユニット６０と、低温発生ユニット３ｃとを配管６７で接続しているが、配管６７を使用せず、放熱部６６を第１シリンダ２１のフランジ部２１ａに接続したインテグレート型スターリング冷凍機でも良い。この場合、ロッド３１ｂは放熱部６６を貫通して圧縮ユニット６０の駆動部６５に設けた板バネなどの駆動手段に連結される。そして、配管６７が取除かれるので圧縮比が高くなり、冷凍能力Ｑ１、Ｑ２はスプリット型スターリング冷凍機９より増大する。
【００８１】
また、スプリット型スターリング冷凍機９は、第１蓄冷器４１と第２蓄冷器４４がディスプレーサ３０に内蔵されているが、シリンダ２０の外部に第１蓄冷器と第２蓄冷器を設けても良い。そして、外部に設けた第１蓄冷器の断面積ＡＲ１と、第１シリンダの断面積ＡＣ１との断面積比α（＝ＡＲ１／ＡＣ１）を３０％〜５８％に設定する。同様に、外部に設けた第２蓄冷器の断面積ＡＲ２と、第２シリンダの断面積ＡＣ２との断面積比β（＝ＡＲ２／ＡＣ２）は４５％〜６２％に設定する。これにより、第１実施形態の低温発生ユニット３と同じ理由で、スターリング冷凍機の消費電力が低減できる。
【００８２】
尚、二段凸型形状のシリンダ２０に挿入される二段凸型形状のピストンは、ディスプレーサでも膨張ピストンでも良い。膨張ピストンの場合には、膨張ピストンのロッドが連結される側のピストン端面に、例えば駆動部の略一定の圧力が作用する。この場合、ロッドは駆動部に設けたクランク機構などの駆動手段に連結される。
【００８３】
また、第１蓄冷器４１と第２蓄冷器４４をディスプレーサ３０から取外してシリンダ２０の外部に設けると共に、第１シリンダ２１と第２シリンダ２２とより形成された１本の二段凸型形状のシリンダ２０を、各々別体の第１シリンダと第２シリンダにしても良い。この場合は、第１シリンダの断面積ＡＣ１は第２シリンダの断面積ＡＣ２が除かれている。従って、第１蓄冷器の断面積ＡＲ１と、第１シリンダの断面積ＡＣ１と第２シリンダの断面積ＡＣ２とを足し合せた断面積（ＡＣ１＋ＡＣ２）との断面積比γ＝（ＡＲ１／（ＡＣ１＋ＡＣ２））が４５％〜５８％に設定される。一方、第２蓄冷器の断面積ＡＲ２と第２シリンダの断面積ＡＣ２との断面積比β（＝ＡＲ２／ＡＣ２）は４５％〜６２％に設定される。これにより、第１実施形態の低温発生ユニット３と同じ理由で、スターリング冷凍機の消費電力が低減できる。
【符号の説明】
【００８４】
１、７ ＧＭ冷凍機（蓄冷型冷凍機）
２、６０ 圧縮ユニット
２ａ 吸入口
２ｂ 吐出口
３、３ａ、３ｃ 低温発生ユニット
４、４ａ、４ｂ 戻り配管
５、５ａ、５ｂ 供給配管
９ スプリット型スターリング冷凍機（蓄冷型冷凍機）
１０、７０ 駆動部
１０ｂ、７１ 隔壁
１８ 低圧側切換弁
１９ 高圧側切換弁
２０ シリンダ
２１ 第１シリンダ
２２ 第２シリンダ
２６ 背面室
２７ 第１膨張室
２８ 第２膨張室
３０ ディスプレーサ
３１ 第１ピストン
３１ｂ ロッド
３４ 第２ピストン
４１ 第１蓄冷器
４４ 第２蓄冷器
Ｙ 軸
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１シリンダと該第１シリンダより小さな内径の第２シリンダとにより形成される内面が二段凸型形状のシリンダと、
前記第１シリンダに往復動可能に挿設される第１ピストンと前記第２シリンダに往復動可能に挿設される第２ピストンとにより形成され、作動ガスを膨張させる二段凸型形状のディスプレーサと、
前記第１ピストンに内蔵される第１蓄冷器と、
前記第２ピストンに内蔵される第２蓄冷器と、
前記第１ピストンの高温端側に連結したロッドを介して前記ディスプレーサを往復動させる駆動部と、を備え、
前記ロッドが貫通され前記第１シリンダの高温側に配設される隔壁と、前記第１シリンダと、前記第１ピストンと、前記ロッドと、で包囲され、作動ガスが流出入する背面室が形成され、
前記第１蓄冷器の高温端は前記背面室に導通され、前記第１蓄冷器の低温端は前記第１シリンダと、前記第１ピストンと、前記第２ピストンと、で包囲して形成された第１膨張室に導通され、
前記第２蓄冷器の低温端は前記第２シリンダと前記第２ピストンと、で包囲して形成された第２膨張室に導通され、
前記第２蓄冷器の高温端は前記第１膨張室と前記第１蓄冷器の低温端との少なくともいずれか一方に導通され、
前記第２蓄冷器の軸に直交する断面積は、前記第２シリンダの穴の軸に直交する断面積の４５％〜６２％に設定され、
前記第１蓄冷器の軸に直交する断面積は、前記第１シリンダの穴の軸に直交する断面積の３０％〜５８％に設定される、ことを特徴とする蓄冷型冷凍機の低温発生ユニット。
【請求項２】
前記駆動部には、圧縮ユニットの吐出口により吐出される作動ガスを供給配管を介して前記背面室へ導く高圧側切換弁と、前記背面室から前記圧縮ユニットの吸入口に戻る作動ガスを戻り配管を介して該吸入口へ導く低圧側切換弁とを備え、
前記高圧側切換弁が開状態では前記低圧側切換弁が閉状態であり、前記低圧側切換弁が開状態では前記高圧側切換弁が閉状態である、ことを特徴とする請求項１に記載の蓄冷型冷凍機の低温発生ユニット。
【請求項１】
第１シリンダと該第１シリンダより小さな内径の第２シリンダとにより形成される内面が二段凸型形状のシリンダと、
前記第１シリンダに往復動可能に挿設される第１ピストンと前記第２シリンダに往復動可能に挿設される第２ピストンとにより形成され、作動ガスを膨張させる二段凸型形状のディスプレーサと、
前記第１ピストンに内蔵される第１蓄冷器と、
前記第２ピストンに内蔵される第２蓄冷器と、
前記第１ピストンの高温端側に連結したロッドを介して前記ディスプレーサを往復動させる駆動部と、を備え、
前記ロッドが貫通され前記第１シリンダの高温側に配設される隔壁と、前記第１シリンダと、前記第１ピストンと、前記ロッドと、で包囲され、作動ガスが流出入する背面室が形成され、
前記第１蓄冷器の高温端は前記背面室に導通され、前記第１蓄冷器の低温端は前記第１シリンダと、前記第１ピストンと、前記第２ピストンと、で包囲して形成された第１膨張室に導通され、
前記第２蓄冷器の低温端は前記第２シリンダと前記第２ピストンと、で包囲して形成された第２膨張室に導通され、
前記第２蓄冷器の高温端は前記第１膨張室と前記第１蓄冷器の低温端との少なくともいずれか一方に導通され、
前記第２蓄冷器の軸に直交する断面積は、前記第２シリンダの穴の軸に直交する断面積の４５％〜６２％に設定され、
前記第１蓄冷器の軸に直交する断面積は、前記第１シリンダの穴の軸に直交する断面積の３０％〜５８％に設定される、ことを特徴とする蓄冷型冷凍機の低温発生ユニット。
【請求項２】
前記駆動部には、圧縮ユニットの吐出口により吐出される作動ガスを供給配管を介して前記背面室へ導く高圧側切換弁と、前記背面室から前記圧縮ユニットの吸入口に戻る作動ガスを戻り配管を介して該吸入口へ導く低圧側切換弁とを備え、
前記高圧側切換弁が開状態では前記低圧側切換弁が閉状態であり、前記低圧側切換弁が開状態では前記高圧側切換弁が閉状態である、ことを特徴とする請求項１に記載の蓄冷型冷凍機の低温発生ユニット。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１２−４７３６８（Ｐ２０１２−４７３６８Ａ）
【公開日】平成２４年３月８日（２０１２．３．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１８８１５９（Ｐ２０１０−１８８１５９）
【出願日】平成２２年８月２５日（２０１０．８．２５）
【出願人】（０００００００１１）アイシン精機株式会社 (5,421)
【公開日】平成２４年３月８日（２０１２．３．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年８月２５日（２０１０．８．２５）
【出願人】（０００００００１１）アイシン精機株式会社 (5,421)
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