JP2001116379A - 極低温冷凍機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 極低温冷凍機について、熱侵入による能力低
下を確実に抑制する。 【解決手段】 二段のＧＭ冷凍機において、第２シリン
ダ（2b）を、一様な所定の肉厚を有し且つ所定長さに形
成された管状の部材で構成する。第２シリンダ（2b）に
は、第２ディスプレーサ（22b）を挿入し、第２段膨張
室（31）を区画する。この第２段膨張室（31）に高圧の
ヘリウムガスを導入し、このヘリウムガスのサイモン膨
張によって第２ヒートステーション（42）を極低温に維
持する。第２シリンダ（2b）は、所定の肉厚を有してお
り、内圧による変形が抑制される。また、第２シリンダ
（2b）は、所定の長さを有しており、熱伝導による熱侵
入が抑制される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ディスプレーサ
（置換器）の往復動によりヘリウム等の作動ガスを膨張
させて極低温レベルの寒冷を発生させる極低温冷凍機に
関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、極低温冷凍機としては、特開
平１０−１２２６８２号公報に開示されているように、
ＧＭ（ギフォード・マクマホン）冷凍機が知られてい
る。この種のＧＭ冷凍機には、ディスプレーサをクラン
ク軸を介してモータに連結し、モータの作動によりディ
スプレーサを往復動させる機械駆動式のものや、作動ガ
スの圧力差によってピストンをディスプレーサと共に往
復動させるようにしたガス圧駆動式（改良ソルベー式）
のものが知られている。

【０００３】図８に示すように、上記の極低温冷凍機で
は、シリンダ（a）の基端側からディスプレーサ（b）を
挿入してシリンダ（a）内に膨張室（c）を区画してい
る。シリンダ（a）の先端部には、フランジ状のヒート
ステーション（d）が設けられている。また、ディスプ
レーサ（b）は、シリンダ（a）内で往復動し、これに伴
ってヘリウム等の作動ガスが膨張室（c）に給排気され
る。ディスプレーサ（b）とシリンダ（a）との間は、デ
ィスプレーサ（b）の基端側に設けられたシール部材
（e）によってシールされている。

【０００４】ディスプレーサ（b）は中空に形成されて
おり、ディスプレーサ（b）内の空間は、鉛球等の蓄冷
材が充填されて蓄冷器（f）に構成されている。ディス
プレーサ（b）が図８における右側へ移動すると、高圧
（例えば２４kgf/cm²G）の作動ガスがディスプレーサ
（b）の内部を通って膨張室（c）に送り込まれる。その
際、作動ガスは、蓄冷材と接触して冷却されてから膨張
室（c）へ流入する。その後、作動ガスは、膨張しつつ
膨張室（c）から流出し、これによって寒冷が発生して
ヒートステーション（d）が所定の極低温状態に維持さ
れる。膨張して低圧（例えば９kgf/cm²G）となった作動
ガスは、ディスプレーサ（b）が図８における左側へ移
動することによって、膨張室（c）から完全に排出され
る。その際、膨張室（c）から排出される低温の作動ガ
スは、ディスプレーサ（b）内部の蓄冷材と接触して該
蓄冷材を冷却する。

【０００５】ここで、シリンダ（a）では、基端側と先
端側との間に温度差が存在する。このため、熱伝導によ
って基端側から先端側に向かって熱が侵入し、冷却能力
の低下の要因となる。これに対し、従来は、シリンダ
（a）のほぼ全長に亘って肉厚を薄く形成し、これによ
って熱伝導による熱侵入の低減を図っていた。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上述のように、従来の
ものでは、シリンダ（a）の肉厚を薄くして熱侵入を低
減するようにしている。ところが、シリンダ（a）内に
は比較的圧力の高い作動ガスが存在する。このため、シ
リンダ（a）の肉厚を薄くすると、シリンダ（a）の変形
が過大となり、シリンダ（a）とディスプレーサ（b）の
クリアランスが広がってしまうという問題があった。

【０００７】このように、両者のクリアランスが広くな
ると、シリンダ（a）とディスプレーサ（b）の間の隙間
で作動ガスの対流が生じ、この対流によってシリンダ
（a）の先端側への熱侵入が生じてしまう。このため、
従来のものでは、熱伝導による熱侵入は抑制できるもの
の、その一方で対流による熱侵入が増大してしまい、依
然として熱侵入による能力低下を防ぎきれなかった。

【０００８】本発明は、かかる点に鑑みてなされたもの
であり、その目的とするところは、極低温冷凍機につい
て、熱侵入による能力低下を確実に抑制することにあ
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明が講じた第１の解
決手段は、筒状のシリンダ（2a,2b）と、該シリンダ（2
a,2b）の内部に膨張室（30,31）を区画形成すると共
に、該シリンダ（2a,2b）内を往復動して膨張室（30,3
1）への作動ガスの給排気を行うディスプレーサ（22a,2
2b）と、上記膨張室（30,31）へ給排気される作動ガス
を蓄冷材と熱交換させる蓄冷器（24,27）とを備え、上
記膨張室（30,31）へ供給された作動ガスの膨張によっ
て極低温レベルの寒冷を発生させる極低温冷凍機を対象
としている。そして、上記シリンダ（2a,2b）は、作動
ガスの圧力による変形量が所定値以下となる所定の一様
の肉厚で、且つ長手方向への熱伝導による侵入熱量が所
定値以下となる所定の長さに形成されるものである。

【００１０】本発明が講じた第２の解決手段は、筒状の
シリンダ（2a,2b）と、該シリンダ（2a,2b）の内部に膨
張室（30,31）を区画形成すると共に、該シリンダ（2a,
2b）内を往復動して膨張室（30,31）への作動ガスの給
排気を行うディスプレーサ（22a,22b）と、上記膨張室
（30,31）へ給排気される作動ガスを蓄冷材と熱交換さ
せる蓄冷器（24,27）とを備え、上記膨張室（30,31）へ
供給された作動ガスの膨張によって極低温レベルの寒冷
を発生させる極低温冷凍機を対象としている。そして、
上記シリンダ（2a,2b）には、所定幅で全周に亘る肉厚
の薄い薄肉部（50）が長手方向に間欠的に複数形成され
るものである。

【００１１】−作用−上記第１及び第２の解決手段で
は、ディスプレーサ（22a,22b）の動きによって、高圧
の作動ガスをシリンダ（2a,2b）内の膨張室（30,31）へ
導入する。その際、作動ガスは蓄冷器（24,27）の蓄冷
材と熱交換して冷却され、冷却後の作動ガスが膨張室
（30,31）に流入する。膨張室（30,31）に供給された作
動ガスは膨張して更に温度が低下し、これによって極低
温レベルの寒冷が発生する。その後、ディスプレーサ
（22a,22b）の動きによって、膨張室（30,31）内の作動
ガスが排出される。その際、極低温の作動ガスが蓄冷器
（24,27）内を流れて蓄冷材を冷却する。極低温冷凍機
は、以上の動作を繰り返して冷凍運転を行う。

【００１２】そして、上記第１の解決手段では、シリン
ダ（2a,2b）が、所定の一様の肉厚で更には所定の長さ
に形成される。シリンダ（2a,2b）が所定の肉厚を有す
ることによって、作動ガスの圧力によるシリンダ（2a,2
b）の変形が抑制される。また、シリンダ（2a,2b）を所
定の長さとすることによって、シリンダ（2a,2b）の長
手方向での熱伝導による侵入熱量が低減される。

【００１３】一方、上記第２の解決手段では、シリンダ
（2a,2b）に複数の薄肉部（50）を形成している。従っ
て、シリンダ（2a,2b）の長手方向での熱伝導による侵
入熱量が低減される。また、シリンダ（2a,2b）におい
て、薄肉部（50）は間欠的に設けられている。つまり、
各薄肉部（50）の間には、肉厚を厚いままとした部分が
存在する。従って、シリンダ（2a,2b）の剛性が確保さ
れ、作動ガスの圧力によるシリンダ（2a,2b）の変形が
抑制される。

【００１４】

【発明の効果】上記の解決手段によれば、シリンダ（2
a,2b）の剛性を確保して対流による侵入熱量を低減する
ことができる。つまり、シリンダ（2a,2b）の剛性を高
めることによって、作動ガスの圧力によるシリンダ（2
a,2b）の膨張を抑制できる。従って、シリンダ（2a,2
b）とディスプレーサ（22a,22b）とのクリアランスを一
定に保持することが可能となる。このため、シリンダ
（2a,2b）とディスプレーサ（22a,22b）との間の隙間に
おける作動ガスの対流を抑制でき、この対流による侵入
熱量を低減することができる。

【００１５】更に、上述の所定の構成によって、シリン
ダ（2a,2b）の長手方向での熱伝導による侵入熱量を低
減できる。この結果、上述のように、対流による熱侵入
と熱伝導による熱侵入との両方を抑制することができ、
熱侵入による能力低下を防止して充分な冷凍能力を発揮
させることができる。

【００１６】

【発明の実施の形態１】以下、本発明の実施形態を図面
に基づいて詳細に説明する。尚、以下において「右」又
は「左」という場合は、特に示さない限り、各図におけ
る「右」又は「左」を意味している。

【００１７】図１に示すように、本実施形態１に係る極
低温冷凍機（R）は、シリンダ部（2）の内部にディスプ
レーサ部材（22）を挿入し、このディスプレーサ部材
（22）をヘリウムガス圧により往復動させて高圧のヘリ
ウムガス（作動ガス）を膨張させるガス圧駆動式のＧＭ
サイクル（ギフォード・マクマホン・サイクル）の膨張
機で構成されている。

【００１８】上記の極低温冷凍機（R）は、モータヘッ
ド（1）と、シリンダ部（2）とを備えている。このシリ
ンダ部（2）は、大径の第１シリンダ（2a）と、小径の
第２シリンダ（2b）とが同軸上に配置された大小２段構
造となっている。

【００１９】第１シリンダ（2a）は、右端部（基端部）
で上記モータヘッド（1）に気密に取り付けられてい
る。また、第１シリンダ（2a）の左端（先端）には、フ
ランジ状の第１ヒートステーション（41）が設けられて
いる。そして、冷凍機（R）の運転時には、第１ヒート
ステーション（41）の温度が４０Ｋ程度となる。

【００２０】第２シリンダ（2b）は、右端部（基端部）
で上記第１シリンダ（2a）の先端部に気密に取り付けら
れている。また、第２シリンダ（2b）の左端（先端）に
は、フランジ状の第２ヒートステーション（42）が設け
られている。第２シリンダ（2b）の先端は、第２ヒート
ステーション（42）によって閉塞されている。そして、
冷凍機（R）の運転時には、第２ヒートステーション（4
2）の温度が４．２Ｋ程度となる。

【００２１】図２に示すように、第２シリンダ（2b）
は、一様な所定の肉厚を有し且つ所定長さに形成された
管状の部材で構成されている。

【００２２】具体的に、第２シリンダ（2b）の肉厚ｔ
は、第２シリンダ（2b）の内半径ａとの関係で、ａ²／
ｔ≦２１０mmを満たすように設定されている。この様に
肉厚ｔを設定することによって、作動ガスの圧力による
第２シリンダ（2b）の変形量が所定値以下に抑制され
る。尚、作動ガスの圧力は、冷凍機（R）の運転時に
は、高圧で２４kgf/cm²G程度、低圧で９kgf/cm²G程度で
あり、停止時には１９kgf/cm ²G程度となっている。

【００２３】また、第２シリンダ（2b）の長さＬは、１
５０mm以上に設定されている。上述のように、第１ヒー
トステーション（41）は約４０Ｋであるのに対し、第２
ヒートステーション（42）は約４．２Ｋとなっている。
つまり、第２シリンダ（2b）の両端では、温度差が存在
する。従って、第２シリンダ（2b）の長さＬを上述のよ
うに設定し、熱伝導による第２ヒートステーション（4
2）への侵入熱量を低減している。

【００２４】上記モータヘッド（1）は、図１に示すよ
うに、密閉容器状に構成されている。このモータヘッド
（1）の下面には、高圧ガス入口（4）と、その左側に位
置する低圧ガス出口（5）とが形成されている。高圧ガ
ス入口（4）は、図外の圧縮機の吐出側に高圧配管（4
a）を介して接続されている。また、低圧ガス出口（5）
は、図外の圧縮機の吸入側に低圧配管（5a）を介して接
続されている。

【００２５】モータヘッド（1）の内部には、モータ室
（6）と、装着孔（7）と、中間圧室（8）とが形成され
ている。モータ室（6）は、高圧ガス入口（4）に連通し
ている。装着孔（7）は、モータ室（6）の左側に位置し
且つ内部空間が右端にてモータ室（6）に連通する左右
方向の貫通孔によって構成されている。中間圧室（8）
は、装着孔（7）の周囲に位置する略環状の空間によっ
て構成されている。

【００２６】モータヘッド（1）のシリンダ部（2）との
境界部分には、シリンダ部（2）の右端（基端）の閉塞
部材を構成するバルブステム（9）が嵌挿されている。
バルブステム（9）は、バルブシート部（9a）と、ピス
トン支持部（9b）と、フランジ部（9c）とを備えてい
る。バルブシート部（9a）は、上記装着孔（7）に気密
に嵌合されている。ピストン支持部（9b）は、シリンダ
部（2）の第１シリンダ（2a）の内径よりも小径に形成
され、この第１シリンダ（2a）内に同心に突出してい
る。フランジ部（9c）は、上記中間圧室（8）の左側壁
を構成している。また、バルブシート部（9a）の右側面
と装着孔（7）の壁面とで囲まれる空間により、モータ
室（6）を介して高圧ガス入口（4）と連通するバルブ室
（10）が形成されている。

【００２７】上記バルブステム（9）には、図４及び図
５にも示すように、第１ガス流路（12）と第２ガス流路
（14）とが貫通形成されている。上記第１ガス流路（1
2）は、右半部が二股状に分岐され且つ上記バルブ室（1
0）をシリンダ部（2）内に連通させている。また、該第
１ガス流路（12）は、その途中にてキャピラリ通路（1
5）を介して上記中間圧室（8）に常時連通されている。
上記第２ガス流路（14）は、一端が該第１ガス流路（1
2）に後述するロータリバルブ（35）の低圧ポート（3
7）を介して連通すると共に、他端が上記低圧ガス出口
（5）にモータヘッド（1）の低圧通路（13）を介して連
通している。そして、上記両ガス流路（12,14）は、バ
ルブ室（10）に臨むバルブステム（9）のバルブシート
（9a）右側面において、第２ガス流路（14）にあっては
バルブステム（9）中心部に、分岐された第１ガス流路
（12,12）にあっては該第２ガス流路（14）に対して対
称な位置にそれぞれ開口されている。

【００２８】上記モータヘッド（1）のバルブ室（10）
内には、ロータリバルブ（35）が配設されている。この
ロータリバルブ（35）は、モータ室（6）に配置したバ
ルブモータ（39）により回転駆動され、高圧開弁状態と
低圧開弁状態とに交互に切り換わるように構成されてい
る。

【００２９】具体的に、上記ロータリバルブ（35）の右
側面の中心部には、バルブモータ（39）の出力軸（39
a）が回転一体に係合されている。また、バルブ（35）
の右側面とモータ（39）との間には、スプリング（図示
せず）が縮装されている。そして、このスプリングのば
ね力とバルブ室（10）の高圧ヘリウムガスの圧力とによ
って、ロータリバルブ（35）の左側面をバルブシート部
（9a）の右側面に対し一定の押圧力で押し付けるように
している。

【００３０】図３に示すように、上記ロータリバルブ
（35）の左側面には、高圧ポート（36,36）と低圧ポー
ト（37）とが形成されている。高圧ポート（36,36）
は、ロータリバルブ（35）の半径方向に対向する外周縁
から中心方向に所定長さだけ切り込んで形成されてい
る。低圧ポート（37）は、高圧ポート（36,36）に対し
ロータリバルブ（35）の回転方向（同図で矢印にて示す
方向）に略９０°の角度間隔をあけて配置され、バルブ
（35）左側面の中心から外周縁近傍に向かって直径方向
に切り欠いて有端凹溝状に形成されている。

【００３１】そして、図４に示すように、ロータリバル
ブ（35）が回転し、その左側面の高圧ポート（36,36）
の内端がそれぞれバルブステム（9）のバルブシート部
（9a）右側面に開口する第１ガス流路（12）の２つの開
口端に合致した際には、高圧開弁状態となる。この高圧
開弁状態では、第１ガス流路（12）とバルブ室（10）と
が連通状態となり、高圧ガス入口（4）から導入された
高圧のヘリウムガスが第１ガス流路（12）に流入する。

【００３２】一方、図５に示すように、バルブシート部
（9a）の右側面に開口する第２ガス流路（14）に中央部
にて常時連通する低圧ポート（37）の両外端がそれぞれ
上記第１ガス流路（12）の両開口端に合致した際には、
低圧開弁状態となる。この低圧開弁状態では、第１ガス
流路（12）と低圧通路（13）とが連通状態となり、ヘリ
ウムガスが第１ガス流路（12）から低圧通路（13）を通
って低圧ガス出口（5）へと導かれる。

【００３３】上述のように、中間圧室（8）は、キャピ
ラリ通路（15）を介して第１ガス流路（12）と連通して
いる。このキャピラリ通路（15）は、狭小で細長い形状
とされている。また、第１ガス流路（12）は、ロータリ
バルブ（35）を介して高圧ガス入口（4）と低圧ガス出
口（5）とに交互に連通している。即ち、第１ガス流路
（12）は、高圧のヘリウムガスが存在する状態と、低圧
のヘリウムガスが存在する状態とに交互に切り換えられ
る。そして、第１ガス流路（12）が高圧となると、高圧
のヘリウムガスがキャピラリ通路（15）を通る間に減圧
されて中間圧室（8）に流入する一方、第１ガス流路（1
2）が低圧となると、中間圧室（8）のヘリウムガスがキ
ャピラリ通路（15）を通る間に減圧されて第１ガス流路
（12）へ流出する。従って、中間圧室（8）の圧力は、
高圧と低圧の中間の値に維持される。

【００３４】上記シリンダ部（2）の内部には、スラッ
クピストン（17）とディスプレーサ部材（22）とが設け
られている。

【００３５】上記スラックピストン（17）は、底壁を有
するカップ形状に形成されている。このスラックピスト
ン（17）は、シリンダ部（2）の第１シリンダ（2a）内
の右端部において、該スラックピストン（17）がその内
側面を上記バルブステム（9）のピストン支持部（9b）
に摺動案内せしめた状態で往復動可能に外嵌合されてい
る。スラックピストン（17）と、シリンダ部（2）及び
ピストン支持部（9b）との摺接部分には、図示しない
が、作動ガスの流通を阻止するシールがそれぞれ設けら
れている。また、スラックピストン（17）底壁の中心部
には大径の中心孔（18）が貫通形成され、周縁角部には
スラックピストン（17）の内外を連通させる複数の連通
孔（19,19,…）が形成されている。

【００３６】このスラックピストン（17）によって、シ
リンダ部（2）内に第２圧力室（29）と第１圧力室（2
0）とがそれぞれ区画形成されている。つまり、スラッ
クピストン（17）の左側には第２圧力室（29）が形成さ
れ、その右側には第１圧力室（20）が形成されている。
また、第１圧力室（20）は、上記モータヘッド（1）内
の中間圧室（8）に対し、オリフィス（21）を介して常
時連通されている。従って、第１圧力室（20）は高圧及
び低圧のヘリウムガスの中間圧力に設定されており、こ
の第１圧力室（20）と第２圧力室（29）との各ガス圧の
圧力差によってスラックピストン（17）がディスプレー
サ部材（22）と共に往復動するようになされている。

【００３７】上記ディスプレーサ部材（22）は、シリン
ダ部（2）に往復動可能に嵌合されている。このディス
プレーサ部材（22）は、上記第２圧力室（29）の左方に
位置して設けられている。また、ディスプレーサ部材
（22）は、第１ディスプレーサ（22a）及び第２ディス
プレーサ（22b）を一体に結合して構成されている。

【００３８】第１ディスプレーサ（22a）は、第１シリ
ンダ（2a）の内径に対応した直径の円筒容器状に形成さ
れ、第１シリンダ（2a）内で往復動する。この第１ディ
スプレーサ（22a）によって、第１シリンダ（2a）内の
左端部（先端部）に第１段膨張室（30）が区画形成され
る。第１ディスプレーサ（22a）の右端部（基端部）に
は、図示しないが、第１ディスプレーサ（22a）と第１
シリンダ（2a）の間をシールする第１シール部材が設け
られている。

【００３９】第１ディスプレーサ（22a）の内部空間
は、上記第１段膨張室（30）に連通孔（23）を介して常
時連通されている。また、第１ディスプレーサ（22a）
の内部空間は、鉛製の小球状の蓄冷材や銅製の網状の蓄
冷材が多数充填され、第１段蓄冷器（24）に構成されて
いる。

【００４０】第２ディスプレーサ（22b）は、第２シリ
ンダ（2b）の内径に対応した直径の円筒容器状に形成さ
れている。即ち、第２ディスプレーサ（22b）は、第１
ディスプレーサ（22a）よりも小径に形成されている。
この第２ディスプレーサ（22b）は、第１ディスプレー
サ（22a）の左端に同軸に結合され、第２シリンダ（2
b）内で往復動する。

【００４１】具体的に、第２ディスプレーサ（22b）
は、突出片（46）を介して第１ディスプレーサ（22a）
と結合されている。この突出片（46）は、右端部が第１
ディスプレーサ（22a）の先端部に埋め込まれ、左端部
が第２ディスプレーサ（22b）の基端部に挿入されてい
る。突出片（46）は、第２ディスプレーサ（22b）に遊
びがある状態ではめ込まれ、突出片（46）と第２ディス
プレーサ（22b）の間に隙間が形成される。そして、突
出片（46）及び第２ディスプレーサ（22b）を貫通して
細長いピン（47）が設けられ、このピン（47）によって
突出片（46）と第２ディスプレーサ（22b）とが連結さ
れている。

【００４２】第２ディスプレーサ（22b）の右端部（基
端部）には、第２ディスプレーサ（22b）と第２シリン
ダ（2b）の間をシールする第２シール部材（45）が設け
られている。尚、図１では第２シール部材（45）の図示
を省略している。

【００４３】この第２ディスプレーサ（22b）によっ
て、第２シリンダ（2b）内の左端部（先端部）に第２段
膨張室（31）が区画形成される。第２ディスプレーサ
（22b）の内部空間は、上記第２段膨張室（31）に連通
孔（26）を介して常時連通されている。また、第２ディ
スプレーサ（22b）の内部空間は、突出片（46）と第２
ディスプレーサ（22b）の間に形成された隙間を介して
上記第１段膨張室（30）に常時連通されている。

【００４４】第２ディスプレーサ（22b）の内部空間
は、いわゆる磁性蓄冷材から成る小球状の蓄冷材が多数
充填され、第２段蓄冷器（27）に構成されている。この
種の磁性蓄冷材としては、ホルミウム銅（HoCu₂）、ホ
ルミウム２アルミニウム（Ho₂Al）、エルビウム３ニッ
ケル（Er₃Ni）、エルビウムコバルト（Er₃Co）等の物質
が知られている。

【００４５】上記ディスプレーサ部材（22）における第
１ディスプレーサ（22a）の右端には、係止片（33）が
一体に突設されている。この係止片（33）は、管状に形
成されて、第１ディスプレーサ（22a）の内部空間を第
２圧力室（29）に連通させている。上記係止片（33）
は、その右側部分が上記スラックピストン（17）底壁の
中心孔（18）を貫通してスラックピストン（17）内部に
所定寸法だけ延びる形状とされている。また、係止片
（33）の右端部には、スラックピストン（17）の底壁に
係合するフランジ状の係止部（33a）が一体に形成され
ている。

【００４６】そして、スラックピストン（17）が左側に
移動する際には、スラックピストン（17）が所定ストロ
ークだけ移動した時点でその底壁とディスプレーサ部材
（22）とが当接し、ディスプレーサ部材（22）がスラッ
クピストン（17）に押されて左側に移動し始めるように
構成されている。一方、スラックピストン（17）が右側
に移動する際には、スラックピストン（17）が所定スト
ロークだけ移動した時点でその底壁と係止片（33）の係
止部（33a）とが係合し、ディスプレーサ部材（22）が
スラックピストン（17）に引かれて右側に移動し始める
ように構成されている。即ち、ディスプレーサ部材（2
2）が、所定ストロークの遅れをもってスラックピスト
ン（17）に追従移動するように構成されている。

【００４７】上述のように、ロータリバルブ（35）は、
回転して高圧開弁状態と低圧開弁状態とに切り換わる。
ロータリバルブ（35）が高圧開弁状態となって第１ガス
流路（12）が高圧ガス入口（4）と連通すると、第２圧
力室（29）、第１段及び第２段膨張室（30,31）に高圧
ヘリウムガスが供給される。一方、ロータリバルブ（3
5）が低圧開弁状態となって第１ガス流路（12）が低圧
ガス出口（5）と連通すると、第２圧力室（29）、第１
段及び第２段膨張室（30,31）のヘリウムガスが排出さ
れる。そして、ロータリバルブ（35）の切り換え動作に
よって、第２圧力室（29）と中間圧室（8）との間に圧
力差が生じ、この圧力差によってスラックピストン（1
7）及びディスプレーサ部材（22）が往復動する。

【００４８】−運転動作− 極低温冷凍機（R）の動作について説明する。冷凍機
（R）におけるシリンダ部（2）内の圧力が低圧（約９kg
f/cm²G）であって、スラックピストン（17）とディスプ
レーサ部材（22）とが左端位置にある状態から動作の説
明を始める。ロータリバルブ（35）は、バルブモータ
（39）で駆動されて回転し、高圧開弁状態となる（図４
参照）。

【００４９】この状態で、ロータリバルブ（35）を介し
て、バルブ室（10）と第１ガス流路（12）とが連通す
る。従って、高圧ガス入口（4）からモータ室（6）に導
入された高圧ヘリウムガス（約２４kgf/cm²G）は、バル
ブ室（10）、ロータリバルブ（35）の高圧ポート（36,3
6）及び第１ガス流路（12）を通じて、第２圧力室（2
9）に導入される。この第２圧力室（29）に導入された
高圧ヘリウムガスは、順次ディスプレーサ部材（22）の
各蓄冷器（24,27）を通って各膨張室（30,31）に充填さ
れる。また、高圧ヘリウムガスは、蓄冷器（24,27）を
通る間に蓄冷材に対して放熱し、その温度が低下する。

【００５０】その後、第２圧力室（29）のガス圧が、中
間圧室（8）に連通している第１圧力室（20）よりも高
くなると、両圧力室（20,29）間の圧力差によってスラ
ックピストン（17）が右側へ移動する。このスラックピ
ストン（17）の移動量が所定値に達すると、該スラック
ピストン（17）の底壁と、ディスプレーサ部材（22）に
結合された係止片（33）の係止部（33a）とが係合す
る。従って、ディスプレーサ部材（22）は、圧力変化に
対し遅れを持ってスラックピストン（17）により右側に
引っ張られる。このディスプレーサ部材（22）の移動に
よって、更に膨張室（30,31）へ高圧ガスが流入する。

【００５１】続いて、上記ロータリバルブ（35）が閉じ
ると、その後もディスプレーサ部材（22）は慣性力によ
って移動を続け、第２圧力室（29）内のヘリウムガスが
膨張室（30,31）に移動する。

【００５２】ディスプレーサ部材（22）が右端位置に達
した後、ロータリバルブ（35）は低圧開弁状態となる
（図５参照）。即ち、ロータリバルブ（35）を介して、
第１ガス流路（12）と低圧通路（13）とが連通する。

【００５３】この状態において、各膨張室（30,31）内
のヘリウムガスがサイモン膨張し、このガスの膨張に伴
う温度降下によって各ヒートステーション（41,42）が
所定の温度レベルとされる。

【００５４】上記膨張室（30,31）で低温状態となった
ヘリウムガスは、上記ガス導入時とは逆に、ディスプレ
ーサ部材（22）内の蓄冷器（24,27）を通って上記第２
圧力室（29）内に戻る。その際、ヘリウムガスは、蓄冷
器（24,27）を通る間に蓄冷材から吸熱し、第２圧力室
（29）へ流入する時点ではほぼ常温となっている。この
常温のヘリウムガスは、第２圧力室（29）から第１ガス
流路（12）、バルブ（35）の低圧ポート（37）、低圧通
路（13）を順に流れ、低圧ガス出口（5）から冷凍機
（R）外に排出される。その後、排出されたヘリウムガ
スは、図外の圧縮機に吸入される。

【００５５】このガス排出に伴って第２圧力室（29）内
のガス圧が低下し、第２圧力室（29）と中間圧室（8）
に連通している第１圧力室（20）との間の圧力差により
スラックピストン（17）が左側に移動する。スラックピ
ストン（17）の移動によってその底壁がディスプレーサ
部材（22）に当接すると、その後はスラックピストン
（17）によってディスプレーサ部材（22）が押圧されて
移動する。このディスプレーサ部材（22）の移動によっ
て、膨張室（30,31）からヘリウムガスが排出される。

【００５６】その後、ロータリバルブ（35）が閉じる
が、この後もディスプレーサ部材（22）は左端位置まで
移動する。これによって、膨張室（30,31）内のヘリウ
ムガスがほぼ完全に排出され、最初の状態に戻る。以上
によりディスプレーサ部材（22）の動作の１サイクルが
終了して、以後は上記と同様な動作が繰り返され、各ヒ
ートステーション（41,42）の温度が所定の極低温レベ
ルに維持される。具体的に、第１ヒートステーション
（41）は約４０Ｋに、第２ヒートステーション（42）は
約４．２Ｋに維持される。

【００５７】−実施形態１の効果− 本実施形態１では、第２シリンダ（2b）を、一様な所定
の肉厚を有する管状の部材で構成している。このため、
従来のように、第２シリンダ（2b）のほぼ全長に亘って
肉厚を薄くする場合に比べ、第２シリンダ（2b）の剛性
を高めることができ、ヘリウムガスの圧力による第２シ
リンダ（2b）の膨張量を抑制することができる。

【００５８】具体的に、第２シリンダ（2b）を両端開放
の円筒と仮定すると、第２シリンダ（2b）の内半径の増
加量Δａは、式１のように表される。

【００５９】

【式１】

【００６０】ここで、内半径ａ＝２０mm、内圧Ｐ＝１９
kgf/cm²G（停止時の内圧に対応）、ヤング率Ｅ＝１９６
００kgf/mm²の場合を考える。この場合、従来のように
第２シリンダ（2b）の肉厚を薄くして肉厚ｔ＝１mmとす
ると、内半径の増加量Δａ＝４μｍとなる。これに対
し、本実施形態のように第２シリンダ（2b）の全体に亘
って肉厚ｔ＝２mmとすると、内半径の増加量Δａ＝２μ
ｍとなり、半径増加量が低減する。

【００６１】従って、第２シリンダ（2b）と第２ディス
プレーサ（22b）とのクリアランスを所定値に維持する
ことができる。このため、第２シリンダ（2b）と第２デ
ィスプレーサ（22b）との隙間における作動ガスの対流
を抑制でき、この対流に起因する侵入熱量を低減するこ
とができる。つまり、上述のように、第２シリンダ（2
b）の基端側（右端側）と先端側（左端側）との間には
温度差があるため、第２シリンダ（2b）と第２ディスプ
レーサ（22b）との隙間で対流が生じると、ヘリウムガ
スの移動によって第２シリンダ（2b）の先端側に熱が侵
入する。そして、図６に実線で示すように、第２シリン
ダ（2b）の肉厚ｔを厚くするにつれて第２シリンダ（2
b）と第２ディスプレーサ（22b）とのクリアランスが小
さくなり、対流による侵入熱量が減少する。

【００６２】一方、第２シリンダ（2b）の長手方向での
熱伝導による侵入熱量は、式２のように表される。

【００６３】

【式２】

【００６４】つまり、侵入熱量Ｑiは、第２シリンダ（2
b）の断面積Ａに比例する。従って、単に第２シリンダ
（2b）の肉厚ｔを厚くするのみでは、図６における破線
又は一点鎖線で示すように、熱伝導による侵入熱量の増
加を招いてしまう。

【００６５】ところが、侵入熱量Ｑiは、第２シリンダ
（2b）の長さＬに反比例する。このため、本実施形態１
では、第２シリンダ（2b）を構成する部材につき、所定
の肉厚を有するだけでなく、所定長さとている。このた
め、図６に示すように、第２シリンダ（2b）の長さＬを
増大させることによって、第２シリンダ（2b）での熱伝
導による侵入熱量を低減できる。

【００６６】この結果、上述のように、対流による熱侵
入と熱伝導による熱侵入との両方を抑制することがで
き、熱侵入による能力低下を防止して充分な冷凍能力を
発揮させることができる。

【００６７】

【発明の実施の形態２】本発明の実施形態２は、上記実
施形態１において、第２シリンダ（2b）の構成を変更す
るものである。

【００６８】図７に示すように、第２シリンダ（2b）に
は、複数の薄肉部（50）が間欠的に形成されている。各
薄肉部（50）では、第２シリンダ（2b）の全周に亘って
且つ所定の長さに亘って肉厚が薄くされている。従っ
て、第２シリンダ（2b）には、その長手方向に肉厚の厚
い部分と薄い部分とが交互に形成されている。

【００６９】このため、本実施形態２によれば、従来の
ように、第２シリンダ（2b）のほぼ全長に亘って肉厚を
薄くする場合に比べ、第２シリンダ（2b）の剛性を高め
ることができ、ヘリウムガスの圧力による第２シリンダ
（2b）の膨張量を抑制することができる。このため、第
２シリンダ（2b）と第２ディスプレーサ（22b）とのク
リアランスを小さく維持でき、対流による侵入熱量の低
減を図ることができる。

【００７０】また、本実施形態２では、第２シリンダ
（2b）に薄肉部（50）を間欠的に形成している。従っ
て、第２シリンダ（2b）の断面積の増加による侵入熱量
の増加を最小限に抑制することができる。

【００７１】この結果、本実施形態２によっても、上記
実施形態１と同様に、対流による熱侵入と熱伝導による
熱侵入との両方を抑制することができ、熱侵入による能
力低下を防止して充分な冷凍能力を発揮させることがで
きる。

【００７２】

【発明のその他の実施の形態】上記実施形態１では、第
２シリンダ（2b）を所定肉厚で所定長さに設定し、第２
シリンダ（2b）先端の第２ヒートステーション（42）へ
の熱侵入を抑制するようにしている。これに対し、第２
シリンダ（2b）だけでなく、第１シリンダ（2a）につい
ても所定肉厚で所定長さに設定し、第１シリンダ（2a）
先端の第１ヒートステーション（41）への熱侵入を抑制
するようにしてもよい。ただし、第２シリンダ（2b）に
挿入されるのは第２ディスプレーサ（22b）だけである
が、第１シリンダ（2a）には第１ディスプレーサ（22
a）及びスラックピストン（17）が挿入される。従っ
て、第１シリンダ（2a）の長さは、１５０mmにスラック
ピストン（17）分の長さを足した値よりも長く設定され
る。

【００７３】同様に、上記実施形態２では、第２シリン
ダ（2b）のみに薄肉部（50）を形成しているが、これに
加えて第１シリンダ（2a）にも複数の薄肉部（50）を形
成するようにしてもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施形態１に係る極低温冷凍機の概略断面図で
ある。

【図２】実施形態１に係る極低温冷凍機の概略断面を示
す要部拡大図である。

【図３】ロータリバルブの拡大斜視図である。

【図４】ロータリバルブの高圧開弁状態を示す要部拡大
図である。

【図５】ロータリバルブの低圧開弁状態を示す要部拡大
図である。

【図６】シリンダ肉厚と半径増加量の関係、及びシリン
ダ肉厚と侵入熱量の関係を示す関係図である。

【図７】実施形態２に係る極低温冷凍機の概略断面を示
す要部拡大図である。

【図８】従来の極低温冷凍機の概略断面を示す要部拡大
図である。

【符号の説明】

（2a） 第１段シリンダ （2b） 第２段シリンダ （22a） 第１ディスプレーサ （22b） 第２ディスプレーサ （24） 第１段蓄冷器 （27） 第２段蓄冷器 （30） 第１段膨張室 （31） 第２段膨張室 （50） 薄肉部

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 筒状のシリンダ（2a,2b）と、 該シリンダ（2a,2b）の内部に膨張室（30,31）を区画形
   成すると共に、該シリンダ（2a,2b）内を往復動して膨
   張室（30,31）への作動ガスの給排気を行うディスプレ
   ーサ（22a,22b）と、 上記膨張室（30,31）へ給排気される作動ガスを蓄冷材
   と熱交換させる蓄冷器（24,27）とを備え、 上記膨張室（30,31）へ供給された作動ガスの膨張によ
   って極低温レベルの寒冷を発生させる極低温冷凍機であ
   って、 上記シリンダ（2a,2b）は、作動ガスの圧力による変形
   量が所定値以下となる所定の一様の肉厚で、且つ長手方
   向への熱伝導による侵入熱量が所定値以下となる所定の
   長さに形成されている極低温冷凍機。
2. 【請求項２】 筒状のシリンダ（2a,2b）と、 該シリンダ（2a,2b）の内部に膨張室（30,31）を区画形
   成すると共に、該シリンダ（2a,2b）内を往復動して膨
   張室（30,31）への作動ガスの給排気を行うディスプレ
   ーサ（22a,22b）と、 上記膨張室（30,31）へ給排気される作動ガスを蓄冷材
   と熱交換させる蓄冷器（24,27）とを備え、 上記膨張室（30,31）へ供給された作動ガスの膨張によ
   って極低温レベルの寒冷を発生させる極低温冷凍機であ
   って、 上記シリンダ（2a,2b）には、所定幅で全周に亘る肉厚
   の薄い薄肉部（50）が長手方向に間欠的に複数形成され
   ている極低温冷凍機。