| 【発明の名称】 |
極低温冷凍機 |
| 【発明者】 |
【氏名】栗原 利行
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| 【要約】 |
【課題】ディスプレーサ（22）の重量を軽減し、ディスプレーサ（22）の往復動に起因する加振力を小さくして、極低温冷凍機（R）の振動を低減する。
【解決手段】シリンダ（2）内にディスプレーサ（22）と蓄冷器（24）とを設け、ガス圧駆動式のＧＭ冷凍機を形成する。蓄冷器（24）の第１及び第２蓄冷部（24a,24b）を、それぞれ円筒状に形成する。そして、第１蓄冷部（24a）をシリンダ（2）の大径部（2a）に、第２蓄冷部（24b）をシリンダ（2）の小径部（2b）にそれぞれ挿入固定する。ディスプレーサ（22）を、第１及び第２ピストン部（22a,22b）によって構成する。各ピストン部（22a,22b）を中空円筒状に形成し、ディスプレーサ（22）を軽量化する。この第１ピストン部（22a）を第１蓄冷部（24a）の内側に設け、第２ピストン部（22b）を第２蓄冷部（24b）の内側に設ける。また、各ピストン部（22a,22b）の内部を真空にする。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 シリンダ（2）と、該シリンダ（2）の内部に膨張室（30,31）を区画形成すると共に、該シリンダ（2）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（22）と、蓄冷材を備え、該蓄冷材と上記膨張室（30,31）へ給排気される作動ガスとが互いに熱交換を行う蓄冷器（24）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において、上記蓄冷器（24）は、ディスプレーサ（22）と別体に形成される別体型蓄冷部（24a,24b）を備える一方、上記ディスプレーサ（22）は、中空に形成され、且つ内部における対流の発生を抑制するように構成された中空ピストン部（22a,22b）を備えていることを特徴とする極低温冷凍機。
【請求項２】 請求項１記載の極低温冷凍機において、ディスプレーサ（22）は、複数のピストン部（22a,22b）を有して、シリンダ（2）の内部に複数の膨張室（30,31）を区画形成し、蓄冷器（24）は、複数の蓄冷部（24a,24b）を有し、上記シリンダ（2）内の各膨張室（30,31）と、上記ディスプレーサ（22）の各ピストン部（22a,22b）と、上記蓄冷器（24）の各蓄冷部（24a,24b）とによって複数の冷却ステージ（ST1,ST2）を形成する一方、少なくとも最終段の冷却ステージ（ST2）の蓄冷部（24b）が別体型蓄冷部（24b）に構成され、少なくとも最終段の冷却ステージ（ST2）のピストン部（22b）が中空ピストン部（22b）に構成されていることを特徴とする極低温冷凍機。
【請求項３】 請求項１又は２記載の極低温冷凍機において、中空ピストン部（22a,22b）の内部には、軽量な充填材（61）が充填されていることを特徴とする極低温冷凍機。
【請求項４】 請求項１又は２記載の極低温冷凍機において、中空ピストン部（22a,22b）の内部は、真空に構成されていることを特徴とする極低温冷凍機。
【請求項５】 請求項４記載の極低温冷凍機において、中空ピストン部（22a,22b）は、柱状に形成されて、先端側で膨張室（30,31）に臨むように構成される一方、上記中空ピストン部（22a,22b）の内部には、横断面に設けられて、該ピストン部（22a,22b）の基端側から先端側への輻射による熱侵入を低減する遮蔽板（55a,55b）が設けられていることを特徴とする極低温冷凍機。
【請求項６】 請求項２記載の極低温冷凍機において、最終段の冷却ステージのピストン部（22b）は、柱状に形成されて、先端部（64）が最終段の冷却ステージの膨張室（31）に臨むように構成されると共に、内部には先端側の先端空間（62）と基端側の基端空間（63）とが区画形成され、上記先端空間（62）は真空に構成される一方、上記基端空間（63）には軽量な充填材（61）が充填されていることを特徴とする極低温冷凍機。
【請求項７】 シリンダ（2）と、複数のピストン部（22a,22b）を有して、上記シリンダ（2）の内部に複数の膨張室（30,31）を区画形成すると共に、該シリンダ（2）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（22）と、それぞれが蓄冷材を備える複数の蓄冷部（24a,24b）を有し、該蓄冷部（24a,24b）の蓄冷材と、上記膨張室（30,31）へ給排気される作動ガスとが互いに熱交換を行う蓄冷器（24）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ように構成される一方、上記シリンダ（2）内の各膨張室（30,31）と、上記ディスプレーサ（22）の各ピストン部（22a,22b）と、上記蓄冷器（24）の各蓄冷部（24a,24b）とによって複数の冷却ステージが形成される多段の極低温冷凍機において、少なくとも最終段の冷却ステージの蓄冷部（24b）は、ディスプレーサ（22）と別体に形成され、最終段の冷却ステージのピストン部（22b）は、柱状に形成されて先端側の先端部（64）と基端側の基端部（65）とより成り、先端側で最終段の冷却ステージの膨張室（31）に臨むように構成され、上記先端部（64）は軽量な材料によって中実に形成される一方、上記基端部（65）は中空に形成されて内部に軽量な充填材（61）が充填されていることを特徴とする極低温冷凍機。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、シリンダ内を往復動するディスプレーサを備え、ヘリウム等の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に関し、特に、ディスプレーサの往復動に起因する振動の抑制対策に係るものである。
【０００２】
【従来の技術】従来より、極低温冷凍機としては、ＧＭ（ギフォード・マクマホン）冷凍機がよく知られている。このＧＭ冷凍機は、サイモン膨張という原理によって寒冷を発生させるものである。
【０００３】具体的に、ＧＭ冷凍機は、図１０に示すように、シリンダ（a）と、ディスプレーサ（b）と、蓄冷器（c）とを備えている。シリンダ（a）は、円筒状に形成されて両端が閉鎖されている。ディスプレーサ（b）は、円柱状に形成されてシリンダ（a）に挿入される一方、シリンダ（a）とディスプレーサ（b）との間の隙間はシールされている。そして、このディスプレーサ（b）は、シリンダ（a）内の閉空間を上方の上部空間と下方の膨張室とに区画している。また、ディスプレーサ（b）は、駆動機構によって駆動されてシリンダ（a）内を往復動するように構成されている。シリンダ（a）内の上部空間と膨張室とは、蓄冷器（c）を介して配管接続されている。この蓄冷器（c）には、蓄冷材が充填されている。更に、上部空間と蓄冷器（c）との間には、高圧バルブ（e）を介して圧縮機（d）の吐出側が、低圧バルブ（f）を介して圧縮機（d）の吸入側が共に接続されている。
【０００４】上記ＧＭ冷凍機は、以下の動作を行って寒冷を発生させている。先ず、ディスプレーサ（b）が下死点にある状態で高圧バルブ（e）を開き、シリンダ（a）内の上部空間に高圧の作動ガスを導入する。次に、高圧バルブ（e）を閉じてディスプレーサ（b）を引き上げると、上部空間の作動ガスは配管を通って膨張空間へと流れる。その際、作動ガスは蓄冷器（c）において蓄冷材と接触して冷却されるため、膨張室には低温の作動ガスが流入する。ディスプレーサ（b）が上死点に達すると、低圧バルブ（f）を開く。この状態で、膨張室の低温の作動ガスは、膨張室外部の作動ガスに対して押し出し仕事をする。このため、膨張室内の作動ガス温度が更に低下して、寒冷が発生する。その後、ディスプレーサ（b）が下降し、膨張室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（c）内を流れて蓄冷材を冷却する。
【０００５】また、ＧＭ冷凍機には、特開平１０−１２２６８２号公報に開示されているように、ディスプレーサの内部に蓄冷器を設けるようにしたものが知られている。この種の冷凍機では、ディスプレーサの内部空間に蓄冷材を充填して蓄冷器を構成する一方、ディスプレーサには、蓄冷器とシリンダ内の上部空間とに連通する連通路と、蓄冷器とシリンダ内の膨張室とに連通する連通路とを形成している。これによれば、単にシリンダ内に上部空間と膨張室とを区画形成するのみであったディスプレーサの内部空間を有効に利用することができ、冷凍機を大幅に小型化することが可能となる。
【０００６】また、上記公報には、作動ガスの圧力差によってディスプレーサを駆動する、いわゆるガス圧駆動式のＧＭ冷凍機が開示されている。この種の冷凍機では、冷凍機に給排気される高圧作動ガスの圧力と低圧作動ガスの圧力の中間圧力となる中間圧室を形成し、該中間圧室の内圧と、高圧及び低圧の作動ガス圧力との圧力差を利用してディスプレーサを往復駆動するように構成されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】上述のように、この種の冷凍機を運転すると、シリンダ内でディスプレーサが往復動する。そして、このディスプレーサが、従来は中実に構成されているため重量が重く、重いディスプレーサの往復動に起因して加振力が発生し、冷凍機が振動するという問題がある。
【０００８】また、上記のディスプレーサ内部に蓄冷器を設けた冷凍機では、シリンダ内において蓄冷器と一体のディスプレーサが往復動する。一方、蓄冷器の蓄冷材としては、銅メッシュや鉛玉を用いるのが一般的であるため、蓄冷材の重量が嵩むこととなる。従って、この場合にはディスプレーサの重量がかなり増大し、ディスプレーサの往復動に起因する加振力も増大するため、冷凍機の振動が大きくなるという問題があった。
【０００９】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、ディスプレーサの重量を軽減し、ディスプレーサの往復動に起因する加振力を小さくすることによって、冷凍機の振動を低減することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明は、ディスプレーサの軽量化を図り、これによってディスプレーサの往復動に起因する加振力を小さくするようにしたものである。
【００１１】具体的に、本発明が講じた第１の解決手段は、シリンダ（2）と、該シリンダ（2）の内部に膨張室（30,31）を区画形成すると共に、該シリンダ（2）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（22）と、蓄冷材を備え、該蓄冷材と上記膨張室（30,31）へ給排気される作動ガスとが互いに熱交換を行う蓄冷器（24）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前提としている。
【００１２】そして、上記蓄冷器（24）には、ディスプレーサ（22）と別体に形成される別体型蓄冷部（24a,24b）を設ける一方、上記ディスプレーサ（22）には、中空に形成され、且つ内部における対流の発生を抑制するように構成された中空ピストン部（22a,22b）を設けるものである。
【００１３】また、本発明が講じた第２の解決手段は、上記第１の解決手段において、ディスプレーサ（22）は、複数のピストン部（22a,22b）を有して、シリンダ（2）の内部に複数の膨張室（30,31）を区画形成し、蓄冷器（24）は、複数の蓄冷部（24a,24b）を有し、上記シリンダ（2）内の各膨張室（30,31）と、上記ディスプレーサ（22）の各ピストン部（22a,22b）と、上記蓄冷器（24）の各蓄冷部（24a,24b）とによって複数の冷却ステージ（ST1,ST2）を形成するようにする。
【００１４】その一方、少なくとも最終段の冷却ステージ（ST2）の蓄冷部（24b）を別体型蓄冷部（24b）に構成し、少なくとも最終段の冷却ステージ（ST2）のピストン部（22b）を中空ピストン部（22b）に構成するものである。
【００１５】また、本発明が講じた第３の解決手段は、上記第１又は第２の解決手段において、中空ピストン部（22a,22b）の内部には、軽量な充填材（61）を充填するものである。
【００１６】また、本発明が講じた第４の解決手段は、上記第１又は第２の解決手段において、中空ピストン部（22a,22b）の内部を、真空に構成するものである。
【００１７】また、本発明が講じた第５の解決手段は、上記第４の解決手段において、中空ピストン部（22a,22b）を、柱状に形成して先端側で膨張室（30,31）に臨むように構成する一方、上記中空ピストン部（22a,22b）の内部には、横断面に設けられて、該ピストン部（22a,22b）の基端側から先端側への輻射による熱侵入を低減する遮蔽板（55a,55b）を設けるものである。
【００１８】また、本発明が講じた第６の解決手段は、上記第２の解決手段において、最終段の冷却ステージのピストン部（22b）を、柱状に形成して先端部（64）が最終段の冷却ステージの膨張室（31）に臨むように構成すると共に、内部には先端側の先端空間（62）と基端側の基端空間（63）とを区画形成する。そして、上記先端空間（62）を真空に構成する一方、上記基端空間（63）には軽量な充填材（61）を充填するものである。
【００１９】また、本発明が講じた第７の解決手段は、シリンダ（2）と、複数のピストン部（22a,22b）を有して、上記シリンダ（2）の内部に複数の膨張室（30,31）を区画形成すると共に、該シリンダ（2）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（22）と、それぞれが蓄冷材を備える複数の蓄冷部（24a,24b）を有し、該蓄冷部（24a,24b）の蓄冷材と、上記膨張室（30,31）へ給排気される作動ガスとが互いに熱交換を行う蓄冷器（24）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ように構成される一方、上記シリンダ（2）内の各膨張室（30,31）と、上記ディスプレーサ（22）の各ピストン部（22a,22b）と、上記蓄冷器（24）の各蓄冷部（24a,24b）とによって複数の冷却ステージが形成される多段の極低温冷凍機を前提としている。
【００２０】そして、少なくとも最終段の冷却ステージの蓄冷部（24b）をディスプレーサ（22）と別体に形成し、最終段の冷却ステージのピストン部（22b）を、柱状に形成されて先端側の先端部（64）と基端側の基端部（65）とより成り、先端側で最終段の冷却ステージの膨張室（31）に臨むように構成し、上記先端部（64）を軽量な材料によって中実に形成する一方、上記基端部（65）を中空に形成し内部に軽量な充填材（61）を充填するものである。
【００２１】−作用−上記第１の解決手段では、高圧の作動ガスをシリンダ（2）内に導入し、この高圧作動ガスをディスプレーサ（22）の動きによって膨張室（30,31）へ導入する。その際、作動ガスは蓄冷器（24）の蓄冷材（25a,25b）と熱交換して冷却されるため、膨張室（30,31）には低温の作動ガスが流入する。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（22）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）内を流れて蓄冷材（25a,25b）を冷却する。そして、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。
【００２２】一方、上記蓄冷器（24）は、ディスプレーサ（22）と別体の別体型蓄冷部（24a,24b）を備えている。また、ディスプレーサ（22）は、中空の中空ピストン部（22a,22b）を備え、軽量に構成されている。この中空ピストン部（22a,22b）は、内部における対流の発生を抑制するように構成されている。これによって、該中空ピストン部（22a,22b）内での対流に起因する膨張室（30,31）への熱侵入を阻止するようにしている。
【００２３】また、上記第２の解決手段では、シリンダ（2）内の各膨張室（30,31）と、ディスプレーサ（22）の各ピストン部（22a,22b）と、蓄冷器（24）の各蓄冷部（24a,24b）とによって複数の冷却ステージ（ST1,ST2）を形成する。各冷却ステージ（ST1,ST2）の膨張室（30,31）へはピストン部（22a,22b）の往復動によって作動ガスが給排気され、各冷却ステージ（ST1,ST2）の膨張室（30,31）で作動ガスが膨張する。これによって、各冷却ステージ（ST1,ST2）の膨張室（30,31）において所定温度レベルの寒冷が発生する。その一方、少なくとも最終段の冷却ステージ（ST2）において、蓄冷部（24b）が別体型蓄冷部に構成され、ピストン部（22b）が中空ピストン部に構成される。
【００２４】また、上記第３の解決手段では、中空ピストン部（22a,22b）内部に軽量な充填材（61）が充填される。そして、中空ピストン部（22a,22b）内部では、充填材（61）によって内部でのガス等の流動が阻止され、これによって中空ピストン部（22a,22b）内での対流の発生が抑制される。従って、中空ピストン部（22a,22b）内部に、作動ガスとして一般に用いられるヘリウムガスやその他のガスが存在する状態であっても、中空ピストン部（22a,22b）内での対流が抑制される。
【００２５】また、上記第４の解決手段では、中空ピストン部（22a,22b）の内部空間が密閉空間に構成されて、中空ピストン部（22a,22b）内が真空にされる。このため、中空ピストン部（22a,22b）の内部には、作動ガスとして一般に用いられるヘリウムガスをはじめ何れの物質もほとんど存在せず、中空ピストン部（22a,22b）内での対流の発生が抑制される。
【００２６】また、上記第５の解決手段では、内部が真空にされた中空ピストン部（22a,22b）に遮蔽板（55a,55b）を設け、基端側から先端側への輻射による熱侵入を低減するようにしている。つまり、中空ピストン部（22a,22b）の先端側は、膨張室（30,31）に臨んでいるため、中空ピストン部（22a,22b）の基端側よりも低温である。一方、中空ピストン部（22a,22b）は、中空に形成されて真空にされている。従って、中空ピストン部（22a,22b）内での対流に起因する基端側から先端側への熱侵入は阻止されるものの、輻射による先端側への熱侵入は依然として存在する。
【００２７】ここで、輻射による伝熱量は、基端側の温度：T1と先端側の温度：T2とにより定まる。より正確に言うと、伝熱量は、各温度の４乗の差：T14-T24に比例する。これに対して、中空ピストン部（22a,22b）内部の横断面に遮蔽板（55a,55b）を設けた場合、この遮蔽板（55a,55b）の温度：T3は、基端温度：T1と先端温度：T2との中間の値となる。そして、この場合における輻射による先端部（64）への入熱量は、遮蔽板温度：T3と先端温度：T2とによって定まる。この時、T1＞T3＞T2であることから、T14-T24＞T34-T24の関係が成り立つ。従って、上記遮蔽板（55a,55b）を設けることによって、中空ピストン部（22a,22b）の先端側への輻射による熱侵入が低減する。
【００２８】また、上記第６の解決手段では、最終段の冷却ステージ（ST2）のピストン部（22b）内部には、先端空間（62）と基端空間（63）とが区画形成される。この先端空間（62）は真空にされ、基端空間（63）には軽量な充填材（61）が充填されている。そして、基端空間（63）では、充填材（61）によって内部でのガス等の流動が阻止され、これによって基端空間（63）内での対流の発生が抑制される。従って、この基端空間（63）内にヘリウムガス等が存在していても、充填材（61）によって対流が抑制される。一方、先端空間（62）は、密閉空間に構成されて真空にされており、これによって先端空間（62）内での対流の発生が抑制される。従って、基端空間（63）よりも低温となる先端空間（62）の内部には、ヘリウムガスをはじめ何れの物質もほとんど存在しない状態となる。
【００２９】また、上記第７の解決手段では、高圧の作動ガスをシリンダ（2）内に導入し、この高圧作動ガスをディスプレーサ（22）の動きによって膨張室（30,31）へ導入する。その際、作動ガスは蓄冷器（24）の蓄冷材（25a,25b）と熱交換して冷却されるため、膨張室（30,31）には低温の作動ガスが流入する。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（22）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）内を流れて蓄冷材（25a,25b）を冷却する。そして、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。
【００３０】また、シリンダ（2）内の各膨張室（30,31）と、ディスプレーサ（22）の各ピストン部（22a,22b）と、蓄冷器（24）の各蓄冷部（24a,24b）とによって複数の冷却ステージ（ST1,ST2）を形成する。各冷却ステージ（ST1,ST2）の膨張室（30,31）へはピストン部（22a,22b）の往復動によって作動ガスが給排気され、各冷却ステージ（ST1,ST2）の膨張室（30,31）で作動ガスが膨張する。これによって、各冷却ステージ（ST1,ST2）の膨張室（30,31）において所定温度レベルの寒冷が発生する。
【００３１】一方、最終段の冷却ステージ（ST2）の蓄冷部（24b）は、ディスプレーサ（22）と別体に形成されている。また、最終段の冷却ステージ（ST2）のピストン部（22b）は、先端側の先端部（64）と基端側の基端部（65）とにより形成される。この先端部（64）は軽量な材料によって中実に形成される一方、基端部（65）は中空に形成されて内部に軽量な充填材（61）が充填されており、これによってディスプレーサ（22）が軽量に構成される。そして、上記基端部（65）内の充填材（61）によって、基端部（65）内部における対流の発生を抑制し、この対流に起因する基端側から先端側への熱侵入を阻止するようにしている。また、最終段の冷却ステージ（ST2）の膨張室（31）に臨んで基端部（65）よりも低温となる先端部（64）が、中実に形成される。
【００３２】
【発明の効果】従って、上記第１の解決手段によれば、中空の中空ピストン部（22a,22b）を設けることによってディスプレーサ（22）の軽量化を図り、ディスプレーサ（22）の往復動により生じる加振力を小さくすることによって、冷凍機の振動を低減することができる。
【００３３】ここで、単に中空の中空ピストン部（22a,22b）をディスプレーサ（22）に設けたのでは、該中空ピストン部（22a,22b）の内部で対流が生じ、この対流によってシリンダ（2）内の膨張室（30,31）への熱侵入が生じる。これに対して、本解決手段では、中空ピストン部（22a,22b）内部での対流の発生を抑制しているため、上述のような膨張室（30,31）への熱侵入が抑制され、冷凍機に充分な冷凍能力を発揮させることができる。この結果、弊害を生じることなくディスプレーサ（22）の軽量化を図り、冷凍機の振動を低減することが可能となる。
【００３４】また、上記第２の解決手段では、少なくとも最終段の冷却ステージ（ST2）の蓄冷部（24b）を別体型蓄冷部に構成している。従って、従来より知られた蓄冷部をディスプレーサの内部に設ける構造とする場合に比して、冷凍機の最終段の冷却ステージ（ST2）を構成する部分は、やや大型化してしまう。しかしながら、最終段の冷却ステージ（ST2）を構成する部分は、より高温側の他の冷却ステージ（ST1）を構成する部分よりも通常は小型である。このため、最終段の冷却ステージ（ST2）を構成する部分がやや大型化しても、冷凍機全体としては、依然として小型に維持することができる。
【００３５】また、上記第３の解決手段によれば、中空ピストン部（22a,22b）内部にガスが存在する場合であっても、対流に起因する膨張室（30,31）への熱侵入を確実に阻止することができる。このため、中空ピストン部（22a,22b）内に作動ガスの流入を許容する構造とすることによって、中空ピストン部（22a,22b）の構成を簡素化できる。
【００３６】つまり、シリンダ（2）内には高圧の作動ガスが導入されるため、中空ピストン部（22a,22b）の内部と外部とで圧力差が生じる。従って、中空ピストン部（22a,22b）には、この圧力差に耐え得るように所定の耐圧強度を与える必要がある。これに対して、作動ガスの流入を許容することによって、中空ピストン部（22a,22b）内外の圧力差を縮小することができる。この結果、中空ピストン部（22a,22b）の耐圧強度を下げることができ、これによって中空ピストン部（22a,22b）の構成を簡素化することが可能となる。
【００３７】また、上記第４の解決手段によれば、中空ピストン部（22a,22b）内を真空にして何れの物質もほとんど存在しない状態としているため、該中空ピストン部（22a,22b）を最も軽量に構成することができる。この結果、ディスプレーサ（22）の軽量化を確実に図ることができ、冷凍機の振動を低減することができる。
【００３８】また、上記第５の解決手段によれば、遮蔽板（55a,55b）によって中空ピストン部（22a,22b）の先端側への熱侵入を確実に低減することができる。この結果、膨張室（30,31）への熱侵入を低減することができ、冷凍機に充分な冷凍能力を発揮させることができる。また、上述のようにシリンダ（2）内には高圧の作動ガスが導入されるため、中空ピストン部（22a,22b）内を真空にすると、中空ピストン部（22a,22b）内外での圧力差が大きくなる。従って、中空ピストン部（22a,22b）に大きな耐圧強度を与える必要が生じる。これに対して、遮蔽板（55a,55b）を中空ピストン部（22a,22b）の横断面に設けているため、この遮蔽板（55a,55b）によって中空ピストン部（22a,22b）の耐圧強度を大きくすることができる。この結果、中空ピストン部（22a,22b）の重量増加を最低限に抑えつつ、中空ピストン部（22a,22b）に充分な耐圧強度を与えることができる。
【００３９】また、上記第６の解決手段によれば、最終段の冷却ステージ（ST2）のピストン部（22b）における先端空間（62）の内部を、ヘリウムガス等の作動ガスが存在しない状態とすることができる。
【００４０】ここで、最終段の冷却ステージ（ST2）の膨張室（31）に臨む上記ピストン部（22b）の先端付近は絶対温度１０Ｋ程度の極低温状態となっており、ピストン部（22b）の先端空間（62）も同様に極低温状態となっている。一方、このような極低温状態では、ヘリウムガス等の作動ガスの密度は常温時に比べて非常に大きくなる。このため、上記先端空間（62）への作動ガスの出入りを許容する構造とした場合、上記ピストン部（22b）の製作は最も容易となるものの、以下のような問題が生じるおそれがある。
【００４１】つまり、上記先端空間（62）への作動ガスの出入りを許容すると、該先端空間（62）に極低温状態の作動ガスを溜め込む必要が生じ、冷凍機の運転開始時における作動ガスの充填圧力を増加させなければならない。また、上記先端空間（62）へ出入りする作動ガスの量も該作動ガスの密度の増加に伴って増加するため、冷凍機の性能低下を招くおそれがある。これに対して、本解決手段では、上記先端空間（62）を真空としているため、上述のような問題を回避しつつ、ディスプレーサ（22）の軽量化を確実に図ることができる。
【００４２】また、上記第７の解決手段では、最終段の冷却ステージ（ST2）のピストン部（22b）において、基端部（65）を中空に形成して内部に軽量な充填材（61）を充填すると共に先端部（64）を軽量な材料で中実に形成している。これによって、ディスプレーサ（22）の軽量化を図り、ディスプレーサ（22）の往復動により生じる加振力を小さくすることによって、冷凍機の振動を低減することができる。
【００４３】また、上記最終段のピストン部（22b）の基端部（65）内部にガスが存在する場合であっても、対流に起因する膨張室（31）への熱侵入を確実に阻止することができる。このため、上記第３の解決手段と同様に、基端部（65）内に作動ガスの流入を許容することによって、基端部（65）に要求される耐圧強度を下げることができ、基端部（65）の構成を簡素化できる。
【００４４】また、上述のように最終段の冷却ステージ（ST2）の膨張室（31）は極低温状態であり、上記最終段のピストン部（22b）の先端部（64）も極低温状態となる。これに対して該先端部（64）を中実に形成しているため、この先端部（64）内にヘリウムガス等は存在せず、上記第６の解決手段と同様に、作動ガスの密度の増大に起因する運転開始時における充填圧力の増加や冷凍機の性能低下の問題を確実に防ぐことができる。更に、本解決手段では、先端部（64）を中実体によって構成しているため、上記最終段のピストン部（22b）の構成を簡素化することができる。
【００４５】
【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。
【００４６】図１に示すように、本実施形態の極低温冷凍機（R）は、モータヘッド（1）とシリンダ（2）とを有し、シリンダ（2）内におけるヘリウムガス（作動ガス）の膨張によって寒冷を発生させるガス圧駆動式のＧＭ（ギフォード・マクマホン）冷凍機である。すなわち、極低温冷凍機（R）は密閉状のモータヘッド（1）と、該モータヘッド（1）の上面に気密状に連設され、上側の大径部（2a）及び下側の小径部（2b）からなる大小２段構造のシリンダ（2）とを備えている。
【００４７】上記モータヘッド（1）の側面には高圧ガス入口（4）とその下側に位置する低圧ガス出口（5）とが形成され、高圧ガス入口（4）は圧縮機（図示せず）の吐出側に高圧配管（4a）を介して、また低圧ガス出口（5）は同圧縮機の吸入側に低圧配管（5a）を介してそれぞれ接続されている。
【００４８】モータヘッド（1）の内部には、上記高圧ガス入口（4）に連通するモータ室（6）と、該モータ室（6）の下側に位置し且つ内部空間が上端にてモータ室（6）に連通する上下方向の貫通孔からなる装着孔（7）と、この装着孔（7）の周囲に位置する略環状の空間からなる中間圧室（8）とが形成されている。
【００４９】また、モータヘッド（1）のシリンダ（2）との境界部分にはシリンダ（2）上端（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。このバルブステム（9）は、上記装着孔（7）に気密嵌合されたバルブシート部（9a）と、シリンダ（2）の大径部（2a）の内径よりも小径に形成され、このシリンダ大径部（2a）内の上部に同心に突出するピストン支持部（9b）と、上記中間圧室（8）の下壁を構成するフランジ部（9c）とを備えている。そして、バルブシート部（9a）の上面と装着孔（7）の壁面とで囲まれる空間により、高圧ガス入口（4）とモータ室（6）を介して連通するバルブ室（10）が形成されている。
【００５０】上記バルブステム（9）には、図３及び図４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（12）は、上半部が２股状に分岐され且つ上記バルブ室（10）をシリンダ（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管（15）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（12）に後述するロータリバルブ（35）の低圧ポート（37）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）に形成した低圧通路（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）上面において、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。
【００５１】上記モータヘッド（1）のバルブ室（10）内には、上記バルブモータ（39）により回転駆動されるロータリバルブ（35）が設けられている。このロータリバルブ（35）は、シリンダ（2）内に高圧ヘリウムガスを供給する高圧開弁状態と、シリンダ（2）内のヘリウムガスを排出する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。つまり、このロータリバルブ（35）の切換動作によって、上記第１ガス流路（12）を通じて、高圧開弁状態では上記高圧ガス入口（4）に連通するバルブ室（10）とシリンダ（2）内部とが連通し、低圧開弁状態では上記低圧ガス出口（5）に連通する低圧通路（13）とシリンダ（2）内部とが連通するようになされている。
【００５２】具体的に、上記ロータリバルブ（35）の下面中心部にはバルブモータ（39）の出力軸（39a）が回転一体に係合されている。また、バルブ（35）上面とモータ（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）下面をバルブステム（9）のバルブシート部（9a）上面に対し一定の押圧力で押し付けるようにしている。
【００５３】上記ロータリバルブ（35）の下面には、図２に示すように、一対の高圧ポート（36,36）と、低圧ポート（37）とが形成されている。上記高圧ポート（36,36）は、上記ロータリバルブ（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。また、上記低圧ポート（37）は、該高圧ポート（36,36）に対してロータリバルブ（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、ロータリバルブ（35）下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なる有端凹溝状に形成されている。そして、上記ロータリバルブ（35）は、その下面がバルブステム（9）上面に圧接された状態でバルブモータ（39）により回転駆動され、これによって上述の高圧開弁状態と低圧開弁状態とに切り換わるようにされている。
【００５４】具体的に、図３に示すように、ロータリバルブ（35）が回転して、その下面の高圧ポート（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）上面に開口する第１ガス流路（12）の２つの開口端に合致したときには、高圧開弁状態となって、上記第１ガス流路（12）を通じて、上記高圧ガス入口（4）に連通するバルブ室（10）とシリンダ（2）内部とが連通し、シリンダ（2）内に高圧のヘリウムガスが導入される。また、図４に示すように、バルブシート部（9a）上面に開口する第２ガス流路（14）に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ときには、低圧開弁状態となって、上記第１ガス流路（12）を通じて、上記低圧ガス出口（5）に連通する低圧通路（13）とシリンダ（2）内部とが連通し、シリンダ（2）内のヘリウムガスが排出される。
【００５５】一方、上記シリンダ（2）内には、第１及び第２ピストン部（22a,22b）を有するディスプレーサ（22）と、第１及び第２蓄冷部（24a,24b）を有する蓄冷器（24）とが設けられている。そして、上記シリンダ（2）の大径部（2a）内に形成された第１段膨張室（30）と、上記第１ピストン部（22a）と、第１蓄冷部（24a）とによって第１段冷却ステージ（ST1）を形成すると共に、上記シリンダ（2）の小径部（2b）内に形成された第２段膨張室（31）と、上記第２ピストン部（22b）と、第２蓄冷部（24b）とによって第２段冷却ステージ（ST2）を形成するようにしている。
【００５６】また、上記シリンダ（2）の大径部（2a）内の下端部には、底壁を有する略カップ形状のスラックピストン（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。このスラックピストン（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）内外を連通する複数の連通孔（19,19,…）が形成されている。
【００５７】上記シリンダ（2）の内部は、上記スラックピストン（17）によって、該スラックピストン（17）の下方の下側圧力室（29）と、上方の上側圧力室（20）とがそれぞれ区画形成されている。この上側圧力室（20）は、上記モータヘッド（1）内の中間圧室（8）にオリフィス（21）を介して常時連通され、高圧及び低圧のヘリウムガスの中間圧力に設定されている。これに対して、下側圧力室（29）は、上記ロータリバルブ（35）の切り換え動作によって、高圧開弁状態では高圧のヘリウムガスのガス圧となり、低圧開弁状態では高圧のヘリウムガスのガス圧となる。そして、この上側圧力室（20）のガス圧と下側圧力室（29）のガス圧との圧力差によってスラックピストン（17）に往復動の駆動力が付与され、このスラックピストン（17）とディスプレーサ（22）とを連結してディスプレーサ（22）を往復動させるように構成されている。
【００５８】上記シリンダ（2）は、第１ヒートステーション部（41）と、第２ヒートステーション部（42）とを備えている。この第１ヒートステーション部（41）は、略円筒状に形成されると共に、下端部から鍔状に突出する鍔部（41a）を備えている。そして、該第１ヒートステーション部（41）は、シリンダ（2）の大径部（2a）の下端部に位置して、内周面が該大径部（2a）の外周面に密着するように設けられている。第２ヒートステーション部（42）は、略円筒状に形成されると共に、下端側は円形の底板（42a）によって閉鎖されている。この底板（42a）の外周部は、鍔状に突出している。そして、該第２ヒートステーション部（42）は、シリンダ（2）の小径部（2b）の下端側を閉塞するように設けられている。
【００５９】上記シリンダ（2）の小径部（2b）内には、第２蓄冷部（24b）が挿入固定されている。この第２蓄冷部（24b）は、樹脂系の材料から成り、側壁部（26b）を備えて円筒状に形成されている。この第２蓄冷部（24b）の側壁部（26b）は中空に形成されており、該側壁部の内部空間には小球状の蓄冷材（25b）が多数充填されている。また、第２蓄冷部（24b）の側壁部（26b）には、上部通路（27b）と下部通路（28b）とが形成されている。該上部通路（27b）は、一端が上記側壁部（26b）の上端面に開口し、他端が上記側壁部（26b）の内部空間に連通している。該下部通路（28b）は、一端が上記側壁部（26b）の下端部における内周面に開口し、他端が上記側壁部（26b）の内部空間に連通すると共に、通路（28b）内のヘリウムガスが上記第２ヒートステーション部（42）の内周面と接触して流れるように構成されている。
【００６０】そして、上記第２蓄冷部（24b）は、上記シリンダ（2）の小径部（2b）の内側に挿入され、接着によってシリンダ（2）に固定されている。また、該第２蓄冷部（24b）の上端面に当接する円環状の押え板（51a）が設けられ、この押え板（51b）によって、第２蓄冷部（24b）が上記小径部（2b）の長手方向へ移動するのを阻止するようにしている。
【００６１】上記第２蓄冷部（24b）の側壁部（26b）に充填される蓄冷材（25b）は、鉛又は各種の磁性蓄冷材のうちの何れか１種類又は複数種類の物質によって構成されている。こ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。そして、例えば、側壁部（26b）の内部空間に、ホルミウム銅（HoCu2）から成る小球状の蓄冷材のみを充填してもよいし、内部空間の下から順にホルミウム銅（HoCu2）から成る蓄冷材と、エルビウム３ニッケル（Er3Ni）から成る蓄冷材と、鉛から成る蓄冷材とを層状に充填するようにしてもよい。
【００６２】また、上記シリンダ（2）の大径部（2a）内には、第１蓄冷部（24a）が挿入固定されている。この第１蓄冷部（24a）は、上記第２蓄冷部（24b）とほぼ同様に構成されており、上記大径部（2a）の内径に対応して外径が拡大され、これに伴って内径も拡大されている点を除けば、第２蓄冷部（24b）と同様に構成されている。
【００６３】即ち、上記第１蓄冷部（24a）は円筒状に形成され、中空の側壁部（26a）内部には銅メッシュから成る蓄冷材（25a）が充填されている。また、該側壁部（26a）には、第２蓄冷部（24b）の側壁部（26b）と同様に、上部通路（27a）と下部通路（28a）とが形成されている。そして、第１蓄冷部（24a）は、上記シリンダ（2）の大径部（2a）の内側に挿入され、接着によってシリンダ（2）に固定されると共に、該第１蓄冷部（24a）の上端面に当接する円環状の押え板（51a）によって、該大径部（2a）の長手方向への移動を阻止されている。
【００６４】上記シリンダ（2）には、本発明の特徴とするディスプレーサ（22）が設けられている。このディスプレーサ（22）は、第１ピストン部（22a）と、該第１ピストン部（22a）の下端に移動一体に結合された第２ピストン部（22b）とを備え、上記第１及び第２蓄冷部（24a,24b）の内側に往復動自在に挿入されている。そして、このディスプレーサ（22）によって、シリンダ（2）内におけるスラックピストン（17）下方において、上から順に上記下側圧力室（29）、第１段及び第２段膨張室（30,31）が区画形成されている。
【００６５】上記第２ピストン部（22b）は、上記第２蓄冷部（24b）の内径に対応して小径に形成された中空円筒によって構成されている。また、該第２ピストン部（22b）は、ステンレスやチタン合金等の金属製の部材を溶接により組み立てたものであって、密閉容器状に形成されている。そして、この第２ピストン部（22b）の内部は真空にされ、これによって、該内部空間における対流の発生を防止し、第２ピストン部（22b）の上端部から上記第２段膨張室（31）に臨む下端部への熱侵入を阻止するようにしている。
【００６６】更に、第２ピストン部（22b）の内部空間には、３枚の遮蔽板（55b）が設けられている。該遮蔽板（55b）は、第２ピストン部（22b）の横断面に、互いに所定の等間隔を存して設けられている。そして、この遮蔽板（55b）によって、第２ピストン部（22b）の耐圧強度を確保すると共に、第２ピストン部（22b）の上端側（基端側）から下端側（先端側）への輻射による熱侵入を低減するようにしている。
【００６７】また、上記第１ピストン部（22a）は、上記第１蓄冷部（24a）の内径に対応して大径に形成された中空円筒によって構成されている。そして、この第１ピストン部（22a）は、上記第２ピストン部（22b）と直径が異なるのみで、その他は第２ピストン部（22b）と同様に構成されている。即ち、第１ピストン部（22a）は、密閉容器状に形成されて内部が真空にされると共に、内部空間には互いに所定の間隔を存して３枚の遮蔽板（55a）が設けられている。
【００６８】更に、上記第１及び第２蓄冷部（24a,24b）には、それぞれ樹脂から成るリング状の内側シール（53a,53b）が設けられている。具体的に、第２内側シール（53b）は、第２蓄冷部（24b）の上端部の内周面に取り付けられている。そして、この第２内側シール（53b）によって、第２ピストン部（22b）の外周面と第２蓄冷部（24b）の内周面とをシールするようにしている。また、第１内側シール（53a）は、第１蓄冷部（24a）の上端部の内周面に取り付けられている。そして、この第１内側シール（53a）によって、第１ピストン部（22a）の外周面と第１蓄冷部（24a）の内周面とをシールするようにしている。尚、ここでは各蓄冷部（24a,24b）にそれぞれ内側シール（53a,53b）を取り付けるようにしたが、各ピストン部（22a,22b）の外周面にそれぞれ内側シール（53a,53b）を取り付けるようにしてもよい。
【００６９】また、上記ディスプレーサ（22）の第１ピストン部（22a）上端には、円柱状に形成された係止片（33）が一体に突設されている。この係止片（33）は、上部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と共に、その上端部にはスラックピストン（17）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。
【００７０】そして、スラックピストン（17）の上昇移動時には、スラックピストン（17）が所定ストロークだけ上昇した時点でその底壁上面とディスプレーサ（22）下面とが当接し、ディスプレーサ（22）がスラックピストン（17）に駆動されて上昇開始するように構成される一方、スラックピストン（17）の下降移動時には、スラックピストン（17）が所定ストロークだけ下降した時点でその底壁下面と係止片（33）の係止部（33a）とが係合し、ディスプレーサ（22）がスラックピストン（17）に駆動されて下降開始するように構成されている。即ち、ディスプレーサ（22）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。
【００７１】また、上記第１ガス通路（12）と第１蓄冷部（24a）とは、スラックピストン（17）に複数形成された連通孔（19,19,…）及び下側圧力室（29）を介して連通するように構成されている。
【００７２】−運転動作−次に、極低温冷凍機（R）の運転動作について説明する。
【００７３】極低温冷凍機（R）におけるシリンダ（2）内の圧力が低圧であって、スラックピストン（17）とディスプレーサ（22）とが下降端位置にある状態から説明する。
【００７４】先ず、バルブモータ（39）に駆動されてロータリバルブ（35）が回転し、このロータリバルブ（35）の高圧ポート（36,36）がバルブステム（9）上面の第１ガス流路（12）の両開口端に合致して、ロータリバルブ（35）が高圧側に開く高圧開弁状態となる。その一方、圧縮機から吐出された高圧ヘリウムガスが、高圧ガス入口（4）及びモータ室（6）を介してバルブ室（10）に供給されている。従って、ロータリバルブ（35）が高圧開弁状態となると、上記高圧ヘリウムガスは、該ロータリバルブ（35）の高圧ポート（36,36）、第１ガス流路（12）及びスラックピストン（17）の連通孔（19）を通じてスラックピストン（17）下方の下側圧力室（29）に導入されると共に、更にこの下側圧力室（29）から、順次蓄冷器（24）の各蓄冷部（24a,24b）を通って各膨張室（30,31）に導入される。また、膨張室（30,31）に導入される高圧ヘリウムガスは、各蓄冷部（24a,24b）において蓄冷材（25a,25b）と接触し、該蓄冷材（25a,25b）と熱交換して冷却される。
【００７５】一方、上記スラックピストン（17）下側の下側圧力室（29）のガス圧が、中間圧室（8）に連通している上側の上側圧力室（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）が上昇する。このスラックピストン（17）の上昇ストロークが所定値に達したときに、該スラックピストン（17）の底壁上面とディスプレーサ（22）上端における係止片（33）の係止部（33a）とが係合する。このため、ディスプレーサ（22）は、圧力変化に対し遅れを持ってスラックピストン（17）により引き上げられ、このディスプレーサ（22）の上昇移動によって、第１ガス流路（12）から膨張室（30,31）へ高圧ヘリウムガスが送り込まれる。その後、上記ロータリバルブ（35）が閉じ、上記ディスプレーサ（22）が上昇端位置に達する。
【００７６】続いて、ロータリバルブ（35）の低圧ポート（37）が上記バルブステム（9）上面の第１ガス流路（12）の開口端に合致して、ロータリバルブ（35）が低圧側に開く低圧開弁状態となる。これによって、上記各膨張室（30,31）内のヘリウムガスがサイモン膨張して温度降下を生じる。つまり、ロータリバルブ（35）が低圧開弁状態となると、低圧ガス出口（5）及び低圧ガス配管（5a）を介して、第１ガス流路（12）と圧縮機の吸入側とが連通し、シリンダ（2）内からヘリウムガスが排出される。その際、各膨張室（30,31）内のヘリウムガスは、膨張室（30,31）外部のヘリウムガスに対して押し出し仕事をすることによって温度降下する。これによって、第１ヒートステーション部（41）が所定温度レベル（例えば、絶対温度７０Ｋ程度）に、また第２ヒートステーション部（42）が第１ヒートステーション部（41）よりも低い温度レベル（例えば、絶対温度１０Ｋ程度）にそれぞれ冷却される。
【００７７】膨張して低温状態となったヘリウムガスは、蓄冷器（24）の各蓄冷部（24a,24b）を通って上記下側圧力室（29）内に戻る。その際、各蓄冷部（24a,24b）において蓄冷材（25a,25b）と接触し、各蓄冷材（25a,25b）を冷却しながら自身が常温まで暖められる。そして、この常温のヘリウムガスは、さらに下側圧力室（29）内のガスと共に第１ガス流路（12）、バルブ（35）の低圧ポート（37）、低圧通路（13）及び低圧ガス出口（5）を通って圧縮機に吸入される。
【００７８】また、このガス排出に伴って上記下側圧力室（29）内のガス圧が低下し、該下側圧力室（29）内のガス圧と、中間圧室（8）に連通している上側圧力室（20）との圧力差によってスラックピストン（17）が下降する。このスラックピストン（17）の底壁下面がディスプレーサ（22）の上面に当接した後は該ディスプレーサ（22）が押圧されて下降し、このディスプレーサ（22）の下降移動により膨張室（30,31）内のガスが冷凍機（R）外に排出される。
【００７９】その後、ロータリバルブ（35）が閉じ、ディスプレーサ（22）が下降端位置まで下降移動し、膨張室（30,31）内のガスが排出されて最初の状態に戻る。以上によりディスプレーサ（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）の温度が極低温レベルに維持される。
【００８０】上述のように、本実施形態の極低温冷凍機（R）では、ほぼ常温のヘリウムガスをシリンダ（2）内に導入し、第１段膨張室（30）において７０Ｋ程度の寒冷を、第２段膨張室（31）において１０Ｋ程度の寒冷を発生させるようにしている。従って、上記ディスプレーサ（22）の上端側（基端側）と下端側（先端側）との間には、相当の温度差がある。このため、中空に形成された各ピストン部（22a,22b）の内部にヘリウムガス等が存在すると対流が生じ、この対流によって上端側から下端側への熱侵入が生ずる。これに対し、本実施形態では、各ピストン部（22a,22b）の内部を真空にしているため対流は生じず、この対流に起因する熱侵入は発生せず、各膨張室（30,31）への熱侵入が阻止される。
【００８１】また、中空の各ピストン部（22a,22b）内部を真空にすると、対流による熱侵入は阻止できるものの、輻射による熱侵入は依然として存在する。これに対して、本実施形態では、各ピストン部（22a,22b）内部に３枚の遮蔽板（55a,55b）を設けて、輻射による熱侵入を低減するようにしている。
【００８２】つまり、遮蔽板（55a,55b）を設けない場合、輻射により侵入する熱量は、各ピストン部（22a,22b）の上端と下端との温度差によって決まる。一方、本実施形態では、各ピストン部（22a,22b）の上下方向に３枚の遮蔽板（55a,55b）を設けている。この遮蔽板（55a,55b）の温度は各ピストン部（22a,22b）の上端温度と下端温度との間の値となり、最も下方に位置する遮蔽板（55a,55b）の温度が最も低くなる。各ピストン部（22a,22b）下端へ侵入する熱量は、各ピストン部（22a,22b）における下端部温度と最下方の遮蔽板温度との差によって決まるため、遮蔽板（55a,55b）の設置により温度差が縮小し、輻射による各ピストン部（22a,22b）下端への熱侵入が低減される。
【００８３】−実施形態１の効果−本実施形態１によれば、ディスプレーサ（22）の各ピストン部（22a,22b）を中空に形成することによって、ディスプレーサ（22）の軽量化を図ることができる。この結果、ディスプレーサ（22）の往復動により生じる加振力を小さくすることができ、冷凍機の振動を低減することができる。
【００８４】また、各ピストン部（22a,22b）の内部を真空にすることによって、各ピストン部（22a,22b）内部での対流の発生を抑制することができ、この対流に起因する膨張室（30,31）への熱侵入を抑制することができる。また、各ピストン部（22a,22b）の内部に遮蔽板（55a,55b）を設けることによって、輻射による膨張室（30,31）への熱侵入を低減することができる。この結果、膨張室（30,31）への熱侵入を確実に低減することができ、冷凍機に充分な冷凍能力を発揮させることが可能となる。
【００８５】また、遮蔽板（55a,55b）を設けることによって各ピストン部（22a,22b）の耐圧強度を向上させることができる。この結果、各ピストン部（22a,22b）の過大な重量増加を招くことなく、確実に各ピストン部（22a,22b）の耐圧強度を向上させることが可能となる。
【００８６】
【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、ディスプレーサ（22）の構成を変更したものである。つまり、上記実施形態１が、ディスプレーサ（22）の各ピストン部（22a,22b）を中空に形成し、該ピストン部（22a,22b）の内部を真空にしたのに代えて、本実施形態では、中空の各ピストン部（22a,22b）内部に軽量な充填材（61）を充填している。従って、本実施形態におけるディスプレーサ（22）以外の部分の構成は、上記実施形態１と同様である。以下、ディスプレーサ（22）の構成のみについて説明する。
【００８７】図５に示すように、本実施形態のディスプレーサ（22）は、上記実施形態１と同様に、第１及び第２ピストン部（22a,22b）によって構成されている。
【００８８】上記第２ピストン部（22b）は、ステンレスやチタン合金等の金属や、フェノール樹脂等の樹脂から成り、第２蓄冷部（24b）の内径に対応した小径の中空円筒に形成されている。この第２ピストン部（22b）内部には、作動ガスであるヘリウムガスが存在すると共に、軽量な材料から成る充填材（61）が充填されている。具体的に、この充填材（61）は、グラスウール、ウールフェルト、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、エポキシ樹脂から成る発泡体、ＦＲＰ等によって構成されている。
【００８９】そして、第２ピストン部（22b）に小さな孔を設け、第２ピストン部（22b）の内部へのヘリウムガスの出入りを僅かに許容することによって、第２ピストン部（22b）内の圧力をサイクルの高低圧の約中間圧に保持し、内外の圧力差を削減して第２ピストン部（22b）に要求される耐圧強度を小さくする一方、内部に存在するヘリウムガスの流動を上記充填材（61）によって阻止するようにしている。
【００９０】また、第２ピストン部（22b）の内部空間には、３枚の補強板（56b）が設けられている。該補強板（56b）は、第２ピストン部（22b）の横断面に、互いに所定の等間隔を存して設けられている。そして、この補強板（56b）によって、第２ピストン部（22b）の耐圧強度を確保するようにしている。
【００９１】上記第１ピストン部（22a）は、上記第１蓄冷部（24a）の内径に対応して大径に形成された中空円筒によって構成されている。そして、この第１ピストン部（22a）は、上記第２ピストン部（22b）と直径が異なるのみで、その他は第２ピストン部（22b）と同様に構成されている。即ち、第１ピストン部（22a）の内部には、ヘリウムガスが存在すると共に、軽量な充填材（61）が充填されている。また、第１ピストン部（22a）の内部には、互いに所定の間隔を存して３枚の補強板（56a）が設けられている。
【００９２】−運転動作−本実施形態の極低温冷凍機（R）は、上記実施形態１と同様の動作を行い、第１及び第２ヒートステーション（41,42）を所定の温度レベルに維持する。
【００９３】また、本実施形態においても、ディスプレーサ（22）の各ピストン部（22a,22b）における上端側（基端側）と下端側（先端側）との間には、相当の温度差が生じる。これに対し、本実施形態の各ピストン部（22a,22b）の内部にはヘリウムガスが存在するが、このヘリウムガスの流動は充填材（61）によって阻止される。従って、各ピストン部（22a,22b）の内部では対流は生じず、この対流に起因する各膨張室（30,31）への熱侵入が阻止される。
【００９４】−実施形態２の効果−本実施形態２によれば、ディスプレーサ（22）の各ピストン部（22a,22b）を中空に形成することによって、ディスプレーサ（22）の軽量化を図ることができる。この結果、ディスプレーサ（22）の往復動により生じる加振力を小さくすることができ、冷凍機の振動を低減することができる。
【００９５】また、各ピストン部（22a,22b）の内部に充填材（61）を設けることによって、各ピストン部（22a,22b）内部での対流の発生を抑制することができ、この対流に起因する膨張室（30,31）への熱侵入を抑制することができる。更に、各ピストン部（22a,22b）の内部には充填材（61）が詰まっているため、輻射による膨張室（30,31）への熱侵入をほぼ皆無とすることができる。この結果、膨張室（30,31）への熱侵入を確実に低減することができ、冷凍機に充分な冷凍能力を発揮させることが可能となる。
【００９６】また、各ピストン部（22a,22b）の内部へのヘリウムガスの出入りを僅かに許容し、各ピストン部（22a,22b）内外の圧力差を縮小することによって、各ピストン部（22a,22b）に要求される耐圧強度を小さくすることができる。この結果、各ピストン部（22a,22b）の構成を簡素化することができ、ディスプレーサ（22）の軽量化を一層確実に図ることができる。
【００９７】
【発明の実施の形態３】本発明の実施形態３は、上記実施形態２において、ディスプレーサ（22）の構成を変更したものである。つまり、上記実施形態２が、ディスプレーサ（22）の各ピストン部（22a,22b）内部に充填材（61）を設けるのに代えて、本実施形態では、第２ピストン部（22b）の先端部（64）分の内部を真空にしている。従って、本実施形態におけるディスプレーサ（22）以外の部分の構成は、上記実施形態２と同様である。以下、ディスプレーサ（22）の構成のみについて説明する。
【００９８】図６に示すように、本実施形態のディスプレーサ（22）は、上記実施形態２と同様に、第１及び第２ピストン部（22a,22b）によって構成されている。そして、第１ピストン部（22a）は、上記実施形態２と同様に構成されている。
【００９９】また、第２ピストン部（22b）は、上記実施形態２と同様に、小径の中空円筒に形成されて、内部には３枚の補強板（56b）が設けられている。この補強板（56b）によって、第２ピストン部（22b）の内部空間は、４つの空間に区画されている。そして、この４つの空間のうち、第２ピストン部（22b）の上端側（基端側）の２つの空間が基端空間（63）に、下端側（先端側）の２つの空間が先端空間（62）にそれぞれ構成されている。
【０１００】上記第２ピストン部（22b）の基端空間（63）には、上記実施形態２と同様に、ヘリウムガスが存在すると共に、軽量な充填材（61）が設けられている。一方、第２ピストン部（22b）の先端空間（62）は、真空にされている。従って、該先端空間（62）には、ヘリウムガスをはじめ何れの物質もほとんど存在しない状態となっている。
【０１０１】−運転動作−本実施形態の極低温冷凍機（R）は、上記実施形態２と同様の動作を行い、第１及び第２ヒートステーション（41,42）を所定の温度レベルに維持する。
【０１０２】また、冷凍機（R）の運転中において、ディスプレーサ（22）の第１ピストン部（22a）内部、及び第２ピストン部（22b）の基端空間（63）では、充填材（61）によってヘリウムガスの流動を阻止することによって対流の発生が抑制される一方、第２ピストン部（22b）の先端空間（62）では、真空にすることによって対流の発生が抑制される。従って、各ピストン部（22a,22b）の内部では対流は生じず、この対流に起因する各膨張室（30,31）への熱侵入が阻止される。
【０１０３】−実施形態３の効果−本実施形態３によれば、上記実施形態２で得られる効果に加えて、以下のような効果を得ることができる。
【０１０４】冷凍機（R）の運転中において、上記第２ピストン部（22b）の先端空間（62）は、絶対温度１０Ｋ程度の極低温状態となっている。一方、このような極低温状態では、作動ガスであるヘリウムガスの密度は常温時に比べて非常に大きくなる。このため、上記先端空間（62）へのヘリウムガスの出入りを許容する構造とした場合、上記ピストン部（22b）の製作は最も容易となるものの、以下のような問題が生じるおそれがある。
【０１０５】つまり、上記先端空間（62）へのヘリウムガスの出入りを許容すると、該先端空間（62）に極低温状態のヘリウムガスを溜め込む必要が生じ、冷凍機の運転開始時におけるヘリウムガスの充填圧力を増加させなければならない。また、上記先端空間（62）へ出入りする作動ガスの流量も該ヘリウムガスの密度の増加に伴って増加するため、冷凍機の性能低下を招くおそれがある。これに対して、本実施形態では、上記先端空間（62）を真空としているため、上述のような問題を回避しつつ、ディスプレーサ（22）の軽量化を確実に図ることができる。
【０１０６】
【発明の実施の形態４】本発明の実施形態４は、上記実施形態３において、ディスプレーサ（22）の第２ピストン部（22b）の構成を変更したものである。つまり、上記実施形態３が、ディスプレーサ（22）の第２ピストン部（22b）内部に先端空間（62）を形成し、この先端空間（62）を真空にしたのに代えて、本実施形態では、第２ピストン部（22b）の先端部（64）分の内部を中実体によって構成している。従って、本実施形態における第２ピストン部（22b）以外の部分の構成は、上記実施形態２と同様である。以下、第２ピストン部（22b）の構成のみについて説明する。
【０１０７】図７に示すように、本実施形態の第２ピストン部（22b）は、二つの部材、即ち先端部（64）と基端部（65）とによって構成されている。この基端部（65）は、上記実施形態２の第２ピストン部（22b）の長さをほぼ半分にしたものであって、小径の中空円筒に形成されて、内部には１枚の補強板（56b）が設けられている。また、基端部（65）の内部にはヘリウムガスが存在すると共に、軽量な充填材（61）が設けられている。一方、先端部（64）は、上記基端部（65）と同じ直径及び長さの円柱であって、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、ＦＲＰ等の軽量な材料によって形成されている。
【０１０８】そして、上記実施形態３では第２ピストン部（22b）の先端空間（62）を真空にしたのに対して、本実施形態では第２ピストン部（22b）の先端部分である先端部（64）を中実に形成し、これによって第２ピストン部（22b）の先端部分にヘリウムガス等が存在しないようにしている。
【０１０９】従って、本実施形態によれば、上記実施形態３と同様の効果を得ることができる。また、第２ピストン部（22b）の先端部（64）を中実体によって構成しているため、第２ピストン部（22b）の構成をより簡素化することができる。
【０１１０】
【発明のその他の実施の形態】本発明は、上記の各実施形態について、以下のような構成としてもよい。
【０１１１】（第１の変形例）上記実施形態１では、ディスプレーサ（22）を構成する第１及び第２ピストン部（22a,22b）の両方を中空に形成して、内部を真空にするようにしている。これに対して、図８に示すように、第２ピストン部（22b）だけを中空に形成して内部を真空にする一方、第１ピストン部（22a）の内部に第１蓄冷部（24a）を設けるようにしてもよい。
【０１１２】即ち、第１ピストン部（22a）を、シリンダ（2）の大径部（2a）に対応して大径に形成し、該大径部（2a）の内部において往復動するように構成する。また、上記第１ピストン部（22a）には、樹脂から成るリング状の第１シール（52）を上端部に取り付け、該第１シール（52）によって第１ピストン部（22a）の外周面と大径部（2a）の内周面との間をシールするようにしている。尚、ここでは第１ピストン部（22a）に第１シール（52）を取り付けるようにしたが、大径部（2a）の内周面の所定位置に第１シール（52）を取り付けるようにしてもよい。
【０１１３】また、上記第１ピストン部（22a）には所定の内部空間を形成する一方、この内部空間には銅メッシュから成る蓄冷材（25a）を充填し、該内部空間を第１蓄冷部（24a）に構成する。この第１ピストン部（22a）の内部空間は、該第１ピストン部（22a）の下端部に多数形成された連通孔（23,23,…）を介して上記第１段膨張室（30）に常時連通されている。
【０１１４】更に、本変形例では、ディスプレーサ（22）の第１ピストン部（22a）に取り付けられた係止片（33）の構成を変更している。具体的に、該第１ピストン部（22a）上端には、管状の係止片（33）が一体に突設されている。この係止片（33）の上端部には、上記実施形態１と同様に、スラックピストン（17）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。そして、この管状の係止片（33）を介して、第１ピストン部（22a）の内部空間と上記第１ガス通路（12）と連通させている。
【０１１５】本変形例では、シリンダ（2）の小径部（2b）内において、ディスプレーサ（22）の第２ピストン部（22b）の周囲に蓄冷器（24）の第２蓄冷部（24b）が配置されている。従って、従来より知られた第２ピストン部の内部に第２蓄冷部を設ける構成とした場合に比べると、上記小径部（2b）の直径が大きくなるおそれがある。しかしながら、本変形例の場合であっても、依然として該小径部（2b）は大径部（2a）よりも小径に形成されているため、冷凍機（R）を全体として小型に維持することができる。
【０１１６】（第２の変形例）上記第１の変形例は、上記実施形態１についての変形例であるが、この変形例を上記実施形態２に適用してもよい。つまり、上記実施形態２では、ディスプレーサ（22）を構成する第１及び第２ピストン部（22a,22b）の両方を中空に形成して、内部に充填材（61）を設けるようにするのに代えて、第２ピストン部（22b）だけを中空に形成して内部に充填材（61）を設ける一方、第１ピストン部（22a）の内部に第１蓄冷部（24a）を設けるようにしてもよい。
【０１１７】（第３の変形例）上記第１及び第２の変形例では、第２蓄冷部（24b）を円筒状に形成してシリンダ（2）の小径部（2a）に挿入固定するようにしている。これに対して、図９に示すように、第２蓄冷部（24b）をシリンダ（2）の外部に設けるようにしてもよい。
【０１１８】本変形例の第２蓄冷部（24b）は、シリンダ（2）の小径部（2a）よりもやや小径に形成された円筒容器状のケーシング（70）を備え、このケーシング（70）内に小球状の蓄冷材（25b）を多数充填して形成されている。尚、この蓄冷材（25b）は、上記各実施形態と同様に構成されている。そして、上記ケーシング（70）は、シリンダ（2）の小径部（2a）の側方に並べて設けられる一方、ケーシング（70）の内部空間は、その上端部が第１段膨張室（30）と、その下端部が第２段膨張室（31）とそれぞれ接続管（71）を介して連通している。また、本変形例の第２ヒートステーション部（42）は、平板状に形成されて、シリンダ（2）の小径部（2a）の底部から第２蓄冷部（24b）のケーシング（70）の底部に亘って設けられている。
【０１１９】本変形例では、シリンダ（2）の小径部（2b）の外部に第２蓄冷部（24b）を設けているため、第２段冷却ステージ（ST2）の構成部分はやや大型化する。しかしながら、本変形例の場合、第２段冷却ステージ（ST2）の構成部分は、第１段冷却ステージ（ST1）の構成部分や、モータヘッド（1）よりも小型であるため、冷凍機（R）を全体として小型に維持することができる。
【０１２０】（第４の変形例）上記各実施形態及び各変形例では、２つの冷却ステージ（ST1,ST2）を有する２段の極低温冷凍機（R）としたが、１つの冷却ステージを有する単段の極低温冷凍機としてもよく、また、多段の極低温冷凍機において冷却ステージを３つ以上設けるようにしてもよい。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００２８５３
【氏名又は名称】ダイキン工業株式会社
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| 【出願日】 |
平成１０年９月１０日（１９９８．９．１０） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００７７９３１
【弁理士】
【氏名又は名称】前田 弘 （外２名）
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| 【公開番号】 |
特開２０００−８８３８５（Ｐ２０００−８８３８５Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１２年３月３１日（２０００．３．３１） |
| 【出願番号】 |
特願平１０−２５６１９７ |
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