(57)【要約】【課題】冷媒の臨界温度よりも低い温度への冷却を行うに際して冷凍性能を向上させることができる蓄冷式冷凍機を提供すること。【解決手段】給排気のタイミング（ａ）〜（ｄ）と冷媒膨張空間の容積との関係において、次の３つの条件の少なくとも１つを満たすようにする。（１）給気平均位相角とディスプレーサが冷媒膨張空間の容積を最小にするときの位相角との差が、−１５°から２５°までの範囲内に収まるようにする。（２）排気平均位相角とディスプレーサが冷媒膨張空間の容積を最大にするときの位相角との差が、−１５°から４０°までの範囲内に収まるようにする。（３）給気平均位相角とディスプレーサが冷媒膨張空間の容積を最小にするときの位相角との差、および、排気平均位相角とディスプレーサが冷媒膨張空間の容積を最大にするときの位相角との差、の平均が−１５°から２５°までの範囲内に収まるようにする。【選択図】図２
2010281527.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却ステージと、
前記冷却ステージに一端が取り付けられたシリンダと、
冷媒流路空間が確保されるように蓄冷材が充填されており、前記シリンダ内を往復動して当該シリンダ内の前記冷却ステージ側の冷媒膨張空間の容積を増減させるディスプレーサと、
前記シリンダ内で膨張した冷媒を回収して圧縮するコンプレッサと、
前記コンプレッサにより圧縮された冷媒を前記シリンダ内へ給気するための給気弁の開閉動作と前記シリンダ内で膨張した冷媒を排気するための排気弁の開閉動作とを交互に行う給排気切替弁と、
前記ディスプレーサの動きに前記給排気切替弁の動きを同期させる冷凍サイクルを実施する駆動機構とを具備し、
前記冷凍サイクルにおいて前記給気弁が開いている期間の平均位相角と前記ディスプレーサが前記冷媒膨張空間の容積を最小にするときの位相角との差が、−１５°から２５°までの範囲内に収まることを特徴とする蓄冷式冷凍機。
【請求項２】
冷却ステージと、
前記冷却ステージに一端が取り付けられたシリンダと、
冷媒流路空間が確保されるように蓄冷材が充填されており、前記シリンダ内を往復動して当該シリンダ内の前記冷却ステージ側の冷媒膨張空間の容積を増減させるディスプレーサと、
前記シリンダ内で膨張した冷媒を回収して圧縮するコンプレッサと、
前記コンプレッサにより圧縮された冷媒を前記シリンダ内へ給気するための給気弁の開閉動作と前記シリンダ内で膨張した冷媒を排気するための排気弁の開閉動作とを交互に行う給排気切替弁と、
前記ディスプレーサの動きに前記給排気切替弁の動きを同期させる冷凍サイクルを実施する駆動機構とを具備し、
前記冷凍サイクルにおいて前記排気弁が開いている期間の平均位相角と前記ディスプレーサが前記冷媒膨張空間の容積を最大にするときの位相角との差が、−１５°から４０°までの範囲内に収まることを特徴とする蓄冷式冷凍機。
【請求項３】
冷却ステージと、
前記冷却ステージに一端が取り付けられたシリンダと、
冷媒流路空間が確保されるように蓄冷材が充填されており、前記シリンダ内を往復動して当該シリンダ内の前記冷却ステージ側の冷媒膨張空間の容積を増減させるディスプレーサと、
前記シリンダ内で膨張した冷媒を回収して圧縮するコンプレッサと、
前記コンプレッサにより圧縮された冷媒を前記シリンダ内へ給気するための給気弁の開閉動作と前記シリンダ内で膨張した冷媒を排気するための排気弁の開閉動作とを交互に行う給排気切替弁と、
前記ディスプレーサの動きに前記給排気切替弁の動きを同期させる冷凍サイクルを実施する駆動機構とを具備し、
前記冷凍サイクルにおいて前記給気弁が開いている期間の平均位相角と前記ディスプレーサが前記冷媒膨張空間の容積を最小にするときの位相角との差、および、前記排気弁が開いている期間の平均位相角と前記ディスプレーサが前記冷媒膨張空間の容積を最大にするときの位相角との差、の平均が−１５°から２５°までの範囲内に収まることを特徴とする蓄冷式冷凍機。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の蓄冷式冷凍機において、前記冷媒流路空間の容積は、前記冷媒膨張空間の容積の最大値よりも大きいことを特徴とする蓄冷式冷凍機。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の蓄冷式冷凍機において、前記シリンダの長手方向の途中に、前記冷媒膨張空間とは異なる別の冷媒膨張空間を備えていることを特徴とする蓄冷式冷凍機。
【請求項６】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の蓄冷式冷凍機において、前記シリンダの長手方向の途中に、別の冷凍機もしくは冷媒により冷却される予冷段を備えていることを特徴とする蓄冷式冷凍機。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか１項に記載の蓄冷式冷凍機において、蓄冷材の少なくとも一部に磁性蓄冷材を用い、冷媒にヘリウムを用いたことを特徴とする蓄冷式冷凍機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷熱を蓄冷する蓄冷材を使用する蓄冷式冷凍機に関する。
【背景技術】
【０００２】
蓄冷式冷凍機には、シリンダへの冷媒ガスの給気および排気を行う一つの方式として、コンプレッサとシリンダとの間に設けられた給排気切替弁により、コンプレッサで圧縮された高圧冷媒をシリンダ内へ給気し、シリンダ内で膨張した冷媒をコンプレッサの低圧側へ排気するＧＭ（ギフォード・マクマホン）型が知られており、クライオポンプやＭＲＩなどの超電導機器の冷却用として実用化されている。
【０００３】
圧損や熱交換損失が無い理想的なＧＭ冷凍機の冷凍サイクルについて図１１および図１２を参照して説明する。
【０００４】
図１１に示されるように、ＧＭ冷凍機は、冷却ステージ１１、冷媒膨張空間１２ａを有するシリンダ１２、蓄冷材１３ａが充填されたディスプレーサ１３、コンプレッサ１４、排気配管１５、給気配管１６、給排気切替弁１７などから構成され、シリンダ１２内を往復動するディスプレーサ１３の動きに同期して給排気切替弁１７が給気弁の開閉および排気弁の開閉を行う冷凍サイクルにより冷媒膨張空間１２ａに寒冷を発生させる。理想的なＧＭ冷凍機においては、図１１の（ａ）〜（ｄ）に示されるような冷凍サイクルが適用される。
【０００５】
図１１の（ａ）は、給気開始の状態を示している。このとき、ディスプレーサ１３は最下部に位置し、冷媒膨張空間１２ａの容積が最小となり、給排気切替弁１７の操作により給気弁が開き、シリンダ１２内に高圧の冷媒がコンプレッサ１４から給気配管１６を通じて導入される。給気弁は開いた状態のまま、ディスプレーサ１３が上がると、冷媒膨張空間１２ａの容積が増加し、高圧の冷媒が冷媒膨張空間１２ａに導入される。
【０００６】
図１１の（ｂ）は、給気完了直前の状態を示している。このとき、ディスプレーサ１３は最上部に位置し、冷媒膨張空間１２ａの容積が最大となり、冷媒膨張空間１２ａには高圧冷媒が導入されている。この直後、給排気切替弁１７の操作により給気弁が閉じ、給気は完了する。
【０００７】
図１１の（ｃ）は、排気開始の状態を示している。このとき、給排気切替弁１７の操作により排気弁が開き、シリンダ１２内の冷媒が排気弁から排気配管１５を通じてコンプレッサ１４の低圧側に導入され、シリンダ１２内が高圧から低圧に減圧される。排気弁は開いた状態のまま、ディスプレーサ１３が下がると、冷媒膨張空間１２ａの容積が減少し、冷媒がコンプレッサ１４の低圧側へと導かれる。
【０００８】
図１１の（ｄ）は、排気完了直前の状態を示している。このとき、ディスプレーサ１３は最下部に位置し、冷媒膨張空間１２ａの容積が最小となり、コンプレッサ１４の低圧側には冷媒が導入されている。この直後、給排気切替弁１７の操作により排気弁が閉じ、排気が完了する。この排気完了後は、給排気切替弁１７の操作により給気弁が開き、図１１の（ａ）の状態に戻る。
【０００９】
このような図１１の（ａ）〜（ｄ）に示されるサイクルの周期的な繰り返しにより、冷媒膨張空間１２ａにて寒冷が発生し、冷却ステージ１１、あるいは冷却ステージ１１に取付けられた被冷却体が冷却される。その際、ディスプレーサ１３の中に収納されている蓄冷材１３ａは、高温高圧の冷媒を徐々に冷却しながら、ある程度温度の下がった状態で冷媒を冷媒膨張空間１２ａに導き、逆に膨張時に温度が低下した冷媒がコンプレッサ１４へと戻る排気過程においては、次のサイクルで導入される高圧高温の冷媒を冷却するために、低圧低温の冷媒により蓄冷材を冷却しながら、冷媒自身は蓄冷材により温まりながら、排気弁を介してコンプレッサ１４の低圧側へと導かれる。
【００１０】
図１２は、図１１の（ａ）〜（ｄ）に示される冷凍機における給排気のタイミングと冷媒膨張空間１２ａの容積との関係を示すグラフである。横軸は、１サイクルを３６０°とし、かつ、ディスプレーサ１３が最下部に位置し冷媒膨張空間１２ａの容積が最小となる点を位相角の基準（０°）とした場合の位相角を示す。縦軸は、冷媒膨張容積および給気弁・排気弁の各開閉状態を示す。グラフ中、実線は冷媒膨張空間１２ａの容積（冷媒膨張容積）を示しており、点線は給気弁の開閉状態を示しており、一点鎖線は排気弁の開閉状態を示している。また、図１２のグラフの中には、便宜上、図１１中の状態（ａ）〜（ｄ）の各々を示す符号が該当する箇所に記されている。
【００１１】
この例では、通常のＧＭ冷凍機と同様、ディスプレーサ１３は正弦波的な単振動で運転されており、位相角１８０°のときにディスプレーサ１３は最上部に位置し、冷媒膨張空間１２ａの容積が最大となり、位相角３６０°のときにディスプレーサ１３は最下部に位置し、冷媒膨張空間１２ａの容積が最小となる（すなわち、基準となる位相角０°の状態に戻る）。また、位相角０°のときに給気弁が開き（状態（ａ））、シリンダ１２内の圧力は上昇する。位相角１８０°直前で給気弁が閉じ（状態（ｂ））、位相角１８０°で排気弁が開き（状態（ｃ））、シリンダ１２内の圧力は低下する。排気弁は位相角３６０°直前まで開いた状態にあり（状態（ｄ））、シリンダ１２内は低い圧力を維持している。
【００１２】
すなわち、給気弁および排気弁の開閉タイミングは、次のようになっている。
【００１３】
・給気弁が開く位相角：０°
・給気弁が閉じる位相角：１８０°
・排気弁が開く位相角：１８０°
・排気弁が閉じる位相角：３６０°
給気が開いているのは０°〜１８０°の期間であり、その期間の平均位相角は９０°となっている。また、排気弁が開いているのは１８０°〜３６０°の期間であり、その期間の平均位相角は２７０°となっている。
【００１４】
以下では、給気弁が開いている期間の平均位相角を「給気平均位相角」と称し、排気弁が開いている期間の平均位相角を「排気平均位相角」と称す。
【００１５】
ここで、給気弁および排気弁の開閉タイミングを統合して表す指標の一つとして、給気弁・排気弁が開いている期間の平均位相角（以下、「給排気平均位相角」と称す。）を次のように定義する。
【００１６】
給排気平均位相角＝（給気平均位相角＋（排気平均位相角−１８０°））／２
上式の中の（排気平均位相角−１８０°）は、排気弁が開いている期間の平均位相角と、ディスプレーサ１３が最上部に位置し冷媒膨張空間の容積が最大となる位相角１８０°との差を表している。図１２に示した例では、給排気平均位相角＝（９０°＋（２７０°−１８０°））／２＝９０°となる。圧損や熱交換損失の無い理想的な冷凍機では、図１２に示される給排気平均位相角＝９０°のタイミングが最も冷媒膨張空間内のＰＶ仕事量が大きく、冷凍能力が大きくなる。
【００１７】
ただし、実際の冷凍機では、ディスプレーサ内に充填されている金属メッシュ、あるいは微細球状の蓄冷材の隙間を通って冷媒が給気、排気されるため、そこでの圧損などを考慮して、若干早めのタイミングで給気弁および排気弁の開閉を行っている。図１３は、代表的なＧＭ冷凍機における給気弁および排気弁の開閉タイミングをグラフで示したものである。図１３の例では、給排気平均位相角＝５５°となっている。
【００１８】
なお、ＧＭ冷凍機の冷媒の給排気を行うバルブ機構に関する先行技術としては、特許文献１〜４が挙げられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１９】
【特許文献１】特公平６−２１７２４号公報
【特許文献２】特開平４−１３９３５７号公報
【特許文献３】特開２００４−５３１５７号公報
【特許文献４】特開２００１−９１０７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
ところで、給気弁および排気弁の最適な開閉タイミングは、冷凍機の冷却温度によって異なる。特に、使用する冷媒の臨界温度よりも低い温度への冷却を行う蓄冷式冷凍機においては、前述のタイミングを適用しても、その冷凍性能を十分に発揮させることができない。
【００２１】
本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、冷媒の臨界温度よりも低い温度への冷却を行うに際して冷凍性能を向上させることができる蓄冷式冷凍機を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
本発明の一態様による蓄冷式冷凍機は、冷却ステージと、前記冷却ステージに一端が取り付けられたシリンダと、冷媒流路空間が確保されるように蓄冷材が充填されており、前記シリンダ内を往復動して当該シリンダ内の前記冷却ステージ側の冷媒膨張空間の容積を増減させるディスプレーサと、前記シリンダ内で膨張した冷媒を回収して圧縮するコンプレッサと、前記コンプレッサにより圧縮された冷媒を前記シリンダ内へ給気するための給気弁の開閉動作と前記シリンダ内で膨張した冷媒を排気するための排気弁の開閉動作とを交互に行う給排気切替弁と、前記ディスプレーサの動きに前記給排気切替弁の動きを同期させる冷凍サイクルを実施する駆動機構とを具備し、前記冷凍サイクルにおいて前記給気弁が開いている期間の平均位相角と前記ディスプレーサが前記冷媒膨張空間の容積を最小にするときの位相角との差が、−１５°から２５°までの範囲内に収まることを特徴とする。
【００２３】
本発明の他の態様による蓄冷式冷凍機は、冷却ステージと、前記冷却ステージに一端が取り付けられたシリンダと、冷媒流路空間が確保されるように蓄冷材が充填されており、前記シリンダ内を往復動して当該シリンダ内の前記冷却ステージ側の冷媒膨張空間の容積を増減させるディスプレーサと、前記シリンダ内で膨張した冷媒を回収して圧縮するコンプレッサと、前記コンプレッサにより圧縮された冷媒を前記シリンダ内へ給気するための給気弁の開閉動作と前記シリンダ内で膨張した冷媒を排気するための排気弁の開閉動作とを交互に行う給排気切替弁と、前記ディスプレーサの動きに前記給排気切替弁の動きを同期させる冷凍サイクルを実施する駆動機構とを具備し、前記冷凍サイクルにおいて前記排気弁が開いている期間の平均位相角と前記ディスプレーサが前記冷媒膨張空間の容積を最大にするときの位相角との差が、−１５°から４０°までの範囲内に収まることを特徴とする。
【００２４】
本発明の他の態様による蓄冷式冷凍機は、冷却ステージと、前記冷却ステージに一端が取り付けられたシリンダと、冷媒流路空間が確保されるように蓄冷材が充填されており、前記シリンダ内を往復動して当該シリンダ内の前記冷却ステージ側の冷媒膨張空間の容積を増減させるディスプレーサと、前記シリンダ内で膨張した冷媒を回収して圧縮するコンプレッサと、前記コンプレッサにより圧縮された冷媒を前記シリンダ内へ給気するための給気弁の開閉動作と前記シリンダ内で膨張した冷媒を排気するための排気弁の開閉動作とを交互に行う給排気切替弁と、前記ディスプレーサの動きに前記給排気切替弁の動きを同期させる冷凍サイクルを実施する駆動機構とを具備し、前記冷凍サイクルにおいて前記給気弁が開いている期間の平均位相角と前記ディスプレーサが前記冷媒膨張空間の容積を最小にするときの位相角との差、および、前記排気弁が開いている期間の平均位相角と前記ディスプレーサが前記冷媒膨張空間の容積を最大にするときの位相角との差、の平均が−１５°から２５°までの範囲内に収まることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、冷媒の臨界温度よりも低い温度への冷却を行うに際して冷凍性能を向上させることができる蓄冷式冷凍機を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】図１の（ａ）〜（ｄ）は、本発明の第１の実施形態に係る蓄冷式冷凍機の冷凍サイクルの一例を示す図。
【図２】図２は、図１の（ａ）〜（ｄ）に示される冷凍機における給排気のタイミングと冷媒膨張空間の容積との関係を示すグラフ。
【図３】図３は、「給気平均位相角」を変化させて３Ｗ熱負荷入熱時の冷却温度を測定した試験結果を示すグラフ。
【図４】図４は、「排気平均位相角」を変化させて３Ｗ熱負荷入熱時の冷却温度を測定した試験結果を示すグラフ。
【図５】図５は、「給排気平均位相角」を変化させて３Ｗ熱負荷入熱時の冷却温度を測定した試験結果を示すグラフ。
【図６】図６は、「給排気平均位相角」を変化させて室温部における配管の流量の時間平均値（＝循環冷媒の平均流量）を測定した結果を示すグラフ。
【図７】図７は、本発明の第２の実施形態に係る蓄冷式冷凍機の一例を示す図。
【図８】図８は、本発明の第３の実施形態に係る蓄冷式冷凍機の一例を示す図。
【図９】図９は、本発明の第４の実施形態に係る蓄冷式冷凍機の一例を示す図。
【図１０】図１０は、本発明の第５の実施形態に係る蓄冷式冷凍機の一例を示す図。
【図１１】図１１の（ａ）〜（ｄ）は、圧損や熱交換損失が無い理想的なＧＭ冷凍機の冷凍サイクルを示す図。
【図１２】図１２は、図１１の（ａ）〜（ｄ）に示される冷凍機における給排気のタイミングと冷媒膨張空間の容積との関係を示すグラフ。
【図１３】図１３は、従来の代表的なＧＭ冷凍機における給気弁および排気弁の開閉タイミングと冷媒膨張空間の容積との関係を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
【００２８】
（第１の実施形態）
まず、図１〜図６を参照して、本発明の第１の実施形態について説明する。  
図１は、本発明の第１の実施形態に係る蓄冷式冷凍機の冷凍サイクルの一例を示す図である。なお、前述の図１１と共通する要素には同一の符号を付している。
【００２９】
この第１の実施形態に係る蓄冷式冷凍機は、例えば超電導磁石装置に適用されるＧＭ冷凍機であり、蓄冷材の少なくとも一部に磁性蓄冷材を用いると共に、冷媒にヘリウムを用い、冷媒の臨界温度よりも低い温度への冷却を行うものである。当該冷凍機は、図１１の場合と同様、冷却ステージ１１、冷媒膨張空間１２ａを有するシリンダ１２、蓄冷材１３ａが充填されたディスプレーサ１３、コンプレッサ１４、排気配管１５、給気配管１６、給排気切替弁１７などを有する。
【００３０】
冷却ステージ１１は、図示しない冷却対象となる被冷却体に取り付けられるものである。
【００３１】
シリンダ１２は、一端に冷却ステージ１１が取り付けられており、また、上下に往復動するディスプレーサ１３を収容している。
【００３２】
ディスプレーサ１３は、シリンダ１２内を上下に往復動するものであり、当該シリンダ１２内の冷却ステージ１１側の冷媒膨張空間１２ａの容積を増減させる。このディスプレーサ１３の中には、蓄冷器があり、隙間に冷媒流路空間が確保されるように蓄冷材１３ａが充填されている。蓄冷材１３ａは、例えば、磁性蓄冷材である。
【００３３】
コンプレッサ１４は、シリンダ１２内で膨張した冷媒を回収して圧縮する圧縮機である。
【００３４】
排気配管１５は、シリンダ１２内から排気弁を介して排気される冷媒をコンプレッサ１４の低圧側に送る配管である。
【００３５】
給気配管１６は、コンプレッサ１４により圧縮された高圧の冷媒を給気弁へ送る配管である。
【００３６】
給排気切替弁１７は、コンプレッサ１４により圧縮された冷媒をシリンダ１２内へ給気するための給気弁としての機能と、シリンダ１２内で膨張した冷媒を排気するための排気弁としての機能とを兼ね備えた切替弁であり、左右に往復動し、給気弁の開閉動作と排気弁の開閉動作とを交互に行う。
【００３７】
また、図示しない駆動機構により、ディスプレーサ１３の動きに給排気切替弁１７の動きを同期させる冷凍サイクルが実施される。特に、本実施形態の冷凍サイクルにおいては、前述の給排気平均位相角が従来よりも小さくなるようにしている。また、給気弁の開いている期間が従来よりも短くなるようにしている。すなわち、従来よりも早めに給気・排気を完了させることにより、シリンダ１２内に給気する、あるいはシリンダ１２内から排気する冷媒の量を制限し、室温部における配管１５，１６の流量を低減させ、これによりコンプレッサ１４の負担（処理流量）を軽減させて圧縮比を増加させ、結果的に冷凍性能を向上させることを図っている。
【００３８】
具体的には、次の３つの条件のうちの少なくとも１つを満たすようにする。
【００３９】
（１）給気平均位相角（β１）とディスプレーサ１３が冷媒膨張空間１２ａの容積を最小にするときの位相角（α１）との差（β１−α１）が、−１５°から２５°までの範囲内に収まるようにする。
【００４０】
（２）排気平均位相角（β２）とディスプレーサ１３が冷媒膨張空間１２ａの容積を最大にするときの位相角（α２）との差（β２−α２）が、−１５°から４０°までの範囲内に収まるようにする。
【００４１】
（３）給気平均位相角（β１）とディスプレーサ１３が冷媒膨張空間１２ａの容積を最小にするときの位相角（α１）との差（β１−α１）、および、排気平均位相角（β２）とディスプレーサ１３が冷媒膨張空間１２ａの容積を最大にするときの位相角（α２）との差（β２−α２）、の平均（{（β１−α１）＋（β２−α２）}÷２）が−１５°から２５°までの範囲内に収まるようにする。
【００４２】
以下、給気弁および排気弁の開閉タイミングの具体例について、図１および図２を参照しながら説明する。  
本実施形態の蓄冷式冷凍機においては、例えば、図１の（ａ）〜（ｄ）に示されるような冷凍サイクルが適用される。
【００４３】
図１の（ａ）は、給気開始の状態を示している。このとき、ディスプレーサ１３は、例えば、まだ最下部に到達していない下降途中の位置にある。すなわち、冷媒膨張空間１２ａの容積が最小となる前に、給排気切替弁１７の操作により給気弁が開く。これにより、シリンダ１２内に高圧の冷媒がコンプレッサ１４から給気配管１６を通じて導入される。給気弁は開いた状態のまま、ディスプレーサ１３が最下部まで下がり、ディスプレーサ１３が上がると、冷媒膨張空間１２ａの容積が増加し、高圧の冷媒が冷媒膨張空間１２ａに導入される。
【００４４】
図１の（ｂ）は、給気完了直前の状態を示している。このとき、ディスプレーサ１３は、例えば、最下部から上昇し始めた上昇途中の位置にある。この直後、給排気切替弁１７の操作により給気弁が閉じ、給気は完了する。
【００４５】
図１の（ｃ）は、排気開始の状態を示している。このとき、ディスプレーサ１３は、例えば、まだ最上部に到達していない上昇途中の位置にある。すなわち、冷媒膨張空間１２ａの容積が最大となる前に、給排気切替弁１７の操作により排気弁が開く。これにより、シリンダ１２内の冷媒が排気弁から排気配管１５を通じてコンプレッサ１４の低圧側に導入される。排気弁は開いた状態のまま、ディスプレーサ１３が最上部まで上がり、ディスプレーサ１３が下がると、冷媒膨張空間１２ａの容積が減少し、冷媒がコンプレッサ１４の低圧側へと導かれる。
【００４６】
図１の（ｄ）は、排気完了直前の状態を示している。このとき、ディスプレーサ１３は、例えば、まだ最下部に到達していない位置にある。この直後、給排気切替弁１７の操作により排気弁が閉じ、排気が完了する。この排気完了後は、給排気切替弁１７の操作により給気弁が開き、図１の（ａ）の状態に戻る。
【００４７】
図２は、図１の（ａ）〜（ｄ）に示される冷凍機における給排気のタイミングと冷媒膨張空間１２ａの容積との関係を示すグラフである。グラフの見方は、前述の図１２と同様である。
【００４８】
図２の例は、前述の３つの条件（１）〜（３）の全てを満たすものであり、例えば給排気平均位相角を１２°としており、従来よりも小さい値となっている。また、給気弁の開いている期間は位相角にして４６°程度であり、従来よりも短くなっている。
【００４９】
このように、従来よりも早めに給気・排気を完了させることにより、シリンダ１２内に給気する、あるいはシリンダ１２内から排気する冷媒の量を制限し、給気弁・排気弁での流量を低減することができる。このような制限をしても、使用する冷媒の臨界温度よりも低い温度の冷却を行う蓄冷式冷凍機においては、冷媒膨張空間１２ａに流入、あるいは吐出される冷媒の量は、冷媒の圧力変化に対する密度変化が理想気体よりも小さくなるため、寒冷に寄与する冷媒の量は大きく変化しない。逆に、給気弁・排気弁での流量を制限することにより、コンプレッサ１４の負担（処理流量）が軽減され、コンプレッサ１４の特性上、圧縮比が増加し、冷凍性能が増すことになる。
【００５０】
図３〜図６は、それぞれ、図１に示される蓄冷式冷凍機と同じ構造のものを試験対象として、「給気平均位相角」を変化させて３Ｗ熱負荷入熱時の冷却温度を測定した試験結果を示すグラフ、「排気平均位相角」を変化させて３Ｗ熱負荷入熱時の冷却温度を測定した試験結果を示すグラフ、「給排気平均位相角」を変化させて３Ｗ熱負荷入熱時の冷却温度を測定した試験結果を示すグラフ、「給排気平均位相角」を変化させて室温部における配管１５，１６の流量の時間平均値（＝循環冷媒の平均流量）を測定した結果を示すグラフである。試験には、図１に示した蓄冷式冷凍機と同じ構造のものを使用した。なお、図４の横軸においては、排気平均位相角から１８０°を引いた値を用いている。すなわち、冷媒膨張空間１２ａが最大となる位相角１８０°との位相差に置き換えている。
【００５１】
図３のグラフによれば、従来の蓄冷式冷凍機に採用されていない給気平均位相角＝−１５°〜２５°において、冷却温度が４．４Ｋ以下となり、一方、図４のグラフによれば、従来の蓄冷式冷凍機に採用されていない排気平均位相角−１８０°＝−１５°〜４０°において、冷却温度が４．４Ｋ以下となり、また、図５のグラフによれば、従来の蓄冷式冷凍機に採用されていない給排気平均位相角＝−１５°〜２５°において、冷却温度が４．４Ｋ以下となり、それぞれにおいて、ヘリウムの液化・超電導磁石の冷却に適した性能が得られることが分かる。また、図６のグラフによれば、図５で説明した給排気平均位相角＝−１５°〜２５°において、平均流量が０．７ｇ／ｓ以下となり、コンプレッサ１４の負担を軽減する効果が得られることが分かる。
【００５２】
このように、第１の実施形態によれば、従来よりも早めに給気・排気を完了させることにより、シリンダ１２内に給気する、あるいはシリンダ１２内から排気する冷媒の量を制限し、室温部における配管１５，１６の流量を低減させ、これによりコンプレッサ１４の負担（処理流量）を軽減させて圧縮比を増加させ、結果的に冷凍性能を向上させることが可能となる。
【００５３】
（第２の実施形態）
次に、図７を参照して、本発明の第２の実施形態について説明する。  
なお、この第２の実施形態においては、図１に示した第１の実施形態の構成と共通する部分には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。以下では、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００５４】
前述の第１の実施形態の冷凍サイクルでは、従来と比べて給気弁が早いタイミングで閉じるため、次に排気弁が開くまでの給排気の両弁が閉じている時間が長くなる。この間、ディスプレーサ１３は上昇を続け、冷媒膨張空間１２ａの容積は増加しているため、シリンダ１２内の冷媒は高温側から低温側へと蓄冷材１３ａにより冷却されながら移動する。このとき冷媒の温度が低下するため、シリンダ１２内の圧力は低下する。圧力低下により、冷媒の密度も低下するが、高圧の冷媒を冷媒膨張空間１２ａの容積が最大となるまで導入する図１２のような冷凍サイクルと比較して、冷媒膨張空間１２ａ内に導入される冷媒の量が少ないため、冷凍能力を向上させる上で限界がある。そこで、この第２の実施形態では、冷媒膨張空間１２ａ内に導入される冷媒の量の低下を抑え、冷凍能力をより一層向上させるための手法を示す。
【００５５】
図７は、本発明の第２の実施形態に係る蓄冷式冷凍機の一例を示す図である。なお、前述の図１と共通する要素には同一の符号を付している。
【００５６】
この第２の実施形態に係る蓄冷式冷凍機は、前述の第１の実施形態（図１）に示した冷媒膨張空間１２ａを有するシリンダ１２、および、蓄冷材１３ａが充填されたディスプレーサ１３に代えて、冷媒膨張空間２２ａを有するシリンダ２２、および、蓄冷材２３ａが充填されたディスプレーサ２３を備える。特に、蓄冷材２３ａの隙間の冷媒流路空間の容積は、冷媒膨張空間２２ａの容積の最大値よりも大きい。
【００５７】
すなわち、ディスプレーサ２３の蓄冷器内に充填されている蓄冷材２３ａの隙間の冷媒流路空間が大きいと、圧力低下量が低減され、冷媒膨張空間２２ａ内への冷媒流量を減らさないようにすることができる。具体的には、ディスプレーサ２３の蓄冷器内のガス空間の容積（＝ディスプレーサ１３の蓄冷器内の蓄冷材充填容積Ｖから、蓄冷材２３ａが占めている容積（充填率ｘ）を除いた容積（＝Ｖ×（１−ｘ））を、冷媒膨張空間２２ａの最大容積（ディスプレーサ２３が最上部に位置するときの容積）以上にする。
【００５８】
この第２の実施形態によれば、冷媒膨張空間２２ａ内に導入される冷媒の量の低下を抑えることができ、冷凍能力をより一層向上させることができる。
【００５９】
（第３の実施形態）
次に、図８を参照して、本発明の第３の実施形態について説明する。  
なお、この第３の実施形態においては、図７に示した第２の実施形態の構成と共通する部分には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。以下では、第２の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００６０】
この第３の実施形態では、最終段に位置する冷却ステージにて所望の到達温度をより一層効率よく得られるようにし、冷凍能力をより一層向上させるための手法を示す。
【００６１】
図８は、本発明の第３の実施形態に係る蓄冷式冷凍機の一例を示す図である。なお、前述の図７と共通する要素には同一の符号を付している。
【００６２】
この第３の実施形態に係る蓄冷式冷凍機は、前述の第２の実施形態（図７）に示した冷媒膨張空間２２ａを有するシリンダ２２、および、蓄冷材２３ａが充填されたディスプレーサ２３に代えて、冷媒膨張空間２２ａを有するシリンダ３２、および、蓄冷材３３ａが充填されたディスプレーサ３３、ならびに、冷媒膨張空間４２ａを有するシリンダ４２、および、蓄冷材４３ａが充填されたディスプレーサ４３を備える。特に、シリンダ４２の長手方向の途中に、冷媒膨張空間２２ａとは異なる別の冷媒膨張空間４２ａを備えている。
【００６３】
すなわち、内部多段方式を採用し、最終冷却段に至る途中の温度レベルにて、冷媒膨張空間２２ａとは異なる冷媒膨張空間４２ａにより中間温度部を冷却するようにしている。
【００６４】
この第３の実施形態によれば、最終段に位置する冷却ステージにて所望の到達温度をより一層効率よく得ることができ、冷凍能力をより一層向上させることができる。
【００６５】
（第４の実施形態）
次に、図９を参照して、本発明の第４の実施形態について説明する。  
なお、この第４の実施形態においては、図７に示した第２の実施形態の構成と共通する部分には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。以下では、第２の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００６６】
この第４の実施形態においても、最終段の冷却ステージにて所望の到達温度をより一層効率よく得られるようにし、冷凍能力をより一層向上させるための手法を示す。
【００６７】
図９は、本発明の第４の実施形態に係る蓄冷式冷凍機の一例を示す図である。なお、前述の図７と共通する要素には同一の符号を付している。
【００６８】
この第４の実施形態に係る蓄冷式冷凍機は、前述の第２の実施形態（図７）に示した冷媒膨張空間２２ａを有するシリンダ２２、および、蓄冷材２３ａが充填されたディスプレーサ２３に代えて、冷媒膨張空間２２ａを有するシリンダ５２、蓄冷材５３ａが充填されたディスプレーサ５３、蓄冷材６３ａが充填されたディスプレーサ６３、および、予冷段（途中段）１０１を備える。特に、シリンダ５２の長手方向の途中に、予冷用冷凍機１０３もしくは冷媒により伝熱板１０２を通じて冷却される予冷段１０１を備えている。
【００６９】
すなわち、予冷用冷凍機１０３もしくは冷媒により熱交換器を通じて予冷段１０１を冷却する外部予冷方式を採用している。
【００７０】
この第４の実施形態によれば、最終段の冷却ステージにて所望の到達温度をより一層効率よく得ることができ、冷凍能力をより一層向上させることができる。
【００７１】
（第５の実施形態）
次に、図１０を参照して、本発明の第５の実施形態について説明する。  
なお、この第５の実施形態においては、図１に示した第１の実施形態の構成と共通する部分には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。以下では、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００７２】
この第５の実施形態では、冷媒膨張空間２２ａ内の冷媒の冷凍サイクルにおける圧力変動による温度変動幅を低減し、冷凍能力をより一層向上させるための手法を示す。本手法は、前述のいずれの実施形態にも適用可能である。
【００７３】
図１０は、本発明の第５の実施形態に係る蓄冷式冷凍機の一例を示す図である。なお、前述の図１と共通する要素には同一の符号を付している。
【００７４】
この第５の実施形態に係る蓄冷式冷凍機は、前述の第１の実施形態（図１）に示した冷却ステージ１１に代えて、冷却ステージ７１を備える。特に、冷却ステージ７１には、一定以上の大きな熱容量を有する部材を用いている。
【００７５】
すなわち、冷却ステージ７１には被冷却体との伝熱とは無関係に、熱容量の大きい部材を使用することで、冷媒膨張空間２２ａ内の冷媒の冷凍サイクルにおける圧力変動による温度変動幅を低減することができるので、理想的な等温膨張サイクルに近づけることができ、冷凍効率を一層向上させることができる。この手法は、特に冷媒の比熱に比較し構成材料の比熱が小さくなる４Ｋレベルの冷却においては、冷凍サイクルによる温度振幅が大きくなるため、有効となる。
【００７６】
この第５の実施形態によれば、冷媒膨張空間２２ａ内の冷媒の冷凍サイクルにおける圧力変動による温度変動幅を低減することができるので、理想的な等温膨張サイクルに近づけることができ、冷凍効率を一層向上させることができ、冷凍能力をより一層向上させることができる。
【００７７】
本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【符号の説明】
【００７８】
１１，７１…冷却ステージ、１２，２２，３２，４２，５２…シリンダ、１２ａ，４２ａ…冷媒膨張空間、１３，２３，３３，４３，５３，６３…ディスプレーサ、１３ａ，２３ａ，３３ａ，４３ａ，５３ａ，６３ａ…蓄冷材、１４…コンプレッサ、１５…排気配管、１６…給気配管、１７…給排気切替弁、１０１…予冷段、１０２…伝熱板、１０３…予冷用冷凍機。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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