(57)【要約】【課題】低コストで効率の高い蓄冷処理を行うことができる蓄冷式冷凍機を提供する。【解決手段】冷媒ガスの冷熱を蓄冷する蓄冷材が充填された２段目ディスプレーサ２０を有する蓄冷式冷凍機１Ａにおいて，２段目ディスプレーサ２０をその横断面方向において冷媒ガスの流路抵抗が小さい中央領域２１と流路抵抗が大きい周辺領域２２に分割し、中央領域２１に比熱が大きい磁性蓄冷材４２を配置し、周辺領域２２に非磁性材よりなる非磁性蓄冷材４０を配置する。【選択図】図１
2014020716.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒ガスの冷熱を蓄冷する蓄冷材が充填された蓄冷器を有する蓄冷式冷凍機において，
前記蓄冷器をその横断面方向において中央領域と周辺領域とに分割し、
前記中央領域の比熱を前記周辺領域の比熱よりも大きくしたことを特徴とする蓄冷式冷凍機。
【請求項２】
前記中央領域の前記冷媒ガスの流路抵抗が、前記周辺領域の前記冷媒ガスの流路抵抗よりも小さいことを特徴とする請求項１記載の蓄冷式冷凍機。
【請求項３】
前記中央領域に磁性材よりなる磁性蓄冷材を配置し、前記周辺領域に非磁性材よりなる非磁性蓄冷材を配置したことを特徴とする請求項１又は２記載の蓄冷式冷凍機。
【請求項４】
前記中央領域と前記周辺領域とを分割部材で分割したことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の蓄冷式冷凍機。
【請求項５】
前記中央領域及び前記周辺領域の双方に磁性材よりなる磁性蓄冷材を配設すると共に、前記周辺領域に充填材を配設したことを特徴とする請求項１又は２に記載の蓄冷式冷凍機。
【請求項６】
前記磁性蓄冷材の充填率が、前記周辺領域に比べて前記中央領域の方が高いことを特徴とする請求項５記載の蓄冷式冷凍機。
【請求項７】
前記充填材が金網であることを特徴とする請求項５又は６記載の蓄冷式冷凍機。
【請求項８】
前記充填材が複数の貫通孔を有する板材であることを特徴とする請求項５又は６記載の蓄冷式冷凍機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ディスプレーサ内に蓄冷器が配設された蓄冷式冷凍機に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、冷媒ガスを断熱膨張させ、その際に発生する冷熱を蓄冷材に蓄冷することによって冷凍冷却を行う蓄冷式冷凍機として、ギフォード・マクマホン（Gifford-McMahon：ＧＭ）冷凍機、パルス管冷凍機等の冷凍機が知られている。これらの蓄冷式冷凍機は、冷媒ガスが断熱膨張する時に発生する冷熱を蓄冷する蓄冷器を有している。この蓄冷器は、その内部に冷媒ガスの冷熱を蓄冷するための蓄冷材が充填されている。この蓄冷材としての従来では鉛が多く用いられていた。
【０００３】
しかしながら、３０Ｋ以下の極低温を実現する蓄冷式冷凍機の場合、鉛の比熱は１５Ｋ以下においては温度の低下に伴い急激に減少するため、蓄冷材として鉛を用いても十分な蓄冷効果を得ることができない。
【０００４】
そこで、蓄冷材として３０Ｋ以下の温度で鉛よりも大きな比熱を有する、HoCu2等の磁性蓄冷材を用いることが行われている（特許文献１）。磁性蓄冷材は、１５Ｋ以下で相転移し反強磁性体となる。反強磁性体となった磁性蓄冷材は、鉛などと比較して、大きな磁化率を有するため、高効率の蓄冷を行うことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−２２４１６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、磁性蓄冷材は希土類物質が主体であるため入手が難しく、且つ、コストも高い。
【０００７】
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、低コストで効率の高い蓄冷処理を行う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】
【０００８】
本発明のある態様は、
冷媒ガスの冷熱を蓄冷する蓄冷材が充填された蓄冷器を有する蓄冷式冷凍機において，
前記蓄冷器をその横断面方向において中央領域と周辺領域とに分割し、
前記中央領域の比熱を前記周辺領域の比熱よりも大きくしたことである。
【発明の効果】
【０００９】
開示の蓄冷式冷凍機は、冷媒ガスの流量が多い中央領域の比熱を冷媒ガスの流量が少ない周辺領域の比熱よりも大きくしたため、蓄冷器の蓄冷効率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、本発明の第１実施形態である蓄冷式冷凍機の断面図である。
【図２】図２は、図１におけるＡ−Ａ線に沿う断面図である。
【図３】図３は、２段目ディスプレーサ内における冷媒ガスの流量分布を説明するための図である。
【図４】図４は、本発明の第２実施形態である蓄冷式冷凍機の断面図である。
【図５】図５は、本発明の第３実施形態である蓄冷式冷凍機の断面図である。
【図６】図６は、本発明の第４実施形態である蓄冷式冷凍機の断面図である。
【図７】図７は、本発明の第４実施形態である蓄冷式冷凍機に設けられる充填材を説明するための平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
次に、本発明の実施の形態について図面と共に説明する。
【００１２】
図１は、本発明の第１実施形態である蓄冷式冷凍機１Ａを示している。本実施形態では、蓄冷式冷凍機１Ａとして、冷媒ガスとしてヘリウムガスを用いる２段式のギフォード・マクマホン（ＧＭ）冷凍機を例に挙げて説明する。しかしながら、本発明の適用はＧＭ冷凍機に限定されるものではなく、蓄冷材が充填された蓄冷器を有する各種冷凍機（パルス管冷凍機等）に適用が可能なものである。
【００１３】
蓄冷式冷凍機１Ａは、１段目及び２段目ディスプレーサ２，２０、１段目及び２段目シリンダ４，３０、１段目及び２段目冷却ステージ５，２７、１段目及び２段目蓄冷器１７，２６、及び圧縮機１２等を有している。
【００１４】
１段目ディスプレーサ２は円筒形状を有しており、１段目ディスプレーサ本体２Ａ、１段目熱交換部２Ｂ、及び１段目蓄冷器１７等を有した構成とされている。１段目ディスプレーサ本体２Ａは有底筒状とされており、その内部には蓄冷材７が充填された１段目蓄冷器１７が設けられている。この蓄冷材７としては、１５Ｋ以上で大きい比熱（体積比熱）を有する鉛或いは銅等の材質からなる蓄冷材を用いることができる。
【００１５】
１段目蓄冷器１７の高温側（図中、上方が高温側となる）には、冷媒ガスの流れを整流する整流器９が設けられている。また、１段目蓄冷器１７の低温側（図中、下方が低温側となる）にも、冷媒ガスの流れを整流する整流器１０が設けられている。
【００１６】
１段目ディスプレーサ２の高温端には、冷媒ガスを室温室８から１段目蓄冷器１７に流すための第１流路１１が形成されている。室温室８は、１段目シリンダ４上面と１段目ディスプレーサ２の上面との間に形成される空間である。この室温室８には、後述する吸排気系が接続されている。
【００１７】
１段目ディスプレーサ２の低温端には、１段目熱交換部２Ｂが設けられている。また、１段目ディスプレーサ本体２Ａと１段目熱交換部２Ｂとの間には、１段目蓄冷器１７と１段目膨張空間３を連通する第２流路１６が形成されている。この１段目熱交換部２Ｂは、ピン６を用いて１段目ディスプレーサ２に結合されている。
【００１８】
１段目膨張空間３は、１段目シリンダ４の下面と１段目熱交換部２Ｂ（１段目ディスプレーサ２）の下面との間に形成される空間である。この１段目膨張空間３には、第２流路１６を介して高圧の冷媒ガスが導入される。また、１段目シリンダ４の１段目膨張空間３に対応する位置には、１段目冷却ステージ５が設けられている。
【００１９】
上記構成とされた１段目ディスプレーサ２は、１段目シリンダ４内に移動可能に装着される。また、１段目ディスプレーサ２の高温端には、図示しない駆動機構（例えば、スコッチヨーク機構）が接続されている。よって、このスコッチヨーク機構により、１段目ディスプレーサ２は１段目シリンダ４内で往復移動する。
【００２０】
なお、１段目ディスプレーサ２とトップフランジ４Ｂとの間の所定位置には、シール１５が装着されている。このシール１５は、１段目膨張空間３と室温室８との間を気密に分割する。
【００２１】
２段目シリンダ３０は、１段目シリンダ４の低温側端部に一体的に設けられている。この２段目シリンダ３０は、その内部に２段目ディスプレーサ２０を移動可能に収納する。
【００２２】
２段目ディスプレーサ２０は円筒形状を有しており、１段目ディスプレーサ２の低温端部に連結されている。具体的には、１段目熱交換部２Ｂの低温端にはピン１９ａが配設されており、また２段目ディスプレーサ２０の高温端にもピン１９ｂが配設されている。この各ピン１９ａ，１９ｂはコネクタ１９ｃで連結されており、これにより２段目ディスプレーサ２０は１段目ディスプレーサ２と連結された構成となっている。
【００２３】
よってスコッチヨーク機構により１段目ディスプレーサ２が１段目シリンダ４内で往復移動すると、これに伴い２段目ディスプレーサ２０も２段目シリンダ３０内で往復移動する。
【００２４】
２段目ディスプレーサ２０は、２段目ディスプレーサ本体２０Ａ、２段目熱交換部２０Ｂ、及び２段目蓄冷器２６等を有した構成とされている。２段目ディスプレーサ本体２０Ａは有底筒状とされており、その内部には２段目蓄冷器２６が設けられている。この２段目ディスプレーサ２０は、２段目シリンダ３０内に移動可能に装着されている。
【００２５】
２段目ディスプレーサ２０の高温端には、冷媒ガスを１段目膨張空間３から２段目蓄冷器２６に流すための第３流路２４が形成されている。また、２段目ディスプレーサ２０の低温端には、２段目熱交換部２０Ｂが設けられている。更に、２段目ディスプレーサ本体２０Ａと２段目熱交換部２０Ｂとの間には、２段目蓄冷器２６と２段目膨張空間２８を連通する第４流路２９が形成されている。
【００２６】
２段目膨張空間２８は、２段目シリンダ３０の下面と２段目熱交換部２０Ｂ（２段目ディスプレーサ２０）の下面との間に形成される空間である。この２段目膨張空間２８には、第４流路２９を介して高圧の冷媒ガスが導入される。また、２段目シリンダ３０の２段目膨張空間２８に対応する位置には、２段目冷却ステージ２７が設けられている。
【００２７】
吸排気系は、圧縮機１２、サプライバルブ１３、リターンバルブ１４等を有している。サプライバルブ１３が開くと共にリターンバルブ１４が閉まることにより、圧縮機１２で生成された高圧の冷媒ガスは室温室８に供給される。逆に、サプライバルブ１３が閉じると共にリターンバルブ１４が開くことにより、低圧の冷媒ガスは圧縮機１２に還流される。
【００２８】
次に、上記構成とされた蓄冷式冷凍機１Ａの動作を説明する。
【００２９】
いま、１段目及び２段目ディスプレーサ２，２０が下死点にある状態でサプライバルブ１３が開かれると、圧縮機１２からの高圧冷媒ガスは室温室８及び第１流路１１を介して１段目蓄冷器１７内に進行する。１段目蓄冷器１７内で蓄冷材７と熱交換を行い冷却された高圧冷媒ガスは、第２流路１６を介して１段目膨張空間３に供給される。
【００３０】
この１段目膨張空間３に供給された高圧冷媒ガスは、続いて第３流路２４から２段目蓄冷器２６内に進入し、後述する各蓄冷材４０，４２と間で熱交換を行い冷却された上で第４流路２９を介して２段目膨張空間２８に供給される。
【００３１】
この状態において、スコッチヨーク機構により１段目及び２段目ディスプレーサ２，２０を上死点に向けて図中上方向に移動させる。これにより、１段目及び２段目膨張空間３，２８の容積は増大する。この時においても、高圧冷媒ガスは１段目及び２段目蓄冷器１７，２６を通り１段目及び２段目膨張空間３，２８に供給され続ける。
【００３２】
そして、１段目及び２段目ディスプレーサ２，２０が上死点近傍まで移動した時、サプライバルブ１３を閉じると共にリターンバルブ１４を開く。これにより、冷媒ガスは１段目及び２段目膨張空間３，２８内で膨張し、寒冷を発生する。
【００３３】
この膨張した冷媒ガスは、１段目及び２段目蓄冷器１７，２６及び各流路１１，１６，２４，３４を通り圧縮機１２の低圧側に還流する。この際、寒冷を発生した冷媒ガスにより、１段目及び２段目蓄冷器１７，２６内の各蓄冷材７，４０，４２は冷媒ガスの冷熱を蓄熱する。
【００３４】
また、このリターンバルブ１４が開かれると共にサプライバルブ１３が閉じられた状態を維持した状態で、１段目及び２段目ディスプレーサ２，２０は、下死点に向けて図中下方向に移動する。
【００３５】
上記の動作を１サイクルとして、このサイクルを繰り返し実施することにより、１段目膨張空間３は例えば４０Ｋ程度に冷却され、また２段目膨張空間２８は例えば４Ｋ程度に冷却される。
【００３６】
ここで、２段目ディスプレーサ２０に設けられた２段目蓄冷器２６について、図１に加えて図２，図３を用いて詳述する。
【００３７】
図２は、図１に示す２段目ディスプレーサ２０のＡ−Ａ線に沿う断面図であり、図３は２段目ディスプレーサ２０内を流れる冷媒ガスの流量分布を示す図である。
【００３８】
図１に示すように、２段目蓄冷器２６は高温端側に仕切り材３１が設けられると共に低温端側に仕切り材３２が設けられ、この各仕切り材３１，３２により形成される空間内に蓄冷材４０，４２が充填された構成とされている。また各仕切り材３１，３２は、蓄冷材４０，４２の通過は阻止するが、冷媒ガスは自在に通過できる構成とされている。
【００３９】
本実施形態では、２段目蓄冷器２６をその横断面方向において、中央近辺に位置する略円形領域である中央領域２１と、その周辺位置に位置する環状の周辺領域２２に分割した構成としている。
【００４０】
ここで、２段目蓄冷器２６内における冷媒ガスの流量に注目する。前記したように、蓄冷式冷凍機１Ａが冷却処理を行う際、冷媒ガスは２段目ディスプレーサ２０の内部を流れる。サプライバルブ１３が開かれた状態においては、冷媒ガスは２段目ディスプレーサ２０内で高温端から低温端に向けて（図中下方向に向けて）流れ、またリターンバルブ１４が開かれた場合には、冷媒ガスは２段目ディスプレーサ２０内で低温端から高温端に向けて（図中上方向に向けて）流れる。
【００４１】
図３（Ａ）は、冷媒ガスが２段目ディスプレーサ２０内を低温端から高温端に向けて流れる時の流量分布を示している。また、図３（Ｂ）は、冷媒ガスが２段目ディスプレーサ２０内を高温端から低温端に向けて流れる時の流量分布を示している。各図に示す矢印の大きさは、２段目蓄冷器２６内を流れる冷媒ガスの流量に対応するよう示している。
【００４２】
図３（Ａ），（Ｂ）に示すように、２段目ディスプレーサ２０内を流れる冷媒ガスの流量分布は、２段目ディスプレーサ２０の横断面方向において均一ではない。
【００４３】
即ち、筒状とされた２段目ディスプレーサ２０の中央領域２１においては冷媒ガスの流量（以下、中央領域流量という）が多く、その外周位置である周辺領域２２における冷媒ガスの流量（以下、周辺領域流量という）は中央領域流量に比べて少なくなっている。これは、中央領域２１の冷媒ガスの流路抵抗が、周辺領域２２の冷媒ガスの流路抵抗よりも小さくなっていることによる。
【００４４】
本実施形態では、上記の冷媒ガスの２段目蓄冷器２６内における流量分布に対応させて、２段目ディスプレーサ２０をその横断面方向において中央領域２１と周辺領域２２とに分割した構成としている。具体的には、前記した円筒形状の仕切り材３３（請求項に記載の分割部材に相当する）を中央領域２１と周辺領域２２との境界部に設けることにより、中央領域２１と周辺領域２２とを分割した構成としている。
【００４５】
この仕切り材３３は、２段目蓄冷器２６内の低温端側に配設された仕切り材３２の上部に配設されている。また、この仕切り材３３は、他の仕切り材３１，３２と同様に、冷媒ガスは通過させるが、蓄冷材の通過は阻止する構成とされている。
【００４６】
一方、本実施形態では、２段目蓄冷器２６に充填する蓄冷材として、非磁性蓄冷材４０と磁性蓄冷材４２との二種類の磁性材を用いた構成としている。本実施形態では、非磁性蓄冷材４０としてビスマス又はビスマスを含む合金を用い、また磁性蓄冷材４２としてHoCu2を用いている。
【００４７】
HoCu2等の磁性蓄冷材４２は、３０Ｋ以下の極低温環境においてビスマス等の非磁性蓄冷材４０よりも大きい比熱（体積比熱）を有している。２段目ディスプレーサ２０は、蓄冷式冷凍機１Ａの稼動時において１５Ｋ以下の極低温となる。よって、蓄冷式冷凍機１Ａの稼動時において２段目蓄冷器２６も３０Ｋ以下となり、磁性蓄冷材４２は非磁性蓄冷材４０よりも大きい比熱を有した状態となる。
【００４８】
本実施形態では、このように比熱の大きい磁性蓄冷材４２を中央領域２１に配設し、磁性蓄冷材４２よりも比熱の小さい非磁性蓄冷材４０を周辺領域２２に配設した構成とした。よって、この構成とすることにより、中央領域２１の比熱は周辺領域２２の比熱よりも大きくなる。
【００４９】
このように本実施形態では、冷媒ガスの流量が多い中央領域２１に比熱の大きい磁性蓄冷材４２が配置されているため、２段目蓄冷器２６の蓄冷効率を高めることができる。
【００５０】
また、磁性蓄冷材４２が配置されるのは中央領域２１のみであるため、２段目蓄冷器２６の全体に磁性蓄冷材４２を配設する構成に比べ、磁性蓄冷材４２の充填量（使用量）を少なくすることができる。
【００５１】
そのため、入手が難しく、且つ、コストも高い磁性蓄冷材の量を抑えつつ、十分な蓄熱性能を得ることができる。
【００５２】
更に本実施形態では、磁性蓄冷材４２の配設位置を中央領域２１でかつ、低温端の近傍にのみに配設する構成とした。これは、磁性蓄冷材４２としてHoCu2を用いた場合、HoCu2の体積比熱のピークは５Ｋ〜１０Ｋと低い温度であるため、中央領域２１内でも温度が低い低温端に配設する方が蓄冷効率が高いことによる。
【００５３】
このため本実施形態では、非磁性蓄冷材４０と磁性蓄冷材４２とを分割する仕切り材３３の高さを２段目蓄冷器２６の全体高さに比べて小さく設定し、温度の低い低温端の近傍にのみに磁性蓄冷材４２を配設する構成とした。また、仕切り材３３内に充填された磁性蓄冷材４２の上部には仕切り材３４を設け、非磁性蓄冷材４０と磁性蓄冷材４２が混在しないよう構成した。この構成とすることによっても、冷媒ガスとの高い熱効率を維持しつつ、使用する磁性蓄冷材４２の量を低減することができる。
【００５４】
なお、上記した実施形態では非磁性蓄冷材４０としてビスマスを用い、磁性蓄冷材４２としてHoCu2等を用いた例を示した。しかしながら、非磁性蓄冷材４０及び磁性蓄冷材４２の材料はこれに限定されるものではなく、他の材質を用いることも可能である。この際、磁性蓄冷材４２としては、３０Ｋ以下に比熱のピークを有する材料を選定することが望ましい。また、非磁性蓄冷材４０としてはビスマス等に代えて鉛を用いることも可能であるが、環境に配慮することを考えるとビスマス等の方が望ましい。
【００５５】
また、中央領域と周辺領域の横断面積の割合は、冷凍機の能力やサイズにより適宜選択されるものであるが、例えば、中央領域が５０〜９５％を占める程度が望ましい。
【００５６】
更に、各蓄冷材４０，４２を２段目蓄冷器２６内に充填する際、中央領域を流れる冷媒ガスの圧力損失が、周辺領域を流れる冷媒ガスの圧力損失よりも大きくなるように蓄冷材４０，４２を充填することが望ましい。
【００５７】
次に、図４乃至図７を用いて本発明の第２乃至第４実施形態に係る蓄冷式冷凍機１Ｂ〜１Ｄについて説明する。なお，図４乃至図７において、図１乃至図３に示した構成と対応する構成については同一符号を付して、その説明は省略する。
【００５８】
図４は、第２実施形態である蓄冷式冷凍機１Ｂを示している。前記した第１実施形態に係る蓄冷式冷凍機１Ａでは、中央領域２１に一種類の磁性蓄冷材４２のみを配置した構成を示した。これに対して本実施形態では、３０Ｋ以下に比熱ピークを有する蓄冷材５０として２種類の蓄冷材５０ａ，５０ｂを用い、これを仕切り板３５を介して積層したことを特徴としている。
【００５９】
具体的には、上部に位置する第１蓄冷材５０ａとしては、第１実施形態で用いた磁性蓄冷材であるHoCu2を用いた。これに対し、下部に位置する第２蓄冷材５０ｂとしては、セラミックス蓄冷材であるＧＯＳ（Cd2O2S）を用いた。
【００６０】
ＧＯＳは、４Ｋ〜５Ｋの極低温領域においてHoCu2の２倍程度の比熱を実現することができる。よって中央領域２１に第１及び第２蓄冷材５０ａ，５０ｂを配設すると共に、HoCu2よりなる第１磁性蓄冷材５０ａの配設位置よりも低温側に、ＧＯＳよりなる第２磁性蓄冷材５０ｂを配設することにより、第１実施形態に比べてより高い蓄冷効率を得ることができる。
【００６１】
なお、上記した実施形態では第２蓄冷材５０ｂとしてＧＯＳを用いた例を示したが、ＧＯＳに代えてＧＡＰ（GdAlO3）等の極低温領域で高い密度ピークを有する他の蓄冷材を用いることも可能である。
【００６２】
図５は、第３実施形態である蓄冷式冷凍機１Ｃを示している。
【００６３】
前記した第１実施形態ではディスプレーサ、シリンダ、及び蓄冷器等をそれぞれ二つ有した２段式の蓄冷式冷凍機１Ａを示したが、本発明の適用は多段式の蓄冷式冷凍機に限定されるものではない。
【００６４】
本実施形態では、１段式の蓄冷式冷凍機１Ｃの中央領域２１に磁性蓄冷材６２を配設し、その周囲の周辺領域２２に非磁性蓄冷材６４を配設したことを特徴とするものである。１段式の蓄冷式冷凍機１Ｃであっても、異なる２種類の蓄冷材６２，６４を用い、比熱の大きい蓄冷材６２を中央領域２１に配置し、比熱の小さい蓄冷材６４を周辺領域２２に配置することにより、第１実施形態と同様の効果を実現することができる。
【００６５】
なお、１段式の蓄冷式冷凍機１Ｃは多段式の蓄冷式冷凍機に比べて蓄冷器１７内の温度が高いため、中央領域２１に配置する蓄冷材は磁性蓄冷材に限定されず、磁性蓄冷材よりは比熱が小さい材料を用いることも可能である。また、磁性蓄冷材以外の非磁性蓄冷材を中央領域２１に配置する構成とすることも可能である。
【００６６】
また、中央領域と周辺領域の横断面積の割合は、冷凍機の能力やサイズにより適宜選択されるものであるが、例えば、中央領域が５０〜９５％を占める程度が望ましい。
【００６７】
図６は、第４実施形態である蓄冷式冷凍機１Ｄを示している。
【００６８】
蓄冷式冷凍機１Ｄは、２段目蓄冷器２６内に仕切り材３６を設けることにより高温側と低温側に分割し、高温側の領域（高温側領域２６ａという）に非磁性蓄冷材４０を充填すると共に、低温側の領域（低温側領域２６ｂという）に磁性蓄冷材４２を充填した構成としている。従って、２段目蓄冷器２６の低温側領域２６ｂにおいては、中央領域２１及び周辺領域２２の双方に磁性材よりなる磁性蓄冷材４２が配設された構成となっている。
【００６９】
更に本実施形態では、低温側に発生された磁性蓄冷材４２の周辺領域２２に、充填材４４Ａを配設したことを特徴としている。図７（Ａ）は、充填材４４Ａを拡大して示している。
【００７０】
充填材４４Ａは熱伝導率が高い銅或いは銅合金等によりなる板材で構成されており、中央孔４５が形成されることによりリング形状（環状形状）とされている。この中央孔４５の直径は、中央領域２１の直径と略同一の大きさに設定されている。また充填材４４Ａの外径は、２段目蓄冷器２６の中に装着可能な大きさとされている。
【００７１】
更に充填材４４Ａは、複数の貫通孔４６が形成されている。本実施形態では、２個で一組の貫通孔４６が、放射状に８組形成された構成とされている。この各貫通孔４６の直径は、磁性蓄冷材４２の粒径よりも大きく設定されている。
【００７２】
上記構成とされた充填材４４Ａは、２段目蓄冷器２６内に配設される。この際、充填材４４Ａは、磁性蓄冷材４２内に埋設されるよう２段目蓄冷器２６内に配設される。本実施形態では、３枚の充填材４４Ａが磁性蓄冷材４２内に所定の間隔を置いて重ねられた構成とされている。しかしながら、充填材４４Ａの磁性蓄冷材４２内への配設数はこれに限定されるものではなく、適宜選定することが可能なものである。
【００７３】
前記のように、充填材４４Ａは中央孔４５が形成されている。よって、充填材４４Ａを磁性蓄冷材４２内に配設することにより、充填材４４Ａは実質的に周辺領域２２に配設された構成となる。
【００７４】
ここで、低温側領域２６ｂ内における磁性蓄冷材４２の充填率に注目する。低温側領域２６ｂには充填材４４Ａが配設（埋設）されるため、この充填材４４Ａの体積分だけ磁性蓄冷材４２の充填量は低下する。
【００７５】
低温側領域２６ｂ内の中央領域２１における磁性蓄冷材４２の充填率は、中央領域２１に対応する充填材４４Ａの中央に中央孔４５が形成されているため高い充填率となっている。これに対し、周辺領域２２における磁性蓄冷材４２の充填率は、周辺領域２２には充填材４４Ａが存在するため中央領域２１に比べて低い充填率となっている。
【００７６】
このように本実施形態に係る蓄冷式冷凍機１Ｄでは、低温側領域２６ｂ内において、中央領域２１の磁性蓄冷材４２の充填率が、周辺領域２２の充填率に対して大きくなっている。よって、低温側領域２６ｂ内における中央領域２１の比熱は、周辺領域２２の比熱よりも大きくなっている。
【００７７】
従って、本実施形態に係る蓄冷式冷凍機１Ｄによっても、第１実施形態に係る蓄冷式冷凍機１Ａと同様に、２段目蓄冷器２６の冷却効率を低下させることなく、磁性蓄冷材４２の充填量を少なくすることができる。
【００７８】
図７（Ｂ），（Ｃ）は、図７（Ａ）に示した充填材４４Ａの変形例を示している。図７（Ｂ）に示す充填材４４Ｂは、金網により充填材を構成したものである。金網のメッシュは特に限定されるものではなく、所望する蓄冷材の比熱及び充填率に応じて適宜選定することができる。
【００７９】
図７（Ｃ）に示す充填材４４Ｃは、充填材４４Ａに形成された貫通孔４６に代えて、放射孔４７を中央孔４５から放射状に延出するよう形成したものである。この放射孔４７は台形形状を有しており、上底よりも長い下底部分が中央孔４５と連通した構成とされている。この放射孔４７の形状を適宜選定することにより、蓄冷器内における蓄冷材の比熱を可変することができる。なお、充填材４４Ｂ，４４Ｃの材質としては、充填材４４Ａと同様に熱伝導率が高い銅或いは銅合金を用いることが望ましい。
【００８０】
なお、図７（Ｂ），（Ｃ）に示した各変形例に係る充填材４４Ｂ，４４Ｃは、その外形形状をリング形状とした例を示したが、充填材の外形はリング形状に限定されるものではない。例えば、充填材の外形上を球体、円柱、方形等の他の外形形状とすることも可能である。
【００８１】
以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は上記した特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能なものである。
【符号の説明】
【００８２】
１Ａ〜１Ｃ  蓄冷式冷凍機
２  １段目ディスプレーサ
２Ａ  １段目ディスプレーサ本体
２Ｂ  １段目熱交換部
３  １段目膨張空間
４  １段目シリンダ
５  １段目冷却ステージ
７，５０  蓄冷材
８  室温室
１２  圧縮機
２０  ２段目ディスプレーサ
２０Ａ  ２段目ディスプレーサ本体
２０Ｂ  ２段目熱交換部
２１  中央領域
２２  周辺領域
２７  ２段目冷却ステージ
２８  ２段目膨張空間
３０  ２段目シリンダ
４０，６４  非磁性蓄冷材
４２，６２  磁性蓄冷材
４４Ａ〜４４Ｃ  充填材
４５  中央孔
４６  貫通孔
４７  放射孔
５０ａ  第１蓄冷材
５０ｂ  第２蓄冷材
６０  高温側蓄冷材
【図１】
2014020716.tif 000003
【図２】
2014020716.tif 000004
【図３】
2014020716.tif 000005
【図４】
2014020716.tif 000006
【図５】
2014020716.tif 000007
【図６】
2014020716.tif 000008
【図７】
2014020716.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】平成25年11月8日(2013.11.8)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２０】
なお、１段目ディスプレーサ２と１段目シリンダ４との間の所定位置には、シール１５が装着されている。このシール１５は、１段目膨張空間３と室温室８との間を気密に分割する。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３３】
この膨張した冷媒ガスは、１段目及び２段目蓄冷器１７，２６及び各流路１１，１６，２４，２９を通り圧縮機１２の低圧側に還流する。この際、寒冷を発生した冷媒ガスにより、１段目及び２段目蓄冷器１７，２６内の各蓄冷材７，４０，４２は冷媒ガスの冷熱を蓄熱する。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４１】
図３（Ａ）は、冷媒ガスが２段目蓄冷器２６内（２段目ディスプレーサ２０内）を低温端から高温端に向けて流れる時の流量分布を示している。また、図３（Ｂ）は、冷媒ガスが２段目ディスプレーサ２０内を高温端から低温端に向けて流れる時の流量分布を示している。各図に示す矢印の大きさは、２段目蓄冷器２６内を流れる冷媒ガスの流量に対応するよう示している。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４３】
即ち、２段目蓄冷器２６の中央領域２１においては冷媒ガスの流量（以下、中央領域流量という）が多く、その外周位置である周辺領域２２における冷媒ガスの流量（以下、周辺領域流量という）は中央領域流量に比べて少なくなっている。これは、中央領域２１の冷媒ガスの流路抵抗が、周辺領域２２の冷媒ガスの流路抵抗よりも小さくなっていることによる。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４４】
本実施形態では、上記の冷媒ガスの２段目蓄冷器２６内における流量分布に対応させて、２段目蓄冷器２６をその横断面方向において中央領域２１と周辺領域２２とに分割した構成としている。具体的には、円筒形状の仕切り材３３を中央領域２１と周辺領域２２との境界部に設けることにより、中央領域２１と周辺領域２２とを分割した構成としている。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５９】
具体的には、上部に位置する第１蓄冷材５０ａとしては、第１実施形態で用いた磁性蓄冷材であるHoCu2を用いた。これに対し、下部に位置する第２蓄冷材５０ｂとしては、セラミックス蓄冷材であるＧＯＳ（Gd2O2S）を用いた。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６０】
ＧＯＳは、４Ｋ〜５Ｋの極低温領域においてHoCu2の２倍程度の比熱を実現することができる。よって中央領域２１に第１及び第２蓄冷材５０ａ，５０ｂを配設すると共に、HoCu2よりなる第１蓄冷材５０ａの配設位置よりも低温側に、ＧＯＳよりなる第２蓄冷材５０ｂを配設することにより、第１実施形態に比べてより高い蓄冷効率を得ることができる。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６１】
なお、上記した実施形態では第２蓄冷材５０ｂとしてＧＯＳを用いた例を示したが、ＧＯＳに代えてＧＡＰ（GdAlO3）等の極低温領域で高い比熱ピークを有する他の蓄冷材を用いることも可能である。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６４】
本実施形態では、１段式の蓄冷式冷凍機１Ｃの中央領域２１に磁性蓄冷材６２を配設し、その周囲の周辺領域２２に非磁性蓄冷材６４を配設したことを特徴とするものである。１段式の蓄冷式冷凍機１Ｃであっても、異なる２種類の蓄冷材６２，６４を用い、比熱の大きい磁性蓄冷材６２を中央領域２１に配置し、比熱の小さい非磁性蓄冷材６４を周辺領域２２に配置することにより、第１実施形態と同様の効果を実現することができる。
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６９】
更に本実施形態では、低温側に配設された磁性蓄冷材４２の周辺領域２２に、充填材４４Ａを配設したことを特徴としている。図７（Ａ）は、充填材４４Ａを拡大して示している。
【手続補正１１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００８２】
１Ａ〜１Ｄ  蓄冷式冷凍機
２  １段目ディスプレーサ
２Ａ  １段目ディスプレーサ本体
２Ｂ  １段目熱交換部
３  １段目膨張空間
４  １段目シリンダ
５  １段目冷却ステージ
７，５０  蓄冷材
８  室温室
１２  圧縮機
２０  ２段目ディスプレーサ
２０Ａ  ２段目ディスプレーサ本体
２０Ｂ  ２段目熱交換部
２１  中央領域
２２  周辺領域
２７  ２段目冷却ステージ
２８  ２段目膨張空間
３０  ２段目シリンダ
４０，６４  非磁性蓄冷材
４２，６２  磁性蓄冷材
４４Ａ〜４４Ｃ  充填材
４５  中央孔
４６  貫通孔
４７  放射孔
５０ａ  第１蓄冷材
５０ｂ  第２蓄冷材
６０  高温側蓄冷材