(57)【要約】【課題】極低温冷凍機の冷却性能を向上する技術を提供する。【解決手段】極低温冷凍機１０は、膨張室３４と、膨張室３４に熱的に結合された冷却ステージ２６であって、膨張室３４への露出面と膨張室３４の外に配置された第１熱交換面４６とを備える第１伝熱ブロック２８と、第１熱交換面４６に対向する第２熱交換面４８を備える第２伝熱ブロック３０と、を備える冷却ステージ２６と、膨張室３４の外であって冷却ステージ２６に設置された冷媒供給口６４と、膨張室３４の外であって冷却ステージ２６に設置された冷媒排出口６６と、膨張室３４から流体的に隔離された冷媒通路６８であって、冷媒が冷媒供給口６４から冷媒排出口６６へと第１熱交換面４６および第２熱交換面４８に沿って流れるよう第１伝熱ブロック２８と第２伝熱ブロック３０との間に形成された冷媒通路６８と、を備える。【選択図】図１
2019015489.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
膨張室と、
前記膨張室に熱的に結合された冷却ステージであって、前記膨張室への露出面と前記膨張室の外に配置された第１熱交換面とを備える第１伝熱ブロックと、前記第１熱交換面に対向する第２熱交換面を備える第２伝熱ブロックと、を備える冷却ステージと、
前記膨張室の外であって前記冷却ステージに設置された冷媒供給口と、
前記膨張室の外であって前記冷却ステージに設置された冷媒排出口と、
前記膨張室から流体的に隔離された冷媒通路であって、冷媒が前記冷媒供給口から前記冷媒排出口へと前記第１熱交換面および前記第２熱交換面に沿って流れるよう前記第１伝熱ブロックと前記第２伝熱ブロックとの間に形成された冷媒通路と、を備えることを特徴とする極低温冷凍機。
【請求項２】
前記第１熱交換面は、第１ベース面と、前記第１ベース面から延出する少なくとも１つの第１フィンと、を備え、前記第１フィンは、第１フィン先端を備え、
前記第２熱交換面は、第２ベース面と、前記第１フィンに沿って前記第２ベース面から延出する少なくとも１つの第２フィンと、を備え、前記第２フィンは、第２フィン先端を備え、
前記第１フィン先端は、前記第２フィン先端よりも前記第２ベース面に近接して配置され、前記第２フィン先端は、前記第１フィン先端よりも前記第１ベース面に近接して配置され、
前記冷媒通路は、
前記冷媒が前記第１フィンを横断するよう前記第１フィン先端と前記第２ベース面との間に形成された第１横断通路と、
前記冷媒が前記第２フィンを横断するよう前記第２フィン先端と前記第１ベース面との間に形成された第２横断通路と、
前記第１横断通路を前記第２横断通路に連通するよう前記第１フィンと前記第２フィンとの間に形成されたフィン間通路と、を備えることを特徴とする請求項１に記載の極低温冷凍機。
【請求項３】
前記第１横断通路は、前記第１フィン先端と前記第２ベース面との間で局所的に形成され、前記第２横断通路は、前記第２フィン先端と前記第１ベース面との間で局所的に形成され、
前記フィン間通路における冷媒流れがフィン高さ方向と角度をなす方向に誘導されるように、前記第１横断通路および前記第２横断通路の配置が定められていることを特徴とする請求項２に記載の極低温冷凍機。
【請求項４】
前記冷却ステージとの間に前記膨張室を形成する軸方向往復動可能なディスプレーサをさらに備え、
前記第１伝熱ブロックの前記膨張室への前記露出面は、前記ディスプレーサと同軸配置されたリング状凸部を備える前記膨張室の底面を含み、前記リング状凸部は、前記膨張室の底面と反対側から前記第２フィンを受け入れるよう中空とされ、
前記ディスプレーサは、前記リング状凸部を受け入れるよう形成されたリング状凹部を備えることを特徴とする請求項２または３に記載の極低温冷凍機。
【請求項５】
前記第１フィンは、極低温冷凍機の中心軸を中心とするリング状形状を有し、
前記第２フィンは、前記第１フィンと異なる径をもつリング状形状を有し、
前記第２伝熱ブロックは、前記第２フィンが前記第１フィンと組み合わされて前記極低温冷凍機の中心軸と同軸配置された同心リング状構造を形成するように、前記第１伝熱ブロックに固着されていることを特徴とする請求項２から４のいずれかに記載の極低温冷凍機。
【請求項６】
前記冷媒供給口は、前記冷媒を前記同心リング状構造の外周部に供給するよう前記冷却ステージに設置され、前記冷媒通路は、前記冷媒を前記同心リング状構造の前記外周部から前記同心リング状構造の中心部に導くよう構成され、前記冷媒排出口は、前記冷媒を前記同心リング状構造の前記中心部から排出するよう前記冷却ステージに設置されていることを特徴とする請求項５に記載の極低温冷凍機。
【請求項７】
前記同心リング状構造の外周部における前記第１熱交換面と前記第２熱交換面の間隔が、前記同心リング状構造の中心部における前記第１熱交換面と前記第２熱交換面の間隔よりも狭いことを特徴とする請求項５または６に記載の極低温冷凍機。
【請求項８】
前記冷媒通路は、複数の階層に区分けされていることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の極低温冷凍機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、極低温冷凍機に関する。
【背景技術】
【０００２】
ギフォード・マクマホン（Gifford-McMahon；ＧＭ）冷凍機に代表される極低温冷凍機は、作動ガスの膨張室と熱的に結合された冷却ステージを有する。膨張室の容積変化と圧力変化とを適切に同期させることによって、極低温冷凍機は冷却ステージを所望の極低温に冷却することができる。冷却されるべき対象物は、冷却ステージに熱的に結合され、冷却ステージにより冷却される。このような冷却ステージは、スターリング冷凍機、パルス管冷凍機などその他の極低温冷凍機にも備えられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−２４８９３０号公報
【特許文献２】特開平１０−１２２６８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
極低温冷凍機はしばしば、液体窒素、気体または液体のヘリウムなど種々の冷媒流体（以下、冷媒ともいう）を冷却するために利用される。冷却された冷媒は、超伝導装置や計測機器など低温環境を要する各種の装置を冷却するために使用される。ある典型的な構成においては、冷媒を流すための冷媒管が、極低温冷凍機の冷却ステージの外面に溶接やろう付けなどの接合手段により接合され、冷却ステージに熱的に結合される。冷却ステージによって冷媒管が冷却され、冷媒管によって冷媒が冷却される。冷媒管と冷却ステージ外面との接合状態は、極低温冷凍機による冷媒の冷却性能に影響する。冷媒管の接合不良は冷媒管と冷却ステージの間に大きな熱抵抗を発生させるので、冷媒が冷えにくくなる。
【０００５】
本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、極低温冷凍機の冷却性能を向上する技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明のある態様によると、極低温冷凍機は、膨張室と、前記膨張室に熱的に結合された冷却ステージであって、前記膨張室への露出面と前記膨張室の外に配置された第１熱交換面とを備える第１伝熱ブロックと、前記第１熱交換面に対向する第２熱交換面を備える第２伝熱ブロックと、を備える冷却ステージと、前記膨張室の外であって前記冷却ステージに設置された冷媒供給口と、前記膨張室の外であって前記冷却ステージに設置された冷媒排出口と、前記膨張室から流体的に隔離された冷媒通路であって、冷媒が前記冷媒供給口から前記冷媒排出口へと前記第１熱交換面および前記第２熱交換面に沿って流れるよう前記第１伝熱ブロックと前記第２伝熱ブロックとの間に形成された冷媒通路と、を備える。
【０００７】
なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、極低温冷凍機の冷却性能を向上する技術を提供することにある。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１実施形態に係る極低温冷凍機を概略的に示す図である。
【図２】図１に示される極低温冷凍機のＡ−Ａ断面を示す概略図である。
【図３】第１実施形態に係る第１伝熱ブロックの他の例を示す概略図である。
【図４】第１実施形態に係る冷却ステージの他の例を示す概略図である。
【図５】第２実施形態に係る極低温冷凍機の要部を概略的に示す図である。
【図６】図５に示される極低温冷凍機のＢ−Ｂ断面を示す概略図である。
【図７】第３実施形態に係る極低温冷凍機の要部を概略的に示す図である。
【図８】第４実施形態に係る極低温冷凍機の要部を概略的に示す図である。
【図９】図８に示される極低温冷凍機のＣ−Ｃ断面を示す概略図である。
【図１０】図１０（ａ）および図１０（ｂ）は、第４実施形態に係る極低温冷凍機における連通路の他の例を示す概略図である。
【図１１】第４実施形態に係る極低温冷凍機の他の例を概略的に示す図である。
【図１２】第４実施形態に係る極低温冷凍機の他の例を概略的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。なお、説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。また、以下に述べる構成は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。また、以下の説明において参照する図面において、各構成部材の大きさや厚みは説明の便宜上のものであり、必ずしも実際の寸法や比率を示すものではない。
【００１１】
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る極低温冷凍機１０を概略的に示す図である。図２は、図１に示される極低温冷凍機１０のＡ−Ａ断面を示す概略図である。
【００１２】
極低温冷凍機１０は、作動ガス（例えばヘリウムガス）を圧縮する圧縮機１２と、作動ガスを断熱膨張により冷却するコールドヘッド１４と、を備える。圧縮機１２は、圧縮機吐出口１２ａおよび圧縮機吸入口１２ｂを有する。コールドヘッド１４は膨張機とも呼ばれる。図示される極低温冷凍機１０は、単段式のＧＭ冷凍機である。
【００１３】
詳しくは後述するように、圧縮機１２は、圧縮機吐出口１２ａからコールドヘッド１４に高圧（ＰＨ）の作動ガスを供給する。コールドヘッド１４には作動ガスを予冷する蓄冷器１５が備えられている。予冷された作動ガスは、コールドヘッド１４内での膨張によって更に冷却される。作動ガスは蓄冷器１５を通じて圧縮機吸入口１２ｂに回収される。作動ガスは蓄冷器１５を通るとき蓄冷器１５を冷却する。圧縮機１２は、回収した低圧（ＰＬ）の作動ガスを圧縮し、再びコールドヘッド１４に供給する。一般に高圧（ＰＨ）及び低圧（ＰＬ）はともに大気圧よりかなり高い。通例、高圧（ＰＨ）は例えば２〜３ＭＰａであり、低圧（ＰＬ）は例えば０．５〜１．５ＭＰａである。
【００１４】
コールドヘッド１４は、軸方向（図１において上下方向、矢印Ｃで示す）に往復動可能なディスプレーサ２０と、ディスプレーサ２０を収容するシリンダ２２と、ディスプレーサ駆動機構１６と、を備える。ディスプレーサ駆動機構１６は、ディスプレーサ２０に同軸に連結された連結ロッド２４を備える。シリンダ２２は、作動ガスの圧力容器の一部として構成されている。
【００１５】
ディスプレーサ駆動機構１６は、種々の公知の構成を採用しうる。例えば、モータ駆動型ＧＭ冷凍機の場合、ディスプレーサ駆動機構１６は、スコッチヨーク機構およびモータを備える。ディスプレーサ２０は、連結ロッド２４およびスコッチヨーク機構を介してモータに機械的に連結され、モータによって駆動される。ガス駆動型ＧＭ冷凍機の場合、ディスプレーサ２０は、連結ロッド２４を介してディスプレーサ駆動ピストンに連結され、ディスプレーサ駆動ピストンに作用するガス圧によって駆動される。
【００１６】
ディスプレーサ２０の軸方向往復動は、シリンダ２２によって案内される。通例、ディスプレーサ２０およびシリンダ２２はそれぞれ軸方向に延在する円筒状の部材であり、シリンダ２２の内径はディスプレーサ２０の外径に一致するか又はわずかに大きい。ディスプレーサ２０およびシリンダ２２の中心軸が極低温冷凍機１０の中心軸９２に相当する（図２参照）。連結ロッド２４はディスプレーサ２０よりも小径である。
【００１７】
シリンダ２２は、ディスプレーサ２０によって膨張室３４と室温室３６に仕切られている。膨張室３４は、極低温冷凍機１０の作動ガスの膨張空間を画定する。ディスプレーサ２０は、軸方向一端にてシリンダ２２との間に膨張室３４を形成し、軸方向他端にてシリンダ２２との間に室温室３６を形成する。膨張室３４は下死点ＬＰ側に配置され、室温室３６は上死点ＵＰ側に配置されている。連結ロッド２４は、室温室３６を通ってディスプレーサ２０の上蓋部まで延びている。
【００１８】
コールドヘッド１４には、膨張室３４を外包するようシリンダ２２に固着された冷却ステージ２６が設けられている。冷却ステージ２６は、膨張室３４に熱的に結合されている。冷却ステージ２６は、例えばろう付けや溶接によりシリンダ２２に接合されている。冷却ステージ２６の詳細は後述する。
【００１９】
蓄冷器１５はディスプレーサ２０に内蔵されている。ディスプレーサ２０はその上蓋部に、蓄冷器１５を室温室３６に連通する入口流路４０を有する。また、ディスプレーサ２０はその筒部に、蓄冷器１５を膨張室３４に連通する出口流路４２を有する。あるいは、出口流路４２は、ディスプレーサ２０の下蓋部に設けられていてもよい。加えて、蓄冷器１５は、上蓋部に内接する入口リテーナ４１と、下蓋部に内接する出口リテーナ４３と、両リテーナに挟持された蓄冷材と、を備える。図１において蓄冷材は、入口リテーナ４１と出口リテーナ４３に挟まれた、ドットを付した領域として図示されている。蓄冷材は、たとえば銅製の金網でもよい。リテーナは蓄冷材よりも粗い金網でもよい。
【００２０】
シール部４４が、ディスプレーサ２０とシリンダ２２の間に設けられている。シール部４４は、例えばスリッパーシールであり、ディスプレーサ２０の筒部または上蓋部に装着されている。ディスプレーサ２０とシリンダ２２とのクリアランスがシール部４４によって封じられているので、室温室３６と膨張室３４との直接のガス流通（つまり蓄冷器１５を迂回するガス流れ）はない。
【００２１】
ディスプレーサ２０が軸方向に動くとき、膨張室３４および室温室３６は相補的に容積を増減させる。すなわち、ディスプレーサ２０が下動するとき、膨張室３４は狭くなり室温室３６は広くなる。逆も同様である。
【００２２】
作動ガスは、室温室３６から入口流路４０を通じて蓄冷器１５に流入する。より正確には、作動ガスは、入口流路４０から入口リテーナ４１を通って蓄冷器１５に流入する。作動ガスは、蓄冷器１５から出口リテーナ４３および出口流路４２を経由して膨張室３４に流入する。作動ガスが膨張室３４から室温室３６に戻るときは逆の経路を通る。つまり、作動ガスは、膨張室３４から、出口流路４２、蓄冷器１５、および入口流路４０を通って室温室３６に戻る。蓄冷器１５を迂回してクリアランスを流れようとする作動ガスはシール部４４によって遮断される。
【００２３】
さらに、極低温冷凍機１０は、圧縮機１２をコールドヘッド１４に接続する作動ガス回路５２を備える。作動ガス回路５２は、膨張室３４の圧力を制御するよう構成されたバルブユニット５４を備える。バルブユニット５４は、吸気開閉バルブＶ１と排気開閉バルブＶ２とを有する。バルブユニット５４は、ロータリーバルブ方式など種々の公知の構成を採用することができる。
【００２４】
吸気開閉バルブＶ１が開いているとき排気開閉バルブＶ２は閉じられる。圧縮機吐出口１２ａから吸気開閉バルブＶ１を通じてシリンダ２２に高圧の作動ガスが供給される。一方、排気開閉バルブＶ２が開いているとき吸気開閉バルブＶ１は閉じられる。シリンダ２２から排気開閉バルブＶ２を通じて圧縮機吸入口１２ｂに作動ガスが回収され、シリンダ２２は減圧される。なお吸気開閉バルブＶ１および排気開閉バルブＶ２が一時的にともに閉じられてもよい。このようにして、シリンダ２２は、圧縮機吐出口１２ａおよび圧縮機吸入口１２ｂと交互に接続される。
【００２５】
極低温冷凍機１０の例示的な動作を説明する。作動ガス供給工程のある時点においてディスプレーサ２０はシリンダ２２内で下死点ＬＰに位置する。それと同時、またはわずかにずれたタイミングで吸気開閉バルブＶ１を開くと、高圧の作動ガスが圧縮機１２からシリンダ２２に供給される。作動ガスは蓄冷器１５により冷却されながら膨張室３４に供給される。
【００２６】
膨張室３４が高圧の作動ガスで満たされると、吸気開閉バルブＶ１は閉じられる。この時、ディスプレーサ２０はシリンダ２２内で上死点ＵＰに位置する。それと同時、またはわずかにずれたタイミングで排気開閉バルブＶ２を開くと、膨張室３４の作動ガスは減圧され膨張する。膨張により作動ガスは低温となり、冷却ステージ２６から熱を吸収する。
【００２７】
ディスプレーサ２０は下死点ＬＰに向けて移動し、膨張室３４の容積は減少する。膨張室３４内の作動ガスは、蓄冷器１５を通過しながら蓄冷材を冷却し、圧縮機１２に回収される。以上の工程を１サイクルとし、極低温冷凍機１０はこの冷却サイクルを繰り返すことで、冷却ステージ２６を所望の極低温に冷却する。
【００２８】
冷却ステージ２６は、第１伝熱ブロック２８および第２伝熱ブロック３０を備える。シリンダ２２、第１伝熱ブロック２８、および第２伝熱ブロック３０は、この記載の順に軸方向に配置されている。シリンダ２２は、第１伝熱ブロック２８から軸方向に延出している。冷却ステージ２６は、シリンダ２２よりも若干大径の円筒状に形成されている。第１伝熱ブロック２８および第２伝熱ブロック３０は組み合わされて円筒状の形状をなすように形成されている。
【００２９】
第１伝熱ブロック２８および第２伝熱ブロック３０は、例えば銅などの比較的高い熱伝導率をもつ金属またはその他の熱伝導材料で形成されている。第１伝熱ブロック２８と第２伝熱ブロック３０は通例同じ材料で形成されるが、異なる材料で形成されてもよい。第１伝熱ブロック２８は、例えば、ひとかたまりの材料から切削などの機械加工によって形成される。同様に、第２伝熱ブロック３０も、ひとかたまりの材料から切削などの機械加工によって形成される。
【００３０】
第１伝熱ブロック２８は、膨張室３４を囲むよう配置され、膨張室３４に熱的に結合されている。第１伝熱ブロック２８は、ディスプレーサ底部２０ａとの間に膨張室３４を形成する。第１伝熱ブロック２８は、膨張室３４への露出面を有し、この露出面は、ディスプレーサ底部２０ａに対向する膨張室底面３４ａを含む。膨張室底面３４ａは、極低温冷凍機１０の中心軸９２と概ね垂直な平面を形成する。第１伝熱ブロック２８は、膨張室３４の外に配置された第１熱交換面４６を備える。第１熱交換面４６は、軸方向において膨張室底面３４ａと反対側に向けられている。
【００３１】
また、第２伝熱ブロック３０は、第１伝熱ブロック２８に隣接して配置され、第１伝熱ブロック２８を介して膨張室３４に熱的に結合されている。第２伝熱ブロック３０は、例えばろう付けや溶接により第１伝熱ブロック２８に接合されている。第２伝熱ブロック３０の外周部が第１伝熱ブロック２８の外周部と接合されている。第２伝熱ブロック３０は、膨張室３４の外に配置され、膨張室３４への露出面は有しない。第２伝熱ブロック３０は、第１熱交換面４６に対向する第２熱交換面４８を備える。
【００３２】
極低温冷凍機１０は、冷媒を流す冷媒回路６０を備える。冷媒回路６０は、作動ガス回路５２から流体的に隔離されている。冷媒回路６０は、作動ガス回路５２とは別系統として設けられ、両者は分離されている。冷媒回路６０を流れる冷媒は、作動ガス回路５２を流れる作動ガスと混ざることは無い。冷媒は、作動ガスと同種（例えばヘリウムガス）であってもよい。冷媒は、作動ガスとは異種（例えば液体窒素）であってもよい。いずれにしても、冷媒回路６０における冷媒の圧力は通例、作動ガス回路５２における作動ガスの圧力より低く、例えば大気圧程度である。
【００３３】
冷媒回路６０は、冷媒ポンプ６２、冷媒供給口６４、冷媒排出口６６、および冷媒通路６８を備える。
【００３４】
冷媒ポンプ６２は、冷媒を冷媒回路６０で循環させるために設けられている。冷媒ポンプ６２は、冷媒排出口６６から排出された冷媒を冷媒供給口６４へと送出するように、冷媒供給口６４および冷媒排出口６６に接続されている。冷媒ポンプ６２の吐出口が冷媒供給口６４と冷媒供給管６３ａで接続され、冷媒ポンプ６２の回収口が冷媒排出口６６と冷媒排出管６３ｂで接続されている。冷媒ポンプ６２、冷媒供給管６３ａおよび冷媒排出管６３ｂは、極低温冷凍機１０の一部を構成するとはみなされなくてもよい。冷媒供給管６３ａおよび冷媒排出管６３ｂは、極低温冷凍機１０の製造業者とは別の製造業者によって製造され、極低温冷凍機１０の使用者によって用意されてもよい。
【００３５】
冷媒供給口６４および冷媒排出口６６は、極低温冷凍機１０の一部として、冷却ステージ２６の外面に設置されている。よって、冷媒供給口６４および冷媒排出口６６は、膨張室３４の外に配置されている。冷媒供給口６４は、冷却ステージ２６の内部に、具体的には冷媒通路６８に、冷媒を流入させる冷媒流入孔６４ａを備える。冷媒流入孔６４ａは、冷媒供給管６３ａを冷媒通路６８に接続する。冷媒排出口６６は、冷却ステージ２６の内部から、具体的には冷媒通路６８から、冷媒を流出させる冷媒流出孔６６ａを備える。冷媒流出孔６６ａは、冷媒通路６８を冷媒排出管６３ｂに接続する。冷媒は、冷媒ポンプ６２から冷媒供給口６４を通じて冷媒通路６８に供給される。また、冷媒は、冷媒通路６８から冷媒排出口６６を通じて冷媒ポンプ６２に排出される。
【００３６】
冷却ステージ２６の外面における冷媒供給口６４の位置および数は任意であるが、ここでは、複数の冷媒供給口６４が冷却ステージ２６の外周面において周方向に等間隔に配置されている。冷媒供給口６４は、第１伝熱ブロック２８と第２伝熱ブロック３０の境界部に設けられているが、これに限られない。冷媒供給口６４は１つであってもよい。１つの冷媒排出口６６は、第２熱交換面４８と反対側の第２伝熱ブロック３０の端面中心部に設けられているが、これに限られない。複数の冷媒排出口６６が設けられてもよい。
【００３７】
冷媒通路６８は、膨張室３４から流体的に隔離されている。冷媒通路６８は、冷却ステージ２６の内部に形成され、冷却ステージ２６を貫通している。冷却ステージ２６において冷媒通路６８と膨張室３４は互いに分離されている。冷媒通路６８に膨張室３４から作動ガスが流入することはない。冷媒通路６８から膨張室３４に冷媒が漏れ出ることも無い。
【００３８】
冷媒通路６８は、冷媒が冷媒供給口６４から冷媒排出口６６へと第１熱交換面４６および第２熱交換面４８に沿って流れるよう第１伝熱ブロック２８と第２伝熱ブロック３０との間に形成されている。冷媒通路６８は、第１熱交換面４６と第２熱交換面４８との間に形成されている。
【００３９】
対象物７０を冷却するための熱交換器７２が冷媒ポンプ６２と冷媒供給口６４の間に設けられている。熱交換器７２は、冷媒供給管６３ａの中途に接続されている。熱交換器７２は、冷媒排出口６６と冷媒ポンプ６２の間で冷媒排出管６３ｂの中途に接続されていてもよい。対象物７０は、熱交換器７２に熱的に接続されている。冷却された冷媒を熱交換器７２に流すことによって、対象物７０が冷却される。
【００４０】
第１伝熱ブロック２８の第１熱交換面４６と第２伝熱ブロック３０の第２熱交換面４８との間隔は一定である。冷媒通路６８の流路幅は、冷媒通路６８の全体で一定となっている。ただし、これは必須ではなく、後述するように、第１熱交換面４６と第２熱交換面４８の間隔が場所によって異なっていてもよい。
【００４１】
第１熱交換面４６は、第１ベース面７４と、第１ベース面７４から延出する少なくとも１つの第１フィン７６と、を備える。第１ベース面７４は、膨張室底面３４ａと概ね平行な平面を形成し、膨張室底面３４ａとは軸方向に反対側に向けられている。第１ベース面７４は、冷媒通路６８の上面とも言える。第１フィン７６は、第１フィン先端７６ａを備える。第１伝熱ブロック２８は、１つの第１フィン７６を備えるが、複数の第１フィン７６を備えてもよい。第１伝熱ブロック２８の外周部がもう１つの第１フィン７６であるとみなすこともできる。
【００４２】
第２熱交換面４８は、第２ベース面７８と、第２ベース面７８から延出する少なくとも１つの第２フィン８０と、を備える。第２ベース面７８は、第１ベース面７４と概ね平行な平面を形成する。第２ベース面７８は、冷媒通路６８の下面とも言える。第２フィン８０は、第１フィン７６に沿って延びている。第２フィン８０は、第２フィン先端８０ａを備える。第２伝熱ブロック３０は、２つの第２フィン８０を備えるが、第２フィン８０は１つであってもよいし、３つ以上であってもよい。
【００４３】
第２ベース面７８は、隣り合う２つの第２フィン８０の間に第１フィン７６を受け入れる凹部を形成する。また、第１伝熱ブロック２８に複数の第１フィン７６が設けられている場合には、第１ベース面７４は、隣り合う２つの第１フィン７６の間に第２フィン８０を受け入れる凹部を形成する。
【００４４】
第１フィン先端７６ａは、第２フィン先端８０ａよりも第２ベース面７８に近接して配置されている。第２フィン先端８０ａは、第１フィン先端７６ａよりも第１ベース面７４に近接して配置されている。このようにして、第１フィン７６と第２フィン８０が交互に配置されるように、第１フィン７６が隣り合う２つの第２フィン８０の間へと挿入されている。それにより蛇行状の冷媒通路６８が形成されている。
【００４５】
第１フィン７６および第２フィン８０は軸方向に延びている。よって、第１フィン７６および第２フィン８０は軸方向にフィン高さを有する。第１フィン７６の高さ（第１ベース面７４から第１フィン先端７６ａまでの距離）Ｈ１が、第１ベース面７４と第２フィン先端８０ａの間隔Ｇ１より大きい。第２フィン８０の高さ（第２ベース面７８から第２フィン先端８０ａまでの距離）Ｈ２が、第２ベース面７８と第１フィン先端７６ａの間隔Ｇ２より大きい。第１フィン７６の高さＨ１と第２フィン８０の高さＨ２は等しい。必要とされる場合には、高さＨ１と高さＨ２は異なってもよい。第１ベース面７４と第２フィン先端８０ａの間隔Ｇ１と第２ベース面７８と第１フィン先端７６ａの間隔Ｇ２は等しい。間隔Ｇ１と間隔Ｇ２は異なってもよい。
【００４６】
冷媒通路６８は、第１横断通路８２、第２横断通路８４、およびフィン間通路８６を備える。第１横断通路８２は、冷媒が第１フィン７６を横断するよう第１フィン先端７６ａと第２ベース面７８との間に形成されている。第２横断通路８４は、冷媒が第２フィン８０を横断するよう第２フィン先端８０ａと第１ベース面７４との間に形成されている。フィン間通路８６は、第１フィン７６と第２フィン８０との間に形成されている。フィン間通路８６は、第１横断通路８２を第２横断通路８４に連通する。
【００４７】
複数のフィン間通路８６が形成されている。隣り合う２つの第２フィン８０のうち一方と第１フィン７６の間に１つのフィン間通路８６が形成され、他方の第２フィン８０と第１フィン７６の間にもう１つのフィン間通路８６が形成されている。２つのフィン間通路８６は、第１横断通路８２によって連通されている。図２に示されるように、フィン間通路８６の幅Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３は、等しい。なお、幅Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３は、上述の間隔Ｇ１、Ｇ２と等しくてもよい。
【００４８】
図１に示されるように、第１横断通路８２を冷媒が流れることによって、冷媒は第１フィン先端７６ａに沿って第１フィン７６を横断する。第２横断通路８４を冷媒が流れることによって、冷媒は第２フィン先端８０ａに沿って第２フィン８０を横断する。フィン間通路８６は、第１横断通路８２から第２横断通路８４へと、または、第２横断通路８４から第１横断通路８２へと、冷媒を導く。
【００４９】
第２伝熱ブロック３０は、図２に示されるように、第２フィン８０が第１フィン７６と組み合わされて極低温冷凍機１０の中心軸９２と同軸配置された同心リング状構造９０を形成するように、第１伝熱ブロック２８に固着されている。たいていの極低温冷凍機１０は概ね軸対称の構造をもつ。そのため、同心リング状構造９０は、その他の構造に比べて、極低温冷凍機１０への適用が容易である。
【００５０】
第１フィン７６は、極低温冷凍機１０の中心軸９２を中心とするリング状形状を有する。第２フィン８０も、極低温冷凍機１０の中心軸９２を中心とするリング状形状を有する。ただし、第２フィン８０は、第１フィン７６と異なる径をもつ。第１フィン７６および第２フィン８０は、極低温冷凍機１０の中心軸９２まわりに周方向に延びている。
【００５１】
第１フィン７６および第２フィン８０は、極低温冷凍機１０の径方向にフィン厚さを有し、周方向にフィン長さを有する。リング状形状の場合、フィン長さはリングの円周長に相当する。フィン高さおよびフィン長さはフィン厚さよりも大きい。また、フィン高さよりもフィン長さが大きい。逆に、フィン高さよりもフィン長さが小さくてもよい。
【００５２】
同心リング状構造９０は、フィン高さ方向、フィン厚さ方向、およびフィン長さ方向がそれぞれ極低温冷凍機１０の軸方向、径方向、および周方向に一致するように、冷却ステージ２６の内部に設けられている。しかし、このような同心リング状構造９０の配置は必須ではない。同心リング状構造９０は冷却ステージ２６の内部で任意の位置および向きで配置されていてもよく、その場合、フィン高さ方向、フィン厚さ方向、およびフィン長さ方向が極低温冷凍機１０の軸方向、径方向、および周方向と一致するとは限らない。
【００５３】
第１フィン７６および第２フィン８０は、全周に連続している。そのため、第１横断通路８２、第２横断通路８４、およびフィン間通路８６も、全周に連続している。すなわち、第１フィン先端７６ａは全周にわたり第２ベース面７８から離れている。第２フィン先端８０ａは全周にわたり第１ベース面７４から離れている。また、第１フィン７６と第２フィン８０は全周にわたり互いに離れている。
【００５４】
しかし、第１横断通路８２は、第１フィン先端７６ａが第２ベース面７８と部分的に接触することによって、複数の区域に分割されていてもよい。第２横断通路８４は、第２フィン先端８０ａが第１ベース面７４と部分的に接触することによって、複数の区域に分割されていてもよい。同様に、フィン間通路８６は、第１フィン７６と第２フィン８０が部分的に接触することによって、複数の区域に分割されていてもよい。このようにして、第１横断通路８２、第２横断通路８４、およびフィン間通路８６は、例えば周方向に分割されていてもよい。
【００５５】
第１フィン７６および第２フィン８０が周方向に分割されていてもよい。分割された第１フィン７６（または第２フィン８０）のセグメント間の隙間が冷媒通路６８の一部となってもよい。第２フィン８０の１つが極低温冷凍機１０の中心軸９２上に形成されており、この第２フィン８０は棒状の形状を有する。なお、第１フィン７６が極低温冷凍機１０の中心軸９２上に形成され棒状の形状を有してもよい。
【００５６】
また、冷媒通路６８は、冷媒排出口６６を冷媒通路６８に連通する出口通路８８を備える。出口通路８８は、極低温冷凍機１０の中心軸９２に沿って第２伝熱ブロック３０を貫通している。極低温冷凍機１０の中心軸９２上に第２フィン８０が形成されているので、出口通路８８は、第２フィン８０をその高さ方向に貫通し、第２横断通路８４を冷媒流出孔６６ａに接続している。なお、第１フィン７６が極低温冷凍機１０の中心軸９２上に形成されている場合には、出口通路８８は、中心軸９２上に配置された当該第１フィン７６に対向する第２ベース面７８から第２伝熱ブロック３０を貫通して、冷媒排出口６６に接続されていてもよい。
【００５７】
冷媒供給口６４は、冷媒を同心リング状構造９０の外周部に供給するよう冷却ステージ２６に設置されている。冷媒通路６８は、冷媒を同心リング状構造９０の外周部から同心リング状構造９０の中心部に導くよう構成されている。冷媒排出口６６は、冷媒を同心リング状構造９０の中心部から排出するよう冷却ステージ２６に設置されている。
【００５８】
このように、冷媒通路６８は、冷却ステージ２６の外周部から中心部へと冷媒を放射状に流すように構成されている。冷媒は、冷媒供給口６４から同心リング状構造９０の外周部に流入し、第２横断通路８４、フィン間通路８６、第１横断通路８２、フィン間通路８６、第２横断通路８４、出口通路８８へと縦横に流れる。こうして、冷媒は、同心リング状構造９０の中心部から冷媒排出口６６へと排出される。理解のために図１に冷媒が流れる方向を矢印で示す。
【００５９】
冷媒通路６８は、冷却ステージ２６によって冷媒を冷却するための、冷却ステージ２６と一体化された熱交換器として働く。冷媒通路６８における冷媒流れは第１熱交換面４６と接触し、第１熱交換面４６との熱交換により冷却される。また、冷媒通路６８における冷媒流れは第２熱交換面４８と接触し、第２熱交換面４８との熱交換により冷却される。
【００６０】
こうして冷却された冷媒を熱交換器７２に流すことによって、対象物７０を冷却することができる。対象物７０との熱交換により加熱された冷媒は、冷媒通路６８を流れることで冷却ステージ２６によって再冷却される。再冷却された冷媒は対象物７０の冷却に再び利用される。
【００６１】
第１実施形態に係る極低温冷凍機１０によると、冷媒を冷却する熱交換器が冷却ステージ２６の内部に一体化されている。より具体的には、冷媒が冷媒供給口６４から冷媒排出口６６へと第１熱交換面４６および第２熱交換面４８に沿って流れるように、冷媒通路６８が第１熱交換面４６と第２熱交換面４８との間に形成されている。このように熱交換器を一体化したことにより、従来の冷却ステージ外面に冷媒管を接合するといった外付け式の熱交換構成に比べて、極低温冷凍機１０と冷媒の熱的接触をより確実にすることができる。よって、極低温冷凍機１０は、冷媒をより効率よく冷却することができる。
【００６２】
極低温冷凍機１０においては第１フィン７６と第２フィン８０の組み合わせによって蛇行状の冷媒通路６８が形成されている。このようなフィンが設けられずに２つの対向する熱交換面がともに平面である場合に比べて、冷媒と熱交換面との接触面積を大きくすることができる。よって、極低温冷凍機１０は熱交換効率が向上される。
【００６３】
また、極低温冷凍機１０が概ね軸対称の構造をもつ場合、冷却ステージ２６の外周部に比べて中心部のほうが若干低温となる。冷媒供給口６４は冷却ステージ２６の外周部に配置され、冷媒排出口６６は冷却ステージ２６の中心部に配置されている。冷媒供給口６４における冷媒の温度は、冷媒が対象物７０によって加熱されているから比較的高い。冷却ステージ２６において比較的高温の部位に冷媒供給口６４を配置することにより、冷媒供給口６４での冷媒と冷却ステージ２６との温度差を小さくすることができる。温度差が小さければ熱交換効率が高まる。これも、極低温冷凍機１０の熱交換効率の向上に役立つ。
【００６４】
図３は、第１実施形態に係る第１伝熱ブロック２８の他の例を示す概略図である。上述の実施形態においては第１伝熱ブロック２８がひとかたまりの材料から形成されているが、本発明はこれに限られない。第１伝熱ブロック２８は、複数のサブブロックから形成されていてもよい。複数のサブブロックがろう付けや溶接により接合され第１伝熱ブロック２８を形成してもよい。第２伝熱ブロック３０についても同様に複数のサブブロックから形成されていてもよい。
【００６５】
図３に示されるように、第１伝熱ブロック２８は、膨張室形成サブブロック２８ａと第１フィンサブブロック２８ｂを備える。膨張室形成サブブロック２８ａに膨張室底面３４ａが設けられ、第１フィンサブブロック２８ｂに第１フィン７６が設けられている。第１フィンサブブロック２８ｂは、ろう付け層などの接合層９４を介して膨張室形成サブブロック２８ａに接合されている。膨張室形成サブブロック２８ａは、平坦な接合面９４ａを有し、第１フィンサブブロック２８ｂは、平坦な接合面９４ｂを有し、これら２つの接合面９４ａ、９４ｂが接合層９４により接合されている。接合面９４ａ、９４ｂは、膨張室底面３４ａと平行な平面であってもよい。このような平坦面どうしの接合は、従来典型的な外付け式熱交換器を冷却ステージ外面に接合する場合に比べて、より強固な接合が容易である。
【００６６】
なお第１伝熱ブロック２８と第２伝熱ブロック３０の接合においても、平坦な接合面で接合されることが好ましい。よって、第１伝熱ブロック２８の外周部は環状平坦面とされ、第２伝熱ブロック３０の外周部も環状平坦面とされ、これら２つの環状平坦面どうしがろう付けや溶接により接合されてもよい。
【００６７】
図４は、第１実施形態に係る冷却ステージ２６の他の例を示す概略図である。図示されるように、同心リング状構造９０の外周部における第１熱交換面４６と第２熱交換面４８の間隔が、同心リング状構造９０の中心部における第１熱交換面４６と第２熱交換面４８の間隔よりも狭くてもよい。
【００６８】
図２に示される実施形態のように、第１熱交換面４６と第２熱交換面４８の間隔が均一である場合には、フィン間通路８６の流路断面積（中心軸９２に垂直な平面による断面の面積）は、同心リング状構造９０の外周部ほど大きくなる。なぜなら、同心リング状構造９０の内側に位置するフィン間通路８６に比べて、外側に位置するフィン間通路８６のほうが径が大きいからである。流路断面積が大きければ流路抵抗は小さくなる。すなわち、図２に示される同心リング状構造９０においては、外周部での流路抵抗が比較的小さく、中心部での流路抵抗が比較的大きい。流路抵抗がより均一であるほうが、同心リング状構造９０での熱交換効率がよくなる。
【００６９】
また、熱交換器の１つの評価指標として、熱交換量の圧損に対する比（＝熱交換量／圧損）が考慮される。この評価指標は値が大きい場合に熱交換器の性能がよいことを表す。冷媒供給口６４の近傍では冷媒と冷却ステージ２６の温度差が大きいので熱交換量は大きい。そのため、冷媒供給口６４の近傍では流路が狭く圧損が大きくても、この評価指標はある程度の大きさをもつ。これに対し、冷媒排出口６６の近傍では、冷媒が既に冷却されているから、冷媒と冷却ステージ２６の温度差が小さく、故に熱交換量も小さい。よって、冷媒排出口６６の近傍で圧損が大きければ、上記の評価指標は顕著に小さくなり望ましくない。
【００７０】
よって、図４に示されるように、同心リング状構造９０の外周部では冷媒通路６８を比較的狭くし、同心リング状構造９０の中心部では冷媒通路６８を比較的広い。外側のフィン間通路８６の幅Ｗ１が中間のフィン間通路８６の幅Ｗ２より狭い。また、中間のフィン間通路８６の幅Ｗ２が内側のフィン間通路８６の幅Ｗ３より狭い。このようにして、冷媒通路６８における流路抵抗および上記評価指標をともに、より均一化することができる。
【００７１】
第１実施形態においては上述のように、第１横断通路８２および第２横断通路８４が同心リング状構造９０の全周にわたり形成され、フィン間通路８６における冷媒流れがフィン高さ方向に誘導されている。しかし、本発明はこれに限られない。そのような例を次に説明する。
【００７２】
（第２実施形態）
図５は、第２実施形態に係る極低温冷凍機１０の要部を概略的に示す図である。図６は、図５に示される極低温冷凍機１０のＢ−Ｂ断面を示す概略図である。図５には冷却ステージ２６およびその周辺構造が示され、図６には同心リング状構造９０が示されている。第２実施形態に係る極低温冷凍機１０は、冷媒通路６８に関して第１実施形態と異なる。
【００７３】
第１横断通路８２は、第１フィン先端７６ａと第２ベース面７８との間で局所的に形成され、第２横断通路８４は、第２フィン先端８０ａと第１ベース面７４との間で局所的に形成される。１つの第１フィン７６に１つの第１横断通路８２が形成され、１つの第２フィン８０に１つの第２横断通路８４が形成されている。
【００７４】
第１フィン先端７６ａの大半が第２ベース面７８と接触しており、第１フィン先端７６ａは周方向において特定部位に１つの窪みを有し、この窪みが第１横断通路８２を形成する。第２フィン先端８０ａの大半が第１ベース面７４と接触しており、第２フィン先端８０ａは周方向において特定部位に１つの窪みを有し、この窪みが第２横断通路８４を形成する。
【００７５】
フィン間通路８６における冷媒流れがフィン高さ方向と角度をなす方向に誘導されるように、第１横断通路８２および第２横断通路８４の配置が定められている。第１横断通路８２と第２横断通路８４は、周方向に異なる場所に配置されている。より具体的には、第１横断通路８２と第２横断通路８４は、中心軸９２に対し互いに反対側に配置されている。よって、フィン間通路８６における冷媒流れは、フィン高さ方向（すなわち軸方向）に対し斜めの方向または周方向に誘導される。
【００７６】
冷媒供給口６４は１つだけ設けられている。
【００７７】
理解のために、図５および図６には冷媒が流れる方向を矢印で示し、図５と図６で対応する矢印に同じ符号Ｄ１からＤ４を付してある。冷媒は、冷媒供給口６４から外側の第１横断通路８２を通り外側のフィン間通路８６に流入する（矢印Ｄ１）。冷媒は、外側のフィン間通路８６を二手に分岐してそれぞれ半周流れて合流し（矢印Ｅ１）、外側の第２横断通路８４から中間のフィン間通路８６に流入する（矢印Ｄ２）。冷媒は、中間のフィン間通路８６を再び二手に分岐してそれぞれ半周流れて合流し（矢印Ｅ２）、内側の第１横断通路８２から内側のフィン間通路８６に流入する（矢印Ｄ３）。冷媒は、内側のフィン間通路８６を再び二手に分岐してそれぞれ半周流れて合流し（矢印Ｅ３）、内側の第２横断通路８４から出口通路８８を通って冷媒排出口６６から出る（矢印Ｄ４）。
【００７８】
第２実施形態によると、フィン間通路８６における冷媒流れがフィン高さ方向と角度をなす方向に誘導される。フィン間通路８６における冷媒流れは概ね周方向に向けられている。第１実施形態のようにフィン間通路８６における冷媒流れがフィン高さ方向に誘導される場合に比べて、冷媒通路６８が長くなる。このようにして、冷媒と熱交換面との接触面積を大きくすることができるので、極低温冷凍機１０の熱交換効率が向上される。
【００７９】
第１横断通路８２と第２横断通路８４がフィン高さ方向に異なる場所に配置されていることにも留意されたい。第１横断通路８２は下方に位置するのに対し、第２横断通路８４は上方に位置する。よって、第１横断通路８２から第２横断通路８４への流路長さは、第１横断通路８２と第２横断通路８４が同じ高さにある場合に比べて長くなる。これも、冷媒と熱交換面との接触面積の増加に役立つ。
【００８０】
また、冷媒供給口６４と冷媒排出口６６が１つずつであることも、冷媒通路６８を長くすることに役立っている。
【００８１】
なお、第１横断通路８２および第２横断通路８４の位置および数は任意である。例えば、１つの第１フィン７６に複数の第１横断通路８２が設けられてもよい。複数の第１横断通路８２は周方向に等角度間隔に配置されてもよい。同様に、１つの第２フィン８０に複数の第２横断通路８４が設けられてもよい。複数の第２横断通路８４は周方向に等角度間隔に設けられてもよい。
【００８２】
（第３実施形態）
図７は、第３実施形態に係る極低温冷凍機１０の要部を概略的に示す図である。
【００８３】
膨張室底面３４ａは、ディスプレーサ２０と同軸配置されたリング状凸部９６を備える。また、ディスプレーサ底部２０ａは、リング状凸部９６を受け入れるリング状凹部９８を備える。このようにして、フィン式の熱交換器が、冷媒通路６８だけでなく、膨張室３４にも設けられてもよい。極低温冷凍機１０の作動ガスと冷却ステージ２６との間の熱交換面積が増加するので、極低温冷凍機１０の熱交換効率が向上する。
【００８４】
また、リング状凸部９６は、膨張室底面３４ａと反対側から第２フィン８０を受け入れるよう中空とされている。このようにすれば、膨張室３４と冷媒通路６８の熱的な結合をより改善することができる。また、第２フィン８０をリング状凸部９６に収容することができるので、冷却ステージ２６の軸方向長さを短縮することもできる。
【００８５】
言い換えれば、ディスプレーサ２０には、膨張室底面３４ａに向けて延出するディスプレーサ底部フィン１００が設けられている。第１伝熱ブロック２８には、ディスプレーサ底部フィン１００を受け入れるよう膨張室底面３４ａに形成されかつ第１フィン７６を中空とする空洞部１０２が形成されている。このようにすれば、膨張室３４と冷媒通路６８の熱的な結合をより改善することができる。また、ディスプレーサ底部フィン１００を第１フィン７６の空洞部１０２に収容することができるので、冷却ステージ２６の軸方向長さを短縮することもできる。
【００８６】
（第４実施形態）
図８は、第４実施形態に係る極低温冷凍機１０の要部を概略的に示す図である。図９は、図８に示される極低温冷凍機１０のＣ−Ｃ断面を示す概略図である。上述の各実施形態では冷媒通路６８は単一の階層を有するが、これに限られない。
【００８７】
冷媒通路６８は、複数の階層に区分けされている。複数の階層はそれぞれ軸方向に異なる場所に配置されている。複数の階層は冷媒が順番に流れるように互いに接続されている。冷媒通路６８の一部分を構成するという意味で、個々の階層をサブ通路と呼ぶこともできる。
【００８８】
図８に示されるように、冷媒通路６８は、第１階層１０４と第２階層１０６とに区分けされている。冷却ステージ２６において、第１階層１０４は軸方向下部に配置され、第２階層１０６は軸方向上部に配置されている。このように、第１階層１０４と第２階層１０６は、軸方向に隣り合っている。
【００８９】
冷却ステージ２６の第２伝熱ブロック３０は、第１伝熱ブロック２８を囲むよう配置されている。第２伝熱ブロック３０は、第２伝熱ブロック底部３０ａと、第２伝熱ブロック側筒部３０ｂとを備える。第２伝熱ブロック底部３０ａは、第１伝熱ブロック２８と軸方向に隣接し、第２伝熱ブロック側筒部３０ｂは、第２伝熱ブロック底部３０ａから軸方向上方に延出し第１伝熱ブロック２８の全周を囲む。
【００９０】
冷媒供給口６４は、冷媒通路６８の第２階層１０６に冷媒を供給するよう第２伝熱ブロック側筒部３０ｂに設置されている。第２階層１０６は、第１熱交換面４６と第２熱交換面４８との間に形成されている。より具体的に言えば、第２階層１０６は、第１伝熱ブロック２８の外周面と第２伝熱ブロック側筒部３０ｂの内周面との間に形成された周方向流路である。冷媒通路６８の第１階層１０４は、第１伝熱ブロック２８と第２伝熱ブロック底部３０ａとの間に形成されている。一例として、第１階層１０４は、上述の第２実施形態と同様に対向するフィンにより形成された蛇行状流路である。第１階層１０４は、第１実施形態または第３実施形態と同様の蛇行状流路であってもよい。冷媒排出口６６は、第１階層１０４から冷媒を排出するよう第２伝熱ブロック底部３０ａに設置されている。
【００９１】
また、冷媒通路６８は、第１階層１０４と第２階層１０６とを接続する連通路１０８を有する。連通路１０８は、第１伝熱ブロック２８の外周面と第２伝熱ブロック側筒部３０ｂの内周面との間に形成され、第１階層１０４から第２階層１０６へと軸方向に延びている。図９に示されるように、連通路１０８は、中心軸９２に対して冷媒供給口６４とは反対側に設けられている。理解のために、図９には、冷媒供給口６４を破線で示す。一例として、連通路１０８の断面形状は、円周に沿って湾曲した細長い矩形であるが、これに限られない。連通路１０８の断面形状は、円形、楕円形、またはその他任意の形状であってもよい。
【００９２】
このようにして、冷媒通路６８は、冷媒供給口６４から冷媒排出口６６へと第１熱交換面４６および第２熱交換面４８に沿って流れるよう第１伝熱ブロック２８と第２伝熱ブロック３０との間に形成されている。冷媒は、冷媒供給口６４から第２階層１０６へと流入し、第２階層１０６を二手に分岐してそれぞれ半周流れて合流し、連通路１０８に流入する。冷媒は、連通路１０８から第１階層１０４に流入し、出口通路８８を通って冷媒排出口６６から出る。
【００９３】
第４実施形態によると、冷媒通路６８は、軸方向に複数の階層に区分けされている。複数の階層は冷媒が順番に流れるように互いに接続されている。このようにして、第１実施形態から第３実施形態では冷媒通路６８が冷却ステージ２６の底部に収められているのに対し、第４実施形態では、冷媒通路６８を軸方向上方に広げることができる。したがって、第４実施形態では、冷媒通路６８の流路長さを長くすることができ、冷媒と熱交換面との熱交換を促進することができる。よって、極低温冷凍機１０の熱交換効率が向上される。
【００９４】
上述の例では、冷媒通路６８は、２つの階層を有するが、これに限られない。冷媒通路６８は、３つまたはそれより多数の階層に区分けされてもよい。
【００９５】
図１０（ａ）および図１０（ｂ）は、第４実施形態に係る極低温冷凍機１０における連通路１０８の他の例を示す概略図である。図１０（ａ）および図１０（ｂ）には、中心軸９２に垂直な断面が示されている。図８および図９を参照して説明した実施形態では連通路１０８は一箇所に設けられているが、これに限られない。
【００９６】
図１０（ａ）に示されるように、複数の連通路１０８が設けられてもよい。複数の連通路１０８は、第１伝熱ブロック２８と第２伝熱ブロック３０との間に形成されている。連通路１０８は、第１伝熱ブロック２８の外周面に形成された溝であってもよいし、第２伝熱ブロック３０の内周面に形成された溝であってもよい。連通路１０８は、第１伝熱ブロック２８と第２伝熱ブロック３０のいずれかに形成された貫通穴であってもよい。
【００９７】
複数の連通路１０８は、冷媒供給口６４の近傍を除いて、中心軸９２を中心とする円周に沿って等角度間隔に配置されている。一例として、７つの連通路１０８が４５度間隔に配置され、そのうち１つの連通路１０８が中心軸９２に対して冷媒供給口６４とは反対側に設けられている。複数の連通路１０８の流路断面積（軸方向に垂直な断面積）は等しい。連通路１０８の断面形状は、例えば楕円状であるが、これに限られない。
【００９８】
また、図１０（ｂ）に示されるように、複数の連通路１０８の流路断面積は、互いに異なっていてもよい。連通路１０８の流路断面積は、冷媒供給口６４に近いほど小さく、冷媒供給口６４から遠いほど大きくてもよい。そのため、中心軸９２に対して冷媒供給口６４とは反対側に設けられた連通路１０８ａが最大の流路断面積を有する。図１０（ａ）に示される場合には、冷媒供給口６４から遠い（例えば反対側の）連通路１０８を通る冷媒流量が、冷媒供給口６４に近い連通路１０８を通る冷媒流量よりも少なくなり、その結果、冷媒供給口６４から遠い連通路１０８での熱交換が不十分となりうる。図１０（ｂ）に示される構成によれば、図１０（ａ）に示される場合と比べて、複数の連通路１０８を通る冷媒流量を均一化することができ、冷媒供給口６４から遠い連通路１０８での熱交換面積を有効に利用することができる。
【００９９】
図１１は、第４実施形態に係る極低温冷凍機１０の他の例を概略的に示す図である。図８および図９を参照して説明した実施形態では冷媒供給口６４と冷媒排出口６６で流路断面積が等しいが、これに限られない。
【０１００】
冷媒供給口６４の冷媒流入孔６４ａの流路断面積Ａ１は、冷媒排出口６６の冷媒流出孔６６ａの流路断面積Ａ２より大きくてもよい。冷媒流入孔６４ａおよび冷媒流出孔６６ａがともに円形である場合、冷媒流入孔６４ａの径が冷媒流出孔６６ａの径より大きくてもよい。冷媒供給口６４から冷媒通路６８に流入する冷媒は、冷媒流入孔６４ａから第２階層１０６に入るときに流れ方向が大きく変わる。すなわち、冷媒流入孔６４ａから径方向に流入する冷媒が、第２階層１０６で周方向に曲げられる。このような流れ方向の急変は流路抵抗の増加を招く。これに対して、冷媒通路６８から冷媒排出口６６へと流出する冷媒は直線的に軸方向に流れるので、流路抵抗は比較的小さい。
【０１０１】
したがって、冷媒供給口６４の流路断面積Ａ１を冷媒排出口６６の流路断面積Ａ２より大きくすることにより、冷媒供給口６４での流路抵抗を冷媒排出口６６での流路抵抗と等しく、または小さくすることができる。冷媒供給口６４での流路抵抗が過剰となることを回避できる。これは、冷却ステージ２６と冷媒との熱交換効率を向上することに役立つ。
【０１０２】
なお、第１実施形態から第３実施形態のように冷媒通路６８が複数の階層を有しない場合においても、同様に、冷媒供給口６４の流路断面積Ａ１が、冷媒排出口６６の流路断面積Ａ２より大きくてもよい。
【０１０３】
図１２は、第４実施形態に係る極低温冷凍機１０の他の例を概略的に示す図である。図１２に示されるように、冷媒通路６８の第２階層１０６は、近接領域１１０ａと遠隔領域１１０ｂを有してもよい。近接領域１１０ａは、遠隔領域１１０ｂに比べて、連通路１０８に近い領域である。近接領域１１０ａと遠隔領域１１０ｂは互いに連通するひとつの流路を形成している。近接領域１１０ａが第２階層１０６のうち軸方向下方に位置し、遠隔領域１１０ｂが軸方向上方に位置する。
【０１０４】
近接領域１１０ａの流路断面積（周方向に垂直な断面積）は、遠隔領域１１０ｂの流路断面積より大きい。例えば、近接領域１１０ａの径方向幅は、遠隔領域１１０ｂの径方向幅より大きくてもよい。このようにして、冷媒の流れが集中しやすい領域の流路断面積が比較的大きくなっている。図８に示される場合には、第２階層１０６において連通路１０８から遠い軸方向上方の領域を通る冷媒流量は、第２階層１０６において連通路１０８に近い軸方向下方の領域を通る冷媒流量よりも少なくなり、その結果、連通路１０８から遠い軸方向上方の領域での熱交換が不十分となりうる。図１２に示される構成によれば、冷媒の流れが集中しやすい近接領域１１０ａの流路断面積が比較的大きくなっている。第２階層１０６における連通路１０８の近傍での冷却ステージ２６と冷媒との熱交換効率が向上されうる。
【０１０５】
なお、近接領域１１０ａおよび遠隔領域１１０ｂは、第２階層１０６における連通路１０８の近傍にのみ設けられていてもよい。あるいは、近接領域１１０ａおよび遠隔領域１１０ｂは、第２階層１０６全体に（つまり冷却ステージ２６の全周にわたって）設けられていてもよい。
【０１０６】
同様にして、冷媒通路６８の少なくとも１つの階層（例えば第１階層１０４）が、近接領域１１０ａおよび遠隔領域１１０ｂを有してもよい。冷媒通路６８の少なくとも１つの階層（例えば第１階層１０４）における連通路１０８の近傍での冷却ステージ２６と冷媒との熱交換効率が向上されうる。
【０１０７】
以上、本発明を実施例にもとづいて説明した。本発明は上記実施形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。
【０１０８】
第１フィン７６および第２フィン８０の形状は、リング状には限られない。フィン形状は、筒状または矩形状のプレート形状、または棒状であってもよい。
【０１０９】
冷媒通路６８が蛇行状であることは、必須ではない。第１熱交換面４６は、第１フィン７６を有しなくてもよい。第２熱交換面４８は、第２フィン８０を有しなくてもよい。第１熱交換面４６と第２熱交換面４８の少なくとも一方が平坦面であってもよい。このようにしても、冷媒と熱交換面との熱交換は可能である。
【０１１０】
第１実施形態に関連して説明した種々の実施形態は、第２実施形態から第４実施形態にも適用可能である。例えば、図３に示される伝熱ブロック構成は、第２実施形態から第４実施形態にも適用されてもよい。図４に示される冷媒通路６８の構成は、第２実施形態から第４実施形態にも適用されてもよい。第４実施形態の階層流路構造は、第１実施形態から第３実施形態にも適用されてもよい。組合せによって生じる新たな実施の形態は、組み合わされる実施の形態それぞれの効果をあわせもつ。
【０１１１】
上述の実施形態は、単段式の極低温冷凍機１０を例として説明したが、多段式の極低温冷凍機１０にも適用可能である。また、上述の実施形態は、ＧＭ冷凍機を例として説明したが、スターリング冷凍機、パルス管冷凍機などその他の極低温冷凍機にも適用可能である。
【符号の説明】
【０１１２】
１０  極低温冷凍機、  ２０  ディスプレーサ、  ２６  冷却ステージ、  ２８  第１伝熱ブロック、  ３０  第２伝熱ブロック、  ３４  膨張室、  ４６  第１熱交換面、  ４８  第２熱交換面、  ６４  冷媒供給口、  ６６  冷媒排出口、  ６８  冷媒通路、  ７４  第１ベース面、  ７６  第１フィン、  ７６ａ  第１フィン先端、  ７８  第２ベース面、  ８０  第２フィン、  ８０ａ  第２フィン先端、  ８２  第１横断通路、  ８４  第２横断通路、  ８６  フィン間通路、  ９０  同心リング状構造、  ９２  中心軸、  ９６  リング状凸部、  ９８  リング状凹部、  １０４  第１階層、  １０６  第２階層。
【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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