(57)【要約】【課題】  極低温に冷却される被冷却体の冷却時間を短縮することができる構造を有する多段型蓄冷式冷凍機を提供すること。【解決手段】  二段型ＧＭ冷凍機１は、多段シリンダ２の材質よりも熱収縮率の大きい材質で構成され、その一方端８０ａが一段目冷却ステージ６０に固定され、一段目冷却ステージ６０から多段シリンダの軸方向に沿って延設されるとともに、その他方端８０ｂが、常温にて、二段目冷却ステージ７０の高さ位置Ｂよりも高い高さ位置Ａに位置する伝熱スリーブ８０と、二段目冷却ステージ７０の高さ位置よりも高い高さ位置に配設され、伝熱スリーブ８０が常温であるときに伝熱スリーブ８０の他方端８０ｂに接触するとともに二段目冷却ステージ７０に隙間Ｇを隔てて対面配置された補助冷却板９０と、補助冷却板９０を伝熱スリーブ８０の他方端８０ｂ側に向けて付勢する圧縮コイルスプリング９５と、を備える。【選択図】  図１
2019045046.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
径が異なる複数のシリンダ部により構成され、先端に向かって段階的に径が小さくなるように段付円筒状に形成される多段シリンダと、
前記多段シリンダ内に設けられる蓄冷手段と、
複数の前記シリンダ部の先端側にそれぞれ設けられる複数段の冷却ステージと、
前記多段シリンダ内の圧力を変動させる圧力変動機構と、
前記多段シリンダを構成する材質よりも熱収縮率の大きい材質で構成され、その一方端が、複数段の前記冷却ステージのうち最も高段の冷却ステージ以外の冷却ステージである低段側冷却ステージに固定され、前記低段側冷却ステージから前記多段シリンダの軸方向に沿って延設されるとともに、その他方端が、常温にて、前記低段側冷却ステージよりも高段側の冷却ステージである高段側冷却ステージの前記多段シリンダの軸方向に沿った高さ位置よりも高い高さ位置に位置する伝熱部材と、
前記多段シリンダの軸方向に沿った前記高段側冷却ステージの高さ位置よりも高い高さ位置に配設され、前記伝熱部材が常温であるときに前記伝熱部材の他方端に接触するとともに前記高段側冷却ステージに前記多段シリンダの軸方向に沿った隙間を隔てて対面配置された補助冷却部材と、
前記補助冷却部材を前記伝熱部材の他方端側に向けて付勢する付勢部材と、
を備える、
多段型蓄冷式冷凍機。
【請求項２】
請求項１に記載の多段型蓄冷式冷凍機において、
前記伝熱部材の温度が前記低段側冷却ステージの目標冷却温度に達したときに、前記伝熱部材の他方端の高さ位置が、前記高段側冷却ステージの高さ位置よりも低くなるように、前記多段シリンダの軸方向に沿った前記伝熱部材の長さが設定されている、多段型蓄冷式冷凍機。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の多段型蓄冷式冷凍機において、
前記伝熱部材は、前記高段側冷却ステージが設けられたシリンダ部の外周を覆うように、円筒状に形成されている、多段型蓄冷式冷凍機。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の多段型蓄冷式冷凍機において、
前記伝熱部材はアルミニウムにより構成され、前記多段シリンダはステンレスにより構成される、多段型蓄冷式冷凍機。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の多段型蓄冷式冷凍機において、
前記多段シリンダが、一段目シリンダ部と、前記一段目シリンダ部よりも径の小さい二段目シリンダ部とを備え、
前記低段側冷却ステージが前記一段目シリンダ部の先端側に設けられる一段目冷却ステージであり、
前記高段側冷却ステージが前記二段目シリンダ部の先端側に設けられる二段目冷却ステージであり、
前記多段型蓄冷式冷凍機が二段型蓄冷式冷凍機である、多段型蓄冷式冷凍機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多段型蓄冷式冷凍機に関する。
【背景技術】
【０００２】
被冷却体を３０Ｋ以下の極低温に冷却するために、多段型蓄冷式冷凍機が良く用いられる。多段型蓄冷式冷凍機は、先端に向かうにつれて段階的に径が小さくなるように、径の異なる複数のシリンダ部が軸方向に沿って同心的に配設されることにより構成される多段シリンダを備える。多段シリンダ内には蓄冷手段（例えば、蓄冷材）が配設される。また、各シリンダ部の先端部には、冷却ステージが設けられる。最も先端のシリンダ部に設けられた冷却ステージにて極低温が発生する。従って、最も先端の冷却ステージに被冷却体を熱的に接続させておくことにより、被冷却体を極低温に冷却することができる。
【０００３】
多段型蓄冷式冷凍機は、例えばクライオスタットに用いられる。この場合、多段型蓄冷式冷凍機が備えるそれぞれの冷却ステージは、クライオスタットの断熱真空槽内に配設された熱シールド或いは、熱シールド内の被冷却体に熱的に接続される。
【０００４】
特許文献１は、クライオスタットにおける二段型蓄冷式冷凍機の接続構造を開示する。特許文献１に記載の二段型蓄冷式冷凍機は、二段に構成された多段シリンダと、多段シリンダの一段目のシリンダ部の先端側に配設された一段目冷却ステージと、多段シリンダの二段目のシリンダ部の先端側に配設された二段目冷却ステージを備える。また、クライオスタットは、断熱真空槽と、断熱真空槽内に設けられた第１熱シールドと、第１熱シールド内に配設された深冷部を構成する第２熱シールドと、を有する。二段型蓄冷式冷凍機の一段目冷却ステージが第１熱シールドに熱的に接続され、二段型蓄冷式冷凍機の二段目冷却ステージが深冷部を構成する第２熱シールドに熱的に接続される。そして、第２熱シールドが二段目冷却ステージによって極低温に冷却される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平９−２８７８３８号公報
【発明の概要】
【０００６】
（発明が解決しようとする課題）
多段型蓄冷式冷凍機の多段シリンダのそれぞれのシリンダ部の先端に設けられる各冷却ステージの目標冷却温度は、先端に設けられる冷却ステージほど、低くされる。例えば、二段型蓄冷式冷凍機の一段目のシリンダ（一段目シリンダ部）に設けられる一段目冷却ステージの目標冷却温度は３０Ｋ〜８０Ｋであり、一段目のシリンダよりも先端の二段目のシリンダ（二段目シリンダ部）に設けられる二段目冷却ステージの目標冷却温度は１０Ｋ程度である。従ってこの場合、１０Ｋ程度の極低温に冷却される被冷却体は、二段目冷却ステージに熱的に接続される。
【０００７】
多段シリンダの先端側（すなわち高段側）に設けられる冷却ステージ（すなわち高段側冷却ステージ）の目標冷却温度は極めて低いので、高段側冷却ステージの温度を目標冷却温度（例えば１０Ｋ）にまで冷却するためには大きな冷凍能力が必要である。しかしながら、高段側のシリンダ部の径は低段側のシリンダ部の径よりも細く、その内部に充填される蓄冷材などの冷却媒体の量も少ないので、高段側冷却ステージを冷却するための冷凍能力は小さい。このため、高段側冷却ステージを目標冷却温度まで冷却するための冷却時間は非常に長く、それ故に、高段側冷却ステージにて極低温に冷却される被冷却体の冷却時間が非常に長い。
【０００８】
本発明は、極低温に冷却される被冷却体の冷却時間を短縮することができる構造を有する多段型蓄冷式冷凍機を提供することを目的とする。
【０００９】
（課題を解決するための手段）
本発明に係る多段型蓄冷式冷凍機（１）は、径が異なる複数のシリンダ部（２１，２２）により構成され、先端に向かって段階的に径が小さくなるように段付円筒状に形成される多段シリンダ（２）と、多段シリンダ内に設けられる蓄冷手段（３３，３４）と、複数のシリンダ部の先端（２１１，２２１）側にそれぞれ設けられる複数段の冷却ステージ（６０，７０）と、多段シリンダ内の圧力を変動させる圧力変動機構（５）と、多段シリンダを構成する材質よりも熱収縮率の大きい材質で構成され、その一方端（８０ａ）が、複数段の冷却ステージのうち最も高段の冷却ステージ以外の冷却ステージである低段側冷却ステージ（６０）に固定され、低段側冷却ステージから多段シリンダの軸方向に沿って延設されるとともに、その他方端（８０ｂ）が、常温にて、低段側冷却ステージよりも高段側の冷却ステージである高段側冷却ステージ（７０）の多段シリンダの軸方向に沿った高さ位置（Ｂ）よりも高い高さ位置（Ａ）に位置する伝熱部材（８０）と、多段シリンダの軸方向に沿った高段側冷却ステージの高さ位置よりも高い高さ位置に配設され、伝熱部材が常温であるときに伝熱部材の他方端に接触するとともに高段側冷却ステージに多段シリンダの軸方向に沿った隙間（Ｇ）を隔てて対面配置された補助冷却部材（９０）と、補助冷却部材を伝熱部材の他方端側に向けて付勢する付勢部材（９５）と、を備える。
【００１０】
この場合、伝熱部材の温度が低段側冷却ステージの目標冷却温度に達したときに、伝熱部材の他方端の高さ位置が、高段側冷却ステージの高さ位置よりも低くなるように、多段シリンダの軸方向に沿った伝熱部材の長さが設定されているとよい。
【００１１】
上記発明において、「多段シリンダの軸方向に沿った高さ位置」とは、多段シリンダの軸方向に沿った低段側冷却ステージからの距離により表される位置である。また、この高さ位置について、「高い」とは、多段シリンダの軸方向に沿った低段側シリンダからの距離が長いことを表す。その反対に、高さ位置について、「低い」とは、多段シリンダの軸方向に沿った低段側シリンダからの距離が短いことを表す。
【００１２】
本発明に係る多段型蓄冷式冷凍機によれば、低段側冷却ステージに伝熱部材の一方端が固定されており、この伝熱部材は常温状態であるときに、その他方端にて補助冷却部材に接触している。この状態で本発明に係る多段型蓄冷式冷凍機を作動させた場合、低段側冷却ステージの冷熱は、伝熱部材を介して補助冷却部材に熱接触した被冷却体（被冷却体が補助冷却部材であるときは、補助冷却部材）に伝達される。すなわち、低段側冷却ステージの冷熱により、被冷却体が冷却される。低段側冷却ステージの冷凍能力は高いので、被冷却体は速やかに冷却される。
【００１３】
また、低段側冷却ステージの冷却が進むにつれて伝熱部材が熱収縮することにより、伝熱部材の他方端の高さ位置が低くされる。ここで、低段側冷却ステージの冷却中において伝熱部材の他方端の高さ位置が高段側冷却ステージの高さ位置よりも高い場合、付勢部材により伝熱部材の他方端側に向けて付勢されている補助冷却部材が伝熱部材の他方端の高さ位置の低下に追従して、伝熱部材との接触を維持したまま低段側冷却ステージ側に向けて移動する。このとき、補助冷却部材と高段側冷却ステージとの間に隙間が設けられるので、斯かる隙間によって、補助冷却部材と高段側冷却ステージとは熱的に絶縁される。低段側冷却ステージの冷却中は、高段側冷却ステージは十分に冷却されないので、上記した隙間の存在により、十分に冷却されていない高段側冷却ステージから補助冷却部材への熱流入を防止することができる。
【００１４】
さらに低段側冷却ステージの冷却が進んで低段側冷却ステージの温度が低段側冷却ステージの目標冷却温度（例えば３０Ｋ〜８０Ｋの温度範囲内で予め定めた温度αＫ）に近い温度（例えば（α＋１０）Ｋ）に達したとき、伝熱部材がさらに熱収縮して伝熱部材の他方端の高さ位置が高段側冷却ステージの高さ位置に一致する。すると、補助冷却部材と高段側冷却ステージとの間に設けられていた隙間が無くなり、補助冷却部材が高段側冷却ステージに接触する。このとき高段側冷却ステージは十分に冷却されている可能性が高く、その場合、補助冷却部材は低段側冷却ステージ及び高段側冷却ステージによって冷却される。
【００１５】
そして、低段側冷却ステージの温度が目標冷却温度（例えばαＫ）に達すると、伝熱部材がさらに熱収縮して、その他方端側の高さ位置が高段側冷却ステージの高さ位置よりも低い位置に位置することになる。また、補助冷却部材は高段側冷却ステージに接触していて、それ以上低段側冷却ステージに向かう方向に移動できない。つまり、高段側冷却ステージが補助冷却部材の移動に対するストッパとして機能する。このため補助冷却部材が伝熱部材から切り離される。従って、補助冷却部材及び補助冷却部材に熱接触した被冷却体が、高段側冷却ステージにより冷却される。そして、高段側冷却ステージの冷熱によって、被冷却体が極低温（例えば１０Ｋ）まで冷却される。なお、補助冷却部材及び補助冷却部材に熱接触した被冷却体が高段側冷却ステージにより冷却されているときには、上記したように補助冷却部材が伝熱部材から切り離されているので、伝熱部材を経由した一段目冷却ステージから補助冷却部材への熱流入を防止することができる。
【００１６】
このように、本発明によれば、極低温に冷却される被冷却体が、高段側冷却ステージの冷却が十分でないときには低段側冷却ステージの冷熱により冷却される。そして、高段側冷却ステージが十分に冷却されてきた場合に高段側冷却ステージの冷熱により被冷却体が極低温まで冷却される。低段側冷却ステージの冷凍能力は高段側冷却ステージの冷凍能力よりも高いので、低段側冷却ステージで被冷却体が冷却される分だけ、極低温に冷却される被冷却体の冷却時間を短縮することができる。
【００１７】
本発明において、伝熱部材は、高段側冷却ステージが設けられたシリンダ部（高段側シリンダ部）の外周を覆うように、円筒状に形成されていると良い。これによれば、外部からの輻射熱が伝熱部材で遮蔽されることにより、熱輻射による高段側シリンダ部への熱流入を効果的に防止することができる。
【００１８】
また、伝熱部材はアルミニウムにより構成されるとよい。この場合、多段シリンダはステンレスにより構成されるとよい。アルミニウムは熱伝導度が高く且つ熱収縮率がステンレスよりも大きい。従って、この構成によれば、伝熱部材（アルミニウム）と多段シリンダ（ステンレス）の熱収縮率の差を利用して、上記したように伝熱部材と補助冷却部材との熱的な接続及び切り離しを実現することができる。
【００１９】
また、多段シリンダが、一段目シリンダ部と、一段目シリンダ部よりも径の小さい二段目シリンダ部とを備え、低段側冷却ステージが一段目シリンダ部の先端側に設けられる一段目冷却ステージであり、高段側冷却ステージが二段目シリンダ部の先端側に設けられる二段目冷却ステージであり、多段型蓄冷式冷凍機が二段型蓄冷式冷凍機であるとよい。これによれば、二段型蓄冷式冷凍機において、二段目冷却ステージにて冷却される被冷却体の冷却時間の短縮化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】実施形態に係る二段型ＧＭ冷凍機の部分断面概略図である。
【図２】補助冷却板付近の断面の拡大図である。
【図３】補助冷却板が二段目冷却ステージに接触した状態を示す、二段型ＧＭ冷凍機の部分断面概略図である。
【図４】補助冷却板が伝熱スリーブから切り離された状態を示す、二段型ＧＭ冷凍機の部分断面概略図である。
【図５】従来の二段型ＧＭ冷凍機を作動させた場合における、被冷却体の温度推移を示すグラフである。
【図６】実施形態に係る二段型ＧＭ冷凍機を作動させた場合における、被冷却体の温度推移を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本実施形態に係る蓄冷式冷凍機である二段型ＧＭ冷凍機を示す部分断面概略図である。なお、図１には、非作動状態である二段型ＧＭ冷凍機の断面、すなわち常温環境下における二段型ＧＭ冷凍機の断面が示される。図１に示すように、本実施形態に係る二段型ＧＭ冷凍機１は、多段シリンダ２と、ディスプレーサ３と、駆動装置４と、圧力変動機構５と、一段目冷却ステージ６０と、二段目冷却ステージ７０と、伝熱スリーブ８０と、補助冷却板９０と、圧縮コイルスプリング９５を備える。
【００２２】
多段シリンダ２は、低段側シリンダ部としての一段目シリンダ部２１と、高段側シリンダ部としての二段目シリンダ部２２を有する。一段目シリンダ部２１は、先端側を構成する一方端部２１１及びその反対側の他方端部２１２を有する円筒形状に形成される。二段目シリンダ部２２は、先端側を構成する一方端部２２１及びその反対側の他方端部２２２を有する円筒形状に形成される。なお、図１においては、シリンダ部（２１、２２）の一方端部（２１１、２２１）が上方の端部として表され、他方端部（２１２、２２２）が下方の端部として表されているが、ここにおける「上方」、「下方」は、図面を参照した説明の便宜のために用いているのみであって、絶対空間における「上方」、「下方」を意味するものではない。また、以下の説明においても、「上」、「下」といった方向を表す用語は、図面を参照した説明の便宜のために用いるのみであって、必ずしも絶対空間における「上」、「下」を意味するものではない。
【００２３】
一段目シリンダ部２１の内径は二段目シリンダ部２２の内径よりも大きく、一段目シリンダ部２１の外径は二段目シリンダ部２２の外径よりも大きい。一段目シリンダ部２１と二段目シリンダ部２２は、同軸配置されるとともに、一段目シリンダ部２１の一方端部２１１に二段目シリンダ部２２の他方端部２２２が接続される。このため多段シリンダ２は先端側（図１において上方側）に向かうほど（すなわち低段側から高段側に向かうほど）段階的に径が小さくなる段付円筒形状を呈する。すなわち、多段シリンダ２は、径が異なる複数のシリンダ部（２１，２２）により構成され、先端に向かって段階的に径が小さくなるように段付き円筒状に形成される。また、一段目シリンダ部２１の内部空間が二段目シリンダ部２２の内部空間に連通している。従って、多段シリンダ２の内部空間の形状は、先端側（図１において上方側）に向かうほど（低段側から高段側に向かうほど）径が小さくなる段付き円柱形状である。
【００２４】
ディスプレーサ３は多段シリンダ２の内部空間に配設される。ディスプレーサ３は一段目蓄冷器３１及び二段目蓄冷器３２を有する。一段目蓄冷器３１は低温端部３１１及びその反対側の高温端部３１２を有する円筒形状に形成され、低温端部３１１側が一段目シリンダ部２１の一方端部２１１側に位置し、高温端部３１２側が一段目シリンダ部２１の他方端部２１２側に位置するように、一段目シリンダ部２１内に配設される。
【００２５】
二段目蓄冷器３２は低温端部３２１及びその反対側の高温端部３２２を有する円筒形状に形成される。一段目蓄冷器３１の内径は二段目蓄冷器３２の内径よりも大きく、一段目蓄冷器３１の外径は二段目蓄冷器３２の外径よりも大きい。二段目蓄冷器３２の高温端部３２２が一段目蓄冷器３１の低温端部３１１に接続される。ディスプレーサ３も多段シリンダ２と同様に、先端側（図１において上方側）に向かうほど径が小さくなる段付き円筒形状を呈する。二段目蓄冷器３２は、図１に示すように一段目蓄冷器３１の図１において上端面から上方に延設され、二段目シリンダ部２２の内部空間に進入している。
【００２６】
一段目蓄冷器３１の軸方向長さ（高さ）は、一段目シリンダ部２１の内部空間の軸方向長さ（高さ）よりも短い。従って、一段目シリンダ部２１内にて一段目蓄冷器３１の上端面よりも上方及び一段目蓄冷器３１の下端面よりも下方にそれぞれ空間が形成される。一段目蓄冷器３１の上端面よりも上方の空間によって一段目膨張室２１ａが形成され、一段目蓄冷器３１の下端面よりも下方の空間によって背面室２１ｂが形成される。図１からわかるように、一段目膨張室２１ａは一段目シリンダ部２１の一方端部２１１内の空間により構成され、背面室２１ｂは一段目シリンダ部２１の他方端部２１２内の空間により構成される。また、二段目シリンダ部２２内にて、二段目蓄冷器３２の上端面よりも上方にも空間が形成される。二段目蓄冷器３２の上端面よりも上方の空間により二段目膨張室２２ａが形成される。二段目膨張室２２ａは二段目シリンダ部２２の一方端部２２１内の空間により構成される。
【００２７】
ディスプレーサ３は、一段目蓄冷器３１の図１において下方の端部に接続されたロッド３６を介して駆動装置４に接続される。駆動装置４は、例えばモータ及びスコッチヨーク等により構成されており、駆動することによってロッド３６をその軸方向に往復駆動させる。ロッド３６の往復駆動によって、ロッド３６に接続したディスプレーサ３が多段シリンダ２内で往復移動する。
【００２８】
多段シリンダ２の図１において下端部に主連通路２３が形成される。主連通路２３の一方端が多段シリンダ２内の背面室２１ｂに開口する。主連通路２３の他方端は、圧力変動機構５に接続される。圧力変動機構５は、多段シリンダ２内の圧力を変動させる機能を有する。本実施形態では、圧力変動機構５は、コンプレッサ５１と、高圧開閉弁５２と、低圧開閉弁５３と、開閉制御機構５４と、共通通路５５とを備える。
【００２９】
コンプレッサ５１は、作動ガスとしてのヘリウムガスを吸入口５１ａから吸入し、内部にてヘリウムガスを圧縮し、圧縮した高圧のヘリウムガスを吐出口５１ｂから吐出する。従って、コンプレッサ５１の吸入口５１ａ側にて低圧が生成され、コンプレッサ５１の吐出口５１ｂ側にて高圧が生成される。
【００３０】
高圧開閉弁５２は２つのポートを有し、開状態であるときに２つのポートの連通を許容し、閉状態であるときに２つのポートの連通を遮断することができるように構成される。高圧開閉弁５２の２つのポートのうちの一方のポートがコンプレッサ５１の吐出口５１ｂに接続され、他方のポートが共通通路５５の一方端に接続される。低圧開閉弁も２つのポートを有し、開状態であるときに２つのポートの連通を許容し、閉状態であるときに２つのポートの連通を遮断することができるように構成される。低圧開閉弁５３の２つのポートのうちの一方のポートがコンプレッサ５１の吸入口５１ａに接続され、他方のポートが共通通路５５の一方端に接続される。共通通路５５の他方端が、多段シリンダ２に形成された主連通路２３に接続される。
【００３１】
開閉制御機構５４は、高圧開閉弁５２と低圧開閉弁５３のいずれか一方が開いているときに他方が閉じているように、これらの開閉弁の開閉作動を制御する。開閉制御機構５４の作動により、共通通路５５内の圧力が高圧から低圧に、或いは低圧から高圧に切り替えられる。開閉制御機構５４による高圧開閉弁５２と低圧開閉弁５３の開閉、すなわち高低圧の切り換えは、多段シリンダ２内でのディスプレーサ３の往復移動に連動して周期的に行われる。高圧開閉弁５２、低圧開閉弁５３、及び開閉制御機構５４は、これらが一体となったバルブユニットにより構成されていてもよい。この場合、駆動源として駆動装置４に内蔵されたモータなどを利用して、ディスプレーサ３の往復移動と圧力変動機構５による高低圧の切り替え作動を連動させてもよい。
【００３２】
一段目蓄冷器３１の内部空間には、蓄冷手段として、約３０Ｋ〜１００Ｋ程度の低温における比熱が大きい材質からなる一段目蓄冷材３３が充填される。一段目蓄冷材３３は、例えばりん青銅により形成された金網などの積層体により構成することができる。一段目蓄冷材３３が充填されている一段目蓄冷器３１の内部空間を、以下、一段目充填空間３１ａと呼ぶ。また、二段目蓄冷器３２の内部空間には、蓄冷手段として、約４〜２０Ｋ程度の極低温における比熱が大きい材質からなる二段目蓄冷材３４が充填される。二段目蓄冷材３４として、例えば鉛球などを用いることができる。二段目蓄冷材３４が充填されている二段目蓄冷器３２の内部空間を、以下、二段目充填空間３２ａと呼ぶ。
【００３３】
一段目蓄冷器３１に一段目高温側連通路３１３及び一段目低温側連通路３１４が形成される。一段目高温側連通路３１３は、一段目蓄冷器３１の高温端部３１２側の部分である一段目蓄冷器３１の下端壁に形成されており、一段目充填空間３１ａの図１において下方の部分と背面室２１ｂとを連通する。一段目低温側連通路３１４は、一段目蓄冷器３１の低温端部３１１側の部分である一段目蓄冷器３１の側周壁の上端部分に形成されており、一段目充填空間３１ａの図１において上方の部分と一段目膨張室２１ａとを連通する。本実施形態においては、複数の一段目低温側連通路３１４が、一段目蓄冷器３１の周方向に沿って等間隔に設けられている。一段目低温側連通路３１４及び一段目高温側連通路３１３を経由して、作動ガスが一段目蓄冷器３１の内部に流入し、或いは一段目蓄冷器３１の内部から作動ガスが流出する。
【００３４】
二段目蓄冷器３２に、二段目高温側連通路３２３及び二段目低温側連通路３２４が形成される。二段目高温側連通路３２３は、二段目蓄冷器３２の高温端部３２２側の部分である二段目蓄冷器３２の側周壁の下方部分に形成されており、一段目膨張室２１ａと二段目充填空間３２ａとを連通する。二段目低温側連通路３２４は、二段目蓄冷器３２の低温端部３２１側の部分である二段目蓄冷器３２の側周壁の上端部分に形成されており、二段目充填空間３２ａの図１において上方の部分と二段目膨張室２２ａとを連通する。二段目低温側連通路３２４及び二段目高温側連通路３２３を経由して、作動ガスが二段目蓄冷器３２の内部に流入し、或いは二段目蓄冷器３２の内部から作動ガスが流出する。
【００３５】
一段目蓄冷器３１の外周側面の図１において下方部分に、周方向にわたって一段目シールリング３１５が取り付けられる。一段目シールリング３１５によって、背面室２１ｂと一段目膨張室２１ａとの連通が遮断される。また、二段目蓄冷器３２の外周側面の下方部分であって、二段目シリンダ部２２の内周側面と対面する部分に、二段目シールリング３２５が取り付けられる。二段目シールリング３２５によって、一段目膨張室２１ａと二段目膨張室２２ａとの連通が遮断される。
【００３６】
二段目充填空間３２ａの上端部及び下端部に、二段目充填空間３２ａ内に充填されている二段目蓄冷材３４（例えば鉛球）の径よりも小さいメッシュ径を有する金網３５，３５が配設される。金網３５，３５によって、二段目充填空間３２ａ内の二段目蓄冷材３４が外部に漏出することが防止される。なお、金網に代えて、焼結プレートを用いてもよい。
【００３７】
一段目シリンダ部２１の一方端部２１１に、すなわち一段目シリンダ部２１（低段側シリンダ部）の先端側に、低段側冷却ステージとしての一段目冷却ステージ６０が設けられる。一段目冷却ステージ６０は、円筒部６１及び円板部６２を有する。円筒部６１は、一段目シリンダ部２１の一方端部２１１側を構成する側周壁を覆うように、一段目シリンダ部２１に取り付けられる。円板部６２は、円筒部６１の図１において上端部から径外方に放射状に延設される。また、円板部６２には、その軸方向（図１において上下方向）に貫通した複数の貫通孔６３が周方向に沿って形成される。貫通孔６３には、後述するボルトＢＴが挿通される。
【００３８】
二段目シリンダ部２２の一方端部２２１に、すなわち二段目シリンダ部２２（高段側シリンダ部）の先端側に、高段側冷却ステージとしての二段目冷却ステージ７０が取り付けられる。二段目冷却ステージ７０は、円筒部７１及び円板部７２を有する。円筒部７１は、二段目シリンダ部２２の一方端部２２１側を構成する側周壁を覆うように、二段目シリンダ部２２に取り付けられる。円板部７２は、円筒部７１の図１において上端部から径外方に放射状に延設される。また、円板部７２には、その軸方向（図１において上下方向）に貫通するネジ孔７３が形成される。ネジ孔７３には、後述するボルト９４が螺合される。
【００３９】
二段目冷却ステージ７０（高段側冷却ステージ）が設けられた二段目シリンダ部２２を覆うように、伝熱部材としての伝熱スリーブ８０が配設される。伝熱スリーブ８０は一方端８０ａ及び他方端８０ｂを有する円筒形状を呈し、一段目冷却ステージ６０の円板部６２上に配設される。伝熱スリーブ８０の一方端８０ａには、軸方向に延設された複数のネジ孔８２が周方向に沿って形成される。このネジ孔８２は、伝熱スリーブ８０の一方端８０ａを一段目冷却ステージ６０の円板部６２に同軸的に載置したときに、円板部６２に形成されている貫通孔６３に対面する位置に、形成される。
【００４０】
伝熱スリーブ８０の一方端８０ａは、一段目冷却ステージ６０に固定される。この場合、伝熱スリーブ８０の一方端８０ａに形成されたネジ孔８２と一段目冷却ステージ６０の円板部６２に形成された貫通孔６３が対面するように、伝熱スリーブ８０を円板部６２に載置し、その状態で、ボルトＢＴを、円板部６２の下方側から貫通孔６３及びネジ孔８２に挿通する。そして、挿通されたボルトＢＴがネジ孔８２に螺合される。これにより、伝熱スリーブ８０の一方端８０ａが一段目冷却ステージ６０に固定される。伝熱スリーブ８０は、その一方端８０ａが一段目冷却ステージ６０に固定された状態で、一段目冷却ステージ６０から図１において上方に延設される。ここで、図１の上下方向は、多段シリンダ２の軸方向に一致する。従って、伝熱スリーブ８０は、一段目冷却ステージ６０から、多段シリンダ２の軸方向であって二段目冷却ステージ７０に向かう方向に延設されることになる。なお、伝熱スリーブ８０には、その内周壁面から外周壁面にかけて貫通した貫通孔８１が形成される。この貫通孔８１の存在により、伝熱スリーブ８０内の空間と外部の空間との圧力が均一にされる。
【００４１】
また、図１は、上述したように非作動状態の二段型ＧＭ冷凍機１の断面図である。つまり、常温状態における二段型ＧＭ冷凍機１の断面図である。この場合、伝熱スリーブ８０も常温である。図１に示すように伝熱スリーブ８０が常温であるとき、伝熱スリーブ８０の他方端８０ｂは、二段目冷却ステージ７０よりも上方に位置する。
【００４２】
ここで、図１において、多段シリンダ２の軸方向（図１の上下方向）に沿った、一段目冷却ステージ６０（低段側冷却ステージ）からの距離により高さ位置が表されるとする。この場合、伝熱スリーブ８０が常温であるとき、伝熱スリーブ８０の他方端８０ｂの高さ位置Ａは、二段目冷却ステージ７０の高さ位置Ｂ（正確には二段目冷却ステージ７０の円板部７２の上面の高さ位置Ｂ）よりも高い。すなわち、多段シリンダ２の軸方向に沿った、一段目冷却ステージ６０から伝熱スリーブ８０の他方端８０ｂまでの長さが、一段目冷却ステージ６０から二段目冷却ステージ７０までの長さよりも長い。
【００４３】
二段目冷却ステージ７０及び二段目シリンダ部２２の先端面（上端面）に対面するように、補助冷却部材としての補助冷却板９０が配設される。補助冷却板９０は、円板形状を呈し、その外径は、伝熱スリーブ８０の外径にほぼ等しい。なお、補助冷却板９０の外径は、伝熱スリーブ８０の内径よりも大きければよい。補助冷却板９０は、熱伝導度の高い材質で構成される。本実施形態では、補助冷却板９０は、銅により構成される。
【００４４】
図１に示すように、補助冷却板９０は、二段目冷却ステージ７０の上方に配設される。つまり、補助冷却板９０は、二段目冷却ステージ７０の高さ位置よりも高い高さ位置に配設される。また、図１に示す状態では、補助冷却板９０の下面が、伝熱スリーブ８０の他方端８０ｂに接触した状態で、伝熱スリーブ８０上に載置される。このとき、補助冷却板９０と二段目冷却ステージ７０との間に、多段シリンダ２の軸方向に沿った隙間Ｇが形成される。従って、補助冷却板９０は、多段シリンダ２の軸方向に沿った二段目冷却ステージ７０の高さ位置よりも高い高さ位置に配設され、伝熱スリーブ８０が常温であるときに伝熱スリーブ８０の他方端８０ｂに接触するとともに二段目冷却ステージ７０に多段シリンダ２の軸方向に沿った隙間Ｇを隔てて対面配置されることになる。
【００４５】
補助冷却板９０には、多段シリンダ２の軸方向（図１において上下方向）に貫通する複数の貫通孔９１が、周方向に沿って形成される。この貫通孔９１に、ボルト９４が挿通される。ボルト９４は、二段目冷却ステージ７０に螺合固定される。
【００４６】
図２は、補助冷却板９０付近の断面の拡大図である。図２に示すように、補助冷却板９０に形成される貫通孔９１は、大径部９１ａと、大径部９１ａよりも径の小さい小径部９１ｂを有し、大径部９１ａ及び小径部９１ｂが、多段シリンダ２の軸方向（図２の上下方向）に沿って同軸状に形成される。貫通孔９１の小径部９１ｂが、二段目冷却ステージ７０の円板部７２に対面する。また、大径部９１ａと小径部９１ｂとの境界には、リング状の段差面９１ｃが形成される。なお、大径部９１ａと段差面９１ｃは、無くてもよい。すなわち、貫通孔９１が小径部９１ｂのみにより構成されていてもよい。
【００４７】
また、貫通孔９１に挿通されるボルト９４は、ボルトヘッド９４ａ、軸部９４ｂ、及びネジ部９４ｃを有する。ボルトヘッド９４ａから軸部９４ｂが延設され、軸部９４ｂの先端からネジ部９４ｃが軸部９４ｂと同軸状に延設される。軸部９４ｂ及びネジ部９４ｃの外径は、補助冷却板９０の貫通孔９１の小径部９１ｂの径よりも僅かに大きい。また、ボルトヘッド９４ａの外径は、軸部９４ｂの外径よりも大きい。
【００４８】
また、補助冷却板９０は、その貫通孔９１の小径部９１ｂが二段目冷却ステージ７０に形成されたネジ孔７３に同軸配置するように、二段目冷却ステージ７０の図２において上方に配置される。そして、ボルト９４の軸部９４ｂが貫通孔９１に挿通されるとともに、ボルト９４のネジ部９４ｃが二段目冷却ステージ７０のネジ孔７３に螺合される。これにより、ボルト９４が二段目冷却ステージ７０に螺合固定される。
【００４９】
また、図２からよくわかるように、ボルト９４の軸部９４ｂの外周回りに、付勢部材としての圧縮コイルスプリング９５が取り付けられる。この圧縮コイルスプリング９５は、ボルト９４が二段目冷却ステージ７０に螺合固定された状態において、その一端にてボルト９４のボルトヘッド９４ａの図２において下面に係止されるとともにその他端にて補助冷却板９０の貫通孔９１の段差面９１ｃに係止される。ボルト９４は二段目冷却ステージ７０に螺合固定されているから、圧縮コイルスプリング９５の付勢力は、補助冷却板９０に作用する。斯かる付勢力により、補助冷却板９０は、図１及び図２において下方に付勢される。なお、貫通孔９１が小径部９１ｂのみにより構成されている場合、圧縮コイルスプリング９５は、その一端にてボルトヘッド９４ａに係止されるとともにその他端にて補助冷却板９０の上面に係止される。
【００５０】
ここで、図１からわかるように、補助冷却板９０の下方に伝熱スリーブ８０が配設されていて、図１に示す状態では、補助冷却板９０が伝熱スリーブ８０の他方端８０ｂに接触されている。従って、補助冷却板９０に作用する上記付勢力は、伝熱スリーブ８０に作用する。このため補助冷却板９０は、圧縮コイルスプリング９５によって、伝熱スリーブ８０の他方端側に付勢されることになる。換言すれば、圧縮コイルスプリング９５は、補助冷却板９０を伝熱スリーブ８０の他方端８０ｂ側に向けて付勢する。
【００５１】
多段シリンダ２は、金属の中でも熱伝導度の低い材質により構成される。典型的には、多段シリンダ２はステンレスにより構成される。また、ボルト９４及び圧縮コイルスプリングも、熱伝導度の低い材質、例えばステンレスにより構成される。一方、伝熱スリーブ８０は、金属の中でも熱伝導度の高い材質により構成される。
【００５２】
また、伝熱スリーブ８０は、多段シリンダ２を構成する材質よりも熱収縮率の大きい材質により構成される。従って、多段シリンダ２がステンレスにより構成されている場合、伝熱スリーブ８０は、熱伝導度が高く、且つ、ステンレスよりも熱収縮率の大きい材質により形成される。多段シリンダ２がステンレスにより構成される場合、伝熱スリーブ８０は、典型的には、アルミニウムにより構成されるとよい。
【００５３】
また、多段シリンダ２の軸方向に沿った伝熱スリーブ８０の長さ（軸方向長さ）は、伝熱スリーブ８０の温度が一段目冷却ステージ６０の目標冷却温度（例えば、３０Ｋ〜８０Ｋの温度範囲内で予め定めた温度αＫ）に達したときに、伝熱スリーブ８０の他方端８０ｂの高さ位置Ａが、二段目冷却ステージ７０の高さ位置Ｂよりも低くなるように、設定される。
【００５４】
また、一段目冷却ステージ６０及び二段目冷却ステージ７０は、熱伝導度の高い材質により構成される。典型的には、一段目冷却ステージ６０及び二段目冷却ステージ７０は、銅により構成される。
【００５５】
上記構成の二段型ＧＭ冷凍機１において、以下に、その作動について簡単に説明する。ディスプレーサ３が多段シリンダ２内にて図１において最も上方（上死点）に位置しているときには、圧力変動機構５の高圧開閉弁５２が開いており低圧開閉弁５３が閉じている。従って、高圧の作動ガスが、共通通路５５、主連通路２３を経由して多段シリンダ２内に流入する。
【００５６】
＜高圧移送過程＞
次いで、ディスプレーサ３が多段シリンダ２に対して下方に変位される。すると、背面室２１ｂ内の高圧の作動ガスが、一段目高温側連通路３１３を通って一段目蓄冷器３１内の一段目充填空間３１ａに流入する。一段目充填空間３１ａ内に流入した作動ガスは一段目蓄冷材３３から冷熱（低温）を奪うことにより冷却される。そして、一段目蓄冷材３３により冷却された作動ガスは一段目低温側連通路３１４を通って一段目蓄冷器３１内から流出するとともに一段目膨張室２１ａに流入する。
【００５７】
また、一段目膨張室２１ａ内の作動ガスは、二段目高温側連通路３２３を通って二段目蓄冷器３２内の二段目充填空間３２ａに流入する。二段目充填空間３２ａ内に流入した作動ガスは二段目蓄冷材３４から冷熱を奪うことにより冷却される。そして、二段目蓄冷材３４により冷却された作動ガスは二段目低温側連通路３２４を通って二段目蓄冷器３２内から流出するとともに二段目膨張室２２ａに流入する。
【００５８】
＜膨張過程＞
その後、圧力変動機構５の高圧開閉弁５２が閉じた後に低圧開閉弁５３が開く。これによって、一段目シリンダ部２１の一方端部２１１側に位置する一段目膨張室２１ａ内の作動ガス及び、二段目シリンダ部２２の一方端部２２１側に位置する二段目膨張室２２ａ内の作動ガスが、それぞれ膨張仕事を行う。斯かる膨張仕事によって、それぞれの膨張室２１ａ，２２ａ内にて冷熱が発生する。
【００５９】
＜低圧移送過程＞
次に、ディスプレーサ３が多段シリンダ２に対して上方に変位される。すると、二段目膨張室２２ａ内の作動ガスは、二段目低温側連通路３２４を経由して二段目蓄冷器３２内に流入し、二段目蓄冷器３２内の二段目充填空間３２ａを通る。このとき作動ガスが二段目充填空間３２ａ内の二段目蓄冷材３４に冷熱を奪われることによって加熱される。二段目充填空間３２ａ内の作動ガスはさらに二段目高温側連通路３２３を経由して二段目蓄冷器３２から流出するとともに一段目膨張室２１ａに流入する。
【００６０】
また、一段目膨張室２１ａ内の作動ガスは、一段目低温側連通路３１４を経由して一段目蓄冷器３１内に流入し、一段目蓄冷器３１内の一段目充填空間３１ａを通る。このとき作動ガスが一段目充填空間３１ａ内の一段目蓄冷材３３に冷熱を奪われることによって加熱される。一段目充填空間３１ａ内の作動ガスはさらに一段目高温側連通路３１３を経由して一段目蓄冷器３１から流出するとともに主連通路２３、共通通路５５、低圧開閉弁５３を通り、コンプレッサ５１に流入する。
【００６１】
＜圧縮過程＞
次いで、圧力変動機構５の低圧開閉弁５３が閉じ、高圧開閉弁５２が開く。これによって、高圧の作動ガスが、共通通路５５、主連通路２３を経由して多段シリンダ２内に流入する。なお、コンプレッサ５１の圧縮仕事により発生する熱は、コンプレッサ５１の吐出側に設けられている図示しない放熱器によって外部に放熱される。
【００６２】
上記した熱サイクル（ＧＭサイクル）が繰り返されることによって、一段目膨張室２１ａ内が例えばαＫ程度に冷却され、二段目膨張室２２ａ内が例えば１０Ｋ程度に冷却される。一段目膨張室２１ａ内で生じた冷熱は、一段目冷却ステージ６０に伝熱され、二段目膨張室２２ａで生じた冷熱は、二段目冷却ステージ７０に伝熱される。従って、一段目冷却ステージ６０の目標冷却温度はαＫ程度であり、二段目冷却ステージ７０の目標冷却温度は１０Ｋ程度である。それぞれの冷却ステージから、外部に冷熱が取り出される。
【００６３】
ところで、一般的に、常温環境下の二段型ＧＭ冷凍機を作動させた場合、まず、一段目冷却ステージが冷却される。一段目冷却ステージの冷却中、二段目冷却ステージの冷却速度は非常に遅い。一段目冷却ステージの温度が目標冷却温度（例えばαＫ）に近い温度にまで冷却されたときに、二段目冷却ステージの冷却速度が速くなる。このように、二段目冷却ステージの冷却速度は、一段目冷却ステージの冷却速度よりも非常に遅い。また、一段目冷却ステージの冷凍能力は二段目冷却ステージの冷凍能力よりも大きい。言い換えれば、二段目冷却ステージの冷凍能力は一段目冷却ステージの冷凍能力よりも小さい。このように、二段目冷却ステージの冷却速度が非常に遅いこと、及び、二段目冷却ステージの冷凍能力が小さいことにより、二段目冷却ステージを利用して被冷却体を常温から極低温（例えば１０Ｋ）まで冷却しようとすると、冷却完了までに非常に長い時間を要する。
【００６４】
この点に関し、本実施形態に係る二段型ＧＭ冷凍機１は、極低温に冷却される被冷却体の冷却時間の短縮化を図ることができるように構成されている。このことについて、以下に説明する。
【００６５】
本実施形態に係る二段型ＧＭ冷凍機１が非作動状態であるとき、すなわち常温環境下にあるとき、図１に示すように、伝熱スリーブ８０が、補助冷却板９０に熱的に接触している。また、補助冷却板９０には、二段目冷却ステージ７０で冷却されるべき非冷却体（例えば熱シールド板）が熱的に接続される。
【００６６】
図１に示す状態の二段型ＧＭ冷凍機１が作動すると、まず、一段目冷却ステージ６０が冷却される。ここで、本実施形態に係る二段型ＧＭ冷凍機１によれば、一段目冷却ステージ６０に伝熱スリーブ８０が固定されており、この伝熱スリーブ８０は、常温状態で補助冷却板９０に熱的に接触している。従って、一段目冷却ステージ６０にて発生した冷熱は、伝熱スリーブ８０を介して補助冷却板９０に伝達される。これにより、補助冷却板９０が、一段目冷却ステージ６０の冷却中に冷却される。よって、補助冷却板９０に熱的に接続された被冷却体は、補助冷却板９０及び伝熱スリーブ８０を介して一段目冷却ステージ６０の冷熱により冷却される。
【００６７】
また、一段目冷却ステージ６０の冷却に伴って伝熱スリーブ８０が冷却された場合、伝熱スリーブ８０が熱収縮する。ここで、伝熱スリーブ８０は、その一方端８０ａ（下方端）にて一段目冷却ステージ６０に固定されているので、熱収縮によって伝熱スリーブ８０の他方端８０ｂ（上方端）の高さ位置が低下する。
【００６８】
一段目冷却ステージ６０の冷却が進むにつれて伝熱スリーブ８０が熱収縮することにより、伝熱スリーブ８０の他方端８０ｂの高さ位置が低くされる。ここで、伝熱スリーブ８０の他方端８０ｂの高さ位置Ａが、二段目冷却ステージ７０の高さ位置Ｂよりも高い間は、圧縮コイルスプリング９５により伝熱スリーブ８０の他方端８０ｂ側に向けて付勢されている補助冷却板９０が、伝熱スリーブ８０の他方端８０ｂの高さ位置の低下に追従して、伝熱スリーブ８０との接触を維持したまま図１の下方、すなわち一段目冷却ステージ６０側に向けて移動する。このとき、補助冷却板９０と二段目冷却ステージ７０との間の隙間Ｇは確保されているため、補助冷却板９０と二段目冷却ステージ７０とは熱的に絶縁される。一段目冷却ステージ６０の冷却中は、二段目冷却ステージ７０は十分に冷却されないので、隙間Ｇが確保されることにより、十分に冷却されていない二段目冷却ステージ７０から補助冷却板９０への熱流入を防止することができる。
【００６９】
なお、一段目冷却ステージ６０の冷却中、多段シリンダ２も冷却されるので、多段シリンダ２も熱収縮する。しかしながら、多段シリンダ２は熱収縮率の小さいステンレスにより構成されているので、熱収縮量も小さい、よって、多段シリンダ２の二段目シリンダ部２２に設けられている二段目冷却ステージ７０の高さ位置は、多段シリンダ２が冷却された場合であってもさほど変化しない。
【００７０】
さらに一段目冷却ステージ６０の冷却が進んで一段目冷却ステージ６０の温度が目標冷却温度（例えば３０Ｋ〜８０Ｋの温度範囲内で予め定めた温度αＫ）に近い温度（例えば（α＋１０）Ｋ）に達したとき、伝熱スリーブ８０がさらに熱収縮して伝熱スリーブ８０の他方端８０ｂの高さ位置Ａが二段目冷却ステージ７０の高さ位置Ｂに一致する。すると、補助冷却板９０と二段目冷却ステージ７０との間に設けられていた隙間Ｇが無くなり、補助冷却板９０が二段目冷却ステージ７０に接触する。図３は、補助冷却板９０が二段目冷却ステージ７０に接触した状態を示す、二段型ＧＭ冷凍機１の部分断面概略図である。
【００７１】
二段型ＧＭ冷凍機１が図３に示す状態であるとき、補助冷却板９０は、伝熱スリーブ８０を介して一段目冷却ステージ６０に熱的に接触しているとともに、二段目冷却ステージ７０にも熱的に接触している。また、一段目冷却ステージ６０の温度が目標冷却温度に近い温度にまで冷却された時点では、二段目冷却ステージ７０の冷却も速くなり、二段目冷却ステージ７０の温度が比較的低温である可能性が高い。よって、図３に示す状態では、補助冷却板９０及び補助冷却板９０に熱的に接続された被冷却体が、一段目冷却ステージ６０及び二段目冷却ステージ７０によって冷却されることになる。
【００７２】
そして、一段目冷却ステージ６０の冷却がさらに進み、一段目冷却ステージ６０の温度が目標冷却温度（例えばαＫ）に達すると、伝熱スリーブ８０がさらに熱収縮して、その他方端８０ｂの高さ位置Ａが、二段目冷却ステージ７０の高さ位置Ｂよりも低い位置に位置することになる。また、図３に示すように伝熱スリーブ８０の他方端８０ｂの高さ位置Ａが二段目冷却ステージ７０の高さ位置Ｂに一致した状態では、補助冷却板９０は二段目冷却ステージ７０に接触していて、それ以上下方（一段目冷却ステージ６０に向かう方向）に移動できない。つまり、二段目冷却ステージ７０が補助冷却板９０の下方移動に対するストッパとして機能する。このため、伝熱スリーブ８０の他方端８０ｂの高さ位置Ａが二段目冷却ステージ７０の高さ位置Ｂよりも低い位置に位置した場合、補助冷却板９０が伝熱スリーブ８０の他方端８０ｂの高さ位置の低下に追従して移動することができず、それ故に、補助冷却板９０が伝熱スリーブ８０と切り離される。
【００７３】
図４は、補助冷却板９０が伝熱スリーブ８０から切り離された状態を示す、二段型ＧＭ冷凍機１の部分断面概略図である。図４に示す状態では、補助冷却板９０が一段目冷却ステージ６０と切り離されるとともに、二段目冷却ステージ７０に熱的に接触する。従って、補助冷却板９０及び補助冷却板９０に熱的に接続された被冷却体が、二段目冷却ステージ７０のみにより冷却される。ここで、補助冷却板９０及び被冷却体が二段目冷却ステージ７０のみにより冷却される時点では、補助冷却板９０及び被冷却体はそれまで一段目冷却ステージ６０の冷熱により例えばαＫ程度にまで冷却されている。よって、二段目冷却ステージ７０の冷凍能力が小さくても、比較的短時間で、補助冷却板９０及び被冷却体を極低温（例えば１０Ｋ）まで冷却することができる。
【００７４】
図５は、従来の二段型ＧＭ冷凍機を用いて被冷却体を極低温（例えば１０Ｋ）に冷却する場合における、被冷却体の温度の推移を示すグラフである。図５の横軸が時間、縦軸が温度［Ｋ］であり、図５中のグラフＡが被冷却体の温度推移を示す。なお、被冷却体は二段目冷却ステージに熱的に接続されている。また、一段目冷却ステージの温度推移が図５中のグラフＢに示される。
【００７５】
図５に示すように、二段型ＧＭ冷凍機を作動させると、一段目冷却ステージの温度はすぐに低下するものの、二段目冷却ステージの温度はすぐには低下しないので、二段目冷却ステージに熱的に接続された被冷却体の温度もしばらくは低下せず、常温（約３００Ｋ）のままである。一段目冷却ステージの温度が目標冷却温度（αＫ）に近づく時点から、二段目冷却ステージの温度の低下速度が速くなるので、それに伴い被冷却体の温度も低下する。そして、時間Ｔ１にて一段目冷却ステージの温度が目標冷却温度に達した後の時間Ｔ２にて被冷却体の温度が目標冷却温度（１０Ｋ）に達する。
【００７６】
このように、従来の二段型ＧＭ冷凍機においては、一段目冷却ステージの温度が目標冷却温度に近い温度まで低下しないと、二段目冷却ステージの温度が低下しない。このため、二段目冷却ステージにより冷却される被冷却体の温度が極低温に至るまでに長時間を要する。
【００７７】
図６は、本実施形態に係る二段型ＧＭ冷凍機１を用いて被冷却体を極低温（例えば１０Ｋ）に冷却する場合における、被冷却体の温度推移を示すグラフである。図６の横軸が時間、縦軸が温度［Ｋ］であり、図６中のグラフＡが被冷却体の温度推移を示す。なお、一段目冷却ステージ６０の温度推移が図６のグラフＢに示される。
【００７８】
図６に示すように、二段型ＧＭ冷凍機１を作動させると、一段目冷却ステージ６０の温度はすぐに低下する。また、被冷却体は冷却初期には一段目冷却ステージ６０の冷熱により冷却されるので、被冷却体の温度も一段目冷却ステージ６０の温度低下に追従して低下していく。なお、一段目冷却ステージ６０の冷熱が伝熱スリーブ８０及び補助冷却板９０を介して被冷却体に奪われるが、一段目冷却ステージ６０の冷却能力は高いので、それによって一段目冷却ステージ６０の冷却速度が顕著に低下することはない。よって、一段目冷却ステージ６０の温度が目標冷却温度に達するまでの時間Ｔ１’は、図５に示す従来の二段型ＧＭ冷凍機の一段目冷却ステージの温度が目標冷却温度に達するまでの時間Ｔ１とほとんど同じである。
【００７９】
上記のように一段目冷却ステージ６０の冷却中に被冷却体が冷却されるため、一段目冷却ステージ６０の温度が目標冷却温度（αＫ）に達した時点Ｔ１’にて、被冷却体の温度は十分に低下している。そして、時間Ｔ１’以降、被冷却体が二段目冷却ステージ７０により冷却される。時点Ｔ１’にて被冷却体の温度は十分に低下しているので、その後に被冷却体が冷凍能力の低い二段目冷却ステージ７０により冷却された場合でも、極低温（例えば１０Ｋ）に至るまでの時間Ｔ２’は図５に示す従来の二段型ＧＭ冷凍機を用いた場合に被冷却体が極低温に至るまでの時間Ｔ２よりも短い。このようにして、極低温（例えば１０Ｋ）に冷却する被冷却体の冷却時間の短縮化を図ることができる。
【００８０】
以上のように、本実施形態に係る二段型ＧＭ冷凍機１によれば、極低温に冷却される被冷却体が、二段目冷却ステージ７０の冷却が十分でないときには一段目冷却ステージ６０の冷熱により冷却される。そして、二段目冷却ステージ７０が十分に冷却されてきた場合に二段目冷却ステージ７０の冷熱により被冷却体が極低温まで冷却される。一段目冷却ステージ６０の冷凍能力は二段目冷却ステージ７０の冷凍能力よりも高いので、冷却開始の初期に一段目冷却ステージ６０で被冷却体が冷却される分だけ、極低温に冷却される被冷却体の冷却時間を短縮することができる。
【００８１】
また、伝熱スリーブ８０は、二段目シリンダ部２２の外周を覆うように円筒状に形成されている。従って、外部からの輻射熱が伝熱スリーブ８０で遮蔽される。よって、熱輻射による二段目シリンダ部２２への熱流入を効果的に防止することができる。
【００８２】
また、伝熱スリーブ８０がアルミニウムにより構成され、多段シリンダ２がステンレスにより構成される。このため、伝熱スリーブ８０（アルミニウム）と多段シリンダ２（ステンレス）の熱収縮率の差を利用して、上記したような伝熱スリーブ８０と補助冷却板９０との熱的な接続及び切り離しを実現することができる。
【００８３】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるべきものではない。例えば、上記実施形態では、二段型の蓄冷式冷凍機について説明したが、二段型以外の多段型の蓄冷式冷凍機についても、本発明を適用することができる。また、上記実施形態では、蓄冷式冷凍機としてＧＭ冷凍機を示したが、それ以外の蓄冷式冷凍機、例えば、パルス管冷凍機やスターリング型パルス管冷凍機等の蓄冷式冷凍機についても本発明を適用することができる。このように、本発明は、その趣旨を逸脱しない限りにおいて、変形可能である。
【符号の説明】
【００８４】
１…二段型ＧＭ冷凍機（多段型蓄冷式冷凍機）、２…多段シリンダ、２１…一段目シリンダ部、２１ａ…一段目膨張室、２１１…一方端部、２１２…他方端部、２２…二段目シリンダ部、２２ａ…二段目膨張室、２２１…一方端部、２２２…他方端部、３…ディスプレーサ、４…駆動装置、５…圧力変動機構、３１…一段目蓄冷器、３２…二段目蓄冷器、３３…一段目蓄冷材、３４…二段目蓄冷材、６０…一段目冷却ステージ（低段側冷却ステージ）、７０…二段目冷却ステージ（高段側冷却ステージ）、８０…伝熱スリーブ（伝熱部材）、８０ａ…一方端、８０ｂ…他方端、８１…貫通孔、９０…補助冷却板（補助冷却部材）、９１…貫通孔、９１ａ…大径部、９１ｂ…小径部、９１ｃ…段差面、９４…ボルト、９４ａ…ボルトヘッド、９４ｂ…軸部、９４ｃ…ネジ部、９５…圧縮コイルスプリング（付勢部材）、Ｇ…隙間
【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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