(57)【要約】【課題】本発明は、極低温冷凍機の効率を高める技術を提供する。【解決手段】第１蓄冷器１８と第２蓄冷器３４を備える極低温冷凍機１００において、第２蓄冷器３４は、容器と、容器の高温側領域３２に収容される非磁性蓄冷材と、容器の低温側領域３３に収容される磁性蓄冷材と、高温側領域３２に収容される挿入部材４２とを備える。ここで挿入部材４２の熱伝導率は、極低温冷凍機１００が動作中の温度において、１０［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］以下である。また容器の軸に垂直な平面における挿入部材４２の断面積は、その平面における容器の断面積の１％以上２５％以下である。【選択図】図２
2015203530.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
蓄冷器を備える極低温冷凍機であって、
前記蓄冷器は、
容器と、
前記容器の高温側の第１領域に収容される非磁性蓄冷材と、
前記容器の低温側の第２領域に収容される磁性蓄冷材と、
前記第１領域に収容される挿入部材とを備え、
前記挿入部材の熱伝導率は、前記極低温冷凍機が動作中の温度において１０［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］以下であることを特徴とする極低温冷凍機。
【請求項２】
前記容器の軸に垂直な平面における前記挿入部材の断面積は、前記平面における前記容器の断面積の１％以上２５％以下であ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】
前記容器は、前記非磁性蓄冷材と前記磁性蓄冷材とを仕切る仕切り材をさらに備え、
前記挿入部材は、前記仕切り材に固定されていることを特徴とする請求項１または２に記載の極低温冷凍機。
【請求項４】
前記容器は、前記挿入部材を同軸に配置して収容することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の極低温冷凍機。
【請求項５】
前記挿入部材は樹脂で構成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の極低温冷凍機。
【請求項６】
高温側蓄冷器と低温側蓄冷器とを備える極低温冷凍機であって、
前記低温側蓄冷器は、
容器と、
前記容器の高温側の第１領域に収容される非磁性蓄冷材と、
前記容器の低温側の第２領域に収容される磁性蓄冷材とを備え、
前記容器は、前記第１領域の少なくとも一部の領域において前記容器の軸に垂直な平面における断面積が、前記第２領域において前記容器の軸に垂直な平面における断面積よりも小さく、
前記容器の熱伝導率は、前記極低温冷凍機が動作中の温度において１０［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］以下であることを特徴とする極低温冷凍機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧縮装置から供給される高圧の冷媒ガスのサイモン膨張により発生する寒冷を蓄積し、所望の極低温の寒冷を発生する極低温冷凍機に関する。
【背景技術】
【０００２】
極低温冷凍機として例えば特許文献１に記載のものがある。ディスプレーサ式の極低温冷凍機はディスプレーサをシリンダ内部で往復運動させながら、膨張空間内の冷媒ガスを膨張させて寒冷を発生する。また、パルスチューブ式の極低温冷凍機はパルス管内のガスピストンを往復運動させながら、膨張空間内の冷媒ガスを膨張させて寒冷を発生する。膨張空間で発生した冷媒ガスの寒冷は、蓄冷器にて蓄積されながら冷却ステージに伝達されて所望の極低温に到達して、冷却ステージに接続された冷却対象を冷却する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−２２１７５１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、極低温冷凍機の効率を高める技術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】
【０００５】
上記課題を解決するために、本発明のある態様は蓄冷器を備える極低温冷凍機である。この蓄冷器は、容器と、容器の高温側の第１領域に収容される非磁性蓄冷材と、容器の低温側の第２領域に収容される磁性蓄冷材と、第１領域に収容される挿入部材とを備える。挿入部材の熱伝導率は、極低温冷凍機が動作中の温度において１０［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］以下である。
【０００６】
本発明の別の態様もまた、極低温冷凍機である。この極低温冷凍機は、高温側蓄冷器と低温側蓄冷器とを備える極低温冷凍機である。低温側蓄冷器は、容器と、容器の高温側の第１領域に収容される非磁性蓄冷材と、容器の低温側の第２領域に収容される磁性蓄冷材とを備える。容器は、第１領域の少なくとも一部の領域において容器の軸に垂直な平面における断面積が、第２領域において容器の軸に垂直な平面における断面積よりも小さく、容器の熱伝導率は、極低温冷凍機が動作中の温度において１０［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］以下である。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の極低温冷凍機によれば、冷凍性能を維持しつつ蓄冷材を減少することができ、冷凍機の効率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施の形態に係る極低温冷凍機の全体構成を模式的に示す図である。
【図２】実施の形態に係る極低温冷凍機が備える膨張機の内部構成を模式的に示す図である。
【図３】２．２ＭＰａのヘリウムガスと０．８ＭＰａのヘリウムガスとの、それぞれの密度の温度変化、および両者の密度差の温度変化を示す図である。
【図４】実施の形態に係る第２蓄冷器の温度プロファイルの一例を示す図である。
【図５】図５（ａ）−（ｄ）は、挿入部材の大きさと、そのときの第１冷却ステージの温度および第２冷却ステージの温度との関係を示す図である。
【図６】第２蓄冷器の高温側領域に、上端の整流器と熱的に接触するように銅製の部材を挿入した場合における冷却ステージの温度変化を示す図である。
【図７】４０Ｋにおける銅、ステンレス、およびフッ化炭素樹脂の熱伝導率［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］を示す図である。
【図８】実施の形態の変形例に係る極低温冷凍機が備える膨張機の内部構成を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
極低温冷凍機は一般に、圧縮機と膨張機とを備える。極低温冷凍機の冷媒ガスとしては、例えばヘリウムガスが用いられる。圧縮機は、低圧（例えば０．８ＭＰａ）のヘリウムガスを圧縮し、高圧（例えば２．２ＭＰａ）のヘリウムガスを生成する。高圧ヘリウムガスの密度と低圧ヘリウムガスの密度との密度差は、極低温付近において温度依存性が大きくなり、特に温度が８Ｋ付近のときに、その密度差が最大となる。そこで実施の形態に係る極低温冷凍機が備える蓄冷器は、蓄冷器中のヘリウムガスの密度差が最大となる領域の体積を実質的に減らすために、低温冷凍機の動作中の温度が８Ｋ付近となる領域に挿入部材を収容する。また、上段の蓄冷器や膨張空間の熱が伝導することを抑制するために、この挿入部材の熱伝導率は極低温冷凍機が動作中の温度において１０［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］以下である。
【００１０】
以下、本発明を実施するための形態について、添付図面を参照しながら説明する。
【００１１】
まず、実施の形態の極低温冷凍機の全体構成について説明する。図１は、実施の形態に係る極低温冷凍機１００の全体構成を模式的に示す図である。図１に示すように、極低温冷凍機１００は、圧縮機１、膨張機１０、配管７、電源ケーブル８、および冷却水配管接続部９を備える。
【００１２】
圧縮機１は、膨張機１０から戻ってくる低圧の冷媒ガスを圧縮し、圧縮された高圧の冷媒ガスを膨張機１０に供給する。膨張機１０は、圧縮機１から供給された高圧の冷媒ガスを膨張させて寒冷を発生させる。膨張機１０の詳細は後述する。
【００１３】
配管７は膨張機１０と圧縮機１とに接続され、膨張機１０と圧縮機１との間に冷媒ガスを流通させる。配管７は、低圧配管７ａと高圧配管７ｂとを含む。低圧配管７ａは、膨張機１０から圧縮機１に向かう低圧の冷媒ガスが流れる。一方、高圧配管７ｂは、圧縮機１から膨張機１０に向かう高圧の冷媒ガスが流れる。
【００１４】
電源ケーブル８は、圧縮機１と膨張機１０とに接続される。電源ケーブル８は、膨張機１０の動力となる電力を圧縮機１から供給するために用いられる。冷却水配管接続部９は、冷却水が流れる配管（不図示）を接続する。冷却水は、圧縮機１が冷媒ガスを圧縮することで生じた圧縮熱を冷却し、圧縮機１の外部に排熱するために用いられる。
【００１５】
図２は、実施の形態に係る極低温冷凍機１００が備える膨張機１０の内部構成を模式的に示す図である。実施の形態では、極低温冷凍機１００としてギフォード・マクマホン（Gifford-McMahon；ＧＭ）冷凍機を例に挙げ、その膨張機１０を説明する。図２に示すように、実施の形態に係る極低温冷凍機１００は、２段式の膨張機１０を備える。このためこの膨張機１０は、第１シリンダ１１と第２シリンダ１２とのふたつのシリンダを備える。
【００１６】
第１シリンダ１１と第２シリンダ１２とは一体に形成されており、それぞれ高温端と低温端とを備える。第１シリンダ１１の低温端と第２シリンダ１２の高温端とが、第１シリンダ１１の底部にて接続されている。第２シリンダ１２は第１シリンダ１１と同一の軸方向に延在する形態にて形成されており、第１シリンダ１１よりも小径の円筒部材である。第１シリンダ１１は第１ディスプレーサ１３を長手方向に往復移動可能に収容する容器であり、第２シリンダ１２は第２ディスプレーサ１４を長手方向に往復移動可能に収容する容器である。第１ディスプレーサ１３と第２ディスプレーサ１４とは、例えば、ピン１５、コネクタ１６、ピン１７を介して接続される。
【００１７】
第１シリンダ１１の高温端には、第１ディスプレーサ１３および第２ディスプレーサ１４を往復駆動するスコッチヨーク機構（図示せず）が設けられている。第１シリンダ１１、第２シリンダ１２には、強度、熱伝導率、ヘリウム遮断能などを考慮して、例えばステンレス鋼が用いられる。
【００１８】
また第１ディスプレーサ１３には、比重、強度、熱伝導率などの観点から、例えば布入りフェノール等が用いられる。第２ディスプレーサ１４はステンレス鋼などの金属製の筒である。第２ディスプレーサ１４の外周面上には、フッ素樹脂などの耐摩耗性樹脂の皮膜を形成してもよい。
【００１９】
第１ディスプレーサ１３は円筒状の外周面を有しており、第１ディスプレーサ１３の内部には、金網等からなる第１蓄冷材が充填されている。第１ディスプレーサ１３の内部容積は第１蓄冷器１８として機能する。第１蓄冷器１８の上部には整流器１９が、下部には整流器２０が設置される。室温室２１は、第１シリンダ１１と第１ディスプレーサ１３の高温端により形成される空間であり、第１ディスプレーサ１３の往復移動に伴い容積が変化する。第１ディスプレーサ１３の高温端には、室温室２１から第１ディスプレーサ１３に冷媒ガスを流通する第１開口２２が形成されている。
【００２０】
室温室２１には、圧縮機１、サプライバルブ２３、リターンバルブ２４からなる吸排気系統を相互に接続する配管のうち、給排共通配管が接続されている。また、第１ディスプレーサ１３の高温端よりの部分と第１シリンダ１１との間にはシール２５が装着されている。
【００２１】
第１膨張空間２６は、第１シリンダ１１と第１ディスプレーサ１３により形成される空間であり、第１ディスプレーサ１３の往復移動に伴い容積が変化する。第１ディスプレーサ１３の低温端には、第１膨張空間２６に第１クリアランスＣ１を介して冷媒ガスを導入する第２開口２７が形成されている。
【００２２】
第１シリンダ１１の外周のうち、第１膨張空間２６に対応する位置には、冷却対象物に熱的に接続された第１冷却ステージ２８が配置されている。この第１冷却ステージ２８は、第１クリアランスＣ１を通る冷媒ガスにより冷却される。第１膨張空間２６と第２ディスプレーサ１４の高温端とは、コネクタ１６周りの連通路で連通されている。この連通路を介して第１膨張空間２６から第２ディスプレーサ１４に冷媒ガスが流通する。
【００２３】
第２ディスプレーサ１４は円筒状の外周面を有しており、第２ディスプレーサ１４の内部は、上端の整流器２９、下端の整流器３０、上下中間に位置する仕切り材３１を挟んで軸方向に二段に分かれている。第２ディスプレーサ１４の内部容積のうち、仕切り材３１よりも高温（上段）側の高温側領域３２には、例えば鉛やビスマスなどの非磁性材の第２蓄冷材が充填される。仕切り材３１の低温（下段）側の低温側領域３３には、高温側領域３２とは異なる蓄冷材、例えばＨｏＣｕ２などの磁性材の第３蓄冷材が充填される。鉛やビスマス、ＨｏＣｕ２等は球状に形成されており、複数の球状の形成物が集まって蓄冷材が構成されている。仕切り材３１は、高温側領域３２の蓄冷材と低温側領域３３の蓄冷材とが混合するのを防止する。この第２ディスプレーサ１４の内部容積である高温側領域３２と低温側領域３３とが第２蓄冷器３４として機能する。
【００２４】
高温側領域３２には、冷媒ガスを通過させない挿入部材４２が収容される。この挿入部材４２の詳細は後述する。
【００２５】
第２膨張空間３５は、第２シリンダ１２と第２ディスプレーサ１４により形成される空間であり、第２ディスプレーサ１４の往復移動に伴い容積が変化する。第２ディスプレーサ１４の低温端には第３開口３６が形成されている。この第３開口３６は、第２クリアランスＣ２を介して第２膨張空間３５に冷媒ガスを流通させる。第２クリアランスＣ２は、第２シリンダ１２の低温端と第２ディスプレーサ１４とにより形成される。
【００２６】
第２シリンダ１２の外周の第２膨張空間３５に対応する位置には、冷却対象物に熱的に接続された第２冷却ステージ３７が配置されている。第２冷却ステージ３７は、第２クリアランスＣ２を通る冷媒ガスにより冷却される。
【００２７】
第１ディスプレーサ１３および第２ディスプレーサ１４は、それぞれ低温端に蓋部３８および蓋部３９を備える。蓋部３８および蓋部３９はそれぞれ、第１ディスプレーサ１３および第２ディスプレーサ１４との接合の観点から、二段状の円柱形状を有している。蓋部３８は圧入ピン４０により第１ディスプレーサ１３に固定される。同様に、蓋部３９は圧入ピン４１により第２ディスプレーサ１４に固定される。
【００２８】
次に、実施の形態に係る極低温冷凍機１００の動作を説明する。
【００２９】
冷媒ガス供給工程のある時点においては、第１ディスプレーサ１３および第２ディスプレーサ１４は、第１シリンダ１１および第２シリンダ１２の下死点に位置する。それと同時、またはわずかにずれたタイミングでサプライバルブ２３を開とすると、サプライバルブ２３を介して高圧の冷媒ガスが給排共通配管から第１シリンダ１１内に供給される。この結果、高圧の冷媒ガスは、第１ディスプレーサ１３の上部に位置する第１開口２２から第１ディスプレーサ１３の内部の第１蓄冷器１８に流入する。第１蓄冷器１８に流入した高圧の冷媒ガスは、第１蓄冷材により冷却されながら第１ディスプレーサ１３の下部に位置する第２開口２７および第１クリアランスＣ１を介して、第１膨張空間２６に供給される。
【００３０】
第１膨張空間２６に供給された高圧の冷媒ガスは、コネクタ１６周りの連通路を介して、第２ディスプレーサ１４の内部の第２蓄冷器３４に流入する。第２蓄冷器３４に流入した高圧の冷媒ガスは、第２蓄冷材により冷却されながら第２ディスプレーサ１４の下部に位置する第３開口３６および第２クリアランスを介して、第２膨張空間３５に供給される。
【００３１】
このようにして、第１膨張空間２６および第２膨張空間３５は、高圧の冷媒ガスで満たされ、サプライバルブ２３は閉とされる。このとき、第１ディスプレーサ１３および第２ディスプレーサ１４は、第１シリンダ１１および第２シリンダ１２内の上死点に位置する。それと同時、またはわずかにずれたタイミングでリターンバルブ２４を開とすると、第１膨張空間２６、第２膨張空間３５内の冷媒ガスは減圧され膨張する。膨張により低温になった第１膨張空間２６の冷媒ガスは、第１クリアランスＣ１を介して第１冷却ステージ２８の熱を吸収する。同様に、第２膨張空間３５の冷媒ガスは、第２クリアランスＣ２を介して第２冷却ステージ３７の熱を吸収する。
【００３２】
第１ディスプレーサ１３および第２ディスプレーサ１４は下死点に向けて移動し、第１膨張空間２６および第２膨張空間３５の容積は減少する。第２膨張空間３５内の冷媒ガスは、第２クリアランスＣ２、第３開口３６、第２蓄冷器３４、および連通路を介して第１膨張空間２６に戻される。さらに、第１膨張空間２６内の冷媒ガスは、第２開口２７、第１蓄冷器１８、および第１開口２２を介して、圧縮機１の吸入側に戻される。その際、第１蓄冷材および第２蓄冷材は、冷媒ガスにより冷却される。この工程を１サイクルとし、極低温冷凍機１００はこの冷却サイクルを繰り返すことで、第１冷却ステージ２８および第２冷却ステージ３７を冷却する。
【００３３】
以上のように、極低温冷凍機１００における冷却サイクルは、冷媒ガスが第２蓄冷器３４へ流入と流出を繰り返して圧力変動する動作を含む。以下、冷媒ガスとしてヘリウムガスを用いる場合について、第２蓄冷器３４に存在するヘリウムガスの温度プロファイル、および質量変化について説明する。
【００３４】
図３は、２．２ＭＰａのヘリウムガスと０．８ＭＰａのヘリウムガスとの、それぞれの密度の温度変化、および両者の密度差の温度変化を示す図である。図３に示すように、２．２ＭＰａのヘリウムガスと０．８ＭＰａのヘリウムガスとの密度差は、温度がおよそ９Ｋのとき最大となる。ヘリウムガスの温度が９Ｋよりも低い場合は、２．２ＭＰａのヘリウムガスと０．８ＭＰａのヘリウムガスとの密度差は温度に対して単調増加し、ヘリウムガスの温度が９Ｋよりも高い場合は、密度差は温度に対して単調減少する。
【００３５】
ここで、第２蓄冷器３４に存在するヘリウムガスの質量をＭとする。また、第２蓄冷器３４の高温端、すなわち上端の整流器２９に流入するヘリウムガスの単位時間あたりの質量をｍｉｎとし、下端の整流器３０から流出するヘリウムガスの単位時間あたりの質量をｍｏｕｔとする。もし、第２蓄冷器３４にヘリウムガスが流入すれば、第２蓄冷器３４に存在するヘリウムガスの質量Ｍは増加する。一方、第２蓄冷器３４からヘリウムガスが流出すれば、第２蓄冷器３４に存在するヘリウムガスの質量Ｍは減少する。したがって、上端の整流器２９に流入するヘリウムガスの単位時間あたりの質量をｍｉｎは、第２蓄冷器３４に存在するヘリウムガスの質量Ｍの単位時間あたりの変化量ｄＭ／ｄｔと下端の整流器３０から流出するヘリウムガスの単位時間あたりの質量をｍｏｕｔとの和となる。以上より、以下の関係式（１）を得る。
ｍｉｎ＝ｄＭ／ｄｔ＋ｍｏｕｔ    （１）
【００３６】
上述したように、第２蓄冷器３４は第２ディスプレーサ１４の内部であり、第２ディスプレーサ１４は、例えば鉛、ビスマスなどの球状の第２蓄冷材をフェルトおよび金網により軸方向に挟持することにより構成される。したがって、第２蓄冷器３４の容積は一定と見なすことができるので、その値をＶとする。また、第２蓄冷器３４中のヘリウムガスの平均密度をρとすると、第２蓄冷器３４に存在する冷媒ガスの質量Ｍは、以下の式（２）で表せる。
Ｍ＝Ｖρ    （２）
【００３７】
式（１）に式（２）を代入すると、以下の式（３）を得る。
ｍｉｎ＝Ｖｄρ／ｄｔ＋ｍｏｕｔ    （３）
ここで、ｄρ／ｄｔは、ヘリウムガスの密度ρの時間微分を表す。
【００３８】
式（３）において、第２蓄冷器３４に流入したヘリウムガスの密度が時間によって変化しない（ｄρ／ｄｔ＝０）と仮定すると、ｍｉｎ＝ｍｏｕｔとなる。これは、ヘリウムガスが第２蓄冷器３４に流入した分だけ、第２蓄冷器３４から流出することを意味する。すなわち、第２蓄冷器３４に存在するヘリウムガスの質量Ｍは変化しないことを意味する。しかしながら、実際の系では、サプライバルブ２３が開にされると、サプライバルブ２３を介して高圧のヘリウムガスが供給される。この結果、第２蓄冷器３４にも高圧のヘリウムガスが流入し、第２蓄冷器３４に充填されている低圧のヘリウムガスは昇圧され、高圧のヘリウムガスとなる。
【００３９】
図３に示すように、高圧のヘリウムガスと低圧のヘリウムガスとは、その密度に差がある。したがって、第２蓄冷器３４に高圧のヘリウムガスが流入し、その中の低圧のヘリウムガスが昇圧されて高圧のヘリウムガスとなると、式（３）における右辺は正の値となる。より具体的には、式（３）における右辺は、図３において実線で示す密度差となる。以上より、以下の不等式（４）を得る。
Ｖｄρ／ｄｔ＝ｍｉｎ−ｍｏｕｔ＞０    （４）
【００４０】
上述したとおり、第２蓄冷器３４に流入した高圧のヘリウムガスは、第２蓄冷材により冷却されながら第２ディスプレーサ１４の下部に位置する第３開口３６および第２クリアランスを介して、第２膨張空間３５に供給される。しかしながら、上記不等式（４）は、第２蓄冷器３４から第２膨張空間３５に流出するヘリウムガスの質量は、第２蓄冷器に流入するヘリウムガスの質量よりも小さいことを示している。これは、第２蓄冷器３４がいわばヘリウムガスのバッファのような作用を示すことを意味する。第２蓄冷器３４から第２膨張空間３５に流出するヘリウムガスが減少する結果、第２膨張空間３５の圧力も小さくなる。
【００４１】
リターンバルブ２４が開とされると、第２蓄冷器３４内の高圧のヘリウムガスは減圧され、低圧のヘリウムガスとなる。このとき、式（３）における右辺は図３において実線で示す密度差を絶対値とする負の値となる。したがって、以下の不等式（５）を得る。
Ｖｄρ／ｄｔ＝ｍｉｎ−ｍｏｕｔ＜０    （５）
【００４２】
これは、第２膨張空間３５から第２蓄冷器３４に流入するヘリウムガスの質量よりも、第２蓄冷器３４から流出するヘリウムガスの質量の方が大きいことを示している。これは、減圧されて密度が小さくなった第２蓄冷器３４内のヘリウムガスが、第２蓄冷器３４から第１膨張空間２６に流出することを意味している。
【００４３】
ここで、圧縮機１が回収するヘリウムガスの量は一定である。このため、第２蓄冷器３４内のヘリウムガスが第２蓄冷器３４から流出する分、第２膨張空間３５で膨張したヘリウムガスの回収が減少することになる。この結果、第２膨張空間３５で膨張し、第２クリアランスＣ２を通るヘリウムガスが減少するため、第２冷却ステージ３７の冷却効率が低下する。
【００４４】
図４は、実施の形態に係る第２蓄冷器３４の温度プロファイルの一例を示す図であり、第２蓄冷器３４の高温端から低温端に至るまでの距離を１とした場合における第２蓄冷器３４の温度プロファイルを示すグラフである。
【００４５】
図４に示すように、２段式冷凍機の第２蓄冷器３４では、高温端から低温端に向けての温度プロファイルは、高温端からの距離に反比例するような形となり、双曲線のような形となる。図４において温度勾配が最も大きくなるのは、第２蓄冷器３４の高温側領域３２に存在する。高温側領域３２は、極低温冷凍機１００が動作中において９Ｋ程度の温度となる領域を含む。この温度は、図３においてヘリウムガスの密度差が最大となる温度と一致する。
【００４６】
以上を踏まえ、実施の形態に係る第２蓄冷器３４は、第２蓄冷器３４の高温側領域３２に、ヘリウムガスの流通を阻害する挿入部材４２を収容する。挿入部材４２は、第２蓄冷器３４と同軸になるように、仕切り材３１に固定されて配置される。
【００４７】
第２蓄冷器３４の高温側領域３２に挿入部材４２を収容すると、第２蓄冷器３４のうちヘリウムガスが存在できる領域は、挿入部材４２の体積Ｖ１だけ小さくなる。ヘリウムガスは挿入部材４２を通り抜けることができないので、第２蓄冷器３４の体積Ｖは、実質的には第２蓄冷器３４の体積Ｖから挿入部材４２の体積Ｖ１を引いた残りの体積をＶ２（＝Ｖ−Ｖ１）となる。このとき上記式（３）は以下の式（６）となる。
ｍｉｎ＝Ｖ２ｄρ／ｄｔ＋ｍｏｕｔ    （６）
ただし、
Ｖ２＜Ｖ    （７）
である。
【００４８】
第１膨張空間２６から整流器２９を介して第２蓄冷器３４に流入するヘリウムガスの単位時間あたりの質量をｍｉｎが一定であると仮定すると、式（６）および式（７）より、整流器３０から第２膨張空間３５に流出するヘリウムガスの単位時間あたりの質量をｍｏｕｔが増加する。しかしながら、実際の系では、第１膨張空間２６から第２蓄冷器３４に流入するヘリウムガスの単位時間あたりの質量をｍｉｎは少なくなる。第２蓄冷器３４の高温側領域３２に挿入部材４２を収容した場合に第１膨張空間２６から第２蓄冷器３４に流入するヘリウムガスの単位時間あたりの質量をｍ’ｉｎとすると、上記式（６）は以下の式（８）となる。
ｍ’ｉｎ＝Ｖ２ｄρ／ｄｔ＋ｍｏｕｔ    （８）
ただし、
ｍ’ｉｎ＜ｍｉｎ    （９）
である。
【００４９】
第１膨張空間２６から第２蓄冷器３４に流入するヘリウムガスが減少する分だけ、ヘリウムガスは第１膨張空間２６にとどまる。第１膨張空間２６にとどまるヘリウムガスは、第１膨張空間２６で膨張して寒冷の発生に寄与する。このため、第１冷却ステージ２８の温度をより低下することができる。
【００５０】
式（８）および式（９）より、式（８）の左辺ｍ’ｉｎが式（３）の左辺ｍｉｎより小さくなると、式（８）の右辺Ｖ２ｄρ／ｄｔ＋ｍｏｕｔも、式（３）の右辺Ｖｄρ／ｄｔ＋ｍｏｕｔよりも小さくなる。一方で、式（７）よりＶ２＜Ｖであるから、式（８）の右辺第１項Ｖ２ｄρ／ｄｔは、式（３）の右辺第１項Ｖｄρ／ｄｔよりも小さくなる。したがって、式（８）の右辺第２項ｍｏｕｔが減少することを抑制することができる。
【００５１】
以上より、第２蓄冷器３４の高温側領域３２に挿入部材４２を収容することの定性的な利点は、以下の３つにまとめることができる。
１．挿入部材４２の体積分だけ第１膨張空間２６から第２蓄冷器３４に流入するヘリウムガスが減少し、第１膨張空間２６で膨張するヘリウムガスが増加する。増加したヘリウムガスは第１膨張空間２６において膨張して寒冷を発生するので、第１冷却ステージ２８の温度の低下に寄与する。
２．極低温冷凍機１００が動作中において、第２蓄冷器３４の高温側領域３２の温度は、高圧のヘリウムガスと低圧のヘリウムガスとの密度差が大きくなる温度範囲となる。挿入部材４２の体積分だけ、上述したヘリウムガスがバッファのようにふるまう領域の体積が減少することになり、第２蓄冷器３４と第２膨張空間３５との間を移動するヘリウムガスの流量が増加する。
３．挿入部材４２の体積分だけ、第２蓄冷器３４の高温側領域３２に収容する蓄冷材が減少する。
【００５２】
以上、第２蓄冷器３４の高温側領域３２に挿入部材４２を収容することの定性的な効果を説明した。次に、第２蓄冷器３４の高温側領域３２に挿入する挿入部材４２の具体的な大きさについて説明する。
【００５３】
図５（ａ）−（ｂ）は、挿入部材４２の大きさと、そのときの第１冷却ステージ２８の温度および第２冷却ステージ３７の温度との関係を示す図である。より具体的に、図５（ａ）は、挿入部材４２がフッ化炭素樹脂の場合における各冷却ステージの温度変化を示すグラフであり、図５（ｂ）は挿入部材４２がステンレスの場合における各冷却ステージの温度変化を示すグラフである。
【００５４】
上述したように、第２蓄冷器３４は第２ディスプレーサ１４の内部容積であり、円柱形状をしている。また挿入部材４２の形状は、例えば円柱または角柱である。挿入部材４２は、第２蓄冷器３４の高温側領域３２に、第２蓄冷器３４と同軸になるように配置されるので、第２蓄冷器３４の軸に垂直な平面で切った場合の挿入部材４２の断面積は、その軸上の位置によらず一定である。
【００５５】
いま、第２蓄冷器３４の軸に垂直な平面で切った場合の第２蓄冷器３４の断面積をＳ１とし、その平面における挿入部材４２の断面積をＳ２とする。図５（ａ）−（ｂ）のグラフにおける横軸は、第２蓄冷器３４の断面積Ｓ１に対する、第２蓄冷器３４の断面積Ｓ１と挿入部材４２の断面積Ｓ２との差Ｓ１−Ｓ２の比である。すなわち、挿入部材４２の断面積Ｓ２が大きくなるほど、第２蓄冷器３４の断面積Ｓ１と挿入部材４２の断面積Ｓ２との差Ｓ１−Ｓ２は小さくなる。以下、第２蓄冷器３４の断面積Ｓ１に対する、第２蓄冷器３４の断面積Ｓ１と挿入部材４２の断面積Ｓ２との差Ｓ１−Ｓ２の比を、単に「断面積比」と記載することがある。また、図５（ａ）−（ｂ）のグラフの縦軸において、「１段温度」は、第１冷却ステージ２８の温度を表し、「２段温度」は、第２冷却ステージ３７の温度を表す。
【００５６】
図５（ａ）に示すように、第２蓄冷器３４の高温側領域３２に挿入部材４２を挿入しない場合、すなわち、断面積比が１．０の場合、１段温度はおよそ３６．２Ｋであり、２段温度はおよそ３．８２Ｋである。挿入部材４２の断面積をＳ２が第２蓄冷器３４の断面積Ｓ１のおよそ５％のとき、すなわち、断面積比がおよそ０．９５のとき、１段温度はおよそ３４．６Ｋとなり、２段温度はおよそ３．８３Ｋとなる。
【００５７】
挿入部材４２の断面積Ｓ２をさらに大きくし、挿入部材４２の断面積Ｓ２を第２蓄冷器３４の断面積Ｓ１のおよそ１０％としたとき、１段温度はおよそ３５．８Ｋとなり、２段温度はおよそ３．８５Ｋとなる。挿入部材４２の断面積をＳ２をさらに上昇させると、１段温度と２段温度とはともに上昇する。挿入部材４２の断面積をＳ２が第２蓄冷器３４の断面積Ｓ１のおよそ２５％のとき、１段温度と２段温度とはともに挿入部材４２を挿入しない場合と同程度となる。
【００５８】
図５（ｂ）に示すように、挿入部材４２がステンレスの場合も、挿入部材４２の断面積をＳ２が第２蓄冷器３４の断面積Ｓ１のおよそ５％のとき、２段温度を維持しつつ１段温度が最も低くなる。挿入部材４２の断面積をＳ２が第２蓄冷器３４の断面積Ｓ１のおよそ２５％のとき、１段温度は挿入部材４２を挿入しない場合と同程度となる。
【００５９】
このように、第２蓄冷器３４の高温側領域３２に収容された挿入部材４２の断面積Ｓ２が、第２蓄冷器３４の断面積Ｓ１の２５％以下であれば、１段温度を維持しつつ、高温側領域３２に収容する蓄冷材を少なくすることができる。特に、挿入部材４２がフッ化炭素樹脂の場合には、挿入部材４２の断面積Ｓ２が第２蓄冷器３４の断面積Ｓ１の２５％以下のとき、挿入部材４２を挿入しない場合の１段温度と２段温度と同等かそれ以下となる。挿入部材４２の断面積Ｓ２は第２蓄冷器３４の断面積Ｓ１の５％のときは、１段温度が最も向上する。したがって、挿入部材４２の断面積Ｓ２は、第２蓄冷器３４の断面積Ｓ１の５％程度とすることが好ましい。
【００６０】
ところで、図２に示す例では、第２蓄冷器３４の高温側領域３２に挿入された挿入部材４２は、上端の整流器２９と熱的に接触している。上端の整流器２９の温度は第１膨張空間２６の温度と同等であり、図４に示すように第２蓄冷器３４の温度プロファイルにおける最高温度に近い温度である。したがって、仮に挿入部材４２が、例えば銅等の熱を伝導しやすい素材である場合、第２蓄冷器３４の内部温度が上昇する。この場合、１段温度や２段温度の上昇を招いてしまうかもしれない。
【００６１】
図６は、第２蓄冷器３４の高温側領域３２に、上端の整流器２９と熱的に接触するように銅製の部材を挿入した場合における冷却ステージの温度変化を示す図である。図６に示すように、直径２ｍｍの銅製の部材を挿入した場合、１段温度と２段温度とはともに上昇する。ここで、直径２ｍｍの銅製の部材の断面積は、第２蓄冷器３４の断面積Ｓ１の１％未満である。
【００６２】
図７は、４０Ｋにおける銅、ステンレス、およびフッ化炭素樹脂の熱伝導率［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］を示す図である。図４に示すように、極低温冷凍機１００が動作中においては上端の整流器２９はおよそ４０Ｋとなる。したがって、図７は、極低温冷凍機１００が動作中において第２蓄冷器３４の高温側領域３２に銅、ステンレス、およびフッ化炭素樹脂を挿入した場合における各部材の熱伝導率を表す。図７に示すように、４０Ｋにおける銅の熱伝導率は１８５０［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］である。これは４０Ｋにおけるステンレスの熱伝導率である５［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］に対して３桁大きく、またフッ化炭素樹脂の熱伝導率である０．２［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］に対して４桁大きい。
【００６３】
上述した第２蓄冷器３４の高温側領域３２に挿入部材４２を収容することの定性的な利点は、挿入部材４２の素材の種類によらず生じる。しかしながら、挿入部材４２の熱伝導率が大きい場合には、第２蓄冷器３４の内部に伝達した上端の整流器２９の熱が上記利点を打ち消してしまう。この結果、１段温度や２段温度はむしろ上昇する。これは４０Ｋにおける銅の熱伝導率はステンレスやフッ化炭素樹脂の熱伝導率と比較して桁違いで大きいので、第２蓄冷器３４の高温側領域３２に挿入した銅製の部材の断面積Ｓ１の１％未満であっても、１段温度や２段温度は上昇してしまうからである。
【００６４】
以上より、挿入部材４２の熱伝導率は、極低温冷凍機１００が動作中の温度において、ステンレスやフッ化炭素樹脂の熱伝導率と同程度、具体的には１０［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］以下であることが好ましい。挿入部材４２の熱伝導率がステンレスやフッ化炭素樹脂の熱伝導率と同程度であれば、第２蓄冷器３４の高温側領域３２に挿入部材４２を収容することで、上述した一定の効果が生じる。したがって、例えば挿入部材４２の断面積Ｓ２は、第２蓄冷器３４の断面積Ｓ１の１％以上２５％以下であればよく、より好ましくは、１％以上１５％以下であればよく、さらに好ましくは、１％以上１０％以下であればよい。
【００６５】
以上説明したように、本発明の実施の形態に係る極低温冷凍機１００によれば、極低温冷凍機１００の効率を高めることができる。
【００６６】
特に、第２蓄冷器３４の高温側領域３２に挿入した挿入部材４２の体積分だけ、第１膨張空間２６から第２蓄冷器３４に流入するヘリウムが減少する。このため、第１膨張空間２６で膨張するヘリウムガスが増加する。結果として第１膨張空間２６でより多くの寒冷が発生し、第１冷却ステージ２８の温度を低下することができる。また、第２蓄冷器３４の高温側領域３２に挿入した挿入部材４２の体積分だけ、ヘリウムガスの密度差が大きくなる温度に存在するヘリウムガスが減少する。この結果、第２蓄冷器３４と第２膨張空間３５との間を移動するヘリウムガスの流量を増加することができる。さらに、第２蓄冷器３４の高温側領域３２に挿入した挿入部材４２の体積分だけ、第２蓄冷器３４の高温側領域３２に収容する蓄冷材を減少することができる。この結果、極低温冷凍機１００の製造コストを下げることができる。
【００６７】
以上本発明の好ましい実施例について詳細に説明したが、本発明は上述した実施例に制限されることなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施例に種々の変形および置換を加えることができる。
【００６８】
上記では、第２蓄冷器３４の高温側領域３２に熱伝導率が小さな部材からなる挿入部材４２を挿入し、第２蓄冷器３４の高温側領域３２の実質的な体積を減少させる場合につて説明した。しかしながら、第２蓄冷器３４の高温側領域３２の体積を減少させる方法は挿入部材４２を挿入する場合に限られない。それに変えて、あるいはそれに加えて、第２ディスプレーサ１４の高温側領域３２に対応する部分の体積を小さくしてもよい。
【００６９】
図８は、実施の形態の変形例に係る極低温冷凍機１００が備える膨張機１０の内部構成を模式的に示す図である。図８において、上述した実施の形態に係る極低温冷凍機１００と同一部材については同一の符号を付している。以下、変形例に係る極低温冷凍機１００において、実施の形態の変形例に係る極低温冷凍機１００と重複する部分については、適宜省略または簡略化して説明する。
【００７０】
図８に示すように、変形例に係る極低温冷凍機１００においては、第２蓄冷器３４の高温側領域３２に挿入部材４２が収容されていない。その代わり、変形例に係る第２ディスプレーサ１４は、高温側領域３２に対応する部分が、図２に示す実施の形態に係る第２ディスプレーサ１４と比較して肉厚の容器となっている。このため、変形例に係る第２蓄冷器３４の高温側領域３２の断面積は、低温側領域３３の断面積と比較して小さくなっている。ここで「高温側領域３２の断面積」は、第２蓄冷器３４の軸に垂直は平面で切った場合における高温側領域３２の断面積である。「低温側領域３３の断面積」も同様である。
【００７１】
より具体的には、高温側領域３２の断面積は、低温側領域３３の断面積の７５％〜９９％とすることが好ましい。また上述したように、第２ディスプレーサ１４の外周部はステンレス鋼などの金属製の筒である。したがって、高温側領域３２の壁部の熱伝導率は、極低温冷凍機１００が動作中の温度であるおよそ４０Ｋにおいて、１０［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］以下となる。
【００７２】
以上のように構成することにより、変形例に係る極低温冷凍機１００によれば、第２蓄冷器３４の高温側領域３２の体積が小さくなるため、第１膨張空間２６から第２蓄冷器３４に流入するヘリウムガスが減少する。これにより、第１膨張空間２６で膨張するヘリウムガスが増加する。結果として第１膨張空間２６でより多くの寒冷が発生し、第１冷却ステージ２８の温度を低下することができる。また、第２蓄冷器３４の高温側領域３２体積が小さくなるため、ヘリウムガスの密度差が大きくなる温度に存在するヘリウムガスが減少する。この結果、第２蓄冷器３４と第２膨張空間３５との間を移動するヘリウムガスの流量を増加することができる。さらに、第２蓄冷器３４の高温側領域３２体積が小さくなるため、第２蓄冷器３４の高温側領域３２に収容する蓄冷材を減少することができる。
【００７３】
なお、図８は、高温側領域３２の全ての部分における断面積が低温側領域３３の断面積よりも小さい場合を図示している。高温側領域３２の全ての部分における断面積が低温側領域３３の断面積よりも小さくなくてもよく、高温側領域３２の少なくとも一部の領域において、断面積が低温側領域３３の断面積よりも小さくなればよい。
【００７４】
また、図８は、高温側領域３２の全ての部分における断面積が一定である場合を図示しているが、この断面積は必ずしも一定でなくてもよい。例えば、高温側領域３２の上端側（高温側）から下端側（低温側）に至るまで連続的に断面積が大きくなるようにしてもよい。
【００７５】
上記では、極低温冷凍機１００においては段数が二段である場合を説明したが、この段数は三段以上に適宜選択することが可能である。また、実施の形態では、極低温冷凍機がディスプレーサ式のＧＭ冷凍機である例について説明したが、これに限られない。例えば、本発明は、パルスチューブ冷凍機、スターリング冷凍機、ソルベイ冷凍機などにも適用することができる。
【００７６】
上記は、挿入部材４２の形状が円柱または角柱の場合につて説明した。挿入部材４２の形状は円柱または角柱に限られず、例えば円錐や角錐であってもよい。
【００７７】
上記は、挿入部材４２が上端の整流器２９と熱的に接触する場合について説明したが、挿入部材４２は整流器２９と熱的に接触しなくてもよい。この場合、挿入部材４２を介して第２蓄冷器３４の内部に整流器２９の熱が進入することをさらに抑制できる。
【符号の説明】
【００７８】
１  圧縮機、  Ｃ１  第１クリアランス、  Ｃ２  第２クリアランス、  ７  配管、  ７ａ  低圧配管、  ７ｂ  高圧配管、  ８  電源ケーブル、  ９  冷却水配管接続部、  １０  膨張機、  １１  第１シリンダ、  １２  第２シリンダ、  １３  第１ディスプレーサ、  １４  第２ディスプレーサ、  １５  ピン、  １６  コネクタ、  １７  ピン、  １８  第１蓄冷器、  １９，２０  整流器、  ２１  室温室、  ２２  第１開口、  ２３  サプライバルブ、  ２４  リターンバルブ、  ２５  シール、  ２６  第１膨張空間、  ２７  第２開口、  ２８  第１冷却ステージ、  ２９，３０  整流器、  ３１  仕切り材、  ３２  高温側領域、  ３３  低温側領域、  ３４  第２蓄冷器、  ３５  第２膨張空間、  ３６  第３開口、  ３７  第２冷却ステージ、  ３８，３９  蓋部、  ４０，４１  圧入ピン、  ４２  挿入部材、  １００  極低温冷凍機。
【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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