(57)【要約】【課題】極低温冷凍機が発生する寒冷の平均温度を維持しつつ、温度振幅を低減する技術を提供する。【解決手段】極低温冷凍機において、第２ディスプレーサ３は、低温端と高温端とを有する。第２シリンダ８は、第２ディスプレーサ３を長手方向に往復移動自在に収容するとともに第２ディスプレーサ３の低温端との間に冷媒ガスの膨張空間である第２膨張空間２６を形成する。ダンパ部３５は、第２膨張空間２６に隣接して配置され、第２膨張空間２６と連通する。ダンパ部３５の体積は、第２膨張空間２６の体積の３０％以下である。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
低温端と高温端とを有するディスプレーサと、
前記ディスプレーサを長手方向に往復移動自在に収容するとともに前記ディスプレーサの低温端との間に冷媒ガスの膨張空間を形成するシリンダと、
前記膨張空間に隣接して配置され、前記膨張空間と連通するダンパ部とを備え、
前記ダンパ部の体積は、前記膨張空間の体積の３０％以下であることを特徴とする極低温冷凍機。
【請求項２】
前記ダンパ部は、前記ディスプレーサに備えられてい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】
前記ディスプレーサは低温端に蓋部を備え、
前記ダンパ部は、一端が開放され他端が閉じられた短筒形状を有し、一端が前記膨張空間と隣接する方に向けられており、他端が前記蓋部によって閉じ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】
前記ダンパ部は、前記シリンダに設けられてい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】
前記シリンダは底部および外周において前記膨張空間に対応する位置に、前記シリンダの長軸に対して垂直な方向に張り出した突出部を有するフランジ形状の冷却ステージを備え、
前記ダンパ部は、前記冷却ステージの突出部内に設けられていることを特徴とする請求項４に記載の極低温冷凍機。
【請求項６】
前記極低温冷凍機は、複数のディスプレーサを備える多段式の極低温冷凍機であり、
前記ダンパ部は、最も低温側のディスプレーサとシリンダとの間に形成される膨張空間に隣接して配置されていることを特徴とする請求項１から５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、圧縮装置から供給される高圧の冷媒ガスをサイモン膨張させることにより発生した寒冷を利用して冷却対象を冷却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。なお、冷媒ガスとしては、例えばヘリウムガスが用いられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【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】
【０００４】
これらの極低温冷凍機は、例えば医療分野等において診断画像を生成するのに用いるＭＲＩ(核磁気共鳴：Magnetic Resonance Imaging）やＮＭＲ(核磁気共鳴：Nuclear Magnetic Resonance)中の超電導磁石の冷却装置として用いられる。その他、ＳＱＵＩＤ（Superconducting Quantum Interference Device）素子や赤外センサ等の冷却にも利用される。このため、極低温冷凍機が発生する寒冷に温度的な揺らぎが生じると、温度の不安定さに起因する診断機器やセンサの性能低下やノイズ増加の要因となり得る。また当然ながら、診断機器やセンサの性能を維持するためには、極低温冷凍機が発生する寒冷の平均温度も低い状態で維持すべきである。
【０００５】
本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、極低温冷凍機が発生する寒冷の平均温度を維持しつつ、温度振幅を低減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】
上記課題を解決するために、本発明のある態様の極低温冷凍機は、低温端と高温端とを有するディスプレーサと、ディスプレーサを長手方向に往復移動自在に収容するとともにディスプレーサの低温端との間に冷媒ガスの膨張空間を形成するシリンダと、膨張空間に隣接して配置され、膨張空間と連通するダンパ部とを備える。ダンパ部の体積は、膨張空間の体積の３０％以下である。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、極低温冷凍機が発生する寒冷の平均温度を維持しつつ、温度振幅を低減する技術を提供することができる。
【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一例を模式的に示す図である。
【図２】ヘリウムおよび種々の金属材料の、極低温領域における比熱の温度変化を示す図である。
【図３】図３（ａ）−（ｃ）は、実施の形態に係るダンパ部を示す図である。
【図４】ダンパ部の体積に対する、第２冷却ステージの平均温度および温度振動幅を測定した実験結果を表形式で示す図である。
【図５】第２冷却ステージの温度の時間変化を示す図である。
【図６】パルスチューブ型の極低温冷凍機を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
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。
【００１０】
まず、図１を参照して、実施の形態に係る極低温冷凍機１の概要を説明する。図１は、実施の形態に係る極低温冷凍機１の一実施形態について示す模式図である。実施の形態に係る極低温冷凍機１は、例えば冷媒ガスとしてヘリウムガスを用いるギフォードマクマホン（ＧＭ）タイプの極低温冷凍機である。図１に示すように、極低温冷凍機１は、第１ディスプレーサ２と、第１ディスプレーサ２に長手方向に連結される第２ディスプレーサ３を備える。第１ディスプレーサ２と第２ディスプレーサ３とは、例えば、ピン４、コネクタ５、ピン６を介して接続される。
【００１１】
第１シリンダ７と第２シリンダ８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７の低温端と第２シリンダ８の高温端とが第１シリンダ７の底部にて接続されている。第２シリンダ８は第１シリンダ７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７よりも小径の円筒部材である。第１シリンダ７は第１ディスプレーサ２を長手方向に往復移動可能に収容する容器である。また第２シリンダ８は第２ディスプレーサ３を長手方向に往復移動可能に収容する容器である。
【００１２】
第１シリンダ７、第２シリンダ８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。第２ディスプレーサ３の外周部は、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３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。
【００１３】
第１シリンダ７の高温端には、第１ディスプレーサ２および第２ディスプレーサ３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ディスプレーサ２、第２ディスプレーサ３は、それぞれ第１シリンダ７、第２シリンダ８にそって往復移動する。第１ディスプレーサ２および第２ディスプレーサ３は、それぞれ高温端と低温端とを備える。
【００１４】
第１ディスプレーサ２は円筒状の外周面を有しており、第１ディスプレーサ２の内部には、第１蓄冷材が充填されている。第１ディスプレーサ２の内部容積は第１蓄冷器９として機能する。第１蓄冷器９の上部には整流器１０が、下部には整流器１１が設置される。第１ディスプレーサ２の高温端には、室温室１２から第１ディスプレーサ２に冷媒ガスを流通する第１開口１３が形成されている。
【００１５】
室温室１２は、第１シリンダ７と第１ディスプレーサ２の高温端により形成される空間である。室温室１２は、第１ディスプレーサ２の往復移動に伴い容積が変化する。室温室１２には、圧縮機１４、サプライバルブ１５、リターンバルブ１６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２の高温端よりの部分と第１シリンダ７との間にはシール１７が装着されている。
【００１６】
第１ディスプレーサ２の低温端には、第１膨張空間１８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１９が形成されている。第１膨張空間１８は、第１シリンダ７と第１ディスプレーサ２により形成される空間である。第１膨張空間１８は、第１ディスプレーサ２の往復移動に伴い容積が変化する。第１シリンダ７の外周のうち、第１膨張空間１８に対応する位置には、図示しない冷却対象に熱的に接続された第１冷却ステージ２０が配置されている。第１冷却ステージ２０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。
【００１７】
第２ディスプレーサ３は円筒状の外周面を有している。第２ディスプレーサ３の内部は、上端の整流器２１、下端の整流器２２、上下中間に位置する仕切り材２３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３の内部容積のうち、仕切り材２３よりも高温側の高温側領域２４には、例えば鉛やビスマスなどの非磁性材からなる第２蓄冷材が充填される。仕切り材２３の低温（下段）側の低温側領域２５には、高温側領域２４とは異なる蓄冷材、例えばＨｏＣｕ２などの磁性材からなる第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２３は、高温側領域２４の蓄冷材と低温側領域２５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３の内部容積である高温側領域２４と低温側領域２５とが第２蓄冷器３４として機能する。第１膨張空間１８と第２ディスプレーサ３の高温端とは、コネクタ５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１８から第２蓄冷器３４に冷媒ガスが流通する。
【００１８】
第２ディスプレーサ３の低温端には、第２膨張空間２６に第２クリアランスＣ２を介して冷媒ガスを流通させるための第３開口２７が形成されている。第２膨張空間２６は、第２シリンダ８と第２ディスプレーサ３により形成される空間である。第２膨張空間２６は、第２ディスプレーサ３の往復移動に伴い容積が変化する。第２クリアランスＣ２は、第２シリンダ８の低温端と第２ディスプレーサ３により形成される。
【００１９】
第２シリンダ８の外周の第２膨張空間２６に対応する位置には、冷却対象に熱的に接続された第２冷却ステージ２８が配置されている。第２冷却ステージ２８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。
【００２０】
第１ディスプレーサ２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樹脂等が用いられる。第１蓄冷材は例えば金網等により構成される。また、第２ディスプレーサ３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。なお、上述のように、第２ディスプレーサ３の内部容積を、仕切り材により複数の領域に分割してもよい。
【００２１】
第１ディスプレーサ２および第２ディスプレーサ３は、それぞれ低温端に蓋部２９および蓋部３０を備えてもよい。蓋部２９および蓋部３０は、ディスプレーサ本体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２９は圧入ピン３１により第１ディスプレーサ２に固定され、蓋部３０は圧入ピン３２により第２ディスプレーサ３に固定される。
【００２２】
次に、実施の形態に係る極低温冷凍機１の動作を説明する。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２および第２ディスプレーサ３は、第１シリンダ７および第２シリンダ８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１５を開とすると、サプライバルブ１５を介して高圧のヘリウムガス（例えば２．２ＭＰａのヘリウムガス）が給排共通配管から第１シリンダ７内に供給され、第１ディスプレーサ２の上部に位置する第１開口１３から第１ディスプレーサ２の内部の第１蓄冷器９に流入する。第１蓄冷器９に流入した高圧のヘリウムガスは、第１蓄冷材により冷却されながら第１ディスプレーサ２の下部に位置する第２開口１９および第１クリアランスＣ１を介して、第１膨張空間１８に供給される。
【００２３】
第１膨張空間１８に供給された高圧のヘリウムガスは、コネクタ５周りの連通路を介して、第２ディスプレーサ３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３の下部に位置する第３開口２７および第２クリアランスを介して、第２膨張空間２６に供給される。
【００２４】
このようにして、第１膨張空間１８および第２膨張空間２６は、高圧のヘリウムガスで満たされ、サプライバルブ１５は閉とされる。このとき、第１ディスプレーサ２および第２ディスプレーサ３は、第１シリンダ７および第２シリンダ８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１６を開とすると、第１膨張空間１８、第２膨張空間２６内の冷媒ガスは減圧され膨張し、低圧のヘリウムガス（例えば０．８ＭＰａのヘリウムガス）となる。このとき、冷媒ガスの膨張により、寒冷が発生する。膨張により低温になった第１膨張空間１８のヘリウムガスは第１クリアランスＣ１を介して第１冷却ステージ２０の熱を吸収する。また、第２膨張空間２６のヘリウムガスは第２クリアランスＣ２を介して第２冷却ステージ２８の熱を吸収する。
【００２５】
第１ディスプレーサ２および第２ディスプレーサ３は下死点に向けて移動し、第１膨張空間１８および第２膨張空間２６の容積は減少する。第２膨張空間２６内のヘリウムガスは、第２クリアランスＣ２、第３開口２７、第２蓄冷器３４、および連通路を介して第１膨張空間１８に戻される。さらに、第１膨張空間１８内のヘリウムガスは、第２開口１９、第１蓄冷器９、および第１開口１３を介して、圧縮機１４の吸入側に戻される。その際、第１蓄冷材、第２蓄冷材、および第３蓄冷材は、冷媒ガスにより冷却される。すなわち、第１蓄冷材、第２蓄冷材、および第３蓄冷材は、冷媒ガスの膨張により生じた寒冷を蓄積する。この工程を１サイクルとし、極低温冷凍機１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２０および第２冷却ステージ２８を冷却する。なお、極低温冷凍機１の冷却サイクルは、その周波数が数ヘルツから数十ヘルツ程度である。
【００２６】
以上、図１を参照して、実施の形態に係る極低温冷凍機１の概要を説明した。上記では、説明を簡略化するために、実施の形態に係る極低温冷凍機１が備えるダンパ部の説明を省略した。以下では、実施の形態に係る極低温冷凍機１が備えるダンパ部の詳細を説明する。
【００２７】
上述したように、極低温冷凍機１は、冷却サイクルを繰り返すことで、第１冷却ステージ２０および第２冷却ステージ２８を冷却する。このうち、第２冷却ステージ２８は、４Ｋ程度の極低温に到達する。そのため、極低温冷凍機１を超電導磁石や各種センサの冷却に使用する場合は、それらの冷却対象である電子デバイスを第２冷却ステージ２８に接触させる。
【００２８】
第２冷却ステージ２８は、極低温冷凍機１の冷却サイクルの中で、第２膨張空間２６において膨張する冷媒ガスが発生する寒冷によって冷却される。このため第２冷却ステージ２８の温度は、極低温冷凍機１の冷却サイクルに伴って周期的に変動する。結果として、第２冷却ステージ２８と熱的に接触する電子デバイスの温度も周期的に変動することになる。この温度の変動が、電子デバイスの性能低下の要因となり得る。
【００２９】
そのため実施の形態に係る極低温冷凍機１は、第２膨張空間２６に隣接して、第２膨張空間２６と連通するダンパ部を備える。ダンパ部は第２膨張空間２６と連通するため、第２膨張空間２６と冷媒ガスを共有することになる。このダンパ部に存在する冷媒ガスが、第２膨張空間２６内の冷媒ガスの温度変化を低減する、いわば熱的なバッファないし緩衝材として機能する。以下、ダンパ部の構成およびその作用について説明する。なお、極低温冷凍機１が３段以上のディスプレーサを持つ多段式の極低温冷凍機である場合には、最も低温側のディスプレーサとシリンダとの間に形成される膨張空間に隣接してダンパ部も設ければよい。
【００３０】
図２は、ヘリウムおよび種々の金属材料の、極低温領域における比熱の温度変化を示す図である。より具体的に、図２は、金属材料およびヘリウムの温度を横軸、金属材料の比熱を縦軸としてプロットしたグラフである。図２に示すように、２０Ｋ以下の極低温の温度領域においては、銅などの金属材の比熱は急激に減少する。一方で、このような温度領域においても、ヘリウムの比熱は金属材の比熱と比較して高い。
【００３１】
図３（ａ）−（ｃ）は、実施の形態に係るダンパ部３５を示す図であり、図１における第２シリンダ８およびその周辺を拡大した図である。図３（ａ）−（ｃ）に示すように、冷媒ガスであるヘリウムガスを格納するダンパ部３５を第２膨張空間２６と隣接して設けることにより、第２膨張空間２６の容積が増加する。ダンパ部３５にヘリウムガスが溜まることにより、第２膨張空間２６およびダンパ部を含む冷却部の熱容量が増加する。結果として第２冷却ステージ２８の温度振幅も低減する。
【００３２】
図３（ａ）は、第２ディスプレーサ３にダンパ部３５を設ける場合を示す図である。より具体的には、図３（ａ）において、ダンパ部３５は第２ディスプレーサ３の低温端に備えられている蓋部３０に設けられている。図３（ａ）に示すように、ダンパ部３５は、一端が開口され他端が閉じられている短筒形状を有する。ここでダンパ部３５の一端は第２膨張空間２６と隣接する方向に向けて開放されている。またダンパ部３５の他端は、第２ディスプレーサ３の蓋部３０によって閉じられている。なお、図１は、図３（ａ）に示すダンパ部３５を備える極低温冷凍機１を示している。
【００３３】
図３（ａ）に示すダンパ部３５は、第２ディスプレーサ３の往復移動に伴って往復移動する。第２ディスプレーサ３が下死点に位置するとき、第２膨張空間２６の体積はほぼ０となる。一方で、第２ディスプレーサ３が下死点に位置するときであっても、ダンパ部３５はヘリウムガスを溜めることができる。
【００３４】
図３（ａ）に示すように、ダンパ部３５の一端は第２膨張空間２６に向けて大きく開放されている。このため、第２膨張空間２６とダンパ部３５との間におけるヘリウムガスの流路抵抗は小さい。したがって、第２膨張空間２６とダンパ部３５との間でヘリウムガスは短時間で素早く流通することができる。ゆえに、第２膨張空間２６内のヘリウムガスと、ダンパ部３５内のヘリウムガスとは、温度差がきわめて小さい。このことも、第２冷却ステージ２８の温度変化を抑制することができることの理由である。
【００３５】
極低温冷凍機１は他の計測装置の一部として用いられることが多く、極低温冷凍機１の大きさ、特にその全長が大きくなることは好ましくない。図３（ａ）に示すように、ダンパ部３５を、従来から存在する第２ディスプレーサ３の低温端側の蓋部３０に設けることにより、ダンパ部３５を追加しても極低温冷凍機１の大きさは変わらないか、変わったとしてもその増加を小さくすることができる。
【００３６】
図３（ｂ）は、第２シリンダ８にダンパ部３５を設ける場合を示す図である。図３（ｂ）に示すように、第２シリンダ８の底部および外周には、第２膨張空間２６に対応する位置に、第２冷却ステージ２８が設けられている。第２冷却ステージ２８は、第２シリンダ８の長軸に対して垂直な方向に張り出した突出部３６を有するフランジ形状の部材である。図３（ｂ）に示すダンパ部３５は、第２冷却ステージ２８の突出部３６内に設けられている。
【００３７】
第２冷却ステージ２８は、例えば銅等の熱伝導率の高い金属で構成されている。図３（ａ）に示す第２冷却ステージ２８においては、第２シリンダ８の底部および外周に対応する箇所には金属が詰まっている。一方、図３（ｂ）に示す第２冷却ステージ２８は、第２シリンダ８の底部および外周に対応する箇所に空洞が設けられており、ヘリウムガスを溜めることができる。
【００３８】
図３（ｂ）において、符号３０’で示す破線は、第２ディスプレーサ３が下死点にあるときの、蓋部３０の位置を示している。図３（ｂ）に示すように、第２ディスプレーサ３が下死点にある場合でも、第２冷却ステージ２８の突出部３６内に設けられたダンパ部３５にヘリウムガスを溜めることができる。したがって図３（ｂ）に示すダンパ部３５は、断面がリング形状である中空の短筒形状である。このうち内径側の側面が第２膨張空間２６に向けて開放され、他の面は第２冷却ステージ２８の外周部によって閉じられた形状である。
【００３９】
図３（ａ）に示すダンパ部３５と同様に、図３（ｂ）に示すダンパ部３５も、従来から存在する第２冷却ステージ２８に設けることにより、ダンパ部３５を追加しても極低温冷凍機１の大きさは変わらない。仮にダンパ部３５を設けることで極低温冷凍機１の大きさが変わったとしても、その増加を小さくすることができる。
【００４０】
図３（ｃ）は、図３（ｂ）と同様に、第２シリンダ８にダンパ部３５を設ける場合を示す図である。図３（ｃ）に示す例において、第２冷却ステージ２８の形状は図３（ｂ）に示す例と同様である。すなわち、第２冷却ステージ２８は、第２シリンダ８の底部および外周に対応する箇所に空洞が設けられている。ここで図３（ｂ）に示す例と図３（ｃ）に示す例との相違は、第２ディスプレーサ３が下死点にあるときの蓋部３０の位置である。
【００４１】
図３（ｃ）に示す例も、符号３０’で示す破線は、第２ディスプレーサ３が下死点にあるときの蓋部３０の位置を示している。図３（ｃ）に示す例では、第２ディスプレーサ３は下死点にあっても、第２シリンダ８内部に設けられた空洞には到達しない。このため、図３（ｃ）に示す例では、第２冷却ステージ２８の突出部３６内の空間と、第２冷却ステージ２８における第２シリンダ８の底部に対応する位置に設けられた空間とを合わせた空間が、ダンパ部３５として機能する。
【００４２】
したがって、図３（ｃ）に示す例では、ダンパ部３５は短筒形状であり、第２膨張空間２６と接触する一端の一部に開口部が設けられる形状となる。その開口部は、第２膨張空間２６に向かって開放している。また、ダンパ部３５の他端は、第２冷却ステージ２８の外周部によって閉じられている。図３（ｃ）に示すダンパ部３５の作用効果は、上述した図３（ｂ）に示すダンパ部３５と同様である。なお、ダンパ部３５として、図３（ａ）に示す形状と、図３（ｂ）または図３（ｃ）に示す形状とを併用してもよい。
【００４３】
以上説明したように極低温冷凍機１にダンパ部３５を設けることにより、第２冷却ステージ２８における温度変化の振幅を小さくすることができる。ここで、ダンパ部３５が収容するヘリウムガスが多い方が、すなわちダンパ部３５の体積が大きい方が、第２冷却ステージ２８における温度変化の振幅をより小さくすることができる。
【００４４】
ここで、ダンパ部３５の体積を大きくすると、第２シリンダ８に多くのヘリウムガスが流入することになる。この結果、第１シリンダ７内のヘリウムガスは減少する。第１シリンダ７内のヘリウムガスが減少すると、第１シリンダ７におけるヘリウムガスの差圧が小さくなる。これは、第１膨張空間１８において発生する寒冷が小さくなることに帰着し、第１シリンダ７の低温端の温度上昇につながる。つまり、ダンパ部３５の体積を大きくすることによる影響は第２シリンダ８よりも第１シリンダ７の方が敏感であり、第２シリンダ８よりも先に第１シリンダ７に現れる。ダンパ部３５の体積を大きくすと、まず第１シリンダ７の低温端の温度が上昇する。
【００４５】
上述したとおり、第１シリンダ７の低温端と第２シリンダ８の高温端とが第１シリンダ７の底部にて接続されている。したがって、第１シリンダ７の低温端の温度上昇は第２シリンダ８の高温端の温度上昇を意味する。最終的に、第２シリンダ８の低温端の温度も上昇してしまう。
【００４６】
このため、仮に第２冷却ステージ２８における温度変化の振幅を小さくすることができたとしても、第２冷却ステージ２８の平均温度が上昇してしまうと、冷却対象を冷却するという本来の目的が達成できず意味がない。以上より、ダンパ部３５の体積は無制限に大きくすることは好ましいことではない。
【００４７】
図４は、ダンパ部３５の体積に対する、第２冷却ステージ２８の平均温度および温度振動幅を測定した実験結果を表形式で示す図である。図４において、「ダンパ容積／膨張室容積」は、第２膨張空間２６の体積に対する、ダンパ部３５の体積の割合を示す。ここで「第２膨張空間２６の体積」は、第２ディスプレーサ３が上死点にあるときの体積と下死点にあるときの体積の差を意味する。この体積は、第２シリンダ８の中で第２ディスプレーサ３の低温端が移動する領域の体積とも言える。
【００４８】
図４において、「２段温度」は、第２冷却ステージ２８の温度変化の平均値（平均温度）を表し、単位はＫ（ケルビン）である。また「温度振動幅」は、第２冷却ステージ２８の温度変化の振幅を表し、単位はｍＫ（ミリケルビン）である。
【００４９】
図４に示すように、本願の発明者は、ダンパ部３５の体積を第２膨張空間２６の体積のおよそ四分の一（０．２３）としても、第２冷却ステージ２８の平均温度は上昇しないことを実験により確認した。同様に、本願の発明者は、第２膨張空間２６の体積に対するダンパ部３５の体積を増加させるほど、第２冷却ステージ２８の温度変化の振幅が減少することを実験により確認した。
【００５０】
本願の発明者は、ダンパ部３５の体積を第２膨張空間２６の体積のおよそ三分の一（３５％）程度となるまでは、第２冷却ステージ２８の平均温度は上昇しないか、上昇したとしても許容範囲であると推定している。発明者の考察によれば、ダンパ部３５の体積は、第２膨張空間２６の体積の３０％程度、またはそれ以下とすることが好ましい。また図４に示すように、ダンパ部３５の体積を第２膨張空間２６の体積の１０％程度（０．１２）としても、第２冷却ステージ２８の温度変化の振幅を減少させる効果が現れている。ダンパ部３５がヘリウムガスを少しでも溜めることができれば、原理的に第２冷却ステージ２８の温度変化の振幅を抑制する効果は得られる。発明者の考察によれば、ダンパ部３５の体積がダンパ部３５の体積の５％以上、より好ましくは１０％以上あれば、第２冷却ステージ２８の温度変化の振幅を効果的に抑制できる。
【００５１】
図５は、第２冷却ステージ２８の温度の時間変化を示す図である。図５は、時間を横軸、第２冷却ステージ２８の温度を縦軸としてプロットしたグラフである。図５において、破線で示すグラフは、ダンパ部３５を有しない従来型の極低温冷凍機１における第２冷却ステージ２８の温度の時間変化を示す。これは図４における実験Ａに対応する。一方、図５において実線で示すグラフは、図３（ａ）に示す位置にダンパ部３５を備える極低温冷凍機１における第２冷却ステージ２８の温度の時間変化を示す。ここでダンパ部３５の体積は０．３５３ｃｃであり、図４における実験Ｂに対応する。
【００５２】
図５に示すように、従来型の極低温冷凍機１にダンパ部３５を設けることで、第２冷却ステージ２８の温度変化の振幅を抑制することができる。具体的には、図５において破線で示す従来型の極低温冷凍機１における第２冷却ステージ２８の温度変化と、実線で示す実施の形態に係る極低温冷凍機１における第２冷却ステージ２８の温度変化とを比較すると、前者の最低到達温度は後者の最低到達温度よりも低く、かつ前者の最高到達温度は後者の最高到達温度よりも高い。図５に示すように、極低温冷凍機１にダンパ部３５を設けても、第２冷却ステージ２８の平均温度、すなわち振幅の中心はほとんど変化しない。なお、実施の形態に係る極低温冷凍機１よりも従来型の極低温冷凍機１の方が最低到達温度は低いが、これは実施の形態に係る極低温冷凍機１は平均温度を維持しつつ温度振幅を小さくしたため当然である。
【００５３】
以上、実施の形態に係るダンパ部３５をディスプレーサ式の冷凍機に設ける形態を示したが、本発明はパルスチューブ型の冷凍機にも適用することができる。以下本発明をパルスチューブ型の冷凍機に適用する場合について述べる。
【００５４】
図６は、パルスチューブ型の極低温冷凍機１０１を模式的に示す図である。パルスチューブ型の極低温冷凍機１０１は、図６に示すように、第１蓄冷器１０２と、第２蓄冷器１０３と、第１パルス管１０４と、第２パルス管１０５と、を備える。第１蓄冷器１０２と第１パルス管１０４と第２パルス管１０５のそれぞれの高温端は、圧縮機１０７の吐出側から三分岐する分岐管１０８および吸込側から三分岐する分岐管１０９と、それぞれの高温端に対応する第１給排共通配管１１０、第２給排共通配管１１１、および第３給排共通配管１１２を介して接続されている。
【００５５】
分岐管１０８の第１給排共通配管１１０への第１接続点Ｐ１の手前には、蓄冷器サプライバルブＶ１が配置される。分岐管１０８の第２給排共通配管１１１への第２接続点Ｐ２の手前には第１サプライバルブＶ３が配置される。さらに、分岐管１０８の第３給排共通配管１１２への第３接続点Ｐ３の手前には第２サプライバルブＶ５が配置される。
【００５６】
分岐管１０９の第１給排共通配管１１０への第１接続点Ｐ１の手前には蓄冷器リターンバルブＶ２が配置される。分岐管１０９の第２給排共通配管１１１への第２接続点Ｐ２の手前には第１リターンバルブＶ４が配置される。分岐管１０９の第３給排共通配管１１２への第３接続点Ｐ３の手前には第２リターンバルブＶ６が配置される。
【００５７】
第２給排共通配管１１１の第１パルス管１０４の高温端と第２接続点Ｐ２との間には、流量制御バルブＶ７が配置される。また第３給排共通配管１１２の第２パルス管１０５の高温端と第３接続点Ｐ３との間には、流量制御バルブＶ８が配置される。これらの流量制御バルブはパルス管内に発生するガスピストンの位相調整機構として作用する。また、流量制御バルブに代えてオリフィスを用いることもできる。
【００５８】
第１パルス管１０４の高温端には第１整流熱交換器１１３が配置され、低温端には第２整流熱交換器１１４が配置される。第２パルス管１０５の高温端には第３整流熱交換器１１５が配置され、低温端には第４整流熱交換器１１６が配置される。
【００５９】
第１パルス管１０４の低温端と第１蓄冷器１０２の低温端とは冷却ステージ１１７により熱的に連結される。冷却ステージ１１７の内部に位置する第１低温端連結管１１８により、第１パルス管１０４の低温端と第１蓄冷器１０２の低温端は冷媒ガスが通流可能に接続される。第２パルス管１０５の低温端と第２蓄冷器１０３の低温端は第２低温端連結管１１９により冷媒ガスが通流可能に接続される。
【００６０】
さらにパルスチューブ型の極低温冷凍機１０１において、第２蓄冷器１０３内部は上述したディスプレーサ式の第２蓄冷器３４と同様に、上段に非磁性材を含む高温側領域１２４、下段に磁性材の蓄冷材を有する低温側領域１２５とを含む。高温側領域１２４と低温側領域１２５とを合わせて、第２蓄冷器１０３を構成する。
【００６１】
このように構成されたバルブパルスチューブ型の極低温冷凍機１０１では、高圧の冷媒ガスの供給過程において、第１サプライバルブＶ３、第２サプライバルブＶ５が開かれると、冷媒ガスは、分岐管１０８および第２給排共通配管１１１または第３給排共通配管１１２を介して、第１パルス管１０４および第２パルス管１０５の低温端に流入する。
【００６２】
また、蓄冷器サプライバルブＶ１が開かれると、冷媒ガスは、圧縮機１０７から分岐管１０８および第１給排共通配管１１０を通り、第１蓄冷器１０２から第１パルス管１０４の低温端に流入するとともに、第２蓄冷器１０３を通って第２パルス管１０５の高温端に流入する。
【００６３】
一方、低圧の冷媒ガスの回収過程では、第１リターンバルブＶ４または第２リターンバルブＶ６が開かれると、第１パルス管１０４または第２パルス管１０５内の冷媒ガスは、それぞれの高温端から、第２給排共通配管１１１または第３給排共通配管１１２および分岐管１０９を通り、圧縮機１０７に回収される。また、蓄冷器リターンバルブＶ２が開かれると、第１パルス管１０４内の冷媒ガスは、低温端から第１蓄冷器１０２、第１給排共通配管１１０、分岐管１０９を介して、圧縮機１０７に回収される。同様に、第２パルス管１０５内の冷媒ガスは第２蓄冷器１０３、第１蓄冷器１０２、第１給排共通配管１１０、分岐管１０９を介して圧縮機１０７に回収される。
【００６４】
パルスチューブ型の極低温冷凍機１０１では、圧縮機１０７により圧縮された作動流体であるヘリウムガス等の冷媒ガスが第１蓄冷器１０２、第２蓄冷器１０３および第１パルス管１０４、第２パルス管１０５に流入する動作と、作動流体が第１パルス管１０４、第２パルス管１０５および第１蓄冷器１０２、第２蓄冷器１０３から流出され、圧縮機１０７に回収される動作を繰り返すことで、蓄冷器およびパルス管の低温端に寒冷が形成される。また、これらの低温端に、冷却対象を熱的に接触させることで、冷却対象から熱を奪うことができる。
【００６５】
パルスチューブ型の極低温冷凍機１０１においては、第２蓄冷器１０３の低温側領域１２５と隣接して、第２蓄冷器１０３の低温側領域１２５と連通するダンパ部を備える。その効果は、ディスプレーサ式の極低温冷凍機１の場合と同様である。なお図６は、パルスチューブ型の極低温冷凍機１０１において、第２蓄冷器１０３の低温側領域１２５の下部に、ダンパ部３５を追加した場合を示している。より具体的には、第２蓄冷器１０３のうち、第２低温端連結管１１９と接続する箇所よりもさらに下側に、ダンパ部３５が追加されている。このダンパ部３５は、一端が開放され他端が閉じられた短筒形状を有する容器であり、一端が第２蓄冷器１０３の低温側領域１２５に隣接する方向に向けられており、他端は容器の底部によって閉じられている。ダンパ部３５は、第２蓄冷器１０３を収容するシリンダの低温側端部に設けられた蓄冷材が配置されていない空間であるということもできる。
【００６６】
なお、図６は、第２蓄冷器１０３の低温側領域１２５と、ダンパ部３５との境界に第２低温端連結管１１９が備えられている場合を図示しているが、第２低温端連結管１１９の接続箇所はこれには限られない。第２低温端連結管１１９は、低温側領域１２５よりもダンパ部３５側の領域であれば、どこに設けられてもよい。
【００６７】
以上説明したように、本発明のダンパ部３５を備える極低温冷凍機によれば、発生する寒冷の平均温度を維持しつつ、温度振幅を低減すことができる。
【００６８】
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。
【００６９】
例えば、上述した極低温冷凍機においては段数が二段である場合を示したが、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冷凍機やパルスチューブ型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、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。
【符号の説明】
【００７０】
１  極低温冷凍機、  Ｃ１  第１クリアランス、  Ｐ１  第１接続点、  Ｖ１  蓄冷器サプライバルブ、  ２  第１ディスプレーサ、  Ｃ２  第２クリアランス、  Ｐ２  第２接続点、  Ｖ２  蓄冷器リターンバルブ、  ３  第２ディスプレーサ、  Ｐ３  第３接続点、  Ｖ３  第１サプライバルブ、  ４  ピン、  Ｖ４  第１リターンバルブ、  ５  コネクタ、  Ｖ５  第２サプライバルブ、  ６  ピン、  Ｖ６  第２リターンバルブ、  ７  第１シリンダ、  Ｖ７  流量制御バルブ、  ８  第２シリンダ、  Ｖ８  流量制御バルブ、  ９  第１蓄冷器、  １０，１１  整流器、  １２  室温室、  １３  第１開口、  １４  圧縮機、  １５  サプライバルブ、  １６  リターンバルブ、  １７  シール、  １８  第１膨張空間、  １９  第２開口、  ２０  第１冷却ステージ、  ２１，２２  整流器、  ２３  仕切り材、  ２４  高温側領域、  ２５  低温側領域、  ２６  第２膨張空間、  ２７  第３開口、  ２８  第２冷却ステージ、  ２９，３０  蓋部、  ３１，３２  圧入ピン、  ３４  第２蓄冷器、  ３５  ダンパ部、  ３６  突出部、  １０１  極低温冷凍機、  １０２  第１蓄冷器、  １０３  第２蓄冷器、  １０４  第１パルス管、  １０５  第２パルス管、  １０７  圧縮機、  １０８，１０９  分岐管、  １１０  第１給排共通配管、  １１１  第２給排共通配管、  １１２  第３給排共通配管、  １１３  第１整流熱交換器、  １１４  第２整流熱交換器、  １１５  第３整流熱交換器、  １１６  第４整流熱交換器、  １１７  冷却ステージ、  １１８  第１低温端連結管、  １１９  第２低温端連結管、  １２４  高温側領域、  １２５  低温側領域。
【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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