(57)【要約】      （修正有）【課題】多段式の極低温冷凍機の全長を短くする技術を提供する。【解決手段】極低温冷凍機において、低温側ディスプレーサ４ｂ２は、接続ピン７ａを挿入する第１ピン穴７ｂ’を備える。高温側ディスプレーサ４ｂ１は、接続ピン７ａを挿入する第２ピン穴７ａ’を備え、接続ピン７ａで低温側ディスプレーサ４ｂ２と接続する。２段式シリンダは、低温側ディスプレーサ４ｂ２と高温側ディスプレーサ４ｂ１とを収容する。低温側ディスプレーサ４ｂ２の軸方向を第１軸方向、第１ピン穴の軸方向を第２軸方向、第１軸と第２軸とに垂直な方向を第３軸方向とし、第１ピン穴と接続ピンとの間の第３軸方向のクリアランスをｗ、シリンダと低温側ディスプレーサ４ｂ２との間の第３軸方向のクリアランスをβとしたとき、β＜ｗが成立する。よって、高温側ディスプレーサと低温側ディスプレーサとは、連結ロッドを介さないため、全長が短くなる。【選択図】図２
2015140991.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
接続ピンと、
前記接続ピンを挿入する第１ピン穴を備える低温側ディスプレーサと、
前記接続ピンを挿入する第２ピン穴を備え、前記接続ピンで前記低温側ディスプレーサと接続する高温側ディスプレーサと、
前記低温側ディスプレーサと前記高温側ディスプレーサとを収容するシリンダとを備え、
前記低温側ディスプレーサの軸方向を第１軸方向、前記第１ピン穴の軸方向を第２軸方向、第１軸と第２軸とに垂直な方向を第３軸方向とし、前記第１ピン穴と前記接続ピンとの間の第３軸方向のクリアランスをｗ、前記シリンダと前記低温側ディスプレーサとの間の第３軸方向のクリアランスをβとしたとき、
β＜ｗ
が成立することを特徴とする極低温冷凍機。
【請求項２】
前記第１ピン穴と前記接続ピンとの間の第１軸方向のクリアランスは、１ミリメートル未満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】
前記第１ピン穴と前記接続ピンとの間の第１軸方向のクリアランスは、前記低温側ディスプレーサの低温端と前記シリンダの底部との間のクリアランスよりも狭い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】
前記第１ピン穴と前記接続ピンとの間の第３軸方向のクリアランスは、前記第１ピン穴と前記接続ピンとの間の第１軸方向のクリアランスよりも広い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】
前記接続ピンは円柱であるとともに、前記第１ピン穴は円柱状の空間であり、
前記低温側ディスプレーサの低温端と前記シリンダの底部との間のクリアランスをα、
前記第１ピン穴の断面の半径と前記接続ピンの断面の半径との差をｔとしたとき、
β＜ｔ＜α／２
が成立す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】
前記第１ピン穴に前記接続ピンを挿入したとき、前記第１ピン穴の壁面と前記接続ピンの表面との少なくとも一部が面接触す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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷媒ガスを膨張させて発生した冷熱を蓄冷材に蓄冷する蓄冷器式の極低温冷凍機に関する。
【背景技術】
【０００２】
極低温を発生する冷凍機としてギフォードマクマホン（Gifford-McMahon；ＧＭ）冷凍機が知られている。ＧＭ冷凍機は、シリンダ内でディスプレーサを往復移動することにより、膨張空間の体積を変化させる。この体積変化に対応して膨張空間と圧縮機の吐出側と吸気側とを選択的に接続することで、冷媒ガスを膨張空間で膨張させる。ＧＭ冷凍機は、このとき発生する寒冷を用いて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２００８−２２４１６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ＧＭ冷凍機におけるシリンダは、少なくともディスプレーサが往復移動するための長さが必要になる。特に、複数のディスプレーサを直列に接続して寒冷を発生させる多段式のＧＭ冷凍機の場合、一段式のＧＭ冷凍機と比較して、ＧＭ冷凍機の全長が長くなる。
【０００５】
一方、ＧＭ冷凍機は、例えば超伝導を利用する装置等に組み込んで使用される。この場合、冷凍機を組み込む装置の制約により、冷凍機を無制限に大きくすることはできず、特に全長を短くすることが求められている。
【０００６】
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、多段式の極低温冷凍機の全長を短くする技術を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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、接続ピンと、接続ピンを挿入する第１ピン穴を備える低温側ディスプレーサと、接続ピンを挿入する第２ピン穴を備え、接続ピンで低温側ディスプレーサと接続する高温側ディスプレーサと、低温側ディスプレーサと高温側ディスプレーサとを収容するシリンダとを備える。低温側ディスプレーサの軸方向を第１軸方向、第１ピン穴の軸方向を第２軸方向、第１軸と第２軸とに垂直な方向を第３軸方向とし、第１ピン穴と接続ピンとの間の第３軸方向のクリアランスをｗ、シリンダと低温側ディスプレーサとの間の第３軸方向のクリアランスをβとしたとき、β＜ｗが成立する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の蓄冷器式冷凍によれば、多段式の極低温冷凍機の全長を短くする技術を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施の形態に係る２段式のＧＭ冷凍機におけるシリンダの断面を示す模式図である。
【図２】実施の形態に係る２段式のＧＭ冷凍機における、高温側ディスプレーサと低温側ディスプレーサとの連結部を説明する模式図である。
【図３】第１段ディスプレーサと第２段ディスプレーサとの連結部の比較例を説明する模式図である。
【図４】図４（ａ）−（ｂ）は、比較例に係る連結部を採用したＧＭ冷凍機と実施の形態に係るＧＭ冷凍機との差異を説明するための模式図である。
【図５】比較例に係る連結部を採用したＧＭ冷凍機と実施の形態に係るＧＭ冷凍機との全長の差を説明するための図である。
【図６】実施の形態に係る接続ピンとピン穴との間のクリアランスを説明する模式図である。
【図７】ピン穴の形状と、接続ピンの断面形状との組合せの種々の態様を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【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】
極低温冷凍機として、ＧＭ冷凍機やスターリング冷凍機等がある。以下、本発明の実施の形態に係る極低温冷凍機として、２段式のＧＭ冷凍機を前提として説明する。しかしながら、本発明は多段のディスプレーサを備える冷凍機であれ本発明は適用でき、２段式のＧＭ冷凍機には限定されない。
【００１２】
図１は、実施の形態に係る２段式のＧＭ冷凍機１０におけるシリンダの断面を示す模式図である。ＧＭ冷凍機１０は、冷媒ガスに例えばヘリウムガスを用いる極低温冷凍機である。図１に示すように、ＧＭ冷凍機１０は、ＧＭ冷凍機の駆動部１、圧縮機２、ガス管路３、および２段式シリンダ４を備える。２段式シリンダ４は駆動部１に固着されている。
【００１３】
２段式シリンダ４は、高温側シリンダ４ａ１と低温側シリンダ４ａ２とを含み、これらは一体に形成されて２段式シリンダ４を構成する。高温側シリンダ４ａ１と低温側シリンダ４ａ２とは、それぞれ高温端と低温端とを備える。高温側シリンダ４ａ１の低温端と低温側シリンダ４ａ２の高温端とが、高温側シリンダ４ａ１の底部にて接続されている。
【００１４】
低温側シリンダ４ａ２は高温側シリンダ４ａ１と同一の軸方向に延在する形態にて形成されており、高温側シリンダ４ａ１よりも小径の円筒部材である。高温側シリンダ４ａ１は高温側ディスプレーサ４ｂ１を長手方向に往復移動可能に収容し、低温側シリンダ４ａ２は低温側ディスプレーサ４ｂ２を長手方向に往復移動可能に収容する。
【００１５】
高温側シリンダ４ａ１、低温側シリンダ４ａ２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。低温側ディスプレーサ４ｂ２の外周部はステンレス鋼などの金属製の筒である。低温側ディスプレーサ４ｂ２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。
【００１６】
高温側シリンダ４ａ１の高温端には、高温側ディスプレーサ４ｂ１および低温側ディスプレーサ４ｂ２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。高温側ディスプレーサ４ｂ１、低温側ディスプレーサ４ｂ２は、それぞれ高温側シリンダ４ａ１、低温側シリンダ４ａ２にそって往復移動する。高温側ディスプレーサ４ｂ１および低温側ディスプレーサ４ｂ２は、それぞれ高温端と低温端とを備える。
【００１７】
高温側ディスプレーサ４ｂ１は円筒状の外周面を有しており、高温側ディスプレーサ４ｂ１の内部には、第１蓄冷材Ｅ１が充填されている。高温側ディスプレーサ４ｂ１の内部容積は第１蓄冷器として機能する。
【００１８】
室温室１２は、高温側シリンダ４ａ１と高温側ディスプレーサ４ｂ１の高温端により形成される空間であり、高温側ディスプレーサ４ｂ１の往復移動に伴い容積が変化する。高温側ディスプレーサ４ｂ１の高温端よりの部分と高温側シリンダ４ａ１との間にはシール５ａが装着されている。
【００１９】
高温側ディスプレーサ４ｂ１の低温端と高温側シリンダ４ａ１との間には、冷媒ガスを膨張するための第１膨張空間１８が形成される。第１膨張空間１８は、高温側ディスプレーサ４ｂ１の往復移動に伴い容積が変化する。高温側シリンダ４ａ１の外周のうち、第１膨張空間１８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Ｃ１が配置されている。第１冷却ステージＣ１は第１膨張空間１８で冷媒ガスが膨張する際に発生した寒冷により冷却される。
【００２０】
低温側ディスプレーサ４ｂ２は円筒状の外周面を有している。低温側ディスプレーサ４ｂ２の内部容積のうち、高温側の領域には、例えば鉛やビスマスなどの非磁性材の第２蓄冷材Ｅ２が充填される。仕切り材（不図示）の低温側には、高温側領域とは異なる蓄冷材、例えばＨｏＣｕ２などの磁性材の第２蓄冷材Ｅ２が充填される。この低温側ディスプレーサ４ｂ２の内部容積では第２蓄冷器として機能する。
【００２１】
低温側シリンダ４ａ２と低温側ディスプレーサ４ｂ２により、第２膨張空間２６が形成される。第２膨張空間２６は、低温側ディスプレーサ４ｂ２の往復移動に伴い容積が変化する。低温側シリンダ４ａ２の外周の第２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２冷却ステージＣ２が配置されている。第２冷却ステージＣ２は、第２膨張空間２６で冷媒ガスが膨張する際に発生した寒冷により冷却される。低温側ディスプレーサ４ｂ２の高温端よりの部分と低温側シリンダ４ａ２との間にはシール５ｂが装着されている。
【００２２】
高温側ディスプレーサ４ｂ１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１蓄冷材Ｅ１は例えば金網等により構成される。また、低温側ディスプレーサ４ｂ２は、例えば鉛、ビスマスなどの球状の第２蓄冷材Ｅ２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。
【００２３】
図２は、実施の形態に係る２段式のＧＭ冷凍機１１における、高温側ディスプレーサ４ｂ１と低温側ディスプレーサ４ｂ２との連結部を説明する模式図である。
【００２４】
図２に示すように、実施の形態に係る高温側ディスプレーサ４ｂ１の低温端には、円筒凹部９が設けられている。高温側ディスプレーサ４ｂ１の低温端にはさらに、高温側ディスプレーサ４ｂ１と円筒凹部９を貫通するピン穴７ａ’が設けられている。
【００２５】
低温側ディスプレーサ４ｂ２の高温端は、高温側ディスプレーサ４ｂ１設けた円筒凹部９に挿入可能である。低温側ディスプレーサ４ｂ２の高温端には、ピン穴７ｂ’が設けられている。なお、低温側ディスプレーサ４ｂ２は円筒凹部９内において、ある程度の隙間が空くように形成されている。これにより、低温側ディスプレーサ４ｂ２は、高温側ディスプレーサ４ｂ１の円筒凹部９に挿入された状態で、隙間の分だけ移動することができる。ＧＭ冷凍機１０の組立工程において、高温側ディスプレーサ４ｂ１と低温側ディスプレーサ４ｂ２とを接続した状態で２段式シリンダ４に挿入する際に、高温側ディスプレーサ４ｂ１と低温側ディスプレーサ４ｂ２との位置調整が容易となる。
【００２６】
高温側ディスプレーサ４ｂ１の円筒凹部９に低温側ディスプレーサ４ｂ２の高温端を挿入し、接続ピン７ａをピン穴７ａ’とピン穴７ｂ’とに挿通する。これにより、低温側ディスプレーサ４ｂ２は、高温側ディスプレーサ４ｂ１の円筒凹部９において接続される。高温側ディスプレーサ４ｂ１と低温側ディスプレーサ４ｂ２とは接続ピン７ａで接続されるため、高温側ディスプレーサ４ｂ１と低温側ディスプレーサ４ｂ２とは、接続ピン７ａを回転軸として、回転可能に連結される。また、高温側ディスプレーサ４ｂ１と低温側ディスプレーサ４ｂ２とは、接続ピン７ａの延在する方向に位置調整が可能である。これにより、ＧＭ冷凍機１０の組立工程において、高温側ディスプレーサ４ｂ１と低温側ディスプレーサ４ｂ２とを接続した状態で２段式シリンダ４に挿入する際に、高温側ディスプレーサ４ｂ１の軸と低温側ディスプレーサ４ｂ２の軸とを容易に調整することができる。
【００２７】
ここで、高温側ディスプレーサ４ｂ１と低温側ディスプレーサ４ｂ２とが接続ピン７ａで接続されているとき、ピン穴７ａ’とピン穴７ｂ’とは接続ピン７ａが挿入されるひとつのピン穴を構成する。したがって、以下ピン穴７ａ’とピン穴７ｂ’とを合わせて、単にピン穴７’ということがある。
【００２８】
なお、高温側ディスプレーサ４ｂ１と低温側ディスプレーサ４ｂ２とを接続する手段の一例として、例えば高温側ディスプレーサ４ｂ１と低温側ディスプレーサ４ｂ２との間に連結のための部材を挿入する態様が存在する。以下、実施の形態に係る高温側ディスプレーサ４ｂ１と低温側ディスプレーサ４ｂ２との連結部の比較例として、連結ロッドを介した接続方法について説明する。
【００２９】
図３は、高温側ディスプレーサ４ｂ１と低温側ディスプレーサ４ｂ２との連結部の比較例を説明する模式図である。図３に示すように、比較例に係る高温側ディスプレーサ４ｂ１の低温端には、先端中央部に直径の異なるふたつの円筒凹部からなる円筒凹部８が設けられている。高温側ディスプレーサ４ｂ１の低温端にはさらに、高温側ディスプレーサ４ｂ１と円筒凹部８のうち小径部を貫通するピン穴７ａ’が設けられている。
【００３０】
連結ロッド６は、高温側ディスプレーサ４ｂ１に設けられた円筒凹部８の小径部に挿入可能である。連結ロッド６の一端には、高温側ディスプレーサ４ｂ１に設けたピン穴７ａ’と連通するピン穴６ａが設けられている。
【００３１】
低温側ディスプレーサ４ｂ２の高温端には、ピン穴７ｂ’が設けられている。連結ロッド６の他端には、低温側ディスプレーサ４ｂ２の高温端に設けたピン穴７ｂ’と連通するピン穴６ｂを、ピン穴６ａと直交する方向に設けられている。なお、連結ロッド６は円筒凹部８内である程度の隙間が空くように形成されている。
【００３２】
高温側ディスプレーサ４ｂ１の円筒凹部８の小径部へ連結ロッド６の一端を挿入し、接続ピン７ａをピン穴７ａ’とピン穴６ａとに挿入する。これにより、連結ロッド６は高温側ディスプレーサ４ｂ１の円筒凹部８の小径部内において接続される。次に、低温側ディスプレーサ４ｂ２の高温端を高温側ディスプレーサ４ｂ１の円筒凹部８の大径部へ挿入する。加えて、連結ロッド６の他端部を低温側ディスプレーサ４ｂ２の高温端に挿入し、接続ピン７ｂをピン穴７ｂ’とピン穴６ｂとに挿入する。これにより、連結ロッド６は低温側ディスプレーサ４ｂ１と接続される。結果として、高温側ディスプレーサ４ｂ１と低温側ディスプレーサ４ｂ２とは、前後左右方向に折曲可能に連結される。
【００３３】
図４（ａ）−（ｂ）は、比較例に係る連結部を採用したＧＭ冷凍機１０と実施の形態に係るＧＭ冷凍機１１との差異を説明するための模式図である。より具体的に、図４（ａ）は、比較例に係る連結部を採用したＧＭ冷凍機１０の概略構成を示す図であり、図４（ｂ）は、実施の形態に係るＧＭ冷凍機１１の概略構成を示す図である。
【００３４】
図４（ａ）に示すように、比較例に係る連結部を採用したＧＭ冷凍機１０においては、高温側ディスプレーサ４ｂ１と低温側ディスプレーサ４ｂ２とは、連結ロッド６を介して接続される。これに対し、図４（ｂ）に示すように、実施の形態に係るＧＭ冷凍機１１は、連結ロッド６を有しない。そのため、実施の形態に係るＧＭ冷凍機１１は、高温側ディスプレーサ４ｂ１と低温側ディスプレーサ４ｂ２とは、ひとつの接続ピン７ａで接続される。結果として、実施の形態に係るＧＭ冷凍機１１は連結ロッド６を不要とするため、冷凍能力や冷凍機の製造効率を低下させることなく、比較例に係る連結部を採用したＧＭ冷凍機１０と比較して連結ロッド６の長さ程度、全長が短くなる。
【００３５】
図５は、比較例に係る連結部を採用したＧＭ冷凍機と実施の形態に係るＧＭ冷凍機との全長の差を説明するための図である。図４に示すように、実施の形態に係るＧＭ冷凍機１１は、比較例に係る連結部を採用したＧＭ冷凍機１０と比較して、その全長が短くなる。図５においては、ＧＭ冷凍機１０の全長とＧＭ冷凍機１１の全長との差がＬで示されている。
【００３６】
限定はしないが、一例として、比較例に係る連結部を採用したＧＭ冷凍機１０の全長は約４４０ミリメートルである。これに対し、実施の形態に係るＧＭ冷凍機１１の全長は約４２０ミリメートルである。このため、実施の形態に係るＧＭ冷凍機１１は、比較例に係る連結部を採用したＧＭ冷凍機１０と比較して、５％程度全長が短い。これにより、例えばＧＭ冷凍機１１を超伝導を利用する装置等に組み込んで使用する際の、組み込みの自由度を上げることができる。
【００３７】
実施の形態に係るＧＭ冷凍機１１は高温側ディスプレーサ４ｂ１と低温側ディスプレーサ４ｂ２とは、ひとつの接続ピン７ａで接続される。このため、比較例に係る連結部を採用したＧＭ冷凍機１０と比較すると、ＧＭ冷凍機１０の組立作業時における高温側ディスプレーサ４ｂ１と低温側ディスプレーサ４ｂ２との位置調整の自由度が少なくなる。
【００３８】
上述したように、２段式シリンダ４は、高温側シリンダ４ａ１と低温側シリンダ４ａ２とが一体に形成されている。ＧＭ冷凍機１０の組立工程において、接続ピン７ａで接続された高温側ディスプレーサ４ｂ１と低温側ディスプレーサ４ｂ２とを、２段式シリンダ４内に挿入する。このとき、加工精度等の問題により、高温側シリンダ４ａ１の軸と低温側シリンダ４ａ２の軸とがずれていると、高温側ディスプレーサ４ｂ１と低温側ディスプレーサ４ｂ２とを２段式シリンダ４に挿入しづらくなる。
【００３９】
比較例に係る連結部は、高温側ディスプレーサ４ｂ１と低温側ディスプレーサ４ｂ２とがふたつの接続ピン７ａおよび接続ピン７ｂとで接続されているため、高温側ディスプレーサ４ｂ１と低温側ディスプレーサ４ｂ２との位置調整が容易である。しかしながら、接続ピン７ａを用いた連結では、接続ピン７ａの軸方向に対する位置調整は容易であるが、接続ピン７ａの軸方向に垂直な方向に対する位置調整は難しい。
【００４０】
そこで実施の形態に係るＧＭ冷凍機１１は、接続ピン７ａの軸方向に垂直な方向に対して位置調整ができるように、接続ピン７ａとピン穴７ａ’との間にクリアランスが設けられている。以下、接続ピン７ａとピン穴７ａ’との間のクリアランスについて説明する。
【００４１】
図６は、実施の形態に係る接続ピン７ａとピン穴７’との間のクリアランスを説明する模式図である。より具体的に、図６は、ピン穴７’に接続ピン７ａを挿入した状態で、接続ピン７ａの軸方向に垂直な方向におけるＧＭ冷凍機１１の断面図を示す模式図である。
【００４２】
ここで、低温側ディスプレーサ４ｂ２の軸方向を第１軸方向（図６におけるＺ軸方向）とする。また、ピン穴７’の軸方向を第２軸方向とし、第１軸と第２軸とに垂直な方向を第３軸方向（図６におけるＹ軸方向）とする。図６には図示していないが、第２軸方向は、３次元直交座標系におけるＸ軸方向に相当する。
【００４３】
実施の形態に係るＧＭ冷凍機１１においては、ピン穴７’は接続ピン７ａよりも大きめの挿入孔となっている。これにより、接続ピン７ａとピン穴７’との間に隙間（クリアランス）ができ、高温側ディスプレーサ４ｂ１と低温側ディスプレーサ４ｂ２とのＹ方向に関する位置調整が可能となる。
【００４４】
図６に示すように、ピン穴７’と接続ピン７ａとの間のＺ軸（第１軸）方向のクリアランスをｈとする。また、ピン穴７’と接続ピン７ａとの間のＹ軸（第３軸）方向のクリアランスをｗとする。さらに、低温側ディスプレーサ４ｂ２の低温端と低温側シリンダ４ａ２との間のＺ軸方向のクリアランスをαとし、低温側シリンダ４ａ２と低温側ディスプレーサ４ｂ２との間のＹ軸方向のクリアランスをβとする。
【００４５】
実施の形態に係るＧＭ冷凍機１１は、ピン穴７’と接続ピン７ａとの間のＹ軸方向のクリアランスｗが、低温側シリンダ４ａ２と低温側ディスプレーサ４ｂ２との間のＹ軸方向のクリアランスβよりも大きくなるように構成されている。すなわち、以下の式（１）が成立するように、ピン穴７’の内径と接続ピン７ａの軸の太さとが設定されている。
β＜ｗ    （１）
【００４６】
ピン穴７’と接続ピン７ａとの間のＹ軸方向のクリアランスｗの大きさは、ＧＭ冷凍機１１の組立工程において、低温側ディスプレーサ４ｂ２を低温側シリンダ４ａ２に挿入する際のＹ軸方向の調整量の大きさを規定する。実施の形態に係るＧＭ冷凍機１１は、この調整量が低温側シリンダ４ａ２と低温側ディスプレーサ４ｂ２との間のＹ軸方向のクリアランスβよりも大きい。これにより、万が一高温側シリンダ４ａ１の軸と低温側シリンダ４ａ２の軸とがずれていたとしても、低温側シリンダ４ａ２の軸と低温側ディスプレーサ４ｂ２の軸とが合致するように調整することができる。ＧＭ冷凍機１１の動作時に低温側ディスプレーサ４ｂ２が低温側シリンダ４ａ２に接触することが抑制できるので、ＧＭ冷凍機１１の信頼性を向上することができる。また、ＧＭ冷凍機１１の組立工程において、低温側ディスプレーサ４ｂ２を低温側シリンダ４ａ２に挿入する際の位置調整をすることもでき、ＧＭ冷凍機１１の組立が容易となる。
【００４７】
実施の形態に係るＧＭ冷凍機１１は、ピン穴７’と接続ピン７ａとの間のＺ軸方向のクリアランスｈが、低温側ディスプレーサ４ｂ２の低温端と低温側シリンダ４ａ２の底部との間のクリアランスαよりも狭くなるように構成されている。すなわち、以下の式（２）が成立するように、ピン穴７’の内径と接続ピン７ａの軸の太さとが設定されている。
２ｈ＜α    （２）
【００４８】
ここで、低温側ディスプレーサ４ｂ２の低温端と低温側シリンダ４ａ２の底部との間のクリアランスαは、低温側ディスプレーサ４ｂ２が下死点にあるときの、低温側ディスプレーサ４ｂ２の低温端と低温側シリンダ４ａ２の底部との間の距離である。すなわち、低温側ディスプレーサ４ｂ２の低温端が低温側シリンダ４ａ２の底部に最も近づくときの両者の距離である。
【００４９】
また、クリアランスαの大きさは、低温側ディスプレーサ４ｂ２のＺ軸方向の調整量の大きさを規定する。つまり、低温側ディスプレーサ４ｂ２は、ＧＭ冷凍機１１の組立工程においてＺ軸方向に２ｈの距離だけずれる可能性がある。ＧＭ冷凍機１１は上記式（２）を満たすように構成されているため、低温側ディスプレーサ４ｂ２の低温端が低温側シリンダ４ａ２の底部に最も近づいたときの距離αは、低温側ディスプレーサ４ｂ２におけるＺ軸方向のずれ量の最大値２ｈよりも大きくなる。ゆえに、低温側ディスプレーサ４ｂ２の低温端が低温側シリンダ４ａ２の底部と接触することが抑制され、ＧＭ冷凍機１１の信頼性を向上することができる。
【００５０】
なお、クリアランスαの大きさはＧＭ冷凍機１１の大きさや求められる信頼性、冷凍性能等を考慮して実験により定めればよいが、一例としては数ミリメートル程度である。またピン穴７’と接続ピン７ａとの間のＺ軸方向のクリアランスｈは１ミリメートル未満であり、好ましくは０．１ミリメートル以下である。
【００５１】
図７（ａ）−（ｄ）は、ピン穴７’の形状と、接続ピン７ａの断面形状との組合せとの種々の態様を示す図である。
【００５２】
図７（ａ）は、接続ピン７ａが円柱であるとともに、ピン穴７’は円柱状の空間である場合における、ピン穴７’の形状と接続ピン７ａの断面形状との組合せを示す図である。この場合、上述したピン穴７’と接続ピン７ａとの間のＹ軸向のクリアランスｗと、ピン穴７’と接続ピン７ａとの間のＺ軸方向のクリアランスｈとは、同じ長さとなる。より具体的には、クリアランスｗとクリアランスｈとは、ピン穴７’の断面の半径と接続ピン７ａの断面の半径との差であるｔと等しくなる。すなわち、以下の式（３）が成り立つ。
ｗ＝ｈ＝ｔ    （３）
【００５３】
式（１）、式（２）、および式（３）より、以下の式（４）を得る。
β＜ｔ＜α／２    （４）
【００５４】
一般的なピンヒンジにおいては、接続ピン７ａは円柱であることが多く、また、ピン穴７’も円柱状の空間であることが多い。したがって、上記式（４）は、一般的なピンヒンジで高温側ディスプレーサ４ｂ１と低温側ディスプレーサ４ｂ２とを接続する場合において、ＧＭ冷凍機１１の信頼性を向上するためにＧＭ冷凍機１１が満たすべき式とも言える。
【００５５】
ところで、図７（ａ）に示す形状の接続ピン７ａとピン穴７’とを用いて高温側ディスプレーサ４ｂ１と低温側ディスプレーサ４ｂ２とを接続すると、接続ピン７ａを回転軸として高温側ディスプレーサ４ｂ１と低温側ディスプレーサ４ｂ２とが回転可能となる。しかしながら、ＧＭ冷凍機１１の組立工程において上述したクリアランスｗとクリアランスｈとは意味を持つが、高温側ディスプレーサ４ｂ１と低温側ディスプレーサ４ｂ２との回転運動は必ずしも必要ではない。むしろ、無用な回転をしない方が、ＧＭ冷凍機１１の組立工程においては都合がよい。
【００５６】
図７（ｂ）は、高温側ディスプレーサ４ｂ１と低温側ディスプレーサ４ｂ２との回転を規制するための、ピン穴７’の形状と接続ピン７ａの断面形状との組合せを示す図である。図７（ｂ）に示す例において、接続ピン７ａは、円柱の一部が長軸に平行な平面に沿って切り取られたような形状である。このため、図７（ｂ）に示す接続ピン７ａの断面は、弓状の形状となる。ピン穴７’は、接続ピン７ａの断面を相似拡大した形状となる。
【００５７】
図７（ｂ）に示すピン穴７’に接続ピン７ａを挿入すると、ピン穴７’の壁面と接続ピン７の表面との少なくとも一部を面接触させることができる。これにより、高温側ディスプレーサ４ｂ１と低温側ディスプレーサ４ｂ２とが回転することを規制できる。
【００５８】
図７（ａ）および図７（ｂ）に示す例は、ピン穴７’の形状と接続ピン７ａの断面形状は円または円を基本とする形状である。しかしながら、ピン穴７’の形状と接続ピン７ａの断面形状は円形でなくてもよく、例えば矩形や楕円形であってもよい。
【００５９】
図７（ｃ）は、ピン穴７’の形状と接続ピン７ａの断面形状とが矩形である場合を例示する図である。図７（ｃ）に示す例は、図７（ｂ）に示す例と同様に、ピン穴７’に接続ピン７ａを挿入するとピン穴７’の壁面と接続ピン７ａの表面との少なくとも一部が面接触する。これにより、高温側ディスプレーサ４ｂ１と低温側ディスプレーサ４ｂ２とが回転することを規制できる。
【００６０】
また図７（ｃ）に示す例は、ピン穴７’と接続ピン７ａとの間のＹ軸方向のクリアランスｗは、ピン穴７’と接続ピン７ａとの間のＺ軸方向のクリアランスｈよりも広い。すなわち、以下の式（５）が成立する。
ｈ＜ｗ    （５）
【００６１】
上述したように、クリアランスｗの大きさはＧＭ冷凍機１１の組立工程において、低温側ディスプレーサ４ｂ２を低温側シリンダ４ａ２に挿入する際のＹ軸方向の調整量の大きさを規定する。クリアランスｈは１ミリメートル未満であるが、組立工程における調整の自由度を上げるためには、クリアランスｗは数ミリメートル程度あることが好ましい。ピン穴７’の形状と接続ピン７ａの断面形状とを矩形にすることにより、クリアランスｈよりも広いクリアランスｗを設けることが可能となる。
【００６２】
図７（ｄ）は、ピン穴７’の形状と接続ピン７ａの断面形状とが矩形である場合を例示する図である。図７（ｄ）に示す例では、ピン穴７’の形状である楕円と、接続ピン７ａの断面形状である楕円とは、離心率が異なる。より具体的には、ピン穴７’の形状の離心率の方が、接続ピン７ａの断面形状の離心率よりも大きい。このため、接続ピン７ａの断面形状は、接続ピン７ａの断面形状よりも扁平な形状となる。結果として、クリアランスｗはクリアランスｈよりも広くなり、ＧＭ冷凍機１１の組立工程における調整の自由度を向上することができる。
【００６３】
さらに、接続ピン７ａの断面形状が接続ピン７ａの断面形状よりも扁平な形状となるため、接続ピン７ａを回転軸として高温側ディスプレーサ４ｂ１と低温側ディスプレーサ４ｂ２とが回転することも規制できる。
【００６４】
なお上記では、実施の形態に係るＧＭ冷凍機１１として、２段式のＧＭ冷凍機を前提に説明した。しかしながら、本願発明は２段以上のＧＭ冷凍機にも有用であることは当業者であれば理解できることである。
【００６５】
以上説明したように、実施の形態に係るＧＭ冷凍機１１によれば、多段式の極低温冷凍機の全長を短くすることができる。
【００６６】
また、実施の形態に係るＧＭ冷凍機１１は、高温側ディスプレーサ４ｂ１と低温側ディスプレーサ４ｂ２とを接続する接続ピン７ａと、接続ピン７ａを挿入するピン穴７’との間にクリアランスが設けられている。このため、実施の形態に係るＧＭ冷凍機１１は、高温側ディスプレーサ４ｂ１と低温側ディスプレーサ４ｂ２とが前後左右方向（Ｘ軸方向およびＹ軸方向）に移動可能に連結される。したがって、高温側ディスプレーサ４ｂ１と低温側ディスプレーサ４ｂ２とを接続ピン７ａで接続した状態で、２段式シリンダ４への挿入作業がしやすくなる。このため、シリンダおよびディスプレーサを精密加工する必要がないので、製作コストを低減できる。
【００６７】
さらに、高温側ディスプレーサ４ｂ１と低温側ディスプレーサ４ｂ２とを接続する接続ピン７ａと、接続ピン７ａを挿入するピン穴７’との間のクリアランスにより、２段式シリンダ４内に挿入した低温側ディスプレーサ４ｂ２が、２段式シリンダ４の壁面や底部に接触することが抑制される。これにより、ＧＭ冷凍機１１の信頼性を向上することができる。
【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。例えば、実施の形態では、蓄冷器式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、これには限られず、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】
【００６９】
１  駆動部、  Ｃ１  第１冷却ステージ、  Ｅ１  第１蓄冷材、  ２  圧縮機、  Ｃ２  第２冷却ステージ、  Ｅ２  第２蓄冷材、  ３  ガス管路、  ４  ２段式シリンダ、  ４ａ１  高温側シリンダ、  ４ａ２  低温側シリンダ、  ４ｂ１  高温側ディスプレーサ、  ４ｂ２  低温側ディスプレーサ、  ５ａ，５ｂ  シール、  ６  連結ロッド、  ７’  ピン穴、  ７ａ  接続ピン、  ７’，７ａ’  ピン穴、  ９  円筒凹部、  １１  ＧＭ冷凍機、  １２  室温室、  １８  第１膨張空間、  ２６  第２膨張空間。
【図１】
2015140991.tif 000003
【図２】
2015140991.tif 000004
【図３】
2015140991.tif 000005
【図４】
2015140991.tif 000006
【図５】
2015140991.tif 000007
【図６】
2015140991.tif 000008
【図７】
2015140991.tif 000009