(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
低温端及び高温端を備える蓄冷器を用い、作動ガスが該蓄冷器を往復する際に前記低温端側から前記高温端側へ熱を汲み出すことにより寒冷を発生する蓄冷式冷凍機において、
前記蓄冷器は、低温端及び高温端を備える１段目蓄冷器と、低温端及び前記１段目蓄冷器の低温端と熱的に結合した高温端を備える２段目蓄冷器を有し、該２段目蓄冷器の低温端と高温端との間に中間熱交換器を介在させて構成し、
前記作動ガスとしてヘリウムガスを用いるとともに、前記２段目蓄冷器の低温端における温度を２〜１０Ｋとなるように前記蓄冷式冷凍機を運転させ、前記ヘリウムガスの非理想性に起因する熱損失分を前記中間熱交換器から吸熱させ、
前記中間熱交換器は、前記２段目蓄冷器の内部に配設される内側中間熱交換器と、前記２段目蓄冷器の外側に配設される外側中間熱交換器とを備えて構成され、前記内側中間熱交換器と前記外側中間熱交換器とは略対面した位置関係で各々配設され、
前記２段目蓄冷器と前記中間熱交換器を内蔵するディスプレーサと、前記ディスプレーサが往復する２段目シリンダとを備え、
前記ディスプレーサの側面と前記２段目シリンダの側周内壁との間に隙間を形成し、
前記２段目蓄冷材の前記高温端側の空間の前記作動ガスは、前記隙間に入り、前記隙間から前記２段目蓄冷材の前記低温端側の空間に導入されることを特徴とする蓄冷式冷凍機。
【請求項２】
低温端及び高温端を備える蓄冷器を用い、作動ガスが該蓄冷器を往復する際に前記低温端側から前記高温端側へ熱を汲み出すことにより寒冷を発生する蓄冷式冷凍機において、
前記蓄冷器は、低温端及び高温端を備える１段目蓄冷器と、低温端及び前記１段目蓄冷器の低温端と熱的に結合した高温端を備える２段目蓄冷器を有し、該２段目蓄冷器の低温端と高温端との間に中間熱交換器を介在させて構成し、
前記作動ガスとしてヘリウムガスを用いるとともに、前記２段目蓄冷器の低温端における温度を２〜１０Ｋとなるように前記蓄冷式冷凍機を運転させ、前記ヘリウムガスの非理想性に起因する熱損失分を前記中間熱交換器から吸熱させ、
前記中間熱交換器は、前記２段目蓄冷器の内部に配設される内側中間熱交換器と、前記２段目蓄冷器の外側に配設される外側中間熱交換器とを備えて構成され、前記内側中間熱交換器と前記外側中間熱交換器とは略対面した位置関係で各々配設され、
前記２段目蓄冷器と前記中間熱交換器に前記作動ガスを往復させるディスプレーサを備え、前記２段目蓄冷器と前記中間熱交換器は前記ディスプレーサの外側に設けられ、
前記２段目蓄冷材の前記高温端側の空間の前記作動ガスは、前記内側中間熱交換器を通って前記２段目蓄冷材の前記低温端側の空間に導入されることを特徴とする蓄冷式冷凍機。
【請求項３】
請求項１または２において、
前記蓄冷式冷凍機の冷却対象物は、液体ヘリウム温度域での冷却が必要な主冷却対象物と、該主冷却対象物の回りに配設された第２輻射熱シールド板と、該第２輻射熱シールド板の回りに配設された液体窒素槽又は第１輻射熱シールド板とを具備する冷却系であり、前記２段目蓄冷器の低温端で発生する寒冷は前記主冷却対象物の冷却に利用され、前記１段目蓄冷器の低温端で発生する寒冷は前記液体窒素槽又は前記第１輻射熱シールド板の冷却に利用され、前記中間熱交換器で発生する寒冷は前記第２輻射熱シールド板の冷却に利用されることを特徴とする蓄冷式冷凍機。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項において、
前記蓄冷式冷凍機はパルス管冷凍機であることを特徴とする蓄冷式冷凍機。
【請求項５】
請求項１〜３のいずれか１項において、
前記蓄冷式冷凍機はＧＭ冷凍機又はスターリング冷凍機であることを特徴とする蓄冷式冷凍機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、蓄冷式冷凍機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
蓄冷器内で作動ガスを往復動させて熱輸送することにより寒冷を発生する蓄冷式冷凍機としては、パルス管冷凍機、ＧＭ冷凍機、スターリング冷凍機等が知られている。このような蓄冷式冷凍機は、一般的に、低温端及び高温端を備える蓄冷器を用い、作動ガスが該蓄冷器を往復する際に低温端側から高温端側に熱を汲み上げることにより、蓄冷器の低温端側で寒冷を発生する。従って、蓄冷器の低温端部分で発生する寒冷を被冷却体に熱的に結合して、被冷却体を冷却する。
【０００３】
通常の蓄冷式冷凍機において、必要とされる寒冷が比較的高温でかつ１つである場合には、１段型の蓄冷式冷凍機で十分だが、必要とされる寒冷が液体ヘリウム温度域程度の極低温であったり、冷却箇所が２以上ある場合には、２段型の蓄冷式冷凍機を用いる。例えば、液体窒素温度域（７７Ｋ程度）の寒冷が必要な１つの冷却対象物に利用される蓄冷式冷凍機は、通常１段型の蓄冷式冷凍機を用い、蓄冷器の低温端部分で得られる７７Ｋ程度の寒冷を上記冷却対象物に熱的に結合しておけば良い。一方、液体ヘリウム温度域（４．２Ｋ程度）の寒冷が必要な冷却対象物に蓄冷式冷凍機を利用しようとする場合には、その冷却対象物の外周を取り巻くように液体窒素槽又は第１輻射熱シールド板を設け、冷却対象物への輻射熱を減ずる手段が採られる。従って、このような液体ヘリウム温度域に蓄冷式冷凍機を利用するためには、冷却対象物への４Ｋ程度の寒冷と、液体窒素槽又は第１輻射熱シールド板への７７Ｋ程度の寒冷が必要である。この場合、通常は２段型蓄冷式冷凍機を用い、１段目の蓄冷器低温端部分で得られる７７Ｋ程度の寒冷を液体窒素槽又は第１輻射熱シールド板に熱的結合し、２段目蓄冷器低温端部分で得られる約４Ｋ程度の寒冷を冷却対象物に熱的に結合する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、従来においては、温度レベルの異なる冷凍が必要な箇所が複数あると、それに見合った数の蓄冷器を段積みした多段型蓄冷式冷凍機が採用される。しかしながら、多段化の数が増えるにつれて、その構成が複雑化し、設計に時間を要するとともに、装置全体も大型化し、スペース的にも不利となる。さらに、多段化することで当然コストも増大し、経済的にも好ましくない。
【０００５】
例えば、上記従来技術で示したような、液体ヘリウム温度域の寒冷が必要な冷却対象物に蓄冷式冷凍機を利用する場合、通常は上記したように２段型蓄冷式冷凍機を用い、１段目蓄冷器の低温端部分を冷却対象物に、２段目蓄冷器の低温端部分を液体窒素槽又は第１輻射熱シールド板に、それぞれ熱的結合させるが、このようにしても依然として冷却対象物への熱侵入が著しい場合は、冷却対象物と液体窒素槽又は第１輻射熱シールド板との間に約２０Ｋ程度の温度を持つ第２輻射熱シールド板を設け、外部からの輻射熱を完全に遮断する必要がある。この場合には、通常は３段型蓄冷式冷凍機を用い、１段目の蓄冷器低温端部分で得られる７７Ｋ程度の寒冷を液体窒素槽又は第１輻射熱シールド板に熱的結合し、２段目の蓄冷器低温端部分で得られる約２０Ｋ程度の寒冷を第２輻射熱シールド板に熱的結合し、３段目の蓄冷器低温端部分で得られる約４Ｋ程度の寒冷を冷却対象物に熱的結合する。
【０００６】
しかしながら、３段型蓄冷式冷凍機は、２段型蓄冷式冷凍機に比べて構成がはるかに複雑となり、設計に要するリードタイムが長くなる。また、３段型蓄冷式冷凍機はその構成の複雑さから必然的に全体的な装置構成が大型化し、スペース的にも不利である。さらに、３段型蓄冷式冷凍機は２段型蓄冷式冷凍機に比べてコストの面でも不利である。
【０００７】
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、蓄冷式冷凍機において、多段化に伴う上記不具合を解消することを技術的課題とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記技術的課題を解決するためになされた本発明は、低温端及び高温端を備える蓄冷器を用い、作動ガスが該蓄冷器を往復する際に前記低温端側から前記高温端側へ熱を汲み出すことにより寒冷を発生する蓄冷式冷凍機において、前記蓄冷器は、低温端及び高温端を備える１段目蓄冷器と、低温端及び前記１段目蓄冷器の低温端と熱的に結合した高温端を備える２段目蓄冷器を有し、該２段目蓄冷器の低温端と高温端との間に中間熱交換器を介在させて構成し、前記作動ガスとしてヘリウムガスを用いるとともに、前記２段目蓄冷器の低温端における温度を２〜１０Ｋとなるように前記蓄冷式冷凍機を運転させ、前記ヘリウムガスの非理想性に起因する熱損失分を前記中間熱交換器から吸熱させ、前記中間熱交換器は、前記２段目蓄冷器の内部に配設される内側中間熱交換器と、前記２段目蓄冷器の外側に配設される外側中間熱交換器とを備えて構成され、前記内側中間熱交換器と前記外側中間熱交換器とは略対面した位置関係で各々配設され、前記２段目蓄冷器と前記中間熱交換器を内蔵するディスプレーサと、前記ディスプレーサが往復する２段目シリンダとを備え、前記ディスプレーサの側面と前記２段目シリンダの側周内壁との間に隙間を形成し、前記２段目蓄冷材の前記高温端側の空間の前記作動ガスは、前記隙間に入り、前記隙間から前記２段目蓄冷材の前記低温端側の空間に導入される構成である。
【０００９】
本発明によれば、蓄冷式冷凍機に使用する蓄冷器において、その低温端における作動ガスの非理想性が顕著に現れている場合には、蓄冷器の低温端と高温端との間に中間熱交換器を介在させ、作動ガスの非理想性に起因する熱損失分を熱交換器から吸熱させる。
従って、蓄冷器の低温端以外に、低温端と高温端との間に介在した中間熱交換器からも吸熱が行われ、この部分で発生する寒冷を効率的に被冷却体に提供することができるので、１つの蓄冷器で２箇所以上の寒冷取出し部分を提供することができ、蓄冷式冷凍機を多段化せずとも複数の冷凍箇所を持つ被冷却体を冷却することができる。このため、多段化に伴う上記不具合を解消することができる。
また、気体が理想気体として近似できる場合、理想気体の状態方程式から、１−Ｔ（∂Ｖ／∂Ｔ）Ｐ／Ｖ＝０が成り立つ。これに対し、｜１−Ｔ（∂Ｖ／∂Ｔ）Ｐ／Ｖ｜＞０．０１となると、気体の非理想性が現れる。これは、実在気体の状態方程式を例えばビリアル方程式で近似した場合、ビリアル係数が無視できないほど大きくなっている状態である。このような状態、即ち気体の非理想性が概ね１％以上現れる場合には、本発明を適用したときの効果が大きい。
また、蓄冷式冷凍機を２段型蓄冷式冷凍機とし、２段目蓄冷器の低温端と高温端との間に中間熱交換器を介在させる。２段型蓄冷式冷凍機を使用した場合、２段目蓄冷器の低温端においては極めて低い寒冷を得ることができる。例えば、作動ガスとしてヘリウムを用いれば、２段目蓄冷器の低温端では約４Ｋ程度の寒冷を得ることもできる。この程度の温度領域となると、作動ガスは顕著に非理想性を示す。従って、作動ガスの非理想性が顕著に現れる２段目蓄冷器の低温端と高温端との間に中間熱交換器を介在し、この中間熱交換器から吸熱を行うことにより、２段型蓄冷式冷凍機において３箇所の寒冷取出し部分、即ち、１段目蓄冷器の低温端での寒冷取出し部分、中間熱交換器での寒冷取出し部分、２段目蓄冷器の低温端での寒冷取出し部分を効率的に得ることができる。このため、蓄冷式冷凍機を３段にせずとも３つの冷凍箇所を持つ被冷却体を冷却することができ、３段化に伴う不具合を解消することができる。
また、作動ガスとしてヘリウムガスを使用し、２段目蓄冷器の低温端における温度を２〜１０Ｋ程度となるように蓄冷式冷凍機を運転すれば、作動ガスは２段目蓄冷器において顕著に非理想性を示す。従って、このような場合に、２段目蓄冷器の低温端と高温端との間に中間熱交換器を介在させれば、２段目蓄冷器の高温端の温度（例えば６０Ｋ）と低温端の温度（例えば４Ｋ）との間の領域の温度、例えば、１０〜２０Ｋ程度の温度領域において、寒冷を効率的に取出すことができる。
また、中間熱交換器を内側中間熱交換器と外側中間熱交換器とに分け、内側中間熱交換器を２段目蓄冷器の内部に配設し、外側中間熱交換器を２段目蓄冷器の外周に配設している。従って、２段目蓄冷器内部で発生する寒冷はまず内側中間熱交換器に受け渡され、次いで外側中間熱交換器に受け渡される。そして、この外側中間熱交換器に被冷却体を当接させて、被冷却体を冷却する。このように、蓄冷器の中間部分から寒冷の取出しが簡単に可能となる。
また、２段目蓄冷材の高温端側の空間の作動ガスは、隙間に入り、隙間から２段目蓄冷材の低温端側の空間に導入される。隙間が、外側中間熱交換器と内側中間熱交換器との対面部分に位置するため、冷凍機の運転中に作動ガスが隙間内を出入するので、この部分で強制対流が起こる。このため、対流熱伝達が促進され、内側中間熱交換器と外側中間熱交換器との間の熱伝達係数が増加し、外側中間熱交換器での冷凍出力（吸熱量）を向上させることができる。
【００１０】
また、本発明は、低温端及び高温端を備える蓄冷器を用い、作動ガスが該蓄冷器を往復する際に前記低温端側から前記高温端側へ熱を汲み出すことにより寒冷を発生する蓄冷式冷凍機において、前記蓄冷器は、低温端及び高温端を備える１段目蓄冷器と、低温端及び前記１段目蓄冷器の低温端と熱的に結合した高温端を備える２段目蓄冷器を有し、該２段目蓄冷器の低温端と高温端との間に中間熱交換器を介在させて構成し、前記作動ガスとしてヘリウムガスを用いるとともに、前記２段目蓄冷器の低温端における温度を２〜１０Ｋとなるように前記蓄冷式冷凍機を運転させ、前記ヘリウムガスの非理想性に起因する熱損失分を前記中間熱交換器から吸熱させ、前記中間熱交換器は、前記２段目蓄冷器の内部に配設される内側中間熱交換器と、前記２段目蓄冷器の外周に配設される外側中間熱交換器とを備えて構成され、前記内側中間熱交換器と前記外側中間熱交換器とは略対面した位置関係で各々配設され、前記２段目蓄冷器と前記中間熱交換器に前記作動ガスを往復するディスプレーサを備え、前記２段目蓄冷器と前記中間熱交換器は前記ディスプレーサの外周に設けられ、前記２段目蓄冷材の前記高温端側の空間の前記作動ガスは、前記内側中間熱交換器を通って前記２段目蓄冷材の前記低温端側の空間に導入される構成である。
【００１１】
本発明によれば、蓄冷式冷凍機に使用する蓄冷器において、その低温端における作動ガスの非理想性が顕著に現れている場合には、蓄冷器の低温端と高温端との間に中間熱交換器を介在させ、作動ガスの非理想性に起因する熱損失分を熱交換器から吸熱させる。
従って、蓄冷器の低温端以外に、低温端と高温端との間に介在した中間熱交換器からも吸熱が行われ、この部分で発生する寒冷を効率的に被冷却体に提供することができるので、１つの蓄冷器で２箇所以上の寒冷取出し部分を提供することができ、蓄冷式冷凍機を多段化せずとも複数の冷凍箇所を持つ被冷却体を冷却することができる。このため、多段化に伴う上記不具合を解消することができる。
また、気体が理想気体として近似できる場合、理想気体の状態方程式から、１−Ｔ（∂Ｖ／∂Ｔ）Ｐ／Ｖ＝０が成り立つ。これに対し、｜１−Ｔ（∂Ｖ／∂Ｔ）Ｐ／Ｖ｜＞０．０１となると、気体の非理想性が現れる。これは、実在気体の状態方程式を例えばビリアル方程式で近似した場合、ビリアル係数が無視できないほど大きくなっている状態である。このような状態、即ち気体の非理想性が概ね１％以上現れる場合には、本発明を適用したときの効果が大きい。
また、蓄冷式冷凍機を２段型蓄冷式冷凍機とし、２段目蓄冷器の低温端と高温端との間に中間熱交換器を介在させる。２段型蓄冷式冷凍機を使用した場合、２段目蓄冷器の低温端においては極めて低い寒冷を得ることができる。例えば、作動ガスとしてヘリウムを用いれば、２段目蓄冷器の低温端では約４Ｋ程度の寒冷を得ることもできる。この程度の温度領域となると、作動ガスは顕著に非理想性を示す。従って、作動ガスの非理想性が顕著に現れる２段目蓄冷器の低温端と高温端との間に中間熱交換器を介在し、この中間熱交換器から吸熱を行うことにより、２段型蓄冷式冷凍機において３箇所の寒冷取出し部分、即ち、１段目蓄冷器の低温端での寒冷取出し部分、中間熱交換器での寒冷取出し部分、２段目蓄冷器の低温端での寒冷取出し部分を効率的に得ることができる。このため、蓄冷式冷凍機を３段にせずとも３つの冷凍箇所を持つ被冷却体を冷却することができ、３段化に伴う不具合を解消することができる。
また、作動ガスとしてヘリウムガスを使用し、２段目蓄冷器の低温端における温度を２〜１０Ｋ程度となるように蓄冷式冷凍機を運転すれば、作動ガスは２段目蓄冷器において顕著に非理想性を示す。従って、このような場合に、２段目蓄冷器の低温端と高温端との間に中間熱交換器を介在させれば、２段目蓄冷器の高温端の温度（例えば６０Ｋ）と低温端の温度（例えば４Ｋ）との間の領域の温度、例えば、１０〜２０Ｋ程度の温度領域において、寒冷を効率的に取出すことができる。
また、中間熱交換器を内側中間熱交換器と外側中間熱交換器とに分け、内側中間熱交換器を２段目蓄冷器の内部に配設し、外側中間熱交換器を２段目蓄冷器の外周に配設している。従って、２段目蓄冷器内部で発生する寒冷はまず内側中間熱交換器に受け渡され、次いで外側中間熱交換器に受け渡される。そして、この外側中間熱交換器に被冷却体を当接させて、被冷却体を冷却する。このように、蓄冷器の中間部分から寒冷の取出しが簡単に可能となる。
また、内側中間熱交換器と外側中間熱交換器との間の隙間を無くすことができるため、外側中間熱交換器と内側中間熱交換器との間の熱伝達が良好となり、外側中間熱交換器で得られる吸熱量を増加させることができる。
【００２０】
また、本発明は、
前記蓄冷式冷凍機の冷却対象物は、液体ヘリウム温度域での冷却が必要な主冷却対象物と、該主冷却対象物の回りに配設された第２輻射熱シールド板と、該第２輻射熱シールド板の回りに配設された液体窒素槽又は第１輻射熱シールド板とを具備する冷却系であり、前記２段目蓄冷器の低温端で発生する寒冷は前記主冷却対象物の冷却に利用され、前記１段目蓄冷器の低温端で発生する寒冷は前記液体窒素槽又は前記第１輻射熱シールド板の冷却に利用され、前記中間熱交換器で発生する寒冷は前記第２輻射熱シールド板の冷却に利用されることを特徴としている。
【００２１】
本発明によれば、冷却対象物が、液体ヘリウム温度域での冷却が必要な主冷却対象物と、主冷却対象物の回りに配設された第２輻射熱シールド板と、第２輻射熱シールド板の回りに配設された液体窒素槽又は第１輻射熱シールド板とを具備する冷却系である場合に、主冷却対象物を２段目蓄冷器の低温端で発生する寒冷で冷却し、液体窒素槽又は第２輻射熱シールド板を１段目蓄冷器の低温端で発生する寒冷で冷却し、第２輻射熱シールド板を中間熱交換器で発生する寒冷で冷却する。このため、上記３つの冷却箇所をもつ冷却系を、本発明を適用した２段型蓄冷式冷凍機で冷却することが可能となり、この種の冷却系を持つ装置、例えばＭＲＩ用超伝導磁石装置を効率的に冷却することができる。
【００２２】
上記主冷却対象物とは、液体ヘリウム温度域での冷却が必要な物であれば、その目的や態様は問わない。電子素子等の本来液体ヘリウム温度域で機能する部品は、過去においては液体ヘリウム中に浸漬されて使用されていた。従って、このような場合には、主冷却対象物は、液体ヘリウム又は液体ヘリウム槽となり、その目的は液体ヘリウムの蒸発防止である。ところが、近年の冷凍技術の進歩によって、冷凍機の寒冷発生部分でも、液体ヘリウム温度域で所定の出力を得ることができるようになってきたので、上記電子素子等を直接冷凍機に熱的結合させて（即ち液体ヘリウムを用いることなしに）機能させることもできるようになってきた。従って、このような場合には、主冷却対象物は、上記電子素子等であり、その目的は上記電子素子等の冷却である。このように、本明細書における「主冷却対象物」とは、その目的や態様を問わず、適用する冷却系の構成により適宜定められるものである。
【００２３】
また、本発明は、
前記蓄冷式冷凍機はパルス管冷凍機であることを特徴としている。パルス管冷凍機として本発明を適用することにより、冷却対象物へ与える振動の低減、低温部分のメンテナンスフリーの実現、磁場中での冷凍機運転の容易化を図ることができる。
【００２４】
また、本発明は、
前記蓄冷式冷凍機はＧＭ冷凍機又はスターリング冷凍機であることを特徴としている。ＧＭ冷凍機又はスターリング冷凍機として本発明を適用することにより、高効率及び高信頼性を確保することができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
まず、本発明の原理について説明する。
【００２６】
蓄冷式冷凍機に使用する作動ガスが理想気体として近似でき、かつ蓄冷器の再生作用が完全な場合、蓄冷器の高温端から低温端に向かうエンタルピー流はほぼ０とみなせ、蓄冷器の低温端で作動ガスの行うＰＶ図示仕事に対してほぼ等しい熱量（吸熱量）が該低温端で吸収される。例えば図１に示す蓄冷器１０を考えてみる。図１において、蓄冷器１０は、低温端１０Ｌ及び高温端１０Ｈを備え、それぞれの端部に低温端熱交換器１１Ｌ及び高温端熱交換器１１Ｈが取り付けられている。また、作動ガスはヘリウムガス、作動ガスの変動圧力範囲は０．７ＭＰａ〜２．０ＭＰａ、蓄冷器低温端１０Ｌでの温度が６０Ｋ、蓄冷器高温端１０Ｈでの温度が３００Ｋとすると、蓄冷器１０の低温端１０Ｌから高温端１０Ｈまでの全域にかけて作動ガスの理想性が維持される。つまり、作動ガスは近似的に理想気体とみなせ、１−Ｔ（∂Ｖ／∂Ｔ）Ｐ／Ｖ＝０が成り立つ。この場合、蓄冷器の再生作用が完全であるとすると、蓄冷器１０の高温端１０Ｈから低温端１０Ｌに向かうエンタルピー流は発生せず、低温端１０Ｌにおける作動ガスのＰＶ図示仕事と同量の熱量が、低温端１０Ｌに取り付けられた低温端熱交換器１１Ｌから吸熱される。例えば、低温端１０Ｌにおける作動ガスのＰＶ図示仕事が４０Ｗである場合、低温端熱交換器１１Ｌでの吸熱量も４０Ｗである。
【００２７】
次に、図２に示す蓄冷器２０を考えてみる。図２において、蓄冷器２０の基本構成及び作動ガスの種類及び変動圧力は、図１の蓄冷器１０の場合と同一である。即ち、蓄冷器２０は、低温端２０Ｌ及び高温端２０Ｈを備え、それぞれの端部に低温端熱交換器２１Ｌ及び高温端熱交換器２１Ｈが取り付けられている。作動ガスはヘリウム、作動ガスの変動圧力範囲は、０．７ＭＰａ〜２．０ＭＰａである。ただし、蓄冷器低温端２０Ｌでの温度は４．２Ｋ、蓄冷器高温端２０Ｈでの温度は６０Ｋであるところが、図１の蓄冷器１０とは異なる。この場合、蓄冷器低温端２０Ｌ付近では作動ガスは非理想性が顕著に現れ、｜１−Ｔ（∂Ｖ／∂Ｔ）Ｐ／Ｖ｜＞０．０１となる。このような状態であると、蓄冷器２０の再生作用が完全であっても、蓄冷器２０の高温端２０Ｈから低温端２０Ｌに向かうエンタルピー流が発生し、低温端２０Ｌにおける作動ガスの行うＰＶ図示仕事に対してそれに見合う熱量を低温端熱交換器２１Ｌから吸収しないことになる。例えば、低温端２０Ｌにおける作動ガスのＰＶ図示仕事が１０Ｗである場合、低温端２０Ｌでの吸熱量は２Ｗ程度となる。このように、作動ガスのＰＶ図示仕事が吸熱量と一致せず、そこで差が生じると、エネルギー収支上、この差分をどこかで補わなければならないが、蓄冷器２０の側面２０ａが断熱的な材質で形成されている場合或いは蓄冷器２０が断熱的な環境に配置されているような場合には、この差分（８Ｗ）は蓄冷器２０の高温端２０Ｈに取り付けられた高温端熱交換器２１Ｈから吸熱せざるを得ない。
【００２８】
これに対し、本発明に従った蓄冷器３０を図３に示す。この蓄冷器３０は、低温端３０Ｌ及び高温端３０Ｈを備え、それぞれの端部に低温端熱交換器３１Ｌ及び高温端熱交換器３１Ｈが取り付けられている。そして、蓄冷器低温端３０Ｌと蓄冷器高温端３０Ｈとの間に中間熱交換器５０が介在している。作動ガスの種類、変動圧力、端部での温度は図２の蓄冷器２０の場合と同一である。即ち、作動ガスはヘリウムガス、変動圧力は０．７ＭＰａ〜２．０ＭＰａ、蓄冷器低温端３０Ｌでの温度は４．２Ｋ、蓄冷器高温端３０Ｈでの温度は６０Ｋである。この場合、図２の蓄冷器２０と同様、蓄冷器低温端３０Ｌ付近では作動ガスは非理想性が顕著に現れ、｜１−Ｔ（∂Ｖ／∂Ｔ）Ｐ／Ｖ｜＞０．０１となる。このような状態であると、蓄冷器３０の再生作用が完全であっても、蓄冷器３０の高温端３０Ｈから低温端３０Ｌに向かうエンタルピー流が発生し、低温端３０Ｌにおける作動ガスの行うＰＶ図示仕事に対してそれと同量の熱量を低温端熱交換器３１Ｌから吸収することができない。例えば、低温端３０Ｌにおける作動ガスのＰＶ図示仕事が１０Ｗである場合、低温端３０Ｌでの吸熱量は２Ｗ程度となる。ところが、図２の場合と異なり、図３の蓄冷器３０では、低温端３０Ｌと高温端３０Ｈとの間の部分に中間熱交換器５０が介在している。従って、低温端３０Ｌにおける作動ガスのＰＶ図示仕事と低温端熱交換器３１Ｌでの吸熱量との差分（８Ｗ）の一部は、この中間熱交換器５０でも吸熱される。どの程度の吸熱が可能かは、その温度、圧力での作動ガスの非理想性による。中間熱交換器５０は、上述したように低温端と高温端との間に介在されているので、その温度も低温端での温度（４．２Ｋ）と高温端での温度（６０Ｋ）との間の温度である。例えばこの部分の温度を１０〜２０Ｋの温度とし、この温度域及び圧力で作動ガスが近似的に理想気体とみなせる場合には、この熱交換器の部分で１０〜２０Ｋの低温が８Ｗの出力で取出せることになる。この温度域及び圧力で作動ガスが非理想的である場合には、その非理想性の影響を受けるので、熱交換器の部分で１０〜２０Ｋの低温が例えば６Ｗの出力で取出せることになる。
【００２９】
図２に示す蓄冷器２０と図３に示す蓄冷器３０とを比較すると、図２に示す蓄冷器２０は、作動ガスの非理想性に起因して低温端２０Ｌで吸熱することができないエンタルピー分を高温端２０Ｈ側からの吸熱で補わざるを得ないのに対し、図３に示す蓄冷器３０は、作動ガスの非理想性に起因して低温端３０Ｌで吸熱することができないエンタルピー分を、高温端３０Ｈと低温端３０Ｌとの間に介在した中間熱交換器５０からの吸熱で補うことができ、この中間熱交換器５０の部分での吸熱を、低温端３０Ｌとは別の寒冷発生部分として利用することができる。
【００３０】
一方、図４に示す蓄冷器４０を考える。この蓄冷器４０は、図１に示す蓄冷器１０の構成に加え、低温端４０Ｌと高温端４０Ｈとの間に中間熱交換器５１を介在させたものである。また、作動ガスの種類、変動圧力、低温端及び高温端での温度は図１の場合と同じである。即ち、作動ガスの種類はヘリウムガス、変動圧力は０．７ＭＰａ〜１．０ＭＰａ、低温端の温度は６０Ｋ、高温端の温度は３００Ｋである。この場合において、図１の蓄冷器１０と同様、低温端４０Ｌから高温端４０Ｈまでの全域にかけて作動ガスの理想性が維持され、作動ガスは近似的に理想気体とみなせるので、１−Ｔ（∂Ｖ／∂Ｔ）Ｐ／Ｖ＝０が成り立つ。この場合、蓄冷器４０の再生作用が完全であるとすると、高温端４０Ｈから低温端４０Ｌに向かうエンタルピー流は発生せず、低温端４０Ｌにおける作動ガスのＰＶ図示仕事と同量の熱量が、低温端４０Ｌに取り付けられた低温端熱交換器４１Ｌから吸熱されるはずである。例えば、低温端４０Ｌにおける作動ガスのＰＶ図示仕事が４０Ｗである場合、低温端熱交換器４１Ｌでの吸熱量も４０Ｗのはずである。ところが、図４の場合では、蓄冷器４０の低温端４０Ｌと高温端４０Ｈとの間に中間熱交換器５１を介在しているので、この中間熱交換器５１の部分からも吸熱が起こる。例えばこの中間熱交換器６１の部分の温度が１００Ｋとすると、この部分で１０Ｗの吸熱が起こる。このため、中間熱交換器５１の部分での吸熱量分が低温端４０Ｌでの吸熱量分から差し引かれ、低温端４０Ｌでの吸熱量は３０Ｗとなってしまう。従って、作動ガスの理想性が保たれる範囲で蓄冷器の低温端と高温端との間に熱交換器を介在させても、低温端での吸熱が減少してしまう。
【００３１】
図４に示す蓄冷器４０と図３に示す蓄冷器３０とを比較すると、低温端での作動ガスが、図４の場合では理想性が保たれ、図３の場合では非理想性が顕著に現れる点で異なる。この場合、図４の蓄冷器４０では、中間熱交換器６１で得られる吸熱量は本来ならば低温端熱交換器４１Ｌで得られるべき吸熱量の一部を中間熱交換器５１に分離して得ているに過ぎないのに対し、図３の蓄冷器３０では、低温端熱交換器３１Ｌで得られている吸熱量とは無関係に中間熱交換器５０で吸熱が得られる。つまり、図３の蓄冷器３０から中間熱交換器５０を取り外した場合でも、図３のように取り付けた場合でも、低温端熱交換器３１Ｌでの吸熱量は変わらない。このため、図３の蓄冷器３０では、低温端熱交換器３０Ｌで得られる吸熱量に影響を及ぼさずに、中間熱交換器５０で効率的に吸熱を得ることができる。
【００３２】
図５は、本発明を２段目蓄冷器に適用した場合における２段型パルス管冷凍機を示す。図において、２段型パルス管冷凍機６０は、１段目蓄冷器７１、２段目蓄冷器７２、１段目パルス管８１、２段目パルス管８２を備える。１段目蓄冷器７１は、高温端７１Ｈ及び低温端７１Ｌを備え、２段目蓄冷器７２は、高温端７２Ｈ及び低温端７２Ｌを備えている。また、１段目パルス管８１は、高温端８１Ｈ及び低温端８１Ｌを、２段目パルス管８２は、高温端８２Ｈ及び低温端８２Ｌを備えている。１段目蓄冷器７１の高温端７１Ｈには、高温端熱交換器７１ａが取り付けられている。１段目パルス管８１の低温端８１Ｌと１段目蓄冷器７１の低温端７１Ｌは熱的に連通しており、２段目パルス管８２の低温端８２Ｌと２段目蓄冷器７２の低温端７２Ｌとは熱的に連通している。そして、１段目パルス管８１の低温端８１Ｌには１段目熱交換器９１が、２段目パルス管８２の低温端８２Ｌには２段目熱交換器９２が、それぞれ取り付けられている。また、２段目蓄冷器７２の高温端７２Ｈと低温端７２Ｌとの間の部分には、中間熱交換器９３が介在されている。尚、１段目蓄冷器７１の高温端７１Ｈ側には、圧力振動発生装置９４が、１段目パルス管８１の高温端８１Ｈ側には、１段目位相調節機構９５が、２段目パルス管８２の高温端８２Ｈ側には、２段目位相調節機構９６が、それぞれ連結されている。
【００３３】
上記構成において、内部を流れる作動ガスをヘリウム、作動ガスの変動圧力を０．７ＭＰａ〜２．０ＭＰａ、高温端熱交換器７１ａでの温度が３００Ｋ、１段目熱交換器９１での温度が６０Ｋ、２段目熱交換器９２での温度が４．２Ｋとなるように２段型パルス管冷凍機６０を運転する。この場合、１段目蓄冷器７１の内部での作動ガスは理想気体で近似できるが、２段目蓄冷器７２の低温端部分では、作動ガスは非理想性が顕著に現れるので、理想気体としては近似できない。
【００３４】
上記の場合において、例えば圧力振動発生装置９４から投入される入力仕事を６００Ｗとし、高温端熱交換器７１ａでは６００Ｗの熱量が放熱され、１段目蓄冷器７１の再生作用が完全だとすると、低温端７１Ｌでの作動ガスのＰＶ図示仕事が１２０Ｗになる。そして、この１２０Ｗの図示仕事のうち、１００Ｗが２段目蓄冷器７２への入力仕事に、２０Ｗが１段目パルス管８１側での図示仕事に分岐されるとする。これは、即ち、１段目蓄冷器７１から外部に取出される仕事が２０Ｗであることを示す。１段目蓄冷器７１では作動ガスは理想気体とみなせるので、１−Ｔ（∂Ｖ／∂Ｔ）Ｐ／Ｖ＝０が成り立つ。この場合、１段目蓄冷器７１の再生作用が完全であるので、１段目蓄冷器７１の高温端７１Ｈから低温端７１Ｌに向かうエンタルピー流は発生せず、１段目蓄冷器７１から外部に取出されたＰＶ図示仕事と同量の熱量（２０Ｗ）が１段目熱交換器９１から吸熱される。このため、１段目熱交換器９１では、２０Ｗの吸熱を得ることができる。
【００３５】
また、２段目蓄冷器７２には、１段目蓄冷器７１の低温端７１Ｌでの作動ガスのＰＶ図示仕事（１２０Ｗ）のうち、外部に取出されなかった１００Ｗが入力され、２段目蓄冷器７２の低温端７２Ｌでの作動ガスのＰＶ図示仕事が７Ｗであったとする。２段目蓄冷器７２の低温端７２Ｌでは、作動ガスの非理想性が顕著に現れるので、作動ガスを理想気体に近似することはできないので、｜１−Ｔ（∂Ｖ／∂Ｔ）Ｐ／Ｖ｜＞０．０１となる。このような状態であると、２段目蓄冷器７２の再生作用が完全であっても、２段目蓄冷器７２の高温端７２Ｈから低温端７２Ｌに向かうエンタルピー流が発生し、低温端７２Ｌにおける作動ガスの行うＰＶ図示仕事と同量の熱量を２段目熱交換器９２から吸熱することができない。例えば、低温端７２Ｌにおける作動ガスのＰＶ図示仕事が７Ｗである場合、２段目熱交換器９２での吸熱量は２Ｗ程度となる。ところが２段目蓄冷器７２の低温端７２Ｌと高温端７２Ｈとの間の部分に中間熱交換器９３が介在している。従って、２段目蓄冷器７２の低温端７２Ｌにおける作動ガスのＰＶ図示仕事（７Ｗ）と２段目熱交換器９２での吸熱量（２Ｗ）との差分（５Ｗ）の全部又は一部は、この中間熱交換器９３で吸熱される。中間熱交換器９３は、上述したように２段目蓄冷器７２の低温端７２Ｌと高温端７２Ｈとの間に介在されているので、その温度も低温端７２Ｌでの温度（４．２Ｋ）と高温端７２Ｈでの温度（６０Ｋ）との間の温度である。例えばこの部分の温度を１０〜２０Ｋの温度とし、この部分の温度域及び圧力で作動ガスが理想気体に近似できる場合、中間熱交換器９３の部分で１０〜２０Ｋの低温が５Ｗの出力で効率的に取出せることになる。
【００３６】
上述のような２段蓄冷器を持つ２段型蓄冷式冷凍機は、例えば液体ヘリウム温度域での冷却が必要な冷却対象物、例えば電子素子等が浸漬された液体ヘリウム槽や、このような液体ヘリウム槽に浸漬された電子素子等（以下、この段落において、液体ヘリウム温度域での冷却が必要な冷却対象物を、主冷却対象物と呼ぶ）の冷却に利用することができる。また、主冷却対象物への外部からの熱輻射による熱侵入を防止するため、該主冷却対象物の回りに液体窒素槽または第1輻射熱シールド板を設けて外部からの熱侵入を遮蔽している。しかしながら、さらにより確実に熱侵入を防止するため、主冷却対象物と液体窒素槽又は第1輻射熱シールド板との間に第2輻射熱シールド板を設けることが考えられる。この場合、主冷却対象物を冷却するために必要な温度は４．２Ｋ、液体窒素槽又は第1輻射熱シールド板を冷却するために必要な温度は６０Ｋ、第2輻射熱シールド板を冷却するために必要な温度は１０〜２０Ｋである。従って、このような冷却系を冷却するために、主冷却対象物の冷却に２段目熱交換器を利用し、液体窒素槽又は第1輻射熱シールド板の冷却に１段目熱交換器を利用し、第2輻射熱シールド板の冷却に中間熱交換器を利用する。これにより、３箇所の冷却が必要である冷却系を、２段型蓄冷式冷凍機で冷却することが可能となる。
【００３７】
上記したような中間熱交換器は、蓄冷器の低温端と高温端との間であれば、どのような位置でも良い。要求される温度域に合わせて適宜熱交換器の取付け場所を変更させることにより、要求仕様に合致した冷却システムを提供することができる。
【００３８】
また、上記したような中間熱交換器は、１つの蓄冷器に対して異なった位置に２つ以上取付けても良い。要求される温度域及び冷却箇所の数に合わせて適宜熱交換器の取付け個数を変更させることにより、要求仕様に合致した冷却システムを提供することができる。
【００３９】
また、中間熱交換器が介在される蓄冷器は、蓄冷器としての機能を果たすものであれば良く、蓄冷器が他の構成要素と結合された態様でも良い。例えば、ピストンやディスプレーサに蓄冷材が含有された蓄冷器内蔵ピストンや蓄冷器内蔵ディスプレーサが提案されているが、このような蓄冷器内蔵ピストンや蓄冷器内蔵ディスプレーサも、本発明に従う限りにおいて、蓄冷器として見立てることができる。この場合、蓄冷器の高温端とは、蓄冷器内蔵ピストンや蓄冷器内蔵ディスプレーサの高温端に該当し、蓄冷器の低温端とは、蓄冷器内蔵ピストンや蓄冷器内蔵ディスプレーサの低温端に該当する。
【００４０】
【実施例】
（第１実施例）
図６は、２段型パルス管冷凍機の冷凍発生部分を示す断面図である。図において、２段型パルス管冷凍機の冷凍発生部分１０１は、１段目蓄冷器１１０、２段目蓄冷器１２０、１段目パルス管１３０、２段目パルス管１４０を具備する。
【００４１】
１段目蓄冷器１１０は、内部に空間を擁した１段目蓄冷器ケーシング１１１と、該１段目蓄冷器ケーシング１１１の内部空間に充填された１段目蓄冷材１１２を備えて構成されている。本例において、この１段目蓄冷材１１２として、銅メッシュの積層体が使用されている。また、この１段目蓄冷器１１０は、低温端１１０Ｌ及び高温端１１０Ｈを備える。低温端１１０Ｌは、１段目蓄冷器１１０の図示下方端であり、高温端１１０Ｈは１段目蓄冷器１１０の図示上方端である。高温端１１０Ｈ側には、図に示すように第１通路１１３が形成されている。この第１通路１１３は、その一端が１段目蓄冷材１１２の図示上端部分に連通しており、その他端が高温端１１０Ｈの端面部分に開口している。この開口部分は、図示せぬ圧力振動発生装置に連通されている。また、低温端１１０Ｌ側にも、図に示すように第２通路１１４が形成されている。この第２通路１１４は、その一端が１段目蓄冷材１１２の図示下端部分に連通しており、その他端が低温端１１０Ｌの端面部分に開口している。
【００４２】
２段目蓄冷器１２０は、内部に空間を擁した２段目蓄冷器ケーシング１２１を備える。この２段目蓄冷器ケーシング１２１の内部空間には、内側中間熱交換器１２５が取り付けられており、この内側中間熱交換器１２５によって、２段目蓄冷器ケーシング１２１の内部空間が２分されている。この２分された内部空間の内、図示上側の空間には２段目高温側蓄冷材１２２ａが、図示下側の空間には２段目低温側蓄冷材１２２ｂが、それぞれ充填されている。本例において、２段目高温側蓄冷材１２２ａとして鉛粒を、２段目低温側蓄冷材１２２ｂとしてＥｒ３Ｎｉ粒を使用している。また、内側中間熱交換器１２５には、図に示すように連通路１２６が形成されており、この連通路１２６によって、２段目蓄冷器ケーシング１２１内の２分された内部空間が連通可能とされている。
【００４３】
２段目蓄冷器ケーシング１２１の外周には、図に示すように外側中間熱交換器１２７が取り付けられている。この外側中間熱交換器１２７は、内側中間熱交換器１２５の配設位置に対面する状態で取り付けられている。
【００４４】
また、２段目蓄冷器１２０は、低温端１２０Ｌ及び高温端１２０Ｈを備える。低温端１２０Ｌは２段目蓄冷器１２０の図示下方端であり、高温端１２０Ｈは２段目蓄冷器１２０の図示上方端である。高温端１２０Ｈ側には、図に示すように第３通路１２３が形成されている。この第３通路１２３は、その一端が２段目高温側蓄冷材１２２ａの図示上端部分に連通しており、その他端は高温端１２０Ｈの端面部分に開口している。また、低温端１２０Ｌ側にも、図に示すように第４通路１２４が形成されている。この第４通路１２４は、その一端が２段目低温側蓄冷材１２２ｂの図示下端部分に連通しており、その他端は２段目蓄冷器１２０の低温端１２０Ｌ側の側面に開口している。
【００４５】
図に示すように、１段目蓄冷器１１０の低温端１１０Ｌ側に形成された第２通路１１４の開口部分と、２段目蓄冷器１２０の高温端１２０Ｈ側に形成された第３通路１２３の開口部分とは、互いに対面するように、両蓄冷器１１０及び１２０が配設されている。従って、２段目蓄冷器１２０の高温端１２０Ｈは、１段目蓄冷器１１０の低温端１１０Ｌと熱的に結合されているとともに、１段目蓄冷器ケーシング１１１の内部空間と、２段目蓄冷器ケーシング１２１の内部空間とは、第３通路１１４及び第４通路１２３を通って連通可能とされている。
【００４６】
また、２段目蓄冷器１２０の高温端１２０Ｈに形成された第３通路１２３は、その途中から分岐通路１２８が連通されている。この分岐通路１２８は２段目蓄冷器１２０の高温端１２０Ｈ側の側面に開口している。
【００４７】
１段目パルス管１３０は、ステンレス鋼等で形成された内部が中空の円筒管である。この１段目パルス管１３０は、低温端１３０Ｌ及び高温端１３０Ｈを備える。低温端１３０Ｌは１段目パルス管１３０の図示下方端であり、高温端１３０Ｈは１段目パルス管１３０の図示上方端である。両端１３０Ｌ、１３０Ｈには、図に示すように整流板１３１、１３１が取り付けられており、これらの整流板１３１、１３１によって、１段目パルス管１３０内に流入する作動ガスが整流される。
【００４８】
１段目パルス管１３０には、その高温端１３０Ｈの部分を覆うように、第１高温側熱交換器１３２が取り付けられている。この第１高温端熱交換器１３２は、外気と熱接触したり、冷却水と熱交換したりして、１段目パルス管１３０の高温端１３０Ｈの部分を冷却する役割を果たす。第１高温熱交換器１３２の内部には、第５通路１３３が形成されている。この第５通路１３３の一端は、１段目パルス管１３０の高温端１３０Ｈに連通し、その他端は図に示すように第１高温熱交換器１３２の端面部分に開口している。この開口部分は、図示せぬ位相調節機構に連通している。
【００４９】
また、１段目パルス管１３０の低温端１３０Ｌ側には、該低温端１３０Ｌを覆うように、１段目熱交換器１３４が取り付けられている。この１段目熱交換器１３４は、被冷却体と熱接触して該被冷却体を冷却する役割を果たすものであり、本例では約６０Ｋの低温を生成することができる。この１段目熱交換器１３４には、図に示すように第６通路１３５が形成されている。第６通路１３５の一端は１段目パルス管１３０の低温端１３０Ｌに連通しており、他端は、１段目熱交換器１３４の側面に開口している。
【００５０】
１段目熱交換器１３４の側面に開口した第６通路１３５と、２段目蓄冷器１２０の高温端１２０Ｈ側の側面に開口した分岐通路１２８とは、連通配管１３６で接続されている。従って、１段目蓄冷器１１０内の作動ガスは、第２通路１１４、第３通路１２３、分岐通路１２８、連通配管１３６、第６通路１３５を通って、１段目パルス管１３０内に連通可能とされている。
【００５１】
２段目パルス管１４０は、１段目パルス管１３０と同様、ステンレス鋼等で形成された内部が中空の円筒管である。この２段目パルス管１４０は、低温端１４０Ｌ及び高温端１４０Ｈを備える。低温端１４０Ｌは２段目パルス管１４０の図示下方端であり、高温端１４０Ｈは２段目パルス管１４０の図示上方端である。両端１４０Ｌ、１４０Ｈには、図に示すように整流板１４１、１４１が取り付けられており、これらの整流板１４１、１４１によって、２段目パルス管１４０内に流入する作動ガスが整流される。
【００５２】
２段目パルス管１４０には、その高温端１４０Ｈの部分を覆うように、第２高温側熱交換器１４２が取り付けられている。この第２高温端熱交換器１４２は、外気と熱接触したり、冷却水と熱交換したりして、２段目パルス管１４０の高温端１４０Ｈの部分を冷却する役割を果たす。第２高温熱交換器１４２の内部には、第７通路１４３が形成されている。この第７通路１４３の一端は、２段目パルス管１４０の高温端１４０Ｈに連通し、他端は図に示すように第２高温熱交換器１４２の端面部分に開口している。この開口部分は、図示せぬ位相調節機構に連通している。
【００５３】
また、２段目パルス管１４０の低温端１４０Ｌ側には、該低温端１４０Ｌを覆うように、２段目熱交換器１４４が取り付けられている。この２段目熱交換器１４４は、被冷却体と熱接触して該被冷却体を冷却する役割を果たすものであり、本例では約４．２Ｋの低温を生成することができる。この２段目熱交換器１４４には、図に示すように第８通路１４５が形成されている。第８通路１４５の一端は２段目パルス管１４０の低温端１４０Ｌに連通しており、他端は、２段目熱交換器１４４の側面に開口している。
【００５４】
２段目熱交換器１４４の側面に開口した第８通路１４５と、２段目蓄冷器１２０の低温端１２０Ｌ側の側面に開口した第４通路１２４とは、連通配管１４６で接続されている。従って、２段目蓄冷器１２０内の作動ガスは、第４通路１２４、連通配管１４６、第８通路１４５を通って、２段目パルス管１４０内に連通可能とされている。
【００５５】
上記構成の冷凍発生部分１０１を持つ２段型パルス管冷凍機において、作動ガスとしてヘリウムガスを用い、図示せぬ圧力振動発生装置を駆動させる。すると、この圧力振動発生装置において低圧と高圧とが交互に発生し、圧力振動を起こすが、圧力振動発生装置は上述のように第１通路１１３に連通しているので、この圧力振動は、冷凍発生部分１０１に伝達される。また、このような圧力振動とともに、作動ガスが冷凍発生部分１０１の内部を往復動する。このとき、図示せぬ位相調節機構によって、１段目パルス管１３０内及び２段目パルス管１４０内の作動ガスの変位と圧力変動との間に位相差が生じる。この位相差を、各パルス管１３０、１４０の各低温端１３０Ｌ、１４０Ｌにおいて約９０°とすることにより、各パルス管１３０、１４０の各低温端１３０Ｌ、１４０Ｌ側で作動ガスが断熱膨張して寒冷を発生する。この圧力変動及び変位により、両蓄冷器１１０、１２０の両低温端１１０Ｌ、１２０Ｌ側から高温端１１０Ｈ、１２０Ｈ側に向って熱が汲み上げられる。このため各パルス管１３０、１４０の各低温端１３０Ｌ、１４０Ｌで寒冷を発生する。この寒冷は、１段目熱交換器１３４及び２段目熱交換器１４４に伝達され、該熱交換器１３４、１４４に熱的に結合している被冷却体を冷却する。
【００５６】
１段目熱交換器１３４においては、約６０Ｋ程度の寒冷が得られる。また、２段目熱交換器１４４においては、約４．２Ｋ程度の寒冷が得られる。この場合において、１段目蓄冷器１１０内の作動ガスの温度領域は、約３００Ｋ（常温）〜６０Ｋであり、この温度領域であれば、作動ガスの理想性が維持される。つまり、作動ガスは近似的に理想気体とみなせ、１−Ｔ（∂Ｖ／∂Ｔ）Ｐ／Ｖ＝０が成り立つ。従って、１段目蓄冷器１１０の高温端１１０Ｈから低温端１１０Ｌに向かうエンタルピー流は発生せず、１段目蓄冷器１１０の再生作用が完全であるとすると、低温端１１０Ｌから分岐した１段目パルス管１３０の低温端部１３０Ｌへの作動ガスのＰＶ図示仕事と同量の熱量が、１段目パルス管１３０の低温端１３０Ｌに取り付けられた１段目熱交換器１３４から吸熱される。例えば、１段目蓄冷器１１０の低温端１１０Ｌから１段目パルス管１３０に分岐した作動ガスのＰＶ図示仕事が２０Ｗである場合、１段目熱交換器１３４での吸熱量も２０Ｗである。従って、１段目熱交換器１３４では、６０Ｋ、２０Ｗの冷凍出力が得られることになる。
【００５７】
一方、２段目蓄冷器１２０の低温端１２０Ｌでの温度は４．２Ｋ、高温端１２０Ｈでの温度は約６０Ｋである。この場合、低温端１２０Ｌ付近では作動ガスは非理想性が顕著に現れ、｜１−Ｔ（∂Ｖ／∂Ｔ）Ｐ／Ｖ｜＞０．０１となる。このような状態であると、２段目蓄冷器１２０の再生作用が完全であっても、２段目蓄冷器１２０の高温端１２０Ｈから低温端１２０Ｌに向かうエンタルピー流が発生し、低温端１２０Ｌにおける作動ガスの行うＰＶ図示仕事と同量の熱量を２段目熱交換器１４４から吸熱することができない。例えば、低温端１２０Ｌにおける作動ガスのＰＶ図示仕事が７Ｗである場合、２段目熱交換器１４４での吸熱量は２Ｗ程度となる。従って、２段目熱交換器１４４では、４．２Ｋ、２Ｗの冷凍出力が得られることになる。
【００５８】
この場合において、低温端１２０Ｌと高温端１２０Ｈとの間の部分に介在している外側中間熱交換器１２７及び内側中間熱交換器１２５でも吸熱が得られる。吸熱量は、その部分の作動ガスの非理想性に影響されるが、この部分での作動ガスが理想気体として近似できる場合には、５Ｗの吸熱が期待できる。従って、この熱交換器１２５、１２７での温度を２０Ｋとし、作動ガスが理想的である場合、この部分で２０Ｋ、５Ｗの冷凍出力が得られることになる。
【００５９】
（第２実施例）
図７は、２段型ＧＭ冷凍機の冷凍発生部分を示す断面図である。図において、２段型ＧＭ冷凍機の冷凍発生部分２０１は、１段目シリンダ２１０、１段目蓄冷器内蔵ディスプレーサ２２０、２段目シリンダ２３０、２段目蓄冷器内蔵ディスプレーサ２４０を具備する。
【００６０】
１段目シリンダ２１０は、円筒状に形成されており、その図示上端面には、作動ガスの導入及び排出用の連通孔２１１、及び、ロッド挿通用の挿通孔２１２が形成されている。連通孔２１１は、図示せぬ圧力振動発生装置に連通している。挿通孔２１２には、後述のロッドが挿通されている。
【００６１】
１段目蓄冷器内蔵ディスプレーサ２２０は、１段目シリンダ２１０の内部に往復動可能に配設されている。この１段目蓄冷器内蔵ディスプレーサ２２０は、内部空間を擁した１段目ディスプレーサケース２２１及び該１段目ディスプレーサケース２２１の内部空間に充填された１段目蓄冷材２２２とを備えて構成されている。１段目蓄冷材２２２の材質は、第１実施形態例と同一である。
【００６２】
１段目蓄冷器内蔵ディスプレーサ２２０は、低温端２２０Ｌ及び高温端２２０Ｈを備える。低温端２２０Ｌは、１段目ディスプレーサ２２０の図示下方端であり、高温端２２０Ｈは１段目ディスプレーサ２２０の図示上方端である。図に示すように１段目蓄冷器内蔵ディスプレーサ２２０の高温端２２０Ｈと１段目シリンダ２１０の図示上端内壁との間には、背面空間Ｓが形成され、１段目蓄冷器内蔵ディスプレーサ２２０の低温端２２０Ｌと１段目シリンダ２１０の図示下端内壁との間には、１段目膨張空間Ｖ１が形成されている。
【００６３】
１段目蓄冷器内蔵ディスプレーサ２２０の高温端２２０Ｈにはロッド２２９の一端が接続されている。ロッド２２９は、該１段目ディスプレーサ２２０の高温端２２０Ｈから１段目ディスプレーサケース２２１に形成された挿通孔２１２を突き抜けて外部に突出している。そして、このロッド２２９の他端は、図示せぬ往復駆動手段に連結されている。
【００６４】
１段目蓄冷器内蔵ディスプレーサ２２０の高温端２２０Ｈ側には、図に示すように第１連通路２２３が形成されている。この第１連通路２２３は、その一端が１段目蓄冷材２２２の図示上端部分に連通しており、その他端が高温端２２０Ｈの端面部分に開口して背面空間Ｓに連通している。一方、低温端２２０Ｌ側には、第２連通路２２４が形成されている。この第２連通路２２４は、その一端が１段目蓄冷材２２２の図示下端縁部分に連通しており、その他端が１段目ディスプレーサケース２２１の側面に開口して１段目膨張空間Ｖ１に連通している。また、１段目ディスプレーサケース２２１の外周には、ディスプレーサリング２２５が取り付けられている。このディスプレーサリング２２５は、１段目ディスプレーサケース２２１と１段目シリンダ２１０の内壁との隙間を埋め、該隙間を通って作動ガスが流れるのを防止するためのものであり、第１連通路２２３の開口部分と第２連通路２２４の開口部分との直接の連通を遮蔽する位置に取り付けられる。従って、連通孔２１１から背面空間Ｖ１に導入された作動ガスは、１段目蓄冷器内蔵ディスプレーサ２２０の高温端２２０Ｈ側から第１連通路２２３を経て１段目蓄冷材２２２が充填された空間に入り、第２連通路２２４を通って１段目膨張空間Ｖ２に到達する。このとき、ディスプレーサリング２２５の存在によって、背面空間Ｖ１の作動ガスが１段目ディスプレーサケース２２１と１段目シリンダ２１０の内壁との間の隙間を通って１段目膨張空間Ｖ２に抜けることができないので、背面空間Ｖ１の作動ガスが１段目蓄冷材２２２を経由せずに直接１段目膨張空間Ｖ２に抜けることはない。
【００６５】
１段目シリンダ２１０の図示下端部分は、円状に開口されている。そして、この開口縁に２段目シリンダ２３０の上端開口部が連結されている。
【００６６】
２段目シリンダ２３０は、１段目シリンダ２１０よりも小径の円筒状に形成されており、その図示上端面は開口して、上述のように１段目シリンダ２１０の下端開口縁に連結されている。また、その図示下端面は閉塞している。
【００６７】
２段目蓄冷器内蔵ディスプレーサ２４０は、２段目シリンダ２３０の内部に往復動可能に配設されている。この２段目ディスプレーサ２４０は、内部に空間を擁した２段目ディスプレーサケース２４１を備える。この２段目ディスプレーサケース２４１の内部空間には、内側中間熱交換器２４６が取り付けられており、この内側中間熱交換器２４６によって、２段目ディスプレーサケース２４１の内部空間が２分されている。この２分された内部空間の内、図示上側の空間には２段目高温側蓄冷材２４２ａが、図示下側の空間には２段目低温側蓄冷材２４２ｂが、それぞれ充填されている。これらの蓄冷材材質は、第１実施例と同一である。また、内側中間熱交換器２４６には、図に示すように連通路２４７が形成されており、この連通路２４７によって、２段目ディスプレーサケース２４１内の２分された内部空間が連通可能とされている。
【００６８】
２段目シリンダ２３０の外周には、図に示すように外側中間熱交換器２４８が取り付けられている。この外側中間熱交換器２４８は、内側中間熱交換器２４７の配設位置に略対面する状態で取り付けられている。
【００６９】
２段目蓄冷器内蔵ディスプレーサ２４０は、低温端２４０Ｌ及び高温端２４０Ｈを備える。低温端２４０Ｌは、２段目蓄冷器内蔵ディスプレーサ２４０の図示下方端であり、高温端２４０Ｈは２段目ディスプレーサ２４０の図示上方端である。そして、２段目蓄冷器内蔵ディスプレーサ２４０の高温端２４０Ｈ側の部分が１段目ディスプレーサ２２０の低温端２２０Ｌ側の部分に嵌め込まれており、これにより高温端２４０Ｈと低温端２２０Ｌとが熱的に結合されるとともに、両ディスプレーサ２２０、２４０が一体で動作するようにされている。また、２段目蓄冷器内蔵ディスプレーサ２４０の低温端２４０Ｌと２段目シリンダ２３０の図示下端壁との間には、２段目膨張空間Ｖ２が形成されている。
【００７０】
高温端２４０Ｈ側には、図に示すように第３連通路２４３が形成されている。この第３連通路２４３は、その一端が２段目高温蓄冷材２４２ａの図示上端部分に連通しており、その他端が２段目ディスプレーサケース２２１の側面部分に開口して１段目膨張空間Ｖ２に連通している。一方、低温端２４０Ｌ側には、第４連通路２４４が形成されている。この第４連通路２４４は、その一端が２段目低温蓄冷材２４２ｂの図示下端部分に連通しており、その他端が２段目ディスプレーサケース２４１の側面に開口して２段目膨張空間Ｖ３に連通している。また、２段目ディスプレーサケース２４１の外周には、ディスプレーサリング２４５が取り付けられている。このディスプレーサリング２４５は、２段目ディスプレーサケース２４１と２段目シリンダ２３０の内壁との隙間を埋め、該隙間を通って作動ガスが流れるのを防止するためのものであり、第３連通路２４３の開口部分と第４連通路２４４の開口部分との間の位置に取り付けられる。従って、１段目膨張空間Ｖ２の作動ガスは、第３連通路２４３を経て２段目高温蓄冷材２４２ａが充填された空間に入り、さらに内側中間熱交換器２４６の連通路２４７を通って２段目低温蓄冷材２４２ｂが充填された空間に入り、そこから第４連通路２４４を通って２段目膨張空間Ｖ３に到達する。このとき、ディスプレーサリング２４５の存在によって、１段目膨張空間Ｖ２の作動ガスが２段目ディスプレーサケース２４１と２段目シリンダ２３０の内壁との間の隙間を通って２段目膨張空間Ｖ３に抜けることができないので、１段目膨張空間Ｖ２の作動ガスが２段目高温側蓄冷材２４２ａ及び２段目低温側蓄冷材２４２ｂを経由せずに直接２段目膨張空間Ｖ３に抜けることはない。
【００７１】
１段目シリンダ２１０の外周には、該シリンダ２１０内部の１段目膨張空間Ｖ２を覆うように、１段目熱交換器２５４が取り付けられている。この１段目熱交換器２５４は、被冷却体と熱接触して該被冷却体を冷却する役割を果たすものであり、本例では約６０Ｋの低温を生成することができる。また、２段目シリンダ２３０の外周には、該シリンダ２３０内部の２段目膨張空間Ｖ３を覆うように、２段目熱交換器２５５が取り付けられている。この２段目熱交換器２５５は、被冷却体と熱接触して該被冷却体を冷却する役割を果たすものであり、本例では約４．２Ｋの低温を生成することができる。
【００７２】
上記構成の冷凍発生部分２０１を持つ２段型ＧＭ冷凍機において、作動ガスとしてヘリウムガスを用い、図示せぬ圧力振動発生装置を駆動させる。すると、この圧力振動発生装置において低圧と高圧とが交互に発生し、圧力振動を起こすが、圧力振動発生装置は上述のように連通孔２１１に連通しているので、この圧力振動は、冷凍発生部分２０１に伝達される。また、圧力振動発生装置の駆動とともに、図示せぬ往復駆動手段も駆動する。すると、往復駆動手段からの駆動力がロッド２２９に伝達され、該ロッド２２９に連結された１段目蓄冷器内蔵ディスプレーサ２２０及び該１段目蓄冷器内蔵ディスプレーサ２２０に連結された２段目蓄冷器内蔵ディスプレーサ２４０が１段目シリンダ２１０及び２段目シリンダ２３０内を図示矢印方向に往復駆動する。このとき、作動ガスの圧力振動と、両ディスプレーサ２２０、２４０の往復駆動とを、９０°の位相差がつくように運転させることにより、各膨張空間Ｖ２、Ｖ３で作動ガスが断熱膨張して寒冷を発生するとともに、両ディスプレーサ２２０、２４０の低温端２２０Ｌ、２４０Ｌ側から高温端２２０Ｈ、２４０Ｈ側へ向って熱が汲み上げられる。このため各膨張空間Ｖ２、Ｖ３を覆うように取り付けられた１段目熱交換器２５４及び２段目熱交換器２５５が冷却され、該熱交換器２５４、２５５に熱的に結合している被冷却体を冷却する。
【００７３】
１段目熱交換器２５４においては、約６０Ｋ程度の寒冷が得られる。また、２段目熱交換器２５５においては、約４．２Ｋ程度の寒冷が得られる。この場合において、１段目蓄冷器内蔵ディスプレーサ２２０内の作動ガスの温度領域は、約３００Ｋ（常温）〜６０Ｋであり、この温度領域であれば、作動ガスの理想性が維持される。つまり、作動ガスは近似的に理想気体とみなせ、１−Ｔ（∂Ｖ／∂Ｔ）Ｐ／Ｖ＝０が成り立つ。従って、１段目蓄冷器内蔵ディスプレーサ２２０の蓄冷器再生作用が完全であるとすると、１段目蓄冷器内蔵ディスプレーサ２２０の高温端２２０Ｈから低温端２２０Ｌに向かうエンタルピー流は発生せず、１段目膨張空間Ｖ２における作動ガスのＰＶ図示仕事と同量の熱量が、１段目熱交換器２５４から吸熱される。例えば、１段目膨張空間Ｖ２における作動ガスのＰＶ図示仕事が２０Ｗである場合、１段目熱交換器２５４での吸熱量も２０Ｗである。従って、１段目熱交換器２５４では、６０Ｋ、２０Ｗの冷凍出力が得られることになる。
【００７４】
一方、２段目蓄冷器内蔵ディスプレーサ２４０内の作動ガスの温度領域は、高温端２４０Ｈ側で６０Ｋ、低温端２４０Ｌ側で４．２Ｋである。この場合、低温端２４０Ｌ側で作動ガスは非理想性を顕著に発現し、｜１−Ｔ（∂Ｖ／∂Ｔ）Ｐ／Ｖ｜＞０．０１となる。このような状態であると、２段目蓄冷器内蔵ディスプレーサ２４０の高温端２４０Ｈから低温端２４０Ｌに向かうエンタルピー流が発生し、２段目蓄冷器内蔵ディスプレーサ２４０の蓄冷器再生作用が完全であっても、２段目膨張空間Ｖ３における作動ガスの行うＰＶ図示仕事と同量の熱量を２段目熱交換器２５５から吸熱することができない。例えば、２段目膨張空間Ｖ３における作動ガスのＰＶ図示仕事が７Ｗである場合、２段目熱交換器２５５での吸熱量は２Ｗ程度となる。従って、２段目熱交換器２５５では、４．２Ｋ、２Ｗの冷凍出力が得られることになる。
【００７５】
この場合において、２段目蓄冷器内蔵ディスプレーサ２４０低温端２４０Ｌと高温端２４０Ｈとの間の部分に介在している外側中間熱交換器２４８及び内側中間熱交換器２４６でも吸熱が得られる。吸熱量は、その部分の作動ガスの非理想性に影響されるが、この部分での作動ガスが理想気体として近似できる場合には、５Ｗの吸熱が期待できる。従って、この熱交換器２４６、２４８での温度を２０Ｋとし、作動ガスが理想的である場合、この部分で２０Ｋ、５Ｗの冷凍出力が得られることになる。
【００７６】
上記のような２段型ＧＭ冷凍機は、第１実施例で示した２段型パルス管冷凍機よりも構成要素が少ない。例えば、第１実施例で示したパルス管や、それをつなぐための接続配管を要しない。従って、簡単な構成で本発明を実現することができるとともに、高効率でかつ信頼性の高い冷凍機とすることができる。
【００７７】
（第３実施例）
上記第２実施例で示した２段型ＧＭ冷凍機では、理屈上、上記の出力が得られることになるが、実際上は、第１実施例で示した２段型パルス管冷凍機よりも冷凍出力は劣る。その理由は、図７から明らかなように、内側中間熱交換器２４６と外側中間熱交換器２４８との間には、２段目蓄冷器内蔵ディスプレーサ２４０の側面と２段目シリンダ側周内壁との間の隙間（ギャップ）Ｌが存在し、このギャップＬ内の気体層を介した熱伝達が悪いために、内側中間熱交換器２４６で得られる寒冷を外側中間熱交換器２４８に確実に伝えることができず、所望の冷凍出力を取出すことができないことに起因する。
【００７８】
このような、不具合を改良した２段型ＧＭ冷凍機を本例で示す。
【００７９】
図８は、第３実施例にかかる２段型ＧＭ冷凍機の冷凍発生部分の断面図である。この冷凍発生部分２６１は、基本的には図７に示す冷凍発生部分２０１と同じであり、異なる部分は２段目蓄冷器内蔵ディスプレーサの部分のみである。以下、相違部分を中心に説明し、同一部分については図７に示すものと同一符号で示してその具体的説明は省略する。
【００８０】
図８において、２段目蓄冷器内蔵ディスプレーサ２４０の外周には、第１ディスプレーサリング２４５ａ及び第２ディスプレーサリング２４５ｂの２つのディスプレーサリングが取り付けられている。このため、２段目蓄冷器内蔵ディスプレーサ２４０の側面と２段目シリンダ２３０の側周内壁との間の隙間Ｌのうち、両ディスプレーサリング２４５ａ、２４５ｂで挟まれた部分は密閉空間Ｋとされている。
【００８１】
２段目蓄冷器内蔵ディスプレーサ２４０内の２段目高温側蓄冷材２４２ａが充填された空間は、第３連通路２４７ａによって上記密閉空間Ｋに連通している。また、内側中間熱交換器２４６内には第２連通路２４７ｂが形成されており、この第２連通路２４７ｂは、その一端が２段目低温蓄冷材２４２ｂの図示上端に連通し、その他端は２段目ディスプレーサケース２４１の側面に開口して密閉空間Ｋに連通している。従って、２段目高温側蓄冷材２４２ａが充填された空間内の作動ガスは、第１連通路２４７ａを通って一端密閉空間Ｋ内に入り、該密閉空間Ｋから第２連通路２４７ｂを通って２段目低温側蓄冷材２４２ｂが充填された空間に導入されることになる。
【００８２】
従って、密閉空間Ｋの領域を、外側中間熱交換器２４８と内側中間熱交換器２４６との対面部分に位置するように設計した場合、冷凍機の運転中に作動ガスが密閉空間Ｋ内を出入するので、この部分で強制対流が起こる。このため、対流熱伝達が促進され、内側中間熱交換器２４６と外側中間熱交換器２４８との間の熱伝達係数が増加し、外側中間熱交換器２４８での冷凍出力（吸熱量）を向上させることができる。
【００８３】
（第４実施例）
図９は、本発明の第４実施例にかかる、２段型ＧＭ冷凍機の冷凍発生部分を示す断面図である。この例は、上記第２及び第３実施例で見られた、ディスプレーサ側面とシリンダ側周内壁との間の隙間の存在による熱伝達の低下を防止した構成である。尚、図９に示すものにおいて、１段目シリンダ及び１段目蓄冷器内蔵ディスプレーサの構成については、図７に示すものと基本的には同一であり、異なるところは、２段目シリンダ及び２段目ディスプレーサの構成である。以下、相違点を中心に説明し、図７と同一構成部分については同一符号で示してその具体的説明を省略する。
【００８４】
図９において、２段型ＧＭ冷凍機の冷凍発生部分３０１は、１段目シリンダ２１０、１段目蓄冷器内蔵ディスプレーサ２２０、２段目シリンダ２３０、２段目ディスプレーサ２６０、２段目蓄冷器２７０を具備する。
【００８５】
１段目シリンダ２１０は、基本的には図７及び図８で示した１段目シリンダ２１０と同一である。ただし、図に示すように該１段目シリンダ２１０の図示下端面に連通孔２１３が形成されている点が、図７及び図８の場合と異なる。その他、図７及び図８と同一部分については同一符号で示してその具体的説明は省略する。
【００８６】
１段目蓄冷器内蔵ディスプレーサ２２０は、１段目シリンダ２１０の内部を往復動可能に配置されている。そして、１段目ディスプレーサ２２０の高温端２２０Ｈと１段目シリンダの上端内壁面とで背面空間Ｓを、及び、１段目蓄冷器内蔵ディスプレーサ２２０の低温端２２０Ｌと１段目シリンダの下端内壁面とで１段目膨張空間Ｖ１を、それぞれ画成している。１段目蓄冷器内蔵ディスプレーサ２２０の基本構成については、図７及び図８で示した１段目蓄冷器内蔵ディスプレーサ２２０と同一構成であるので、同一部分については同一符号で示して、その具体的説明を省略する。
【００８７】
２段目シリンダ２３０の構成も、基本的には図７及び図８で示した２段目シリンダ２３０と同一である。ただし、図に示すように該２段目シリンダ２３０の側面に連通孔２３１が形成されている点が、図７及び図８で示した２段目シリンダ２３０と異なる。その他、図７及び図８と同一部分について同一符号で示してその具体的説明は省略する。
【００８８】
２段目ディスプレーサ２６０は、２段目シリンダ２３０の内部に往復動可能に配設されている。この２段目ディスプレーサ２６０は、円柱状の中実部材で形成されており、図７及び図８に示す２段目ディスプレーサ２３０と異なり内部に蓄冷材を内蔵していない。また、該２段目ディスプレーサ２６０の図示上端は１段目ディスプレーサ２２０の低温端２２０Ｌに連結されている。従って、２段目ディスプレーサ２６０は、１段目ディスプレーサ２２０に連動して一体に動作する。そして、２段目ディスプレーサ２６０の図示下端と２段目シリンダ２３０の図示下端内壁面との間で、２段目膨張空間Ｖ２が画成されている。尚、この２段目ディスプレーサ２６０は、本例では中実部材であるが、作動ガスが内部に流出入しないのであれば、中空状の部材でも構わない。軽量化の面からは、むしろ中空状のものが好ましい。
【００８９】
２段目シリンダ２３０の外周には、２段目蓄冷器２７０が配設されている。この２段目蓄冷器２７０は、蓄冷器ケース２７１と、２段目高温側蓄冷材２７２ａと、２段目低温側蓄冷材２７２ｂとを備えて構成されている。蓄冷器ケース２７１は、２段目シリンダ２３０の外周を取り巻くようにリング状に形成されている。また、蓄冷器ケース２７１と２段目シリンダ２３０との間の空間には、内側中間熱交換器２７３が配設されており、この内側中間熱交換器２７３によって、上記空間が２分されている。この２分された空間の内、図示上側の空間には２段目高温側蓄冷材２７２ａが、図示下側の空間には２段目低温側蓄冷材２４２ｂが、それぞれ充填されている。また、内側中間熱交換器２７３には、図に示すように連通路２７４が形成されており、この連通路２７４によって、２分された空間、即ち２段目高温側蓄冷材が充填された空間と２段目低温側蓄冷材が充填された空間とが連通可能とされている。
【００９０】
蓄冷器ケース２７１の外周には、図に示すように外側中間熱交換器２７５が取り付けられている。この外側中間熱交換器２７５は、内側中間熱交換器２７４の配設位置に略対面する状態で取り付けられている。
【００９１】
２段目蓄冷器２７０は、低温端２７０Ｌ及び高温端２７０Ｈを備える。低温端２７０Ｌは、２段目蓄冷器２７０の図示下方端であり、高温端２７０Ｈは２段目蓄冷器２７０の図示上方端である。高温端２７０Ｈは、１段目シリンダ２１０の図示下端に形成された連通孔２１３に面しており、１段目膨張空間Ｖ１を介して１段目蓄冷器内蔵ディスプレーサ２２０の低温端２２０Ｌと熱的に結合している。一方、低温端２７０Ｌ付近の部分は、図に示すように２段目シリンダ２３０に形成された連通孔２３１に連通している。従って、１段目膨張空間Ｖ１の作動ガスは、連通孔２１３を通って２段目高温蓄冷材２７２ａが充填された空間に入り、さらに内側中間熱交換器２７３の連通路２７４を通って２段目低温蓄冷材２７２ｂが充填された空間に入り、そこから連通孔２３１を通って２段目膨張空間Ｖ２に到達することができる。この場合において、２段目ディスプレーサ２６０と２段目シリンダ２３０の内壁との間の隙間にはディスプレーサリング２７５が取り付けられているので、この、ディスプレーサリング２７５の存在によって、１段目膨張空間Ｖ１の作動ガスが２段目ディスプレーサ２６０と２段目シリンダ２３０の内壁との間の隙間を通って２段目膨張空間Ｖ２に抜けることができない。従って、１段目膨張空間Ｖ１の作動ガスが２段目高温側蓄冷材２７２ａ及び２段目低温側蓄冷材２７２ｂを経由せずに直接２段目膨張空間Ｖ２に抜けることはない。
【００９２】
１段目シリンダ２１０の外周には、該シリンダ２１０内部の１段目膨張空間Ｖ１を覆うように、１段目熱交換器２５４が取り付けられている。この１段目熱交換器２５４は、被冷却体と熱接触して該被冷却体を冷却する役割を果たすものであり、本例では約６０Ｋの低温を生成することができる。また、２段目シリンダ２３０の外周には、該シリンダ２３０内部の２段目膨張空間Ｖ２を覆うように、２段目熱交換器２５５が取り付けられている。この２段目熱交換器２５５は、被冷却体と熱接触して該被冷却体を冷却する役割を果たすものであり、本例では約４．２Ｋの低温を生成することができる。
【００９３】
本例は、上記構成で明らかなように、２段目ディスプレーサ２６０と２段目蓄冷器２７０とを分離し、分離された２段目蓄冷器２７０を２段目ディスプレーサ２６０の外周にリング状に形成し、リング状の２段目蓄冷器２７０の内部に内側中間熱交換器２７３を、その外周に外側中間熱交換器２７５を取り付けた構成であるので、内側中間熱交換器２７３と外側中間熱交換器２７５との間の隙間を無くすことができる。このため、上記第２及び第３実施例と比較して、外側中間熱交換器２７５と内側中間熱交換器２７３との間の熱伝達が良好となり、外側中間熱交換器２７５で得られる吸熱量を増加させることができる。
【００９４】
以上、本発明の実施例について説明したが、本発明は、上記実施例に限定されるものではない。例えば、上記実施例では、いずれも２段型蓄冷式冷凍機について説明したが、３段型蓄冷式冷凍機の３段目蓄冷器の低温端と高温端との間に中間熱交換器を介在させた構成でも良い。また、１段型の蓄冷式冷凍機であっても、蓄冷器内部で作動ガスの非理想性が顕著に現れる場合には、蓄冷器の低温端と高温端との間に中間熱交換器を介在させた構成でも良い。尚、ヘリウムガスを用いて４Ｋ程度の寒冷を得ることを目的とした場合、現段階では１段型蓄冷式冷凍機で４Ｋを得ることは難しいが、もし可能となった場合には、このような１段型蓄冷式冷凍機の蓄冷器の低温端と高温端との間に中間熱交換器を介在させても、効率的に吸熱を得ることができる。
【００９５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、蓄冷式冷凍機の多段化に伴い発生する不具合、例えば構成の複雑化に起因する設計時間の増大、装置全体が大型化することによるスペース的な問題、コスト的な問題を解消し、効率的に吸熱を得ることができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】低温端温度が６０Ｋ、高温端温度が３００Ｋの蓄冷器で、中間熱交換器を取り付けていない場合における、低温端での作動ガスのＰＶ図示仕事と低温端熱交換器での吸熱量との関係を示す模式図である。
【図２】低温端温度が４．２Ｋ、高温端温度が６０Ｋの蓄冷器で、中間熱交換器を取り付けていない場合における、低温端での作動ガスのＰＶ図示仕事と低温端熱交換器での吸熱量との関係を示す模式図である。
【図３】低温端温度が４．２Ｋ、高温端温度が６０Ｋの蓄冷器で、中間熱交換器を取り付けている場合（本発明）における、低温端での作動ガスのＰＶ図示仕事と低温端熱交換器及び中間熱交換器での吸熱量との関係を示す模式図である。
【図４】低温端温度が６０Ｋ、高温端温度が３００Ｋの蓄冷器で、中間熱交換器を取り付けている場合における、低温端での作動ガスのＰＶ図示仕事と低温端熱交換器及び中間熱交換器での吸熱量との関係を示す模式図である。
【図５】本発明を適用した２段型パルス管冷凍機の１段目蓄冷器と２段目蓄冷器において、各蓄冷器の低温端での作動ガスのＰＶ図示仕事と低温端熱交換器及び中間熱交換器での吸熱量との関係を示す模式図である。
【図６】本発明の第１実施例における、２段型パルス管冷凍機の冷凍発生部分の断面図である。
【図７】本発明の第２実施例における、２段型ＧＭ冷凍機の冷凍発生部分の断面図である。
【図８】本発明の第３実施例における、２段型ＧＭ冷凍機の冷凍発生部分の断面図である。
【図９】本発明の第４実施例における、２段型ＧＭ冷凍機の冷凍発生部分の断面図である。
【符号の説明】
３０・・・蓄冷器、  ３０Ｌ・・・低温端、  ３０Ｈ・・・高温端
３１Ｌ・・・低温端熱交換器、  ３１Ｌ・・・低温端熱交換器
５０・・・中間熱交換器
パルス管、  ３０Ｌ・・・パルス管低温端（低温端）、  ３０Ｈ・・・パルス管高温端（高温端）
６０・・・２段型パルス管冷凍機（蓄冷式冷凍機）
７１・・・１段目蓄冷器、  ７１Ｌ・・・低温端、  ７１Ｈ・・・高温端
７２・・・２段目蓄冷器、  ７２Ｌ・・・低温端、  ７２Ｈ・・・高温端
８１・・・１段目パルス管、  ８１Ｌ・・・低温端、  ８１Ｈ・・・高温端
８２・・・２段目パルス管、  ８２Ｌ・・・低温端、  ８２Ｈ・・・高温端
９１・・・１段目熱交換器
９２・・・２段目熱交換器
９３・・・中間熱交換器
１０１・・・２段型パルス管冷凍機
１１０・・・１段目蓄冷器、  １１０Ｌ・・・低温端、  １１０Ｈ・・・高温端
１２０・・・２段目蓄冷器、  １２０Ｌ・・・低温端、  １２０Ｈ・・・高温端
１２５、２４６、２７３・・・内側中間熱交換器
１２７、２４８、２７５・・・外側中間熱交換器
１３０・・・１段目パルス管
１４０・・・２段目パルス管
１３４、２５４・・・１段目熱交換器
１４４、２５５・・・２段目熱交換器
２０１、２６１、３０１・・・２段型ＧＭ冷凍機
２２０・・・１段目蓄冷器内蔵ディスプレーサ（１段目蓄冷器）、  ２２０Ｌ・・・低温端、  ２２０Ｈ・・・高温端
２４０・・・２段目蓄冷器内蔵ディスプレーサ（２段目蓄冷器）、  ２４０Ｌ・・・低温端、  ２４０Ｈ・・・高温端
２７０・・・２段目蓄冷器、  ２７０Ｌ・・・低温端、  ２７０Ｈ・・・高温端
【図１】
0004360020.tif 000002
【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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