连接的第I冷却台28。该第I冷却台28被通过第I间隙Cl的制冷剂气体冷却。第I膨胀空间26与第2置换器14的高温端通过连接器16周围的连通路连通。制冷剂气体经由该连通路从第I膨胀空间26流向第2置换器14。
[0032]第2置换器14具有圆筒状的外周面，第2置换器14的内部通过上端的整流器29、下端的整流器30及位于上下中间的分隔件31沿轴向分为两级。第2置换器14的内部容积中的在比分隔件31更靠高温(上级)侧的高温侧区域32中填充有例如由铅或铋等非磁性材料构成的第2蓄冷材料。在分隔件31的低温(下级)侧的低温侧区域33中填充有与高温侧区域32不同的蓄冷材料，例如由HoCu2等磁性材料构成的第3蓄冷材料。铅或秘、HoCu2等形成为球状，多个球状的形成物聚集而构成蓄冷材料。分隔件31防止高温侧区域32的蓄冷材料与低温侧区域33的蓄冷材料混合。该第2置换器14的内部容积(即高温侧区域32与低温侧区域33)作为第2蓄冷器34发挥作用。
[0033]在高温侧区域32容纳有不使制冷剂气体通过的插入部件42。该插入部件42的详细内容将进行后述。
[0034]第2膨胀空间35为由第2缸体12及第2置换器14形成的空间，其容积随着第2置换器14的往复移动而发生变化。在第2置换器14的低温端形成有第3开口 36。该第3开口 36使制冷剂气体经由第2间隙C2流向第2膨胀空间35。第2间隙C2由第2缸体12的低温端与第2置换器14形成。
[0035]在第2缸体12的外周中与第2膨胀空间35相对应的位置配置有与冷却对象物热连接的第2冷却台37。第2冷却台37被通过第2间隙C2的制冷剂气体冷却。
[0036]第I置换器13及第2置换器14分别在低温端具备盖部38及盖部39。从与第I置换器13及第2置换器14的接合观点出发，盖部38及盖部39分别具有两级状的圆柱形形状。盖部38通过压入销40固定于第I置换器13。同样，盖部39通过压入销41固定于第2置换器14。
[0037]接着，对实施方式所涉及的超低温制冷机100的动作进行说明。
[0038]在制冷剂气体供给工序的某一时刻，第I置换器13及第2置换器14位于第I缸体11及第2缸体12的下止点。若与此同时或者在稍微错开的时刻打开供给阀23，则高压制冷剂气体经由供给阀23从供排气共用配管供给至第I缸体11内。其结果，高压制冷剂气体从位于第I置换器13的上部的第I开口 22流入第I置换器13内部的第I蓄冷器18中。流入第I蓄冷器18的高压制冷剂气体被第I蓄冷材料冷却的同时经由位于第I置换器13下部的第2开口 27及第I间隙Cl供给至第I膨胀空间26。
[0039]供给至第I膨胀空间26的高压制冷剂气体经由连接器16周围的连通路流入第2置换器14内部的第2蓄冷器34。流入到第2蓄冷器34的高压制冷剂气体被第2蓄冷材料冷却的同时经由位于第2置换器14下部的第3开口 36及第2间隙供给至第2膨胀空间35ο
[0040]如此，第I膨胀空间26及第2膨胀空间35被高压制冷剂气体充满，供给阀23被关闭。此时，第I置换器13及第2置换器14位于第I缸体11及第2缸体12内的上止点。若与此同时或者在稍微错开的时刻打开回流阀24，则第I膨胀空间26、第2膨胀空间35内的制冷剂气体被减压并膨胀。通过膨胀成为低温的第I膨胀空间26的制冷剂气体经由第I间隙Cl吸收第I冷却台28的热量。同样，第2膨胀空间35的制冷剂气体经由第2间隙C2吸收第2冷却台37的热量。
[0041]第I置换器13及第2置换器14朝向下止点移动，第I膨胀空间26及第2膨胀空间35的容积减少。第2膨胀空间35内的制冷剂气体经由第2间隙C2、第3开口 36、第2蓄冷器34及连通路返回到第I膨胀空间26。而且，第I膨胀空间26内的制冷剂气体经由第2开口 27、第I蓄冷器18及第I开口 22返回到压缩机I的吸入侧。此时，第I蓄冷材料及第2蓄冷材料被制冷剂气体冷却。将该工序作为I个循环，超低温制冷机100通过反复进行该冷却循环来对第I冷却台28及第2冷却台37进行冷却。
[0042]如上所述，超低温制冷机100中的冷却循环包含制冷剂气体反复流入和流出第2蓄冷器34而使压力变动的动作。以下，对使用氦气作为制冷剂气体时第2蓄冷器34中存在的氦气的温度分布及质量变化进行说明。
[0043]图3是表示2.2MPa的氦气与0.8MPa的氦气各自的密度随温度变化及两者的密度差随温度变化的图。如图3所示，2.2MPa的氦气与0.8MPa的氦气的密度差在温度约为9K时变得最大。当氦气的温度低于9K时，2.2MPa的氦气与0.8MPa的氦气的密度差相对于温度单调递增，当氦气的温度高于9K时，密度差相对于温度单调递减。
[0044]在此，将第2蓄冷器34中存在的氦气的质量设为M0并且，将流入第2蓄冷器34的高温端(即上端的整流器29)的氦气的单位时间的质量设为min，将从下端的整流器30流出的氦气的单位时间的质量设为ivt。若氦气流入到第2蓄冷器34，则第2蓄冷器34中存在的氦气的质量M会增加。另一方面，若氦气从第2蓄冷器34流出，则第2蓄冷器34中存在的氦气的质量M会减少。因此，流入上端的整流器29的氦气的单位时间的质量min成为第2蓄冷器34中存在的氦气的质量M的单位时间的变化量dM/dt与从下端的整流器30流出的氦气的单位时间的质量Hltjut之和。据此，获得以下公式(I)。
[0045]min= dM/dt+m out(I)
[0046]如上所述，第2蓄冷器34为第2置换器14的内部，第2置换器14例如用毛毡及金属丝网等沿轴向夹持铅、铋等球状的第2蓄冷材料而构成。由此，能够将第2蓄冷器34的容积视为恒定，因此将其值设为V。并且，若将第2蓄冷器34中的氦气的平均密度设为P，则第2蓄冷器34中存在的制冷剂气体的质量M可通过以下公式(2)表示。
[0047]M = Vp (2)
[0048]若将公式(2)代入公式(I)，则可获得以下公式(3)。
[0049]min= Vdp /dt+m out(3)
[0050]其中，dp/dt表示氦气的密度P的时间微分。
[0051]公式(3)中，假设流入到第2蓄冷器34的氦气的密度不会随着时间而发生变化(dp /dt = O)，则成为min= m。#这说明从第2蓄冷器34流出与氦气流入第2蓄冷器34的量相应的量。即，说明第2蓄冷器34中存在的氦气的质量M不发生变化。然而，在实际系统中，若供给阀23被打开，则经由供给阀23供给高压氦气。其结果，第2蓄冷器34中也流入高压氦气，填充于第2蓄冷器34的低压氦气被升压，成为高压氦气。
[0052]如图3所示，高压氦气与低压氦气在其密度上存在差异。因此，若高压氦气流入第2蓄冷器34，第2蓄冷器34中的低压氦气被升压而成为高压氦气，贝Ij公式(3)中的右边成为正值。更具体而言，公式(3)中的右边成为图3中以实线表示的密度差。据此，得到以下的不等式⑷。
[0053]VdP /dt = min-mout> O(4)
[0054]如上所述，流入到第2蓄冷器34的高压氦气被第2蓄冷材料冷却，并经由位于第2置换器14下部的第3开口 36及第2间隙供给至第2膨胀空间35。然而，上述不等式(4)表示从第2蓄冷器34向第2膨胀空间35流出的氦气的质量小于流入第2蓄冷器的氦气的质量。这意味着第2蓄冷器34起到所谓的氦气的缓冲器作用。从第2蓄冷器34向第2膨胀空间35流出的氦气减少，其结果第2膨胀空间35的压力也变小。
[0055]若回流阀24被打开，则第2蓄冷器34内的高压氦气被减压而成为低压氦气。此时，公式(3)中的右边成为将图3中以实线表示的密度差作为绝对值的负值。因此，得到以下的不等式(5)。
[0056]Vdp /dt = min-mout < 0(5)
[0057]这表示从第2蓄冷器34流出的氦气的质量大于从第2膨胀空间35流入到第2蓄冷器34的氦气的质量。这说明被减压而密度变小的第2蓄冷器34内的氦气从第2蓄冷器34向第I膨胀空间26流出。
[0058]在此，压缩机I回收的氦气的量恒定。因此，在第2膨胀空间35膨胀的氦气的回收量减少与第2蓄冷器34内的氦气从第2蓄冷器34流出的量相应的量。其结果，在第2膨胀空间35膨胀并通过第2间隙C2的氦气减少，因此第2冷却台37的冷却效率