JP2001272125A - 極低温冷凍機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 スターリング冷凍機１０は、圧縮ピストンと
は９０度の位相差を持つ膨張ピストン１４を配置した作
動室側空間１２と、連結棒１８を介して膨張ピストン１
４を駆動せしめるクランク駆動部２０を配置した駆動室
側空間１６とを分離すると共に、作動室側空間１２と駆
動室側空間１６の間に遮断部材３０で区分されたバッフ
ァ室３２および３４を有する圧力調整部３６を配管３８
および４０により接続し、さらに配管３８には開閉弁４
２、４４を介して不純物除去装置４６を有する不純物回
収循環路４８を設け、この循環路４８の入口側に吸気フ
ァン５０を配置し、冷凍機１０の運転時には開閉弁４
２、４４を閉止し、冷凍機１０の運転停止時には開閉弁
４２、４４を開放して吸気ファン５０を作動することに
より作動ガスに含まれる不純物を不純物除去装置４６で
捕獲する。 【効果】 冷凍機１０の運転停止時に不純物は不純物回
収循環路４８を循環して途中で捕獲されるので、冷凍機
の信頼性および冷却効率が向上する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は極低温冷凍機に関し、
特にたとえば膨張ピストンを含む作動室側空間に存在す
る不純物を強制的に除去して作動ガスを常に高純度に維
持し信頼性の高い冷却効率の良い、極低温冷凍機に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】近年、バイオテクノロジーや電子デバイ
ス等の先端技術分野において、各種試料や各種材料の極
低温における保存技術の開発が急務になって来ている。
特に、スターリング冷凍機は、上記極低温を実現する装
置として注目され各種赤外線センサ、超電導デバイス等
の冷却用やバイオメディカル用のフリーザー、冷凍庫等
に広く利用されようとしている。

【０００３】スターリング冷凍機は、膨張シリンダーと
圧縮シリンダーおよび駆動部内蔵筐体からなる本体ハウ
ジング内部が、膨張ピストンと圧縮ピストンにより、作
動室側空間と駆動室側空間に分離されている。膨張ピス
トンと圧縮ピストンは、駆動室側空間内の駆動部からク
ランク軸とクランクおよび上述の２つのピストンを連結
する連結棒によって、９０度の位相差を持って、作動室
側空間を圧縮・膨張させている。作動室側空間は、圧縮
空間と膨張空間からなり、この２つの空間は、例えば焼
結金属からなる蓄冷材が充填された蓄冷器によって連通
されている。

【０００４】一方、冷凍サイクルにおける膨張過程で
は、圧縮ピストンが上死点近傍を動く時に、膨張ピスト
ンが上死点から下死点へ動き、作動空間内の作動ガスが
膨張することによって、作動ガス自体の冷却が起こる。
次に、圧縮ピストンが上死点から下死点に動き、膨張ピ
ストンが下死点から上死点に動くとき、膨張空間内の冷
却された作動ガスは、蓄冷器内の蓄冷材を通過して、蓄
冷材と熱交換し、蓄冷材を冷却して圧縮空間へ移動す
る。圧縮過程では、圧縮ピストンが、下死点から上死点
方向に動き、膨張ピストンが上死点近傍を動くことによ
って行われる。このとき、作動ガスは圧縮により昇温す
る。最後に、圧縮ピストンが上死点近傍で更に上死点に
近づき、膨張ピストンが上死点から下死点方向に動くこ
とによって、圧縮された作動ガスは、膨張空間へ移動す
る。このとき、作動ガスは、圧縮空間内にあるときは高
温であるが、蓄冷材を通過するとき、冷却された膨張空
間に流入する。

【０００５】上述のサイクルを繰り返すことによって、
作動ガスは冷却され、従って冷却対象として接続される
コールドヘッドが冷却されることになる。

【０００６】以上は、２ピストン形のスターリング冷凍
機における説明であるが、蓄冷材を可動式のディスプレ
ーサー内に収納し、圧縮・膨張を１つのピストンで行う
ディスプレーサー型スターリング冷凍機においても、熱
力学的には同様のサイクルを構成することによって、冷
却作用がなされるものである。

【０００７】ところで、スターリング冷凍機において
は、作動ガス内に不純物が混入すると冷凍性能が低下す
ることが知られている。特に、目標冷却温度より高い凝
固点を持つ物質が作動ガスに混入すると著しく冷凍性能
が低下する。例えば、−１７０度前後の極低温を目標と
する場合、作動ガスとしては、凝固点がその目標温度以
下のヘリウムが一般的に用いられるが、この作動ガス
に、水、ＣＯ，ＣＯ２等が含まれると、コールドヘッド
での凝着や、蓄冷材の目詰まりが起こり、所定の目標温
度に達しない等の弊害が発生する。

【０００８】このような弊害を除去するために、通常、
作動ガスの作動側空間への封入前に、作動ガスおよび作
動ガスが封入される筐体を乾燥することにより、不純物
を取り除く前処理が行われる。しかし、この前処理では
完全に不純物が取り除かれず、長時間の冷凍運転中に不
純物が析出し、これが冷凍性能を低下させる場合があ
る。

【０００９】また、ピストンリングとシリンダーの摩擦
や磨耗、あるいはディスプレーサー側における合成樹脂
からなるディスプレーサーとシリンダーとの摩擦や磨耗
により生じる微粉末等によっても、蓄冷材を詰まらせ、
その結果冷凍性能を低下させることもある。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】従って、スターリング
冷凍機では、作動ガスを常時高純度に保つことが冷凍機
の性能を維持する上で是非必要である。

【００１１】それゆえに、この発明の主たる目的は、作
動ガスに含まれる不純物（水や他のガス及び微粉末等）
を適宜除去して信頼性の高いかつ性能の良い極低温冷凍
機を提供する。

【００１２】

【課題を解決するための手段】この発明は、膨張ピスト
ンを配置収納した作動室側空間と、連結棒を介して前記
膨張ピストンを駆動せしめる駆動源を配置収納した駆動
室側空間とを遮断部材により分離された極低温冷凍機に
おいて、作動室側空間と連通可能な不純物回収循環路、
この循環路の入口部と出口部にそれぞれ設けられた開閉
手段、同じく循環路の途中に配置された不純物除去手
段、およびこの不純物除去手段と入口部の開閉手段との
間の不純物回収循環路に配設された吸気手段とを備え、
冷凍機の運転時には開閉手段を閉止し、冷凍機の運転停
止時には開閉手段を開放すると共に吸気手段を作動する
ようにしたことを特徴とする、極低温冷凍機である。

【００１３】

【作用】極低温冷凍機の運転停止時に開閉手段を開くと
共に吸気手段を作動することにより、作動室側空間に存
在する不純物ガス等は、不純物回収循環路に引き込まれ
てその途中に設けた不純物除去手段により作動ガスより
分離して除去される。

【００１４】

【発明の効果】この発明によれば、作動室側空間の不純
物は不純物除去手段により捕獲され、極低温冷凍機の信
頼性が向上すると共に性能の低下も防止される。

【００１５】この発明の上述の目的，その他の目的，特
徴および利点は、図面を参照して行う以下の実施例の詳
細な説明により一層明らかとなろう。

【００１６】

【実施例】図１に示すこの発明の一実施例によるスター
リング冷凍機１０は、圧縮ピストン１３により圧縮され
る圧縮部１２ｂ、また、膨張ピストン１４により膨張さ
れる膨張部１２ａおよび、例えば焼結金属等の蓄冷材か
らなる蓄冷器１２ｃを含む作動室側空間１２と、圧縮ピ
ストン１３と膨張ピストン１４を駆動せしめるクランク
駆動部２０を含む駆動室側空間１６の２つの空間から構
成されている。クランク駆動部２０は、駆動モータ２２
とこのモータの回転運動を往復運動に変換して圧縮ピス
トン１３と膨張ピストン１４との連結棒１８に伝達する
クランク機構２４を含む。また、駆動室側空間１６の下
部にはクランク機構２４に給油路（図示せず）を介して
給油される潤滑オイル２６が貯溜されている。

【００１７】なお、圧縮ピストン１３と膨張ピストン１
４は、クランク機構２４により９０度の位相差を持って
駆動される。

【００１８】作動室側空間１２と駆動室側空間１６とは
ベローズ等の伸縮自在の遮断部材２８により分離されて
おり、作動室側空間１２および駆動室側空間１６の差圧
はこの遮断部材２８の伸縮作用によりある程度吸収され
るが、この差圧が一定値以上になると破損する恐れがあ
る。

【００１９】そこで、ベローズ等の伸縮可能な圧力調整
用遮断部材３０により作動室側バッファ室３２と駆動室
側バッファ室３４との２室に区分された圧力調整部３６
を設け、作動室側空間１２と作動室側バッファ室３２と
を第１の配管３８で連通すると共に、駆動室側空間１６
と駆動室側バッファ室３４とを第２の配管４０で連通し
ている。

【００２０】更に、第１の配管３８には、作動室側空間
１２および作動室側バッファ室３２に存在する、例えば
ＣＯ，ＣＯ２等の不純物ガスや膨張ピストン１４を構成
する合成樹脂部材の微粉末等の不純物を除去するために
開閉弁４２および４４を介して不純物除去装置４６を有
する不純物回収循環路４８が並列に接続されている。

【００２１】そして、この不純物回収循環路４８の入口
側循環路４８ａには吸気ファン５０を配置している。ま
た、不純物除去装置４６は区画板５２を備えた除去室５
４とこの除去室５４に設けたゲッター（吸着体）５６を
含む。このゲッター５６としては、例えば活性炭やシリ
カゲルなどが使用される。また、図２に示すように、こ
の不純物除去装置４６は不純物回収循環路４８の途中に
Ｕ字状管部５８を形成し、液体窒素等の冷却剤６０を貯
溜した冷却容器６２にこのＵ字状管部５８を入れて過冷
却することにより不純物を捕獲するようにしてもよい。
その他の構成は、図１の場合と同様につき説明は省略す
る。

【００２２】なお、不純物が常温より蒸発温度の高い水
などの循環が難しい場合には、図１に示すように、作動
室側空間１２の外周部と作動室側バッファ室３２の外底
部にそれぞれ電気ヒータ等の加熱装置６４および６６を
設け、必要に応じてこれらの加熱装置６４および６６を
作動して水を蒸発させて不純物除去装置４６で捕獲す
る。

【００２３】また、不純物除去装置４６は、ある程度使
用すると性能が低下するので、新しい不純物除去装置と
交換できるように、不純物回収循環経路４８に対して着
脱可能に設けるとよい。

【００２４】次に各図を参照して不純物除去動作の概要
について、説明する。

【００２５】先ず、図１において、スターリング冷凍機
１０の運転時には、開閉弁４２および４４は閉止されて
いるので、作動室側空間１２の圧縮部１２ｂで圧縮され
た作動ガスは膨張ピストン１４が降下する際に蓄冷器１
２ｃを通過し、この蓄冷器１２ｃに放熱して膨張部１２
ａに放出される。そして、膨張ピストン１４が下死点に
達するに従い、作動ガスは膨張して降温する。この時の
膨張行程は等温膨張行程であるため、膨張により降温し
ただけ外部の熱を吸収し、膨張部１２ａの先端部（コー
ルドヘッド）を介して図示されない冷却器などを冷却す
る。続いて、膨張ピストン１４の上昇により作動ガスは
蓄冷器１２ｃから吸熱して温められて圧縮部１２ｂへ導
かれ１サイクルが終了する。そして、このサイクル動作
を繰り返す間に上述の冷却器を徐々に冷凍温度とするも
のである。

【００２６】一方、駆動室側空間１６に封入されるヘリ
ウム等の作動ガスに目的とする冷凍温度より高い凝固点
を持つガス等の不純物が混入しているときには、先に説
明したようにコールドヘッドへの凝固や蓄冷器１２ｃの
目詰まりなどを起こし、冷凍性能を低下させる。従っ
て、作動ガスの作動室側空間１２への封入時には、予め
作動ガスおよび作動ガスが封入される筐体を乾燥し、不
純物を取り除く前処理が行われる。しかし、この前処理
では完全に不純物が取り除かれず、長時間の冷凍運転中
に不純物が析出し、冷凍性能を低下させる場合がる。

【００２７】そこで、スターリング冷凍機１０の運転停
止時には、開閉弁４２および４４を開放して吸気ファン
５０を作動すると、作動室側空間１２の圧縮部１２ｂお
よび作動室側バッファ室３２に存在する不純物等は、吸
気ファン５０の動作により不純物回収循環路４８の入口
側循環路４８ａより吸引される。そして、不純物回収循
環路４８の途中に設けた不純物除去装置４６、例えばゲ
ッター（吸着体）５６に吸着されて捕獲されて作動ガス
に含まれる不純物等は除去される。

【００２８】また、ゲッター５６の代わりに図２に示さ
れるように液体窒素６０で不純物回収循環路４８のＵ字
状管部５８を冷却することにより作動ガスに混入されて
存在している不純物ガスを液化して作動ガスより除去す
ることができる。

【００２９】なお、不純物が水滴の場合には、図１に示
されるように、作動室側空間１２の外周部および作動室
側バッファ室３２の外底部にそれぞれ設けられた加熱装
置６４および６６、例えば電気ヒータに通電すれば水滴
は加熱により気化して水蒸気となり、不純物回収循環路
４８を移動する間に途中の不純物除去装置５６で、先に
説明したようにして捕獲される。

【００３０】また、上述の各実施例においては、いずれ
も作動室側空間と圧力調整部とを連通する連通部に不純
物回収循環路を接続したが、作動室側空間に開閉弁を介
して不純物回収循環路を接続しても同様の効果を得るこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例を示すスターリング冷凍機
の要部概略構成図である。

【図２】図１の他の実施例を示す要部の構成図である。

【符号の説明】

１０ …スターリング冷凍機 １２ …作動室側空間 １３ …圧縮ピストン １４ …膨張ピストン １６ …駆動室側空間 １８ …連結棒 ２０ …クランク駆動部（駆動源） ２８ …遮断部材 ３０ …圧力調整用遮断部材 ３２、３４ …バッファ室 ３６ …圧力調整部 ３８、４０ …配管 ４２、４４ …開閉弁 ４６ …不純物除去装置 ４８ …不純物回収循環路 ５０ …吸気ファン ６４、６６ …加熱装置

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】膨張ピストンを配置収納した作動室側空間
   と、連結棒を介して前記膨張ピストンを駆動せしめる駆
   動源を配置収納した駆動室側空間とを遮断部材により分
   離された極低温冷凍機において、 前記作動室側空間と連通可能な不純物回収循環路、 前記不純物回収循環路の入口部と出口部にそれぞれ設け
   られた開閉手段、 前記不純物回収循環路の途中に配置された不純物除去手
   段、および前記不純物除去手段と前記入口部の前記開閉
   手段との間の前記不純物回収循環路に配設された吸気手
   段とを備え、 前記冷凍機の運転時には前記開閉手段を閉止し、前記冷
   凍機の運転停止時には前記開閉手段を開放すると共に前
   記吸気手段を作動するようにしたことを特徴とする、極
   低温冷凍機。
2. 【請求項２】前記作動室側空間と前記駆動室側空間との
   間に、さらに圧力調整部を備え、前記圧力調整部と前記
   作動室側空間の連通部に前記不純物回収循環路を設け
   た、請求項１記載の極低温冷凍機。
3. 【請求項３】前記作動室側空間、および圧力調整部のう
   ち少なくとも前記作動室側空間には、さらに前記冷凍機
   の運転停止時に作動する加熱手段を備える、請求項１記
   載または２記載の極低温冷凍機。
4. 【請求項４】前記不純物除去手段は交換可能である、請
   求項１ないし３のいずれかに記載の極低温冷凍機。
5. 【請求項５】前記不純物除去手段はゲッターまたは液体
   窒素トラップを含む、請求項１ないし４のいずれかに記
   載の極低温冷凍機。
6. 【請求項６】前記ゲッターは活性炭またはシリカゲルを
   含む、請求項５記載の極低温冷凍機。