JP2005531740A - 熱交換器を備えた冷凍機 - Google Patents

Abstract

本発明は、ケーシング（２，１４，１９）、円筒形の作業室（１５，２１）、円筒形の押しのけ装置（９，１７）、ケーシングと押しのけ装置との間に位置するギャップ（３６，３８）、押しのけ装置内に位置する熱交換器及び作業室に高圧及び低圧作業ガスを択一的に供給するための装置を備えた冷凍機（１）に関する。ギャップ（３６，３８）内のガス流に関連した欠点を取り除くためには、ギャップ（３６，３８）に別の熱交換器（ギャップガス熱交換器４３）が対応配置されていることを提案する。

Description

本発明は、ケーシング、円筒形の作業室、円筒形の押しのけ装置、ケーシングと押しのけ装置との間に位置するギャップ、押しのけ装置内に位置する熱交換器及び作業室に高圧・低圧作業ガスを択一的に供給するための装置を備えた冷凍機に関する。

冷凍機とは、熱力学的なサイクルが進行する低温冷却機である（例えば米国特許第２９０６１０１号明細書参照）。１段式の冷凍機は、主として押しのけ装置を備えた作業室を有している。この作業室は、交互に高圧ガス源と低圧ガス源とに接続されるので、押しのけ装置の強制的な往復運動中に熱力学的なサイクル（スターリングサイクル、ギフォードマクマホンサイクル等）が進行する。この場合、作業ガスが閉鎖回路内で案内される。その結果、作業室及び押しのけ装置の規定された領域から熱が除去される。この形式の２段式の冷凍機と、作業ガスとしてのヘリウムとを以て、例えば１０°Ｋを大きく下回る温度が得られる。

冷凍機の重要な構成部材は熱交換器であり、この熱交換器を、膨張前及び膨張後の作業ガスが通流する。熱交換器は、一般にほぼ円筒形で構成された押しのけ装置の内部に位置している。熱交換器材料は、作業ガスと熱交換器との間で十分に高度な熱交換が行われるようにするために、一方では良好な蓄熱特性を有していなければならない。他方では、押しのけ装置、特に押しのけ装置ケーシングも、シリンダケーシングも熱伝導率が低くなければならない。それというのも、さもなければ作業室及び押しのけ装置の低温側で除去された熱が、熱伝導によって再び迅速に補償される恐れがあるからである。

シリンダケーシング用の材料として特殊鋼を使用することは公知である。特殊鋼は、この場合に該当する極低温において、極めて低い熱伝導率を有している。但し、冷凍機が磁界の領域内で（例えば核スピン断層撮影機において）使用される場合、特殊鋼は材料としては除外される。このような場合は、シリンダケーシングはＮｏｖｅｔｅｘ（プラスチックを浸透させた木綿繊維）又は類似の特性を有する材料から成っている。Ｎｏｖｅｔｅｘは、特に押しのけ装置ケーシング用の材料として有利であることが判った。熱交換器材料としては、（殊に第１段用に）ネット、球又はブロンズ製の織布及び（殊に第２段用に）鉛球が公知である。

この場合に該当する種類の冷凍機では、ケーシングと押しのけ装置との間のギャップ内をもガスが流れるということが回避され得ない。このガス流もやはり、押しのけ装置の低温の端部と高温の端部との間の熱交換に寄与するという不都合な作用を有している。膨張室（作業室の低温の端部）へのこの熱供給は、冷凍機全体の出力を低下させる。

ギャップを通るガス流を、熱交換器を通るガス流と比較して少なく保持するためには、ここで該当する種類の冷凍機の設計者は従来、ギャップをできるだけ狭く構成し且つ／又はシール部材を挿入した。このような形式の構成手段は手間がかかり且つ高価である。このことは、特にその使命を極低温で果たさねばならないシール部材に云える。これらのシール部材は、一般に運転時間が増すにつれて収縮するプラスチックから成っている。厳密な製作誤差の保持は不可能である。

冒頭で述べた形式の冷凍機は、米国特許第５４８１８７９号明細書から公知である。ギャップ流に関連した欠点を減らすためには、押しのけ装置の外面又はケーシングの内面に、１つ又は複数の渦巻き形の溝を設けることが提案される。この構成手段により、ガスが比較的長くギャップ内に留まり、これにより、流動ガスと隣接する構成部材との間でより良好な温度補償が行われるということを達成しようとする。この構成の欠点は、ガスが渦巻き状に流れるためにはギャップが未だに比較的狭小でなければならないことである。更に、ガスと隣接する構成部材との間で迅速な熱交換は行われない。それというのも、これらの構成部材は、既に述べたように低い熱伝導率を有するのみならず、小さな蓄熱容量をも有する材料から成っているからである。

本発明の課題は、冒頭で述べた形式の冷凍機を改良して、ギャップガス流に関連した欠点の除去された冷凍機を提供することである。

この課題は、本発明に基づき請求項１の特徴部に記載の構成によって解決される。

本発明による構成手段によって、ギャップガス流は完全に熱交換される。従来技術の場合にはほぼ存在しないギャップ包囲面の蓄熱能力若しくは熱交換能力が、本発明による冷凍機では、例えば押しのけ装置の外面及び／又はシリンダケーシングの内面等のギャップ包囲面に高い熱容量を有する材料を埋め込むことによって得られる。冷凍機の性能が、膨張室への不都合な熱供給が最早行われないことによって改善されるだけでなく、従来技術ではほぼ単独で働く、押しのけ装置の熱交換器を通流するガス質量流が、熱交換されたギャップガス質量流によって増大されることによっても改善される。

有利には、ギャップガス熱交換器の蓄熱能力は、ギャップガス質量流が、低温ヘッドの出力低下を生ぜしめること無しに、低温ヘッドの運転時間が増えるにつれて増大可能であるように設定されている。押しのけ装置とシリンダ壁との間の所要のシール作用は、ギャップガス熱交換器を使用する場合は全く新しい運転条件下にある。原則として、ギャップガス質量流量は重要でない。単に、ギャップガス質量流が膨張室を、ほぼ該膨張室の温度に到達させる程度の熱がギャップガス熱交換器に供給されねばならないだけである。本発明による冷凍機は、著しく簡単に構成することができる。とりわけ、シール部材は著しく簡略化されるか、又は省かれてよい。簡単に実現されるべき寸法規定による製作の他に、付加的に「規格シールリング」を用いることが可能である。これにより、冷凍機はより安価で簡単且つ長寿命になる。

特に有利には、本発明の思想は２段式の冷凍機の第２段に用いられる。

以下に、本発明の実施例を図面につき詳しく説明する。

図１には、従来技術に基づいた２段式のギフォードマクマホン冷凍機１が示されている。ケーシング２には自体公知の形式で弁システム（詳しくは図示せず）が収納されており、この弁システムは規定された順序で、接続管片３，４に接続された高圧ガス源及び低圧ガス源を、通路５，６，７に接続する。通路６はシリンダ８に開口しており、このシリンダ８内には、冷凍機の第１段１１の押しのけ装置９と一緒に駆動ピストン１２が位置している。ピストン駆動装置の代わりにクランク駆動装置が使用されてもよい。ピストン１２をシリンダ８の内壁に対してシールするリングは符号１３で示されている。この駆動装置によって、押しのけ装置９が円筒形のケーシング１４により形成された作業室１５内を往復運動される。ピン１６を介して、冷凍機の第２段１８の押しのけ装置１７が第１段の押しのけ装置９と結合されているので、第２段の押しのけ装置１７も、円筒形のケーシング１９によって形成された作業室２１内で往復運動を実施する。システム全体の軸線は符号１０で示されている。

押しのけ装置９，１７は、ほぼ円筒形に構成されている。押しのけ装置９，１７のケーシング２２，２３は中空室２０ａ；２０ｂを形成しており、これらの中空室２０ａ；２０ｂは熱交換器の収納に役立つ。中空室２０ａ；２０ｂは、例えば第１段ではブロンズネットから成っており且つ第２段では鉛球から成っている。

通路５，７を介して作業ガスが供給若しくは導出される。この供給ガスは、孔２４を介して押しのけ装置９の熱交換器と孔３７とを通って膨張室２５へ流入する。この膨張室２５は、作業室１５の下側部分である。そこで作業ガスが膨張して、冷凍機の第１段１１のこの領域から熱を取り出す。予め冷却されたガスは、更に第２段１８の押しのけ装置１７の孔２７と、この押しのけ装置１７の内室２０ｂに位置する熱交換器と、押しのけ装置１７の下端部の孔２８とを通って第２段１８の膨張室２９へ流入する。そこで更に、第２段のこの領域を冷却する作用を伴う膨張が行われる。ガスは同一経路を介して戻り且つ熱交換器材料を冷却するので、次のサイクルで再び流入する熱交換器内のガスが、既に予冷される。押しのけ装置９，１７を所属の室壁１４，１９に対してシールするためには、押しのけ装置壁の外溝３３，３４に収納されたシールリング３１，３２が役立つ。押しのけ装置９，１７と、作業室１５，２１の円筒形のケーシング１４，１９との間のギャップは、符号３６；３８で示されている。

図２には、図１に示した冷凍機の第１段でも第２段でも使用可能な本発明による構成の、著しく概略化された部分図が示されている。熱交換器（押しのけ装置９；１７の中空室２０ａ，２０ｂ）における双方向矢印４１若しくは（ギャップ３６，３８における）双方向矢印４２によって、主要ガス質量流及びギャップガス質量流が示されている。ギャップガス質量流４２には付加的な熱交換器４３が対応配置されている。この付加的な熱交換器４３は、軸方向で見て単層の線材コイルであり、この線材コイルは押しのけ装置９，１７のケーシング壁２２，２３のギャップ側に埋め込まれている。線材コイルは、第１段９で前記の別の熱交換器４３を使用する場合は例えばブロンズから成っており、第２段で使用する場合は例えば鉛から成っている。図２にはシール部材３１，３２も示されているが、これらのシール部材３１，３２は、最早高度なシール要求に応える必要はない。それどころか、シール部材３１，３２は、ギャップガス質量流がほぼ完全に熱交換されることが保証されている場合は省くことができる。

図３には、冷凍機１の単段式の構成が示されている。図２に示した構成とは異なり、ギャップガス熱交換器４３は冷凍機ケーシングのケーシング壁１４の構成部材である。必要な場合は、前記ギャップガス熱交換器４３はギャップ３６，３８の両側に配置されていてもよい。

最後に、図４にはギャップガス熱交換器４３を備えたもう１つの構成が示されている。このギャップガス熱交換器４３は、図示の実施例では第２段１８の押しのけ装置１７の高温の端部域に組み込まれている。このためには、押しのけ装置１７のケーシング２３には中空室４４が設けられており、この中空室４４内に熱交換器材料が位置している。軸方向で隔てられた半径方向孔４５，４６を介して、中空室４４の流入側及び流出側はギャップ３８と接続状態にある。ギャップ３８に通じる半径方向孔４５，４６の開口間にはシール部材４７が位置している。このシール部材４７も、やはり高度なシール要求に応える必要はない。単に、シール部材４７によって生ぜしめられる差圧が、熱交換器４３によって生ぜしめられる差圧よりも大きいということが保証されているだけでよい。これにより、押しのけ装置１７の高温側から低温側へギャップ３８を通って流れるガスが、ほぼ完全に熱交換器４３を通流するので、所望の熱交換作用がギャップガスに関しても得られるということが達成される。

ギャップ３８を通流するガスの量を全体的に制限するためには、端部側（高温端部）に別のシール部材４８がギャップ３８内に設けられていてよい。シール部材４７及び熱交換器４３によって発生される流れ抵抗が最適に設定された場合は、前記シール部材４８は省かれてよい。

図４に示した構成に関連して、もう１つの変化態様が有利である。室４４は、ほぼ軸方向に向けられた孔を介して直接に通路２７と接続されていてよい。この構成は、特に孔４５が省かれた場合は、シール部材４７を介した差圧が比較的小さいという効果を有している。

従来技術による２段式の冷凍機を示した図である。

本発明によるギャップガス熱交換器の示された部分断面図である。

本発明により形成された１段式の冷凍機を示した図である。

ギャップガス熱交換器の形態に関する別の構成を示した図である。

符号の説明

１ ギフォードマクマホン冷凍機、 ２，１４，１９，２２，２３ ケーシング、 ３，４ 接続管片、 ５，６，７ 通路、 ８ シリンダ、 ９，１７ 押しのけ装置、 １０ 軸線、 １１ 第１段、 １２ 駆動ピストン、 １３，３１，３２ シールリング、 １５，２１，３６，３８ 作業室、 １６ ピン、 １８ 第２段、 ２０ａ，２０ｂ，４４ 中空室、 ２４，２７，２８，３７ 孔、 ２５，２９ 膨張室、 ３１，３２，４７，４８ シール部材、 ３３，３４ 外溝、 ３６，３８ ギャップ、 ４１ 双方向矢印、 ４２ ギャップガス質量流、 ４３ 付加的な熱交換器、 ４５，４６ 半径方向孔

Claims (7)

1. ケーシング（２，１４，１９）、円筒形の作業室（１５，２１）、円筒形の押しのけ装置（９，１７）、ケーシングと押しのけ装置との間に位置するギャップ（３６，３８）、押しのけ装置内に位置する熱交換器及び作業室に高圧及び低圧作業ガスを択一的に供給するための装置を備えた冷凍機（１）において、
   ギャップ（３６，３８）に別の熱交換器（ギャップガス熱交換器４３）が対応配置されていることを特徴とする、熱交換器を備えた冷凍機。
2. ２段式で形成されており、第２段にギャップガス熱交換器（４３）が装備されている、請求項１記載の冷凍機。
3. ギャップガス熱交換器（４３）が、軸方向で見て単層の線材コイルであり、該線材コイルが押しのけ装置のケーシング壁（２２，２３）のギャップ側且つ／又は冷凍機ケーシングのケーシング壁（１４，１９）のギャップ側に配置されている、請求項１又は２記載の冷凍機。
4. ギャップガス熱交換器（４３）が、押しのけ装置（９，１７）のケーシング（２２，２３）内に位置する中空室（４４）に収納されている、請求項１又は２記載の冷凍機。
5. 中空室（４４）が、軸方向で隔てられた半径方向孔（４５，４６）を介してギャップ（３６，３８）と接続されており、前記半径方向孔（４５，４６）の開口間でギャップ（３６，３８）内にシール部材（４７）が位置しており、該シール部材（４７）を介した圧力低下が、熱交換器（４３）を介した圧力低下よりも大である、請求項４記載の冷凍機。
6. ギャップガス熱交換器（４３）のための中空室（４４）が、第２段の押しのけ装置の高温端部（１８）の領域内に位置している、請求項２，４，５のいずれか１項記載の冷凍機。
7. 前記シール部材（４７）の位置に関して押しのけ装置の高温端部（１８）に位置する別のシール部材（４８）が設けられている、請求項６記載の冷凍機。

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