JP2016075429A - 極低温冷凍機 - Google Patents

Abstract

【課題】極低温冷凍機における熱交換効率を向上する。【解決手段】ＧＭ冷凍機１０は、シリンダ２０の低温端の内側にて膨張空間１８の周囲に配設されるスリーブ３６を備える。シリンダ２０の内周面とディスプレーサ２４の外周面との間には第１クリアランス２６が設けられている。ディスプレーサ２４は内蔵される蓄冷器１２から第１クリアランス２６に冷媒ガスを導くディスプレーサ下部開口３２を備える。スリーブ３６は、第１クリアランス２６から膨張空間１８に冷媒ガスを導く第２クリアランス３８を、シリンダ２０の低温端とスリーブ３６との間に、及び／または、スリーブ３６の外面と内面との間に規定する。【選択図】図１

Description

本発明は、極低温冷凍機に関する。

極低温冷凍機は、冷却対象を例えば１００Ｋ（ケルビン）程度から４Ｋ程度までの範囲で冷却するために使用される。極低温冷凍機には、例えば、ギフォード・マクマホン式（ＧＭ）冷凍機、パルスチューブ冷凍機、スターリング冷凍機、ソルベー冷凍機などがある。極低温冷凍機の用途は例えば、超電導磁石や検出器等の冷却、あるいは、クライオポンプである。

特許第２６５９６８４号公報

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、極低温冷凍機における熱交換効率の向上を実現することにある。

本発明のある態様によると、極低温冷凍機は、軸方向に延在するシリンダと、前記軸方向に往復動可能であるように前記シリンダ内に配設され、冷媒ガスの膨張空間を前記軸方向における前記シリンダの一方の端部との間に形成するディスプレーサと、前記ディスプレーサに内蔵される蓄冷器と、を備える。前記シリンダの内周面と前記ディスプレーサの外周面との間には隙間が設けられている。前記ディスプレーサは前記蓄冷器から前記隙間に前記冷媒ガスを導く通路を備える。前記極低温冷凍機は、前記シリンダの一方の端部の内側にて前記膨張空間の周囲に配設されるスリーブをさらに備える。前記スリーブは、前記隙間から前記膨張空間に前記冷媒ガスを導く通路を、前記シリンダの一方の端部と前記スリーブとの間に、及び／または、前記スリーブの外面と内面との間に規定する。

本発明によれば、極低温冷凍機における熱交換効率の向上を実現することができる。

本発明のある実施形態に係る極低温冷凍機を示す模式図である。 本発明のある実施形態に係るスリーブの模式的な上面図である。 本発明の他の実施形態に係るスリーブの模式的な上面図である。 本発明の他の実施形態に係るスリーブの模式的な上面図である。

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。なお、説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。また、以下に述べる構成は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。

図１は、本発明のある実施形態に係る極低温冷凍機を示す模式図である。極低温冷凍機は、例えば、ＧＭ冷凍機１０である。図示されるＧＭ冷凍機１０は、単段冷凍機である。ＧＭ冷凍機１０は、冷媒ガスとして例えばヘリウムガスを用いる。

ＧＭ冷凍機１０のような蓄冷器式の極低温冷凍機は、蓄冷器１２、膨張機１４、及び圧縮機１６を備える。図１に示されるように、蓄冷器１２は、膨張機１４に設けられており、圧縮機１６から膨張機１４に供給される高圧の冷媒ガスを予冷するよう構成されている。膨張機１４は、冷媒ガスの膨張空間１８を備える。蓄冷器１２により予冷された冷媒ガスは、膨張空間１８において膨張され、さらに冷却される。蓄冷器１２は、膨張により冷却された冷媒ガスによって冷却されるよう構成されている。圧縮機１６は、蓄冷器１２から冷媒ガスを回収し圧縮して、蓄冷器１２及び膨張空間１８に再び冷媒ガスを供給するよう構成されている。

膨張機１４は、シリンダ２０、冷却ステージ２２、及びディスプレーサ２４を含むコールドヘッドを備える。シリンダ２０は、冷媒ガスの気密容器であり、軸方向Ｑに沿って延在する中空部材である。シリンダ２０は、例えば円筒形状を有する。

冷却ステージ２２は、膨張空間１８を囲んでシリンダ２０に熱的に接続されている。冷却ステージ２２は、例えば有底円筒状に形成され、シリンダ２０の外側に取り付けられている。冷却ステージ２２は、外部熱源などの冷却対象と冷媒ガスとの間の熱交換を行う熱交換器として機能する。冷却ステージ２２は熱負荷フランジと呼ばれることもある。

ディスプレーサ２４は、シリンダ２０と同軸に配設されている。蓄冷器１２はディスプレーサ２４に内蔵されている。ディスプレーサ２４は、例えば、シリンダ２０より若干小径の円筒形状を有する。シリンダ２０の内周面とディスプレーサ２４の外周面との間には隙間が設けられている。この隙間を以下では、第１クリアランス２６と呼ぶ。ディスプレーサ２４の外周面とはディスプレーサ２４の側面であり、シリンダ２０の内周面とはディスプレーサ２４の側面に対向するシリンダ２０の表面である。

ディスプレーサ２４は、シリンダ２０の内部空間を膨張空間１８と室温空間２８とに仕切るピストンである。ディスプレーサ２４に対しシリンダ２０の一方側に膨張空間１８が形成され、ディスプレーサ２４に対しシリンダ２０の他方側に室温空間２８が形成される。そのため、軸方向Ｑにおけるシリンダ２０（またはディスプレーサ２４）の一方の端部を低温端と呼び、軸方向Ｑにおけるシリンダ２０（またはディスプレーサ２４）の他方の端部を高温端と呼ぶことができる。よって、膨張空間１８はディスプレーサ２４の低温端とシリンダ２０の低温端との間に形成され、室温空間２８はディスプレーサ２４の高温端とシリンダ２０の高温端との間に形成される。

以下では説明の便宜上、要素間の相対的な位置関係を記述するために、室温側を「上」、低温側を「下」と表記することがある。例えば、室温空間２８はディスプレーサ２４の上方にあり、膨張空間１８はディスプレーサ２４の下方にあると表すことができる。

ディスプレーサ２４は、軸方向Ｑに往復動可能であるようにシリンダ２０内に配設されている。ディスプレーサ２４の高温端には、ディスプレーサ２４の往復動のための駆動部２５が連結されている。ディスプレーサ２４の往復動により、膨張空間１８及び室温空間２８の容積はそれぞれ相補的に変化する。

ディスプレーサ２４の高温端には、室温空間２８と蓄冷器１２との間で冷媒ガスを流通させるためのディスプレーサ上部開口３０が設けられている。ディスプレーサ上部開口３０は、軸方向Ｑに沿って形成されている。ディスプレーサ２４の低温端には、蓄冷器１２と膨張空間１８との間で冷媒ガスを流通させるためのディスプレーサ下部開口３２が設けられている。ディスプレーサ下部開口３２は、蓄冷器１２の低温端から第１クリアランス２６に冷媒ガスを導く通路である。ディスプレーサ下部開口３２は、軸方向Ｑに直交する径方向に沿って形成されている。

第１クリアランス２６の上部にはシール３４が設けられていてもよい。シール３４によって、第１クリアランス２６を通じたガス流れは遮断される。従って、室温空間２８と膨張空間１８との間の冷媒ガス流れは蓄冷器１２を経由する。シール３４がシールリングのような接触シールである場合には、シール３４はディスプレーサ２４の高温端に装着されていてもよい。シール３４は非接触シールであってもよい。なお、ある実施形態においては、第１クリアランス２６を通じた冷媒ガスの流れ又は漏れが許容されていてもよい。

また、膨張機１４は、シリンダ２０の低温端の内側にて膨張空間１８の周囲に配設されるスリーブ３６を備える。スリーブ３６はシリンダ２０と同軸に配置される。スリーブ３６は、シリンダ２０の低温端に装着される。そのため、スリーブ３６の外面には、シリンダ２０の内面に当接する少なくとも１つの当接部（図示せず）が設けられていてもよい。スリーブ３６は、シリンダ２０と同じ材料（例えばステンレス鋼）で形成されていてもよい。

スリーブ３６は、第１クリアランス２６から膨張空間１８に冷媒ガスを導く通路を規定する。このガス通路はシリンダ２０の低温端とスリーブ３６との間に形成される隙間である。この隙間を以下では、第２クリアランス３８と呼ぶ。第２クリアランス３８は、第１クリアランス２６より狭い。すなわち、径方向における第２クリアランス３８の幅は、径方向における第１クリアランス２６の幅より小さい。スリーブ３６は、冷却ステージ２２における冷媒ガスの流速増加機構を構成する。

図２は、本発明のある実施形態に係るスリーブ３６の模式的な上面図である。図１及び図２に示されるように、スリーブ３６は、シリンダ２０の内周面に対向するスリーブ筒部４０と、シリンダ２０の底部に対向するスリーブ底板４２と、を備える。スリーブ筒部４０は、シリンダ２０の低温端においてその内周面に沿って軸方向Ｑに延在する。スリーブ底板４２は、スリーブ筒部４０から径方向内側に向けて延在する。このようにしてスリーブ３６は有底の筒状に形成されている。スリーブ筒部４０は、例えば、軸方向Ｑに延在する短い円筒であり、シリンダ２０の内径より若干小径である。スリーブ底板４２は、スリーブ筒部４０の下端に取り付けられた円板である。

図１に示されるように、第２クリアランス３８は、スリーブ筒部４０とシリンダ２０の内周面との間に形成される側部隙間４４と、スリーブ底板４２とシリンダ２０の底部との間に形成され側部隙間４４に連続する底部隙間４６と、を含む。スリーブ底板４２は中心に貫通孔４８を有し、貫通孔４８は底部隙間４６を膨張空間１８に連通する。このようにして、冷媒ガス流路を貫通孔４８まで延長することができる。

スリーブ上端５０の軸方向位置は、冷却ステージ上端２３の軸方向位置とほぼ同じである。従って、第１クリアランス２６から第２クリアランス３８へのガス入口は冷却ステージ上端２３とほぼ同じ高さにある。これと異なる高さにガス入口が設けられてもよい。また、第２クリアランス３８から膨張空間１８へのガス出口（すなわち貫通孔４８）は、冷却ステージ２２の底部中心４９と同じ径方向位置にある。これと異なる位置にガス出口が設けられてもよい。

このようにして、スリーブ３６は、冷却ステージ２２とスリーブ３６との間に冷媒ガス流路を形成する。この流路は、シリンダ２０の内面に沿って冷却ステージ上端２３から冷却ステージ２２の底部中心４９に達する。スリーブ３６は、冷却ステージ２２の内面のほぼ全域において冷却ステージ２２の内面に平行に冷媒ガスを流す流路を提供する。図１においては、側部隙間４４における冷媒ガス流れを矢印Ａで示し、底部隙間４６における冷媒ガス流れを矢印Ｂで示す。また、貫通孔４８を通るガス流れを矢印Ｃで図示する。

ディスプレーサ２４の軸方向可動範囲（以下、ストロークともいう）において、ディスプレーサ下部開口３２は常時、スリーブ上端５０よりも軸方向Ｑにおいて上方に位置する。ディスプレーサ下部開口３２は、常に第２クリアランス３８の上方に位置し、スリーブ３６の中に進入しない。そのため、ディスプレーサ下部開口３２は、スリーブ３６によってシリンダ２０（または冷却ステージ２２）から隠されない。なお、ある実施形態においては、ストロークの少なくとも一部において（例えばディスプレーサ２４が下死点にあるとき）、ディスプレーサ下部開口３２がスリーブ上端５０よりも軸方向Ｑにおいて下方に位置してもよい。

スリーブ上端５０は、ディスプレーサ２４の低温端を受け入れる開口を定める。ディスプレーサ２４のストロークにおいて、ディスプレーサ２４の低温端はスリーブ３６に常時挿入されている。言い換えれば、ディスプレーサ底面３３の可動範囲はスリーブ３６の中にある。スリーブ上端５０は第１クリアランス２６の下部に挿入され、スリーブ筒部４０はディスプレーサ２４の低温端を囲む。なお、ある実施形態においては、ストロークの少なくとも一部において（例えばディスプレーサ２４が上死点にあるとき）または全部において、ディスプレーサ底面３３がスリーブ３６の外にあってもよい。

ディスプレーサ２４がスリーブ３６に挿入されるときスリーブ筒部４０とディスプレーサ２４の低温端との間に形成される径方向隙間は、側部隙間４４に比べて狭い。つまり、この径方向隙間の幅は、側部隙間４４の径方向の幅より小さい。こうして、側部隙間４４を通る流量を高められる。

スリーブ３６は、ディスプレーサ２４の低温端とスリーブ３６との間にシールを提供してもよい。シールは接触シールまたは非接触シールであってもよい。シールによって、第１クリアランス２６から膨張空間１８への直接のガス流れは遮断される。従って、第１クリアランス２６と膨張空間１８との間の冷媒ガス流れはすべて第２クリアランス３８を経由する。この場合、スリーブ筒部４０の内面は、ディスプレーサ２４の低温端の外周面と接触していてもよい。あるいは、スリーブ筒部４０の内面は、ディスプレーサ２４の低温端の外周面との間に僅かな隙間を有して非接触であってもよい。ディスプレーサ２４の往復動によって、ディスプレーサ２４の低温端はスリーブ３６と摺動し、または非接触に移動する。

また、ＧＭ冷凍機１０は、圧縮機１６と膨張機１４とを接続する配管系５２を備える。配管系５２には高圧バルブ５４及び低圧バルブ５６が設けられている。配管系５２はシリンダ２０の高温端に接続されている。ＧＭ冷凍機１０は、高圧の冷媒ガスが圧縮機１６から高圧バルブ５４及び配管系５２を介して膨張機１４に供給されるよう構成されている。また、ＧＭ冷凍機１は、低圧の冷媒ガスが膨張機１４から配管系５２及び低圧バルブ５６を介して圧縮機１６に排気されるよう構成されている。

ＧＭ冷凍機１０は、ディスプレーサ２４の往復動に同期して高圧バルブ５４と低圧バルブ５６とを選択的に開閉し膨張空間１８への冷媒ガスの供給と排出とを切り替えるバルブ駆動部（図示せず）を備える。バルブ駆動部は上述の駆動部２５であってもよい。高圧バルブ５４、低圧バルブ５６、及びバルブ駆動部は、膨張機１４に組み込まれていてもよい。

次に、ＧＭ冷凍機１０の動作を説明する。ディスプレーサ２４がシリンダ２０の下死点またはその近傍に位置するとき高圧バルブ５４が開かれる。高圧の冷媒ガスが圧縮機１６から高圧バルブ５４及び配管系５２を通じてシリンダ２０に供給される。冷媒ガスは、室温空間２８からディスプレーサ上部開口３０を通じて蓄冷器１２に流入する。冷媒ガスは、蓄冷器１２を通過しながら冷却される。冷媒ガスは、ディスプレーサ下部開口３２、第１クリアランス２６、及び第２クリアランス３８を通じて、膨張空間１８に流入する。冷媒ガスが膨張空間１８に流入する間、ディスプレーサ２４はシリンダ２０の上死点に向けて移動する。それにより膨張空間１８の容積が増加される。こうして膨張空間１８は高圧の冷媒ガスで満たされる。

ディスプレーサ２４がシリンダ２０の上死点またはその近傍に位置するとき高圧バルブ５４が閉じられる。それと同時に又はわずかに遅れたタイミングで低圧バルブ５６が開かれる。膨張空間１８の冷媒ガスは膨張し冷却される。冷媒ガスは冷却ステージ２２から吸熱する。

低圧の冷媒ガスは、逆の経路で回収される。冷媒ガスは、膨張空間１８から、第２クリアランス３８、第１クリアランス２６、及びディスプレーサ下部開口３２を通じて蓄冷器１２に流入する。冷媒ガスは、蓄冷器１２を通過しながら蓄冷器１２を冷却する。冷媒ガスは、ディスプレーサ上部開口３０及び室温空間２８を通じてシリンダ２０から排出される。冷媒ガスは、低圧バルブ５６及び配管系５２を通じて圧縮機１６に回収される。冷媒ガスが膨張空間１８から流出する間、ディスプレーサ２４はシリンダ２０の下死点に向けて移動する。それにより膨張空間１８の容積が減少され、膨張空間１８から低圧の冷媒ガスが排出される。

以上がＧＭ冷凍機１０における１回の冷却サイクルである。ＧＭ冷凍機１０はこの冷却サイクルを繰り返すことで、冷却ステージ２２を所望の温度に冷却する。こうしてＧＭ冷凍機１０は、冷却ステージ２２に熱接続された冷却対象（不図示）から吸熱し、冷却することができる。冷却ステージ２２は、例えば、約１０Ｋから約３０Ｋの範囲から選択される目標温度に冷却されてもよい。あるいは、冷却ステージ２２は、例えば、約５０Ｋから約１００Ｋの範囲から選択される目標温度に冷却されてもよい。

説明したように、本実施形態によると、冷却ステージ２２に隣接してシリンダ２０の内部にスリーブ３６を設けることにより、第１クリアランス２６から膨張空間１８への冷媒ガス通路（すなわち第２クリアランス３８）が規定されている。このようにガス通路が規定されることにより、従来のようにディスプレーサ２４の低温端から膨張空間１８に直接的にガスが噴き出る場合に比べて、冷却ステージ２２の表面に沿う方向の流速成分の低下が抑えられる。従来に比べて流速を高めることができるので、冷却ステージ２２の熱交換効率を向上することができる。

第２クリアランス３８は第１クリアランス２６より狭い。具体的に言えば、スリーブ３６によってその外側領域に規定されるガス通路は、シリンダ２０とディスプレーサ２４との間の隙間に比べて径方向において狭い。よって、隙間からガス通路に流入するとき流速が高められ、熱交換効率を向上することができる。試算によると、膨張空間１８に流入する冷媒ガスの流速が２倍となるとき、冷凍機の冷凍能力は約５％から約１０％向上する。そのため、冷凍能力が大きい大型の冷凍機ほど、本実施形態に係るスリーブ３６の適用による冷凍能力の増加量が大きくなる。そうした大型冷凍機は典型的には単段冷凍機である。従って、本実施形態は大能力の単段冷凍機（例えば、１０Ｋにおいて１００Ｗ以上３００Ｗ以下の冷凍能力を有する単段冷凍機、または７０Ｋにおいて５００Ｗ以上１ｋＷ以下の冷凍能力を有する単段冷凍機）に好適である。

また、本実施形態によると、スリーブ３６をシリンダ２０に装着するという比較的簡単な作業で冷凍機の熱交換効率を向上することができる。既存の冷凍機にスリーブ３６を追加することによってその冷凍機の熱交換効率を容易に向上することができる。

以上、本発明を実施例にもとづいて説明した。本発明は上記実施形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。

スリーブ３６がスリーブ底板４２を有することは必須ではない。ある実施形態においては、スリーブ３６は、スリーブ筒部４０のみを有する。スリーブ下端の貫通孔４８の径がスリーブ筒部４０の径に等しいともいえる。

図３は、本発明の他の実施形態に係るスリーブ１３６の模式的な上面図である。図示されるように、スリーブ１３６（例えばスリーブ筒部）の外面に凹凸が形成されていてもよい。この場合、凸部１４２がシリンダ２０（または冷却ステージ２２）の内面に接触し、凹部１４４とシリンダ２０の内面との間に冷媒ガス通路１４６が形成されてもよい。冷媒ガス通路１４６はシリンダ２０の軸方向に沿って設けられている。破線によりシリンダ２０の内面が図示されている。

同様に、スリーブ底板の底面に凹凸が形成されていてもよい。この場合、スリーブ底板とシリンダとの間に形成されるガス通路は径方向に沿って設けられていてもよい。

代案として、シリンダの内面に凹凸が形成されていてもよい。この場合、凸部がスリーブの外面に接触し、凹部とスリーブの外面との間に冷媒ガスの通路が形成されてもよい。

図４は、本発明の他の実施形態に係るスリーブ２３６の模式的な上面図である。スリーブ２３６（例えばスリーブ筒部）は、スリーブ２３６の外面２３８と内面２４０との間にガス通路を規定してもよい。このガス通路は、スリーブ２３６に形成される貫通孔２４２であってもよい。貫通孔２４２は、シリンダの軸方向に沿って設けられている。こうした貫通孔がスリーブ底板に設けられていてもよく、その場合貫通孔は径方向に沿って設けられていてもよい。

ある実施形態においては、シリンダとスリーブとの間に規定されるガス通路（例えば図１または図３に示されるガス通路）が、スリーブの外面と内面との間に規定されるガス通路（例えば図４に示されるガス通路）と組み合わせて使用されてもよい。例えば、スリーブ筒部とシリンダとの間にガス通路が規定され、これに連続するガス通路がスリーブ底板に貫通孔として形成されていてもよい。あるいは、スリーブ筒部に貫通孔が形成され、これに連続するガス通路がスリーブ底板とシリンダとの間に規定されていてもよい。

ある実施形態においては、スリーブを収めるために必要とされる場合には、ディスプレーサの低温端の外径が高温端より若干小さくてもよい。あるいは、シリンダ低温端または冷却ステージの内径がシリンダ高温端より若干大きくてもよい。

ある実施形態においては、スリーブは、二段式（またはその他の多段式）の冷凍機において少なくとも１つの段の低温端に設けられてもよい。

上述の実施形態においては、ＧＭ冷凍機１０を例として説明したが、これに限られない。ある実施形態においては、スリーブは、蓄冷器を内蔵するディスプレーサと、ディスプレーサを収容するシリンダと、を備える他の種類の冷凍機に設けられてもよい。

実施形態に係るスリーブを備えるＧＭ冷凍機１０又はその他の冷凍機は、超伝導マグネット、クライオポンプ、Ｘ線検出器、赤外線センサ、量子光子検出器、半導体検出器、希釈冷凍機、Ｈｅ３冷凍機、断熱消磁冷凍機、ヘリウム液化機、クライオスタット等における冷却手段または液化手段として使用されてもよい。

１０ ＧＭ冷凍機、 １２ 蓄冷器、 １８ 膨張空間、 ２０ シリンダ、 ２２ 冷却ステージ、 ２４ ディスプレーサ、 ２６ 第１クリアランス、 ３２ ディスプレーサ下部開口、 ３６ スリーブ、 ３８ 第２クリアランス、 ４０ スリーブ筒部、 ４２ スリーブ底板、 ４４ 側部隙間、 ４６ 底部隙間、 ４８ 貫通孔、 Ｑ 軸方向。

Claims (4)

1. 極低温冷凍機であって、
   軸方向に延在するシリンダと、
   前記軸方向に往復動可能であるように前記シリンダ内に配設され、冷媒ガスの膨張空間を前記軸方向における前記シリンダの一方の端部との間に形成するディスプレーサと、
   前記ディスプレーサに内蔵される蓄冷器と、を備え、
   前記シリンダの内周面と前記ディスプレーサの外周面との間には隙間が設けられ、前記ディスプレーサは前記蓄冷器から前記隙間に前記冷媒ガスを導く通路を備え、
   前記極低温冷凍機は、前記シリンダの一方の端部の内側にて前記膨張空間の周囲に配設されるスリーブをさらに備え、
   前記スリーブは、前記隙間から前記膨張空間に前記冷媒ガスを導く通路を、前記シリンダの一方の端部と前記スリーブとの間に、及び／または、前記スリーブの外面と内面との間に規定することを特徴とする極低温冷凍機。
2. 前記スリーブは、前記シリンダの内周面に対向する筒部と、前記シリンダの底部に対向する底板と、を備え、
   前記スリーブにより規定される前記通路は、前記スリーブの筒部と前記シリンダの内周面との間に形成される側部隙間と、前記スリーブの底板と前記シリンダの底部との間に形成され前記側部隙間に連続する底部隙間と、を含むことを特徴とする請求項１に記載の極低温冷凍機。
3. 前記スリーブの底板は中心に貫通孔を有し、前記貫通孔は前記底部隙間を前記膨張空間に連通することを特徴とする請求項２に記載の極低温冷凍機。
4. 前記極低温冷凍機は、単段冷凍機である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。

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