JP2612018B2 - 極低温冷凍機 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明はヘリウム等を冷媒として使用する小型の極低
温冷凍機に関する。

（従来の技術） 絶対温度10〜20［Ｋ］程度の極低温まで冷凍を行う小
型の冷凍機としては、ギフォード・マクマホン（以下GM
と略す）式コールドヘッドと、ヘリウム圧縮機を組み合
わせたGM冷凍機があり、超電導マグネットの冷却用や、
クライオポンプ用として広く使用されている。

GM冷凍機の基本的構成を第３図を用いて説明する。圧
縮機（１）のガス吐出側にはガスクーラー、油セパレー
タ、油フィルター、等の機器や配管からなる高圧部機器
（２）が設けられ、吸気弁（３）を介してGM式コールド
ヘッド（４）に配管で接続される。GM式コールドヘッド
（４）はシリンダ（５）、ディスプレーサ（６）、蓄冷
材（７）、ガスシール（８）、ディスプレーサ駆動機構
（９）から構成される。ディスプレーサ（６）はディス
プレーサ駆動機構（９）によりシリンダ（５）の上死
点、下死点間を一定の周期で往復動する。ディスプレー
サ（６）にはガスシール（８）が設けられ、ディスプレ
ーサ（６）とシリンダ（５）間のギャップの冷媒ヘリウ
ムガスの流通を防いでおり、冷媒ヘリウムガスはディス
プレーサ（６）内に置かれる蓄冷材（７）内を流通する
構造となっている。GM式コールドヘッド（４）と圧縮機
（１）のガス吸入側の間には排気弁（10）や、サージタ
ンク等から成る低圧部機器（11）が設けられる。

圧縮機（１）で昇圧昇温した冷媒ヘリウムガスは高圧
部機器（２）で冷却され、また油ミスト等の不純物が除
去されて吸気弁（３）からGM式コールドヘッド（４）内
へ流入する。吸気弁（３）、排気弁（10）の開閉タイミ
ングとディスプレーサ（６）の位置は第４図に示す様な
関係にある。すなわちディスプレーサ（６）が下死点に
ある時に、吸気弁（３）が開いてシリンダ（５）上部空
間に冷媒ヘリウムガスが流入する。この時排気弁（10）
は閉じたままである。吸気弁（３）が開いたままディス
プレーサ（６）が上死点へ移動し、冷媒ヘリウムガスは
蓄冷材（７）と熱交換しつつシリンダ（５）下部空間へ
流通する。ディスプレーサ（６）が上死点へつくと同時
に吸気弁（３）が閉じ、排気弁（10）が開く。すると断
熱膨張によりシリンダ（５）下部空間に寒冷が生じる。
ディスプレーサ（６）が下死点に到達するまで排気弁
（10）は開いており、冷却されたヘリウムガスは蓄冷材
（７）と熱交換しつつGM式コールドヘッド（４）外へ流
出してゆく。以上のサイクルをくり返してシリンダ
（５）の下部空間が極低温に冷却される。

（発明が解決しようとする課題） この様な構成から成る極低温冷凍機においては圧縮機
（１）の圧力脈動が避けられない問題として生じる。す
なわち、圧縮機（１）は常にヘリウムを圧縮しようとし
ているのに対し、吸気弁（３）と排気弁（11）がかわる
がわる開閉をくり返すために圧縮機（１）の低圧側の容
積と高圧側の容積が見かけ上増えたり減ったりするのと
同じ事になり圧縮機（１）の吐出・吸入圧力が脈動す
る。圧力脈動が生じると圧縮機（１）内の各部、例えば
吐出弁等に繰り返し応力が作用するために定常的な圧力
のもとで運転した場合に比して著しく寿命が低下してし
まうという問題点がある。また、GM式コールドヘッド
（４）へ供給するヘリウムガス中の油分等不純物は極低
温下で冷凍して性能低下や故障をひきおこすため、極力
とり除かなければならないが、油フィルター等の不純物
を分離する装置の性能は定常流に比べて脈動流の場合劣
化するために、装置の大型化を招く等の問題がある。

これらの点に鑑み、本発明はGM式コールドヘッドを用
いて圧縮機に脈動が生じない極低温冷凍機を提供するこ
とを目的とする。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 上記目的を達成するために、本発明の極低温冷凍機は
１台の圧縮機に冷媒ガス吸排サイクルの位相を互いに18
0゜ずらして運転する２台のギフォードマクマホン式コ
ールドヘッドを並列に接続して、圧縮機から見た高圧
部、低圧部の容積を常に等しくするようにした構成とす
る。

（作用） 本発明の極低温冷凍機においては、２台のGMヘッドの
吸排サイクルの位相が180゜ずれているため、圧縮機か
ら見ると高圧、低圧部の容積が互いに常に等しくなるた
めに圧力脈動が打ち消され、圧縮機の吸気、吐出圧力を
安定なものとすることができる。

（実施例） 第１図に本発明の一実施例を示す。圧縮機（１）のガ
ス吐出側には高圧部機器（２）があり、吸気弁（Ａ）を
介してGM式コールドヘッド（Ａ）が、また吸気弁（Ｂ）
を介してGM式コールドヘッド（Ｂ）が接続されている。
GM式コールドヘッド（Ａ）は排気弁（Ａ）を介して、ま
たGM式コールドヘッド（Ｂ）は排気弁（Ｂ）を介して圧
縮機（１）吸入側の低圧部機器（11）と接続されてい
る。

２台のGMコールドヘッド（Ａ），（Ｂ）のヘリウムガ
ス吸排サイクルは第２図に示す様に互いの位相が180゜
ずらして運転される様にする。位相を180゜ずらす最も
簡単な方法は、２台のGMコールドヘッドのディスプレー
サ駆動機構および弁の開閉機構の運転電源を共通にして
おき、初期状態を互いに180゜ずらしておく方法であ
る。

この様な構成の極低温冷凍機においては圧縮機の高圧
側の容積も、低圧側の容積も常に一定量であるために圧
力の脈動が発生せず、圧縮機は定常的なガスの圧縮を行
うことができる。そのために圧縮機内にくり返し応力が
発生することもなく、圧縮機の信頼性が向上する。

なお、GM式コールドヘッドは４台,6台等の偶数台であ
ってもよい。

〔発明の効果〕

以上述べた様に本発明に係る極低温冷凍機において
は、２台のGMヘッドのガス吸排サイクルが180゜ずれる
ので圧力脈動の発生を防止でき、くり返し応力による圧
縮機寿命低下の防止、油フィルター等不純物分離装置の
性能向上による信頼性向上、バッファ容積の小量化によ
り装置の小型化がはかれる等の効果を奏することができ
る。また、GMヘッドを２台にしたことによる信頼性の向
上がはかれることもいうまでもない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の極低温冷凍機を示す構成
図、第２図（ａ），（ｂ）は第１図の運転パターンを示
す図、第３図は従来装置の構成図、第４図（ａ），
（ｂ）は第３図の運転パターンを示す図である。 １……圧縮機、２……高圧部機器 ３……吸気弁、４……GM式コールドヘッド ５……シリンダ、６……ディスプレーサ ７……蓄冷材、８……ガスシール ９……ディスプレーサ駆動機構 10……排気弁、11……低圧部機器

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】圧縮機と、この圧縮機の低圧側と高圧側に
   偶数台のギフォードマクマホン式コールドヘッドを、各
   コールドヘッドの冷媒ガス給排サイクルの位相が互いに
   180゜ずれて運転されるように、それぞれ排気弁と吸気
   弁を介して互いに並列に接続し、前記圧縮機から見た高
   圧部、低圧部の容積を常に等しくしたことを特徴とする
   極低温冷凍機。