JP2650437B2

JP2650437B2 - 蓄冷型極低温冷凍機

Info

Publication number: JP2650437B2
Application number: JP1255946A
Authority: JP
Inventors: 政志長尾
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1989-09-29
Filing date: 1989-09-29
Publication date: 1997-09-03
Anticipated expiration: 2012-09-03
Also published as: JPH03117855A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］この発明は蓄冷型極低温冷凍機の冷凍能力の向上に関
するものである。

［従来の技術］第８図は、例えば特開昭59−15773号公報に示され
た、従来の極低温冷凍機を示す構成図である。この極低
温冷凍機はギフォード・マクマホンサイクルの冷凍機で
ある。図において、（１）は作動ガス（例えばヘリウ
ム）であり、（２）は作動ガス（１）を吸気する吸気バ
ルブ、（３）は作動ガス（１）を排気する排気バルブで
ある。（４）は第１段膨張室、（５）は往復運動して、
作動ガス（１）を移動させる可動部材であり、第１段デ
ィスプレーサー、（６）は気体の寒冷を蓄冷する第１段
蓄冷器、（７）は第１段膨張室（４）の作動ガス（１）
が第１段ディスプレーサー（５）の外周を流れることを
防止する第１段シール、（８）は第１段膨張室（４）の
寒冷を外部に伝える第１段冷凍ステージ、（９）は第１
段シリンダである。（10）は第２段膨張室、（11）は往
復運動して作動ガス（１）を移動させる可動部材であ
り、第２段ディスプレーサー、（12）は気体の寒冷を蓄
冷する第２段蓄冷器の蓄冷管、（13）は第２段膨張室
（10）の作動ガス（１）が第２段ディスプレーサー（1
1）の外周を流れることを防止する第２段シール、（1
4）は第２段膨張室（10）の寒冷を外部に伝える第２段
冷凍ステージ、（15）は第２段シリンダである。（16）
は各ディスプレーサー（５）、（11）を駆動するための
モータ、（17）はモータ（16）の駆動力を伝える駆動
軸、（18）は回転運動を直線運動に変換するクランクで
ある。（19）は作動ガス（１）を圧縮する圧縮機、（2
0）は高圧側の圧力変動を小さくする高圧バッファタン
ク、（21）は低圧側の圧力変動を小さくする低圧バッフ
ァタンク、（22）は高圧と低圧の差圧を一定に保つ差圧
保持装置である。矢印（23）は、第１段冷凍ステージ
（８）で吸収される冷凍量Q1、矢印（24）は第２段ステ
ージ（14）で吸収される冷凍量Q2である。（25）は気体
の寒冷を蓄冷する第２段蓄冷器の補助蓄冷器、（26）は
第２段蓄冷器の容器、（27）は第２段蓄冷器の蓄冷管
（12）に蓄冷材であるヘリウムガス（29）を供給する供
給管、（28）は第２段蓄冷器（12）の内圧を調整する圧
力調整器である。

次に動作について説明する。

第９図はこの冷凍機のPV線図である。縦軸は第１段と
第２段膨張室（４）、（10）の圧力を、横軸は同じく容
積を示す。まず、第９図におけるＡの状態では、第１段
と第２段ディスプレーサー（５）、（11）は最下端にあ
り、また、吸気バルブ（２）が開き、排気バルブ（３）
が開いているので、各膨張室（４）、（10）の圧力は高
圧になっている。次に、Ａ−Ｂでは、各ディスプレーサ
ー（５）、（11）が上方に動き、それに伴い、圧縮機
（19）から高圧の作動ガス（１）が各蓄冷器（６）、
（12）で冷却されつつ各膨張室（４）、（10）に導入さ
れる。各蓄冷器（６）、（12）には、温度勾配がついて
おり、各１段蓄冷器（６）の上端は例えば300Kで、下端
は10Kになっており、第２段蓄冷器（12）の上端は例え
ば10Kで、下端は約4Kになる。そこで第１段膨張室
（４）に導入される作動ガス（１）は約10K、第２段膨
張室（10）に導入される作動ガス（１）は約4Kまで冷却
される。10K以下の低温になるとヘリウムガスの比熱は
大きくなり、逆に蓄冷器の蓄冷材に良く用いられる鉛等
の比熱は小さくなる。そこで螺旋状に巻いた銅管の内部
に10K以下の温度で比熱の大きなヘリウムガス（29）を
供給管（27）から導入し、第２段蓄冷器を構成してい
る。またこの圧力は圧力調整器（28）で調整できる。Ｂ
は容積が最大になった状態である。この時、各蓄冷器は
作動ガス（１）によって加熱されるので、始めの温度分
布より高い温度分布になっている。Ｂ−Ｃでは吸気バル
ブ（２）を閉じ、排気バルブ（３）を開く。この時、作
動ガス（１）が高圧の状態から低圧の状態に膨張し、各
膨張室（４）、（10）で寒冷が発生し、Ｃの状態にな
る。膨張した作動ガス（１）は第１段冷凍ステージ
（８）で冷凍量Q1の１部の熱量を受け、第２段冷凍ステ
ージ（14）では、冷凍量Q2の１部の熱量を受ける。作動
ガス（１）は、次に各蓄冷器（６）、（12）を冷却した
のち、圧縮機（19）に戻る。Ｃの状態は各膨張室
（４）、（10）の圧力が低圧になった状態である。Ｃ−
Ｄでは、各ディスプレーサー（５）、（11）が下方に動
き、低圧になった作動ガス（１）を排出する。この時に
排出される膨張した作動ガス（１）も第１段冷凍ステー
ジ（８）で冷凍量Q1の残りの熱量を受け、第２段冷凍ス
テージ（14）では同じく冷凍量Q2の残りの熱量を受け
る。作動ガス（１）は、次に各蓄冷器（６）、（12）を
冷却したのち、圧縮機（19）に戻る。Ｄ−Ａでは、排気
バルブ（３）が閉じ、吸気バルブ（２）が開き、圧力が
低圧の状態から高圧の状態になり、１サイクルを終了す
る。Ｂ−Ｄの過程では、各蓄冷器（６）、（12）は冷却
されるのでサイクルの始めの温度分布に戻っている。

［発明が解決しようとする課題］従来の極低温冷凍機は以上のように構成されていたの
で、第２段蓄冷器（12）にヘリウムガス（29）を導入す
るための供給管（27）や圧力調整器（28）が必要にな
り、構造が複雑になる問題点があった。また、第２段蓄
冷器の蓄冷管（12）の内部でヘリウムガス（29）が動か
ないため、蓄冷管（12）とヘリウムガス（29）との熱交
換が悪く、冷凍効率があまり上がらない等の問題点もあ
った。

この発明は上記のような問題点を解決するためになさ
れたもので、第２段蓄冷器の構造を簡単にし、かつ、第
２段蓄冷器の蓄冷管（12）とヘリウムガス（29）の熱交
換を促進し、冷凍効率を向上することを目的とする。

［課題を解決するための手段］この発明に係わる蓄冷型極低温冷凍機は、作動ガスを
ヘリウムガスとし、かつ蓄冷器を、内部に空間を有する
容器と、この容器の低温部に開けられ、上記ヘリウムガ
スを上記空間に導入し、上記容器内を流動させる孔とで
構成したものである。

また、容器の形状を蓄冷器の温度勾配方向に細長い形
状にするとよい。

さらに、容器の高温部に放熱部を設けるとよい。

また、この発明に係わる他の蓄冷型極低温冷凍機は、
作動ガスをヘリウムガスとし、かつ蓄冷器を、内部に空
間を有し、温度勾配方向に複数個設置した容器と、この
容器に開けられ、上記ヘリウムガスを上記空間に導入
し、上記容器内を流動させる孔とで構成したものであ
る。

［作用］この発明に係わる蓄冷器においては、容器の低温部に
開けられた微小な孔から内部に、作動ガスに用いたヘリ
ウムガスを導入するので、供給管、圧力調整器が無くな
り構造が簡単になる。また、冷凍サイクルの圧力変動に
したがって、容器内部のヘリウムガスの一部が容器の内
部を移動するため、容器の内壁との熱交換が促進され、
冷凍効率が向上する。

また、容器の形状は蓄冷器の温度勾配方向に細長い形
状にし、上記容器の低温部に孔を、さらに高温部に放熱
部を設けることによって、パルスチューブ冷凍機の効果
が期待でき、冷凍効率が更に向上する。

また、作動ガスをヘリウムガスとし、かつ蓄冷器を、
内部に空間を有し、温度勾配方向に複数個設置した容器
と、この容器に開けられ、上記ヘリウムガスを上記空間
に導入し、上記容器内を流動させる孔とで構成すること
により、温度勾配方向の熱伝導を抑えることができ、冷
凍効率が向上する。

［実施例］以下、この発明の一実施例による蓄冷型極低温冷凍機
を図について説明する。

第１図はこの発明の一実施例による冷凍機を示す構成
図である。図において、（１）〜（11）、（13）〜（2
4）と（29）は上記従来装置とまったく同一のものであ
る。（12）は第２段蓄冷器を構成する、ヘリウムガスを
入れるための容器であり、内部に空間を有する。（30）
はこの容器に開けられ、ヘリウムガス（29）を上記空間
に導入する孔、（31）はヘリウムガス（29）の熱交換を
促進するための伝熱板である。なお、作動ガス（１）は
ヘリウムガスを用いている。

上記のように構成された蓄冷型極低温冷凍機において
は、微少な孔（30）から、作動ガスに用いたヘリウムガ
ス（29）を容器（12）の内部に導入することが可能にな
る。従って、供給管（27）、圧力調整器（28）をなくす
ことが可能になる。さらに微少な孔（30）の大きさ適当
に設定すると、容器（12）の内部の圧力は第２図に示す
ように、高圧と低圧の中間の圧力Ａ′Ｂ′Ｃ′Ｄ′で適
度な振幅を持たせることが可能になる。このため、容器
（12）の内部でヘリウムガス（29）が適度に移動し、容
器（12）の内壁との熱交換を促進できる。

なお、上記実施例では単体の容器（12）を用いたが、
第３図に示すように、容器（12）の形状を円盤状、また
は板状、ドーナツ状にし、これらを複数個、熱伝導率小
さい材料からなるスペーサ（32）を介して重ねて蓄冷器
を構成することができる。このように構成すれば、温度
勾配方向の熱侵入をスペーサ（32）で小さくすることが
できるので、容器（12）の材料に熱伝導率の大きな銅等
を用いることが可能になり、熱交換をより促進できる。

また、第４図に示される実施例のように、容器（12）
の形状を、蓄冷器の温度勾配方向に細長い棒状、例えば
丸棒状、角棒状、多角棒状にし、これらを複数個たばね
て蓄冷器を構成することもできる。このように構成すれ
ば、熱交換面積を増大することが可能になり、熱交換を
促進できる。

また、上記実施例では容器（12）の低温部に微少な孔
（30）を設けている。これは容器内部で圧力変動がある
とき低圧の状態から高圧の状態になる際、導入される高
圧のヘリウムガス（29）によって、それまであった低圧
のヘリウムガス（29）が圧縮され、微少な孔（30）の反
対側で発熱し、また、高圧の状態から低圧の状態になる
際、高圧のヘリウムガス（29）が膨張し、微少な孔（3
0）の所で冷凍を発生する効果があるためである。これ
は良く知られたパルスチューブ冷凍機の基本原理であ
る。第５図に示すように、第４図の容器（12）の高温側
に放熱部（33）、例えば熱伝導率のよい材料で構成さ
れ、フィン状をしたものを設ければ、上記の発熱Qp（3
4）を効率よく第１段冷凍ステージ（８）に伝えること
ができるので、低温部での吸熱量を増やすことが可能に
なる。このような構成は第１図に示す構成のものにも適
用でき、同様に容器（12）の高温部に放熱部（33）を設
けてもよい。

さらに、第６図に示される実施例のように、容器（1
2）の形状を螺旋管状にすることもできる。このように
構成すれば、熱交換面積を増大するとともに、温度勾配
方向の熱侵入も小さくすることが可能になり、熱交換を
促進できる。

また、上記実施例の場合も第５図の実施例と同様に、
容器（12）の高温部に放熱部（33）を取り付ければ、第
５図の実施例と同様な効果が期待できる（第７図）。

また、上記実施例ではギフォード・マクマホン冷凍機
について述べたが、その他の冷凍サイクル、例えばスタ
ーリング冷凍機やビルマイヤー冷凍機、ソルベー冷凍機
等にも使用できる。

また、上記実施例では２段式冷凍機について述べた
が、単段式や３段以上の冷凍機に使用できることは明か
である。

また、孔の代りに多孔質体や、微少なすきまを用いて
も同等な働きをすることは明らかである。

［発明の効果］以上のように、この発明によれば作動ガスをヘリウム
ガスとし、かつ蓄冷器を、内部に空間を有する容器と、
この容器の低温部に開けられ、上記ヘリウムガスを上記
空間に導入し、容器内を流動させる孔とで構成したの
で、構造が簡単になり、また、冷凍サイクルの圧力変動
にしたがって、容器内部のヘリウムガスの一部が容器の
内部を移動するため、容器の内壁との熱交換が促進さ
れ、冷凍効率が向上する。

また、容器の形状を蓄冷器の温度勾配方向に細長い形
状にし、上記容器の低温部に孔を、さらに高温部に放熱
部を設けることにより、パルスチューブ冷凍機の効果が
期待でき、冷凍効率が更に向上する。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例による蓄冷型極低温冷凍機
を示す構成図、第２図はこの発明の一実施例による蓄冷
型極低温冷凍機のＰ−Ｖ特性と容器内の圧力変化を示す
特性図、第３図ないし第７図は各々この発明の他の実施
例による蓄冷型極低温冷凍機を示す部分構成図、第８図
は従来の極低温冷凍機を示す構成図、及び第９図は極低
温冷凍機のＰ−Ｖ特性を示す特性図である。図において、（１）は作動ガス、（４）は第１段膨張
室、（５）は第１段ディスプレーサー、（６）は第１段
蓄冷器、（８）は第１段冷凍ステージ、（10）は第２段
膨張室、（11）は第２段ディスプレーサー、（12）は容
器、（14）は第２段冷凍ステージ、（19）は圧縮機、
（29）はヘリウムガス、（30）は孔、（33）は放熱部で
ある。なお、図中、同一符号は同一または相当部分を示す。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】可動部材の移動により容積の変化する膨張
室内に、圧縮された作動ガスを蓄冷器を通して導入し、
膨張させて寒冷を発生させ、再び上記蓄冷器を通して上
記膨張室より排出させる蓄冷型極低温冷凍機において、
上記作動ガスをヘリウムガスとし、かつ上記蓄冷器を、
内部に空間を有する容器と、この容器の低温部に開けら
れ、上記ヘリウムガスを上記空間に導入し、上記容器内
を流動させる孔とで構成したことを特徴とする蓄冷型極
低温冷凍機。
【請求項２】容器の形状を蓄冷器の温度勾配方向に細長
い形状にしたことを特徴とする請求項１記載の蓄冷型極
低温冷凍機。
【請求項３】容器の高温部に放熱部を設けたことを特徴
とする請求項２記載の蓄冷型極低温冷凍機。
【請求項４】可動部材の移動により容積の変化する膨張
室内に、圧縮された作動ガスを蓄冷器を通して導入し、
膨張させて寒冷を発生させ、再び上記蓄冷器を通して上
記膨張室より排出させる蓄冷型極低温冷凍機において、
上記作動ガスをヘリウムガスとし、かつ上記蓄冷器を、
内部に空間を有し、温度勾配方向に複数個設置した容器
と、この容器に開けられ、上記ヘリウムガスを上記空間
に導入し、上記容器内を流動させる孔とで構成したこと
を特徴とする蓄冷型極低温冷凍機。