JP2698477B2 - 極低温冷凍機 - Google Patents
極低温冷凍機Info
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- JP2698477B2 JP2698477B2 JP195591A JP195591A JP2698477B2 JP 2698477 B2 JP2698477 B2 JP 2698477B2 JP 195591 A JP195591 A JP 195591A JP 195591 A JP195591 A JP 195591A JP 2698477 B2 JP2698477 B2 JP 2698477B2
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、蓄冷式の極低温冷凍
機に関するものである。
機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】図５は、例えば特公昭４６−３０４３３
号公報（アメリカ特許６２９２７１）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−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段目の膨張室、５は
往復運動して作動ガス１を移動させる第１段目のディス
プレ−サ−、６は気体の寒冷を蓄冷する第１段目の蓄冷
器で例えば燐青銅の円盤状の金網を積層したものであ
る。７は第１段目の膨張室４の作動ガス１が第１段目の
ディスプレ−サ−５の外周を流れることを防止する第１
段目のシ−ル、８は第１段目の膨張室４の寒冷を外部に
伝える第１段目の冷凍ステ−ジ、９は第１段目のシリン
ダである。１０は第２段目の膨張室、１１は往復運動し
て作動ガス１を移動させる第２段目のディスプレ−サ
−、１２は気体の寒冷を蓄冷する第２段目の蓄冷器で例
えば鉛の小球を詰めたものである。１３は第２段目の膨
張室１０の作動ガス１が第２段目のディスプレ−サ−１
１の外周を流れることを防止する第２段目のシ−ル、１
４は第２段目の膨張室１０の寒冷を外部に伝える第２段
目の冷凍ステ−ジ、１５は第２段目のシリンダである。
１６は各ディスプレ−サ−５、１１を駆動するためのモ
−タ、１７はモ−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、２０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。２３は第
１段目の冷凍ステ−ジ８で吸収される冷凍量Ｑ１を示す
白抜き矢印、２４は第２段目のステ−ジ１４で吸収され
る冷凍量Ｑ２を示す白抜き矢印、２５は第２段目の蓄冷
器１２の無効容積空間である。
号公報（アメリカ特許６２９２７１）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−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段目の膨張室、５は
往復運動して作動ガス１を移動させる第１段目のディス
プレ−サ−、６は気体の寒冷を蓄冷する第１段目の蓄冷
器で例えば燐青銅の円盤状の金網を積層したものであ
る。７は第１段目の膨張室４の作動ガス１が第１段目の
ディスプレ−サ−５の外周を流れることを防止する第１
段目のシ−ル、８は第１段目の膨張室４の寒冷を外部に
伝える第１段目の冷凍ステ−ジ、９は第１段目のシリン
ダである。１０は第２段目の膨張室、１１は往復運動し
て作動ガス１を移動させる第２段目のディスプレ−サ
−、１２は気体の寒冷を蓄冷する第２段目の蓄冷器で例
えば鉛の小球を詰めたものである。１３は第２段目の膨
張室１０の作動ガス１が第２段目のディスプレ−サ−１
１の外周を流れることを防止する第２段目のシ−ル、１
４は第２段目の膨張室１０の寒冷を外部に伝える第２段
目の冷凍ステ−ジ、１５は第２段目のシリンダである。
１６は各ディスプレ−サ−５、１１を駆動するためのモ
−タ、１７はモ−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、２０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。２３は第
１段目の冷凍ステ−ジ８で吸収される冷凍量Ｑ１を示す
白抜き矢印、２４は第２段目のステ−ジ１４で吸収され
る冷凍量Ｑ２を示す白抜き矢印、２５は第２段目の蓄冷
器１２の無効容積空間である。
【０００３】次に動作について説明する。図６はこの冷
凍機のＰＶ線図である。縦軸は第２段目の膨張室１０の
圧力Ｐを、横軸は同じく容積Ｖを示す。まず、図６にお
けるＤの状態では、第２段目のディスプレ−サ−１１は
最下端にあり、また吸気バルブ２が閉じ排気バルブ３が
開いているので、第２段目の膨張室１０の圧力は低圧に
なっている。次にＤ−Ａでは、排気バルブ３が閉じ吸気
バルブ２が開いて圧力が低圧の状態から高圧の状態にな
る。この時、無効容積空間２５にある低圧の状態のヘリ
ウムガス１は高圧の状態に断熱的に圧縮されるので、第
２段目の蓄冷器１２の低温部の温度が上昇する。次にＡ
−Ｂでは、各ディスプレ−サ−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第１段
目の蓄冷器６の上端は例えば３００Ｋで下端は５０Ｋに
なっており、第２段目の蓄冷器１２の上端は例えば５０
Ｋで下端は約１０Ｋになる。そこで、第１段目の膨張室
４に導入される作動流体１は約５０Ｋ、第２段目の膨張
室１０に導入される作動流体１は約１０Ｋまで冷却され
る。Ｂは容積が最大になった状態である。この時各蓄冷
器６、１２は作動流体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を閉じて排気バルブ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で寒冷が発生する。
凍機のＰＶ線図である。縦軸は第２段目の膨張室１０の
圧力Ｐを、横軸は同じく容積Ｖを示す。まず、図６にお
けるＤの状態では、第２段目のディスプレ−サ−１１は
最下端にあり、また吸気バルブ２が閉じ排気バルブ３が
開いているので、第２段目の膨張室１０の圧力は低圧に
なっている。次にＤ−Ａでは、排気バルブ３が閉じ吸気
バルブ２が開いて圧力が低圧の状態から高圧の状態にな
る。この時、無効容積空間２５にある低圧の状態のヘリ
ウムガス１は高圧の状態に断熱的に圧縮されるので、第
２段目の蓄冷器１２の低温部の温度が上昇する。次にＡ
−Ｂでは、各ディスプレ−サ−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第１段
目の蓄冷器６の上端は例えば３００Ｋで下端は５０Ｋに
なっており、第２段目の蓄冷器１２の上端は例えば５０
Ｋで下端は約１０Ｋになる。そこで、第１段目の膨張室
４に導入される作動流体１は約５０Ｋ、第２段目の膨張
室１０に導入される作動流体１は約１０Ｋまで冷却され
る。Ｂは容積が最大になった状態である。この時各蓄冷
器６、１２は作動流体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を閉じて排気バルブ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で寒冷が発生する。
【０００４】膨張した作動ガス１は第１段目の冷凍ステ
−ジ８で冷凍量Ｑ１（白抜き矢印２３）の一部の熱量を
受け、第２段目の冷凍ステ−ジ１４では冷凍量Ｑ２（白
抜き矢印２４）の一部の熱量を受ける。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−サ−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段目の冷凍ステ−ジ
８で冷凍量Ｑ１（白抜き矢印２３）の残りの熱量を受
け、第２段目の冷凍ステ−ジ１４では同じく冷凍量Ｑ２
（白抜き矢印２４）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。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。
−ジ８で冷凍量Ｑ１（白抜き矢印２３）の一部の熱量を
受け、第２段目の冷凍ステ−ジ１４では冷凍量Ｑ２（白
抜き矢印２４）の一部の熱量を受ける。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−サ−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段目の冷凍ステ−ジ
８で冷凍量Ｑ１（白抜き矢印２３）の残りの熱量を受
け、第２段目の冷凍ステ−ジ１４では同じく冷凍量Ｑ２
（白抜き矢印２４）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。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。
【０００５】
【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おり、Ｄ−Ａの変化の際、第２
段目の蓄冷器１２の無効容積空間２５に残留するヘリウ
ムガス１が高圧のヘリウムガス１によって断熱圧縮さ
れ、第２段目の冷凍ステ−ジ１４を加熱して冷凍量を減
少させ冷凍効率が低下する問題点があった。
以上のように構成されており、Ｄ−Ａの変化の際、第２
段目の蓄冷器１２の無効容積空間２５に残留するヘリウ
ムガス１が高圧のヘリウムガス１によって断熱圧縮さ
れ、第２段目の冷凍ステ−ジ１４を加熱して冷凍量を減
少させ冷凍効率が低下する問題点があった。
【０００６】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段目の冷凍サイクルでのＤ
−Ａの変化の際の発熱を第１段目の膨張室で発生した寒
冷および外部からの冷却手段の少なくとも一方で吸収す
ることによって冷凍損失を低減し、冷凍効率を向上する
ことを目的とする。
ためになされたもので、第２段目の冷凍サイクルでのＤ
−Ａの変化の際の発熱を第１段目の膨張室で発生した寒
冷および外部からの冷却手段の少なくとも一方で吸収す
ることによって冷凍損失を低減し、冷凍効率を向上する
ことを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】この発明に係わる極低温
冷凍機は、第ｎ段目の蓄冷器に末端を閉じた副蓄冷器を
接続し、この副蓄冷器の末端を第（ｎー１）段目の膨張
室で発生した寒冷および外部からの冷却手段の少なくと
も一方で冷却するように構成したものである。
冷凍機は、第ｎ段目の蓄冷器に末端を閉じた副蓄冷器を
接続し、この副蓄冷器の末端を第（ｎー１）段目の膨張
室で発生した寒冷および外部からの冷却手段の少なくと
も一方で冷却するように構成したものである。
【０００８】
【作用】上記のように構成された極低温冷凍機において
は、第ｎ段目の蓄冷器に末端を閉じた副蓄冷器を接続
し、この蓄冷器の末端を、第（ｎー１）段目の膨張室で
発生した寒冷および外部からの冷却手段の少なくとも一
方で冷却するように構成したので、Ｄ−Ａの過程におい
て第ｎ段目の蓄冷器内部の作動ガスが高圧で供給される
作動ガスによって加熱される際の発熱を第（ｎー１）段
目の膨張室で発生した寒冷および外部からの冷却手段の
少なくとも一方で冷却する事ができるので、上記加熱に
よる損失を低減できる。
は、第ｎ段目の蓄冷器に末端を閉じた副蓄冷器を接続
し、この蓄冷器の末端を、第（ｎー１）段目の膨張室で
発生した寒冷および外部からの冷却手段の少なくとも一
方で冷却するように構成したので、Ｄ−Ａの過程におい
て第ｎ段目の蓄冷器内部の作動ガスが高圧で供給される
作動ガスによって加熱される際の発熱を第（ｎー１）段
目の膨張室で発生した寒冷および外部からの冷却手段の
少なくとも一方で冷却する事ができるので、上記加熱に
よる損失を低減できる。
【０００９】
【実施例】実施例１．図１はこの発明の１実施例の要部
を示す断面図であり、図において、１〜１１、１３〜２
５は上記従来装置とまったく同一のものである。２６は
第２段目の蓄冷器１２に接続され、その閉じられた末端
を第１段目の冷凍ステ−ジ８に熱的に接触させた副蓄冷
器、２７は第２段目のシリンダ１５に取り付けられたガ
ス連通管である。
を示す断面図であり、図において、１〜１１、１３〜２
５は上記従来装置とまったく同一のものである。２６は
第２段目の蓄冷器１２に接続され、その閉じられた末端
を第１段目の冷凍ステ−ジ８に熱的に接触させた副蓄冷
器、２７は第２段目のシリンダ１５に取り付けられたガ
ス連通管である。
【００１０】上記のように構成された極低温冷凍機にお
いては、Ｄ−Ａの過程において第２段目の蓄冷器１２内
部の無効容積空間２５に残留する作動ガス例えばヘリウ
ムガス１が高圧のヘリウムガス１によって断熱圧縮され
るが、このヘリウムガスは副蓄冷器２６に導入されるの
で、発熱を第１段目の冷凍ステ−ジ８すなわち第１段目
の膨張室４で発生した寒冷で吸収する事ができ損失を低
減できる。
いては、Ｄ−Ａの過程において第２段目の蓄冷器１２内
部の無効容積空間２５に残留する作動ガス例えばヘリウ
ムガス１が高圧のヘリウムガス１によって断熱圧縮され
るが、このヘリウムガスは副蓄冷器２６に導入されるの
で、発熱を第１段目の冷凍ステ−ジ８すなわち第１段目
の膨張室４で発生した寒冷で吸収する事ができ損失を低
減できる。
【００１１】実施例２．なお、上記実施例では第２段目
の蓄冷器１２を外置きにしたが、図２に示すように第２
段目の蓄冷器１２の外周部に副蓄冷器２６を設置し、放
熱部２６ａを備えれば構造を簡単にする事が出来る。
の蓄冷器１２を外置きにしたが、図２に示すように第２
段目の蓄冷器１２の外周部に副蓄冷器２６を設置し、放
熱部２６ａを備えれば構造を簡単にする事が出来る。
【００１２】実施例３．また、上記実施例ではｎ＝２の
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。
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。
【００１３】実施例４．また、上記実施例では第２段目
の蓄冷器１２に関して述べたが、第１段目の蓄冷器６や
第３段目の蓄冷器またはそれ以上の蓄冷器に適用できる
事は明かである。
の蓄冷器１２に関して述べたが、第１段目の蓄冷器６や
第３段目の蓄冷器またはそれ以上の蓄冷器に適用できる
事は明かである。
【００１４】実施例５．単段式の冷凍器の場合は、例え
ば図３に示すように、常温部に冷却フィンまたは冷却パ
イプからなる放熱部すなわち外部からの冷却手段２８を
備え、副蓄冷器２６の末端をこの冷却手段２８に熱的に
連結すればよい。
ば図３に示すように、常温部に冷却フィンまたは冷却パ
イプからなる放熱部すなわち外部からの冷却手段２８を
備え、副蓄冷器２６の末端をこの冷却手段２８に熱的に
連結すればよい。
【００１５】実施例６．また、多段式の場合にも、例え
ば図４に示すように、第（ｎー１）段目の膨張室４で発
生した冷気で冷却する代わりに外部からの冷却手段２
８、例えばＬＮ2やＬＨ2 を循環させた冷却部を備え、
副蓄冷器２６の末端をこの冷却手段２８に熱的に連結し
てもよいし、さらに第（ｎー１）段目の膨張室４で発生
した寒気と外部からの冷却手段２８の両方で冷却しても
よい。
ば図４に示すように、第（ｎー１）段目の膨張室４で発
生した冷気で冷却する代わりに外部からの冷却手段２
８、例えばＬＮ2やＬＨ2 を循環させた冷却部を備え、
副蓄冷器２６の末端をこの冷却手段２８に熱的に連結し
てもよいし、さらに第（ｎー１）段目の膨張室４で発生
した寒気と外部からの冷却手段２８の両方で冷却しても
よい。
【００１６】実施例７．また、上記実施例ではギフォ−
ド・マクマホン冷凍機について述べたが、その他の冷凍
サイクルを用いた、例えばスタ−リング冷凍機やビルマ
イヤ−冷凍機、クロ−ド冷凍機、ソルベ−冷凍機にも使
用できることは明かである。
ド・マクマホン冷凍機について述べたが、その他の冷凍
サイクルを用いた、例えばスタ−リング冷凍機やビルマ
イヤ−冷凍機、クロ−ド冷凍機、ソルベ−冷凍機にも使
用できることは明かである。
【００１７】
【発明の効果】以上のように、この発明によれば、第ｎ
段目の蓄冷器に末端を閉じた副蓄冷器を接続し、この副
蓄冷器の末端を第（ｎー１）段目の膨張室で発生した寒
冷および外部からの冷却手段の少なくとも一方で冷却す
るように構成したので、第ｎ段目の蓄冷器内部の作動ガ
スが高圧で供給される作動ガスによって加熱される際の
発熱を第（ｎー１）段目の膨張室および外部からの冷却
手段の少なくとも一方で吸収する事ができ、加熱による
損失を低減して冷凍効率を向上させることができる。
段目の蓄冷器に末端を閉じた副蓄冷器を接続し、この副
蓄冷器の末端を第（ｎー１）段目の膨張室で発生した寒
冷および外部からの冷却手段の少なくとも一方で冷却す
るように構成したので、第ｎ段目の蓄冷器内部の作動ガ
スが高圧で供給される作動ガスによって加熱される際の
発熱を第（ｎー１）段目の膨張室および外部からの冷却
手段の少なくとも一方で吸収する事ができ、加熱による
損失を低減して冷凍効率を向上させることができる。
【図１】この発明の実施例１を示す断面構成図である。
【図２】この発明の実施例２を示す断面構成図である。
【図３】この発明の実施例５を示す断面構成図である。
【図４】この発明の実施例６を示す断面構成図である。
【図５】従来の極低温冷凍機を示す断面構成図である。
【図６】図５に示す極低温冷凍機のＰーＶ線図である。
１ 作動ガス ４ 第１段目の膨張室 ６ 第１段目の蓄冷器 １０ 第２段目の膨張室 １２ 第２段目の蓄冷器 １９ 圧縮機 ２６ 副蓄冷器 ２８ 外部からの冷却手段
Claims (1)
- 【請求項１】 圧縮部で圧縮された作動ガスをｎ段の蓄
冷器を通してｎ段の膨張室に導入し上記膨張室で膨張さ
せて寒冷を発生させる蓄冷式の極低温冷凍機において、
第ｎ段目の上記蓄冷器に末端を閉じた副蓄冷器を接続
し、この副蓄冷器の末端を第（ｎー１）段目の上記膨張
室で発生した寒冷および外部からの冷却手段の少なくと
も一方で冷却するように構成したことを特徴とする極低
温冷凍機。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP195591A JP2698477B2 (ja) | 1991-01-11 | 1991-01-11 | 極低温冷凍機 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP195591A JP2698477B2 (ja) | 1991-01-11 | 1991-01-11 | 極低温冷凍機 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04236068A JPH04236068A (ja) | 1992-08-25 |
| JP2698477B2 true JP2698477B2 (ja) | 1998-01-19 |
Family
ID=11516021
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP195591A Expired - Lifetime JP2698477B2 (ja) | 1991-01-11 | 1991-01-11 | 極低温冷凍機 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2698477B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8910486B2 (en) | 2010-07-22 | 2014-12-16 | Flir Systems, Inc. | Expander for stirling engines and cryogenic coolers |
-
1991
- 1991-01-11 JP JP195591A patent/JP2698477B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH04236068A (ja) | 1992-08-25 |
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