JP2783112B2

JP2783112B2 - 極低温冷凍機

Info

Publication number: JP2783112B2
Application number: JP5056817A
Authority: JP
Inventors: 政志長尾
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1992-03-31
Filing date: 1993-03-17
Publication date: 1998-08-06
Anticipated expiration: 2013-08-06
Also published as: JPH0611200A; US5487272A; US5387252A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、極低温冷凍機に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】図２５は、例えば第４５回春期低温工学
超電導学会講演概要集に示された、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
作動流体であるヘリウム、２はヘリウム１を吸気する吸
気バルブ、３はヘリウム１を排気する排気バルブであ
る。４は第１段膨張室、５は往復運動してヘリウム１を
移動させる第１段ディスプレ−サ−、６は第１段蓄冷器
で、この内部には第１段蓄冷材、例えば燐青銅の円盤状
の金網を積層したものと鉛の小球が収納されている。７
は第１段シ−ルで、第１段膨張室４内のヘリウム１が第
１段ディスプレ−サ−５の外周を流れることを防止す
る。８は被冷却体（図示せず）から熱エネルギ−を吸収
する第１段冷凍ステ−ジ、９は第１段シリンダである。

【０００３】１０は第２段膨張室、１１は往復運動して
ヘリウム１を移動させる第２段ディスプレ−サ−、１２
は第２段蓄冷器で、この内部には第２段蓄冷材として、
希土類との合金または化合物で１０Ｋ以下で比熱の大き
な物質、例えばＨｏ1.5Ｅｒ1.5ＲｕやＥｒ3ＮiやＧｄＲ
ｈなどの粒状物が収納されている。１３は第２段シ−ル
で、第２段膨張室１０のヘリウム１が第２段ディスプレ
−サ−１１の外周を流れることを防止する。１４は被冷
却体（図示せず）から熱エネルギ−を吸収する第２段冷
凍ステ−ジ、１５は第２段シリンダである。

【０００４】１６は各ディスプレ−サ−５，１１を駆動
するモ−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はヘリウム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段冷凍ステ−ジ８で吸収される熱エネルギ−
Ｑａ、２４は第２段ステ−ジ１４で吸収される熱エネル
ギ−Ｑｂである。

【０００５】次に、この装置の動作について説明する。
図２６はこの冷凍機のＰ−Ｖ線図を示すグラフである。
縦軸は第２段膨張室１０の圧力Ｐを示し、横軸は同じく
容積Ｖを示す。まず、図２６におけるＤの状態では、第
２段ディスプレ−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段膨
張室１０の圧力は低圧（例えば６ｂａｒ程度）になって
いる。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（例えば２０ｂａｒ程
度）の状態になる。

【０００６】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から高圧のヘ
リウム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段蓄冷器６の上端は例えば３００Ｋ
で下端は３０Ｋになっており、第２段蓄冷器１２の上端
は例えば３０Ｋで下端は約４Ｋになる。そこで、第１段
膨張室４に導入されるヘリウム１は約３０Ｋ、第２段膨
張室１０に導入されるヘリウム１は約４Ｋまで冷却され
る。（第２段蓄冷器１２の蓄冷材として、希土類との合
金または化合物で１０Ｋ以下で比熱の大きな物質、例え
ばＨｏ1.5Ｅｒ1.5ＲｕやＥｒ3ＮiやＧｄＲｈなどが使用
されるが、これらの材料は１ｇ当たり２０００円から１
００００円程度の非常に高価なものである。それにもか
かわらずこの様な材料を使用するのは、鉛や銅等の蓄冷
材料では１０Ｋ程度以下の低温では比熱が小さく、蓄冷
器の熱交換ができなくなり到達温度が４Ｋに至らないた
めである。）この時、第２段シ−ル１３部分から高温の
ヘリウム１が第２段膨張室１０の部分に流入すると熱負
荷になるので、第２段シ−ル１３には精密な加工が施さ
れ、リ−クを極力小さくしている。Ｂは容積が最大にな
った状態である。各蓄冷器１２、６はヘリウム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。

【０００７】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、各膨張室４，１０のヘリウム１が
高圧の状態から低圧の状態に膨張する。この膨張過程の
さい膨張室４のヘリウム１は第１段冷凍ステ−ジ８を通
じて熱エネルギ−Ｑａ２３を被冷却体（図示せず）から
吸収する。膨張室１０のヘリウム１は同じように第２段
冷凍ステ−ジ１４を通じて熱エネルギ−Ｑｂ２４を被冷
却体（図示せず）から吸収する。この時、吸収できる熱
エネルギ−量は等温過程でヘリウム１が理想気体と見な
せる温度ではＰ−Ｖ線図の面積に等しいが、低温になり
４Ｋ程度になるとヘリウム１の熱物性値の変化によって
吸収できる熱エネルギ−量が減少し、Ｐ−Ｖ線図の面積
の１０％程度になる。ヘリウム１は次に各蓄冷器１２、
６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。

【０００８】Ｃ−Ｄでは各ディスプレ−サ−５，１１が
下方に動き、低圧になったヘリウム１を排出する。ヘリ
ウム１は各蓄冷器１２、６を冷却した後、圧縮機１９に
戻る。この時、第２段シ−ル１３部分から低温のヘリウ
ム１がリ−クすると低温のヘリウム１の一部が蓄冷器１
２を冷却せずに流出するので損失が生じる。この理由か
らも第２段シ−ル１３には精密な加工が必要である。Ｂ
−Ｄの過程では各蓄冷器６，１２は冷却されてサイクル
の始めの温度分布に戻る。

【０００９】

【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るので、ヘリウムの熱物性か
ら吸収できる熱エネルギ−Ｑｂが減少して冷凍効率を低
下させるという問題点があった。また、希土類との合金
または化合物は非常に高価で冷凍機の価格が上昇すると
いう問題点もあった。また、長期の運転でディスプレ−
サ部のシ−ル７，１３が摩耗し、そのリークによってヘ
リウム１が膨張室４，１０へ流入し、冷凍効率を低下さ
せて信頼性が低下するという問題点もあった。

【００１０】この発明は、かかる問題点を解消するため
になされたもので、冷凍能力の低下を防止し、効率が良
く、価格も安く、信頼性も高い極低温冷凍機を得ること
を目的としている。

【００１１】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明に係る極
低温冷凍機は、第１圧縮機、希土類との合金または化合
物で１０Ｋ以下で比熱の大きな物質からなる蓄冷材、あ
るいはヘリウムからなる蓄冷材を用いた蓄冷器を少なく
とも１台有する第１膨張機、この第１膨張機の膨張空間
の作動流体の一部を直接導入して膨張させる第２膨張
機、この第２膨張機で膨張した作動流体と上記第１膨張
機との間で熱交換を行う少なくとも１個以上の熱交換
部、及び熱交換部を流れる第２膨張機からの作動流体を
圧縮する第２圧縮機を備えたものである。

【００１２】また、請求項２の発明に係る極低温冷凍機
の第２膨張機は、容積型の膨張機本体、吸気バルブ、排
気バルブ、及び動力吸収機構を備えたものである。

【００１３】また、請求項３の発明に係る極低温冷凍機
の第２膨張機は、サイモン膨張式の膨張機本体、吸気バ
ルブ、及び排気バルブを備えたものである。

【００１４】また、請求項４の発明に係る極低温冷凍機
の第２膨張機は、絞り部である。

【００１５】また、請求項５の発明に係る極低温冷凍機
は、第１膨張機の膨張空間の出口側に制御バルブを備
え、この制御バルブと第２膨張機の間に作動流体を一時
的に蓄積するバッファ−タンクを備えたものである。

【００１６】また、請求項６の発明に係る極低温冷凍機
は、第２膨張機から第１膨張機へ戻る作動流体と第１膨
張機の吸気時と排気時の作動流体とを熱交換する熱交換
部を少なくとも一ヶ所備えたものである。

【００１７】また、請求項７の発明に係る極低温冷凍機
は、少なくとも一ヶ所の制御されたリークを発生できる
絞り部、及びこの絞り部を通過する作動流体と第２膨張
機から第１膨張機へ戻る作動流体とを熱交換する熱交換
部を少なくとも一ヶ所備えたものである。

【００１８】

【作用】請求項１のように構成された極低温冷凍機にお
いては、第２膨張機で低圧状態の作動流体であるヘリウ
ムを１ｂａｒ程度まで膨張すれば、ヘリウムの物性値か
ら冷凍効率が増大することが期待される。

【００１９】また、請求項２のように構成された極低温
冷凍機においては、第２膨張機として容積型の第２膨張
機を設けている。この第２膨張機で低圧状態の作動流体
であるヘリウムを１ｂａｒ程度まで膨張すれば、ヘリウ
ムの物性値から冷凍効率が増大することが期待される。

【００２０】また、請求項３のように構成された極低温
冷凍機においては、第２膨張機としてサイモン膨張式の
第２膨張機にしたので、冷凍効率が増大すると共に、動
力吸収が簡単になり、構造を簡単にすることが可能にな
る。

【００２１】また、請求項４のように構成された極低温
冷凍機においては、第２膨張機として絞り部を用いた第
２膨張機にしたので、冷凍効率が増大すると共に、全体
の構造が非常に簡単になり、コストを下げることが可能
になる。

【００２２】また、請求項５のように構成された極低温
冷凍機においては、蓄冷型冷凍機の膨張室の出口に制御
バルブを備えこのバルブと第２膨張機の間にヘリウムの
バッファ−タンクを備えたので、低圧状態の作動流体で
あるヘリウムを選択的に膨張できる。このため、第２膨
張機での冷凍出力を安定させると共に冷凍効率を増大す
ることが可能になる。

【００２３】また、請求項６のように構成された極低温
冷凍機においては、第２膨張機からの戻りのヘリウムと
蓄冷型冷凍機の吸気時と排気時のヘリウムとを熱交換す
るための少なくとも一ヶ所以上熱交換部を備えたので、
蓄冷型冷凍機の少なくとも一ヶ所以上の蓄冷材を省略で
き、安価にすることが可能になる。

【００２４】また、請求項７のように構成された極低温
冷凍機においては、少なくとも一ヶ所の制御されたリー
クを発生できる絞り部を有する蓄冷型冷凍機とこの絞り
部を通過する作業流体と第２膨張機からの戻りの作業流
体とを熱交換するための少なくとも一ヶ所以上の熱交換
部を有する。従って、シールを必要としないので、シー
ルの摩耗による問題点を解消でき、長寿命化すると共に
冷凍効率を向上することが可能になる。

【００２５】

【実施例】

実施例１．図１はこの発明の実施例１による極低温冷凍
機を示す構成図である。図において、１〜２４は従来装
置と同様のものである。この実施例でも作動流体１とし
て例えばヘリウムを用いる。また、図において、３７は
従来と同様の蓄冷型冷凍機の第２段膨張室１０に接続す
る副膨張室である。２５は第２段膨張室１０のヘリウム
を副膨張室３７に導入するための副吸気バルブ、２６は
副膨張室３７内のヘリウム１を排気するための副排気バ
ルブ、２７はシリンダ、２８はピストン、２９はピスト
ン２８の受けた力を動力吸収機３１に伝えるためのロッ
ド、３０は同じくクランク、３１は動力吸収機、３２は
第１熱交換器、３３は第２熱交換器、３４は第３熱交換
器、３５は第４熱交換器、３６は第２圧縮機で例えば低
圧側圧縮機、４２はシ−ルで、副膨張室３７のヘリウム
１がピストン２８の外周を流れることを防止する。

【００２６】上記のように構成された極低温冷凍機にお
いて、第１圧縮機１９、バルブ２，３、ディスプレーサ
ー５，１１の動作は従来と同様である。これに加えてこ
の実施例では、第２膨張機として容積型の膨張機本体で
ある副膨張室３７と副吸気バルブ２５と副排気バルブ２
６を備えている。また、ピストン２８、ロッド２９、ク
ランク３０、及び動力吸収機３１で動力吸収機構を構成
している。

【００２７】第２膨張機の動作を以下に説明する。図２
６に示したサイクルのＣ−Ｄの際、副吸気バルブ２５を
開、副排気バルブ２６を閉状態にし、第２段膨張室１０
のヘリウム１を副吸気バルブ２５から副膨張室３７に一
定量を導入する。このヘリウム１は、例えば６ｂａｒか
ら１ｂａｒまでピストン２８を押し上げて膨張し、ピス
トン２８、ロッド２９、クランク３０を介して動力吸収
機３１に対して仕事をする。この後、副吸気バルブ２５
を閉、副排気バルブ２６を開状態にすると、ヘリウム１
は副排気バルブ２６から排出され、第２段冷凍ステ−ジ
１４、第１熱交換器３２を通じて被冷却体（図示せず）
から熱エネルギ−Ｑｃ３８を吸収する。この副吸気バル
ブ２５と副排気バルブ２６は、例えばカム等を用いた機
械的方法またはセンサーと電磁弁等を用いた電気的方法
で制御される。さらにヘリウム１は第２熱交換器３３、
第１段冷凍ステ−ジ８に冷凍を伝える第３熱交換器３
４、及び第４熱交換器３５で加温されて、常温で１ｂａ
ｒの状態で低圧側圧縮機３６の吸い込み側に戻る。この
後、ヘリウム１は低圧側圧縮機３６で圧縮され、第１圧
縮機１９へ排出され、さらに圧縮されて循環する。

【００２８】図２は、ヘリウム１のＴＳ線図を示すグラ
フである。縦軸は温度Ｔ（Ｋ）を示し、横軸はエントロ
ピ−Ｓ（Ｊ／ｇ・Ｋ）を示す。図に示すように、２０ｂ
ａｒから６ｂａｒまで最も効率の高い等温膨張をしても
Ａで示した面積分の熱エネルギ−吸収量しか得られな
い。これに対して、６ｂａｒから１ｂａｒまでを考える
とＢで示した面積の熱エネルギ−吸収量が得られ、冷凍
効率が高いことが理解される。従って、実施例１に示す
ように第２膨張機として、容積型の副膨張室３７と副吸
気バルブ２５と副排気バルブ２６を備え、ヘリウム１を
１ｂａｒ程度まで膨張すれば、ヘリウム１の物性値から
冷凍効率を高くできることが理解される。また、既に４
Ｋ程度に冷却されたヘリウムを膨張させるので、複雑な
熱交換器が不要であり、従来型のＧＭ冷凍機にＪＴ回路
を熱的に接続した極低温冷凍機に比べても、構造が簡単
で信頼性が高い。

【００２９】実施例２．図３はこの発明の実施例２によ
る極低温冷凍機を示す構成図である。図において、実施
例１と同一符号は同一、または相当部分を示す。また、
２６は常温部にあり、副吸気バルブ２５で導入した第２
段膨張室１０のヘリウム１を排気するための副排気バル
ブである。２７はシリンダ、２８はディスプレ−サ−、
２９はディスプレ−サ−２８を駆動するためのロッド、
３０はクランク、３１は駆動用のモ−タである。３９は
連通管でディスプレ−サ２８の常温部と低温部の圧力を
均圧するためのものでありディスプレ−サ２８には圧力
差による力はほとんど生じない。４０はシ−ルである。

【００３０】上記のように構成された極低温冷凍機にお
いては、第２膨張機として、サイモン膨張式の膨張機本
体である副膨張室３７と副吸気バルブ２５と副排気バル
ブ２６を備えている。例えば、図２６に示したサイクル
のＤの際、副膨張室３７の容積がはぼ最大になるように
制御しておき、サイクルのＣ−Ｄの間に副吸気バルブ２
５を開状態にして、第２段膨張室１０のヘリウム１を副
膨張室３７に導入する。この後、副吸気バルブ２５を閉
じ副排気バルブ２６を開けると、ヘリウム１は例えば１
ｂａｒまでサイモン膨張する。この結果ヘリウム１は第
２段冷凍ステ−ジ１４、第１熱交換器３２を通じて被冷
却体（図示せず）から熱エネルギ−Ｑｃ３８を吸収す
る。

【００３１】この後、ヘリウム１は第２熱交換器３３、
第１段冷凍ステ−ジ８に冷凍を伝える第３熱交換器３
４、及び第４熱交換器３５で加温され、常温の状態で低
圧側圧縮機３６の吸い込み側に戻る。この実施例２では
連通管３９があるので、冷凍効率を高くできると共に、
上記実施例１のピストンの場合と異なり、ディスプレ−
サ−２８に大きな力がかかることなく、構造を簡単にで
きる。

【００３２】実施例３．図４はこの発明の実施例３によ
る極低温冷凍機を示す構成図である。図において、実施
例１と同一符号は同一、または相当部分を示す。また、
２５は第２膨張室１０に接続される絞り部で、例えば流
量調整用の固定式の絞り弁、２８は膨張用タ−ビン、２
９は膨張用タ−ビン２８の仕事を動力吸収機３１に伝え
るロッドである。

【００３３】上記のように構成された極低温冷凍機は、
第２膨張機として、タ−ビン膨張式の膨張機本体である
膨張用タ−ビン２８と固定式の絞り弁２５を備えてお
り、第２段膨張室１０のヘリウム１を固定式の絞り弁２
５から導入する。絞り弁２５は固定式なので、常時ヘリ
ウム１は膨張タ−ビン２８に供給される。そして膨張用
タ−ビン２８でヘリウム１を膨張させ、膨張仕事をロッ
ド２９から動力吸収機３１に伝えて吸収する。この後、
ヘリウム１は第２段冷凍ステ−ジ１４、第１熱交換器３
２を通じて、被冷却体（図示せず）から熱エネルギ−Ｑ
ｃ３８を吸収する。さらに、ヘリウム１は第２熱交換器
３３、第１段冷凍ステ−ジ８に冷凍を伝える第３熱交換
器３４、及び第４熱交換器３５で加温され、常温の状態
で低圧側圧縮機３６の吸い込み側に戻る。この実施例３
の様に構成すれば、冷凍効率効率を高くできると共に、
構造が簡単になり信頼性が向上する。

【００３４】実施例４．図５はこの発明の実施例４によ
る極低温冷凍機を示す構成図である。図において、実施
例１と同一符号は同一、または相当部分を示す。また、
４６はジュール・トムソン膨張（以下、ＪＴ膨張と記
す）させる絞り部で、例えば絞り弁、キャピラリー、多
孔質等で実現可能であるが、ここでは絞り弁を用いる。

【００３５】上記のように構成された極低温冷凍機にお
いては、第２膨張機として、絞り弁４６を採用してい
る。絞り弁４６は固定式なので、第２段膨張室１０のヘ
リウム１の一部を常時供給し、絞り弁４６でＪＴ膨張さ
せる。この結果、ヘリウム１は第２段冷凍ステ−ジ１
４、第１熱交換器３２を通じて被冷却体（図示せず）か
ら熱エネルギ−Ｑｃ３８を吸収することが可能になる。
この後、ヘリウム１は第２熱交換器３３、第１段冷凍ス
テ−ジ８に冷凍を伝える第３熱交換器３４、及び第４熱
交換器３５で加温されて、常温の状態で低圧側圧縮機３
６の吸い込み側に戻る。この様に構成すれば、冷凍効率
効率を高くできると共に、構造が非常に簡単になり安価
にできる。

【００３６】実施例５．図６はこの発明の実施例５によ
る極低温冷凍機を示す構成図である。図において、実施
例１と同一符号は同一、または相当部分を示す。また、
４１は副膨張室３７の周囲に設けたステ−ジである。第
２膨張機の動作は実施例１と同様である。即ち、図２６
に示したサイクルのＣ−Ｄの際、副吸気バルブ２５を
開、副排気バルブ２６を閉状態にし、第２段膨張室１０
のヘリウム１を副吸気バルブ２５から副膨張室３７に一
定量を導入する。このヘリウム１は、例えば６ｂａｒか
ら１ｂａｒまでピストン２８を押し上げて膨張し、ピス
トン２８、ロッド２９、クランク３０を介して動力吸収
機３１に対して仕事をする。これと同時に、ステ−ジ４
１を通じて被冷却体（図示せず）から熱エネルギ−Ｑｃ
３８を吸収して冷却する。この後、副吸気バルブ２５を
閉、副排気バルブ２６を開状態にすると、ヘリウム１は
副排気バルブ２６から排出され、第２段冷凍ステ−ジ１
４に冷凍を伝える第１熱交換器３２、第２熱交換器３
３、第１段冷凍ステ−ジ８に冷凍を伝える第３熱交換器
３４、及び第４熱交換器３５で加温されて、常温で１ｂ
ａｒの状態で低圧側圧縮機３６の吸い込み側に戻る。

【００３７】実施例１では、第２段冷凍ステ−ジ１４、
第１熱交換器３２を通じて被冷却体（図示せず）から熱
エネルギ−Ｑｃ３８を吸収するように構成したが、この
実施例の様に、ステ−ジ４１を通じて被冷却体（図示せ
ず）から熱エネルギ−Ｑｃ３８を吸収して冷却してもよ
い。

【００３８】実施例６．図７はこの発明の実施例６によ
る極低温冷凍機を示す構成図である。図において、実施
例４と同一符号は同一、または相当部分を示す。また、
４４は第２段膨張室１０に接続された制御バルブ、４３
は制御バルブ４４と絞り弁４６の間に設けたバッファ−
タンクである。

【００３９】上記のように構成された極低温冷凍機にお
いては、第２膨張機として、絞り弁４６を採用してい
る。第２段膨張室１０のヘリウム１の圧力が動作圧力の
低圧の状態（例えば６ｂａｒ）である時、制御バルブ４
４を開き第２段膨張室１０のヘリウム１を選択的にバッ
ファ−タンク４３に一時的に蓄える。この後、バッファ
−タンク４３からヘリウム１を絞り弁４６でＪＴ膨張さ
せる。この結果、ヘリウム１は第２段冷凍ステ−ジ１
４、第１熱交換器３２を通じて被冷却体（図示せず）か
ら熱エネルギ−Ｑｃ３８を吸収することが可能になる。
制御バルブ４４は、例えばカム等を用いた機械的方法ま
たはセンサーと電磁弁等を用いた電気的方法で制御され
る。この後、ヘリウム１は第２熱交換器３３、第１段冷
凍ステ−ジ８に冷凍を伝える第３熱交換器３４、及び第
４熱交換器３５で加温され、常温の状態で低圧側圧縮機
３６の吸い込み側に戻る。この様に構成すれば、低圧の
状態のヘリウム１を選択的に膨張できるので、冷凍効率
をより高くできると共に、構造が非常に簡単になり信頼
性が向上する。更に冷凍出力を安定することができる。

【００４０】実施例７．図８はこの発明の実施例７によ
る極低温冷凍機を示す構成図である。図において、１２
は熱交換部の高圧側流路、３３は熱交換部の低圧側流路
である。低圧側流路３３は拡大伝熱部を有する例えば銅
やアルミニウム製のメッシュフィンで構成されている。
また、高圧側流路１２は低圧側流路３３をスパイラル状
に巻回して構成し、高圧側流路１２と低圧側流路３３は
互いに熱交換が可能である。この熱交換部は第２段蓄冷
器の役割を果たす。３２は第１熱交換器、４１はステ−
ジである。他の各部においては、実施例４と同一符号は
同一、または相当部分を示す。

【００４１】上記のように構成された極低温冷凍機にお
いては、第２膨張機として絞り弁４６を採用している。
この実施例でも実施例４の装置と同様、第２段膨張室１
０のヘリウム１の一部を絞り弁４６でＪＴ膨張させる。
この結果、ヘリウム１はステ−ジ４１と第１熱交換器３
２を通じて被冷却体（図示せず）から熱エネルギ−Ｑｃ
３８を吸収することが可能になる。この後、ヘリウム１
は熱交換部の低圧側流路３３、第１段冷凍ステ−ジ８に
冷凍を伝える第３熱交換器３４、及び第４熱交換器３５
で加温され、常温の状態で低圧側圧縮機３６の吸い込み
側に戻る。一方、第２段膨張室１０へ吸排気されるヘリ
ウム１は熱交換部の高圧側流路１２を通過する。この際
に低圧側流路３３内のヘリウム１と熱交換する。この
時、低圧のヘリウム１は比熱が大きく良好な蓄冷材とし
て作用する。

【００４２】ヘリウムを蓄冷材として用いる際の問題点
は、ヘリウムの熱伝導率が小さく良好な熱交換が難しい
ことにある。しかし、この実施例では低圧側流路３３内
のヘリウム１は流動しているので、良好な熱交換が可能
で比熱を有効に利用できる。また、この様に構成すれ
ば、高価な蓄冷材を使用しないので、価格を安くするこ
とが可能になる。さらに冷凍効率を高くできると共に、
構造が非常に簡単になり信頼性が向上する。

【００４３】また、図９はこの実施例の極低温冷凍機に
実施例６におけるバッファ−タンク４３と制御バルブ４
４を設けたものである。このように構成すれば、上記実
施例による効果に加えて、実施例６と同様、低圧の状態
のヘリウム１を選択的に膨張できるので、更に冷凍出力
を安定することができる。

【００４４】実施例８．図１０はこの発明の実施例８に
よる極低温冷凍機を示す構成図である。図において、１
３は絞り部で、従来のシ−ルに相当するものである。他
の各部において、実施例４と同一符号は同一、または相
当部分を示す。この実施例では従来のシ−ルを簡単な絞
り部１３に置き換えて、損失を小さく抑えられるように
構成した。

【００４５】上記のように構成された極低温冷凍機にお
いては、第２膨張機として、絞り弁４６を採用してい
る。第２段膨張室１０のヘリウム１の一部を絞り弁４６
でＪＴ膨張させる。この結果、ヘリウム１は第２段冷凍
ステ−ジ１４、第１熱交換器３２を通じて被冷却体（図
示せず）から熱エネルギ−Ｑｃ３８を吸収することが可
能になる。この後、ヘリウム１は第２熱交換器３３、第
１段冷凍ステ−ジ８に冷凍を伝える第３熱交換器３４、
及び第４熱交換器３５で加温され、常温の状態で低圧側
圧縮機３６の吸い込み側に戻る。一方、第２段膨張室１
０へ吸排気されるヘリウム１の一部は絞り部１３を通過
する。この際にヘリウム１は第３熱交換器３３内のヘリ
ウム１と熱交換するので熱損失は生じない。この様に構
成すれば、精密な加工を必要とするシ−ル部を簡単な絞
り部に置き換えることが可能になり、価格を安くできる
と共に構造が非常に簡単になり信頼性が向上する。

【００４６】また、図１１はこの実施例の極低温冷凍機
に、実施例６で述べたバッファ−タンク４３と制御バル
ブ４４を設けたものを示す。この様に構成すれば、上記
実施例の効果に加えて、実施例６と同様、低圧の状態の
ヘリウム１を選択的に膨張できるので、更に冷凍出力を
安定することができる。

【００４７】実施例９．図１２はこの発明の実施例９に
よる極低温冷凍機を示す構成図である。図において、３
３は第２段シリンダ１５と第２段ディスプレ−サ１１の
間に設置された熱交換部の低圧側流路で、実施例８の絞
り部１３と同等な調整機能を果たすために、適当な隙間
を開けて設置されている。１２は高圧側流路で、第２段
シリンダ１５の内側で低圧側流路３３の外部に形成さ
れ、低圧側流路３３と高圧側流路１２とで熱交換部を構
成する。３２は第１熱交換器である。他の各部におい
て、実施例７と同一符号は同一、または相当部分を示
す。

【００４８】上記のように構成された極低温冷凍機にお
いては、第２膨張機として、絞り弁４６を採用してい
る。この実施例では、第２段膨張室１０のヘリウム１の
一部を絞り弁４６でＪＴ膨張させる。この結果、ヘリウ
ム１は第２段冷凍ステ−ジ１４、第１熱交換器３２を通
じて被冷却体（図示せず）から熱エネルギ−Ｑｃ３８を
吸収することが可能になる。この後、ヘリウム１は熱交
換部の低圧側流路３３、第１段冷凍ステ−ジ８に冷凍を
伝える第３熱交換器３４、及び第４熱交換器３５で加温
され、常温の状態で低圧側圧縮機３６の吸い込み側に戻
る。一方、第２段膨張室１０へ吸排気されるヘリウム１
は、第２段シリンダ１５と第２段ディスプレ−サ１１の
間に設置された低圧側流路３３の外部に形成される熱交
換部の高圧側流路１２を通過する。この際に低圧側流路
３３内のヘリウム１と熱交換する。低圧のヘリウム１は
比熱が大きく、良好な蓄冷材として作用する。

【００４９】実施例７と同様、低圧側流路３３内のヘリ
ウム１は流動しているので、良好な熱交換が可能で比熱
を有効に利用できる。またこの様に構成すれば、実施例
７に比べてステ−ジ４１を省略でき、かつ実施例８にお
ける絞り部１３も省略できるので、構造が簡単になる。

【００５０】また、図１３にはこの実施例の構成に加
え、実施例６で述べたバッファ−タンク４３と制御バル
ブ４４を設けたものを示す。この様に構成すれば、上記
実施例の効果に加えて、実施例６と同様、低圧の状態の
ヘリウム１を選択的に膨張できるので、更に冷凍出力を
安定することができる。

【００５１】実施例１０．図１４はこの発明の実施例１
０による極低温冷凍機を示す構成図である。図におい
て、４３はバッファ−タンク、４４は制御バルブ、４５
はサーマルアンカである。他の各部においては、実施例
７と同一符号は同一、または相当部分を示す。

【００５２】上記のように構成された極低温冷凍機にお
いては、サーマルアンカ４５は熱伝導等による熱損失を
小さくするためのものである。また、バッファ−タンク
４３と制御バルブ４４を設けたので、実施例６に示した
のと同様、低圧の状態のヘリウム１を選択的に膨張でき
る。また、副膨張室３７の吸気圧力の変動も小さくでき
るので冷凍効率をより高くでき、冷凍出力を安定するこ
とができる。

【００５３】実施例１１．図１５はこの発明の実施例１
１による極低温冷凍機を示す構成図である。図におい
て、１３は絞り部、４５はサーマルアンカで、熱伝導等
による熱損失を小さくするためのものである。他の各部
において、実施例１と同一符号は同一、または相当部分
を示す。

【００５４】上記のように構成された極低温冷凍機にお
いては、実施例８に示したものと同様な効果が期待でき
る。第２段膨張室１０へ吸排気されるヘリウム１の一部
は絞り部１３を通過し、第３熱交換器３３内のヘリウム
１と熱交換するので、熱損失は生じない。この様に構成
すれば、精密な加工を必要とするシ−ル部を簡単な絞り
部に置き換えることができ、価格を安くできる。さらに
構造が非常に簡単になり、信頼性が向上する。

【００５５】また、図１６はこの実施例の極低温冷凍機
に、バッファ−タンク４３と制御バルブ４４を設けたも
のを示す構成図である。バッファ−タンク４３と制御バ
ルブ４４によって、上記実施例と同様の効果に加え、低
圧の状態のヘリウム１を選択的に膨張できる。また、副
膨張室３７の吸気圧力の変動も小さくできるので冷凍効
率をより高くでき、冷凍出力を安定することができる。

【００５６】実施例１２．図１７はこの発明の実施例１
２による極低温冷凍機を示す構成図である。図におい
て、１２は熱交換部の高圧側の流路、３３は熱交換部の
低圧側流路、３２は第１熱交換器、４５はサーマルアン
カで、熱伝導等による熱損失を小さくするためのもので
ある。他の各部において、実施例１と同一符号は同一、
または相当部分を示す。

【００５７】上記のように構成された極低温冷凍機にお
いて、実施例１と同様、第２膨張機として容積型の膨張
機本体である副膨張室３７と副吸気バルブ２５と副排気
バルブ２６を備えている。また、ピストン２８、ロッド
２９、クランク３０、及び動力吸収機３１で動力吸収機
構を構成している。上記のように構成された極低温冷凍
機においては、実施例１と同様、副吸気バルブ２５を
開、副排気バルブ２６を閉状態にして、第２段膨張室１
０のヘリウム１を副吸気バルブ２５から副膨張室３７に
一定量を導入する。このヘリウム１は、例えば６ｂａｒ
から１ｂａｒまでピストン２８を押し上げて膨張し、ピ
ストン２８、ロッド２９、クランク３０を介して動力吸
収機３１に対して仕事をする。これと同時に、ステ−ジ
４１を通じて被冷却体（図示せず）から熱エネルギ−Ｑ
ｃ３８を吸収して冷却する。この後、副吸気バルブ２５
を閉、副排気バルブ２６を開状態にすると、ヘリウム１
は副排気バルブ２６から排出される。そして、熱交換部
の低圧側流路３３、第１段冷凍ステ−ジ８に冷凍を伝え
る第３熱交換器３４、及び第４熱交換器３５で加温さ
れ、常温の状態で低圧側圧縮機３６の吸い込み側に戻
る。一方、第２段膨張室１０へ吸排気されるヘリウム１
は、第２段シリンダ１５と第２段ディスプレ−サ１１の
間に設置された低圧側流路３３の外部に形成される熱交
換部の高圧側流路１２を通過する。この際に低圧側流路
３３内のヘリウム１と熱交換する。低圧のヘリウム１は
比熱が大きく、良好な蓄冷材として作用する。

【００５８】この実施例でも実施例９に示したのと同様
の効果が期待でき、低圧側流路３３中のヘリウム１が蓄
冷材として作用するので、高価な蓄冷材を使用する必要
が無くなる。

【００５９】また、図１８はこの実施例の極低温冷凍機
に実施例１０で述べたバッファ−タンク４３と制御バル
ブ４４を設けたものであり、上記効果に加えて、実施例
１０と同様、低圧の状態のヘリウム１を選択的に膨張で
きる。また、副膨張室３７の吸気圧力の変動も小さくで
きるので冷凍効率をより高くでき、冷凍出力を安定する
ことができる。

【００６０】実施例１３.図１９はこの発明の実施例１
３による極低温冷凍機を示す構成図である。図におい
て、４３はバッファ−タンク、４４は制御バルブ、４５
はサーマルアンカである。サーマルアンカ４５は熱伝導
等による熱損失を小さくするものである。他の各部にお
いては、実施例２と同一符号は同一、または相当部分を
示す。

【００６１】上記のように構成された極低温冷凍機にお
いては、実施例２と同様の構成に加えて、サーマルアン
カ４５によって熱伝導等による熱損失を小さくできる。
また、バッファ−タンク４３と制御バルブ４４を設けた
ので、実施例６と同様に低圧の状態のヘリウム１を選択
的に膨張できる。さらに、副膨張室３７の吸気圧力の変
動も小さくできるので冷凍効率をより高くでき、冷凍出
力を安定することができる。

【００６２】実施例１４．図２０はこの発明の実施例１
４による極低温冷凍機を示す構成図である。図におい
て、１３は絞り弁、４５は熱伝導等による熱損失を小さ
くするためのサーマルアンカである。また、他の各部に
おいて、実施例２と同一符号は同一、または相当部分を
示す。

【００６３】上記のように構成された極低温冷凍機にお
いては、実施例２と同様の動作であり、さらに第２段膨
張室１０へ吸排気されるヘリウム１の一部は絞り部１３
を通過して第３熱交換器３３内のヘリウム１と熱交換す
るので熱損失は生じない。この様に構成すれば、精密な
加工を必要とするシ−ル部を簡単な絞り部に置き換える
ことができる。このため、価格を安くでき、さらに構造
が非常に簡単になり信頼性が向上する。

【００６４】また、図２１は上記構成に加えて、バッフ
ァ−タンク４３と制御バルブ４４を設けたので、上記効
果に加え、低圧の状態のヘリウム１を選択的に膨張でき
る。さらに、副膨張室３７の吸気圧力の変動も小さくで
きるので冷凍効率をより高くでき、冷凍出力を安定する
ことができる。

【００６５】実施例１５．図２２はこの発明の実施例１
５による極低温冷凍機を示す構成図である。図におい
て、１２は熱交換部の高圧側流路、３３は熱交換部の低
圧側流路であり、３２は第１熱交換器、４５は熱伝導等
による熱損失を小さくするためのサーマルアンカであ
る。また、他の各部において、実施例２と同一符号は同
一、または相当部分を示す。

【００６６】上記のように構成された極低温冷凍機にお
いては、実施例２と同様の動作であり、さらに低圧側流
路３３中のヘリウム１が蓄冷材として作用するので、高
価な蓄冷材を使用する必要が無くなる。

【００６７】また、図２３は上記構成に加えて、バッフ
ァ−タンク４３と制御バルブ４４を設けたので、上記効
果に加え、低圧の状態のヘリウム１を選択的に膨張でき
る。さらに、副膨張室３７の吸気圧力の変動も小さくで
きるので冷凍効率をより高くでき、冷凍出力を安定する
ことができる。

【００６８】実施例１６．図２４はこの発明の実施例１
６による極低温冷凍機を示す構成図である。図におい
て、４３はバッファ−タンク、４４は制御バルブであ
る。また、他の各部において、実施例３と同一符号は同
一、または相当部分を示す。

【００６９】上記のように構成された極低温冷凍機にお
いては、実施例３と同様の動作であり、さらにバッファ
−タンク４３と制御バルブ４４を設けたので、低圧の状
態のヘリウム１を選択的に膨張できると共に、副膨張室
３７の吸気圧力の変動も小さくできる。このため、冷凍
効率をより高くでき、冷凍出力を安定することができ
る。

【００７０】また、上記実施例では第２段蓄冷器に関し
て述べたが、第１段蓄冷器や第３段蓄冷器、またそれ以
上の蓄冷器に適用できること言うまでもない。

【００７１】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、
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、パルスチューブ冷凍機に
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
ことは明らかである。また、上記実施例では低圧側圧縮
機と高圧側圧縮機を直列に配置しているが、並列に配置
してもよいし、圧縮機を多段化してもよい。

【００７２】また、上記実施例では作動流体としてヘリ
ウムについて述べたが、ヘリウム３や水素等を作動流体
にする冷凍機にも適応できる。また、動作圧力も上記実
施例のように６ｂａｒと２０ｂａｒに限るものではな
く、他の動作圧力でもよい。

【００７３】

【発明の効果】以上のように、請求項１の発明によれ
ば、第１圧縮機、希土類との合金または化合物で１０Ｋ
以下で比熱の大きな物質からなる蓄冷材、あるいはヘリ
ウムからなる蓄冷材を用いた蓄冷器を少なくとも１台有
する第１膨張機、この第１膨張機の膨張空間の作動流体
の一部を直接導入して膨張させる第２膨張機、この第２
膨張機で膨張した作動流体と上記第１膨張機との間で熱
交換を行う少なくとも１個以上の熱交換部、及び熱交換
部を流れる第２膨張機からの作動流体を圧縮する第２圧
縮機を備えたことにより、冷凍効率が増大できる極低温
冷凍機が得られる効果がある。

【００７４】また、請求項２の発明によれば、第２膨張
機は、容積型の膨張機本体、吸気バルブ、排気バルブ、
及び動力吸収機構を備えたことにより、請求項１の効果
に加え、冷凍効率が増大できる極低温冷凍機が得られる
効果がある。

【００７５】また、請求項３の発明によれば、第２膨張
機は、サイモン膨張式の膨張機本体、吸気バルブ、及び
排気バルブを備えたことにより、請求項１の効果に加
え、冷凍効率が増大できると共に、動力吸収が簡単にな
り、構造を簡単にできる極低温冷凍機が得られる効果が
ある。

【００７６】また、請求項４の発明によれば、第２膨張
機を絞り部としたので、請求項１の効果に加えて、冷凍
効率が増大できると共に、全体の構造が非常に簡単にな
り安価な極低温冷凍機が得られる効果がある。

【００７７】また、請求項５の発明によれば、第１膨張
機の膨張空間の出口側に制御バルブを備え、この制御バ
ルブと第２膨張機の間に作動流体を一時的に蓄積するバ
ッファ−タンクを備えたことにより、請求項１の効果に
加え、第２膨張機での冷凍出力を安定させると共に、冷
凍能力を増大することができる極低温冷凍機が得られる
効果がある。

【００７８】また、請求項６の発明によれば、第２膨張
機から第１膨張機へ戻る作動流体と第１膨張機の吸気時
と排気時の作動流体とを熱交換する熱交換部を少なくと
も一ヶ所備えたことにより、請求項１の効果に加えて、
安価な極低温冷凍機が得られる効果がある。

【００７９】また、請求項７の発明によれば、少なくと
も一ヶ所の制御されたリークを発生できる絞り部、及び
上記絞り部を通過する作動流体と第２膨張機から第１膨
張機へ戻る作動流体とを熱交換する熱交換部を少なくと
も一ヶ所備えたことにより、請求項１の効果に加え、長
寿命で冷凍能力の高い極低温冷凍機が得られる効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例１による極低温冷凍機を示す
構成図である。

【図２】ヘリウムのＴＳ線図を示すグラフである。

【図３】この発明の実施例２による極低温冷凍機を示す
構成図である。

【図４】この発明の実施例３による極低温冷凍機を示す
構成図である。

【図５】この発明の実施例４による極低温冷凍機を示す
構成図である。

【図６】この発明の実施例５による極低温冷凍機を示す
構成図である。

【図７】この発明の実施例６による極低温冷凍機を示す
構成図である。

【図８】この発明の実施例７による極低温冷凍機を示す
構成図である。

【図９】この発明の実施例７の変形例による極低温冷凍
機を示す構成図である。

【図１０】この発明の実施例８による極低温冷凍機を示
す構成図である。

【図１１】この発明の実施例８の変形例による極低温冷
凍機を示す構成図である。

【図１２】この発明の実施例９による極低温冷凍機を示
す構成図である。

【図１３】この発明の実施例９の変形例による極低温冷
凍機を示す構成図である。

【図１４】この発明の実施例１０による極低温冷凍機を
示す構成図である。

【図１５】この発明の実施例１１による極低温冷凍機を
示す構成図である。

【図１６】この発明の実施例１１の変形例による極低温
冷凍機を示す構成図である。

【図１７】この発明の実施例１２による極低温冷凍機を
示す構成図である。

【図１８】この発明の実施例１２の変形例による極低温
冷凍機を示す構成図である。

【図１９】この発明の実施例１３による極低温冷凍機を
示す構成図である。

【図２０】この発明の実施例１４による極低温冷凍機を
示す構成図である。

【図２１】この発明の実施例１４の変形例による極低温
冷凍機を示す構成図である。

【図２２】この発明の実施例１５による極低温冷凍機を
示す構成図である。

【図２３】この発明の実施例１５の変形例による極低温
冷凍機を示す構成図である。

【図２４】この発明の実施例１６による極低温冷凍機を
示す構成図である。

【図２５】従来の極低温冷凍機を示す構成図である。

【図２６】極低温冷凍機のＰ−Ｖ線図を示すグラフであ
る。

【符号の説明】

１ヘリウム２吸気バルブ３排気バルブ１０第２段膨張室１１第２段ディスプレ−サ− １２第２段蓄冷器１３第２段シ−ル１４第２段冷凍ステ−ジ１５第２段シリンダ１９圧縮機２５副吸気バルブ２６副排気バルブ３１動力吸収機３６低圧側圧縮機３７副膨張室４６絞り部

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】第１圧縮機、希土類との合金または化合
物で１０Ｋ以下で比熱の大きな物質からなる蓄冷材、あ
るいはヘリウムからなる蓄冷材を用いた蓄冷器を少なく
とも１台有する第１膨張機、この第１膨張機の膨張空間
の作動流体の一部を直接導入して膨張させる第２膨張
機、この第２膨張機で膨張した作動流体と上記第１膨張
機との間で熱交換を行う少なくとも１個以上の熱交換
部、及び上記熱交換部を流れる上記第２膨張機からの作
動流体を圧縮する第２圧縮機を備えたことを特徴とする
極低温冷凍機。
【請求項２】第２膨張機は、容積型の膨張機本体、吸
気バルブ、排気バルブ、及び動力吸収機構を備えたこと
を特徴とする請求項第１項記載の極低温冷凍機。
【請求項３】第２膨張機は、サイモン膨張式の膨張機
本体、吸気バルブ、及び排気バルブを備えたことを特徴
とする請求項第１項記載の極低温冷凍機。
【請求項４】第２膨張機は、絞り部であることを特徴
とする請求項第１項記載の極低温冷凍機。
【請求項５】第１膨張機の膨張空間の出口側に制御バ
ルブを備え、この制御バルブと第２膨張機の間に作動流
体を一時的に蓄積するバッファ−タンクを備えたことを
特徴とする請求項第１項ないし第４項のいずれかに記載
の極低温冷凍機。
【請求項６】第２膨張機から第１膨張機へ戻る作動流
体と第１膨張機の吸気時と排気時の作動流体とを熱交換
する熱交換部を少なくとも一ヶ所備えたことを特徴とす
る請求項第１項ないし第４項のいずれかに記載の極低温
冷凍機。
【請求項７】少なくとも一ヶ所の制御されたリークを
発生できる絞り部、及び上記絞り部を通過する作動流体
と第２膨張機から第１膨張機へ戻る作動流体とを熱交換
する熱交換部を少なくとも一ヶ所備えたことを特徴とす
る請求項第１項ないし第４項のいずれかに記載の極低温
冷凍機。