JP3029341B2 - 極低温冷凍機 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、極低温冷凍機に係り、
特にシリンダと蓄冷室を有するディスプレーサとで形成
された膨張室を備え、シリンダのヘッド壁またはヘッド
壁近傍の周壁を介して吸熱するようにした寒冷発生ユニ
ットを１段または複数段接続してなる極低温冷凍機に関
する。

【０００２】

【従来の技術】極低温の冷凍機には種々のタイプがあ
る。これらの中にギフォード・マクマホン冷凍機（以
下、ＧＭ冷凍機と略称する。）で代表される蓄冷式の極
低温冷凍機がある。この蓄冷式の極低温冷凍機、たとえ
ばＧＭ冷凍機は、通常、シリンダと、このシリンダ内に
往復動自在に配置されてシリンダとで膨張室を構成する
とともに内部に蓄冷室を有したディスプレーサと、この
ディスプレーサとシリンダとの間に設けられたシール装
置とを備えてなる寒冷発生ユニットを１段または複数段
接続し、ディスプレーサの往復動に関連させて高圧のヘ
リウムガスを蓄冷室に通して冷却した後に膨張室に導い
て膨張させ、この膨張によって冷えたヘリウムガスを蓄
冷室に再び通して蓄冷する動作を繰り返すとともにシリ
ンダのヘッド壁またはヘッド壁近傍の周壁を介して吸熱
するように構成されている。

【０００３】しかしながら、上記のように構成された従
来の極低温冷凍機にあっては、特に寒冷発生ユニットの
構造全体に対する十分な配慮がなされていないため、理
想冷凍能力から全冷凍損失を差し引いた実冷凍能力がま
だ低く、これが原因して用途が制限されると言う問題が
あった。また、従来の極低温冷凍機ではシリンダ構成壁
を介しての熱侵入を抑えるために、熱伝導率の悪いステ
ンレス鋼などで形成されたシリンダを使用している。そ
して、シリンダの壁で吸熱に供される部分の外面に銅な
どで形成された吸熱ステージをハンダ付けし、この吸熱
ステージを介して吸熱するようにしている。このため、
吸熱ステージの外面とシリンダの壁で吸熱に供される部
分の内面との間の熱抵抗が大きく、この熱抵抗によって
両面間に大きな温度差が生じ、これも実冷凍能力を低下
させる一因となっていた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上述の如く、従来の極
低温冷凍機にあっては、特に寒冷発生ユニットの構造全
体に対する十分な配慮がなされていないため、実冷凍能
力が低いと言う問題があった。そこで本発明は、実冷凍
能力を大幅に向上できる構造の極低温冷凍機を提供する
ことを目的としている。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、第１の発明に係る極低温冷凍機では、シリンダの長
さと内径とに工夫が施されている。すなわち、この第１
の発明に係る極低温冷凍機に組込まれたシリンダは、吸
熱に供される部分からシリンダの実質的な開口部までの
長さＬとシリンダの内径Ｄとの比Ｌ／Ｄが４以上で１０
以下に設定されている。

【０００６】

【０００７】

【作用】第１の発明に係る極低温冷凍機では、Ｌ／Ｄを
４以上に設定しているので、冷凍損失を大幅に減少させ
ることができる。またＬ／Ｄを１０以下に設定している
ので、理想冷凍能力の減少を抑えることができ、結局、
大きな実冷凍能力を得ることができる。

【０００８】

【０００９】

【実施例】以下、図面を参照しながら実施例を説明す
る。図１には本発明の一実施例に係る蓄冷式の極低温冷
凍機、ここには寒冷発生ユニットを２段直列に接続した
ＧＭ冷凍機が示されている。

【００１０】このＧＭ冷凍機は、大きく別けて、コール
ドヘッド１と、このコールドヘッド１へ冷媒ガスを導入
したり、コールドヘッド１から冷媒ガスを排出したりす
る冷媒ガス導排出系２とで構成されている。

【００１１】コールドヘッド１は、第１の寒冷発生ユニ
ット１１と、この第１の寒冷発生ユニット１１に直列に
接続された第２の寒冷発生ユニット１２と、これら第１
および第２の寒冷発生ユニット１１，１２の可動部を共
通に駆動するモータ１３とで構成されている。

【００１２】第１の寒冷発生ユニット１１は、薄いステ
ンレス鋼などで形成されたシリンダ２１と、このシリン
ダ２１内に往復動自在に収容されてシリンダ２１とで膨
張室２２を構成するディスプレーサ２３と、このディス
プレーサ２３とシリンダ２１との間に存在する隙間を封
止するシール装置２４とで構成されている。

【００１３】ディスプレーサ２３は、フェノール樹脂な
どの断熱材で形成されたピストン２５と、このピストン
２５を軸方向に貫通する流体通路によって構成された蓄
冷室２６と、この蓄冷室２６内に充填された銅メッシュ
等からなる蓄冷材２７とで構成されている。

【００１４】一方、第２の寒冷発生ユニット１２は、第
１の寒冷発生ユニット１１のシリンダ２１より小径に形
成され、シリンダ２１のヘッド壁２８を介してシリンダ
２１に同軸的に接続されたシリンダ２９と、前述したデ
ィスプレーサ２３の図中下端部に連結機構３０を介して
連結されるとともにシリンダ２９内に往復動自在に収容
されてシリンダ２９とで膨張室３１を構成するディスプ
レーサ３２と、このディスプレーサ３２とシリンダ２９
との間に存在する隙間を封止するシール装置３３とで構
成されている。

【００１５】ディスプレーサ３２は、フェノール樹脂な
どの断熱材で形成されたピストン３４と、このピストン
３４を軸方向に貫通する流体通路によって構成された蓄
冷室３５と、この蓄冷室３５内に充填された複数の鉛球
あるいは組成がＥｒ₃ Ｎｉである複数の球体やブロック
等からなる蓄冷材３６とで構成されている。

【００１６】ディスプレーサ２３の図中上端は、連結ロ
ッド３７、スコッチヨークあるいはクランク軸３８を介
してモータ１３の回転軸に連結されている。したがっ
て、モータ１３が回転すると、この回転に同期してディ
スプレーサ２３，３２が一体に図中実線矢印３９で示す
方向に往復動する。

【００１７】シリンダ２１の周壁で図中上部位置には冷
媒ガスの導入口４０と排出口４１とが設けられおり、こ
れら導入口４０と排出口４１とは冷媒ガス導排出系２に
接続されている。

【００１８】冷媒ガス導排出系２は、シリンダ２１，２
９内を往復する経路でヘリウムガスを循環させる系を構
成するもので、排出口４１を低圧弁４２，圧縮機４３，
高圧弁４４を介して導入口４０に接続したものとなって
いる。すなわち、この冷媒ガス導排出系２は、低圧（約
５atm ）のヘリウムガスを圧縮機４３で高圧（約１８at
m ）に圧縮してシリンダ２１，２９内に送り込む。そし
て、低圧弁４２，高圧弁４４はディスプレーサ２３，３
２の往復動との関連において後述する関係に開閉制御さ
れる。

【００１９】このＧＭ冷凍機において寒冷を発生する部
分、つまり吸熱に供される部分は、第１の寒冷発生ユニ
ット１１におけるシリンダ２１のヘッド壁およびその近
傍の部分４５と、第２の寒冷発生ユニット１２における
シリンダ２９のヘッド壁４６とである。この例において
は、部分４５の外面にハンダ層を介して銅などで形成さ
れた吸熱筒４７が固着されている。そして、この吸熱筒
４７は第１の被冷却物４８に熱的に接続されている。一
方、シリンダ２９のヘッド壁４６は第２の被冷却物４９
に熱的に接続されている。勿論、目的に応じてヘッド壁
４６だけが被冷却物に熱的に接続される場合もある。こ
こで、第２の寒冷発生ユニット１２に組み込まれている
シリンダ２９の構造について説明する。

【００２０】このシリンダ２９は、図２(a) に示すよう
に、ヘッド壁４６の近くまで、つまり吸熱に供される部
分以外の部分５０が熱伝導率の良くないステンレス鋼で
形成されている。そして、ヘッド壁４６およびその近傍
部分、つまり吸熱に供される部分５１は、銅，銅合金，
アルミニウム，アルミニウム合金などのような良熱伝導
材で形成されている。これら部分５０と部分５１とは電
子ビーム溶接や摩擦接合などによって接合されている。
つまり、このシリンダ２９は、異種金属接合構成に形成
されている。なお、部分５１の内周面には、図２(b) に
示すように、熱交換面積増加用の溝５２が軸方向に複数
形成されている。

【００２１】このシリンダ２９は、さらに次のような寸
法関係に形成されている。すなわち、吸熱に供される部
分５１からシリンダ２９の実質的な開口部位置（正確に
はディスプレーサ３２が上死点に位置しているときにお
けるシール装置３３の図中下端部位置）までの長さをＬ
とし、シリンダ２９の内径をＤとしたとき、その比Ｌ／
Ｄが４以上で１０以下、この例では６に設定されてい
る。次に、上記のように構成された冷凍機の動作を説明
する。

【００２２】モータ１３が回転を開始すると、ディスプ
レーサ２３，３２が下死点と上死点との間を往復動す
る。ディスプレーサ２３，３２が下死点にあるとき、高
圧弁４４が開いて高圧ヘリウムガスがコールドヘッド１
内に流入する。次に、ディスプレーサ２３，３２が上死
点へと移動する。前述の如く、ディスプレーサ２３の外
周面とシリンダ２１の内周面との間およびディスプレー
サ３２の外周面とシリンダ２９の内周面との間にはそれ
ぞれシール装置２４，３３が装着されている。このた
め、ディスプレーサ２３，３２が上死点へと向かうと、
高圧ヘリウムガスはディスプレーサ２３に形成された蓄
冷室２６およびディスプレーサ３２に形成された蓄冷室
３５を通って、膨張室２２および膨張室３１へと流れ
る。この流れに伴って、高圧ヘリウムガスは蓄冷材２
７，３６に接触して冷却され、結局、膨張室２２に流れ
込んだ高圧ヘリウムガスは３０Ｋレベルに、また膨張室
３１に流れ込んだ高圧ヘリウムガスは４Ｋレベルに冷却
される。

【００２３】ここで、高圧弁４４が閉じ、低圧弁４２が
開く。このように低圧弁４２が開くと、膨張室２２内お
よび膨張室３１内の高圧ヘリウムガスが膨張して寒冷を
発生し、シリンダ２１の部分４５およびシリンダ２９の
部分５１において吸熱が行われる。そして、ディスプレ
ーサ２３，３２が再び下死点へ移動すると、これに伴っ
て膨張室２２内および膨張室３１内のヘリウムガスが排
除される。膨張したヘリウムガスは蓄冷室２６，３５内
を通る間に蓄冷材２７，３６を冷却し、常温となって排
出される。以下、上述したサイクルが繰返されて冷凍運
転が行なわれる。

【００２４】上述の如く、本実施例では第２の寒冷発生
ユニット１２におけるシリンダ２９の長さＬと内径Ｄと
の比Ｌ／Ｄを６に設定している。このため、実冷凍能力
を大幅に向上させることができる。すなわち、ＧＭ冷凍
機の実冷凍能力は、膨張圧縮のサイクルによって決まる
理想冷凍能力から熱侵入、蓄冷損失などの全冷凍損失を
差し引いたものである。

【００２５】理想冷凍能力は、シリンダの内径Ｄとディ
スプレーサの移動ストロークとによって決まる膨張体積
に高圧ヘリウムガスと低圧ヘリウムガスとの圧力差を掛
け算し、この値をヘリウムガスの物性によって決まる係
数で補正することによって求められる。シリンダの吸熱
に供される部分からシリンダの実質的な開口部までの長
さＬを長くし、ディスプレーサの軸方向長さを長くする
と、流動抵抗の増加に伴なって圧力損失が増加する。す
なわち、図３に示すように、Ｌ／Ｄの増加に伴って圧力
損失も増加する。このように、圧力損失が増加すると、
高圧側の圧力が目標値より低くなり、逆に低圧側の圧力
が目標値より高くなり、圧力差が小さくなるので理想冷
凍能力が減少する。したがって、理想冷凍能力を高くす
るにはＬ／Ｄを小さくすればよいことになる。

【００２６】熱侵入のほとんどは、シリンダおよびディ
スプレーサを介しての伝導損失と、ディスプレーサの往
復動に伴って生じるシャトル損失とである。これらの熱
侵入は、シリンダ構成壁の軸方向の温度勾配に比例す
る。この温度勾配は、シリンダの吸熱に供される部分か
ら実質的な開口部までの部分、つまり上記の長さＬの範
囲に作られる。したがって、シリンダにおける上記部分
の長さＬを長くすれば温度勾配を小さくでき、熱侵入を
少なくできる。

【００２７】一方、蓄冷損失は、ガスの処理量と蓄冷材
の熱容量との比率に大きく左右される。一般に、蓄冷材
の量を増加させると、これに伴って蓄冷損失が減少す
る。そして、比率をある値より大きくすると、損失をほ
ぼ零にできることが知られている。シリンダの上記部分
の長さＬを長くすると、ディスプレーサを軸方向に長く
できるので、蓄冷材の量を増やすことができ、蓄冷損失
を少なくできるが、ある値以上に長くしても効果はない
と言える。

【００２８】このように、理想冷凍能力を高くするには
Ｌ／Ｄを小さくすればよく、全冷凍損失を減少させるに
は図４に示すようにＬ／Ｄを大きくすればよく、両者は
全く逆の関係にある。

【００２９】前述の如く、実冷凍能力は理想冷凍能力か
ら全冷凍損失を差し引いたものである。図５にはシリン
ダの吸熱に供される部分を４．２Ｋに維持できる実冷凍
能力とＬ／Ｄとの関係が示されている。この図から判る
ように、Ｌ／Ｄが４未満であると全冷凍損失の急激な増
加で実冷凍能力が急激に低下する。また、Ｌ／Ｄが１０
を越えると理想冷凍能力の低下でやはり実冷凍能力が急
激に低下する。したがって、Ｌ／Ｄが４以上で、１０以
下の範囲が好ましく、本実施例のように６に設定してあ
ると、ほぼ最大の実冷凍能力を発揮させることができ
る。

【００３０】また、第２の寒冷発生ユニット１２におけ
るシリンダ２９は、吸熱に供される部分５１が銅、銅合
金、アルミニウム、アルミニウム合金などのような良熱
伝導材で形成され、他の部分５０が熱伝導率の良くない
ステンレス鋼で形成されているので一層、実冷凍能力を
向上させることができる。

【００３１】すなわち、上記構成であると、部分５１を
そのまま吸熱ステージとして被冷却物に熱的に接続して
吸熱させることができるので、従来のように特別な吸熱
ステージをハンダ等で固着したものとは違って、部分５
１の内外面間の温度差を小さくでき、その結果として実
冷凍能力を向上させることができる。

【００３２】図６には実際に被冷却物から吸熱する面の
温度と冷凍能力との関係が示されている。図中Ｓ₁ が本
実施例のように異種金属接合構成に形成されシリンダを
用いた場合の例を示し、Ｓ₂ が従来のシリンダ、つまり
ステンレス鋼製のシリンダの吸熱に供される部分の外面
にハンダ層を介して銅製の吸熱ステージを固着したもの
を用いた場合の例を示している。この図から実冷凍能力
を向上させる上で異種金属接合構成のシリンダが有効で
あることが理解される。

【００３３】なお、本発明は上述した実施例に限定され
るものではない。すなわち、上述した実施例は本発明を
ＧＭ冷凍機に適用した例であるが、本発明は往復動する
ディスプレーサと蓄冷室とを備えた蓄冷式の冷凍機全般
に適用できる。また、上述した実施例では第２の寒冷発
生ユニットのシリンダについてのみＬ／Ｄの関係および
異種金属接合構成を採用しているが、第１の寒冷発生ユ
ニットについてもこれらの関係を適用してもよい。ま
た、シリンダの吸熱に供される部分以外の部分をステン
レス鋼で形成しているが、ステンレス鋼に代えてチタ
ン，チタン合金で形成してもよい。

【００３４】図７には図１に示したＧＭ冷凍機を組込ん
だＳＩＳ（Superconductor Insulator Superconductor
）受信機が示されている。ＳＩＳ受信機は宇宙からの
微弱な電波（ミリ波，サブミリ波）を観測するためのも
ので、液体ヘリウム温度（４．２Ｋ）で動作するＳＩＳ
ミキサを冷却するために冷凍機を必要とする。

【００３５】同図において、１がＧＭ冷凍機のコールド
ヘッドを示し、１１は第１の寒冷発生ユニットを示し、
１２が第２の寒冷発生ユニットを示している。第２の寒
冷発生ユニット１２は真空容器６１内に位置している。
真空容器６１内には熱シールド６２が配置されており、
この熱シールド６２は第１の寒冷発生ユニット１２の吸
熱部によって３０Ｋに冷却さる。第２の寒冷ユニット１
２におけるシリンダ２９のヘッド壁４６の外面には４Ｋ
以下に冷却される吸熱板６３が取付けてあり、この吸熱
板６３にＳＩＳミキサ６４が取付けられている。真空容
器６１の壁には観測用の窓６５が設けてあり、この窓６
５に到来した電波はホーン６６で集められてＳＩＳミキ
サ６４に入射する。なお、図中６７はアイソレータを示
し、６８はアンプを示し、６９は導波管を示している。

【００３６】このように構成されたＳＩＳ受信機では、
従来のＧＭ冷凍機とＪＴ方式とを組み合わせて冷却する
ようにしたものに比べて大きさ、重量ともに約１／３に
できる。また予冷時間は４．５時間、動作温度は３．４
Ｋ、消費電力は３．３ｋｗである。

【００３７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
実冷凍能力を高くでき、使用範囲を拡大できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係るＧＭ冷凍機の要部縦断
面図

【図２】(a) は同冷凍機の第２の寒冷発生ユニットに組
込まれたシリンダの局部的断面図で、(b) は(a) におけ
るＡ−Ａ線切断矢視図

【図３】圧力損失とシリンダ長さＬおよびシリンダ内径
Ｄとの関係を示す図

【図４】冷凍損失とシリンダ長さＬおよびシリンダ内径
Ｄとの関係を示す図

【図５】冷凍能力とシリンダ長さＬおよびシリンダ内径
Ｄとの関係を示す図

【図６】冷凍能力と吸熱部温度との関係を従来例と比較
して示す図

【図７】本発明の一実施例に係るＧＭ冷凍機を組込んだ
ＳＩＳ受信機を一部切欠して示す斜視図

【符号の説明】

１…コールドヘッド ２…冷媒ガス導排
出系 １１…第１の寒冷発生ユニット １２…第２の寒冷
発生ユニット ２１，２９…シリンダ ２２，３１…膨張
室 ２３，３２…ディスプレーサ ２４，３３…シー
ル装置 ２５，３４…ピストン ２６，３５…蓄冷
室 ２７，３６…蓄冷材 ４５，５１…吸熱
に供される部分 ４７…吸熱筒 ４８，４９…被冷
却物

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 荒岡 勝政 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株式会社東芝総合研究所内 (72)発明者 門間 茂樹 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株式会社東芝総合研究所内 (56)参考文献 特開 平２−110260（ＪＰ，Ａ) 実開 昭58−155570（ＪＰ，Ｕ) 社団法人低温工学協会・関西支部 海 外低温工学研究会 低温工学ハンドブッ ク編集委員会編「ＶＤＩ低温工学ハンド ブック」内田老鶴圃新社発行（昭57−９ −15）ｐ．139 (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F25B 9/14 510 F25B 9/14 530

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 シリンダと、このシリンダ内に往復動自
   在に配置されて上記シリンダとで膨脹室を構成するとと
   もに内部に蓄冷室を有したディスプレーサと、このディ
   スプレーサと前記シリンダとの間に設けられたシール装
   置とを備えてなる寒冷発生ユニットを少なくとも１段備
   え、前記ディスプレーサの往復動に関連させて高圧ガス
   を前記蓄冷室に通して冷却した後に前記膨脹室に導いて
   膨脹させ、この膨脹によって冷えたガスを上記蓄冷室に
   再び通して蓄冷する動作を繰り返すとともに前記シリン
   ダのヘッド壁またはヘッド壁近傍の周壁を介して吸熱す
   るようにした極低温冷凍機において、前記シリンダの
   内、少なくとも最も低温を発生する寒冷発生ユニットの
   シリンダは、前記吸熱に供される部分からシリンダの実
   質的な開口部までの長さＬとシリンダの内径Ｄとの比Ｌ
   ／Ｄが４以上で１０以下に設定されていることを特徴と
   する極低温冷凍機。
2. 【請求項２】 請求項1記載の極低温冷凍機において、
   シリンダの内、少なくとも最も低温を発生する寒冷発生
   ユニットのシリンダは、吸熱に供される部分が銅、銅合
   金、アルミニウム、アルミニウム合金の中から選ばれた
   一種で形成され、残りの部分がステンレス鋼、チタン、
   チタン合金の中から選ばれた一種で形成された異種金属
   接合構成に形成されていることを特徴とする極低温冷凍
   機。