JP3625511B2

JP3625511B2 - ガスサイクル冷凍機

Info

Publication number: JP3625511B2
Application number: JP03527695A
Authority: JP
Inventors: 有鰭崎; 金林高; 洋一松原
Original assignee: Suzuki Shokan Co Ltd
Current assignee: Suzuki Shokan Co Ltd
Priority date: 1995-02-23
Filing date: 1995-02-23
Publication date: 2005-03-02
Anticipated expiration: 2020-03-02
Also published as: JPH08226719A; US5642623A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、ヘリウム等の冷媒ガスを膨張させることで冷凍を発生させ、被冷却物を３〜７０Ｋ（ケルビン）の極低温に冷却するガスサイクル冷凍機に関する。
【０００２】
【背景技術】
従来より、クライオポンプ等に利用される極低温冷凍機としては、Ｇ−Ｍ（Ｇｉｆｆｏｒｄ−ＭｃＭａｈｏｎ）サイクル冷凍機、スターリングサイクル冷凍機等のシリンダ内に配置されたピストン（ディスプレーサ）の移動によって膨張室の体積を可変させるタイプの冷凍機が主に利用されていた。
【０００３】
この従来の冷凍機では、１段目では通常７０Ｋ程度までしか冷凍できないため、より低い温度まで冷凍する必要がある場合には、２〜３段程度に多段化して冷凍能力を向上させる必要があった。
また、冷凍機は、シリンダ内のピストンを移動させて膨張室の体積を可変して膨張室内にヘリウムガスを吸引・排出させることで、ヘリウムガスを膨張させて冷凍を発生させて被冷却物を冷却していた。
このため、膨張室内からヘリウムガスが漏れ出さないように、シリンダおよびピストン間を確実にシールする必要があった。この際、ガスサイクル冷凍機では、潤滑油タイプのシールを用いると、潤滑油が低温部分で固化してしまう問題が生じるため、ポリテトラフルオロエチレン（以下「テフロン（商品名）」と表記する）等の無潤滑タイプのシールを用いていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、１段目の冷凍機ではピストンの高温（常温）側にシールを配置できるため、温度変化が小さくてシール材の収縮等の問題は発生しないが、２段目の冷凍機では、シールを配置した部分の温度変化（常温〜極低温）が大きくなるため、様々な問題が生じた。
すなわち、常温部分に配置されるシールでは、ばね性の鉄等の金属リングの周囲にテフロンを被覆したＯリング等が用いられるが、熱変動する部分に配置されるシールは金属リングとテフロンとの熱収縮率の相違があるため、金属リングの外周側のみにテフロンを配置し、さらに金属リングおよびテフロンの各々にステップカット等の切れ目を設けた特別なものが必要であった。このため、シールのコストが高くなるとともに、シールの切れ目や金属リングとピストンとが接するシールの内側等を完全にシールすることができず、冷媒ガスの漏れが生じて冷凍能力が低下するおそれがあった。
【０００５】
一方、ピストン等の可動部を無くした、つまりシールの問題が発生しないタイプの冷凍機としてパルス管冷凍機が知られている。
パルス管冷凍機は、理論解析が困難なため、冷凍効率を向上させることができず、長らく実用化できなかったが、近年実験等によって単段のパルス管冷凍機に関しては最適化が図られ、冷凍効率の高い冷凍機が実用化されつつあった。
【０００６】
しかしながら、パルス管冷凍機においても、より一層の低温冷凍を実現するには多段化する必要があった。しかしながら、多段化した場合には、各段部分の相互干渉が発生し、最適化を図るには膨大な実験が必要となるため、冷凍効率を向上させることができず、実用化が困難であるという問題があった。
【０００７】
本発明の目的は、多段化することができて冷凍能力を向上できるガスサイクル冷凍機を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明のガスサイクル冷凍機は、第１段冷凍部および第２段冷凍部の少なくとも２段の冷凍部を備えて多段化されたものである。具体的には、ヘリウムガス等の冷媒ガスが供給される第１段蓄冷器と、この第１段蓄冷器の低温側（前記冷媒ガスが供給される高温側とは反対側）に接続されたシリンダと、このシリンダ内に配置されてシリンダ内の膨張室の体積を可変するピストンとを備えて前記第１段冷凍部を構成し、前記第１段蓄冷器の低温側に接続された第２段蓄冷器と、この第２段蓄冷器の低温側（第１段蓄冷器に接続された高温側とは反対側）に接続された管とを備えて前記第２段冷凍部を構成したことを特徴とするものである。なお、本発明のピストンは、シリンダ内を圧縮させることなく移動するディスプレーサを含むものである。
【０００９】
この際、前記冷媒ガスは、通常、コンプレッサと高圧バルブおよび低圧バルブとを組み合わせたり、圧縮ピストン等で構成されて冷媒ガスの圧力を高圧および低圧に変動させる冷媒ガス圧力変動発生器によって供給される。
また、本発明のガスサイクル冷凍機は、前記構成に加えて、第１段冷凍部の第１段蓄冷器の高温側およびシリンダの高温側とが連通され、前記第２段冷凍部の第２段蓄冷器の高温側および管の高温側とが連通されるとともに、前記第２段冷凍部の管の高温側にバッファが接続されていることが好ましい。
【００１０】
さらに、前記第１段蓄冷器は、前記ピストンの内部に同心状に配置されるものでもよい。また、前記管も前記第２段蓄冷器の内部に同心状に配置されるものでもよい。
【００１１】
【作用】
本発明においては、第１段蓄冷器、シリンダおよびピストンによって第１段目の冷凍部が構成され、第２段蓄冷器および管によって第２段目の冷凍部が構成される。このため、多段式の冷凍機が構成されて、冷凍能力が向上する。
この際、第１段冷凍部は、従来のＧ−Ｍサイクル冷凍機などと同様にピストンによって膨張室の体積を変動させており、ピストン部分にはシールが必要となるが、このシールは高温側（常温側）に配置できるため、テフロン製等の一般的なシールで対応でき、ピストン部分は確実にかつ安価にシールされる。
【００１２】
また、第２段冷凍部は、従来のパルス管冷凍機と同様に、低温部分に可動部分が無くシールが不要であるため、Ｇ−Ｍサイクル冷凍機を２段式にした場合のように、低温部分にシールを配置することで発生する問題が回避される。さらに、第１段冷凍部は、ピストンを移動させることで膨張室の体積を変動させているため、第１段蓄冷器の低温側における冷媒ガスの圧力変動を明確に解析することが可能である。このため、第２段冷凍部は、従来の単段式のパルス管冷凍機と同じ動作とみなすことが可能であり、冷凍能力の最適化が図れる。
【００１３】
【実施例】
以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。
図１には、本実施例のガスサイクル冷凍機１の構成図が示されている。
ガスサイクル冷凍機１は、冷媒ガス圧力変動発生器２と、第１段冷凍部３と、第２段冷凍部４とを備えて構成されている。
【００１４】
冷媒ガス圧力変動発生器２は、コンプレッサ５と、コンプレッサ５の高圧側に配置された高圧バルブ６と、コンプレッサ５の低圧側に配置された低圧バルブ７とで構成され、冷媒ガスであるヘリウムガスの圧力を変動させつつ供給できるように構成されている。
【００１５】
第１段冷凍部３は、前記各バルブ６，７を介してコンプレッサ５に接続された第１段蓄冷器１１と、この第１段蓄冷器１１の低温側（図１においては下側であり、コンプレッサ５に接続された側とは反対側）に接続されたシリンダ１２と、このシリンダ１２内に配置されたピストン（ディスプレーサ）１３とを備えて構成されている。なお、ピストン１３は図示しないモータに接続されて往復駆動されるようにされている。
【００１６】
シリンダ１２内において、ピストン１３の低温側（図１においては下側であり、蓄冷器１１の低温側に接続された側）の空間によって膨張室１４が構成されている。また、シリンダ１２の高温側（膨張室１４とは反対側）は、配管１５によって第１段蓄冷器１１の高温側に接続されている。
さらに、ピストン１３の高温側部分およびピストンロッド部分には、シリンダ１２内面に接触してピストン１３およびシリンダ１２間をシールするテフロン（商品名）等の無潤滑タイプのＯリングで構成されたシール１６，１７が設けられている。
【００１７】
一方、第２段冷凍部４は、前記第１段蓄冷器１１の低温側に接続された第２段蓄冷器２１と、この第２段蓄冷器２１の低温側（図１においては下側であり、第１段蓄冷器１１に接続された側とは反対側）に接続されたパルス管２２とを備えて構成されている。なお、第２段蓄冷器２１は第２段冷凍部４においてのみ作用するが、第１段蓄冷器１１は第１段冷凍部３で冷却された冷媒ガスで冷却されるだけでなく、第２段冷凍部４からの冷媒ガスによっても冷却されるため、第１段蓄冷器１１のほうが第２段蓄冷器２１よりも容量が大きくされている。
【００１８】
パルス管２２の高温側（図１においては上側であり、第２段蓄冷器２１の低温側に接続された側とは反対側）は、バイパス管２３を介して第２段蓄冷器２１の高温側に接続されている。また、パルス管２２の高温側は、配管２４を介してバッファ２５に接続されている。
【００１９】
なお、バイパス管２３および配管２４には、それぞれオリフィス２６，２７が設けられ、各管２３，２４の流量が調整されている。
また、第２段蓄冷器２１およびパルス管２２の低温側の部分によって、被冷却物を冷却するヒートステーション２８が構成されている。
【００２０】
なお、このような図１で構成されるガスサイクル冷凍機１の具体的な構成例は、冷凍機１の用途等に応じて適宜設定される。図２には、クライオポンプに組み込まれるガスサイクル冷凍機１の例が示されている。
このガスサイクル冷凍機１は、最下端に冷媒ガス圧力変動発生器２が設けられ、その上に第１段冷凍部３が設けられ、さらに最上段に第２段冷凍部４が設けられる構成とされている。
【００２１】
冷媒ガス圧力変動発生器２は、図２では図示しないコンプレッサ５の高圧側に接続されるジョイント３１と、低圧側に接続されるジョイント３２と、駆動モータ３３とを備えている。ジョイント３１は、通気路３４を介して第１段冷凍部３のシリンダ１２に連通され、この流路はモータ３３の出力軸に設けられたカム３５でスライド移動される高圧バルブ６によって開閉されるように構成されている。
また、通気路３４は、モータ３３の出力軸が配置された空間を介してジョイント３２に連通され、この流路もモータ３３の出力軸に設けられたカム３６でスライド移動される低圧バルブ７によって開閉されるように構成されている。
【００２２】
モータ３３の出力軸先端はクランク３７とされ、このクランク３７に嵌合するスコッチヨーク３８によってシャフト３９が上下動され、シリンダ１２内のピストン１３が上下動されるように構成されている。
【００２３】
ピストン１３内には第１段蓄冷器１１が内蔵され、この蓄冷器１１を通して前記通気路３４とピストン１３上方の膨張室１４とが連通されている。なお、ピストン１３内に蓄冷器１１を配置した場合でも、高圧バルブ６側の連通路３４が蓄冷器１１およびピストン１３の高温側（図２では下側）に連通され、さらに、蓄冷器１１を通して膨張室１４に連通されている点で、図１に示す構成図と同じである。
【００２４】
また、シリンダ１２の膨張室１４には第２段冷凍部４の第２段蓄冷器２１が連続して配置され、この蓄冷器２１の高温側（膨張室１４に隣接する下側）と低温側（上側）とはパルス管２２の高温側（下側）および低温側（上側）にそれぞれ連通されている。また、パルス管２２の高温側にはバッファ２５が接続されている。そして、第２段冷凍部４の上端部によってヒートステーション２８が構成されている。
【００２５】
このように構成されたガスサイクル冷凍機１における冷凍動作について、図３，４を参照して説明する。
図３（Ａ）に示すように、ピストン１３が低温側にある状態で高圧バルブ６を開くと第１冷凍部３および第２冷凍部４内の圧力が高まる。
そして、図３（Ｂ）に示すように、第１冷凍部３において、ピストン１３を移動させて膨張室１４の体積を大きくすると、第１段蓄冷器１１を通して冷却されたヘリウムガス（冷媒ガス）が膨張室１４内に移動する。
一方、第２冷凍部４においても、第１段蓄冷器１１を通して冷却された高圧のヘリウムガスが第２段蓄冷器２１を通してさらに冷却され、パルス管２２内に移動する。
【００２６】
次に、図４（Ａ）に示すように、高圧バルブ６を閉じて低圧バルブ７を開けると、第１段蓄冷器１１の高温側が低圧となるため、膨張室１４内のヘリウムガスは膨張しながら第１段蓄冷器１１側に戻る。この際、膨張によって冷凍が発生し、ヘリウムガスは極低温となり、このガスが低圧バルブ７側に戻ることによって第１段蓄冷器１１が冷却される。
【００２７】
一方、第２段冷凍部４においても、第２段蓄冷器２１の高温側が低圧となるため、パルス管２２内のヘリウムガスは膨張して冷凍を発生し、被冷却物を冷却し、さらに第２段蓄冷器２１を冷却しながら第１段蓄冷器１１および低圧バルブ７側に戻る。
そして、図４（Ｂ）に示すように、ピストン１２を下方に移動させて図３（Ａ）の状態に戻す。
以上の動作を繰り返すことで第１段蓄冷器１１および第２段蓄冷器２１の低温側の温度が順次下げられ、第２段蓄冷器２１のヒートステーション２８では４Ｋ程度の極低温となり、被冷却物を冷却する冷凍能力が高まる。
【００２８】
このような本実施例のガスサイクル冷凍機１によれば、第１段冷凍部３および第２段冷凍部４の２段式とされ、第１段冷凍部３で冷却された冷媒ガスを用いて第２段冷凍部４での冷凍を行うことができるので、特に第２段冷凍器２１にＥｒ_３Ｎｉ（エルビウム３ニッケル）等の蓄冷材を使用することにより、第２段冷凍部４での最低到達温度を４Ｋ程度の極低温にでき、冷凍能力を向上することができる。このため、クライオポンプ等の極低温の冷却が必要となるガスサイクル冷凍機１としても利用でき、極低温に冷却する必要がある様々な用途や機器に適用することができる。
【００２９】
また、極低温となる第２段冷凍部４は、可動部のないパルス管方式の冷凍部であるため、２段式のＧ−Ｍサイクル冷凍機のように低温部（熱変動部）にシールを配置する必要が無く、低温部にシールを配置することによる種々の問題、例えば熱変動に対応した高コストのシールを用いるために高価になったり、熱変動によるシールの収縮等で確実なシールが難しいといった問題を解消できる。このため、ガスサイクル冷凍機１を安価に提供でき、かつ冷媒ガスの漏れもない確実な冷凍動作を行うことができて冷凍能力の低下を防止することができる。
【００３０】
さらに、第１段冷凍部３は、従来のＧ−Ｍサイクルと同様にピストン１３によって膨張室１４の体積を可変しているため、第２段冷凍部４に供給される冷媒ガスの圧力変動を明確に解析することができる。このため、パルス管２２を用いた第２段冷凍部４の冷凍動作は、単段式のパルス管冷凍機と同様にみなすことができ、パルス管２２の大きさやバイパス管２３、配管２４における絞り（ガス流量）等を最適化することができる。従って、ガスサイクル冷凍機１の冷凍能力をより一層向上することができる。
【００３１】
また、冷媒ガス圧力変動発生器２として、コンプレッサ５および各バルブ６，７で構成されたものを用いたので、冷媒ガスを所定圧力で安定して供給することができ、この点でもガスサイクル冷凍機１の冷凍能力を向上することができる。
さらに、前記実施例では、第１段蓄冷器１１およびシリンダ１２間を配管１５で連通しているので、ピストン１３を移動した際にシリンダ１２内のガスを圧縮することなく配管１５などを介して排出することができるため、ピストン１３の駆動力を小さくできる。このため、ピストン１３を小型のモータ３３でも駆動することができ、ガスサイクル冷凍機１全体を小型化することができる。
【００３２】
また、前記実施例では、第２段蓄冷器２１およびパルス管２２間をバイパス管２３で連通し、パルス管２２の高温側にバッファ２５を接続したので、第２段冷凍部４における冷凍能力をより一層向上することができる。
【００３３】
以上、本発明について好適な実施例をあげて説明したが、本発明は前記実施例に限らず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の改良並びに設計の変更が可能である。
例えば、ガスサイクル冷凍機１としては、図５に示すように、第２冷凍部４においてパルス管２２を第２段蓄冷器２１内に配置し、バッファ２５を第２段蓄冷器２１および膨張室１４間に配置してもよい。このようにすれば、ガスサイクル冷凍機１の配置スペースを少なくできてより一層の小型化が図れるという利点がある。
要するに、各蓄冷器１１，２１、ピストン１３、パルス管２２等の配置、大きさ、形状等は各種用途に応じたガスサイクル冷凍機１ごとに適宜設定すればよく、図１に示す構成に対応していればよい。
【００３４】
また、ガスサイクル冷凍機１の第１段冷凍部３や第２段冷凍部４の構成は前記実施例のものに限らない。例えば、第１段冷凍部３においては、配管１５を設けて第１段蓄冷器１１の高温側とシリンダ１２の高温側とを連通していたが、この配管１５を無くしてもよい。但し、配管１５を設ければ、前述の通り、ピストン１３の駆動力を小さくでき、小さなモータ３３で駆動することができる利点がある。
さらに、第２段冷凍部４においても、バッファ２５を無くしたり、バイパス管２３を無くしてもよい。但し、バッファ２５やバイパス管２３を設けたほうが、冷凍能力を向上できる利点がある。また、前記実施例では、バイパス管２３および配管２４にオリフィス２６，２７を設けていたが、バルブで代用してもよいし、さらには最適化がされて流量を変更する必要がなければ細管を用いて流量を設定してもよい。
【００３５】
また、バッファ２５はパルス管２２の高温側に接続されているものに限らないが、第２段冷凍部４に設ければ温度が低いためバッファ２５内に入るガスの体積を小さくでき、バッファ２５の容積を小さくできるという利点がある。
【００３６】
また、冷媒ガス圧力変動発生器２は、コンプレッサ５および各バルブ６，７で構成されたものに限らず、スターリングサイクル冷凍機のように圧縮ピストンによって圧力変動を発生させるものでもよく、これらは実施にあたって適宜選択すればよい。
さらに、蓄冷器１１，２１は、銅合金のメッシュ材や、鉛粒子や、鉛粒子およびＥｒ_３Ｎｉ（エルビウム３ニッケル）を混合したものなどが利用でき、これらは蓄冷器１１，２１に求められる性能に応じて適宜設定すればよい。
【００３７】
前記実施例では、第１段冷凍部３および第２段冷凍部４の２段式のガスサイクル冷凍機１としていたが、第１段冷凍部３の前に例えばＧ−Ｍサイクル冷凍機を設けて３段以上のガスサイクル冷凍機としてもよい。このように構成すれば、第２段冷凍部４における冷却温度とは別に第１段冷凍部３においても別の温度（第２段冷凍部４よりも高い温度）で被冷却物を冷却することができ、被冷却物を複数の異なる温度で冷却する場合に適している。
要するに、本発明は、最も温度が低くなる最終段部分が管２２を用いた第２段冷凍部４で構成され、その１つ前が第１段冷凍部３で構成されていればよい。なお、この場合、第１段冷凍部３におけるシールの問題が生じるが、第１段冷凍部３は第２段冷凍部４に比べて温度が高いため、熱の変化温度も小さくなり、シールの問題も影響が少なくなり、問題とはならない。
【００３８】
【発明の効果】
本発明のガスサイクル冷凍機によれば、複数段のガスサイクル冷凍機を実現できて、冷凍能力を向上することができる。この際、第２段冷凍部を可動部のないパルス管形式の冷凍部で構成したので、温度変化が大きな低温部にシールを設ける必要が無く、ガスサイクル冷凍機を安価に提供できるとともに、冷媒ガスの漏れも防止できて確実に動作させることができる。
さらに、第１段冷凍部をＧ−Ｍサイクル冷凍機のように膨張室の体積をピストンで変動させる形式の冷凍部で構成したので、第２段冷凍部に対する圧力変動を確実に制御することができ、第２段冷凍部の冷凍能力を最適に設定することができる。このため、複数段のガスサイクル冷凍機を最適化でき、かつ確実に動作させることができ、冷凍能力を一層向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例のガスサイクル冷凍機を示す構成図である。
【図２】前記実施例をクライオポンプにおけるガスサイクル冷凍機に適用した一例を示す縦断面図である。
【図３】前記実施例のガスサイクル冷凍機の動作を説明する動作説明図である。
【図４】前記実施例のガスサイクル冷凍機の動作を説明する動作説明図である。
【図５】本発明のガスサイクル冷凍機の変形例を示す縦断面図である。
【符号の説明】
１ガスサイクル冷凍機
２冷媒ガス圧力変動発生器
３第１段冷凍部
４第２段冷凍部
１１第１段蓄冷器
１２シリンダ
１３ピストン
１４膨張室
１５配管
２１第２段蓄冷器
２２パルス管
２３バイパス管
２４配管
２５バッファ
２８ヒートステーション

Claims

冷媒ガスが供給される第１段蓄冷器、この第１段蓄冷器の低温側に接続されたシリンダ、及びこのシリンダ内に配置されてシリンダ内に形成された膨張室の体積を可変するピストンで構成された第１段冷凍部と、
前記第１段蓄冷器の低温側に接続された第２段蓄冷器、及びこの第２段蓄冷器の低温側に接続された管で構成された第２段冷凍部と、
を備えて構成されることを特徴とするガスサイクル冷凍機。
請求項１記載のガスサイクル冷凍機において、前記冷媒ガスの圧力を変動させて第１段蓄冷器に供給する冷媒ガス圧力変動発生器が設けられていることを特徴とするガスサイクル冷凍機。
請求項１又は請求項２記載のガスサイクル冷凍機において、前記第１段冷凍部の第１段蓄冷器の高温側およびシリンダの高温側とが連通され、前記第２段冷凍部の第２段蓄冷器の高温側および管の高温側とが連通されるとともに、前記第２段冷凍部の管の高温側にバッファが接続されていることを特徴とするガスサイクル冷凍機。