JP5127226B2 - 蓄冷器及びクライオポンプ - Google Patents

Description

本発明は、冷媒ガスである例えばヘリウムガスと熱交換を行い一時的に熱を蓄えておく役割を担う蓄冷材を収容した蓄冷器及びその蓄冷器を備えたクライオポンプに関する。

クライオポンプは真空容器内に低温面を設置し、これに容器内の気体分子を凝縮または吸着させて捕捉し排気するポンプである。低温面を形成する方法には閉サイクルの小型ヘリウム冷凍機が一般に用いられている。

そのヘリウム冷凍機は、ヘリウムガスを冷媒ガス（作動流体）とした蓄冷式冷凍機であり、高圧のヘリウムガスを低温部にある膨張空間に送り込み、そこでのヘリウムガスの断熱膨張によって低温を得る。蓄冷式冷凍機の特徴は蓄冷器と呼ばれる熱交換器を備えていることである。蓄冷器の役割は、一方向に流れる圧縮された高圧高温のヘリウムガスから熱を奪ってその熱を蓄えると共に膨張空間に送り込むヘリウムガスを予冷し、また反対方向に流れる膨張した低圧低温のヘリウムガスに、蓄えた熱を与えて室温空間に冷たいヘリウムガスを逃がさないようにする。

蓄冷器にはヘリウムガスとの間で熱交換を行う蓄冷材が収容され、その蓄冷材としては、熱伝導率が高く、また低温（３０Ｋ以下）で他の金属より比熱が高く、さらに安価でもある鉛が使用されている。

あるいは、ハイスペックの冷凍機には、極低温（１５Ｋ以下）で鉛より比熱が高いＥｒ₃Ｎｉなどの磁性材料を使用する場合がある。例えば、特許文献１、特許文献２参照。

特開平１０−３００２５１号公報 特開２００４−１４３３４１号公報

鉛は他の金属に比べて低温下で比熱が高く、また安価な材料ではあるが、冷凍性能を向上させるためには大量かつ純度の高いものを使用することになり、環境に対する影響が大きく、使用後に回収及び適切な処理が必要であり、取り扱い性が悪い。

磁性材料は非常に高価である。またその比熱は相転移温度の近傍に大きなピークを持つ特徴があるため、蓄冷器を構成する場合、蓄冷器内の温度分布に合わせて異なる温度で比熱ピークを持つ数種類の物質を選び層状構造の蓄冷器を構成した方が単独で使うより有効なため、このこともコスト上昇につながる。さらに、磁性材料は金属間化合物で固くて脆く加工性が悪い。

したがって、こうした背景のなかで、環境への影響が大きい鉛以外で、蓄冷材としての諸条件（比熱、熱伝導率、加工性、強度、硬度、化学的安定性、低コスト）を満足する蓄冷材が望まれており、本発明はそのような蓄冷材を用いた蓄冷器及びクライオポンプを提供することを目的とする。

本発明の蓄冷器は、冷媒ガスが通過する内部通路に、冷媒ガスとの間で熱交換を行い３０Ｋ以下で使用される蓄冷材を収容した蓄冷器であって、ここで蓄冷材は、Ｓｎ、Ｓｎに対するＢｉの含有比率が５０％以下であるＢｉ−Ｓｎ合金、及び、Ｓｎに対するＡｇの含有比率が５０％以下であるＡｇ−Ｓｎ合金のいずれかであることを特徴としている。

また、本発明のクライオポンプは、Ｓｎ、Ｂｉ−Ｓｎ合金、Ａｇ−Ｓｎ合金の何れかからなる蓄冷材を冷媒ガスが通過する内部通路に収容した蓄冷器を備えることを特徴としている。

上記Ｓｎ、Ｂｉ−Ｓｎ合金、Ａｇ−Ｓｎ合金の何れかからなる蓄冷材は鉛を含まないため、人体や環境への悪影響が小さく、取り扱いが容易である。また、磁性材料に比べて安価である。さらに、加工性にも優れるので、例えば冷媒ガスとの熱交換効率を高めるために微小な球状への加工も容易に行える。

本発明の蓄冷器によれば、冷媒ガスとの間で熱交換を行う蓄冷材として、Ｓｎ、Ｂｉ−Ｓｎ合金、Ａｇ−Ｓｎ合金の何れかを用いているので、従来と同等の性能を維持しつつ、安価で且つ取り扱い性に優れたものを提供できる。

本発明のクライオポンプによれば、気体分子を凝縮させる低温面を形成するための蓄冷式の冷凍機に、上記蓄冷材を備えた蓄冷器を使うことで、面倒な取り扱いや、形状や機械的構造の変更、さらにはコストアップを要することなく、従来と同等の性能のものを提供できる。

本発明の実施形態に係るクライオポンプの概略図である。 図１のクライオポンプにおける冷凍機の動作説明図である。 各種蓄冷材の比熱特性を示すグラフである。

符号の説明

１ クライオポンプ
２ 冷凍機ユニット
３ 圧縮機
５ １段シリンダ
６ ２段シリンダ
７ シールド
８ バッフル
９ クライオパネル
１１ １段ディスプレーサ
１２ ２段ディスプレーサ
１３ １段蓄冷器
１４ ２段蓄冷器
１５ 蓄冷材
１６ 蓄冷材
１８ 吸入バルブ
１９ 排出バルブ
２１ １段膨張空間
２２ ２段膨張空間
２５ 室温空間
３１ １段熱負荷フランジ
３２ ２段熱負荷フランジ

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

図１は本発明の実施形態に係るクライオポンプ１の概略図を示す。クライオポンプ１は冷凍機ユニット２を備えており、その冷凍機ユニット２は、圧縮機３と、大小２段のシリンダ５、６を備える。圧縮機３で高圧に圧縮されたヘリウムガスが両シリンダ５、６内を循環して、それらシリンダ５、６内に形成された膨張空間を極低温に冷却し、これに伴いシリンダ５、６に接続して設けられたシールド７、バッフル８、クライオパネル９も極低温に冷却されて気体分子を凝縮する。

図２に示すように、シリンダ５、６の内部には、２つのディスプレーサ１１、１２が収容されている。ディスプレーサ１１、１２は、カム１７を介して図１に示すモータ４の駆動軸に連結され、そのモータ駆動軸の駆動回転により、２つのディスプレーサ１１、１２は一体となってシリンダ５、６内を往復動される。

１段ディスプレーサ１１内には１段蓄冷器１３が収容されている。２段ディスプレーサ１２内には２段蓄冷器１４が収容されている。１段蓄冷器１３の内部は冷媒ガスであるヘリウムガスが通過する通路となっており、その通路には蓄冷材１５として複数の銅金網が積層されている。２段蓄冷器１４の内部もヘリウムガスが通過する通路となっており、その通路には蓄冷材１６として複数の微小球が充填されている。２段蓄冷器１４の蓄冷材１６は、Ｓｎ、Ｂｉ−Ｓｎ合金、Ａｇ−Ｓｎ合金の何れかからなる。

１段シリンダ５の内部において、１段シリンダ５の端壁と１段ディスプレーサ１１の端壁との間に形成される１段膨張空間２１の外壁には１段熱負荷フランジ３１が設けられている。１段熱負荷フランジ３１には、図１に示すシールド７及びバッフル８が接続され、１段膨張空間２１が低温になるとシールド７及びバッフル８が冷却される。

２段シリンダ６の内部において、２段シリンダ６の端壁と２段ディスプレーサ１２の端壁との間に形成される２段膨張空間２２の外壁には２段熱負荷フランジ３２が設けられている。２段熱負荷フランジ３２には、図１に示すクライオパネル９が接続され、２段膨張空間２２が低温になるとクライオパネル９が冷却される。

圧縮機３からヘリウムガスを膨張空間２１、２２内に供給するための吸入バルブ１８と、膨張空間２１、２２からヘリウムガスを圧縮機３に戻すための排出バルブ１９の開閉はディスプレーサ１１、１２駆動用のモータ４で行われる。

冷凍機ユニット２の電源が投入されると、モータ４の駆動に伴い、吸入バルブ１８、排出バルブ１９の開閉と、ディスプレーサ１１、１２の往復動が繰り返される。

先ず、図２に示す過程（ａ）において、排出バルブ１９を閉じ吸入バルブ１８を開いて、圧縮機３から吐出された高圧のヘリウムガスを１段シリンダ５の室温空間２５に充填する。

次いで、吸入バルブ１８を開いたままでディスプレーサ１１、１２を図２（ｂ）のように室温空間２５側に移動させる。これにより、室温空間２５内のヘリウムガスは、蓄冷器１３、１４を通って蓄冷材１５、１６との熱交換により冷却されながら膨張空間２１、２２に移動する。この操作は、ヘリウムガスが蓄冷器１３、１４を通過するときにその体積が収縮するため等圧条件を満足するように吸入バルブ１８を開けたままで行う。

次いで、過程（ｃ）で、吸入バルブ１８を閉じ排出バルブ１９を開いて膨張空間２１、２２内の高圧ヘリウムガスを放出させ、膨張空間２１、２２内の圧力を下げる。この過程で膨張空間２１、２２内のヘリウムガスは断熱膨張して低温の低圧ガスとなり膨張空間２１、２２の温度が低下し、熱負荷フランジ３１、３２を介して、シールド７、バッフル８、クライオパネル９が冷却される。

次いで、過程（ｄ）で、排出バルブ１９を開いたままでディスプレーサ１１、１２を膨張空間２１、２２側に移動させる。これにより、膨張空間２１、２２に残っている低温のヘリウムガスが蓄冷器１３、１４を通って室温空間２５に移動し、ヘリウムガスは各蓄冷材１５、１６と熱交換を行った後に排出バルブ１９から排出される。すなわち、膨張空間２１、２２内の低温ヘリウムガスは、次のサイクルで吸入されるヘリウムガスを冷却するために蓄冷材１５、１６を冷やしながら温度上昇して室温に戻った後に排出バルブ１９を介して圧縮機３へと戻される。そして、排出バルブ１９は閉じ、吸入バルブ１８が開いて最初の過程（ａ）の動作となって１サイクルが終了する。

本実施形態では、より低温側に配置された２段蓄冷器１４の蓄冷材１６として、Ｐｂを含まない材料であるＳｎ、Ｂｉ−Ｓｎ合金、Ａｇ−Ｓｎ合金の何れかを使用している。図３のグラフに示されるように、Ｓｎは、クライオポンプを使用する低温領域（３０Ｋ以下）でＰｂより比熱が小さい。しかし、Ｐｂに比べて比熱が小さくても容量の増加により蓄冷材の熱容量を大きくでき従来のＰｂを用いた場合と同等の冷凍能力を達成できる。また、２５〜３０Ｋの領域では、Ｓｎは一部の磁性材料（ＨｏＣｕ₂）と同等の比熱を有する。Ｂｉ−Ｓｎ合金、またはＡｇ−Ｓｎ合金を用いる場合には、Ｓｎに対するＢｉまたはＡｇの含有比率が５０％以下であれば、Ｓｎ単体の場合と同等の比熱を有し、同性能の蓄冷器を構成できる。

このように、Ｓｎ、Ｂｉ−Ｓｎ合金、Ａｇ−Ｓｎ合金をＰｂに代えて蓄冷材として用いても、従来と同等の冷凍能力を実現できる。他の構成部分に改良や調整を施すことなく、単に蓄冷器に収容する蓄冷材を代えるだけでよいので、既存のクライオポンプとの互換性が高い。また、クライオポンプの外観上の形状変化や機械的構造の変化もきたさずメンテナンス性もよい。

蓄冷材１６は、ヘリウムガスの流れを円滑にすると共に、表面積を大きくして熱交換率を高めるために、複数の球状粒子から構成するとよい。Ｓｎ、Ｂｉ−Ｓｎ合金、Ａｇ−Ｓｎ合金からなる材料は、磁性材料のように硬く且つ脆くなく、球状への加工が容易に行える。各球状粒子の直径は、例えば１ｍｍ以下であればヘリウムガスと十分な熱交換が可能である。各球状粒子が粉状になるほどに細かくなってしまうとヘリウムガスの流れの妨げになるので、各球状粒子の直径は円滑なヘリウムガスの流れを許容する大きさに設定する必要がある。

また、Ｓｎ、Ｂｉ−Ｓｎ合金、Ａｇ−Ｓｎ合金は、人体や環境に対する影響が鉛に比べて少なく取り扱いが容易であり、さらに、磁性材料に比べて安価である（約１／１８の価格）。さらに、Ｓｎ、Ｂｉ−Ｓｎ合金、Ａｇ−Ｓｎ合金は、蓄冷材としてのその他の諸条件（熱伝導率、化学的安定性、強度、硬度）を満足する。

以上、本発明の実施形態について説明したが、勿論、本発明はこれに限定されることなく、本発明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。

ディスプレーサ１１、１２の駆動方法としてはモータ駆動方式に限らず、冷媒ガスであるヘリウムガスの圧力差を使用したガス圧駆動方式、あるいはモータとガス圧駆動の併用方式であってもよい。

上記実施形態では蓄冷器を、ギフォード・マクマホン式の冷凍機に用いた例を示したが、逆スターリング式冷凍機、パルスチューブ式冷凍機、ソルベイ式冷凍機にも適用できる。また、そのような冷凍機はクライオポンプに用いられることに限らず、超電導マグネットや極低温センサなどの冷却にも用いることができる。

Claims (3)

1. 冷媒ガスが通過する内部通路に、前記冷媒ガスとの間で熱交換を行い３０Ｋ以下で使用される蓄冷材を収容した蓄冷器であって、
   前記蓄冷材は、Ｓｎ、Ｓｎに対するＢｉの含有比率が５０％以下であるＢｉ−Ｓｎ合金、及び、Ｓｎに対するＡｇの含有比率が５０％以下であるＡｇ−Ｓｎ合金のいずれかである
   ことを特徴とする蓄冷器。
2. 前記蓄冷材は球状に形成され、複数の前記球状の蓄冷材が前記内部通路に充填されていることを特徴とする請求項１に記載の蓄冷器。
3. 請求項１または２に記載の蓄冷器を備えたクライオポンプ。

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