JP5579268B2

JP5579268B2 - 極低温冷凍機及び冷却方法

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Publication number: JP5579268B2
Application number: JP2012520152A
Authority: JP
Inventors: 瑞李; 鵬達顔
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2010-06-14
Filing date: 2010-06-14
Publication date: 2014-08-27
Anticipated expiration: 2030-06-14
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Description

本発明は、極低温冷凍機及び冷却方法に関する。

例えば特許文献１には、ギフォード・マクマホン（ＧＭ）サイクル等を用いた極低温冷凍装置が記載されている。この極低温冷凍装置には、冷凍機から排出された低圧の冷媒ガスを吸い込んで高圧の冷媒ガスとして冷凍機に送り出す圧縮機が設けられている。また、冷凍機と圧縮機との冷媒ガスの流れを制御するためのロータリー弁装置が冷凍機に内蔵されている。ロータリー弁装置には冷凍機に冷媒ガスを吸気するための吸気弁及び冷媒ガスを排気するための排気弁が形成されている。吸気弁は高圧の冷媒ガスを圧縮機から冷凍機に供給するために設けられ、排気弁は低圧の冷媒ガスを冷凍機から圧縮機に排出するために設けられている。

特許第２６１７６８１号公報

よって、吸気弁及び排気弁には開弁時に圧縮機の出入口間の差圧に相当する比較的大きな差圧が作用する。差圧が大きいほど弁におけるエネルギのロスが大きくなる。弁を通るときに流れに乱れが生じ、摩擦熱などとしてエネルギが失われるからである。より正確には流れのエントロピーが大きくなる。このようなエネルギ損失を考慮して、冷凍機には比較的大型の圧縮機が設けられている。しかし、同じレベルの冷凍性能を実現できるのであれば、消費電力のより小さい圧縮機を用いることが省エネルギーの観点からは好ましい。

本発明の目的の一つは、省エネルギー性に優れる極低温冷凍機及び冷却方法を提供することにある。

本発明のある態様によれば、作動気体を吸排気するためにシリンダの内部で駆動されるディスプレーサを備える冷凍機と、前記シリンダから排気された低圧の作動気体を圧縮して高圧の作動気体として前記シリンダに送出するための圧縮機と、前記圧縮機の高圧側及び低圧側の少なくとも一方に接続されており前記圧縮機により調圧され、かつ前記シリンダに接続される中間圧バッファ容積と、を備える極低温冷凍機が提供される。

この態様によれば、中間圧バッファ容積を使用してシリンダと圧縮機との差圧を軽減することができる。圧縮機とシリンダとの間の作動気体流れにおけるエネルギ損失を小さくすることができるので、消費電力の小さい圧縮機を採用し省エネルギー性に優れる極低温冷凍機を実現することができる。また、バッファ容積が中間圧に調圧されることも、冷凍機の省エネルギー性に寄与する。

本発明の別の態様によれば、冷却方法が提供される。この方法は、作動気体を高圧源から膨張空間に吸気する吸気工程と、作動気体を膨張させ該膨張空間から低圧源に排気する排気工程とを含む熱サイクルによって寒冷を発生する。前記吸気工程は、前記高圧源及び低圧源の中間圧を有する中圧源から前記膨張空間に吸気する工程を含む。前記排気工程が開始される前に、前記中圧源を前記膨張空間から遮断し前記膨張空間との差圧を軽減するよう前記中圧源を昇圧する。

本発明の別の態様によれば、冷却方法が提供される。この方法は、作動気体を高圧源から膨張空間に吸気する吸気工程と、作動気体を膨張させ該膨張空間から低圧源に排気する排気工程とを含む熱サイクルによって寒冷を発生する。前記排気工程は、前記高圧源及び低圧源の中間圧を有する中圧源に前記膨張空間から排気する工程を含む。前記吸気工程が開始される前に、前記中圧源を前記膨張空間から遮断し前記膨張空間との差圧を軽減するよう前記中圧源を減圧する。

本発明によれば、省エネルギー性に優れる極低温冷凍機及び冷却方法を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る極低温冷凍機の構成を模式的に示す図である。本発明の一実施形態に係る極低温冷凍機の動作の一例を模式的に示す図である。本発明の一実施形態に係る極低温冷凍機の構成を模式的に示す図である。本発明の他の実施形態に係る極低温冷凍機の構成を模式的に示す図である。本発明の他の一実施形態に係る極低温冷凍機の動作の一例を模式的に示す図である。

図１は、本発明の一実施形態に係る極低温冷凍機１０の構成を模式的に示す図である。極低温冷凍機１０は、シリンダ１２の内部で機械的に駆動されるディスプレーサ１４を備え、ＧＭサイクルによって寒冷を発生させるギフォード・マクマホン型冷凍機（いわゆるＧＭ冷凍機）である。極低温冷凍機１０のコールドヘッドはシリンダ１２及びディスプレーサ１４を含んで構成される。ディスプレーサ１４は、シリンダ１２の高温端と低温端とをディスプレーサ駆動機構１６によって往復動する。ディスプレーサ駆動機構１６は例えば、モータ、及びこのモータの出力する回転運動を往復運動に変換してディスプレーサ１４に伝達するためのクランク及びスコッチヨークを含む。シール１８がシリンダ１２とディスプレーサ１４との間に配置され、シリンダ１２の高温側の上部室２０と低温側の膨張室２２とを仕切っている。膨張室２２の作動気体圧力をシリンダ圧ＰＣと表記する。上部室２０と蓄冷器２４とは第１ガス流路２６により接続され、膨張室２２と蓄冷器２４とは第２ガス流路２８により接続されている。作動気体は例えばヘリウムガスである。

なお、図示の例では蓄冷器２４はシリンダ１２の外部に設けられているが、蓄冷器２４はディスプレーサ１４の内部に組み込まれていてもよい。極低温冷凍機１０は図示のように単段の冷凍機には限られず、直列に接続された複数（例えば２つ）のシリンダのそれぞれの内部にディスプレーサが往復動可能に収容されている複数段（例えば２段）の冷凍機であってもよい。また、極低温冷凍機１０は、作動気体の圧力によってディスプレーサ１４を駆動するよう構成されていてもよい。極低温冷凍機１０はＧＭサイクル以外の適切な熱サイクル例えばソルベイサイクルによって寒冷を発生させるよう構成されていてもよい。

極低温冷凍機１０は、圧縮機３０及び圧力制御部３２をさらに備える。圧縮機３０は作動気体を循環させるために設けられている。すなわち圧縮機３０は、シリンダ１２から排気された低圧ＰＬの作動気体を圧縮し、高圧ＰＨの作動気体をシリンダ１２に再び送出する。圧縮機３０の吐出口及び吸入口から高圧配管４２及び低圧配管４４がそれぞれ延びており、高圧配管４２及び低圧配管４４により圧縮機３０と圧力制御部３２とが接続される。圧縮機３０は圧力制御部３２とは別体に構成されており、このように配管で接続されている。圧縮機３０は実質的に一定の低圧ＰＬの作動気体を吸入し、実質的に一定の高圧ＰＨの作動気体を吐出するよう構成されている。しかし、圧縮機３０は入力圧及び出力圧の少なくとも一方を可変とするよう構成されていてもよい。例えば、圧縮機３０の出入口間の差圧を目標圧に維持するように圧縮機３０は制御されてもよい。

圧力制御部３２は、シリンダ１２と圧縮機３０との間に設けられており、圧縮機３０をシリンダ１２の高温端に接続する。圧力制御部３２は、寒冷を発生させるための熱サイクルを実現するようディスプレーサ１４の往復動に同期させて圧縮機３０とシリンダ１２との接続状態を周期的に切り換える。つまり、圧力制御部３２は、シリンダ１２に作動気体を充填する吸気工程においては圧縮機３０の高圧側をシリンダ１２に接続し、シリンダ１２から作動気体を排出する排気工程においては圧縮機３０の低圧側をシリンダ１２に接続する。また後述するように、圧力制御部３２はシリンダ１２を高圧源及び低圧源に切り換えて接続するだけではなく、バッファ容積３４ともシリンダ１２を接続する。

圧力制御部３２は、少なくとも１つのバッファ容積３４、高圧バルブＶ１、中圧バルブＶ２、及び低圧バルブＶ３を含んで構成される。高圧バルブＶ１は圧縮機３０の高圧側をシリンダ１２の上部室２０に連通させるために高圧ガス流路３６に設けられている。中圧バルブＶ２はバッファ容積３４をシリンダ１２の上部室２０または膨張室２２に連通させるために中圧ガス流路３８に設けられている。低圧バルブＶ３は圧縮機３０の低圧側をシリンダ１２の膨張室２２に連通させるために低圧ガス流路４０に設けられている。

高圧バルブＶ１、中圧バルブＶ２、及び低圧バルブＶ３は、シリンダ１２及び蓄冷器２４に対して並列に設けられている。高圧バルブＶ１、中圧バルブＶ２、及び低圧バルブＶ３のうち少なくとも１つを開くことにより、開弁されたバルブに対応して高圧源、中圧源、及び低圧源のうち少なくとも１つがシリンダ１２及び蓄冷器２４に連通される。すなわち、極低温冷凍機１０は、シリンダ１２に選択的に連通可能である高圧源、中圧源、及び低圧源を含む作動気体源を備える。

高圧ガス流路３６の一端は圧縮機３０の吐出口から延びる高圧配管４２に接続されており、高圧ガス流路３６の他端は第１ガス流路２６に接続されている。中圧ガス流路３８の一端はバッファ容積３４に接続されており、中圧ガス流路３８の他端は第１ガス流路２６に接続されている。低圧ガス流路４０の一端は圧縮機３０の吸入口から延びる低圧配管４４に接続されており、低圧ガス流路４０の他端は第１ガス流路２６に接続されている。

バッファ容積３４は、圧縮機３０により高圧ＰＨ及び低圧ＰＬの中間圧に調圧されるように圧縮機３０の高圧側及び低圧側の少なくとも一方に接続されている。バッファ容積３４の圧力をバッファ圧ＰＢと表記する。図２を参照して後述するように、バッファ圧ＰＢは熱サイクルにおいて圧力制御部３２により中間圧力範囲に制御される。この中間圧力範囲の上限圧は圧縮機３０の高圧ＰＨよりも小さく、下限圧は圧縮機３０の低圧ＰＬよりも大きい。こうしてバッファ容積３４は、作動気体を膨張空間に供給するための高圧源及び作動気体を膨張空間から排気するための低圧源の少なくとも一方によって調圧される中圧源として作用する。

バッファ圧ＰＢは、例えば中圧バルブＶ２の閉弁期間の少なくとも一部において、設定圧に復帰するように調圧される。バッファ容積３４をシリンダ１２に連通させたことによるバッファ圧ＰＢの増減を圧縮機３０により回復させることができる。このため、バッファ容積３４を比較的小さくしても、十分な作動気体源として機能させることができる。例えば、バッファ容積３４をシリンダ１２または膨張室２２の容積よりも小さくして、極低温冷凍機１０をコンパクトに実現することができる。

これに対して圧縮機３０によるバッファ圧ＰＢの回復をしない場合には、相応の大容積のバッファを設けることになると考えられる。バッファの小型化をそれほど重視しない場合にはバッファ圧ＰＢの回復をしないようにしてもよい。この場合、バッファ容積３４を圧縮機３０に連絡するための連絡通路は設けなくてもよい。

バッファ容積３４の設定圧は、高圧バルブＶ１、中圧バルブＶ２、及び低圧バルブＶ３の開弁時に各バルブに作用する差圧を考慮し、各バルブでの作動気体流れによるエネルギ損失を小さくするように設定される。図示のようにバッファ容積３４が１つ設けられている場合には、圧縮機３０の高圧ＰＨ及び低圧ＰＬの平均値ＰＭをバッファ容積３４の設定圧としてもよい。あるいは、平均値ＰＭよりも高圧または低圧に設定圧を設定してもよい。

バッファ容積３４は圧縮機３０の高圧側と低圧側とを連絡する連絡通路に設けられている。バッファ容積３４は、高圧バルブＶ１及び低圧バルブＶ３の開閉状態にかかわらず圧縮機３０の高圧側または低圧側に連通可能である。具体的には、バッファ容積３４は、高圧バルブＶ１の閉弁時に圧縮機３０の高圧側に連通可能に設けられている。また、バッファ容積３４は、低圧バルブＶ３の閉弁時に圧縮機３０の低圧側に連通可能に設けられている。よって、極低温冷凍機１０の熱サイクルに同期させてバッファ容積３４を調圧することも可能であるし、熱サイクルにおける各工程のタイミングに制約されずに独立してバッファ圧ＰＢを調整することもできる。

バッファ容積３４には、第１連絡通路４６及び第２連絡通路４８のそれぞれの一端が接続されている。第１連絡通路４６及び第２連絡通路４８の一方が省略され、バッファ容積３４は圧縮機３０の高圧側または低圧側のいずれか一方に接続されていてもよい。一実施例においてはバッファ容積３４はバッファタンクである。バッファ容積３４は図示されるように圧縮機３０及びシリンダ１２とは別体として設けられ互いに配管及び流路で接続されていてもよい。あるいは、バッファ容積３４はシリンダ１２またはディスプレーサ駆動機構１６の内部に組み込まれていてもよい。バッファ容積３４は圧縮機３０に組み込まれていてもよい。

第１連絡通路４６の他端は高圧ガス流路３６に接続され、第２連絡通路４８の他端は低圧ガス流路４０に接続されている。すなわち、高圧ガス流路３６は高圧バルブＶ１よりも上流で第１連絡通路４６に分岐し、低圧ガス流路４０は低圧バルブＶ３の下流で第２連絡通路４８に分岐している。ここで「上流」は、圧縮機３０の吐出口から送出されシリンダ１２及び蓄冷器２４を経由して圧縮機３０の吸入口に戻る作動気体の循環経路において圧縮機３０の吐出口に近い側を指し示し、「下流」は圧縮機３０の吸入口に近い側を指し示す。なお、高圧ガス流路３６は高圧バルブＶ１よりも下流で第１連絡通路４６に分岐し、低圧ガス流路４０は低圧バルブＶ３の上流で第２連絡通路４８に分岐していてもよい。

バッファ容積３４が設けられている連絡通路には、バッファ容積３４を調圧するための流れ調整部が設けられている。図１に示す実施例においては、流れ調整部は連絡通路の流量を調節するためのバルブであり、開閉タイミングまたは弁の開度を制御することにより流量を調節する。流れ調整部としてバルブを用いることにより、バッファ圧ＰＢの調圧の制御性を高めることができる。弁の開閉によりバッファ圧ＰＢを自由に調整することができる。

圧力制御部３２は、バッファ容積３４を調圧するための第１調圧バルブＶＨ及び第２調圧バルブＶＬを含む。第１調圧バルブＶＨは第１連絡通路４６に設けられ、第２調圧バルブＶＬは第２連絡通路４８に設けられている。第１調圧バルブＶＨ及び第２調圧バルブＶＬのいずれか一方が省略されていてもよい。この場合、第１調圧バルブＶＨ及び第２調圧バルブＶＬの少なくとも一方に代えてオリフィスを設けてもよい。

圧力制御部３２の少なくとも一部がディスプレーサ１４の往復動に同期して機械的に動作するようにシリンダ１２またはディスプレーサ駆動機構１６に組み込まれていてもよい。例えば、ディスプレーサ駆動機構１６に連動して高圧バルブＶ１及び低圧バルブＶ３を交互に開閉するロータリーバルブ機構が設けられていてもよい。このロータリーバルブ機構には、高圧バルブＶ１及び低圧バルブＶ３のそれぞれを開弁する前に一時的に中圧バルブＶ２を開弁するように中圧バルブＶ２が形成されていてもよい。さらに第１調圧バルブＶＨ及び第２調圧バルブＶＬがロータリーバルブ機構に形成されていてもよい。あるいは圧縮機３０に圧力制御部３２の少なくとも一部が組み込まれていてもよい。

また、圧力制御部３２に含まれる少なくとも１つのバルブは、個別的に開閉される制御弁であってもよい。この制御弁の開閉を制御するためのコントローラ（図示せず）が極低温冷凍機１０に設けられていてもよい。このコントローラは極低温冷凍機１０を制御するための制御装置であってもよい。例えば、第１調圧バルブＶＨ及び第２調圧バルブＶＬは、必要に応じて他の弁から独立して開閉可能な制御弁であってもよい。

冷凍サイクルは、作動気体を高圧源から膨張空間に吸気する吸気工程と、作動気体を膨張させ該膨張空間から低圧源に排気する排気工程と、を含む。本実施例においては、吸気工程は中圧源から膨張空間に吸気する工程を含み、排気工程は中圧源に膨張空間から排気する工程を含む。一実施例においては中圧源はバッファ容積３４である。吸気工程と排気工程とは交互に行われる。吸気工程及び排気工程の一方の直後に連続して吸気工程及び排気工程の他方が行われてもよい。あるいは、吸排気をしていないインターバルを吸気工程と排気工程との間に挟んで吸気工程と排気工程とが交互に行われてもよい。

一実施例においては、吸気工程は、作動気体源として中圧源を使用して開始される。吸気工程の中途で作動気体源が中圧源から高圧源へと移行され、高圧源からの吸気により吸気工程は完了する。また、一実施例においては、排気工程は、作動気体源として中圧源を使用して開始される。排気工程の中途で作動気体源が中圧源から低圧源へと移行され、低圧源への排気により排気工程は完了する。作動気体源の移行は、中圧源からの吸気を終了して高圧源または低圧源からの吸排気を開始する切替式の移行であってもよいし、中圧源からの吸気を終了する前に高圧源または低圧源からの吸排気を開始する併用状態を含む移行であってもよい。この作動気体源の移行は、吸気工程及び排気工程の少なくとも一方で行うようにしてもよい。

一実施例においては、バッファ圧ＰＢはシリンダ圧ＰＣに概ね連動して調圧される。こうしてバッファ容積３４は、シリンダ１２が低圧作動気体を排気したときは相対的に低圧にかつシリンダ１２が高圧作動気体を吸気したときには相対的に高圧となるよう中間圧力範囲に調圧される。中間圧力範囲は上述のように、圧縮機３０の高圧ＰＨよりも小さいバッファ最大圧と圧縮機３０の低圧ＰＬよりも大きいバッファ最小圧とにより定められたバッファ圧ＰＢの調圧範囲である。

このようにすれば、シリンダ１２からの排気によりシリンダ圧ＰＣが低下したときにバッファ圧ＰＢもある程度減圧されることになる。同様にシリンダ１２への吸気によりシリンダ圧ＰＣが増加したときにバッファ圧ＰＢもある程度増圧される。バッファ圧ＰＢとシリンダ圧ＰＣとの差圧を比較的小さくすることができるので、中圧ガス流路３８におけるエネルギの損失を抑えることができる。

好ましくは、バッファ圧ＰＢは、吸気工程の開始直前には相対的に低圧の第１設定圧に調圧される。バッファ圧ＰＢは吸気工程においては中間圧力範囲の低圧ゾーンに制御され、排気工程の開始直前には相対的に高圧の第２設定圧となるよう調圧される。バッファ圧ＰＢは排気工程においては中間圧力範囲の高圧ゾーンに制御され、吸気工程の開始直前には再び相対的に低圧の第１設定圧に調圧される。第１設定圧は高圧ゾーンの下限値に等しく、第２設定圧は低圧ゾーンの上限値に等しくてもよい。低圧ゾーンの上限値を高圧ゾーンの下限値よりも大きくすることにより、低圧ゾーンと高圧ゾーンとが重複していてもよい。あるいは、低圧ゾーンの上限値と高圧ゾーンの下限値とを一致させることにより、すなわち第１設定圧と第２設定圧とを等しくすることにより、中間圧力範囲は低圧ゾーンと高圧ゾーンとに区分されていてもよい。

図２は、本発明の一実施形態に係る極低温冷凍機１０の動作の一例を模式的に示す図である。図２の下部には１周期の熱サイクルにおける圧力制御部３２の各バルブの開閉状態の一例を示す。図２の上部及び中部にはその開閉状態の変化によるバッファ圧ＰＢ及びシリンダ圧ＰＣの時間変化を示す。図示されるように、この例では１回のサイクルにおいてステップ１からステップ６の６段階のバルブ開閉状態に順次切り換えられている。前半のステップ１からステップ３が吸気工程であり、後半のステップ４からステップ６が排気工程に相当する。

図２に示す動作例においては（図５に示す動作例においても同様に）、吸気工程において圧縮機３０の高圧側をシリンダ１２に連通させる前にバッファ容積３４はシリンダ１２に連通される。バッファ圧ＰＢによりシリンダ圧ＰＣが昇圧され、高圧バルブＶ１に作用する差圧が軽減される。遅くとも排気工程が開始される前に、好ましくは高圧バルブＶ１を開くまでに、バッファ容積３４はシリンダ１２から遮断される。バッファ圧ＰＢの減少量の少なくとも一部を回復するように圧縮機３０からバッファ容積３４に作動気体が供給され、シリンダ圧ＰＣとの差圧を小さくするようバッファ圧ＰＢは昇圧される。

また、排気工程において圧縮機３０の低圧側をシリンダ１２に連通させる前にバッファ容積３４はシリンダ１２に連通される。バッファ圧ＰＢによりシリンダ圧ＰＣが減圧され、低圧バルブＶ３に作用する差圧が軽減される。遅くとも吸気工程が開始される前に、好ましくは低圧バルブＶ３を開くまでに、バッファ容積３４はシリンダ１２から遮断される。バッファ圧ＰＢの増加量の少なくとも一部を消費するようにバッファ容積３４から圧縮機３０へと作動気体が排出され、シリンダ圧ＰＣとの差圧を小さくするようバッファ圧ＰＢが減圧される。このように図２に示す動作例においては、中圧源による高圧バルブＶ１及び低圧バルブＶ３の差圧低減と、中圧源の作動ガス圧の復元とを交互に繰り返している。

より具体的には図２に示されるように、吸気工程の開始時点での作動気体圧の初期状態は、バッファ圧ＰＢが第１設定圧Ｐ１であり、シリンダ圧ＰＣは排気工程の完了により圧縮機３０の低圧ＰＬに実質的に等しい。第１設定圧Ｐ１は、圧縮機３０の低圧ＰＬと高圧ＰＨの平均値ＰＭよりも低圧に設定されている。

各バルブは吸気工程の開始時点でステップ１の開閉状態をとる。すなわち、圧力制御部３２のバルブのうち中圧バルブＶ２のみが開弁される。高圧バルブＶ１、低圧バルブＶ３、第１調圧バルブＶＨ、及び第２調圧バルブＶＬは閉弁されている。高圧バルブＶ１が閉じられた状態で中圧バルブＶ２がまず開弁されることによりバッファ容積３４がシリンダ１２に先行して連通される。ディスプレーサ１４はシリンダ１２の低温側に位置しており、シリンダ１２の主として上部室２０にバッファ容積３４から作動気体が供給される。こうしてシリンダ圧ＰＣの昇圧が開始される。一方バッファ圧ＰＢは第１設定圧Ｐ１から低下していく。ステップ１の終了時点でのバッファ圧ＰＢが、バッファ圧ＰＢの最小値となる。

所定のステップ切替条件が成立したときにステップ１からステップ２へとバルブ開閉状態が切り換えられる。ステップ切替条件は作動気体圧及び／または経過時間に基づいて定められていてもよい。ステップ切替条件は例えば、シリンダ圧ＰＣが所定圧まで昇圧されたことであってもよいし、バッファ圧ＰＢが所定圧まで低下したことであってもよい。吸気工程の開始時点から所定時間経過したことをステップ切替条件としてもよい。コントローラによりバルブの開閉を個別的に制御する場合には、ステップ切替条件が成立したときにコントローラが開閉状態を切り換える。あるいは、設計上定められたステップ切替条件で各バルブが開閉されるように、（例えばロータリー弁機構に）バルブが機構的に作り込まれている。以下に述べる各ステップの切替においても同様に、例えば作動気体圧及び／または経過時間に基づくステップ切替条件を適用することができる。

ステップ２においては、高圧バルブＶ１及び第１調圧バルブＶＨが開弁される。中圧バルブＶ２、低圧バルブＶ３、及び第２調圧バルブＶＬは閉弁される。すなわち、高圧バルブＶ１及び第１調圧バルブＶＨは閉状態から開状態へと切り換えられ、中圧バルブＶ２は開状態から閉状態に切り換えられる。低圧バルブＶ３及び第２調圧バルブＶＬは閉状態が継続される。

こうしてシリンダ１２の作動気体源はバッファ容積３４から圧縮機３０に切り換えられ、圧縮機３０の高圧ＰＨがシリンダ１２に導入される。シリンダ圧ＰＣは高圧ＰＨに実質的に等しくなる。また、バッファ容積３４は圧縮機３０の高圧側に連通され、第２設定圧Ｐ２に向けてバッファ圧ＰＢが昇圧されていく。ステップ１におけるバッファ圧ＰＢの低下量を回復させ、さらに第１設定圧Ｐ１を超える高圧へとバッファ圧ＰＢは調圧される。第２設定圧Ｐ２は、圧縮機３０の低圧ＰＬと高圧ＰＨの平均値ＰＭよりも高圧に設定されている。第２設定圧Ｐ２は、バッファ圧ＰＢの吸気工程における最大値となる。吸気工程においてはステップ１完了時点の最小圧から第２設定圧Ｐ２までの比較的低圧の範囲にバッファ圧ＰＢが調圧される。なお図示の例では第１設定圧Ｐ１と第２設定圧Ｐ２との平均値は圧縮機３０の平均圧ＰＭに設定されている。

ステップ３においては高圧バルブＶ１のみが開弁されている。すなわち、高圧バルブＶ１は開状態が継続されている。第１調圧バルブＶＨは開から閉に切り換えられる。中圧バルブＶ２、低圧バルブＶ３及び第２調圧バルブＶＬは閉状態が継続される。なお、シリンダ圧ＰＣが高圧ＰＨに達する前にステップ２からステップ３に切り換えられてもよい。また、第１調圧バルブＶＨはステップ３の中途で吸気工程が完了する前に開から閉に切り換えられてもよい。

第１調圧バルブＶＨ、第２調圧バルブＶＬ、及び中圧バルブＶ２が閉じられているので、バッファ圧ＰＢは一定に保たれる。シリンダ圧ＰＣは圧縮機３０の高圧ＰＨに実質的に等しく維持される。主としてステップ３においてディスプレーサ１４がシリンダ１２の低温端から高温端へと移動し、シリンダ１２の膨張室２２の容積が最大化される。このとき室温の作動気体は蓄冷器２４を通過することにより冷却されながら膨張室２２に充填される。こうして膨張室２２が高圧の作動気体で充満され、吸気工程が完了する。

排気工程が開始される。図示の例では排気工程の開始時点は吸気工程の完了時点に一致しているが、これらを異ならせてもよい。吸気工程の完了から所定時間経過したときに排気工程が開始されてもよい。排気工程の開始時点での作動気体圧の初期状態は、バッファ圧ＰＢが第２設定圧Ｐ２であり、シリンダ圧ＰＣは吸気工程の完了により圧縮機３０の高圧ＰＨに実質的に等しい。

ステップ４においては圧力制御部３２のバルブのうち中圧バルブＶ２のみが開弁される。高圧バルブＶ１、低圧バルブＶ３、第１調圧バルブＶＨ、及び第２調圧バルブＶＬは閉弁されている。低圧バルブＶ３が閉じられた状態で中圧バルブＶ２がまず開弁されることによりバッファ容積３４がシリンダ１２に先行して連通される。ディスプレーサ１４はシリンダ１２の高温側に位置しており、シリンダ１２の主として膨張室２２からバッファ容積３４へと作動気体が膨張して排出される。こうしてシリンダ圧ＰＣの減圧が開始される。このときのサイモン膨張により作動気体温度が下がり、寒冷が発生する。一方バッファ圧ＰＢはシリンダ１２からの流入により第２設定圧Ｐ２からさらに上昇していく。ステップ４の終了時点でのバッファ圧ＰＢが、バッファ圧ＰＢの最大値となる。

ステップ５においては、低圧バルブＶ３及び第２調圧バルブＶＬが開弁される。中圧バルブＶ２、高圧バルブＶ１、及び第１調圧バルブＶＨは閉弁される。すなわち、低圧バルブＶ３及び第２調圧バルブＶＬは閉状態から開状態へと切り換えられ、中圧バルブＶ２は開状態から閉状態に切り換えられる。高圧バルブＶ１及び第１調圧バルブＶＨは閉状態が継続される。

こうしてシリンダ１２の作動気体源はバッファ容積３４から圧縮機３０に切り換えられ、圧縮機３０の低圧側にシリンダ１２の膨張室２２から作動気体が膨張し排出される。シリンダ圧ＰＣは低圧ＰＬに実質的に等しくなる。また、バッファ容積３４は圧縮機３０の低圧側に連通され、第１設定圧Ｐ１に向けてバッファ圧ＰＢが減圧されていく。ステップ４におけるバッファ圧ＰＢの増加量よりも大きくバッファ圧ＰＢは減圧される。第１設定圧Ｐ１は、排気工程におけるバッファ圧ＰＢの最小値となる。排気工程においてはステップ４完了時点の最大圧から第１設定圧Ｐ１までの比較的高圧の範囲にバッファ圧ＰＢが調圧される。

ステップ６においては低圧バルブＶ３のみが開弁されている。すなわち、低圧バルブＶ３は開状態が継続されている。第２調圧バルブＶＬは開から閉に切り換えられる。中圧バルブＶ２、高圧バルブＶ１及び第１調圧バルブＶＨは閉状態が継続される。なお、シリンダ圧ＰＣが低圧ＰＬに達する前にステップ５からステップ６に切り換えられてもよい。また、第２調圧バルブＶＬはステップ６の中途で排気工程が完了する前に開から閉に切り換えられてもよい。

第１調圧バルブＶＨ、第２調圧バルブＶＬ、及び中圧バルブＶ２が閉じられているので、バッファ圧ＰＢは一定に保たれる。シリンダ圧ＰＣは圧縮機３０の低圧ＰＬに実質的に等しく維持される。主としてステップ６においてディスプレーサ１４がシリンダ１２の高温端から低温端へと移動し、シリンダ１２の膨張室２２の容積が最小化される。冷却された作動気体はディスプレーサ１４により膨張室２２から押し出され、蓄冷器２４を冷却しながら通過する。こうして膨張室２２から低圧の作動気体が排出され、排気工程が完了する。吸気工程が再び開始され、熱サイクルが繰り返される。

なお、図２においては各ステップに等しい所要時間が割り当てられているように図示されているが、これは説明の便宜のためにすぎない。各ステップの所要時間は所望の冷凍性能を実現するよう最適に調整される。また、１つのステップから次のステップに移行するときにすべてのバルブの開閉状態が同時に切り換えられなくてもよい。一部のバルブの開閉を他のバルブよりも若干先行させて（または遅らせて）開閉するようにしてもよい。例えば、高圧バルブＶ１及び低圧バルブＶ３の開閉タイミングと、第１調圧バルブＶＨ及び第２調圧バルブＶＬの開閉タイミングとは必ずしも同時でなくてもよい。

付言すると、中圧バルブＶ２の開弁期間は必ずしも吸気工程及び排気工程の当初でなくてもよい可能性もある。吸気工程の開始後または排気工程の開始後に中圧バルブＶ２の開弁期間を設けてもよい。シリンダ１２が十分に昇圧（または減圧）されるまでは、高圧バルブＶ１（または低圧バルブＶ３）には開弁期間中に相応の差圧が作用している。よって、吸気工程の中途（または排気工程の中途）で一時的に中圧バルブＶ２を開弁するようにしても、高圧バルブＶ１（または低圧バルブＶ３）に作用する差圧を軽減する相応の効果があると考えられる。この場合、想定する流れ方向と逆向きの流れがバッファ容積３４とシリンダ１２との間に生じるのを避けるためには、吸気工程（または排気工程）についてはバッファ圧ＰＢがシリンダ圧ＰＣよりも高圧（または低圧）であるときに中圧バルブＶ２の開弁期間を設定することが好ましい。

上述の実施形態によれば、シリンダ１２への吸気開始に際してバッファ容積３４が優先的に連通される。これにより、高圧バルブＶ１に作用する差圧を軽減してから開弁することができる。また、シリンダ１２からの排気中に予めバッファ圧ＰＢが低めに調圧されており、吸気に際して中圧バルブＶ２に作用する差圧も軽減されている。よって、バッファ容積３４を優先的に連通することによる中圧バルブＶ２でのエネルギ損失も小さくすることができる。

同様にして、シリンダ１２からの排気開始に際してバッファ容積３４が優先的に連通される。これにより、低圧バルブＶ３に作用する差圧を軽減してから開弁することができる。また、シリンダ１２への吸気中に予めバッファ圧ＰＢが高めに調圧されており、排気に際して中圧バルブＶ２に作用する差圧も軽減されている。よって、バッファ容積３４を優先的に連通することによる中圧バルブＶ２でのエネルギ損失も小さくすることができる。

このようにして作動気体流れにおけるエネルギ損失を小さくしているので、消費電力の小さい圧縮機３０を採用して省エネルギー性に優れる極低温冷凍機１０を実現することができる。また、バッファ容積３４を中間圧力範囲に維持していることも、圧縮機の最大圧レベル及び最小圧レベルにバッファ圧を反復的に増減させる場合に比べて省エネルギー性に寄与する。更に、バッファ容積３４を調圧することによりバッファ容積３４を小さくすることができるので、圧縮機の小型化と相まって極低温冷凍機１０を全体的に小さくすることも可能である。

図３は、本発明の一実施形態に係る極低温冷凍機１０の構成を模式的に示す図である。図１に示す極低温冷凍機１０はバッファ容積３４を１つ有するのに対して、図３に示す極低温冷凍機１０は複数のバッファ容積を有する点で異なっている。以下の説明においては既述の実施例との共通部分については冗長を避けるため同一の参照符号を付して説明を適宜省略する。また、図１に示す実施例に関連して説明した変形例は、図３に示す実施例にも適用可能である。

極低温冷凍機１０の圧力制御部３２は、第１バッファ容積３４に加えて第２バッファ容積５０を備える。第１バッファ容積３４は図１に示す実施例と同様に、第１連絡通路４６及び第２連絡通路４８を介して圧縮機３０の高圧側及び低圧側のそれぞれに連絡されている。第１連絡通路４６には第１調圧バルブＶＨ１が設けられ、第２連絡通路４８には第２調圧バルブＶＬ１が設けられている。第１バッファ容積３４をシリンダ１２に連通するために第１中圧バルブＶ２１が第１中圧ガス流路３８に設けられている。

第２バッファ容積５０は第１バッファ容積３４と並列に、第１バッファ容積３４と同様の配置で設けられている。第２バッファ容積５０は、第１連絡通路５２を介して圧縮機３０の高圧側に連絡され、第２連絡通路５４を介して圧縮機３０の低圧側に連絡されている。第１連絡通路５２には第１調圧バルブＶＨ２が設けられ、第２連絡通路５４には第２調圧バルブＶＬ２が設けられている。第２バッファ容積５０をシリンダ１２に連通するために第２中圧バルブＶ２２が第２中圧ガス流路５６に設けられている。第２中圧ガス流路５６は第１ガス流路２６に接続されている。

一実施例においては、第１バッファ容積３４のバッファ圧ＰＢ１と第２バッファ容積５０のバッファ圧ＰＢ２とは異なる値に調圧される。一方の圧を他方よりも高圧範囲に制御する。例えば、第１バッファ容積３４のバッファ圧ＰＢ１の熱サイクル１周期の平均値がＰＭ＋ΔＰに設定され、第２バッファ容積５０のバッファ圧ＰＢ２の熱サイクル１周期の平均値がＰＭ−ΔＰに設定される。

吸気工程に際しては低圧のバッファ容積から順にシリンダ１２に連通させる。排気工程に際しては逆に高圧のバッファ容積から順にシリンダ１２に連通させる。このようにすれば、高圧バルブＶ１及び低圧バルブＶ３に作用する差圧を一層軽減することができる。また、中圧バルブＶ２１、Ｖ２２に作用する差圧も小さくすることができる。

図４は、本発明の他の実施形態に係る極低温冷凍機１０の構成を模式的に示す図である。図１に示す極低温冷凍機１０は流れ調整部として第１調圧バルブＶＨ及び第２調圧バルブＶＬが設けられているのに対して、図４に示す極低温冷凍機１０における流れ調整部はオリフィスであるという点で異なっている。以下の説明においては既述の実施例との共通部分については冗長を避けるため同一の参照符号を付して説明を適宜省略する。また、図１乃至図３に示す実施例に関連して説明した変形例は、本実施例にも適用可能である。

図４に示されるように、第１調圧バルブＶＨ及び第２調圧バルブＶＬに代えて、第１調圧オリフィスＯＨ及び第２調圧オリフィスＯＬが設けられている。流れ調整部としてバルブに代えてオリフィスを用いることにより、圧力制御部３２の構成を簡素にすることができる。第１調圧オリフィスＯＨは第１連絡通路４６に設けられ、第２調圧オリフィスＯＬは第２連絡通路４８に設けられている。

第１調圧オリフィスＯＨ及び第２調圧オリフィスＯＬの開度はバッファ圧ＰＢに連動するように予め調整されている。すなわち、設定圧ＰＭよりもバッファ圧ＰＢが低圧である場合には第２調圧オリフィスＯＬよりも第１調圧オリフィスＯＨの流量が大きくなるようオリフィスの開度が設定されている。バッファ圧ＰＢが設定圧ＰＭに等しい場合には第１調圧オリフィスＯＨ及び第２調圧オリフィスＯＬの流量が等しくなるようオリフィスの開度が設定されている。設定圧ＰＭよりもバッファ圧ＰＢが高圧である場合には第１調圧オリフィスＯＨよりも第２調圧オリフィスＯＬの流量が大きくなるようオリフィスの開度が設定されている。

なお第１調圧オリフィスＯＨ及び第２調圧オリフィスＯＬのいずれか一方が省略されていてもよい。この場合、オリフィスが設けられていないほうの連絡通路も省略されていてもよい。つまり、バッファ容積３４はオリフィス付きの連絡通路を通じて圧縮機３０の高圧側及び低圧側の少なくとも一方に連絡されていてもよい。第１調圧オリフィスＯＨのみを設ける場合には設定圧を平均圧ＰＭよりも小さくして調圧範囲を低圧にすることが好ましい。第２調圧オリフィスＯＬのみを設ける場合には設定圧を平均圧ＰＭよりも大きくして調圧範囲を高圧にすることが好ましい。

図５は、図４に示す極低温冷凍機１０の動作の一例を模式的に示す図である。図５の下部には１周期の熱サイクルにおける圧力制御部３２の各バルブの開閉状態の一例を示す。図５の上部及び中部にはその開閉状態の変化によるバッファ圧ＰＢ及びシリンダ圧ＰＣの時間変化を示す。図示されるように、この例では１回のサイクルにおいてステップ１からステップ６の６段階のバルブ開閉状態に順次切り換えられている。前半のステップ１からステップ３が吸気工程であり、後半のステップ４からステップ６が排気工程に相当する。ステップ２及びステップ３のバルブ開閉状態は同一であり、ステップ５及びステップ６のバルブ開閉状態は同一である。

図５に示されるように、吸気工程の開始時点での作動気体圧の初期状態は、バッファ圧ＰＢが平均圧ＰＭであり、シリンダ圧ＰＣは排気工程の完了により圧縮機３０の低圧ＰＬに実質的に等しい。ステップ１においては中圧バルブＶ２のみが開弁される。高圧バルブＶ１及び低圧バルブＶ３は閉弁されている。高圧バルブＶ１が閉じられた状態で中圧バルブＶ２がまず開弁されることによりバッファ容積３４がシリンダ１２に先行して連通され、シリンダ圧ＰＣの昇圧が開始される。ディスプレーサ１４はシリンダ１２の低温側に位置しており、シリンダ１２の主として上部室２０にバッファ容積３４から作動気体が供給される。

中圧バルブＶ２の開閉にかかわらずバッファ容積３４は第１調圧オリフィスＯＨ及び第２調圧オリフィスＯＬを通じて圧縮機３０に連通されている。第１調圧オリフィスＯＨからの流入及び第２調圧オリフィスＯＬへの流出の合計流量よりも中圧バルブＶ２の流量のほうが大きく設定されているため、中圧バルブＶ２の開弁中はバッファ圧ＰＢが設定圧ＰＭから低下していく。ステップ１の終了時点でのバッファ圧ＰＢが、バッファ圧ＰＢの最小値となる。

ステップ２においては、高圧バルブＶ１は閉状態から開状態へと切り換えられ、中圧バルブＶ２は開状態から閉状態に切り換えられる。低圧バルブＶ３は閉状態が継続される。シリンダ１２の作動気体源はバッファ容積３４から圧縮機３０に切り換えられ、圧縮機３０の高圧ＰＨがシリンダ１２に導入される。シリンダ圧ＰＣは高圧ＰＨに実質的に等しくなる。設定圧ＰＭよりもバッファ圧ＰＢが低圧である場合には第１調圧オリフィスＯＨのほうが流量が大きい。このため、第１調圧オリフィスＯＨ及び第２調圧オリフィスＯＬを通じて設定圧ＰＭに向けてバッファ圧ＰＢが昇圧されていく。こうしてステップ１におけるバッファ圧ＰＢの低下量が回復される。

ステップ３においては高圧バルブＶ１のみが継続して開弁されている。中圧バルブＶ２及び低圧バルブＶ３は閉状態が継続される。バッファ圧ＰＢが設定圧ＰＭに等しい場合には第１調圧オリフィスＯＨ及び第２調圧オリフィスＯＬの流量が等しい。このためバッファ圧ＰＢは一定に保たれる。シリンダ圧ＰＣは圧縮機３０の高圧ＰＨに実質的に等しく維持される。主としてステップ３においてディスプレーサ１４がシリンダ１２の低温端から高温端へと移動し、シリンダ１２の膨張室２２の容積が最大化される。このとき室温の作動気体は蓄冷器２４を通過することにより冷却されながら膨張室２２に充填される。こうして膨張室２２が高圧の作動気体で充満され、吸気工程が完了する。吸気工程においては設定圧ＰＭを境界とする低圧範囲にバッファ圧ＰＢが調圧される。この低圧範囲の下限値はステップ１完了時点のバッファ最小圧である。

続いて排気工程が開始される。排気工程の開始時点での作動気体圧の初期状態においては、バッファ圧ＰＢは設定圧ＰＭに等しい。シリンダ圧ＰＣは吸気工程の完了により圧縮機３０の高圧ＰＨに実質的に等しい。

ステップ４においては中圧バルブＶ２のみが開弁される。高圧バルブＶ１及び低圧バルブＶ３は閉弁されている。低圧バルブＶ３が閉じられた状態で中圧バルブＶ２がまず開弁されることによりバッファ容積３４がシリンダ１２に先行して連通される。ディスプレーサ１４はシリンダ１２の高温側に位置しており、シリンダ１２の主として膨張室２２からバッファ容積３４へと作動気体が膨張して排出される。こうしてシリンダ圧ＰＣの減圧が開始される。このときのサイモン膨張により作動気体温度が下がり、寒冷が発生する。一方バッファ圧ＰＢはシリンダ１２からの流入により設定圧ＰＭから上昇していく。ステップ４の終了時点でのバッファ圧ＰＢが、バッファ圧ＰＢの最大値となる。

ステップ５においては、低圧バルブＶ３が閉状態から開状態へと切り換えられ、中圧バルブＶ２が開状態から閉状態に切り換えられる。高圧バルブＶ１は閉状態が継続される。シリンダ１２の作動気体源はバッファ容積３４から圧縮機３０に切り換えられ、圧縮機３０の低圧側にシリンダ１２の膨張室２２から作動気体が膨張し排出される。シリンダ圧ＰＣは低圧ＰＬに実質的に等しくなる。設定圧ＰＭよりもバッファ圧ＰＢが高圧である場合には第２調圧オリフィスＯＬのほうが流量が大きい。このため、第１調圧オリフィスＯＨ及び第２調圧オリフィスＯＬを通じて設定圧ＰＭに向けてバッファ圧ＰＢが減圧されていく。こうしてステップ４におけるバッファ圧ＰＢの増加量が復元される。

ステップ６においては低圧バルブＶ３のみが継続して開弁されている。中圧バルブＶ２及び高圧バルブＶ１は閉状態が継続される。バッファ圧ＰＢが設定圧ＰＭに等しいので、バッファ圧ＰＢは一定に保たれる。シリンダ圧ＰＣは圧縮機３０の低圧ＰＬに実質的に等しく維持される。主としてステップ３においてディスプレーサ１４がシリンダ１２の高温端から低温端へと移動し、シリンダ１２の膨張室２２の容積が最小化される。冷却された作動気体はディスプレーサ１４により膨張室２２から押し出され、蓄冷器２４を冷却しながら通過する。こうして膨張室２２から低圧の作動気体が排出され、排気工程が完了する。排気工程においては設定圧ＰＭを境界とする高圧範囲にバッファ圧ＰＢが調圧される。この高圧範囲の上限値はステップ４完了時点のバッファ最大圧である。吸気工程が再び開始され、熱サイクルが繰り返される。

上述の各実施形態に係る極低温冷凍機は、磁気共鳴イメージング診断装置、超電導磁石装置、またはクライオポンプの冷却源として使用することができる。また、上述の各実施形態に係る冷却方法は、磁気共鳴イメージング診断装置、超電導磁石装置、またはクライオポンプに好適な冷却方法として用いることができる。

１０極低温冷凍機、１２シリンダ、１４ディスプレーサ、１６ディスプレーサ駆動機構、２０上部室、２２膨張室、２４蓄冷器、３０圧縮機、３２圧力制御部、３４バッファ容積、４６第１連絡通路、４８第２連絡通路、Ｖ１高圧バルブ、Ｖ２中圧バルブ、Ｖ３低圧バルブ、ＶＨ第１調圧バルブ、ＶＬ第２調圧バルブ、ＯＨ第１調圧オリフィス、ＯＬ第２調圧オリフィス。

本発明は、極低温冷凍機及び冷却方法の分野における利用が可能である。

Claims

作動気体を吸排気するためにシリンダの内部で駆動されるディスプレーサを備える冷凍機と、
前記シリンダから排気された低圧の作動気体を圧縮して高圧の作動気体として前記シリンダに送出するための圧縮機と、
前記圧縮機の高圧側及び低圧側の少なくとも一方に接続されており前記圧縮機により調圧され、かつ前記シリンダの低温側の膨張室の吸排気のために前記膨張室に接続される中間圧バッファ容積と、を備えることを特徴とする極低温冷凍機。
前記バッファ容積を前記圧縮機の高圧側及び低圧側の少なくとも一方に連絡する連絡通路と、
前記バッファ容積を調圧するために前記連絡通路に設けられている流れ調整部と、をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の極低温冷凍機。
前記流れ調整部はバルブであることを特徴とする請求項２に記載の極低温冷凍機。
前記流れ調整部はオリフィスであることを特徴とする請求項２に記載の極低温冷凍機。
前記バッファ容積を前記シリンダに連通させるために設けられている中圧バルブと、
前記圧縮機の高圧側を前記シリンダに連通させるために設けられている高圧バルブと、
前記圧縮機の低圧側を前記シリンダに連通させるために設けられている低圧バルブと、をさらに備え、
前記中圧バルブは、前記圧縮機の高圧側を前記高圧バルブにより前記シリンダに連通させる前に前記バッファ容積を前記シリンダに連通させ、前記圧縮機の低圧側を前記低圧バルブにより前記シリンダに連通させる前に前記バッファ容積を前記シリンダに連通させることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の極低温冷凍機。
前記中圧バルブは、前記高圧バルブまたは低圧バルブにより前記圧縮機を前記シリンダに連通させたときに閉弁され、
前記バッファ容積は、前記中圧バルブの閉弁中に圧力を復帰させるよう調圧されることを特徴とする請求項５に記載の極低温冷凍機。
作動気体を高圧源から膨張空間に吸気する吸気工程と、作動気体を膨張させ該膨張空間から低圧源に排気する排気工程とを含む熱サイクルによって寒冷を発生する冷却方法であって、
前記吸気工程は、前記高圧源及び低圧源の中間圧を有する中圧源から前記膨張空間に吸気する工程を含み、
前記排気工程が開始される前に、前記中圧源を前記膨張空間から遮断し前記膨張空間との差圧を軽減するよう前記高圧源により前記中圧源を昇圧することを特徴とする冷却方法。
作動気体を高圧源から膨張空間に吸気する吸気工程と、作動気体を膨張させ該膨張空間から低圧源に排気する排気工程とを含む熱サイクルによって寒冷を発生する冷却方法であって、
前記排気工程は、前記高圧源及び低圧源の中間圧を有する中圧源に前記膨張空間から排気する工程を含み、
前記吸気工程が開始される前に、前記中圧源を前記膨張空間から遮断し前記膨張空間との差圧を軽減するよう前記低圧源により前記中圧源を減圧することを特徴とする冷却方法。
請求項１から６のいずれかに記載の極低温冷凍機によって冷却される、磁気共鳴イメージング診断装置。
請求項１から６のいずれかに記載の極低温冷凍機によって冷却される、クライオポンプ。