JP5589193B2 - 位相調節機構を有するｇ−ｍ冷凍機 - Google Patents

Description

本発明は低温冷凍機、特に蓄熱式低温冷凍機に係り、具体的に言えば、位相調節機構を有するＧ−Ｍ冷凍機に係る。

Ｇ−Ｍ冷却サイクルはギフォード（ＧＩＦＦＯＲＤ）とマクマホーン（ＭＣＭＡＨＯＮ）により共同発明したものであり、その原理が断熱ガスの排気を利用して冷却することである。現在、Ｇ−Ｍ冷凍機は、すでに低温ポンプと、複種の超伝導磁石を冷却することとに応用される。応用される場合、一般的に冷凍機のコールドヘッドを用いて直接に接触し、または高い熱伝導率材料を熱橋として用いて冷却作用を実現する。

現在、通常に使われるＧ−Ｍ冷凍機のシリンダー壁とピストンとの間にはスリットが存在され、冷凍機における圧力が周期的に変化され、スリットはポンプ内気体の損失を引き起こす場合がある。ピストンとシリンダーの高温側がシールリングにより閉止され、しかし一方、低温側が開放される。コールドチャンバが低圧にある場合、スリット中の気体の量が一番少ない、圧力が上がると、ある冷気がスリットに入り、且つ最高圧力まで達するように、シリンダー壁とピストンから熱量を吸収し、それから次の周期に圧力が下がるとき、これらのガスがコールドチャンバに回送されるため、吸収された熱量をコールドチャンバに連れて搬送されて、冷凍量ロスを引き起こす。

さらに、シールリングはピストンにつれてシリンダー内に摺動し、シールリングとシリンダーとの間の、及びシールリングとピストンとの間の密閉がよくない、ホットチャンバ内の高温ガスがシールリングからコールドチャンバに漏れ、コールドチャンバ中の低温ガスがシールリングを通過してホットチャンバに漏れ、共に冷凍量ロスを引き起こされ、この部分の損失がガス漏れロスと称される。冷凍機の稼動時間の増加につれて、シールリングの摩耗もだんだん増加し、シールリングがシリンダーとピストンとの密閉はゆるいほど、シールリングを通過するガス漏れ量が多くなり、発生した冷凍量ロスも連れて多くなる。それ以外に、シールリングがシリンダー内の摺動密閉により発生した摩擦熱が同じように冷凍量ロスを引き起こされる。

これらの冷凍量ロスが冷凍機の性能に深刻な影響を与え、低温超伝導のテストと応用要求を満たされない。

本発明の目的は位相調節機構を導入することによって、位相調節機構を有するＧ−Ｍ冷凍機を提供することにある。このＧ−Ｍ冷凍機は、下記の技術問題を解決することができる。すなわち、Ｇ−Ｍ冷凍機のピストンとシリンダーとの間の隙間におけるガスの作動過程を変え、当該部分のガス膨張を充分に利用して、シールリングからのガス漏れロスを止め、Ｇ−Ｍ冷凍機に、よりよい性能を取得させる。

本発明の技術的解決手段は、
位相調節機構を有するＧ−Ｍ冷凍機において、圧縮機、吸気弁、排気弁、蓄熱器、シリンダー、ピストン、ホットチャンバ、コールドチャンバ、駆動機構、環状隙間と熱交換器を含み、前記圧縮機の排気側が吸気弁と連接され、圧縮機の吸気側が排気弁と連接され、吸気弁、排気弁及び蓄熱器の三者が連通して連接され、蓄熱器がシリンダーと連通して連接され、蓄熱器とシリンダーとの間に熱交換器が設けられており、シリンダー内にピストンが設けられ、ピストンの下方はコールドチャンバであり、ピストンの上方はホットチャンバであり、ピストンとシリンダーの内壁との間は環状隙間であり、ピストンの上に駆動機構を連接しており、環状隙間が位相調節機構と連通し、位相調節機構は、環状隙間内の作動ガスの作動過程を調節する、ことを特徴とする位相調節機構を有するＧ−Ｍ冷凍機。

前記環状隙間内の作動ガスが高温側ガス、ガスピストンと低温側ガスに分けられる。

前記位相調節機構がオリフィス弁とガス貯蔵タンクを含み、環状隙間がオリフィス弁を介してガス貯蔵タンクと連通しており、前記ピストンとシリンダーとの間の、環状隙間の上方に位置する位置にシールリングが設けられる。

前記位相調節機構を内蔵可能であり、内蔵オリフィス弁とガス貯蔵タンクを含み、内蔵オリフィス弁がピストンの高温側の環状隙間内に設けられ、ホットチャンバが位相調節機構のガス貯蔵タンクとして用いられる。

前記吸気弁と排気弁は共に室温に置かれる。

前記蓄熱器内に蓄熱充填材が積み込まれる。

前記ピストンの上に連接された駆動機構がクランク連結棒駆動機構であり、駆動機構がピストン・ロッド、連結ロッドとクランクを含む。

本発明の有益な効果は、
本発明は位相調節機構を導入することによって、環状隙間内のガスの作動過程を変え、当該部分のガス膨張を充分に利用して、シールリングからのガス漏れロスを止め、Ｇ−Ｍ冷凍機に、よりよい性能を取得させる。

本発明の位相調節機構を有するＧ−Ｍ冷凍機システムの原理図である。 位相調節機構をＧ−Ｍ冷凍機に導入後の環状隙間内のガスの作動過程図の１である。 位相調節機構をＧ−Ｍ冷凍機に導入後の環状隙間内のガスの作動過程図の２である。 位相調節機構をＧ−Ｍ冷凍機に導入後の環状隙間内のガスの作動過程図の３である。 位相調節機構内蔵のＧ−Ｍ冷凍機のシステム図である。 ２段式Ｇ−Ｍ冷凍機に導入する位相調節機構の第２段システム図である。

次に、図面と実施例に合わせて、本発明に対してさらに説明を行う。

図１に示されるように、位相調節機構を有するＧ−Ｍ冷凍機は、圧縮機１、吸気弁２、排気弁３、蓄熱器４、シリンダー５、ピストン６、ホットチャンバ７、コールドチャンバ８、駆動機構、環状隙間１３と熱交換器１４を含み、前記圧縮機１の排気側が吸気弁２と連接され、圧縮機１の吸気側が排気弁３と連接され、吸気弁２、排気弁３及び蓄熱器４の三者が連通で連接され、蓄熱器４がシリンダー５と連通で連接され、蓄熱器４とシリンダー５との間に熱交換器１４が設けられており、シリンダー５内にピストン６が設けられ、ピストン６の下方はコールドチャンバ８であり、ピストン６の上方はホットチャンバ７であり、ピストン６とシリンダー５の内壁との間には環状隙間１３であり、ピストン６の上に駆動機構を連接しており、環状隙間１３が位相調節機構と連通する。

環状隙間１３のガスが高温側ガス２０、ガスピストン２１と低温側ガス２２に分けられる。ガスピストン２１の上方が高温側ガスであり、ガスピストン２１の下方が低温側ガスである。

位相調節機構がオリフィス弁１８とガス貯蔵タンク１９を含み、オリフィス弁１８を介して、環状隙間１３をガス貯蔵タンク１９と連通させており、前記ピストン６とシリンダー５との間の、環状隙間１３の上方に位置する位置にシールリング９が設けられ、即ち、前記環状隙間１３がシリンダー５内壁、ピストン６外壁、シールリング９などにより密閉して形成される。環状隙間１３内の作動ガスの位相関係を調整することに用いられるため、Ｇ−Ｍ冷凍機の性能を向上する。

さらに、本発明の位相調節機構が、シリンダー６の高温側と連通する両方向吸気機構、または四方弁機構、または他のより有効な位相調節機構であってもよい。

ピストン６の上に連接された駆動機構がクランク連結棒駆動機構であり、駆動機構がピストン・ロッド１０、連結ロッド１１とクランク１２を含む。

図５のように、本発明の他の実施方式であり、位相調節機構の内蔵のＧ−Ｍ冷凍機のシステム図である。位相調節機構が内蔵オリフィス弁２３とガス貯蔵タンクを含み、内蔵オリフィス弁２３がピストン６の高温側の環状隙間１３内に設けられ、ホットチャンバ７が位相調節機構のガス貯蔵タンクとする。

共に室温に置かれる吸気弁２と排気弁３は、機械によりその開閉を制御して、蓄熱器４とシリンダー５を通過する気流と、サイクルの圧力と容積を制御することに用いられる。

冷凍量を貯蔵・回収する役割を果たすように、低温・高温の気流が交互に蓄熱器４内を流れる。当該役割により、低温・高温気流間の熱交換の目的を達成し、室温と冷凍機の低温側との間の極度温度差を作り上げる。

図１の双方向矢印に示されるように、駆動機構がピストン６をシリンダー５内に上下に摺動させる。前記ピストン６がシリンダー５内部に置かれており、前記ピストン６がクランク連結棒装置により駆動され、シリンダー５内に上下に摺動し、図６中の双方向矢印に示されるように、シリンダーの両側の、２つの有効容積のホットチャンバ７とコールドチャンバ８を形成させる。二者がシールリング９、ピストン６とシリンダー５により隔てられる。

前記ホットチャンバ７は室温に置かれ、またコールドチャンバ８は低温に置かれる。ゆえに、ピストン６とシリンダー５は共に極度の縦方向の温度勾配を受けるため、すべて熱伝導特性のよくない材料で作製する。前記シリンダー５の材料が通常に十分な強度と低い熱伝導率を有するステンレスを採用し、然し一方、ピストン６の材料が通常に熱伝導ロスが減少できるベークライト（登録商標）を採用し、比重がステンレスの比重より小さいため、ピストン６の質量が軽い、往復慣性力が減少でき、且つベークライト（登録商標）の硬度が小さいため、シリンダー５の内壁に傷をつけない。

Ｇ−Ｍ冷凍機の作動過程が下記のように簡単に説明する。まず、制御機構がピストン６をシリンダー５の最下部に置かせて、同時に吸気弁２を開く。圧縮機１からの高圧ガスが蓄熱器４に入り、蓄熱器４の圧力が高くなる、圧力のバランスがとれてから、ピストンがシリンダー５の最下部から上に移動されると共に、蓄熱器４により冷却された高圧ガスがコールドチャンバ８に入る。ピストン６がシリンダー５の最上部に移動され、吸気弁が閉じる。排気弁を開き、コールドチャンバ８のガスを熱交換機１４と蓄熱器４を経由して低圧側と連通させる。このとき、コールドチャンバ中の高圧ガスが低圧側に排気され、冷凍量を取得し、冷凍量が熱交換器１４を介して外部に移送される。ガスが蓄熱器４により加熱してから圧縮機に戻ると同時に、ピストン６がシリンダー５の最下部に再び戻り、排気弁が閉じる。これにより、何度も繰り返し、全体のシステムが作動し続き、絶えずに冷凍量を取得する。

パルスチューブ冷凍機において、オリフィスガス貯蔵タンク及び他の位相調節構造が作動ガスの質量流と圧力波との間の位相関係を調整でき、パルスチューブ冷凍機の性能が改善できる。

図２、図３、図４に示されるように、本発明は位相調節機構をＧ−Ｍ冷凍機に導入し、それによって、環状隙間１３内の作動ガスの作動過程を調整する。環状隙間１３中のガスが３つの部分に分けられ、高温側ガス２０、ガスピストン２１と低温側ガス２２である。環状隙間１３内のガスが圧縮される場合、高温側ガス２０がガスピストン２１によりガス貯蔵タンク１９に押入され、圧縮が終わるとき、ガスピストン２１の位置は図２に示されるとおりである。同じ原理で、膨張冷凍段階に、低温側ガス２２がコールドチャンバ８中に膨張し、膨張が終わるとき、ガスピストン２１の位置は図４に示されるとおりである。図３はガスピストン２１が圧縮または膨張過程におけるバランス位置である。前記環状隙間１３の作動過程は、位相調節機構を有するパルスチューブ冷凍と同一である。冷却効果を発生するように、環状隙間１３内の作動ガスが、元の、冷凍量ロスを引き起こす状況から膨張して働きかけることに変更するため、Ｇ−Ｍ冷凍機に、よりよい性能を取得させる。それ以外に、ガスピストン２１は、さらにシールリング９からのガス漏れロスも止めた。

図６は、２段式Ｇ−Ｍ冷凍機に導入する位相調節機構の第２段システム図である。

位相調節機構を第２段に導入する２段式Ｇ−Ｍ冷凍機は、圧縮機１、吸気弁２、排気弁３、１段シリンダー２４、１段ピストン２５、１段シールリング２６、１段コールドチャンバ２７、２段シリンダー２８、２段ピストン２９、２段コールドチャンバ３０を含む。前記１段コールドチャンバ２７が２段ホットチャンバと２段ガス貯蔵タンクと見なされる。

前記圧縮機１が高圧ガス冷媒、例えば高圧ヘリウムを提供することに用いられる。

共に室温に置かれ、機械により開閉を制御する前記吸気弁２と排気弁３が、１段ピストン２５、２段ピストン２９と１段シリンダー２４、２段シリンダー２８を通過する気流と、サイクルの圧力及び容積を制御することに用いられる。

前記１段シリンダー２４と２段シリンダー２８の材料がステンレスであり、１段シリンダー２４と２段シリンダー２８が一体構造であってもよい。

前記２段ピストン２９が上蓋３１、底蓋３２、２段ピストン胴３３、２段蓄熱充填材３４、ハードシルク・スクリーン３５−３６及びフェルト３７などを含んでおり、前記２段ピストン２９と２段シリンダー２８壁との間は隙間ばめであり、隙間が０．０１−０．０３ｍｍであり、この隙間はシリンダー内にピストンの自由な摺動を保証することができるのみでなく、２段コールドチャンバ３０のガスが直接に２段ホットチャンバ２７に入ることも止められている。前記２段ピストン２９の長さは２段シリンダー２８と同一である。

前記底蓋３２には２段ピストン２９内部と２段コールドチャンバ３０を連通する流路３８を有し、底蓋３２の外径は、２段ピストン２９の外径より０．０５ｍｍ小さく、これにより、作動ガスを２段コールドチャンバ３０と２段ピストン２９内部に出入りさせることができるように、上蓋３１と２段シリンダー２８との間には１つの隙間が形成される。

前記上蓋３１と１段ピストン２５には１段コールドチャンバ２７と２段ピストン２９内部を連通する通路３９を有し、且つ１段ピストン２５に連接し、１段ピストン２５につれて、上下に摺動している。

前記ピストン胴３３にはスパイラル溝４０が開設され、スパイラル溝４０がピストン胴３３の底端から、上蓋３１の頂端まで略３０ｍｍ離れている位置に延伸され、直溝４１がスパイラル溝４０の末端から上蓋３１の頂端まで開設される。

前記２段蓄熱充填材３４が、例えば鉛ボール、２段ピストン２９内部に装着され、底端にはハードシルク・スクリーン３５−３６とフェルト３７を用いて堅く密閉され、頂端が同様な方式を採用して堅く密閉されており、前記２段蓄熱充填材３４が他の蓄熱充填材を採用してもよい、例えば磁気の蓄熱充填材などであり、多層の、同一でない蓄熱充填材を採用してもよい。

特定の作動の場合、前記直溝４１がオリフィス弁１８と見なされており、前記１段コールドチャンバ２７がガス貯蔵タンク１９と見なされる。２段ピストン胴３３と２段シリンダー２８壁との間に囲まれる体積がパルスチューブ１７と見なされる。これにより、位相調節機構が２段式Ｇ−Ｍ冷凍機の第２段に導入され、２段シールリングが同時に除去され、環状隙間１３の作動過程を、位相調節機構を有するパルスチューブ冷凍機の作動過程に変更し、当該部分のガス膨張を十分に利用して働きかけて冷却効果を発生し、且つシールリングからのガス漏れロスと摩擦ロスを除去するため、Ｇ−Ｍ冷凍機の性能を向上する。

本実施例は、簡単にオリフィスガス貯蔵タンク構造の位相調節方式を導入し、よりよい性能を得るために、オリフィスとガス貯蔵タンクのサイズを精確に計算できるし、または、例えば両方向吸気装置、四方弁装置などのようなより有効な位相調節方式を導入してもよい。

本発明は説明しない部分がすべて現有技術と同一であり、または現有技術を採用して実現できる。

Claims (5)

1. 位相調節機構を有するＧ−Ｍ冷凍機において、
   圧縮機（１）、吸気弁（２）、排気弁（３）、蓄熱器（４）、シリンダー（５）、ピストン（６）、ホットチャンバ（７）、コールドチャンバ（８）、駆動機構、環状隙間（１３）と熱交換器（１４）を含み、
   前記圧縮機（１）の排気側が前記吸気弁（２）と連接され、前記圧縮機（１）の吸気側が前記排気弁（３）と連接され、前記吸気弁（２）、前記排気弁（３）及び前記蓄熱器（４）の三者が連通して連接され、前記蓄熱器（４）が前記シリンダー（５）と連通して連接され、前記蓄熱器（４）と前記シリンダー（５）との間に前記熱交換器（１４）が設けられており、前記シリンダー（５）内に前記ピストン（６）が設けられ、前記ピストン（６）の下方は前記コールドチャンバ（８）であり、前記ピストン（６）の上方は前記ホットチャンバ（７）であり、前記ピストン（６）と前記シリンダー（５）の内壁との間は前記環状隙間（１３）であり、前記ピストン（６）の上に駆動機構を連接しており、前記環状隙間（１３）が前記位相調節機構と連通され、前記位相調節機構は、前記環状隙間（１３）内の作動ガスの作動過程を調節する、ことを特徴とする位相調節機構を有するＧ−Ｍ冷凍機。
2. 前記環状隙間（１３）内の作動ガスが高温側ガス（２０）、ガスピストン（２１）と低温側ガス（２２）に分けられる、ことを特徴とする請求項１に記載の位相調節機構を有するＧ−Ｍ冷凍機。
3. 前記位相調節機構がオリフィス弁（１８）とガス貯蔵タンク（１９）を含み、
   前記環状隙間（１３）が前記オリフィス弁（１８）を介して前記ガス貯蔵タンク（１９）と連通しており、前記ピストン（６）と前記シリンダー（５）との間の、前記環状隙間（１３）の上方に位置する位置にシールリング（９）が設けられる、ことを特徴とする請求項１に記載の位相調節機構を有するＧ−Ｍ冷凍機。
4. 前記位相調節機構を内蔵可能であり、
   内蔵オリフィス弁（２３）とガス貯蔵タンクを含み、
   前記内蔵オリフィス弁（２３）が前記ピストン（６）の高温側の前記環状隙間（１３）内に設けられ、前記ホットチャンバ（７）が前記位相調節機構のガス貯蔵タンクとして用いられる、ことを特徴とする請求項１に記載の位相調節機構を有するＧ−Ｍ冷凍機。
5. 前記吸気弁（２）と前記排気弁（３）は共に室温に置かれる、ことを特徴とする請求項１に記載の位相調節機構を有するＧ−Ｍ冷凍機。

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