JP6525998B2 - 極低温冷凍機のコールドヘッド - Google Patents

Description

本発明は極低温冷凍機のコールドヘッドに関する。

国際公開第９４／２９６５３号には、作動ガスにヘリウムを用いて動作し、高圧源及び低圧源に接続されている極低温冷凍機のコールドヘッドが開示されている。コールドヘッドは複数チャネルの制御バルブを備える。マルチチャネルバルブは、ピストンシリンダ部及び高温側におけるコールドフィンガーの作動チャンバの高圧入口及び低圧入口夫々への接続を制御する。蓄熱体を含むディスプレーサは、一端部においては高温側作動チャンバの範囲を定め、他端部においては低温側作動チャンバの範囲を定める。一方でディスプレーサは周期的にピストン／シリンダ部により往復運動し、熱はコールドヘッドのハウジングから恒常的に奪われていく。コールドヘッドが単段のディスプレーサを備えることにより、温度は約３０Ｋ以下の温度とすることができる。２段又は３段のディスプレーサを備えることにより、１Ｋ未満の温度とすることも可能である。熱力学の周期プロセス（スターリングプロセス、又はギフォード・マクマホンプロセス）が、閉回路に誘導される作動ガス、一般にはヘリウムを用いるコールドヘッドで発生する。結果として熱は、ディスプレーサを包囲するハウジングの一端部から奪われる。

国際公開第９４／２９６５３号パンフレット

コールドヘッドは圧縮機に接続されている。回路は閉回路であるから、コールドヘッドの高圧継手及び低圧継手のいずれも、圧縮機に接続されている。このような圧縮機は典型的に、過圧バルブを備えている。同様に、高圧側及び低圧側の間に設けられている戻し流路に、過圧バルブが備えられている。典型的には、過圧バルブは、例えば圧縮機における高圧側及び低圧側の間における例えば１８バールの差圧のために一般的に設計されたバネ付勢逆止弁である。抵抗値が非常に高いコールドヘッドが圧縮機に接続されている場合、作動圧は圧縮機の高圧側で過度に増加する。この過度のエネルギーを放出するために、過圧バルブが開口し、これにより冷媒、具体的にはヘリウムが、戻し流路経由で圧縮機の低圧側へ流れる。コールドヘッドの周期プロセスにより、圧縮機からコールドヘッドへのパルスガス供給が発生する。ここで、ガス振動が起こる可能性があるが、ガス振動が長い期間発生する場合、過圧バルブの多頻度の開閉を引き起こしかねない。この場合過圧バルブは深刻な過負荷を受けるから、過圧バルブのバルブシートへの損傷発生、又は破壊をも招き得る。また、このような過負荷は深刻なノイズ発生及び性能低下を引き起こす。過圧バルブが損傷した場合、オイルが冷却回路内に進入する可能性がある。もう一つの不利な点は、開弁圧と閉弁圧との間における過圧バルブのヒステリシスの存在による性能低下が発生することである。

本発明の１つの目的は、過圧バルブにおける負荷を減少させることである。

本発明によれば、この目的は請求項１に定義したコールドヘッドにより解決される。

本発明における極低温冷凍機のコールドヘッドは、ハウジング、可能であれば複数の部分に分けられたハウジング内に作動チャンバを有している。単段又は複数段のディスプレーサが前記作動チャンバに設けられており、コールドヘッドは更に、高圧冷媒を前記作動チャンバへ供給するための高圧継手と、拡張された又は低圧の冷媒を放出するための低圧継手とを備える。更に、バルブ制御装置が設けられる。バルブ制御装置は、前記作動チャンバへの冷媒の供給及び前記作動チャンバからの冷媒の放出を制御する。ここで、バルブ制御装置は複数のバルブ、例えば入口バルブ及び出口バルブを備える構成としてもよい。好ましくは、バルブ制御装置は、高圧継手、低圧継手及び前記作動チャンバとの間の接続を制御する複数チャネルの制御バルブを有している。本発明によればコールドヘッドは、高圧継手及び低圧継手の間に２つの継手を接続するバイパスチャネルを有している。必要な場合には、過剰な冷媒は、前記コールドヘッドを流れることなしに直接的に、高圧継手から低圧継手へ前記バイパスチャネルを介して流れてもよい。これにより、発生した過剰エネルギーは、バイパスチャネルを通じて放出される。結果として、圧縮機に統合された過圧バルブは安定する。あるいは、過圧バルブは圧縮機から省略されるか、単に安全装置として設けられるようにしてもよい。結果として、大幅に低コストの過圧バルブを少なくとも使用することが可能になる。

本発明のより好ましい実施形態としては、流量調整装置が前記バイパスチャネルに設けられている。該流量調整装置は例えば、ノズル及び／又はバルブであってよい。そして該流量調整装置は、調節が可能であってもよい。この場合、既定の設定が動作に先立って行なわれ、これにより、例えば差圧が超過した場合に前記バルブが開放されるということが可能である。更に、前記流量調整器による調整を外側から、即ちコールドヘッドの外側から許可することが可能である。このように、動作中であっても対応する調整の実施が許可され得る。

本発明はコールドヘッドに、好ましくは圧力調整器を含むバイパスチャネルを設けるので、使用されている圧縮機の大幅なコスト低減を達成することが可能になる。更に、圧縮機の安全動作が促進され、圧縮機の性能が向上する。圧縮機における損傷した過圧バルブを起因とするオイル漏れのリスクもまた減少する。更に、寿命が延長され、ノイズの一定化が達成され得る。

本発明のより好ましい実施形態としては、コールドヘッドはディスプレーサを動かすための移動装置を有しているとよい。移動装置はモータでもよい。モータ、例えば電気モータを用いることにより、例えば、ディスプレーサは溝穴付きガイドに沿って移動することができる。例えば偏心カムを用いることで容易にモータの回転運動がディスプレーサの直線運動へ変換される。代替案として、ディスプレーサを動かすピストン／シリンダ部が設けられてもよい。該ピストン／シリンダ部は例えば分離型油圧システムによって駆動されてもよい。しかしながら、その動きの目的からすると、ピストン／シリンダ部が高圧継手及び低圧継手に接続されることが好ましい。より好ましい実施形態では、ピストン／シリンダ部の作動、そしてディスプレーサの動作は、冷媒によって実現される。

コールドヘッドは、少なくとも第１の接続チャネルが設けられている分配器本体を備えることが更に好ましい。第１の接続チャネルは、前記高圧継手を前記作動チャンバへ接続させることを可能とする。好ましくはこの接続はバルブ制御装置によって形成され、したがって第１の接続チャネルはバルブ制御装置と作動チャンバとの間に設けられている。好ましくは、分配器本体は追加的に、バルブ制御装置と低圧継手との間に設けられた第２の接続チャネルを有しているとよい。

特に好ましい実施の形態では、バルブ本体は制御チャネルをも含むように設計される。制御チャネルは、移動装置、即ち具体的にはピストン／シリンダ部への制御媒体の供給及び放出を可能とする。なお制御媒体とは、好ましくは冷媒である。

本発明は、好ましい実施形態及び添付の図面を参照しつつ以下に詳細が説明される。

従来の極低温冷凍機の概略図である。 本発明に係る極低温冷凍機の概略図である。 本発明によるコールドヘッドの一実施形態の断面略図である。

従来の極低温冷凍機（図１）は、ヘリウムのような冷媒を圧縮する圧縮機１０を備える。高圧側において圧縮機１０は、コールドヘッド１６の高圧継手１４に導管１２を介して接続されている。コールドヘッド１６の低圧継手１８は圧縮機１０の低圧側に導管２０によって接続されている。圧縮機１０における過圧を回避するため、チェックバルブ２４が、圧縮機１０の高圧側を圧縮機１０の低圧側へ繋げる戻し流路２２中に設けられている。

コールドヘッド１６内部にて作動チャンバ２６は、ディスプレーサピストン（図１に示されていない）が設置されている箇所に設けられている。入口バルブ２８は、高圧継手１４に接続されており、このために圧縮された冷媒は、入口バルブ２８が開放されたときに作動チャンバ２６へ流入する。拡張した冷媒は、出口バルブ３０により低圧継手１８へ導かれる。

図２に示す本発明に係るシステムの基本構成において、従来例と類似又は同一する構成要素には同一の符号が付されている。

本発明によれば、略図にて示されたバイパスチャネル３２は、コールドヘッド１６の入口バルブ２８と、コールドヘッド１６の出口バルブ３０との間に設けられている。バイパスチャネル３２には、流量調整装置が設けられていてもよい。本発明に係るバイパスチャネル３２を設けることにより、図２中の破線で示すように、戻し流路２２及び過圧バルブ２４を不要とすることができる。

コールドヘッド１６の好適な実施形態は、図３の断面略図により示されている。

コールドヘッド１６は２つのハウジングパーツ３４及び３６にて形成されたハウジングを有している。ハウジングパーツ３４には、２つの円筒状の低温側作動チャンバ３８及び４０が、２つのディスプレーサステージ４２及び４４に設けられている。

上部のディスプレーサステージ４２は高温側作動チャンバ４６の範囲を定め、分配器本体５２のシリンダ５０内に設置された駆動ピストン４８を設ける。そして、ディスプレーサ７２，７６は、複数のチャンバに分けられるように形成された作動チャンバ３８，４０，４６内に設置されている。

分配器本体５２は、高温側作動チャンバ４６の範囲を規定する。制御チャネル５４、第１の接続チャネル５６、第２の接続チャネル５７が同様にして穿孔により設けられている。第１の接続チャネル５６は、作動チャンバ４６に連通しており、該作動チャンバ４６へ作動ガスを供給することを可能とする。３つのチャネルは全て、制御バルブ５８により制御される。第１の接続チャネル５６は、制御バルブ５８を高温側作動チャンバ４６へ接続し、制御チャネル５４は制御バルブ５８をシリンダ５０へ接続し、第２の接続チャネル５７は制御バルブ５８を低圧継手６０へ接続する。制御バルブ５８は更に、高圧継手６４に接続されているチャンバ６２に接続している。高圧継手６４からはヘリウムガスが約２０バールの圧力にて供給され、約５バールの圧力ではヘリウムは低圧継手１８に行き渡る。いずれの圧力も、制御バルブ５８に対応する継手（図示せず）へチャンバ６２及び第２の接続チャネル５７夫々を介して供給される。各々を接続する導管は全て、分配器本体５２の上部側へ通り、該上部側から制御バルブ５８へ通っている。

ハウジングパーツ３６は、シャフト６８により制御バルブ５８を駆動するモータ６６を収容する。当該バルブは圧縮バネ７０により付勢される。

図示されている実施形態では、熱力学周期プロセスのための作動ガス及びピストン／シリンダ部４８，５０の駆動ガスは同一である。好適には、ヘリウムが用いられる。駆動ガスとして作動ガスとは異なるガスを使用することが可能である。

ディスプレーサ７２，７６を動かすために本実施の形態にて設けられているピストン／シリンダ部４８，５０の代わりに、ディスプレーサ７２，７６はモータ、即ち例えば電気モータにより動かすようにしてもよい。この場合、電気モータは、偏心カムの回転が直線運動となるように偏心カム及び溝穴付きガイドが設けられてもよい。

円筒状の作動チャンバ４６内で、ディスプレーサステージ４２は、ガス透過性を有する蓄熱体７４で内部が満たされている筒状のディスプレーサ７２を含む。蓄熱体７４は冷熱を蓄積し、内部を通過する暖かなガスに蓄積した冷熱を放つように作用する。

同様にして、ディスプレーサステージ４２よりも縮径されたディスプレーサステージ４４は、筒状の作動チャンバ４０内で軸方向に動くことが可能な筒状のディスプレーサ７６を含み、該ディスプレーサ７６はディスプレーサ７２と連結しており、内部はガス透過性を有する蓄熱体７８で満たされている。

コールドフィンガーの動作中、高温側作動チャンバ４６はまず、高圧継手６４に第１の接続チャネル５６及び制御バルブ５８を介して接続される。同時に、制御チャネル５４を通してシリンダ５０へ高圧が導入される。ディスプレーサ７２，７６は、低温側に向けて移動する（下降する）。高圧下のガスは、蓄熱体７４，７８を通過し低温側へも流れる。冷却中の高圧下のガスは拡がり、蓄熱体との熱交換により更に拡大する。

第２のフェーズにて制御チャネル５４は、低圧継手に接続される。高圧の効果により、ディスプレーサ７２，７６は高温側へ向けて移動し、これにより高温側作動チャンバ４６は縮小され、ガスが作動チャンバ４０内の低温側から蓄熱体７４，７８を通過する。

第３のフェーズにて制御バルブ５８は作動チャンバ４０を、導管５６を通じて低圧継手６０へ接続させる。これにより、コールドヘッドの全作動チャンバのガスは冷却されながら拡がる。

その後ディスプレーサ７２，７６は低温側に移動し、低温側作動チャンバ４０の容積は次の周期に向けて縮小する。このフェーズにおいて冷却されたガスが作動チャンバ４０から蓄熱体７４，７８へ向けて流れ、更に冷却される。

上述したプロセスの周期は約２Ｈｚである。

そして、図示した実施の形態においては、本発明に係るバイパスチャネル８０が分配器本体５２に設けられている。バイパスチャネル８０は第２の接続チャネル５７をチャンバ６２へ接続する。したがってバイパスチャネル８０は、高圧継手６４を低圧継手６０へ接続する。そして略図に示したように、バルブ８２のような流量調整装置がバイパスチャネル８０に設けられている。チャンバ６２に不要な高圧が増加した場合、冷媒の一部が、バイパスチャネル８０を通じて直接的に流れ、低圧継手６０に接続している第２の接続チャネル５７へ戻される。

Claims (13)

1. ハウジング（３４，３６）の作動チャンバ（３８，４０，４６）に取り付けられているディスプレーサ（７２，７６）と、前記作動チャンバ（３８，４０，４６）へ高圧縮された冷媒を提供する高圧継手（６４）と、前記作動チャンバ（３８，４０，５６）からの拡張された冷媒を放出する低圧継手（６０）と、前記作動チャンバ（３８，４０，４６）への冷媒の供給、及び、前記作動チャンバ（３８，４０，４６）からの冷媒の放出を制御するバルブ制御装置（２８，３０；５８）とを備える極低温冷凍機のコールドヘッドにおいて、
   前記高圧継手（６４）を前記低圧継手（６０）へ接続するバイパスチャネル（８０）を、前記ハウジング（３４）内の作動チャンバ（４６）の範囲を規定する分配器本体（５２）に備える
   ことを特徴とする極低温冷凍機のコールドヘッド。
2. 流量調整装置（８２）が前記バイパスチャネル（８０）に設けられている
   ことを特徴とする請求項１に記載の極低温冷凍機のコールドヘッド。
3. 前記流量調整装置（８２）は作動中に調整可能である
   ことを特徴とする請求項２に記載の極低温冷凍機のコールドヘッド。
4. 前記ディスプレーサ（７２，７６）を移動させる移動装置（４８，５０）を備える
   ことを特徴とする請求項１−３のいずれか１つに記載の極低温冷凍機のコールドヘッド。
5. 前記移動装置はピストン／シリンダ部（４８，５０）として構成されており、動作時に、好ましくは前記高圧継手（６４）及び低圧継手（６０）に接続される
   ことを特徴とする請求項４に記載の極低温冷凍機のコールドヘッド。
6. 前記移動装置は、電気モータであるモータを有している
   ことを特徴とする請求項４に記載の極低温冷凍機のコールドヘッド。
7. 前記電気モータは、前記ディスプレーサ（７２，７６）に直線運動させるための溝穴付きガイド上を動く偏心カムを駆動する
   ことを特徴とする請求項６に記載の極低温冷凍機のコールドヘッド。
8. 前記バルブ制御装置（２８，３０；５８）は、周期的に動作し、前記作動チャンバ（３８，４０，４６）の前記高圧継手（６４）及び低圧継手（６０）への接続を制御する複数チャネルの制御バルブ（５８）を備える
   ことを特徴とする請求項１−７のいずれか１つに記載の極低温冷凍機のコールドヘッド。
9. 前記バルブ制御装置（２８，３０；５８）は、周期的に動作し、前記作動チャンバ（３８，４０，４６）の前記高圧継手（６４）及び低圧継手（６０）への接続を制御し、前記ピストン／シリンダ部（４８，５０）の接続を制御する複数チャネルの制御バルブ（５８）を備える
   ことを特徴とする請求項５に記載の極低温冷凍機のコールドヘッド。
10. 前記分配器本体（５２）は、前記高圧継手（６４）を前記作動チャンバ（３８，４０，４６）へ接続するために設けられる第１の接続チャネル（５６）を少なくとも含む
    ことを特徴とする請求項１−８のいずれか１つに記載の極低温冷凍機のコールドヘッド。
11. 前記分配器本体（５２）は、前記高圧継手（６４）を前記作動チャンバ（３８，４０，４６）へ接続するために設けられる第１の接続チャネル（５６）を少なくとも含み、
    前記第１の接続チャネル（５６）は前記制御バルブ（５８）と前記作動チャンバ（３８，４０，４６）との間に設けられている
    ことを特徴とする請求項８又は９に記載の極低温冷凍機のコールドヘッド。
12. 前記分配器本体（５２）は、前記制御バルブ（５８）と前記低圧継手（６０）との間に第２の接続チャネル（５７）を含む
    ことを特徴とする請求項１１に記載の極低温冷凍機のコールドヘッド。
13. 前記分配器本体（５２）は、冷媒等である制御媒体を前記ピストン／シリンダ部（４８，５０）へ供給、及び／又は、前記ピストン／シリンダ部（４８，５０）から放出する制御チャネル（５４）を含む
    ことを特徴とする請求項５又は９に記載の極低温冷凍機のコールドヘッド。

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