JPH02309158A - 極低温冷凍機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は極低温冷凍機に係り、特に、蓄冷式冷凍機に関
する。

（従来の技術） 極低温冷凍機のうち、蓄冷器を有する蓄冷式冷凍機には
ギフオード・マクマホン（ＧＭ）冷凍機、スターリング
冷凍機等の種々のタイプがあるが、これらの中で、ＧＭ
冷凍機の構成を第５図に示す。

即ち、このＧＭ冷凍機は大きく分けてコールドヘッド１
と冷媒ガス導排出系２とで構成されている。コールドヘ
ッド１は閉じられたシリンダ１１と、このシリンダ内に
往復動自在に収容されたディスプレーサ１２と、シリン
ダ１１に通じる部屋内に配置されて上記ディスプレーサ
１２の往復動に必要な動力を与えるモータ１３とで構成
されている。

シリンダ１１は大径の第１シリンダ１４と、この第１シ
リンダ１４に同軸的に接続された小径の第２シリンダ１
５とで構成されている。そして、第１シリンダ１４と第
２シリンダ１５との境界壁部分で冷却面としての１段ス
テージ１６を構成し、またシリンダ１５の先端壁部分で
１段ステージ１６より低温の２段ステージ１７を構成し
ている。

ディスプレーサ１２は、第１シリンダ１４内を往復動す
る第１デイスプレーサ１８と第２シリンダ１５内を往復
動する第２デイスプレーサ１９とで構成されている。第
１デイスプレーサ１８と第２デイスプレーサ１９とは、
連結部材２０によって軸方向に連結されている。第１デ
イスプレーサ１８の内側には、軸方向に延びる流体通路
２１が形成されて第１蓄冷器３５を構成しており、第２
蓄冷器３５内には銅メツシユ等で形成された蓄冷材２２
が収容されている。同様に、第２デイスプレーサ１９の
内側にも軸方向に延びる流体通路２３が形成されており
、第２蓄冷器３６を構成している。第２蓄冷器３６内に
は鉛やその他の金属、・金属間化合物等の球あるいは粉
等で構成された蓄冷材２４が収容されている。第１デイ
スプレーサ１８の外周面と第１シリンダ１４の内周面と
の間および第２デイスプレーサ１９の外周面と第２シリ
ンダ１５の内周面との間には、それぞれシール機構２５
．２６が装着されている。

第１デイスプレーサ１８の図中上端は、連結ロッド２７
、スコッチョークあるいはクランク軸２８を解してモー
タ１３の回転軸に連結されている。

従って、モータ１３の回転軸が回転するとこの回転に同
期してディスプレーサ１２が図中実線矢印２９で示すよ
うに往復動する。

第１シリンダ１４の側壁上部には冷媒ガスの導入口３０
と排出口３１とが設けてあり、これら導入口３０と排出
口３１は冷媒ガス導排出系２に接続されている。冷媒ガ
ス導排出系２は、シリンダ１１を経由したヘリウムガス
循環系を構成するもので、排出口３１を低圧弁３２、コ
ンプレッサ３３、高圧弁３４を介して導入口３０に接続
したものとなっている。即ち、この冷媒ガス導排出系２
は、低圧（約５ａｔｍ）ヘリウムガスをコンプレッサ３
３で高圧（約１８ａｔｍ）に圧縮してシリンダ１１内に
送りこむものである。そして、低圧弁３２、高圧弁３４
の開閉はディスプレーサ１２の往復動との関連において
後述する関係に制御される。

この様に構成された冷凍機の動作を簡単に説明すると以
下の通りである。この冷凍機では寒冷の発生する部分、
つまり冷却面に供される部分は第１ステージ１６と第２
ステージ１７とである。これらは熱負荷のない場合にそ
れぞれ３０にと８に程度まで冷える。このため、第１蓄
冷器３５の上下端間には常温（３００Ｋ）から３０Ｋま
での温度勾配がつき、また第２蓄冷器３６の図中上下端
間には３０Ｋから８Ｋまでの温度勾配がつく。ただし、
この温度は各段の熱負荷によって変化し、通常第１ステ
ージ１６では３０〜８０に、２段ステージ１７では８〜
２０に程度となる。

モータ１３が回転を開始すると、ディスプレーサ１２は
上死点と下死点の間を往復動する。ディスプレーサ１２
が下死点にあるとき、高圧弁３４が開いて高圧のヘリウ
ムガスがコールドヘッド１内に流入する。次に、ディス
プレーサ１２が上死点へと移動する。前述の如く、第１
デイスプレーサ１８の外周面と第１シリンダ１４の内周
面との間および第２デイスプレーサ１９の外周面と第２
シリンダ１５の内周面との間にはそれぞれシール機構２
５．２６が装着されている。このため、ディスプレーサ
１２が上死点へと向かうと、高圧のヘリウムガスは第１
蓄冷器３５および第２蓄冷器３６を通って、第１デイス
プレーサ１８と第２デイスプレーサ１９との間に形成さ
れた１段膨脹室３９および第２デイスプレーサ１９と第
２シリンダ１５の先端壁との間に形成された２段膨脹室
４０へと流れる。この流れに伴って、高圧のヘリウムガ
スは蓄冷材２２．２４によって冷却され、結局、１段膨
脹室３つに流れ込んだ高圧ヘリウムガスは３０に程度に
、また２段膨脹室４ｏに流れ込んだ高圧ヘリウムガスは
８に程度に冷却される。

ここで、高圧弁３４が閉じ、低圧弁３２が開く。

このように低圧弁３２が開くと、１段膨脹室３９内およ
び２段膨脹室４０内の高圧ヘリウムガスが膨脹して寒冷
を発生する。この寒冷によって第１ステージ１６および
第２ステージ１７が冷却される。そして、ディスプレー
サ１２が再び下死点へと移動し、これに伴って１段膨脹
室３つ内および２段膨脹室４０内のヘリウムガスが排除
される。

膨脹したヘリウムガスは蓄冷器３５．３６を通る間に蓄
冷材２２．２４によって暖められ、常温となって排出さ
れる。以下、上述したサイクルが繰返されて冷凍運転が
行われる。

このタイプの冷凍機は、超電導マグネットの冷却や赤外
線センサの冷却や、あるいはまたクライオポンプの冷却
源として使用されている。

更に、第２蓄冷器３６内の蓄冷材２４として鉛の変わり
にある種の磁性体、例えばＥｒ３Ｎｉ。

ＥｕＳ、ＧｄＲｈ等を相当量使用することにより、冷凍
機の最低温度を下げ、低温（ＩＯＫ以下）での冷凍能力
を増加させることができる。これは温度の低下と共に、
鉛の比熱か下がり、蓄冷材とし・て熱を蓄える能力が減
少してしまい、蓄冷器としての熱交換効率が大幅に下が
るためである。従って、低温で鉛よりも比熱の大きい材
料を用いることによって、蓄冷効率の向上を図り、最低
温度の低下と低温での冷凍能力の向上が現実されている
。

例えば、第２蓄冷器内の鉛の代りに、Ｅｒ３Ｎｉを使用
すると最低温度が８Ｋから５Ｋまで下がり、１０にで冷
凍能力も３Ｗから５Ｗまで向上している。

しかしながら、上記のように構成された従来の冷凍機に
あっては次のような問題があった。即ち、第２蓄冷器３
６内の蓄冷材２４の一部あるいは全部に磁性体を使用し
た場合、鉛のように球状に加工あるいは第１デイスプレ
ーサ１８内の蓄冷材２２のようにメツシュ状に加工する
ことは非常に困難である。従って、通常は溶融後のバル
ク状のものを粉砕後、ふるい等によりある大きさ’（１
００〜５００μｍ程度）に揃えたものが、蓄冷材として
使用されている。しかし、粉砕後のこれらの材料は数μ
ｍ程度の細かい角や突起を有しており、それらの角が、
冷凍機運転中に欠けて取れてしまう。蓄冷材２４は第２
デイスプレーサ１９よりこほれないように両端でメツシ
ュ等によって蓋をしているが、それらにも数１０μｍ程
度の隙間が開いており、磁性体の細かい粉は、ヘリウム
ガスとともに抜けでてしまう。反面両端のメツシュ等の
蓋の隙間を細かくすることは、ヘリウムガスの圧力損失
を増大させることにつながり得策ではない。

また、第２蓄冷器３６から出た磁性体の微粉はシール２
５に付着し、シールの漏れ量を増大させ冷凍能力を大幅
に低減させてしまう。また、第１蓄冷器３５、バルブ３
２を通って、コンプレッサ３３に至り、バルブ３２の目
詰まりやコンプレッサ３３、の破損にもつながる。この
ように、従来のような粉砕したままの磁性体を蓄冷材と
して使用した場合、冷凍機の能力低下や冷凍機の破損を
生むという問題点かあった。

（発明が解決しようとする課題） 上述の如く、粉砕した磁性体を蓄冷材として使用した蓄
冷式冷凍機にあっては、冷凍機運転中に欠けて生じた磁
性体の微粉が蓄冷器より出てくることによって、冷凍機
の冷凍能力低下を招き、ひいては冷凍機の破損まで引起
こすという問題点があった。

そこで本発明は、磁性体蓄冷材が冷凍機の運転によって
も、微粉を生じないような形とし、もって冷凍機能力の
低下を招くことのないような極低温冷凍機を提供するこ
とを目的としている。

〔発明の構成〕

（課題を解決するだめの手段） 本発明は、上記目的を達成するために、粉砕した磁性体
の表面を池の金属膜によって彼、覆した。

（作用） 粉砕後、他の金属膜によって被覆を行っているため、細
かい角をはじめとする磁性体の欠は落ちやすい部分は、
一つは金属膜によって固定されること、さらに金属膜に
よって形状が丸みを帯びかつ金属膜が晶滑層あるいはク
ッションとなり、応力集中を受けな（なることの二つの
作用により欠けにくいものとなる。

（実施例） 以下、図面を参照しながら実施例を説明する。

第１図に本発明の一実施例に係る冷凍機が示されている
。この図では第５図と同一部分が同一符号で示されてい
る。従って、重複する部分の説明は省略する。

この実施例に係る冷凍機が従来の冷凍機と異なる点は、
第２蓄冷器３５内の蓄冷材２４に使用している磁性体に
ある。

磁性体Ｍは溶融後、粉砕しふるい等によって適当な大き
さく１００〜５００μｍ）に選別する。

この状態の磁性体には数十μｍから数μｍ程度の細かい
角が多数ついている。

第３図に粉砕・選別後の磁性体Ｍの様子を示す。

これらの角４１が冷凍運転を行う内に、欠けて冷凍機内
に漏れてしまう。そこで、磁性体Ｍに金属でメッキ被覆
することによってこれらの細かい角を金属膜Ｓで包む。

この金属は磁性体Ｍより靭性に優れたものであり、熱伝
導率も磁性体Ｍに近いものが望ましく磁性体Ｍに、被覆
する加工のしやすさに優れたものがよい。

例えば、金、銀、銅、ニッケル、モリブデン等である。

金属膜Ｓはメッキ、蒸着等によって形成する。

第２図（ａ）にミキシング後の磁性体Ｍの様子を示す。

第２図（ｂ）に見られるように細かい角４１はメッキに
よって包まれており、この磁性体Ｍを蓄冷材として使用
すると運転中に磁性体の微粉が第２蓄冷器３６よりこぼ
れてシール等に付着し冷凍性能を落とすことがなくなる
。これは角４１は金属膜Ｓによって固定され、さらに金
属膜Ｓによって角４１が丸みを帯び、かつ金属膜Ｓが潤
滑層あるいはクッションとなって応力集中を受けなくな
り角４１の欠落が防止されるからである。

第４図に磁性体Ｍを粉砕したのみで蓄冷材に使用した極
低温冷凍機と、粉砕後、メッキを行った磁性体Ｍを蓄冷
材に使用した極低温冷凍機の運転後１００時間を経過し
た時の冷凍能力曲線示す。

横軸は第２ステージ１７の温度（Ｋ）を示し、縦軸は第
２ステージ１７に加えた熱負荷（Ｗ）を示している。双
方共運転開始直後の冷凍能力曲線は一致していたが、１
００時間経過後には第４図のように能力に差が生じてい
る。本発明実施例の冷凍機に関しては運転開始直後と全
く等しい冷凍能力を示した。また、運転後分解調査を行
った所、粉砕したのみの磁性体Ｍを蓄冷材２４に使用し
た冷凍機ではシール２６に磁性体の微粉が付着していた
が、本発明実施例の冷凍機ではそのような微粉は見られ
なかった。従って、付着した磁性体の微粉がシール２６
の漏れ量を増加させ、第４図に見られるような冷凍能力
の低下を持たらしたものと考えられ、メッキを行った磁
性体を蓄冷材として使用することの効果が理解できる。

なお、上述した実施例では、冷凍機の構造はＧＭ冷凍機
としていたが、ＧＭ冷凍機に限らず、スターリング冷凍
機や改良型ソルベーサイクル冷凍機、ビルミャ冷凍機な
どの蓄冷式極低温冷凍機においても本発明は適用される
。また、磁性体の形状も粒状のみならず、粉体、繊維状
磁性体（例えばメツシュ等の形状）、多孔質等の他の形
状を持つ磁性体においても適用される。

〔発明の効果〕

以上述べたように本発明によれば、蓄冷材として使用し
ている磁性体から微粉が生じることをなくすことかでき
る。従って、極低温冷凍機の冷凍能力の低下や破損を招
くことを未然に防ぐことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係る極低温冷凍機を局部的
に切り欠きして示す構成図、第２図（、ａ）は同極低温
冷凍機に組込まれた磁性体蓄冷材を拡大して見た図、第
２図（ｂ）は第２図（ａ）の一部拡大断面図、第３図は
従来の磁性体蓄冷材を拡大して見た図、第４図は本発明
実施例に係る極低温冷凍機の特性を従来の極低温冷凍機
のそれと比。 較して示した図、第５図は従来の極低温冷凍機の構成図
である。 ３５・・・第１蓄冷器 ３６・・・第２蓄冷器 ２４・・・蓄冷材 Ｍ・・・磁性体

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）圧縮した冷媒ガスを蓄冷器を用いて冷却した後、
   低温部で膨脹させることによって寒冷を発生させる極低
   温冷凍機において、前記蓄冷器内の蓄冷材に粉砕した磁
   性体を用い、この磁性体を他の金属膜によって被覆した
   ことを特徴とする極低温冷凍機。
2. （２）前記金属膜は前記磁性体の靭性よりよい金属で形
   成したものであることを特徴とする請求項１記載の極低
   温冷凍機。
3. （３）前記金属膜は前記磁性体の熱伝導率とほぼ等しい
   熱伝導率を有する金属で形成したものであることを特徴
   とする請求項１記載の極低温冷凍機。