JPH03117855A - 蓄冷型極低温冷凍機 - 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】 ［産業上の利用分野］ この発明は蓄冷型極低温冷凍機の冷凍能力の向上に間す
るものである。

［従来の技術］ 第８図は、例えば特開昭５９−１５７７３号公報に示さ
れた、従来の極低温冷凍機を示す構成図である。

この極低温冷凍機はギフオード・マクマホンサイクルの
冷凍機である。図において、（１）は作動ガス（例えは
ヘリウム）であり、（２）は作動ガス（１）を吸気する
吸気バルブ、（３）は作動ガス（１）を排気する排気バ
ルブである。（４）は第１段膨張室、（５）は往復運動
して、作動ガス（１）を移動させる可動部材であり、第
１段ディスプレーサ−（６）は気体の寒冷を蓄冷する第
１段蓄冷器、（７）は第１段膨張室（４）の作動ガス（
Ｌ）が第１段ディスプレーサ−（５）の外周を流れるこ
とを防止する第１段シール、（８）は第１段膨張室（４
）の寒冷を外部に伝える第１段冷凍ステージ、（９）は
第１段シリンダである。（１０）は第２段膨張室、（１
１）は往復運動して作動ガス（１）を移動させる可動部
材であり、第２段ディスプレーサ−（１２）は気体の寒
冷を蓄冷する第２段蓄冷器の蓄冷管、（１３）は第２段
膨張室（１０）の作動ガス（１）が第２段ディスプレー
サ−（１１）の外周を流れることを防止する第２段シー
ル、（１４）は第２段膨張室（１０）の寒冷を外部に伝
える第２段冷凍ステージ、（１５）は第２段シリンダで
ある。

（１６）は各ディスプレーサ−（５）、（１１）を駆動
するためのモータ、（１７）はモータ（１６）の駆動力
を伝える駆動軸、（１８）は回転運動を直線運動に変換
するクランクである。（１９）は作動ガス（１）を圧縮
する圧縮機、（２０）は高圧側の圧力変動を小さくする
高圧バッファタンク、（２１）は低圧側の圧力変動を小
さくする低圧バッフ７タンク、（２２）は高圧と低圧の
差圧を一定に保つ差圧保持装置である。矢印（２３）は
、第１段冷凍ステージ（８）で吸収される冷凍量Ｑ１、
矢印（２４）は第２段ステージ（１４）で吸収される冷
凍ｊｌＱ２である。（２５）は気体の寒冷を蓄冷する第
２段蓄冷器の補助蓄冷器、（２６）は第２段蓄冷器の容
器、（２７）は第２段蓄冷器の蓄冷管（１２）に蓄冷材
であるヘリウムガス（２９）を供給する供給管、（２８
）は第２段蓄冷器（１２）の内圧を調整する圧力調整器
である。

次に動作について説明する。

第９図はこの冷凍機のＰＶ線図である。縦軸は第１段と
第２段膨張室（４）、（１０）の圧力を、横軸は同じく
容積を示す。まず、第９図におけるＡの状態では、第１
段と第２段ディスプレーサ−（５）、（１１）は最下端
にあり、また、吸気バルブ（２）が開き、排気バルブ（
３）が開いているので、各膨張室（４）、（１０）の圧
力は高圧になっている。次に、Ａ−Ｂでは、各ディスプ
レーサ−（５）、（１１）が上方に動き、それに伴い、
圧縮機（１９）から高圧の作動ガス（１）が各蓄冷器（
６）、（１２）で冷却されつつ各膨張室（４）、（１０
）に導入される。各蓄冷器（６）、（１２）には、温度
勾配がついており、第１段蓄冷器（６）の上端は例えば
３００にで、下端はＩＯＫになっており、第２段蓄冷器
（１２）の上端は例えはＩＯＫで、下端は約４Ｋになる
。そこで第１段膨張室（４）に導入される作動ガス（１
）は約１０Ｋ、第２段膨張室（１０）に導入される作動
ガス（１）は約４Ｋまで冷却される。ＩＯＫ以下の低温
になるとヘリウムガスの比熱は大きくなり、逆に蓄冷器
の蓄冷材に良く用いられる鉛等の比熱は小さくなる。そ
こで螺旋状に巻いた鋼管の内部にＩＯＫ以下の温度で比
熱の大きなヘリウムガス（２９）を供給管（２７）から
導入し、第２段蓄冷器を構成している。またこの圧力は
圧力調整器（２８）で調整できる。Ｂは容積が最大にな
った状態である。この時、各蓄冷器は作動ガス（１）に
よって加熱されるので、始めの温度分布より高い温度分
布になっている。Ｂ−Ｃでは吸気バルブ（２）を閉じ、
排気バルブ（３）を開く。この時、作動ガス（１）が高
圧の状態から低圧の状態に膨張し、各膨張室（４）、（
１０）で寒冷が発生し、Ｃの状態になる。

膨張した作動ガス（１）は第１段冷凍ステージ（８）で
冷凍ｆｔＱＩの１部の熱量を受け、第２段冷凍ステージ
（１４）では、冷凍量Ｑ２の１部の熱量を受けろ。

作動ガス（１）は、次に各蓄冷器（６）、（１２）を冷
却したのち、圧縮機（１９）に戻る。Ｃの状態は各膨張
室（４）、（１０）の圧力が低圧になった状態である。

Ｃ−Ｄでは、各ディスプレーサ−（５）、（１１）が下
方に動き、低圧になった作動ガス（１）を排出する。こ
の時に排出される膨張した作動ガス（１）も第１段冷凍
ステージ（８）で冷凍１ｉＱｌの残りの熱量を受け、第
２段冷凍ステージ（１４）では同じく冷凍ｆｆ１Ｑ２の
残りの熱量を受ける。作動ガス（１）は、次に各蓄冷器
（６）、（１２）を冷却したのち、圧縮機（１９）に戻
る。Ｄ−Ａでは、排気バルブ（３）が閉じ、吸気バルブ
（２）が開き、圧力が低圧の状態から高圧の状態になり
、１サイクルを終了する。Ｂ−Ｄの過程では１．各蓄冷
器（６）、（１２）は冷却されるのでサイクルの始めの
温度分布に戻っている。

［発明が解決しようとする課題］ 従来の極低温冷凍機は以上のように構成されていたので
、第２段蓄冷器（１２）にヘリウムガス（２９）を導入
するための供給管（２７）や圧力調整器（２８）が必要
になり、構造が複雑になる問題点があった。

また、第２段蓄冷器の蓄冷管（１２）の内部でヘリウム
ガス（２９）が動かないため、蓄冷管（１２）とヘリウ
ムガス（２９）との熱交換が悪く、冷凍効率があまり上
がらない等の問題点もあった。

この発明は上記のような問題点を解決するためになされ
たもので、第２段蓄冷器の構造を簡単にし、かつ、第２
段蓄冷器の蓄冷管（１２）とヘリウムガス（２９）の熱
交換を促進し、冷凍効率を向上することを目的とする。

［課題を解決するための手段］ この発明に係わる蓄冷型極低温冷凍機は、作動ガスをヘ
リウムガスとし、かつ蓄冷器を、内部に空間を有する容
器と、この容器に開けられ、上記ヘリウムガスを上記空
間に導入する孔とで構成したものである。

また、容器の形状は蓄冷器の温度勾配方向に細長い形状
にし、上記容器の高温部に放熱部を設けるとよい。

［作用］ この発明に係わる蓄冷器においては、容器の微小な孔か
ら内部に、作動ガスに用いたヘリウムガスを導入するの
で、供給管、圧力調整器が無くなり構造が簡単になる。

また、冷凍サイクルの圧力変動にしたがって、容器内部
のヘリウムガスの一部が容器の内部を移動するため、容
器の内壁との熱交換が促進され、冷凍効率が向上する。

また、容器の形状は蓄冷器の温度勾配方向に細長い形状
にし、上記容器の高温部に放熱部を設けることによって
、パルスチューブ冷凍機の効果が期待でき、冷凍効率が
更に向上する。

［実施例コ 以下、この発明の一実施例による蓄冷型極低温冷凍機を
図について説明する。

第１図はこの発明の一実施例による冷凍機を示す構成図
である。図において、（１）〜（１１ル　（１３）〜（
２４）と（２９）は上記従来装置とまったく同一のもの
である。（１２）は第２段蓄冷器を構成する、ヘリウム
ガスを入れるための容器であり、内部に空間を有する。

（３０）はこの容器に開けられ、ヘリウムガス（２９）
を上記空間に導入する孔、（３１）はヘリウムガス（２
９）の熱交換を促進するための伝熱板である。

なお、作動ガス（１）はヘリウムガスを用いている。

上記のように構成された蓄冷型極低温冷凍機においては
、微少な孔（３０）から、作動ガスに用いたヘリウムガ
ス（２９）を容器（１２）の内部に導入することが可能
になる。従って、供給管（２７）、圧力調整器（２８）
をなくすことが可能になる。さらに微少な孔（３０）の
大きさを適当に設定すると、容器（１２）の内部の圧力
は第２図に示すように、高圧と低圧の中間の圧力Ａ’　
Ｂ’　Ｃ’　Ｄ’で適度な振幅を持たせることが可能に
なる。このため、容器（１２）の内部でヘリウムガス（
２９）が適度に移動し、容器（１２）の内壁との熱交換
を促進できる。

なお、上記実施例では単体の容器（１２）を用いたが、
第３図に示すように、容器（１２）の形状を日盛状、ま
たは板状、ドーナツ状にし、これらを複数個、熱伝導率
小さい材料からなるスペーサ（３２）を介して重ねて蓄
冷器を構成することができる。このように構成すれば、
温度勾配方向の熱侵入をスペーサ（３２）で小さくする
ことができるので、容器（１２）の材料に熱伝導率の大
きな銅等を用いることが可能になり、熱交換をより促進
できる。

また、第４図に示される実施例のように、容器（１２）
の形状を、蓄冷器の温度勾配方向に細長い棒状、例えば
丸棒状、角棒状、多角棒状にし、これらを複数個たばね
て蓄冷器を構成することもてきる。このように構成すれ
ば、熱交換面積を増大することが可能になり、熱交換を
促進できる。

また、上記実施例では容器（１２）の低温部に微少な孔
（３０）を設けている。これは容器内部で圧力変動があ
るとき低圧の状態から高圧の状態になる際、導入される
高圧のヘリウムガス（２９）によって、それまであった
低圧のヘリウムガス（２９）が圧縮され、微少な孔（３
０）の反対側で発熱し、また、高圧の状態から低圧の状
態になる際、高圧のヘリウムガス（２９）が膨張し、微
少な孔（３０）の所で冷凍を発生する効果があるためで
ある。これは良く知られたパルスチューブ冷凍機の基本
原理である。第５図に示すように、第４図の容器（１２
）の高温側に放熱部（３３）、例えば熱伝導率のよい材
料で構成され、フィン状をしたものを設ければ、上記の
発熱Ｑρ（３４）を効率よく第１段冷凍ステージ（８）
に伝えることができるので、低温部での吸熱量を増やす
ことが可能になる。このような構成は第１図に示す構成
のものにも適用でき、同様に容器（１２）の高温部に放
熱部（３３）を設けてもよい。

ざらに、第６図に示される実施例のように、容器（１２
）の形状を螺旋管状にすることもできる。このように構
成すれば、熱交換面積を増大するとともに、温度勾配方
向の熱侵入も小さくすることが可能になり、熱交換を促
進できる。

また、上記実施例の場合も第５図の実施例と同様に、容
器（１２）の高温部に放熱部（３３）を取り付ければ、
第５図の実施例と同様な効果が期待できる（第７図）。

また、上記実施例ではギフオード・マクマホン冷凍機に
ついて述べたが、その他の冷凍サイクル、例えばスター
リング冷凍機やビルマイヤー冷凍機、ソルベー冷凍機等
にも使用できる。

また、上記実施例では２段式冷凍機について述べたが、
単段式や３段以上の冷凍機に使用できることは明かであ
る。

［発明の効果コ 以上のように、この発明によれば作動ガスをヘリウムガ
スとし、かつ蓄冷器を、内部に空間を有する容器と、こ
の容器に開けられ、上記ヘリウムガスを上記空間に導入
する孔とで構成したので、構造が簡単になり、また、冷
凍サイクルの圧力変動にしたがって、容器内部のヘリウ
ムガスの一部が容器の内部を移動するため、容器の内壁
との熱交換が促進され、冷凍効率が向上する。

また、容器の形状を蓄冷器の温度勾配方向に細長い形状
にし、上記容器の高温部に放熱部を設けるこζにより、
パルスチューブ冷凍機の効果が期待でき、冷凍効率が更
に向上する。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例による蓄冷型極低温冷凍機
を示す構成図、第２図はこの発明の一実施例による蓄冷
型極低温冷凍機のＰ−■特性と容器内の圧力変化を示す
特性図、第３図ないし第７図は各々この発明の他の実施
例による蓄冷型極低温冷凍機を示す部分構成図、第８図
は従来の極低温冷凍機を示す構成図、及び第９図は極低
温冷凍機のＰ−Ｖ特性を示す特性図である。 図において、（１）は作動ガス、（４）は第１段膨張室
、（５）は第１段ディスプレーサ−（６）は第１段蓄冷
器、（８）は第１段冷凍ステージ、（１ｏ）は第２段膨
張室、（１１）は第２段ディスプレーサ−（１２）は容
器、（１４）は第２段冷凍ステージ、（１９）は圧縮機
、（２９）はヘリウムガス、（３ｏ）は孔、（３３）は
放熱部である。 なお、図中、同一符号は同一または相当部分を示す。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）可動部材の移動により容積の変化する膨張室内に
   、圧縮された作動ガスを蓄冷器を通して導入し、膨張さ
   せて寒冷を発生させ、再び上記蓄冷器を通して上記膨張
   室より排出させる蓄冷型極低温冷凍機において、上記作
   動ガスをヘリウムガスとし、かつ上記蓄冷器を、内部に
   空間を有する容器と、この容器に開けられ、上記ヘリウ
   ムガスを上記空間に導入する孔とで構成したことを特徴
   とする蓄冷型極低温冷凍機。
2. （２）容器の形状を蓄冷器の温度勾配方向に細長い形状
   にし、上記容器の高温部に放熱部を設けたことを特徴と
   する請求項１記載の蓄冷型極低温冷凍機。