JPH03129257A

JPH03129257A - 極低温冷凍機

Info

Publication number: JPH03129257A
Application number: JP26515889A
Authority: JP
Inventors: Toru Kuriyama; 透栗山; Hideki Nakagome; 秀樹中込
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1989-10-13
Filing date: 1989-10-13
Publication date: 1991-06-03
Anticipated expiration: 2013-06-18
Also published as: JP2766341B2

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】本発明は、極低温冷凍機に係り、特に、蓄冷式の冷凍機
に関する。

（従来の技術）極低温用の冷凍機には種々のタイプがある。

これらの中にギホード・マクマホン形の冷凍機がある。

この冷凍機は、通常、第１１図に示すように構成されて
いる。

すなわち、この冷凍機は大きく別けて、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１１内に往復動自在に収容されたディスプレーサ１２
と、このディスプレーサ１２に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のシリン
ダ１５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が形成されており、この流体通路２
１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、この流体
通路２３には鉛の球などで形成された蓄冷材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１
９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３１
．スコッチョークあるいはクランク軸３２を介してモー
タ１３の回転軸に連結されている。したがって、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３３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３４
と排出口３５とが設けてあり、これら導入口３４と排出
口３５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３５を低圧弁３６．圧
縮機３７．高圧弁３８を介して導入口３４に接続したも
のとなっている。すなわち、この冷媒ガス導排出系２は
、低圧（約５ａｔ１１）のヘリウムガスを圧縮機３７で
高圧（約１８　ａｔｌｌ）に圧縮してシリンダ１１内に
送り込むものである。そして、低圧弁３６．高圧弁３８
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。

このよう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３０Ｋ。

１０に程度まで冷える。このため、第１デイスプレーサ
１８の図中上下端間には常温（３００Ｋ）から３０Ｋま
での温度勾配がつき、また第２デイスプレーサ１９の図
中上下端間には３０Ｋから１０Ｋ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、１段ステージ１６では３０〜８０に、２段ステージ
１７では１０〜２０にの間となる。

モータ１３が回転を開始すると、ディスプレーサ１２は
下死点と上死点との間を往復動する。ディスプレーサ１
２が下死点にあるとき、高圧弁３８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
２５．２６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デイスプレーサ１８に形成された流体通路２１および
第２デイスプレーサ１９に形成された流体通路２３を通
って、第１デイスプレーサ１８と第２デイスプレーサ１
９との間に形成された１段膨張室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段膨張室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段膨張室３９に流れ込んだ高圧ヘリウムガ
スは３０に程度に、また２段膨張室４０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３ｇが閉じ、低圧弁３６が開く、このように低圧弁３
６が開くと、１段膨張室３９内および２段膨張室４０内
の高圧ヘリウムガスが膨張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段膨張室３９内および２段
膨張室４０内のヘリウムガスが排除される。膨張したヘ
リウムガスは流体通路２１．２３内を通る間に蓄冷材２
２゜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なわ
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る。

しかしながら、上記のように構成された従来の極低温冷
凍機においては次のような問題点があった。すなわち、
第２デイスプレーサ１９内には円管状の流体通路２３が
形成されており、内部に球状あるいは粒状の蓄冷材２４
が充填されている。

球あるいは粒が充填された流路内のヘリウムガスの流れ
の速度分布を測定した所、中心部分が最も流速が遅く、
円周方向に外に向かうほど流速が速くなることが観測さ
れた。これは、蓄冷材２４内のある部分のみに多ぐのヘ
リウムガスが流れていることを意味しており、ヘリウム
ガスと蓄冷材２４が熱交換を行うことに対して、ある部
分の蓄冷材は過剰なヘリウムガスと熱交換をしなければ
ならない状態であり、蓄冷材２４が有効に使用されてい
ないことを示す。従って、ここでの蓄冷効率（蓄冷器と
しての熱交換効率）の減少を招き、結果的にはある温度
での冷凍能力の減少につながることになる。

（発明が解決しようとする課題）上述の如く、従来の極低温冷凍機においては、球状ある
いは球状の蓄冷材の収容された蓄冷器において、ヘリウ
ムガス流れに偏りが生じるため蓄冷材をＨ効に使用でき
ておらず、これが原因で蓄冷効率が下がり冷凍能力が低
いという聞届があつた。

そこで、本発明は蓄冷材内のヘリウムガスの流れを均一
させることができ、もって冷凍能力を向上させることが
できる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］（課題を解決するための手段）上記目的を達成するために本発明では、蓄冷材を収容し
たヘリウムガスの通路内をヘリウムガスの流れ方向と同
一方・同心円状の複数の流路に分けており又、半径方向
で外側ほど小さい粒径の蓄冷材を使用している。

（作　　用）ヘリウムガスの流路及び蓄冷材の形状が前記関係のよう
になっているため、蓄冷材内のヘリウムガスの流れの偏
りが大幅に減少する。従って、冷凍能力の向上が実現で
きる。

（実施例）以下、図面を参照しながら第１の実施例を説明する。

第１図には本発明の一実施例に係る極低温冷凍機が示さ
れている。この図では第１１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
。

この実施例に係る極低温冷凍機から従来の極低温冷凍機
と異なる点は、第２デイスプレーサ１９内に形成されて
おり、蓄冷材が収容されているヘリウムガスの流体通路
４１の構成にある。

流体通路４１内には、バイブ４２がヘリウムガスの流れ
と同心円状に設けられており、ヘリウムガスの流路はバ
イブ４２の内側４３と外側４４にわけられている。さら
に流体通路４３内には直径０．４　＋ｕの球状の蓄冷材
４５が、流体通路４４には直径０．２腸層の球状の蓄冷
材４６が収容されている。

このような構成であると、ヘリウムガスの流路は流れの
方向と同一方向に２つに分けられており、内側の流体通
路４３方に直径の大きな蓄冷材４５が収容されているた
め、圧力損失が小さくなり、もって内側の流体通路４３
を流れるヘリウムガスの量が増し、従来に比べてヘリウ
ムガスの流れの偏りを大幅に減少させることができる。

従って、蓄冷材４５．４６による蓄冷効率を高めること
ができ、冷凍能力の向上を図ることができる。

第３図には第２図に示す流体通路と第２図に示す本発明
の流体通路におけるヘリウムガスの蓄冷材内での流速分
布の測定結果が示されている。これは、流体通路の外径
・蓄冷材の量・材質も等しくして常温・静止状態で測定
した結果である。実際の使用条件（極低温、往復動）と
は異なるが、ヘリウムガス、の速度分布が一様に近づい
ていることがわかる。この傾向は、使用条件においても
反映されるものと考えられる。第４図には第１２図に示
す流体通路を組込んだ従来の極低温冷凍機と第２図に示
す流体通路４１を組込んだ本発明に係る極低温冷凍機の
冷凍曲線が示されている。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。この図かられかるように、同じ
温度で冷凍し得る能力は本発明の極低温冷凍機の方が大
きい。

従って、上記構成の流体通路４１を設けたことによって
冷凍能力を向上させ得ることが理解される。

本実施例では流体通路は同心円状に２つの流路に分けら
れていたが、２つ以上の複数でもよい。

尚、第５図に第２の実施例を示すが流体通路４１内には
、バイブ４２がヘリウムガスの流れと同軸状に設けられ
ており、ヘリウムガスの流路はバイブ４２の内側４３と
外側４４にわけられているだけで蓄冷材２４の粒径の大
きさは特に変えていない。このような構成であっても、
ヘリウムガスの流路は流れの方向と同一方向に２つに分
けられており、従来に比べてヘリウムガスの流れの偏り
を大幅に減少させることができる。従って、蓄冷材２４
による蓄冷効率を高めることができ、冷凍能力の向上を
図ることができる。

第７図には第１２図に示す流体通路と第６図に示す本発
明の流体通路におけるヘリウムガスの蓄冷材内での流速
分布の測定結果が示されている。

これは、流体通路の外径・蓄冷材の量・形状・大きさ・
材−質も等しくして常温・静止状態で測定した結果であ
る。実際の使用条件（極低温、往復動）とは異なるが、
ヘリウムガスの速度分布が一様に近づいていることがわ
かる。この傾向は、使用条件においても反映されるもの
と考えられる。本実施例では流体通路は同心円状に２つ
の流路に分けられていたが、２つ以上の複数でもよい。

また、同心円状でなくてもよく、形状も円管に限らない
。

次に第３の実施例について説明する。

第８図には本発明の第３の実施例に係る極低温冷凍機が
示されている。

この実施例に係る極低温冷凍機が第１の実施例に係る極
低温冷凍機と異なる点は、第２デイスプレーサ１９内に
形成されており、蓄冷材２４が収容されているヘリウム
ガスの流体通路４１の（Ｒ成にある。

第９図に示すように、流体通路４１内には、球状の蓄冷
材２４とメツシュ４７が収容されており、蓄冷材２４と
メツシュ４７はヘリウムガスの流れに直角方向に交互に
積層されている。

このような構成であると、ヘリウムガスの流路はメツシ
ュの部分によって均一化されるため、従来に比べてヘリ
ウムガスの流れの偏りを大幅に減少させることができる
。従って蓄冷材２４による蓄冷効率を高めることができ
、冷凍能力の向上を図ることができる。

第１０図には第１２図に示す流体通路と第９図に示す本
発明の流体通路におけるヘリウムガスの蓄冷材内での流
速分布の測定結果が示されている。

これは、流体通路の外径・蓄冷材の量・形状・大きさ・
材質も等しくして常温・静止状態で測定した結果である
。実際の使用条件（極低温、往復動）とは異なるが、ヘ
リウムガスの速度分布が一様に近づいていることがわか
る。この傾向は、使用条件においても反映されるものと
考えられる本実施例ではスペーサにメツシュを使用した
が、グラスウール等でもよい。

なお、上述した３つの実施例では第２デイスプレーサ内
の蓄冷材が収容されている流体通路だけを第２．６．９
図に示す流体通路で構成しているが、第１デイスプレー
サ内に設けられる流体通路内も第２．６．９図に示す流
体通路で構成してもよい。また、第３．第４のディスプ
レーサを持つような構成の極低温冷凍機においても適用
できる。

ディスプレーサと蓄冷材を収容する蓄冷器が本実施例の
様に一体となっていない型の極低温冷凍機においても、
蓄冷材を収容する流体通路の形状を流体通路の構成とし
ても良い。また、本実施例では極低温冷凍機の中でも代
表的なギフオード・マクマホン形の冷凍機について述べ
たが、改良型ソルベーサイクル、スターリングサイクル
、ビルミャサイクルの極低温冷凍機にも適用される。

［発明の効果］以上述べたように本発明によれば、蓄冷材内でのヘリウ
ムガスの流れの偏りを大幅に減少させることができるの
で、蓄冷効率の向上を実現でき、冷凍能力を向上させる
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図、第５図、第８図は本発明の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、第
６図、第９図は同極低温冷凍機に組込まれた第２デイス
プレーサの断面図、第３図。第４図、第７図、第１θ図は本発明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す図、
第１１図は従来の極低温冷凍機の概略構成図、第１２図
は同極低温冷凍機に組込まれた第２デイスプレーサの断
面図である。１・・・コールドヘッド、２・・・冷媒ガス導排出系、
１１・・・シリンダ、１２・・・ディスプレーサ、１３
・・・モータ、１４・・・第１シリンダ、１５・・・第
２シリンダ、１６・・・第１ステージ、１７・・・第２
ステージ、１８・・・第１デイスプレーサ、１９・・・
第２デイスプレーサ、２１．２３・・・流体通路、２２
，２４゜４５．４６・・・蓄冷材、２７・・・環状溝、
３９・・・第１膨張室、４０・・・第２膨張室、４１，
４３．４４・・・流体通路、４２・・・バイブ、４７・
・・メツシュ。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）閉じられたシリンダと、このシリンダ内に摺動自
在に配置されるとともに内側に蓄冷材を収容した通路を
有するディスプレーサと、このディスプレーサを往復動
させる手段と、前記シリンダの一端側に設けられた冷媒
ガスの導入口及び排出口と、前記ディスプレーサの往復
動に関連させて前記導入口から前記シリンダ内に高圧の
冷媒ガスを導入した後に前記排出口から排出させる工程
を繰返す冷媒ガス導排出手段とを備えた冷凍機において
、前記蓄冷材を収容した通路内を、冷媒ガスの流れ方向
と同一方向・同心円状の複数の流路に分け、半径方向で
外側ほど粒径の小さい蓄冷材を使用することを特徴とす
る極低温冷凍機。
（２）閉じられたシリンダと、このシリンダ内に摺動自
在に配置されるとともに内側に蓄冷材を収容した通路を
有するディスプレーサと、このディスプレーサを往復動
させる手段と、前記シリンダの一端側に設けられた冷媒
ガスの導入口及び排出口と、前記ディスプレーサの往復
動に関連させて前記導入口から前記シリンダ内に高圧の
冷媒ガスを導入した後に前記排出口から排出させる工程
を繰返す冷媒ガス導排出手段とを備えた冷凍機において
、前記蓄冷材を収容した冷媒ガス通路内を、冷媒ガスの
流れ方向と同一方向に複数の流路に分けたことを特徴と
する極低温冷凍機。前記環状溝内に設けられる有端形のばねリングとから構
成されてなることを特徴とする極低温冷凍機。
（３）閉じられたシリンダと、このシリンダ内に摺動自
在に配置されるとともに内側に蓄冷材を収容した通路を
有するディスプレーサと、このディスプレーサを往復動
させる手段と、前記シリンダの一端側に設けられた冷媒
ガスの導入口及び排出口と、前記ディスプレーサの往復
動に関連させて前記導入口から前記シリンダ内に高圧の
冷媒ガスを導入した後に前記排出口から排出させる工程
を繰返す冷媒ガス導排出手段とを備えた冷凍機において
、前記蓄冷材は粒状の形状をしており、前記通路内に、
冷媒ガスの流れ方向と直角方向に粒状の蓄冷材とスペー
サを交互に積層していることを特徴とする極低温冷凍機
。