JPH0375457A

JPH0375457A - 極低温冷凍機装置

Info

Publication number: JPH0375457A
Application number: JP20850889A
Authority: JP
Inventors: Makoto Nakajima; 良中島
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1989-08-11
Filing date: 1989-08-11
Publication date: 1991-03-29

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）本発明はヘリウム等を冷媒として使用する極低温冷凍機
装置に関する。

（従来の技術）絶対温度１０〜２０　（Ｋ　］程度の極低温まで冷凍を
行う冷凍機としては、ギフオード・マグマホン（以下Ｇ
Ｍと略す）サイクル、逆スターリング・サイクル、ソル
ベイ・サイクル等の各種冷凍サイクルを用いたものがあ
り、超電導マグネットの冷却用としてや、高真空ポンプ
であるクライオポンプ用として広く使用されている。

極低温冷凍機装置の一従来例として、０Ｍサイクルによ
る極低温冷凍機装置の基本的構成を第４図を参照して説
明する。圧縮機（１）のガス吐出側にはガスクーラ、油
セパレータ、油フィルタ等の機器や配管からなる高圧部
機器（２）が設けられ、吸気弁（３）を介して０Ｍ式コ
ールドヘッド（４）に配管で接続される。０Ｍ式コール
ドヘッド（４）は、シリンダ（５）、ディスプレーサ（
６）、蓄冷材（７）、ガスシール（８）、ディスプレー
サ駆動機構（９）で構成される。ディスプレーサ（６）
は、ディスプレーサ駆動機構（９）によりシリンダ（５
）の上死点、下死点間を一定の周期で往復動する。ディ
スプレーサ（６）にはガスシール（８）が設けられ、デ
ィスプレーサ（６）とシリンダ（５）間のギャップの冷
媒ヘリウムガスの流通を防いでおり、冷媒ヘリウムガス
はデイスプレーサ（６）内におかれる蓄冷材（７）内を
流通する構造となっている。０Ｍ式コールドヘッド（４
）と圧縮機（１）のガス吸入側の間には排気弁（１０）
を介して、サージタンクを主とした低圧部機器（１１）
が設けられる。

圧縮機（１）で昇圧昇温した冷媒ヘリウムガスは高圧部
機器（２）で冷却され、また油ミスト等の不純物を除去
されて吸気弁（３）から０Ｍ式コールドヘッド（４）内
へ流入する。吸気弁（３）、排気弁（１０）の開閉タイ
ミングとディスプレーサ（６）の位置関係は第５図（ａ
）、（ｂ）に示すような関係にある。すなわちディスプ
レーサ（６）が下死点にある時に、吸気弁（３）がひら
いてシリンダ（５）上部空間に冷媒ヘリウムガスが流入
する。この時排気弁（１０）は閉じたままである。吸気
弁（３）が開いたままディスプレーサ（６）が上死点へ
移動し、冷媒ヘリウムガスは蓄冷材（７）と熱交換しつ
つシリンダ（６）が上死点へつくと同時に吸気弁（３）
が閉じ、排気弁（１０）が開く。すると断熱膨張により
シリンダ（５）下部空間に寒冷が生じる。ディスプレー
サ（６）が下死点に到達するまで排気弁（１０）は開い
ており、冷却されたヘリウムガスは蓄冷材（７）と熱交
換しつつ０Ｍ式コールドヘッド（４）外へ流出してゆく
１以上のサイクルを繰り返してシリンダ（５）の下部空
間が極低温に冷却される。

（発明が解決しようとする課題）この様な冷凍機において、理想的な冷凍サイクルが行わ
れたときに取り得る冷凍量は、膨張室内の最高圧力と最
低圧力の差ΔＰ　（Ｐａ）にシリンダ下部の膨張室容積
ｖ　（ｒｒｒ）を乗じた値で表される。＋　　（Ｈ，Ｏ
，ＭｃＭａｈｏｎ、Ｗ、Ｅ、Ｇｉｆｆｏｒｄ著ｒＡ　Ｎ
ｅｗ　Ｌｏｗ−Ｔａｍｐｅｒａｔｕｒａ　Ｇａｓ　Ｅｘ
ｐａｎｓｉｏｎ　ＣｙｃｌｅＪ、Ａｄｖａｎｃｅｓｉｎ
　Ｃｒｙｏｇｅｎｉｃ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｖｏ
ｌ、５（１９６０）等による）これはｌサイクル当りの
冷凍量なので単位時間当りの理想的冷凍能力Ｑ！ＤＥＡ
Ｌ（ｗ〕ハＱＩＤＥＡＬ＝ΔＰ・■／τで計算される量
である。ここでてはサイクルの周期〔秒〕である。

しかし従来の冷凍サイクルでは不可避的な圧力損失や熱
損失のために理想的冷凍量を得ることはできない、吸気
弁（３）、排気弁（１０）、蓄冷材（７）などの圧力損
失の影響によって従来の冷凍機のＰｖ線図は第６図（ａ
）　、　（ｂ）　、　（ｃ）に示す様な形を描く。

Ｐｖ線図とはシリンダ下部の膨張室容積Ｖと、この膨張
室の圧力Ｐ変化の軌跡をｌサイクルにわたって描いたも
のであり、この曲線で囲まれた面積Ｓをτで割った値が
圧力損失の影響を考えた上で最大限発揮できる冷凍能力
Ｑｐｖ（Ｖ）を示す。理想的冷凍能力Ｑ　ＩＤＥＡＬは
上記の式から冷凍温度によらず一定の値であるが、第６
図（ａ）　、　（ｂ）　、　（Ｃ）に示したそれぞれ冷
凍温度Ｔｍ２Ｏ３（Ｋ）、１００　（Ｋ）、３０（Ｋ）
のＰＶ線図から明らかなように冷凍温度の低下に伴って
面積が減少しており冷凍能力Ｑｐｖが減少していく。第
７図は、横軸に冷凍温度Ｔをとり冷凍能力Ｑｐｖを縦軸
に描いたものであるが冷凍温度３０（Ｋ）では、はぼ理
想冷凍能力に近い室温（３００〔Ｋ〕）の半分の冷凍能
力しか発揮できない現象が生じている。これは冷凍温度
が下がるにつれてシリンダ下部の膨張室に流入するガス
量が増加して圧力損失が増大し、また膨張室内にガスが
充満するまでの時間が冷凍温度が高い場合に比べてよけ
いにかかるためである。

この様な極低温冷凍サイクルの特性を考慮した上で冷凍
能力の向上をはかるにはＰｖ線図で囲まれる面積Ｓを大
きくし、かつ１サイクルの周期τを小さくすることが必
要である。しかし冷凍温度が低いときにＰｖ線図の面積
Ｓを大きくするためには膨張室内にガスが流入するため
の十分な時間が必要であることから明らかなように、面
積Ｓを大きくすることと周期τを小さくすることは互い
に相反する条件である。従ってＳとての組合せにはある
最適点が１つだけ存在する。第８図は横軸に冷凍サイク
ルの周期を取り、縦軸に冷凍能力を示したものであるが
、冷凍温度が下がるにつれて、最適なサイクル周期は遅
くなっていくことが判る。

しかし従来のＧＭサイクル、逆スターリング・サイクル
、ソルベイ・サイクルなどを用いた極低温冷凍機装置で
は冷凍温度によらずサイクル周期は一定であるために、
ある特定の冷凍温度でしか最適なサイクル周波数による
運転ができないという問題点があった。

本発明は、冷凍サイクルの周期を可変とすることによっ
て冷凍温度に応じた最適なサイクル周期で冷凍サイクル
を行ない、冷凍する温度レベルが種々異なっても常に冷
凍能力の優れた極低温冷凍機装置を提供することを目的
とする。

〔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、本発明の極低温冷凍機装置
は、冷凍温度を検知するための手段としての温度センサ
と、検知した冷凍温度に応じて冷凍サイクル周期を変え
る制御装置を備え、冷凍温度によって最適なサイクル周
期で冷凍機を運転できるようにしたことを特徴とした構
成とする。

（作　用）本発明の極低温冷凍機装置においては、冷凍温度に応じ
て最大の冷凍能力が発揮できるようなサイクル周期で運
転されるために、冷凍温度が下がるにつれて効率が悪化
するようなことなく常に高い冷凍能力を発揮することが
できる。

（実施例）以下、本発明の一実施例について、第１図を参照して説
明する。

圧縮機（１）のガス吐出側にはガスクーラ、油セパレー
タ、油フィルタ等の機器や配管からなる高圧部機器（２
）が設けられ、吸気弁（３）を介して０Ｍ式コールドヘ
ッド（４）に配管で接続される。０Ｍ式コールドヘッド
（４）は、シリンダ（５）、ディスプレーサ（６）、蓄
冷材（７）、ガスシール（８）、ディスプレーサ駆動機
構（９）で構成される。ディスプレーサ（６）は、ディ
スプレーサ駆動機構（９）によりシリンダ（５）の上死
点、下死点間を往復動する。ディスプレーサ（６）には
ガスシール（８）が設けられ。

ディスプレーサ（６）とシリンダ（５）間のギャップの
冷媒ヘリウムガスの流通を防いでおり、冷媒ヘリウムガ
スはディスプレーサ（６）内におかれる蓄冷材（７）内
を流通する構造となっている。０Ｍ式コールドヘッド（
４）と圧縮機（１）のガス吸入側の間には排気弁（１０
）を介して、サージタンクを主とした低圧部機器（１１
）が設けられる。

ここまでは第４図に示した従来例と略同じであるが、本
実施例ではシリンダ（５）の下部に冷凍温度を検知する
ための温度センサ（１２）を設け、検知した冷凍温度に
応じて冷凍サイクルの周期を変える制御装置（１３）を
設け、この制御装置（１３）の出力信号をディスプレー
サ駆動機構（９）に入力して、ディスプレーサ（６）の
冷凍サイクルの周期を制御させる構成とする。即ち、デ
ィスプレーサ（６）の往復動は一定の周期ではないこと
が特徴である。

次に上記実施例の作用を説明する。各冷凍温度における
最適のサイクル周期は第８図に示す曲線から、あらかじ
め第２図の曲線を求めておき、冷凍温度を検知する手段
である温度センサ（１２）によって検知した冷凍温度の
信号によって、制御装置（１３）は第２図の曲線に従か
うようにディスプレーサ駆動機構（９）を制御運転でき
る。

従って、冷凍温度が下がるにつれてサイクルの周期が遅
くなるように制御されており、常に最大の冷凍能力を発
揮できるように運転されるので、低温においてもＰｖ線
図で囲まれる面積は第６図（Ｃ）のように小さくならず
、第６図（ａ）のような大きい面積に近づく。従って第
３図の破線で示す曲線（第７図の曲線）に示すごとく、
冷凍温度が下がるにつれて冷凍能力が大幅に減少する従
来機と異なり、第３図の実線の曲線で示すように、常に
高い冷凍能力を発揮することができる。

次に他の実施例について説明する。

前記実施例は０Ｍサイクルの極低温冷凍機装置について
述べたが、逆スターリング・サイクルやソルベイ・サイ
クル等の各種冷凍サイクルを用いた極低温冷凍機装置に
も適用できる。

また、クライオポンプなどでは８０　（Ｋ　）レベルお
よび２０（Ｋ）レベルの２つの冷凍温度で冷凍が行える
２段式極低温冷凍機が一般的に使用されている。

この様な複数段式極低温冷凍機においても本発明を容易
に適用できる。すなわち通常極低温冷凍機を複数段式に
する目的は最低到達温度を下げるためであり、一番低い
温度となる段の冷凍能力を高めたい場合が多いので、温
度センサをもっとも冷凍温度の低い段の冷凍部に取り付
け、この冷凍能力が最大になるようにサイクル周期を変
えて運転すればよい。そのほか目的に応じて最も冷凍能
力を高めたい冷凍部に着目してサイクル周期を制御する
ようにしてもよい。

〔発明の効果〕

以上述べたように本発明による極低温冷凍機装置におい
ては、冷凍温度に応じて最大の冷凍能力を発揮できるサ
イクル周期で運転できるために冷凍温度が下がっても効
率の低下を招くことがなく、その結果常に高い冷凍能力
で運転可能な極低温冷凍機装置を提供することができる
。

【図面の簡単な説明】第１図は本発明の極低温冷凍機装置の一実施例を示す一
部断面系統図、第２図は第１図中の制御装置（１３）の
作用を説明するための曲線図、第３図は第１図に示した
極低温冷凍機の冷凍能力を従来例と比較して示す曲線図
、第４図は従来の極低温冷凍機装置を示す一部断面系統
図、第５図（ａ）。（ｂ）は従来装置の作用を説明するための曲線図、第６
図（ａ）　、　（ｂ）　、　（Ｃ）は従来装置のそれぞ
れ異なる温度におけるｐｖＢ図、第７図は従来装置の冷
凍能力を示す曲線図、第８図はサイクル周期と冷凍能力
の関係を示す図である。１・・・圧縮機、２・・・高圧部機器、３・・・吸気弁
、４・・・０Ｍ式コールドヘッド、５・・・シリンダ、
６・・・ディスプレーサ、７・・・蓄冷材、８・・・ガ
スシール、９・・・ディスプレーサ駆動機構。１０・・・排気弁、１１・・・低圧部機器、１２・・・
温度センサ、１３・・・制御装置。

Claims

【特許請求の範囲】

極低温を達成する手段としてギフォード・マクマホン・
サイクル、逆スターリング・サイクル、ソルベイ・サイ
クルなどを用いた極低温冷凍機装置において、冷凍温度
を検知する手段と、検知した冷凍温度に応じて冷凍サイ
クルの周期を変える制御装置を備え、冷凍温度によって
最適なサイクル周期で冷凍機を運転できるようにしたこ
とを特徴とした極低温冷凍機装置。