JPH04236068A - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、蓄冷式の極低温冷凍
機に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図５は、例えば特公昭４６−３０４３３
号公報（アメリカ特許６２９２７１）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
ギフォ−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（例えばヘリウム）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段目の膨張室、５は
往復運動して作動ガス１を移動させる第１段目のディス
プレ−サ−、６は気体の寒冷を蓄冷する第１段目の蓄冷
器で例えば燐青銅の円盤状の金網を積層したものである
。７は第１段目の膨張室４の作動ガス１が第１段目のデ
ィスプレ−サ−５の外周を流れることを防止する第１段
目のシ−ル、８は第１段目の膨張室４の寒冷を外部に伝
える第１段目の冷凍ステ−ジ、９は第１段目のシリンダ
である。１０は第２段目の膨張室、１１は往復運動して
作動ガス１を移動させる第２段目のディスプレ−サ−、
１２は気体の寒冷を蓄冷する第２段目の蓄冷器で例えば
鉛の小球を詰めたものである。１３は第２段目の膨張室
１０の作動ガス１が第２段目のディスプレ−サ−１１の
外周を流れることを防止する第２段目のシ−ル、１４は
第２段目の膨張室１０の寒冷を外部に伝える第２段目の
冷凍ステ−ジ、１５は第２段目のシリンダである。 １６は各ディスプレ−サ−５、１１を駆動するためのモ
−タ、１７はモ−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ァタンク、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。２３は第
１段目の冷凍ステ−ジ８で吸収される冷凍量Ｑ１を示す
白抜き矢印、２４は第２段目のステ−ジ１４で吸収され
る冷凍量Ｑ２を示す白抜き矢印、２５は第２段目の蓄冷
器１２の無効容積空間である。

【０００３】次に動作について説明する。図６はこの冷
凍機のＰＶ線図である。縦軸は第２段目の膨張室１０の
圧力Ｐを、横軸は同じく容積Ｖを示す。まず、図６にお
けるＤの状態では、第２段目のディスプレ−サ−１１は
最下端にあり、また吸気バルブ２が閉じ排気バルブ３が
開いているので、第２段目の膨張室１０の圧力は低圧に
なっている。次にＤ−Ａでは、排気バルブ３が閉じ吸気
バルブ２が開いて圧力が低圧の状態から高圧の状態にな
る。この時、無効容積空間２５にある低圧の状態のヘリ
ウムガス１は高圧の状態に断熱的に圧縮されるので、第
２段目の蓄冷器１２の低温部の温度が上昇する。次にＡ
−Ｂでは、各ディスプレ−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段目
の蓄冷器６の上端は例えば３００Ｋで下端は５０Ｋにな
っており、第２段目の蓄冷器１２の上端は例えば５０Ｋ
で下端は約１０Ｋになる。そこで、第１段目の膨張室４
に導入される作動流体１は約５０Ｋ、第２段目の膨張室
１０に導入される作動流体１は約１０Ｋまで冷却される
。Ｂは容積が最大になった状態である。この時各蓄冷器
６、１２は作動流体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を閉じて排気バルブ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で寒冷が発生する。

【０００４】膨張した作動ガス１は第１段目の冷凍ステ
−ジ８で冷凍量Ｑ１（白抜き矢印２３）の一部の熱量を
受け、第２段目の冷凍ステ−ジ１４では冷凍量Ｑ２（白
抜き矢印２４）の一部の熱量を受ける。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。 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−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段目の冷凍ステ−ジ
８で冷凍量Ｑ１（白抜き矢印２３）の残りの熱量を受け
、第２段目の冷凍ステ−ジ１４では同じく冷凍量Ｑ２（
白抜き矢印２４）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。Ｂ−Ｄの過程では、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。

【０００５】

【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おり、Ｄ−Ａの変化の際、第２
段目の蓄冷器１２の無効容積空間２５に残留するヘリウ
ムガス１が高圧のヘリウムガス１によって断熱圧縮され
、第２段目の冷凍ステ−ジ１４を加熱して冷凍量を減少
させ冷凍効率が低下する問題点があった。

【０００６】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段目の冷凍サイクルでのＤ
−Ａの変化の際の発熱を第１段目の膨張室で発生した寒
冷および外部からの冷却手段の少なくとも一方で吸収す
ることによって冷凍損失を低減し、冷凍効率を向上する
ことを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この発明に係わる極低温
冷凍機は、第ｎ段目の蓄冷器に末端を閉じた副蓄冷器を
接続し、この副蓄冷器の末端を第（ｎー１）段目の膨張
室で発生した寒冷および外部からの冷却手段の少なくと
も一方で冷却するように構成したものである。

【０００８】

【作用】上記のように構成された極低温冷凍機において
は、第ｎ段目の蓄冷器に末端を閉じた副蓄冷器を接続し
、この蓄冷器の末端を、第（ｎー１）段目の膨張室で発
生した寒冷および外部からの冷却手段の少なくとも一方
で冷却するように構成したので、Ｄ−Ａの過程において
第ｎ段目の蓄冷器内部の作動ガスが高圧で供給される作
動ガスによって加熱される際の発熱を第（ｎー１）段目
の膨張室で発生した寒冷および外部からの冷却手段の少
なくとも一方で冷却する事ができるので、上記加熱によ
る損失を低減できる。

【０００９】

【実施例】実施例１．図１はこの発明の１実施例の要部
を示す断面図であり、図において、１〜１１、１３〜２
５は上記従来装置とまったく同一のものである。２６は
第２段目の蓄冷器１２に接続され、その閉じられた末端
を第１段目の冷凍ステ−ジ８に熱的に接触させた副蓄冷
器、２７は第２段目のシリンダ１５に取り付けられたガ
ス連通管である。

【００１０】上記のように構成された極低温冷凍機にお
いては、Ｄ−Ａの過程において第２段目の蓄冷器１２内
部の無効容積空間２５に残留する作動ガス例えばヘリウ
ムガス１が高圧のヘリウムガス１によって断熱圧縮され
るが、このヘリウムガスは副蓄冷器２６に導入されるの
で、発熱を第１段目の冷凍ステ−ジ８すなわち第１段目
の膨張室４で発生した寒冷で吸収する事ができ損失を低
減できる。

【００１１】実施例２．なお、上記実施例では第２段目
の蓄冷器１２を外置きにしたが、図２に示すように第２
段目の蓄冷器１２の外周部に副蓄冷器２６を設置し、放
熱部２６ａを備えれば構造を簡単にする事が出来る。

【００１２】実施例３．また、上記実施例ではｎ＝２の
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。

【００１３】実施例４．また、上記実施例では第２段目
の蓄冷器１２に関して述べたが、第１段目の蓄冷器６や
第３段目の蓄冷器またはそれ以上の蓄冷器に適用できる
事は明かである。

【００１４】実施例５．単段式の冷凍器の場合は、例え
ば図３に示すように、常温部に冷却フィンまたは冷却パ
イプからなる放熱部すなわち外部からの冷却手段２８を
備え、副蓄冷器２６の末端をこの冷却手段２８に熱的に
連結すればよい。

【００１５】実施例６．また、多段式の場合にも、例え
ば図４に示すように、第（ｎー１）段目の膨張室４で発
生した冷気で冷却する代わりに外部からの冷却手段２８
、例えばＬＮ２やＬＨ２　を循環させた冷却部を備え、
副蓄冷器２６の末端をこの冷却手段２８に熱的に連結し
てもよいし、さらに第（ｎー１）段目の膨張室４で発生
した寒気と外部からの冷却手段２８の両方で冷却しても
よい。

【００１６】実施例７．また、上記実施例ではギフォ−
ド・マクマホン冷凍機について述べたが、その他の冷凍
サイクルを用いた、例えばスタ−リング冷凍機やビルマ
イヤ−冷凍機、クロ−ド冷凍機、ソルベ−冷凍機にも使
用できることは明かである。

【００１７】

【発明の効果】以上のように、この発明によれば、第ｎ
段目の蓄冷器に末端を閉じた副蓄冷器を接続し、この副
蓄冷器の末端を第（ｎー１）段目の膨張室で発生した寒
冷および外部からの冷却手段の少なくとも一方で冷却す
るように構成したので、第ｎ段目の蓄冷器内部の作動ガ
スが高圧で供給される作動ガスによって加熱される際の
発熱を第（ｎー１）段目の膨張室および外部からの冷却
手段の少なくとも一方で吸収する事ができ、加熱による
損失を低減して冷凍効率を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例１を示す断面構成図である。

【図２】この発明の実施例２を示す断面構成図である。

【図３】この発明の実施例５を示す断面構成図である。

【図４】この発明の実施例６を示す断面構成図である。

【図５】従来の極低温冷凍機を示す断面構成図である。

【図６】図５に示す極低温冷凍機のＰーＶ線図である。

【符号の説明】

１　　作動ガス ４　　第１段目の膨張室 ６　　第１段目の蓄冷器 １０　　第２段目の膨張室 １２　　第２段目の蓄冷器 １９　　圧縮機 ２６　　副蓄冷器 ２８　　外部からの冷却手段

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　圧縮部で圧縮された作動ガスをｎ段の
   蓄冷器を通してｎ段の膨張室に導入し上記膨張室で膨張
   させて寒冷を発生させる蓄冷式の極低温冷凍機において
   、第ｎ段目の上記蓄冷器に末端を閉じた副蓄冷器を接続
   し、この副蓄冷器の末端を第（ｎー１）段目の上記膨張
   室で発生した寒冷および外部からの冷却手段の少なくと
   も一方で冷却するように構成したことを特徴とする極低
   温冷凍機。