JPH0455661A

JPH0455661A - 極低温冷凍機

Info

Publication number: JPH0455661A
Application number: JP16420790A
Authority: JP
Inventors: Makoto Nakajima; 良中島
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1990-06-25
Filing date: 1990-06-25
Publication date: 1992-02-24

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小型の極低温
冷凍機に関する。

（従来の技術）絶対温度１０〜２０に程度の極低温まで冷却できる小型
の冷凍機に、冷媒としてヘリウムガスを用い、ギフォー
ド・マクマホン（以下ｒＧＭＪという）式コールドヘッ
ドと冷媒圧縮機を備えたＧＭ冷凍機があり、超電導マグ
ネットの冷却やクライオポンプに用いられている。

第３図にＧＭ冷凍機の基本構成を示す、ＧＭ冷凍機は０
Ｍ式コールドヘッド１と、冷凍であるヘリウムガスを圧
縮する圧縮機２と、ガスクーラ、油セパレータ等の機器
や配管を収め高圧のガスにも耐える高圧部装置３と、サ
ージタンク等の低圧ガス用機器を収めた低圧部装置４と
を有する。

高圧部装置３は圧縮機２のヘリウムガスを圧縮する圧縮
機２の吐出側に接続され、また低圧部製！４は圧縮機２
のヘリウムガス吸込側に接続される。０Ｍ式コールドヘ
ッド１は吸気弁５を介して高圧部袋［３と、また排気弁
６を介して低圧部装置４とそれぞれ接続される。冷却さ
れる空間７は０Ｍ式コールドヘッド上の下方にある。

０Ｍ式コールドヘッド１はシリンダ８とこのシリンダ８
内をガスシール９で気密に保たれながら往復運動するデ
ィスプレーサ１０とを有し、ディスプレーサ１０にはこ
れを駆動させるディスプレーサ駆動装置１１が接続する
。またディスプレーサ１０は銅メツシユの積層体、鉛粒
子の充填体等からなる蓄冷材１２を収容する。

冷凍としてのヘリウムガスは圧縮機２で昇圧昇温された
後高圧部装置３に送られてガスクーラで冷却され、また
油セパレータで油ミスト等の不純物を除去される。次い
で、ヘリウムガスは吸気弁５を通って０Ｍ式コールドヘ
ッド１へ案内される。

このとき排気弁６は閉じており、ディスプレーサ１０は
不死点の位置にある。次いで、吸気弁５と排気弁６の開
閉状態はそのままでディスプレーサ駆動装＠］、１を稼
働させてディスプレーサ１０を上方に移動させる。する
とヘリウムガスはディスプレーサ１０上端の開孔を通っ
てディスプレーサ■０に収容された蓄冷材１２に導かれ
る。ヘリウムガスは蓄冷材の間隙を通過しながら熱を奪
われ（熱交換され）、さらにディスプレーサ１０下端の
開孔を通って、ディスプレーサ１０の下部に至る。

そしてディスプレーサ１０が上死点に到達すると同時に
吸気弁５を閉じ、排気弁６を開ける。すると、ヘリウム
ガスの断熱膨張によってシリンダ８が冷却され、シリン
ダ８に接する空間７も冷却される。そして今度はディス
プレーサ１０を下方に移動させるが、この間吸気弁５と
排気弁６の開閉状態は変えない。冷却したヘリウムガス
は流入時とは逆にディスプレーサ１０下端の開孔から蓄
冷材１２に至り、蓄冷材１２でさらに熱を奪われた後、
ディスプレーサ１０上端の開孔から排気弁６を通って低
圧部装置４に導かれる。そして再度圧縮機２に導入され
る。このヘリウムガス循環過程におけるディスプレーサ
１０の位置と吸気弁５および排気弁６の開閉状態の関係
を第４図（ａ）と（ｂ）にまとめて示す。両図とも横軸
にはディスプレーサ駆動装置１１のクランク角をとる。

以上述べた冷媒ヘリウムガスのＧＭ冷凍機内での循環を
繰り返すと空間７は極低温に冷却される。

ところで、吸気弁と排気弁は、通常第５図に示すように
両者を一体化しスプールバルブ１３にして用いる。（例
えば米国特許第４５２０６３０号（１９８５）スプール
バルブ１３はスプールシリンダ１４と弁体１５を有し、
スプールシリンダ１４に吸気孔１６、ディスプレーサ１
０との連通孔１７および排気孔１８を穿孔することによ
って吸気弁と排気弁の機能を併せ持つようにしたもので
ある。弁体１５はディスプレーサ駆動装置１１に接続さ
れ、ディスプレーサ１０の動きと連動してばね１９の力
に抗しながらスプールシリンダ１４内を往復運動する。

すなわちディスプレーサ１０の位置と吸気孔および排気
孔の開度の関係は第４図（ａ）と（ｂ）に示したものと
全く同様になる。

冷媒としてのヘリウムガスは、高圧部装置３から吸気孔
］６を通ってスプールシリンダ１４内に入り、次いで連
通孔１７を通ってディスプレーサ１０に案内される。こ
のとき排気孔１８は弁体１５によって閉塞されている。

ディスプレーサ１０内のヘリウムガスを排気するときは
第６図に示す様に弁体１５を移動して排気孔１８を開放
し吸気孔１６“を閉塞する。するとディスプレーサ１０
から連通孔１７を通ってスプールシリンダ１４内に入っ
てきたヘリウムガスは、排気孔１８を通って低圧部装置
１４に導かれる。

スプールバルブ１３は高圧のヘリウムガスと低圧のヘリ
ウムガスを切換える弁であるから、高圧と低圧の間にガ
スリークが生じると冷凍機の冷凍能力が低下するという
問題がある。そのためにスプールシリンダ１４と弁体１
５のはめあいは極めて狭いすき間で構成され、可動状態
で可能な限りギャップをリークするガス量を少なくなる
様にしている。

しかし第５図に示す従来のスプールバルブ１３において
は高圧３、低圧４およびディスプレーサ１０への流通孔
の気密シールとして０リングシール３０を用いている。

この０リングシール３０はディスプレーサ１０の圧力が
高圧から低圧の間まで圧力変動するのに伴なって運転中
宮に変動的な圧力にさらされており、長期運転する間に
０リングシール３０のゴムがへたってガスリークを生じ
る様になり、冷凍機の冷凍能力が低下するという問題が
あった。

また、従来構造のスプールバルブ１３においては、スプ
ールシリンダ１４の組立て時に、Ｏリングシール３０を
シリンダ１４にとりつけた状態でシリンダ取付は用の穴
に挿入するので、流通孔１６．１７をのり込えて組立て
せざるをえず、この際に流通孔のふちでＯリングシール
３０に傷がつくあるいは破損してしまい完全なガスシー
ルができないという問題点があった。

（発明が解決しようとする課題）このように従来のスプールバルブを用いたＧＭ冷凍機は
、スプールシリンダの高圧と低圧のシール構造に問題が
あるために、冷凍能力が低下してしまうという問題があ
った。そこで本発明は、上記事情を考慮し、スプールバ
ルブの構造を改良する事により高い冷凍能力を保持でき
る極低温冷凍機を提供する事を目的とする。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段）本発明は上２！課題を解決するためし二本発明しこおい
ては、０Ｍ式コールドヘッドに冷媒を流通させて冷却を
行う極低温冷凍機において、前記コールドヘッドの冷媒
ａ入口に形成される冷媒流路のうち膨張室と連通ずる流
通路をスプールバルブの可動弁体内に設けた構成とする
。

（作　用）本発明の極低温冷凍機においては、０Ｍ式コールドヘッ
ドの冷媒出入口に形成される冷媒流路のうち、膨張室と
連通ずる流通路をスプールバルブの可動弁体内に設ける
ようにしたので高圧と低圧とのガスシール用Ｏリングを
従来のスプールバルブよりも減らす事ができ、また組立
に際してもＯリングを傷つける事なく、ガスリークの要
因を減らしているので、高い冷凍能力を保持する事がで
きる。

（実施例）以下第１図ないし第２図を参照して本発明の詳細な説明
する。

本発明のＧＭ冷凍機の基本的構成は第３図に示したもの
と実質的に変らないため、同様の箇所には同一の符号を
付してその説明は省略する。

第１図は本発明の一実施例に係るＧＭ冷凍機のスプール
バルブ２０の断面図である。

スプールバルブ２０はスプールシリンダ２１と弁体２２
を備え、スプールシリンダ２１には吸気孔２３、ディス
プレーサ１０との連通孔２４および排気孔２５が穿孔さ
れる。弁体２２はディスプレーサ駆動装置１１に接続さ
れ、ディスプレーサ１０の動きと連動して、ばね２６の
力に抗しながらスプールシリンダ２１内を往復運動する
。

冷媒としてのヘリウムガスは、高圧部装置３から吸気孔
２３を通ってスプールシリンダ２１内に入り次いで連通
孔２４を通ってディスプレーサ１０に案内される。この
とき排気孔２５は弁体２２によって閉塞されている。デ
ィスプレーサ１０内のヘリウムガスを排気するときは、
第２図に示す様に弁体２２が移動して排気孔２５を開放
し、吸気孔２３を閉塞する。

すると、連通孔２４を通ってスプールシリンダ２１内に
入ってきたヘリウムガスは、排気孔２５を通って低圧部
装置４へ導かれる。

このスプールバルブ２０においては、高圧と低圧の気密
は０リングシール２７のみで行なわれる。Ｏリングシー
ル２８は高圧と膨張室の気密を行なう。

この構成のスプールバルブにおいては、従来のスプール
バルブに比べて気密用０リングシールの数を減らす事が
でき、かつ組立てに際してもＯＵングシールを傷つける
おそれなく組立てる事が可能であるため、高低圧のガス
リークによる冷凍能力の低下がなく、高い冷凍能力を保
持する極低温冷凍機を提供する事が可能である。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、ＧＭ冷凍機におい
て０Ｍ式コールドヘッドの冷媒出入口に形成される冷媒
流出入通路のうち膨張室と連通する流通路をスプールバ
ルブの可能弁体内に設けるようにしたので、高圧と低圧
のガスシール用Ｏリングを従来のスプールバルブより減
らす事ができ、かつ組立に際してもＯリングを傷つける
事がないので、高い冷凍能力を保持する事が可能である
。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は本発明の実施例に係るスプールバル
ブの断面図、第３図はＧＭ冷凍機の構成図、第４図（ａ
）、　（ｂ）は従来のＧＭ冷凍機におけるディスプレー
サの位置と弁開度を示す図、第５図及び第６図は従来の
スプールバルブの断面図である。２１・・・スプールシリンダ２２・・・弁体２３・・・吸気孔２４・・・連通孔２５・・排気孔

Claims

【特許請求の範囲】

ギフォード・マクマホン式コールドヘッドに冷媒を流通
させて冷却を行なう極低温冷凍機において、前記コール
ドヘッドの冷媒出入口に形成される冷媒流通路のうち、
膨張室と連通する流通路をスプールバルブの可動弁体内
に設けたことを特徴とする極低温冷凍機。