JPH0539778A - 極低温冷凍機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】４．２Ｋ付近において冷凍能力の高い蓄冷式の
極低温冷凍機を提供することにある。 【構成】冷媒ガス供給系２から供給されたヘリウムガス
は、直列的に配置された第１及び第２段冷却ステージ１
６、１７で圧縮膨張されて冷却される。第１段冷却ステ
ージ１６のヘリウムガス流通路２１には、その高温側の
銅蓄冷材２２ａ及びその低温側の鉛蓄冷材２２ｂからな
る蓄冷材２２が充填されている。しかも、この蓄冷材２
２の体積に対する鉛蓄冷材２２ｂの体積が略５０％に定
められている。更に、第２段の冷却ステージ１６のヘリ
ウムガス流通路２３には、Ｅｒ3Ｎｉの蓄冷材２４が充
填されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、極低温冷凍機に係
り、特に蓄冷式の冷凍機に関する。

【０００２】

【従来の技術】極低温の冷凍機には、種々のタイプがあ
るが、ギフォ−ド・マクマフォン冷凍機で代表される蓄
冷式の極低温冷凍機が知られている。この蓄冷式の極低
温冷凍機では、通常、圧縮したヘリウムガスが蓄冷器を
通って冷却された後に、低温部で膨脹されて寒冷が発生
され、再びこの低温部から冷却された低温のヘリウムガ
スがその逆の経路を通って蓄冷器を通過させられ、蓄冷
器内の蓄冷材を冷却した後に回収されるサイクルが採用
されている。

【０００３】このような蓄冷式の極低温冷凍機では、常
温部から低温部に亙って蓄冷器が複数段に亙って設けら
れているものが多く、最も低温側に位置する蓄冷器、即
ち、最終段蓄冷器においては、通常、低温下において比
熱の高い鉛が蓄冷材として用いられている。

【０００４】しかしながら、上記のように最終段蓄冷器
の蓄冷材として鉛を用いた極低温冷凍機にあっては、次
のような問題があることが指摘されている。鉛は、低温
下において比熱の高い材料であるが、１５Ｋ以下になる
と温度の低下に伴って比熱が急激に減少される。このた
め、蓄冷材としての熱交換効率が大幅に低下し、結局、
最終段蓄冷器の蓄冷材として鉛を用いた冷凍機では、１
０Ｋ以下の冷却を実現することが困難であるとされてい
る。

【０００５】そこで、このような不具合を解消するため
に、最近では１０Ｋ以下の蓄冷器において鉛より比熱の
大きいＥｒ3 Ｎｉが最終段蓄冷器の蓄冷材として用いた
極低温冷凍機が出現している。磁性材であるＥｒ3 Ｎｉ
を最終段蓄冷器の蓄冷材として用いると、最低温度を略
４Ｋレベルまで下げることができ、４．２Ｋ付近（液体
ヘリウムの沸点）において０．１Ｗ程度の冷凍能力を得
ることができる。

【０００６】しかし、Ｅｒ3 Ｎｉを最終段蓄冷器の蓄冷
材として用いた極低温冷凍機にあっても４．２Ｋ付近に
おける冷凍能力が実用上の必要量に比べまだ低いという
問題がある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上述したように従来の
蓄冷式の極低温冷凍機にあっては、産業上、重要な温度
である４．２Ｋ付近において冷凍能力が低いという問題
がある。この発明の目的は、４．２Ｋ付近において冷凍
能力の高い蓄冷式の極低温冷凍機を提供することにあ
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、この発明に係わる蓄冷式の極低温冷凍機では、最終
段の一つ前の蓄冷器に銅と鉛とを蓄冷材として充填して
いる。この場合、銅蓄冷材を高温側に、鉛蓄冷材を低温
側に充填することが好ましい、さらに鉛蓄冷材を体積比
で４０〜８０％の範囲に充填することが好ましい。

【０００９】

【作用】鉛は、６０Ｋ以下において銅より比熱が大幅に
高い。従って、この鉛蓄冷材を低温側に充填しておけ
ば、最終段の一つ前の蓄冷器の到達温度がより低下され
る。これによって最終段蓄冷器の冷却作用を助け、４．
２Ｋ以下での冷凍能力を大幅に向上させることが可能と
なる。

【００１０】

【実施例】以下、図面を参照しながらこの発明に係る極
低温冷凍機の一実施例を説明する。図１には、本発明の
一実施例に係わる蓄冷式の極低温冷凍機であるギフォ−
ド・マクマフォン型の冷凍機が示されている。

【００１１】このギフォ−ド・マクマフォン型の冷凍機
は、冷媒ガス、即ち、ヘリウムガスを冷却するコールド
ヘッド１及び冷媒ガスが循環される冷媒ガス導排出系２
とで構成されている。コールドヘッド１では、閉じられ
たシリンダ１１内に往復動自在に断熱材で形成された冷
媒ガスを圧縮するディスプレーサ１２が収納され、この
ディスプレーサ１２は、モ−タ１３からの動力で往復動
される。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
シリンダ１５とで構成されている。第１シリンダ１４及
び第２シリンダ１５は、通常、薄いステンレス鋼板等で
形成されている。この第１及び第２シリンダ１４、１５
内には、直列的に配置された第１及び第２の冷却ステー
ジ１６、１７が設けられている。即ち、第１シリンダ１
４と第２シリンダ１５との境界部分には、圧縮された冷
媒ガスを膨張させて冷媒ガスを冷却する第１段冷却ステ
−ジ１６が設けられ、また、第２シリンダ１５の先端部
分には、同様に圧縮された冷媒ガスを膨張させて第１段
冷却ステ−ジ１６での冷却よりもより低温に冷媒ガスを
冷却する第２段冷却ステ−ジ１７が設けられている。

【００１２】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ディスプレーサ１８と、第２シリン
ダ１５内を往復動する第２ディスプレーサ１９とから構
成されている。第１ディスプレーサ１８と第２ディスプ
レーサ１９とは、連結機構２０によって軸方向に連結さ
れ、第１ディスプレーサ１８の内部には、蓄冷機を構成
するための流体通路２１が軸方向に形成されている。こ
の流体通路２１には、銅及び鉛の蓄冷材２２が収容され
ている。蓄冷材２２は、図２に示すように、高温側及び
低温側に分けられ、高温側には、流通路２１内に銅蓄冷
材２２ａが充填され、低温側、即ち、第１段冷却ステ−
ジ１６側には、鉛蓄冷材２２ｂが充填されている。図１
に示される蓄冷材２２では、鉛蓄冷材と銅蓄冷材の体積
比が４：６から８：２の範囲に定められている。換言す
れば、銅蓄冷材２２ａの体積と鉛蓄冷材２２ｂの体積と
の和に対して、鉛蓄冷材２２ｂの体積が４０〜８０％、
好ましくは、略５０％になる関係が成立するように銅蓄
冷材２２ａ及び鉛蓄冷材２２ｂが充填されている。

【００１３】第２ディスプレーサ１９の内部には、最終
段蓄冷器を構成するために流体通路２３が軸方向に形成
され、この流体通路２３には、複数の球状に分割された
蓄冷材２４が収容されている。この蓄冷材２４として
は、鉛より比熱の大きい磁性材としてのＥｒ3 Ｎｉ蓄冷
材が用いられている。

【００１４】第１ディスプレーサ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ディスプレーサ１
９の外周面と第２シリンダ１５の内周面との間には、そ
れぞれその間をシールするシール装置２５、２６が装着
されている。

【００１５】第１ディスプレーサ１８の図中上端は、連
結ロッド３１、スコッチヨ−ク、或は、クランク軸３２
を介してモ−タ１３の回転軸に連結されている。したが
って、モ−タ１３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で示す方向に往復
動される。

【００１６】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とが設けられ、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を経由す
るヘリウムガス循環系を構成し、排出口３５は、低圧弁
３６、圧縮機３７、高圧弁３８を介して導入口３４に接
続されている。即ち、この冷媒ガス導排出系２では、低
圧（約５atm ）のヘリウムガスが圧縮器３７で高圧（約
１８atm ）に圧縮されてシリンダ１１内に送り込まれ
る。低圧弁３６、高圧弁３８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ように開閉制御され
る。次に、上述したように構成された冷凍機の動作を説
明する。

【００１７】この冷凍機において、寒冷は第１段ステ−
ジ１６及び第２段冷却ステ−ジ１７の２段で発生され
る。モ−タ１３が回転を開始すると、ディスプレーサ１
２が下死点と上死点との間を往復動される。ディスプレ
ーサ１２が下死点に達した際に、高圧弁３８が開成され
て高圧ヘリウムガスがコールドヘッド１内に流入され。
次に、ディスプレーサ１２が上死点へと移動される。前
述の如く、第１ディスプレーサ１８の外周面と第１シリ
ンダ１４の内周面との間及び第２ディスプレーサ１９の
外周面と第１シリンダ１５の内周面との間には、それぞ
れシール装置２５、２６が装着されているため、ディス
プレーサ１２が上死点へ向かうと、高圧ヘリウムガス
は、第１ディスプレーサ１８に形成された流体通路２１
及び第２ディスプレーサ１９に形成された流体通路２３
を通って、第１ディスプレーサ１８と第２ディスプレー
サ１９との間に形成された１段膨張室３９及び第２ディ
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へと流入される。この流入にと
もなって、高圧ヘリウムガスは、蓄冷材２２、２４によ
って冷却され、１段膨張室３９に流れ込んだ高圧ヘリウ
ムガスは、３０Ｋレベルに、また、２段膨張室４０に流
れ込んだ高圧ヘリウムガスは８Ｋレベルに冷却される。

【００１８】ここで、ディスプレーサ１２が上死点に達
すると、高圧弁３８が閉成され、低圧弁３６が開成され
る。このように低圧弁３６が開成されると、１段膨張室
３９内及び２段膨張室４０内の高圧ヘリウムガスが膨脹
されて寒冷が発生される。この寒冷によって第１冷却ス
テ−ジ１６がさらに冷却され、また第２冷却ステ−ジ１
７も４Ｋレベルに冷却される。そして、ディスプレーサ
１２が再び下死点へ移動すると、これに伴って１段膨張
室３９内及び２段膨張室４０内のヘリウムガスは、流体
通路２１、２３、内を通過されるが、この通過の際に蓄
冷材２２、２４を冷却し、温度の上昇したヘリウムガス
がコールドヘッド１から低圧弁３６を介して圧縮器３７
に排出される。このようなサイクルが繰返されて冷凍運
転が実行されてヘリウムガスが冷却される。

【００１９】この実施例では第１段ディスプレーサ１８
の流体通路２１内に銅蓄冷材２２ａ及び鉛蓄冷材２２ｂ
が配置され、しかも、低温側に鉛蓄冷材２２ｂが位置さ
れ、高温側に銅蓄冷材２２ａが位置されている。

【００２０】銅および鉛は、図３に示す比熱特性を備え
ている。この図３から理解されるように６０Ｋ以下で
は、鉛の比熱が銅のそれより大きく、６０Ｋ以上では、
銅の比熱が鉛の比熱より大きい。流体通路２１には、温
度勾配が生じるので、実施例のように、銅蓄冷材２２ａ
が高温側に、鉛蓄冷材２２ｂが低温側に位置するように
流通路２１内にこれらの蓄冷材２２ａ，２２ｂが充填さ
れていると、各蓄冷材の比熱特性を最も有効に活用で
き、第１段冷却ステ−ジ１６の温度を下げ、４．２Ｋ付
近での冷凍効率を向上させることができる。

【００２１】図４には銅蓄冷材と鉛蓄冷材の体積比率
（ε）と最終段到達温度との関係を求めた実験結果が示
されている。横軸は蓄冷器内の低温側に充填された鉛蓄
冷材２２ａの蓄冷材全体に占める体積比率（ε）を示
し、縦軸は到達温度を示している。この実験では、蓄冷
器２２の高温側の温度は、３００Ｋであるとしている。
この図から、鉛の比率が４０〜８０％の範囲では、銅の
みの場合（ε＝０％）或は、鉛のみの場合（ε＝１００
％）に比べて到達温度が低いことが判る。これは低温で
鉛の比熱が銅のそれより大きいことに基づいている。

【００２２】図５には、鉛蓄冷材の体積比率（ε）が５
０％の蓄冷器を使用した場合の冷凍能力線図が示されて
いる。この図から、銅蓄冷材のみの蓄冷器を使用した場
合に較べて鉛蓄冷材の比率が５０％の蓄冷器を使用した
場合には、１段冷却ステ−ジの到達温度が下がり、４．
２Ｋ付近における冷凍能力が増加していることが判明す
る。

【００２３】なお、この発明は、上述した実施例に限定
されるものではない。すなわち、上述した実施例は、こ
の発明をギフォ−ド・マクマフォン型冷凍機に適用した
例であるが、スタ−リング冷凍機、改良型ソルベ−サイ
クル冷凍機、ビルミヤ冷凍機等の蓄冷式極低温冷凍機に
適用できる。また、蓄冷材の形状も、球状、メッシュ状
等の各種形状を選択できることは勿論である。

【００２４】

【発明の効果】以上述べたように、この発明によれば、
特に産業上有用な４．２Ｋ付近での冷凍能力を向上させ
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例に係わる極低温冷凍機の概
略構成図、

【図２】図１に示された冷凍機の最終段蓄冷器の構造を
説明するための断面図、

【図３】銅及び鉛の比熱特性を示す図、

【図４】銅蓄冷材、鉛蓄冷材の体積比率と蓄冷効率との
関係を示す図、

【図５】この発明に係わる冷凍機と従来の冷凍機との冷
凍能力曲線をそれぞれ示す図である。

【符号の説明】

１・・・ コールドヘッド１ ２・・・ 冷媒ガス導排出系 １１・・・ シリンダ １２・・・ ディスプレーサ １４・・・ 第１シリンダ １５・・・ 第２シリンダ １８・・・ 第１ディスプレーサ １９・・・ 第２ディスプレーサ ２１・・・ 流体通路 ２２・・・ 蓄冷材 ２２ａ・・・ 銅蓄冷材 ２２ｂ・・・ 鉛蓄冷材 ２３・・・ 流体通路、 ２４・・・ 蓄冷材 ２５、２６・・・ シール装置 ３６・・・ 低圧弁 ３７・・・ 圧縮器 ３８・・・ 高圧弁

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧縮したヘリウムガスを蓄冷器に通して
   冷凍した後に低温部で膨脹させて寒冷を発生させるよう
   にした極低温冷凍機において、前記蓄冷器には、銅、
   鉛、および磁性材が蓄冷材として充填されており、前記
   銅蓄冷材は高温側に、前記鉛蓄冷器は中間温度部に、前
   記磁性蓄冷材は低温側に充填されていることを特徴とす
   る極低温冷凍機。
2. 【請求項２】 前記磁性蓄冷材にＥｒ3 Ｎｉを用いたこ
   とを特徴とする請求項１に記載の極低温冷凍機。
3. 【請求項３】 前記鉛蓄冷材と銅蓄冷材の体積比が４：
   ６から８：２の範囲で充填されていることを特徴とする
   請求項２に記載の極低温冷凍機。