JPH06193989A - 冷凍機の運転方法 - Google Patents

冷凍機の運転方法

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JPH06193989A
JPH06193989A JP23989693A JP23989693A JPH06193989A JP H06193989 A JPH06193989 A JP H06193989A JP 23989693 A JP23989693 A JP 23989693A JP 23989693 A JP23989693 A JP 23989693A JP H06193989 A JPH06193989 A JP H06193989A
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透 栗山
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、冷凍能力に優れ且つ最低温度を低
くし得る冷凍機の運転方法を提供することを目的とす
る。 【構成】 圧縮した冷媒ガスを蓄冷器を用いて冷却した
後、低温部で膨脹させることによって寒冷を発生させる
冷凍機の運転方法であって、定常運転時にあって、前記
低温部においてより低い温度を得るために、冷凍機のデ
ィスプレ―サの運転周波数を下げるように制御すること
を特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、冷凍機の運転方法に関
するものである。
【0002】
【従来の技術】極低温冷凍機のうち、蓄冷器を有する蓄
冷式冷凍機にはギフォ―ド・マクマホン(以下、単にG
Mと略記)冷凍機、スタ―リン冷凍機等の種々のタイプ
があり、超電導マグネットの冷却や赤外線センサの冷
却、あるいは、クライオポンプの冷却源として使用され
ている。これらの中で、GM冷凍機の構成を図4に示
す。この図4に示すGM冷凍機は、大きく分けてコ―ル
ドヘッド1と冷媒ガス導排出系2とで構成され、コ―ル
ドヘッド1に設けられ、一定速度で運転するディスプレ
―サ12が、冷媒ガス導排出系2と連動して冷媒ガスの
膨張冷却を繰返し極低温に到る冷凍機である。
【0003】即ち、コ―ルドヘッド1は閉じられたシリ
ンダ11とこのシリンダ内に往復動自在に収容されたデ
ィスプレ―サ12とシリンダ11に通じる部屋内に配置
されて上記ディスプレ―サ12に往復動に必要な動力を
与えるモ―タ13とで構成されている。
【0004】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。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
ての第1ステ―ジ16を構成し、またシリンダ15の先
端壁部分で第1ステ―ジ16より低温の第2ステ―ジ1
7を構成している。ディスプレ―サ12は、第1シリン
ダ14内を往復動する第1ディスプレ―サ18と第2シ
リンダ15内を往復動する第2ディスプレ―サ19とで
構成されている。第1ディスプレ―サ18と第2ディス
プレ―サ19とは、連結部材20によって軸方向に連結
されている。
【0005】第1ディスプレ―サ18の内側には、軸方
向に延びる流体通路21が形成されて第1蓄冷器35を
構成しており、第1蓄冷器35内には銅メッシュ等で形
成された蓄冷材22が収容されている。同様に、第2デ
ィスプレ―サ19の内側にも軸方向に延びる流体通路2
3が形成されており、第2蓄冷器36を構成している。
第2蓄冷器36内には鉛やその他の金属、金属間化合物
等の球あるいは粉等で構成された蓄冷材24が収容され
ている。第1ディスプレ―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―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―ル機構25,26が装着されている。
【0006】第1ディスプレ―サ18の図中上端は、連
結ロッド27、スコッチヨ―クあるいはクランク軸28
を介してモ―タ13の回転軸に連結されている。従っ
て、モ―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―サ12が図中実線矢印29で示すように
往復動する。
【0007】第1シリンダ14の側壁上部には冷媒ガス
の導入口30と排出口31とが設けてあり、これら導入
口30と排出口31は冷媒ガス導排出系2に接続されて
いる。
【0008】この冷媒ガス導排出系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31を低圧弁32、コンプレッサ33、高圧弁34を
介して導入口30に接続したものとなっている。即ち、
この冷媒ガス導排出系2は、低圧(約6atm )ヘリウム
ガスをコンプレッサ33で高圧(約18atm )に圧縮し
てシリンダ11内に送りこむものである。そして、低圧
弁32、高圧弁34の開閉はディスプレ―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。
【0009】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
―ジ16と第2ステ―ジ17とである。これらは熱負荷
のない場合にそれぞれ30Kと8K程度まで冷える。こ
のため、第1蓄冷器35の上下端間には常温(300
K)から30Kまでの温度勾配がつき、また第2蓄冷器
36の図中上下端間には30Kから8K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、通常第1ステ―ジ16では30〜80K、第2ステ
―ジ17では8〜20K程度となる。
【0010】モ―タ13が回転を開始すると、ディスプ
レ―サ12は上死点と下死点の間を往復動する。ディス
プレ―サ12が下死点にあるとき、高圧弁34が開いて
高圧のヘリウムガスがコ―ルドヘッド1内に流入する。
次に、ディスプレ―サ12が上死点へと移動する。前述
の如く、第1ディスプレ―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―サ19の
外周面と第2シリンダ15の内周面との間にそれぞれシ
―ル機構25,26が装着されている。このため、ディ
スプレ―サ12が上死点へと向かうと、高圧ヘリウムガ
スは第1蓄冷器35および第2蓄冷器36を通って、第
1ディスプレ―サ18と第2ディスプレ―サ19との間
に形成された第1膨張室39および第2ディスプレ―サ
19と第2シリンダ15の先端壁との間に形成された第
2膨張室40へと流れる。
【0011】この流れに伴って、高圧ヘリウムは蓄冷材
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30K程度に、また第2
膨張室40に流れ込んだ高圧ヘリウムガスは80K程度
に冷却される。ここで、高圧弁34が閉じ、低圧弁32
が開く。このように低圧弁32が開くと、第1膨張室3
9内および第2膨張室40内の高圧ヘリウムガスが膨脹
して寒冷を発生する。この寒冷によって第1ステ―ジ1
6および第2ステ―ジ17が冷却され。
【0012】そして、ディスプレ―サ12が再び下死点
へと移動し、これに伴って第1膨張室39内および第2
膨張室40内のヘリウムガスが排除される。膨脹したヘ
リウムガスは第1蓄冷器35、第2蓄冷器36を通る間
に蓄冷材22,24によって暖められ、常温となって排
出口31を経て排出される。以下、上述したサイクルが
繰返されて冷凍運転が行われる。
【0013】なお、これらの冷凍機において運転時のデ
ィスプレ―サ運転周波数は常に一定であり、冷凍機によ
って作り出される最低温度は約8K程度である。また、
冷凍機として冷凍能力を期待できるのは10K程度以上
であった。これは、第2蓄冷器36に用いられている蓄
冷材24の熱容量が温度の低下と共に下ってくるため、
熱を蓄える能力が衰え、蓄冷器としての熱交換効率が大
幅に下がるためである。
【0014】一方、最低温度を下げ、低温での冷凍能力
向上のために、第2蓄冷器36内の蓄冷材24に比熱の
大きい磁性体等の材料を用いたり、2段の膨張ステ―ジ
を更に多段にする等のことが行われているが、10K以
下で高い冷凍能力が得られていない。
【0015】
【発明が解決しようとする課題】上述したように、従来
の蓄冷式極低温冷凍機にあっては、温度レベルによらず
ディスプレ―サの運転周波数は一定であり、極低温での
冷凍能力の向上は望めなかった。
【0016】本発明は、上記課題に鑑みてなされたもの
で、ディスプレ―サの運転周波数を温度レベルによって
変化させ、冷凍能力増加と最低温度の低い極低温冷凍機
を提供することのできる冷凍機の運転方法を提供するこ
とを目的とする。
【0017】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本発明は、圧縮した冷媒ガスを蓄冷器を用いて冷却した
後、低温部で膨脹させることによって寒冷を発生させる
冷凍機の運転方法であって、定常運転時にあって、前記
低温部においてより低い温度を得るために、冷凍機のデ
ィスプレ―サの運転周波数を下げるように制御すること
を要旨とする。
【0018】
【作用】本発明の冷凍機の運転方法は、本願発明者が鋭
意研究の結果、極低温下にあっては温度が低下するに従
って冷凍機のディスプレーサの運転周波数を下げること
により、さらに冷凍能力が向上するという特異な現象を
発見したことに基づくものであり、これにより極低温冷
凍機の大幅な変更を要することなく冷凍能力の格段の増
加を実現し得るようにしたものである。すなわち、冷凍
機のディスプレ―サの運転周波数を温度の低下と共に低
くなるように制御し冷凍能力を向上するものである。
【0019】
【実施例】以下、本発明に係る一実施例を図面を参照し
て説明する。図1は本発明に係る冷凍機の運転方法が適
用される極低温冷凍機の構成を示す断面図である。
【0020】図1は、図4に示したGM冷凍機に、温度
センサ41、コントロ―ラ42及びインバ―タ43を設
けた例である。従って、図4のものと同一構成要素には
同符号を付して説明は省略する。
【0021】温度センサ41は、低温部である第2ステ
―ジ17に隣接して設け、この個所の温度を検知し、コ
ントロ―ラ(制御手段)42へその検出信号を送る。コ
ントロ―ラ42は、電源44とモ―タ13との中間に設
けたインバ―タ43を介して、温度の変化に応じてモ―
タ13の回転数を制御する。従って、これと連動する冷
凍機の冷媒圧縮部材であるディスプレ―サ12の運転周
波数を検知温度に応じ変化させることができるようにし
た。
【0022】図3には運転周波数を変化させた時の冷凍
機の冷凍能力曲線を示す。代表的な運転周波数として6
0rpm ,36rpm ,18rpm を示す。通常の冷凍機では
60rpm 程度の運転周波数である。図3からわかるよう
に、運転周波数を遅くする程、最低温度(冷凍量がOW
の時の温度)が低くなり、低温での冷凍量も大きい。し
かしながら、温度が高くなると周波数が遅い程冷凍量は
小さい。従って、各温度レベルで運転周波数を変化させ
ることによって、低温まで下がり、冷凍能力の大きな冷
凍機を実現できる。図2は、本発明実施例による冷凍能
力を示している。8.5K以上では60rpm 、6.3K
〜8.5Kでは36rpm 、6.3以下では18rpm で運
転させた結果である。破線は従来の冷凍機の冷凍能力で
60rpmのみの運転である。本発明実施例により、従来
に比べより低温まで下がり、低温での冷凍能力が大きい
冷凍機が実現されていることがわかる。
【0023】なお、上述した実施例では、GM冷凍機に
て本発明を構成したが、スタ―リングサイクル、ビルミ
ヤサイクル等の蓄冷式冷凍機に構成することができる。
また、詳述した実施例ではディスプレ―サの運転周波数
を変化させるためにインバ―タを使用していたが、他の
方法によって運転周波数を変化させても良い。また、上
述した実施例では、運転周波数を60rpm ,36rpm ,
18rpm に限っており、その温度範囲も8.5K,6.
3Kに限っていたが、他の周波数・温度レベルでも良
い。
【0024】
【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、極低
温下にあっては、温度の低下と共に冷凍機のディスプレ
―サの運転周波数を遅くすることにより、冷凍機の到達
可能な最低温度を下げ、低温での冷凍能力の格段の増加
を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例に係る冷凍機の一部を切欠い
た構成図である。
【図2】図1に示した冷凍機の特性を従来の冷凍機のそ
れと比較して示す図である。
【図3】ディスプレ―サの運転周波数を変化させた時の
冷凍機の冷凍能力を示す図である。
【図4】従来の冷凍機の概略の構成を示す構成図であ
る。
【符号の説明】
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―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ディスプレ―サ 19 第2ディスプレ―サ 20 連結部材 21 流体通路 22 蓄冷材 23 流体通路 24 蓄冷材 25 シール 26 シール 27 連結ロッド 28 クランク軸 30 導入口 31 排出口 32 低圧弁 33 コンプレッサ 34 高圧弁 35 第1蓄冷器 36 第2蓄冷器 39 第1膨脹室 40 第2膨脹室 41 温度センサ 42 コントロ―ラ(制御手段) 43 インバ―タ 44 電源

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 圧縮した冷媒ガスを蓄冷器を用いて冷却
    した後、低温部で膨脹させることによって寒冷を発生さ
    せる冷凍機の運転方法であって、 定常運転時にあって、前記低温部においてより低い温度
    を得るために、冷凍機のディスプレ―サの運転周波数を
    下げるように制御することを特徴とする冷凍機の運転方
    法。
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