JPH06300377A

JPH06300377A - 極低温発生装置

Info

Publication number: JPH06300377A
Application number: JP5090298A
Authority: JP
Inventors: Naoki Fukui; 直樹福井
Original assignee: Daikin Industries Ltd
Current assignee: Daikin Industries Ltd
Priority date: 1993-04-16
Filing date: 1993-04-16
Publication date: 1994-10-28

Abstract

(57)【要約】【目的】膨張機がバルブモータアッセンブリとシリン
ダアッセンブリとに分離されてなるＧＭ冷凍機によりＪ
Ｔ冷凍機の冷媒を予冷する極低温発生装置において、シ
リンダアッセンブリの常温端の圧縮熱の滞留を低減す
る。【構成】ＪＴ冷凍機Ｂの低圧側冷媒配管７２ｂをシリ
ンダアッセンブリ３の常温端側所定位置に熱結合させ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は極低温発生装置に関
し、さらに詳細にいえば、膨張機のシリンダ内でディス
プレーサをガス圧により往復動させて、ディスプレーサ
の往復動に伴なう冷媒ガスの断熱膨張により予冷用の寒
冷を発生させる予冷用冷凍機と、ジュールトムソン冷凍
機との組合せにより極低温レベルの寒冷を発生させる極
低温発生装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、この種の予冷用冷凍機とし
て、ＧＭ（ギフォード・マクマホン）サイクルの冷媒サ
イクルを有するガス圧駆動式のＧＭ冷凍機が知られてい
る。この冷凍機の膨張機はシリンダと、該シリンダ内に
往復動可能に配置されたディスプレーサおよびスラック
ピストンとを備えてなり、ディスプレーサによりシリン
ダ内の先端に膨張室が区画され、この膨張室はディスプ
レーサ内のリジェネレータを介してシリンダ基端側の空
間に連通している。スラックピストンは、シリンダの基
端側に該基端側空間をガス給排室と中間圧室とに区画す
るように配置され、かつディスプレーサに対し所定スト
ロークの間隔をあけて係合している。上記中間圧室はサ
ージボリュームに連通されている一方、ガス給排室は圧
縮機の吐出側および吸込側にそれぞれ接続される高圧ガ
ス入口及び低圧ガス出口に連通されている。そして、ガ
ス給排室ないし膨張室に対する冷媒ガスの給排を周期的
に切り換えることで、ガス給排室と中間圧室との差圧に
よりスラックピストンを移動させてディスプレーサを往
復動させ、このディスプレーサの往復動に伴なう冷媒ガ
スの膨張室での膨張により膨張室周りのシリンダに寒冷
を発生させるようになされている。

【０００３】そして、予冷冷凍機の冷却ステージによっ
てＪＴ（ジュールトムソン）冷凍機の冷媒を予冷するこ
とにより約４Ｋの寒冷を発生させる。この約４Ｋの寒冷
により、超伝導量子干渉素子（Superconductive Quantu
m Interference Device ：以下、ＳＱＵＩＤと略称す
る）を主要部とするＳＱＵＩＤ磁束計を冷却すれば、生
体磁場等の極めて微弱な磁束を測定することが可能にな
る。

【０００４】しかし、上記ガスの給排を切り代えるため
にバルブモータ、電磁弁等の電気的アクチュエータを用
いるガス圧駆動式のＧＭ冷凍機を採用する場合には、電
気的アクチュエータから発生する磁束がノイズ磁束とし
てＳＱＵＩＤ磁束計に作用し、ＳＱＵＩＤ磁束計の磁束
測定精度を低下させてしまうという不都合がある。そこ
で、従来、上記バルブモータの影響を低減するために、
膨張機におけるバルブ及びバルブモータをシリンダ部分
と分離し、バルブモータアッセンブリとシリンダアッセ
ンブリとを配管で接続することにより、バルブモータを
ＳＱＵＩＤつまりシリンダ先端から離して、バルブモー
タからの磁束による有害なノイズを低減するようにした
別体型のものが提案されている（例えば、1988.8.18 〜
8.19に開催された会議“5th International Cryocooler
Conference ”での米国論文“Development of A Hybri
d Gifford-Mcmahon Joule-Thompson Based Neuromagnet
ometer, Cryosquid ”参照）。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところが、バルブモー
タがシリンダ部分と一体化されている一体型の膨張機で
は、高低圧ガスが圧縮機との間で循環しており、シリン
ダの低温端（先端）でガスが奪った圧縮熱はガスが圧縮
機に戻る間に放出されるので問題は生じないが、上述し
たような別体型の膨張機では、圧縮機との間を循環する
冷媒ガス量が減少し、このためシリンダの低温端（先
端）でガスが奪った圧縮熱は十分には放出されず、シリ
ンダの常温部（基端部）に溜まることになる。この熱の
滞留によりシリンダ基端側に配置されているサージボリ
ュームが加熱され、その内部のガス圧が高くなり、ガス
の中間圧と高圧との差圧が小さくなってスラックピスト
ンおよびディスプレーサのスムーズな移動に支障をきた
し、クールダウン時間が長くなったり、クールダウン後
の定常運転時の冷凍能力が低下したりするという不都合
がある。

【０００６】このような不都合を解消するために、シリ
ンダ基端側に冷却フィンを設けること、水冷配管を設け
ること、バルブモータからの低圧ガスをシリンダ部分に
設けられた熱交換器に導いた後に圧縮機に戻すこと等が
考えられる。しかし、何れの構成を採用した場合にも構
成がかなり複雑化するとともに、第１番目、第３番目の
構成を採用した場合には十分な冷却効率を達成できない
という不都合がある。

【０００７】

【発明の目的】この発明は上記の問題点に鑑みてなされ
たものであり、簡単な構成でありながら、予冷冷凍機の
シリンダアッセンブリの常温部の昇温を大幅に抑制でき
る極低温発生装置を提供することを第１の目的とし、予
冷冷凍機のシリンダアッセンブリの常温部の昇温を大幅
に抑制しつつクールダウン所要時間の長時間化を抑制で
きる極低温発生装置を提供することを第２の目的として
いる。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記第１の目的を達成す
るための、請求項１の極低温発生装置は、ジュールトム
ソン冷凍機の低圧側冷媒配管が、膨張機がシリンダアッ
センブリとバルブモータアッセンブリとに分離されてな
る予冷冷凍機のシリンダアッセンブリの常温端側の所定
位置に熱結合されたものである。

【０００９】請求項２の極低温発生装置は、ジュールト
ムソン冷凍機の高圧側冷媒配管が、膨張機がシリンダア
ッセンブリとバルブモータアッセンブリとに分離されて
なる予冷冷凍機のシリンダアッセンブリの常温端側の所
定位置に熱結合されたものである。請求項３の極低温発
生装置は、膨張機がシリンダアッセンブリとバルブモー
タアッセンブリとに分離されてなる予冷冷凍機の冷却ス
テージが所定温度にまで冷却されたことを検出してジュ
ールトムソン冷凍機の動作を許容する制御手段を有して
いる。

【００１０】請求項４の極低温発生装置は、膨張機がシ
リンダアッセンブリとバルブモータアッセンブリとに分
離されてなる予冷冷凍機の運転開始から所定時間が経過
したことを検出してジュールトムソン冷凍機の動作を許
容する制御手段を有している。上記第２の目的を達成す
るための、請求項５の極低温発生装置は、膨張機がシリ
ンダアッセンブリとバルブモータアッセンブリとに分離
されてなる予冷冷凍機のクールダウンを検出するクール
ダウン検出手段と、クールダウン検出手段によりクール
ダウンが検出されるまではジュールトムソン冷凍機の冷
媒流量を少なくし、クールダウンが検出された後はジュ
ールトムソン冷凍機の冷媒流量を規定量にすべく、ジュ
ールトムソン冷凍機の圧縮機を制御する圧縮機制御手段
とを有している。

【００１１】請求項６の極低温発生装置は、ジュールト
ムソン冷凍機の圧縮機の高圧側と低圧側との間をバイパ
スさせるバイパスバルブと、膨張機がシリンダアッセン
ブリとバルブモータアッセンブリとに分離されてなる予
冷冷凍機のクールダウンを検出するクールダウン検出手
段と、クールダウン検出手段によりクールダウンが検出
されるまではバイパス流量を多くし、クールダウンが検
出された後はバイパス流量を少なくすべく、ジュールト
ムソン冷凍機のバイパスバルブを制御するバイパスバル
ブ制御手段とを有している。

【００１２】

【作用】請求項１の極低温発生装置であれば、ジュール
トムソン冷凍機を動作させている状態において、予冷冷
凍機のバルブモータアッセンブリのバルブモータにより
切換バルブを駆動して、ガス給排口を介してシリンダ内
へガスを給排してディスプレーサを往復動させる場合に
おいて、ジュールトムソン冷凍機の低圧側冷媒配管が予
冷冷凍機のシリンダアッセンブリの常温端側の所定位置
に熱結合され、熱交換されるので、シリンダアッセンブ
リの常温端における圧縮熱の滞留を大幅に抑制できる。
この結果、予熱冷凍機の冷媒配管でのガスの圧力損失に
より冷凍能力が低下し或は圧縮機の負荷が増大したり、
シリンダアッセンブリの常温端での圧縮熱の滞留により
ディスプレーサの往復運動が悪影響を受けたりするのを
回避することができる。また、シリンダアッセンブリに
収容される樹脂材料への悪影響を未然に防止できる。さ
らに、ジュールトムソン冷凍機の低圧側冷媒配管をシリ
ンダアッセンブリの常温端側の所定位置に熱結合するだ
けでよいから構成の複雑化を大幅に抑制できる。

【００１３】請求項２の極低温発生装置であれば、ジュ
ールトムソン冷凍機の高圧側冷媒配管により予冷冷凍機
のシリンダアッセンブリの常温端側での熱交換を行なっ
て、シリンダアッセンブリの常温端における圧縮熱の滞
留を大幅に抑制できる。また、低圧側冷媒配管ではな
く、高圧側冷媒配管によりシリンダアッセンブリの常温
端側での熱交換を行なうのであるから、ジュールトムソ
ン冷凍機の圧縮機の負荷の増大を低減できる。

【００１４】請求項３の極低温発生装置であれば、膨張
機がシリンダアッセンブリとバルブモータアッセンブリ
とに分離されてなる予冷冷凍機のクールダウンが達成で
きた後にのみジュールトムソン冷凍機の動作を行なわせ
るのであるから、予冷冷凍機のクールダウン動作中にお
ける熱負荷を十分に低減でき、シリンダアッセンブリの
常温端における圧縮熱の滞留を大幅に抑制できる。

【００１５】請求項４の極低温発生装置であれば、膨張
機がシリンダアッセンブリとバルブモータアッセンブリ
とに分離されてなる予冷冷凍機の運転開始から所定時間
が経過してクールダウンが達成できた後にのみジュール
トムソン冷凍機の動作を行なわせるのであるから、予冷
冷凍機のクールダウン動作中における熱負荷を十分に低
減でき、シリンダアッセンブリの常温端における圧縮熱
の滞留を大幅に抑制できる。また、温度検出等を行なう
必要がなく、単に時間を検出するだけでよいから、構成
の複雑化を大幅に抑制できる。

【００１６】請求項５の極低温発生装置であれば、膨張
機がシリンダアッセンブリとバルブモータアッセンブリ
とに分離されてなる予冷冷凍機のクールダウンが達成さ
れるまでの間はジュールトムソン冷凍機の冷媒流量を少
なくして、予冷冷凍機のクールダウン動作中における熱
負荷を低減し、しかもジュールトムソン冷凍機によるあ
る程度の冷却を行なうのであるから、シリンダアッセン
ブリの常温端における圧縮熱の滞留を抑制できるととも
に、ジュールトムソン冷凍機によるある程度の冷却動作
が並行して行なわれていることに起因して、極低温発生
装置全体としてのクールダウン所要時間の長時間化を抑
制できる。

【００１７】請求項６の極低温発生装置であれば、膨張
機がシリンダアッセンブリとバルブモータアッセンブリ
とに分離されてなる予冷冷凍機のクールダウンが達成さ
れるまでの間はジュールトムソン冷凍機のバイパスバル
ブを開くことによりクールダウンに寄与する冷媒流量を
少なくして、予冷冷凍機のクールダウン動作中における
熱負荷を低減し、しかもジュールトムソン冷凍機による
ある程度の冷却を行なうのであるから、シリンダアッセ
ンブリの常温端における圧縮熱の滞留を抑制できるとと
もに、ジュールトムソン冷凍機によるある程度の冷却動
作が並行して行なわれていることに起因して、極低温発
生装置全体としてのクールダウン所要時間の長時間化を
抑制できる。さらに、圧縮機の制御に代えてバイパスバ
ルブの制御を行なうのであるから、極低温発生装置全体
としての構成の簡素化およびコストダウンを達成できる

【００１８】

【実施例】以下、実施例を示す添付図面によって詳細に
説明する。図１はこの発明の極低温発生装置の一実施例
を示す概略図であり、予冷冷凍機としてのＧＭ冷凍機Ａ
とＪＴ冷凍機Ｂとを有している。上記ＧＭ冷凍機Ａは、
冷媒ガスとしてのヘリウムガスを圧縮して高圧ガスを発
生させる圧縮機１と、圧縮機１から供給された高圧ガス
を断熱膨張させて予冷に十分な温度レベルの寒冷を発生
させる膨張機２とを有している。そして、膨張機２は、
バルブモータアッセンブリ４０とシリンダアッセンブリ
３とに分離されているとともに、両アッセンブリ間を冷
媒配管６１により連通している。また、上記シリンダア
ッセンブリ３は第１段ヒートステーション１１および第
２段ヒートステーション１２を有しており、第２段ヒー
トステーション１２がより低い温度レベルに保持される
よう構成されている。

【００１９】上記ＪＴ冷凍機Ｂは、冷媒ガスとしてのヘ
リウムガスを圧縮して高圧ガスを発生させる圧縮機７１
と、圧縮機７１の高圧側と低圧側とを連通する冷媒配管
７２と、冷媒配管７２に介在されたＪＴ弁７３とを有し
ている。そして、高圧側の冷媒配管７２ａの所定位置を
上記第１段ヒートステーション１１、第２段ヒートステ
ーション１２に熱結合させることにより高圧ガスの予冷
を達成しているとともに、ヒートステーション１１，１
２に熱結合されている部分の前後において高圧側の冷媒
配管７２ａと低圧側の冷媒配管７２ｂとの間で熱交換を
行なわせる熱交換器７４ａ，７４ｂ，７４ｃを設けるこ
とにより、高圧ガスの予冷効果を向上させている。さら
に、低圧側の冷媒配管７２ｂのうち、圧縮機７１に近い
側の所定位置がシリンダアッセンブリ３の常温端側所定
位置（例えば、後述するバルブステム４）と熱結合され
ている。

【００２０】したがって、ＧＭ冷凍機Ａを動作させて予
冷に十分な温度レベルにまで第１段、第２段ヒートステ
ーション１１，１２を冷却すると同時に、ＪＴ冷凍機Ｂ
を動作させて第２段ヒートステーション１２よりも低い
温度レベルの寒冷を発生させる場合に、シリンダアッセ
ンブリ３の常温端側に圧縮熱が滞留するのであるが、Ｊ
Ｔ冷凍機Ｂの低圧側の冷媒配管７２ｂにより上記常温端
側との間で熱交換を行なうのであるから、圧縮熱の滞留
を大幅に低減できる。この結果、シリンダアッセンブリ
３のディスプレーサ１６（図２参照）の往復運動が悪影
響を受けるという不都合の発生を未然に防止できる。ま
た、以上の説明から明らかなように、圧縮熱の滞留を抑
制するための特別の配管を設ける必要がないので、極低
温発生装置全体としての構成の複雑化を防止できる。

【００２１】尚、この実施例においては、シリンダアッ
センブリ３の常温端側の圧縮熱を奪うことにより昇温さ
れた低圧ガスが圧縮機７１に導入され、圧縮機７１の負
荷が大きくなる。したがって、最も圧縮機７１側の熱交
換器７４ａよりも少し圧縮機７１側において高圧側の冷
媒配管７２ａと低圧側の冷媒配管７２ｂとの間をバイパ
スさせるバイパスバルブ７５を設けておくことが好まし
い。

【００２２】図２は上記ＧＭ冷凍機Ａの全体構成を示す
縦断面図であり、この冷凍機は、ヘリウムガス（冷媒ガ
ス）のジュールトムソン膨張を利用したＪＴ冷凍機Ｂの
予冷用冷凍機として用いられ、このＪＴ冷凍機Ｂにより
ＳＱＵＩＤ（図示せず）を極低温レベルに冷却するよう
になっている。図２において、１は冷媒ガスとしてのヘ
リウムガスを圧縮して高圧ガスを発生させる圧縮機、２
は該圧縮機１から供給された高圧ガスを断熱膨張させて
極低温レベルの寒冷を発生させる膨張機である。そし
て、膨張機２はシリンダアッセンブリ３とバルブモータ
アッセンブリ４０とから構成されている。

【００２３】上記シリンダアッセンブリ３は、上方に開
放された有底円筒状のシリンダ１０と、シリンダ１０の
上端側（基端側）の開口を気密状に閉塞するバルブステ
ム４とを有する。このバルブステム４はシリンダ１０内
にその内壁と所定の間隔をあけて同心状に突出する円柱
状の突出部４ａを有する。また、バルブステム４には、
その上面のシリンダ中心線上に開口するガス給排口５
と、比較的小さい容量のサージボリューム７と、ガス給
排口５をシリンダ１０内に連通するガス流路８とが形成
されている。さらに、ガス流路８は通路断面積の小さい
連通路９を介してサージボリューム７に常時連通してお
り、連通路９によりサージボリューム７での中間圧を適
正値に設定するようにしている。

【００２４】上記シリンダ１０は、上端側（基端側）の
大径部１０ａと該大径部１０ａの下端（先端）に連続す
る小径部１０ｂとで２段構造に形成され、上記大径部１
０ａの下端部には例えば５５〜６０Ｋの温度レベルに保
持される第１段ヒートステーション１１が、また小径部
１０ｂの下端には上記第１段ヒートステーション１１よ
りも低い例えば１５〜２０Ｋの温度レベルに保持される
第２段ヒートステーション１２がそれぞれ設けられてお
り、この両段ヒートステーション１１，１２から伝熱さ
れて図外のＪＴ冷凍機のヘリウムガスが予冷されるよう
になっている。

【００２５】シリンダ１０の大径部１０ａ上端の内部に
は該大径部１０ａ内部に中間圧室１３を区画形成するス
ラックピストン１５が配設され、中間圧室１３はバルブ
ステム４内のサージボリューム７にオリフィス１４を介
して常時連通している。スラックピストン１５は底壁を
有する略カップ形状のもので、その内周上端がバルブス
テム４の突出部４ａ外周に、また外周下端がシリンダ１
０の大径部１０ａ内周にそれぞれ気密状に摺接してい
る。また、スラックピストン１５の底壁中心部には中心
孔１５ａが、また底壁の隅角部にはピストン１５内外を
連通する複数の連通孔１５ｂ，１５ｂ，・・・がそれぞ
れ貫通形成されている。

【００２６】また、シリンダ１０内にはディスプレーサ
１６が往復動可能に嵌挿されている。このディスプレー
サ１６は、シリンダ１０の大径部１０ａにて気密摺動可
能に配置された大径部１６ａと、該大径部１６ａの下端
（先端）に連続し、シリンダ１０の小径部１０ｂに気密
摺動可能に配置された小径部１６ｂとからなる２段構造
のもので、大径部１６ａ及び小径部１６ｂの内部にはそ
れぞれ密閉空間が形成されており、このディスプレーサ
１６により、シリンダ１０内の空間が、ディスプレーサ
１６の上端及びスラックピストン１５で囲まれるガス給
排室１７と、ディスプレーサ１６の大径部１６ａおよび
シリンダ１０の大径部１０ａで囲まれ、上記第１段ヒー
トステーション１１に対応する第１段膨張室１８と、デ
ィスプレーサ１６の小径部１６ｂおよびシリンダ１０の
小径部１０ｂで囲まれ、上記第２段ヒートステーション
１２に対応する第２段膨張室１９とに区画されている。

【００２７】また、ディスプレーサ１６の大径部１６ａ
下端には大径部１６ａ内の密閉空間を上記第１段膨張室
１８に常時連通する連通孔２０，２０が形成されてい
る。また、小径部１６ｂ上端には小径部１６ｂ内の空間
を第１段膨張室１８に常時連通する連通孔２１，２１
が、同下端には密閉空間を上記第２段膨張室１９に常時
連通する連通孔２２，２２がそれぞれ形成されている。

【００２８】さらに、上記ディスプレーサ１６の大径部
１６ａ上端には大径部１６ａ内の空間を上記ガス給排室
１７に連通する管状の係止片２３が一体に突設され、係
止片２３は上記スラックピストン１５底壁の中心孔１５
ａを貫通してピストン１５内に所定寸法だけ延び、その
上端部にはピストン１５底壁に係合するフランジ状の係
止部２３ａが一体に形成されており、スラックピストン
１５の上昇移動時、ピストン１５が所定ストロークだけ
上昇した時点でその底壁と係止片２３の係止部２３ａと
の係合により、ディスプレーサ１６をピストン１５によ
って駆動して上昇開始させるように、つまりディスプレ
ーサ１６を所定ストロークの遅れをもってピストン１５
に追従移動させるようになされている。

【００２９】そして、上記ディスプレーサ１６の大径部
１６ａ内の密閉空間には第１段リジェネレータ２４（蓄
冷器）が、また、小径部１６ｂ内の密閉空間には第２段
リジェネレータ２５がそれぞれ嵌挿されている。これら
リジェネレータ２４，２５はいずれも蓄冷型の熱交換器
からなる。具体的には、上記第１段リジェネレータ２４
は、密閉空間内に蓄冷材として円板状の多数の銅メッシ
ュを積層したものであり、一方、第２段リジェネレータ
２５では空間内に蓄冷材として所定の直径を有する多数
の鉛球（鉛のショット）が充填封入され、これらメッシ
ュの網目及び鉛球間の間隙がガス通路とされており、こ
のガス通路を流れるヘリウムガスの冷熱をメッシュ及び
各鉛球に蓄えるようにしている。すなわち、ディスプレ
ーサ１６がシリンダ１０内を上昇する吸気行程にあると
きには、前の排気行程で極低温レベルに温度降下したメ
ッシュ及び鉛球をガス給排室１７から第１及び第２膨張
室１８，１９に向かう常温のヘリウムガスと接触させ
て、両者の熱交換によりそのガスを極低温レベル近くま
で冷却する。一方、ディスプレーサ１６が下降する排気
行程にあるときには、各膨張室１８，１９での膨張によ
り極低温レベルに温度降下したヘリウムガスをシリンダ
１０外に排出する途中でメッシュ及び鉛球と接触させ
て、両者の熱交換によりメッシュ及び鉛球を極低温レベ
ル近くまで再度冷却するように構成されている。

【００３０】これに対し、上記バルブモータアッセンブ
リ４０は、上端が閉塞された有底円筒状のバルブハウジ
ング４１と、ハウジング４１の下端開口を機密状に閉塞
するバルブステム４２とで構成された密閉円筒状のもの
で、バルブハウジング４１の側壁には圧縮機１の吐出側
に接続される高圧ガス入口４３と、同吸込側に接続され
る低圧ガス出口４４とが開口されている。また、バルブ
ステム４２の下端には上記シリンダアッセンブリ３のガ
ス給排口５と同径のガス給排口４５が開口されている。
バルブハウジング４１の内部には、高圧ガス入口４３に
連通するバルブ室４６が形成され、バルブ室４６にはバ
ルブステム４２の上面が臨んでいる。

【００３１】バルブステム４２には、上半分が２つに分
岐されかつバルブ室４６をガス給排口４５に連通する第
１ガス流路４８と、一端が該第１ガス流路４８に後述の
バルブディスク５１の低圧ポート５３を介して連通する
とともに、他端が上記低圧ガス出口４４にバルブハウジ
ング４１に形成した連通路５０を介して連通する第２ガ
ス流路４９とが貫通形成されている。両ガス流路４８，
４９は、図３に示すように、バルブステム４２上面にお
いてバルブ室４６に対し、第２ガス流路４９にあっては
バルブステム４２中心部に、第１ガス流路４８の２つの
分岐部分にあっては第２ガス流路４９の開口部に対して
対称な位置にそれぞれ開口されている。

【００３２】また、バルブ室４６内にはバルブモータ５
４によって所定周期で回転駆動される切換バルブとして
のバルブディスク５１が配設され該バルブディスク５１
の切換動作により、高圧ガス入口４３に連通するバルブ
室４６と低圧ガス出口４４に連通する連通路５０とをガ
ス給排口４５に対し交互に連通するようになされてい
る。

【００３３】詳しくは、上記バルブディスク５１はバル
ブモータ５４の出力軸５４ａに摺動可能に連結されてい
る。また、バルブディスク５１上面とモータ５４との間
にはスプリング５５が縮装されており、このスプリング
５５のばね力及びバルブ室４６に導入された高圧ヘリウ
ムガスの圧力によりバルブディスク５１下面をバルブス
テム４２上面に対し一定の押圧力で押し付けている。ま
た、図４に示すように、バルブディスク５１の下面に
は、その半径方向に対向する外周縁から中心方向に所定
長さだけ切り込んでなる１対の高圧ポート５２，５２
と、高圧ポート５２，５２に対しバルブディスク５１の
回転方向にほぼ９０°の角度間隔をあけて配置され、バ
ルブディスク５１下面の中心から外周縁近傍に向かって
直径方向に切り欠いてなる低圧ポート５３とが形成され
ている。そして、バルブモータ５４の駆動によりバルブ
ディスク５１がその下面をバルブステム４２上面に圧接
させながら回転して切換動作する際、このバルブディス
ク５１の切換動作に応じて高圧ガス入口４３又は低圧ガ
ス出口４４を交互にガス給排口４５に所定のタイミング
で連通させるようにしている。

【００３４】さらに、シリンダアッセンブリ３のガス給
排口５とバルブモータアッセンブリ４０のガス給排口４
５とが長さが長いフレキシブル冷媒配管６１により連通
されている。上記の構成のＧＭ型極低温冷凍機の作用は
次のとおりである。圧縮機１により発生された高圧ガス
をシリンダアッセンブリ３に供給し得るようにバルブモ
ータアッセンブリ４０を動作させれば、高低圧ガス配管
６１を通してシリンダアッセンブリ３に高圧ガスを供給
できる。

【００３５】そして、バルブモータアッセンブリ４０で
のバルブディスク５１の切換えにより、シリンダアッセ
ンブリ３のガス給排口５に高圧ガス入口４３からの高圧
ガスまたは低圧ガス出口４４からの低圧ガスを交互に作
用させてスラックピストン１５およびディスプレーサ１
６をシリンダ１０内で往復動させ、図３（Ａ）に示すよ
うに、バルブディスク５１下面の高圧ポート５２，５２
の内端がそれぞれバルブステム４２上面の第１ガス流路
４８に合致したときには、バルブ室４６を高圧ポート５
２，５２、第１ガス流路４８およびフレキシブル冷媒配
管６１を介してシリンダ１０内のガス給排室１７、第１
および第２段膨張室１８，１９に連通させて、これら各
室１７〜１９に高圧ヘリウムガスを導入充填することに
より、スラックピストン１５およびこのピストン１５に
よって駆動されるディスプレーサ１６を上昇させる。

【００３６】他方、図３（Ｂ）に示すように、バルブス
テム４２上面に開口する第２ガス流路４９に中央部にて
常時連通する低圧ポート５３の外端が第１ガス流路４８
に合致した場合には、シリンダ１０内の各室１７〜１９
をフレキシブル冷媒配管６１、第１ガス流路４８，４
８、低圧ポート５３、第２ガス流路４９および連通路５
０を介して低圧ガス出口４４に連通させて、各室１７〜
１９に充填されているヘリウムガスを低圧ガス出口４４
に排出することにより、スラックピストン１５およびデ
ィスプレーサ１６を下降させ、このディスプレーサ１６
の下降移動に伴なう膨張室１８，１９内のヘリウムガス
の膨張によって各ヒートステーション１１，１２に寒冷
を発生するように構成されている。そして、両段ヒート
ステーション１１，１２からの寒冷を受けたＪＴ冷凍機
Ｂのヘリウムガスが予冷され、このＪＴ冷凍機Ｂにより
ＳＱＵＩＤが極低温レベルに冷却される。

【００３７】

【実施例２】図５はこの発明の極低温発生装置の他の実
施例を示す概略図であり、図１の実施例と異なる点は、
ＪＴ冷凍機７１の高圧側の冷媒配管７２ａをシリンダア
ッセンブリ３の常温端側所定位置と熱結合させた点のみ
である。したがって、この実施例の場合にも、ＧＭ冷凍
機Ａのシリンダアッセンブリ３の常温端側における圧縮
熱の滞留を大幅に低減させることができる。また、この
実施例においては、圧縮熱を奪ったヘリウムガスはジュ
ールトムソン膨張した後にＪＴ冷凍機Ｂの圧縮機７１に
導入されるので、圧縮機７１の負荷が増大するおそれは
ない。したがって、図１の実施例のようにバイパスバル
ブ７５を設ける必要がなくなる。

【００３８】

【実施例３】図６はこの発明の極低温発生装置のさらに
他の実施例を示す概略図であり、上記実施例と異なる点
は、ＪＴ冷凍機Ｂの冷媒配管７２をシリンダアッセンブ
リ３の常温端側の所定位置と熱結合させる代わりに、Ｇ
Ｍ冷凍機Ａの第２段ヒートステーション１２の温度を検
出する温度センサ８１と、温度センサ８１により検出さ
れた温度が所定の基準温度以下になったことに応答して
ＪＴ冷凍機Ｂの圧縮機７１を動作させる制御部８２を設
けた点のみである。

【００３９】したがって、この実施例の場合には、ＧＭ
冷凍機Ａのクールダウン動作中にＪＴ冷凍機Ｂを停止さ
せておくことにより、ＧＭ冷凍機Ａの熱負荷を大幅に低
減できる。この結果、シリンダアッセンブリ３の常温端
側における圧縮熱の滞留を大幅に抑制できる。ＧＭ冷凍
機Ａのクールダウンが完了した後は、シリンダアッセン
ブリ３の常温端側が昇温することはなく、定常温度にま
で低下するのであるから、この状態においてＪＴ冷凍機
Ｂを動作させることにより極低温レベルの寒冷を発生さ
せることができる。

【００４０】

【実施例４】図７はこの発明の極低温発生装置のさらに
他の実施例を示す概略図であり、図６の実施例と異なる
点は、温度センサ８１及び制御部８２に代えて遅延タイ
マスイッチ８３を設けた点のみである。上記遅延タイマ
スイッチ８３は、ＧＭ冷凍機Ａの運転開始と同時に計時
動作を開始し、ＧＭ冷凍機Ａのクールダウン所要時間を
計時した時点でＪＴ冷凍機Ｂの圧縮機７１に運転開始信
号を供給するものである。

【００４１】したがって、この実施例の場合には、ＧＭ
冷凍機Ａのクールダウン動作中にＪＴ冷凍機Ｂを停止さ
せておくことにより、ＧＭ冷凍機Ａの熱負荷を大幅に低
減できる。この結果、シリンダアッセンブリ３の常温端
側における圧縮熱の滞留を大幅に抑制できる。ＧＭ冷凍
機Ａのクールダウンが完了した後は、シリンダアッセン
ブリ３の常温端側が昇温することはなく、定常温度にま
で低下するのであるから、この状態においてＪＴ冷凍機
Ｂを動作させることにより極低温レベルの寒冷を発生さ
せることができる。尚、上記クールダウン所要時間は、
ＧＭ冷凍機Ａの熱負荷等により予め予測できるので、遅
延タイマスイッチ８３に正確なクールダウン所要時間を
設定しておくことが可能である。

【００４２】

【実施例５】図８はこの発明の極低温発生装置のさらに
他の実施例を示す概略図であり、図６の実施例と異なる
点は、温度センサ８１及び制御部８２に代えてＧＭ冷凍
機Ａの状態を検出するセンサ８４と、センサ８４からの
信号に基づいてクールダウン完了か否かを判別し、判別
結果に対応して動作指令信号を出力する制御装置８５
と、制御装置８５からの動作指令信号に基づいてＪＴ冷
凍機Ｂの圧縮機７１を制御するインバータ装置８６とを
設けた点のみである。

【００４３】上記センサ８４は、ＧＭ冷凍機Ａのシリン
ダアッセンブリ３の第２段ヒートステーション１２の温
度、ＪＴ冷凍機ＢのＪＴ回路の冷媒ガス圧力、冷媒ガス
流量等に基づいてＧＭ冷凍機Ａの状態を検出するもので
ある。上記制御装置８５は、クールダウンが完了してい
ない場合に、ＪＴ回路の冷媒ガス流量を少なくすべきこ
とを指示する動作指令信号を出力し、クールダウンが完
了した場合に、ＪＴ回路の冷媒ガス流量を多くすべきこ
とを指示する動作指令信号を出力するものである。こ
の実施例の場合には、ＧＭ冷凍機Ａがクールダウン動作
を行なっている間、ＪＴ冷凍機Ｂの圧縮機７１に供給す
る電源電圧の周波数をインバータ装置８６により低く設
定してＪＴ回路における冷媒ガス流量を少なくする。し
たがって、ＧＭ冷凍機Ａの熱負荷を低減してシリンダア
ッセンブリ３の常温端における圧縮熱の滞留を大幅に低
減できるとともに、流量が少なく設定された冷媒ガスが
ＪＴ回路に流れることによりＪＴ冷凍機Ｂによるある程
度の冷却を行なわせることができる。そして、ＧＭ冷凍
機Ａのクールダウンが完了した後は、シリンダアッセン
ブリ３の常温端の昇温が発生しなくなるので、ＪＴ冷凍
機ＢのＪＴ回路を流れる冷媒ガス流量を増加させてＪＴ
冷凍機Ｂによるクールダウンを迅速に行なうことができ
る。この結果、極低温発生装置全体としてのクールダウ
ン所要時間を図６の実施例の場合と比較して短縮でき
る。

【００４４】

【実施例６】図９はこの発明の極低温発生装置のさらに
他の実施例を示す概略図であり、図８の実施例と異なる
点は、インバータ装置８６によりＪＴ冷凍機Ｂの圧縮機
７１を制御する代わりに、圧縮機７１の高圧側と低圧側
とをバイパスさせる流量制御可能なバイパスバルブ８７
を設け、制御装置８５からの動作指令信号に基づいてバ
イパスバルブ８７の開度を制御するようにした点のみで
ある。

【００４５】したがって、この実施例の場合にも、極低
温発生装置全体としてのクールダウン所要時間を図６の
実施例の場合と比較して短縮できる。また、この実施例
では、インバータ装置８６に代えて流量制御可能なバイ
パスバルブ８７を設けるだけでよいから、極低温発生装
置全体として構成を簡素化できるとともに、コストダウ
ンを達成できる。

【００４６】

【発明の効果】以上のように請求項１の発明は、ジュー
ルトムソン冷凍機の低圧側冷媒配管が予冷冷凍機のシリ
ンダアッセンブリの常温端側の所定位置に熱結合され、
熱交換されるので、シリンダアッセンブリの常温端にお
ける圧縮熱の滞留を大幅に抑制でき、予熱冷凍機の冷媒
配管でのガスの圧力損失により冷凍能力が低下し或は圧
縮機の負荷が増大したり、シリンダアッセンブリの常温
端での圧縮熱の滞留によりディスプレーサの往復運動が
悪影響を受けたりするのを回避することができるととも
に、シリンダアッセンブリに収容される樹脂材料への悪
影響を未然に防止でき、しかも、ジュールトムソン冷凍
機の低圧側冷媒配管をシリンダアッセンブリの常温端側
の所定位置に熱結合するだけでよいから構成の複雑化を
大幅に抑制できるという特有の効果を奏する。

【００４７】請求項２の発明は、請求項１の効果に加
え、低圧側冷媒配管ではなく、高圧側冷媒配管によりシ
リンダアッセンブリの常温端側での熱交換を行なうので
あるから、ジュールトムソン冷凍機の圧縮機の負荷の増
大を低減できるという特有の効果を奏する。請求項３の
発明は、膨張機がシリンダアッセンブリとバルブモータ
アッセンブリとに分離されてなる予冷冷凍機のクールダ
ウンが達成できた後にのみジュールトムソン冷凍機の動
作を行なわせるのであるから、予冷冷凍機のクールダウ
ン動作中における熱負荷を十分に低減して、シリンダア
ッセンブリの常温端における圧縮熱の滞留を大幅に抑制
でき、予熱冷凍機の冷媒配管でのガスの圧力損失により
冷凍能力が低下し或は圧縮機の負荷が増大したり、シリ
ンダアッセンブリの常温端での圧縮熱の滞留によりディ
スプレーサの往復運動が悪影響を受けたりするのを回避
することができるとともに、シリンダアッセンブリに収
容される樹脂材料への悪影響を未然に防止でき、しか
も、予冷冷凍機のクールダウン後にジュールトムソン冷
凍機のクールダウン動作を行なわせるだけでよいから構
成の複雑化を大幅に抑制できるという特有の効果を奏す
る。

【００４８】請求項４の発明は、請求項３の効果に加
え、温度検出等を行なう必要がなく、単に時間を検出す
るだけでよいから、構成の複雑化を大幅に抑制できると
いう特有の効果を奏する。請求項５の発明は、膨張機が
シリンダアッセンブリとバルブモータアッセンブリとに
分離されてなる予冷冷凍機のクールダウンが達成される
までの間はジュールトムソン冷凍機の冷媒流量を少なく
して、予冷冷凍機のクールダウン動作中における熱負荷
を低減し、しかもジュールトムソン冷凍機によるある程
度の冷却を行なうのであるから、シリンダアッセンブリ
の常温端における圧縮熱の滞留を抑制できるとともに、
ジュールトムソン冷凍機によるある程度の冷却動作が並
行して行なわれていることに起因して、極低温発生装置
全体としてのクールダウン所要時間の長時間化を抑制で
きるという特有の効果を奏する。

【００４９】請求項６の発明は、請求項５の効果に加
え、圧縮機の制御に代えてバイパスバルブの制御を行な
うのであるから、極低温発生装置全体としての構成の簡
素化およびコストダウンを達成できるという特有の効果
を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の極低温発生装置の一実施例を示す概
略図である。

【図２】ＧＭ冷凍機の全体構成を示す縦断面図である。

【図３】バルブ室に臨むバルブステム上面の平面図であ
る。

【図４】バルブディスク下面の平面図である。

【図５】この発明の極低温発生装置の他の実施例を示す
概略図である。

【図６】この発明の極低温発生装置のさらに他の実施例
を示す概略図である。

【図７】この発明の極低温発生装置のさらに他の実施例
を示す概略図である。

【図８】この発明の極低温発生装置のさらに他の実施例
を示す概略図である。

【図９】この発明の極低温発生装置のさらに他の実施例
を示す概略図である。

【符号の説明】

ＡＧＭ冷凍機ＢＪＴ冷凍機１圧縮機２膨張機３シリンダアッセンブリ５ガス給排口１０シリンダ１１第１段ヒートステーション１２第２段ヒートステーション１６ディスプレ
ーサ１８，１９膨張室４０バルブモータアッセンブ
リ４３高圧ガス入口４４低圧ガス出口４５ガス給排口５１バルブディスク５４バルブモータ７１圧縮機７２ａ高圧側冷媒配管７２ｂ低圧側冷媒配管８１温度センサ８２制御部８３遅延タイマスイッチ８４センサ８５制御装置８６インバータ装置８７バイパスバルブ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】冷媒ガスを圧縮して高圧ガスを発生させ
る圧縮機（１）と、圧縮機（１）から供給された高圧ガ
スを断熱膨脹させて予冷用の寒冷を発生させる膨張機
（２）とで構成された予冷冷凍機（Ａ）の冷却ステージ
（１１）（１２）によってジュールトムソン冷凍機
（Ｂ）の冷媒を予冷する極低温発生装置であって、上記
膨張機（２）が、ガス給排口（５）を介してシリンダ
（１０）内へガスを給排してディスプレーサ（１６）を
往復動させ、シリンダ（１０）内の膨張室（１８）（１
９）でガスを膨張させるシリンダアッセンブリ（３）
と、バルブモータ（５４）により切換バルブ（５１）を
駆動して、上記圧縮機（１）の吐出側および吸入側にそ
れぞれ連通される高圧ガス入口（４３）および低圧ガス
出口（４４）とガス給排口（４５）とを選択的に連通す
るバルブモータアッセンブリ（４０）とに分離され、上
記ジュールトムソン冷凍機（Ｂ）の低圧側冷媒配管（７
２ｂ）が上記シリンダアッセンブリ（３）の常温端側の
所定位置に熱結合されてあることを特徴とする極低温発
生装置。
【請求項２】冷媒ガスを圧縮して高圧ガスを発生させ
る圧縮機（１）と、圧縮機（１）から供給された高圧ガ
スを断熱膨張させて予冷用の寒冷を発生させる膨張機
（２）とで構成された予冷冷凍機（Ａ）の冷却ステージ
（１１）（１２）によってジュールトムソン冷凍機
（Ｂ）の冷媒を予冷する極低温発生装置であって、上記
膨張機（２）が、ガス給排口（５）を介してシリンダ
（１０）内へガスを給排してディスプレーサ（１６）を
往復動させ、シリンダ（１０）内の膨張室（１８）（１
９）でガスを膨張させるシリンダアッセンブリ（３）
と、バルブモータ（５４）により切換バルブ（５１）を
駆動して、上記圧縮機（１）の吐出側および吸入側にそ
れぞれ連通される高圧ガス入口（４３）および低圧ガス
出口（４４）とガス給排口（４５）とを選択的に連通す
るバルブモータアッセンブリ（４０）とに分離され、上
記ジュールトムソン冷凍機（Ｂ）の高圧側冷媒配管（７
２ａ）が上記シリンダアッセンブリ（３）の常温端側の
所定位置に熱結合されてあることを特徴とする極低温発
生装置。
【請求項３】冷媒ガスを圧縮して高圧ガスを発生させ
る圧縮機（１）と、圧縮機（１）から供給された高圧ガ
スを断熱膨張させて予冷用の寒冷を発生させる膨張機
（２）とで構成された予冷冷凍機（Ａ）の冷却ステージ
（１１）（１２）によってジュールトムソン冷凍機
（Ｂ）の冷媒を予冷する極低温発生装置であって、上記
膨張機（２）が、ガス給排口（５）を介してシリンダ
（１０）内へガスを給排してディスプレーサ（１６）を
往復動させ、シリンダ（１０）内の膨張室（１８）（１
９）でガスを膨張させるシリンダアッセンブリ（３）
と、バルブモータ（５４）により切換バルブ（５１）を
駆動して、上記圧縮機（１）の吐出側および吸入側にそ
れぞれ連通される高圧ガス入口（４３）および低圧ガス
出口（４４）とガス給排口（４５）とを選択的に連通す
るバルブモータアッセンブリ（４０）とに分離され、上
記シリンダアッセンブリ（３）の冷却ステージ（１１）
（１２）が所定温度にまで冷却されたことを検出してジ
ュールトムソン冷凍機（Ｂ）の動作を許容する制御手段
（８１）（８２）をさらに有していることを特徴とする
極低温発生装置。
【請求項４】冷媒ガスを圧縮して高圧ガスを発生させ
る圧縮機（１）と、圧縮機（１）から供給された高圧ガ
スを断熱膨張させて予冷用の寒冷を発生させる膨張機
（２）とで構成された予冷冷凍機（Ａ）の冷却ステージ
（１１）（１２）によってジュールトムソン冷凍機
（Ｂ）の冷媒を予冷する極低温発生装置であって、上記
膨張機（２）が、ガス給排口（５）を介してシリンダ
（１０）内へガスを給排してディスプレーサ（１６）を
往復動させ、シリンダ（１０）内の膨張室（１８）（１
９）でガスを膨張させるシリンダアッセンブリ（３）
と、バルブモータ（５４）により切換バルブ（５１）を
駆動して、上記圧縮機（１）の吐出側および吸入側にそ
れぞれ連通される高圧ガス入口（４３）および低圧ガス
出口（４４）とガス給排口（４５）とを選択的に連通す
るバルブモータアッセンブリ（４０）とに分離され、上
記予冷冷凍機（Ａ）の運転開始から所定時間が経過した
ことを検出してジュールトムソン冷凍機（Ｂ）の動作を
許容する制御手段（８３）をさらに有していることを特
徴とする極低温発生装置。
【請求項５】冷媒ガスを圧縮して高圧ガスを発生させ
る圧縮機（１）と、圧縮機（１）から供給された高圧ガ
スを断熱膨張させて予冷用の寒冷を発生させる膨張機
（２）とで構成された予冷冷凍機（Ａ）の冷却ステージ
（１１）（１２）によってジュールトムソン冷凍機
（Ｂ）の冷媒を予冷する極低温発生装置であって、上記
膨張機（２）が、ガス給排口（５）を介してシリンダ
（１０）内へガスを給排してディスプレーサ（１６）を
往復動させ、シリンダ（１０）内の膨張室（１８）（１
９）でガスを膨張させるシリンダアッセンブリ（３）
と、バルブモータ（５４）により切換バルブ（５１）を
駆動して、上記圧縮機（１）の吐出側および吸入側にそ
れぞれ連通される高圧ガス入口（４３）および低圧ガス
出口（４４）とガス給排口（４５）とを選択的に連通す
るバルブモータアッセンブリ（４０）とに分離され、上
記予冷冷凍機（Ａ）のクールダウンを検出するクールダ
ウン検出手段（８４）（８５）と、クールダウン検出手
段（８４）（８５）によりクールダウンが検出されるま
ではジュールトムソン冷凍機（Ｂ）の冷媒流量を少なく
し、クールダウンが検出された後はジュールトムソン冷
凍機（Ｂ）の冷媒流量を規定量にすべく、ジュールトム
ソン冷凍機（Ｂ）の圧縮機（７１）を制御する圧縮機制
御手段（８６）とをさらに有していることを特徴とする
極低温発生装置。
【請求項６】冷媒ガスを圧縮して高圧ガスを発生させ
る圧縮機（１）と、圧縮機（１）から供給された高圧ガ
スを断熱膨張させて予冷用の寒冷を発生させる膨張機
（２）とで構成された予冷冷凍機（Ａ）の冷却ステージ
（１１）（１２）によってジュールトムソン冷凍機
（Ｂ）の冷媒を予冷する極低温発生装置であって、上記
膨張機（２）が、ガス給排口（５）を介してシリンダ
（１０）内へガスを給排してディスプレーサ（１６）を
往復動させ、シリンダ（１０）内の膨張室（１８）（１
９）でガスを膨張させるシリンダアッセンブリ（３）
と、バルブモータ（５４）により切換バルブ（５１）を
駆動して、上記圧縮機（１）の吐出側および吸入側にそ
れぞれ連通される高圧ガス入口（４３）および低圧ガス
出口（４４）とガス給排口（４５）とを選択的に連通す
るバルブモータアッセンブリ（４０）とに分離され、上
記ジュールトムソン冷凍機（Ｂ）の圧縮機（７１）の高
圧側と低圧側との間をバイパスさせるバイパスバルブ
（８７）と、上記予冷冷凍機（Ａ）のクールダウンが検
出するクールダウン検出手段（８４）（８５）と、クー
ルダウン検出手段（８４）（８５）によりクールダウン
が検出されるまではバイパス流量を多くし、クールダウ
ンが検出された後はバイパス流量を少なくすべく、ジュ
ールトムソン冷凍機（Ｂ）のバイパスバルブ（８７）を
制御するバイパスバルブ制御手段（８５）とをさらに有
していることを特徴とする極低温発生装置。