JPH0678857B2

JPH0678857B2 - 極低温冷凍機

Info

Publication number: JPH0678857B2
Application number: JP1122851A
Authority: JP
Inventors: 透栗山; 龍一袴田
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1989-05-18
Filing date: 1989-05-18
Publication date: 1994-10-05
Anticipated expiration: 2009-10-05
Also published as: JPH02302563A

Description

【発明の詳細な説明】［発明の目的］（産業上の利用分野）本発明は極低温冷凍機に係り、特に、蓄冷式冷凍機に関
する。

（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
ギフォード・マクマホン（GM）冷凍機、スターリン冷凍
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
成を第４図に示す。このGM冷凍機は大きく分けてコール
ドヘッド１と冷媒ガス導排出系２とで構成され、コール
ドヘッド１に設けられ、一定速度で運転するディスプレ
ーサ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。

即ち、コールドヘッド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ーサ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
レーサ12に往復動に必要な動力を与えるモータ13とで構
成されている。

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。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ステージ16を構成
し、またシリンダ15の先端壁部分で第１ステージ16より
低温の第２ステージ17を構成している。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とで構成されている。第１ディスプレーサ18と第２
ディスプレーサ19とは、連結部材20によって軸方向に連
結されている。第１ディスプレーサ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内には銀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
ーサ19の内側にも軸方向に延びる流体通路23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、それぞれシール機構25,26が装着さ
れている。

第１ディスプレーサ18の図中上端は、連結ロッド27、ス
コッチヨークあるいはクランク軸28を介してモータ13の
回転軸に連結されている。従って、モータ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ーサ12が図中
実線矢印29で示すように往復動する。

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。

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ー
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。

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ステージ16と第
２ステージ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3
5の上下端間には常温（300K）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ステージ16では30〜80K、
第２ステージ17では８〜20K程度となる。

モータ13が回転を開始すると、ディスプレーサ12は上死
点と下死点の間を往復動する。ディスプレーサ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
コールドヘッド１内に流入する。次に、ディスプレーサ
12が上死点へと移動する。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の内周面との間および
第２ディスプレーサ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ール機構25,26が装着されてい
る。このため、ディスプレーサ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ディスプレーサ18と第２ディスプレー
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
プレーサ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。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39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ステージ16および第
２ステージ17が冷却され。そして、ディスプレーサ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蓄冷器35,36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。

なお、これらの冷凍機において運転時のディスプレーサ
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。

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蓄冷機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段の膨張ステージを更に多段にす
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。

（発明が解決しようとする課題）上述の如く、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ー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。

そこで本発明は、ディスプレー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を目的としている。

［発明の構成］（課題を解決するための手段）前記の目的を達成するため、この発明は、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極低温冷凍機において、
前記低温部の温度を検知しそれに応じた検出値を出力す
る温度センサと、この温度センサから出力された検出値
に基づいて当該冷凍機のディスプレーサの運転周波数を
制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、定常運転
時に前記検知された温度が予め設定された第１の温度レ
ベルよりも低い第２の温度レベルに達したときに、第１
の温度レベルに対応して予め設定された第１の運転周波
数よりも低い第２の運転周波数にて前記ディスプレーサ
を運転するように構成されたことを要旨とする。

（作用）温度センサは、定常運転時の極低温下における低温部の
温度を検知し、その検出結果に基づき、冷凍機のディス
プレー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。

（実施例）以下、この発明の実施例を図面を用いて詳細に説明す
る。

第１図は、この発明の実施例であって、GM冷凍機に、温
度センサ41,コントローラ42及びインバータ43を設けた
例である。従って、第４図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。

温度センサ41は、低温部である第２ステージ17に隣接し
て設け、この個所の温度を検知し、コントローラ（制御
手段）42へその検出信号を送る。コントローラ42は、電
源44とモータ13との中間に設けたインバータ43を介し
て、温度の変化に応じてモータ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
ィスプレーサ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。

第３図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60rpm,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。第３図からわかるように、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。第２図
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。

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、スターリングサイクル、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ーサの運転周波数を変化させるた
めにインバー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。

［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ーサの運転周
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】

第１図は本発明の一実施例に係る冷凍機を一部切欠構成
図、第２図は本発明実施例に係る冷凍機の特性を従来の
冷凍機のそれと比較して示す図、第３図はディスプレー
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、第４図は従来の冷凍機の概略構成図である。 19…第２ディスプレーサ（冷媒圧縮部材） 41…温度センサ 42…コントローラ（制御手段） 43…インバータ

Claims

【特許請求の範囲】

【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
る極低温冷凍機において、前記低温部の温度を検知しそれに応じた検出値を出力す
る温度センサと、この温度センサから出力された検出値に基づいて当該冷
凍機のディスプレーサの運転周波数を制御する制御手段
とを備え、前記制御手段は、定常運転時に前記検知された温度が予
め設定された第１の温度レベルよりも低い第２の温度レ
ベルに達したときに、第１の温度レベルに対応して予め
設定された第１の運転周波数よりも低い第２の運転周波
数にて前記ディスプレーサを運転するように構成された
ことを特徴とする極低温冷凍機。