JPH0710211Y2 - 極低温装置 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 ［考案の目的］ （産業上の利用分野） 本考案は例えば20K程度の冷凍を取りだす高温用冷凍機
と例えば4K程度の冷凍を取りだす低温用冷凍機とで構成
されている極低温装置に関する。

本考案は例えば超高速コンピーュタ、赤外線検出器に使
用される極低温装置に利用することができる。

（従来の技術） 従来より、高温用冷凍機と低温用冷凍機とで形成されて
いる極低温装置が提供されている。この極低温装置によ
れば、高温用冷凍機で例えば20K程度の冷凍が取りださ
れ、低温用冷凍機で例えば4K程度の冷凍が取りだされ
る。

（考案が解決しようとする問題点） ところで、上記した極低温装置では、高温用冷凍機を駆
動させる駆動源と、低温用冷凍機を駆動させる駆動源と
は、別個であつた。例えば、高温用冷凍機を駆動させる
駆動モータとして11KW程度のものが使用され、低温用冷
凍機を駆動させる駆動モータとして1.5KWのものが使用
されている。その理由は、独立の駆動源が必要だからで
ある。

本考案は上記した実情に鑑みなされたものであり、その
目的は、共通駆動源で低温冷凍機および高温冷凍機を作
動させる極低温装置を提供するにある。

［考案の構成］ （問題点を解決するための手段） 本考案にかかる極低温装置は、作動媒体が封入される高
温用圧縮空間および高温用膨張空間と、高温用圧縮空間
と高温用膨張空間との間に介在する高温用放熱部および
高温用蓄冷器と、高温用圧縮空間および高温用膨張空間
の容積を変化させる高温用往復動部材と、高温用往復動
部材を往復動させる高温用クランクシャフト部とをもつ
高温用冷凍機と、 高温用圧縮空間および高温用膨張空間よりも低圧の作動
媒体が封入される低温用圧縮空間および低温用膨張空間
と、低温用圧縮空間と低温用膨張空間と間に介在する低
温用放熱部および低温用蓄冷器と、低温用圧縮空間と低
温用膨張空間の容積を変化させる低温用往復動部材と、
高温用クランクシャフト部に接続され低温用往復動部材
を往復動させる低温用クランクシャフト部とをもつ低温
用冷凍機と、 高温用クランクシャフト部および低温用クランクシャフ
ト部を駆動させる共通駆動源とからなり、 高温用クランクシャフト部と低温用クランクシャフト部
との間には、単位時間あたりにおける低温用クランクシ
ャフト部の回転数を高温用クランクシャフト部の回転数
よりも低下させる減速機が設けられていることを特徴と
するものである。

低温用圧縮空間は、伸縮自在な第１ベローズで形成する
ことができる。低温用膨脹空間は、伸縮自在な第２ベロ
ーズで形成することができる。

（実施例） 以下、本考案にかかる極低温装置の一実施例について第
１図、第２図を参照して説明する。

本実施例にかかる極低温装置は、基台５に配置された高
温用冷凍機１と、高温用冷凍機１と隣設して基台５に配
置された低温用冷凍機３とで形成されている。基台５に
は断熱性を確保するために減圧状態とされた真空容器50
が配置されている。

高温用冷凍機１では、シリンダ部10、シリンダ部11が配
置されている。シリンダ部10には高温用往復動部材とし
てのピストン12が摺動自在にはめこまれ、高温用膨脹空
間13が区画されている。ピストン12が往復動すると、高
温用膨脹空間13の容積が変化する。ピストン12にはシー
ル部材120が取りつけられ、高温用膨脹空間13をシール
している。シリンダ部11には高温用往復動部材としての
ピストン14が摺動自在にはめこまれ、高温用圧縮空間15
が区画されている。ピストン14が往復動すると、高温用
圧縮空間15の容積が変化する。ピストン14にはシール部
材140が取りつけられ、高温用圧縮空間15をシールして
いる。

高温用圧縮空間15と高温用膨脹空間13との間に、流路16
a、高温用放熱部16、高温用蓄冷器17、流路17a、寒冷が
とりだされる熱交換器18、流路18aが配置されている。
高温用冷凍機１には、作動媒体としてのヘリウムガスが
ゲージ圧で20kg/cm²程度封入されている。ピストン12に
はロッド部19が取りつけられている。ロッド部19は第１
ロッツド190と第２ロッド191とで形成されている。ピス
トン14にはロッド部20が取りつけられている。ロッド部
20は第１ロッド200と第２ロッド201とで形成されてい
る。ロッド19およびロッド20は、高温用クランクシャフ
ト部21に連結されている。高温用クランクシャフト部21
は基台５に回転自在に軸支されており、ロッド19および
ロッド20を往復動させるものである。

基台５には共通駆動源としての駆動モータ22が取りつけ
られている。駆動モータ22の回転軸は高温用クランクシ
ャフト部21に接続されており、駆動モータ22が回転する
と、高温用クランクシャフト部21が回転する。

低温用冷凍機３では、真空容器50に円筒部30、円筒部31
xが配置されている。円筒部30、円筒部31xは、断熱性を
確保すべく、熱伝導性の小さな材料で形成されている。
円筒部30には伸縮自在な低温用往復動部材としての第１
ベローズ31の一端部が固定されている。第１ベローズ31
の内部が低温用圧縮空間33とされている。円筒部31xに
は伸縮自在な低温用往復動部材としての第２ベローズ34
の一端部が固定されている。第２ベローズ34の内部が低
温用膨脹空間35とされている。第１ベローズ31の他端部
には、ロッド部36が取りつけられている。ロッド部36は
第１ロッド360と第２ロッド361とで形成されている。

第２ベローズ34の他端部には、ロッド部37が取りつけら
れている。ロッド部37は第１ロッド370と第２ロッド371
とで形成されている。第１ロッド360および第１ロッド3
70は、断熱性を確保すべく、熱伝導性の小さな材料で形
成されている。ロッド36およびロッド37には、低温用ク
ランクシャフト部38が連結されている。

低温用クランクシャフト部38は基台５に回転自在に軸支
されており、ロッド36およびロッド37を往復動させるも
のである。低温用クランクシャフト部38と高温用クラン
クシャフト部21とは、減速機43を介して互いに連結され
ている。減速機43のため、低温用クランクシャフト部38
の回転数は高温用クランクシャフト部21の回転数300rpm
の1/2、つまり150rpmに設定されている。なお、真空容
器50の下部にはベローズ39、ベローズ40が保持されてい
る。

低温用冷凍機３では、低温用圧縮空間33と低温用膨脹空
間35との間には、流路33a、低温用放熱部41、低温用蓄
冷器42が配置されている。低温用冷凍機３には、作動媒
体としてのヘリウムガスがゲージ圧で0.1kg/cm²程度封
入されている。

さて、駆動モータ22が回転駆動すると、高温用クランク
シャフト部21及び減速機43を介して低温用クランクシャ
フト部38が回転する。このように高温用クランクシャフ
ト部21が回転すると、ピストン14がシリンダ部11内で往
復動するともに、ピストン12がシリンダ部10内で往復動
する。このときピストン12とピストン14は所定の位相差
をもって往復動する。この場合、ピストン14が上死点に
向かうと、高温用圧縮空間15内の作動媒体としてのヘリ
ウムは圧縮される。圧縮されたヘリウムは流路16aを介
して高温用放熱部16を通過し、高温用放熱部16で圧縮熱
を放出する。さらに、圧縮されたヘリウムは高温用蓄冷
器17で冷却され、流路17aを介して熱交換器18を通過
し、流路18a介して高温用膨脹空間13内に供給される。
このとき、ピストン12は下死点に向かっているので、高
温用膨脹空間13内に供給されたヘリウムは、膨脹する。

そして、ピストン12が上死点に向かうと、高温用膨脹空
間13内のヘリウムは流路18a、熱交換器18に至り、熱交
換器18を介して低温用放熱部41を冷却し、更に、流路17
aを介して高温用蓄冷器17に至り、ヘリウムは高温用蓄
冷器17を冷却しつつ次第に温度上昇し、更に、高温用放
熱部16を介して高温用圧縮空間15に戻る。このようなサ
イクルを繰返すことにより、高温用冷凍機１の熱交換器
18で20K程度の冷凍が発生する。

一方、低温用冷凍機３では、前述したように、駆動モー
タ22により低温用クランクシャフト部38が回転すると、
ロッド36及びロッド37が位相差をもって往復動するた
め、第１ベローズ31および第２ベローズ34が伸縮する。
ここで、第１ベローズ31が収縮して低温用圧縮空間33の
容積が小となると、低温用圧縮空間33内の作動媒体とし
てのヘリウムは圧縮される。圧縮されたヘリウムは流路
33aを介して低温用放熱部41に至り、低温用放熱部41で
圧縮熱を放出する。さらに、圧縮されたヘリウムは低温
用蓄冷器42で冷却され、低温用膨脹空間35内に供給され
る。このとき、第２ベローズ34が伸長するので、低温用
膨脹空間35内に供給されたヘリウムは、膨脹する。そし
て、第２ベローズ34が収縮すると、低温用膨脹空間35内
のヘリウムは、低温用蓄冷器42に至り、低温用蓄冷器42
を冷却しつつ次第に温度上昇し、更に、低温用放熱部4
1、流路33aを介して低温用圧縮空間33に戻る。このよう
なサイクルを繰返すことにより、低温用冷凍機３の低温
用膨脹空間35で4K程度の冷凍が発生する。

ところで、本実施例にかかる極低温装置では、高温用ク
ランクシャフト部21と低温用クランクシャフト部38との
間には減速機43が介在している。そのため、低温用クラ
ンクシャフト部38の回転数は高温用クランクシャフト部
21の回転数の1/2である。したがって、低温冷凍機１と
高温冷凍機３とでは作動サイクルに位相差があり、低温
用冷凍機３が１サイクル作動するときに、高温用冷凍機
１が２サイクル作動する。また、低温冷凍機３の最大ト
ルク値は高温冷凍機１の最大トルク値の約1/10である。

第２図に高温用冷凍機１のトルク特性および低温用冷凍
機３のトルク特性を示す。第２図において、高温冷凍機
１のトルク特性は破線Ａで示され、低温冷凍機３のトル
ク特性は破線Ｂで示されている。また第２図において、
高温冷凍機１のトルク特性と、低温冷凍機３のトルク特
性との和を実線Ｃで示す。実線Ｃと破線Ａとを比較する
と、高温冷凍機１のトルクと低温冷凍機３のトルクとの
和の最大値は、高温冷凍機１のトルクの最大値とほぼ同
じにすることができる。

したがって、高温冷凍機側の駆動モータと低温冷凍機側
の駆動モータとが配設されていた従来の極低温装置とは
異なり、高温冷凍機１側の駆動モータ22で高温冷凍機１
の他に低温冷凍機１を駆動することができ低温冷凍機３
側の駆動モータを省略しても支障がない。よって本実施
例では、低温冷凍機３側の駆動モータを省略できるた
め、その駆動モータの占める容積ぶん小さくすることが
できる。

本考案にかかる極低温装置の別の実施例について第３図
を参照して説明する。この実施例にかかる極低温装置
は、第１図に示す極低温装置と基本的には同じ構成であ
る。したがって同一部分には同一の符号を付して、その
説明を省略する。ただし、第３図に示す実施例では第１
冷凍機１と第２冷凍機３とは上下方向に２段に配設され
ている。この実施例にかかる極低温装置においても第１
図に示す実施例と同じ作用効果を奏する。

［考案の効果］ 本考案にかかる極低温装置によれば、駆動源は、１個で
足りるので、そのぶんスペースを小さくしうる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案にかかる極低温装置の一実施例の概略側
面図、第２図はそのトルク特性を示すグラフ、第３図は
別の実施例にかかる概略側面図である。 図中、１は高温冷凍機、13は高温用膨脹空間、15は高温
用圧縮空間、21は高温用クランクシャフト部、22は駆動
モータ（共通駆動源）、33は高温用圧縮空間、35は高温
用膨脹空間、38は低温用クランクシャフト部を示す。

Claims (3)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】作動媒体が封入される高温用圧縮空間およ
   び高温用膨張空間と、該高温用圧縮空間と該高温用膨張
   空間との間に介在する高温用放熱部および高温用蓄冷器
   と、該高温用圧縮空間および該高温用膨張空間の容積を
   変化させる高温用往復動部材と、該高温用往復動部材を
   往復動させる高温用クランクシャフト部とをもつ高温用
   冷凍機と、 高温用圧縮空間および高温用膨張空間よりも低圧の作動
   媒体が封入される低温用圧縮空間および低温用膨張空間
   と、該低温用圧縮空間と該低温用膨張空間と間に介在す
   る低温用放熱部および低温用蓄冷器と、該低温用圧縮空
   間と該低温用膨張空間の容積を変化させる低温用往復動
   部材と、該高温用クランクシャフト部に接続され該低温
   用往復動部材を往復動させる低温用クランクシャフト部
   とをもつ低温用冷凍機と、 該高温用クランクシャフト部および低温用クランクシャ
   フト部を駆動させる共通駆動源とからなり、 該高温用クランクシャフト部と該低温用クランクシャフ
   ト部との間には、単位時間あたりにおける該低温用クラ
   ンクシャフト部の回転数を該高温用クランクシャフト部
   の回転数よりも低下させる減速機が設けられていること
   を特徴とする極低温装置。
2. 【請求項２】低温用圧縮空間は伸縮自在な第１ベローズ
   で形成され、低温用膨張空間は伸縮自在な第２ベローズ
   で形成されていることを特徴とする実用新案登録請求の
   範囲第１項記載の極低温装置。
3. 【請求項３】低温用クランクシャフト部の回転数は高温
   用クランクシャフト部の回転数の1/2である実用新案登
   録請求の範囲第１項記載の極低温装置。