JPH10132405A

JPH10132405A - 蓄冷式冷凍機およびその運転方法

Info

Publication number: JPH10132405A
Application number: JP29200696A
Authority: JP
Inventors: Yasumi Otani; 安見大谷; Hideo Hatakeyama; 秀夫畠山; Takashi Nakada; 享司仲田; Hideki Nakagome; 秀樹中込; Hajime Sakamoto; 一坂本; Takashi Sasaki; 高士佐々木
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1996-11-01
Filing date: 1996-11-01
Publication date: 1998-05-22

Abstract

(57)【要約】【課題】冷媒ガスであるへリウムガスの圧力条件を目的
の設計冷却温度に対して最適化でき、２０Ｋ以下の冷却
に対して高い効率が得られ、高い冷凍能力が得られる蓄
冷式冷凍機およびその運転方法を提供する。【解決手段】冷媒としてのへリウムガスを圧縮する圧縮
機４１と、蓄冷器と膨張機とを備えた冷凍機ヘッド２
と、圧縮機４１より吐出した高圧のヘリウムガスを冷凍
機ヘッド２に周期的に吸気させる吸気バルブ３４と、冷
凍機ヘッド２内のヘリウムガスを圧縮機４１の吸込み側
へ周期的に排気する排気バルブ３５とを備えた蓄冷式冷
凍機において、設計冷却温度に対応させて冷凍機ヘッド
２の冷媒吸気圧力および冷媒排気圧力の少なくとも一方
を調整可能とする圧力調整手段４２，４３，４４を備え
ている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、効率の向上を図れ
るようにした蓄冷式冷凍機およびその運転方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】周知のように、最近では断熱容器内に収
容されている超電導コイルを極低温冷凍機で直接的に冷
却する冷凍機直冷方式の超電導磁石装置が実用化されつ
つある。このような、冷凍機直冷方式の超電導磁石装置
では、小型でしかも十分に低い到達温度が得られるなど
の理由から、極低温冷凍機として蓄冷式冷凍機を用いて
いるものが多い。これは極低温域での磁気相転移に伴う
比熱の増大を利用した各種磁性蓄冷材の出現によるとこ
ろが大きい。

【０００３】蓄冷式冷凍機、たとえばギフォード・マク
マホン冷凍サイクルを採用したＧＭ冷凍機は、室温部に
おかれる圧縮機と、低温部におかれる膨張機と、この膨
張機と圧縮機との間をつなぐ蓄冷器との３つの要素で構
成される。すなわち、圧縮機で圧縮された冷媒ガスが吸
気バルブを介して蓄冷器に導かれ、ここで予冷された後
に膨張機で膨張仕事に相当した寒冷を発生し、再び蓄冷
器を通って次に吸気される冷媒ガスを冷却するために蓄
冷材を冷やしながら温度上昇し、室温に戻って圧縮機へ
と返される、この行程を１サイクルとして周期的に寒冷
を発生させている。このようなＧＭ冷凍機は、取扱の簡
便さ等の理由から様々な分野で使用されている。

【０００４】ＧＭ冷凍機はサイモン膨張と呼ばれる非可
逆膨張によって寒冷発生を行っており、その冷凍効率は
原理的に理想的なカルノー効率に比較して低い。この効
率の低下を極力抑えるためには原理的に圧縮比を小さく
する必要がある。一方、ＧＭ冷凍機の寒冷発生量は、理
想気体の場合、冷媒ガスの膨張仕事に等しく、膨張機で
の膨張容積Ｖｅと、吸気圧力と排気圧力との差圧ΔＰと
の積Ｖｅ・ΔＰとなる。したがって、寒冷発生量を増加
させるには差圧ΔＰを大きくとる必要があり、同時に効
率、能力を共に向上させるには、高い封入圧力が必要と
なる。

【０００５】このような理由から、従来の２０Ｋレベル
以上の温度を対象にしたＧＭ冷凍機では、吸気圧力を２
ＭＰａ，排気圧力を０．８ＭＰａ程度に設定して運転す
るのが一般的であり、差圧ΔＰを大きくとるために排気
圧力を下げると効率が低下する傾向にあった。

【０００６】ところで、最近では、先に述べたように極
低温下での比熱が十分に大きい磁性蓄冷材の開発によ
り、２０Ｋ以下の冷却が蓄冷式冷凍機のみで可能となっ
た。２０Ｋ以下を対象とした蓄冷式冷凍機では、冷媒と
して通常ヘリウムガスが用いられる。そして、２０Ｋ以
下を対象とした従来の蓄冷式冷凍機では、２０Ｋレベル
以上のものと同様の吸・排気圧力条件を採用しているも
のが多い。

【０００７】しかしながら、２０Ｋ以下を対象とし、冷
媒としてヘリウムガスを用い、吸気圧力を２ＭＰａ，排
気圧力を０．８ＭＰａ程度に設定して運転される従来の
蓄冷式冷凍機にあっては次のような問題があった。

【０００８】すなわち、冷媒として用いられるへリウム
ガスは、２０Ｋ以下において圧力が変化すると分子間力
のポテンシャルに影響を及ぼし、内部エネルギー、エン
タルピーの変化量を無視できなくなり、理想気体として
取り扱うことができなくなる。

【０００９】一般に、膨張仕事Ｗに対する寒冷発生量Ｔ
・Δｓの関係は、Ｗ＝Ｔ・Δｓ−ΔＨ …(1) で与えられる。ここで、Ｔは冷却温度、Δｓは高圧から
低圧に膨張したときのエントロピー増加量、ΔＨは高圧
から低圧に膨張したときのエンタルピー増加量を示す。
理想気体の場合、エンタルピーは圧力によらず温度のみ
の関数であるため、ΔＨは０となり、理想的には膨張仕
事Ｗのすべてが寒冷発生に使われる。しかし、２０Ｋ以
下では前述したへリウムガスの非理想性のために、ΔＨ
が０とはならない。特に、従来のＧＭ冷凍機の圧力条件
である吸気圧力２ＭＰａ、排気圧力０．８ＭＰａでは、
ΔＨがマイナスとなり、膨張仕事Ｗのうちの８０％程度
がエンタルピーを変化させるために使われ、残りの２０
％のみが目的の寒冷発生に使われることになる。したが
って、従来の条件で２０Ｋ以下の冷却を行わせたときに
は、へリウムガスの非理想性のために効率が著しく低下
する。

【００１０】このように、従来の蓄冷式冷凍機にあって
は、特に２０Ｋ以下の冷却において、へリウムガスの非
理想性に起因して冷媒であるヘリウムガスの膨張仕事の
すべてを寒冷発生に使用することができず、冷凍効率が
低く、これが原因して各種機器への応用が制限される問
題があった。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】上述の如く、従来の蓄
冷式冷凍機にあっては、２０Ｋ以下の冷却において冷媒
であるへリウムガスの非理想性に起因して冷凍効率が低
くなるという問題があった。

【００１２】そこで本発明は、冷媒ガスであるへリウム
ガスの圧力条件を目的の設計冷却温度に対して最適化で
き、２０Ｋ以下の冷却に対して高い効率が得られ、高い
冷凍能力が得られる蓄冷式冷凍機およびその運転方法を
提供することを目的としている。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、冷媒としてのへリウムガスを圧縮する圧
縮機と、蓄冷器と膨張機とを備えた冷凍機ヘッドと、前
記圧縮機より吐出した高圧のヘリウムガスを前記冷凍機
ヘッドに周期的に吸気させる吸気バルブと、前記冷凍機
ヘッド内のヘリウムガスを前記圧縮機の吸込み側へ周期
的に排気する排気バルブとを備えた蓄冷式冷凍機におい
て、設計冷却温度に対応させて前記冷凍機ヘッドの冷媒
吸気圧力および冷媒排気圧力の少なくとも一方を調整可
能とする圧力調整手段を備えていることを特徴としてい
る。

【００１４】なお、前記圧力調整手段は、前記設計冷却
温度が５Ｋ以下のときには、前記冷凍機へッドの冷媒排
気圧力が０．５ＭＰａ以下となるように調整されること
が好ましい。

【００１５】また、前記圧力調整手段は、前記設計冷却
温度が５Ｋ以上のときには、その設計冷却温度において
ヘリウムガスのエンタルピーが極小値をとる圧力を境に
して両側に冷媒吸気圧力と冷媒排気圧力とが存在するよ
うに圧力調整されることが好ましい。

【００１６】また、前記圧力調整手段は、前記設計冷却
温度が５Ｋ以上のときには、その設計冷却温度におい
て、冷媒吸気圧力下でのヘリウムガスのエンタルピーと
冷媒排気圧力下でのヘリウムガスのエンタルピーとがほ
ぼ等しくなるように冷媒吸気圧力と冷媒排気圧力とが調
整されることが好ましい。

【００１７】また、前記吸気バルブの開いている時間に
比較して上記吸気バルブが閉じた直後から上記吸気バル
ブおよび前記排気バルブの両方が閉じている時間の方が
長く、かつ上記排気バルブの開いている時間に比較して
上記排気バルブが閉じた直後から上記排気バルブおよび
上記吸気バルブの両方が閉じている時間の方が長くなる
関係に各バルブを開閉制御するバルブ開閉制御手段を備
えていてもよい。

【００１８】さらに、上記目的を達成するために、本発
明は、冷媒としてのへリウムガスを圧縮する圧縮機と、
蓄冷器と膨張機とを備えた冷凍機ヘッドと、前記圧縮機
より吐出した高圧のヘリウムガスを前記冷凍機ヘッドに
周期的に吸気させる吸気バルブと、前記冷凍機ヘッド内
のヘリウムガスを前記圧縮機の吸込み側へ周期的に排気
する排気バルブとを備えた蓄冷式冷凍機を運転するに当
り、ヘリウムガスの非理想性による冷凍効率の低下を低
減するために、設計冷却温度に対応させて前記冷凍機ヘ
ッドの冷媒吸気圧力および冷媒排気圧力の少なくとも一
方を調整設定して運転することを特徴としている。

【００１９】本発明に係る蓄冷式冷凍機およびその運転
方法では、２０Ｋ以下でのへリウムガスの非理想性によ
る冷凍効率の低下を低減でき、高効率、高能力化を実現
できる。

【００２０】以下に、その理由を詳しく説明する。

【００２１】たとえばＧＭ冷凍機において、設計冷却温
度Ｔでの寒冷発生量Ｑnet は、冷媒ガスの膨張前後での
エントロピーの変化量Δｓで表すと、Ｑnet ＝Ｔ・Δｓ …(2) となる。また、この寒冷を発生させるために必要な膨張
仕事Ｌworkは、Δｓと冷媒ガスの膨張前後でのエンタル
ピーの変化量ΔＨとを用いて表わすと、Ｌwork＝Ｔ・Δｓ−ΔＨ …(3) となる。

【００２２】理想気体においては、エンタルピーは温度
のみの関数で、圧力にはよらないことから、ΔＨは０と
なり、膨張仕事がそのまま寒冷発生に使われる。しか
し、非理想性の影響が大きくなる２０Ｋ以下のへリウム
ガスでは、ΔＨは０とはならず、負の場合にはエンタル
ピー欠損となり、膨張仕事Ｌworkのうちの−ΔＨ分は寒
冷発生には寄与しない。

【００２３】具体的には、設計冷却温度Ｔ＝４Ｋ、吸気
圧力ＰＨ＝２．０ＭＰａ一定とし、排気圧力ＰＬを変化
させたとき、エンタルピー欠損ΔＨと寒冷発生量Ｔ・Δ
ｓとは図７に示すように変化する。この図から４Ｋレベ
ルでは寒冷発生量以上のエンタルピー欠損が存在するこ
とが判る。したがって、膨張仕事量Ｌworkに対する寒冷
発生量Ｑnet の割合は図８に示すように変化する。ま
た、図９には差圧ΔＰを１．８ＭＰａ一定とし、排気圧
力ＰＬを変化させたときの膨張仕事に対する寒冷発生量
の割合が示され、図１０には吸気圧力ＰＨ＝２．６ＭＰ
ａ一定とし、排気圧力ＰＬを変化させたときの膨張仕事
に対する寒冷発生量の割合が示されている。

【００２４】なお、図７乃至図１０に示した値は実在す
るヘリウムガスの物性値から計算したものである。計算
に際して、膨張容積等の条件は実際の蓄冷式冷凍機の諸
元を用いた。さらに、膨張仕事Ｖｅ・ΔＰおよびエンタ
ルピー欠損ΔＨは、１周期に亙って積分して得られた冷
凍サイクル当たりの値である。また、計算を簡単化する
ためにＰＶ線図は長方形、すなわち膨張容積最大のとき
に吸気バルブが閉じ、次の瞬間に排気バルブが開いて膨
張し、膨張容積が最小（０）となったときに排気バルブ
が閉じ、次の瞬間に吸気バルブが開くという冷凍サイク
ルを模擬している。エンタルピー欠損の計算は、膨張機
内に流入出するヘリウムガスの質量流量ｄｍ（g/sec)と
そのときの単位重量当たりのヘリウムガスのエンタルピ
ーｈ(J/g) との積ｄｍ・ｈを１サイクルで周期積分して
得た。

【００２５】従来の４Ｋレベルの蓄冷式冷凍機では、先
に説明したように、吸気圧力ＰＨ＝２．０ＭＰａ、排気
圧力ＰＬ＝０．８ＭＰａ付近で運転している。この条件
での膨張仕事Ｌworkに対する寒冷発生量Ｑnet の割合
は、１７．３％程度と非常に低い。しかし、図８から判
るように、同じ吸気圧力ＰＨ＝２．０ＭＰａでも、排気
圧力ＰＬをさらに低くすると、上記の割合が増加し、膨
張仕事に対する冷凍効率が向上している。たとえば、排
気圧力ＰＬ＝０．２３ＭＰａにした場合、上記の割合は
２２．３％程度となり、５％程度効率が向上する。しか
も、図７、図１０から判るように、寒冷発生量の絶対値
も増加しており、グラフでは下に凸であることから単に
差圧ΔＰの増加によるＰＶ仕事量の増加以上の変化を示
している。このように、排気圧力ＰＬを従来よりさらに
低くすることは、圧縮比を増大させることにつながり、
ＧＭ冷凍機を高効率で運転するための条件として通常い
われている「低圧縮比で差圧を大きくとる」とは逆であ
る。すなわち、４Ｋレベルの冷却では、冷媒であるヘリ
ウムガスの非理想性のために、高圧縮比（特に低圧側を
下げる）にした方が効率を向上させることができる。

【００２６】図１３には２段膨張式の蓄冷式冷凍機を用
い、吸気圧力ＰＨ＝２．５ＭＰａ一定とし、排気圧力Ｐ
Ｌを変化させたときの４．２Ｋにおける冷凍能力の測定
結果が示されている。この図から判るように、従来のＧ
Ｍ冷凍機の排気圧力ＰＬに近い０．７ＭＰａでの冷凍能
力が０．８９Ｗであるのに対して、排気圧力ＰＬを０．
５ＭＰａ以下、たとえば０．３ＭＰａに設定すると、約
１．５倍の１．３１Ｗの冷凍能力が得られている。

【００２７】なお、温度が５Ｋ以上の場合には、へリウ
ムガスのエンタルピーの圧力依存性の傾向が変わり、低
圧側になるほど減少していたエンタルピーがある圧力で
逆転し、逆に増加する。したがって、このエンタルピー
が逆転する圧力を境にして両側に、エンタルピーが同じ
で圧力の異なる２つの状態が存在する。この２状態間で
のΔＨは０となる。したがって、この２つの圧力状態を
選んで膨張仕事をさせれば、ΔＨを０にすることができ
る。このように吸気圧力ＰＨと排気圧力ＰＬとを設定す
ることによって、膨張仕事の１００％すべてを寒冷発生
に使うことが可能となる。図１１には設計冷却温度５
Ｋ、６Ｋ、７Ｋでの単位重量あたりのエンタルピーの圧
力依存性が示されている。図１１から明らかなように、
蓄冷式冷凍機の運転圧力条件を、たとえば、５Ｋでは、吸気圧力ＰＨ＝２．５ＭＰａ排気圧力ＰＬ＝０．１３ＭＰａ６Ｋでは、吸気圧力ＰＨ＝２．５ＭＰａ排気圧力ＰＬ＝０．３７ＭＰａ７Ｋでは、吸気圧力ＰＨ＝２．５ＭＰａ排気圧力ＰＬ＝０．６０ＭＰａに設定すると、ΔＨ＝０となり、膨張仕事の１００％を
寒冷発生に使うことができる。上記条件では吸気圧力を
２．５ＭＰａに揃えているが、それ以外の吸気圧力条件
でもΔＨ＝０となる条件が存在することは図から明らか
である。

【００２８】上記のように、ΔＨを０にすることは、冷
凍効率を向上させること以外にも次のような効果を導
く。すなわち、たとえば１段冷却ステージの温度が４０
Ｋの２段膨張式の蓄冷式冷凍機の場合、１段冷却ステー
ジでのへリウムガスは理想気体とみなせる温度領域にあ
ることから、エンタルピーの圧力依存性はない。高圧の
へリウムガスが２段蓄冷器を通り、蓄冷材で冷やされて
２段膨張機に流入するまでに蓄冷器と交換する熱量はｍ
・ΔＨinである。なお、ｍはガスの質量流量、ΔＨinは
２段膨張機に流入するヘリウムガスと１段膨張機内のヘ
リウムガスの単位質量当たりのエンタルピー差である。
また、逆に２段膨張機内で膨張し、低圧に下がったへリ
ウムガスが２段蓄冷器を通り、蓄冷材を冷やしながら温
度上昇し、１段膨張機内に至るまでに蓄冷器と交換する
熱量はｍ・ΔＨout である。このとき、上記のように２
段膨張機内のへリウムガスの高圧、低圧時でのエンタル
ピー差ΔＨが０であれば、ｍ・ΔＨin＝ｍ・ΔＨout となり、２段蓄冷器での熱交換量のバランスを向上させ
ることができる。

【００２９】なお、上記ΔＨが０でない場合には、ｍ・ΔＨin≠ｍ・ΔＨout となり、熱交換のバランスがくずれ、蓄冷損失の増大を
招くか、あるいは過剰冷却による蓄冷効率の低下を招く
ことになる。

【００３０】また、排気圧力ＰＬを従来よりさらに低く
すると、特に５〜７Ｋの冷却では、図１２に示されるへ
リウムガスのＴＳ線図からも明らかなように、２ＭＰａ
レベルの高圧ヘリウムガスと０．３ＭＰａレベルの低圧
のヘリウムガスとのエントロピー差が極端に大きいの
で、Ｔ・Δｓ、すなわち寒冷発生量Ｑnet の絶対量を大
幅に増加させることができ、冷凍能力を増大させること
ができる。

【００３１】また、排気圧力ＰＬを低くするために、吸
気バルブおよび排気バルブの開閉時間を制御することも
効果的である。

【００３２】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら発明の
実施形態を説明する。

【００３３】図１には本発明の一実施形態に係る蓄冷式
冷凍機、ここには２段膨張式で設計冷却温度（第２段冷
却ステージ温度）が４ＫのＧＭ冷凍機が示されている。

【００３４】このＧＭ冷凍機は、大部分が真空雰囲気１
中に配置される冷凍機ヘッド２と室温雰囲気３中に配置
されるガス制御系４とで構成されている。

【００３５】冷凍機ヘッド２では、閉じられたシリンダ
１１内に断熱材で形成されたディスプレーサ１２が往復
動自在に収納されている。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に同軸接続され
た小径の第２シリンダ１５とで構成されている。なお、
第１シリンダ１４および第２シリンダ１５は、通常、薄
いステンレス鋼板等で形成される。

【００３６】第１および第２シリンダ１４，１５内に
は、第１段および第２段冷却ステージ１６，１７が設け
られている。すなわち、第１シリンダ１４のヘッド壁部
分に圧縮された冷媒ガスを膨張させて寒冷を発生する第
１段冷却ステージ１６が設けられ、また第２シリンダ１
５のヘッド壁部分に圧縮された冷媒ガスを膨張させて第
１段冷却ステージ１６よりも低温の寒冷を発生する第２
段冷却ステージ１７が設けられている。

【００３７】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、連結機構によって軸方向に連結されて
いる。

【００３８】第１ディスプレーサ１８の内部には第１段
の蓄冷器を構成するための流体通路２１が軸方向に形成
されており、この流体通路２１にはたとえば銅で作られ
たメッシュ構造の蓄冷材２２が収容されている。同様
に、第２ディスプレーサ１９の内部には第２段の蓄冷器
を構成するための流体通路２３が形成されており、この
流体通路２３にはＥｒＩｎ₃等のような磁気相転移に伴
う異常磁気比熱等を利用した粒状の磁性蓄冷材からなる
蓄冷材２４が収容されている。

【００３９】第１ディスプレーサ１８の外周面上部と第
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、それぞれシール装置２５，２６が装着されている。

【００４０】第１ディスプレーサ１８の上端は、連結ロ
ッド３１および図示しないクランク軸等を介して図示し
ないモータの回転軸に連結されている。したがって、モ
ータが回転すると、この回転に同期してディスプレーサ
１２が図中上下方向に往復動する。この往復動によっ
て、第１のディスプレーサ１８の図中下端と第１段冷却
ステージ１６との間に第１段膨張室３２が形成され、第
２のディスプレーサ１９の図中下端と第２段冷却ステー
ジ１７との間に第２段膨張室３３が形成される。第１デ
ィスプレーサ１８の上部に存在する空間は、吸気バブル
３４および排気バルブ３５を介してガス制御系４に接続
されている。ここで吸気バルブ３４および排気バルブ３
５は、カム等の仲介のもとにディスプレーサ１２の上下
方向往復動に連動して、具体的には第２段膨張室３３の
容積変化に連動して図２に示すタイミングで開閉制御さ
れる。

【００４１】ガス制御系４は、冷媒としてのヘリウムガ
スを圧縮する圧縮機４１と、この圧縮機４１から吐出し
た高圧のヘリウムガスを減圧して吸気バルブ３４に供給
する減圧弁４２と、排気バルブ３５と圧縮機４１の吸込
み口との間に設けられた流量調整弁４３と、減圧弁４２
の出口と流量調整弁４３の入口との間に設けられて吸気
バルブ３４の入口圧力（吸気圧力）が指定された値を越
えるのを抑制するリミット弁４４と、吸気バルブ３４の
入口圧力と排気バルブ３５の出口圧力（排気圧力）とを
それぞれ測定する圧力計４５、４６とで構成されてい
る。そして、この例では、圧力計４５，４６を監視しな
がら、減圧弁４２，流量調整弁４３，リミット弁４４を
調整し、吸気バルブ３４を介して吸気圧力ＰＨが２．５
ＭＰａに、また排気バルブ３５を介しての排気圧力ＰＨ
が０．３ＭＰａとなるように設定されている。なお、図
中４７は真空容器の壁を示している。

【００４２】寒冷の発生は第１段冷却ステージ１６およ
び第２段冷却ステージ１７で行われる。第１段冷却ステ
ージ１６は、熱負荷のない理想状態では３０Ｋ程度まで
冷却される。また第２段冷却ステージ１７は、蓄冷材２
４としてＥｒＩｎ₃を用いているので４Ｋ程度まで冷却
される。

【００４３】圧縮機４１を運転開始させるとともにモー
タを回転開始させる。モータが回転開始すると、ディス
プレーサ１２が下死点（図中最上点）と上死点（図中最
下点）との間を往復動する。このため、第１段膨張室３
２および第２段膨張室３３は、図２に第２段膨張室３３
を代表して示すように１サイクルの間に容積が零から最
大値まで変化する。この例の場合、ディスプレーサ１２
が上死点（第２段膨張室３３の容積零、位相角０゜）に
至ると、吸気バルブ３４が開き、２．５ＭＰａのヘリウ
ムガスが冷凍機ヘッド２内に流入する。そして、ディス
プレーサ１２の下死点側への移動に伴って位相角が８８
゜の時点になると、吸気バルブ３４が閉じる。このと
き、排気バルブ３５は閉じた状態を維持しているので、
結局、この位相角８８゜の時点から吸気バルブ３４，排
気バルブ３５が共に閉じた状態に制御される。

【００４４】ディスプレーサ１２は下死点側へと移動を
継続しているので、２．５ＭＰａのヘリウムガスは第１
ディスプレーサ１８に形成された流体通路２１を通って
第１段膨張室３２へ、また第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２段膨張室３３へと流
れる。この流れに伴って、２．５ＭＰａのヘリウムガス
は、蓄冷材２２，２４によって冷却され、第１段膨張室
３２に流れ込んだヘリウムガスは３０Ｋ程度に、また第
２段膨張室３３に流れ込んだ高圧ヘリウムガスは４Ｋ程
度に冷却される。

【００４５】ここで、ディスプレーサ１２が下死点（第
２段膨張室３３の容積最大、位相角１８０゜）に達する
と、排気バルブ３５が開く。このように排気バルブ３５
が開くと、第１段膨張室３２内および第２段膨張室３３
内の圧力は急激に０．３ＭＰａまで低下する。この圧力
低下でヘリウムガスが断熱膨張して寒冷を発生する。こ
の寒冷によって第１段冷却ステージ１６が３０Ｋ程度
に、第２段冷却ステージ１７が４Ｋ程度に冷却される。

【００４６】ディスプレーサ１２が再び上死点へと移動
すると、これに伴って第１段膨張室３２内および第２段
膨張室３３内の容積が小さくなるので、低温のヘリウム
ガスが流体通路２１，２３内を通過し、この通過の際に
蓄冷材２２，２４を冷却する。温度の上昇したヘリウム
ガスは、排気バルブ３５を介して圧縮機４１へと排出さ
れる。

【００４７】そして、位相角で２６８゜の位置が到来す
ると、排気バルブ３５が閉じる。このとき、吸気バルブ
３４は閉じた状態を維持しているので、結局、この位相
角２６８゜の時点から位相角０゜の時点まで吸気バルブ
３４，排気バルブ３５が共に閉じた状態に制御される。

【００４８】上述したサイクルが繰り返されて冷凍運転
が実行される。

【００４９】この例の場合には、従来のＧＭ冷凍機の排
気圧力ＰＬに比べて大幅に低い０．３ＭＰａに設定して
いる。したがって、先に説明したように、２０Ｋ以下で
のへリウムガスの非理想性による冷凍効率の低下を低減
でき、高効率、高能力化を図ることができる。

【００５０】また、この例では吸気バルブ３４が開いて
いる時間に比較して、吸気バルブ３４が閉じた直後の吸
気バルブ３４および排気バルブ３５の閉じている時間の
方を長くし、また排気バルブ３５が開いている時間に比
較して、排気バルブ３５が閉じた直後の排気バルブ３５
および吸気バルブ３４の閉じている時間の方を長くして
いるので、作動ガスの単位流量当たりの寒冷発生量を増
加させることができる。

【００５１】すなわち、このようなバルブの開閉制御を
行ったときの第２段膨張室３３内でのＰＶ線図は図３に
示すようになる。図中、右上および左下が欠けいるのは
両バルブ３４，３５が共に閉じている区間を表してい
る。

【００５２】吸気時間を短くすると、吸気流量が減少
し、また排気時間を短くすると排気流量が減少する。こ
の結果、１サイクル当たりの流量が減り、寒冷発生量も
減少するが、単位流量当たりの寒冷発生量は図４に示す
ように逆に増加する。図４の横軸は、吸気バルブ３４が
開いたときの位相角を０としたときの吸気バルブ３４が
閉じる位相角を示している。同時に、排気バルブ３５が
開いたときの位相角を０としたときの排気バルブ３４が
閉じる位相角を示している。図４中の細線は１サイクル
当たりの流量Ｍで、バルブが閉じるタイミングを早める
ことで流量Ｍが減っていることが判る。また、図中太線
は１サイクル当たりの寒冷発生量Ｑを流量Ｍで割ったも
のである。これから判るように、流量Ｍが減少している
効果の方が寒冷発生量Ｑの減少に比較して大きいので、
単位流量当たりの寒冷発生量は増加している。

【００５３】バルブ開閉タイミングを上述のように設定
することによって、特に膨張容積が圧縮機の流量に比較
して大きい高出力冷凍機において冷凍効率を向上させる
ことができる。

【００５４】なお、冷凍効率は使用する蓄冷材の比熱特
性やヘリウムガスの比熱特性によっても左右される。図
５にはヘリウムガスの圧力をパラメータとして体積比熱
と温度との関係が示されている。また、この図には参考
例として蓄冷材であるＥｒ₃Ｎｉの比熱特性も示してあ
る。この図から判るように、ヘリウムガスの比熱は圧力
と温度とによって大きく変わる。たとえば、上述した例
において排気圧力ＰＬとして採用している０．３ＭＰａ
では、６Ｋ近辺にピークがあり、体積比熱が２を越えて
いる。したがって、設計冷却温度Ｔが決まり、排気圧力
ＰＬが決まると、その圧力および温度におけるヘリウム
ガスの体積比熱より望ましくは大きい体積比熱を有した
蓄冷材を用いる必要がある。先の例では、設計冷却温度
Ｔ＝４Ｋ、排気圧力ＰＬ＝０．３ＭＰａである。この条
件におけるヘリウムガスの体積比熱は図５から判るよう
に０．５である。一方、先の例では第２段蓄冷器の蓄冷
材２４としてＥｒＩｎ₃を用いている。ＥｒＩｎ₃の４
Ｋにおける体積比熱は図６に示すように、０．８程度で
ある。したがって、先の例では好ましい蓄冷材を用いて
いることになる。

【００５５】勿論、第２段蓄冷器の蓄冷材２４としては
ＥｒＩｎ₃に代えてＨｏＩｎ₃を用いることもできる。
ＨｏＩｎ₃は体積比熱のピークがＥｒＩｎ₃よりも僅か
に高い５Ｋと６Ｋとの間に存在し、排気圧力ＰＬ＝０．
３ＭＰａのヘリウムガスの比熱のピークと同等かやや高
いのでより望ましいまた、上述した例は、設計冷却温度
Ｔが４Ｋの場合であるが、先に説明したように、設計冷
却温度が５Ｋ以上のときには、その設計冷却温度におい
てヘリウムガスのエンタルピーが極小値をとる圧力を境
にして両側に冷媒吸気圧力と冷媒排気圧力とが存在する
ように圧力調整することが好ましく、特にその設計冷却
温度において、冷媒吸気圧力下でのヘリウムガスのエン
タルピーと冷媒排気圧力下でのヘリウムガスのエンタル
ピーとがほぼ等しくなるように冷媒吸気圧力と冷媒排気
圧力とを設定することが好ましい。

【００５６】また、上述した例では、減圧弁や流量調整
弁を組合わせて吸気圧力と排気圧力とを所望に設定して
いるが、圧縮機の速度制御も圧力調整の有力な手段であ
る。

【００５７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
２０Ｋ以下でのへリウムガスの非理想性による冷凍効率
の低下を低減でき、高効率化、高能力化を実現すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係る蓄冷式冷凍機の概略
構成図

【図２】同冷凍機における吸気バルブと排気バルブとの
開閉タイミングを示すタイムチャート

【図３】同冷凍機のおける第２段膨張室のＰＶ線図

【図４】吸気バルブと排気バルブとの開閉タイミングを
変化させたときの単位流量当たりの寒冷発生量の変化を
示す図

【図５】ヘリウムガスの比熱特性を示す図

【図６】各種蓄冷材の比熱特性を示す図

【図７】寒冷発生量およびエンタルピー欠損と排気圧力
との関係を示す図

【図８】膨張仕事に対する寒冷発生量の割合と排気圧力
との関係を示す図

【図９】膨張仕事に対する寒冷発生量の割合と排気圧力
との関係を示す図

【図１０】膨張仕事に対する寒冷発生量の割合と排気圧
力との関係を示す図

【図１１】ヘリウムガスの圧力とエンタルピーとの関係
を示す図

【図１２】ヘリウムガスのＴＳ線図

【図１３】排気圧力と冷凍能力と実測例を示す図

【符号の説明】

２…冷凍機ヘッド４…ガス制御系１１…シリンダ１２…ディスプレーサ１６…第１段冷却ステージ１７…第２段冷却ステージ２１…第１段蓄冷器を構成する流体通路２２，２４…蓄冷材２３…第２段蓄冷器を構成する流体通路３４…吸気バルブ３５…排気バルブ４１…圧縮機４２…圧力調整手段としての減圧弁４３…圧力調整手段としての流量調整弁４４…圧力調整手段としてのリミット弁

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者中込秀樹神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者坂本一神奈川県横浜市鶴見区末広町２丁目４番地株式会社東芝京浜事業所内 (72)発明者佐々木高士神奈川県横浜市鶴見区末広町２丁目４番地株式会社東芝京浜事業所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】冷媒としてのへリウムガスを圧縮する圧縮
機と、蓄冷器と膨張機とを備えた冷凍機ヘッドと、前記
圧縮機より吐出した高圧のヘリウムガスを前記冷凍機ヘ
ッドに周期的に吸気させる吸気バルブと、前記冷凍機ヘ
ッド内のヘリウムガスを前記圧縮機の吸込み側へ周期的
に排気する排気バルブとを備えた蓄冷式冷凍機におい
て、設計冷却温度に対応させて前記冷凍機ヘッドの冷媒吸気
圧力および冷媒排気圧力の少なくとも一方を調整可能と
する圧力調整手段を備えていることを特徴とする蓄冷式
冷凍機。
【請求項２】前記圧力調整手段は、前記設計冷却温度が
５Ｋ以下のときには、前記冷凍機へッドの冷媒排気圧力
が０．５ＭＰａ以下となるように調整されることを特徴
とする請求項１に記載の蓄冷式冷凍機。
【請求項３】前記圧力調整手段は、前記設計冷却温度が
５Ｋ以上のときには、その設計冷却温度においてヘリウ
ムガスのエンタルピーが極小値をとる圧力を境にして両
側に冷媒吸気圧力と冷媒排気圧力とが存在するように圧
力調整されることを特徴とする請求項１に記載の蓄冷式
冷凍機。
【請求項４】前記圧力調整手段は、前記設計冷却温度が
５Ｋ以上のときには、その設計冷却温度において、冷媒
吸気圧力下でのヘリウムガスのエンタルピーと冷媒排気
圧力下でのヘリウムガスのエンタルピーとがほぼ等しく
なるように冷媒吸気圧力と冷媒排気圧力とが調整される
ことを特徴とする請求項１に記載の蓄冷式冷凍機。
【請求項５】前記吸気バルブの開いている時間に比較し
て上記吸気バルブが閉じた直後から上記吸気バルブおよ
び前記排気バルブの両方が閉じている時間の方が長く、
かつ上記排気バルブの開いている時間に比較して上記排
気バルブが閉じた直後から上記排気バルブおよび上記吸
気バルブの両方が閉じている時間の方が長くなる関係に
各バルブを開閉制御するバルブ開閉制御手段を備えてい
ることを特徴とする請求項１に記載の蓄冷式冷凍機。
【請求項６】冷媒としてのへリウムガスを圧縮する圧縮
機と、蓄冷器と膨張機とを備えた冷凍機ヘッドと、前記
圧縮機より吐出した高圧のヘリウムガスを前記冷凍機ヘ
ッドに周期的に吸気させる吸気バルブと、前記冷凍機ヘ
ッド内のヘリウムガスを前記圧縮機の吸込み側へ周期的
に排気する排気バルブとを備えた蓄冷式冷凍機におい
て、前記吸気バルブの開いている時間に比較して上記吸気バ
ルブが閉じた直後から上記吸気バルブおよび前記排気バ
ルブの両方が閉じている時間の方が長く、かつ上記排気
バルブの開いている時間に比較して上記排気バルブが閉
じた直後から上記排気バルブおよび上記吸気バルブの両
方が閉じている時間の方が長くなる関係に各バルブを開
閉制御するバルブ開閉制御手段を備えていることを特徴
とする蓄冷式冷凍機。
【請求項７】冷媒としてのへリウムガスを圧縮する圧縮
機と、蓄冷器と膨張機とを備えた冷凍機ヘッドと、前記
圧縮機より吐出した高圧のヘリウムガスを前記冷凍機ヘ
ッドに周期的に吸気させる吸気バルブと、前記冷凍機ヘ
ッド内のヘリウムガスを前記圧縮機の吸込み側へ周期的
に排気する排気バルブとを備えた蓄冷式冷凍機を運転す
るに当り、ヘリウムガスの非理想性による冷凍効率の低下を低減す
るために、設計冷却温度に対応させて前記冷凍機ヘッド
の冷媒吸気圧力および冷媒排気圧力の少なくとも一方を
調整設定して運転することを特徴とする蓄冷式冷凍機の
運転方法。
【請求項８】冷媒としてのへリウムガスを圧縮する圧縮
機と、蓄冷器と膨張機とを備えた冷凍機ヘッドと、前記
圧縮機より吐出した高圧のヘリウムガスを前記冷凍機ヘ
ッドに周期的に吸気させる吸気バルブと、前記冷凍機ヘ
ッド内のヘリウムガスを前記圧縮機の吸込み側へ周期的
に排気する排気バルブとを備えた蓄冷式冷凍機を運転す
るに当り、前記吸気バルブの開いている時間に比較して上記吸気バ
ルブが閉じた直後から上記吸気バルブおよび前記排気バ
ルブの両方が閉じている時間の方が長く、かつ上記排気
バルブの開いている時間に比較して上記排気バルブが閉
じた直後から上記排気バルブおよび上記吸気バルブの両
方が閉じている時間の方が長くなる関係に各バルブを開
閉制御して運転することを特徴とする蓄冷式冷凍機の運
転方法。