【発明の詳細な説明】
超低温を生ぜしめるための方法と装置
本発明は冷凍機の冷却ヘッド内でのヘリウムの膨張と、冷凍機の冷却ヘッドの
下流に配置されたジュール・トムソン段内でのヘリウムの膨張とにより超低温を
生ぜしめるための方法に関する。本発明はさらに、この方法を実施するための適
当な装置に関する。
ルネ・Ａ・ヘーファー（Ｒｅｎ｀ｅ Ａ．Ｈａｅｆｅｒ）著、書籍「クライオ
ポンピング、セオリー・アンド・プラクティス（ＣＲＹＯＰＵＭＰＩＮＧ，Ｔｈ
ｅｏｒｙ ａｎｄ Ｐｒａｃｔｉｓ）」、１９８９年刊により、この種の方法が
公知である。これの実施のために、ジフォード・マクマホン原理（Ｇｉｆｆｏｒ
ｄ−ＭｃＭａｈｏｎ−Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ）に基づき運転される２段冷却ヘッド
を備えた冷凍機が使用されている。ヘリウムは公知形式通り循環回路内で案内さ
れる。ヘリウムは２０バールで冷却ヘッドに供給され、両方の冷却段内で５バー
ルまで膨張させられて、圧縮機へ戻し案内される。第２の循環回路内で、ほぼ２
０バールのヘリウムは全体で５つの直列の熱交換器を通してジュール・トムソン
段の狭窄部に供給される。熱交換器内でヘリウムは冷凍機の冷却ヘッドを介して
、かつジュール・トムソン段内で膨張して戻し案内さ
れたヘリウムを介して、予備冷却される。ジュール・トムソン段内で、ヘリウム
は１バールまで膨張させられる。それゆえ、冷凍機のヘリウム循環回路の圧縮機
に対して付加的に、ジュール・トムソン段の１バールのヘリウムを５バールまで
圧縮する別の圧縮機が設けられている。
上述したように低温を生ぜしめるために使用されるジュール・トムソン段では
、その狭窄部が比較的早期に閉塞するという一般的な欠点が生じる。それゆえ、
公知の上述の装置では、いずれにしろ圧縮機内に存在するガス浄化段の他に、狭
窄部へ流れるヘリウムの通路上に複数のガス洗浄段が設けられている。
本発明の課題とするところは、冒頭に記載した方法並びにこの方法を実施する
ための適当な装置を簡単化し、かつ一層効果的に形成することにある。
この課題は本発明によれば、冒頭に記載した形式の方法において、ジュール・
トムソン段に供給されるヘリウムが、冷凍機の冷却ヘッドの低温側から抽出する
ことにより解決される。この手段の利点とするところは、ジュール・トムソン段
の狭窄部へ流れるガスが、それに先立って冷却ヘッドを貫流し、かつその途上で
予備冷却されるばかりでなく、特別に徹底的に浄化されることにある。ジュール
・トムソン段の狭窄部を閉塞する汚れ、例えば水素、メタン、オイル蒸気などは
冷却ヘッドのディスプレーサの蓄熱室内で凍結される
か、又はそれらの内部に留めおかれる。別個の浄化段はもはや不要である。冷凍
機の単数又は複数の冷却段によるヘリウムの予備冷却のための別個の熱交換器も
省くことができる。
本発明のその他の利点及び詳細を、図示された１実施例に基づき詳細に説明す
る。
図面にはジフォード・マクマホン原理に基づき運転される２段式の冷凍機が図
示されている。この冷凍機はケーシング部分２，３を備えた冷却ヘッド１を備え
ている。ケーシング部分２内には、両方の押しのけ体６，７のための円筒状の作
業室４，５が設けられている。
上方の押しのけ体６は駆動ピストン８を備えており、この駆動ピストンに付属
しているシリンダ９が、ケーシング部分３に向かって作業室４を閉じている案内
ブッシュ１０内に設けられている。この案内ブッシュ１０は孔１１，１２，１３
を備えている。孔１１は作業室４内に開口しており、かつこの作業室４に作動ガ
スを供給するのに役立っている。孔１３は案内ブッシュ１０の外壁に設けられた
環状溝１５に連通した横孔１４に開口している。その他の２つの孔１２が破線で
示されており、これらの孔は、押しのけ体６，７から構成された機構の空気力的
な駆動のために役立っている。これらの種々の孔は図平面とは異なる平面内に位
置しているので、互いに交差していない。このことが
破線もしくは１点鎖線により表されている。
ケーシング部分３内には、制御モータ１６が配置されており、この制御モータ
１６は軸１７を介して制御弁１８を操作する。この制御弁１８は公知形式通り、
高圧又は低圧の作動ガスを種々の孔に供給するのに役立っている。
高圧及び低圧の作動ガスのための接続部が符号１９，２０で示されている。ケ
ーシング部分２，３の間の分割平面２１は制御弁１８の高さに位置している。こ
の分割平面２１は、制御モータ１６及び制御弁１８を備えた上方のケーシング部
分３を取り外した後に、案内ブッシュ１０の上方に、浅いコップ状の室２２が存
在するように設定されている。この室２２の高さのところに、ケーシング部分２
の壁を貫通した孔２３が設けられており、この孔２３は室２２と高圧接続部１９
とを接続せしめている。低圧接続部２０がケーシング部分３に設けた孔２４に接
続されており、この孔２４は案内ブッシュ１０の環状溝１５内に開口している。
図示の冷凍機の運転中に高圧の作動ガスは接続部１９を介して室２２内へ流入
する。この室から制御弁１８を介して種々の孔に高圧の作動ガスが供給される。
作動ガスは冷凍機段内で膨張した後、孔１３，１４内に達して、環状溝１５及び
低圧接続部２０を介して流出する。
冷凍機にはさらに圧縮機３１が付属しており、その
入口は導管３２を介して低圧接続部２０に、かつその出口は導管３３を介して高
圧接続部１９に連通している。
このような形式の冷凍機により、冷却ヘッド１の第２の段５，７の低温の端部
（フランジ３４）の領域内に、１ワットの出力を有するほぼ１０°ケルビンの温
度が生じる。
図示の実施例はさらに本発明によればジュール・トムソン段３５を備えている
。このジュール・トムソン段は受容的な狭窄部３６を備えており、この狭窄部３
６はノズル、焼結板または毛管として形成されることができる。作動ガスである
ヘリウムを直に冷却ヘッド１から狭窄部３６に供給することができるように、第
２の冷却段のフランジ３４が孔３８を備えており、この孔３８内に管部分３９が
挿入されてろう接されている。この管部分３９は効果的には特殊鋼から成り、こ
れにより、冷却ヘッド１の第２の冷却段とジュール・トムソン段３５とが熱抵抗
により互いに分離されている。
狭窄部３６の高さのところで膨張して冷却したヘリウムは室４１内に流入する
。図示の実施例では、この室４１は金属ネット４２により充填されている。この
金属ネットの材料は効果的には銅又は銀から成る。これらの材料は１０Ｋ以下の
温度で良好な熱伝導率を有している。
膨張した作動ガスは室４１から導管４５を介して低圧圧縮機４６の入口に供給
される。低圧圧縮機が作動ガスを圧縮機３１の入口圧まで圧縮するので、低圧圧
縮機の出口は導管４７を介して導管３２に接続されることができる。
有利には図示の実施例は次に記載する圧力により運転される。すなわち、圧縮
機３１が作動ガスを１０ないし３０バール、有利にはほぼ２０バールの圧力まで
圧縮する。冷凍機の冷却段４，６及び５，７内でヘリウムが２ないし８バール、
有利にはほぼ４バールまで膨張する。冷凍機の第２の段５，７の低温の端部３４
の領域内ではすでにヘリウムがほぼ６Ｋの温度を有しており、冷凍機の循環回路
のこのヘリウムの一部（ほぼ２％）がジュール・トムソン段の狭窄部３６に供給
される。ヘリウムはジュール・トムソン段内で２０ミリバールないし１バール、
有利には０．６バールまで膨張する。この膨張は更なる温度低下、それもほぼ４
．２Ｋまでの温度低下を生ぜしめる。膨張しかつ冷却されたヘリウムは金属ネッ
ト４２を備えた室４１を貫流する。ヘリウムはこの室４１から導管４５を介して
低圧圧縮機４６に供給され、この低圧圧縮機はヘリウムを冷凍機の循環回路内の
低圧まで圧縮する。
図示の実施例の運転中に、フランジ４３の領域内には、１０ミリワットの出力
を有するほぼ４．５Ｋの温度が生ぜしめられる。このオーダの温度は、例えば
−超伝導コイル、マイクロウエーブシステム、スイッチ又は
−ＳＱＵＩＤマグネットメータ
でのヘリウムの液化のために、又は液体ヘリウムの使用時に必要である。
本発明の適用は１段式及び多段式のジフオード・マクマホン冷凍機、又は類似
の冷凍機において可能である。蓄熱式の熱交換器で作動する旧式の冷凍機をも備
えることができる。要点は、作動ガスが、ジュール・トムソン段の狭窄部に供給
される前に、単数又は複数の冷却段を貫流していることである。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Method and apparatus for producing ultra-low temperatures
The present invention relates to the expansion of helium in a cooling head of a refrigerator and the cooling head of the refrigerator.
Ultra-low temperature due to helium expansion in the downstream Joule-Thomson stage
It relates to a method for producing. The invention further provides a method for performing this method.
Regarding such devices.
Book "Cryo" by Ren｀e A. Haefer
Pumping, Theory and Practice (Cryopumping, Th
eory and Practice), 1989, describes this type of method.
It is known. For the implementation of this, the Gifford McMahon principle (Giffor
d-McMahon-Principle) operated two-stage cooling head
Refrigerators with are used. Helium is guided in a circulating circuit as is well known.
It is. Helium is fed to the cooling head at 20 bar and 5 bar in both cooling stages.
And is guided back to the compressor. In the second circuit, approximately 2
0 bar helium is passed through a total of 5 heat exchangers in a series of Jules Thomson
It is supplied to the constriction of the step. Helium in the heat exchanger passes through the cooling head of the refrigerator
And expanded back in the Jules Thomson stage
Precooled through the helium. Helium inside Jules Thompson
Is inflated to 1 bar. Therefore, the compressor of the helium circulation circuit of the refrigerator
In addition to 1 bar of helium from the Jules Thomson stage up to 5 bar
Another compressor is provided for compression.
As mentioned above, the Joule-Thomson stage used to produce low temperatures
The general disadvantage is that the stenosis closes relatively early. therefore,
In the known devices described above, in addition to the gas purification stage present in the compressor anyway,
A plurality of gas scrub stages are provided on the helium passage to the constriction.
It is the object of the present invention to carry out the method described at the outset and the method
The purpose of the present invention is to simplify and more effectively form a suitable device.
This object is achieved according to the invention in a method of the type described at the outset by Joule
Helium supplied to the Thomson stage is extracted from the cold side of the cooling head of the refrigerator
It is solved by. The advantage of this measure is that Jules Thomson stage
The gas flowing to the constriction of the air flows through the cooling head prior to that, and on the way
It is not only pre-cooled, but also specially thoroughly purified. Jules
-Dirt that blocks the narrow part of the Thomson stage, such as hydrogen, methane, oil vapor, etc.
It is frozen in the thermal storage chamber of the displacer of the cooling head
Or retained inside them. A separate purification stage is no longer necessary. frozen
Separate heat exchangers for pre-cooling of helium by one or more cooling stages of the machine
Can be omitted.
Other advantages and details of the invention will be explained in more detail with reference to one illustrated embodiment.
You.
The drawing shows a two-stage refrigerator operated based on the Gifford McMahon principle.
It is shown. This refrigerator comprises a cooling head 1 having casing parts 2 and 3.
ing. In the casing part 2 there is a cylindrical work for both displacement bodies 6,7.
Business rooms 4 and 5 are provided.
The upper displacement body 6 has a drive piston 8 which is attached to this drive piston.
Guiding cylinder 9 closing the working chamber 4 towards the casing part 3
It is provided in the bush 10. The guide bush 10 has holes 11, 12, 13
It has. The hole 11 is open in the working chamber 4 and the working chamber 4
Has helped supply the source. The hole 13 is provided on the outer wall of the guide bush 10
It is open to the lateral hole 14 communicating with the annular groove 15. The other two holes 12 are dashed
As shown, these holes are the pneumatics of the mechanism composed of the displaced bodies 6,7.
It is useful for driving. These various holes are located in a plane different from the drawing plane.
Do not cross each other. This
It is represented by a dashed line or a dashed line.
A control motor 16 is arranged in the casing part 3.
16 operates a control valve 18 via a shaft 17. This control valve 18 is a known type,
It serves to supply high or low pressure working gas to the various holes.
Connections for high-pressure and low-pressure working gases are indicated by the reference numerals 19 and 20. Ke
The dividing plane 21 between the casing parts 2 and 3 is located at the level of the control valve 18. This
Of the upper casing part provided with the control motor 16 and the control valve 18
After removing the minute 3, a shallow cup-shaped chamber 22 exists above the guide bush 10.
Is set to exist. At the height of this chamber 22, the casing part 2
A hole 23 penetrating through the wall of the chamber 22 is provided.
And are connected. The low-pressure connection part 20 contacts the hole 24 provided in the casing part 3.
The hole 24 opens into the annular groove 15 of the guide bush 10.
During operation of the illustrated refrigerator, high-pressure working gas flows into the chamber 22 via the connection 19.
I do. From this chamber, high-pressure working gas is supplied to various holes via a control valve 18.
After the working gas expands in the refrigerator stage, it reaches the holes 13 and 14 and the annular grooves 15 and
It flows out through the low-pressure connection 20.
The refrigerator is further provided with a compressor 31,
The inlet is connected to the low pressure connection 20 via a conduit 32 and the outlet is connected to a high pressure via a conduit 33.
It is in communication with the pressure connection 19.
With this type of refrigerator, the cold end of the second stage 5, 7 of the cooling head 1
In the area of (flange 34), a temperature of approximately 10 ° Kelvin with a power of 1 watt
Degree occurs.
The embodiment shown further comprises a Joule-Thomson stage 35 according to the invention.
. The Joule-Thomson stage has a receptive constriction 36,
6 can be formed as a nozzle, a sintered plate or a capillary. Working gas
In order to supply helium directly from the cooling head 1 to the constriction 36,
The flange 34 of the second cooling stage is provided with a hole 38 in which a tube section 39 is formed.
Inserted and brazed. This tube section 39 is effectively made of special steel,
As a result, the second cooling stage of the cooling head 1 and the Joule-Thomson stage 35 have a thermal resistance.
Are separated from each other.
Helium that has expanded and cooled at the height of the constriction 36 flows into the chamber 41.
. In the embodiment shown, this chamber 41 is filled with a metal net 42. this
The material of the metal net advantageously consists of copper or silver. These materials are less than 10K
Has good thermal conductivity at temperature.
The expanded working gas is supplied from the chamber 41 to the inlet of the low-pressure compressor 46 via the conduit 45.
Is done. Since the low-pressure compressor compresses the working gas to the inlet pressure of the compressor 31, the low-pressure compressor
The outlet of the compressor can be connected to conduit 32 via conduit 47.
The illustrated embodiment is preferably operated at the pressures described below. Ie compression
Machine 31 supplies working gas to a pressure of 10 to 30 bar, preferably approximately 20 bar
Compress. 2 to 8 bar of helium in the cooling stages 4, 6 and 5, 7 of the refrigerator;
It preferably expands to approximately 4 bar. Cold end 34 of the second stage 5, 7 of the refrigerator
Helium already has a temperature of about 6K in the area of
Of this helium (approximately 2%) is supplied to the constriction 36 of the Joule-Thomson stage
Is done. Helium is 20 mbar to 1 bar in the Jules Thompson stage,
It preferably expands to 0.6 bar. This expansion further reduces the temperature, by almost 4
. Causes a temperature drop to 2K. Expanded and cooled helium is a metallic net.
Flow through the chamber 41 provided with the Helium is passed from this chamber 41 via conduit 45
It is supplied to a low pressure compressor 46, which converts helium into a circulation circuit of the refrigerator.
Compress to low pressure.
During operation of the illustrated embodiment, an output of 10 milliwatts
Approximately 4.5 K having a temperature of 4.5 K is produced. The temperature of this order is, for example,
-Superconducting coils, microwave systems, switches or
-SQUID magnetometer
Required for liquefaction of helium at or when using liquid helium.
The present invention is applicable to single-stage and multi-stage dipole McMahon refrigerators or similar.
It is possible in a refrigerator. Also equipped with an old-fashioned refrigerator operated by a heat storage type heat exchanger
Can be obtained. The point is that the working gas is supplied to the constriction of the Joule-Thomson stage
Before flowing through the cooling stage or stages.
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フロントページの続き
(72)発明者 ハンス−ディーター ズス
ドイツ連邦共和国 Ｄ−50374 エルフト
シュタット ハインリッヒシュトラーセ
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Continuation of front page
(72) Inventor Hans-Dieter Suss
Federal Republic of Germany D-50374 Elft
Stadt Heinrichstrasse
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