JPH11108479A

JPH11108479A - 蓄冷式冷凍機及びその運転方法

Info

Publication number: JPH11108479A
Application number: JP26696597A
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; Takashi Sasaki; 高士佐々木
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1997-09-30
Filing date: 1997-09-30
Publication date: 1999-04-23

Abstract

(57)【要約】【課題】最も効率のよい運転を実行できる蓄冷式冷凍機
及びその運転方法を提供する。【解決手段】多段膨張式の冷凍機コールドヘッド２とこ
れに接続されるコンプレッサ４１とを含み、最終段冷却
ステージ１７の無負荷時到達温度を５Ｋ未満にして運転
される蓄冷式冷凍機において、冷凍機コールドヘッド２
の運転周波数をｆ（Ｈｚ）とし、各段の膨張容積を合計
した全膨張容積をＶ（ｃｍ³ ）とし、コンプレッサ入
力電力をＷ（Ｗ）としたとき、２０≦Ｗ／（Ｖ・ｆ）≦
４０の条件を満たす冷凍機コールドヘッドとコンプレッ
サとを備えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ギフォード・マク
マホン冷凍機で代表される蓄冷式冷凍機及びこの冷凍機
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、小型でしかも
到達温度が４Ｋ以下と十分に低い蓄冷式冷凍機が出現し
ている。これには極低温下において大きな比熱を有する
磁性蓄冷材の出現が寄与している。

【０００３】このような蓄冷式冷凍機、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、室温部におかれるコンプレッサと、低温部におかれ
る膨張機と、この膨張機とコンプレッサとの間をつなぐ
蓄冷器との３つの要素で構成される。すなわち、コンプ
レッサ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
度上昇して室温に戻った後に排気バルブを介してコンプ
レッサへと返される、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。膨張機と蓄冷器とは、通
常、多段構成に設けられる。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膨
張過程を用いた冷却作用によって冷凍を行うが、この膨
張による効率は原理的にカルノー効率より低く、特に圧
縮比が大きくなるほど効率が悪くなるという特徴を持
つ。なお、圧縮比が大きいという条件は、冷凍機コ−ル
ドヘッド側のある大きさの膨張容積に対してコンプレッ
サの入力を大きくすることで作られる。すなわち、冷凍
能力を向上させるためにコンプレッサの入力を増加させ
ていくと、圧縮比の増加のために冷凍効率は低下してい
く。また逆に、コンプレッサの入力を減少させていく
と、冷凍損失が冷凍のための仕事量よりも大きくなり、
ある入力を境にして冷凍機としての機能を果たさなくな
る。

【０００５】したがって、冷凍効率についてみると、最
適な冷凍機コールドヘッドとコンプレッサとの組み合わ
せが存在するはずであるが、その大きさの最適比率は冷
凍機によって異なり一般性がないと思われていた。この
ようなことから、従来は、冷却温度が低いことに起因す
る冷却効率の低さだけを考慮し、専らコンプレッサの入
力を調整して必要な冷凍能力を得る運転方式が採用され
ている。

【０００６】しかしながら、従来の蓄冷式冷凍機にあっ
ては、単にコンプレッサの入力調整だけで必要な冷凍能
力を得るようにしているので、冷凍機コールドヘッドと
コンプレッサとの組み合わせ形態によっては、コンプレ
ッサに大きな入力を投入しているにも拘わらず、それに
応じた冷凍能力が得られず、効率の悪い運転しかできな
いという問題があった。

【０００７】

【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、必要な冷凍能力をコンプレッサ
の入力調整だけに頼って得ているため、最も効率のよい
運転ができないという問題がった。そこで本発明は、最
も効率のよい運転を実行できる蓄冷式冷凍機及びその運
転方法を提供することを目的としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１に係る発明は、多段膨張式の冷凍機コール
ドヘッドと該ヘッドに接続されるコンプレッサとを含
み、最終段冷却ステージの無負荷時到達温度を５Ｋ未満
にして運転される蓄冷式冷凍機において、冷凍機コール
ドヘッドの運転周波数をｆ（Ｈｚ）とし、各段の膨張容
積を合計した全膨張容積をＶ（ｃｍ³ ）とし、コンプ
レッサ入力電力をＷ（Ｗ）としたとき、２０≦Ｗ／（Ｖ
・ｆ）≦４０の条件を満たす冷凍機コールドヘッドとコ
ンプレッサとを備えていることを特徴としている。

【０００９】また、上記目的を達成するために、請求項
２に係る発明は、多段膨張式の冷凍機コールドヘッドと
該ヘッドに接続されるコンプレッサとを含み、最終段冷
却ステージの無負荷時到達温度を５Ｋから１０Ｋの範囲
にして運転される蓄冷式冷凍機において、冷凍機コール
ドヘッドの運転周波数をｆ（Ｈｚ）とし、各段の膨張容
積を合計した全膨張容積をＶ（ｃｍ³ ）とし、コンプ
レッサ入力電力をＷ（Ｗ）としたとき、５≦Ｗ／（Ｖ・
ｆ）≦２０の条件を満たす冷凍機コールドヘッドとコン
プレッサとを備えていることを特徴としている。

【００１０】なお、前記冷凍機コールドヘッド及び前記
コンプレッサは、何れか一方または両方が互いに冷媒通
路を介して通じた複数のユニットで構成されていても、
これらユニット全体を含めて前記条件を満たしていれば
よい。

【００１１】また、前記運転周波数ｆは、シャトル損失
を考慮に入れると、一般的にはｆ＝０．３〜３（Ｈｚ）
の範囲が好ましい。また、前記冷凍機コールドヘッドと
前記コンプレッサとは、少なくとも最終段蓄冷器の蓄冷
材に磁性蓄冷材を用いてギフォード・マクマホン冷凍機
を構成していてもよい。

【００１２】さらに、上記目的を達成するために、請求
項６に係る発明は、多段膨張式の冷凍機コールドヘッド
と該ヘッドに接続されるコンプレッサとを含む蓄冷式冷
凍機を運転するに当たり、予め効率が最大となる最終段
冷却ステージ温度―コンプレッサ入力電力特性を求めて
おき、この特性を使って現実に温度センサで測定された
最終段冷却ステージ温度に対して効率が最大となるよう
にコンプレッサの入力電力を制御することを特徴として
いる。

【００１３】蓄冷式冷凍機は、多段膨張式の冷凍機コー
ルドヘッドとコンプレッサとの組み合せで構成され、基
本的にはこれらの組み合せは自由である。例えば冷凍機
コールドヘッドの大きさに制限がある場合、その大きさ
の冷凍機コールドヘッドに対してコンプレッサの大きさ
を自由に決めることができる。たとえば、できる限り大
きな冷凍能力を得たい場合には能力の大きいコンプレッ
サを組み合わせればよい。

【００１４】ここで、上記とは全く別の考え方として、
冷凍効率を最重点項目とし、ある冷凍機コールドヘッド
に対して冷凍効率が最も高くなるコンプレッサを選ぶと
いう考え方もある。この考え方を導入するには、冷凍機
コールドヘッドの大きさとコンプレッサの大きさとの比
率をある数値で表すことが必要となる。

【００１５】そこで、本発明者等は、冷凍機コールドヘ
ッドの運転周波数をｆ（Ｈｚ）とし、各段の膨張容積を
合計した全膨張容積をＶ（ｃｍ³ ）とし、コンプレッ
サ入力電力をＷ（Ｗ）としたとき、ＷをＶ・ｆで割った
値、すなわち、Ｗ／（Ｖ・ｆ）（Ｊ／ｃｍ³ ）という量を定義した。この値は、冷凍機コールドヘッド
の単位膨張容積当たりに必要なコンプレッサの仕事量を
表している。もしも、この値に最適値が存在すれば、例
えば運転周波数が決まっている冷凍機コールドヘッドに
対して最適なコンプレッサを選ぶことができる。

【００１６】そこで本発明者等は、最終段冷却ステージ
の温度が液体へリウム温度の４Ｋ程度にまで到達する蓄
冷式冷凍機において、大きさの異なる複数の冷凍機コー
ルドヘッドに対して最適なコンプレッサ仕事量（入力電
力）を調査するための試験を行い、図２に示す試験結果
を得た。

【００１７】この図２は横軸にＷ／（Ｖ・ｆ）をとり、
縦軸に４Ｋでの冷凍能力をコンプレッサ入力電力で割っ
た冷凍効率（ＣＯＰ）をとっている。横軸は先に説明し
たように、ある意味でコンプレッサと冷凍機コールドヘ
ッドとの大きさの比率を表しており、図中右側に向かう
ほどコンプレッサの大きさの割合が増えて圧縮比、流量
が増加する方向を示し、図中左側に向かうほど冷凍機コ
−ルドヘッドの大きさの割合が増えて、圧縮比、流量が
減少する方向を示している。

【００１８】図２中、実線は膨張容積Ｖ＝７７（ｃｍ
³ ）のときの冷凍性能試験結果である。試験では運転
周波数ｆをｆ＝１．５（Ｈｚ）とし、コンプレッサの入
力電力Ｗを変化させて各々の条件でＣＯＰをプロットし
ている。この図から判るように、Ｗ／（Ｖ・ｆ）が約３
０（Ｊ／ｃｍ³ ）のときにＣＯＰが最大となった。

【００１９】図２中、破線はＶ＝１６１（ｃｍ³ ）の
ときの同様の試験結果である。また、一点鎖線はＶ＝２
０４（ｃｍ³ ）のときの同様の試験結果である。ここで
重要なことは、図２から明らかなように、それぞれ異な
る膨張容積を持つ３種類の冷凍機コールドヘッドに対し
て、ＣＯＰが最大となる最適なＷ／（Ｖ・ｆ）の範囲
は、２０≦Ｗ／（Ｖ・ｆ）≦４０で、ほぼ一致し、特に最もＣＯＰが大きくなる条件はＷ
／（Ｖ・ｆ）＝３０（Ｊ／ｃｍ³ ）でほぼ一致している
点である。

【００２０】このように、冷凍効率に重点をおくと、コ
ンプレッサの大きさと冷凍機コールドヘッドの大きさと
の比率に最適な値が存在し、その条件はコンプレッサお
よび冷凍機コールドヘッドの大きさによらないことが判
った。請求項１から６の発明は、このような知見に基づ
いている。

【００２１】

【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。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段膨張式で最終段、つまり
第２段冷却ステージの設計冷却温度が５Ｋ未満、具体的
には４ＫのＧＭ冷凍機が示されている。

【００２２】このＧＭ冷凍機は、大部分が真空容器１中
に配置される冷凍機コールドヘッド２と室温雰囲気３中
に配置されるガス供給系４とで構成されている。冷凍機
コールドヘッド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１
４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。

【００２３】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。

【００２４】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。

【００２５】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。

【００２６】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、それぞれ図示しないシール装置が装着されている。

【００２７】第１ディスプレーサ１８の上端は、連結ロ
ッド３１およびクランク軸３２を介してモータ３３の回
転軸に連結されている。したがって、モータ３３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３４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３５が形成される。

【００２８】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３６および排気バルブ３７を介して
ガス供給系４に接続されている。ここで吸気バルブ３６
および排気バルブ３７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開閉制御され
る。

【００２９】ガス供給系４は、排気バルブ３７を介して
吸い込んだ冷媒としてのヘリウムガスを圧縮して吸気バ
ルブに供給するコンプレッサ４１によって構成されてい
る。ここで、この例においては、冷凍機コールドヘッド
２の運転周波数、つまりディスプレーサ１２の往復動周
期によって決まる運転周波数をｆ（Ｈｚ）とし、第１段
膨張室３４の膨張容積Ｖ1 （ｃｍ³ ）と第２段膨張室３
５の膨張容積Ｖ2 （ｃｍ³ ）とを合計した全膨張容積を
Ｖ（ｃｍ³ ）とし、コンプレッサ４１の入力電力をＷ
（Ｗ）としたとき、Ｗ／（Ｖ・ｆ）（Ｊ／ｃｍ³ ）が
２０≦Ｗ／（Ｖ・ｆ）≦４０の範囲、具体的にはＷ／
（Ｖ・ｆ）＝３０（Ｊ／ｃｍ³ ）となる冷凍機コール
ドヘッド２とコンプレッサ４１とが用いられている。

【００３０】なお、図中４２は第１段冷却ステージ１６
に熱的に接続された熱シールド板を示し、４３は第２段
冷却ステージに熱的に接続された超電導コイル等の被冷
却物を示している。

【００３１】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。

【００３２】コンプレッサ４１を運転開始させるととも
にモータ３３を回転開始させる。モータ３３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。この例で
は、１秒間に０．３〜２．０回、たとえば１秒間に１回
の割合で往復動する。このため、第１段膨張室３４およ
び第２段膨張室３５は、１サイクルの間に容積がほぼ零
から最大値まで変化する。

【００３３】この例の場合、ディスプレーサ１２が上死
点に至ると、吸気バルブ３６が開き、例えば２．５ＭＰ
ａのヘリウムガスが冷凍機コールドヘッド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
伴って吸気バルブ３６が閉じる。このとき、排気バルブ
３７は閉じた状態を維持している。

【００３４】ディスプレーサ１２が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３４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３５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
３４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３５に流れ込んだヘリウムガスは４Ｋ程度に
冷却される。

【００３５】ここで、ディスプレーサ１２が下死点に達
すると、排気バルブ３７が開く。このように排気バルブ
３７が開くと、第１段膨張室３４内および第２段膨張室
３５内の圧力は急激に例えば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。

【００３６】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３４内および第２段
膨張室３５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３７を介して圧縮機４１へと排出さ
れる。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。

【００３７】このように、この例では、Ｗ／（Ｖ・ｆ）
（Ｊ／ｃｍ³ ）が２０≦Ｗ／（Ｖ・ｆ）≦４０の範
囲、具体的にはＷ／（Ｖ・ｆ）＝３０（Ｊ／ｃｍ³ ）と
なる冷凍機コールドヘッド２とコンプレッサ４１とを組
み合わせて、到達温度が４Ｋ以下のＧＭ冷凍機を構成し
ている。

【００３８】したがって、図２に示す試験結果から明ら
かなように、最高の冷凍効率で運転することができる。
換言すると、冷凍機コールドヘッドとコンプレッサユニ
ツトの大きさの比をＷ／（Ｖ・ｆ）により定義すること
で、最も冷凍効率の高い冷凍機コールドヘッドとコンプ
レッサの組み合せを、冷凍機の大きさによらず決めるこ
とが可能である。

【００３９】なお、図２中、黒丸、黒三角、黒四角で示
すデータは、製品として販売されているＧＭ冷凍機のデ
ータを示すもので、これらは冷凍効率についてあまり配
慮していないことが判る。

【００４０】上述した例は、最終段冷却ステージ温度が
５Ｋ未満のＧＭ冷凍機に本発明を適用したものである
が、最終段冷却ステージ温度が５〜１０ＫレベルのＧＭ
冷凍機に関しても冷凍機の大きさによらず、Ｗ／（Ｖ・
ｆ）に最適な値があることが確認されている。

【００４１】図３には異なる膨張容積の大きさを持った
５〜１０ＫレベルのＧＭ冷凍機のＷ／（Ｖ・ｆ）に対す
る冷凍効率をプロットした試験結果が示されている。こ
の図から判るように、この温度レベルでは、Ｗ／（Ｖ
・ｆ）（Ｊ／ｃｍ³）が５≦Ｗ／（Ｖ・ｆ）≦２０の範
囲で高い冷凍効率が得られ、特にＷ／（Ｖ・ｆ）＝１０
（Ｊ／ｃｍ³ ）で最も高い冷凍効率が得られており、最
適なＷ／（Ｖ・ｆ）は各冷凍機においてほぼ一致してい
る。

【００４２】図４には本発明の他の実施形態に係る蓄冷
式冷凍機、ここには１台のコンプレッサ４１と２台の冷
凍機コールドヘッド２Ａ，２Ｂとを組み合わせ、各冷凍
機コールドヘッド２Ａ，２Ｂの第２段冷却ステージ１７
の到達温度を４Ｋ程度としたＧＭ冷凍機が示されてい
る。

【００４３】なお、この図では図１に示される冷凍機と
同一機能部分が同一符号で示されている。したがって、
重複する部分の詳しい説明は省略する。この例に係るＧ
Ｍ冷凍機では、冷凍機コールドヘッド２Ａ，２Ｂの運転
周波数をｆ（Ｈｚ）とし、冷凍機コールドヘッド２Ａの
第１段膨張室３４の膨張容積ＶＡ1 （ｃｍ³ ）と第２段
膨張室３５の膨張容積ＶＡ2 （ｃｍ³ ）と冷凍機コール
ドヘッド２Ｂの第１段膨張室３４の膨張容積ＶＢ1 （ｃ
ｍ³ ）と第２段膨張室３５の膨張容積ＶＢ2 （ｃｍ³ ）
とを合計した全膨張容積をＶ（ｃｍ³ ）とし、コンプレ
ッサ４１の入力電力をＷ（Ｗ）としたとき、Ｗ／（Ｖ・
ｆ）（Ｊ／ｃｍ³）が２０≦Ｗ／（Ｖ・ｆ）≦４０の範
囲、具体的にはＷ／（Ｖ・ｆ）＝３０（Ｊ／ｃｍ³ ）と
なる冷凍機コールドヘッド２Ａ，２Ｂとコンプレッサ４
１とが用いられている。

【００４４】このように構成されたＧＭ冷凍機において
も最高の冷凍効率で運転することができる。すなわち、
図５には冷凍機コールドヘッドの数およびコンプレッサ
の数を変化させて、それぞれの条件において、Ｗ／（Ｖ
・ｆ）と冷凍効率との関係をプロットした試験結果が示
されている。ここでも冷凍機の構成によらずに、膨張容
積の総和と運転周波数が決まればいかなる大きさの冷凍
機においても効率が高い範囲は２０≦Ｗ／（Ｖ・ｆ）≦
４０であった。したがって、図４に示すＧＭ冷凍機では
最高の冷凍効率で運転できることになる。

【００４５】なお、図５に示す傾向は５〜１０Ｋレベル
の冷凍機においても同様であることが確認されている。
すなわち、５〜１０Ｋレベルの冷凍機においても最も冷
凍効率の高い運転条件は５≦Ｗ／（Ｖ・ｆ）≦２０であ
り、冷凍機コールドヘッド、コンプレッサの数によら
ず、膨張容積の総和Ｖとｆが決まれば、効率の高いコン
プレッサ入力値が決まることになる。

【００４６】図６には本発明のさらに別の実施形態に係
る蓄冷式冷凍機、ここには２段膨張式で最終段、つまり
第２段冷却ステージの設計冷却温度が４．２ＫのＧＭ冷
凍機が示されている。そして、この図では図１に示され
る冷凍機と同一機能部分が同一符号で示されている。し
たがって、重複する部分の詳しい説明は省略する。

【００４７】この例に係るＧＭ冷凍機は、第２段冷却ス
テージ１７の温度を検出する温度センサ５１と、この温
度センサ５１の出力を導入し、その温度において冷凍効
率が最も高くなるようにコンプレッサ４１の入力電力、
具体的にはインバータ等でコンプレッサ４１の回転数を
制御する制御装置５２とを備えている。

【００４８】今、このＧＭ冷凍機の第２段冷却ステージ
１７の各冷却温度での入力電力に対する冷凍能率曲線が
図７に示すようなものであったとする。これは容易に測
定できる。このとき、各温度で最も冷凍効率が高くなる
コンプレッサ入力電力条件は、各冷凍能力曲線と原点を
通る直線とが接する接点位置で判る。各冷凍温度の上記
接点同士を結んだ曲線５３は、各冷却温度で最も効率の
高い条件を表している。この曲線５３から、図８に示す
ように、横軸に冷却温度（第２段冷却ステージ温度）
を、縦軸に冷凍効率が最大となるコンプレッサ入力電力
をとる温度―入力特性が得られる。

【００４９】図６に示す例では、制御装置５２の内部メ
モリに図８に示す温度―入力特性が予め登録されてい
る。そして、温度センサ５１で現実の温度を測定し、こ
の温度において冷凍効率が最大となるように、コンプレ
ッサ４１の入力電力を制御している。

【００５０】図９には被冷却物４３として超電導コイル
を対象にし、この超電導コイルを図８に示す温度―入力
特性にしたがって４．２Ｋまで冷却した後に、この超電
導コイルを励磁→定常磁場発生→消磁の経過で運転した
ときの消費電力（コンプレッサ入力電力）の変化が示さ
れている。

【００５１】この図９から判るように、超電導コイルに
対して励磁を行っていない期間や定常磁場発生期間のよ
うに熱負荷の小さい期間は勿論のこと、励磁や消磁のよ
うに熱負荷が増加する期間においても常に最大の冷凍効
率で運転することができるので、消費電力を必要最少限
に抑えることができる。

【００５２】超電導コイル等の設計では、通常、最も熱
負荷（発熱）が大きい場合を想定して冷凍機の性能を決
定している。このため、定常違転（熱負荷が小さい場
合）では、冷凍機の性能が過剰となり、無駄な電力を消
費することになる。例えば、励磁中の１Ｗの発熱を満た
す冷凍機を定常状態でも用いているため、励磁を行わな
いときには冷凍温度が３Ｋ程度まで下がり、そのときの
コンプレッサ入力電力も図９中に破線で示すように、励
磁中と同じ５ｋＷ程度である。したがって、常時５ｋＷ
の電力を消費していることになる。

【００５３】しかし、図６に示す冷凍機を用いると、常
に冷凍機の効率が最も高くなる条件で運転されるので、
最低限の電力を使うことになり、図９に示すように、励
消磁以外の定常時では超電導コイルを４．２Ｋに保たせ
るのに必要なコンプレッサの入力電力は１．５ｋＷ程度
で済むことから、ランニングコストを半分以下に抑える
ことができる。

【００５４】なお、上記例では全温度領域につて冷凍効
率が最大となるようにコンプレッサの入力電力を制御し
ているが、目標とする温度についてのみ冷凍効率が最大
となるようにコンプレッサの入力電力を制御してもよ
い。この場合には、目標の温度の上下では消費電力が増
えるが、従来のように高い一定の消費電力レベルで運転
する場合に比べてランニングコストを抑えることができ
る。

【００５５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
効率のよい運転実行に寄与できる。

【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】同冷凍機において冷凍温度４Ｋでの冷凍効率を
最大にする条件を説明するための実験結果を説明するた
めの図

【図３】同冷凍機において冷凍温度７Ｋでの冷凍効率を
最大にする条件を説明するための実験結果を説明するた
めの図

【図４】本発明の別の実施形態に係る蓄冷式冷凍機の概
略構成図

【図５】同冷凍機において冷凍温度４Ｋでの冷凍効率を
最大にする条件を説明するための実験結果を説明するた
めの図

【図６】本発明のさらに別の実施形態に係る蓄冷式冷凍
機の概略構成図

【図７】同冷凍機の制御装置に登録されている制御参照
データを説明するための図

【図８】同冷凍機の制御装置に登録されている制御参照
データを説明するための図

【図９】同冷凍機の動作の一例を説明するための図

【符号の説明】

１…真空容器２，２Ａ，２Ｂ…冷凍機コールドヘッド３…室温雰囲気４…ガス供給系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（最終段）冷却ステージ２２，２４…蓄冷材３３…モータ３４…第１段膨張室３５…第２段（最終段）膨張室３６…吸気バルブ３７…排気バルブ４１…コンプレッサ４２…熱シールド板４３…被冷却物

───────────────────────────────────────────────────── 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】多段膨張式の冷凍機コールドヘッドと該ヘ
ッドに接続されるコンプレッサとを含み、最終段冷却ス
テージの無負荷時到達温度を５Ｋ未満にして運転される
蓄冷式冷凍機において、冷凍機コールドヘッドの運転周
波数をｆ（Ｈｚ）とし、各段の膨張容積を合計した全膨
張容積をＶ（ｃｍ³ ）とし、コンプレッサ入力電力を
Ｗ（Ｗ）としたとき、２０≦Ｗ／（Ｖ・ｆ）≦４０の条
件を満たす冷凍機コールドヘッドとコンプレッサとを備
えていることを特徴とする蓄冷式冷凍機。
【請求項２】多段膨張式の冷凍機コールドヘッドと該ヘ
ッドに接続されるコンプレッサとを含み、最終段冷却ス
テージの無負荷時到達温度を５Ｋから１０Ｋの範囲にし
て運転される蓄冷式冷凍機において、冷凍機コールドヘ
ッドの運転周波数をｆ（Ｈｚ）とし、各段の膨張容積を
合計した全膨張容積をＶ（ｃｍ³ ）とし、コンプレッ
サ入力電力をＷ（Ｗ）としたとき、５≦Ｗ／（Ｖ・ｆ）
≦２０の条件を満たす冷凍機コールドヘッドとコンプレ
ッサとを備えていることを特徴とする蓄冷式冷凍機。
【請求項３】前記冷凍機コールドヘッド及び前記コンプ
レッサは、何れか一方または両方が互いに冷媒通路を介
して通じた複数のユニットで構成されており、これらユ
ニット全体を含めて前記条件を満たしていることを特徴
とする請求項１または２に記載の蓄冷式冷凍機。
【請求項４】前記運転周波数ｆは、ｆ＝０．３〜３（Ｈ
ｚ）の範囲であることを特徴とする請求項１または２に
記載の蓄冷式冷凍機。
【請求項５】前記冷凍機コールドヘッドと前記コンプレ
ッサとは、少なくとも最終段蓄冷器の蓄冷材に磁性蓄冷
材を用いてギフォード・マクマホン冷凍機を構成してい
ることを特徴とする請求項１、２、３のいずれか１項に
記載の蓄冷式冷凍機。
【請求項６】多段膨張式の冷凍機コールドヘッドと該ヘ
ッドに接続されるコンプレッサとを含む蓄冷式冷凍機を
運転するに当たり、予め効率が最大となる最終段冷却ス
テージ温度―コンプレッサ入力電力特性を求めておき、
この特性を使って現実に温度センサで測定された最終段
冷却ステージ温度に対して効率が最大となるようにコン
プレッサの入力電力を制御することを特徴とする蓄冷式
冷凍機の運転方法。