JPH11257773A - 蓄冷式冷凍機の運転方法及び蓄冷式冷凍装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】冷凍効率の向上を図れる蓄冷式冷凍機の運転方
法及び蓄冷式冷凍装置を提供する。 【解決手段】多段膨張式の冷凍機コールドヘッド３と該
ヘッドに接続されるコンプレッサ３５とを含む蓄冷式冷
凍機１を運転するに当たり、最終段冷却ステージ３２の
温度が目標温度に到達するまではコンプレッサ３５の入
力電力を大に設定して運転開始させ、最終段冷却ステー
ジ３２の温度が目標温度に到達した後は目標温度を維持
し得るレベルまでコンプレッサ３５の入力電力を下げて
運転するようにしている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、蓄冷式冷凍機の運
転方法及び蓄冷式冷凍装置に係り、特に最終段冷却ステ
ージの目標温度が液体ヘリウム温度近辺に設定される蓄
冷式冷凍機の効率向上を図れるようにして運転技術に関
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５Ｋ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大きく寄与している。

【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。

【０００４】このようなＧＭ冷凍機では、冷却温度を下
げるために、通常、膨張機と蓄冷器とを多段構成、例え
ば２段構成に設けている。２段構成のＧＭ冷凍機を例に
とると、１段冷却ステージは液体窒素温度（７７Ｋ）レ
ベルに冷却されることが多い。このため、１段蓄冷器に
は銅、ステンレス、鉛等の蓄冷材（網状または球状物）
が用いられている。一方、２段冷却ステージ（最終段）
は２０Ｋレベルに冷却されることが一般的である。その
ため、２段蓄冷器（最終段）の蓄冷材には鉛（球状物）
が用いられている。液体ヘリウム温度（４．２Ｋ）レベ
ルの冷却を行う場合には、２段蓄冷器の蓄冷材として鉛
よりも上記温度レベルにおいて比熱の高い磁性体、例え
ばＥｒ₃ Ｎｉ等が用いられる。そして、この場合には冷
媒としてヘリウムガスが用いられる。

【０００５】ところで、このような蓄冷式冷凍機、特に
冷媒としてヘリウムガスを用い、最終段冷却ステージの
目標温度が４Ｋレベルに設定されるものにおいては、次
のような問題があった。

【０００６】すなわち、４Ｋレベルでは、冷媒であるヘ
リウムガスは理想気体として扱うことができない。例え
ば、同じ等温膨張仕事をしても、その２割弱しか寒冷発
生量として取り出せない。このため、最終段冷却ステー
ジの目標温度が例えば１００Ｋレベルの冷凍機に比べて
冷凍効率が著しく低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、特に冷媒としてヘリウムガスを用い、最終
段冷却ステージの目標温度が４Ｋレベルに設定されるも
のにおいては、目標温度の高い冷凍機に比べて冷凍効率
が著しく低いという問題があった。そこで本発明は、冷
凍効率の向上を図れる蓄冷式冷凍機の運転方法及び蓄冷
式冷凍装置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に係る運転方法では、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、最終段冷却ス
テージの温度が目標温度に到達するまでは前記コンプレ
ッサの入力電力を大に設定して運転開始させ、最終段冷
却ステージの温度が目標温度に到達した後は目標温度を
維持し得るレベルまで上記コンプレッサの入力電力を下
げて運転するようにしている。

【０００９】また、上記目的を達成するために、請求項
２に係る運転方法では、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、冷凍機以外の冷却手段で
最終段冷却ステージを目標温度まで冷却し、その後に上
記冷却手段を切り離し、続いて上記目標温度を維持し得
るレベルの入力電力で前記コンプレッサを運転開始させ
るようにしている。

【００１０】また、上記目的を達成するために、請求項
５に係る装置では、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
凍機と、この蓄冷式冷凍機の最終段冷却ステージの温度
を検出する温度検出手段と、この温度検出手段によって
検出された最終段冷却ステージの温度が目標温度に到達
するまでは前記コンプレッサの入力電力を大に設定して
運転開始させ、最終段冷却ステージの温度が目標温度に
到達した後は目標温度を維持し得るレベルまで上記コン
プレッサの入力電力を下げて運転するコンプレッサ入力
制御手段とを備えている。

【００１１】なお、本発明は、冷媒としてヘリウムガス
を用い、最終段冷却ステージの目標温度が液体ヘリウム
温度近辺である蓄冷式冷凍機を用いる場合に特に有効で
ある。その一例として、ギフォード・マクマホン冷凍機
を挙げることができる。

【００１２】請求項１に係る運転方法及び請求項５に係
る装置では、最終段冷却ステージの温度が目標温度に到
達するまで、つまり初期冷却の期間においてはコンプレ
ッサの入力電力を大に設定して運転し、最終段冷却ステ
ージの温度が目標温度に到達した後は目標温度を維持し
得るレベルまでコンプレッサの入力電力を下げて運転す
るようにしている。

【００１３】冷媒としてヘリウムガスを用い、最終段冷
却ステージの目標温度が液体ヘリウム温度近辺である蓄
冷式冷凍機の場合、最終段冷却ステージが目標温度に到
達すると、最終段蓄冷器内の無効容積に存在するヘリウ
ムガスも４Ｋレベルに保たれる。ヘリウムガスは、４Ｋ
レベルまで冷却されると、図３に示すように、著しく比
熱が大きくなる。この結果、無効容積に存在するヘリウ
ムガス自身が蓄冷材として機能し、蓄冷効率が大幅に向
上する。その結果、コンプレッサの入力電力（圧縮仕
事）を下げても目標温度を維持することが可能となり、
結局、最終段冷却ステージが目標温度に到達した後は、
冷凍効率の最も高い状態で運転できることになる。すな
わち、コンプレッサの入力電力を固定して運転する場合
に比べて、冷凍効率を大幅に高くすることができる。

【００１４】

【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
る蓄冷式冷凍装置、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４．２ＫのＧＭ冷凍機１を用いる装置が示されて
いる。

【００１５】このＧＭ冷凍機１は、大部分が真空容器２
の中に配置される冷凍機コールドヘッド３と室温雰囲気
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３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が例えば重力方
向と平行に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１３と、この第１シリンダ１３
に同軸接続された小径の第２シリンダ１４とで構成され
ている。なお、第１シリンダ１３および第２シリンダ１
４は、通常、薄いステンレス鋼板等で形成される。

【００１６】第１シリンダ１３内には、この第１シリン
ダ１３のヘッド壁との間に第１段膨張室１５を形成する
第１ディスプレーサ１６が第１シリンダ１３の内周面と
の間に所定の隙間を設けて往復動自在に配置されてい
る。同様に、第２シリンダ１４内には、この第２シリン
ダ１４のヘッド壁との間に第２段（最終段）膨張室１７
を形成する第２ディスプレーサ１８が往復動自在に配置
されている。

【００１７】第１ディスプレーサ１６および第２ディス
プレーサ１８は、共に例えばベークライト等の断熱性樹
脂で形成されており、第２ディスプレーサ１８とほぼ同
径の連結部１９で軸方向に連結されている。また、第１
ディスプレーサ１６および第２ディスプレーサ１８の外
周面にはそれぞれ環状溝が形成されており、これら環状
溝には第１シリンダ１３および第２シリンダ１４との間
を無潤滑でそれぞれシールするシールリング２０，２１
が装着されている。

【００１８】第１ディスプレーサ１６の内部には第１段
の蓄冷器を構成するための流体通路２２が軸方向に形成
されており、この流体通路２２にはたとえば銅で作られ
たメッシュ構造の蓄冷材２３が収容されている。同様
に、第２ディスプレーサ１８の内部には第２段（最終
段）の蓄冷器を構成するための流体通路２４が形成され
ており、この流体通路２４にはＥｒ₃ Ｎｉ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２５が収容されている。

【００１９】第１ディスプレーサ１６の図１中上端は、
連結ロッド２７およびクランク軸２８を介してモータ２
９の回転軸に連結されている。したがって、モータ２９
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３０で示すように、上下方向に往復動す
る。この往復動によって、第１段膨張室１５及び第２段
膨張室１７の容積が変化する。このことから判るよう
に、この例では第１シリンダ１３のヘッド壁によって第
１段冷却ステージ３１が構成され、第２シリンダ１４の
ヘッド壁によって第２段（最終段）冷却ステージ３２が
構成されている。

【００２０】第１ディスプレーサ１６の図１中上方に存
在する空間は、吸気バブル３３および排気バルブ３４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３３および排気バルブ３４は、カム等の仲介のもとに
ディスプレーサ１２の往復動に連動して開閉制御され
る。

【００２１】ガス供給系４は、排気バルブ３４を介して
吸い込んだ冷媒としてのヘリウムガスを所定の圧力に圧
縮して吸気バルブ３３に供給するコンプレッサ３５によ
って構成されている。

【００２２】一方、第２シリンダ１４のヘッド壁近傍の
外面には第２段冷却ステージ３２の温度を検出するため
の抵抗温度計などからなる温度センサ３６が取り付けて
あり、この温度センサ３６の出力は室温雰囲気に設けら
れたコントローラ３７に導入される。コントローラ３７
には、予め第２段冷却ステージ３２の目標温度、この例
では４．２Ｋという温度信号が記憶されている。そし
て、このコントローラ３７は、第２段冷却ステージ３２
の現実の温度が４．２Ｋ以上、具体的には初期冷却の段
階では交流電源３８とコンプレッサ３５との間に介装さ
れたインバータ装置３９出力周波数をある値まで増加さ
せる制御を行い、第２段冷却ステージ３２の現実の温度
が４．２Ｋに達した時点からは第２段冷却ステージ３２
を目標温度に維持するようにインバータ装置３９の出力
周波数を制御するように構成されている。

【００２３】なお、図１中４０は第１段冷却ステージ３
１に熱的に接続された熱シールド板を示し、４１は第２
段冷却ステージ３２に熱的に接続された超電導コイル等
の被冷却物を示し、４２はコンプレッサ３５で圧縮され
たヘリウムガスを水等で冷却する熱交換器を示してい
る。

【００２４】モータ２９を回転開始させると、ディスプ
レーサ１２が下死点（図１中最上点）と上死点（図１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２段膨張室１７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。

【００２５】コントローラ３７に運転開始指令を与える
と、コントローラ３７はインバータ装置３９を制御す
る。この時点では第２段冷却ステージ３２の温度が４．
２Ｋよりはるかに高いレベルにあるのでインバータ装置
３９の出力周波数をある値まで増加させる。このような
周波数制御によって、コンプレッサ３５の圧縮仕事、つ
まり入力電力は例えば５ｋＷに保持される。

【００２６】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３３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３３が閉じる。このとき、排気バルブ
３４は閉じた状態を維持している。

【００２７】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１６に形成された流体通路２２を通って
第１段膨張室１５へ、また第２ディスプレーサ１８に形
成された流体通路２４を通って第２段膨張室１７へと流
れる。すなわち、２．５ＭＰａのヘリウムガスは、蓄冷
材２３，２５に触れながら第１段膨張室１５および第２
段膨張室１７へと流れる。

【００２８】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３４が開く。このように排気バルブ
３４が開くと、第１段膨張室１５内および第２段膨張室
１７内の圧力は急激に例えば０．５ＭＰａ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３１お
よび第２段冷却ステージ３２が徐々に冷却される。

【００２９】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１５内および第２段
膨張室１７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２２，２４内を通過し、この通過の際に
蓄冷材２３，２５を冷却する。温度の上昇したヘリウム
ガスは、排気バルブ３４を介して圧縮機３５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。

【００３０】このような冷凍運転が行われると、やがて
第１段冷却ステージ３１は３０Ｋ程度に、また第２段冷
却ステージ３２は目標温度である４．２Ｋに冷却され
る。第２段冷却ステージ３２が目標温度である４．２Ｋ
に到達すると、コントローラ３７は第２段冷却ステージ
３２を目標温度に維持するようにインバータ装置３９の
出力周波数を制御する。この例では、インバータ装置３
９の出力周波数を減少させる。この減少によってコンプ
レッサ３５の入力電力は例えば３ｋＷに減少する。

【００３１】このように、コンプレッサ３５の入力電力
を減少させても、第２段冷却ステージ３２の温度が急激
に上昇するようなことはない。すなわち、流体通路２４
及び蓄冷材２５によって構成された最終段蓄冷器内に
は、必ず無効容積が存在している。第２段冷却ステージ
３２が目標温度である４．２Ｋに到達すると、上述した
無効容積に存在するヘリウムガスも４Ｋレベルに保たれ
る。先に説明したように、ヘリウムガスは、４Ｋレベル
まで冷却されると、図３に示すように、著しく比熱が大
きくなる。この結果、無効容積に存在するヘリウムガス
自身が蓄冷材として機能し、蓄冷効率が大幅に向上す
る。その結果、コンプレッサ３５の入力電力（圧縮仕
事）を下げても第２段冷却ステージ３２の温度が急激に
上昇するようなことはない。そして、最終的に、コンプ
レッサ３５の入力電力は、第２段冷却ステージ３２を目
標温度に維持し得る値に抑えられる。勿論、熱負荷の増
加によって第２段冷却ステージ３２の温度が上昇しよう
としたときにはコンプレッサ３５の入力電力を増加させ
る制御が行われる。したがって、コンプレッサ３５の入
力電力を固定して運転する場合に比べて、冷凍効率の最
も高い状態で運転できることになる。

【００３２】図２には本発明に係る運転方法を実際に実
施したときの第２段冷却ステージの温度変化およびコン
プレッサの入力電力変化の例が示されている。横軸は冷
凍機を運転開始した時からの時間を示している。

【００３３】初期冷却ではコンプレッサに５ｋＷという
大きな入力電力を注入しているので、約３時間で室温か
ら３Ｋまで温度を下げることができた。３．５時間後に
コンプレッサの入力電力を３ｋＷに下げた。このときの
温度上昇は０．２Ｋ程度であつた。以後、コンプレッサ
の入力電力は３ｋＷに維持され、この状態で温度は３．
２Ｋに維持された。このことからも、無効容積に存在す
るヘリウムガスの大きな比熱が有効に作用していること
が立証された。

【００３４】なお、上述した例では、初期冷却時にコン
プレッサ３５に過剰な入力電力を注入しているが、例え
ば液体ヘリウム槽と熱伝導部材等を組み合わせた冷凍機
以外の冷却手段によって第２段冷却ステージ３２を目標
温度まで冷却し、その後に上記冷却手段を切り離し、続
いて目標温度を維持し得るレベルの入力電力でコンプレ
ッサ３５を運転開始させるようにしてもよい。このよう
にすると、目標温度まで冷却するのに要する時間を短縮
することができるばかりか、小型のコンプレッサの使用
が可能となる。

【００３５】また、上述した例では、膨張空間を構成す
るディスプレーサが蓄冷材容器を兼ねているが、ディス
プレーサと蓄冷材容器とを分離させたものにも本発明を
適用できることは勿論で、さらにＧＭ冷凍機に限られる
ものでもない。

【００３６】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、定常状
態において、最高の冷凍効率で運転することができる。

【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装置の構
成図

【図２】同装置を模擬した実験結果を説明するための図

【図３】ヘリウムガスの温度に対する比熱特性を示す図

【符号の説明】

１…ＧＭ冷凍機 ２…真空容器 ３…冷凍機コールドヘッド ４…ガス供給系 １１…シリンダ １２…ディスプレーサ １３…第１シリンダ １４…第２シリンダ １５…第１段膨張室 １６…第１ディスプレーサ １７…第２段膨張室 １８…第２ディスプレーサ ２０，２１…シールリング ２３，２５…蓄冷材 ３１…第１段冷却ステージ ３２…第２段冷却ステージ ３５…コンプレッサ ３６…温度センサ ３７…コントローラ ３８…交流電源 ３９…インバータ装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (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 (7)

【特許請求の範囲】
1. 【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む蓄冷式冷凍機を
   運転するに当たり、最終段冷却ステージの温度が目標温
   度に到達するまでは前記コンプレッサの入力電力を大に
   設定して運転開始させ、最終段冷却ステージの温度が目
   標温度に到達した後は目標温度を維持し得るレベルまで
   上記コンプレッサの入力電力を下げて運転することを特
   徴とする蓄冷式冷凍機の運転方法。
2. 【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む蓄冷式冷凍機を
   運転するに当たり、冷凍機以外の冷却手段で最終段冷却
   ステージを目標温度まで冷却し、その後に上記冷却手段
   を切り離し、続いて上記目標温度を維持し得るレベルの
   入力電力で前記コンプレッサを運転開始させることを特
   徴とする蓄冷式冷凍機の運転方法。
3. 【請求項３】前記蓄冷式冷凍機は冷媒としてヘリウムガ
   スを用いており、前記最終段冷却ステージの目標温度は
   液体ヘリウム温度近辺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の運転方法。
4. 【請求項４】前記蓄冷式冷凍機は、ギフォード・マクマ
   ホン冷凍機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の運転方法。
5. 【請求項５】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
   と、この蓄冷式冷凍機の最終段冷却ステージの温度を検
   出する温度検出手段と、この温度検出手段によって検出
   された最終段冷却ステージの温度が目標温度に到達する
   までは前記コンプレッサの入力電力を大に設定して運転
   開始させ、最終段冷却ステージの温度が目標温度に到達
   した後は目標温度を維持し得るレベルまで上記コンプレ
   ッサの入力電力を下げて運転するコンプレッサ入力制御
   手段とを具備してなることを特徴とする蓄冷式冷凍装
   置。
6. 【請求項６】前記蓄冷式冷凍機は冷媒としてヘリウムガ
   スを用いており、前記最終段冷却ステージの目標温度は
   液体ヘリウム温度近辺であることを特徴とする請求項５
   に記載の蓄冷式冷凍装置。
7. 【請求項７】前記蓄冷式冷凍機は、ギフォード・マクマ
   ホン冷凍機であることを特徴とする請求項５に記載の蓄
   冷式冷凍装置。