JPS5915773A - ヘリウム冷凍機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、ヘリウム冷凍機に関するものであり、さら
に詳しくいうと、ギフオード・マクマホンサイクル冷凍
機やスターリングサイクル冷凍機などの蓄熱式熱交換器
を用いたヘリウム冷凍機に関するものである。

第１図は、従来のギフオード・マクマホン冷凍機（以下
Ｇ−Ｍ冷凍機という）の構造の一例を示し、図において
、第１のシリンダ／に、シリンダ／内を一定ストローク
で作動するようにピストン状の第１のディスプレーサλ
をｏリング３を介して収容し、第１のディスプレーサラ
には第１のシリンダ／を貫通し第１のディスプレーサラ
と駆動部（図示せず）を接続する第１のピストンロンド
ｙが結合されている。第１のシリンダ／と第１のピスト
ンロッドグの摺動部にはＯリングＳが介挿されている。

第１のディスプレーサユ内には銅メツシユなどで構成さ
れた第１の蓄冷器６が設けられ、第７の蓄冷器６を収容
した第１のディスプレーサラの両端部にそれぞれ動作ガ
スが通るように連通孔Ａａ、Ａｂが形成され、第１のシ
リンダ／と第１のディスプレーサλの底部間に第１の膨
張室りが形成されている。第１のシリンダ／に並列に設
けた第一のシリンダｇには第二のシリンダ内を一定スト
ロークで作動する第一のディスプレーサ９が収容され、
第一のディスプレーサラと駆動部（図示せず）を接続す
る第２のピストンロッド１０が第一のシリンダざを貫通
している。第一のシリンダｇと第一のピストンロッド１
０の摺動部には０リング／ｌが介挿されている。第一の
シリンダざの底面と第２のディスプレーサブ間には第二
の膨張室／２が形成されている。第１のシリンダ／の下
端側に開口して取付けられ他端をフランシテ封止するよ
うに設けた第３のシリンダ７３内には鉛の微粒などで構
成された第２の蓄冷器／ダが形成されている。また、第
３のシリンダ／３下端と第一の膨張室／２を貫通して動
作ガスを第一の蓄冷器／４’を介して移動させるための
連通管１５が設けられている。第１のシリンダｌの上端
７　ランジから配管を介してヘリウム圧縮機（図示せず
）吐出側に接続される流路をｌ、や断する高圧締切弁／
乙と、同様に上記ヘリウム圧縮機吸入側に接続される流
路をしゃ断する低圧締切弁／７が配設されている。

かかる構成になるＧ−Ｍ冷凍機では、第１のディスプレ
ーサラと第一のディスプレーサブは、駆動部を介して同
期して一定のストロークおよび回転数に規正して往復運
動され、また、これらのディスプレーサラ、９の往復運
動の一ザイクル中に、高圧締切弁／６および低圧締切弁
／りを交互に切／、第コのディスプレーサラおよび９が
第１．第一のシリンダ／およびどの最下端にある状態で
高（３） 圧締切弁／ｌを開き低圧締切弁／りを閉じ、さらにディ
スプレーサλ、９が最上端位置近傍になるまでこの状態
で高圧ヘリウムガスを吸入する。このとき流入ヘリウム
ガスは蓄冷器ｔおよび／４！内を流下する間に、それぞ
れの蓄冷器の寒冷を得、つぎに高圧締切弁／６を閉じ低
圧締切弁／７を開く。このとき、第１の膨張室７および
第２の膨張室／、２内の高圧ヘリウムガスはそれ自身断
熱的に膨張（ザイモン膨張）し低温になる。そして、こ
の状態でディスプレーサλおよびりをシリンダ／および
ｔの最下端までそれぞれ押下げると膨張室７および／コ
内の低温ヘリウムガスは、第一の蓄冷器／グおよび第１
の蓄冷器６内を流上し、その間に蓄冷材に寒冷を放出し
てほぼ室温となり、ヘリウム圧縮機の吸入側に至る。デ
ィスプレーサラおよび９がそれぞれのシリンダ／および
ｇの底面に達すると低圧締切弁１７を閉じ−サイクルを
完結する。上記サイクルを連続して繰返えすことにより
、膨張室７および／２の壁を介し、寒冷を採り出し被冷
却物体を所要の温度に冷却することが（グ　） できる。

しかし、以上のように構成された従来のＧ−Ｍ冷凍機で
は、通常蓄冷材として銅合金や鉛などの金属の細い繊維
状または微粒状のものが用いられている。

一般に金属は低温になると比熱が徐々に小さくなり、１
０Ｋ以下になるとほとんどの金属の比熱は零になる。こ
のため第一の蓄冷器／４’は極低温域では、はとんど機
能しなくなり、７．５−に以下の領域では冷凍機のｃｏ
ｐが著しく低下すると共に、その低温到達温度にも限界
があるなどの欠点があった。

以上のような従来のものの欠点を改善する方策として、
ヘリウムガスを蓄冷材として用いる方法が提案されてい
るが、この発明は、極低温域で作動する蓄冷器部にヘリ
ウムガス封入管を配設し、封入ヘリウムガス量を外部よ
り容易に制御できる構造とし、低温蓄冷器の性能を改善
し、極低温域でのｃｏｐを向上したヘリウム冷凍機を提
供することを目的とするものである。

以下、この発明の一実施例を図面について説明する。第
一図において、第二の蓄冷器／ｙ内にステンレスなどの
細管をスパイラル状に多重に形成した蓄冷ガス封入管／
ｇを収納し、第コ蓄冷器／ｌＩ外部上方より第３のシリ
ンダ１３壁を貫通し蓄冷カス封入管／ｇの高温端に接続
した冷媒ガス導入管／９を設ける。λＯは一次側をヘリ
ウムガス供給系（図示せず）と接続し一定圧力のヘリウ
ムガスを蓄冷ガス封入管／ｇに補給できるように設けた
調節弁機構である。この調節弁機構−〇は蓄冷器／弘の
温度上昇などによる蓄冷ガス封入管７ｇ内の異常圧力上
昇を生じたとき、封入ガスの一部を系外に放出し所定の
圧力以下に保持できる減圧機能を備えたものである。そ
の他の構成は第１図と同様である。

かように構成されたＧ、　−Ｍ冷凍機では、寒冷の発生
は従来のものと同様に行なわれるが、動作温度か２０に
以下の金属の比熱が非常に小さくなる領域では、第二の
膨張室／２から排出される動作ガスの寒冷は、第二の蓄
冷器ｌｌ／−と熱結合された蓄冷ガス封入管／ｌに封入
されたヘリウムガスに蓄冷される。つぎに第二の膨張室
ｌコに流入する動作ガスは、蓄冷ガス封入管／ざ内の封
入ヘリウムガスの寒冷と熱交換し、冷却されるようにな
り、従来のものに比べ、より極低温への到達が可能とな
り、冷凍機の極低温動作域におけるＣＯＰの改善が達成
される。

ここで、冷媒ガス封入管／ｇへのヘリウムガスの封入量
の調節制御が重要な問題である。まず、冷凍機の室温か
ら定常冷却温度に至るクール・ダウンの過程で封入ヘリ
ウムガスの体積が減少するので補給が必要である。もし
も、定常運転時に必要なヘリウムガス量を室温で封入す
れば数百気圧の加圧ヘリウムとなり、技術的に困難を極
める。

また、第３図にヘリウムガスの低温における比熱特性を
圧力パラメータとして示したように、比熱の極太値は封
入圧力により変わる。このことは、冷凍機の定常運転時
の動作温度が決められるとき、蓄冷ガス封入管７ｇのヘ
リウムガス封入圧力を最適値に調節設定することにより
、冷凍機の高効率（７） 運転が可能となることがわかる。

この発明によれば、蓄冷ガス封入管／ざのヘリウムガス
封入量は、蓄冷ガス封入管１ｇ部の温度変化を生じても
調節弁機構２０により、所定・の圧力に保持でき、しか
も定常冷却状態において、冷凍機の運転が最適状態で行
なえるよう、蓄冷ガス封入管／ざのヘリウムガス封入圧
力を任意に調節設定できるようになっている。

第弘図は、この発明の他の実施例であり、第二の蓄冷器
／グを収容した第３のシリンダ／３の壁外面に冷媒ガス
封入管／ｌを設けた構成になっている。この場合、冷媒
ガス刺入管／ざ内のヘリウムガスと、蓄冷器／ダ内を通
過する動作ガスと熱交換効率を高めるための配慮が必要
であり、第３のシリンダ／３内壁および冷媒ガス封入管
７ｇ内側の一方または双方に伝熱フィン２７などの拡大
伝熱面を設けることも一部である。このように冷媒ガス
到入管／ｇを冷凍機動作ガスのシリンダ管外に設けるこ
とにより、冷媒ガス封入管／ｇを第３のシリンダ／３壁
を貫通させることかないので、（ｇ） 工作が容易となり、また、耐真空性の信頼性を向上する
効果がある。

第Ｓ図は、他のもう一つの実施例であり、冷媒導入管／
９を、第１のシリンダ／外壁に当接して設けた熱交換器
、２−を介して接続１〜だ構成になるものである。この
場合、蓄冷ガス封入管１ｇ内へ供給されるヘリウムガス
は流入過程で低温に冷却されるので、蓄冷ガス封入管１
ｇ部での冷凍負荷が軽減でき、また、蓄冷ガス封入管１
ｇ内のヘリウムガスを系外に放出する場合、封入ガス自
身の寒冷を冷凍機に回収できるので、冷凍システム効率
を尚める効果がある。

なお、以上の実施例はＧ−Ｍ冷凍機について説明したが
、スターリングサイクル冷凍機等の蓄冷器を用いた他の
ヘリウム冷凍機に広く通用できることはいうまでもない
。

この発明は、以上説明したように蓄冷器を用いたヘリウ
ム冷凍機の最終段蓄冷器部に金属細管等で構成された蓄
冷ガス封入管を並列に設け、調節弁機構を介して蓄冷ガ
ス到入誉内にヘリウムガスを充填１〜任意の一定圧力に
調節設定して保持できる構成にすることにより、この釉
の従来の冷凍機に比べ到達最低温度域が拡大し、また、
極低温域での冷凍運転において簡単なパルプの調節制御
のみで、合理的かつ安定に冷凍能力制御が行なえるなど
、その効果が犬である。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の装置の縦断面図、第一図はこの発明の一
実施例の縦断面図、第３図はヘリウムガスの低温におけ
る比熱特性曲線図、第グ図はこの発明の他の実施例の要
部断面図、第Ｓ図は同じく他のもう一つの実施例の要部
模式図である。 ／・・第１のシリンダ、コ・・第１のディスプレーサ、
ダ・・第１のピストンロッド、６・・第１の蓄冷器、７
・・第７の膨張室、ｇ・・第一のシリンダ、？・・第一
のディスプレーサ、ＩＯ・・８２のピストンロッド、／
２・・第一の膨張室、／３・・第３のシリンダ、／４’
・・第２の蓄冷器、／Ｓ・・連通管、／６・・高圧締切
弁、／７・・低圧締切弁、７ｇ・・蓄冷ガス封入管、１
９・・冷媒ガス導入管、コθ・・調節弁機構、２／・・
伝熱フィン、２２・・熱交換器。 なお、図中、同一符号はそれぞれ同一または相当部分を
示す。 代理人　　葛　　野　　信　　− ち１図 幣２図 ち３図 旭４図 ち５図 手続補正書（自発） 特許庁長官殿 １８　　事件の表示　　　　稿・願昭ｊ７−／コロ！７
グ号２、発明の名称 ヘリウム冷凍機 ３、補正をする者 事件との関係　　　特許出願人 住　所　　　　　東京都千代田区丸の内二丁目２番３号
名　称（６０１）　　　三菱電機株式会社代表者片山仁
八部 ４代理人 住　所　　　　　東京都千代田区丸の内二丁目２番３号
５、　補正の対象 （１）　　明細書の特許請求の範囲の欄（２）　　　図
　　面 ５、　補正の内容 （１）％許請求の範囲を別紙のとおり補正する。 （２）第２図を別紙のとおり補正する。 特許請求の範囲 （１）　　複数段の蓄冷器を備えたヘリウム冷凍機にお
いて、最終段の前記蓄冷器部に設けられ細管を多重に形
成して一定量のヘリウムガスが封入される蓄冷ガス封入
管と、この蓄冷ガス封入管に一端が接続された冷媒ガス
導入管と、この冷媒ガス導入管の他端に接続され前記蓄
冷ガス封入管の内圧を所定に保持する調節弁機構を備え
てなることを特徴とするヘリウム冷凍機。 （２）　　蓄冷ガス封入管が蓄冷器中に配設され、冷媒
ガス導入管が前記蓄冷器の容器壁に貫通して前記蓄冷ガ
ス封入管に接続された特許請求の範囲第１項記載のヘリ
ウム冷凍機。 （３）　　蓄冷ガス封入管が蓄冷器の容器壁外面に配設
された特許請求の範囲第７項記載のヘリウム冷凍機。 （４）　　容器内壁および蓄冷ガス封入管内側の少くと
も一方に設けられた伝熱フィンを備えた特許請求の範囲
第３項記載のヘリウム冷凍機。 （５）冷媒ガス導入管が前段蓄冷器の外壁に当接して配
設された熱交換器を介して蓄冷ガス封入管に接続された
特許請求の範囲第１項記載のヘリウム冷凍機。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）複数段の蓄冷器を備えたヘリウム冷凍機において
   、最終段の前記蓄冷器と熱結合して設けられ細管を多重
   に形成して一定量のヘリウムガスが封入される蓄冷ガス
   封入管と、この蓄冷ガス封入管に一端が接続された冷媒
   ガス導入管と、この冷媒ガス導入管の他端に接続され前
   記蓄冷ガス封入管の内圧を所定に保持する調節弁機構を
   備えてなることを特徴とするヘリウム冷凍機。 （２）蓄冷ガス封入管が蓄冷器中に配設され、冷媒ガス
   導入管が前記蓄冷器の容器壁に貫通して前記蓄冷ガス封
   入管に接続された特許請求の範囲第１項記載のヘリウム
   冷凍機。 （３）蓄冷ガス封入管が蓄冷器の容器壁外面に配設され
   た特許請求の範囲第１項記載のヘリウム冷凍機。 （釣　容器内壁および蓄冷ガス封入管内側の少（とも一
   方に設けられた伝熱フィンを備えた特許請求の範囲第３
   項記載のヘリウム冷凍機。 （５）　　冷媒ガス導入管が前段蓄冷器の外壁に当接し
   て配設された熱交換器を介して蓄冷ガス刺入管に接続さ
   れた特許請求の範囲第７項記載のヘリウム冷凍機。