JPS59215556A

JPS59215556A - 極低温冷凍機

Info

Publication number: JPS59215556A
Application number: JP8824183A
Authority: JP
Inventors: 三田　英夫; 信太郎原田; 秀雄三澤
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 1983-05-19
Filing date: 1983-05-19
Publication date: 1984-12-05

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】本発明は、ジュールトムソン回路と蓄冷器を使用してい
る予冷冷凍機を組合せた極低温冷凍機によって略４．３
にの極低温の冷凍を得ることに関するものである。

〔本発明の利用分野〕

上記極低温冷凍機は、液体ヘリウムを充かしているタラ
イオスクットに取り付け、タライオスタットに侵入する
熱によって蒸発するヘリウム蒸気を再び液化し、タライ
オスタット内の量を常時、一定に保持することができる
ものである。

本発明は、液体ヘリウムで冷却されている超電導磁石、
ジョセフソン素子、スキッド素子等を常に超低温の状態
に維持することが要求される冷凍システムに不可決なも
のである。

〔従莱技術〕

従来の極低温冷凍機を第１図にて説明すれば次の通りで
ある。

導管１．第１段目圧縮機２．放熱器３の作動ガス導管３
ａ、第２段目圧縮機４．放熱器５の作動ガス導管５ａ、
第３段目圧縮機６．放熱器７の作動ガス導管７ａ、第４
段目圧縮機８．そして放熱器９の作動ガス導管９ａは、
順次連通している。

作動ガス導管９ａの出口は、導Ｗｌ　Ｏ，第１熱交換器
１１の高圧導管１１ａ、第１吸着器１２．予冷冷凍機５
０の膨張シリンダ５１の第１ステージ５１ａに設けてい
る第１予冷熱交換器１３ａ、熱ダイオード１４の作動ガ
ス導管１４ａ、第１ステージ５１ａに設けている第１予
冷熱交換器１３ｂ、第２熱交換器１５の高圧ガス導管１
５ａ、第２吸着器１６．膨張シリンダ５１の第２ステー
ジ５１ｂに設けた爪２予冷冷凍機１８ａ、熱ダイオード
１７の作動ガス導管１７ａ、第２ステージ５１ｂに設け
た第２予冷熱交換器１８ｂ、第３熱交換器１９の高圧導
管１９ａ、第３吸着器２０．ジュールトムソン弁２１．
導管２２．凝縮器２３の作動ガス導管２３ａ、導管２４
．第３熱交換器１９の低温導管１９ｂ、第２熱交換器１
５の低圧導管１５ｂ、第１熱交換器１１の低圧導管１１
ｂ、そして導管１へと連通ずる。このようにしてジュー
ルトムソンサイクルを形成している。放熱器３゜５．７
．９にはそれぞれ冷媒の通る導管３ｂ、５ｂ、７ｂ、９
ｂが設けられ、導管３ｂ、　　５ｂ、　　７ｂ、９ｂ内
の冷媒温度は、それぞれ導管３ａ、５ａ、７ａ、９ａ内
の作動ガスの温度より低くせしめてあり、熱交換が出来
るようにしである。熱ダイオード１４ば、液体ヘリウム
槽２５の導入管３０の略７５にの温度の箇所に固着して
いる第１熱ステーシヨン２８の上面に固着しており、熱
ダイオード１４の内部には、作動ガス導管１４ａが収納
されており、作動ガス導管１４ａの外側にしま力′スが
封し込めてあり、作動ガス導管１４ａ内の１乍動ガスと
熱交換するようにせしめである。

熱ダイオード１７は、導入管３０の略１８にの温度の箇
所に固着している第１熱ステーシヨン２７の上面に固着
しており、熱ダイオード１７の内部には、作動ガス導管
１７ａが収納されており、作動ガス導管１７ａの外側に
はガスが封し込めてあり、作動ガス導管１７ａの作動ガ
スと熱交換するようにせしめである。凝縮器２３の内部
には、作動ガス導管２３ａが設けてあり、作動ガス導管
２３ａの外面で凝縮したヘリウム液は、ヘリウムｊ＠２
５の液体ヘリウム２Ｇの上に落ちるよ侃こなっている。

液体ヘリウム２６の内には、超電導計算機のロジックと
モメリー２９が冷却されている予冷冷凍機５０の高圧入
口５０ａは導管５２によって導管１０と、また、低圧出
口５０ｂは導管５３によって第３段目圧縮機６の吸込み
口とに夫夫連通している。

導管１内の温度略３００に、圧力時０．８４ｋｇ／Ｃ−
の作動ガス（ヘリウム）は、第１段目圧縮機２、第２段
目圧縮機４．第３段目圧縮機６．第４段目圧縮機７によ
って、それぞれ略０．８４ｋｇ／Ｃ品から１　、　８８
　ｋｇ／ＣＩｌ、　略１．８８ｋｇ／ｃＪ力）ら１ＯＢ
４　、　２９　ｋｇ／　ｃｎ！、略４．２０ｋｇ／ｃＪ
から略８．７４　ｋｇ　／　ｃｔａ　、略８　、　７４
　ｋｇ／ｃＪから略１８．２ｋｇ／Ｃ−に略断熱圧縮さ
れる。第１．　２．　３．　４段目で略断熱圧縮された
作動ガス（ヘリウムガス）番よ、温度がそれぞれ略４１
３に、略４１３に、１１１１）４０２に、略４０２Ｋに
昇温され、それぞれ放琳）ｇｉ３．５，７．９の作動ガ
ス導管３ａ、５ａ、７ａ＋９ａへと流入すると、それぞ
れ放熱器３，５，７．９の導管３ｂ、５ｂ、７ｂ、９ｂ
内を流れてＩＪ″する冷媒によって冷却され、略３００
にの温度となり、作動ガス導＠３ａ内の作動力スむよ第
２段目圧縮機４の吸込み口へ、作動ガス導管５ａ内の４
乍ｆｆ１Ｊ＋ガスは第３段目圧縮機６の吸込み口へ、作
動力゛ス導管りａ内の作動ガスは第４段目圧縮機８の吸
込み口へ、作動ガス導管９ａ内の作動力′ス番ま第１煕
交換器１１の高圧導管１１ａの入口と予ｌ令７令凍機５
０の高圧入口５０ａに流入する。予冷ン令凍機５０の高
圧入口５０ａに流入したｔｏｌ　１８　、　２　ｋｇ／
ｃＪの作動ガス（ヘリウムガス）（よ、第１ステージ５
１ｂで膨張し、それぞれ略６０に、Ｉｌｌ各１５Ｉ（の
ン令凍を発生し、略４．２ｋｇ／ｃ己Ｑこなり、力旧次
イ氏圧出ロ５０ｂ、導管５３を通り、第１段目圧縮宿機
６の吸込み口に流入する。

第１熱交換器１１の高圧導管１１ａ４こ湧り人した作動
ガス（ヘリウムガス）番よ、低圧導管１１ｂ内を流れて
いる温度の低い作動力スにより、ｌＩｌ＆７５Ｋまで冷
却され、第１吸着器１２内で１乍動力゛ス以外の不純ガ
スが吸着され、第１予冷“シ交換器１３ａに流入し、第
１ステージ５１ａで発生しノこｔｉｌｌ）６０にの冷凍
によってさらに略６０■（まで７令去■さ」ｔ、熱ダイ
オード１４の作動力゛ス導管Ｇこ流入し、そこで熱ダイ
オード１４内の冷媒を７令却し、温度力（７５Ｋになっ
て第１予冷熱交換器１３ｂ！こ流し、再び第１ステージ
で発生した略６０Ｉ（のン令媒でン令却され、略６０　
Ｋとなって第２熱交換器１５の高圧ガス導管１５ａに流
入すると、低圧導管１５ｂ内を流れている温度の低い作
動ガスによって、略２ＯＫまで冷却されて、第２吸着器
１６に流入すると、第２吸着器１６内で作動ガス以外の
不純ガスが吸着され、第２予冷熱交換器１８ａに流入し
、第２ステージ５１ｂで発生した冷凍によって略１５Ｋ
まで冷却されて、熱ダイオード１７の作動ガス導管１７
ａに流入し、熱ダイオード１７内の冷媒を冷却して温度
が略１８にとなって第２予冷熱交換器１８ｂに流入し、
そこで再び第２ステージ５１ｂで発生した冷凍によって
略１５Ｋまで冷却され、第３熱交換器１９の高圧導管１
９ａに流入すると、低圧導管１９ｂ内を流れている温度
の低い作動ガスによってさらに冷却され、略６にとなっ
て第３吸着器２０に流入し、第３吸着器２０内で作動ガ
ス以外の不純ガスは吸着材で吸着され、ジュールトムソ
ン弁２１へと流入する。

ジュールトムソン弁２１に流入した作動ガスは、略１ｋ
ｇ／ｃ艷まで略等エンタルピー膨張し、作動ガスの一部
は液体となって導管２２を通過し、凝縮器２３の作動ガ
ス導管２３ａに流入すると、作動ガス導管２３ａ内の液
体を蒸発させることによって、作動ガス導管２３ａの外
壁面の液体ヘリウム槽２５内の蒸発したヘリウム蒸気を
液化させ、液体ヘリウム！２５内の液体ヘリウムを常時
一定量に保持している。凝縮器２３の作動ガス導管内の
作動ガスは、導管２４を通って、第３熱交換器１９の低
圧導管１９ｂ、第２熱交換器１５の低圧導管１５ｂ、第
１熱交換器１１の低圧導管１１ｂを通過後、温度が略３
００にとなり、導管１を通って第１段目圧縮機２の吸込
み口に流入する。このようにして、−サイクルを完了す
る。

〔従来技術の問題点及びその技術的分析〕この従来のジ
ュールトムソン回路と予冷冷凍機を組合せた極低温冷凍
機では、機器の構成が複雑になり、作動ガスの漏れ等の
故障が発生しやすい欠点がある。

かかる不具合について検討するに、第１段目圧縮機２．
第２段目圧縮機４．第３段目圧縮機６゜第４段目圧縮機
８に流入する作動ガスが常温（略３００Ｋ）であるため
、ジュールトムソン弁２１の吐出側で作動ガスの一部を
液化可能にするまで作動ガスを冷却し、略６にの温度に
下がるには、放熱器３．　５．　７．　９、第１．２．
３熱交換器１１．１５，１９、第１，２予冷冷凍機１３
ａ、１３　ｂ、　　１８　ａ、　　１８　ｂが必要とな
るためである。

〔技術的課題〕

本発明は、ジュールトムソン回路と予冷冷凍機を組合せ
た極低温冷凍機の機器の構成を単純化することによって
作動ガスの漏れ等の故障を起こりにくくすることである
。

〔技術的手段〕

上記技術的課題を解決Ｊ′るため講した技術的手段は、
第２図に示す如く、圧縮機１０１の吐出口１０１ｂに順
次放熱器１０２．熱交換器１０３の高圧導管１０３ａ、
　ジュールトムソン弁１０４゜冷凍回収用熱交換器１０
５．熱交換器１０３の低圧導管１０３ｂの一端に連通せ
しめ、前記低圧導管１０３ｂの他端を前記圧縮機１０１
の吸込み口１０１ａに連通し、ジュールトムソン回路１
００を形成させ、前記放熱器１０２を蓄冷器を使用して
いる予冷冷凍機（例えば、スターリングサイクル冷凍機
、ギホードマクスホンザイクル冷凍機。

ギホードザイクル冷凍機、ツルヘイサイクル冷凍機等）
のコールドステージ１３０ｃに熱的に接触せしめること
である。

〔技術的手段の作用〕

第２図において圧縮機１０１で圧縮された作動ガスは、
圧力、温度とも上昇し、放熱器１０２に流入すると、予
冷冷凍機１３０の略１５　Ｋの温度の冷凍を発生してい
るコールドステージ１３０ａで、略１５Ｋに冷却され、
熱交換器１０３の高圧導管１０３ａに流入し、低圧導管
１０３ｂを流れている温度の低い作動ガスによって略６
Ｋに冷却される。ジュールトムソン弁１０４に流入する
と、略等エンタルピー膨張し、作動ガスの一部は、液体
どなって、冷凍回収用熱交換器１０５に流入すると、液
体の一部を蒸発させることによって冷凍を発生し、作動
ガスは熱交換器１０３の低圧導管１０３ｂに流入し、高
圧導管１０３ａ内の温度の高い作動ガスによって暖めら
れ、低圧導管１゜３ｂの出口の作動ガス温度が、放熱器
１０２の出口の作動ガス温度より低い温度（略１５に以
下）となって圧縮機１０１の吸込み口１０１ａに流入す
るので、圧縮機の台数、放熱器の個数５熱交換器の個数
が少なく出来、又、予冷熱交換器が不要となり、機器の
構成が著しく単純になり、作動ガスの漏れ等の故障が少
なくなる。

〔本発明によって生した特有の効果〕

本発明は、次の特有の効果を生じる。即ぢ、圧縮機の台
数、放熱器の個数、熱交換器の個数が少す（ナリ、その
上予冷熱交換器力坏要となるので、（１）　　ジュールトムソン回路が軽量小型になる。

（２）　　ジュールトムソン回路を流れる作動ガスの圧
力損失が小さくなり、冷凍出方が増大する。

ジュールトムソン回路が小型になるので、高温部から侵
入するふく射熱が小さくなり、冷凍出方が増大する。

〔実施例〕

上記技術的手段の一具体例を示す実施例については、第
２図に基づいて、前述した通りであるので、ここでは省
略する。

〔他の実施例〕

第３図は本発明の他の実施例である。

圧縮機２０１の吐出口２０１ｂに放熱器２０２の一端を
連通し、前記放熱器２０２の他端を圧縮機２０３の吸込
み口２０３ａ−に連通せしめ、全圧縮機２０３の吐出口
２０３ｂに順次、放熱器２０４、熱交換器の高圧導管２
０５　ａ、ジュールトムソン弁２０Ｇ、冷凍回収用熱交
換器２０７．熱交換器２０５の低圧導管２０５ｂの一端
を連通し、前記低圧導管２０５ｂの他端を圧縮１ｊ３ｔ
２０１の吸込み口２０１ｂに連通し、ジュールトムソン
回路２００を形成させ、前記放熱器２０２，２０４を蓄
冷器を使用した予冷冷凍機２０２の略１５にの温度の冷
凍を発生しているコールドステージ２３０ｃに熱的に接
触せしめる。

圧縮機２０１で圧縮された作動ガスは、圧力。

温度が上昇し、放熱器２０２に流入すると、コールドス
テージ２３００発生している冷凍によって冷却され、温
度が低くなり、圧縮機２０３に流入し、再び圧縮機２０
３で圧縮され、圧力、温度が上昇し、放熱器２０４に流
入し、コールドヘッド２０５で発生している冷凍によっ
て冷却され、温度が低くなり、熱交換器２０５の高圧導
管２０５ａに流入する。以下の作用は本第２図と同様で
あるので説明は省略する。　　　。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の極低温冷凍機の回路図、第２図は本発明
の一実施例を示す極低温冷凍機の回路図、そして第３図
は本発明の他の変形実施例を示す回路図である。１００・・・ジュール１−ムソン回路、１０１・・・圧
縮機、１０２・・・放熱器、１０３・・・熱交換器、１
０４・・・ジュールトムソン弁、１０５・・・冷凍回収
用熱交換器、１３０・・・予冷冷凍機、１３０ｃ・・・
コールドステージＱ　　　　　　１０１０’）　　　　第２図

Claims

【特許請求の範囲】

圧縮機、放熱器、熱交換器、ジュールトムソン弁、そし
て冷凍用回収熱交換器から措成されるジュールトムソン
回路の前記放熱器を、蓄冷器を有する予冷冷凍機のコー
ルドステージに、熱的に接触せしめ、前記ジュール１−
ムソン回路で発生した熱を、前記放熱器を介して前記予
冷冷凍機で冷却する極低温冷凍機。