JPS6117867A - 多段極低温冷凍機 - 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】 発明の分野 本発明は極低温冷凍機に関する。

発明の背景 これまで提供されそして４．５〜１０’にの範囲での冷
凍効果を実現することの出来る先行技術の極低温冷凍機
は、コストが優先的考慮・事項とならないようなそして
高級技術者が冷凍機の保守に確保されうるような新技術
開発の分野に制限された。

大量の液体ヘリウム貯蔵デユワ−から試験或いは操作の
為の装置に移された液体ヘリウムを使用する簡単なシス
テムは、最小限の損失でもって移替えを達成する為だけ
にも高度の熟練を有する操作者を必要とする。損失液体
ヘリウムのコストだけでも、こうしたシステムを継続的
な研究や操作に使用することを不可ならしめる。このよ
うなシステムは通常原理の実証或いは作動のの特性の確
認を行うのに必要な数回にわたるだけの試験に制限され
る。

長期の操作（使用罹対しては、大半のユーザは閉サイク
ル冷凍機を好む。電波望遠鏡の分野で広範に使用されて
いる現在の設備は、正味の冷凍効果がジュール−トムソ
ン弁を通しｐリウムが膨張される時実現されうるよう高
圧のヘリウム流れを十分に低い温度に冷却するのに、２
段極低温冷凍機を使用している。この装置系はかなり効
率的であるが、複雑で且つコストがかかり、加えて操作
及び保守に熟練操作員を必要とする。加えて、ジュール
−トムソン弁はヘリウム中の不純物にきわめて敏感であ
る。何故なら、弁のオリフィス面積は代表的に５．６Ｘ
１０　　ｒｘｓｎ”　であり、これが不純物によって次
第に狭められるようになり、冷凍能力の劣化の原因とな
るからである。

ここで扱う問題は、４．５〜１０°にの温度範囲におけ
る冷凍効果を生みだす小形の閉サイクル極低温冷凍機を
いかにして開発するかである。先行技術の冷凍機を改善
するｉこれまで為された研究の大半は、−再生器（蓄冷
器）マトリックスに関係し、特にはその設」″及び拐料
に関係した。ヘリウムが作動流体であるから、再生器マ
トリックスとヘリウムの熱容量間に不均合が存在するこ
とは明らかである。両者をバランスする為には、マトリ
ックスの量を増加することが必要であるが、これは再生
器の空洞容積及び／或いは圧力降下を増大する。

上記温度範囲を実現する為には、４０００りといった非
常に大きな再生器質量と２［１，０００ｃＩｎ”のよう
な多大の熱伝達面積を持つことが必要と思われる。これ
ら熱交換器はあまりに大きすぎて実用価値を有さない。

再生器質量が５ＱＯ９（今日標準機で使用されている質
量の約２倍）のような実用的値にまで減少される時、冷
却及び／或いは正味の冷凍作用は１０°に以下に減少し
、そして関心領域においてみかけ上の加温が起る。

発明のＩＩＡ要 後に明らかにされるように、先行技術と関連する問題は
、第１及び第２の既知の多段極低温冷凍機を使用するこ
とにより解決された。これら冷凍機を１８０°位相をず
らして作動する為のモータ手段が設けられる。最後の段
の再生器は伝熱式（ｒｓｏａｐａｒａｔｉｖ＊　）熱交
換関係で配列されている。

発明の目的 本発明の目的は、第１及び第２極低温冷凍機を、最終熱
交換要素を通しての物質流れが十分に良くバランスされ
ような態様で相関づけまた調時された装置を提供するこ
とにより先行技術と関連する問題を解決する極低温冷凍
装置を提供することである。

具体的説明 図面を参照すると、本発明に従う極低温冷凍装置が全体
を１０として示されている。装置１ｏは、第１及び第２
極低温多段冷凍機１２及び１４を含み、これらは共通の
ハウジング１６によって互いに連結されている。冷凍機
１２及び１４は後述する通り１８０°位相がずらされて
いることを除いて同等である。従って、冷凍機１２のみ
を詳しく述べ、冷凍機１４の対応する部品は必要に応じ
ｒ′」付き数字で言及する。

冷凍機１２は複数の段を具備する。図示では、冷凍機１
２は３段を有する。これら段は図示しない一つの真空ハ
ウジング内部に配置される。第１段はハウジング１７内
に自記されるディスプレーサ１８を含んでいる。ディス
プレーサ１８はハウジング１７の長さより短い長さを有
し、以ってその上方に温室２０をそしてその下方に冷室
２２を定義する。「混」及び「冷」という表示は当業界
で周知の相対的なものである。

ディスプレーサ１８内には、マトリックスを含む再生器
（蓄冷器）１９が設けられている。マトリックスの上端
は温室２０と口によって連通されている。半径方向に配
置される口が再生器１９内：のマトリックスの下端をデ
ィ“スプレーサ１８の下端部の外周とハウジング１７の
内周との間に配置される間隙２１と連通ずる。従って、
再生器１９内のマトリックスの下端は、環状ギャップ熱
交換器である間隙２１と半径方向口を経て冷室２２と連
通ずる。

再生器１９内のマトリックスは、好ましくは、９５１５
銅−亜鉛青銅のような高い比熱を有する２００メツシユ
材料の積重ね体である。マトリックスは低い空洞面積と
低い圧力降下を有する。マトリックスは、鉛球、ナイ四
ン、ガラス等のような他の材料製とされうる。

第２段は、ディスプレーサ１８と共に移動しうるようそ
れに連結されたディスプレーサ２６を含んでいる。ディ
スプレーサ６２６はハウジング２４内に配置される。室
２２が今度は第２段に対する温室を構成するディスプレ
ーサ２６は、再生器１９と同じものでありうる再生器３
０を含んでいる。再生器３０の上端はディスプレーサ２
６内の通路２Ｂを通して室２２と連通している。第２段
の冷室は３２で表わされる。冷室５２は、再生器３０の
下端と、半径方向口及び再生器２−６の下端部の外周と
ハウジング２４の内周との間の間隙３４を経て連通して
いる。

第３段は、ディスプレーサ２６と共に移動するようそこ
に連結されるディスプレーサ３６を含んでいる。室３２
は今度は第３段に対する温室を構成する。第３段と関連
する冷室は３Ｂとして表示される。熱ステーション４０
がハウジング５５の下方端において室３８を取巻いてい
る。室３２と両側に接続される導管４２．４４を経由し
て互いに連通ずる。このディスプレーサ位置において、
導管４２．４４を通しての流れ方向は第１図に示すよう
なものである。各ディスプレーサの直径は次第に減少し
そして第３段と関連する再生器は第３段の外部にあるこ
とが銘記されよう。両方の極低温冷凍機に共通の、熱交
換器４６を通しての流れは向流でありそして半サイクル
毎に逆転する。

モータ５０が冷凍機１２及び１４間でハウジング１６内
に設置される。モータ、５０は好ましくは、各端に出力
軸を備える。変速駆動装置を具備する直流歩進モータで
ある。モータ５０の一端における出力軸はディスプレー
サ１８に一連結され、同時にモータ５０の他端における
出力軸はディスプレーサ１８′にこれらディスプレーサ
が１８０°位相をずらすような態様で連結される。

モータ５０と移動片１８との間の連結様式のみを詳述す
る。

第１図の上左方における構造を拡大して例示する第２図
を参照されたい。カム５２がモータ５０の一端における
出力軸５４に連結される。カム５２’がモータの他端に
おいて出力軸に連結される。カム５２と５２′とは１８
０°位相がずれている。ころ軸受型追従子５６がカム５
２の外周に連結される。クランクＩ！ｌｉ！５８が出力
軸５４に連結される。クランク腕５８は軸６２によりこ
ろ軸受型追従子６０に連結される。軸５４と６２とは平
行である。追従子６０はスライド６４における横断スリ
ット内に配置される。スライド６４はデイスプレーサ−
１日の上端に連結される。

スライド６４は隙間スリーブ軸受６８により案内される
円筒形軸受挿入体７０を具備する。スライド６４はまた
隙間スリーブ軸受７２によって案内される円筒形軸受挿
入体７０をも具備する。°軸受挿入体は好ましくは熱処
理工具鋼のような硬質材料から作製されそしてスリーブ
軸受は低摩擦プラスチック材料に安定化と減摩の為別の
物質を含侵したものから作製される。スリーブ軸受７２
はその下端においてハウジング１６に連結される保持体
７４による然るべく保持される。スリーブ軸受６８内の
室７６は、再生器１９とスライド６４内の軸方向流路７
８を経て連通ずる。通路７８はスライド６４が上方へ移
動する際気体が室７６内で圧縮されるのを防止する。従
って、スライド６４はその直径が両端において一様であ
る時気体圧バランス状態にある。

ハウジング１６は、カム５２の下側でスライド６４に平
行な穿孔を含んでいる。この穿孔内部に８０として全体
を表示されるスプール弁が納置される。弁８０は、好ま
しくは微粒金属質材料製の隙間シール支承スリーブ８２
を含んでいる。弁８０は、支承スリーブ８２内にスプー
ル弁部材８４を納めている。弁部材８４はその両端の中
間位置において外周に溝８６を有しておりそして軸方向
に伸延する均等圧化通路８８を備える。

０−リングシールのようなシールが図面に例示されるよ
うな様々の要素に取付けられる。弁部材８４をカム５２
における追従子５６と接触状態に偏倚する為保持体７４
と弁部材８４の下端における凹所との間にコイルばね９
０が好ましくは設けられる。弁部材８４は、カム５２に
よって下方に変位されそしてばね９０の伸張によって上
方に変位される。通路８８はばね９０を納めた凹所内で
−の気体の圧縮を防止する。

第２及び３図を参照すると、支承スリーブ８２はその外
周において軸方向に離間される溝９２．９４及び９６を
具備している。流路９８が各港の底における壁を貫いて
半径方向に貫通する。第３図に明示されるように、溝９
２、’９６における流路９８はそれらの軸線を約３°の
角度周面に対して斜交した直線上に置いている◇従って
、Ｘで表示した流路の一つが完全に開いた特別の流路Ｙ
は丁度開こうとしているところであり、丈の逆も云える
。Ｘ及びＹの表示の流路間の流路を通しての流れは中間
段階的な部分流れの状態にある。従って、溝９２．９６
における流路９８はらせん模様にありそして好ましくは
スリーブ軸受８２がα５インチの内径を有する時α０３
１勾α°ｏ９３インチの直径を有する。流路９８の数は
、所望の流量を取扱うよう直径の適宜の変更と併せて所
望に応じて増減されうる。

第２図に示したような弁部材８４の位置において、溝８
６は通路９８を経て温室２０と連通ずる。

また、溝８６は高圧入口通路１００とも通じる。

通路１００は圧縮機１０２の吐出口５接続される。

弁部材８４がその最上位置にある時、通路９８は溝８６
を経て通路１０４と通じる。通路１０４はモータハウジ
ングの内部と連通し、結局圧縮機１０２の吸入側即ち低
圧側に通じ葛。

ハウジング１６は、機械加工、組立、スライド６４及び
弁８０への接近等を容易ならしめるよう多数の部品から
構成される。ハウジングを複数の部材から分割構成する
態様は例示していないが、当業者には明らかであろう。

冷凍装置１ｏは好ましくはヘリウムのような極低温流体
と共に使用するよう設計されているが、空気や窒素のよ
うな他の流体の使用も可能である。

操作 第１図に示されるように、第１冷凍機１２と関連するデ
イスプレーサの各々は下死点にあり、他方第２冷凍機１
４と関連するディスプレーサの各々は上死点にある。ス
ライド６４の垂直往復動はカム５２の回転位置により制
御される。スプール弁部Ｈ’ｓ、ａはその最下位置にあ
り、ばね９ｏは弁部材８４とカム５２における追従子５
６との間の接触により圧縮されている。高圧流体が通路
１ｏ。

を通して溝８６及び通路９８に導入されそして後温室２
０に導入される。通路１０４は弁部材８４により閉止さ
れている。

再生器１９．３０及び４８の各々の作用はそこを通して
下方に通る気体を冷却しそしてそこを通して上方に通る
気体を加熱することである。再生器を通しての下方への
通過に際して、気体は冷却され、それにより圧力を減少
せしめそして追加量の気体を装置系に流入せしめて、最
大サイクル圧を維持する。室３８における気体の温度減
少は、熱ステーション４０において装置により得られる
ことを求められている有用な冷凍効果を与える。

気体が再生器１９．３０及び４８を通して上方に流れる
につれ、気体は関連するマトリックスによりほぼ周囲温
度にまで昇温され、それにより関連マトリックスを冷却
する。第１冷凍機の気体が熱交換器４６の一方側を通し
て下方に流れるに際し、第２冷凍機の気体は熱交換器４
６の他方側を通して反対向きに流れ、それにより熱交換
器は全体的に一層バランスされる。

モータ５０がカム５２を回転するにつれ、第１冷凍機１
２のディスプレーサは下死点から上方に移動し、同時に
第２冷凍機１４のディスプレーサ、は上死点から下方に
移動する。カム５２が回転を続けるにつれ、弁部材８４
はばね９０の圧力下で上方に移動する。弁部材８４が充
分に上方に移動した後、弁部材は通路１０’０から溝８
６への流れを閉鎖する。

カム５２が回転を続けるにつれ、スライド６４は上方に
移動し続ける。スライド６４が上死点に接近すると、追
従子５６は、溝８６をして通路９８と通路１０４とを連
通せしめそれによりサイクルの排気部分を開始するよう
弁部材８４が充分に上方に移動されることを許容する。

溝９２及び９６における流路９８は次第に全開状態とな
る。

この期間中、移動片内の圧力は減じそして弁部材８４を
横切っての圧力差は減少し、それにより移動片空間から
気体を完全に排斥するのに一層多くの流れ面積を必要と
する（より多くの通路９８が全開されていく）。

弁部材８４を横切っての圧力差に流れ面積を均衡させる
技術は、ディスプレーサ内へのまたそこから外への気゛
体を一定の質量流量に近づけることを可能とし、それに
より圧力降下誘起流れ損失や駆動機構への衝撃を軽減し
て再生器の！）リックス内の流体の滞留時間を増大する
。

装置１０の代表的具体例は、７２　Ｎ８ｏサイクル／分
の速度で作動する。第１冷凍機１２における移動片１８
．２６及びＳ６の往復動は弁部材８４と同方向に同時に
起るよう同期され且つ第２冷凍機１４の対応要素と１８
０°位相をずらされている。調時は、関連する弁部材が
関連するディスプレーサの往復速度とは異った速度で往
復動するようカムにより制御される。

発明の効果 本発明は、各冷凍機におけるディスプレーサを移動する
為２軸を有するモータ５０を使用することにより適当な
調時及び一定の位相関係でもって２つの極低温冷凍機を
運転する問題を解決する。

この構成配列は、両冷凍機が常゛に正しく１８０°位相
をずらされていることを保証する・本発明はまた、各冷
凍機の最終熱交換要葉を通してよくバランスされた質量
流量を実現するという問題を解決する。本発明装置を使
用可能な市場としては、核磁気共鳴走査装置、超伝導量
子干渉装置、コンピュータチップの操作、赤外検出器、
小型超電導磁石等が含まれる。本発明の概念はスターリ
ングサイクルのような別のサイクルを使用する同様の冷
凍機と゛関連して使用されうる。

７２　ｒ、ｐ、ｍ、で作動するモータ５０を使用する場
合、冷却中、利用しうる圧縮機容量の約３０≠のみがス
タート時に使用される。モータ５０に対する変速駆動装
置を設けることにより、その速度は、圧縮機１０２の全
容量を利用するべく増大できそして機械が冷えるにつれ
漸次減少されるにの方式は装置を冷やすのに要する時間
を減少する。低温においてモータ速度を減じることによ
り、一層低い温度が実現しうる。

以上本発明について説明したが、本発明の精神内で多く
の改変を為しうろことを銘記されたい。

第１図は、本発明に従う装置の部分断面図である。

第２図は、第１図の装置の一部の拡大図である。

第３図は弁支承スリーブの正面図である。

１０：極低温冷凍装置 １２．１４：第１及び第２極低温冷凍機１６：ハウジン
、グ １８．２６．３６：第１、第２、第３段ディスプレーサ ２０：温室 ２２：第１段冷室、第２段温室 ３２：第２段冷室、第５段温室 ３８：冷室 ４０：熱ステーション ４６：熱交換器 １９：第１段再生器 ３０：第２　＃ ４８：第３　＃ ５０：モータ ８０；スプー弁 ８２：支承スリーブ ８４：弁部材

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）各複数段を有する第１及び第２極低温冷凍機（１２
   、１４）と、該第１及び第２極低温冷凍機（１２、１４
   ）を１８０°位相をずらして作動する為該冷凍機（１２
   、１４）と関連するモータ手段（５０）とを含み、各冷
   凍機の最後の段が再生器（４８）を含み、そして該再生
   器（４８）が伝熱式熱交換関係において配列されること
   を特徴とする極低温装置。 ２）モータ手段（５０）が各冷凍機（１２、１４）と駆
   動関係にある単一の電動モータである特許請求の範囲第
   １項記載の装置。 ３）モータが変速装置を有する直流歩進モータである特
   許請求の範囲第２項記載の装置。 ４）第１冷凍機に高圧流体を供給し同時に第２冷凍機か
   ら低圧流体を排出する為の単一の圧縮機（１０２）を含
   む特許請求の範囲第１項記載の装置。 ５）各冷凍機（１２、１４）が３段を有し、再生器（４
   ８）が第３段と関連してその外部に設けられそしてそこ
   を通しての流体の向流を与えるよう配列される特許請求
   の範囲第１項記載の装置。 ６）冷凍機（１２、１４）が相並んで配置されそしてモ
   ータ手段（５０）が一端において配置されそして再生器
   （４８）が他端において配置される特許請求の範囲第１
   項記載の装置。 ７）４．５〜１０°Ｋの温度範囲での冷凍効果を得る方
   法であつて、 （ａ）第１及び第２多段極低温冷凍機（１２、１４）を
   第１冷凍機におけるデイスプレーサ（１８、２６、３６
   ）が第２冷凍機におけるデイスプレーサと１８０°位相
   がずれるよう共通のモータ（５０）により作動する段階
   と、（ｂ）前記冷凍機（１２、１４）の最終段の再生器
   （４８）を向流による伝熱式熱交換関係に置く段階と を包含する冷凍方法。 ８）温度が低減されるにつれモータの速度を減少する特
   許請求の範囲第７項記載の方法。 ９）再生器（４８）を通してほぼバランスされた質量流
   量を与える特許請求の範囲第７項記載の方法。 １０）単一圧縮機（１０２）により第１冷凍機に高圧流
   体を供給し同時に第２冷凍機から低圧流体を排出する特
   許請求の範囲第７項記載の方法。