JPS61225558A

JPS61225558A - 低温冷却装置

Info

Publication number: JPS61225558A
Application number: JP6801585A
Authority: JP
Inventors: 三田　英夫; 石橋　洌; 藏薗　宗一; 由平城下
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 1985-03-29
Filing date: 1985-03-29
Publication date: 1986-10-07

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】［発明の目的］（産業上の利用分野）本発明は極低温にて被冷却体を冷却する低温冷却装置に
関し、本発明の低温冷却装置は、超電導磁石あるいはジ
ョセフソン素子等を冷却するのに用いることができる。

（従来の技術）従来の低温冷却装置として例えば「丁ＨＥ　　５ＥＣＯ
ＮＤ　　ＩＮＴＥＲＮＡＴＩＯＮＡＬ　　ＳＥＭＩＮＡ
ＲＯＮ　　５ＵＰＥＲＣＯＮＤＵＣＴＩＶＥ　　ＭＡＧ
ＮＥＴＴＣＬＥＶＴＴＡＴＥ［）ＴＲＡＩＮＪの６８頁
に記載された第３図に示す装置がある。

以下第３図に基づきこの装置を説明づる。

この装置は圧縮器５０と、圧縮器５０を出入する高圧お
よび低圧の例えばヘリウムガスの熱交換を行なう熱交換
器５１〜５５と、高圧ヘリウムガスを膨脹せしめるＪ−
Ｔ弁５６と、冷媒槽５７と、冷媒槽５７内に配置され、
冷媒蒸気を液化する凝縮器５８と、高圧ガスの一部を膨
脹させ、低温低圧ガスとする膨脹エンジン５９．６０と
から構成される。なお膨脹エンジン５９．６０には図示
しない吸入弁及び吐出弁が設けられている。

この装置では、圧縮機５０にて約１５気圧に昇圧された
ヘリウムガスは、熱交換器５１〜５５の低圧側を流れる
低温のヘリウムガスによって冷却される。そしてＪ−丁
弁５６によって約１．２気圧まで膨脹し、ヘリウムガス
は一部液体となってヘリウムミストとして凝縮器５８へ
流入する。凝縮器５８ではヘリウムミストと冷媒槽５７
内の冷媒蒸気６１との熱交換が行なわれ、冷１ｓ蒸気６
１は液化する。冷媒蒸気６１により熱を与えられたヘリ
ウムミストはヘリウムガスとなり、順次熱交換器５５〜
５１を流れて高圧側を流れるヘリウムガスを冷」しなが
ら圧縮機５０へ向かう。

また高圧側のヘリウムガスの一部は吸入弁および吐出弁
を有する膨脹エンジン５９．６０に流れ、膨脹エンジン
５つ、６０で膨脹され、低温低圧のヘリウムガスとなる
。そして膨脹エンジン５９．６０からの低圧ガスは熱交
換器５２．５４に流入して高圧側のヘリウムガスを一層
冷却している。

この装置は膨脹エンジン５つ、６０により高圧側のヘリ
ウムガスの冷却量を大きくし、極低温の発生を可能とし
ている。

（発明が解決しようとする問題点）上記した従来の低温冷却装置には、低温部に吸入弁およ
び吐出弁を有する膨脹エンジンが使用されている。しか
しながらヘリウムガス等の冷媒ガスは低温になればなる
程粘性が小さくなり、弁にかかる負荷は大きくなる。ま
た常に低温にさらされている等の厳しい環境条件のため
、弁は故障しがちで寿命も短かった。

また第４図に示す上記従来の低温冷却＠置の膨脹エンジ
ン５９．６０をそれぞれ膨脹タービン７−０．７１に変
更したものも知られている。この膨脹タービン７０．７
１は吸気弁および吐出弁を具［、ないので、上記不具合
は発生しない。しかしながら、膨脹タービンは小型にな
ればなるほど、タービンから漏れる冷媒量と膨脹する冷
媒量との比率が大ぎくなり、膨脹効率は低下するという
不具合がある。

本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、低温
部に吸入弁、吐出弁等の弁を用いず、かつ小冷凍量を発
生する場合にも効率の優れた低温冷却装置を提供するこ
とを目的とする。

［発明の構成］（間眼虹鯖５灯３−の樵）本発明の低温冷却装置は、第１冷媒が圧縮される第１圧
縮空間と、該第１冷媒を冷却する第１アフタークーラー
と、該第１冷媒を膨脹させる第１膨脹空間と、該第１ア
フタークーラーと該第１膨脹空間との間で該第１冷媒の
熱交換を行なう第１蓄冷器とよりなる補助冷凍機と、第２冷媒が圧縮される第２圧縮空間と、該第２冷媒を該
補助冷凍機から供給される冷媒により冷却する第２アフ
タークーラーと、該第２冷媒を膨脹させる第２膨脹空間
と、該第２アフタークーラーと該第２膨脹空間との間で
該第２冷媒の熱交換を行なう第２蓄冷器と、該第２膨脹
空間、該第２蓄冷器および該第２膨脹空間と該第２蓄冷
器との間のうち少なくとも一箇所に設けられた凝縮器と
からなる主冷凍機と、被冷却体を冷却するための第３冷媒が封入され、気相部
に該凝縮器をもつ冷媒槽と、から構成されることを特徴
とする。

本発明の低温冷却装置は補助冷凍機と、主冷凍機と、冷
媒槽とから構成される装本発明においては補助冷凍機と主冷凍機とは同様の構成
である。すなわち、主冷凍機および補助冷凍機は圧縮空間、アフタークーラ
ー、膨脹空間、蓄冷器、および凝縮器から構成され、ヘ
リウム等の冷媒により冷凍量を発生するものである。こ
のような冷凍機には例えばスターリング冷凍機、ビルミ
エール冷凍機、ギホードマクマホン冷凍機等を利用でき
る。

各冷凍機に封入される冷媒は同一でもよいし異なるもの
を用いてもよい。しかじな゛がら、主冷凍機に封入され
る第２冷媒は、冷凍サイクルで生ずる最高圧力が第２冷
媒の臨界圧力より低いか、あるいは第２冷媒の臨界圧力
が冷凍サイクルの最高圧力と最小圧力の間にあるように
封入されることが望ましい。こうすることにより最も効
率よく極低温の冷凍を得ることができる。またこのよう
にすればピストンリング等に対する圧力が小さいのでピ
ストンリング等の摩耗量が少なく、その結果１冷ｉｌ！
機のか命が長くなる。また補助冷媒機の第１冷媒の最小
圧力は第１冷媒の臨界圧力より高くすることが望ましい
。これにより主冷凍機の高圧冷媒を冷却するのに最適な
冷凍を効率良く得ることができる。

圧縮空間は冷媒を、ピストンとシリンダ等により圧縮し
、高圧とするためのものである。圧縮され発熱した冷媒
はアフタークーラーで冷却される。

本発明の一つの特徴は主冷凍機のアフタークーラーの冷
却に、補助冷凍機を用いるところにある。

主冷凍機のアフタークーラーにて例えば水冷等の手段を
用いた場合には、蓄冷器の高温部と低温部の温度差が大
きく、非効率による熱損失が大きく　　。

なって極低温は得られない。しかしながらアフタークー
ラーの冷却に補助冷凍機を用いることにより、蓄冷器の
高温部と低温部の温度差が小さくなり、非効率による熱
損失が少なくなって効率良く冷凍を発生させることがで
き、極低温が得られる。

なおアフタークーラーを補助冷凍機で冷却するには、補
助冷凍機の冷凍部をアフタークーラー内部に直接導入す
る、あるいは伝熱板等を用い、間接的に冷却する等、種
々の手段をとり得る。

蓄冷器はアフタークーラーと膨脹空間との間で冷媒の熱
交換を行なうためのものであり、例えば鉛、希土類金属
等の蓄冷材を内包した周知のものを用いることができる
。

膨脹空間は蓄冷器から供給された高圧の冷媒を膨脹させ
、もって冷凍を発生させるものであり、ピストンとシリ
ンダ等で形成することができる。

この膨脹空間は一段でもよいが、必要冷凍量が小さけれ
ば多段とし、冷凍効率を高めることもできる。

本発明のもう一つの特徴は、主冷凍機に凝縮器を有する
ところにある。この凝縮器は被冷却体を冷却するための
第３冷媒が封入された冷媒槽の気相部に設けられ、蒸発
した第３冷媒蒸気と熱交換を行なうことにより第３冷媒
蒸気を液化往しめて冷媒槽の液相と気相のバランスを保
つものである。

凝縮器は膨脹空間で発生する冷凍を第３冷媒に伝えるも
のであり、膨脹空間と蓄熱器の間に、あるいは蓄熱器の
低温端に、または膨脹空間の外壁に設けることができる
。また膨脹空間の外壁と蓄熱器の低温端の両方を凝縮器
としてもよい。

第３冷媒はヘリウム、窒素、水素等被冷却体の冷却温度
に応じて種々選択できる。しかしながら１冷ｉｎに封入
された第２冷媒と冷媒槽内の第３冷媒とは同一の冷媒を
用いることが望ましい。これにＪ：り凝縮器内の第２冷
媒の温度と第３冷媒の液相部の温度との差は小さくなり
、冷媒槽内の昇圧あるいは過冷却等の不具合を防止する
ことができる。

（作用）本発明の低温冷却装置の特有の作用を以下に説明する。

圧縮空間で圧縮された第１冷媒はアフタークーラーに流
入する。アフタークーラーは補助冷凍機により冷却され
ており、第１冷媒は充分冷却されて蓄冷器へ入る。蓄冷
器で更に冷却された第２冷媒は膨脹空間にて膨脹して冷
凍を発生し、凝縮器へその冷凍を伝える。ここで第２冷
媒の少なくとも最小圧力が第２冷媒の臨界圧力以下とな
るように構成してあれば、膨脹空間および凝縮器では第
２冷媒の一部もしくは全部が液体となる。従って凝縮器
内の第２冷媒は凝縮器壁面を介して、冷媒槽内の、外界
から侵入する熱により蒸発した第３冷媒の蒸気を液化さ
せ、第３冷媒の蒸発旦と液化量とが平衡となるまで第３
冷媒は冷却される。

（実施例）本発明の低温冷却装置の一実施例を、主冷凍機にスター
リング冷凍機を用いた例で以下に説明する。

第１図に第１の実施例の低温冷却装置の断面図を示す。

第１の実施例第１図は、主冷凍ｔＩ！１００の膨脹段数が１段で、補
助冷凍機１５０のｉＩ脹段数が２段の実施例である。な
お冷媒は両冷凍機ともヘリウムを用いている。

主冷凍１１１００は以下のように構成されている。

すなわち圧縮シリンダ１０９、圧縮ピストン１１０１ピ
ストンリング１０７から形成された圧縮空間１０１は、
順次、アフタークーラー１０２、蓄冷器１０３の一端に
連通しており、蓄冷器１０３の他端は、凝縮器１３０を
介して膨脹シリンダ１１１、膨脹ピストン１１２、ピス
トンリング１０８から形成された膨脹空間１０４に連通
している。

圧縮ピストン１１０と膨脹ピストン１１２には、それぞ
れロッド１１３．１１４に固着している。

Ｏラド１１３．１１４は図示していない駆動機構（例え
ば、クランク機構）に接続され、膨脹空間１０４の容積
変化が圧縮空間１０１の容積変化より略９０度位相が進
むように構成されている。圧縮シリンダ１０９、膨脹シ
リンダ１１１は、図示していない駆動機構のケースに固
着しである。

また補助冷凍８１１５０は以下のように構成されている
。

圧縮シリンダ１５７、圧縮ピストン１５８、ピストンリ
ング１５９から形成された圧縮空間１５１は、順次、ア
フタークーラー１５２、蓄冷器１５３の一端に連通して
おり、蓄冷器１５３の他端は、膨脹シリンダ１６０１膨
脹ピストン１６１、ピストンリング１６２．１６３から
形成された膨脹空間１５４に連通している。膨脹空間１
５４は、蓄冷器１５５の一端に連通され、蓄冷器１５５
の他端は、熱交換器１７０を介して膨脹シリンダ１６０
、膨脹ピストン１６１、ピストンリング１６３から形成
される膨脹空間１５６に連通している。

熱交換器１７０は主冷凍機１００のアフタークーラー１
０２内を通過し、相互に熱交換可能となっている。圧縮
ピストン１５８、膨脹ピストン１６１には、それぞれロ
ッド１６４．１６５が固着している。ロッド１６４．１
６５は図示していない駆動機構（例えばクランク機構等
）に接続され、空間１５４．１５６の容積変化が圧縮空
間１５１の容積変化より略９０度位相が進むように構成
されている。圧縮シリンダ１５７、膨脹シリンダ１６０
は図示していない駆動機構のケースに固着しである。

補助冷凍機１５０の膨脹空間１５６と主冷凍機１１０の
アフタークーラー１０２とは、熱交換器１７０および伝
熱板１２１を介し熱的に導通ずるようにせしめてあり、
同様に膨脹空間１５６と膨脹シリンダ１１１の中央下部
も伝熱板１２１を介し熱的に導通されている。伝熱板１
２１の下面には、輻射シールドケース１２２が固着せし
めである。補助冷凍機１５０の膨脹空間１５４と主冷凍
ｍ’＋　ｏｏの圧縮シリンダ１０９の中央部と膨脹シリ
ンダ１１１の中央上部は、伝熱板１２３を介し熱的に導
通せしめ、伝熱板１２３の下面には、輻射シールドケー
ス１２４が固着しである。アフタークーラー１５２の下
部、圧縮シリンダ１６０の中央部、圧縮シリンダ１０９
の上部、膨脹シリンダ１１１の上部には、真空プレート
１２５が気密に固着され、真空プレート１２５の下面に
は真空ケース１２６が固着してあり、０リング１２７で
真空空間１２８が真空を保持できるようにせしめである
。

また主冷凍機１００の下部でシ１射シールドケース１２
２内部には被冷却体１４３および冷媒（ヘリウム）１４
２が封入された冷媒槽１４０が配設され、凝縮器１３０
および膨脹空間１０４を有する膨脹シリンダ１１１の下
部が冷媒槽１４０内の気相部１４１内に内設されている
。

上記のように構成された本実施例の低温冷却装置は以下
のように作用する。

圧縮空間１０１で圧縮ピストン１１０によって圧縮され
昇温した冷媒はアフタークーラー１０２に流入する。ア
フタークーラー１０２に流入した冷媒の熱は、伝熱板１
２１を伝わって、および熱交換器１７０により補助冷凍
１１１５０の膨脹空間１５６で発生した略２ＯＫの温度
の冷凍によって冷却される。その結果、アフタークーラ
ー１０２内の冷媒は、略２ＯＫになってアフタークーラ
ー１０２から蓄冷器１０３に流入し、蓄冷器１０３内の
蓄冷材によって、さらに冷却され、凝縮器１３０を介し
て膨脹空間１０４に流入する。膨脹空間１０４で冷媒は
ピストン１１２の上方向への移動によってさらに膨脹し
、略６に以下の温度の冷凍を発生する。なお主冷凍礪内
の冷媒の最高圧力は臨界圧力（２，２４５ａｔｍ）より
低くなるように封入しであるため、膨脹空間１０４では
効率よく極低温の冷凍が発生する。そして膨脹とストン
１１２の下方向への移動によって膨脹ピストン１０４内
の冷媒は凝縮器１３０に送られる。凝縮器１３０および
膨脹空間１４０ではフィン、隔壁を介して冷媒槽内の気
相部１４１の冷媒蒸気は冷却され、液化して極低温の液
体となって液相部１４２に戻り、液相部１４２は冷却さ
れる。

凝縮器１３０で温められた冷媒は蓄冷器１０３に流入し
、そこで蓄冷材によって温められ、アフタークーラー１
０２を通って圧縮空間１０１に流入し、−行程を終了す
る。

次に補助冷凍Ｍｌ　１５０について説明する。圧縮空間
１５１で圧縮ピストン１５８によって圧縮され昇温した
冷媒は、アフタークーラー１５２に流入すると、冷却水
等の寒剤で冷却され、略３００にとなる。そして蓄冷器
１５３に流入し、そこで蓄冷材によってさらに冷却され
、低い温度となって膨脹空間１５４に流入する。膨脹空
間１５４に流入した冷媒のうち一部は、蓄冷器１５５に
流入して、そこで蓄冷材１５５によって冷却され、さら
に低い温度となって、膨脹空間１５６に流入する。膨脹
空間１５４．１５６に流入した冷媒は、膨脹ピストン１
６１の上方向への移動によって膨脹し、膨脹空間１５４
．１５６でそれぞれ略７０に１略２ＯＫの冷凍を発生す
る。なお、冷媒の最小圧力は、臨界圧力（２，２４５ａ
ｔａ＋　）より高くなるように封入しであるので略７０
に１略２ＯＫの冷凍を効率よく発生する。膨脹空間１５
４．１５６で膨脹し終った冷媒は、膨脹ピストン１６１
の下方向への移動によってれぞれ圧縮シリンダ１６０外
部へ移動し、膨脹空間１５４内の冷媒は、蓄冷器１５３
に流入する。膨脹空間１５６の冷媒は、蓄冷器１５５に
流入し、そこで蓄冷材によって温められ、膨脹空間１５
４を通って蓄冷器１５３に流入する。蓄冷器１５３に流
入した冷媒は、そこで蓄冷材によって温められ、アフタ
ークーラー１５２を通って圧縮空間１５１に流入し、−
行程を完了する。

圧縮シリンダ１０９、膨脹シリンダ１１１の常温部より
侵入する熱は、伝熱板１２３を伝わって補助冷凍機１５
０の膨脹空間１５４内で発生している冷凍によって吸収
される。又、真空プレート１２５、真空ケース１２６よ
り、伝熱板１２３、輻射シールドケース１２４に侵入す
る輻射熱も伝熱板１２３を伝わって補助冷凍機１５０の
膨脹室ｒＩＩＪ１５４で発生した冷凍によって吸収され
る。

膨脹シリンダ１６０の略７０にの温度の部分より侵入す
る熱は、伝熱板１２１を伝わって補助冷凍機１５６内で
発生している冷凍によって吸収される。又、輻射シール
ドケース１２４、伝熱板１２３より伝熱板１２１、輻射
シールドケース１２２に侵入する輻射熱も、伝熱板１２
１を伝わって補助冷凍ＩＮ　１５０の膨脹室１５６で発
生している冷凍によって吸収される。

第２の実施例第２図は、本発明の第２の実施例を示し、主冷凍機２０
０の膨脹段数が２段で補助冷凍機２５０の膨脹段数が１
段であること、および主冷凍機２ｏＯのアフタークーラ
ー２０２が伝熱板２２１を介して補助冷凍機２５０の膨
脹空間２５４と熱的に導通していること以外は第１の実
施例の低温冷却装置と同様の構成であり、各冷媒も同様
にヘリウムを用いている。

本実施例では圧縮空間２０１で圧縮され、温度が上がっ
た冷媒はアフタークーラー２０２へ入る。

そして膨脹空間２５４で発生した略７０にの温度の冷凍
が伝熱板２２１を介してアフタークーラー２０２に伝わ
り、冷媒は略７０にとなって膨脹空間２０４．２０７へ
流入する。膨脹空間２０４．２０７へ流入した冷媒は膨
脹ピストン２０８の上方向への移動によって膨脹され、
各々略２０に１および略６に以下の冷凍を発生し、冷媒
槽２４０を効率良く冷却する。

［発明の効果］本発明の低温冷却装置によれば、アフタークーラーが補
助冷凍機にて冷却されているため主冷凍機の圧縮された
冷媒は効率よく冷却される。従って主冷凍機の圧縮仕事
は小さくてよく、所用動力が少なくてすみ、寿命が長く
なる。そしてその充分冷却された冷媒が膨脹するため、
極低温を発生することが可能である。また補助冷凍機お
よび主冷凍器には低温部に吸入弁、吐出弁を有していな
い。従って弁の故障等の不具合は生じない。さらに主冷
凍機の冷媒の少なくとも最小圧力がその冷媒の臨界圧力
より低く構成されている場合には、平均圧力が低くなり
、冷凍機の振動、Ｅｉ音が小さくなって寿命も長くなる
。また圧縮空間および膨脹空間の冷媒は、ピストンリン
グ等で気密が保たれて′戸る。従って冷媒の漏れはほと
んどなく、効率低下が起らないので、小さな冷凍量を発
生させる場合でも従来に比べはるかに効率が良い等、本
発明の効果は絶大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例の低温冷却装置を示す全
体断面図である。第２図は本発明の第２の実施例の低温
冷却装置を示す全体断面図である。第３図および第４図は従来の低温冷却装置を示す回路構
成図である。１００．２００・・・主冷凍機、１５０．２５０・・・補助冷凍機、１０１．１５１．２０１．２５１・・・圧縮空間第３図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）第１冷媒が圧縮される第１圧縮空間と、該第１冷
媒を冷却する第１アフタークーラーと、該第１冷媒を膨
脹させる第１膨脹空間と、該第１アフタークーラーと該
第１膨脹空間との間で該第１冷媒の熱交換を行なう第１
蓄冷器とよりなる補助冷凍機と、第２冷媒が圧縮される第２圧縮空間と、該第２冷媒を該
補助冷凍機から供給される冷媒により冷却する第２アフ
タークーラーと、該第２冷媒を膨脹させる第２膨脹空間
と、該第２アフタークーラーと該第２膨脹空間との間で
該第２冷媒の熱交換を行なう第２蓄冷器と、該第２膨脹
空間、該第２蓄冷器および該第２膨脹空間と該第２蓄冷
器との間のうち少なくとも一箇所に設けられた凝縮器と
からなる主冷凍機と、被冷却体を冷却するための第３冷媒が封入され、気相部
に該凝縮器をもつ冷媒槽と、から構成されることを特徴
とする低温冷却装置。
（２）第２アフタークーラーには第１膨脹空間に連通す
る冷却管が配設されている特許請求の範囲第１項記載の
低温冷却装置。
（３）第２冷媒は少なくともその最小圧力がその臨界圧
力より低くなるように主冷凍機に封入されている特許請
求の範囲第１項記載の低温冷却装置。
（４）第１冷媒はその最小圧力がその臨界圧力より高く
なるように補助冷媒機に封入されている特許請求の範囲
第１項記載の低温冷却装置。
（５）第２冷媒と第３冷媒とは同一冷媒である特許請求
の範囲第１項記載の低温冷却装置。