JP2526904B2

JP2526904B2 - 極低温装置

Info

Publication number: JP2526904B2
Application number: JP62136990A
Authority: JP
Inventors: 和伸神田
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 1987-05-30
Filing date: 1987-05-30
Publication date: 1996-08-21
Anticipated expiration: 2011-08-21
Also published as: JPS63302260A

Description

【発明の詳細な説明】［発明の目的］（産業上の利用分野）本発明はジュールトムソン弁をもつ極低温装置に関す
る。本発明は超高速コンピュータ、赤外線検出器、核磁
気共鳴装置などに使用される極低温装置に利用すること
ができる。

（従来の技術）従来より、ジュールトムソン弁を使用した極低温装置
が提供されている。この極低温装置は、特願昭58−1597
53号にかかるものであり、第４図に示すように、ピスト
ン810の作動によりヘリウムガスなどの作動媒体が圧縮
される圧縮室800と、作動媒体の圧縮熱が放出される放
熱部801と、作動媒体が冷却される蓄冷器802、803、804
と、蓄冷器802、803、804を経た作動媒体が送られて膨
脹する膨脹室805、806、807と、蓄冷器804を経て膨脹室
807に向かう作動媒体が通過するジュールトムソン弁808
と、膨脹室807から蓄冷器804に向かう作動媒体が通過す
る一方向弁809とをもつ。ここで圧縮室800はピストン81
0とシリンダ811とで区画されている。膨脹室805、806、
807はシリンダ部812とピストン813とで区画されてい
る。

この極低温装置では、膨脹室805、806、807で作動媒
体の等温膨脹工程が行なわれ、寒冷が発生する。そし
て、蓄冷器804を経た作動媒体がジュールトムソン弁808
の小孔で絞られる。故に、その作動媒体はジュールトム
ソン膨脹によりさらに冷却され、膨脹室807で発生する
寒冷の温度を極して低くすることができる。

［発明の構成］（発明が解決しようとする問題点）ところで上記したジュールトムソン弁を使用した極低
温装置では、寒冷を取りだしうるものの、ジュールトム
ソン膨脹では作動媒体は１〜2K程度わずかに冷却される
にすぎず、ジュールトムソン膨脹を利用した作動媒体の
冷却には限界があった。

本発明は上記した実情に鑑みなされたものであり、そ
の目的は、ジュールトムソン膨脹を有効に利用すること
ができ、寒冷を取りだすに有利な極低温装置を提供する
にある。

（問題点を解決するための手段）本発明にかかる極低温装置は、作動媒体が圧縮される
圧縮室と、作動媒体の圧縮熱を放出する放熱部と、作動
媒体を冷却する蓄冷器と、蓄冷器を経た作動媒体が膨脹
する膨脹室と、圧縮室と該膨脹室とをつなぐ流路に介在
し作動媒体が通るノズル部およびノズル部を通ることに
より低圧となる吸引部をもつ流体吸引部材とをもつ第１
冷凍機と、第１冷凍機の膨脹室と流体吸引部材の吸引部とをつな
ぐ流路に介在し、膨脹室から吐出された第１作動媒体が
送られる高圧室と、寒冷を取りだす冷凍部をもつ低圧室
と、高圧室と低圧室との間に介在するジュールトムソン
弁と、膨張室と高圧室との間に介在し膨脹室から高圧室
側へは作動媒体を流すが逆は流さない高圧側一方向弁
と、低圧室と流体吸引部材の吸引部との間に介在し低圧
室から流体吸引部材の吸引部へは作動媒体を流すが逆は
流さない低圧側一方向弁とをもつ第２冷凍機とで構成さ
れており、圧縮室から膨脹室へ向かう作動媒体が流体吸
引部材のノズル部を通過することにより、流体吸引部材
の吸引部を低圧とし、吸引部とつながる低圧室の圧力を
低くするようにしたことを特徴とするものである。

流体吸引部材は、圧縮室と膨脹室とをつなぐ流路に介
在しており、作動媒体が通るノズル部およびノズル部を
通ることにより低圧となる吸引部をもつものである。代
表的な流体吸引部材としては、エゼクタまたはベンチュ
リー管がある。

（作用）第１冷凍機が作動する際、作動媒体が圧縮室から放熱
部、蓄冷器を介して膨脹室へ向かう。そして、作動媒体
は膨脹室内で膨脹し、寒冷が発生す。る。また、寒冷を
発生した作動媒体は、高圧側一方向弁を介して高圧室内
に至り、さらにジュールトムソン弁を通過する際にジュ
ールトムソン膨脹してされに一層冷却され、低圧室内に
至る。そして冷凍部から寒冷が取りだされる。さらに作
動媒体は低圧室から低圧側一方向弁を介して流体吸引部
材に至る。

ところで、本発明にかかる極低温装置では、圧縮室内
から膨脹室内に向かう作動媒体は、流体吸引部材のノズ
ル部を通過するため、流体吸引部材の吸引部は吸引され
て低圧となる。したがって吸引部とつながる低圧室の圧
力はさらに低くくなる。なお、作動媒体が流体吸引部材
のノズル部を通過する速度が速い程、吸引部の圧力、低
圧室内の圧力は低くなる。また低圧室と吸引部との間に
は低圧側一方向弁が介在しているので、低圧側一方向弁
の閉止機能により、作動媒体は流体吸引部材から低圧室
内には送られない。

一方、高圧室と膨脹室との間には高圧側一方向弁が介
在しているので、一旦、高圧室側へ送られた作動媒体
は、高圧側一方向弁が閉止機能により膨脹室側へは戻ら
ない。そのため高圧室の作動媒体の圧力は高く維持され
る。

上記したように本発明にかかる極低温装置では、高圧
室内の作動媒体の圧力は高く維持され、低圧室内の作動
媒体の圧力は低く維持されるので、ジュールトムソン弁
の入口側の圧力は高く維持され、ジュールトムソン弁の
出口側の圧力は低くく維持される。したがってジュール
トムソン弁によるジュールトムソン膨脹による作動媒体
の冷却効率が向上する。

（実施例）本発明にかかる極低温装置の第１実施例を第１図に示
す。本実施例にかかる極低温装置は、逆スターリングサ
イクルで寒冷を取出す第１冷凍機１と、ジュールトムソ
ン効果によりさらに一層の低温度の寒冷を取出す第２冷
凍機21とで構成されている。

第１冷凍機１には、シリンダ２に圧縮用ピストン３が
摺動自在にはめこまれ、ピストン３とシリンダ２とで、
容積が変動する圧縮室４が形成されている。ピストン３
の作動により圧縮室４でヘリウムガスなどの作動媒体が
圧縮される。圧縮室４はシール部材3aでシールされてい
る。さらにシリンダ２に、伝熱材料が循環する放熱部５
が配置されている。放熱部５には一方向弁６を介して往
路用の第１エゼクタ７が接続されている。第１エゼクタ
７は、圧縮室４から吐出した作動媒体が通過するノズル
部7aと、ノズル部7aと連通しノズル部7aに作動媒体が通
過すると低圧となる吸引部7bとで形成されている。一方
向弁６は圧縮室４から吐出される作動媒体は流すもの
の、その逆は流さない弁である。さらに第１エゼクタ７
には第１蓄冷器８が接続されている。シリンダ９は第１
シリンダ部10と第１シリンダ部10よりも小径の第２シリ
ンダ部11とから成る。シリンダ９には、第１ピストン部
12と第２ピストン部13とからなるピストン14が摺動自在
にはめこまれている。したがって、第１ピストン部12と
第１シリンダ部10との間に第１膨脹室15が形成され、第
２ピストン部13と第２シリンダ部11との間に第２膨脹室
16が形成されている。第１膨脹室15と第２膨脹室16とは
シール部材14aでシールされている。第１膨脹室15はシ
ール部材14bでシールされている。第１蓄冷器８は第１
膨脹室15に接続されている。さらに第１蓄冷器８は第２
蓄冷器18を介して第２膨脹室16に接続されている。放熱
部５と第１蓄冷器８との間には、往路用の第１エゼクタ
７と並列して、復路用の第２エゼクタ19および一方向弁
20が接続されている。第２エゼクタ19は、圧縮室４に向
けて作動媒体が通過するノズル部19aと、ノズル部19aと
連通しノズル部19aに作動媒体が通過すると低圧となる
吸引部19bとで形成されている。一方向弁20は第１蓄冷
器８から圧縮室４へ向かう作動媒体は流すものの、その
逆は流さない弁である。

一方、第２冷凍機21では、第１冷凍機１の第２膨脹室
16と第１エゼクタ７の吸引部7bおよび第２エゼクタ19の
吸引部19bとをつなぐ流路に、高圧側一方向弁22を介し
て、高圧室23および低圧室25が直列状態で接続されてい
る。高圧側一方向弁22は第２膨脹室16から高圧室23へ向
かう作動媒体は流すものの、その逆は流さない弁であ
る。低圧室25に隣設して寒冷を取出す冷凍部としての熱
交換器26が設けられている。高圧室23と低圧室25との間
にはジュールトムソン弁24が介在している。低圧室25に
は熱交換器27および熱交換器28が接続されている。熱交
換器27は第２蓄冷器18に隣設している。熱交換器28は第
１蓄冷器８に隣設している。熱交換器28は低圧側一方向
弁29を介して第１エゼクタ７の吸引部7bに接続され、さ
らに低圧側一方向弁30を介して第２エゼクタ19の吸引部
19bに接続されている。低圧側一方向弁29および30は、
低圧室25側から吸引部7bb、19b側へは作動媒体を流す
が、その逆は流さない弁である。

さて、本実施例にかかる極低温装置を使用するにあた
っては、第１冷凍機１の圧縮用ピストン３を作動し、圧
縮室４で作動媒体を圧縮する。作動媒体の圧縮熱は放熱
部４で放出される。さらに作動媒体は、一方向弁６、第
１エゼクタ７のノズル部7a通過する。このようにノズル
7aを通過するす際に吸引部7bは低圧となる。

第１エゼクタ７のノズル部7a通過した作動媒体は、第
１蓄冷器８で冷却され、その後分岐し第１膨脹空間15に
至る。また、第１蓄冷器８を通過し第２蓄冷器18側に分
岐した作動媒体は、第２蓄冷器18でさらに冷却された
後、第２膨脹室16に至る。このとき、第１膨脹室15およ
び第２膨脹室16の容積が大きくなるようにピストン14が
作動する。そのため、第１膨脹室15に送られた作動媒体
は第１膨脹室15で吸熱しつつ膨脹し、寒冷が発生する。
第２膨脹室16に送られた第２膨脹室16で吸熱しつつ膨脹
し、第１膨脹室15の場合よりも低い温度の寒冷が発生す
る。

さらに、第１膨脹室15および第２膨脹室16の容積が小
さくなるようにピストン14が作動すると、第２膨脹室16
の作動媒体は高圧側一方向弁22を介して高圧室23に至る
とともに、第２蓄冷器18および第１蓄冷器８を介して一
方向弁20、復路用の第２エゼクタ19のノズル部19aを通
過し、さらに放熱部５を介して圧縮室４に戻る。また第
１膨脹室15の作動媒体は、第２蓄冷器18を経た作動媒体
と合流し、第１蓄冷器８に至り、同様に第２エゼクタ19
および放熱部５を介して圧縮室４に戻る。

前記したように第２膨脹室16から高圧側一方向弁22を
介して高圧室23に至った作動媒体は、さらにジュールト
ムソン弁24を通過して、低圧室25に至る。ジュールトム
ソン弁24を通過する際に、ジュールトムソン膨脹により
作動媒体は膨脹し、一層低温度の寒冷が発生する。作動
媒体が発生した寒冷は熱交換器26から取出される。

ところで本実施例にかかる極低温装置では、高圧室23
内の圧力は、高圧側一方向弁22の閉止作用により、変動
圧力の最大値に保持される。又、低圧室25内の作動媒体
は、第１エゼクタ７の吸引部7bから吸引され、第２エゼ
クタ19の吸引部19bから吸引される。しかも低圧側一方
向弁29は第１エゼクタ７から熱交換器28へは作動媒体を
通過させず、同様に、低圧側一方向弁30も第２エゼクタ
19から熱交換器28へは作動媒体を通過させない。したが
って低圧室25内の圧力は、変動圧力の最小値に保持され
る。そのため、作動媒体がジュールトムソン弁24を通過
する際、ジュールトムソン弁24の入口側と出口側との圧
力差を大にでき、ジュールトムソン膨脹は効率良く生じ
る。よってジュールトムソン弁24を通過する作動媒体
は、効果的に冷却される。

前記したようにジュールトムソン弁24を経た作動媒体
は、熱交換器27、熱交換器28に至り、熱交換器27、熱交
換器28を通過しつつ、第１蓄冷器８、第２蓄冷器18を冷
却する。

そしてさらに作動媒体は、並列に配置された一方向弁
29、一方向弁30で分岐する。一方向弁29を通過した作動
媒体は第１エゼクタ７の吸引部7bに吸引され、第１蓄冷
器８に向かう作動媒体と合流し、第１蓄冷器８に向か
う。また、一方向弁30を通過した作動媒体は、第２エゼ
クタ19の吸引部19bに吸引され放熱部５を介して圧縮室
４に戻る。そして、圧縮用ピストン３の作動により再び
放熱部５、一方向弁６、第１エゼクタ７を通過して第１
膨脹室15および第２膨脹室16に至る。上記のような工程
を繰返すことにより、熱交換器26で継続して２〜10K程
度の寒冷が取出される。

前記したように本実施例にかかる極低温装置では、ジ
ュールトムソン弁24の入口側に高圧室23が配置され、ジ
ュールトムソン弁24の出口側に低圧室25が配置されてい
る。そして高圧室23内の圧力は、高圧側一方向弁22の閉
止作用により、変動圧力の最大値に保持される。又、低
圧室25内の作動媒体は、第１エゼクタ７の吸引部7aから
吸引され、第２エゼクタ19の吸引部19aから吸引され
る。しかも低圧側一方向弁29の閉止作用により、第１エ
ゼクタ７から熱交換器28へは作動媒体は通過さず、同様
に、低圧側一方向弁30の閉止作用により、第２エゼクタ
19から熱交換器28へは作動媒体は通過しない。したがっ
て低圧室25内の圧力は、変動圧力の最小値に保持され
る。

そのため本実施例にかかる極低温装置では、作動媒体
がジュールトムソン弁24を通過する際に生じるジュール
トムソン膨脹は、効率良く生じる。よってジュールトム
ソン弁24を通過する作動媒体は、効果的に冷却される。

本発明にかかる第２実施例について第２図を参照して
説明する。第２実施例にかかる極低温装置は、第１実施
例にかかる極低温装置と基本的には同一の構成である。
したがって同一部分には同一の符号を付する。ただし、
第２実施例の場合には、第１エゼクタ７、第２エゼクタ
19に代えて、第１エゼクタ７、第２エゼクタ19と同じ場
所に、第１ベンチュリー管31、第２ベンチュリー管32が
配置されている。第１ベンチュリー管31は作動媒体が通
るノズル部31aおよびノズル部31aを通ることにより低圧
となる吸引部31bをもつ。第２ベンチュリー管32は作動
媒体が通るノズル部32aおよびノズル部32aを通ることに
より低圧となる吸引部32bをもつ。本実施例にかかる極
低温装置でも、第１実施例にかかる極低温装置と同様の
作用効果を奏し、ジュールトムソン弁24によるジュール
トムソン膨脹を効果的に行なうことができる。

本発明にかかる第３実施例について第３図を参照して
説明する。第３実施例にかかる極低温装置は、第１実施
例にかかる極低温装置と基本的には同一の構成である。
したがって同一部分には同一の符号を付する。ただし、
往路用の第１エゼクタ７、往路用の第２エゼクタ19に代
えて、往路および復路兼用のベンチュリー管33が配置さ
れている。第１エゼクタ７、第２エゼクタ19は一方向性
であったが、本実施例にかかるベンチュリー管33は双方
向性であり、往路および復路兼用のため１個で足り、構
成を簡略するに有利である。第３実施例では、熱交換器
28を経た作動媒体は一方向弁34を通過してベンチュリー
管33の吸引部33bに吸引され、通常、ノズル部33aから放
熱部５を介して圧縮室４に戻る。

［発明の効果］本発明にかかる極低温装置によれば、ジュールトムソ
ン弁の入口側の圧力と出口側の圧力を大にすることがで
き、ジュールトムソン膨脹を効果的に行なうことができ
る。したがって冷凍部から一層低温の寒冷を取出すに有
利である。

【図面の簡単な説明】

第１図は第１実施例にかかる極低温装置の概略回路図で
あり、第２図は第２実施例にかかる極低温装置の概略回
路図であり、第３図は第３実施例にかかる極低温装置の
概略回路図である。第４図は従来の極低温装置の概略回
路図である。図中、１は第１冷凍機、４は圧縮室、５は放熱部、７は
第１エゼクタ（流体吸引部材）、7aはノズル部、7bは吸
引部、８は第１蓄冷器、15は第１膨脹室、16は第２膨脹
室、18は第２蓄冷器、19は第２エゼクタ（流体吸引部
材）、21は第２冷凍機、22は高圧側一方向弁、23は高圧
室、24はジュールトムソン弁、25は低圧室、29および30
は低圧側一方向弁、31は第１ベンチュリー管（流体吸引
部材）、32は第２ベンチュリー管（流体吸引部材）、33
はベンチュリー管（流体吸引部材）、34一方向弁を示
す。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】作動媒体が圧縮される圧縮室と、該作動媒
体の圧縮熱を放出する放熱部と、該作動媒体を冷却する
蓄冷器と、該蓄冷器を経た該作動媒体が膨脹する膨脹室
と、該圧縮室と該膨脹室とをつなぐ流路に介在し該作動
媒体が通るノズル部および該ノズル部を通ることにより
低圧となる吸引部をもつ流体吸引部材とをもつ第１冷凍
機と、該第１冷凍機の該膨脹室と該流体吸引部材の吸引部とを
つなぐ流路に介在し、該膨脹室から吐出された該第１作
動媒体が送られる高圧室と、寒冷を取りだす冷凍部をも
つ低圧室と、該高圧室と該低圧室との間に介在するジュ
ールトムソン弁と、該膨脹室と該高圧室との間に介在し
該膨脹室から該高圧室側へは該作動媒体を流すが逆は流
さない高圧側一方向弁と、該低圧室と該流体吸引部材の
該吸引部との間に介在し該低圧室から該流体吸引部材の
該吸引部へは該作動媒体を流すが逆は流さない低圧側一
方向弁とをもつ第２冷凍機とで構成されており、該圧縮室から該膨脹室へ向かう該作動媒体が該流体吸引
部材の該ノズル部を通過することにより、該流体吸引部
材の該吸引部を低圧とし、該吸引部とつながる該低圧室
の圧力を低くするようにしたことを特徴とする極低温装
置。
【請求項２】流体吸引部材は、エゼクタまたはベンチュ
リー管である特許請求の範囲第１項記載の極低温装置。