JP3702964B2 - 多段低温冷凍機 - Google Patents

Description

本発明は，容積形冷凍機として構成されている第１の段と，パルスチューブ冷凍機として構成されている少なくとも１つの別の段とを有している多段低温冷凍機に関する。
容積形冷凍機とは，ギフォードの冷凍機，マクマホンの冷凍機，スターリングの冷凍機あるいは類似の冷凍機を指す。この種の単段冷凍機は，押しのけ体を備えた作業室を有している。作業室は交互に高圧ガス源及び低圧ガス源に接続されて，押しのけ体の強制される往復運動中に熱力学的な循環過程が行われる。作業ガスは有利には押しのけ体の内部に収容された蓄冷器（入ってくるガスを前冷却するための蓄熱器）を経て循環して導かれる。冷凍機の運転中，作業室の両方の端部の一方から熱が取り出される。この種の単段冷凍機で作業ガスとしてヘリウムを使用する場合，１０〜３０Ｋにまで温度を下げることができる。容積形冷凍機は，出力が比較的に大きいという利点を有しており，技術的，理論的に良好であると理解されている。容積形冷凍機の欠点は，往復に動かされる押しのけ体の質量によって振動が生ぜしめられることである。
更に，パルスチューブの原理で動作する冷凍機が公知である。この冷凍機は，その中で流入してくるガスを蓄冷材との熱交換によって前冷却する固定した蓄冷器を備えた範囲と，その中に一方の側（冷側）から，周期的に蓄冷器範囲からの作業ガスが流入しかつ流出するところのパルスチューブとを有している。パルスチューブの他方の端部（温端）には，有利には狭幅箇所を介して閉ざされた体積が接続されている。この絞り箇所を適当に選択することによって，パルスチューブ範囲内の質量通過と圧力変化との間の位相位置に影響を及ぼして，最高の出力を達成することができる。この可能性（“オリフィス・パルスチューブ”）のほかに，更に位相位置を変更する別の構造形式（“ダブル・インレット”，“４−弁”）もある。この種の冷凍機の効率は制限されている。その利点は，振動を生ぜしめないことである。それは動かされる部分を有していないからである。
１９９５年７月にオハイオ州コロンバスで開催された“Cryogenic Engineering Conference（低温工学会議）”での１つの講演によって，容積形冷凍機をパルスチューブ冷凍機と組み合わせることが公知になっている。容積形冷凍機は多段低温冷凍機の第１の段を形成し，パルスチューブ冷凍機は第２の段を形成する。容積形冷凍機の冷端とパルスチューブ冷凍機の温端とが同一の温度を有しているようにするために，剛性の銅板から成る熱ブリッジが設けられており，この熱ブリッジは両方の冷凍機の前記端部とそれぞれ良好に導熱性に結合されている。この剛性の結合によって容積形冷凍機によって生ぜしめられた振動がパルスチューブ冷凍機に伝達される。したがってこの既に公知になっている組合せ冷凍機は，振動に敏感な物体の冷却には適していない。
本発明の課題とするところは，最初に述べた形式の組合せ冷凍機において，少なくとも第２の段若しくは別の段の範囲において，パルスチューブ冷凍機の振動がないという利点を生ぜしめ得るようにすることである。
本発明によれば，この課題は次のようにして解決さされる。すなわち容積形冷凍機として構成された第１の段と，パルスチューブ冷凍機として構成された別の段との間に，振動の伝達を阻止する可とう性部材が存在しているようにしたのである。この手段によって，パルスチューブ冷凍機は容積形冷凍機の振動を受けないようにすることができる。別の，パルスチューブ冷凍機として構成された第２の段は，したがって，振動に敏感な物体，装置あるいは類似のものと簡単に熱的に連結することができる。
本発明の別の利点及び詳細は図１〜４に示した実施例に基づいて説明する。
図１及び２は，パルスチューブ冷凍機への作業ガスの供給が異なった形式で行われる本発明による組合せ冷凍機を示す。
図３は，磁石を液体ヘリウムで冷却するのに役立つクライオスタット内で本発明による冷凍機を使用した状態を示す。
図４は，本発明による冷凍機を備え，その内部で磁石を直接に冷却するクライオスタットを示す。
図１及び２に示した容積形冷凍機１はケーシングを有しており，このケーシングは両方の部分２及び３から成っている。ケーシング部分２内には押しのけ体６のための円筒形の作業室４が形成されている。押しのけ体６内には蓄冷器７がある。
押しのけ体６は空気力式の駆動の場合には駆動ピストン８を備えており，それに所属するシリンダ９は案内ブッシュ１０内に形成されており，この案内ブッシュは作業室４をケーシング部分３に向かって閉ざしている。案内ブッシュ１０は，回転弁によって制御される高圧ガス及び低圧ガスを制御容積（９）並びに本来の作業室に分配するための孔を備えている。孔１１は作業室４内に開口していて，この室に作業ガスを供給するのに役立つ。孔１３は横孔１４内に開口しており，この横孔は案内ブッシュ１０の外壁面の環状溝１５に接続されている。これを介して低圧側が弁制御装置内に供給される。２つの別の孔１２が破線によって示されている。これらの孔は押しのけ体６の空気力式駆動に役立つ。種々の孔は図平面とは異なった平面内にあって，互いに交差しておらず，このことは破線によって表されている。
ケーシング部分３内には制御モータ１６が収容されており，この制御モータは軸１７を介して制御弁１８を操作する。この制御弁１８は自体公知の形式で種々の孔に高圧及び低圧の作業ガス，有利にはヘリウムを供給するのに役立つ。この作業ガスは容積形冷凍機１の外側で圧縮機２１を有する導管２２によって循環路２３内を導かれる。冷凍機１における高圧接続部１９は圧縮機２１の高圧側に接続されており，低圧接続部２０は圧縮機２１の低圧側に接続されている。
例示したパルスチューブ冷凍機２５はパルスチューブ２６を有しており，このパルスチューブの温端に狭幅箇所２８を介してガス体積２７が接続されている。パルスチューブ２６の冷端の範囲内にある冷フランジは２９で示されている。パルスチューブへのガスの供給は導管３１を介して行われ，この導管内には蓄冷器３２がある。
図１の実施例では，パルスチューブ２６へのガスの供給は圧縮機２１を有する作業ガス循環路２３から行われる。このためにガス供給導管３１は，それぞれ制御弁３６若しくは３７を備えている２つの導管３４及び３５内に開口している。導管３４は圧縮機２１の高圧側に接続されている。制御弁３６は，作業ガスが導管３４及び３１を通ってパルスチューブ２６に流れることができるように，配置されている。導管３５は圧縮機２１の低圧側に接続されている。制御弁３７は，逆の方向に流れるガスが導管３１及び３５を通って作業ガス循環路２３内に流れることができるように，配置されている。
パルスチューブ２６に流れる作業ガスを前冷却し得るようにするために，２つの熱交換器４１及び４２が設けられている。第１の熱交換器４１，有利には再生式熱交換器は，往復に流れる作業ガスによって流過される。その都度パルスチューブ２６から作業ガス循環路２３内に流れ戻るガスはその都度パルスチューブ２６に流れるガスを前冷却する。第２の熱交換器４２は熱ブリッジ４３を介して容積形冷凍機１の冷端と結合されている。熱交換器４２内でパルスチューブ冷凍機２５に流れるガスが容積形冷凍機１の冷側の温度に冷却される。
図２の実施例ではガス供給導管３１は容積形冷凍機１の冷側の範囲内で作業室４内に開口している。パルスチューブ冷凍機２５へのガス供給は，容積形冷凍機１の冷部分から直接に出る作業ガスをもって行われる。この実施例は，図１の実施例に対して構造が全体として簡単であるという利点を有しているが，容積形冷凍機及びパルスチューブ部分のためのサイクル周波数（高圧／低圧の切り替え周波数）が常に同じであり，このことは両方の段において最高の冷却出力を達成する妨げになるという欠点も有している。
容積形冷凍機１によって生ぜしめられる振動がパルスチューブ冷凍機２５に伝達されることを回避するために，両方の実施例において，導管３１は可とう性部材４５を備えている。この可とう性部材は例えば金属製の波形ホース区分（特殊鋼）であることができる。またプラスチックから成るホース区分を使用することも可能である。図１の実施例では，熱ブリッジ４３を可とう性に構成して，振動の伝達を阻止することも可能である。
図１及び２には示していない第３の変化形では，両方の冷凍機１及び２５の運転は別個の圧縮機で行われる。例えばパルスチューブ機械のためにリニア圧縮機を使用することによって，弁制御装置を省略することができる。この変化形においても振動の遮断は可とう性部材によって達成することができる。
図３及び４は，適用例として，本発明による冷凍機を備えた２つのクライオスタットを示す。これらのクライオスタットは超電導磁石５２を冷却するのに役立つ。液体ヘリウム冷却あるいは液体ヘリウム直接冷却を行うことができる別の物体は例えば，
−超電導の導線及びワイヤ，
−超電導の（ジョセフソンの）回路素子，
−冷却しなければならないセンサ（超電導あるいはノイズ抑制のため），
−冷却しなければならない電子部品（ノイズ抑制），
−クライオポンプ装置，
である。
これらの図示の実施例において，冷却される磁石５２は円環形にクライオスタットケーシング５３内に配置されていて，中央の検査室５４を取り囲んでいる。磁石５２と外側のクライオスタットケーシング５３との間にはそれぞれ１つの，輻射シールド５５によって形成されている熱遮へい段がある。
図３の実施例では，磁石５２は液体媒体有利にはヘリウムを満たされた円環形横断面のタンク５６内に収容されている。タンクのヘリウム充てん管５７は安全弁５８を備えている。本発明による冷凍機１，２５は，液体ヘリウムタンクを約４．２Ｋ（この冷却媒体の沸点）の温度に維持し，これによって冷却液の蒸発を阻止し，若しくは蒸発した冷却剤を凝縮して液体に戻すという課題を有している。このためにパルスチューブ２６の冷端は熱ブリッジ５９を介して充てん管５７と熱的に連結されている。この連結箇所６０はタンク５６内への充てん管５７の開口部の直ぐ近くに位置しており，液体ヘリウムの表面の下方にある。容積形冷凍機１の冷端は冷フランジ６２を備えており，この冷フランジは輻射シールド５５と熱的に連結されていて，したがってこの輻射シールドは３０〜１００Ｋの温度である。パルスチューブ冷凍機２５へのガス供給は容積形冷凍機１の作業室４の冷端から行われ（図２参照），したがって両方の端部はほぼ同じ温度を有している。容積形冷凍機１の冷端からパルスチューブ冷凍機２５の温端へ通じているガス供給導管３１は金属製の大きな可とう性を有する波形ホース区分であって，これによって同時に所望の可とう性連結部材４５を形成している。
図４の実施例ではヘリウムタンクは存在していない。パルスチューブ冷凍機２５の冷端は冷フランジ２９を介して直接に磁石５２と熱的に接続している。この応用例は，特に，磁石５２の超電導材料がより高い温度（５〜１０Ｋ）を許容する場合に，有効である。この実施例においてもパルスチューブ冷凍機２５へのガス供給は容積形冷凍機１の作業室４の冷端から行われる。波形ホース区分から成るガス供給導管３１は可とう性連結部材４５を形成している。
図４の実施例では，容積形冷凍機１の冷端のほかに，パルスチューブ冷凍機２５の温端も（熱ブリッジ６３を介して）輻射シールド５５と熱的に連結されている。これによってこれら両方の端部の温度を同じにすることが助長される。この目的のために，蓄冷器３２もパルスチューブ２６とは逆の側の端部を熱ブリッジ６３に熱的に接続されている。
容積形冷凍機１から出る振動が輻射シールド５５を介してパルスチューブ冷凍機に伝達されるのを阻止するために，熱ブリッジ６３と輻射シールドとの間に別の可とう性連結部材６４が設けられている。この，別の可とう性連結部材は，金属製の，有利には銅から成るバンド６５を有しており，このバンドは良好に導熱性に，輻射シールド５５と熱ブリッジ６３のフランジ６６に接続されている。

Claims (13)

1. 容積形冷凍機（１）として構成されている第１の段と、パルスチューブ冷凍機（２５）として構成されている第２の段とから成る多段低温冷凍機を備えたクライオスタット（５１）において、クライオスタット（５１）がケーシング（５３）と、冷却すべき物体（５２，５６）と、遮へい段（５５）とを備えており、該遮へい段（５５）が容積形冷凍機（１）の冷側及び又はパルスチューブ冷凍機の温側に熱的に連結されており、冷却すべき物体（５２，５６）がパルスチューブ冷凍機（２５）の冷側と熱的に連結されており、容積形冷凍機（１）とパルスチューブ冷凍機（２５）との間に、振動の伝達を阻止する第１の可とう性部材（４５）が存在しており、該可とう性部材（４５）が、パルスチューブ冷凍機（２５）のためのガス供給導管（３１）の構成要素でありかつ金属製の波形ホース区分あるいはプラスチックから成るホース区分として構成されていることを特徴とする、クライオスタット。
2. 冷却すべき物体が液体ヘリウムで充たされたタンク（５６）であることを特徴とする、請求項１記載のクライオスタット。
3. パルスチューブ冷凍機（２５）の冷側が前記タンク（５６）のヘリウム充てん管（５７）と熱的に連結されていることを特徴とする、請求項２記載のクライオスタット。
4. 冷却すべき物体が超電導材料から成る磁石（５２）であることを特徴とする、請求項１記載のクライオスタット。
5. 容積形冷凍機（１）の冷側とパルスチューブ冷凍機（２５）の温側との両方が遮へい段（５５）に熱的に結合されており、これらの結合個所の間に別の可とう性の構成部材（６４）が設けられていることを特徴とする、請求項１から４までのいずれか１項記載のクライオスタット。
6. 銅バンド（６５）が前記別の可とう性の構成部材（６４）を形成していることを特徴とする、請求項５記載のクライオスタット。
7. パルスチューブ冷凍機（２５）へのガス供給が、容積形冷凍機（１）の作業ガス循環路（２３）に接続されたガス供給導管（３１）を介して行なわれることを特徴とする、請求項１から６までのいずれか１項記載のクライオスタット。
8. パルスチューブ冷凍機（２５）へのガス供給導管（３１）が第１の導管（３４）を介して作業ガス循環路内の圧縮機（２１）の高圧側に接続されており、かつ第２の導管（３５）を介して該圧縮機（２１）の低圧側に接続されていることを特徴とする、請求項７記載のクライオスタット。
9. パルスチューブ冷凍機（２５）と前記作業ガス循環路（２３）との間に、熱交換器（４１）、有利には再生式熱交換器が存在していることを特徴とする、請求項７又は８記載のクライオスタット。
10. 前記ガス供給導管（３１）の構成要素として、容積形冷凍機（１）の冷側と熱的に連結されている熱交換器（４２）が設けられていることを特徴とする、請求項７，８又は９記載のクライオスタット。
11. 容積形冷凍機（１）の冷側が熱ブリッジ（４３）を介して前記熱交換器（４２）と結合されており、該熱ブリッジ（４３）が可とう性に構成されていることを特徴とする、請求項１０記載のクライオスタット。
12. 前記ガス供給導管（３１）が容積形冷凍機（１）の作業室（４）の冷側に接続されていることを特徴とする、請求項９記載のクライオスタット。
13. 前記ガス供給導管（３１）内に蓄冷器（３２）が存在しており、パルスチューブ（２６）の温側と、蓄冷器（３２）の、パルスチューブ（２６）とは逆の側の端部とが互いに熱的に連結されていることを特徴とする、請求項７から１２までのいずれか１項記載のクライオスタット。

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