JP5788867B2 - 蓄冷器、gm冷凍機およびパルスチューブ冷凍機 - Google Patents
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Description
作動ガスの寒冷を蓄冷するヘリウム冷却式の蓄冷器であって、
前記作動ガスの流通する温度勾配方向に沿って、蓄冷材としてのヘリウムガスが収容された少なくとも2つの収容空間を有し、
第1の収容空間は、高温側の領域に配置され、当該蓄冷器の作動中、圧力がP1の蓄冷材を収容し、
第2の収容空間は、低温側の領域に配置され、当該蓄冷器の作動中、圧力がP2の蓄冷材を収容し、圧力P1は、圧力P2よりも大きく、
前記第1の収容空間に収容された蓄冷材の圧力がP2であった場合、蓄冷材の圧力がP1である場合に比べて、蓄冷材の比熱が小さくなり、
前記第2の収容空間に収容された蓄冷材の圧力がP1であった場合、蓄冷材の圧力がP2である場合に比べて、蓄冷材の比熱が小さくなることを特徴とするヘリウム冷却式の蓄冷器が提供される。
前記第2の収容空間は、当該蓄冷器の作動中、温度TC〜温度TD(TC<TD)の範囲にあり、
温度TD〜温度TAの範囲において、
前記蓄冷材の圧力がP1のときの比熱の温度変化曲線と、前記蓄冷材の圧力がP2のときの比熱の温度変化曲線とが交差しても良い。
該第3の収容空間は、前記第1の収容空間と前記第2の収容空間の間の温度領域に配置され、圧力がP3の前記蓄冷材を収容し、
圧力P3は、圧力P1よりも小さく圧力P2よりも大きく、
前記第3の収容空間に収容された蓄冷材の圧力がP1またはP2であった場合、蓄冷材の圧力がP3である場合に比べて、蓄冷材の比熱が小さくなっても良い。
前記第2の収容空間は、当該蓄冷器の作動中、温度TC〜温度TD(TC<TD)の範囲にあり、
前記第3の収容空間は、当該蓄冷器の作動中、温度TE〜温度TF(TE<TF)の範囲にあり、
温度TE〜温度TFの範囲において、前記蓄冷材の圧力がP1のときの比熱の温度変化曲線と、前記蓄冷材の圧力がP2のときの比熱の温度変化曲線とが交差しても良い。
前記第2の収容空間は、10K以下の温度領域に配置されても良い。
前記圧力P2は、0.1MPa以上、2.2MPa以下であっても良い。
前記第2の収容空間は、第2のヘリウム源に接続されても良い。
前記蓄冷器は、前述のいずれかの蓄冷器であることを特徴とするGM式冷凍機が提供される。
前記蓄冷器は、前述の特徴を有する蓄冷器であり、
前記第1の収容空間は、第1のヘリウム源に接続され、および/または
前記第2の収容空間は、第2のヘリウム源に接続されており、
前記第1および/または第2のヘリウム源は、前記圧縮機であることを特徴とするGM式冷凍機が提供される。
前記蓄冷管は、蓄冷器を有し、該蓄冷器は、前述のいずれかの蓄冷器であることを特徴とするパルスチューブ冷凍機が提供される。
前記蓄冷器は、前述の特徴を有する蓄冷器であり、
前記第1の収容空間は、第1のヘリウム源に接続され、および/または
前記第2の収容空間は、第2のヘリウム源に接続されており、
前記第1のヘリウム源は、前記圧縮機もしくは前記バッファタンクであり、および/または
前記第2のヘリウム源は、前記圧縮機もしくは前記バッファタンクであることを特徴とするパルスチューブ冷凍機が提供される。
作動ガスの流通する温度勾配方向に沿って、蓄冷材としてのヘリウムガスが収容された少なくとも2つの収容空間を有し、
第1の収容空間は、高温側の領域に配置され、当該蓄冷器の作動中、圧力がP1の蓄冷材を収容し、
第2の収容空間は、低温側の領域に配置され、当該蓄冷器の作動中、圧力がP2の蓄冷材を収容し、圧力P1は、圧力P2よりも大きく、
前記第1の収容空間に収容された蓄冷材の圧力がP2であった場合、蓄冷材の圧力がP1である場合に比べて、蓄冷材の比熱が小さくなり、
前記第2の収容空間に収容された蓄冷材の圧力がP1であった場合、蓄冷材の圧力がP2である場合に比べて、蓄冷材の比熱が小さくなるという特徴を有する。
(i)温度が約6K以下の領域では、約0.4MPa;
(ii)温度が約6K〜約8Kの領域では、0.8MPa;
(iii)温度が約8K〜約9.5Kの領域では、1.5MPa;
(iv)温度が約9.5K以上の領域では、2.2MPa;
となっており、温度によって変化している。
図5には、本発明によるヘリウム冷却式の蓄冷器の一例を概略的に示す。
図9には、本発明によるヘリウム冷却式の蓄冷器の別の一例を概略的に示す。
図11には、本発明によるヘリウム冷却式の蓄冷器のさらに別の一例を概略的に示す。
図12には、本発明によるヘリウム冷却式の蓄冷器のさらに別の一例を概略的に示す。
図13には、本発明によるヘリウム冷却式の蓄冷器のさらに別の一例を概略的に示す。
図14には、本発明によるヘリウム冷却式の蓄冷器のさらに別の一例を概略的に示す。
本発明による蓄冷器は、GM冷凍機やパルスチューブ冷凍機など、各種蓄冷式冷凍機に適用することができる。そこで次に、本発明をパルスチューブ冷凍機に適用した例について、簡単に説明する。
図15には、本発明による蓄冷器を有するパルスチューブ冷凍機の一構成例を概略的に示す。
図16には、本発明による蓄冷器を有するパルスチューブ冷凍機の別の構成例を概略的に示す。
図17には、本発明による蓄冷器を有するパルスチューブ冷凍機の別の構成例を概略的に示す。
図18には、本発明による蓄冷器を有するパルスチューブ冷凍機の別の構成例を概略的に示す。
本発明は、GM冷凍機にも適用することができる。
3 ガス圧縮機
5、6 バルブ
7 配管
8 駆動モータ
10 コールドヘッド
12 フランジ
15 第1段冷却部
20 第1段シリンダ
22 第1段ディスプレーサ
23a 高温端
23b 低温端
30 第1段蓄冷器
31 第1段膨張室
35 第1段冷却ステージ
39 第1段シール
40−1 流通路
40−2 流通路
40−3 流通路
50 第2段冷却部
51 第2段シリンダ
52 第2段ディスプレーサ
53a 高温端
53b 低温端
54−2 流通路
55 第2段膨張室
59 第2段シール
60 第2段蓄冷器
60A 従来のヘリウム冷却式の蓄冷器
62 カプセル
65 空間
68 第1の作動ガス流路
69 第2の作動ガス流路
85 第2段冷却ステージ
100 本発明による蓄冷器
110 高温側
120 低温側
165A 第1の容器
165B 第2の容器
168 第1の作動ガス流路
169 第2の作動ガス流路
170A、170B 蓄冷材
175 空間部
200 本発明による蓄冷器
210 高温側
220 低温側
230 中間温度側
265A 第1の容器
265B 第2の容器
265C 第3の容器
268 第1の作動ガス流路
269 第2の作動ガス流路
270A、270B、270C 蓄冷材
275 空間部
300 本発明による蓄冷器
310 仕切り部材
320A、320B 伝熱性カプセル
365A 第1の区画
365B 第2の区画
368 第1の作動ガス流路
369 第2の作動ガス流路
370A、370B 蓄冷材
375A、375B 空間部
400 本発明による蓄冷器
410A フランジ
410B 仕切り部材
410C フランジ
420A、420B 収容部
465A 第1の区画
465B 第2の区画
468 第1の作動ガス流路
469 第2の作動ガス流路
470A、470B 蓄冷材
475A、475B 中空管
500 蓄冷器
510B 仕切り部材
520A、520B 収容部
530 第1の蓄冷材用配管
531 高圧ヘリウムガス源
540 第2の蓄冷材用配管
541 低圧ヘリウムガス源
565A 第1の区画
565B 第2の区画
600 蓄冷器
610B 仕切り部材
610C 仕切り部材
620C 収容部
635 第3の蓄冷材用配管
636 中間圧のヘリウムガス源
665A 第1の区画
665B 第2の区画
665C 第3の区画
670C 蓄冷材
675C 中空管
700 パルスチューブ冷凍機
712 圧縮機
715A 第1の高圧側配管
715B 第1の低圧側配管
720 共通配管
725A 第2の高圧側配管
725B 第2の低圧側配管
730 共通配管
735A 第3の高圧側配管
735B 第3の低圧側配管
740 第1段蓄冷管
742 第1段蓄冷管の高温端
744 第1段蓄冷管の低温端
750 第1段パルス管
752 第1段パルス管の高温端
754 第1段パルス管の低温端
756 第1の配管
760、761 オリフィス
780 第2段蓄冷管
781 蓄冷器
784 第2段蓄冷管の低温端
786 第2の配管
790 第2段パルス管
792 第2段パルス管の高温端
794 第2段パルス管の低温端
799 共通配管
800 パルスチューブ冷凍機
810 流路抵抗
830 第1の蓄冷材用配管
840 第2の蓄冷材用配管
900 パルスチューブ冷凍機
930 第1の蓄冷材用配管
940 第2の蓄冷材用配管
962 配管
964 オリフィス
966 バッファタンク
1000 パルスチューブ冷凍機
1030 第1の蓄冷材用配管
1035 第3の蓄冷材用配管
1040 第2の蓄冷材用配管
1100 本発明によるGM冷凍機
1121、1122 配管
1123 流通路
1143 中間シール
1145 下側シール
1160 第2段蓄冷器
1161 第1の空間
1162 第2の空間
1170−1 第1の流通路
1170−2 第3の流通路
1175−1 第2の流通路
1175−2 第4の流通路
1180 分岐管
1181a 第1の配管
1181b 第2の配管
H1〜H3 第1〜第3の冷媒供給路
L1〜L3 第1〜第3の冷媒回収路
V1〜V6 開閉バルブ。
Claims (12)
- 作動ガスを蓄冷器を介して膨脹室に供給し、前記作動ガスを前記蓄冷器を介して膨脹室から排気する圧縮機を備える冷凍機であって、
前記蓄冷器は、
ヘリウム冷却式の蓄冷器であり、
前記作動ガスの流通する温度勾配方向に沿って、蓄冷材としてのヘリウムガスが収容された少なくとも2つの収容空間を有し、
第1の収容空間は、高温側の領域に配置され、当該蓄冷器の作動中、圧力がP1の蓄冷材を収容し、
第2の収容空間は、低温側の領域に配置され、当該蓄冷器の作動中、圧力がP2の蓄冷材を収容し、
圧力P1及び圧力P2はある範囲幅を有する値であって、圧力P1の最小値は、圧力P2の最小値よりも大きく、
前記第1の収容空間に収容された蓄冷材の圧力がP2であった場合、蓄冷材の圧力がP1である場合に比べて、蓄冷材の比熱が小さくなり、
前記第2の収容空間に収容された蓄冷材の圧力がP1であった場合、蓄冷材の圧力がP2である場合に比べて、蓄冷材の比熱が小さくなり、
前記作動ガスは、前記第1および第2の収容空間には侵入せず、
前記第1の収容空間は、第1のヘリウム源に接続され、および/または
前記第2の収容空間は、第2のヘリウム源に接続され、
前記第1および/または第2のヘリウム源は、前記圧縮機であることを特徴とする冷凍機。 - 作動ガスを蓄冷管を介してパルス管に供給し、前記作動ガスを前記蓄冷管を介してパルス管から排気する圧縮機と、前記パルス管に接続されたバッファタンクとを備えるパルスチューブ冷凍機であって、
前記蓄冷管は、蓄冷器を有し、
該蓄冷器は、
ヘリウム冷却式の蓄冷器であり、
前記作動ガスの流通する温度勾配方向に沿って、蓄冷材としてのヘリウムガスが収容された少なくとも2つの収容空間を有し、
第1の収容空間は、高温側の領域に配置され、当該蓄冷器の作動中、圧力がP1の蓄冷材を収容し、
第2の収容空間は、低温側の領域に配置され、当該蓄冷器の作動中、圧力がP2の蓄冷材を収容し、
圧力P1及び圧力P2はある範囲幅を有する値であって、圧力P1の最小値は、圧力P2の最小値よりも大きく、
前記第1の収容空間に収容された蓄冷材の圧力がP2であった場合、蓄冷材の圧力がP1である場合に比べて、蓄冷材の比熱が小さくなり、
前記第2の収容空間に収容された蓄冷材の圧力がP1であった場合、蓄冷材の圧力がP2である場合に比べて、蓄冷材の比熱が小さくなり、
前記作動ガスは、前記第1および第2の収容空間には侵入せず、
前記第1の収容空間は、第1のヘリウム源に接続され、および/または
前記第2の収容空間は、第2のヘリウム源に接続され、
前記第1のヘリウム源は、前記圧縮機もしくは前記バッファタンクであり、および/または
前記第2のヘリウム源は、前記圧縮機もしくは前記バッファタンクであることを特徴とするパルスチューブ冷凍機。 - 前記第1の収容空間は、前記蓄冷器の作動中、温度TA〜温度TB(TA<TB)の範囲にあり、
前記第2の収容空間は、前記蓄冷器の作動中、温度TC〜温度TD(TC<TD)の範囲にあり、
温度TD〜温度TAの範囲において、
前記蓄冷材の圧力がP1のときの比熱の温度変化曲線と、前記蓄冷材の圧力がP2のときの比熱の温度変化曲線とが交差していることを特徴とする請求項1に記載の冷凍機または請求項2に記載のパルスチューブ冷凍機。 - 温度TD=温度TAであることを特徴とする請求項3に記載の冷凍機またはパルスチューブ冷凍機。
- 前記蓄冷器は、さらに、蓄冷材としてのヘリウムガスが収容される第3の収容空間を有し、
該第3の収容空間は、前記第1の収容空間と前記第2の収容空間の間の温度領域に配置され、圧力がP3の前記蓄冷材を収容し、
圧力P3はある範囲幅を有する値であって、圧力P3の最小値は圧力P1の最小値よりも小さく圧力P2の最小値よりも大きく、
前記第3の収容空間に収容された蓄冷材の圧力がP1またはP2であった場合、蓄冷材の圧力がP3である場合に比べて、蓄冷材の比熱が小さくなることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一つに記載の冷凍機またはパルスチューブ冷凍機。 - 前記第1の収容空間は、前記蓄冷器の作動中、温度TA〜温度TB(TA<TB)の範囲にあり、
前記第2の収容空間は、前記蓄冷器の作動中、温度TC〜温度TD(TC<TD)の範囲にあり、
前記第3の収容空間は、前記蓄冷器の作動中、温度TE〜温度TF(TE<TF)の範囲にあり、
温度TE〜温度TFの範囲において、前記蓄冷材の圧力がP1のときの比熱の温度変化曲線と、前記蓄冷材の圧力がP2のときの比熱の温度変化曲線とが交差していることを特徴とする請求項5に記載の冷凍機またはパルスチューブ冷凍機。 - 温度TF〜温度TAの範囲において、前記蓄冷材の圧力がP1のときの比熱の温度変化曲線と、前記蓄冷材の圧力がP3のときの比熱の温度変化曲線とが交差していることを特徴とする請求項6に記載の冷凍機またはパルスチューブ冷凍機。
- 温度TD〜温度TEの範囲において、前記蓄冷材の圧力がP2のときの比熱の温度変化曲線と、前記蓄冷材の圧力がP3のときの比熱の温度変化曲線とが交差していることを特徴とする請求項6または7に記載の冷凍機またはパルスチューブ冷凍機。
- 温度TE=温度TDおよび/または温度TA=温度TFであることを特徴とする請求項6乃至8のいずれか一つに記載の冷凍機またはパルスチューブ冷凍機。
- 前記第1の収容空間は、6K以上の温度領域に配置され、および/または
前記第2の収容空間は、10K以下の温度領域に配置されることを特徴とする請求項1乃至9のいずれか一つに記載の冷凍機またはパルスチューブ冷凍機。 - 前記圧力P1は、0.8MPa以上、3.5MPa以下であり、
前記圧力P2は、0.1MPa以上、2.2MPa以下であることを特徴とする請求項1乃至10のいずれか一つに記載の冷凍機またはパルスチューブ冷凍機。 - 前記第1の収容空間および/または前記第2の収容空間は、複数の中空管の内部もしくは外部に形成されることを特徴とする請求項1乃至11のいずれか一つに記載の冷凍機またはパルスチューブ冷凍機。
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