JPH0136029B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、ヘリウム冷凍機に関するものであ
り、さらに詳しくいうと、ギフオード・マクマホ
ンサイクル冷凍機やスターリングサイクル冷凍機
などの蓄熱式熱交換器を用いたヘリウム冷凍機に
関するものである。

第１図は、従来のギフオード・マクマホン冷凍
機（以下Ｇ−Ｍ冷凍機という）の構造の一例を示
し、図において、第１のシリンダ１に、シリンダ
１内を一定ストロークで作動するようにピストン
状の第１のデイスプレーサ２をＯリング３を介し
て収容し、第１のデイスプレーサ２には第１のシ
リンダ１を貫通し第１のデイスプレーサ２と駆動
部（図示せず）を接続する第１のピストンロツド
４が結合されている。第１のシリンダ１と第１の
ピストンロツド４の摺動部にはＯリング５が介挿
されている。第１のデイスプレーサ２内には銅メ
ツシユなどで構成された第１の蓄冷器６が設けら
れ、第１の蓄冷器６を収容した第１のデイスプレ
ーサ２の両端部にそれぞれ動作ガスが通るように
連通孔６ａ，６ｂが形成され、第１のシリンダ１
と第１のデイスプレーサ２の底部間に第１の膨脹
室７が形成されている。第１のシリンダ１に並列
に設けた第２のシリンダ８には第２のシリンダ内
を一定ストロークで作動する第２のデイスプレー
サ９が収容され、第２のデイスプレーサ９と駆動
部（図示せず）を接続する第２のピストンロツド
１０が第２のシリンダ８を貫通している。第２の
シリンダ８と第２のピストンロツド１０の摺動部
にはＯリング１１が介挿されている。第２のシリ
ンダ８の底面と第２のデイスプレーサ９間には第
２の膨脹室１２が形成されている。第１のシリン
ダ１の下端側に開口して取付けられ他端をフラン
ジで封止するように設けた第３のシリンダ１３内
には鉛の微粒などで構成された第２の蓄冷器１４
が形成されている。また、第３のシリンダ１３下
端と第２の膨脹室１２を貫通して動作ガスを第２
の蓄冷器１４を介して移動させるための連通管１
５が設けられている。第１のシリンダ１の上端フ
ランジから配管を介してヘリウム圧縮機（図示せ
ず）吐出側に接続される流路をしや断する高圧締
切弁１６と、同様に上記ヘリウム圧縮機吸入側に
接続される流路をしや断する低圧締切弁１７が配
設されている。

かかる構成になるＧ−Ｍ冷凍機では、第１のデ
イスプレーサ２と第２のデイスプレーサ９は、駆
動部を介して同期して一定のストロークおよび回
転数に規正して往復運動され、また、これらのデ
イスプレーサ２，９の往復運動の一サイクル中
に、高圧締切弁１６および低圧締切弁１７を交互
に切替えることにより、動作ガスを断熱的に膨脹
させて所要の寒冷を発生させる。すなわち、ま
ず、第１、第２のデイスプレーサ２および９が第
１、第２のシリンダ１および８の最下端にある状
態で高圧締切弁１６を開き低圧締切弁１７を閉
じ、さらにデイスプレーサ２，９が最上端位置近
傍になるまでこの状態で高圧ヘリウムガスを吸入
する。このとき流入ヘリウムガスは蓄冷器６およ
び１４内を流下する間に、それぞれの蓄冷器の寒
冷を得、つぎに高圧締切弁１６を閉じ低圧締切弁
１７を開く。このとき、第１の膨脹室７および第
２の膨脹室１２内の高圧ヘリウムガスはそれ自身
断熱的に膨脹（サイモン膨脹）し低温になる。そ
して、この状態でデイスプレーサ２および９をシ
リンダ１および８の最下端までそれぞれ押下げる
と膨脹室７および１２内の低温ヘリウムガスは、
第２の蓄冷器１４および第１の蓄冷器６内を流上
し、その間に蓄冷材に寒冷を放出してほぼ室温と
なり、ヘリウム圧縮機の吸入側に至る。デイスプ
レーサ２および９がそれぞれのシリンダ１および
８の底面に達すると低圧締切弁１７を閉じ一サイ
クルを完結する。上記サイクルを連続して繰返え
すことにより、膨脹室７および１２の壁を介し、
寒冷を採り出し被冷却物体の所要の温度に冷却す
ることができる。

しかし、以上のように構成された従来のＧ−Ｍ
冷凍機では、通常蓄冷材として銅合金や鉛などの
金属の細い繊維状または微粒状のものが用いられ
ている。

一般に金属は低温になると比熱が徐々に小さく
なり、10K以下になるとほとんどの金属の比熱は
零になる。このため第２の蓄冷器１４は極低温域
では、ほとんど機能しなくなり、15K以下の領域
では冷凍機のCOPが著しく低下すると共に、そ
の低温到達温度にも限界があるなどの欠点があつ
た。

以上のような従来のものの欠点を改善する方策
として、ヘリウムガスを蓄冷材として用いる方法
が提案されているが、この発明は、極低温域で作
動する蓄冷器部にヘリウムガス封入管を配設し、
封入ヘリウムガス量を外部より容易に制御できる
構造とし、低温蓄冷器の性能を改善し、極低温域
でのCOPを向上したヘリウム冷凍機を提供する
ことを目的とするものである。

以下、この発明の一実施例を図面について説明
する。第２図において、第２の蓄冷器１４内にス
テンレスなどの細管をスパイラル状に多重に形成
した蓄冷ガス封入管１８を収納し、第２蓄冷器１
４外部上方より第３のシリンダ１３壁を貫通し蓄
冷ガス封入管１８の高温端に接続した冷媒ガス導
入管１９を設ける。２０は一次側をヘリウムガス
供給系（図示せず）と接続し一定圧力のヘリウム
ガスを蓄冷ガス封入管１８に補給できるように設
けた調節弁機構である。この調節弁機構２０は蓄
冷器１４の温度上昇などによる蓄冷ガス封入管１
８内の異常圧力上昇を生じたとき、封入ガスの一
部を系外に放出し所定の圧力以下に保持できる減
圧機能を備えたものである。その他の構成は第１
図と同様である。

かように構成されたＧ−Ｍ冷凍機では、寒冷の
発生は従来のものと同様に行なわれるが、動作温
度が20K以下の金属の比熱が非常に小さくなる領
域では、第２の膨脹室１２から排出される動作ガ
スの寒冷は、第２の蓄冷器１４と熱結合された蓄
冷ガス封入管１８に封入されたヘリウムガスに蓄
冷される。つぎに第２の膨脹室１２に流入する動
作ガスは、蓄冷ガス封入管１８内の封入ヘリウム
ガスの寒冷と熱交換し冷却されるようになり、従
来のものに比べ、より極低温への到達が可能とな
り、冷凍機の極低温動作域におけるCOPの改善
が達成される。

ここで、冷媒ガス封入管１８へのヘリウムガス
の封入量の調節制御が重要な問題である。まず、
冷凍機の室温から定常冷却温度に至るクール・ダ
ウンの過程で封入ヘリウムガスの体積が減少する
ので補給が必要である。もしも、定常運転時に必
要なヘリウムガス量を室温で封入すれば数百気圧
の加圧ヘリウムとなり、技術的に困難を極める。
また、第３図にヘリウムガスの低温における比熱
特性を圧力パラメータとして示したように、比熱
の極大値は封入圧力により変わる。このことは、
冷凍機の定常運転時の動作温度が決められると
き、蓄冷ガス封入管１８のヘリウムガス封入圧力
を最適値に調節設定することにより、冷凍機の高
効率運転が可能となることがわかる。

この発明によれば、蓄冷ガス封入管１８のヘリ
ウムガス封入量は、蓄冷ガス封入管１８部の温度
変化を生じても調節弁機構２０により、所定の圧
力に保持でき、しかも定常冷却状態において、冷
凍機の運転が最適状態で行なえるよう、蓄冷ガス
封入管１８のヘリウムガス封入圧力を任意に調節
設定できるようになつている。

第４図は、この発明の他の実施例であり、第２
の蓄冷器１４を収容した第３のシリンダ１３の壁
外面に冷媒ガス封入管１８を設けた構成になつて
いる。この場合、冷媒ガス封入管１８内のヘリウ
ムガスと、蓄冷器１４内を通過する動作ガスと熱
交換効率を高めるための配慮が必要であり、第３
のシリンダ１３内壁および冷媒ガス封入管１８内
側の一方または双方に伝熱フイン２１などの拡大
伝熱面を設けることも一案である。このように冷
媒ガス封入管１８を冷凍機動作ガスのシリンダ管
外に設けることにより、冷媒ガス封入管１８を第
３のシリンダ１３壁を貫通させることがないの
で、工作が容易となり、また、耐真空性の信頼性
を向上する効果がある。

第５図は、他のもう一つの実施例であり、冷媒
導入管１９を、第１のシリンダ１外壁に当接して
設けた熱交換器２２を介して接続した構成になる
ものである。この場合、蓄冷ガス封入管１８内へ
供給されるヘリウムガスは流入過程で低温に冷却
されるので、蓄冷ガス封入管１８部での冷凍負荷
が軽減でき、また、蓄冷ガス封入管１８内のヘリ
ウムガスを系外に放出する場合、封入ガス自身の
寒冷を冷凍機に回収できるので、冷凍システム効
率を高める効果がある。

なお、以上の実施例はＧ−Ｍ冷凍機について説
明したが、スターリングサイクル冷凍機等の蓄冷
器を用いた他のヘリウム冷凍機に広く適用できる
ことはいうまでもない。

この発明は、以上説明したように蓄冷器を用い
たヘリウム冷凍機の最終段蓄冷器部に金属細管等
で構成された蓄冷ガス封入管を並列に設け、調節
弁機構を介して蓄冷ガス封入管内にヘリウムガス
も充填し任意の一定圧力に調節設定して保持でき
る構成にすることにより、この種の従来の冷凍機
に比べ到達最低温度域が拡大し、また、極低温域
での冷凍運転において簡単なバルブの調節制御の
みで、合理的かつ安定に冷凍能力制御が行なえる
など、その効果が大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の装置の縦断面図、第２図はこの
発明の一実施例の縦断面図、第３図はヘリウムガ
スの低温における比熱特性曲線図、第４図はこの
発明の他の実施例の要部断面図、第５図は同じく
他のもう一つの実施例の要部模式図である。 １……第１のシリンダ、２……第１のデイスプ
レーサ、４……第１のピストンロツド、６……第
１の蓄冷器、７……第１の膨脹室、８……第２の
シリンダ、９……第２のデイスプレーサ、１０…
…第２のピストンロツド、１２……第２の膨脹
室、１３……第３のシリンダ、１４……第２の蓄
冷器、１５……連通管、１６……高圧締切弁、１
７……低圧締切弁、１８……蓄冷ガス封入管、１
９……冷媒ガス導入管、２０……調節弁機構、２
１……伝熱フイン、２２……熱交換器。なお、図
中、同一符号はそれぞれ同一または相当部分を示
す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 複数段の蓄冷器を備えたヘリウム冷凍機にお
   いて、最終段の前記蓄冷器部に設けられ細管を多
   重に形成して一定量のヘリウムガスが封入される
   蓄冷ガス封入管と、この蓄冷ガス封入管に一端が
   接続された冷媒ガス導入管と、この冷媒ガス導入
   管の他端に接続され前記蓄冷ガス封入管の内圧を
   所定に保持する調節弁機構を備えてなることを特
   徴とするヘリウム冷凍機。 ２ 蓄冷ガス封入管が蓄冷器中に配設され、冷媒
   ガス導入管が前記蓄冷器の容器壁に貫通して前記
   蓄冷ガス封入管に接続された特許請求の範囲第１
   項記載のヘリウム冷凍機。 ３ 蓄冷ガス封入管が蓄冷器の容器壁外面に配設
   された特許請求の範囲第１項記載のヘリウム冷凍
   機。 ４ 容器内壁および蓄冷ガス封入管内側の少くと
   も一方に設けられた伝熱フインを備えた特許請求
   の範囲第３項記載のヘリウム冷凍機。 ５ 冷媒ガス導入管が前段蓄冷器の外壁に当接し
   て配設された熱交換器を介して蓄冷ガス封入管に
   接続された特許請求の範囲第１項記載のヘリウム
   冷凍機。