JPH03105162A - 極低温冷凍機 - Google Patents

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，超電導マグネットの冷却やクライオポンプ用
等に広く用いられる極低温冷凍機の改良に関する。

（従来の技術） 絶対温度１０〜２０［　Ｋ　］程度の極低温まで冷凍を
行う小型の冷凍機としては．ギフオード・マクマホン（
以下ＧＭと略す）サイクル、逆スターリングサイクル、
ソルベイサイクルなどの原理を利用六 した冷凍機があり、半導体製造装置や磁気供鳴診ットの
冷却や、高真空ポンプであるクライオポンプ用として広
く使用されている。

一例として、ＧＭサイクルによる極低温冷凍機の基本的
構或を第、３図を用いて説明する。

圧縮機（１）の吐出側にはガスクーラー■，油分離器■
なとの機器が設けられ，吸気弁■を介してＧＭ式コール
ドヘッド■に配管０で接続される。ＧＭ式コールドヘッ
ド■は、シリンダ０，第１段蓄冷器■、第１段ガスシー
ル０、第２段蓄冷器（１０）、第２段ガスシール（ｌ１
）、蓄冷器駆動機構（ｌ２）から構成される。第１段蓄
冷器（８）は，第２段蓄冷器（ＩＯ）と直列に接続ピン
（１３）で接続されており、両者は蓄冷器駆動機構（ｉ
２）によりシリンダ０の上死点、下死点間を一定の周期
で同時に往復動する。

第１段，第２段とも蓄冷器■，　（１０）にはガスシー
ル０，　（１１）が設けられ，それぞれ蓄冷器（８）．
　（１０）とシリンダ０間のギャップの冷媒ヘリウムガ
スの流通を防いでおり、冷媒ヘリウムガスは蓄冷器■，
（ＬＯ）内におかれる蓄冷材（１４），　（１５）内を
流通する構造となっている。蓄冷材（１４），　（ｉｓ
）としては，第１段蓄冷器■では銅合金の金網を積層し
たものが、第２段蓄冷器（１０）には鉛の小球を充填し
たものが通常用いられる。ＧＭ式コールドヘッド■は圧
縮機■のガス吸入側の間には排気弁（ｌ６）や、サージ
タンク（１７）等が設けられ配管０で接続されている。

圧縮機（１）で昇圧昇温した冷媒はガスクーラー■で冷
却され、また冷媒中に混入している油ミスト等の不純物
を油分離器■で除去されて、吸気弁■からＧＭ式コール
ドヘッド■内へ流入する。冷媒としては、極低温でも液
化しないヘリウムガスが一般的に使われる。吸気弁（４
）、排気弁（１６）の開閉タイミングと蓄冷器（６），
　（１０）のシリンダω内における位置関係は第４図に
示すような関係にある。

すなわち蓄冷器■，　（１０）が下死点にある時に、吸
気弁（４）が開いてシリンダω上部空間に室温での高圧
のヘリウムガスが流入する。この時排気弁（１６）は閉
じたままである．吸気弁■が開いたまま蓄冷器■，　（
ｉｏ）が上死点へ移動し、冷媒ヘリウムガスは寒冷を蓄
えた第工段蓄冷器■の蓄冷材（■４）と熱交換して冷却
されながら第１段膨張室（ｌ８）へ流入し、次に第２段
蓄冷器（１０）の蓄冷材（ｌ５）と熱交換してさらに低
温に冷却されて第２段膨張室（１９）へと流入する。蓄
冷器（８），　（１０）が上死点へ達すると同時に吸気
弁■が閉じ、排気弁（１６）が開く。すると排気弁（１
６）は低圧である圧縮機（１）の吸入側に接続されてい
るので、ヘリウムガスは断熱膨張して第１段および第２
段の膨張室（１８）．　（１９）に寒冷が生じる。そし
て蓄冷器（８），　（１０）が下死点に到達するまで排
気弁（１６）は開いており、第２段膨張室（１９）の冷
えたヘリウムガスは第２段蓄冷器（１０）の蓄冷材（ｌ
５）と熱交換して寒冷を蓄冷材（ｌ５）に蓄え、冷媒は
温度上昇して第１段膨張室（ｌ８）に流入する。

同じように第１段蓄冷器（８）の蓄冷材（１４）とヘリ
ウムガスは熱交換して、室温まで温度上昇し、排気弁（
１６）を通ってＧＭ式コールドヘッド■外へ流出し、圧
縮機（１）の吸入側へ戻ってゆく。以上のサイクルを繰
り返して第ｌ段および第２段の膨張室（１８），　（１
９）が極低温に冷却される。第１段膨張室（１８）はお
よそ８０［Ｋ］の液体窒素温度レベルの冷却を行い，第
２段膨張室（１９）は２０［Ｋ］以下の冷却を行うのが
、クライオポンプや超電導マグネットの冷却に用いられ
る場合の通常の極低温冷凍機の使用法である． ＧＭサイクル、逆スターリングサイクルやソルベイサイ
クルなどの冷凍サイクルは総称して蓄冷式サイクル（Ｒ
ｅｇｅｎｅｒａｔｉｖｅ　Ｃｙｃｌｅｓ）と呼ばれるこ
とから明らかなように，冷媒の冷熱を蓄冷する蓄冷器が
非常に重要な役割を果している。蓄冷器に充填される蓄
冷材としては次の３つの性質が必要である。すなわち、
（ａ）使用される温度レベルにおいて，単位体積あたり
の熱容量が高いこと。

（ｂ）冷媒ガスとの熱交換効率が高く、かつガスの通風
抵抗が小さいこと。（ｃ）蓄冷材の両端には大きな温度
差がつくので熱伝導率が小さいこと。

（ａ）は、蓄冷器が蓄熱式の熱交換器として作用するの
で、冷媒ガスよりもはるかに大きな熱容量を持つことが
必要なためである。通常の金属材料は一般に温度ととも
に比熱が小さくなるために、使用温度レベルで大きな比
熱を有する材料を用いなければならない。そこで一般的
には第ｌ段に銅または黄銅，リン青銅などの銅合金がよ
く用いられる。第２段は極低温領域で用いられるために
、室温では銅合金よりも比熱の小さい鉛が用いられる。

また近年、極低温領域で釦よりもさらに比熱の大きい希
土類金属が開発され、このような材料も用いられつつあ
る。

（ｂ）は，お互いに相反する条件であるが、蓄冷式の熱
交換器において常に考慮されなければならない条件であ
る。蓄冷材の材質による製作上の容易さなどから，第１
段では金網状の蓄冷材を多量に積層する構造がとられ、
第２段は小球状の蓄冷材を充填する構造をとるのが一般
的である。そして、このような構造とすることで（ｃ）
項の見かけ上の低熱伝導率化をはかっており、極低温部
へ侵入する熱を低減し，冷凍能力の向上をはかっている
。

第２段蓄冷器の構造について，第５図を用いてより詳細
に説明する９円筒状の蓄冷器（１０）の容器の一端にガ
ス流通用の孔（２０）が設けられている．反対側の端部
にはやはりガス流通用の孔（２１）が設けられており、
蓄冷器内部には釦の小球（２２）が密に充填されている
。小球（２２）の直径はおよそ０，１〜０．２ｍｍ位の
、均一な粒径の鉛が用いられる。そしてガス流通孔（２
０），　（２１）から小球（２２）が外部へもれ出さな
いように、小球（２２）の直径よりも細かな金網（２３
）　（たとえば２００メッシュの銅合金製の金網）が両
端部に配置されている。

（以上参考文献：　Ｇ．Ｗａｌｋｅｒ著“Ｃｒｙｏｃｏ
ｏｌｅｒｓ”，Ｐｌｅｎｕｍ　Ｐｒｅｓｓ　（１９８３
）など）（発明が解決しようとする課題） このような蓄冷器の製作にあたっては、第５図に示した
蓄冷器（１０）の一端部をフタ（２４）にして、まず金
網（２３）を落し込み、続いて鉛の小球（２２）を流し
込んで充填して、さらに金網（２３）を敷いてからフタ
（２４）を蓄冷器（１０）に接着するなどして組み立て
るのが一般的である．蓄冷材である金属の小球をつくる
方法としては、溶かした金属を油中に落として沈降させ
つつ凝固させる方法などがあるが、鉛のように融点の低
い金属の場合は比較的真球に近い粒が容易に製造できる
。この粒をふるいにかけて均一な粒径の小球を集めて蓄
冷材とするわけである，しかし、Ｏ．ｌｍｍ位の小球に
おいては、ふるいにかけてよりわけるといっても非常に
細かいメッシュのふるいを何段階にもわけて用いなけれ
ばならず、製造に関する手間が大変であるとか、歩留ま
りが悪いなどのコスト的制限から必ずしも均一な粒径の
小題を入手することが難しい。例えば０．１ｍｍ”０．
２ａ＋ｗといった範囲の鉛粒を蓄冷材として使用するこ
とになる。

ところで、先の極低温冷凍機の作用を説明するときに述
べたように、冷凍機の運転中、蓄冷器はシリンダ内を上
下に移動し、かつ高圧、低圧の圧力差によってヘリウム
ガスが蓄冷材内を双方向に流通するために、蓄冷材は激
しく揺さぶられることになる。もしも蓄冷材が完全な真
球で，かつ直径がまったく同一であり、蓄冷器の中に最
密充填されているならば、どんなに激しくガスが流通し
、蓄冷器が揺さぶられたとしても蓄冷材は強固に固定さ
れているのでなんら問題は生じない。しかし現実にはさ
きに述べたように、完全に球径の一様な蓄冷材をつくる
のは不可能であり、長時間揺さぶられている間には、大
きい粒の間に小さい粒が入り込むなどして，しだいに蓄
冷器内部に空間が生じてゆき，そうなるとさらに加速的
に蓄冷材が揺さぶられるようになってしまう。その結果
、粒子間の摩擦発熱による損失で冷凍能力が著しく減少
してしまうという問題がある。また、長期間揺さぶられ
るうちに流出防止用の金網には損傷を加えて蓄冷器外に
蓄冷材が流出する事故が生じる虞れがある。この場合は
、蓄冷器とシリンダの間に異物が混入することになるの
で、かじりによる蓄冷器駆動機構の損傷など、極低温冷
棟機の致命的損傷を引き起こしてしまう。また、鉛は柔
らかい金属なので激しく揺さぶられて衝突を繰り返して
いるうちに蓄冷器内部に互いにくっついて固まってしま
い、ガスの流通を阻害し、かつ見かけ上の熱伝導率が著
しく増大することによって蓄冷材としての機能を果たさ
なくなる事故も生じる可能性がある． 最近鉛にかわる高性能蓄冷材として希土類金属を蓄冷材
に用いる試みがなされている。この材料を蓄冷材として
用いた場合でも、一般に希土類の金属間化合物は硬く、
真球の製作が難しいために鉛の場合とほぼ同様に上記の
問題が生じてしまう。

これらの点に鑑み、本発明の極低温冷凍機は、蓄冷材の
粒径が多少不均一であったとしても長期間にわたって安
定に蓄冷材を保持することができる蓄冷器を備えた長期
にわたって高い冷凍能力を維持することができ、信頼性
の優れた極低温冷凍機を提供することを目的とする。

〔発明の構或〕

（課題を解決するための手段） 上記目的を達成するために，本発明の極低温冷凍機は、
蓄冷材を保持するバネ機構を有する蓄冷器を備えたこと
を特徴とした構成とする。

（作用） 本発明の極低温冷凍機においては、蓄冷器内の蓄冷材の
粒径が多少不均一あるいは真球でないために長期間揺さ
ぶられているうちに充填容積が減少したとしても、バネ
機構によって蓄冷材は押さえつけられ、安定に保持され
るために、蓄冷材粒子同士のこすれあいによる摩擦熱の
発生などが生じず．高い冷凍能力を維持することができ
る。

また、バネ機構で安定に保持されることによって、蓄冷
材が蓄冷器外部に流出するとか、蓄冷材の小球どうしが
互いにくっついて固まってしまう等の事故を防ぐことが
でき、長期信頼性の高い冷凍機を提供することができる
。

（実施例） 第１図は本発明の一実施例を示す。蓄冷器（１０）の容
器の高温端側にはガス流通孔（２０）をもつフタ（２４
）があり、その内側に蓄冷材である小球（２２）が密に
密に充填されている。フタ（２４）と蓄冷材（２２）の
間には蓄冷材流出防止用の金網（２３）と多孔質材の押
え板（２５）を介して皿バネ（２６）が配設されている
。蓄冷材（２２）は皿バネ（２６）の弾性力によって蓄
冷器（１０）の低温端側に押しつけられる．蓄冷器（ｌ
Ｏ）の低温端側には蓄冷材流出防止用の金網（２３）と
、ガス流通孔（２１）が設けられており、これは従来装
置と同様の構造である。

次に本実施例の作用について述べる。

冷凍機の運転中、蓄冷器（１０）はシリンダ内を上下に
移動し、かつ高圧、低圧の圧力差によってヘリウムガス
が蓄冷材（２２）を双方向に流通するために、蓄冷材（
２２）は激しく揺さぶられる。不可避的な蓄冷材（２２
）粒径の不均一によって、長時間揺さぶられている間に
は、大きい粒の間に小さい粒が入り込むなどして、しだ
いに蓄冷材（２２）の充填容積が減少してゆく。しかし
、皿バネ（２６）の弾性力と押え板（２５）　．金網（
２３）によって蓄冷材（２２）は常に低温端側におさえ
つけられているので、蓄冷器（１０）の振動やヘリウム
ガスの激しい流出にもかかわらず蓄冷材（２２）は安定
に保持される。

このように、蓄冷材（２２）が激しく揺さぶられても，
本実施例によれば安定に蓄冷材（２２）が保持される構
造となっているので、蓄冷材（２２）粒子間の摩擦発熱
にともなう冷凍能力の低下や、蓄冷材（２２）の蓄冷器
（１０）外流出による損傷、蓄冷材（２２）が相互にく
っついて固化するなどの不具合を回避することができる
。

第２図に本発明の他の実施例を示す。バネ機構として皿
バネのかわりに渦巻バネ（２７〉を用いている。この場
合も上記実施例と、同様の作用、効果を得ることができ
る．バネ機構としては以上のほかにもコイルバネや、板
バネなどを用いることも可能である。

〔発明の効果〕

以上述べたように本発明に係る極低温冷凍機においては
、蓄冷材粒径の不可避的な不均一性，あるいは完全な球
状でないために生じる蓄冷材の充填容積減少に対して、
バネ機構によって蓄冷材は蓄冷器内に安定に保持され、
長期にわたって高い冷凍能力を維持することができ、信
頼性の優れた極低温冷凍機を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係る極低温冷凍機の蓄冷器
の構或を示す図、第２図は本発明の他の実施例の極低温
冷凍機の蓄冷器構戊を示す図，第３図はＧＭサイクルに
よる極低温冷凍機の構或図、第４図は第３図に示す装置
の作用を示す図、第５図は従来装置の蓄冷器の構或図で
ある。 １・・・圧縮機　　　　　　２・・・ガスクーラー３・
・・油分離器　　　　　４・・・吸気弁５・・・ＧＭ式
コールドヘッド

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 極低温を達成する手段として蓄冷材を充填した蓄冷器を
   備えた極低温冷凍機において、前記蓄冷器は内部に充填
   される蓄冷材を安定保持するバネ機構を有することを特
   徴とする極低温冷凍機。