JPH0452467A

JPH0452467A - 極低温冷凍機

Info

Publication number: JPH0452467A
Application number: JP16223490A
Authority: JP
Inventors: Toru Kuriyama; 透栗山; Hideki Nakagome; 秀樹中込
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1990-06-20
Filing date: 1990-06-20
Publication date: 1992-02-20
Anticipated expiration: 2013-03-09
Also published as: JP2723342B2

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、極低温冷凍機に係り、特にジュル・トムソン
冷凍ループと予冷用の蓄冷式冷凍機とを組合せた極低温
冷凍機に関する。

（従来の技術）極低温冷凍機には種々のタイプがある。これらの中にジ
ュール・トムソン冷凍ループと蓄冷式冷凍機とを組合せ
たものがある。このタイプの冷凍機は、圧縮したガスを
蓄冷式冷凍機で予冷した後に、ジュール・トムソン膨脹
させることによって寒冷を発生させる構成になっている
。

ところで、ジュール・トムソン冷凍ループと蓄冷式冷凍
機とを組合せた極低温冷凍機では、蓄冷式冷凍機として
、通常ギフォード・マクマホン冷凍機（以下、ＧＭ冷凍
機と略称する。）を用い、このＧＭ冷凍機でジュール・
トムソン冷凍ループの最終段熱交換器の高圧側入口ガス
を冷却するようにしている。そして、ＧＭ冷凍機では、
蓄冷材として一般に鉛が用いられている。

しかしながら、上記のようにジュール・トムソン冷凍ル
ープと蓄冷材に鉛を用いたＧＭ冷凍機とを組合せた極低
温冷凍機にあっては次のような問題があった。すなわち
、鉛は低温で比熱の大きい材料であるが、温度の低下と
ともに比熱が急激に減少し、約１５に程度以下では、冷
媒との熱交換を行なうのに十分な熱容量を持たなくなる
。このため、ジュール・トムソン冷凍ループの最終段熱
交換器の高圧側入口ガス温度を１５に以下に冷却するこ
とが困難であった。したかって、ジュールトムソン弁で
膨脹させて得られる寒冷量を大きくするには、ジュール
・トムソン冷凍ループの高圧側圧力を上げる必要がある
。このようにジュール・トムソン冷凍ループの高圧側圧
力を上げることは、圧縮機の入力増加を招き、結局、効
率が悪いという問題があった。

（発明が解決しようとする課題）上述の如く、ジュール・トムソン冷凍ループと鉛を蓄冷
材に用いた予冷用の蓄冷式冷凍機とを組合せた従来の極
低温冷凍機では、ジュール・トムソン冷凍ループの最終
段熱交換器の高圧側入力ガスを約１５に程度にしか冷却
することができず、これが原因してジュール・トムソン
弁での膨脹によって得られる寒冷発生量を増やすにはジ
ュールトムソン冷凍ループの高圧側圧力を高くする必要
がある。このため、圧縮機の入力増加を招き、効率が悪
いという問題があった。

そこで本発明は、ジュール・トムソン冷凍ループと蓄冷
式冷凍機とを組合せたものにおいて、特に、４．２Ｋに
おける冷凍量を効率よく増加させることができる極低温
冷凍機を提供することを目的としている。

［発明の構成コ（課題を解決するための手段）上記の目的を達成するために、本発明は、圧縮したヘリ
ウムガスを蓄冷式冷凍機で予冷した後にジュール争トム
ソン膨脹させることによって寒冷を発生させるようにし
た極低温冷凍機において、蓄冷材としてＥｒ３Ｎｉ、Ｄ
ｙ、Ｅｒ５　Ｎｉ２゜ＧｄＲｈの中から選ばれた少なく
とも一種の磁性材を前記蓄冷式冷凍機に装填したことを
特徴とする。

（作用）磁性材であるＥｒ３　Ｎｉ、Ｄｙ５　Ｅｒ５　Ｎｉ２、
ＧｄＲｈは、低温下、すなわちＩＯＫ以下において鉛よ
りはるかに大きい定積比熱を有している。したがって、
これら蓄冷材を装填した蓄冷式冷凍機でジュール争トム
ソン冷凍ループの最終段熱交換器における高圧側入力ガ
スを冷却すると、蓄冷材として鉛を使用した蓄冷式冷凍
機で冷却した場合に較べてはるかに低温に冷却できる。

この結果、ジュール・トムソン冷凍ループの高圧側圧力
を低くした状態で寒冷発生量を増加させることが可能と
なる。

（実施例）以下１図面を参照しながら実施例を説明する。

第１図には本発明の一実施例に係る極低温冷凍機が示さ
れている。

この極低温冷凍機は、大きく分けて、予冷用の蓄冷式冷
凍機、この例ではＧＭ冷凍機Ａと、このＧＭ冷凍機Ａに
よって予冷されるジュール・トムソン冷凍ループ（以下
、ＪＴ冷凍機と略称する。）Ｂとで構成されている。

ＧＭ冷凍機Ａは、大きく別けて、コールドヘッド１と、
冷媒ガス導排出系２とで構成されている。

コールドヘッド１は、第２図に示めされるように閉じら
れたシリンダ３と、このシリンダ３内に往復動自在に収
容されたピストン、すなわち断熱材で形成されたディス
プレーサ４と、このディスプレーサ４に往復動に必要な
動力を与えるモータ５とで構成されている。

シリンダ３は、大径の第１シリンダ６と、この第１シリ
ンダ６に同軸的に接続された小径の第２シリンダ７とで
構成されている。そして、第１シリンダ６と第２シリン
ダ７との境界壁部分で第１段冷却ステージ８が構成され
、また第２シリンダ７の先端壁部分で第１段冷却ステー
ジ６より低温の第２段冷却ステージ９が構成されている
。

ディスプレーサ４は、第１シリンダ６内を往復動する第
１デイスプレーサ１０と、第２シリンダ７内を往復動す
る第２デイスプレーサ１１とで構成されている。第１デ
イスプレーサ１０と第２デイスプレーサ１１とは、連結
機構１２によって軸方向に連結されている。第１デイス
プレーサ１０の内部には、軸方向に延びる流体通路１３
が形成されており、この流体通路１３には銅メツシユ等
で形成された蓄冷材１５か収容されている。同様に、第
２デイスプレーサ１１の内部にも軸方向に延びる流体通
路１４が形成されており、この流体通路１４には磁性材
であるＥｒ３ＮｉＤｙ５　Ｅｒ５　Ｎｉ２．ＧｄＲｈの中から選ばれた少
なくとも一種、たとえばＥｒ３Ｎｉの球で形成された蓄
冷材１６が収容されている。第１デイスプレーサ１０の
外周面と第１シリンダ６の内周面との間および第２デイ
スプレーサ１１の外周面と第２シリンダ７の内周面との
間には、それぞれシール装置１７．１８が装着されてい
る。

第１デイスプレーサ１０の図中上端は、連結ロッド２０
、スコッチョークあるいはクランク軸２１を介してモー
タ５の回転軸に連結されている。

したかって、モータ５が回転すると、この回転に同期し
てディスプレーサ４が図中実線矢印２２で示す方向に往
復動する。

第１シリンダ６の側壁上部には冷媒ガスの導入口２３と
排出口２４とが設けてあり、これら導入口２３と排出口
２４は冷媒ガス導排出系２に接続されている。冷媒ガス
導排出系２は、シリンダ３を経由するヘリウムガス循環
系を構成するもので、排出口２４を低圧弁２５、圧縮機
２６、高圧弁２７を介して導入口２３に接続したものと
なっている。すなわち、この冷媒ガス導排出系２は、低
圧のヘリウムガスを圧縮機２６で高圧に圧縮してシリン
ダ３内に送り込むものである。

ＪＴ冷凍機Ｂは、大きく別けて、ヘリウムガスを圧縮す
る圧縮機４０と、一端が圧縮機４０のガス吐出口４８に
接続され、他端が圧縮機４０のガス吸込口４９に接続さ
れたガス案内管５０と、このガス案内管５０に挿設され
たジュール・トムソン膨脹弁（以下、ＪＴ弁と略称する
。）４４と、このＪＴ弁４４と圧縮機４０との間のガス
案内管５０に設けられた第１．第２．第３の熱交換器４
１．４２．４３とで構成されている。第１の熱交換器４
１は圧縮機４０側に、第３の熱交換器４３はＪＴ弁４４
側に、そして第２の熱交換器４２は熱交換器４１と熱交
換器４３との間に配置されている。

第１の熱交換器４１と第２の熱交換器４２との間のガス
案内管５０で高圧側配管は、前述したＧＭ冷凍機Ａの第
１冷却ステージ８に熱的に接続されている。また、第２
の熱交換器４２と第３の熱交換器４３との間のガス案内
管５０で高圧側配管は、ＧＭ冷凍機Ａの第２冷却ステー
ジ９に熱的に接続されている。なお、この冷凍機は、第
１図中５１で示す線より下に位置する部分がクライオス
ッタト内に収容されている。

次に、上記のように構成された冷凍機の動作を説明する
。

ＧＭ冷凍機Ａにおいて、モータ５が回転を開始すると、
ディスプレーサ４が下死点と上死点との間を往復動する
。ディスプレーサ４が下死点にあるとき、高圧弁２７が
開いて高圧に圧縮されたヘリウムガス（約１８ａｔｍ）
がコールドヘッド１内に流入する。次に、ディスプレー
サ４が上死点へと移動すると、高圧のヘリウムガスは第
１デイスプレーサ１０に形成された流体通路１３．１段
膨脹室２８、および第２デイスプレーサ１１に形成され
た流体通路１４を通って、２段膨脹室２９へと流れる。

この流れに伴って、高圧のヘリウムガスは蓄冷材１５．
１６によって冷却される。

ここで、高圧弁２７が閉じ、低圧弁２５が開く。

その結果、１段膨脹室２８内および２段膨脹室２９内の
ヘリウムガスが低圧（約５ａｔｍ）に膨脹して寒冷を発
生し、この寒冷によって第１段冷却ステージ８および第
２段冷却ステージ９はそれぞれ４０に以下、１５に以下
に冷却される。ディスプレーサ４が再び下死点へ移動し
、これに伴い１段膨脹室２８内および２段膨脹室２９内
のヘリウムガスが排除される。膨脹したヘリウムガスは
流体通路１３．１４内を通る間に蓄冷材１５．１６を冷
却し、常温となって排出される。以下、上述したサイク
ルが繰返される。

一方、ＪＴ冷凍機Ｂの圧縮機４０を動作させると、高圧
に圧縮されたヘリウムガスが第１．第２゜第３の熱交換
器４１．４２．４３の高圧側を経由してＪＴ弁４４へと
流れる。この途中で第１段冷却ステージ８において冷却
され、また、第２段冷却ステージ９でさらに低温に冷却
される。そして、ＪＴ弁４４を介して低圧（約ｌａｔｍ
）に膨脂される。このとき、ジュール・トムソン効果に
よりヘリウムガスは、ｌａｔｍにおける飽和温度である
４、２に程度にまで冷却されて気液二相流となる。この
気液二相流で発生した寒冷により超電導マグネット、ヘ
リウムガス等の被冷却体４５が冷却される。被冷却体４
５を冷却したヘリウムガスは、第３．第２．第１の熱交
換器４３，４２．４１の低圧側を順次通過し、各熱交換
器４Ｂ、４２゜４１の高圧側を流れている高圧ヘリウム
ガスを冷却した後に圧縮機４０に流入して再び圧縮され
る。

上記のように構成された冷凍機の性能は、圧縮機４０の
ガス吐出口４８でのヘリウムガス圧力と第３の熱交換器
４３の高圧側へ流入するヘリウムガスの温度とに大きく
依存する。

第３図には第３の熱交換器４３の高圧側に流入するヘリ
ウムガスの圧力をパラメータとして、ヘリウムガス１ｇ
当たりの４．２Ｋにおける寒冷発生量と第３の熱交換器
４３の高圧側に流入するヘリウムガスの温度との関係を
計算で求めた結果か示されている。なお、ここでは第３
の熱交換器４３の熱交換効率を便宜上、９９％としてい
る。図中曲線ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆは、それぞれ圧力
１０．１２，１４，１６，１８．２０　（ａｔｍ）の場
合を示している。この図から判るように、第３の熱交換
器４３の高圧側に流入するヘリウムガスの温度が高い（
たとえば１８に以上）ときは、第３の熱交換器４３の高
圧側に流入するヘリウムガスの圧力が高いほど寒冷発生
量は多くなる。しかし、逆に第３の熱交換器４３の高圧
側に流入するヘリウムガスの温度が低い（たとえば９に
以下）ときには、第３の熱交換器４３の高圧側に流入す
るヘリウムガスの圧力が低いほど寒冷発生量が多くなる
。このことから判るように、第３の熱交換器４３の高圧
側に流入するヘリウムガスの温度が低ければ、第３の熱
交換器４３の高圧側に流入するヘリウムガスの圧力が低
くても、必要な寒冷発生量が得られ、圧縮機４００Å力
を減らすことができる。

この実施例に係る冷凍機ではＧＭ冷凍機Ａにおける第２
デイスプレーサ１１の流体通路１４に、鉛の代わりにＥ
ｒ、Ｎｉで形成された蓄冷材１６を収容している。Ｅｒ
３Ｎｉの定積比熱Ｃｖは、第４図に曲線ｇで示されるよ
うに、温度が約１５に以上の領域では鉛の定積比熱（曲
線ｈ）より若干小さいが、温度が約１５により低くなる
と逆に鉛の定積比熱より大きくなる。

したがって、蓄冷材１６としてＥｒ３Ｎｉを用いた場合
には、蓄冷材として鉛を用いた場合に較べて第２段冷却
ステージ９の温度をさらに低温にすることができ、この
結果、第３の熱交換器４３の高圧側に流入するヘリウム
ガスの温度をＩＯＫ以下にすることができる。

第５図には蓄冷材１６としてＥｒ、Ｎｉを用いたＧＭ冷
凍機（実線）と、同じく蓄冷材１６として鉛を用いたＧ
Ｍ冷凍機（破線）との冷凍能力曲線が示されている。横
軸は第２段冷却ステージ９の温度（Ｋ）を示し、縦軸は
冷凍能力（Ｗ）を示している。この図から判かるように
、Ｅｒ、Ｎｉて形成された蓄冷材１６を組み込んだ冷凍
機の方が、同じ温度で冷凍し得る能力が大きく、さらに
鉛で形成された蓄冷材を組み込んだ冷凍機より低い温度
まで冷凍能力を持っている。また、第３図に示したヘリ
ウムガス１ｇ当たりの４．２Ｋにおける寒冷発生量と第
３の熱交換器４３の高圧側に流入するヘリウムガスの温
度との関係から、ＥｒＮｉを蓄冷材１６に使用したＧＭ
冷凍機を用いた極低温冷凍機では、同一の冷凍量を得る
ために、従来より低い圧力と少ない流量の圧縮機２６を
ＪＴ冷凍機Ｂに使用できることになる。

本発明者等は、ＪＴ冷凍機と蓄冷材にＥｒ３Ｎｉを用いた蓄冷式冷凍機とを組合せた極低温冷
凍機と、ＪＴ冷凍機と蓄冷材として鉛を用いた蓄冷式冷
凍機とを組合せた極低温冷凍機との特性を実機によって
調べた。蓄冷式冷凍機の入力電力は共に３．３ｋＷで、
ＪＴ冷凍機については圧縮機が異なるのみで他は全て同
一構成である。

そして、４．２にで２Ｗの冷凍能力を発揮するのに必要
な高圧側のヘリウムガス圧力、流量、第２段冷却ステー
ジ９の温度および圧縮機４０の消費電力を測定した。

蓄冷材として鉛を用いた冷凍機では、４．２にで２Ｗの
冷凍能力を持つために、高圧側のヘリウムガス圧力が１
８ａｔｍ、流量か０．１７ｇ／　ｓ　ｅ　ｃであった。

また、圧縮機４０の入力電力は１．１ｋＷであった。こ
のときの第２段冷却ステージ９の温度は１５にであった
。すなわち、圧縮機２６．４０の合計消費電力は、４．
４（−３，３＋１．１）ｋＷてあった。

一方、蓄冷材としてＥｒ３Ｎｉを用いた冷凍機では、高
圧側のヘリウムガス圧力が１０ａｔｍ。

流量が０．１２ｇ／ｓｅｃであった。そのときの圧縮機
４０の入力電力は０．５ｋＷであった。また、このとき
の第２段冷却ステージ９の温度は８にであった。したが
って、Ｅｒ３Ｎｉの蓄冷材を用いた場合の圧縮機２６．
４０の合計消費電力は、３．８　（−３，３＋０．５）
ｋＷとなり、鉛の蓄冷材を用いた場合より、消費電力を
約１４％節約できることか判った。

なお、本発明は上述した実施例に限定されるものではな
い。実施例では蓄冷材としてＥｒ３Ｎｉを用いているが
、Ｄｙ、Ｅｒ５Ｎｉ２、ＧｄＲｈ等の磁性材料を用いて
も先の実施例と同様の効果が得られる。また、実施例で
は予冷用の蓄冷式冷凍機としてギフォード・マクマホン
サイクルを用いているがスターリングサイクル等の他の
蓄冷式冷凍機を使用してもよい。その他、本発明の要旨
を逸脱しない範囲で、種々変形して実施できる。

［発明の効果コ以上述べたように本発明によれば、特に４．２Ｋにおけ
る寒冷発生量を効率よく増加でき、エネルギ効率の高い
極低温冷凍機を得ることができる。

【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概略構
成を示す図、第２図は同極低温冷凍機に組込まれた蓄冷
式冷凍機の縦断面図、第３図はヘリウムガス１ｇ当たり
の４．２Ｋにおける寒冷発生量と第３の熱交換器の高圧
側に流入するへりラムガスの温度との関係を示す図、第
４図はＥｒ。Ｎｉの比熱を鉛と比較して示す図、第５図は蓄冷材とし
てＥｒ３Ｎｉを用いた極低温冷凍機の冷凍能力を蓄冷材
として鉛を用いた極低温冷凍機のそれとを比較して示す
図である。Ａ・・・ギフォード・マクマホン冷凍機、Ｂ・・・ジュ
ール・トムソン冷凍ループ、１・・・コールドヘッド、
２・・・冷媒ガス導排出系、３・・・シリンダ、４・・
・ディスプレーサ、５・・・モータ、６・・・第１シリ
ンダ、７・・・第２シリンダ、８・・・第１段冷却ステ
ージ、９・・・第２段冷却ステージ、１０・・・第１デ
イスプレーサ、１１・・・第２デイスプレーサ、１２・
・・連結機構、１３．１４・・・流体通路、１５．１６
・・・蓄冷材、１７゜１８・・・シール装置、１９・・
・環状溝、２０・・・連結ロッド、２１・・・クランク
軸、２３・・・導入口、２４・・・排出口、２５・・・
低圧弁、２６・・・圧縮機、２７・・・高圧弁、２８・
・・１段膨脹室、２９・・・２段膨脹室、４１．４２．
４３・・・熱交換器、４４・・・ジュール・トムソン膨
脹弁、４５・・・被冷却体、４８・・・ガス吐出口、４
９・・・ガス吸込口、５０・・・ガス案内管。第１　図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）圧縮したヘリウムガスを蓄冷式冷凍機で予冷した
後にジュール・トムソン膨脹させ寒冷を発生させるよう
にした極低温冷凍機において、前記蓄冷式冷凍機に装填
された蓄冷材は、磁性材であるＥｒ＿３Ｎｉ、Ｄｙ＿５
Ｅｒ＿５Ｎｉ＿２、ＧｄＲｈの中から選ばれた少なくと
も一種であることを特徴とする極低温冷凍機。
（２）前記蓄冷式冷凍機は、ギフォード・マクマホン冷
凍機であることを特徴とする請求項１に記載の極低温冷
凍機。