JPH0566476U - 極低温冷凍機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 絶対温度数Ｋ程度の極低温まで冷却するよう
な冷凍機の新規な構造に関し、蓄冷器を使用する極低温
冷凍機において、冷凍性能が高く、しかも製造工数が少
なく、メンテナンス期間を長くすることのできる極低温
冷凍機を提供することを目的とする。 【構成】 冷凍サイクル中に冷媒の寒冷を蓄える蓄冷器
を備えた極低温冷凍機において、前記蓄冷器の外側を覆
う外部容器を備え、前記外部容器は、前記冷媒による吸
熱部に近い部分は冷却温度領域での良熱伝導性を有し、
前記吸熱部から遠い部分は前記冷却温度領域よりも高い
温度領域での良熱伝導性を有し、前記吸熱部に近い部分
と遠い部分との間を結ぶ中間部分は不良熱伝導性を有す
るように、熱的機能が変化する傾斜機能材料で形成され
ている。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は、極低温冷凍機に関し、特に絶対温度１０〜２０°Ｋ程度の極低温ま で冷却するような冷凍機の新規な構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】

極低温冷凍機としては、ギフォード・マクマホン（ＧＭ）サイクル冷凍機や、 ソルベー冷凍機あるいはスターリング冷凍機などがあり、いずれも冷凍サイクル 内に蓄冷器を備えたディスプレーサを有している。

【０００３】 その冷凍サイクルは、圧縮機から送出された高圧の冷媒ガスを断熱膨張させる 吸熱工程の前後で冷媒ガスが蓄冷器を通過し、その際に蓄冷材との間で熱交換を 行う。冷媒ガスとしては、絶対温度１０〜２０°Ｋ付近でも液化しないヘリウム ガスなどが用いられる。

【０００４】 図２に、蓄冷器を備えた従来の技術によるＧＭサイクル冷凍機の構造を示す。 １０は圧縮機であり、冷媒のヘリウムガスを圧縮する。圧縮されたヘリウムガス はガスクーラ１１で冷却され、さらに油分離器１２で冷媒ガス中に混入したオイ ルミスト等を除去する。

【０００５】 油分離器１２を出たヘリウムガスは配管通路を開閉する吸気バルブ１３を介し て配管１４で蓄冷器を内蔵するコールドヘッド２０に導入される。コールドヘッ ド２０を出た冷媒のヘリウムガスは配管１５から配管通路を開閉する排気バルブ １６を通過してサージタンク１７を通過したのち常温常圧の冷媒ガスとなって圧 縮機１０の入り口に戻る。以上のサイクルを繰り返すことによりコールドヘッド ２０の先端部が冷却され極低温にいたる。

【０００６】 次に、コールドヘッド２０の構造についてさらに説明する。外側容器であるシ リンダ２１の内部に内側容器である蓄冷器を備えたディスプレーサ２２が配置さ れる。ディスプレーサ２２はその内部の空間に蓄冷材２３を充填している。

【０００７】 蓄冷材２３は熱容量が大きく、熱交換効率が高く、しかも熱伝導率が大きい材 料と構造を持ち、その上に内部を冷媒ガスが通過できるようにすることが必要で ある。このため、銅合金のメッシュを積層したり、あるいは均一な粒径の鉛粒が 充填される。２４と２５は冷媒ガスが蓄冷材２３を出入りするための通路である 。

【０００８】 ディスプレーサ２２は外側容器２１の内側を動力装置（図示せず）によって上 下に駆動され、上死点と下死点との間を往復直線運動するようにされる。図２は ディスプレーサ２２が上死点と下死点とのほぼ中間部に位置している様子を示し ている。

【０００９】 ディスプレーサ２２の上部外壁にはガスシール２７が取り付けてあり、冷凍を 発生する膨張室２８の冷媒ガスが流出入する時、ディスプレーサ２２と外側容器 ２１との隙間を通って移動しないように気密シールしている。

【００１０】 次に、ＧＭ冷凍サイクルについて説明する。最初ディスプレーサ２２が上死点 の位置で、排気バルブ１６を閉じた状態で、吸気バルブ１３を徐々に開けていく 。圧縮機１０で高圧になったヘリウム冷媒ガスが吸気バルブ１３と配管１４を通 って、コールドヘッド２０に導入される。

【００１１】 次にディスプレーサ２２を上死点から下死点に移動すると、冷媒ガスは通路２ ４を通って蓄冷材２３を通過する。その際、冷媒ガスは蓄冷材２３と熱交換し、 蓄冷材２３に熱を奪われ、通路２５を通って下部の膨張室２８に到る。

【００１２】 次に、ディスプレーサ２２が下死点にある状態で、吸気バルブ１３が閉じられ 、排気バルブ１６を徐々に開放してゆくと、高圧の冷媒ガスは圧縮機１０の入り 口側との圧力差によって一気に断熱膨張してその温度が低下し、膨張室２８の冷 媒ガスは吸熱してフランジ２９を介して周囲を冷却する。

【００１３】 さらに、ディスプレーサ２２を下死点から上死点に向かって下降させると、膨 張室２８の冷えた冷媒ガスは通路２５、蓄冷材２３、通路２４、配管１５、排気 バルブ１６、サージタンク１７、圧縮機１０へと流れる。その際、冷媒ガスは蓄 冷材２３と熱交換し、蓄冷材２３を冷却する。

【００１４】 以上の冷凍サイクルを繰り返して冷却が行われる。

【００１５】

【考案が解決しようとする課題】

図２で示したコールドヘッド２０のシリンダ２１は、高圧の冷媒ガスと接し、 しかも蓄冷器を備えたディスプレーサ２２の往復運動の際に慴動して摩擦熱によ り発熱して高温となる上部部分Ｈと、膨張室２８を囲み極低温の冷媒ガスと接す る下部部分Ｃと、上部部分Ｈと下部部分Ｃとの間の中間部Ｍを含む。

【００１６】 このような蓄冷器を使用する冷凍サイクル冷凍機のシリンダに要求される条件 としては以下のような項目がある。すなわち、 （１）極低温下でも充分な機械的強度を保つこと、 （２）極低温部分は通常真空中に配置されるが、シリンダ周囲の真空部へ、シリ ンダ内部の冷媒ガスを漏らさない気密性、 （３）高温となる上部部分Ｈの内面のガスシールを保つこと、 （４）極低温を発生する下部部分Ｃでは冷凍負荷から効率よく熱を吸収するため に高い熱伝導性を持たせること、 （５）上部高温部Ｈから下部低温部Ｃへの熱伝導による冷却損失の低減 などである。

【００１７】 従来のＧＭサイクル冷凍機においては、上記諸条件を充たすシリンダ２１とし てステンレス鋼のＳＵＳ３０４のむく材を一体切削加工して製造されていた。Ｓ ＵＳ３０４は、低温でも機械的強度にすぐれ、しかも熱伝導率が小さいので高温 部分Ｈから低温部分Ｃへの熱伝達を妨げて冷凍損失を少なくする効果があった。

【００１８】 また加工性が比較的よく、入手も容易であるので、一体切削加工、気密溶接、 ガスシール慴動部分の表面仕上げをよくする、シール材を適切に選択する等によ って気密性の問題を対策していた。

【００１９】 さらに、図２に示すように、シリンダ２１の肉厚を中間部Ｍだけ他の部分より 薄く削り、高温部Ｈから低温部Ｃへの熱伝導を悪くする工夫がされていた。また 、低温部Ｃでの吸熱効果を高めるために良熱伝導性の銅フランジ２９を填め込ん で熱伝導性を高めることも行われていた。

【００２０】 しかし、ＳＵＳ３０４材はもともと熱伝導率が低いために、中間部Ｍに使用す る材料としては好ましいが、高温部Ｈや低温部Ｃの材料としては熱伝導性の悪さ による以下のような問題がある。 （１）高温部Ｈのガスシール部分の慴動による摩擦熱が放熱しにくいため、高温 となり、ガスシール材が劣化し、寿命が短くなる。従ってガスシールの取り換え メンテナンスが頻繁に必要である。 （２）低温部Ｃの熱伝導が悪いために冷却効率が低くなる。 （３）中間部Ｍを薄肉化したり、低温部に銅フランジ２９を取り付けるために製 造工数とコストが増加する。

【００２１】 本発明の目的は、蓄冷器を使用する極低温冷凍機において、冷凍性能が高く、 しかも製造工数が少なく、メンテナンス期間を長くすることのできる極低温冷凍 機を提供することを目的とする。

【００２２】

【課題を解決するための手段】

本考案の極低温冷凍機は、冷凍サイクル中に冷媒の寒冷を蓄える蓄冷器を備え た極低温冷凍機において、前記蓄冷器の外側を覆う外部容器を備え、前記外部容 器は、前記冷媒による吸熱部に近い部分は冷却温度領域での良熱伝導性を有する 材料で形成され、前記吸熱部から遠い部分は前記冷却温度領域よりも高い温度領 域での良熱伝導性を有する材料で形成され、前記吸熱部に近い部分と遠い部分と の間を結ぶ中間部分は不良熱伝導性を有する材料で形成され、前記各材料が次第 に組成が変化する傾斜機能材料で接続されている。

【００２３】

【作用】

低温部は低温での熱伝導性がよく、低温部から離れたより高い放熱性を要求さ れる部分でも良熱伝導性を有し、中間部では熱伝導性が悪い。このため、低温部 では吸熱効率が向上し、低温部から離れた部分では放熱性がよく、しかも中間部 ではその両端部間の熱伝導を妨げる。

【００２４】

【実施例】

以下、図１を参照して本考案の極低温冷凍機の実施例について説明する。なお 、冷凍サイクルの圧縮機、ガスクーラ、油分離器、吸気バルブ、配管、排気バル ブ、サージタンク、動力装置等については図２のものと同様であるので、それら の説明と図示は本実施例においては省略する。

【００２５】 外側容器であるシリンダ１の内部に内側容器であるディスプレーサ２が配置さ れる。ディスプレーサ２はその内部の空間に蓄冷材３を充填している。蓄冷材３ は熱容量が大きく、熱交換効率が高く、しかも熱伝導率が高い材料と構造を持ち 、その上に内部を冷媒ガスが通過できるようにする為、銅合金のメッシュを積層 したり、あるいは均一な粒径の鉛粒が充填された構成を有する。４と５は冷媒ガ スが蓄冷材３を出入りするための通路である。

【００２６】 蓄冷器を有するディスプレーサ２はベークライト等で形成され、シリンダ１の 内側を上死点と下死点との間を往復直線運動する。図１はディスプレーサ２が上 死点と下死点とのほぼ中間部に位置している様子を示している。

【００２７】 ディスプレーサ２の上部外壁にはガスシール７が取り付けてあり、冷凍を発生 する膨張室８へ流出入する冷媒ガスが吸気バルブと排気バルブの開閉時にディス プレーサ２とシリンダ１との隙間を通って移動しないように気密シールしている 。

【００２８】 シリンダ１は傾斜機能材料を使用して作られている。傾斜機能材料については 、例えば「工業材料」第３６巻第１２号（１９８８年８月別冊）の第７２頁と第 ７３頁に記載されている。

【００２９】 傾斜機能材料は、従来一般に使用される均一材料や、異なる材料を貼り合わせ た複合材料とは異なり、物理的特性や性質あるいは機能などの異なる複数の素材 をその組成界面が明確に定まらない状態で濃度勾配を徐々になめらかに変化（傾 斜）させながら単一材として形成した材料であって、相異なる特性や機能を一つ の材料で実現することが可能である。

【００３０】 傾斜機能材料の製造法としては、化学蒸着法あるいは、傾斜組成制御焼結（成 分組成を変えて添加し、傾斜した濃度として焼結）、傾斜組成制御自己発熱法（ 素材間の化学反応による発熱を利用して合成する）などがあり、本実施例ではい ずれの方法で製造してもよい。

【００３１】 本実施例におけるシリンダ１において、ガスシールの慴動部の高温部Ｈには、 その温度域での高い熱伝導性を持ち、低温部Ｃは極低温下でも高熱伝導性を持た せ、高温部Ｈと低温部Ｃとの間をつなぐ中間部Ｍにはいずれの温度域でも熱伝導 率の低い特性を持たせている。

【００３２】 これらの熱的傾斜機能を持たせるため、いくつかの素材の組成がなだらかに移 行するような傾斜機能材料を一体に製造し、切削加工してシリンダ１が製造され る。

【００３３】 高温部Ｈと低温部Ｃの上下方向の長さは、ディスプレーサ２の行程長さ（スト ローク）をカバーする程度に選ばれる。なお、シリンダ１の高温部Ｈの内壁表面 は、ガスシール７に対する耐摩耗性も持たせるように表面仕上げをよくし、さら に表面硬さを上げる。

【００３４】 上記実施例の構造によれば、ガスシール７とシリンダ１との摩擦による発熱は 、高熱伝導率の高温部Ｈで速やかに放熱されて、ガスシール７の温度上昇を防止 し、さらにシールの当り面は耐摩耗性が大であるので、ガスシールの寿命を向上 する。

【００３５】 さらに、低温部Ｃは高熱伝導率により冷却効率が高まる。すなわち、少ない温 度差でも熱を吸収することができる。また、高温部Ｈと低温部Ｃとの間の温度差 は２００°Ｃ以上になるが、中間部Ｍは熱伝導率が低く、高温部Ｈから低温部Ｃ への熱の流入が低減され、冷凍効果を高める。

【００３６】 以上述べた、考案の実施例においてはコールドヘッドは１段構成のものを説明 したが、本考案は蓄冷器を２段あるいはそれ以上の段数を従属接続した多段構成 のコールドヘッドにおいても適用できる。

【００３７】 さらに、本考案は、ＧＭサイクル冷凍機のみならず、蓄冷器を使用する他の冷 凍機たとえば、ソルベー冷凍機あるいはスターリング冷凍機などにも適用できる ことはいうまでもない。

【００３８】 以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるもので はない。たとえば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自 明であろう。

【００３９】

【考案の効果】

以上説明したように、本考案によれば、蓄冷器を取り囲む外側容器に傾斜機能 材料を用いて、高温部、中間部、低温部をそれぞれ異なる特性を持たせることが できるので、冷凍効率が高く、しかも製造工数が少なく、さらにメンテナンス期 間を長くすることができる。

【００４０】 また、一体のむく材から切削加工できるので十分な精度と強度を得ることがで きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本考案の実施例による極低温冷凍機における
コールドヘッドの構造を示す断面図である。

【図２】 従来の技術によるＧＭサイクル冷凍機の構造
を示す断面図である。

【符号の説明】

１・・・・・シリンダ（外側容器） ２・・・・・ディスプレーサ（蓄冷器） ３・・・・・蓄冷材 ４，５・・・冷媒ガス通路 ７・・・・・ガスシール ８・・・・・膨張室

Claims (2)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 冷凍サイクル中に冷媒の寒冷を蓄える蓄
   冷器を備えた極低温冷凍機において、前記蓄冷器の外側
   を覆う外部容器を備え、前記外部容器は、前記冷媒によ
   る吸熱部に近い部分は冷却温度領域で良熱伝導性を有
   し、前記吸熱部から遠い部分は前記冷却温度領域よりも
   高い温度領域で良熱伝導性を有し、前記吸熱部に近い部
   分と遠い部分との間を結ぶ中間部分は不良熱伝導性を有
   するように熱伝導特性の傾斜機能を持たせた傾斜機能材
   料で形成されている極低温冷凍機。
2. 【請求項２】 前記蓄冷器は、前記外部容器の内側で往
   復直線運動をするように配置される内部容器と、該内部
   容器の内側に充填された蓄冷材と、前記往復直線運動の
   際に前記内部容器の外側と前記外部容器の内側との間で
   前記冷媒の気密を保つガスシール部材とを有し、前記往
   復直線運動の際に前記冷媒が前記蓄冷器を通過して前記
   蓄冷器との間で熱交換を行い、前記外部容器の前記吸熱
   部から遠い高い温度領域での良熱伝導性を有する部分は
   前記ガスシールが前記往復直線運動の際に摺動する範囲
   を含む請求項１記載の極低温冷凍機。