JPH0781754B2 - 冷凍機 - Google Patents

冷凍機

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JPH0781754B2
JPH0781754B2 JP2170787A JP17078790A JPH0781754B2 JP H0781754 B2 JPH0781754 B2 JP H0781754B2 JP 2170787 A JP2170787 A JP 2170787A JP 17078790 A JP17078790 A JP 17078790A JP H0781754 B2 JPH0781754 B2 JP H0781754B2
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JP
Japan
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piston
refrigerator
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heat
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JP2170787A
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英一 後藤
▲き▼全 耿
純平 湯山
Original Assignee
新技術事業団
耿 ▲こん▼全
日本真空技術株式会社
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Publication date
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B9/00Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • F25B9/14Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the cycle used, e.g. Stirling cycle
    • F25B9/145Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the cycle used, e.g. Stirling cycle pulse-tube cycle
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
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    • F25B2309/00Gas cycle refrigeration machines
    • F25B2309/14Compression machines, plants or systems characterised by the cycle used 
    • F25B2309/1426Pulse tubes with basic schematic including at the pulse tube warm end a so called warm end expander

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Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 半導体産業等で多用されているクライオポンプの冷却、
磁気共鳴画像診断装置(MRI)の熱シールドの冷却及び
冷却槽内のヘリウム蒸気の再液化、超伝導量子干渉素子
(SQUID)をはじめとするジョセフソン素子や赤外線セ
ンサーなど低温で動作させる必要のある素子の冷却、超
伝導素子を利用するコンピューターの冷却等の分野で利
用される冷凍機に関するものである。
発明が解決しようとする問題点 本発明が解決しようとする問題点の第一は、低温部にお
ける可動部品であるピストンやディスプレーサをなくし
て信頼性の向上及び小型化をはかることである。従来、
クライオポンプ等の冷却に多用されている二段式のギフ
ォード・マクマホン(G−M)冷凍機やスターリング冷
凍機では、低温部にしゅう動シールが用いられている。
低温ではゴム等の弾性体が硬化するため使用できず、シ
ールの外周とシリンダの内面を密着させるためには、高
い精度の加工が必要で高価にならざるを得ない。また、
低温では潤滑油やグリースが使用できないため、摩耗に
よるシールの交換の頻度も多くならざるを得ない。その
ため、膨張器を備えた冷凍機(クロードサイクル等)で
はシールは低温で行わず、長いピストンで室温部まで導
き、そこでシールをすることが行われる。しかしこの場
合、ピストン内の熱伝導による熱流入や、ピストンの上
下動によってピストンとシリンダとの温度分布に差が生
ずるための熱流入(シャトル損失)を少なくするために
ピストンを長くしなければならず小型化の障害となる。
低温部のディスプレーサやピストンをなくする試みとし
ては、パルス管冷凍機がある。この冷凍機は低温部に可
動部品を有しないが、到達温度を下げるためには低温に
おける蓄冷器の性能の劣化を克服する必要がある。これ
が、本発明が解決しようとする問題点の第二である。こ
の性能の劣化は蓄冷材の熱容量がヘリウムガスの熱容量
に比べて小さくなるために生ずるものである。最近で
は、低温で比熱の大きな磁性体を蓄冷材に用いてG−M
冷凍機やスターリング冷凍機で4K以下の温度を実現する
例も出現しているが、低温での蓄冷器の性能劣化は避け
がたい。
問題を解決するための手段とその作用 第1図に示す実施例に沿って、問題を解決するための本
発明による手段とその作用を説明する。圧縮機1で圧縮
された作業流体(ヘリウムガス)は、冷却器2で冷却さ
れた後、熱交換器3で冷たいガスと熱交換しながら冷却
され、入口弁4を通って圧力伝導管5内に流入する。圧
力伝導管5内で膨張し温度が下がったガスは、出口弁6
を通って吸熱器7で周囲から熱を奪い、熱交換器3で暖
かいガスを冷やしつつ自身の温度は上昇して圧縮機1へ
もどる。圧縮機1及び冷却器2は室温に設けられ、入口
弁4・出口弁6・吸熱器7は低温に設けられる。以上述
べた作業流体(ヘリウムガス)の循環サイクルは従来の
膨張器を有する冷凍機とほぼ同じである。
本発明の特徴は、低温部にピストンを有する膨張器が設
けられておらず、室温部までつながった圧力伝達管5内
で作業流体が膨張することである。膨張び伴う仕事は圧
力伝達管5内で低温部から室温部へ伝えられ、室温部に
設けられたピストン8で外部へ取り出される。圧力伝達
管5内の作業流体と管壁との熱の授受は、室温端から低
温端へと向かう正味の熱の流れを生ずるため、上記の熱
授受が小さくなるように圧力伝達管5内の管壁の熱容量
をできる限り小さくする等、管内の気体を断熱に保つた
めの手段を講ずるのが望ましい。
以上述べたプロセスでの仕事とエントロピーとの流れを
第2図に示す。作業流体の膨張に伴う仕事Wは、圧力伝
達管5内の気柱を通じて室温部のピストン8に伝えら
れ、外部に取り出される。一方、吸熱器7で外部から作
業流体に流入したエントロピーSは、熱交換器3を通過
して、圧縮機1と冷却器2で外部へ取り出される。なお
圧縮機1で等温圧縮が行われれば、すべてのエントロピ
ーSはここで回収され冷却器2は不要であり、断熱圧縮
が行われればすべてのエントロピーSは冷却器2で回収
される。現実には両者の中間であり、圧縮機1及び冷却
器2の双方でエントロピーSの回収が行われる。
本発明による冷凍機でのピストン8の昇降のタイミング
と入口弁4・出口弁6の開閉のタイミングは第3図に示
す通りである。すなわち、(a)圧縮(ピストン下降、
両弁とも閉)→(b)吸入(ピストン上昇、入口弁開、
出口弁閉)→(c)膨張(ピストン上昇、両弁とも閉)
→(d)排出(ピストン下降、入口弁閉、出口弁開)の
順で進行して→サイクルが終了する。図中11は弁を通じ
て出入りする作業流体を示し、12は常に圧力伝達管5内
に存在し、作業流体11とピストン8との間で圧力の伝達
を行う気柱である。
以上が原理的な構成とその作用の説明である。次に、実
施例について詳述する。第4図に示すように、ピストン
8をゴムもしくは高分子材料等でつくられた薄肉のベロ
ーズ9で仕切ることは有効である。こうすることによ
り、ピストン8側の気体と低温部へつながる圧力伝達管
5内の気体が隔離されるため、ピストン8のシールに潤
滑油やグリースを用いることができ、しかも、シールの
摩耗粉等が低温部に持ち込まれない。このような仕切
は、低温部にピストンがあると不可能であり、本発明の
長所である。
次に、第5図に示すように圧力伝達管5内に細管10を挿
入することは有効である。この管は、圧力伝達管5内の
レイノルズ数を減少させ乱流の発生を防止する。この
際、管内の気体の熱容量に比べて、管壁の熱容量が充分
小さくなるように管径・肉厚を選定して、管内の気体と
管壁との熱の授受を防止し室温端から低温端へ向かう熱
の流れの発生を防止する必要がある。なお、ここで円筒
型の細管を示したが、実効的流路径を減少させれば形状
は任意であり、多数の穴のあいた板を重ねたものや多孔
物質、或いは、繊維状物質の集合でもよい。この実効的
流路径を減少させるための圧力伝達管5内の構造は、管
内の温度の一様性を向上させ、熱拡散によるエントロピ
ー生成を小さくする働きも持っている。
第1図の実施例は一段の冷凍機であるが、第6図に示す
ように二段の冷凍機、もしくは、もっと多段の冷凍機に
することは有効である。特に、高温部では管壁の熱容量
が大きくなるため圧力伝達管5内の気体を断熱に保つこ
とが困難になり、室温端から低温端に向かう熱の流れを
生じやすい。多段にすれば、この熱の流れを途中で吸収
することが可能である。また、中間温度での冷凍を熱シ
ールドの冷却等に振り向けられることは当然である。
他の実施例 本発明による冷凍機では、ピストン8の昇降のタイミン
グと入口弁4・出口弁6の開閉のタイミングを変更する
ことにより、第3図に示した運転サイクルとは異なるサ
イクルが可能である。それを図7に示す。すなわち、
(a)圧縮(ピストン静止、入口弁開、出口弁閉)→
(b)吸入(ピストン上昇、入口弁開、出口弁閉)→
(c)膨張(ピストン静止、入口弁閉、出口弁開)→
(d)排出(ピストン下降、入口弁閉、出口弁開)の順
で進行して一サイクルが終了する。
第7図のサイクルの長所は、高温部の気体は膨張し温度
降下しつつ低温端に向かって移動し、低温部の気体は圧
縮され温度上昇しつつ室温端に向かって移動するため管
内の温度分布の変動が小さいこと、ピストン8のストロ
ークが小さくてすむことである。短所は、入口弁4・出
口弁6を開くとき弁の前後の圧力が等しくないこと及び
熱交換器3を通過する作業流体の量が多くなることであ
る。
一方、第3図のサイクルの長所は、入口弁4・出口弁6
を開くとき弁の前後の圧力が等しいこと及び熱交換器3
を通過する作業流体の量が少なくてすむことである。短
所は、ピストン8のストロークが長くなること及び圧力
伝達管5内の高温部の気体が圧縮されさらに温度上昇し
ながら低温端に向かって移動し、低温部の気体が膨張し
さらに温度降下しながら室温端に向かって移動するため
管内の温度分布の変動が大きくなり、周囲との断熱の面
で不利であることである。こられの条件を考え、2つの
運転サイクルを使い分けることができる。
第7図に示す運転サイクルは、オリフィスパルス管冷凍
機の動作に似ている。オリフィスパルス管冷凍機では、
パルス管内を低温端から室温端に向かって仕事が運ば
れ、気体がオリフィスを通過するとき仕事が熱にかわ
り、この熱が冷却水等で取りのぞかれる。本発明の冷凍
機では、運ばれた仕事は室温部に設けられたピストン8
で仕事のまま直接回収される。但し、パルス管冷凍機分
野でも、同様の方向で可動プラグ式パルス管冷凍機の試
みがなされている。したがって、本発明の冷凍機の特徴
は、作業流体であるヘリウムガスの熱容量を利用して低
温での蓄冷材の熱容量不足による蓄冷器の性能劣化を克
服することが可能な点にある。
発明の効果 本発明による冷凍機を膨張器を有する従来の冷凍機と比
較した場合、ピストンが低温部にないため低温における
しゅう動シールが不要であり、また、しゅう動シールを
室温部で行うために長いピストンにすることも不要で小
型化も可能である。
一方、従来のパルス管冷凍機と比較した場合、熱交換器
を使用し作業流体自身の熱容量を利用しているので、蓄
冷材の熱容量が作業流体の熱容量より小さくなったため
に生ずる蓄冷器の性能劣化の問題がない。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の基本的構成を示す図、第2図は本発明
による冷凍機内での仕事とエントロピーとの流れを示す
図、第3図は本発明による冷凍機の運転サイクルを示す
図、第4図はピストンと作業流体のベローズによる隔離
を示す図、第5図は圧力伝達管内への細管の挿入を示す
図、第6図は多段冷凍機を例示する図、第7図は他の運
転サイクルによる実施例を示す図である。 1……圧縮機、2……冷却器 3……熱交換器、4……入口弁 5……圧力伝達管、6……出口弁 7……吸熱器、8……ピストン 9……ベローズ、10……細管 11……作業流体、12……圧力伝達気柱
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 湯山 純平 神奈川県厚木市森の里2―28―2 審査官 上原 徹 (56)参考文献 特開 平1−114670(JP,A) 特開 昭61−243259(JP,A)

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】室温部に設置された圧縮機と入口・出口の
    2つの弁を有する膨張器とを熱交換器を介して連結した
    冷凍機において、膨張器のピストンを室温部に設け、低
    温部までの圧力振動の伝達を、室温部と低温部とを連結
    する管路中の気柱が担うことを特徴とする冷凍機。
  2. 【請求項2】膨張器のピストンをベローズ等で構成され
    た伸縮自在の隔壁で仕切って、低温部と室温部とを往復
    する気体がピストンと接触することがないようにしたこ
    とを特徴とする特許請求の範囲第1項記載の冷凍機。
  3. 【請求項3】室温部と低温部とを連結する管路中に、実
    効的流路径を減少させレイノルズ数を小さくして乱流の
    発生を防止する構造を有することを特徴とする特許請求
    の範囲第1項記載の冷凍機。
JP2170787A 1990-06-28 1990-06-28 冷凍機 Expired - Lifetime JPH0781754B2 (ja)

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JP2170787A JPH0781754B2 (ja) 1990-06-28 1990-06-28 冷凍機
US07/723,384 US5181383A (en) 1990-06-28 1991-06-28 Refrigerator

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JPH0460351A JPH0460351A (ja) 1992-02-26
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