JPH08313094A - 蓄冷式冷凍機 - Google Patents
蓄冷式冷凍機Info
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- JPH08313094A JPH08313094A JP11749795A JP11749795A JPH08313094A JP H08313094 A JPH08313094 A JP H08313094A JP 11749795 A JP11749795 A JP 11749795A JP 11749795 A JP11749795 A JP 11749795A JP H08313094 A JPH08313094 A JP H08313094A
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Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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- F25B9/14—Compression 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
- F25B9/145—Compression 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
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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- F25B2309/14—Compression machines, plants or systems characterised by the cycle used
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-
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-
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- F25B2309/1418—Pulse-tube cycles with valves in gas supply and return lines
-
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- F25B2309/14241—Pulse tubes with basic schematic including an orifice reservoir multiple inlet pulse tube
-
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- F25B9/10—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point with several cooling stages
-
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- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25D—REFRIGERATORS; COLD ROOMS; ICE-BOXES; COOLING OR FREEZING APPARATUS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F25D19/00—Arrangement or mounting of refrigeration units with respect to devices or objects to be refrigerated, e.g. infrared detectors
- F25D19/006—Thermal coupling structure or interface
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Abstract
(57)【要約】
【目的】最終段に位置する冷却部の冷凍能力を向上でき
る蓄冷式冷凍機を提供する。 【構成】蓄冷器を複数段備えて複数段膨張方式を採用す
る蓄冷式冷凍機において、最低温度を発生させる最終段
冷却部５２がパルスチューブ冷凍機を構成しており、パ
ルスチューブ冷凍機におけるパルスチューブ６７の高温
端が実質的に常温部まで延びている。
る蓄冷式冷凍機を提供する。 【構成】蓄冷器を複数段備えて複数段膨張方式を採用す
る蓄冷式冷凍機において、最低温度を発生させる最終段
冷却部５２がパルスチューブ冷凍機を構成しており、パ
ルスチューブ冷凍機におけるパルスチューブ６７の高温
端が実質的に常温部まで延びている。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、蓄冷器を複数段備えて
複数段膨張方式を採用する蓄冷式冷凍機に関する。
複数段膨張方式を採用する蓄冷式冷凍機に関する。
【０００２】
【従来の技術】周知のように、現在実用化されている超
電導磁石装置の多くは、断熱容器内に超電導コイルと液
体ヘリウムで代表される極低温冷媒とを一緒に収容する
浸漬冷却方式を採用するとともに断熱容器の断熱層中に
設けられたサーマルシールドを極低温冷凍機で冷却する
方式を採用している。また、最近では断熱容器内に収容
された超電導コイルを極低温冷凍機で直接的に冷却する
冷凍機直冷方式の超電導磁石装置も実用化されつつあ
る。このような超電導磁石装置では、小型で、しかも十
分に低い到達温度が得られるなどの理由から、極低温冷
凍機として蓄冷式冷凍機を用いているものが多い。
電導磁石装置の多くは、断熱容器内に超電導コイルと液
体ヘリウムで代表される極低温冷媒とを一緒に収容する
浸漬冷却方式を採用するとともに断熱容器の断熱層中に
設けられたサーマルシールドを極低温冷凍機で冷却する
方式を採用している。また、最近では断熱容器内に収容
された超電導コイルを極低温冷凍機で直接的に冷却する
冷凍機直冷方式の超電導磁石装置も実用化されつつあ
る。このような超電導磁石装置では、小型で、しかも十
分に低い到達温度が得られるなどの理由から、極低温冷
凍機として蓄冷式冷凍機を用いているものが多い。
【０００３】このような蓄冷式冷凍機は、通常、蓄冷器
を複数段備えて複数段膨張方式を採用するとともに冷却
系統全体への高圧ガスの導入および上記冷却系統全体か
らのガス排出を交互に行うガス制御系を常温部に備えて
いる。その代表的なものとしてギフォード・マクマホン
冷凍サイクルを採用した蓄冷式冷凍機を挙げることがで
きる。
を複数段備えて複数段膨張方式を採用するとともに冷却
系統全体への高圧ガスの導入および上記冷却系統全体か
らのガス排出を交互に行うガス制御系を常温部に備えて
いる。その代表的なものとしてギフォード・マクマホン
冷凍サイクルを採用した蓄冷式冷凍機を挙げることがで
きる。
【０００４】図４にはギフォード・マクマホン冷凍サイ
クルを採用した２段膨張式の蓄冷式冷凍機の概略構成が
示されている。この冷凍機は、たとえばヘリウムガスを
冷却するコールドヘッド１とガス制御系２とで構成され
ている。
クルを採用した２段膨張式の蓄冷式冷凍機の概略構成が
示されている。この冷凍機は、たとえばヘリウムガスを
冷却するコールドヘッド１とガス制御系２とで構成され
ている。
【０００５】コールドヘッド１では、閉じられたシリン
ダ１１内に断熱材で形成されたディスプレーサ１２が往
復動自在に収納されている。シリンダ１１は、大径の第
１シリンダ１４と、この第１シリンダ１４に同軸接続さ
れた小径の第２シリンダ１５とで構成されている。な
お、第１シリンダ１４および第２シリンダ１５は、通
常、薄いステンレス鋼板等で形成される。
ダ１１内に断熱材で形成されたディスプレーサ１２が往
復動自在に収納されている。シリンダ１１は、大径の第
１シリンダ１４と、この第１シリンダ１４に同軸接続さ
れた小径の第２シリンダ１５とで構成されている。な
お、第１シリンダ１４および第２シリンダ１５は、通
常、薄いステンレス鋼板等で形成される。
【０００６】第１および第２シリンダ１４，１５内に
は、第１段および第２段冷却ステージ１６，１７が設け
られている。すなわち、第１シリンダ１４のヘッド壁部
分に圧縮された冷媒ガスを膨張させて寒冷を発生する第
１段冷却ステージ１６が設けられ、また第２シリンダ１
５のヘッド壁部分に圧縮された冷媒ガスを膨張させて第
１段冷却ステージ１６よりも低温の寒冷を発生する第２
段冷却ステージ１７が設けられている。
は、第１段および第２段冷却ステージ１６，１７が設け
られている。すなわち、第１シリンダ１４のヘッド壁部
分に圧縮された冷媒ガスを膨張させて寒冷を発生する第
１段冷却ステージ１６が設けられ、また第２シリンダ１
５のヘッド壁部分に圧縮された冷媒ガスを膨張させて第
１段冷却ステージ１６よりも低温の寒冷を発生する第２
段冷却ステージ１７が設けられている。
【０００７】ディスプレーサ１２は、第１シリンダ１４
内を往復動する第１ディスプレーサ１８と、第２シリン
ダ１５内を往復動する第２ディスプレーサ１９とから構
成されている。第１ディスプレーサ１８と第２ディスプ
レーサ１９とは、連結機構２０によって軸方向に連結さ
れている。
内を往復動する第１ディスプレーサ１８と、第２シリン
ダ１５内を往復動する第２ディスプレーサ１９とから構
成されている。第１ディスプレーサ１８と第２ディスプ
レーサ１９とは、連結機構２０によって軸方向に連結さ
れている。
【０００８】第１ディスプレーサ１８の内部には第１段
の蓄冷器を構成するための流体通路２１が軸方向に形成
されており、この流体通路２１にはたとえば銅で作られ
たメッシュ構造の蓄冷材２２が収容されている。同様
に、第２ディスプレーサ１９の内部には第２段（最終
段）の蓄冷器を構成するための流体通路２３が形成され
ており、この流体通路２３にはたとえば鉛あるいはＥｒ
3 Ｎｉ等のような磁気相転移に伴う異常磁気比熱等を利
用した磁性蓄冷材からなる蓄冷材２４が収容されてい
る。
の蓄冷器を構成するための流体通路２１が軸方向に形成
されており、この流体通路２１にはたとえば銅で作られ
たメッシュ構造の蓄冷材２２が収容されている。同様
に、第２ディスプレーサ１９の内部には第２段（最終
段）の蓄冷器を構成するための流体通路２３が形成され
ており、この流体通路２３にはたとえば鉛あるいはＥｒ
3 Ｎｉ等のような磁気相転移に伴う異常磁気比熱等を利
用した磁性蓄冷材からなる蓄冷材２４が収容されてい
る。
【０００９】第１ディスプレーサ１８の外周面上部と第
１シリンダ１４の内周面との間および第２ディスプレー
サ１９の外周面と第２シリンダ１５の内周面との間に
は、それぞれシール装置２５，２６が装着されている。
１シリンダ１４の内周面との間および第２ディスプレー
サ１９の外周面と第２シリンダ１５の内周面との間に
は、それぞれシール装置２５，２６が装着されている。
【００１０】第１ディスプレーサ１８の上端は、連結ロ
ッド３１、スコッチヨークあるいはクランク軸３２等を
介してモータ１３の回転軸に連結されている。したがっ
て、モータ１３が回転すると、この回転に同期してディ
スプレーサ１２が図中実線矢印３３で示すように往復動
する。
ッド３１、スコッチヨークあるいはクランク軸３２等を
介してモータ１３の回転軸に連結されている。したがっ
て、モータ１３が回転すると、この回転に同期してディ
スプレーサ１２が図中実線矢印３３で示すように往復動
する。
【００１１】第１シリンダ１４の上部側壁にはヘリウム
ガスの導入口３４および排出口３５が設けてあり、これ
ら導入口３４および排出口３５は、ガス制御系２に接続
されている。
ガスの導入口３４および排出口３５が設けてあり、これ
ら導入口３４および排出口３５は、ガス制御系２に接続
されている。
【００１２】ガス制御系２は、排出口３５を低圧弁３
６，コンプレッサ３７，高圧弁３８を介して導入口３４
に接続している。低圧弁３６および高圧弁３８は、モー
タ１３の回転に同期して後述する関係に開閉制御され
る。このガス制御系２は、シリンダ１１を経由するヘリ
ウムガス循環系を構成している。すなわち、低圧（約８
ａｔｍ）のヘリウムガスをコンプレッサ３７で高圧（約
２０ａｔｍ）に圧縮してシリンダ１１内に送り込む動作
と、シリンダ１１内のヘリウムガスを排気する動作とを
交互に行うようにしている。なお、図中４１は、この冷
凍機が取付けられる断熱容器の外壁を示している。
６，コンプレッサ３７，高圧弁３８を介して導入口３４
に接続している。低圧弁３６および高圧弁３８は、モー
タ１３の回転に同期して後述する関係に開閉制御され
る。このガス制御系２は、シリンダ１１を経由するヘリ
ウムガス循環系を構成している。すなわち、低圧（約８
ａｔｍ）のヘリウムガスをコンプレッサ３７で高圧（約
２０ａｔｍ）に圧縮してシリンダ１１内に送り込む動作
と、シリンダ１１内のヘリウムガスを排気する動作とを
交互に行うようにしている。なお、図中４１は、この冷
凍機が取付けられる断熱容器の外壁を示している。
【００１３】このように構成された蓄冷式冷凍機の冷凍
動作を簡単に説明すると、以下の通りである。寒冷の発
生は第１段冷却ステージ１６および第２段冷却ステージ
１７で行われる。第１段冷却ステージ１６は、熱負荷の
ない理想状態では３０Ｋ程度まで冷却される。また、第
２段冷却ステージ１７は、蓄冷材２４として鉛を用いた
場合には８Ｋ程度まで、Ｅｒ3 Ｎｉ等のような磁性蓄冷
材を用いた場合には４Ｋ程度まで冷却される。したがっ
て、第１ディスプレーサ１８の上下端間には常温（３０
０Ｋ）から３０Ｋまでの温度勾配が生じ、また第２ディ
スプレーサ１９の上下端間には３０Ｋから８Ｋ（４Ｋ）
までの温度勾配が生じる。勿論、第１および第２段冷却
ステージ１６，１７の温度は熱負荷によって変化する。
動作を簡単に説明すると、以下の通りである。寒冷の発
生は第１段冷却ステージ１６および第２段冷却ステージ
１７で行われる。第１段冷却ステージ１６は、熱負荷の
ない理想状態では３０Ｋ程度まで冷却される。また、第
２段冷却ステージ１７は、蓄冷材２４として鉛を用いた
場合には８Ｋ程度まで、Ｅｒ3 Ｎｉ等のような磁性蓄冷
材を用いた場合には４Ｋ程度まで冷却される。したがっ
て、第１ディスプレーサ１８の上下端間には常温（３０
０Ｋ）から３０Ｋまでの温度勾配が生じ、また第２ディ
スプレーサ１９の上下端間には３０Ｋから８Ｋ（４Ｋ）
までの温度勾配が生じる。勿論、第１および第２段冷却
ステージ１６，１７の温度は熱負荷によって変化する。
【００１４】モータ１３が回転を開始すると、ディスプ
レーサ１２が下死点（図中最上点）と上死点（図中最下
点）との間を往復動する。ディスプレーサ１２が上死点
に達した時点で高圧弁３８が開き、高圧ヘリウムガスが
コールドヘッド１内に流入し、次にディスプレーサ１２
が下死点へと移動する。
レーサ１２が下死点（図中最上点）と上死点（図中最下
点）との間を往復動する。ディスプレーサ１２が上死点
に達した時点で高圧弁３８が開き、高圧ヘリウムガスが
コールドヘッド１内に流入し、次にディスプレーサ１２
が下死点へと移動する。
【００１５】前述の如く、第１ディスプレーサ１８の外
周面と第１シリンダ１４の内周面との間および第２ディ
スプレーサ１９の外周面と第２シリンダ１５の内周面と
の間にはそれぞれシール装置２５，２６が装着されてい
るので、ディスプレーサ１２が下死点に向かうと、高圧
ヘリウムガスが第１ディスプレーサ１８に形成された流
体通路２１および第２ディスプレーサ１９に形成された
流体通路２３を通って第１ディスプレーサ１８と第１シ
リンダ１４のヘッド壁との間に形成された第１段膨張室
３９および第２ディスプレーサ１９と第２シリンダ１５
のヘッド壁との間に形成された第２段膨張室４０へと流
れる。この流れに伴って、高圧ヘリウムガスは、蓄冷材
２２，２４によって冷却され、第１段膨張室３９に流れ
込んだ高圧ヘリウムガスは３０Ｋ程度に、また第２段膨
張室４０に流れ込んだ高圧ヘリウムガスはたとえば８Ｋ
程度に冷却される。
周面と第１シリンダ１４の内周面との間および第２ディ
スプレーサ１９の外周面と第２シリンダ１５の内周面と
の間にはそれぞれシール装置２５，２６が装着されてい
るので、ディスプレーサ１２が下死点に向かうと、高圧
ヘリウムガスが第１ディスプレーサ１８に形成された流
体通路２１および第２ディスプレーサ１９に形成された
流体通路２３を通って第１ディスプレーサ１８と第１シ
リンダ１４のヘッド壁との間に形成された第１段膨張室
３９および第２ディスプレーサ１９と第２シリンダ１５
のヘッド壁との間に形成された第２段膨張室４０へと流
れる。この流れに伴って、高圧ヘリウムガスは、蓄冷材
２２，２４によって冷却され、第１段膨張室３９に流れ
込んだ高圧ヘリウムガスは３０Ｋ程度に、また第２段膨
張室４０に流れ込んだ高圧ヘリウムガスはたとえば８Ｋ
程度に冷却される。
【００１６】ここで、ディスプレーサ１２が下死点に達
すると、高圧弁３８が閉じ、低圧弁３６が開く。このよ
うに低圧弁３６が開くと、第１段膨張室３９内および第
２段膨張室４０内の高圧ヘリウムガスが断熱膨張して寒
冷を発生する。この寒冷によって第１段冷却ステージ１
６が外部から吸熱し、また第２段冷却ステージ１７も外
部から吸熱する。そして、ディスプレーサ１２が再び上
死点へと移動すると、これに伴って第１段膨張室３９内
および第２段膨張室４０内の低温のヘリウムガスが流体
通路２１，２３内を通過し、この通過の際に蓄冷材２
２，２４を冷却する。温度の上昇したヘリウムガスは、
コールドヘッド１から低圧弁３６を介してコンプレッサ
３７へと排出される。
すると、高圧弁３８が閉じ、低圧弁３６が開く。このよ
うに低圧弁３６が開くと、第１段膨張室３９内および第
２段膨張室４０内の高圧ヘリウムガスが断熱膨張して寒
冷を発生する。この寒冷によって第１段冷却ステージ１
６が外部から吸熱し、また第２段冷却ステージ１７も外
部から吸熱する。そして、ディスプレーサ１２が再び上
死点へと移動すると、これに伴って第１段膨張室３９内
および第２段膨張室４０内の低温のヘリウムガスが流体
通路２１，２３内を通過し、この通過の際に蓄冷材２
２，２４を冷却する。温度の上昇したヘリウムガスは、
コールドヘッド１から低圧弁３６を介してコンプレッサ
３７へと排出される。
【００１７】上述したサイクルが繰り返されて冷凍運転
が実行される。このタイプの冷凍機は、断熱容器の断熱
槽内に配置されているサーマルシールドの冷却、超電導
コイルの直接冷却、赤外線センサの冷却、クライオソー
プションポンプの冷却源として使用される。
が実行される。このタイプの冷凍機は、断熱容器の断熱
槽内に配置されているサーマルシールドの冷却、超電導
コイルの直接冷却、赤外線センサの冷却、クライオソー
プションポンプの冷却源として使用される。
【００１８】このように構成された従来の蓄冷式冷凍機
にあっては次のような問題のあることが指摘されてい
る。すなわち、シール装置２５は常温部と第１段膨張室
３９との間においてヘリウムガスが第１シリンダ１４と
第１ディスプレーサ１８との間の隙間を通して流れるの
を防止し、またシール装置２６は第１段膨張室３９と第
２段膨張室４０との間においてヘリウムガスが第２シリ
ンダ１５と第２ディスプレーサ１９との間の隙間を通し
て流れるのを防止している。これらのシール装置２５，
２６では、ヘリウムガスの純度(99.99%)の維持および凍
結による動作不良を防止するために潤滑油を用いること
はできない。
にあっては次のような問題のあることが指摘されてい
る。すなわち、シール装置２５は常温部と第１段膨張室
３９との間においてヘリウムガスが第１シリンダ１４と
第１ディスプレーサ１８との間の隙間を通して流れるの
を防止し、またシール装置２６は第１段膨張室３９と第
２段膨張室４０との間においてヘリウムガスが第２シリ
ンダ１５と第２ディスプレーサ１９との間の隙間を通し
て流れるのを防止している。これらのシール装置２５，
２６では、ヘリウムガスの純度(99.99%)の維持および凍
結による動作不良を防止するために潤滑油を用いること
はできない。
【００１９】ここで、第１段膨張室３９内の温度が３０
Ｋ、第２段膨張室４０内の温度が１０Ｋである場合を例
にとると、シール装置２６の部分で漏れが生じると、３
０Ｋのヘリウムガスが第２ディスプレーサ１９内の蓄冷
材２４に接触することなく第２段膨張室４０内に入り、
また逆に１０Ｋのヘリウムガスが第１段膨張室３９内に
入ることになる。この結果、第１段冷却ステージ１６の
温度が下降し、第２段冷却ステージ１７の温度が上昇し
てしまうことになる。
Ｋ、第２段膨張室４０内の温度が１０Ｋである場合を例
にとると、シール装置２６の部分で漏れが生じると、３
０Ｋのヘリウムガスが第２ディスプレーサ１９内の蓄冷
材２４に接触することなく第２段膨張室４０内に入り、
また逆に１０Ｋのヘリウムガスが第１段膨張室３９内に
入ることになる。この結果、第１段冷却ステージ１６の
温度が下降し、第２段冷却ステージ１７の温度が上昇し
てしまうことになる。
【００２０】なお、シール装置２５の部分で漏れが生じ
ると、同様の現象が第１シリンダ１４の上部空間と第１
段膨張室３９との間で生じ、第１段冷却ステージ１６の
温度上昇を招く。しかし、シール装置２６の方が、極低
温部に位置しているために漏れ低減が困難なこと、第１
段冷却ステージ１６に比べて第２段冷却ステージ１７で
の寒冷発生量が少ないことなどからその影響が非常に大
きい。
ると、同様の現象が第１シリンダ１４の上部空間と第１
段膨張室３９との間で生じ、第１段冷却ステージ１６の
温度上昇を招く。しかし、シール装置２６の方が、極低
温部に位置しているために漏れ低減が困難なこと、第１
段冷却ステージ１６に比べて第２段冷却ステージ１７で
の寒冷発生量が少ないことなどからその影響が非常に大
きい。
【００２１】
【発明が解決しようとする課題】このように、従来の蓄
冷式冷凍機にあっては、極低温部に摺動シール要素が設
けられているので、このシール部での漏れによって冷凍
性能が著しく低下し、安定した冷凍性能を保つことが本
質的に困難であった。そこで本発明は、上述した不具合
を解消できる蓄冷式冷凍機を提供することを目的として
いる。
冷式冷凍機にあっては、極低温部に摺動シール要素が設
けられているので、このシール部での漏れによって冷凍
性能が著しく低下し、安定した冷凍性能を保つことが本
質的に困難であった。そこで本発明は、上述した不具合
を解消できる蓄冷式冷凍機を提供することを目的として
いる。
【００２２】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、複数段の蓄冷器および膨張機を備えた蓄
冷式冷凍機において、少なくとも最低温度を発生させる
最終段が膨張機としてのパルスチューブを備えたパルス
チューブ冷凍機で構成されており、前記パルスチューブ
の高温端が実質的に常温部まで延出していることを特徴
としている。
に、本発明は、複数段の蓄冷器および膨張機を備えた蓄
冷式冷凍機において、少なくとも最低温度を発生させる
最終段が膨張機としてのパルスチューブを備えたパルス
チューブ冷凍機で構成されており、前記パルスチューブ
の高温端が実質的に常温部まで延出していることを特徴
としている。
【００２３】なお、前記パルスチューブ冷凍機の位相制
御機構を常温部に設けることが好ましい。また、前記パ
ルスチューブの前記高温端側の内部に蓄冷材を収容して
熱侵入抑制部を形成することが好ましい。さらに、前記
パルスチューブの高温端側を前記位相制御機構の動作に
連動して開閉する弁を介して上記位相制御機構に通じさ
せてもよい。また、前記パルスチューブの高温端側を常
温部に設けられたバッファータンクおよび前記蓄冷式冷
凍機の第１段冷却部におけるガス導入排出部の少なくと
も一方に流量絞り要素を介して通じさせてもよい。さら
にまた前記蓄冷式冷凍機の少なくとも１段目は、冷凍サ
イクルがギフォード・マクマホン冷凍サイクル、スター
リング冷凍サイクル、修正型ソルベー冷凍サイクルのい
ずれかに構成されていてもよい。
御機構を常温部に設けることが好ましい。また、前記パ
ルスチューブの前記高温端側の内部に蓄冷材を収容して
熱侵入抑制部を形成することが好ましい。さらに、前記
パルスチューブの高温端側を前記位相制御機構の動作に
連動して開閉する弁を介して上記位相制御機構に通じさ
せてもよい。また、前記パルスチューブの高温端側を常
温部に設けられたバッファータンクおよび前記蓄冷式冷
凍機の第１段冷却部におけるガス導入排出部の少なくと
も一方に流量絞り要素を介して通じさせてもよい。さら
にまた前記蓄冷式冷凍機の少なくとも１段目は、冷凍サ
イクルがギフォード・マクマホン冷凍サイクル、スター
リング冷凍サイクル、修正型ソルベー冷凍サイクルのい
ずれかに構成されていてもよい。
【００２４】
【作用】冷却系統における最終段冷却部がパルスチュー
ブ冷凍機に構成されている。パルスチューブ冷凍機は、
可動部分が全く存在していないので、摺動シール要素も
必要としない。したがって、摺動シール要素の存在によ
って起こる冷凍能力の低下を防止することが可能とな
る。
ブ冷凍機に構成されている。パルスチューブ冷凍機は、
可動部分が全く存在していないので、摺動シール要素も
必要としない。したがって、摺動シール要素の存在によ
って起こる冷凍能力の低下を防止することが可能とな
る。
【００２５】また、パルスチューブ冷凍機におけるパル
スチューブの高温端を実質的に常温部に位置させる構成
を採用しているので、パルスチューブ冷凍機で必要な位
相制御、つまり圧力変化位相とガスの変位位相との間に
所定の位相差を持たせるための機構を容易に設けること
ができる。つまり、パルスチューブ冷凍機の位相制御機
構を常温部に配置しているので、操作性、メンテナンス
の容易性、信頼性等が向上する。
スチューブの高温端を実質的に常温部に位置させる構成
を採用しているので、パルスチューブ冷凍機で必要な位
相制御、つまり圧力変化位相とガスの変位位相との間に
所定の位相差を持たせるための機構を容易に設けること
ができる。つまり、パルスチューブ冷凍機の位相制御機
構を常温部に配置しているので、操作性、メンテナンス
の容易性、信頼性等が向上する。
【００２６】
【実施例】以下、図面を参照しながら実施例を説明す
る。図１には本発明の一実施例に係る蓄冷式冷凍機の概
略構成が示されている。なお、この図では図４と同一機
能部分が同一符号で示されている。したがって、重複す
る部分の詳しい説明は省略する。
る。図１には本発明の一実施例に係る蓄冷式冷凍機の概
略構成が示されている。なお、この図では図４と同一機
能部分が同一符号で示されている。したがって、重複す
る部分の詳しい説明は省略する。
【００２７】この蓄冷式冷凍機は、２段膨張式を採用し
たもので、コールドヘッド１ａと、ガス制御系２ａとで
構成されている。なお、ガス制御系２はコールドヘッド
１ａ内に配置することが可能であるが、説明の都合上図
１においてはコールドヘッド１ａの外に描いている。
たもので、コールドヘッド１ａと、ガス制御系２ａとで
構成されている。なお、ガス制御系２はコールドヘッド
１ａ内に配置することが可能であるが、説明の都合上図
１においてはコールドヘッド１ａの外に描いている。
【００２８】コールドヘッド１ａは、第１段冷却部５１
と、これに直列に接続された第２段冷却部５２とで構成
されている。第１段冷却部５１は第４図に示した従来の
ものと同じギフォード・マクマホン冷凍サイクルを採用
しており、また第２段冷却部５２はパルスチューブ冷凍
サイクルを採用している。
と、これに直列に接続された第２段冷却部５２とで構成
されている。第１段冷却部５１は第４図に示した従来の
ものと同じギフォード・マクマホン冷凍サイクルを採用
しており、また第２段冷却部５２はパルスチューブ冷凍
サイクルを採用している。
【００２９】第２段冷却部５２は次のように構成されて
いる。すなわち、シリンダ１４のヘッド壁にシリンダ１
４内に通じる関係に配管６１の一端側を接続し、この配
管６１の他端側を第２段の蓄冷器６２の一方の接続口に
接続している。第２段の蓄冷器６２は、断熱材で形成さ
れた容器６３と、この容器６３内に収容されたＥｒ3 Ｎ
ｉ等からなる磁気相転移に伴う異常磁気比熱等を利用し
た磁性蓄冷材６４とで構成されている。そして、第２段
の蓄冷器６２の他方の接続口は、第２段冷却ステージ６
５を構成する吸熱管６６を介してパルスチューブ６７の
一端側に接続されている。
いる。すなわち、シリンダ１４のヘッド壁にシリンダ１
４内に通じる関係に配管６１の一端側を接続し、この配
管６１の他端側を第２段の蓄冷器６２の一方の接続口に
接続している。第２段の蓄冷器６２は、断熱材で形成さ
れた容器６３と、この容器６３内に収容されたＥｒ3 Ｎ
ｉ等からなる磁気相転移に伴う異常磁気比熱等を利用し
た磁性蓄冷材６４とで構成されている。そして、第２段
の蓄冷器６２の他方の接続口は、第２段冷却ステージ６
５を構成する吸熱管６６を介してパルスチューブ６７の
一端側に接続されている。
【００３０】このパルスチューブ６７は、吸熱管６６よ
り大径に形成されてシリンダ１４の軸心線と平行に第１
段冷却ステージ１６と同程度のレベルまで上方に向けて
延びたパルスチューブ本体６８と、このパルスチューブ
本体６８より小径に形成されて一端側がパルスチューブ
本体６８の上端部に通じるとともに他端側が断熱容器の
外壁４１を気密に貫通して外部、つまり常温部まで延び
た細管６９とで構成されている。そして、パルスチュー
ブ本体６８と細管６９との境界部分は熱伝導部材７０を
介して第１段冷却ステージ１６に熱的に接続されてい
る。また、細管６９内には、鉛の粒などからなる蓄冷材
７１が収容されおり、常温部からパルスチューブ本体６
８内へ熱が侵入するのを抑制している。
り大径に形成されてシリンダ１４の軸心線と平行に第１
段冷却ステージ１６と同程度のレベルまで上方に向けて
延びたパルスチューブ本体６８と、このパルスチューブ
本体６８より小径に形成されて一端側がパルスチューブ
本体６８の上端部に通じるとともに他端側が断熱容器の
外壁４１を気密に貫通して外部、つまり常温部まで延び
た細管６９とで構成されている。そして、パルスチュー
ブ本体６８と細管６９との境界部分は熱伝導部材７０を
介して第１段冷却ステージ１６に熱的に接続されてい
る。また、細管６９内には、鉛の粒などからなる蓄冷材
７１が収容されおり、常温部からパルスチューブ本体６
８内へ熱が侵入するのを抑制している。
【００３１】一方、ガス制御系２ａは、排出口３５を低
圧弁３６，コンプレッサ３７，高圧弁３８を介して導入
口３４に接続し、さらにコンプレッサ３７のガス吐出端
を補助高圧弁７２を介して細管６９における常温部に突
出している端部に接続し、またコンプレッサ３７のガス
吸込端を補助低圧弁７３を介して細管６９における常温
部に突出している端部に接続している。なお、低圧弁３
６、高圧弁３８は、モータ１３の回転に同期し、第シリ
ンダ１４内に形成される第１膨張室の体積（体積変化０
〜Ｖmax ）との関連において図２に示す関係に開閉制御
される。また、補助高圧弁７２および補助低圧弁７３
は、第２段冷却部５２を構成しているパルスチューブ冷
凍機における圧力変化位相とガスの変位位相との間に所
定の位相差を設定するためのもので、モータ１３の回転
に同期して同様に図２に示す関係に開閉制御される。
圧弁３６，コンプレッサ３７，高圧弁３８を介して導入
口３４に接続し、さらにコンプレッサ３７のガス吐出端
を補助高圧弁７２を介して細管６９における常温部に突
出している端部に接続し、またコンプレッサ３７のガス
吸込端を補助低圧弁７３を介して細管６９における常温
部に突出している端部に接続している。なお、低圧弁３
６、高圧弁３８は、モータ１３の回転に同期し、第シリ
ンダ１４内に形成される第１膨張室の体積（体積変化０
〜Ｖmax ）との関連において図２に示す関係に開閉制御
される。また、補助高圧弁７２および補助低圧弁７３
は、第２段冷却部５２を構成しているパルスチューブ冷
凍機における圧力変化位相とガスの変位位相との間に所
定の位相差を設定するためのもので、モータ１３の回転
に同期して同様に図２に示す関係に開閉制御される。
【００３２】次に、上記のように構成された蓄冷式冷凍
機の動作を説明する。第１段冷却部５１の第１段冷却ス
テージ１６における寒冷の発生は、図４に示される従来
のものと同様にギフォード・マクマホン冷凍サイクルに
よる。
機の動作を説明する。第１段冷却部５１の第１段冷却ス
テージ１６における寒冷の発生は、図４に示される従来
のものと同様にギフォード・マクマホン冷凍サイクルに
よる。
【００３３】一方、第２段冷却部５２の第２段冷却ステ
ージ６５における寒冷の発生は、パルスチューブ６７を
膨張機とするパルスチューブ冷凍サイクルによる。すな
わち、低圧弁３６および高圧弁３８の開閉によってコー
ルドヘッド１ａ内に作られる高・低圧の圧力波によりパ
ルスチューブ６７の低温端、つまり吸熱管６６との境界
部分に寒冷を発生する。
ージ６５における寒冷の発生は、パルスチューブ６７を
膨張機とするパルスチューブ冷凍サイクルによる。すな
わち、低圧弁３６および高圧弁３８の開閉によってコー
ルドヘッド１ａ内に作られる高・低圧の圧力波によりパ
ルスチューブ６７の低温端、つまり吸熱管６６との境界
部分に寒冷を発生する。
【００３４】この実施例では、パルスチューブ６７内で
の圧力変化の位相とガスの変位位相との間に所定の位相
差を設けて第２段冷却ステージ６５での寒冷発生量を増
大させるために、細管６９の常温部に突出している部分
から高圧のヘリウムガスを供給、排出するための補助高
圧弁７２および補助低圧弁７３を設けている。この補助
高圧弁７２および補助低圧弁７３は、ディスプレーサ１
８の往復動に連動して開閉制御される。具体的には、図
２に示すように、補助高圧弁７２は高圧弁３８より早い
タイミングで、また補助低圧弁７３は低圧弁３６より早
いタイミングで開閉制御される。このような制御によっ
て第２段冷却ステージ６５での寒冷発生量を増大させる
ことができる。
の圧力変化の位相とガスの変位位相との間に所定の位相
差を設けて第２段冷却ステージ６５での寒冷発生量を増
大させるために、細管６９の常温部に突出している部分
から高圧のヘリウムガスを供給、排出するための補助高
圧弁７２および補助低圧弁７３を設けている。この補助
高圧弁７２および補助低圧弁７３は、ディスプレーサ１
８の往復動に連動して開閉制御される。具体的には、図
２に示すように、補助高圧弁７２は高圧弁３８より早い
タイミングで、また補助低圧弁７３は低圧弁３６より早
いタイミングで開閉制御される。このような制御によっ
て第２段冷却ステージ６５での寒冷発生量を増大させる
ことができる。
【００３５】また、この実施例では、補助高圧弁７２を
介して常温のヘリウムガスがパルスチューブ本体６８に
流入するのを防止するために、細管６９内に蓄冷材７１
を収容し、この蓄冷材７１によって常温部からの熱侵入
を抑制して第１段冷却ステージ１６の温度と同程度の温
度のヘリウムガスがパルスチューブ本体６８の高温端に
流入するようにしている。
介して常温のヘリウムガスがパルスチューブ本体６８に
流入するのを防止するために、細管６９内に蓄冷材７１
を収容し、この蓄冷材７１によって常温部からの熱侵入
を抑制して第１段冷却ステージ１６の温度と同程度の温
度のヘリウムガスがパルスチューブ本体６８の高温端に
流入するようにしている。
【００３６】このように、本実施例に係る蓄冷式冷凍機
では、冷却系統の最終段に位置する第２段冷却部５２を
パルスチューブ冷凍機に構成している。パルスチューブ
冷凍機は、可動部分が全く存在していないので、摺動シ
ール要素も必要としない。したがって、摺動シール要素
の存在によって起こる冷凍能力の低下を防止することが
可能となる。
では、冷却系統の最終段に位置する第２段冷却部５２を
パルスチューブ冷凍機に構成している。パルスチューブ
冷凍機は、可動部分が全く存在していないので、摺動シ
ール要素も必要としない。したがって、摺動シール要素
の存在によって起こる冷凍能力の低下を防止することが
可能となる。
【００３７】また、パルスチューブ冷凍機におけるパル
スチューブ６７の高温端を実質的に常温部に位置させる
構成を採用しているので、パルスチューブ冷凍機で必要
な位相制御機構を容易に設けることができ、パルスチュ
ーブ６７での寒冷発生量を増大させることができるの
で、冷凍性能を大幅に向上させることができる。つま
り、上記位相制御機構を常温部に設けたことにより、弁
などの操作性、信頼性、メンテナンスの容易性等が格段
に向上する。
スチューブ６７の高温端を実質的に常温部に位置させる
構成を採用しているので、パルスチューブ冷凍機で必要
な位相制御機構を容易に設けることができ、パルスチュ
ーブ６７での寒冷発生量を増大させることができるの
で、冷凍性能を大幅に向上させることができる。つま
り、上記位相制御機構を常温部に設けたことにより、弁
などの操作性、信頼性、メンテナンスの容易性等が格段
に向上する。
【００３８】なお、上述した実施例では、熱伝導部材７
０を用いてパルスチューブ本体６８と細管６９との境界
部分の温度を第１段冷却ステージ１６とほぼ同じ温度に
しているが、熱伝導部材７０を省略することもできる。
また、パルスチューブ６７を大径なパルスチューブ本体
６８と細管６９とで構成しているが、パルスチューブ全
体を同一径としたり、また蓄冷材を収容することなく、
その高温端を常温部に突出させ、補助高圧弁および補助
低圧弁に接続するようにしてもよい。
０を用いてパルスチューブ本体６８と細管６９との境界
部分の温度を第１段冷却ステージ１６とほぼ同じ温度に
しているが、熱伝導部材７０を省略することもできる。
また、パルスチューブ６７を大径なパルスチューブ本体
６８と細管６９とで構成しているが、パルスチューブ全
体を同一径としたり、また蓄冷材を収容することなく、
その高温端を常温部に突出させ、補助高圧弁および補助
低圧弁に接続するようにしてもよい。
【００３９】図３には本発明の別の実施例に係る蓄冷式
冷凍機の概略構成が示されている。なお、この図では図
１および図４と同一機能部分が同一符号で示されてい
る。したがって、重複する部分の詳しい説明は省略す
る。
冷凍機の概略構成が示されている。なお、この図では図
１および図４と同一機能部分が同一符号で示されてい
る。したがって、重複する部分の詳しい説明は省略す
る。
【００４０】この実施例に係る蓄冷式冷凍機が図１に示
されるものと異なる点は、第２段冷却部５２を構成して
いるパルスチューブ冷凍機の位相制御機構の構成にあ
る。すなわち、細管６９の常温部に突出している部分を
流量調整弁８１を介して第１段冷却部５１におけるガス
導入・排出部、つまりシリンダ１４の上部空間に通じさ
せるとともにオリフィス弁８２を介して常温部に設けら
れたバッファータンク８３に通じさせている。
されるものと異なる点は、第２段冷却部５２を構成して
いるパルスチューブ冷凍機の位相制御機構の構成にあ
る。すなわち、細管６９の常温部に突出している部分を
流量調整弁８１を介して第１段冷却部５１におけるガス
導入・排出部、つまりシリンダ１４の上部空間に通じさ
せるとともにオリフィス弁８２を介して常温部に設けら
れたバッファータンク８３に通じさせている。
【００４１】このような構成を採用することによって、
第２段冷却部５２はダブルインレット型のパルスチュー
ブ冷凍機となり、寒冷の発生量を増大させることが可能
となる。したがって、図１に示す実施例と同様の効果を
発揮させることができる。
第２段冷却部５２はダブルインレット型のパルスチュー
ブ冷凍機となり、寒冷の発生量を増大させることが可能
となる。したがって、図１に示す実施例と同様の効果を
発揮させることができる。
【００４２】なお、本実施例において、流量調整バルブ
８１およびオリフィス弁８２をこれらと同等の流動抵抗
を持つ細管などの流量絞り要素に置代えることもでき
る。また、本実施例においても、熱伝導部材７０を省略
することができる。また、パルスチューブ６７を大径な
パルスチューブ本体６８と細管６９とで構成している
が、パルスチューブ全体を同一径としたり、また蓄冷材
を収容することなく、その高温端を常温部に突出させ、
シリンダ１４の上部空間およびバッファータンク８３に
通じさせてもよい。また、いずれか一方のみに通じさせ
るようにしてもよい。
８１およびオリフィス弁８２をこれらと同等の流動抵抗
を持つ細管などの流量絞り要素に置代えることもでき
る。また、本実施例においても、熱伝導部材７０を省略
することができる。また、パルスチューブ６７を大径な
パルスチューブ本体６８と細管６９とで構成している
が、パルスチューブ全体を同一径としたり、また蓄冷材
を収容することなく、その高温端を常温部に突出させ、
シリンダ１４の上部空間およびバッファータンク８３に
通じさせてもよい。また、いずれか一方のみに通じさせ
るようにしてもよい。
【００４３】また、図１および図３に示す実施例では、
容器６３内に磁性蓄冷材６４等の蓄冷材を直接収容して
いるが、蓄冷材を収容した容器を容器６３内に収容し、
両容器間にシール材を介在させてもよい。この場合に
は、シール材が静止しているので、漏れ量も少なく、冷
凍性能に影響を与えることはない。
容器６３内に磁性蓄冷材６４等の蓄冷材を直接収容して
いるが、蓄冷材を収容した容器を容器６３内に収容し、
両容器間にシール材を介在させてもよい。この場合に
は、シール材が静止しているので、漏れ量も少なく、冷
凍性能に影響を与えることはない。
【００４４】また、上記各実施例では、第１段冷却部５
１にギフォード・マクマホン冷凍サイクルを採用してい
るが、最終段以外の冷却部にスターリング冷凍サイクル
や修正型ソルベー冷凍サイクルを採用することもでき
る。また、上記各実施例では、冷却部を２段設けて冷却
系統を構成しているが、３段以上設けてもよい。
１にギフォード・マクマホン冷凍サイクルを採用してい
るが、最終段以外の冷却部にスターリング冷凍サイクル
や修正型ソルベー冷凍サイクルを採用することもでき
る。また、上記各実施例では、冷却部を２段設けて冷却
系統を構成しているが、３段以上設けてもよい。
【００４５】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
最終段冷却部を可動部分が全く存在しない、つまり摺動
シール要素を必要としないパルスチューブ冷凍機に構成
しているので、摺動シール要素の存在によって起こる冷
凍能力の低下を防止でき、冷凍能力を向上させることが
できる。また、パルスチューブ冷凍機におけるパルスチ
ューブの高温端を実質的に常温部に位置させる構成を採
用しているので、パルスチューブ冷凍機で必要な位相制
御機構を容易に設けることができ、好ましい位相差設定
を図れるので、なお一層冷凍能力を向上させることがで
きる。
最終段冷却部を可動部分が全く存在しない、つまり摺動
シール要素を必要としないパルスチューブ冷凍機に構成
しているので、摺動シール要素の存在によって起こる冷
凍能力の低下を防止でき、冷凍能力を向上させることが
できる。また、パルスチューブ冷凍機におけるパルスチ
ューブの高温端を実質的に常温部に位置させる構成を採
用しているので、パルスチューブ冷凍機で必要な位相制
御機構を容易に設けることができ、好ましい位相差設定
を図れるので、なお一層冷凍能力を向上させることがで
きる。
【図１】本発明の一実施例に係る蓄冷式冷凍機の概略構
成図
成図
【図２】同冷凍機に組込まれた位相制御用弁の開閉タイ
ミングを示す図
ミングを示す図
【図３】本発明の別の実施例に係る蓄冷式冷凍機の概略
構成図
構成図
【図４】従来の蓄冷式冷凍機の概略構成図
１ａ…コールドヘッド ２，２ａ…ガス制御系 ５１…ギフォード・マクマホン冷凍サイクルを採用した
第１段冷却部 ５２…パルスチューブ冷凍サイクルを採用した第２段冷
却部 １６…第１段冷却ステージ ６２…蓄冷器 ６４…磁性蓄冷材 ６５…第２段冷却ステージ ６６…吸熱管 ６７…パルスチューブ ６８…パルスチューブ本体 ６９…細管 ７１…蓄冷材 ７２…補助高圧弁 ７３…補助低圧弁 ８１…流量調整弁 ８２…オリフィス弁 ８３…バッファータンク
第１段冷却部 ５２…パルスチューブ冷凍サイクルを採用した第２段冷
却部 １６…第１段冷却ステージ ６２…蓄冷器 ６４…磁性蓄冷材 ６５…第２段冷却ステージ ６６…吸熱管 ６７…パルスチューブ ６８…パルスチューブ本体 ６９…細管 ７１…蓄冷材 ７２…補助高圧弁 ７３…補助低圧弁 ８１…流量調整弁 ８２…オリフィス弁 ８３…バッファータンク
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 吉野 達哉 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株 式会社東芝研究開発センター内
Claims (6)
- 【請求項１】複数段の蓄冷器および膨張機を備えた蓄冷
式冷凍機において、 少なくとも最低温度を発生させる最終段は膨張機として
のパルスチューブを備えたパルスチューブ冷凍機で構成
されており、前記パルスチューブの高温端は実質的に常
温部まで延出していることを特徴とする蓄冷式冷凍機。 - 【請求項２】前記パルスチューブ冷凍機の位相制御機構
を常温部に備えたことを特徴とする請求項１に記載の蓄
冷式冷凍機。 - 【請求項３】前記パルスチューブは、前記高温側の内部
に蓄冷材が収容されて熱侵入抑制部が形成されているこ
とを特徴とする請求項１または２に記載の蓄冷式冷凍
機。 - 【請求項４】前記パルスチューブの高温端側は、前記位
相制御機構の動作に連動して開閉する弁を介して上記位
相制御機構に通じていることを特徴とする請求項２に記
載の蓄冷式冷凍機。 - 【請求項５】前記パルスチューブの高温端側は、常温部
に設けられたバッファータンクおよび前記蓄冷式冷凍機
の第１段冷却部におけるガス導入排出部の少なくとも一
方に流量絞り要素を介して通じていることを特徴とする
請求項１に記載の蓄冷式冷凍機。 - 【請求項６】前記蓄冷式冷凍機の少なくとも１段目は、
冷凍サイクルがギフォード・マクマホン冷凍サイクル、
スターリング冷凍サイクル、修正型ソルベー冷凍サイク
ルのいずれかに構成されていることを特徴とする請求項
１に記載の蓄冷式冷凍機。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11749795A JPH08313094A (ja) | 1995-05-16 | 1995-05-16 | 蓄冷式冷凍機 |
| GB9726479A GB2318176B (en) | 1995-05-16 | 1996-05-15 | A refrigerator having a plurality of cooling stages |
| GB9610150A GB2301426B (en) | 1995-05-16 | 1996-05-15 | A refrigerator having a plurality of cooling stages |
| US08/647,741 US5711157A (en) | 1995-05-16 | 1996-05-15 | Cooling system having a plurality of cooling stages in which refrigerant-filled chamber type refrigerators are used |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11749795A JPH08313094A (ja) | 1995-05-16 | 1995-05-16 | 蓄冷式冷凍機 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08313094A true JPH08313094A (ja) | 1996-11-29 |
Family
ID=14713206
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP11749795A Pending JPH08313094A (ja) | 1995-05-16 | 1995-05-16 | 蓄冷式冷凍機 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH08313094A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN100386578C (zh) * | 2006-04-28 | 2008-05-07 | 浙江大学 | 带冷端气库的脉管制冷机 |
| CN112639378A (zh) * | 2018-09-07 | 2021-04-09 | 住友重机械工业株式会社 | 超低温制冷机 |
-
1995
- 1995-05-16 JP JP11749795A patent/JPH08313094A/ja active Pending
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN100386578C (zh) * | 2006-04-28 | 2008-05-07 | 浙江大学 | 带冷端气库的脉管制冷机 |
| CN112639378A (zh) * | 2018-09-07 | 2021-04-09 | 住友重机械工业株式会社 | 超低温制冷机 |
| CN112639378B (zh) * | 2018-09-07 | 2022-09-09 | 住友重机械工业株式会社 | 超低温制冷机 |
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