JPS6346351A - 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、主に液体ヘリウム温度（例えば４°に近傍）
や液体窒素温度（７７°に近傍）以下のような極低温領
域までの冷加を目的とする也低温冷凍機に関し、特に冷
１４】の進行に伴なう冷凍能力の低下を防止した極低温
冷凍機に関する。

（従来の技術） コールドヘッドに膨張室を有する極低温冷凍機、例えば
ギフオード・マクマホン冷凍間等においては、極低温を
発生する能力は次式で示される。

Ｗ＝η・Ｖ・△ｐ−ｎ　　・・・・・・・・・・・・・
・・　（１）なお、Ｗは冷凍能力 ηは効率 ■は膨張室の容積（膨張′８積） △Ｐは膨張前後の圧力差 ｎは膨張サイクル数 である。

ここで、第３図に上記ギフオード・マクマホン式冷凍機
の従来の構成を示す。

電動義１により駆動される圧縮ＦＷ、（例えば、ロータ
リ式、スクロール式、レシプロ式、スクリュ一式などの
容積膨圧縮機）２と、この圧縮機２により胃圧された作
動媒体たるヘリウムガスを膨張させて低温を発生するコ
ールドヘッド３とが、高圧側管路４及び低圧側管路５に
より閉回路に接続されている。コールドヘッド３内では
、微細な流通孔を右する蓄冷器６が、図示されない電動
機により駆動装置７を介して、薄肉シリンダ３ａ内を上
下に往復運動している。このコールドヘッド３の内部空
間を高圧側管路４及び低圧側管路５にそれぞれ連通させ
る高圧側人口弁８および低圧側出口弁９は、蓄冷器６の
運動方向と位置に同調して開閉を繰り返している。

即ち、蓄冷器６が下死点を通過し上昇を始めた時に、高
圧側人口弁８が開く。これにより、高圧ヘリウムガスが
、コールドヘッド３内に流入し、蓄冷器６内部のｍ細な
流通孔を通過して冷却されつつ下部膨張室１０内へ流入
する。高圧ガスの流人は蓄冷器６が上デｔし上死点近傍
に到達するまで継続される。

蓄冷器６が上死点近傍に至った時点で高圧側人口弁８が
閉じ、上死点を通過した直後に低圧側出目弁９が開く。

これにより、蓄冷器６及び膨張室１０内の高圧ガスは膨
張し低圧側出目弁９を介して流出する。低圧側出口弁９
は蓄冷器６が下降する間開いており、下死点近傍で閉じ
る。

尚、図中１１は冷却器、１２はフライオスタラｉ〜、１
３はクライオスタット内の真空部、１４は異常高圧防止
用のバイパス弁である。

（発明が解決しようとする問題点） このような従来機において、膨張室１０内の圧力は、圧
縮機２の吐出圧及び吸気圧にほぼ準じた圧力幅で変動す
る。そして、圧縮機２の吐出圧及び吸気圧は、閉ループ
内への初期ヘリウム充填圧力と、次式にて示される理論
圧縮比εとの関係から決定される。

・・・・・・・・・　　（２） なお、Ｖｃは圧縮機排除容積 ＶＥはコールドヘッド膨張室容積 ＮＯは圧縮機回転数 ＮＥはコールドヘッド回転数 ηＣは圧ｔｉａはガス効率 ηＥはコールドヘッドガス効率 Ｔｏは圧縮機吸気ガス温度 Ｔ［はコールドヘッド膨張室内ガス温度である。

即ち、圧縮比εは、圧縮機とコールドヘッドの内部形状
、回転数及び温度により決定され、運転条件が同じなら
ば、起動直後から冷却が進行するにつれて減少して行く
。例えば、従来機の設計例を参考にして、システム内の
初期充填圧力を８〔Ｋ３／ＣＭ）、圧縮様排除容Ｖ１Ｖ
Ｃを３０（ｃｉ／ｒｅｖ　）　、圧縮機回転数Ｔｃを３
０００（ｒｏｍ）、圧縮機ガス効率ηＣを０．６、］−
ルドヘッド膨張室容梢ＶＥを３００　（ｃｉ／ｒｅｖ　
）　、：］−ルドヘッド回転数ＮＥを６０（ｒｐｍ）、
コールドヘッドガス効率ηＥを０．８５とした場合、起
動直後（Ｔｃ＝ＴＥ＝３００°Ｋ）の圧縮比εは４．５
程度である。これに対し、冷却が進行し例えば膨張室内
ガス温度ＴＥが５０″に程度にまで低下するとく圧縮機
吸気ガス温度Ｔ。＝３００°Ｋ）、圧縮機ガス効率ηＣ
が若干回復して０．９０程度になり、コールドヘッドガ
ス効率ηＥが、０．３５程度まで低下してくるものの、
最終的に圧縮比εは２．３程度にまで減少する。

つまり、コールドヘッド内部の蓄冷器の低湿側が冷却さ
れるにつれ、この部分で作動媒体のガスヘリウムが低温
故にその密度を増し１サイクル当りのコールドヘッドの
通過流量が増大する為、圧縮機前後の圧力差が減少して
しまうのである。

このことは即ち、冷凍機の冷凍能力Ｗ　（（１）式）を
決める圧力差ΔＰの減少を意味し、初期運転開始時の半
分以下の冷凍能力で定常時運転を行なっていることにな
り、極めて損失の大きい状態である。

第４図は、上記従来の極低温冷凍機の膨張室１０の圧力
変化を、運転開始時から定常状態に至るまで経時的に示
したものである。

同図からも理解されるように、膨張前後の圧力差△Ｐが
運転初期には約１１．５（１（び／　ａｊ　）であった
ものが、定常状態では約７（／（ｙ／ｉ）にまで落ち込
み、基本冷凍能力は２７０（Ｗ）程度から約１６０　（
Ｗ）にまで４０％程度低下することになる。

このように、コールドヘッドが膨張室を持つ極低温冷凍
機は、その圧縮比が冷ｆｉｌの進行と共に低下してしま
い、可能冷凍能力を大幅に下回ることになる。

また、圧縮機の駆動電動撮の消費電力も圧縮比εの低下
により２０〜３０％程度低下し、電動機の能力を１００
％活用していないことになる。

以上のことは、極低温冷凍機の実質的冷凍能力は極低温
状態となった時の圧力により決定されるのにもかかわら
ず、システム設計はシステム内圧力が最も高い起動直後
の状態によりなされていることに起因している。

そこで従来は、冷却の進行に伴ない圧縮比が減少し膨張
室内の膨張前後の圧力差が低下することを見込んで、コ
ールドヘッドの膨張室の容積の拡大あるいは圧力の増大
を行なって、予め冷凍能力を大ぎく設定しておくように
している。しかしその為には、圧力容器となる薄肉シリ
ンダ３ａの肉厚を増大せざるを得ず、伝導による熱侵入
の増加を招くなどの併置を伴なう。また、運転初期には
高圧側は非常に高い圧力となるので、異常高圧を防止す
るためにバイパス弁１４を所定間度量いた状態としてお
く為、不経済であるという問題もある。

本発明は以上のような事情に鑑みなされたもので、冷７
Ｊ］の進行に伴なう圧縮比の減少に起因する冷凍能力の
低下を防止して、定常状態においても運転開始時と同様
な冷凍能力を発揮することができる極低温冷凍機を提供
することを目的とする。

〔発明の構成〕

（問題点を解決するための手段） 本発明は、圧縮機と膨張室を有するコールドヘッドとを
閉回路に接続してなる極低温冷凍機において、閉回路の
所定箇所を流れる作動媒体の圧力を検出する圧力検出器
と、この圧力検出器の出力に基づいて圧縮機の回転数を
制御する制ｔＩＩ装冒とを設けたものである。

（作　用） コールドヘッド内の極低温部の低温化に伴ない、圧縮ぼ
の圧縮比が低下し、膨張前後の圧力差が減少し、この為
に閉回路内の圧力が変化する。

そこで、閉回路内の所定箇所において圧力を検出し、そ
の値に基づいて圧縮機回転数つまり（２）式右辺のＮｃ
を制御する。これにより、（２）式右辺のコールドヘッ
ド膨張室内ガス湿度ＴＥの低下を相殺して圧縮比εをほ
ぼ一定に保つことが可能となる。従って、定常運転時に
も運転開始時とほぼ同等な冷凍能力を維持することがで
きる。

（実施例） 以下、実施例により本発明を説明する。

第１図は本発明の一実施例の構成を示す。尚、前掲第３
図と同一物には同一符号を付し説明を省略する。圧縮別
２の吐出口とコールドヘッド３の吸気口とを結ぶ高圧側
管路４には、この管路内のヘリウムガス圧力を検出する
圧力検出器１５が接続されている。この圧力検出器１５
から出力される圧力信号は、整流器とインバータとの組
合Ｕあるいはサイクロコンバータなどにより構成された
交流周波数変換装置１６に入力される。交流周波数変換
装置１６は、商用電源１７を前記圧力信号の値に応じた
周波数及び電圧（又は電流）振幅を持った交流に変換し
て圧縮機駆動電動機１である交流電１ＦＩＪｔ４に供給
する。これにより、交流周波数変換装置１６は、高圧側
管路４内のガス圧が規定値に保たれるように、換言すれ
ば（２）式右辺のコールドヘッド膨張室内ガス湿度ＴＥ
の低下を相殺して左辺の圧縮比εを一定に保°つように
、圧縮１１２の回転数Ｎｃを制御する。

次に本実施例の作用を説明する。

前述のように、冷却が進行するにつれて圧縮機２の圧縮
比が減少し、閉回路内圧力が変化して行く。この圧力変
化は、低圧側管路５にバッファタンク（図示せず）を挿
入した通常の冷凍機においては、高圧側管路４内の圧力
低下として最も敏感に現われる。そこで、この高圧側管
路４内の圧力を検出して、これが規定値に保たれるよう
に冷却の進行に伴って圧縮Ｒ２の回転数を上昇させて行
く。

この結果、圧縮機２の吐出圧と吸気圧との圧力差はほぼ
一定に保たれることとなり、従ってコールドヘッド３の
膨張室１０内の圧力も第２図に示すようにほぼ一定の圧
力差△Ｐで変動することになる。このように、膨張室１
０内の膨張前接の圧力差△Ｐがほぼ一定に保たれること
により、冷凍能力は定常状態においても初期値とほぼ同
等の値に［持されることになる。

このことは、冷凍機の設計上屋も重要であるコールドヘ
ッドの耐圧力設計値を従来別と全く同一に維持したまま
、かつ冷凍機の基本構成を全く同一としながらｂ、その
定常状態における冷凍能力を増大させたことに等しく、
具体的には数１０％以上の能力向上が可能である。前述
のように、従来は冷凍能力の低下を予め見込んで膨張室
１０の容積拡大や高圧側圧力の増大を行なって冷凍能力
の増大を図って来たが、侵入熱増加の為に必ずしも単純
に冷凍能力が増大しなかったり、経済性成るいは安全性
を多少犠牲にせざるを得ないという問題があったのに対
し、本発明によれば、冷却が進行しても冷凍能力が低下
しないように、換言すれば冷凍機が木来持っている冷凍
能力を常に１００％引き出すようにすることにより、冷
凍能力の拡大を図っているので、上記のような問題が生
じないのである。

尚、上記実施例では圧力検出器１５を高圧側管路４に設
けているが、低圧側管路５の方に圧力変化が敏感に現わ
れる場合には低圧側管路５に設けた方がよく、また高圧
側、低圧側両管路４．５に設けその差圧に基づいて制御
を行なうようにしてもよい。

また制御方式などによって圧縮機回転数の可変範囲が十
分にとれない場合には、上述した従来対策と併用しても
よい。

（発明の効果〕 以上説明したように本発明によれば、冷却の進行に伴な
う閉回路内の圧力変化から圧縮比の低下を検出して、こ
の圧縮比を一定に保つように圧縮機回転数を制御するよ
うにしているので、定常状態においても運転開始時とほ
ぼ同等の冷凍能力を維持することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る極低温冷凍機の一実施例の構成を
示す図、第２図は同実施例の膨張室内圧力の経時変化を
示す図、第３図は従来の極低温冷凍機の構成を示す図、
第４図は同従来機の膨張室内圧力の経時変化を示す図で
ある。 ２・・・圧縮機、３・・・コールドヘッド、４・・・高
圧側管路、５・・・低圧側管路、６・・・蓄冷器、１０
・・・膨張室、１５・・・圧力検出器、１６・・・交流
周波数変換装四、１７・・・商用電源。 出願人代理人　　佐　　藤　　−男 シ も　１　図 時間 躬２図 １゜ 躬３　図 ８８問 躬４　図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、圧縮機とコールドヘッドとを閉回路に接続して成る
   極低温冷凍機において、前記閉回路の所定箇所を流れる
   作動媒体の圧力を検出する圧力検出器と、この圧力検出
   器の出力に基づいて前記圧縮機の回転数を制御する制御
   装置とを備えたことを特徴とする極低温冷凍機。 ２、前記制御装置は、前記圧縮機を駆動する交流電動機
   に接続された交流電源の周波数変換装置であることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項記載の極低温冷凍機。 ３、前記制御装置は、前記圧力検出器の出力値を規定値
   に保つように前記圧縮機回転数の制御を行なうことを特
   徴とする特許請求の範囲第１項記載の極低温冷凍機。