JPH0452468A - 極低温冷凍装置 - 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、蓄冷式の冷凍機を主冷凍機とする極低温冷凍
機に関する。

（従来の技術） 極低温の冷凍機には種々のタイプがある。これらの中に
ギフオード・マクマホン形冷凍機で代表される蓄冷式の
極低温冷凍機がある。この蓄冷式の極低温冷凍機、たと
えば２段膨脹式のギフす一ド・マクマホン形冷凍機（以
後、ＧＭ冷凍機と略称する。）は、第５図に示すように
構成されている。

すなわち、この冷凍機は、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、閉じられたシリンダ１１と、この
シリンダ１１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１２と、この
ディスプレーサ１２に往復動に必要な動力を与えるモー
タ１３とで構成されている。

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に同軸的に接続された小径の第２シリンダ
１５とで構成されている。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
れている。そして、第１シリンダ１４と第２シリンダ１
５との境界壁部分で第１段冷却ステージ１６を構成し、
また第２シリンダ１５の先端壁部分で第１段冷却ステー
ジ１６より低温の第２段冷却ステージ１７を構成してい
る。

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デイスプレーサ１８と、第２シリンダ１５内を往
復動する第２デイスプレーサ１９とで構成されている。

第１デイスプレーサ１８と第２デイスプレーサ１９とは
、連結機構２０によって軸方向に連結されている。

第１デイスプレーサ１８の内部には、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には銅メツシユ等で形成された蓄冷材２２が
収容されている。

第２デイスプレーサ１９の内部には最終段蓄冷器を構成
するするため流体通路２３が軸方向に形成されており、
この流体通路２３には球状の鉛で形成された蓄冷材２４
が収容されている。

第１デイスプレーサ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デイスプレーサ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。

第１デイスプレーサ１８の図中上端は、連結ロッド３１
、スコッチョークあるいはクランク軸３２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で示す方向
に往復動する。

第１シリンダ１４の側壁上部には冷媒ガスの導入口３４
と排出口３５とが設けてあり、これら導入口３４と排出
口３５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１１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３５を低圧弁３６、圧
縮機３７、高圧弁３８を介して導入口３４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（約５ａｔｍ）のヘリウムガスを圧縮機３７て高
圧（約１８ａＬｓ）に圧縮してシリンダ１１内に送り込
むものである。そして、低圧弁３６、高圧弁３８はディ
スプレーサ１２の往復動との関連において後述する関係
に開閉制御される。

この冷凍機の動作を簡単に説明すると以下の通りである
。

この冷凍機において、寒冷の発生する部分、つまり冷却
面に供される部分は第１段冷却ステージ１６と第２段冷
却ステージ１７とである。

モータ１３が回転を開始すると、ディスプレーサ１２が
下死点と上死点との間を往復動する。ディスプレーサ１
２が下死点にあるとき、高圧弁３８が開いて高圧ヘリウ
ムガスがコールドヘッド１内に流入する。次に、ディス
プレーサ１２が上死点へと移動する。前述の如く、第１
デイスプレーサ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デイスプレーサ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２
５．２６が装着されている。このため、ディスプレーサ
１２が上死点へと向かうと、高圧ヘリウムガスは第１デ
イスプレーサ１８に形成された流体通路２１および第２
デイスプレーサ１９に形成された流体通路２３を通って
、第１デイスプレーサ１８と第２デイスプレーサ１９と
の間に形成された１段膨脹室３９および第２デイスプレ
ーサ１９と第２シリンダ１５の先端壁との間に形成され
た２段膨脹室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、結
局、１段膨脹室３９に流れ込んだ高圧ヘリウムガスは５
０にレベルに、また２段膨脹室４０に流れ込んだ高圧ヘ
リウムガスは１５にレベルに冷却される。

ここで、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、１段膨脹室３９内およ
び２段膨脹室４０内の高圧ヘリウムガスが膨脹して寒冷
を発生する。この寒冷によって第１段冷却ステージ１６
および第２段冷却ステージ１７がさらに低温に冷却され
る。そして、ディスプレーサ１２が再び下死点へ移動す
ると、これに伴って１段膨脹室３９内および２段膨脹室
４０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２３．２１内を通る間に蓄冷材２４．２
２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て冷凍運転が行なわれる。

しかしながら、上記のように構成された従来の極低温冷
凍機にあっては次のような問題があった。

すなわち、第２デイスプレーサ１９内に蓄冷材２４とし
て充填されている鉛は、第６図に示すように、温度の低
下とともに体積比熱が小さくなり、熱容量が減少する。

したがって、ヘリウムガスとの熱交換量が大幅に減少す
る。一方、ヘリウムガスは温度の低下に伴って体積比熱
が大きくなる性質を有している。これらの性質が原因し
て従来の蓄冷式の極低温冷凍機では、第２冷却ステージ
１７の温度を８に以下に下げることが困難であった。

そこで、第２冷却ステージ１７の最低到達温度を下げる
ために、低温下において鉛より比熱の大きいＧｄＲｈや
ＧｄＥｒＲｈを蓄冷材２４として用いた冷凍機や、蓄冷
器およびディスプレーサの数を３段以上設けた冷凍機が
考えられている。しかし、このように改良された冷凍機
でも、特に液体ヘリウム温度である４、２に近傍で大き
な冷凍能力を発揮させることが困難であった。

また、断熱膨脹冷却の特性面から考えると、１０に以下
の低温域で大きな冷凍能力を得るには低い圧力レベルで
運転することが得策である。しかし、従来の冷凍機では
低い圧力で運転すると、上段に位置する冷却ステージ（
２段冷却ＧＭ冷凍機では１段冷却ステージ、３段ＧＭ冷
凍機では１．２段冷却ステージ）における圧力レベルも
低くなる。上段側、つまり温度がＩＯＫを越える領域に
おいては、逆に圧力の高い方が冷凍能力を向上させる上
で好ましい。したがって、上記のように上段側も圧力が
低くなると、上段側での冷凍能力減少し、上段側の温度
上昇を招き、これが原因して低温側の冷凍能力を低下さ
せると言う問題もあった。

（発明が解決しようとする課題） 上述の如〈従来の蓄冷式の極低温冷凍機にあっては、特
に産業上有用な液体ヘリウム温度（４゜２Ｋ）近傍で高
い冷凍能力を得ることができない問題があった。

そこで本発明は、構造の複雑化を招くことなく、４．２
に近傍での冷凍能力を大幅に向上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） 上記目的を達成するために、本発明に係る極低温冷凍機
は、圧縮されたヘリウムガスを蓄冷器に通した後に膨脹
させて寒冷を発生させる１段膨脹式の極低温冷凍機本体
と、前記蓄冷器の常温側と最低温側との間に少なくとも
１段挿設された熱交換ステージと、この熱交換ステージ
を予冷する冷却手段とを備えている。

（作　用） 蓄冷器を通ったヘリウムガスは、熱交換ステージが設け
られていない場合に比べて低温に冷却される。したがっ
て、熱交換ステージの温度を選択することによって低温
部での寒冷発生に最も適した運転条件（圧力レベル、回
転数等）を選ぶことができ、４，２に近傍における冷凍
能力を向上させることが可能となる。

（実施例） 以下、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別けて、極低温冷凍機本体５
１と、予冷用の冷凍機５２とて構成されている。そして
、これら極低温冷凍機本体５１および冷凍機５２は、境
界壁５３より図中下方に位置する部分が断熱層内に配置
されている。

極低温冷凍機本体５１は次のように構成されている。す
なわち、薄いステンレス鋼板等で形成されたシリンダ６
１と、このシリンダ６】−内に往復動自在に収容された
ディスプレーサ６２と、このディスプレーサ６２を図中
実線矢印６３で示す方向に往復動させるモータ６４およ
びクランク連結機構６５と、シリンダ６１との間でヘリ
ウムガスを導排出させるための高圧弁６６および低圧弁
６７および圧縮機６８とで構成されている。

ディスプレーサ６２は、円柱状に形成された断熱材ブロ
ック６９，７０，７１ト、良熱伝導材で円柱状に形成さ
れた熱交換ステージ７２．７３とを交互に同軸的に連結
したものとなっている。各断熱ブロック６９，７０．７
１内には軸方向に延びる流体通路７４．７５．７６か形
成されている。

また、各熱交換ステージ７２．７３には流体通路７４．
７５．７６を直列に通じさせてディスプレーサ６２の上
端側と下端側とを連通させる流体通路７７．７８が形成
されている。流体通路７４内には銅メツシユ等で形成さ
れた蓄冷材７９が収容されており、流体通路７５内には
鉛の球などで形成された蓄冷材８０が収容されており、
さらに流体通路７６内には４．２に近傍で比熱が大きい
Ｅｒ、Ｎｉの球などで形成された蓄冷材８１が収容され
ている。なお、図中８２はディスプレーサ６２とシリン
ダ６１との間をシールするシール機構を示している。

上記構成から判るように、この極低温冷凍機本体５１は
、１段膨脹式のＧＭ冷凍機で構成されている。したがっ
て、この極低温冷凍機本体５１ではシリンダ６１の先端
壁８３とディスプレーサ６２との間に膨脹室９０が形成
され、先端壁８３が冷却ステージとなっている。

一方、予冷用の冷凍機５２は、第５図に示した２段膨脹
式のＧＭ冷凍機で構成されている。したかって、この図
では第５図と同一部分が同一符号で示しである。冷凍機
５２の第１段冷却ステージ１６および第２段冷却ステー
ジ１７には、それぞれ熱伝達部材８４．８５の一端側が
熱的に接続されており、これら熱伝達部材８４．８５の
他端側はシリンダ６１の外周面に熱的に密接状態に設け
られた伝熱ブロック８６．８７に熱的に接続されている
。

伝熱ブロック８６はディスプレーサ６２が下死点にある
ときに丁度、熱交換ステージ７２の外側に位置するよう
に設けられており、また伝熱ブロック８７はディスプレ
ーサ６２が下死点にあるときに丁度、熱交換ステージ７
３の外側に位置するように設けられている。

次に、上記のように構成された極低温冷凍機の動作を説
明する。

前述の如く、極低温冷凍機本体５１は１段膨脹式のＧＭ
冷凍機で構成されている。したがって、基本的な動作は
第５図に示した冷凍機と同じである。また、予冷用の冷
凍機５２は第５図に示した冷凍機と同じ動作を行う。

予冷用の冷凍機５２を動作させると、伝熱ブロック８６
は４０に程度に、また伝熱ブロック８７は８に程度に冷
却される。今、ディスプレーサ６２が下死点にあるもの
とすると、熱交換ステージ７２は伝熱ブロック８６を介
して４５に程度に冷却され、熱交換ステージ７３は伝熱
ブロック８７を介して１２に程度に冷却される。

ディスプレーサ６２が下死点にあるとき、高圧弁６６が
開いて高圧ヘリウムガスがシリンダ６１に流入する。次
に、ディスプレーサ６２が上死点へと移動する。ディス
プレーサ６２が上死点へと向かうと、高圧ヘリウムガス
は流体通路７４内に充填されている蓄冷材７９によって
冷却された後、熱交換ステージ７２に形成されている流
体通路７７へと流れる。熱交換ステージ７２は前述の如
く４５に程度に冷却されているので、流体通路７７を出
たヘリウムガスは４５に程度の温度となる。

このヘリウムガスは、次に流体通路７５内に充填されて
いる蓄冷材８０よってさらに低温に冷却された後、熱交
換ステージ７３に形成されている流体通路７８へと流れ
る。熱交換ステージ７３は前述の如く１２に程度に冷却
されているので、流体通路７８を出たヘリウムガスは１
２に程度の温度となる。このヘリウムガスは、次に流体
通路７６内に充填されている蓄冷材８１よって４．２に
程度まで冷却された後に膨脹室９０へ流れ込む。

ここで、高圧弁６６が閉じ、低圧弁６７が開く。

このように低圧弁６７が開くと、膨脹室９０内の高圧ヘ
リウムガスが膨脹して寒冷を発生する。この寒冷によっ
て冷却ステージ８３がさらに低温に冷却される。そして
、ディスプレーサ６２が再び下死点へ移動すると、これ
に伴って膨脹室９０内のヘリウムガスが逆の経路で排除
される。膨脹したヘリウムガスは流体通路７６．７５．
７４内を通る間に蓄冷材８１．８０．７９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
されて冷凍運転か行なわれる。

上記動作から判るように、この極低温冷凍機では、いわ
ゆる蓄冷器中を通流する高圧ヘリウムガスを蓄冷器中の
途中位置において熱交換ステージ７２．７３で所望温度
に冷却するようにしている。

したがって、膨脹室９０へ流れ込む高圧ヘリウムガスの
温度を熱交換ステージ７２．７３を設けない場合に比べ
て低くできることになる。

前述の如く１０に以下の領域では、膨脹室９０へ流れ込
むヘリウムガス圧力のが低い方が冷凍能力を大きくでき
る。しかし、圧力を下げると上段側での冷凍能力を低下
させるので、膨脹室９０へ流れ込むヘリウムガスの温度
が上がる。この実施例のように、途中に熱交換ステージ
７２．７３を配置しておくと、膨脹室９０に流れ込むヘ
リウムガスの温度をコントロールできるので、結局、ヘ
リウムガスの圧力を低下させることが可能となる。

したがって、４．２に近傍で寒冷発生が十分行われる低
い圧力（たとえば、高圧１０ａｔｍ、低圧２ａｔａ）を
自由に選択することか可能となり、４゜２に近傍での冷
凍能力を向上させることができる。

第２図には本発明に係る極低温冷凍機を実際にクライオ
スタットに組み込んだ例が示されている。

クライオスタット１００は、内槽１０１と、外槽１０２
と、内外槽間に形成された真空断熱層１０３と、この真
空断熱層１０３内に配置されて輻射熱シールド板１０４
，１０５とで構成されている。そして、内槽１０１内に
たとえば超電導コイル１０６と、これを冷却する液体ヘ
リウム１０７とが収容されている。

この例では、極低温冷凍機本体５１の冷却ステージ８３
で液体ヘリウムの蒸発によって生成されたヘリウムガス
を再凝縮させるようにし、また予冷用の冷凍機５２にお
ける第１段冷却ステージ１６および第２段冷却ステージ
１７で輻射熱シールド板１０４，１０５を冷却している
。そして、シリンダ６１の外周面に固定された伝熱ブロ
ック８６．８７を輻射熱シールド板１０４，１０５に熱
的に接続している。

このような構成であると、冷却ステージ８３でヘリウム
ガスを効率よく再凝縮させることができるとともに予冷
用の冷凍機５２を輻射熱シールド板冷却用としても使用
できるので、全体の構成を単純化することができる。

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。すなわち、上述した実施例では、ディスプレーサに
蓄冷材および熱交換ステージを組み込むようにしている
が、第３図に示すようにシリンダ６１ａを二重円筒状に
構成し、内側にディスプレーサ６２ａを配置し、外側に
蓄冷材７９゜８０．８１および熱交換ステージ７２．７
３を配置し、ディスプレーサ６１ａを独立させるように
してもよい。このような構成であると、ギャップを介す
ることなく冷却ステージ７２．７３を冷却することがで
きるので、効率を向上させることができる。また、第４
図に示すようにディスプレーサ６２ａを収容するシリン
ダ６１ｂと、蓄冷材７９．８０．８１および熱交換ステ
ージ７２．７３を収容するシリンダ６１ｃとを独立させ
、これらを直列に接続するようにしてもよい。

また、前述した実施例では予冷用にＧＭ冷凍機を使用し
ているが、冷凍機を使わずに液体窒素や液体酸素等の冷
媒を使って伝熱ブロック、すなわち熱交換ステージを冷
却するようにしてもよい。

また、上述した実施例では、熱交換ステージを２段設け
ているが、１段あるいは３段以上設けてもよい。

さらに、上述した実施例では極低温冷凍機本体をＧＭプ
サイルの冷凍機で構成しているが、スターリングサイク
ルやヴイルミャサイクル等の他の蓄冷器を使用するサイ
クルで構成してもよい。

［発明の効果］ 以上述べたように、本発明によれば、予冷系統によって
蓄熱器の常温側と低温側との間を冷却しているので、圧
力レベル等の運転条件を自由に選ぶことができ、この結
果、４．２に近傍における冷凍能力を著しく向上させる
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
成図、第２図は同極低温冷凍機をタライオスタットに組
み込んだ例を示す図、第３図および第４図は変形例をそ
れぞれ説明するための図、第５図は従来の蓄冷式冷凍機
の構成説明図、第６図は従来の冷凍機の問題点を説明す
るための図である。 ５１・・・極低温冷凍機本体、５２・・・予冷用の冷凍
機、６１，６１ａ、６１ｂ、６１ｃｍ・・シリンダ、６
２．６２ａ・・・ディスプレーサ、７２．７３・・・熱
交換ステージ、７９，８０．８１・・・蓄冷材、８３・
・・冷却ステージ、８６．８７・・・伝熱ブロック、９
０・・・膨脹室。 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦 第 ２図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 圧縮されたヘリウムガスを蓄冷器に通した後に膨脹させ
   て寒冷を発生させる１段膨脹式の極低温冷凍機本体と、
   前記蓄冷器の常温側と最低温側との間に少なくとも１段
   挿設された熱交換ステージと、この熱交換ステージを予
   冷する冷却手段とを具備してなることを特徴とする極低
   温冷凍機。