JPH0120699B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は超低温冷凍機に関し、特に詳述すれば
10K以下の冷凍を効率良く発生可能にし、逆スタ
ーリングサイクル或いはギホードマクマホンサイ
クル等の利用範囲を拡大させている超低温冷凍機
に関する。

本発明の目的は圧縮空間、冷却器、畜冷器、膨
張空間を順次連通させ、該畜冷器と膨張空間との
間に一方向弁と向流熱交換器を設け、作動ガスど
うしが熱交換することを特長とする超低温冷凍器
を提供するものである。

本発明の一実施例を第１図に基づき説明すれ
ば、圧縮シリンダ１と圧縮ピストン２により形成
される圧縮空間３は冷却器４、第１畜冷器５を通
り連通管６，７を通りそれぞれ第１膨張空間８、
第２畜冷器９の一端側へ連通している。前記第２
畜冷器９の他端側は連通管１１，１２，１３を通
りそれぞれ第２膨張空間１０、一方向弁１４の一
端側、一方向弁１５の一端側へ連通している。前
記一方向弁１４，１５の他端側はそれぞれ向流熱
交換器１６の高温熱交換器１６ａと低温側熱交換
器１６ｂの一端側へ連通し、高温側熱交換器１６
ａと低温側熱交換器１６ｂの他端側はそれぞれ一
方向弁１７，１８の一端側へ連通している。前記
一方向弁１７，１８の他端側はそれぞれ連通管１
９，２０を通じ第３膨張空間２１へ連通してい
る。向流熱交換器１６の断面図を第３図に示す。
１４ａ，１５ａ，１７ａ，１８ａはそれぞれ一方
向弁１４，１５，１７，１８への連絡通路で１６
ｃはケースで、１６ｄ，１６ｅはコレクター、１
６ｆはチユーブ、１６ｇはフインである。フイン
１６ｇは熱伝導の良い金属（Cu系）で作られて
いる。この様にして構成された冷凍回路内にはヘ
リウムガス等の冷媒が充填されている。圧縮ピス
トン２にはロツド２２が連通され、さらに圧縮ピ
ストン２の外周との一部にはガス封止のためのピ
ストンリング２３が設けられ、ロツド２２の外壁
の一部にもガス封止のためのシール３１が設けら
れている。

第１膨張空間８、第２膨張空間１０、第３膨張
空間２１は、それぞれ３段の凸型を有する膨張シ
リンダ２４、膨張ピストン２５によつて形成され
る。膨張ピストンの各段の外周上には該第１，
２，３膨張空間８，１０，２１内のガス封止のた
めのピストンリング２６，２７，２８が設置され
ている。又膨張ピストン２５にはロツド２９が連
絡され、該ロツド２９の外壁上の一部には、ガス
封止のためのシール３０が設置されている。ロツ
ド２２，２９は図示されていない往復駆動機構
（例えばクランク機構）に連結され膨張ピストン
２５の方が圧縮ピストン２より約90℃位相が進む
様に配置されている。

第２図−１〜第２図−４は前記向流熱交換器１
６の高温熱交換器１６ａと低温側熱交換器１６ｂ
の作動ガスの流れの１サイクルを示したものであ
る。

以上の構成において本発明の作用について説明
すれば圧縮空間３内の作動ガス（ヘリウムガス
等）は圧縮ピストン２により圧縮された後、冷却
器４で冷却され、第１畜冷器５を通り、さらに冷
却され連通管６，７を通り、それぞれ第１膨張空
か８及び第２畜冷器９へと流入する。第２膨張空
間８に入つた作動ガスは膨張ピストン２５により
膨張され、約70Kの温度の冷凍を発生する。とこ
ろで、第２畜冷器９に流入した作動ガスは、さら
に冷却されて連通管１１を通り第２膨張空間１０
と連通管１２，１３へと流入する。第２膨張空間
１０に流入した作動ガスは膨張ピストン２５によ
り膨張され約15Kの温度の冷凍を発生する。一方
連通管１２に流れた作動ガスは、一方向弁１４を
通つて向流熱交換器（以下、単に熱交換器とい
う）１６の高温側熱交換器１６ａに流入すると第
３膨張空間２１から連通管２０と一方向弁１８を
通つて低温側熱交換器１６ｂの空間に入り込んで
くる温度の低い作動ガスによつてフイン１６ｇを
通じて冷却され、一方向弁１７、連通管１９を通
り、第３膨張空間２１へ流入する。第３膨張空間
２１へ流入した作動ガスは膨張ピストン２５の膨
張によつて約4Kの温度の冷凍を発生する。他方
連通管１３に流入した作動ガスは一方向弁１５に
よつて向流熱交換器１６の低温熱交換器１６ｂに
は流入しない。

第３膨張空間２１で膨張し終つた作動ガスは、
前記膨張ピストン２５の圧縮により連通管１９，
２０へ流入する。連通管１９により流入した作動
ガスは一方向弁１７に閉状態にせしめ、熱交換器
１６の高温側熱交換器１６ａには流入しない、一
方連通孔２０に流入した作動ガスは一方向弁１８
を通つて熱交換器１６の低温熱交換器１６ｂに流
入すると、第２畜冷器９、一方向弁１４を順次通
る高温熱交換器１６ａの空間に入り込んだ温度の
高い作動ガスから熱を受け温められて一方向弁１
５及び連通管１３を通り第２畜冷器９へ流入す
る。

第２膨張空間１０で膨張し終つた作動ガスは膨
張ピストン２５の圧縮により連通管１１を通り該
２畜冷器９に流入する。第２畜冷器９に流入した
作動ガスは温められ第１畜冷器５へ流入する。第
１膨張空間８で膨張し終つた作動ガスは膨張ピス
トン２５の圧縮によつて連通管６を通つて第１畜
冷器５に流入する。第１畜冷器５に流入した作動
ガスは温められて冷却器４へ流入し、さらに圧縮
空間３へ流入するこの様にして１サイクルを形成
する。

次に、第２図−１〜第２図−４に基づき前記熱
交換器１６の高温側熱交換器１６ａと低温側熱交
換器１６ｂの作動ガスの熱交換について説明す
る。膨張ピストン２５が下死点にある時、作動ガ
スの圧力はほゞ最低に近い（第２図−１に示す）、
前記第２膨張空間１０、前記連通管１１，１２，
１３、前記一方向弁１４，１５、前記熱交換器１
６の高温側熱交換器１６ａと低温側熱交換器１６
ｂ、一方向弁１７，１８、連通管１９，２０、そ
して第３膨張空間２１の内部の作動ガスの圧力は
ほゞ等しくなり前記一方向弁１４，１５，１７，
１８はバネの力で閉状態となる。第２図−１はこ
の状態を示している。次に膨張ピストン２５が下
死点から上死点に向かつて移動すると、（第２図
−２に示す）第３膨張空間２１の作動ガスは圧縮
され圧力が上昇し連通管２０を通つて一方向弁１
８を開状態にせしめ、熱交換器１６の低温側熱交
換器１６ｂに流入する。さらに低温側熱交換器１
６ｂに流入した作動ガスは一方向弁１５を開状態
にせしめ連通管１３を通つて第２畜冷器９に流入
し第２畜冷器９内の作動ガスの圧力を高める。第
２畜冷器９内の圧力の高まつた作動ガスは一方向
弁１４を開状態にし高温熱交換器１６ａに流入す
ると一方向弁１８から一方向弁１５に向かつて低
温熱交換器１６ｂを流れている冷たい作動ガスに
よつて冷却される。一方低温側熱交換器１６ｂを
流れている作動ガスは温められ第２畜冷器９に流
入する。熱交換器１６の高温側熱交換器１６ａの
作動ガスの圧力は前記連通管１９内の作動ガスよ
り低いため一方向弁１７は閉状態を維持する。第
２図−２はこの状態を示している。次に膨張ピス
トン２５が上死点にくると作動ガスの圧力はほゞ
最高圧近くになる（第２図−３に示す）。

次に第２膨張空間１０、連通管１１，１２，１
３、一方向弁１４，１５、熱交換器１６の高温熱
交換器１６ａと低温側熱交換器１６ｂ、一方向弁
１７，１８、連通管１９，２０、そして第３膨張
空間２１の内部の作動ガスはほゞ等しくなり、前
記一方向弁１４，１５，１８はバネの力で閉状態
になる。そして一方向弁１７は閉状態を維持す
る。該２図−３はこの状態を示している。

膨張ピストン２５が上死点から下死点に向かつ
て膨張すると第３膨張空間２１の作動ガスは約
4Kの冷凍を発生しながら圧力が低下する（第２
図−４に示す）。

その結果、熱交換器１６の高温側熱交換器１６
ａ内の作動ガスの圧力は一方向弁１７を開状態に
せしめる。高温側熱交換器１６ａ内の作動ガスは
連通管１２の作動ガスの圧力より低くなり、一方
向弁１４も開状態になる。この様にして第２畜冷
器９内の作動ガスは連通管１２、一方向弁１４、
高温側熱交換器１６ａ、一方向弁１７、連通管１
９を通つて、第３膨張空間２１に流入し第２畜冷
器９の圧力も低下する。

一方、一方向弁１８は第３膨張空間２１の作動
ガスの圧力が低下したため、閉状態を維持する。
他方、熱交換器１６の低温側熱交換器１６ｂの作
動ガスは第２畜冷器９内の作動ガスの圧力低下に
より一方向弁１５を開状態にせしめる。その結
果、低温側熱交換器１６ｂ内の冷却された作動ガ
スは高温側熱交換器１６ａを一方向弁１４から一
方向弁１７に向つて流れている作動ガスを冷却し
ながら第２畜冷器９に流入する。図２−４はこの
状態を示す。この様にして、向流熱交換器１６内
で作動ガスどうしの熱交換が行われて１サイクル
を終える。

従来のこの種の冷凍器について図８により説明
すれば圧縮間２０１内の作動ガスは圧縮ピストン
２０９により圧縮された後、冷却２０２で冷却さ
れ、第１畜冷器２０３を通り冷却され、第１膨張
空間２０４と第２畜冷器２０５へ流入する。前記
第２畜冷器２０５へ流した作動ガスはさらに冷却
され、第２膨張空間２０６と第３畜冷器２０７へ
流入する。前記第３畜冷器２０７へ流入した作動
ガスは、さらに冷却され第３膨張ガス空間２０８
へ流入する。前記第１，２，３膨張空間２０４，
２０６，２０８へ流入した作動ガスは膨張ピスト
ン２１０の膨張によつて該第１，２，３膨張空間
でそれぞれ、約70K、約15K、約10Kの温度の冷
凍を発生する。ところで、前記第３畜冷器２０７
内には鉛等の畜熱材が充填されている。鉛等の畜
熱材は低温になればなるほど比熱が著しく小さく
なるため、作動ガスと熱交換するには多量の畜熱
材を必要とする。この結果、前記第３畜冷器２０
７の死容積は大きくなり、又作動ガスが流れる流
路抵抗も大きくなり、前記第３膨張空間２０８で
は10K以下の冷凍を効率よく得られない。

本発明は、前記第１図に示すように熱交換器１
６の高温側熱交換器１６ａと低温側熱交換器１６
ｂで約15K以下の作動ガス（ヘリウムガス）どう
しがフイン１６ｇを介して熱交換している。この
結果、前記熱交換器の死容積を小さくする事がで
き、さらに流路抵抗も著しく小さくする事ができ
前記第３膨張空間１０において、10K以下の冷凍
を効率よく得る事が出来その上、従来のこの種の
冷凍器に比べ、より低い温度を得る事が出来るも
のである。

第４図ないし第７図に示される本発明の他の実
施例は、第２畜冷器９と第３膨張空間２１の間に
向流熱交換器と一方向弁を使用する場合に、一方
向弁を２個使用して、装置を簡単にしたものであ
る。即ち、第３図および第４図示の装置について
説明すると、第２畜冷器９から第３膨張空間２１
の方向に作動ガスが流れる場合、向流熱交換器１
６の高温側通路１６ａ、低温側通路１６ｂ内の圧
力は第３膨張空間２１の圧力よりも高いので、一
方向弁１８は閉じ、一方向弁１７は開いている。
従つて、第２畜冷器９から低温側通路１６ｂには
作動ガスは流れず、第３膨張空間２１からすでに
流れ込んだ冷えた作動ガスが溜まつている。第２
畜冷器９から向流熱交換器１６の高温側通路１６
ａに流れてきた作動ガスは、低温側通路１６ｂに
溜まつている作動ガスによつて冷却され、一方向
弁１７、連通管を通つて第３膨張空間２１に流入
する。第３膨張空間２１から第２畜冷器９の方向
に流れる場合、向流熱交換器１６の高温側通路１
６ａ、低温側通路１６ｂ内の圧力は第３膨張空間
２１の圧力よりも低いので、一方向弁１７は閉
じ、一方向弁１８は開いている。従つて、第２畜
冷器９から高温側通路１６ａには作動ガスは流れ
ず、第２畜冷器９からすでに流れ込んだ冷えた作
動ガスが溜まつている。第３膨張空間２１から連
通管２０および一方向弁１８を通つて低温通路１
６ｂに流れてきた作動ガスは、高温側通路１６ａ
に溜まつている作動ガスによつて温められ、第２
畜冷器９に流入する。このようにして、向流熱交
換器１６で作動ガスどうしが熱交換する。第５図
ないし第７図示の装置においても、同様の熱交換
がなされる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の冷凍機の概略断面
図、第２図−１〜第２図−４は第１図に示す冷凍
機の作動ガスの流れの１サイクルを示す作動図、
第３図は向流熱交換器の断面図、第４図〜第７図
は本発明の他の実施例の概略断面図、そして第８
図は従来の実施例の概略断面図である。 ３……圧縮空間、４……冷却器、５……第１畜
冷器、８……第１膨張空間、９……第２畜冷器、
１０……第２膨張空間、１４，１５，１７，１８
……一方向弁、１６……向流熱交換器、１６ｃ…
…ケース、１６ｆ……フインチユーブ、１６ｇ…
…フイン、２１……第３膨張空間。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 圧縮空間、冷却器、第１畜冷器および第２畜
   冷器を順次連通せしめると共に前記第１畜冷器お
   よび前記第２畜冷器を夫々第１膨張空間および第
   ２膨張空間に連通し、前記第２畜冷器と第３膨張
   空間との間に向流熱交換器を介設し、該向流熱交
   換器の各相の任意の位置に一方向弁を相反的に設
   け、作動ガス双方が熱交換するようにした冷凍
   機。