JPH0147713B2 - - 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以下の冷凍を簡単な機構で短かい時間で
効率良く発生可能にし、逆スターリングサイクル
或いは、ギボ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もので
ある。

本発明は、圧縮空間、冷却器、蓄冷器、蓄熱型
熱交換器および膨張空間を順次連通せしめた冷凍
機において、前記蓄熱型熱交換器の流路の外壁側
をとり囲んでいる空間と、前記圧縮空間、前記蓄
冷器内の空間、前記蓄熱型熱交換器の流路、前記
膨張空間及びバツフア空間のいずれかとを絞りを
介して連通し、前記蓄熱型熱交換器の前記流路の
内壁側を流れる作動ガス（ヘリウムガス）と前記
蓄熱型熱交換器の前記流路の外壁側の作動ガス
（ヘリウムガス）との間で、前記流路を形成する
壁を介して熱交換することによつて、膨張空間で
冷凍を効率良く短時間で発生し得る超低温冷凍機
を提供するものであつて、膨張ピストン及び膨張
シリンダが３段の段付状を呈し、その端部に夫々
第１、第２及び第３膨張空間を形成した冷凍機に
あつてはその第３膨張空間で10K以下の冷凍を効
率よく短時間で発生し得る超低温冷凍機を提供す
るものである。

本発明の実施例を第１図及び第２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、順次冷却器４、第１
蓄冷器５を通り、そして連通管６，７を介して、
それぞれ第１膨張空間８、第２蓄冷器９の一端側
へ連通している。前記第２蓄冷器９の他端側は、
連通管１１，１２を通り、それぞれ第２膨張空間
１０、第３蓄冷器１３の一端側へ連通している。
前記第３蓄冷器１３の他端側は、連通管１４を通
り、蓄熱型熱交換器１５の流路１５ａの一端側に
連通している。前記流路１５ａの他端側は、連通
管１６を通り第３膨張空間１７へ連通している。
第３膨張空間１７は、順次連通管１８、絞り１
９、連通管２０を介し前記蓄熱型熱交換器１５の
流路１５ａの外壁側をとり囲んでいる空間１５ｂ
に連通している。

この様にして構成された冷凍回路内には、ヘリ
ウムガス等の作動ガスの冷凍が充填されている。

圧縮ピストン２にはロツド２２が連結され、さ
らに前記圧縮ピストン２の外周上の一部には、ガ
ス封止のためのピストンリング２３が設けられ、
そして前記ロツド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１７は、それぞれ２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２５の各段の外周上には、該第
１、２、３膨張空間８，１０，１７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動機構
（例えばクランク機構）に連絡され、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
む様にせしめてある。

尚、本発明は切り換弁を使用したギホードサイ
クル、ギホードマクマホンサイクル、ソルベイサ
イクル等の冷凍機にも適用することが出来る。

本発明の作用について説明すれば、圧縮空間３
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蓄冷器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膨張空間８及び第２蓄冷
器９へと流入する。第１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、温度が
下り冷凍を発生する。ところで第２蓄冷器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を通り第３
蓄冷器１３へと流入する。第２膨張空間１０へ流
入した作動ガスが膨張ピストン２５の膨張により
膨張され、第１膨張空間８よりさらに温度の低い
冷凍を発生する。第３蓄冷器１３に流入した作動
ガスは、さらに冷却されて順次連通管１４、蓄熱
型熱交換器１５の流路１５ａへ流入する。流路１
５ａに流入した作動ガスは、流路１５ａを形成す
る壁を介し熱交換器１５の空間１５ｂのヘリウム
ガスを冷却しながら、連通管１６を通り、第３膨
張空間１７に流入する。第３膨張空間１７へ流入
した作動ガスは膨張ピストン２５により膨張さ
れ、第２膨張空間よりさらに温度の低い冷凍を発
生する。第３膨張空間１７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１
６を通り、蓄熱型熱交換器１５の流路１５ａに流
入すると流路１５ａを形成する壁を介し、蓄熱型
熱交換器１５の空間１５ｂ内のヘリウムガスを冷
却しながら、連通管１４を通つて第３蓄冷器１３
に流入する。第３蓄冷器１３に流入した作動ガス
は温められて連通管１２を通つて第２蓄冷器９に
流入する。又、第２膨張空間１０で膨張し終つた
作動ガスも、膨張ピストン２５の圧縮により連通
管１１を通り第２蓄冷器９へ流入する。第２蓄冷
器９へ流入した作動ガスはさらに温められて連通
管７を通つて第１蓄冷器５へ流入する。第１膨張
空間８へ膨張し終つた作動ガスも、膨張ピストン
２５の圧縮により、連通管６を通つて第１蓄冷器
５へ流入する。第１蓄冷器５へ流入した作動ガス
は、さらに温められて冷却器４を流入し、さらに
圧縮空間３へ流入する。

ところで蓄熱型熱交換器１５の温度が低下する
と蓄熱型熱交換器１５の空間１５ｂのヘリウムガ
スの温度が低下し、空間１５ｂの圧力が低下す
る。空間１５ｂの圧力が低下すると第３膨張空間
１７の作動ガスは、連通管１８、絞り１９、連通
管２０を通つて、空間１５ｂに流入し、そして空
間１５ｂの圧力は冷凍サイクルの平均圧力にほぼ
等しくなる。

第２図ｂはこの状況の圧力の変化を示したもの
でP₁は第３膨張空間１７の圧力の変化を示し圧
縮ピストン２と膨張ピストン２５の作用により大
きく変化するが蓄熱型熱交換器の空間１５ｂの圧
力は絞り１９によりP₂に示す如く圧力の変化が
非常に少くなる。

この様にして１サイクルを形成する。この冷凍
サイクルを何回も繰り返すと、第１膨張空間８、
第２膨張空間１０、第３膨張空間１７の各々の作
動ガスの温度は除々に下り、第１膨張空間８は約
100K、第２膨張空間は約30K、第３膨張空間は
約15K、蓄熱型熱交換器１５も約15Kとなる。

ところで蓄熱型熱交換器１５の温度が約15Kに
なると第２蓄冷器９、連通管１２を通つて第３蓄
冷器１３に流入した作動ガスはさらに冷却され連
通管１４を通り蓄熱型熱交換器１５の流路１５ａ
に流入する。流路１５ａに流入した作動ガスは流
路１５ａを形成している壁を通して熱交換器１５
の空間１５ｂのヘリウムガスによつて、さらに冷
却され連通管１６を通り第３膨張空間１７に流入
する。第３膨張空間１７に流入した作動ガスは膨
張ピストン２５の膨張によつて、15Kよりさらに
温度の低い冷凍を発生する。第３膨張空間１７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１６を通つて蓄熱型熱交換器１
５の流路１５ａに流入する。流路１５ａに流入し
た作動ガスは流路１５を形成する壁を介して蓄熱
型熱交換器１５の空間１５ｂのヘリウムガスによ
つて温められ、連通管１４を通つて第３蓄冷器１
３へ流入する。第３蓄冷器１３へ流入した作動ガ
スは、さらに温められて連通管１２を通つて第２
蓄冷器９に流入する。第２膨張空間１０と第１膨
張空間８で膨張し終つた作動ガスは、前述した同
様の作用によつて圧縮空間３にもどり１サイクル
を終える。この様に蓄熱型熱交換器１５の温度が
約15Kに達した後、この冷凍サイクルを何回も繰
り返すと、第１膨張空間８は、約70Kの冷凍を発
生し、第２膨張空間１０は約25Kの冷凍を発生す
る。そして連通管１４の作動ガスは約15K、そし
て第３膨張空間１７は約4Kの冷凍を発生する。

次に、冷凍機の運転を止めると蓄熱型熱交換器
１５の空間１５ｂの温度が上昇し、空間１５ｂの
圧力は冷凍サイクルを形成する空間である、圧縮
空間３、各蓄冷器５，９，１３内の空間、蓄熱型
熱交換器１５の流路１５ａ、各膨張空間８，１
０，１７の圧力より高くなる。その結果、空間１
５ｂのヘリウムガスは、連通管２０、絞り１９、
連通管１８を通つて第３膨張空間１７へ流入し、
空間１５ｂの圧力は冷凍サイクルを形成する空間
の圧力にほぼ等しくなる。

尚、第３図は10atのヘリウムガスと鉛球の単位
体積当りの熱容量を示したもので、明らかに15K
以下ではヘリウムガスの熱容量が大きく、15K以
上では鉛球の単位の体積当りの熱容量の方がヘリ
ウムガスの熱容量より大きいことを表わしてい
る。

以上より本発明によれば蓄熱型熱交換器１５の
空間１５ｂは絞りを介して冷凍サイクルを形成し
ている空間に接続されているので蓄熱型熱交換器
１５の温度が下がつても蓄熱型熱交換器１５の空
間１５ｂの圧力は第３膨張空間３の圧力の中間圧
を保つ様に絞り１９を通つてヘリウムガスが供給
される。

その結果、蓄熱型熱交換器１５の空間１５ｂの
ヘリウムガスと流路１５ａを形成する壁を介して
流路１５ａのヘリウムガスどうしが前述したヘリ
ウムガス（約15K以下）の熱容量の大きい性質を
利用して、熱交換しているので第３膨張空間１７
において10K以下の冷凍を効率良く、簡単な機構
で発生する。

蓄熱型熱交換器１５と第２蓄冷器の間に第３蓄
冷器を設けてあるので第３膨張空間１７が常温よ
り約15Kまで温度が下がる過程においては、第３
蓄冷器１３内にある鉛等の蓄冷材と第３蓄冷器１
３内を流れる作動ガス（ヘリウムガス）とが、第
３図に示すグラフの如く鉛の熱容量の大きい性質
（約15K以上）の熱交換を利用し、そして第３膨
張空間１７において冷凍を発生した作動ガスで蓄
熱型熱交換器１５を約15Kまで短かい時間で冷却
することが出来、その結果10K以下の冷凍を短時
間で得る事が出来る。

低温部に一方向弁、あるいは安全弁等の可動部
で有する弁類がないので、故障の恐れが少ない。
第３膨張空間１７と蓄熱型熱交換器の空間１５ｂ
とは絞りだけを介して連通しているので空間１５
ｂは冷凍サイクルを形成する空間の死体積にはな
らないのである。その結果、冷凍サイクルを形成
する空間の死体積を小さくする事が出来、冷凍機
の効率が良くなる。蓄熱型熱交換器１５の空間１
５ｂは絞りを介して冷凍サイクルを形成している
ので、冷凍機の運転を止めた場合、蓄熱型熱交換
器１５の空間のヘリウムガスは温度が上昇するに
つれ絞り１９を通つて冷凍サイクルを形成する空
間に流れる。この結果蓄熱型熱交換器１５の空間
１５ｂの圧力は異常に上昇せず、蓄熱型熱交換器
に安全弁等を設ける必要がまつたく無い。

第４図は、本発明の他の実施例である。第３蓄
冷器１３の蓄熱型熱交換器１５の空間１５ｂの間
を順次連通管４６、絞り３２、連通管３３で連通
せしめ、他の構成は第１図と同様である。

第５図は、本発明の他の実施例である。蓄熱型
熱交換器１５の流路１５ａの途中と、空間１５ｂ
を順次連通管３４、絞り３５、連通管３６で連通
せしめ、他の構成は、第１図と同様である。

第４図、第５図の作用は第１図の作用と同様で
ある。

第６図は、本発明の他の実施例である。バフア
空間４７と蓄熱型熱交換器１５の空間１５ｂの間
を順次連通管３７、第１蓄冷器５の外壁に巻き付
けた連通管３８、連通管３９、第２蓄冷器９の外
壁に巻き付けた連通管４０、連通管４１、第３蓄
冷器１３の外壁に巻き付けた連通管４２、連通管
４３、絞り４４、そして連通管４５を連通せし
め、他の構成は、第１図と同様である。

第６図の作用について説明すれば、バツフア空
間４７の圧力より蓄熱型熱交換器１５の空間１５
ｂの圧力が低いと、バツフア空間４７の作動ガス
は連通管３７を通り、連通管３８に流入する。連
通管３８に流入し作動ガスは、第１蓄冷器５によ
つて冷却され、連通管３９を通り、連通管４０へ
流入する。連通管４０へ流入した作動ガスは第２
蓄冷器９によつて冷却され、連通管４１を通つて
連通管４２に流入する。連通管４２に流入した作
動ガスは第３蓄冷器４２によつて冷却され、順次
連通管４３、絞り４４、連通管４５を通つて蓄熱
型熱交換器１５の空間１５ｂに流入する。

蓄熱型熱交換器１５の空間１５ｂの圧力よりバ
ツフア空間４７の圧力の方が低い場合、蓄熱型熱
交換器１５の空間１５ｂのヘリウムガスは、順次
連通管４５、絞り４４、連通管４３を通つて連通
管４２に流入する。連通管４２に流入した作動ガ
スは、第３蓄冷器１３によつて温められ、連通管
４１を通つて連通管４０へ流入する。連通管４０
へ流入した作動ガスは第２蓄冷器によつてさらに
温められ連通管３９を通り連通管３８へと流入す
る。連通管３８へ流入した作動ガスは第１蓄冷器
によつて、さらに温められ連通管３７を通りバツ
フア空間４７へ流入する。他の作用は第１図に示
す実施とまつたく同様である。

第４図〜第６図に示す実施例についても第１図
に示す実施例と同様その効果として第３膨張空間
には10K以下の冷凍が極めて短時間に発生すると
共に、蓄熱型熱交換器においても安全弁等の設置
が不必要となり極めて効率的な超低温冷凍機を提
供することが出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係る超低温冷凍機
の概略断面図、第２図ａは絞り部の拡大断面図、
第２図ｂは第３膨張空間１６に於ける作動ガスの
圧力（P₁）と蓄熱型熱交換器内の空間１５ｂに
於ける作動ガスの圧力（P₂）の変化の状況を示
すグラフ、第３図はヘリウムガス（作動ガス）と
鉛の熱容量の比較を示すグラフ、そして第４図〜
第６図は本発明の他の変形実施例を示す概略断面
図である。 １５：蓄熱型熱交換器、１５ａ：流路、１５
ｂ：熱交換器内の空間、１９：絞り。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 圧縮空間、冷却器、蓄冷器、蓄熱型熱交換器
   および膨張空間を順次連通せしめた冷凍機におい
   て、前記蓄熱型熱交換器の流路の外壁側をとり囲
   んでいる空間と、前記圧縮空間、前記蓄冷器内の
   空間、前記蓄熱型熱交換器の流路、前記膨張空間
   及びバツフア空間のいずれかとを絞りを介して連
   通し、前記蓄熱型熱交換器の前記流路の内壁側を
   流れる作動ガス（ヘリウムガス）と前記蓄熱型熱
   交換器の前記流路の外壁側の作動ガス（ヘリウム
   ガス）との間で、前記流路を形成する壁を介して
   熱交換することを特長とする超低温冷凍機。