JPH02309159A - 蓄冷材の製造方法及び極低温冷凍機 - Google Patents

蓄冷材の製造方法及び極低温冷凍機

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JPH02309159A
JPH02309159A JP12777289A JP12777289A JPH02309159A JP H02309159 A JPH02309159 A JP H02309159A JP 12777289 A JP12777289 A JP 12777289A JP 12777289 A JP12777289 A JP 12777289A JP H02309159 A JPH02309159 A JP H02309159A
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magnetic
regenerator
refrigerator
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cold heat
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透 栗山
Yoichi Tokai
陽一 東海
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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】 [発明の目的コ 〈産業上の利用分野) 本発明は極低温冷凍機に係り、特に、蓄冷式冷凍機に関
する。
(従来の技術) 極低温冷凍機のうち、蓄冷器を有する蓄冷式冷凍機には
ギフオード・マクマホン(GM)冷凍機、スターリング
冷凍機等の種々のタイプがあるが、これらの中で、GM
冷凍機の構成を第3図に承 リ 。
叩ら、このGM冷凍機は大きく分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。コールドへ
′ラド1は閉じられたシリンダ11とこのシリンダ内に
往復動自在に収容されたディスプレーサ12とシリンダ
11に通じる部屋内に配置されて上記ディスプレーサ1
2に往復動に必要な動力を与える[−夕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。そして、第1シリンダ14と第2
シリンダ15との境界檗部分で冷却面としての1段ステ
ージ16を構成し、またシリンダ15の先端壁部分で1
段ステージ16より低温の2段ステージ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
結部材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の内側には、軸方向に延びる流体通路2
1が形成されて第1蓄冷器35を構成しており、第1蓄
冷器35内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。同様に、第2デイスプレーサ19の内
側にも軸方向に延びる流体通路23が形成されており、
第2蓄冷器36を構成している。
第2蓄冷器36内には鉛等の球等で構成された蓄冷材2
4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′i′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1描25.26が装着されて
いる。
第1デイスプレーυ18の図中上端は、連結ロッド27
、スコッチョークあるいはクランク軸28を介し°てモ
ータ13の回転軸に連結されている。
従って、モータ13の回転軸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29で示すよ
うに往復動する。
第1シリンダ14の側壁上部には冷媒ガスの導入口30
と排出口31とが設けてあり、これら導入口30と排出
口31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を経由したヘリウムガス
循環系を構成するもので、排出口31を低圧弁32、コ
ンプレッサ33、高圧弁34を介して導入口30に接続
したものとなっている。即ち、この冷媒ガス導排出系2
は、低圧(約6atm)ヘリウムガスをコンプレッサ3
3で高圧(約18atm>に圧縮してシリンダ11内に
送りこむものである。そして、低圧弁32、高圧弁34
の開閉はディスプレ−サ12の往復動との関連において
後)ホする関係に制御される。
この様に構成された冷凍機の動作を簡単に説明すると以
下の通りである。この冷凍機では寒冷の発生ザる部分、
つまり冷却面に供される部分は第1ステージ16と第2
ステージ17とである。こ′ れらは熱負荷のない場合
にそれぞれ30にと8に程度まで冷える。このため、第
1蓄冷器35の上下端間には常m (300K>から3
0Kまでの温度勾配がつき、また第2蓄冷器36の図中
上下端間には30Kから8KまでのmlU勾配がつく。
ただし、この温度は各段の熱負荷によって変化し、通常
第1ステージ16では30〜80K、2段ステージ17
では8〜20にの間となる。
モータ13が回転を開始すると、ディスプレーサ12は
上死点と下死点の間を往復動ケる。ディスプレーυ12
が下死点にあるとき、高圧弁34が開いて高圧のヘリウ
ムガスがコールドヘッド1内に流入する。次に、ディス
プレー勺12が一ヒ死点へと移動ケる。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
周面との問および第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礪横
25.26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、高圧のへり「クムガスは
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段膨張室39および第2デイスプレーサ
1つと第2シリンダ15の先端壁との間に形成された2
段膨張室40へと流れる。この流れに伴って、高Itの
ヘリウムガスは蓄冷材22.24によって冷1.11さ
れ、結局、1段膨張室39に流れ込んだ1?″!l圧ヘ
リウムガスは30に程度に、また2段膨張室40に流れ
込んだ高圧ヘリウムガスは8KF?ft2に冷u1され
る。ここで、高圧弁34が閉じ、低圧弁32が聞く。こ
のように低圧弁32が聞くと、1段膨張室39内および
2段膨張室40内の高圧ヘリウムガスが膨張して寒冷を
発生する。この寒冷によっ−C第1ステージ16および
第2ステージ17が冷N1される。そして、ディスプレ
ーサ12が再び下死点へと移動し、これに伴って1段膨
張室39内および2段膨張室40内のヘリウムガスが排
除される。膨張したヘリウムガスは流体通路21.23
内を通る間に蓄冷材22.24によって暖められ、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
れて冷凍運転が行われる。このタイプの冷凍機は、超電
導マグネットの冷却や赤外線センサの冷却、あるいはま
たクライオポンプの冷却源として使用されている。
更に、第2蓄冷器36内の蓄冷材24として鉛の変わり
にある種の磁性体、例えばEr 3Ni、fEu S、
Gd Rh等を相当量使用することにより、冷凍機のR
低温部を下げ、低温(IOK以下)での冷凍能力を増加
させることができる。これは温度の低下と共に、鉛の比
熱が下がり、蓄冷材として熱を蓄える能力が減少してし
まい、蓄冷器としての熱交換効率が大幅に下がるためで
ある。従って、低温で鉛よりも比熱の大きい材料を用い
ることによって、蓄冷効率の向上を図り、最低温度の低
下と低温での冷凍能力の向上が実現されている。
例えば、第2蓄冷器内の鉛の代りに、Er 3N;を使
用すると最低温度が8Kから5Kまで下がり、10にで
°冷凍能力も3Wから5Wまで向上している。
しかしながら、上記のように構成された従来の冷凍機に
あっては次のような問題があった。即ち、第2蓄冷器3
6内の蓄冷材24の一部あるいは全部に磁性体を使用し
た場合、鉛のように球状に加工あるいは第1デイスプレ
ーサ18内の蓄冷材22のようにメツシュ状に加工する
ことは非常に困nである。従って、通常は溶融後のバル
ク状のものを粉砕後、ふるい符によっである大きさく1
00へ一500μm程度)に揃えたものが、蓄冷材とし
て使用されている。しかし、粉砕後のこれらの材料は数
μ山程度の細かい角や突起を右しており、それらの突起
が、冷凍機運転中に欠けて取れてしまう。蓄冷材24は
第2デイスプレーサ19よりこぼれないように両端でメ
ツシュ等によって蓋をしているが、それらにも数10μ
゛m程度の隙間が問いており、磁性体の細かい粉は、ヘ
リウムガスとともに抜けでてしまう。両端のメツシュ等
の蓋の隙間を細かくすることは、ヘリウムガスの圧力損
失を増大させることにつながり得策ではない。
また、第2蓄冷器36から出た磁性体の微粉はシール2
5に付着し、シールの漏れj@増大させ冷凍能力を大幅
に低減させてしまう。また、第1蓄冷器35、バルブ3
2を通って、コンプレッサ33に至り、バルブ32の目
詰まりやコンプレッサ33の破損にもつながる。このよ
うに、粉砕したままの磁tI1体を蓄冷材として使用し
た場合、冷凍機の能力低下や冷凍機の破損を招くという
問題点があった。
(発明が解決しようとする課題) 上述の如く、磁性体を蓄冷材として使用した蓄冷式冷凍
機にあっては、冷凍機運転中に生じた磁性体の微粉が蓄
冷器より出てくることによって、冷凍機の冷凍能力低下
を招き、ひいては冷凍機の破損まで引起こすという問題
点があった。
そこで本発明は、磁性体製蓄冷材が微粉を生じないよう
な形状にすることのできるvJ造方法と、この製造方法
によって製造した磁性体製の蓄冷材を用いた極低温冷凍
機を提供することを目的としている。
[発明の構成] (課題を解決するための手段) 本発明は圧縮した冷媒ガスを蓄冷器を用いて冷却した後
、低温部で膨張させることによって寒冷を発生させる極
低温冷凍機の蓄冷器内にFIlいるlllll体性体製
蓄冷材造方法であって、前記磁性体製蓄冷材は磁性体の
粉砕によって所定の大きさに形成した後、ミキシングし
て角を除いた。
また、圧縮した冷媒ガスを蓄冷器を用いて冷却した後、
低温部で膨張させることによって寒冷を発生さセる極低
温冷凍機において、前記蓄冷器に用いる蓄冷材を前記製
造方法による磁性体製蓄冷材としている。
(作用) 磁性体の粒砕後のミキシングによって磁性体製蓄冷(Δ
の表面に有する突起の角を除いた。従つて、この磁性体
製蓄冷材を用いれば突起が欠けて取れることが抑制され
る。このため、冷凍機の運転中に磁性体製蓄冷材から微
粉が生じて、シールに付着し、冷凍性能を低下させたり
、バルブに傷を゛つけ、コンプレッサを破損させること
を防ぐことができる。
(実施例) 以下、図面を参照しながら実施例を説明する。
第1図に本発明の一実施例に係る冷凍機が示されている
。この図では第5図と同一部分が同一符号で示されてい
る。従って、m複する部分の説明は省略する。
この実施例に係る冷凍機が従来の冷凍機と異なる点は、
第2蓄冷器35内の蓄冷材24に使用している磁性体の
形状・加工方法にある。
磁性体製蓄冷材は溶融後、粉砕し、ふるい等によって適
当な大きさく100〜500μm)に選別し、磁性体粒
とする。この状態の磁性体粒には数+μmから数μm程
度で角度が30度以下の細かい突起が多数ついている。
第3図°に粉砕・選別後の磁性体粒41Aの様子を示す
。この磁性体粒41Δの突起41aは、ぞのままでは冷
凍運転を行)゛うらに欠けて冷凍機内に漏れてしまう。
実験によるど、これらの突起41aのうち角度が30度
以下のものは冷凍あの運転後に全て欠()落らている。
従って、30度以下の突起のない磁性体粒を蓄冷材とし
て使用することにより、磁性体粒の微粉が蓄冷器から漏
れることを防ぐことができる。
30度以下の突起のない磁性体粒は、磁性体を粉砕・選
別後、アルコール等の有機溶媒中あるいはアルゴンガス
等の不活性ガス中でミギサー等によってミキシングする
ことによって製造することができる。
第2図にミキシング後の磁性体粒4113の様子を承り
。第2図に見られるように細かい突起(まミキシングに
よって取れており、この磁性体粒41Bを蓄冷材として
使用すると運転中に磁性体粒4’l Bの微粉が第2蓄
冷器36よりこぼれてシール等に付着し冷凍性能を落と
づということがなくなる。
第4図に磁性体を粉砕したのみの磁性体粒41Aを蓄冷
材に使用した極低温冷凍機と、粉砕後、ミキシングを行
った磁性体粒41Bを蓄冷材に使用した本発明実施例の
極低温冷凍機の運転後100時間を経過した時の冷凍能
力曲線を示す。横軸は第2ステージ17の温度(K)を
示し、縦軸は第2ステージ17に加えた熱負荷(W)を
示している。双方共運転開始直後の冷凍能力曲線は一致
していたが、100時間経過後には第4図のように能力
に差が生じている。本発明実施例の冷凍機に関して(ユ
運転開始直後と全く等しい冷凍能力を示した。
また、運転侵分解調査を行った所、粉砕したのみの磁性
体粒41Aを蓄冷材24に使用した冷凍機ではシール2
6に磁性体粒41aの微粉が付着していたが、本発明実
施例”の冷凍機ではそのような微粉は見られなかった。
従って、付着した磁性体粒の微粉がシール26の漏れ量
を増加させ、第4図に見られるような冷凍能力の低下を
持たらしたものと考えられ、ミキシングを行°った磁性
体粒41Rを蓄冷材として使用りることの効果が理解で
きる。
なお、上述した実施例では、冷凍機の栴造はGM冷凍機
として・いたが、GM76凍機に限らず、スターリング
冷凍機や改良型ソルベーサイクル冷凍機、ビルミ(7冷
凍翁などの蓄冷式極低hm冷凍機においても本発明は適
用される。また、磁性体の形状も粒状のみならず粉体、
繊維状磁性体(例えばメツシュ等の形状)、他硬質等の
形状をもつ磁性体においても均等に適用される。
[発明の効果] 以l−述べたように本発明によれば、使用中に欠(プ易
い角を有さない磁性体製蓄冷材を得ることができ、また
、これを用いた極低温冷凍機によれば、冷凍能力の低下
や破損を招くことを未然に防ぐことができる。
【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を局部的
に切り欠ぎして示ず構成図、第2図は同極(l(潟冷凍
機に組込まれた磁性体製蓄冷材を拡大して見た図、第3
図はミキシング前の磁性体製蓄冷材を拡大して見た図、
第4図は本発明実施例に係る極低温冷凍機の特性を従来
の極低温冷凍機のぞれど比較して示した図、第5図は従
来の極低温冷凍機の構成図である。 24・・・蓄冷材 41Δ・・・ミキシング前の磁性体製蓄冷材41B・・
・ミキシング後の磁性体製蓄冷材41a・・・角

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)圧縮した冷媒ガスを蓄冷器を用いて冷却した後、
    低温部で膨脹させることによって寒冷を発生させる極低
    温冷凍機の蓄冷器内に用いる磁性体製蓄冷材の製造方法
    であつて、前記磁性体製蓄冷材は磁性体の粉砕によつて
    所定の大きさに形成した後、ミキシングして角を除いた
    ことを特徴とする蓄冷材の製造方法。
  2. (2)圧縮した冷媒ガスを蓄冷器を用いて冷却した後、
    低温部で膨脹させることによって寒冷を発生させる極低
    温冷凍機において、前記蓄冷器に用いる蓄冷材を前記請
    求項1記載の製造方法による磁性体製蓄冷材を用いてい
    ることを特徴とする極低温冷凍機。
JP1127772A 1989-05-23 1989-05-23 蓄冷材の製造方法及び極低温冷凍機 Expired - Fee Related JPH0668418B2 (ja)

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