JPH031053A

JPH031053A - 冷凍機

Info

Publication number: JPH031053A
Application number: JP1133224A
Authority: JP
Inventors: Masashi Nagao; 長尾　政志
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1989-05-26
Filing date: 1989-05-26
Publication date: 1991-01-07
Anticipated expiration: 2012-05-14
Also published as: JP2609327B2; US5009072A

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】［産業上の利用分野］この発明は冷凍機、とくに極低温冷凍機の冷凍能力の向
上に関するものである。

［従来の技術］第１０図は、例えば特公昭４６−３０４３３号公報（ア
メリカ特許６２９２７１）に示された、従来の極低温冷
凍機を示す構成図である。この極低温冷凍機はギフオー
ド・マクマホンサイクルの冷凍機である。図において、
（１）は作動ガス（例えばヘリウム）であり、（２）は
作動ガス（１）を吸気する吸気バルブ、（３）は作動ガ
ス（１）を排気する排気バルブである。（４）は第１段
膨張室で、（５）は往復運動して、作動ガス（１）を移
動させる可動部材であり、第１段ディスプレーサ−（６
）は気体の寒冷を蓄冷する第１段蓄冷器、（７）は第１
段膨張室（４）の作動ガス（１）が第１段ディスプレー
サ−（５）の外周を流れることを防止する第１段シール
、（８）は第１段膨張室（４）の寒冷を外部に伝えろ第
１段冷凍ステージ、（９）は第１段シリンダである。

（１０）は第２段膨張室で、（１１）は往復運動して作
動ガス（１）を移動させる可ｖＪｆｇ材であり、第２段
デイスプレーサ−（１２）は気体の寒冷を蓄冷する第２
段蓄冷器、（１３）は第２段膨張室（１０）の作動ガス
（１）が第２段ディスプレーサ−（１１）の外周を流れ
ることを防止する第２段シール、（１４）は第２段膨張
室（１０）の寒冷を外部に伝える第２段冷凍ステージ、
（１５）は第２段シリンダである。（１６）は各ディス
プレーサ−（５）、（１１）を駆動するためのモータ、
（１７）はモータ（１６）の駆動力を伝える駆動軸、（
１８）は回転運動を直線運動に変換するクランクである
。

（１９）は作動ガス（１）を圧縮する圧縮機、（２０）
は高圧側の圧力変動を小さくする高圧バッファタンク、
（２１）は低圧側の圧力変動を小さくする低圧バッファ
タンク、（２２）は高圧と低圧の差圧を一定に保つ差圧
保持装置である。矢印（２３）は、第１段冷凍ステージ
（８）で吸収される冷凍量Ｑ１で、矢印（２４）は第２
段ステージ（１４）で吸収される冷凍量Ｑ２である。

次に動作について説明する。第１１図はこの冷凍機のＰ
Ｖ線図である。縦軸は第１段と第２段膨張室（４）、（
１０）の圧力を、横軸は同じく容積を示す。

まず、第１１図におけろへの状態では、第１段と第２段
ディスプレーサ−（５）、（１１）は最下端にあり、ま
た吸気バルブ（２）が開き排気バルブ（３）が開いてい
るので、各膨張室（４）、（１０）の圧力は高圧になっ
ている。次にＡ−Ｂでは、各デイスプレーサーク５）、
（１１）が上方に動き、それに伴い、圧縮機（１９）か
ら高圧の作動ガス（１）が各蓄冷器（６）、（Ｉ２）で
冷却されつつ各膨張室（４）、（１０）に導入される。

各蓄冷器（６）、（１２）には、温度勾配がついており
、第１段蓄冷器（６）の上端は例えば３００にで、下端
は５０Ｋになっており、第２段蓄冷器（１２）の上端は
例えば５０　Ｋで、下端は約１０　Ｋになる。そこで、
第１段膨張室（４）に導入される作動ガス（１）は約５
０　Ｋ、第２段膨張室（１０）に導入される作動ガス（
１）は約１０　Ｋまで冷却される。Ｂは容積が最大にな
った状態である。この時、各蓄冷器は作動ガス（１）に
よって加熱されるので、始めの温度分布より高い温度分
布になっている。Ｂ−Ｃでは、吸気バルブ（２）を閉じ
、排気バルブ（３）を開く。この時、作動ガス（１）が
高圧の状態から低圧の状態に膨張し、各膨張室（４）、
（ｔｏ）で寒冷が発生する。この寒冷発生の原理を第１
２図に示す。まず、Ｂの状態で第２段膨張室（１０）内
にある高圧の作動ガス（１）をｘｌからＩ７まで分割す
る。排気バルブ（３）が開くと、初めに、ｘｌの部分の
作動ガス（１）が流れだし。

ｂｌの状態になる。この時、Ｉ２からＩ７にある作動ガ
ス（１）は膨張し、温度が下がる。次にＩ２の部分の作
動ガス（１）が流れだし、ｂｌの状態になる。

この時、Ｉ３からＩ７にある作動ガス（１）は膨張し、
温度が下がる。この過程を繰り返しＣの状態になる。Ｂ
−Ｃの変化は瞬時に起こり、第２段冷凍ステージ（１４
）との熱交換もあまり良くないので、はぼ断熱変化とな
る。膨張した作動ガス（１）は第１段冷凍ステージ（８
）で冷凍量Ｑｌの１部の熱量を受け、第２段冷凍ステー
ジ（１４）では、冷凍量Ｑ２の１部の熱量を受ける。作
動ガス（１）は、次に各蓄冷器（６）、（１２）を冷却
したのち、圧縮機（１９）に戻る。

Ｃの状態は各膨張室（４）、（１０）の圧力が低圧にな
った状態である。Ｃ−Ｄでは、各ディスプレーサ−（５
）、（１１）が下方に動き、低圧になった作動ガス（１
）を排出する。この時に排出される膨張した作動ガス（
１）も第１段冷凍ステージ（８）で冷凍ｆｌＱ１の残り
の熱量を受け、第２段冷凍ステージ（Ｉ４）では同じく
冷凍量Ｑ２の残りの熱量を受ける。作動ガス（１）は、
次に各蓄冷器（６）、（１２）を冷却したのち、圧縮機
（１９）に戻る。Ｄ−Ａでは、排気バルブ（３）が閉じ
、吸気バルブ（２）が間き、圧力が低圧の状態から高圧
の状態になり、１サイクルを終了する。Ｂ−Ｄの過程で
は、各蓄冷器（６）、（１２）は冷却されるのでサイク
ルの始めの温度分布に戻っている。

［発明が解決しようとする課Ｍ］従来の極低温冷凍機は以上のように構成されていたので
、Ｂ−Ｃの変化が断熱変化になり、冷凍量が減少してじ
よう。また、各冷凍ステージ（８）、（１４）での熱交
換が十分でなく、作動ガス（１）が冷えたままの状態で
、温度勾配を持った各蓄冷器（６）、（１２）に入って
しまい、発生した寒冷を十分利用できず、冷凍効率が低
下する問題点があった。特に、第２段冷凍ステージ（Ｉ
２）での損失は問題となった。

この発明は上記のような問題点を解決するためになされ
たもので、第２段冷凍ステージでのＢ−Ｃの変化を等温
変化に近づけ、冷凍量を大きくし、かつ、熱交換を促進
し、発生した寒冷を十分利用することによって冷凍効率
を向上することを目的とする。

［課題を解決するための手段］この発明に係わる冷凍機は、膨張室に、可動部材と連動
する副可動部材により容積が変化し、かつ狭隘な流体通
路により上記膨張室と連結した副膨張室を設けたもので
ある。

また、上記副膨張室は可動部材の先端に設けた凹部と、
膨張室の内面に設けられ、収縮時に上記凹部と係合する
凸部により構成することができる。

さらに、上記副可動部材を均熱材で構成するとよい。

［作用］この発明による冷凍機においては、膨張室に副膨張室が
取り付けであるので、Ｂ−Ｃの膨張過程において、副膨
張室から流れだしてくる作動ガスによって、膨張室内の
作動ガスがかき混ぜられ、冷凍ステージとの熱交換が促
進され、膨張過程が等温過程に近づき、冷凍量が増え、
かつ、作動ガスが十分熱交換されたのちに蓄冷器に入る
ので損失を小さくできる。

また、副膨張室を、可動部材の先端に設けた凹部と、膨
張室の内面に設けられ、収縮時に上記凹部と係合する凸
部により構成することにより、伝熱面積が増え、冷却効
率が上がるとともに、コンパクトな構成にすることが出
来る。

さらに、副可動部材を均熱材で構成することにより、膨
張過程をより等温過程に近づけることができる。

［実施例コ以下、この発明の一実施例による冷凍機を図について説
明する。

第１図はこの発明の一実施例による冷凍機を示す構成図
である０図において、（１）〜（２４）は上記従来装置
とまフたく同一のものである。（２５）は第２段ディス
プレーサ−（１１）に取り付けられた副ディスプレーサ
−（２６）は第２段シリンダ（１５）に取り付けられた
副シリンダ、（２７）は作動ガス（１）の−部が膨張す
る副膨張室であり、狭隘な流体通路により第２段膨張室
（ｌＯ）と連結している。

上記のように構成された極低温冷凍機においては、Ｂ−
Ｃの状態変化の際に、副膨張室（２７）で膨張した作動
ガス（１）が第２段膨張室（ｌＯ）にある作動ガス（１
）に対して、第２ｙ！１に示すようなかき混ぜる働きを
する。その結果、第２段冷凍ステージ（１４）との熱交
換が促進され、Ｂ−Ｃの膨張過程が等温変化に近づく。

また、熱交換が促進されることによって、第２段蓄冷器
（１２）に入る作動ガス（１）を十分冷却することが可
能になる。第３図はこの発明の一実施例による極低温冷
凍機の冷凍能力と、従来の極低温冷凍機の冷凍能力を比
較した冷凍能力の特性図である。この発明による極低温
冷凍機の冷凍能力（曲線Ａ）は、従来の極低温冷凍機（
曲線Ｂ）の約１．　５倍の冷凍能力がある。この時の副
シリンダ（２６）の材質はステンレススチールで、副デ
ィスプレーサ−（２５）の材質はベークライトを用いて
いる。

なお、上記実施例では副シリンダ（２６）と副ディスプ
レーサ−（２５）の材質に、熱伝導率の小さな材料を用
いたが、熱伝導率の高い材料（例えば鋼やアルミニウム
）をこれらの材料に用いれば副膨張室（２７）と第２段
冷凍ステージ（１４）との間の温度差が小さくなり、第
２段冷凍ステージ（１４）での冷凍能力がより向上する
。

また、副ディスプレーサ−（２５）の材料に比熱の大き
な物質、例えば鉛や希土類金属を用いた合金（ＧｄＲｈ
等）よりなる均熱材を用いれば、膨張過程がより等温過
程に近づくので冷凍量をより大きくすることが出来る。

第４図はこの発明の他の実施例による極低温冷凍機を示
す構・成因であり、（１）〜（２４）は上記装置とまっ
たく同一のものである。（２８）は第２段ディスプレー
サ−（１１）の先端部に設けられた凹部であり、（２９
）は第２段シリンダ（１５）の先端部内面に取り付けら
れ、熱の良導体（例えば鋼）からなる凸部であり、この
実施例においては第２段冷凍ステ−ジ（１４）と一体化
しである。（２７）は凸部（２９）と凹部（２８）から
構成され、作動ガス（１）の一部が膨張する副膨張室で
あり、作動ガス（１）の収縮時には上記凸部（２９）と
凹部（２８）は係合する。

上記のように構成された極低温冷凍機においても、Ｂ−
Ｃの状態変化の際に、副膨張室（２７）で膨張した作動
ガス（１）が第２段膨張室（ｌＯ）にある作動ガス（１
）に対して、第６図に示すような、かき混ぜる働きをす
る。その結果、第２段冷凍ステージ（１４）との熱交換
が促進され、Ｂ−Ｃの膨張過程が等温変化に近づく。ま
た、凸部（２９）の面積分熱交換面積が増えているので
熱交換が促進され、よって第２段蓄冷器（１２）に入る
作動ガス（１）を十分冷却することが可能になる。また
、装置も、よりコンパクトに形成できる。

なお、上記実施例では凸部（２９）には、単に熱伝導率
の高い材料を用いたが、この部分に比熱の大きなりｌｊ
質（均熱材と呼ぶ）を取り付けて、熱容量を大きくすれ
ば、膨張過程がより等温過程に近づくので、冷凍量をよ
り大きくすることが出来る。

第６図は凸部（２９）の外面に、均熱材（３０）、例え
は鉛や希土類金属を用いた合金、または化合物（ＧｄＲ
ｈ等）を取り付ける場合の例を示すもので、均熱材（３
０）は、熱伝導率の大きな接着剤（３１）で熱接触良く
取り付けられている。

第７図は凸部（２９）の内面に均熱材（３０）を取り付
ける場合の例を示すもので、均熱材（３０）は、熱伝導
率の大きな接着剤（３１）で熱接触良く取り付けられて
いる。

第８図は凸部（２９）の内面に均熱材（３０）を取り付
ける場合の他の例を示すもので、１０　Ｋ以下で比熱の
大きなヘリウムを均熱材（３０）として利用できる。（
３２）はヘリウム導入管である。この例の場合凸部（２
９）の内面に、第９図に示すような拡大伝熱面（３３）
を取り付ければ、ざらに効果が増大する。

なお、第８図、第９図に示す構成のものはヘリウムの液
化装置としても利用できる。

さらに、上記実施例では均熱材（３０）を外面か内面の
どちらかに取り付けた場合を示したが、外面と内面に同
時に取り付けてもよい。

また、上記実施例ではギフオード・マクマホン冷凍機に
ついて述べたが、その他の冷凍サイクル、例えばスター
リング冷凍機やビルマイヤー冷凍機、ソルベー冷凍機等
にも使用できる。

また、上記実施例では２段式冷凍機について述べたが、
単段式や３段以上の冷凍機に使用できることは明かであ
る。

［発明の効果］以上のように、この発明によれば膨張室に、可動部材と
連動する副可動部材により容積が変化し、かつ狭隘な流
体通路により上記膨張室と連結した副膨張室を設けたの
で、作動ガスの膨張過程を等温過程に近づけ、冷凍量を
増大し、かつ、冷凍ステージとの熱交換を促進し、損失
を低減でき、冷凍機の冷凍能力を増大できる効果がある
。

また、副膨張室を可動部材の先端に設けた凹部と、膨張
室の内面に設けられ、収縮時に上記凹部と係合する凸部
により構成することにより、伝熱面積が増え、冷却効率
が上がるとともに、コンパクトな構成にすることが出来
る効果力乏ある。

ざらに、副可動部材を均熱材で構成することにより、膨
張過程をより等温過程に近づけろことができる効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例による極低温冷凍機を示す
構成図、第２図はこの発明の一実施例による極低温冷凍
機の動作原理を示す説明図、第３図はこの発明の一実施
例による冷凍機と従来の冷凍機の冷凍能力を示す特性図
、第４図はこの発明の他の実施例による極低温冷凍機を
示す構成図、第５図はこの発明の他の実施例による極低
温冷凍機の動作原理を示す説明図、第６図ないし第９図
は各々この発明のさらに他の実施例による冷凍機を示す
部分構成図、第１０図は従来の極低温冷凍機を示す構成
図、第１１図は極低温冷凍機のＰ−■特性を示す特性図
、及び第１２図は極低温冷凍機の冷凍発生の原理を示す
説明図である。図において、（１）は作動ガス、（４）は第１段膨張室
、（５）は第１段ディスプレーサ−（６）は第１段蓄冷
器、（１０）は第２段膨張室、（１１）は第２段ディス
プレーサー　（１２）は第２段蓄冷器、（２５）ｔよ副
ディスプレーサ−（２６）は副シリンダ−、（２７）は
副膨張室、（２８）は凹部、（２９）は凸部、（３０）
は均熱材である。なお、図中、同一符号は同一または相当部分を示す。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）可動部材の移動により容積の変化する膨張室内に
、圧縮された作動ガスを蓄冷器を通して導入し、膨張さ
せて寒冷を発生させ、再び上記蓄冷器を通して上記膨張
室より排出させるものにおいて、上記膨張室に、上記可
動部材と連動する副可動部材により容積が変化し、かつ
狭隘な流体通路により上記膨張室と連結した副膨張室を
設けたことを特徴とする冷凍機。
（２）副膨張室は可動部材の先端に設けた凹部と、膨張
室の内面に設けられ、収縮時に上記凹部と係合する凸部
により構成されたことを特徴とする請求項１記載の冷凍
機。
（３）副可動部材は、均熱材で構成したことを特徴とす
る請求項１または２記載の冷凍機。