JPH0349019B2

JPH0349019B2 -

Info

Publication number: JPH0349019B2
Application number: JP13045783A
Authority: JP
Inventors: Jujiro Ukai
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 1983-07-18
Filing date: 1983-07-18
Publication date: 1991-07-26
Also published as: JPS6023761A

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の利用分野〕本発明は、スターリング、ギフオード・マクマ
ホン等の10K以下の冷凍を得る冷凍システムに関
し、超伝導磁石、ジヨセフソン素子、あるいはク
ライオポンプの吸着パネルの冷却用として利用さ
れる。

〔従来技術〕

蓄冷器の蓄冷材料として、常温で気体状態にあ
る物質、特にヘリウムを用いる従来の冷凍システ
ムとして、米国特許第3692099号がある。これを
第１図に示す。第１図では、蓄冷器１の内部に冷
凍機の作動媒体の流路２があり、単段膨張型の冷
凍機の場合、上端３でアフタークーラに通じ、下
端４で膨張空間に通ずる。多段膨張型の冷凍機の
場合、上端３で高温側の膨張空間に通じ、下端４
で低温側の膨張空間に通ずる。蓄冷器１の内部に
は蓄冷材料５が貯蔵され、作動媒体とは完全に分
離されているが、蓄冷材料５と作動媒体の熱交換
は効率良く行なうことができる。作動媒体がの
方向に流れるとき、蓄冷材料５は作動媒体から熱
を吸収する。逆に、作動媒体がの方向に流れる
とき、蓄冷材料５は作動媒体に熱を放出する。供
給管６を通して蓄冷材料５を外部貯蔵タンク１２
から蓄冷器１に供給する。蓄冷器１内の圧力は、
圧力計８によつて指示され、安全弁７によつて異
常圧力の発生を防止することができる。低温圧力
センサー９によつて発生した電気信号は、リード
線１０を通して、常温部に設けた自動制御弁１１
に伝達され、蓄冷器１内の圧力に応じて自動制御
弁１１が開閉し、蓄冷器１内の圧力を制御するこ
とができる。

〔従来技術の問題点及びその解析〕

冷凍機の運転に伴ない、蓄冷器１の温度が常温
（約300K）から20K以下に低下するとき、一定の
圧力を保持するには外部貯蔵タンク１２から蓄冷
器１に蓄冷材料５を補給しなければならない。一
例として、ヘリウム（圧力10気圧）の温度と密度
の関係を第２図に示す。第２図から分るように、
温度300Kでは密度が1.62×10^-3ｇ／c.c.である。温
度20Kでは密度が2.45×10^-2ｇ／c.c.であり、温度
300Kの密度の約15倍となる。したがつて、蓄冷
器１内の圧力を10気圧に保持し、温度300Kから
20Kに冷却するとき、蓄冷器１の容積は変化しな
いため、当初の14倍の質量の蓄冷材料５を補給し
なければならない。さらに、温度4Kでは密度が
1.53×10^-1ｇ／c.c.であり、温度20Kの密度の約６
倍となる。したがつて、蓄冷器１内の圧力を10気
圧に保持し、温度20Kからさらに4Kに冷却する
とき、温度20Kの際の５倍の質量の蓄冷材料５を
補給しなければならない。

今、蓄冷器１の冷却過程において、新に流入す
る蓄冷材料５を冷却するのに必要な吸収熱量を計
算する。温度300Kから20Kに冷却する際に必要
な吸収熱量を△Q_1-2、温度20Kから4Kに冷却す
る際に必要な吸収熱量を△Q_2-3とすれば次式が
成立する。

△Q_1-2＝reg・ρ₂・（H₁−H₂）……（第１式） △Q_2-3＝reg・ρ₂・（H₂−H₃）＋reg・（ρ₃−ρ₂）・（Ｈ−Ｈ） ……（第２式）ここで、 reg：蓄冷器１の内容積Ｈ：エンタルピ ρ：密度添字１……300K、２……20K、３……4K を示す。

また、第２式右辺の第１項は温度20Kの際に蓄
冷器１の内部に存在している蓄冷材料５を4Kに
冷却するのに必要とされる吸収熱量であり、第２
項は温度300Kの外部貯蔵タンク１２から新たに
流入する蓄冷材料５を4Kに冷却するのに必要と
される吸収熱量である。

蓄冷器１の内容積：reg＝100c.c.と仮定し、第
１式、第２式に下記の物性値を代入する。

H₁＝1836 （Ｊ／ｇ） H₂＝112.9 （Ｊ／ｇ） H₃＝12.95 （Ｊ／ｇ） ρ₂＝0.0245 （ｇ／c.c.） ρ₃＝0.153 （ｇ／c.c.）従つて△Q_1-2、△Q_2-3は、下記の値となる。

△Q_1-2＝4220J ……（第３式） △Q_2-3＝23700J ……（第４式）第３式、第４式から、蓄冷器１の温度を20Kか
ら4Kに冷却するのに必要な吸収熱量は、300Kか
ら20Kに冷却する場合の約5.6倍になることがわ
かる。

このように、第１図に示す従来の冷凍システム
では、蓄冷器１が冷却される際、冷凍システムで
は、圧力を維持するために新たに蓄冷器１に流入
する蓄冷材料が、常温の外部貯蔵タンク１２から
直接供給される。従つて、冷凍システムの特に最
低温度部に熱負荷が集中し、しかもこの熱負荷が
低温になるほど大きくなり、蓄冷器が正常に作動
する10K以下の温度に到達できなかつたり、到達
しても非常に不安定であつた。

〔従来的課題〕

そこで、本発明は蓄冷器を所定の温度にまで冷
却し、しかも安定に作動させることを、その技術
的課題とするものである。

〔技術的手段〕

上記の技術的課題を達成するために講じた技術
的手段は、第１図の供給管６に冷凍システムの蓄
冷器１よりも高温の部分との熱交換部分を設ける
ことである。

〔技術的手段の作用〕

上記技術的手段は次のように作用する。蓄冷器
１が冷却される際に、圧力を維持するため外部貯
蔵タンク１２から供給管６を通して蓄冷器１に新
たな蓄冷材料５が流入する。供給管６では冷凍シ
ステムの常温部分から最低温度部分の間に熱交換
部分があるため、蓄冷器１に流入する蓄冷材料は
蓄冷器１よりわずかに高い温度にまで予冷され
る。

例えば、蓄冷材料５が温度20Kから4Kに冷却
されるとき、新たに蓄冷器１に流入する蓄冷材料
５が温度30Kまで予冷されているとする。このと
き、蓄冷器１を冷却するのに必要な吸収熱量：△
Q′_2-3とすれば次式が成立する。

△Q′_2-3＝reg・ρ₂（H₂−H₃）＋reg・（ρ₃−ρ₂）・（H₄−H₃）
……（第５式）ここで、添字４……30K H₄……168.4J／ｇを示す。

また、蓄冷器１の内容積：reg＝100c.c.と仮定
し、計算すれば次のようになる。

△Q′_2-3＝2240J ……（第６式）これは、従来技術の場合の値、第４式の約１割
になり、冷凍システムの最低温度部への熱負荷の
集中が著しく軽減されることがわかる。このた
め、蓄冷器１が正常に作動する温度、例えば4K
にまで冷却される。

〔発明によつて生じた特有の効果〕

本発明は、次の特有の効果を生じる。すなわち
従来のものにおいて、蓄冷器１を所定の温度にま
で冷却することは、蓄冷器１を起動時に液体ヘリ
ウム等の寒剤で冷却することによつても可能であ
る。しかし、この場合冷凍システムの冷凍能力を
上回る熱負荷が一度作用すると、熱負荷が作用し
なくなつても蓄冷器１が所定の温度に復帰できな
い。さらに、寒剤がなければ起動できないという
別の問題を生じる。これに対し、本発明の場合に
は冷凍システム自身で蓄冷材料５を予冷し、蓄冷
器１を所定の温度にまで冷却するため、冷凍能力
を上回る熱負荷が一度作用しても、熱負荷が作用
しなくなれば、蓄冷器１が所定の温度に復帰する
ことができる。また、起動時に寒剤を用意する必
要もない。

〔本発明の実施態様〕補助冷凍機の有無にかかわらず； () 蓄冷器よりも高温側に作用媒体との熱交
換器を設けて、外部貯蔵タンクと熱交換器、
熱交換器と蓄冷器をそれぞれ蓄冷材料の供給
管で連絡する。

() 蓄冷材料の供給管を膨張シリンダーに接
触させて蓄冷器に連絡する。

() 蓄冷材料の供給管をふく射シールドに接
触させて蓄冷器に連絡する。

() 蓄冷材料の供給管を他の蓄冷器に接触さ
せて蓄冷器に供給する。

補助冷凍機が有る場合； () 補助冷凍機に作動流体との熱交換器を設
けて、外部貯蔵タンクと熱交換器、熱交換器
と主冷凍機の蓄冷器をそれぞれ蓄冷材料の供
給管で連絡する。

() 蓄冷材料の供給管を補助冷凍機の膨張シ
リンダーに接触させて主冷凍機の蓄冷器に連
絡する。

() 蓄冷材料の供給管を補助冷凍機のふく射
シールドに接触させて主冷凍機の蓄冷器に連
絡する。

() 蓄冷材料の供給管を補助冷凍機の蓄冷器
に接触させて主冷凍機の蓄冷器に連絡する。

() 補助冷凍機が主冷凍機を予冷するための
伝熱板に蓄冷材の供給管を接触させて主冷凍
機の蓄冷器に連絡する。

〔第１実施例〕以下、上記技術的手段の一具体例を示す第１の
実施例について、第３図に基づいて説明する。

第３図では、圧縮シリンダー１４と圧縮ピスト
ン１５により形成される圧縮空間１７は、冷却器
１８、第１蓄冷器１９を通り、第１膨張空間２４
に連通している。第１膨張空間２４は第２蓄冷器
２５を通り、第２膨張空間２７に連通している。
第２膨張空間２７は第３蓄冷器２８を通り、第３
膨張空間３０に連通している。第３膨張空間３０
は、第４蓄冷器１を通り、第４膨張空間３２に連
通している。このようにして、圧縮空間１７、冷
却器１８、第１蓄冷器１９、第１膨張空間２４、
そして蓄冷器２５を通り、第２膨張空間２７、第
３蓄冷器２８、第３膨張空間３０、第４蓄冷器
１、そして第４膨張空間３２から冷凍回路は構成
され、作動媒体として該冷凍回路内にはヘリウム
ガスが充填されている。圧縮ピストン１５にはロ
ツド１４が連結され、さらに圧縮ピストン１５の
外周上の一部には、ガス封止のためのシール１６
が設けられる。第１膨張空間２４、第２膨張空間
２７、第３膨張空間３０、および第４膨張空間３
２は、それぞれ３段の凸型を有する膨張シリンダ
ー２１、膨張ピストン２２によつて形成される。
膨張ピストンの各段の外周上には、第１、２、
３、４膨張空間２４，２７，３０，３２内のガス
封止のためのシール２３，２６，２９，３１が設
置されている。また、膨張ピストン２２にはロツ
ド２０が連結される。ロツド１３，２０は図示さ
れていない往復駆動機構（例えばクランク機構）
に連結される。

第４蓄冷器１の内部には、作動媒体の流路２が
あり、流路２のまわりには蓄冷材料５が封入され
ており、蓄冷材料５は常温で気体状態にある物
質、例えばヘリウムである。外部貯蔵タンク１
２、第１熱交換器３３、第２熱交換器３４、第３
熱交換器３５、そして第４蓄冷器１は供給管６に
よつて連通する。供給管６には、安全弁７、圧力
計８、そして常温部に設けた自動制御弁１１が取
付けられている。低温圧力センサー９の電気信号
は、リード線１０によつて、自動制御弁１１に伝
えられる。

第３図に示す実施例の作用について説明する。
圧縮空間１７内の作動媒体は、圧縮ピストン１５
により圧縮された後、冷却器１８で冷却され、第
１蓄冷器１９を通り、さらに冷却され、第１膨張
空間２４及び第蓄冷器２５へと流入する。第１膨
張空間２４に入つた作動媒体は、膨張ピストン２
２により膨張され、約70Kの温度の冷凍を発生
す。ところで、第２蓄冷器２５に流入した作動媒
体は、さらに冷却されて、第２膨張空間２７と第
３蓄冷器２８へと流入する。第２膨張空間２７へ
流入した作動媒体は、膨張ピストン２２により膨
張され、約30Kの温度の冷凍を発生する。一方、
第３蓄冷器２８に流入した作動媒体は、さらに冷
却されて、第３膨張空間３０と第４蓄冷機器１へ
と流入する。第３膨張空間３０に流入した作動媒
体は、膨張ピストン２２により膨張され、約10K
の温度の冷凍を発生する。また、第４蓄冷器１に
流入した作動媒体は、さらに冷却されて、第４膨
張空間３２に流入する。第４膨張空間３２に流入
した作動媒体は、膨張ピストン２２により膨張さ
れ、約4Kの温度の冷凍を発生する。蓄冷器１の
温度は、冷凍機の起動時には常温（約300K）で
あるが、定常状態では10Kから4Kに到達する。
蓄冷器１の冷却過程において、蓄冷材料５を補給
する方法について説明する。蓄冷器１の温度が低
下すると、内部の圧力が低下する。これは低温圧
力センサーに検知され、電気信号がリード線１０
を通して自動制御弁１１に伝えられ、自動制御弁
１１が開かれる。このとき、貯蔵タンク１２から
蓄冷材料５が供給管６を通して第１熱交換器３３
に流入する。第１熱交換器３３に流入した蓄冷材
料５は第１膨張空間２４内の作動媒体と熱交換
し、冷却され、第２熱交換器３４に流入する。第
２熱交換器３４に流入した蓄冷材料５は、第２膨
張空間２７内の作動媒体と熱交換し、冷却され、
第３熱交換器３５に流入する。第３熱交換器３５
に流入した蓄冷材料５は、第３膨張空間３０内の
作動媒体と熱交換し、冷却され、第４蓄冷器１に
流入する。第４蓄冷器１に流入した蓄冷材料５
は、第３熱交換器３０においてあらかじめ蓄冷器
よりもわずかに高い温度まで冷却されているた
め、蓄冷器１に与える熱負荷は、第１図に示す従
来のものに比べて、非常に小さくなる。従つて、
蓄冷器１は、容易に所定の温度、例えば4Kに到
達することができる。

次に、本発明の冷凍システムの蓄冷器１の安定
性について発明する。第４膨張空間３２に冷凍能
力を上回る熱負荷がかかつた場合、蓄冷器１の温
度が上昇し、その結果、内部の圧力も上昇する。
これは低温用圧力センサー９に検知され、電気信
号が自動制御弁１１に伝えられ、自動制御弁１１
が開けられる。そして、蓄冷器１内にあつた蓄冷
材料５が第３熱交換器３５に流入する。第３熱交
換器３５に流入した蓄冷材料５は、第３膨張空間
３０内の作動媒体よりもまだ低い温度にあるた
め、第３膨張空間３０内の作動媒体を冷却した
後、第２熱交換器３４に流入する。第２熱交換器
３４に流入した蓄冷材料５は、第１膨張空間２７
内の作動媒体よりもまだ低い温度にあるため、第
２膨張空間２７内の作動媒体を冷却した後、第１
熱交換器３３に流入する。第１熱交換器３３流入
した蓄冷材料５は第１膨張空間２４内の作動媒体
を冷却した後、貯蔵タンク１２にもどされる。こ
のように、蓄冷器１の温度が上昇し、蓄冷材料５
が貯蔵タンク１２に流入する際に、蓄冷材料５が
第３膨張空間２０、第２膨張空間３０、そして第
１膨張空間２４内の作動媒体を冷却するため、従
来の冷却システムに比べて、熱負荷に対する抵抗
力が非常に大きい。従つて、本発明の冷凍システ
ムの安定性が秀れていることがわかる。

〔第２の実施例〕次に、本発明の技術的手段の一具体例を示す第
２の実施例について第４図に基づき説明する。第
４図で、第１の実施例（第３図）との相違点は、
第３図での第１熱交換器３３、第２熱交換器３
４、および第３熱交換器３５にかえて、供給管６
と膨張シリンダ２１の接触部３６，３７、および
３８を設けたことである。作動媒体と蓄冷材料５
の熱交換効率は第３図のものより若干低くなる
が、製作が容易である。

〔第３の実施例〕本発明の技術的手段の一具体例を示す第３の実
施例について、第５図に基づき説明する。第５図
で、第１の実施例（第３図）との相違点は、ふく
射シールド３９，４０が設けられていること、第
３図での第１熱交換器３３、第２熱交換器３４、
および第３熱交換器３５にかえて、供給管６とふ
く射シールド３９，４０の接触部４１，４２を設
けたこと、および供給管６と膨張シリンダー２１
の接触部４３を設計したことである。ふく射シー
ルド３９，４０は、高温部から低温部へのふく射
熱をさえぎるものであり、ふく射シールド３９
は、第１膨張空間２４と、また、ふく射シールド
４０は、第２膨張空間２７と各々ほぼ同じ温度と
なる。従つて、蓄冷材料５は供給管６とふく射シ
ールド３９，４０の接触部４１，４２で予冷さ
れ、最後に供給管６と膨張シリンダー２１の接触
部４３で予冷され、蓄冷器１に流入する。作動媒
体と蓄冷材料５の熱交換効率は第３図のものによ
り若干低くなるが、製作が容易である。

〔第４の実施例〕本発明の技術的手段の一具体例を示す第４の実
施例について、第６図に基づき説明する。第６図
で、第１の実施例（第３図）との相違点は、第３
図での第１熱交換器３３、第２熱交換器３４、お
よび第２熱交換器３５にかえて、供給管６と第１
蓄冷器１９、第２蓄冷器２５、第３蓄冷器２８の
接触部４４，４５、および４６を設けたことであ
る。作動媒体と蓄冷材料５の熱交換効率は第３図
のものより若干低くなるが製作が容易である。

〔第５の実施例〕本発明の技術的手段の一具体例を示す、第５の
実施例について、第７図に基づき説明する。番号
１３〜３０で示される各部の名称および作用は、
第１の実施例（第３図）と全く同じであるが、こ
の部分は到達温度（第３膨張空間）が10K程度で
あり、補助冷凍機６４として作用する。冷凍シス
テムとしての最低温度、例えば4Kを得るのは、
番号４７〜５７、および１，２，５，９の各部よ
り構成される主冷凍機６５である。圧縮シリンダ
ー４８、圧縮ピストン４９より形成される圧縮空
間５１は、冷却器５２，蓄冷器１を通り、膨張シ
ンダー５４、膨張ピストン５５より形成される膨
張空間５７に連通している。このようにして、圧
縮空間５１、冷却器５２、蓄冷器１、そして膨張
空間５７から冷凍回路は構成され、補助冷凍機６
４の冷凍回路とは別になつている。主冷凍機５の
冷凍回路には、作動媒体としてヘリウムが封入さ
れる。圧縮ピストン４９の外周上には、圧縮空気
５１内のガス封止のためのシール５０が設置さ
れ、膨張ピストン５５の外周上には、膨張空間５
７内のガス封止のためのシール５６が設置されて
いる。また、圧縮ピストン４９、膨張ピストン５
５には夫々ロツド４７，５３が連結される。ロツ
ド４７，５３は図示されていない往復動機構（例
えばクランク機構）に連結される。伝熱板５８，
５９および６０は、それぞれ補助冷凍機６４の第
１膨張空間２４、第２膨張空間２７、および第３
膨張空間３０によつて冷却される。伝熱板５８，
５９、および６０は、圧縮シリンダー４８、冷却
器５２、および膨張シリンダー５４を冷却する。
蓄冷材料５の供給管６には、伝熱板５８，５９、
および６０との接触部６１，６２、および６３が
設けられている。

このような構成の冷凍システムにおいて、蓄冷
器１の冷却過程で新たに流入する蓄冷材料５は、
供給管６と伝熱管５８，５９および６０、接触部
６１，６２、および６３で冷却されるため、主冷
凍機６５にはほとんど熱負荷を与えずに蓄冷器１
を所定の温度、例えば4Kにまで冷却することが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の基礎となる従来技術の概略説
明図、第２図はヘリウムの温度と密度を示す説明
用グラフ、第３図は、本発明の技術的手段の一具
体例を示す第１の実施例の説明用断面図、第４図
は第２の実施例の説明用断面図、第５図は第３の
実施例の説明用断面図、第６図は第４の実施例の
説明用断面図、そして第７図は第５の実施例の説
明用断面図である。１……蓄冷器、５……蓄冷材料、２１，５４…
…膨張シリンダ、３９，４０……ふく射シール
ド、６５……主冷凍機、６４……補助冷凍機。

Claims

【特許請求の範囲】１一つの蓄冷器の蓄冷材料として常温で気体状
態にある物質を用いる単段膨張型の冷凍装置にお
いて、前記蓄冷器に通ずる供給管の途中で、前記蓄冷材料と作動流体、膨張シリンダ、ふく射シールド内の
少なくとも１つとの熱交換部分を有する冷凍装置。２複数の蓄冷器の蓄冷材料として常温で気体状
態にある物質を用いる多段膨張型の冷凍装置にお
いて、前記複数の蓄冷器の内の少なくとも一つの蓄冷
器に通ずる供給管の途中で、前記蓄冷材料と作動流体、膨張シリンダ、ふく射シールド、前
記少なくとも一つの蓄冷器よりも高温側の蓄冷器
の内の少なくとも１つとの熱交換部分を有する冷凍装置。３少なくとも一つの蓄冷器の蓄冷材料として常
温で気体状態にある物質を用いる膨張型の主冷凍
機と、害主冷凍機を予冷する補助冷凍機からなる
冷凍装置において、前記少なくとも一つの蓄冷器に通ずる供給管の
途中で、前記蓄冷材料と前記補助冷凍機の作動流体、前記補助冷凍機の
膨張シリンダー、前記補助冷凍機のふく射シール
ド、前記補助冷凍機が前記主冷凍機を予冷するた
めの伝熱板、および前記補助冷凍機の蓄冷器の内
の少なくとも１つとの熱交換部分を有することを特徴とする冷凍装
置。