JPH0399162A - 極低温冷凍機 - Google Patents

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］ （産業上の利用分野） この発明は、超電導磁石等の冷却に用いられる蓄冷式の
極低温冷凍機に関する。

（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
ギフォード・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５図に示す。

即ち、このＧＭ冷凍機は大きく分けてコールドへッド１
と冷媒ガス導排出系２とで構戊されている。コールドヘ
ッド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１
１に通じる部屋内に配置されて上記ディスプレーサ１２
に往復動ニ必要な動力を与えるモータ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
とで構或されている。そして、第ｌシリンダ■４と第２
シリンダ１５との境界壁部分で冷却面としての１段ステ
ージ１６をｔｆｌ［Ｌ、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内を往復動ず
る第１ディスプレーサ１８と第２シリンダ１５内を往復
動ずる第２ディスプレーサ１９とで構或されている。第
１ディスプレーサ１８と第２ディスプレーサ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
ィスプレーサ１８の内側には、軸方向に延びる流体通路
２１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内には銅メッシュ等で形成された蓄冷材２２
が収容されている。同様に、第２ディスプレーサ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
は鉛等の球等で構威された蓄冷材２４が収容されている
。第１ディスプレーサ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ディスプレーサ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
ル機構２５、２６が装着されている。

第１ディスプレーサ１８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
うに往復動ずる。

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３ｏと排出
口３１と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、
コンブレッサ３３、高圧弁３４を介して導入口３ｏ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ブレッサ
３３で高圧（約１８ａｔｍ）に圧縮してシリンダｌｌ内
に送りこむものである。そして、低圧弁３２、高圧弁３
４の開閉はディスブレイーサ１２の往復動との関連にお
いて後述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する部分、
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３０Ｋと８Ｋ程度まで冷える。このため、第１蓄
冷器３５の上下端間には常温（３００Ｋ）から３０Ｋ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までの温度勾配がつく。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〜
２０Ｋ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する。ディスプレーサ１２
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
プレーサ１２が上死点へと移動する。前述の如く、第１
ディスプレーサ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ディスプレーサ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機構２
５、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、高圧のヘリウムガスは第１
ディスプレーサ１８に形成された流体通路２１および第
２ディスグレーサ１９に形成されている流体通路２３を
通って、第１ディスプレーサ１８と第２ディスプレーサ
１９との間に形威された１段膨張室３９および第２ディ
スプレーサ１つと第２シリンダ１５の先端壁との間に形
威された２段膨張室４ｏへと流れる。この流れに伴って
、高圧のヘリウムガスは蓄冷材２２、２４によって冷却
され、結局、１段膨張室３つに流れ込んだ高圧ヘリウム
ガスは３０Ｋ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８Ｋ程度に冷却される。ここで、高
圧弁３４が閉じ、低圧弁３２が開く。このように低圧弁
３２が開くと、１段膨張室３つ内および２段膨張室４０
内の高圧ヘリウムガスが膨脹して寒冷を発生する。この
寒冷によって第１ステージ１６および第２ステージ１７
が冷却される。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４ｏ内のヘリウムガスが排除される。膨脹した
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Ｃ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。

さらに、第２蓄冷器３６の蓄冷材２４を鉛に代えて磁性
体、例えばＥｒ３Ｎｉ，ＥｕＳＳＧｄＲｈ等を相当量使
用することにより、低温域、特に１０Ｋ以下での冷凍能
力を増すことができる。これは、鉛の比熱特性が温度の
低下とともに低下し、蓄冷材としての熱交換効率が大幅
に下がるので、第６図に示すように低温域で鉛４１より
も比熱の大きい磁性体４２等を蓄冷材として用いると蓄
冷効率が向上し、到達できる冷却最低温度をより低くし
、さらに低温での冷凍能率を向上させることができるか
らである。例えば、第２蓄冷器３６の高温側の蓄冷材に
従来の鉛４１を、低温側に磁性体（Ｅｒ３Ｎｉ）４２を
使用すると最低温度が８Ｋレベルから４Ｋレベルまで低
下し、さらに１０Ｋでの冷凍能力を３ＷからＩＯＷまで
増加させることができた。

しかしながら、上記のように単に温度勾配に沿って蓄冷
器内の低温側に低温域で比熱の大きい材料を、高温側に
高温域で比熱の大きい材料を配置した場合、それら異種
材料の接触部においては比熱特性が不連続となる。また
絶対零度に近い極低温で比熱が大きいものとして知られ
ている磁性体は高温で低温域と同様には大きな比熱が得
られないため、常温からクールダウンして低温レベルに
到達する間の熱交換効率が低下してしまい、冷凍機の能
力が充分に発揮されず冷凍機の冷却温度が所期の低温レ
ベルまで低下しない恐れがあった。

（発明が解決しようとする課題） 以上のように、従来の極低温冷凍機の蓄冷器に単に２種
以上の蓄冷材を充填した場合には両蓄冷材の接触部で比
熱特性が不連続となり、所期の低温レベルまで低下しな
い恐れがあった。

そこでこの発明は、蓄冷器内に低温および高温でそれぞ
れ比熱の大きい蓄冷材を２種以上を用い、冷凍機の温度
が所期の低温レベルまで確実に低下して充分な冷凍能力
を発揮することのできる極低温冷凍機を提供する。

［発明の構成］ （課題を角？決するための手段） この発明は上記目的を達成するために、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極
低温冷凍機において、上記蓄冷器内に比熱の異なる２種
以上の蓄冷材を混合して充填したことを特徴とする。

（作用） この発明は上記のように構戊したので、蓄冷器内での蓄
冷材の比熱の不連続部が解消され、常温から低温までの
クールダウンの際の熱交換効率が良好に維持されて極低
温冷凍機の冷却温度をより低温のレベルまで確実に低下
させることが可能になる。

（実施例） 次にこの発明の実施例を図面にもとづいて説明する。

第１図は、この発明を適用したギフォード・マクマホン
冷凍機を示す部分断面図である。

図に示すように、この実施例では第２蓄冷器３６内に充
填される蓄冷材２４の構或を２種類の蓄冷材により構成
している。他の各部の構戊は第５図と同じである。

第２図は、第１図の第２蓄冷器３６の構戊を模式的に示
した断面図である。

図に示した第２蓄冷器３６の蓄冷材２４は、外径が０．
２〜０．４ｍｍの粒状をした鉛４１および磁性体（Ｄｙ
ｅ．５ＥｒＯ．５Ｎｉ２）４２が６：４の比率で充填さ
れている。蓄冷器３６内部の高温側寄りには比較的高温
域で比熱の高い鉛４１が充填され、低温側寄りには比較
的低温域で比熱の高い磁性体４２が充填され、さらにそ
の中間部４３は両者が互いに混合された状態で充填され
ている。

第３図は、蓄冷材２４に用いた鉛４１および磁性体４２
それぞれの温度と比熱の関係を表したグラフであり、鉛
４１は高温になるに従い一様に比熱が大きくなり、磁性
体４２は約１５Ｋ以下の温度範囲では鉛４１よりも大き
い比熱であることが示されている。

これらの比熱特性を備えた鉛４１および磁性体４２を蓄
冷器３６内の温度勾配に沿って組成比を変えて充填する
ことにより、温度勾配に沿って高温、中間、低温各部そ
れぞれにおいての蓄冷材２４の比熱値を大きくすること
ができる。しかも鉛４１から磁性体４２への組或比の変
化を連続的にして比熱の不連続部分をなくしたことによ
り、磁性体４２がその特性を充分に発揮できる低温域ま
でヘリウムガスの温度を低下させることが容易になる。

従って、高温で比熱の低い磁性体４２と低温で比熱の低
い鉛４１との比熱特性を、両者の混在した中間部４３が
補い、常温からクールダウンするときでも熱交換効率は
高く、磁性体４２の能力が発揮される温度まで容易に低
下し、充分な冷凍能力が得られる。

第４図は、実施例の蓄冷器３６と、従来の単に鉛４１と
磁性体４２を個々に充填した蓄冷器とをそれぞれ用いた
極低温冷凍機の冷凍能力を比較したグラフである。

横軸に第２ステージ１７の到達温度（Ｋ）を、縦軸に冷
凍能力（Ｗ）を示したちのＣあり、従来の極低温冷凍機
の場合は第２ステージ１７を約１５Ｋ（冷凍能力ＯＷ時
の温度；１４．５Ｋ）よりも低温に冷却することが不可
能であるが、この実施例の冷凍機では６．５Ｋ近くまで
冷却することが可能となり、磁性体４２の低温において
高い比熱を示す特性が充分に発揮されていることが分か
る。また、熱交換の効率が向上した結果、従来機が冷却
可能な約１５Ｋ以上の範囲では、従来機よりも冷凍能力
が大きく上回ることを示している。

以上のようにこの実施例は、温度による比熱特性が異な
る鉛４１と磁性体４２を温度勾配に沿って蓄冷器３６充
填して、蓄冷器自体の熱交換の効率を向上しようとする
場合に、鉛４１と磁性体４２の境界部において両者を混
在させたことにより、境界部での比熱値の変化を連続的
にして冷凍機の能力を向上させたものである。

なお、実施例では蓄冷材として鉛４１と磁性体４２の２
種類の粒状をした蓄冷材を用いたが、他の材料として、
例えば銅、ＧｄＲｈ．Ｅｒ３Ｎｉ等を用いたり、その形
状もメッシュ状、繊維状等にして充填することも可能で
ある。あるいはこれらを３種類以上を組み合わせて充填
することも可能である。またその場合、充填比も種々選
択することができ、全体的に混合させることもできる。

さらに、実施例では第２蓄冷器３６のみに鉛４１と磁性
体４２の２種類の蓄冷材を充填したが、３種類以上の材
料でも適用できる。第１蓄冷器３５についても同様に２
種類以上の蓄冷材を充填して構成することも可能であり
、また冷凍機が３段以上の多段式冷凍機であってもそれ
ぞれの蓄冷器を同様に構成することが可能である。

また、他の形式の冷凍機、例えばスターリング冷凍機、
改良型ソルベーサイクルＧＭ冷凍機、ビルミャ冷凍機等
の蓄冷式極低温冷凍機についても同様にこの発明を適用
することができる。

［発明の効果］ 以上より明らかなようにこの発明は、温度により比熱特
性が異なる２種以上の蓄冷材を混合して蓄冷器内の蓄冷
材としたので、蓄冷器内での蓄冷材の比熱の不連続部が
解消されて、常温から低温までのクールダウンの際の熱
交換効率が損なわれることが少なくなり、冷凍機の温度
を低温レベルまで確実に低下させて冷凍能力を向上させ
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明を適用したギフォード・マクマホン冷
凍機の実施例を示す部分断面図、第２図は第２蓄冷器の
構成を模式的に示した断面図、第３図は蓄冷材に用いた
鉛および磁性体の温度と比熱の関係を表したグラフ、第
４図は実施例の冷凍機と従来例の冷凍機の冷凍能力を比
較したグラフ、第５図は従来例の冷凍機の構造を示す部
分断面図、第６図は従来例の蓄冷器の構造を示す断面図
である。 １７・・・２段ステージ ２４・・・蓄冷材 ３６・・・第２蓄冷器 ４１・・・鉛 ４２・・・磁性体 ４３・・・中間部

Claims (1)

【特許請求の範囲】
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
   で膨脹させる極低温冷凍機において、上記蓄冷器内に比
   熱の異なる２種以上の蓄冷材を混合して充填したことを
   特徴とする極低温冷凍機。