JPH0636452Y2 - 極低温冷凍機 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本考案は極低温（例えば温度100K以下）機器の冷却等に
使用される冷凍機に関する。

〔従来の技術〕

第２図はスターリングサイクル、ギフオード・マクマホ
ンサイクル、ソルベイサイクル等のピストンまたはデイ
スプレーサを用いた往復動式冷凍機と熱交換器等から成
るジユール・トムソンループで構成される、従来から用
いられている超低温冷凍機の系統図である。第３図は従
来から用いられているパルス管冷凍機の系統図である。

まず第２図について説明する。１は前記往復動式冷凍
機、２は前記ジユール・トムソンループ、３は往復動式
冷凍機１に高圧ヘリウムガスを供給するガス圧縮機、４
は高圧ガス配管、５は往復動式冷凍機１で断熱膨張した
ヘリウムガスがガス圧縮機３に戻る低圧ガス配管、６は
往復動式冷凍機１が寒冷を発生する第一段寒冷発生部、
７は第二段寒冷発生部である。第一段寒冷発生部６は最
低到達温度として約40K程度まで、第二段寒冷発生部７
は最低到達温度として約10K程度である。８は前記ジユ
ール・トムソンループ２に高圧ヘリウムガスを供給する
ガス圧縮機、９は高圧ガス配管、10は低圧ガス配管、1
1,12および13は高圧ヘリウムガスと低圧ヘリウムガスが
熱交換し、低圧ヘリウムガスの寒冷を回収し、高圧ヘリ
ウムガスを冷却するための熱交換器である。14,15は高
圧ヘリウムガス中の不純物（ヘリウムガス以外のガス、
ゴミ等の異物）を除去するための低温吸着器で、吸着器
内部のガス通過部に活性炭、モレキユラーシーブス等を
充填している。16,17は第一段寒冷発生部６および第二
段寒冷発生部７で熱交換して高圧ヘリウムガスを冷却す
るための熱交換器、18は高圧ヘリウムガスをジユール・
トムソン膨張（等エンタルピ膨張）させ、低圧・極低温
のヘリウムガスを発生させるためのジユール・トムソン
弁である。19は極低温に冷却するため被冷却物を取り付
ける冷却部である。20は常温部から低温部への輻射熱の
侵入を防止するための熱シールド板で、第一段寒冷発生
部６と熱的に接続されて冷却され、侵入する輻射熱の熱
負荷を第一段寒冷発生部６で吸収する。21は真空断熱の
ための真空容器、22は断熱のための真空部である。

ジユール・トムソンループ２において、ガス圧縮機８で
高圧にされたヘリウムガスは、高圧ガス配管９を通り熱
交換器11を通つて戻りの低温・低圧ヘリウムガスと熱交
換して低温・高圧のヘリウムガスとなる。さらに低温吸
着器14を通つて、水分やヘリウムガス以外のガス例えば
酸素ガス等高温沸点（80K以上）のガスを除去した後、
熱交換器16で高圧ヘリウムガスはさらに低温となる。同
様に熱交換器12,17,13で温度10K前後に冷却された高圧
ヘリウムガスは低温吸着器15でヘリウムガス以外のガス
例えば水素ガス等沸点が20K以上のガスを除去した後、
ジユール・トムソン弁18で断熱膨張する。これによつて
低圧ガスの温度は10K以下となり、所期の冷却温度を得
ることができる。冷却部19で被冷却物を冷却した低温ヘ
リウムガスは熱交換器13,12,11で熱交換し、寒冷を回収
された後、常温となつてガス圧縮機８に戻る。

次に第３図について説明する。31は高圧ヘリウムガスを
供給するガス圧縮機、32は高圧ガス配管、33は低圧ガス
配管、34は高圧ガスを冷凍部に供給したり、低圧ガスを
冷凍部から排気してガス圧縮機31に戻すための切り替え
を行なうロータリバルブである。35は高圧ヘリウムガス
を冷凍部に送つたり、低圧ヘリウムガスを冷凍部から戻
すためのガス配管である。高圧ガスと低圧ガスの往復は
ロータリバルブ34で周期的に100回／分程度で行なわれ
る。36は蓄冷器で蓄冷材として銅の金網（100メツシユ
〜400メツシユ程度）または直径1mm以下の鉛球等が充填
されている。37も35と同様のガス配管である。38は寒冷
発生部で被冷却物を取り付けて冷却する。39はセラミツ
クス等多孔質の焼結金属で作られ、ヘリウムガスの整流
作用と排出される低温・低圧のヘリウムガスの寒冷を充
分回収するための熱交換作用を行なう。40はステンレス
鋼等熱伝導の良くない材料で作られたパルス管で、この
管の内部で高圧ヘリウムガスが上部へ移動し、次に低圧
となつた時ヘリウムガスは下部へ移動する。ヘリウムガ
スは、この間欠的な上下の往復運動を繰り返す。41は放
熱部で銅等熱伝導の良い材料で作られている。42,43は
放熱部41を冷却するための冷却水の入口および冷却水の
出口である。

第３図の冷凍原理は次の通りである。ガス圧縮機31で圧
縮された高圧ヘリウムガスは、高圧ガス配管32、ロータ
リバルブ34およびガス配管35を通り、蓄冷器36で冷却さ
れた後、ガス配管37および焼結金属部39を通り、パルス
管40に入る。パルス管内にははじめに低圧のヘリウムガ
スがあるが、高圧ガスの圧縮作用によつて管内の低圧ヘ
リウムガスも圧縮される。この圧縮作用により管内に圧
縮熱が発生し、ガスの温度は放熱部41付近が高く、焼結
金属部39付近が低いという温度勾配を形成する。圧縮熱
の大部分は放熱部41付近で発生するため冷却水で熱を除
去する。次にロータリバルブ34がガス圧縮機31の低圧側
と切り替わると、パルス管40内部の高圧ガスは断熱膨張
して温度が下がる。このガスの温度は膨張開始前に熱除
去が行われているので、圧縮開始時よりも低くなつてお
り、その結果パルス管40の下部即ち焼結金属部39付近が
最も温度の低い部分となり、寒冷発生部38に被冷却物を
取り付けて冷却することができる。以上のようなサイク
ルを繰り返すことにより、間欠的に寒冷が発生するの
で、第３図のような構成によつて、放熱部41が室温程度
の場合、寒冷発生部38で温度124Kを得ることができる。

〔考案が解決しようとする問題点〕

第２図に示す冷凍機においては、ジユール・トムソンル
ープで熱交換器11,12,13,16,17が必要となるため、装置
の価格が高くなり、また熱交換器のスペースも大きく、
従つて第２図の冷凍機全体が高価で大型とならざるを得
なかつた。またヘリウムガス中に含まれる不純物（水
分、油等が低温で固化したもの、またはゴミ等）により
ジユール・トムソン弁18が運転中に閉塞し、トラブルを
発生する等の問題点があつた。

また第３図のパルス管冷凍機は、一段で寒冷を発生する
タイプを示してある。これを多段化して、さらに低温を
得ることは可能であるが、効率等の面から現状では温度
10K以下まで到達することは難しい。

〔問題点を解決するための手段〕

本考案は前述の従来技術の問題点を解消したものであつ
て、スターリングサイクル、ギフオード・マクマホンサ
イクル、ソルベイサイクル等のピストンまたはデイスプ
レーサを用いた往復動式冷凍機とパルス管冷凍機から構
成され、前記往復動式冷凍機の寒冷発生部に前記パルス
管冷凍機の放熱部を熱的に接続したことを特徴とする極
低温冷凍機である。

〔作用〕

本考案の極低温冷凍機は、温度10K〜20Kまでの極低温発
生には従来通りの往復動式冷凍機を利用し、それより低
温の10K以下の極低温の発生のためにパルス管冷凍機を
利用するように組み合せて、２段階で熱を汲み上げるよ
う作用させるものである。

〔実施例〕

第１図は本考案の一実施例の系統図である。第２図およ
び第３図と同一符号の部分は同じ部品を示すので説明を
略す。第１図において、往復動式冷凍機１は第一段寒冷
発生部６と第二段寒冷発生部７とでそれぞれ温度60K〜8
0K程度、10K〜20K程度の寒冷を発生している。第二段寒
冷発生部７は、パルス管冷凍機の放熱部41と熱的に接続
されて、放熱部41を冷却する構造となつている。パルス
管冷凍機の蓄冷器36は高温部が常温（300K程度）、低温
部が極低温（10K以下）になつているので、常温部から
の熱伝導による侵入熱の大部分を熱シールド板20を介し
て第一段寒冷発生部６で吸収する構造となつている。

ガス圧縮機31で高圧となつたヘリウムガスは高圧ガス配
管32、ロータリバルブ34、ガス配管35、および蓄冷器36
を通つて温度10K前後に冷却された後、ガス配管37、焼
結金属部39を通つてパルス管40に入る。パルス管内部の
ガス圧縮熱は放熱部41を介して第二段寒冷発生部７で吸
収される。次にロータリバルブ34が低圧側に切り替わる
とパルス管内部のガスは断熱膨張して寒冷発生部38の温
度は10K以下に低下して寒冷を発生する。低温となつた
ヘリウムガスはガス配管37を通り蓄冷器36で寒冷を回収
されて常温となる。常温となつた低圧ヘリウムガスはガ
ス配管35、ロータリバルブ34、低圧ガス配管33を通つて
ガス圧縮機31へ戻る。以上の冷凍サイクルを１分間に約
100回程度行なうことによつて、間欠的に温度10K以下の
寒冷を発生することができる。

〔考案の効果〕

以上詳細に述べたように、本考案は温度10K〜20Kまでの
寒冷発生には比較的効率の良い往復動式冷凍機を使用
し、温度10K以下の寒冷発生にはパルス管冷凍機を使用
した複合的な構成となつている。この組合せにおいて
は、向流型熱交換器を使用しないで蓄冷機を使用してい
ること、低温吸着器の役目を蓄冷器が行うので独立の低
温吸着器が不要、などの理由によつて、極低温冷凍機全
体として小型化、軽量化、低価格化が可能となる。また
低温部にジユール・トムソン弁のような駆動部が無いの
で、故障が少く、信頼性が高い。

要するに本考案によつて小型、軽量、低価格かつ信頼性
の高い極低温冷凍機を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案の一実施例の系統図、第２図および第３
図は従来技術の系統図である。 １……往復動式冷凍機、 ２……ジユール・トムソンループ、 ３……圧縮機、４……高圧ガス配管、 ５……低圧ガス配管、６……第一段寒冷発生部、 ７……第二段寒冷発生部、８……ガス圧縮機、 ９……高圧ガス配管、10……低圧ガス配管、 11……熱交換器、12……熱交換器、 13……熱交換器、14……低温吸着器、 15……低温吸着器、16……熱交換器、 17……熱交換器、 18……ジユール・トムソン弁、 19……冷却部、20……熱シールド板、 21……真空容器、22……真空部、 31……ガス圧縮機、32……高圧ガス配管、 33……低圧ガス配管、 34……ロータリバルブ、35……ガス配管、 36……蓄冷器、37……ガス配管、 38……寒冷発生部、39……多孔質焼結金属、 40……パルス管、41……放熱部、 42……冷却水入口、43……冷却水出口。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】スターリングサイクル、ギフオード・マク
   マホンサイクル、ソルベイサイクル等のピストンまたは
   デイスプレーサを用いた往復動式冷凍機とパルス管冷凍
   機から構成され、前記往復動式冷凍機の寒冷発生部に前
   記パルス管冷凍機の放熱部を熱的に接続したことを特徴
   とする極低温冷凍機。