JPS5816156A - 極低温発生装置 - 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】 本発明は、極低温発生装置に係り、特に、膨張手段とし
て採用された膨張エンジンの吸気圧力の低下を防止する
に好適な極低温発生装置に関するものである。

従来の極低温発生装置を第１図により説明する。

第１図は、極低温冷却機にクロードサイクルヘリウム冷
凍機を一例として用いた極低温発生装置のシステム系統
図である。第１図で、圧縮機ｌから吐出された高圧・高
温のヘリウムガスは、第１熱交換器２の高圧流路を通っ
て高圧ライン３のＡ点に至る。Ａ点では、高圧ヘリウム
ガスの一部が分流され、フィルタ４でゴミ等の不純物が
ｒ過された後に第１膨張エンジン５に供給され、ここで
等エントロピ膨張を行って低圧・低温となり、低圧ライ
ン６の０点で合流した後に第２熱交換器７および第１熱
交換器２の低圧流路を通シ、高圧流路のヘリウムガスと
熱交換しながら自身は温度上昇して圧縮機１に戻る。一
方、Ａ点で分流しなかった残り大部分の高圧ヘリウムガ
スは、第２熱交換器７の高圧流路を通り、第３熱交換器
８の高圧流路を通って高圧ライン３のＢ点に至る。Ｂ点
では、高圧ヘリウムガスの一部が更に分流され、フィル
タ９でゴミ等の不純物がｒ過された後に第２膨張エンジ
ンｌＯに供給され、ここで等エントロピ膨張を行って、
低圧・低温となシ、低圧ライン６のＤ点で合流した後に
第４熱交換器１１および第３熱交換器８の低圧流路を通
シ、高圧流路のヘリウムガスと熱交換しながら自身は温
度上昇して０点に至る。一方、Ｂ点で分流しなかった残
シ大部分の高圧ヘリウムガスは、第４熱交換器１１およ
び第５熱交換器１２のそれぞれの高圧流路を通シ、フィ
ルタ１３でゴミ等の不純物がｒ過された後にジュールト
ムソン弁１４に入り、ここで吟エンタルピ膨張を行って
低圧・低温とな力、一部は液化してクライオスタットｂ
に入る。その後、クライオスタット１５を出た低圧ヘリ
ウムガスは、第５Ｍ交換器１２の低圧流路を通ってＤ点
に合流し、低圧ライン６を経て圧縮機１に戻る。なお、
外部からの熱侵入を防止するため、圧縮機ｌを除く他の
全ての機器等は、真空保冷槽１６に収納されている。

次に、膨張エンジンの作用の詳細を第２図によ・　３ シ説明する。一般に、膨張エンジンは、低サイクル（２
〜４Ｈｚ程度）の往復動方式であシ、膨張エンジンへの
ヘリウムガスの吸入は間欠的に行われる。そこで冷凍シ
ステム全体としてのガス流量の変動を抑制するため、第
２図ａのように第１膨張エンジン５と第２膨張エンジン
１０のおのおののピストン１７．１８が、互いにクラン
ク角度を１８０度ずらして往復動するように共通のクラ
ンク機構１９に連結される。この場合の第１膨張エンジ
ン５のクランク角度に対するガス流量の変化は第２図す
のようになシ、また、おのおのの膨張エンジンのシリン
ダ内の圧力の変化は第２図Ｃのようになる。

なお、第２図すで、Ｇ、は、第１膨張エンジン５のガス
流量、Ｇ２は、第２膨張エンジンのガス流量、Ｇ、は、
ジュールトムソン弁１４を通るガス流量および０丁は、
システム全体のガス流量である。この場合、第１膨張エ
ンジン５の入口に設置されたフィル ルタ、また第２膨張エンジン１０の入口に設置され△ たフィルタ９の圧力損失のために、短時間の吸気行程中
にヘリウムガスの吸入が充分になされず、第２図すのよ
うに各膨張エンジンのガス流量Ｇ１゜Ｇ２は、設計値よ
シ少なくなる。特に、第２膨張エンジン１０においては
、ガス流ＩＧ、が多いためフィルタ９の圧力損失も大き
く、第２膨張エンジンの吸気行程での圧力は、第２図Ｃ
のように設計値よりも小さくなシ、したがって、圧力降
下に吸気行程終了時点での圧力−膨張行程終了時の圧力
）も小さく、圧力降下と比例関係にあるエンタルピ降下
が小さくなる。

このように膨張エンジンのガス流量が少なく、また、エ
ンタルピ降下が小さければ、ガス流量とエンタルピ降下
によシ決まる寒冷発生能力が低下亀 し、最終的には、ヘリウム冷凍機の冷凍能力又虫化能力
の低下をきたす。

上記の問題の解決策としては、フィルタ４，９餅 の網目を粗くするか、又は、フィルタ４．９の参面積を
大きくしてフィルタ４．９を通過するガス流速を小さく
するのが一般的であるが、しかし、前者の解決策では、
フィルタでｒ過されず膨張エンジンに入るゴミ等の不純
物が多くなシ膨張エンジンの摺動部を損傷させる危険が
あシ、また、後者の解決策では、フィルタが冗大となシ
、極低温発生装置の小形化に反するといった欠点があっ
た。

本発明は、上記問題の解決および上記欠点の排除を目的
としたもので、膨張エンジンでのヘリウムガスの吸入が
、１サイクル中の約−の時間であることに着目し、残シ
の約りの時間でヘリウムガスを備蓄するガスタンクを各
膨張エンジンの吸気側に設置することを特徴とする小形
で高性能の極低温発生装置を提供するものである。

本発明の一実施例を第３図によシ説明する。第３図で、
第１図と同−機器等は同一符号で示し説明を省略する。

加は第１膨張エンジン５吸気側とフィルタ４の間に設置
された第１ガスタンク、２１は第２膨張エンジンｌＯ吸
気側とフィルタ９の間に設置された第２ガスタンクであ
る。ζこで、各ガスタンクの内容積は、次のように選定
される。

まず、第２ガスタンク２１の内容積の選定であるが、こ
の場合、第２膨張エンジン１０における吸気行程終了時
の圧力は、式（１）のように近似される。

ことに、 Ｐ２：吸気行程終了時の圧力（但し、Ｐ、＜１）、）Ｐ
ｌ：吸気行程開始前の圧力 ■　：フィルタル第２膨張エンジン間の内容積△■：吸
気行程終了時のシリンダ内容積Ｇ　：フィルタル第２膨
張エンジン間のガス質量 ΔＧ＝吸気行程中にフィルタを通過して第２膨張エンジ
ンに供給されるガン質量 式（１）よシ明らかなように、Ｐ、　！　＋ＰＨとする
には、△■■を小さくするのが有効で、例えば、△ｖ／
ｖ−１ならばΔＧ／Ｇ　＝　０．８の時Ｐ、　＝　０．
９　Ｆ、となる（ＤＫ対し、ΔＶ／Ｖ　＝　０．２　す
らばΔ０７Ｇ＝０．１６の時でもＰ、＝０．９６７Ｐ、
となシ、ΔＧ／Ｇが、ΔＶ／■と同様に小さくなっても
Ｐ、の低下は小さいことがわかる。つまり、Ｐ、の低下
が実用上無視できるようにするには、ΔＶ／Ｖが、５以
上になるように第２ガスタンク４の内容積を選定すれば
よい。

一方、第１膨張エンジン５の第１ガスタンク加の内容積
については、第２図すのように第１膨張エンジン５のガ
ス流量Ｇ、が、第２膨張エンジン１０のガス流量Ｇ２に
比べて少量であるのでフィルタ４の圧力損失も小さく、
吸気行程での圧力の設計値に対する低下は第２図Ｃのよ
うにほとんど生じないが、しかし、第２膨張エンジンＩ
Ｏの場合と同様に考えて△Ｖ／Ｖが、５以上になるよう
に第１ガスタンク加の内容積を選定すれば更に充分であ
る。

したがって、実用上、各ガスタンクの内容積は、対応す
る各膨張エンジンの吸気行程終了時のシリンダ内容積の
５倍以上に選定すれば充分である。

このように、フィルタと膨張エンジン吸気側の間に、膨
張エンジンの吸気行程終了時のシリンダ内容積の５倍以
上の内容積を有するガスタンクを設置した場合は、膨張
エンジンの吸気行程での圧力の設計値に対する低下は、
はとんど無視できる程度に小さくなるので、圧力降下更
にはエンタルピ降下が大きくなり、寒冷発生能力の低下
が防止できる。また、冗大なフィルタの使用も必要なく
なるので、極低温発生装置が小形化でき、更に、フィル
タの網目を粗くする必要もなくなるので、ゴミ等の不純
物による膨張エンジン摺動部の損傷の危険性もない。

第４図は、ガスタンク構造の他の実施例を示すもので、
フィルタ４．９がそれぞれ第１ガスタンク加、第２ガス
タンク４に内設されている。

ガスタンク構造を仁のようにした場合は、フィルタだけ
の収納容器が不用で、配管も簡略化できるので、極低温
発生装置が小形化される。また、フィルタとガスタンク
が別々に設置された場合に比べ、輻射による熱侵入も抑
制できる。

更に、第１ガスタンク加および第２ガスタンク２１は、
それぞれ第１膨張エンジン５および１１Ｘ２膨張エンジ
ンｌＯの各シリンダ先端部に直接置設されても良い。

このようにガスタンクを膨張エンジンのシリンダ先端部
に直接臭設し次場合抹、ガスタンクと膨張エンジン吸気
側を連結する配管が不用となるので、極低温発生装置が
更に小形化される。

本発明は、以上説明したように、フィルタと膨張エンジ
ン吸気側の間にガスタンクを設置したということで、膨
張エンジンの寒冷発生能力の低下を抑制し、かつ、フィ
ルタの冗大化が不必要で、高性能、小形な極低温発生装
置が得られる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図ａから第２図Ｃは、従来の極低温発生装
置を説明するもので、第１図は、クロードサイクルヘリ
ウム冷凍機を用いた極低温発生装置のシステム系統図、
第２図ａは、膨張エンジンの作動説明図、第２図すは、
第１膨張エンジンのクランク角度に対する第１膨張エン
ジンおよび第２膨張エンジンのガス流量の変化図、第２
図Ｃは、同じく圧力の変化図である。第３図は、本発明
によるクロードサイクルヘリウム冷凍機を用い極低温発
生装置の一実施例を説明するシステム系統図、第４図は
、ガスタンク構造の他の実施例を示す断面図である。 ４．９・・・・・・フィルタ、５・・・・・・第１膨張
エンジン、ＩＯ・・・・・・第２膨張エンジン、加・・
曲第１ガスタンク、４・・・・・・第２ガスタンク 代理人　弁理士　　薄　１）利　幸 １ 才１ｍ ２５８− （ト）　　臂

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、　圧縮機と保冷槽に内股された熱交換器、膨張エン
   ジン、フィルタおよびそれらを適宜連絡する配管よシな
   る極低温発生装置において、前記膨張エンジン吸気側と
   前記フィルタとの間にガスタンクを設置したことを特徴
   とする極低温発生装置。 ２、前記ガスタンクの内容積を前記膨張エンジンの吸気
   行程終了時のシリンダ内容積の少なくとも５倍とした特
   許請求の範囲第１項記載の極低温発生装置。 ３、　前記ガスタンクに前記フィルタを内股した特許請
   求の範囲第２項記載の極低温発生装置。 ４、前記ガスタンクを前記膨張エンジンのシリンダ先端
   部に直接具設した特許請求の範囲第２項又は第３項記載
   の極低温発生装置。