JPS594859A

JPS594859A - 極低温冷凍装置

Info

Publication number: JPS594859A
Application number: JP11269382A
Authority: JP
Inventors: 三谷　寿; 英文斎藤; 昌尚安藤; 猪坂　弘; 林　宗浩
Original assignee: Shimadzu Corp; Shimazu Seisakusho KK
Current assignee: Shimadzu Corp; Shimazu Seisakusho KK
Priority date: 1982-06-29
Filing date: 1982-06-29
Publication date: 1984-01-11

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、例えば、ジョセフソンコンピュータの冷却等
に使用される極低温冷凍装置に関するものである。

ジョセフソンコンピュータを正常ＩＣ作動させるためｌ
こは、該コンピュータを４．２°に以下の極低温雰囲気
中に配置して冷却し続けることが必要である。ところが
、５ｏｌｖｅｙ　ｃｙｃｌｅ　、　Ｇｉｆｆｏｒｄ　−
ＭｅＭａｈｏｎ　ｃｙｃｌｅ　ｔｙ）るいはＳｔｉｒｌ
ｉｎｇ　ｃｙｃｌｅ　　等を採用した通常の極低温冷凍
装置では、デバイ温度との関係で蓄冷器の性能ｆこ限界
があるため、たとえ多段１こ設けたとしても４．２°に
以下というような極低温状態を得ることは困難である。

そのため、かかるジョセフソンコンピュータ装置コこは
ヘリウム液化機が付設され、該ヘリウム液化機で生成さ
せた液体ヘリウム内Ｉこ前記コンピュータを侵漬させ冷
却するようｌ乙している。しかしながら、通常のヘリウ
ム液化機は、多数の熱交換器や膨張タービンあるいはり
“ニール・トムソン弁等を組み合せた複雑な構成のもの
であるため、コンパクト化が難しい。そのため、ジ゛ヨ
セフソンフンビュータ装置全体が大形なもの１こなって
しまうという問題がある。

本発明は、このような事情ｌこ着目してなされたもので
、蓄冷器を保持する回転体を高温領域から低温領域ｌこ
亘って設けるとともｉこ、この回転体の低温領域側端部
を芯にしてロータリ形の膨張機構を形成し、この膨張機
構と前記蓄冷器とを用いて第１ガスｔコ５ｏｌｖｏｙ　
ｃｙｃｌｅ　、　Ｇｉｆｆｏｒｄ　−ＭｃＭａｈｏｎｃ
ｙｃｌＣあるいはＳｔｉｒｒｉｎｇ　ｃｙｃｌｅ　　等
の冷凍サイクルを営ませ得るよう（こ構成するとともｆ
こ、前記回転体の軸内部ｌこ、高圧の第２ガスを前記高
温領域側から前記低温領域側へ案内し該低温領域ｌこ設
けた極低温チャンバ内ｌこびニール・トムソン弁を介し
て導入するカス導入通路と、前記チャンバ内で自由膨張
した極低温の第２ガスを前記ガス導入路内の第２カスと
熱交換を行なわせつつ前記高温類ＦＡ　側へ案内するガ
ス導出通路とを挿通させることｆコヨって、前述した不
都合を解消することができるコンパクトでしかも冷凍能
力の高い極低温冷凍装置を提供するものである。

以下、本発明の一実施例を図面を参照して説明する。

軸心線つりこ回転可能な軸状の回転体１を高温領域たる
常温算囲気中から低温領域たる真空断熱槽２内に亘つて
設け、その回転体１の低温領域側端部１ａを芯にしでロ
ークリ形の膨張機構８を構成しでいる。膨張機構８は、
０Ｍ記回転体ｌの挿入端部１ａの夕■周囲をケーシング
４Ｉこより囲繞するとともＩこ、前記端部１ａにその外
周面Ｉこ開口する裏数本の溝５・・・を放射状に設け、
これら各ｍ５・・・Ｉこベーン６・・・を径方向に突没
可能に嵌合させている。そして、これらのベーン６・・
・を遠心力あるいははね力や圧力等Ｉこより外方へ突出
させてその先＠を前記ケーシング４の内周面４ａに摺接
させること１こよって隣接するベーン６．６間ξこそれ
ぞれ膨張室７・・・を形成しでいる。なお、前記ケーシ
ング４の内周向４ａは、第５図１こ示すような特殊な形
伏虻こ形成されており、図に示す第１領域Ｉおよび第２
領域Ｍを通過中の膨張室７・・・は、前記回転体１の矢
印Ｘ方向への回転ｌこ伴って漸次容積が増大し、第３領
域ＩＩを通過中の膨張室７・・・は、漸次容積が減少す
るようｌこなっている。また、前記回転体１の内部ｆこ
前記各膨張室７・・・１こ対応する複数の蓄冷器８・・
・を設けている。蓄冷器８は、例えは多数の小孔を有し
た銅板９と図示しないスペーサとを交互ｌこ複数個積層
してなるもので、前記回転体１の内部１こ円周方向に等
角間隔をあけて形成された断面扇形の複数の空洞１０・
・・内１こそれぞれ収容されている。そして、これら各
蓄冷器８・・・）低温端８ａ・・・側をガス流出入ボー
ト１１・・・を介しで対応する膨張室７・・・ｌこそれ
ぞれ連通させるとともに、前記各蓄冷器８・・・の高温
端８ｂ・・・側を切換機構１３を介して給気系路１４ま
ｊコは排気系路１５ｆこ所定のタイミングで接続するよ
うｌこしている。

切換機構１３は、前記回転体１の外周のｎｕ記真空断熱
槽２外ｌこ位置する部位ｌこ固定リンク１６を気密Ｉこ
嵌合させ、この固定リンク１６の内）ｉｊ　＋こｆＪｔ
ｌ記給気系路１４＋こ連通する給気ボート１７と前記排
気系路１５＋こ連通する排気ボート１８とを円周方向に
所定の間隔をあけて開口させるとともに、前記回転体１
外周の前記固定リング１６１こ対応する部位Ｉこ前記名
蓄冷器８・・・に連通ずる複数のガス流出入ボート１９
・・・を円周方向に等角間隔をあけて開口させてなるも
のである。なお、前記給気ボート１７および排気ボート
１８はそれぞれ円周方向に細長なもので、前記給気ボー
）１７は前記第１領域ｌを通過中の膨張室７・・・ｌこ
対応するガス流出入ボー１−１９・・・ｌこ連通し前記
排気ボート１８は前記第３領域■を通過中の膨張室７・
・・に対応するガス流出入ボート１９・・・ｌこ連通す
るようＩこ設定されている。また、前記給気系路１４は
、圧縮機２１の吐出口２１ａから吐出される高圧のヘリ
ウム等の第１ガスａをクーラ２２＋こより空冷した後Ｅ
ｃｎＩＩ記給気ボート１７へ導くようにしたものであり
前記排気系路１５は、前記排気ボー１−１８を介して排
出される第１ガスａを前記圧縮機２１の吸込口２１ｌ）
へ戻すよう１こしたものである、また、高圧の第２ガス、例えは、ヘリウムガスｂを前記
高温領域側から前記回転体１の軸心部を通過させて前記
低温領域側へ案内し該低温領域１こ設けた極低温チャン
バ２３内１こし゛ニール・トムソン弁２４を介して導入
するガス導入系路２５とｆｉｌｌ記チャンバ２３内で自
由膨張した極低温のヘリウムガ“スｂを前記カス導入糸
路２５内のヘリウムカス１〕と熱交換を行なわせつつ０
１■記高温領域側へ案内するカス導出系路２６とを設け
ている。具体的ｔこ説明すれは、カス導入系路２５はＮ
　ａｉＪ記回転回転体１温領域側の部分ｌこ気密ｔこ嵌
着した固定リング２７０内周１こ形成された環状空間２
８と、この環状空間２８内に図示しないヘリウム圧縮機
から吐出される高圧のヘリウムカスを逐次供給するヘリ
ウノ・ガス供給管路２９と、ａＴＩ記回転回転体１心部
に設けた軸孔８１内に螺旋状に収容され始端を前記環状
空間２８＋こ連通させるととも１こ終端部をＲｒＪ記回
転回転体１温領域側端面から所要長さ突出させたヘリウ
ムガス案内管路３２とを具備しでなるもので、前記ヘリ
ウム案内管路３２の終端ｌこは前記す゛ニール・トムソ
ン弁２４が設けであるとともに、終端近傍部ｌこは熱交
換器３３が設けである。そして、目■記チャンバ２８は
、６［ヘリウムガス案内管路３２の終端部を囲繞する固
定筒３４の下端部１こ形成されたもので、この固定筒３
４の上端部は前記ケーシング４の底面Ｉこ固着されてい
る。一方、ガス導出系路２６は、前記固定筒３４と、始
端をこの固定筒３４内Ｉこ連通させるとともに終端を前
記回転体１の高温領域側の外周部に開しコさせた前記軸
孔３１と、前記回軸体ｌの外周に気密ｌこ嵌着した固定
リング３５の内周に形成され前記軸孔３１の終端と連通
ずる環状空間３６と、この環状空間８６内のヘリウムガ
スを前記ヘリウム圧縮機へ返還するヘリウム回収管路３
７とを具備してなるものである。

次いで、この装置の作動を説明する。なお、本実施例の
装置は、６組の膨張室７・・・およびそれらに対応する
蓄熱器８・・・等を有しているが、これらは、それぞれ
同一の作用を営むので、特定のものを選択しその記号Ｊ
こ（）を付して説明する。

また、この説明で、「膨張室（７）が領域１　ＩＩ。

■または■に存在する」という表現、またはそれに準じ
た表現を用いるが、これは「膨張室（７）のガス流出入
ボート（１９）に対応する部位が領域１１　…、■また
は■内ｌこ存在する」ということを意味するものとする
。

まず、膨張室（７）が第１の領域ｌこ存在する場合ｌこ
は、この膨張室（７）Ｉこ対応するガス流出入ボート（
１９）が給気ボート１７と連通した状態となっている。

そのため、圧縮機２１から吐出された高圧の第１ガスａ
が給気系路１４を通して前記ガス流出入ボート（１９）
内へ導入され、対応する蓄冷器（８）を通して前記膨張
室（７）内へ導びかれる。第１の領域Ｉに存在する膨張
室（７）１こおいては、回転進み側のベーン（６）の受
益面積が回転遅れ側のベーン（−’６）の受圧面積より
も大きくなっているので、この膨張室（７）内１こ高圧
のガスが導入されると前記回転体ＩＩこ矢印Ｘ方向の回
動付勢力が働き、該回転体１が前記膨張室（７）ととも
１こ矢印Ｘ方向１こ回転する。そしてこの膨張室（７）
が第２の領域■へ移行すると、前記ガス流出入ボート（
１９）が固定リング１６の内周面Ｉこよって閉止状態と
なり、給気系路１４からのガスの供給は止まるが、前記
膨張室（７）内ｆこ封入されたガスａは今まだ高い圧力
を有しており、しかも前記ベーン（６）、（６）の受圧
面積の関係はＲｊＪ述したままであるため、該膨張室（
７）内のガスａは前記回転体１を矢印Ｘ方向へ付勢しつ
つ膨張すること奢こなる。したがって第２の領域■を通
過中の膨張室（７）内のガスａは断熱膨張を行ない、そ
の温度が低下することｉこなる。なお、ガスａが断熱膨
張を行なう際等Ｉこ発生する回転体１の回転力は、該回
転体ＩＩこ連結した発電機（図示せず）等ｌこよって吸
収する。次いで、前記膨張室（７）が、ｆｆ１８の領域
■へ移行すると、前記ガス流出入ボート（１９）が排気
ボート１８と連通状態になる。そして、この領域凹に存
在する膨張室（７）はケーシング４の形状ｆこより回転
体１の矢印Ｘ方向への回転に伴って容積が漸次減少する
よう１こなっている。そのため、前記膨張室（７）内の
低温のカスａは蓄冷器（８）を冷しながら前記排気ボー
ト１８部分へ導びかれ排気系路１５を介して順次圧縮機
２１へ戻されること１こなる。このようｌこして、内部
のガスａをはき出した膨張室（７）は、次Ｅこガス流出
入口（１９）が閉止される第４の領域■へ移行し、この
領域■を通過した後、前記第１の領域Ｉへ戻ることｌこ
より１サイクルを終える。したがって、このようなサイ
クルを何度も繰り返すことｉこよって、前記膨張機構８
部分が１０°に前後のかなり低い温度ｉこ維持されるこ
とｌこなる。一方、図示しないヘリウム圧縮機から吐出
される第２ガスたるヘリウムガスｂは、ガス導入系路２
５全通して極低温チャンバ２８内＋こ導入され、該チャ
ンバ２８内のヘリウムガｘｂはガス導出系路２６を通し
て前記ヘリウム圧縮機へ戻されるわけであるが、前記ヘ
リウムガスは、前記ガス導入系路２５のヘリウムガス案
内管路８２内を順次下方へ流れる間１こ、蓄冷器８・・
・の低温端部や膨張機構８あるいは前記ガス導出系路２
６を流れる低温ヘリウムガスｌこ熱をうはオ）れて１０
°に程度の温度コこ冷却される。そして、このヘリウム
ガスｂは熱交換器８８を通過する際ｌこ前記チャンバ２
３円から固定筒３４内ｌこ戻されてくる極低温ヘリウム
ガスｂと熱交換を行なってさらＩこ６°Ｋ　　Ｉｒ１Ｊ
後にまで冷却される。そのため、このヘリウムガスｂを
ジ゛ニール・トムソン弁２４を介してチャンバ２８内１
こ導入し自由膨張させると、その一部が液化し、液体ヘ
リウムＣとして６■記チヤンバ２８の底部に溜ることｌ
こなる。そして、液化しきれなかったヘリウムガスは、
前述したようｆこ固定筒３４内１こ戻され、軸孔８１．
環状空間３６およびヘリウム回収管路８７を通して前記
ヘリウム圧縮機へ返還されることｌこなる。

しかして、このようなものであれは、前記チャンバ２８
内に溜る液体ヘリウム内ｆこ、例えは、ンヨセフソンコ
ンピュータＡを浸漬させておくことによって、該コンピ
ュータＡを４．２°に以下の温度１こ冷却し続けること
ができるものである。

なお、前記実施例では、第１ガスに８ｏ１ｖｅｙｃｙｃ
ｌｅ　＋こ準じｔこサイクルを営ませるよう１こした場
合１こついて説明したが、本発明はかならずしもこのよ
うなものｌこ限定されないのは勿論であり、例えば、第
１ガスｔｃ　Ｇｉｆｆｏｒｄ　−ＭｃＭａｂｏｎ　ｃｙ
ｃｌｅ　アルいは８ｔｉｒｉ１ｎｇ　ｃｙｃｌｅ　　Ｉ
こ準じｔこ冷凍サイクルを営ませるよう１こしてもよい
。

まｔコ、回転体の回転力を吸収する手段は発電機に限ら
ず、例え＋ｉ、摩擦によるブレーキや羽根ホ等であって
もよい。

さら１こ、膨張機構の構成も図示実施例のもの１こ限ら
ず、例えは、膨張室の数を違ったものｌこしたり、ベー
ンとケーシングの組合せを異なったもの１こする等、本
発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

また、前記実施例では、第２ガスを液化させる場合ｆこ
ついて説明したが、例えは、第２ガスを液化させず、ガ
スのままで熱負荷の冷却ｌこ利用し得るようにしてもよ
い。

まｔこ、使用するガスはヘリウムガス１こ限らず利用目
的ｉこ応じて、その目的達成に必要な低温を得られるガ
スを適宜選択すれはよい。前記実施例１こおいては、し
゛ヨセフソンコンピュータを有効Ｉこ作動させるの１こ
必要な温度を得るのが目的であるため、４．２°に以下
の極低温を得ることができるヘリウムカスを使用したも
のでＪ）る。

本発明は、以上のような構成であるから、次のような効
果が得られる。

ま１、第１ガスｌこ所定の冷凍サイクルを営ませて第２
ガスを予冷するととも１こ、この第２ガスをリターンの
第２ガスと熱交換させてさらｌこ低い温［ｌ１１１１こ
まで冷却し、その第２ガスをジュール・トムソン弁を用
いてヂャンバ内ｌこ自由膨張させるよう１こしているの
で、該チャンバ部分で、蓄冷器の能力限界等ｌこ左右さ
れないきわめて低い温度が実現できる。

しかも、前記第１ガスｉこよる冷凍サイクルを蓄冷器を
内蔵する回転体を芯にして構成された膨張機構を用いて
行なわせるとともＥこ、前記第２ガスを前記回転体の軸
内部を通過させること１こよって効率よく予冷すること
ができるようｌこしているので、簡単な構成のもので高
い冷凍能力を発揮させることができる。

特１こ、第１ガスの冷凍サイクルを前述のようなロータ
リ式の機構を用いて行なわせると、往復運動を行なうピ
ストンを３％　（すことかできるので運転時の振動や騒
音あるいは加速度ｉこ起因する磁気的ノイズ等を軽減す
ることができるとともに、耐久性の低いピストン・シー
ル等の存在（こよって装置の長！命化が阻まれるという
不都合を解消することができる。また、比較的質量の大
きいピストン等を往復動作させる必要がなく、すべてを
回転系で統一できるので、強度の高い機械的要素を用い
ることなしｌこ単位時間当りのサイクル数を大幅１こ向
上させて冷凍能力の向上と装置のコンパクト化とを同時
ｆこ達成することができるものである。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の一実施例を示し、第１図は正断面図、第
２図は第１図１こおける■−■線断面図第３図は第１図
１こおける■−■線断面図、第４図は第１１図１こおけ
るＩＶ−、ＩＶ線断面図でＪ）る。１・・・回転体　　３・・・膨張機構４・・・ケーシング　　７・・・室（膨張室）８・・・
蓄冷器　　■４・・・給気系路１５・・・排気系路　　
２８・・・極低温チャンバ２４・・す１．−ル・トムソ
ン弁２５・・・カス導入系路　　２６・・・ガス導出系路ａ
・・・第１ガスｂ・・・第２ガス（ヘリウムガス）代理人　弁理士　赤澤−四

Claims

【特許請求の範囲】高温領域から低温領域ｆこ亘って設けられ軸心回り【こ
回転可能な回転体と、この回転体の低温領域側端部を囲
繞するケーシングを有しこのケーシングの内周と前記回
転体との間に該回転体の回転Ｊこ伴って容積が増減する
室を形成するロータリ式の膨張機構と、前記回転体の内
部に設けられ低温端側を前記室ｌこ連通させた蓄冷器と
、前記回転体の回転ｌこ伴って容積が増大する室Ｅこ前
記蓄冷器を介して高圧の第１ガスを供給するための給気
系路と、前記回転体の回転ｌこ伴って容積が減小する室
から前記蓄冷器を介して排出される膨張後の第１ガスを
回収するための排気系路と、高圧の第２ガスを前記高温
領域側から前記回転体の軸内部を通過させて前記低温類
域側へ案内し該低温領域に設けｔこ極低温チャンバ内ｌ
こジュール・トムソン弁を介して導入するガス導入系路
と、前記チャンバ内で自由膨張し１こ極低温の第２ガス
を前記ガス導入系路内の第２ガスと熱交換を行なわせつ
つ前記高温領域側へ案内するガス導出系路とを具備して
なることを特徴とする極低温冷凍装置。