JPS62217059A - 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】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は２系統の冷凍機からなり低温を発生するための
低温装置に関する。

本発明は略５に以下の温度の冷凍を発生せしめる冷凍装
置に利用できるもので、この冷凍装置は液体ヘリウムで
冷却された超伝導磁石を収納しているクライオスタット
に取付け、クライオスタットに侵入する熱によって蒸発
するヘリウムガスを再び液化せしめ、クライオスタット
内の液体ヘリウムの量を一定に保持せしめる冷却装置等
に利用される。

（従来の技術） 本発明に関する従来装置として、米国特許第４．３３５
，５７９号明細書に示される低温装置が既に知られてい
る。このものは、第２図に示される如く、動力源１０１
によって回転されるクランクシャフト１０２、該クラン
クシャフト１０２によって摺動されるピストン１０３、
膨張部１０４．１０５、低温部１０６，１０７、図示さ
れていない圧縮部、放熱部、熱交換器を有する高温領域
の冷凍機Ｉと、動力源１０８によって回転されるクラン
クシャフト１０９、該クランクシャフト１０９によって
摺動されるピストン１１０，１１１、圧縮部１１２、膨
張部１１３、放熱部１１４、蓄冷器１１５を有する低温
領域の冷凍機■を備える。放熱部１１４は、低温部１０
７と熱的に結合され、低温領域の冷凍機の圧縮部１１２
で発生する作動ガスの圧縮熱が低温部１０７で吸熱され
るようになっている。又、低温領域の冷凍機の圧縮シリ
ンダ１１６及び膨張シリンダ１１７は、低温部１０６と
予冷板１１８を介して熱的に結合され、常温部から圧縮
部１１２及び膨張部１１３に流入。

する熱を減少させている。

ピストンリング１１９，１２０，１２１，１２２は作動
ガスの連通を防ぐシールである。

（発明が解決しようとする問題点） この従来の低温装置では、圧縮シリンダ１１６及び膨張
シリンダ１１７を高温領域の冷凍機の低温部１０６で予
冷板１１８を介して冷却しているにもかかわらず、例え
ば圧縮部１１２の温度が１０にレベル、膨張部１１３の
温度が４にレベルの時、低温部１０６の温度が２０にレ
ベルで、典型的な値として、圧縮部１１２に数ワット、
膨張部１１３に０．５ワット程度の熱侵入が存在する。

このため装置全体の効率が劣化し、低温領域の冷凍機の
膨張部１１３で同一の冷凍出力を得るには、低温装置全
体に大きな入力が必要となり、装置が大型化し、重量も
増大する。これは、低温領域の冷凍機の圧縮部１１２、
膨張部１１３が、シリンダ１１６，１１７内に摺動配置
されるピストン１１１．１１０によって形成されている
ため、ピストンとシリンダ間に形成されたピストンの摺
動を許容するための間隙に動作ガスが侵入し、この動作
ガスが常温部から運ぶ熱、及びピストンを伝わる熱を充
分小さくできないためである。

さらに、従来の冷凍機では、ピストン１０３゜１１０．
１１１の材質として熱伝導を抑えるためにベークライト
等の樹脂を用いている。このため、樹脂から発生するガ
ス、クランクシャフト１０２゜１０９の軸受で用いられ
る潤滑油、あるいはピストンリング１１９，１２０，１
２１．１２２の摩耗粉等の不純物が作動ガスに混入し、
放熱部１１４、蓄冷器１１５の表面汚染等が原因となる
冷凍機の性能劣化が起きていた。

そこで、本発明は常温部からの熱侵入を低減させて冷凍
効率を向上させるとともに、作動ガスに不純物を混入さ
せないことを技術的課題とする。

〔発明の構成〕

（問題点を解決するための手段） 上記技術的課題を達成するために講じた手段は、冷凍機
Ｉを構成する１個以上の圧縮部および１個以上の膨張部
をすべてタービンによって構成し、冷凍機■を構成する
１個以上の圧縮部および１個以上の膨張部（金属製）を
ベローズによって構成したことである。

（作用） 本発明の構成は上記の如（であるので、冷凍機■を構成
する圧縮部および膨張部内の作動ガスがベローズによっ
てその内部に保持され、常温部から隔離されるので作動
ガスによる常温部からの熱侵入が低減される。

さらに、冷凍機■において作動ガスに接する面がすべて
金属となるため、表面から発生′するガスが極めて少な
く、潤滑油、摩耗粉等の不純物が作動ガスに混入するこ
とは全くない。従って、放熱部、蓄冷器の表面汚染が原
因となる冷凍機の性能劣化が起きない。

冷凍機Ｉにおいても、タービンの軸受に気体軸受を用い
ることができるので、作動ガスに不純物が混入すること
がなく、従って冷凍機の性能劣化が起きない。

（実施例） 以下本発明の実施例を第１図に基づいて説明する。第１
図において、本発明による低温装置は、冷凍機■と冷凍
機■よりなる。冷凍機Ｉは、モーター等の動力源に連動
される圧縮タービン１．放熱部２．熱交換器３および膨
張タービン４を流路１３．１４．熱交換器２０．および
凝縮器２１を有する。冷凍機■はモーター等の動力源に
連結されるクランクシャフト等と連動されるロッド状の
連結部材５，６を有し、この連結部材５，６の下端には
、圧縮ベローズ７、膨張ベローズ８が固定されている。

ベローズ７．８の他端は、支持円筒９．１０にそれぞれ
固定されている。上記連結部材５，６．支持円筒９，１
０は熱伝導性の小さな部材により形成される。

圧縮ベローズ７、膨張ベローズ８との間は、放熱部１１
および蓄冷器１２．凝縮器１３によって連通している。

放熱部１１には、高温領域の冷凍機Ｉの低温作動ガスが
出入りできる流路１４を設ける。連結部材５，６の上端
はそれぞれクランクシャフト等に連結されて往復運動す
る連結棒１５゜１６にベローズ１７．１８を介して固定
し、これらのベローズ１７．１８の一端を真空容器１９
に取付けている。

圧縮ベローズ７、放熱部１１．蓄冷器１２．および膨張
空間８によって構成される冷凍機■の圧縮ベローズ７お
よび膨張空間８の容積は動力源クランクシャフト等に連
動するベローズ１７および１８の往復運動によって変動
し、変動の位相差を膨張ベローズ８が圧縮ベローズ７に
対して略９０度進むように駆動することにより、膨張ベ
ローズ８で冷凍を発生し、圧縮ベローズ７で圧縮熱を発
生する。上記圧縮熱及び圧縮部に常温より侵入する熱は
、放熱部１１において、冷凍機Ｉの低温作動ガスによっ
て吸収され、上記の熱は冷凍機Ｈの冷凍負荷となる。膨
張部をベローズ８で構成し、一端を断熱連結部材６と連
動させ、他端を断熱支持円筒１０で固定することにより
、従来のピストン・シリンダタイプ冷凍機において、ピ
ストン・シリンダとの間隙に存在する作動ガスが膨張空
間に運ぶ熱を無くし、またピストン及びシリンダーを伝
わる伝導熱も低減でき、膨張ベローズ８で発生する膨張
仕事を有効に冷凍出力として外部に取出すことができる
。

同様に、圧縮部をベローズ７で構成し一端を断熱連結部
材６と連動し、他端を断熱支持円筒９で固定することに
より、圧縮ベローズに侵入する熱を低減でき、従って、
冷凍機Ｉの冷凍負荷を低減することができる。

ベローズ７．８の容積変化は、ベローズ７．８の一端に
固定した断熱連結部材５，６の往復運動で行なわれる。

この連結部材５．６は、真空容器１９を大気に対して真
空気密する、常温部のベローズ１７．１８の一端に固定
されている。この端面には、さらに常温部の駆動機構の
往復運動を伝える連結棒１５．１６が固定されており、
連結棒１５．１６の往ｔＲ運動は、ベローズ１７．１８
を介し、直接断熱連結部材５，６に伝わる。

一方、圧縮タービン１．放熱器２．熱交換器３゜膨張タ
ービン４．流路１３，１４．熱交換器２゜および凝縮器
２１によって構成される冷凍機Ｈにおいて、圧縮タービ
ン１はモーター等の動力源に連動されていて、軸受は作
動ガスを利用した気体軸受になっている。圧縮タービン
１において圧縮された作動ガスは熱を発生する。この圧
縮熱は放熱器２で取去られる。放熱器２を出た作動ガス
は流路１４から出た作動ガスと熱交換器３で熱交換し、
冷却される。

熱交換器３を出た作動ガスは熱交換器２０に入り、凝縮
器２１から出た作動ガスと熱交換し、さらに冷却され、
流路１３に流入する。流路１３に流入した作動ガスは冷
凍機Ｈの作動ガスによって約４Ｋまで冷却され、凝縮器
２１に流入し、液体ヘリウム２２より蒸発したガスを再
凝縮する。凝縮器２１より出た作動ガスは熱交換器２０
を通り加温され、膨張タービン４に流入する。膨張力タ
ービン４は発電機等の動力吸収装置に連動されていて、
膨張仕事は真空容器１９の外にある高周波抵抗によって
消費される。作動ガスは膨張タービン４を回すことにっ
て冷凍を発生する。膨張タービン４を出た作動ガスは流
路１４に流入し、冷凍機■における放熱器１１を流れる
作動ガスを冷却する。流路１４を出た作動ガスは熱交換
器３に流入し、放熱器２を出た作動ガスと熱交換し、加
温され、圧縮タービンｌにもどる。

このように、本発明では冷凍機Ｉに金属製ベローズ７．
８を用い、冷凍機■に気体軸受を用いたタービン１．４
を採用しているため、従来の低温装置におけるように樹
脂からのアウトガス、軸受の潤滑油、およびピストンリ
ングの摩耗粉等の不純物が作動ガスに混入して放熱部、
蓄冷器の表面を汚染し、冷凍機の性能劣化を生ずるとい
うことが全くない。

〔発明の効果〕

従来技術の欠点を解消するためには、第３図に示す低温
装置でも可能である。第３図に示す低温装置は、圧縮タ
ービン６０．放熱器６１．熱交換器６２．　６３．　６
４．膨張タービン６５．　　Ｊ−Ｔ弁６６、凝縮器６７
、および真空容器６８によって構成される。圧縮タービ
ン６ｏはモーター等の動力源に連動されていて、軸受は
作動ガスを利用した気体軸受になっている。圧縮タービ
ン６０において圧縮された作動ガスは熱を発生する。こ
の圧縮熱は放熱器６１で取去られる。放熱器６１を出た
作動ガスは熱交換器６２に流入し、冷却される。熱交換
器６２を出た作動ガスの一部は膨張タービン６５に流入
し、膨張して冷凍を発生し、熱交換器６４から出た作動
ガスと合流する。熱交換器６２を出た作動ガスの大部分
は熱交換器６３に流入し、さらに冷却され、熱交換器６
４に流入し、益々冷却される。熱交換器６４を出た作動
ガスはＪ−Ｔ弁６６でジュールトムソン膨張を生じ、液
化する。この後、作動ガス（液）は凝縮器６７に流入し
、凝縮器６７内で蒸発したヘリウムを凝縮する。凝縮器
６７を出た作動ガスは熱交換器６４゜６３．６２によっ
て加温されて圧縮タービン６０にもどされる。真空容器
６８は低温部と大気とめ断熱の作用をする。

このように、膨張タービン６５に加えてＪ−Ｔ弁６６を
用いればヘリウムの凝縮は可能であり、常温部からの熱
侵入も低減でき、作動ガスに不純物を混入させないこと
も可能である。しかし、ジュールトムソン膨張は等エン
タルピー過程であり、基本的に非可逆過程であるため、
冷凍効率が低い。

さらに、膨張タービン６５で発生する冷凍の温度は一般
的　１５に程度が限度とされている。熱交換器６４で作
動ガスをさらに冷却しても、Ｊ−Ｔ弁６でジュールトム
ソン膨張し液化するためには、圧縮タービン６０で作動
ガスの圧力をｌａｔｍがら１５ａｔｍ程度に上げなくて
はならない。タービン式の圧縮機ではピストン式に比べ
て、大流量のガスを処理できるが、圧力比は低（、この
傾向はＨｅのような軽い気体の場合に著しい。例えば、
文献「低温高額ハンドブック」内田老鶴圃芯社表６．３
φ１２４に掲載されている例では圧力比１２゜６を達成
するのに１１段の圧縮タービンを要している。

このように、従来技術に対する他の解決手段である第３
図の低温装置では、冷凍効率の低下と１１段以上の圧縮
タービンを必要とする２つの不具合を生ずる。

これに対し、本発明では冷凍機Ｉと冷凍機■のいずれも
基本的に可逆過程であり、冷凍効率が高い。しかも高温
領域の冷凍機■の圧縮タービン１に要求される圧力比は
ジュールトムソン膨張を使用していないため、２〜３程
度でも良く、圧縮タービンの段数は少な（て良い。さら
に、高温領域の冷凍機Ｉと冷凍機Ｈの回路は全く独立し
ているため、冷凍機■の作動ガスは、ヘリウム以外の気
体、例えば窒素、ネオン、ヘリウムとネオンの混合物を
使用するこができる。これらの気体はヘリウムより重い
ため、圧縮タービン１の圧力比を大きくすることができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る低温発生装置の断面図、第２図は
従来の低温発生装置の断面図、および第３図は代替改良
案の断面図である。 １．４・・・タービン、７．８．１７．１８・・・ベロ
ーズ 第２図 第３５！ 手　　続　　補　　正　　書（方　式）％式％ １、事件の表示 昭和６１年特　許　願第０５８８２３号２、発明の名称 低温発生装置 ３、補正をする者 事件との関係　特許出願人 住　所　　愛知県刈谷市朝日町２丁目１番地４、補正命
令の日付 昭和６１年　５月　７日 （発送日　昭和６１年　５月２７日） ５、補正の対象 明細書 ６、補正の内容 （１）明細書第１頁第２行目に「発明の名称」とあるの
を、「１、発明の名称」と補正する。 （２）明細書第１頁第４行目に「特許請求の範囲」とあ
るのを、「２、特許請求の範囲」と補正する。 （３）明細書第１頁第８行目と同頁第９行目との間に、
「３、発明の詳細な説明」という句を挿入する。 （４）明細書第１３頁第１４行目に「図面の簡単な説明
」とあるのを、「４、図面の簡単な説明」と補正する。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ２系統の冷凍機を備えた低温発生装置において、一方の
   冷凍機の圧縮部および膨張部を全てタービンにすると共
   に、他方の冷凍機の圧縮部および膨張部を伸縮可能なベ
   ローズとした、低温発生装置。