JPS6246782B2 - - Google Patents
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- JPS6246782B2 JPS6246782B2 JP11368681A JP11368681A JPS6246782B2 JP S6246782 B2 JPS6246782 B2 JP S6246782B2 JP 11368681 A JP11368681 A JP 11368681A JP 11368681 A JP11368681 A JP 11368681A JP S6246782 B2 JPS6246782 B2 JP S6246782B2
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- 239000012535 impurity Substances 0.000 claims description 6
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 6
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 52
- 239000001307 helium Substances 0.000 description 14
- 229910052734 helium Inorganic materials 0.000 description 14
- SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N helium atom Chemical compound [He] SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 14
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 8
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 7
- 239000000428 dust Substances 0.000 description 5
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 238000005057 refrigeration Methods 0.000 description 1
Landscapes
- Filling Or Discharging Of Gas Storage Vessels (AREA)
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。
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は第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１
からら吐出された高圧・高温のプロセスガスであ
るヘリウムガスは、第１熱交換器２の高圧流路を
通つて高圧ライン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、フイルタ４で
ゴミ等の不純物が過された後に第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つ
て低圧・低温となり、低圧ライン６のＣ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
低圧流路を通り、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点で分流しなかつ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の高圧流路を通つて高圧ライ
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、フイルタ９でゴミ等の不
純物が過された後に第２膨張エンジン１０に供
給され、ここで等エントロピ膨張を行つて、低
圧・低温となり、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
圧流路を通り、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Ｃ点に至る。一方、
Ｂ点で分流しなかつた残り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１
２のそれぞれの高圧流路を通り、フイルタ１３で
ゴミ等の不純物が過された後にジユールトムソ
ン弁１４に入り、ここで等エンタルピ膨張を行つ
て低圧・低温となり、一部は液化してクライオス
タツト１５に入る。その後、クライオスタツト１
５を出た低圧ヘリウムガスは、第５熱交換器１２
の低圧流路を通つて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１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。
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１
からら吐出された高圧・高温のプロセスガスであ
るヘリウムガスは、第１熱交換器２の高圧流路を
通つて高圧ライン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、フイルタ４で
ゴミ等の不純物が過された後に第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つ
て低圧・低温となり、低圧ライン６のＣ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
低圧流路を通り、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点で分流しなかつ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の高圧流路を通つて高圧ライ
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、フイルタ９でゴミ等の不
純物が過された後に第２膨張エンジン１０に供
給され、ここで等エントロピ膨張を行つて、低
圧・低温となり、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
圧流路を通り、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Ｃ点に至る。一方、
Ｂ点で分流しなかつた残り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１
２のそれぞれの高圧流路を通り、フイルタ１３で
ゴミ等の不純物が過された後にジユールトムソ
ン弁１４に入り、ここで等エンタルピ膨張を行つ
て低圧・低温となり、一部は液化してクライオス
タツト１５に入る。その後、クライオスタツト１
５を出た低圧ヘリウムガスは、第５熱交換器１２
の低圧流路を通つて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１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
り説明する。一般に、膨張エンジンは、低サイク
ル（２〜４Hz程度）の往復動方式であり、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ｂのようになり、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ｂで、G1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、G3は、ジユールトムソン弁１４
を通るガス流量およびＧT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イルタ４、また第２膨張エン
ジン１０の入口に設置されたフイルタ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ｂのように各膨
張エンジンのガス流量G1，G2は、設計値より少
なくなる。特に、第２膨張エンジン１０において
は、ガス流量G2が多いためフイルタ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
り、したがつて、圧力降下（＝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。
り説明する。一般に、膨張エンジンは、低サイク
ル（２〜４Hz程度）の往復動方式であり、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ｂのようになり、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ｂで、G1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、G3は、ジユールトムソン弁１４
を通るガス流量およびＧT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イルタ４、また第２膨張エン
ジン１０の入口に設置されたフイルタ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ｂのように各膨
張エンジンのガス流量G1，G2は、設計値より少
なくなる。特に、第２膨張エンジン１０において
は、ガス流量G2が多いためフイルタ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
り、したがつて、圧力降下（＝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り決まる寒冷発生能力が低下
し、最終的には、ヘリウム冷凍機の冷凍能力又は
液化能力の低下をきたす。
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り決まる寒冷発生能力が低下
し、最終的には、ヘリウム冷凍機の冷凍能力又は
液化能力の低下をきたす。
上記の問題の解決策としては、フイルタ４，９
の網目を粗くするか、又は、フイルタ４，９の断
面積を大きくしてフイルタ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、フイルタで過されず膨張エ
ンジンに入るゴミ等の不純物が多くなり膨張エン
ジンの摺動部を損傷させる危険があり、また、後
者の解決策では、フイルタが冗大となり、極低温
発生装置の小形化に反するといつた欠点があつ
た。
の網目を粗くするか、又は、フイルタ４，９の断
面積を大きくしてフイルタ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、フイルタで過されず膨張エ
ンジンに入るゴミ等の不純物が多くなり膨張エン
ジンの摺動部を損傷させる危険があり、また、後
者の解決策では、フイルタが冗大となり、極低温
発生装置の小形化に反するといつた欠点があつ
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、膨張エンジンでのプロセ
スガスの吸気が、１サイクル中の約1/6の時間で
あることに着目し、残りの約5/6の時間でプロセ
ス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。
除を目的としたもので、膨張エンジンでのプロセ
スガスの吸気が、１サイクル中の約1/6の時間で
あることに着目し、残りの約5/6の時間でプロセ
ス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図により説明する。第
３図で、第１図と同一機器等は同一符号で示し説
明を省略する。２０は第１膨張エンジン５吸気側
とフイルタ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１０吸気側とフイルタ９
の間に設置された第２ガスタンクである。ここ
で、各ガスタンクの内容積は、次のように選定さ
れる。
３図で、第１図と同一機器等は同一符号で示し説
明を省略する。２０は第１膨張エンジン５吸気側
とフイルタ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１０吸気側とフイルタ９
の間に設置された第２ガスタンクである。ここ
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。
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。
ここに、
P2：吸気行程終了時の圧力（但し、P2P1）
P1：吸気行程開始前の圧力
Ｖ：フイルタ〜第２膨張エンジン間の内容積
△Ｖ：吸気行程終了時のシリンダ内容積
Ｇ：フイルタ〜第２膨張エンジン間のガス質量
△Ｇ：吸気行程中にフイルタを通過して第２膨張
エンジンに供給されるガン質量 式(1)より明らかなように、P2≒P1とするには、
△Ｖ／Ｖを小さくするのが有効で、例えば、△
Ｖ／Ｖ＝１ならば△Ｇ／Ｇ＝0.8の時P2＝0.9P1と
なるのに対し、△Ｖ／Ｖ＝0.2ならば△Ｇ／Ｇ＝
0.16の時でもP2＝0.967P1となり、△Ｇ／Ｇが、
△Ｖ／Ｖと同様に小さくなつてもP2の低下は小さ
いことがわかる。つまり、P2の低下が実用上無視
できるようにするには、△Ｖ／Ｖが、５以上にな
るように第２ガスタンク２１の内容積を選定すれ
ばよい。
エンジンに供給されるガン質量 式(1)より明らかなように、P2≒P1とするには、
△Ｖ／Ｖを小さくするのが有効で、例えば、△
Ｖ／Ｖ＝１ならば△Ｇ／Ｇ＝0.8の時P2＝0.9P1と
なるのに対し、△Ｖ／Ｖ＝0.2ならば△Ｇ／Ｇ＝
0.16の時でもP2＝0.967P1となり、△Ｇ／Ｇが、
△Ｖ／Ｖと同様に小さくなつてもP2の低下は小さ
いことがわかる。つまり、P2の低下が実用上無視
できるようにするには、△Ｖ／Ｖが、５以上にな
るように第２ガスタンク２１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２
０の内容積については、第２図ｂのように第１膨
張エンジン５のガス流量G1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
イルタ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１０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２０の内容積を選定すれば更
に充分である。したがつて、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。
０の内容積については、第２図ｂのように第１膨
張エンジン５のガス流量G1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
イルタ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１０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２０の内容積を選定すれば更
に充分である。したがつて、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、フイ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、ほとんど無視できる
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、冗大なフイ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、
フイ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。
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、ほとんど無視できる
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、冗大なフイ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、
フイ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、フイルタ４，９がそれぞれ第１ガスタン
ク２０、第２ガスタンク２１に内設されている。
もので、フイルタ４，９がそれぞれ第１ガスタン
ク２０、第２ガスタンク２１に内設されている。
ガスタンク構造をこのようにした場合は、フイ
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、
フイ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。
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、
フイ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２０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および第
２膨張エンジン１０の各シリンダ先端部に直接具
設されても良い。
ク２１は、それぞれ第１膨張エンジン５および第
２膨張エンジン１０の各シリンダ先端部に直接具
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
ダ先端部に直接具設した場合は、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。
ダ先端部に直接具設した場合は、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、フイルタと膨
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、フイ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。
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、フイ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。
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ｂ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……フイルタ、５……第１膨張エンジ
ン、１０……第２膨張エンジン、２０……第１ガ
スタンク、２１……第２ガスタンク。
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ｂ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……フイルタ、５……第１膨張エンジ
ン、１０……第２膨張エンジン、２０……第１ガ
スタンク、２１……第２ガスタンク。
Claims (1)
- １ フイルタで不純物を過されたプロセスガス
を膨張させて寒冷を発生する膨張エンジンでの前
記プロセスガスの吸気時間を除く他の時間で前記
プロセスガスを備蓄するガスタンクを前記膨張エ
ンジンの吸気側に設けたことを特徴とする極低温
発生装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11368681A JPS5816156A (ja) | 1981-07-22 | 1981-07-22 | 極低温発生装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11368681A JPS5816156A (ja) | 1981-07-22 | 1981-07-22 | 極低温発生装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS5816156A JPS5816156A (ja) | 1983-01-29 |
| JPS6246782B2 true JPS6246782B2 (ja) | 1987-10-05 |
Family
ID=14618604
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP11368681A Granted JPS5816156A (ja) | 1981-07-22 | 1981-07-22 | 極低温発生装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS5816156A (ja) |
-
1981
- 1981-07-22 JP JP11368681A patent/JPS5816156A/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS5816156A (ja) | 1983-01-29 |
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