JPS625057A

JPS625057A - 低温装置

Info

Publication number: JPS625057A
Application number: JP14398485A
Authority: JP
Inventors: 雄治郎鵜飼; 三田　英夫
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 1985-07-02
Filing date: 1985-07-02
Publication date: 1987-01-12
Also published as: JPH0412378B2

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、高温領域と低温領域の２系統の冷凍機からな
る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な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。

（従来技術とその問題点）本発明に関する従来技術として、米国特許第４、３３５
，５７９号明ａ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５図に示される如く、動力源１（ｌ
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、
Ｉｔ張郡部１０４１０５、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■と、動力源１・０８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
１０７と熱的に結合され、低温領域の冷凍機の圧縮部１
１２で発生する作動ガスの圧縮熱が低温部１０Ｔ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１０
６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
ガスの連通な防ぐシールである。

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ＩＯＫ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ｋは、低温装置全
体に大きな久方が必要となり、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１１
３が、シリンダ１１６，１１７内に摺動配置されるピス
トン１１１，１１０Ｖｃ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１１９．１２０．１２
１．１２２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１１５０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。

（本発明の技術的課題）本発明は、常温部からの熱侵入を低減させて冷凍効率を
向上させると共に、作動ガスに不純物を混入させないこ
とで、前述した従来技術の不具合を解消させることを、
解決すべき技術的課題とする。

（本発明の技術的手段“とその作用）上記技術的課題を達成するために講じた手段は、高温領
域の冷凍機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、低温領域
の冷凍機■を構成する１個以上の圧縮部および１個以上
の膨張部を金属製ベローズによって構成したことである
。

本発明の基本的な構成は上記の如くであるので、低温領
域の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、低温領域の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。

高温領域の冷凍機においても、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、高温領域の冷凍
機■と低温領域の冷凍機■よりなる。高温領域の冷凍機
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を有スる
。

低温領域の冷凍機■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９．１ｏ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１７，１Ｂ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、凝縮器１３
、および膨張空間８によって構成される低温領域の冷凍
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１
８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Ｔ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、高温
領域の冷凍機Ｉの低温作動ガスによって吸収され、上記
の熱は高温領域の冷凍機■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
ぶ熱を無くシ、又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、圧縮ベローズに浸入する熱を低減でき、従って、
高温領域の冷凍機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Ｔ。

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、常温部ノベロー、（１７，１Ｂ
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の往復運動は、ベローズ
１７．１Ｂ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、および流路１４によって構成される高温領域
の冷凍機■に訃いて、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、膨張タ
ービン４に流入する。

膨張タービン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外の高周波抵抗によっ
て消費される。作αカガスは膨張タービン４を回すこと
によ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、低温領域の冷凍機■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
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１にもどる。

このように、本発明では低温領域の冷凍機Ｉに金属製ベ
ローズ７．８を用い、高温領域の冷凍機■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
の性能劣化を生じるということが全くない。

以下、本発明の第１の変形例について第２図に従って説
明する。第２図において低温領域の冷凍機■は第１図の
実施例と全く同じであるが、高温領域の冷凍機Ｉが異な
る。膨張タービン２１．４が直列２段膨張方式であり、
熱交換器２０．２２も２段構成となっている。熱交換器
２０．２２の間で膨張タービン２１によって作動ガスに
膨張仕事をさせているため、熱交換器２０．２２の非効
率を補償しているため、高温領域の冷凍機Ｉの性能が第
１図の実施例に比べて向上する。

次に、本発明の第２の変形例について第３図に従って説
明する。第３図において、低温領域の冷凍機■は第１図
の実施例と全く同じであるるが、高温領域の冷凍機Ｉが
異なる。膨張タービン３１．４が並列２段膨張方式であ
り、熱交換器３０．３２，３３は３段構成になっている
。

熱交換器３０を出た高圧作動ガスの一部が膨張タービン
３１に入り、膨張タービン３１で膨張仕事をし、熱交換
器３３を出た低圧作動ガスと合流する。膨張タービン３
１で生ずる膨張仕事によって熱交換器３０．３２．３３
の非効率を補償しているため、高温領域の冷凍機Ｉの性
能が第１図の実施例に比べて向上する。

さらに、本発明の第３の変形例について第４図に従って
説明する。第４図において、高温領域の冷凍機Ｉは第１
図の実施例と全く同じであるが、低温領域の冷凍機■が
異なる。第１図における蓄冷器２を、第４図では蓄冷器
４０．４１０２分割にし、蓄冷器４０．４１の間で膨張
ベローズ４２に連通させている。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ンド状の
連結部材４３の下端に膨張ベローズ４２が固定されてい
る。膨張ベローズ４２の他端は、支持円筒４４に固定さ
れている。

膨張ベローズ４２の容積変化は、膨張ベローズ４２の一
端に固定した断熱連結部材４３の往復運動が行なわれる
。この連結部材４３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４５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４６が固定されており、連結棒４６の往
復運動はベローズ４５を介し、直接断熱連結部材４３に
伝わる。連結棒４６の往復運動の位相は連結棒１Ｂに合
わせる。

このように第４図の変形例では、蓄冷器４０．４１の中
間で、膨張ベローズ４２によって作動ガスが膨張仕事を
するため、蓄冷器４０．４１の非効率を補償することが
でき、第１図の実施例に比べて、低温領域の冷凍機Ｉの
性能が向上する。

以上の変形例の他に、高温領域の冷凍機■において圧縮
タービン１、放熱器２を複数にし、多段圧縮とすること
ができる。また、低温領域の冷凍機■において圧縮ベロ
ーズ７、放熱器１１を複数にし、多段圧縮とすることが
できる。

（効　果）従来技術の欠点を解消するためには、第６図に示す低温
装置でも可能である。第６図に示す低温装置は、圧縮タ
ービン６０、放熱器６１、熱交換器６２．６３．６４、
膨張タービン６５Ｊ−Ｔ弁６６、凝縮器６７、および真
空容器６Ｂによって構成される。圧縮タービン６０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６４に流入
し、増々冷却される。熱交換器６４を出た作動ガスはＪ
−’ｒ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６Ｔに流入し、凝ｍａ
ｅｒ内で蒸発したヘリウムを凝縮する。

凝縮器６Ｔ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は低温部と大気との断熱の作用をする。

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に１５に程度が限界とされている
。熱交換器６４で作動ガスをさらに冷却しても、Ｊ−Ｔ
弁６６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ｌ　ａｔｍから１
５　ａｔｍ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、圧力比は低く、この傾向はＨ・　のような軽い気
体の場合に著しい。例えば、文献「低温工学ハンドブッ
ク」内田老鶴圃新社、表６．３．Ｐ１２４に掲載され【
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６
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、本発明では高温領域の冷凍機Ｉと低温領域
の冷凍機■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ｍＩの圧縮タービンに
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
少なくて良い。さらに、高温領域の冷凍機Ｉと低温領域
の冷凍機Ｈの回路は全く独立しているため、筒部領域の
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とが
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、第２図、第３図および第４図は本発明の第１実
施例、第２実施例、第３実施例および第４実施例を示す
説明図、偽５図は従来例を示す断面図、第６図は比較例
を示す説明図である。図中：１・・・・・・圧縮タービン、２・・・・・・放
熱器、３・・・・・・熱交換器、４・・・・・・膨張タ
ービン、５．６・・・・・・連結部材、７・・・・・・
圧縮ベローズ、８・・・・・・膨張ベローズ、９，１０
・・・・・・円筒、１１・・・・・・放熱部、１２・・
・・・・蓄冷器、１３・・・・・・凝縮器、１５．１６
・・・・・・連結棒。

Claims

【特許請求の範囲】

低温領域の冷凍機の作動ガスと高温領域の冷凍機の作動
ガスとを熱交換させる低温装置において、前記低温領域
の冷凍機がタービンからなる一個以上の圧縮部と膨張部
を有し、前記高温領域の冷凍機が動力源と連結する連結
部材によつて伸縮する金属製ベローズからなる一個以上
の圧縮部と膨張部とを有することを特徴とする低温装置
。