JPH08226719A - ガスサイクル冷凍機 - Google Patents
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- JPH08226719A JPH08226719A JP7035276A JP3527695A JPH08226719A JP H08226719 A JPH08226719 A JP H08226719A JP 7035276 A JP7035276 A JP 7035276A JP 3527695 A JP3527695 A JP 3527695A JP H08226719 A JPH08226719 A JP H08226719A
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- F25B2309/14241—Pulse tubes with basic schematic including an orifice reservoir multiple inlet pulse tube
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 多段化できて冷凍能力を向上できるガスサイ
クル冷凍機の提供。 【構成】 ガスサイクル冷凍機１は、冷媒ガスが供給さ
れる第１段蓄冷器11と、第１段蓄冷器11の低温側に接続
されたシリンダ12と、シリンダ12内に配置されて膨張室
14の体積を可変するピストン13とで構成された第１段冷
凍部３と、第１段蓄冷器11の低温側に接続された第２段
蓄冷器21と、蓄冷器21の低温側に接続された管22とで構
成された第２段冷凍部４とを備えている。形式が異なる
２つの冷凍部３，４を備えることで各形式の冷凍部を多
段化した場合に発生する問題を解消でき、かつ冷凍特性
の最適化もできて冷凍能力が向上する。
クル冷凍機の提供。 【構成】 ガスサイクル冷凍機１は、冷媒ガスが供給さ
れる第１段蓄冷器11と、第１段蓄冷器11の低温側に接続
されたシリンダ12と、シリンダ12内に配置されて膨張室
14の体積を可変するピストン13とで構成された第１段冷
凍部３と、第１段蓄冷器11の低温側に接続された第２段
蓄冷器21と、蓄冷器21の低温側に接続された管22とで構
成された第２段冷凍部４とを備えている。形式が異なる
２つの冷凍部３，４を備えることで各形式の冷凍部を多
段化した場合に発生する問題を解消でき、かつ冷凍特性
の最適化もできて冷凍能力が向上する。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、ヘリウム等の冷媒ガス
を膨張させることで冷凍を発生させ、被冷却物を３〜７
０Ｋ（ケルビン）の極低温に冷却するガスサイクル冷凍
機に関する。
を膨張させることで冷凍を発生させ、被冷却物を３〜７
０Ｋ（ケルビン）の極低温に冷却するガスサイクル冷凍
機に関する。
【０００２】
【背景技術】従来より、クライオポンプ等に利用される
極低温冷凍機としては、Ｇ−Ｍ（Gifford-McMahon)サイ
クル冷凍機、スターリングサイクル冷凍機等のシリンダ
内に配置されたピストン（ディスプレーサ）の移動によ
って膨張室の体積を可変させるタイプの冷凍機が主に利
用されていた。
極低温冷凍機としては、Ｇ−Ｍ（Gifford-McMahon)サイ
クル冷凍機、スターリングサイクル冷凍機等のシリンダ
内に配置されたピストン（ディスプレーサ）の移動によ
って膨張室の体積を可変させるタイプの冷凍機が主に利
用されていた。
【０００３】この従来の冷凍機では、１段目では通常７
０Ｋ程度までしか冷凍できないため、より低い温度まで
冷凍する必要がある場合には、２〜３段程度に多段化し
て冷凍能力を向上させる必要があった。また、冷凍機
は、シリンダ内のピストンを移動させて膨張室の体積を
可変して膨張室内にヘリウムガスを吸引・排出させるこ
とで、ヘリウムガスを膨張させて冷凍を発生させて被冷
却物を冷却していた。このため、膨張室内からヘリウム
ガスが漏れ出さないように、シリンダおよびピストン間
を確実にシールする必要があった。この際、ガスサイク
ル冷凍機では、潤滑油タイプのシールを用いると、潤滑
油が低温部分で固化してしまう問題が生じるため、ポリ
テトラフルオロエチレン（以下「テフロン（商品名）」
と表記する）等の無潤滑タイプのシールを用いていた。
０Ｋ程度までしか冷凍できないため、より低い温度まで
冷凍する必要がある場合には、２〜３段程度に多段化し
て冷凍能力を向上させる必要があった。また、冷凍機
は、シリンダ内のピストンを移動させて膨張室の体積を
可変して膨張室内にヘリウムガスを吸引・排出させるこ
とで、ヘリウムガスを膨張させて冷凍を発生させて被冷
却物を冷却していた。このため、膨張室内からヘリウム
ガスが漏れ出さないように、シリンダおよびピストン間
を確実にシールする必要があった。この際、ガスサイク
ル冷凍機では、潤滑油タイプのシールを用いると、潤滑
油が低温部分で固化してしまう問題が生じるため、ポリ
テトラフルオロエチレン（以下「テフロン（商品名）」
と表記する）等の無潤滑タイプのシールを用いていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、１段目
の冷凍機ではピストンの高温（常温）側にシールを配置
できるため、温度変化が小さくてシール材の収縮等の問
題は発生しないが、２段目の冷凍機では、シールを配置
した部分の温度変化（常温〜極低温）が大きくなるた
め、様々な問題が生じた。すなわち、常温部分に配置さ
れるシールでは、ばね性の鉄等の金属リングの周囲にテ
フロンを被覆したＯリング等が用いられるが、熱変動す
る部分に配置されるシールは金属リングとテフロンとの
熱収縮率の相違があるため、金属リングの外周側のみに
テフロンを配置し、さらに金属リングおよびテフロンの
各々にステップカット等の切れ目を設けた特別なものが
必要であった。このため、シールのコストが高くなると
ともに、シールの切れ目や金属リングとピストンとが接
するシールの内側等を完全にシールすることができず、
冷媒ガスの漏れが生じて冷凍能力が低下するおそれがあ
った。
の冷凍機ではピストンの高温（常温）側にシールを配置
できるため、温度変化が小さくてシール材の収縮等の問
題は発生しないが、２段目の冷凍機では、シールを配置
した部分の温度変化（常温〜極低温）が大きくなるた
め、様々な問題が生じた。すなわち、常温部分に配置さ
れるシールでは、ばね性の鉄等の金属リングの周囲にテ
フロンを被覆したＯリング等が用いられるが、熱変動す
る部分に配置されるシールは金属リングとテフロンとの
熱収縮率の相違があるため、金属リングの外周側のみに
テフロンを配置し、さらに金属リングおよびテフロンの
各々にステップカット等の切れ目を設けた特別なものが
必要であった。このため、シールのコストが高くなると
ともに、シールの切れ目や金属リングとピストンとが接
するシールの内側等を完全にシールすることができず、
冷媒ガスの漏れが生じて冷凍能力が低下するおそれがあ
った。
【０００５】一方、ピストン等の可動部を無くした、つ
まりシールの問題が発生しないタイプの冷凍機としてパ
ルス管冷凍機が知られている。パルス管冷凍機は、理論
解析が困難なため、冷凍効率を向上させることができ
ず、長らく実用化できなかったが、近年実験等によって
単段のパルス管冷凍機に関しては最適化が図られ、冷凍
効率の高い冷凍機が実用化されつつあった。
まりシールの問題が発生しないタイプの冷凍機としてパ
ルス管冷凍機が知られている。パルス管冷凍機は、理論
解析が困難なため、冷凍効率を向上させることができ
ず、長らく実用化できなかったが、近年実験等によって
単段のパルス管冷凍機に関しては最適化が図られ、冷凍
効率の高い冷凍機が実用化されつつあった。
【０００６】しかしながら、パルス管冷凍機において
も、より一層の低温冷凍を実現するには多段化する必要
があった。しかしながら、多段化した場合には、各段部
分の相互干渉が発生し、最適化を図るには膨大な実験が
必要となるため、冷凍効率を向上させることができず、
実用化が困難であるという問題があった。
も、より一層の低温冷凍を実現するには多段化する必要
があった。しかしながら、多段化した場合には、各段部
分の相互干渉が発生し、最適化を図るには膨大な実験が
必要となるため、冷凍効率を向上させることができず、
実用化が困難であるという問題があった。
【０００７】本発明の目的は、多段化することができて
冷凍能力を向上できるガスサイクル冷凍機を提供するこ
とにある。
冷凍能力を向上できるガスサイクル冷凍機を提供するこ
とにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明のガスサイクル冷
凍機は、第１段冷凍部および第２段冷凍部の少なくとも
２段の冷凍部を備えて多段化されたものである。具体的
には、ヘリウムガス等の冷媒ガスが供給される第１段蓄
冷器と、この第１段蓄冷器の低温側（前記冷媒ガスが供
給される高温側とは反対側）に接続されたシリンダと、
このシリンダ内に配置されてシリンダ内の膨張室の体積
を可変するピストンとを備えて前記第１段冷凍部を構成
し、前記第１段蓄冷器の低温側に接続された第２段蓄冷
器と、この第２段蓄冷器の低温側（第１段蓄冷器に接続
された高温側とは反対側）に接続された管とを備えて前
記第２段冷凍部を構成したことを特徴とするものであ
る。なお、本発明のピストンは、シリンダ内を圧縮させ
ることなく移動するディスプレーサを含むものである。
凍機は、第１段冷凍部および第２段冷凍部の少なくとも
２段の冷凍部を備えて多段化されたものである。具体的
には、ヘリウムガス等の冷媒ガスが供給される第１段蓄
冷器と、この第１段蓄冷器の低温側（前記冷媒ガスが供
給される高温側とは反対側）に接続されたシリンダと、
このシリンダ内に配置されてシリンダ内の膨張室の体積
を可変するピストンとを備えて前記第１段冷凍部を構成
し、前記第１段蓄冷器の低温側に接続された第２段蓄冷
器と、この第２段蓄冷器の低温側（第１段蓄冷器に接続
された高温側とは反対側）に接続された管とを備えて前
記第２段冷凍部を構成したことを特徴とするものであ
る。なお、本発明のピストンは、シリンダ内を圧縮させ
ることなく移動するディスプレーサを含むものである。
【０００９】この際、前記冷媒ガスは、通常、コンプレ
ッサと高圧バルブおよび低圧バルブとを組み合わせた
り、圧縮ピストン等で構成されて冷媒ガスの圧力を高圧
および低圧に変動させる冷媒ガス圧力変動発生器によっ
て供給される。また、本発明のガスサイクル冷凍機は、
前記構成に加えて、第１段冷凍部の第１段蓄冷器の高温
側およびシリンダの高温側とが連通され、前記第２段冷
凍部の第２段蓄冷器の高温側および管の高温側とが連通
されるとともに、前記第２段冷凍部の管の高温側にバッ
ファが接続されていることが好ましい。
ッサと高圧バルブおよび低圧バルブとを組み合わせた
り、圧縮ピストン等で構成されて冷媒ガスの圧力を高圧
および低圧に変動させる冷媒ガス圧力変動発生器によっ
て供給される。また、本発明のガスサイクル冷凍機は、
前記構成に加えて、第１段冷凍部の第１段蓄冷器の高温
側およびシリンダの高温側とが連通され、前記第２段冷
凍部の第２段蓄冷器の高温側および管の高温側とが連通
されるとともに、前記第２段冷凍部の管の高温側にバッ
ファが接続されていることが好ましい。
【００１０】さらに、前記第１段蓄冷器は、前記ピスト
ンの内部に同心状に配置されるものでもよい。また、前
記管も前記第２段蓄冷器の内部に同心状に配置されるも
のでもよい。
ンの内部に同心状に配置されるものでもよい。また、前
記管も前記第２段蓄冷器の内部に同心状に配置されるも
のでもよい。
【００１１】
【作用】本発明においては、第１段蓄冷器、シリンダお
よびピストンによって第１段目の冷凍部が構成され、第
２段蓄冷器および管によって第２段目の冷凍部が構成さ
れる。このため、多段式の冷凍機が構成されて、冷凍能
力が向上する。この際、第１段冷凍部は、従来のＧ−Ｍ
サイクル冷凍機などと同様にピストンによって膨張室の
体積を変動させており、ピストン部分にはシールが必要
となるが、このシールは高温側（常温側）に配置できる
ため、テフロン製等の一般的なシールで対応でき、ピス
トン部分は確実にかつ安価にシールされる。
よびピストンによって第１段目の冷凍部が構成され、第
２段蓄冷器および管によって第２段目の冷凍部が構成さ
れる。このため、多段式の冷凍機が構成されて、冷凍能
力が向上する。この際、第１段冷凍部は、従来のＧ−Ｍ
サイクル冷凍機などと同様にピストンによって膨張室の
体積を変動させており、ピストン部分にはシールが必要
となるが、このシールは高温側（常温側）に配置できる
ため、テフロン製等の一般的なシールで対応でき、ピス
トン部分は確実にかつ安価にシールされる。
【００１２】また、第２段冷凍部は、従来のパルス管冷
凍機と同様に、低温部分に可動部分が無くシールが不要
であるため、Ｇ−Ｍサイクル冷凍機を２段式にした場合
のように、低温部分にシールを配置することで発生する
問題が回避される。さらに、第１段冷凍部は、ピストン
を移動させることで膨張室の体積を変動させているた
め、第１段蓄冷器の低温側における冷媒ガスの圧力変動
を明確に解析することが可能である。このため、第２段
冷凍部は、従来の単段式のパルス管冷凍機と同じ動作と
みなすことが可能であり、冷凍能力の最適化が図れる。
凍機と同様に、低温部分に可動部分が無くシールが不要
であるため、Ｇ−Ｍサイクル冷凍機を２段式にした場合
のように、低温部分にシールを配置することで発生する
問題が回避される。さらに、第１段冷凍部は、ピストン
を移動させることで膨張室の体積を変動させているた
め、第１段蓄冷器の低温側における冷媒ガスの圧力変動
を明確に解析することが可能である。このため、第２段
冷凍部は、従来の単段式のパルス管冷凍機と同じ動作と
みなすことが可能であり、冷凍能力の最適化が図れる。
【００１３】
【実施例】以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説
明する。図１には、本実施例のガスサイクル冷凍機１の
構成図が示されている。ガスサイクル冷凍機１は、冷媒
ガス圧力変動発生器２と、第１段冷凍部３と、第２段冷
凍部４とを備えて構成されている。
明する。図１には、本実施例のガスサイクル冷凍機１の
構成図が示されている。ガスサイクル冷凍機１は、冷媒
ガス圧力変動発生器２と、第１段冷凍部３と、第２段冷
凍部４とを備えて構成されている。
【００１４】冷媒ガス圧力変動発生器２は、コンプレッ
サ５と、コンプレッサ５の高圧側に配置された高圧バル
ブ６と、コンプレッサ５の低圧側に配置された低圧バル
ブ７とで構成され、冷媒ガスであるヘリウムガスの圧力
を変動させつつ供給できるように構成されている。
サ５と、コンプレッサ５の高圧側に配置された高圧バル
ブ６と、コンプレッサ５の低圧側に配置された低圧バル
ブ７とで構成され、冷媒ガスであるヘリウムガスの圧力
を変動させつつ供給できるように構成されている。
【００１５】第１段冷凍部３は、前記各バルブ６，７を
介してコンプレッサ５に接続された第１段蓄冷器１１
と、この第１段蓄冷器１１の低温側（図１においては下
側であり、コンプレッサ５に接続された側とは反対側）
に接続されたシリンダ１２と、このシリンダ１２内に配
置されたピストン（ディスプレーサ）１３とを備えて構
成されている。なお、ピストン１３は図示しないモータ
に接続されて往復駆動されるようにされている。
介してコンプレッサ５に接続された第１段蓄冷器１１
と、この第１段蓄冷器１１の低温側（図１においては下
側であり、コンプレッサ５に接続された側とは反対側）
に接続されたシリンダ１２と、このシリンダ１２内に配
置されたピストン（ディスプレーサ）１３とを備えて構
成されている。なお、ピストン１３は図示しないモータ
に接続されて往復駆動されるようにされている。
【００１６】シリンダ１２内において、ピストン１３の
低温側（図１においては下側であり、蓄冷器１１の低温
側に接続された側）の空間によって膨張室１４が構成さ
れている。また、シリンダ１２の高温側（膨張室１４と
は反対側）は、配管１５によって第１段蓄冷器１１の高
温側に接続されている。さらに、ピストン１３の高温側
部分およびピストンロッド部分には、シリンダ１２内面
に接触してピストン１３およびシリンダ１２間をシール
するテフロン（商品名）等の無潤滑タイプのＯリングで
構成されたシール１６，１７が設けられている。
低温側（図１においては下側であり、蓄冷器１１の低温
側に接続された側）の空間によって膨張室１４が構成さ
れている。また、シリンダ１２の高温側（膨張室１４と
は反対側）は、配管１５によって第１段蓄冷器１１の高
温側に接続されている。さらに、ピストン１３の高温側
部分およびピストンロッド部分には、シリンダ１２内面
に接触してピストン１３およびシリンダ１２間をシール
するテフロン（商品名）等の無潤滑タイプのＯリングで
構成されたシール１６，１７が設けられている。
【００１７】一方、第２段冷凍部４は、前記第１段蓄冷
器１１の低温側に接続された第２段蓄冷器２１と、この
第２段蓄冷器２１の低温側（図１においては下側であ
り、第１段蓄冷器１１に接続された側とは反対側）に接
続されたパルス管２２とを備えて構成されている。な
お、第２段蓄冷器２１は第２段冷凍部４においてのみ作
用するが、第１段蓄冷器１１は第１段冷凍部３で冷却さ
れた冷媒ガスで冷却されるだけでなく、第２段冷凍部４
からの冷媒ガスによっても冷却されるため、第１段蓄冷
器１１のほうが第２段蓄冷器２１よりも容量が大きくさ
れている。
器１１の低温側に接続された第２段蓄冷器２１と、この
第２段蓄冷器２１の低温側（図１においては下側であ
り、第１段蓄冷器１１に接続された側とは反対側）に接
続されたパルス管２２とを備えて構成されている。な
お、第２段蓄冷器２１は第２段冷凍部４においてのみ作
用するが、第１段蓄冷器１１は第１段冷凍部３で冷却さ
れた冷媒ガスで冷却されるだけでなく、第２段冷凍部４
からの冷媒ガスによっても冷却されるため、第１段蓄冷
器１１のほうが第２段蓄冷器２１よりも容量が大きくさ
れている。
【００１８】パルス管２２の高温側（図１においては上
側であり、第２段蓄冷器２１の低温側に接続された側と
は反対側）は、バイパス管２３を介して第２段蓄冷器２
１の高温側に接続されている。また、パルス管２２の高
温側は、配管２４を介してバッファ２５に接続されてい
る。
側であり、第２段蓄冷器２１の低温側に接続された側と
は反対側）は、バイパス管２３を介して第２段蓄冷器２
１の高温側に接続されている。また、パルス管２２の高
温側は、配管２４を介してバッファ２５に接続されてい
る。
【００１９】なお、バイパス管２３および配管２４に
は、それぞれオリフィス２６，２７が設けられ、各管２
３，２４の流量が調整されている。また、第２段蓄冷器
２１およびパルス管２２の低温側の部分によって、被冷
却物を冷却するヒートステーション２８が構成されてい
る。
は、それぞれオリフィス２６，２７が設けられ、各管２
３，２４の流量が調整されている。また、第２段蓄冷器
２１およびパルス管２２の低温側の部分によって、被冷
却物を冷却するヒートステーション２８が構成されてい
る。
【００２０】なお、このような図１で構成されるガスサ
イクル冷凍機１の具体的な構成例は、冷凍機１の用途等
に応じて適宜設定される。図２には、クライオポンプに
組み込まれるガスサイクル冷凍機１の例が示されてい
る。このガスサイクル冷凍機１は、最下端に冷媒ガス圧
力変動発生器２が設けられ、その上に第１段冷凍部３が
設けられ、さらに最上段に第２段冷凍部４が設けられる
構成とされている。
イクル冷凍機１の具体的な構成例は、冷凍機１の用途等
に応じて適宜設定される。図２には、クライオポンプに
組み込まれるガスサイクル冷凍機１の例が示されてい
る。このガスサイクル冷凍機１は、最下端に冷媒ガス圧
力変動発生器２が設けられ、その上に第１段冷凍部３が
設けられ、さらに最上段に第２段冷凍部４が設けられる
構成とされている。
【００２１】冷媒ガス圧力変動発生器２は、図２では図
示しないコンプレッサ５の高圧側に接続されるジョイン
ト３１と、低圧側に接続されるジョイント３２と、駆動
モータ３３とを備えている。ジョイント３１は、通気路
３４を介して第１段冷凍部３のシリンダ１２に連通さ
れ、この流路はモータ３３の出力軸に設けられたカム３
５でスライド移動される高圧バルブ６によって開閉され
るように構成されている。また、通気路３４は、モータ
３３の出力軸が配置された空間を介してジョイント３２
に連通され、この流路もモータ３３の出力軸に設けられ
たカム３６でスライド移動される低圧バルブ７によって
開閉されるように構成されている。
示しないコンプレッサ５の高圧側に接続されるジョイン
ト３１と、低圧側に接続されるジョイント３２と、駆動
モータ３３とを備えている。ジョイント３１は、通気路
３４を介して第１段冷凍部３のシリンダ１２に連通さ
れ、この流路はモータ３３の出力軸に設けられたカム３
５でスライド移動される高圧バルブ６によって開閉され
るように構成されている。また、通気路３４は、モータ
３３の出力軸が配置された空間を介してジョイント３２
に連通され、この流路もモータ３３の出力軸に設けられ
たカム３６でスライド移動される低圧バルブ７によって
開閉されるように構成されている。
【００２２】モータ３３の出力軸先端はクランク３７と
され、このクランク３７に嵌合するスコッチヨーク３８
によってシャフト３９が上下動され、シリンダ１２内の
ピストン１３が上下動されるように構成されている。
され、このクランク３７に嵌合するスコッチヨーク３８
によってシャフト３９が上下動され、シリンダ１２内の
ピストン１３が上下動されるように構成されている。
【００２３】ピストン１３内には第１段蓄冷器１１が内
蔵され、この蓄冷器１１を通して前記通気路３４とピス
トン１３上方の膨張室１４とが連通されている。なお、
ピストン１３内に蓄冷器１１を配置した場合でも、高圧
バルブ６側の連通路３４が蓄冷器１１およびピストン１
３の高温側（図２では下側）に連通され、さらに、蓄冷
器１１を通して膨張室１４に連通されている点で、図１
に示す構成図と同じである。
蔵され、この蓄冷器１１を通して前記通気路３４とピス
トン１３上方の膨張室１４とが連通されている。なお、
ピストン１３内に蓄冷器１１を配置した場合でも、高圧
バルブ６側の連通路３４が蓄冷器１１およびピストン１
３の高温側（図２では下側）に連通され、さらに、蓄冷
器１１を通して膨張室１４に連通されている点で、図１
に示す構成図と同じである。
【００２４】また、シリンダ１２の膨張室１４には第２
段冷凍部４の第２段蓄冷器２１が連続して配置され、こ
の蓄冷器２１の高温側（膨張室１４に隣接する下側）と
低温側（上側）とはパルス管２２の高温側（下側）およ
び低温側（上側）にそれぞれ連通されている。また、パ
ルス管２２の高温側にはバッファ２５が接続されてい
る。そして、第２段冷凍部４の上端部によってヒートス
テーション２８が構成されている。
段冷凍部４の第２段蓄冷器２１が連続して配置され、こ
の蓄冷器２１の高温側（膨張室１４に隣接する下側）と
低温側（上側）とはパルス管２２の高温側（下側）およ
び低温側（上側）にそれぞれ連通されている。また、パ
ルス管２２の高温側にはバッファ２５が接続されてい
る。そして、第２段冷凍部４の上端部によってヒートス
テーション２８が構成されている。
【００２５】このように構成されたガスサイクル冷凍機
１における冷凍動作について、図３，４を参照して説明
する。図３（Ａ）に示すように、ピストン１３が低温側
にある状態で高圧バルブ６を開くと第１冷凍部３および
第２冷凍部４内の圧力が高まる。そして、図３（Ｂ）に
示すように、第１冷凍部３において、ピストン１３を移
動させて膨張室１４の体積を大きくすると、第１段蓄冷
器１１を通して冷却されたヘリウムガス（冷媒ガス）が
膨張室１４内に移動する。一方、第２冷凍部４において
も、第１段蓄冷器１１を通して冷却された高圧のヘリウ
ムガスが第２段蓄冷器２１を通してさらに冷却され、パ
ルス管２２内に移動する。
１における冷凍動作について、図３，４を参照して説明
する。図３（Ａ）に示すように、ピストン１３が低温側
にある状態で高圧バルブ６を開くと第１冷凍部３および
第２冷凍部４内の圧力が高まる。そして、図３（Ｂ）に
示すように、第１冷凍部３において、ピストン１３を移
動させて膨張室１４の体積を大きくすると、第１段蓄冷
器１１を通して冷却されたヘリウムガス（冷媒ガス）が
膨張室１４内に移動する。一方、第２冷凍部４において
も、第１段蓄冷器１１を通して冷却された高圧のヘリウ
ムガスが第２段蓄冷器２１を通してさらに冷却され、パ
ルス管２２内に移動する。
【００２６】次に、図４（Ａ）に示すように、高圧バル
ブ６を閉じて低圧バルブ７を開けると、第１段蓄冷器１
１の高温側が低圧となるため、膨張室１４内のヘリウム
ガスは膨張しながら第１段蓄冷器１１側に戻る。この
際、膨張によって冷凍が発生し、ヘリウムガスは極低温
となり、このガスが低圧バルブ７側に戻ることによって
第１段蓄冷器１１が冷却される。
ブ６を閉じて低圧バルブ７を開けると、第１段蓄冷器１
１の高温側が低圧となるため、膨張室１４内のヘリウム
ガスは膨張しながら第１段蓄冷器１１側に戻る。この
際、膨張によって冷凍が発生し、ヘリウムガスは極低温
となり、このガスが低圧バルブ７側に戻ることによって
第１段蓄冷器１１が冷却される。
【００２７】一方、第２段冷凍部４においても、第２段
蓄冷器２１の高温側が低圧となるため、パルス管２２内
のヘリウムガスは膨張して冷凍を発生し、被冷却物を冷
却し、さらに第２段蓄冷器２１を冷却しながら第１段蓄
冷器１１および低圧バルブ７側に戻る。そして、図４
（Ｂ）に示すように、ピストン１２を下方に移動させて
図３（Ａ）の状態に戻す。以上の動作を繰り返すことで
第１段蓄冷器１１および第２段蓄冷器２１の低温側の温
度が順次下げられ、第２段蓄冷器２１のヒートステーシ
ョン２８では４Ｋ程度の極低温となり、被冷却物を冷却
する冷凍能力が高まる。
蓄冷器２１の高温側が低圧となるため、パルス管２２内
のヘリウムガスは膨張して冷凍を発生し、被冷却物を冷
却し、さらに第２段蓄冷器２１を冷却しながら第１段蓄
冷器１１および低圧バルブ７側に戻る。そして、図４
（Ｂ）に示すように、ピストン１２を下方に移動させて
図３（Ａ）の状態に戻す。以上の動作を繰り返すことで
第１段蓄冷器１１および第２段蓄冷器２１の低温側の温
度が順次下げられ、第２段蓄冷器２１のヒートステーシ
ョン２８では４Ｋ程度の極低温となり、被冷却物を冷却
する冷凍能力が高まる。
【００２８】このような本実施例のガスサイクル冷凍機
１によれば、第１段冷凍部３および第２段冷凍部４の２
段式とされ、第１段冷凍部３で冷却された冷媒ガスを用
いて第２段冷凍部４での冷凍を行うことができるので、
特に第２段冷凍器２１にEr3Ni(エルビウム３ニッケル）
等の蓄冷材を使用することにより、第２段冷凍部４での
最低到達温度を４Ｋ程度の極低温にでき、冷凍能力を向
上することができる。このため、クライオポンプ等の極
低温の冷却が必要となるガスサイクル冷凍機１としても
利用でき、極低温に冷却する必要がある様々な用途や機
器に適用することができる。
１によれば、第１段冷凍部３および第２段冷凍部４の２
段式とされ、第１段冷凍部３で冷却された冷媒ガスを用
いて第２段冷凍部４での冷凍を行うことができるので、
特に第２段冷凍器２１にEr3Ni(エルビウム３ニッケル）
等の蓄冷材を使用することにより、第２段冷凍部４での
最低到達温度を４Ｋ程度の極低温にでき、冷凍能力を向
上することができる。このため、クライオポンプ等の極
低温の冷却が必要となるガスサイクル冷凍機１としても
利用でき、極低温に冷却する必要がある様々な用途や機
器に適用することができる。
【００２９】また、極低温となる第２段冷凍部４は、可
動部のないパルス管方式の冷凍部であるため、２段式の
Ｇ−Ｍサイクル冷凍機のように低温部（熱変動部）にシ
ールを配置する必要が無く、低温部にシールを配置する
ことによる種々の問題、例えば熱変動に対応した高コス
トのシールを用いるために高価になったり、熱変動によ
るシールの収縮等で確実なシールが難しいといった問題
を解消できる。このため、ガスサイクル冷凍機１を安価
に提供でき、かつ冷媒ガスの漏れもない確実な冷凍動作
を行うことができて冷凍能力の低下を防止することがで
きる。
動部のないパルス管方式の冷凍部であるため、２段式の
Ｇ−Ｍサイクル冷凍機のように低温部（熱変動部）にシ
ールを配置する必要が無く、低温部にシールを配置する
ことによる種々の問題、例えば熱変動に対応した高コス
トのシールを用いるために高価になったり、熱変動によ
るシールの収縮等で確実なシールが難しいといった問題
を解消できる。このため、ガスサイクル冷凍機１を安価
に提供でき、かつ冷媒ガスの漏れもない確実な冷凍動作
を行うことができて冷凍能力の低下を防止することがで
きる。
【００３０】さらに、第１段冷凍部３は、従来のＧ−Ｍ
サイクルと同様にピストン１３によって膨張室１４の体
積を可変しているため、第２段冷凍部４に供給される冷
媒ガスの圧力変動を明確に解析することができる。この
ため、パルス管２２を用いた第２段冷凍部４の冷凍動作
は、単段式のパルス管冷凍機と同様にみなすことがで
き、パルス管２２の大きさやバイパス管２３、配管２４
における絞り（ガス流量）等を最適化することができ
る。従って、ガスサイクル冷凍機１の冷凍能力をより一
層向上することができる。
サイクルと同様にピストン１３によって膨張室１４の体
積を可変しているため、第２段冷凍部４に供給される冷
媒ガスの圧力変動を明確に解析することができる。この
ため、パルス管２２を用いた第２段冷凍部４の冷凍動作
は、単段式のパルス管冷凍機と同様にみなすことがで
き、パルス管２２の大きさやバイパス管２３、配管２４
における絞り（ガス流量）等を最適化することができ
る。従って、ガスサイクル冷凍機１の冷凍能力をより一
層向上することができる。
【００３１】また、冷媒ガス圧力変動発生器２として、
コンプレッサ５および各バルブ６，７で構成されたもの
を用いたので、冷媒ガスを所定圧力で安定して供給する
ことができ、この点でもガスサイクル冷凍機１の冷凍能
力を向上することができる。さらに、前記実施例では、
第１段蓄冷器１１およびシリンダ１２間を配管１５で連
通しているので、ピストン１３を移動した際にシリンダ
１２内のガスを圧縮することなく配管１５などを介して
排出することができるため、ピストン１３の駆動力を小
さくできる。このため、ピストン１３を小型のモータ３
３でも駆動することができ、ガスサイクル冷凍機１全体
を小型化することができる。
コンプレッサ５および各バルブ６，７で構成されたもの
を用いたので、冷媒ガスを所定圧力で安定して供給する
ことができ、この点でもガスサイクル冷凍機１の冷凍能
力を向上することができる。さらに、前記実施例では、
第１段蓄冷器１１およびシリンダ１２間を配管１５で連
通しているので、ピストン１３を移動した際にシリンダ
１２内のガスを圧縮することなく配管１５などを介して
排出することができるため、ピストン１３の駆動力を小
さくできる。このため、ピストン１３を小型のモータ３
３でも駆動することができ、ガスサイクル冷凍機１全体
を小型化することができる。
【００３２】また、前記実施例では、第２段蓄冷器２１
およびパルス管２２間をバイパス管２３で連通し、パル
ス管２２の高温側にバッファ２５を接続したので、第２
段冷凍部４における冷凍能力をより一層向上することが
できる。
およびパルス管２２間をバイパス管２３で連通し、パル
ス管２２の高温側にバッファ２５を接続したので、第２
段冷凍部４における冷凍能力をより一層向上することが
できる。
【００３３】以上、本発明について好適な実施例をあげ
て説明したが、本発明は前記実施例に限らず、本発明の
要旨を逸脱しない範囲において種々の改良並びに設計の
変更が可能である。例えば、ガスサイクル冷凍機１とし
ては、図５に示すように、第２冷凍部４においてパルス
管２２を第２段蓄冷器２１内に配置し、バッファ２５を
第２段蓄冷器２１および膨張室１４間に配置してもよ
い。このようにすれば、ガスサイクル冷凍機１の配置ス
ペースを少なくできてより一層の小型化が図れるという
利点がある。要するに、各蓄冷器１１，２１、ピストン
１３、パルス管２２等の配置、大きさ、形状等は各種用
途に応じたガスサイクル冷凍機１ごとに適宜設定すれば
よく、図１に示す構成に対応していればよい。
て説明したが、本発明は前記実施例に限らず、本発明の
要旨を逸脱しない範囲において種々の改良並びに設計の
変更が可能である。例えば、ガスサイクル冷凍機１とし
ては、図５に示すように、第２冷凍部４においてパルス
管２２を第２段蓄冷器２１内に配置し、バッファ２５を
第２段蓄冷器２１および膨張室１４間に配置してもよ
い。このようにすれば、ガスサイクル冷凍機１の配置ス
ペースを少なくできてより一層の小型化が図れるという
利点がある。要するに、各蓄冷器１１，２１、ピストン
１３、パルス管２２等の配置、大きさ、形状等は各種用
途に応じたガスサイクル冷凍機１ごとに適宜設定すれば
よく、図１に示す構成に対応していればよい。
【００３４】また、ガスサイクル冷凍機１の第１段冷凍
部３や第２段冷凍部４の構成は前記実施例のものに限ら
ない。例えば、第１段冷凍部３においては、配管１５を
設けて第１段蓄冷器１１の高温側とシリンダ１２の高温
側とを連通していたが、この配管１５を無くしてもよ
い。但し、配管１５を設ければ、前述の通り、ピストン
１３の駆動力を小さくでき、小さなモータ３３で駆動す
ることができる利点がある。さらに、第２段冷凍部４に
おいても、バッファ２５を無くしたり、バイパス管２３
を無くしてもよい。但し、バッファ２５やバイパス管２
３を設けたほうが、冷凍能力を向上できる利点がある。
また、前記実施例では、バイパス管２３および配管２４
にオリフィス２６，２７を設けていたが、バルブで代用
してもよいし、さらには最適化がされて流量を変更する
必要がなければ細管を用いて流量を設定してもよい。
部３や第２段冷凍部４の構成は前記実施例のものに限ら
ない。例えば、第１段冷凍部３においては、配管１５を
設けて第１段蓄冷器１１の高温側とシリンダ１２の高温
側とを連通していたが、この配管１５を無くしてもよ
い。但し、配管１５を設ければ、前述の通り、ピストン
１３の駆動力を小さくでき、小さなモータ３３で駆動す
ることができる利点がある。さらに、第２段冷凍部４に
おいても、バッファ２５を無くしたり、バイパス管２３
を無くしてもよい。但し、バッファ２５やバイパス管２
３を設けたほうが、冷凍能力を向上できる利点がある。
また、前記実施例では、バイパス管２３および配管２４
にオリフィス２６，２７を設けていたが、バルブで代用
してもよいし、さらには最適化がされて流量を変更する
必要がなければ細管を用いて流量を設定してもよい。
【００３５】また、バッファ２５はパルス管２２の高温
側に接続されているものに限らないが、第２段冷凍部４
に設ければ温度が低いためバッファ２５内に入るガスの
体積を小さくでき、バッファ２５の容積を小さくできる
という利点がある。
側に接続されているものに限らないが、第２段冷凍部４
に設ければ温度が低いためバッファ２５内に入るガスの
体積を小さくでき、バッファ２５の容積を小さくできる
という利点がある。
【００３６】また、冷媒ガス圧力変動発生器２は、コン
プレッサ５および各バルブ６，７で構成されたものに限
らず、スターリングサイクル冷凍機のように圧縮ピスト
ンによって圧力変動を発生させるものでもよく、これら
は実施にあたって適宜選択すればよい。さらに、蓄冷器
１１，２１は、銅合金のメッシュ材や、鉛粒子や、鉛粒
子およびEr3Ni(エルビウム３ニッケル）を混合したもの
などが利用でき、これらは蓄冷器１１，２１に求められ
る性能に応じて適宜設定すればよい。
プレッサ５および各バルブ６，７で構成されたものに限
らず、スターリングサイクル冷凍機のように圧縮ピスト
ンによって圧力変動を発生させるものでもよく、これら
は実施にあたって適宜選択すればよい。さらに、蓄冷器
１１，２１は、銅合金のメッシュ材や、鉛粒子や、鉛粒
子およびEr3Ni(エルビウム３ニッケル）を混合したもの
などが利用でき、これらは蓄冷器１１，２１に求められ
る性能に応じて適宜設定すればよい。
【００３７】前記実施例では、第１段冷凍部３および第
２段冷凍部４の２段式のガスサイクル冷凍機１としてい
たが、第１段冷凍部３の前に例えばＧ−Ｍサイクル冷凍
機を設けて３段以上のガスサイクル冷凍機としてもよ
い。このように構成すれば、第２段冷凍部４における冷
却温度とは別に第１段冷凍部３においても別の温度（第
２段冷凍部４よりも高い温度）で被冷却物を冷却するこ
とができ、被冷却物を複数の異なる温度で冷却する場合
に適している。要するに、本発明は、最も温度が低くな
る最終段部分が管２２を用いた第２段冷凍部４で構成さ
れ、その１つ前が第１段冷凍部３で構成されていればよ
い。なお、この場合、第１段冷凍部３におけるシールの
問題が生じるが、第１段冷凍部３は第２段冷凍部４に比
べて温度が高いため、熱の変化温度も小さくなり、シー
ルの問題も影響が少なくなり、問題とはならない。
２段冷凍部４の２段式のガスサイクル冷凍機１としてい
たが、第１段冷凍部３の前に例えばＧ−Ｍサイクル冷凍
機を設けて３段以上のガスサイクル冷凍機としてもよ
い。このように構成すれば、第２段冷凍部４における冷
却温度とは別に第１段冷凍部３においても別の温度（第
２段冷凍部４よりも高い温度）で被冷却物を冷却するこ
とができ、被冷却物を複数の異なる温度で冷却する場合
に適している。要するに、本発明は、最も温度が低くな
る最終段部分が管２２を用いた第２段冷凍部４で構成さ
れ、その１つ前が第１段冷凍部３で構成されていればよ
い。なお、この場合、第１段冷凍部３におけるシールの
問題が生じるが、第１段冷凍部３は第２段冷凍部４に比
べて温度が高いため、熱の変化温度も小さくなり、シー
ルの問題も影響が少なくなり、問題とはならない。
【００３８】
【発明の効果】本発明のガスサイクル冷凍機によれば、
複数段のガスサイクル冷凍機を実現できて、冷凍能力を
向上することができる。この際、第２段冷凍部を可動部
のないパルス管形式の冷凍部で構成したので、温度変化
が大きな低温部にシールを設ける必要が無く、ガスサイ
クル冷凍機を安価に提供できるとともに、冷媒ガスの漏
れも防止できて確実に動作させることができる。さら
に、第１段冷凍部をＧ−Ｍサイクル冷凍機のように膨張
室の体積をピストンで変動させる形式の冷凍部で構成し
たので、第２段冷凍部に対する圧力変動を確実に制御す
ることができ、第２段冷凍部の冷凍能力を最適に設定す
ることができる。このため、複数段のガスサイクル冷凍
機を最適化でき、かつ確実に動作させることができ、冷
凍能力を一層向上することができる。
複数段のガスサイクル冷凍機を実現できて、冷凍能力を
向上することができる。この際、第２段冷凍部を可動部
のないパルス管形式の冷凍部で構成したので、温度変化
が大きな低温部にシールを設ける必要が無く、ガスサイ
クル冷凍機を安価に提供できるとともに、冷媒ガスの漏
れも防止できて確実に動作させることができる。さら
に、第１段冷凍部をＧ−Ｍサイクル冷凍機のように膨張
室の体積をピストンで変動させる形式の冷凍部で構成し
たので、第２段冷凍部に対する圧力変動を確実に制御す
ることができ、第２段冷凍部の冷凍能力を最適に設定す
ることができる。このため、複数段のガスサイクル冷凍
機を最適化でき、かつ確実に動作させることができ、冷
凍能力を一層向上することができる。
【図１】本発明の一実施例のガスサイクル冷凍機を示す
構成図である。
構成図である。
【図２】前記実施例をクライオポンプにおけるガスサイ
クル冷凍機に適用した一例を示す縦断面図である。
クル冷凍機に適用した一例を示す縦断面図である。
【図３】前記実施例のガスサイクル冷凍機の動作を説明
する動作説明図である。
する動作説明図である。
【図４】前記実施例のガスサイクル冷凍機の動作を説明
する動作説明図である。
する動作説明図である。
【図５】本発明のガスサイクル冷凍機の変形例を示す縦
断面図である。
断面図である。
１ ガスサイクル冷凍機 ２ 冷媒ガス圧力変動発生器 ３ 第１段冷凍部 ４ 第２段冷凍部 １１ 第１段蓄冷器 １２ シリンダ １３ ピストン １４ 膨張室 １５ 配管 ２１ 第２段蓄冷器 ２２ パルス管 ２３ バイパス管 ２４ 配管 ２５ バッファ ２８ ヒートステーション
Claims (3)
- 【請求項１】 冷媒ガスが供給される第１段蓄冷器、こ
の第１段蓄冷器の低温側に接続されたシリンダ、及びこ
のシリンダ内に配置されてシリンダ内に形成された膨張
室の体積を可変するピストンで構成された第１段冷凍部
と、 前記第１段蓄冷器の低温側に接続された第２段蓄冷器、
及びこの第２段蓄冷器の低温側に接続された管で構成さ
れた第２段冷凍部と、 を備えて構成されることを特徴とするガスサイクル冷凍
機。 - 【請求項２】 請求項１記載のガスサイクル冷凍機にお
いて、前記冷媒ガスの圧力を変動させて第１段蓄冷器に
供給する冷媒ガス圧力変動発生器が設けられていること
を特徴とするガスサイクル冷凍機。 - 【請求項３】 請求項１又は請求項２記載のガスサイク
ル冷凍機において、前記第１段冷凍部の第１段蓄冷器の
高温側およびシリンダの高温側とが連通され、前記第２
段冷凍部の第２段蓄冷器の高温側および管の高温側とが
連通されるとともに、前記第２段冷凍部の管の高温側に
バッファが接続されていることを特徴とするガスサイク
ル冷凍機。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP03527695A JP3625511B2 (ja) | 1995-02-23 | 1995-02-23 | ガスサイクル冷凍機 |
| US08/554,322 US5642623A (en) | 1995-02-23 | 1995-11-02 | Gas cycle refrigerator |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP03527695A JP3625511B2 (ja) | 1995-02-23 | 1995-02-23 | ガスサイクル冷凍機 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08226719A true JPH08226719A (ja) | 1996-09-03 |
| JP3625511B2 JP3625511B2 (ja) | 2005-03-02 |
Family
ID=12437268
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP03527695A Expired - Fee Related JP3625511B2 (ja) | 1995-02-23 | 1995-02-23 | ガスサイクル冷凍機 |
Country Status (2)
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