特許 6087168 極低温冷凍機

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6087168

(24)【登録日】2017年2月10日

(45)【発行日】2017年3月1日

(54)【発明の名称】極低温冷凍機

(51)【国際特許分類】

   F25B 9/00 20060101AFI20170220BHJP

   F25B 9/14 20060101ALI20170220BHJP

【ＦＩ】

   F25B9/00 311

   F25B9/14 530Z

【請求項の数】5

【全頁数】11

(21)【出願番号】特願2013-36297(P2013-36297)

(22)【出願日】2013年2月26日

(65)【公開番号】特開2014-163614(P2014-163614A)

(43)【公開日】2014年9月8日

【審査請求日】2015年8月18日

(73)【特許権者】

【識別番号】000002107

【氏名又は名称】住友重機械工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100107766

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠重

(74)【代理人】

【識別番号】100070150

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠彦

(72)【発明者】

【氏名】許 名堯

【審査官】 河内 誠

(56)【参考文献】

【文献】 米国特許第０６６２９４１８（ＵＳ，Ｂ１）

【文献】 特開２００４−３４７１７５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１０−１３２４０４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１１／１５８２８１（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ２５Ｂ ９／００−９／１４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

圧縮機と、該圧縮機との間で冷媒ガスの吸排が行われる蓄冷器と、低温端が前記蓄冷器の低温端と接続されたパルス管とを有する第１の冷凍機と、
前記第１の冷凍機よりも冷凍能力が小さい第２の冷凍機と、
前記パルス管の高温端と前記第２の冷凍機との間で前記冷媒ガスの吸排を行う接続配管と、
前記接続配管に設けられ、該接続配管内を流れる前記冷媒ガスの流量制御を行う流量制御弁と
を有することを特徴とする、
極低温冷凍機。

【請求項2】

前記圧縮機から前記第１の冷凍機の蓄冷管に流入する前記冷媒ガスの質量流量をＦ１とし、前記第１の冷凍機から前記第２の冷凍機の蓄冷管に流入する前記冷媒ガスの質量流量をＦ２としたとき、Ｆ２≦（Ｆ１／５）であることを特徴とする、
請求項１記載の極低温冷凍機。

【請求項3】

前記第２の冷凍機は、パルス管冷凍機であることを特徴とする、
請求項１又は２記載の極低温冷凍機。

【請求項4】

前記第２の冷凍機は、ＧＭ冷凍機であることを特徴とする、
請求項１又は２記載の極低温冷凍機。

【請求項5】

前記圧縮機と前記蓄冷器との間で前記冷媒ガスの吸排処理を行う弁装置を設け、
前記ＧＭ冷凍機の駆動機構と前記弁装置が一の駆動装置により駆動される構成としたことを特徴とする、
請求項４記載の極低温冷凍機。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、パルス管を有した極低温冷凍機に関する。

【背景技術】

【0002】

従来から、少ない振動で極低温を生成しうる冷凍機としてパルス管冷凍機が知られている。このパルス管冷凍機は、圧縮機と、蓄冷器と、蓄冷器に接続されたパルス管と、パルス管に接続されたバッファオリフィス及びバッファタンク等を備えている。冷媒ガス（例えばヘリウムガス）は、所定のタイミングで蓄冷器及びパルス管に吸排処理される。

【0003】

また、パルス管に接続されたバッファタンクは、パルス管における冷媒ガスの圧力変動と変位との位相差を制御する位相制御機構として機能する。よって、この冷媒ガスの圧力変動と変位との位相差を適宜制御することにより、パルス管の低温側において寒冷が発生する。

【0004】

また、パルス管と蓄冷器とを有する第１及び第２のパルス管部を直列に直接接続することにより、冷凍効率の向上を図った極低温冷凍機が提案されている（特許文献１）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特許４１４７９９７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

この構成では、第１のパルス管部を構成するパルス管内に冷媒ガスによるガスピストンを想定した場合、当該ガスピストンの位相制御を適正に行うことができないため、パルス管に対してガスピストンの変位量が大きくなりすぎるおそれがある。この場合には、ガスピストンの変位がパルス管を超えてしまい、冷凍効率の向上を十分に図ることができないかもしれない。

【0007】

本発明は、冷凍処理時に発生するエネルギーの有効利用を行うことにより冷凍効率の向上を図った極低温冷凍機を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明のある態様によると、圧縮機と、該圧縮機との間で冷媒ガスの吸排が行われる蓄冷器と、低温端が前記蓄冷器の低温端と接続されたパルス管とを有する第１の冷凍機と、
前記第１の冷凍機よりも冷凍能力が小さい第２の冷凍機と、
前記パルス管の高温端と前記第２の冷凍機との間で前記冷媒ガスの吸排を行う接続配管と、
前記接続配管に設けられ、該接続配管内を流れる前記冷媒ガスの流量制御を行う流量制御弁とを有する。

【発明の効果】

【0009】

開示の発明によれば、第１の冷凍機において発生した冷媒ガスの脈動を利用して第２の冷凍機で寒冷を発生させることができ、また第１の冷凍機と第２の冷凍機の間に設けた流量制御弁により第１の冷凍機の位相制御を適正にでき冷凍効率を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】図１は、本発明のある実施形態である極低温冷凍機の構成図である。

【図2】図２は、本発明のある実施形態の変形例である極低温冷凍機の構成図である。

【図3】図３は、本発明の他の実施形態である極低温冷凍機の構成図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

次に、本発明の実施の形態について図面と共に説明する。

【0012】

図１は、本発明のある実施形態である極低温冷凍機の概略構成図である。本実施形態に係る極低温冷凍機は、第１の冷凍機１０、第２の冷凍機１００、及び接続配管７５等を有している。

【0013】

まず、第１の冷凍機１０について説明する。第１の冷凍機１０は、単段式のダブルインレット型パルス管冷凍機を構成している。しかしながら、第１の冷凍機１０にはオリフィス及びバッファタンクは設けられていない。

【0014】

この第１の冷凍機１０は、圧縮機１２、蓄冷管４０、及びパルス管５０等を有している。

【0015】

圧縮機１２には、高圧（供給）側の冷媒用流路１３Ａ及び低圧（回収）側の冷媒用流路１３Ｂが接続されている。高圧側の冷媒用流路１３Ａは、高圧側配管１５Ａと、この高圧側配管１５Ａに設けられた高圧側開閉バルブＶ１を有している。また、低圧側の冷媒用流路１３Ｂは、低圧側配管１５Ｂと、この低圧側配管１５Ｂに設けられた低圧側開閉バルブＶ２を有している。

【0016】

高圧側配管１５Ａの一端部は圧縮機１２の供給側に接続されており、他端部は共通配管２０の一端部に接続されている。また、低圧側配管１５Ｂの一端部は圧縮機１２の回収側に接続されており、他端部は共通配管２０の一端部に接続されている。共通配管２０の他端部は、蓄冷管４０の高温端４２に接続されている。

【0017】

よって、高圧側開閉バルブＶ１が所定のタイミングで開弁することにより、圧縮機１２から高圧の冷媒ガス（例えば、ヘリウムガス）が高圧側配管１５Ａに供給される。また、低圧側開閉バルブＶ２が所定のタイミングで開弁することにより、低圧の冷媒ガスが低圧側配管１５Ｂから圧縮機１２に還流する
蓄冷管４０は、内部に蓄冷材が装填されている。蓄冷材としては、比熱が高いりん青銅やステンレス等からなる金網、又は、鉛、ビスマス、磁性蓄冷材等からなる球体を用いることができる。

【0018】

蓄冷管４０の低温端４４は、連通配管５６を介してパルス管５０の低温側に接続されている。パルス管５０は、低温側に低温側熱交換器５４が設けられ、また高温側に高温側熱交換器５２が設けられている。前記の連通配管５６は、パルス管５０の低温側に設けられた低温側熱交換器５４に接続されている。

【0019】

また、前記のように第１の冷凍機１０は、パルス管５０の高温側は蓄冷管４０の高温端４２とバイパス配管６５により接続されている。このようなバイパス配管６５を有する冷凍機をダブルインレット型パルス管冷凍機とよぶことがある。具体的には、バイパス配管６５の一端部は共通配管２０に接続され、他端部はパルス管５０の高温側熱交換器５２に接続されている。

【0020】

また、前記のように第１の冷凍機１０はダブルインレット型パルス管冷凍機を構成しているため、パルス管５０の高温側は蓄冷管４０の高温端４２とバイパス配管６５により接続されている。具体的には、バイパス配管６５の一端部は共通配管２０に接続され、他端部はパルス管５０の高温側熱交換器５２に接続されている。

【0021】

更に、バイパス配管６５の途中には、ダブルインレット弁６３が設けられている。このダブルインレット弁６３を調整することにより、後述するパルス管５０内における冷媒ガスの位相制御を精度よく行うことができ、冷凍特性の向上を図ることができる。

【0022】

次に、第２の冷凍機１００について説明する。本実施形態では、第２の冷凍機１００も単段式のダブルインレット型パルス管冷凍機とされている。

【0023】

この第２の冷凍機１００は、蓄冷管１４０、パルス管１５０、オリフィス１６０、及びバッファタンク１７０等を有している。

【0024】

蓄冷管１４０は、前記した第１の冷凍機１０の蓄冷管４０と同様に、内部にりん青銅やステンレス等からなる金網、又は、鉛、ビスマス、磁性蓄冷材等の蓄冷材が装填されている。蓄冷管１４０の低温端１４４は、連通配管１５６を介してパルス管１５０の低温側に接続されている。

【0025】

パルス管１５０は、低温側に低温側熱交換器１５４が設けられると共に、高温側に高温側熱交換器１５２が設けられている。前記の連通配管１５６は、パルス管１５０の低温側熱交換器１５４に接続されている。

【0026】

また、第２の冷凍機１００もダブルインレット型パルス管冷凍機であるため、パルス管１５０の高温側（高温側熱交換器１５２）は、蓄冷管１４０の高温端１４２とバイパス配管１６５により接続されている。

【0027】

このバイパス配管１６５の途中には、ダブルインレット弁１６３が設けられている。このダブルインレット弁１６３を調整することにより、後述するパルス管１５０内における冷媒ガスの位相制御を精度よく行うことができ、冷凍特性の向上を図ることができる。

【0028】

更に、パルス管１５０の高温側には、バッファ配管１６１を介してバッファタンク１７０が接続されている。また、バッファ配管１６１には、バッファオリフィス１６０（以下、単にオリフィスという）が設けられている。

【0029】

このオリフィス１６０及びバッファタンク１７０は、第２の冷凍機１００のパルス管１５０における冷媒ガスの圧力変動と変位との位相差を制御する位相制御機構として機能する。よって、この冷媒ガスの圧力変動と変位との位相差を適宜制御することにより、パルス管１５０の低温側において寒冷が発生する。

【0030】

上記構成とされた第１の冷凍機１０と第２の冷凍機１００は、接続配管７５により接続された構成とされている。具体的には、接続配管７５の一端部は、第１の冷凍機１０のパルス管５０の高温側に接続するバイパス配管６５に接続されている。また、接続配管７５の他端部は、蓄冷管１４０の高温側に接続するバイパス配管１６５に接続されている。更に、接続配管７５の途中位置には、流量制御弁７０が設けられている。

【0031】

よって、高圧側開閉バルブＶ１及び低圧側開閉バルブＶ２が所定のタイミングで交番的に開閉し、これによりパルス管５０内において冷媒ガスの脈動が発生すると、この冷媒ガスの脈動は流量制御弁７０及び接続配管７５を介して第２の冷凍機１００に供給される。これにより、パルス管１５０において冷媒ガスの圧力変動が生じ、また冷媒ガスの変位をオリフィス１６０により制御することにより、パルス管１５０の低温側に寒冷を発生させることができる。

【0032】

一方、上記構成とされた第２の冷凍機１００は所定の容積を有しているため、第２の冷凍機１００を第１の冷凍機１０のバッファタンクとして使用することができる。よって、流量制御弁７０及び第２の冷凍機１００は、第１の冷凍機１０のパルス管５０における冷媒ガスの圧力変動と変位との位相差を制御する位相制御機構として機能させることができる。

【0033】

これにより、パルス管５０において冷媒ガスの圧力変動が生じ、また冷媒ガスの変位を流量制御弁７０により制御することにより、パルス管５０の低温側に寒冷を発生させることができる。

【0034】

このように、本実施形態に係る極低温冷凍機は、第１の冷凍機１０及び第２の冷凍機１００のいずれにおいてもパルス管５０，１５０で寒冷を発生させることができ、従来に比べてバッファタンクで消耗されるエネルギーを低減することができる。ょって、本実施形態に係る極低温冷凍機によれば、冷凍効率を高めることができる。

【0035】

また本実施形態では、第１の冷凍機１０と第２の冷凍機１００を接続する接続配管７５に流量制御弁７０を設けている。このため、流量制御弁７０によりパルス管５０内における冷媒ガスの圧力変動と変位との位相差を最適な状態、或いはこれに近い状態に制御することができる。

【0036】

よって、パルス管５０の低温側において高効率で寒冷を発生させることができ、第１の冷凍機１０と第２の冷凍機１００を接続した構成としても、第１の冷凍機１０において高効率で寒冷を発生させることができ、第１の冷凍機１０の冷凍効率の向上を図ることができる。

【0037】

ところで本実施形態に係る極低温冷凍機では、第２の冷凍機１００は第１の冷凍機１０で発生する脈動を有した冷媒ガスを供給され、これに基づき冷凍処理を行う。このため、第２の冷凍機１００の出力は、第１の冷凍機１０の出力よりも小さいものを設定する必要がある。

【0038】

具体的には、第１の冷凍機１０において圧縮機１２から蓄冷管４０に流入する前記冷媒ガスの流量をＦ１とし、また第１の冷凍機１０から第２の冷凍機１００の蓄冷管１４０に流入する冷媒ガスの流量をＦ２としたとき、各流量Ｆ１，Ｆ２の関係がＦ２≦（Ｆ１／５）となることが望ましい。

【0039】

次に、ある実施形態の変形例について説明する。

【0040】

図２は、図１に示した極低温冷凍機の変形例の概略構成図である。なお、図２において図１に示した構成と対応する構成については同一符号付してその説明は省略する。

【0041】

本変形例では、第２の冷凍機１００を構成するパルス管１５０の低温側と、第１の冷凍機１０を構成する蓄冷管４０とを伝熱部材１８０により熱的に接続したことを特徴としている。

【0042】

伝熱部材１８０は、例えば銅等の熱伝導率が高い金属により形成されている。この伝熱部材１８０は、第２の冷凍機１００において寒冷が発生するパルス管１５０の低温端と熱的に接続されている。また伝熱部材１８０は、蓄冷管１４０の低温端及び蓄冷管４０の略中央位置（低温端から所定距離離間した位置）とも熱的に接続されている。

【0043】

従って、パルス管１５０の低温端で発生した寒冷により、蓄冷管１４０の低温側及び蓄冷管４０の低温端から所定距離離間した位置を冷却することができる。よって、蓄冷管４０，１４０内に配設されている蓄冷材を予備冷却することが可能となり、これによっても極低温冷凍機の冷凍効率を高めることができる。

【0044】

なお、第１の冷凍機１０の冷凍能力は第２の冷凍機１００の冷凍能力よりも高く、よってパルス管５０ではパルス管１５０よりも低温の寒冷が発生する。このため伝熱部材１８０は、パルス管５０には熱的に接続しない構成としている。

【0045】

また、蓄冷管４０の低温端４４には、パルス管５０の低温側で発生した寒冷により極低温に冷却された冷媒ガスが流入する。よって、蓄冷管４０の低温端４４に近い位置に配設されている蓄冷材は、この低温の冷媒ガスにより冷却される。

【0046】

従って本変形例では、伝熱部材１８０を低温端４４から高温端側にある程度離間した位置、具体的には伝熱部材１８０の温度よりも高い温度となる位置に接続することにより、蓄冷管４０内の蓄冷材の効率的な冷却を図っている。

【0047】

次に、本発明の他の実施形態について説明する。

【0048】

図３は、第２実施形態である極低温冷凍機の概略構成図である。なお図３においても、図１に示した構成と対応する構成については同一符号付してその説明は省略する。

【0049】

図１を用いて説明した第一実施形態に係る極低温冷凍機は、第１の冷凍機１０に接続する第２の冷凍機１００として、パルス管冷凍機を用いた例を示した。これに対して本実施形態では、第２の冷凍機２００としてギフォード・マクマホン式冷凍機（以下、ＧＭ冷凍機という）を用いたことを特徴としている。

【0050】

図３に示す極低温冷凍機において、第１の冷凍機１０は第１実施形態に示したものと略同一であるが、高圧側開閉バルブＶ１及び低圧側開閉バルブＶ２がロータリバルブ１７とされており、後述する駆動装置２０６により駆動される構成とされている。

【0051】

本実施形態では、第２の冷凍機２００として単段式のＧＭ冷凍機を用いている。このＧＭ冷凍機として構成される第２の冷凍機２００の出力は、第１の冷凍機１０の出力よりも小さく設定されている。なお、本実施形態では単段式のＧＭ冷凍機を用いた例を示しているが、多段式のＧＭ冷凍機を第２の冷凍機２００として用いることも可能である。

【0052】

第２の冷凍機２００は、シリンダ２０２，ディスプレーサ２０３，蓄冷材２０４，駆動装置２０６等を有している。ディスプレーサ２０３は、シリンダ２０２内に配設されている。このディスプレーサ２０３は、軸部材Ｓを介して駆動装置２０６に接続されている。また、ディスプレーサ２０３の内部には、蓄冷材２０４が配設されている。

【0053】

駆動装置２０６は、モーターＭとスコッチヨーク機構（図では、略して図示している）とを有している。スコッチヨーク機構はモーターＭを駆動源として駆動され、モーターＭの回転力を軸部材Ｓの上下方向の移動力に変換する。よってモーターＭが駆動することにより、ディスプレーサ２０３はシリンダ２０２内を図中上下方向に往復移動する。また、ディスプレーサ２０３の図中上部にはガス流通孔２０９が形成されると共に、下部にはガス流通孔２１０が形成されている。

【0054】

ディスプレーサ２０３の下端とシリンダ２０２の底面との間には、膨張室２１１が形成されている。また、ディスプレーサ２０３の上端とシリンダ２０２の上面との間には室温室２１６が形成されている。

【0055】

室温室２１６は、一端が第１の冷凍機１０に接続された接続配管７５の他端部が接続されている。よって、第１の冷凍機１０のパルス管５０内の冷媒ガスは、圧力変動に伴い接続配管７５を介して室温室２１６に吸排気される。

【0056】

室温室２１６に供給された冷媒ガスは、ガス流通孔２０９，２１０を通って膨張室２１１に供給される。なお、冷媒ガスがシリンダ２０２の内周面とディスプレーサ２０３の外周面との間の間隙を介して流れないよう、シリンダ２０２とディスプレーサ２０３との間にはシール部材２１２，２１５が設けられている。

【0057】

前記した駆動装置２０６は、連結機構１８を介してロータリバルブ１７と接続されている。よって、ディスプレーサ２０３とロータリバルブ１７（高圧側開閉バルブＶ１及び低圧側開閉バルブＶ２）は、モーターＭにより同期して駆動される。

【0058】

本実施形態では、ディスプレーサ２０３が下死点にあるとき、ロータリバルブ１７において高圧側開閉バルブＶ１が開弁され、圧縮機１２から高圧の冷媒ガスが蓄冷管４０，パルス管５０，及び接続配管７５等を介して室温室２１６の内部に供給される。これにより、シリンダ２０２内の圧力は上昇する。

【0059】

この際、本実施形態においても、第１の冷凍機１０において圧縮機１２から蓄冷管４０に流入する前記冷媒ガスの流量をＦ１とし、第１の冷凍機１０から第２の冷凍機２００の室温室２１６に流入する冷媒ガスの流量をＦ２としたとき、各流量Ｆ１，Ｆ２の関係はＦ２≦（Ｆ１／５）となっている。

【0060】

次にモーターＭの駆動によりディスプレーサ２０３を上死点まで上動させる。これにより高圧の冷媒ガスは、ガス流通孔２０９、蓄冷材２０４、及びガス流通孔２１０を通り膨張室２１１内に進入する。

【0061】

続いて、ディスプレーサ２０３の動作に同期しているロータリバルブ１７により、高圧側開閉バルブＶ１を閉弁すると共に低圧側開閉バルブＶ２を開弁する。これにより、膨張室２１１内の冷媒ガスは膨張し、膨張室２１１において寒冷が発生する。

【0062】

続いて、モーターＭを駆動してディスプレーサ２０３を再び下死点まで移動させる。これにより、膨張した冷媒ガスは、ガス流通孔２１０、蓄冷材２０４、ガス流通孔２０９、室温室２１６、接続配管７５、パルス管５０、及び蓄冷管４０等を通り、再び圧縮機１２に回収される。以上のサイクルを繰り返し行うことにより、第２の冷凍機２００は連続的に寒冷を発生させる。

【0063】

このように、本実施形態に係る極低温冷凍機においても第１の冷凍機１０及び第２の冷凍機２００のいずれにおいても寒冷を発生させることができ、無駄なエネルギー消耗を低減できるため、冷凍効率を高めることができる。また本実施形態においても、第１の冷凍機１０と第２の冷凍機１００を接続する接続配管７５に流量制御弁７０を設けているため、流量制御弁７０により第１の冷凍機１０の冷凍効率を高めることができる。

【0064】

更に、第２の冷凍機２００であるＧＭ冷凍機を構成するディスプレーサ２０３の駆動と、ロータリバルブ１７の駆動を一の駆動装置２０６により行われる構成としたため、極低温冷凍機の構成の簡単化を図れると共に、ロータリバルブ１７の動作とディスプレーサ２０３の動作を容易に同期させることができる。

【0065】

以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は上記した特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能なものである。

【0066】

なお、上記した各実施形態では、第１の冷凍機１０及び第２の冷凍機１００としてダブルインレット型パルス管冷凍機を用いた例を示したが、各パルス管冷凍機の型式はダブルインレット型に限定されるものではなく、他の型式（ベーシック型、オリフィス型、４バルブ型等）のものを用いることも可能である。

【0067】

また、上記した各実施形態では、第２の冷凍機としてパルス管冷凍機及びＧＭ冷凍機を用いた例を示したが、他の構成の冷凍機（例えば、ソルベー冷凍機、スターリング冷凍機等）を用いることも可能である。

【符号の説明】

【0068】

１０ 第１の冷凍機
１２ 圧縮機
１３Ａ 高圧側の冷媒用流路
１３Ｂ 低圧側の冷媒用流路
１５Ａ 高圧側配管
１５Ｂ 低圧側配管
１７ ロータリバルブ
１８ 連結機構
２０ 共通配管
４０，１４０ 蓄冷管
４２，１４２ 高温端
４４，１４４ 低温端
５０，１５０ パルス管
５２，１６２ 高温側熱交換器
５４，１５４ 低温側熱交換器
５６ 連通配管
６３ ダブルインレット弁
６５ バイパス配管
７０ 流量制御弁
７５ 接続配管
１００ 第２の冷凍機
１５６ 連通配管
１６０ オリフィス
１６１ バッファ配管
１６３ ダブルインレット弁
１６５ バイパス配管
１７０ バッファタンク
１８０ 伝熱部材
２００ 第２の冷凍機
２０２ シリンダ
２０３ ディスプレーサ
２０４ 蓄冷材
２０９ ガス流通孔
２０６ 駆動装置
２１０ ガス流通孔
２１１ 膨張室
２１２，２１５ シール部材
Ｍ モーター
Ｓ 軸部材

【図1】

【図2】

【図3】