JP2014044018A - 極低温冷凍機 - Google Patents

Abstract

【課題】冷媒ガスラインとステージの熱効率の向上を図りつつ小型化及び軽量化を図った極低温冷凍機を提供する。
【解決手段】冷媒ガスを圧縮するＪＴ用圧縮機２１と、ＪＴ用圧縮機２１から供給される高圧の冷媒ガスを断熱膨張させ寒冷を発生させるＪＴ弁２４と、発生した寒冷により冷却された冷媒ガスにより冷却されるステージ４０Ａと、この各機器２１，２４，４０Ａを接続する高圧側冷媒ガスライン２２及び低圧側冷媒ガスライン２３を有するＪＴ回路２０と、高圧側冷媒ガスライン２２を流れる冷媒ガスを予冷するＧＭ冷凍機１１とを有し、ステージ４０Ａのステージ本体４１Ａの内部に冷媒ガスが流れる冷媒ガス流路４２Ａを設け、この冷媒ガス流路４２Ａを流れる冷媒ガスとステージ本体４１Ａとの間で熱交換が行われる構成とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷媒ガスにより冷却されるステージを有する極低温冷凍機に関する。

従来から、ジュールトムソン（ＪＴ）回路とギフォード・マクマホン（ＧＭ）冷凍機とを組み合わせた極低温冷凍機が知られている。この極低温冷凍機は、ＧＭ冷凍機を予冷用の冷凍機として使用することにより、ヘリウムの液化温度を実現することができる。

この極低温冷凍機は、ＪＴ弁で冷媒ガスが断熱膨張（ＪＴ膨張）させることにより寒冷が発生し、この寒冷により冷却された冷媒ガスにより被冷却体に接続されたステージを冷却し、これにより被冷却体を冷却する構成とされている（特許文献１）。

特開２００４−２０５１５６号公報

冷媒ガスとステージとの間の熱交換は、例えば、ＪＴ弁の下流側の冷媒ガスラインをステージの一部に巻回し、この部分を流れる冷媒ガスとステージとの間で熱交換を行う構成とされていた。冷媒ガスによりステージを効率よく冷却するためには、冷媒ガスとステージとの間で熱交換効率を高める必要がある。

冷媒ガスとステージとの間における熱交換効率を高める方法としては、ステージに対する冷媒ガスラインの巻回数を多くすることが考えられる。また、ステージの冷媒ガスラインが巻回される部分（巻回軸）の軸径を大きくすることも考えられる。

しかしながら、いずれの方法もステージが大型し、その重量も増大してしまう等の問題が発生する。

本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、冷媒ガスラインとステージの熱効率の向上を図りつつ小型化及び軽量化を図りうる極低温冷凍機を提供することを目的とする。

上記の課題は、第１の観点からは、
冷媒ガスを圧縮する圧縮機と、前記圧縮機から供給される高圧の冷媒ガスを断熱膨張させ寒冷を発生させる弁装置と、前記寒冷により冷却された冷媒ガスにより冷却されるステージと、前記圧縮機，前記弁装置，及び前記ステージを接続する冷媒ガスラインとを有する第１の冷凍装置と、
前記冷媒ガスラインを流れる前記冷媒ガスを予冷する第２の冷凍装置とを有し、
前記ステージの内部に前記冷媒ガスが流れる冷媒ガス流路を設け、該冷媒ガス流路を流れる冷媒ガスと前記ステージとの間で熱交換が行われる構成としたことを特徴とする極低温冷凍機により解決することができる。

開示の発明によれば、冷媒ガス流路を流れる冷媒ガスとステージとの間で直接熱交換が行われるため高効率の熱交換を行うことができ、また冷媒ガス流路はステージ内に設けられるため極低温冷凍機の小型化を図ることが可能となる。

図１は、本発明の第１実施形態である極低温冷凍機の構成図である。 図２は、本発明の第１実施形態である極低温冷凍機に設けられるステージを拡大して示す断面図である。 図３は本発明の第１実施形態である極低温冷凍機に設けられるステージの変形例を説明するための図である。 図４は、本発明の第２実施形態である極低温冷凍機に設けられるステージを拡大して示す断面図である。 図５は、図４におけるＡ−Ａ線に沿う断面図である。

次に、本発明の実施の形態について図面と共に説明する。

図１は、本発明の第１実施形態である極低温冷凍機１０を示している。本実施形態に係る極低温冷凍機１０は、ジュールトムソン回路２０（請求項に記載の第１の冷凍装置に相当する。以下、ＪＴ回路という）に、予冷用のとしてギフォード・マクマホン冷凍機（請求項に記載の第２の冷凍装置に相当する。以下、ＧＭ冷凍機１１という）を組み合わせた例について説明する。

この極低温冷凍機１０は、ＧＭ冷凍機１１によってＪＴ回路２０を予冷すると共に、ＪＴ回路２０における断熱膨張を利用してステージ４０Ａを冷却するようにしたものである。

ＧＭ冷凍機１１は、冷凍機用圧縮機１２、１段ステージ１３、２段ステージ１４、１段シリンダ１５、及び２段シリンダ１６等を有している。冷凍機用圧縮機１２は、図示しないバルブを切り替え制御することにより、圧縮して高圧化した冷媒ガス（例えば、ヘリウムガス）を各シリンダ１５，１６に供給すると共に、寒冷を発生した低圧となった冷媒ガスを回収する。

１段シリンダ１５は内部に１段ディスプレーサを設けており、また２段シリンダ１６は内部に２段ディスプレーサを設けている。この各ディスプレーサは、各シリンダ１５，１６内で往復移動する構成とされている。

また、１段シリンダ１５の低温側（図１における下側）には１段ステージ１３が設けられており、２段シリンダ１６の低温側には２段ステージ１４が設けられている。

各シリンダ１５，１６内における各ディスプレーサの移動とバルブの切換により、冷媒ガスの供給・回収の制御を適宜行うことにより、各シリンダ１５，１６の低温側には寒冷が発生する。この発生した寒冷により、１段シリンダ１５の低温側に配設された１段ステージ１３、及び２段シリンダ１６の低温側に配設された２段ステージ１４は冷却される。

ＪＴ回路２０は、ＪＴ用圧縮機２１、冷媒ガスライン、ＪＴ弁２４、第１熱交換器２６、第２熱交換器２７、第１の熱的結合２８、及び第２の熱的結合２９、及び熱負荷となるステージ４０Ａ等を有している。

ＪＴ用圧縮機２１は冷媒ガス（例えば、ヘリウムガス）を圧縮するものであり、冷媒ガスラインに接続されている。冷媒ガスラインは冷媒ガスが流れる流路であり、高圧側冷媒ガスライン２２と低圧側冷媒ガスライン２３とを有している。ＪＴ用圧縮機２１は、この低圧側冷媒ガスライン２３から流入する低圧の冷媒ガスを圧縮して高圧とし、高圧となった冷媒ガスを高圧側冷媒ガスライン２２に供給する。

高圧側冷媒ガスライン２２は、ＪＴ用圧縮機２１のガス供給側（図１にＰ_Ｏで示す）とＪＴ弁２４の上流側との間に設けられたライン（流路）である。この高圧側冷媒ガスライン２２には、ＪＴ用圧縮機２１で高圧化された冷媒ガスが流れる
低圧側冷媒ガスライン２３は、ＪＴ弁２４の下流側とＪＴ用圧縮機２１のガス還流側（図１にＰ_Ｉで示す）との間に設けられたラインである。この低圧側冷媒ガスライン２３には、断熱膨張（ＪＴ膨張）することにより低圧となった冷媒ガスが流れる。なお以下の説明において、低圧側冷媒ガスライン２３の内、ＪＴ弁２４の下流側とステージ４０Ａの流入ポート４５との間に配設された配管を、特に接続ライン２５として説明することもある。

ＪＴ弁２４は、高圧側冷媒ガスライン２２の第２の熱的結合２９よりも下流側に配設されている。このＪＴ弁２４を通過することにより高圧の冷媒ガスは断熱膨張（ＪＴ膨張）し寒冷が発生する。

第１熱交換器２６は、第１の熱的結合２８の上流側に配設されている。この第１熱交換器２６において、高圧側冷媒ガスライン２２と低圧側冷媒ガスライン２３との間で熱交換が行われる。また第２熱交換器２７は、第１の熱的結合２８と第２の熱的結合２９との間に配設されている。この第２熱交換器２７において、高圧側冷媒ガスライン２２と低圧側冷媒ガスライン２３との間で熱交換が行われる。

第１の熱的結合２８は、第１熱交換器２６と第２熱交換器２７との間に配設されている。また、第１の熱的結合２８は、ＧＭ冷凍機１１の１段ステージ１３と熱結合されている。前記のように、１段ステージ１３はＧＭ冷凍機１１が稼動することにより冷却される。よって、高圧側冷媒ガスライン２２を流れる冷媒ガスは、第１の熱的結合２８において１段ステージ１３により冷却される。

第２の熱的結合２９は、第２熱交換器２７の下流側に配設されている。この第２の熱的結合２９は、ＧＭ冷凍機１１の２段ステージ１４と熱結合されている。２段ステージ１４もＧＭ冷凍機１１が稼動することにより冷却されるため、高圧側冷媒ガスライン２２を流れる冷媒ガスは第２の熱的結合２９において１段ステージ１３により冷却される。

ステージ４０Ａは、ＪＴ弁２４の下流側に配設されている。このステージ４０Ａは、支柱３０により支持プレート３１に支持されている。また支持プレート３１は、支持アーム３２により真空容器１に支持されている。なお、説明の便宜上、ステージ４０Ａの詳細については、後述するものとする。

真空容器１は、各ステージ１３，１４及びステージ４０Ａ等を真空断熱するものである。この真空容器１内には、ステージ４０Ａの他にも、ＧＭ冷凍機１１のステージ１３，１４、ＪＴ回路２０の熱交換器２６,２７、熱的結合２８，２９等が収納されている。

次に、上記構成とされた極低温冷凍機１０の動作について説明する。

ＪＴ用圧縮機２１で高圧に圧縮された高圧の冷媒ガスは、高圧側冷媒ガスライン２２に供給される。この高圧の冷媒ガスは、先ず第１熱交換器２６に流入する。第１熱交換器２６において、高圧の冷媒ガスは低圧側冷媒ガスライン２３内の低圧の冷媒ガスとの間で熱交換が行われる。これにより高圧の冷媒ガスは、第１熱交換器２６において冷却される。

第１熱交換器２６によって冷却された高圧の冷媒ガスは、次いで第１の熱的結合２８に至る。第１の熱的結合２８は、ＧＭ冷凍機１１の１段ステージ１３に熱的結合されているため冷却されている。よって高圧の冷媒ガスは、第１の熱的結合２８においてさらに冷却される。

第１の熱的結合２８を経た後、高圧の冷媒ガスは第２熱交換器２７に流入する。この高圧の冷媒ガスは、第２熱交換器２７において低圧側冷媒ガスライン２３内を流れる低圧の冷媒ガスとの間で熱交換が行われる。これにより高圧の冷媒ガスは、第２熱交換器２７においても冷却される。

第２熱交換器２７によって冷却された高圧の冷媒ガスは、次いで第２の熱的結合２９に至る。第２の熱的結合２９は、ＧＭ冷凍機１１の２段ステージ１４に熱的結合されているため、１段ステージ１３に比べてより低い温度に冷却されている。高圧の冷媒ガスは、この第２の熱的結合２９においてさらに冷却される。

このようにして、高圧側冷媒ガスライン２２を流れることにより各熱交換器２６，２７及び各熱的結合２８，２９により冷却された高圧の冷媒ガスは、ＪＴ弁２４に供給される。この冷却された高圧の冷媒ガスは、ＪＴ弁２４を通過することにより断熱膨張（ＪＴ膨張）し、寒冷を発生させる。また、冷媒ガスは断熱膨張することにより低圧化する。

この寒冷が発生した冷媒ガスは、ステージ４０Ａに供給される。そして、ステージ４０Ａは冷媒ガスとの間で熱交換を行うことにより冷却される。ステージ４０Ａには、図示しない被冷却物が熱的結合されている。従って被冷却物は、ステージ４０Ａにより冷却処理される。

ステージ４０Ａと熱交換を行った冷媒ガスは、低圧側冷媒ガスライン２３通って、第２熱交換器２７に流入し、高圧側冷媒ガスライン２２を流れる高圧の冷媒ガスを冷却する。その後、低圧の冷媒ガスは、第１熱交換器２６でも高圧の冷媒ガスと熱交換し、高圧の冷媒ガスを冷却すると共に徐々に昇温される。

このようにして昇温された低圧の冷媒ガスは、ＪＴ用圧縮機２１に還流する。そして、ＪＴ用圧縮機２１によって圧縮されて高圧化し、再び高圧側冷媒ガスライン２２に供給される。以上の動作を繰り返すことにより、ステージ４０Ａは所定の冷却目標温度（例えばヘリウムの液化温度である４．２Ｋ）まで冷却される。

ここで、図１に加えて図２を用いてステージ４０Ａについて詳述する。

図２は、ステージ４０Ａを拡大して示す断面図である。同図に示すように、ステージ４０Ａは、ステージ本体４１Ａと、このステージ本体４１Ａ内に形成された冷媒ガス流路４２Ａを有している。

ステージ本体４１Ａは、その下面４９において被冷却物と熱的に結合がされるものである。このステージ本体４１Ａは、例えばステンレス、銅、或いは銅合金等の熱伝導率の高い材料により形成されている。

冷媒ガス流路４２Ａは、ステージ本体４１Ａの内部に形成されている。この冷媒ガス流路４２Ａは、例えばステージ本体４１Ａを上下２枚に分割したステージ本体半体により構成し、このステージ本体半体の内側に所定の凹部を形成し、その後に一対のステージ本体半体を接合（例えば、ロウ付け）することにより形成することができる。

また冷媒ガス流路４２Ａは、外部接続するための流入ポート４５及び流出ポート４６が形成されている。流入ポート４５には、ＪＴ弁２４に接続された接続ライン２５が接続される。また流出ポート４６には、ＪＴ用圧縮機２１のガス還流側Ｐ_Ｉと接続された低圧側冷媒ガスライン２３が接続される。

よって、ＪＴ弁２４を通過し寒冷が発生した冷媒ガスは接続ライン２５及び流入ポート４５を通り冷媒ガス流路４２Ａに流入する。冷媒ガス流路４２Ａは、ステージ４０Ａに一体的に形成された流路である。この冷媒ガス流路４２Ａ内を冷媒ガスが流れることにより、冷媒ガスとステージ４０Ａ（ステージ本体４１Ａ）との間で熱交換が行われる。

この際、冷媒ガスは冷媒ガス流路４２Ａ内でステージ４０Ａ（ステージ本体４１Ａ）の内壁と直接触れた状態となる。よって、従来ように冷媒ガスラインをステージに巻回する構成に比べ、冷媒ガスとステージ４０Ａとの間における熱交換効率を高めることができる。よって、本実施形態に係る極低温冷凍機１０によれば、ステージ４０Ａを効率的に冷却することができる。

また、従来ように冷媒ガスラインをステージに巻回する構成では、長い冷媒ガスラインが必要であると共にステージに冷媒ガスラインを巻回するための巻回軸を設ける必要があるため、ステージが重くなるという問題点があった。しかしながら、本実施形態では長い冷媒ガスライン及び巻回軸は不要であり、よってステージ４０Ａの軽量化を図ることができる。

また、ステージ４０Ａは支柱３０以外に配設されるものはないため、ステージ４０Ａ内に冷媒ガス流路４２Ａを高い自由度を持って形成することができる。即ち、図２に示すようなステージ４０Ａ内に冷媒ガス流路４２Ａを直線的に形成する構成以外にも、図３に示すようにステージ４０Ａ内に冷媒ガス流路４２Ａを非直線形状で形成することも可能である。

図３（Ａ）に示す変形例では、ステージ４０Ａ内に冷媒ガス流路４２Ａをジグザグ状に配設したものである。また、図３（Ｂ）に示す変形例では、ステージ４０Ａ内に冷媒ガス流路４２Ａを螺旋状に配設したものである。

このように、ステージ４０Ａ内に冷媒ガス流路４２Ａを非直線形状で形成することにより、ステージ４０Ａの全体を均一に冷却することが可能になるため、被冷却物を斑なく均一に冷却することができる。また、冷媒ガス流路４２Ａを流れる冷媒ガスとステージ４０Ａとの接触面積は、直線状の冷媒ガス流路４２Ａに比べて広くなるため、冷媒ガスとステージ４０Ａとの間における熱交換効率をさらに高めることができる。

また、ステージ４０Ａ内に冷媒ガス流路４２Ａを非直線形状で形成することにより、ステージ４０Ａ内の空間部分が広くなる。このため、ステージ４０Ａの軽量化を図ることができる。

次に、図４及び図５を用いて、本発明の第２実施形態に係る極低温冷凍機について説明する。

なお、第２実施形態に係る極低温冷凍機は、ステージ４０Ｂの構造以外は第１実施形態に係る極低温冷凍機１０と同一構成である。このため、図４及び図５では第２実施形態に係る極低温冷凍機の構成の内、ステージ４０Ｂのみを図示し、他の構成の図示及び説明は省略するものとする。また、図４及び図５において、図１乃至図３に示した構成と対応する構成については同一符号を付し、その説明は省略する。

本実施形態に係る極低温冷凍機に設けられるステージ４０Ｂは、ステージ本体４１Ｂ内に形成される冷媒ガス流路４２Ｂ内に複数のフィン４３を設けた構成とされている。本実施形態ではフィン４３は断面矩形状の柱形状としており、図５に示すように格子状に配置した構成としている。

このように冷媒ガス流路４２Ｂ内に複数のフィン４３を設けることにより、冷媒ガス流路４２Ｂ内を流れる冷媒ガスとステージ４０Ｂ（ステージ本体４１Ｂ）との接触面積を増大させることができ、ステージ４０Ｂと冷媒ガスとの熱交換効率を高めることができる。よって、本実施形態に係る極低温冷凍機によれば、第１実施形態に係る極低温冷凍機１０に比べ、さらにステージ４０Ｂを効率的に冷却することができる。

また、フィン４３の先端部と冷媒ガス流路４２Ｂの上面４８との間には、図４に矢印ΔＨで示す間隙５０が形成されている。即ち、フィン４３の先端部と冷媒ガス流路４２Ｂは、離間した構成とされている。よって、被冷却物からの熱（以下、外部熱という）が被冷却物との接触面４９を介してフィン４３に熱伝導されても、この外部熱は間隙５０の存在により上面４８に熱伝導されることはない。

よって、本実施形態に係るステージ４０Ｂによれば、支柱３０を介して真空容器１及び真空容器１に収納された熱交換器２６，２７に外部熱が伝わることを防止できる。よって、冷媒ガスが外部熱により昇温してしまうことを抑制でき、これによっても極低温冷凍機の冷却効率を高めることができる。

なお、上記した実施形態ではＪＴ回路２０に予冷用の冷凍装置としてＧＭ冷凍機１１を組み合わせた極低温冷凍機について説明したが、予冷用の冷凍装置はこれに限定されるものではなく、スターリン冷凍機、パルス管冷凍機等の他の冷凍装置を用いることも可能である。さらに、冷却ステージの段数は限定されるものではなく、所望する冷却温度に応じて適宜選定することが可能である。

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。

１ 真空容器
１０ 極低温冷凍機
１１ ＧＭ冷凍機
１２ 冷凍機用圧縮機
１３ １段ステージ
１４ ２段ステージ
１５ １段シリンダ
１６ ２段シリンダ
２０ ＪＴ回路
２１ ＪＴ用圧縮機
２２ 高圧側冷媒ガスライン
２３ 低圧側冷媒ガスライン
２４ ＪＴ弁
２６ 第１熱交換器
２７ 第２熱交換器
２８ 第１の熱的結合
２９ 第２の熱的結合
３０ 支柱
３１ 支持プレート
３２ 支持アーム
４０Ａ，４０Ｂ ステージ
４１Ａ，４１Ｂ ステージ本体
４２Ａ，４２Ｂ 冷媒ガス流路
４３ フィン
４５ 流入ポート
４６ 流出ポート
４８ 上面
４９ 接触面
５０ 間隙

Claims (6)

1. 冷媒ガスを圧縮する圧縮機と、前記圧縮機から供給される高圧の冷媒ガスを断熱膨張させ寒冷を発生させる弁装置と、前記寒冷により冷却された冷媒ガスにより冷却されるステージと、前記圧縮機，前記弁装置，及び前記ステージを接続する冷媒ガスラインとを有する第１の冷凍装置と、
   前記冷媒ガスラインを流れる前記冷媒ガスを予冷する第２の冷凍装置とを有し、
   前記ステージの内部に前記冷媒ガスが流れる冷媒ガス流路を設け、該冷媒ガス流路を流れる冷媒ガスと前記ステージとの間で熱交換が行われる構成としたことを特徴とする極低温冷凍機。
2. 前記冷媒ガス流路にフィンを設けたことを特徴とする請求項１記載の極低温冷凍機。
3. 該フィンを格子状に配設したことを特徴とする請求項２記載の極低温冷凍機。
4. 前記フィンと前記冷媒ガス流路の内壁との間に間隙を形成したことを特徴とする請求項２又は３記載の極低温冷凍機。
5. 前記冷媒ガス流路を非直線形状としたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の極低温冷凍機。
6. 前記冷媒ガス流路を螺旋形状としたことを特徴とする請求項５記載の極低温冷凍機。

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