(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
循環ラインを流れる冷媒をジュール・トムソン圧縮機により圧送すると共に、ジュール・トムソン弁によって前記冷媒を冷却するジュール・トムソン冷却部と、前記ジュール・トムソン弁の前段で前記冷媒を予冷する予冷部と、を備えた冷凍機であって、
前記循環ラインは、前記ジュール・トムソン圧縮機の吐出側に接続されて前記冷媒を前記ジュール・トムソン弁に導く第１導管と、前記ジュール・トムソン弁の下流側に位置して極低温冷却部が設けられた第２導管と、前記第２導管の下流側に位置して前記ジュール・トムソン圧縮機の吸込み側に接続された吸込み管と、を有し、
前記ジュール・トムソン冷却部は、
前記吸込み管から分岐して、その分岐部よりも上流側において前記吸込み管に接続された戻り管と、
前記戻り管と前記吸込み管との間に設けられて、前記戻り管を前記吸込み管に接続するエゼクタと、を備え、
前記エゼクタの吸引部には、前記第２導管が接続されると共に、前記戻り管には、前記戻り管内の前記冷媒を前記エゼクタおよび前記吸込み管内に送出するエゼクタ用圧縮機が設けられていることを特徴とする冷凍機。
【請求項２】
前記ジュール・トムソン冷却部は、
前記第１導管および前記第２導管が通る熱交換器を有し、
前記エゼクタの吸引部には、前記熱交換器よりも下流側の前記第２導管が接続されていることを特徴とする請求項１記載の冷凍機。
【請求項３】
前記ジュール・トムソン冷却部は、
前記第１導管、前記戻り管、および前記吸込み管が通る熱交換器を有し、
前記エゼクタは、前記熱交換器と前記極低温冷却部との間に設けられていることを特徴とする請求項１記載の冷凍機。
【請求項４】
前記ジュール・トムソン圧縮機は、低圧用圧縮機と高圧用圧縮機とを有し、
前記エゼクタ用圧縮機は、前記低圧用圧縮機と同一であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の冷凍機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷凍機に関する。
【背景技術】
【０００２】
このような分野の技術として、下記特許文献１に記載された冷凍機がある。この冷凍機は、ギフォード・マクマホン冷凍機またはスターリング冷凍機からなる予冷機を備え、圧縮機から送られて予冷機内で冷却された冷媒の一部を導管によって導出し、その導管を、熱交換器およびジュール・トムソン弁を介して極低温発生部の一端に接続している。さらに、極低温発生部の他端に接続された導管を、上記熱交換器および予冷機の熱交換部を介して、圧縮機の吸込み管に設けたエゼクタに接続している。
【０００３】
この冷凍機では、予冷機内で冷却された冷媒の一部を導出してジュール・トムソン弁により冷却することで、約４Ｋの極低温状態を生じさせている。このような構成により、予冷機用の循環系統とジュール・トムソン用の冷凍機用の循環系統との２系統を設ける必要性をなくし、これらを統合して１系統とし、冷凍機としての構成を簡易にしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開昭６４−１４５６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記した従来の冷凍機では、圧縮機の吐出側の導管と吸込み管との間にエゼクタを設け、このエゼクタの吸引部に、上記極低温発生部の他端に接続された導管を接続している。ここで、圧縮機により送り出される冷媒の圧力や流量を調整することによって、冷凍機としての冷却能力が変更されるが、圧縮機の吐出側の導管にはエゼクタが接続されているため、冷却能力の変化と同時にエゼクタにおける吸引能力も変化する。エゼクタにおける吸引能力が変化すると、エゼクタの吸引部に接続された極低温発生部からの導管内の圧力が変化することとなり、その結果、極低温発生部における冷却温度にも影響を与えてしまう。
【０００６】
そのため、冷却温度を一定に保つために圧縮機を調整しようとしても、冷却能力と冷却温度とが同時に影響を受けてしまうこととなり、結局は冷却温度が不安定になってしまう。このように、従来の冷凍機では、冷却温度を一定に保つにあたり、冷媒の圧力や流量を好適に調整することは困難であった。
【０００７】
本発明は、冷却温度を一定に保つにあたり、冷媒の圧力や流量を好適に調整することができる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】
上記課題を解決した本発明の冷凍機は、循環ラインを流れる冷媒をジュール・トムソン圧縮機により圧送すると共に、ジュール・トムソン弁によって冷媒を冷却するジュール・トムソン冷却部と、ジュール・トムソン弁の前段で冷媒を予冷する予冷部と、を備えた冷凍機であって、循環ラインは、ジュール・トムソン圧縮機の吐出側に接続されて冷媒をジュール・トムソン弁に導く第１導管と、ジュール・トムソン弁の下流側に位置して極低温冷却部が設けられた第２導管と、第２導管の下流側に位置してジュール・トムソン圧縮機の吸込み側に接続された吸込み管と、を有し、ジュール・トムソン冷却部は、吸込み管から分岐して、その分岐部よりも上流側において吸込み管に接続された戻り管と、戻り管と吸込み管との間に設けられて、戻り管を吸込み管に接続するエゼクタと、を備え、エゼクタの吸引部には、第２導管が接続されると共に、戻り管には、戻り管内の冷媒をエゼクタおよび吸込み管内に送出するエゼクタ用圧縮機が設けられていることを特徴とする。
【０００９】
この冷凍機によれば、ジュール・トムソン圧縮機によって第１導管内に送出された冷媒は、予冷部によって冷却され、さらにジュール・トムソン弁で断熱自由膨張して気液混合状態となり、例えば５Ｋ以下の極低温に冷却される。そして、冷媒は、極低温冷却部で冷却負荷を吸収して気化され、第２導管を通り、吸込み管を介してジュール・トムソン圧縮機へと戻る。ここで、ジュール・トムソン圧縮機の吸込み管から戻り管が分岐しており、この戻り管は、分岐部よりも上流側において、エゼクタを介して吸込み管に接続されている。さらに、エゼクタの吸引部には、極低温冷却部からの第２導管が接続されると共に、戻り管には、戻り管内の冷媒をエゼクタおよび吸込み管内に送出するエゼクタ用圧縮機が設けられている。よって、ジュール・トムソン弁を通る冷媒の圧力および流量をジュール・トムソン圧縮機によって調整する一方で、これとは独立して、エゼクタを通る戻り管内の冷媒の圧力および流量をエゼクタ用圧縮機によって調整することができる。これにより、冷却能力および冷却温度の双方を自在に調整可能となる。したがって、冷却温度を一定に保つにあたり、冷媒の圧力や流量を好適に調整することができ、冷凍機としての信頼性を向上させることができる。さらには、エゼクタ用圧縮機を適宜運転することにより、第２導管内の圧力を大気圧以下に低下させることができるため、４Ｋ未満の冷却温度を実現することもできる。
【００１０】
また、上記冷凍機において、ジュール・トムソン冷却部は、第１導管および第２導管が通る熱交換器を有し、エゼクタの吸引部には、熱交換器よりも下流側の第２導管が接続されている。通常、ジュール・トムソン弁、極低温冷却部、および熱交換器は低温の真空容器内に収納されるが、この場合、エゼクタを真空容器の外、すなわち室温環境に設置することができる。よって、エゼクタ用圧縮機における圧力および流量の制御が一層容易になる。
【００１１】
また、上記冷凍機において、ジュール・トムソン冷却部は、第１導管、戻り管、および吸込み管が通る熱交換器を有し、エゼクタは、熱交換器と極低温冷却部との間に設けられている。この場合、熱交換器はエゼクタの吐出側に位置することとなるため、エゼクタの吸引部に接続された第２導管における圧力損失を低減することができる。その結果として、極低温冷却部の温度をより一層低下させることができる。言い換えれば、極低温冷却部をある一定の温度に調整するにあたり、エゼクタ用圧縮機の出力を低減することができる。
【００１２】
また、上記冷凍機において、ジュール・トムソン圧縮機は、低圧用圧縮機と高圧用圧縮機とを有し、エゼクタ用圧縮機は、低圧用圧縮機と同一である。通常、低圧用圧縮機としては汎用機が用いられる。上記構成によれば、エゼクタ用圧縮機として特殊な圧縮機を用意する必要がなく、汎用機で足りるため、コストの低減を図ることができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、冷却温度を一定に保つにあたり、冷媒の圧力や流量を好適に調整することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】冷凍機の一実施形態の概略構成を示すブロック図である。
【図２】冷凍機の他の実施形態の概略構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、図面の説明において同一要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
【００１６】
図１に示されるように、本実施形態の冷凍機１は、５Ｋ以下の冷却温度を実現することのできる小型冷凍機である。冷凍機１は、例えば赤外線検出器などを冷却するものである。冷凍機１は、ギフォード・マクマホン冷凍機からなる予冷機（予冷部）２と、予冷機２によって予冷されるジュール・トムソン冷凍機（ジュール・トムソン冷却部）３と、を備えている。
【００１７】
予冷機２は、ヘリウムを冷媒として用い、膨張器４内でサイモン膨張を行わせることにより低温を発生させるものである。予冷機２は、循環ラインＬ７内の冷媒を圧送する予冷機圧縮機６と、膨張器４と、ジュール・トムソン冷凍機３の第１予冷部Ｌ２ａとの熱交換を行う第１段冷却部９と、第２予冷部Ｌ２ｂとの熱交換を行う第２段冷却部１０と、を備えている。第１段冷却部９および第２段冷却部１０は、真空容器８内に収容されている。第２段冷却部１０は、第２予冷部Ｌ２ｂ内の冷媒を例えば１５Ｋ以下にまで冷却する機能を有する。
【００１８】
ジュール・トムソン冷凍機３は、ヘリウムを冷媒として用い、上記予冷機２により予冷された後ジュール・トムソン弁１４におけるヘリウムの断熱自由膨張により、冷却ステージ（極低温冷却部）１６で５Ｋ以下の極低温を発生させるものである。本実施形態のジュール・トムソン冷凍機３では、５Ｋ以下の所望の冷却温度を安定して得ることができるようになっている。
【００１９】
ジュール・トムソン冷凍機３は、循環ラインＬ１を流れる冷媒を圧送するジュール・トムソン圧縮機１１と、ジュール・トムソン弁１４と、冷却ステージ１６と、ジュール・トムソン弁１４の上流側および下流側を流れる冷媒同士で熱交換を行うための熱交換器１７と、を備えている。ジュール・トムソン弁１４、冷却ステージ１６、および熱交換器１７は、真空容器８内に収容されている。
【００２０】
ここで、ジュール・トムソン冷凍機３の循環ラインＬ１は、ジュール・トムソン圧縮機１１の吐出側に接続されて冷媒をジュール・トムソン弁１４に導く第１導管Ｌ２と、第１導管Ｌ２の下流側に位置すると共に冷却ステージ１６が設けられた第２導管Ｌ３と、第２導管Ｌ３の下流側に位置すると共にジュール・トムソン圧縮機１１の吸込み側に接続された吸込み管Ｌ４と、を有して構成される。ジュール・トムソン圧縮機１１およびその周辺の配管（吸込み管Ｌ４等）は、真空容器８外で室温環境下に設置されている。
【００２１】
ジュール・トムソン圧縮機１１は、２段構成とされており、ほぼ大気圧に等しい圧力を有する吸込み管Ｌ４内の冷媒を圧縮して昇圧させる低圧用圧縮機１２と、低圧用圧縮機１２により昇圧された冷媒をさらに圧縮して昇圧させ、第１導管Ｌ２内へと圧送する高圧用圧縮機１３と、を有している。冷媒は、低圧用圧縮機１２によって、例えば５気圧に昇圧され、高圧用圧縮機１３によって、例えば２０気圧に昇圧される。ジュール・トムソン圧縮機１１によって圧送される冷媒の圧力および流量は、冷凍機１において求められる冷却能力などによって適宜設定される。高圧用圧縮機１３の吐出側には、フィルタ１５が設けられている。
【００２２】
熱交換器１７は、３段構成とされており、室温の冷媒を冷却するための第１熱交換器１７ａと、第１熱交換器１７ａおよび第１予冷部Ｌ２ａにおいて冷却された冷媒をさらに冷却する第２熱交換器１７ｂと、第２熱交換器１７ｂおよび第２予冷部Ｌ２ｂにおいて冷却された冷媒をさらに冷却する第３熱交換器１７ｃと、を有している。熱交換器１７ａ〜１７ｃには、第１導管Ｌ２および第２導管Ｌ３が通っている。
【００２３】
ジュール・トムソン弁１４は、第３熱交換器１７ｃの直後に設けられている。冷却ステージ１６は、ジュール・トムソン弁１４の直後に設けられている。冷媒は、ジュール・トムソン弁１４内で断熱自由膨張してミスト状の気液混合状態となり、さらに、冷却ステージ１６で冷却負荷を吸収して気化される。ジュール・トムソン弁１４で冷却される冷媒の温度は、ジュール・トムソン弁１４の出口における飽和蒸気圧によって決まる。すなわち、第２導管Ｌ３内の圧力は、冷凍機１における冷却ステージ１６の冷却温度に影響を及ぼす。
【００２４】
ここで、本実施形態の冷凍機１にあっては、ジュール・トムソン冷凍機３には、吸込み管Ｌ４から分岐部２０で分岐して、分岐部２０よりも上流側において吸込み管Ｌ４に接続された戻り管Ｌ５が設けられている。そして、戻り管Ｌ５と吸込み管Ｌ４との間には、エゼクタ１８が設けられ、このエゼクタ１８を介して、戻り管Ｌ５と吸込み管Ｌ４とが接続されている。より具体的には、戻り管Ｌ５の先端はエゼクタ１８のノズル入口部１８ａに接続されると共に、吸込み管Ｌ４の基端はディフューザ出口部１８ｂに接続されている。エゼクタ１８は、真空容器８外で室温環境下に設置されている。
【００２５】
さらに、エゼクタ１８の吸引部１８ｃには、第１熱交換器１７ａの下流側の第２導管Ｌ３が接続されている。言い換えれば、エゼクタ１８は、駆動流体となる冷媒を戻り管Ｌ５から吸込み、吸込み管Ｌ４へ吐出すると共に、吸入流体となる冷媒を第２導管Ｌ３から吸引する。
【００２６】
戻り管Ｌ５には、戻り管Ｌ５内の冷媒をエゼクタ１８および吸込み管Ｌ４内に圧送するエゼクタ用圧縮機１９が設けられている。このエゼクタ用圧縮機１９は、ジュール・トムソン圧縮機１１の低圧用圧縮機１２と同一のものである。圧縮機１９，１２は、吸込み側の圧力が大気圧（１気圧）程度で設計された汎用機である。
【００２７】
以上説明した冷凍機１では、ジュール・トムソン圧縮機１２，１３によって第１導管Ｌ２内に送出された冷媒は、予冷機２によって冷却されつつ熱交換器１７で冷却された後、ジュール・トムソン弁１４で断熱自由膨張して気液混合状態となり、例えば５Ｋ以下の極低温に冷却される。そして、冷媒は、冷却ステージ１６で冷却負荷を吸収して気化され、第２導管Ｌ３を通り、吸込み管Ｌ４を介して低圧用圧縮機１２へと戻る。ここで、戻り管Ｌ５、エゼクタ１８、およびエゼクタ用圧縮機１９が設けられているため、ジュール・トムソン弁１４を通る冷媒の圧力および流量がジュール・トムソン圧縮機１２，１３によって調整される一方で、これとは独立して、エゼクタ１８を通る戻り管Ｌ５内の冷媒の圧力および流量がエゼクタ用圧縮機１９によって調整される。これにより、冷却能力および冷却温度の双方が自在に調整可能になっている。したがって、冷却温度を一定に保つにあたり、冷媒の圧力や流量を好適に調整することができ、冷凍機としての信頼性が向上されている。さらには、エゼクタ用圧縮機１９を適宜運転することにより、第２導管Ｌ３内の圧力を大気圧以下に低下させることができるため、４Ｋ未満の冷却温度を実現することもできる。この場合であっても、吸込み管Ｌ４内の圧力は大気圧程度に保つことができるので、低圧用圧縮機１２として特殊な圧縮機を用いる必要がない。さらにまた、独立したエゼクタ用圧縮機１９の設置により、例えば環境温度が変動した場合であっても、冷却温度を一定に保つことができる。
【００２８】
従来の技術では、このように圧縮機の吸込み圧力を下げようとすると、圧縮機のストロークを長くしなければならず、圧縮機内のピストンを限りなく壁部まで近づけてピストンを動かす必要があった。そして、仮にピストンが壁に衝突した場合、真空引きの精度が低下または破壊する虞があった。冷凍機１によれば、そのような虞がなく、汎用機を用いながらも信頼性の高い冷凍機を実現することができる。
【００２９】
また、戻り管Ｌ５、エゼクタ１８、およびエゼクタ用圧縮機１９を設けずに、第１導管Ｌ２の途中を分岐してエゼクタ１８のノズル入口部１８ａに接続する構成も考えられるが、その場合には、圧縮機１２，１３で冷却およびエゼクタの２系統の制御を行うこととなり、やはり好適な制御は難しい。冷凍機１によれば、前述のとおり冷媒の圧力や流量を好適に調整することができる。
【００３０】
また、冷凍機１において、エゼクタ１８の吸引部１８ｃには、第１熱交換器１７ａよりも下流側の第２導管Ｌ３が接続されているため、エゼクタ１８を室温環境に設置することができ、エゼクタ用圧縮機１９における圧力および流量の制御が一層容易とされている。
【００３１】
また、エゼクタ用圧縮機１９は、低圧用圧縮機１２と同一であるため、エゼクタ１８として特殊な圧縮機を用意する必要がなく、汎用機で足り、コストの低減が図られている。
【００３２】
図２は、冷凍機の他の実施形態の概略構成を示すブロック図である。図２に示す冷凍機１Ａが図１に示した冷凍機１と違う点は、エゼクタ１８Ａが真空容器８内であって冷却ステージ１６の直後に設けられると共に、吸込み管Ｌ４の一部および戻り管Ｌ５の一部が真空容器８内に設けられた点と、熱交換器１７ａ〜１７ｃに代えて、第１導管Ｌ２、戻り管Ｌ５、および吸込み管Ｌ４が通る熱交換器２１ａ〜２１ｃが設けられた点と、第１熱交換器２１ａを通過した直後の戻り管Ｌ５が第１段冷却部９と接して熱交換を行う点と、第２熱交換器２１ｂを通過した直後の戻り管Ｌ５が第２段冷却部１０と接して熱交換を行う点と、である。すなわち、エゼクタ１８は、第３熱交換器２１ｃと冷却ステージ１６との間に設けられ、戻り管Ｌ５内を流れる冷媒は熱交換器１７と第１段冷却部と第２段冷却部とで冷却された上でエゼクタ１８のノズル入口部１８ａへ送られる。
【００３３】
このような冷凍機１Ａによれば、熱交換器２１はエゼクタ１８の吐出側に位置することとなるため、エゼクタ１８の吸引部１８ｃに接続された第２導管Ｌ３における圧力損失が低減される。その結果として、冷却ステージ１６の温度をより一層低下させることができる。言い換えれば、冷却ステージ１６をある一定の温度に調整するにあたり、エゼクタ用圧縮機１９の出力を低減することができる。また、エゼクタ１８の吸引部１８ｃに接続された第２導管Ｌ３における圧力損失が低減されるため、冷媒としてヘリウムを用いる場合に飽和蒸気圧が低い４Ｈｅを用いることができ、コストを低減しつつ安定して冷却を行うことができる。冷媒としてヘリウムを用いる場合には、３Ｈｅ又は４Ｈｅを用いることが考えられる。３Ｈｅはその飽和蒸気圧が４Ｈｅに比べ高いため第２導管Ｌ３における圧力損失の影響が小さいが、４Ｈｅに比べ高価であり入手が難しい。逆に、４Ｈｅはその飽和蒸気圧が３Ｈｅに比べ低いため第２導管Ｌ３における圧力損失の影響が大きいが、３Ｈｅに比べ安価であり入手が容易である。本実施形態のように、エゼクタ１８を冷却ステージの直後に配置し、熱交換器２１をエゼクタ１８の吐出側に配置することで、第２導管Ｌ３における圧力損失が低減されるので、圧力損失の影響が大きい４Ｈｅを用いてコストを低減しつつ、安定して冷却を行うことができる。
【００３４】
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限られるものではない。例えば、上記実施形態では予冷機２およびジュール・トムソン冷凍機３の２系統からなる冷凍機１について説明したが、上記特許文献１に記載の１系統に統合された冷凍機に適用することも可能である。また、上記実施形態では予冷機２としてギフォード・マクマホン冷凍機を用いる場合について説明したが、これに限られず、予冷部には、例えばギフォード・マクマホン型パルス管冷凍機、スターリング冷凍機、スターリング型パルス管冷凍機、ジュール・トムソン回路部など各種の冷凍機を適用することができる。
【００３５】
ジュール・トムソン圧縮機は２段構成に限られない。熱交換器１７，２１は３段構成に限られない。
【符号の説明】
【００３６】
１，１Ａ…冷凍機、２…予冷機（予冷部）、３…ジュール・トムソン冷凍機（ジュール・トムソン冷却部）、１１…ジュール・トムソン圧縮機、１２…低圧用圧縮機、１３…高圧用圧縮機、１４…ジュール・トムソン弁、１６…冷却ステージ（極低温冷却部）、１７，２１…熱交換器、１８，１８Ａ…エゼクタ、１８ｃ…吸引部、１９…エゼクタ用圧縮機、２０…分岐部。
【図１】
0005829201.tif 000002
【図２】
0005829201.tif 000003