(57)【要約】【課題】従来、冷凍サイクルによる温度振動を抑制する技術で温度振動の中での温度の最小値が生かせていなかった。【解決手段】コールドヘッド２下端の第１冷却ステージ６に、熱伝導体からなる冷媒凝縮部１１、断熱材からなる筒１２、熱伝導体からなる冷媒蒸発部１３から構成された凝縮器１５を接続配置し、凝縮器１５内部の気密室１４にコールドヘッド２による第１冷却ステージ６の温度振動の振幅範囲内に沸点が含まれる圧力の冷媒を封入する。第１冷却ステージ６の温度振動における低温時には冷媒が冷媒凝縮部１１で液化して冷媒蒸発部１３へ落下し、第２冷却ステージ７を冷却する。冷凍サイクルにおける高温時は冷媒が液化せず、第１冷却ステージ６と第２冷却ステージ７は熱的に切り離される。【選択図】図１
2008224062.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空容器と、
ディスプレーサー駆動部、蓄冷部を有し、蓄冷式冷凍サイクルによって寒冷を発生させるコールドヘッドと、
前記真空容器内に配置され前記コールドヘッドで発生した寒冷によって冷却される第１冷却ステージと、
この第１冷却ステージ下部に連結して配置された凝縮器と、
この凝縮器の下部に連結して配置された第２冷却ステージとを具備し、
前記凝縮器は前記第１冷却ステージと熱交換を行うように前記第１冷却ステージの下部に連結して配置され熱伝導率の高い材料で構成された冷媒凝縮部、この冷媒凝縮部下部に接続され熱伝導率の低い材料で構成された上下両端が開口する筒、この筒の下端に接続された冷媒蒸発部を有し、前記筒、前記冷媒凝縮部、前記冷媒蒸発部によって形成される気密室に冷媒が封入されており、
前記気密室に封入された前記冷媒の圧力は、冷媒の沸点が前記コールドヘッドにより発生する前記第１冷却ステージの温度振動の振幅範囲内となるような圧力であることを特徴とする蓄冷式冷凍機。
【請求項２】
前記冷媒凝縮部の前記冷媒と接触する面には、非貫通穴、フィン、多孔質部材のうち少なくともいずれか一つが設けられていることを特徴とする請求項１に記載の蓄冷式冷凍機。
【請求項３】
前記冷媒凝縮部は前記冷媒と接触する面に円柱形状をなす非貫通穴が設けられており、この非貫通穴の直径ｄが、
重力加速度をｇ、前記冷媒のガス状態下における密度をρｇ、前記冷媒の液状下における密度をρｌ、及び前記冷媒の表面張力をσとし、ラプラス定数Ｌを
Ｌ＝［σ／｛（ρｌ−ρｇ）・ｇ｝］０．５
としたとき、
Ｌ＜ｄ＜３Ｌ
を満たす範囲であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の蓄冷式冷凍機。
【請求項４】
前記冷媒凝縮部下面には、前記非貫通穴と前記気密室を連通する貫通穴を有する断熱部材が設けられていることを特徴とする請求項３に記載の蓄冷式冷凍機。
【請求項５】
前記冷媒蒸発部には、前記冷媒と接触する面に非貫通穴、フィン、多孔質部材のうち少なくともいずれか一つが設けられていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のうち何れか１項に記載の蓄冷式冷凍機。
【請求項６】
前記第１冷却ステージと前記冷媒凝縮部を一体化構造としたことを特徴とする請求項１乃至請求項５のうち何れか１項に記載の蓄冷式冷凍機。
【請求項７】
前記第２冷却ステージと前記冷媒蒸発部が一体化構造としたことを特徴とする請求項１乃至請求項６のうち何れか１項に記載の蓄冷式冷凍機。
【請求項８】
前記気密室内の冷媒の圧力を制御する冷媒圧力制御手段を備えることを特徴とする請求項１乃至請求項７の何れか１項に記載の蓄冷式冷凍機。
【請求項９】
前記冷媒圧力制御手段がベローズ状の容積可変容器であることを特徴とする請求項８または請求項９に記載の蓄冷式冷凍機。
【請求項１０】
断熱材からなり両端が開口した筒と、
熱伝導体からなり前記筒の一端の開口部を閉塞するよう設けられ、蓄冷式冷凍機によって寒冷を発生させるコールドヘッドと熱交換を行う冷媒凝縮部と、
熱伝導体からなり前記筒の他端の開口部を閉塞するよう設けられ、接続される被冷却物と熱交換を行う冷媒蒸発部とを有し、
前記筒、前記冷媒凝縮部、前記冷媒蒸発部によって気密室を形成し、この気密室には圧力制御手段によって圧力が変動する冷媒を収容しうることを特徴とする凝縮器。
【請求項１１】
真空容器と、
ディスプレーサー駆動部、蓄冷部を有し、蓄冷式冷凍サイクルによって寒冷を発生させるコールドヘッドと、
前記真空容器内に配置され前記コールドヘッドで発生した寒冷によって冷却される第１冷却ステージと、
この第１冷却ステージと熱交換を行うように前記第１冷却ステージの下部に連結して配置され熱伝導率の高い材料で構成された冷媒凝縮部、この冷媒凝縮部下部に接続され熱伝導率の低い材料で構成された上下両端が開口する筒、この筒の下端に接続された冷媒蒸発部を有し、前記筒、前記冷媒凝縮部、前記冷媒蒸発部によって形成される気密室に冷媒が封入されている凝縮器と、
この凝縮器の下部に連結されて配置した第２冷却ステージとを具備し、
前記気密室に封入された前記冷媒の圧力は、前記冷媒の沸点が前記コールドヘッドにより発生する前記第１冷却ステージの温度振動の振幅範囲内となるような圧力である蓄冷式冷凍機を用いた蓄冷式冷凍方法であって、
前記コールドヘッドの蓄冷式冷凍サイクルによって寒冷を発生させて前記凝縮器の前記冷媒凝縮部を冷却し、前記気密室内で前記冷媒凝縮部との熱交換によって液化した前記冷媒を前記冷媒蒸発部へ落下させ、前記冷媒蒸発部を介して液化した前記冷媒と前記第２冷却ステージを熱交換させることを特徴とする蓄冷式冷凍方法。 
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蓄冷式冷凍によって寒冷を発生させる蓄冷式冷凍機、この蓄冷式冷凍機に用いる凝縮器、および蓄冷式冷凍方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
蓄冷式冷凍機においては冷媒の圧縮膨張サイクルに起因する温度振動が起こる。特に超伝導磁石等の冷却に用いられる４Ｋレベルの極低温まで冷却可能な磁性蓄冷材を用いた冷凍機の場合、部材の比熱が冷媒に対し小さくなるため、温度振動の振幅が大きくなる。冷凍機としては、温度振動の平均値を冷却温度としているため、冷媒膨張時の冷却温度（温度振動の中での温度の最小値）を有効に生かすことができない。
【０００３】
また、被冷却体によっては冷却温度を一定に保つ必要があるために冷凍サイクルによる温度振動を何らかの方法で抑える必要があった。冷凍サイクルによる温度振動を抑制するための装置として、例えば特許文献１に開示された装置がある。この特許文献１に開示された装置は、蓄冷式冷凍機の蓄冷部下端に設けた冷却ステージ下部に、内部にヘリウムを収納したＨｅポットを取り付け、Ｈｅポットを介して冷却ステージと被冷却物の熱交換を行う。温度振動におけるヘリウム膨張時即ち低温時にはＨｅポット内のヘリウムが液化し、これによって温度の変動振幅を吸収し、被冷却物の温度振動を抑制している。
【特許文献１】特開平０７−１４６０２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述した従来の蓄冷式冷凍機は、温度振動における低温側の振幅も吸収してしまうため、温度が最小となる冷媒膨張時の冷却温度が生かせるものとはなっていなかった。換言すれば圧縮時の温度上昇時に被冷却体と熱的に切り離すことが可能となれば、冷媒膨張時の冷却温度を生かすことができる。
【０００５】
従って、本発明は温度振動を抑制するとともに、従来よりもさらに冷却温度を低下させることのできる蓄冷式冷凍機、この蓄冷式冷凍機に用いる凝縮器、および蓄冷式冷凍方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため、本発明による蓄冷式冷凍機は、真空容器と、ディスプレーサー駆動部、蓄冷部を有し、蓄冷式冷凍サイクルによって寒冷を発生させるコールドヘッドと、前記真空容器内に配置され前記コールドヘッドで発生した寒冷によって冷却される第１冷却ステージと、この第１冷却ステージ下部に連結して配置された凝縮器と、この凝縮器の下部に連結して配置された第２冷却ステージとを具備し、前記凝縮器は前記第１冷却ステージと熱交換を行うように前記第１冷却ステージの下部に連結して配置され熱伝導率の高い材料で構成された冷媒凝縮部、この冷媒凝縮部下部に接続され熱伝導率の低い材料で構成された上下両端が開口する筒、この筒の下端に接続された冷媒蒸発部を有し、前記筒、前記冷媒凝縮部、前記冷媒蒸発部によって形成される気密室に冷媒が封入されており、前記気密室に封入された前記冷媒の圧力は、冷媒の沸点が前記コールドヘッドにより発生する前記第１冷却ステージの温度振動の振幅範囲内となるような圧力であることを特徴とする。
【０００７】
また、本発明による凝縮器は、断熱材からなり両端が開口した筒と、熱伝導体からなり前記筒の一端の開口部を閉塞するよう設けられ、蓄冷式冷凍機によって寒冷を発生させるコールドヘッドと熱交換を行う冷媒凝縮部と、熱伝導体からなり前記筒の他端の開口部を閉塞するよう設けられ、接続される被冷却物と熱交換を行う冷媒蒸発部とを有し、前記筒、前記冷媒凝縮部、前記冷媒蒸発部によって気密室を形成し、この気密室には圧力制御手段によって圧力が変動する冷媒を収容しうることを特徴とする。
【０００８】
また、本発明による蓄冷式冷凍方法は、真空容器と、ディスプレーサー駆動部、蓄冷部を有し、蓄冷式冷凍サイクルによって寒冷を発生させるコールドヘッドと、前記真空容器内に配置され前記コールドヘッドで発生した寒冷によって冷却される第１冷却ステージと、この第１冷却ステージと熱交換を行うように前記第１冷却ステージの下部に連結して配置され熱伝導率の高い材料で構成された冷媒凝縮部、この冷媒凝縮部下部に接続され熱伝導率の低い材料で構成された上下両端が開口する筒、この筒の下端に接続された冷媒蒸発部を有し、前記筒、前記冷媒凝縮部、前記冷媒蒸発部によって形成される気密室に冷媒が封入されている凝縮器と、この凝縮器の下部に連結されて配置した第２冷却ステージとを具備し、前記気密室に封入された前記冷媒の圧力は、前記冷媒の沸点が前記コールドヘッドにより発生する前記第１冷却ステージの温度振動の振幅範囲内となるような圧力である蓄冷式冷凍機を用いた蓄冷式冷凍方法であって、前記コールドヘッドの蓄冷式冷凍サイクルによって寒冷を発生させて前記凝縮器の前記冷媒凝縮部を冷却し、前記気密室内で前記冷媒凝縮部との熱交換によって液化した前記冷媒を前記冷媒蒸発部へ落下させ、前記冷媒蒸発部を介して液化した前記冷媒と前記第２冷却ステージを熱交換させることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の蓄冷式冷凍機によれば、冷媒の圧縮膨張サイクルに起因する温度振動を抑制するとともに、被冷却物の冷却温度を従来よりも低下させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。
【実施例１】
【００１１】
図１は本実施例による蓄冷式冷凍機の概略を示す断面図である。
【００１２】
真空容器１にコンプレッサー８と接続されたコールドヘッド２が設けられている。コールドヘッド２はディスプレーサー駆動部３、第１蓄冷部４、第２蓄冷部５を有し、蓄冷式冷凍によって寒冷を発生させる冷凍機である。コールドヘッド２に用いる冷凍機としてギフォードマクマホンサイクルを利用した冷凍機（ＧＭ冷凍機）、パルスチューブ冷凍機、スターリング冷凍機等が挙げられる。本実施例においてはＧＭ冷凍機を用いたものとして以下説明する。第１蓄冷部４と第２蓄冷部５は真空容器１の内側に配置されており、第２蓄冷部５の下部には第１冷却ステージ６が設けられている。
【００１３】
第１冷却ステージ６下部には冷媒凝縮部１１、筒１２、冷媒蒸発部１３からなる凝縮器１５が配置されている。冷媒凝縮部１１、冷媒蒸発部１３は銅など熱伝導率の高い材料で、又、筒１２は薄肉のステンレスなどの冷媒凝縮部１１、冷媒蒸発部１３よりも熱伝導率の低い材料で構成されている。また、冷媒凝縮部１１、筒１２、冷媒蒸発部１３は気密室１４を形成し、気密室１４内にはヘリウムなどの冷媒が封入されている。冷媒の圧力は、コールドヘッド２によって発生する冷却ステージ６の温度振動の範囲内に冷媒の沸点が含まれるような圧力となっている。
【００１４】
凝縮器１５の下部には第２冷却ステージ７が配置されており、この第２冷却ステージ７には図示しない被冷却物が接続配置される。
【００１５】
以下、本実施例による蓄冷式冷凍機の作用について説明する。
【００１６】
コールドヘッド２は蓄冷式冷凍サイクルを用いて寒冷を発生し、第１冷却ステージ６を冷却する。第１冷却ステージ６は凝縮器１５を介して第２冷却ステージ７と熱交換を行う。
【００１７】
以下、凝縮器１５を介した第１冷却ステージ６と第２冷却ステージ７の熱交換のメカニズムについて説明する。
【００１８】
第１冷却ステージ６が温度振動中において冷媒の沸点よりも低い温度となるとき、冷媒は冷媒凝縮部１１を介した第１冷却ステージ６との熱交換によって液化し、筒１２内を通して冷媒蒸発部１３に落下する。落下した液化冷媒は冷媒蒸発部１３を介して第２冷却ステージ７を冷却して蒸発する。
【００１９】
一方、第１冷却ステージ６が温度振動中において冷媒の沸点よりも高い温度となるとき、冷媒は冷媒凝縮部１１を介した第１冷却ステージ６との熱交換によって液化しない。そのため、第１冷却ステージ６と第２冷却ステージ７への熱侵入は気密室１４内に封入された冷媒のガス相および筒１２を介したものとなり、第１冷却ステージ６から第２冷却ステージ７への熱侵入量は非常に小さいものとなる。
【００２０】
即ち、第２冷却ステージ７で冷却される被冷却体７は、冷媒凝縮部１１の温度とは熱的に切り離された状態となる。
【００２１】
したがって、第２冷却ステージ７の温度振幅は、第１冷却ステージ６の温度振幅中のうち気密室１４内の冷媒の沸点以下の範囲となる。これによって被冷却物の温度振動を抑制すると共に冷却温度を従来よりも低下させることができる。
【００２２】
尚、本実施例においてはコールドヘッド２が２段の蓄冷部を有する冷凍機ものとして説明したが、コールドヘッド２が有する蓄冷部段数を、１段もしくは３段以上である冷凍機に適用した場合であっても、本実施例による効果は同様に得られるものである。
【００２３】
本実施例によれば、蓄冷式冷凍機における圧縮膨張サイクルに起因する温度振動を抑制するとともに、被冷却物の冷却温度を従来よりも低下させることができる。
【実施例２】
【００２４】
図２、図３、図４はそれぞれ本発明の異なる実施例による蓄冷式冷凍機の凝縮器１５の概略を示す断面図である。
【００２５】
図２（ａ）に示す凝縮器１５は冷媒凝縮部１１底面に非貫通穴２１が、また、図２（ｂ）に示す凝縮器１５では冷媒蒸発部１３上面に非貫通穴２１がそれぞれ設けられている。
【００２６】
図３（ａ）に示す凝縮器１５は冷媒凝縮部１１底面にフィン２２を、また、図３（ｂ）に示す凝縮器１５は冷媒蒸発部１３上面にフィン２２をそれぞれ設けている。
【００２７】
図４（ａ）に示す凝縮器１５は冷媒凝縮部１１の下部に多孔質部材２３が、また、図４（ｂ）に示す凝縮器１５においては、冷媒蒸発部１３上部に多孔質部材２３が設けられている。
【００２８】
これらの凝縮器１５は、冷媒凝縮部１１もしくは／及び冷媒蒸発部１２に非貫通穴２１、フィン２２、或いは多孔質部材２３等の接触面積増加手段を設けることによって気密室１４内の冷媒と接触する面積を増やし、熱交換を促進することができる構造となっている。冷媒凝縮部１１と冷媒蒸発部１３の双方に、非貫通穴２１、フィン２２、或いは多孔質部材２３を設けるようにしてもよい。また、冷媒凝縮部１１には非貫通穴２１を、冷媒蒸発部１３には多孔質部材２３を設けるなど、冷媒凝縮部１１と冷媒蒸発部１３それぞれに設ける接触面積増加手段の構成が互いに異なっていてもよい。
【００２９】
また、図２（ａ）に示す凝縮器１５の凝縮部１１に設けられた非貫通穴２１に関して、非貫通穴２１が円柱形状であり、この円柱形状の直径をｄ、重力加速度をｇ、冷媒のその温度でのガス状態下における密度をρｇ、冷媒のその温度での液状下における密度をρｌ、及び冷媒の表面張力をσとし、ラプラス定数Ｌを
Ｌ＝［σ／｛（ρｌ−ρｇ）・ｇ｝］０．５
としたとき、円柱形状の非貫通穴２１の直径ｄが、
Ｌ＜ｄ＜３Ｌ
の条件を満たしていると、非貫通穴２１内が液化した冷媒で満たされた後に、温度振動によって冷媒凝縮部１１の温度が冷媒の沸点より高くなると、その温度上昇が最初に伝わる第２蓄冷部５側、すなわち非貫通穴２１の閉塞端側から気化されて体積増加することで非貫通穴２１内に満たされた液化冷媒を開放端側に押し出す駆動力となり、液滴の落下を促進させることができる。
【００３０】
尚、ラプラス定数Ｌは、液体の中で熱負荷によって伝熱面から離脱する気泡の直径であり、各種のガスにおいて上述の式により定式化されている。
【００３１】
非貫通穴２１の直径ｄが、ｄ＜Ｌである場合は、非貫通穴２１内において冷媒の気泡と非貫通穴２１内壁との間に冷媒の液体が存在せず、冷媒の表面張力による抵抗が発生して非貫通穴２１内の冷媒の液体を駆動する力が急減する。
【００３２】
また、３Ｌ＜ｄである場合は、冷媒の液体の量に対して気泡の駆動力により駆動される液体の量の割合が小さくなり、液体の駆動力が急減する。
【００３３】
次に本発明の他の実施例による凝縮器１５の概略を示す断面図を図５に示す。図５の凝縮器１５は冷媒凝縮部１１にＬ＜ｄ＜３Ｌを満たす非貫通穴２１が設けられており、冷媒凝縮部１１には非貫通穴２１の中間部から開放端側にかけて熱伝導率の低い部材である断熱部材２４を配置している。非貫通穴２１の開放端側に断熱部材２４を配置することにより、非貫通穴２１において冷媒の気化を非貫通穴２１の閉塞端側においてのみ起こさせるようにすることができる。これによって、非貫通穴２１で液化した冷媒の落下をさらに促進させることができる。
【実施例３】
【００３４】
図６は本発明の更に他の実施例による蓄冷式冷凍機の概略を示す断面図である。本実施例においては第１冷却ステージと冷媒凝縮部を一体化した第１冷却ステージ６Ａ、また第２冷却ステージと冷媒蒸発部をそれぞれ一体化して第２冷却ステージ７Ａとして構成した構造となっている。なお、実施例１と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００３５】
このような一体化構造とすることにより、第１冷却ステージと凝縮器１５を接着剤等を用いて接続する必要がなくなるため、凝縮器１５を介したコールドヘッド２と被冷却物の熱交換が促進される。
【００３６】
第１冷却ステージ６Ａ、第２冷却ステージ７Ａのうちどちらか一方のみを一体化構造としてもよい。
【００３７】
本実施例によれば、第１冷却ステージと冷媒凝縮部、また第２冷却ステージと冷媒蒸発部のそれぞれ／または一方を一体化した構造にすることにより、凝縮器１５を介したコールドヘッド２と被冷却物の熱交換を促進することができる。
【実施例４】
【００３８】
図７は本発明による更に他の実施例の蓄冷式冷凍機の概略を示す断面図である。本実施例による蓄冷式冷凍機においては、真空容器１の外部に設置されたバッファ３２、圧力計３３が、配管３１を介して気密室１４と連通している。また、配管３１にはバルブ３４が設けられている。なお、実施例１と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００３９】
バッファ３２は十分に大きい容積を持つ容器であり、バルブ３４が開放されているときに気密室１４内の冷媒の圧力を制御する機能を有する。圧力計３３は気密室１４内の冷媒圧力を計測する。したがって、バッファ３２と圧力計３３によって冷媒の圧力を自在に制御することが可能である。
【００４０】
以下、本実施例による蓄冷式冷凍機の作用について説明する。
【００４１】
気密室１４内の冷媒は第１冷却ステージ６と第２冷却ステージ７の熱交換が行われる温度範囲は、コールドヘッド２による第１冷却ステージの温度振動中の最低温度から気密室１４内の冷媒の沸点までである。よって、気密室１４内の冷媒圧力を制御することによって冷媒の沸点を制御し、第２冷却ステージ７の温度調節を行うことができる。
【００４２】
また、圧力計３３の指示値を冷媒の蒸気圧に対応した飽和温度としておくことにより、第２冷却ステージ７の蒸気圧温度計として利用することもできる。
【００４３】
さらに、バッファ３２によって気密室１４内を真空にすることにより、第１冷却ステージ６と第２冷却ステージ７間の断熱をより確実なものとすることも可能である。これにより、メンテナンスなどの目的でコールドヘッド２の昇温を行う際にはコールドヘッド２と被冷却物を熱的に切り離して被冷却物の昇温を防ぐことができる。
【００４４】
また、本発明の更に他の実施例による蓄冷式冷凍機の概略を示す断面図を図８に示す。本実施例においては、バッファ３２に代えて、容積可変容器であるベローズ状バッファ３５を設けている。バッファ３２は冷媒の圧力を制御するために電気的な制御が必要となるが、ベローズ状バッファ３５は容積を可変させることで冷媒の圧力を制御できるため、電気的な制御が不要となる。
【００４５】
以上、本発明について複数の実施例を説明してきたが、本発明は上記実施例に限定されるものでなく、例えば、上記実施例１ないし４に説明した特徴を任意に組み合わせた構成の蓄冷式冷凍機とすることができる。 
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】実施例１による蓄冷式冷凍機の概略を示す断面図。
【図２】実施例２による凝縮器の概略を示す断面図。
【図３】実施例２による凝縮器の概略を示す断面図。
【図４】実施例２による凝縮器の概略を示す断面図。
【図５】実施例２の変形例による凝縮器の概略を示す断面図。
【図６】実施例３による凝縮器の概略を示す断面図。
【図７】実施例４による凝縮器の概略を示す断面図。
【図８】実施例４の変形例による凝縮器の概略を示す断面図。
【符号の説明】
【００４７】
１  真空容器
２  コールドヘッド
３  ディスプレーサー駆動部
４  第１蓄冷部
５  第２蓄冷部
６、６Ａ  第１冷却ステージ
７、７Ａ  第２冷却ステージ
８  コンプレッサー
１１  冷媒凝縮部
１２  筒
１３  冷媒蒸発部
１４  気密室
１５  凝縮器
２１  非貫通穴
２２  フィン
２３  多孔質部材
２４  断熱部材
３１  配管
３２  バッファ
３３  圧力計
３４  バルブ
３５  ベローズ状バッファ 
【図１】
2008224062.tif 000003
【図２】
2008224062.tif 000004
【図３】
2008224062.tif 000005
【図４】
2008224062.tif 000006
【図５】
2008224062.tif 000007
【図６】
2008224062.tif 000008
【図７】
2008224062.tif 000009
【図８】
2008224062.tif 000010