JPH04196B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は、高温領域と低温領域の２系統の冷凍
機の間を寒冷循環回路で熱的に結合せしめた冷凍
装置に関するものであり、低温領域の冷凍機で
10K以下の温度の冷凍を効率よく生成し、スキツ
ド素子、ジヨセフソン素子等を冷却する冷凍装置
に利用される。

（従来の技術） 本発明に関する冷凍装置として、従来、米国特
許第4335579号明細書に開示されたものがある。

この従来技術は、第６図に示すように、動力源
２０１によつて回転されるクランクシヤフト２０
２、前記クランクシヤフト２０２によつて駆動さ
れるピストン２０３、膨張空間２０４，２０５，
低温部２０６・２０７を有する高温領域の冷凍機
と、動力源２０８によつて回転されるクランクシ
ヤフト２０９、前記クランクシヤフト２０９によ
つて駆動されるピストン２１０・２１１、圧縮空
間２１２、膨張空間２１３、放熱器２１４、蓄冷
器２１５を有する低温領域の冷凍機を備える。

前記放熱器２１４の両端は、それぞれ配管で前
記圧縮空間２１２、前記蓄冷器２１５に連通して
おり、前記放熱器２１４は前記低温部２０７に熱
的に結合され、低温領域の冷凍機の圧縮空間２１
２で発生する作動媒体の圧縮熱が放熱器２１４で
放熱されるようになつている。

（発明が解決しようとする問題点） しかし、この従来のものは、低温領域の冷凍機
の放熱器２１４が高温領域の冷凍機の低温部２０
７に熱的に結合しているので、圧縮空間２１２か
ら放熱器２１４の配管分と放熱器２１４と蓄冷器
２１５との配管分の容積が死体積となり、低温領
域の冷凍機の効率が低下し冷凍装置の効率が低下
するので、放熱器２１４を低温部２０７にできる
限り近づけ死体積を小さくしなければならない。

その結果、低温領域の冷凍機と高温領域の冷凍
機とをできる限り近づけなければならず、低温領
域の冷凍機と高温領域の冷凍機の配置が自由にで
きないという欠点がある。

又、低温領域の冷凍機で10K以下の温度の冷凍
を効率よく得るには、高温領域の冷凍機の作動媒
体の圧力は比較的高くし、低温領域の冷凍機の作
動媒体のは、比較的圧力の低いヘリウムを使用し
なければならず、その結果、低温領域の冷凍機の
膨張空間内の作動媒体が冷え始め、定常状態まで
達するに要する時間が長くなるという欠点があ
る。

それ故に、本発明は、 (1) 冷凍装置の効率を良好に維持しつつ、低温領
域の冷凍機と高温領域の冷凍機とを自由に配置
し、熱的に結合せしめること、および、 (2) 低温領域の冷凍機の膨張空間内の作動冷媒が
冷え始め、定常状態までに達する予冷時間を短
縮すること を、その技術的課題とするものである。

〔発明の構成〕

（問題点を解決するための手段） 上記技術的課題を解決するために、本発明にお
いて講じた技術的手段は、第１圧縮空間、第１放
熱器、第１蓄冷器、第１熱交換器及び第１膨張空
間とを備えた高温領域用冷凍機と、支持器により
支持された第２圧縮空間、第２放熱器、第２蓄冷
器、第２熱交換器及び第２膨張空間とを備えた低
温領域用冷凍機と、第２放熱器と第１熱交換器と
を熱的に結合せしめる第１寒冷循環回路と、支持
器、第２蓄冷器、第２熱交換器及び第２膨張空間
の内の少なくとも１つと第１熱交換器とを熱的に
結合せしめる第２寒冷循環回路と、第１・第２寒
冷循環回路に共通に作用するブロアと、第２寒冷
循環回路に配設され、低温領域用冷凍機の予冷時
にのみ開状態とされる弁手段とを設けたことであ
る。

（作用） 上記技術的手段は以下のように作用する。即
ち、低温領域用冷凍機の第２圧縮空間で発生した
熱は、第２放熱器において第１寒冷循環回路中を
ブロアで循環せしめている冷媒で吸熱され、吸熱
し昇温した第１寒冷循環回路内の冷媒は高温領域
用冷凍機の第１膨張空間で発生した冷凍によつて
冷凍される第１熱交換器で降温されるので、低温
領域用冷凍機を高温領域用冷凍機から十分遠くに
はなすことができる。

また、低温領域用冷凍機の第２熱交換器、第２
蓄冷器、第２支持器は第２寒冷循環回路中をブロ
アで循環せしめている冷媒を介して、高温領域用
冷凍機の第１膨張空間で発生した冷媒で冷却され
るので、低温領域用冷凍機の作動回路内の作動媒
体は、高温領域用冷凍機の第１膨張空間内の温度
の近傍まで低温領域用冷凍機を運転することなく
冷却され、その圧力は常温時よりも低くなり、低
温領域用冷凍機の予冷時間を短くすることができ
る。

（実施例） 本発明の一実施例を第１図に基づいて説明す
る。

圧縮空間（第１圧縮空間）１は、順次、水等の
寒剤の流れる流路２ｂを有する放熱器（第１放熱
器）２の流路２ａ、蓄冷器（第１蓄冷器）３、熱
交換器４の流路４ａの一端に連通している。前記
流路４ａの他端は膨張空間５と蓄冷器（第１蓄冷
器）６の一端に連通せしめてあり、蓄冷器６の他
端は、順次、熱交換器（第１熱交換器）７の流路
７ａ、膨張空間（第１膨張空間）８に連通してい
る。

膨張空間５・８は、凸型の膨張シリンダ９とピ
ストンリング１０ａ，１０ｂを有する凸型の膨張
ピストン１０より形成される。尚、膨張ピストン
１０には、ロツド１１が固着せしめてある。

圧縮空間１は、圧縮シリンダ１２とピストンリ
ング１３ａを有する圧縮ピストン１３より形成さ
れ、圧縮ピストン１３にはロツド１４が固着せし
めてある。

ロツド１１・１４は図示しない駆動部に接続さ
れ、膨張ピストン１０の動きが圧縮ピストン１３
の動きより略90゜位相がすすませてある。

圧縮空間１、放熱器２、蓄冷器３・６、熱交換
器４・７、そして膨張空間５・８にはヘリウムガ
ス等の作動媒体が封入されて、高温領域用冷凍機
（本実施例ではスターリング冷凍機）Ａを構成し
ている。

一方、支持器３０により支持されベローズ等の
伸縮部材２１より形成される圧縮空間（第２圧縮
空間）２２は、順次、放熱器（第２放熱器）２３
の流路２３ａ、蓄冷器（第２蓄冷器）２４、熱交
換器（第２熱交換器）２５、膨張空間（第２膨張
空間）２６に連通している。

膨張空間２６はベローズ等の伸縮部材２７より
形成され、伸縮部材２１・２７はそれぞれロツド
２８．２９を介して図示しない駆動部に接続して
あり、ロツド２９の動きはロツド２８の動きより
略90゜位相がすすむようにしてある。

圧縮空間２２、放熱器２３、蓄冷器２４、熱交
換器２５、膨張空間２６には作動媒体（例えばヘ
リウムガス）が充填してあり、低温領域用冷凍機
（本実施例ではスターリングサイクル冷凍機）Ｂ
を構成している。

本冷凍装置の効率を良好にするため、低温領域
の冷凍機Ｂには比較的低い圧力の作動媒体が充填
してあり、高温領域用冷凍機Ａには比較的高い圧
力の作動媒体が充填してある。

第１寒冷循環回路Ｄには、順次、ブロア３１の
吐出口、熱交換器７の流路７ｂ、弁３２、放熱器
２３の流路２３ｂ、ブロア３１の吸引口が配設さ
れている。

一方、第２寒冷循環回路Ｃには、順次、ブロア
３１の吐出口、熱交換器７の流路７ｂ、弁（弁手
段）３３、流路３４ａ・３４ｂ、一方向弁３５、
ブロア３１の吸引口が配設されている。ここで、
流路３４ａは膨張空間２６、熱交換器２５、蓄冷
器２４に熱的に結合し、流路３４ｂは支持器３０
に熱的に結合されている。

バツフアタンク３６は弁３８の一端と連通する
と共に熱交換器４の流路４ｂの一端と連通し、流
路４ｂの他端は弁３７を介してブロア３１の吸込
口側に連通している。このようにして、第１・第
２寒冷循環回Ｃ・Ｄ及びバツフアタンク３６内に
はヘリウム等の冷媒（寒冷）が充填してある。

次に、第１図に示した実施例の作用について説
明する。

高温領域用冷凍機Ａの膨張空間８にて発生した
低温度の冷凍は、その作動媒体が熱交換器７の流
路７ａを流れる際に、ブロア３１より送り出され
た流路７ｂを流れる冷媒を冷却する。

低温領域用冷凍機Ｂの予冷時において、この冷
却された冷媒は第１寒冷循環回路Ｄの弁３２及び
第２寒冷循環回路Ｃの弁３３に夫々流入する。

まず、第１寒冷循環回路Ｄにおいて、弁３２を
通過した冷媒は低温領域用冷凍機Ｂにおける放熱
器２３の流路２３ｂを流れ、放熱器２３の流路２
３ａを流れる低温領域用冷凍機Ｂの冷媒と熱交換
を行い、ブロア３１に吸い込まれる。従つて、低
温領域用冷凍機Ｂにおいて、圧縮空間２２にて圧
縮・昇温された冷媒は、第１寒冷循環回路Ｄを介
して高温領域用冷凍機Ａの膨張空間８で発生する
冷凍により冷却される。

一方、第２寒冷循環回路Ｃにおいて、弁３３を
通過した冷媒は流路３４ａを流れ、低温領域用冷
凍機Ｂの膨張空間２６、熱交換器２５、蓄冷器２
４を冷却した後、流路３４ｂを流れて支持器３０
を冷却し、一方向弁３５を介してブロア３１に吸
い込まれる。従つて、低温領域用冷凍機Ｂ本体が
第２寒冷循環回路Ｃを介して高温領域用冷凍機Ａ
の膨張空間８で発生する冷凍により予冷される。

そして、低温領域用冷凍機Ｂ本体の温度が高温
領域用冷凍機Ａの膨張空間８で発生する冷凍温度
に略等しくなつた時点で弁３３が閉じられて予冷
が終了する。

第２図乃至第５図は、第１図の変形実施例を示
す。

まず、第２図において、第１寒冷循環回路Ｄ２
は、第１図における第１寒冷循環回路Ｄの弁３２
を取り除いたもので、他の構成部分については第
１図の実施例と同一の番号符号を付して説明を省
略する。また、作用についても第１図の実施例と
略同一であり説明を省略する。

次に、第３図において、第２寒冷循環回路Ｃ３
は、第１図における第２寒冷循環回路Ｃの一方向
弁３５及び流路３４ｂを取り除き、流路３４ａを
熱交換器２５、蓄冷器２４と熱的に結合したもの
で、他の構成部分については第１図の実施例と同
一の番号符号を付して説明を省略する。また、作
用についても第１図の実施例と略同一であり説明
を省略する。

そして、第４図において、第１寒冷循環回路Ｄ
４は、第１図における第１寒冷循環回路Ｄの弁３
２及び第２寒冷循環回路Ｃの一方向弁３５を取り
除きいたもので、他の構成部分については第１図
の実施例を同一の番号符号を付して説明を省略す
る。また、作用についても第１図の実施例と略同
一であり説明を省略する。

最後に、第５図において、第１寒冷循環回路Ｄ
５は、第１図における第１寒令循環回路Ｄの弁３
２を取り除き、第２寒冷循環回路Ｃ５は、第１図
における第２寒冷循環回路Ｃの一方向弁３５を弁
６０に置換したもので、他の構成部分については
第１図の実施例と同一の番号符号を付して説明を
省略する。また、作用についても第１図の実施例
と略同一であり説明を省略する。

〔発明の効果〕

以上に述べたように、本発明においては、低温
領域の冷凍機の圧縮空間で発生した熱は、ブロア
で循環される第１寒冷循環回路内の冷媒で吸熱さ
れ、吸熱して昇温した冷媒は、高温領域用冷凍機
の膨張空間で発生した冷凍によつて高温領域用冷
凍機の作動媒体に放熱しているので、低温領域用
冷凍機を高温領域用冷凍機から十分遠くに離すこ
とができる。

また、低温領域用冷凍機の熱交換器、蓄冷器、
支持器はブロアで循環される第２寒冷循環回路内
の冷媒を介して、高温領域用冷凍機の膨張空間で
発生した冷媒で冷却されるので、低温領域用冷凍
機の作動回路内の作動媒体は、高温領域用冷凍機
の膨張空間内の温度の近傍まで低温領域用冷凍機
を運転することなく冷却され、作動媒体の圧力は
常温時よりも低くなつて予冷時間を短くできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明第１実施例の冷凍装置の構成
図を示す。第２図は、本発明第２実施例の冷凍装
置の構成図を示す。第３図は、本発明第３実施例
の冷凍装置の構成図を示す。第４図は、本発明第
４実施例の冷凍装置の構成図を示す。第５図は、
本発明第５実施例の冷凍装置の構成図を示す。第
６図は、従来技術の冷凍装置の構成図を示す。 １……圧縮空間（第１圧縮空間）、２……放熱
器（第１放熱器）、３，６……蓄冷器（第１蓄冷
器）、７……熱交換器（第１熱交換器）、８……膨
張空間（第１膨張空間）、２２……圧縮空間（第
２圧縮空間）、２３……放熱器（第２放熱器）、２
４……蓄冷器（第２蓄冷器）、２５……熱交換器
（第２熱交換器）、２６……膨張空間（第２膨張空
間）、３０……支持器、３１……ブロア、３３…
…弁（弁手段）、Ａ……高温領域用冷凍機、Ｂ…
…低温領域用冷凍機、Ｄ，Ｄ２，Ｄ４，Ｄ５……
第１寒冷循環回路、Ｃ，Ｃ３，Ｃ４，Ｃ５……第
２寒冷循環回路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 第１圧縮空間、第１放熱器、第１蓄冷器、第
   １熱交換器及び第１膨張空間とを備えた高温領域
   用冷凍機と、 支持器により支持された第２圧縮空間、第２放
   熱器、第２蓄冷器、第２熱交換器及び第２膨張空
   間とを備えた低温領域用冷凍機と、 前記第２放熱器と前記第１熱交換器とを熱的に
   結合せしめる第１寒冷循環回路と、 前記支持器、第２蓄冷器、第２熱交換器及び第
   ２膨張空間の内の少なくとも１つと前記第１熱交
   換器とを熱的に結合せしめる第２寒冷循環回路
   と、 前記第１・第２寒冷循環回路に共通に作用する
   ブロアと、 前記第２寒冷循環回路に配設され、前記低温領
   域用冷凍機の予冷時にのみ開状態とされる弁手段
   とを有する冷凍装置。