蓄冷器、GM制冷机及脉冲管制冷机

摘要

本发明提供一种氦冷却式蓄冷器、GM制冷机及脉冲管制冷机，其对工作气体的寒冷进行蓄冷，其特征在于，其具有工作气体流通的第1区段和容纳作为蓄冷材料的氦气的第2区段，所述第2区段与连接于氦源的蓄冷材料用配管连接。

说明书

技术领域

本发明涉及一种蓄冷器，尤其涉及一种能够在蓄冷式制冷机中使用的蓄冷 器。

背景技术

吉福德-麦克马洪式（GM）制冷机、脉冲管制冷机等蓄冷式制冷机能够产 生在100K左右的低温至4K（开尔文）的超低温的范围的寒冷，能够在超导磁 铁或检测器等的冷却、低温泵等中使用。

例如，GM制冷机中，如由压缩机压缩的氦气之类的工作气体引导至蓄冷 器，并由蓄冷器内的蓄冷材料进行预先冷却。另外，工作气体在膨胀室内产生 相当于膨胀功的寒冷之后，再次通过蓄冷器返回至压缩机。此时，为了紧接着 被引导的工作气体，工作气体冷却蓄冷器内的蓄冷材料的同时通过蓄冷器。将 该行程设为1循环，从而周期性产生寒冷。

在这种蓄冷式制冷机中，需要产生温度小于30K的超低温时，作为如前述 的蓄冷器的蓄冷材料使用HoCu₂等磁性材料。

并且，近年来，正在研究将氦气用作蓄冷器的蓄冷材料。这种蓄冷器也称 作氦冷却式蓄冷器。例如，专利文献1中示出有将内部填充有氦气的多个热传 导性气囊用作蓄冷器的蓄冷材料的内容。

图1表示氦气与HoCu₂磁性材料的比热在各温度下的变化。如从图1可 知，在约10K左右的超低温区间中，压力为1.5MPa左右的氦气的比热高于HoC u₂磁性材料的比热。因此，在这种温度区间通过使用氦气而代替HoCu₂磁性材 料，从而能够更有效地进行热交换。

然而，实际上，制作如专利文献1的气囊并不容易。例如，为了在4K下 使气囊内的氦气具有1.5MPa左右的压力，在室温下，需要大概160MPa左右的 压力。无法简单制作填充有这种高压氦气的气囊。并且，若要形成能够耐得住 这种高压的气囊，则导致气囊的壁厚必定增加而热传导性下降。

因此，最近有如下报导：在蓄冷器的内部配置具备孔的多个容器，通过该 孔使用作装置的工作气体的氦气在容器内流通，从而构成氦冷却式蓄冷器（专 利文献2）。

以往技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开平11-37582号公报

专利文献2：日本专利第2650437号公报

专利文献2中记载的氦冷却式蓄冷器中，还作为工作气体的氦气经设置在 容器上的孔流入、流出容器内，由此构成蓄冷器。然而，若这种氦气频繁地流 入容器内和从容器流出，则在容器内作为蓄冷材料发挥作用的氦气的压力变动 变大。并且，随此，作为蓄冷材料的氦气的温度变得不稳定，导致蓄冷器很难 维持稳定的蓄冷性能。

发明内容

本发明是鉴于上述课题而完成的，其目的在于，能够提供一种与以往的方 式相比，能够更稳定地维持蓄冷性能的氦冷却式蓄冷器及具备所述蓄冷器的制 冷机。

为了解决上述课题，本发明的氦冷却式蓄冷器，其对工作气体的寒冷进行 蓄冷，其特征在于，该蓄冷器具有工作气体流通的第1区段和容纳作为蓄冷材 料的氦气的第2区段，所述第2区段与连接于氦源的蓄冷材料用配管连接。

发明效果

根据本发明能够提供一种与以往的方式相比，能够更稳定地维持蓄冷性能 的氦冷却式蓄冷器及具备所述蓄冷器的制冷机。

附图说明

图1是表示氦气和HoCu₂磁性材料的比热在各温度下的变化的图表。

图2是表示一般GM制冷机的结构的概要图。

图3是表示以往的氦冷却式蓄冷器的一例的概要图。

图4是表示本发明的实施方式的氦冷却式蓄冷器的结构的概要截面图。

图5是表示具备本发明的实施方式的蓄冷器的GM制冷机的结构例的概要 图。

图6是表示具备本发明的实施方式的蓄冷器的脉冲管制冷机的结构例的概 要图。

图7是表示具备本发明的实施方式的蓄冷器的脉冲管制冷机的另一结构例 的概要图。

图8是表示具备本发明的实施方式的蓄冷器的脉冲管制冷机的又一结构例 的概要图。

具体实施方式

首先，为了更明确了解本发明，对具备氦冷却式蓄冷器的一般蓄冷式制冷 机的结构进行说明。

图2中作为蓄冷式制冷机的一例示出GM（吉福德-麦克马洪）制冷机的概 要结构。

GM制冷机1具有气体压缩机3和作为制冷机发挥作用的2级式冷头10。 冷头10具有第1级冷却部15和第2级冷却部50，这些冷却部以与凸缘12同 轴的方式连结。

第1级冷却部15具有空心状第1级缸体20、在该第1级缸体20内设置成 能够向轴向往返运动的第1级置换器22、填充在第1级置换器22内的第1级 蓄冷器30、设置在第1级缸体20的低温端23b侧的内部且容积根据第1级置 换器22的往返运动而发生变化的第1级膨胀室31、及设置在第1级缸体20的 低温端23b附近的第1级冷却台35。第1级缸体20的内壁与第1级置换器22 的外壁之间设置第1级密封件39。

为了使氦气流出流入第1级蓄冷器30，在第1级缸体20的高温端23a上 设置多个第1级高温侧流通路40-1。并且，为了使氦气流出流入第1级蓄冷器 30及第1级膨胀室31，在第1级缸体20的低温端23b上设置多个第1级低温 侧流通路40-2。

第2级冷却部50具有与第1级冷却部15大致相同的结构，其具有空心状 第2级缸体51、在第2级缸体51内设置成能够向轴向往返运动的第2级置换 器52、填充在第2级置换器52内的第2级蓄冷器60、设置在第2级缸体51 的低温端53b的内部且容积根据第2级置换器52的往返运动发生变化的第2 级膨胀室55及设置在第2级缸体51的低温端53b附近的第2级冷却台85。第 2级缸体51的内壁与第2级置换器52的外壁之间设置第2级密封件59。为了 使氦气流出流入第1级蓄冷器30，在第2级缸体51的高温端53a上设置第2 级高温侧流通路40-3。并且，为了使氦气流出流入第2级膨胀室55，在第2 级缸体51的低温端53b上设置多个第2级低温侧流通路54-2。

在GM制冷机1中，来自气体压缩机3的高压氦气经阀5及配管7供给于 第1级冷却部15，并且，低压氦气从第1级冷却部15经配管7及阀6排气至 气体压缩机3。第1级置换器22及第2级置换器52通过驱动马达8往返运 动。并且，与此联动地进行阀5及阀6的开闭，控制氦气的吸排气定时。

第1级缸体20的高温端23a例如设定为室温，低温端23b例如设定为20 K～40K。第2级缸体51的高温端53a例如设定为20K～40K，低温端53b例如 设定为4K。

接着，对这种结构的GM制冷机1的动作进行简单说明。

首先，在阀5为关闭，阀6为关闭的状态下，设为第1级置换器22及第2 级置换器52分别处于第1级缸体20及第2级缸体51内的下死点。

在此，若将阀5设为开启状态，排气阀6设为关闭状态，则高压氦气从气 体压缩机3流入第1级冷却部15。高压氦气从第1级高温侧流通路40-1流入 第1级蓄冷器30，通过第1级蓄冷器30的蓄冷材料冷却至预定温度。被冷却 的氦气从第1级低温侧流通路40-2流入第1级膨胀室31。

流入第1级膨胀室31的高压氦气的一部分从第2级高温侧流通路40-3流 入第2级蓄冷器60。该氦气通过第2级蓄冷器60的蓄冷材料冷却至更低的预 定温度，并从第2级低温侧流通路54-2流入第2级膨胀室55。其结果，第1 级膨胀室31及第2级膨胀室55内成为高压状态。

接着，随着第1级置换器22及第2级置换器52向上死点移动，阀5被关 闭。并且，阀6被开启。由此，第1级膨胀室31及第2级膨胀室55内的氦气 从高压状态成为低压状态，体积膨胀，并在第1级膨胀室31及第2级膨胀室5 5产生寒冷。并且，由此，分别冷却第1级冷却台35及第2级冷却台85。

接着，第1级置换器22及第2级置换器52朝向下死点移动。随此，低压 氦气通过上述的相反路线，分别冷却第1级蓄冷器30及第2级蓄冷器60的同 时经阀6及配管7返回到气体压缩机3。之后阀6被关闭。

将以上的动作设为1循环，通过重复上述动作，能够在第1级冷却台35、 第2级冷却台85中，从分别热连接的冷却对象物（未图示）吸收热并进行冷 却。

其中，在第2级冷却台85中，例如需要形成温度小于30K的超低温时， 作为第2级蓄冷器60的蓄冷材料使用HoCu₂等磁性材料。

并且，近年来还提出使用将氦气用作蓄冷器的蓄冷材料的所谓氦冷却式蓄 冷器。

在图3中，用作图2所示的GM制冷机1的第2级蓄冷器60的、以往的氦 冷却式蓄冷器60A的结构与其周围的部件一同表示。图3中，对与图2相同的 部件附加与图2相同的参考符号。

如图3所示，以往的氦冷却式蓄冷器60A用作图2所示的第2级置换器52 内的第2级蓄冷器。

氦冷却式蓄冷器60A具有多个容器62，这些容器62分别具有细长的棒状 形状，并沿蓄冷器60A的纵向（即，从第2级缸体51的高温端53a沿低温端5 3b）延伸。各容器62在第2级缸体51的低温端侧具有孔65。在容器62内存 在作为蓄冷材料发挥作用的氦气68。

通常，氦气与HoCu₂等磁性材料相比，在10K左右的比热较大，通过将氦 气用作蓄冷材料，能够更有效地冷却在蓄冷器60A内流通的工作气体（氦 气）。

但是，在这种结构的蓄冷器60A中，通过设置在容器62的孔65可使还作 为工作气体的氦气轻松在容器62内流入、流出。若频繁发生这种氦气的流 入、流出，则在容器62内，成为蓄冷材料的氦气的压力变动变大。并且，随 此，存在成为蓄冷材料的氦气的温度变得不稳定，蓄冷器60A很难维持稳定的 蓄冷性能之类的课题。

为了解决上述课题，本发明的氦冷却式蓄冷器的特征在于，其具有工作气 体流通的第1区段和容纳作为蓄冷材料的氦气的第2区段，所述第2区段与连 接于氦源的蓄冷材料用配管连接。这种蓄冷器中，在第2区段导入高压氦气， 以便当氦气的压力下降时，从蓄冷材料用配管对第2区段补填下降的氦气压力 量。因此，本发明的氦冷却式蓄冷器中，能够减少或解决有关如以往的氦冷却 式蓄冷器60A的、在容器内的蓄冷材料（氦气）的压力变动及由此产生的温度 稳定性的问题。

以下，参考附图对本发明的实施方式进行说明。

图4表示本发明的实施方式的氦冷却式蓄冷器的一例。

如图4所示，该实施方式的氦冷却式蓄冷器160例如设置在上述GM制冷 机的第2级置换器52内。

蓄冷器160包括多个空心管165及相当于不存在所述多个空心管165的区 域的空间部175。空心管165通过上下凸缘164进行位置固定。另外，空间部 175通过该凸缘164来截断与空心管165内部的连通。

在图4的例子中，空心管165的内部相当于第1区段。该空心管165内流 通如氦气的工作气体。另一方面，在图4的例子中，空间部175相当于第2区 段。该空间部175作为蓄冷材料即氦气的容纳部发挥作用。另外，在蓄冷器16 0设置有工作气体用第1流路161及第2流路162，以便与第1区段连通。

其中，蓄冷器160进一步具有蓄冷材料用配管170，该蓄冷材料用配管17 0的一端与蓄冷器160的空间部175连接。另外，虽未图示，但蓄冷材料用配 管170的另一端连接于所谓“氦源”。

另外，需要注意“氦源”是还包括储存高压氦气和/或液体氦的任何部位 的概念。例如，在GM制冷机的蓄冷管中使用蓄冷器时，“氦源”可为对工作 气体进行供给或排出的压缩机。并且，在脉冲管制冷机的蓄冷管中使用蓄冷器 时，“氦源”可为供给或排出工作气体的压缩机或者连接于脉冲管的缓冲罐 等。

在构成为如图4的蓄冷器160中，工作气体沿主流方向P进入第1流路16 1并通过各空心管165的内部从第2流路162排出。或者，工作气体向其相反 方向移动。

另一方面，作为蓄冷材料的氦气从“氦源”经蓄冷材料用配管170导入至 空间部175内。其中，蓄冷器160的工作开始之后，空间部175内的蓄冷材料 的压力立刻变得与氦源的压力大致相等。之后，若蓄冷器160内的温度因蓄冷 器160的工作开始下降，则随此空间部175内的蓄冷材料的压力下降。但是， 若发生这种压力下降，则氦气从“氦源”经蓄冷材料用配管170补填到空间部 175。因此，空间部175内的蓄冷材料即使温度发生变动也不会承受太大的压 力变动。因此，工作时，该实施方式的蓄冷器160能够维持稳定的蓄冷性能。

另外，图4的例子中，在蓄冷器160中，第1区段包括第1流路161、空 心管165的内部空间及第2流路162，第2区段包括空间部175。即，工作气 体在空心管165的内部流通，蓄冷材料容纳于空间部175。但是，在本发明 中，蓄冷器160的结构不限于此。例如，第1区段与第2区段也可以与图4的 结构相反。即，也可以将蓄冷器构成为蓄冷材料容纳于空心管165的内部，且 工作气体在空间部175流通。这时，蓄冷材料用配管170理所当然连接于空心 管165。

并且，图4的例子中，蓄冷器160的内部通过空心管165的内部及空间部 175分割为2个区段，但蓄冷器也可通过其他方法划分为2个区段。例如，也 可以通过具有内部空间的容器与其周围的空间部对蓄冷器内进行分割。

以上说明中，以蓄冷器内的蓄冷材料仅由氦气构成的情况为例对本发明的 结构及其效果进行了说明。然而，本发明的蓄冷器内的蓄冷材料可由多个蓄冷 材料构成。例如，在1个蓄冷器中，可以在高温侧使用HoCu₂磁性材料，并在 中低温侧使用氦。另外，可在更低温侧将如GdO₂S₂之类的磁性材料用作第3蓄 冷材料。

本发明的氦冷却式蓄冷器能够适用于GM制冷机或脉冲管制冷机等各种蓄 冷式制冷机中。以下对能够适用本发明的氦冷却式蓄冷器的蓄冷式制冷机的结 构进行说明。

图5表示具备本发明的实施方式的蓄冷器160的GM制冷机100的结构 例。GM制冷机100的基本结构与图2所示的GM制冷机1相同，在此不进行详 细说明。并且，在GM制冷机100中，对与图2所示的GM制冷机1相同的部件 附加与图2相同的符号。

但是，GM制冷机100中，在第2级置换器52内具有本发明的蓄冷器16 0。并且，本发明中，第2级缸体51通过蓄冷材料用配管170与压缩机3的高 压侧连接。因此，第2级缸体51与第2级置换器52之间的间隙与蓄冷材料用 配管170连通。另外，在第2级置换器52设置小孔179。通过该小孔179连通 蓄冷器160内的容纳蓄冷材料的空间（图4的空间部175）与所述间隙。另 外，在该间隙设置追加密封件159。通过该追加密封件159避免在蓄冷材料用 配管170中流动的蓄冷材料与工作气体混合。

GM制冷机100工作时，若蓄冷器160的温度下降且蓄冷器160内的容纳蓄 冷材料的空间部175的压力下降，则从压缩机3通过蓄冷材料用配管170供给 氦气。因此，如上述，当进行工作时，蓄冷器160内的蓄冷材料不会轻易受到 较大的压力变动，而能够维持稳定的蓄冷性能。因此，该实施方式的GM制冷 机100能够在第2级冷却台85稳定地产生寒冷。

其中，通常的压缩机3在内部具备压力释放用旁通阀。因此，当停止GM 制冷机100时，蓄冷器160的空间部175及蓄冷材料用配管170内成为高压 时，压缩机3内，该旁通阀工作且蓄冷材料从高压侧流入低压侧。因此，该实 施方式的GM制冷机100中，在蓄冷器160中不特别需要用于释放高压蓄冷材 料的新的部件。

另外，图5的例子中，蓄冷材料用配管170与压缩机3的高压侧连接。但 是，蓄冷材料用配管170也可以与压缩机3的低压侧连接。

图6表示具备本发明的实施方式的蓄冷器的脉冲管制冷机的结构例。

如图6所示，该脉冲管制冷机200为2级式脉冲管制冷机。

脉冲管制冷机200具备压缩机212、第1级蓄冷管240及第2级蓄冷管28 0、第1级脉冲管250及第2脉冲管290、第1配管256及第2配管286、节流 孔260、节流孔261以及开闭阀V1～开闭阀V6等。

第1级蓄冷管240具有高温端242及低温端244，第2级蓄冷管280具有 高温端244（相当于第1级低温端244）及低温端284。第1级脉冲管250具有 高温端252及低温端254，第2级脉冲管290具有高温端292及低温端294。 第1级脉冲管250及第2级脉冲管290的各个高温端252、高温端292及低温 端254、低温端294上设置热交换器。第1级蓄冷管240的低温端244经第1 配管256与第1级脉冲管250的低温端254连接。并且，第2级蓄冷管280的 低温端284经第2配管286与第2级脉冲管290的低温端294连接。

压缩机212的高压侧（吐出侧）的制冷剂用流路在A点向3个方向分支。 向这3个方向分别构成第1制冷剂供给路H1～第3制冷剂供给路H3。第1制 冷剂供给路H1构成连接压缩机212的高压侧、设置有开闭阀V1的第1高压侧 配管215A、共同配管220及第1级蓄冷管240的路径。第2制冷剂供给路H2 构成连接压缩机212的高压侧、设置有开闭阀V3的第2高压侧配管225A、设 置有节流孔260的共同配管230及第1级脉冲管250的路径。第3制冷剂供给 路H3构成连接压缩机212的高压侧、设置有开闭阀V5的第3高压侧配管235 A、设置有节流孔261的共同配管299及第2级脉冲管290的路径。

另一方面，压缩机212的低压侧（吸入侧）的制冷剂用流路分支成第1制 冷剂回收路L1～第3制冷剂回收路L3这3个方向。第1制冷剂回收路L1构成 连接第1级蓄冷管240、共同配管220、设置有开闭阀V2的第1低压侧配管21 5B、B点及压缩机212的路径。第2制冷剂回收路L2构成连接第1级脉冲管2 50、设置有节流孔260的共同配管230、设置有开闭阀V4的第2低压侧配管2 25B、B点及压缩机212的路径。第3制冷剂回收路L3构成连接第2级脉冲管 290、设置有节流孔261的共同配管299、设置有开闭阀V6的第3低压侧配管 235B、B点及压缩机212的路径。

另外，本领域技术人员明确可知，这种结构的脉冲管制冷机200的一般动 作原理，因此省略说明该动作原理。

在本实施方式的脉冲管制冷机200中，在第2级蓄冷管280设置具有与图 4所示的蓄冷器160相同的结构的蓄冷器265。并且，蓄冷器265内的容纳蓄 冷材料的空间部通过具有流路阻力275的蓄冷材料用配管270与压缩机212的 高压侧连接。另外，未必一定需要流路阻力275。

就本实施方式而言，脉冲管制冷机200工作时，若蓄冷器265的温度下降 且蓄冷器265内的容纳蓄冷材料的空间部的压力下降，则从压缩机212通过蓄 冷材料用配管270供给氦气。其结果，如上述，工作时，蓄冷器265内的蓄冷 材料不会轻易受到较大的压力变动，而能够维持稳定的蓄冷性能。因此，脉冲 管制冷机200中，也能够在第2级脉冲管290的低温端294稳定地产生寒冷。

另外，在图6的例子中，蓄冷材料用配管270可以在蓄冷器265与压缩机 212之间进一步具有阀等流路阻力275。这时，制冷机工作时，能够控制供给 于蓄冷器265的容纳蓄冷材料的空间的氦气的流量。

并且，图6的例子中，蓄冷材料用配管270与压缩机211的高压侧连接。 但是，蓄冷材料用配管270也可以与压缩机211的低压侧连接。

图7表示具备本发明的实施方式的蓄冷器的脉冲管制冷机的另一结构例。 图7所示的脉冲管制冷机300具有基本上与图6所示的脉冲管制冷机200大致 相同的结构。在图7中，对与图6相同的部件附加与图6相同的参考符号。

该实施方式的脉冲管制冷机300具有缓冲罐366，该缓冲罐366通过具有 节流孔364的配管362与第1级脉冲管250的高温端252连接。并且，在该脉 冲管制冷机300中，具有与图4所示的蓄冷器160相同的结构的蓄冷器265通 过蓄冷材料用配管370与缓冲罐366连接而不与压缩机212连接。

就本实施方式而言，脉冲管制冷机300工作时，若蓄冷器265的温度下降 且蓄冷器265内的容纳蓄冷材料的空间部的压力下降，则从缓冲罐366通过蓄 冷材料用配管370将氦气供给至容纳蓄冷材料的空间部。其结果，如上述，在 工作时，蓄冷管265内的蓄冷材料不会轻易受到较大的压力变动，而能够维持 稳定的蓄冷性能。因此，在脉冲管制冷机300中，也能够在第2级脉冲管290 的低温端294稳定地产生寒冷。

图8表示具备本发明的实施方式的蓄冷器的脉冲管制冷机的另一结构例。 图8所示的脉冲管制冷机400具有基本上与图6所示的脉冲管制冷机200大致 相同的结构。在图8中，对与图6相同的部件附加与图6相同的参考符号。

本实施方式的脉冲管制冷机400中，设置于第2级蓄冷管280的蓄冷器26 5内的第2区段（蓄冷材料的容纳空间）通过蓄冷材料用配管470与压缩机21 2的高压侧连接。

蓄冷材料用配管470具有部分470A、部分470B及部分470C。蓄冷材料用 配管470的部分470A与压缩机212的高压侧连接。例如，图8的例子中，部 分470A在C点与第2高压侧配管225A连接。并且，蓄冷材料用配管470的部 分470B配置在第1级蓄冷管240周围。另外，蓄冷材料用配管470的部分470 C与第2级蓄冷管280的蓄冷器265连接。

就这种结构而言，制冷机工作时，若蓄冷器265的温度下降且蓄冷器265 内的容纳蓄冷材料的空间部的压力下降，则氦气通过压缩机212～第2高压侧 配管225A～蓄冷材料用配管470的部分470C而流动。并且，该氦气通过蓄冷 材料用配管470的部分470B时被第1级蓄冷管240预冷。因此，成为预先冷 却后的氦气通过蓄冷材料用配管470的部分470C导入第2级蓄冷管280的蓄 冷器265中。因此，该结构中能够更有效地抑制有可能因蓄冷气体导入于蓄冷 器265内而产生的温度上升。

以上，对本发明的实施方式进行了详细说明，但本发明不限定于上述实施 方式，而能够根据技术方案所记载的内容，对上述实施方式加以各种变形、改 良及替换。

本国际申请主张基于2010年3月19日申请的日本专利申请2010-065037 号的优先权，日本专利申请2010-065037号的全部内容援用于本国际申请中。