超低温制冷机及超低温制冷机的运行方法
【专利说明】
[00011 本申请主张基于2014年12月22日申请的日本专利第2014-259040号及2015年7月 23日申请的日本专利申请第2015-146032号的优先权。这些日本申请的全部内容通过参考 援用于本说明书中。
技术领域
[0002] 本发明涉及一种通过使从压缩装置供给的高压氦膨胀来产生寒冷的超低温制冷 机及该超低温制冷机的运行方法。
【背景技术】
[0003] 作为超低温制冷机，例如有专利文献1中记载的制冷机。置换器式超低温制冷机具 备膨胀器，该膨胀器以能够使置换器移动的方式将置换器容纳在缸体内部。在置换器式超 低温制冷机中，通过使置换器在缸体内部往复运动的同时使氦在膨胀器内膨胀，从而产生 寒冷。在膨胀器内产生的氦的寒冷积蓄在蓄冷器的同时传递到冷却台而达到所希望的超低 温，从而冷却连接于冷却台的冷却对象。
[0004] 例如，如果这些超低温制冷机利用在大气压下的液体氦的生成时，通常产生4[K] 左右的寒冷。若能够进一步降低该寒冷的到达温度，则能够提供例如氦超流动转变温度。
[0005] 专利文献1:日本特开2006-242484号公报
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于提供一种降低超低温制冷机所产生的寒冷的到达温度的技术。
[0007] 为了解决上述课题，本发明的一种实施方式的超低温制冷机通过使氦膨胀来产生 4[Κ]以下的寒冷，该超低温制冷机具备:膨胀器，使高压氦膨胀;及压缩机，对从膨胀器返回 的低压氦进行压缩以生成高压氦，并将该高压氦供给到膨胀器。当膨胀器内的氦的温度为 2.17[Κ]以下时，低压氦的压力设为横轴表示温度且纵轴表示压力的氦的状态图中的氦的 体积膨胀系数为〇的曲线的压力以上。
[0008] 本发明的另一种实施方式为超低温制冷机的运行方法，该方法为在超低温制冷机 中通过使氦膨胀来产生4[Κ]以下的寒冷的运行方法，其中，所述超低温制冷机具备:膨胀 器，使高压氦膨胀;及压缩机，对从膨胀器返回的低压氦进行压缩以生成高压氦，并将该高 压氦供给到膨胀器。该超低温制冷机的运行方法包括如下步骤:检测膨胀器内的氦的温度； 及当检测出的温度为2.17[Κ]以下时，将所述低压氦的压力设为横轴表示温度且纵轴表示 压力的氦的状态图中的氦的体积膨胀系数为〇的曲线的压力以上。
[0009] 根据本发明，能够提供一种降低超低温制冷机所产生的寒冷的到达温度的技术。
【附图说明】
[0010] 图1为表示本发明的实施方式所涉及的超低温制冷机的示意图。
[0011] 图2为表示超低温下的氦4的相的状态图。
[0012] 图3为表示本发明的实施方式所涉及的超低温制冷机的示意图。
[0013] 图4为表示本发明的实施方式所涉及的超低温制冷机的示意图。
[0014] 图中：1-超低温制冷机，2-置换器，2a_主体部，2b_盖部，3-膨胀空间，4-缸体，5-冷 却台，7-蓄冷器，8-室温室，9-上端侧整流器，10-下端侧整流器，11-上部开口，12-压缩机， 13-供给阀，14-回流阀，15-密封件，16-排气口，50-膨胀器，60-超低温制冷机，62-膨胀器， 64-压缩机，68-氦罐部，70-氦罐控制部，76-二级氦膨胀室，78-二级换热器，92-氦罐，94-连 结配管，96-阀，98-二级温度传感器，100-温度比较部，102-阀控制部，110-超低温制冷机， 112-第1冷却部，114-第2冷却部，116-第1膨胀器，118-第1压缩机，120-第1氦气管路，122-氦膨胀室，124-第2膨胀器，126-第2压缩机，128-第2氦气管路，130-氦接收室。
【具体实施方式】
[0015] 下面，根据附图对本发明的实施方式进行说明。
[0016] 图1为表示本发明的实施方式所涉及的超低温制冷机1的示意图。实施方式所涉及 的超低温制冷机1为将氦4(4He)的氦用作制冷剂气体的吉福德-麦克马洪式制冷机。超低温 制冷机1具备:缸体4,与置换器2之间形成使高压氦膨胀的膨胀空间3;及有底圆筒状的冷却 台5,与膨胀空间3相邻，并且以从外侧包围该膨胀空间的方式存在。冷却台5作为在冷却对 象与氦之间进行换热的换热器发挥作用。以下，在本说明书中，将在缸体4内容纳置换器2并 使氦膨胀的整个结构统称为"膨胀器50"。压缩机12回收从膨胀器50返回的低压氦，并对其 进行压缩之后，将高压氦供给到膨胀器50。
[0017] 置换器2包括主体部2a及设置于低温端的盖部2b。盖部2b可以由与主体部2a相同 的部件构成。并且，盖部2b也可以由导热率高于主体部2a的材质构成。如此一来，盖部2b还 作为与在盖部2b内部流动的氦之间进行换热的导热部发挥作用。作为盖部2b例如使用铜、 铝、不锈钢等导热率至少大于主体部2a的材料。冷却台5例如由铜、铝、不锈钢等构成。
[0018] 缸体4以使置换器2能够在长度方向上往复移动的方式容纳置换器2。从强度、导热 率及氦阻断能力等观点出发，缸体4例如使用不锈钢。
[0019] 在置换器2的高温端设置有往复驱动置换器2的未图示的止转棒辄机构，置换器2 沿着缸体4的轴向进行往复移动。
[0020] 置换器2具有圆筒状的外周面，且在置换器2的内部填充有蓄冷材料。该置换器2的 内部空间构成蓄冷器7。在蓄冷器7的上端侧及下端侧分别设置有对氦的流动进行整流的上 端侧整流器9及下端侧整流器10。
[0021] 在置换器2的高温端形成有使氦从室温室8流向置换器2的上部开口 11。室温室8为 由缸体4与置换器2的高温端形成的空间，且其容积随着置换器2的往复移动而发生变化。 [0022]在室温室8上连接有将由压缩机12、供给阀13及回流阀14构成的供排气系统相互 连接的配管中的供排气共用配管。并且，在置换器2的偏靠高温端部分与缸体4之间安装有 密封件15。
[0023] 在置换器2的低温端形成有将氦导入到膨胀空间3的氦的排气口 16。并且，在置换 器2的外壁与缸体4的内壁之间设置有间隙C，该间隙C成为连结置换器2的内部空间与膨胀 空间3的氦的流路。
[0024] 膨胀空间3为由缸体4与置换器2形成的空间，其容积随着置换器2的往复移动发生 变化。在缸体4的外周且与底部的膨胀空间3相对应的位置配置有与冷却对象热连接的冷却 台5。氦通过氦的排气口 16及间隙C而流入到膨胀空间3,从而供给到膨胀空间3。
[0025] 接着，对超低温制冷机1的动作进行说明。
[0026] 在氦供给工序的某一时刻，置换器2如图1所示位于缸体4的下止点LP。若与此同时 或者在稍微错开的时刻打开供给阀13,则高压氦经由供给阀13从供排气共用配管供给到缸 体4内。其结果，高压氦从位于置换器2的上部的上部开口 11流入到置换器2内部的蓄冷器7 中。流入到蓄冷器7的高压氦在被蓄冷材料冷却的同时经由位于置换器2的下部的氦的排气 口 16及间隙C而供给到膨胀空间3。
[0027] 若膨胀空间3被高压氦充满，则供给阀13被关闭。此时，置换器2位于缸体4内的上 止点UP。若在置换器2位于缸体4内的上止点UP时或者在稍微错开时刻打开回流阀14,则膨 胀空间3内的氦被减压并膨胀。通过膨胀而变成低温的膨胀空间3内的氦吸收冷却台5的热 量。
[0028] 置换器2朝向下止点LP移动，从而膨胀空间3的容积减少。膨胀空间3内的氦通过氦 的排气口 16及间隙C被回收到置换器2内。此时，氦也同样吸收冷却台5的热量。从膨胀空间3 返回到蓄冷器7的氦对蓄冷器7内的蓄冷材料也进行冷却。回收到置换器2的氦进一步经由 蓄冷器7及上部开口 11返回到压缩机12的吸入侧。将以上工序作为1个循环，超低温制冷机1 重复进行该制冷循环，由此对冷却台5进行冷却。
[0029] 如以上说明，在实施方式所涉及的超低温制冷机1中，通过使置换器2在构成膨胀 器50的缸体4内进行往复移动，从而使得膨胀空间3内的氦膨胀并产生寒冷。
[0030] 在此，要想产生大气压下的氦的沸点（即，大约4.2[K])的寒冷，将压缩机12的运行 压力的高压侧设为25[bar]且将低压侧设为8[bar]的话，其效率较佳。即，通过重复进行在 膨胀器50内使25[bar]的氦膨胀为8[bar]的制冷循环，超低温制冷机1能够有效地产生在大 气压下氦能够液化的约4[K]的寒冷。
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