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冷凍機の構(gòu)造と冷凍の原理

冷凍機の構(gòu)造と冷凍の原理
1.冷凍の原理（一般的説明用）

図1.冷凍の原理

クライオポンプに利用されている代表的な冷凍サイクルは、
(1) ギボード?マクマーン(マクマホン)(Gifford-McMahon)サイクル(G-Mサイクル)
(2) モディファイド?ソルベイ(Modified-Solvay)サイクル(M-Solvayサイクル)である

2.クライオポンプに利用されている冷凍サイクル
クライオポンプの構(gòu)造をCRYO-U8Hを例にとり説明する。
クライオポンプに使用される冷凍機は2段式であり、1段目は冷凍能力が大きく80K以下に冷卻することができ、2段目は冷凍能力は小さいが10～12Kに冷卻することができる。
15Kクライオパネル(1)(凝縮パネル)と15Kクライオパネル(2)(吸著パネル)は冷凍機の2段ステージに取り付けられており、冷凍能力の大きい1段ステージに取り付けられた80Kシールドと80Kバッフルにより、室溫の放射（輻射）熱から保護されている。

図2-2はG-Mサイクルの作動原理とP-V線図(膨張室の圧力Pと容積Vの関係を示したグラフ)を示したものである。

2-1.G－Mサイクル
G-Mサイクルは1950年代の終わりにGiffordにより開発された冷凍サイクルで、デイスプレーサーの駆動方法には、機械的に駆動する方法と、作業(yè)ガスの圧力差を利用して駆動する方法とがある。G-Mサイクルは効率が良いため駆動速度が遅くでき、また、內(nèi)部に使用しているシールにかかる負荷も軽いため、高性能で信頼性の高い冷凍サイクルである。ここでは、アルバック?クライオが使用している機械的にディスプレーサーを駆動する冷凍サイクルについて説明する。

A はじめディスプレーサーはシリンダーの最下部にある。この時低圧バルブが閉じ高圧バルブが開く。 ↓ (a) シリンダーの室溫?低溫部に高圧ガスが充填される。 ↓ B シリンダー內(nèi)部は高圧となる。 ↓ (b) ディスプレサーが引き上げられ、室溫のHeは蓄冷器で冷卻されながら低溫部に充填される。 ↓ C 低溫部は最大容積となる。この時高圧バルブが閉じ、低圧バルブが開く。 ↓ (c) 低溫部の高圧ガスを蓄冷器を通して放出する。この時サイモン膨張によりガスの溫度が下がり、低溫が発生する。 ↓ D 低溫部は最低圧力となる。 ↓ (d) ディスプレーサーは押し下げられ冷卻されたHeは蓄冷器を冷卻しながら室溫部に移送される。 ↓ A もとに戻り、1サイクルが完了する。

このように、理想的なG-MサイクルではP-V線図は四角形となり、1サイクルの周期をt秒とすると、理想的冷凍能力

Q ideal は
Q ideal =W/tで與えられる

実際の冷凍機では15K以下の極低溫を得るために2段式の構(gòu)造をとっている。 また、構(gòu)造を簡略化するために蓄冷器をディスプレーサーの內(nèi)部に組込み一體化している。 1段、2段シールには差圧がかからず、シールへの負荷が軽くなるために長壽命で信頼性の高いものとなっている。