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冷凍機(jī)の構(gòu)造と冷凍の原理

冷凍機(jī)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(jī)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(jī)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(hù)されている。

図2-2はG-Mサイクルの作動(dòng)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(kāi)発された冷凍サイクルで、デイスプレーサーの駆動(dòng)方法には、機(jī)械的に駆動(dòng)する方法と、作業(yè)ガスの圧力差を利用して駆動(dòng)する方法とがある。G-Mサイクルは効率が良いため駆動(dòng)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(fù)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(jī)械的にディスプレーサーを駆動(dòng)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(shí)低圧バルブが閉じ高圧バルブが開(kāi)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(shí)高圧バルブが閉じ、低圧バルブが開(kāi)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(shí)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(jī)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(jiǎn)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(fù)荷が軽くなるために長(zhǎng)壽命で信頼性の高いものとなっている。