JP2001336849A - Cold storage freezer - Google Patents

Cold storage freezer

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JP2001336849A
JP2001336849A JP2000156207A JP2000156207A JP2001336849A JP 2001336849 A JP2001336849 A JP 2001336849A JP 2000156207 A JP2000156207 A JP 2000156207A JP 2000156207 A JP2000156207 A JP 2000156207A JP 2001336849 A JP2001336849 A JP 2001336849A
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cylinder
displacer
working fluid
cylinder portion
stage
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JP2000156207A
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Japanese (ja)
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Toshimi Sato
敏美 佐藤
De Baara Alfons
アルフォンス・デ・バーラ
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Sumitomo Heavy Industries Ltd
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Sumitomo Heavy Industries Ltd
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    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2309/00Gas cycle refrigeration machines
    • F25B2309/14Compression machines, plants or systems characterised by the cycle used 
    • F25B2309/1413Pulse-tube cycles characterised by performance, geometry or theory
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
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    • F25B2309/00Gas cycle refrigeration machines
    • F25B2309/14Compression machines, plants or systems characterised by the cycle used 
    • F25B2309/1415Pulse-tube cycles characterised by regenerator details
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To solve a problem with a prior art GM freezer in which it is difficult to obtain very low temperature of 2K or lower. SOLUTION: A cold storage freezer is provided, which comprises a cylinder and a displacer inserted into the cylinder, the displacer containing a cold storage member therein. As a working fluid use is made of that comprising He including 3He.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は蓄冷式冷凍機に係
り、特に、シリンダと、このシリンダ内に挿入されたデ
ィスプレーサと、このディスプレーサの内部に装入され
た蓄冷材とを含む蓄冷式冷凍機に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a regenerative refrigerator, and more particularly, to a regenerative refrigerator including a cylinder, a displacer inserted in the cylinder, and a regenerator material inserted in the displacer. About.

【0002】[0002]

【従来の技術】蓄冷式冷凍機には、ギフォード・マクマ
ホン式冷凍機(以下、「GM冷凍機」と略記する。)、
スターリング冷凍機、パルスチューブ冷凍機等がある。
2. Description of the Related Art The regenerative refrigerators include Gifford McMahon refrigerators (hereinafter abbreviated as "GM refrigerators").
There are a Stirling refrigerator, a pulse tube refrigerator and the like.

【0003】例えば半導体装置製造用のスパッタリング
装置等で清浄な真空を得たい場合、クライオポンプが用
いられる。このクライオポンプ用冷凍機として、近年、
GM冷凍機が用いられている。勿論、GM冷凍機はクラ
イオポンプに限らず、種々の目的に使用することができ
る。
[0003] For example, when it is desired to obtain a clean vacuum with a sputtering apparatus for manufacturing semiconductor devices, a cryopump is used. In recent years, as a cryopump refrigerator,
A GM refrigerator is used. Of course, the GM refrigerator is not limited to a cryopump and can be used for various purposes.

【0004】GM冷凍機は、シリンダと、このシリンダ
内に挿入されたディスプレーサと、ディスプレーサ内に
装入された蓄冷材とを含んで構成される。
[0004] The GM refrigerator includes a cylinder, a displacer inserted in the cylinder, and a cold storage material charged in the displacer.

【0005】2段式のGM冷凍機におけるシリンダは、
内径が互いに異なる2つのシリンダ部を有する。これら
2つのシリンダ部は、シリンダの軸方向に連続してい
る。一方のシリンダ部(以下、「第1段目のシリンダ
部」という。)側の一端が閉塞される。他方のシリンダ
部(以下、「第2段目のシリンダ部」という。)側か
ら、作動流体が供給される。通常、第1段目のシリンダ
部の内径は、第2段目のシリンダ部の内径よりも小さ
い。
[0005] The cylinder in the two-stage GM refrigerator is
It has two cylinder portions having different inner diameters. These two cylinder portions are continuous in the axial direction of the cylinder. One end of one of the cylinder portions (hereinafter, referred to as “first-stage cylinder portion”) is closed. The working fluid is supplied from the other cylinder section (hereinafter, referred to as “second cylinder section”). Usually, the inner diameter of the first-stage cylinder is smaller than the inner diameter of the second-stage cylinder.

【0006】第1段目のシリンダ部および第2段目のシ
リンダ部それぞれに、ディスプレーサが挿入される。個
々のディスプレーサは円筒容器状の部材であり、長手方
向の両端部それぞれに、内部空間と外部空間とを連通さ
せる開口部が形成されている。ディスプレーサそれぞれ
の内部空間には、蓄冷材が装入されている。
A displacer is inserted into each of the first-stage cylinder portion and the second-stage cylinder portion. Each displacer is a cylindrical container-like member, and has openings formed at both ends in the longitudinal direction for communicating the internal space with the external space. A cool storage material is charged in the internal space of each displacer.

【0007】第1段目のシリンダ部に挿入されたディス
プレーサ(以下、「第1のディスプレーサ」という。)
は、シリンダにおける閉塞された一端との間に第1の膨
張空間を形成する。第2段目のシリンダ部に挿入された
ディスプレーサ(以下、「第2のディスプレーサ」とい
う。)は、第2段目のシリンダ部における第1段目のシ
リンダ部側の端部に第2の熱膨張空間を形成する。第1
および第2のディスプレーサは互いに連結され、シリン
ダの軸方向に往復運動可能に配設される。
[0007] A displacer inserted into the first-stage cylinder portion (hereinafter, referred to as a "first displacer").
Forms a first expansion space with the closed end of the cylinder. The displacer inserted into the second-stage cylinder portion (hereinafter, referred to as “second displacer”) is provided with a second heat at the end of the second-stage cylinder portion on the side of the first-stage cylinder portion. Form an expansion space. First
The second displacer and the second displacer are connected to each other, and are disposed so as to be able to reciprocate in the axial direction of the cylinder.

【0008】GM冷凍機を動作させるためには、シリン
ダ内に所定のタイミングで作動流体を供給し、シリンダ
内に供給された作動流体を所定のタイミングでシリンダ
外へ排出する必要がある。
In order to operate the GM refrigerator, it is necessary to supply the working fluid to the cylinder at a predetermined timing and discharge the working fluid supplied to the cylinder to the outside of the cylinder at a predetermined timing.

【0009】この作動流体としては、例えばヘリウムが
用いられる。作動流体は、例えば第1および第2の膨張
空間を狭める方向に第1および第2のディスプレーサが
駆動されたときに、シリンダ内に供給される。シリンダ
内に供給された作動流体は、第2のディスプレーサの内
部空間、第2の膨張空間、第1のディスプレーサの内部
空間および第1の膨張空間に分布する。
As the working fluid, for example, helium is used. The working fluid is supplied into the cylinder when, for example, the first and second displacers are driven in a direction to narrow the first and second expansion spaces. The working fluid supplied into the cylinder is distributed to the internal space of the second displacer, the second expansion space, the internal space of the first displacer, and the first expansion space.

【0010】シリンダ内の作動流体は、例えば第1およ
び第2の膨張空間を拡げる方向に第1および第2のディ
スプレーサが駆動されたときに、シリンダ外に排出され
る。
[0010] The working fluid in the cylinder is discharged out of the cylinder when the first and second displacers are driven in a direction to expand the first and second expansion spaces, for example.

【0011】第1および第2の膨張空間の拡張に伴っ
て、第1および第2の膨張空間内で作動流体の膨張が起
こる。GM冷凍機は、この膨張が断熱膨張となるように
構成され、作動流体の断熱膨張を利用して寒冷を得る。
[0011] With the expansion of the first and second expansion spaces, the working fluid expands in the first and second expansion spaces. The GM refrigerator is configured such that the expansion is adiabatic expansion, and obtains cold by utilizing the adiabatic expansion of the working fluid.

【0012】断熱膨張によって温度が下がった作動流体
は、第1および第2のディスプレーサそれぞれの内部空
間に装入されている蓄冷材を冷却する。
The working fluid, whose temperature has been lowered by the adiabatic expansion, cools the cold storage material inserted in the internal space of each of the first and second displacers.

【0013】第1および第2のディスプレーサをシリン
ダの軸方向に往復運動させることにより、作動流体の断
熱膨張が第1および第2の膨張空間内で繰り返し起こ
る。その結果として、第1および第2のディスプレーサ
内の蓄冷材が徐々に冷却され、やがてほぼ一定の温度と
なる。
By reciprocating the first and second displacers in the axial direction of the cylinder, adiabatic expansion of the working fluid repeatedly occurs in the first and second expansion spaces. As a result, the regenerator material in the first and second displacers is gradually cooled and eventually reaches a substantially constant temperature.

【0014】例えばヘリウム4( 4He)を作動流体と
して用い、内部に磁性蓄冷材が装入されたディスプレー
サを使用した3段式のGM冷凍機で、2.09Kにまで
冷却した例が知られている。
[0014] used as such as helium 4 (4 He) a working fluid, a three-stage type GM refrigerator using displacer magnetic regenerator material is charged into the inside, is known example cooling to 2.09K ing.

【0015】GM冷凍機とジュールトムソン(JT)弁
機構と組み合わせれば、1.8K台の極低温を得ること
もできる。
If a GM refrigerator is combined with a Joule Thomson (JT) valve mechanism, a very low temperature of the order of 1.8K can be obtained.

【0016】[0016]

【発明が解決しようとする課題】例えばクライオポンプ
による到達圧力は、使用する冷凍機の冷却能力が例えば
3K台にまで向上すると水素を排気することが可能にな
るので、大幅に低圧化する。冷凍機の冷却能力が例えば
2K前後にまで向上すると、更に急激に低圧化するもの
と予想され、10-12 Torr(約7.5×10-9Pa)の
到達圧力を実現できる可能性がある。クライオポンプに
よる到達圧力が低圧化すれば、例えば分子線エピタキシ
(MBE)装置によって高品位の化合物半導体薄膜を得
ることが容易になる。
The ultimate pressure of a cryopump, for example, can be significantly reduced because hydrogen can be exhausted when the cooling capacity of a refrigerator to be used is increased to, for example, about 3K. When the cooling capacity of the refrigerator is improved to, for example, about 2K, the pressure is expected to decrease more rapidly, and it is possible to achieve the ultimate pressure of 10 -12 Torr (about 7.5 × 10 -9 Pa). . If the ultimate pressure of the cryopump is reduced, it becomes easy to obtain a high-quality compound semiconductor thin film by, for example, a molecular beam epitaxy (MBE) apparatus.

【0017】例えば、超電導磁石における臨界電流密度
は、超電導磁石の温度を下げるほど大きくなる。超電導
磁石の臨界電流密度が大きくなれば、より大きな磁場を
発生させることができる。
For example, the critical current density of a superconducting magnet increases as the temperature of the superconducting magnet decreases. As the critical current density of the superconducting magnet increases, a larger magnetic field can be generated.

【0018】このような理由から、蓄冷式冷凍機の冷却
能力の更なる向上が望まれている。
[0018] For these reasons, it is desired to further improve the cooling capacity of the regenerative refrigerator.

【0019】本発明の目的は、比較的簡単な構成を有
し、より低温度にまで冷却することが可能な蓄冷式冷凍
機を提供することである。
An object of the present invention is to provide a regenerative refrigerator having a relatively simple structure and capable of cooling to a lower temperature.

【0020】[0020]

【課題を解決するための手段】本発明の一観点によれ
ば、一端が閉塞されたシリンダと、前記シリンダ内に挿
入された円筒容器状の第1のディスプレーサであって、
長手方向の両端部それぞれに形成されて内部空間と外部
空間とを連通させる開口部と、前記内部空間内に装入さ
れた蓄冷材とを含み、前記シリンダの閉塞された一端と
の間に第1の膨張空間を形成しつつ前記シリンダの軸方
向に往復運動可能に配設された第1のディスプレーサ
と、前記シリンダ内に供給される作動流体であって、 3
Heを含むHeからなる作動流体とを含む蓄冷式冷凍機
が提供される。
According to one aspect of the present invention, there is provided a cylinder having one end closed, and a first cylindrical container-shaped displacer inserted into the cylinder.
An opening formed at each of both ends in the longitudinal direction to communicate the internal space and the external space, and a cold storage material charged into the internal space, a first portion between the closed end of the cylinder and a first displacer that is reciprocally disposed while forming a first expansion space in the axial direction of the cylinder, a working fluid supplied into the cylinder, 3
A regenerative refrigerator including He and a working fluid composed of He is provided.

【0021】ここで、本明細書でいう「 3Heを含むH
e」とは、不可避的な不純物を除いてヘリウム3( 3
e)のみを含むヘリウム(He)を意味する他、 3He
の含有量を自然界における含有量よりも人為的に高めた
4Heと 3Heとの混合物をも意味する。
Here, “H containing 3 He” referred to in this specification is used.
e "means helium 3 ( 3 H
Another meaning helium (He) comprising e) only, 3 the He
Artificially higher than natural content
4 also refers to a mixture of He and 3 He.

【0022】作動流体として従来より用いられている 4
Heを大気圧下で約2.17Kまで冷却すると、超流動
状態に相転移する。超流動状態に相転移した 4Heで
は、熱膨張率がゼロまたは負の値となる。したがって、
その温度が断熱熱膨張によって更に低下することは、理
論上ない。
Conventionally used as a working fluid 4
When He is cooled to about 2.17K under atmospheric pressure, it undergoes a phase transition to a superfluid state. In 4 He has a phase transition to a superfluid state, the thermal expansion coefficient is zero or negative. Therefore,
The temperature is not theoretically further reduced by adiabatic thermal expansion.

【0023】このため、 4Heを作動流体として用いた
従来の蓄冷式冷凍機を単独で用いて2K以下の極低温を
得ることは困難である。
For this reason, it is difficult to obtain an extremely low temperature of 2 K or less using a conventional regenerative refrigerator using 4 He as a working fluid alone.

【0024】これに対し、例えば 3Heは 4Heよりも
更に低温度域まで正の熱膨張率を有する。 3Heの熱膨
張率は、高温側から1K付近にまで亘って正の値を有す
る。
On the other hand, for example, 3 He has a positive coefficient of thermal expansion up to a lower temperature range than 4 He. Thermal expansion coefficient of 3 He has a positive value over the high temperature side to the vicinity of 1K.

【0025】したがって、 3Heを含むHeからなる作
動流体を用いることにより、 4Heを作動流体として用
いた場合よりも更に冷却能力の高い蓄冷式冷凍機を得る
ことが可能である。
Therefore, by using a working fluid composed of He containing 3 He, it is possible to obtain a regenerative refrigerator having a higher cooling capacity than when using 4 He as a working fluid.

【0026】[0026]

【実施例】図1に、実施例による蓄冷式冷凍機100の
構成を概略的に示す。この蓄冷式冷凍機100は、膨張
機50が、シリンダ1と、このシリンダ内に挿入された
2つのディスプレーサ10、20とを含んでいる2段式
のGM式冷凍機である。蓄冷式冷凍機100は、膨張機
50の他に、圧縮機60を含んで構成されている。
FIG. 1 schematically shows the configuration of a regenerative refrigerator 100 according to an embodiment. This regenerative refrigerator 100 is a two-stage GM refrigerator in which an expander 50 includes a cylinder 1 and two displacers 10 and 20 inserted in the cylinder. The regenerative refrigerator 100 includes a compressor 60 in addition to the expander 50.

【0027】シリンダ1は、軸方向に連続する2つのシ
リンダ部、すなわち、第1段目のシリンダ部1aと、第
2段目のシリンダ部1bとを有する。また、第1段目の
シリンダ部1b側の一端を閉塞する銅製の冷却ステージ
1cを有する。
The cylinder 1 has two cylinder portions that are continuous in the axial direction, that is, a first-stage cylinder portion 1a and a second-stage cylinder portion 1b. In addition, a cooling stage 1c made of copper for closing one end of the first-stage cylinder portion 1b side is provided.

【0028】第1段目および第2段目のシリンダ部1
a、1bでは、その軸と直交する方向の断面が円環状を
呈する。これらのシリンダ部1a、1bは、ステンレス
等の熱伝導率が低く、気密性の高い剛性材料で形成さ
れ、互いに異なる内径を有する。
First-stage and second-stage cylinder portions 1
In (a) and (1b), the cross section in the direction orthogonal to the axis has an annular shape. These cylinder portions 1a and 1b are formed of a rigid material having low thermal conductivity such as stainless steel and high airtightness, and have different inner diameters.

【0029】図示のシリンダ1は、第1段目のシリンダ
部1aと第2段目のシリンダ部1bとが別部材となって
いるものであるが、これら2つのシリンダ部1a、1b
を一体成形することも可能である。シリンダ1の一端
は、銅製の冷却ステージ1c以外の部材によって閉塞す
ることも可能である。
In the illustrated cylinder 1, the first-stage cylinder portion 1a and the second-stage cylinder portion 1b are separate members, but these two cylinder portions 1a, 1b
Can also be integrally formed. One end of the cylinder 1 can be closed by a member other than the copper cooling stage 1c.

【0030】図示を省略した輻射シールド板が、第2段
目のシリンダ部1bの外側に取り付けられている。この
輻射シールド板は、第1段目のシリンダ部1aへの室温
からの輻射を低減させる。
A radiation shield plate, not shown, is attached to the outside of the second-stage cylinder portion 1b. The radiation shield plate reduces radiation from the room temperature to the first-stage cylinder portion 1a.

【0031】第1のディスプレーサ10は、シリンダ1
における閉塞された一端(冷却ステージ1cの内面)と
の間に第1の膨張空間30を形成するようにして、第1
段目のシリンダ部1aに挿入されている。
The first displacer 10 includes a cylinder 1
The first expansion space 30 is formed between the first expansion space 30 and the closed end (the inner surface of the cooling stage 1c).
It is inserted into the cylinder part 1a of the stage.

【0032】第1のディスプレーサ10は、例えばステ
ンレス製の管とその外表面に固着された樹脂層とによっ
て形成された円筒部10aと、円筒部10aの一端に嵌
合された蓋材10bと、円筒部10aの他端に嵌合され
た蓋材10cとを有する円筒容器状の部材である。
The first displacer 10 includes a cylindrical portion 10a formed of, for example, a stainless steel tube and a resin layer fixed to the outer surface thereof, a lid member 10b fitted to one end of the cylindrical portion 10a, It is a cylindrical container-shaped member having a lid 10c fitted to the other end of the cylindrical portion 10a.

【0033】円筒部10aの外周には、幅1.5mm、
深さ1mmの溝が多数本形成されている。これらの溝
は、3mmピッチで螺旋状に形成されて、1つの溝パタ
ーン11を構成している。
The outer circumference of the cylindrical portion 10a has a width of 1.5 mm,
Many grooves having a depth of 1 mm are formed. These grooves are spirally formed at a pitch of 3 mm and constitute one groove pattern 11.

【0034】また、円筒部10aにおいて蓋材10bが
嵌合している側の端部には開口部(複数の孔)12aが
形成され、蓋材10cが嵌合している側の端部には開口
部(複数の孔)12bが形成されている。
An opening (a plurality of holes) 12a is formed at the end of the cylindrical portion 10a on the side where the lid 10b is fitted, and is formed at the end on the side where the lid 10c is fitted. Has an opening (a plurality of holes) 12b.

【0035】第1のディスプレーサ10の内部空間に
は、第1の膨張空間30側から順番に、磁性蓄冷材層1
5および鉛(Pb)蓄冷材層16が形成されている。
In the internal space of the first displacer 10, the magnetic cold storage material layers 1 are sequentially arranged from the first expansion space 30 side.
5 and lead (Pb) cold storage material layer 16 are formed.

【0036】第2のディスプレーサ20は、第2段目の
シリンダ部1bにおける第1のディスプレーサ10側の
端部に第2の膨張空間31を形成するようにして、第2
段目のシリンダ部1bに挿入されている。
The second displacer 20 forms the second expansion space 31 at the end of the second-stage cylinder portion 1b on the side of the first displacer 10 so that the second expansion space 31 is formed.
It is inserted into the cylinder part 1b of the stage.

【0037】第2のディスプレーサ20は、例えば布入
りフェノール樹脂製の円筒部20aと、円筒部20aの
一端に嵌合された蓋材20bと、円筒部20aの他端に
嵌合された蓋材20cとを有する円筒容器状の部材であ
る。円筒部20aにおいて蓋材20bが嵌合している側
の端部には、開口部(複数の孔)22が形成されてい
る。開口部(複数(計3個)の孔)23が、蓋材20c
に形成されている。
The second displacer 20 includes, for example, a cylindrical portion 20a made of phenol resin containing cloth, a lid member 20b fitted to one end of the cylindrical portion 20a, and a lid member fitted to the other end of the cylindrical portion 20a. 20c. An opening (a plurality of holes) 22 is formed at the end of the cylindrical portion 20a on the side where the lid member 20b is fitted. The opening (a plurality of (three in total) holes) 23 is
Is formed.

【0038】第2のディスプレーサ20の内部空間に
は、第2の膨張空間31側に鉛(Pb)蓄冷材層25が
形成され、その上に、蓄冷材としての銅製金網26が多
数枚積層されている。
In the internal space of the second displacer 20, a lead (Pb) cold storage material layer 25 is formed on the second expansion space 31 side, and a number of copper wire meshes 26 as a cold storage material are laminated thereon. ing.

【0039】シール部材28が、第2のディスプレーサ
20の外周に設けられている。このシール部材28は、
第2のディスプレーサ20の外周面と第2のシリンダ部
1bの内周面との間の間隙を作動流体が流通するのを防
止する。
A seal member 28 is provided on the outer periphery of the second displacer 20. This sealing member 28
The working fluid is prevented from flowing through the gap between the outer peripheral surface of the second displacer 20 and the inner peripheral surface of the second cylinder portion 1b.

【0040】第1および第2のディスプレーサ10、2
0は、連結部材35によって互いに連結されている。デ
ィスプレーサ20は、連結部材36を介して、動力室4
0に配置されているモータMの回転軸に接続されてい
る。
First and second displacers 10, 2
0 are connected to each other by a connecting member 35. The displacer 20 is connected to the power chamber 4 via the connecting member 36.
0 is connected to the rotating shaft of the motor M arranged at zero.

【0041】動力室40は、シリンダ1の一端に設置さ
れたフランジ部41上に固定されている。モータMは、
シリンダ1の軸方向に第1および第2のディスプレーサ
10、20を往復運動させるための動力を発生する。連
結部材36はクランクとしての機能を有する。
The power chamber 40 is fixed on a flange 41 provided at one end of the cylinder 1. The motor M is
A power for reciprocating the first and second displacers 10 and 20 in the axial direction of the cylinder 1 is generated. The connecting member 36 has a function as a crank.

【0042】動力室40内には、2つのバルブV1、V
2を備えたロータリーバルブ装置Vが配設されている。
ロータリーバルブ装置Vは、例えば上記のモータMから
動力の供給を受ける。
In the power chamber 40, two valves V1, V
2 is provided with a rotary valve device V provided with a rotary valve 2.
The rotary valve device V is supplied with power from, for example, the motor M described above.

【0043】バルブV1、V2それぞれの一端には配管
45が接続され、それぞれの他端には、後述する作動流
体供給管61または作動流体回収管62が接続されてい
る。配管45の一端は、動力室40を画定しているハウ
ジング42の底に形成された開口42aに接続されてい
る。
A pipe 45 is connected to one end of each of the valves V1 and V2, and a working fluid supply pipe 61 or a working fluid recovery pipe 62 described later is connected to each other end. One end of the pipe 45 is connected to an opening 42 a formed at the bottom of the housing 42 that defines the power chamber 40.

【0044】蓄冷式冷凍機100を動作させる際には、
所定のタイミングで膨張機50(シリンダ1)内へ作動
流体が供給されると共に、膨張機50(シリンダ1)内
に供給された作動流体が所定のタイミングで膨張機50
(シリンダ1)外へ排出される。したがって、動作時の
蓄冷式冷凍機100は作動流体を含む。
When operating the regenerative refrigerator 100,
The working fluid is supplied into the expander 50 (cylinder 1) at a predetermined timing, and the working fluid supplied into the expander 50 (cylinder 1) is supplied at a predetermined timing.
(Cylinder 1) is discharged outside. Therefore, the regenerative refrigerator 100 during operation contains the working fluid.

【0045】シリンダ1内への作動流体の供給のタイミ
ングおよびシリンダ1外への作動流体の排出のタイミン
グは、例えば、ロータリーバルブ装置Vによって制御す
ることができる。
The timing of supplying the working fluid into the cylinder 1 and the timing of discharging the working fluid outside the cylinder 1 can be controlled by, for example, a rotary valve device V.

【0046】作動流体としては、例えば、概ね15〜2
0kgf/cm2G に加圧した 3He、あるいは、 3
eガスと 4Heガスとの混合ガスが用いられる。
As the working fluid, for example, approximately 15 to 2
3 He or 3 H pressurized to 0 kgf / cm 2 G
A mixed gas of e gas and 4 He gas is used.

【0047】蓄冷式冷凍機100においては、作動流体
を加圧(圧縮)するための圧縮機60が膨張機50の外
部に設置されている。
In the regenerative refrigerator 100, a compressor 60 for pressurizing (compressing) the working fluid is provided outside the expander 50.

【0048】圧縮機60で加圧された作動流体は、作動
流体供給管61、ロータリーバルブ装置V(バルブV
1)および配管45を介して、ハウジング42に形成さ
れている開口42aからシリンダ1内に供給される。
The working fluid pressurized by the compressor 60 is supplied to a working fluid supply pipe 61 through a rotary valve device V (a valve V).
1) and is supplied into the cylinder 1 through an opening 42a formed in the housing 42 via a pipe 45.

【0049】シリンダ1内に供給された作動流体は、第
2のディスプレーサ20内、第2の膨張空間31内、第
1のディスプレーサ10内および第1の膨張空間30内
に達する。
The working fluid supplied into the cylinder 1 reaches the inside of the second displacer 20, the second expansion space 31, the first displacer 10, and the first expansion space 30.

【0050】開口部12a、12b、第1のディスプレ
ーサ10の内部空間、開口部22、23、および、第2
のディスプレーサ20の内部空間は、それぞれ、作動流
体の流路となる。第1のディスプレーサ10の外周面と
第1のシリンダ部1aの内周面との間の間隙も、作動流
体の流路となる。
The openings 12a, 12b, the internal space of the first displacer 10, the openings 22, 23, and the second
Each of the internal spaces of the displacers 20 serves as a flow path of the working fluid. The gap between the outer peripheral surface of the first displacer 10 and the inner peripheral surface of the first cylinder portion 1a also serves as a flow path for the working fluid.

【0051】また、シリンダ1内に供給された作動流体
は、開口42aからシリンダ1外へ排出され、配管4
5、ロータリーバルブ装置V(バルブV2)および作動
流体回収管62を介して圧縮機60に回収され、再利用
される。
The working fluid supplied into the cylinder 1 is discharged out of the cylinder 1 through the opening 42a,
5. Collected by the compressor 60 via the rotary valve device V (valve V2) and the working fluid collection pipe 62, and reused.

【0052】図示した膨張機50は、第1および第2の
膨張空間30、31の拡張に伴って作動流体が第1およ
び第2の膨張空間30、31内で断熱膨張するように構
成されている。シリンダ1は、図示を省略した真空容器
内に収められている。
The illustrated expander 50 is configured so that the working fluid adiabatically expands in the first and second expansion spaces 30, 31 as the first and second expansion spaces 30, 31 expand. I have. The cylinder 1 is housed in a vacuum vessel (not shown).

【0053】シリンダ1内への作動流体の供給およびシ
リンダ1外への作動流体の排出が、第1および第2のデ
ィスプレーサ10、20の往復運動と所定の位相差の下
に行われる。第1および第2のディスプレーサ30、3
1をシリンダ1の軸方向に繰り返し往復運動させること
により、作動流体の断熱膨張が第1および第2の膨張空
間30、31内で繰り返し起こる。
The supply of the working fluid into the cylinder 1 and the discharge of the working fluid outside the cylinder 1 are performed under a predetermined phase difference with the reciprocating motion of the first and second displacers 10 and 20. First and second displacers 30, 3
By reciprocating the cylinder 1 repeatedly in the axial direction of the cylinder 1, adiabatic expansion of the working fluid repeatedly occurs in the first and second expansion spaces 30, 31.

【0054】その結果として、第1および第2のディス
プレーサ10、20内の蓄冷材が徐々に冷却され、やが
てほぼ一定の温度となる。シリンダ1の外表面の温度
も、ほぼ一定の温度となる。
As a result, the regenerative material in the first and second displacers 10 and 20 is gradually cooled to reach a substantially constant temperature. The temperature of the outer surface of the cylinder 1 is also substantially constant.

【0055】蓄冷式冷凍機100の性能を測定するため
に、下記の試験I〜試験Vを行った。試験I 作動流体として 3Heを用いたときの第1段目および第
2段目のシリンダ部1a、1bそれぞれにおける低温端
の到達温度を測定した。このとき、膨張機50および圧
縮機60の仕様を下記(1) 〜(16)に示す仕様とし、動力
室40内のモータMの回転数を54〜96rpmの範囲
内で種々変更した。
In order to measure the performance of the regenerative refrigerator 100, the following tests I to V were performed. The temperature reached at the low-temperature end in each of the first-stage and second-stage cylinder portions 1a and 1b when 3 He was used as the working fluid for Test I was measured. At this time, the specifications of the expander 50 and the compressor 60 were set to the following specifications (1) to (16), and the number of revolutions of the motor M in the power chamber 40 was variously changed within the range of 54 to 96 rpm.

【0056】また、 3Heに代えて 4Heを作動流体と
して用いたときの到達温度についても、同様にして測定
した。 (1) 第1段目のシリンダ部1a;内径25mm、長さ
(内寸)165mm (2) 第2段目のシリンダ部1b;内径52mm、長さ
(内寸)191.5mm (3) 第1のディスプレーサ10;内径21mm (4) 第2のディスプレーサ20;内径38mm (5) 磁性蓄冷材層15;粒径0.2〜0.5mm、総重
量150gのHoCu2球によって形成 (6) 鉛(Pb)蓄冷材層16;粒径0.4〜0.48m
m、総重量150gのPb球によって形成 (7) 鉛(Pb)蓄冷材層25;粒径0.4〜0.48m
m、総重量120gのPb球によって形成 (8) 銅製金網26;180メッシュ、使用枚数450枚 (9) 各ディスプレーサ10、20の往復運動のストロー
ク;20mm (10)バルブV1、V2の開閉タイミング; 作動流体と
して 4Heを用いたときに最も高い性能が得られるタイ
ミングに同じ (11)圧縮機60;住友重機械工業株式会社製のCKW2
1(ただし、 3Heの使用量を抑えるために、アドゾー
バを小さいものに変更) (12) 3Heの充填圧力;15.5kgf/cm2G (13) 4Heの充填圧力;17kgf/cm2G (14)圧縮機60の運転条件;消費電力がほぼ2.5kW
となる条件 (15)第1段目のシリンダ部1aへの熱負荷;なし (16)第2段目のシリンダ部1bへの熱負荷;なし 測定結果を図2に示す。なお、図2においては、下側の
2本の線が第1段目のシリンダ部1aの低温端(冷却ス
テージ1c)の到達温度を示し、上側の2本の線が第2
段目のシリンダ部1bの低温端の到達温度を示してい
る。
The temperature reached when 4 He was used as the working fluid instead of 3 He was measured in the same manner. (1) First-stage cylinder portion 1a; inner diameter 25 mm, length (inner size) 165 mm (2) Second-stage cylinder portion 1b; inner diameter 52 mm, length (inner size) 191.5 mm (3) No. (1) Displacer 10; inner diameter 21 mm (4) Second displacer 20; inner diameter 38 mm (5) Magnetic regenerator layer 15; formed by HoCu 2 spheres having a particle size of 0.2 to 0.5 mm and a total weight of 150 g (6) Lead (Pb) Cold storage material layer 16; particle size 0.4 to 0.48 m
m, formed by Pb spheres having a total weight of 150 g (7) Lead (Pb) regenerator material layer 25; particle size 0.4 to 0.48 m
(8) Copper wire mesh 26; 180 mesh, 450 sheets used (9) Reciprocating stroke of each displacer 10, 20; 20 mm (10) Opening / closing timing of valves V1, V2; Same timing as when the highest performance is obtained when 4 He is used as the working fluid. (11) Compressor 60; CKW2 manufactured by Sumitomo Heavy Industries, Ltd.
1 (However, the adsorber was changed to a smaller one in order to suppress the amount of 3 He used.) (12) Filling pressure of 3 He; 15.5 kgf / cm 2 G (13) Filling pressure of 4 He; 17 kgf / cm 2 G (14) Operating condition of compressor 60; power consumption is approximately 2.5 kW
(15) Thermal load on the first-stage cylinder portion 1a; none (16) Thermal load on the second-stage cylinder portion 1b; none The measurement results are shown in FIG. In FIG. 2, the lower two lines indicate the temperatures reached at the low-temperature end (cooling stage 1c) of the first-stage cylinder section 1a, and the upper two lines indicate the second-stage temperature.
It shows the temperature reached at the low-temperature end of the cylinder part 1b at the stage.

【0057】第1段目のシリンダ部1aの低温端の到達
温度は、その外側に配置したゲルマニウム温度計を用い
て測定した。第2段目のシリンダ部1bの低温端の到達
温度は、第2段目のシリンダ部1bにおける第1段目の
シリンダ部1a側の端部の外側に配置した白金−コバル
ト温度計を用いて測定した。
The temperature reached at the low-temperature end of the first-stage cylinder section 1a was measured using a germanium thermometer disposed outside the cylinder section 1a. The temperature reached at the low-temperature end of the second-stage cylinder portion 1b is determined by using a platinum-cobalt thermometer disposed outside the end of the second-stage cylinder portion 1b on the side of the first-stage cylinder portion 1a. It was measured.

【0058】図2から明らかなように、 3Heおよび 4
Heのいずれを作動流体として用いた場合でも、モータ
Mの回転数が96rpmから54rpmかけて減少する
に従って、第1段目のシリンダ部1aの低温端の到達温
度が低下する傾向にある。
As apparent from FIG. 2, 3 He and 4 He
Regardless of which He is used as the working fluid, as the rotation speed of the motor M decreases from 96 rpm to 54 rpm, the temperature reached at the low-temperature end of the first-stage cylinder portion 1a tends to decrease.

【0059】3Heを作動流体として用いた場合には、
モータMの回転数が96rpmのときでも、第1段目の
シリンダ部1aの低温端の到達温度が2.01Kにな
る。モータMの回転数が54rpmのときには、1.6
5Kにまで低下する。2K以下の極低温を得ることがで
きる。
When 3 He is used as a working fluid,
Even when the rotation speed of the motor M is 96 rpm, the temperature reached at the low-temperature end of the first-stage cylinder portion 1a is 2.01K. When the rotation speed of the motor M is 54 rpm, 1.6
It drops to 5K. Extremely low temperatures of 2K or less can be obtained.

【0060】一方、 4Heを作動流体として用いた場合
には、モータMの回転数を54rpmにしても、第1段
目のシリンダ部1aの低温端の到達温度は2.3Kであ
り、2K以下の極低温を得ることができなかった。モー
タMの回転数を54rpmよりも低減させてみたが、試
験した範囲では、第1段目のシリンダ部1aの低温端の
到達温度を2.3Kより下げることはできなかった。試験II モータMの回転数を60rpmに固定すると共に第1段
目のシリンダ部1aへかける熱負荷の大きさを種々変更
した以外は試験Iと同様にして、第1段目のシリンダ部
1aの低温端の到達温度と熱負荷の大きさとの関係を調
べた。結果を図3に示す。
On the other hand, when 4 He is used as the working fluid, even if the rotation speed of the motor M is set to 54 rpm, the temperature reached at the low-temperature end of the first-stage cylinder section 1a is 2.3K, and 2K The following cryogenic temperatures could not be obtained. Although the rotational speed of the motor M was reduced below 54 rpm, the temperature reached at the low-temperature end of the first-stage cylinder portion 1a could not be reduced below 2.3K within the range tested. Test II In the same manner as in Test I, except that the rotation speed of the motor M was fixed at 60 rpm and the magnitude of the heat load applied to the first-stage cylinder portion 1a was variously changed, the first-stage cylinder portion 1a The relationship between the ultimate temperature at the low temperature end and the magnitude of the heat load was investigated. The results are shown in FIG.

【0061】なお、第1段目のシリンダ部1aへの熱負
荷は、冷却ステージ1cの外周にマンガニン(商標名)
線を巻き付け、これを電気ヒータとして用いて発生させ
た。
The heat load on the first stage cylinder portion 1a is applied to the outer periphery of the cooling stage 1c by the manganin (trade name)
A wire was wrapped and generated using this as an electric heater.

【0062】図3から明らかなように、 3Heを作動流
体として用いることによって、 4Heを作動流体として
用いた場合よりも蓄冷式冷凍機100の冷却能力を高め
ることができる。
As is apparent from FIG. 3, the cooling capacity of the regenerative refrigerator 100 can be increased by using 3 He as the working fluid, as compared with the case where 4 He is used as the working fluid.

【0063】3Heを作動流体として用いた場合には、
第1段目のシリンダ部1aの低温端の到達温度を2Kと
したときでも、53.9mWの冷却能力を得ることがで
きる。第1段目のシリンダ部1aの低温端の到達温度を
4.2Kとしたときには、820mWの冷却能力が得ら
れる。
When 3 He is used as the working fluid,
Even when the temperature at the low-temperature end of the first-stage cylinder section 1a is 2K, a cooling capacity of 53.9 mW can be obtained. When the temperature reached at the low-temperature end of the first-stage cylinder portion 1a is 4.2K, a cooling capacity of 820 mW is obtained.

【0064】一方、 4Heを作動流体として用いた場
合、第1段目のシリンダ部1aの低温端の到達温度を
4.2Kとしたときの冷却能力は630mWであり、 3
Heを用いた場合よりも20%以上低い。試験III HoCu2 製蓄冷材とNdInCu2 製蓄冷材とを用い
て磁性蓄冷材層15を形成するとともにモータMの回転
数を48rpmまたは60rpmに固定した以外は試験
IIと同様にして、 3Heを作動流体として用いて第1段
目のシリンダ部1aの低温端の到達温度を2Kとしたと
きの蓄冷式冷凍機100の冷却能力を測定した。
[0064] On the other hand, when using a 4 He as the working fluid, the cooling capacity when the temperature reached the low temperature end and a 4.2K first stage of the cylinder portion 1a is 630MW, 3
20% or more lower than when He is used. Test III The test was conducted except that the magnetic regenerator material layer 15 was formed using the HoCu 2 regenerator material and the NdInCu 2 regenerator material, and the rotation speed of the motor M was fixed at 48 rpm or 60 rpm.
In the same manner as II, the cooling capacity of the regenerative refrigerator 100 was measured when 3 He was used as the working fluid and the ultimate temperature at the low-temperature end of the first-stage cylinder portion 1a was 2K.

【0065】磁性蓄冷材層15を形成するにあたって使
用したHoCu2 製蓄冷材は粒径0.2〜0.5mmの
HoCu2 球であり、NdInCu2 製蓄冷材は大きさ
が0.2〜0.5mm程度のNdInCu2 粉砕粉であ
る。第1の膨張空間30側から順番に、NdInCu2
粉砕粉の層とHoCu2 球の層とを形成した。NdIn
Cu2 粉砕粉およびHoCu2 球の使用量を下記(a) 〜
(c) に示す量とした計3種類の膨張機50について、上
記の測定を行った。 (a) NdInCu2 粉砕粉25.8g、HoCu2 球1
20g (b) NdInCu2 粉砕粉47.2g、HoCu2 球9
0g (c) NdInCu2 粉砕粉72.3g、HoCu2 球6
0g 測定結果を図4に示す。また、参考のため、試験IIでモ
ータMの回転数を60rpmとし、 3Heを作動流体と
して用いて第1段目のシリンダ部1aの低温端の到達温
度を2Kとしたときの測定結果を図4に併記する。
The HoCu 2 cold storage material used in forming the magnetic cold storage material layer 15 is a HoCu 2 sphere having a particle size of 0.2 to 0.5 mm, and the NdInCu 2 cold storage material has a size of 0.2 to 0. NdInCu 2 pulverized powder of about 0.5 mm. NdInCu 2 in order from the first expansion space 30 side.
A layer of ground powder and a layer of HoCu 2 spheres were formed. NdIn
The amounts of the Cu 2 pulverized powder and HoCu 2 spheres used are shown in (a)
The above measurement was performed for a total of three types of expanders 50 having the amounts shown in (c). (a) 25.8 g of NdInCu 2 ground powder, 1 HoCu 2 sphere
20 g (b) NdInCu 2 powder 47.2 g, HoCu 2 spheres 9
0 g (c) 72.3 g of NdInCu 2 ground powder, 6 HoCu 2 balls
0g The measurement results are shown in FIG. Also, for reference, the measurement results when the rotation speed of the motor M was set to 60 rpm, the ultimate temperature at the low-temperature end of the first-stage cylinder portion 1a was set to 2K using 3 He as the working fluid in Test II are shown in FIG. Also described in 4.

【0066】図4から明らかなように、HoCu2 製蓄
冷材とNdInCu2 製蓄冷材とを用いて磁性蓄冷材層
15を形成することにより、HoCu2 製蓄冷材単独で
磁性蓄冷材層15を形成したときよりも、2Kでの蓄冷
式冷凍機100の冷却能力を高めることができる。試験IV 粒径が0.2〜0.5mmのHoCu2 球と大きさが
0.2〜0.5mm程度のNdInCu2 粉砕粉とを用
いて磁性蓄冷材層15を形成した以外は試験IIと同様に
して、 3Heを作動流体として用いたときの第1段目の
シリンダ部1aの低温端の到達温度と熱負荷の大きさと
の関係を調べた。
As is apparent from FIG. 4, the magnetic regenerator material layer 15 is formed using the HoCu 2 regenerator material and the NdInCu 2 regenerator material, so that the HoCu 2 regenerator material alone forms the magnetic regenerator material layer 15. The cooling capacity of the regenerative refrigerator 100 at 2K can be higher than when it is formed. Test IV Except that the magnetic regenerator material layer 15 was formed using HoCu 2 spheres having a particle diameter of 0.2 to 0.5 mm and NdInCu 2 crushed powder having a size of about 0.2 to 0.5 mm, Similarly, the relationship between the ultimate temperature at the low temperature end of the first-stage cylinder portion 1a and the magnitude of the thermal load when 3 He was used as the working fluid was examined.

【0067】HoCu2 球の使用量は90g、NdIn
Cu2 粉砕粉の使用量は47.2gであり、第1の膨張
空間30側から順番に、NdInCu2 粉砕粉の層とH
oCu2 球の層とを形成した。
The amount of HoCu 2 sphere used was 90 g, NdIn
The used amount of the pulverized Cu 2 powder was 47.2 g, and the layer of the pulverized NdInCu 2 powder and H
A layer of oCu 2 spheres was formed.

【0068】結果を図5に示す。また、 3Heを作動流
体として用いたときの試験IIの結果を図5に併記する。
FIG. 5 shows the results. FIG. 5 also shows the results of Test II when 3 He was used as the working fluid.

【0069】図5に示すように、HoCu2 製蓄冷材と
NdInCu2 製蓄冷材とを用いて磁性蓄冷材層15を
形成することにより、HoCu2 製蓄冷材単独で磁性蓄
冷材層15を形成したときよりも概ね2.3Kより低温
側での冷却能力を高めることができる。
As shown in FIG. 5, the magnetic regenerator material layer 15 is formed by using the HoCu 2 regenerator material and the NdInCu 2 regenerator material, so that the magnetic regenerator material layer 15 is formed solely by the HoCu 2 regenerator material. It is possible to increase the cooling capacity at a temperature lower than about 2.3K than when it is performed.

【0070】HoCu2 製蓄冷材とNdInCu2 製蓄
冷材とを併用することによって2.3Kより低温側での
冷却能力が向上する理由は、これらの蓄冷材の比熱特性
の違いにあるものと推察される。
It is speculated that the reason why the combined use of the cold storage material made of HoCu 2 and the cold storage material made of NdInCu 2 improves the cooling capacity at a temperature lower than 2.3K is due to the difference in specific heat characteristics of these cold storage materials. Is done.

【0071】図6に、HoCu2 (金属間化合物)およ
びNdInCu2 (金属間化合物)の体積比熱の特性を
示す。
FIG. 6 shows the characteristics of the specific heat of volume of HoCu 2 (intermetallic compound) and NdInCu 2 (intermetallic compound).

【0072】同図に示すように、HoCu2 は9K付近
と7K付近とに、磁気転移に伴う体積比熱のピークを有
している。9K付近の体積比熱のピークは反強磁性状態
への相転移によるものであり、7K付近の体積比熱のピ
ークは磁気構造の転移によるものである。一方、NdI
nCu2 は2K付近に反強磁性状態への相転移に伴う体
積比熱のピークを有している。
As shown in the figure, HoCu 2 has peaks of volume specific heat associated with magnetic transition at around 9K and around 7K. The peak of volume specific heat around 9K is due to the phase transition to the antiferromagnetic state, and the peak of volume specific heat around 7K is due to the transition of the magnetic structure. On the other hand, NdI
nCu 2 has a peak of volume specific heat near 2K due to a phase transition to an antiferromagnetic state.

【0073】NdInCu2 の体積比熱は、少なくとも
2KにおいてはHoCu2 の体積比熱よりも高い。少な
くとも4〜5Kにおいては、HoCu2 の体積比熱の方
がNdInCu2 の体積比熱よりも高い。試験V 試験IVと同様にして磁性蓄冷材層15を形成した以外は
試験Iと同様にして、3Heを作動流体として用いたと
きの第1段目のシリンダ部1aの低温端の到達温度とモ
ータMの回転数との関係を調べた。
The volume specific heat of NdInCu 2 is higher than that of HoCu 2 at least at 2K. In at least 4~5K, towards the volume specific heat of HoCu 2 is higher than the volume specific heat of NdInCu 2. Test V In the same manner as in Test I, except that the magnetic regenerator material layer 15 was formed in the same manner as in Test IV, the temperature reached at the low-temperature end of the first-stage cylinder portion 1a when 3 He was used as the working fluid. The relationship with the rotation speed of the motor M was examined.

【0074】その結果、モータMの回転数を48rpm
または54rpmとしたときに、第1段目のシリンダ部
1aの低温端の到達温度は1.64Kと最も低くなっ
た。
As a result, the rotation speed of the motor M is set to 48 rpm
Or, at 54 rpm, the temperature reached at the low temperature end of the first stage cylinder portion 1a was the lowest at 1.64K.

【0075】以上、実施例による蓄冷式冷凍機について
説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されるもの
ではない。
The regenerative refrigerator according to the embodiments has been described above, but the present invention is not limited to these embodiments.

【0076】例えば、実施例による蓄冷式冷凍機は2段
式のGM冷凍機であるが、1段式あるいは3段以上の多
段式のGM冷凍機であってもよいし、スターリング冷凍
機であってもよい。
For example, the regenerative refrigerator according to the embodiment is a two-stage GM refrigerator, but may be a one-stage or three-stage or more multi-stage GM refrigerator or a Stirling refrigerator. You may.

【0077】3段以上の多段式のGM冷凍機における段
数をNとすると、このGM冷凍機におけるシリンダは、
軸方向に連続するN個のシリンダ部であって、内径が互
いに異なるN個のシリンダ部を有する。これらのシリン
ダ部の各々に、円筒容器状のディスプレーサが1個ずつ
挿入される。各ディスプレーサは、その内部空間に装入
された蓄冷材を含む。シリンダにおける閉塞された一端
に連続するシリンダ部が第1段目のシリンダ部であり、
ここに挿入された挿入されたディスプレーサが第1のデ
ィスプレーサである。他のシリンダ部に挿入されたディ
スプレーサの各々は、当該ディスプレーサが挿入されて
いるシリンダ部における第1のディスプレーサ側の端部
に熱膨張空間を形成しつつ、第1のディスプレーサ側に
隣るディスプレーサに連結される。
Assuming that the number of stages in a multi-stage GM refrigerator of three or more stages is N, the cylinder in this GM refrigerator is
It has N cylinder portions that are continuous in the axial direction and have N inner diameters different from each other. One cylindrical container-shaped displacer is inserted into each of these cylinder parts. Each displacer includes a cold storage material charged in its internal space. A cylinder portion that is continuous with one closed end of the cylinder is a first-stage cylinder portion,
The inserted displacer inserted here is the first displacer. Each of the displacers inserted into the other cylinder part forms a thermal expansion space at the end of the cylinder part where the displacer is inserted on the first displacer side, and the displacer adjacent to the first displacer side forms a thermal expansion space. Be linked.

【0078】特許第2659684号の明細書に記載さ
れているように、ディスプレーサの外周に、当該ディス
プレーサの軸方向に対して交差する方向に沿う溝を含ん
で構成された溝パターンを形成することによって、冷却
能力や冷却能力の安定性を向上させることができる。こ
の溝パターンは、少なくとも第1のディスプレーサの外
周に形成することが好ましい。ただし、溝パターンの形
成は必須の要件ではない。
As described in the specification of Japanese Patent No. 2659684, by forming a groove pattern including grooves along a direction intersecting the axial direction of the displacer on the outer periphery of the displacer. Thus, the cooling capacity and the stability of the cooling capacity can be improved. This groove pattern is preferably formed at least on the outer periphery of the first displacer. However, the formation of the groove pattern is not an essential requirement.

【0079】3Heを含むHeを作動流体として用いる
ことにより、ディスプレーサの外周に溝パターンが形成
されていない場合でも、同じ構造を有する従来の蓄冷式
冷凍機よりも低温度にまで冷却することが可能である。
By using He containing 3 He as a working fluid, even when a groove pattern is not formed on the outer periphery of the displacer, it can be cooled to a lower temperature than a conventional regenerative refrigerator having the same structure. It is possible.

【0080】3Heを含むHeからなる作動流体は、特
に、概ね4K以下の極低温を得るうえで有用である。
A working fluid made of He containing 3 He is particularly useful for obtaining an extremely low temperature of about 4 K or less.

【0081】2K以下の極低温を得るうえからは、第1
のディスプレーサの内部空間に、4K以下に体積比熱の
ピークを有する第1の磁性蓄冷材と、4Kより高い温度
に体積比熱のピークを有する第2の磁性蓄冷材とを装入
することが好ましい。第1の磁性蓄冷材の層を第1の膨
張空間側に形成し、その上に、第2の磁性蓄冷材の層を
形成することが好ましい。
In order to obtain an extremely low temperature of 2K or less, the first
Preferably, a first magnetic regenerator having a volume specific heat peak at 4K or less and a second magnetic regenerator having a volume specific heat peak at a temperature higher than 4K are preferably charged into the internal space of the displacer. It is preferable that a layer of the first magnetic regenerator is formed on the first expansion space side, and a second layer of the magnetic regenerator is formed thereon.

【0082】また、第1の磁性蓄冷材の体積比熱は、少
なくとも2Kにおいては第2の磁性蓄冷材の体積比熱よ
りも高いことが好ましい。
It is preferable that the volume specific heat of the first magnetic regenerator is higher than the volume specific heat of the second magnetic regenerator at least at 2K.

【0083】第1の磁性蓄冷材の具体例としては、前述
したNdInCu2 の他に、希土類金属元素を含有する
他の磁性蓄冷材、例えばSmInCu2 等が挙げられ
る。
As a specific example of the first magnetic regenerator material, in addition to the above-described NdInCu 2 , another magnetic regenerator material containing a rare earth metal element, for example, SmInCu 2 and the like can be mentioned.

【0084】第2の磁性蓄冷材の具体例としては、前述
したHoCu2 の他に、希土類金属元素を含有する他の
磁性蓄冷材、例えばErNi0.9Co0.1等が挙げられ
る。
Specific examples of the second magnetic regenerator include other magnetic regenerators containing rare earth metal elements, such as ErNi 0.9 Co 0.1 in addition to HoCu 2 described above.

【0085】第1のディスプレーサ10の内部に装入す
る鉛(Pb)蓄冷材16に代えて、Er3N i、Er
0.7Ho0.3Ni等の磁性蓄冷材を用いることもできる。
銅製金網26に代えて、ステンレス製金網等を用いるこ
ともできる。
Instead of the lead (Pb) cold storage material 16 charged inside the first displacer 10, Er 3 Ni, Er
A magnetic regenerator material such as 0.7 Ho 0.3 Ni may be used.
Instead of the copper wire mesh 26, a stainless steel wire mesh or the like can be used.

【0086】金網形状とする蓄冷材を除き、蓄冷材の形
状は、粉砕粉のように不定形であってもよいが、粒径が
概ね0.2〜0.5mmの球状であることがより好まし
い。また、ペレット状に成形したものであってもよい。
Except for the regenerator material having a wire mesh shape, the shape of the regenerator material may be irregular, such as pulverized powder, but it is more preferable that the regenerator material be spherical with a particle size of approximately 0.2 to 0.5 mm. preferable. Further, it may be formed into a pellet.

【0087】作動流体として 3Heと 4Heとの混合物
を用いて2K以下の極低温を得ようとする場合は、 3
eと 4Heとの原子数比 3He/4He を概ね0.4以
上にすることが好ましいと考えられる。 3Heは高価で
あるので、 3Heと 4Heとの混合物を用いることによ
り、2K以下の極低温を得ることが可能な蓄冷式冷凍機
をより安価に提供することが可能であろう。
When a very low temperature of 2 K or less is to be obtained by using a mixture of 3 He and 4 He as a working fluid, 3 H
it is considered preferable to e and the atomic ratio 3 the He / 4 He and 4 He in a generally 0.4 or more. Since 3 He is expensive, by using a mixture of 3 He and 4 He, a regenerative refrigerator capable of obtaining an extremely low temperature of 2 K or less can be provided at a lower cost.

【0088】図1に示した蓄冷式冷凍機100の冷却能
力は、設置角依存性を有している。第1の膨張空間30
が第2の膨張空間31の鉛直下方に位置するように膨張
機50を設置したときの設置角を0°とし、その逆を1
80°とすると、0°または180°に設置して使用す
ることが好ましい。例えば90°に設置すると、冷却能
力が10%以上低下することがある。ただし、設置角を
何度にしても、2K以下の極低温を得ることが可能であ
る。
The cooling capacity of the regenerative refrigerator 100 shown in FIG. 1 depends on the installation angle. First expansion space 30
Is set to 0 ° when the expander 50 is installed so as to be positioned vertically below the second expansion space 31, and vice versa.
Assuming that the angle is 80 °, it is preferable to use it at 0 ° or 180 °. For example, when installed at 90 °, the cooling capacity may be reduced by 10% or more. However, an extremely low temperature of 2K or less can be obtained regardless of the installation angle.

【0089】その他、種々の変更、改良、組み合わせ等
が可能なことは当業者に自明であろう。
It will be obvious to those skilled in the art that various changes, improvements, combinations, and the like can be made.

【0090】[0090]

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
比較的簡単な構成を有し、より低温度にまで冷却するこ
とが可能な蓄冷式冷凍機を提供することが可能になる。
As described above, according to the present invention,
It is possible to provide a regenerative refrigerator having a relatively simple configuration and capable of cooling to a lower temperature.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】実施例による蓄冷式冷凍機を示す概略図であ
る。
FIG. 1 is a schematic diagram showing a regenerative refrigerator according to an embodiment.

【図2】試験Iの結果を示すグラフである。FIG. 2 is a graph showing the results of Test I.

【図3】試験IIの結果を示すグラフである。FIG. 3 is a graph showing the results of Test II.

【図4】試験III の結果を示すグラフである。FIG. 4 is a graph showing the results of Test III.

【図5】試験IVの結果を示すグラフである。FIG. 5 is a graph showing the results of Test IV.

【図6】HoCu2 およびNdInCu2 の体積比熱の
特性を示すグラフである。
FIG. 6 is a graph showing characteristics of volume specific heat of HoCu 2 and NdInCu 2 .

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…シリンダ、 10…第1のディスプレーサ、 15
…磁性蓄冷材層、 16、25…鉛蓄冷材層、 20…
第2のディスプレーサ、 26…銅製金網、30…第1
の膨張空間、 31…第2の膨張空間、 40…動力
室、 50…膨張機、 60…圧縮機、 100…蓄冷
式冷凍機
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Cylinder 10 ... 1st displacer 15
... magnetic cold storage material layer, 16, 25 ... lead cold storage material layer, 20 ...
2nd displacer, 26 ... copper wire mesh, 30 ... 1st
Expansion space, 31: second expansion space, 40: power chamber, 50: expander, 60: compressor, 100: regenerative refrigerator

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 アルフォンス・デ・バーラ ドッテルベーク 8、フェルトホーフェン エヌエル―5501 ビーエイチ、オランダ ──────────────────────────────────────────────────の Continued on the front page (72) Inventor Alphonse de Barra Dotterbeek 8, Feldhofen Nuel-5501 BH, The Netherlands

Claims (8)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 一端が閉塞されたシリンダと、 前記シリンダ内に挿入された円筒容器状の第1のディス
プレーサであって、長手方向の両端部それぞれに形成さ
れて内部空間と外部空間とを連通させる開口部と、前記
内部空間内に装入された蓄冷材とを含み、前記シリンダ
の閉塞された一端との間に第1の膨張空間を形成しつつ
前記シリンダの軸方向に往復運動可能に配設された第1
のディスプレーサと、 前記シリンダ内に供給される作動流体であって、 3He
を含むHeからなる作動流体とを含む蓄冷式冷凍機。
1. A cylinder having one end closed, and a first displacer having a cylindrical container shape inserted into the cylinder, the first displacer being formed at each of both ends in a longitudinal direction to communicate an internal space and an external space. An opening to be formed, and a regenerative material charged in the internal space, so as to be able to reciprocate in the axial direction of the cylinder while forming a first expansion space between the closed end of the cylinder. The first arranged
And a working fluid supplied into the cylinder, wherein 3 He
And a working fluid comprising He.
【請求項2】 前記作動流体における 3Heの原子数比
が0.4以上である請求項1に記載の蓄冷式冷凍機。
2. The regenerative refrigerator according to claim 1, wherein an atomic ratio of 3 He in the working fluid is 0.4 or more.
【請求項3】 前記シリンダが、前記閉塞された一端に
連続する第1段目のシリンダ部と、該第1段目のシリン
ダ部の内径よりも大きな内径を有する第2段目のシリン
ダ部であって、前記第1段目のシリンダ部から前記シリ
ンダの軸方向に連続する第2段目のシリンダ部とを有
し、 前記第1段目のシリンダ部に前記第1のディスプレーサ
が挿入され、 さらに、前記第2段目のシリンダ部に挿入された円筒容
器状の第2のディスプレーサであって、長手方向の両端
部それぞれに形成されて内部空間と外部空間とを連通さ
せる開口部と、前記内部空間内に装入された蓄冷材とを
含み、前記第2段目のシリンダ部における前記第1のデ
ィスプレーサ部側の端部に第2の熱膨張空間を形成しつ
つ前記第1のディスプレーサに連結された第2のディス
プレーサを含む請求項1または請求項2に記載の蓄冷式
冷凍機。
3. The cylinder according to claim 1, wherein the cylinder includes a first-stage cylinder portion connected to the closed end and a second-stage cylinder portion having an inner diameter larger than an inner diameter of the first-stage cylinder portion. And a second cylinder portion that is continuous in the axial direction of the cylinder from the first cylinder portion, wherein the first displacer is inserted into the first cylinder portion, Furthermore, a cylindrical container-shaped second displacer inserted into the second-stage cylinder portion, the opening portion being formed at each of both ends in the longitudinal direction to communicate an internal space and an external space, A regenerative material charged in the internal space, and a second thermal expansion space is formed at an end of the second-stage cylinder portion on the side of the first displacer portion; Connected second display Cold accumulation refrigerator as set forth in claim 1 or claim 2 including a p o.
【請求項4】 前記第1のディスプレーサの内部に装入
されている蓄冷材が、4K以下に体積比熱のピークを有
し、第1の膨張空間側に装入された第1の磁性蓄冷材
と、4Kより高い温度に体積比熱のピークを有する第2
の磁性蓄冷材とを含む請求項1〜請求項3のいずれかに
記載の蓄冷式冷凍機。
4. The cold storage material charged in the first displacer has a peak of volume specific heat below 4K, and the first magnetic cold storage material charged in the first expansion space side. And a second having a peak of volume specific heat at a temperature higher than 4K.
The regenerative refrigerator according to any one of claims 1 to 3, further comprising a magnetic regenerator material.
【請求項5】 前記第1の磁性蓄冷材の体積比熱が、少
なくとも2Kにおいては前記第2の磁性蓄冷材の体積比
熱よりも高い請求項4に記載の蓄冷式冷凍機。
5. The regenerative refrigerator according to claim 4, wherein the volume specific heat of the first magnetic regenerator is at least 2K higher than the volume specific heat of the second magnetic regenerator.
【請求項6】 前記第1の磁性蓄冷材がNdInCu2
であり、前記第2の磁性蓄冷材がHoCu2 である請求
項4または請求項5に記載の蓄冷式冷凍機。
6. The method according to claim 1, wherein the first magnetic regenerator material is NdInCu 2.
, And the cold accumulation refrigerator of claim 4 or claim 5 wherein the second magnetic cold accumulating material is HoCu 2.
【請求項7】 前記第1のディスプレーサの内部空間
に、前記第1の膨張空間側から順番にNdInCu2
蓄冷材層、HoCu2 製蓄冷材層および鉛蓄冷材層が形
成されている請求項1〜請求項6のいずれかに記載の蓄
冷式冷凍機。
7. A cold storage material layer made of NdInCu 2 , a cold storage material layer made of HoCu 2 , and a lead cold storage material layer are formed in the internal space of the first displacer in this order from the first expansion space side. A regenerative refrigerator according to any one of claims 1 to 6.
【請求項8】 前記第1のディスプレーサの外周面に、
該第1のディスプレーサの軸方向に対して交差する方向
に沿う溝を含んで構成された溝パターンが形成されてい
る請求項1〜請求項7のいずれかに記載の蓄冷式冷凍
機。
8. An outer peripheral surface of the first displacer,
The regenerative refrigerator according to any one of claims 1 to 7, wherein a groove pattern including a groove along a direction intersecting with the axial direction of the first displacer is formed.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2003081145A1 (en) * 2002-03-22 2003-10-02 Sumitomo Heavy Industries, Ltd. Cryogenic temperature cool storage device and refrigerator
JP2010060246A (en) * 2008-09-05 2010-03-18 Toshiba Corp Selector valve and cold storage refrigerator
JP2020134008A (en) * 2019-02-19 2020-08-31 住友重機械工業株式会社 Displacer assembly and cryogenic freezer

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2003081145A1 (en) * 2002-03-22 2003-10-02 Sumitomo Heavy Industries, Ltd. Cryogenic temperature cool storage device and refrigerator
CN1300521C (en) * 2002-03-22 2007-02-14 住友重机械工业株式会社 Cryogenic temperature cool storage device and refrigerator
US7404295B2 (en) * 2002-03-22 2008-07-29 Sumitomo Heavy Industries, Ltd. Ultra-low temperature regenerator and refrigerator
JP2010060246A (en) * 2008-09-05 2010-03-18 Toshiba Corp Selector valve and cold storage refrigerator
JP2020134008A (en) * 2019-02-19 2020-08-31 住友重機械工業株式会社 Displacer assembly and cryogenic freezer
JP7277166B2 (en) 2019-02-19 2023-05-18 住友重機械工業株式会社 Displacer assembly and cryogenic refrigerator

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