JP2003021414A - Cold storage type refrigeration machine - Google Patents

Cold storage type refrigeration machine

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JP2003021414A
JP2003021414A JP2001209704A JP2001209704A JP2003021414A JP 2003021414 A JP2003021414 A JP 2003021414A JP 2001209704 A JP2001209704 A JP 2001209704A JP 2001209704 A JP2001209704 A JP 2001209704A JP 2003021414 A JP2003021414 A JP 2003021414A
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JP
Japan
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cylinder
displacer
cold storage
regenerator
temperature end
Prior art date
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Withdrawn
Application number
JP2001209704A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Toshimi Sato
敏美 佐藤
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sumitomo Heavy Industries Ltd
Original Assignee
Sumitomo Heavy Industries Ltd
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Filing date
Publication date
Application filed by Sumitomo Heavy Industries Ltd filed Critical Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority to JP2001209704A priority Critical patent/JP2003021414A/en
Publication of JP2003021414A publication Critical patent/JP2003021414A/en
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • 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
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2309/00Gas cycle refrigeration machines
    • F25B2309/003Gas cycle refrigeration machines characterised by construction or composition of the regenerator

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To solve the problem that a cryogenic temperature of 2K or lower is hard to attain by the conventional cold storage type refrigeration machine. SOLUTION: A cold storage material made of GdAlO3 is packed in a displacer on the low temperature end side, and helium containing<3> He is used as a working fluid, for constituting the cold storage type refrigeration machine having a plurality of the displacers.

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填され
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 cold storage refrigerator, and more particularly to a cold storage refrigerator including a cylinder, a displacer inserted in the cylinder, and a cold storage material loaded in the displacer. .

【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 Gifford-McMahon refrigerators (hereinafter abbreviated as "GM refrigerators") are examples of cold storage refrigerators.
There are Stirling refrigerators, pulse tube refrigerators, 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、種々の用途に用いることができ
る。
A cryopump is used to obtain a clean vacuum in a sputtering apparatus for manufacturing a semiconductor device, for example. As a refrigerator for this cryopump,
A GM refrigerator is used. Of course, the GM refrigerator is not limited to the cryopump and can be used for various purposes.

【0004】GM冷凍機は、圧縮機と、この圧縮機から
供給される作動流体を膨張させて寒冷を得るコールドヘ
ッドとを備える。コールドヘッドは、高温端と低温端と
が画定されたシリンダと、このシリンダ内に挿入されて
往復運動するディスプレーサとを有する。
The GM refrigerator comprises a compressor and a cold head for expanding the working fluid supplied from the compressor to obtain cold. The cold head has a cylinder having a high temperature end and a low temperature end defined therein, and a displacer inserted into the cylinder and reciprocating.

【0005】例えば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。シリンダの高温端側に形成されるシリンダ部
(以下、このシリンダ部を「第1シリンダ部」とい
う。)の内径は、低温端側に形成されるシリンダ部(以
下、このシリンダ部を「第2シリンダ部」という。)の
内径よりも大きい。
For example, a cylinder in a two-stage GM refrigerator has two cylinder parts having different inner diameters.
These two cylinder parts are continuous in the axial direction of the cylinder. The inner diameter of the cylinder portion formed on the high temperature end side of the cylinder (hereinafter, this cylinder portion is referred to as “first cylinder portion”) is equal to the inner diameter of the cylinder portion formed on the low temperature end side (hereinafter, referred to as “second cylinder portion”) It is larger than the inner diameter of the cylinder part.

【0006】第1シリンダ部および第2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、円筒状容器と、その中に装填された蓄冷材と
を有し、円筒状容器の長手方向の両端部には、円筒状容
器の内部空間と外部空間とを連通させる開口部が形成さ
れる。
A displacer is inserted into each of the first cylinder portion and the second cylinder portion. Each displacer has a cylindrical container and a regenerator material loaded therein, and an opening for communicating the internal space and the external space of the cylindrical container is provided at both ends in the longitudinal direction of the cylindrical container. Is formed.

【0007】第1シリンダ部に挿入されたディスプレー
サ(以下、「第1ディスプレーサ」という。)は、第2
シリンダ部との間に第1膨張空間を残余させつつ、シリ
ンダの軸方向に往復運動する。第2シリンダ部に挿入さ
れたディスプレーサ(以下、「第2ディスプレーサ」と
いう。)は、第1ディスプレーサに連結されて、シリン
ダの低温端との間に第2膨張空間を残余させつつ、シリ
ンダの軸方向に往復運動する。
The displacer (hereinafter referred to as "first displacer") inserted in the first cylinder portion is the second displacer.
It reciprocates in the axial direction of the cylinder while leaving the first expansion space between the cylinder and the cylinder. A displacer inserted in the second cylinder portion (hereinafter, referred to as a "second displacer") is connected to the first displacer, and a second expansion space is left between the displacer and the low temperature end of the cylinder, and a shaft of the cylinder. Reciprocates in the direction.

【0008】GM冷凍機を動作させるためには、シリン
ダの高温端から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 from the high temperature end of the cylinder into the cylinder at a predetermined timing and to discharge the working fluid supplied into the cylinder to the outside of the cylinder at a predetermined timing. There is.

【0009】この作動流体としては、例えばヘリウムが
用いられる。例えば、作動流体がシリンダ内に供給され
るときに第1および第2膨張空間が最も狭まり、作動流
体がシリンダ外に排出されるときに第1および第2膨張
空間が最も拡がる。
Helium, for example, is used as the working fluid. For example, the first and second expansion spaces are narrowest when the working fluid is supplied into the cylinder, and the first and second expansion spaces are the largest when the working fluid is discharged to the outside of the cylinder.

【0010】シリンダ内に供給された作動流体は、第1
ディスプレーサの内部、第1膨張空間、第2ディスプレ
ーサの内部および第2膨張空間に分布する。第1および
第2膨張空間から作動流体が排気される時、これら第1
および第2膨張空間内で作動流体の膨張が起こる。この
膨張により、第1及び第2膨張空間内の温度が低下す
る。
The working fluid supplied into the cylinder is the first
It is distributed inside the displacer, the first expansion space, the inside of the second displacer and the second expansion space. When the working fluid is exhausted from the first and second expansion spaces, these first
And expansion of the working fluid occurs in the second expansion space. Due to this expansion, the temperatures in the first and second expansion spaces decrease.

【0011】第1および第2ディスプレーサをシリンダ
の軸方向に往復運動させ、この往復運動の周期と所定の
位相差の下に作動流体の供給と排出とを行うことによ
り、第1および第2膨張空間内の温度を所定の温度にま
で低下させることができる。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ディスプレーサそれぞれ
の内部に装填されている蓄冷材を冷却する。その結果と
して、第1および第2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 and supplying and discharging the working fluid under a predetermined phase difference from the reciprocating cycle, the first and second expansions are performed. The temperature in the space can be lowered to a predetermined temperature. The working fluid whose temperature has dropped due to expansion cools the regenerator material loaded inside each of the first and second displacers. As a result, the regenerator materials in the first and second displacers are gradually cooled, and eventually reach a substantially constant temperature.

【0012】例えば質量数4のヘリウム( 4He)を作
動流体として用い、内部に磁性蓄冷材が装填されたディ
スプレーサを使用した3段式のGM冷凍機で、2.09
Kにまで冷却した例が知られている。
For example, a three-stage GM refrigerator using a displacer in which a magnetic regenerator material is loaded using helium ( 4 He) having a mass number of 4 as a working fluid is 2.09.
An example of cooling to K is known.

【0013】GM冷凍機とジュールトムソン(JT)弁
機構とを組み合わせれば、1.8K台の極低温を得るこ
ともできる。
By combining the GM refrigerator and the Joule Thomson (JT) valve mechanism, it is possible to obtain a cryogenic temperature of the order of 1.8K.

【0014】[0014]

【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1.33×10-10
a)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。
For example, the ultimate pressure of the cryopump is significantly lowered because hydrogen can be exhausted when the cooling capacity of the refrigerator used is improved to, for example, 3K. If the cooling capacity of the refrigerator improves to around 2K, for example, it is expected that the pressure will drop even more rapidly. 10 -12 Torr (about 1.33 × 10 -10 P
There is a possibility that the ultimate pressure of a) can be realized. If the ultimate pressure of the cryopump is lowered, it becomes easy to obtain a high-quality compound semiconductor thin film by, for example, a molecular beam epitaxy (MBE) device.

【0015】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 in a superconducting magnet increases as the temperature of the superconducting magnet decreases. If the critical current density of the superconducting magnet increases, a larger magnetic field can be generated.

【0016】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。
For these reasons, further improvement of the cooling capacity of the regenerator is desired.

【0017】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 regenerator having a relatively simple structure and capable of cooling to a lower temperature.

【0018】[0018]

【課題を解決するための手段】本発明の一観点によれ
ば、高温端と低温端とが画定されたシリンダであって、
前記高温端から連続する第1シリンダ部と、該第1シリ
ンダ部の内径よりも小さな内径を有し、前記低温端から
前記高温端側へ延在する第2シリンダ部とを有するシリ
ンダと、前記第1シリンダ部に挿入され、該第1シリン
ダ部内での前記第2シリンダ部側端部に第1膨張空間を
残余させつつ前記シリンダの軸方向に往復運動可能な第
1ディスプレーサであって、内部に第1の蓄冷材が装填
され、前記シリンダの高温端側の空間から、前記第1の
蓄冷材が装填された内部を経由して前記第1膨張空間へ
至る第1のガス流路を有する第1ディスプレーサと、前
記第2シリンダ部に挿入され、前記低温端との間に第2
膨張空間を残余させつつ前記シリンダの軸方向に往復運
動可能な第2ディスプレーサであって、ガドリニウムア
ルミニウム酸化物製の第2の蓄冷材が内部に装填され、
前記第1膨張空間から、前記第2の蓄冷材が装填された
内部を経由して前記第2膨張空間へ至る第2のガス流路
を有する第2ディスプレーサと、前記シリンダの高温端
側の空間に、 3Heを含むヘリウムからなる作動流体を
供給し、該高温端側の空間から前記作動流体を回収する
ガス圧縮機とを備えた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 a hot end and a cold end defined by:
A cylinder having a first cylinder part continuous from the high temperature end and a second cylinder part having an inner diameter smaller than the inner diameter of the first cylinder part and extending from the low temperature end to the high temperature end side; A first displacer that is inserted into a first cylinder part and is capable of reciprocating in the axial direction of the cylinder while leaving a first expansion space at the end of the first cylinder part on the side of the second cylinder part. And a first gas flow path from the space on the high temperature end side of the cylinder to the first expansion space via the inside in which the first cold storage material is loaded. A second displacer is inserted between the first displacer and the second cylinder portion, and a second gap is formed between the first displacer and the low temperature end.
A second displacer capable of reciprocating in the axial direction of the cylinder while leaving an expansion space, wherein a second regenerator material made of gadolinium aluminum oxide is loaded inside,
A second displacer having a second gas flow path from the first expansion space to the second expansion space via the inside filled with the second regenerator material, and a space on the high temperature end side of the cylinder. And a gas compressor for supplying a working fluid made of helium containing 3 He and recovering the working fluid from the space on the high temperature end side.

【0019】ここで、本明細書でいう「 3Heを含むヘ
リウム」とは、不可避的な不純物を除いて質量数3のヘ
リウム( 3He)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。
[0019] Here, the referred to herein as "helium containing 3 He", another meaning helium (He) containing only the mass number 3 helium (3 He) except for unavoidable impurities, 3 It also means a mixture of 4 He and 3 He in which the content of He is artificially increased from the content in nature.

【0020】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 2.17 K under atmospheric pressure, it undergoes a phase transition to a superfluid state. The thermal expansion coefficient of 4 He that has undergone a phase transition to a superfluid state is zero or a negative value. Therefore,
It is theoretically not possible for the temperature to be further reduced by adiabatic thermal expansion.

【0021】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 a cryogenic temperature of 2 K or less by using the conventional regenerator with 4 He as a working fluid.

【0022】これに対し、例えば 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, the thermal expansion coefficient of 3 He is
It has a positive value from the high temperature side to around 1K.

【0023】したがって、 3Heを含むヘリウムを作動
流体として用いることにより、 4Heを作動流体として
用いた場合よりも到達温度の低い蓄冷式冷凍機を得るこ
とが可能である。
Therefore, by using helium containing 3 He as the working fluid, it is possible to obtain a cold storage refrigerator having a lower ultimate temperature than when 4 He is used as the working fluid.

【0024】第2ディスプレーサ内に装填される蓄冷材
の一部としてガドリニウムアルミニウム酸化物製の蓄冷
材を用いることにより、到達温度を更に下げることが可
能である。
By using a gadolinium aluminum oxide regenerator material as a part of the regenerator material loaded in the second displacer, the reached temperature can be further lowered.

【0025】[0025]

【発明の実施の形態】図1に、実施例による蓄冷式冷凍
機の構成を概略的に示す。図示の蓄冷式冷凍機100
は、作動流体を膨張させて寒冷を得るコールドヘッド5
0と、コールドヘッド50への作動流体の供給、および
コールドヘッド50からの作動流体の回収を行う圧縮機
60とを備える。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS FIG. 1 schematically shows the structure of a cold storage refrigerator according to an embodiment. The illustrated regenerator 100
Is a cold head 5 that expands the working fluid to obtain cold
0, and a compressor 60 that supplies the working fluid to the cold head 50 and recovers the working fluid from the cold head 50.

【0026】コールドヘッド50は、高温端と低温端と
が画定された2段式のシリンダ1と、このシリンダ1内
に挿入された第1および第2ディスプレーサ10、30
とを有する。
The cold head 50 comprises a two-stage cylinder 1 having a high temperature end and a low temperature end defined therein, and first and second displacers 10, 30 inserted into the cylinder 1.
Have and.

【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シリンダ部1aと、第2シリ
ンダ部1bとを有する。第1および第2シリンダ部1
a、1bは共に円筒状を呈し、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る。第1シリ
ンダ部1aの内径は、第2シリンダ部1bの内径よりも
大きい。
The cylinder 1 has two cylinder portions which are continuous in the axial direction, that is, a first cylinder portion 1a and a second cylinder portion 1b. First and second cylinder part 1
Both a and 1b have a cylindrical shape, and are made of a rigid material such as stainless steel having a low thermal conductivity and a high airtightness. The inner diameter of the first cylinder portion 1a is larger than the inner diameter of the second cylinder portion 1b.

【0028】第1シリンダ部1aの一端(高温端)に、
トップフランジ3が固着される。第2シリンダ部1bで
の第1シリンダ部1a側の一端には、銅のように熱伝導
性が良好な材料によって形成された第1冷却ステージ5
が固着され、この第1冷却ステージ5に第1シリンダ部
1aの他端が接続される。第2シリンダ部1bの他端
(低温端)は、銅のように熱伝導性が良好な材料によっ
て形成された第2冷却ステージ7で閉塞される。
At one end (high temperature end) of the first cylinder portion 1a,
The top flange 3 is fixed. At one end of the second cylinder portion 1b on the side of the first cylinder portion 1a, a first cooling stage 5 made of a material having good thermal conductivity such as copper.
Is fixed, and the other end of the first cylinder portion 1a is connected to the first cooling stage 5. The other end (low temperature end) of the second cylinder portion 1b is closed by a second cooling stage 7 made of a material having good thermal conductivity such as copper.

【0029】第1ディスプレーサ10は、第1シリンダ
部1aに挿入されて、第2シリンダ部1bとの間に第1
膨張空間S1を残余させつつシリンダ1の軸方向に往復
運動する。この第1ディスプレーサ10は、例えば布入
りフェノール樹脂によって作製された円筒状容器11
と、この円筒状容器11内に装填された第1の蓄冷材と
を有し、蓄冷器として機能する。
The first displacer 10 is inserted into the first cylinder portion 1a, and is placed between the first displacer 10 and the second cylinder portion 1b.
It reciprocates in the axial direction of the cylinder 1 while leaving the expansion space S1. This first displacer 10 is, for example, a cylindrical container 11 made of cloth-containing phenol resin.
And a first regenerator material loaded in the cylindrical container 11 and function as a regenerator.

【0030】円筒状容器11は、シリンダ1の高温端に
面する容器壁を貫通する複数の開口部11aを有すると
共に、第1膨張空間S1側の端部において側壁を貫通す
る複数の開口部11bを有する。複数の開口部11a
と、第1ディスプレーサ10(円筒状容器11)の内部
空間と、複数の開口部11bとは、シリンダ1内の高温
端側の空間S3と第1膨張空間S1とを連通させる第1
のガス流路を構成する。
The cylindrical container 11 has a plurality of openings 11a penetrating the container wall facing the high temperature end of the cylinder 1 and a plurality of openings 11b penetrating the side wall at the end on the first expansion space S1 side. Have. Multiple openings 11a
The inner space of the first displacer 10 (cylindrical container 11) and the plurality of openings 11b make the space S3 on the high temperature end side in the cylinder 1 communicate with the first expansion space S1.
Of the gas flow path.

【0031】円筒状容器11内に装填される第1の蓄冷
材は、例えば鉛(Pb)玉や金属メッシュ(金網)であ
る。図示の例では、第2シリンダ部1b側に蓄冷材とし
ての鉛(Pb)玉13が所定量装填され、その上に、仕
切り材15を介して蓄冷材としての銅製金網17が所定
量装填されている。
The first regenerator material loaded in the cylindrical container 11 is, for example, a lead (Pb) ball or a metal mesh (wire mesh). In the illustrated example, a predetermined amount of lead (Pb) balls 13 as a regenerator material is loaded on the second cylinder portion 1b side, and a predetermined amount of copper wire net 17 as a regenerator material is loaded on it via a partition material 15. ing.

【0032】シール部材20が、第1ディスプレーサ1
0の外周に設けられる。このシール部材20は、第1デ
ィスプレーサ10の外周面と第1シリンダ部1a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。
The seal member 20 is the first displacer 1
It is provided on the outer periphery of 0. The seal member 20 prevents the working fluid from flowing through the gap between the outer peripheral surface of the first displacer 10 and the inner peripheral surface of the first cylinder portion 1a.

【0033】第2ディスプレーサ30は、連結部材25
によって第1ディスプレーサ10の底面に連結されて第
2シリンダ部1bに挿入され、第2冷却ステージ7で閉
塞された低温端との間に第2膨張空間S2を残余させつ
つシリンダ1の軸方向に往復運動する。この第2ディス
プレーサ30は、例えばステンレス鋼とその外表面に固
着された樹脂層とを有する複合材料によって作製された
円筒状容器31と、この円筒状容器31内に装填された
蓄冷材とを有し、蓄冷器として機能する。
The second displacer 30 includes a connecting member 25.
Is connected to the bottom surface of the first displacer 10 and is inserted into the second cylinder part 1b, and the second expansion space S2 is left between the low temperature end closed by the second cooling stage 7 and the axial direction of the cylinder 1. Move back and forth. The second displacer 30 has, for example, a cylindrical container 31 made of a composite material having stainless steel and a resin layer adhered to the outer surface thereof, and a cool storage material loaded in the cylindrical container 31. And functions as a regenerator.

【0034】円筒状容器31は、第1シリンダ部1a側
の端部において側壁を貫通する複数の開口部31aを有
すると共に、第2膨張空間S2側の端部において側壁を
貫通する複数の開口部31bを有する。複数の開口部3
1aと、第2ディスプレーサ30(円筒状容器31)の
内部空間と、複数の開口部31bとは、第1膨張空間S
1と第2膨張空間S2とを連通させる第2のガス流路を
構成する。
The cylindrical container 31 has a plurality of openings 31a penetrating the side wall at the end on the first cylinder portion 1a side and a plurality of openings penetrating the side wall at the end on the second expansion space S2 side. 31b. Multiple openings 3
1a, the inner space of the second displacer 30 (cylindrical container 31), and the plurality of openings 31b form the first expansion space S.
The 2nd gas flow path which connects 1 and the 2nd expansion space S2 is constituted.

【0035】円筒状容器31の内部に装填される蓄冷材
は、磁性蓄冷材の1種であるガドリニウムアルミニウム
酸化物製蓄冷材を含む。本実施例では、ガドリニウムア
ルミニウム酸化物製蓄冷材として、GdAlO3 の粉砕
粉(以下、「GdAlO3 製蓄冷材33」という。)を
用いた。
The regenerator material loaded in the cylindrical container 31 includes a regenerator material made of gadolinium aluminum oxide, which is one type of magnetic regenerator material. In this example, crushed powder of GdAlO 3 (hereinafter, referred to as “GdAlO 3 cold storage material 33”) was used as the cold storage material made of gadolinium aluminum oxide.

【0036】このGdAlO3 製蓄冷材33を第2膨張
空間S2側に所定量装填し、その上に、仕切り材34を
介して磁性蓄冷材の1種であるHoCu2 製蓄冷材35
を所定量装填し、更にその上に、仕切り材36を介して
蓄冷材としての鉛玉37を所定量装填する。
A predetermined amount of this GdAlO 3 regenerator material 33 is loaded into the second expansion space S2, and a HoCu 2 regenerator material 35, which is one kind of magnetic regenerator material, is placed on the second regenerator space S2 through a partition member 34.
Is loaded in a predetermined amount, and a lead ball 37 as a regenerator material is further loaded in a predetermined amount through the partition member 36.

【0037】第2ディスプレーサ30の外周面には、例
えば幅1.5mm、深さ1mmの溝が形成される。この
溝は、例えば3mmピッチで螺旋状に形成されて、1つ
の溝パターン38を構成する。
A groove having a width of 1.5 mm and a depth of 1 mm is formed on the outer peripheral surface of the second displacer 30, for example. The grooves are spirally formed, for example, at a pitch of 3 mm to form one groove pattern 38.

【0038】なお、図1においては、便宜上、円筒状容
器11および円筒状容器31を、それぞれ1部材として
描いている。しかしながら実際には、内部に蓄冷材を装
填する都合上、これらの円筒状容器11、31の各々は
複数の部材、例えば1つの筒状体と、この筒状体の2つ
の開放端それぞれに1つずつ固着される2つの蓋材とに
よって構成される。
Incidentally, in FIG. 1, for convenience, the cylindrical container 11 and the cylindrical container 31 are drawn as one member. However, in reality, each of the cylindrical containers 11 and 31 has a plurality of members, for example, one tubular body and one open end of each of the two tubular ends, for convenience of loading the cold storage material therein. It is composed of two lid members that are fixed to each other.

【0039】動力室40が、第1ディスプレーサ10と
の間に空間S3を形成した状態でトップフランジ3上に
配置される。動力室40内にはモータMが配置され、モ
ータMの回転軸と第1ディスプレーサ10とがクランク
42を介して接続される。モータMは、第1ディスプレ
ーサ10および第2ディスプレーサ30をシリンダ1内
で往復運動させるための動力を発生する。
The power chamber 40 is arranged on the top flange 3 with a space S3 formed between the power chamber 40 and the first displacer 10. The motor M is arranged in the power chamber 40, and the rotation shaft of the motor M and the first displacer 10 are connected via the crank 42. The motor M generates power for reciprocating the first displacer 10 and the second displacer 30 in the cylinder 1.

【0040】圧縮機60は、作動流体を圧縮させる圧縮
機本体65と、圧縮機本体65からコールドヘッド50
への作動流体の供給およびコールドヘッド50からの作
動流体の排出を制御する給・排気手段とを有する。
The compressor 60 includes a compressor body 65 for compressing the working fluid, and a cold head 50 from the compressor body 65.
Supply / exhaust means for controlling the supply of the working fluid to and the discharge of the working fluid from the cold head 50.

【0041】図示の蓄冷式冷凍機100は、給・排気手
段として、ロータリーバルブ装置Vを備える。ロータリ
ーバルブ装置Vは吸気弁V1と排気弁V2とを備え、動
力室40内に配置されて、例えばモータMから動力の供
給を受ける。
The illustrated regenerator 100 has a rotary valve device V as a supply / exhaust means. The rotary valve device V includes an intake valve V1 and an exhaust valve V2, is arranged in the power chamber 40, and receives power from the motor M, for example.

【0042】吸気弁V1および排気弁V2それぞれの一
端には配管70が接続される。配管70の一端は、動力
室40を画定しているハウジング45の底に形成された
吸・排気口45aに接続される。
A pipe 70 is connected to one end of each of the intake valve V1 and the exhaust valve V2. One end of the pipe 70 is connected to an intake / exhaust port 45a formed at the bottom of the housing 45 that defines the power chamber 40.

【0043】吸気弁V1の他端には、圧縮機本体65か
ら圧縮された作動流体の供給を受ける作動流体供給管7
3が接続される。排気弁V2の他端には、シリンダ1か
ら排出された作動流体の供給を受ける作動流体回収管7
5が接続される。
At the other end of the intake valve V1, the working fluid supply pipe 7 for receiving the compressed working fluid from the compressor body 65.
3 are connected. At the other end of the exhaust valve V2, a working fluid recovery pipe 7 is supplied with the working fluid discharged from the cylinder 1.
5 is connected.

【0044】圧縮機本体65で圧縮された作動流体は、
作動流体供給管73、ロータリーバルブ装置V(吸気弁
V1)および配管70を介して、吸・排気口45aから
シリンダ1内に供給される。
The working fluid compressed by the compressor body 65 is
It is supplied from the intake / exhaust port 45a into the cylinder 1 through the working fluid supply pipe 73, the rotary valve device V (intake valve V1) and the pipe 70.

【0045】シリンダ1内に供給された作動流体は、空
間S3、各開口部11a、第1ディスプレーサ10(円
筒容器11)内、各開口部11b、第1膨張空間S1、
各開口部31a、第2ディスプレーサ30(円筒容器3
1)内、および各開口部31bを通って、第2膨張空間
S3に達する。
The working fluid supplied into the cylinder 1 is a space S3, each opening 11a, inside the first displacer 10 (cylindrical container 11), each opening 11b, the first expansion space S1,
Each opening 31a, second displacer 30 (cylindrical container 3
The second expansion space S3 is reached through the inside of 1) and through each opening 31b.

【0046】排気弁V2を開けると、シリンダ1内の作
動流体は導入時とは逆の経路を辿ってシリンダ1外に排
出され、排気弁V2および作動流体回収管75を介して
圧縮機本体65へ回収される。
When the exhaust valve V2 is opened, the working fluid in the cylinder 1 is discharged to the outside of the cylinder 1 by following the route opposite to that at the time of introduction, and the compressor main body 65 is discharged through the exhaust valve V2 and the working fluid recovery pipe 75. Be recovered to.

【0047】シリンダ1内への作動流体の供給とシリン
ダ1からの作動流体の回収とが、第1および第2ディス
プレーサ10、30の往復運動と所定の位相差の下に行
われるように、吸気弁V1および排気弁V2の動作を制
御する。これにより、第1冷却ステージ5および第2冷
却ステージ7を冷却することができる。
The intake air is supplied so that the supply of the working fluid into the cylinder 1 and the recovery of the working fluid from the cylinder 1 are performed with the reciprocating motion of the first and second displacers 10 and 30 under a predetermined phase difference. It controls the operation of the valve V1 and the exhaust valve V2. As a result, the first cooling stage 5 and the second cooling stage 7 can be cooled.

【0048】作動流体としては、 3He、または 3He
4Heとの混合物が用いられる。この作動流体は、圧
縮機本体65によって、例えば15〜20kgf/cm
2 G(圧力単位中の「G」は、この単位で示される圧力
がゲージ圧であることを意味する。)に加圧される。作
動流体における 3Heの原子数比を概ね0.4以上にす
ることにより、例えば4K以下という極低温を得ること
が容易になる。
As the working fluid, 3 He or 3 He is used.
And a mixture of 4 He and 4 He is used. This working fluid is, for example, 15 to 20 kgf / cm depending on the compressor body 65.
2 G (“G” in the pressure unit means that the pressure indicated in this unit is a gauge pressure). By setting the atomic ratio of 3 He in the working fluid to approximately 0.4 or more, it becomes easy to obtain a cryogenic temperature of, for example, 4 K or less.

【0049】実施例による蓄冷式冷凍機100の性能を
評価するために、下記の試験I〜試験III を行った。試験I 作動流体として 3Heを用いて、第1冷却ステージ5お
よび第2冷却ステージ7それぞれの到達温度を測定し
た。このとき、コールドヘッド50および圧縮機本体6
5の仕様を下記(1) 〜(12)に示す仕様とし、下記(13)〜
(17)に示す条件の下に蓄冷式冷凍機を運転した。 (1) 第1シリンダ部1a;内径52mm、長さ(内寸)
191.5mm (2) 第2シリンダ部1b;内径25mm、長さ(内寸)
165mm (3) 第1ディスプレーサ10;内径38mm (4) 第2ディスプレーサ30;内径21mm (5) 鉛玉13;粒径0.4〜0.48mm、総量120
g (6) 銅製金網17;180メッシュ、使用枚数450枚 (7) GdAlO3 製蓄冷材33;粒径0.2〜0.5m
m程度の粉砕粉、総量47.3g (8) HoCu2 製蓄冷材35;粒径0.2〜0.5mm
の球状物、総量90g (9) 鉛玉37;粒径0.4〜0.48mm、総量150
g (10)第1〜第2ディスプレーサ10、30の往復運動の
ストローク;20mm (11)第1〜第2ディスプレーサ10、30の往復運動の
周期;48〜96回/分 (12)圧縮機本体65;住友重機械工業株式会社製のCK
W21(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) (13)吸気弁V1、排気弁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 (14) 3Heの装填圧力;15.3kgf/cm2G (15)圧縮機本体65の運転条件;消費電力がほぼ2.5
kWとなる条件 (16)第1冷却ステージ5への熱負荷;なし (17)第2冷却ステージ7への熱負荷;なし 比較のため、GdAlO3 製蓄冷材33に代えて、Nd
InCu2 製蓄冷材(粒径が0.2〜0.5mm程度の
粉砕粉)を総量で47.2g用いた以外は同じ構成の蓄
冷式冷凍機を作製し、上記と同じ条件でその性能を測定
した。
In order to evaluate the performance of the cold storage type refrigerator 100 according to the example, the following tests I to III were conducted. Test I The reaching temperature of each of the first cooling stage 5 and the second cooling stage 7 was measured using 3 He as a working fluid. At this time, the cold head 50 and the compressor body 6
The specifications of 5 are the specifications shown in (1) to (12) below, and (13) to
The regenerator was operated under the conditions shown in (17). (1) 1st cylinder part 1a; inner diameter 52mm, length (inner dimension)
191.5mm (2) 2nd cylinder part 1b; inner diameter 25mm, length (inner dimension)
165 mm (3) First displacer 10; inner diameter 38 mm (4) Second displacer 30; inner diameter 21 mm (5) Lead ball 13; particle size 0.4 to 0.48 mm, total amount 120
g (6) Copper wire mesh 17; 180 mesh, 450 sheets used (7) Regenerator material 33 made of GdAlO 3 ; Grain size 0.2 to 0.5 m
Milled powder, total amount 47.3g (8) HoCu 2 regenerator material 35; particle size 0.2-0.5mm
90 g (9) Lead ball 37; particle size 0.4 to 0.48 mm, total amount 150
g (10) Stroke of reciprocating motion of the first and second displacers 10, 30; 20 mm (11) Cycle of reciprocating motion of the first and second displacers 10, 30; 48-96 times / min (12) Compressor body 65; CK manufactured by Sumitomo Heavy Industries, Ltd.
W21 (However, in order to reduce the amount of 3 He used, change the adsorber to a smaller one) (13) Opening / closing timing of intake valve V1 and exhaust valve V2; highest performance is obtained when 4 He is used as the working fluid. (14) 3 He loading pressure; 15.3 kgf / cm 2 G (15) Compressor body 65 operating conditions; power consumption is approximately 2.5
Conditions for kW (16) Heat load to the first cooling stage 5: None (17) Heat load to the second cooling stage 7: None For comparison, instead of the GdAlO 3 regenerator material 33, Nd was used.
A cold storage refrigerator having the same configuration was manufactured except that a total amount of InCu 2 cold storage material (crushed powder having a particle size of about 0.2 to 0.5 mm) was used in an amount of 47.2 g. It was measured.

【0050】なお、第1冷却ステージ5の到達温度は、
その外側に配置した白金−コバルト温度計を用いて測定
し、第2冷却ステージ7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。
The temperature reached by the first cooling stage 5 is
The temperature was measured using a platinum-cobalt thermometer arranged outside thereof, and the temperature reached by the second cooling stage 7 was measured using a germanium thermometer arranged outside thereof.

【0051】これらの測定結果を図2に示す。図2にお
いては、上側の2本の線が第1冷却ステージ5の到達温
度を示し、下側の2本の線が第2冷却ステージ7の到達
温度を示している。
The results of these measurements are shown in FIG. In FIG. 2, the upper two lines show the reached temperature of the first cooling stage 5, and the lower two lines show the reached temperature of the second cooling stage 7.

【0052】同図から明らかなように、GdAlO3
蓄冷材33およびNdInCu2 製蓄冷材のいずれを用
いた蓄冷式冷凍機でも、2K程度ないしは2Kよりも低
温にまで、第2冷却ステージ7を冷却することができ
た。
As is clear from the figure, in the cold storage type refrigerator using either the cold storage material 33 made of GdAlO 3 or the cold storage material made of NdInCu 2 , the second cooling stage 7 is set to about 2K or lower than 2K. It was able to cool.

【0053】第1〜第2ディスプレーサ10、30の往
復運動の周期が48〜96回/分のときには、この周期
を長くする(毎分の往復運動数を低減させる)に従っ
て、第2冷却ステージ7の到達温度が低下する傾向にあ
る。
When the cycle of the reciprocating motion of the first to second displacers 10, 30 is 48 to 96 times / minute, the second cooling stage 7 is increased according to the lengthening of this cycle (reducing the number of reciprocating motions per minute). There is a tendency that the temperature reached by

【0054】例えば、GdAlO3 製蓄冷材33を用い
た蓄冷式冷凍機100では、第1〜第2ディスプレーサ
10、30の往復運動の周期を96回/分にしたときの
第2冷却ステージ7の到達温度は2.02Kであるが、
前記の周期を48回/分にすると、第2冷却ステージ7
の到達温度は1.49Kにまで低下する。
For example, in the regenerator 100 using the GdAlO 3 regenerator material 33, the reciprocating motion of the first and second displacers 10 and 30 of the second cooling stage 7 is set to 96 times / minute. The ultimate temperature is 2.02K,
If the cycle is set to 48 times / minute, the second cooling stage 7
The temperature reached is reduced to 1.49K.

【0055】第1〜第2ディスプレーサ10、30の往
復運動の周期を84回/分よりも長くすると、GdAl
3 製蓄冷材33を用いた蓄冷式冷凍機100では、N
dInCu2 製蓄冷材を用いた蓄冷式冷凍機に比べて、
第2冷却ステージ7をより低温にまで冷却することがで
きる。試験II 第1〜第2ディスプレーサ10、30の往復運動の周期
を60回/分に固定すると共に、第2冷却ステージ7へ
かける熱負荷の大きさを種々変更し、他は試験Iと同様
にして、第2冷却ステージ7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。
If the cycle of the reciprocating motion of the first and second displacers 10 and 30 is made longer than 84 times / minute, GdAl
In the cold storage type refrigerator 100 using the cold storage material 33 made of O 3 ,
Compared with a cold storage refrigerator using a cold storage material made of dInCu 2 ,
The second cooling stage 7 can be cooled to a lower temperature. Test II The reciprocating cycle of the first and second displacers 10 and 30 was fixed at 60 times / min, and the magnitude of the heat load applied to the second cooling stage 7 was changed variously, and the other conditions were the same as in Test I. Then, the relationship between the temperature reached by the second cooling stage 7 and the magnitude of the heat load was examined. The results are shown in Fig. 3.

【0056】なお、第2冷却ステージ7への熱負荷は、
第2冷却ステージ7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 second cooling stage 7 is
A manganin (trademark) wire was wound around the outer periphery of the second cooling stage 7, and this was used as an electric heater.

【0057】図3から明らかなように、GdAlO3
蓄冷材33を用いた蓄冷式冷凍機100では、NdIn
Cu2 製蓄冷材を用いた蓄冷式冷凍機に比べて、第2冷
却ステージ7の冷却能力が高い。例えば第2冷却ステー
ジ7に91.2mW程度もの熱負荷をかけたときでも、
第2冷却ステージ7の到達温度を2Kとすることができ
る。試験III 第1〜第2ディスプレーサ10、30の往復運動の周期
を48〜66回/分の間で種々変更すると共に、第2冷
却ステージ7へかける熱負荷の大きさを種々調整し、他
は試験IIと同様にして、2Kでの第2冷却ステージ7の
冷却能力と、第1〜第2ディスプレーサ10、30の往
復運動の周期との関係を調べた。結果を図4に示す。
As is apparent from FIG. 3, in the regenerator 100 using the GdAlO 3 regenerator material 33, NdIn
The cooling capacity of the second cooling stage 7 is higher than that of a cold storage refrigerator using a cold storage material made of Cu 2 . For example, even when a heat load of about 91.2 mW is applied to the second cooling stage 7,
The ultimate temperature of the second cooling stage 7 can be set to 2K. Test III The cycle of reciprocating motion of the first and second displacers 10 and 30 was variously changed between 48 to 66 times / minute, and the magnitude of the heat load applied to the second cooling stage 7 was variously adjusted. Similar to Test II, the relationship between the cooling capacity of the second cooling stage 7 at 2K and the cycle of the reciprocating motion of the first and second displacers 10 and 30 was investigated. The results are shown in Fig. 4.

【0058】図4から明らかなように、GdAlO3
蓄冷材33を用いた蓄冷式冷凍機100は高い冷却能力
を有しており、第1〜第2ディスプレーサ10、30の
往復運動の周期が48〜66回/分のとき、90mW以
上の熱負荷をかけても第2冷却ステージ7の到達温度を
2Kに維持することができる。この冷却能力は、NdI
nCu2 製蓄冷材を用いた蓄冷式冷凍機の1.6倍程度
ないしは1.7倍程度である。
As is apparent from FIG. 4, the regenerator 100 using the GdAlO 3 regenerator material 33 has a high cooling capacity, and the reciprocating cycle of the first and second displacers 10 and 30 is long. At 48 to 66 times / minute, the ultimate temperature of the second cooling stage 7 can be maintained at 2K even if a thermal load of 90 mW or more is applied. This cooling capacity is NdI
It is about 1.6 times or 1.7 times that of a cold storage refrigerator using a cold storage material made of nCu 2 .

【0059】また、GdAlO3 製蓄冷材33を用いた
蓄冷式冷凍機100の冷却能力は、第1〜第2ディスプ
レーサ10、30の往復運動の周期が48〜66回/分
のとき、この周期が短くなるにつれて高まる傾向にあ
る。
The cooling capacity of the regenerator 100 using the GdAlO 3 regenerator material 33 is such that when the reciprocating cycle of the first and second displacers 10 and 30 is 48 to 66 times / minute. Tends to increase as is shortened.

【0060】GdAlO3 製蓄冷材33を用いた蓄冷式
冷凍機100の冷却能力が、NdInCu2 製蓄冷材を
用いた蓄冷式冷凍機よりも高くなる理由は、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。
The reason why the cooling capacity of the cold storage type refrigerator 100 using the GdAlO 3 cold storage material 33 is higher than that of the cold storage type refrigerator using the NdInCu 2 cold storage material is that the specific heat characteristics of these cold storage materials are different. It is presumed to be in.

【0061】図5に、GdAlO3 、NdInCu2
(金属間化合物)およびHoCu2 (金属間化合物)の
体積比熱の特性を示す。
In FIG. 5, GdAlO 3 , NdInCu 2
The characteristic of the volume specific heat of (intermetallic compound) and HoCu 2 (intermetallic compound) is shown.

【0062】同図に示すように、NdInCu2 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
を有しているものの、このピークは比較的小さく、体積
比熱の値自体も小さい。これに対し、GdAlO3 の体
積比熱は3.8Kの辺りに磁気転移に伴う極めて大きな
ピークを有しており、その値は0.9を超える。GdA
lO3 の体積比熱は、少なくとも5K以下においては、
NdInCu2 よりも高い。
As shown in the figure, NdInCu 2 is 2K
Although there is a peak of volume specific heat associated with the phase transition to the antiferromagnetic state in the vicinity, this peak is relatively small and the value of volume specific heat itself is also small. On the other hand, the volume specific heat of GdAlO 3 has an extremely large peak around 3.8 K due to the magnetic transition, and its value exceeds 0.9. GdA
The volume specific heat of 10 3 is at least 5 K or less,
Higher than NdInCu 2 .

【0063】このため、磁性蓄冷材としてGdAlO3
を用いた蓄冷式冷凍機100の冷却能力は、GdAlO
3 に代えてNdInCu2 を用いた蓄冷式冷凍機よりも
高くなるものと推察されるなお、HoCu2 の体積比熱
は6.5K付近に1つのピークを有しており、6.5K
付近よりも低温になるに従って徐々に低下する。
Therefore, GdAlO 3 is used as the magnetic regenerator material.
The cooling capacity of the regenerator 100 using GdAlO is
It is estimated that the volumetric heat of HoCu 2 has one peak at around 6.5K, which is higher than that of the cold storage refrigerator using NdInCu 2 instead of 3.
It gradually decreases as the temperature becomes lower than the vicinity.

【0064】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。
Although the cold storage type refrigerator according to the embodiments has been described above, the present invention is not limited to these embodiments.

【0065】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、3段以上の多段式のGM冷凍
機であってもよいし、2段以上のスターリング冷凍機で
あってもよい。
For example, although the regenerator of the embodiment is a two-stage GM refrigerator, it may be a multi-stage GM refrigerator of three or more stages, or a Stirling refrigerator of two or more stages. May be.

【0066】さらには、1段式のGM冷凍機あるいは1
段式のスターリング冷凍機において、ガドリニウムアル
ミニウム酸化物製の蓄冷材を低温端側に装填した蓄冷器
(ディスプレーサ)を用いると共に、 3Heを含むヘリ
ウムからなる作動流体を用いることにより、冷却ステー
ジの到達温度をより低温にすることが可能である。
Furthermore, a one-stage GM refrigerator or one
In a multi-stage Stirling refrigerator, a regenerator (displacer) in which a cold storage material made of gadolinium aluminum oxide is loaded on the low temperature end side is used, and a working fluid made of helium containing 3 He is used to reach the cooling stage. It is possible to lower the temperature.

【0067】3段式のGMもしくはスターリング冷凍機
を構成する場合には、高温端側に配置される第1蓄冷器
(第1ディスプレーサ)内、低温端側に配置される第2
蓄冷器(第2ディスプレーサ)内、および、これらの間
に配置される第3蓄冷器(第3ディスプレーサ)内に、
例えば下記の要領で蓄冷材を装填することができる。 (1)第1蓄冷器(第1ディスプレーサ) 例えば実施例による蓄冷式冷凍機100での第1ディス
プレーサ10と同様に、低温端側に鉛玉、高温端側に銅
製金網を装填する。銅製金網のみを装填することも可能
である。 (2)第2蓄冷器(第2ディスプレーサ) 例えば実施例による蓄冷式冷凍機100での第2ディス
プレーサ30と同様に、低温端側にガドリニウムアルミ
ニウム酸化物、高温端側にHoCu2 を装填する。Ho
Cu2 に代えてErNi0.9Co0.1を装填することもで
きる。
In the case of constructing a three-stage GM or Stirling refrigerator, the first regenerator (first displacer) arranged on the high temperature end side and the second regenerator arranged on the low temperature end side are arranged.
In the regenerator (second displacer) and in the third regenerator (third displacer) arranged between them,
For example, the regenerator material can be loaded in the following manner. (1) First Regenerator (First Displacer) For example, similarly to the first displacer 10 in the regenerator 100 according to the embodiment, a lead ball is loaded on the low temperature end side and a copper wire mesh is loaded on the high temperature end side. It is also possible to load only a copper wire mesh. (2) Second Regenerator (Second Displacer) For example, similarly to the second displacer 30 in the regenerator 100 according to the embodiment, gadolinium aluminum oxide is loaded on the low temperature end side and HoCu 2 is loaded on the high temperature end side. Ho
ErNi 0.9 Co 0.1 can be loaded instead of Cu 2 .

【0068】また、低温端側から順番に、ガドリニウム
アルミニウム酸化物、HoCu2 、およびEr0.7Ho
0.3Niを装填するか、ガドリニウムアルミニウム酸化
物、ErNi0.9Co0.1、およびEr0.7Ho0.3Niを
装填することもできる。 (3)第3蓄冷器(第3ディスプレーサ) 低温端側にEr0.7Ho0.3NiまたはEr3Ni 等を装
填し、高温端側に鉛玉を装填する。鉛玉のみを装填する
ことも可能である。
In addition, gadolinium aluminum oxide, HoCu 2 , and Er 0.7 Ho in this order from the low temperature end side.
Or loading 0.3 Ni, gadolinium aluminum oxide, can also be loaded ErNi 0.9 Co 0.1, and Er 0.7 Ho 0.3 Ni. (3) Third Regenerator (Third Displacer) Er 0.7 Ho 0.3 Ni or Er 3 Ni or the like is loaded on the low temperature end side, and lead balls are loaded on the high temperature end side. It is also possible to load only lead balls.

【0069】蓄冷材として用いるガドリニウムアルミニ
ウム酸化物は、式GdAlO3 によって表される酸化物
に限定されるものではない。Gd原子およびAl原子の
割合は、それぞれ、10〜20at%の範囲内で種々変更
可能である。ただし、Gd原子とAl原子との合量の割
合は40at%であることが好ましい。
The gadolinium aluminum oxide used as the regenerator material is not limited to the oxide represented by the formula GdAlO 3 . The ratio of Gd atom and Al atom can be variously changed within the range of 10 to 20 at%. However, the total proportion of Gd atoms and Al atoms is preferably 40 at%.

【0070】第2ディスプレーサ30(図1参照)で
は、GdAlO3 製蓄冷材を第2冷却ステージ7側に装
填し、その上に、HoCu2 のように4K以上で体積比
熱がGdAlO3 よりも大きな磁性蓄冷材を装填するこ
とが好ましい。HoCu2 に代えて、例えばErNi
0.9Co0.1、Er3Ni等を用いることも可能である。
In the second displacer 30 (see FIG. 1), a GdAlO 3 regenerator material is loaded on the second cooling stage 7 side, and on top of that, HoCu 2 has a volume specific heat larger than GdAlO 3 at 4 K or more. It is preferable to load the magnetic regenerator material. Instead of HoCu 2 , for example ErNi
It is also possible to use 0.9 Co 0.1 , Er 3 Ni, or the like.

【0071】第2ディスプレーサ30内の最上部(第1
ディスプレーサ10側)に装填する蓄冷材は鉛玉に限定
されるものではなく、Er3N i、Er0.7Ho0.3Ni
等の磁性蓄冷材を用いることもできる。
The uppermost portion of the second displacer 30 (first
The regenerator material loaded on the displacer 10 side is not limited to lead balls, but Er 3 Ni, Er 0.7 Ho 0.3 Ni
It is also possible to use a magnetic regenerator material such as.

【0072】実施例による蓄冷式冷凍機では、第2ディ
スプレーサ30内に蓄冷材を3層に装填しているが、運
転時の第2ディスプレーサ30での温度分布に合わせ
て、ガドリニウムアルミ酸化物製の蓄冷材のみを第2デ
ィスプレーサ30内に装填することもできる。また、第
2ディスプレーサ30内に2層または4層に蓄冷材を装
填することも可能である。
In the regenerator according to the embodiment, three layers of regenerator material are loaded in the second displacer 30, and the gadolinium aluminum oxide is used in accordance with the temperature distribution in the second displacer 30 during operation. It is also possible to load only the regenerator material in the second displacer 30. It is also possible to load the regenerator material in two or four layers in the second displacer 30.

【0073】また、第1ディスプレーサ10での低温端
側(第1冷却ステージ5側)には、第1冷却ステージ5
の到達温度に合わせて、その温度で最も比熱の大きい磁
性蓄冷材を装填することができる。このとき、複数種の
蓄冷材を種類毎に積層して装填することが望ましいが、
蓄冷材の組み合わせによっては、これらを混合して装填
することも可能である。図1に示した銅製金網17に代
えてステンレス製金網等を用いることもできる。
On the low temperature end side (first cooling stage 5 side) of the first displacer 10, the first cooling stage 5 is provided.
The magnetic regenerator material having the highest specific heat at that temperature can be loaded in accordance with the reached temperature of. At this time, it is desirable to stack and load a plurality of types of cold storage materials for each type,
Depending on the combination of the cold storage materials, it is also possible to mix and load them. Instead of the copper wire mesh 17 shown in FIG. 1, a stainless wire mesh or the like may be used.

【0074】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。
The shape of the regenerator material, except for the regenerator material in the form of wire mesh, may be indefinite like crushed powder, but it is more preferable that it be spherical with a particle size of 0.2 to 0.5 mm. preferable. Further, it may be molded into pellets.

【0075】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、図1に示したように、少なくとも第2
ディスプレーサ30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 on the outer circumference of the displacer, the groove pattern including grooves along a direction intersecting the axial direction of the displacer. The cooling capacity and the stability of the cooling capacity can be improved. This groove pattern, as shown in FIG.
It is preferably formed on the outer periphery of the displacer 30.
However, formation of the groove pattern is not an essential requirement.

【0076】3Heを含むヘリウム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。 3Heを含むヘリウムは、特に、概ね4K以下の極
低温を得るうえで有用な作動流体である。
By using helium containing 3 He as the working fluid, even when the groove pattern is not formed on the outer circumference of the displacer, it can be cooled to a temperature lower than that of the conventional regenerator having the same structure. It is possible. Helium containing 3 He is particularly useful as a working fluid for obtaining a cryogenic temperature of about 4 K or less.

【0077】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 mixture of 3 He and 4 He is used as a working fluid to obtain a cryogenic temperature of 2 K or less, 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, it will be possible to provide a regenerator with a cryogenic temperature of 2 K or less at a lower cost.

【0078】図1に示した蓄冷式冷凍機100の冷却能
力は、それ程顕著ではないが、設置角依存性を有してい
る。第2膨張空間S2が第1膨張空間S1の鉛直下方に
位置するようにコールドヘッド50を設置したときの設
置角を0°とし、その逆を180°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 regenerator 100 shown in FIG. 1 is not so remarkable, but has an installation angle dependency. When the installation angle when the cold head 50 is installed so that the second expansion space S2 is located vertically below the first expansion space S1 is 0 ° and the opposite is 180 °, the installation is performed at 0 ° or 180 °. It is preferable to use. For example, when installed at 90 °, the cooling capacity may decrease by 10% or more. However, it is possible to obtain a cryogenic temperature of 2K or less regardless of the installation angle.

【0079】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 apparent to those skilled in the art that various other modifications, improvements, combinations and the like are possible.

【0080】[0080]

【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 regenerator having a relatively simple structure and capable of cooling to a lower temperature.

【図面の簡単な説明】[Brief description of 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 view showing a cold storage 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】GdAlO3 、NdInCu2 およびHoCu
2 の体積比熱の特性を示すグラフである。
FIG. 5: GdAlO 3 , NdInCu 2 and HoCu
3 is a graph showing the characteristic of volume specific heat of 2 .

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…シリンダ、 1a…第1シリンダ部、 1b…第2
シリンダ部、 5…第1冷却ステージ、 7…第2冷却
ステージ、 10…第1ディスプレーサ、 30…第2
ディスプレーサ、 33…GdAlO3 製蓄冷材、 5
0…コールドヘッド、 60…圧縮機、 65…圧縮機
本体、 100…蓄冷式冷凍機。
1 ... Cylinder, 1a ... 1st cylinder part, 1b ... 2nd
Cylinder part, 5 ... First cooling stage, 7 ... Second cooling stage, 10 ... First displacer, 30 ... Second
Displacer, 33 ... GdAlO 3 made regenerator material, 5
0 ... cold head, 60 ... compressor, 65 ... compressor body, 100 ... cooling type refrigerator.

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 高温端と低温端とが画定されたシリンダ
であって、前記高温端から連続する第1シリンダ部と、
該第1シリンダ部の内径よりも小さな内径を有し、前記
低温端から前記高温端側へ延在する第2シリンダ部とを
有するシリンダと、 前記第1シリンダ部に挿入され、該第1シリンダ部内で
の前記第2シリンダ部側端部に第1膨張空間を残余させ
つつ前記シリンダの軸方向に往復運動可能な第1ディス
プレーサであって、内部に第1の蓄冷材が装填され、前
記シリンダの高温端側の空間から、前記第1の蓄冷材が
装填された内部を経由して前記第1膨張空間へ至る第1
のガス流路を有する第1ディスプレーサと、 前記第2シリンダ部に挿入され、前記低温端との間に第
2膨張空間を残余させつつ前記シリンダの軸方向に往復
運動可能な第2ディスプレーサであって、ガドリニウム
アルミニウム酸化物製の第2の蓄冷材が内部に装填さ
れ、前記第1膨張空間から、前記第2の蓄冷材が装填さ
れた内部を経由して前記第2膨張空間へ至る第2のガス
流路を有する第2ディスプレーサと、 前記シリンダの高温端側の空間に、 3Heを含むヘリウ
ムからなる作動流体を供給し、該高温端側の空間から前
記作動流体を回収するガス圧縮機とを備えた蓄冷式冷凍
機。
1. A cylinder in which a high temperature end and a low temperature end are defined, the first cylinder portion being continuous from the high temperature end,
A cylinder having an inner diameter smaller than that of the first cylinder portion and having a second cylinder portion extending from the low temperature end to the high temperature end side; and a first cylinder inserted into the first cylinder portion, A first displacer capable of reciprocating in the axial direction of the cylinder while leaving a first expansion space at the end of the second cylinder portion side inside the cylinder, the first cool storage material being loaded inside the cylinder. From the space on the high temperature end side of the first expansion space to the first expansion space via the interior filled with the first cold storage material
And a second displacer that is inserted into the second cylinder portion and is capable of reciprocating in the axial direction of the cylinder while leaving a second expansion space between the low temperature end and the first displacer. A second regenerator material made of gadolinium aluminum oxide is loaded inside, and the second regenerator space is passed from the first expansion space to the second expansion space via the interior where the second regenerator material is loaded. A second displacer having a gas flow path, and a gas compressor for supplying a working fluid made of helium containing 3 He to the space on the high temperature end side of the cylinder and recovering the working fluid from the space on the high temperature end side. Regenerative refrigerator with and.
【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 cold storage refrigerator according to claim 1, wherein the atomic ratio of 3 He in the working fluid is 0.4 or more.
【請求項3】 前記第2ディスプレーサの内部に、前記
第2膨張空間側から順番に、前記第2の蓄冷材、HoC
2 製蓄冷材および鉛製蓄冷材が装填されている請求項
1または請求項2に記載の蓄冷式冷凍機。
3. The second cool storage material, the HoC, inside the second displacer, in order from the second expansion space side.
The cold storage refrigerator according to claim 1 or 2, which is loaded with a cold storage material made of u 2 and a cold storage material made of lead.
【請求項4】 前記第2ディスプレーサの外周面に、該
第2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3のいずれか1項に記載の蓄冷式冷凍
機。
4. A groove pattern formed on the outer peripheral surface of the second displacer, the groove pattern including grooves extending in a direction intersecting the axial direction of the second displacer. The regenerator according to any one of 1.
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