JP2007518952A - Refrigerating machine regenerator - Google Patents
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Abstract
本発明は通気性が均一で、熱伝達性能の向上した蓄熱材を備えた冷凍機用再生器に関する。ランダムワイヤを真空焼結圧着して形成されたベースマットから多数のマットを分離させる。ベースマットから分離された複数のマットを一列にハウジング内に挿入させる。本発明によれば、複数のマットがハウジング内に一列に挿入されるので、ハウジング内の全体に均一な通気が行われる。隣接するマット間の境界層によって熱伝達損失が最小化され、冷凍機の冷却性能が著しく向上される。 The present invention relates to a regenerator for a refrigerator equipped with a heat storage material having uniform air permeability and improved heat transfer performance. A large number of mats are separated from a base mat formed by vacuum-sintering a random wire. A plurality of mats separated from the base mat are inserted into the housing in a row. According to the present invention, since the plurality of mats are inserted into the housing in a line, uniform ventilation is performed throughout the housing. The boundary layer between adjacent mats minimizes heat transfer loss and significantly improves the cooling performance of the refrigerator.
Description
本発明は、冷凍機に関し、より詳しくは、通気性が均一であり、熱伝達性能の向上した蓄熱材を備えた冷凍機用再生器に関する。 The present invention relates to a refrigerator, and more particularly, to a regenerator for a refrigerator provided with a heat storage material having uniform air permeability and improved heat transfer performance.
一般に、冷凍機は、ヘリウムまたは水素などの作動流体が圧縮−膨張などの過程を経て冷凍出力を発生させる装置である。このような冷凍機は、小型電化製品や超伝導体を極低温に冷凍させるために利用されている。 Generally, a refrigerator is a device that generates a refrigeration output through a process such as compression-expansion by a working fluid such as helium or hydrogen. Such refrigerators are used for freezing small electrical appliances and superconductors to cryogenic temperatures.
冷凍機としては、 スターリング冷凍機およびGM冷凍機などの熱再生式が主に利用されている。このような冷凍機では、運転速度を低くし、摩擦の発生するシーリング材料の形状を変更し、または、運動する部分をなくすなどの方法で信頼性を高めている。 As the refrigerator, a heat regeneration type such as a Stirling refrigerator or a GM refrigerator is mainly used. In such a refrigerator, the reliability is improved by reducing the operating speed, changing the shape of the sealing material that generates friction, or eliminating the moving part.
なお、長期間の間、メンテナンスの必要がない高信頼性の極低温冷凍機の開発が求められているが、このような要求を反映したものが無潤滑パルスチューブ冷凍機(Lubricationless Pulse Tube Cooler)である。このパルスチューブ冷凍機は、一方の閉管に一定の温度を有するガスを周期的に注入して圧力を変化させる場合、ガスの流動に乱流成分が少ない時、非常に大きな温度勾配が得られるという原理を用いて、管の開いた側で極低温の冷凍を実現する装置である。 There is a need for development of a highly reliable cryogenic refrigerator that does not require maintenance for a long period of time. However, a non-lubricated pulse tube refrigerator that reflects such a demand is required. It is. In this pulse tube refrigerator, when a pressure is changed by periodically injecting a gas having a constant temperature into one closed tube, a very large temperature gradient can be obtained when there are few turbulent components in the gas flow. It is a device that realizes cryogenic refrigeration on the open side of the tube using the principle.
図1は、従来の技術による冷凍機を示している。同図に示したように、冷凍機1は、駆動部100、放熱部200および冷凍部300に大別される。
FIG. 1 shows a refrigerator according to the prior art. As shown in the figure, the refrigerator 1 is roughly divided into a
前記駆動部100は、リニアモーター130の電磁気的な相互作用によるピストン140の直線往復運動によって冷媒ガスを高温高圧状態に圧縮させる。このような駆動部100は、シェルチューブ120、リニアモーター130、ピストン140、シリンダー150、板ばね160およびばね受け台170を備えている。
The
前記シェルチューブ120は、所定の内部空間を有し、ディスプレーサ310が内挿された内・外側放熱部210、220と同心をなすようにフレーム110に係合固定される。前記リニアモーター130は、ステーター(stator)130aおよびアーマチュア(armature)130bで構成され、前記シェルチューブ120の内部に取り付けられる。前記ピストン140は、前記リニアモーター130のアーマチュア130bの一側に固定され、前記リニアモータ130の電磁気的な相互作用によって直線往復運動がなされる。前記シリンダー150は、前記内側放熱部210と同心をなしながら内挿されたピストン140の直線往復運動が前記ディスプレーサ310に水平に伝達され得るように前記フレーム110内側の中央において前記フレーム100に係合固定される。前記板ばね160は、前記ピストン140内に内挿されたディスプレーサロッド320の位置が前記ピストン140および前記内側放熱部210と同心をなすように前記ディスプレーサロッド320の一側に固定支持される。前記ばね受け台170は、前記板ばね160を固定するため、一側がシェルチューブ120に固定され、他側に前記板ばね160が係合固定される。
The
前記放熱部200は、ディスプレーサ310外周のフレーム110に固定され、ピストン140によって高温高圧状態に圧縮された冷媒ガスの熱を吸収する内側放熱部210と、前記内側放熱部210の外側円周面に固定され、前記内側放熱部210から伝達された冷媒ガスの熱を冷凍機の外部に放熱させる外側放熱部220とで構成される。
The
前記冷凍部300には、ディスプレーサ310、再生器330および冷側部350が含まれる。前記ディスプレーサ310は、ディスプレーサロッド320と一体に形成され、前記内側放熱部210内に挿着されて前記ピストン140から加入される冷媒ガスの圧縮を通じて前記ディスプレーサロッド320の一側に固定された板ばね160の弾性変形範囲内で直線往復運動がなされる。前記再生器330は、前記ディスプレーサ310に結合されて前記ピストン140によって前記ディスプレーサ310内部に圧縮流動された高温高圧状態の冷媒ガスの顯熱を貯蔵した後、後で膨張空間で膨張された低温状態の冷媒ガスに温度補償して一定の高温状態の冷媒ガスに熱伝達させる。前記冷側部350は、前記再生器330と膨張空間とで一定の間隔で離隔される位置に設けられ、前記再生器330を貫通した冷媒ガスが前記膨張空間で膨張しながら低温状態に熱変化するように外部との熱交換を行う。
The
上記のような構成の冷凍機の作動関係について説明する。
先ず、リニアモーター130、即ち、ステータ130aとアーマチュア130bとの電磁気的な相互作用によってアーマチュア130bが直線運動することによって、前記アーマチュア130bの一側に固定されたピストン140も直線運動をするようになる。このとき、前記ピストン140の直線運動によって前記圧縮空間に充填されているヘリウムまたは水素などの冷媒ガスが圧縮される。
The operational relationship of the refrigerator configured as described above will be described.
First, the
このように圧縮された冷媒ガスは、放熱部200を介して一部が冷凍機10の外部に放出され、他の一部は、ディスプレーサ310を介して再生器330に流入される。このとき、前記圧縮された冷媒ガスによってディスプレーサ310は、膨張空間側に直線移動するようになる。
A part of the refrigerant gas compressed in this way is discharged to the outside of the refrigerator 10 through the
再生器330内に流入された圧縮冷媒ガスは、再生器330を貫通しながら熱エネルギーが貯蔵されるように熱伝導された後、膨張空間に流動する。このとき、ピストン140の加圧力は、減少する。これによって、ディスプレーサ310は、圧縮空間側に直線往復運動するようになる。
The compressed refrigerant gas that has flowed into the
次いで、膨張空間に流動された冷媒ガスは、膨張作用によって極低温状態になり、上記のように膨張された低温冷媒ガスは、再び再生器330を通過しながら貯蔵された熱エネルギーを伝達されて圧縮空間に流入されるようになる。
Next, the refrigerant gas flowing into the expansion space becomes a cryogenic state by the expansion action, and the low-temperature refrigerant gas expanded as described above is transferred with the stored thermal energy while passing through the
このように冷凍機1は、前述のような作動過程のサイクルを繰り返すことによって冷却が行われる。 Thus, the refrigerator 1 is cooled by repeating the cycle of the operation process as described above.
一方、図2に示したように、ディスプレーサ310と結合された再生器330は、前記ディスプレーサ310の円筒と同一の同心で係合されるハウジング340と、該ハウジング340内に挿入される蓄熱材344と、前記ハウジング340の先端に取り付けられるエンドキャップ348とで構成される。
On the other hand, as shown in FIG. 2, the
前記蓄熱材344は、冷媒ガスと接して熱交換を行うことで、冷媒ガスからエネルギーを受け、蓄えて、また、戻すような役割をするため、熱交換面積および比熱が大きく熱伝導係数が小さな材質で構成することが好ましい。 The heat storage material 344 performs heat exchange in contact with the refrigerant gas, thereby receiving, storing, and returning energy from the refrigerant gas. Therefore, the heat storage material 344 has a large heat exchange area and specific heat, and a small heat conduction coefficient. It is preferable to use a material.
このような状況に鑑みて、蓄熱材344は、細粉、小球状、ランダムワイヤのタイプで構成される。特に、このような各タイプは、冷凍機の使用される温度帯域に応じて異なる材質で構成される。一般に、77°K程度の極低温冷却用として使用される冷凍機用再生器には、ステンレス材質のランダムワイヤタイプの蓄熱材が多用されている。 In view of such a situation, the heat storage material 344 is configured as a fine powder, small sphere, or random wire type. In particular, each of these types is composed of different materials depending on the temperature range in which the refrigerator is used. In general, a regenerator for a refrigerator that is used for cryogenic cooling at about 77 ° K often uses a random wire type heat storage material made of stainless steel.
なお、前記ランダムワイヤタイプの蓄熱材は、微細なワイヤが固められてなる形態である。従って、ランダムワイヤタイプの蓄熱材を再生器に挿入させるためには、構造的な特性から、金型で一定の形態に成形した後、ハウジングの内に挿入する。 The random wire type heat storage material has a form in which fine wires are hardened. Therefore, in order to insert a random wire type heat storage material into the regenerator, it is molded into a fixed shape with a mold and then inserted into the housing due to structural characteristics.
しかし、従来のランダムワイヤタイプの蓄熱材の適用された再生器では、ランダムになされるランダムワイヤを一定の形態に成形するためには、費用と時間がかかるという問題点がある。また、ランダムワイヤが固められた形態であるため、容易に熱伝達が行われ、再生器の効率も低下するようになる。 However, in the conventional regenerator to which the random wire type heat storage material is applied, there is a problem that it takes cost and time to form a random wire that is randomly formed into a certain shape. Further, since the random wire is in a solidified form, heat transfer is easily performed, and the efficiency of the regenerator is reduced.
また、ランダムワイヤタイプの蓄熱材を、前記再生器のハウジングに挿入させる過程で、蓄熱材がハウジング内の全部分にわたって同一な間隔で圧着されていない。即ち、先にハウジングの内部に挿入された、一定形態のランダムワイヤが、後で挿入されるランダムワイヤによって押され、ハウジング内の後部は、ランダムワイヤが過密で、ハウジング内の前部である挿入口は、低密になる。従って、ハウジング内の全部分にわたって均一な通気性が確保されていないため、冷凍機の性能低下をもたらすという問題点があった。 Further, in the process of inserting a random wire type heat storage material into the housing of the regenerator, the heat storage material is not pressure-bonded at the same interval over the entire portion in the housing. That is, a random wire of a certain form that has been previously inserted into the housing is pushed by a random wire that is inserted later, and the rear part in the housing is inserted with the random wire being overcrowded and the front part in the housing. The mouth becomes dense. Accordingly, there is a problem that the performance of the refrigerator is deteriorated because uniform air permeability is not ensured over the entire portion of the housing.
従って、本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたもので、本発明の目的は、ハウジング内に真空焼結方式で作られた多数のマットを一列に充積させた蓄熱材を備えた冷凍機用再生器を提供することにある。 Accordingly, the present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to store heat in which a large number of mats made by vacuum sintering are packed in a row in a housing. It is providing the regenerator for refrigerators provided with the material.
上記のような目的を達成するための本発明の好適な一実施形態によれば、内部に所定の空間を有し、ディスプレーサに係合されるハウジングと、前記ハウジング内に予め設けられているベースマットから提供される多数のマットが挿入される蓄熱材と、前記ハウジングの先端に取り付けられるエンドキャップとで構成される。 According to a preferred embodiment of the present invention for achieving the above object, a housing having a predetermined space inside and engaged with a displacer, and a base provided in advance in the housing A heat storage material into which a number of mats provided from the mat are inserted, and an end cap attached to the tip of the housing.
前記多数のマットは、ランダムワイヤ材から形成され、前記ハウジング内に一列に充積される。 The plurality of mats are formed of a random wire material and are filled in a row in the housing.
前記ハウジング内の熱伝達率および/または通気性によって、前記マットの厚さまたは前記ハウジング内に挿入されるマットの個数が変化する。 The thickness of the mat or the number of mats inserted into the housing varies depending on the heat transfer coefficient and / or air permeability in the housing.
本発明の好適な他の実施形態によれば、冷凍機用再生器の蓄熱材は、ハウジング内に充積される多数のマットである。 According to another preferred embodiment of the present invention, the heat storage material of the regenerator for the refrigerator is a number of mats filled in the housing.
前記多数のマットは、同一材質のランダムワイヤで構成される。 The plurality of mats are made of random wires made of the same material.
本発明の好適なまた他の実施形態によれば、冷凍機用再生器の蓄熱材形成方法は、予め圧着されたランダムワイヤを真空焼結させてベースマットを形成するステップと、前記ベースマットをパンチング加工して一定形態のマットを多数分離するステップと、前記分離された多数のマットを一列にハウジング内に挿入するステップとを含む。 According to still another preferred embodiment of the present invention, a method of forming a heat storage material for a regenerator for a refrigerator includes a step of vacuum sintering a prebonded random wire to form a base mat; A step of separating a number of mats having a certain shape by punching, and a step of inserting the separated number of mats into a housing in a row.
前記ベースマットの厚さは、圧着工程における圧着程度によって変化する。 The thickness of the base mat varies depending on the degree of pressure bonding in the pressure bonding process.
前記ベースマットからは少なくとも1つ以上のマットが分離される。 At least one mat is separated from the base mat.
前記ハウジング内に挿入されるマットの個数は、マット間の密着程度によって変化する。 The number of mats inserted into the housing varies depending on the degree of adhesion between the mats.
前記一定形態のマットの形状は、円形、長方形または多角形のうちの1つである。 The shape of the fixed form mat is one of a circle, a rectangle, and a polygon.
以上のように、本発明の冷凍機用再生器によれば、多数のマットを一列にハウジング内に充積させることによって、ハウジング内に全体として通気性を均一に維持させ、冷凍機の冷却性能が向上する。 As described above, according to the regenerator for a refrigerator of the present invention, a large number of mats are filled in the housing in a row, thereby maintaining the air permeability uniformly throughout the housing and the cooling performance of the refrigerator. Will improve.
また、多数のマットの間に一定の境界層が形成されるため、熱伝達を遅延させ、熱伝達損失を一層低減させることができる。 In addition, since a certain boundary layer is formed between a large number of mats, heat transfer can be delayed and heat transfer loss can be further reduced.
本発明の冷凍機用再生器の蓄熱材形成方法によれば、真空焼結方式で形成されたベースマットから一時に多数のマットを容易に分離することができるため、費用を著しく低減することができる。 According to the method for forming a heat storage material for a regenerator for a refrigerator according to the present invention, a large number of mats can be easily separated from a base mat formed by a vacuum sintering method at a time, so that the cost can be significantly reduced. it can.
また、多数のマットをハウジングの形態に応じて製造することができ、冷凍機用再生器の適用範囲を大きく向上させることができる。 Moreover, many mats can be manufactured according to the form of a housing, and the application range of the regenerator for refrigerators can be improved greatly.
さらに、ハウジング内の熱伝達率および/または通気性を反映してマットの厚さとハウジング内に挿入されるマットの個数を調節することができ、常時最適の熱伝達率および通気性が確保される効果を奏する。 Furthermore, the thickness of the mat and the number of mats inserted into the housing can be adjusted to reflect the heat transfer coefficient and / or air permeability in the housing, and the optimum heat transfer coefficient and air permeability are always ensured. There is an effect.
以下、添付の図面を参照して本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。
図3は、本発明の好適な一実施形態に係る冷凍機用再生器を示す。同図に示したように、本発明の冷凍機用再生器は、内部に所定の空間を有し、ディスプレーサ32に係合されるハウジング42と、ハウジング42内に挿入される蓄熱材44と、ハウジング42の先端に取り付けられるエンドキャップ46とで構成される。
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
FIG. 3 shows a regenerator for a refrigerator according to a preferred embodiment of the present invention. As shown in the figure, the regenerator for a refrigerator of the present invention has a predetermined space inside, a
ここで、蓄熱材44は、一定の形態に加工された多数のマットからなる。多数のマットは、ランダムワイヤ材から作られて、ハウジング42内に一列に順次充積される。多数のマットは、予めパンチング加工などでハウジング42内の直径に合うように設けられている。
Here, the
マットの厚さは、ハウジング42内部の熱伝導率および/または通気性に応じて変化し得る。即ち、熱伝導率および/または通気性の悪い場合には、薄いマットがハウジング内に挿入される。また、ハウジング内に挿入されるマットの個数は、ハウジング内の熱伝達率および/または通気性によって変化し得る。即ち、熱伝導率および/または通気性の悪い場合、より少量のマットをハウジング内に挿入させる。このように、マットの厚さおよびマットの個数を用いてハウジング内の熱伝達率および/または通気性を調節することができるため、ハウジング内において常に最適の熱伝達率および/または通気性を維持することができる。
The thickness of the mat can vary depending on the thermal conductivity and / or air permeability within the
従来、単に一定の形態に作られたランダムワイヤをハウジング内に挿入させる場合、先に挿入されたランダムワイヤが後で挿入されるランダムワイヤによって押されてしまい、ハウジング内部において全体として均一な通気性が確保されていない。 Conventionally, when a random wire that is simply formed in a certain shape is inserted into a housing, the random wire that has been inserted first is pushed by the random wire that is inserted later, and the entire inside of the housing has uniform air permeability. Is not secured.
しかし、本発明は、多数のマットをハウジング42内に一例に充積させることにより、先に挿入されたマットが後に挿入されるマットによって押されるおそれがないため、ハウジング内の全体的な通気性が均一に維持され得る。
However, according to the present invention, since a large number of mats are filled in the
以下、冷凍機用再生器に備えられる蓄熱材の形成方法について説明する。
図4は、本発明の好適な一実施形態に係る冷凍機用再生器において、蓄熱材を冷凍機用再生器に適用させる方法を説明するためのフローチャートである。
Hereinafter, the formation method of the heat storage material with which the regenerator for refrigerators is equipped is demonstrated.
FIG. 4 is a flowchart for explaining a method of applying a heat storage material to a refrigerating machine regenerator in a refrigerating machine regenerator according to a preferred embodiment of the present invention.
図5および図6は、本発明の好適な一実施形態による冷凍機用再生器において、蓄熱材を冷凍機用再生器に適用させる方法を説明するための図である。具体的に、図5は、ランダムワイヤタイプから多数のマットを形成することを示し、図6は、多数のマットを用いてハウジング内に挿入させることを示している。 5 and 6 are diagrams for explaining a method of applying a heat storage material to the regenerator for the refrigerator in the regenerator for the refrigerator according to a preferred embodiment of the present invention. Specifically, FIG. 5 shows that a large number of mats are formed from the random wire type, and FIG. 6 shows that a large number of mats are used to be inserted into the housing.
先ず、容易に入手可能なランダムワイヤを圧着装置などで圧着させる(S511)。このとき、圧着装置は、通常の圧着装置を用いることができる。そして、ランダムワイヤの圧着時には、予めハウジング内の熱伝導率および/または通気性を考慮する。即ち、内部の熱伝導率および/または通気性を事前に把握し、これによってランダムワイヤの圧着程度を異にして最適の厚さとなるようにする。 First, a readily available random wire is crimped by a crimping device or the like (S511). At this time, a normal crimping apparatus can be used as the crimping apparatus. When the random wire is crimped, the thermal conductivity and / or air permeability in the housing is taken into consideration in advance. That is, the internal thermal conductivity and / or air permeability is grasped in advance, and thereby, the degree of pressure bonding of the random wire is varied to obtain an optimum thickness.
圧着されたランダムワイヤを、図5に示したように焼結炉で真空焼結させてベースマット47を形成させる(S513)。なお、焼結炉は、特に制限はなく、通常の真空焼結ができる装置であれば良い。ベースマット47は、できる限り広い面積を有することが好ましい。なぜならば、ベースマットが広いほどベースマットから分離されるマットが多くなり、これによって費用節減が可能となるためである。 The crimped random wire is vacuum sintered in a sintering furnace as shown in FIG. 5 to form a base mat 47 (S513). The sintering furnace is not particularly limited and may be any apparatus that can perform normal vacuum sintering. The base mat 47 preferably has as large an area as possible. This is because the wider the base mat is, the more mats are separated from the base mat, thereby enabling cost savings.
このように真空焼結方式によって形成されたベースマット47を対象にパンチング加工装置を用いて一定の形態にパンチングしてマット48を分離させる(S515)。なお、一定形態のマット48は、円形、長方形または多角形の形態であって、ハウジングの形態に応じて選択することができる。このとき、マット48は、ベースマットからできる限り多数のマットに分離されることが好ましい。マットのサイズは、好ましくは、ハウジング内部のサイズとほぼ同一である。即ち、マットのサイズは、ハウジング内のサイズよりできるだけ小さな方が好ましい。そうすると、マットがハウジング内に挿入される時、ハウジング内部に挟まれるか、自由に移動されなくなることがない。
The base mat 47 formed by the vacuum sintering method as described above is punched into a predetermined form using a punching apparatus to separate the mat 48 (S515). The fixed-
ベースマット47から分離される多数のマット48は、図6に示したように、予め設けられているハウジング340の内部に一列に挿入される(S517)。このとき、ハウジング内の熱伝導率および/または通気性によって、ハウジング340内部に挿入されるマット48の個数が変化し得る。即ち、ハウジング内の熱伝導率および/または通気性が良くない場合、より少量のマットがハウジング内に挿入される。結局、ハウジング内の熱伝導率および/または通気性に応じて、ハウジング340内に挿入されるマット48、48'間の密着程度を調節して、常時最適の熱伝導率および/または通気性を維持することができる。
A number of
従来の技術では、ランダムワイヤが一体に圧着された後、ハウジング内に挿入されるため、ハウジング内を通じて容易に熱伝達されてしまい、これによって熱伝達損失が多いという問題点があった。 In the prior art, since the random wires are integrally crimped and then inserted into the housing, heat is easily transferred through the housing, thereby causing a problem of a large heat transfer loss.
しかし、本発明のように、多数のマット48を一列にハウジング340内に順次挿入させることで、マット48、48'間に一定の境界層が形成されて熱伝達が遅延されるため、熱伝達による損失を少なくすることができる。
However, as in the present invention, since a large number of
Claims (13)
予めベースマットから提供された多数のマットを前記ハウジング内に挿入して成る蓄熱材と、
前記ハウジングの先端に取り付けられるエンドキャップと、
で構成されることを特徴とする冷凍機用再生器。 A housing having a predetermined space inside and engaged with the displacer;
A heat storage material formed by inserting a number of mats provided in advance from a base mat into the housing;
An end cap attached to the tip of the housing;
A regenerator for a refrigerator, comprising:
前記ベースマットをパンチング加工して一定形態のマットを多数分離するステップと、
前記分離された多数のマットを一列にハウジング内に挿入するステップと、
を含むことを特徴とする冷凍機用再生器の蓄熱材形成方法。 Forming a base mat by vacuum sintering a prebonded random wire;
A step of punching the base mat to separate a number of mats of a certain form;
Inserting the separated mats into a housing in a row;
A method for forming a heat storage material for a regenerator for a refrigerator.
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