JP2008215783A - Cryogenic refrigerating machine and cryogenic refrigerating method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ギフォード・マクマホン冷凍機を用いて実現させる蓄冷式の極低温冷凍機および極低温冷凍方法に関する。 The present invention relates to a regenerative cryogenic refrigerator and a cryogenic refrigeration method realized by using a Gifford McMahon refrigerator.
超電導技術を実現するには極低温の環境が不可欠である。この極低温環境を実現するのには、様々なタイプの極低温の冷凍機がある。この中には、ギフォード・マクマホン冷凍機(以下、GM冷凍機という。)と呼ばれる蓄冷式の極低温冷凍機が知られている(例えば、特許文献1参照)。 A cryogenic environment is indispensable for realizing superconducting technology. There are various types of cryogenic refrigerators to realize this cryogenic environment. Among these, a regenerative cryogenic refrigerator called a Gifford McMahon refrigerator (hereinafter referred to as a GM refrigerator) is known (for example, see Patent Document 1).
ここでは、2段膨張式のGM冷凍機16について、図5を用いて説明する。GM冷凍機16は、冷媒を圧縮する高圧縮コンプレッサ10と、この高圧縮コンプレッサ10に配管を介して接続された給気/排気切替弁7と、この給気/排気切替弁7を設置した蓄冷器容器6とを有している。蓄冷器容器6と高圧縮コンプレッサ10とは、真空容器壁18を隔てて配置されている。この蓄冷器容器6はディスプレーサとして機能しシリンダ5内を往復運動する。このシリンダ5の下端には冷却ステージ1が設けられている。この高圧縮コンプレッサ10は、通常、高圧(吐出)側約2MPa、低圧(吸気)側約0.8MPaで運転される。このGM冷凍機により4Kレベルの冷却を行うために、蓄冷器容器6内に極低温で比熱の高い希土類金属やセラミック等の2段蓄冷材2a、1段蓄冷材2bが充填されている。
Here, the two-stage expansion GM
なお、このGM冷凍機の冷凍機ヘッドの冷媒吸気圧力や冷媒排気圧力を調整する圧力調整手段として、吸気バルブ、排気バルブと圧縮機の間に流量調整弁を配置した構成も知られている(例えば、特許文献2参照)。 As a pressure adjusting means for adjusting the refrigerant intake pressure and the refrigerant exhaust pressure of the refrigerator head of the GM refrigerator, a configuration in which a flow rate adjusting valve is arranged between the intake valve, the exhaust valve and the compressor is also known ( For example, see Patent Document 2).
また、GM/JT冷凍機と呼ばれる蓄冷式冷凍機とジュール・トムソン冷凍ループとを組み合わせた極低温冷凍機が知られている(例えば、特許文献3参照)。この極低温冷凍機の一種であるGM/JT冷凍機は、予冷用のGM冷凍機を伴うが、JT冷凍機側は排気圧力を大気圧の0.1MPa程度にまで下げることにより、冷媒であるヘリウムを液化させ、潜熱により冷却を行っている。この冷媒の単位流量当たりの寒冷発生量は、GM冷凍能力より大きくなり、4Kレベルの冷却における冷凍効率はGM/JT冷凍機の方が優れている。
GM冷凍機16を用いた蓄冷式の極低温冷凍機によって4Kレベルの冷却を行うためには、極低温で比熱の高い希土類金属やセラミック等の蓄冷材を使う必要がある。
In order to perform 4K level cooling by a regenerative cryogenic refrigerator using the GM
しかし、冷媒であるヘリウムガスは4Kレベルの冷却においては、例えば通常のGM冷凍機等の運転圧力(給気2MPa、排気0.8MPa程度)では、原理的にカルノー効率の2割程度しか冷凍能力が得られない、という課題があった。 However, when the helium gas, which is a refrigerant, is cooled at a 4K level, for example, at an operating pressure of an ordinary GM refrigerator or the like (supplying air 2 MPa, exhausting about 0.8 MPa), in principle, the cooling capacity is only about 20% of the Carnot efficiency. There was a problem that could not be obtained.
また、GM/JT冷凍機によれば、JT冷凍機側で排気圧力を大気圧の0.1MPa程度にまで下げることにより、4Kレベルの冷却における冷凍効率はGMよりも優れた効果が得られている。 In addition, according to the GM / JT refrigerator, by reducing the exhaust pressure to about 0.1 MPa of the atmospheric pressure on the JT refrigerator side, the refrigeration efficiency in the 4K level cooling is superior to that of GM. Yes.
しかし、GM/JT冷凍機は、JT弁(絞り弁)を介しての膨張による寒冷発生を利用した向流型冷凍機であるので、不純物混入による絞り弁部分の詰りにより、冷凍性能の劣化が発生し易い。また、一般的に、向流型の熱交換器を3段必要とするために高価になってしまう、という課題があった。 However, since the GM / JT refrigerator is a counter-current refrigerator that uses cold generation due to expansion through a JT valve (throttle valve), the refrigeration performance is degraded due to clogging of the throttle valve portion due to contamination with impurities. It is easy to generate. Further, in general, there is a problem that the countercurrent type heat exchanger is expensive because it requires three stages.
また、上述した従来の蓄冷式冷凍機においては、冷媒ガスは一方向流ではなく、往復動している。また、JT弁に相当するような絞り部はないため、不純物による性能劣化が起こり難い。また、JT冷凍機の向流型熱交換器に相当する蓄冷器は、構成が単純なために比較的安価に製作できる。このために、GM冷凍機に代表される蓄冷式冷凍機による信頼性や低コストのメリットと、GM/JT冷凍機の高効率のメリットを合わせ持った冷凍機の実現を想定すると、膨張圧力を大気圧レベルまで下げた蓄冷式冷凍機が考えられる。 Moreover, in the conventional regenerative refrigerator described above, the refrigerant gas reciprocates instead of a one-way flow. In addition, since there is no throttle portion corresponding to a JT valve, performance deterioration due to impurities hardly occurs. In addition, a regenerator corresponding to a countercurrent heat exchanger of a JT refrigerator can be manufactured at a relatively low cost because of its simple configuration. For this reason, assuming the realization of a refrigerator that combines the advantages of the reliability and low cost of a regenerative refrigerator represented by the GM refrigerator and the high efficiency of the GM / JT refrigerator, the expansion pressure is assumed. A regenerative refrigerator that is reduced to the atmospheric pressure level can be considered.
しかしながら、GM冷凍機は原理上、圧縮比増加により冷凍効率が低下する。したがって、ただ単に、多段のGM冷凍機をそのまま運転圧力を下げても、冷凍効率を向上することができないところに課題があった。 However, in principle, the GM refrigerator has a reduced refrigeration efficiency due to an increase in the compression ratio. Therefore, there is a problem that the refrigeration efficiency cannot be improved simply by reducing the operating pressure of the multistage GM refrigerator as it is.
さらに、4Kレベルの冷却を行う冷凍機としてパルスチューブ冷凍機を用いる技術が知られている。しかし、パルスチューブ冷凍機を用いるときは、4Kレベルの寒冷に寄与するパルス管低温側の膨張空間以上の容積をパルス管内に必要としているため、無効容積増加による冷媒の必要流量の増加が起こり、効率を低下させているところに課題があった。 Furthermore, a technique using a pulse tube refrigerator as a refrigerator that performs cooling at a 4K level is known. However, when a pulse tube refrigerator is used, the volume of the expansion space on the low temperature side of the pulse tube that contributes to 4K level cooling is required in the pulse tube, so the required flow rate of the refrigerant increases due to an increase in the invalid volume, There was a problem where efficiency was reduced.
本発明は上記課題を解決するためになされたもので、GM冷凍機において、予冷手段を設け、かつ、膨張圧力をその冷媒の臨界圧力以下とすることにより、冷凍効率の向上を図れる極低温冷凍機および極低温冷凍方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems. In a GM refrigerator, a cryocooling system capable of improving the refrigeration efficiency by providing precooling means and setting the expansion pressure below the critical pressure of the refrigerant. It is an object to provide a machine and a cryogenic refrigeration method.
上記目的を達成するため、本発明の極低温冷凍機においては、冷媒を圧縮するコンプレッサ及びこの圧縮された冷媒が通過する蓄冷材が充填されシリンダ内を往復運動する蓄冷器容器を含み冷凍サイクル中にサイモン膨張を行うギフォード・マクマホン冷凍機を有する極低温冷凍機であって、前記蓄冷器容器の側面に設けられ予冷する少なくとも1段の予冷手段と、前記コンプレッサ内の冷媒の膨張圧力をこの冷媒の臨界圧力以下に調整する圧力調整手段と、前記ギフォード・マクマホン冷凍機の最終段の冷却ステージ内の底部に設けられ前記冷媒が膨張するときに生じる液体を含む冷媒と熱交換を行う熱交換手段と、を有することを特徴とするものである。 In order to achieve the above object, the cryogenic refrigerator of the present invention includes a compressor for compressing a refrigerant and a regenerator container that is filled with a regenerator material through which the compressed refrigerant passes and reciprocates in a cylinder. A cryogenic refrigerator having a Gifford-McMahon refrigerator for performing Simon expansion on the side of the regenerator vessel, the at least one precooling means provided on the side of the regenerator container, and the expansion pressure of the refrigerant in the compressor. Pressure adjusting means for adjusting the pressure below the critical pressure, and heat exchanging means for exchanging heat with a refrigerant that is provided at the bottom of the cooling stage of the final stage of the Gifford McMahon refrigerator and that contains a liquid generated when the refrigerant expands It is characterized by having.
また、上記目的を達成するため、本発明は、冷媒を圧縮するコンプレッサステップ及びこの圧縮された冷媒が通過する蓄冷材が充填されシリンダ内を往復運動する蓄冷器容器を含むギフォード・マクマホン冷凍機を用いて冷凍サイクル中にサイモン膨張を行う極低温冷凍方法において、前記蓄冷器容器の側面に設けられた少なくとも1段の予冷手段により予冷するステップと、前記コンプレッサ内の冷媒の膨張圧力をこの冷媒の臨界圧力以下に調整するステップと、前記ギフォード・マクマホン冷凍機の最終段の冷却ステージ内の底部に設けられた熱交換手段により前記冷媒が膨張するときに生じる液体を含む冷媒と熱交換を行うステップと、を有することを特徴とするものである。 In order to achieve the above object, the present invention provides a Gifford McMahon refrigerator including a compressor step for compressing a refrigerant and a regenerator container that is filled with a regenerator material through which the compressed refrigerant passes and reciprocates in a cylinder. In the cryogenic refrigeration method using the expansion of Simon during the refrigeration cycle, the step of pre-cooling by at least one pre-cooling means provided on the side surface of the regenerator container, and the expansion pressure of the refrigerant in the compressor Adjusting to a critical pressure or less, and exchanging heat with a refrigerant containing a liquid generated when the refrigerant expands by heat exchanging means provided at the bottom of the cooling stage of the final stage of the Gifford McMahon refrigerator It is characterized by having.
本発明の極低温冷凍機および極低温冷凍方法によれば、冷凍機に予冷手段を設け、かつ、膨張圧力をこの冷媒の臨界圧力以下とすることにより、冷凍効率の向上を図ることができる。 According to the cryogenic refrigerator and the cryogenic refrigeration method of the present invention, it is possible to improve the refrigeration efficiency by providing precooling means in the refrigerator and setting the expansion pressure to be equal to or lower than the critical pressure of the refrigerant.
以下、本発明に係る極低温冷凍機及びその方法の実施の形態について、図面を参照して説明する。ここで、同一又は類似の部分には共通の符号を付すことにより、重複説明を省略する。 Embodiments of a cryogenic refrigerator and a method thereof according to the present invention will be described below with reference to the drawings. Here, the same or similar parts are denoted by common reference numerals, and redundant description is omitted.
図1は、本発明の第1の実施の形態の蓄冷式極低温冷凍機を示す構成図である。 FIG. 1 is a configuration diagram showing a regenerative cryogenic refrigerator according to a first embodiment of the present invention.
本図に示すように、極低温冷凍機は、冷凍サイクル中でサイモン膨張を行う本実施形態の蓄冷式のGM冷凍機16を備えている。ここでは、まず、この2段膨張式のGM冷凍機16について説明する。
As shown in this figure, the cryogenic refrigerator includes the regenerator-type GM
GM冷凍機16は、冷媒を圧縮する高圧縮コンプレッサ10を有している。この高圧縮コンプレッサ10内の冷媒の膨張圧力をこの冷媒の臨界圧力以下に調整するために圧力調整手段が設けられている。この圧力調整手段によって、高圧縮コンプレッサ10の冷媒の膨張圧力をこの冷媒の臨界圧力以下としている。また、この高圧縮コンプレッサ10を用いて4Kレベルの冷却を行うときには、冷媒としてヘリウムが用いられる。このヘリウムには、ヘリウム4(He4)や同位体であるヘリウム3(He3)がある。ヘリウム3を用いたときは、沸点は3.19Kであり、ヘリウム4を用いたときは、沸点は4.215Kである。
The GM
この高圧縮コンプレッサ10は、高圧側配管23、低圧側配管24を経由してGM冷凍機16の蓄冷器を構成する蓄冷器容器6に接続されている。この高圧側配管23及び低圧側配管24には、吸気バルブ及び排気バルブとして機能する給気/排気切替弁7が介在している。また、GM冷凍機16の本体の上部には、スコッチヨーク8が設置されている。このスコッチヨーク8は、ディスプレーサ及びバルブ駆動モータ9の軸による円運動を、偏心したクランクを用いることにより、直線的な上下往復運動に変換する機構である。このスコッチヨーク8の上下往復運動する出力軸25の他端は、シリンダ5内を往復運動する蓄冷器容器6に接続されている。
The
このGM冷凍機16は、シリンダ5内を往復運動しディスプレーサとしても機能する蓄冷器容器6が内蔵されている。この蓄冷器容器6の上部にはスコッチヨーク8の出力軸25が連結され、蓄冷器容器6はシリンダ5内を往復運動する。この蓄冷器容器6上部及び中間部には、それぞれ1段シール3b、2段シール3aが設けられ、冷媒の移動を制限している。
The GM
この蓄冷器を構成する蓄冷器容器6内の上部には、1段蓄冷材2bが内蔵され、下部には、2段蓄冷材2aが内蔵されている。また、蓄冷器容器6の側面には、1段の予冷手段冷却ステージ4が設置されている。シリンダ5の下部には、冷却ステージ1が設置されている。この蓄冷式冷凍機により4Kレベルの冷却を行うためには、極低温で比熱の大きい希土類金属やセラミック等から作製された蓄冷材を使う必要がある。
A first-
この蓄冷器を構成する蓄冷器容器6の側面には、予冷手段が少なくとも1段設置されて予冷している。この予冷手段として、GM冷凍機、パルスチューブ冷凍機又はスターリング冷凍機等を使用することができる。ここでは、1段の予冷用GM冷凍機20が予冷手段冷却ステージ4を介して蓄冷器容器6の側面に設置した例を図示している。この予冷用GM冷凍機20は、予冷用冷凍機コールドヘッド12を有し、予冷用冷凍機コンプレッサ13を備えている。
At least one stage of pre-cooling means is pre-cooled on the side surface of the
また、上記GM冷凍機16の最下段の冷却ステージ1の内側に設けられ冷媒が膨張するときに生じる液体を含む冷媒と熱交換を行う熱交換手段19が内蔵されている。この熱交換手段19については後述する。
Further, a
このように構成された本実施の形態において、高圧縮コンプレッサ10で圧縮された高圧冷媒は、給気/排気切替弁7を経由して蓄冷器容器6に導入される。スコッチヨーク8の出力軸25により、蓄冷器容器6はシリンダ5内を往復運動することにより、高圧冷媒は蓄冷器容器6に内蔵された2段蓄冷材2a、1段蓄冷材2bと接触し熱交換し放出される。このとき、サイモン膨張によりガスの温度が下がり、低温が発生する。
In the present embodiment configured as described above, the high-pressure refrigerant compressed by the high-
4Kレベルの冷却を行うときには、室温からの蓄冷損失等を考慮して効率よく冷却するために、通常は、GM冷凍機の蓄冷器を2段膨張式又は3段膨張式の多段化にして冷却している。ここでは、2段膨張式のGM冷凍機16を例示した。
When performing 4K level cooling, in order to efficiently cool in consideration of the cold storage loss from room temperature, etc., the GM refrigerator is usually cooled by making the regenerator of the two-stage expansion type or the three-stage expansion type multi-stage. is doing. Here, the two-stage expansion
この2段膨張式のGM冷凍機16は、最初の段の入口部での温度は300Kレベルであり、最後の段の出口部では4Kレベルである。この間に50Kレベルの1段の中間の冷却手段である予冷手段が設置される。3段膨張式のGM冷凍機を設置するときは、最初の段と最後の段との間に80Kレベル及び20Kレベルの2段の予冷手段が設置される。
In the two-stage expansion
次に、GM冷凍機の冷凍能力について説明する。 Next, the refrigeration capacity of the GM refrigerator will be described.
この4Kレベルの冷凍においては、運転圧力を大気圧力にまで低下させて、冷媒を液化させ、その潜熱を利用して冷却するときの方が冷却効率は高い。一方、予冷手段である80K、50K、20Kレベルの冷却においては、大気圧力にまで膨張圧力を低下させると、所定の冷凍能力を得るためには、ある程度高い(通常2MPa程度の)供給圧力が必要となり、高圧縮比となってしまう。GM冷凍機は原理上圧縮比が高くなるほど効率が悪くなるため、予冷手段による冷却においては、膨張圧力を大気圧力にまで下げるメリットはない。 In the 4K level refrigeration, the cooling efficiency is higher when the operating pressure is reduced to the atmospheric pressure, the refrigerant is liquefied, and cooling is performed using the latent heat. On the other hand, in the 80K, 50K, and 20K level cooling, which is a precooling means, if the expansion pressure is reduced to atmospheric pressure, a certain high supply pressure (usually about 2 MPa) is required to obtain a predetermined refrigeration capacity. Thus, the compression ratio becomes high. Since the efficiency of the GM refrigerator becomes lower as the compression ratio becomes higher in principle, there is no merit to lower the expansion pressure to the atmospheric pressure in the cooling by the pre-cooling means.
そこで、本実施の形態においては、4Kレベルの冷却を行うGM冷凍機16と、予冷を行う予冷用GM冷凍機20とを別々の独立した系統に区分し、運転圧力を各々に最適な条件の下で運転する。すなわち、予冷用GM冷凍機20は通常のGM冷凍機の運転圧力である給気圧約2MPaであり、排気圧0.8MPa程度とする。一方、4Kレベルの冷却を行う蓄冷式冷凍機であるGM冷凍機16は排気圧力(=膨張圧力)を大気圧程度、あるいはその冷媒の臨界圧力以下にまで下げることで冷媒を液化させる。この液化に伴う潜熱で効率よく4Kレベルの冷却を行うことにより、全体として効率の高い4Kレベルの冷凍を達成することができる。
Therefore, in the present embodiment, the
なお、4Kレベルの冷却を行う通常のGM冷凍機は、従来は、図5に示すように、冷媒として臨界圧力を超えたヘリウムガスが用いられるために、ギャップ式の熱交換器が使用されていた。すなわち、冷媒の強制対流熱伝達を行うためのギャップ26が4Kレベルの冷却を行う冷却ステージ内に存在していた。冷却ステージ1の内壁と蓄冷器容器外壁6aとのギャップ26を冷媒が通るときに、冷却ステージ1を強制対流により冷却していた。
As shown in FIG. 5, a conventional GM refrigerator that performs cooling at a 4K level has conventionally used a gap-type heat exchanger because helium gas exceeding the critical pressure is used as a refrigerant. It was. That is, the
一方、本実施の形態のGM冷凍機16においては、膨張圧力を大気圧力程度にまで下げて膨張している。そうすると、冷媒は1Hz程度の冷凍サイクル内においては、冷媒が膨張したときに液となって冷却ステージ底部に貯溜する。冷却ステージに熱負荷をかけたときには沸騰熱伝達により、効率的に伝熱が行われる。このために、ギャップ部における熱交換は不要となり、蓄冷器容器6からの冷媒の出入り口を冷却ステージ1側に直接設けることができる。このようにして、膨張時の圧力損失を低減することができる。また、冷却ステージ底部の伝熱面積を増加することができ、熱流束に伴う壁と液との温度差を低減でき、冷凍効率の向上及び冷却温度の低下を図ることができる。
On the other hand, in the
本実施の形態によれば、ギフォード・マクマホン冷凍機において、1段以上の予冷段を設け、かつ、膨張圧力をその冷媒の臨界圧力以下とすることにより、また、冷却ステージの内壁と蓄冷器外壁とのギャップを削減することにより、極低温冷凍機の冷凍効率のさらなる向上を図ることができる。 According to the present embodiment, in the Gifford McMahon refrigerator, by providing one or more pre-cooling stages and setting the expansion pressure below the critical pressure of the refrigerant, the inner wall of the cooling stage and the outer wall of the regenerator The refrigeration efficiency of the cryogenic refrigerator can be further improved.
図2は、本発明の第2の実施の形態の蓄冷式極低温冷凍機を示す構成図である。本図は、図1の極低温冷凍機の蓄冷器容器6の下部を切断して示すものであり、図1と同一又は類似の部分には共通の符号を付すことにより、重複説明を省略する。
FIG. 2 is a block diagram showing a regenerative cryogenic refrigerator according to the second embodiment of the present invention. This figure shows the lower part of the
本図に示すように、蓄冷器容器6は、シリンダ5内に内蔵され往復運動する。この蓄冷器容器6には、冷媒が通過する2段蓄冷材2aが内蔵されている。このシリンダ5の下部には、冷却ステージ1が設置されている。このシリンダ5内の下部には、熱交換手段19として多孔質伝熱体14が設けられている。この多孔質伝熱体14は、球状金属製接合体、ポーラス状金属又はハニカム状金属等から作製されている。また、この球状金属状接合体、ポーラス状金属又はハニカム状金属等は、良熱伝導体又は高比熱体の性質を有する希土類金属より作製されている。
As shown in this figure, the
このように、底部に熱伝導率の高い銅等の金属球を敷き詰め、メッキ、あるいは拡散接合等の手段で冷却ステージと熱的に接触させている。あるいは、金属球として、極低温で比熱の高い希土類金属を用いることで、冷却ステージの温度振幅の低減を図り、冷凍効率の向上を図ることも可能である。 In this way, a metal ball such as copper having high thermal conductivity is spread on the bottom, and is brought into thermal contact with the cooling stage by means such as plating or diffusion bonding. Alternatively, it is possible to reduce the temperature amplitude of the cooling stage and improve the refrigeration efficiency by using a rare earth metal having a high specific heat at a very low temperature as the metal sphere.
本実施の形態によれば、GM冷凍機において、1段以上の予冷段を設け、かつ、膨張圧力をその冷媒の臨界圧力以下とすることにより、また、熱交換手段19として多孔質伝熱体14を用いることにより、極低温冷凍機の冷凍効率の向上をさらに図ることができる。 According to the present embodiment, in the GM refrigerator, one or more pre-cooling stages are provided, and the expansion pressure is made equal to or lower than the critical pressure of the refrigerant. By using 14, it is possible to further improve the refrigeration efficiency of the cryogenic refrigerator.
図3は、本発明の第3の実施の形態の蓄冷式極低温冷凍機を示す構成図である。本図は、図1の極低温冷凍機の蓄冷器容器6の下部を切断して示すものであり、図1と同一又は類似の部分には共通の符号を付すことにより、重複説明を省略する。
FIG. 3 is a block diagram showing a regenerative cryogenic refrigerator according to a third embodiment of the present invention. This figure shows the lower part of the
本図に示すように、冷却ステージ1の底部に、熱交換手段19として貫通しない上向きの凹み15aを多数設けた熱伝導体15を配置することにより、伝熱面積を増加させることができる。または、図には示さないが、冷却ステージ1に凹凸を設け、表面積の増加を図ることも効果がある。その際、蓄冷器容器6の先端の底部にも相対する凹凸を設けることで、冷凍サイクルに対する無効容積の低減を図ることになり、冷凍効率の向上を図ることができる。
As shown in this figure, the heat transfer area can be increased by disposing a
すなわち、図3に示すように、冷却ステージ1の底部に貫通しない上向きの凹み15aを多数設けることにより、伝熱面積を増加させることができる。または、図には示さないが、冷却ステージ1に凹凸を設け、表面積の増加を図ることも効果がある。このときに、蓄冷器容器6の先端の底部にも相対する凹凸を加工することにより、冷凍サイクルに対する無効容積の低減を図ることができ、冷凍効率の向上を図ることも可能である。
That is, as shown in FIG. 3, the heat transfer area can be increased by providing a large number of
本実施の形態によれば、GM冷凍機において、1段以上の予冷段を設け、かつ、膨張圧力をその冷媒の臨界圧力以下とすることにより、また、熱交換手段19として貫通しない上向きの凹み15aを多数設けた熱伝導体15を配置することにより、極低温冷凍機の冷凍効率の向上をさらに図ることができる。
According to the present embodiment, in the GM refrigerator, one or more precooling stages are provided, and the expansion pressure is set to be equal to or lower than the critical pressure of the refrigerant. By arranging the
図4は、本発明の第4の実施の形態の蓄冷式極低温冷凍機を示す構成図である。本図は、図1の極低温冷凍機の蓄冷器容器6の下部に穴加工された熱伝導体15を設けるものであり、図1と同一又は類似の部分には共通の符号を付すことにより、重複説明を省略する。
FIG. 4 is a block diagram showing a regenerative cryogenic refrigerator of the fourth embodiment of the present invention. In this figure, a
本図に示すように、蓄冷器容器6は、シリンダ5内に内蔵され往復運動する。この蓄冷器容器6には、冷媒が通過する2段蓄冷材2aが内蔵されている。このシリンダ5の下部には、冷却ステージ1が設置されている。このシリンダ5内の下部には、熱交換手段として加工された熱伝導体15を備えている。この加工された熱伝導体15には、微細な貫通孔15bが加工され、さらにポーラス状の下向きの凹み15cが加工されている。この加工された熱伝導体15は、良熱伝導体又は高比熱体の性質を有する希土類金属より作製されている。また、最終段の蓄冷器容器6の蓄冷器容器先端部6bには先端シール手段である先端シール3cが設けられている。この先端シール3cは、蓄冷器容器先端部6bとシリンダ5の内壁との間をシールすることができる。
As shown in this figure, the
このように構成された本実施の形態において、加工された熱伝導体15は貫通孔15bが加工されかつ下向きの凹み15cが加工されているので、冷凍機コールドヘッドを傾斜したときでも、所定の冷凍能力を得ることができる。また、蓄冷器容器6の蓄冷器容器先端部6bとシリンダ5の内壁との間に先端シール3cを設けている。この先端シール3cにより、密度の高い低温冷媒がシリンダ5と蓄冷器容器6との間に流れ込んで生じる対流による熱侵入を抑制することができる。このとき、先端シール3cは冷却ステージ1とは離れた位置に設置することにより、摩擦発熱が直接冷却ステージ1に伝達しないようにしておく。
In the present embodiment configured as described above, the processed
本実施の形態によれば、GM冷凍機において、1段以上の予冷段を設け、かつ、膨張圧力をその冷媒の臨界圧力以下とすることにより、また、熱交換手段19として貫通孔15b及び下向きの凹み15cが加工された熱伝導体15を設けることにより、極低温冷凍機の冷凍効率のさらなる向上を図ることができる。
According to the present embodiment, in the GM refrigerator, by providing one or more precooling stages and setting the expansion pressure to be equal to or lower than the critical pressure of the refrigerant, the through
また、シリンダ5の底部には、貫通孔15bが加工されかつ下向きの凹み15cが加工されている加工された熱伝導体15が配置されている。このために、冷凍機コールドヘッドを傾けても、下向きの凹み15cがあるので、凝縮した液が貯溜することができる。かくして、冷凍機の取り付け方向の誤差に関連する冷凍性能の劣化を抑制することのできる。
Also, a processed
さらに、本発明は、上述したような各実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の各実施例を組み合わせて、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。 Furthermore, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention by combining the embodiments of the present invention. it can.
1…冷却ステージ、2a…2段蓄冷材、2b…1段蓄冷材、3a…2段シール、3b…1段シール、3c…先端シール、4…予冷手段冷却ステージ、5…シリンダ、6…蓄冷器容器、6a…蓄冷器容器外壁、6b…蓄冷器容器先端部、7…給気/排気切替弁、8…スコッチヨーク、9…ディスプレーサ及びバルブ駆動モータ、10…高圧縮コンプレッサ、10a…給気(高圧)側、10b…排気(低圧)側、11…伝熱板、12…予冷用冷凍機コールドヘッド、13…予冷用冷凍機コンプレッサ、14…多孔質伝熱体、15…熱伝導体、15a…上向きの凹み、15b…貫通孔、15c…下向きの凹み、16…GM冷凍機、18…真空容器壁、19…熱交換手段、20…予冷用GM冷凍機、23…高圧側配管、24…低圧側配管、25…出力軸、26…ギャップ。
DESCRIPTION OF
Claims (9)
前記蓄冷器容器の側面に設けられ予冷する少なくとも1段の予冷手段と、
前記コンプレッサ内の冷媒の膨張圧力をこの冷媒の臨界圧力以下に調整する圧力調整手段と、
前記ギフォード・マクマホン冷凍機の最終段の冷却ステージ内の底部に設けられ前記冷媒が膨張するときに生じる液体を含む冷媒と熱交換を行う熱交換手段と、
を有することを特徴とする極低温冷凍機。 A cryogenic refrigerator having a compressor for compressing a refrigerant and a Gifford-McMahon refrigerator that performs a Simon expansion in a refrigeration cycle including a regenerator container that is filled with a regenerator material through which the compressed refrigerant passes and reciprocates in a cylinder. There,
At least one stage of precooling means provided on the side surface of the regenerator container for precooling;
Pressure adjusting means for adjusting the expansion pressure of the refrigerant in the compressor below the critical pressure of the refrigerant;
A heat exchanging means for exchanging heat with a refrigerant including a liquid generated when the refrigerant expands, provided at the bottom in the cooling stage of the final stage of the Gifford McMahon refrigerator,
A cryogenic refrigerator characterized by comprising:
前記蓄冷器容器の側面に設けられた少なくとも1段の予冷手段により予冷するステップと、
前記コンプレッサ内の冷媒の膨張圧力をこの冷媒の臨界圧力以下に調整するステップと、
前記ギフォード・マクマホン冷凍機の最終段の冷却ステージ内の底部に設けられた熱交換手段により前記冷媒が膨張するときに生じる液体を含む冷媒と熱交換を行うステップと、
を有することを特徴とする極低温冷凍方法。 A cryogenic refrigeration that performs Simon expansion during a refrigeration cycle using a Gifford McMahon refrigerator that includes a compressor step that compresses the refrigerant and a regenerator container that is refilled with a regenerator material through which the compressed refrigerant passes. In the method
Precooling by at least one stage of precooling means provided on a side surface of the regenerator container;
Adjusting the expansion pressure of the refrigerant in the compressor below the critical pressure of the refrigerant;
Heat exchanging with a refrigerant containing a liquid generated when the refrigerant expands by heat exchanging means provided at the bottom in the cooling stage of the final stage of the Gifford McMahon refrigerator,
A cryogenic refrigeration method comprising:
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2007058004A JP2008215783A (en) | 2007-03-08 | 2007-03-08 | Cryogenic refrigerating machine and cryogenic refrigerating method |
Applications Claiming Priority (1)
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JP2007058004A JP2008215783A (en) | 2007-03-08 | 2007-03-08 | Cryogenic refrigerating machine and cryogenic refrigerating method |
Publications (1)
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ID=39836020
Family Applications (1)
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JP2007058004A Withdrawn JP2008215783A (en) | 2007-03-08 | 2007-03-08 | Cryogenic refrigerating machine and cryogenic refrigerating method |
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JP (1) | JP2008215783A (en) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2016118372A (en) * | 2014-12-22 | 2016-06-30 | 住友重機械工業株式会社 | Cryogenic temperature refrigerator and operation method of cryogenic temperature refrigerator |
CN106257054B (en) * | 2016-07-15 | 2018-06-26 | 浙江大学 | The model building method and detection device of GM refrigerator compressor units |
CN110440477A (en) * | 2019-08-26 | 2019-11-12 | 西南交通大学 | A kind of plug type low-temperature (low temperature) vessel |
-
2007
- 2007-03-08 JP JP2007058004A patent/JP2008215783A/en not_active Withdrawn
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CN106257054B (en) * | 2016-07-15 | 2018-06-26 | 浙江大学 | The model building method and detection device of GM refrigerator compressor units |
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