JP2015203530A - cryogenic refrigerator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、圧縮装置から供給される高圧の冷媒ガスのサイモン膨張により発生する寒冷を蓄積し、所望の極低温の寒冷を発生する極低温冷凍機に関する。 The present invention relates to a cryogenic refrigerator that accumulates cold generated by Simon expansion of high-pressure refrigerant gas supplied from a compressor and generates desired cryogenic cold.
極低温冷凍機として例えば特許文献1に記載のものがある。ディスプレーサ式の極低温冷凍機はディスプレーサをシリンダ内部で往復運動させながら、膨張空間内の冷媒ガスを膨張させて寒冷を発生する。また、パルスチューブ式の極低温冷凍機はパルス管内のガスピストンを往復運動させながら、膨張空間内の冷媒ガスを膨張させて寒冷を発生する。膨張空間で発生した冷媒ガスの寒冷は、蓄冷器にて蓄積されながら冷却ステージに伝達されて所望の極低温に到達して、冷却ステージに接続された冷却対象を冷却する。
There exists a thing of
本発明は、極低温冷凍機の効率を高める技術を提供することを目的とする。 An object of this invention is to provide the technique which raises the efficiency of a cryogenic refrigerator.
上記課題を解決するために、本発明のある態様は蓄冷器を備える極低温冷凍機である。この蓄冷器は、容器と、容器の高温側の第1領域に収容される非磁性蓄冷材と、容器の低温側の第2領域に収容される磁性蓄冷材と、第1領域に収容される挿入部材とを備える。挿入部材の熱伝導率は、極低温冷凍機が動作中の温度において10[W/(m・K)]以下である。 In order to solve the above problems, an aspect of the present invention is a cryogenic refrigerator including a regenerator. The regenerator is accommodated in the container, the nonmagnetic regenerator material accommodated in the first region on the high temperature side of the container, the magnetic regenerator material accommodated in the second region on the low temperature side of the container, and the first region. An insertion member. The thermal conductivity of the insertion member is 10 [W / (m · K)] or less at a temperature at which the cryogenic refrigerator is operating.
本発明の別の態様もまた、極低温冷凍機である。この極低温冷凍機は、高温側蓄冷器と低温側蓄冷器とを備える極低温冷凍機である。低温側蓄冷器は、容器と、容器の高温側の第1領域に収容される非磁性蓄冷材と、容器の低温側の第2領域に収容される磁性蓄冷材とを備える。容器は、第1領域の少なくとも一部の領域において容器の軸に垂直な平面における断面積が、第2領域において容器の軸に垂直な平面における断面積よりも小さく、容器の熱伝導率は、極低温冷凍機が動作中の温度において10[W/(m・K)]以下である。 Another embodiment of the present invention is also a cryogenic refrigerator. This cryogenic refrigerator is a cryogenic refrigerator including a high temperature side regenerator and a low temperature side regenerator. The low temperature side regenerator includes a container, a nonmagnetic regenerator material accommodated in the first region on the high temperature side of the container, and a magnetic regenerator material accommodated in the second region on the low temperature side of the container. The container has a cross-sectional area in a plane perpendicular to the axis of the container in at least a part of the first region that is smaller than a cross-sectional area in a plane perpendicular to the axis of the container in the second region, and the thermal conductivity of the container is It is 10 [W / (m · K)] or less at the temperature at which the cryogenic refrigerator is operating.
本発明の極低温冷凍機によれば、冷凍性能を維持しつつ蓄冷材を減少することができ、冷凍機の効率を高めることができる。 According to the cryogenic refrigerator of the present invention, the regenerator material can be reduced while maintaining the refrigeration performance, and the efficiency of the refrigerator can be increased.
極低温冷凍機は一般に、圧縮機と膨張機とを備える。極低温冷凍機の冷媒ガスとしては、例えばヘリウムガスが用いられる。圧縮機は、低圧(例えば0.8MPa)のヘリウムガスを圧縮し、高圧(例えば2.2MPa)のヘリウムガスを生成する。高圧ヘリウムガスの密度と低圧ヘリウムガスの密度との密度差は、極低温付近において温度依存性が大きくなり、特に温度が8K付近のときに、その密度差が最大となる。そこで実施の形態に係る極低温冷凍機が備える蓄冷器は、蓄冷器中のヘリウムガスの密度差が最大となる領域の体積を実質的に減らすために、低温冷凍機の動作中の温度が8K付近となる領域に挿入部材を収容する。また、上段の蓄冷器や膨張空間の熱が伝導することを抑制するために、この挿入部材の熱伝導率は極低温冷凍機が動作中の温度において10[W/(m・K)]以下である。 A cryogenic refrigerator generally includes a compressor and an expander. For example, helium gas is used as the refrigerant gas of the cryogenic refrigerator. The compressor compresses low-pressure (for example, 0.8 MPa) helium gas and generates high-pressure (for example, 2.2 MPa) helium gas. The density difference between the density of the high-pressure helium gas and the density of the low-pressure helium gas has a large temperature dependence in the vicinity of extremely low temperatures, and the density difference becomes maximum especially when the temperature is around 8K. Therefore, in the regenerator provided in the cryogenic refrigerator according to the embodiment, the temperature during operation of the low-temperature refrigerator is 8K in order to substantially reduce the volume of the region where the density difference of helium gas in the regenerator is maximized. The insertion member is accommodated in a region that becomes the vicinity. Further, in order to suppress the conduction of heat in the upper regenerator and the expansion space, the thermal conductivity of this insertion member is 10 [W / (m · K)] or less at the temperature at which the cryogenic refrigerator is operating. It is.
以下、本発明を実施するための形態について、添付図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
まず、実施の形態の極低温冷凍機の全体構成について説明する。図1は、実施の形態に係る極低温冷凍機100の全体構成を模式的に示す図である。図1に示すように、極低温冷凍機100は、圧縮機1、膨張機10、配管7、電源ケーブル8、および冷却水配管接続部9を備える。
First, the overall configuration of the cryogenic refrigerator of the embodiment will be described. FIG. 1 is a diagram schematically illustrating an overall configuration of a
圧縮機1は、膨張機10から戻ってくる低圧の冷媒ガスを圧縮し、圧縮された高圧の冷媒ガスを膨張機10に供給する。膨張機10は、圧縮機1から供給された高圧の冷媒ガスを膨張させて寒冷を発生させる。膨張機10の詳細は後述する。
The
配管7は膨張機10と圧縮機1とに接続され、膨張機10と圧縮機1との間に冷媒ガスを流通させる。配管7は、低圧配管7aと高圧配管7bとを含む。低圧配管7aは、膨張機10から圧縮機1に向かう低圧の冷媒ガスが流れる。一方、高圧配管7bは、圧縮機1から膨張機10に向かう高圧の冷媒ガスが流れる。
The
電源ケーブル8は、圧縮機1と膨張機10とに接続される。電源ケーブル8は、膨張機10の動力となる電力を圧縮機1から供給するために用いられる。冷却水配管接続部9は、冷却水が流れる配管(不図示)を接続する。冷却水は、圧縮機1が冷媒ガスを圧縮することで生じた圧縮熱を冷却し、圧縮機1の外部に排熱するために用いられる。
The
図2は、実施の形態に係る極低温冷凍機100が備える膨張機10の内部構成を模式的に示す図である。実施の形態では、極低温冷凍機100としてギフォード・マクマホン(Gifford-McMahon;GM)冷凍機を例に挙げ、その膨張機10を説明する。図2に示すように、実施の形態に係る極低温冷凍機100は、2段式の膨張機10を備える。このためこの膨張機10は、第1シリンダ11と第2シリンダ12とのふたつのシリンダを備える。
FIG. 2 is a diagram schematically illustrating an internal configuration of the
第1シリンダ11と第2シリンダ12とは一体に形成されており、それぞれ高温端と低温端とを備える。第1シリンダ11の低温端と第2シリンダ12の高温端とが、第1シリンダ11の底部にて接続されている。第2シリンダ12は第1シリンダ11と同一の軸方向に延在する形態にて形成されており、第1シリンダ11よりも小径の円筒部材である。第1シリンダ11は第1ディスプレーサ13を長手方向に往復移動可能に収容する容器であり、第2シリンダ12は第2ディスプレーサ14を長手方向に往復移動可能に収容する容器である。第1ディスプレーサ13と第2ディスプレーサ14とは、例えば、ピン15、コネクタ16、ピン17を介して接続される。
The
第1シリンダ11の高温端には、第1ディスプレーサ13および第2ディスプレーサ14を往復駆動するスコッチヨーク機構(図示せず)が設けられている。第1シリンダ11、第2シリンダ12には、強度、熱伝導率、ヘリウム遮断能などを考慮して、例えばステンレス鋼が用いられる。
A scotch yoke mechanism (not shown) that reciprocates the
また第1ディスプレーサ13には、比重、強度、熱伝導率などの観点から、例えば布入りフェノール等が用いられる。第2ディスプレーサ14はステンレス鋼などの金属製の筒である。第2ディスプレーサ14の外周面上には、フッ素樹脂などの耐摩耗性樹脂の皮膜を形成してもよい。
The
第1ディスプレーサ13は円筒状の外周面を有しており、第1ディスプレーサ13の内部には、金網等からなる第1蓄冷材が充填されている。第1ディスプレーサ13の内部容積は第1蓄冷器18として機能する。第1蓄冷器18の上部には整流器19が、下部には整流器20が設置される。室温室21は、第1シリンダ11と第1ディスプレーサ13の高温端により形成される空間であり、第1ディスプレーサ13の往復移動に伴い容積が変化する。第1ディスプレーサ13の高温端には、室温室21から第1ディスプレーサ13に冷媒ガスを流通する第1開口22が形成されている。
The
室温室21には、圧縮機1、サプライバルブ23、リターンバルブ24からなる吸排気系統を相互に接続する配管のうち、給排共通配管が接続されている。また、第1ディスプレーサ13の高温端よりの部分と第1シリンダ11との間にはシール25が装着されている。
The
第1膨張空間26は、第1シリンダ11と第1ディスプレーサ13により形成される空間であり、第1ディスプレーサ13の往復移動に伴い容積が変化する。第1ディスプレーサ13の低温端には、第1膨張空間26に第1クリアランスC1を介して冷媒ガスを導入する第2開口27が形成されている。
The
第1シリンダ11の外周のうち、第1膨張空間26に対応する位置には、冷却対象物に熱的に接続された第1冷却ステージ28が配置されている。この第1冷却ステージ28は、第1クリアランスC1を通る冷媒ガスにより冷却される。第1膨張空間26と第2ディスプレーサ14の高温端とは、コネクタ16周りの連通路で連通されている。この連通路を介して第1膨張空間26から第2ディスプレーサ14に冷媒ガスが流通する。
A
第2ディスプレーサ14は円筒状の外周面を有しており、第2ディスプレーサ14の内部は、上端の整流器29、下端の整流器30、上下中間に位置する仕切り材31を挟んで軸方向に二段に分かれている。第2ディスプレーサ14の内部容積のうち、仕切り材31よりも高温(上段)側の高温側領域32には、例えば鉛やビスマスなどの非磁性材の第2蓄冷材が充填される。仕切り材31の低温(下段)側の低温側領域33には、高温側領域32とは異なる蓄冷材、例えばHoCu2などの磁性材の第3蓄冷材が充填される。鉛やビスマス、HoCu2等は球状に形成されており、複数の球状の形成物が集まって蓄冷材が構成されている。仕切り材31は、高温側領域32の蓄冷材と低温側領域33の蓄冷材とが混合するのを防止する。この第2ディスプレーサ14の内部容積である高温側領域32と低温側領域33とが第2蓄冷器34として機能する。
The
高温側領域32には、冷媒ガスを通過させない挿入部材42が収容される。この挿入部材42の詳細は後述する。
The
第2膨張空間35は、第2シリンダ12と第2ディスプレーサ14により形成される空間であり、第2ディスプレーサ14の往復移動に伴い容積が変化する。第2ディスプレーサ14の低温端には第3開口36が形成されている。この第3開口36は、第2クリアランスC2を介して第2膨張空間35に冷媒ガスを流通させる。第2クリアランスC2は、第2シリンダ12の低温端と第2ディスプレーサ14とにより形成される。
The
第2シリンダ12の外周の第2膨張空間35に対応する位置には、冷却対象物に熱的に接続された第2冷却ステージ37が配置されている。第2冷却ステージ37は、第2クリアランスC2を通る冷媒ガスにより冷却される。
A
第1ディスプレーサ13および第2ディスプレーサ14は、それぞれ低温端に蓋部38および蓋部39を備える。蓋部38および蓋部39はそれぞれ、第1ディスプレーサ13および第2ディスプレーサ14との接合の観点から、二段状の円柱形状を有している。蓋部38は圧入ピン40により第1ディスプレーサ13に固定される。同様に、蓋部39は圧入ピン41により第2ディスプレーサ14に固定される。
The
次に、実施の形態に係る極低温冷凍機100の動作を説明する。
Next, the operation of the
冷媒ガス供給工程のある時点においては、第1ディスプレーサ13および第2ディスプレーサ14は、第1シリンダ11および第2シリンダ12の下死点に位置する。それと同時、またはわずかにずれたタイミングでサプライバルブ23を開とすると、サプライバルブ23を介して高圧の冷媒ガスが給排共通配管から第1シリンダ11内に供給される。この結果、高圧の冷媒ガスは、第1ディスプレーサ13の上部に位置する第1開口22から第1ディスプレーサ13の内部の第1蓄冷器18に流入する。第1蓄冷器18に流入した高圧の冷媒ガスは、第1蓄冷材により冷却されながら第1ディスプレーサ13の下部に位置する第2開口27および第1クリアランスC1を介して、第1膨張空間26に供給される。
At a certain point in the refrigerant gas supply process, the
第1膨張空間26に供給された高圧の冷媒ガスは、コネクタ16周りの連通路を介して、第2ディスプレーサ14の内部の第2蓄冷器34に流入する。第2蓄冷器34に流入した高圧の冷媒ガスは、第2蓄冷材により冷却されながら第2ディスプレーサ14の下部に位置する第3開口36および第2クリアランスを介して、第2膨張空間35に供給される。
The high-pressure refrigerant gas supplied to the
このようにして、第1膨張空間26および第2膨張空間35は、高圧の冷媒ガスで満たされ、サプライバルブ23は閉とされる。このとき、第1ディスプレーサ13および第2ディスプレーサ14は、第1シリンダ11および第2シリンダ12内の上死点に位置する。それと同時、またはわずかにずれたタイミングでリターンバルブ24を開とすると、第1膨張空間26、第2膨張空間35内の冷媒ガスは減圧され膨張する。膨張により低温になった第1膨張空間26の冷媒ガスは、第1クリアランスC1を介して第1冷却ステージ28の熱を吸収する。同様に、第2膨張空間35の冷媒ガスは、第2クリアランスC2を介して第2冷却ステージ37の熱を吸収する。
In this way, the
第1ディスプレーサ13および第2ディスプレーサ14は下死点に向けて移動し、第1膨張空間26および第2膨張空間35の容積は減少する。第2膨張空間35内の冷媒ガスは、第2クリアランスC2、第3開口36、第2蓄冷器34、および連通路を介して第1膨張空間26に戻される。さらに、第1膨張空間26内の冷媒ガスは、第2開口27、第1蓄冷器18、および第1開口22を介して、圧縮機1の吸入側に戻される。その際、第1蓄冷材および第2蓄冷材は、冷媒ガスにより冷却される。この工程を1サイクルとし、極低温冷凍機100はこの冷却サイクルを繰り返すことで、第1冷却ステージ28および第2冷却ステージ37を冷却する。
The
以上のように、極低温冷凍機100における冷却サイクルは、冷媒ガスが第2蓄冷器34へ流入と流出を繰り返して圧力変動する動作を含む。以下、冷媒ガスとしてヘリウムガスを用いる場合について、第2蓄冷器34に存在するヘリウムガスの温度プロファイル、および質量変化について説明する。
As described above, the cooling cycle in the
図3は、2.2MPaのヘリウムガスと0.8MPaのヘリウムガスとの、それぞれの密度の温度変化、および両者の密度差の温度変化を示す図である。図3に示すように、2.2MPaのヘリウムガスと0.8MPaのヘリウムガスとの密度差は、温度がおよそ9Kのとき最大となる。ヘリウムガスの温度が9Kよりも低い場合は、2.2MPaのヘリウムガスと0.8MPaのヘリウムガスとの密度差は温度に対して単調増加し、ヘリウムガスの温度が9Kよりも高い場合は、密度差は温度に対して単調減少する。 FIG. 3 is a diagram showing a temperature change of each density of a 2.2 MPa helium gas and a 0.8 MPa helium gas, and a temperature change of a density difference between them. As shown in FIG. 3, the density difference between the 2.2 MPa helium gas and the 0.8 MPa helium gas becomes maximum when the temperature is about 9K. When the temperature of the helium gas is lower than 9K, the density difference between the 2.2 MPa helium gas and the 0.8 MPa helium gas monotonously increases with respect to the temperature, and when the helium gas temperature is higher than 9K, The density difference decreases monotonically with temperature.
ここで、第2蓄冷器34に存在するヘリウムガスの質量をMとする。また、第2蓄冷器34の高温端、すなわち上端の整流器29に流入するヘリウムガスの単位時間あたりの質量をminとし、下端の整流器30から流出するヘリウムガスの単位時間あたりの質量をmoutとする。もし、第2蓄冷器34にヘリウムガスが流入すれば、第2蓄冷器34に存在するヘリウムガスの質量Mは増加する。一方、第2蓄冷器34からヘリウムガスが流出すれば、第2蓄冷器34に存在するヘリウムガスの質量Mは減少する。したがって、上端の整流器29に流入するヘリウムガスの単位時間あたりの質量をminは、第2蓄冷器34に存在するヘリウムガスの質量Mの単位時間あたりの変化量dM/dtと下端の整流器30から流出するヘリウムガスの単位時間あたりの質量をmoutとの和となる。以上より、以下の関係式(1)を得る。
min=dM/dt+mout (1)
Here, let M be the mass of helium gas present in the
m in = dM / dt + m out (1)
上述したように、第2蓄冷器34は第2ディスプレーサ14の内部であり、第2ディスプレーサ14は、例えば鉛、ビスマスなどの球状の第2蓄冷材をフェルトおよび金網により軸方向に挟持することにより構成される。したがって、第2蓄冷器34の容積は一定と見なすことができるので、その値をVとする。また、第2蓄冷器34中のヘリウムガスの平均密度をρとすると、第2蓄冷器34に存在する冷媒ガスの質量Mは、以下の式(2)で表せる。
M=Vρ (2)
As described above, the
M = Vρ (2)
式(1)に式(2)を代入すると、以下の式(3)を得る。
min=Vdρ/dt+mout (3)
ここで、dρ/dtは、ヘリウムガスの密度ρの時間微分を表す。
Substituting equation (2) into equation (1) yields the following equation (3).
m in = Vdρ / dt + m out (3)
Here, dρ / dt represents a time derivative of the density ρ of helium gas.
式(3)において、第2蓄冷器34に流入したヘリウムガスの密度が時間によって変化しない(dρ/dt=0)と仮定すると、min=moutとなる。これは、ヘリウムガスが第2蓄冷器34に流入した分だけ、第2蓄冷器34から流出することを意味する。すなわち、第2蓄冷器34に存在するヘリウムガスの質量Mは変化しないことを意味する。しかしながら、実際の系では、サプライバルブ23が開にされると、サプライバルブ23を介して高圧のヘリウムガスが供給される。この結果、第2蓄冷器34にも高圧のヘリウムガスが流入し、第2蓄冷器34に充填されている低圧のヘリウムガスは昇圧され、高圧のヘリウムガスとなる。
In the formula (3), the density of the helium gas flowing into the
図3に示すように、高圧のヘリウムガスと低圧のヘリウムガスとは、その密度に差がある。したがって、第2蓄冷器34に高圧のヘリウムガスが流入し、その中の低圧のヘリウムガスが昇圧されて高圧のヘリウムガスとなると、式(3)における右辺は正の値となる。より具体的には、式(3)における右辺は、図3において実線で示す密度差となる。以上より、以下の不等式(4)を得る。
Vdρ/dt=min−mout>0 (4)
As shown in FIG. 3, there is a difference in density between high-pressure helium gas and low-pressure helium gas. Therefore, when the high-pressure helium gas flows into the
Vdρ / dt = m in -m out > 0 (4)
上述したとおり、第2蓄冷器34に流入した高圧のヘリウムガスは、第2蓄冷材により冷却されながら第2ディスプレーサ14の下部に位置する第3開口36および第2クリアランスを介して、第2膨張空間35に供給される。しかしながら、上記不等式(4)は、第2蓄冷器34から第2膨張空間35に流出するヘリウムガスの質量は、第2蓄冷器に流入するヘリウムガスの質量よりも小さいことを示している。これは、第2蓄冷器34がいわばヘリウムガスのバッファのような作用を示すことを意味する。第2蓄冷器34から第2膨張空間35に流出するヘリウムガスが減少する結果、第2膨張空間35の圧力も小さくなる。
As described above, the high-pressure helium gas that has flowed into the
リターンバルブ24が開とされると、第2蓄冷器34内の高圧のヘリウムガスは減圧され、低圧のヘリウムガスとなる。このとき、式(3)における右辺は図3において実線で示す密度差を絶対値とする負の値となる。したがって、以下の不等式(5)を得る。
Vdρ/dt=min−mout<0 (5)
When the
Vdρ / dt = m in -m out <0 (5)
これは、第2膨張空間35から第2蓄冷器34に流入するヘリウムガスの質量よりも、第2蓄冷器34から流出するヘリウムガスの質量の方が大きいことを示している。これは、減圧されて密度が小さくなった第2蓄冷器34内のヘリウムガスが、第2蓄冷器34から第1膨張空間26に流出することを意味している。
This indicates that the mass of helium gas flowing out from the
ここで、圧縮機1が回収するヘリウムガスの量は一定である。このため、第2蓄冷器34内のヘリウムガスが第2蓄冷器34から流出する分、第2膨張空間35で膨張したヘリウムガスの回収が減少することになる。この結果、第2膨張空間35で膨張し、第2クリアランスC2を通るヘリウムガスが減少するため、第2冷却ステージ37の冷却効率が低下する。
Here, the amount of helium gas recovered by the
図4は、実施の形態に係る第2蓄冷器34の温度プロファイルの一例を示す図であり、第2蓄冷器34の高温端から低温端に至るまでの距離を1とした場合における第2蓄冷器34の温度プロファイルを示すグラフである。
FIG. 4 is a diagram illustrating an example of the temperature profile of the
図4に示すように、2段式冷凍機の第2蓄冷器34では、高温端から低温端に向けての温度プロファイルは、高温端からの距離に反比例するような形となり、双曲線のような形となる。図4において温度勾配が最も大きくなるのは、第2蓄冷器34の高温側領域32に存在する。高温側領域32は、極低温冷凍機100が動作中において9K程度の温度となる領域を含む。この温度は、図3においてヘリウムガスの密度差が最大となる温度と一致する。
As shown in FIG. 4, in the
以上を踏まえ、実施の形態に係る第2蓄冷器34は、第2蓄冷器34の高温側領域32に、ヘリウムガスの流通を阻害する挿入部材42を収容する。挿入部材42は、第2蓄冷器34と同軸になるように、仕切り材31に固定されて配置される。
Based on the above, the
第2蓄冷器34の高温側領域32に挿入部材42を収容すると、第2蓄冷器34のうちヘリウムガスが存在できる領域は、挿入部材42の体積V1だけ小さくなる。ヘリウムガスは挿入部材42を通り抜けることができないので、第2蓄冷器34の体積Vは、実質的には第2蓄冷器34の体積Vから挿入部材42の体積V1を引いた残りの体積をV2(=V−V1)となる。このとき上記式(3)は以下の式(6)となる。
min=V2dρ/dt+mout (6)
ただし、
V2<V (7)
である。
When the
m in = V 2 dρ / dt + m out (6)
However,
V 2 <V (7)
It is.
第1膨張空間26から整流器29を介して第2蓄冷器34に流入するヘリウムガスの単位時間あたりの質量をminが一定であると仮定すると、式(6)および式(7)より、整流器30から第2膨張空間35に流出するヘリウムガスの単位時間あたりの質量をmoutが増加する。しかしながら、実際の系では、第1膨張空間26から第2蓄冷器34に流入するヘリウムガスの単位時間あたりの質量をminは少なくなる。第2蓄冷器34の高温側領域32に挿入部材42を収容した場合に第1膨張空間26から第2蓄冷器34に流入するヘリウムガスの単位時間あたりの質量をm’inとすると、上記式(6)は以下の式(8)となる。
m’in=V2dρ/dt+mout (8)
ただし、
m’in<min (9)
である。
When mass m in per unit time of the helium gas flowing into the
m ′ in = V 2 dρ / dt + m out (8)
However,
m 'in <m in (9 )
It is.
第1膨張空間26から第2蓄冷器34に流入するヘリウムガスが減少する分だけ、ヘリウムガスは第1膨張空間26にとどまる。第1膨張空間26にとどまるヘリウムガスは、第1膨張空間26で膨張して寒冷の発生に寄与する。このため、第1冷却ステージ28の温度をより低下することができる。
The helium gas remains in the
式(8)および式(9)より、式(8)の左辺m’inが式(3)の左辺minより小さくなると、式(8)の右辺V2dρ/dt+moutも、式(3)の右辺Vdρ/dt+moutよりも小さくなる。一方で、式(7)よりV2<Vであるから、式(8)の右辺第1項V2dρ/dtは、式(3)の右辺第1項Vdρ/dtよりも小さくなる。したがって、式(8)の右辺第2項moutが減少することを抑制することができる。 From equation (8) and (9), the left-hand side m 'in the formula (8) is smaller than the left-hand side m in the formula (3), also the right side V 2 dρ / dt + m out of Formula (8), equation (3 ) On the right side of Vdρ / dt + m out . On the other hand, since V 2 <V from Expression (7), the first term V 2 dρ / dt on the right side of Expression (8) is smaller than the first term Vdρ / dt on the right side of Expression (3). Therefore, it is possible to suppress a decrease in the second term m out on the right side of Equation (8).
以上より、第2蓄冷器34の高温側領域32に挿入部材42を収容することの定性的な利点は、以下の3つにまとめることができる。
1.挿入部材42の体積分だけ第1膨張空間26から第2蓄冷器34に流入するヘリウムガスが減少し、第1膨張空間26で膨張するヘリウムガスが増加する。増加したヘリウムガスは第1膨張空間26において膨張して寒冷を発生するので、第1冷却ステージ28の温度の低下に寄与する。
2.極低温冷凍機100が動作中において、第2蓄冷器34の高温側領域32の温度は、高圧のヘリウムガスと低圧のヘリウムガスとの密度差が大きくなる温度範囲となる。挿入部材42の体積分だけ、上述したヘリウムガスがバッファのようにふるまう領域の体積が減少することになり、第2蓄冷器34と第2膨張空間35との間を移動するヘリウムガスの流量が増加する。
3.挿入部材42の体積分だけ、第2蓄冷器34の高温側領域32に収容する蓄冷材が減少する。
From the above, the qualitative advantages of accommodating the
1. The helium gas flowing from the
2. During the operation of the
3. The cold storage material accommodated in the high
以上、第2蓄冷器34の高温側領域32に挿入部材42を収容することの定性的な効果を説明した。次に、第2蓄冷器34の高温側領域32に挿入する挿入部材42の具体的な大きさについて説明する。
The qualitative effect of housing the
図5(a)−(b)は、挿入部材42の大きさと、そのときの第1冷却ステージ28の温度および第2冷却ステージ37の温度との関係を示す図である。より具体的に、図5(a)は、挿入部材42がフッ化炭素樹脂の場合における各冷却ステージの温度変化を示すグラフであり、図5(b)は挿入部材42がステンレスの場合における各冷却ステージの温度変化を示すグラフである。
FIGS. 5A and 5B are diagrams showing the relationship between the size of the
上述したように、第2蓄冷器34は第2ディスプレーサ14の内部容積であり、円柱形状をしている。また挿入部材42の形状は、例えば円柱または角柱である。挿入部材42は、第2蓄冷器34の高温側領域32に、第2蓄冷器34と同軸になるように配置されるので、第2蓄冷器34の軸に垂直な平面で切った場合の挿入部材42の断面積は、その軸上の位置によらず一定である。
As described above, the
いま、第2蓄冷器34の軸に垂直な平面で切った場合の第2蓄冷器34の断面積をS1とし、その平面における挿入部材42の断面積をS2とする。図5(a)−(b)のグラフにおける横軸は、第2蓄冷器34の断面積S1に対する、第2蓄冷器34の断面積S1と挿入部材42の断面積S2との差S1−S2の比である。すなわち、挿入部材42の断面積S2が大きくなるほど、第2蓄冷器34の断面積S1と挿入部材42の断面積S2との差S1−S2は小さくなる。以下、第2蓄冷器34の断面積S1に対する、第2蓄冷器34の断面積S1と挿入部材42の断面積S2との差S1−S2の比を、単に「断面積比」と記載することがある。また、図5(a)−(b)のグラフの縦軸において、「1段温度」は、第1冷却ステージ28の温度を表し、「2段温度」は、第2冷却ステージ37の温度を表す。
Now, the cross-sectional area of the
図5(a)に示すように、第2蓄冷器34の高温側領域32に挿入部材42を挿入しない場合、すなわち、断面積比が1.0の場合、1段温度はおよそ36.2Kであり、2段温度はおよそ3.82Kである。挿入部材42の断面積をS2が第2蓄冷器34の断面積S1のおよそ5%のとき、すなわち、断面積比がおよそ0.95のとき、1段温度はおよそ34.6Kとなり、2段温度はおよそ3.83Kとなる。
As shown in FIG. 5A, when the
挿入部材42の断面積S2をさらに大きくし、挿入部材42の断面積S2を第2蓄冷器34の断面積S1のおよそ10%としたとき、1段温度はおよそ35.8Kとなり、2段温度はおよそ3.85Kとなる。挿入部材42の断面積をS2をさらに上昇させると、1段温度と2段温度とはともに上昇する。挿入部材42の断面積をS2が第2蓄冷器34の断面積S1のおよそ25%のとき、1段温度と2段温度とはともに挿入部材42を挿入しない場合と同程度となる。
The cross-sectional area S 2 is further increased in the
図5(b)に示すように、挿入部材42がステンレスの場合も、挿入部材42の断面積をS2が第2蓄冷器34の断面積S1のおよそ5%のとき、2段温度を維持しつつ1段温度が最も低くなる。挿入部材42の断面積をS2が第2蓄冷器34の断面積S1のおよそ25%のとき、1段温度は挿入部材42を挿入しない場合と同程度となる。
As shown in FIG. 5 (b), even if the
このように、第2蓄冷器34の高温側領域32に収容された挿入部材42の断面積S2が、第2蓄冷器34の断面積S1の25%以下であれば、1段温度を維持しつつ、高温側領域32に収容する蓄冷材を少なくすることができる。特に、挿入部材42がフッ化炭素樹脂の場合には、挿入部材42の断面積S2が第2蓄冷器34の断面積S1の25%以下のとき、挿入部材42を挿入しない場合の1段温度と2段温度と同等かそれ以下となる。挿入部材42の断面積S2は第2蓄冷器34の断面積S1の5%のときは、1段温度が最も向上する。したがって、挿入部材42の断面積S2は、第2蓄冷器34の断面積S1の5%程度とすることが好ましい。
Thus, the cross-sectional area S 2 of the
ところで、図2に示す例では、第2蓄冷器34の高温側領域32に挿入された挿入部材42は、上端の整流器29と熱的に接触している。上端の整流器29の温度は第1膨張空間26の温度と同等であり、図4に示すように第2蓄冷器34の温度プロファイルにおける最高温度に近い温度である。したがって、仮に挿入部材42が、例えば銅等の熱を伝導しやすい素材である場合、第2蓄冷器34の内部温度が上昇する。この場合、1段温度や2段温度の上昇を招いてしまうかもしれない。
By the way, in the example shown in FIG. 2, the
図6は、第2蓄冷器34の高温側領域32に、上端の整流器29と熱的に接触するように銅製の部材を挿入した場合における冷却ステージの温度変化を示す図である。図6に示すように、直径2mmの銅製の部材を挿入した場合、1段温度と2段温度とはともに上昇する。ここで、直径2mmの銅製の部材の断面積は、第2蓄冷器34の断面積S1の1%未満である。
FIG. 6 is a diagram showing a temperature change of the cooling stage when a copper member is inserted into the high
図7は、40Kにおける銅、ステンレス、およびフッ化炭素樹脂の熱伝導率[W/(m・K)]を示す図である。図4に示すように、極低温冷凍機100が動作中においては上端の整流器29はおよそ40Kとなる。したがって、図7は、極低温冷凍機100が動作中において第2蓄冷器34の高温側領域32に銅、ステンレス、およびフッ化炭素樹脂を挿入した場合における各部材の熱伝導率を表す。図7に示すように、40Kにおける銅の熱伝導率は1850[W/(m・K)]である。これは40Kにおけるステンレスの熱伝導率である5[W/(m・K)]に対して3桁大きく、またフッ化炭素樹脂の熱伝導率である0.2[W/(m・K)]に対して4桁大きい。
FIG. 7 is a diagram showing the thermal conductivity [W / (m · K)] of copper, stainless steel, and fluorocarbon resin at 40K. As shown in FIG. 4, during operation of the
上述した第2蓄冷器34の高温側領域32に挿入部材42を収容することの定性的な利点は、挿入部材42の素材の種類によらず生じる。しかしながら、挿入部材42の熱伝導率が大きい場合には、第2蓄冷器34の内部に伝達した上端の整流器29の熱が上記利点を打ち消してしまう。この結果、1段温度や2段温度はむしろ上昇する。これは40Kにおける銅の熱伝導率はステンレスやフッ化炭素樹脂の熱伝導率と比較して桁違いで大きいので、第2蓄冷器34の高温側領域32に挿入した銅製の部材の断面積S1の1%未満であっても、1段温度や2段温度は上昇してしまうからである。
The qualitative advantage of housing the
以上より、挿入部材42の熱伝導率は、極低温冷凍機100が動作中の温度において、ステンレスやフッ化炭素樹脂の熱伝導率と同程度、具体的には10[W/(m・K)]以下であることが好ましい。挿入部材42の熱伝導率がステンレスやフッ化炭素樹脂の熱伝導率と同程度であれば、第2蓄冷器34の高温側領域32に挿入部材42を収容することで、上述した一定の効果が生じる。したがって、例えば挿入部材42の断面積S2は、第2蓄冷器34の断面積S1の1%以上25%以下であればよく、より好ましくは、1%以上15%以下であればよく、さらに好ましくは、1%以上10%以下であればよい。
From the above, the thermal conductivity of the
以上説明したように、本発明の実施の形態に係る極低温冷凍機100によれば、極低温冷凍機100の効率を高めることができる。
As described above, according to the
特に、第2蓄冷器34の高温側領域32に挿入した挿入部材42の体積分だけ、第1膨張空間26から第2蓄冷器34に流入するヘリウムが減少する。このため、第1膨張空間26で膨張するヘリウムガスが増加する。結果として第1膨張空間26でより多くの寒冷が発生し、第1冷却ステージ28の温度を低下することができる。また、第2蓄冷器34の高温側領域32に挿入した挿入部材42の体積分だけ、ヘリウムガスの密度差が大きくなる温度に存在するヘリウムガスが減少する。この結果、第2蓄冷器34と第2膨張空間35との間を移動するヘリウムガスの流量を増加することができる。さらに、第2蓄冷器34の高温側領域32に挿入した挿入部材42の体積分だけ、第2蓄冷器34の高温側領域32に収容する蓄冷材を減少することができる。この結果、極低温冷凍機100の製造コストを下げることができる。
In particular, helium flowing from the
以上本発明の好ましい実施例について詳細に説明したが、本発明は上述した実施例に制限されることなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施例に種々の変形および置換を加えることができる。 Although the preferred embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications and substitutions are made to the above-described embodiments without departing from the scope of the present invention. be able to.
上記では、第2蓄冷器34の高温側領域32に熱伝導率が小さな部材からなる挿入部材42を挿入し、第2蓄冷器34の高温側領域32の実質的な体積を減少させる場合につて説明した。しかしながら、第2蓄冷器34の高温側領域32の体積を減少させる方法は挿入部材42を挿入する場合に限られない。それに変えて、あるいはそれに加えて、第2ディスプレーサ14の高温側領域32に対応する部分の体積を小さくしてもよい。
In the above, when the
図8は、実施の形態の変形例に係る極低温冷凍機100が備える膨張機10の内部構成を模式的に示す図である。図8において、上述した実施の形態に係る極低温冷凍機100と同一部材については同一の符号を付している。以下、変形例に係る極低温冷凍機100において、実施の形態の変形例に係る極低温冷凍機100と重複する部分については、適宜省略または簡略化して説明する。
FIG. 8 is a diagram schematically illustrating an internal configuration of the
図8に示すように、変形例に係る極低温冷凍機100においては、第2蓄冷器34の高温側領域32に挿入部材42が収容されていない。その代わり、変形例に係る第2ディスプレーサ14は、高温側領域32に対応する部分が、図2に示す実施の形態に係る第2ディスプレーサ14と比較して肉厚の容器となっている。このため、変形例に係る第2蓄冷器34の高温側領域32の断面積は、低温側領域33の断面積と比較して小さくなっている。ここで「高温側領域32の断面積」は、第2蓄冷器34の軸に垂直は平面で切った場合における高温側領域32の断面積である。「低温側領域33の断面積」も同様である。
As shown in FIG. 8, in the
より具体的には、高温側領域32の断面積は、低温側領域33の断面積の75%〜99%とすることが好ましい。また上述したように、第2ディスプレーサ14の外周部はステンレス鋼などの金属製の筒である。したがって、高温側領域32の壁部の熱伝導率は、極低温冷凍機100が動作中の温度であるおよそ40Kにおいて、10[W/(m・K)]以下となる。
More specifically, the cross-sectional area of the high
以上のように構成することにより、変形例に係る極低温冷凍機100によれば、第2蓄冷器34の高温側領域32の体積が小さくなるため、第1膨張空間26から第2蓄冷器34に流入するヘリウムガスが減少する。これにより、第1膨張空間26で膨張するヘリウムガスが増加する。結果として第1膨張空間26でより多くの寒冷が発生し、第1冷却ステージ28の温度を低下することができる。また、第2蓄冷器34の高温側領域32体積が小さくなるため、ヘリウムガスの密度差が大きくなる温度に存在するヘリウムガスが減少する。この結果、第2蓄冷器34と第2膨張空間35との間を移動するヘリウムガスの流量を増加することができる。さらに、第2蓄冷器34の高温側領域32体積が小さくなるため、第2蓄冷器34の高温側領域32に収容する蓄冷材を減少することができる。
With the configuration as described above, according to the
なお、図8は、高温側領域32の全ての部分における断面積が低温側領域33の断面積よりも小さい場合を図示している。高温側領域32の全ての部分における断面積が低温側領域33の断面積よりも小さくなくてもよく、高温側領域32の少なくとも一部の領域において、断面積が低温側領域33の断面積よりも小さくなればよい。
FIG. 8 illustrates a case where the cross-sectional area in all portions of the high
また、図8は、高温側領域32の全ての部分における断面積が一定である場合を図示しているが、この断面積は必ずしも一定でなくてもよい。例えば、高温側領域32の上端側(高温側)から下端側(低温側)に至るまで連続的に断面積が大きくなるようにしてもよい。
Further, FIG. 8 illustrates a case where the cross-sectional area in all portions of the high
上記では、極低温冷凍機100においては段数が二段である場合を説明したが、この段数は三段以上に適宜選択することが可能である。また、実施の形態では、極低温冷凍機がディスプレーサ式のGM冷凍機である例について説明したが、これに限られない。例えば、本発明は、パルスチューブ冷凍機、スターリング冷凍機、ソルベイ冷凍機などにも適用することができる。
Although the case where the number of stages is two in the
上記は、挿入部材42の形状が円柱または角柱の場合につて説明した。挿入部材42の形状は円柱または角柱に限られず、例えば円錐や角錐であってもよい。
In the above, the case where the shape of the
上記は、挿入部材42が上端の整流器29と熱的に接触する場合について説明したが、挿入部材42は整流器29と熱的に接触しなくてもよい。この場合、挿入部材42を介して第2蓄冷器34の内部に整流器29の熱が進入することをさらに抑制できる。
Although the above has described the case where the
1 圧縮機、 C1 第1クリアランス、 C2 第2クリアランス、 7 配管、 7a 低圧配管、 7b 高圧配管、 8 電源ケーブル、 9 冷却水配管接続部、 10 膨張機、 11 第1シリンダ、 12 第2シリンダ、 13 第1ディスプレーサ、 14 第2ディスプレーサ、 15 ピン、 16 コネクタ、 17 ピン、 18 第1蓄冷器、 19,20 整流器、 21 室温室、 22 第1開口、 23 サプライバルブ、 24 リターンバルブ、 25 シール、 26 第1膨張空間、 27 第2開口、 28 第1冷却ステージ、 29,30 整流器、 31 仕切り材、 32 高温側領域、 33 低温側領域、 34 第2蓄冷器、 35 第2膨張空間、 36 第3開口、 37 第2冷却ステージ、 38,39 蓋部、 40,41 圧入ピン、 42 挿入部材、 100 極低温冷凍機。
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記蓄冷器は、
容器と、
前記容器の高温側の第1領域に収容される非磁性蓄冷材と、
前記容器の低温側の第2領域に収容される磁性蓄冷材と、
前記第1領域に収容される挿入部材とを備え、
前記挿入部材の熱伝導率は、前記極低温冷凍機が動作中の温度において10[W/(m・K)]以下であることを特徴とする極低温冷凍機。 A cryogenic refrigerator equipped with a regenerator,
The regenerator is
A container,
A nonmagnetic regenerator material housed in the first region on the high temperature side of the container;
A magnetic regenerator material housed in the second region on the low temperature side of the container;
An insertion member accommodated in the first region,
A cryogenic refrigerator having a thermal conductivity of 10 [W / (m · K)] or less at a temperature at which the cryogenic refrigerator is operating.
前記挿入部材は、前記仕切り材に固定されていることを特徴とする請求項1または2に記載の極低温冷凍機。 The container further includes a partition material that partitions the non-magnetic regenerator material and the magnetic regenerator material,
The cryogenic refrigerator according to claim 1 or 2, wherein the insertion member is fixed to the partition member.
前記低温側蓄冷器は、
容器と、
前記容器の高温側の第1領域に収容される非磁性蓄冷材と、
前記容器の低温側の第2領域に収容される磁性蓄冷材とを備え、
前記容器は、前記第1領域の少なくとも一部の領域において前記容器の軸に垂直な平面における断面積が、前記第2領域において前記容器の軸に垂直な平面における断面積よりも小さく、
前記容器の熱伝導率は、前記極低温冷凍機が動作中の温度において10[W/(m・K)]以下であることを特徴とする極低温冷凍機。 A cryogenic refrigerator having a high temperature side regenerator and a low temperature side regenerator,
The low temperature side regenerator is:
A container,
A nonmagnetic regenerator material housed in the first region on the high temperature side of the container;
A magnetic regenerator material housed in the second region on the low temperature side of the container,
The container has a cross-sectional area in a plane perpendicular to the axis of the container in at least a part of the first area that is smaller than a cross-sectional area in a plane perpendicular to the axis of the container in the second area,
A cryogenic refrigerator having a thermal conductivity of 10 [W / (m · K)] or less at a temperature at which the cryogenic refrigerator is operating.
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