JP4360020B2 - Regenerative refrigerator - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、蓄冷式冷凍機に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
蓄冷器内で作動ガスを往復動させて熱輸送することにより寒冷を発生する蓄冷式冷凍機としては、パルス管冷凍機、GM冷凍機、スターリング冷凍機等が知られている。このような蓄冷式冷凍機は、一般的に、低温端及び高温端を備える蓄冷器を用い、作動ガスが該蓄冷器を往復する際に低温端側から高温端側に熱を汲み上げることにより、蓄冷器の低温端側で寒冷を発生する。従って、蓄冷器の低温端部分で発生する寒冷を被冷却体に熱的に結合して、被冷却体を冷却する。
【0003】
通常の蓄冷式冷凍機において、必要とされる寒冷が比較的高温でかつ1つである場合には、1段型の蓄冷式冷凍機で十分だが、必要とされる寒冷が液体ヘリウム温度域程度の極低温であったり、冷却箇所が2以上ある場合には、2段型の蓄冷式冷凍機を用いる。例えば、液体窒素温度域(77K程度)の寒冷が必要な1つの冷却対象物に利用される蓄冷式冷凍機は、通常1段型の蓄冷式冷凍機を用い、蓄冷器の低温端部分で得られる77K程度の寒冷を上記冷却対象物に熱的に結合しておけば良い。一方、液体ヘリウム温度域(4.2K程度)の寒冷が必要な冷却対象物に蓄冷式冷凍機を利用しようとする場合には、その冷却対象物の外周を取り巻くように液体窒素槽又は第1輻射熱シールド板を設け、冷却対象物への輻射熱を減ずる手段が採られる。従って、このような液体ヘリウム温度域に蓄冷式冷凍機を利用するためには、冷却対象物への4K程度の寒冷と、液体窒素槽又は第1輻射熱シールド板への77K程度の寒冷が必要である。この場合、通常は2段型蓄冷式冷凍機を用い、1段目の蓄冷器低温端部分で得られる77K程度の寒冷を液体窒素槽又は第1輻射熱シールド板に熱的結合し、2段目蓄冷器低温端部分で得られる約4K程度の寒冷を冷却対象物に熱的に結合する。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、従来においては、温度レベルの異なる冷凍が必要な箇所が複数あると、それに見合った数の蓄冷器を段積みした多段型蓄冷式冷凍機が採用される。しかしながら、多段化の数が増えるにつれて、その構成が複雑化し、設計に時間を要するとともに、装置全体も大型化し、スペース的にも不利となる。さらに、多段化することで当然コストも増大し、経済的にも好ましくない。
【0005】
例えば、上記従来技術で示したような、液体ヘリウム温度域の寒冷が必要な冷却対象物に蓄冷式冷凍機を利用する場合、通常は上記したように2段型蓄冷式冷凍機を用い、1段目蓄冷器の低温端部分を冷却対象物に、2段目蓄冷器の低温端部分を液体窒素槽又は第1輻射熱シールド板に、それぞれ熱的結合させるが、このようにしても依然として冷却対象物への熱侵入が著しい場合は、冷却対象物と液体窒素槽又は第1輻射熱シールド板との間に約20K程度の温度を持つ第2輻射熱シールド板を設け、外部からの輻射熱を完全に遮断する必要がある。この場合には、通常は3段型蓄冷式冷凍機を用い、1段目の蓄冷器低温端部分で得られる77K程度の寒冷を液体窒素槽又は第1輻射熱シールド板に熱的結合し、2段目の蓄冷器低温端部分で得られる約20K程度の寒冷を第2輻射熱シールド板に熱的結合し、3段目の蓄冷器低温端部分で得られる約4K程度の寒冷を冷却対象物に熱的結合する。
【0006】
しかしながら、3段型蓄冷式冷凍機は、2段型蓄冷式冷凍機に比べて構成がはるかに複雑となり、設計に要するリードタイムが長くなる。また、3段型蓄冷式冷凍機はその構成の複雑さから必然的に全体的な装置構成が大型化し、スペース的にも不利である。さらに、3段型蓄冷式冷凍機は2段型蓄冷式冷凍機に比べてコストの面でも不利である。
【0007】
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、蓄冷式冷凍機において、多段化に伴う上記不具合を解消することを技術的課題とするものである。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記技術的課題を解決するためになされた本発明は、低温端及び高温端を備える蓄冷器を用い、作動ガスが該蓄冷器を往復する際に前記低温端側から前記高温端側へ熱を汲み出すことにより寒冷を発生する蓄冷式冷凍機において、前記蓄冷器は、低温端及び高温端を備える1段目蓄冷器と、低温端及び前記1段目蓄冷器の低温端と熱的に結合した高温端を備える2段目蓄冷器を有し、該2段目蓄冷器の低温端と高温端との間に中間熱交換器を介在させて構成し、前記作動ガスとしてヘリウムガスを用いるとともに、前記2段目蓄冷器の低温端における温度を2〜10Kとなるように前記蓄冷式冷凍機を運転させ、前記ヘリウムガスの非理想性に起因する熱損失分を前記中間熱交換器から吸熱させ、前記中間熱交換器は、前記2段目蓄冷器の内部に配設される内側中間熱交換器と、前記2段目蓄冷器の外側に配設される外側中間熱交換器とを備えて構成され、前記内側中間熱交換器と前記外側中間熱交換器とは略対面した位置関係で各々配設され、前記2段目蓄冷器と前記中間熱交換器を内蔵するディスプレーサと、前記ディスプレーサが往復する2段目シリンダとを備え、前記ディスプレーサの側面と前記2段目シリンダの側周内壁との間に隙間を形成し、前記2段目蓄冷材の前記高温端側の空間の前記作動ガスは、前記隙間に入り、前記隙間から前記2段目蓄冷材の前記低温端側の空間に導入される構成である。
【0009】
本発明によれば、蓄冷式冷凍機に使用する蓄冷器において、その低温端における作動ガスの非理想性が顕著に現れている場合には、蓄冷器の低温端と高温端との間に中間熱交換器を介在させ、作動ガスの非理想性に起因する熱損失分を熱交換器から吸熱させる。
従って、蓄冷器の低温端以外に、低温端と高温端との間に介在した中間熱交換器からも吸熱が行われ、この部分で発生する寒冷を効率的に被冷却体に提供することができるので、1つの蓄冷器で2箇所以上の寒冷取出し部分を提供することができ、蓄冷式冷凍機を多段化せずとも複数の冷凍箇所を持つ被冷却体を冷却することができる。このため、多段化に伴う上記不具合を解消することができる。
また、気体が理想気体として近似できる場合、理想気体の状態方程式から、1−T(∂V/∂T)P/V=0が成り立つ。これに対し、|1−T(∂V/∂T)P/V|>0.01となると、気体の非理想性が現れる。これは、実在気体の状態方程式を例えばビリアル方程式で近似した場合、ビリアル係数が無視できないほど大きくなっている状態である。このような状態、即ち気体の非理想性が概ね1%以上現れる場合には、本発明を適用したときの効果が大きい。
また、蓄冷式冷凍機を2段型蓄冷式冷凍機とし、2段目蓄冷器の低温端と高温端との間に中間熱交換器を介在させる。2段型蓄冷式冷凍機を使用した場合、2段目蓄冷器の低温端においては極めて低い寒冷を得ることができる。例えば、作動ガスとしてヘリウムを用いれば、2段目蓄冷器の低温端では約4K程度の寒冷を得ることもできる。この程度の温度領域となると、作動ガスは顕著に非理想性を示す。従って、作動ガスの非理想性が顕著に現れる2段目蓄冷器の低温端と高温端との間に中間熱交換器を介在し、この中間熱交換器から吸熱を行うことにより、2段型蓄冷式冷凍機において3箇所の寒冷取出し部分、即ち、1段目蓄冷器の低温端での寒冷取出し部分、中間熱交換器での寒冷取出し部分、2段目蓄冷器の低温端での寒冷取出し部分を効率的に得ることができる。このため、蓄冷式冷凍機を3段にせずとも3つの冷凍箇所を持つ被冷却体を冷却することができ、3段化に伴う不具合を解消することができる。
また、作動ガスとしてヘリウムガスを使用し、2段目蓄冷器の低温端における温度を2〜10K程度となるように蓄冷式冷凍機を運転すれば、作動ガスは2段目蓄冷器において顕著に非理想性を示す。従って、このような場合に、2段目蓄冷器の低温端と高温端との間に中間熱交換器を介在させれば、2段目蓄冷器の高温端の温度(例えば60K)と低温端の温度(例えば4K)との間の領域の温度、例えば、10〜20K程度の温度領域において、寒冷を効率的に取出すことができる。
また、中間熱交換器を内側中間熱交換器と外側中間熱交換器とに分け、内側中間熱交換器を2段目蓄冷器の内部に配設し、外側中間熱交換器を2段目蓄冷器の外周に配設している。従って、2段目蓄冷器内部で発生する寒冷はまず内側中間熱交換器に受け渡され、次いで外側中間熱交換器に受け渡される。そして、この外側中間熱交換器に被冷却体を当接させて、被冷却体を冷却する。このように、蓄冷器の中間部分から寒冷の取出しが簡単に可能となる。
また、2段目蓄冷材の高温端側の空間の作動ガスは、隙間に入り、隙間から2段目蓄冷材の低温端側の空間に導入される。隙間が、外側中間熱交換器と内側中間熱交換器との対面部分に位置するため、冷凍機の運転中に作動ガスが隙間内を出入するので、この部分で強制対流が起こる。このため、対流熱伝達が促進され、内側中間熱交換器と外側中間熱交換器との間の熱伝達係数が増加し、外側中間熱交換器での冷凍出力(吸熱量)を向上させることができる。
【0010】
また、本発明は、低温端及び高温端を備える蓄冷器を用い、作動ガスが該蓄冷器を往復する際に前記低温端側から前記高温端側へ熱を汲み出すことにより寒冷を発生する蓄冷式冷凍機において、前記蓄冷器は、低温端及び高温端を備える1段目蓄冷器と、低温端及び前記1段目蓄冷器の低温端と熱的に結合した高温端を備える2段目蓄冷器を有し、該2段目蓄冷器の低温端と高温端との間に中間熱交換器を介在させて構成し、前記作動ガスとしてヘリウムガスを用いるとともに、前記2段目蓄冷器の低温端における温度を2〜10Kとなるように前記蓄冷式冷凍機を運転させ、前記ヘリウムガスの非理想性に起因する熱損失分を前記中間熱交換器から吸熱させ、前記中間熱交換器は、前記2段目蓄冷器の内部に配設される内側中間熱交換器と、前記2段目蓄冷器の外周に配設される外側中間熱交換器とを備えて構成され、前記内側中間熱交換器と前記外側中間熱交換器とは略対面した位置関係で各々配設され、前記2段目蓄冷器と前記中間熱交換器に前記作動ガスを往復するディスプレーサを備え、前記2段目蓄冷器と前記中間熱交換器は前記ディスプレーサの外周に設けられ、前記2段目蓄冷材の前記高温端側の空間の前記作動ガスは、前記内側中間熱交換器を通って前記2段目蓄冷材の前記低温端側の空間に導入される構成である。
【0011】
本発明によれば、蓄冷式冷凍機に使用する蓄冷器において、その低温端における作動ガスの非理想性が顕著に現れている場合には、蓄冷器の低温端と高温端との間に中間熱交換器を介在させ、作動ガスの非理想性に起因する熱損失分を熱交換器から吸熱させる。
従って、蓄冷器の低温端以外に、低温端と高温端との間に介在した中間熱交換器からも吸熱が行われ、この部分で発生する寒冷を効率的に被冷却体に提供することができるので、1つの蓄冷器で2箇所以上の寒冷取出し部分を提供することができ、蓄冷式冷凍機を多段化せずとも複数の冷凍箇所を持つ被冷却体を冷却することができる。このため、多段化に伴う上記不具合を解消することができる。
また、気体が理想気体として近似できる場合、理想気体の状態方程式から、1−T(∂V/∂T)P/V=0が成り立つ。これに対し、|1−T(∂V/∂T)P/V|>0.01となると、気体の非理想性が現れる。これは、実在気体の状態方程式を例えばビリアル方程式で近似した場合、ビリアル係数が無視できないほど大きくなっている状態である。このような状態、即ち気体の非理想性が概ね1%以上現れる場合には、本発明を適用したときの効果が大きい。
また、蓄冷式冷凍機を2段型蓄冷式冷凍機とし、2段目蓄冷器の低温端と高温端との間に中間熱交換器を介在させる。2段型蓄冷式冷凍機を使用した場合、2段目蓄冷器の低温端においては極めて低い寒冷を得ることができる。例えば、作動ガスとしてヘリウムを用いれば、2段目蓄冷器の低温端では約4K程度の寒冷を得ることもできる。この程度の温度領域となると、作動ガスは顕著に非理想性を示す。従って、作動ガスの非理想性が顕著に現れる2段目蓄冷器の低温端と高温端との間に中間熱交換器を介在し、この中間熱交換器から吸熱を行うことにより、2段型蓄冷式冷凍機において3箇所の寒冷取出し部分、即ち、1段目蓄冷器の低温端での寒冷取出し部分、中間熱交換器での寒冷取出し部分、2段目蓄冷器の低温端での寒冷取出し部分を効率的に得ることができる。このため、蓄冷式冷凍機を3段にせずとも3つの冷凍箇所を持つ被冷却体を冷却することができ、3段化に伴う不具合を解消することができる。
また、作動ガスとしてヘリウムガスを使用し、2段目蓄冷器の低温端における温度を2〜10K程度となるように蓄冷式冷凍機を運転すれば、作動ガスは2段目蓄冷器において顕著に非理想性を示す。従って、このような場合に、2段目蓄冷器の低温端と高温端との間に中間熱交換器を介在させれば、2段目蓄冷器の高温端の温度(例えば60K)と低温端の温度(例えば4K)との間の領域の温度、例えば、10〜20K程度の温度領域において、寒冷を効率的に取出すことができる。
また、中間熱交換器を内側中間熱交換器と外側中間熱交換器とに分け、内側中間熱交換器を2段目蓄冷器の内部に配設し、外側中間熱交換器を2段目蓄冷器の外周に配設している。従って、2段目蓄冷器内部で発生する寒冷はまず内側中間熱交換器に受け渡され、次いで外側中間熱交換器に受け渡される。そして、この外側中間熱交換器に被冷却体を当接させて、被冷却体を冷却する。このように、蓄冷器の中間部分から寒冷の取出しが簡単に可能となる。
また、内側中間熱交換器と外側中間熱交換器との間の隙間を無くすことができるため、外側中間熱交換器と内側中間熱交換器との間の熱伝達が良好となり、外側中間熱交換器で得られる吸熱量を増加させることができる。
【0020】
また、発明は、
記蓄冷式冷凍機の冷却対象物は、液体ヘリウム温度域での冷却が必要な主冷却対象物と、該主冷却対象物の回りに配設された第2輻射熱シールド板と、該第2輻射熱シールド板の回りに配設された液体窒素槽又は第1輻射熱シールド板とを具備する冷却系であり、前記2段目蓄冷器の低温端で発生する寒冷は前記主冷却対象物の冷却に利用され、前記1段目蓄冷器の低温端で発生する寒冷は前記液体窒素槽又は前記第1輻射熱シールド板の冷却に利用され、前記中間熱交換器で発生する寒冷は前記第2輻射熱シールド板の冷却に利用されることを特徴としている。
【0021】
発明によれば、冷却対象物が、液体ヘリウム温度域での冷却が必要な主冷却対象物と、主冷却対象物の回りに配設された第2輻射熱シールド板と、第2輻射熱シールド板の回りに配設された液体窒素槽又は第1輻射熱シールド板とを具備する冷却系である場合に、主冷却対象物を2段目蓄冷器の低温端で発生する寒冷で冷却し、液体窒素槽又は第2輻射熱シールド板を1段目蓄冷器の低温端で発生する寒冷で冷却し、第2輻射熱シールド板を中間熱交換器で発生する寒冷で冷却する。このため、上記3つの冷却箇所をもつ冷却系を、本発明を適用した2段型蓄冷式冷凍機で冷却することが可能となり、この種の冷却系を持つ装置、例えばMRI用超伝導磁石装置を効率的に冷却することができる。
【0022】
上記主冷却対象物とは、液体ヘリウム温度域での冷却が必要な物であれば、その目的や態様は問わない。電子素子等の本来液体ヘリウム温度域で機能する部品は、過去においては液体ヘリウム中に浸漬されて使用されていた。従って、このような場合には、主冷却対象物は、液体ヘリウム又は液体ヘリウム槽となり、その目的は液体ヘリウムの蒸発防止である。ところが、近年の冷凍技術の進歩によって、冷凍機の寒冷発生部分でも、液体ヘリウム温度域で所定の出力を得ることができるようになってきたので、上記電子素子等を直接冷凍機に熱的結合させて(即ち液体ヘリウムを用いることなしに)機能させることもできるようになってきた。従って、このような場合には、主冷却対象物は、上記電子素子等であり、その目的は上記電子素子等の冷却である。このように、本明細書における「主冷却対象物」とは、その目的や態様を問わず、適用する冷却系の構成により適宜定められるものである。
【0023】
また、発明は、
記蓄冷式冷凍機はパルス管冷凍機であることを特徴としている。パルス管冷凍機として本発明を適用することにより、冷却対象物へ与える振動の低減、低温部分のメンテナンスフリーの実現、磁場中での冷凍機運転の容易化を図ることができる。
【0024】
また、発明は、
記蓄冷式冷凍機はGM冷凍機又はスターリング冷凍機であることを特徴としている。GM冷凍機又はスターリング冷凍機として本発明を適用することにより、高効率及び高信頼性を確保することができる。
【0025】
【発明の実施の形態】
まず、本発明の原理について説明する。
【0026】
蓄冷式冷凍機に使用する作動ガスが理想気体として近似でき、かつ蓄冷器の再生作用が完全な場合、蓄冷器の高温端から低温端に向かうエンタルピー流はほぼ0とみなせ、蓄冷器の低温端で作動ガスの行うPV図示仕事に対してほぼ等しい熱量(吸熱量)が該低温端で吸収される。例えば図1に示す蓄冷器10を考えてみる。図1において、蓄冷器10は、低温端10L及び高温端10Hを備え、それぞれの端部に低温端熱交換器11L及び高温端熱交換器11Hが取り付けられている。また、作動ガスはヘリウムガス、作動ガスの変動圧力範囲は0.7MPa〜2.0MPa、蓄冷器低温端10Lでの温度が60K、蓄冷器高温端10Hでの温度が300Kとすると、蓄冷器10の低温端10Lから高温端10Hまでの全域にかけて作動ガスの理想性が維持される。つまり、作動ガスは近似的に理想気体とみなせ、1−T(∂V/∂T)/V=0が成り立つ。この場合、蓄冷器の再生作用が完全であるとすると、蓄冷器10の高温端10Hから低温端10Lに向かうエンタルピー流は発生せず、低温端10Lにおける作動ガスのPV図示仕事と同量の熱量が、低温端10Lに取り付けられた低温端熱交換器11Lから吸熱される。例えば、低温端10Lにおける作動ガスのPV図示仕事が40Wである場合、低温端熱交換器11Lでの吸熱量も40Wである。
【0027】
次に、図2に示す蓄冷器20を考えてみる。図2において、蓄冷器20の基本構成及び作動ガスの種類及び変動圧力は、図1の蓄冷器10の場合と同一である。即ち、蓄冷器20は、低温端20L及び高温端20Hを備え、それぞれの端部に低温端熱交換器21L及び高温端熱交換器21Hが取り付けられている。作動ガスはヘリウム、作動ガスの変動圧力範囲は、0.7MPa〜2.0MPaである。ただし、蓄冷器低温端20Lでの温度は4.2K、蓄冷器高温端20Hでの温度は60Kであるところが、図1の蓄冷器10とは異なる。この場合、蓄冷器低温端20L付近では作動ガスは非理想性が顕著に現れ、|1−T(∂V/∂T)/V|>0.01となる。このような状態であると、蓄冷器20の再生作用が完全であっても、蓄冷器20の高温端20Hから低温端20Lに向かうエンタルピー流が発生し、低温端20Lにおける作動ガスの行うPV図示仕事に対してそれに見合う熱量を低温端熱交換器21Lから吸収しないことになる。例えば、低温端20Lにおける作動ガスのPV図示仕事が10Wである場合、低温端20Lでの吸熱量は2W程度となる。このように、作動ガスのPV図示仕事が吸熱量と一致せず、そこで差が生じると、エネルギー収支上、この差分をどこかで補わなければならないが、蓄冷器20の側面20aが断熱的な材質で形成されている場合或いは蓄冷器20が断熱的な環境に配置されているような場合には、この差分(8W)は蓄冷器20の高温端20Hに取り付けられた高温端熱交換器21Hから吸熱せざるを得ない。
【0028】
これに対し、本発明に従った蓄冷器30を図3に示す。この蓄冷器30は、低温端30L及び高温端30Hを備え、それぞれの端部に低温端熱交換器31L及び高温端熱交換器31Hが取り付けられている。そして、蓄冷器低温端30Lと蓄冷器高温端30Hとの間に中間熱交換器50が介在している。作動ガスの種類、変動圧力、端部での温度は図2の蓄冷器20の場合と同一である。即ち、作動ガスはヘリウムガス、変動圧力は0.7MPa〜2.0MPa、蓄冷器低温端30Lでの温度は4.2K、蓄冷器高温端30Hでの温度は60Kである。この場合、図2の蓄冷器20と同様、蓄冷器低温端30L付近では作動ガスは非理想性が顕著に現れ、|1−T(∂V/∂T)/V|>0.01となる。このような状態であると、蓄冷器30の再生作用が完全であっても、蓄冷器30の高温端30Hから低温端30Lに向かうエンタルピー流が発生し、低温端30Lにおける作動ガスの行うPV図示仕事に対してそれと同量の熱量を低温端熱交換器31Lから吸収することができない。例えば、低温端30Lにおける作動ガスのPV図示仕事が10Wである場合、低温端30Lでの吸熱量は2W程度となる。ところが、図2の場合と異なり、図3の蓄冷器30では、低温端30Lと高温端30Hとの間の部分に中間熱交換器50が介在している。従って、低温端30Lにおける作動ガスのPV図示仕事と低温端熱交換器31Lでの吸熱量との差分(8W)の一部は、この中間熱交換器50でも吸熱される。どの程度の吸熱が可能かは、その温度、圧力での作動ガスの非理想性による。中間熱交換器50は、上述したように低温端と高温端との間に介在されているので、その温度も低温端での温度(4.2K)と高温端での温度(60K)との間の温度である。例えばこの部分の温度を10〜20Kの温度とし、この温度域及び圧力で作動ガスが近似的に理想気体とみなせる場合には、この熱交換器の部分で10〜20Kの低温が8Wの出力で取出せることになる。この温度域及び圧力で作動ガスが非理想的である場合には、その非理想性の影響を受けるので、熱交換器の部分で10〜20Kの低温が例えば6Wの出力で取出せることになる。
【0029】
図2に示す蓄冷器20と図3に示す蓄冷器30とを比較すると、図2に示す蓄冷器20は、作動ガスの非理想性に起因して低温端20Lで吸熱することができないエンタルピー分を高温端20H側からの吸熱で補わざるを得ないのに対し、図3に示す蓄冷器30は、作動ガスの非理想性に起因して低温端30Lで吸熱することができないエンタルピー分を、高温端30Hと低温端30Lとの間に介在した中間熱交換器50からの吸熱で補うことができ、この中間熱交換器50の部分での吸熱を、低温端30Lとは別の寒冷発生部分として利用することができる。
【0030】
一方、図4に示す蓄冷器40を考える。この蓄冷器40は、図1に示す蓄冷器10の構成に加え、低温端40Lと高温端40Hとの間に中間熱交換器51を介在させたものである。また、作動ガスの種類、変動圧力、低温端及び高温端での温度は図1の場合と同じである。即ち、作動ガスの種類はヘリウムガス、変動圧力は0.7MPa〜1.0MPa、低温端の温度は60K、高温端の温度は300Kである。この場合において、図1の蓄冷器10と同様、低温端40Lから高温端40Hまでの全域にかけて作動ガスの理想性が維持され、作動ガスは近似的に理想気体とみなせるので、1−T(∂V/∂T)/V=0が成り立つ。この場合、蓄冷器40の再生作用が完全であるとすると、高温端40Hから低温端40Lに向かうエンタルピー流は発生せず、低温端40Lにおける作動ガスのPV図示仕事と同量の熱量が、低温端40Lに取り付けられた低温端熱交換器41Lから吸熱されるはずである。例えば、低温端40Lにおける作動ガスのPV図示仕事が40Wである場合、低温端熱交換器41Lでの吸熱量も40Wのはずである。ところが、図4の場合では、蓄冷器40の低温端40Lと高温端40Hとの間に中間熱交換器51を介在しているので、この中間熱交換器51の部分からも吸熱が起こる。例えばこの中間熱交換器61の部分の温度が100Kとすると、この部分で10Wの吸熱が起こる。このため、中間熱交換器51の部分での吸熱量分が低温端40Lでの吸熱量分から差し引かれ、低温端40Lでの吸熱量は30Wとなってしまう。従って、作動ガスの理想性が保たれる範囲で蓄冷器の低温端と高温端との間に熱交換器を介在させても、低温端での吸熱が減少してしまう。
【0031】
図4に示す蓄冷器40と図3に示す蓄冷器30とを比較すると、低温端での作動ガスが、図4の場合では理想性が保たれ、図3の場合では非理想性が顕著に現れる点で異なる。この場合、図4の蓄冷器40では、中間熱交換器61で得られる吸熱量は本来ならば低温端熱交換器41Lで得られるべき吸熱量の一部を中間熱交換器51に分離して得ているに過ぎないのに対し、図3の蓄冷器30では、低温端熱交換器31Lで得られている吸熱量とは無関係に中間熱交換器50で吸熱が得られる。つまり、図3の蓄冷器30から中間熱交換器50を取り外した場合でも、図3のように取り付けた場合でも、低温端熱交換器31Lでの吸熱量は変わらない。このため、図3の蓄冷器30では、低温端熱交換器30Lで得られる吸熱量に影響を及ぼさずに、中間熱交換器50で効率的に吸熱を得ることができる。
【0032】
図5は、本発明を2段目蓄冷器に適用した場合における2段型パルス管冷凍機を示す。図において、2段型パルス管冷凍機60は、1段目蓄冷器71、2段目蓄冷器72、1段目パルス管81、2段目パルス管82を備える。1段目蓄冷器71は、高温端71H及び低温端71Lを備え、2段目蓄冷器72は、高温端72H及び低温端72Lを備えている。また、1段目パルス管81は、高温端81H及び低温端81Lを、2段目パルス管82は、高温端82H及び低温端82Lを備えている。1段目蓄冷器71の高温端71Hには、高温端熱交換器71aが取り付けられている。1段目パルス管81の低温端81Lと1段目蓄冷器71の低温端71Lは熱的に連通しており、2段目パルス管82の低温端82Lと2段目蓄冷器72の低温端72Lとは熱的に連通している。そして、1段目パルス管81の低温端81Lには1段目熱交換器91が、2段目パルス管82の低温端82Lには2段目熱交換器92が、それぞれ取り付けられている。また、2段目蓄冷器72の高温端72Hと低温端72Lとの間の部分には、中間熱交換器93が介在されている。尚、1段目蓄冷器71の高温端71H側には、圧力振動発生装置94が、1段目パルス管81の高温端81H側には、1段目位相調節機構95が、2段目パルス管82の高温端82H側には、2段目位相調節機構96が、それぞれ連結されている。
【0033】
上記構成において、内部を流れる作動ガスをヘリウム、作動ガスの変動圧力を0.7MPa〜2.0MPa、高温端熱交換器71aでの温度が300K、1段目熱交換器91での温度が60K、2段目熱交換器92での温度が4.2Kとなるように2段型パルス管冷凍機60を運転する。この場合、1段目蓄冷器71の内部での作動ガスは理想気体で近似できるが、2段目蓄冷器72の低温端部分では、作動ガスは非理想性が顕著に現れるので、理想気体としては近似できない。
【0034】
上記の場合において、例えば圧力振動発生装置94から投入される入力仕事を600Wとし、高温端熱交換器71aでは600Wの熱量が放熱され、1段目蓄冷器71の再生作用が完全だとすると、低温端71Lでの作動ガスのPV図示仕事が120Wになる。そして、この120Wの図示仕事のうち、100Wが2段目蓄冷器72への入力仕事に、20Wが1段目パルス管81側での図示仕事に分岐されるとする。これは、即ち、1段目蓄冷器71から外部に取出される仕事が20Wであることを示す。1段目蓄冷器71では作動ガスは理想気体とみなせるので、1−T(∂V/∂T)/V=0が成り立つ。この場合、1段目蓄冷器71の再生作用が完全であるので、1段目蓄冷器71の高温端71Hから低温端71Lに向かうエンタルピー流は発生せず、1段目蓄冷器71から外部に取出されたPV図示仕事と同量の熱量(20W)が1段目熱交換器91から吸熱される。このため、1段目熱交換器91では、20Wの吸熱を得ることができる。
【0035】
また、2段目蓄冷器72には、1段目蓄冷器71の低温端71Lでの作動ガスのPV図示仕事(120W)のうち、外部に取出されなかった100Wが入力され、2段目蓄冷器72の低温端72Lでの作動ガスのPV図示仕事が7Wであったとする。2段目蓄冷器72の低温端72Lでは、作動ガスの非理想性が顕著に現れるので、作動ガスを理想気体に近似することはできないので、|1−T(∂V/∂T)/V|>0.01となる。このような状態であると、2段目蓄冷器72の再生作用が完全であっても、2段目蓄冷器72の高温端72Hから低温端72Lに向かうエンタルピー流が発生し、低温端72Lにおける作動ガスの行うPV図示仕事と同量の熱量を2段目熱交換器92から吸熱することができない。例えば、低温端72Lにおける作動ガスのPV図示仕事が7Wである場合、2段目熱交換器92での吸熱量は2W程度となる。ところが2段目蓄冷器72の低温端72Lと高温端72Hとの間の部分に中間熱交換器93が介在している。従って、2段目蓄冷器72の低温端72Lにおける作動ガスのPV図示仕事(7W)と2段目熱交換器92での吸熱量(2W)との差分(5W)の全部又は一部は、この中間熱交換器93で吸熱される。中間熱交換器93は、上述したように2段目蓄冷器72の低温端72Lと高温端72Hとの間に介在されているので、その温度も低温端72Lでの温度(4.2K)と高温端72Hでの温度(60K)との間の温度である。例えばこの部分の温度を10〜20Kの温度とし、この部分の温度域及び圧力で作動ガスが理想気体に近似できる場合、中間熱交換器93の部分で10〜20Kの低温が5Wの出力で効率的に取出せることになる。
【0036】
上述のような2段蓄冷器を持つ2段型蓄冷式冷凍機は、例えば液体ヘリウム温度域での冷却が必要な冷却対象物、例えば電子素子等が浸漬された液体ヘリウム槽や、このような液体ヘリウム槽に浸漬された電子素子等(以下、この段落において、液体ヘリウム温度域での冷却が必要な冷却対象物を、主冷却対象物と呼ぶ)の冷却に利用することができる。また、主冷却対象物への外部からの熱輻射による熱侵入を防止するため、該主冷却対象物の回りに液体窒素槽または第1輻射熱シールド板を設けて外部からの熱侵入を遮蔽している。しかしながら、さらにより確実に熱侵入を防止するため、主冷却対象物と液体窒素槽又は第1輻射熱シールド板との間に第2輻射熱シールド板を設けることが考えられる。この場合、主冷却対象物を冷却するために必要な温度は4.2K、液体窒素槽又は第1輻射熱シールド板を冷却するために必要な温度は60K、第2輻射熱シールド板を冷却するために必要な温度は10〜20Kである。従って、このような冷却系を冷却するために、主冷却対象物の冷却に2段目熱交換器を利用し、液体窒素槽又は第1輻射熱シールド板の冷却に1段目熱交換器を利用し、第2輻射熱シールド板の冷却に中間熱交換器を利用する。これにより、3箇所の冷却が必要である冷却系を、2段型蓄冷式冷凍機で冷却することが可能となる。
【0037】
上記したような中間熱交換器は、蓄冷器の低温端と高温端との間であれば、どのような位置でも良い。要求される温度域に合わせて適宜熱交換器の取付け場所を変更させることにより、要求仕様に合致した冷却システムを提供することができる。
【0038】
また、上記したような中間熱交換器は、1つの蓄冷器に対して異なった位置に2つ以上取付けても良い。要求される温度域及び冷却箇所の数に合わせて適宜熱交換器の取付け個数を変更させることにより、要求仕様に合致した冷却システムを提供することができる。
【0039】
また、中間熱交換器が介在される蓄冷器は、蓄冷器としての機能を果たすものであれば良く、蓄冷器が他の構成要素と結合された態様でも良い。例えば、ピストンやディスプレーサに蓄冷材が含有された蓄冷器内蔵ピストンや蓄冷器内蔵ディスプレーサが提案されているが、このような蓄冷器内蔵ピストンや蓄冷器内蔵ディスプレーサも、本発明に従う限りにおいて、蓄冷器として見立てることができる。この場合、蓄冷器の高温端とは、蓄冷器内蔵ピストンや蓄冷器内蔵ディスプレーサの高温端に該当し、蓄冷器の低温端とは、蓄冷器内蔵ピストンや蓄冷器内蔵ディスプレーサの低温端に該当する。
【0040】
【実施例】
(第1実施例)
図6は、2段型パルス管冷凍機の冷凍発生部分を示す断面図である。図において、2段型パルス管冷凍機の冷凍発生部分101は、1段目蓄冷器110、2段目蓄冷器120、1段目パルス管130、2段目パルス管140を具備する。
【0041】
1段目蓄冷器110は、内部に空間を擁した1段目蓄冷器ケーシング111と、該1段目蓄冷器ケーシング111の内部空間に充填された1段目蓄冷材112を備えて構成されている。本例において、この1段目蓄冷材112として、銅メッシュの積層体が使用されている。また、この1段目蓄冷器110は、低温端110L及び高温端110Hを備える。低温端110Lは、1段目蓄冷器110の図示下方端であり、高温端110Hは1段目蓄冷器110の図示上方端である。高温端110H側には、図に示すように第1通路113が形成されている。この第1通路113は、その一端が1段目蓄冷材112の図示上端部分に連通しており、その他端が高温端110Hの端面部分に開口している。この開口部分は、図示せぬ圧力振動発生装置に連通されている。また、低温端110L側にも、図に示すように第2通路114が形成されている。この第2通路114は、その一端が1段目蓄冷材112の図示下端部分に連通しており、その他端が低温端110Lの端面部分に開口している。
【0042】
2段目蓄冷器120は、内部に空間を擁した2段目蓄冷器ケーシング121を備える。この2段目蓄冷器ケーシング121の内部空間には、内側中間熱交換器125が取り付けられており、この内側中間熱交換器125によって、2段目蓄冷器ケーシング121の内部空間が2分されている。この2分された内部空間の内、図示上側の空間には2段目高温側蓄冷材122aが、図示下側の空間には2段目低温側蓄冷材122bが、それぞれ充填されている。本例において、2段目高温側蓄冷材122aとして鉛粒を、2段目低温側蓄冷材122bとしてErNi粒を使用している。また、内側中間熱交換器125には、図に示すように連通路126が形成されており、この連通路126によって、2段目蓄冷器ケーシング121内の2分された内部空間が連通可能とされている。
【0043】
2段目蓄冷器ケーシング121の外周には、図に示すように外側中間熱交換器127が取り付けられている。この外側中間熱交換器127は、内側中間熱交換器125の配設位置に対面する状態で取り付けられている。
【0044】
また、2段目蓄冷器120は、低温端120L及び高温端120Hを備える。低温端120Lは2段目蓄冷器120の図示下方端であり、高温端120Hは2段目蓄冷器120の図示上方端である。高温端120H側には、図に示すように第3通路123が形成されている。この第3通路123は、その一端が2段目高温側蓄冷材122aの図示上端部分に連通しており、その他端は高温端120Hの端面部分に開口している。また、低温端120L側にも、図に示すように第4通路124が形成されている。この第4通路124は、その一端が2段目低温側蓄冷材122bの図示下端部分に連通しており、その他端は2段目蓄冷器120の低温端120L側の側面に開口している。
【0045】
図に示すように、1段目蓄冷器110の低温端110L側に形成された第2通路114の開口部分と、2段目蓄冷器120の高温端120H側に形成された第3通路123の開口部分とは、互いに対面するように、両蓄冷器110及び120が配設されている。従って、2段目蓄冷器120の高温端120Hは、1段目蓄冷器110の低温端110Lと熱的に結合されているとともに、1段目蓄冷器ケーシング111の内部空間と、2段目蓄冷器ケーシング121の内部空間とは、第3通路114及び第4通路123を通って連通可能とされている。
【0046】
また、2段目蓄冷器120の高温端120Hに形成された第3通路123は、その途中から分岐通路128が連通されている。この分岐通路128は2段目蓄冷器120の高温端120H側の側面に開口している。
【0047】
1段目パルス管130は、ステンレス鋼等で形成された内部が中空の円筒管である。この1段目パルス管130は、低温端130L及び高温端130Hを備える。低温端130Lは1段目パルス管130の図示下方端であり、高温端130Hは1段目パルス管130の図示上方端である。両端130L、130Hには、図に示すように整流板131、131が取り付けられており、これらの整流板131、131によって、1段目パルス管130内に流入する作動ガスが整流される。
【0048】
1段目パルス管130には、その高温端130Hの部分を覆うように、第1高温側熱交換器132が取り付けられている。この第1高温端熱交換器132は、外気と熱接触したり、冷却水と熱交換したりして、1段目パルス管130の高温端130Hの部分を冷却する役割を果たす。第1高温熱交換器132の内部には、第5通路133が形成されている。この第5通路133の一端は、1段目パルス管130の高温端130Hに連通し、その他端は図に示すように第1高温熱交換器132の端面部分に開口している。この開口部分は、図示せぬ位相調節機構に連通している。
【0049】
また、1段目パルス管130の低温端130L側には、該低温端130Lを覆うように、1段目熱交換器134が取り付けられている。この1段目熱交換器134は、被冷却体と熱接触して該被冷却体を冷却する役割を果たすものであり、本例では約60Kの低温を生成することができる。この1段目熱交換器134には、図に示すように第6通路135が形成されている。第6通路135の一端は1段目パルス管130の低温端130Lに連通しており、他端は、1段目熱交換器134の側面に開口している。
【0050】
1段目熱交換器134の側面に開口した第6通路135と、2段目蓄冷器120の高温端120H側の側面に開口した分岐通路128とは、連通配管136で接続されている。従って、1段目蓄冷器110内の作動ガスは、第2通路114、第3通路123、分岐通路128、連通配管136、第6通路135を通って、1段目パルス管130内に連通可能とされている。
【0051】
2段目パルス管140は、1段目パルス管130と同様、ステンレス鋼等で形成された内部が中空の円筒管である。この2段目パルス管140は、低温端140L及び高温端140Hを備える。低温端140Lは2段目パルス管140の図示下方端であり、高温端140Hは2段目パルス管140の図示上方端である。両端140L、140Hには、図に示すように整流板141、141が取り付けられており、これらの整流板141、141によって、2段目パルス管140内に流入する作動ガスが整流される。
【0052】
2段目パルス管140には、その高温端140Hの部分を覆うように、第2高温側熱交換器142が取り付けられている。この第2高温端熱交換器142は、外気と熱接触したり、冷却水と熱交換したりして、2段目パルス管140の高温端140Hの部分を冷却する役割を果たす。第2高温熱交換器142の内部には、第7通路143が形成されている。この第7通路143の一端は、2段目パルス管140の高温端140Hに連通し、他端は図に示すように第2高温熱交換器142の端面部分に開口している。この開口部分は、図示せぬ位相調節機構に連通している。
【0053】
また、2段目パルス管140の低温端140L側には、該低温端140Lを覆うように、2段目熱交換器144が取り付けられている。この2段目熱交換器144は、被冷却体と熱接触して該被冷却体を冷却する役割を果たすものであり、本例では約4.2Kの低温を生成することができる。この2段目熱交換器144には、図に示すように第8通路145が形成されている。第8通路145の一端は2段目パルス管140の低温端140Lに連通しており、他端は、2段目熱交換器144の側面に開口している。
【0054】
2段目熱交換器144の側面に開口した第8通路145と、2段目蓄冷器120の低温端120L側の側面に開口した第4通路124とは、連通配管146で接続されている。従って、2段目蓄冷器120内の作動ガスは、第4通路124、連通配管146、第8通路145を通って、2段目パルス管140内に連通可能とされている。
【0055】
上記構成の冷凍発生部分101を持つ2段型パルス管冷凍機において、作動ガスとしてヘリウムガスを用い、図示せぬ圧力振動発生装置を駆動させる。すると、この圧力振動発生装置において低圧と高圧とが交互に発生し、圧力振動を起こすが、圧力振動発生装置は上述のように第1通路113に連通しているので、この圧力振動は、冷凍発生部分101に伝達される。また、このような圧力振動とともに、作動ガスが冷凍発生部分101の内部を往復動する。このとき、図示せぬ位相調節機構によって、1段目パルス管130内及び2段目パルス管140内の作動ガスの変位と圧力変動との間に位相差が生じる。この位相差を、各パルス管130、140の各低温端130L、140Lにおいて約90°とすることにより、各パルス管130、140の各低温端130L、140L側で作動ガスが断熱膨張して寒冷を発生する。この圧力変動及び変位により、両蓄冷器110、120の両低温端110L、120L側から高温端110H、120H側に向って熱が汲み上げられる。このため各パルス管130、140の各低温端130L、140Lで寒冷を発生する。この寒冷は、1段目熱交換器134及び2段目熱交換器144に伝達され、該熱交換器134、144に熱的に結合している被冷却体を冷却する。
【0056】
1段目熱交換器134においては、約60K程度の寒冷が得られる。また、2段目熱交換器144においては、約4.2K程度の寒冷が得られる。この場合において、1段目蓄冷器110内の作動ガスの温度領域は、約300K(常温)〜60Kであり、この温度領域であれば、作動ガスの理想性が維持される。つまり、作動ガスは近似的に理想気体とみなせ、1−T(∂V/∂T)/V=0が成り立つ。従って、1段目蓄冷器110の高温端110Hから低温端110Lに向かうエンタルピー流は発生せず、1段目蓄冷器110の再生作用が完全であるとすると、低温端110Lから分岐した1段目パルス管130の低温端部130Lへの作動ガスのPV図示仕事と同量の熱量が、1段目パルス管130の低温端130Lに取り付けられた1段目熱交換器134から吸熱される。例えば、1段目蓄冷器110の低温端110Lから1段目パルス管130に分岐した作動ガスのPV図示仕事が20Wである場合、1段目熱交換器134での吸熱量も20Wである。従って、1段目熱交換器134では、60K、20Wの冷凍出力が得られることになる。
【0057】
一方、2段目蓄冷器120の低温端120Lでの温度は4.2K、高温端120Hでの温度は約60Kである。この場合、低温端120L付近では作動ガスは非理想性が顕著に現れ、|1−T(∂V/∂T)/V|>0.01となる。このような状態であると、2段目蓄冷器120の再生作用が完全であっても、2段目蓄冷器120の高温端120Hから低温端120Lに向かうエンタルピー流が発生し、低温端120Lにおける作動ガスの行うPV図示仕事と同量の熱量を2段目熱交換器144から吸熱することができない。例えば、低温端120Lにおける作動ガスのPV図示仕事が7Wである場合、2段目熱交換器144での吸熱量は2W程度となる。従って、2段目熱交換器144では、4.2K、2Wの冷凍出力が得られることになる。
【0058】
この場合において、低温端120Lと高温端120Hとの間の部分に介在している外側中間熱交換器127及び内側中間熱交換器125でも吸熱が得られる。吸熱量は、その部分の作動ガスの非理想性に影響されるが、この部分での作動ガスが理想気体として近似できる場合には、5Wの吸熱が期待できる。従って、この熱交換器125、127での温度を20Kとし、作動ガスが理想的である場合、この部分で20K、5Wの冷凍出力が得られることになる。
【0059】
(第2実施例)
図7は、2段型GM冷凍機の冷凍発生部分を示す断面図である。図において、2段型GM冷凍機の冷凍発生部分201は、1段目シリンダ210、1段目蓄冷器内蔵ディスプレーサ220、2段目シリンダ230、2段目蓄冷器内蔵ディスプレーサ240を具備する。
【0060】
1段目シリンダ210は、円筒状に形成されており、その図示上端面には、作動ガスの導入及び排出用の連通孔211、及び、ロッド挿通用の挿通孔212が形成されている。連通孔211は、図示せぬ圧力振動発生装置に連通している。挿通孔212には、後述のロッドが挿通されている。
【0061】
1段目蓄冷器内蔵ディスプレーサ220は、1段目シリンダ210の内部に往復動可能に配設されている。この1段目蓄冷器内蔵ディスプレーサ220は、内部空間を擁した1段目ディスプレーサケース221及び該1段目ディスプレーサケース221の内部空間に充填された1段目蓄冷材222とを備えて構成されている。1段目蓄冷材222の材質は、第1実施形態例と同一である。
【0062】
1段目蓄冷器内蔵ディスプレーサ220は、低温端220L及び高温端220Hを備える。低温端220Lは、1段目ディスプレーサ220の図示下方端であり、高温端220Hは1段目ディスプレーサ220の図示上方端である。図に示すように1段目蓄冷器内蔵ディスプレーサ220の高温端220Hと1段目シリンダ210の図示上端内壁との間には、背面空間Sが形成され、1段目蓄冷器内蔵ディスプレーサ220の低温端220Lと1段目シリンダ210の図示下端内壁との間には、1段目膨張空間V1が形成されている。
【0063】
1段目蓄冷器内蔵ディスプレーサ220の高温端220Hにはロッド229の一端が接続されている。ロッド229は、該1段目ディスプレーサ220の高温端220Hから1段目ディスプレーサケース221に形成された挿通孔212を突き抜けて外部に突出している。そして、このロッド229の他端は、図示せぬ往復駆動手段に連結されている。
【0064】
1段目蓄冷器内蔵ディスプレーサ220の高温端220H側には、図に示すように第1連通路223が形成されている。この第1連通路223は、その一端が1段目蓄冷材222の図示上端部分に連通しており、その他端が高温端220Hの端面部分に開口して背面空間Sに連通している。一方、低温端220L側には、第2連通路224が形成されている。この第2連通路224は、その一端が1段目蓄冷材222の図示下端縁部分に連通しており、その他端が1段目ディスプレーサケース221の側面に開口して1段目膨張空間V1に連通している。また、1段目ディスプレーサケース221の外周には、ディスプレーサリング225が取り付けられている。このディスプレーサリング225は、1段目ディスプレーサケース221と1段目シリンダ210の内壁との隙間を埋め、該隙間を通って作動ガスが流れるのを防止するためのものであり、第1連通路223の開口部分と第2連通路224の開口部分との直接の連通を遮蔽する位置に取り付けられる。従って、連通孔211から背面空間V1に導入された作動ガスは、1段目蓄冷器内蔵ディスプレーサ220の高温端220H側から第1連通路223を経て1段目蓄冷材222が充填された空間に入り、第2連通路224を通って1段目膨張空間V2に到達する。このとき、ディスプレーサリング225の存在によって、背面空間V1の作動ガスが1段目ディスプレーサケース221と1段目シリンダ210の内壁との間の隙間を通って1段目膨張空間V2に抜けることができないので、背面空間V1の作動ガスが1段目蓄冷材222を経由せずに直接1段目膨張空間V2に抜けることはない。
【0065】
1段目シリンダ210の図示下端部分は、円状に開口されている。そして、この開口縁に2段目シリンダ230の上端開口部が連結されている。
【0066】
2段目シリンダ230は、1段目シリンダ210よりも小径の円筒状に形成されており、その図示上端面は開口して、上述のように1段目シリンダ210の下端開口縁に連結されている。また、その図示下端面は閉塞している。
【0067】
2段目蓄冷器内蔵ディスプレーサ240は、2段目シリンダ230の内部に往復動可能に配設されている。この2段目ディスプレーサ240は、内部に空間を擁した2段目ディスプレーサケース241を備える。この2段目ディスプレーサケース241の内部空間には、内側中間熱交換器246が取り付けられており、この内側中間熱交換器246によって、2段目ディスプレーサケース241の内部空間が2分されている。この2分された内部空間の内、図示上側の空間には2段目高温側蓄冷材242aが、図示下側の空間には2段目低温側蓄冷材242bが、それぞれ充填されている。これらの蓄冷材材質は、第1実施例と同一である。また、内側中間熱交換器246には、図に示すように連通路247が形成されており、この連通路247によって、2段目ディスプレーサケース241内の2分された内部空間が連通可能とされている。
【0068】
2段目シリンダ230の外周には、図に示すように外側中間熱交換器248が取り付けられている。この外側中間熱交換器248は、内側中間熱交換器247の配設位置に略対面する状態で取り付けられている。
【0069】
2段目蓄冷器内蔵ディスプレーサ240は、低温端240L及び高温端240Hを備える。低温端240Lは、2段目蓄冷器内蔵ディスプレーサ240の図示下方端であり、高温端240Hは2段目ディスプレーサ240の図示上方端である。そして、2段目蓄冷器内蔵ディスプレーサ240の高温端240H側の部分が1段目ディスプレーサ220の低温端220L側の部分に嵌め込まれており、これにより高温端240Hと低温端220Lとが熱的に結合されるとともに、両ディスプレーサ220、240が一体で動作するようにされている。また、2段目蓄冷器内蔵ディスプレーサ240の低温端240Lと2段目シリンダ230の図示下端壁との間には、2段目膨張空間V2が形成されている。
【0070】
高温端240H側には、図に示すように第3連通路243が形成されている。この第3連通路243は、その一端が2段目高温蓄冷材242aの図示上端部分に連通しており、その他端が2段目ディスプレーサケース221の側面部分に開口して1段目膨張空間V2に連通している。一方、低温端240L側には、第4連通路244が形成されている。この第4連通路244は、その一端が2段目低温蓄冷材242bの図示下端部分に連通しており、その他端が2段目ディスプレーサケース241の側面に開口して2段目膨張空間V3に連通している。また、2段目ディスプレーサケース241の外周には、ディスプレーサリング245が取り付けられている。このディスプレーサリング245は、2段目ディスプレーサケース241と2段目シリンダ230の内壁との隙間を埋め、該隙間を通って作動ガスが流れるのを防止するためのものであり、第3連通路243の開口部分と第4連通路244の開口部分との間の位置に取り付けられる。従って、1段目膨張空間V2の作動ガスは、第3連通路243を経て2段目高温蓄冷材242aが充填された空間に入り、さらに内側中間熱交換器246の連通路247を通って2段目低温蓄冷材242bが充填された空間に入り、そこから第4連通路244を通って2段目膨張空間V3に到達する。このとき、ディスプレーサリング245の存在によって、1段目膨張空間V2の作動ガスが2段目ディスプレーサケース241と2段目シリンダ230の内壁との間の隙間を通って2段目膨張空間V3に抜けることができないので、1段目膨張空間V2の作動ガスが2段目高温側蓄冷材242a及び2段目低温側蓄冷材242bを経由せずに直接2段目膨張空間V3に抜けることはない。
【0071】
1段目シリンダ210の外周には、該シリンダ210内部の1段目膨張空間V2を覆うように、1段目熱交換器254が取り付けられている。この1段目熱交換器254は、被冷却体と熱接触して該被冷却体を冷却する役割を果たすものであり、本例では約60Kの低温を生成することができる。また、2段目シリンダ230の外周には、該シリンダ230内部の2段目膨張空間V3を覆うように、2段目熱交換器255が取り付けられている。この2段目熱交換器255は、被冷却体と熱接触して該被冷却体を冷却する役割を果たすものであり、本例では約4.2Kの低温を生成することができる。
【0072】
上記構成の冷凍発生部分201を持つ2段型GM冷凍機において、作動ガスとしてヘリウムガスを用い、図示せぬ圧力振動発生装置を駆動させる。すると、この圧力振動発生装置において低圧と高圧とが交互に発生し、圧力振動を起こすが、圧力振動発生装置は上述のように連通孔211に連通しているので、この圧力振動は、冷凍発生部分201に伝達される。また、圧力振動発生装置の駆動とともに、図示せぬ往復駆動手段も駆動する。すると、往復駆動手段からの駆動力がロッド229に伝達され、該ロッド229に連結された1段目蓄冷器内蔵ディスプレーサ220及び該1段目蓄冷器内蔵ディスプレーサ220に連結された2段目蓄冷器内蔵ディスプレーサ240が1段目シリンダ210及び2段目シリンダ230内を図示矢印方向に往復駆動する。このとき、作動ガスの圧力振動と、両ディスプレーサ220、240の往復駆動とを、90°の位相差がつくように運転させることにより、各膨張空間V2、V3で作動ガスが断熱膨張して寒冷を発生するとともに、両ディスプレーサ220、240の低温端220L、240L側から高温端220H、240H側へ向って熱が汲み上げられる。このため各膨張空間V2、V3を覆うように取り付けられた1段目熱交換器254及び2段目熱交換器255が冷却され、該熱交換器254、255に熱的に結合している被冷却体を冷却する。
【0073】
1段目熱交換器254においては、約60K程度の寒冷が得られる。また、2段目熱交換器255においては、約4.2K程度の寒冷が得られる。この場合において、1段目蓄冷器内蔵ディスプレーサ220内の作動ガスの温度領域は、約300K(常温)〜60Kであり、この温度領域であれば、作動ガスの理想性が維持される。つまり、作動ガスは近似的に理想気体とみなせ、1−T(∂V/∂T)/V=0が成り立つ。従って、1段目蓄冷器内蔵ディスプレーサ220の蓄冷器再生作用が完全であるとすると、1段目蓄冷器内蔵ディスプレーサ220の高温端220Hから低温端220Lに向かうエンタルピー流は発生せず、1段目膨張空間V2における作動ガスのPV図示仕事と同量の熱量が、1段目熱交換器254から吸熱される。例えば、1段目膨張空間V2における作動ガスのPV図示仕事が20Wである場合、1段目熱交換器254での吸熱量も20Wである。従って、1段目熱交換器254では、60K、20Wの冷凍出力が得られることになる。
【0074】
一方、2段目蓄冷器内蔵ディスプレーサ240内の作動ガスの温度領域は、高温端240H側で60K、低温端240L側で4.2Kである。この場合、低温端240L側で作動ガスは非理想性を顕著に発現し、|1−T(∂V/∂T)/V|>0.01となる。このような状態であると、2段目蓄冷器内蔵ディスプレーサ240の高温端240Hから低温端240Lに向かうエンタルピー流が発生し、2段目蓄冷器内蔵ディスプレーサ240の蓄冷器再生作用が完全であっても、2段目膨張空間V3における作動ガスの行うPV図示仕事と同量の熱量を2段目熱交換器255から吸熱することができない。例えば、2段目膨張空間V3における作動ガスのPV図示仕事が7Wである場合、2段目熱交換器255での吸熱量は2W程度となる。従って、2段目熱交換器255では、4.2K、2Wの冷凍出力が得られることになる。
【0075】
この場合において、2段目蓄冷器内蔵ディスプレーサ240低温端240Lと高温端240Hとの間の部分に介在している外側中間熱交換器248及び内側中間熱交換器246でも吸熱が得られる。吸熱量は、その部分の作動ガスの非理想性に影響されるが、この部分での作動ガスが理想気体として近似できる場合には、5Wの吸熱が期待できる。従って、この熱交換器246、248での温度を20Kとし、作動ガスが理想的である場合、この部分で20K、5Wの冷凍出力が得られることになる。
【0076】
上記のような2段型GM冷凍機は、第1実施例で示した2段型パルス管冷凍機よりも構成要素が少ない。例えば、第1実施例で示したパルス管や、それをつなぐための接続配管を要しない。従って、簡単な構成で本発明を実現することができるとともに、高効率でかつ信頼性の高い冷凍機とすることができる。
【0077】
(第3実施例)
上記第2実施例で示した2段型GM冷凍機では、理屈上、上記の出力が得られることになるが、実際上は、第1実施例で示した2段型パルス管冷凍機よりも冷凍出力は劣る。その理由は、図7から明らかなように、内側中間熱交換器246と外側中間熱交換器248との間には、2段目蓄冷器内蔵ディスプレーサ240の側面と2段目シリンダ側周内壁との間の隙間(ギャップ)Lが存在し、このギャップL内の気体層を介した熱伝達が悪いために、内側中間熱交換器246で得られる寒冷を外側中間熱交換器248に確実に伝えることができず、所望の冷凍出力を取出すことができないことに起因する。
【0078】
このような、不具合を改良した2段型GM冷凍機を本例で示す。
【0079】
図8は、第3実施例にかかる2段型GM冷凍機の冷凍発生部分の断面図である。この冷凍発生部分261は、基本的には図7に示す冷凍発生部分201と同じであり、異なる部分は2段目蓄冷器内蔵ディスプレーサの部分のみである。以下、相違部分を中心に説明し、同一部分については図7に示すものと同一符号で示してその具体的説明は省略する。
【0080】
図8において、2段目蓄冷器内蔵ディスプレーサ240の外周には、第1ディスプレーサリング245a及び第2ディスプレーサリング245bの2つのディスプレーサリングが取り付けられている。このため、2段目蓄冷器内蔵ディスプレーサ240の側面と2段目シリンダ230の側周内壁との間の隙間Lのうち、両ディスプレーサリング245a、245bで挟まれた部分は密閉空間Kとされている。
【0081】
2段目蓄冷器内蔵ディスプレーサ240内の2段目高温側蓄冷材242aが充填された空間は、第3連通路247aによって上記密閉空間Kに連通している。また、内側中間熱交換器246内には第2連通路247bが形成されており、この第2連通路247bは、その一端が2段目低温蓄冷材242bの図示上端に連通し、その他端は2段目ディスプレーサケース241の側面に開口して密閉空間Kに連通している。従って、2段目高温側蓄冷材242aが充填された空間内の作動ガスは、第1連通路247aを通って一端密閉空間K内に入り、該密閉空間Kから第2連通路247bを通って2段目低温側蓄冷材242bが充填された空間に導入されることになる。
【0082】
従って、密閉空間Kの領域を、外側中間熱交換器248と内側中間熱交換器246との対面部分に位置するように設計した場合、冷凍機の運転中に作動ガスが密閉空間K内を出入するので、この部分で強制対流が起こる。このため、対流熱伝達が促進され、内側中間熱交換器246と外側中間熱交換器248との間の熱伝達係数が増加し、外側中間熱交換器248での冷凍出力(吸熱量)を向上させることができる。
【0083】
(第4実施例)
図9は、本発明の第4実施例にかかる、2段型GM冷凍機の冷凍発生部分を示す断面図である。この例は、上記第2及び第3実施例で見られた、ディスプレーサ側面とシリンダ側周内壁との間の隙間の存在による熱伝達の低下を防止した構成である。尚、図9に示すものにおいて、1段目シリンダ及び1段目蓄冷器内蔵ディスプレーサの構成については、図7に示すものと基本的には同一であり、異なるところは、2段目シリンダ及び2段目ディスプレーサの構成である。以下、相違点を中心に説明し、図7と同一構成部分については同一符号で示してその具体的説明を省略する。
【0084】
図9において、2段型GM冷凍機の冷凍発生部分301は、1段目シリンダ210、1段目蓄冷器内蔵ディスプレーサ220、2段目シリンダ230、2段目ディスプレーサ260、2段目蓄冷器270を具備する。
【0085】
1段目シリンダ210は、基本的には図7及び図8で示した1段目シリンダ210と同一である。ただし、図に示すように該1段目シリンダ210の図示下端面に連通孔213が形成されている点が、図7及び図8の場合と異なる。その他、図7及び図8と同一部分については同一符号で示してその具体的説明は省略する。
【0086】
1段目蓄冷器内蔵ディスプレーサ220は、1段目シリンダ210の内部を往復動可能に配置されている。そして、1段目ディスプレーサ220の高温端220Hと1段目シリンダの上端内壁面とで背面空間Sを、及び、1段目蓄冷器内蔵ディスプレーサ220の低温端220Lと1段目シリンダの下端内壁面とで1段目膨張空間V1を、それぞれ画成している。1段目蓄冷器内蔵ディスプレーサ220の基本構成については、図7及び図8で示した1段目蓄冷器内蔵ディスプレーサ220と同一構成であるので、同一部分については同一符号で示して、その具体的説明を省略する。
【0087】
2段目シリンダ230の構成も、基本的には図7及び図8で示した2段目シリンダ230と同一である。ただし、図に示すように該2段目シリンダ230の側面に連通孔231が形成されている点が、図7及び図8で示した2段目シリンダ230と異なる。その他、図7及び図8と同一部分について同一符号で示してその具体的説明は省略する。
【0088】
2段目ディスプレーサ260は、2段目シリンダ230の内部に往復動可能に配設されている。この2段目ディスプレーサ260は、円柱状の中実部材で形成されており、図7及び図8に示す2段目ディスプレーサ230と異なり内部に蓄冷材を内蔵していない。また、該2段目ディスプレーサ260の図示上端は1段目ディスプレーサ220の低温端220Lに連結されている。従って、2段目ディスプレーサ260は、1段目ディスプレーサ220に連動して一体に動作する。そして、2段目ディスプレーサ260の図示下端と2段目シリンダ230の図示下端内壁面との間で、2段目膨張空間V2が画成されている。尚、この2段目ディスプレーサ260は、本例では中実部材であるが、作動ガスが内部に流出入しないのであれば、中空状の部材でも構わない。軽量化の面からは、むしろ中空状のものが好ましい。
【0089】
2段目シリンダ230の外周には、2段目蓄冷器270が配設されている。この2段目蓄冷器270は、蓄冷器ケース271と、2段目高温側蓄冷材272aと、2段目低温側蓄冷材272bとを備えて構成されている。蓄冷器ケース271は、2段目シリンダ230の外周を取り巻くようにリング状に形成されている。また、蓄冷器ケース271と2段目シリンダ230との間の空間には、内側中間熱交換器273が配設されており、この内側中間熱交換器273によって、上記空間が2分されている。この2分された空間の内、図示上側の空間には2段目高温側蓄冷材272aが、図示下側の空間には2段目低温側蓄冷材242bが、それぞれ充填されている。また、内側中間熱交換器273には、図に示すように連通路274が形成されており、この連通路274によって、2分された空間、即ち2段目高温側蓄冷材が充填された空間と2段目低温側蓄冷材が充填された空間とが連通可能とされている。
【0090】
蓄冷器ケース271の外周には、図に示すように外側中間熱交換器275が取り付けられている。この外側中間熱交換器275は、内側中間熱交換器274の配設位置に略対面する状態で取り付けられている。
【0091】
2段目蓄冷器270は、低温端270L及び高温端270Hを備える。低温端270Lは、2段目蓄冷器270の図示下方端であり、高温端270Hは2段目蓄冷器270の図示上方端である。高温端270Hは、1段目シリンダ210の図示下端に形成された連通孔213に面しており、1段目膨張空間V1を介して1段目蓄冷器内蔵ディスプレーサ220の低温端220Lと熱的に結合している。一方、低温端270L付近の部分は、図に示すように2段目シリンダ230に形成された連通孔231に連通している。従って、1段目膨張空間V1の作動ガスは、連通孔213を通って2段目高温蓄冷材272aが充填された空間に入り、さらに内側中間熱交換器273の連通路274を通って2段目低温蓄冷材272bが充填された空間に入り、そこから連通孔231を通って2段目膨張空間V2に到達することができる。この場合において、2段目ディスプレーサ260と2段目シリンダ230の内壁との間の隙間にはディスプレーサリング275が取り付けられているので、この、ディスプレーサリング275の存在によって、1段目膨張空間V1の作動ガスが2段目ディスプレーサ260と2段目シリンダ230の内壁との間の隙間を通って2段目膨張空間V2に抜けることができない。従って、1段目膨張空間V1の作動ガスが2段目高温側蓄冷材272a及び2段目低温側蓄冷材272bを経由せずに直接2段目膨張空間V2に抜けることはない。
【0092】
1段目シリンダ210の外周には、該シリンダ210内部の1段目膨張空間V1を覆うように、1段目熱交換器254が取り付けられている。この1段目熱交換器254は、被冷却体と熱接触して該被冷却体を冷却する役割を果たすものであり、本例では約60Kの低温を生成することができる。また、2段目シリンダ230の外周には、該シリンダ230内部の2段目膨張空間V2を覆うように、2段目熱交換器255が取り付けられている。この2段目熱交換器255は、被冷却体と熱接触して該被冷却体を冷却する役割を果たすものであり、本例では約4.2Kの低温を生成することができる。
【0093】
本例は、上記構成で明らかなように、2段目ディスプレーサ260と2段目蓄冷器270とを分離し、分離された2段目蓄冷器270を2段目ディスプレーサ260の外周にリング状に形成し、リング状の2段目蓄冷器270の内部に内側中間熱交換器273を、その外周に外側中間熱交換器275を取り付けた構成であるので、内側中間熱交換器273と外側中間熱交換器275との間の隙間を無くすことができる。このため、上記第2及び第3実施例と比較して、外側中間熱交換器275と内側中間熱交換器273との間の熱伝達が良好となり、外側中間熱交換器275で得られる吸熱量を増加させることができる。
【0094】
以上、本発明の実施例について説明したが、本発明は、上記実施例に限定されるものではない。例えば、上記実施例では、いずれも2段型蓄冷式冷凍機について説明したが、3段型蓄冷式冷凍機の3段目蓄冷器の低温端と高温端との間に中間熱交換器を介在させた構成でも良い。また、1段型の蓄冷式冷凍機であっても、蓄冷器内部で作動ガスの非理想性が顕著に現れる場合には、蓄冷器の低温端と高温端との間に中間熱交換器を介在させた構成でも良い。尚、ヘリウムガスを用いて4K程度の寒冷を得ることを目的とした場合、現段階では1段型蓄冷式冷凍機で4Kを得ることは難しいが、もし可能となった場合には、このような1段型蓄冷式冷凍機の蓄冷器の低温端と高温端との間に中間熱交換器を介在させても、効率的に吸熱を得ることができる。
【0095】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、蓄冷式冷凍機の多段化に伴い発生する不具合、例えば構成の複雑化に起因する設計時間の増大、装置全体が大型化することによるスペース的な問題、コスト的な問題を解消し、効率的に吸熱を得ることができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】低温端温度が60K、高温端温度が300Kの蓄冷器で、中間熱交換器を取り付けていない場合における、低温端での作動ガスのPV図示仕事と低温端熱交換器での吸熱量との関係を示す模式図である。
【図2】低温端温度が4.2K、高温端温度が60Kの蓄冷器で、中間熱交換器を取り付けていない場合における、低温端での作動ガスのPV図示仕事と低温端熱交換器での吸熱量との関係を示す模式図である。
【図3】低温端温度が4.2K、高温端温度が60Kの蓄冷器で、中間熱交換器を取り付けている場合(本発明)における、低温端での作動ガスのPV図示仕事と低温端熱交換器及び中間熱交換器での吸熱量との関係を示す模式図である。
【図4】低温端温度が60K、高温端温度が300Kの蓄冷器で、中間熱交換器を取り付けている場合における、低温端での作動ガスのPV図示仕事と低温端熱交換器及び中間熱交換器での吸熱量との関係を示す模式図である。
【図5】本発明を適用した2段型パルス管冷凍機の1段目蓄冷器と2段目蓄冷器において、各蓄冷器の低温端での作動ガスのPV図示仕事と低温端熱交換器及び中間熱交換器での吸熱量との関係を示す模式図である。
【図6】本発明の第1実施例における、2段型パルス管冷凍機の冷凍発生部分の断面図である。
【図7】本発明の第2実施例における、2段型GM冷凍機の冷凍発生部分の断面図である。
【図8】本発明の第3実施例における、2段型GM冷凍機の冷凍発生部分の断面図である。
【図9】本発明の第4実施例における、2段型GM冷凍機の冷凍発生部分の断面図である。
【符号の説明】
30・・・蓄冷器、 30L・・・低温端、 30H・・・高温端
31L・・・低温端熱交換器、 31L・・・低温端熱交換器
50・・・中間熱交換器
パルス管、 30L・・・パルス管低温端(低温端)、 30H・・・パルス管高温端(高温端)
60・・・2段型パルス管冷凍機(蓄冷式冷凍機)
71・・・1段目蓄冷器、 71L・・・低温端、 71H・・・高温端
72・・・2段目蓄冷器、 72L・・・低温端、 72H・・・高温端
81・・・1段目パルス管、 81L・・・低温端、 81H・・・高温端
82・・・2段目パルス管、 82L・・・低温端、 82H・・・高温端
91・・・1段目熱交換器
92・・・2段目熱交換器
93・・・中間熱交換器
101・・・2段型パルス管冷凍機
110・・・1段目蓄冷器、 110L・・・低温端、 110H・・・高温端
120・・・2段目蓄冷器、 120L・・・低温端、 120H・・・高温端
125、246、273・・・内側中間熱交換器
127、248、275・・・外側中間熱交換器
130・・・1段目パルス管
140・・・2段目パルス管
134、254・・・1段目熱交換器
144、255・・・2段目熱交換器
201、261、301・・・2段型GM冷凍機
220・・・1段目蓄冷器内蔵ディスプレーサ(1段目蓄冷器)、 220L・・・低温端、 220H・・・高温端
240・・・2段目蓄冷器内蔵ディスプレーサ(2段目蓄冷器)、 240L・・・低温端、 240H・・・高温端
270・・・2段目蓄冷器、 270L・・・低温端、 270H・・・高温端
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a regenerative refrigerator.
[0002]
[Prior art]
As a regenerative refrigerator that generates cold by reciprocating a working gas in a regenerator and transporting heat, a pulse tube refrigerator, a GM refrigerator, a Stirling refrigerator, and the like are known. Such a regenerator type refrigerator typically uses a regenerator having a low temperature end and a high temperature end, and pumps heat from the low temperature end side to the high temperature end side when the working gas reciprocates the regenerator, Cold is generated at the cold end of the regenerator. Accordingly, the cold generated at the low temperature end portion of the regenerator is thermally coupled to the cooled object to cool the cooled object.
[0003]
In a normal regenerative refrigerator, if the required coldness is relatively high and one, a single-stage regenerative refrigerator is sufficient, but the required coldness is around the liquid helium temperature range. When there are two or more cooling locations, a two-stage regenerative refrigerator is used. For example, a regenerative refrigerator that is used for a single cooling target that needs to be cooled in a liquid nitrogen temperature range (about 77K) is usually a single-stage refrigerating refrigerator that is obtained at the low temperature end of the regenerator. What is necessary is just to couple | bond the cold of about 77K to the said cooling target object thermally. On the other hand, when a regenerative refrigerator is used for a cooling target that needs to be cooled in the liquid helium temperature range (about 4.2 K), the liquid nitrogen tank or the first first so as to surround the outer periphery of the cooling target. A means for reducing the radiant heat to the cooling target is provided by providing a radiant heat shield plate. Therefore, in order to use the regenerative refrigerator in such a liquid helium temperature range, it is necessary to cool the object to be cooled by about 4K and cool the liquid nitrogen tank or the first radiant heat shield plate by about 77K. is there. In this case, usually a two-stage regenerative refrigerator is used, and the cold of about 77K obtained at the low-temperature end of the first-stage regenerator is thermally coupled to the liquid nitrogen tank or the first radiant heat shield plate, The cold of about 4K obtained at the cold storage cold end is thermally coupled to the object to be cooled.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, conventionally, when there are a plurality of places where refrigeration at different temperature levels is necessary, a multi-stage type regenerative refrigerator having a number of regenerators corresponding to the temperature is stacked. However, as the number of multi-stages increases, the configuration becomes more complicated, time is required for design, the entire apparatus becomes larger, and the space becomes disadvantageous. Furthermore, the increase in the number of stages naturally increases the cost, which is not preferable economically.
[0005]
For example, when a regenerative refrigerator is used for a cooling target that needs to be cooled in the liquid helium temperature range as shown in the above prior art, usually a two-stage regenerative refrigerator is used as described above. The low-temperature end of the second stage regenerator is thermally coupled to the object to be cooled, and the low-temperature end of the second regenerator is thermally coupled to the liquid nitrogen tank or the first radiant heat shield plate. When heat intrusion into the object is significant, a second radiant heat shield plate with a temperature of about 20K is provided between the object to be cooled and the liquid nitrogen tank or the first radiant heat shield plate to completely shut out the radiant heat from the outside. There is a need to. In this case, usually a three-stage regenerative refrigerator is used, and the cold of about 77 K obtained at the low-temperature end of the first-stage regenerator is thermally coupled to the liquid nitrogen tank or the first radiant heat shield plate. The cold of about 20K obtained at the low temperature end of the regenerator at the stage is thermally coupled to the second radiant heat shield plate, and the cold of about 4K obtained at the low end of the regenerator at the third stage is used as the object to be cooled. Thermally bond.
[0006]
However, the three-stage regenerative refrigerator is much more complicated in configuration than the two-stage regenerative refrigerator, and the lead time required for the design is increased. In addition, the three-stage regenerative refrigerator is inevitably large in overall configuration due to the complexity of its configuration, which is disadvantageous in terms of space. Further, the three-stage regenerative refrigerator is disadvantageous in terms of cost as compared with the two-stage regenerative refrigerator.
[0007]
This invention is made | formed in view of the said situation, and makes it a technical subject to eliminate the said malfunction accompanying multi-stage in a cool storage type refrigerator.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
  The present invention made to solve the above technical problem uses a regenerator having a low temperature end and a high temperature end, and heat is transferred from the low temperature end side to the high temperature end side when the working gas reciprocates the regenerator. In the regenerative refrigerator that generates cold by pumping, the regenerator is thermally coupled to a first stage regenerator having a low temperature end and a high temperature end, and a low temperature end and a low temperature end of the first stage regenerator A second-stage regenerator having a high-temperature end, an intermediate heat exchanger interposed between the low-temperature end and the high-temperature end of the second-stage regenerator, and using helium gas as the working gas The regenerative refrigerator is operated so that the temperature at the low temperature end of the second stage regenerator is 2 to 10 K, and the heat loss due to the non-ideality of the helium gas is absorbed from the intermediate heat exchanger. And the intermediate heat exchanger is included in the second stage regenerator. An inner intermediate heat exchanger, and an outer intermediate heat exchanger disposed outside the second-stage regenerator, the inner intermediate heat exchanger and the outer intermediate heat exchanger. And a displacer incorporating the second-stage regenerator and the intermediate heat exchanger, and a second-stage cylinder in which the displacer reciprocates, respectively.WithA gap is formed between a side surface of the displacer and a side inner wall of the second-stage cylinder, and the working gas in the space on the high-temperature end side of the second-stage cold storage material enters the gap, and the gap To the space on the low-temperature end side of the second-stage regenerator material.
[0009]
  According to the present invention, in the regenerator used in the regenerator type refrigerator, when the non-ideality of the working gas at the low temperature end appears remarkably, an intermediate between the low temperature end and the high temperature end of the regenerator is present. A heat exchanger is interposed, and the heat loss due to the non-ideality of the working gas is absorbed from the heat exchanger.
  Therefore, in addition to the low temperature end of the regenerator, heat is also absorbed from the intermediate heat exchanger interposed between the low temperature end and the high temperature end, and the cold generated in this part can be efficiently provided to the object to be cooled. Therefore, it is possible to provide two or more cold take-out portions with one regenerator, and it is possible to cool an object to be cooled having a plurality of refrigerating points without using multiple stages of regenerative refrigerators. For this reason, the said malfunction accompanying multi-stage can be eliminated.
  When the gas can be approximated as an ideal gas, 1−T (∂V / ∂T) P / V = 0 holds from the ideal gas equation of state. On the other hand, when | 1-T (∂V / ∂T) P / V |> 0.01, gas non-ideality appears. This is a state where the virial coefficient is so large that it cannot be ignored when the state equation of the real gas is approximated by, for example, the virial equation. In such a state, that is, when the gas non-ideality appears to be approximately 1% or more, the effect when the present invention is applied is great.
  In addition, the cold storage refrigerator is a two-stage cold storage refrigerator, and an intermediate heat exchanger is interposed between the low temperature end and the high temperature end of the second stage cold storage device. When a two-stage regenerative refrigerator is used, extremely low coldness can be obtained at the low temperature end of the second-stage regenerator. For example, if helium is used as the working gas, it is possible to obtain a chill of about 4K at the low temperature end of the second stage regenerator. In this temperature range, the working gas is significantly non-ideal. Accordingly, an intermediate heat exchanger is interposed between the low-temperature end and the high-temperature end of the second-stage regenerator where the non-ideality of the working gas appears remarkably, and heat is absorbed from the intermediate heat exchanger, so that the two-stage type In the regenerator, there are three cold take-out parts, that is, a cold take-out part at the low temperature end of the first stage regenerator, a cold take out part at the intermediate heat exchanger, and a cold take out at the low temperature end of the second stage regenerator. The part can be obtained efficiently. For this reason, the to-be-cooled body which has three freezing locations can be cooled, without making a cool storage type refrigerator into 3 steps | paragraphs, and the malfunction accompanying 3 steps | paragraphs can be eliminated.
  In addition, if helium gas is used as the working gas and the regenerator is operated so that the temperature at the low temperature end of the second stage regenerator is about 2 to 10 K, the working gas is notable in the second stage regenerator. Showing non-ideality. Therefore, in such a case, if an intermediate heat exchanger is interposed between the low-temperature end and the high-temperature end of the second-stage regenerator, the temperature (for example, 60K) and the low-temperature end of the second-stage regenerator The cold can be efficiently taken out at a temperature in the region between the first temperature (for example, 4K), for example, in a temperature region of about 10-20K.
  Also, the intermediate heat exchanger is divided into an inner intermediate heat exchanger and an outer intermediate heat exchanger, the inner intermediate heat exchanger is disposed inside the second stage regenerator, and the outer intermediate heat exchanger is arranged as the second stage regenerator. It is arranged on the outer periphery of the vessel. Therefore, the cold generated in the second stage regenerator is first transferred to the inner intermediate heat exchanger, and then transferred to the outer intermediate heat exchanger. And a to-be-cooled body is made to contact | abut to this outer side intermediate heat exchanger, and a to-be-cooled body is cooled. In this way, it is possible to easily take out the cold from the middle part of the regenerator.
  Further, the working gas in the space on the high temperature end side of the second-stage regenerator material enters the gap and is introduced from the gap into the space on the low-temperature end side of the second-stage regenerator material. Since the gap is located at the facing portion between the outer intermediate heat exchanger and the inner intermediate heat exchanger, the working gas enters and exits the gap during the operation of the refrigerator, so forced convection occurs in this portion. For this reason, convective heat transfer is promoted, the heat transfer coefficient between the inner intermediate heat exchanger and the outer intermediate heat exchanger is increased, and the refrigeration output (heat absorption amount) in the outer intermediate heat exchanger can be improved. it can.
[0010]
  The present invention also provides:In a regenerative refrigerator that uses a regenerator having a low temperature end and a high temperature end, and generates cold by pumping heat from the low temperature end side to the high temperature end side when the working gas reciprocates through the regenerator, The regenerator has a first stage regenerator having a low temperature end and a high temperature end, and a second stage regenerator having a low temperature end and a high temperature end thermally coupled to the low temperature end of the first stage regenerator, An intermediate heat exchanger is interposed between the low temperature end and the high temperature end of the second stage regenerator, helium gas is used as the working gas, and the temperature at the low temperature end of the second stage regenerator is 2 to 2 The regenerative refrigerator is operated so as to be 10K, the heat loss due to the non-ideality of the helium gas is absorbed from the intermediate heat exchanger, and the intermediate heat exchanger is the second stage regenerator An inner intermediate heat exchanger disposed inside, and the second stage cold storage An outer intermediate heat exchanger disposed on the outer periphery of the outer intermediate heat exchanger, wherein the inner intermediate heat exchanger and the outer intermediate heat exchanger are respectively disposed in a substantially facing positional relationship, and the second stage cold storage A displacer for reciprocating the working gas between the heat exchanger and the intermediate heat exchanger, wherein the second-stage regenerator and the intermediate heat exchanger are provided on an outer periphery of the displacer, and the high-temperature end side of the second-stage regenerator material The working gas in the space is introduced into the space on the low temperature end side of the second-stage cold storage material through the inner intermediate heat exchanger.
[0011]
  According to the present invention, in the regenerator used in the regenerator type refrigerator, when the non-ideality of the working gas at the low temperature end appears remarkably, an intermediate between the low temperature end and the high temperature end of the regenerator is present. A heat exchanger is interposed, and the heat loss due to the non-ideality of the working gas is absorbed from the heat exchanger.
  Therefore, in addition to the low temperature end of the regenerator, heat is also absorbed from the intermediate heat exchanger interposed between the low temperature end and the high temperature end, and the cold generated in this part can be efficiently provided to the object to be cooled. Therefore, it is possible to provide two or more cold take-out portions with one regenerator, and it is possible to cool an object to be cooled having a plurality of refrigerating points without using multiple stages of regenerative refrigerators. For this reason, the said malfunction accompanying multi-stage can be eliminated.
  When the gas can be approximated as an ideal gas, 1−T (∂V / ∂T) P / V = 0 holds from the ideal gas equation of state. On the other hand, when | 1-T (∂V / ∂T) P / V |> 0.01, gas non-ideality appears. This is a state where the virial coefficient is so large that it cannot be ignored when the state equation of the real gas is approximated by, for example, the virial equation. In such a state, that is, when the gas non-ideality appears to be approximately 1% or more, the effect when the present invention is applied is great.
  In addition, the cold storage refrigerator is a two-stage cold storage refrigerator, and an intermediate heat exchanger is interposed between the low temperature end and the high temperature end of the second stage cold storage device. When a two-stage regenerative refrigerator is used, extremely low coldness can be obtained at the low temperature end of the second-stage regenerator. For example, if helium is used as the working gas, it is possible to obtain a chill of about 4K at the low temperature end of the second stage regenerator. In this temperature range, the working gas is significantly non-ideal. Accordingly, an intermediate heat exchanger is interposed between the low-temperature end and the high-temperature end of the second-stage regenerator where the non-ideality of the working gas appears remarkably, and heat is absorbed from the intermediate heat exchanger, so that the two-stage type In the regenerator, there are three cold take-out parts, that is, a cold take-out part at the low temperature end of the first stage regenerator, a cold take out part at the intermediate heat exchanger, and a cold take out at the low temperature end of the second stage regenerator. The part can be obtained efficiently. For this reason, the to-be-cooled body which has three freezing locations can be cooled, without making a cool storage type refrigerator into 3 steps | paragraphs, and the malfunction accompanying 3 steps | paragraphs can be eliminated.
  In addition, if helium gas is used as the working gas and the regenerator is operated so that the temperature at the low temperature end of the second stage regenerator is about 2 to 10 K, the working gas is notable in the second stage regenerator. Showing non-ideality. Therefore, in such a case, if an intermediate heat exchanger is interposed between the low-temperature end and the high-temperature end of the second-stage regenerator, the temperature (for example, 60K) and the low-temperature end of the second-stage regenerator The cold can be efficiently taken out at a temperature in the region between the first temperature (for example, 4K), for example, in a temperature region of about 10-20K.
  Also, the intermediate heat exchanger is divided into an inner intermediate heat exchanger and an outer intermediate heat exchanger, the inner intermediate heat exchanger is disposed inside the second stage regenerator, and the outer intermediate heat exchanger is arranged as the second stage regenerator. It is arranged on the outer periphery of the vessel. Therefore, the cold generated in the second stage regenerator is first transferred to the inner intermediate heat exchanger, and then transferred to the outer intermediate heat exchanger. And a to-be-cooled body is made to contact | abut to this outer side intermediate heat exchanger, and a to-be-cooled body is cooled. In this way, it is possible to easily take out the cold from the middle part of the regenerator.
  In addition, since the gap between the inner intermediate heat exchanger and the outer intermediate heat exchanger can be eliminated, heat transfer between the outer intermediate heat exchanger and the inner intermediate heat exchanger is improved, and the outer intermediate heat exchanger The amount of heat absorbed by the vessel can be increased.
[0020]
  Also,BookThe invention
  in frontThe cooling object of the regenerative refrigerator is a main cooling object that needs to be cooled in the liquid helium temperature range, a second radiant heat shield plate disposed around the main cooling object, and the second radiant heat. A cooling system comprising a liquid nitrogen tank or a first radiant heat shield plate disposed around the shield plate, and the cold generated at the low temperature end of the second stage regenerator is used for cooling the main cooling object. The cold generated at the low temperature end of the first stage regenerator is used for cooling the liquid nitrogen tank or the first radiant heat shield plate, and the cold generated in the intermediate heat exchanger is used for the second radiant heat shield plate. It is characterized by being used for cooling.
[0021]
  BookAccording to the invention, the object to be cooled includes a main cooling object that needs to be cooled in the liquid helium temperature range, a second radiant heat shield plate disposed around the main cooling object, and a second radiant heat shield plate. In the case of a cooling system including a liquid nitrogen tank or a first radiant heat shield plate arranged around the liquid nitrogen tank, the main cooling object is cooled by the cold generated at the low temperature end of the second-stage regenerator. Alternatively, the second radiant heat shield plate is cooled by cold generated at the low temperature end of the first stage regenerator, and the second radiant heat shield plate is cooled by cold generated by the intermediate heat exchanger. For this reason, it becomes possible to cool the cooling system having the three cooling points with a two-stage regenerative refrigerator using the present invention, and a device having this type of cooling system, for example, a superconducting magnet device for MRI. Can be efficiently cooled.
[0022]
The main cooling object is not limited in its purpose and mode as long as it is an object that requires cooling in the liquid helium temperature range. Parts that originally function in the liquid helium temperature range, such as electronic elements, have been used by being immersed in liquid helium in the past. Therefore, in such a case, the main cooling object is liquid helium or a liquid helium tank, and its purpose is to prevent evaporation of liquid helium. However, due to recent advances in refrigeration technology, it has become possible to obtain a predetermined output in the liquid helium temperature range even in the cold generation part of the refrigerator, so the above electronic elements etc. are directly coupled to the refrigerator. (I.e. without using liquid helium). Therefore, in such a case, the main cooling object is the electronic element or the like, and the purpose is cooling the electronic element or the like. As described above, the “main cooling object” in the present specification is appropriately determined depending on the configuration of the cooling system to be applied, regardless of the purpose or mode.
[0023]
  Also,BookThe invention
  in frontThe regenerative refrigerator is a pulse tube refrigerator. By applying the present invention as a pulse tube refrigerator, it is possible to reduce the vibration applied to the object to be cooled, realize maintenance-free operation at a low temperature part, and facilitate the operation of the refrigerator in a magnetic field.
[0024]
  Also,BookThe invention
  in frontThe regenerative refrigerator is a GM refrigerator or a Stirling refrigerator. By applying the present invention as a GM refrigerator or a Stirling refrigerator, high efficiency and high reliability can be ensured.
[0025]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
First, the principle of the present invention will be described.
[0026]
If the working gas used in the regenerator can be approximated as an ideal gas and the regenerator regenerative action is complete, the enthalpy flow from the high temperature end of the regenerator to the low temperature end can be regarded as almost zero, and the low temperature end of the regenerator Thus, almost the same amount of heat (endothermic amount) as the PV illustrated work performed by the working gas is absorbed at the low temperature end. For example, consider the regenerator 10 shown in FIG. In FIG. 1, the regenerator 10 includes a low temperature end 10L and a high temperature end 10H, and a low temperature end heat exchanger 11L and a high temperature end heat exchanger 11H are attached to the respective ends. Further, assuming that the working gas is helium gas, the working gas has a variable pressure range of 0.7 MPa to 2.0 MPa, the temperature at the regenerator low temperature end 10L is 60K, and the temperature at the regenerator high temperature end 10H is 300K, the regenerator 10 The ideality of the working gas is maintained over the entire region from the low temperature end 10L to the high temperature end 10H. In other words, the working gas can be regarded as an ideal gas approximately, 1-T (∂V / ∂T)P/ V = 0 holds. In this case, assuming that the regenerative operation of the regenerator is complete, no enthalpy flow from the high temperature end 10H to the low temperature end 10L of the regenerator 10 occurs, and the amount of heat equal to the PV illustrated work of the working gas at the low temperature end 10L. Is absorbed from the low temperature end heat exchanger 11L attached to the low temperature end 10L. For example, when the PV illustrated work of the working gas at the low temperature end 10L is 40 W, the endothermic amount at the low temperature end heat exchanger 11L is also 40 W.
[0027]
Next, consider the regenerator 20 shown in FIG. In FIG. 2, the basic configuration of the regenerator 20, the type of working gas, and the fluctuating pressure are the same as those of the regenerator 10 of FIG. 1. That is, the regenerator 20 includes a low temperature end 20L and a high temperature end 20H, and a low temperature end heat exchanger 21L and a high temperature end heat exchanger 21H are attached to the respective ends. The working gas is helium, and the working pressure range of the working gas is 0.7 MPa to 2.0 MPa. However, the temperature at the regenerator cold end 20L is 4.2K, and the temperature at the regenerator high temperature end 20H is 60K, which is different from the regenerator 10 of FIG. In this case, the non-ideality of the working gas is prominent in the vicinity of the cold storage cold end 20L, and | 1-T (∂V / ∂T)P/V|>0.01. In such a state, even when the regenerative action of the regenerator 20 is complete, an enthalpy flow from the high temperature end 20H to the low temperature end 20L of the regenerator 20 is generated, and the PV illustrated in FIG. The amount of heat corresponding to the work is not absorbed from the low temperature end heat exchanger 21L. For example, when the PV illustrated work of the working gas at the low temperature end 20L is 10 W, the endothermic amount at the low temperature end 20L is about 2 W. As described above, when the PV illustrated work of the working gas does not coincide with the endothermic amount, and there is a difference, the difference must be compensated for somewhere on the energy balance, but the side surface 20a of the regenerator 20 is adiabatic. When the regenerator 20 is formed of a material or when the regenerator 20 is disposed in an adiabatic environment, the difference (8 W) is the high temperature end heat exchanger 21H attached to the high temperature end 20H of the regenerator 20. Must absorb heat.
[0028]
In contrast, a regenerator 30 according to the present invention is shown in FIG. The regenerator 30 includes a low temperature end 30L and a high temperature end 30H, and a low temperature end heat exchanger 31L and a high temperature end heat exchanger 31H are attached to the respective ends. And the intermediate heat exchanger 50 is interposing between the cool storage low temperature end 30L and the cool storage high temperature end 30H. The type of the working gas, the fluctuating pressure, and the temperature at the end are the same as in the case of the regenerator 20 of FIG. That is, the working gas is helium gas, the fluctuating pressure is 0.7 MPa to 2.0 MPa, the temperature at the regenerator low temperature end 30L is 4.2K, and the temperature at the regenerator high temperature end 30H is 60K. In this case, similarly to the regenerator 20 of FIG. 2, the non-ideality of the working gas appears remarkably in the vicinity of the regenerator low temperature end 30L, and | 1-T (∂V / ∂T)P/V|>0.01. In such a state, even if the regenerative operation of the regenerator 30 is complete, an enthalpy flow from the high temperature end 30H to the low temperature end 30L of the regenerator 30 is generated, and the PV illustrated in FIG. The same amount of heat for work cannot be absorbed from the low temperature end heat exchanger 31L. For example, when the PV illustrated work of the working gas at the low temperature end 30L is 10 W, the endothermic amount at the low temperature end 30L is about 2 W. However, unlike the case of FIG. 2, in the regenerator 30 of FIG. 3, the intermediate heat exchanger 50 is interposed between the low temperature end 30L and the high temperature end 30H. Therefore, a part of the difference (8 W) between the PV illustrated work of the working gas at the low temperature end 30L and the heat absorption amount at the low temperature end heat exchanger 31L is also absorbed by the intermediate heat exchanger 50. How much heat absorption is possible depends on the non-ideal nature of the working gas at that temperature and pressure. Since the intermediate heat exchanger 50 is interposed between the low temperature end and the high temperature end as described above, the temperature is also the temperature at the low temperature end (4.2K) and the temperature at the high temperature end (60K). Between the temperatures. For example, if the temperature of this part is set to a temperature of 10 to 20 K, and the working gas can be regarded as an ideal gas in this temperature range and pressure, a low temperature of 10 to 20 K at the output of 8 W at the part of this heat exchanger. It can be taken out. When the working gas is non-ideal in this temperature range and pressure, it is affected by the non-ideality, so that a low temperature of 10 to 20 K can be taken out with an output of 6 W, for example, in the heat exchanger. .
[0029]
Comparing the regenerator 20 shown in FIG. 2 with the regenerator 30 shown in FIG. 3, the regenerator 20 shown in FIG. 2 has an enthalpy component that cannot absorb heat at the low temperature end 20L due to non-ideality of the working gas. However, the regenerator 30 shown in FIG. 3 has an enthalpy component that cannot absorb heat at the low temperature end 30L due to non-ideality of the working gas. The heat absorption from the intermediate heat exchanger 50 interposed between the high temperature end 30H and the low temperature end 30L can be supplemented. Can be used as
[0030]
On the other hand, consider the regenerator 40 shown in FIG. The regenerator 40 has an intermediate heat exchanger 51 interposed between the low temperature end 40L and the high temperature end 40H in addition to the configuration of the regenerator 10 shown in FIG. Also, the type of working gas, the fluctuating pressure, the temperature at the low temperature end and the high temperature end are the same as in FIG. That is, the type of working gas is helium gas, the fluctuating pressure is 0.7 MPa to 1.0 MPa, the temperature at the low temperature end is 60K, and the temperature at the high temperature end is 300K. In this case, as in the regenerator 10 of FIG. 1, the ideality of the working gas is maintained over the entire region from the low temperature end 40L to the high temperature end 40H, and the working gas can be regarded as an ideal gas approximately. V / ∂T)P/ V = 0 holds. In this case, assuming that the regenerative action of the regenerator 40 is complete, an enthalpy flow from the high temperature end 40H to the low temperature end 40L does not occur, and the amount of heat equivalent to the PV illustrated work of the working gas at the low temperature end 40L is low. Heat should be absorbed from the low temperature end heat exchanger 41L attached to the end 40L. For example, when the PV illustrated work of the working gas at the low temperature end 40L is 40W, the heat absorption amount at the low temperature end heat exchanger 41L should be 40W. However, in the case of FIG. 4, since the intermediate heat exchanger 51 is interposed between the low temperature end 40 </ b> L and the high temperature end 40 </ b> H of the regenerator 40, heat absorption also occurs from this intermediate heat exchanger 51 portion. For example, if the temperature of the intermediate heat exchanger 61 is 100K, an endothermic heat of 10 W occurs in this portion. For this reason, the endothermic amount at the intermediate heat exchanger 51 is subtracted from the endothermic amount at the low temperature end 40L, and the endothermic amount at the low temperature end 40L becomes 30W. Therefore, even if a heat exchanger is interposed between the low temperature end and the high temperature end of the regenerator as long as the ideality of the working gas is maintained, the heat absorption at the low temperature end is reduced.
[0031]
When comparing the regenerator 40 shown in FIG. 4 and the regenerator 30 shown in FIG. 3, the ideality of the working gas at the low temperature end is maintained in the case of FIG. 4, and the non-ideality is noticeable in the case of FIG. It differs in the point that it appears. In this case, in the regenerator 40 of FIG. 4, the heat absorption amount obtained by the intermediate heat exchanger 61 is obtained by separating a part of the heat absorption amount that should originally be obtained by the low temperature end heat exchanger 41L into the intermediate heat exchanger 51. In contrast, in the regenerator 30 of FIG. 3, heat absorption is obtained by the intermediate heat exchanger 50 regardless of the amount of heat absorption obtained by the low-temperature end heat exchanger 31L. That is, even when the intermediate heat exchanger 50 is removed from the regenerator 30 of FIG. 3 or attached as shown in FIG. 3, the amount of heat absorbed by the low temperature end heat exchanger 31L does not change. For this reason, in the regenerator 30 of FIG. 3, it is possible to efficiently obtain heat absorption by the intermediate heat exchanger 50 without affecting the amount of heat absorption obtained by the low temperature end heat exchanger 30L.
[0032]
FIG. 5 shows a two-stage pulse tube refrigerator when the present invention is applied to a second-stage regenerator. In the figure, the two-stage pulse tube refrigerator 60 includes a first-stage regenerator 71, a second-stage regenerator 72, a first-stage pulse tube 81, and a second-stage pulse tube 82. The first stage regenerator 71 includes a high temperature end 71H and a low temperature end 71L, and the second stage regenerator 72 includes a high temperature end 72H and a low temperature end 72L. The first stage pulse tube 81 includes a high temperature end 81H and a low temperature end 81L, and the second stage pulse tube 82 includes a high temperature end 82H and a low temperature end 82L. A high temperature end heat exchanger 71 a is attached to the high temperature end 71 </ b> H of the first stage regenerator 71. The low temperature end 81L of the first stage pulse tube 81 and the low temperature end 71L of the first stage regenerator 71 are in thermal communication, and the low temperature end 82L of the second stage pulse tube 82 and the low temperature end of the second stage regenerator 72 are connected. 72L is in thermal communication. A first stage heat exchanger 91 is attached to the low temperature end 81L of the first stage pulse tube 81, and a second stage heat exchanger 92 is attached to the low temperature end 82L of the second stage pulse tube 82, respectively. Further, an intermediate heat exchanger 93 is interposed between the high temperature end 72H and the low temperature end 72L of the second stage regenerator 72. A pressure vibration generator 94 is provided on the high temperature end 71H side of the first stage regenerator 71, and a first stage phase adjusting mechanism 95 is provided on the high temperature end 81H side of the first stage pulse tube 81. A second-stage phase adjusting mechanism 96 is connected to the high temperature end 82H side of the tube 82, respectively.
[0033]
In the above configuration, the working gas flowing through the inside is helium, the working gas has a variable pressure of 0.7 MPa to 2.0 MPa, the temperature at the high temperature end heat exchanger 71a is 300K, and the temperature at the first stage heat exchanger 91 is 60K. The two-stage pulse tube refrigerator 60 is operated so that the temperature in the second-stage heat exchanger 92 is 4.2K. In this case, the working gas inside the first-stage regenerator 71 can be approximated by an ideal gas, but the non-ideality of the working gas appears remarkably at the low temperature end portion of the second-stage regenerator 72. Cannot be approximated.
[0034]
In the above case, for example, if the input work input from the pressure vibration generator 94 is 600 W, the high-temperature end heat exchanger 71a dissipates 600 W of heat, and the regeneration operation of the first-stage regenerator 71 is complete, the low-temperature end The PV illustrated work of the working gas at 71L is 120W. Of the 120 W illustrated work, 100 W is branched into input work to the second-stage regenerator 72 and 20 W is branched into illustrated work on the first-stage pulse tube 81 side. This indicates that the work taken out from the first-stage regenerator 71 is 20 W. In the first stage regenerator 71, the working gas can be regarded as an ideal gas, so 1-T (∂V / ∂T)P/ V = 0 holds. In this case, since the regeneration action of the first-stage regenerator 71 is complete, an enthalpy flow from the high-temperature end 71H to the low-temperature end 71L of the first-stage regenerator 71 does not occur, and the first-stage regenerator 71 externally The same amount of heat (20 W) as the PV illustrated work taken out is absorbed from the first stage heat exchanger 91. For this reason, the first stage heat exchanger 91 can obtain 20 W of heat absorption.
[0035]
The second stage regenerator 72 is supplied with 100 W of the working gas PV illustrated work (120 W) at the low temperature end 71L of the first stage regenerator 71 that has not been taken out to the outside. Assume that the PV illustrated work of the working gas at the cold end 72L of the vessel 72 is 7W. At the low temperature end 72L of the second stage regenerator 72, the non-ideality of the working gas appears remarkably, so the working gas cannot be approximated to an ideal gas, so | 1-T (∂V / ∂T)P/V|>0.01. In such a state, even if the regeneration operation of the second-stage regenerator 72 is complete, an enthalpy flow from the high-temperature end 72H to the low-temperature end 72L of the second-stage regenerator 72 occurs, and the low-temperature end 72L The same amount of heat as the PV illustrated work performed by the working gas cannot be absorbed from the second stage heat exchanger 92. For example, when the PV illustrated work of the working gas at the low temperature end 72L is 7 W, the heat absorption amount in the second stage heat exchanger 92 is about 2 W. However, the intermediate heat exchanger 93 is interposed between the low temperature end 72L and the high temperature end 72H of the second stage regenerator 72. Therefore, all or part of the difference (5 W) between the PV illustrated work (7 W) of the working gas at the low temperature end 72L of the second stage regenerator 72 and the heat absorption amount (2 W) in the second stage heat exchanger 92 is The intermediate heat exchanger 93 absorbs heat. Since the intermediate heat exchanger 93 is interposed between the low temperature end 72L and the high temperature end 72H of the second-stage regenerator 72 as described above, the temperature thereof is also the temperature at the low temperature end 72L (4.2K). It is a temperature between the temperature at the high temperature end 72H (60K). For example, when the temperature of this part is set to a temperature of 10 to 20 K, and the working gas can be approximated to an ideal gas by the temperature range and pressure of this part, the low temperature of 10 to 20 K is efficient at the output of 5 W in the part of the intermediate heat exchanger 93. Can be taken out.
[0036]
A two-stage regenerative refrigerator having a two-stage regenerator as described above is, for example, a liquid helium bath in which an object to be cooled, for example, an electronic element, which needs to be cooled in a liquid helium temperature range, It can be used for cooling an electronic device or the like immersed in a liquid helium tank (hereinafter, a cooling object that needs to be cooled in the liquid helium temperature range is called a main cooling object in this paragraph). In addition, in order to prevent heat penetration due to external heat radiation to the main cooling object, a liquid nitrogen tank or a first radiant heat shield plate is provided around the main cooling object to shield external heat intrusion. Yes. However, in order to prevent heat penetration even more reliably, a second radiant heat shield plate may be provided between the main cooling object and the liquid nitrogen tank or the first radiant heat shield plate. In this case, the temperature required for cooling the main cooling object is 4.2K, the temperature required for cooling the liquid nitrogen tank or the first radiant heat shield plate is 60K, and the second radiant heat shield plate is cooled. The required temperature is 10-20K. Therefore, in order to cool such a cooling system, the second stage heat exchanger is used for cooling the main cooling object, and the first stage heat exchanger is used for cooling the liquid nitrogen tank or the first radiant heat shield plate. Then, an intermediate heat exchanger is used for cooling the second radiant heat shield plate. Thereby, it becomes possible to cool the cooling system which needs cooling of three places with a two-stage regenerative refrigerator.
[0037]
The intermediate heat exchanger as described above may be in any position as long as it is between the low temperature end and the high temperature end of the regenerator. By appropriately changing the mounting location of the heat exchanger according to the required temperature range, it is possible to provide a cooling system that meets the required specifications.
[0038]
Further, two or more intermediate heat exchangers as described above may be attached at different positions with respect to one regenerator. A cooling system that meets the required specifications can be provided by appropriately changing the number of installed heat exchangers according to the required temperature range and the number of cooling points.
[0039]
In addition, the regenerator in which the intermediate heat exchanger is interposed only needs to perform the function as a regenerator, and the regenerator may be combined with other components. For example, a piston with a regenerator or a displacer with a built-in regenerator in which a regenerator material is contained in a piston or a displacer has been proposed. Can be thought of as In this case, the high temperature end of the regenerator corresponds to the high temperature end of the regenerator built-in piston or the regenerator built-in displacer, and the low temperature end of the regenerator corresponds to the low temperature end of the regenerator built-in piston or the regenerator built-in displacer. .
[0040]
【Example】
(First embodiment)
FIG. 6 is a cross-sectional view showing a refrigeration generating portion of a two-stage pulse tube refrigerator. In the figure, a refrigeration generating portion 101 of a two-stage pulse tube refrigerator includes a first-stage regenerator 110, a second-stage regenerator 120, a first-stage pulse tube 130, and a second-stage pulse tube 140.
[0041]
The first-stage regenerator 110 includes a first-stage regenerator casing 111 having a space inside, and a first-stage regenerator material 112 filled in the internal space of the first-stage regenerator casing 111. Yes. In this example, a laminated body of copper mesh is used as the first-stage cold storage material 112. The first-stage regenerator 110 includes a low temperature end 110L and a high temperature end 110H. The low temperature end 110L is the lower end of the first stage regenerator 110 in the figure, and the high temperature end 110H is the upper end of the first stage regenerator 110 in the figure. A first passage 113 is formed on the high temperature end 110H side as shown in the figure. One end of the first passage 113 communicates with the upper end portion of the first-stage regenerator material 112 shown in the figure, and the other end opens at the end surface portion of the high temperature end 110H. This opening portion communicates with a pressure vibration generator (not shown). A second passage 114 is also formed on the low temperature end 110L side as shown in the figure. One end of the second passage 114 communicates with the illustrated lower end portion of the first-stage regenerator material 112, and the other end opens to the end surface portion of the low temperature end 110L.
[0042]
The second-stage regenerator 120 includes a second-stage regenerator casing 121 having a space inside. An inner intermediate heat exchanger 125 is attached to the inner space of the second-stage regenerator casing 121, and the inner space of the second-stage regenerator casing 121 is divided into two by the inner intermediate heat exchanger 125. Yes. Of the bisected internal space, the upper space in the drawing is filled with the second-stage high-temperature side cold storage material 122a, and the lower space in the drawing is filled with the second-stage low-temperature side cold storage material 122b. In this example, lead grains are used as the second stage high temperature side cold storage material 122a, and Er is used as the second stage low temperature side cold storage material 122b.3Ni grains are used. Further, as shown in the figure, a communication passage 126 is formed in the inner intermediate heat exchanger 125, and the communication space 126 allows communication of the divided internal space in the second-stage regenerator casing 121. Has been.
[0043]
An outer intermediate heat exchanger 127 is attached to the outer periphery of the second-stage regenerator casing 121 as shown in the figure. The outer intermediate heat exchanger 127 is attached so as to face the position where the inner intermediate heat exchanger 125 is disposed.
[0044]
The second-stage regenerator 120 includes a low temperature end 120L and a high temperature end 120H. The low temperature end 120 </ b> L is the lower end of the second stage regenerator 120, and the high temperature end 120 </ b> H is the upper end of the second stage regenerator 120. A third passage 123 is formed on the high temperature end 120H side as shown in the figure. One end of the third passage 123 communicates with the illustrated upper end portion of the second-stage high-temperature side cold storage material 122a, and the other end opens at the end surface portion of the high-temperature end 120H. A fourth passage 124 is also formed on the low temperature end 120L side as shown in the figure. One end of the fourth passage 124 communicates with the lower end portion of the second-stage low-temperature side regenerator material 122b, and the other end opens on the side surface of the second-stage regenerator 120 on the low-temperature end 120L side.
[0045]
As shown in the drawing, the opening portion of the second passage 114 formed on the low temperature end 110L side of the first stage regenerator 110 and the third passage 123 formed on the high temperature end 120H side of the second stage regenerator 120 are shown. Both regenerators 110 and 120 are disposed so as to face each other with the opening. Therefore, the high-temperature end 120H of the second-stage regenerator 120 is thermally coupled to the low-temperature end 110L of the first-stage regenerator 110, and the internal space of the first-stage regenerator casing 111 and the second-stage regenerator The internal space of the vessel casing 121 can communicate with the third passage 114 and the fourth passage 123.
[0046]
The third passage 123 formed at the high temperature end 120H of the second stage regenerator 120 is connected to the branch passage 128 from the middle thereof. This branch passage 128 opens on the side surface of the second stage regenerator 120 on the high temperature end 120H side.
[0047]
The first stage pulse tube 130 is a hollow cylindrical tube formed of stainless steel or the like. The first stage pulse tube 130 includes a low temperature end 130L and a high temperature end 130H. The low temperature end 130L is the lower end of the first stage pulse tube 130 in the figure, and the high temperature end 130H is the upper end of the first stage pulse tube 130 in the figure. As shown in the figure, rectifying plates 131 and 131 are attached to both ends 130L and 130H, and the rectifying plates 131 and 131 rectify the working gas flowing into the first-stage pulse tube 130.
[0048]
A first high temperature side heat exchanger 132 is attached to the first stage pulse tube 130 so as to cover the high temperature end 130H. The first high temperature end heat exchanger 132 plays a role of cooling the portion of the high temperature end 130H of the first stage pulse tube 130 by making thermal contact with the outside air or exchanging heat with the cooling water. A fifth passage 133 is formed in the first high temperature heat exchanger 132. One end of the fifth passage 133 communicates with the high temperature end 130H of the first-stage pulse tube 130, and the other end opens at the end surface portion of the first high temperature heat exchanger 132 as shown in the figure. This opening portion communicates with a phase adjusting mechanism (not shown).
[0049]
A first-stage heat exchanger 134 is attached to the low-temperature end 130L side of the first-stage pulse tube 130 so as to cover the low-temperature end 130L. The first stage heat exchanger 134 plays a role of cooling the object to be cooled by being in thermal contact with the object to be cooled, and can generate a low temperature of about 60K in this example. In the first stage heat exchanger 134, as shown in the figure, a sixth passage 135 is formed. One end of the sixth passage 135 communicates with the low temperature end 130 </ b> L of the first stage pulse tube 130, and the other end opens on the side surface of the first stage heat exchanger 134.
[0050]
The sixth passage 135 opened on the side surface of the first stage heat exchanger 134 and the branch passage 128 opened on the side surface on the high temperature end 120H side of the second stage regenerator 120 are connected by a communication pipe 136. Therefore, the working gas in the first-stage regenerator 110 can communicate with the first-stage pulse tube 130 through the second passage 114, the third passage 123, the branch passage 128, the communication pipe 136, and the sixth passage 135. It is said that.
[0051]
Like the first-stage pulse tube 130, the second-stage pulse tube 140 is a hollow cylindrical tube formed of stainless steel or the like. The second stage pulse tube 140 includes a low temperature end 140L and a high temperature end 140H. The low temperature end 140L is the lower end of the second stage pulse tube 140 in the figure, and the high temperature end 140H is the upper end of the second stage pulse tube 140 in the figure. As shown in the drawing, rectifying plates 141 and 141 are attached to both ends 140L and 140H, and the working gas flowing into the second-stage pulse tube 140 is rectified by these rectifying plates 141 and 141.
[0052]
A second high temperature side heat exchanger 142 is attached to the second stage pulse tube 140 so as to cover the high temperature end 140H. The second high-temperature end heat exchanger 142 plays a role of cooling the portion of the high-temperature end 140H of the second-stage pulse tube 140 by making thermal contact with outside air or exchanging heat with cooling water. A seventh passage 143 is formed inside the second high-temperature heat exchanger 142. One end of the seventh passage 143 communicates with the high temperature end 140H of the second stage pulse tube 140, and the other end opens to the end surface portion of the second high temperature heat exchanger 142 as shown in the figure. This opening portion communicates with a phase adjusting mechanism (not shown).
[0053]
A second-stage heat exchanger 144 is attached to the low-temperature end 140L side of the second-stage pulse tube 140 so as to cover the low-temperature end 140L. The second-stage heat exchanger 144 plays a role in cooling the object to be cooled by being in thermal contact with the object to be cooled, and can generate a low temperature of about 4.2 K in this example. As shown in the drawing, an eighth passage 145 is formed in the second stage heat exchanger 144. One end of the eighth passage 145 communicates with the low temperature end 140L of the second stage pulse tube 140, and the other end opens to the side surface of the second stage heat exchanger 144.
[0054]
The eighth passage 145 opened on the side surface of the second stage heat exchanger 144 and the fourth passage 124 opened on the side surface on the low temperature end 120L side of the second stage regenerator 120 are connected by a communication pipe 146. Therefore, the working gas in the second-stage regenerator 120 can communicate with the second-stage pulse tube 140 through the fourth passage 124, the communication pipe 146, and the eighth passage 145.
[0055]
In the two-stage pulse tube refrigerator having the refrigeration generating portion 101 having the above configuration, helium gas is used as the working gas, and a pressure vibration generator (not shown) is driven. Then, in this pressure vibration generator, low pressure and high pressure are alternately generated to cause pressure vibration. Since the pressure vibration generator communicates with the first passage 113 as described above, this pressure vibration is The generated portion 101 is transmitted. Further, along with such pressure vibration, the working gas reciprocates inside the refrigeration generating portion 101. At this time, a phase difference is generated between the displacement of the working gas in the first-stage pulse tube 130 and the second-stage pulse tube 140 and the pressure fluctuation by a phase adjusting mechanism (not shown). By setting this phase difference to about 90 ° at the low temperature ends 130L and 140L of the pulse tubes 130 and 140, the working gas adiabatically expands at the low temperature ends 130L and 140L of the pulse tubes 130 and 140, thereby Is generated. Due to this pressure fluctuation and displacement, heat is pumped up from the low temperature ends 110L, 120L of the regenerators 110, 120 toward the high temperature ends 110H, 120H. For this reason, cold is generated at the low temperature ends 130L and 140L of the pulse tubes 130 and 140, respectively. This cold is transmitted to the first stage heat exchanger 134 and the second stage heat exchanger 144 to cool the object to be cooled which is thermally coupled to the heat exchangers 134 and 144.
[0056]
In the first stage heat exchanger 134, a chill of about 60K is obtained. Further, in the second stage heat exchanger 144, a cooling of about 4.2K is obtained. In this case, the temperature range of the working gas in the first stage regenerator 110 is about 300 K (normal temperature) to 60 K, and the ideality of the working gas is maintained within this temperature range. In other words, the working gas can be regarded as an ideal gas approximately, 1-T (∂V / ∂T)P/ V = 0 holds. Therefore, if the enthalpy flow from the high temperature end 110H of the first stage regenerator 110 to the low temperature end 110L does not occur and the regeneration action of the first stage regenerator 110 is complete, the first stage branched from the low temperature end 110L. The same amount of heat as the PV illustrated work of the working gas to the low temperature end 130L of the pulse tube 130 is absorbed by the first stage heat exchanger 134 attached to the low temperature end 130L of the first stage pulse tube 130. For example, when the PV illustrated work of the working gas branched from the low temperature end 110L of the first stage regenerator 110 to the first stage pulse tube 130 is 20 W, the heat absorption amount in the first stage heat exchanger 134 is also 20 W. Therefore, the first stage heat exchanger 134 can obtain a refrigeration output of 60K and 20W.
[0057]
On the other hand, the temperature at the low temperature end 120L of the second stage regenerator 120 is 4.2K, and the temperature at the high temperature end 120H is about 60K. In this case, the non-ideality of the working gas is prominent in the vicinity of the low temperature end 120L, and | 1-T (∂V / ∂T)P/V|>0.01. In such a state, even if the regeneration action of the second-stage regenerator 120 is complete, an enthalpy flow from the high-temperature end 120H to the low-temperature end 120L of the second-stage regenerator 120 is generated. The same amount of heat as the PV illustrated work performed by the working gas cannot be absorbed from the second stage heat exchanger 144. For example, when the PV illustrated work of the working gas at the low temperature end 120L is 7 W, the heat absorption amount in the second stage heat exchanger 144 is about 2 W. Therefore, the second stage heat exchanger 144 can obtain a refrigeration output of 4.2K and 2W.
[0058]
In this case, the endothermic heat can also be obtained by the outer intermediate heat exchanger 127 and the inner intermediate heat exchanger 125 interposed between the low temperature end 120L and the high temperature end 120H. The endothermic amount is influenced by the non-ideality of the working gas in that part, but if the working gas in this part can be approximated as an ideal gas, an endotherm of 5 W can be expected. Therefore, when the temperature in the heat exchangers 125 and 127 is 20K and the working gas is ideal, a refrigeration output of 20K and 5W can be obtained in this portion.
[0059]
(Second embodiment)
FIG. 7 is a cross-sectional view showing a refrigeration generating portion of the two-stage GM refrigerator. In the figure, the refrigeration generating part 201 of the two-stage GM refrigerator includes a first-stage cylinder 210, a first-stage regenerator built-in displacer 220, a second-stage cylinder 230, and a second-stage regenerator built-in displacer 240.
[0060]
The first-stage cylinder 210 is formed in a cylindrical shape, and a communication hole 211 for introducing and discharging working gas and an insertion hole 212 for inserting a rod are formed on the upper end surface in the figure. The communication hole 211 communicates with a pressure vibration generator (not shown). A rod described below is inserted through the insertion hole 212.
[0061]
The first-stage regenerator built-in displacer 220 is disposed inside the first-stage cylinder 210 so as to reciprocate. The first-stage regenerator built-in displacer 220 includes a first-stage displacer case 221 having an internal space and a first-stage regenerator material 222 filled in the internal space of the first-stage displacer case 221. Yes. The material of the first-stage regenerator material 222 is the same as that in the first embodiment.
[0062]
The first-stage regenerator built-in displacer 220 includes a low temperature end 220L and a high temperature end 220H. The low temperature end 220L is a lower end of the first stage displacer 220 in the figure, and the high temperature end 220H is an upper end of the first stage displacer 220 in the figure. As shown in the figure, a back space S is formed between the high-temperature end 220H of the first-stage regenerator built-in displacer 220 and the illustrated upper inner wall of the first-stage cylinder 210, and the low-temperature of the first-stage regenerator built-in displacer 220 is low. A first-stage expansion space V <b> 1 is formed between the end 220 </ b> L and the illustrated lower inner wall of the first-stage cylinder 210.
[0063]
One end of a rod 229 is connected to the high temperature end 220H of the first stage regenerator built-in displacer 220. The rod 229 protrudes from the high temperature end 220H of the first stage displacer 220 through the insertion hole 212 formed in the first stage displacer case 221. The other end of the rod 229 is connected to a reciprocating drive means (not shown).
[0064]
As shown in the figure, a first communication path 223 is formed on the high temperature end 220H side of the first-stage regenerator built-in displacer 220. One end of the first communication path 223 communicates with the upper end portion of the first-stage regenerator material 222 and the other end opens at the end surface portion of the high temperature end 220H and communicates with the back space S. On the other hand, a second communication path 224 is formed on the low temperature end 220L side. One end of the second communication path 224 communicates with the lower end edge portion of the first-stage regenerator material 222 and the other end opens to the side surface of the first-stage displacer case 221 to enter the first-stage expansion space V1. Communicate. A displacer ring 225 is attached to the outer periphery of the first stage displacer case 221. The displacer ring 225 is for filling a gap between the first-stage displacer case 221 and the inner wall of the first-stage cylinder 210 and preventing the working gas from flowing through the gap. It is attached to the position which shields the direct communication with the opening part of this, and the opening part of the 2nd communicating path 224. Accordingly, the working gas introduced into the back space V1 from the communication hole 211 enters the space filled with the first stage regenerator material 222 from the high temperature end 220H side of the first stage regenerator built-in displacer 220 through the first communication path 223. Enter and pass through the second communication passage 224 to reach the first-stage expansion space V2. At this time, due to the presence of the displacer ring 225, the working gas in the back space V1 cannot escape to the first-stage expansion space V2 through the gap between the first-stage displacer case 221 and the inner wall of the first-stage cylinder 210. Therefore, the working gas in the back space V1 does not escape directly to the first stage expansion space V2 without passing through the first stage regenerator material 222.
[0065]
The illustrated lower end portion of the first-stage cylinder 210 is opened in a circular shape. The upper end opening of the second stage cylinder 230 is connected to the opening edge.
[0066]
The second-stage cylinder 230 is formed in a cylindrical shape having a smaller diameter than the first-stage cylinder 210. The upper end surface of the second-stage cylinder 230 is opened and connected to the lower end opening edge of the first-stage cylinder 210 as described above. Yes. Moreover, the lower end surface shown in the figure is closed.
[0067]
The second-stage regenerator built-in displacer 240 is disposed inside the second-stage cylinder 230 so as to be able to reciprocate. The second-stage displacer 240 includes a second-stage displacer case 241 having a space inside. An inner intermediate heat exchanger 246 is attached to the inner space of the second stage displacer case 241, and the inner space of the second stage displacer case 241 is divided into two by this inner intermediate heat exchanger 246. Of the bisected internal space, the upper space in the drawing is filled with the second-stage high-temperature side cold storage material 242a, and the lower space in the drawing is filled with the second-stage low-temperature side cold storage material 242b. These regenerator materials are the same as in the first embodiment. Further, the inner intermediate heat exchanger 246 is formed with a communication path 247 as shown in the figure, and the communication path 247 enables communication between the divided internal space in the second-stage displacer case 241. ing.
[0068]
An outer intermediate heat exchanger 248 is attached to the outer periphery of the second stage cylinder 230 as shown in the figure. The outer intermediate heat exchanger 248 is attached so as to substantially face the position where the inner intermediate heat exchanger 247 is disposed.
[0069]
The second-stage regenerator built-in displacer 240 includes a low temperature end 240L and a high temperature end 240H. The low temperature end 240 </ b> L is the lower end of the second stage regenerator built-in displacer 240 and the high temperature end 240 </ b> H is the upper end of the second stage displacer 240. The high-temperature end 240H side portion of the second-stage regenerator built-in displacer 240 is fitted into the low-temperature end 220L side portion of the first-stage displacer 220, whereby the high-temperature end 240H and the low-temperature end 220L are thermally connected. In addition, both displacers 220 and 240 are made to operate as a unit. A second-stage expansion space V <b> 2 is formed between the low-temperature end 240 </ b> L of the second-stage regenerator built-in displacer 240 and the illustrated lower wall of the second-stage cylinder 230.
[0070]
As shown in the drawing, a third communication path 243 is formed on the high temperature end 240H side. One end of the third communication path 243 communicates with the upper end portion of the second-stage high-temperature regenerator material 242a shown in the figure, and the other end opens to the side surface portion of the second-stage displacer case 221 to open the first-stage expansion space V2. Communicating with On the other hand, a fourth communication passage 244 is formed on the low temperature end 240L side. One end of the fourth communication path 244 communicates with the lower end portion of the second-stage low-temperature regenerator material 242b, and the other end opens to the side surface of the second-stage displacer case 241 to enter the second-stage expansion space V3. Communicate. A displacer ring 245 is attached to the outer periphery of the second-stage displacer case 241. The displacer ring 245 fills the gap between the second-stage displacer case 241 and the inner wall of the second-stage cylinder 230 and prevents the working gas from flowing through the gap. Are attached to a position between the opening portion of the fourth communication path 244 and the opening portion of the fourth communication passage 244. Accordingly, the working gas in the first-stage expansion space V2 enters the space filled with the second-stage high-temperature regenerator material 242a via the third communication path 243, and further passes through the communication path 247 of the inner intermediate heat exchanger 246 to 2 It enters the space filled with the stage low-temperature regenerator material 242b, and reaches the second stage expansion space V3 through the fourth communication passage 244 therefrom. At this time, due to the presence of the displacer ring 245, the working gas in the first stage expansion space V2 passes through the gap between the second stage displacer case 241 and the inner wall of the second stage cylinder 230 and escapes to the second stage expansion space V3. Therefore, the working gas in the first stage expansion space V2 does not go directly to the second stage expansion space V3 without passing through the second stage high temperature side cold storage material 242a and the second stage low temperature side cold storage material 242b.
[0071]
A first stage heat exchanger 254 is attached to the outer periphery of the first stage cylinder 210 so as to cover the first stage expansion space V <b> 2 inside the cylinder 210. The first-stage heat exchanger 254 plays a role of cooling the object to be cooled by being in thermal contact with the object to be cooled, and can generate a low temperature of about 60K in this example. A second-stage heat exchanger 255 is attached to the outer periphery of the second-stage cylinder 230 so as to cover the second-stage expansion space V3 inside the cylinder 230. The second stage heat exchanger 255 plays a role of cooling the object to be cooled by being in thermal contact with the object to be cooled, and can generate a low temperature of about 4.2K in this example.
[0072]
In the two-stage GM refrigerator having the refrigeration generating portion 201 having the above configuration, helium gas is used as the working gas, and a pressure vibration generator (not shown) is driven. Then, in this pressure vibration generator, low pressure and high pressure are alternately generated to cause pressure vibration. However, since the pressure vibration generator communicates with the communication hole 211 as described above, this pressure vibration is generated by freezing. Transmitted to portion 201. Along with the driving of the pressure vibration generator, a reciprocating driving means (not shown) is also driven. Then, the driving force from the reciprocating driving means is transmitted to the rod 229, and the first-stage regenerator built-in displacer 220 connected to the rod 229 and the second-stage regenerator connected to the first-stage regenerator built-in displacer 220. The built-in displacer 240 reciprocates in the first-stage cylinder 210 and the second-stage cylinder 230 in the direction indicated by the arrows. At this time, by operating the pressure oscillation of the working gas and the reciprocating driving of both displacers 220 and 240 so as to have a phase difference of 90 °, the working gas is adiabatically expanded in each of the expansion spaces V2 and V3, thereby And the heat is pumped from the low temperature ends 220L and 240L of the displacers 220 and 240 toward the high temperature ends 220H and 240H. Therefore, the first-stage heat exchanger 254 and the second-stage heat exchanger 255 attached so as to cover the expansion spaces V2 and V3 are cooled, and the heat exchangers 254 and 255 are thermally coupled to the heat exchangers 254 and 255. Cool the cooling body.
[0073]
In the first stage heat exchanger 254, a chill of about 60K is obtained. Further, in the second stage heat exchanger 255, a cooling of about 4.2K is obtained. In this case, the temperature range of the working gas in the first-stage regenerator built-in displacer 220 is about 300 K (normal temperature) to 60 K, and the ideality of the working gas is maintained within this temperature range. In other words, the working gas can be regarded as an ideal gas approximately, 1-T (∂V / ∂T)P/ V = 0 holds. Therefore, if the regenerator regeneration action of the first-stage regenerator built-in displacer 220 is complete, the enthalpy flow from the high-temperature end 220H to the low-temperature end 220L of the first-stage regenerator built-in displacer 220 does not occur. The same amount of heat as the PV illustrated work of the working gas in the expansion space V2 is absorbed by the first stage heat exchanger 254. For example, when the PV illustrated work of the working gas in the first stage expansion space V2 is 20 W, the heat absorption amount in the first stage heat exchanger 254 is also 20 W. Therefore, the first-stage heat exchanger 254 can obtain a refrigeration output of 60K and 20W.
[0074]
On the other hand, the temperature range of the working gas in the second-stage regenerator built-in displacer 240 is 60K on the high temperature end 240H side and 4.2K on the low temperature end 240L side. In this case, the working gas significantly exhibits non-ideality on the low temperature end 240L side, and | 1-T (∂V / ∂T)P/V|>0.01. In such a state, an enthalpy flow from the high-temperature end 240H of the second-stage regenerator built-in displacer 240 to the low-temperature end 240L occurs, and the regenerator regeneration operation of the second-stage regenerator built-in displacer 240 is complete. However, the second stage heat exchanger 255 cannot absorb the same amount of heat as the PV illustrated work performed by the working gas in the second stage expansion space V3. For example, when the PV illustrated work of the working gas in the second stage expansion space V3 is 7 W, the heat absorption amount in the second stage heat exchanger 255 is about 2 W. Therefore, in the second stage heat exchanger 255, 4.2K, 2W refrigeration output can be obtained.
[0075]
In this case, heat absorption is also obtained in the outer intermediate heat exchanger 248 and the inner intermediate heat exchanger 246 interposed between the low-temperature end 240L and the high-temperature end 240H of the second-stage regenerator built-in displacer 240. The endothermic amount is influenced by the non-ideality of the working gas in that part, but if the working gas in this part can be approximated as an ideal gas, an endotherm of 5 W can be expected. Therefore, if the temperature in the heat exchangers 246 and 248 is 20K and the working gas is ideal, a refrigeration output of 20K and 5W can be obtained in this portion.
[0076]
The two-stage GM refrigerator as described above has fewer components than the two-stage pulse tube refrigerator shown in the first embodiment. For example, the pulse tube shown in the first embodiment and the connection piping for connecting it are not required. Therefore, the present invention can be realized with a simple configuration, and a highly efficient and reliable refrigerator can be provided.
[0077]
(Third embodiment)
In the two-stage GM refrigerator shown in the second embodiment, the above-mentioned output can be obtained in theory, but actually, it is more than the two-stage pulse tube refrigerator shown in the first embodiment. Refrigeration output is inferior. As is apparent from FIG. 7, the reason is that between the inner intermediate heat exchanger 246 and the outer intermediate heat exchanger 248, the side surface of the displacer 240 with the second-stage regenerator and the inner peripheral wall on the second-stage cylinder side are provided. Since there is a gap (gap) L between them, and heat transfer through the gas layer in the gap L is poor, the cold obtained by the inner intermediate heat exchanger 246 is reliably transmitted to the outer intermediate heat exchanger 248. This is because the desired refrigeration output cannot be taken out.
[0078]
This example shows such a two-stage GM refrigerator with improved defects.
[0079]
FIG. 8: is sectional drawing of the freezing generation | occurrence | production part of the two-stage GM refrigerator concerning 3rd Example. The refrigeration generating portion 261 is basically the same as the refrigeration generating portion 201 shown in FIG. 7, and the only difference is the portion of the displacer with a built-in second-stage regenerator. The following description will focus on the different parts, and the same parts will be denoted by the same reference numerals as those shown in FIG.
[0080]
In FIG. 8, two displacer rings, a first displacer ring 245a and a second displacer ring 245b, are attached to the outer periphery of the displacer 240 with a built-in second-stage regenerator. For this reason, in the gap L between the side surface of the second-stage regenerator built-in displacer 240 and the inner peripheral wall of the second-stage cylinder 230, the portion sandwiched between the displacer rings 245a and 245b is defined as a sealed space K. Yes.
[0081]
The space filled with the second-stage high-temperature side cold storage material 242a in the second-stage regenerator built-in displacer 240 communicates with the sealed space K through the third communication path 247a. A second communication path 247b is formed in the inner intermediate heat exchanger 246. One end of the second communication path 247b communicates with the upper end of the second-stage low-temperature regenerator material 242b, and the other end of the second communication path 247b. The second-stage displacer case 241 opens to the side surface and communicates with the sealed space K. Accordingly, the working gas in the space filled with the second-stage high-temperature side cold storage material 242a enters the sealed space K through the first communication path 247a and passes through the second communication path 247b from the sealed space K. It will be introduced into the space filled with the second stage low temperature side cold storage material 242b.
[0082]
Therefore, when the area of the sealed space K is designed to be located at the facing portion between the outer intermediate heat exchanger 248 and the inner intermediate heat exchanger 246, the working gas enters and exits the sealed space K during the operation of the refrigerator. Therefore, forced convection occurs in this part. For this reason, convective heat transfer is promoted, the heat transfer coefficient between the inner intermediate heat exchanger 246 and the outer intermediate heat exchanger 248 is increased, and the refrigeration output (heat absorption amount) in the outer intermediate heat exchanger 248 is improved. Can be made.
[0083]
(Fourth embodiment)
FIG. 9: is sectional drawing which shows the freezing generation | occurrence | production part of the two-stage type GM refrigerator concerning 4th Example of this invention. This example is a configuration that prevents a decrease in heat transfer due to the presence of a gap between the side surface of the displacer and the inner peripheral wall of the cylinder, as seen in the second and third embodiments. 9, the first stage cylinder and the first stage regenerator built-in displacer are basically the same as those shown in FIG. 7, except for the second stage cylinder and the second stage cylinder. This is the configuration of the stage displacer. The following description will focus on the differences, and the same components as those in FIG.
[0084]
In FIG. 9, the refrigeration generating part 301 of the two-stage GM refrigerator includes a first-stage cylinder 210, a first-stage regenerator built-in displacer 220, a second-stage cylinder 230, a second-stage displacer 260, and a second-stage regenerator 270. It comprises.
[0085]
The first stage cylinder 210 is basically the same as the first stage cylinder 210 shown in FIGS. However, it differs from the case of FIG.7 and FIG.8 in that the communication hole 213 is formed in the illustrated lower end surface of the first stage cylinder 210 as shown in the figure. The other parts that are the same as those in FIGS.
[0086]
The first-stage regenerator built-in displacer 220 is disposed so as to reciprocate within the first-stage cylinder 210. Then, the back space S is formed by the high temperature end 220H of the first stage displacer 220 and the upper inner wall surface of the first stage cylinder, and the low temperature end 220L of the first stage cooler built-in displacer 220 and the lower inner wall surface of the first stage cylinder. And the first-stage expansion space V1 are respectively defined. The basic configuration of the first-stage regenerator built-in displacer 220 is the same as that of the first-stage regenerator built-in displacer 220 shown in FIGS. Description is omitted.
[0087]
The configuration of the second stage cylinder 230 is basically the same as that of the second stage cylinder 230 shown in FIGS. However, the second stage cylinder 230 differs from the second stage cylinder 230 shown in FIGS. 7 and 8 in that a communication hole 231 is formed on the side surface of the second stage cylinder 230 as shown in the figure. Other parts that are the same as those shown in FIGS.
[0088]
The second stage displacer 260 is disposed inside the second stage cylinder 230 so as to be able to reciprocate. The second-stage displacer 260 is formed of a cylindrical solid member, and unlike the second-stage displacer 230 shown in FIGS. 7 and 8, does not incorporate a regenerator material therein. The upper end of the second stage displacer 260 is connected to the low temperature end 220L of the first stage displacer 220. Accordingly, the second-stage displacer 260 operates integrally with the first-stage displacer 220. A second-stage expansion space V <b> 2 is defined between the illustrated lower end of the second-stage displacer 260 and the illustrated lower inner wall surface of the second-stage cylinder 230. The second stage displacer 260 is a solid member in this example, but may be a hollow member as long as the working gas does not flow into and out of the inside. From the viewpoint of weight reduction, a hollow one is preferable.
[0089]
A second-stage regenerator 270 is disposed on the outer periphery of the second-stage cylinder 230. The second-stage regenerator 270 includes a regenerator case 271, a second-stage high-temperature side regenerator material 272a, and a second-stage low-temperature side regenerator material 272b. The regenerator case 271 is formed in a ring shape so as to surround the outer periphery of the second-stage cylinder 230. In addition, an inner intermediate heat exchanger 273 is disposed in a space between the regenerator case 271 and the second-stage cylinder 230, and the inner intermediate heat exchanger 273 divides the space into two. . Of the divided space, the upper space in the drawing is filled with the second-stage high-temperature side cold storage material 272a, and the lower space in the drawing is filled with the second-stage low-temperature side cold storage material 242b. The inner intermediate heat exchanger 273 has a communication passage 274 as shown in the figure. The communication passage 274 bisects the space, that is, the space filled with the second-stage high-temperature side regenerator material. And a space filled with the second-stage low-temperature side regenerator material can be communicated with each other.
[0090]
An outer intermediate heat exchanger 275 is attached to the outer periphery of the regenerator case 271 as shown in the figure. The outer intermediate heat exchanger 275 is attached so as to substantially face the position where the inner intermediate heat exchanger 274 is disposed.
[0091]
The second stage regenerator 270 includes a low temperature end 270L and a high temperature end 270H. The low temperature end 270L is the lower end of the second stage regenerator 270 in the figure, and the high temperature end 270H is the upper end of the second stage regenerator 270 in the figure. The high temperature end 270H faces a communication hole 213 formed at the lower end of the first stage cylinder 210 in the figure, and is thermally connected to the low temperature end 220L of the first stage regenerator built-in displacer 220 through the first stage expansion space V1. Is bound to. On the other hand, the portion near the low temperature end 270L communicates with a communication hole 231 formed in the second-stage cylinder 230 as shown in the figure. Therefore, the working gas in the first-stage expansion space V1 enters the space filled with the second-stage high-temperature regenerator material 272a through the communication hole 213, and further passes through the communication passage 274 of the inner intermediate heat exchanger 273 to form the second stage. It can enter the space filled with the low-temperature cold storage material 272b, and can reach the second-stage expansion space V2 through the communication hole 231 therefrom. In this case, since the displacer ring 275 is attached to the gap between the second-stage displacer 260 and the inner wall of the second-stage cylinder 230, the presence of the displacer ring 275 causes the first-stage expansion space V1 to The working gas cannot escape through the gap between the second stage displacer 260 and the inner wall of the second stage cylinder 230 into the second stage expansion space V2. Therefore, the working gas in the first-stage expansion space V1 does not escape directly to the second-stage expansion space V2 without passing through the second-stage high-temperature side cold storage material 272a and the second-stage low-temperature side cold storage material 272b.
[0092]
A first stage heat exchanger 254 is attached to the outer periphery of the first stage cylinder 210 so as to cover the first stage expansion space V <b> 1 inside the cylinder 210. The first-stage heat exchanger 254 plays a role of cooling the object to be cooled by being in thermal contact with the object to be cooled, and can generate a low temperature of about 60K in this example. A second-stage heat exchanger 255 is attached to the outer periphery of the second-stage cylinder 230 so as to cover the second-stage expansion space V2 inside the cylinder 230. The second stage heat exchanger 255 plays a role of cooling the object to be cooled by being in thermal contact with the object to be cooled, and can generate a low temperature of about 4.2K in this example.
[0093]
In this example, as apparent from the above configuration, the second-stage displacer 260 and the second-stage regenerator 270 are separated, and the separated second-stage regenerator 270 is ring-shaped around the outer periphery of the second-stage displacer 260. The inner intermediate heat exchanger 273 is formed inside the ring-shaped second-stage regenerator 270 and the outer intermediate heat exchanger 275 is attached to the outer periphery thereof. A gap with the exchanger 275 can be eliminated. For this reason, compared with the said 2nd and 3rd Example, the heat transfer between the outer side intermediate heat exchanger 275 and the inner side intermediate heat exchanger 273 becomes favorable, and the heat absorption amount obtained with the outer side intermediate heat exchanger 275 Can be increased.
[0094]
As mentioned above, although the Example of this invention was described, this invention is not limited to the said Example. For example, in the above-described embodiments, the two-stage type regenerative refrigerator has been described, but an intermediate heat exchanger is interposed between the low-temperature end and the high-temperature end of the third-stage regenerator of the three-stage regenerative refrigerator. It is also possible to use a configuration. Even in the case of a single-stage regenerative refrigerator, if the non-ideality of the working gas appears remarkably inside the regenerator, an intermediate heat exchanger is installed between the low temperature end and the high temperature end of the regenerator. An intervening configuration may be used. If it is intended to obtain a cold of about 4K using helium gas, it is difficult to obtain 4K with a single-stage regenerative refrigerator at this stage, but if this is possible, Even if an intermediate heat exchanger is interposed between the low temperature end and the high temperature end of the regenerator of such a single-stage regenerative refrigerator, it is possible to efficiently obtain heat absorption.
[0095]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the problems caused by the multistage refrigerating type refrigerator, for example, the increase in design time due to the complexity of the configuration, and the space problem due to the increase in the size of the entire apparatus. It is possible to eliminate the cost problem and efficiently obtain the heat absorption.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a regenerator with a cold end temperature of 60K and a hot end temperature of 300K, and when an intermediate heat exchanger is not installed, the PV illustrated work of the working gas at the cold end and the absorption at the cold end heat exchanger It is a schematic diagram which shows the relationship with a calorie | heat amount.
[Fig. 2] A regenerator with a low temperature end temperature of 4.2K and a high temperature end temperature of 60K, with PV illustrated work of the working gas at the low temperature end and a low temperature end heat exchanger when no intermediate heat exchanger is installed. It is a schematic diagram which shows the relationship with the amount of heat absorption.
FIG. 3 shows the PV illustrated work of the working gas at the low temperature end and the low temperature end when the intermediate heat exchanger is installed in the regenerator having the low temperature end temperature of 4.2K and the high temperature end temperature of 60K. It is a schematic diagram which shows the relationship between the heat absorption in a heat exchanger and an intermediate heat exchanger.
FIG. 4 is a regenerator with a low temperature end temperature of 60K and a high temperature end temperature of 300K, and when an intermediate heat exchanger is installed, the PV illustrated work of the working gas at the low temperature end, the low temperature end heat exchanger, and the intermediate heat It is a schematic diagram which shows the relationship with the heat absorption amount in an exchanger.
FIG. 5 shows a PV illustrated work of a working gas and a low-temperature end heat exchanger at a low-temperature end of each regenerator in a first-stage regenerator and a second-stage regenerator of a two-stage pulse tube refrigerator to which the present invention is applied. It is a schematic diagram which shows the relationship with the endothermic amount in an intermediate heat exchanger.
FIG. 6 is a cross-sectional view of a refrigeration generating portion of a two-stage pulse tube refrigerator in the first embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a cross-sectional view of a refrigeration generating portion of a two-stage GM refrigerator in a second embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a cross-sectional view of a refrigeration generating portion of a two-stage GM refrigerator in a third embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a cross-sectional view of a portion where freezing occurs in a two-stage GM refrigerator in a fourth embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
30 ... Regenerator, 30L ... Low temperature end, 30H ... High temperature end
31L ... low temperature end heat exchanger, 31L ... low temperature end heat exchanger
50 ... Intermediate heat exchanger
Pulse tube, 30L ... Pulse tube cold end (cold end), 30H ... Pulse tube hot end (hot end)
60 ... Two-stage pulse tube refrigerator (regenerative refrigerator)
71 ... 1st stage regenerator, 71L ... low temperature end, 71H ... high temperature end
72 ... second stage regenerator, 72L ... low temperature end, 72H ... high temperature end
81: first stage pulse tube, 81L: low temperature end, 81H: high temperature end
82 ... second stage pulse tube, 82L ... low temperature end, 82H ... high temperature end
91 ... 1st stage heat exchanger
92 ... 2nd stage heat exchanger
93 ... Intermediate heat exchanger
101 ... Two-stage pulse tube refrigerator
110 ... first stage regenerator, 110L ... low temperature end, 110H ... high temperature end
120 ... second stage regenerator, 120L ... low temperature end, 120H ... high temperature end
125, 246, 273 ... Inner intermediate heat exchanger
127, 248, 275 ... Outer intermediate heat exchanger
130 ... 1st stage pulse tube
140 ... 2nd stage pulse tube
134, 254 ... 1st stage heat exchanger
144, 255 ... 2nd stage heat exchanger
201, 261, 301 ... Two-stage GM refrigerator
220 ... Displacer with built-in first stage regenerator (first stage regenerator), 220L ... low temperature end, 220H ... high temperature end
240 ... Displacer with built-in second stage regenerator (second stage regenerator), 240L ... low temperature end, 240H ... high temperature end
270 ... second stage regenerator, 270L ... low temperature end, 270H ... high temperature end

Claims (5)

低温端及び高温端を備える蓄冷器を用い、作動ガスが該蓄冷器を往復する際に前記低温端側から前記高温端側へ熱を汲み出すことにより寒冷を発生する蓄冷式冷凍機において、
前記蓄冷器は、低温端及び高温端を備える1段目蓄冷器と、低温端及び前記1段目蓄冷器の低温端と熱的に結合した高温端を備える2段目蓄冷器を有し、該2段目蓄冷器の低温端と高温端との間に中間熱交換器を介在させて構成し、
前記作動ガスとしてヘリウムガスを用いるとともに、前記2段目蓄冷器の低温端における温度を2〜10Kとなるように前記蓄冷式冷凍機を運転させ、前記ヘリウムガスの非理想性に起因する熱損失分を前記中間熱交換器から吸熱させ、
前記中間熱交換器は、前記2段目蓄冷器の内部に配設される内側中間熱交換器と、前記2段目蓄冷器の外側に配設される外側中間熱交換器とを備えて構成され、前記内側中間熱交換器と前記外側中間熱交換器とは略対面した位置関係で各々配設され、
前記2段目蓄冷器と前記中間熱交換器を内蔵するディスプレーサと、前記ディスプレーサが往復する2段目シリンダとを備え
前記ディスプレーサの側面と前記2段目シリンダの側周内壁との間に隙間を形成し、
前記2段目蓄冷材の前記高温端側の空間の前記作動ガスは、前記隙間に入り、前記隙間から前記2段目蓄冷材の前記低温端側の空間に導入されることを特徴とする蓄冷式冷凍機。
In a regenerative refrigerator that uses a regenerator having a low temperature end and a high temperature end, and generates cold by pumping heat from the low temperature end side to the high temperature end side when the working gas reciprocates the regenerator,
The regenerator has a first stage regenerator having a low temperature end and a high temperature end, and a second stage regenerator having a low temperature end and a high temperature end thermally coupled to the low temperature end of the first stage regenerator, An intermediate heat exchanger is interposed between the low temperature end and the high temperature end of the second stage regenerator,
The helium gas is used as the working gas, and the regenerative refrigerator is operated so that the temperature at the low temperature end of the second-stage regenerator is 2 to 10 K, and heat loss due to the non-ideality of the helium gas Heat is absorbed from the intermediate heat exchanger,
The intermediate heat exchanger includes an inner intermediate heat exchanger disposed inside the second-stage regenerator, and an outer intermediate heat exchanger disposed outside the second-stage regenerator. The inner intermediate heat exchanger and the outer intermediate heat exchanger are respectively arranged in a substantially facing positional relationship,
Comprising a displacer which incorporates the intermediate heat exchanger and the second-stage regenerator, and a second-stage cylinder in which the displacer reciprocates,
Forming a gap between the side surface of the displacer and the inner peripheral wall of the second stage cylinder;
The working gas in the space on the high temperature end side of the second-stage regenerator material enters the gap and is introduced into the space on the low-temperature end side of the second-stage regenerator material from the gap. Type refrigerator.
低温端及び高温端を備える蓄冷器を用い、作動ガスが該蓄冷器を往復する際に前記低温端側から前記高温端側へ熱を汲み出すことにより寒冷を発生する蓄冷式冷凍機において、
前記蓄冷器は、低温端及び高温端を備える1段目蓄冷器と、低温端及び前記1段目蓄冷器の低温端と熱的に結合した高温端を備える2段目蓄冷器を有し、該2段目蓄冷器の低温端と高温端との間に中間熱交換器を介在させて構成し、
前記作動ガスとしてヘリウムガスを用いるとともに、前記2段目蓄冷器の低温端における温度を2〜10Kとなるように前記蓄冷式冷凍機を運転させ、前記ヘリウムガスの非理想性に起因する熱損失分を前記中間熱交換器から吸熱させ、
前記中間熱交換器は、前記2段目蓄冷器の内部に配設される内側中間熱交換器と、前記2段目蓄冷器の外側に配設される外側中間熱交換器とを備えて構成され、前記内側中間熱交換器と前記外側中間熱交換器とは略対面した位置関係で各々配設され、
前記2段目蓄冷器と前記中間熱交換器に前記作動ガスを往復させるディスプレーサを備え、前記2段目蓄冷器と前記中間熱交換器は前記ディスプレーサの外側に設けられ、
前記2段目蓄冷材の前記高温端側の空間の前記作動ガスは、前記内側中間熱交換器を通って前記2段目蓄冷材の前記低温端側の空間に導入されることを特徴とする蓄冷式冷凍機。
In a regenerative refrigerator that uses a regenerator having a low temperature end and a high temperature end, and generates cold by pumping heat from the low temperature end side to the high temperature end side when the working gas reciprocates the regenerator,
The regenerator has a first stage regenerator having a low temperature end and a high temperature end, and a second stage regenerator having a low temperature end and a high temperature end thermally coupled to the low temperature end of the first stage regenerator, An intermediate heat exchanger is interposed between the low temperature end and the high temperature end of the second stage regenerator,
The helium gas is used as the working gas, and the regenerative refrigerator is operated so that the temperature at the low temperature end of the second-stage regenerator is 2 to 10 K, and heat loss due to the non-ideality of the helium gas Heat is absorbed from the intermediate heat exchanger,
The intermediate heat exchanger includes an inner intermediate heat exchanger disposed inside the second-stage regenerator, and an outer intermediate heat exchanger disposed outside the second-stage regenerator. The inner intermediate heat exchanger and the outer intermediate heat exchanger are respectively arranged in a substantially facing positional relationship,
A displacer for reciprocating the working gas between the second-stage regenerator and the intermediate heat exchanger; the second-stage regenerator and the intermediate heat exchanger are provided outside the displacer;
The working gas in the space on the high temperature end side of the second stage cold storage material is introduced into the space on the low temperature end side of the second stage cold storage material through the inner intermediate heat exchanger. Cold storage refrigerator.
請求項1または2において、
前記蓄冷式冷凍機の冷却対象物は、液体ヘリウム温度域での冷却が必要な主冷却対象物と、該主冷却対象物の回りに配設された第2輻射熱シールド板と、該第2輻射熱シールド板の回りに配設された液体窒素槽又は第1輻射熱シールド板とを具備する冷却系であり、前記2段目蓄冷器の低温端で発生する寒冷は前記主冷却対象物の冷却に利用され、前記1段目蓄冷器の低温端で発生する寒冷は前記液体窒素槽又は前記第1輻射熱シールド板の冷却に利用され、前記中間熱交換器で発生する寒冷は前記第2輻射熱シールド板の冷却に利用されることを特徴とする蓄冷式冷凍機。
In claim 1 or 2,
The cooling object of the regenerative refrigerator includes a main cooling object that needs to be cooled in a liquid helium temperature range, a second radiant heat shield plate disposed around the main cooling object, and the second radiant heat. A cooling system comprising a liquid nitrogen tank or a first radiant heat shield plate disposed around the shield plate, and the cold generated at the low temperature end of the second stage regenerator is used for cooling the main cooling object. The cold generated at the low temperature end of the first stage regenerator is used for cooling the liquid nitrogen tank or the first radiant heat shield plate, and the cold generated in the intermediate heat exchanger is used for the second radiant heat shield plate. A regenerative refrigerator that is used for cooling.
請求項1〜3のいずれか1項において、
前記蓄冷式冷凍機はパルス管冷凍機であることを特徴とする蓄冷式冷凍機。
In any one of Claims 1-3,
The regenerative refrigerator is a pulse tube refrigerator.
請求項1〜3のいずれか1項において、
前記蓄冷式冷凍機はGM冷凍機又はスターリング冷凍機であることを特徴とする蓄冷式冷凍機。
In any one of Claims 1-3,
The regenerative refrigerator is a GM refrigerator or a Stirling refrigerator.
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