JP6257394B2 - Regenerator type refrigerator - Google Patents
Regenerator type refrigerator Download PDFInfo
- Publication number
- JP6257394B2 JP6257394B2 JP2014054440A JP2014054440A JP6257394B2 JP 6257394 B2 JP6257394 B2 JP 6257394B2 JP 2014054440 A JP2014054440 A JP 2014054440A JP 2014054440 A JP2014054440 A JP 2014054440A JP 6257394 B2 JP6257394 B2 JP 6257394B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- regenerator
- nonmagnetic
- region
- helium gas
- displacer
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Images
Description
本発明は、圧縮装置から供給される高圧の冷媒ガスのサイモン膨張により発生した寒冷を蓄積する蓄冷器式冷凍機に関する。 The present invention relates to a regenerator type refrigerator that accumulates cold generated by Simon expansion of high-pressure refrigerant gas supplied from a compressor.
蓄冷器式冷凍機として例えば特許文献1に記載のものがある。この蓄冷式冷凍機は、膨張室内のヘリウムガスを膨張させて寒冷を発生させる。膨張室で発生したヘリウムガスの寒冷は、蓄冷器にて蓄積されながら冷却ステージに伝達されて所望の極低温に到達して、冷却ステージに接続された冷却対象を冷却する。
There exists a thing of
冷媒ガスとしては、例えばヘリウムガスが用いられる。圧縮機は、低圧(例えば0.8MPa)のヘリウムガスを圧縮し、高圧(例えば2.2MPa)のヘリウムガスを生成する。高圧ヘリウムガスの密度と低圧ヘリウムガスの密度との密度差は、極低温付近において温度依存性が大きくなり、特に温度が8K付近のときに、その密度差が最大となる。このため蓄冷器中の温度が8K付近となる領域に大量のヘリウムガスが溜まり、冷凍機全体の圧力差が小さくなり、冷凍性能が低下してしまう。 As the refrigerant gas, for example, helium gas is used. The compressor compresses low-pressure (for example, 0.8 MPa) helium gas to generate high-pressure (for example, 2.2 MPa) helium gas. The density difference between the density of the high-pressure helium gas and the density of the low-pressure helium gas has a large temperature dependence in the vicinity of extremely low temperatures, and the density difference becomes maximum especially when the temperature is around 8K. For this reason, a large amount of helium gas is accumulated in a region where the temperature in the regenerator is about 8K, the pressure difference of the entire refrigerator is reduced, and the refrigeration performance is lowered.
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、蓄冷器式冷凍機の冷凍性能をより効果的に高める技術を提供することを目的とする。 This invention is made | formed in view of the said subject, and aims at providing the technique which raises the refrigerating performance of a regenerator type refrigerator more effectively.
上記課題を解決するために、本発明のある態様の蓄冷器式冷凍機は、蓄冷器式冷凍機であって、ヘリウムガスの膨張により発生した寒冷を蓄積する非磁性蓄冷材と、非磁性蓄冷材が充填された容器と、を含む蓄冷器を備える。容器のうち非磁性蓄冷材を収容した部分は、蓄冷器式冷凍機の動作中の温度が6K以上15K以下となる第1領域と、それ以外の温度範囲となる第2領域とを含む。第1領域における空隙率が、第2領域における空隙率よりも小さい。 In order to solve the above problems, a regenerator type refrigerator of an aspect of the present invention is a regenerator type refrigerator, a nonmagnetic regenerator material that accumulates cold generated by expansion of helium gas, and a nonmagnetic regenerator A regenerator including a container filled with the material. The part which accommodated the nonmagnetic cool storage material among the containers contains the 1st area | region where the temperature during operation | movement of a cool storage type refrigerator becomes 6K or more and 15K or less, and the 2nd area | region used as the temperature range other than that. The porosity in the first region is smaller than the porosity in the second region.
本発明の蓄冷器式冷凍によれば、蓄冷器式冷凍機の冷凍性能をより効果的に高める技術を提供することができる。 According to the regenerator type refrigeration of the present invention, it is possible to provide a technique for more effectively enhancing the refrigeration performance of the regenerator type refrigerator.
以下、本発明を実施するための形態について、添付図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
実施の形態に係る蓄冷器式冷凍機1は、例えば冷媒ガスとしてヘリウムガスを用いるギフォードマクマホン(Gifford-McMahon; GM)タイプの蓄冷器式冷凍機である。図1に示すように、蓄冷器式冷凍機1は、第1ディスプレーサ2と、第1ディスプレーサ2に長手方向に連結される第2ディスプレーサ3とを備える。第1ディスプレーサ2と第2ディスプレーサ3とは、例えば、ピン4、コネクタ5、ピン6を介して接続される。
The
第1シリンダ7と第2シリンダ8とは一体に形成されており、それぞれ高温端と低温端とを備える。第1シリンダ7の低温端と第2シリンダ8の高温端とが第1シリンダ7の底部にて接続されている。第2シリンダ8は第1シリンダ7と同一の軸方向に延在する形態にて形成されており、第1シリンダ7よりも小径の円筒部材である。第1シリンダ7は第1ディスプレーサ2を長手方向に往復移動可能に収容する容器である。また第2シリンダ8は第2ディスプレーサ3を長手方向に往復移動可能に収容する容器である。
The
第1シリンダ7、第2シリンダ8には、強度、熱伝導率、ヘリウム遮断能などを考慮して、例えばステンレス鋼が用いられる。第2ディスプレーサ3の外周部はステンレス鋼などの金属製の筒である。第2ディスプレーサ3の外周面上には、フッ素樹脂などの耐摩耗性樹脂の皮膜を形成してもよい。
For example, stainless steel is used for the
第1シリンダ7の高温端には、第1ディスプレーサ2および第2ディスプレーサ3を往復駆動するスコッチヨーク機構(図示せず)が設けられている。第1ディスプレーサ2、第2ディスプレーサ3は、それぞれ第1シリンダ7、第2シリンダ8にそって往復移動する。第1ディスプレーサ2および第2ディスプレーサ3は、それぞれ高温端と低温端とを備える。
A scotch yoke mechanism (not shown) that reciprocates the
第1ディスプレーサ2は円筒状の外周面を有しており、第1ディスプレーサ2の内部には、第1蓄冷材が充填されている。第1ディスプレーサ2の内部容積は第1蓄冷器9として機能する。第1蓄冷器9の上部には整流器10が、下部には整流器11が設置される。第1ディスプレーサ2の高温端には、室温室12から第1ディスプレーサ2に冷媒ガスを流通する第1開口13が形成されている。
The
室温室12は、第1シリンダ7と第1ディスプレーサ2の高温端により形成される空間であり、第1ディスプレーサ2の往復移動に伴い容積が変化する。室温室12には、圧縮機14、サプライバルブ15、リターンバルブ16からなる吸排気系統を相互に接続する配管のうち、給排共通配管が接続されている。また、第1ディスプレーサ2の高温端よりの部分と第1シリンダ7との間にはシール17が装着されている。
The
第1ディスプレーサ2の低温端には、第1膨張空間18に第1クリアランスC1を介して冷媒ガスを導入する第2開口19が形成されている。第1膨張空間18は、第1シリンダ7と第1ディスプレーサ2により形成される空間である。第1膨張空間18は、第1ディスプレーサ2の往復移動に伴い容積が変化する。第1シリンダ7の外周のうち、第1膨張空間18に対応する位置には、図示しない冷却対象物に熱的に接続された第1冷却ステージ20が配置されている。第1冷却ステージ20は、第1クリアランスC1を通る冷媒ガスにより冷却される。
A
第2ディスプレーサ3は円筒状の外周面を有しており、第2ディスプレーサ3の内部は、上端の整流器21、下端の整流器22、上下中間に位置する仕切り材23を挟んで軸方向に二段に分かれている。第2ディスプレーサ3の内部容積のうち、仕切り材23よりも高温側の高温側領域24には、例えば鉛やビスマスなどの非磁性材の第2蓄冷材が充填される。仕切り材23の低温(下段)側の低温側領域25には、高温側領域24とは異なる蓄冷材、例えばHoCu2などの磁性材の第2蓄冷材が充填される。鉛やビスマス、HoCu2等は球形状に形成されており、複数の球形状の形成物が集まって蓄冷材が構成されている。仕切り材23は、高温側領域24の蓄冷材と低温側領域25の蓄冷材とが混合するのを防止する。この第2ディスプレーサ3の内部容積である高温側領域24と低温側領域25とが第2蓄冷器34として機能する。第1膨張空間18と第2ディスプレーサ3の高温端とは、コネクタ5周りの連通路で連通されている。この連通路を介して第1膨張空間18から第2蓄冷器34に冷媒ガスが流通する。
The
なお、高温側領域24はさらに第1領域24aと第2領域24bとに分かれる。第1領域24aと第2領域24bとの詳細は後述する。
The high
第2ディスプレーサ3の低温端には、第2膨張空間26に第2クリアランスC2を介して冷媒ガスを流通させるための第3開口27が形成されている。第2膨張空間26は、第2シリンダ8と第2ディスプレーサ3により形成される空間であり、第2ディスプレーサ3の往復移動に伴い容積が変化する。第2クリアランスC2は、第2シリンダ8の低温端と第2ディスプレーサ3により形成される。
A
第2シリンダ8の外周の第2膨張空間26に対応する位置には、冷却対象物に熱的に接続された第2冷却ステージ28が配置されている。第2冷却ステージ28は、第2クリアランスC2を通る冷媒ガスにより冷却される。
A
第1ディスプレーサ2には、比重、強度、熱伝導率などの観点から、例えば布入りフェノール等が用いられる。第1蓄冷材は例えば金網等により構成される。また、第2ディスプレーサ3は、例えば鉛、ビスマスなどの球状の第2蓄冷材をフェルトおよび金網により軸方向に挟持することにより構成される。なお、上述のように、第2ディスプレーサ3の内部容積を、仕切り材により複数の領域に分割してもよい。
For the
第1ディスプレーサ2および第2ディスプレーサ3は、それぞれ低温端に蓋部29および蓋部30を備えてもよい。蓋部29および蓋部30は、ディスプレーサ本体との接合の観点から、二段状の円柱形状を有している。蓋部29は圧入ピン31により第1ディスプレーサ2に固定され、蓋部30は圧入ピン32により第2ディスプレーサ3に固定される。
The
次に、実施の形態に係る蓄冷器式冷凍機1の動作を説明する。冷媒ガス供給工程のある時点においては、第1ディスプレーサ2および第2ディスプレーサ3は、第1シリンダ7および第2シリンダ8の下死点に位置する。それと同時、またはわずかにずれたタイミングでサプライバルブ15を開とすると、サプライバルブ15を介して高圧のヘリウムガス(例えば2.2MPaのヘリウムガス)が給排共通配管から第1シリンダ7内に供給され、第1ディスプレーサ2の上部に位置する第1開口13から第1ディスプレーサ2の内部の第1蓄冷器9に流入する。第1蓄冷器9に流入した高圧のヘリウムガスは、第1蓄冷材により冷却されながら第1ディスプレーサ2の下部に位置する第2開口19および第1クリアランスC1を介して、第1膨張空間18に供給される。
Next, the operation of the
第1膨張空間18に供給された高圧のヘリウムガスは、コネクタ5周りの連通路を介して、第2ディスプレーサ3の内部の第2蓄冷器34に流入する。第2蓄冷器34に流入した高圧のヘリウムガスは、第2蓄冷材により冷却されながら第2ディスプレーサ3の下部に位置する第3開口27および第2クリアランスを介して、第2膨張空間26に供給される。
The high-pressure helium gas supplied to the
このようにして、第1膨張空間18および第2膨張空間26は、高圧のヘリウムガスで満たされ、サプライバルブ15は閉とされる。このとき、第1ディスプレーサ2および第2ディスプレーサ3は、第1シリンダ7および第2シリンダ8内の上死点に位置する。それと同時、またはわずかにずれたタイミングでリターンバルブ16を開とすると、第1膨張空間18、第2膨張空間26内の冷媒ガスは減圧され膨張し、低圧のヘリウムガス(例えば0.8MPaのヘリウムガス)となる。このとき、冷媒ガスの膨張により、寒冷が発生する。膨張により低温になった第1膨張空間18のヘリウムガスは第1クリアランスC1を介して第1冷却ステージ20の熱を吸収する。また、第2膨張空間26のヘリウムガスは第2クリアランスC2を介して第2冷却ステージ28の熱を吸収する。
In this way, the
第1ディスプレーサ2および第2ディスプレーサ3は下死点に向けて移動し、第1膨張空間18および第2膨張空間26の容積は減少する。第2膨張空間26内のヘリウムガスは、第2クリアランスC2、第3開口27、第2蓄冷器34、および連通路を介して第1膨張空間18に戻される。さらに、第1膨張空間18内のヘリウムガスは、第2開口19、第1蓄冷器9、および第1開口13を介して、圧縮機14の吸入側に戻される。その際、第1蓄冷材、第2蓄冷材、および第3蓄冷材は、冷媒ガスにより冷却される。すなわち、第1蓄冷材、第2蓄冷材、および第3蓄冷材は、冷媒ガスの膨張により生じた寒冷を蓄積する。この工程を1サイクルとし、蓄冷器式冷凍機1はこの冷却サイクルを繰り返すことで、第1冷却ステージ20および第2冷却ステージ28を冷却する。
The
以上のように、蓄冷器式冷凍機1における冷却サイクルは、冷媒ガスであるヘリウムガスが第2蓄冷器へ流入と流出を繰り返す動作を含む。蓄冷器式冷凍機1の動作中、第2蓄冷器34は高温端から低温端に向かって40K〜4K程度の温度勾配を持つ。以下、第2蓄冷器に存在するヘリウムガスの密度変化について説明する。
As described above, the cooling cycle in the
図2は、2.2MPaのヘリウムガスと0.8MPaのヘリウムガスとのそれぞれの、極低温領域における密度の温度変化、および両者の密度差の温度変化を示す図である。図2に示す温度範囲は、蓄冷器式冷凍機1が動作中における第2蓄冷器34内のヘリウムガスの温度範囲に相当する。
FIG. 2 is a diagram showing the temperature change of the density in the cryogenic temperature region and the temperature change of the density difference between the 2.2 MPa helium gas and the 0.8 MPa helium gas. The temperature range shown in FIG. 2 corresponds to the temperature range of the helium gas in the
図2に示すように、2.2MPaのヘリウムガスと0.8MPaのヘリウムガスとの密度差は、温度がおよそ8Kのとき最大となる。ヘリウムガスの温度が8Kよりも低い場合は、2.2MPaのヘリウムガスと0.8MPaのヘリウムガスとの密度差は温度に対して単調増加し、ヘリウムガスの温度が8Kよりも高い場合は、密度差は温度に対して単調減少する。 As shown in FIG. 2, the density difference between the 2.2 MPa helium gas and the 0.8 MPa helium gas becomes maximum when the temperature is about 8K. When the temperature of the helium gas is lower than 8K, the density difference between the 2.2 MPa helium gas and the 0.8 MPa helium gas increases monotonically with respect to the temperature, and when the helium gas temperature is higher than 8K, The density difference decreases monotonically with temperature.
ここで、第2蓄冷器34に存在するヘリウムガスの質量をMとする。また、第2蓄冷器34の高温端、すなわち上端の整流器21に流入するヘリウムガスの単位時間あたりの質量をminとし、下端の整流器22から流出するヘリウムガスの単位時間あたりの質量をmoutとする。もし、第2蓄冷器34にヘリウムガスが流入すれば、第2蓄冷器34に存在するヘリウムガスの質量Mは増加する。一方、第2蓄冷器34からヘリウムガスが流出すれば、第2蓄冷器34に存在するヘリウムガスの質量Mは減少する。したがって、第2蓄冷器34に存在するヘリウムガスの質量Mの単位時間あたりの変化量dM/dtは、流入質量minと流出質量moutとの差分で表せる。以上より、以下の関係式(1)を得る。
min=mout+dM/dt (1)
ここで、dM/dtは、第2蓄冷器34に存在するヘリウムガスの質量Mの時間tによる微分を表す。
Here, let M be the mass of helium gas present in the
m in = m out + dM / dt (1)
Here, dM / dt represents the differentiation of the mass M of helium gas existing in the
上述したように、第2蓄冷器34は第2ディスプレーサ3の内部であり、第2ディスプレーサ3は、例えば鉛、ビスマスなどの球状の第2蓄冷材をフェルトおよび金網により軸方向に挟持することにより構成される。したがって、第2蓄冷器34の容積は一定と見なすことができるので、その値をVとする。また、第2蓄冷器34中のヘリウムガスの平均密度をρとすると、第2蓄冷器34に存在する冷媒ガスの質量Mは、以下の式(2)で表せる。
M=Vρ (2)
As described above, the
M = Vρ (2)
式(1)に式(2)を代入すると、以下の式(3)を得る。
min=mout+Vdρ/dt (3)
ここで、dρ/dtは、ヘリウムガスの密度ρの時間微分を表す。
Substituting equation (2) into equation (1) yields the following equation (3).
m in = m out + Vdρ / dt (3)
Here, dρ / dt represents a time derivative of the density ρ of helium gas.
式(3)において、第2蓄冷器34に流入したヘリウムガスの密度が時間によって変化しないと仮定すると、min=moutとなり、ヘリウムガスは第2蓄冷器34に流入した分だけ、第2蓄冷器34から流出する。すなわち、第2蓄冷器34に存在するヘリウムガスの質量Mは変化しないことを意味する。実際の冷却サイクルにおいては、サプライバルブ15が開にされると、サプライバルブ15を介して高圧のヘリウムガスが供給される。この結果、第2蓄冷器34にも高圧のヘリウムガスが流入し、第2蓄冷器34に充填されている低圧のヘリウムガスは昇圧され、高圧のヘリウムガスとなる。
In the formula (3), the density of the helium gas flowing into the
図2に示すように、高圧のヘリウムガスと低圧のヘリウムガスとは、その密度に差がある。したがって、第2蓄冷器34に高圧のヘリウムガスが流入し、第2蓄冷器34中の低圧のヘリウムガスが昇圧されて高圧のヘリウムガスとなると、ヘリウムガスの密度は図2において実線で示す密度差だけ大きくなる。以上より、以下の不等式(4)を得る。
min−mout=Vdρ/dt>0 (4)
As shown in FIG. 2, there is a difference in density between high-pressure helium gas and low-pressure helium gas. Therefore, when high-pressure helium gas flows into the
m in -m out = Vdρ / dt > 0 (4)
上述したとおり、第2蓄冷器34に流入した高圧のヘリウムガスは、第2蓄冷材により冷却されながら第2ディスプレーサ3の下部に位置する第3開口27と第2クリアランスとを介して、第2膨張空間26に供給される。しかしながら、上記不等式(4)は、第2蓄冷器から第2膨張空間26に流出するヘリウムガスの質量は、第2蓄冷器に流入するヘリウムガスの質量よりも小さいことを示している。これは、第2蓄冷器34がいわばヘリウムガスのバッファのような作用を示し、ヘリウムガスをため込むことになる。結果として、第2膨張空間26の圧力上昇が抑制され、圧力差も小さくなる。
As described above, the high-pressure helium gas that has flowed into the
また、リターンバルブ16が開とされると、第2蓄冷器34内の高圧のヘリウムガスは低圧のヘリウムガスとなる。このとき、式(3)における右辺は図2において直線で示す密度差を絶対値とする負の値となる。したがって、以下の不等式(5)を得る。
min−mout=Vdρ/dt<0 (5)
When the
m in -m out = Vdρ / dt <0 (5)
これは、第2膨張空間26から第2蓄冷器34に流入するヘリウムガスの質量よりも、第2蓄冷器34から流出するヘリウムガスの質量の方が大きいことを示している。ヘリウムガスが第2膨張空間26で十分に膨張するほど、より多くの寒冷が発生する。そのためには、ヘリウムガスが第2膨張空間26および第2蓄冷器34から速やかに排出され、圧縮機14に戻ることが好ましい。しかしながら、式(5)は、第2膨張空間26で膨張して第2蓄冷器34に流入したヘリウムガスのみならず、第2蓄冷器34にとどまっていたヘリウムガスも、第2蓄冷器34から流出することを示している。圧縮機14のヘリウムガスを回収する能力は一定であるため、第2蓄冷器34にとどまっていたヘリウムガスの分だけ第2膨張空間26から排出されるヘリウムガスの回収が遅れてしまう。
This indicates that the mass of helium gas flowing out from the
そこで実施の形態に係る蓄冷器式冷凍機1は、第2蓄冷器34の非磁性蓄冷材を収容した部分のうち、高圧のヘリウムガスと低圧のヘリウムガスとの密度差が極大となる温度範囲を含む部分は、他の部分と比べてヘリウムガスが溜まりにくいように構成されている。なお、第2蓄冷器34の非磁性蓄冷材を収容した部分とは、具体的には上述した高温側領域24である。
Therefore, in the
ここで、高圧のヘリウムガスと低圧のヘリウムガスとの密度差が極大となる温度は、図2に示すように、およそ9Kである。したがって、高圧のヘリウムガスと低圧のヘリウムガスとの密度差が極大となる温度を含む温度範囲は、9Kを含む所定の広がりを持った温度範囲である。具体的には、5Kから20Kの温度範囲であり、より好ましくは6Kから15Kの温度範囲である。7Kから11Kの温度範囲であってもよい。 Here, the temperature at which the density difference between the high-pressure helium gas and the low-pressure helium gas becomes maximum is about 9K, as shown in FIG. Therefore, the temperature range including the temperature at which the density difference between the high-pressure helium gas and the low-pressure helium gas is maximized is a temperature range having a predetermined spread including 9K. Specifically, the temperature range is 5K to 20K, and more preferably the temperature range is 6K to 15K. The temperature range may be from 7K to 11K.
以下、実施の形態に係る蓄冷器式冷凍機1が動作中に、第2蓄冷器34の高温側領域24において、高圧のヘリウムガスと低圧のヘリウムガスとの密度差が極大となる温度範囲となる領域を「第1領域24a」という。また、第2蓄冷器34のうち非磁性蓄冷材を収容した部分において、第1領域24a以外の領域を「第2領域24b」という。実施の形態に係る第2蓄冷器34は、第1領域24aにおける空隙率が、第2領域24bにおける空隙率よりも小さくすることで、ヘリウムガスが溜まりにくくしている。
Hereinafter, during the operation of the
上述したように、第2蓄冷器34に充填される蓄冷材は球形状である。一般に、多数の同一半径の球を容器内に充填するとき、その充填率は球の半径によらず一定である。同一半径の球を最密充填すると、充填率は約74%であることが知られている。なお、蓄冷材の加工において球の半径は厳密にはばらつく。しかしながら、充填率を考える上では、加工精度によるばらつきは無視できる程度と考えられる。したがって、第1領域24aに球形状の非磁性蓄冷材を充填すると、その空隙率は最小でも100%−74%=26%程度であると考えられる。
As described above, the regenerator material filled in the
そこで、実施の形態に係る第2蓄冷器34は、図1に示すように、第1領域24aに、粒子径の異なる非磁性蓄冷材が充填されている。これにより、同一半径の蓄冷材を充填する場合と比較して、第1領域24aの空隙率を小さくすることができる。
Therefore, in the
図3は、実施の形態に係る第2蓄冷器34の高温側領域24の拡大図を模式的に示す図である。図3に示すように、第2蓄冷器34の高温側領域24においては、第1領域24aに、第1非磁性蓄冷材35と、第1非磁性蓄冷材35の粒子径よりも大きな粒子径を持つ第2非磁性蓄冷材36とを充填する。また、第2蓄冷器34の高温側領域24においては、第2領域24bに、第1非磁性蓄冷材35の粒子径よりも大きく、かつ第2非磁性蓄冷材36の粒子径よりも小さい粒子径を持つ第3非磁性蓄冷材37を充填している。なお、第1非磁性蓄冷材35、第2非磁性蓄冷材36、および第3非磁性蓄冷材37はそれぞれ粒子径が異なっていればよい。したがって、第1非磁性蓄冷材35、第2非磁性蓄冷材36、および第3非磁性蓄冷材37はそれぞれ異なる物質であってもよいし、同じ物質であってもよい。
FIG. 3 is a diagram schematically showing an enlarged view of the high
以下、第2非磁性蓄冷材36の半径に対する第1非磁性蓄冷材35の半径の割合について考察する。
Hereinafter, the ratio of the radius of the first
図4(a)−(b)は、最密充填されている場合における、互いに隣接する4つの第2非磁性蓄冷材36を模式的に示す図である。図4(a)は、最密充填時における互いに隣接する4つの位置関係を示す図である。図4(a)においては、互いに隣接する4つの第2非磁性蓄冷材36が同一の半径を持っていることを仮定している。
FIGS. 4A to 4B are diagrams schematically showing four second
同一の半径の4つの球が最密充填されると、4つの球の中心は正四面体の4つの頂点を構成する。図4(a)に示す例では、3つの第2非磁性蓄冷材36a、第2非磁性蓄冷材36b、および第2非磁性蓄冷材36cが同一平面上に互いに接して配置され、その上に4つめの第2非磁性蓄冷材36dが置かれている。
When four spheres of the same radius are closely packed, the centers of the four spheres constitute four vertices of a regular tetrahedron. In the example shown in FIG. 4A, three second
図4(b)は、第2非磁性蓄冷材36a、第2非磁性蓄冷材36b、および第2非磁性蓄冷材36cの中心を含む平面で、第2非磁性蓄冷材36a、第2非磁性蓄冷材36b、および第2非磁性蓄冷材36cを切断したときの切断面を示す図である。図4(b)において、点38a、点38b、および点38cは、それぞれ図4(a)における第2非磁性蓄冷材36a、第2非磁性蓄冷材36b、および第2非磁性蓄冷材36cの中心である。点38a、点38b、および点38cを3頂点とする3角形は正四面体の底面を構成する正三角形となる。
FIG. 4B is a plane including the centers of the second
第2非磁性蓄冷材36a、第2非磁性蓄冷材36b、第2非磁性蓄冷材36c、および第2非磁性蓄冷材36dの半径をRとする。このとき、図4(b)から明らかなように、第2非磁性蓄冷材36a、第2非磁性蓄冷材36b、第2非磁性蓄冷材36c、および第2非磁性蓄冷材36dの中心を頂点とする正四面体の一辺の長さは2Rとなる。
Let R be the radius of the second nonmagnetic
図4(a)は、第2非磁性蓄冷材36a、第2非磁性蓄冷材36b、第2非磁性蓄冷材36c、および第2非磁性蓄冷材36dを最密充填となるように配置した様子を示す。球の対称性から、第2非磁性蓄冷材36a、第2非磁性蓄冷材36b、第2非磁性蓄冷材36c、および第2非磁性蓄冷材36dの中心で構成される正四面体の重心を含む空間に空隙が生じる。この空隙を第1非磁性蓄冷材35で埋めることができれば、第1領域24aの空隙率を小さくすることができる。
FIG. 4A shows a state in which the second
図5は、最密充填された4つの第2非磁性蓄冷材36の空隙において、4つの第2非磁性蓄冷材36と接するように第1非磁性蓄冷材35が配置されている様子を模式的に示す図である。図形の対称性から、第1非磁性蓄冷材35を構成する球の中心39は、第2非磁性蓄冷材36a、第2非磁性蓄冷材36b、第2非磁性蓄冷材36c、および第2非磁性蓄冷材36dの中心を頂点とする正四面体の重心wに一致する。
FIG. 5 schematically shows a state in which the first
第1非磁性蓄冷材35を構成する球の半径をrとする。このとき、正四面体の頂点から重心wまでの距離Lは、第2非磁性蓄冷材36の半径Rと第1非磁性蓄冷材35の半径rとの和に等しい。
The radius of the sphere constituting the first
正四面体の一辺の長さは2Rであるから、正四面体の高さHは2√6R/3となる。正四面体の頂点から重心wまでの距離Lは正四面体の高さHの2/3であるから、L=4√6R/9となる。ゆえに、r=L−R=(4√6/9−1)R≒0.08866Rとなる。以上より、第1非磁性蓄冷材35の半径rは、第2非磁性蓄冷材36の半径Rの8.8%以下であれば、第2非磁性蓄冷材36が最密充填されている場合であっても、第2非磁性蓄冷材36の空隙を埋めることができる。なお、8.8%は第2非磁性蓄冷材36の半径が完全に同一であることを仮定した場合の理論値である。実際には、第2非磁性蓄冷材36の半径は加工精度が生じると考えられるので、第1非磁性蓄冷材35の半径rは、第2非磁性蓄冷材36の半径Rの8.8%未満、好ましくは8%未満、さらには5%未満とすることが好ましい。
Since the length of one side of the regular tetrahedron is 2R, the height H of the regular tetrahedron is 2√6R / 3. Since the distance L from the apex of the regular tetrahedron to the center of gravity w is 2/3 of the height H of the regular tetrahedron, L = 4√6R / 9. Therefore, r = LR = (4√6 / 9-1) R≈0.08866R. From the above, when the radius r of the first
第3非磁性蓄冷材37の半径は、第1非磁性蓄冷材35の半径rよりも大きく、かつ第2非磁性蓄冷材36の半径Rよりも小さい。したがって、第3非磁性蓄冷材37の半径は、第2非磁性蓄冷材36の半径Rの10%以上であり、第2非磁性蓄冷材36の半径Rの50%〜60%とするのが好ましい。
The radius of the third
以上説明したように、実施の形態に係る第2蓄冷器34は、第1領域24aに粒子径の異なる非磁性蓄冷材が充填されている。これにより、小さい方の非磁性蓄冷材が、大きい方の非磁性蓄冷材の隙間に入り込み、第1領域24aの空隙率を小さくすることができる。第1領域24aは高圧のヘリウムガスと低圧のヘリウムガスとの密度差が極大となる温度範囲を含む領域である。したがって実施の形態に係る第2蓄冷器34は、高圧のヘリウムガスと低圧のヘリウムガスとの密度差が極大となる領域のヘリウムガスの滞留が少なくなる。結果として、蓄冷器式冷凍機1の圧力差が大きくなり、冷凍能力を向上することができる。
As described above, in the
以上本発明の好ましい実施例について詳細に説明したが、本発明は上述した実施例に制限されることなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施例に種々の変形および置換を加えることができる。 Although the preferred embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications and substitutions are made to the above-described embodiments without departing from the scope of the present invention. be able to.
(第1の変形例)
上記では、実施の形態に係る第2蓄冷器34の第1領域24aに、粒子径の異なる非磁性蓄冷材を充填することにより、第1領域24aの空隙率を小さくする場合につて説明した。第1領域24aの空隙率を小さくするためには、粒子径の異なる非磁性蓄冷材を充填することに代えて、非磁性蓄冷材の焼結体を充填してもよい。
(First modification)
In the above description, the case where the porosity of the
図6(a)−(b)は、実施の形態の第1の変形例に係る第2蓄冷器34が第1領域24aに充填する非磁性蓄冷材の焼結体を模式的に示す図である。より具体的に、図6(a)は焼結前の非磁性蓄冷材を示す図である。また図6(b)は、図6(a)を焼結してできる非磁性蓄冷材の焼結体を模式的に示す図である。図6(a)−(b)において斜線で示す領域は空隙であり、その他の領域は非磁性蓄冷材が存在する領域である。
FIGS. 6A to 6B are diagrams schematically illustrating a sintered body of a nonmagnetic regenerator material that is filled in the
図6(a)は、複数の球形状の金属である非磁性蓄冷材が充填されて様子を示す。互いに接触している非磁性蓄冷材同士は焼結によって固まり、図6(b)に示すように全体として焼結前よりも緻密なものとなる。この結果、非磁性蓄冷材の空隙率が減少する。第2蓄冷器34の第1領域24aに非磁性蓄冷材の焼結体を充填することにより、第1領域24aに対流するヘリウムガスを少なくすることができる。
FIG. 6A shows a state in which a plurality of non-magnetic regenerator materials that are spherical metals are filled. The nonmagnetic regenerator materials in contact with each other are hardened by sintering, and as a whole, become denser than before sintering as shown in FIG. As a result, the porosity of the nonmagnetic regenerator material is reduced. By filling the
ここで、非磁性蓄冷材を焼結すると、非磁性蓄冷材は焼結前と比較して大きな固まりとなる。このため、非磁性蓄冷材の焼結体の形状は、第2蓄冷器34である容器の形状とは一致しないかもしれない。そこで、第2蓄冷器34の第1領域24aに非磁性蓄冷材の焼結体を充填するとともに、容器と焼結体との間の隙間を焼結をしていない蓄冷材で埋めてもよい。隙間を埋める蓄冷材は、例えば、焼結前の球形状の非磁性蓄冷材である。これにより、第2蓄冷器34である容器と非磁性蓄冷材の焼結体との間の隙間に、焼結前の球形状の非磁性蓄冷材が充填され、第1領域24aの空隙率をさらに小さくすることができる。
Here, when the nonmagnetic regenerator material is sintered, the nonmagnetic regenerator material becomes a large mass as compared with before sintering. For this reason, the shape of the sintered body of the nonmagnetic regenerator material may not match the shape of the container that is the
(第2の変形例)
上記では、第2蓄冷器34の第1領域24aに、粒子径の異なる非磁性蓄冷材を充填したり、非磁性蓄冷材の焼結体を充填したりすることにより、第1領域24aの空隙率を小さくする場合について説明した。この他にも第2蓄冷器34の第1領域24aにヘリウムガスの流通孔が設けられたパンチングプレートを収容することで、第1領域24aの空隙率を小さくすることもできる。
(Second modification)
In the above, the
図7は、実施の形態の第2の変形例に係る第2蓄冷器34の一部の拡大した模式図である。図7に示すように、第2の変形例に係る第2蓄冷器34は、球形状の非磁性蓄冷材に代えて、複数のパンチングプレート40を第1領域24aに収容する。
FIG. 7 is an enlarged schematic view of a part of the
パンチングプレートは金属等の薄板であり、表面から裏面まで貫通する複数の穴が設けられた部材である。図7においては、煩雑となることを避けるために、全てのパンチングプレート40に符号を付してはいないが、第2蓄冷器34は複数のパンチングプレート40を、第1領域24aに層状に収容している。パンチングプレート40はそれぞれ、複数のヘリウムガスの流通孔41が設けられている。
The punching plate is a thin plate made of metal or the like, and is a member provided with a plurality of holes penetrating from the front surface to the back surface. In FIG. 7, to avoid complication, not all punching
図7に示すように、第2蓄冷器34の第1領域24aに複数のパンチングプレート40を収容した場合、第1領域24aの空隙率はパンチングプレート40に設けられた流通孔41の大きさおよび密度で決定される。流通孔41の大きさおよび密度はパンチングプレート40の加工の際に自由に設計できる。そこで第1領域24aの空隙率が26%未満となるように流通孔41を設けることにより、同一半径の球形状の非磁性蓄冷材を第1領域24aに充填する場合と比較して、第1領域24aの空隙率を小さくすることができる。
As shown in FIG. 7, when a plurality of punching
なお、蓄冷器式冷凍機1の組み立て工程において、パンチングプレート40を第2蓄冷器34に収容する。このとき、第2蓄冷器34の容器の断面よりもパンチングプレート40を小さめにしておく方が、収容の容易化の点から好ましい。しかしながら、第2蓄冷器34の容器の断面よりもパンチングプレート40を小さめにすると、第2蓄冷器34の容器とパンチングプレート40との間に隙間が生じるため、第1領域24aの空隙率が大きくなる。
In the assembly process of the
そこで、第2蓄冷器34の第1領域24aに複数のパンチングプレート40を収容するとともに、球形状の粒子からなる非磁性蓄冷材をさらに充填してもよい。これにより、第2蓄冷器34である容器とパンチングプレート40との間の隙間に球形状の非磁性蓄冷材が充填され、第1領域24aの空隙率を小さくすることができる。また、パンチングプレート40の流通孔41に球形状の非磁性蓄冷材が入り込むと、第1領域24aの空隙率がさらに小さくなる。これにより、蓄冷器式冷凍機1の組み立て工程の容易化と、第1領域24aの空隙率の減少とを両立することができる。
Therefore, a plurality of punching
上記では、蓄冷器式冷凍機1においては、段数が二段であるGM冷凍機について主に説明したが、この段数は三段以上に適宜選択することが可能である。また、実施の形態では、蓄冷器式冷凍機1がディスプレーサ式のGM冷凍機である例について説明したが、これに限られない。例えば、本発明は、パルスチューブ型のGM冷凍機、スターリング冷凍機、ソルベイ冷凍機などにも適用することができる。
In the above description, in the
1 蓄冷器式冷凍機、 C1 第1クリアランス、 2 第1ディスプレーサ、 C2 第2クリアランス、 3 第2ディスプレーサ、 4 ピン、 5 コネクタ、 6 ピン、 7 第1シリンダ、 8 第2シリンダ、 9 第1蓄冷器、 10,11 整流器、 12 室温室、 13 第1開口、 14 圧縮機、 15 サプライバルブ、 16 リターンバルブ、 17 シール、 18 第1膨張空間、 19 第2開口、 20 第1冷却ステージ、 21,22 整流器、 23 仕切り材、 24 高温側領域、 24a 第1領域、 24b 第2領域、 25 低温側領域、 26 第2膨張空間、 27 第3開口、 28 第2冷却ステージ、 29,30 蓋部、 31,32 圧入ピン、 34 第2蓄冷器、 35 第1非磁性蓄冷材、 36 第2非磁性蓄冷材、 37 第3非磁性蓄冷材、 40 パンチングプレート、 41 流通孔。
DESCRIPTION OF
Claims (6)
ヘリウムガスの膨張により発生した寒冷を蓄積する非磁性蓄冷材および磁性蓄冷材と、
仕切り材よりも高温側に前記非磁性蓄冷材が充填され、前記仕切り材よりも低温側に前記磁性蓄冷材が充填された容器と、を含む蓄冷器を備え、
前記容器のうち前記非磁性蓄冷材を収容した部分は、
前記蓄冷器式冷凍機の動作中の温度が6K以上15K以下となる第1領域と、前記第1領域よりも高い温度範囲となる第2領域とを含み、
前記第1領域における空隙率が、第2領域における空隙率よりも小さいことを特徴とする蓄冷器式冷凍機。 A regenerator refrigerator,
A non-magnetic regenerator and a magnetic regenerator that accumulates the cold generated by the expansion of helium gas;
A regenerator including a container filled with the non-magnetic regenerator material on a higher temperature side than the partition material and filled with the magnetic regenerator material on a lower temperature side than the partition material ;
The portion of the container that contains the non-magnetic regenerator material is
A first region where the temperature during operation of the regenerator refrigerator is 6K or more and 15K or less, and a second region which is a temperature range higher than the first region ,
A regenerator type refrigerator having a porosity in the first region smaller than a porosity in the second region.
前記容器は、前記第1領域に、粒子径の異なる非磁性蓄冷材が充填されていることを特徴とする請求項1に記載の蓄冷器式冷凍機。 The non-magnetic regenerator material is composed of spherical particles,
The regenerator type refrigerator according to claim 1, wherein the container is filled with nonmagnetic regenerator materials having different particle diameters in the first region.
前記第1領域に第1非磁性蓄冷材と、第1非磁性蓄冷材の粒子径よりも大きな粒子径を持つ第2非磁性蓄冷材とを充填し、
前記第2領域に、第1非磁性蓄冷材の粒子径よりも大きく、かつ第2非磁性蓄冷材の粒子径よりも小さい粒子径を持つ第3非磁性蓄冷材を充填していることを特徴とする請求項1または2に記載の蓄冷器式冷凍機。 The container is
Filling the first region with a first nonmagnetic regenerator material and a second nonmagnetic regenerator material having a particle size larger than the particle size of the first nonmagnetic regenerator material,
The second region is filled with a third nonmagnetic regenerator material having a particle diameter larger than that of the first nonmagnetic regenerator material and smaller than that of the second nonmagnetic regenerator material. The regenerator type refrigerator according to claim 1 or 2.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2014054440A JP6257394B2 (en) | 2014-03-18 | 2014-03-18 | Regenerator type refrigerator |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2014054440A JP6257394B2 (en) | 2014-03-18 | 2014-03-18 | Regenerator type refrigerator |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2015175578A JP2015175578A (en) | 2015-10-05 |
JP6257394B2 true JP6257394B2 (en) | 2018-01-10 |
Family
ID=54254923
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2014054440A Active JP6257394B2 (en) | 2014-03-18 | 2014-03-18 | Regenerator type refrigerator |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP6257394B2 (en) |
Family Cites Families (13)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2845761B2 (en) * | 1994-09-12 | 1999-01-13 | 巍洲 橋本 | Regenerator for cryogenic refrigerator |
JPH09178278A (en) * | 1995-12-25 | 1997-07-11 | Ebara Corp | Cold heat accumulator |
JP3293446B2 (en) * | 1996-02-21 | 2002-06-17 | ダイキン工業株式会社 | Regenerator |
JP2828948B2 (en) * | 1996-03-29 | 1998-11-25 | 三洋電機株式会社 | Regenerative heat exchanger |
WO1998028585A1 (en) * | 1996-12-20 | 1998-07-02 | University Of Victoria Innovation And Development Corporation | Thermal regenerators and fabrication methods for thermal regenerators |
JP2000146332A (en) * | 1998-11-11 | 2000-05-26 | Mitsubishi Electric Corp | Cold storage type refrigerating machine |
JP2004239610A (en) * | 1999-09-29 | 2004-08-26 | Sumitomo Heavy Ind Ltd | Pulse tube refrigerating machine |
JP4104004B2 (en) * | 2002-03-22 | 2008-06-18 | 住友重機械工業株式会社 | Cold storage type cryogenic refrigerator |
JP2004144431A (en) * | 2002-10-25 | 2004-05-20 | Sumitomo Heavy Ind Ltd | Pulse pipe refrigerator |
US6688113B1 (en) * | 2003-02-11 | 2004-02-10 | Superconductor Technologies, Inc. | Synthetic felt regenerator material for stirling cycle cryocoolers |
JP5305633B2 (en) * | 2007-10-25 | 2013-10-02 | 株式会社東芝 | Regenerative refrigerator |
JP5805421B2 (en) * | 2011-04-04 | 2015-11-04 | 住友重機械工業株式会社 | Regenerator type refrigerator and partition member |
JP5840543B2 (en) * | 2012-03-21 | 2016-01-06 | 住友重機械工業株式会社 | Regenerative refrigerator |
-
2014
- 2014-03-18 JP JP2014054440A patent/JP6257394B2/en active Active
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2015175578A (en) | 2015-10-05 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US9423160B2 (en) | Regenerative refrigerator | |
US9134048B2 (en) | Regenerative refrigerator and partitioning member | |
US9784479B2 (en) | Cryogenic refrigerator and displacer | |
US9976779B2 (en) | Cryogenic refrigerator | |
JP5889743B2 (en) | Regenerative refrigerator | |
CN109210818B (en) | Cryogenic refrigerator and magnetic shielding structure thereof | |
US20160097567A1 (en) | Cryogenic refrigerator | |
JP5882110B2 (en) | Regenerator type refrigerator, regenerator | |
JP6376793B2 (en) | Regenerator type refrigerator | |
JP5305633B2 (en) | Regenerative refrigerator | |
JP6109057B2 (en) | Regenerator type refrigerator | |
JP6257394B2 (en) | Regenerator type refrigerator | |
JP6320142B2 (en) | Cryogenic refrigerator | |
JP6188619B2 (en) | Cryogenic refrigerator | |
JP5908324B2 (en) | Regenerative refrigerator | |
US20150233609A1 (en) | Cryogenic refrigerator | |
US9453662B2 (en) | Cryogenic refrigerator | |
JP6284794B2 (en) | Regenerator | |
JP3588647B2 (en) | Regenerator and refrigerator | |
US20150075188A1 (en) | Regenerative refrigerator, first stage regenerator, and second stage regenerator | |
JP6284788B2 (en) | Displacer | |
JP2003028526A (en) | Cool storage unit and refrigerating machine | |
JP2015166665A (en) | Cold storage device and partition unit | |
US9759459B2 (en) | Regenerator and regenerative refrigerator with insertion member | |
JP5507481B2 (en) | Regenerator type refrigerator |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20160810 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20170511 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20170516 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20170707 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20171205 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20171205 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 6257394 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |