JP6257394B2 - Regenerator type refrigerator - Google Patents

Regenerator type refrigerator Download PDF

Info

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
Application number
JP2014054440A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2015175578A (en
Inventor
乾 包
乾 包
名堯 許
名堯 許
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sumitomo Heavy Industries Ltd
Original Assignee
Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sumitomo Heavy Industries Ltd filed Critical Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority to JP2014054440A priority Critical patent/JP6257394B2/en
Publication of JP2015175578A publication Critical patent/JP2015175578A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP6257394B2 publication Critical patent/JP6257394B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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 patent document 1 as a regenerator type refrigerator, for example. This cool storage type refrigerator expands the helium gas in the expansion chamber to generate cold. The cold of the helium gas generated in the expansion chamber is transmitted to the cooling stage while being accumulated in the regenerator, reaches a desired cryogenic temperature, and cools the cooling target connected to the cooling stage.

特開2006−242484号公報JP 2006-242484 A

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.

実施の形態に係る蓄冷器式冷凍機及び蓄冷器の一実施形態について示す模式図である。It is a mimetic diagram shown about one embodiment of a regenerator type freezer and a regenerator concerning an embodiment. 2.2MPaのヘリウムガスと0.8MPaのヘリウムガスとの、それぞれの密度の温度変化、および両者の密度差の温度変化を示す図である。It is a figure which shows the temperature change of each density of helium gas of 2.2 MPa and helium gas of 0.8 MPa, and the temperature change of the density difference of both. 実施の形態に係る第2蓄冷器の高温側領域の拡大図を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the enlarged view of the high temperature side area | region of the 2nd regenerator which concerns on embodiment. 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非磁性蓄冷材を模式的に示す図である。FIGS. 4A to 4B are diagrams schematically showing four second nonmagnetic regenerator materials adjacent to each other in the case of closest packing. 最密充填された4つの第2非磁性蓄冷材の空隙に接するように、第1蓄冷材が配置されている様子を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically a mode that the 1st cool storage material is arrange | positioned so that the space | gap of the four 2nd nonmagnetic cool storage materials with the closest packing may be contact | connected. 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。FIGS. 6A to 6B are diagrams schematically illustrating a sintered body of a nonmagnetic regenerator material that is filled in the first region by the second regenerator 34 according to the first modification of the embodiment. . 実施の形態の第2の変形例に係る第2蓄冷器の一部の拡大した模式図である。It is the one part expanded schematic diagram of the 2nd cool storage device which concerns on the 2nd modification of embodiment.

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 regenerator type refrigerator 1 according to the embodiment is a Gifford-McMahon (GM) type regenerator type refrigerator using helium gas as a refrigerant gas, for example. As shown in FIG. 1, the regenerator refrigerator 1 includes a first displacer 2 and a second displacer 3 connected to the first displacer 2 in the longitudinal direction. The first displacer 2 and the second displacer 3 are connected via, for example, a pin 4, a connector 5, and a pin 6.

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 first cylinder 7 and the second cylinder 8 are integrally formed, and each has a high temperature end and a low temperature end. The low temperature end of the first cylinder 7 and the high temperature end of the second cylinder 8 are connected at the bottom of the first cylinder 7. The second cylinder 8 is formed in a form extending in the same axial direction as the first cylinder 7 and is a cylindrical member having a smaller diameter than the first cylinder 7. The 1st cylinder 7 is a container which accommodates the 1st displacer 2 so that reciprocation is possible in a longitudinal direction. The second cylinder 8 is a container for accommodating the second displacer 3 so as to be reciprocally movable in the longitudinal direction.

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 first cylinder 7 and the second cylinder 8 in consideration of strength, thermal conductivity, helium blocking ability, and the like. The outer periphery of the second displacer 3 is a cylinder made of metal such as stainless steel. On the outer peripheral surface of the second displacer 3, a film of an abrasion resistant resin such as a fluororesin may be formed.

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 first displacer 2 and the second displacer 3 is provided at the high temperature end of the first cylinder 7. The first displacer 2 and the second displacer 3 reciprocate along the first cylinder 7 and the second cylinder 8, respectively. The first displacer 2 and the second displacer 3 each have a high temperature end and a low temperature end.

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 first displacer 2 has a cylindrical outer peripheral surface, and the first displacer 2 is filled with a first cold storage material. The internal volume of the first displacer 2 functions as the first regenerator 9. A rectifier 10 is installed in the upper part of the first regenerator 9, and a rectifier 11 is installed in the lower part. A first opening 13 through which refrigerant gas flows from the room temperature chamber 12 to the first displacer 2 is formed at the high temperature end of the first displacer 2.

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 room temperature chamber 12 is a space formed by the first cylinder 7 and the high temperature end of the first displacer 2, and the volume changes as the first displacer 2 reciprocates. The room temperature chamber 12 is connected to a common supply / exhaust pipe among the pipes connecting the intake and exhaust systems including the compressor 14, the supply valve 15, and the return valve 16. In addition, a seal 17 is attached between the portion of the first displacer 2 from the high temperature end and the first cylinder 7.

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 second opening 19 is formed at the low temperature end of the first displacer 2 for introducing the refrigerant gas into the first expansion space 18 via the first clearance C1. The first expansion space 18 is a space formed by the first cylinder 7 and the first displacer 2. The volume of the first expansion space 18 changes as the first displacer 2 reciprocates. A first cooling stage 20 that is thermally connected to an object to be cooled (not shown) is disposed at a position corresponding to the first expansion space 18 in the outer periphery of the first cylinder 7. The first cooling stage 20 is cooled by the refrigerant gas passing through the first clearance C1.

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 second displacer 3 has a cylindrical outer peripheral surface, and the inside of the second displacer 3 has two stages in the axial direction with the rectifier 21 at the upper end, the rectifier 22 at the lower end, and the partition material 23 positioned between the upper and lower sides. It is divided into. Of the internal volume of the second displacer 3, the high temperature side region 24 on the higher temperature side than the partition member 23 is filled with a second cold storage material made of a nonmagnetic material such as lead or bismuth. The low temperature side region 25 on the low temperature (lower stage) side of the partition material 23 is filled with a cold storage material different from the high temperature side region 24, for example, a second cold storage material of magnetic material such as HoCu2. Lead, bismuth, HoCu2 and the like are formed in a spherical shape, and a plurality of spherical shaped products are gathered to form a cold storage material. The partition member 23 prevents the cold storage material in the high temperature side region 24 and the cold storage material in the low temperature side region 25 from mixing. The high temperature side region 24 and the low temperature side region 25, which are internal volumes of the second displacer 3, function as the second regenerator 34. The first expansion space 18 and the high temperature end of the second displacer 3 are communicated with each other through a communication path around the connector 5. Refrigerant gas flows from the first expansion space 18 to the second regenerator 34 through this communication path.

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 temperature side region 24 is further divided into a first region 24a and a second region 24b. Details of the first region 24a and the second region 24b will be described later.

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 third opening 27 is formed at the low temperature end of the second displacer 3 for allowing the refrigerant gas to flow through the second expansion space 26 via the second clearance C2. The second expansion space 26 is a space formed by the second cylinder 8 and the second displacer 3, and the volume changes as the second displacer 3 reciprocates. The second clearance C <b> 2 is formed by the low temperature end of the second cylinder 8 and the second displacer 3.

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 second cooling stage 28 that is thermally connected to the object to be cooled is disposed at a position corresponding to the second expansion space 26 on the outer periphery of the second cylinder 8. The second cooling stage 28 is cooled by the refrigerant gas passing through the second clearance C2.

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 first displacer 2, for example, cloth-containing phenol is used from the viewpoint of specific gravity, strength, thermal conductivity, and the like. The first regenerator material is made of, for example, a wire mesh. Moreover, the 2nd displacer 3 is comprised by pinching | interposing the spherical 2nd cool storage materials, such as lead and bismuth, for example in the axial direction with a felt and a metal net. Note that, as described above, the internal volume of the second displacer 3 may be divided into a plurality of regions by a partition material.

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 first displacer 2 and the second displacer 3 may include a lid portion 29 and a lid portion 30 at the low temperature end, respectively. The lid portion 29 and the lid portion 30 have a two-stage cylindrical shape from the viewpoint of joining with the displacer body. The lid portion 29 is fixed to the first displacer 2 by a press-fit pin 31, and the lid portion 30 is fixed to the second displacer 3 by a press-fit pin 32.

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 regenerator type refrigerator 1 according to the embodiment will be described. At a certain point in the refrigerant gas supply process, the first displacer 2 and the second displacer 3 are located at the bottom dead center of the first cylinder 7 and the second cylinder 8. When the supply valve 15 is opened at the same time or at a slightly shifted timing, high-pressure helium gas (for example, 2.2 MPa helium gas) is supplied into the first cylinder 7 from the supply / discharge common pipe via the supply valve 15. Then, the air flows into the first regenerator 9 inside the first displacer 2 from the first opening 13 located at the upper part of the first displacer 2. The high-pressure helium gas that has flowed into the first regenerator 9 is cooled by the first regenerator material and enters the first expansion space 18 via the second opening 19 and the first clearance C1 that are located below the first displacer 2. Supplied.

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 first expansion space 18 flows into the second regenerator 34 inside the second displacer 3 through the communication passage around the connector 5. The high-pressure helium gas that has flowed into the second regenerator 34 is supplied to the second expansion space 26 through the third opening 27 and the second clearance that are positioned below the second displacer 3 while being cooled by the second regenerator material. Is done.

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 first expansion space 18 and the second expansion space 26 are filled with the high-pressure helium gas, and the supply valve 15 is closed. At this time, the first displacer 2 and the second displacer 3 are located at the top dead center in the first cylinder 7 and the second cylinder 8. When the return valve 16 is opened at the same time or slightly shifted timing, the refrigerant gas in the first expansion space 18 and the second expansion space 26 is decompressed and expanded, and low-pressure helium gas (for example, 0.8 MPa helium). Gas). At this time, cold is generated by the expansion of the refrigerant gas. The helium gas in the first expansion space 18 that has become low temperature due to expansion absorbs the heat of the first cooling stage 20 through the first clearance C1. The helium gas in the second expansion space 26 absorbs the heat of the second cooling stage 28 through the second clearance C2.

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 first displacer 2 and the second displacer 3 move toward the bottom dead center, and the volumes of the first expansion space 18 and the second expansion space 26 decrease. The helium gas in the second expansion space 26 is returned to the first expansion space 18 via the second clearance C2, the third opening 27, the second regenerator 34, and the communication path. Further, the helium gas in the first expansion space 18 is returned to the suction side of the compressor 14 through the second opening 19, the first regenerator 9, and the first opening 13. In that case, the 1st cool storage material, the 2nd cool storage material, and the 3rd cool storage material are cooled with refrigerant gas. That is, the 1st cool storage material, the 2nd cool storage material, and the 3rd cool storage material accumulate cold produced by expansion of refrigerant gas. This process is defined as one cycle, and the regenerator type refrigerator 1 cools the first cooling stage 20 and the second cooling stage 28 by repeating this cooling cycle.

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 regenerator refrigerator 1 includes an operation in which helium gas, which is a refrigerant gas, repeatedly flows in and out of the second regenerator. During the operation of the regenerator refrigerator 1, the second regenerator 34 has a temperature gradient of about 40K to 4K from the high temperature end toward the low temperature end. Hereinafter, the density change of the helium gas existing in the second regenerator will be described.

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 second regenerator 34 during operation of the regenerator refrigerator 1.

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。
in=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 second regenerator 34. Further, the high temperature end of the second regenerator 34, i.e. the mass per unit time of the helium gas flowing to the rectifier 21 of the upper end and m in, the mass per unit of the helium gas flowing out time from the lower end of the rectifier 22 m out And If helium gas flows into the second regenerator 34, the mass M of helium gas present in the second regenerator 34 increases. On the other hand, if helium gas flows out from the second regenerator 34, the mass M of helium gas present in the second regenerator 34 decreases. Therefore, the amount of change dM / dt per unit time of the mass M of the helium gas existing in the second regenerator 34 can be expressed by the difference between the inflow mass min and the outflow mass mout. From the above, the following relational expression (1) is obtained.
m in = m out + dM / dt (1)
Here, dM / dt represents the differentiation of the mass M of helium gas existing in the second regenerator 34 with respect to time t.

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 second regenerator 34 is inside the second displacer 3, and the second displacer 3 is configured by sandwiching a spherical second regenerator material such as lead or bismuth in the axial direction with a felt and a metal mesh. Composed. Accordingly, since the volume of the second regenerator 34 can be regarded as constant, the value is set to V. Further, if the average density of the helium gas in the second regenerator 34 is ρ, the mass M of the refrigerant gas existing in the second regenerator 34 can be expressed by the following equation (2).
M = Vρ (2)

式(1)に式(2)を代入すると、以下の式(3)を得る。
in=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 second regenerator 34 is assumed not to vary with time, m in = m out next, helium gas by the amount that flows into the second regenerator 34, the second It flows out of the regenerator 34. That is, it means that the mass M of the helium gas present in the second regenerator 34 does not change. In the actual cooling cycle, when the supply valve 15 is opened, high-pressure helium gas is supplied through the supply valve 15. As a result, the high-pressure helium gas also flows into the second regenerator 34, and the low-pressure helium gas charged in the second regenerator 34 is pressurized to become high-pressure helium gas.

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。
in−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 second regenerator 34 and the low-pressure helium gas in the second regenerator 34 is boosted to become high-pressure helium gas, the density of the helium gas is the density indicated by the solid line in FIG. The difference increases. From the above, the following inequality (4) is obtained.
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 second regenerator 34 is cooled by the second regenerator material through the third opening 27 located at the lower portion of the second displacer 3 and the second clearance. It is supplied to the expansion space 26. However, the inequality (4) indicates that the mass of helium gas flowing out from the second regenerator into the second expansion space 26 is smaller than the mass of helium gas flowing into the second regenerator. This means that the second regenerator 34 acts like a buffer of helium gas, and accumulates helium gas. As a result, the pressure increase in the second expansion space 26 is suppressed, and the pressure difference is also reduced.

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。
in−mout=Vdρ/dt<0 (5)
When the return valve 16 is opened, the high-pressure helium gas in the second regenerator 34 becomes low-pressure helium gas. At this time, the right side in the equation (3) is a negative value with the density difference indicated by the straight line in FIG. 2 as an absolute value. Therefore, the following inequality (5) is obtained.
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 second regenerator 34 is larger than the mass of helium gas flowing into the second regenerator 34 from the second expansion space 26. The more the helium gas is expanded in the second expansion space 26, the more cold is generated. For that purpose, it is preferable that helium gas is quickly discharged from the second expansion space 26 and the second regenerator 34 and returned to the compressor 14. However, the equation (5) indicates that not only the helium gas expanded in the second expansion space 26 and flowing into the second regenerator 34, but also the helium gas remaining in the second regenerator 34 from the second regenerator 34. It shows that it leaks. Since the ability of the compressor 14 to collect the helium gas is constant, the recovery of the helium gas discharged from the second expansion space 26 is delayed by the amount of the helium gas remaining in the second regenerator 34.

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 regenerator type refrigerator 1 according to the embodiment, the temperature range in which the density difference between the high-pressure helium gas and the low-pressure helium gas is maximized in the portion of the second regenerator 34 containing the nonmagnetic regenerator material. The portion including is configured so that helium gas is less likely to accumulate than other portions. In addition, the part which accommodated the nonmagnetic regenerator material of the 2nd regenerator 34 is the high temperature side area | region 24 specifically mentioned above.

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 regenerator type refrigerator 1 according to the embodiment, in the high temperature side region 24 of the second regenerator 34, a temperature range in which the density difference between the high pressure helium gas and the low pressure helium gas is maximized. This region is referred to as “first region 24a”. Moreover, in the part which accommodated the nonmagnetic cool storage material among the 2nd cool storage devices 34, area | regions other than 1st area | region 24a are called "2nd area | region 24b." The second regenerator 34 according to the embodiment makes it difficult for helium gas to accumulate by making the porosity in the first region 24a smaller than the porosity in the second region 24b.

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 second regenerator 34 has a spherical shape. Generally, when a container is filled with many spheres having the same radius, the filling rate is constant regardless of the radius of the sphere. It is known that when the spheres having the same radius are closely packed, the filling rate is about 74%. In addition, in the processing of the regenerator material, the radius of the sphere varies strictly. However, when considering the filling rate, the variation due to the processing accuracy is considered to be negligible. Therefore, when the first region 24a is filled with a spherical nonmagnetic regenerator, the porosity is considered to be about 100% -74% = 26% at the minimum.

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 second regenerator 34 according to the embodiment, as shown in FIG. 1, the first region 24 a is filled with nonmagnetic regenerator materials having different particle diameters. Thereby, compared with the case where it fills with the cool storage material of the same radius, the porosity of the 1st area | region 24a can be made small.

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 temperature side region 24 of the second regenerator 34 according to the embodiment. As shown in FIG. 3, in the high temperature side region 24 of the second regenerator 34, the first region 24 a has a particle size larger than the particle size of the first nonmagnetic regenerator material 35 and the first nonmagnetic regenerator material 35. The second nonmagnetic regenerator material 36 having Further, in the high temperature side region 24 of the second regenerator 34, particles in the second region 24 b are larger than the particle size of the first nonmagnetic regenerator material 35 and smaller than the particle size of the second nonmagnetic regenerator material 36. A third nonmagnetic regenerator material 37 having a diameter is filled. The first nonmagnetic regenerator material 35, the second nonmagnetic regenerator material 36, and the third nonmagnetic regenerator material 37 may have different particle diameters. Therefore, the first nonmagnetic regenerator material 35, the second nonmagnetic regenerator material 36, and the third nonmagnetic regenerator material 37 may be different materials or the same material.

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 nonmagnetic regenerator material 35 to the radius of the second nonmagnetic regenerator material 36 will be considered.

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 nonmagnetic regenerator materials 36 adjacent to each other in the case where the closest packing is performed. FIG. 4A is a diagram showing four positional relationships adjacent to each other at the time of closest packing. In FIG. 4A, it is assumed that the four second nonmagnetic regenerator materials 36 adjacent to each other have the same radius.

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 nonmagnetic regenerators 36a, second nonmagnetic regenerators 36b, and second nonmagnetic regenerators 36c are arranged in contact with each other on the same plane, on which A fourth second nonmagnetic regenerator material 36d is placed.

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 nonmagnetic regenerator material 36a, the second nonmagnetic regenerator material 36b, and the second nonmagnetic regenerator material 36c, and the second nonmagnetic regenerator material 36a and the second nonmagnetic regenerator material 36c. It is a figure which shows a cut surface when cut | disconnecting the cool storage material 36b and the 2nd nonmagnetic cool storage material 36c. In FIG. 4B, points 38a, 38b, and 38c are respectively the second nonmagnetic regenerator material 36a, the second nonmagnetic regenerator material 36b, and the second nonmagnetic regenerator material 36c in FIG. 4A. Central. A triangle having the points 38a, 38b, and 38c as three vertices is an equilateral triangle constituting the bottom surface of the regular tetrahedron.

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 cold storage material 36a, the second nonmagnetic cold storage material 36b, the second nonmagnetic cold storage material 36c, and the second nonmagnetic cold storage material 36d. At this time, as is apparent from FIG. 4B, the centers of the second nonmagnetic cold storage material 36a, the second nonmagnetic cold storage material 36b, the second nonmagnetic cold storage material 36c, and the second nonmagnetic cold storage material 36d are apexes. The length of one side of the regular tetrahedron is 2R.

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 nonmagnetic regenerator material 36a, the second nonmagnetic regenerator material 36b, the second nonmagnetic regenerator material 36c, and the second nonmagnetic regenerator material 36d are arranged so as to be closest packed. Indicates. From the symmetry of the sphere, the center of gravity of the tetrahedron formed by the centers of the second nonmagnetic regenerator material 36a, the second nonmagnetic regenerator material 36b, the second nonmagnetic regenerator material 36c, and the second nonmagnetic regenerator material 36d is determined. A void is generated in the containing space. If this gap can be filled with the first nonmagnetic cold storage material 35, the porosity of the first region 24a can be reduced.

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 nonmagnetic regenerator material 35 is arranged so as to be in contact with the four second nonmagnetic regenerator materials 36 in the gaps of the four second nonmagnetic regenerator materials 36 that are closely packed. FIG. From the symmetry of the figure, the center 39 of the sphere constituting the first nonmagnetic regenerator material 35 has a second nonmagnetic regenerator material 36a, a second nonmagnetic regenerator material 36b, a second nonmagnetic regenerator material 36c, and a second nonmagnetic regenerator material 36c. This coincides with the center of gravity w of a regular tetrahedron having the center of the magnetic regenerator material 36d as a vertex.

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 nonmagnetic regenerator material 35 is r. At this time, the distance L from the apex of the regular tetrahedron to the center of gravity w is equal to the sum of the radius R of the second nonmagnetic regenerator material 36 and the radius r of the first nonmagnetic regenerator material 35.

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 nonmagnetic regenerator material 35 is 8.8% or less of the radius R of the second nonmagnetic regenerator material 36, the second nonmagnetic regenerator material 36 is packed most closely. Even so, the gap of the second nonmagnetic regenerator material 36 can be filled. In addition, 8.8% is a theoretical value when it is assumed that the radii of the second nonmagnetic regenerator material 36 are completely the same. Actually, it is considered that the radius of the second non-magnetic regenerator material 36 is likely to cause processing accuracy, so that the radius r of the first non-magnetic regenerator material 35 is 8.8% of the radius R of the second non-magnetic regenerator material 36. Is preferably less than 8%, and more preferably less than 5%.

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 nonmagnetic regenerator material 37 is larger than the radius r of the first nonmagnetic regenerator material 35 and smaller than the radius R of the second nonmagnetic regenerator material 36. Therefore, the radius of the third nonmagnetic regenerator material 37 is 10% or more of the radius R of the second nonmagnetic regenerator material 36, and is 50% to 60% of the radius R of the second nonmagnetic regenerator material 36. preferable.

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 second regenerator 34 according to the embodiment, the first region 24a is filled with nonmagnetic regenerator materials having different particle diameters. Thereby, the smaller nonmagnetic regenerator material can enter the gap between the larger nonmagnetic regenerator material, and the porosity of the first region 24a can be reduced. The first region 24a includes a temperature range in which the density difference between the high pressure helium gas and the low pressure helium gas is maximized. Therefore, in the second regenerator 34 according to the embodiment, helium gas stays in a region where the density difference between the high-pressure helium gas and the low-pressure helium gas is maximized. As a result, the pressure difference of the regenerator type refrigerator 1 is increased, and the refrigerating capacity can be improved.

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 first region 24a is reduced by filling the first region 24a of the second regenerator 34 according to the embodiment with nonmagnetic regenerator materials having different particle diameters has been described. In order to reduce the porosity of the first region 24a, instead of filling nonmagnetic regenerator material having different particle diameters, a sintered body of nonmagnetic regenerator material may be filled.

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 first region 24a by the second regenerator 34 according to the first modification of the embodiment. is there. More specifically, FIG. 6A is a diagram showing a nonmagnetic regenerator material before sintering. FIG. 6B is a diagram schematically showing a sintered body of a nonmagnetic regenerator material obtained by sintering FIG. 6A. In FIG. 6 (a)-(b), the hatched areas are voids, and the other areas are areas where the nonmagnetic regenerator material is present.

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 first region 24a of the second regenerator 34 with a sintered body of a nonmagnetic regenerator material, helium gas convection to the first region 24a can be reduced.

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 second regenerator 34. Therefore, the first region 24a of the second regenerator 34 may be filled with the sintered body of the nonmagnetic regenerator material, and the gap between the container and the sintered body may be filled with an unsintered regenerator material. . The cold storage material that fills the gap is, for example, a spherical nonmagnetic cold storage material before sintering. As a result, the gap between the container that is the second regenerator 34 and the sintered body of the nonmagnetic regenerator material is filled with the spherical nonmagnetic regenerator material before sintering, and the porosity of the first region 24a is increased. It can be further reduced.

(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 first region 24a of the second regenerator 34 is filled with nonmagnetic regenerator materials having different particle diameters or filled with a sintered body of nonmagnetic regenerator material, whereby the voids in the first region 24a are filled. The case of reducing the rate has been described. In addition, the porosity of the first region 24a can be reduced by accommodating a punching plate provided with a helium gas flow hole in the first region 24a of the second regenerator 34.

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 second regenerator 34 according to the second modification of the embodiment. As shown in FIG. 7, the second regenerator 34 according to the second modification accommodates a plurality of punching plates 40 in the first region 24 a instead of the spherical nonmagnetic regenerator material.

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 plates 40 are labeled, but the second regenerator 34 accommodates the plurality of punching plates 40 in layers in the first region 24 a. doing. Each punching plate 40 is provided with a plurality of helium gas flow holes 41.

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 plates 40 are accommodated in the first region 24 a of the second regenerator 34, the porosity of the first region 24 a is the size of the flow holes 41 provided in the punching plate 40 and Determined by density. The size and density of the flow holes 41 can be freely designed when the punching plate 40 is processed. Therefore, by providing the flow hole 41 so that the porosity of the first region 24a is less than 26%, the first region 24a is filled with a spherical nonmagnetic regenerator material having the same radius as the first region 24a. The porosity of the region 24a can be reduced.

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 regenerator type refrigerator 1, the punching plate 40 is accommodated in the second regenerator 34. At this time, it is preferable to make the punching plate 40 smaller than the cross section of the container of the second regenerator 34 from the viewpoint of easy accommodation. However, if the punching plate 40 is made smaller than the cross section of the container of the second regenerator 34, a gap is generated between the container of the second regenerator 34 and the punching plate 40, so the porosity of the first region 24a is large. Become.

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 plates 40 may be accommodated in the first region 24a of the second regenerator 34 and further filled with a nonmagnetic regenerator material made of spherical particles. As a result, the gap between the container that is the second regenerator 34 and the punching plate 40 is filled with the spherical nonmagnetic regenerator material, and the porosity of the first region 24a can be reduced. Further, when the spherical nonmagnetic regenerator material enters the flow hole 41 of the punching plate 40, the porosity of the first region 24a is further reduced. Thereby, the simplification of the assembly process of the regenerator type refrigerator 1 and the reduction of the porosity of the first region 24a can both be achieved.

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 regenerator type refrigerator 1, the GM refrigerator having two stages is mainly described. However, the number of stages can be appropriately selected to be three or more. In the embodiment, an example in which the regenerator type refrigerator 1 is a displacer type GM refrigerator has been described, but the present invention is not limited thereto. For example, the present invention can be applied to a pulse tube type GM refrigerator, a Stirling refrigerator, a Solvay refrigerator, and the like.

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 SYMBOLS 1 Regenerator type refrigerator, C1 1st clearance, 2 1st displacer, C2 2nd clearance, 3 2nd displacer, 4 pins, 5 connectors, 6 pins, 7 1st cylinder, 8 2nd cylinder, 9 1st cool storage 10, 11 rectifier, 12 room temperature chamber, 13 first opening, 14 compressor, 15 supply valve, 16 return valve, 17 seal, 18 first expansion space, 19 second opening, 20 first cooling stage, 21, 22 rectifier, 23 partition material, 24 high temperature side region, 24a first region, 24b second region, 25 low temperature side region, 26 second expansion space, 27 third opening, 28 second cooling stage, 29, 30 lid, 31, 32 Press-fit pins, 34 Second regenerator, 35 First non-magnetic regenerator, 36 Second Magnetic regenerator material, 37 third nonmagnetic regenerator material, 40 punching plate, 41 communication holes.

Claims (6)

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.
前記非磁性蓄冷材は球形状の粒子からなり、
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.
前記容器は、
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.
前記容器は、前記第1領域に非磁性蓄冷材の焼結体を充填し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 regenerator refrigerator according to claim 1, wherein the container is filled with a sintered body of a nonmagnetic regenerator material in the first region. 前記容器は、前記第1領域に複数の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し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 regenerator-type refrigerator according to claim 1, wherein the container accommodates a punching plate having a plurality of helium gas flow holes provided in the first region. 前記容器は、前記第1領域に、球形状の粒子からなる非磁性蓄冷材も充填していることを特徴とする請求項4または5に記載の蓄冷器式冷凍機。   The regenerator type refrigerator according to claim 4 or 5, wherein the container is filled with a nonmagnetic regenerator material made of spherical particles in the first region.
JP2014054440A 2014-03-18 2014-03-18 Regenerator type refrigerator Active JP6257394B2 (en)

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)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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

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