JP6284788B2 - Displacer - Google Patents
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Description
本発明はディスプレーサに関し、特に圧縮装置から供給される高圧の冷媒ガスをサイモン膨張させて寒冷を発生させる極低温冷凍機に用いられるディスプレーサに関する。 The present invention relates to a displacer, and more particularly to a displacer used for a cryogenic refrigerator that generates cold by expanding a high-pressure refrigerant gas supplied from a compression device by Simon.
ディスプレーサ式の極低温冷凍機として例えば特許文献1に記載のものがある。この極低温冷凍機は、ディスプレーサをシリンダ内部で往復運動させながら、膨張空間内の冷媒ガスを膨張させて寒冷を発生する。膨張空間に隣接して冷却ステージが設けられており、膨張空間で発生した冷媒ガスの寒冷で冷却ステージに接続された冷却対象を冷却する。なお、冷媒ガスとしては、例えばヘリウムガスが用いられる。
There exists a thing of
ディスプレーサは蓄冷材を収容している。圧縮機がディスプレーサに高温高圧の冷媒ガスを給気するとき、蓄冷材は冷媒ガスを冷却する。またディスプレーサが低温低圧の冷媒ガスを圧縮機に排気するとき、蓄冷材は冷媒ガスによって冷却される。このように、蓄冷材と冷媒ガスとは極低温冷凍機の動作中に熱を交換する。 The displacer contains a cold storage material. When the compressor supplies high-temperature and high-pressure refrigerant gas to the displacer, the cool storage material cools the refrigerant gas. When the displacer exhausts the low-temperature and low-pressure refrigerant gas to the compressor, the regenerator material is cooled by the refrigerant gas. Thus, the cold storage material and the refrigerant gas exchange heat during operation of the cryogenic refrigerator.
蓄冷材と冷媒ガスとの間で交換する熱量を大きくするには、蓄冷材と冷媒ガスとの接触時間を長くする方がよい。一方、十分な寒冷を得るために冷媒ガスを膨張空間で十分に膨張させるには、冷媒ガスが蓄冷材を収容するディスプレーサから圧縮機に短時間で排気することが好ましい。冷媒ガスと蓄冷材との間の熱交換効率と、冷媒ガスの膨張のしやすさとは、極低温冷凍機の冷凍性能の安定化に影響する。このため、極低温冷凍機の冷凍性能を安定化するために、冷媒ガスの吸排気時における流速のバランスを調整する余地があると考えられる。 In order to increase the amount of heat exchanged between the cold storage material and the refrigerant gas, it is better to lengthen the contact time between the cold storage material and the refrigerant gas. On the other hand, in order to sufficiently expand the refrigerant gas in the expansion space in order to obtain sufficient coldness, it is preferable that the refrigerant gas is exhausted from the displacer containing the cold storage material to the compressor in a short time. The heat exchange efficiency between the refrigerant gas and the cold storage material and the ease of expansion of the refrigerant gas affect the stabilization of the refrigeration performance of the cryogenic refrigerator. For this reason, in order to stabilize the refrigerating performance of the cryogenic refrigerator, it is considered that there is room for adjusting the balance of the flow velocity during intake and exhaust of the refrigerant gas.
本発明は、極低温冷凍機の冷凍性能を安定化する技術を提供することを目的とする。 An object of this invention is to provide the technique which stabilizes the refrigerating performance of a cryogenic refrigerator.
上記課題を解決するために、本発明のある態様の極低温冷凍機のディスプレーサは、高温端と低温端とを有し、冷媒ガスを流通させる容器と、容器に充填された蓄冷材と、容器のうち蓄冷材が充填されている領域に挿入された挿入部材とを備える。挿入部材は、容器の高温端から低温端に向かう冷媒ガスの流路抵抗が、容器の低温端から高温端に向かう冷媒ガスの流路抵抗よりも大きくなるように構成されている。 In order to solve the above problems, a displacer for a cryogenic refrigerator according to an aspect of the present invention has a high-temperature end and a low-temperature end, a container for circulating a refrigerant gas, a cold storage material filled in the container, and a container The insertion member inserted in the area | region filled with the cool storage material among these. The insertion member is configured such that the flow resistance of the refrigerant gas from the high temperature end to the low temperature end of the container is larger than the flow resistance of the refrigerant gas from the low temperature end to the high temperature end of the container.
本発明によれば、極低温冷凍機の冷凍性能を安定化することができる。 According to the present invention, the refrigeration performance of the cryogenic refrigerator can be stabilized.
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.
図1は、実施の形態に係る極低温冷凍機1の一例を模式的に示す図である。実施の形態に係る極低温冷凍機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)タイプの極低温冷凍機である。図1に示すように、極低温冷凍機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。
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
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
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する容器である。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樹脂等が用いられる。第1ディスプレーサ2の内部には、例えばメッシュ状に加工された金属(金網)を積層した第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る。室温室12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。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する容器である。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からなる第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などの磁性材からなる第3蓄冷材が充填される。鉛やビスマス、HoCu2等は球状に形成されており、複数の球状の形成物が集まって蓄冷材が構成されている。仕切り材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 is a container having a cylindrical outer peripheral surface. The inside of the second displacer 3 is divided into two stages in the axial direction with a
第2ディスプレーサ3は、冷媒ガスの流れる向きによって冷媒ガスの流路抵抗が異なる挿入部材35が挿入されている。より具体的に、挿入部材35は、第2ディスプレーサ3の高温端から低温端に向かう冷媒ガスの流路抵抗が、低温端から高温端に向かう冷媒ガスの流路抵抗よりも大きくなるように構成されている。挿入部材35の詳細は後述する。
In the second displacer 3, an
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る。第2膨張空間26は、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、実施の形態に係る極低温冷凍機1の冷却サイクルを説明する。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 cooling cycle 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。以上が冷媒ガスの給気工程である。
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、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。
When 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。以上が冷媒ガスの排気工程である。給気工程と排気工程とを合わせた工程を1サイクルとする冷却サイクルを繰り返すことで、極低温冷凍機1は第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
次に、実施の形態に係る挿入部材35についてより詳細に説明する。
Next, the
上述したように、極低温冷凍機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ディスプレーサ3内の第2蓄冷器34へ流入と流出を繰り返す動作を含む。極低温冷凍機1の動作中、第2蓄冷器34の蓄冷材は、第2蓄冷器34の軸に沿って温度勾配が生じる。
As described above, the cooling cycle in the
図2は、実施の形態に係る第2蓄冷器34の温度勾配の一例を示す図であり、第2蓄冷器の高温端から低温端に至るまでの距離を1として正規化した場合における第2蓄冷器34の温度勾配を示すグラフである。図2に示すように、第2蓄冷器34の温度勾配は、高温端から低温端に向けて線形に減少するものではない。図2に示すように、第2蓄冷器34の高温端(正規化距離が0)では温度は40K程度であり、低温端(正規化距離が1)では温度が5K程度である。
FIG. 2 is a diagram illustrating an example of the temperature gradient of the
上述した冷却サイクルの給気工程において、第2ディスプレーサ3の高温端から40K程度の温度の冷媒ガスが流入する。第2ディスプレーサ3の高温端に流入した冷媒ガスは、第2蓄冷器34内の蓄冷材に冷却されながら低温端に向かう。このため、給気工程において第2ディスプレーサ3の高温端に流入した冷媒ガスが十分に冷却されずに流れると、比較的高温の冷媒ガスが第2膨張空間26に流入することになり、極低温冷凍機1の冷凍性能を低下させる要因となる。
In the air supply process of the cooling cycle described above, refrigerant gas having a temperature of about 40 K flows from the high temperature end of the second displacer 3. The refrigerant gas flowing into the high temperature end of the second displacer 3 moves toward the low temperature end while being cooled by the cold storage material in the
一方、上述した冷却サイクルの排気工程において、第2膨張空間26で減圧され膨張する冷媒ガスは、第2ディスプレーサ3の低温端から流入し、第2蓄冷器34内の蓄冷材を通って高温端から流出する。このため、排気工程において第2ディスプレーサ3の低温端に流入した冷媒ガスが第2ディスプレーサ3を速やかに通過できないと、冷媒ガスは第2膨張空間26で十分な膨張が得られない。
On the other hand, in the exhaust process of the cooling cycle described above, the refrigerant gas that is decompressed and expanded in the
冷媒ガスが蓄冷材と接触する時間を長くすることで、冷媒ガスと蓄冷材との間の熱交換を十分に行うことができる。これは蓄冷材の中を流れる冷媒ガスの流速を小さくすることで実現できる。これに対し、第2膨張空間26で冷媒ガスを十分に膨張させるためには、蓄冷材の中を流れる冷媒ガスの流速を大きくすればよい。しかしながら、一般に蓄冷材はメッシュ形状や粒形状である。これらの形状は、第2ディスプレーサ3の高温端から低温端に向かう方向と、低温端から高温端に向かう方向とについて等方的な形状である。したがって、第2ディスプレーサ3が収容する蓄冷材は、第2ディスプレーサ3の高温端から低温端に向かう冷媒ガスの流路抵抗と、低温端から高温端に向かう冷媒ガスの流路抵抗とは、実質的に等しい。
By lengthening the time for which the refrigerant gas contacts the cold storage material, heat exchange between the refrigerant gas and the cold storage material can be sufficiently performed. This can be realized by reducing the flow rate of the refrigerant gas flowing in the regenerator material. On the other hand, in order to sufficiently expand the refrigerant gas in the
そこで実施の形態に係る第2ディスプレーサ3は、蓄冷材が充填されている領域に、流路抵抗に異方性がある挿入部材35を備える。
Therefore, the second displacer 3 according to the embodiment includes an
図3(a)−(b)は、実施の形態に係る挿入部材35の形状の一例を模式的に示す断面図である。図3(a)は、挿入部材35がいわゆるボルダの口金(Borda's mouthpiece)である場合の断面を示す図である。ボルダの口金は、第1開口部35aと第2開口部35bとを両端に備える漏斗状の形状であり、第1開口部35aの面積が、第2開口部35bの面積よりも小さい。挿入部材35は、第1開口部35aが高温端に向き、第2開口部35bが低温端に向くようにして、第2ディスプレーサ3の蓄冷材が充填されている領域に挿入される。
3A to 3B are cross-sectional views schematically showing an example of the shape of the
挿入部材35は、第2開口部35bから第1開口部35aに向かって、冷媒ガスの流路面積が連続的に減少する。このため、冷媒ガスが第2ディスプレーサ3の低温端から高温端に向かって流れるとき、冷媒ガスは第2開口部35bから挿入部材35に流入する。一方、冷媒ガスが第2ディスプレーサ3の高温端から低温端に向かって流れるとき、冷媒ガスは第1開口部35aから挿入部材35に流入する。そのため、冷媒ガスが第2ディスプレーサ3の低温端から高温端に向かって流れるときの挿入部材35の流入口の面積は、冷媒ガスが第2ディスプレーサ3の高温端から低温端に向かって流れるときの挿入部材35の流入口の面積よりも大きい。したがって、挿入部材35は、第2ディスプレーサ3の高温端から低温端に向かう冷媒ガスの流路抵抗が、低温端から高温端に向かう冷媒ガスの流路抵抗よりも大きくなる。結果として、冷却サイクルの給気工程において第2ディスプレーサ3の高温端から低温端に向かうときの冷媒ガスの流速は、排気工程において低温端から高温端に向かうときの流速よりも小さくなる。ゆえに、給気工程においては冷媒ガスは蓄冷材によって冷却されやすくなり、排気工程において冷媒ガスは第2膨張空間26で膨張しやすくなる。
In the
図3(a)に示すように、ボルダの口金の断面は曲線である。このため、第2開口部35bから第1開口部35aに向かうとき、挿入部材35の流路面積は非線形に変化する。より具体的には、挿入部材35の両端、すなわち第1開口部35aおよび第2開口部35b付近の流路面積の変化率は、挿入部材35の中央部の変化率よりも小さい。
As shown in FIG. 3A, the cross section of the base of the boulder is a curve. For this reason, when it goes to the
この他、挿入部材35は、流路面積が線形に変化する線形テーパ形状であってもよい。図3(b)は、挿入部材35が線形テーパである場合の断面を示す図である。図3(b)に示す挿入部材35も、図3(a)に示す挿入部材35と同様に、第1開口部35aと第2開口部35bとを両端に備える。挿入部材35の第1開口部35aの面積は第2開口部35bの面積よりも小さい。挿入部材35は、第1開口部35aが高温端に向き、第2開口部35bが低温端に向くようにして、第2ディスプレーサ3の蓄冷材が充填されている領域に挿入される。これにより、図3(b)に示す挿入部材35も、第2ディスプレーサ3の高温端から低温端に向かう冷媒ガスの流路抵抗が、低温端から高温端に向かう冷媒ガスの流路抵抗よりも大きくなる。
In addition, the
図4(a)−(b)は、実施の形態に係る挿入部材35の形状の別の例を模式的に示す図である。この挿入部材35は、複数の冷媒ガスの流路を備える円板形状のパンチング板である。図4(a)は挿入部材35の上面図であり、図4(b)は、図4(a)におけるA−A’断面図である。
FIGS. 4A to 4B are diagrams schematically illustrating another example of the shape of the
図4に示す挿入部材35は、第2ディスプレーサ3の蓄冷材が充填されている領域に嵌挿される。挿入部材35は例えばステンレス等の金属で構成されており、打ち抜き加工(パンチング)によって複数の冷媒ガスの流路が形成されている。これらの冷媒ガスの流路はそれぞれ、第2ディスプレーサ3の高温端側に向けられた第1開口部35aと、低温端側に向けられた第2開口部35bとを備えている。
The
図4(b)に示すように、各冷媒ガスの流路において、第1開口部35aの面積は第2開口部35bの面積よりも小さくなるように構成されている。これにより、冷媒ガスが第2ディスプレーサ3の低温端から高温端に向かって流れるときに挿入部材35を通過するための流入口の面積は、高温端から低温端に向かって流れるときの面積よりも大きくなる。したがって、挿入部材35は、第2ディスプレーサ3の高温端から低温端に向かう冷媒ガスの流路抵抗が、低温端から高温端に向かう冷媒ガスの流路抵抗よりも大きくなる。結果として、冷却サイクルの給気工程において第2ディスプレーサ3の高温端から低温端に向かうときの冷媒ガスの流速は、排気工程において低温端から高温端に向かうときの流速よりも小さくなる。ゆえに、給気工程においては冷媒ガスは蓄冷材によって冷却されやすくなり、排気工程において冷媒ガスは第2膨張空間26で膨張しやすくなる。
As shown in FIG. 4B, the area of the
図5(a)−(b)は、実施の形態に係る挿入部材35の形状のさらに別の例を模式的に示す図である。この挿入部材35は、複数の冷媒ガスの流路を備える円形状の板状部材である。図5(a)は挿入部材35の上面図であり、図5(b)は、図5(a)におけるA−A’断面図である。
Fig.5 (a)-(b) is a figure which shows typically another example of the shape of the
図5に示す挿入部材35も、図4に示す挿入部材35と同様に、第2ディスプレーサ3の蓄冷材が充填されている領域に嵌挿される。挿入部材35は例えば布入りフェノール等の樹脂であり、一方の面にエンボス加工が施されている。このため、図5に示す挿入部材35は、エンボス加工が施されている面に複数の錐体状の凸部を備える。ここで各錐体状の凸部における錐体の頂点と挿入部材35のもう一方の面とは貫通しており、冷媒ガスの流路が形成されている。この流路はそれぞれ、錐体の頂点側に第1開口部35a、もう一方の面側に第2開口部35bを備えており、第1開口部35aの面積が、第2開口部35bの面積よりも小さくなっている。挿入部材35は、第2ディスプレーサ3の高温端側に第1開口部35a、低温端側に第2開口部35bが向くように、第2ディスプレーサ3に嵌挿される。
Similarly to the
これにより、冷媒ガスが第2ディスプレーサ3の低温端から高温端に向かって流れるときに挿入部材35を通過するための流入口の面積は、高温端から低温端に向かって流れるときの面積よりも大きくなる。したがって、挿入部材35は、第2ディスプレーサ3の高温端から低温端に向かう冷媒ガスの流路抵抗が、低温端から高温端に向かう冷媒ガスの流路抵抗よりも大きくなる。結果として、冷却サイクルの給気工程において第2ディスプレーサ3の高温端から低温端に向かうときの冷媒ガスの流速は、排気工程において低温端から高温端に向かうときの流速よりも小さくなる。ゆえに、給気工程においては冷媒ガスは蓄冷材によって冷却されやすくなり、排気工程において冷媒ガスは第2膨張空間26で膨張しやすくなる。
Thereby, when the refrigerant gas flows from the low temperature end of the second displacer 3 toward the high temperature end, the area of the inlet for passing through the
ここで、図4および図5に示す挿入部材35は、複数の冷媒ガスの流路が、挿入部材35の表面に分散して配置されている。このため、図3に示す挿入部材35と比較すると、冷媒ガスは第2ディスプレーサ3内の広い範囲において挿入部材35を通過することができる。したがって、図4および図5に示す挿入部材35を通過後に冷媒ガスが蓄冷材と接触する面積も、図3に示す挿入部材35と比較して広くなる。ゆえに、図4および図5に示す挿入部材35は、図3に示す挿入部材35と比較して、挿入部材35を通過した冷媒ガスと蓄冷材との間の熱交換効率を向上できる。
Here, in the
一方、図4および図5に示す挿入部材35は、図3に示す挿入部材35よりも厚みがある。このため、第2ディスプレーサ3に挿入したときに、図3に示す挿入部材35は、図4および図5に示す挿入部材35と比較して死容積(dead volume)が小さくなる。したがって、第2ディスプレーサ3に挿入したときに、図3に示す挿入部材35は、図4および図5に示す挿入部材35と比較して、蓄冷材をより多く充填することができる。
On the other hand, the
以上説明したように、実施の形態に係る第2ディスプレーサ3は、図3、図4、または図5に示す挿入部材35を備えることにより、第2ディスプレーサ3の高温端から低温端に向かう冷媒ガスの流路抵抗が、低温端から高温端に向かう冷媒ガスの流路抵抗よりも大きくなる。これにより、給気工程において冷媒ガスが蓄冷材と接触する時間が長くなり、冷媒ガスは蓄冷材によって十分冷却される。また排気工程においては冷媒ガスは第2ディスプレーサ3から速やかに排出されるため、冷媒ガスは第2膨張空間26で膨張しやすくなる。この結果、極低温冷凍機1の冷凍性能を安定化することができる。
As described above, the second displacer 3 according to the embodiment includes the
以上本発明の好ましい実施例について詳細に説明したが、本発明は上述した実施例に制限されることなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施例に種々の変形および置換を加えることができる。 Although the preferred embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications and substitutions are made to the above-described embodiments without departing from the scope of the present invention. be able to.
上述した極低温冷凍機においては段数が二段である場合を示したが、この段数は一段であってもよいし、三段以上に適宜選択してもよい。また、実施の形態では、極低温冷凍機がディスプレーサ式のGM冷凍機を例について説明したが、これに限られない。蓄冷器内部を冷媒ガスが往復する冷凍機であれば本発明を適用することができ、例えばスターリング冷凍機、ソルベイ冷凍機などにも適用することができる。 Although in the above-mentioned cryogenic refrigerator showing a case number is two-stage, the number of stages may be single-stage, it may be appropriately selected in three or more stages. Moreover, although the cryogenic refrigerator demonstrated the example of the displacer-type GM refrigerator with embodiment, it is not restricted to this. The present invention can be applied to any refrigerating machine in which refrigerant gas reciprocates inside the regenerator. For example, the present invention can also be applied to a Stirling refrigerating machine, a Solvay refrigerating machine, and the like.
上記では挿入部材35を第2ディスプレーサ3が収容する蓄冷材の中に挿入する場合について主に説明した。挿入部材35は第2ディスプレーサ3に代えて、あるいはこれに加えて、第1ディスプレーサ2に挿入してもよい。挿入部材35を第1ディスプレーサ2に挿入することにより、冷却サイクルの給気工程において第1ディスプレーサ2の高温端から低温端に向かうときの冷媒ガスの流速は、排気工程において低温端から高温端に向かうときの流速よりも小さくなる。ゆえに、給気工程においては冷媒ガスは第1ディスプレーサ2内の蓄冷材によって冷却されやすくなり、排気工程において冷媒ガスは第1膨張空間18で膨張しやすくなる。これにより、極低温冷凍機1の冷凍性能をさらに安定化することができる。
The case where the
ここで上述したように、第1ディスプレーサ2が収容する蓄冷材はメッシュ状に加工された金属を積層したものである。したがって第1ディスプレーサ2に図3に示す挿入部材35を挿入する場合、蓄冷材であるメッシュとメッシュとの間に挿入するしてもよい。
Here, as described above, the regenerator material accommodated in the
一方、第2ディスプレーサ3が収容する蓄冷材は、例えば直径が0.5mm程度の球状に加工された金属である。このため、第2ディスプレーサ3が収容する蓄冷材に図3に示す挿入部材35を挿入すると、挿入部材35は蓄冷材によって保持され、その形状も保たれる。そのため、図3に示す挿入部材35は、第2ディスプレーサ3に挿入することが好ましい。極低温冷凍機1が3つ以上のディスプレーサを備える多段式の冷凍機である場合は、図3に示す挿入部材35は、その最終段に備えられるディスプレーサに挿入するのが好ましい。
On the other hand, the cool storage material accommodated in the second displacer 3 is a metal processed into a spherical shape having a diameter of about 0.5 mm, for example. For this reason, when the
1 極低温冷凍機、 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 材、 24 高温側領域、 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 挿入部材、 35a 第1開口部、 35b 第2開口部。
1 Cryogenic refrigerator, C1 first clearance, 2 first displacer, C2 second clearance, 3 second displacer, 4 pin, 5 connector, 6 pin, 7 first cylinder, 8 second cylinder, 9
Claims (4)
高温端と低温端とを有し、冷媒ガスを流通させる容器と、
前記容器に充填された蓄冷材と、
前記容器のうち前記蓄冷材が充填されている領域に挿入された挿入部材とを備え、
前記挿入部材は、前記容器の高温端から低温端に向かう冷媒ガスの流路抵抗が、前記容器の低温端から高温端に向かう冷媒ガスの流路抵抗よりも大きくなるように構成され、
前記挿入部材は、ボルダの口金であることを特徴とするディスプレーサ。 A cryogenic refrigerator displacer,
A container having a high temperature end and a low temperature end for circulating refrigerant gas;
A cold storage material filled in the container;
An insertion member inserted in the region filled with the cold storage material of the container,
The insertion member is configured such that the flow resistance of the refrigerant gas from the high temperature end to the low temperature end of the container is larger than the flow resistance of the refrigerant gas from the low temperature end to the high temperature end of the container ,
Said insert member, the displacer, characterized in die der Rukoto the Borda.
前記容器の高温端側に向けられた第1開口部と前記容器の低温端側に向けられた第2開口部とを有する冷媒ガスの流路を備え、
前記流路は、前記第1開口部の面積が、前記第2開口部の面積よりも小さくなるように構成されていることを特徴とする請求項1に記載のディスプレーサ。 The insertion member is
Comprising a refrigerant gas flow path having a first opening directed toward the high temperature end of the container and a second opening directed toward the low temperature end of the container;
The displacer according to claim 1, wherein the flow path is configured such that an area of the first opening is smaller than an area of the second opening.
前記ディスプレーサは、前記極低温冷凍機の最終段に備えられるディスプレーサであることを特徴とする請求項1または2に記載のディスプレーサ。 The cryogenic refrigerator is a multi-stage refrigerator having a plurality of displacers,
The displacer according to claim 1 or 2 , wherein the displacer is a displacer provided in a final stage of the cryogenic refrigerator.
高温端と低温端とを有し、冷媒ガスを流通させる容器と、
前記容器に充填された蓄冷材と、
前記容器のうち前記蓄冷材が充填されている領域に挿入された挿入部材とを備え、
前記挿入部材は、前記容器の高温端から低温端に向かう冷媒ガスの流路抵抗が、前記容器の低温端から高温端に向かう冷媒ガスの流路抵抗よりも大きくなるように構成され、
前記挿入部材は、前記容器の高温端側の面に複数の錐体状の凸部を備える板であり、各錐体状の凸部における錐体の頂点と前記挿入部材の低温端側の面との間に冷媒ガスの流路が形成されており、
前記流路は、前記錐体の頂点における開口部の面積が、前記挿入部材の低温端側の面における開口部の面積よりも小さいことを特徴とするディスプレーサ。 A cryogenic refrigerator displacer,
A container having a high temperature end and a low temperature end for circulating refrigerant gas;
A cold storage material filled in the container;
An insertion member inserted in the region filled with the cold storage material of the container,
The insertion member is configured such that the flow resistance of the refrigerant gas from the high temperature end to the low temperature end of the container is larger than the flow resistance of the refrigerant gas from the low temperature end to the high temperature end of the container,
The insertion member is a plate having a plurality of cone-shaped projections on the surface on the high temperature end side of the container, and the apex of the cone in each cone-shaped projection and the surface on the low temperature end side of the insertion member A refrigerant gas flow path is formed between
The channel, the area of the opening at the apex of the cones, features and to Lud Isupuresa is smaller than the area of the opening in the plane of the cold end side of the insertion member.
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