JP6320142B2 - Cryogenic refrigerator - Google Patents

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Description

本発明は、圧縮装置から供給される高圧の冷媒ガスのサイモン膨張により発生する寒冷を蓄積し、所望の極低温の寒冷を発生する極低温冷凍機に関する。   The present invention relates to a cryogenic refrigerator that accumulates cold generated by Simon expansion of high-pressure refrigerant gas supplied from a compressor and generates desired cryogenic cold.

極低温冷凍機として例えば特許文献1に記載のものがある。ディスプレーサ式の極低温冷凍機はディスプレーサをシリンダ内部で往復運動させながら、膨張空間内の冷媒ガスを膨張させて寒冷を発生する。また、パルスチューブ式の極低温冷凍機はパルス管内のガスピストンを往復運動させながら、膨張空間内の冷媒ガスを膨張させて寒冷を発生する。膨張空間で発生した冷媒ガスの寒冷は、蓄冷器にて蓄積されながら冷却ステージに伝達されて所望の極低温に到達して、冷却ステージに接続された冷却対象を冷却する。   There exists a thing of patent document 1 as a cryogenic refrigerator, for example. The displacer-type cryogenic refrigerator generates cold by expanding the refrigerant gas in the expansion space while reciprocating the displacer inside the cylinder. In addition, the pulse tube type cryogenic refrigerator generates cold by expanding the refrigerant gas in the expansion space while reciprocating the gas piston in the pulse tube. The refrigerant gas generated in the expansion space 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2013−2217517号公報JP 2013-2217517 A

本発明は、極低温冷凍機の効率を高める技術を提供することを目的とする。   An object of this invention is to provide the technique which raises the efficiency of a cryogenic refrigerator.

上記課題を解決するために、本発明のある態様は蓄冷器を備える極低温冷凍機である。この蓄冷器は、容器と、容器の高温側の第1領域に収容される非磁性蓄冷材と、容器の低温側の第2領域に収容される磁性蓄冷材と、第1領域に収容される挿入部材とを備える。挿入部材の熱伝導率は、極低温冷凍機が動作中の温度において10[W/(m・K)]以下である。   In order to solve the above problems, an aspect of the present invention is a cryogenic refrigerator including a regenerator. The regenerator is accommodated in the container, the nonmagnetic regenerator material accommodated in the first region on the high temperature side of the container, the magnetic regenerator material accommodated in the second region on the low temperature side of the container, and the first region. An insertion member. The thermal conductivity of the insertion member is 10 [W / (m · K)] or less at a temperature at which the cryogenic refrigerator is operating.

本発明の別の態様もまた、極低温冷凍機である。この極低温冷凍機は、高温側蓄冷器と低温側蓄冷器とを備える極低温冷凍機である。低温側蓄冷器は、容器と、容器の高温側の第1領域に収容される非磁性蓄冷材と、容器の低温側の第2領域に収容される磁性蓄冷材とを備える。容器は、第1領域の少なくとも一部の領域において容器の軸に垂直な平面における断面積が、第2領域において容器の軸に垂直な平面における断面積よりも小さく、容器の熱伝導率は、極低温冷凍機が動作中の温度において10[W/(m・K)]以下である。   Another embodiment of the present invention is also a cryogenic refrigerator. This cryogenic refrigerator is a cryogenic refrigerator including a high temperature side regenerator and a low temperature side regenerator. The low temperature side regenerator includes a container, a nonmagnetic regenerator material accommodated in the first region on the high temperature side of the container, and a magnetic regenerator material accommodated in the second region on the low temperature side of the container. The container has a cross-sectional area in a plane perpendicular to the axis of the container in at least a part of the first region that is smaller than a cross-sectional area in a plane perpendicular to the axis of the container in the second region, and the thermal conductivity of the container is It is 10 [W / (m · K)] or less at the temperature at which the cryogenic refrigerator is operating.

本発明の極低温冷凍機によれば、冷凍性能を維持しつつ蓄冷材を減少することができ、冷凍機の効率を高めることができる。   According to the cryogenic refrigerator of the present invention, the regenerator material can be reduced while maintaining the refrigeration performance, and the efficiency of the refrigerator can be increased.

実施の形態に係る極低温冷凍機の全体構成を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the whole structure of the cryogenic refrigerator which concerns on embodiment. 実施の形態に係る極低温冷凍機が備える膨張機の内部構成を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the internal structure of the expander with which the cryogenic refrigerator which concerns on embodiment is provided. 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蓄冷器の温度プロファイルの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the temperature profile of the 2nd regenerator which concerns on embodiment. 図5(a)−(d)は、挿入部材の大きさと、そのときの第1冷却ステージの温度および第2冷却ステージの温度との関係を示す図である。FIGS. 5A to 5D are diagrams showing the relationship between the size of the insertion member and the temperature of the first cooling stage and the temperature of the second cooling stage at that time. 第2蓄冷器の高温側領域に、上端の整流器と熱的に接触するように銅製の部材を挿入した場合における冷却ステージの温度変化を示す図である。It is a figure which shows the temperature change of the cooling stage when the copper member is inserted in the high temperature side area of the second regenerator so as to be in thermal contact with the rectifier at the upper end. 40Kにおける銅、ステンレス、およびフッ化炭素樹脂の熱伝導率[W/(m・K)]を示す図である。It is a figure which shows the thermal conductivity [W / (m * K)] of copper, stainless steel, and a fluorocarbon resin in 40K. 実施の形態の変形例に係る極低温冷凍機が備える膨張機の内部構成を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the internal structure of the expander with which the cryogenic refrigerator which concerns on the modification of embodiment is provided.

極低温冷凍機は一般に、圧縮機と膨張機とを備える。極低温冷凍機の冷媒ガスとしては、例えばヘリウムガスが用いられる。圧縮機は、低圧(例えば0.8MPa)のヘリウムガスを圧縮し、高圧(例えば2.2MPa)のヘリウムガスを生成する。高圧ヘリウムガスの密度と低圧ヘリウムガスの密度との密度差は、極低温付近において温度依存性が大きくなり、特に温度が8K付近のときに、その密度差が最大となる。そこで実施の形態に係る極低温冷凍機が備える蓄冷器は、蓄冷器中のヘリウムガスの密度差が最大となる領域の体積を実質的に減らすために、低温冷凍機の動作中の温度が8K付近となる領域に挿入部材を収容する。また、上段の蓄冷器や膨張空間の熱が伝導することを抑制するために、この挿入部材の熱伝導率は極低温冷凍機が動作中の温度において10[W/(m・K)]以下である。 A cryogenic refrigerator generally includes a compressor and an expander. For example, helium gas is used as the refrigerant gas of the cryogenic refrigerator. The compressor compresses low-pressure (for example, 0.8 MPa) helium gas and generates high-pressure (for example, 2.2 MPa) helium gas. The density difference between the density of the high-pressure helium gas and the density of the low-pressure helium gas has a large temperature dependence in the vicinity of extremely low temperatures, and the density difference becomes maximum especially when the temperature is around 8K. Therefore regenerator cryocooler provided according to the embodiment, in order to reduce the volume of the region where the density difference of helium gas in the regenerator is maximized substantially temperature during operation of the cryogenic refrigerator The insertion member is accommodated in a region near 8K. Further, in order to suppress the conduction of heat in the upper regenerator and the expansion space, the thermal conductivity of this insertion member is 10 [W / (m · K)] or less at the temperature at which the cryogenic refrigerator is operating. It is.

以下、本発明を実施するための形態について、添付図面を参照しながら説明する。   Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

まず、実施の形態の極低温冷凍機の全体構成について説明する。図1は、実施の形態に係る極低温冷凍機100の全体構成を模式的に示す図である。図1に示すように、極低温冷凍機100は、圧縮機1、膨張機10、配管7、電源ケーブル8、および冷却水配管接続部9を備える。   First, the overall configuration of the cryogenic refrigerator of the embodiment will be described. FIG. 1 is a diagram schematically illustrating an overall configuration of a cryogenic refrigerator 100 according to an embodiment. As shown in FIG. 1, the cryogenic refrigerator 100 includes a compressor 1, an expander 10, a pipe 7, a power cable 8, and a cooling water pipe connection 9.

圧縮機1は、膨張機10から戻ってくる低圧の冷媒ガスを圧縮し、圧縮された高圧の冷媒ガスを膨張機10に供給する。膨張機10は、圧縮機1から供給された高圧の冷媒ガスを膨張させて寒冷を発生させる。膨張機10の詳細は後述する。   The compressor 1 compresses the low-pressure refrigerant gas returned from the expander 10 and supplies the compressed high-pressure refrigerant gas to the expander 10. The expander 10 expands the high-pressure refrigerant gas supplied from the compressor 1 to generate cold. Details of the expander 10 will be described later.

配管7は膨張機10と圧縮機1とに接続され、膨張機10と圧縮機1との間に冷媒ガスを流通させる。配管7は、低圧配管7aと高圧配管7bとを含む。低圧配管7aは、膨張機10から圧縮機1に向かう低圧の冷媒ガスが流れる。一方、高圧配管7bは、圧縮機1から膨張機10に向かう高圧の冷媒ガスが流れる。   The pipe 7 is connected to the expander 10 and the compressor 1, and causes the refrigerant gas to flow between the expander 10 and the compressor 1. The pipe 7 includes a low pressure pipe 7a and a high pressure pipe 7b. The low-pressure piping 7a flows the low-pressure refrigerant gas from the expander 10 toward the compressor 1. On the other hand, high-pressure refrigerant gas from the compressor 1 toward the expander 10 flows through the high-pressure pipe 7b.

電源ケーブル8は、圧縮機1と膨張機10とに接続される。電源ケーブル8は、膨張機10の動力となる電力を圧縮機1から供給するために用いられる。冷却水配管接続部9は、冷却水が流れる配管(不図示)を接続する。冷却水は、圧縮機1が冷媒ガスを圧縮することで生じた圧縮熱を冷却し、圧縮機1の外部に排熱するために用いられる。   The power cable 8 is connected to the compressor 1 and the expander 10. The power cable 8 is used to supply power from the compressor 1 as power for the expander 10. The cooling water pipe connection unit 9 connects a pipe (not shown) through which cooling water flows. The cooling water is used for cooling the compression heat generated by the compressor 1 compressing the refrigerant gas and exhausting the heat to the outside of the compressor 1.

図2は、実施の形態に係る極低温冷凍機100が備える膨張機10の内部構成を模式的に示す図である。実施の形態では、極低温冷凍機100としてギフォード・マクマホン(Gifford-McMahon;GM)冷凍機を例に挙げ、その膨張機10を説明する。図2に示すように、実施の形態に係る極低温冷凍機100は、2段式の膨張機10を備える。このためこの膨張機10は、第1シリンダ11と第2シリンダ12とのふたつのシリンダを備える。   FIG. 2 is a diagram schematically illustrating an internal configuration of the expander 10 included in the cryogenic refrigerator 100 according to the embodiment. In the embodiment, a Gifford-McMahon (GM) refrigerator is taken as an example of the cryogenic refrigerator 100, and the expander 10 will be described. As shown in FIG. 2, the cryogenic refrigerator 100 according to the embodiment includes a two-stage expander 10. Therefore, the expander 10 includes two cylinders, a first cylinder 11 and a second cylinder 12.

第1シリンダ11と第2シリンダ12とは一体に形成されており、それぞれ高温端と低温端とを備える。第1シリンダ11の低温端と第2シリンダ12の高温端とが、第1シリンダ11の底部にて接続されている。第2シリンダ12は第1シリンダ11と同一の軸方向に延在する形態にて形成されており、第1シリンダ11よりも小径の円筒部材である。第1シリンダ11は第1ディスプレーサ13を長手方向に往復移動可能に収容する容器であり、第2シリンダ12は第2ディスプレーサ14を長手方向に往復移動可能に収容する容器である。第1ディスプレーサ13と第2ディスプレーサ14とは、例えば、ピン15、コネクタ16、ピン17を介して接続される。   The first cylinder 11 and the second cylinder 12 are integrally formed, and each has a high temperature end and a low temperature end. The low temperature end of the first cylinder 11 and the high temperature end of the second cylinder 12 are connected at the bottom of the first cylinder 11. The second cylinder 12 is formed in a form extending in the same axial direction as the first cylinder 11, and is a cylindrical member having a smaller diameter than the first cylinder 11. The first cylinder 11 is a container for accommodating the first displacer 13 so as to be reciprocally movable in the longitudinal direction, and the second cylinder 12 is a container for accommodating the second displacer 14 so as to be reciprocally movable in the longitudinal direction. The first displacer 13 and the second displacer 14 are connected via, for example, a pin 15, a connector 16, and a pin 17.

第1シリンダ11の高温端には、第1ディスプレーサ13および第2ディスプレーサ14を往復駆動するスコッチヨーク機構(図示せず)が設けられている。第1シリンダ11、第2シリンダ12には、強度、熱伝導率、ヘリウム遮断能などを考慮して、例えばステンレス鋼が用いられる。   A scotch yoke mechanism (not shown) that reciprocates the first displacer 13 and the second displacer 14 is provided at the high temperature end of the first cylinder 11. For the first cylinder 11 and the second cylinder 12, for example, stainless steel is used in consideration of strength, thermal conductivity, helium blocking ability, and the like.

また第1ディスプレーサ13には、比重、強度、熱伝導率などの観点から、例えば布入りフェノール等が用いられる。第2ディスプレーサ14はステンレス鋼などの金属製の筒である。第2ディスプレーサ14の外周面上には、フッ素樹脂などの耐摩耗性樹脂の皮膜を形成してもよい。   The first displacer 13 is made of, for example, cloth-containing phenol from the viewpoint of specific gravity, strength, thermal conductivity, and the like. The second displacer 14 is a metal cylinder such as stainless steel. A film of an abrasion-resistant resin such as a fluororesin may be formed on the outer peripheral surface of the second displacer 14.

第1ディスプレーサ13は円筒状の外周面を有しており、第1ディスプレーサ13の内部には、金網等からなる第1蓄冷材が充填されている。第1ディスプレーサ13の内部容積は第1蓄冷器18として機能する。第1蓄冷器18の上部には整流器19が、下部には整流器20が設置される。室温室21は、第1シリンダ11と第1ディスプレーサ13の高温端により形成される空間であり、第1ディスプレーサ13の往復移動に伴い容積が変化する。第1ディスプレーサ13の高温端には、室温室21から第1ディスプレーサ13に冷媒ガスを流通する第1開口22が形成されている。   The first displacer 13 has a cylindrical outer peripheral surface, and the inside of the first displacer 13 is filled with a first regenerator material made of a wire mesh or the like. The internal volume of the first displacer 13 functions as the first regenerator 18. A rectifier 19 is installed in the upper part of the first regenerator 18, and a rectifier 20 is installed in the lower part. The room temperature chamber 21 is a space formed by the first cylinder 11 and the high temperature end of the first displacer 13, and the volume changes as the first displacer 13 reciprocates. A first opening 22 through which the refrigerant gas flows from the room temperature chamber 21 to the first displacer 13 is formed at the high temperature end of the first displacer 13.

室温室21には、圧縮機1、サプライバルブ23、リターンバルブ24からなる吸排気系統を相互に接続する配管のうち、給排共通配管が接続されている。また、第1ディスプレーサ13の高温端よりの部分と第1シリンダ11との間にはシール25が装着されている。   The room temperature chamber 21 is connected to a common supply / exhaust pipe among the pipes connecting the intake and exhaust systems including the compressor 1, the supply valve 23, and the return valve 24. Further, a seal 25 is mounted between the portion of the first displacer 13 from the high temperature end and the first cylinder 11.

第1膨張空間26は、第1シリンダ11と第1ディスプレーサ13により形成される空間であり、第1ディスプレーサ13の往復移動に伴い容積が変化する。第1ディスプレーサ13の低温端には、第1膨張空間26に第1クリアランスC1を介して冷媒ガスを導入する第2開口27が形成されている。   The first expansion space 26 is a space formed by the first cylinder 11 and the first displacer 13, and the volume changes as the first displacer 13 reciprocates. A second opening 27 is formed at the low temperature end of the first displacer 13 for introducing the refrigerant gas into the first expansion space 26 via the first clearance C1.

第1シリンダ11の外周のうち、第1膨張空間26に対応する位置には、冷却対象物に熱的に接続された第1冷却ステージ28が配置されている。この第1冷却ステージ28は、第1クリアランスC1を通る冷媒ガスにより冷却される。第1膨張空間26と第2ディスプレーサ14の高温端とは、コネクタ16周りの連通路で連通されている。この連通路を介して第1膨張空間26から第2ディスプレーサ14に冷媒ガスが流通する。   A first cooling stage 28 that is thermally connected to the object to be cooled is disposed at a position corresponding to the first expansion space 26 in the outer periphery of the first cylinder 11. The first cooling stage 28 is cooled by the refrigerant gas passing through the first clearance C1. The first expansion space 26 and the high temperature end of the second displacer 14 are communicated with each other through a communication path around the connector 16. The refrigerant gas flows from the first expansion space 26 to the second displacer 14 through this communication path.

第2ディスプレーサ14は円筒状の外周面を有しており、第2ディスプレーサ14の内部は、上端の整流器29、下端の整流器30、上下中間に位置する仕切り材31を挟んで軸方向に二段に分かれている。第2ディスプレーサ14の内部容積のうち、仕切り材31よりも高温(上段)側の高温側領域32には、例えば鉛やビスマスなどの非磁性材の第2蓄冷材が充填される。仕切り材31の低温(下段)側の低温側領域33には、高温側領域32とは異なる蓄冷材、例えばHoCuなどの磁性材の第3蓄冷材が充填される。鉛やビスマス、HoCu等は球状に形成されており、複数の球状の形成物が集まって蓄冷材が構成されている。仕切り材31は、高温側領域32の蓄冷材と低温側領域33の蓄冷材とが混合するのを防止する。この第2ディスプレーサ14の内部容積である高温側領域32と低温側領域33とが第2蓄冷器34として機能する。 The second displacer 14 has a cylindrical outer peripheral surface, and the inside of the second displacer 14 has two stages in the axial direction with a rectifier 29 at the upper end, a rectifier 30 at the lower end, and a partition member 31 positioned between the upper and lower sides. It is divided into. Of the internal volume of the second displacer 14, the high temperature side region 32 on the higher temperature (upper) side than the partition material 31 is filled with a second regenerator material made of a nonmagnetic material such as lead or bismuth. The low temperature side region 33 of the low temperature (lower) side of the partition member 31, different cold storage material, for example, the third cold accumulating material of a magnetic material such as HoCu 2 is filled with the high temperature side region 32. Lead, bismuth, HoCu 2 and the like are formed in a spherical shape, and a plurality of spherical formations are gathered to form a cold storage material. The partition member 31 prevents the cold storage material in the high temperature side region 32 and the cold storage material in the low temperature side region 33 from mixing. The high temperature side region 32 and the low temperature side region 33 which are internal volumes of the second displacer 14 function as the second regenerator 34.

高温側領域32には、冷媒ガスを通過させない挿入部材42が収容される。この挿入部材42の詳細は後述する。   The high temperature side region 32 accommodates an insertion member 42 that does not allow the refrigerant gas to pass therethrough. Details of the insertion member 42 will be described later.

第2膨張空間35は、第2シリンダ12と第2ディスプレーサ14により形成される空間であり、第2ディスプレーサ14の往復移動に伴い容積が変化する。第2ディスプレーサ14の低温端には第3開口36が形成されている。この第3開口36は、第2クリアランスC2を介して第2膨張空間35に冷媒ガスを流通させる。第2クリアランスC2は、第2シリンダ12の低温端と第2ディスプレーサ14とにより形成される。   The second expansion space 35 is a space formed by the second cylinder 12 and the second displacer 14, and the volume changes as the second displacer 14 reciprocates. A third opening 36 is formed at the low temperature end of the second displacer 14. The third opening 36 allows the refrigerant gas to flow through the second expansion space 35 via the second clearance C2. The second clearance C <b> 2 is formed by the low temperature end of the second cylinder 12 and the second displacer 14.

第2シリンダ12の外周の第2膨張空間35に対応する位置には、冷却対象物に熱的に接続された第2冷却ステージ37が配置されている。第2冷却ステージ37は、第2クリアランスC2を通る冷媒ガスにより冷却される。   A second cooling stage 37 that is thermally connected to the object to be cooled is disposed at a position corresponding to the second expansion space 35 on the outer periphery of the second cylinder 12. The second cooling stage 37 is cooled by the refrigerant gas passing through the second clearance C2.

第1ディスプレーサ13および第2ディスプレーサ14は、それぞれ低温端に蓋部38および蓋部39を備える。蓋部38および蓋部39はそれぞれ、第1ディスプレーサ13および第2ディスプレーサ14との接合の観点から、二段状の円柱形状を有している。蓋部38は圧入ピン40により第1ディスプレーサ13に固定される。同様に、蓋部39は圧入ピン41により第2ディスプレーサ14に固定される。   The first displacer 13 and the second displacer 14 include a lid portion 38 and a lid portion 39 at the low temperature end, respectively. From the viewpoint of joining the first displacer 13 and the second displacer 14, the lid portion 38 and the lid portion 39 each have a two-stage cylindrical shape. The lid portion 38 is fixed to the first displacer 13 by a press-fit pin 40. Similarly, the lid portion 39 is fixed to the second displacer 14 by a press-fit pin 41.

次に、実施の形態に係る極低温冷凍機100の動作を説明する。   Next, the operation of the cryogenic refrigerator 100 according to the embodiment will be described.

冷媒ガス供給工程のある時点においては、第1ディスプレーサ13および第2ディスプレーサ14は、第1シリンダ11および第2シリンダ12の下死点に位置する。それと同時、またはわずかにずれたタイミングでサプライバルブ23を開とすると、サプライバルブ23を介して高圧の冷媒ガスが給排共通配管から第1シリンダ11内に供給される。この結果、高圧の冷媒ガスは、第1ディスプレーサ13の上部に位置する第1開口22から第1ディスプレーサ13の内部の第1蓄冷器18に流入する。第1蓄冷器18に流入した高圧の冷媒ガスは、第1蓄冷材により冷却されながら第1ディスプレーサ13の下部に位置する第2開口27および第1クリアランスC1を介して、第1膨張空間26に供給される。   At a certain point in the refrigerant gas supply process, the first displacer 13 and the second displacer 14 are located at the bottom dead center of the first cylinder 11 and the second cylinder 12. When the supply valve 23 is opened at the same time or at a slightly shifted timing, high-pressure refrigerant gas is supplied into the first cylinder 11 from the supply / discharge common pipe through the supply valve 23. As a result, the high-pressure refrigerant gas flows into the first regenerator 18 inside the first displacer 13 from the first opening 22 located at the top of the first displacer 13. The high-pressure refrigerant gas that has flowed into the first regenerator 18 is cooled by the first regenerator material and enters the first expansion space 26 via the second opening 27 and the first clearance C1 that are located below the first displacer 13. Supplied.

第1膨張空間26に供給された高圧の冷媒ガスは、コネクタ16周りの連通路を介して、第2ディスプレーサ14の内部の第2蓄冷器34に流入する。第2蓄冷器34に流入した高圧の冷媒ガスは、第2蓄冷材により冷却されながら第2ディスプレーサ14の下部に位置する第3開口36および第2クリアランスを介して、第2膨張空間35に供給される。   The high-pressure refrigerant gas supplied to the first expansion space 26 flows into the second regenerator 34 inside the second displacer 14 through the communication passage around the connector 16. The high-pressure refrigerant gas that has flowed into the second regenerator 34 is supplied to the second expansion space 35 through the third opening 36 and the second clearance that are positioned below the second displacer 14 while being cooled by the second regenerator. Is done.

このようにして、第1膨張空間26および第2膨張空間35は、高圧の冷媒ガスで満たされ、サプライバルブ23は閉とされる。このとき、第1ディスプレーサ13および第2ディスプレーサ14は、第1シリンダ11および第2シリンダ12内の上死点に位置する。それと同時、またはわずかにずれたタイミングでリターンバルブ24を開とすると、第1膨張空間26、第2膨張空間35内の冷媒ガスは減圧され膨張する。膨張により低温になった第1膨張空間26の冷媒ガスは、第1クリアランスC1を介して第1冷却ステージ28の熱を吸収する。同様に、第2膨張空間35の冷媒ガスは、第2クリアランスC2を介して第2冷却ステージ37の熱を吸収する。   In this way, the first expansion space 26 and the second expansion space 35 are filled with the high-pressure refrigerant gas, and the supply valve 23 is closed. At this time, the first displacer 13 and the second displacer 14 are located at the top dead center in the first cylinder 11 and the second cylinder 12. When the return valve 24 is opened at the same time or slightly shifted timing, the refrigerant gas in the first expansion space 26 and the second expansion space 35 is decompressed and expanded. The refrigerant gas in the first expansion space 26 that has become low temperature due to expansion absorbs the heat of the first cooling stage 28 through the first clearance C1. Similarly, the refrigerant gas in the second expansion space 35 absorbs the heat of the second cooling stage 37 through the second clearance C2.

第1ディスプレーサ13および第2ディスプレーサ14は下死点に向けて移動し、第1膨張空間26および第2膨張空間35の容積は減少する。第2膨張空間35内の冷媒ガスは、第2クリアランスC2、第3開口36、第2蓄冷器34、および連通路を介して第1膨張空間26に戻される。さらに、第1膨張空間26内の冷媒ガスは、第2開口27、第1蓄冷器18、および第1開口22を介して、圧縮機1の吸入側に戻される。その際、第1蓄冷材および第2蓄冷材は、冷媒ガスにより冷却される。この工程を1サイクルとし、極低温冷凍機100はこの冷却サイクルを繰り返すことで、第1冷却ステージ28および第2冷却ステージ37を冷却する。   The first displacer 13 and the second displacer 14 move toward the bottom dead center, and the volumes of the first expansion space 26 and the second expansion space 35 decrease. The refrigerant gas in the second expansion space 35 is returned to the first expansion space 26 via the second clearance C2, the third opening 36, the second regenerator 34, and the communication path. Further, the refrigerant gas in the first expansion space 26 is returned to the suction side of the compressor 1 through the second opening 27, the first regenerator 18, and the first opening 22. At that time, the first cold storage material and the second cold storage material are cooled by the refrigerant gas. This process is defined as one cycle, and the cryogenic refrigerator 100 cools the first cooling stage 28 and the second cooling stage 37 by repeating this cooling cycle.

以上のように、極低温冷凍機100における冷却サイクルは、冷媒ガスが第2蓄冷器34へ流入と流出を繰り返して圧力変動する動作を含む。以下、冷媒ガスとしてヘリウムガスを用いる場合について、第2蓄冷器34に存在するヘリウムガスの温度プロファイル、および質量変化について説明する。   As described above, the cooling cycle in the cryogenic refrigerator 100 includes an operation in which the refrigerant gas repeatedly varies in pressure by repeatedly flowing in and out of the second regenerator 34. Hereinafter, when helium gas is used as the refrigerant gas, the temperature profile and mass change of the helium gas present in the second regenerator 34 will be described.

図3は、2.2MPaのヘリウムガスと0.8MPaのヘリウムガスとの、それぞれの密度の温度変化、および両者の密度差の温度変化を示す図である。図3に示すように、2.2MPaのヘリウムガスと0.8MPaのヘリウムガスとの密度差は、温度がおよそ9Kのとき最大となる。ヘリウムガスの温度が9Kよりも低い場合は、2.2MPaのヘリウムガスと0.8MPaのヘリウムガスとの密度差は温度に対して単調増加し、ヘリウムガスの温度が9Kよりも高い場合は、密度差は温度に対して単調減少する。   FIG. 3 is a diagram showing a temperature change of each density of a 2.2 MPa helium gas and a 0.8 MPa helium gas, and a temperature change of a density difference between them. As shown in FIG. 3, the density difference between the 2.2 MPa helium gas and the 0.8 MPa helium gas becomes maximum when the temperature is about 9K. When the temperature of the helium gas is lower than 9K, the density difference between the 2.2 MPa helium gas and the 0.8 MPa helium gas monotonously increases with respect to the temperature, and when the helium gas temperature is higher than 9K, The density difference decreases monotonically with temperature.

ここで、第2蓄冷器34に存在するヘリウムガスの質量をMとする。また、第2蓄冷器34の高温端、すなわち上端の整流器29に流入するヘリウムガスの単位時間あたりの質量をminとし、下端の整流器30から流出するヘリウムガスの単位時間あたりの質量をmoutとする。もし、第2蓄冷器34にヘリウムガスが流入すれば、第2蓄冷器34に存在するヘリウムガスの質量Mは増加する。一方、第2蓄冷器34からヘリウムガスが流出すれば、第2蓄冷器34に存在するヘリウムガスの質量Mは減少する。したがって、上端の整流器29に流入するヘリウムガスの単位時間あたりの質量をminは、第2蓄冷器34に存在するヘリウムガスの質量Mの単位時間あたりの変化量dM/dtと下端の整流器30から流出するヘリウムガスの単位時間あたりの質量をmoutとの和となる。以上より、以下の関係式(1)を得る。
in=dM/dt+mout (1)
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 29 of the upper end and m in, the mass per unit of the helium gas flowing out time from the rectifier 30 of the lower 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. Thus, mass m in per unit time of the helium gas flowing to the rectifier 29 at the upper end, the amount of change dM / dt and the lower end of the rectifier 30 per unit time of the mass M of the helium gas present in the second regenerator 34 The mass per unit time of the helium gas flowing out from the gas is the sum of m out . From the above, the following relational expression (1) is obtained.
m in = dM / dt + m out (1)

上述したように、第2蓄冷器34は第2ディスプレーサ14の内部であり、第2ディスプレーサ14は、例えば鉛、ビスマスなどの球状の第2蓄冷材をフェルトおよび金網により軸方向に挟持することにより構成される。したがって、第2蓄冷器34の容積は一定と見なすことができるので、その値をVとする。また、第2蓄冷器34中のヘリウムガスの平均密度をρとすると、第2蓄冷器34に存在する冷媒ガスの質量Mは、以下の式(2)で表せる。
M=Vρ (2)
As described above, the second regenerator 34 is inside the second displacer 14, and the second displacer 14 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=Vdρ/dt+mout (3)
ここで、dρ/dtは、ヘリウムガスの密度ρの時間微分を表す。
Substituting equation (2) into equation (1) yields the following equation (3).
m in = Vdρ / dt + m out (3)
Here, dρ / dt represents a time derivative of the density ρ of helium gas.

式(3)において、第2蓄冷器34に流入したヘリウムガスの密度が時間によって変化しない(dρ/dt=0)と仮定すると、min=moutとなる。これは、ヘリウムガスが第2蓄冷器34に流入した分だけ、第2蓄冷器34から流出することを意味する。すなわち、第2蓄冷器34に存在するヘリウムガスの質量Mは変化しないことを意味する。しかしながら、実際の系では、サプライバルブ23が開にされると、サプライバルブ23を介して高圧のヘリウムガスが供給される。この結果、第2蓄冷器34にも高圧のヘリウムガスが流入し、第2蓄冷器34に充填されている低圧のヘリウムガスは昇圧され、高圧のヘリウムガスとなる。 In the formula (3), the density of the helium gas flowing into the second regenerator 34 is assumed not to change (dp / dt = 0) by the time, and m in = m out. This means that helium gas flows out of the second regenerator 34 by the amount that flows into the second regenerator 34. That is, it means that the mass M of the helium gas present in the second regenerator 34 does not change. However, in an actual system, when the supply valve 23 is opened, high-pressure helium gas is supplied through the supply valve 23. 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3に示すように、高圧のヘリウムガスと低圧のヘリウムガスとは、その密度に差がある。したがって、第2蓄冷器34に高圧のヘリウムガスが流入し、その中の低圧のヘリウムガスが昇圧されて高圧のヘリウムガスとなると、式(3)における右辺は正の値となる。より具体的には、式(3)における右辺は、図3において実線で示す密度差となる。以上より、以下の不等式(4)を得る。
Vdρ/dt=min−mout>0 (4)
As shown in FIG. 3, there is a difference in density between high-pressure helium gas and low-pressure helium gas. Therefore, when the high-pressure helium gas flows into the second regenerator 34 and the low-pressure helium gas in the second regenerator 34 is boosted to become the high-pressure helium gas, the right side in Equation (3) has a positive value. More specifically, the right side in equation (3) is the density difference indicated by the solid line in FIG. From the above, the following inequality (4) is obtained.
Vdρ / dt = m in -m out > 0 (4)

上述したとおり、第2蓄冷器34に流入した高圧のヘリウムガスは、第2蓄冷材により冷却されながら第2ディスプレーサ14の下部に位置する第3開口36および第2クリアランスを介して、第2膨張空間35に供給される。しかしながら、上記不等式(4)は、第2蓄冷器34から第2膨張空間35に流出するヘリウムガスの質量は、第2蓄冷器に流入するヘリウムガスの質量よりも小さいことを示している。これは、第2蓄冷器34がいわばヘリウムガスのバッファのような作用を示すことを意味する。第2蓄冷器34から第2膨張空間35に流出するヘリウムガスが減少する結果、第2膨張空間35の圧力も小さくなる。   As described above, the high-pressure helium gas that has flowed into the second regenerator 34 is expanded by the second expansion via the third opening 36 and the second clearance that are positioned below the second displacer 14 while being cooled by the second regenerator. It is supplied to the space 35. However, the inequality (4) indicates that the mass of helium gas flowing out from the second regenerator 34 into the second expansion space 35 is smaller than the mass of helium gas flowing into the second regenerator. This means that the second regenerator 34 functions like a helium gas buffer. As a result of the decrease in helium gas flowing out from the second regenerator 34 into the second expansion space 35, the pressure in the second expansion space 35 also decreases.

リターンバルブ24が開とされると、第2蓄冷器34内の高圧のヘリウムガスは減圧され、低圧のヘリウムガスとなる。このとき、式(3)における右辺は図3において実線で示す密度差を絶対値とする負の値となる。したがって、以下の不等式(5)を得る。
Vdρ/dt=min−mout<0 (5)
When the return valve 24 is opened, the high pressure helium gas in the second regenerator 34 is depressurized to become low pressure helium gas. At this time, the right side in Equation (3) is a negative value having the density difference indicated by the solid line in FIG. 3 as an absolute value. Therefore, the following inequality (5) is obtained.
Vdρ / dt = m in -m out <0 (5)

これは、第2膨張空間35から第2蓄冷器34に流入するヘリウムガスの質量よりも、第2蓄冷器34から流出するヘリウムガスの質量の方が大きいことを示している。これは、減圧されて密度が小さくなった第2蓄冷器34内のヘリウムガスが、第2蓄冷器34から第1膨張空間26に流出することを意味している。   This indicates that the mass of helium gas flowing out from the second regenerator 34 is larger than the mass of helium gas flowing into the second regenerator 34 from the second expansion space 35. This means that the helium gas in the second regenerator 34 that has been reduced in pressure and reduced in density flows out from the second regenerator 34 to the first expansion space 26.

ここで、圧縮機1が回収するヘリウムガスの量は一定である。このため、第2蓄冷器34内のヘリウムガスが第2蓄冷器34から流出する分、第2膨張空間35で膨張したヘリウムガスの回収が減少することになる。この結果、第2膨張空間35で膨張し、第2クリアランスC2を通るヘリウムガスが減少するため、第2冷却ステージ37の冷却効率が低下する。   Here, the amount of helium gas recovered by the compressor 1 is constant. For this reason, the amount of helium gas expanded in the second expansion space 35 is reduced by the amount of helium gas in the second regenerator 34 flowing out of the second regenerator 34. As a result, the helium gas that expands in the second expansion space 35 and passes through the second clearance C2 is reduced, so that the cooling efficiency of the second cooling stage 37 is lowered.

図4は、実施の形態に係る第2蓄冷器34の温度プロファイルの一例を示す図であり、第2蓄冷器34の高温端から低温端に至るまでの距離を1とした場合における第2蓄冷器34の温度プロファイルを示すグラフである。   FIG. 4 is a diagram illustrating an example of the temperature profile of the second regenerator 34 according to the embodiment, and the second regenerator when the distance from the high temperature end to the low temperature end of the second regenerator 34 is 1. 3 is a graph showing a temperature profile of the vessel 34.

図4に示すように、2段式冷凍機の第2蓄冷器34では、高温端から低温端に向けての温度プロファイルは、高温端からの距離に反比例するような形となり、双曲線のような形となる。図4において温度勾配が最も大きくなるのは、第2蓄冷器34の高温側領域32に存在する。高温側領域32は、極低温冷凍機100が動作中において9K程度の温度となる領域を含む。この温度は、図3においてヘリウムガスの密度差が最大となる温度と一致する。   As shown in FIG. 4, in the second regenerator 34 of the two-stage refrigerator, the temperature profile from the high temperature end to the low temperature end has a shape that is inversely proportional to the distance from the high temperature end, It becomes a shape. In FIG. 4, the temperature gradient is greatest in the high temperature side region 32 of the second regenerator 34. The high temperature side region 32 includes a region where the temperature of the cryogenic refrigerator 100 is about 9K during operation. This temperature coincides with the temperature at which the density difference of helium gas is maximum in FIG.

以上を踏まえ、実施の形態に係る第2蓄冷器34は、第2蓄冷器34の高温側領域32に、ヘリウムガスの流通を阻害する挿入部材42を収容する。挿入部材42は、第2蓄冷器34と同軸になるように、仕切り材31に固定されて配置される。   Based on the above, the second regenerator 34 according to the embodiment accommodates the insertion member 42 that inhibits the flow of helium gas in the high temperature side region 32 of the second regenerator 34. The insertion member 42 is fixed and arranged on the partition member 31 so as to be coaxial with the second regenerator 34.

第2蓄冷器34の高温側領域32に挿入部材42を収容すると、第2蓄冷器34のうちヘリウムガスが存在できる領域は、挿入部材42の体積Vだけ小さくなる。ヘリウムガスは挿入部材42を通り抜けることができないので、第2蓄冷器34の体積Vは、実質的には第2蓄冷器34の体積Vから挿入部材42の体積Vを引いた残りの体積をV(=V−V)となる。このとき上記式(3)は以下の式(6)となる。
in=Vdρ/dt+mout (6)
ただし、
<V (7)
である。
When the insertion member 42 is accommodated in the high temperature side region 32 of the second regenerator 34, the region where the helium gas can exist in the second regenerator 34 is reduced by the volume V 1 of the insertion member 42. Since the helium gas can not pass through the insertion member 42, the volume V of the second regenerator 34, the remaining volume is substantially minus the volume V 1 of the insert member 42 from the volume V of the second regenerator 34 V 2 (= V−V 1 ). At this time, the above equation (3) becomes the following equation (6).
m in = V 2 dρ / dt + m out (6)
However,
V 2 <V (7)
It is.

第1膨張空間26から整流器29を介して第2蓄冷器34に流入するヘリウムガスの単位時間あたりの質量をminが一定であると仮定すると、式(6)および式(7)より、整流器30から第2膨張空間35に流出するヘリウムガスの単位時間あたりの質量をmoutが増加する。しかしながら、実際の系では、第1膨張空間26から第2蓄冷器34に流入するヘリウムガスの単位時間あたりの質量をminは少なくなる。第2蓄冷器34の高温側領域32に挿入部材42を収容した場合に第1膨張空間26から第2蓄冷器34に流入するヘリウムガスの単位時間あたりの質量をm’inとすると、上記式(6)は以下の式(8)となる。
m’in=Vdρ/dt+mout (8)
ただし、
m’in<min (9)
である。
When mass m in per unit time of the helium gas flowing into the second regenerator 34 via a rectifier 29 from the first expansion space 26 is constant, equation (6) and the equation (7), a rectifier Mout increases the mass per unit time of the helium gas flowing out from 30 to the second expansion space 35. However, in the actual system, mass m in per unit time of the helium gas flowing from the first expansion space 26 to the second regenerator 34 is reduced. When the mass per unit time of the helium gas flowing from the first expansion space 26 to the second regenerator 34 and m 'in the case that houses the insertion member 42 to the high temperature side region 32 of the second regenerator 34, the formula (6) becomes the following formula (8).
m ′ in = V 2 dρ / dt + m out (8)
However,
m 'in <m in (9 )
It is.

第1膨張空間26から第2蓄冷器34に流入するヘリウムガスが減少する分だけ、ヘリウムガスは第1膨張空間26にとどまる。第1膨張空間26にとどまるヘリウムガスは、第1膨張空間26で膨張して寒冷の発生に寄与する。このため、第1冷却ステージ28の温度をより低下することができる。   The helium gas remains in the first expansion space 26 as much as the helium gas flowing into the second regenerator 34 from the first expansion space 26 decreases. The helium gas remaining in the first expansion space 26 expands in the first expansion space 26 and contributes to the generation of cold. For this reason, the temperature of the first cooling stage 28 can be further lowered.

式(8)および式(9)より、式(8)の左辺m’inが式(3)の左辺minより小さくなると、式(8)の右辺Vdρ/dt+moutも、式(3)の右辺Vdρ/dt+moutよりも小さくなる。一方で、式(7)よりV<Vであるから、式(8)の右辺第1項Vdρ/dtは、式(3)の右辺第1項Vdρ/dtよりも小さくなる。したがって、式(8)の右辺第2項moutが減少することを抑制することができる。 From equation (8) and (9), the left-hand side m 'in the formula (8) is smaller than the left-hand side m in the formula (3), also the right side V 2 / dt + m out of Formula (8), equation (3 ) On the right side of Vdρ / dt + m out . On the other hand, since V 2 <V from Expression (7), the first term V 2 dρ / dt on the right side of Expression (8) is smaller than the first term Vdρ / dt on the right side of Expression (3). Therefore, it is possible to suppress a decrease in the second term m out on the right side of Equation (8).

以上より、第2蓄冷器34の高温側領域32に挿入部材42を収容することの定性的な利点は、以下の3つにまとめることができる。
1.挿入部材42の体積分だけ第1膨張空間26から第2蓄冷器34に流入するヘリウムガスが減少し、第1膨張空間26で膨張するヘリウムガスが増加する。増加したヘリウムガスは第1膨張空間26において膨張して寒冷を発生するので、第1冷却ステージ28の温度の低下に寄与する。
2.極低温冷凍機100が動作中において、第2蓄冷器34の高温側領域32の温度は、高圧のヘリウムガスと低圧のヘリウムガスとの密度差が大きくなる温度範囲となる。挿入部材42の体積分だけ、上述したヘリウムガスがバッファのようにふるまう領域の体積が減少することになり、第2蓄冷器34と第2膨張空間35との間を移動するヘリウムガスの流量が増加する。
3.挿入部材42の体積分だけ、第2蓄冷器34の高温側領域32に収容する蓄冷材が減少する。
From the above, the qualitative advantages of accommodating the insertion member 42 in the high temperature side region 32 of the second regenerator 34 can be summarized into the following three.
1. The helium gas flowing from the first expansion space 26 into the second regenerator 34 is reduced by the volume of the insertion member 42, and the helium gas expanding in the first expansion space 26 is increased. The increased helium gas expands in the first expansion space 26 and generates cold, contributing to a decrease in the temperature of the first cooling stage 28.
2. During the operation of the cryogenic refrigerator 100, the temperature of the high temperature side region 32 of the second regenerator 34 is in a temperature range in which the density difference between the high pressure helium gas and the low pressure helium gas becomes large. The volume of the region in which the above-described helium gas behaves like a buffer is reduced by the volume of the insertion member 42, and the flow rate of helium gas moving between the second regenerator 34 and the second expansion space 35 is reduced. To increase.
3. The cold storage material accommodated in the high temperature side region 32 of the second regenerator 34 is reduced by the volume of the insertion member 42.

以上、第2蓄冷器34の高温側領域32に挿入部材42を収容することの定性的な効果を説明した。次に、第2蓄冷器34の高温側領域32に挿入する挿入部材42の具体的な大きさについて説明する。   The qualitative effect of housing the insertion member 42 in the high temperature side region 32 of the second regenerator 34 has been described above. Next, a specific size of the insertion member 42 to be inserted into the high temperature side region 32 of the second regenerator 34 will be described.

図5(a)−(b)は、挿入部材42の大きさと、そのときの第1冷却ステージ28の温度および第2冷却ステージ37の温度との関係を示す図である。より具体的に、図5(a)は、挿入部材42がフッ化炭素樹脂の場合における各冷却ステージの温度変化を示すグラフであり、図5(b)は挿入部材42がステンレスの場合における各冷却ステージの温度変化を示すグラフである。   FIGS. 5A and 5B are diagrams showing the relationship between the size of the insertion member 42 and the temperature of the first cooling stage 28 and the temperature of the second cooling stage 37 at that time. More specifically, FIG. 5A is a graph showing a temperature change of each cooling stage when the insertion member 42 is a fluorocarbon resin, and FIG. 5B is a graph showing each temperature change when the insertion member 42 is stainless steel. It is a graph which shows the temperature change of a cooling stage.

上述したように、第2蓄冷器34は第2ディスプレーサ14の内部容積であり、円柱形状をしている。また挿入部材42の形状は、例えば円柱または角柱である。挿入部材42は、第2蓄冷器34の高温側領域32に、第2蓄冷器34と同軸になるように配置されるので、第2蓄冷器34の軸に垂直な平面で切った場合の挿入部材42の断面積は、その軸上の位置によらず一定である。   As described above, the second regenerator 34 is the internal volume of the second displacer 14 and has a cylindrical shape. The shape of the insertion member 42 is, for example, a cylinder or a prism. Since the insertion member 42 is disposed in the high temperature side region 32 of the second regenerator 34 so as to be coaxial with the second regenerator 34, the insertion member 42 is inserted when cut by a plane perpendicular to the axis of the second regenerator 34. The cross-sectional area of the member 42 is constant regardless of its axial position.

いま、第2蓄冷器34の軸に垂直な平面で切った場合の第2蓄冷器34の断面積をSとし、その平面における挿入部材42の断面積をSとする。図5(a)−(b)のグラフにおける横軸は、第2蓄冷器34の断面積Sに対する、第2蓄冷器34の断面積Sと挿入部材42の断面積Sとの差S−Sの比である。すなわち、挿入部材42の断面積Sが大きくなるほど、第2蓄冷器34の断面積Sと挿入部材42の断面積Sとの差S−Sは小さくなる。以下、第2蓄冷器34の断面積Sに対する、第2蓄冷器34の断面積Sと挿入部材42の断面積Sとの差S−Sの比を、単に「断面積比」と記載することがある。また、図5(a)−(b)のグラフの縦軸において、「1段温度」は、第1冷却ステージ28の温度を表し、「2段温度」は、第2冷却ステージ37の温度を表す。 Now, the cross-sectional area of the second regenerator 34 when cut along a plane perpendicular to the axis of the second regenerator 34 and S 1, the cross-sectional area of the insert member 42 in the plane and S 2. Figure 5 (a) - the horizontal axis in the graph of (b), the difference to the cross-sectional area S 1 of the second regenerator 34, the cross-sectional area S 2 of the sectional area S 1 and the insertion member 42 of the second regenerator 34 It is the ratio of S 1 -S 2 . That is, the larger the sectional area S 2 of the insertion member 42, a difference S 1 -S 2 of the cross-sectional area S 2 of the sectional area S 1 and the insertion member 42 of the second regenerator 34 is small. Hereinafter, to the cross-sectional area S 1 of the second regenerator 34, the ratio of the difference S 1 -S 2 of the cross-sectional area S 2 of the sectional area S 1 and the insertion member 42 of the second regenerator 34, simply "sectional area ratio May be described. Also, in the vertical axis of the graphs of FIGS. 5A to 5B, “first stage temperature” represents the temperature of the first cooling stage 28, and “two stage temperature” represents the temperature of the second cooling stage 37. Represent.

図5(a)に示すように、第2蓄冷器34の高温側領域32に挿入部材42を挿入しない場合、すなわち、断面積比が1.0の場合、1段温度はおよそ36.2Kであり、2段温度はおよそ3.82Kである。挿入部材42の断面積S が第2蓄冷器34の断面積Sのおよそ5%のとき、すなわち、断面積比がおよそ0.95のとき、1段温度はおよそ34.6Kとなり、2段温度はおよそ3.83Kとなる。 As shown in FIG. 5A, when the insertion member 42 is not inserted into the high temperature side region 32 of the second regenerator 34, that is, when the cross-sectional area ratio is 1.0, the first stage temperature is approximately 36.2K. Yes, the two stage temperature is approximately 3.82K. When sectional area S 2 of the insertion member 42 is approximately 5% of the cross-sectional area S 1 of the second regenerator 34, i.e., when the cross-sectional area ratio is approximately 0.95, the first stage temperature is about 34.6K, and the 2 The plate temperature is approximately 3.83K.

挿入部材42の断面積Sをさらに大きくし、挿入部材42の断面積Sを第2蓄冷器34の断面積Sのおよそ10%としたとき、1段温度はおよそ35.8Kとなり、2段温度はおよそ3.85Kとなる。挿入部材42の断面積S をさらに増加させると、1段温度と2段温度とはともに上昇する。挿入部材42の断面積S が第2蓄冷器34の断面積Sのおよそ25%のとき、1段温度と2段温度とはともに挿入部材42を挿入しない場合と同程度となる。 The cross-sectional area S 2 is further increased in the insertion member 42, when the cross-sectional area S 2 of the insertion member 42 was set to approximately 10% of the cross-sectional area S 1 of the second regenerator 34, the first stage temperature is about 35.8K, and the The two-stage temperature is approximately 3.85K. Further increasing the sectional area S 2 of the insertion member 42, both increase the first stage temperature and 2-stage temperature. When the sectional area S 2 of the insertion member 42 of approximately 25% of the cross-sectional area S 1 of the second regenerator 34, the same extent as if not inserted both insert member 42 and the first stage temperature and 2-stage temperature.

図5(b)に示すように、挿入部材42がステンレスの場合も、挿入部材42の断面積をSが第2蓄冷器34の断面積Sのおよそ5%のとき、2段温度を維持しつつ1段温度が最も低くなる。挿入部材42の断面積S が第2蓄冷器34の断面積Sのおよそ25%のとき、1段温度は挿入部材42を挿入しない場合と同程度となる。 As shown in FIG. 5 (b), even if the insertion member 42 is stainless steel, when the cross-sectional area of the insert member 42 is S 2 of approximately 5% of the cross-sectional area S 1 of the second regenerator 34, the 2-stage temperature The first stage temperature is lowest while maintaining. When sectional area S 2 of the insertion member 42 is approximately 25% of the cross-sectional area S 1 of the second regenerator 34, the first stage temperature is the same extent as if not inserted insertion member 42.

このように、第2蓄冷器34の高温側領域32に収容された挿入部材42の断面積Sが、第2蓄冷器34の断面積Sの25%以下であれば、1段温度を維持しつつ、高温側領域32に収容する蓄冷材を少なくすることができる。特に、挿入部材42がフッ化炭素樹脂の場合には、挿入部材42の断面積Sが第2蓄冷器34の断面積Sの25%以下のとき、挿入部材42を挿入しない場合の1段温度と2段温度と同等かそれ以下となる。挿入部材42の断面積Sは第2蓄冷器34の断面積Sの5%のときは、1段温度が最も向上する。したがって、挿入部材42の断面積Sは、第2蓄冷器34の断面積Sの5%程度とすることが好ましい。 Thus, the cross-sectional area S 2 of the insertion member 42 accommodated in the high temperature side region 32 of the second regenerator 34 is equal to or more than 25% of the cross-sectional area S 1 of the second regenerator 34, the first stage temperature While maintaining, the cool storage material accommodated in the high temperature side area | region 32 can be decreased. In particular, inserted in the case member 42 is fluorocarbon resin, when the cross-sectional area S 2 of the insertion member 42 is 25% or less of the cross-sectional area S 1 of the second regenerator 34, when no insert the insertion member 42 1 It is equal to or lower than the stage temperature and the stage temperature. Sectional area S 2 of the insert member 42 when 5% of the cross-sectional area S 1 of the second regenerator 34, the first stage temperature is most improved. Accordingly, the sectional area S 2 of the insert member 42 is preferably set to about 5% of the cross-sectional area S 1 of the second regenerator 34.

ところで、図2に示す例では、第2蓄冷器34の高温側領域32に挿入された挿入部材42は、上端の整流器29と熱的に接触している。上端の整流器29の温度は第1膨張空間26の温度と同等であり、図4に示すように第2蓄冷器34の温度プロファイルにおける最高温度に近い温度である。したがって、仮に挿入部材42が、例えば銅等の熱を伝導しやすい素材である場合、第2蓄冷器34の内部温度が上昇する。この場合、1段温度や2段温度の上昇を招いてしまうかもしれない。   By the way, in the example shown in FIG. 2, the insertion member 42 inserted into the high temperature side region 32 of the second regenerator 34 is in thermal contact with the rectifier 29 at the upper end. The temperature of the rectifier 29 at the upper end is equivalent to the temperature of the first expansion space 26, and is close to the maximum temperature in the temperature profile of the second regenerator 34 as shown in FIG. Therefore, if the insertion member 42 is a material that easily conducts heat, such as copper, the internal temperature of the second regenerator 34 rises. In this case, the first stage temperature or the second stage temperature may increase.

図6は、第2蓄冷器34の高温側領域32に、上端の整流器29と熱的に接触するように銅製の部材を挿入した場合における冷却ステージの温度変化を示す図である。図6に示すように、直径2mmの銅製の部材を挿入した場合、1段温度と2段温度とはともに上昇する。ここで、直径2mmの銅製の部材の断面積は、第2蓄冷器34の断面積Sの1%未満である。 FIG. 6 is a diagram showing a temperature change of the cooling stage when a copper member is inserted into the high temperature side region 32 of the second regenerator 34 so as to be in thermal contact with the rectifier 29 at the upper end. As shown in FIG. 6, when a copper member having a diameter of 2 mm is inserted, both the first stage temperature and the second stage temperature rise. Here, the cross-sectional area of the copper member having a diameter of 2 mm is less than 1% of the cross-sectional area S 1 of the second regenerator 34.

図7は、40Kにおける銅、ステンレス、およびフッ化炭素樹脂の熱伝導率[W/(m・K)]を示す図である。図4に示すように、極低温冷凍機100が動作中においては上端の整流器29はおよそ40Kとなる。したがって、図7は、極低温冷凍機100が動作中において第2蓄冷器34の高温側領域32に銅、ステンレス、およびフッ化炭素樹脂を挿入した場合における各部材の熱伝導率を表す。図7に示すように、40Kにおける銅の熱伝導率は1850[W/(m・K)]である。これは40Kにおけるステンレスの熱伝導率である5[W/(m・K)]に対して3桁大きく、またフッ化炭素樹脂の熱伝導率である0.2[W/(m・K)]に対して4桁大きい。   FIG. 7 is a diagram showing the thermal conductivity [W / (m · K)] of copper, stainless steel, and fluorocarbon resin at 40K. As shown in FIG. 4, during operation of the cryogenic refrigerator 100, the rectifier 29 at the upper end is approximately 40K. Accordingly, FIG. 7 shows the thermal conductivity of each member when copper, stainless steel, and fluorocarbon resin are inserted into the high temperature side region 32 of the second regenerator 34 while the cryogenic refrigerator 100 is in operation. As shown in FIG. 7, the thermal conductivity of copper at 40K is 1850 [W / (m · K)]. This is 3 orders of magnitude larger than the thermal conductivity of 5 [W / (m · K)] for stainless steel at 40 K, and 0.2 [W / (m · K) for the thermal conductivity of fluorocarbon resin. ] 4 digits larger than

上述した第2蓄冷器34の高温側領域32に挿入部材42を収容することの定性的な利点は、挿入部材42の素材の種類によらず生じる。しかしながら、挿入部材42の熱伝導率が大きい場合には、第2蓄冷器34の内部に伝達した上端の整流器29の熱が上記利点を打ち消してしまう。この結果、1段温度や2段温度はむしろ上昇する。これは40Kにおける銅の熱伝導率はステンレスやフッ化炭素樹脂の熱伝導率と比較して桁違いで大きいので、第2蓄冷器34の高温側領域32に挿入した銅製の部材の断面積Sの1%未満であっても、1段温度や2段温度は上昇してしまうからである。 The qualitative advantage of housing the insertion member 42 in the high temperature side region 32 of the second regenerator 34 described above occurs regardless of the type of material of the insertion member 42. However, when the thermal conductivity of the insertion member 42 is large, the heat of the rectifier 29 at the upper end transmitted to the inside of the second regenerator 34 negates the above advantage. As a result, the first stage temperature and the second stage temperature rather increase. This is because the thermal conductivity of copper at 40K is an order of magnitude greater than that of stainless steel or fluorocarbon resin, so that the cross-sectional area S of the copper member inserted in the high temperature side region 32 of the second regenerator 34. This is because even if it is less than 1% of 1, the first stage temperature and the second stage temperature will rise.

以上より、挿入部材42の熱伝導率は、極低温冷凍機100が動作中の温度において、ステンレスやフッ化炭素樹脂の熱伝導率と同程度、具体的には10[W/(m・K)]以下であることが好ましい。挿入部材42の熱伝導率がステンレスやフッ化炭素樹脂の熱伝導率と同程度であれば、第2蓄冷器34の高温側領域32に挿入部材42を収容することで、上述した一定の効果が生じる。したがって、例えば挿入部材42の断面積Sは、第2蓄冷器34の断面積Sの1%以上25%以下であればよく、より好ましくは、1%以上15%以下であればよく、さらに好ましくは、1%以上10%以下であればよい。 From the above, the thermal conductivity of the insertion member 42 is approximately the same as that of stainless steel or fluorocarbon resin at the temperature at which the cryogenic refrigerator 100 is operating, specifically 10 [W / (m · K )] It is preferable that: If the thermal conductivity of the insertion member 42 is about the same as that of stainless steel or fluorocarbon resin, the insertion member 42 is accommodated in the high temperature side region 32 of the second regenerator 34, so that the certain effect described above is achieved. Occurs. Thus, for example, the cross-sectional area S 2 of the insert member 42 may be any 25% or less than 1% of the cross-sectional area S 1 of the second regenerator 34, more preferably, long less than 15% 1% More preferably, it may be 1% or more and 10% or less.

以上説明したように、本発明の実施の形態に係る極低温冷凍機100によれば、極低温冷凍機100の効率を高めることができる。   As described above, according to the cryogenic refrigerator 100 according to the embodiment of the present invention, the efficiency of the cryogenic refrigerator 100 can be increased.

特に、第2蓄冷器34の高温側領域32に挿入した挿入部材42の体積分だけ、第1膨張空間26から第2蓄冷器34に流入するヘリウムが減少する。このため、第1膨張空間26で膨張するヘリウムガスが増加する。結果として第1膨張空間26でより多くの寒冷が発生し、第1冷却ステージ28の温度を低下することができる。また、第2蓄冷器34の高温側領域32に挿入した挿入部材42の体積分だけ、ヘリウムガスの密度差が大きくなる温度に存在するヘリウムガスが減少する。この結果、第2蓄冷器34と第2膨張空間35との間を移動するヘリウムガスの流量を増加することができる。さらに、第2蓄冷器34の高温側領域32に挿入した挿入部材42の体積分だけ、第2蓄冷器34の高温側領域32に収容する蓄冷材を減少することができる。この結果、極低温冷凍機100の製造コストを下げることができる。   In particular, helium flowing from the first expansion space 26 into the second regenerator 34 is reduced by the volume of the insertion member 42 inserted into the high temperature side region 32 of the second regenerator 34. For this reason, helium gas expanding in the first expansion space 26 increases. As a result, more cold is generated in the first expansion space 26, and the temperature of the first cooling stage 28 can be lowered. Further, the helium gas present at a temperature at which the density difference of the helium gas becomes large is reduced by the volume of the insertion member 42 inserted into the high temperature side region 32 of the second regenerator 34. As a result, the flow rate of helium gas that moves between the second regenerator 34 and the second expansion space 35 can be increased. Furthermore, the regenerator material accommodated in the high temperature side region 32 of the second regenerator 34 can be reduced by the volume of the insertion member 42 inserted into the high temperature side region 32 of the second regenerator 34. As a result, the manufacturing cost of the cryogenic refrigerator 100 can be reduced.

以上本発明の好ましい実施例について詳細に説明したが、本発明は上述した実施例に制限されることなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施例に種々の変形および置換を加えることができる。   Although the preferred embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications and substitutions are made to the above-described embodiments without departing from the scope of the present invention. be able to.

上記では、第2蓄冷器34の高温側領域32に熱伝導率が小さな部材からなる挿入部材42を挿入し、第2蓄冷器34の高温側領域32の実質的な体積を減少させる場合につて説明した。しかしながら、第2蓄冷器34の高温側領域32の体積を減少させる方法は挿入部材42を挿入する場合に限られない。それに変えて、あるいはそれに加えて、第2ディスプレーサ14の高温側領域32に対応する部分の体積を小さくしてもよい。   In the above, when the insertion member 42 made of a member having a low thermal conductivity is inserted into the high temperature side region 32 of the second regenerator 34 to reduce the substantial volume of the high temperature side region 32 of the second regenerator 34. explained. However, the method for reducing the volume of the high temperature side region 32 of the second regenerator 34 is not limited to the case where the insertion member 42 is inserted. Alternatively or in addition, the volume of the portion corresponding to the high temperature side region 32 of the second displacer 14 may be reduced.

図8は、実施の形態の変形例に係る極低温冷凍機100が備える膨張機10の内部構成を模式的に示す図である。図8において、上述した実施の形態に係る極低温冷凍機100と同一部材については同一の符号を付している。以下、変形例に係る極低温冷凍機100において、実施の形態の変形例に係る極低温冷凍機100と重複する部分については、適宜省略または簡略化して説明する。   FIG. 8 is a diagram schematically illustrating an internal configuration of the expander 10 included in the cryogenic refrigerator 100 according to the modification of the embodiment. In FIG. 8, the same members as those of the cryogenic refrigerator 100 according to the above-described embodiment are denoted by the same reference numerals. Hereinafter, in the cryogenic refrigerator 100 according to the modified example, portions overlapping with the cryogenic refrigerator 100 according to the modified example of the embodiment will be described by omitting or simplifying them as appropriate.

図8に示すように、変形例に係る極低温冷凍機100においては、第2蓄冷器34の高温側領域32に挿入部材42が収容されていない。その代わり、変形例に係る第2ディスプレーサ14は、高温側領域32に対応する部分が、図2に示す実施の形態に係る第2ディスプレーサ14と比較して肉厚の容器となっている。このため、変形例に係る第2蓄冷器34の高温側領域32の断面積は、低温側領域33の断面積と比較して小さくなっている。ここで「高温側領域32の断面積」は、第2蓄冷器34の軸に垂直は平面で切った場合における高温側領域32の断面積である。「低温側領域33の断面積」も同様である。   As shown in FIG. 8, in the cryogenic refrigerator 100 according to the modification, the insertion member 42 is not accommodated in the high temperature side region 32 of the second regenerator 34. Instead, in the second displacer 14 according to the modification, the portion corresponding to the high temperature side region 32 is a thicker container than the second displacer 14 according to the embodiment shown in FIG. For this reason, the cross-sectional area of the high temperature side region 32 of the second regenerator 34 according to the modification is smaller than the cross sectional area of the low temperature side region 33. Here, the “cross-sectional area of the high temperature side region 32” is a cross sectional area of the high temperature side region 32 when it is cut by a plane perpendicular to the axis of the second regenerator 34. The same applies to the “cross-sectional area of the low temperature side region 33”.

より具体的には、高温側領域32の断面積は、低温側領域33の断面積の75%〜99%とすることが好ましい。また上述したように、第2ディスプレーサ14の外周部はステンレス鋼などの金属製の筒である。したがって、高温側領域32の壁部の熱伝導率は、極低温冷凍機100が動作中の温度であるおよそ40Kにおいて、10[W/(m・K)]以下となる。   More specifically, the cross-sectional area of the high temperature side region 32 is preferably 75% to 99% of the cross sectional area of the low temperature side region 33. As described above, the outer periphery of the second displacer 14 is a metal cylinder such as stainless steel. Therefore, the thermal conductivity of the wall portion of the high temperature side region 32 is 10 [W / (m · K)] or less at about 40 K, which is the temperature at which the cryogenic refrigerator 100 is operating.

以上のように構成することにより、変形例に係る極低温冷凍機100によれば、第2蓄冷器34の高温側領域32の体積が小さくなるため、第1膨張空間26から第2蓄冷器34に流入するヘリウムガスが減少する。これにより、第1膨張空間26で膨張するヘリウムガスが増加する。結果として第1膨張空間26でより多くの寒冷が発生し、第1冷却ステージ28の温度を低下することができる。また、第2蓄冷器34の高温側領域32体積が小さくなるため、ヘリウムガスの密度差が大きくなる温度に存在するヘリウムガスが減少する。この結果、第2蓄冷器34と第2膨張空間35との間を移動するヘリウムガスの流量を増加することができる。さらに、第2蓄冷器34の高温側領域32体積が小さくなるため、第2蓄冷器34の高温側領域32に収容する蓄冷材を減少することができる。   With the configuration as described above, according to the cryogenic refrigerator 100 according to the modified example, the volume of the high temperature side region 32 of the second regenerator 34 is reduced, and thus the second regenerator 34 from the first expansion space 26. The helium gas flowing into the gas is reduced. Thereby, helium gas expanding in the first expansion space 26 increases. As a result, more cold is generated in the first expansion space 26, and the temperature of the first cooling stage 28 can be lowered. Moreover, since the volume of the high temperature side region 32 of the second regenerator 34 is reduced, the helium gas present at a temperature at which the density difference of the helium gas is increased is reduced. As a result, the flow rate of helium gas that moves between the second regenerator 34 and the second expansion space 35 can be increased. Furthermore, since the volume of the high temperature side region 32 of the second regenerator 34 is reduced, the amount of cold storage material accommodated in the high temperature side region 32 of the second regenerator 34 can be reduced.

なお、図8は、高温側領域32の全ての部分における断面積が低温側領域33の断面積よりも小さい場合を図示している。高温側領域32の全ての部分における断面積が低温側領域33の断面積よりも小さくなくてもよく、高温側領域32の少なくとも一部の領域において、断面積が低温側領域33の断面積よりも小さくなればよい。   FIG. 8 illustrates a case where the cross-sectional area in all portions of the high temperature side region 32 is smaller than the cross sectional area of the low temperature side region 33. The cross-sectional area in all parts of the high temperature side region 32 may not be smaller than the cross sectional area of the low temperature side region 33, and the cross sectional area in at least a part of the high temperature side region 32 is larger than the cross sectional area of the low temperature side region 33. Should be smaller.

また、図8は、高温側領域32の全ての部分における断面積が一定である場合を図示しているが、この断面積は必ずしも一定でなくてもよい。例えば、高温側領域32の上端側(高温側)から下端側(低温側)に至るまで連続的に断面積が大きくなるようにしてもよい。   Further, FIG. 8 illustrates a case where the cross-sectional area in all portions of the high temperature side region 32 is constant, but this cross-sectional area may not necessarily be constant. For example, the cross-sectional area may continuously increase from the upper end side (high temperature side) to the lower end side (low temperature side) of the high temperature side region 32.

上記では、極低温冷凍機100においては段数が二段である場合を説明したが、この段数は三段以上に適宜選択することが可能である。また、実施の形態では、極低温冷凍機がディスプレーサ式のGM冷凍機である例について説明したが、これに限られない。例えば、本発明は、パルスチューブ冷凍機、スターリング冷凍機、ソルベイ冷凍機などにも適用することができる。   Although the case where the number of stages is two in the cryogenic refrigerator 100 has been described above, the number of stages can be appropriately selected to be three or more. In the embodiment, the example in which the cryogenic refrigerator is a displacer type GM refrigerator has been described, but the invention is not limited thereto. For example, the present invention can be applied to a pulse tube refrigerator, a Stirling refrigerator, a Solvay refrigerator, and the like.

上記は、挿入部材42の形状が円柱または角柱の場合につて説明した。挿入部材42の形状は円柱または角柱に限られず、例えば円錐や角錐であってもよい。 Above, the shape of the insertion member 42 is describes the Nitsu case of a cylindrical or prismatic. The shape of the insertion member 42 is not limited to a cylinder or a prism, and may be a cone or a pyramid, for example.

上記は、挿入部材42が上端の整流器29と熱的に接触する場合について説明したが、挿入部材42は整流器29と熱的に接触しなくてもよい。この場合、挿入部材42を介して第2蓄冷器34の内部に整流器29の熱が進入することをさらに抑制できる。   Although the above has described the case where the insertion member 42 is in thermal contact with the rectifier 29 at the upper end, the insertion member 42 may not be in thermal contact with the rectifier 29. In this case, it is possible to further suppress the heat of the rectifier 29 from entering the second regenerator 34 through the insertion member 42.

1 圧縮機、 C1 第1クリアランス、 C2 第2クリアランス、 7 配管、 7a 低圧配管、 7b 高圧配管、 8 電源ケーブル、 9 冷却水配管接続部、 10 膨張機、 11 第1シリンダ、 12 第2シリンダ、 13 第1ディスプレーサ、 14 第2ディスプレーサ、 15 ピン、 16 コネクタ、 17 ピン、 18 第1蓄冷器、 19,20 整流器、 21 室温室、 22 第1開口、 23 サプライバルブ、 24 リターンバルブ、 25 シール、 26 第1膨張空間、 27 第2開口、 28 第1冷却ステージ、 29,30 整流器、 31 仕切り材、 32 高温側領域、 33 低温側領域、 34 第2蓄冷器、 35 第2膨張空間、 36 第3開口、 37 第2冷却ステージ、 38,39 蓋部、 40,41 圧入ピン、 42 挿入部材、 100 極低温冷凍機。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Compressor, C1 1st clearance, C2 2nd clearance, 7 piping, 7a Low pressure piping, 7b High pressure piping, 8 Power supply cable, 9 Cooling water piping connection part, 10 Expansion machine, 11 1st cylinder, 12 2nd cylinder, 13 First Displacer, 14 Second Displacer, 15 Pin, 16 Connector, 17 Pin, 18 First Regenerator, 19, 20 Rectifier, 21 Room Temperature Room, 22 First Opening, 23 Supply Valve, 24 Return Valve, 25 Seal, 26 first expansion space, 27 second opening, 28 first cooling stage, 29, 30 rectifier, 31 partition material, 32 high temperature side region, 33 low temperature side region, 34 second regenerator, 35 second expansion space, 36 second 3 openings, 37 second cooling stage, 38, 39 lid, 0,41 Compliant Pin, 42 insertion member, 100 cryogenic refrigerator.

Claims (8)

供給された高圧冷媒ガスを膨張させて寒冷を発生させ、低圧冷媒ガスを排気する膨張機と、前記高圧冷媒ガスと前記低圧冷媒ガスとが交互に流れる蓄冷器と備える極低温冷凍機であって、
前記蓄冷器は、軸方向に延在する容器と、挿入部材と、非磁性蓄冷材と、磁性蓄冷材と、を備え、
前記挿入部材は、前記容器の高温側の第1領域に収容され、前記第1領域において前記非磁性蓄冷材を収容する容積を減少させ、
前記非磁性蓄冷材は、前記第1領域において前記容器と前記挿入部材との間に収容され
前記磁性蓄冷材は、前記容器の低温側の第2領域に収容され
前記挿入部材の熱伝導率は、前記極低温冷凍機が動作中の温度において10[W/(m・K)]以下であり、
前記高温側の第1領域には、前記蓄冷器の高温端に比べて前記高圧冷媒ガスと前記低圧冷媒ガスとの密度差が大きくなる温度範囲が含まれ、
前記高温側の第1領域において前記非磁性蓄冷材が収容される部分の前記軸方向に垂直な平面による断面積が、前記低温側の第2領域において前記磁性蓄冷材が収容される部分の前記軸方向に垂直な平面による断面積より小さいことを特徴とする極低温冷凍機。
The supplied high-pressure refrigerant gas is expanded to generate cold and, a cryogenic refrigerator comprising an expander for exhausting low pressure refrigerant gas, and the high-pressure refrigerant gas and the low-pressure refrigerant gas and a regenerator that flows alternately And
The regenerator includes an axially extending container, an insertion member, a non-magnetic regenerator material, and a magnetic regenerator material,
The insertion member is accommodated in the first region on the high temperature side of the container, and reduces the volume in which the nonmagnetic cold storage material is accommodated in the first region,
The non-magnetic cold accumulating material is contained between Oite the container and the insertion member into the first region,
The magnetic regenerator material is accommodated in the second region on the low temperature side of the container ,
The thermal conductivity of the insert member 10 at a temperature in the cryogenic refrigerator is operating [W / (m · K) ] Ri Der below,
The first region on the high temperature side includes a temperature range in which a density difference between the high pressure refrigerant gas and the low pressure refrigerant gas is larger than a high temperature end of the regenerator,
The cross-sectional area of the plane perpendicular to the axial direction of the portion in which the nonmagnetic regenerator material is accommodated in the first region on the high temperature side is the cross section of the portion in which the magnetic regenerator material is accommodated in the second region on the low temperature side. A cryogenic refrigerator having a smaller cross-sectional area by a plane perpendicular to the axial direction .
前記容器の軸に垂直な平面における前記挿入部材の断面積は、前記平面における前記容器の断面積の1%以上25%以下であることを特徴とする請求項1に記載の極低温冷凍機。   The cryogenic refrigerator according to claim 1, wherein a cross-sectional area of the insertion member in a plane perpendicular to the axis of the container is 1% or more and 25% or less of a cross-sectional area of the container in the plane. 前記容器は、前記非磁性蓄冷材と前記磁性蓄冷材とを仕切る仕切り材をさらに備え、
前記挿入部材は、前記仕切り材に固定されていることを特徴とする請求項1または2に記載の極低温冷凍機。
The container further includes a partition material that partitions the non-magnetic regenerator material and the magnetic regenerator material,
The cryogenic refrigerator according to claim 1 or 2, wherein the insertion member is fixed to the partition member.
前記容器は、前記挿入部材を同軸に配置して収容することを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の極低温冷凍機。   The cryogenic refrigerator according to any one of claims 1 to 3, wherein the container accommodates the insertion member in a coaxial arrangement. 前記挿入部材は樹脂で構成されていることを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の極低温冷凍機。   The cryogenic refrigerator according to any one of claims 1 to 4, wherein the insertion member is made of resin. 前記温度範囲は8Kから9Kであることを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載の極低温冷凍機。The cryogenic refrigerator according to any one of claims 1 to 5, wherein the temperature range is 8K to 9K. 高温側蓄冷器と低温側蓄冷器とを備える極低温冷凍機であって、
前記低温側蓄冷器は、
容器と、
前記容器の高温側の第1領域に収容される非磁性蓄冷材と、
前記容器の低温側の第2領域に収容される磁性蓄冷材とを備え、
前記容器は、前記容器の軸に垂直な平面における断面積が前記第1領域と前記第2領域でそれぞれ一定であり、前記第1領域の断面積が前記第2領域断面積よりも小さく、
前記容器の熱伝導率は、前記極低温冷凍機が動作中の温度において10[W/(m・K)]以下であることを特徴とする極低温冷凍機。
A cryogenic refrigerator having a high temperature side regenerator and a low temperature side regenerator,
The low temperature side regenerator is:
A container,
A nonmagnetic regenerator material housed in the first region on the high temperature side of the container;
A magnetic regenerator material housed in the second region on the low temperature side of the container,
The vessel cross-sectional area in a plane perpendicular to the axis of the container is constant, respectively in the second region and the first region, the cross-sectional area of the first region is smaller than the cross-sectional area before Symbol second region ,
A cryogenic refrigerator having a thermal conductivity of 10 [W / (m · K)] or less at a temperature at which the cryogenic refrigerator is operating.
高温側蓄冷器と低温側蓄冷器とを備える極低温冷凍機であって、A cryogenic refrigerator having a high temperature side regenerator and a low temperature side regenerator,
前記低温側蓄冷器は、The low temperature side regenerator is:
容器と、A container,
前記容器の高温側の第1領域に収容される非磁性蓄冷材と、A nonmagnetic regenerator material housed in the first region on the high temperature side of the container;
前記容器の低温側の第2領域に収容される磁性蓄冷材とを備え、A magnetic regenerator material housed in the second region on the low temperature side of the container,
前記容器は、前記第1領域の少なくとも一部の領域において前記容器の軸に垂直な平面における断面積が、前記第2領域において前記容器の軸に垂直な平面における断面積よりも小さく、The container has a cross-sectional area in a plane perpendicular to the axis of the container in at least a part of the first area that is smaller than a cross-sectional area in a plane perpendicular to the axis of the container in the second area,
前記容器の熱伝導率は、前記極低温冷凍機が動作中の温度において10[W/(m・K)]以下であり、The thermal conductivity of the container is 10 [W / (m · K)] or less at a temperature at which the cryogenic refrigerator is operating,
前記第1領域の断面積が高温側から低温側へと連続的に大きくなっていることを特徴とする極低温冷凍機。A cryogenic refrigerator having a cross-sectional area of the first region that continuously increases from a high temperature side to a low temperature side.
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