JP7022221B2 - Heat station for cooling circulating refrigerant - Google Patents
Heat station for cooling circulating refrigerant Download PDFInfo
- Publication number
- JP7022221B2 JP7022221B2 JP2020552189A JP2020552189A JP7022221B2 JP 7022221 B2 JP7022221 B2 JP 7022221B2 JP 2020552189 A JP2020552189 A JP 2020552189A JP 2020552189 A JP2020552189 A JP 2020552189A JP 7022221 B2 JP7022221 B2 JP 7022221B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- heat exchanger
- low temperature
- temperature side
- circulating refrigerant
- inflator
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
- F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
- F25B9/14—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the cycle used, e.g. Stirling cycle
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
- F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
- F25B9/06—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point using expanders
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
- F25B2309/00—Gas cycle refrigeration machines
- F25B2309/001—Gas cycle refrigeration machines with a linear configuration or a linear motor
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Containers, Films, And Cooling For Superconductive Devices (AREA)
Description
本発明は、外部負荷を冷却する循環冷媒から、GMサイクルまたはスターリングサイクルで作動し、極低温冷却を提供する、高容量膨張器の低温側内部にある往復動ガス流に熱を伝達する、ヒートステーションの構造の改善に関する。 The present invention transfers heat from a circulating refrigerant that cools an external load to a reciprocating gas stream inside the cold side of a high capacity inflator that operates in a GM cycle or Stirling cycle to provide cryogenic cooling. Regarding the improvement of the structure of the station.
GMサイクルまたはスターリングサイクルの冷凍機は、高圧ガスを、再生用熱交換器を介して、変位容積が増加する際に、シリンダ内で往復するピストンの低温側へ高圧ガスを流し、その後、ピストンが変位容積を低減させるにともない、その圧力を低減させ、再生用熱交換器を介してガスを戻すことにより、膨張機内で極低温の冷却を実現する。かかる冷却は、低温側変位容積部を包囲する、シリンダの低温側キャップの壁を介した熱伝導によって、負荷の冷却に利用することが可能となる。膨張器における、低温側キャップおよびガスに熱を伝達するための手段は、低温側ヒートステーションと称される。 The GM cycle or Stirling cycle refrigerator sends high pressure gas through the regenerative heat exchanger to the low temperature side of the piston that reciprocates in the cylinder as the displacement volume increases, and then the piston moves. As the displacement volume is reduced, the pressure is reduced and the gas is returned via the regenerative heat exchanger to achieve ultra-low temperature cooling in the expander. Such cooling can be utilized for cooling the load by heat conduction through the wall of the cold side cap of the cylinder, which surrounds the low temperature side displacement volume portion. The means for transferring heat to the cold cap and gas in the inflator is referred to as the cold heat station.
クライオポンプ、超電導MRIマグネット、および実験室用機器を冷却するために使用される極低温冷凍機のほとんどは、GM式冷凍機を使用している。これらの用途においては、ほとんどの場合、4K~70Kの間にある温度で、1W~50Wという比較的少量の冷却が必要とされ、かかる冷却は熱伝導により冷凍機のヒートステーションに伝達される。現在、75K付近の温度で300W~1000Wの負荷を冷却することが可能な冷凍機への需要が高まっているが、このような冷却は、循環冷媒によりほとんど実用的に実現可能となっている。かかる冷媒は、低温ファンまたは室温のコンプレッサによってガスとして、ポンプによって液体として、あるいは、自然対流によってガスまたは液体として循環させることができる。自然対流の最もシンプルな形式は、冷媒を凝縮し、その液体を負荷に流して蒸発させた後、ガスとして凝結面に戻すことである。 Most cryogenic refrigerators used to cool cryopumps, superconducting MRI magnets, and laboratory equipment use GM refrigerators. Most of these applications require a relatively small amount of cooling, 1W-50W, at temperatures between 4K and 70K, which is transferred to the heat station of the refrigerator by heat conduction. At present, there is an increasing demand for a refrigerator capable of cooling a load of 300 W to 1000 W at a temperature of around 75 K, and such cooling can be almost practically realized by a circulating refrigerant. Such refrigerants can be circulated as a gas by a low temperature fan or a compressor at room temperature, as a liquid by a pump, or as a gas or liquid by natural convection. The simplest form of natural convection is to condense the refrigerant, allow the liquid to flow through a load to evaporate, and then return it to the coagulated surface as a gas.
本発明の目的は、冷媒の冷却または凝縮が可能で、コンパクトで、効率的で、かつ、循環配管への取付および接続が容易な、低温側ヒートステーションを備える高容量GM膨張器を提供することである。この目的を達成するためには、ヒートステーションを介して循環する冷媒の圧力低下を最小限にしつつ、循環する冷媒と膨張器内のガスとの間の温度差を最小限にする必要がある。低温ファンまたはポンプに入力される動力は、冷凍機に対する熱負荷の一部となるため、圧力低下を最小限とすることは重要である。温度差を最小限とするためには、膨張器内のガスに熱を伝達する内部熱交換器に、循環ガスからの熱を、低温側キャップを介して移動させる、外部熱交換器および内部熱交換器の設計が必要となる。 It is an object of the present invention to provide a high capacity GM inflator with a low temperature side heat station capable of cooling or condensing the refrigerant, compact and efficient, and easy to attach and connect to the circulation pipe. Is. To achieve this goal, it is necessary to minimize the temperature difference between the circulating refrigerant and the gas in the expander while minimizing the pressure drop of the refrigerant circulating through the heat station. Minimizing the pressure drop is important because the power input to the cold fan or pump is part of the heat load on the refrigerator. In order to minimize the temperature difference, the heat from the circulating gas is transferred to the internal heat exchanger, which transfers heat to the gas in the expander, through the low temperature side cap, the external heat exchanger and the internal heat. The design of the exchanger is required.
Longsworthによる米国特許第4,277,949号公報は、膨張器ヒートステーションに巻き付けられたチューブによって冷却された室温のコンプレッサによって循環されるヘリウムを用いて、遠隔の負荷から熱を輸送するシステムを開示している。異なる温度の負荷は、冷凍機から負荷を熱的に断絶することができる対流カップリングによって、循環するヘリウムに接続される。凝縮した冷媒の自然対流によって遠隔の負荷を冷却するシステムの一例が、Wangの米国特許第8,375,742号公報に記載されている。その図7には、絶縁スリーブに取り付けられた、低温側の拡張面を備える膨張器が示されている。冷媒は、低温側で凝縮し、絶縁チューブを介して、負荷を冷却するデュアへ排出され、ボイルオフガスは、該絶縁チューブに戻り、再凝縮される。自然対流によって、熱漏れを遮断するために小さなガスの流れを室温に戻してから再凝縮するオプションも示されている。 U.S. Pat. No. 4,277,949 by Longsworth discloses a system for transporting heat from a remote load using helium circulated by a room temperature compressor cooled by a tube wrapped around an inflator heat station. is doing. Loads of different temperatures are connected to the circulating helium by a convection coupling that can thermally disconnect the load from the refrigerator. An example of a system that cools a remote load by natural convection of condensed refrigerant is described in Wang U.S. Pat. No. 8,375,742. FIG. 7 shows an inflator with an extended surface on the cold side attached to an insulating sleeve. The refrigerant condenses on the low temperature side and is discharged through the insulating tube to the dual that cools the load, and the boil-off gas returns to the insulating tube and is recondensed. There is also an option to bring a small gas stream to room temperature and then re-condensate to block heat leakage by natural convection.
本発明のヒートステーションは、膨張器を取り付けるための有利な手段を実現することができる、いくつかの部品の新規な組み合わせを備える。膨張器を取り付けるための有利な手段は、膨張器の低温側にコンパクトなヒートステーションを必要とし、これにより、取付プレートの孔の大きさを最小限とし、かつ、循環チューブの取り付けが簡素化される。再生器と再生用膨張器の膨張スペースとの間で使用される熱交換器はすでに知られているが、この熱交換器は、環状ギャップ、孔あきプレート、ワイヤスクリーン、波形金属シート、および、ワイヤ放電加工機(EDM)、フライス加工、またはソーイングによって切断されたスロットを含む。スロット間にフィンを形成する狭いスロットは、圧力低下および空隙容積に対して最適な熱輸送を達成する大きさとすることができる。 The heat station of the present invention comprises a novel combination of several components that can provide an advantageous means for mounting an inflator. An advantageous means for mounting the inflator requires a compact heat station on the cold side of the inflator, which minimizes the size of the holes in the mounting plate and simplifies the mounting of the circulation tube. To. The heat exchanger used between the regenerator and the expansion space of the regenerator is already known, but this heat exchanger is an annular gap, a perforated plate, a wire screen, a corrugated metal sheet, and. Includes slots cut by wire electric discharge machine (EDM), milling, or sewing. The narrow slots forming fins between the slots can be sized to achieve optimal heat transfer for pressure drop and void volume.
折り畳まれた銅リボンを使用して、狭い間隔で配置されたフィンを形成することは、有利である。リボンは、他のいかなる加工方法よりもはるかに低コストで、熱輸送、圧力低下、および空隙容積の3つの機能的特性の間で良好なバランスをとるよう形成される。リボンを用いることで、機械加工よりも狭いギャップを形成することもでき、かつ、3つの機能的特性間の関係を変更するよう伸縮させることもできる。 It is advantageous to use folded copper ribbons to form narrowly spaced fins. Ribbons are formed to strike a good balance among the three functional properties of heat transfer, pressure reduction, and void volume at a much lower cost than any other processing method. Ribbons can be used to form narrower gaps than machined and can be stretched to change the relationship between the three functional properties.
折り畳みリボンは、膨張器の低温側での熱輸送を最適化するために使用することができ、さらには、遠隔の負荷から膨張器の低温側の外側に熱を輸送する冷媒の循環流からの熱輸送を最適化するために使用することができる。最適な形状は、円筒状の低温側ヒートステーションの外側に熱的に結合され、負荷から熱を除去する外部の折り畳みリボンを有し、および、前記低温側のヒートステーションの内側に熱的に結合され、機械加工されたスロットまたは内部の折り畳みリボンによって形成されたフィンを有する形状であることが見出された。したがって、熱は、(銅製)ヒートステーションのシェル上の外部の折り畳みリボンから、内部フィンに対して、最小限の温度差で径方向に直接輸送される。折り畳みリボンによって形成されたフィンが、低温側ヒートステーションの内側ではなく、低温側ヒートステーションの外側に存在することが優れている理由は、外部フィン内の空隙容積を考慮することがないため、表面積および流量面積が増大し、コスト的に優位であるためである。折り畳みリボンは、機械加工されたフィンよりも必要とする材料が少ないため、よりコンパクトである。上述した内部熱交換器および外部熱交換器の配置により、低温側の直径を最小化することができるため、真空ハウジングの取付孔を最小化することができる。ただし、低温側ヒートステーションに径方向の嵌合部分が存在しない場合に限り、上記取付孔を小さくすることが可能である。アウタハウジング内で冷媒を循環させる新規な手段により、循環する冷媒に接続するチューブを底部に取り付けることが可能となる。 Folding ribbons can be used to optimize heat transfer on the cold side of the inflator, and even from a circulating stream of refrigerant that transports heat from a remote load to the outside of the cold side of the inflator. It can be used to optimize heat transport. Optimal shape has an external folding ribbon that is thermally coupled to the outside of the cylindrical cold side heat station and removes heat from the load , and is thermally coupled to the inside of the cold side heat station. It was found to have a shape with fins formed by machined slots or internal folding ribbons. Therefore, heat is transported radially from the outer folding ribbon on the shell of the (copper) heat station to the inner fins with minimal temperature difference. The advantage that the fins formed by the folding ribbon are outside the cold heat station rather than inside the cold heat station is because the void volume inside the outer fins is not taken into account and therefore the surface area. This is because the flow rate area is increased and it is advantageous in terms of cost. Folding ribbons are more compact because they require less material than machined fins. By arranging the internal heat exchanger and the external heat exchanger described above, the diameter on the low temperature side can be minimized, so that the mounting hole of the vacuum housing can be minimized. However, the mounting hole can be made smaller only when the low temperature side heat station does not have a radial fitting portion. A novel means of circulating the refrigerant within the outer housing allows a tube connected to the circulating refrigerant to be attached to the bottom.
循環する冷媒が外部フィン内で凝縮し、負荷で蒸発する場合、熱は負荷から最も効率的に輸送される。窒素は、約65K~85Kの温度範囲の負荷を凝縮および蒸発させるために使用することができ、ネオンは、約22K~35Kの温度範囲の負荷に対して使用することができる。ヘリウムは、冷媒としてヘリウムを使用する冷凍機の範囲内の任意の温度で使用することができる。 When the circulating refrigerant condenses in the outer fins and evaporates under load, heat is most efficiently transferred from the load. Nitrogen can be used to condense and evaporate loads in the temperature range of about 65K to 85K, and neon can be used to load in the temperature range of about 22K to 35K. Helium can be used at any temperature within the range of refrigerators that use helium as the refrigerant.
本発明は、GM膨張器において、循環する冷媒を冷却するためヒートステーションであって、コンパクトで、効率的で、かつ、循環配管への取り付けおよび接続が容易であるヒートステーションを備える。前記ヒートステーションは、シェルを備え、該シェルは、循環ガス配管に接続する入口ポートおよび出口ポートを有する円筒状のハウジング内において、前記シェルの軸に対して平行に配置され、前記シェルに熱的に接続された、外部フィンおよび内部フィンを備える。前記ハウジングの直径は、外部熱交換器上の折り畳みリボンを用い、かつ、前記入口ポートおよび出口ポートを前記ハウジングの底部に配置することにより、最小化される。このため、クライオスタットの高温側フランジに前記膨張器を取り付けるための取付孔の直径は最小化される。前記外部熱交換器内の前記フィンは、異なる冷媒および方向に対して、前記ハウジング内での異なる循環パターンを可能とするよう構成することができる。 The present invention comprises a heat station for cooling a circulating refrigerant in a GM expander, which is compact, efficient, and easy to attach to and connect to a circulation pipe. The heat station comprises a shell, which is placed parallel to the axis of the shell in a cylindrical housing having an inlet port and an outlet port connected to a circulating gas pipe and thermally to the shell. It has external fins and internal fins connected to. The diameter of the housing is minimized by using a folding ribbon on an external heat exchanger and by arranging the inlet and outlet ports at the bottom of the housing. Therefore, the diameter of the mounting hole for mounting the inflator on the high temperature side flange of the cryostat is minimized. The fins in the external heat exchanger can be configured to allow different circulation patterns within the housing for different refrigerants and directions.
これらの図においては、同一の部分については同一の参照番号を付し、「上方」および「上部」は高温側を、「下方」および「底部」は低温側を意味する。 In these figures, the same parts are given the same reference numbers, "upper" and "top" mean the hot side, and "lower" and "bottom" mean the cold side.
図1aは、今日最も広く使用されている低温側熱交換器の設計を有する、従来の空気圧駆動のGMサイクル膨張器を模式的に示す。本発明は、膨張器の低温側において丸で囲まれた領域にて、負荷から膨張器内のガスに熱を移動させるための新規な設計を開示する。図1aは、そのサイクルを説明するとともに、その低温側を提示するための、一般的な空気圧駆動のGM膨張器の全体図である。当該システムは、ライン31を介して膨張器に高圧ガスを供給するコンプレッサ40を備える。コンプレッサ40は、ガスを、高温側吸気バルブ44を介して高温側変位容積部30へ流入させ、次に、ディスプレーサ1内の再生器3に流入させ、さらに、再生器3を通して、ディスプレーサ延長部12aの低温側にある膨張空間5へと流入させる。ディスプレーサ1はシリンダ2内で上方に移動し、変位容積部5を高圧の低温ガスで充填する。次に、吸気バルブ44は閉じ、排気バルブ45が開いて、変位容積部5のガスの圧力が低下するにつれて、該ガスの温度はより低い温度に低下する。低圧の低温ガスは、ディスプレーサ1が下方に移動するにともない、低温側変位容積部5から押し出される。低温側端部37に接続された負荷からの熱は、ディスプレーサ延長部12aと低温側端部22との間の環状間隙7を通して低温ガスに輸送され、放射状ポート15、再生器3、高温側変位容積部30、排気バルブ45、および低圧ライン32を通して、コンプレッサ40に輸送される。シリンダ2は、クライオスタットフランジ47上に取り付けられた高温側シリンダフランジ46を有する。ディスプレーサ1の上部には、高温ヘッド41内のドライブステムボア36内を往復するドライブステム35が取り付けられている。ディスプレーサ1の往復運動は、バルブ44および45と位相をずらしてバルブ42および43を開閉することによって行われ、これによって、ガスがライン34を通ってドライブステム容積部36に流入する際に、ガスが交互に高圧および低圧となる。
FIG. 1a schematically shows a conventional pneumatically driven GM cycle inflator with the design of the most widely used low temperature side heat exchangers today. The present invention discloses a novel design for transferring heat from a load to a gas in an inflator in a circled area on the cold side of the inflator. FIG. 1a is an overall view of a typical pneumatically driven GM expander for explaining the cycle and presenting its low temperature side. The system includes a
図1aは、クライオスタット26内の装置25を冷却するために冷媒を循環させる、現在構築されているシステムの概略図を含む。低温側端部37は、図1bに示した低温側キャップ22の外側に外部熱交換器としてのフィンを形成する、機械加工されたスロットと、循環ガスをフィンの径方向上方に流入させる入口ポート21aと、フィンの下方でアウタハウジング16の底部に形成された出口ポート21bとを有する。ファンまたはポンプであるサーキュレータ27は、真空断熱されたチューブ28および29を通して冷媒を駆動させる。かかる低温側の構造は、少ない圧力低下で熱輸送を非常に効果的に行うことができるが、径方向に入口ポートを備えるため、クライオスタットフランジ47内のポートに膨張器の残りを挿入した後に、低温側端部37に追加する必要があるため、その組み立てが複雑となる。また、機械加工によるフィンは、コストとサイズを増大させる。本発明の主な利点は、低温側端部37の直径を最小化することにより、合理的に小さなクライオスタットフランジ47内のポートに適合し、負荷に接続する配管を低温側端部37に接続する前に、追加の組み立て作業を行う必要がないことである。
FIG. 1a includes a schematic diagram of a currently constructed system that circulates a refrigerant to cool the
図2は、通常は銅のシートから形成される、折り畳みリボン13を示す。折り畳みリボンの形状は、厚さT、幅W、高さH、および間隙Gによって画定される。現時点で製造されている折り畳まれた銅製リボンは、機械加工による場合との比較で、より薄いシートを用いて製造され、より狭い間隙を有する。シートの厚さは0.3mm~1.0mmの範囲であり、H/T比が約15、G/(G+T)比が0.6より大きくなるように、折り畳むことができる。シートを折り畳んだ後に折り目を押すことにより、間隙をさらに低減させることができる。代替的に、折り畳みリボンを伸長させることにより、間隙を増大させることができる。
FIG. 2 shows a
図3aに示した、膨張器100のシリンダ2の低温側における圧力境界は、円筒状のシェル4および端部プレート10を備える。図3bは、シェル4に圧入されたコア9内の機械加工されたスロットによって形成される内部熱交換器6と、シェル4の外側に熱的に結合された、折り畳みリボンを備える外部熱交換器14の詳細を示す。コア9は、チューブ8に締まり嵌めされており、これにより、ガスの大部分は、再生器3から端部プレート10の上まで流入した後、チャネル11を径方向に通過し、内部熱交換器6を介して低温側変位容積部5に流入する。ハウジング16は、外側の折り畳みリボン14を包囲し、底部に入口ポート21および出口ポート22を有し、シリンダ2の低温側フランジ48に取り付けられている。かかる部材の配置により、窒素などの冷媒ガスは、入口ポート21を通ってマニホールド20に流入し、マニホールド20により折り畳みリボン14に供給され、凝縮し、出口ポート22を介して、冷却対象の負荷に向けて、液体として排出される。折り畳みリボン14の上方に位置するマニホールド19は、最低温度の表面にガスを供給するに際して小さな機能を果たしている。熱は、凝縮する冷媒から、外部熱交換器14、円筒状のシェル4、内部熱交換器6を介して、低温側変位容積部5に流入出するガスへ輸送される。熱を伝導する部品、内部熱交換器6と外部熱交換器14、およびシェル4は、高い熱伝導率を有する材料、たとえば銅からなることが好ましい。これに対して、ハウジング16、および入口ポート21と出口ポート22は、ステンレススチールからなることが好ましい。熱伝導率の高い金属を熱接合する工程は、通常ははんだ付けやろう付けによるが、接合部における温度差が、外部ガス流と内部ガス流との間の温度差に比べて小さい限り、圧入などの他の方法で行うこともできる。ハウジング16の周囲にヒータを巻き付けて、負荷の暖めを容易にするオプションは図示されていない。
The pressure boundary on the low temperature side of the
図4aおよび図4bに示した膨張器200は、折り畳みリボンを内部熱交換器14として示し、外部部品が冷媒を凝縮するのではなく、循環するガス状の冷媒を冷却するよう設計されていることを除いては、膨張器100と同様である。これは、戻しポート21aにより、負荷を冷却したガスを、ハウジング16の底部を介して外部の折り畳みリボン14の上部のマニホールド19に接続している流路18に流入させ、折り畳みリボンを通してガスを逆に流すことによってなされる。冷却されたガスは、その後、出口ポート21bを介して流出する。流路18は、バリヤ23によって排気マニホールド20から分離されている。
The inflator 200 shown in FIGS. 4a and 4b shows the folding ribbon as an
外部熱交換器14を介して、循環するガス状の冷媒を流動させる他の手段として、膨張器300の低温側を図5aに示す。入口ポート21aを介して流動するガスは、下部空間20aに流入し、外部熱交換器14の一方側のフィンを通って、上部空間19に上昇し、他方側のフィン、底部空間20b、および出口ポート21bを通って下降する。
FIG. 5a shows the low temperature side of the
膨張器300は、再生器3の下方に、スリーブ17の内側に締まり嵌めされた延長部12bを有し、スリーブ17は、内部熱交換器6の内側に締まり嵌めされる。延長部12bは、ディスプレーサ1よりも小さい直径を有するため、低温側変位容積部は、内部変位容積部5aと外部変位容積部5bとに分割される。シール49は、内部変位容積部5aと外部変位容積部5bとの間でのガス漏れを防ぎ、ガスを、放射状流路15を介して低温側変位容積部5bに強制的に流入させる。低温側変位容積部5bでは、ガスの一部が残留し、残りのガスは内部熱交換器6を介して低温側変位容積部5aに流入する。容積部5bは、低温側変位容積部全体の約15%の容積を有するが、このことは、膨張器100および膨張器200における内部熱交換器6を通って流動するガス量に対して、約85%のみのガス量が、膨張器300の内部熱交換器6を通過することを意味する。再生器3から流出するガスの最後の15%は、最初の85%のガスよりも著しく高温であるため、かかる構成は熱力学的に有利であり、内部熱交換器6を通過するガスの量が少ないとしても、平均的にはより低温が達成される。
The
図6は、ハウジング16の外側底部に単一のポート21を有する膨張器400の低温側の概略図を示す。膨張器400は、ガス状の冷媒39aが流入すると同時に、ポート21を通って液体状の冷媒39bを排出できるように、水平に設置される。冷却対象の装置がポート21の下方に位置する場合には、窒素などの冷媒は自然対流によって循環することができる。
FIG. 6 shows a schematic view of the cold side of the inflator 400 having a
表1は、シェル4の外側にフィンを機械加工して形成された外部熱交換器と、折り畳みリボンとを比較した例を示す。設計は、5g/sのヘリウムを200kPaで循環させることにより、400Wの冷却を輸送することに基づいており、両者において、ガスおよびフィンにおいて温度差が同一であり、圧力低下も同一である。機械加工されたフィンの厚さはその根元の厚さとし、機械加工によるフィンの銅の重量は、溝から除去された材料を含むものとする。
Table 1 shows an example of comparing an external heat exchanger formed by machining fins on the outside of the
折り畳みリボンは、ハウジング16の直径と、フィンの形成に必要な材料の量とを大幅に低減させている。
The folding ribbon significantly reduces the diameter of the
なお、特許請求の範囲においては、「上部」および「底部」、並びに、「上方」および「下方」は、低温側が下に、膨張器の軸が垂直に配された膨張器の場合におけるものと解釈される。 In the scope of claims, "top" and "bottom", as well as "upper" and "lower" are those in the case of an inflator in which the low temperature side is down and the inflator axis is arranged vertically. Interpreted.
Claims (14)
高温側に取付フランジを有するシリンダと、
前記シリンダ内で、高温側と低温側との間を往復し、往復運動によって低温側変位容積部を形成するディスプレーサと、
第1のガスがその中を通じて前記低温側変位容積部に流出入する再生器と、
円筒状シェルを介して、該シェルの外部にある第2の熱交換器内の第2の循環冷媒からの熱を前記第1のガスに径方向に移送する、第1の熱交換器と、
を備え、
前記第1のガスは、前記再生器と前記低温側変位容積部との間を前記第1の熱交換器を介して流れ、
前記第2の熱交換器は、前記第2の循環冷媒用の入口ポートおよび出口ポートを有するハウジング内に収納されており、
前記ハウジングは、前記第2の熱交換器の上方に配された上部空間と、前記第2の熱交換器の下方に配された下部空間とを有し、および、
前記入口ポートおよび前記出口ポートは、前記第2の循環冷媒のすべてを、該第2の循環冷媒が前記第2の熱交換器を流れるように、前記ハウジングの底部に配されている、
極低温膨張器。 A cryogenic expander that operates in a GM or Stirling cycle to cool the circulating refrigerant.
A cylinder with a mounting flange on the high temperature side,
A displacer that reciprocates between the high temperature side and the low temperature side in the cylinder and forms a displacement volume portion on the low temperature side by reciprocating motion.
A regenerator in which the first gas flows in and out of the low temperature side displacement volume portion through the regenerator,
A first heat exchanger that radially transfers heat from a second circulating refrigerant in a second heat exchanger outside the shell through the cylindrical shell to the first gas.
Equipped with
The first gas flows between the regenerator and the low temperature side displacement volume portion via the first heat exchanger.
The second heat exchanger is housed in a housing having an inlet port and an outlet port for the second circulating refrigerant.
The housing has an upper space arranged above the second heat exchanger and a lower space arranged below the second heat exchanger, and
The inlet port and the outlet port are arranged at the bottom of the housing so that all of the second circulating refrigerant flows through the second heat exchanger.
Cryogenic inflator.
シリンダ内で、高温側と低温側との間を往復し、往復運動によって低温側変位容積部を形成するディスプレーサと、
第1のガスがその中を通じて前記低温側変位容積部に流出入する再生器と、
円筒状シェルを介して、該シェルの外部にある第2の熱交換器内の第2の循環冷媒からの熱を前記第1のガスに径方向に移送する、第1の熱交換器と、
を備え、
前記第1のガスは、前記再生器と前記低温側変位容積部との間を前記第1の熱交換器を介して流れ、
前記第2の熱交換器は、前記第2の循環冷媒用の単一ポートを有するハウジング内に収納されており、および、
前記単一ポートは、前記ハウジングの底部に設けられる、
極低温膨張器。 A cryogenic expander that operates in a GM or Stirling cycle to cool the circulating refrigerant.
A displacer that reciprocates between the high temperature side and the low temperature side in the cylinder and forms a displacement volume part on the low temperature side by reciprocating motion.
A regenerator in which the first gas flows in and out of the low temperature side displacement volume portion through the regenerator,
A first heat exchanger that radially transfers heat from a second circulating refrigerant in a second heat exchanger outside the shell through the cylindrical shell to the first gas.
Equipped with
The first gas flows between the regenerator and the low temperature side displacement volume portion via the first heat exchanger.
The second heat exchanger is housed and housed in a housing having a single port for the second circulating refrigerant.
The single port is provided at the bottom of the housing.
Cryogenic inflator.
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
PCT/US2018/026482 WO2019194819A2 (en) | 2018-04-06 | 2018-04-06 | Heat station for cooling a circulating cryogen |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2021519407A JP2021519407A (en) | 2021-08-10 |
JP7022221B2 true JP7022221B2 (en) | 2022-02-17 |
Family
ID=68101380
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2020552189A Active JP7022221B2 (en) | 2018-04-06 | 2018-04-06 | Heat station for cooling circulating refrigerant |
Country Status (5)
Country | Link |
---|---|
EP (1) | EP3775717A4 (en) |
JP (1) | JP7022221B2 (en) |
KR (1) | KR102398432B1 (en) |
CN (1) | CN111936802B (en) |
WO (1) | WO2019194819A2 (en) |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR20240093770A (en) * | 2021-10-26 | 2024-06-24 | 스미토모 크라이어제닉스 오브 아메리카 인코포레이티드 | Gas driven seals for Gifford McMahon inflators |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2002081774A (en) | 2000-09-01 | 2002-03-22 | Sharp Corp | Heat exchanger for stirling refrigerating machine and heat exchanger body |
JP2002243291A (en) | 2001-02-19 | 2002-08-28 | Sharp Corp | Heat exchanger of stirling refrigerating machine and method for manufacturing the same |
JP2003028527A (en) | 2001-07-16 | 2003-01-29 | Sharp Corp | Internal heat exchanger for stirling engine, and stirling refrigerating machine |
WO2016068039A1 (en) | 2014-10-30 | 2016-05-06 | 住友重機械工業株式会社 | Cryogenic refrigerator |
JP2016075429A (en) | 2014-10-07 | 2016-05-12 | 住友重機械工業株式会社 | Cryogenic refrigeration machine |
Family Cites Families (14)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
TW426798B (en) * | 1998-02-06 | 2001-03-21 | Sanyo Electric Co | Stirling apparatus |
US6256997B1 (en) | 2000-02-15 | 2001-07-10 | Intermagnetics General Corporation | Reduced vibration cooling device having pneumatically-driven GM type displacer |
US7225859B2 (en) * | 2000-09-01 | 2007-06-05 | Sharp Kabushiki Kaisha | Heat exchanger element and heat exchanger member for a stirling cycle refrigerator and method of manufacturing such a heat exchanger member |
EP1314938B1 (en) * | 2000-09-01 | 2005-05-11 | Sharp Kabushiki Kaisha | Heat exchanger for stirling refrigerating machine, heat exchanger body, and method of manufacturing heat exchanger body |
JP2003166768A (en) | 2001-11-30 | 2003-06-13 | Sharp Corp | Stirling engine and its operation method |
CN1760604A (en) * | 2005-10-27 | 2006-04-19 | 中国科学院上海技术物理研究所 | A kind of hot-side heat dissipation device that is used for sterlin refrigerator |
CN1959298A (en) * | 2006-11-24 | 2007-05-09 | 中国科学院上海技术物理研究所 | Stirling refrigerating machine being as cold source of low temperature refrigerator |
US8375742B2 (en) * | 2007-08-21 | 2013-02-19 | Cryomech, Inc. | Reliquifier and recondenser with vacuum insulated sleeve and liquid transfer tube |
US8448461B2 (en) | 2010-10-08 | 2013-05-28 | Sumitomo (Shi) Cryogenics Of America Inc. | Fast cool down cryogenic refrigerator |
JP2015117885A (en) * | 2013-12-18 | 2015-06-25 | 住友重機械工業株式会社 | Cryogenic refrigerating machine |
JP6403539B2 (en) * | 2014-10-29 | 2018-10-10 | 住友重機械工業株式会社 | Cryogenic refrigerator |
CN104534715A (en) * | 2014-12-09 | 2015-04-22 | 中国科学院上海技术物理研究所 | Low-vibration large-cooling-capacity free piston type Stirling cryocooler expansion machine |
US10634393B2 (en) | 2016-07-25 | 2020-04-28 | Sumitomo (Shi) Cryogenic Of America, Inc. | Cryogenic expander with collar bumper for reduced noise and vibration characteristics |
CN206238523U (en) * | 2016-10-14 | 2017-06-13 | 上海朗旦制冷技术有限公司 | Using the air conditioner device for human body of stirling refrigeration |
-
2018
- 2018-04-06 JP JP2020552189A patent/JP7022221B2/en active Active
- 2018-04-06 WO PCT/US2018/026482 patent/WO2019194819A2/en active Application Filing
- 2018-04-06 EP EP18913476.0A patent/EP3775717A4/en active Pending
- 2018-04-06 CN CN201880092077.2A patent/CN111936802B/en active Active
- 2018-04-06 KR KR1020207031905A patent/KR102398432B1/en active IP Right Grant
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2002081774A (en) | 2000-09-01 | 2002-03-22 | Sharp Corp | Heat exchanger for stirling refrigerating machine and heat exchanger body |
JP2002243291A (en) | 2001-02-19 | 2002-08-28 | Sharp Corp | Heat exchanger of stirling refrigerating machine and method for manufacturing the same |
JP2003028527A (en) | 2001-07-16 | 2003-01-29 | Sharp Corp | Internal heat exchanger for stirling engine, and stirling refrigerating machine |
JP2016075429A (en) | 2014-10-07 | 2016-05-12 | 住友重機械工業株式会社 | Cryogenic refrigeration machine |
WO2016068039A1 (en) | 2014-10-30 | 2016-05-06 | 住友重機械工業株式会社 | Cryogenic refrigerator |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
EP3775717A4 (en) | 2022-01-26 |
WO2019194819A2 (en) | 2019-10-10 |
CN111936802B (en) | 2022-10-14 |
WO2019194819A3 (en) | 2019-12-19 |
CN111936802A (en) | 2020-11-13 |
JP2021519407A (en) | 2021-08-10 |
KR102398432B1 (en) | 2022-05-13 |
EP3775717A2 (en) | 2021-02-17 |
KR20200128758A (en) | 2020-11-16 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP5917153B2 (en) | Cryogenic refrigerator, displacer | |
EP0142117A2 (en) | Apparatus for condensing liquid cryogen boil-off | |
US6263677B1 (en) | Multistage low-temperature refrigeration machine | |
TW201226704A (en) | Cryopump and cryogenic refrigerator | |
US11649989B2 (en) | Heat station for cooling a circulating cryogen | |
US5345769A (en) | Cryogenic refrigeration apparatus | |
JP7022221B2 (en) | Heat station for cooling circulating refrigerant | |
US5609034A (en) | Cooling system | |
KR102059088B1 (en) | Hybrid brayton-gifford-mcmahon expander | |
US9841212B2 (en) | Cryogenic refrigerator | |
JP5908324B2 (en) | Regenerative refrigerator | |
US20050210885A1 (en) | Refrigeration system | |
CN114739031B (en) | Dilution refrigeration system | |
TW550366B (en) | Cold storage type freezing machine | |
US7305835B2 (en) | Pulse tube cooling by circulation of buffer gas | |
CN110017627B (en) | Pulse tube refrigerator and method for manufacturing pulse tube refrigerator | |
RU2273808C2 (en) | Refrigeration machine with pulsating pipe | |
JP6975013B2 (en) | Cryogenic freezer | |
WO2019009019A1 (en) | Cryogenic refrigerator | |
KR100348615B1 (en) | Structure for fixing radiator of pulse tube refrigerator | |
US7165406B2 (en) | Integral pulse tube refrigerator and cryopump | |
Wang | 4 K Regenerative Cryocoolers |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20201127 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20210511 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20211102 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20220117 |
|
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: 20220201 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20220204 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 7022221 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |