JPH0215787B2 - - Google Patents

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JPH0215787B2
JPH0215787B2 JP13737881A JP13737881A JPH0215787B2 JP H0215787 B2 JPH0215787 B2 JP H0215787B2 JP 13737881 A JP13737881 A JP 13737881A JP 13737881 A JP13737881 A JP 13737881A JP H0215787 B2 JPH0215787 B2 JP H0215787B2
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JP
Japan
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space
regenerator
expansion
heat exchanger
helium gas
Prior art date
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Expired
Application number
JP13737881A
Other languages
Japanese (ja)
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JPS5840456A (en
Inventor
Hideo Mita
Shintaro Harada
Masabumi Nogawa
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Aisin Corp
Original Assignee
Aisin Seiki Co Ltd
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Publication date
Application filed by Aisin Seiki Co Ltd filed Critical Aisin Seiki Co Ltd
Priority to JP13737881A priority Critical patent/JPS5840456A/en
Publication of JPS5840456A publication Critical patent/JPS5840456A/en
Publication of JPH0215787B2 publication Critical patent/JPH0215787B2/ja
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  • Separation By Low-Temperature Treatments (AREA)
  • Heat-Exchange Devices With Radiators And Conduit Assemblies (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 (産業上の利用分野) 本発明は、超低温冷凍機に関し、特に詳述すれ
ば、10K以下の冷凍を小さな消費動力で発生可能
とする超低温冷凍機に関する。
[Detailed Description of the Invention] [Object of the Invention] (Industrial Application Field) The present invention relates to an ultra-low temperature refrigerator, and more specifically, an ultra-low temperature refrigerator that can generate refrigeration of 10K or less with small power consumption. Regarding.

(従来の技術) 従来の超低温冷凍機として、実公昭43−17026
号公報に示されるものがある。
(Conventional technology) As a conventional ultra-low temperature refrigerator,
There is something shown in the publication.

このものは、圧縮ピストンにより圧縮シリンダ
内に画成される圧縮空間、冷却器、第1蓄冷器及
び第2蓄冷器を順次連通すると共に段付状の膨張
ピストンにより段付状の膨張シリンダ内に画成さ
れる第1膨張空間及び第2膨張空間を夫々第1蓄
冷器及び第2蓄冷器に連通し、膨張ピストンを圧
縮ピストンに対し所定の位相差(90゜)で進めて
往復駆動させてスターリングサイクルを形成し、
圧縮空間から各膨張空間に至る冷凍サイクル(ス
ターリングサイクル)を形成する空間が、各ピス
トンの往復摺動により、断熱圧縮行程−等容積行
程−断熱膨張行程−等容積行程を終えることによ
つて断熱膨張行程時に第1及び第2膨張空間にて
夫々80K及び30Kの冷凍を発生させている。
This device sequentially communicates a compression space defined in a compression cylinder by a compression piston, a cooler, a first regenerator, and a second regenerator, and also connects a stepped expansion piston to a stepped expansion cylinder. The defined first expansion space and second expansion space are communicated with a first regenerator and a second regenerator, respectively, and the expansion piston is advanced and reciprocated with a predetermined phase difference (90°) relative to the compression piston. forming the Stirling cycle,
The space that forms the refrigeration cycle (Stirling cycle) from the compression space to each expansion space becomes adiabatic by completing an adiabatic compression stroke - equal volume stroke - adiabatic expansion stroke - equal volume stroke due to the reciprocating sliding of each piston. During the expansion stroke, refrigeration of 80K and 30K is generated in the first and second expansion spaces, respectively.

即ち、圧縮空間が圧縮ピストンが下死点から中
間点まで摺動することにより圧縮される時には各
膨張空間が膨張ピストンが中間点から上死点まで
摺動することにより圧縮されるため、冷凍サイク
ルを形成する空間内に充填される作動ガスが両ピ
ストンによつて断熱圧縮され、また圧縮空間が圧
縮ピストンが中間点から上死点まで摺動すること
により圧縮される時には各膨張空間が膨張ピスト
ンが上死点から中間点まで摺動することにより膨
張されるため、冷凍サイクルを形成する空間は等
容積変化を行い、作動ガスが冷却器及び第1蓄冷
器を通つて放熱されて第1膨張空間内に移動され
ると共に冷却器、第1蓄冷器及び第2蓄冷器を通
つて更に放熱されて第2膨張空間内に移動され
る。そして、圧縮空間が圧縮ピストンが上死点か
ら中間点まで摺動することにより膨張される時に
は各膨張空間が膨張ピストンが中間点から下死点
へ摺動することにより膨張されるため、作動ガス
は断熱膨張されて第1及び第2膨張空間にて夫々
80K及び30Kの冷凍を発生し、次に圧縮空間が圧
縮ピストンが中間点から下死点まで摺動すること
により膨張される時には各膨張空間が膨張ピスト
ンが下死点から中間点へ摺動することにより圧縮
されるため、冷凍サイクルを形成する空間は等容
積変化を行い、作動ガスが各蓄冷器を冷却しなが
ら冷却器を介して圧縮空間内に移動される。
That is, when the compression space is compressed by the compression piston sliding from the bottom dead center to the intermediate point, each expansion space is compressed by the expansion piston sliding from the midpoint to the top dead center, so the refrigeration cycle The working gas filled in the space forming the space is adiabatically compressed by both pistons, and when the compression space is compressed by the compression piston sliding from the midpoint to the top dead center, each expansion space is compressed by the expansion piston. is expanded by sliding from the top dead center to the intermediate point, so the space forming the refrigeration cycle undergoes a constant volume change, and the working gas passes through the cooler and the first regenerator to radiate heat and undergo the first expansion. While being moved into the space, the heat is further radiated through the cooler, the first regenerator, and the second regenerator, and then moved into the second expansion space. When the compression space is expanded by the compression piston sliding from the top dead center to the middle point, each expansion space is expanded by the expansion piston sliding from the middle point to the bottom dead center, so the working gas are adiabatically expanded in the first and second expansion spaces, respectively.
When refrigeration of 80K and 30K occurs, and then the compression space is expanded by the compression piston sliding from the middle point to the bottom dead center, each expansion space is expanded by the expansion piston sliding from the bottom dead center to the middle point. Due to the compression, the space forming the refrigeration cycle undergoes an equal volume change, and the working gas is moved into the compression space via the cooler while cooling each regenerator.

(発明が解決しようとする課題) 上記した従来の超低温冷凍機において、更に低
い冷凍を発生させるためには、第3膨張空間を第
2蓄冷器に第3蓄冷器を介して連通されるように
設ければ良い。しかしながら、上記した従来の超
低温冷凍機の蓄冷器は熱容量の大きな金属である
鉛の球や板が積層されて詰められて構成されてお
り、この鉛(鉛球)は第4図に示されるように
15K以下の低温では単位体積当たりの熱容量が低
下するため、蓄冷器の効率が15K以下の低温では
低い。そのため、膨張段数を増しても10K以下の
冷凍を効率良く発生させることができないという
問題があつた。即ち、15K以下の低温における蓄
冷器効率の低下を補うために蓄冷器容量(蓄冷材
の容量)を大きくすると、冷凍サイクル内の死体
積及び圧力損失の増大を招き、極低温冷凍機の消
費動力が増大し、当該極低温冷凍機の効率(冷凍
量/消費動力)が低下するという問題があつた。
これらの問題は、実開昭56−88059号公報に示さ
れるように、第2蓄冷器と第3膨張空間との間に
180゜の位相差で駆動される別の冷凍機の作動ガス
との間で熱交換する向流型熱交換器を設けること
により解消することができるが、これによると冷
凍機が2台必要となり、構成が複雑となる。
(Problems to be Solved by the Invention) In the conventional ultra-low temperature refrigerator described above, in order to generate even lower refrigeration, the third expansion space is communicated with the second regenerator via the third regenerator. Just set it up. However, the regenerator of the conventional ultra-low temperature refrigerator mentioned above is constructed by stacking and packing lead balls and plates, which are metals with large heat capacity, and these lead (lead balls) are as shown in Figure 4.
At low temperatures below 15K, the heat capacity per unit volume decreases, so the efficiency of the regenerator is low at low temperatures below 15K. Therefore, there was a problem in that even if the number of expansion stages was increased, refrigeration below 10K could not be efficiently generated. In other words, increasing the regenerator capacity (capacity of regenerator material) to compensate for the decrease in regenerator efficiency at low temperatures below 15K will lead to an increase in dead volume and pressure loss in the refrigeration cycle, and the power consumption of the cryogenic refrigerator will decrease. There was a problem in that the efficiency (refrigeration amount/power consumption) of the cryogenic refrigerator decreased.
These problems are solved between the second regenerator and the third expansion space, as shown in Japanese Utility Model Application Publication No. 56-88059.
This can be solved by installing a countercurrent heat exchanger that exchanges heat with the working gas of another refrigerator driven with a 180° phase difference, but this would require two refrigerators. , the configuration becomes complicated.

そこで本発明は、超低温冷凍機において、簡単
な構成にて所定の冷凍量を得るための消費動力を
小さくすることを、その技術的課題とする。
Therefore, the technical objective of the present invention is to reduce the power consumption for obtaining a predetermined amount of refrigeration with a simple configuration in an ultra-low temperature refrigerator.

〔発明の構成〕[Structure of the invention]

(課題を解決するための手段) 上記した技術的課題を解決するための手段は、
超低温冷凍機を、圧縮空間、冷却器、第1蓄冷
器、第2蓄冷器、第3蓄冷器及び蓄熱型熱交換器
の流路を順次連通し、且つ前記第1蓄冷器と第1
膨張空間、前記第2蓄冷器と第2膨張空間、前記
蓄熱型熱交換器の流路と第3膨張空間を夫々連通
せしめて成り、前記第3膨張空間もしくは前記第
3蓄冷器を前記蓄熱型熱交換器の流路を包囲する
ように前記蓄熱型熱交換器内に画成された空間に
前記第3膨張空間もしくは前記第3蓄冷器から前
記空間へ作動ガスが流れることを許容する一方向
弁を介して連通すると共に、前記空間を他の空間
に前記空間内の圧力が該他の空間内の圧力よりも
所定量高くなつた時に前記空間から前記他の空間
へ作動ガスが流れることを許容する安全弁を介し
て連通してなる構成としたことである。
(Means for solving the problem) The means for solving the above technical problem are:
The ultra-low temperature refrigerator is connected to the compression space, the cooler, the first regenerator, the second regenerator, the third regenerator, and the flow path of the regenerative heat exchanger, and the first regenerator and the first regenerator are connected to each other in order.
An expansion space, the second regenerator and the second expansion space, and a flow path of the regenerative heat exchanger and the third expansion space are connected to each other, and the third expansion space or the third regenerator is connected to the regenerator. One direction that allows working gas to flow from the third expansion space or the third regenerator to the space defined in the regenerative heat exchanger so as to surround the flow path of the heat exchanger. The space communicates with the other space through a valve, and the working gas flows from the space to the other space when the pressure in the space becomes higher than the pressure in the other space by a predetermined amount. The structure is such that they are communicated via a safety valve that allows for this.

(作用及び発明の効果) 本発明によれば、一方向弁により低温(15K以
下)において大きな熱容量を有する作動ガス(ヘ
リウムガス)を冷凍サイクルを形成する空間の死
体積を大きくすることなく、蓄熱型熱交換器の空
間内に充填することができ、充填された作動ガス
(ヘリウムガス)により冷凍サイクルを形成する
空間(圧縮空間から各膨張空間に至る空間)の作
動ガスを熱交換させることができるので、第3蓄
冷器の容量を大きくすることなく、簡単な構成に
より10K以下の冷凍を小さな消費動力で且つ短時
間で発生させることができる。また、蓄熱型熱交
換器の空間内に充填された作動ガスは該空間内の
圧力が他の空間内の圧力よりも所定量高くなつた
時に空間から他の空間へ安全弁により逃がされる
ので、超低温冷凍機の停止後に蓄熱型熱交換器の
空間内の圧力が異常上昇することが防止され、該
蓄熱型熱交換器の耐久性を向上できる。
(Operation and Effects of the Invention) According to the present invention, the one-way valve allows the working gas (helium gas) which has a large heat capacity at low temperatures (15K or less) to store heat without increasing the dead volume of the space forming the refrigeration cycle. It can be filled into the space of a type heat exchanger, and the filled working gas (helium gas) can exchange heat with the working gas in the spaces that form the refrigeration cycle (the spaces from the compression space to each expansion space). Therefore, refrigeration of 10K or less can be generated with small power consumption and in a short time with a simple configuration without increasing the capacity of the third regenerator. In addition, the working gas filled in the space of the regenerative heat exchanger is released from the space to another space by a safety valve when the pressure in the space becomes higher than the pressure in other spaces by a predetermined amount, so the temperature is extremely low. The pressure within the space of the regenerative heat exchanger is prevented from increasing abnormally after the refrigerator is stopped, and the durability of the regenerative heat exchanger can be improved.

(実施例) 以下、本発明に従つた超低温冷凍機の一実施例
を図面に基づき説明する。
(Example) Hereinafter, one example of the ultra-low temperature refrigerator according to the present invention will be described based on the drawings.

第1図において、圧縮シリンダ1と圧縮ピスト
ン2により形成される圧縮空間3は、順次冷却器
4及び第1蓄冷器5を通り、そして連通管6,7
を介して夫々第1膨張空間8及び第2蓄冷器9の
一端側へ連通している。第2蓄冷器9の他端側
は、連通管11,12を通り、夫々第2膨張空間
10及び第3蓄冷器13の一端側へ連通してお
り、第3蓄冷器13の他端側は、連通管14を通
り、蓄熱型熱交換器15の流路15aの一端側に
連通している。また、蓄熱型熱交換器15の流路
15aの他端側は、連通管16を通つて第3膨張
空間17へ連通している。尚、第1蓄冷器5、第
2蓄冷器9及び第3蓄冷器13は熱容量の大きな
金属(鉛等)の球や板等が積層して詰められる周
知なものである。
In FIG. 1, a compression space 3 formed by a compression cylinder 1 and a compression piston 2 sequentially passes through a cooler 4 and a first regenerator 5, and then passes through communication pipes 6, 7.
are in communication with one end side of the first expansion space 8 and the second regenerator 9, respectively. The other end of the second regenerator 9 communicates with the second expansion space 10 and one end of the third regenerator 13 through communication pipes 11 and 12, respectively. , and communicates with one end side of the flow path 15a of the regenerative heat exchanger 15 through the communication pipe 14. Further, the other end side of the flow path 15a of the regenerative heat exchanger 15 communicates with the third expansion space 17 through the communication pipe 16. The first regenerator 5, the second regenerator 9, and the third regenerator 13 are well-known regenerators in which balls, plates, and the like of metal (such as lead) having a large heat capacity are laminated and packed.

蓄熱型熱交換器15には、第2図に示すように
流路15aの外壁15c及び該外壁15cに設け
られたフイン15dを取り囲む空間15bが形成
されている。該空間は、順次連通管20、一方向
弁19及び連通管18を通つて第3膨張空間17
に連通されている。一方向弁19は、第3膨張空
間17から蓄熱型熱交換器15の空間15bへの
ヘリウムガスの流れを許容し、空間15bから第
3膨張空間17へのヘリウムガスの流れを阻止す
るようになつている。尚、圧縮ピストン2には、
ロツド22が連結されており、圧縮ピストン2の
外周上の一部には、ガス封止のためのピストンリ
ング23が設けられていると共にロツド22の外
壁の一部にもガス封止のためのシール31が設け
られている。
As shown in FIG. 2, the regenerative heat exchanger 15 has a space 15b surrounding an outer wall 15c of the flow path 15a and a fin 15d provided on the outer wall 15c. The space sequentially passes through the communication pipe 20, the one-way valve 19, and the communication pipe 18 to the third expansion space 17.
is communicated with. The one-way valve 19 allows helium gas to flow from the third expansion space 17 to the space 15b of the regenerative heat exchanger 15, and prevents the helium gas from flowing from the space 15b to the third expansion space 17. It's summery. In addition, the compression piston 2 has
A piston ring 23 is provided on a part of the outer circumference of the compression piston 2 for gas sealing, and a part of the outer wall of the rod 22 is also provided with a piston ring 23 for gas sealing. A seal 31 is provided.

また、蓄熱型熱交換器15の空間15bは連通
管32、安全弁33及び連通管34を介して他の
空間に連通されており、本実施例においては連通
管34を介して第3蓄冷器13に連通されてい
る。尚、他の空間は、空間15b以外の空間であ
ればどこでも良く、第3蓄冷器13の他に、例え
ば圧縮空間3、第1蓄冷器5、第1膨張空間8、
第2蓄冷器9、第2膨張空間10、第3膨張空間
17及びバツフア空間41,45等であつて良
い。尚、安全弁33は第1図及び第2図に示され
るように、空間15b内の圧力が第3蓄冷器13
内の圧力よりも所定量高くなつた時に空間15b
から第3蓄冷器13へヘリウムガス(作動ガス)
が流れることを許容するようになつている。
Further, the space 15b of the regenerative heat exchanger 15 is communicated with other spaces via a communication pipe 32, a safety valve 33, and a communication pipe 34, and in this embodiment, the third regenerator 13 is connected via the communication pipe 34. is communicated with. Note that the other spaces may be any space other than the space 15b, and in addition to the third regenerator 13, for example, the compression space 3, the first regenerator 5, the first expansion space 8,
It may be the second regenerator 9, the second expansion space 10, the third expansion space 17, the buffer spaces 41, 45, etc. In addition, as shown in FIG. 1 and FIG.
When the pressure within the space 15b becomes higher than the predetermined amount,
Helium gas (working gas) from to the third regenerator 13
It has become possible to allow the flow of

第1膨張空間8、第2膨張空間10及び第3膨
張空間17は、夫々2段の凸型を有する膨張シリ
ンダ24及び膨張ピストン25によつて形成され
ている。膨張ピストン25の各段の外周上には、
第1、第2及び第3膨張空間8,10,17内の
ガス封止のためのピストンリング26,27,3
8が設置されている。また、膨張ピストン25に
はロツド29が連結されており、該ロツド29の
外周上の一部にはガス封止のためのシール30が
設置されている。尚、第1図中、41,45は
夫々バツフア空間である。
The first expansion space 8, the second expansion space 10, and the third expansion space 17 are each formed by an expansion cylinder 24 and an expansion piston 25, each having a two-stage convex shape. On the outer periphery of each stage of the expansion piston 25,
Piston rings 26, 27, 3 for gas sealing in the first, second and third expansion spaces 8, 10, 17
8 is installed. Further, a rod 29 is connected to the expansion piston 25, and a seal 30 for gas sealing is installed on a part of the outer circumference of the rod 29. In FIG. 1, 41 and 45 are buffer spaces, respectively.

ロツド22,29は、図示しない往復動機構
(例えばクランク機構等)に連結されており、膨
張ピストン25の方が圧縮ピストン2より約90゜
進むようにされている。
The rods 22 and 29 are connected to a reciprocating mechanism (for example, a crank mechanism, etc.), not shown, so that the expansion piston 25 advances approximately 90 degrees from the compression piston 2.

以上の構成からなる本発明の作用を説明する。 The operation of the present invention having the above configuration will be explained.

圧縮ピストン2が下死点から中間点まで摺動す
ることにより圧縮空間3が圧縮されると、膨張ピ
ストン25は圧縮ピストン2に対し90゜位相が進
んで摺動しているため、中間点から上死点まで摺
動し、各膨張空間8,10,17も圧縮される。
そのため、圧縮空間3から各膨張空間8,10,
17に至る冷凍サイクルを形成する空間内に充填
されるヘリウムガスが両ピストン2,25によつ
て断熱圧縮される。次に、圧縮ピストン2が中間
点から上死点まで摺動することにより圧縮空間3
が圧縮されると、膨張ピストン25が上死点から
中間点まで摺動することにより各膨張空間8,1
0,17が膨張される。そのため、冷凍サイクル
を形成する空間は等容積変化を行い、ヘリウムガ
スが冷却器4及び第1蓄冷器5を通つて放熱され
て第1膨張空間8内に移動されると共に冷却器
4、第1蓄冷器5及び第2蓄冷器9を通つて更に
放熱されて第2膨張空間10内に移動される。ま
た更にヘリウムガスは冷却器4、第1蓄冷器5及
び第2蓄冷器9を通つて更に放熱されて、蓄熱型
熱交換器15の流路15aに流入し、外壁15c
及びフイン15dにより空間15b内のヘリウム
ガスを冷却しながら連通管16を通つて第3膨張
空間17内に移動される。
When the compression space 3 is compressed by the compression piston 2 sliding from the bottom dead center to the intermediate point, the expansion piston 25 is sliding 90 degrees in phase with respect to the compression piston 2, so the expansion piston 25 moves from the intermediate point to the intermediate point. It slides to the top dead center, and each expansion space 8, 10, 17 is also compressed.
Therefore, from the compression space 3 to each expansion space 8, 10,
The helium gas filled in the space forming the refrigeration cycle up to 17 is adiabatically compressed by both pistons 2 and 25. Next, as the compression piston 2 slides from the intermediate point to the top dead center, the compression space 3
is compressed, the expansion piston 25 slides from the top dead center to the intermediate point, thereby opening each expansion space 8, 1.
0,17 are expanded. Therefore, the space forming the refrigeration cycle undergoes an equal volume change, and the helium gas radiates heat through the cooler 4 and the first regenerator 5 and moves into the first expansion space 8. The heat is further radiated through the regenerator 5 and the second regenerator 9 and moved into the second expansion space 10 . Further, the helium gas passes through the cooler 4, the first regenerator 5, and the second regenerator 9, radiates heat, flows into the flow path 15a of the regenerative heat exchanger 15, and flows into the outer wall 15c.
The helium gas in the space 15b is cooled by the fins 15d and moved into the third expansion space 17 through the communication pipe 16.

そして、圧縮ピストン2が上死点から中間点ま
で摺動することにより圧縮空間3が膨張される
と、膨張ピストン25が中間点から下死点へ摺動
することにより各膨張空間8,10,17が膨張
される。そのため、ヘリウムガスは断熱膨張され
て第1膨張空間8にて冷凍が発生されると共に、
第2膨張空間10にて第1膨張空間8より更に温
度の低い冷凍を発生する。また、第3膨張空間1
7内に流入したヘリウムガスも同様に断熱膨張さ
れて、第2膨張空間10よりも更に温度の低い冷
凍を発生する。次に、圧縮ピストン2が中間点か
ら下死点まで摺動することにより圧縮空間3が膨
張される時には各膨張空間8,10,17が膨張
ピストン25が下死点から中間点へ摺動すること
により圧縮されるため、冷凍サイクルを形成する
空間は等容積変化を行い、ヘリウムガスが蓄熱型
熱交換器15の空間15b内のヘリウムガス及び
各蓄冷器13,9,5を冷却しながら冷却器4を
介して圧縮空間3内に移動されて1サイクルが終
了する。
When the compression space 3 is expanded by sliding the compression piston 2 from the top dead center to the intermediate point, each expansion space 8, 10, 17 is expanded. Therefore, the helium gas is adiabatically expanded and frozen in the first expansion space 8, and
Refrigeration is generated in the second expansion space 10 at a temperature lower than that in the first expansion space 8. In addition, the third expansion space 1
The helium gas that has flowed into the second expansion space 7 is similarly adiabatically expanded to generate refrigeration at a lower temperature than the second expansion space 10. Next, when the compression space 3 is expanded by sliding the compression piston 2 from the middle point to the bottom dead center, each expansion space 8, 10, 17 is expanded by the expansion piston 25 sliding from the bottom dead center to the middle point. As a result, the space forming the refrigeration cycle undergoes an equal volume change, and the helium gas cools the helium gas in the space 15b of the regenerative heat exchanger 15 and the regenerators 13, 9, and 5. One cycle is completed by being moved into the compression space 3 via the container 4.

この冷凍サイクルを何回も繰り返すことによ
り、第1膨張空間8、第2膨張空間10及び第3
膨張空間17の夫々のヘリウムガスの温度は徐々
に低下し、第1膨張空間8にて約100K、第2膨
張空間10にて約30K、第3膨張空間17にて約
15Kの冷凍が発生され、また蓄熱型熱交換器15
も約15Kとなる。
By repeating this refrigeration cycle many times, the first expansion space 8, the second expansion space 10, and the third
The temperature of the helium gas in each expansion space 17 gradually decreases to approximately 100K in the first expansion space 8, approximately 30K in the second expansion space 10, and approximately 30K in the third expansion space 17.
15K refrigeration is generated, and a regenerative heat exchanger 15
It will also be about 15K.

ところで、蓄熱型熱交換器15の温度が低下す
ると、蓄熱型熱交換器15の空間15b内のヘリ
ウムガスの温度が低下して空間15b内の圧力が
第3膨張空間17内の圧力よりも低くなり、第3
膨張空間17内のヘリウムガスは順次連通管1
8、一方向弁19及び連通管20を通つて空間1
5bに流入し、第3図に示すように空間15bの
圧力は、第3膨張空間17の最高圧力にほぼ等し
くされている。このように、一方向弁19は蓄熱
型熱交換器15の空間15bの圧力が第3膨張空
間17の圧力よりも低くならないと作動(開弁)
しないため、空間15bは冷凍サイクルを形成す
る空間の死体積にならないようになつている。
By the way, when the temperature of the regenerative heat exchanger 15 decreases, the temperature of the helium gas in the space 15b of the regenerative heat exchanger 15 decreases, and the pressure in the space 15b becomes lower than the pressure in the third expansion space 17. Nari, 3rd
The helium gas in the expansion space 17 is sequentially transferred to the communication pipe 1.
8. Space 1 through one-way valve 19 and communication pipe 20
5b, and as shown in FIG. In this way, the one-way valve 19 operates (opens) unless the pressure in the space 15b of the regenerative heat exchanger 15 becomes lower than the pressure in the third expansion space 17.
Therefore, the space 15b does not become a dead volume of the space forming the refrigeration cycle.

蓄熱型熱交換器15の温度が約15Kになると、
第2蓄冷器9より連通管12を通つて第3蓄冷器
13に入り更に冷却されたヘリウムガスは、蓄熱
型熱交換器15の空間15b内のヘリウムガスに
より更に冷却され、連通管16を通り、第3膨張
空間17内に流入する。ここで、第4図に示すよ
うに10atのヘリウムガスは鉛球よりも15K以下の
低温において大きな熱容量を有するため、蓄熱型
熱交換器15の流路15a内に流入したヘリウム
ガスは空間15b内のヘリウムガスにより効率良
く冷却され、第3膨張空間17にて更に温度の低
い冷凍が発生される。第3膨張空間17で膨張し
終えたヘリウムガスは、膨張ピストン25により
圧縮されて連通管16を通つて蓄熱型熱交換器1
5の流路15aに流入し、空間15b内のヘリウ
ムガスを冷却しながら、連通管14を通つて第3
蓄冷器13へ流入する。第3蓄冷器13へ流入し
たヘリウムガスは、第3蓄冷器13、第2蓄冷器
9及び第1蓄冷器5を順次冷却しながら冷却器4
を介して圧縮空間3へ流入される。尚、第2膨張
空間10及び第1膨張空間8で膨張し終えたヘリ
ウムガスは同様に夫々第2蓄冷器9及び第1蓄冷
器5、及び第1蓄冷器5を冷却しながら冷却器4
を介して圧縮空間3へ流入する。
When the temperature of the regenerative heat exchanger 15 reaches approximately 15K,
The further cooled helium gas that enters the third regenerator 13 from the second regenerator 9 through the communication pipe 12 is further cooled by the helium gas in the space 15b of the regenerative heat exchanger 15, and then passes through the communication pipe 16. , flows into the third expansion space 17. Here, as shown in FIG. 4, 10at helium gas has a larger heat capacity than a lead bulb at a low temperature of 15K or less, so the helium gas that has flowed into the flow path 15a of the regenerative heat exchanger 15 is absorbed into the space 15b. It is efficiently cooled by the helium gas, and freezing at an even lower temperature is generated in the third expansion space 17. The helium gas that has finished expanding in the third expansion space 17 is compressed by the expansion piston 25 and passes through the communication pipe 16 to the regenerative heat exchanger 1.
Helium gas flows into the flow path 15a of No. 5 and passes through the communication pipe 14 while cooling the helium gas in the space 15b.
It flows into the regenerator 13. The helium gas that has flowed into the third regenerator 13 is transferred to the cooler 4 while sequentially cooling the third regenerator 13, the second regenerator 9, and the first regenerator 5.
It flows into the compression space 3 via. Note that the helium gas that has finished expanding in the second expansion space 10 and the first expansion space 8 similarly cools the second regenerator 9 and the first regenerator 5, and the first regenerator 5, respectively.
It flows into the compression space 3 through the.

このように、蓄熱型熱交換器15の温度が15K
に達した後、この冷凍サイクルを何回も繰り返す
ことにより、蓄熱型熱交換器15の空間15b内
の熱容量の大きなヘリウムガスにより、蓄熱型熱
交換器15の流路15a内に流入したヘリウムガ
スが効率良く冷却されるため、第1膨張空間8は
約70Kの冷凍を、第2膨張空間10は約25Kの冷
凍を発生し(連通管14の作動ガスを約15Kに冷
却する)、そして第3膨張空間17は約4Kの冷凍
を第3蓄冷器13の蓄冷材容量を大きくして冷凍
サイクル内における死体積及び圧力損失を増大す
ることなく、小さな消費動力で且つ短時間で発生
することができる。
In this way, the temperature of the regenerative heat exchanger 15 is 15K.
By repeating this refrigeration cycle many times, the helium gas flowing into the flow path 15a of the regenerative heat exchanger 15 is is efficiently cooled, the first expansion space 8 generates refrigeration of approximately 70K, the second expansion space 10 generates refrigeration of approximately 25K (cooling the working gas in the communication pipe 14 to approximately 15K), and The third expansion space 17 can generate approximately 4K refrigeration by increasing the regenerator capacity of the third regenerator 13, without increasing the dead volume and pressure loss in the refrigeration cycle, with small power consumption, and in a short time. can.

冷凍機の運転が停止されると、蓄熱型熱交換器
15の空間15bの温度が上昇し、空間15b内
のヘリウムガスの圧力が上昇する。空間15b内
のヘリウムガスの圧力が第3蓄冷器13内の圧力
(他の空間の圧力)よりも所定圧以上になると、
安全弁33が開弁して蓄熱型熱交換器15の空間
15b内のヘリウムガスが冷凍サイクルを形成す
る空間に流出し、空間15b内の圧力は第3蓄冷
器13内の圧力(冷凍サイクルを形成する空間)
にほぼ等しくされる。そのため、蓄熱型熱交換器
15の空間15b内の圧力が異常上昇することが
防止されて、蓄熱型熱交換器15の耐久性を向上
できる。
When the operation of the refrigerator is stopped, the temperature of the space 15b of the regenerative heat exchanger 15 rises, and the pressure of helium gas within the space 15b rises. When the pressure of helium gas in the space 15b becomes a predetermined pressure or more than the pressure in the third regenerator 13 (pressure in other spaces),
The safety valve 33 opens, and the helium gas in the space 15b of the regenerative heat exchanger 15 flows out into the space forming the refrigeration cycle, and the pressure in the space 15b changes to the pressure in the third regenerator 13 (forming the refrigeration cycle). space)
is approximately equal to Therefore, the pressure in the space 15b of the regenerative heat exchanger 15 is prevented from increasing abnormally, and the durability of the regenerative heat exchanger 15 can be improved.

第5図は本発明の他の実施例を示す。この実施
例においては、安全弁33の出口側を順次連通管
34,35,36,37,38,39,40を通
つて他の空間であるバツフア空間41に連通せし
め、バツフア空間41は順次連通管42、絞り4
3、連通管44を通つて圧縮空間3に連通してあ
り、冷凍サイクルを形成する空間の平均圧力がバ
ツフア空間41に作用するようになつている。連
通管35,37,39は夫々第3蓄冷器13、第
2蓄冷器9、第1蓄冷器5と熱交換出来るように
構成されている。また、第3蓄冷器13から蓄熱
型熱交換器15の空間15bへのヘリウムガスの
流れを許容し、空間15bから第3蓄冷器13へ
のヘリウムガスの流れを阻止するように一方向弁
19が連通管18及び19を介して第3蓄冷器1
3と蓄熱型熱交換器15の空間15b間に設けら
れている。尚、第5図中、他の構成は第1図に示
す実施例と同じであり、同じ構成には第1図で用
いた番号符号と同じ番号符号が付してある。
FIG. 5 shows another embodiment of the invention. In this embodiment, the outlet side of the safety valve 33 is connected to a buffer space 41, which is another space, through the communication pipes 34, 35, 36, 37, 38, 39, and 40, and the buffer space 41 is sequentially connected to the communication pipe. 42, aperture 4
3. It communicates with the compression space 3 through a communication pipe 44, so that the average pressure of the space forming the refrigeration cycle acts on the buffer space 41. The communication pipes 35, 37, and 39 are configured to be able to exchange heat with the third regenerator 13, the second regenerator 9, and the first regenerator 5, respectively. Further, the one-way valve 19 is configured to allow the flow of helium gas from the third regenerator 13 to the space 15b of the regenerative heat exchanger 15, and to prevent the flow of helium gas from the space 15b to the third regenerator 13. is connected to the third regenerator 1 via communication pipes 18 and 19.
3 and the space 15b of the regenerative heat exchanger 15. Note that the other configurations in FIG. 5 are the same as those in the embodiment shown in FIG. 1, and the same configurations are given the same numbers and symbols as those used in FIG. 1.

この実施例においては、上述した実施例と同様
に蓄熱型熱交換器15の空間15b内が冷却され
ることにより空間15b内にヘリウムガスが第3
蓄冷器13より充填され、充填されたヘリウムガ
スにより冷凍サイクルを形成する空間内のヘリウ
ムガスが冷却される。そのため、蓄熱型熱交換器
15の温度が15Kに達した後、冷凍サイクルを何
回も繰り返すことにより、蓄熱型熱交換器15の
空間15b内の熱容量の大きなヘリウムガスによ
り、蓄熱型熱交換器15の流路15a内に流入し
たヘリウムガスが効率良く冷却されるため、第1
膨張空間8は約70Kの冷凍を、第2膨張空間10
は約25Kの冷凍を発生し(連通管14の作動ガス
を約15Kに冷却する)、そして第3膨張空間17
は約4Kの冷凍を第3蓄冷器13の蓄冷材容量を
大きくして冷凍サイクル内における死体積及び圧
力損失を増大することなく、小さな消費動力で且
つ短時間で発生することができる。
In this embodiment, as in the embodiment described above, the space 15b of the regenerative heat exchanger 15 is cooled, so that helium gas flows into the space 15b.
The regenerator 13 is filled with helium gas, and the helium gas in the space forming the refrigeration cycle is cooled. Therefore, after the temperature of the regenerative heat exchanger 15 reaches 15K, by repeating the refrigeration cycle many times, the helium gas with a large heat capacity in the space 15b of the regenerative heat exchanger 15 causes the regenerative heat exchanger 15 to Since the helium gas flowing into the flow path 15a of No. 15 is efficiently cooled,
The expansion space 8 cools at approximately 70K, and the second expansion space 10
generates refrigeration of about 25K (cools the working gas in the communication pipe 14 to about 15K), and the third expansion space 17
By increasing the regenerator capacity of the third regenerator 13, refrigeration of approximately 4K can be generated with small power consumption and in a short time without increasing the dead volume and pressure loss in the refrigeration cycle.

冷凍機の運転が停止されると、蓄熱型熱交換器
15の空間15bのヘリウムガスは温まり、空間
15b内の圧力がバツフア空間41の圧力よりも
所定量大きくなると、安全弁33が開弁して、空
間15b内のヘリウムガスが順次連通管35,3
6,37,38,39,40を通つて、バツハア
空間41内へ流入される。これにより、空間15
b内の圧力がバツハア空間41内の圧力とほぼ等
しくされ、該圧力が異常上昇することが防止され
て、蓄熱型熱交換器15の耐久性が向上される。
尚、連通管35,37,39を通るヘリウムガス
は、夫々第3蓄冷器13の壁、第2蓄冷器9の
壁、第1蓄冷器5の壁より熱を受け温められるよ
うになつていて、冷凍機作動時のヒートリークを
防止するようになつている。その他の作用は、上
述した第1図に示す実施例の説明から当業者が容
易に理解できると思われるので、説明は省略す
る。
When the operation of the refrigerator is stopped, the helium gas in the space 15b of the regenerative heat exchanger 15 warms up, and when the pressure in the space 15b becomes higher than the pressure in the buffer space 41 by a predetermined amount, the safety valve 33 opens. , the helium gas in the space 15b is sequentially transferred to the communication pipes 35, 3.
6, 37, 38, 39, and 40, and flows into Batschaar space 41. As a result, space 15
The pressure inside b is made almost equal to the pressure inside the Batsha space 41, and the pressure is prevented from increasing abnormally, thereby improving the durability of the regenerative heat exchanger 15.
The helium gas passing through the communication pipes 35, 37, and 39 is heated by receiving heat from the wall of the third regenerator 13, the wall of the second regenerator 9, and the wall of the first regenerator 5, respectively. , to prevent heat leaks when the refrigerator is operating. Other functions are likely to be easily understood by those skilled in the art from the description of the embodiment shown in FIG. 1 above, so their description will be omitted.

上述した各実施例においては、本発明をスター
リングサイクル超低温冷凍機に採用した例を示し
たが、本発明はギホードマクマホンサイクル等の
その他のサイクルの超低温冷凍機にも採用でき
る。
In each of the embodiments described above, an example was shown in which the present invention was applied to a Stirling cycle ultra-low temperature refrigerator, but the present invention can also be adopted to an ultra-low temperature refrigerator of other cycles such as the Gifford-McMahon cycle.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は本発明に従つた超低温冷凍機の一実施
例を示す概略断面図、第2図は第1図に示す一実
施例における一方向弁と蓄熱型熱交換器の概略断
面図、第3図は第1図に示す一実施例における蓄
熱型熱交換器内の空間15bのヘリウムガス圧力
P2と第3膨張空間17のヘリウムガス圧力P1
圧力変化状況を示すグラフ、第4図は10atのヘリ
ウムガスと鉛球の単位体積当たりの熱容量の比較
を示したグラフ、第5図は本発明の他の実施例を
示す概略断面図である。 1……圧縮シリンダ、2……圧縮ピストン、3
……圧縮空間、4……冷却器、5……第1蓄冷
器、8……第1膨張空間、9……第2蓄冷器、1
0……第2膨張空間、13……第3蓄冷器、15
……蓄熱型熱交換器、15a……流路、15b…
…空間、15d……フイン、17……第3膨張空
間、19……一方向弁、33……安全弁、41…
…バツフア空間。
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an embodiment of an ultra-low temperature refrigerator according to the present invention, FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of a one-way valve and a regenerative heat exchanger in the embodiment shown in FIG. Figure 3 shows the helium gas pressure in the space 15b in the regenerative heat exchanger in the embodiment shown in Figure 1.
A graph showing the pressure change status of P 2 and the helium gas pressure P 1 in the third expansion space 17, Fig. 4 is a graph showing a comparison of the heat capacity per unit volume of 10at helium gas and a lead bulb, Fig. 5 FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing another embodiment of the invention. 1... Compression cylinder, 2... Compression piston, 3
...Compression space, 4...Cooler, 5...First regenerator, 8...First expansion space, 9...Second regenerator, 1
0...Second expansion space, 13...Third regenerator, 15
...Regenerative heat exchanger, 15a...Flow path, 15b...
...space, 15d...fin, 17...third expansion space, 19...one-way valve, 33...safety valve, 41...
...Batsuhua space.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 1 圧縮空間3、冷却器4、第1蓄冷器5、第2
蓄冷器9、第3蓄冷器13及び蓄熱型熱交換器1
5の流路15aを順次連通し、且つ前記第1蓄冷
器5と第1膨張空間8、前記第2蓄冷器9と第2
膨張空間10、前記蓄熱型熱交換器15の流路1
5aと第3膨張空間17を夫々連通せしめて成
り、前記第3膨張空間17もしくは前記第3蓄冷
器13を前記蓄熱型熱交換器15の流路15aを
包囲するように前記蓄熱型熱交換器15内に画成
された空間15bに前記第3膨張空間17もしく
は前記第3蓄冷器13から前記空間15bへ作動
ガスが流れることを許容する一方向弁19を介し
て連通すると共に、前記空間15bを他の空間に
前記空間15b内の圧力が該他の空間内の圧力よ
りも所定量高くなつた時に前記空間15bから前
記他の空間へ作動ガスが流れることを許容する安
全弁33を介して連通したことを特徴とする超低
温冷凍機。
1 Compression space 3, cooler 4, first regenerator 5, second
Regenerator 9, third regenerator 13, and regenerator type heat exchanger 1
5, and the first regenerator 5 and the first expansion space 8, and the second regenerator 9 and the second
Expansion space 10, flow path 1 of the regenerative heat exchanger 15
5a and a third expansion space 17, respectively, and the third expansion space 17 or the third regenerator 13 surrounds the flow path 15a of the regenerative heat exchanger 15. The space 15b defined in the space 15 is connected to the space 15b via a one-way valve 19 that allows working gas to flow from the third expansion space 17 or the third regenerator 13 to the space 15b. is communicated with another space via a safety valve 33 that allows working gas to flow from the space 15b to the other space when the pressure in the space 15b becomes higher than the pressure in the other space by a predetermined amount. This ultra-low temperature refrigerator is characterized by:
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