JPH0452468A - Cryogenic refrigerator - Google Patents

Cryogenic refrigerator

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JPH0452468A
JPH0452468A JP16223690A JP16223690A JPH0452468A JP H0452468 A JPH0452468 A JP H0452468A JP 16223690 A JP16223690 A JP 16223690A JP 16223690 A JP16223690 A JP 16223690A JP H0452468 A JPH0452468 A JP H0452468A
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stage
refrigerator
helium gas
displacer
cooled
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Toru Kuriyama
透 栗山
Hideki Nakagome
秀樹 中込
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Toshiba Corp
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Toshiba Corp
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Abstract

PURPOSE:To contrive a higher refrigeration capacity without any complication of construction by providing a main body of a cryogenic refrigerator of the single-stage expansion type and a cooling means for pre-cooling a heat- exchanging stage. CONSTITUTION:A main body 51 of a cryogenic refrigerator is composed of a single-stage expansion type GM refrigerator. When a pre-cooling refrigerator 52 is operated, a heat-transmitting block 86 is cooled to about 40K, and a heat- transmitting block 87 is cooled to about 8K. When a displacer 62 is moved toward the top dead center, a high-pressure helium gas is cooled by a cold- accumulating material 70 in a fluid passage 74, before flowing to a heat- exchanging stage 72. The stage 72 is kept at about 45K, so that the helium gas flowing out of a passage has a temperature of about 45K. A heat-exchanging stage 73 is kept at about 12K, so that the helium gas passed through a fluid passage 78 has a temperature of about 12K. The helium gas is then cooled to about 4.2K by a cold-accumulating material 81 in a fluid passage 76, before flowing into an expansion chamber 90. When a high-pressure valve 66 is closed and a low-pressure valve 67 is opened, the helium gas is expanded to produce cold, whereby a cooling stage 83 is cooled to a low temperature.

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、蓄冷式の冷凍機を主冷凍機とする極低温冷凍
機に関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Object of the Invention] (Industrial Application Field) The present invention relates to a cryogenic refrigerator whose main refrigerator is a regenerator refrigerator.

(従来の技術) 極低温の冷凍機には種々のタイプがある。これらの中に
ギフオード・マクマホン形冷凍機で代表される蓄冷式の
極低温冷凍機がある。この蓄冷式の極低温冷凍機、たと
えば2段膨脹式のギフす一ド・マクマホン形冷凍機(以
後、GM冷凍機と略称する。)は、第5図に示すように
構成されている。
(Prior Art) There are various types of cryogenic refrigerators. Among these are regenerator cryogenic refrigerators, such as the Gifford-McMahon refrigerator. This regenerator type cryogenic refrigerator, for example, a two-stage expansion type Gift-McMahon type refrigerator (hereinafter abbreviated as GM refrigerator), is constructed as shown in FIG.

すなわち、この冷凍機は、大きく別けて、コールドヘッ
ド1と、冷媒ガス導排出系2とで構成されている。
That is, this refrigerator is broadly composed of a cold head 1 and a refrigerant gas introduction and discharge system 2.

コールドヘッド1は、閉じられたシリンダ11と、この
シリンダ11内に往復動自在に収容されたピストン、す
なわち断熱材で形成されたディスプレーサ12と、この
ディスプレーサ12に往復動に必要な動力を与えるモー
タ13とで構成されている。
The cold head 1 includes a closed cylinder 11, a piston housed in the cylinder 11 so as to be able to reciprocate, that is, a displacer 12 made of a heat insulating material, and a motor that provides the power necessary for the reciprocating motion to the displacer 12. It consists of 13.

シリンダ11は、大径の第1シリンダ14と、この第1
シリンダ14に同軸的に接続された小径の第2シリンダ
15とで構成されている。第1シリンダ14および第2
シリンダ15は、通常、薄いステンレス鋼板等で形成さ
れている。そして、第1シリンダ14と第2シリンダ1
5との境界壁部分で第1段冷却ステージ16を構成し、
また第2シリンダ15の先端壁部分で第1段冷却ステー
ジ16より低温の第2段冷却ステージ17を構成してい
る。
The cylinder 11 includes a large-diameter first cylinder 14 and a first cylinder 14 having a large diameter.
It is composed of a small diameter second cylinder 15 coaxially connected to the cylinder 14. The first cylinder 14 and the second cylinder
The cylinder 15 is usually made of a thin stainless steel plate or the like. Then, the first cylinder 14 and the second cylinder 1
A first cooling stage 16 is configured by the boundary wall portion with 5,
Further, the tip wall portion of the second cylinder 15 constitutes a second cooling stage 17 having a lower temperature than the first cooling stage 16.

ディスプレーサ12は、第1シリンダ14内を往復動す
る第1デイスプレーサ18と、第2シリンダ15内を往
復動する第2デイスプレーサ19とで構成されている。
The displacer 12 includes a first displacer 18 that reciprocates within the first cylinder 14 and a second displacer 19 that reciprocates within the second cylinder 15.

第1デイスプレーサ18と第2デイスプレーサ19とは
、連結機構20によって軸方向に連結されている。
The first displacer 18 and the second displacer 19 are coupled in the axial direction by a coupling mechanism 20.

第1デイスプレーサ18の内部には、蓄冷器を構成する
ための流体通路21が軸方向に形成されており、この流
体通路21には銅メツシユ等で形成された蓄冷材22が
収容されている。
Inside the first displacer 18, a fluid passage 21 for forming a regenerator is formed in the axial direction, and a regenerator material 22 formed of copper mesh or the like is accommodated in this fluid passage 21. There is.

第2デイスプレーサ19の内部には最終段蓄冷器を構成
するするため流体通路23が軸方向に形成されており、
この流体通路23には球状の鉛で形成された蓄冷材24
が収容されている。
Inside the second displacer 19, a fluid passage 23 is formed in the axial direction to constitute a final stage regenerator.
In this fluid passage 23, there is a regenerator material 24 made of spherical lead.
is accommodated.

第1デイスプレーサ18の外周面と第1シリンダ14の
内周面との間および第2デイスプレーサ19の外周面と
第2シリンダ15の内周面との間には、それぞれシール
装置25.26が装着されている。
Seal devices 25 are provided between the outer circumferential surface of the first displacer 18 and the inner circumferential surface of the first cylinder 14 and between the outer circumferential surface of the second displacer 19 and the inner circumferential surface of the second cylinder 15, respectively. .26 is installed.

第1デイスプレーサ18の図中上端は、連結ロッド31
、スコッチョークあるいはクランク軸32を介してモー
タ13の回転軸に連結されている。
The upper end of the first displacer 18 in the figure is connected to a connecting rod 31.
, is connected to the rotating shaft of the motor 13 via a Scotch choke or crankshaft 32.

したがって、モータ13が回転すると、この回転に同期
してディスプレーサ12が図中実線矢印33で示す方向
に往復動する。
Therefore, when the motor 13 rotates, the displacer 12 reciprocates in the direction shown by the solid arrow 33 in the figure in synchronization with this rotation.

第1シリンダ14の側壁上部には冷媒ガスの導入口34
と排出口35とが設けてあり、これら導入口34と排出
口35は冷媒ガス導排出系2に接続されている。冷媒ガ
ス導排出系2は、シリンダ11を経由するヘリウムガス
循環系を構成するもので、排出口35を低圧弁36、圧
縮機37、高圧弁38を介して導入口34に接続したも
のとなっている。すなわち、この冷媒ガス導排出系2は
、低圧(約5atm)のヘリウムガスを圧縮機37て高
圧(約18aLs)に圧縮してシリンダ11内に送り込
むものである。そして、低圧弁36、高圧弁38はディ
スプレーサ12の往復動との関連において後述する関係
に開閉制御される。
A refrigerant gas inlet 34 is provided in the upper part of the side wall of the first cylinder 14.
and a discharge port 35 are provided, and these inlet port 34 and discharge port 35 are connected to the refrigerant gas introduction and discharge system 2. The refrigerant gas introduction and discharge system 2 constitutes a helium gas circulation system via the cylinder 11, and has a discharge port 35 connected to the inlet port 34 via a low pressure valve 36, a compressor 37, and a high pressure valve 38. ing. That is, the refrigerant gas introduction and discharge system 2 compresses helium gas at a low pressure (approximately 5 atm) to a high pressure (approximately 18 aLs) using the compressor 37 and sends it into the cylinder 11. The low-pressure valve 36 and the high-pressure valve 38 are controlled to open and close in relation to the reciprocating movement of the displacer 12, as will be described later.

この冷凍機の動作を簡単に説明すると以下の通りである
The operation of this refrigerator is briefly explained below.

この冷凍機において、寒冷の発生する部分、つまり冷却
面に供される部分は第1段冷却ステージ16と第2段冷
却ステージ17とである。
In this refrigerator, the parts where cold is generated, that is, the parts that serve as cooling surfaces are the first cooling stage 16 and the second cooling stage 17.

モータ13が回転を開始すると、ディスプレーサ12が
下死点と上死点との間を往復動する。ディスプレーサ1
2が下死点にあるとき、高圧弁38が開いて高圧ヘリウ
ムガスがコールドヘッド1内に流入する。次に、ディス
プレーサ12が上死点へと移動する。前述の如く、第1
デイスプレーサ18の外周面と第1シリンダ14の内周
面との間および第2デイスプレーサ19の外周面と第2
シリンダ15の内周面との間にはそれぞれシール装置2
5.26が装着されている。このため、ディスプレーサ
12が上死点へと向かうと、高圧ヘリウムガスは第1デ
イスプレーサ18に形成された流体通路21および第2
デイスプレーサ19に形成された流体通路23を通って
、第1デイスプレーサ18と第2デイスプレーサ19と
の間に形成された1段膨脹室39および第2デイスプレ
ーサ19と第2シリンダ15の先端壁との間に形成され
た2段膨脹室40へと流れる。この流れに伴って、高圧
ヘリウムガスは蓄冷材22.24によって冷却され、結
局、1段膨脹室39に流れ込んだ高圧ヘリウムガスは5
0にレベルに、また2段膨脹室40に流れ込んだ高圧ヘ
リウムガスは15にレベルに冷却される。
When the motor 13 starts rotating, the displacer 12 reciprocates between the bottom dead center and the top dead center. Displacer 1
2 is at bottom dead center, the high pressure valve 38 opens and high pressure helium gas flows into the cold head 1. Next, the displacer 12 moves to top dead center. As mentioned above, the first
Between the outer circumferential surface of the displacer 18 and the inner circumferential surface of the first cylinder 14 and between the outer circumferential surface of the second displacer 19 and the second
A sealing device 2 is provided between the inner peripheral surface of the cylinder 15 and the inner circumferential surface of the cylinder 15.
5.26 is installed. Therefore, when the displacer 12 moves toward the top dead center, the high-pressure helium gas flows through the fluid passage 21 formed in the first displacer 18 and the second displacer 18.
The first expansion chamber 39 formed between the first displacer 18 and the second displacer 19 and the second displacer 19 pass through the fluid passage 23 formed in the displacer 19 . It flows into a two-stage expansion chamber 40 formed between the cylinder 15 and the tip wall thereof. Along with this flow, the high-pressure helium gas is cooled by the cold storage material 22, 24, and eventually the high-pressure helium gas that has flowed into the first stage expansion chamber 39 is
The high pressure helium gas flowing into the two-stage expansion chamber 40 is cooled to a level of 15.

ここで、高圧弁38が閉じ、低圧弁36が開く。Here, high pressure valve 38 is closed and low pressure valve 36 is opened.

このように低圧弁36が開くと、1段膨脹室39内およ
び2段膨脹室40内の高圧ヘリウムガスが膨脹して寒冷
を発生する。この寒冷によって第1段冷却ステージ16
および第2段冷却ステージ17がさらに低温に冷却され
る。そして、ディスプレーサ12が再び下死点へ移動す
ると、これに伴って1段膨脹室39内および2段膨脹室
40内のヘリウムガスが排除される。膨脹したヘリウム
ガスは流体通路23.21内を通る間に蓄冷材24.2
2を冷却し、常温となって排出される。以下、上述した
サイクルが繰返されて冷凍運転が行なわれる。
When the low-pressure valve 36 opens in this way, the high-pressure helium gas in the first-stage expansion chamber 39 and the second-stage expansion chamber 40 expands to generate cold. Due to this cold, the first cooling stage 16
The second cooling stage 17 is further cooled to a lower temperature. Then, when the displacer 12 moves to the bottom dead center again, the helium gas in the first-stage expansion chamber 39 and the second-stage expansion chamber 40 is eliminated. The expanded helium gas passes through the fluid passageway 23.21 while passing through the regenerator material 24.2.
2 is cooled down to room temperature and discharged. Thereafter, the above-described cycle is repeated to perform the refrigeration operation.

しかしながら、上記のように構成された従来の極低温冷
凍機にあっては次のような問題があった。
However, the conventional cryogenic refrigerator configured as described above has the following problems.

すなわち、第2デイスプレーサ19内に蓄冷材24とし
て充填されている鉛は、第6図に示すように、温度の低
下とともに体積比熱が小さくなり、熱容量が減少する。
That is, as shown in FIG. 6, the volumetric specific heat of the lead filled in the second displacer 19 as the cold storage material 24 decreases as the temperature decreases, and the heat capacity decreases.

したがって、ヘリウムガスとの熱交換量が大幅に減少す
る。一方、ヘリウムガスは温度の低下に伴って体積比熱
が大きくなる性質を有している。これらの性質が原因し
て従来の蓄冷式の極低温冷凍機では、第2冷却ステージ
17の温度を8に以下に下げることが困難であった。
Therefore, the amount of heat exchanged with helium gas is significantly reduced. On the other hand, helium gas has a property that its volumetric specific heat increases as the temperature decreases. Due to these properties, it is difficult to lower the temperature of the second cooling stage 17 below 8 in the conventional regenerator type cryogenic refrigerator.

そこで、第2冷却ステージ17の最低到達温度を下げる
ために、低温下において鉛より比熱の大きいGdRhや
GdErRhを蓄冷材24として用いた冷凍機や、蓄冷
器およびディスプレーサの数を3段以上設けた冷凍機が
考えられている。しかし、このように改良された冷凍機
でも、特に液体ヘリウム温度である4、2に近傍で大き
な冷凍能力を発揮させることが困難であった。
Therefore, in order to lower the lowest temperature reached by the second cooling stage 17, a refrigerator using GdRh or GdErRh, which has a higher specific heat than lead at low temperatures as the regenerator material 24, and three or more stages of regenerators and displacers are installed. A refrigerator is being considered. However, even with such improved refrigerators, it is difficult to exhibit a large refrigerating capacity, especially near the liquid helium temperature of 4.2.

また、断熱膨脹冷却の特性面から考えると、10に以下
の低温域で大きな冷凍能力を得るには低い圧力レベルで
運転することが得策である。しかし、従来の冷凍機では
低い圧力で運転すると、上段に位置する冷却ステージ(
2段冷却GM冷凍機では1段冷却ステージ、3段GM冷
凍機では1.2段冷却ステージ)における圧力レベルも
低くなる。上段側、つまり温度がIOKを越える領域に
おいては、逆に圧力の高い方が冷凍能力を向上させる上
で好ましい。したがって、上記のように上段側も圧力が
低くなると、上段側での冷凍能力減少し、上段側の温度
上昇を招き、これが原因して低温側の冷凍能力を低下さ
せると言う問題もあった。
Further, considering the characteristics of adiabatic expansion cooling, it is advisable to operate at a low pressure level in order to obtain a large refrigerating capacity in a low temperature range of 10 to 10 degrees or less. However, when conventional refrigerators are operated at low pressure, the upper cooling stage (
The pressure level also becomes low in the 1st cooling stage in a 2-stage cooling GM refrigerator, and in the 1.2 cooling stage in a 3-stage GM refrigerator. On the upper stage side, that is, in the region where the temperature exceeds IOK, on the contrary, a higher pressure is preferable in order to improve the refrigerating capacity. Therefore, as mentioned above, when the pressure on the upper stage side is also lowered, the refrigerating capacity on the upper stage side decreases, leading to a rise in temperature on the upper stage side, which causes the problem of lowering the refrigerating capacity on the low temperature side.

(発明が解決しようとする課題) 上述の如〈従来の蓄冷式の極低温冷凍機にあっては、特
に産業上有用な液体ヘリウム温度(4゜2K)近傍で高
い冷凍能力を得ることができない問題があった。
(Problems to be Solved by the Invention) As mentioned above, with conventional regenerator cryogenic refrigerators, it is not possible to obtain high refrigerating capacity, especially near the industrially useful liquid helium temperature (4°2K). There was a problem.

そこで本発明は、構造の複雑化を招くことなく、4.2
に近傍での冷凍能力を大幅に向上させることができる極
低温冷凍機を提供することを目的としている。
Therefore, the present invention provides 4.2 without complicating the structure.
The purpose of the present invention is to provide a cryogenic refrigerator that can significantly improve the refrigerating capacity in the vicinity of the refrigerator.

[発明の構成コ (課題を解決するための手段) 上記目的を達成するために、本発明に係る極低温冷凍機
は、圧縮されたヘリウムガスを蓄冷器に通した後に膨脹
させて寒冷を発生させる1段膨脹式の極低温冷凍機本体
と、前記蓄冷器の常温側と最低温側との間に少なくとも
1段挿設された熱交換ステージと、この熱交換ステージ
を予冷する冷却手段とを備えている。
[Configuration of the Invention (Means for Solving the Problem) In order to achieve the above object, the cryogenic refrigerator according to the present invention generates cold by passing compressed helium gas through a regenerator and then expanding it. a one-stage expansion type cryogenic refrigerator body, at least one heat exchange stage inserted between the room temperature side and the lowest temperature side of the regenerator, and a cooling means for precooling the heat exchange stage. We are prepared.

(作 用) 蓄冷器を通ったヘリウムガスは、熱交換ステージが設け
られていない場合に比べて低温に冷却される。したがっ
て、熱交換ステージの温度を選択することによって低温
部での寒冷発生に最も適した運転条件(圧力レベル、回
転数等)を選ぶことができ、4,2に近傍における冷凍
能力を向上させることが可能となる。
(Function) Helium gas passing through the regenerator is cooled to a lower temperature than when no heat exchange stage is provided. Therefore, by selecting the temperature of the heat exchange stage, it is possible to select the operating conditions (pressure level, rotation speed, etc.) most suitable for generating cold in the low-temperature section, which improves the refrigerating capacity in the vicinity of 4.2. becomes possible.

(実施例) 以下、図面を参照しながら実施例を説明する。(Example) Examples will be described below with reference to the drawings.

第1図には本発明の一実施例に係る極低温冷凍機が示さ
れている。
FIG. 1 shows a cryogenic refrigerator according to an embodiment of the present invention.

この極低温冷凍機は大きく別けて、極低温冷凍機本体5
1と、予冷用の冷凍機52とて構成されている。そして
、これら極低温冷凍機本体51および冷凍機52は、境
界壁53より図中下方に位置する部分が断熱層内に配置
されている。
This cryogenic refrigerator is broadly divided into two parts: the cryogenic refrigerator main body 5
1, and a refrigerator 52 for pre-cooling. A portion of the cryogenic refrigerator main body 51 and the refrigerator 52 located below the boundary wall 53 in the figure is disposed within a heat insulating layer.

極低温冷凍機本体51は次のように構成されている。す
なわち、薄いステンレス鋼板等で形成されたシリンダ6
1と、このシリンダ6】−内に往復動自在に収容された
ディスプレーサ62と、このディスプレーサ62を図中
実線矢印63で示す方向に往復動させるモータ64およ
びクランク連結機構65と、シリンダ61との間でヘリ
ウムガスを導排出させるための高圧弁66および低圧弁
67および圧縮機68とで構成されている。
The cryogenic refrigerator main body 51 is configured as follows. In other words, the cylinder 6 is made of a thin stainless steel plate or the like.
1, this cylinder 6] - a displacer 62 housed in a reciprocating manner, a motor 64 and a crank coupling mechanism 65 for reciprocating this displacer 62 in the direction shown by the solid line arrow 63 in the figure, and the cylinder 61. It is comprised of a high pressure valve 66, a low pressure valve 67, and a compressor 68 for introducing and discharging helium gas between them.

ディスプレーサ62は、円柱状に形成された断熱材ブロ
ック69,70,71ト、良熱伝導材で円柱状に形成さ
れた熱交換ステージ72.73とを交互に同軸的に連結
したものとなっている。各断熱ブロック69,70.7
1内には軸方向に延びる流体通路74.75.76か形
成されている。
The displacer 62 is made up of cylindrical heat insulating blocks 69, 70, 71 and cylindrical heat exchange stages 72, 73 made of a good heat conductive material, which are alternately and coaxially connected. There is. Each insulation block 69, 70.7
1 are formed with axially extending fluid passages 74, 75, 76.

また、各熱交換ステージ72.73には流体通路74.
75.76を直列に通じさせてディスプレーサ62の上
端側と下端側とを連通させる流体通路77.78が形成
されている。流体通路74内には銅メツシユ等で形成さ
れた蓄冷材79が収容されており、流体通路75内には
鉛の球などで形成された蓄冷材80が収容されており、
さらに流体通路76内には4.2に近傍で比熱が大きい
Er、Niの球などで形成された蓄冷材81が収容され
ている。なお、図中82はディスプレーサ62とシリン
ダ61との間をシールするシール機構を示している。
Each heat exchange stage 72,73 also includes fluid passages 74.
75 and 76 are connected in series to form fluid passages 77 and 78 that connect the upper end side and the lower end side of the displacer 62. A cold storage material 79 made of copper mesh or the like is housed in the fluid passage 74, and a cold storage material 80 made of lead balls or the like is housed in the fluid passage 75.
Further, inside the fluid passage 76, a cool storage material 81 formed of Er, Ni balls, etc. having a large specific heat near 4.2 is accommodated. Note that 82 in the figure indicates a sealing mechanism that seals between the displacer 62 and the cylinder 61.

上記構成から判るように、この極低温冷凍機本体51は
、1段膨脹式のGM冷凍機で構成されている。したがっ
て、この極低温冷凍機本体51ではシリンダ61の先端
壁83とディスプレーサ62との間に膨脹室90が形成
され、先端壁83が冷却ステージとなっている。
As can be seen from the above configuration, the cryogenic refrigerator main body 51 is composed of a one-stage expansion type GM refrigerator. Therefore, in this cryogenic refrigerator main body 51, an expansion chamber 90 is formed between the tip wall 83 of the cylinder 61 and the displacer 62, and the tip wall 83 serves as a cooling stage.

一方、予冷用の冷凍機52は、第5図に示した2段膨脹
式のGM冷凍機で構成されている。したかって、この図
では第5図と同一部分が同一符号で示しである。冷凍機
52の第1段冷却ステージ16および第2段冷却ステー
ジ17には、それぞれ熱伝達部材84.85の一端側が
熱的に接続されており、これら熱伝達部材84.85の
他端側はシリンダ61の外周面に熱的に密接状態に設け
られた伝熱ブロック86.87に熱的に接続されている
On the other hand, the precooling refrigerator 52 is composed of a two-stage expansion type GM refrigerator shown in FIG. Therefore, in this figure, the same parts as in FIG. 5 are indicated by the same reference numerals. One end of a heat transfer member 84.85 is thermally connected to the first cooling stage 16 and second cooling stage 17 of the refrigerator 52, respectively, and the other end of the heat transfer member 84.85 is connected to the first cooling stage 16 and the second cooling stage 17 of the refrigerator 52, respectively. The cylinder 61 is thermally connected to heat transfer blocks 86 and 87 which are provided in close thermal contact with the outer peripheral surface of the cylinder 61.

伝熱ブロック86はディスプレーサ62が下死点にある
ときに丁度、熱交換ステージ72の外側に位置するよう
に設けられており、また伝熱ブロック87はディスプレ
ーサ62が下死点にあるときに丁度、熱交換ステージ7
3の外側に位置するように設けられている。
The heat transfer block 86 is provided to be located just outside the heat exchange stage 72 when the displacer 62 is at the bottom dead center, and the heat transfer block 87 is provided to be located just outside the heat exchange stage 72 when the displacer 62 is at the bottom dead center. , heat exchange stage 7
It is provided so as to be located outside of 3.

次に、上記のように構成された極低温冷凍機の動作を説
明する。
Next, the operation of the cryogenic refrigerator configured as described above will be explained.

前述の如く、極低温冷凍機本体51は1段膨脹式のGM
冷凍機で構成されている。したがって、基本的な動作は
第5図に示した冷凍機と同じである。また、予冷用の冷
凍機52は第5図に示した冷凍機と同じ動作を行う。
As mentioned above, the cryogenic refrigerator main body 51 is a one-stage expansion type GM.
Consists of a refrigerator. Therefore, the basic operation is the same as that of the refrigerator shown in FIG. Further, the precooling refrigerator 52 operates in the same manner as the refrigerator shown in FIG.

予冷用の冷凍機52を動作させると、伝熱ブロック86
は40に程度に、また伝熱ブロック87は8に程度に冷
却される。今、ディスプレーサ62が下死点にあるもの
とすると、熱交換ステージ72は伝熱ブロック86を介
して45に程度に冷却され、熱交換ステージ73は伝熱
ブロック87を介して12に程度に冷却される。
When the precooling refrigerator 52 is operated, the heat transfer block 86
is cooled to about 40°C, and the heat transfer block 87 is cooled to about 8°C. Assuming that the displacer 62 is now at the bottom dead center, the heat exchange stage 72 is cooled to about 45 degrees via the heat transfer block 86, and the heat exchange stage 73 is cooled to about 12 degrees via the heat transfer block 87. be done.

ディスプレーサ62が下死点にあるとき、高圧弁66が
開いて高圧ヘリウムガスがシリンダ61に流入する。次
に、ディスプレーサ62が上死点へと移動する。ディス
プレーサ62が上死点へと向かうと、高圧ヘリウムガス
は流体通路74内に充填されている蓄冷材79によって
冷却された後、熱交換ステージ72に形成されている流
体通路77へと流れる。熱交換ステージ72は前述の如
く45に程度に冷却されているので、流体通路77を出
たヘリウムガスは45に程度の温度となる。
When the displacer 62 is at the bottom dead center, the high pressure valve 66 opens and high pressure helium gas flows into the cylinder 61. Next, the displacer 62 moves to top dead center. When the displacer 62 moves toward the top dead center, the high-pressure helium gas is cooled by the cold storage material 79 filled in the fluid passage 74, and then flows into the fluid passage 77 formed in the heat exchange stage 72. Since the heat exchange stage 72 is cooled to about 45°C as described above, the helium gas exiting the fluid passage 77 has a temperature of about 45°C.

このヘリウムガスは、次に流体通路75内に充填されて
いる蓄冷材80よってさらに低温に冷却された後、熱交
換ステージ73に形成されている流体通路78へと流れ
る。熱交換ステージ73は前述の如く12に程度に冷却
されているので、流体通路78を出たヘリウムガスは1
2に程度の温度となる。このヘリウムガスは、次に流体
通路76内に充填されている蓄冷材81よって4.2に
程度まで冷却された後に膨脹室90へ流れ込む。
This helium gas is then further cooled to a low temperature by the cold storage material 80 filled in the fluid passage 75, and then flows into the fluid passage 78 formed in the heat exchange stage 73. As described above, the heat exchange stage 73 is cooled to about 12°C, so the helium gas exiting the fluid passage 78 is about 12°C.
The temperature will be around 2. This helium gas is then cooled to a temperature of 4.2 mm by the cool storage material 81 filled in the fluid passage 76 and then flows into the expansion chamber 90 .

ここで、高圧弁66が閉じ、低圧弁67が開く。Here, the high pressure valve 66 is closed and the low pressure valve 67 is opened.

このように低圧弁67が開くと、膨脹室90内の高圧ヘ
リウムガスが膨脹して寒冷を発生する。この寒冷によっ
て冷却ステージ83がさらに低温に冷却される。そして
、ディスプレーサ62が再び下死点へ移動すると、これ
に伴って膨脹室90内のヘリウムガスが逆の経路で排除
される。膨脹したヘリウムガスは流体通路76.75.
74内を通る間に蓄冷材81.80.79を冷却し、常
温となって排出される。以下、上述したサイクルが繰返
されて冷凍運転か行なわれる。
When the low pressure valve 67 opens in this way, the high pressure helium gas in the expansion chamber 90 expands and generates cold. This cooling further cools the cooling stage 83 to a lower temperature. Then, when the displacer 62 moves to the bottom dead center again, the helium gas in the expansion chamber 90 is removed through the opposite route. The expanded helium gas flows through fluid passages 76, 75.
While passing through 74, the cold storage material 81, 80, 79 is cooled and discharged at room temperature. Thereafter, the above-described cycle is repeated to perform a refrigeration operation.

上記動作から判るように、この極低温冷凍機では、いわ
ゆる蓄冷器中を通流する高圧ヘリウムガスを蓄冷器中の
途中位置において熱交換ステージ72.73で所望温度
に冷却するようにしている。
As can be seen from the above operation, in this cryogenic refrigerator, high-pressure helium gas flowing through a so-called regenerator is cooled to a desired temperature by heat exchange stages 72 and 73 at intermediate positions in the regenerator.

したがって、膨脹室90へ流れ込む高圧ヘリウムガスの
温度を熱交換ステージ72.73を設けない場合に比べ
て低くできることになる。
Therefore, the temperature of the high-pressure helium gas flowing into the expansion chamber 90 can be lowered than in the case where the heat exchange stages 72 and 73 are not provided.

前述の如く10に以下の領域では、膨脹室90へ流れ込
むヘリウムガス圧力のが低い方が冷凍能力を大きくでき
る。しかし、圧力を下げると上段側での冷凍能力を低下
させるので、膨脹室90へ流れ込むヘリウムガスの温度
が上がる。この実施例のように、途中に熱交換ステージ
72.73を配置しておくと、膨脹室90に流れ込むヘ
リウムガスの温度をコントロールできるので、結局、ヘ
リウムガスの圧力を低下させることが可能となる。
As mentioned above, in the region below 10, the lower the helium gas pressure flowing into the expansion chamber 90, the higher the refrigerating capacity can be. However, if the pressure is lowered, the refrigerating capacity on the upper stage side is lowered, so the temperature of the helium gas flowing into the expansion chamber 90 increases. By arranging the heat exchange stages 72 and 73 in the middle as in this embodiment, the temperature of the helium gas flowing into the expansion chamber 90 can be controlled, which ultimately makes it possible to reduce the pressure of the helium gas. .

したがって、4.2に近傍で寒冷発生が十分行われる低
い圧力(たとえば、高圧10atm、低圧2ata)を
自由に選択することか可能となり、4゜2に近傍での冷
凍能力を向上させることができる。
Therefore, it is possible to freely select a low pressure (for example, high pressure 10 atm, low pressure 2 ata) that sufficiently generates cold in the vicinity of 4.2, and it is possible to improve the refrigeration capacity in the vicinity of 4.2. .

第2図には本発明に係る極低温冷凍機を実際にクライオ
スタットに組み込んだ例が示されている。
FIG. 2 shows an example in which the cryogenic refrigerator according to the present invention is actually incorporated into a cryostat.

クライオスタット100は、内槽101と、外槽102
と、内外槽間に形成された真空断熱層103と、この真
空断熱層103内に配置されて輻射熱シールド板104
,105とで構成されている。そして、内槽101内に
たとえば超電導コイル106と、これを冷却する液体ヘ
リウム107とが収容されている。
The cryostat 100 has an inner tank 101 and an outer tank 102.
, a vacuum insulation layer 103 formed between the inner and outer tanks, and a radiant heat shield plate 104 disposed within this vacuum insulation layer 103.
, 105. The inner tank 101 houses, for example, a superconducting coil 106 and liquid helium 107 for cooling it.

この例では、極低温冷凍機本体51の冷却ステージ83
で液体ヘリウムの蒸発によって生成されたヘリウムガス
を再凝縮させるようにし、また予冷用の冷凍機52にお
ける第1段冷却ステージ16および第2段冷却ステージ
17で輻射熱シールド板104,105を冷却している
。そして、シリンダ61の外周面に固定された伝熱ブロ
ック86.87を輻射熱シールド板104,105に熱
的に接続している。
In this example, the cooling stage 83 of the cryogenic refrigerator main body 51
The helium gas generated by the evaporation of liquid helium is recondensed, and the radiant heat shield plates 104 and 105 are cooled by the first cooling stage 16 and second cooling stage 17 in the precooling refrigerator 52. There is. Heat transfer blocks 86 and 87 fixed to the outer peripheral surface of the cylinder 61 are thermally connected to the radiant heat shield plates 104 and 105.

このような構成であると、冷却ステージ83でヘリウム
ガスを効率よく再凝縮させることができるとともに予冷
用の冷凍機52を輻射熱シールド板冷却用としても使用
できるので、全体の構成を単純化することができる。
With this configuration, the helium gas can be efficiently recondensed in the cooling stage 83, and the refrigerator 52 for precooling can also be used for cooling the radiant heat shield plate, so the overall configuration can be simplified. I can do it.

なお、本発明は上述した実施例に限定されるものではな
い。すなわち、上述した実施例では、ディスプレーサに
蓄冷材および熱交換ステージを組み込むようにしている
が、第3図に示すようにシリンダ61aを二重円筒状に
構成し、内側にディスプレーサ62aを配置し、外側に
蓄冷材79゜80.81および熱交換ステージ72.7
3を配置し、ディスプレーサ61aを独立させるように
してもよい。このような構成であると、ギャップを介す
ることなく冷却ステージ72.73を冷却することがで
きるので、効率を向上させることができる。また、第4
図に示すようにディスプレーサ62aを収容するシリン
ダ61bと、蓄冷材79.80.81および熱交換ステ
ージ72.73を収容するシリンダ61cとを独立させ
、これらを直列に接続するようにしてもよい。
Note that the present invention is not limited to the embodiments described above. That is, in the embodiment described above, the regenerator material and the heat exchange stage are incorporated in the displacer, but as shown in FIG. Cold storage material 79°80.81 and heat exchange stage 72.7 on the outside
3 may be arranged and the displacer 61a may be made independent. With such a configuration, the cooling stages 72 and 73 can be cooled without using a gap, so efficiency can be improved. Also, the fourth
As shown in the figure, the cylinder 61b accommodating the displacer 62a and the cylinder 61c accommodating the cold storage material 79, 80, 81 and the heat exchange stage 72, 73 may be made independent and connected in series.

また、前述した実施例では予冷用にGM冷凍機を使用し
ているが、冷凍機を使わずに液体窒素や液体酸素等の冷
媒を使って伝熱ブロック、すなわち熱交換ステージを冷
却するようにしてもよい。
In addition, in the above embodiment, a GM refrigerator is used for pre-cooling, but instead of using a refrigerator, a refrigerant such as liquid nitrogen or liquid oxygen is used to cool the heat transfer block, that is, the heat exchange stage. It's okay.

また、上述した実施例では、熱交換ステージを2段設け
ているが、1段あるいは3段以上設けてもよい。
Further, in the above embodiment, two heat exchange stages are provided, but one or three or more stages may be provided.

さらに、上述した実施例では極低温冷凍機本体をGMプ
サイルの冷凍機で構成しているが、スターリングサイク
ルやヴイルミャサイクル等の他の蓄冷器を使用するサイ
クルで構成してもよい。
Further, in the above-described embodiment, the cryogenic refrigerator main body is constructed of a GM Psail refrigerator, but it may be constructed of a cycle using another regenerator, such as a Stirling cycle or a Vilmya cycle.

[発明の効果] 以上述べたように、本発明によれば、予冷系統によって
蓄熱器の常温側と低温側との間を冷却しているので、圧
力レベル等の運転条件を自由に選ぶことができ、この結
果、4.2に近傍における冷凍能力を著しく向上させる
ことができる。
[Effects of the Invention] As described above, according to the present invention, since the precooling system cools between the normal temperature side and the low temperature side of the heat storage device, operating conditions such as pressure level can be freely selected. As a result, the refrigerating capacity in the vicinity of 4.2 can be significantly improved.

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

第1図は本発明の一実施例に係る極低温冷凍機の概略構
成図、第2図は同極低温冷凍機をタライオスタットに組
み込んだ例を示す図、第3図および第4図は変形例をそ
れぞれ説明するための図、第5図は従来の蓄冷式冷凍機
の構成説明図、第6図は従来の冷凍機の問題点を説明す
るための図である。 51・・・極低温冷凍機本体、52・・・予冷用の冷凍
機、61,61a、61b、61cm・・シリンダ、6
2.62a・・・ディスプレーサ、72.73・・・熱
交換ステージ、79,80.81・・・蓄冷材、83・
・・冷却ステージ、86.87・・・伝熱ブロック、9
0・・・膨脹室。 出願人代理人 弁理士 鈴江武彦 第 2図
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a cryogenic refrigerator according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a diagram showing an example in which the cryogenic refrigerator is incorporated into a taliostat, and FIGS. 3 and 4 are FIG. 5 is a diagram for explaining the configuration of a conventional regenerator refrigerator, and FIG. 6 is a diagram for explaining problems with the conventional refrigerator. 51...Cryogenic refrigerator main body, 52...Freezer for precooling, 61, 61a, 61b, 61cm...Cylinder, 6
2.62a... Displacer, 72.73... Heat exchange stage, 79, 80.81... Cold storage material, 83.
... Cooling stage, 86.87 ... Heat transfer block, 9
0...Inflation chamber. Applicant's agent Patent attorney Takehiko Suzue Figure 2

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 圧縮されたヘリウムガスを蓄冷器に通した後に膨脹させ
て寒冷を発生させる1段膨脹式の極低温冷凍機本体と、
前記蓄冷器の常温側と最低温側との間に少なくとも1段
挿設された熱交換ステージと、この熱交換ステージを予
冷する冷却手段とを具備してなることを特徴とする極低
温冷凍機。
A single-stage expansion type cryogenic refrigerator body that generates cold by passing compressed helium gas through a regenerator and then expanding it to generate cold;
A cryogenic refrigerator comprising at least one heat exchange stage inserted between the room temperature side and the lowest temperature side of the regenerator, and a cooling means for precooling the heat exchange stage. .
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