JPH0566511B2 - - Google Patents

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JPH0566511B2
JPH0566511B2 JP4071185A JP4071185A JPH0566511B2 JP H0566511 B2 JPH0566511 B2 JP H0566511B2 JP 4071185 A JP4071185 A JP 4071185A JP 4071185 A JP4071185 A JP 4071185A JP H0566511 B2 JPH0566511 B2 JP H0566511B2
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JP
Japan
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stage
regenerator
expansion chamber
movable shell
final
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JP4071185A
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Japanese (ja)
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JPS61197963A (en
Inventor
Hidefumi Saito
Munehiro Hayashi
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Shimadzu Corp
Original Assignee
Shimadzu Corp
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Publication date
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Publication of JPS61197963A publication Critical patent/JPS61197963A/en
Publication of JPH0566511B2 publication Critical patent/JPH0566511B2/ja
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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、クライオポンプやHe液化装置等に
適用可能な極低温冷凍装置に関するものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Industrial Application Field] The present invention relates to a cryogenic refrigeration device applicable to cryopumps, He liquefaction devices, and the like.

[従来の技術] 従来、この種の冷凍装置は、シリンダ内にピス
トン状のデイスプレイサーをスライド可能に嵌装
し、このデイスプレイサーを往復動作させること
によつて、該デイスプレイサーと前記シリンダの
低温端との間に形成される膨張室の容積を増減さ
せるようになつており、その膨張室の拡縮により
ガスを順次膨張させて所定の冷凍サイクルを営ま
せ得るようにしてある。
[Prior Art] Conventionally, this type of refrigeration equipment has a piston-shaped displacer slidably fitted in a cylinder, and the displacer is reciprocated to reduce the low temperature between the displacer and the cylinder. The volume of the expansion chamber formed between the end and the end can be increased or decreased, and by expanding or contracting the expansion chamber, the gas can be expanded in sequence to run a predetermined refrigeration cycle.

ところで、従来のものには、蓄冷器を前記デイ
スプレイサーの内部に保持させるようにしたもの
と、シリンダの外部に配設するようにしたものと
があるが、いずれも次のような問題がある。すな
わち、蓄冷器をデイスプレイサーの内部に設けた
ものは、可動部の慣性質量が大きく、振動が発生
し易いという欠点がある。また、蓄冷器をシリン
ダの外側(シリンダ壁外周面部を含む)に設けた
ものは、前記デイスプレイサー内部に無駄な容積
が存在することになり、装置全体の嵩が高くなる
という問題がある。さらに、このデイスプレイサ
ーの動きを制御するためにさまざまな機構が考案
されているが、そのどれもがガスシールの箇所が
増加したり、複雑な可動部が追加されるなど、装
置を複雑化させていた。
By the way, there are conventional types in which the regenerator is held inside the displacer and types in which it is disposed outside the cylinder, but both have the following problems. . That is, a displacer in which a regenerator is provided has a disadvantage in that the inertial mass of the movable part is large and vibrations are likely to occur. Further, in the case where the regenerator is provided outside the cylinder (including the outer circumferential surface of the cylinder wall), there is a problem that there is a wasted volume inside the displacer, and the bulk of the entire device increases. Furthermore, various mechanisms have been devised to control the movement of this displacer, but each of them increases the number of gas seals and adds complicated moving parts, making the device complicated. was.

このような不都合を解消するために、極低温冷
凍装置を、固定部材に支持された内設蓄冷器と、
この蓄冷器の外周にスライド可能に嵌装されその
低温側の端部と該蓄冷器の低温端との間に内設膨
張室を形成する可動シエルと、この可動シエルの
外周囲に配設した外設蓄冷器と、この外設蓄冷器
を包囲するように設けられその低温側の端部と前
記可動シエルとの間に外設膨張室を形成するケー
シングと、前記各蓄冷器の高温端を給気系路また
は排気系路に予め設定したタイミングで接続する
タイミングバルブとを具備してなるものにするこ
とが考えられている。このようなものであれば、
冷却用のガスの圧力を作動シエルのスライドに利
用できるので駆動部が不要で構造が簡単な上、該
作動シエルの1往復当り2度の断熱膨張を行なえ
るので同じ大きさのものでより大きな冷凍能力が
得られるという利点がある。
In order to eliminate such inconveniences, the cryogenic refrigeration equipment is equipped with an internal regenerator supported by a fixed member,
a movable shell that is slidably fitted around the outer periphery of the regenerator and forms an internal expansion chamber between the low temperature end of the regenerator and the low temperature end of the regenerator; an external regenerator; a casing that is provided to surround the external regenerator and forms an external expansion chamber between the low temperature end of the external regenerator and the movable shell; It has been considered to include a timing valve that connects to the air supply system path or the exhaust system path at a preset timing. If it's something like this,
Since the pressure of the cooling gas can be used to slide the working shell, there is no need for a drive unit and the structure is simple.In addition, the working shell can undergo two adiabatic expansions per reciprocation, so it can be made larger for the same size. It has the advantage of providing refrigeration capacity.

ところが、このようなものにも次のような不都
合がある。すなわち、前記蓄冷器は、ガドリゼジ
ウ(GdRh)といつた入手が容易でないような材
料を用いないと、デバイ温度の関係で、15K以上
の温度で比熱(蓄冷能力)が急激に落ちてしま
う。そりため、従来の冷凍装置は、SQUID等に
利用するのに必要な液体He温度(4.2K)程度に
まで温度を下げることが非常に困難であつた。し
たがつて、蓄冷器を用いたガスサイクル方式だけ
では、該温度(4.2K)程度の極低温を実現する
のは困難である。
However, such a method also has the following disadvantages. That is, unless the regenerator uses a material such as GdRh, which is not easily available, the specific heat (cold storage capacity) will drop sharply at temperatures above 15 K due to the Debye temperature. As a result, it was extremely difficult for conventional refrigeration equipment to lower the temperature to about the liquid He temperature (4.2 K) required for use in SQUIDs and the like. Therefore, it is difficult to achieve an extremely low temperature of about 4.2K using only a gas cycle system using a regenerator.

[発明が解決しようとする問題点] 本発明は、このような事情に着目してなされた
もので、蓄冷器を用いたガスサイクル方式であつ
ても構造を複雑にすることなしにHe液化温度を
実現することができる極低温冷凍装置を提供する
ことを目的とする。
[Problems to be Solved by the Invention] The present invention has been made by focusing on the above-mentioned circumstances, and even in a gas cycle system using a regenerator, it is possible to reduce the He liquefaction temperature without complicating the structure. The purpose of the present invention is to provide a cryogenic refrigeration device that can realize the following.

[問題を解消するための手段] 本発明は、かかる目的を達成するために、極低
温冷凍装置を複数段からなるものとし、一段から
配設され固定部材に支持された内設蓄冷器と、最
終段に配設され固定支持されたスペーサと、前記
内設蓄冷器の外周にスライド可能に嵌装され該蓄
冷器の低温端との間に内設膨張室を形成するとと
もに最終段が前記スペーサの外周にガス通路を介
してスライド可能に配設されその低温側端部と該
スペーサとの間に最終内設膨張室を形成する中空
な可動シエルと、この可動シエルの最終段を除く
外周囲に配設した外設蓄冷器と、この外設蓄冷器
を包囲するように設けられ前記可動シエルとの間
に前記外設蓄冷器に連通する外設膨張室を形成す
るとともに最終段が前記可動シエルの最終段の外
周をガス通路を介して包囲し該可動シエルの最終
段の低温側端部との間に最終外設膨張室を形成す
るケーシングと、一段目の前記各蓄冷器の高温端
を給気系路または排気系路に予め設定したタイミ
ングで接続するタイミングバルブとを具備してな
り、前記最終内設膨張室に流出入するガスと最終
外設膨張室に流出入するガスとの間で可動シエル
の最終段を介して熱交換を行なわせ得るようにし
たことを特徴とする。
[Means for Solving the Problems] In order to achieve the above object, the present invention provides a cryogenic refrigeration system consisting of multiple stages, and includes an internal regenerator disposed from one stage and supported by a fixed member; An internal expansion chamber is formed between a spacer disposed at the final stage and fixedly supported, and a low temperature end of the internal regenerator that is slidably fitted around the outer periphery of the internal regenerator, and the final stage is connected to the spacer. A hollow movable shell that is slidably disposed on the outer periphery of the movable shell via a gas passage and forms a final internal expansion chamber between the low-temperature side end of the shell and the spacer, and the outer periphery of the movable shell except for the final stage. An external expansion chamber communicating with the external regenerator is formed between an external regenerator disposed in the regenerator and the movable shell provided to surround the regenerator, and the final stage is connected to the movable regenerator. a casing that surrounds the outer periphery of the final stage of the shell via a gas passage and forms a final external expansion chamber between the movable shell and the low temperature side end of the final stage; and a high temperature end of each of the first stage regenerators. and a timing valve that connects the air supply system to the air supply system path or the exhaust system path at a preset timing, and the gas that flows in and out of the final internal expansion chamber and the gas that flows in and out of the final external expansion chamber. It is characterized in that heat exchange can be performed between the two through the final stage of the movable shell.

[作用] このような構成によれば、可動シエルの往復動
作に伴なつて、この可動シエルの内側に形成され
た内設膨張室と、外側に形成された外設膨張室と
が交互に拡縮することになる。そのため、給気系
路から各内設膨張室に導入された高圧のガスがこ
の膨張室で膨張して低温となる一方、前記給気系
路から外設膨張室に導入された高圧のガスがこの
膨張室で膨張して低温となる。また、内設膨張室
の拡縮と外設膨張室の拡縮とは、180°位相がずれ
る。そのため、前記最終内設膨張室へのガス通路
と最終外設膨張室へのガス通路とをガスが相対す
る方向へ向つて流れ、その際に可動シエルの最終
段を介して熱交換が行なわれる。そして、該熱交
換によつて、該最終段においてHe液化温度程度
の極低温状態を実現し得る。
[Function] According to such a configuration, as the movable shell reciprocates, the internal expansion chamber formed inside the movable shell and the external expansion chamber formed outside the movable shell alternately expand and contract. I will do it. Therefore, the high-pressure gas introduced into each internal expansion chamber from the air supply system path expands in this expansion chamber and becomes low temperature, while the high-pressure gas introduced from the air supply system path into the external expansion chamber It expands in this expansion chamber and becomes cold. Further, the expansion/contraction of the internal expansion chamber and the expansion/contraction of the external expansion chamber are out of phase by 180 degrees. Therefore, gas flows in opposite directions through the gas passage to the final internal expansion chamber and the gas passage to the final external expansion chamber, and at this time, heat exchange is performed through the final stage of the movable shell. . By the heat exchange, a cryogenic state of approximately the liquefaction temperature of He can be achieved in the final stage.

[実施例] 以下、本発明の一実施例を図面を参照して説明
する。
[Example] Hereinafter, an example of the present invention will be described with reference to the drawings.

第1図は、本発明にかかる小型極低温冷凍装置
の概略縦断面図であり、図中1は固定部材たるベ
ースである。ベース1は、対をなす流出入ポート
2,3を有している。一方の流出入ポート2は、
前記ベース1の中心部に穿設されており、この流
出入ポート2の上半部分に連通管4を気密に嵌合
させ固定している。この連通管4は上方へ延出し
ており、その上端には取付円板6が取着してあ
る。そして、この取付円板6上に一段目の内設蓄
冷器7を載置し固定している。この内設蓄冷器7
は、蓄熱エレメントとスペーサとを交互に複数段
積上げたものである。蓄熱エレメントは、銅等に
より作られた円板状のもので、上下に貫通する多
数の通気口を有している。スペーサはステンレス
鋼製の針金等により作られている。そして、この
内設蓄冷器7の高温端(常温端)7aは、前記取
付円板6に穿設したポート6aおよび前記連通管
4を介して前記流出入ポート2に連通するととも
に、ポート6bを介してチヤンバ8に連通してい
る。また、この内設蓄冷器7の低温端7bを取付
部材9に穿設した連通路9aを介して二段目の内
設蓄冷器11の高温端11aに連通させている。
この内設蓄冷器11も、蓄熱エレメントとスペー
トとを交互に複数段積上げて固定されている。さ
らに、この二段目の内設蓄冷器11の低温端11
bに取付部材12を介してスペーサ13を固定し
ている。そして、これら内設蓄冷器7および11
の外周に中空な可動シエル14の一段目および二
段目をスライド可能に嵌装するとともに、該可動
シエル14の最終段を前記スペーサ13の外周に
ガス通路16を介してスライド可能に配設してい
る。すなわち、可動シエル14は、三段の円筒体
状のもので、その一段目部分14aによつて前記
一段目の内設蓄冷器7を囲繞するとともに、二段
目部分14bによつて前記二段目の内設蓄冷器1
1を囲繞し、さらに、三段目すなわち最終段部分
14cによつて前記スペーサ13を前記ガス通路
16を介して囲繞している。なお、このガス通路
16は、前記取付部材12に穿設したポート12
aを介して前記蓄冷器11の低温端11bに連通
している。そして、この可動シエル14の一段目
の天壁14dと前記一段目の内設蓄冷器7の低温
端7bとの間に一段目の内設膨張室17が形成さ
れ、該蓄冷器7と前記取付部材9の連通路9aお
よび連通孔9bを介して連通している。また、そ
の二段目部分14bの天壁14eと内設蓄冷器1
1の低温端11bとの間には二段目の内設膨張室
18が形成されている。さらに、スペーサ13の
低温側端部と最終段部分14cの天壁14fとの
間には最終内設膨張室19が形成されている。ま
た、この可動シエル14の一段目の高温側の端部
には底壁14gの中心部に軸孔14hが穿設して
あり、この軸孔14hを前記連通管4の外周にシ
ール部材21を介してスライド可能に嵌合させて
いる。また、前記可動シエル14の外周囲にケー
シング22に保持された一段目の外設蓄冷器23
および二段目の外設蓄冷器24を設けている。ケ
ーシング22は、複数段からなる円筒体状のもの
で、基底部分22aは前記外設蓄冷器23を、一
段目部分22bは外設蓄冷器24を、それぞれ包
囲するように設けられ、その基底の低温側の端部
に天壁22cを設けるとともに、一段目の低温側
の端部に天壁22dを設けている。そして、二段
目の外設蓄冷器24の高温端24aと前記可動シ
エル14の天壁14dとの間に一段目の外設膨張
室26が、ケーシング22の二段目部分22eの
天壁22fと該可動シエル14の天壁14eとの
間に二段目の外設膨張室27が、それぞれ形成さ
れている。外設蓄冷器23,24は、ともに蓄冷
エレメントとスペーサとを交互に複数段積上げた
もので、蓄冷器23は前記ケーシング22の保持
部22gに、蓄冷器24は保持部22hに固定保
持されている。蓄熱エレメントは、銅等により作
られた円環状のもので、上下に貫通する多数の通
気口を有している。スペーサはステンレス鋼製の
針金等により作られている。さらに、ケーシング
22の三段目すなわち最終段部分22iが前記可
動シエル14の最終段14cの外周をガス通路2
8を介して包囲し天壁22jが該可動シエル14
の最終段14cの低温側端部との間に最終外設膨
張室29を形成している。
FIG. 1 is a schematic longitudinal cross-sectional view of a small-sized cryogenic refrigerator according to the present invention, and 1 in the figure is a base serving as a fixing member. The base 1 has a pair of inlet and outlet ports 2 and 3. One of the inflow and outflow ports 2 is
A hole is provided in the center of the base 1, and a communication pipe 4 is airtightly fitted and fixed to the upper half of the inflow/outflow port 2. This communication pipe 4 extends upward, and a mounting disk 6 is attached to its upper end. A first stage internal regenerator 7 is placed and fixed on this mounting disc 6. This internal regenerator 7
is a structure in which heat storage elements and spacers are stacked alternately in multiple stages. The heat storage element is a disc-shaped element made of copper or the like, and has a large number of ventilation holes that pass through it vertically. The spacer is made of stainless steel wire or the like. The high temperature end (normal temperature end) 7a of this internal regenerator 7 communicates with the inflow/outflow port 2 via the port 6a bored in the mounting disc 6 and the communication pipe 4, and the port 6b. It communicates with the chamber 8 via. Further, the low temperature end 7b of the internal regenerator 7 is communicated with the high temperature end 11a of the second stage internal regenerator 11 via a communication path 9a formed in the mounting member 9.
This internal regenerator 11 is also fixed by stacking heat storage elements and spaces in multiple stages alternately. Furthermore, the low temperature end 11 of this second-stage internal regenerator 11
A spacer 13 is fixed to b via a mounting member 12. And these internal regenerators 7 and 11
The first stage and second stage of a hollow movable shell 14 are slidably fitted on the outer periphery of the spacer 13, and the final stage of the movable shell 14 is slidably disposed on the outer periphery of the spacer 13 via the gas passage 16. ing. That is, the movable shell 14 has a three-stage cylindrical shape, and its first-stage portion 14a surrounds the first-stage internal regenerator 7, and its second-stage portion 14b surrounds the second-stage internal regenerator 7. Eye internal regenerator 1
1, and further surrounds the spacer 13 via the gas passage 16 by a third or final stage portion 14c. Note that this gas passage 16 is connected to a port 12 formed in the mounting member 12.
It communicates with the low temperature end 11b of the regenerator 11 via a. A first-stage internal expansion chamber 17 is formed between the first-stage ceiling wall 14d of the movable shell 14 and the low-temperature end 7b of the first-stage internal regenerator 7, and the regenerator 7 and the attached They communicate through a communication path 9a and a communication hole 9b of the member 9. In addition, the ceiling wall 14e of the second stage portion 14b and the internal regenerator 1
A second stage internal expansion chamber 18 is formed between the low temperature end 11b of the first stage and the second stage internal expansion chamber 18. Further, a final internal expansion chamber 19 is formed between the low temperature side end of the spacer 13 and the top wall 14f of the final stage portion 14c. A shaft hole 14h is bored in the center of the bottom wall 14g at the end of the first stage of the movable shell 14 on the high temperature side. They are fitted so that they can slide through them. Also, a first stage external regenerator 23 held in a casing 22 around the outer periphery of the movable shell 14
A second stage external regenerator 24 is also provided. The casing 22 is cylindrical and has a plurality of stages, with a base portion 22a surrounding the external regenerator 23 and a first-stage portion 22b surrounding the external regenerator 24. A ceiling wall 22c is provided at the end on the low temperature side, and a ceiling wall 22d is provided at the end on the low temperature side of the first stage. The first stage external expansion chamber 26 is located between the high temperature end 24a of the second stage external regenerator 24 and the top wall 14d of the movable shell 14, and the top wall 22f of the second stage portion 22e of the casing 22. A second stage external expansion chamber 27 is formed between the movable shell 14 and the top wall 14e of the movable shell 14, respectively. Both of the external regenerators 23 and 24 are formed by stacking regenerator elements and spacers in multiple stages alternately. There is. The heat storage element is an annular element made of copper or the like, and has a large number of ventilation holes that pass through it vertically. The spacer is made of stainless steel wire or the like. Further, the third stage, that is, the final stage portion 22i of the casing 22 connects the outer periphery of the final stage 14c of the movable shell 14 to the gas passage 2.
The movable shell 14 is surrounded by a ceiling wall 22j via the movable shell 14
A final external expansion chamber 29 is formed between the final stage 14c and the low temperature side end of the final stage 14c.

なお、一段目の外設蓄冷器23の高温端23a
は、チヤンバ30を介して前記流出入ポート3に
連通している。また、この蓄冷器23の低温端2
3bは、外設膨張室26を介して二段目の外設蓄
冷器24の高温端24aに連通している。そし
て、この二段目の外設蓄冷器24の低温端24b
は、外設膨張室27に連通している。さらに、こ
の外設膨張室27はガス通路28を介して最終外
設膨張室29に連通している。
Note that the high temperature end 23a of the first stage external regenerator 23
communicates with the inflow/outflow port 3 via the chamber 30. Also, the low temperature end 2 of this regenerator 23
3b communicates with the high temperature end 24a of the second stage external regenerator 24 via the external expansion chamber 26. The low temperature end 24b of this second stage external regenerator 24
is in communication with the external expansion chamber 27. Further, this external expansion chamber 27 communicates with a final external expansion chamber 29 via a gas passage 28.

そして、前記両流出入ポート2,3をタイミン
グバルブ31を介して給気系路32または排気系
路33に接続するようにしている。タイミングバ
ルブ31は、具体的には、モータによりポートブ
ロツクを作動させてポートの切換えを行なうよう
にしたスライドバルブ等により構成されており、
第1図に記号で示すような態様で切換るようにな
つている。すなわち、位置Aでは、一方の流出入
ポート2を給気系路32に接続するとともに、他
方の流出入ポート3を排気系路33に接続するよ
うになつている。また、位置Bでは、一方の流出
入ポート2を排気系路33に接続するとともに、
他方の流出入ポート3を給気系路32に接続する
ようになつている。そして、前記位置Aと前記位
置Bとに交互に切換るようになつている。給気系
路32は、コンプレツサ34の吐出口34aから
吐出される高圧ガスをクーラ35を通して前記タ
イミングバルブ31の給気ポート31aに供給す
るためのものであり、また、排気系路33は、前
記タイミングバルブ31の排気ポート31bから
排出される低圧のガスを前記コンプレツサ34の
吸気口34bに導くためのものである。
Both the inflow and outflow ports 2 and 3 are connected to an air supply system path 32 or an exhaust system path 33 via a timing valve 31. Specifically, the timing valve 31 is composed of a slide valve or the like in which a port is operated by a motor to switch ports.
It is designed to switch in the manner shown by symbols in FIG. That is, at position A, one outflow/inflow port 2 is connected to the air supply system path 32, and the other outflow/inflow port 3 is connected to the exhaust system path 33. In addition, at position B, one of the inflow and outflow ports 2 is connected to the exhaust system path 33, and
The other inflow/outflow port 3 is connected to an air supply system path 32. The position A and the position B are alternately switched. The air supply line 32 is for supplying high pressure gas discharged from the outlet 34a of the compressor 34 to the air supply port 31a of the timing valve 31 through the cooler 35, and the exhaust line 33 is for supplying the high pressure gas discharged from the outlet 34a of the compressor 34 to the air supply port 31a of the timing valve 31 This is for guiding low pressure gas discharged from the exhaust port 31b of the timing valve 31 to the intake port 34b of the compressor 34.

次いで、この実施例の作動を説明する。 Next, the operation of this embodiment will be explained.

内設膨張室17,18,19が最小で、外設膨
張室26,27,29が最大(第1図、第2図a
参照)のとき、タイミングバルブ31を位置Aに
して一方の流出入ポート2を給気系路32に連通
させるとともに、他方の流出入ポート3を排気系
路33に接続する。これによつて、高圧のガスが
コンプレツサ34から給気系統32を通して前記
一方の流出入ポート2へ流入する。この流出入ポ
ート2に流入した高圧ガスは、連通管4およびポ
ート6aを介して一段目の内設蓄冷器7の高温端
7aに導かれ、該蓄冷器7を通過したガスは取付
部材9の連通路9aおよび連通孔9bを介して一
段目の内設膨張室17に導入される。また、この
蓄冷器7を通過したガスの一部は取付部材9の連
通路9aを介して二段目の内設蓄冷器11に導入
され、該二段目の内設蓄冷器11を通過して二段
目の内設膨張室18に導入される。さらに、この
二段目の内設膨張室18に導入されたガスの一部
は、ガス通路16を通過して最終内設膨張室19
へ導入される。また、前記連通管4およびポート
6aを通して導入された高圧ガスの一部は、ポー
ト6bを通してチヤンバ8へも導かれる。この状
態では、前記内設膨張室17,18および19内
の高圧ガスによつて前記可動シエル14が上方へ
押圧される一方で、前記チヤンバ8内の高圧ガス
の圧力によつて前記可動シエル14が下方へ付勢
される。しかしながら、前記可動シエル14の前
記膨張室17,18および19に対する軸方向圧
力成分を受けるための受圧面積は、前記チヤンバ
8に対する軸方向圧力成分を受けるための受圧面
積よりも前記連通管4の断面積に相当する分だけ
大きい(第3図a参照)ので、その差によつて該
可動シエル14は上方へ付勢され移動する(第2
図b参照)。このようにして、内設膨張室17,
18および19の容積が最大となり、その中に高
圧のガスが充満した段階で、前記タイミングバル
ブ31を位置Bへ切換え、前記一方の流出入ポー
ト2を排気系路33に接続するとともに、他方の
流出入ポート3を前記給気系路32に連通させる
(第2図c参照)。その結果、前記内設膨張室1
7,18および19内のガスの一部がガス通路1
6、蓄冷器11,7および連通管4を通して排気
系路33へ吹きだし前記コンプレツサ34の吸気
口34bへ戻される。このとき前記内設膨張室1
7,18および19内に残つたガスは、他のガス
を押し出すという仕事をして自らが冷える。この
段階では、前述のようにタイミングバルブ31が
位置Bに保持されているので、前記コンプレツサ
34から吐出される高圧のガスが給気系路32を
通して前記他方の流出入ポート3へ流入する。こ
の流出入ポート3に流入した高圧ガスは、チヤン
バ30を通して一段目の外設蓄冷器23の高温端
23aに導かれ、この蓄冷器23を通して一段目
の外設膨張室26に導入される。さらに、該外設
膨張室26に導入されたガスの一部は二段目の外
設蓄冷器24を通過して二段目の外設膨張室27
に導入され、さらにその一部はガス通路28を介
して最終外設膨張室29へ導入される。。この状
態では、前記外設膨張室26,27および29内
の高圧ガスによつて前記可動シエル14が下方へ
押圧される一方で、前記チヤンバ30内の高圧ガ
スの圧力によつて前記可動シエル14が上方へ付
勢される。しかしながら、前記可動シエル14の
前記外設膨張室26,27および29に対する軸
方向圧力成分を受けるための受圧面積は、前記チ
ヤンバ30に対する軸方向圧力成分を受けるため
の受圧面積よりも前記連通管4の断面積に相当す
る分だけ大きい(第3図b参照)ので、その差に
よつて該可動シエルは下方へ付勢され移動する
(第2図d参照)。この際、前記内設膨張室17,
18および19内に残つていた低温のガスは、可
動シエル14の最終段部分14c、内設蓄冷器1
1,7を冷却しつつ通過して排気系路33へ押し
出される。このようにして、外設膨張室26,2
7および29の容積が最大となり、その中に高圧
のガスが充満した段階で、前記タイミングバルブ
31を再び位置Aへ切換え、前記他方の流出入ポ
ート3を排気系路33に接続するとともに、一方
の流出入ポート2を前記給気系路32に連通させ
る(第2図a参照)。その結果、前記外設膨張室
26,27および29内のガスの一部がガス通路
28、外設蓄冷器24,23を通して排気系路3
3へ吹きだし前記コンプレツサ34の吸気口34
bへ戻される。このとき前記外設膨張室26,2
7および29に残つたガスは、他のガスを押し出
すという仕事をして自らが冷える。この段階で
は、前記コンプレツサ34から吐出される高圧の
ガスは再び一方の流出入ポート2に供給され、予
冷されつつ内設蓄冷器7,11およびガス通路1
6を通過して内設膨張室17,18および19に
導入され、再び、前記可動シエル14が上方へ移
動する。そして、この際に前記外設膨張室26,
27および29に残つている低温のガスが可動シ
エル14の最終段部分14c、外設蓄冷器24,
23を冷却しつつ通過して排気系路33へ押し出
される。したがつて、以上の動作を繰り返すこと
によつて、ギフオードマクマホンサイクル
(Gifford−Mcmahon Cycle)が営まれ、前記ケ
ーシング22の上端部分が極低温となる。
The internal expansion chambers 17, 18, 19 are the smallest, and the external expansion chambers 26, 27, 29 are the largest (Fig. 1, Fig. 2 a)
(see), the timing valve 31 is set to position A to connect one inflow/outflow port 2 to the air supply system path 32 and connect the other outflow/inflow port 3 to the exhaust system path 33. As a result, high-pressure gas flows from the compressor 34 through the air supply system 32 to the one inflow/outflow port 2 . The high-pressure gas that has flowed into the inflow/outflow port 2 is guided to the high temperature end 7a of the first-stage internal regenerator 7 via the communication pipe 4 and port 6a, and the gas that has passed through the regenerator 7 is transferred to the mounting member 9. It is introduced into the first stage internal expansion chamber 17 via the communication path 9a and the communication hole 9b. Further, a part of the gas that has passed through this regenerator 7 is introduced into the second-stage internal regenerator 11 via the communication path 9a of the mounting member 9, and passes through the second-stage internal regenerator 11. and is introduced into the second-stage internal expansion chamber 18. Further, a part of the gas introduced into the second-stage internal expansion chamber 18 passes through the gas passage 16 and enters the final internal expansion chamber 19.
will be introduced to Further, a part of the high pressure gas introduced through the communication pipe 4 and the port 6a is also guided to the chamber 8 through the port 6b. In this state, the movable shell 14 is pressed upward by the high pressure gas in the internal expansion chambers 17, 18 and 19, while the pressure of the high pressure gas in the chamber 8 is forced downward. However, the pressure receiving area of the movable shell 14 for receiving the axial pressure component with respect to the expansion chambers 17, 18 and 19 is larger than the pressure receiving area of the movable shell 14 with respect to the axial direction pressure component of the chamber 8. Since the movable shell 14 is larger by an amount corresponding to the area (see FIG. 3a), the movable shell 14 is urged upward and moved by the difference (see FIG. 3a).
(see figure b). In this way, the internal expansion chamber 17,
When the volumes of 18 and 19 reach their maximum and are filled with high-pressure gas, the timing valve 31 is switched to position B, one of the inflow and outflow ports 2 is connected to the exhaust system path 33, and the other The inflow/outflow port 3 is communicated with the air supply line 32 (see FIG. 2c). As a result, the internal expansion chamber 1
Some of the gas in 7, 18 and 19 is in gas passage 1.
6. The air is blown out through the regenerators 11 and 7 and the communication pipe 4 into the exhaust system 33 and returned to the air intake port 34b of the compressor 34. At this time, the internal expansion chamber 1
The gases remaining in 7, 18 and 19 do the work of pushing out other gases and cool themselves. At this stage, since the timing valve 31 is held at position B as described above, the high pressure gas discharged from the compressor 34 flows into the other inflow/outflow port 3 through the air supply line 32. The high pressure gas flowing into the inflow/outflow port 3 is guided through the chamber 30 to the high temperature end 23a of the first stage external regenerator 23, and is introduced into the first stage external expansion chamber 26 through this regenerator 23. Further, a part of the gas introduced into the external expansion chamber 26 passes through the second-stage external regenerator 24 and passes through the second-stage external expansion chamber 27.
A portion of the gas is further introduced into the final external expansion chamber 29 via the gas passage 28. . In this state, the movable shell 14 is pressed downward by the high pressure gas in the external expansion chambers 26, 27 and 29, while the pressure of the high pressure gas in the chamber 30 pushes the movable shell 14 downward. is forced upward. However, the pressure receiving area of the movable shell 14 for receiving the axial pressure component for the external expansion chambers 26, 27, and 29 is larger than the pressure receiving area for receiving the axial pressure component for the chamber 30. (see FIG. 3b), and the movable shell is urged downward and moved by the difference (see FIG. 2d). At this time, the internal expansion chamber 17,
The low-temperature gas remaining in the movable shell 14 and the internal regenerator 1
1 and 7 while being cooled, and is pushed out to the exhaust system path 33. In this way, the external expansion chambers 26, 2
When the volumes of ports 7 and 29 reach their maximum and are filled with high-pressure gas, the timing valve 31 is switched to position A again, the other inflow/outflow port 3 is connected to the exhaust system path 33, and one The inlet/outlet port 2 of the air outlet 2 is communicated with the air supply line 32 (see FIG. 2a). As a result, a portion of the gas in the external expansion chambers 26, 27 and 29 passes through the gas passage 28 and the external regenerators 24 and 23 to the exhaust system path 3.
3 to the air intake port 34 of the compressor 34.
Returned to b. At this time, the external expansion chambers 26, 2
The gas remaining at 7 and 29 cools itself by pushing out other gases. At this stage, the high-pressure gas discharged from the compressor 34 is again supplied to one of the inflow and outflow ports 2, and is precooled while being precooled and transferred to the internal regenerators 7, 11 and the gas passage 1.
6 and is introduced into the internal expansion chambers 17, 18 and 19, and the movable shell 14 moves upward again. At this time, the external expansion chamber 26,
The low temperature gas remaining in 27 and 29 is transferred to the final stage portion 14c of the movable shell 14, the external regenerator 24,
23 while being cooled, and is pushed out to the exhaust system path 33. Therefore, by repeating the above operations, the Gifford-McMahon Cycle is carried out, and the upper end portion of the casing 22 becomes extremely cold.

このようにして冷凍作用を営むものであるが、
このものは、可動シエル14の一段目部分14a
の天壁14dの上下両側に膨張室17,26をそ
れぞれ設けるとともに二段目部分14bの天壁1
4eの上下両側に膨張室18,27をそれぞれ設
け、各別な蓄冷器7,23を通して膨張室17,
26に、また、蓄冷器11,24を通して膨張室
18,27にそれぞれガスを供給するようにして
いる。そのため、前記膨張室17,18および蓄
冷器7,11と、前記膨張室26,27および蓄
冷器23,24とを用いてそれぞれ独立した冷凍
サイクルが営まれる。しかも、前記膨張室17,
18と前記膨張室26,27とは、前記可動シエ
ル14の往復動によつて交互に拡縮するので、該
可動シエル14の1往復動作毎に2度膨張作動を
行なわせることができ、同じ周波数なら冷凍能力
を従来のものの略2倍にすることができる。
In this way, it performs its freezing action,
This is the first stage portion 14a of the movable shell 14.
Expansion chambers 17 and 26 are provided on both upper and lower sides of the ceiling wall 14d, respectively, and the ceiling wall 1 of the second stage portion 14b is
Expansion chambers 18 and 27 are provided on both upper and lower sides of 4e, and the expansion chambers 17 and 27 are provided through different regenerators 7 and 23, respectively.
Gas is supplied to the expansion chambers 18 and 27 through the regenerators 11 and 24, respectively. Therefore, independent refrigeration cycles are operated using the expansion chambers 17, 18 and regenerators 7, 11, and the expansion chambers 26, 27 and regenerators 23, 24, respectively. Moreover, the expansion chamber 17,
18 and the expansion chambers 26 and 27 alternately expand and contract due to the reciprocating motion of the movable shell 14, so that the expansion operation can be performed twice for each reciprocating motion of the movable shell 14, and the same frequency If so, the refrigeration capacity can be approximately doubled compared to conventional ones.

さらに、最終段には交互に拡縮する最終内設膨
張室19および最終外設膨張室29を設けるとと
もに、該最終内設膨張室19と最終外設膨張室2
9が交互に拡縮する際に、ガス通路16と28と
を通過するガスが相対する方向へ向つて流れなが
ら可動シエル14の最終段部分14cを介して熱
交換されるようにしている。このように、最終段
においては蓄冷器を使用することなしにガスを熱
交換しているので、デバイ温度に制約されること
がない。したがつて、He液化温度(4.2K)程度
の極低温状態も実現し得る。
Further, the final stage is provided with a final internal expansion chamber 19 and a final external expansion chamber 29 that alternately expand and contract, and the final internal expansion chamber 19 and the final external expansion chamber 2
When the movable shell 9 alternately expands and contracts, the gas passing through the gas passages 16 and 28 flows in opposite directions and exchanges heat through the final stage portion 14c of the movable shell 14. In this way, in the final stage, heat is exchanged with the gas without using a regenerator, so there is no restriction by the Debye temperature. Therefore, it is possible to achieve extremely low temperatures around the He liquefaction temperature (4.2K).

しかも、可動部が中空体状のシエルであるた
め、慣性質量が小さく、振動を大幅に低減させる
ことができる。加えて、前記可動シエル14の内
部空間を有効に利用して蓄冷器7および11を配
設しているので、蓄冷器をケーシング外に配した
従来品に比べてコンパクト化が可能である。
Moreover, since the movable part is a hollow shell, the inertial mass is small and vibration can be significantly reduced. In addition, since the regenerators 7 and 11 are disposed by effectively utilizing the internal space of the movable shell 14, it is possible to make the regenerator more compact than conventional products in which the regenerators are disposed outside the casing.

また、この実施例のようにギフオードマクマホ
ンサイクルを営ませる場合には、可動シエル14
の高温端側に貫通させた連通管4の存在により該
可動シエル14の常温端側の受圧面積が低温端側
の受圧面積よりも小さくなることを利用して、こ
の可動シエル14を高圧ガスの付勢力のみによつ
て移動させることが可能となる。そのため、デイ
スプレーサ(可動シエル)を作動させる機構が一
切不要となり、構造の大幅な簡略化を図ることが
できる。
In addition, when operating the Gift McMahon cycle as in this embodiment, the movable shell 14
By utilizing the fact that the pressure receiving area on the normal temperature end side of the movable shell 14 is smaller than the pressure receiving area on the low temperature end side due to the presence of the communication pipe 4 penetrated to the high temperature end side of the movable shell 14, the movable shell 14 is connected to high pressure gas. It becomes possible to move only by biasing force. Therefore, no mechanism for operating the displacer (movable shell) is required, and the structure can be greatly simplified.

なお、本発明は、ギフオードマクマホンサイク
ルを営む冷凍装置に限らず、例えば、ソルベーサ
イクル、スターリングサイクル等を用いた小型極
低温冷凍装置にも同様に適用が可能である。
Note that the present invention is not limited to a refrigeration system operating on the Gifford-McMahon cycle, but can be similarly applied to, for example, a small-sized cryogenic refrigeration system using a Solvay cycle, a Stirling cycle, or the like.

また、前記実施例では、三段タイプのものにつ
いて説明したが、本発明は、二段タイプや四段以
上の多段タイプのものにも適用できるのは勿論で
ある。
Further, in the above embodiment, a three-stage type was described, but the present invention is of course applicable to a two-stage type and a multi-stage type of four or more stages.

また、最終段に設けたスペーサを中空にして
Heガスを充填し、あるいはケーシング部分にHe
ガスを充填できるようにし、またはスペーサ内部
およびケーシング部分の両方にHeガスを充填し
たものでもよい。
Also, the spacer provided at the final stage is made hollow.
Fill the casing with He gas or
The spacer may be filled with gas, or both the inside of the spacer and the casing portion may be filled with He gas.

また、可動シエルの最終段部分を、その表面に
ガスとの接触面積を増加させる手段(例えば、フ
イン状の凸部)を有するものとしてもよく、この
ようなものであれば、熱交換が効率よく行なわれ
る。
Further, the final stage portion of the movable shell may have a means (for example, a fin-like convex portion) for increasing the contact area with the gas on its surface. It is often done.

[発明の効果] 本発明は、以上のような構成であるから、ガス
サイクル方式であつても構造を複雑にすることな
しにHe液化温度を実現することができる極低温
冷凍装置を提供できるものである。
[Effects of the Invention] Since the present invention has the above-described configuration, it is possible to provide a cryogenic refrigeration device that can achieve a He liquefaction temperature without complicating the structure even if it is a gas cycle system. It is.

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

図面は、本発明の一実施例を示し、第1図は縦
断面図、第2図a,b,c,dは作動説明図、第
3図a,bは可動シエルに対する圧力分布を説明
するための作用説明図である。 1……固定部材(ベース)、7,11……内設
蓄冷器、14……可動シエル、16,28……ガ
ス通路、17,18……内設膨張室、19……最
終内設膨張室、22……ケーシング、23,24
……外設蓄冷器、26,27……外設膨張室、2
9……最終外設膨張室、31……タイミングバル
ブ、32……給気系路、33……排気系路。
The drawings show one embodiment of the present invention, in which Fig. 1 is a longitudinal sectional view, Fig. 2 a, b, c, and d are explanatory diagrams of operation, and Fig. 3 a, b explains pressure distribution on the movable shell. FIG. 1... Fixed member (base), 7, 11... Internal regenerator, 14... Movable shell, 16, 28... Gas passage, 17, 18... Internal expansion chamber, 19... Final internal expansion Chamber, 22...Casing, 23, 24
... External regenerator, 26, 27 ... External expansion chamber, 2
9... Final external expansion chamber, 31... Timing valve, 32... Air supply system path, 33... Exhaust system path.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 1 複数段からなる極低温冷凍装置であつて、一
段目から配設され固定部材に支持された内設蓄冷
器と、最終段に配設され固定支持されたスペーサ
と、前記内設蓄冷器の外周にスライド可能に嵌装
され該蓄冷器の低温端との間に内設膨張室を形成
するとともに最終段が前記スペーサの外周にガス
通路を介してスライド可能に配設されその低温側
端部と該スペーサとの間に最終内設膨張室を形成
する中空な可動シエルと、この可動シエルの最終
段を除く外周囲に配設した外設蓄冷器と、この外
設蓄冷器を包囲するように設けられ前記可動シエ
ルとの間に前記外設蓄冷器に連通する外設膨張室
を形成するとともに最終段が前記可動シエルの最
終段の外周をガス通路を介して包囲し該可動シエ
ルの最終段の低温側端部との間に最終外設膨張室
を形成するケーシングと、一段目の前記各蓄冷器
の高温端を給気系路または排気系路に予め設定し
たタイミングで接続するタイミングバルブとを具
備してなり、前記最終内設膨張室に流出入するガ
スと最終外設膨張室に流出入するガスとの間で可
動シエルの最終段を介して熱交換を行なわせ得る
ようにしたことを特徴とする極低温冷凍装置。
1 A cryogenic refrigeration system consisting of multiple stages, including an internal regenerator disposed in the first stage and supported by a fixed member, a spacer disposed in the final stage and fixedly supported, and the internal regenerator. A final stage is slidably fitted on the outer periphery of the spacer to form an internal expansion chamber between it and the low temperature end of the regenerator, and a final stage is slidably disposed on the outer periphery of the spacer via a gas passage, and the low temperature end thereof is slidably fitted on the outer periphery of the spacer. a hollow movable shell forming a final internal expansion chamber between the movable shell and the spacer; an external regenerator disposed around the outer periphery of the movable shell except for the final stage; An external expansion chamber is formed between the movable shell and the external regenerator, and a final stage surrounds the outer periphery of the final stage of the movable shell via a gas passage. a casing that forms a final external expansion chamber between the low-temperature side end of the stage, and a timing valve that connects the high-temperature end of each of the regenerators of the first stage to an air supply system path or an exhaust system path at a preset timing. and heat exchange can be performed between the gas flowing in and out of the final internal expansion chamber and the gas flowing in and out of the final external expansion chamber through the final stage of the movable shell. A cryogenic freezing device characterized by:
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