JPH08334273A - Cold-storing device, and extremely low temperature refrigerator using same device - Google Patents

Cold-storing device, and extremely low temperature refrigerator using same device

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JPH08334273A
JPH08334273A JP7142765A JP14276595A JPH08334273A JP H08334273 A JPH08334273 A JP H08334273A JP 7142765 A JP7142765 A JP 7142765A JP 14276595 A JP14276595 A JP 14276595A JP H08334273 A JPH08334273 A JP H08334273A
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JP
Japan
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regenerator
cold
cold storage
displacer
high temperature
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Withdrawn
Application number
JP7142765A
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Japanese (ja)
Inventor
Shingo Ito
信吾 伊藤
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Daikin Industries Ltd
Original Assignee
Daikin Industries Ltd
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Publication date
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/14Thermal energy storage

Abstract

PURPOSE: To improve the performance as an overall cold-storing device, and improve the refrigerating capability by improving the material and the shape of a cold-storing material which is filled on a high temperature side of the cold-storing device, for an extremely low temperature refrigerator. CONSTITUTION: A refrigerant gas is expanded in an expansion space 20 by the reciprocating motion of a displacer 18 in a cylinder 5 to lower the temperature of the refrigerant gas for an extremely low temperature refrigerator. In such a refrigerator, for a cold-storing device 28 which is housed in the displacer 18, the high temperature side is constituted of a copper granular matrix 31a, and the low temperature side is constituted of a lead granular matrix 31b.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、極低温冷凍機に係り、
特に、冷熱を蓄熱するための蓄冷器に備えられる蓄冷材
の材料及び形状の改良に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a cryogenic refrigerator,
In particular, the present invention relates to an improvement in the material and shape of a regenerator material provided in a regenerator for accumulating cold heat.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来より、高圧の冷媒ガスをシリンダ内
で膨張させて寒冷を発生させる膨張機を有する極低温冷
凍機として、例えば特開昭58−214758号公報に
開示されているように、冷媒ガスとしてのヘリウムガス
を圧縮する圧縮機と、この圧縮されたガスを膨張させる
膨張機とを高圧配管及び低圧配管によって閉回路に接続
して成り、上記膨張機に備えられた切換バルブにより上
記高圧及び低圧配管を膨張機のシリンダ内に交互に連通
させると共に、この切換バルブの切換動作に応じてシリ
ンダ内でスラックピストンを往復動させ、このピストン
によりディスプレーサを往復駆動してヘリウムガスを膨
張させることにより、寒冷を発生させるようにしたG−
Mサイクル(ギフォード・マクマホンサイクル)のヘリ
ウム冷凍機が知られている。
2. Description of the Related Art Conventionally, as a cryogenic refrigerator having an expander that expands a high-pressure refrigerant gas in a cylinder to generate cold, for example, as disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 58-214758, A compressor that compresses helium gas as a refrigerant gas, and an expander that expands the compressed gas are connected to a closed circuit by high-pressure piping and low-pressure piping, and the switching valve provided in the expander described above The high-pressure and low-pressure pipes are alternately communicated with the cylinder of the expander, and the slack piston is reciprocated in the cylinder according to the switching operation of this switching valve, and the displacer is reciprocally driven by this piston to expand the helium gas. By doing so, G- that was designed to generate cold
M cycle (Gifford McMahon cycle) helium refrigerator is known.

【0003】この種の冷凍機における膨張空間周辺部の
構成について説明すると、図6に示すように、一端が閉
塞されたシリンダ(a) 内にディスプレーサ(b) が往復動
自在に嵌装されており、このシリンダ(a) とディスプレ
ーサ(b) との間に膨張空間(c) が形成されている。ま
た、ディスプレーサ(b) の内部には、蓄冷材(d) により
構成された蓄冷器(e) が収容されており、この蓄冷器
(e) における膨張空間側(図6における下側)が低温側
に、また反膨張空間側(図6における上側)が高温側に
夫々形成されている。そして、従来、この蓄冷器(e) に
充填されている蓄冷材(d) として、高温側(図6におけ
る領域A)にNiの粒状マトリックスが、また低温側
(図6における領域B)にPbの粒状マトリックスが夫
々採用されたり、高温側にCuのメッシュ状マトリック
スが、また低温側にPbの粒状マトリックスが夫々採用
された構成が知られている。
The structure of the peripheral portion of the expansion space in this type of refrigerator will be described. As shown in FIG. 6, a displacer (b) is reciprocally fitted in a cylinder (a) whose one end is closed. The expansion space (c) is formed between the cylinder (a) and the displacer (b). In addition, inside the displacer (b), a regenerator (e) composed of a regenerator material (d) is housed.
The expansion space side (lower side in FIG. 6) in (e) is formed on the low temperature side, and the anti-expansion space side (upper side in FIG. 6) is formed on the high temperature side. Conventionally, as the regenerator material (d) filled in the regenerator (e), a granular matrix of Ni is provided on the high temperature side (region A in FIG. 6) and Pb is provided on the low temperature side (region B in FIG. 6). It is known that a granular matrix of No. 2 is adopted, a Cu mesh matrix is adopted on the high temperature side, and a Pb granular matrix is adopted on the low temperature side.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
ような蓄冷材では、以下に述べるような不具合があっ
た。先ず、前者の高温側にNiの粒状マトリックスを充
填したものでは、Niの熱伝導率が低いことから、Ni
粒子の内部にまで冷熱を蓄えることができず、この高温
側での蓄熱量を十分に確保することができない。このた
め、蓄冷器全体としての性能を向上するには限界があっ
た。また、後者の高温側にCuのメッシュ状マトリック
スを充填したものでは、蓄冷器内部での無効容積が大き
くなる傾向があり、該蓄冷器内において蓄熱可能な部分
の体積が小さくなっていることから、この場合にも蓄冷
器全体としての性能を向上するには限界があった。
However, the above-mentioned cold accumulating material has the following problems. First, in the former case where the high temperature side is filled with the Ni granular matrix, since the thermal conductivity of Ni is low,
It is not possible to store cold heat even inside the particles, and it is not possible to secure a sufficient amount of heat storage on the high temperature side. Therefore, there is a limit to improving the performance of the regenerator as a whole. Further, in the latter case where the high temperature side is filled with a Cu mesh matrix, the ineffective volume inside the regenerator tends to be large, and the volume of the heat-storable portion inside the regenerator is small. Even in this case, there was a limit to improving the performance of the regenerator as a whole.

【0005】このように、特に蓄冷器の高温側では十分
な蓄熱量を確保するための蓄熱材が未だ得られていない
のが実情である。
As described above, in particular, on the high temperature side of the regenerator, a heat storage material for securing a sufficient amount of heat storage has not yet been obtained.

【0006】本発明は斯かる点に鑑みてなされたもの
で、蓄冷器の高温側を構成する蓄冷材の材料及び形状を
改良することにより、蓄冷器全体としての性能の向上を
図り、冷凍機の冷凍能力を向上させることを目的とす
る。
The present invention has been made in view of the above circumstances, and improves the performance of the regenerator as a whole by improving the material and shape of the regenerator material constituting the high temperature side of the regenerator, thereby improving the performance of the refrigerator. The purpose is to improve the refrigeration capacity of.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】上記目的の達成のため、
本発明では、蓄冷器に充填される蓄冷材を、その材質と
して熱伝導率が高く、形状として蓄冷器内の無効容積を
縮小できるものに設定した。
[Means for Solving the Problems] To achieve the above object,
In the present invention, the regenerator material filled in the regenerator is set to have a high thermal conductivity as a material and a shape that can reduce the ineffective volume in the regenerator.

【0008】具体的に、請求項1記載の発明は、蓄冷材
(31)により形成され、一端から導入される低温流体と蓄
冷材(31)との間で熱交換を行うことにより、該蓄冷材(3
1)に冷熱を蓄熱する一方、他端から導入される高温流体
と蓄冷材(31)との間で熱交換を行うことにより、高温流
体を冷却するようにした蓄冷器を前提としている。そし
て、上記高温流体が導入される部分の蓄冷材(31a) を、
銅の粒状マトリックスで成した構成としている。
Specifically, the invention according to claim 1 is a regenerator material.
The cold storage material (3) is formed by performing heat exchange between the cold storage material (31) and the cold storage material (31) introduced from one end.
It is premised on a regenerator that cools the high temperature fluid by performing heat exchange between the high temperature fluid introduced from the other end and the regenerator material (31) while storing cold heat in 1). And, the regenerator material (31a) of the portion where the high temperature fluid is introduced,
The structure is made of a copper granular matrix.

【0009】請求項2記載の発明は、上記請求項1記載
の発明に係る蓄冷器を用いた極低温冷凍機である。具体
的には、蓄冷材(31)により形成され、一端から導入され
る低温流体と蓄冷材(31)との間で熱交換を行うことによ
り、該蓄冷材(31)に冷熱を蓄熱する一方、他端から導入
される高温流体と蓄冷材(31)との間で熱交換を行うこと
により、高温流体を冷却するようにした蓄冷器(28)を備
えた極低温冷凍機を前提としている。そして、上記高温
流体が導入される部分の蓄冷材(31a) を、銅の粒状マト
リックスで成した構成としている。
The invention according to claim 2 is a cryogenic refrigerator using the regenerator according to the invention according to claim 1. Specifically, the cold storage material (31) is formed, and by exchanging heat between the low temperature fluid introduced from one end and the cold storage material (31), cold heat is stored in the cold storage material (31). , It is premised on a cryogenic refrigerator equipped with a regenerator (28) configured to cool the high temperature fluid by performing heat exchange between the high temperature fluid introduced from the other end and the regenerator material (31). . Further, the regenerator material (31a) of the portion into which the high temperature fluid is introduced is made of a copper granular matrix.

【0010】請求項3記載の発明は、上記請求項2記載
の極低温冷凍機において、蓄冷器(28)を、シリンダ(5)
内に往復動可能に嵌装されたディスイプレーサ(18)内部
に収容させ、該ディスプレーサ(18)が、蓄冷器(28)の低
温流体導入側とシリンダ(5)との間に膨張空間(20)を区
画形成し、往復動することによって膨張空間(20)内の流
体を膨張させて温度降下させ、この膨張空間(20)内で冷
熱を発生させる構成としている。
According to a third aspect of the present invention, in the cryogenic refrigerator according to the second aspect, the regenerator (28) includes a cylinder (5).
The displacer (18) is housed in a displacer (18) that is reciprocally fitted therein, and the displacer (18) expands a space between the cold fluid introduction side of the regenerator (28) and the cylinder (5) ( 20) is partitioned and is reciprocated to expand the fluid in the expansion space (20) to lower the temperature and generate cold heat in the expansion space (20).

【0011】請求項4記載の発明は、上記請求項2また
は3記載の極低温冷凍機において、低温流体が導入され
る部分の蓄冷材(31b) を、鉛の粒状マトリックスで成し
た構成としている。
According to a fourth aspect of the present invention, in the cryogenic refrigerator according to the second or third aspect, the regenerator material (31b) of the portion into which the cryogenic fluid is introduced is made of a lead granular matrix. .

【0012】[0012]

【作用】上記の構成により、本発明では、以下に述べる
ような作用が得られる。請求項1及び2記載の発明で
は、蓄冷器の一端から低温流体が導入される際には、こ
の低温流体と蓄冷材(31)との間で熱交換が行われ、該蓄
冷材(31)に冷熱が蓄熱される。一方、蓄冷器の他端から
高温流体が導入される際には、この高温流体と蓄冷材(3
1)との間で熱交換が行われて高温流体が冷却される。こ
のように流体との間で熱交換を行う蓄冷器において、高
温流体が導入される部分の蓄冷材(31a) が、銅の粒状マ
トリックスで成っている。この蓄冷材(31a) を構成する
銅は、高温域での比熱及び熱伝導率が共に高く、この高
温流体が導入される部分の蓄冷材として適したものであ
る。また、この蓄冷材(31a) を粒状マトリックスとした
ことで、従来から周知のメッシュマトリックスに比べて
蓄冷器内での空隙率が小さくなると同時に冷熱の蓄熱量
を大きく確保できる。
According to the present invention, the following effects can be obtained in the present invention. In the inventions of claims 1 and 2, when the low temperature fluid is introduced from one end of the regenerator, heat exchange is performed between the low temperature fluid and the regenerator material (31), and the regenerator material (31) Cold heat is stored in. On the other hand, when the high temperature fluid is introduced from the other end of the regenerator, this high temperature fluid and the regenerator material (3
Heat is exchanged with 1) to cool the hot fluid. In the regenerator that exchanges heat with the fluid as described above, the regenerator material (31a) in the portion into which the high-temperature fluid is introduced is made of a granular copper matrix. Copper that constitutes the cold storage material (31a) has both high specific heat and high thermal conductivity in a high temperature region, and is suitable as a cold storage material for the portion into which the high temperature fluid is introduced. Further, by using the cold storage material (31a) as a granular matrix, it is possible to secure a large amount of cold heat storage while reducing the porosity in the regenerator as compared with a conventionally known mesh matrix.

【0013】請求項3記載の発明では、蓄冷器(28)の一
端から導入される低温流体の生成時には、ディスプレー
サ(18)のシリンダ(5) 内での往復動により、膨張空間(2
0)内の流体を膨張させることによって温度降下させ、こ
れにより膨張空間(20)内で低温流体を生成する。
According to the third aspect of the invention, when the low temperature fluid introduced from one end of the regenerator (28) is generated, the expansion space (2) is generated by the reciprocating motion of the displacer (18) in the cylinder (5).
The fluid in 0) is expanded to lower its temperature, thereby producing a cryogenic fluid in the expansion space (20).

【0014】請求項4記載の発明では、低温時の熱伝導
率が大きい鉛を、空隙率を小さくできる粒状マトリック
スとして低温流体が導入される部分の蓄冷材(31b) に採
用したために、この低温側での蓄熱量をも十分に確保す
ることができる。
In the invention according to claim 4, since lead having a large thermal conductivity at low temperature is used as the cold storage material (31b) of the portion into which the low temperature fluid is introduced as a granular matrix capable of reducing the porosity, this low temperature is used. It is possible to secure a sufficient amount of heat storage on the side.

【0015】[0015]

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基いて説明す
る。また、本例では、本発明に係る極低温冷凍機をG−
Mサイクルを持つヘリウム冷凍機に適用した場合につい
て説明する。図1は、本冷凍機の膨張機(1) の内部構造
を示している。該膨張機(1) は、図示しない圧縮機で圧
縮された冷媒ガスとしてのヘリウムガスを膨張可能とす
るように、圧縮機に対し高圧ガス配管及び低圧ガス配管
(いずれも図示せず)によって接続され、該圧縮機との
間で閉回路を構成している。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. Further, in this example, the cryogenic refrigerator according to the present invention is G-
The case of application to a helium refrigerator having M cycles will be described. FIG. 1 shows the internal structure of the expander (1) of the refrigerator. The expander (1) is connected to the compressor by a high-pressure gas pipe and a low-pressure gas pipe (both not shown) so that the helium gas as a refrigerant gas compressed by a compressor not shown can be expanded. And forms a closed circuit with the compressor.

【0016】以下、膨張機(1) の構造について説明す
る。該膨張機(1) は、上記高圧ガス配管が接続する高圧
側アダプタ(2) 及び低圧ガス配管が接続する低圧側アダ
プタ(3) を有するモータハウジング(4) と、該モータハ
ウジング(4) の下部に第1フランジ(5c)を介して一体的
に気密接合されたシリンダ(5) とを備えている。このシ
リンダ(5) は、上記第1フランジ(5c)に接合された比較
的大径の第1シリンダ部(5a)と、該第1シリンダ部(5a)
の下側に第2フランジ(5d)を介して一体的に配置された
小径の第2シリンダ部(5b)とを備えている。そして、上
記モータハウジング(4) の内部には、上記高圧側アダプ
タ(2) に連通するモータ室(6) と、該モータ室(6) に連
通して上下方向に延びる貫通孔(7) と、上記低圧側アダ
プタ(3) に補助オリフィス(8) を介して連通するサージ
ボリューム(9) とが形成されている。
The structure of the expander (1) will be described below. The expander (1) includes a motor housing (4) having a high-pressure side adapter (2) connected to the high-pressure gas pipe and a low-pressure side adapter (3) connected to the low-pressure gas pipe, and the motor housing (4). A cylinder (5) integrally and airtightly connected to a lower portion via a first flange (5c). The cylinder (5) includes a first cylinder portion (5a) having a relatively large diameter joined to the first flange (5c), and the first cylinder portion (5a).
And a small diameter second cylinder portion (5b) integrally arranged on the lower side with a second flange (5d) interposed. Then, inside the motor housing (4), there is a motor chamber (6) communicating with the high-voltage side adapter (2) and a through hole (7) communicating with the motor chamber (6) and extending in the vertical direction. A surge volume (9) communicating with the low-pressure side adapter (3) via an auxiliary orifice (8) is formed.

【0017】また、上記モータハウジング(4) の内部及
びシリンダ(5) の内部に亘り、該シリンダ(5) の上側閉
塞端部を構成するバルブステム(10)が嵌装されている。
このバルブステム(10)は、上記モータハウジング(4) の
貫通孔(7) に気密嵌合されたバルブシート部(10a) と、
第1シリンダ部(5a)の内径よりも小径に形成され、該第
1シリンダ部(5a)内上部において垂下する垂下部(10b)
とを備えており、バルブシート部(10a) の上面と貫通孔
(7) の壁面とで囲まれる空間により、上記高圧ガス配管
にモータ室(6) を介して連通するバルブ室(11)が形成さ
れている。
A valve stem (10) constituting the upper closed end of the cylinder (5) is fitted over the inside of the motor housing (4) and the inside of the cylinder (5).
This valve stem (10) has a valve seat (10a) that is airtightly fitted in the through hole (7) of the motor housing (4).
A drooping part (10b) formed to have a diameter smaller than the inner diameter of the first cylinder part (5a) and hanging down in the upper part of the first cylinder part (5a).
And the upper surface of the valve seat (10a) and the through hole.
The space surrounded by the wall surface of (7) forms a valve chamber (11) communicating with the high-pressure gas pipe through the motor chamber (6).

【0018】また、上記バルブステム(10)の内部には上
下方向に延びる第1ガス流路(12)及び第2ガス流路(13)
が形成されている。第1ガス流路(12)は、上記バルブス
テム(10)の上半部に形成されて上端がバルブシート部(1
0a) の上面に開放する小径の連通路(12a) を備えている
と共に下端部がシリンダ(5) 内に開放している。また、
第2ガス流路(13)は、上端が上記第1ガス流路(12)に後
述するロータリバルブ(24)の低圧ポート(27)を介して連
通可能となっていると共に、下端が上記低圧側アダプタ
(3) に、モータハウジング(4) に形成された水平方向に
延びる連通路(14)を介して連通している。そして、これ
ら両ガス流路(12),(13) は、バルブステム(10)上面にお
いてバルブ室(11)に対し、第2ガス流路(13)にあっては
バルブステム(10)中心部に、また第1ガス流路(12)の連
通路(12a) にあってはバルブステム(10)の外周囲に夫々
開口されている。
A first gas passage (12) and a second gas passage (13) extending vertically are provided inside the valve stem (10).
Are formed. The first gas flow path (12) is formed in the upper half of the valve stem (10) and has an upper end formed in the valve seat portion (1).
It has a small diameter communication passage (12a) on the upper surface of (0a) and the lower end is open inside the cylinder (5). Also,
The upper end of the second gas flow path (13) can communicate with the first gas flow path (12) via a low pressure port (27) of the rotary valve (24) described later, and the lower end of the second gas flow path (13) has the low pressure. Side adapter
It communicates with (3) through a horizontally extending communication passage (14) formed in the motor housing (4). The two gas flow passages (12) and (13) are located at the center of the valve stem (10) in the second gas flow passage (13) with respect to the valve chamber (11) on the upper surface of the valve stem (10). Further, in the communication passages (12a) of the first gas flow passage (12), they are opened to the outer periphery of the valve stem (10).

【0019】一方、シリンダ(5) における第1シリンダ
部(5a)内の上端部には、該第1シリンダ部(5a)内上端部
に駆動空間(15)を区画形成するカップ形状のスラックピ
ストン(16)が、その内側面を上記バルブステム(10)の垂
下部(10b) に気密状に摺接せしめた状態で往復動可能に
嵌合されている。また、上記駆動空間(15)は、モータハ
ウジング(4) 内のサージボリューム(9) に、バルブステ
ム(10)に形成されたオリフィス(17)を介して常時連通し
ている。上記スラックピストン(16)は底壁(16a) を有
し、該底壁(16a) には、その中央部に形成された中心孔
(16b) と、該中心孔(16b) の周囲に形成された図示しな
い圧力導入孔とが貫通形成されており、各孔によってス
ラックピストン(16)の内部空間(19a) と下側の中間空間
(19b) とが連通されている。
On the other hand, at the upper end of the first cylinder portion (5a) of the cylinder (5), a cup-shaped slack piston for partitioning and forming a drive space (15) at the upper end of the first cylinder portion (5a) is formed. The (16) is reciprocally fitted such that its inner surface is in sliding contact with the hanging portion (10b) of the valve stem (10) in an airtight manner. The drive space (15) is in constant communication with the surge volume (9) in the motor housing (4) via the orifice (17) formed in the valve stem (10). The slack piston (16) has a bottom wall (16a), and the bottom wall (16a) has a central hole formed in the center thereof.
(16b) and a pressure introducing hole (not shown) formed around the central hole (16b) are formed so as to penetrate therethrough, and the inner space (19a) of the slack piston (16) and the lower intermediate space are formed by each hole.
It is in communication with (19b).

【0020】また、上記シリンダ(5) 内にはディスプレ
ーサ(18)が往復動可能に嵌合されている。該ディスプレ
ーサ(18)は、シリンダ(5) の第1シリンダ部(5a)の下半
部内を摺動する密閉円筒状の第1ボディ(18a) と、該第
1ボディ(18a) 下端に一体形成され、シリンダ(5) の第
2シリンダ部(5b)内を摺動する密閉円筒状の第2ボディ
(18b) とを備えて成り、このディスプレーサ(18)によ
り、上記スラックピストン(16)下側のシリンダ(5) 内空
間が上側から順に中間空間(19b) 、第1段膨張空間(20)
及び第2段膨張空間(21)に区画されている。そして、図
示しない連通孔により、上記ディスプレーサ(18)の第1
ボディ(18a) 内の空間は上記第1段膨張空間(20)に、ま
た第2ボディ(18b) 内の空間は上記第2段膨張空間(21)
に常時連通されている。尚、図1では各膨張空間(20,2
1) の容積が最小となっている状態を示している。
A displacer (18) is reciprocally fitted in the cylinder (5). The displacer (18) is integrally formed with a closed cylindrical first body (18a) that slides in the lower half of the first cylinder portion (5a) of the cylinder (5) and the lower end of the first body (18a). And a second cylindrical body that is slid in the second cylinder part (5b) of the cylinder (5).
(18b) and the displacer (18) allows the inner space of the cylinder (5) below the slack piston (16) to be an intermediate space (19b) and a first stage expansion space (20) in order from the upper side.
And the second stage expansion space (21). Then, a first through hole of the displacer (18) is formed by a communication hole not shown.
The space in the body (18a) is the first stage expansion space (20), and the space in the second body (18b) is the second stage expansion space (21).
Is always in communication. In addition, in FIG. 1, each expansion space (20, 2
It shows the state where the volume of 1) is minimum.

【0021】更に、上記ディスプレーサ(18)の第1ボデ
ィ(18a) 上端には、その第1ボディ(18a) 内の空間をス
ラックピストン(16)の内部空間(19a) に連通する管状の
スラックカップリング(22)がアダプタ(18c) を介して一
体に突設されている。このスラックカップリング(22)
は、上記スラックピストン(16)の底壁(16a) の中心孔(1
6b) を貫通してスラックピストン(16)の内部空間(19a)
に所定寸法だけ延び、その上端部にピストン底壁(16a)
に係合可能なフランジ状の係止部(22a) が一体形成され
ている。このため、スラックピストン(16)の上昇移動
時、該ピストン(16)が所定ストロークだけ上昇した時点
でその底壁(16a) とスラックカップリング(22)の係止部
(22a) との係合により、ディスプレーサ(18)をピストン
(16)によって駆動して上昇開始させるように,つまりデ
ィスプレーサ(18)を所定ストロークの遅れをもってスラ
ックピストン(16)に追従移動させるように構成されてい
る。また、上記アダプタ(18c) の中央部にはスラックカ
ップリング(22)の中心孔(22b)に連通する貫通孔(18d)
が上下方向に貫通形成されており、これによって第1ボ
ディ(18a) 内の空間がスラックピストン(16)の内部空間
(19a) に連通している。
Further, at the upper end of the first body (18a) of the displacer (18), a tubular slack cup for communicating the space inside the first body (18a) with the internal space (19a) of the slack piston (16). The ring (22) is integrally projected through the adapter (18c). This Slack Coupling (22)
Is the center hole (1) of the bottom wall (16a) of the slack piston (16).
6b) through the internal space (19a) of the slack piston (16)
To the top of the piston bottom wall (16a)
A flange-shaped locking portion (22a) that can be engaged with is integrally formed. Therefore, when the slack piston (16) moves upward, when the piston (16) moves upward by a predetermined stroke, the bottom wall (16a) and the locking portion of the slack coupling (22) are locked.
By engaging with (22a), displacer (18) is
The displacer (18) is configured to follow the slack piston (16) with a delay of a predetermined stroke so that the displacer (18) is driven by the (16) to start rising. In addition, a through hole (18d) communicating with the central hole (22b) of the slack coupling (22) is formed in the center of the adapter (18c).
Is formed so as to penetrate vertically, so that the space inside the first body (18a) is the inner space of the slack piston (16).
It communicates with (19a).

【0022】また、第1ボディ(18a) の内部空間と第2
ボディ(18b) の内部空間とは、この両者の接続部分に配
置されたカップリング(25)及び第2ボディ(18b) の上端
部に形成された上下方向に貫通する貫通孔(18e) によっ
て互いに連通している。
The inner space of the first body (18a) and the second space
The inner space of the body (18b) is defined by a coupling (25) arranged at a connecting portion between the two and a through hole (18e) formed at an upper end of the second body (18b) and vertically penetrating each other. It is in communication.

【0023】また、上記モータハウジング(4) のバルブ
室(11)内にはモータ室(6) に配置されたバルブモータ(2
3)によって回転駆動する切換バルブとしてのロータリバ
ルブ(24)が配設され、該ロータリバルブ(24)の切換動作
により、高圧ガス配管に連通するバルブ室(11)と、低圧
ガス配管に連通する連通路(14)とをスラックピストン(1
6)の内部空間(19a) 、第1及び第2段膨張空間(20),(2
1) に対し交互に連通する構成となっている。
Further, in the valve chamber (11) of the motor housing (4), the valve motor (2) disposed in the motor chamber (6) is
A rotary valve (24) as a switching valve that is rotationally driven by 3) is provided, and by the switching operation of the rotary valve (24), the valve chamber (11) communicating with the high pressure gas pipe and the low pressure gas pipe are communicated. Connect the slack piston (1
6) Internal space (19a), first and second expansion spaces (20), (2
It is configured to communicate with 1) alternately.

【0024】すなわち、上記ロータリバルブ(24)はバル
ブモータ(23)の出力軸(23a) に回転不能にかつ摺動可能
に連結されている。また、バルブ室(11)に導入された高
圧ヘリウムガスの圧力によりロータリバルブ(24)下面が
バルブステム(10)上面に対し一定の押圧力で押し付けら
れるようになされている。
That is, the rotary valve (24) is non-rotatably and slidably connected to the output shaft (23a) of the valve motor (23). Further, the lower surface of the rotary valve (24) is pressed against the upper surface of the valve stem (10) with a constant pressing force by the pressure of the high-pressure helium gas introduced into the valve chamber (11).

【0025】一方、上記ロータリバルブ(24)の下面に
は、その半径方向に対向する外周縁から中心方向に所定
長さだけ切り込んでなる1対の高圧ポート(26,26) と、
該高圧ポート(26,26) に対しロータリバルブ(24)の回転
方向に略90°の角度間隔を存して配置され、バルブ(2
4)下面の中心から外周縁近傍に向かって直径方向に切り
欠いてなる低圧ポート(27)とが形成されている。そし
て、バルブモータ(23)の駆動によりロータリバルブ(24)
がその下面をバルブステム(10)上面に圧接しながら回転
して切換動作する際、このロータリバルブ(24)の切換動
作に応じてスラックピストン(16)及びディスプレーサ(1
8)をシリンダ(5) 内で往復動させ、バルブ(24)下面の高
圧ポート(26)の内端がそれぞれバルブステム(10)上面に
開口する第1ガス流路(12)に合致したときには、バルブ
室(11)を高圧ポート(26)及び第1ガス流路(12)を介して
スラックピストン(16)の内部空間(19a) 、第1及び第2
段膨張空間(20),(21) に連通させて、これら各空間(19
a) 〜(21)に高圧ヘリウムガスを導入充填することによ
り、スラックピストン(16)及び該ピストン(16)によって
駆動されるディスプレーサ(18)を上昇させる。一方、バ
ルブステム(10)上面に開口する第2ガス流路(13)に中央
部にて常時連通する低圧ポート(27)の外端が上記第1ガ
ス流路(12)に合致したときには、上記シリンダ(5) 内の
各空間(19a) 〜(21)を第1ガス流路(12)、低圧ポート(2
7)、第2ガス流路(13)及び連通路(14)を介して低圧ガス
出口(3) に連通させて、各空間(19a) 〜(21)に充填され
ているヘリウムガスを低圧ガス配管に排出することによ
り、スラックピストン(16)及びディスプレーサ(18)を下
降させるように構成されている。
On the other hand, on the lower surface of the rotary valve (24), a pair of high pressure ports (26, 26) are formed by cutting a predetermined length in the center direction from the outer peripheral edges facing each other in the radial direction,
The rotary valve (24) is arranged at an angular interval of approximately 90 ° with respect to the high pressure ports (26, 26), and the valve (2
4) A low pressure port (27) is formed by cutting out in the diameter direction from the center of the lower surface toward the vicinity of the outer peripheral edge. Then, the rotary valve (24) is driven by driving the valve motor (23).
When the lower side of the valve stem (10) is rotated while being pressed against the upper surface of the valve stem (10) for switching operation, the slack piston (16) and displacer (1
When 8) is reciprocated in the cylinder (5) and the inner ends of the high pressure ports (26) on the lower surface of the valve (24) match the first gas flow passages (12) opening on the upper surface of the valve stem (10), respectively. , The valve chamber (11) through the high pressure port (26) and the first gas flow path (12), the internal space (19a) of the slack piston (16), the first and second
Communicate with the stepped expansion spaces (20) and (21) so that these spaces (19
By introducing and filling high pressure helium gas into a) to (21), the slack piston (16) and the displacer (18) driven by the piston (16) are raised. On the other hand, when the outer end of the low-pressure port (27), which is in constant communication with the second gas channel (13) opening on the upper surface of the valve stem (10) at the center, matches the first gas channel (12), The spaces (19a) to (21) in the cylinder (5) are connected to the first gas flow path (12) and the low pressure port (2
7), the helium gas filled in each space (19a) to (21) is connected to the low pressure gas outlet (3) through the second gas flow path (13) and the communication passage (14), The slack piston (16) and the displacer (18) are lowered by discharging the slack piston (16) into the pipe.

【0026】また、各シリンダ部(5a,5b) の下端外周部
には各膨張空間(20,21) において発生した冷熱を効率良
く図示しない被冷却物への伝熱が行えるように、熱伝導
率が高い銅製のヒートステーション(30)が取付けられて
いる。
In addition, heat conduction is performed on the outer periphery of the lower end of each cylinder (5a, 5b) so that the cold heat generated in each expansion space (20, 21) can be efficiently transferred to an object to be cooled (not shown). A high rate copper heat station (30) is installed.

【0027】更に、上記ディスプレーサ(18)の第1ボデ
ィ(18a) 内の空間には第1段蓄冷器(28)が、また第2ボ
ディ(18b) 内の空間には第2段蓄冷器(29)が夫々収容さ
れている。そして、ディスプレーサ(18)がシリンダ(5)
内を上昇する吸気行程にあるときには、前の排気行程で
極低温レベルに温度降下した各蓄冷器(28,29) 内部にス
ラックピストン(16)の内部空間(19a) から第1又は第2
段膨張空間(20,21) に向かう常温のヘリウムガスが流入
して、両者の熱交換によりそのガスを極低温レベル近く
まで冷却する。一方、ディスプレーサ(18)が下降する排
気行程にあるときには、各膨張空間(20,21) での膨張に
より極低温レベルに温度降下したヘリウムガスがシリン
ダ(5) 外に排出する途中で各蓄冷器(28,29) 内部に流入
して、両者の熱交換によりその蓄冷器(28,29) を極低温
レベル近くまで再度冷却するような構成となっている。
Further, a first-stage regenerator (28) is provided in the space inside the first body (18a) of the displacer (18), and a second-stage regenerator (28) is provided in the space inside the second body (18b). 29) are housed respectively. And the displacer (18) is the cylinder (5)
In the intake stroke that rises in the inside, inside the regenerators (28,29) whose temperature has dropped to the cryogenic level in the previous exhaust stroke, from the internal space (19a) of the slack piston (16) to the first or second
Helium gas at room temperature flows into the stage expansion space (20, 21) and cools the gas to near the cryogenic level by heat exchange between the two. On the other hand, during the exhaust stroke in which the displacer (18) descends, each regenerator is in the process of discharging the helium gas whose temperature has dropped to the cryogenic level due to expansion in each expansion space (20, 21) to the outside of the cylinder (5). It flows into the inside of (28,29), and by heat exchange of both, the regenerator (28,29) is cooled again to near the cryogenic level.

【0028】そして、本例の特徴とする構成としては、
上記各蓄冷器(28,29) を構成している蓄冷材(31,32) に
ある。以下、この蓄冷材(31,32) について説明する。先
ず、本例の特徴である第1段蓄冷器(28)を構成している
第1段蓄冷材(31)について説明する。この第1段蓄冷材
(31)は、第1ボディ(18a) 内の空間のうちの上側半分と
下側半分とで異なる蓄冷材(31a,31b) が備えられてい
る。詳しくは、上側半分(高温側)を構成している蓄冷
材(31a) は略真球状の銅の粒子がマトリックス状に充填
されて成っており、下側半分(低温側)を構成している
蓄冷材(31b) は略真球状の鉛の粒子がマトリックス状に
充填されて成っている。つまり、第1ボディ(18a) の内
部空間を、スラックピストン(16)の内部空間(19a) から
第2ボディ(18b) の内部空間に向ってヘリウムガスが流
れる際には、該ヘリウムガスが、銅の粒子(31a,31a,
…) 同士の間の空隙をガス通路として流れた後、鉛の粒
子(31b,31b, …) 同士の間の空隙をガス通路として流
れ、このガス通路を流れる際に各粒子(31a,31b) との間
で熱交換を行う一方、第1ボディ(18a) の内部空間を、
第2ボディ(18b) の内部空間からスラックピストン(16)
の内部空間(19a) に向ってヘリウムガスが流れる際に
は、該ヘリウムガスが、鉛の粒子(31b,31b, …) 同士の
間の空隙をガス通路として流れた後、銅の粒子(31a,31
a, …) 同士の間の空隙をガス通路として流れ、このガ
ス通路を流れる際に各粒子(31b,31a) との間で熱交換を
行うようになっている。尚、各粒子の具体的な粒径とし
ては、例えば0.4mmであり、この粒径は任意に設定可
能である。
As a characteristic configuration of this example,
It is in the regenerator material (31, 32) that constitutes each of the regenerators (28, 29). The cold storage material (31, 32) will be described below. First, the first-stage regenerator material (31) constituting the first-stage regenerator (28), which is a feature of this example, will be described. This first stage cold storage material
(31) is provided with different cold storage materials (31a, 31b) in the upper half and the lower half of the space in the first body (18a). Specifically, the cool storage material (31a) that constitutes the upper half (high temperature side) is made up of substantially spherical copper particles packed in a matrix, and constitutes the lower half (low temperature side). The regenerator material (31b) is formed by filling substantially spherical lead particles in a matrix. That is, when the helium gas flows through the inner space of the first body (18a) from the inner space (19a) of the slack piston (16) toward the inner space of the second body (18b), the helium gas is Copper particles (31a, 31a,
After flowing through the voids between them as gas passages, the voids between the lead particles (31b, 31b,…) flow as gas passages, and when flowing through these gas passages, each particle (31a, 31b) While exchanging heat with the inner space of the first body (18a),
From the inner space of the second body (18b) to the slack piston (16)
When the helium gas flows toward the internal space (19a) of the helium gas, the helium gas flows through the voids between the lead particles (31b, 31b, ...) As gas passages, and then the copper particles (31a , 31
The gap between a, ...) Flows as a gas passage, and heat is exchanged with each particle (31b, 31a) when flowing through this gas passage. The specific particle size of each particle is, for example, 0.4 mm, and this particle size can be set arbitrarily.

【0029】一方、第2段蓄冷器(29)を構成している第
2段蓄冷材(32)は略真球状の鉛の粒子がマトリックス状
に充填されて成っている。そして、鉛の粒子(32,32,
…) 同士の間の空隙がガス通路とされて、このガス通路
を流れるヘリウムガスと第2段蓄冷材(32)との間で熱交
換が行われるようになっている。また、この第2段蓄冷
材(32)のうち、半分(高温側)を構成している蓄冷材を
Cuの粒状マトリックスとし、下側半分(低温側)を構
成している蓄冷材をEr3 Niの粒状マトリックスとし
てもよい。
On the other hand, the second-stage regenerator material (32) constituting the second-stage regenerator (29) is made up of lead particles, which are substantially spherical in shape, filled in a matrix. And the lead particles (32,32,
A space between them is used as a gas passage, and heat exchange is performed between the helium gas flowing through the gas passage and the second stage regenerator material (32). Further, of the second-stage cold storage material (32), the cold storage material that constitutes half (high temperature side) is a Cu granular matrix, and the cold storage material that constitutes the lower half (low temperature side) is Er3 Ni. May be a granular matrix.

【0030】次に、上述の如く構成された膨張機(1) の
動作について説明する。冷凍機の作動は基本的に通常の
ものと同様に行われる。すなわち、先ず、膨張機(1) に
おけるシリンダ(5) 内の圧力が低圧であって、スラック
ピストン(16)とディスプレーサ(18)とが下降端位置にあ
る状態において、バルブモータ(23)の駆動によるロータ
リバルブ(24)の回転により、その高圧ポート(26)がバル
ブステム(10)上面の第1ガス流路(12)に合致してロータ
リバルブ(24)が高圧側に開く。これに伴い、圧縮機から
高圧ガス配管及び膨張機(1) のモータ室(6) を介してバ
ルブ室(11)に供給されている常温の高圧ヘリウムガスが
ロータリバルブ(24)の高圧ポート(26)及び第1ガス流路
(12)を介してスラックピストン(16)下側の中間空間(19
b) に導入される。また、スラックピストン(16)の内部
空間(19a) のガスはディスプレーサ(18)内の各蓄冷器(2
8,29) を通って順次各膨張空間(20),(21) に充填され、
この蓄冷器(28,29) 内部の蓄冷材(31,32) の周囲を通る
際、前の排気行程で蓄冷材(31,32) が冷却されているこ
とにより、この蓄冷材(31,32) との間での熱交換によっ
て極低温レベル近くまで冷却される。つまり、第1段蓄
冷器(28)を流れるガスは、銅の粒子マトリックスで成る
蓄冷材(31a) により冷却された後、鉛の粒子マトリック
スで成る蓄冷材(31b) により冷却される一方、第2段蓄
冷器(29)を流れるガスは、鉛の粒子マトリックスで成る
蓄冷材(32)により冷却される。また、上記ピストン(16)
上側の駆動空間(15)と下側の中間空間(19b) との圧力差
によってピストン(16)が上昇する。そして、このピスト
ン(16)の上昇ストロークが所定値に達すると、該ピスト
ン(16)の底壁(16a) とディスプレーサ(18)上端のスラッ
クカップリング(22)とが係合して、ディスプレーサ(18)
は圧力変化に対し遅れを持ってスラックピストン(16)に
より引き上げられ、このディスプレーサ(18)の上昇移動
によりその下方の膨張空間(20,21) にさらに高圧ガスが
充填される(吸気行程)。
Next, the operation of the expander (1) configured as described above will be described. The operation of the refrigerator is basically the same as that of a normal refrigerator. That is, first, when the pressure in the cylinder (5) of the expander (1) is low and the slack piston (16) and displacer (18) are at the lower end position, the valve motor (23) is driven. Due to the rotation of the rotary valve (24), the high pressure port (26) matches the first gas flow path (12) on the upper surface of the valve stem (10), and the rotary valve (24) opens to the high pressure side. Along with this, room temperature high pressure helium gas supplied from the compressor to the valve chamber (11) through the high pressure gas pipe and the motor chamber (6) of the expander (1) is supplied to the high pressure port () of the rotary valve (24). 26) and the first gas flow path
Via the (12), the intermediate space (19
It is introduced in b). Also, the gas in the internal space (19a) of the slack piston (16) is stored in each regenerator (2) inside the displacer (18).
Each of the expansion spaces (20), (21) is sequentially filled through
When passing around the regenerator material (31, 32) inside the regenerator (28, 29), the regenerator material (31, 32) has been cooled in the previous exhaust stroke, so this regenerator material (31, 32) ) And is cooled to near the cryogenic level. That is, the gas flowing through the first-stage regenerator (28) is cooled by the regenerator material (31a) made of a copper particle matrix and then cooled by the regenerator material (31b) made of a lead particle matrix. The gas flowing through the two-stage regenerator (29) is cooled by the regenerator material (32) made of a lead particle matrix. Also, the above piston (16)
The piston (16) rises due to the pressure difference between the upper drive space (15) and the lower intermediate space (19b). Then, when the rising stroke of the piston (16) reaches a predetermined value, the bottom wall (16a) of the piston (16) and the slack coupling (22) at the upper end of the displacer (18) are engaged with each other to displace ( 18)
Is pulled up by the slack piston (16) with a delay relative to the pressure change, and the upward movement of the displacer (18) causes the expansion space (20, 21) below it to be further filled with high-pressure gas (intake stroke).

【0031】この後、上記ロータリバルブ(24)が閉じる
と、その後もディスプレーサ(18)は慣性力によって上昇
し、これに伴い、スラックピストン(16)の内部空間(19
a) 内のヘリウムガスが第1及び第2段膨張空間(20,21)
に移動する。
After that, when the rotary valve (24) is closed, the displacer (18) also rises by the inertial force thereafter, and accordingly, the internal space (19) of the slack piston (16) is increased.
a) Helium gas in the first and second expansion space (20,21)
Go to

【0032】そして、ディスプレーサ(18)が上昇端位置
に達した後、ロータリバルブ(24)の低圧ポート(27)が上
記バルブステム(10)上面の第1ガス流路(12)に合致して
バルブ(24)が低圧側に開き、この開弁に伴い、上記ディ
スプレーサ(18)下方の各膨張空間(20,21) 内のヘリウム
ガスがサイモン膨張し、このヘリウムガスの膨張によっ
て寒冷が発生する(膨張行程)。
After the displacer (18) reaches the rising end position, the low pressure port (27) of the rotary valve (24) is aligned with the first gas passage (12) on the upper surface of the valve stem (10). The valve (24) opens to the low pressure side, and with this opening, the helium gas in each expansion space (20, 21) below the displacer (18) expands by Simon, and the expansion of this helium gas produces cold. (Expansion process).

【0033】この極低温状態となったヘリウムガスは、
上記ガス導入時とは逆に、各蓄冷器(28,29) 内の蓄冷材
(31,32) 周囲を通って上記内部空間(19a) に戻り、その
間に各蓄冷材(31,32) を極低温レベルまで冷却しながら
自身が常温まで暖められる。つまり、第2段蓄冷器(29)
を流れるガスは、鉛の粒子マトリックスで成る蓄冷材(3
2)を冷却する一方、第1段蓄冷器(28)を流れるガスは、
鉛の粒子マトリックスで成る蓄冷材(31b) を冷却した
後、銅の粒子マトリックスで成る蓄冷材(31a) を冷却す
る。そして、この常温のヘリウムガスは、さらに内部空
間(19a) 内のガスと共に第1ガス流路(12)、バルブ(24)
の低圧ポート(27)、連通路(14)を介して低圧側アダプタ
(3) より膨張機(1) 外に排出され、低圧ガス配管を通っ
て圧縮機に流れて該圧縮機に吸入される。このガス排出
に伴い上記中間空間(19b) 内のガス圧が低下して、その
駆動空間(15)との圧力差によりスラックピストン(16)が
下降し、このピストン(16)の底壁(16a) がディスプレー
サ(18)の上面に当接した後は該ディスプレーサ(18)が押
圧されて下降し、このディスプレーサ(18)の下降移動に
より膨張空間(20,21) 内のガスが膨張機(1) 外にさらに
排出される(排気行程)。
The helium gas in this cryogenic state is
Contrary to the above gas introduction, the regenerator material in each regenerator (28,29)
(31,32) It returns to the above-mentioned internal space (19a) through the surroundings, during which it cools each regenerator material (31,32) to an extremely low temperature level while warming itself to room temperature. In other words, the second stage regenerator (29)
The gas flowing through the regenerator material (3
While cooling 2), the gas flowing through the first-stage regenerator (28) is
After cooling the regenerator material (31b) composed of a lead particle matrix, the regenerator material (31a) composed of a copper particle matrix is cooled. Then, this room temperature helium gas is further combined with the gas in the internal space (19a) in the first gas flow path (12) and the valve (24).
Low-pressure side adapter via low-pressure port (27) and communication passage (14)
(3) is discharged from the expander (1), flows through the low-pressure gas pipe to the compressor, and is sucked into the compressor. With this gas discharge, the gas pressure in the intermediate space (19b) decreases, and the slack piston (16) descends due to the pressure difference between the driving space (15) and the bottom wall (16a) of this piston (16). ) Comes into contact with the upper surface of the displacer (18), the displacer (18) is pressed and descends, and the downward movement of the displacer (18) causes the gas in the expansion space (20, 21) to expand. ) Further discharge to the outside (exhaust stroke).

【0034】次いで、ロータリバルブ(24)が閉じるが、
この後もディスプレーサ(18)は下降端位置まで下降し、
膨張空間(20,21) 内のガスが排出されて最初の状態に戻
る。以上により膨張機(1) の動作の1サイクルが終了
し、以後は上記と同様な動作が繰り返される。
Then, the rotary valve (24) is closed,
After this, the displacer (18) descends to the lower end position,
The gas in the expansion space (20, 21) is discharged and returns to the initial state. With the above, one cycle of the operation of the expander (1) is completed, and thereafter, the same operation as described above is repeated.

【0035】次に、上述したように、第1段蓄冷器(28)
を構成している蓄冷材(31a,31b) のうちの高温側を銅
(Cu)の粒状マトリックス(31a) により、低温側を鉛
(Pb)の粒状マトリックス(31b) により構成した理由
について説明する。図2には、Cu及びNiの温度に対
する比熱の特性を示しており。図3には、Cu、Al、
Ni及びPbの温度に対する熱伝導率の特性を示してい
る。尚、Cuのtype1 は高純度の銅を焼きなましたもの
を、type2 は無酸素銅を夫々示している。これらに示す
ように、Cuは、高温時における比熱がNiと同程度に
高く(図2)、また、高温時の熱伝導率も他の材料に比
べて高い(100Kの場合、Niの約5倍)。このた
め、このCuは、この比熱及び熱伝導率の面から、特に
高温側の蓄冷材として優れた性質を有していることが分
る。また、図4には、蓄冷材を粒子マトリックスとした
場合とメッシュマトリックスとした場合との冷凍能力及
び冷凍機の駆動時における各行程での差圧について解析
した結果である。膨張空間(本例では第2ボディ(18b)
の内部空間に相当する)の全容積(Vexp )に対する無
効容積(蓄熱されない容積部分:Vvoid)の比を横軸と
し、無効容積が無い場合の冷凍能力(Qideal )に対す
る無効容積を考慮した場合の冷凍能力(Qvoid)の比,
及び上記差圧(ΔP)を夫々縦軸としている。そして、
蓄冷材を粒子マトリックスとした場合の空隙率を30%
とし、メッシュマトリックスとした場合の空隙率を70
%として解析を行った。尚、この空隙率は予め実験によ
って求めたものである。その結果、図4に示すように、
膨張空間の無効容積の増大に伴って冷凍能力及び差圧共
に次第に小さくなっていき、特に、無効容積が小さい領
域にあっては、無効容積の増加量に対する冷凍能力及び
差圧の低減割合が著しく大きくなっている。そして、空
隙率が30%である場合を領域Iで、また空隙率が70
%である場合を領域IIで夫々示している。このように、
蓄冷材をメッシュマトリックスとした場合よりも粒子マ
トリックスとした場合の方が冷凍能力及び差圧が共に高
く確保されている。このような点を考慮して、本例で
は、第1段蓄冷器(28)を構成している蓄冷材(31a,31b)
のうちの高温側を銅の粒状マトリックス(31a) により構
成している。
Next, as described above, the first stage regenerator (28)
The reason why the high temperature side of the cold storage materials (31a, 31b) constituting the above is constituted by the granular matrix (31a) of copper (Cu) and the low temperature side is constituted by the granular matrix (31b) of lead (Pb) will be explained. . FIG. 2 shows the characteristic of specific heat with respect to the temperatures of Cu and Ni. In FIG. 3, Cu, Al,
The characteristic of the thermal conductivity with respect to the temperature of Ni and Pb is shown. In addition, type 1 of Cu indicates annealed high-purity copper, and type 2 indicates oxygen-free copper. As shown in these figures, Cu has a high specific heat at high temperature as high as that of Ni (FIG. 2), and also has a higher thermal conductivity at high temperature than other materials (at 100 K, the thermal conductivity is about 5% of that of Ni). Times). Therefore, it can be seen that this Cu has excellent properties as a cold storage material particularly on the high temperature side in terms of the specific heat and the thermal conductivity. Further, FIG. 4 shows the results of analysis of the refrigerating capacity and the differential pressure in each stroke when the refrigerator is driven, when the cold storage material is a particle matrix and when it is a mesh matrix. Expansion space (In this example, the second body (18b)
(Corresponding to the internal space of the) of the total volume (Vexp) to the ratio of the invalid volume (volume part that does not store heat: Vvoid) on the horizontal axis, and considering the invalid volume with respect to the refrigerating capacity (Qideal) when there is no invalid volume. Refrigerating capacity (Qvoid) ratio,
And the above-mentioned differential pressure (ΔP) is plotted on the vertical axis. And
30% porosity when using a cold storage material as a particle matrix
And the porosity of a mesh matrix is 70
The analysis was performed as%. The porosity was previously obtained by an experiment. As a result, as shown in FIG.
Both the refrigerating capacity and the differential pressure gradually decrease with the increase of the ineffective volume of the expansion space. Especially, in the region where the ineffective volume is small, the reducing rate of the refrigerating capacity and the differential pressure with respect to the increase of the ineffective volume is remarkable. It is getting bigger. The region I has a porosity of 30%, and a porosity of 70.
Areas II show the cases of%. in this way,
Both the refrigerating capacity and the differential pressure are secured higher when the particle matrix is used than when the cold storage material is the mesh matrix. In consideration of such a point, in this example, the regenerator material (31a, 31b) constituting the first-stage regenerator (28)
The high temperature side of these is constituted by a granular copper matrix (31a).

【0036】このように、本例では、高温時における比
熱及び熱伝導率が共に高いCuを材料とし、冷凍能力及
び差圧を共に高く確保できる粒子マトリックスを形状と
して有する蓄冷材(31a) を第1段蓄冷器(28)の高温側に
採用したことにより、従来のように材料としてNiを採
用した場合や形状としてメッシュマトリックスを採用し
た場合に比べて冷凍機全体としての性能の向上を図るこ
とができる。
As described above, in this example, the cool storage material (31a) is made of Cu, which has both high specific heat and high thermal conductivity at high temperature, and has the shape of the particle matrix capable of ensuring high refrigerating capacity and high differential pressure. By adopting on the high temperature side of the one-stage regenerator (28), it is possible to improve the performance of the entire refrigerator as compared with the conventional case where Ni is used as the material and the case where the mesh matrix is used as the shape. You can

【0037】また、第1段蓄冷器(28)の低温側を構成し
ている蓄冷材として、低温時の熱伝導率が大きいPbを
採用したことにより(図3参照)、この低温側での蓄熱
量をも十分に確保することができ、これによっても冷凍
機全体としての性能の向上を図ることができる。
Further, by adopting Pb, which has a large thermal conductivity at low temperature, as the cold storage material constituting the low temperature side of the first stage regenerator (28) (see FIG. 3), It is possible to secure a sufficient amount of heat storage, which also improves the performance of the refrigerator as a whole.

【0038】この本例の効果を図5に示す冷凍機のエネ
ルギーフロー図を用いて説明すると、冷凍機に対する
“電気入力”(I) に対し、ジュール損失及び鉄損等のモ
ータ損失と機械損失(II)が差し引かれた“図示仕事”(I
II) と呼ばれる冷凍機本来の駆動のための仕事量が得ら
れ、この図示仕事(III) に対して、断熱損失、漏れ損失
及び蓄冷器圧力損失等の非可逆仕事(IV)を差引いた“可
逆仕事”(V) (上記図4におけるQideal に相当)が得
られる。更に、この可逆仕事(V) に対して放熱による損
失(VI)及び蓄冷器の熱損失(VII) を差引いた“図示冷凍
能力”(VIII)と呼ばれる冷凍機としての仕事量が得られ
る。そして、この図示冷凍能力(VIII)に対してシャトル
損失、ポンピング損失、熱伝導損失、輻射熱損失及びTH
T 損失等(IX)により“正味冷凍能力”(X) と呼ばれる実
際に寒冷を発生させる仕事量が得られることになる。こ
のようなエネルギーフローにおいて、本例の構成によれ
ば、上記可逆仕事(V) から差引かれる損失(特に蓄冷器
熱損失VII )が小さくなり、その結果、正味冷凍能力
(X) を大きく確保することができることになる。
The effect of this example will be described with reference to the energy flow diagram of the refrigerator shown in FIG. 5. Motor loss such as Joule loss and iron loss and mechanical loss with respect to “electric input” (I) to the refrigerator. (Illustration work) (I)
The work amount for the original drive of the refrigerator called II) is obtained, and the non-reversible work (IV) such as adiabatic loss, leakage loss and regenerator pressure loss is subtracted from this illustrated work (III). A reversible work ”(V) (corresponding to Qideal in FIG. 4 above) is obtained. Further, a work amount as a refrigerator called "illustrated refrigerating capacity" (VIII) is obtained by subtracting the loss (VI) due to heat dissipation and the heat loss (VII) of the regenerator from the reversible work (V). Then, for this indicated refrigeration capacity (VIII), shuttle loss, pumping loss, heat conduction loss, radiant heat loss and TH
The T-loss etc. (IX) gives us the work that actually produces the cold, called the "net refrigeration capacity" (X). In such an energy flow, according to the configuration of the present example, the loss subtracted from the reversible work (V) (in particular, the heat loss VII of the regenerator) becomes small, and as a result, the net refrigerating capacity is reduced.
It is possible to secure a large (X).

【0039】また、この第1段蓄冷器(28)の作製時の動
作としては、第1ボディ(18a) に対し、アダプタ(18c)
の装着前に鉛の粒体(31b,31b, …) を所定量だけ流し込
んだ後、続いて銅の粒体(31a,31a, …) を流し込むこと
によって行われ、メッシュマトリックスの作製時のよう
にメッシュを積層していくといった繁雑な作業が必要な
くなり、簡単且つ迅速に第1段蓄冷器(28)を作製するこ
とができる。また、第2段蓄冷器(29)を作製する場合も
同様にして行われる。
The operation of the first-stage regenerator (28) at the time of manufacture is as follows: the first body (18a), the adapter (18c)
It is performed by pouring a certain amount of lead particles (31b, 31b, ...) before mounting the and then pouring copper particles (31a, 31a, ...). A complicated work such as stacking the meshes on each other is not required, and the first-stage regenerator (28) can be easily and quickly manufactured. The same applies to the case where the second-stage regenerator (29) is manufactured.

【0040】尚、本発明は、上記実施例の如きG−Mサ
イクルを持つヘリウム冷凍機に限らず、ヘリウムガス以
外の冷媒ガスを使用するものに対しても適用できるのは
勿論である。
Incidentally, the present invention is not limited to the helium refrigerator having the GM cycle as in the above embodiment, but it is needless to say that the present invention can be applied to those using a refrigerant gas other than helium gas.

【0041】また、低温側の蓄冷材としてはPbに限ら
ず、ガドリロジウム粒やガドリエルビウムロジウム粒等
を採用してもよい。
The cold storage material on the low temperature side is not limited to Pb, and gadolinium particles, gadolin erbium rhodium particles, or the like may be used.

【0042】[0042]

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
以下に述べるような効果が発揮される。請求項1記載の
発明によれば、蓄冷器において、高温流体が導入される
部分の蓄冷材の材料として、高温域での比熱及び熱伝導
率が共に高い銅を採用し、また、この銅を、メッシュマ
トリックスに比べて蓄冷器内での空隙率を小さくできる
粒状マトリックスとしたことにより、冷熱の蓄熱量を大
きく確保することができる。これにより、蓄冷器の性能
の大幅な向上が図れる。
As described above, according to the present invention,
The following effects are exhibited. According to the invention described in claim 1, in the regenerator, copper having high specific heat and high thermal conductivity in a high temperature range is used as a material of the regenerator material of a portion into which the high temperature fluid is introduced. By using a granular matrix that can reduce the porosity in the regenerator as compared with the mesh matrix, a large amount of cold heat can be stored. As a result, the performance of the regenerator can be significantly improved.

【0043】請求項2記載の発明によれば、上述した請
求項1記載の発明に係る効果を発揮する蓄冷器を備えた
極低温冷凍機であるために、その冷凍性能の向上を図る
ことができる。
According to the invention described in claim 2, since it is a cryogenic refrigerator provided with the regenerator that exhibits the effect according to the invention described in claim 1, the refrigeration performance can be improved. it can.

【0044】請求項3記載の発明では、蓄冷器が採用さ
れる極低温冷凍機の構成を具体的に得ることができ、蓄
冷器に対して導入する低温流体の生成を確実に行うこと
ができる。また、蓄冷器の作製時の動作としては、ディ
スプレーサに対して銅の粒体流し込むことにより行われ
るので、メッシュマトリックスの作製時のようにメッシ
ュを積層していくといった繁雑な作業が必要なくなり、
簡単且つ迅速に蓄冷器を作製することができる。
According to the third aspect of the invention, the structure of the cryogenic refrigerator in which the regenerator is adopted can be specifically obtained, and the low temperature fluid to be introduced into the regenerator can be reliably generated. . In addition, as the operation during the production of the regenerator, since it is performed by pouring the copper particles into the displacer, it is not necessary to perform the complicated work such as laminating the mesh like when producing the mesh matrix,
A regenerator can be manufactured easily and quickly.

【0045】請求項4記載の発明では、低温時の熱伝導
率が大きい鉛を、空隙率を小さくできる粒状マトリック
スとして低温流体が導入される部分の蓄冷材に採用した
ために、この低温側での蓄熱量をも十分に確保すること
ができ、上述した高温側の蓄冷材により発揮される効果
と相俟って冷凍機全体としての性能の向上を図ることが
できる。
According to the fourth aspect of the present invention, lead, which has a high thermal conductivity at low temperature, is used as the granular matrix capable of reducing the porosity in the regenerator material into which the low temperature fluid is introduced. A sufficient amount of heat storage can be ensured, and the performance of the entire refrigerator can be improved in combination with the effect exerted by the cold storage material on the high temperature side described above.

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

【図1】本発明の実施例に係る冷凍機における膨張機の
断面図である。
FIG. 1 is a sectional view of an expander in a refrigerator according to an embodiment of the present invention.

【図2】Cu及びNiの温度に対する比熱の特性を示す
図である。
FIG. 2 is a diagram showing characteristics of specific heat with respect to temperatures of Cu and Ni.

【図3】各種金属材料の温度に対する熱伝導率の特性を
示す図である。
FIG. 3 is a diagram showing characteristics of thermal conductivity with respect to temperature of various metal materials.

【図4】膨張空間の無効容積割合に対する冷凍能力及び
差圧の特性を示す図である。
FIG. 4 is a diagram showing characteristics of a refrigerating capacity and a differential pressure with respect to an ineffective volume ratio of an expansion space.

【図5】冷凍機のエネルギーフロー図である。FIG. 5 is an energy flow diagram of a refrigerator.

【図6】従来例における冷凍機の膨張空間周辺部の構造
を示す断面図である。
FIG. 6 is a cross-sectional view showing a structure of a peripheral portion of an expansion space of a refrigerator in a conventional example.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

(5) シリンダ (18) ディスプレーサ (20) 第1段膨張空間(膨張空間) (28) 第1段蓄冷器(蓄冷器) (31) 第1段蓄冷材(蓄冷材) (31a) 銅の粒状マトリックス (31b) 鉛の粒状マトリックス (5) Cylinder (18) Displacer (20) 1st stage expansion space (expansion space) (28) 1st stage regenerator (regenerator) (31) 1st stage regenerator material (regenerator material) (31a) Copper granules Matrix (31b) Lead granular matrix

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 蓄冷材(31)により形成され、一端から導
入される低温流体と蓄冷材(31)との間で熱交換を行うこ
とにより、該蓄冷材(31)に冷熱を蓄熱する一方、他端か
ら導入される高温流体と蓄冷材(31)との間で熱交換を行
うことにより、高温流体を冷却するようにした蓄冷器に
おいて、 上記高温流体が導入される部分の蓄冷材(31a) は、銅の
粒状マトリックスで成っていることを特徴とする蓄冷
器。
1. The cold storage material (31) is formed by a cold storage material (31) and heat is exchanged between the cold storage material (31) and the cold storage material (31) to store cold heat in the cold storage material (31). In the regenerator configured to cool the high temperature fluid by performing heat exchange between the high temperature fluid introduced from the other end and the regenerator material (31), the regenerator material of the portion where the high temperature fluid is introduced ( 31a) is a regenerator characterized by being made of a granular matrix of copper.
【請求項2】 蓄冷材(31)により形成され、一端から導
入される低温流体と蓄冷材(31)との間で熱交換を行うこ
とにより、該蓄冷材(31)に冷熱を蓄熱する一方、他端か
ら導入される高温流体と蓄冷材(31)との間で熱交換を行
うことにより、高温流体を冷却するようにした蓄冷器(2
8)を備えた極低温冷凍機において、 上記高温流体が導入される部分の蓄冷材(31a) は、銅の
粒状マトリックスで成っていることを特徴とする極低温
冷凍機。
2. The cold storage material (31) is formed of a cold storage material (31), and heat is exchanged between the cold storage material (31) and the cold storage material (31), whereby cold heat is stored in the cold storage material (31). , A regenerator (2) configured to cool the high temperature fluid by performing heat exchange between the high temperature fluid introduced from the other end and the regenerator material (31).
In the cryogenic refrigerator including 8), the regenerator material (31a) in the portion into which the high temperature fluid is introduced is made of a granular matrix of copper.
【請求項3】 蓄冷器(28)は、シリンダ(5) 内に往復動
可能に嵌装されたディスイプレーサ(18)内部に収容され
ており、 該ディスプレーサ(18)は、蓄冷器(28)の低温流体導入側
とシリンダ(5) との間に膨張空間(20)を区画形成し、往
復動することによって膨張空間(20)内の流体を膨張させ
て温度降下させ、この膨張空間(20)内で冷熱を発生させ
るように成っていることを特徴とする請求項2記載の極
低温冷凍機。
3. A regenerator (28) is housed inside a displacer (18) fitted in a cylinder (5) so as to be able to reciprocate, and the displacer (18) is regenerator (28). ), The expansion space (20) is defined between the low temperature fluid introduction side and the cylinder (5), and the fluid in the expansion space (20) is expanded by reciprocating to lower the temperature. The cryogenic refrigerator according to claim 2, wherein cold heat is generated in the inside of 20).
【請求項4】 低温流体が導入される部分の蓄冷材(31
b) は、鉛の粒状マトリックスで成っていることを特徴
とする請求項2または3記載の極低温冷凍機。
4. A regenerator material (31) for a portion into which a low temperature fluid is introduced.
Cryogenic refrigerator according to claim 2 or 3, characterized in that b) consists of a granular matrix of lead.
JP7142765A 1995-06-09 1995-06-09 Cold-storing device, and extremely low temperature refrigerator using same device Withdrawn JPH08334273A (en)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2015083914A (en) * 2013-09-17 2015-04-30 住友重機械工業株式会社 Regenerative refrigerator, first stage regenerator, and second stage regenerator

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