JPH11257769A - Cold storage refrigerating machine - Google Patents

Cold storage refrigerating machine

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Publication number
JPH11257769A
JPH11257769A JP6511398A JP6511398A JPH11257769A JP H11257769 A JPH11257769 A JP H11257769A JP 6511398 A JP6511398 A JP 6511398A JP 6511398 A JP6511398 A JP 6511398A JP H11257769 A JPH11257769 A JP H11257769A
Authority
JP
Japan
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stage
volume
regenerator
expansion
gas
Prior art date
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Pending
Application number
JP6511398A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Yasumi Otani
安見 大谷
Hideo Hatakeyama
秀夫 畠山
Hideki Nakagome
秀樹 中込
Takashi Sasaki
高士 佐々木
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Filing date
Publication date
Application filed by Toshiba Corp filed Critical Toshiba Corp
Priority to JP6511398A priority Critical patent/JPH11257769A/en
Publication of JPH11257769A publication Critical patent/JPH11257769A/en
Pending legal-status Critical Current

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To enhance refrigerating efficiency of a refrigerating machine comprising cold accumulators and expansion units arranged in multistage with a target temperature being set lower than 5K in the final cooling stage by specifying the volume of the final stage cold accumulator being occupied by refrigerant gas with respect to the expansion volume of a final stage expansion unit. SOLUTION: A two-stage expansion, two-stage cooling Gifford-MacMahon GM refrigerating machine having a design cooling temperature lower than 5K comprises a cold head 2 substantially disposed in a vacuum container 1, and a gas supply system 4 disposed in room temperature atmosphere. The cold head 2 comprises a displacer 12 contained in a stepped cylinder 11 reciprocally in the direction of gravity. The displacer 12 comprises first and second displacers 16, 18 of different diameter and cold accumulators 23, 25 of first and second stages are formed, respectively, in the displacers 16, 18. Volume of the second stage cold accumulator 25 is set 1.5-4 times as large as the expansion volume formed in a second expansion chamber 17.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、蓄冷式冷凍機に係
り、特に最終段冷却ステージの目標温度が液体ヘリウム
温度近辺に設定される蓄冷式冷凍機に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a regenerative refrigerator, and more particularly, to a regenerative refrigerator in which a target temperature of a final cooling stage is set near a liquid helium temperature.

【0002】[0002]

【従来の技術】周知のように、最近では、小型でしかも
到達温度が5K以下と十分に低い蓄冷式冷凍機が出現し
ている。これには極低温下において大きな比熱を有する
磁性蓄冷材の出現が大きく寄与している。
2. Description of the Related Art As is well known, recently, a regenerative refrigerator having a small size and a sufficiently low reached temperature of 5 K or less has appeared. The appearance of a magnetic regenerator material having a large specific heat at an extremely low temperature greatly contributes to this.

【0003】このような蓄冷式冷凍機、たとえばギフォ
ード・マクマホン冷凍サイクルを採用したGM冷凍機
は、室温部におかれるコンプレッサと、低温部におかれ
る膨張機と、この膨張機とコンプレッサとの間をつなぐ
蓄冷器との3つの要素で構成される。すなわち、コンプ
レッサで圧縮された冷媒ガスが吸気バルブを介して蓄冷
器に導かれ、ここで予冷された後に膨張機で膨張仕事に
相当した寒冷を発生し、再び蓄冷器を通って次に吸気さ
れる冷媒ガスを冷却するために蓄冷材を冷やしながら温
度上昇して室温に戻った後に排気バルブを介してコンプ
レッサへと返される。この行程を1サイクルとして周期
的に寒冷を発生させている。
[0003] Such a regenerative refrigerator, for example, a GM refrigerator employing a Gifford McMahon refrigeration cycle, has a compressor placed at room temperature, an expander placed at low temperature, and a compressor between the expander and the compressor. And a regenerator connecting the two. That is, the refrigerant gas compressed by the compressor is guided to the regenerator through the intake valve, where it is pre-cooled, and then generates cold corresponding to the expansion work in the expander, and is then again drawn through the regenerator. In order to cool the refrigerant gas, the temperature of the regenerator material rises while cooling the regenerator material, returns to room temperature, and is returned to the compressor via an exhaust valve. With this process as one cycle, cold is generated periodically.

【0004】このようなGM冷凍機では、冷却温度を下
げるために、通常、膨張機と蓄冷器とを多段構成、例え
ば2段構成に設けている。2段構成のGM冷凍機を例に
とると、1段冷却ステージは液体窒素温度(77K)レ
ベルに冷却されることが多い。このため、1段蓄冷器に
は銅、ステンレス、鉛等の蓄冷材(網状または球状物)
が用いられている。一方、2段冷却ステージ(最終段)
は20Kレベルに冷却されることが一般的である。その
ため、2段蓄冷器(最終段)の蓄冷材には鉛(球状物)
が用いられている。液体ヘリウム温度(4.2K)レベ
ルの冷却を行う場合には、2段蓄冷器の蓄冷材として鉛
よりも上記温度レベルにおいて比熱の高い磁性体、例え
ばEr3 Ni等が用いられる。そして、この場合には冷
媒としてヘリウムガスが用いられる。
In such a GM refrigerator, an expander and a regenerator are usually provided in a multi-stage configuration, for example, a two-stage configuration in order to lower the cooling temperature. Taking a two-stage GM refrigerator as an example, the one-stage cooling stage is often cooled to the liquid nitrogen temperature (77 K) level. For this reason, cold storage materials such as copper, stainless steel, and lead (net-like or spherical) are used in the single-stage regenerator.
Is used. On the other hand, two-stage cooling stage (final stage)
Is typically cooled to the 20K level. Therefore, lead (spherical material) is used as the cold storage material for the two-stage regenerator (final stage).
Is used. When cooling at the liquid helium temperature (4.2 K) level, a magnetic material having a higher specific heat at the above-mentioned temperature level than lead, such as Er 3 Ni, is used as the cold storage material of the two-stage regenerator. In this case, helium gas is used as a refrigerant.

【0005】ところで、このような蓄冷式冷凍機、特に
冷媒としてヘリウムガスを用い、最終段冷却ステージの
目標温度が5K未満に設定されるものにおいては、次の
ような問題があった。
However, such a regenerative refrigerator, particularly one using helium gas as a refrigerant and setting the target temperature of the final cooling stage at less than 5K, has the following problems.

【0006】すなわち、冷凍温度の低下により、必要と
する冷媒ガス流量が大幅に増え、同じ圧縮比で運転する
ためには、到達温度が20Kレベルの冷凍機で用いるコ
ンプレッサよりもさらに高出力のコンプレッサを用いる
必要があり、20Kレベルの冷凍機に較べて冷凍効率が
著しく低いという問題があった。
That is, the required refrigerant gas flow rate is greatly increased due to a decrease in the refrigeration temperature, and in order to operate at the same compression ratio, a compressor having a higher output than a compressor used in a chiller whose ultimate temperature is 20K level is used. Refrigeration efficiency is remarkably lower than that of a 20K level refrigerator.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】上述の如く、従来の蓄
冷式冷凍機、特に冷媒としてヘリウムガスを用い、最終
段冷却ステージの目標温度が5K未満に設定されるもの
においては、目標温度の高い冷凍機に比べて冷凍効率が
著しく低いという問題があった。
As described above, in a conventional regenerative refrigerator, in particular, in the case where helium gas is used as a refrigerant and the target temperature of the final cooling stage is set to less than 5K, the target temperature is high. There is a problem that the refrigerating efficiency is significantly lower than that of the refrigerator.

【0008】そこで本発明は、冷媒としてヘリウムガス
を用い、最終段冷却ステージの目標温度が5K未満に設
定されるものにおいても、構成の複雑化を招くことなく
冷凍効率の向上を図れる蓄冷式冷凍機を提供することを
目的としている。
Accordingly, the present invention provides a regenerative refrigeration system which can improve refrigeration efficiency without complicating the structure even when helium gas is used as the refrigerant and the target temperature of the final cooling stage is set to less than 5K. The purpose is to provide a machine.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、蓄冷器と膨張機とを多段設けた蓄冷式冷
凍機において、最終段に位置する蓄冷器の容積のうちの
冷媒ガスの占める無効容積が、最終段に位置する膨張機
の膨張容積の1.5倍から4倍であることを特徴として
いる。
In order to achieve the above object, the present invention relates to a regenerative refrigerator having multiple stages of regenerators and expanders. The inactive volume occupied by gas is 1.5 to 4 times the expansion volume of the expander located at the last stage.

【0010】なお、最終段に位置する蓄冷器は、内部
で、かつ低温側に位置する部分に無効容積の一部をなす
空間を備えていてもよいし、また内部で、かつ低温側と
高温側との中間位置に無効容積の一部をなす空間を備え
ていてもよい。
[0010] The regenerator located at the last stage may be provided with a space which forms a part of an ineffective volume inside and at a portion located on the low temperature side, or may be provided inside and on the low temperature side and at a high temperature. A space that forms a part of the dead volume may be provided at a position intermediate the side.

【0011】本発明は、冷媒ガスとしてヘリウムガスを
用い、最終段冷却ステージの目標温度が液体ヘリウム温
度近辺である蓄冷式冷凍機に特に有効である。最終段に
位置する蓄冷器の容積のうちの冷媒ガスの占める無効容
積を上記関係に設定することによって、後述する理由
で、高出力のコンプレッサの使用を不要化でき、冷凍効
率の向上を図ることができる。
The present invention is particularly effective for a regenerative refrigerator in which helium gas is used as the refrigerant gas and the target temperature of the final cooling stage is near the liquid helium temperature. By setting the ineffective volume occupied by the refrigerant gas in the volume of the regenerator located at the last stage in the above relationship, the use of a high-output compressor can be made unnecessary for the reason described later, and the refrigeration efficiency can be improved. Can be.

【0012】[0012]

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら発明の
実施形態を説明する。図1には本発明の一実施形態に係
る蓄冷式冷凍機、ここには2段膨張式で最終段、つまり
第2段冷却ステージの設計冷却温度が5K未満のGM冷
凍機が示されている。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 shows a regenerative refrigerator according to an embodiment of the present invention, in which a two-stage expansion type GM refrigerator in which the designed cooling temperature of a final stage, that is, a second stage cooling stage is less than 5K is shown. .

【0013】このGM冷凍機は、大部分が真空容器1の
中に配置される冷凍機コールドヘッド2と室温雰囲気3
中に配置されるガス供給系4とで構成されている。冷凍
機コールドヘッド3では、閉じられたシリンダ11内に
断熱材で形成されたディスプレーサ12が例えば重力方
向と平行に往復動自在に収納されている。シリンダ11
は、大径の第1シリンダ13と、この第1シリンダ13
に同軸接続された小径の第2シリンダ14とで構成され
ている。なお、第1シリンダ13および第2シリンダ1
4は、通常、薄いステンレス鋼板等で形成される。
The GM refrigerator has a refrigerator cold head 2 and a room temperature atmosphere 3
And a gas supply system 4 disposed therein. In the cold head 3 of the refrigerator, a displacer 12 formed of a heat insulating material is housed in a closed cylinder 11 so as to be reciprocally movable, for example, parallel to the direction of gravity. Cylinder 11
Is a large-diameter first cylinder 13 and the first cylinder 13
And a small-diameter second cylinder 14 coaxially connected to the second cylinder 14. The first cylinder 13 and the second cylinder 1
4 is usually formed of a thin stainless steel plate or the like.

【0014】第1シリンダ13内には、この第1シリン
ダ13のヘッド壁との間に第1段膨張機の膨張室15を
形成する第1ディスプレーサ16が第1シリンダ13の
内周面との間に所定の隙間を設けて往復動自在に配置さ
れている。同様に、第2シリンダ14内には、この第2
シリンダ14のヘッド壁との間に第2段(最終段)膨張
機の膨張室17を形成する第2ディスプレーサ18が往
復動自在に配置されている。
In the first cylinder 13, a first displacer 16 forming an expansion chamber 15 of the first stage expander between the first cylinder 13 and a head wall of the first cylinder 13 is provided between the first cylinder 13 and the inner peripheral surface of the first cylinder 13. A predetermined gap is provided between them, and they are arranged so as to be able to reciprocate freely. Similarly, in the second cylinder 14, the second cylinder
A second displacer 18 that forms an expansion chamber 17 of a second-stage (final-stage) expander between the head wall of the cylinder 14 and the cylinder wall is reciprocally movable.

【0015】第1ディスプレーサ16および第2ディス
プレーサ18は、共に例えばベークライト等の断熱性樹
脂で形成されており、第2ディスプレーサ18とほぼ同
径の連結部19で軸方向に連結されている。また、第1
ディスプレーサ16および第2ディスプレーサ18の外
周面にはそれぞれ環状溝が形成されており、これら環状
溝には第1シリンダ13および第2シリンダ14との間
を無潤滑でそれぞれシールするシールリング20,21
が装着されている。
The first displacer 16 and the second displacer 18 are both formed of a heat insulating resin such as bakelite, for example, and are connected in the axial direction by a connecting portion 19 having substantially the same diameter as the second displacer 18. Also, the first
Annular grooves are formed on the outer peripheral surfaces of the displacer 16 and the second displacer 18, respectively. Seal rings 20, 21 for sealing the first and second cylinders 13 and 14 without lubrication are formed in the respective annular grooves.
Is installed.

【0016】第1ディスプレーサ16の内部には第1段
の蓄冷器を構成するための流体通路22が軸方向に形成
されており、この流体通路22にはたとえば銅で作られ
たメッシュ構造の蓄冷材23が収容されている。同様
に、第2ディスプレーサ18の内部には第2段(最終
段)の蓄冷器を構成するための流体通路24が形成され
ており、この流体通路24にはEr3 Ni等のような磁
気相転移に伴う異常磁気比熱等を利用した粒状の磁性蓄
冷材からなる蓄冷材25が収容されている。
A fluid passage 22 for forming a first stage regenerator is formed in the first displacer 16 in the axial direction. The fluid passage 22 has a mesh structure cold accumulator made of copper, for example. The material 23 is accommodated. Similarly, a fluid passage 24 for forming a second stage (final stage) regenerator is formed inside the second displacer 18, and a magnetic phase such as Er 3 Ni is formed in the fluid passage 24. A regenerator material 25 made of granular magnetic regenerator material utilizing abnormal magnetic specific heat or the like accompanying the transition is accommodated.

【0017】ここで、この例に係る蓄冷式冷凍機では、
図2に等価的に示すように、第2段蓄冷器の容積、つま
り流体通路24の容積のうちの蓄冷材25、図示しない
仕切板、整流板等の固体部材が占める容積以外のいわゆ
る冷媒ガスが占める無効容積(ボイド容積)が、膨張室
17によって形成される膨張容積の1.5倍から4倍の
大きさに設定されている。そして、この例では、、流体
通路24内で、低温側に位置する部分に上述した無効容
積の一部をなす空間26を備えている。
Here, in the regenerative refrigerator according to this embodiment,
As equivalently shown in FIG. 2, the so-called refrigerant gas other than the volume occupied by the solid members such as the cold storage material 25, the partition plate and the rectifying plate (not shown) in the volume of the second stage regenerator, that is, the volume of the fluid passage 24. Is set to 1.5 to 4 times the expansion volume formed by the expansion chamber 17. In this example, a space 26 which forms a part of the above-described ineffective volume is provided in a portion located on the low temperature side in the fluid passage 24.

【0018】第1ディスプレーサ16の図1中上端は、
連結ロッド27およびクランク軸28を介してモータ2
9の回転軸に連結されている。したがって、モータ29
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30で示すように、上下方向に往復動す
る。この往復動によって、第1段膨張室15及び第2段
膨張室17の容積が変化する。このことから判るよう
に、この例では第1シリンダ13のヘッド壁によって第
1段冷却ステージ31が構成され、第2シリンダ14の
ヘッド壁によって第2段(最終段)冷却ステージ32が
構成されている。
The upper end of the first displacer 16 in FIG.
The motor 2 is connected via the connecting rod 27 and the crankshaft 28.
9 rotation shafts. Therefore, the motor 29
Rotates, the displacer 12 is synchronized with this rotation.
Reciprocate up and down as shown by the solid arrow 30 in the figure. Due to this reciprocation, the volumes of the first-stage expansion chamber 15 and the second-stage expansion chamber 17 change. As can be seen from this, in this example, the first stage cooling stage 31 is constituted by the head wall of the first cylinder 13, and the second stage (final stage) cooling stage 32 is constituted by the head wall of the second cylinder 14. I have.

【0019】第1ディスプレーサ16の図1中上方に存
在する空間は、吸気バブル33および排気バルブ34を
介してガス供給系4に接続されている。ここで吸気バル
ブ33および排気バルブ34は、カム等の仲介のもとに
ディスプレーサ12の往復動に連動して開閉制御され
る。
The space above the first displacer 16 in FIG. 1 is connected to the gas supply system 4 via an intake bubble 33 and an exhaust valve 34. Here, the intake valve 33 and the exhaust valve 34 are controlled to open and close in interrelation with the reciprocating motion of the displacer 12 under the intervention of a cam or the like.

【0020】ガス供給系4は、排気バルブ34を介して
吸い込んだ冷媒としてのヘリウムガスを所定の圧力に圧
縮して吸気バルブ33に供給するコンプレッサ35によ
って構成されている。
The gas supply system 4 includes a compressor 35 which compresses helium gas as a refrigerant sucked through an exhaust valve 34 to a predetermined pressure and supplies the compressed helium gas to an intake valve 33.

【0021】なお、図1中40は第1段冷却ステージ3
1に熱的に接続された熱シールド板を示し、41は第2
段冷却ステージ32に熱的に接続された超電導コイル等
の被冷却物を示し、42はコンプレッサ35で圧縮され
たヘリウムガスを水等で冷却する熱交換器を示してい
る。
In FIG. 1, reference numeral 40 denotes a first cooling stage 3;
Reference numeral 1 denotes a heat shield plate thermally connected, and 41 denotes a second heat shield plate.
An object to be cooled such as a superconducting coil thermally connected to the stage cooling stage 32 is shown, and reference numeral 42 is a heat exchanger for cooling the helium gas compressed by the compressor 35 with water or the like.

【0022】モータ29を回転開始させると、ディスプ
レーサ12が下死点(図1中最上点)と上死点(図1中
最下点)との間を往復動する。この例では、1秒間に
0.3〜2.0回、たとえば1秒間に1回の割合で往復
動する。このため、第2段膨張室17は、1サイクルの
間に容積がほぼ零から最大値まで変化する。
When the motor 29 starts rotating, the displacer 12 reciprocates between a bottom dead center (the top point in FIG. 1) and a top dead center (the bottom point in FIG. 1). In this example, it reciprocates 0.3 to 2.0 times per second, for example, once per second. Therefore, the volume of the second-stage expansion chamber 17 changes from substantially zero to the maximum value during one cycle.

【0023】コンプレッサ35を駆動している状態で、
ディスプレーサ12が上死点に至ると、吸気バルブ33
が開き、例えば2.5MPaのヘリウムガスが冷凍機コ
ールドヘッド2内に流入する。そして、ディスプレーサ
12の下死点側への移動に伴って吸気バルブ33が閉じ
る。このとき、排気バルブ34は閉じた状態を維持して
いる。
While the compressor 35 is being driven,
When the displacer 12 reaches the top dead center, the intake valve 33
Is opened, for example, helium gas of 2.5 MPa flows into the cold head 2 of the refrigerator. Then, as the displacer 12 moves to the bottom dead center side, the intake valve 33 closes. At this time, the exhaust valve 34 is kept closed.

【0024】ディスプレーサ12が下死点側へと移動を
継続しているので、2.5MPaのヘリウムガスは第1
ディスプレーサ16に形成された流体通路22を通って
第1段膨張室15へ、また第2ディスプレーサ18に形
成された流体通路24を通って第2段膨張室17へと流
れる。すなわち、2.5MPaのヘリウムガスは、蓄冷
材23,25に触れながら第1段膨張室15および第2
段膨張室17へと流れる。
Since the displacer 12 continues to move toward the bottom dead center, the helium gas of 2.5 MPa
The fluid flows to the first stage expansion chamber 15 through a fluid passage 22 formed in the displacer 16, and to the second stage expansion chamber 17 through a fluid passage 24 formed in the second displacer 18. That is, the helium gas of 2.5 MPa contacts the first-stage expansion chamber 15 and the second
It flows to the step expansion chamber 17.

【0025】ここで、ディスプレーサ12が下死点に達
すると、排気バルブ34が開く。このように排気バルブ
34が開くと、第1段膨張室15内および第2段膨張室
17内の圧力は急激に例えば0.5MPaまで低下す
る。この圧力低下でヘリウムガスが断熱膨張して寒冷を
発生する。この寒冷によって第1段冷却ステージ31お
よび第2段冷却ステージ32が徐々に冷却される。
Here, when the displacer 12 reaches the bottom dead center, the exhaust valve 34 is opened. When the exhaust valve 34 is opened in this manner, the pressure in the first-stage expansion chamber 15 and the pressure in the second-stage expansion chamber 17 rapidly decrease to, for example, 0.5 MPa. The helium gas adiabatically expands due to this pressure drop to generate cold. The first cooling stage 31 and the second cooling stage 32 are gradually cooled by this cold.

【0026】ディスプレーサ12が再び上死点へと移動
すると、これに伴って第1段膨張室15内および第2段
膨張室17内の容積が小さくなるので、低温のヘリウム
ガスが流体通路22,24内を通過し、この通過の際に
蓄冷材23,25を冷却する。温度の上昇したヘリウム
ガスは、排気バルブ34を介してコンプレッサ35へと
排出される。上述したサイクルが繰り返され、やがて第
1段冷却ステージ31が30K程度に、また第2段冷却
ステージ32が目標温度である5K未満に冷却される。
When the displacer 12 moves to the top dead center again, the volumes in the first-stage expansion chamber 15 and the second-stage expansion chamber 17 decrease accordingly. 24, and cools the cold storage materials 23 and 25 during this passage. The helium gas whose temperature has risen is discharged to the compressor 35 via the exhaust valve 34. The above-described cycle is repeated until the first cooling stage 31 is cooled to about 30K and the second cooling stage 32 is cooled to less than the target temperature of 5K.

【0027】このように、この例に係る蓄冷式冷凍機で
は、最終段に位置する蓄冷器の容積のうちの冷媒ガスの
占める無効容積が、最終段に位置する膨張機の膨張容積
の1.5倍から4倍となるように設定されているので、
第2段冷却ステージ32の冷凍性能を維持したまま最終
段に位置する蓄冷器の入り口(高温端)を通る冷媒ガス
流量を最小に抑えることが可能となり、コンプレッサ3
5の大容量化を抑えることができる以下、この理由を説
明する。
As described above, in the regenerative refrigerator according to this embodiment, the ineffective volume occupied by the refrigerant gas in the volume of the regenerator located at the last stage is 1.times. The expansion volume of the expander located at the final stage. Since it is set to be 5 to 4 times,
While maintaining the refrigerating performance of the second cooling stage 32, the flow rate of the refrigerant gas passing through the inlet (high-temperature end) of the regenerator located at the final stage can be minimized, and the compressor 3
The reason for this will be described below.

【0028】まず、冷媒であるヘリウムガスは、10K
以上の温度では理想気体として扱うことができる。この
温度領域の場合、蓄冷器内の無効容積の存在は、冷凍サ
イクルに関与しないため、この無効容積に存在するヘリ
ウムガスは有限の閉空間での膨張、圧縮を繰り返すのみ
である。このため、流量の増大につながり、冷凍効率の
低下を招く。したがって、上記温度領域では、蓄冷材と
ガスとの熱交換を問題なく行える範囲で、無効容積を極
力少なくしたほうが冷凍効率を向上させる上では有利で
ある。
First, helium gas as a refrigerant is 10K
At the above temperature, it can be treated as an ideal gas. In this temperature range, the existence of the ineffective volume in the regenerator does not participate in the refrigeration cycle, and the helium gas present in this ineffective volume only repeats expansion and compression in a finite closed space. This leads to an increase in the flow rate and a decrease in the refrigeration efficiency. Therefore, in the above-mentioned temperature range, it is advantageous to reduce the ineffective volume as much as possible in order to improve the refrigeration efficiency as long as the heat exchange between the cold storage material and the gas can be performed without any problem.

【0029】ー方、液体ヘリウム温度の領域では、冷媒
であるヘリウムガスを理想気体として扱うことはできな
い。この温度域のヘリウムガスは、液体のように非圧縮
性の振る舞いをし、圧力の違いによる密度差が小さくな
る。また、比熱も著しく増加し、蓄冷材として使用して
いる磁性体と同レべルの値を持つ。このため、吸気、排
気のサイクルにおいて、100%の蓄冷効率をもつ蓄冷
器でも、蓄冷器内で大きな温度振動が生じる。例えば、
排気完了時には、膨張機内の低圧の4Kガスが蓄冷器の
大半を4K近くまで冷却し、蓄冷器の平均温度を低下さ
せる。逆に吸気完了時には、流れ込んだ高圧のガスが蓄
冷器内を暖め、平均温度を上昇させる。このような性質
により、有限の無効容積をもつ最終段蓄冷器が逆に有効
に働き、蓄冷器の高温端のガス流量の増加を抑え、冷凍
効率を向上させることがある。ヘリウムガスの物性を考
慮した計算結果を図3に示す。
On the other hand, in a liquid helium temperature region, helium gas as a refrigerant cannot be treated as an ideal gas. Helium gas in this temperature range behaves incompressible like a liquid, and the density difference due to the difference in pressure is reduced. In addition, the specific heat is remarkably increased, and has the same level as that of the magnetic material used as the cold storage material. For this reason, in the intake and exhaust cycles, even a regenerator having a regenerative efficiency of 100% generates a large temperature oscillation in the regenerator. For example,
When the exhaust is completed, the low-pressure 4K gas in the expander cools most of the regenerator to near 4K and lowers the average temperature of the regenerator. Conversely, when the intake is completed, the high-pressure gas that flows in warms the regenerator and raises the average temperature. Due to such a property, the last-stage regenerator having a finite ineffective volume works effectively conversely, suppressing an increase in the gas flow rate at the high-temperature end of the regenerator and improving the refrigeration efficiency. FIG. 3 shows the calculation results in consideration of the physical properties of helium gas.

【0030】図3の横軸は最終段(第2段)蓄冷器の無
効容積を最終段(第2段)膨張容積で割った値、縦軸は
最終段蓄冷器の高温端のガス流量を示す。図中の破線は
理想気体として扱ったときの蓄冷器高温端のガス流量、
実線は実気体として扱ったときの蓄冷器高温端のガス流
量を示す。
The horizontal axis in FIG. 3 is a value obtained by dividing the ineffective volume of the final stage (second stage) regenerator by the expansion volume of the final stage (second stage), and the vertical axis is the gas flow rate at the hot end of the final stage regenerator. Show. The broken line in the figure indicates the gas flow rate at the high temperature end of the regenerator when treated as an ideal gas,
The solid line indicates the gas flow rate at the high temperature end of the regenerator when treated as a real gas.

【0031】最終段蓄冷器の無効容積が零かあるいは零
と見なせるほど小さい場合は、最終段蓄冷器に流れるヘ
リウムガスの流量は、1サイクルあたりで最大膨張容積
内に溜まっている高圧ヘリウムガスの量M2と等しい
が、有限の無効容積をもつ蓄冷器の場合、その無効容積
の影響でM2とはならない。理想気体の場合は無効容積
の増大が、単純に流量の増加を招いている。
When the dead volume of the last-stage regenerator is zero or small enough to be regarded as zero, the flow rate of the helium gas flowing through the last-stage regenerator is equal to the flow rate of the high-pressure helium gas stored in the maximum expansion volume per cycle. In the case of a regenerator which is equal to the amount M2 but has a finite ineffective volume, it does not become M2 due to the effect of the ineffective volume. In the case of an ideal gas, an increase in the ineffective volume simply causes an increase in the flow rate.

【0032】一方、実気体の場合は、ある無効容積でガ
ス流量が最小となる。これは排気完了時ではヘリウムガ
スは4Kの高密度状態で無効容積内にほとんど留まって
おり、最終段蓄冷器の高温端から排気されるヘリウムガ
スは元々蓄冷器内にあったガスの一部のみである。逆
に、吸気完了時では蓄冷器内は暖められ、無効容積内の
ガスは低密度状態にあり、蓄冷器高温端から吸入しなく
てはならないガス量は少なくてすむからである。図3は
ある所定膨張容積をもった冷凍機に関する計算結果だ
が、任意の大きさの4Kレベル冷凍機に対しても同様の
ことがいえる。
On the other hand, in the case of real gas, the gas flow rate becomes minimum at a certain invalid volume. This is because at the time of evacuation, helium gas remains at a high density of 4K in the dead volume, and the helium gas exhausted from the high-temperature end of the final stage regenerator is only a part of the gas originally in the regenerator. It is. Conversely, when the intake is completed, the interior of the regenerator is warmed, the gas in the ineffective volume is in a low density state, and the amount of gas that must be inhaled from the high temperature end of the regenerator is small. FIG. 3 shows calculation results for a refrigerator having a certain predetermined expansion volume, but the same can be said for a 4K level refrigerator of an arbitrary size.

【0033】図4にはある有限の無効容積が冷凍効率を
向上させることを示した計算結果である。横軸は図3と
同じく無効容積を膨張容積で割った値、縦軸は冷凍能力
を圧縮仕事で割った冷凍効率を示す。図3と同じく図4
中の破線は理想気体として扱ったときの最終段蓄冷器高
温端のガス流量を、実線は実気体として扱ったときの最
終段蓄冷器高温端のガス流量を示す。この図から判るよ
うに、無効容積と膨張容積との比がある値で冷凍効率が
ピークとなり、特に1.5から4の間で0.1以上の高
い冷凍効率が得られる。
FIG. 4 is a calculation result showing that a certain finite ineffective volume improves the refrigeration efficiency. The horizontal axis represents the value obtained by dividing the invalid volume by the expanded volume, as in FIG. 3, and the vertical axis represents the refrigeration efficiency obtained by dividing the refrigeration capacity by the compression work. FIG. 4 as in FIG.
The broken line in the middle indicates the gas flow rate at the high temperature end of the final stage regenerator when treated as an ideal gas, and the solid line indicates the gas flow rate at the high temperature end of the final stage regenerator when treated as an actual gas. As can be seen from this figure, the refrigeration efficiency peaks at a certain value of the ratio of the ineffective volume to the expanded volume, and a high refrigeration efficiency of 0.1 or more is obtained particularly between 1.5 and 4.

【0034】図5には、実際に冷凍機の試験を行った結
果が示されている。試験は冷凍機の吸気、排気圧力等の
運転条件は一定とし、無効容積のみを変化させて行っ
た。この図から判るように、無効容積が小さ過ぎてもガ
ス流量が増え、逆に多過ぎてもガス流量が増加する。最
も冷凍効率の高い条件は、先の計算結果の範囲内と一致
している。
FIG. 5 shows the results of actual testing of the refrigerator. In the test, the operating conditions such as the intake and exhaust pressures of the refrigerator were fixed, and only the invalid volume was changed. As can be seen from this figure, the gas flow rate increases even if the invalid volume is too small, and the gas flow rate increases if the invalid volume is too large. The condition with the highest refrigeration efficiency is within the range of the previous calculation result.

【0035】したがって、0.1以上の冷凍効率を得る
には、最終段の膨張容積の1.5から4倍の範囲に入る
ような容積の無効空間を最終段の蓄冷器内に積極的に設
けるこが有効である。これによって、ガス流量を減少さ
せることができ、必要な圧縮仕事を低減させて冷凍効率
の向上を図ることができる。
Therefore, in order to obtain a refrigerating efficiency of 0.1 or more, an ineffective space having a volume falling within a range of 1.5 to 4 times the expansion volume of the final stage is positively provided in the regenerator of the final stage. It is effective to provide. As a result, the gas flow rate can be reduced, the required compression work can be reduced, and the refrigeration efficiency can be improved.

【0036】なお、上述した例では、最終段の蓄冷器を
構成する流体通路24内で、低温側に位置する部分に上
述した無効容積の一部をなす空間26を設けているが、
図6の等価図に示すように、最終段の蓄冷器を構成する
流体通路24内で、低温側と高温側との中間位置に無効
容積の一部をなす空間26を設けてもよい。
In the above-described example, the space 26 which forms a part of the above-mentioned ineffective volume is provided in a portion located on the low temperature side in the fluid passage 24 constituting the final stage regenerator.
As shown in the equivalent diagram of FIG. 6, a space 26 which forms a part of the dead volume may be provided in the fluid passage 24 constituting the final stage regenerator at an intermediate position between the low temperature side and the high temperature side.

【0037】また、上述した例では、膨張空間を構成す
るディスプレーサが蓄冷材容器を兼ねているが、ディス
プレーサと蓄冷材容器とを分離させたものにも本発明を
適用できることは勿論で、さらにGM冷凍機に限られる
ものでもない。
In the above-described example, the displacer forming the expansion space also serves as a cold storage material container. However, the present invention can be applied to a case where the displacer and the cold storage material container are separated from each other. It is not limited to refrigerators.

【0038】[0038]

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、特に冷
媒としてヘリウムガスを用い、最終段冷却ステージの目
標温度が5K未満に設定されるものにおいて、必要な冷
媒流量を減少させることができ、もって冷凍効率の向上
を図ることができる。
As described above, according to the present invention, it is possible to reduce the required refrigerant flow rate particularly in the case where helium gas is used as the refrigerant and the target temperature of the final cooling stage is set to less than 5K. As a result, the refrigeration efficiency can be improved.

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

【図1】本発明の一実施形態に係る蓄冷式冷凍機の概略
構成図
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a regenerative refrigerator according to an embodiment of the present invention.

【図2】同冷凍機の最終段蓄冷器と最終段膨張機の構成
を説明するための図
FIG. 2 is a diagram for explaining a configuration of a last-stage regenerator and a last-stage expander of the refrigerator.

【図3】最終段蓄冷器内に設定された無効容積の大きさ
とガス流量との関係を計算で求めた結果を説明するため
の図
FIG. 3 is a diagram for explaining a result obtained by calculating a relationship between a size of an invalid volume set in a last-stage regenerator and a gas flow rate;

【図4】最終段蓄冷器内に設定された無効容積の大きさ
と冷凍効率との関係を計算で求めた結果を説明するため
の図
FIG. 4 is a diagram for explaining a result obtained by calculating a relationship between the size of an invalid volume set in the last-stage regenerator and refrigeration efficiency.

【図5】最終段蓄冷器内に設定された無効容積の大きさ
とガス流量との関係の実測結果を説明するための図
FIG. 5 is a diagram for explaining an actual measurement result of a relationship between the size of an invalid volume set in the last-stage regenerator and a gas flow rate.

【図6】最終段蓄冷器内に無効容積の一部となる空間を
設定した別の例を示す図
FIG. 6 is a diagram showing another example in which a space that becomes a part of the dead volume is set in the last-stage regenerator;

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…真空容器 2…冷凍機コールドヘッド 3…室温雰囲気 4…ガス供給系 11…シリンダ 12…ディスプレーサ 13…第1シリンダ 14…第2シリンダ 15…第1段膨張室 16…第1ディスプレーサ 17…第2段膨張室 18…第2ディスプレーサ 20,21…シールリング 23,25…蓄冷材 26…空間 31…第1段冷却ステージ 32…第2段冷却ステージ 33…吸気バルブ 34…排気バルブ 35…コンプレッサ DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Vacuum container 2 ... Cold machine cold head 3 ... Room temperature atmosphere 4 ... Gas supply system 11 ... Cylinder 12 ... Displacer 13 ... 1st cylinder 14 ... 2nd cylinder 15 ... 1st stage expansion chamber 16 ... 1st displacer 17 ... 1st Two-stage expansion chamber 18 Second displacer 20, 21 Seal ring 23, 25 Cold storage material 26 Space 31 First-stage cooling stage 32 Second-stage cooling stage 33 Intake valve 34 Exhaust valve 35 Compressor

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 佐々木 高士 神奈川県横浜市鶴見区末広町2丁目4番地 株式会社東芝京浜事業所内 ──────────────────────────────────────────────────の Continued on the front page (72) Takashi Sasaki Inventor 2-4 Suehirocho, Tsurumi-ku, Yokohama-shi, Kanagawa Pref.

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】蓄冷器と膨張機とを多段設けた蓄冷式冷凍
機において、最終段に位置する蓄冷器の容積のうちの冷
媒ガスの占める無効容積が、最終段に位置する膨張機の
膨張容積の1.5倍から4倍であることを特徴とする蓄
冷式冷凍機。
In a regenerative refrigerator having multiple stages of regenerators and expanders, the ineffective volume occupied by refrigerant gas in the volume of the regenerator located at the last stage is the expansion of the expander located at the last stage. A regenerative refrigerator having a capacity of 1.5 to 4 times the volume.
【請求項2】最終段に位置する前記蓄冷器は、内部で、
かつ低温側に位置する部分に前記無効容積の一部をなす
空間を備えていることを特徴とする請求項1に記載の蓄
冷式冷凍機。
2. The regenerator located at the last stage has:
The regenerative refrigerator according to claim 1, further comprising a space that forms a part of the ineffective volume in a portion located on a low temperature side.
【請求項3】最終段に位置する前記蓄冷器は、内部で、
かつ低温側と高温側との中間位置に前記無効容積の一部
をなす空間を備えていることを特徴とする請求項1に記
載の蓄冷式冷凍機。
3. The regenerator located at the last stage has:
2. The regenerative refrigerator according to claim 1, further comprising a space that forms a part of the ineffective volume at an intermediate position between the low temperature side and the high temperature side. 3.
【請求項4】前記冷媒ガスとしてヘリウムガスを用い、
最終段冷却ステージの目標温度が液体ヘリウム温度近辺
であることを特徴とする請求項1に記載の蓄冷式冷凍
機。
4. A helium gas is used as said refrigerant gas,
The regenerative refrigerator according to claim 1, wherein the target temperature of the last cooling stage is around the liquid helium temperature.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2011089768A1 (en) * 2010-01-22 2011-07-28 国立大学法人 埼玉大学 Cold-storage-type cryocooler and cooling method using same
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