JPS6246782B2 - - Google Patents

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JPS6246782B2
JPS6246782B2 JP11368681A JP11368681A JPS6246782B2 JP S6246782 B2 JPS6246782 B2 JP S6246782B2 JP 11368681 A JP11368681 A JP 11368681A JP 11368681 A JP11368681 A JP 11368681A JP S6246782 B2 JPS6246782 B2 JP S6246782B2
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JP
Japan
Prior art keywords
expansion engine
pressure
gas
filter
gas tank
Prior art date
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Expired
Application number
JP11368681A
Other languages
Japanese (ja)
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JPS5816156A (en
Inventor
Norimoto Matsuda
Minoru Imamura
Tadashi Betsupu
Mitsuo Tokuda
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.)
Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Publication date
Application filed by Hitachi Ltd filed Critical Hitachi Ltd
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Publication of JPS5816156A publication Critical patent/JPS5816156A/en
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  • Filling Or Discharging Of Gas Storage Vessels (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、極低温発生装置に係り、特に、膨張
手段として採用された膨張エンジンの吸気圧力の
低下を防止するに好適な極低温発生装置に関する
ものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to a cryogenic generator, and more particularly to a cryogenic generator suitable for preventing a drop in intake pressure of an expansion engine employed as an expansion means.

従来の極低温発生装置は第1図により説明す
る。第1図は、極低温冷却機にクロードサイクル
ヘリウム冷凍機を一例として用いた極低温発生装
置のシステム系統図である。第1図で、圧縮機1
からら吐出された高圧・高温のプロセスガスであ
るヘリウムガスは、第1熱交換器2の高圧流路を
通つて高圧ライン3のA点に至る。A点では、高
圧ヘリウムガスの一部が分流され、フイルタ4で
ゴミ等の不純物が過された後に第1膨張エンジ
ン5に供給され、ここで等エントロピ膨張を行つ
て低圧・低温となり、低圧ライン6のC点で合流
した後に第2熱交換器7および第1熱交換器2の
低圧流路を通り、高圧流路のヘリウムガスと熱交
換しながら自身は温度上昇して圧縮機1に戻る。
一方、A点で分流しなかつた残り大部分の高圧ヘ
リウムガスは、第2熱交換器7の高圧流路を通
り、第3熱交換器8の高圧流路を通つて高圧ライ
ン3のB点に至る。B点では、高圧ヘリウムガス
の一部が更に分流され、フイルタ9でゴミ等の不
純物が過された後に第2膨張エンジン10に供
給され、ここで等エントロピ膨張を行つて、低
圧・低温となり、低圧ライン6のD点で合流した
後に第4熱交換器11および第3熱交換器8の低
圧流路を通り、高圧流路のヘリウムガスと熱交換
しながら自身は温度上昇してC点に至る。一方、
B点で分流しなかつた残り大部分の高圧ヘリウム
ガスは、第4熱交換器11および第5熱交換器1
2のそれぞれの高圧流路を通り、フイルタ13で
ゴミ等の不純物が過された後にジユールトムソ
ン弁14に入り、ここで等エンタルピ膨張を行つ
て低圧・低温となり、一部は液化してクライオス
タツト15に入る。その後、クライオスタツト1
5を出た低圧ヘリウムガスは、第5熱交換器12
の低圧流路を通つてD点に合流し、低圧ライン6
を経て圧縮機1に戻る。なお、外部からの熱侵入
を防止するため、圧縮機1を除く他の全ての機器
等は、真空保冷槽16に収納されている。
A conventional cryogenic temperature generator will be explained with reference to FIG. FIG. 1 is a system diagram of a cryogenic generator using a Claude cycle helium refrigerator as an example of a cryogenic cooler. In Figure 1, compressor 1
The helium gas, which is a high-pressure and high-temperature process gas discharged from the tank, passes through the high-pressure channel of the first heat exchanger 2 and reaches point A of the high-pressure line 3. At point A, a part of the high-pressure helium gas is divided, and after passing through a filter 4 to remove impurities such as dust, it is supplied to the first expansion engine 5, where it undergoes isentropic expansion to become low pressure and low temperature, and is passed through the low pressure line. After merging at point C of 6, it passes through the low-pressure flow path of the second heat exchanger 7 and the first heat exchanger 2, and while exchanging heat with the helium gas in the high-pressure flow path, its temperature rises and returns to the compressor 1. .
On the other hand, most of the remaining high-pressure helium gas that was not diverted at point A passes through the high-pressure flow path of the second heat exchanger 7, and then passes through the high-pressure flow path of the third heat exchanger 8 to point B of the high-pressure line 3. leading to. At point B, a part of the high-pressure helium gas is further divided, and after filtering out impurities such as dust through the filter 9, it is supplied to the second expansion engine 10, where it undergoes isentropic expansion to become low pressure and low temperature. After joining at point D of the low pressure line 6, it passes through the low pressure flow path of the fourth heat exchanger 11 and the third heat exchanger 8, and while exchanging heat with the helium gas in the high pressure flow path, its temperature rises and reaches point C. reach. on the other hand,
Most of the remaining high-pressure helium gas that was not diverted at point B is transferred to the fourth heat exchanger 11 and the fifth heat exchanger 1.
After passing through the high-pressure channels 2 and 2, impurities such as dust are filtered out by the filter 13, and then entering the Joel-Thomson valve 14, where it undergoes isenthalpic expansion to become a low pressure and low temperature. Enter Tatsuto 15. After that, cryostat 1
The low-pressure helium gas that exits the fifth heat exchanger 12
The low pressure line 6 merges with point D through the low pressure flow path of
It returns to compressor 1 via . Note that, in order to prevent heat from entering from the outside, all other equipment except the compressor 1 is housed in a vacuum cold storage tank 16.

次に、膨張エンジンの作用の詳細を第2図によ
り説明する。一般に、膨張エンジンは、低サイク
ル(2〜4Hz程度)の往復動方式であり、膨張エ
ンジンへのヘリウムガスの吸入は間欠的に行われ
る。そこで冷凍システム全体としてのガス流量の
変動を抑制するため、第2図aのように第1膨張
エンジン5と第2膨張エンジン10のおのおのの
ピストン17,18が、互いにクランク角度を
180度ずらして往復動するように共通のクランク
機構19に連結される。この場合の第1膨張エン
ジン5のクランク角度に対するガス流量の変化は
第2図bのようになり、また、おのおのの膨張エ
ンジンのシリンダ内の圧力の変化は第2図cのよ
うになる。なお、第2図bで、G1は、第1膨張
エンジン5のガス流量、G2は、第2膨張エンジ
ンのガス流量、G3は、ジユールトムソン弁14
を通るガス流量およびGTは、システム全体のガ
ス流量である。この場合、第1膨張エンジン5の
入口に設置されたフイルタ4、また第2膨張エン
ジン10の入口に設置されたフイルタ9の圧力損
失のために、短時間の吸気行程中にヘリウムガス
の吸入が充分になされず、第2図bのように各膨
張エンジンのガス流量G1,G2は、設計値より少
なくなる。特に、第2膨張エンジン10において
は、ガス流量G2が多いためフイルタ9の圧力損
失も大きく、第2膨張エンジンの吸気行程での圧
力は、第2図cのように設計値よりも小さくな
り、したがつて、圧力降下(=吸気行程終了時点
での圧力−膨張行程終了時の圧力)も小さく、圧
力降下と比例関係にあるエンタルピ降下が小さく
なる。
Next, the details of the operation of the expansion engine will be explained with reference to FIG. Generally, an expansion engine is a low cycle (about 2 to 4 Hz) reciprocating type, and helium gas is intermittently sucked into the expansion engine. Therefore, in order to suppress fluctuations in the gas flow rate in the entire refrigeration system, the pistons 17 and 18 of the first expansion engine 5 and the second expansion engine 10 are set at a crank angle relative to each other, as shown in FIG. 2a.
They are connected to a common crank mechanism 19 so as to reciprocate 180 degrees apart. In this case, the change in gas flow rate with respect to the crank angle of the first expansion engine 5 is as shown in FIG. 2b, and the change in pressure in the cylinder of each expansion engine is as shown in FIG. 2c. In addition, in FIG. 2b, G 1 is the gas flow rate of the first expansion engine 5, G 2 is the gas flow rate of the second expansion engine, and G 3 is the gas flow rate of the Joel-Thomson valve 14.
The gas flow rate through and G T is the gas flow rate of the entire system. In this case, due to pressure loss in the filter 4 installed at the inlet of the first expansion engine 5 and the filter 9 installed at the inlet of the second expansion engine 10, helium gas is not inhaled during the short intake stroke. As a result, the gas flow rates G 1 and G 2 of each expansion engine become smaller than the designed values, as shown in FIG. 2b. In particular, in the second expansion engine 10, since the gas flow rate G2 is large, the pressure loss in the filter 9 is also large, and the pressure in the intake stroke of the second expansion engine becomes smaller than the designed value as shown in Fig. 2c. Therefore, the pressure drop (=pressure at the end of the intake stroke - pressure at the end of the expansion stroke) is also small, and the enthalpy drop, which is proportional to the pressure drop, is small.

このように膨張エンジンのガス流量が少なく、
また、エンタルピ降下が小さければ、ガス流量と
エンタルピ降下により決まる寒冷発生能力が低下
し、最終的には、ヘリウム冷凍機の冷凍能力又は
液化能力の低下をきたす。
In this way, the gas flow rate of the expansion engine is low,
Furthermore, if the enthalpy drop is small, the cooling ability determined by the gas flow rate and the enthalpy drop decreases, which ultimately results in a decrease in the refrigerating ability or liquefaction ability of the helium refrigerator.

上記の問題の解決策としては、フイルタ4,9
の網目を粗くするか、又は、フイルタ4,9の断
面積を大きくしてフイルタ4,9を通過するガス
流速を小さくするのが一般的であるが、しかし、
前者の解決策では、フイルタで過されず膨張エ
ンジンに入るゴミ等の不純物が多くなり膨張エン
ジンの摺動部を損傷させる危険があり、また、後
者の解決策では、フイルタが冗大となり、極低温
発生装置の小形化に反するといつた欠点があつ
た。
As a solution to the above problem, filters 4 and 9
It is common to make the mesh coarser or to increase the cross-sectional area of the filters 4 and 9 to reduce the gas flow rate passing through the filters 4 and 9. However,
In the former solution, more impurities such as dust enter the expansion engine without being filtered out, and there is a risk of damaging the sliding parts of the expansion engine.In addition, in the latter solution, the filter becomes redundant and extremely This had the disadvantage that it was contrary to the miniaturization of low temperature generators.

本発明は、上記問題の解決および上記欠点の排
除を目的としたもので、膨張エンジンでのプロセ
スガスの吸気が、1サイクル中の約1/6の時間で
あることに着目し、残りの約5/6の時間でプロセ
スガスを備蓄するガスタンクを各膨張エンジンの
吸気側に設置することを特徴とする小形で高性能
の極低温発生装置を提供するものである。
The present invention aims to solve the above-mentioned problems and eliminate the above-mentioned drawbacks, and focuses on the fact that the process gas intake in the expansion engine takes about 1/6 of one cycle, and the remaining time is about 1/6. The present invention provides a compact and high-performance cryogenic generator characterized by installing a gas tank on the intake side of each expansion engine to store process gas for 5/6 of the time.

本発明の一実施例を第3図により説明する。第
3図で、第1図と同一機器等は同一符号で示し説
明を省略する。20は第1膨張エンジン5吸気側
とフイルタ4の間に設置された第1ガスタンク、
21は第2膨張エンジン10吸気側とフイルタ9
の間に設置された第2ガスタンクである。ここ
で、各ガスタンクの内容積は、次のように選定さ
れる。
An embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In FIG. 3, the same equipment as in FIG. 1 is denoted by the same reference numerals and the explanation thereof will be omitted. 20 is a first gas tank installed between the intake side of the first expansion engine 5 and the filter 4;
21 is the intake side of the second expansion engine 10 and the filter 9
This is the second gas tank installed between the two. Here, the internal volume of each gas tank is selected as follows.

まず、第2ガスタンク21の内容積の選定であ
るが、この場合、第2膨張エンジン10における
吸気行程終了時の圧力は、式(1)のように近似され
る。
First, regarding the selection of the internal volume of the second gas tank 21, in this case, the pressure at the end of the intake stroke in the second expansion engine 10 is approximated as shown in equation (1).

ここに、 P2:吸気行程終了時の圧力(但し、P2P1) P1:吸気行程開始前の圧力 V:フイルタ〜第2膨張エンジン間の内容積 △V:吸気行程終了時のシリンダ内容積 G:フイルタ〜第2膨張エンジン間のガス質量 △G:吸気行程中にフイルタを通過して第2膨張
エンジンに供給されるガン質量 式(1)より明らかなように、P2≒P1とするには、
△V/Vを小さくするのが有効で、例えば、△
V/V=1ならば△G/G=0.8の時P2=0.9P1
なるのに対し、△V/V=0.2ならば△G/G=
0.16の時でもP2=0.967P1となり、△G/Gが、
△V/Vと同様に小さくなつてもP2の低下は小さ
いことがわかる。つまり、P2の低下が実用上無視
できるようにするには、△V/Vが、5以上にな
るように第2ガスタンク21の内容積を選定すれ
ばよい。
Here, P 2 : Pressure at the end of the intake stroke (however, P 2 P 1 ) P 1 : Pressure before the start of the intake stroke V: Internal volume between the filter and the second expansion engine △V: Cylinder at the end of the intake stroke Internal volume G: mass of gas between the filter and the second expansion engine △G: mass of the gun that passes through the filter and is supplied to the second expansion engine during the intake stroke As is clear from equation (1), P 2 ≒ P To set it to 1 ,
It is effective to reduce △V/V, for example, △
If V/V=1, when △G/G=0.8, P 2 =0.9P 1 , whereas if △V/V=0.2, △G/G=
Even when 0.16, P 2 = 0.967P 1 , and △G/G is
It can be seen that the decrease in P 2 is small even if it becomes small like ΔV/V. That is, in order to make the decrease in P 2 practically negligible, the internal volume of the second gas tank 21 should be selected so that ΔV/V becomes 5 or more.

一方、第1膨張エンジン5の第1ガスタンク2
0の内容積については、第2図bのように第1膨
張エンジン5のガス流量G1が、第2膨張エンジ
ン10のガス流量G2に比べて少量であるのでフ
イルタ4の圧力損失も小さく、吸気行程での圧力
の設計値に対する低下は第2図cのようにほとん
ど生じないが、しかし、第2膨張エンジン10の
場合と同様に考えて△V/Vが、5以上になるよ
うに第1ガスタンク20の内容積を選定すれば更
に充分である。したがつて、実用上、各ガスタン
クの内容積は、対応する各膨張エンジンの吸気行
程終了時のシリンダ内容積の5倍以上に選定すれ
ば充分である。
On the other hand, the first gas tank 2 of the first expansion engine 5
Regarding the internal volume of 0, as shown in FIG. 2b, the gas flow rate G1 of the first expansion engine 5 is smaller than the gas flow rate G2 of the second expansion engine 10, so the pressure loss of the filter 4 is also small. , the pressure in the intake stroke hardly decreases from the design value as shown in Fig. 2c, but considering the same as the case of the second expansion engine 10, △V/V should be 5 or more. It is more sufficient if the internal volume of the first gas tank 20 is selected. Therefore, in practice, it is sufficient to select the internal volume of each gas tank to be at least five times the internal cylinder volume at the end of the intake stroke of each corresponding expansion engine.

このように、フイルタと膨張エンジン吸気側の
間に、膨張エンジンの吸気行程終了時のシリンダ
内容積の5倍以上の内容積を有するガスタンクを
設置した場合は、膨張エンジンの吸気行程での圧
力の設計値に対する低下は、ほとんど無視できる
程度に小さくなるので、圧力降下更にはエンタル
ピ降下が大きくなり、寒冷発生能力の低下が防止
できる。また、冗大なフイルタの使用も必要なく
なるので、極低温発生装置が小形化でき、更に、
フイルタの網目を粗くする必要もなくなるので、
ゴミ等の不純物による膨張エンジン摺動部の損傷
の危険性もない。
In this way, if a gas tank is installed between the filter and the expansion engine intake side with an internal volume that is 5 times or more the cylinder internal volume at the end of the expansion engine's intake stroke, the pressure during the expansion engine's intake stroke will be reduced. Since the decrease with respect to the design value is almost negligible, the pressure drop and furthermore the enthalpy drop become large, and a decrease in the cooling generation ability can be prevented. In addition, since there is no need to use a redundant filter, the cryogenic temperature generator can be made smaller.
There is no need to make the filter mesh coarser,
There is no risk of damage to the sliding parts of the expansion engine due to impurities such as dust.

第4図は、ガスタンク構造の他の実施例を示す
もので、フイルタ4,9がそれぞれ第1ガスタン
ク20、第2ガスタンク21に内設されている。
FIG. 4 shows another embodiment of the gas tank structure, in which filters 4 and 9 are installed inside a first gas tank 20 and a second gas tank 21, respectively.

ガスタンク構造をこのようにした場合は、フイ
ルタだけの収納容器が不用で、配管も簡略化でき
るので、極低温発生装置が小形化される。また、
フイルタとガスタンクが別々に設置された場合に
比べ、輻射による熱侵入も抑制できる。
When the gas tank structure is configured in this way, a container containing only the filter is not required, and the piping can be simplified, so that the cryogenic temperature generator can be downsized. Also,
Heat intrusion due to radiation can also be suppressed compared to when the filter and gas tank are installed separately.

更に、第1ガスタンク20および第2ガスタン
ク21は、それぞれ第1膨張エンジン5および第
2膨張エンジン10の各シリンダ先端部に直接具
設されても良い。
Furthermore, the first gas tank 20 and the second gas tank 21 may be directly provided at the tip of each cylinder of the first expansion engine 5 and the second expansion engine 10, respectively.

このようにガスタンクを膨張エンジンのシリン
ダ先端部に直接具設した場合は、ガスタンクと膨
張エンジン吸気側を連結する配管が不用となるの
で、極低温発生装置が更に小形化される。
When the gas tank is directly installed at the cylinder end of the expansion engine in this way, there is no need for piping connecting the gas tank and the intake side of the expansion engine, so the cryogenic generator can be further downsized.

本発明は、以上説明したように、フイルタと膨
張エンジン吸気側の間にガスタンクを設置したと
いうことで、膨張エンジンの寒冷発生能力の低下
を抑制し、かつ、フイルタの冗大化が不必要で、
高性能、小形な極低温発生装置が得られる効果が
ある。
As explained above, the present invention has a gas tank installed between the filter and the intake side of the expansion engine, thereby suppressing a decrease in the cold generation ability of the expansion engine, and eliminating the need for a redundant filter. ,
This has the effect of providing a high-performance, compact cryogenic generator.

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

第1図、第2図aから第2図cは、従来の極低
温発生装置を説明するもので、第1図は、クロー
ドサイクルヘリウム冷凍機を用いた極低温発生装
置のシステム系統図、第2図aは、膨張エンジン
の作動説明図、第2図bは、第1膨張エンジンの
クランク角度に対する第1膨張エンジンおよび第
2膨張エンジンのガス流量の変化図、第2図c
は、同じく圧力の変化図である。第3図は、本発
明によるクロードサイクルヘリウム冷凍機を用い
極低温発生装置の一実施例を説明するシステム系
統図、第4図は、ガスタンク構造の他の実施例を
示す断面図である。 4,9……フイルタ、5……第1膨張エンジ
ン、10……第2膨張エンジン、20……第1ガ
スタンク、21……第2ガスタンク。
Figures 1 and 2a to 2c explain a conventional cryogenic generator. Figure 1 is a system diagram of a cryogenic generator using a Claude cycle helium refrigerator. Figure 2a is an explanatory diagram of the operation of the expansion engine, Figure 2b is a diagram of changes in gas flow rates of the first expansion engine and the second expansion engine with respect to the crank angle of the first expansion engine, and Figure 2c is a diagram illustrating the operation of the expansion engine.
is also a pressure change diagram. FIG. 3 is a system system diagram illustrating an embodiment of a cryogenic temperature generator using a Claude cycle helium refrigerator according to the present invention, and FIG. 4 is a sectional view showing another embodiment of the gas tank structure. 4, 9... Filter, 5... First expansion engine, 10... Second expansion engine, 20... First gas tank, 21... Second gas tank.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 1 フイルタで不純物を過されたプロセスガス
を膨張させて寒冷を発生する膨張エンジンでの前
記プロセスガスの吸気時間を除く他の時間で前記
プロセスガスを備蓄するガスタンクを前記膨張エ
ンジンの吸気側に設けたことを特徴とする極低温
発生装置。
1. A gas tank is provided on the intake side of the expansion engine to store the process gas at times other than the intake time of the process gas in the expansion engine that expands the process gas that has been filtered to remove impurities to generate cold. A cryogenic generator characterized by:
JP11368681A 1981-07-22 1981-07-22 Generator for cryogenic temperature Granted JPS5816156A (en)

Priority Applications (1)

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JP11368681A JPS5816156A (en) 1981-07-22 1981-07-22 Generator for cryogenic temperature

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JP11368681A JPS5816156A (en) 1981-07-22 1981-07-22 Generator for cryogenic temperature

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JPS5816156A JPS5816156A (en) 1983-01-29
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0443555B2 (en) * 1986-12-31 1992-07-16 Kokuyo Kk
JPH0443553B2 (en) * 1986-10-31 1992-07-16 Kokuyo Kk

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0443553B2 (en) * 1986-10-31 1992-07-16 Kokuyo Kk
JPH0443555B2 (en) * 1986-12-31 1992-07-16 Kokuyo Kk

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JPS5816156A (en) 1983-01-29

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