KR101516383B1 - 극저온 냉동기 - Google Patents

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스미도모쥬기가이고교 가부시키가이샤
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Abstract

열손실을 억제하고 냉동성능의 향상을 도모한 극저온 냉동기를 제공한다.
실린더(12)와, 이 실린더(12) 내에 왕복이동 가능하게 수용된 디스플레이서(14)와, 실린더(12)의 내주(φs)와 디스플레이서(14)의 외주(φd)와의 사이에 형성됨과 함께 냉매가스가 흐르는 간극(40)과, 디스플레이서(14)의 외주 또는 실린더(12)의 내주에 형성된 홈부(38)를 가지는 극저온 냉동기로서, 홈부(38)의 체적을 Vd로 하고, 간극(40)의 체적을 Vg로 하였을 때, 홈부(38)의 체적(Vd)과 간극(40)의 체적(Vg)과의 체적비(Vd/Vg)를 8 이상 75 이하(8≤(Vd/Vg)≤75)로 한다.

Description

극저온 냉동기{Cryogenic Refrigerator}
본 발명은, 외주에 홈이 형성된 디스플레이서를 가지는 극저온 냉동기에 관한 것이다.
일반적으로, 15K 이하의 극저온을 실현할 수 있는 극저온 냉동기로서, 기포드맥마흔(GM) 사이클냉동기, 스털링사이클냉동기 등의 디스플레이서를 가진 냉동기가 알려져 있다.
예를 들면, GM냉동기를 예로 들면, 디스플레이서는 실린더 내에 왕복이동 가능하게 설치되어 있고, 또 실린더 내의 저온단에는 팽창공간이 형성됨과 함께, 고온단에는 실온공간이 형성되어 있다. 또, 디스플레이서 내에는 냉매가스(헬륨가스)가 흐르는 가스유로가 형성됨과 함께, 이 가스유로 내에는 축냉재가 충전되어 있다. 이 가스유로는, 팽창공간과 실온공간을 연통하고 있다.
가스 공급 시에 있어서는, 압축기보다 고온단측인 실온공간에 냉매가스가 공급되고, 이 고압의 냉매가스는 디스플레이서 내의 가스유로를 지나 팽창공간에 도입된다. 또, 가스 회수 시에 있어서는, 팽창공간 내의 냉매가스는, 동일 경로를 지나 압축기에 회수된다.
상기 구성에 있어서, 디스플레이서의 왕복이동 및 냉매가스의 공급과 회수의 타이밍을 적절히 설정함으로써 팽창공간 내에서 한랭이 발생한다. 이 한랭이 발생함으로써 냉각된 냉매가스는, 가스 회수 시에 있어서 팽창공간으로부터 압축기에 회수될 때에 디스플레이서 내의 축냉재를 냉각한다. 또, 가스 공급 시에 있어서는, 축냉재에 의하여 냉각된 후 냉매가스는 팽창공간에 도입된다.
그런데, 실린더와 디스플레이서와의 사이에는, 디스플레이서를 왕복이동시키기 위하여 간극이 형성되어 있다. 그러나 냉매가스가 이 간극을 지나, 실온공간과 팽창공간과의 사이에서 직접 흐르면, 축냉재에 의한 냉각이 행하여지지 않기 때문에 냉각효율이 저하되어 버린다. 이것을 방지하는 방법으로서는, 실린더와 디스플레이서와의 사이의 간극에 냉매가스의 흐름을 방지하는 시일기구를 설치하는 것이 고려된다. 이 시일기구로서는, 일반적으로 O링이 이용되고 있다.
그러나, 이런 종류의 시일기구로는 경시 열화에 의하여 밀봉성이 저하될 우려가 있고, 이 경우에는 원하는 냉동 능력을 발휘할 수 없게 된다. 따라서, O링 등의 시일기구 대신에 디스플레이서의 외주면 상에 나선홈을 형성하는 것이 제안되고 있다(특허문헌 1).
(특허문헌)
특허문헌 1: 일본 특허 제2659684호 공보
시일기구 대신에 디스플레이서의 외주면 상에 나선홈을 형성함으로써, 어느 정도의 열손실을 저감시킬 수 있어, 냉동성능은 향상되지만, 더욱 냉동성능이 높은 냉동기가 요구되고 있다.
본 발명은 상기의 점을 감안하여 이루어진 것으로서, 열손실을 억제하여 냉동성능의 향상을 도모한 극저온 냉동기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기의 과제는, 제1 관점에서는,
실린더와,
상기 실린더 내에 왕복이동 가능하게 수용된 디스플레이서와,
상기 실린더의 내주와 상기 디스플레이서의 외주와의 사이에 형성됨과 함께 냉매가스가 흐르는 간극과,
상기 디스플레이서의 외주 또는 상기 실린더의 내주 중 적어도 일방에 형성된 오목부를 가지는 극저온 냉동기로서,
상기 오목부의 체적을 Vd로 하고, 상기 간극의 체적을 Vg로 하였을 때, 상기 오목부의 체적(Vd)과 상기 간극의 체적(Vg)과의 체적비(Vd/Vg)를 8 이상 75 이하(8≤(Vd/Vg)≤75)로 한 것을 특징으로 하는 극저온 냉동기에 의하여 해결할 수 있다.
개시된 극저온 냉동기에 의하면, 열손실이 억제되어 냉동성능의 향상을 도모할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태인 극저온 냉동기의 개략 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태인 극저온 냉동기의 제2단째 디스플레이서의 부분 단면도이다.
도 3은 전체에 홈부가 형성된 디스플레이서에 있어서의, 홈부의 체적과 간극의 체적과의 비를 설명하기 위한 도이다.
도 4는 일부에 홈부가 형성된 디스플레이서에 있어서의, 홈부의 체적과 간극의 체적과의 비를 설명하기 위한 도이다.
도 5는 홈부의 체적과 간극의 체적과의 비와 냉동성능과의 관계를 나타내는 도이다.
다음으로, 본 발명의 실시형태에 대하여 도면과 함께 설명한다.
도 1은, 본 발명의 일 실시형태인 디스플레이서를 가진 극저온 냉동기를 나타내고 있다. 본 실시형태에서는, 디스플레이서를 가지는 극저온 냉동기로서 기포드맥마흔식 냉동기(1)(이하, GM식 냉동기라고 한다)를 예로 들어 설명한다. 그러나, 본 발명의 적용은 GM식 냉동기에 한정되는 것은 아니고, 스털링사이클냉동기 등의 디스플레이서를 가진 다른 극저온 냉동기에 대해서도 적용이 가능한 것이다.
본 실시형태에 관한 GM식 냉동기(1)는, 2단식의 GM냉동기이다. 이 GM식 냉동기(1)는, 압축기(10), 제1단째 실린더(11), 제2단째 실린더(12), 제1단째 디스플레이서(13), 제2단째 디스플레이서(14), 및 축냉재(17, 18) 등을 가진 구성으로 되어 있다.
압축기(10)는, 냉매가스(헬륨가스)를 압축함으로써, 고압냉매가스를 생성한다. 이 고압냉매가스는, 공급밸브(V1), 가스유로(16)를 통하여 제1단째 실린더(11) 내에 공급된다.
제1단째 실린더(11)의 하부에는, 제2단째 실린더(12)가 결합되어 있다. 제1단째 실린더(11)의 내부에는 제1단째 디스플레이서(13)가 도면 중 상하방향으로 이동 가능하게 수용되어 있고, 제2단째 실린더(12)의 내부에는 제2단째 디스플레이서(14)가 도면 중 상하방향으로 이동 가능하게 수용되어 있다. 또, 제1단째 실린더(11)의 상단으로부터는 축부재(S)가 상방으로 뻗어 있고, 구동용 모터(M)에 결합된 크랭크기구(15)와 결합되어 있다.
제1단째 디스플레이서(13)의 상단부와 제1단째 실린더(11)의 상부와의 사이에는 실온공간(25)이 형성되고, 제1단째 디스플레이서(13)의 하단부와 제1단째 실린더(11)의 바닥부와의 사이에는 제1단째 팽창공간(21)이 형성되어 있다. 또, 제2단째 디스플레이서(14)의 하단부와 제2단째 실린더(12)의 바닥부와의 사이에는 제2단째 팽창공간(22)이 형성되어 있다.
제1단째 디스플레이서(13)의 내부에는 공간부(13a)가 형성되어 있고, 이 공간부(13a) 내에는 제1단째 축냉재(17)가 충전되어 있다. 또, 제1단째 디스플레이서(13)의 고온단측에는, 실온공간(25)과 공간부(13a)를 연통하는 가스유로(23a)가 형성되어 있다. 또한, 제1단째 디스플레이서(13)의 저온단측에는, 공간부(13a)와 제1단째 팽창공간(21)을 연통하는 가스유로(23b)가 형성되어 있다. 따라서, 실온공간(25)과 제1단째 팽창공간(21)은, 가스유로(23a), 공간부(13a), 및 가스유로(23b)를 통하여 연통되어 있다.
제2단째 디스플레이서(14)의 내부에는 공간부(14a)가 형성되어 있고, 이 공간부(14a) 내에는 제2단째 축냉재(18)가 충전되어 있다. 또, 제2단째 디스플레이서(14)의 고온단측에는, 제1단째 팽창공간(21)과 공간부(14a)를 연통하는 가스유로(24a)가 형성되어 있다. 또한, 제2단째 디스플레이서(14)의 저온단측에는, 공간부(14a)와 제2단째 팽창공간(22)을 연통하는 가스유로(24b)가 형성되어 있다. 따라서, 제1단째 팽창공간(21)과 제2단째 팽창공간(22)은, 가스유로(24a), 공간부(14a), 및 가스유로(24b)를 통하여 연통되어 있다.
또한, 제1단째 실린더(11)의 하부에는, 제1단째 히트스테이션(19)이 열적으로 결합되어 있고, 제2단째 실린더(12)의 하부에는 제2단째 히트스테이션(20)이 열적으로 결합되어 있다.
상기 구성으로 이루어진 GM식 냉동기(1)에 있어서, 공급밸브(V1)를 개방함과 함께 배기밸브(V2)를 폐쇄하면, 고압냉매가스는 압축기(10)로부터 공급밸브(V1) 및 가스유로(16)를 통하여 실온공간(25) 내에 공급된다. 계속해서 고압냉매가스는, 가스유로(23a), 제1단째 축냉재(17), 및 가스유로(23b)를 지나 제1단째 팽창공간(21)에 공급된다.
제1단째 팽창공간(21)의 고압냉매가스는, 다시 가스유로(24a), 제2단째 축냉재(18), 및 가스유로(24b)를 지나 제2단째 팽창공간(22)에 공급된다. 다만, 가스유로(23a, 24a)는, 냉매가스의 흐름을 설명하기 위하여 기능적으로 기재한 것으로, 실제의 구조와는 상이하다.
한편, 공급밸브(V1)가 폐쇄되고, 배기밸브(V2)가 개방되었을 때에는, 고압냉매가스는 상기한 공급 시의 경로와 역경로를 따라 압축기(10)에 회수된다.
다음으로, 상기 구성으로 이루어진 GM식 냉동기(1)의 동작에 대하여 설명한다.
GM식 냉동기(1)의 동작시에 있어서는, 구동용 모터(M)의 회전에 의하여 제1단째 디스플레이서(13) 및 제2단째 디스플레이서(14)는 도면 중 화살표로 나타내는 바와 같이 상하방향으로 왕복이동된다.
제1단째 디스플레이서(13) 및 제2단째 디스플레이서(14)가, 하사점 혹은 그 근방의 위치에 있을 때 공급밸브(V1)가 개방된다. 이로써 고압냉매가스는, 상기와 같이 제1단째 실린더(11) 및 제2단째 실린더(12)의 내부에 공급된다.
이 고압냉매가스의 공급을 유지하면서, 구동용 모터(M)에 의하여 제1단째 디스플레이서(13) 및 제2단째 디스플레이서(14)를 상방향이동시킨다. 이로써, 제1단째 팽창공간(21) 및 제2단째 팽창공간(22)은, 각 실린더(11, 12) 내에 있어서의 냉매가스의 고압상태를 유지하면서 그 용적이 증대한다.
그리고, 제1단째 디스플레이서(13) 및 제2단째 디스플레이서(14)가, 상사점 혹은 그 근방의 위치에 도달한 시점에서, 공급밸브(V1)는 폐쇄되고, 배기밸브(V2)가 개방된다. 이로써, 제1단째 팽창공간(21) 및 제2단째 팽창공간(22) 내의 고압냉매가스는 단열팽창을 행하고, 따라서 제1단째 팽창공간(21) 및 제2단째 팽창공간(22) 내에 한랭이 발생한다.
팽창됨으로써 저압이 된 냉매가스는, 제1단째 디스플레이서(13) 및 제2단째 디스플레이서(14)의 하방향이동에 따라, 제2단째 디스플레이서(14)에 배치된 제2단째 축냉재(18) 내, 및 제1단째 디스플레이서(13)에 배치된 제1단째 축냉재(17) 내를 통과하여 압축기(10)에 회수된다. 이때, 한랭 발생에 의하여 저온화된 냉매가스는, 각 축냉재(17, 18) 내의 통과 시에 이것을 냉각한다.
따라서, 다음의 공급공정에 있어서 압축기(10)로부터 각 팽창공간(21, 22)에 고압냉매가스가 공급될 때, 고압냉매가스는 각 축냉재(17, 18) 내를 통과함으로써 냉각이 행하여진다. 따라서, 축냉재(17, 18)를 설치함으로써, GM식 냉동기(1)의 냉동성능을 향상시킬 수 있다.
도 2는, 도 1에 나타낸 GM식 냉동기(1)의 제2단째 디스플레이서(14)를 확대하여 나타내고 있다. 제2단째 디스플레이서(14)는, 본체부가 되는 통형상부재(30)를 가지고 있다. 이 통형상부재(30)는, 그 상하단이 개방된 원통형상으로 되어 있다.
또, 통형상부재(30)의 하단에는, 섬유를 포함하는 페놀 등으로 형성된 덮개부재(31)가 삽입 접착되고, 그 위에 철망(32)이 배치되며, 또한 그 위에 펠트마개(33)가 배치되어 있다. 통형상부재(30)의 철망(32)의 높이의 위치에는, 가스유로(24b)를 형성하는 개구(37)가 형성되어 있다.
또, 펠트마개(33) 위에는, 축냉재(18)가 충전된다. 축냉재(18) 위에는 펠트마개(34)가 배치되고, 펠트마개(34) 위에는 펀칭메탈(35)이 배치된다. 펀칭메탈(35)은, 통형상부재(30)의 내면 상부에 원주를 따라 형성된 단차에 의하여 고정되어 있다. 통형상부재(30)의 상단에는, 상기한 제1단째 디스플레이서(13)와 결합하기 위한 결합기구(36)가 장착되어 있다.
또, 제2단째 디스플레이서(14)를 구성하는 통형상부재(30)의 외주면에는, 오목부가 형성되어 있다. 본 실시형태에서는, 이 오목부로서 나선형상의 홈부(38)를 형성한 구성으로 하고 있다. 이 홈부(38)는, 통형상부재(30)의 고온측부터 저온측까지 대략 전체에 걸쳐 형성하는 구성으로 하여도, 또 통형상부재(30)의 일부분에 형성하는 구성으로 하여도 된다.
또, 홈부(38)의 형상도 본 실시형태와 같은 나선형상에 한정되는 것은 아니고, 제2단째 디스플레이서(14)의 축방향에 대하여 직교하는 환형상 홈을 복수 형성한 구성으로 하여도 된다. 또한, 오목부의 형상은 홈에 한정되지 않고, 패임부 등을 형성한 구성으로 하는 것도 가능하다.
제2단째 디스플레이서(14)를 구성하는 통형상부재(30)의 외경은, 제2단째 실린더(12)의 내경에 비하여 약간 작게 설정되어 있다. 따라서, 제2단째 실린더(12)와 제2단째 디스플레이서(14)와의 사이에는, 간극(40)이 형성된다.
이것에 대하여, 도 3 및 도 4를 이용하여 설명한다. 도 3 및 도 4는, 도 1에 나타낸 제2단째 실린더(12) 및 제2단째 디스플레이서(14)를 모식적으로 나타낸 것이다. 도 3은 제2단째 디스플레이서(14)의 전체에 홈부(38)가 형성된 예를 나타내고, 도 4는 제2단째 디스플레이서(14)의 일부에 홈부(38)가 형성된 예를 나타내고 있다.
상기와 같이, 제2단째 디스플레이서(14)의 외경(φd)(이하, 디스플레이서 외주(φd)라고 한다)은, 제2단째 실린더(12)의 내경(φs)(이하, 실린더 내주(φs)라고 한다)에 비하여 약간 작게 설정되어 있다(φd＜φs). 따라서, 제2단째 실린더(12)와 제2단째 디스플레이서(14)와의 사이에는, 간극(40)이 형성된다.
이 간극(40)은, 제2단째 디스플레이서(14)의 외주에 형성된 홈부(38)와 접하고 있다. 또, 제2단째 실린더(12)와 제2단째 디스플레이서(14)와의 사이에는, O링 등의 시일기구는 설치되어 있지 않다.
따라서, 압축기(10)로부터 냉매가스가 제2단째 팽창공간(22)을 향하여 공급될 때, 및 제2단째 팽창공간(22)으로부터 압축기(10)를 향하여 냉매가스가 회수될 때에, 냉매가스는 제2단째 디스플레이서(14)의 내부에 형성된 제2단째 축냉재(18)(공간부(14a))를 지나는 정규의 가스유로(이하, 이 유로를 메인유로라고 한다)와, 간극(40)을 지나는 가스유로(이하, 이 유로를 서브유로라고 한다)의 쌍방을 분기하여 흐르게 된다.
구체적으로는, 냉매가스가 압축기(10)로부터 제2단째 팽창공간(22)을 향하여 공급되는 경우에는, 서브유로를 구성하는 간극(40)을 흐르는 냉매가스는, 제2단째 디스플레이서(14)의 외주면에 형성된 홈부(38)(나선홈)에 들어가, 홈부(38) 내에 존재하는 냉매가스와 혼합된다.
제2단째 디스플레이서(14)는 내부에 설치된 제2단째 축냉재(18)에 의하여 냉각되어 있고, 따라서 홈부(38) 내에 존재하는 냉매가스도 냉각되어 있다. 간극(40)으로부터 홈부(38) 내에 들어간 냉매가스는, 홈부(38) 내의 냉매가스와 혼합됨으로써 냉각된다. 그리고, 홈부(38)에서 냉각된 냉매가스는, 다시 홈부(38)로부터 간극(40)으로 되돌아와 제2단째 팽창공간(22)에 공급된다.
한편, 제2단째 팽창공간(22)에서 단열팽창되고 온도 저하된 냉매가스가 압축기(10)에 회수되는 경우에도, 서브유로를 구성하는 간극(40)을 흐르는 냉매가스는, 홈부(38)에 들어가, 홈부(38) 내에 존재하는 냉매가스와 혼합된다. 홈부(38) 내의 냉매가스는, 단열팽창됨으로써 저온화된 냉매가스와 혼합됨으로써 냉각된다.
이로써, 제2단째 디스플레이서(14)는 냉각되고, 내부에 설치된 축냉재(18)도 냉각된다. 그리고, 홈부(38) 내에서 열교환된 냉매가스는 간극(40)으로 되돌아와, 제1단째 팽창공간(21)에 공급된다.
상기와 같이 제2단째 디스플레이서(14)의 외주면에 일정한 홈 체적을 가진 홈부(38)(오목부)를 형성함으로써, 홈부(38) 내에 냉매가스를 존재시킬 수 있다. 이 홈부(38) 내의 냉매가스량을, 간극(40)을 흘러 오는 냉매가스의 가스량에 대하여 소정의 범위 내로 함으로써, 간극(40)을 흘러 오는 냉매가스가 간극(40) 내에 존재하는 냉매가스와 양호하게 혼합하여 열교환을 행할 수 있다.
따라서, 제2단째 디스플레이서(14)에 홈부(38)를 형성함으로써, 디스플레이서에 홈부를 형성하지 않고 각 팽창공간 사이에서 냉매가스가 직통하게 되는 구성에 비하여, 열손실을 작게 할 수 있다.
그러나, 간극(40)의 체적 및 홈부(38)의 체적이 변화되면, 간극(40)을 흐르는 냉매가스와 홈부(38) 내의 냉매가스와의 혼합상태가 변화되고, 각 냉매가스간에 있어서의 열교환성에 변화가 발생하는 것을 생각할 수 있다.
따라서, 본 발명자는, 홈부(38)의 체적(Vd)과 간극(40)의 체적(Vg)과의 체적비(Vd/Vg)에 주목하고, 이것을 변화시켰을 경우에 있어서, GM식 냉동기(1)를 실현할 수 있는 냉동온도를 구하는 실험을 행하였다.
간극(40)의 체적(Vg)은, 제2단째 디스플레이서(14)의 길이를 Lg로 하면, 간극(40)은 디스플레이서 외주(φd) 및 실린더 내주(φs)에 비하여 매우 작기 때문에, 하기 식에 의하여 구할 수 있다. 다만, 도 4에 나타내는 바와 같이, 홈부(38)의 형성범위가 제2단째 디스플레이서(14)의 전체범위가 아닌 경우여도, 길이(Lg)는 제2단째 디스플레이서(14)의 전체의 길이로 한다.
Vg=(φs-φd)/2×π×φs×Lg
또, 홈부(38)의 체적(Vd)은, 홈부(38)의 단면적을 Sd로 하고, 홈 길이를 Ld로 하면 하기 식으로부터 구할 수 있다.
Vd=Sd×Ld
따라서, 홈부(38)의 체적(Vd)과 간극(40)의 체적(Vg)과의 체적비(Vd/Vg)는 하기 식에 의하여 구할 수 있다.
(Vd/Vg)=(Sd×Ld)/｛(φs-φd)/2×π×φs×Lg｝
도 5는, 상기한 체적비(Vd/Vg)를 변화시킨 경우에 있어서, GM식 냉동기(1)를 실현할 수 있는 냉동온도를 구하는 실험을 행한 결과를 나타내고 있다. 다만, 도 5에 있어서, 가로축은 홈부(38)의 체적(Vd)과 간극(40)의 체적(Vg)과의 체적비(Vd/Vg)이며, 세로축은 실현할 수 있었던 냉동온도이다.
도 5에 나타낸 바와 같이, GM식 냉동기(1)에 있어서 가장 양호한 성능이 얻어지고 있을 때의 냉각온도는 3.85K였다. 또, 이 가장 양호한 성능이 얻어지는 체적비의 범위는, 16≤(Vd/Vg)≤54였다. 또한, 냉각온도가 3.85K 정도일 때의 5% 열화 정도가 최저한 냉동기로서의 성능을 유지하기 위하여 필요한 능력이므로, 체적비의 범위를 8≤(Vd/Vg)≤75의 범위로 설정함으로써, 냉동성능을 양호하게 유지하는 것이 가능해진다.
따라서, 도 5에 나타내는 실험 결과에 의하여, 체적비(Vd/Vg)를 8 이상 75 이하로 설정함으로써, 홈부(38)의 체적과 간극(40)의 체적(즉, 서브유로의 체적)의 최적화를 도모할 수 있고, GM식 냉동기(1)를 효율이 높은 상태로 가동할 수 있는 것이 실증되었다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시형태에 대하여 상술하였지만, 본 발명은 상기한 특정의 실시형태에 한정되는 것은 아니고, 특허청구의 범위에 기재된 본 발명의 요지의 범위 내에 있어서, 다양한 변형 및 변경이 가능한 것이다.
상기의 실시형태에서는, 디스플레이서의 외주면에 오목부를 형성하는 구성에 대하여 설명하였지만, 실린더의 내주면에 오목부를 형성하여도 되고, 또, 디스플레이서의 외주면과 실린더의 내주면의 양방에 오목부를 형성하는 구성으로 하여도 된다.
1: GM식 냉동기 10: 압축기
11: 제1단째 실린더 12: 제2단째 실린더
13: 제1단째 디스플레이서 14: 제2단째 디스플레이서
15: 크랭크기구 16: 가스유로
17, 18: 축냉재 19: 제1단째 히트스테이션
20: 제2단째 히트스테이션 21: 제1단째 팽창공간
22: 제2단째 팽창공간 23, 23a, 23b: 가스유로
24, 24a, 24b: 가스유로 25: 실온공간
30: 통형상부재 36: 결합기구
37: 개구 38: 나선형상의 홈부
40: 간극 M: 구동용 모터
V1: 공급밸브 V2: 배기밸브
φs: 실린더 내주 φd: 디스플레이서 외주
Lg: 디스플레이서 길이

Claims (5)

  1. 실린더와,
    상기 실린더 내에 왕복이동 가능하게 수용된 디스플레이서와,
    상기 실린더의 내주와 상기 디스플레이서의 외주와의 사이에 형성됨과 함께 냉매가스가 흐르는 간극과,
    상기 디스플레이서의 외주 또는 상기 실린더의 내주 중 적어도 일방에 형성된 오목부를 가지는 극저온 냉동기로서,
    상기 오목부의 체적을 Vd로 하고, 상기 간극의 체적을 Vg로 하였을 때, 상기 오목부의 체적(Vd)과 상기 간극의 체적(Vg)과의 체적비(Vd/Vg)를 8 이상 75 이하(8≤(Vd/Vg)≤75)로 하며,
    상기 디스플레이서는, 내부에 상기 냉매가스가 흐르는 메인유로가 형성되고,
    상기 간극 및 상기 오목부는, 상기 디스플레이서의 외주에서 상기 냉매가스가 흐르는 서브유로를 형성하는 것을 특징으로 하는 극저온 냉동기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 오목부는 홈인 것을 특징으로 하는 극저온 냉동기.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 오목부는, 나선형상으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 극저온 냉동기.
  4. 삭제
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 오목부는 상기 디스플레이서의 외주면 또는 상기 실린더의 내주면 중 적어도 일방의 일부에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 극저온 냉동기.
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Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2015055374A (ja) 2013-09-10 2015-03-23 住友重機械工業株式会社 極低温冷凍機
JP6773589B2 (ja) * 2017-03-15 2020-10-21 住友重機械工業株式会社 極低温冷凍機
GB201715415D0 (en) * 2017-09-22 2017-11-08 Stirling Works Global Ltd Closed cycle regenerative heat

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003314918A (ja) 2002-04-17 2003-11-06 Iwatani Industrial Gases Corp 極低温冷凍機
JP2004144461A (ja) 2002-08-29 2004-05-20 Mitsubishi Electric Corp 蓄冷型冷凍機及び蓄冷型冷凍機を搭載した超電導マグネット
JP2010216711A (ja) 2009-03-16 2010-09-30 Sumitomo Heavy Ind Ltd 蓄冷器式冷凍機

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4019336A (en) 1973-09-11 1977-04-26 U.S. Philips Corporation Refrigerator
JP2910438B2 (ja) 1992-03-30 1999-06-23 三菱電機株式会社 蓄冷型冷凍機
JP2659684B2 (ja) * 1994-05-31 1997-09-30 住友重機械工業株式会社 蓄冷器式冷凍機
JP2780928B2 (ja) * 1994-06-16 1998-07-30 住友重機械工業株式会社 蓄冷器式冷凍機を使用した低温装置及び冷却方法
US6216467B1 (en) * 1998-11-06 2001-04-17 Helix Technology Corporation Cryogenic refrigerator with a gaseous contaminant removal system
JP2004183919A (ja) * 2002-11-29 2004-07-02 Sumitomo Heavy Ind Ltd 極低温冷凍機
JP2004239565A (ja) * 2003-02-07 2004-08-26 Sumitomo Heavy Ind Ltd 極低温冷凍機
JP2004239564A (ja) * 2003-02-07 2004-08-26 Sumitomo Heavy Ind Ltd ディスプレーサ
CN101900447B (zh) * 2010-08-31 2012-08-15 南京柯德超低温技术有限公司 带调相机构的g-m制冷机
JP5541795B2 (ja) 2010-09-30 2014-07-09 住友重機械工業株式会社 蓄冷器式冷凍機

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003314918A (ja) 2002-04-17 2003-11-06 Iwatani Industrial Gases Corp 極低温冷凍機
JP2004144461A (ja) 2002-08-29 2004-05-20 Mitsubishi Electric Corp 蓄冷型冷凍機及び蓄冷型冷凍機を搭載した超電導マグネット
JP2010216711A (ja) 2009-03-16 2010-09-30 Sumitomo Heavy Ind Ltd 蓄冷器式冷凍機

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