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JP2871156B2 - Cryogenic refrigerator - Google Patents

Cryogenic refrigerator

Info

Publication number
JP2871156B2
JP2871156B2 JP11483191A JP11483191A JP2871156B2 JP 2871156 B2 JP2871156 B2 JP 2871156B2 JP 11483191 A JP11483191 A JP 11483191A JP 11483191 A JP11483191 A JP 11483191A JP 2871156 B2 JP2871156 B2 JP 2871156B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
stage
displacer
cylinder
displacers
regenerator
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
JP11483191A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JPH04344075A (en
Inventor
正 小倉
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.)
Daikin Industries Ltd
Original Assignee
Daikin Kogyo Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Daikin Kogyo Co Ltd filed Critical Daikin Kogyo Co Ltd
Priority to JP11483191A priority Critical patent/JP2871156B2/en
Publication of JPH04344075A publication Critical patent/JPH04344075A/en
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Publication of JP2871156B2 publication Critical patent/JP2871156B2/en
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Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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  • Compressors, Vaccum Pumps And Other Relevant Systems (AREA)
  • Containers, Films, And Cooling For Superconductive Devices (AREA)

Description

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

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】この発明は、極低温レベルの寒冷
を得るための極低温冷凍機に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a cryogenic refrigerator for obtaining cryogenic cooling.

【0002】[0002]

【従来の技術】この極低温冷凍機の1種として、従来、
例えば特開昭62―281375号公報等に示すよう
に、G−M冷凍機(ギフォード・マクマホン冷凍機)又
は改良ソルベーサイクルの冷凍機を予冷冷凍機とするJ
ーT回路を有し、この予冷冷凍機で所定の極低温レベル
に冷却されたヘリウム等の作動ガスをJーT弁でジュー
ルトムソン膨張させることで、4.2Kレベルの冷凍能
力が得られるようにしたJーT冷凍機は知られている。
2. Description of the Related Art As one type of this cryogenic refrigerator, conventionally,
For example, as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 62-281375, a GM refrigerator (Gifford McMahon refrigerator) or an improved Solvay cycle refrigerator is used as a precooled refrigerator.
A working temperature such as helium cooled to a predetermined cryogenic level by this pre-cooling refrigerator is expanded by Joule-Thomson by a JT valve so that a refrigerating capacity of 4.2K level can be obtained. JT refrigerators are known.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】このJーT冷凍機は、
数ワットの冷凍能力が得られ、信頼性の高いシステムと
して実用化されている。しかし、予冷冷凍回路とJーT
回路の2元サイクルであるので、構造が複雑であり、し
かも製造コストが高いという欠点があった。
The JT refrigerator has the following features.
A refrigeration capacity of several watts has been obtained, and it has been put into practical use as a highly reliable system. However, the pre-cooling refrigeration circuit and JT
Since it is a binary cycle of the circuit, there is a disadvantage that the structure is complicated and the manufacturing cost is high.

【0004】一方、今日では、G−M冷凍機の通常は2
段である温度レベルを3段化し、最低温度段での蓄冷器
を希土類磁性材料で構成することにより、簡単な構造で
製造コストの低いG−M冷凍機を使用しつつ、JーT回
路なしでも4.2Kの温度レベルで運転を可能とするよ
うにすることが提案されている。しかし、反面では、こ
の提案の冷凍機では、4.2Kレベルでの冷凍能力は1
ワット以下で極めて低く、総合的な効率が低い難があ
る。
On the other hand, today, GM refrigerators usually have two
The temperature level, which is a stage, is reduced to three stages, and the regenerator at the lowest temperature stage is made of a rare earth magnetic material, so that a JT circuit is not used while using a GM refrigerator with a simple structure and low manufacturing cost. However, it has been proposed to enable operation at a temperature level of 4.2K. However, on the other hand, the refrigerating capacity of the proposed refrigerator at 4.2K level is 1 unit.
Very low below watts, with low overall efficiency.

【0005】本発明は斯かる諸点に鑑みてなされたもの
であり、その目的とするところは、上記G−M冷凍機の
構造に改良を加えることで、その最低温度段での効率を
上昇させて、大きな冷凍能力を確保しようとすることに
ある。
[0005] The present invention has been made in view of the above points, and an object thereof is to improve the efficiency of the lowest temperature stage by improving the structure of the GM refrigerator. Therefore, it is to secure a large refrigeration capacity.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に、請求項1の発明では、G−M冷凍機における最低温
段のディスプレーサをガス圧の差で移動するいわゆるフ
リーディスプレーサとし、かつその行程を規制して最低
温度段の膨張空間にデッドボリュームが生じるようにし
た。
In order to achieve this object, according to the present invention, the displacer of the lowest temperature stage in the GM refrigerator is a so-called free displacer which moves by a gas pressure difference, The process was regulated so that a dead volume was generated in the expansion space at the lowest temperature stage.

【0007】すなわち、具体的には、この発明では、図
1に示すように、先端に向かって各々径が段差状に小さ
くなる複数のシリンダ部(1a)〜(1c)を直列に配
置してなるシリンダ(1)と、この各シリンダ部(1
a)〜(1c)内にそれぞれ往復動可能に嵌挿され、外
周に配置したシール部材(8)〜(10)によりシリン
ダ(1)に複数の膨張空間(12)〜(14)を区画形
成する複数段のディスプレーサ(5)〜(7)と、該各
ディスプレーサ(5)〜(7)内に収容され、ディスプ
レーサ(5)〜(7)両側の膨張空間(12)〜(1
4)間を流動する作動ガスと熱を授受する蓄冷器(2
1)〜(23)とを備えてなり、ディスプレーサ(5)
〜(7)の往復動により膨張空間(12)〜(14)内
で作動ガスを断熱膨張させることで、シリンダ(1)に
おいて各膨張空間(12)〜(14)に対応する部分に
それぞれ温度レベルの異なる極低温レベルの寒冷を発生
させるようにした極低温冷凍機において、上記最低温度
段のディスプレーサ(7)は、他のディスプレーサ
(5),(6)に対して分離されていて、該最低温度段
のディスプレーサ(7)両側の膨張空間(13),(1
4)の圧力差で往復動するようにされ、最低温度段のデ
ィスプレーサ(7)内の蓄冷器(23)は希土類磁性材
料からなる蓄冷材を有し、最低温度段のディスプレーサ
(7)に対し低温側にある膨張空間(14)に所定のデ
ッドボリュームを生じるよう該ディスプレーサ(7)の
行程を規制する規制手段(29)が設けられていること
を特徴とする。
More specifically, in the present invention, as shown in FIG. 1, a plurality of cylinder portions (1a) to (1c) whose diameters gradually decrease toward the tip end are arranged in series. Cylinder (1) and each of the cylinder portions (1
a) to (1c) are inserted into the cylinder (1) reciprocally so as to be reciprocally movable, and a plurality of expansion spaces (12) to (14) are defined in the cylinder (1) by seal members (8) to (10) arranged on the outer periphery. Displacers (5) to (7), and expansion spaces (12) to (1) housed in the displacers (5) to (7) and on both sides of the displacers (5) to (7).
4) A regenerator (2) that exchanges heat with the working gas flowing between
1) to (23), and a displacer (5)
The working gas is adiabatically expanded in the expansion spaces (12) to (14) by the reciprocating movements of (7) to (7), so that the temperature corresponding to each expansion space (12) to (14) in the cylinder (1) is increased. In a cryogenic refrigerator configured to generate cryogenic temperatures of different levels, the displacer (7) in the lowest temperature stage is separated from other displacers (5) and (6). Expansion space (13) on both sides of displacer (7) at lowest temperature stage, (1)
The regenerator (23) in the displacer (7) of the lowest temperature stage has a regenerator material made of a rare earth magnetic material and is reciprocated by the pressure difference of 4). A regulating means (29) for regulating the stroke of the displacer (7) so as to generate a predetermined dead volume in the expansion space (14) on the low temperature side is provided.

【0008】請求項2の発明では、上記規制手段(2
9)を、最低温度段のディスプレーサ(7)の端部に一
体に突設されシリンダ(1)底壁に当接可能なロッド状
のもので構成する。
In the invention according to claim 2, the regulating means (2
9) is constituted by a rod-shaped member integrally projecting from the end of the displacer (7) at the lowest temperature stage and capable of contacting the bottom wall of the cylinder (1).

【0009】[0009]

【作用】上記の構成により、請求項1の発明では、最低
温度段でのディスプレーサ(7)がその両側の膨張空間
(13),(14)の圧力差により往復動するフリーデ
ィスプレーサであるため、そのフリーディスプレーサ
(7)内を流れる作動ガスの循環量を最小にすることが
でき、最低温度段での蓄冷器の効率を上げることができ
る。しかも、そのフリーディスプレーサ(7)の行程が
規制手段(29)により規制され、最低温度段の膨張空
間(14)に所定のデッドボリュームが生じるので、該
膨張空間(14)に圧力条件から作動ガスの2相領域で
の圧縮と膨張とが生じていても、その液化した比熱の大
きい作動ガスがフリーディスプレーサ(7)内の蓄冷器
(23)部分に流出することはなく、蓄冷器の効率の低
下を抑制することができる。よって、これらの相乗効果
により冷凍機の大きな冷凍能力を確保することができ
る。
According to the above construction, in the first aspect of the present invention, the displacer (7) at the lowest temperature stage is a free displacer that reciprocates due to the pressure difference between the expansion spaces (13) and (14) on both sides. The circulation amount of the working gas flowing in the free displacer (7) can be minimized, and the efficiency of the regenerator at the lowest temperature stage can be increased. Further, the stroke of the free displacer (7) is regulated by the regulating means (29), and a predetermined dead volume is generated in the expansion space (14) at the lowest temperature stage. Even when compression and expansion occur in the two-phase region, the liquefied working gas having a large specific heat does not flow out to the regenerator (23) in the free displacer (7), and the efficiency of the regenerator is reduced. The decrease can be suppressed. Therefore, a large refrigerating capacity of the refrigerator can be secured by a synergistic effect of these.

【0010】請求項2の発明では、規制手段(29)
が、最低温度段のディスプレーサ(7)の端部に一体に
突設されシリンダ(1)底壁に当接可能なロッド状のも
のであるので、規制手段(29)が簡単な構造で容易に
得られ、上記極低温冷凍機を低コストで実現することが
できる。
In the invention according to claim 2, the regulating means (29)
Is a rod-shaped member integrally protruding from the end of the displacer (7) at the lowest temperature stage and capable of abutting against the bottom wall of the cylinder (1), so that the regulating means (29) can be easily constructed with a simple structure. Thus, the cryogenic refrigerator can be realized at low cost.

【0011】[0011]

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。図1は本発明の実施例に係るG−M冷凍機(R)
の全体構成を示し、この冷凍機(R)は、ヘリウムガス
(作動ガス)を圧縮する圧縮機(C)とガス配管(P)
を介して接続されていて、圧縮機(C)で圧縮されたヘ
リウムガスを膨張させる膨張機として機能する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 shows a GM refrigerator (R) according to an embodiment of the present invention.
This refrigerator (R) comprises a compressor (C) for compressing helium gas (working gas) and a gas pipe (P).
And functions as an expander for expanding the helium gas compressed by the compressor (C).

【0012】冷凍機(R)はシリンダ(1)を有し、こ
のシリンダ(1)は、先端に向かって各々径が漸次段差
状に小さくなる第1段〜第3段の3つのシリンダ部(1
a)〜(1c)を気密状に直列に接続してなる。上記大
径の第1段シリンダ部(1a)の下端部には例えば55
〜60Kの温度レベルに保持される第1ヒートステーシ
ョン(2)が、また中径の第2段シリンダ部(1b)の
下端部には第1ヒートステーション(2)よりも低い例
えば10〜20Kの温度レベルに保持される第2ヒート
ステーション(3)が、さらに小径の第3シリンダ部
(1c)の下端には上記第2ヒートステーション(3)
よりも低い略4Kの温度レベルに保持される第3ヒート
ステーション(4)がそれぞれ形成されている。
The refrigerator (R) has a cylinder (1), and the cylinder (1) has three cylinder portions (first to third stages) whose diameters gradually decrease toward the front end. 1
a) to (1c) are connected in series in an airtight manner. At the lower end of the large-diameter first-stage cylinder portion (1a), for example, 55
A first heat station (2) maintained at a temperature level of 6060 K, and a lower end of the middle diameter second-stage cylinder portion (1b), for example, 10-20 K lower than the first heat station (2). A second heat station (3) maintained at a temperature level is provided at the lower end of the third cylinder portion (1c) having a smaller diameter.
Third heat stations (4) are formed, each maintained at a lower temperature level of approximately 4K.

【0013】上記シリンダ(1)内には、第1段〜第3
段の3つのディスプレーサ(5)〜(7)(置換器)が
往復動可能に嵌挿されている。すなわち、第1段シリン
ダ部(1a)には第1段ディスプレーサ(5)が、また
第2段シリンダ部(1b)には上記第1段ディスプレー
サ(5)よりも小径の第2段ディスプレーサ(6)が、
さらに第3段シリンダ部(1c)には上記第2段ディス
プレーサ(6)よりも小径の第3段ディスプレーサ
(7)がそれぞれ嵌挿され、第1段ディスプレーサ
(5)は下端で第2段ディスプレーサ(6)の上端に接
合されていて、両ディスプレーサ(5),(6)は一体
に形成されている。上記各ディスプレーサ(5)〜
(7)の外周所定位置にはそれぞれシリンダ(1)内周
面に摺接するシールリング(8)〜(10)が取り付け
られており、このシールリング(8)〜(10)及びデ
ィスプレーサ(5)〜(7)によりシリンダ(1)内
に、第1段ディスプレーサ(5)の上側に位置する空間
(11)と、上記各ヒートステーション(2)〜(4)
に対応する位置にある第1段〜第3段の3つの膨張空間
(12)〜(14)とが区画形成され、上記空間(1
1)は上記圧縮機(C)に接続されている。
In the cylinder (1), first to third stages are provided.
The three displacers (5) to (7) (replacers) of the stage are reciprocally fitted. That is, the first-stage cylinder portion (1a) has a first-stage displacer (5), and the second-stage cylinder portion (1b) has a second-stage displacer (6) having a smaller diameter than the first-stage displacer (5). )But,
Further, a third-stage displacer (7) smaller in diameter than the second-stage displacer (6) is fitted into the third-stage cylinder portion (1c), and the first-stage displacer (5) has a lower end at the second-stage displacer. The displacers (5) and (6) are joined to the upper end of (6) and are integrally formed. Each of the above displacers (5)-
At predetermined positions on the outer periphery of (7), seal rings (8) to (10) that are in sliding contact with the inner peripheral surface of the cylinder (1) are attached. The seal rings (8) to (10) and the displacer (5) are provided. (7), the space (11) located above the first stage displacer (5) in the cylinder (1), and the heat stations (2) to (4).
And three expansion spaces (12) to (14) of the first to third stages located at positions corresponding to
1) is connected to the compressor (C).

【0014】上記各ディスプレーサ(5)〜(7)はい
ずれも内部が空洞状に形成された有底円筒状のもので、
第1段ディスプレーサ(5)の上端外周には該ディスプ
レーサ(5)内を空間(11)に連通する連通孔(1
5)が、また下端外周にはディスプレーサ(5)内を第
1段膨張空間(12)に連通する連通孔(16)がそれ
ぞれ形成されている。また、第2段ディスプレーサ
(6)の上端外周にはディスプレーサ(6)内を第1段
膨張空間(12)に連通する連通孔(17)が、また下
端外周にはディスプレーサ(6)内を第2段膨張空間
(13)に連通する連通孔(18)がそれぞれ形成され
ている。さらに、第3段ディスプレーサ(7)の上端外
周にはディスプレーサ(7)内を第2段膨張空間(1
3)に連通する連通孔(19)が、また下端外周にはデ
ィスプレーサ(7)内をシリンダ(1)下端の第3段膨
張空間(14)に連通する連通孔(20)がそれぞれ形
成されている。つまり、空間(11)及び膨張空間(1
2)〜(14)の各々はディスプレーサ(5)〜(7)
内の空間を経てガスが往来できるように互いに連通され
ている。
Each of the displacers (5) to (7) is a bottomed cylinder having a hollow inside.
The outer periphery of the upper end of the first stage displacer (5) has a communication hole (1) communicating the space inside the displacer (5) with the space (11).
5), and a communication hole (16) for communicating the inside of the displacer (5) with the first-stage expansion space (12) is formed on the outer periphery of the lower end. A communication hole (17) communicating with the first-stage expansion space (12) in the displacer (6) is provided on the outer periphery of the upper end of the second-stage displacer (6), and the inside of the displacer (6) is provided on the outer periphery of the lower end. A communication hole (18) communicating with the two-stage expansion space (13) is formed. Further, a second-stage expansion space (1) is formed inside the displacer (7) around the upper end of the third-stage displacer (7).
A communication hole (19) communicating with 3) and a communication hole (20) communicating with the third-stage expansion space (14) at the lower end of the cylinder (1) in the displacer (7) are formed on the outer periphery of the lower end. I have. That is, the space (11) and the expansion space (1
Each of 2) to (14) is a displacer (5) to (7)
They are communicated with each other so that gas can flow through the internal space.

【0015】上記各ディスプレーサ(5)〜(7)の内
部にはそれぞれディスプレーサ(5)〜(7)両側の膨
張空間(12)〜(14)間を流動するヘリウムガスと
の間で熱を授受する蓄冷器(21)〜(23)が収容さ
れている。この各蓄冷器(21)〜(23)は、具体的
にはメッシュからなる蓄冷材を多段に積層し、又は多数
の球からなる蓄冷材を充填したものであり、メッシュの
目や球間の隙間がガス流路とされている。そして、第1
段及び第2段ディスプレーサ(5),(6)内の蓄冷材
は銅等からなり、第3段ディスプレーサ(7)内の蓄冷
材は希土類磁性材料からなる。
Heat is transferred between the displacers (5) to (7) and the helium gas flowing between the expansion spaces (12) to (14) on both sides of the displacers (5) to (7). Regenerators (21) to (23) are accommodated. Each of the regenerators (21) to (23) is specifically formed by laminating a regenerator material composed of a mesh in multiple stages or filling a regenerator material composed of a large number of spheres. The gap serves as a gas flow path. And the first
The regenerator material in the stage and second stage displacers (5) and (6) is made of copper or the like, and the regenerator material in the third stage displacer (7) is made of a rare earth magnetic material.

【0016】さらに、上記シリンダ(1)上端の空間
(11)と圧縮機(C)との間のガス配管(P)は、圧
縮機(C)吐出側に接続される高圧ガス配管(PH )と
吸入側に接続される低圧ガス配管(PL )とに分けら
れ、高圧ガス配管(PH )には開閉弁からなる高圧バル
ブ(24)が、また低圧ガス配管(PL )には同様の低
圧バルブ(25)がそれぞれ配設されており、この両バ
ルブ(24),(25)はディスプレーサ(5)〜
(7)を往復動させる後述のモータ(28)と所定のタ
イミングで同期して開閉制御され、このバルブ(2
4),(25)の開閉切換えにより、圧縮機(C)から
吐出された高圧ヘリウムガスをシリンダ(1)内の膨張
空間(12)〜(14)に供給し、又は膨張空間(1
2)〜(14)内で膨張した低圧ヘリウムガスをシリン
ダ(1)から排出して圧縮機(C)に戻すようになって
いる。
Further, a gas pipe (P) between the space (11) at the upper end of the cylinder (1) and the compressor (C) is a high-pressure gas pipe (PH) connected to the discharge side of the compressor (C). And a low-pressure gas pipe (PL) connected to the suction side. The high-pressure gas pipe (PH) has a high-pressure valve (24) composed of an on-off valve, and the low-pressure gas pipe (PL) has a similar low-pressure valve. (25) are respectively disposed, and both valves (24) and (25) are displacers (5) to
The opening and closing of the valve (2) is controlled in synchronization with a motor (28) to be described later that reciprocates the valve (7) at a predetermined timing.
By switching between opening and closing of (4) and (25), the high-pressure helium gas discharged from the compressor (C) is supplied to the expansion spaces (12) to (14) in the cylinder (1) or the expansion space (1).
The low-pressure helium gas expanded in 2) to (14) is discharged from the cylinder (1) and returned to the compressor (C).

【0017】また、上記ディスプレーサ(5)〜(7)
の上端は、シリンダ(1)の上壁を気密状に貫通するロ
ッド(26)を有するスコッチヨーク機構(27)を介
してモータ(28)の出力軸に連結されており、モータ
(28)の回転運動をスコッチヨーク機構(27)によ
り直線運動に変えて第1及び第2段ディスプレーサ
(5),(6)を往復動させ、このディスプレーサ
(5),(6)の往復動により膨張空間(12)〜(1
4)内でヘリウムガスを断熱膨張させることで、シリン
ダ(1)において各膨張空間(12)〜(14)に対応
するヒートステーション(2)〜(4)にそれぞれ温度
レベルの異なる極低温レベルの寒冷を発生させるように
している。
The displacers (5) to (7)
The upper end of the motor (28) is connected to the output shaft of a motor (28) via a Scotch yoke mechanism (27) having a rod (26) penetrating the upper wall of the cylinder (1) in an airtight manner. The first and second stage displacers (5) and (6) are reciprocated by changing the rotational motion into linear motion by the scotch yoke mechanism (27), and the reciprocating motion of the displacers (5) and (6) causes the expansion space ( 12) to (1)
By adiabatically expanding the helium gas in 4), the heat stations (2) to (4) corresponding to the expansion spaces (12) to (14) in the cylinder (1) have cryogenic levels having different temperature levels. I try to generate cold.

【0018】そして、上記最低温度段たる第3段ディス
プレーサ(7)は、他の第1段及び第2段ディスプレー
サ(5),(6)に対して分離されていて、第3段ディ
スプレーサ(7)両側の第2段及び第3段膨張空間(1
3),(14)の圧力差で往復動するようにされたフリ
ーディスプレーサとされている。
The third-stage displacer (7), which is the lowest temperature stage, is separated from the other first-stage and second-stage displacers (5) and (6), and the third-stage displacer (7) is separated. ) 2nd and 3rd stage expansion spaces (1
The free displacer is configured to reciprocate with a pressure difference of 3) and (14).

【0019】さらに、図2に拡大詳示するように、上記
第3段(最低温度段)のディスプレーサ(7)の下端に
はその中心線方向に延びる所定長さのロッド状ストッパ
(29)が一体的に取り付けられ、このストッパ(2
9)は先端がシリンダ(1)の底壁に当接可能に設けら
れており、このストッパ(29)により、第3段ディス
プレーサ(7)の低温側にある第3段膨張空間(14)
に所定のデッドボリュームを生じるよう、該ディスプレ
ーサ(7)の行程を規制する規制手段が構成されてい
る。
As shown in detail in FIG. 2, a rod-shaped stopper (29) having a predetermined length extending in the center line direction is provided at the lower end of the third stage (lowest temperature stage) displacer (7). This stopper (2
The third stage expansion space (14) is provided with a stopper (29) whose tip is in contact with the bottom wall of the cylinder (1) and which is located on the low temperature side of the third stage displacer (7).
A restricting means for restricting the stroke of the displacer (7) so that a predetermined dead volume occurs.

【0020】次に、上記実施例において各ディスプレー
サ(5)〜(7)の動きと主として第3段膨張空間(1
4)での温度下降の作用とについて説明する。図3は冷
凍機(R)の1サイクルにおいてディスプレーサ(5)
〜(7)の動きを示す。図4は第1段膨張空間(12)
でのヘリウムガスのP−V線図を、また図5は第2段膨
張空間(13)でのヘリウムガスのP−V線図を、図6
は第3段膨張空間(14)でのヘリウムガスのP−V線
図をそれぞれ示す。図4〜図6における数字は、それぞ
れ以下に説明するディスプレーサ(5)〜(7)の1サ
イクルの行程〜を示している。
Next, in the above embodiment, the movement of each of the displacers (5) to (7) and the third stage expansion space (1)
The effect of the temperature decrease in 4) will be described. FIG. 3 shows the displacer (5) in one cycle of the refrigerator (R).
7 shows the movement of (7). FIG. 4 shows the first stage expansion space (12).
FIG. 5 is a PV diagram of the helium gas in the second-stage expansion space (13), and FIG.
Shows PV diagrams of the helium gas in the third-stage expansion space (14), respectively. The numbers in FIGS. 4 to 6 indicate the steps of one cycle of the displacers (5) to (7) described below.

【0021】(行程) この行程では、図3(a)に
示すように、モータ(28)により駆動される第1段及
び第2段ディスプレーサ(5),(6)が低温側(図で
下側)にある。一方、第3段ディスプレーサ(7)は高
温側(図で上側)にあり、この状態で高圧バルブ(2
4)が開く。
(Step) In this step, as shown in FIG. 3 (a), the first and second stage displacers (5) and (6) driven by the motor (28) are on the low temperature side (the lower side in the figure). Side). On the other hand, the third stage displacer (7) is on the high temperature side (upper side in the figure), and in this state, the high pressure valve (2)
4) opens.

【0022】(行程) 図3(b)に示すように、高
圧バルブ(24)の開弁に伴い、圧縮機(C)から吐出
された常温の高圧ヘリウムガスが各段のディスプレーサ
(5)〜(7)内の蓄冷器(21)〜(23)で冷却さ
れながら膨張空間(12)〜(14)に入る。この状態
では、第1段及び第2段ディスプレーサ(5),(6)
は依然として停止しているが、第3段ディスプレーサ
(7)は第2段及び第3段膨張空間(13),(14)
での圧力差により図で下方に押されて第3段膨張空間
(14)内のガスを断熱圧縮しながら下降する。
(Stroke) As shown in FIG. 3B, with the opening of the high-pressure valve (24), normal-temperature high-pressure helium gas discharged from the compressor (C) is displaced at each stage. It enters the expansion spaces (12) to (14) while being cooled by the regenerators (21) to (23) in (7). In this state, the first and second stage displacers (5), (6)
Is still stopped, but the third-stage displacer (7) comprises second-stage and third-stage expansion spaces (13), (14).
The gas in the third-stage expansion space (14) is pushed downward by the pressure difference in the figure to descend while adiabatically compressing the gas in the third-stage expansion space (14).

【0023】(行程) 図3(c)に示す如く、高圧
バルブ(24)の開弁により高圧ガスがさらに継続して
流入し、ストッパ(29)の下端がシリンダ(1)の底
壁に当接して第3段ディスプレーサ(7)のそれ以上に
移動が規制され、第3段膨張空間(14)にデッドスペ
ースが形成され、その後の圧力上昇によりシリンダ
(1)内全体が高圧となる。また、第1段及び第2段デ
ィスプレーサ(5),(6)は常温側(図で上側)に上
昇を開始する。
(Stroke) As shown in FIG. 3 (c), the high-pressure gas continues to flow in by opening the high-pressure valve (24), and the lower end of the stopper (29) hits the bottom wall of the cylinder (1). In contact therewith, the movement of the third stage displacer (7) is further restricted and a dead space is formed in the third stage expansion space (14), and the pressure inside the cylinder (1) becomes high due to the subsequent pressure rise. Further, the first and second stage displacers (5) and (6) start rising to the normal temperature side (upward in the figure).

【0024】(行程) 図3(d)に示すように、第
1段及び第2段ディスプレーサ(5),(6)は上昇端
位置に移動して停止保持される。第3段膨張空間(1
4)内の圧力は最大となる。
(Stroke) As shown in FIG. 3D, the first-stage and second-stage displacers (5) and (6) move to the rising end positions and are stopped and held. Third-stage expansion space (1
The pressure in 4) is at a maximum.

【0025】(行程) 図3(e)に示す如く、第1
段及び第2段ディスプレーサ(5),(6)は上昇端位
置に停止保持されている。各段のディスプレーサ(5)
〜(7)が上記それぞれの位置に停止した状態で、高圧
バルブ(24)が閉じ、その代りに低圧バルブ(25)
が開く。
(Stroke) As shown in FIG.
The stage and second stage displacers (5), (6) are stopped and held at the raised end position. Displacer for each stage (5)
With (7) stopped at each of the above positions, the high pressure valve (24) is closed, and instead the low pressure valve (25)
Opens.

【0026】(行程) 図3(f)に示すように、第
1段及び第2段ディスプレーサ(5),(6)は停止す
るが、低圧バルブ(25)の開弁に伴い、空間(11)
が圧縮機(C)の吸入側に連通し、シリンダ(1)内の
ガスが流出する。このため、第3段ディスプレーサ
(7)はその両側の瞬間的な圧力差により高温側(上
側)に加速され、第3段膨張空間(14)の低温デッド
ボリューム内のガスが断熱膨張して、その温度が下が
る。
(Stroke) As shown in FIG. 3 (f), the first-stage and second-stage displacers (5) and (6) are stopped, but with the opening of the low-pressure valve (25), the space (11) is opened. )
Communicates with the suction side of the compressor (C), and the gas in the cylinder (1) flows out. For this reason, the third-stage displacer (7) is accelerated to the high-temperature side (upward) by the instantaneous pressure difference on both sides, and the gas in the low-temperature dead volume of the third-stage expansion space (14) expands adiabatically, Its temperature drops.

【0027】(行程) 図3(g)に示すように、第
1段及び第2段ディスプレーサ(5),(6)は低温側
(図で下側)への下降を開始する。また、低圧バルブ
(25)は開弁されていてシリンダ(1)内のヘリウム
ガスは引き続いて流出し、第3段ディスプレーサ(7)
はその上端が第2段ディスプレーサ(6)の下端に当接
するまで上昇し続け、その当接の後は上昇を停止して、
第1段及び第2段ディスプレーサ(5),(6)により
押し下げられる。このとき、上記第3ディスプレーサ
(7)の上昇停止により、第3段膨張空間(14)内の
ヘリウムガスが第3ディスプレーサ(7)内部の蓄冷器
(23)を経由して第2段膨張空間(13)に流出す
る。
(Stroke) As shown in FIG. 3 (g), the first and second stage displacers (5) and (6) start descending to the low temperature side (downward in the figure). Also, the low pressure valve (25) is opened, and the helium gas in the cylinder (1) continuously flows out, and the third stage displacer (7)
Continues to rise until its upper end abuts on the lower end of the second stage displacer (6), stops rising after that abutment,
It is depressed by the first and second stage displacers (5), (6). At this time, the helium gas in the third-stage expansion space (14) passes through the regenerator (23) inside the third-stage displacer (7) due to the stop of the upward movement of the third displacer (7). (13).

【0028】(行程) 図3(h)に示す如く、第1
段及び第2段ディスプレーサ(5),(6)が下降端位
置に停止保持され、第3段ディスプレーサ(7)はその
上端が第2段ディスプレーサ(6)の下端に当接した状
態で第3シリンダ部(1c)の上端に停止保持される。
このとき、シリンダ(1)内の全体が低圧条件になる。
そして、この行程の後は、上記行程に戻り、以後、行
程〜を上記と同様に繰り返す。
(Stroke) As shown in FIG.
The stage and the second stage displacers (5) and (6) are stopped and held at the lower end position, and the third stage displacer (7) is moved to the third stage displacer (6) with its upper end in contact with the lower end of the second stage displacer (6). It is stopped and held at the upper end of the cylinder part (1c).
At this time, the whole inside of the cylinder (1) is in a low pressure condition.
Then, after this step, the process returns to the above-described step, and thereafter, the steps 1 to 5 are repeated in the same manner as described above.

【0029】したがって、この実施例においては、最低
温度段である第3段のディスプレーサ(7)がその両側
の膨張空間(13),(14)の圧力差により往復動す
るフリーディスプレーサであるため、その第3段ディス
プレーサ(7)内を流れるヘリウムガスの循環量を最小
にすることができ、蓄冷器(23)での効率を上げるこ
とができる。しかも、その第3段ディスプレーサ(7)
の行程がストッパ(29)により規制され、第3段膨張
空間(14)内に所定のデッドボリュームが生じるの
で、該膨張空間(14)に圧力条件からヘリウムガスの
2相領域での圧縮と膨張とが生じていても、その液化し
た比熱の大きいヘリウムガスが第3段ディスプレーサ
(7)内の蓄冷器(23)内に流出することはなく、蓄
冷器(23)の効率の低下を抑制することができる。こ
れらの相乗効果により冷凍機(R)の大きな冷凍能力を
確保することができる。
Therefore, in this embodiment, the third stage displacer (7), which is the lowest temperature stage, is a free displacer that reciprocates due to the pressure difference between the expansion spaces (13) and (14) on both sides thereof. The amount of helium gas circulating in the third stage displacer (7) can be minimized, and the efficiency of the regenerator (23) can be increased. Moreover, the third stage displacer (7)
Is restricted by the stopper (29), and a predetermined dead volume is generated in the third-stage expansion space (14). Therefore, the compression and expansion of the helium gas in the two-phase region are performed in the expansion space (14) due to the pressure condition. Does not flow out into the regenerator (23) in the third-stage displacer (7), thereby suppressing a decrease in the efficiency of the regenerator (23). be able to. Due to these synergistic effects, a large refrigerating capacity of the refrigerator (R) can be secured.

【0030】また、この実施例では、第3段ディスプレ
ーサ(7)下端に突設したロッド状ストッパ(29)
で、該ディスプレーサ(7)の移動を規制するので、そ
の移動規制のための手段が簡単な構造で容易に得られ
る。
In this embodiment, a rod-shaped stopper (29) protruding from the lower end of the third stage displacer (7) is used.
Since the movement of the displacer (7) is restricted, the means for restricting the movement can be easily obtained with a simple structure.

【0031】尚、上記実施例では、第3段ディスプレー
サ(7)の行程を規制する規制手段を、その下端に取り
付けたロッド状ストッパ(29)としたが、第3シリン
ダ部(1c)内周に取り付けた突起等で構成することも
できる。
In the above embodiment, the regulating means for regulating the stroke of the third stage displacer (7) is the rod-shaped stopper (29) attached to the lower end thereof, but the inner periphery of the third cylinder portion (1c). It can also be constituted by a projection or the like attached to the.

【0032】また、上記実施例では、3段の極低温レベ
ルを有する冷凍機の場合であるが、2段又は4段以上の
温度レベルを有する冷凍機にも適用することが可能であ
る。
In the above-described embodiment, the refrigerator has a three-stage cryogenic temperature level. However, the present invention can be applied to a refrigerator having two or four or more temperature levels.

【0033】さらに、上記実施例は、機械駆動式G−M
サイクルの冷凍機(R)であるが、本発明は、ガス圧駆
動式のG−Mサイクルや改良ソルベーサイクルのG−M
冷凍機にも適用することができる。
Further, in the above embodiment, the mechanically driven GM
The present invention relates to a gas cycle driven GM cycle and an improved Solvay cycle GM cycle.
It can also be applied to refrigerators.

【0034】[0034]

【発明の効果】以上説明したように、請求項1の発明に
よると、G−M冷凍機における最低温度段でのディスプ
レーサを作動ガス圧の差により往復動するフリーディス
プレーサとし、その内部の蓄冷器での蓄冷材を希土類磁
性材料で構成し、フリーディスプレーサの往復動を規制
して最低温度段の膨張空間にデッドボリュームを作るよ
うにしたことにより、作動ガスの循環量を最少にし、か
つ最低段膨張空間で生じた液化作動ガスが蓄冷器内に流
れるのを防いで、G−M冷凍機の効率低下の抑制により
その冷凍能力を、希土類磁性材料を蓄冷材として使用し
ただけのG−M冷凍機に比べ大きくすることができ、よ
って構造が簡単で製造コストが低く、しかも冷凍能力の
大きいG−M冷凍機を実現することができる。
As described above, according to the first aspect of the present invention, the displacer at the lowest temperature stage in the GM refrigerator is a free displacer that reciprocates due to a difference in working gas pressure, and the regenerator inside the displacer. The cold storage material is made of a rare earth magnetic material, and the reciprocating motion of the free displacer is regulated to create a dead volume in the expansion space of the lowest temperature stage, thereby minimizing the amount of working gas circulation and minimizing the lowest stage. The liquefied working gas generated in the expansion space is prevented from flowing into the regenerator, and the refrigeration capacity is suppressed by suppressing the decrease in the efficiency of the GM refrigerator. The GM refrigeration using only a rare earth magnetic material as a regenerator material. Therefore, it is possible to realize a GM refrigerator having a simple structure, a low manufacturing cost, and a large refrigeration capacity.

【0035】請求項2の発明によれば、上記フリーディ
スプレーサの往復動を規制する規制手段を、ディスプレ
ーサと一体に突設したロッド状のものとしたので、規制
手段が簡単な構造で得られ、上記効果を有する極低温冷
凍機を低コストで実現できる。
According to the second aspect of the present invention, since the regulating means for regulating the reciprocating movement of the free displacer is formed in a rod-like shape integrally projecting with the displacer, the regulating means can be obtained with a simple structure. A cryogenic refrigerator having the above effects can be realized at low cost.

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

【図1】G−M冷凍機の概略断面図である。FIG. 1 is a schematic sectional view of a GM refrigerator.

【図2】最低温度段でのシリンダ及びディスプレーサの
構造を示す拡大断面図である。
FIG. 2 is an enlarged sectional view showing a structure of a cylinder and a displacer at a lowest temperature stage.

【図3】ディスプレーサの動きを示す説明図である。FIG. 3 is an explanatory diagram showing the movement of a displacer.

【図4】1段目膨張空間のP−V線図である。FIG. 4 is a PV diagram of a first-stage expansion space.

【図5】2段目膨張空間のP−V線図である。FIG. 5 is a PV diagram of a second-stage expansion space.

【図6】3段目膨張空間のP−V線図である。FIG. 6 is a PV diagram of a third-stage expansion space.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

(R)…冷凍機 (1)…シリンダ (1a)〜(1c)…シリンダ部 (5)〜(7)…ディスプレーサ (8)〜(10)…シールリング(シール部材) (12)〜(14)…膨張空間 (21)〜(23)…蓄冷器 (29)…ストッパ(規制手段) (R) Refrigerator (1) Cylinder (1a) to (1c) Cylinder (5) to (7) Displacer (8) to (10) Seal ring (seal member) (12) to (14) ) ... Expansion space (21)-(23) ... Regenerator (29) ... Stopper (Regulator)

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 先端に向かって各々径が段差状に小さく
なる複数のシリンダ部(1a)〜(1c)を直列に配置
してなるシリンダ(1)と、上記各シリンダ部(1a)
〜(1c)内にそれぞれ往復動可能に嵌挿され、外周に
配置したシール部材(8)〜(10)によりシリンダ
(1)に複数の膨張空間(12)〜(14)を区画形成
する複数段のディスプレーサ(5)〜(7)と、上記各
ディスプレーサ(5)〜(7)内に収容され、ディスプ
レーサ(5)〜(7)両側の膨張空間(12)〜(1
4)間を流動する作動ガスと熱を授受する蓄冷器(2
1)〜(23)とを備えてなり、ディスプレーサ(5)
〜(7)の往復動により膨張空間(12)〜(14)内
で作動ガスを断熱膨張させることで、シリンダ(1)に
おいて各膨張空間(12)〜(14)に対応する部分に
それぞれ温度レベルの異なる極低温レベルの寒冷を発生
させるようにした極低温冷凍機であって、上記最低温度
段のディスプレーサ(7)は、他のディスプレーサ
(5),(6)に対して分離されていて、該最低温度段
のディスプレーサ(7)両側の膨張空間(13),(1
4)の圧力差で往復動するようにされ、最低温度段のデ
ィスプレーサ(7)内の蓄冷器(23)は希土類磁性材
料からなる蓄冷材を有し、最低温度段のディスプレーサ
(7)に対し低温側にある膨張空間(14)に所定のデ
ッドボリュームを生じるよう、該ディスプレーサ(7)
の行程を規制する規制手段(29)が設けられている極
低温冷凍機。
A cylinder (1) in which a plurality of cylinders (1a) to (1c) each having a diameter decreasing stepwise toward the tip end are arranged in series, and each of the cylinders (1a).
To (1c), each of which is reciprocally movable and which defines a plurality of expansion spaces (12) to (14) in the cylinder (1) by seal members (8) to (10) arranged on the outer periphery. The stage displacers (5) to (7) and the expansion spaces (12) to (1) housed in the displacers (5) to (7) and on both sides of the displacers (5) to (7).
4) A regenerator (2) that exchanges heat with the working gas flowing between
1) to (23), and a displacer (5)
The working gas is adiabatically expanded in the expansion spaces (12) to (14) by the reciprocating movements of (7) to (7), so that the temperature corresponding to each expansion space (12) to (14) in the cylinder (1) is increased. A cryogenic refrigerator configured to generate cryogenic cold at different levels, wherein the displacer (7) at the lowest temperature stage is separated from other displacers (5) and (6). , Expansion spaces (13), (1) on both sides of the displacer (7) at the lowest temperature stage.
The regenerator (23) in the displacer (7) at the lowest temperature stage has a regenerator material made of a rare earth magnetic material, and reciprocates with the pressure difference of (4). The displacer (7) is used to create a predetermined dead volume in the expansion space (14) on the low temperature side.
A cryogenic refrigerator provided with a regulating means (29) for regulating the process of (1).
【請求項2】 規制手段(29)は、最低温度段のディ
スプレーサ(7)の端部に一体に突設されシリンダ
(1)底壁に当接可能なロッド状のもので構成されてい
る請求項1記載の極低温冷凍機。
2. The regulating means (29) is formed as a rod-shaped member integrally projecting from an end of the displacer (7) at the lowest temperature stage and capable of abutting against the bottom wall of the cylinder (1). Item 7. The cryogenic refrigerator according to Item 1.
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