JP2017048937A - Cryogenic refrigeration machine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、極低温冷凍機に関する。 The present invention relates to a cryogenic refrigerator.
ギフォード・マクマホン(Gifford-McMahon;GM)冷凍機に代表される極低温冷凍機は、作動ガス(冷媒ガスともいう)の膨張機と圧縮機を有する。このような極低温冷凍機の膨張機はたいてい、駆動手段によって軸方向に往復移動するディスプレーサとこれに内蔵された蓄冷器を有する。ディスプレーサは、その往復移動を案内するシリンダに収容されている。シリンダに対するディスプレーサの相対移動により両者の間に形成される可変容積は、作動ガスの膨張室として用いられる。膨張機は、圧縮機から供給される高圧ガスを膨張室内で断熱膨張させ、これにより寒冷を発生させる。 A cryogenic refrigerator represented by a Gifford-McMahon (GM) refrigerator has an expander and a compressor for working gas (also referred to as refrigerant gas). Such an expander of a cryogenic refrigerator usually has a displacer that reciprocates in an axial direction by a driving means and a regenerator built in the displacer. The displacer is accommodated in a cylinder that guides the reciprocal movement. The variable volume formed between the two by the relative movement of the displacer with respect to the cylinder is used as an expansion chamber for the working gas. The expander adiabatically expands the high-pressure gas supplied from the compressor in the expansion chamber, thereby generating cold.
ディスプレーサとシリンダとの間には軸方向において膨張室と反対側にもう1つの可変容積、いわゆる圧縮室、が形成されうる。シリンダに対するディスプレーサの相対移動によって圧縮室が狭くなるとき、そこに滞在するガスはディスプレーサによって圧縮されうる。ガス圧縮に伴う圧縮熱は、極低温冷凍機に熱損失をもたらしうる。とくに、極低温冷凍機の容量が大きいほど、圧縮熱による熱損失も大きくなる。 Another variable volume, a so-called compression chamber, can be formed between the displacer and the cylinder in the axial direction on the opposite side of the expansion chamber. When the compression chamber is narrowed by the relative movement of the displacer with respect to the cylinder, the gas staying there can be compressed by the displacer. The heat of compression associated with gas compression can cause heat loss in the cryogenic refrigerator. In particular, the greater the capacity of the cryogenic refrigerator, the greater the heat loss due to compression heat.
本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、極低温冷凍機の膨張機に生じうる圧縮熱による熱損失を低減することにある。 One exemplary object of one aspect of the present invention is to reduce heat loss due to compression heat that can occur in an expander of a cryogenic refrigerator.
本発明のある態様によると、極低温冷凍機は、軸方向において一方側に蓄冷器高温部を有し反対側に蓄冷器低温部を有する蓄冷器を備え、軸方向に往復移動可能であるディスプレーサと、前記ディスプレーサを収容し前記ディスプレーサを軸方向に往復移動可能に支持する膨張機静止部分であって、前記蓄冷器高温部の側で前記ディスプレーサとの間にガス空間を形成し、前記蓄冷器低温部の側で前記ディスプレーサとの間にガス膨張室を形成する膨張機静止部分と、前記ガス空間と前記ガス膨張室との間の軸方向ガス流れを遮断するよう前記ディスプレーサと前記膨張機静止部分との間に配置されたシール部と、前記膨張機静止部分と前記蓄冷器との間のガス流通のためのガス流路であって、前記ガス空間を迂回し前記シール部を経由するよう構成されたガス流路と、を備える。 According to an aspect of the present invention, a cryogenic refrigerator includes a regenerator having a regenerator high-temperature part on one side in the axial direction and a regenerator low-temperature part on the opposite side, and is capable of reciprocating in the axial direction. And an expander stationary part that accommodates the displacer and supports the displacer so as to be capable of reciprocating in the axial direction, wherein a gas space is formed between the displacer and the regenerator at a high temperature part side, and the regenerator An expander stationary part forming a gas expansion chamber between the displacer on the low temperature side, and the displacer and the expander stationary so as to block an axial gas flow between the gas space and the gas expansion chamber. And a gas flow path for gas flow between the expander stationary part and the regenerator, bypassing the gas space and passing through the seal part. Cormorants and a gas flow path configured.
なお、本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。 In addition, what replaced the component and expression of this invention between methods, apparatuses, systems, etc. is also effective as an aspect of this invention.
本発明によれば、極低温冷凍機の膨張機に生じうる圧縮熱による熱損失を低減することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the heat loss by the compression heat which can arise in the expander of a cryogenic refrigerator can be reduced.
以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。なお、説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。また、以下に述べる構成は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。 Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the description, the same elements are denoted by the same reference numerals, and repeated descriptions are omitted as appropriate. Moreover, the structure described below is an illustration and does not limit the scope of the present invention at all.
図1は、本発明のある実施の形態に係る極低温冷凍機10を概略的に示す図である。図示される極低温冷凍機10は、単段式のGM冷凍機である。GM冷凍機の基本的な構造及び動作は、例えば特開2014−194291号公報及び特開2015−117872号公報に開示されている。これらの文献を参照によりその全体を本願明細書に援用する。
FIG. 1 is a diagram schematically showing a
極低温冷凍機10は、作動ガスを圧縮する圧縮機12と、作動ガスを断熱膨張により冷却する膨張機14とを備える。作動ガスは例えばヘリウムガスである。膨張機14はコールドヘッドとも呼ばれる。膨張機14には作動ガスを予冷する蓄冷器16が備えられている。極低温冷凍機10は、圧縮機12と膨張機14とを各々が接続する第1管18aと第2管18bを含むガス配管18を備える。
The
知られているように、第1高圧を有する作動ガスが圧縮機12の吐出口から第1管18aを通じて膨張機14に供給される。膨張機14における断熱膨張により、作動ガスは第1高圧からそれより低い第2高圧に減圧される。第2高圧を有する作動ガスは、膨張機14から第2管18bを通じて圧縮機12の吸入口に回収される。圧縮機12は、回収された第2高圧を有する作動ガスを圧縮する。こうして作動ガスは再び第1高圧に昇圧される。一般に第1高圧及び第2高圧はともに大気圧よりかなり高い。説明の便宜上、第1高圧及び第2高圧はそれぞれ単に高圧及び低圧とも呼ばれる。
As is known, a working gas having a first high pressure is supplied from the discharge port of the
膨張機14は、膨張機可動部分20と膨張機静止部分22とを備える。膨張機可動部分20は、膨張機静止部分22に対し軸方向(図1における上下方向)に往復移動可能であるよう構成されている。膨張機可動部分20の移動方向を図1に矢印Aで示す。膨張機静止部分22は、膨張機可動部分20を軸方向に往復移動可能に支持するよう構成されている。また、膨張機静止部分22は、膨張機可動部分20を高圧ガス(第1高圧ガス及び第2高圧ガスを含む)とともに収容する気密容器として構成されている。
The
膨張機可動部分20は、ディスプレーサ24と、その往復移動を駆動するディスプレーサ駆動軸26とを含む。ディスプレーサ24には蓄冷器16が内蔵されている。ディスプレーサ24は、蓄冷器16を包囲するディスプレーサ部材24aを有する。ディスプレーサ部材24aの内部空間に蓄冷材が充填され、それによりディスプレーサ24内に蓄冷器16が形成されている。ディスプレーサ24は、例えば、軸方向に延在する実質的に円柱状の形状を有する。ディスプレーサ部材24aは、軸方向において実質的に一様な外径及び内径を有する。よって、蓄冷器16も、軸方向に延在する実質的に円柱状の形状を有する。
The expander
膨張機静止部分22は、大まかに、シリンダ28及び駆動機構ハウジング30からなる二部構成を有する。膨張機静止部分22の軸方向上部が駆動機構ハウジング30であり、膨張機静止部分22の軸方向下部がシリンダ28であり、これらは相互に堅く結合されている。シリンダ28は、ディスプレーサ24の往復移動を案内するよう構成されている。シリンダ28は、駆動機構ハウジング30から軸方向に延在する。シリンダ28は、軸方向において実質的に一様な内径を有し、よって、シリンダ28は、軸方向に延在する実質的に円筒の内面を有する。この内径は、ディスプレーサ部材24aの外径よりわずかに大きい。
The expander
シリンダ28は、径方向に第1厚さT1を有する第1厚さ領域28aと、径方向に第2厚さT2を有する第2厚さ領域28bと、を備える。第1厚さ領域28a及び第2厚さ領域28bはそれぞれ周方向に延在し、軸方向に互いに隣接し連続する異径の環状部分である。第1厚さT1は、第2厚さT2より大きい。シリンダ28は一定の内径を有するから、第1厚さ領域28aにおけるシリンダ28の第1外径は、第2厚さ領域28bにおけるシリンダ28の第2外径より大きい。第1外径及び第2外径はそれぞれ軸方向において実質的に一様である。こうして、シリンダ28は、その外側面に第1段部28cを有する。第1段部28cは、第1厚さ領域28aと第2厚さ領域28bとの境界に位置する。
The
このように、シリンダ28の高温部に厚肉部を形成し、シリンダ28の低温部に薄肉部を形成することにより、シリンダ28の高温部から駆動機構ハウジング30に熱を逃がしやすくなる。そのため、シリンダ28の高温部から低温部への熱侵入を小さくすることができる。
In this way, by forming a thick portion in the high temperature portion of the
シリンダ28は、その外側面に第2段部28dを有してもよい。第2段部28dは、フランジ部28eと第1厚さ領域28aとの境界に位置する。フランジ部28eは、シリンダ28を駆動機構ハウジング30に取り付けるために設けられている。フランジ部28eの外径は、第1厚さ領域28aの第1外径より大きい。
The
また、膨張機静止部分22は、冷却ステージ32を含む。冷却ステージ32は、軸方向において駆動機構ハウジング30と反対側でシリンダ28の末端に固定されている。冷却ステージ32は、膨張機14が生成する寒冷を他の物体に伝導するために設けられている。その物体は冷却ステージ32に取り付けられ、極低温冷凍機10の動作時に冷却ステージ32によって冷却される。
The expander
極低温冷凍機10の動作時において、蓄冷器16は、軸方向において一方側(図において上側)に蓄冷器高温部16aを有し反対側(図において下側)に蓄冷器低温部16bを有する。このように蓄冷器16は軸方向に温度分布を有する。蓄冷器16を包囲する膨張機14の他の構成要素(例えばディスプレーサ24及びシリンダ28)も同様に軸方向温度分布を有し、従って膨張機14はその動作時に軸方向一方側に高温部を有し軸方向他方側に低温部を有する。高温部は、例えば室温程度の温度を有する。低温部は、極低温冷凍機10の用途により異なるが、例えば約100Kから約10Kの範囲に含まれるある温度に冷却される。冷却ステージ32は、シリンダ28の低温部を外包するようにシリンダ28に固着されている。
During the operation of the
本書では説明の便宜上、軸方向、径方向、周方向との用語が使用される。軸方向は、矢印Aで図示されるように、膨張機静止部分22に対する膨張機可動部分20の移動方向を表す。径方向は軸方向に垂直な方向(図において横方向)を表し、周方向は軸方向を囲む方向を表す。膨張機14のある要素が軸方向に関して冷却ステージ32に相対的に近いことを「下」、相対的に遠いことを「上」と呼ぶことがある。よって、膨張機14の高温部及び低温部はそれぞれ軸方向において上部及び下部に位置する。こうした表現は、膨張機14の要素間の相対的な位置関係の理解を助けるために用いられるにすぎず、現場で設置されるときの膨張機14の配置とは関係しない。例えば、膨張機14は、冷却ステージ32を上向きに駆動機構ハウジング30を下向きにして設置されてもよい。あるいは、膨張機14は、軸方向を水平方向に一致させるようにして設置されてもよい。
In this document, the terms axial direction, radial direction, and circumferential direction are used for convenience of explanation. The axial direction represents the moving direction of the expander
膨張機14における作動ガスの流路構成を説明する。膨張機14は、バルブ部34、第1ガス流路36、第2ガス流路38、ガス膨張室40、及び低圧ガス室42を備える。簡単に言うと、高圧ガスは、第1管18aからバルブ部34、第1ガス流路36、蓄冷器16、第2ガス流路38を経てガス膨張室40に流入する。ガス膨張室40からの戻りガスは、第2ガス流路38、蓄冷器16、第1ガス流路36、バルブ部34を経て低圧ガス室42に受け入れられる。
The flow path configuration of the working gas in the
バルブ部34は、ディスプレーサ24の往復移動と同期してガス膨張室40の圧力を制御するよう構成されている。バルブ部34は、高圧ガスをガス膨張室40に供給するための供給路の一部として機能するとともに、低圧ガスをガス膨張室40から排出するための排出路の一部として機能する。バルブ部34は、ディスプレーサ24が下死点またはその近傍を通過するとき低圧ガスの排出を終了し高圧ガスの供給を開始するよう構成されている。バルブ部34は、ディスプレーサ24が上死点またはその近傍を通過するとき高圧ガスの供給を終了し低圧ガスの排出を開始するよう構成されている。このように、バルブ部34は、ディスプレーサ24の往復移動と同期して作動ガスの供給機能と排出機能とを切り替えるよう構成されている。
The
第1ガス流路36は、膨張機静止部分22と蓄冷器16との間のガス流通のために設けられている。第1ガス流路36は、バルブ部34を蓄冷器高温部16aにつなぐ。よって、第1ガス流路36は、膨張機14の高温部に形成されている。第1ガス流路36の詳細は後述する。
The first
第2ガス流路38は、蓄冷器低温部16bをガス膨張室40に連通するよう形成されたディスプレーサ部材24aの少なくとも1つの開口である。第2ガス流路38は、膨張機14の低温部に形成されている。
The second
ガス膨張室40は、蓄冷器低温部16bの側でシリンダ28とディスプレーサ24との間に形成されている。シリンダ28の第2厚さ領域28bは、ガス膨張室40を囲むよう周方向及び軸方向に延在する。
The
低圧ガス室42は、駆動機構ハウジング30の内部に画定されている。第2管18bが駆動機構ハウジング30に接続されており、それにより低圧ガス室42が第2管18bを通じて圧縮機12の吸入口に連通している。そのため、低圧ガス室42は常に低圧に維持される。
The low
膨張機14は、ガス空間44を備える。ガス空間44は、ガス膨張室40と同様に、膨張機可動部分20と膨張機静止部分22との間に形成された可変容積である。シリンダ28に対するディスプレーサ24の相対移動によって、ガス空間44の容積はガス膨張室40の容積と相補的に変動する。
The
ガス空間44は、蓄冷器高温部16aの側で膨張機静止部分22とディスプレーサ24との間に形成されている。より詳しくは、ガス空間44は、軸方向において駆動機構ハウジング30とディスプレーサ24とに挟まれ、周方向にシリンダ28に囲まれている。ガス空間44は、低圧ガス室42に隣接する。シリンダ28の第1厚さ領域28aは、ガス空間44を囲むよう周方向及び軸方向に延在する。ガス空間44は室温室とも呼ばれる。
The
重要なことは、ガス空間44は、上述の流路構成に含まれないということである。ガス空間44は、蓄冷器16から隔離されている。そのために、第1ガス流路36は、ガス空間44を迂回するよう形成されている。したがって、ガス空間44は、従来一般的な膨張機において圧縮室とも呼ばれる空間と同じ場所に位置するにもかかわらず、そことガス膨張室40との間で作動ガスは流通しない。ガス空間44で作動ガスの圧縮は実質的に生じないので、ガス空間44はもはや圧縮室ではない。
Importantly, the
ディスプレーサ駆動軸26は、ディスプレーサ24からガス空間44を貫通して低圧ガス室42へと突き出している。膨張機静止部分22は、ディスプレーサ駆動軸26を軸方向に移動可能に支持する一対の駆動軸ガイド46a、46bを備える。駆動軸ガイド46a、46bはそれぞれ、ディスプレーサ駆動軸26を囲むように駆動機構ハウジング30に設けられている。ガス空間44は、軸方向下側の駆動軸ガイド46bとディスプレーサ駆動軸26とのクリアランスを通じて低圧ガス室42に連通している。そのためガス空間44も低圧ガス室42と同様に低圧に維持される。
The displacer drive shaft 26 protrudes from the
なお、ガス空間44を低圧ガス室42に連通するための別の開口が膨張機静止部分22(シリンダ28及び/または駆動機構ハウジング30)に形成されていてもよい。
Note that another opening for communicating the
このようにガス空間44が低圧ガス室42の一部となることにより、低圧ガス室42の容積を実効的に増加することができる。低圧ガス室42の容積が大きいほど、極低温冷凍機10の効率が高まる。
Thus, the
膨張機14は、低圧ガス室42に収容されたディスプレーサ駆動機構48を備える。ディスプレーサ駆動機構48は、モータ48a及びスコッチヨーク機構48bを含む。ディスプレーサ駆動軸26はスコッチヨーク機構48bの一部を形成する。ディスプレーサ駆動軸26はスコッチヨーク機構48bによって軸方向に駆動されるようスコッチヨーク機構48bに連結されている。したがって、モータ48aの回転によりディスプレーサ24の軸方向往復移動が駆動される。駆動軸ガイド46a、46bは、スコッチヨーク機構48bを挟んで軸方向に異なる位置にある。
The
バルブ部34は、ディスプレーサ駆動機構48に連結され、駆動機構ハウジング30に収容されている。バルブ部34は、ロータリーバルブの形式をとる。よって、バルブ部34は、ロータバルブ部材34a及びステータバルブ部材34bを備える。ロータバルブ部材34aは、モータ48aの回転により回転するようモータ48aの出力軸に連結されている。ロータバルブ部材34aは、ステータバルブ部材34bに対し回転摺動するようステータバルブ部材34bと面接触している。ステータバルブ部材34bは、駆動機構ハウジング30に固定されている。ステータバルブ部材34bは、第1管18aから駆動機構ハウジング30に入る高圧ガスを受け入れるよう構成されている。
The
図2は、本発明のある実施の形態に係る膨張機14の要部の断面を概略的に示す。図2においては、ディスプレーサ24が下死点に位置するときの様子を実線で示し、ディスプレーサ24が上死点に位置するときの様子を破線で示す。
FIG. 2 schematically shows a cross section of a main part of the
図1及び図2に示されるように、膨張機14は、ガス空間44とガス膨張室40との間の軸方向ガス流れを遮断するようディスプレーサ24と膨張機静止部分22との間に配置されたシール部50を備える。シール部50は、ガス流通隙間52をそれらの間に定めるよう軸方向に離れて配置された第1シール部材50a及び第2シール部材50bを備える。第1シール部材50aは、ディスプレーサ24とシリンダ28の第1厚さ領域28aとの間に配置されている。第2シール部材50bは、ディスプレーサ24とシリンダ28の第1厚さ領域28a(または第2厚さ領域28b)との間に配置されている。こうして、シール部50は、ディスプレーサ24の高温部に取り付けられている。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
第1シール部材50a及び第2シール部材50bはそれぞれディスプレーサ部材24aに装着され周方向に延在する。第1シール部材50aはディスプレーサ部材24aの上蓋部に装着され、第2シール部材50bはディスプレーサ部材24aの側筒部に装着されている。
The
第1シール部材50aは、ガス空間44とガス流通隙間52との間のガス流れを遮断するよう構成されている。第2シール部材50bは、ガス流通隙間52とガス膨張室40との間のガス流れを遮断するよう構成されている。第1シール部材50a及び第2シール部材50bはそれぞれ、例えばスリッパーシールである。第1シール部材50a及び第2シール部材50bは、望まれるシール性能を有する限り、その他の接触シールまたは非接触シールであってもよい。
The
ガス流通隙間52は、これら2つのシール部材に沿って周方向にディスプレーサ24を囲む環状の空洞である。ガス流通隙間52は、径方向にはディスプレーサ24とシリンダ28に挟まれている。
The
第1ガス流路36は、ガス空間44を迂回しシール部50を経由するよう構成されている。第1ガス流路36は、接続通路54、ガス流通隙間52、及び連通路56を含む。ガス流通隙間52は2つのシール部材に挟まれているから、第1ガス流路36からガス空間44へのガス漏れは生じない。同様に、第1ガス流路36からガス膨張室40へのガス漏れも生じない。
The first
接続通路54は、膨張機静止部分22に形成されている。接続通路54は、バルブ部34から始まりガス流通隙間52で終端する。接続通路54は、駆動機構ハウジング30からシリンダ28の第1厚さ領域28aへと貫通する。接続通路54は、駆動機構ハウジング30内を軸方向に延び、シリンダ28の第1厚さ領域28a内で径方向に内向きに曲がっている。接続通路54は、膨張機静止部分22の片側(径方向に関しバルブ部34が配置されている側)に設けられている。
The
接続通路54の出口54aは、ガス流通隙間52と径方向に隣接しガス流通隙間52に開放されている。接続通路54の出口54aは、シリンダ28の第1厚さ領域28aに形成されている。なお、接続通路54の出口54aは、シリンダ28の第2厚さ領域28bに形成されていてもよい。
An
接続通路54の出口54aは、ディスプレーサ24のストロークの範囲内でシール部50内(つまり第1シール部材50a及び第2シール部材50b間)に納まるよう設定される。言い換えれば、接続通路54の出口54aは、ディスプレーサ24が下死点にあるとき軸方向において第1シール部材50aの下方に位置し(図2の実線を参照)、ディスプレーサ24が上死点にあるとき軸方向において第2シール部材50bの上方に位置する(図2の破線を参照)。こうして、接続通路54の出口54aは、ディスプレーサ24の往復移動中、第1シール部材50aと第2シール部材50bとに挟まれるよう定められた軸方向位置を有する。こうして、接続通路54のガス流通隙間52への接続を冷却サイクルを通じて常に維持することができる。
The
連通路56は、径方向に沿ってディスプレーサ部材24aに形成された開口である。連通路56は、軸方向において第1シール部材50aと第2シール部材50bとの間に形成されている。連通路56は、ガス流通隙間52を蓄冷器高温部16aに連通する。
The
上記の構成をもつ極低温冷凍機10の動作を説明する。ディスプレーサ24がシリンダ28の下死点またはその近傍の位置に移動するとき、バルブ部34は、圧縮機12の吐出口をガス膨張室40に接続するよう切り替わる。高圧ガスが、バルブ部34から第1ガス流路36を通じて蓄冷器高温部16aに入る。このときガスは、接続通路54、ガス流通隙間52、連通路56を通る。ガスは蓄冷器16を通過しながら冷却され、蓄冷器低温部16bから第2ガス流路38を通じてガス膨張室40に入る。ガスがガス膨張室40に流入する間、ディスプレーサ24はシリンダ28の上死点に向けて移動する。それによりガス膨張室40の容積が増加される。こうしてガス膨張室40は高圧ガスで満たされる。
The operation of the
ディスプレーサ24がシリンダ28の上死点またはその近傍の位置に移動するとき、バルブ部34は、圧縮機12の吸入口をガス膨張室40に接続するよう切り替わる。高圧ガスはガス膨張室40で膨張し冷却される。膨張したガスは、ガス膨張室40から第2ガス流路38を通じて蓄冷器16に入る。ガスは蓄冷器16を通過しながら冷却する。ガスは、蓄冷器16から第1ガス流路36、バルブ部34、低圧ガス室42を経て圧縮機12に戻る。ガスがガス膨張室40から流出する間、ディスプレーサ24はシリンダ28の下死点に向けて移動する。それによりガス膨張室40の容積が減少され、ガス膨張室40から低圧ガスが排出される。
When the
以上が極低温冷凍機10における1回の冷却サイクルである。極低温冷凍機10は冷却サイクルを繰り返すことで、冷却ステージ32を所望の温度に冷却する。よって、極低温冷凍機10は、冷却ステージ32に熱的に結合された物体を極低温に冷却することができる。
The above is one cooling cycle in the
上述のように、第1ガス流路36は、ガス空間44を迂回しシール部50を経由するよう形成されている。圧縮機12と膨張機14とを循環する作動ガス流れは、ガス空間44を通らずに、2つのシール部材の間を流れる。したがって、従来一般的な膨張機ではガス空間44に相当する場所でガスの圧縮が生じるのとは対照的に、ガス空間44は圧縮熱をほとんど又はまったく発生させない。よって、実施の形態に係る極低温冷凍機10の膨張機14は、従来のそれに比べて、圧縮熱による熱損失を大きく低減することができる。また、極低温冷凍機10の効率が向上される。こうした利点は、ガス空間44の容積が大きい極低温冷凍機10、つまり大容量の極低温冷凍機10に顕著である。
As described above, the first
以上、本発明を実施例にもとづいて説明した。本発明は上記実施形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。 In the above, this invention was demonstrated based on the Example. It will be understood by those skilled in the art that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various design changes are possible, various modifications are possible, and such modifications are within the scope of the present invention. By the way.
図3は、本発明のある実施の形態に係る膨張機14の一部の断面を概略的に示す。図3には、理解を助けるために、シリンダ28の一部を実線で示し、ディスプレーサ24の一部を破線で示す。
FIG. 3 schematically shows a partial cross section of an
第1ガス流路36は、種々の形状をとりうる。例えば、接続通路54は、周方向に沿って形成された出口溝58を備えてもよい。出口溝58は、全周に連続している。なお、接続通路54は、周方向に配列された複数の出口溝または出口穴を備えてもよい。同様に、ディスプレーサ部材24aの連通路56も、周方向に沿って形成された少なくとも1つの溝、または、周方向に配列された複数の穴を備えてもよい。このようにすれば、蓄冷器16に流入する作動ガスの周方向流れ分布を均一化することができる。これは、蓄冷器16の軸方向に垂直な断面における温度分布の均一化に役立つ。
The first
上記においては、単段式のGM冷凍機に言及して実施の形態を説明した。本発明はこれに限られず、実施の形態に係る作動ガス流路構成は、二段式または多段式のGM冷凍機、または、ディスプレーサ内蔵蓄冷器を有するその他の極低温冷凍機に適用可能である。 In the above, the embodiment has been described with reference to a single-stage GM refrigerator. The present invention is not limited to this, and the working gas flow path configuration according to the embodiment can be applied to a two-stage or multi-stage GM refrigerator or other cryogenic refrigerator having a displacer built-in regenerator. .
10 極低温冷凍機、 14 膨張機、 16 蓄冷器、 16a 蓄冷器高温部、 16b 蓄冷器低温部、 22 膨張機静止部分、 24 ディスプレーサ、 24a ディスプレーサ部材、 28 シリンダ、 28a 第1厚さ領域、 28b 第2厚さ領域、 34 バルブ部、 36 第1ガス流路、 40 ガス膨張室、 42 低圧ガス室、 44 ガス空間、 50 シール部、 50a 第1シール部材、 50b 第2シール部材、 52 ガス流通隙間、 54 接続通路、 54a 出口、 56 連通路、 58 出口溝。 10 cryogenic refrigerator, 14 expander, 16 regenerator, 16a regenerator high temperature part, 16b regenerator low temperature part, 22 expander stationary part, 24 displacer, 24a displacer member, 28 cylinder, 28a first thickness region, 28b 2nd thickness area, 34 valve part, 36 1st gas flow path, 40 gas expansion chamber, 42 low pressure gas chamber, 44 gas space, 50 seal part, 50a 1st seal member, 50b 2nd seal member, 52 gas distribution Clearance, 54 connection passage, 54a outlet, 56 communication passage, 58 outlet groove.
Claims (7)
前記ディスプレーサを収容し前記ディスプレーサを軸方向に往復移動可能に支持する膨張機静止部分であって、前記蓄冷器高温部の側で前記ディスプレーサとの間にガス空間を形成し、前記蓄冷器低温部の側で前記ディスプレーサとの間にガス膨張室を形成する膨張機静止部分と、
前記ガス空間と前記ガス膨張室との間の軸方向ガス流れを遮断するよう前記ディスプレーサと前記膨張機静止部分との間に配置されたシール部と、
前記膨張機静止部分と前記蓄冷器との間のガス流通のためのガス流路であって、前記ガス空間を迂回し前記シール部を経由するよう構成されたガス流路と、を備えることを特徴とする極低温冷凍機。 A displacer having a regenerator having a regenerator high temperature part on one side in the axial direction and a regenerator low temperature part on the opposite side, and capable of reciprocating in the axial direction;
An expander stationary part that accommodates the displacer and supports the displacer so as to be capable of reciprocating in the axial direction, forming a gas space with the displacer on the regenerator high temperature part side, and the regenerator low temperature part An expander stationary part forming a gas expansion chamber with the displacer on the side of
A seal disposed between the displacer and the expander stationary portion to block axial gas flow between the gas space and the gas expansion chamber;
A gas flow path for gas flow between the expander stationary part and the regenerator, wherein the gas flow path is configured to bypass the gas space and pass through the seal portion. Features a cryogenic refrigerator.
前記ディスプレーサは、軸方向において実質的に一様な外径を有し前記蓄冷器を包囲するディスプレーサ部材を備え、
前記シール部は、ガス流通隙間をそれらの間に定めるよう軸方向に離れて配置された第1及び第2シール部材を備え、前記第1及び第2シール部材はそれぞれ前記ディスプレーサ部材に装着され周方向に延在し、前記第1シール部材は、前記ガス空間と前記ガス流通隙間との間のガス流れを遮断するよう構成され、前記第2シール部材は、前記ガス流通隙間と前記ガス膨張室との間のガス流れを遮断するよう構成され、
前記ガス流路は、
前記膨張機静止部分に形成され、前記バルブ部から始まり前記ガス流通隙間で終端する接続通路と、
前記ディスプレーサ部材に形成され、前記ガス流通隙間を前記蓄冷器高温部に連通する連通路と、を含むことを特徴とする請求項1に記載の極低温冷凍機。 Further comprising a valve portion accommodated in the expander stationary portion and configured to control the pressure of the gas expansion chamber in synchronization with the reciprocating movement of the displacer;
The displacer comprises a displacer member having a substantially uniform outer diameter in the axial direction and surrounding the regenerator,
The seal portion includes first and second seal members that are spaced apart in the axial direction so as to define a gas flow gap therebetween, and the first and second seal members are respectively attached to the displacer member and are circumferentially mounted. Extending in a direction, the first seal member is configured to block a gas flow between the gas space and the gas flow gap, and the second seal member includes the gas flow gap and the gas expansion chamber. Configured to block the gas flow between
The gas flow path is
A connection passage formed in the stationary part of the expander, starting from the valve part and terminating in the gas flow gap;
The cryogenic refrigerator according to claim 1, further comprising: a communication path formed in the displacer member and communicating the gas circulation gap with the regenerator high-temperature portion.
前記接続通路の出口は、前記ディスプレーサの往復移動中に前記第1シール部材と前記第2シール部材とに挟まれるよう定められた軸方向位置を有することを特徴とする請求項2に記載の極低温冷凍機。 The expander stationary part includes an outlet of the connection passage that is adjacent to the gas flow gap in the radial direction and opened to the gas flow gap,
The pole according to claim 2, wherein the outlet of the connection passage has an axial position determined so as to be sandwiched between the first seal member and the second seal member during reciprocal movement of the displacer. Low temperature refrigerator.
前記シリンダは、前記ガス流通隙間と径方向に隣接し前記ガス流通隙間に開放された前記接続通路の出口を備え、
前記シリンダは、前記ガス空間を囲むよう周方向及び軸方向に延在し径方向に第1厚さを有する第1厚さ領域と、前記ガス膨張室を囲むよう周方向及び軸方向に延在し径方向に第2厚さを有する第2厚さ領域と、を備え、前記第1厚さは、前記第2厚さより大きく、
前記接続通路の出口は、前記第1厚さ領域に形成されていることを特徴とする請求項2または3に記載の極低温冷凍機。 The expander stationary part includes a cylinder that guides the reciprocating movement of the displacer,
The cylinder includes an outlet of the connection passage that is adjacent to the gas flow gap in the radial direction and opened to the gas flow gap,
The cylinder extends in the circumferential direction and the axial direction so as to surround the gas space, and a first thickness region extending in a circumferential direction and an axial direction so as to surround the gas space and having a first thickness in the radial direction. A second thickness region having a second thickness in a radial direction, and the first thickness is greater than the second thickness,
The cryogenic refrigerator according to claim 2 or 3, wherein an outlet of the connection passage is formed in the first thickness region.
前記ガス空間は、前記ガス室に連通していることを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載の極低温冷凍機。 The expander stationary portion includes a gas chamber that receives the return gas from the gas expansion chamber through the gas flow path,
The cryogenic refrigerator according to claim 1, wherein the gas space communicates with the gas chamber.
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- 2015-08-31 JP JP2015170306A patent/JP2017048937A/en active Pending
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