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JP2017048937A - Cryogenic refrigeration machine - Google Patents

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JP2017048937A
JP2017048937A JP2015170306A JP2015170306A JP2017048937A JP 2017048937 A JP2017048937 A JP 2017048937A JP 2015170306 A JP2015170306 A JP 2015170306A JP 2015170306 A JP2015170306 A JP 2015170306A JP 2017048937 A JP2017048937 A JP 2017048937A
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JP
Japan
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gas
displacer
gas flow
expander
axial direction
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JP2015170306A
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Japanese (ja)
Inventor
航司 山田
Koji Yamada
航司 山田
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Sumitomo Heavy Industries Ltd
Original Assignee
Sumitomo Heavy Industries Ltd
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To reduce heat loss by compression heat which can occur in an expander of a cryogenic refrigeration machine.SOLUTION: A cryogenic refrigeration 10 includes: a displacer 24 having a cold storage device 16 which has a cold storage device high temperature part 16a on one side in the axial direction and has a cold storage device low temperature part 16b on the opposite side, and capable of reciprocating in the axial direction; an expander stationary portion 22 which is the expander stationary portion 22 for accommodating the displacer 24 and for supporting the displacer 24 in a manner reciprocating in the axial direction, which forms a gas space 44 between itself and the displacer 24 on the cold storage device high temperature part 16a side and which forms a gas expansion chamber 40 between itself and the displacer 24 on the cold storage device low temperature 16b side; a seal part 50 arranged between the displacer 24 and the expander stationary portion 22 so as to cut off an axial direction gas flow between the gas space 44 and the gas expansion chamber 40; and a first gas flow passage 36 which is for gas circulation between the expander stationary portion 22 and the cold storage device 16 and which is constituted so as to detour the gas space 44 and go through the seal part 50.SELECTED DRAWING: Figure 1

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.

特開2014−194291号公報JP 2014-194291 A 特開2015−117872号公報Japanese Patent Laying-Open No. 2015-117872

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.

本発明のある実施の形態に係る極低温冷凍機の全体構成を概略的に示すとともに、極低温冷凍機の膨張機の断面を概略的に示す。The whole structure of the cryogenic refrigerator which concerns on one embodiment of this invention is shown schematically, and the cross section of the expander of a cryogenic refrigerator is shown schematically. 本発明のある実施の形態に係る極低温冷凍機の膨張機の要部の断面を概略的に示す。The cross section of the principal part of the expander of the cryogenic refrigerator which concerns on one embodiment of this invention is shown roughly. 本発明のある実施の形態に係る極低温冷凍機の膨張機の一部の断面を概略的に示す。1 schematically shows a cross section of a part of an expander of a cryogenic refrigerator according to an embodiment of the present invention.

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 cryogenic refrigerator 10 according to an embodiment of the present invention. The illustrated cryogenic refrigerator 10 is a single-stage GM refrigerator. The basic structure and operation of the GM refrigerator are disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 2014-194291 and 2015-117872. These documents are incorporated herein by reference in their entirety.

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 cryogenic refrigerator 10 includes a compressor 12 that compresses the working gas and an expander 14 that cools the working gas by adiabatic expansion. The working gas is, for example, helium gas. The expander 14 is also called a cold head. The expander 14 is provided with a regenerator 16 for precooling the working gas. The cryogenic refrigerator 10 includes a gas pipe 18 including a first pipe 18a and a second pipe 18b that connect the compressor 12 and the expander 14, respectively.

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 compressor 12 to the expander 14 through the first pipe 18a. Due to the adiabatic expansion in the expander 14, the working gas is depressurized from the first high pressure to a lower second high pressure. The working gas having the second high pressure is recovered from the expander 14 to the suction port of the compressor 12 through the second pipe 18b. The compressor 12 compresses the recovered working gas having the second high pressure. Thus, the working gas is again boosted to the first high pressure. In general, both the first high pressure and the second high pressure are considerably higher than the atmospheric pressure. For convenience of explanation, the first high pressure and the second high pressure are also simply referred to as high pressure and low pressure, respectively.

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 expander 14 includes an expander movable part 20 and an expander stationary part 22. The expander movable portion 20 is configured to be capable of reciprocating in the axial direction (vertical direction in FIG. 1) with respect to the expander stationary portion 22. The moving direction of the expander movable portion 20 is indicated by an arrow A in FIG. The expander stationary part 22 is configured to support the expander movable part 20 so as to be capable of reciprocating in the axial direction. The expander stationary part 22 is configured as an airtight container that houses the expander movable part 20 together with high-pressure gas (including the first high-pressure gas and the second high-pressure gas).

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 movable part 20 includes a displacer 24 and a displacer drive shaft 26 that drives the reciprocation thereof. The displacer 24 incorporates a regenerator 16. The displacer 24 includes a displacer member 24 a that surrounds the regenerator 16. A cool storage material is filled in the internal space of the displacer member 24 a, whereby the cool storage 16 is formed in the displacer 24. The displacer 24 has, for example, a substantially cylindrical shape extending in the axial direction. The displacer member 24a has a substantially uniform outer diameter and inner diameter in the axial direction. Therefore, the regenerator 16 also has a substantially cylindrical shape extending in the axial direction.

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 stationary portion 22 roughly has a two-part configuration including a cylinder 28 and a drive mechanism housing 30. The axially upper part of the expander stationary part 22 is a drive mechanism housing 30, and the axially lower part of the expander stationary part 22 is a cylinder 28, which are firmly connected to each other. The cylinder 28 is configured to guide the reciprocating movement of the displacer 24. The cylinder 28 extends from the drive mechanism housing 30 in the axial direction. The cylinder 28 has a substantially uniform inner diameter in the axial direction, and thus the cylinder 28 has a substantially cylindrical inner surface extending in the axial direction. This inner diameter is slightly larger than the outer diameter of the displacer member 24a.

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 cylinder 28 includes a first thickness region 28a having a first thickness T1 in the radial direction and a second thickness region 28b having a second thickness T2 in the radial direction. The first thickness region 28a and the second thickness region 28b are annular portions having different diameters that extend in the circumferential direction and are adjacent to each other in the axial direction and continuous. The first thickness T1 is larger than the second thickness T2. Since the cylinder 28 has a constant inner diameter, the first outer diameter of the cylinder 28 in the first thickness region 28a is larger than the second outer diameter of the cylinder 28 in the second thickness region 28b. Each of the first outer diameter and the second outer diameter is substantially uniform in the axial direction. Thus, the cylinder 28 has the first step portion 28c on its outer surface. The first step portion 28c is located at the boundary between the first thickness region 28a and the second thickness region 28b.

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 cylinder 28 and forming a thin portion in the low temperature portion of the cylinder 28, heat can be easily released from the high temperature portion of the cylinder 28 to the drive mechanism housing 30. Therefore, the heat intrusion from the high temperature portion of the cylinder 28 to the low temperature portion can be reduced.

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 cylinder 28 may have a second step portion 28d on its outer surface. The second step portion 28d is located at the boundary between the flange portion 28e and the first thickness region 28a. The flange portion 28 e is provided for attaching the cylinder 28 to the drive mechanism housing 30. The outer diameter of the flange portion 28e is larger than the first outer diameter of the first thickness region 28a.

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 stationary part 22 includes a cooling stage 32. The cooling stage 32 is fixed to the end of the cylinder 28 on the opposite side of the drive mechanism housing 30 in the axial direction. The cooling stage 32 is provided to conduct the cold generated by the expander 14 to other objects. The object is attached to the cooling stage 32 and is cooled by the cooling stage 32 when the cryogenic refrigerator 10 is operated.

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 cryogenic refrigerator 10, the regenerator 16 has a regenerator high-temperature part 16a on one side (upper side in the figure) in the axial direction and a regenerator low-temperature part 16b on the opposite side (lower side in the figure). . Thus, the regenerator 16 has a temperature distribution in the axial direction. The other components of the expander 14 (eg, the displacer 24 and the cylinder 28) surrounding the regenerator 16 have an axial temperature distribution as well, so that the expander 14 has a high temperature section on one axial side during its operation. A low temperature part is provided on the other side in the axial direction. The high temperature part has a temperature of about room temperature, for example. The low temperature part varies depending on the use of the cryogenic refrigerator 10, but is cooled to a certain temperature included in a range of about 100 K to about 10 K, for example. The cooling stage 32 is fixed to the cylinder 28 so as to enclose the low temperature portion of the cylinder 28.

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 movable part 20 relative to the expander stationary part 22 as illustrated by the arrow A. The radial direction represents a direction perpendicular to the axial direction (lateral direction in the figure), and the circumferential direction represents a direction surrounding the axial direction. When an element of the expander 14 is relatively close to the cooling stage 32 with respect to the axial direction, it may be referred to as “lower” and when it is relatively far away, it may be referred to as “upper”. Therefore, the high temperature part and the low temperature part of the expander 14 are located in the upper part and the lower part in the axial direction, respectively. These expressions are only used to help understand the relative positional relationship between the elements of the expander 14 and are not related to the placement of the expander 14 when installed in the field. For example, the expander 14 may be installed with the cooling stage 32 facing upward and the drive mechanism housing 30 facing downward. Or the expander 14 may be installed so that an axial direction may correspond to a horizontal direction.

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 expander 14 will be described. The expander 14 includes a valve portion 34, a first gas flow path 36, a second gas flow path 38, a gas expansion chamber 40, and a low pressure gas chamber 42. In short, the high-pressure gas flows from the first pipe 18 a into the gas expansion chamber 40 through the valve portion 34, the first gas flow path 36, the regenerator 16, and the second gas flow path 38. The return gas from the gas expansion chamber 40 is received by the low pressure gas chamber 42 via the second gas flow path 38, the regenerator 16, the first gas flow path 36, and the valve portion 34.

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 valve unit 34 is configured to control the pressure of the gas expansion chamber 40 in synchronization with the reciprocating movement of the displacer 24. The valve unit 34 functions as a part of a supply path for supplying high-pressure gas to the gas expansion chamber 40 and also functions as a part of a discharge path for discharging low-pressure gas from the gas expansion chamber 40. The valve unit 34 is configured to end the discharge of the low-pressure gas and start the supply of the high-pressure gas when the displacer 24 passes through the bottom dead center or the vicinity thereof. The valve unit 34 is configured to stop supplying the high-pressure gas and start discharging the low-pressure gas when the displacer 24 passes through the top dead center or the vicinity thereof. As described above, the valve unit 34 is configured to switch between the function of supplying and discharging the working gas in synchronization with the reciprocating movement of the displacer 24.

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 gas flow path 36 is provided for gas flow between the expander stationary part 22 and the regenerator 16. The first gas flow path 36 connects the valve portion 34 to the regenerator high temperature portion 16a. Therefore, the first gas flow path 36 is formed in the high temperature part of the expander 14. Details of the first gas flow path 36 will be described later.

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 gas flow path 38 is at least one opening of the displacer member 24 a formed to communicate the regenerator low temperature portion 16 b with the gas expansion chamber 40. The second gas flow path 38 is formed in the low temperature part of the expander 14.

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 gas expansion chamber 40 is formed between the cylinder 28 and the displacer 24 on the regenerator low temperature portion 16b side. The second thickness region 28 b of the cylinder 28 extends in the circumferential direction and the axial direction so as to surround the gas expansion chamber 40.

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 pressure gas chamber 42 is defined inside the drive mechanism housing 30. The second pipe 18b is connected to the drive mechanism housing 30, whereby the low-pressure gas chamber 42 communicates with the suction port of the compressor 12 through the second pipe 18b. Therefore, the low pressure gas chamber 42 is always maintained at a low pressure.

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 expander 14 includes a gas space 44. Similarly to the gas expansion chamber 40, the gas space 44 is a variable volume formed between the expander movable portion 20 and the expander stationary portion 22. Due to the relative movement of the displacer 24 with respect to the cylinder 28, the volume of the gas space 44 varies in a complementary manner to the volume of the gas expansion chamber 40.

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 gas space 44 is formed between the expander stationary part 22 and the displacer 24 on the regenerator high temperature part 16a side. More specifically, the gas space 44 is sandwiched between the drive mechanism housing 30 and the displacer 24 in the axial direction, and is surrounded by the cylinder 28 in the circumferential direction. The gas space 44 is adjacent to the low pressure gas chamber 42. The first thickness region 28 a of the cylinder 28 extends in the circumferential direction and the axial direction so as to surround the gas space 44. The gas space 44 is also called a room temperature chamber.

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 gas space 44 is not included in the flow path configuration described above. The gas space 44 is isolated from the regenerator 16. For this purpose, the first gas flow path 36 is formed so as to bypass the gas space 44. Therefore, although the gas space 44 is located at the same place as a space called a compression chamber in a conventional general expander, no working gas flows between the gas space 44 and the gas expansion chamber 40. Since there is substantially no compression of the working gas in the gas space 44, the gas space 44 is no longer a compression chamber.

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 displacer 24 through the gas space 44 to the low pressure gas chamber 42. The expander stationary portion 22 includes a pair of drive shaft guides 46a and 46b that support the displacer drive shaft 26 so as to be movable in the axial direction. The drive shaft guides 46a and 46b are provided in the drive mechanism housing 30 so as to surround the displacer drive shaft 26, respectively. The gas space 44 communicates with the low-pressure gas chamber 42 through the clearance between the axially lower drive shaft guide 46 b and the displacer drive shaft 26. Therefore, the gas space 44 is also maintained at a low pressure similarly to the low-pressure gas chamber 42.

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 gas space 44 with the low-pressure gas chamber 42 may be formed in the expander stationary portion 22 (the cylinder 28 and / or the drive mechanism housing 30).

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 gas space 44 becomes a part of the low-pressure gas chamber 42, whereby the volume of the low-pressure gas chamber 42 can be effectively increased. The efficiency of the cryogenic refrigerator 10 increases as the volume of the low-pressure gas chamber 42 increases.

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 expander 14 includes a displacer driving mechanism 48 accommodated in the low pressure gas chamber 42. The displacer drive mechanism 48 includes a motor 48a and a scotch yoke mechanism 48b. The displacer drive shaft 26 forms a part of the scotch yoke mechanism 48b. The displacer drive shaft 26 is connected to the scotch yoke mechanism 48b so as to be driven in the axial direction by the scotch yoke mechanism 48b. Accordingly, the axial reciprocation of the displacer 24 is driven by the rotation of the motor 48a. The drive shaft guides 46a and 46b are at different positions in the axial direction with the scotch yoke mechanism 48b interposed therebetween.

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 valve unit 34 is connected to the displacer driving mechanism 48 and is accommodated in the driving mechanism housing 30. The valve part 34 takes the form of a rotary valve. Therefore, the valve portion 34 includes a rotor valve member 34a and a stator valve member 34b. The rotor valve member 34a is connected to the output shaft of the motor 48a so as to rotate by the rotation of the motor 48a. The rotor valve member 34a is in surface contact with the stator valve member 34b so as to rotate and slide with respect to the stator valve member 34b. The stator valve member 34 b is fixed to the drive mechanism housing 30. The stator valve member 34b is configured to receive high pressure gas entering the drive mechanism housing 30 from the first pipe 18a.

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 expander 14 according to an embodiment of the present invention. In FIG. 2, the state when the displacer 24 is located at the bottom dead center is indicated by a solid line, and the state when the displacer 24 is located at the top dead center is indicated by a broken line.

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 expander 14 is disposed between the displacer 24 and the expander stationary portion 22 to block axial gas flow between the gas space 44 and the gas expansion chamber 40. The seal part 50 is provided. The seal portion 50 includes a first seal member 50a and a second seal member 50b that are arranged apart from each other in the axial direction so as to define a gas flow gap 52 therebetween. The first seal member 50 a is disposed between the displacer 24 and the first thickness region 28 a of the cylinder 28. The second seal member 50b is disposed between the displacer 24 and the first thickness region 28a (or the second thickness region 28b) of the cylinder 28. Thus, the seal portion 50 is attached to the high temperature portion of the displacer 24.

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 first seal member 50a and the second seal member 50b are respectively attached to the displacer member 24a and extend in the circumferential direction. The first seal member 50a is attached to the upper lid portion of the displacer member 24a, and the second seal member 50b is attached to the side tube portion of the displacer member 24a.

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 first seal member 50 a is configured to block the gas flow between the gas space 44 and the gas flow gap 52. The second seal member 50 b is configured to block the gas flow between the gas flow gap 52 and the gas expansion chamber 40. Each of the first seal member 50a and the second seal member 50b is, for example, a slipper seal. The first seal member 50a and the second seal member 50b may be other contact seals or non-contact seals as long as they have a desired sealing performance.

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 gas flow gap 52 is an annular cavity that surrounds the displacer 24 in the circumferential direction along these two seal members. The gas flow gap 52 is sandwiched between the displacer 24 and the cylinder 28 in the radial direction.

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 gas flow path 36 is configured to bypass the gas space 44 and pass through the seal portion 50. The first gas flow path 36 includes a connection passage 54, a gas flow gap 52, and a communication passage 56. Since the gas flow gap 52 is sandwiched between the two seal members, no gas leakage from the first gas flow path 36 to the gas space 44 occurs. Similarly, no gas leakage from the first gas flow path 36 to the gas expansion chamber 40 occurs.

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 connection passage 54 is formed in the expander stationary part 22. The connection passage 54 starts from the valve portion 34 and ends at the gas flow gap 52. The connection passage 54 penetrates from the drive mechanism housing 30 to the first thickness region 28 a of the cylinder 28. The connection passage 54 extends in the drive mechanism housing 30 in the axial direction and is bent inward in the radial direction in the first thickness region 28 a of the cylinder 28. The connection passage 54 is provided on one side of the expander stationary portion 22 (the side where the valve portion 34 is disposed in the radial direction).

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 outlet 54 a of the connection passage 54 is open to the gas circulation gap 52 adjacent to the gas circulation gap 52 in the radial direction. The outlet 54 a of the connection passage 54 is formed in the first thickness region 28 a of the cylinder 28. The outlet 54 a of the connection passage 54 may be formed in the second thickness region 28 b of the cylinder 28.

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 outlet 54a of the connection passage 54 is set so as to be within the seal portion 50 (that is, between the first seal member 50a and the second seal member 50b) within the range of the stroke of the displacer 24. In other words, the outlet 54a of the connection passage 54 is positioned below the first seal member 50a in the axial direction when the displacer 24 is at bottom dead center (see the solid line in FIG. 2), and the displacer 24 is at top dead center. Sometimes it is located above the second seal member 50b in the axial direction (see the broken line in FIG. 2). Thus, the outlet 54a of the connection passage 54 has an axial position determined so as to be sandwiched between the first seal member 50a and the second seal member 50b during the reciprocating movement of the displacer 24. In this way, the connection of the connection passage 54 to the gas flow gap 52 can always be maintained throughout the cooling cycle.

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 communication path 56 is an opening formed in the displacer member 24a along the radial direction. The communication path 56 is formed between the first seal member 50a and the second seal member 50b in the axial direction. The communication path 56 communicates the gas circulation gap 52 with the regenerator high temperature portion 16a.

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 cryogenic refrigerator 10 having the above configuration will be described. When the displacer 24 moves to a position at or near the bottom dead center of the cylinder 28, the valve unit 34 is switched to connect the discharge port of the compressor 12 to the gas expansion chamber 40. The high-pressure gas enters the regenerator high-temperature part 16 a through the first gas flow path 36 from the valve part 34. At this time, the gas passes through the connection passage 54, the gas flow gap 52, and the communication passage 56. The gas is cooled while passing through the regenerator 16, and enters the gas expansion chamber 40 from the regenerator low temperature portion 16 b through the second gas flow path 38. While the gas flows into the gas expansion chamber 40, the displacer 24 moves toward the top dead center of the cylinder 28. Thereby, the volume of the gas expansion chamber 40 is increased. Thus, the gas expansion chamber 40 is filled with the high pressure gas.

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 displacer 24 moves to a position at or near the top dead center of the cylinder 28, the valve unit 34 is switched to connect the suction port of the compressor 12 to the gas expansion chamber 40. The high pressure gas is expanded and cooled in the gas expansion chamber 40. The expanded gas enters the regenerator 16 from the gas expansion chamber 40 through the second gas flow path 38. The gas is cooled while passing through the regenerator 16. The gas returns from the regenerator 16 to the compressor 12 through the first gas flow path 36, the valve portion 34, and the low pressure gas chamber 42. While the gas flows out of the gas expansion chamber 40, the displacer 24 moves toward the bottom dead center of the cylinder 28. Thereby, the volume of the gas expansion chamber 40 is reduced, and the low-pressure gas is discharged from the gas expansion chamber 40.

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 cryogenic refrigerator 10. The cryogenic refrigerator 10 cools the cooling stage 32 to a desired temperature by repeating the cooling cycle. Therefore, the cryogenic refrigerator 10 can cool the object thermally coupled to the cooling stage 32 to a cryogenic temperature.

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 gas flow path 36 is formed so as to bypass the gas space 44 and pass through the seal portion 50. The working gas flow circulating through the compressor 12 and the expander 14 flows between the two seal members without passing through the gas space 44. Therefore, the gas space 44 generates little or no compression heat as opposed to gas compression occurring at a location corresponding to the gas space 44 in a conventional general expander. Therefore, the expander 14 of the cryogenic refrigerator 10 according to the embodiment can greatly reduce heat loss due to compression heat as compared with the conventional expander 14. Moreover, the efficiency of the cryogenic refrigerator 10 is improved. Such an advantage is remarkable in the cryogenic refrigerator 10 having a large volume of the gas space 44, that is, the large-capacity cryogenic refrigerator 10.

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 expander 14 according to an embodiment of the present invention. In FIG. 3, a part of the cylinder 28 is indicated by a solid line and a part of the displacer 24 is indicated by a broken line to help understanding.

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 gas flow path 36 can take various shapes. For example, the connection passage 54 may include an outlet groove 58 formed along the circumferential direction. The outlet groove 58 is continuous over the entire circumference. The connection passage 54 may include a plurality of outlet grooves or outlet holes arranged in the circumferential direction. Similarly, the communication path 56 of the displacer member 24a may also include at least one groove formed along the circumferential direction, or a plurality of holes arranged in the circumferential direction. In this way, the circumferential flow distribution of the working gas flowing into the regenerator 16 can be made uniform. This helps to uniform the temperature distribution in the cross section perpendicular to the axial direction of the regenerator 16.

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)

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.
前記膨張機静止部分に収容され、前記ディスプレーサの往復移動と同期して前記ガス膨張室の圧力を制御するよう構成されたバルブ部をさらに備え、
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.
前記膨張機静止部分は、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.
前記膨張機静止部分は、前記ディスプレーサの往復移動を案内するシリンダを備え、
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.
前記接続通路は、周方向に沿って形成された少なくとも1つの出口溝、または、周方向に配列された複数の出口穴を備えることを特徴とする請求項2から4のいずれかに記載の極低温冷凍機。   5. The pole according to claim 2, wherein the connection passage includes at least one outlet groove formed along a circumferential direction or a plurality of outlet holes arranged in the circumferential direction. Low temperature refrigerator. 前記膨張機静止部分は、前記ガス膨張室からの戻りガスを前記ガス流路を通じて受け入れるガス室を備え、
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.
前記極低温冷凍機は、単段の極低温冷凍機であることを特徴とする請求項1から6のいずれかに記載の極低温冷凍機。   The cryogenic refrigerator according to any one of claims 1 to 6, wherein the cryogenic refrigerator is a single-stage cryogenic refrigerator.
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