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JPH0349019B2 - - Google Patents
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JPH0349019B2 - - Google Patents

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JPH0349019B2
JPH0349019B2 JP13045783A JP13045783A JPH0349019B2 JP H0349019 B2 JPH0349019 B2 JP H0349019B2 JP 13045783 A JP13045783 A JP 13045783A JP 13045783 A JP13045783 A JP 13045783A JP H0349019 B2 JPH0349019 B2 JP H0349019B2
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JP
Japan
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cold storage
regenerator
storage material
temperature
expansion
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JP13045783A
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Japanese (ja)
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JPS6023761A (en
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Jujiro Ukai
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Aisin Corp
Original Assignee
Aisin Seiki Co Ltd
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Publication date
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Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、スターリング、ギフオード・マクマ
ホン等の10K以下の冷凍を得る冷凍システムに関
し、超伝導磁石、ジヨセフソン素子、あるいはク
ライオポンプの吸着パネルの冷却用として利用さ
れる。
[Detailed Description of the Invention] [Field of Application of the Invention] The present invention relates to a refrigeration system such as Stirling, Gifford-McMahon, etc. that obtains refrigeration below 10K, and is used for cooling superconducting magnets, Josephson elements, or adsorption panels of cryopumps. used as.

〔従来技術〕[Prior art]

蓄冷器の蓄冷材料として、常温で気体状態にあ
る物質、特にヘリウムを用いる従来の冷凍システ
ムとして、米国特許第3692099号がある。これを
第1図に示す。第1図では、蓄冷器1の内部に冷
凍機の作動媒体の流路2があり、単段膨張型の冷
凍機の場合、上端3でアフタークーラに通じ、下
端4で膨張空間に通ずる。多段膨張型の冷凍機の
場合、上端3で高温側の膨張空間に通じ、下端4
で低温側の膨張空間に通ずる。蓄冷器1の内部に
は蓄冷材料5が貯蔵され、作動媒体とは完全に分
離されているが、蓄冷材料5と作動媒体の熱交換
は効率良く行なうことができる。作動媒体がの
方向に流れるとき、蓄冷材料5は作動媒体から熱
を吸収する。逆に、作動媒体がの方向に流れる
とき、蓄冷材料5は作動媒体に熱を放出する。供
給管6を通して蓄冷材料5を外部貯蔵タンク12
から蓄冷器1に供給する。蓄冷器1内の圧力は、
圧力計8によつて指示され、安全弁7によつて異
常圧力の発生を防止することができる。低温圧力
センサー9によつて発生した電気信号は、リード
線10を通して、常温部に設けた自動制御弁11
に伝達され、蓄冷器1内の圧力に応じて自動制御
弁11が開閉し、蓄冷器1内の圧力を制御するこ
とができる。
US Pat. No. 3,692,099 discloses a conventional refrigeration system that uses a substance in a gaseous state at room temperature, particularly helium, as a cold storage material for a cold storage device. This is shown in FIG. In FIG. 1, there is a flow path 2 for the working medium of the refrigerator inside the regenerator 1, which in the case of a single-stage expansion type refrigerator leads to an aftercooler at the upper end 3 and to an expansion space at the lower end 4. In the case of a multi-stage expansion type refrigerator, the upper end 3 leads to the expansion space on the high temperature side, and the lower end 4
It leads to the expansion space on the low temperature side. Although the cold storage material 5 is stored inside the cold storage device 1 and is completely separated from the working medium, heat exchange between the cold storage material 5 and the working medium can be performed efficiently. When the working medium flows in the direction of , the cold storage material 5 absorbs heat from the working medium. Conversely, when the working medium flows in the direction of , the cold storage material 5 releases heat to the working medium. The cold storage material 5 is transferred to the external storage tank 12 through the supply pipe 6.
It is supplied to the regenerator 1 from The pressure inside the regenerator 1 is
The pressure gauge 8 indicates this, and the safety valve 7 can prevent abnormal pressure from occurring. The electrical signal generated by the low temperature pressure sensor 9 is passed through a lead wire 10 to an automatic control valve 11 provided in the normal temperature section.
The automatic control valve 11 opens and closes according to the pressure inside the regenerator 1, and the pressure inside the regenerator 1 can be controlled.

〔従来技術の問題点及びその解析〕[Problems with conventional technology and their analysis]

冷凍機の運転に伴ない、蓄冷器1の温度が常温
(約300K)から20K以下に低下するとき、一定の
圧力を保持するには外部貯蔵タンク12から蓄冷
器1に蓄冷材料5を補給しなければならない。一
例として、ヘリウム(圧力10気圧)の温度と密度
の関係を第2図に示す。第2図から分るように、
温度300Kでは密度が1.62×10-3g/c.c.である。温
度20Kでは密度が2.45×10-2g/c.c.であり、温度
300Kの密度の約15倍となる。したがつて、蓄冷
器1内の圧力を10気圧に保持し、温度300Kから
20Kに冷却するとき、蓄冷器1の容積は変化しな
いため、当初の14倍の質量の蓄冷材料5を補給し
なければならない。さらに、温度4Kでは密度が
1.53×10-1g/c.c.であり、温度20Kの密度の約6
倍となる。したがつて、蓄冷器1内の圧力を10気
圧に保持し、温度20Kからさらに4Kに冷却する
とき、温度20Kの際の5倍の質量の蓄冷材料5を
補給しなければならない。
When the temperature of the regenerator 1 drops from room temperature (approximately 300K) to 20K or less as the refrigerator operates, the regenerator 1 is supplied with the regenerator material 5 from the external storage tank 12 in order to maintain a constant pressure. There must be. As an example, Figure 2 shows the relationship between temperature and density of helium (pressure 10 atm). As can be seen from Figure 2,
At a temperature of 300K, the density is 1.62×10 -3 g/cc. At a temperature of 20K, the density is 2.45×10 -2 g/cc, and the temperature
This is about 15 times the density of 300K. Therefore, the pressure inside the regenerator 1 is maintained at 10 atm, and the temperature starts from 300K.
When cooling to 20K, the volume of the regenerator 1 does not change, so it is necessary to replenish the regenerator material 5 with a mass 14 times the original mass. Furthermore, at a temperature of 4K, the density
1.53×10 -1 g/cc, which is about 6 of the density at a temperature of 20K.
It will be doubled. Therefore, when the pressure inside the regenerator 1 is maintained at 10 atmospheres and the temperature is further cooled from 20K to 4K, it is necessary to replenish the regenerator material 5 with a mass five times that when the temperature is 20K.

今、蓄冷器1の冷却過程において、新に流入す
る蓄冷材料5を冷却するのに必要な吸収熱量を計
算する。温度300Kから20Kに冷却する際に必要
な吸収熱量を△Q1-2、温度20Kから4Kに冷却す
る際に必要な吸収熱量を△Q2-3とすれば次式が
成立する。
Now, in the cooling process of the regenerator 1, the amount of absorbed heat required to cool the newly inflowing regenerator material 5 is calculated. If the amount of absorbed heat required for cooling from 300K to 20K is △Q 1-2 and the amount of absorbed heat required for cooling from 20K to 4K is △Q 2-3 , the following equation holds true.

△Q1-2=reg・ρ2・(H1−H2)……(第1式) △Q2-3=reg・ρ2・(H2−H3) +reg・(ρ3−ρ2)・(H−H) ……(第2式) ここで、 reg:蓄冷器1の内容積 H:エンタルピ ρ:密度 添字1……300K、2……20K、3……4K を示す。△Q 1-2 = reg・ρ 2・(H 1 − H 2 )……(Equation 1) △Q 2-3 = reg・ρ 2・(H 2 − H 3 ) +reg・(ρ 3 − ρ 2 )・(H-H)...(2nd formula) Here, reg: Internal volume of regenerator 1 H: Enthalpy ρ: Density subscript 1...300K, 2...20K, 3...4K.

また、第2式右辺の第1項は温度20Kの際に蓄
冷器1の内部に存在している蓄冷材料5を4Kに
冷却するのに必要とされる吸収熱量であり、第2
項は温度300Kの外部貯蔵タンク12から新たに
流入する蓄冷材料5を4Kに冷却するのに必要と
される吸収熱量である。
In addition, the first term on the right side of the second equation is the amount of absorbed heat required to cool the cold storage material 5 existing inside the cold storage device 1 to 4K when the temperature is 20K, and the second term is
The term is the amount of absorbed heat required to cool the cold storage material 5 newly flowing in from the external storage tank 12 at a temperature of 300K to 4K.

蓄冷器1の内容積:reg=100c.c.と仮定し、第
1式、第2式に下記の物性値を代入する。
Assuming that the internal volume of the regenerator 1 is reg=100 c.c., the following physical property values are substituted into the first and second equations.

H1=1836 (J/g) H2=112.9 (J/g) H3=12.95 (J/g) ρ2=0.0245 (g/c.c.) ρ3=0.153 (g/c.c.) 従つて△Q1-2、△Q2-3は、下記の値となる。H 1 = 1836 (J/g) H 2 = 112.9 (J/g) H 3 = 12.95 (J/g) ρ 2 = 0.0245 (g/cc) ρ 3 = 0.153 (g/cc) Therefore, △Q 1 -2 and △Q 2-3 have the following values.

△Q1-2=4220J ……(第3式) △Q2-3=23700J ……(第4式) 第3式、第4式から、蓄冷器1の温度を20Kか
ら4Kに冷却するのに必要な吸収熱量は、300Kか
ら20Kに冷却する場合の約5.6倍になることがわ
かる。
△Q 1-2 = 4220J ... (3rd equation) △Q 2-3 = 23700J ... (4th equation) From equations 3 and 4, the temperature of regenerator 1 is cooled from 20K to 4K. It can be seen that the amount of absorbed heat required for cooling is approximately 5.6 times that required for cooling from 300K to 20K.

このように、第1図に示す従来の冷凍システム
では、蓄冷器1が冷却される際、冷凍システムで
は、圧力を維持するために新たに蓄冷器1に流入
する蓄冷材料が、常温の外部貯蔵タンク12から
直接供給される。従つて、冷凍システムの特に最
低温度部に熱負荷が集中し、しかもこの熱負荷が
低温になるほど大きくなり、蓄冷器が正常に作動
する10K以下の温度に到達できなかつたり、到達
しても非常に不安定であつた。
In this way, in the conventional refrigeration system shown in FIG. 1, when the regenerator 1 is cooled, the regenerator material newly flowing into the regenerator 1 to maintain the pressure is transferred to external storage at room temperature. It is supplied directly from tank 12. Therefore, the heat load is concentrated particularly in the lowest temperature part of the refrigeration system, and this heat load increases as the temperature gets lower, and the temperature below 10K, at which the regenerator can operate normally, cannot be reached, or even if it does reach it, it is extremely difficult to reach. It was unstable.

〔従来的課題〕[Traditional issues]

そこで、本発明は蓄冷器を所定の温度にまで冷
却し、しかも安定に作動させることを、その技術
的課題とするものである。
Therefore, the technical object of the present invention is to cool the regenerator to a predetermined temperature and operate it stably.

〔技術的手段〕[Technical means]

上記の技術的課題を達成するために講じた技術
的手段は、第1図の供給管6に冷凍システムの蓄
冷器1よりも高温の部分との熱交換部分を設ける
ことである。
The technical means taken to achieve the above-mentioned technical problem is to provide the supply pipe 6 in FIG. 1 with a heat exchange section with a section of the refrigeration system having a higher temperature than the regenerator 1.

〔技術的手段の作用〕[Effect of technical means]

上記技術的手段は次のように作用する。蓄冷器
1が冷却される際に、圧力を維持するため外部貯
蔵タンク12から供給管6を通して蓄冷器1に新
たな蓄冷材料5が流入する。供給管6では冷凍シ
ステムの常温部分から最低温度部分の間に熱交換
部分があるため、蓄冷器1に流入する蓄冷材料は
蓄冷器1よりわずかに高い温度にまで予冷され
る。
The above technical means works as follows. When the regenerator 1 is being cooled, fresh regenerator material 5 flows into the regenerator 1 from the external storage tank 12 through the supply pipe 6 to maintain the pressure. Since there is a heat exchange section in the supply pipe 6 between the normal temperature part and the lowest temperature part of the refrigeration system, the cold storage material flowing into the regenerator 1 is precooled to a temperature slightly higher than that of the regenerator 1.

例えば、蓄冷材料5が温度20Kから4Kに冷却
されるとき、新たに蓄冷器1に流入する蓄冷材料
5が温度30Kまで予冷されているとする。このと
き、蓄冷器1を冷却するのに必要な吸収熱量:△
Q′2-3とすれば次式が成立する。
For example, when the cold storage material 5 is cooled from a temperature of 20K to 4K, it is assumed that the cold storage material 5 newly flowing into the cold storage device 1 is precooled to a temperature of 30K. At this time, the amount of absorbed heat required to cool the regenerator 1: △
If Q' is set to 2-3 , the following equation holds true.

△Q′2-3=reg・ρ2(H2−H3) +reg・(ρ3−ρ2)・(H4−H3
……(第5式) ここで、 添字4……30K H4……168.4J/g を示す。
△Q′ 2-3 = reg・ρ 2 (H 2 − H 3 ) +reg・(ρ 3 −ρ 2 )・(H 4 −H 3 )
...(Formula 5) Here, subscript 4...30K H 4 ...168.4J/g is shown.

また、蓄冷器1の内容積:reg=100c.c.と仮定
し、計算すれば次のようになる。
Furthermore, assuming that the internal volume of the regenerator 1 is reg=100 c.c., the calculation will be as follows.

△Q′2-3=2240J ……(第6式) これは、従来技術の場合の値、第4式の約1割
になり、冷凍システムの最低温度部への熱負荷の
集中が著しく軽減されることがわかる。このた
め、蓄冷器1が正常に作動する温度、例えば4K
にまで冷却される。
△Q' 2-3 = 2240J ... (Equation 6) This is approximately 10% of the value of the conventional technology, Equation 4, and the concentration of heat load on the lowest temperature part of the refrigeration system is significantly reduced. I know it will happen. For this reason, the temperature at which the regenerator 1 operates normally is 4K, for example.
cooled down to.

〔発明によつて生じた特有の効果〕[Special effects caused by the invention]

本発明は、次の特有の効果を生じる。すなわち
従来のものにおいて、蓄冷器1を所定の温度にま
で冷却することは、蓄冷器1を起動時に液体ヘリ
ウム等の寒剤で冷却することによつても可能であ
る。しかし、この場合冷凍システムの冷凍能力を
上回る熱負荷が一度作用すると、熱負荷が作用し
なくなつても蓄冷器1が所定の温度に復帰できな
い。さらに、寒剤がなければ起動できないという
別の問題を生じる。これに対し、本発明の場合に
は冷凍システム自身で蓄冷材料5を予冷し、蓄冷
器1を所定の温度にまで冷却するため、冷凍能力
を上回る熱負荷が一度作用しても、熱負荷が作用
しなくなれば、蓄冷器1が所定の温度に復帰する
ことができる。また、起動時に寒剤を用意する必
要もない。
The present invention produces the following unique effects. That is, in the conventional system, it is also possible to cool the regenerator 1 to a predetermined temperature by cooling the regenerator 1 with a cryogen such as liquid helium at the time of startup. However, in this case, once a heat load exceeding the refrigeration capacity of the refrigeration system is applied, the regenerator 1 cannot return to the predetermined temperature even if the heat load stops acting. Furthermore, another problem arises in that it cannot be started without a cryogen. In contrast, in the case of the present invention, the refrigeration system itself pre-cools the cold storage material 5 and cools the cold storage 1 to a predetermined temperature, so even if a heat load exceeding the refrigeration capacity is applied once, the heat load will be reduced. Once it stops working, the regenerator 1 can return to a predetermined temperature. Also, there is no need to prepare cryogen at startup.

〔本発明の実施態様〕 補助冷凍機の有無にかかわらず; () 蓄冷器よりも高温側に作用媒体との熱交
換器を設けて、外部貯蔵タンクと熱交換器、
熱交換器と蓄冷器をそれぞれ蓄冷材料の供給
管で連絡する。
[Embodiments of the present invention] With or without an auxiliary refrigerator; () A heat exchanger with a working medium is provided on the higher temperature side than the regenerator, and an external storage tank and a heat exchanger,
The heat exchanger and regenerator are each connected through a regenerator material supply pipe.

() 蓄冷材料の供給管を膨張シリンダーに接
触させて蓄冷器に連絡する。
() Connect the regenerator material supply pipe to the regenerator by contacting the expansion cylinder.

() 蓄冷材料の供給管をふく射シールドに接
触させて蓄冷器に連絡する。
() Contact the cool storage material supply pipe with the radiation shield and connect it to the cool storage device.

() 蓄冷材料の供給管を他の蓄冷器に接触さ
せて蓄冷器に供給する。
() Supply the cold storage material to the cold storage device by bringing the supply pipe into contact with another cold storage device.

補助冷凍機が有る場合; () 補助冷凍機に作動流体との熱交換器を設
けて、外部貯蔵タンクと熱交換器、熱交換器
と主冷凍機の蓄冷器をそれぞれ蓄冷材料の供
給管で連絡する。
If there is an auxiliary chiller; () The auxiliary chiller is equipped with a heat exchanger with the working fluid, and the external storage tank and heat exchanger, and the heat exchanger and the main chiller's regenerator, are connected to each other using cold storage material supply pipes. contact.

() 蓄冷材料の供給管を補助冷凍機の膨張シ
リンダーに接触させて主冷凍機の蓄冷器に連
絡する。
() Connect the cold storage material supply pipe to the main refrigerator's cold storage by contacting the expansion cylinder of the auxiliary refrigerator.

() 蓄冷材料の供給管を補助冷凍機のふく射
シールドに接触させて主冷凍機の蓄冷器に連
絡する。
() Connect the cold storage material supply pipe to the main chiller's cold storage by contacting the radiation shield of the auxiliary chiller.

() 蓄冷材料の供給管を補助冷凍機の蓄冷器
に接触させて主冷凍機の蓄冷器に連絡する。
() Connect the supply pipe of the cold storage material to the cold storage device of the auxiliary refrigerator and connect it to the cold storage device of the main refrigerator.

() 補助冷凍機が主冷凍機を予冷するための
伝熱板に蓄冷材の供給管を接触させて主冷凍
機の蓄冷器に連絡する。
() The auxiliary chiller connects the cold storage material supply pipe to the heat exchanger plate for precooling the main chiller and connects it to the cold storage of the main chiller.

〔第1実施例〕 以下、上記技術的手段の一具体例を示す第1の
実施例について、第3図に基づいて説明する。
[First Example] Hereinafter, a first example showing a specific example of the above technical means will be described based on FIG. 3.

第3図では、圧縮シリンダー14と圧縮ピスト
ン15により形成される圧縮空間17は、冷却器
18、第1蓄冷器19を通り、第1膨張空間24
に連通している。第1膨張空間24は第2蓄冷器
25を通り、第2膨張空間27に連通している。
第2膨張空間27は第3蓄冷器28を通り、第3
膨張空間30に連通している。第3膨張空間30
は、第4蓄冷器1を通り、第4膨張空間32に連
通している。このようにして、圧縮空間17、冷
却器18、第1蓄冷器19、第1膨張空間24、
そして蓄冷器25を通り、第2膨張空間27、第
3蓄冷器28、第3膨張空間30、第4蓄冷器
1、そして第4膨張空間32から冷凍回路は構成
され、作動媒体として該冷凍回路内にはヘリウム
ガスが充填されている。圧縮ピストン15にはロ
ツド14が連結され、さらに圧縮ピストン15の
外周上の一部には、ガス封止のためのシール16
が設けられる。第1膨張空間24、第2膨張空間
27、第3膨張空間30、および第4膨張空間3
2は、それぞれ3段の凸型を有する膨張シリンダ
ー21、膨張ピストン22によつて形成される。
膨張ピストンの各段の外周上には、第1、2、
3、4膨張空間24,27,30,32内のガス
封止のためのシール23,26,29,31が設
置されている。また、膨張ピストン22にはロツ
ド20が連結される。ロツド13,20は図示さ
れていない往復駆動機構(例えばクランク機構)
に連結される。
In FIG. 3, a compression space 17 formed by a compression cylinder 14 and a compression piston 15 passes through a cooler 18, a first regenerator 19, and a first expansion space 24.
is connected to. The first expansion space 24 passes through the second regenerator 25 and communicates with the second expansion space 27 .
The second expansion space 27 passes through the third regenerator 28 and the third
It communicates with the expansion space 30. Third expansion space 30
passes through the fourth regenerator 1 and communicates with the fourth expansion space 32 . In this way, the compression space 17, the cooler 18, the first regenerator 19, the first expansion space 24,
The refrigeration circuit is constituted by passing through the regenerator 25, the second expansion space 27, the third regenerator 28, the third expansion space 30, the fourth regenerator 1, and the fourth expansion space 32. The inside is filled with helium gas. A rod 14 is connected to the compression piston 15, and a seal 16 for gas sealing is provided on a part of the outer circumference of the compression piston 15.
is provided. First expansion space 24, second expansion space 27, third expansion space 30, and fourth expansion space 3
2 is formed by an expansion cylinder 21 and an expansion piston 22, each having a three-stage convex shape.
On the outer periphery of each stage of the expansion piston, first, second,
3 and 4 Seals 23, 26, 29, and 31 for gas sealing in the expansion spaces 24, 27, 30, and 32 are installed. Further, a rod 20 is connected to the expansion piston 22. The rods 13 and 20 are reciprocating drive mechanisms (for example, crank mechanisms) that are not shown.
connected to.

第4蓄冷器1の内部には、作動媒体の流路2が
あり、流路2のまわりには蓄冷材料5が封入され
ており、蓄冷材料5は常温で気体状態にある物
質、例えばヘリウムである。外部貯蔵タンク1
2、第1熱交換器33、第2熱交換器34、第3
熱交換器35、そして第4蓄冷器1は供給管6に
よつて連通する。供給管6には、安全弁7、圧力
計8、そして常温部に設けた自動制御弁11が取
付けられている。低温圧力センサー9の電気信号
は、リード線10によつて、自動制御弁11に伝
えられる。
Inside the fourth regenerator 1, there is a flow path 2 for a working medium, and around the flow path 2, a regenerator material 5 is sealed. be. External storage tank 1
2, first heat exchanger 33, second heat exchanger 34, third
The heat exchanger 35 and the fourth regenerator 1 communicate with each other through a supply pipe 6. A safety valve 7, a pressure gauge 8, and an automatic control valve 11 provided in the room temperature section are attached to the supply pipe 6. An electrical signal from the low temperature pressure sensor 9 is transmitted to an automatic control valve 11 via a lead wire 10.

第3図に示す実施例の作用について説明する。
圧縮空間17内の作動媒体は、圧縮ピストン15
により圧縮された後、冷却器18で冷却され、第
1蓄冷器19を通り、さらに冷却され、第1膨張
空間24及び第蓄冷器25へと流入する。第1膨
張空間24に入つた作動媒体は、膨張ピストン2
2により膨張され、約70Kの温度の冷凍を発生
す。ところで、第2蓄冷器25に流入した作動媒
体は、さらに冷却されて、第2膨張空間27と第
3蓄冷器28へと流入する。第2膨張空間27へ
流入した作動媒体は、膨張ピストン22により膨
張され、約30Kの温度の冷凍を発生する。一方、
第3蓄冷器28に流入した作動媒体は、さらに冷
却されて、第3膨張空間30と第4蓄冷機器1へ
と流入する。第3膨張空間30に流入した作動媒
体は、膨張ピストン22により膨張され、約10K
の温度の冷凍を発生する。また、第4蓄冷器1に
流入した作動媒体は、さらに冷却されて、第4膨
張空間32に流入する。第4膨張空間32に流入
した作動媒体は、膨張ピストン22により膨張さ
れ、約4Kの温度の冷凍を発生する。蓄冷器1の
温度は、冷凍機の起動時には常温(約300K)で
あるが、定常状態では10Kから4Kに到達する。
蓄冷器1の冷却過程において、蓄冷材料5を補給
する方法について説明する。蓄冷器1の温度が低
下すると、内部の圧力が低下する。これは低温圧
力センサーに検知され、電気信号がリード線10
を通して自動制御弁11に伝えられ、自動制御弁
11が開かれる。このとき、貯蔵タンク12から
蓄冷材料5が供給管6を通して第1熱交換器33
に流入する。第1熱交換器33に流入した蓄冷材
料5は第1膨張空間24内の作動媒体と熱交換
し、冷却され、第2熱交換器34に流入する。第
2熱交換器34に流入した蓄冷材料5は、第2膨
張空間27内の作動媒体と熱交換し、冷却され、
第3熱交換器35に流入する。第3熱交換器35
に流入した蓄冷材料5は、第3膨張空間30内の
作動媒体と熱交換し、冷却され、第4蓄冷器1に
流入する。第4蓄冷器1に流入した蓄冷材料5
は、第3熱交換器30においてあらかじめ蓄冷器
よりもわずかに高い温度まで冷却されているた
め、蓄冷器1に与える熱負荷は、第1図に示す従
来のものに比べて、非常に小さくなる。従つて、
蓄冷器1は、容易に所定の温度、例えば4Kに到
達することができる。
The operation of the embodiment shown in FIG. 3 will be explained.
The working medium in the compression space 17 is compressed by the compression piston 15
After being compressed, it is cooled by the cooler 18 , passes through the first regenerator 19 , is further cooled, and flows into the first expansion space 24 and the first regenerator 25 . The working medium that has entered the first expansion space 24 is transferred to the expansion piston 2
2 and generates refrigeration at a temperature of about 70K. By the way, the working medium that has flowed into the second regenerator 25 is further cooled and flows into the second expansion space 27 and the third regenerator 28 . The working medium that has flowed into the second expansion space 27 is expanded by the expansion piston 22 to generate refrigeration at a temperature of approximately 30K. on the other hand,
The working medium that has flowed into the third regenerator 28 is further cooled and flows into the third expansion space 30 and the fourth regenerator 1 . The working medium that has flowed into the third expansion space 30 is expanded by the expansion piston 22 to approximately 10K
Temperatures of refrigeration occur. Further, the working medium that has flowed into the fourth regenerator 1 is further cooled and flows into the fourth expansion space 32 . The working medium that has entered the fourth expansion space 32 is expanded by the expansion piston 22 to generate refrigeration at a temperature of approximately 4K. The temperature of the regenerator 1 is at room temperature (approximately 300K) when the refrigerator is started, but reaches 10K to 4K in a steady state.
A method for replenishing the cold storage material 5 during the cooling process of the cold storage device 1 will be explained. When the temperature of the regenerator 1 decreases, the internal pressure decreases. This is detected by the low temperature pressure sensor and an electrical signal is sent to the lead wire 10.
The signal is transmitted to the automatic control valve 11 through the automatic control valve 11, and the automatic control valve 11 is opened. At this time, the cold storage material 5 is passed from the storage tank 12 to the first heat exchanger 33 through the supply pipe 6.
flows into. The cold storage material 5 that has flowed into the first heat exchanger 33 exchanges heat with the working medium in the first expansion space 24, is cooled, and flows into the second heat exchanger 34. The cold storage material 5 that has flowed into the second heat exchanger 34 exchanges heat with the working medium in the second expansion space 27 and is cooled.
It flows into the third heat exchanger 35. Third heat exchanger 35
The cold storage material 5 that has flowed into the third expansion space 30 exchanges heat with the working medium in the third expansion space 30, is cooled, and then flows into the fourth cold storage 1. Cold storage material 5 flowing into the fourth cold storage device 1
is cooled in advance to a temperature slightly higher than that of the regenerator 1 in the third heat exchanger 30, so the heat load applied to the regenerator 1 is much smaller than that of the conventional one shown in FIG. . Therefore,
The regenerator 1 can easily reach a predetermined temperature, for example 4K.

次に、本発明の冷凍システムの蓄冷器1の安定
性について発明する。第4膨張空間32に冷凍能
力を上回る熱負荷がかかつた場合、蓄冷器1の温
度が上昇し、その結果、内部の圧力も上昇する。
これは低温用圧力センサー9に検知され、電気信
号が自動制御弁11に伝えられ、自動制御弁11
が開けられる。そして、蓄冷器1内にあつた蓄冷
材料5が第3熱交換器35に流入する。第3熱交
換器35に流入した蓄冷材料5は、第3膨張空間
30内の作動媒体よりもまだ低い温度にあるた
め、第3膨張空間30内の作動媒体を冷却した
後、第2熱交換器34に流入する。第2熱交換器
34に流入した蓄冷材料5は、第1膨張空間27
内の作動媒体よりもまだ低い温度にあるため、第
2膨張空間27内の作動媒体を冷却した後、第1
熱交換器33に流入する。第1熱交換器33流入
した蓄冷材料5は第1膨張空間24内の作動媒体
を冷却した後、貯蔵タンク12にもどされる。こ
のように、蓄冷器1の温度が上昇し、蓄冷材料5
が貯蔵タンク12に流入する際に、蓄冷材料5が
第3膨張空間20、第2膨張空間30、そして第
1膨張空間24内の作動媒体を冷却するため、従
来の冷却システムに比べて、熱負荷に対する抵抗
力が非常に大きい。従つて、本発明の冷凍システ
ムの安定性が秀れていることがわかる。
Next, the stability of the regenerator 1 of the refrigeration system of the present invention will be discussed. When a heat load exceeding the refrigerating capacity is applied to the fourth expansion space 32, the temperature of the regenerator 1 increases, and as a result, the internal pressure also increases.
This is detected by the low temperature pressure sensor 9, and an electric signal is transmitted to the automatic control valve 11.
can be opened. Then, the cold storage material 5 in the cold storage device 1 flows into the third heat exchanger 35. The cold storage material 5 that has flowed into the third heat exchanger 35 is still at a lower temperature than the working medium in the third expansion space 30, so after cooling the working medium in the third expansion space 30, the cold storage material 5 flows into the second heat exchanger 35. The liquid flows into the vessel 34. The cold storage material 5 that has flowed into the second heat exchanger 34 is transferred to the first expansion space 27
Since the working medium in the second expansion space 27 is still at a lower temperature than the working medium in the second expansion space 27, after cooling the working medium in the second expansion space 27, the first
It flows into the heat exchanger 33. The cold storage material 5 flowing into the first heat exchanger 33 cools the working medium in the first expansion space 24 and is then returned to the storage tank 12 . In this way, the temperature of the regenerator 1 increases, and the regenerator material 5
Since the cold storage material 5 cools the working medium in the third expansion space 20, the second expansion space 30, and the first expansion space 24 when it flows into the storage tank 12, the heat is reduced compared to conventional cooling systems. Very high resistance to load. Therefore, it can be seen that the refrigeration system of the present invention has excellent stability.

〔第2の実施例〕 次に、本発明の技術的手段の一具体例を示す第
2の実施例について第4図に基づき説明する。第
4図で、第1の実施例(第3図)との相違点は、
第3図での第1熱交換器33、第2熱交換器3
4、および第3熱交換器35にかえて、供給管6
と膨張シリンダ21の接触部36,37、および
38を設けたことである。作動媒体と蓄冷材料5
の熱交換効率は第3図のものより若干低くなる
が、製作が容易である。
[Second Embodiment] Next, a second embodiment showing a specific example of the technical means of the present invention will be described based on FIG. 4. In Fig. 4, the differences from the first embodiment (Fig. 3) are as follows.
The first heat exchanger 33 and the second heat exchanger 3 in FIG.
4, and the supply pipe 6 instead of the third heat exchanger 35
and the contact portions 36, 37, and 38 of the expansion cylinder 21 are provided. Working medium and cold storage material 5
Although the heat exchange efficiency is slightly lower than that shown in Fig. 3, it is easier to manufacture.

〔第3の実施例〕 本発明の技術的手段の一具体例を示す第3の実
施例について、第5図に基づき説明する。第5図
で、第1の実施例(第3図)との相違点は、ふく
射シールド39,40が設けられていること、第
3図での第1熱交換器33、第2熱交換器34、
および第3熱交換器35にかえて、供給管6とふ
く射シールド39,40の接触部41,42を設
けたこと、および供給管6と膨張シリンダー21
の接触部43を設計したことである。ふく射シー
ルド39,40は、高温部から低温部へのふく射
熱をさえぎるものであり、ふく射シールド39
は、第1膨張空間24と、また、ふく射シールド
40は、第2膨張空間27と各々ほぼ同じ温度と
なる。従つて、蓄冷材料5は供給管6とふく射シ
ールド39,40の接触部41,42で予冷さ
れ、最後に供給管6と膨張シリンダー21の接触
部43で予冷され、蓄冷器1に流入する。作動媒
体と蓄冷材料5の熱交換効率は第3図のものによ
り若干低くなるが、製作が容易である。
[Third Example] A third example showing a specific example of the technical means of the present invention will be described based on FIG. 5. In FIG. 5, the differences from the first embodiment (FIG. 3) are that radiation shields 39 and 40 are provided, and the first heat exchanger 33 and second heat exchanger in FIG. 34,
and that contact portions 41 and 42 between the supply pipe 6 and the radiation shields 39 and 40 are provided in place of the third heat exchanger 35, and that the supply pipe 6 and the expansion cylinder 21 are provided with contact portions 41 and 42.
The reason is that the contact portion 43 is designed as follows. The radiation shields 39 and 40 block radiation heat from the high temperature part to the low temperature part, and the radiation shield 39
The temperature of the first expansion space 24 and the radiation shield 40 are approximately the same as that of the second expansion space 27. Therefore, the cold storage material 5 is precooled at the contact portions 41 and 42 between the supply pipe 6 and the radiation shields 39 and 40, and finally precooled at the contact portion 43 between the supply pipe 6 and the expansion cylinder 21, and then flows into the regenerator 1. Although the heat exchange efficiency between the working medium and the cold storage material 5 is slightly lower than that shown in FIG. 3, it is easier to manufacture.

〔第4の実施例〕 本発明の技術的手段の一具体例を示す第4の実
施例について、第6図に基づき説明する。第6図
で、第1の実施例(第3図)との相違点は、第3
図での第1熱交換器33、第2熱交換器34、お
よび第2熱交換器35にかえて、供給管6と第1
蓄冷器19、第2蓄冷器25、第3蓄冷器28の
接触部44,45、および46を設けたことであ
る。作動媒体と蓄冷材料5の熱交換効率は第3図
のものより若干低くなるが製作が容易である。
[Fourth Example] A fourth example showing a specific example of the technical means of the present invention will be described based on FIG. 6. In Fig. 6, the difference from the first embodiment (Fig. 3) is that the third embodiment is different from the first embodiment (Fig. 3).
Instead of the first heat exchanger 33, second heat exchanger 34, and second heat exchanger 35 in the figure, the supply pipe 6 and the first
The contact portions 44, 45, and 46 of the regenerator 19, the second regenerator 25, and the third regenerator 28 are provided. Although the heat exchange efficiency between the working medium and the cold storage material 5 is slightly lower than that shown in FIG. 3, it is easier to manufacture.

〔第5の実施例〕 本発明の技術的手段の一具体例を示す、第5の
実施例について、第7図に基づき説明する。番号
13〜30で示される各部の名称および作用は、
第1の実施例(第3図)と全く同じであるが、こ
の部分は到達温度(第3膨張空間)が10K程度で
あり、補助冷凍機64として作用する。冷凍シス
テムとしての最低温度、例えば4Kを得るのは、
番号47〜57、および1,2,5,9の各部よ
り構成される主冷凍機65である。圧縮シリンダ
ー48、圧縮ピストン49より形成される圧縮空
間51は、冷却器52,蓄冷器1を通り、膨張シ
ンダー54、膨張ピストン55より形成される膨
張空間57に連通している。このようにして、圧
縮空間51、冷却器52、蓄冷器1、そして膨張
空間57から冷凍回路は構成され、補助冷凍機6
4の冷凍回路とは別になつている。主冷凍機5の
冷凍回路には、作動媒体としてヘリウムが封入さ
れる。圧縮ピストン49の外周上には、圧縮空気
51内のガス封止のためのシール50が設置さ
れ、膨張ピストン55の外周上には、膨張空間5
7内のガス封止のためのシール56が設置されて
いる。また、圧縮ピストン49、膨張ピストン5
5には夫々ロツド47,53が連結される。ロツ
ド47,53は図示されていない往復動機構(例
えばクランク機構)に連結される。伝熱板58,
59および60は、それぞれ補助冷凍機64の第
1膨張空間24、第2膨張空間27、および第3
膨張空間30によつて冷却される。伝熱板58,
59、および60は、圧縮シリンダー48、冷却
器52、および膨張シリンダー54を冷却する。
蓄冷材料5の供給管6には、伝熱板58,59、
および60との接触部61,62、および63が
設けられている。
[Fifth Example] A fifth example showing a specific example of the technical means of the present invention will be described based on FIG. 7. The names and functions of each part indicated by numbers 13 to 30 are as follows:
Although it is exactly the same as the first embodiment (FIG. 3), the temperature reached in this part (third expansion space) is about 10K, and it acts as an auxiliary refrigerator 64. To obtain the lowest temperature for a refrigeration system, for example 4K,
The main refrigerator 65 is composed of parts numbered 47 to 57, and parts 1, 2, 5, and 9. A compression space 51 formed by the compression cylinder 48 and the compression piston 49 passes through the cooler 52 and the regenerator 1, and communicates with an expansion space 57 formed by the expansion cinder 54 and the expansion piston 55. In this way, a refrigeration circuit is constructed from the compression space 51, the cooler 52, the regenerator 1, and the expansion space 57, and the auxiliary refrigerator 6
It is separate from the refrigeration circuit No. 4. The refrigeration circuit of the main refrigerator 5 is filled with helium as a working medium. A seal 50 for gas sealing in the compressed air 51 is installed on the outer periphery of the compression piston 49, and a seal 50 for sealing gas in the compressed air 51 is installed on the outer periphery of the expansion piston 55.
A seal 56 is installed to seal the gas inside 7. In addition, the compression piston 49 and the expansion piston 5
5 are connected to rods 47 and 53, respectively. The rods 47, 53 are connected to a reciprocating mechanism (for example, a crank mechanism), which is not shown. heat transfer plate 58,
59 and 60 are the first expansion space 24, the second expansion space 27, and the third expansion space of the auxiliary refrigerator 64, respectively.
It is cooled by the expansion space 30. heat transfer plate 58,
59 and 60 cool the compression cylinder 48, cooler 52, and expansion cylinder 54.
The supply pipe 6 of the cold storage material 5 includes heat exchanger plates 58, 59,
and 60 are provided with contact portions 61, 62, and 63.

このような構成の冷凍システムにおいて、蓄冷
器1の冷却過程で新たに流入する蓄冷材料5は、
供給管6と伝熱管58,59および60、接触部
61,62、および63で冷却されるため、主冷
凍機65にはほとんど熱負荷を与えずに蓄冷器1
を所定の温度、例えば4Kにまで冷却することが
できる。
In the refrigeration system with such a configuration, the cold storage material 5 that newly flows in during the cooling process of the cold storage device 1 is
Since the supply pipe 6, the heat transfer pipes 58, 59, and 60, and the contact parts 61, 62, and 63 are cooled, the regenerator 1 is cooled with almost no heat load on the main refrigerator 65.
can be cooled down to a predetermined temperature, for example 4K.

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

第1図は本発明の基礎となる従来技術の概略説
明図、第2図はヘリウムの温度と密度を示す説明
用グラフ、第3図は、本発明の技術的手段の一具
体例を示す第1の実施例の説明用断面図、第4図
は第2の実施例の説明用断面図、第5図は第3の
実施例の説明用断面図、第6図は第4の実施例の
説明用断面図、そして第7図は第5の実施例の説
明用断面図である。 1……蓄冷器、5……蓄冷材料、21,54…
…膨張シリンダ、39,40……ふく射シール
ド、65……主冷凍機、64……補助冷凍機。
FIG. 1 is a schematic explanatory diagram of the prior art that is the basis of the present invention, FIG. 2 is an explanatory graph showing the temperature and density of helium, and FIG. 3 is a diagram showing a specific example of the technical means of the present invention. 4 is an explanatory sectional view of the second embodiment, FIG. 5 is an explanatory sectional view of the third embodiment, and FIG. 6 is an explanatory sectional view of the fourth embodiment. An explanatory sectional view, and FIG. 7 is an explanatory sectional view of the fifth embodiment. 1... Cold storage device, 5... Cold storage material, 21, 54...
...expansion cylinder, 39, 40... radiation shield, 65... main refrigerator, 64... auxiliary refrigerator.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 一つの蓄冷器の蓄冷材料として常温で気体状
態にある物質を用いる単段膨張型の冷凍装置にお
いて、 前記蓄冷器に通ずる供給管の途中で、 前記蓄冷材料と 作動流体、膨張シリンダ、ふく射シールド内の
少なくとも1つ との熱交換部分を有する冷凍装置。 2 複数の蓄冷器の蓄冷材料として常温で気体状
態にある物質を用いる多段膨張型の冷凍装置にお
いて、 前記複数の蓄冷器の内の少なくとも一つの蓄冷
器に通ずる供給管の途中で、 前記蓄冷材料と 作動流体、膨張シリンダ、ふく射シールド、前
記少なくとも一つの蓄冷器よりも高温側の蓄冷器
の内の少なくとも1つ との熱交換部分を有する冷凍装置。 3 少なくとも一つの蓄冷器の蓄冷材料として常
温で気体状態にある物質を用いる膨張型の主冷凍
機と、害主冷凍機を予冷する補助冷凍機からなる
冷凍装置において、 前記少なくとも一つの蓄冷器に通ずる供給管の
途中で、 前記蓄冷材料と 前記補助冷凍機の作動流体、前記補助冷凍機の
膨張シリンダー、前記補助冷凍機のふく射シール
ド、前記補助冷凍機が前記主冷凍機を予冷するた
めの伝熱板、および前記補助冷凍機の蓄冷器の内
の少なくとも1つ との熱交換部分を有することを特徴とする冷凍装
置。
[Scope of Claims] 1. In a single-stage expansion type refrigeration system that uses a substance that is in a gaseous state at room temperature as a cold storage material for one cold storage device, in the middle of a supply pipe leading to the cold storage device, the cold storage material and the working fluid are mixed together. , an expansion cylinder, and a heat exchange portion with at least one in a radiation shield. 2. In a multistage expansion type refrigeration system that uses a substance that is in a gaseous state at room temperature as a cold storage material for a plurality of cold storage devices, the cold storage material is used in the middle of a supply pipe leading to at least one of the plurality of cold storage devices. and a refrigeration system comprising a working fluid, an expansion cylinder, a radiation shield, and a heat exchange portion with at least one of the regenerators on a higher temperature side than the at least one regenerator. 3. In a refrigeration system consisting of an expansion type main refrigerator that uses a substance that is in a gaseous state at room temperature as a cold storage material for at least one regenerator, and an auxiliary refrigerator that precools the main refrigerant, the at least one regenerator In the middle of the supply pipe communicating with the cold storage material, the working fluid of the auxiliary refrigerator, the expansion cylinder of the auxiliary refrigerator, the radiation shield of the auxiliary refrigerator, and the transmission for the auxiliary refrigerator to precool the main refrigerator. A refrigeration device comprising a heat plate and a heat exchange portion with at least one of the regenerators of the auxiliary refrigerator.
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