JPH0427462B2 - - Google Patents

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JPH0427462B2
JPH0427462B2 JP15943883A JP15943883A JPH0427462B2 JP H0427462 B2 JPH0427462 B2 JP H0427462B2 JP 15943883 A JP15943883 A JP 15943883A JP 15943883 A JP15943883 A JP 15943883A JP H0427462 B2 JPH0427462 B2 JP H0427462B2
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JP
Japan
Prior art keywords
cold
expander
cold box
heat exchanger
insulating tube
Prior art date
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Expired
Application number
JP15943883A
Other languages
Japanese (ja)
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JPS6050355A (en
Inventor
Hidefumi Saito
Hisashi Mitani
Masanao Ando
Hiroshi Isaka
Munehiro Hayashi
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Shimadzu Corp
Original Assignee
Shimadzu Corp
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Publication date
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  • Compressors, Vaccum Pumps And Other Relevant Systems (AREA)
  • Separation By Low-Temperature Treatments (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 (イ) 産業上の利用分野 本発明は、クライオポンプやヘリウムの液化装
置等に好適に使用できる極低温冷凍装置に関する
ものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION (a) Field of Industrial Application The present invention relates to a cryogenic freezing device that can be suitably used in cryopumps, helium liquefaction devices, and the like.

(ロ) 従来技術 クライオポンプや小型のヘリウム液化装置等に
は、ギフオードマクマホンサイクル、ソルベーサ
イクル、スターリングサイクル等のガスサイクル
を利用した極低温小型冷凍機が使用されている。
(b) Prior Art Cryopumps, small helium liquefaction equipment, etc. use small cryogenic refrigerators that utilize gas cycles such as the Gifford-McMahon cycle, the Solvay cycle, and the Stirling cycle.

ところで、従来のクライオポンプは、例えば、
第1図に示すように、断熱対策を施したコールド
ボツクスaと、このコールドボツクスa内に配設
され該ボツクスa内のガスを順次液化させ吸着す
るクライオパネルb,cと、このクライオパネル
b,cを冷却するソルベーサイクル式の極低温冷
凍装置dとを具備してなる。そして、この冷凍装
置dは、エネルギ吸収用のジエネレータmに接続
され導入されるガスを断熱膨張させて低温化する
膨張機eと、この膨張機eに低温端を接続した蓄
冷器fと、この蓄冷器fの高温端に圧縮機gの吐
出口g1に連通する給気径路hまたは吸込口g2
に連通する排気径路iを選択的に接続するタイミ
ングバルブjとを備えてなるもので、前記膨張機
eのケーシングに設けたコールドヘツドkで前記
クライオパネルb,cを冷却しうるようになつて
いる。ところが、従来のものは、予冷手段たる蓄
冷器eを全部コールドヘツドhを納めるべきコー
ルドボツクスa内に収容しているため、このコー
ルドボツクスa全体が不必要に大型化するという
不都合を招く。すなわち、従来のものは、コール
ドヘツド部分に膨張機と全予冷手段とが一体化さ
れて存在するため、該コールドヘツド部分、ひい
ては、前記コールドボツクスaの大型化や大重量
化を招く。そのため、真空断熱容器たるコールド
ボツクスの製作費が高くつくだけでなく、この冷
凍装置のコールドヘツド部分を主要な構成要素と
するクライオポンプの本体部等が不当に大型化す
ることになり、設置の自由度が低下するととも
に、設置スペースの確保が難しくなるという問題
がある。
By the way, conventional cryopumps, for example,
As shown in FIG. 1, there is a cold box a with heat insulation measures, cryopanels b and c disposed inside this cold box a that successively liquefy and adsorb the gas inside the box a, and this cryopanel b. , c, and a Solvay cycle type cryogenic freezing device d. The refrigeration system d includes an expander e that is connected to a generator m for energy absorption and adiabatically expands the introduced gas to lower its temperature, a regenerator f whose low temperature end is connected to the expander e, and a regenerator f. An air supply path h or suction port g2 is connected to the high temperature end of the regenerator f and communicates with the discharge port g1 of the compressor g.
and a timing valve j for selectively connecting an exhaust path i communicating with the cryopanels b and c, and a cold head k provided in the casing of the expander e can cool the cryopanels b and c. There is. However, in the conventional system, the entire cold storage device e, which is a precooling means, is housed in the cold box a, which is supposed to house the cold head h, resulting in the inconvenience that the entire cold box a becomes unnecessarily large. That is, in the conventional type, the expander and the entire precooling means are integrated in the cold head portion, which results in an increase in size and weight of the cold head portion and, by extension, the cold box a. As a result, not only does the production cost of the cold box, which is a vacuum insulated container, become high, but the main body of the cryopump, whose main component is the cold head of this refrigeration system, becomes unduly large, making it difficult to install. There are problems in that the degree of freedom is reduced and it becomes difficult to secure installation space.

(ハ) 目的 本考案は、このような事情に着目してなされた
もので、コールドボツクス内に配設されるコール
ドヘツド部分の小型化を図ることができる極低温
冷凍装置を提供することを目的とする。
(c) Purpose The present invention was made with attention to the above-mentioned circumstances, and its purpose is to provide a cryogenic refrigeration system that can reduce the size of the cold head section installed in the cold box. shall be.

(ニ) 構成 本発明は、かかる目的を達成するために、前述
したクライオパネル等の熱負荷、コールドヘツド
および膨張機が収容されるコールドボツクスの外
側に該コールドボツクスに連通する断熱チユーブ
を設け、この断熱チユーブ内に予冷手段の一部ま
たは全部を収容したことを特徴とする。
(D) Structure In order to achieve the above object, the present invention provides an insulating tube communicating with the cold box outside the cold box in which the heat load such as the cryopanel, the cold head, and the expander are housed, and which communicates with the cold box. It is characterized in that part or all of the precooling means is housed within this heat insulating tube.

(ホ) 実施例 以下、本発明の一実施例を第2図および第3図
を参照して説明する。
(E) Embodiment An embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS. 2 and 3.

第2図は、クライオポンプの概略断面図であ
り、第3図は、その回路説明図である。このクラ
イオポンプは、気密性を有しかつ断熱対策を施し
たコールドボツクス1と、このコールドボツクス
1の内部に配設したクライオパネル2,3と、こ
れらのクライオパネル2,3を冷却する極低温冷
凍装置4とを具備してなる。クライオパネル2,
3は、熱伝導の良い薄金属板を有底円筒体状に成
形してなるもので、1段目のクライオパネル2の
内側に2段目のクライオパネル3を配設してい
る。また、極低温冷凍装置4は、クロードサイク
ル式のもので、対をなす膨張機5,6と、圧縮機
7から吐出されるヘリウム等の高圧冷媒ガスAを
前記各膨張機5,6の高圧ポート5a,6aに供
給する給気径路8と、前記各膨張機5,6の低圧
ポート5b,6bから排出される低温低圧の冷媒
ガスBを前記圧縮機7に戻す排気径路9と、この
排気径路9内のガスBの冷気を利用して前記給気
径路8内のガスAを予冷する予冷手段10とを備
えてなるもので、前記各膨張機5,6のケーシン
グに設けたコールドヘツド11,12で熱負荷た
る前記各クライオパネル2,3を冷却するように
なつている。膨張機5,6は、エネルギ吸収用の
ジエネレータ(図示せず)に接続した回転体5
c,6cの回転に伴なわせて該回転体5c,6c
の外周囲に形成した膨張室5d〜5g,6d〜6
gの容積を増減させうるように構成したロータリ
式のものである。そして、前記高圧ポート5a,
6aは、前記回転体5c,6cの回転に伴なつて
容積が増加しようとする膨張室5d,6dに連通
させてあり、前記低圧ポート5b,6bは、容積
が減少しつつある膨張室5f,5g,6f,6g
に連通させてある。また、予冷手段10は、前記
給気径路8および前記排気径路9の各幹部8a,
9a間に介設した主熱交換機13ならびに第1の
補助熱交換器14と、前記給気径路8および前記
排気径路9の分岐部8b,9b間に介設した第2
の補助熱交換機15とからなる。そして、この予
冷手段10の一部たる主熱交換機13を断熱チユ
ーブ16内に収容した状態で前記コールドボツク
ス1の外部に配設している。断熱チユーブ16
は、前記両径路8,9を包囲する外殻17を有
し、この外殻17と前記両径路8,9との間には
外部からの熱侵入を防ぐための真空断熱層18が
設けてある。さらに、要すれば、この真空断熱層
18にアルミ泊等で作つたスーパーインシユレー
シヨン(図示せず)を設ける。なお、この断熱チ
ユーブ1の一端は、前記コールドボツクス1に接
続されており、また、該チユーブ16の非熱交換
器収容部分16aは、可撓変形可能に作られてい
る。
FIG. 2 is a schematic sectional view of the cryopump, and FIG. 3 is an explanatory diagram of its circuit. This cryopump consists of a cold box 1 that is airtight and has heat insulation measures, cryopanels 2 and 3 disposed inside this cold box 1, and an extremely low temperature pump that cools these cryopanels 2 and 3. It is equipped with a refrigeration device 4. Cryopanel 2,
3 is formed by forming a thin metal plate with good heat conduction into a cylindrical shape with a bottom, and a second-stage cryopanel 3 is disposed inside the first-stage cryopanel 2. Further, the cryogenic refrigeration apparatus 4 is of a Claude cycle type, and has a pair of expanders 5 and 6 and a high-pressure refrigerant gas A such as helium discharged from a compressor 7. an air supply path 8 for supplying to the ports 5a, 6a; an exhaust path 9 for returning the low-temperature, low-pressure refrigerant gas B discharged from the low-pressure ports 5b, 6b of each of the expanders 5, 6 to the compressor 7; A cold head 11 provided in the casing of each of the expanders 5 and 6 is provided. , 12 cool the cryopanels 2 and 3, which are the heat loads. The expanders 5 and 6 are rotary bodies 5 connected to a generator (not shown) for energy absorption.
As the rotating bodies 5c and 6c rotate, the rotating bodies 5c and 6c
Expansion chambers 5d to 5g, 6d to 6 formed around the outer periphery of
It is a rotary type that is configured so that the volume of g can be increased or decreased. And the high pressure port 5a,
6a communicates with the expansion chambers 5d, 6d whose volumes are about to increase as the rotating bodies 5c, 6c rotate, and the low pressure ports 5b, 6b communicate with the expansion chambers 5f, whose volumes are about to decrease. 5g, 6f, 6g
It has been communicated with. Further, the precooling means 10 includes each trunk 8a of the air supply path 8 and the exhaust path 9,
The main heat exchanger 13 and the first auxiliary heat exchanger 14 are interposed between the main heat exchanger 13 and the first auxiliary heat exchanger 14 interposed between the main heat exchanger 13 and the first auxiliary heat exchanger 14, and the second
and an auxiliary heat exchanger 15. A main heat exchanger 13, which is a part of this precooling means 10, is housed in a heat insulating tube 16 and is disposed outside the cold box 1. Insulation tube 16
has an outer shell 17 surrounding both the paths 8 and 9, and a vacuum heat insulating layer 18 is provided between the outer shell 17 and both the paths 8 and 9 to prevent heat from entering from the outside. be. Furthermore, if necessary, this vacuum heat insulating layer 18 is provided with a super insulation (not shown) made of aluminum foil or the like. One end of this heat-insulating tube 1 is connected to the cold box 1, and the non-heat exchanger accommodating portion 16a of the tube 16 is made flexibly deformable.

このような構成のものであれば、前記冷凍装置
4がクロードサイクルを営んで、そのコールドヘ
ツド11,12に存在する熱を吸収し続けること
になるため、これら各コールドヘツド11,12
に接続したクライオパネル2,3を冷却すること
ができ、クライオポンプとしての機能が発揮され
る。しかも、このものは、前記冷凍装置4の予冷
手段10の一部である主熱交換器13を断熱チユ
ーブ16に収納した状態でコールドボツクス1の
外部に配設している。そのため、前記コールドボ
ツクス1内には非常に小型な補助熱交換器14,
15を配置するだけでよく、前記コールドヘツド
11,12部分に一体化される構成部品の小型、
軽量化を計ることができる。すなわち、このよう
なものであれば、コールドヘツド11,12部分
に一体化される構成部品は、ほとんど膨張機5,
6のみとなり、きわめて小さなコールドボツクス
1内に収納することが可能になる。したがつて、
コールドボツクス1の製作が容易になつてコスト
ダウンを図ることができるだけでなく、かかる冷
凍装置4のコールドヘツド11,12部分を主要
部とするクライオポンプの本体を小型でしかも軽
量なものにすることができる。そのため、設置の
自由度が高くなり、設置スペースの確保が容易に
なるという効果が得られる。
With such a configuration, the refrigeration system 4 operates a Claude cycle and continues to absorb the heat existing in its cold heads 11 and 12.
The cryopanels 2 and 3 connected to the cryopanels 2 and 3 can be cooled and function as a cryopump. Moreover, in this apparatus, the main heat exchanger 13, which is a part of the precooling means 10 of the refrigeration apparatus 4, is housed in a heat insulating tube 16 and is disposed outside the cold box 1. Therefore, the cold box 1 includes a very small auxiliary heat exchanger 14,
15, the components integrated into the cold heads 11 and 12 are small,
You can measure weight reduction. That is, in this case, most of the components integrated into the cold head 11, 12 are the expander 5,
6, making it possible to store it in an extremely small cold box 1. Therefore,
Not only can the manufacturing of the cold box 1 be facilitated to reduce costs, but also the main body of the cryopump, whose main parts are the cold heads 11 and 12 of the refrigeration device 4, can be made small and lightweight. I can do it. Therefore, the degree of freedom in installation is increased, and the installation space can be easily secured.

なお、前記実施例では、予冷手段の一部をコー
ルドボツクスの外部に配置した場合について説明
したが、本発明はこのようなものに限られないの
は勿論であり、予冷手段の全部をコールドボツク
スの外部に配設してもよい。すなわち、この場合
には、例えば、第2図に示す主熱交換器13を若
干大きくするとともに、補助熱交換器14,15
を省略することになる。
In the above embodiment, a part of the precooling means is arranged outside the cold box, but the present invention is of course not limited to this, and the entire precooling means is arranged outside the cold box. It may be placed outside. That is, in this case, for example, the main heat exchanger 13 shown in FIG. 2 is made slightly larger, and the auxiliary heat exchangers 14 and 15 are
will be omitted.

また、ガスサイクルは、クロードサイクルに限
らず、例えば、ソルベサイクルやギフオードマク
マホンサイクルあるいはスターリングサイクル等
であつてもよい。第4図は、ソルベサイクル式の
冷凍装置4′に本発明を適用した場合のものであ
る。この装置4′では、熱交換器21と、対をな
す蓄冷器22,23とによつて予冷手段24を構
成している。そして、この予冷手段24の一部で
ある前記熱交換器21を断熱チユーブ16に収納
した状態でコールドボツクス1の外部に配設して
いる。なお、第4図において、25はタイミング
バルブ、26は前記膨張器5,6に接続したジエ
ネレータである。本発明のさらに他の実施例とし
ては、前記タイミングバルブ25を前記熱交換器
21よりも圧縮器7側に配設し、この熱交換器2
1を蓄冷器として作用させるようにしたもの等も
考えられる。
Further, the gas cycle is not limited to the Claude cycle, and may be, for example, a Sorbet cycle, a Gifford-McMahon cycle, a Stirling cycle, or the like. FIG. 4 shows the case where the present invention is applied to a sorbet cycle type refrigeration device 4'. In this device 4', a precooling means 24 is constituted by a heat exchanger 21 and a pair of regenerators 22 and 23. The heat exchanger 21, which is a part of the precooling means 24, is housed in the heat insulating tube 16 and is disposed outside the cold box 1. In FIG. 4, 25 is a timing valve, and 26 is a generator connected to the expanders 5 and 6. In still another embodiment of the present invention, the timing valve 25 is disposed closer to the compressor 7 than the heat exchanger 21, and the heat exchanger 2
A configuration in which 1 acts as a regenerator is also conceivable.

さらに、熱負荷はクライオパネルに限らず、本
発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能で
ある。
Furthermore, the heat load is not limited to the cryopanel, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.

効 果 本発明は、以上のような構成であるから、コー
ルドボツクス内に配設されるコールドヘツド部分
の小型化を図ることができる極低温冷凍装置を提
供できるものである。
Effects Since the present invention has the above-described configuration, it is possible to provide a cryogenic refrigeration apparatus that can reduce the size of the cold head portion disposed within the cold box.

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

第1図は従来例を示す概略断面図である。第2
図は本発明の一実施例を示す概略断面図、第3図
は同回路説明図である。第4図は本発明の他の実
施例を示す概略断面図である。 1…コールドボツクス、2,3…熱負荷(クラ
イオパネル)、4,4′…冷凍装置、5,6…膨張
機、7…圧縮機、8…給気経路、9…排気経路、
10,24…予冷手段、11,12…コールドヘ
ツド、16…断熱チユーブ。
FIG. 1 is a schematic sectional view showing a conventional example. Second
The figure is a schematic sectional view showing one embodiment of the present invention, and FIG. 3 is an explanatory diagram of the same circuit. FIG. 4 is a schematic sectional view showing another embodiment of the present invention. 1... Cold box, 2, 3... Heat load (cryo panel), 4, 4'... Refrigeration device, 5, 6... Expander, 7... Compressor, 8... Air supply route, 9... Exhaust route,
10, 24... Precooling means, 11, 12... Cold head, 16... Insulating tube.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 1 圧縮機から供給される高圧の冷媒ガスを膨張
させて低温化させる膨張機と、この膨張機から導
出される冷媒ガスの冷気を利用して前記膨張機に
導入する冷媒ガスを予冷する蓄冷器あるいは熱交
換器等の予冷手段とを具備し、前記膨張機の近傍
に設けたコールドヘツドで熱負荷を冷却しうるよ
うに構成した冷凍装置において、前記熱負荷、コ
ールドヘツドおよび膨張機が収容されるコールド
ボツクスの外側に該コールドボツクスに連通する
断熱チユーブを設け、この断熱チユーブ内に前記
予冷手段の一部または全部を収容したことを特徴
とする極低温冷凍装置。
1. An expander that expands and lowers the temperature of high-pressure refrigerant gas supplied from the compressor, and a regenerator that uses the cold air of the refrigerant gas derived from the expander to pre-cool the refrigerant gas introduced into the expander. Alternatively, a refrigeration system is equipped with a pre-cooling means such as a heat exchanger, and is configured so that a heat load can be cooled by a cold head provided in the vicinity of the expander, in which the heat load, the cold head, and the expander are accommodated. A cryogenic freezing apparatus characterized in that an insulating tube communicating with the cold box is provided outside the cold box, and a part or all of the precooling means is housed in the insulating tube.
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