JPH0452467A - Cryogenic refrigerator - Google Patents
Cryogenic refrigeratorInfo
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- JPH0452467A JPH0452467A JP16223490A JP16223490A JPH0452467A JP H0452467 A JPH0452467 A JP H0452467A JP 16223490 A JP16223490 A JP 16223490A JP 16223490 A JP16223490 A JP 16223490A JP H0452467 A JPH0452467 A JP H0452467A
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Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
[発明の目的]
(産業上の利用分野)
本発明は、極低温冷凍機に係り、特にジュル・トムソン
冷凍ループと予冷用の蓄冷式冷凍機とを組合せた極低温
冷凍機に関する。[Detailed Description of the Invention] [Object of the Invention] (Industrial Application Field) The present invention relates to a cryogenic refrigerator, and particularly relates to a cryogenic refrigerator that combines a Jull-Thomson freezing loop and a regenerative refrigerator for precooling. Regarding refrigerators.
(従来の技術)
極低温冷凍機には種々のタイプがある。これらの中にジ
ュール・トムソン冷凍ループと蓄冷式冷凍機とを組合せ
たものがある。このタイプの冷凍機は、圧縮したガスを
蓄冷式冷凍機で予冷した後に、ジュール・トムソン膨脹
させることによって寒冷を発生させる構成になっている
。(Prior Art) There are various types of cryogenic refrigerators. Among these are those that combine a Joule-Thomson refrigeration loop with a regenerative refrigerator. This type of refrigerator is configured to generate cold by pre-cooling compressed gas in a regenerator refrigerator and then subjecting it to Joule-Thomson expansion.
ところで、ジュール・トムソン冷凍ループと蓄冷式冷凍
機とを組合せた極低温冷凍機では、蓄冷式冷凍機として
、通常ギフォード・マクマホン冷凍機(以下、GM冷凍
機と略称する。)を用い、このGM冷凍機でジュール・
トムソン冷凍ループの最終段熱交換器の高圧側入口ガス
を冷却するようにしている。そして、GM冷凍機では、
蓄冷材として一般に鉛が用いられている。By the way, in a cryogenic refrigerator that combines a Joule-Thomson refrigeration loop and a regenerative refrigerator, a Gifford-McMahon refrigerator (hereinafter abbreviated as GM refrigerator) is usually used as the regenerative refrigerator. Joules in a refrigerator
The inlet gas on the high pressure side of the final stage heat exchanger of the Thomson refrigeration loop is cooled. And with the GM refrigerator,
Lead is generally used as a cold storage material.
しかしながら、上記のようにジュール・トムソン冷凍ル
ープと蓄冷材に鉛を用いたGM冷凍機とを組合せた極低
温冷凍機にあっては次のような問題があった。すなわち
、鉛は低温で比熱の大きい材料であるが、温度の低下と
ともに比熱が急激に減少し、約15に程度以下では、冷
媒との熱交換を行なうのに十分な熱容量を持たなくなる
。このため、ジュール・トムソン冷凍ループの最終段熱
交換器の高圧側入口ガス温度を15に以下に冷却するこ
とが困難であった。したかって、ジュールトムソン弁で
膨脹させて得られる寒冷量を大きくするには、ジュール
・トムソン冷凍ループの高圧側圧力を上げる必要がある
。このようにジュール・トムソン冷凍ループの高圧側圧
力を上げることは、圧縮機の入力増加を招き、結局、効
率が悪いという問題があった。However, as described above, the cryogenic refrigerator that combines the Joule-Thompson refrigeration loop and the GM refrigerator that uses lead as a cold storage material has the following problems. That is, although lead is a material with a large specific heat at low temperatures, the specific heat decreases rapidly as the temperature decreases, and below about 15%, it no longer has sufficient heat capacity to exchange heat with the refrigerant. For this reason, it has been difficult to cool the high-pressure side inlet gas temperature of the final stage heat exchanger of the Joule-Thompson refrigeration loop to 15 or below. Therefore, in order to increase the amount of refrigeration obtained by expansion with the Joule-Thompson valve, it is necessary to increase the pressure on the high pressure side of the Joule-Thompson refrigeration loop. Increasing the pressure on the high pressure side of the Joule-Thompson refrigeration loop in this way leads to an increase in input to the compressor, resulting in a problem of poor efficiency.
(発明が解決しようとする課題)
上述の如く、ジュール・トムソン冷凍ループと鉛を蓄冷
材に用いた予冷用の蓄冷式冷凍機とを組合せた従来の極
低温冷凍機では、ジュール・トムソン冷凍ループの最終
段熱交換器の高圧側入力ガスを約15に程度にしか冷却
することができず、これが原因してジュール・トムソン
弁での膨脹によって得られる寒冷発生量を増やすにはジ
ュールトムソン冷凍ループの高圧側圧力を高くする必要
がある。このため、圧縮機の入力増加を招き、効率が悪
いという問題があった。(Problems to be Solved by the Invention) As mentioned above, in the conventional cryogenic refrigerator that combines a Joule-Thomson refrigeration loop and a regenerator for precooling using lead as a regenerator, the Joule-Thomson refrigeration loop The high-pressure side input gas of the final stage heat exchanger can only be cooled to about 15%, and this is due to the fact that in order to increase the amount of refrigeration obtained by expansion in the Joule-Thomson valve, the Joule-Thomson refrigeration loop is It is necessary to increase the pressure on the high pressure side. For this reason, there was a problem that the input to the compressor increased, resulting in poor efficiency.
そこで本発明は、ジュール・トムソン冷凍ループと蓄冷
式冷凍機とを組合せたものにおいて、特に、4.2Kに
おける冷凍量を効率よく増加させることができる極低温
冷凍機を提供することを目的としている。Therefore, an object of the present invention is to provide a cryogenic refrigerator that can efficiently increase the amount of refrigeration at 4.2 K, in particular, in a combination of a Joule-Thomson refrigeration loop and a regenerator refrigerator. .
[発明の構成コ
(課題を解決するための手段)
上記の目的を達成するために、本発明は、圧縮したヘリ
ウムガスを蓄冷式冷凍機で予冷した後にジュール争トム
ソン膨脹させることによって寒冷を発生させるようにし
た極低温冷凍機において、蓄冷材としてEr3Ni、D
y、Er5 Ni2゜GdRhの中から選ばれた少なく
とも一種の磁性材を前記蓄冷式冷凍機に装填したことを
特徴とする。[Structure of the Invention (Means for Solving the Problems)] In order to achieve the above object, the present invention generates refrigeration by pre-cooling compressed helium gas with a regenerator and then expanding it with Joule and Thomson gas. In the cryogenic refrigerator, Er3Ni, D
The regenerator is characterized in that the regenerator refrigerator is loaded with at least one kind of magnetic material selected from among Y, Er5, Ni2°GdRh.
(作用)
磁性材であるEr3 Ni、Dy5 Er5 Ni2、
GdRhは、低温下、すなわちIOK以下において鉛よ
りはるかに大きい定積比熱を有している。したがって、
これら蓄冷材を装填した蓄冷式冷凍機でジュール争トム
ソン冷凍ループの最終段熱交換器における高圧側入力ガ
スを冷却すると、蓄冷材として鉛を使用した蓄冷式冷凍
機で冷却した場合に較べてはるかに低温に冷却できる。(Function) Magnetic materials Er3 Ni, Dy5 Er5 Ni2,
GdRh has a much larger constant volume specific heat than lead at low temperatures, ie, below IOK. therefore,
When a regenerator refrigerator loaded with these regenerator materials is used to cool the high-pressure input gas in the final stage heat exchanger of the Joule-Thomson refrigeration loop, it is much more effective than when it is cooled with a regenerator refrigerator that uses lead as the regenerator material. Can be cooled to low temperatures.
この結果、ジュール・トムソン冷凍ループの高圧側圧力
を低くした状態で寒冷発生量を増加させることが可能と
なる。As a result, it is possible to increase the amount of refrigeration generated while keeping the pressure on the high pressure side of the Joule-Thompson refrigeration loop low.
(実施例) 以下1図面を参照しながら実施例を説明する。(Example) An embodiment will be described below with reference to one drawing.
第1図には本発明の一実施例に係る極低温冷凍機が示さ
れている。FIG. 1 shows a cryogenic refrigerator according to an embodiment of the present invention.
この極低温冷凍機は、大きく分けて、予冷用の蓄冷式冷
凍機、この例ではGM冷凍機Aと、このGM冷凍機Aに
よって予冷されるジュール・トムソン冷凍ループ(以下
、JT冷凍機と略称する。)Bとで構成されている。This cryogenic refrigerator can be broadly divided into a regenerator refrigerator for precooling, in this example, GM refrigerator A, and a Joule-Thomson refrigerator loop (hereinafter abbreviated as JT refrigerator) that is precooled by GM refrigerator A. ) and B.
GM冷凍機Aは、大きく別けて、コールドヘッド1と、
冷媒ガス導排出系2とで構成されている。GM refrigerator A can be broadly divided into cold head 1,
It is composed of a refrigerant gas introduction and discharge system 2.
コールドヘッド1は、第2図に示めされるように閉じら
れたシリンダ3と、このシリンダ3内に往復動自在に収
容されたピストン、すなわち断熱材で形成されたディス
プレーサ4と、このディスプレーサ4に往復動に必要な
動力を与えるモータ5とで構成されている。As shown in FIG. 2, the cold head 1 includes a closed cylinder 3, a piston housed in the cylinder 3 so as to be able to reciprocate, that is, a displacer 4 made of a heat insulating material, and the displacer 4. and a motor 5 that provides the power necessary for reciprocating motion.
シリンダ3は、大径の第1シリンダ6と、この第1シリ
ンダ6に同軸的に接続された小径の第2シリンダ7とで
構成されている。そして、第1シリンダ6と第2シリン
ダ7との境界壁部分で第1段冷却ステージ8が構成され
、また第2シリンダ7の先端壁部分で第1段冷却ステー
ジ6より低温の第2段冷却ステージ9が構成されている
。The cylinder 3 is comprised of a large diameter first cylinder 6 and a small diameter second cylinder 7 coaxially connected to the first cylinder 6. The boundary wall between the first cylinder 6 and the second cylinder 7 constitutes a first stage cooling stage 8, and the tip wall of the second cylinder 7 constitutes a second stage cooling stage which is lower temperature than the first stage cooling stage 6. Stage 9 is configured.
ディスプレーサ4は、第1シリンダ6内を往復動する第
1デイスプレーサ10と、第2シリンダ7内を往復動す
る第2デイスプレーサ11とで構成されている。第1デ
イスプレーサ10と第2デイスプレーサ11とは、連結
機構12によって軸方向に連結されている。第1デイス
プレーサ10の内部には、軸方向に延びる流体通路13
が形成されており、この流体通路13には銅メツシユ等
で形成された蓄冷材15か収容されている。同様に、第
2デイスプレーサ11の内部にも軸方向に延びる流体通
路14が形成されており、この流体通路14には磁性材
であるEr3Ni
Dy5 Er5 Ni2.GdRhの中から選ばれた少
なくとも一種、たとえばEr3Niの球で形成された蓄
冷材16が収容されている。第1デイスプレーサ10の
外周面と第1シリンダ6の内周面との間および第2デイ
スプレーサ11の外周面と第2シリンダ7の内周面との
間には、それぞれシール装置17.18が装着されてい
る。The displacer 4 includes a first displacer 10 that reciprocates within the first cylinder 6 and a second displacer 11 that reciprocates within the second cylinder 7. The first displacer 10 and the second displacer 11 are coupled in the axial direction by a coupling mechanism 12. Inside the first displacer 10, a fluid passage 13 extending in the axial direction is provided.
A cool storage material 15 made of copper mesh or the like is accommodated in this fluid passage 13. Similarly, a fluid passage 14 extending in the axial direction is formed inside the second displacer 11, and this fluid passage 14 is made of magnetic materials such as Er3NiDy5Er5Ni2. A cold storage material 16 formed of at least one type of GdRh, for example, Er3Ni balls is accommodated. Seal devices 17 are provided between the outer circumferential surface of the first displacer 10 and the inner circumferential surface of the first cylinder 6 and between the outer circumferential surface of the second displacer 11 and the inner circumferential surface of the second cylinder 7, respectively. .18 is installed.
第1デイスプレーサ10の図中上端は、連結ロッド20
、スコッチョークあるいはクランク軸21を介してモー
タ5の回転軸に連結されている。The upper end of the first displacer 10 in the figure is connected to a connecting rod 20.
, is connected to the rotating shaft of the motor 5 via a Scotch choke or a crankshaft 21.
したかって、モータ5が回転すると、この回転に同期し
てディスプレーサ4が図中実線矢印22で示す方向に往
復動する。Therefore, when the motor 5 rotates, the displacer 4 reciprocates in the direction shown by the solid line arrow 22 in the figure in synchronization with this rotation.
第1シリンダ6の側壁上部には冷媒ガスの導入口23と
排出口24とが設けてあり、これら導入口23と排出口
24は冷媒ガス導排出系2に接続されている。冷媒ガス
導排出系2は、シリンダ3を経由するヘリウムガス循環
系を構成するもので、排出口24を低圧弁25、圧縮機
26、高圧弁27を介して導入口23に接続したものと
なっている。すなわち、この冷媒ガス導排出系2は、低
圧のヘリウムガスを圧縮機26で高圧に圧縮してシリン
ダ3内に送り込むものである。A refrigerant gas inlet 23 and an outlet 24 are provided in the upper part of the side wall of the first cylinder 6 , and these inlet 23 and outlet 24 are connected to the refrigerant gas introduction and discharge system 2 . The refrigerant gas introduction and discharge system 2 constitutes a helium gas circulation system via the cylinder 3, and has a discharge port 24 connected to the inlet port 23 via a low pressure valve 25, a compressor 26, and a high pressure valve 27. ing. That is, the refrigerant gas introduction and discharge system 2 compresses low-pressure helium gas to high pressure using the compressor 26 and sends it into the cylinder 3.
JT冷凍機Bは、大きく別けて、ヘリウムガスを圧縮す
る圧縮機40と、一端が圧縮機40のガス吐出口48に
接続され、他端が圧縮機40のガス吸込口49に接続さ
れたガス案内管50と、このガス案内管50に挿設され
たジュール・トムソン膨脹弁(以下、JT弁と略称する
。)44と、このJT弁44と圧縮機40との間のガス
案内管50に設けられた第1.第2.第3の熱交換器4
1.42.43とで構成されている。第1の熱交換器4
1は圧縮機40側に、第3の熱交換器43はJT弁44
側に、そして第2の熱交換器42は熱交換器41と熱交
換器43との間に配置されている。JT refrigerator B is broadly divided into a compressor 40 that compresses helium gas, and a gas compressor 40 that compresses helium gas, one end of which is connected to the gas discharge port 48 of the compressor 40, and the other end of which is connected to the gas suction port 49 of the compressor 40. A guide pipe 50, a Joule-Thomson expansion valve (hereinafter abbreviated as JT valve) 44 inserted into the gas guide pipe 50, and a gas guide pipe 50 between the JT valve 44 and the compressor 40. The first provided. Second. Third heat exchanger 4
1.42.43. First heat exchanger 4
1 is on the compressor 40 side, and the third heat exchanger 43 is on the JT valve 44.
On the side, and a second heat exchanger 42 is arranged between heat exchanger 41 and heat exchanger 43.
第1の熱交換器41と第2の熱交換器42との間のガス
案内管50で高圧側配管は、前述したGM冷凍機Aの第
1冷却ステージ8に熱的に接続されている。また、第2
の熱交換器42と第3の熱交換器43との間のガス案内
管50で高圧側配管は、GM冷凍機Aの第2冷却ステー
ジ9に熱的に接続されている。なお、この冷凍機は、第
1図中51で示す線より下に位置する部分がクライオス
ッタト内に収容されている。The high pressure side piping of the gas guide pipe 50 between the first heat exchanger 41 and the second heat exchanger 42 is thermally connected to the first cooling stage 8 of the GM refrigerator A described above. Also, the second
The high pressure side piping of the gas guide pipe 50 between the heat exchanger 42 and the third heat exchanger 43 is thermally connected to the second cooling stage 9 of the GM refrigerator A. Note that the portion of this refrigerator located below the line 51 in FIG. 1 is housed in a cryostat.
次に、上記のように構成された冷凍機の動作を説明する
。Next, the operation of the refrigerator configured as described above will be explained.
GM冷凍機Aにおいて、モータ5が回転を開始すると、
ディスプレーサ4が下死点と上死点との間を往復動する
。ディスプレーサ4が下死点にあるとき、高圧弁27が
開いて高圧に圧縮されたヘリウムガス(約18atm)
がコールドヘッド1内に流入する。次に、ディスプレー
サ4が上死点へと移動すると、高圧のヘリウムガスは第
1デイスプレーサ10に形成された流体通路13.1段
膨脹室28、および第2デイスプレーサ11に形成され
た流体通路14を通って、2段膨脹室29へと流れる。In the GM refrigerator A, when the motor 5 starts rotating,
The displacer 4 reciprocates between the bottom dead center and the top dead center. When the displacer 4 is at the bottom dead center, the high pressure valve 27 is opened and helium gas (approximately 18 atm) is compressed to high pressure.
flows into the cold head 1. Next, when the displacer 4 moves to the top dead center, high pressure helium gas flows through the fluid passage 13 formed in the first displacer 10, the first stage expansion chamber 28, and the second displacer 11. It flows through the fluid passageway 14 to the two-stage expansion chamber 29 .
この流れに伴って、高圧のヘリウムガスは蓄冷材15.
16によって冷却される。Along with this flow, high pressure helium gas is transferred to the cold storage material 15.
16.
ここで、高圧弁27が閉じ、低圧弁25が開く。Here, the high pressure valve 27 is closed and the low pressure valve 25 is opened.
その結果、1段膨脹室28内および2段膨脹室29内の
ヘリウムガスが低圧(約5atm)に膨脹して寒冷を発
生し、この寒冷によって第1段冷却ステージ8および第
2段冷却ステージ9はそれぞれ40に以下、15に以下
に冷却される。ディスプレーサ4が再び下死点へ移動し
、これに伴い1段膨脹室28内および2段膨脹室29内
のヘリウムガスが排除される。膨脹したヘリウムガスは
流体通路13.14内を通る間に蓄冷材15.16を冷
却し、常温となって排出される。以下、上述したサイク
ルが繰返される。As a result, the helium gas in the first-stage expansion chamber 28 and the second-stage expansion chamber 29 expands to a low pressure (approximately 5 atm) and generates cold, and this cold causes the first-stage cooling stage 8 and the second-stage cooling stage 9 are cooled to below 40 and below 15, respectively. The displacer 4 moves to the bottom dead center again, and along with this, the helium gas in the first-stage expansion chamber 28 and the second-stage expansion chamber 29 is removed. The expanded helium gas cools the cold storage material 15.16 while passing through the fluid passage 13.14, reaches room temperature, and is discharged. Thereafter, the above-described cycle is repeated.
一方、JT冷凍機Bの圧縮機40を動作させると、高圧
に圧縮されたヘリウムガスが第1.第2゜第3の熱交換
器41.42.43の高圧側を経由してJT弁44へと
流れる。この途中で第1段冷却ステージ8において冷却
され、また、第2段冷却ステージ9でさらに低温に冷却
される。そして、JT弁44を介して低圧(約latm
)に膨脂される。このとき、ジュール・トムソン効果に
よりヘリウムガスは、latmにおける飽和温度である
4、2に程度にまで冷却されて気液二相流となる。この
気液二相流で発生した寒冷により超電導マグネット、ヘ
リウムガス等の被冷却体45が冷却される。被冷却体4
5を冷却したヘリウムガスは、第3.第2.第1の熱交
換器43,42.41の低圧側を順次通過し、各熱交換
器4B、42゜41の高圧側を流れている高圧ヘリウム
ガスを冷却した後に圧縮機40に流入して再び圧縮され
る。On the other hand, when the compressor 40 of JT refrigerator B is operated, helium gas compressed to high pressure is released into the first. It flows to the JT valve 44 via the high pressure side of the second and third heat exchangers 41, 42, 43. During this process, it is cooled at the first cooling stage 8, and further cooled to a lower temperature at the second cooling stage 9. Then, low pressure (approximately latm) is applied via the JT valve 44.
). At this time, due to the Joule-Thomson effect, the helium gas is cooled to about 4.2, which is the saturation temperature at latm, and becomes a gas-liquid two-phase flow. The object to be cooled 45 such as a superconducting magnet or helium gas is cooled by the cold generated by this gas-liquid two-phase flow. Cooled object 4
The helium gas that cooled No. 5 was added to No. 3. Second. After cooling the high-pressure helium gas that passes through the low-pressure side of the first heat exchanger 43, 42.41 and the high-pressure side of each heat exchanger 4B, 42.41, it flows into the compressor 40 again. Compressed.
上記のように構成された冷凍機の性能は、圧縮機40の
ガス吐出口48でのヘリウムガス圧力と第3の熱交換器
43の高圧側へ流入するヘリウムガスの温度とに大きく
依存する。The performance of the refrigerator configured as described above largely depends on the helium gas pressure at the gas discharge port 48 of the compressor 40 and the temperature of the helium gas flowing into the high pressure side of the third heat exchanger 43.
第3図には第3の熱交換器43の高圧側に流入するヘリ
ウムガスの圧力をパラメータとして、ヘリウムガス1g
当たりの4.2Kにおける寒冷発生量と第3の熱交換器
43の高圧側に流入するヘリウムガスの温度との関係を
計算で求めた結果か示されている。なお、ここでは第3
の熱交換器43の熱交換効率を便宜上、99%としてい
る。図中曲線a、b、c、d、e、fは、それぞれ圧力
10.12,14,16,18.20 (atm)の場
合を示している。この図から判るように、第3の熱交換
器43の高圧側に流入するヘリウムガスの温度が高い(
たとえば18に以上)ときは、第3の熱交換器43の高
圧側に流入するヘリウムガスの圧力が高いほど寒冷発生
量は多くなる。しかし、逆に第3の熱交換器43の高圧
側に流入するヘリウムガスの温度が低い(たとえば9に
以下)ときには、第3の熱交換器43の高圧側に流入す
るヘリウムガスの圧力が低いほど寒冷発生量が多くなる
。このことから判るように、第3の熱交換器43の高圧
側に流入するヘリウムガスの温度が低ければ、第3の熱
交換器43の高圧側に流入するヘリウムガスの圧力が低
くても、必要な寒冷発生量が得られ、圧縮機400Å力
を減らすことができる。FIG. 3 shows 1 g of helium gas, with the pressure of helium gas flowing into the high pressure side of the third heat exchanger 43 as a parameter.
The figure shows the result of calculation of the relationship between the amount of cold generated at 4.2K per hour and the temperature of the helium gas flowing into the high pressure side of the third heat exchanger 43. In addition, here, the third
For convenience, the heat exchange efficiency of the heat exchanger 43 is assumed to be 99%. Curves a, b, c, d, e, and f in the figure indicate pressures of 10.12, 14, 16, and 18.20 (atm), respectively. As can be seen from this figure, the temperature of the helium gas flowing into the high pressure side of the third heat exchanger 43 is high (
18 or more), the higher the pressure of the helium gas flowing into the high-pressure side of the third heat exchanger 43, the greater the amount of cold generation. However, on the contrary, when the temperature of the helium gas flowing into the high pressure side of the third heat exchanger 43 is low (for example, below 9), the pressure of the helium gas flowing into the high pressure side of the third heat exchanger 43 is low. The more cold weather occurs, the more cold generation occurs. As can be seen from this, if the temperature of the helium gas flowing into the high pressure side of the third heat exchanger 43 is low, even if the pressure of the helium gas flowing into the high pressure side of the third heat exchanger 43 is low, The required amount of refrigeration can be obtained and the compressor force can be reduced by 400 Å.
この実施例に係る冷凍機ではGM冷凍機Aにおける第2
デイスプレーサ11の流体通路14に、鉛の代わりにE
r、Niで形成された蓄冷材16を収容している。Er
3Niの定積比熱Cvは、第4図に曲線gで示されるよ
うに、温度が約15に以上の領域では鉛の定積比熱(曲
線h)より若干小さいが、温度が約15により低くなる
と逆に鉛の定積比熱より大きくなる。In the refrigerator according to this embodiment, the second
In the fluid passage 14 of the displacer 11, E is used instead of lead.
It houses a cold storage material 16 made of Ni. Er
As shown by curve g in Figure 4, the specific heat at volume Cv of 3Ni is slightly smaller than the specific heat at volume Cv of lead (curve h) at temperatures above about 15, but when the temperature drops below about 15, On the contrary, it becomes larger than the constant volume specific heat of lead.
したがって、蓄冷材16としてEr3Niを用いた場合
には、蓄冷材として鉛を用いた場合に較べて第2段冷却
ステージ9の温度をさらに低温にすることができ、この
結果、第3の熱交換器43の高圧側に流入するヘリウム
ガスの温度をIOK以下にすることができる。Therefore, when Er3Ni is used as the cold storage material 16, the temperature of the second cooling stage 9 can be made lower than when lead is used as the cold storage material, and as a result, the third heat exchanger The temperature of the helium gas flowing into the high pressure side of the vessel 43 can be made below IOK.
第5図には蓄冷材16としてEr、Niを用いたGM冷
凍機(実線)と、同じく蓄冷材16として鉛を用いたG
M冷凍機(破線)との冷凍能力曲線が示されている。横
軸は第2段冷却ステージ9の温度(K)を示し、縦軸は
冷凍能力(W)を示している。この図から判かるように
、Er、Niて形成された蓄冷材16を組み込んだ冷凍
機の方が、同じ温度で冷凍し得る能力が大きく、さらに
鉛で形成された蓄冷材を組み込んだ冷凍機より低い温度
まで冷凍能力を持っている。また、第3図に示したヘリ
ウムガス1g当たりの4.2Kにおける寒冷発生量と第
3の熱交換器43の高圧側に流入するヘリウムガスの温
度との関係から、ErNiを蓄冷材16に使用したGM
冷凍機を用いた極低温冷凍機では、同一の冷凍量を得る
ために、従来より低い圧力と少ない流量の圧縮機26を
JT冷凍機Bに使用できることになる。Figure 5 shows a GM refrigerator (solid line) that uses Er and Ni as the cold storage material 16, and a GM refrigerator that also uses lead as the cold storage material 16.
The refrigeration capacity curve with the M refrigerator (dashed line) is shown. The horizontal axis shows the temperature (K) of the second cooling stage 9, and the vertical axis shows the refrigerating capacity (W). As can be seen from this figure, the refrigerator that incorporates the cold storage material 16 made of Er and Ni has a greater ability to freeze at the same temperature, and the refrigerator that incorporates the cold storage material 16 that is made of lead. It has the ability to freeze to lower temperatures. Also, based on the relationship between the amount of cold generated at 4.2 K per gram of helium gas shown in FIG. GM who did
In a cryogenic refrigerator using a refrigerator, in order to obtain the same amount of refrigeration, a compressor 26 with a lower pressure and a smaller flow rate than the conventional compressor 26 can be used in the JT refrigerator B.
本発明者等は、JT冷凍機と蓄冷材に
Er3Niを用いた蓄冷式冷凍機とを組合せた極低温冷
凍機と、JT冷凍機と蓄冷材として鉛を用いた蓄冷式冷
凍機とを組合せた極低温冷凍機との特性を実機によって
調べた。蓄冷式冷凍機の入力電力は共に3.3kWで、
JT冷凍機については圧縮機が異なるのみで他は全て同
一構成である。The inventors have developed a cryogenic refrigerator that combines a JT refrigerator and a regenerator refrigerator that uses Er3Ni as a regenerator material, and a combination of a JT refrigerator and a regenerator refrigerator that uses lead as a regenerator material. The characteristics with cryogenic refrigerators were investigated using an actual machine. The input power of both regenerator refrigerators is 3.3kW,
The JT refrigerator has the same configuration except for the compressor.
そして、4.2にで2Wの冷凍能力を発揮するのに必要
な高圧側のヘリウムガス圧力、流量、第2段冷却ステー
ジ9の温度および圧縮機40の消費電力を測定した。Then, in 4.2, the helium gas pressure and flow rate on the high-pressure side, the temperature of the second cooling stage 9, and the power consumption of the compressor 40 necessary to exhibit a refrigeration capacity of 2 W were measured.
蓄冷材として鉛を用いた冷凍機では、4.2にで2Wの
冷凍能力を持つために、高圧側のヘリウムガス圧力が1
8atm、流量か0.17g/ s e cであった。Refrigerators that use lead as a cold storage material have a refrigerating capacity of 2W at 4.2, so the helium gas pressure on the high pressure side is 1.
The flow rate was 8 atm and 0.17 g/sec.
また、圧縮機40の入力電力は1.1kWであった。こ
のときの第2段冷却ステージ9の温度は15にであった
。すなわち、圧縮機26.40の合計消費電力は、4.
4(−3,3+1.1)kWてあった。Moreover, the input power of the compressor 40 was 1.1 kW. At this time, the temperature of the second cooling stage 9 was 15. That is, the total power consumption of the compressor 26.40 is 4.
It was 4 (-3, 3 + 1.1) kW.
一方、蓄冷材としてEr3Niを用いた冷凍機では、高
圧側のヘリウムガス圧力が10atm。On the other hand, in a refrigerator using Er3Ni as a cold storage material, the helium gas pressure on the high pressure side is 10 atm.
流量が0.12g/secであった。そのときの圧縮機
40の入力電力は0.5kWであった。また、このとき
の第2段冷却ステージ9の温度は8にであった。したが
って、Er3Niの蓄冷材を用いた場合の圧縮機26.
40の合計消費電力は、3.8 (−3,3+0.5)
kWとなり、鉛の蓄冷材を用いた場合より、消費電力を
約14%節約できることか判った。The flow rate was 0.12 g/sec. The input power to the compressor 40 at that time was 0.5 kW. Further, the temperature of the second cooling stage 9 at this time was 8. Therefore, the compressor 26 when using Er3Ni regenerator material.
The total power consumption of 40 is 3.8 (-3, 3 + 0.5)
kW, which means that power consumption can be reduced by approximately 14% compared to using lead regenerator material.
なお、本発明は上述した実施例に限定されるものではな
い。実施例では蓄冷材としてEr3Niを用いているが
、Dy、Er5Ni2、GdRh等の磁性材料を用いて
も先の実施例と同様の効果が得られる。また、実施例で
は予冷用の蓄冷式冷凍機としてギフォード・マクマホン
サイクルを用いているがスターリングサイクル等の他の
蓄冷式冷凍機を使用してもよい。その他、本発明の要旨
を逸脱しない範囲で、種々変形して実施できる。Note that the present invention is not limited to the embodiments described above. Although Er3Ni is used as the cold storage material in the embodiment, the same effect as in the previous embodiment can be obtained by using a magnetic material such as Dy, Er5Ni2, or GdRh. Further, in the embodiment, a Gifford-McMahon cycle is used as a regenerative refrigerator for precooling, but other regenerative refrigerators such as a Stirling cycle may be used. In addition, various modifications can be made without departing from the gist of the present invention.
[発明の効果コ
以上述べたように本発明によれば、特に4.2Kにおけ
る寒冷発生量を効率よく増加でき、エネルギ効率の高い
極低温冷凍機を得ることができる。[Effects of the Invention] As described above, according to the present invention, the amount of cold generated especially at 4.2 K can be efficiently increased, and a cryogenic refrigerator with high energy efficiency can be obtained.
第1図は本発明の一実施例に係る極低温冷凍機の概略構
成を示す図、第2図は同極低温冷凍機に組込まれた蓄冷
式冷凍機の縦断面図、第3図はヘリウムガス1g当たり
の4.2Kにおける寒冷発生量と第3の熱交換器の高圧
側に流入するへりラムガスの温度との関係を示す図、第
4図はEr。
Niの比熱を鉛と比較して示す図、第5図は蓄冷材とし
てEr3Niを用いた極低温冷凍機の冷凍能力を蓄冷材
として鉛を用いた極低温冷凍機のそれとを比較して示す
図である。
A・・・ギフォード・マクマホン冷凍機、B・・・ジュ
ール・トムソン冷凍ループ、1・・・コールドヘッド、
2・・・冷媒ガス導排出系、3・・・シリンダ、4・・
・ディスプレーサ、5・・・モータ、6・・・第1シリ
ンダ、7・・・第2シリンダ、8・・・第1段冷却ステ
ージ、9・・・第2段冷却ステージ、10・・・第1デ
イスプレーサ、11・・・第2デイスプレーサ、12・
・・連結機構、13.14・・・流体通路、15.16
・・・蓄冷材、17゜18・・・シール装置、19・・
・環状溝、20・・・連結ロッド、21・・・クランク
軸、23・・・導入口、24・・・排出口、25・・・
低圧弁、26・・・圧縮機、27・・・高圧弁、28・
・・1段膨脹室、29・・・2段膨脹室、41.42.
43・・・熱交換器、44・・・ジュール・トムソン膨
脹弁、45・・・被冷却体、48・・・ガス吐出口、4
9・・・ガス吸込口、50・・・ガス案内管。
第1 図FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a cryogenic refrigerator according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a vertical cross-sectional view of a regenerator refrigerator incorporated in the cryogenic refrigerator, and FIG. 3 is a helium FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the amount of cold generation at 4.2 K per gram of gas and the temperature of helium gas flowing into the high pressure side of the third heat exchanger. Figure 5 is a diagram showing the specific heat of Ni in comparison with that of lead. Figure 5 is a diagram showing the refrigeration capacity of a cryogenic refrigerator using Er3Ni as a cold storage material in comparison with that of a cryogenic refrigerator using lead as a cold storage material. It is. A... Gifford McMahon refrigerator, B... Joule Thomson refrigeration loop, 1... cold head,
2... Refrigerant gas conduction and discharge system, 3... Cylinder, 4...
・Displacer, 5... Motor, 6... First cylinder, 7... Second cylinder, 8... First stage cooling stage, 9... Second stage cooling stage, 10... Third stage 1 displacer, 11... 2nd displacer, 12...
...Connection mechanism, 13.14...Fluid passage, 15.16
...Cold storage material, 17゜18...Seal device, 19...
- Annular groove, 20... Connecting rod, 21... Crankshaft, 23... Inlet, 24... Outlet, 25...
Low pressure valve, 26... Compressor, 27... High pressure valve, 28.
...1st stage expansion chamber, 29...2nd stage expansion chamber, 41.42.
43... Heat exchanger, 44... Joule-Thompson expansion valve, 45... Cooled object, 48... Gas discharge port, 4
9... Gas suction port, 50... Gas guide pipe. Figure 1
Claims (2)
後にジュール・トムソン膨脹させ寒冷を発生させるよう
にした極低温冷凍機において、前記蓄冷式冷凍機に装填
された蓄冷材は、磁性材であるEr_3Ni、Dy_5
Er_5Ni_2、GdRhの中から選ばれた少なくと
も一種であることを特徴とする極低温冷凍機。(1) In a cryogenic refrigerator in which compressed helium gas is precooled in a regenerative refrigerator and then expanded by Joule-Thomson to generate cold, the regenerator material loaded in the regenerative refrigerator is a magnetic material. Some Er_3Ni, Dy_5
A cryogenic refrigerator characterized by being at least one selected from Er_5Ni_2 and GdRh.
凍機であることを特徴とする請求項1に記載の極低温冷
凍機。(2) The cryogenic refrigerator according to claim 1, wherein the regenerator refrigerator is a Gifford-McMahon refrigerator.
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5575155A (en) * | 1994-08-24 | 1996-11-19 | Aisin Seiki Kabushiki Kaisha | Cooling system |
| JP2009103412A (en) * | 2007-10-25 | 2009-05-14 | Toshiba Corp | Regenerative refrigerator |
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-
1990
- 1990-06-20 JP JP2162234A patent/JP2723342B2/en not_active Expired - Fee Related
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| US12504225B2 (en) | 2022-05-23 | 2025-12-23 | Zhejiang University | Hydrogen or helium throttling liquefaction system using direct current flow from the cold and hot ends of the regenerative cryocoolers |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2723342B2 (en) | 1998-03-09 |
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