JP2001248929A - Cold accumulator type refrigeration unit - Google Patents
Cold accumulator type refrigeration unitInfo
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
- F25B2309/00—Gas cycle refrigeration machines
- F25B2309/003—Gas cycle refrigeration machines characterised by construction or composition of the regenerator
Landscapes
- Compressors, Vaccum Pumps And Other Relevant Systems (AREA)
Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、蓄冷器式冷凍機に
関し、特にディスプレーサがシリンダ内で往復駆動さ
れ、シリンダ内の低温端に画定された膨張室で冷媒ガス
が膨張して吸熱を生じる蓄冷器式冷凍機に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a regenerative refrigerator, and more particularly to a regenerative refrigerator in which a displacer is reciprocally driven in a cylinder, and a refrigerant gas expands in an expansion chamber defined at a low temperature end in the cylinder to generate heat. The present invention relates to a refrigerator.
【0002】[0002]
【従来の技術】ヘリウム等の冷媒ガスを用い、蓄冷材を
収容した蓄冷器を有する蓄冷器式冷凍機として、ギフォ
ードマクマホン(GM)サイクル冷凍機、(逆)スター
リングサイクル冷凍機等が知られている。半導体装置製
造用のスパッタリング装置等で清浄な真空を得たい場
合、クライオポンプが用いられる。近年、クライオポン
プ用冷凍機としてGM冷凍機が用いられている。勿論、
GM冷凍機はクライオポンプに限らず、種々の目的に使
用することができる。以下、GM冷凍機の構成について
説明する。2. Description of the Related Art Gifford McMahon (GM) cycle refrigerators, (reverse) Stirling cycle refrigerators, and the like are known as regenerator refrigerators using a refrigerant gas such as helium and containing a regenerator material. I have. When a clean vacuum is to be obtained by a sputtering device for manufacturing semiconductor devices, a cryopump is used. In recent years, a GM refrigerator has been used as a cryopump refrigerator. Of course,
The GM refrigerator is not limited to a cryopump and can be used for various purposes. Hereinafter, the configuration of the GM refrigerator will be described.
【0003】シリンダ内にディスプレーサが挿入されて
いる。シリンダ内の低温端に膨張室が画定され、高温端
に空洞が画定されている。ディスプレーサ内にガス流路
が設けられており、ガス流路内に蓄冷材が充填されてい
る。ディスプレーサ内のガス流路は、膨張室及び高温端
側の空洞に連通している。駆動機構が、ディスプレーサ
を、シリンダの軸方向に往復駆動する。[0003] A displacer is inserted into a cylinder. An expansion chamber is defined at the cold end of the cylinder, and a cavity is defined at the hot end. A gas flow path is provided in the displacer, and the gas flow path is filled with a cold storage material. The gas flow path in the displacer communicates with the expansion chamber and the cavity on the high-temperature end side. A drive mechanism reciprocates the displacer in the axial direction of the cylinder.
【0004】ヘリウムガス供給系が、高温端側の空洞に
ヘリウムガスを供給し、また空洞からヘリウムガスを回
収する。ヘリウムガスの供給と回収は、ディスプレーサ
の往復駆動に同期して行われる。高温端側の空洞にヘリ
ウムガスが供給されると、ディスプレーサ内のガス流路
を通って、膨張室までヘリウムガスが導入される。膨張
室内のヘリウムガスは、同一経路を通ってヘリウムガス
供給系に回収される。A helium gas supply system supplies helium gas to the cavity on the high temperature end side and recovers helium gas from the cavity. The supply and recovery of helium gas are performed in synchronization with the reciprocating drive of the displacer. When the helium gas is supplied to the cavity on the high-temperature end side, the helium gas is introduced into the expansion chamber through the gas passage in the displacer. Helium gas in the expansion chamber is recovered to the helium gas supply system through the same path.
【0005】シリンダとディスプレーサとの間の隙間
に、ヘリウムガスの漏れを防止するためのシール機構が
設けられている。ディスプレーサの往復動、及びヘリウ
ムガスの供給と回収とを繰り返すと、膨張室内で吸熱が
生ずる。冷却されたヘリウムガスが膨張室から回収され
るとき、ディスプレーサ内の蓄冷材が冷却される。ヘリ
ウムガスが膨張室に導入されるとき、蓄冷材がヘリウム
ガスを冷却する。A seal mechanism for preventing helium gas from leaking is provided in a gap between the cylinder and the displacer. When the reciprocating movement of the displacer and the supply and recovery of helium gas are repeated, heat is absorbed in the expansion chamber. When the cooled helium gas is recovered from the expansion chamber, the cold storage material in the displacer is cooled. When helium gas is introduced into the expansion chamber, the regenerator cools the helium gas.
【0006】シリンダとディスプレーサとの間のシール
機構の不具合により、所望の冷凍能力を発揮できない場
合がある。特許第2659684号公報に、シール機構
の不具合による冷凍能力の低下を防止することができる
冷凍機に関する発明が開示されている。特許第2659
684号公報に開示された発明では、シール機構を設け
る代わりに、ディスプレーサの外周面上にらせん溝が設
けられている。[0006] There is a case where a desired refrigerating ability cannot be exhibited due to a failure of a sealing mechanism between the cylinder and the displacer. Japanese Patent No. 2659684 discloses an invention relating to a refrigerator capable of preventing a decrease in refrigeration capacity due to a failure of a sealing mechanism. Patent No. 2659
In the invention disclosed in Japanese Patent No. 684, a spiral groove is provided on the outer peripheral surface of the displacer instead of providing the seal mechanism.
【0007】ディスプレーサ内の正規のガス流路から分
岐し、シリンダとディスプレーサとの間の隙間に流入し
たヘリウムガスが、らせん溝に沿って流れる。らせん溝
に沿って流れるヘリウムガスは、シリンダ軸に平行に流
れる場合に比べて、より長い経路を通るため、ディスプ
レーサと十分な熱交換を行うことができる。このため、
シリンダとディスプレーサとの間の隙間を流れるヘリウ
ムガスによる熱損失を少なくすることができる。The helium gas that has branched off from the regular gas flow path in the displacer and has flowed into the gap between the cylinder and the displacer flows along the spiral groove. Helium gas flowing along the spiral groove passes through a longer path than when flowing in parallel with the cylinder axis, so that sufficient heat exchange with the displacer can be performed. For this reason,
Heat loss due to helium gas flowing in the gap between the cylinder and the displacer can be reduced.
【0008】[0008]
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、ディ
スプレーサの外周面上に溝の形成された冷凍機の冷凍能
力をより高め、かつ製造を容易に行うことが可能な蓄冷
器式冷凍機を提供することである。SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a regenerator having a groove formed on an outer peripheral surface of a displacer, which can increase the refrigerating capacity and can be easily manufactured. It is to provide.
【0009】[0009]
【課題を解決するための手段】本発明の一観点による
と、シリンダと、前記シリンダ内に該シリンダの軸方向
に往復運動可能に配置され、該シリンダ内の一端に膨張
室を画定するディスプレーサであって、金属製の筒と、
該筒の外周面上に形成された被膜とを含み、該筒と被膜
とは,前記筒と前記シリンダとが直接接した場合の摩擦
係数よりも、該被膜と前記シリンダとが接した場合の摩
擦係数の方が小さくなるような材料で形成されている前
記ディスプレーサと、前記膨張室内に冷媒ガスを供給
し、前記膨張室から冷媒ガスを回収する主ガス流路と、
前記主ガス流路内の少なくとも一部に配置された蓄冷材
と、前記ディスプレーサの外周面の両端を結ぶ補助ガス
流路であって、該補助ガス流路が、該ディスプレーサの
外周面上に形成された溝を含み、該溝の少なくとも一部
が前記ディスプレーサの軸方向に対して交差する方向に
沿い、該溝が、前記ディスプレーサの金属製の筒の外周
面もしくは該外周面よりも深い位置まで達している前記
補助ガス流路とを有する蓄冷器式冷凍機が提供される。According to one aspect of the present invention, there is provided a cylinder and a displacer disposed within the cylinder so as to reciprocate in the axial direction of the cylinder and defining an expansion chamber at one end in the cylinder. And a metal tube,
A coating formed on the outer peripheral surface of the cylinder, wherein the cylinder and the coating have a larger coefficient of friction when the coating and the cylinder are in contact with each other than a coefficient of friction when the cylinder and the cylinder are in direct contact with each other. The displacer formed of a material having a smaller coefficient of friction, a main gas flow path for supplying a refrigerant gas into the expansion chamber, and recovering the refrigerant gas from the expansion chamber;
A cold storage material disposed at least in a part of the main gas flow path, and an auxiliary gas flow path connecting both ends of an outer peripheral surface of the displacer, wherein the auxiliary gas flow path is formed on an outer peripheral surface of the displacer. And at least a part of the groove extends along a direction intersecting the axial direction of the displacer, and the groove extends to a position deeper than the outer peripheral surface of the metal cylinder of the displacer or the outer peripheral surface. A regenerative refrigerator having the auxiliary gas flow path reached.
【0010】ディスプレーサの外周面に溝形成されてい
るため、蓄冷材を有する主ガス流路から分岐してディス
プレーサとシリンダとの隙間を流れるガスは、この溝に
沿って流れる。この溝は、溝内を流れるガスがディスプ
レーサ及びシリンダと積極的に熱交換を行うように、デ
ィスプレーサの軸方向に対して交差する方向に沿う溝を
含むように形成してある。Since the groove is formed on the outer peripheral surface of the displacer, the gas branched from the main gas flow path having the regenerator and flowing through the gap between the displacer and the cylinder flows along this groove. The groove is formed to include a groove along a direction intersecting the axial direction of the displacer so that the gas flowing in the groove actively exchanges heat with the displacer and the cylinder.
【0011】このため、分岐したガスが高温側から低温
側に流れるときは、軸方向に直接流れる場合に比べて、
より冷却され、逆に低温側から高温側に流れるときは、
ディスプレーサ及びシリンダをより冷却する。また、溝
が、金属製の筒の外周面もしくは外周面よりも深い位置
まで達しているため、熱交換効率を高めることができ
る。このため、分岐ガスによる熱損失を低減することが
できる。For this reason, when the branched gas flows from the high temperature side to the low temperature side, compared with the case where the branched gas flows directly in the axial direction,
When it cools down and flows from low temperature to high temperature,
Cool the displacer and cylinder more. Further, since the groove reaches the outer peripheral surface of the metal cylinder or a position deeper than the outer peripheral surface, the heat exchange efficiency can be increased. Therefore, heat loss due to the branch gas can be reduced.
【0012】[0012]
【発明の実施の形態】図1に、本発明の実施例による蓄
冷器式冷凍機の基本構成を示す。シリンダ1内に、円筒
状のディスプレーサ2が挿入されている。シリンダ1
は、熱伝導率が低く、気密性の高い剛性材料、例えばス
テンレス等で形成されている。ディスプレーサ2の側壁
は、ステンレス製の筒2a及びその外周面上に形成され
た樹脂製の被膜2bにより構成されている。ディスプレ
ーサ2の外周面には、上面と下面とを結ぶ1本あるいは
複数本のらせん状の溝4が形成されている。らせん状の
溝4は、ステンレス製の筒2aの表面もしくはそれより
も深い位置まで達する。すなわち、溝4の底面にステン
レス製の筒2aが露出している。FIG. 1 shows the basic configuration of a regenerator according to an embodiment of the present invention. A cylindrical displacer 2 is inserted into the cylinder 1. Cylinder 1
Is formed of a rigid material having low thermal conductivity and high airtightness, such as stainless steel. The side wall of the displacer 2 is composed of a stainless steel cylinder 2a and a resin coating 2b formed on the outer peripheral surface thereof. On the outer peripheral surface of the displacer 2, one or more spiral grooves 4 connecting the upper surface and the lower surface are formed. The spiral groove 4 reaches the surface of the stainless steel cylinder 2a or a position deeper than the surface. That is, the stainless steel cylinder 2 a is exposed at the bottom of the groove 4.
【0013】ディスプレーサ2の内部にガス流路3が形
成されている。このガス流路3に作動温度において高い
熱容量を有する蓄冷材5が充填されている。ディスプレ
ーサ2とシリンダ1の一方の端部(図1においては下
端)との間に、膨張室6が画定されている。A gas passage 3 is formed inside the displacer 2. The gas flow path 3 is filled with a cold storage material 5 having a high heat capacity at an operating temperature. An expansion chamber 6 is defined between the displacer 2 and one end (the lower end in FIG. 1) of the cylinder 1.
【0014】シリンダ1の上端からシリンダ1内に供給
される冷媒ガスが、ディスプレーサ2内のガス流路3を
通って膨張室6に導入される。また、一部の冷媒ガス
は、ガス流路3から分岐しディスプレーサ2とシリンダ
1との間の間隙を流れる。このガスは、ディスプレーサ
外周面に設けたらせん状の溝4に沿って、ディスプレー
サ2及びシリンダ1の表面と熱交換しながら下方に流れ
膨張室6に導入される。Refrigerant gas supplied into the cylinder 1 from the upper end of the cylinder 1 is introduced into the expansion chamber 6 through the gas passage 3 in the displacer 2. Some of the refrigerant gas branches off from the gas flow path 3 and flows through the gap between the displacer 2 and the cylinder 1. This gas flows downward along the spiral groove 4 provided on the outer surface of the displacer while exchanging heat with the surfaces of the displacer 2 and the cylinder 1 and is introduced into the expansion chamber 6.
【0015】これらの冷媒ガスが膨張することによって
吸熱が生じ、再び上方に回収される時、冷媒ガス流路3
を流れ、その際に蓄冷材5を冷却する。上記と同様に、
冷媒ガスの一部は、らせん状の溝4内を、ディスプレー
サ2とシリンダ1の表面とを冷却しながら上方に流れ、
ガス流路3を流れた冷媒ガスと合流する。When the refrigerant gas expands, heat is generated, and when the refrigerant gas is collected again upward, the refrigerant gas flow path 3
, And at this time, the cold storage material 5 is cooled. As above,
Part of the refrigerant gas flows upward in the spiral groove 4 while cooling the displacer 2 and the surface of the cylinder 1.
The refrigerant gas merges with the refrigerant gas flowing through the gas passage 3.
【0016】冷媒ガスがらせん状の溝4に沿って流れる
場合は、ディスプレーサ2とシリンダ1との間の間隙を
軸方向に直線的に流れる場合に比べて、ディスプレーサ
2やシリンダ1の表面と冷媒ガスとの間で多くの熱交換
を行うことができる。さらに、溝4の内面にステンレス
製の筒2aが露出しているため、溝4が樹脂製の被膜2
b内にのみ形成されている場合に比べて、より多くの熱
交換が行われる。When the refrigerant gas flows along the spiral groove 4, the surface of the displacer 2 or the cylinder 1 and the refrigerant gas are compared with the case where the refrigerant gas flows linearly in the axial direction in the gap between the displacer 2 and the cylinder 1. Many heat exchanges can be performed with the gas. Further, since the stainless steel cylinder 2 a is exposed on the inner surface of the groove 4, the groove 4 is formed of the resin coating 2.
More heat exchange is performed as compared with the case where the heat exchanger is formed only in the area b.
【0017】従来の蓄冷器式冷凍機では、ディスプレー
サとシリンダの隙間を流れる冷媒ガスを少なくするため
にシール機構が用いられていた。しかし、その気密性を
実現するのは極めて困難であり、シール性能が不安定と
なって冷却温度が高くなったり、変動したりするものと
考えられる。In a conventional regenerative refrigerator, a seal mechanism has been used to reduce the amount of refrigerant gas flowing through a gap between a displacer and a cylinder. However, it is extremely difficult to achieve the airtightness, and it is considered that the sealing performance becomes unstable and the cooling temperature increases or fluctuates.
【0018】本実施例においては、低温部にシール機構
を用いる必要がなくなるため、上述のような劣化が生じ
にくい。以下、図2に概略的に示す2段式GM冷凍機を
例に、本発明の実施例について説明する。In the present embodiment, it is not necessary to use a sealing mechanism in the low-temperature portion, so that the above-described deterioration hardly occurs. Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described using a two-stage GM refrigerator schematically shown in FIG. 2 as an example.
【0019】図2は、実施例によるGM冷凍機の構成例
を概略的に示す。実施例のGM冷凍機は2段構成であ
り、数K〜20K程度の極低温を得るのに適している。FIG. 2 schematically shows a configuration example of a GM refrigerator according to the embodiment. The GM refrigerator of the embodiment has a two-stage configuration and is suitable for obtaining an extremely low temperature of about several K to 20K.
【0020】ガス圧縮機10が、ヘリウムガスを約20
Kgf/cm2 に圧縮し、高圧ヘリウムガスを供給す
る。高圧ヘリウムガスは、吸気弁V1、ガス流路16を
介して第1段目シリンダ11の高温端側の空洞に供給さ
れる。第1段目シリンダ11の低温端に、第2段目シリ
ンダ12が結合されている。The gas compressor 10 supplies helium gas for about 20 hours.
Compressed to Kgf / cm 2 and supplied with high-pressure helium gas. The high-pressure helium gas is supplied to the cavity on the high-temperature end side of the first-stage cylinder 11 via the intake valve V1 and the gas flow path 16. The second stage cylinder 12 is connected to the low temperature end of the first stage cylinder 11.
【0021】第1段目シリンダ11、及び第2段目シリ
ンダ12内に、相互に結合された第1段目ディスプレー
サ13、及び第2段目ディスプレーサ14がそれぞれ収
容されている。第1段目シリンダ11の高温端から、ス
コッチヨークSが導出されている。スコッチヨークS
は、クランク機構15を介して駆動用モータMに結合し
ている。A first-stage displacer 13 and a second-stage displacer 14 which are connected to each other are accommodated in the first-stage cylinder 11 and the second-stage cylinder 12, respectively. A scotch yoke S is led out from the high temperature end of the first stage cylinder 11. Scotch Yoke S
Are connected to a drive motor M via a crank mechanism 15.
【0022】第1段目ディスプレーサ13及び第2段目
ディスプレーサ14は、それぞれ蓄冷材17及び18が
充填された空間を有し、内部の空間と外部とを接続する
ガス流路23a、23b、24a及び24bを有してい
る。また、第1段目シリンダ11の低温端側に第1段目
膨張室21が画定され、第2段目シリンダ12の低温端
側に第2段目膨張室22が画定されている。ガス流路2
3aは、第1段目シリンダ11の高温端側の空洞と、第
1段目ディスプレーサ13内の空間とを接続する。ガス
流路23bは、第1段目ディスプレーサ13内の空間と
第1段目膨張室21とを接続する。ガス流路24aは、
第1段目膨張室21と第2段目ディスプレーサ14内の
空間とを接続する。ガス流路24bは、第2段目ディス
プレーサ14内の空間と第2段目膨張室22とを接続す
る。なお、ガス流路23a、23b、24a及び24b
は、冷媒ガスの流れを説明するために機能的に記載した
ものであり、実際の構造とは異なる。The first-stage displacer 13 and the second-stage displacer 14 have spaces filled with cold storage materials 17 and 18, respectively, and have gas passages 23a, 23b and 24a connecting the internal space and the outside. And 24b. A first-stage expansion chamber 21 is defined on the low-temperature end side of the first-stage cylinder 11, and a second-stage expansion chamber 22 is defined on the low-temperature end side of the second-stage cylinder 12. Gas flow path 2
3 a connects the cavity on the high-temperature end side of the first-stage cylinder 11 to the space inside the first-stage displacer 13. The gas passage 23 b connects the space inside the first-stage displacer 13 and the first-stage expansion chamber 21. The gas flow path 24a is
The first-stage expansion chamber 21 is connected to the space in the second-stage displacer 14. The gas passage 24 b connects the space in the second-stage displacer 14 with the second-stage expansion chamber 22. The gas flow paths 23a, 23b, 24a and 24b
Are functionally described to explain the flow of the refrigerant gas, and are different from the actual structure.
【0023】通常、第1段目シリンダ11及び第2段目
シリンダ12は、十分な強度、低い熱伝導率、十分なヘ
リウムガス遮蔽能を有するステンレス綱(たとえばSU
S304)等によって形成される。Usually, the first stage cylinder 11 and the second stage cylinder 12 are made of stainless steel (for example, SU) having sufficient strength, low thermal conductivity, and sufficient helium gas shielding ability.
S304) and the like.
【0024】また、第1段目ディスプレーサ13は、比
重が軽く、十分な耐摩耗性、比較的高い強度、及び低い
熱伝導率を有する布入りフェノール(ベークライト)等
によって形成される。第2段目ディスプレーサ14は、
図1で説明したように、ステンレス製の筒、その外周面
上に形成された樹脂製の被膜、及びらせん状の溝を含ん
で構成される。The first stage displacer 13 is made of cloth-containing phenol (bakelite) having a low specific gravity, sufficient abrasion resistance, relatively high strength, and low thermal conductivity. The second stage displacer 14
As described with reference to FIG. 1, it is configured to include a stainless steel cylinder, a resin coating formed on the outer peripheral surface thereof, and a spiral groove.
【0025】図3に、第2段目ディスプレーサ14の詳
細な断面図を示す。ステンレス製の筒39の外周面上
に、布入りフェノールからなる厚さ約0.5mmの被膜
40が形成されている。筒39の両端は開放されてい
る。例えば、図2に示す第2段目シリンダの内径が35
mmの場合、被膜40の外周面の直径を35mm、筒3
9の内径を30mmとする。ディスプレーサの軸方向の
長さは、たとえば200mm程度とする。FIG. 3 is a detailed sectional view of the second stage displacer 14. On the outer peripheral surface of the stainless steel cylinder 39, a coating 40 made of phenol with cloth and having a thickness of about 0.5 mm is formed. Both ends of the cylinder 39 are open. For example, if the inner diameter of the second stage cylinder shown in FIG.
mm, the diameter of the outer peripheral surface of the coating 40 is 35 mm,
9 has an inner diameter of 30 mm. The axial length of the displacer is, for example, about 200 mm.
【0026】筒39の下端に、布入りフェノール等で形
成された蓋31が挿入され接着されている。その上に金
網32が配置され、その上にフェルト栓33が配置され
ている。フェルト栓33の上に、たとえば鉛球からなる
蓄冷材18が充填されている。蓄冷材18の上にフェル
ト栓34が配置され、フェルト栓34の上に、パンチン
グメタル35が配置されている。蓋41が、筒39の上
端を塞ぎ、パンチングメタル35を固定している。筒3
9の上端に、図2に示す第1段目ディスプレーサ13と
結合するための結合機構36が取り付けられている。A lid 31 made of cloth-containing phenol or the like is inserted and adhered to the lower end of the cylinder 39. A wire mesh 32 is disposed thereon, and a felt plug 33 is disposed thereon. The regenerator 18 made of, for example, lead balls is filled on the felt plug 33. A felt stopper 34 is arranged on the cold storage material 18, and a punching metal 35 is arranged on the felt stopper 34. The lid 41 closes the upper end of the cylinder 39, and fixes the punching metal 35. Cylinder 3
A coupling mechanism 36 for coupling to the first stage displacer 13 shown in FIG.
【0027】筒39の側壁の、金網32の高さに対応す
る位置に、ガス流路を形成する開口37が設けられてい
る。筒39の開口37よりも上の外周面には、開口37
の位置と上端とを結ぶ1本のらせん状の溝38が形成さ
れている。この溝は、例えば、幅約2mm、深さ約1m
m、ピッチ約4mmである。被膜40の厚さが約0.5
mmであるため、溝38の深さはステンレス製の筒39
まで達する。An opening 37 for forming a gas flow path is provided at a position corresponding to the height of the wire mesh 32 on the side wall of the cylinder 39. The outer peripheral surface of the cylinder 39 above the opening 37 has an opening 37
A single spiral groove 38 is formed connecting the position and the upper end. This groove has a width of about 2 mm and a depth of about 1 m, for example.
m, the pitch is about 4 mm. The thickness of the coating 40 is about 0.5
mm, the groove 38 has a depth of
Reach up to.
【0028】開口37よりも下の筒39の外周面上に
は、被膜40が形成されていない。従って、開口37よ
りも下の部分では、筒39と第2段目シリンダ12との
間に隙間が形成される。この隙間は、筒39の内部と図
2に示す膨張室22とを結ぶガス流路となる。The coating 40 is not formed on the outer peripheral surface of the cylinder 39 below the opening 37. Therefore, a gap is formed between the cylinder 39 and the second-stage cylinder 12 in a portion below the opening 37. This gap serves as a gas flow path connecting the inside of the cylinder 39 and the expansion chamber 22 shown in FIG.
【0029】被膜40の外周面と第2段目シリンダ12
の内周面との間の隙間は、ディスプレーサを安定に往復
駆動するために0.01mm以上であることが好まし
く、漏洩ガスが軸方向に直線的に流れることを防止する
ために、0.03mm以下であることが好ましい。The outer peripheral surface of the coating 40 and the second stage cylinder 12
Is preferably 0.01 mm or more in order to stably drive the displacer back and forth, and 0.03 mm in order to prevent leakage gas from flowing linearly in the axial direction. The following is preferred.
【0030】なお、蓄冷材18として、鉛の代わりに、
他の材料、例えば、磁性蓄冷材を用いてもよい。極低温
領域で比熱の大きな磁性蓄冷材を用いることにより、冷
凍能力を高めることができる。As the cold storage material 18, instead of lead,
Other materials, for example, a magnetic cold storage material may be used. By using a magnetic regenerator having a large specific heat in an extremely low temperature region, the refrigerating capacity can be increased.
【0031】次に、図2に示したGM冷凍機の動作につ
いて説明する。ガス圧縮機10から吸気弁V1を介して
供給される高圧ヘリウムガスが、ガス流路16を介して
第1段目シリンダ11内に供給される。さらに、ガス流
路23a、第1段目ディスプレーサ13内の空間、及び
ガス流路23bを通って、第1段目膨張室21に導入さ
れる。Next, the operation of the GM refrigerator shown in FIG. 2 will be described. High-pressure helium gas supplied from the gas compressor 10 via the intake valve V1 is supplied into the first-stage cylinder 11 via the gas passage 16. Further, the gas is introduced into the first-stage expansion chamber 21 through the gas passage 23a, the space in the first-stage displacer 13, and the gas passage 23b.
【0032】第1段目膨張室21内に導入されたヘリウ
ムガスは、さらにガス流路24a、第2段目ディスプレ
ーサ14内の空間、及びガス流路24bを通って第2段
目の膨張室22内に導入される。ヘリウムガスの一部
は、第2段目シリンダ12と第2段目ディスプレーサ1
4との間の隙間を、らせん溝38に沿って流れる。The helium gas introduced into the first-stage expansion chamber 21 further passes through the gas passage 24a, the space in the second-stage displacer 14, and the gas passage 24b. 22. Part of the helium gas is supplied to the second stage cylinder 12 and the second stage displacer 1.
4 flows along the spiral groove 38.
【0033】吸気弁V1が閉じ、排気弁V2が開いた時
には、第2段目シリンダ12、第1段目シリンダ11内
の高圧ヘリウムガスは、吸気の場合と同一の経路を逆に
辿り、ガス流路16、排気弁V2を通ってガス圧縮機1
0に回収される。When the intake valve V1 is closed and the exhaust valve V2 is opened, the high-pressure helium gas in the second-stage cylinder 12 and the first-stage cylinder 11 reverses the same path as in the case of intake and reverses. The gas compressor 1 passes through the flow path 16 and the exhaust valve V2.
Collected to 0.
【0034】GM冷凍機の作動時においては、駆動用モ
ータMの回転によって第1段目ディスプレーサ13、第
2段目ディスプレーサ14が図中の矢印で示すように上
下に往復駆動される。第1段目ディスプレーサ13、第
2段目ディスプレーサ14が下方に移動した時、吸気弁
V1が開き、高圧ヘリウムガスが第1段目シリンダ1
1、第2段目シリンダ12内に供給される。During the operation of the GM refrigerator, the first stage displacer 13 and the second stage displacer 14 are reciprocated up and down as indicated by the arrows in the figure by the rotation of the drive motor M. When the first-stage displacer 13 and the second-stage displacer 14 move downward, the intake valve V1 opens, and high-pressure helium gas is supplied to the first-stage cylinder 1
First, it is supplied into the second stage cylinder 12.
【0035】駆動用モータMによって第1段目ディスプ
レーサ13、第2段目ディスプレーサ14が上方に移動
した時、吸気弁V1が閉じ、排気弁V2が開いて、ヘリ
ウムガスはガス圧縮機10に回収される。このとき、第
1段目シリンダ11、第2段目シリンダ12内の膨張室
21及び22内が低圧になる。When the first-stage displacer 13 and the second-stage displacer 14 are moved upward by the drive motor M, the intake valve V1 is closed, the exhaust valve V2 is opened, and the helium gas is recovered by the gas compressor 10. Is done. At this time, the pressure in the expansion chambers 21 and 22 in the first-stage cylinder 11 and the second-stage cylinder 12 becomes low.
【0036】膨張室21、22内で、ヘリウムガスの膨
張によって吸熱が発生する。冷却されたヘリウムガス
が、ディスプレーサ14、13内の空間を通り、蓄冷材
18、17を冷却する。In the expansion chambers 21 and 22, heat is generated by expansion of the helium gas. The cooled helium gas passes through the spaces in the displacers 14 and 13 and cools the cold storage materials 18 and 17.
【0037】次の吸気工程で供給される高圧ヘリウムガ
スは、蓄冷材17及び18により冷却されながら膨張室
21及び22に供給される。冷却されたヘリウムガスが
膨張することにより、さらに冷却が進む。定常状態にお
いては、第1段目シリンダ11の膨張室21が、たとえ
ば40K〜70K程度の温度に保たれ、第2段目シリン
ダ12の膨張室22の温度は数K〜20K程度の温度に
保たれる。The high-pressure helium gas supplied in the next intake step is supplied to the expansion chambers 21 and 22 while being cooled by the regenerators 17 and 18. The expansion of the cooled helium gas further promotes cooling. In a steady state, the expansion chamber 21 of the first-stage cylinder 11 is maintained at a temperature of, for example, about 40K to 70K, and the temperature of the expansion chamber 22 of the second-stage cylinder 12 is maintained at a temperature of about several K to 20K. Dripping.
【0038】らせん溝38の内面にステンレス製の筒3
9が露出しているため、ディスプレーサ14内の蓄冷材
18と、らせん溝38に沿って流れるヘリウムガスとの
間の熱交換効率を高めることができる。これにより、冷
凍能力を高めることが可能になる。A stainless steel tube 3 is provided on the inner surface of the spiral groove 38.
Since 9 is exposed, the heat exchange efficiency between the cold storage material 18 in the displacer 14 and the helium gas flowing along the spiral groove 38 can be increased. This makes it possible to increase the refrigeration capacity.
【0039】第1段目シリンダの低温端近傍に、第1段
目ヒートステーション19が熱的に結合されており、第
2段目シリンダ12の低温端近傍に、第2段目ヒートス
テーション20が熱的に結合している。Near the low-temperature end of the first-stage cylinder, a first-stage heat station 19 is thermally connected. Near the low-temperature end of the second-stage cylinder 12, a second-stage heat station 20 is provided. Thermally coupled.
【0040】第1段目ヒートステーション19は、たと
えばクライオパネル等に結合され、ガス分子を吸着させ
る。また、第2段目ヒートステーション20は、たとえ
ば活性炭等の吸着材を収容する吸着塔に結合され、残留
ガス分子の吸着を行う。このような構成を有するクライ
オポンプは、スパッタリング装置等において清浄な真空
を形成するために用いられる。The first-stage heat station 19 is connected to, for example, a cryopanel or the like, and adsorbs gas molecules. Further, the second-stage heat station 20 is connected to an adsorption tower containing an adsorbent such as activated carbon, and adsorbs residual gas molecules. The cryopump having such a configuration is used for forming a clean vacuum in a sputtering apparatus or the like.
【0041】上記実施例では、被膜40を布入りフェノ
ールで形成したが、耐摩耗性が高く、摩擦抵抗が小さい
その他の材料で形成してもよい。このような材料とし
て、ポリエーテルエーテルケトン、ポリアミドイミド、
ポリエーテルイミド、ポリイミド、ガラス繊維強化エポ
キシ、ポリテトラフルオロエチレン等が挙げられる。ま
たは、四フッ化エチレン等を用いてもよい。In the above embodiment, the coating 40 is formed of phenol with cloth. However, the coating 40 may be formed of another material having high abrasion resistance and low frictional resistance. Such materials include polyetheretherketone, polyamideimide,
Examples thereof include polyetherimide, polyimide, glass fiber reinforced epoxy, and polytetrafluoroethylene. Alternatively, ethylene tetrafluoride or the like may be used.
【0042】布入りフェノールは、筒に布を巻き付け、
それにフェノールを含浸させることにより形成される。
熱可塑性樹脂は、筒の外周面上に樹脂を焼き付けること
により形成される。ガラス繊維強化エポキシは、筒の外
周にガラス繊維布を巻き付け、この布にエポキシを含浸
させることにより形成される。四フッ化エチレンは、筒
の外周面上に原料粉末をスプレーし、焼き付けることに
より形成される。For phenol with cloth, wrap a cloth around a cylinder,
It is formed by impregnating it with phenol.
The thermoplastic resin is formed by baking the resin on the outer peripheral surface of the cylinder. The glass fiber reinforced epoxy is formed by wrapping a glass fiber cloth around the outer circumference of the cylinder and impregnating the cloth with the epoxy. The tetrafluoroethylene is formed by spraying and baking raw material powder on the outer peripheral surface of the cylinder.
【0043】また、上記実施例では、らせん溝38の深
さに比べて、被膜40の方が薄い。このため、被膜40
を厚くし、その内部にのみ、らせん溝38を形成する場
合に比べて、被膜40のコーティング工程の時間短縮を
図ることができる。また、被膜40の薄膜化により、筒
39を太くすることができる。これにより、蓄冷材18
の充填量を増やすことが可能になる。In the above embodiment, the coating 40 is thinner than the depth of the spiral groove 38. For this reason, the coating 40
Compared with the case where the spiral groove 38 is formed only in the inside thereof, the time required for the coating step of the coating film 40 can be shortened. Further, by making the coating 40 thinner, the cylinder 39 can be made thicker. Thereby, the cold storage material 18
Can be increased.
【0044】上記実施例では、ディスプレーサの外周面
上に1本のらせん状の溝を形成した場合について説明し
たが、シリンダとディスプレーサとの隙間を流れるガス
が、ディスプレーサと十分に熱交換しながら流れるよう
な形状であれば、溝の形状は1本のらせん状に限らずそ
の他の形状でもよい。例えば、二重らせん構造のように
らせん状の溝を複数本設けてもよい。らせん状の溝を波
線またはジグザグ線としてもよい。ディスプレーサの軸
方向に平行な直線と垂直な直線とを組み合わせて、階段
状のジグザグ線としてもよい。らせんの回転方向が相互
に逆向きになる2つのらせん、あるいは2つ以上のらせ
んを組み合わせてらせん状の溝が相互に交差するように
してもよい。外周面の円周方向に複数の円周状の溝を形
成し、隣接する溝を相互に接続する接続溝を設けた形状
としてもよい。このとき、ガス流路長をなるべく長くす
るために円周状溝の上下に形成される接続溝を、円周上
の異なる位置に設けることが好ましい。In the above embodiment, the case where one spiral groove is formed on the outer peripheral surface of the displacer has been described, but the gas flowing through the gap between the cylinder and the displacer flows while sufficiently exchanging heat with the displacer. With such a shape, the shape of the groove is not limited to one spiral, and may be another shape. For example, a plurality of spiral grooves may be provided like a double spiral structure. The spiral groove may be a wavy line or a zigzag line. A stepwise zigzag line may be formed by combining a straight line parallel to the axial direction of the displacer and a straight line perpendicular to the displacer. Two spirals in which the directions of rotation of the spirals are opposite to each other, or spiral grooves may intersect each other by combining two or more spirals. A plurality of circumferential grooves may be formed in the circumferential direction of the outer peripheral surface, and a connection groove for connecting adjacent grooves to each other may be provided. At this time, it is preferable to provide connection grooves formed above and below the circumferential groove at different positions on the circumference in order to make the gas flow path length as long as possible.
【0045】このように、ディスプレーサの外周面上に
形成された溝のうち少なくとも一部が、ディスプレーサ
の軸方向に対して交差する方向に沿うように形成するこ
とにより、ガスが軸方向に平行に流れる場合に比べて、
より長い経路を流れることになる。このため、ガスとデ
ィスプレーサとの間で、より効率的に熱交換することが
可能になる。As described above, at least a part of the groove formed on the outer peripheral surface of the displacer is formed so as to extend along the direction intersecting with the axial direction of the displacer, so that the gas becomes parallel to the axial direction. Compared to flowing,
It will flow on a longer path. For this reason, it becomes possible to exchange heat more efficiently between the gas and the displacer.
【0046】ディスプレーサの外周面に形成されたガス
流路の断面は、矩形、三角形、半円形等、その他の形状
でもよい。The cross section of the gas flow path formed on the outer peripheral surface of the displacer may be rectangular, triangular, semicircular, or another shape.
【0047】以上実施例に沿って本発明を説明したが、
本発明はこれらに制限されるものではない。たとえば、
GM式冷凍機に限らず、スターリング冷凍機やソルベイ
サイクル冷凍機等その他の蓄冷器を用いた冷凍機に本発
明を適用することが可能である。The present invention has been described in connection with the preferred embodiments.
The present invention is not limited to these. For example,
The present invention is not limited to the GM refrigerator, but can be applied to a refrigerator using a regenerator such as a Stirling refrigerator or a Solvay cycle refrigerator.
【0048】また、2段式ディスプレーサの構成を例に
説明したが、1段式あるいは3段式以上のディスプレー
サを用いる場合にも適用できる。また、その他の構成に
おいても、低温においてディスプレーサを用いる蓄冷器
式冷凍機に本発明を適用することができる。その他、種
々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に
自明であろう。Although the configuration of the two-stage displacer has been described as an example, the present invention can be applied to a case where a one-stage or three-stage or more displacer is used. Also, in other configurations, the present invention can be applied to a regenerator using a displacer at a low temperature. It will be apparent to those skilled in the art that various changes, improvements, combinations, and the like can be made.
【0049】[0049]
【発明の効果】以上説明したように、本発明によると、
ディスプレーサの外周面上に形成されている溝が、表面
の被覆膜の下の金属製の筒まで達している。このため、
溝に沿って流れる冷媒ガスと、ディスプレーサ内に充填
されている蓄冷材との間の熱交換効率を高めることがで
きる。これにより、冷凍能力の向上を図ることができ
る。As described above, according to the present invention,
The groove formed on the outer peripheral surface of the displacer reaches the metal cylinder below the surface coating film. For this reason,
The heat exchange efficiency between the refrigerant gas flowing along the groove and the cold storage material filled in the displacer can be increased. Thereby, the refrigerating capacity can be improved.
【図1】本発明の実施例による冷凍機の基本構成を示す
断面図である。FIG. 1 is a sectional view showing a basic configuration of a refrigerator according to an embodiment of the present invention.
【図2】本発明の実施例によるGM冷凍機の概略断面図
である。FIG. 2 is a schematic sectional view of a GM refrigerator according to an embodiment of the present invention.
【図3】実施例によるGM冷凍機の第2段目ディスプレ
ーサの断面図である。FIG. 3 is a sectional view of a second stage displacer of the GM refrigerator according to the embodiment.
1 シリンダ 2 ディスプレーサ 3 ガス流路 4 らせん溝 5 蓄冷材 6 膨張室 10 ガス圧縮機 11 第1段目シリンダ 12 第2段目シリンダ 13 第1段目ディスプレーサ 14 第2段目ディスプレーサ 15 クランク機構 16 ガス流路 17、18 蓄冷材 19、20 ヒートステーション 21、22 膨張室 23、24 ガス流路 31 蓋 32 金網 33、34 フェルト栓 35 パンチングメタル 36 結合機構 37 開口 38 らせん状溝 39 筒 40 被膜 41 蓋 Reference Signs List 1 cylinder 2 displacer 3 gas flow path 4 spiral groove 5 cold storage material 6 expansion chamber 10 gas compressor 11 first stage cylinder 12 second stage cylinder 13 first stage displacer 14 second stage displacer 15 crank mechanism 16 gas Flow paths 17, 18 Cold storage material 19, 20 Heat stations 21, 22 Expansion chambers 23, 24 Gas flow paths 31 Lid 32 Wire mesh 33, 34 Felt plug 35 Punching metal 36 Coupling mechanism 37 Opening 38 Spiral groove 39 Tube 40 Coating 41 Lid
Claims (3)
配置され、該シリンダ内の一端に膨張室を画定するディ
スプレーサであって、金属製の筒と、該筒の外周面上に
形成された被膜とを含み、該筒と被膜とは,前記筒と前
記シリンダとが直接接した場合の摩擦係数よりも、該被
膜と前記シリンダとが接した場合の摩擦係数の方が小さ
くなるような材料で形成されている前記ディスプレーサ
と、 前記膨張室内に冷媒ガスを供給し、前記膨張室から冷媒
ガスを回収する主ガス流路と、 前記主ガス流路内の少なくとも一部に配置された蓄冷材
と、 前記ディスプレーサの外周面の両端を結ぶ補助ガス流路
であって、該補助ガス流路が、該ディスプレーサの外周
面上に形成された溝を含み、該溝の少なくとも一部が前
記ディスプレーサの軸方向に対して交差する方向に沿
い、該溝が、前記ディスプレーサの金属製の筒の外周面
もしくは該外周面よりも深い位置まで達している前記補
助ガス流路とを有する蓄冷器式冷凍機。1. A displacer arranged in a cylinder so as to be able to reciprocate in the axial direction of the cylinder and defining an expansion chamber at one end in the cylinder, the displacer comprising a metal cylinder, A coating formed on the outer peripheral surface, wherein the cylinder and the coating have a smaller coefficient of friction when the coating and the cylinder are in contact with each other than the friction coefficient when the cylinder and the cylinder are in direct contact with each other. The main gas flow path for supplying refrigerant gas into the expansion chamber and recovering the refrigerant gas from the expansion chamber; and at least one of the main gas flow paths in the main gas flow path. A cold storage material disposed in the portion, an auxiliary gas flow path connecting both ends of the outer peripheral surface of the displacer, the auxiliary gas flow path includes a groove formed on the outer peripheral surface of the displacer, At least partially A regenerator type having the auxiliary gas passage extending along a direction intersecting with the axial direction of the displacer, the groove reaching an outer peripheral surface of a metal cylinder of the displacer or a position deeper than the outer peripheral surface. refrigerator.
度よりも小さい請求項1に記載の蓄冷器式冷凍機。2. The regenerator according to claim 1, wherein the thermal conductivity of the cylinder is smaller than the thermal conductivity of the coating.
ん状の部分を含む請求項1または2に記載の蓄冷器式冷
凍機。3. The regenerator according to claim 1, wherein the groove forming the auxiliary gas flow path includes a spiral portion.
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