JP2004233004A

JP2004233004A - Cold storage unit

Info

Publication number: JP2004233004A
Application number: JP2003024694A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Asami; 宏浅見
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2003-01-31
Filing date: 2003-01-31
Publication date: 2004-08-19

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To improve the freezing performance of a cold storage unit with a simple method, and to improve the lifetime of a maintenance cycle. <P>SOLUTION: The cold storage unit is composed by filling a plurality of types of wire nets (40, 42)(50, 52, 54) having different meshes as the cold accumulation material. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、蓄冷器に係り、特に、最低到達温度が４Ｋ以下であるギフォード・マクマホン・サイクル冷凍機（４Ｋ−ＧＭ冷凍機と称する）の第１段ディスプレーサに用いるのに好適な、簡便な方法で、冷凍性能を向上すると共に、メンテナンスサイクルを長寿命化することが可能な蓄冷器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ヘリウム等のガス冷媒を用い、蓄冷材を収容した蓄冷器を利用して低温を得る蓄冷器式の極低温冷凍機として、ＧＭ冷凍機やスターリング・サイクル冷凍機、パルスチューブ冷凍機等が知られている。例えばＧＭ冷凍機では、蓄冷器を備えたディスプレーサ（ピストン）と、このディスプレーサが挿入されるシリンダとを有する膨張器に、圧縮された作動流体（冷媒ガス）を供給し、この作動流体（冷媒ガス）を膨張器内で断熱膨張させて寒冷を得る。
【０００３】
このような極低温冷凍機、例えばディスプレーサを２段備えた２段式ＧＭ冷凍機においては、高温側の第１段ディスプレーサ１０として、例えば図１に示す如く、目数１８０程度の丹銅金網３０を８００〜９００枚程度積層させた蓄冷材が充填された蓄冷器１１を用いるものがある。図において、１２は、蓄冷器１１を構成する、例えば布入りフェノール樹脂製の筒状部材、１４は、前記蓄冷材３０の前後に設けられた、例えば１６メッシュ程度の粗い金網、１６は、前記筒状部材１２の低温側に設けられた蓋部材、１８はフランジ、２０はガス流路、２２は、図２に詳細に示す如く、該蓄冷器１１を含むディスプレーサ１０が摺動するシリンダ８との間に設けられた、Ｏリング２４とキャップシール２６からなるシールリングである。
【０００４】
又、特許文献１には、図３に示す如く、蓄冷器１１の高温側に目数１８０程度の丹銅金網３２を５００枚程度、蓄冷材として積層させ、例えばフェルト製の仕切板３４をはさんで、低温側に直径０．４〜０．５ｍｍ程度の鉛球３６を５００ｇ程度、蓄冷材として充填させた蓄冷器１１が記載されている。
【０００５】
【特許文献１】
特公平７−３３９３４号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図１に示した従来例は、冷凍性能に問題があり、２段式ＧＭ冷凍機を用いた試験結果を示す図４中に破線Ａで示す如く、熱負荷にかかわらず、１段冷却ステージの到達温度が高いという問題点を有していた。
【０００７】
一方、図３に示した従来例は、目数１８０の金網３２の空隙率が約０．７であるのに対し、鉛球３６の空隙率が凡そ０．４５と圧力損失が大きくなる問題があり、図４中に破線Ｂで示す如く、１段冷却ステージの到達温度は低いものの、熱負荷が高くなると到達温度が高くなり、高負荷に弱い。更に、蓄冷器内を流れる冷媒や冷凍機の振動等によって、鉛球３６が充填されている部分の蓄冷器内に隙間を生じると、鉛球同士の摩擦によって粉末化が進み、ディスプレーサ外側のシリンダ内に摩耗粉や鉛球が流出し、冷凍性能の低下や、駆動できない等のトラブルに発展する恐れがある。
【０００８】
又、図１、図３のいずれの従来例においても、ディスプレーサの筒状部材１２が、吸水率の大きい布入りフェノール樹脂で構成されているため、製造過程での水分除去工程に２００時間程度が必要である。更に、シールリング２２が高温側の１箇所にしか設けられていないため、低温側の筒状部材１２が直接シリンダと接触して、冷凍性能の低下や、冷凍機のメンテナンスサイクルを短くする等の問題点を有していた。
【０００９】
本発明は、前記従来の問題点を解決するべくなされたもので、簡便な方法で、冷凍性能を向上すると共に、メンテナンスサイクルを長寿命化することを課題とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、蓄冷器において、蓄冷材として、目数が異なる複数種の金網を充填することにより、前記課題を解決したものである。
【００１１】
又、ステンレス等の熱伝導率が小さい金網を中間にサンドイッチして、蓄冷材の積層方向の熱伝導損失を小さくしたものである。
【００１２】
あるいは、前記金網の目数を、高温側に少なく、低温側に多くして、高温側から低温側へ円滑にガスが流れるようにしたものである。
【００１３】
又、前記金網の材質を、ステンレス、黄銅、りん青銅又は丹銅としたものである。
【００１４】
又、前記金網のいずれかを圧延処理して、充填率を高めると共に、積層を容易としたものである。
【００１５】
又、前記金網を収容する筒状部材を、吸水率の小さいＦＲＰ材で形成して、製造過程の水分除去工程を不要としたものである。
【００１６】
本発明は、又、前記の蓄冷器を含み、その外表面に複数のシールリングが配設されていることを特徴とするディスプレーサを提供するものである。
【００１７】
又、前記の蓄冷器又はディスプレーサを備えたことを特徴とする極低温冷凍機を提供するものである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００１９】
本発明の第１実施形態は、図５に示す如く、１５０メッシュ程度の圧延処理されたりん青銅製の金網４０の中間に、１００メッシュ程度のＳＵＳ３０４ステンレス製の粗い金網４２をサンドイッチしたものである。
【００２０】
又、筒状部材１２は、従来の布入りフェノール樹脂に代えて、ＧＦＲＰ（ガラス繊維強化プラスチックス）１２Ａを主体とし、図６に詳細に示す如く、Ｏリング２４とＰＴＦＥ（四ふっ化エチレン樹脂）製のキャップシール２６からなるシールリング２２の周囲にＣＦＲＰ（カーボン繊維強化プラスチック）１２Ｂを用いている。
【００２１】
更に、該筒状部材１２の低温側に、例えばＰＴＦＥ製のウェアリング（カットされているリング）４８を追加して、筒状部材１２が直接シリンダに接触しないようにしている。
【００２２】
図において、１７は、高温側の蓋部材である。
【００２３】
本実施形態においては、りん青銅製の１５０メッシュの金網４０の間に、ステンレスＳＵＳ３０４製の１００メッシュの金網４２をサンドイッチしているので、粗い金網４２によってガスが整流され、全体に広げられると共に、蓄冷器長手方向の熱伝導損失が小さくなる。
【００２４】
又、図５は３層の例を示したが、例えば金網４０を３層とし、その中間に２層の金網４２を挿入して、全体で５層構造とすることも可能である。
【００２５】
次に、本発明の第２実施形態を詳細に説明する。
【００２６】
本実施形態は、図７に示す如く、蓄冷材を、高温側から低温側にかけて、目数が１００メッシュ、１５０メッシュ、２００メッシュと順次、細かくなる金網５０、５２、５４を用いたものである。
【００２７】
前記１００メッシュの金網５０は、例えばＳＵＳ３０４ステンレス製とし、１５０メッシュ及び２００メッシュの金網５２、５４は、いずれも、圧延処理されたりん青銅製とすることができる。
【００２８】
他の点に関しては第１実施形態と同様であるので、説明は省略する。
【００２９】
本実施形態によれば、高温側から低温側へ順次目数が細かくなるようにされているので、高温側から低温側へのガスの流れが円滑である。
【００３０】
前記実施形態においては、金網４０、５２、５４として、圧延処理した金網を用いているので、充填率が高められるだけでなく、平らで扱い易く、積層も容易である。なお、圧延処理されていない金網を用いることも可能である。
【００３１】
又、前記実施形態においては、いずれも、筒状部材１２を、ＧＦＲＰ１２ＡとＣＦＲＰ１２Ｂで構成しているので、吸水率が小さく、製造工程の水分除去工程を省略することができる。なお、筒状部材の材質はこれに限定されない。
【００３２】
又、前記実施形態においては、いずれも、従来と同様の高温側のシールリング２２に加えて、低温側にもシールリング４８を設けているので、筒状部材１２が直接シリンダに接触することがない。シールリングの組合せも、高温側キャップシール、低温側ウェアリングに限定されず、例えば高温側をＰＴＦＥ製のシールリング、低温側を、図８に示すような、金属（例えばステンレス）製のばね６０が内蔵されたＰＴＦＥ製のＵ型シールリング６２とすることもできる。
【００３３】
又、前記実施形態においては、いずれも、りん青銅製の金網４０、５２、５４とＳＵＳ３０４ステンレス製の金網４２、５０が組み合わされていたが、金網の材質や目数はこれに限定されず、黄銅、丹銅等の他の材質の金網を用いることも可能である。
【００３４】
又、前記実施形態においては、本発明が２段式ＧＭ冷凍機の１段ディスプレーサの蓄冷器に適用されていたが、本発明の適用対象はこれに限定されず、スターリング冷凍機、ビルマイヤ冷凍機、パルスチューブ冷凍機等に用いられる蓄冷器に適用することも可能である。
【００３５】
【発明の効果】
本発明によれば、簡便な方法で、冷凍性能を向上すると共に、メンテナンスサイクルを長寿命化することができる。
【００３６】
第１実施形態の冷凍性能を図３中に実線Ｃで示し、第２実施形態の冷凍性能を同じく実線Ｄで示す。いずれも、図１に示した従来例（破線Ａ）に比べて１段冷却ステージの到達温度、熱負荷に対する性能共に高い。なお、図２に示した従来例（破線Ｂ）に比べて１段冷却ステージの到達温度は高いものの、高負荷における性能は高い。
【図面の簡単な説明】
【図１】２段式ＧＭ冷凍機の１段ディスプレーサに用いられている従来の蓄冷器の構成を示す断面図
【図２】図１のＩＩ部拡大断面図
【図３】特許文献１に記載された蓄冷器の構成を示す断面図
【図４】２段式ＧＭ冷凍機を用いた試験結果を比較して示す線図
【図５】本発明の第１実施形態の構成を示す断面図
【図６】図５のＶＩ部拡大断面図
【図７】本発明の第２実施形態の構成を示す断面図
【図８】シールリングの他の例を示す拡大断面図
【符号の説明】
１０…蓄冷器
１２、１２Ａ、１２Ｂ…筒状部材
２２、６２…シールリング
４８…ウェアリング
４０、４２、５０、５２、５４…金網[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a regenerator, and particularly to a simple method suitable for use in a first stage displacer of a Gifford McMahon cycle refrigerator (referred to as a 4K-GM refrigerator) having a minimum temperature of 4K or less. Therefore, the present invention relates to a regenerator that can improve refrigeration performance and extend the life of a maintenance cycle.
[0002]
[Prior art]
GM refrigerators, Stirling cycle refrigerators, pulse tube refrigerators, and the like are known as regenerative cryogenic refrigerators that obtain a low temperature using a regenerator containing a regenerator material using a gas refrigerant such as helium. ing. For example, in a GM refrigerator, a compressed working fluid (refrigerant gas) is supplied to an expander having a displacer (piston) having a regenerator and a cylinder into which the displacer is inserted. ) Is adiabatically expanded in an expander to obtain cold.
[0003]
In such a cryogenic refrigerator, for example, a two-stage GM refrigerator having two stages of displacers, as shown in FIG. 1, for example, as shown in FIG. Some of them use a regenerator 11 filled with a regenerator material in which about 800 to 900 sheets are stacked. In the drawing, reference numeral 12 denotes a regenerator 11, for example, a tubular member made of cloth-containing phenolic resin, 14 denotes a coarse wire mesh of about 16 mesh provided before and after the regenerator material 30, and 16 denotes A lid member provided on the low temperature side of the cylindrical member 12, 18 is a flange, 20 is a gas flow path, and 22 is a cylinder 8 on which the displacer 10 including the regenerator 11 slides, as shown in detail in FIG. This is a seal ring including an O-ring 24 and a cap seal 26 provided therebetween.
[0004]
In addition, in Patent Document 1, as shown in FIG. 3, about 500 copper wire meshes 32 having a mesh size of about 180 are laminated on a high-temperature side of the regenerator 11 as a regenerative material, and a partition plate 34 made of, for example, a felt is used. Thus, the regenerator 11 in which about 500 g of lead balls 36 having a diameter of about 0.4 to 0.5 mm are filled on the low temperature side as a regenerator material is described.
[0005]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Publication No. 7-33934
[Problems to be solved by the invention]
However, the conventional example shown in FIG. 1 has a problem in the refrigerating performance, and as shown by the broken line A in FIG. 4 showing the test results using the two-stage GM refrigerator, regardless of the heat load, the one-stage cooling is performed. There was a problem that the temperature reached by the stage was high.
[0007]
On the other hand, the conventional example shown in FIG. 3 has a problem that the porosity of the wire mesh 32 having 180 meshes is about 0.7, whereas the porosity of the lead ball 36 is about 0.45, and the pressure loss is large. As shown by the dashed line B in FIG. 4, although the attained temperature of the first cooling stage is low, as the thermal load increases, the attained temperature increases and is vulnerable to the high load. Further, when a gap is formed in the regenerator in a portion where the lead balls 36 are filled due to a refrigerant flowing in the regenerator or vibration of the refrigerator, etc., powdering proceeds due to friction between the lead balls, and the powder is introduced into the cylinder outside the displacer. Abrasion powder and lead balls may flow out, leading to a decrease in refrigeration performance and a problem such as inability to drive.
[0008]
1 and 3, since the cylindrical member 12 of the displacer is made of a cloth-containing phenol resin having a high water absorption, about 200 hours are required for the water removing step in the manufacturing process. is necessary. Further, since the seal ring 22 is provided only at one place on the high temperature side, the cylindrical member 12 on the low temperature side comes into direct contact with the cylinder, thereby reducing the refrigerating performance and shortening the maintenance cycle of the refrigerator. Had problems.
[0009]
The present invention has been made to solve the above-mentioned conventional problems, and has as its object to improve the refrigeration performance and extend the maintenance cycle life by a simple method.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
The present invention has solved the above-mentioned problem by filling a plurality of types of wire nets having different numbers of stitches as a cold storage material in a cool storage device.
[0011]
In addition, a wire mesh having a low thermal conductivity such as stainless steel is sandwiched in the middle to reduce the heat conduction loss in the laminating direction of the cold storage material.
[0012]
Alternatively, the number of meshes of the wire mesh is reduced toward the high temperature side and increased toward the low temperature side so that gas flows smoothly from the high temperature side to the low temperature side.
[0013]
Further, the material of the wire mesh is stainless steel, brass, phosphor bronze or nickel bronze.
[0014]
In addition, any one of the wire meshes is subjected to a rolling treatment to increase the filling rate and facilitate lamination.
[0015]
Further, the tubular member for housing the wire mesh is made of FRP material having a small water absorption so that the water removing step in the manufacturing process becomes unnecessary.
[0016]
The present invention also provides a displacer including the regenerator described above, wherein a plurality of seal rings are provided on an outer surface thereof.
[0017]
Another object of the present invention is to provide a cryogenic refrigerator including the regenerator or the displacer.
[0018]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0019]
In the first embodiment of the present invention, as shown in FIG. 5, a coarse wire mesh 42 made of SUS304 stainless steel having a mesh size of about 100 mesh is sandwiched between a wire mesh 40 made of a phosphor bronze rolled to a mesh size of about 150 mesh. .
[0020]
The cylindrical member 12 is mainly made of GFRP (glass fiber reinforced plastics) 12A instead of the conventional cloth-containing phenol resin, and as shown in detail in FIG. 6, an O-ring 24 and PTFE (ethylene tetrafluoride resin). A CFRP (Carbon Fiber Reinforced Plastic) 12B is used around the seal ring 22 composed of the cap seal 26 made of).
[0021]
Furthermore, a wear ring (cut ring) 48 made of, for example, PTFE is added to the low temperature side of the cylindrical member 12 so that the cylindrical member 12 does not directly contact the cylinder.
[0022]
In the figure, 17 is a lid member on the high temperature side.
[0023]
In this embodiment, since the 100-mesh wire mesh 42 made of stainless steel SUS304 is sandwiched between the 150-mesh wire meshes 40 made of phosphor bronze, the gas is rectified by the coarse wire meshes 42 and is spread over the entirety. Heat conduction loss in the longitudinal direction of the regenerator is reduced.
[0024]
FIG. 5 shows an example of a three-layer structure. However, for example, a three-layer structure may be used by inserting three wire meshes 40 and two wire meshes 42 inserted therebetween.
[0025]
Next, a second embodiment of the present invention will be described in detail.
[0026]
In this embodiment, as shown in FIG. 7, the regenerative material uses wire meshes 50, 52, and 54 that become finer in order of 100 mesh, 150 mesh, and 200 mesh from the high temperature side to the low temperature side. .
[0027]
The 100-mesh wire mesh 50 may be made of, for example, SUS304 stainless steel, and the 150-mesh and 200-mesh wire meshes 52 and 54 may be made of rolled phosphor bronze.
[0028]
The other points are the same as in the first embodiment, and a description thereof will be omitted.
[0029]
According to the present embodiment, since the number of stitches is sequentially reduced from the high temperature side to the low temperature side, the gas flow from the high temperature side to the low temperature side is smooth.
[0030]
In the above-described embodiment, since the rolled wire mesh is used as the wire meshes 40, 52, and 54, not only the filling rate is increased, but also the flatness is easy to handle and the lamination is easy. It is also possible to use a wire mesh that has not been rolled.
[0031]
In each of the above embodiments, since the tubular member 12 is formed of the GFRP 12A and the CFRP 12B, the water absorption is small, and the water removing step in the manufacturing process can be omitted. The material of the tubular member is not limited to this.
[0032]
In each of the above embodiments, the seal ring 48 is provided on the low-temperature side in addition to the high-temperature side seal ring 22 as in the related art, so that the cylindrical member 12 can directly contact the cylinder. Absent. The combination of the seal rings is not limited to the high-temperature side cap seal or the low-temperature side wear ring. For example, the high-temperature side is a PTFE seal ring, and the low-temperature side is a metal (for example, stainless steel) spring 60 as shown in FIG. May be used as the U-shaped seal ring 62 made of PTFE.
[0033]
Further, in the above embodiment, the wire meshes 40, 52, 54 made of phosphor bronze and the wire meshes 42, 50 made of SUS304 stainless steel are combined, but the material and the number of stitches of the wire mesh are not limited thereto. It is also possible to use a wire net made of other materials such as brass and copper.
[0034]
In the above embodiment, the present invention is applied to the regenerator of the single-stage displacer of the two-stage GM refrigerator. However, the application of the present invention is not limited to this, and the present invention is not limited thereto. It is also possible to apply to a regenerator used for a pulse tube refrigerator or the like.
[0035]
【The invention's effect】
According to the present invention, the refrigerating performance can be improved and the maintenance cycle can be extended by a simple method.
[0036]
The refrigeration performance of the first embodiment is shown by a solid line C in FIG. 3, and the refrigeration performance of the second embodiment is also shown by a solid line D in FIG. In each case, the attained temperature and the heat load performance of the first cooling stage are higher than those of the conventional example (broken line A) shown in FIG. Although the temperature reached by the first cooling stage is higher than that of the conventional example (broken line B) shown in FIG. 2, the performance under a high load is high.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a conventional regenerator used in a single-stage displacer of a two-stage GM refrigerator. FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view of a part II in FIG. 1. FIG. FIG. 4 is a cross-sectional view showing a configuration of a regenerator obtained by comparison. FIG. 4 is a diagram showing comparison of test results using a two-stage GM refrigerator. FIG. 5 is a cross-sectional view showing a configuration of a first embodiment of the present invention. FIG. 6 is an enlarged cross-sectional view of a portion VI in FIG. 5; FIG. 7 is a cross-sectional view showing a configuration of a second embodiment of the present invention; FIG. 8 is an enlarged cross-sectional view showing another example of a seal ring;
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Regenerators 12, 12A, 12B ... Cylindrical members 22, 62 ... Seal ring 48 ... Wear rings 40, 42, 50, 52, 54 ... Wire mesh

Claims

蓄冷材として、目数が異なる複数種の金網が充填されたことを特徴とする蓄冷器。A regenerator characterized by being filled with a plurality of wire meshes having different numbers of meshes as a regenerator material.

熱伝導率が小さい金網が中間にサンドイッチされていることを特徴とする請求項１に記載の蓄冷器。The regenerator according to claim 1, wherein a wire mesh having a small thermal conductivity is sandwiched in the middle.

前記金網の目数が、高温側に少なく、低温側に多くされていることを特徴とする請求項１に記載の蓄冷器。2. The regenerator according to claim 1, wherein the number of meshes of the wire mesh is small on a high temperature side and large on a low temperature side.

前記金網の材質が、ステンレス、黄銅、りん青銅又は丹銅とされていることを特徴とする請求項１に記載の蓄冷器。The regenerator according to claim 1, wherein the material of the wire mesh is stainless steel, brass, phosphor bronze, or bronze.

前記金網のいずれかが圧延処理されていることを特徴とする請求項１に記載の蓄冷器。The regenerator according to claim 1, wherein one of the wire meshes is subjected to a rolling process.

前記金網を収容する筒状部材が、吸水率の小さいＦＲＰ材で形成されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の蓄冷器。The regenerator according to any one of claims 1 to 5, wherein the tubular member that houses the wire mesh is formed of an FRP material having a small water absorption.

請求項１乃至５のいずれかに記載の蓄冷器を含み、
その外表面に複数のシールリングが配設されていることを特徴とするディスプレーサ。Including the regenerator according to any one of claims 1 to 5,
A displacer comprising a plurality of seal rings disposed on an outer surface thereof.

請求項１乃至５のいずれかに記載の蓄冷器又は請求項７に記載のディスプレーサを備えたことを特徴とする極低温冷凍機。A cryogenic refrigerator comprising the regenerator according to claim 1 or the displacer according to claim 7.