JPH0583827B2 - - Google Patents
Info
- Publication number
- JPH0583827B2 JPH0583827B2 JP58142701A JP14270183A JPH0583827B2 JP H0583827 B2 JPH0583827 B2 JP H0583827B2 JP 58142701 A JP58142701 A JP 58142701A JP 14270183 A JP14270183 A JP 14270183A JP H0583827 B2 JPH0583827 B2 JP H0583827B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- refrigerant
- refrigerator
- expansion
- heat exchanger
- regenerator
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Lifetime
Links
- 239000003507 refrigerant Substances 0.000 claims description 103
- 230000006835 compression Effects 0.000 claims description 68
- 238000007906 compression Methods 0.000 claims description 68
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 56
- 238000005057 refrigeration Methods 0.000 claims description 50
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 18
- 239000001307 helium Substances 0.000 description 8
- 229910052734 helium Inorganic materials 0.000 description 8
- SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N helium atom Chemical compound [He] SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 239000000463 material Substances 0.000 description 6
- 239000011232 storage material Substances 0.000 description 6
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 238000007710 freezing Methods 0.000 description 4
- 230000008014 freezing Effects 0.000 description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 description 3
- 239000000498 cooling water Substances 0.000 description 2
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 2
- 229910052754 neon Inorganic materials 0.000 description 2
- GKAOGPIIYCISHV-UHFFFAOYSA-N neon atom Chemical compound [Ne] GKAOGPIIYCISHV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 241000287181 Sturnus vulgaris Species 0.000 description 1
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 1
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 1
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 125000004435 hydrogen atom Chemical class [H]* 0.000 description 1
- 239000002470 thermal conductor Substances 0.000 description 1
Landscapes
- Devices That Are Associated With Refrigeration Equipment (AREA)
- Compression-Type Refrigeration Machines With Reversible Cycles (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
〔発明の対象〕
本発明は、圧縮室、熱交換器、蓄冷器、そして
膨張室より成る主冷凍機（例えば、スターリング
サイクル冷凍機、ギホードマクマホンサイクル冷
凍機、ギホードサイクル冷凍機、ソルベイサイク
ル冷凍機、そしてブルミヤーサイクル冷凍機等
と、圧縮室、熱交換器、蓄冷器、そして膨張室よ
り成る予冷冷凍機（例えば、スターリングサイク
ル冷凍機、ギホードサイクル冷凍機、ソルベイサ
イク冷凍機、そしてブルミヤーサイクル冷凍機
等）とを組合わせ、略6K以下の温度の冷凍を発
生せしめる冷凍装置に関するものである。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Object of the Invention] The present invention relates to a main refrigerator (for example, a Stirling cycle refrigerator, Gifford-McMahon cycle refrigerator, Hoard cycle refrigerators, Solvay cycle refrigerators, Blumyer cycle refrigerators, etc., and pre-cooling refrigerators consisting of a compression chamber, a heat exchanger, a regenerator, and an expansion chamber (for example, Stirling cycle refrigerators, Gifford cycle refrigerators) This relates to a refrigeration system that generates refrigeration at a temperature of approximately 6K or less by combining a number of refrigeration systems, such as a Solvay cycle refrigerator, a Solvay cycle refrigerator, and a Brumier cycle refrigerator.
上記冷凍システムは、ジヨセフソン素子、スキ
ツド素子を常時極低温の状態に維持する冷却装置
あるいは、液体ヘリウムで冷却された超電導磁石
を収納しているクライオスタツトに取り付け、ク
ライオスタツトに侵入する熱によつて蒸発するヘ
リウム蒸気を再び液化し、クライオスタツト内の
ヘリウム蒸気を再び液化せしめ、クライオスタツ
ト内の液体ヘリウムの量を常に一定に保持せしめ
る冷却装置等に利用される。
The above-mentioned refrigeration system is installed in a cooling device that constantly maintains Josephson elements and Skids elements at extremely low temperatures, or in a cryostat that houses superconducting magnets cooled with liquid helium, and is operated by the heat that enters the cryostat. It is used in cooling devices that liquefy evaporated helium vapor again, liquefy the helium vapor inside the cryostat again, and keep the amount of liquid helium inside the cryostat constant at all times.
従来の冷凍装置としては、実公昭43−17026号
の多段式冷却機関に記載された冷凍システムがあ
る。
As a conventional refrigeration system, there is a refrigeration system described in Utility Model Publication No. 17026/1983 entitled "Multi-stage cooling engine".
これを第１図にて説明すれば、次の通りであ
る。即ち、クランクケース２には110Kg／2.5cm2程
度の高圧ヘリウムが封入してあり、該クランクケ
ース２内にはモータ４で駆動されるクランクシヤ
フト３が、設置され、該クランクシヤフト３には
４個所のクランク部があつて、各部には夫々連杆
を介してピストン５，６，７、及び８を設け、各
ピストン５，６，７及び８は前記クランクシヤフ
ト３に対して直角に並設した適宜のシリンダーへ
往復自在に嵌合してある。ピストン５と、これに
組み合わされたシリンダーは二段構えにした冷却
機構のうちの第一段冷却機関（予冷冷凍機）の圧
縮室９を形成し、絶縁性の延長部１０を有するピ
ストン６と、これに組み合わされたシリンダー
は、前記第二段構えの機構のうち第一段の冷却機
関（予冷冷凍機）の膨張室１１を形成している。
そして、このピストン５と６との運動位相関係
は、スターリングサイクル方式特有のものであつ
て、ピストン６がピストン５より90度位相が進む
ようにせしめてある。 This can be explained with reference to FIG. 1 as follows. That is, the crankcase 2 is filled with high-pressure helium of about 110 kg/2.5 cm 2 , and a crankshaft 3 driven by a motor 4 is installed inside the crankcase 2 . There are crank parts at different locations, and each part is provided with pistons 5, 6, 7, and 8 via connecting rods, and each piston 5, 6, 7, and 8 is arranged in parallel at right angles to the crankshaft 3. It is reciprocatably fitted into an appropriate cylinder. The piston 5 and the cylinder combined therewith form a compression chamber 9 of a first-stage cooling engine (pre-cooling refrigerator) in a two-stage cooling mechanism, and the piston 6 and the cylinder having an insulating extension part 10 , and the cylinder combined therewith forms the expansion chamber 11 of the first stage cooling engine (precooling refrigerator) of the second stage mechanism.
The motion phase relationship between the pistons 5 and 6 is unique to the Stirling cycle system, with the piston 6 leading the piston 5 by 90 degrees in phase.
ピストン５と６が交互に行動すると、冷媒は第
一の圧縮室９から第一の膨張室１１へ充たされる
が、該冷媒は第一の熱交換器１２乃至蓄冷器１３
を通り、第一の冷却ヘツド１５の内側へ接しなが
ら第一の導通路１４を経て、前記第一の膨張室１
１に達する。この冷却ヘツドは、熱の良導体で以
て構成されている。このような第一段の冷却機関
（予冷冷凍機）に接続される第２段の冷却機関
（主冷凍機）は、熱絶縁性の延長部１６，１７を
有するピストン７及びピストン８から成り、各ピ
ストンの運動位相は、ピストン８がピストン７よ
り90度位相が進むようにせしめてある。ピストン
７乃至はこれに附設した絶縁性の延長部１６を嵌
め込まれたシリンダー、第二の圧縮室１８を形成
し、ピストン８とこれに接続した延長部１７が嵌
まつたシリンダーは第二の膨張室１９を形成す
る。 When the pistons 5 and 6 act alternately, the refrigerant is filled from the first compression chamber 9 to the first expansion chamber 11, but the refrigerant is filled from the first heat exchanger 12 to the regenerator 13.
The first expansion chamber 1
Reach 1. The cooling head is constructed of a good thermal conductor. A second stage cooling engine (main refrigerator) connected to such a first stage cooling engine (precooling refrigerator) consists of a piston 7 and a piston 8 having thermally insulating extensions 16 and 17, The motion phase of each piston is such that piston 8 is 90 degrees ahead of piston 7 in phase. The cylinder into which the piston 7 or the insulating extension 16 attached thereto is fitted forms a second compression chamber 18, and the cylinder into which the piston 8 and the extension 17 connected thereto are fitted forms a second compression chamber 18. A chamber 19 is formed.
冷媒は、第二の圧縮室１８乃至第二の熱交換器
２０、蓄冷器２１及び第二の導通路２２を経て第
二の膨張室１９の間を交互に作動する。そして、
該第二の導通路２２は、冷却ヘツド２３の一部に
形成されて居り、該ヘツド部において、所望の冷
凍能力を得ることができる。 The refrigerant alternately operates from the second compression chamber 18 to the second expansion chamber 19 via the second heat exchanger 20, the regenerator 21, and the second conduction path 22. and,
The second conduit 22 is formed in a part of the cooling head 23, and a desired refrigeration capacity can be obtained in the head.
叙上のような第１図の構造において注意すべき
点は、熱交換器２０の部分であり、これは前記第
一の冷却ヘツド１５の一部へ熱的関係において、
特に近密なる状態で設置せられ、該熱交換器の前
の圧縮室１８内で冷媒が圧縮され、その圧縮によ
つて発生する熱は、該熱交換器２０の材質を通し
て第一の冷却ヘツド１５へ移行し、この圧縮熱は
該冷却ヘツド１５によつてその温度まで低下せし
めるようにしている点である。 What should be noted in the structure of FIG.
The refrigerant is compressed in the compression chamber 18 in front of the heat exchanger, and the heat generated by the compression passes through the material of the heat exchanger 20 to the first cooling head. 15, and this heat of compression is reduced to that temperature by the cooling head 15.
このような２段カスケードの冷却機では、略
30Kの温度の冷凍を発生し得るが、略6K以下の
温度の冷凍を発生することは出来ないという欠点
がある。
In such a two-stage cascade cooler, approximately
Although it can generate refrigeration at a temperature of 30K, it has the disadvantage that it cannot generate refrigeration at a temperature of approximately 6K or less.
かかる不具合を技術的に分析すると次の通りで
ある。即ち、第１段の冷却機関（予冷冷凍機）
は、常温で運転され（熱交換器１２内の冷媒の温
度が常温、略330Kである。）しかも１段膨張方式
（膨張室が１個）であるので、蓄冷器１３の高温
部と低温部の温度差が大きくなり、蓄冷器１３の
非効率による熱損失を増大し、膨張室１１では、
略90Kの温度の冷凍を発生し、この冷凍によつ
て、第２段の冷却機関の熱交換器２０内の冷媒は
冷却され、熱交換器２０内の冷媒の温度は、略
90Kとなり、第２段の冷却機関も、１段膨張方式
であるので、略6K以下の温度の冷凍を膨張室１
９で得ようとすると、蓄冷器２１の高温側と低温
側の温度差が略84K以上の温度となつて、蓄冷器
２１の非効率による熱損失が増大し、膨張室１９
では、略30Kの温度の冷凍しか発生しなくなる。 A technical analysis of this problem is as follows. That is, the first stage cooling engine (pre-cooling refrigerator)
is operated at room temperature (the temperature of the refrigerant in the heat exchanger 12 is room temperature, approximately 330K) and is a one-stage expansion method (one expansion chamber), so the high temperature and low temperature sections of the regenerator 13 The temperature difference increases, increasing heat loss due to inefficiency of the regenerator 13, and in the expansion chamber 11,
Refrigeration at a temperature of approximately 90K is generated, and by this freezing, the refrigerant in the heat exchanger 20 of the second stage cooling engine is cooled, and the temperature of the refrigerant in the heat exchanger 20 is approximately
90K, and the second stage cooling engine is also a one-stage expansion method, so freezing at a temperature of approximately 6K or less is carried out in the expansion chamber 1.
9, the temperature difference between the high-temperature side and the low-temperature side of the regenerator 21 becomes approximately 84K or more, and heat loss due to inefficiency of the regenerator 21 increases, and the expansion chamber 19
In this case, only freezing at a temperature of approximately 30K will occur.
又、6K以下の温度の冷凍を膨張室で効率良く
得るには、理論的にも実験的にも冷媒の最大圧力
を冷媒の臨界圧力（ヘリウムの場合2.3atm）以
下か、もしくは、冷媒の最大圧力と最小圧力の間
に冷媒の臨界圧力が存在するように最大圧力と最
小圧力を設定しならない、即ち、冷媒の最低圧力
を冷媒の臨界圧力より低くしなければならない
が、クランクケース２内の冷媒の圧力は、略44
Kg／cm2であるので、第２段の冷却機関の冷媒の平
均圧力も略44Kg／cm2となり、6K以下の温度の冷
凍を効率良く得ることは出来ない。 In addition, in order to efficiently obtain refrigeration at temperatures below 6K in the expansion chamber, both theoretically and experimentally, the maximum pressure of the refrigerant must be below the critical pressure of the refrigerant (2.3 atm for helium), or the maximum pressure of the refrigerant must be The maximum and minimum pressures must be set so that the critical pressure of the refrigerant exists between the pressure and the minimum pressure, that is, the minimum pressure of the refrigerant must be lower than the critical pressure of the refrigerant, but the The pressure of the refrigerant is approximately 44
Kg/cm 2 , the average pressure of the refrigerant in the second stage cooling engine is also approximately 44 Kg/cm 2 , making it impossible to efficiently achieve refrigeration at temperatures below 6K.
上述した6K以下の冷凍を効率良く得る冷媒の
圧力について、第２図のＴ−Ｓ線図（温度−エン
トロピー線図）で、例えば冷媒としてヘリウムを
使用した場合について説明する。 The pressure of the refrigerant that efficiently achieves the above-mentioned refrigeration below 6K will be explained using the T-S diagram (temperature-entropy diagram) in FIG. 2, for example, when helium is used as the refrigerant.
a1，a2，a3，a4で示されるサイクルは、最低
圧力4atm（最低圧力が臨界圧力以上の場合）、最
高圧力12atm、圧縮比３、等温膨張行程4.2Kの場
合で、第２段の冷却機に加えられる仕事量は、面
積a1，a2，a3，a4に相当し、膨張室１９で発生
する冷凍量は面積a2，a2′，a3′，a3に相当する。 The cycles indicated by a1, a2, a3, and a4 are for a minimum pressure of 4 atm (when the minimum pressure is greater than the critical pressure), a maximum pressure of 12 atm, a compression ratio of 3, and an isothermal expansion stroke of 4.2 K. The amount of work applied to the expansion chamber 19 corresponds to the areas a1, a2, a3, and a4, and the amount of refrigeration generated in the expansion chamber 19 corresponds to the areas a2, a2', a3', and a3.
b1，b2，b3，b4で示されるサイクルは、最低
圧力1atm（最高圧力と最低圧力の間に臨界圧力が
存在する場合）、最高圧3atm、圧縮比３、等温圧
縮行程10K、等温膨張工程4.2の場合で、第２段
の冷却機に加えられる仕事量は、面積b1，b2，
b3，b4に相当し、膨張室１９で発生する冷凍量
は面積b2，b2′，b3′，b3に相当し、この一部は蓄
冷器２１で使用される。即ち、冷媒が蓄冷器２１
を通つて膨張室１９に流入する時（Ｔ−Ｓ線図上
のb1→b2）の放出する熱量Q12（b1，b2，b2′，b1
の面積に相当する）は、膨張室１９から蓄冷器２
１に流出する時（Ｔ−Ｓ線図上のb3→b4）の吸
収する熱量Q34（b4，b3，b3′，b4′の面積に相当
する）より大きくなつているので、この差分（面
積b1，b2，b2′，b1と面積の熱量は、１サイクル
毎に膨張室１９に流れ込むため、膨張室１９で実
質的に使用出来る冷凍量は、面積b2，b2′，b3′，
b3に面積b1，b2，b2′，b1を加えた面積から面積
b4，b3，b3′，b4′を引いた値に相当する。 The cycles indicated by b1, b2, b3, and b4 have a minimum pressure of 1 atm (if a critical pressure exists between the maximum and minimum pressures), a maximum pressure of 3 atm, a compression ratio of 3, an isothermal compression stroke of 10 K, and an isothermal expansion step of 4.2 In the case of , the amount of work applied to the second stage cooler is the area b1, b2,
b3, b4, and the amount of refrigeration generated in the expansion chamber 19 corresponds to areas b2, b2', b3', b3, a part of which is used in the regenerator 21. That is, the refrigerant is in the regenerator 21
The amount of heat Q12 (b1, b2, b2', b1
) is the area from the expansion chamber 19 to the regenerator 2
This difference (area b1 , b2, b2', b1 flow into the expansion chamber 19 every cycle, so the amount of refrigeration that can actually be used in the expansion chamber 19 is the area b2, b2', b3',
Area obtained by adding area b1, b2, b2′, b1 to b3
It corresponds to the value obtained by subtracting b4, b3, b3′, and b4′.
第２段の冷却機の効率は、膨張室１９で使用出
来る冷凍量を第２段の冷却機に加えた仕事量で割
つた値で示すことが出来る。a1，a2，a3，a4の
サイクルとb1，b2，b3，b4のサイクルを比較す
ると、
a1，a2，a3，a4のサイクルの効率＝面積a2，a2′，a3′
，a3／面積a1，a2，a3，a4≒0.12
b1，b2，b3，．b4のサイクルの効率
面積b2，b2′，b3′，b3−（面積b1，b2，b2′，b1−
面積b4，b3，b3′，b4）／面積b1，b2，b3，b4≒0.24
となり、b1，b2，b3，b4のサイクルの方がa1，
a2，a3，a4のサイクルより、約２倍効率が上ま
わる。即ち、冷媒の最高圧力と最低圧力の間に臨
界圧力が存在するようにせしめたサイクルb1，
b2，b3，b4の方が、冷媒の最低圧力を臨界圧力
より高くせしめたサイクルa1，a2，a3，a4より
効率が良い。 The efficiency of the second stage cooler can be expressed as the amount of refrigeration that can be used in the expansion chamber 19 divided by the amount of work applied to the second stage cooler. Comparing the cycle of a1, a2, a3, a4 with the cycle of b1, b2, b3, b4, the efficiency of the cycle of a1, a2, a3, a4 = area a2, a2′, a3′
, a3/area a1, a2, a3, a4≒0.12 b1, b2, b3,. Cycle efficiency of b4 Area b2, b2′, b3′, b3− (area b1, b2, b2′, b1−
Area b4, b3, b3′, b4)/area b1, b2, b3, b4≒0.24, and the cycle of b1, b2, b3, b4 is better than a1,
It is about twice as efficient as the a2, a3, and a4 cycles. That is, cycle b1 in which a critical pressure exists between the highest and lowest pressures of the refrigerant;
b2, b3, and b4 are more efficient than cycles a1, a2, a3, and a4 in which the minimum pressure of the refrigerant is made higher than the critical pressure.
同様の理由により、冷媒の最高圧力が臨界圧力
以下にせしめた方が、冷媒の最低圧力を臨界圧力
より高くせしめたサイクルより効率が良い。即
ち、主冷凍機の冷媒の最低圧力を冷媒の臨界圧力
より低くすることにより、所要仕事あたり、多量
の熱エネルギーを主冷凍機で吸収することができ
る。 For the same reason, a cycle in which the maximum pressure of the refrigerant is made to be below the critical pressure is more efficient than a cycle in which the minimum pressure of the refrigerant is made to be higher than the critical pressure. That is, by setting the minimum pressure of the refrigerant in the main refrigerator lower than the critical pressure of the refrigerant, the main refrigerator can absorb a large amount of thermal energy per required work.
本発明は、予冷冷凍機を主冷凍機とをカスケー
ドに組合せ、略6K以下の温度の冷凍を効率良く
得ることを技術的課題とする。
The technical problem of the present invention is to combine a pre-cooling refrigerator and a main refrigerator in a cascade to efficiently obtain refrigeration at a temperature of about 6K or less.
上記技術的課題を解決するため講じた第１の技
術的手段は、圧縮室、熱交換器、蓄冷器および膨
張室からなる主冷凍機と、圧縮室、熱交換器、蓄
冷器および膨張室からなる予冷冷凍機とから構成
される冷凍装置において、前記主冷凍機の膨張段
数を２段以上、且つ前記予冷冷凍機の膨張段数を
１段以上にせしめ、前記主冷凍機の冷媒の最低圧
力を冷媒の臨界圧力よりも低くすると共に、前記
予冷冷凍機の冷媒の最低圧力を冷媒の臨界圧力以
上にせしめ、前記主冷凍機の冷媒を前記予冷冷凍
機で冷却するようにしたことである。
The first technical means taken to solve the above technical problem is that the main refrigerator consists of a compression chamber, a heat exchanger, a regenerator, and an expansion chamber; In a refrigeration system comprising a pre-cooling refrigerator, the number of expansion stages of the main refrigerator is set to two or more, and the number of expansion stages of the pre-cooling refrigerator is set to one or more, and the minimum pressure of the refrigerant of the main refrigerator is set to The pressure of the refrigerant is lower than the critical pressure of the refrigerant, and the minimum pressure of the refrigerant of the pre-cooling refrigerator is made to be higher than the critical pressure of the refrigerant, so that the refrigerant of the main refrigerator is cooled by the pre-cooling refrigerator.
また、上記技術的課題を解決するために講じた
第２の技術的手段は、圧縮室、熱交換器、蓄冷器
および膨張室からなる主冷凍機と、圧縮室、熱交
換器、蓄冷器および膨張室からなる予冷冷凍機と
から構成される冷凍装置において、前記主冷凍機
の膨張段数を１段以上、且つ前記予冷冷凍機の膨
張段数を２段以上にせしめ、前記主冷凍機の冷媒
の最低圧力を冷媒の臨界圧力よりも低くすると共
に、前記予冷冷凍機の冷媒の最低圧力を冷媒の臨
界圧力以上にせしめ、前記主冷凍機の冷媒を前記
予冷冷凍機で冷却するようにしたことである。 In addition, the second technical means taken to solve the above technical problem consists of a main refrigerator consisting of a compression chamber, a heat exchanger, a regenerator, and an expansion chamber; In a refrigeration system comprising a pre-cooling refrigerator comprising an expansion chamber, the number of expansion stages of the main refrigerator is one or more, and the number of expansion stages of the pre-cooling refrigerator is two or more, and the refrigerant of the main refrigerator is By making the minimum pressure lower than the critical pressure of the refrigerant and making the minimum pressure of the refrigerant in the precooling refrigerator higher than the critical pressure of the refrigerant, the refrigerant in the main refrigerator is cooled by the precooling refrigerator. be.
上記技術的手段は、次のように作用する。 The above technical means works as follows.
主冷凍機の膨張段数が１段以上、予冷冷凍機の
膨張段数が２段以上の場合（第３図の実施例）に
ついて説明すると、主冷凍機１００の圧縮室１０
１で圧縮ピストン１１０によつて圧縮され昇温し
た冷媒は、熱交換器１０２に流入する。熱交換器
１０２に流入した冷媒の熱は伝熱板１２１を伝わ
つて予冷冷凍機１５０の膨張室１５６で発生した
冷凍によつて吸収される。予冷冷凍機１５０の膨
張段数は２段であるので、膨張室１５６で発生す
る冷凍の温度は略20Kとなり、主冷凍機１００の
熱交換器１０２から蓄冷器１０３に流出する冷媒
の温度も略20Kとなる。その結果、蓄冷器１０３
の高温側と低温側の温度差（略14K）が小さくな
り、蓄冷器１０３の非効率による熱損失が減少し
膨張室１０４で略6K以下の温度の冷凍を発生す
ることが出来る。 To explain the case where the number of expansion stages of the main refrigerator is one or more and the number of expansion stages of the precooling refrigerator is two or more (the embodiment shown in FIG. 3), the compression chamber 10 of the main refrigerator 100
The refrigerant that has been compressed and heated by the compression piston 110 in step 1 flows into the heat exchanger 102 . The heat of the refrigerant flowing into the heat exchanger 102 is transmitted through the heat exchanger plate 121 and absorbed by the refrigeration generated in the expansion chamber 156 of the pre-cooling refrigerator 150. Since the number of expansion stages of the pre-cooling refrigerator 150 is two, the temperature of the refrigeration generated in the expansion chamber 156 is approximately 20K, and the temperature of the refrigerant flowing out from the heat exchanger 102 of the main refrigerator 100 to the regenerator 103 is also approximately 20K. becomes. As a result, the regenerator 103
The temperature difference between the high temperature side and the low temperature side (approximately 14 K) is reduced, heat loss due to inefficiency of the regenerator 103 is reduced, and refrigeration at a temperature of approximately 6 K or less can be generated in the expansion chamber 104.
主冷凍機の膨張段数が２段以上、予冷冷凍機の
膨張室段数が１段以上（第４図の実施例）につい
て説明すると、主冷凍機２００の圧縮室２０１で
圧縮ピストン２１０によつて圧縮され昇温した冷
媒は、熱交換器２０２に流入する。熱交換器２０
２に流入した冷媒の熱は、伝熱板２２１を伝わつ
て予冷冷凍機２５０の膨張室２５４で発生した略
70Kの温度の冷凍によつて冷却され、熱交換器２
０２から蓄冷器２０３に流入する。主冷凍機２０
０の膨張段数は、２段であるので、膨張室２０４
では、略20Kの温度の冷凍を発生している。その
結果、蓄冷器２０５の高温側と低温側の温度差
（略14K）が小さくなり、膨張室２０６で略6K以
下の冷凍を発生することが出来る。 To explain the case where the main refrigerator has two or more expansion stages and the pre-cooling refrigerator has one or more expansion chamber stages (the embodiment shown in FIG. 4), compression is performed in the compression chamber 201 of the main refrigerator 200 by the compression piston 210. The heated refrigerant flows into the heat exchanger 202. heat exchanger 20
The heat of the refrigerant flowing into the pre-cooling refrigerator 250 is transmitted through the heat transfer plate 221 and generated in the expansion chamber 254 of the pre-cooling refrigerator 250.
Cooled by refrigeration at a temperature of 70K, heat exchanger 2
02 into the regenerator 203. Main refrigerator 20
Since the number of expansion stages of 0 is 2 stages, the expansion chamber 204
In this case, freezing occurs at a temperature of approximately 20K. As a result, the temperature difference (approximately 14 K) between the high temperature side and the low temperature side of the regenerator 205 becomes small, and refrigeration at approximately 6 K or less can be generated in the expansion chamber 206.
主冷凍機１００，２００と予冷冷凍機１５０，
２５０とは、伝熱板１２１，２２１を介し熱的に
接触しているだけで、主冷凍機１００，２００と
予冷冷凍機１５０，２５０の冷媒の圧力は各各の
独立に設定出来る。すなわち、主冷凍機１００，
２００には膨張室１０４，２０６で略6K以下の
温度の冷凍を効率良く発生する低い圧力（即ち、
冷媒の最高圧力を冷媒の臨界圧力以下、もしく
は、最高圧力と最低圧力の間に冷媒の臨界圧力が
存在するように冷媒の圧力を設定する。）の冷媒
を主冷凍機１００，２００に封入することが出
来、一方、予冷冷凍機１５０，２５０の膨張室１
５４，１５６，２５４で冷媒が発生する冷凍の温
度は、6Kより十分高い温度（例えば、略20K、
あるいは略70K）であるので、冷媒は比較的理想
気体に近づくという理由により、冷媒の最低圧力
を冷媒の臨界圧力以上にせしめ、膨張室１５４，
１５６，２５４に流出入する冷媒量を増大させ、
膨張室１５４，１５６，２５４で効率良く冷凍を
発生させることが出来る。 Main refrigerator 100, 200 and pre-cooling refrigerator 150,
The refrigerant pressures of the main refrigerators 100, 200 and the pre-cooling refrigerators 150, 250 can be set independently. That is, the main refrigerator 100,
200 has a low pressure (i.e.,
The pressure of the refrigerant is set so that the maximum pressure of the refrigerant is below the critical pressure of the refrigerant, or so that the critical pressure of the refrigerant exists between the maximum pressure and the minimum pressure. ) can be sealed in the main refrigerator 100, 200, while the expansion chamber 1 of the pre-cooling refrigerator 150, 250
The refrigeration temperature at which the refrigerant is generated at 54, 156, and 254 is sufficiently higher than 6K (for example, about 20K,
or about 70K), the refrigerant is relatively close to an ideal gas, so the minimum pressure of the refrigerant is made to be higher than the critical pressure of the refrigerant, and the expansion chamber 154,
Increasing the amount of refrigerant flowing in and out of 156 and 254,
Refrigeration can be efficiently generated in the expansion chambers 154, 156, and 254.
本発明は、次の特有の効果を生じる。すなわち
主冷凍機１００，２００と予冷冷凍機１５０，２
５０は、各々少なくとも１台以上あれば良いので
冷凍装置の構成が簡単になり、その結果、冷凍装
置の信頼性が著しく向上する上、また重量も軽減
でき、冷凍機の占有体積も減少する。
The present invention produces the following unique effects. That is, the main refrigerator 100, 200 and the pre-cooling refrigerator 150, 2
Since at least one refrigeration unit 50 is required, the configuration of the refrigeration system is simplified, and as a result, the reliability of the refrigeration system is significantly improved, and the weight and volume occupied by the refrigeration system are also reduced.
主冷凍機１００，２００の冷媒の最高圧力をれ
臨界圧力以下、もしくは、最高圧力と最低圧力の
間に冷媒の臨界圧力が存在するようにせしめてあ
るので、冷媒の圧力は低く、圧縮室１０１，２０
１、膨張室１０４，２０４の冷媒の気密を保持し
ているピストンリング１０７，１０８，２０７，
２０８に作用する面圧が減少し、ピストンリング
１０７，１０８，２０７，２０８の摩耗量も減少
する。その結果、主冷凍機１００，２００の寿命
が増大する。 Since the maximum pressure of the refrigerant in the main refrigerators 100 and 200 is set to be below the critical pressure, or the critical pressure of the refrigerant exists between the maximum pressure and the minimum pressure, the pressure of the refrigerant is low, and the compression chamber 101 ,20
1. Piston rings 107, 108, 207 that keep the refrigerant in the expansion chambers 104, 204 airtight;
The surface pressure acting on the piston rings 208 is reduced, and the amount of wear on the piston rings 107, 108, 207, 208 is also reduced. As a result, the life of the main refrigerator 100, 200 is increased.
主冷凍機１００，２００の冷媒が圧縮される時
に発生する熱は、比較的高い圧力（冷媒の最小圧
力が冷媒の臨界圧力以上）が充填されている予冷
冷凍機１５０，２５０の膨張室１５６，２５４内
で効率良く発生されている冷凍によつて冷却され
るので、主冷凍機１００，２００の膨張室１０
４，２０４，２０６の冷凍量が小さくても、短時
間で膨張室１０４，２０４，２０６の冷媒の温度
は、定常状態に達する。 The heat generated when the refrigerant in the main refrigerator 100, 200 is compressed is transferred to the expansion chamber 156 of the pre-cooling refrigerator 150, 250, which is filled with relatively high pressure (the minimum pressure of the refrigerant is equal to or higher than the critical pressure of the refrigerant). 254, the expansion chamber 10 of the main refrigerator 100, 200
Even if the amount of refrigeration in the expansion chambers 104, 204, 206 is small, the temperature of the refrigerant in the expansion chambers 104, 204, 206 reaches a steady state in a short time.
前記技術手段の一具体例を示す実施例について
第３図及び第４図を用いて説明する。
An embodiment showing a specific example of the technical means will be described with reference to FIGS. 3 and 4.
第３図は、主冷凍機１００の膨張段数が１段
で、予冷冷凍機１５０の膨張段数が２段の実施例
である。すなわち圧縮シリンダー１０９、圧縮ピ
ストン１１０、ピストンリング１０７から形成さ
れた圧縮室１０１は、順次、熱交換器１０２、蓄
冷器１０３の一端に連通しており、蓄冷器１０３
の他端は、膨張シリンダー１１１、膨張ピストン
１１２、ピストンリング１０８から形成された膨
張室１０４に連通せしめてあり、圧縮ピストン１
１０と膨張ピストン１１２は、それぞれロツド１
１３，１１４に固着しており、ロツド１１３，１
１４は図示していない駆動機構（例えば、クラン
ク機構に接続され、膨張ピストン１１２の動き
が、圧縮ピストン１１０の動きより略90度位相が
進むようにせしめ、圧縮シリンダー１０９、膨張
シリンダー１１１は、図示していない駆動機構の
ケースに固着してある。この様にして主冷凍機１
００が構成されている。 FIG. 3 shows an embodiment in which the main refrigerator 100 has one expansion stage and the pre-cooling refrigerator 150 has two expansion stages. That is, a compression chamber 101 formed by a compression cylinder 109, a compression piston 110, and a piston ring 107 is sequentially connected to a heat exchanger 102 and one end of a regenerator 103.
The other end communicates with an expansion chamber 104 formed by an expansion cylinder 111, an expansion piston 112, and a piston ring 108, and the compression piston 1
10 and the expansion piston 112 are respectively connected to the rod 1
13,114, and the rod 113,1
Reference numeral 14 is connected to a drive mechanism (for example, a crank mechanism, not shown) so that the movement of the expansion piston 112 is approximately 90 degrees ahead of the movement of the compression piston 110. It is fixed to the case of the drive mechanism (not shown).In this way, the main refrigerator 1
00 is configured.
圧縮シリンダー１５７、圧縮ピストン１５８、
ピストンリング１５９から形成された圧縮室１５
１は、順次、熱交換器１５２、蓄冷器１５３の一
端に連通しており、蓄冷器１５３の他端は、膨張
シリンダー１６０、膨張ピストン１６１、ピスト
ンリング１６２，１６３から形成された膨張室１
５４に連通せしめてあり、膨張室１５４は、蓄冷
器１５５の一端に連通され、蓄冷器１５３の他端
は、膨張シリンダー１６０、膨張ピストン１６
１、ピストンリング１６３から形成される膨張室
１５６に連通せしめてあり、圧縮ピストン１５
８、膨張ピストン１６１には、それぞれロツド１
６４，１６５が固着され、図示していない駆動機
構（例えばクランク機構等）に接続せしめてあ
り、膨張ピストン１６１の動きの方が圧縮ピスト
ン１５８の動きより略90度位相が進むようにして
あり、圧縮シリンダー１５７、膨張シリンダー１
６０は、図示していない駆動機構のケースに固着
せしめてある。この様にして予冷冷凍機１５０が
構成されている。 compression cylinder 157, compression piston 158,
Compression chamber 15 formed from piston ring 159
1 is sequentially connected to one end of a heat exchanger 152 and a regenerator 153, and the other end of the regenerator 153 is an expansion chamber 1 formed of an expansion cylinder 160, an expansion piston 161, and piston rings 162, 163.
The expansion chamber 154 is connected to one end of the regenerator 155, and the other end of the regenerator 153 is connected to the expansion cylinder 160 and the expansion piston 16.
1. It communicates with the expansion chamber 156 formed by the piston ring 163, and the compression piston 15
8. Each expansion piston 161 has a rod 1.
64 and 165 are fixed and connected to a drive mechanism (for example, a crank mechanism, etc.) not shown, so that the movement of the expansion piston 161 is approximately 90 degrees ahead of the movement of the compression piston 158, and the compression cylinder 157, expansion cylinder 1
60 is fixed to a case of a drive mechanism (not shown). The pre-cooling refrigerator 150 is configured in this way.
予冷冷凍機１５０の膨張室１５６と主冷凍機１
１０の熱交換器１０２とは、伝熱板１２１を介し
熱的に導通するようにせしめてあり、同様に膨張
室１５６と膨張シリンダー１１１の中央下部も伝
熱板１２１を介し熱的に導通され、伝熱板１２１
の下面には、ふく射シールドケース１２２が固着
せしめてある。予冷冷凍機１５０の膨張室１５４
と主冷凍機１００の圧縮シリンダー１０９の中央
部と膨張シリンダー１１１の中央上部は、伝熱板
１２３を介し熱的に導通せしめ、伝熱板１２３の
下面には、ふく射シールドケース１２４が固着し
てある。熱交換器１５２の下部、圧縮シリンダー
１６０の中央部、圧縮シリンダー１０９の上部、
膨張シリンダー１１１の上部には、真空プレート
１２５が気密に固着され、真空プレート１２５の
下面には真空ケース１２６が固着せしめてあり、
Ｏリング１２７で真空空間１２３が真空を保持出
来るようにせしめてある。 Expansion chamber 156 of pre-cooling refrigerator 150 and main refrigerator 1
The heat exchanger 102 of No. 10 is thermally connected to the heat exchanger 102 via the heat transfer plate 121, and similarly, the expansion chamber 156 and the central lower part of the expansion cylinder 111 are also thermally connected to each other via the heat transfer plate 121. , heat transfer plate 121
A radiation shield case 122 is fixed to the lower surface of the . Expansion chamber 154 of pre-cooling refrigerator 150
The central part of the compression cylinder 109 and the central upper part of the expansion cylinder 111 of the main refrigerator 100 are thermally connected through a heat transfer plate 123, and a radiation shield case 124 is fixed to the bottom surface of the heat transfer plate 123. be. The lower part of the heat exchanger 152, the center part of the compression cylinder 160, the upper part of the compression cylinder 109,
A vacuum plate 125 is airtightly fixed to the upper part of the expansion cylinder 111, and a vacuum case 126 is fixed to the lower surface of the vacuum plate 125.
An O-ring 127 allows the vacuum space 123 to maintain a vacuum.
このため、圧縮室１０１で圧縮ピストン１１０
によつて圧縮され昇温した冷媒は熱交換器１０２
に流入する。熱交換器１０２に流入した冷媒は、
伝熱板１２１を伝わつて予冷冷凍機１５０の膨張
室１５６で発生した略20Kの温度の冷凍によつて
冷却される。その結果、熱交換器１０２内の冷媒
は、略20Kになつて熱交換器１０２から蓄冷器１
０３に流入し、蓄冷器１０３内の蓄冷材によつ
て、さらに冷却され、膨張室１０４に流入する。
膨張室１０４で膨張し終つた冷媒は膨張ピストン
１１２の上方向への移動によつて膨張され、略
6K以下の温度の冷凍を発生する。膨張ピストン
１１２の下方向への移動によつて膨張室１０４内
の冷媒は、蓄冷器１０３に流入し、そこで蓄冷材
によつて温められ、熱交換器１０２を通つて圧縮
室１０１に流入し、一行程を終了する。 For this reason, the compression piston 110 in the compression chamber 101
The refrigerant compressed and heated by the heat exchanger 102
flows into. The refrigerant that has flowed into the heat exchanger 102 is
It is cooled by the refrigeration at a temperature of approximately 20K generated in the expansion chamber 156 of the pre-cooling refrigerator 150 through the heat exchanger plate 121. As a result, the refrigerant in the heat exchanger 102 becomes approximately 20K and flows from the heat exchanger 102 to the regenerator 1.
03, is further cooled by the cool storage material in the cool storage device 103, and flows into the expansion chamber 104.
The refrigerant that has finished expanding in the expansion chamber 104 is expanded by the upward movement of the expansion piston 112, and is approximately
Generates refrigeration at temperatures below 6K. Due to the downward movement of the expansion piston 112, the refrigerant in the expansion chamber 104 flows into the regenerator 103, where it is warmed by the regenerator material, and flows into the compression chamber 101 through the heat exchanger 102, Finish one step.
次に、予冷冷凍機１５０について説明する。圧
縮室１５１で圧縮ピストン１５８によつて圧縮さ
れ昇温した冷媒は、熱交換器１５２に流入する
と、冷却水等の寒剤で冷却され、略300Kとなつ
て蓄冷器１５３に流入し、そこで蓄冷材によつて
さらに冷却され、低い温度となつて膨張室１５４
に流入する。膨張室１５４に流入した冷媒のうち
一部は、蓄冷器１５５に流入して、そこで蓄冷器
１５５よつて冷却され、さらに低い温度となつ
て、膨張室１５６に流入する。膨張室１５４，１
５６に流入した冷媒は、膨張ピストン１６１の上
方向への移動によつて膨張し、膨張室１５４，１
５６でそれぞれ略70K、略20Kの冷凍を発生す
る。膨張室１５４，１５６で膨張し終つた冷媒
は、膨張ピストン１６１の下方向への移動によつ
て、膨張室１５４内の冷媒は、蓄冷器１５３に流
入し、膨張室１５６の冷媒は、蓄冷器１５５に流
入し、そこで蓄冷材によつて温められ、膨張室１
５４を通つて蓄冷器１５３に流入する。蓄冷器１
５３に流入した冷媒は、そこで蓄冷材によつて温
度められ、熱交換器１５２を通つて圧縮室１５１
に流入し、一行程を完了する。 Next, the precooling refrigerator 150 will be explained. The refrigerant, which has been compressed and heated by the compression piston 158 in the compression chamber 151, flows into the heat exchanger 152, where it is cooled by a cryogen such as cooling water, becomes approximately 300K, and flows into the regenerator 153, where the refrigerant cools. The expansion chamber 154 is further cooled down to a low temperature by
flows into. A portion of the refrigerant that has flowed into the expansion chamber 154 flows into the regenerator 155, where it is cooled by the regenerator 155, becomes lower in temperature, and then flows into the expansion chamber 156. Expansion chamber 154,1
The refrigerant flowing into the expansion chambers 154 and 156 is expanded by the upward movement of the expansion piston 161.
56 generates refrigeration of approximately 70K and approximately 20K, respectively. The refrigerant that has finished expanding in the expansion chambers 154 and 156 flows into the regenerator 153 due to the downward movement of the expansion piston 161, and the refrigerant in the expansion chamber 156 flows into the regenerator 153. 155, where it is heated by the cold storage material and expands into the expansion chamber 1.
54 and flows into the regenerator 153. Cool storage device 1
The refrigerant flowing into the refrigerant 53 is heated by the cold storage material there, and passes through the heat exchanger 152 to the compression chamber 151.
flow into the flow and complete the process.
圧縮シリンダー１０９、膨張シリンダー１１１
の常温部より侵入する熱は、伝熱板１２３を伝わ
つて予冷冷凍機１５０の膨張室１５４内で発生し
ている冷凍によつて吸収される。又、真空プレー
ト１２５、真空ケース１２６より、伝熱板１２
３、ふく射シールドケース１２２に侵入するふく
射熱も伝熱板１２３を伝わつて予冷冷凍機１５０
の膨張室１５４で発生した冷凍によつて吸収され
る。 Compression cylinder 109, expansion cylinder 111
The heat that enters from the normal temperature part is transmitted through the heat exchanger plate 123 and absorbed by the refrigeration generated in the expansion chamber 154 of the precooling refrigerator 150. Also, from the vacuum plate 125 and the vacuum case 126, the heat transfer plate 12
3. The radiation heat that enters the radiation shield case 122 is also transmitted through the heat transfer plate 123 to the precooling refrigerator 150
is absorbed by the refrigeration generated in the expansion chamber 154.
膨張シリンダー１１１の略70Kの温度の部分よ
り侵入する熱は、伝熱板１２１を伝わつて予冷冷
凍機１５６内で発生している冷凍によつて吸収さ
れる。又、ふく射シールドケース１２４、伝熱板
１２３より伝熱板１２１、ふく射シールドケース
１２２に侵入するふく射熱も、伝熱板１２１を伝
わつて予冷冷凍機１５０の膨張室１５６で発生し
ている冷凍によつて吸収される。 The heat that enters from the portion of the expansion cylinder 111 at a temperature of about 70 K is transmitted through the heat exchanger plate 121 and absorbed by the refrigeration generated in the precooling refrigerator 156. In addition, radiation heat that enters the heat exchanger plate 121 and the radiation shield case 122 from the radiation shield case 124 and the heat exchanger plate 123 is also transmitted through the heat exchanger plate 121 and is absorbed by the refrigeration generated in the expansion chamber 156 of the pre-cooling refrigerator 150. It gets absorbed.
第４図は、主冷凍機２００の膨張段数が２段
で、予冷冷凍機２５０の膨張段数が１段の実施例
である。圧縮シリンダー２０９、圧縮ピストン２
１０、ピストン２０７から形成された圧縮空間２
０１は、順次、熱交換器２０２、蓄冷器２０３の
一端に連通しており、蓄冷器２０３の他端は、膨
張シリンダー２１１、膨張ピストン２１２、ピス
トンリング２０８，２１３から形成される膨張室
２０４と蓄冷器２０５の一端に連通せしめてあ
り、蓄冷器２０５の他端は、膨張シリンダー２１
１、膨張ピストン２１２、ピストンリング２１３
より形成される膨張室２０６に連通しており、圧
縮ピストン２１０、膨張ピストン２１２は、それ
ぞれロツド２１３，２１４が固着せしめてあり、
ロツド２１３，２１４は、図示していない駆動機
構（例えばクランク機構等）に接続してあり、膨
張ピストン２１２の動きの方が圧縮ピストン２１
０の動きより略90度位相が進むようにせしめ、圧
縮シリンダー２０９、膨張シリンダー２１１は、
図示していない駆動機構のケースに固着してい
る。この様にして、主冷凍機２００が構成されて
いる。 FIG. 4 shows an embodiment in which the main refrigerator 200 has two expansion stages and the pre-cooling refrigerator 250 has one expansion stage. Compression cylinder 209, compression piston 2
10. Compression space 2 formed from piston 207
01 is sequentially connected to one end of a heat exchanger 202 and a regenerator 203, and the other end of the regenerator 203 is connected to an expansion chamber 204 formed by an expansion cylinder 211, an expansion piston 212, and piston rings 208, 213. It is connected to one end of the regenerator 205, and the other end of the regenerator 205 is connected to the expansion cylinder 21.
1. Expansion piston 212, piston ring 213
The compression piston 210 and the expansion piston 212 have rods 213 and 214 fixed thereto, respectively.
The rods 213 and 214 are connected to a drive mechanism (for example, a crank mechanism, etc.) not shown, and the movement of the expansion piston 212 is greater than that of the compression piston 21.
The compression cylinder 209 and the expansion cylinder 211 are caused to advance in phase by approximately 90 degrees from the zero movement.
It is fixed to the case of the drive mechanism (not shown). In this way, the main refrigerator 200 is configured.
圧縮シリンダー２５５、圧縮ピストン２５６、
ピストンリング２５７から形成される圧縮室２５
１は、順次、熱交換器２５２、蓄冷器２５３の一
端に連通しており、蓄冷器２５３の他端は、膨張
シリンダー２５８、膨張ピストン２５９、ピスト
ンリング２６０から形成される膨張ピストン２５
４に連通せしめてあり、圧縮ピストン２５６、膨
張ピストン２５９には、それぞれロツド２６１，
２６２が固着してあり、ロツド２６１，２６２
は、図示していない駆動機構（例えば、クランク
機構等）に接続され、膨張ピストン２５９の動き
が圧縮ピストン２５６の動きより略90度位相が進
むようにせしめ、圧縮シリンダー２５５、膨張シ
リンダー２５８は、図示していない駆動機構のケ
ースに固着している。このようにして予冷冷凍機
２５０が構成されている。 compression cylinder 255, compression piston 256,
Compression chamber 25 formed by piston ring 257
1 is sequentially connected to one end of a heat exchanger 252 and a regenerator 253, and the other end of the regenerator 253 is an expansion piston 25 formed of an expansion cylinder 258, an expansion piston 259, and a piston ring 260.
4, and the compression piston 256 and expansion piston 259 are connected to rods 261 and 259, respectively.
262 is fixed, rods 261, 262
is connected to a drive mechanism (for example, a crank mechanism, etc.) not shown, so that the movement of the expansion piston 259 is approximately 90 degrees ahead of the movement of the compression piston 256, and the compression cylinder 255 and the expansion cylinder 258 are It is fixed to the case of the drive mechanism (not shown). The precooling refrigerator 250 is configured in this way.
予冷冷凍機２５０の膨張室２５４と主冷凍機２
００の熱交換器２０２とは、伝熱板２２１を介
し、熱的に導通するようにせしめてあり、同様に
膨張室２５４と膨張シリンダー２１１の中央部
は、伝熱板２１２を介し熱的に導通している。伝
熱板２１の下面には、ふく射シールドケース２２
２が固着せしめてある。膨張シリンダー２１１の
膨張室２０４の近傍部には、ふく射シールド板２
２３が固着せしめてあり、ふく射シールド板２２
３の下面には、ふく射シールドケース２２４が固
着せしめてある。熱交換器２５２の下部、膨張シ
リンダー２５８の中央部、圧縮シリンダー２０９
の中央部、膨張シリンダー２１１の上方部には、
真空プレート２２５が気密に固着せしめてあり、
真空プレート２２５の下面には、真空ケース２２
６が固着しており、Ｏリング２２７で真空空間２
２８が真空を保持出来るようにせしめてある。 Expansion chamber 254 of pre-cooling refrigerator 250 and main refrigerator 2
The heat exchanger 202 of No. 00 is thermally connected to the heat exchanger 202 through the heat exchanger plate 221, and similarly, the expansion chamber 254 and the center part of the expansion cylinder 211 are thermally connected through the heat exchanger plate 212. Conductive. A radiation shield case 22 is provided on the bottom surface of the heat exchanger plate 21.
2 is fixed. A radiation shield plate 2 is provided near the expansion chamber 204 of the expansion cylinder 211.
23 is fixed, and the radiation shield plate 22
A radiation shield case 224 is fixed to the lower surface of 3. Lower part of heat exchanger 252, center part of expansion cylinder 258, compression cylinder 209
In the center part of the expansion cylinder 211,
A vacuum plate 225 is hermetically fixed,
A vacuum case 22 is provided on the bottom surface of the vacuum plate 225.
6 is fixed, and the O-ring 227 closes the vacuum space 2.
28 is made to be able to maintain a vacuum.
このため、圧縮室２０１で圧縮ピストン２１０
によつて圧縮され昇温した冷媒は、熱交換器２０
２に流入する。熱交換器２０２に流入した冷媒の
熱は、伝熱板２２１を伝わつて予冷冷凍機２５０
の膨張室２５４で発生した略70Kの温度の冷媒に
よつて冷却される。その結果、熱交換器２０２な
いの冷媒は、略70Kとなつて熱交換器２０２から
蓄冷器２０３に流入すると、そこで蓄冷材によつ
てさらに冷却され、低い温度になつて膨張室２０
４と蓄冷器２０５に流入する。蓄冷器２０５に流
入した冷媒は、そこで蓄冷材によつてさらに低い
温度に冷却され、膨張室２０６に流入する。膨張
室２０４，２０６に流入した冷媒は、膨張ピスト
ン２１２の上方向への移動によつて、膨張され、
各々略20Kに、略6K以下の温度の冷凍を発生す
る。膨張室２０４，２０６で膨張し終つた冷媒
は、膨張ピストン２１２の下方向への移動によつ
て、膨張室２０４の冷媒は蓄冷器２０３に流入
し、膨張室２０６の冷媒は蓄冷器２０５に流入
し、そこで蓄冷材によつて温められ、蓄冷器２０
３に流入する。蓄冷器２０３に流入した冷媒は、
蓄冷材によつて温められ、熱交換器２０２を通つ
て圧縮室２０１に流入し、一行程を完了する。 For this reason, the compression piston 210 in the compression chamber 201
The refrigerant compressed and heated by the heat exchanger 20
2. The heat of the refrigerant that has flowed into the heat exchanger 202 is transmitted through the heat exchanger plate 221 to the precooling refrigerator 250.
It is cooled by a refrigerant generated in the expansion chamber 254 at a temperature of approximately 70K. As a result, the refrigerant in the heat exchanger 202 becomes approximately 70K and flows from the heat exchanger 202 into the regenerator 203, where it is further cooled by the regenerator material, becomes lower in temperature, and enters the expansion chamber 203.
4 and flows into the regenerator 205. The refrigerant that has flowed into the regenerator 205 is further cooled to a lower temperature by the regenerator material, and then flows into the expansion chamber 206 . The refrigerant that has flowed into the expansion chambers 204 and 206 is expanded by the upward movement of the expansion piston 212.
Each generates refrigeration at a temperature of about 20K and below about 6K. After the refrigerant has expanded in the expansion chambers 204 and 206, the expansion piston 212 moves downward, so that the refrigerant in the expansion chamber 204 flows into the regenerator 203, and the refrigerant in the expansion chamber 206 flows into the regenerator 205. There, it is heated by the cold storage material, and the cold storage material 20
3. The refrigerant that has flowed into the regenerator 203 is
It is heated by the cold storage material, flows into the compression chamber 201 through the heat exchanger 202, and completes one stroke.
次に、予冷冷凍機２５０について説明する。圧
縮室２５１で圧縮ピストン２５６によつて圧縮さ
れ昇温した冷媒は、熱交換器２５２に流入する
と、冷却水等の寒剤で冷却され略300Kとなつて
蓄冷器２５３に流入し、そこで蓄冷材によつてさ
らに低い温度に冷却され、膨張室２５４に流入す
ると、膨張ピストン２５９の上方向への移動によ
つて、膨張室２５４内の冷媒は膨張され、略70K
の温度の冷凍を発生する。膨張室２５４内で膨張
し終わつた冷媒は、膨張ピストン２５９の下方向
への移動によつて、蓄冷器２５３に流入し、こで
蓄冷材によつて温められ、熱交換器２５２を通つ
て圧縮室２５１に流入し、一行程を完了する。 Next, the precooling refrigerator 250 will be explained. The refrigerant, which has been compressed and heated by the compression piston 256 in the compression chamber 251, flows into the heat exchanger 252, where it is cooled by a cryogen such as cooling water, becomes approximately 300K, and flows into the regenerator 253, where it becomes a regenerator material. When the refrigerant is cooled to a lower temperature and flows into the expansion chamber 254, the upward movement of the expansion piston 259 causes the refrigerant in the expansion chamber 254 to expand to a temperature of about 70K.
Temperatures of refrigeration occur. The refrigerant that has finished expanding in the expansion chamber 254 flows into the regenerator 253 by the downward movement of the expansion piston 259, where it is warmed by the regenerator material, and is compressed through the heat exchanger 252. It flows into chamber 251 and completes one stroke.
膨張シリンダー２１１の常温部より侵入する熱
は、伝熱板２２１を伝わつて予冷冷凍機２５０の
膨張室２５４内で発生している冷凍によつて吸収
される。又、真空プレート２２５、真空ケース２
２６より、伝熱板２２１とふく射シールドケース
２２２に侵入するふく射熱は、伝熱板を伝わつて
予冷冷凍機２５０の膨張室２５４で発生した冷凍
によつて吸収される。伝熱板２２１、ふく射シー
ルドケース２２２より、ふく射シールド板２２
３、ふく射シールドケース２２４に侵入するふく
射熱は、ふく射シールド板２２３を伝わつて、主
冷凍機２００の膨張室２０４で発生した冷凍によ
つて吸収される。 The heat that enters from the normal temperature portion of the expansion cylinder 211 is transmitted through the heat exchanger plate 221 and absorbed by the refrigeration occurring within the expansion chamber 254 of the pre-cooling refrigerator 250. In addition, the vacuum plate 225 and the vacuum case 2
26, the radiation heat that enters the heat transfer plate 221 and the radiation shield case 222 is transmitted through the heat transfer plate and absorbed by the refrigeration generated in the expansion chamber 254 of the pre-cooling refrigerator 250. From the heat transfer plate 221 and the radiation shield case 222, the radiation shield plate 22
3. The radiation heat that enters the radiation shield case 224 is transmitted through the radiation shield plate 223 and absorbed by the refrigeration generated in the expansion chamber 204 of the main refrigerator 200.
尚、第３図と第４図の実施例は、主冷凍機１０
０，２００、予冷冷凍機１５０，２５０ともスタ
ーリングサイクル冷凍機の場合について説明した
が、主冷凍機、予冷冷凍機とも他の冷凍機、例え
ばギホードマクマホンサイクル冷凍機、ギホード
サイクル冷凍機、ソルベイサイクル冷凍機、ブル
ミヤーサイクル冷凍機等でも良い。 In the embodiments shown in FIGS. 3 and 4, the main refrigerator 10
0,200, precooling refrigerator 150, 250 are both Stirling cycle refrigerators, but both the main refrigerator and precooling refrigerator can be used with other refrigerators, such as Gifford McMahon cycle refrigerator, Gifford cycle refrigerator, Solvay A cycle refrigerator, Brummyer cycle refrigerator, etc. may also be used.
第５図は本発明に関する他の実施例である。す
なわち、予冷冷凍機３５０の膨張室３５４を蓄冷
器３５５の一端に連通させ、蓄冷器３５５の他端
を導管３６６の一端に連通せしめ、導管３６６の
中央部は、主冷凍機３００の熱交換器３０２を通
つて、膨張室３５９に連通している。他の構成
は、第３図の実施例と同様であるので、説明を省
略する。予冷冷凍機３５０の導管３６６を流れる
低い温度の冷媒は、主冷凍機３００の圧縮室３０
１で圧縮、昇温され、熱交換器３０２に流れ込ん
だ冷媒を冷却する。他の作用も第３図の実施冷凍
機と同様であるので説明を省略する。
FIG. 5 shows another embodiment of the present invention. That is, the expansion chamber 354 of the pre-cooling refrigerator 350 is communicated with one end of the regenerator 355, the other end of the regenerator 355 is communicated with one end of the conduit 366, and the center portion of the conduit 366 is connected to the heat exchanger of the main refrigerator 300. It communicates with the expansion chamber 359 through 302 . The other configurations are the same as those of the embodiment shown in FIG. 3, so their explanation will be omitted. The low temperature refrigerant flowing through the conduit 366 of the pre-cooling refrigerator 350 is transferred to the compression chamber 30 of the main refrigerator 300.
The refrigerant that has been compressed and heated in step 1 and has flowed into the heat exchanger 302 is cooled. Other functions are also similar to the refrigerator shown in FIG. 3, so explanation thereof will be omitted.
第６スターリングは、本発明に関する他の実施
例である。すなわち、予冷冷凍機４５０の膨張室
４５６を形成している膨張シリンダー４６０のシ
リンダーヘツド４６０ａに閉じた回路を構成して
いる導管４６６を熱的に固着せしめ、導管４６６
の一部を主冷凍機４００の熱交換器４０２内を通
るようにし、導管４６６内に寒剤（例えば、ネオ
ン、水素等）を充填し、シリンダーヘツド４６０
ａを熱交換器４０２よりも高い位置に設ける。他
の構成は、第３図と同様であるので説明を省略す
る。
The 6th Starling is another embodiment of the present invention. That is, the conduit 466 constituting a closed circuit is thermally fixed to the cylinder head 460a of the expansion cylinder 460 forming the expansion chamber 456 of the pre-cooling refrigerator 450.
A part of the cylinder head 460 is passed through the heat exchanger 402 of the main refrigerator 400, and a cryogen (for example, neon, hydrogen, etc.) is filled in the conduit 466.
a is provided at a higher position than the heat exchanger 402. The other configurations are the same as those shown in FIG. 3, so their explanation will be omitted.
予冷冷凍機４５０の膨張室４５６で発生した冷
凍によつて、シリンダーヘツド４６０ａの近傍の
導管４６６内の寒剤は、液化し、重力の作用によ
つて熱交換器４０２内の導管４６６に流れそこで
主冷凍機４００の圧縮室４０１で圧縮、昇温さ
れ、熱交換器４０２に流れ込んだ冷媒を冷却する
と、寒剤は、再び気体となつて、シリンダーヘツ
ド４６０ａの近傍の導管４６６内にもどる。他の
作用は第３図と同様であるので説明を省略する。 Due to the refrigeration occurring in the expansion chamber 456 of the precooler 450, the refrigerant in the conduit 466 in the vicinity of the cylinder head 460a liquefies and flows under the action of gravity to the conduit 466 in the heat exchanger 402 where it is When the refrigerant that is compressed and heated in the compression chamber 401 of the refrigerator 400 and flows into the heat exchanger 402 is cooled, the refrigerant becomes a gas again and returns to the conduit 466 near the cylinder head 460a. Other operations are the same as those shown in FIG. 3, so their explanation will be omitted.
第７図は本発明に関する他の実施例である。す
なわち、予冷冷凍機５５０の膨張室５５６を形成
している膨張シリンダー５６０のシリンダーヘツ
ド５６０ａに昇圧機５６１を有する一巡した回路
を構成している導管５６６の一部を熱的に固着
し、導管５６６の一部を主冷凍機５００の熱交換
器５０２内を通るようにし、導管５６６内に寒剤
（例えば、ネオン、ヘリウム等）を充填する。他
の構成は、第３図と同様であるので説明を省略す
る。
FIG. 7 shows another embodiment of the present invention. That is, a part of the conduit 566 constituting the circuit including the booster 561 is thermally fixed to the cylinder head 560a of the expansion cylinder 560 forming the expansion chamber 556 of the pre-cooling refrigerator 550. A portion of the air is passed through the heat exchanger 502 of the main refrigerator 500, and a conduit 566 is filled with a cryogen (eg, neon, helium, etc.). The other configurations are the same as those shown in FIG. 3, so their explanation will be omitted.
予冷冷凍機５５０の膨張室５５６で発生した冷
凍によつてシリンダーヘツド５６０ａの近傍の導
管５６６内の寒剤は冷却され、冷却された寒剤
は、昇圧機５６１によつて昇圧され、熱交換器５
０２内の導管５６６に流れ、そこで主冷凍機５０
０の圧縮室５０１で圧縮、昇温され、熱交換器５
０２に流れ込んだ冷媒を冷却し、再びシリンダー
ヘツド５６０ａの近傍は、導管５６６にもどる。
他の作用は、第３図と同様であるので、説明を省
略する。 The refrigerant in the conduit 566 near the cylinder head 560a is cooled by the refrigeration generated in the expansion chamber 556 of the pre-cooling refrigerator 550, and the cooled refrigerant is pressurized by the booster 561, and then transferred to the heat exchanger 5.
02 to a conduit 566 where the main chiller 50
It is compressed and heated in the compression chamber 501 of 0, and then transferred to the heat exchanger 5.
The refrigerant flowing into the cylinder head 560a is cooled and returns to the conduit 566 in the vicinity of the cylinder head 560a.
Other functions are the same as those shown in FIG. 3, so their explanation will be omitted.
第１図は、従来の冷却機関の作動機構を破断し
て示した斜視図、第２図は主冷凍機に充填する冷
媒の圧力について説明しているＴ−Ｓ線図（温度
エントロピー線図）、第３図は主冷凍機の膨張段
数が１段以上、予冷冷凍機の膨張段数が２段以上
の場合の本発明の実施例を示す断面図、第４図は
主冷凍機の膨張段数が２段以上、予冷冷凍機の膨
張段数が１段以上の場合の本発明の一実施例を示
す断面図、第５図は本発明の他の変形実施例を示
す断面図、第６図は本発明の更に他の変形実施例
を示す断面図、そして第７図は本発明の更に他の
変形実施例を示す断面図である。
１０１，２０１……圧縮室、１０２，２０２…
…熱交換器、１０３，２０３，２０５……蓄冷
器、１０４，２０４，２０６……膨張室、１０
０，２００……主冷凍機、１５１，２５１……圧
縮室、１５２，２５２……熱交換器、１５３，１
５５，２５３……蓄冷器、１５４，１５６，２５
４……膨張室、１５０，２５０……予冷冷凍機。
Figure 1 is a cutaway perspective view of the operating mechanism of a conventional cooling engine, and Figure 2 is a T-S diagram (temperature entropy diagram) explaining the pressure of the refrigerant charged into the main refrigerator. , FIG. 3 is a cross-sectional view showing an embodiment of the present invention when the main refrigerator has one or more expansion stages and the precooling refrigerator has two or more expansion stages. A cross-sectional view showing an embodiment of the present invention in which the number of expansion stages of the precooling refrigerator is one or more, FIG. 5 is a cross-sectional view showing another modified embodiment of the present invention, and FIG. FIG. 7 is a sectional view showing still another modified embodiment of the present invention. FIG. 7 is a sectional view showing still another modified embodiment of the present invention. 101,201...compression chamber, 102,202...
...Heat exchanger, 103,203,205...Regenerator, 104,204,206...Expansion chamber, 10
0,200...Main refrigerator, 151,251...Compression chamber, 152,252...Heat exchanger, 153,1
55,253...Regenerator, 154,156,25
4...Expansion chamber, 150,250...Precooling refrigerator.
Claims (1)
なる主冷凍機と、 圧縮室、熱交換器、蓄冷器および膨張室からな
る予冷冷凍機とから構成される冷凍装置におい
て、 前記主冷凍機の膨張段数を２段以上、且つ前記
予冷冷凍機の膨張段数を１段以上にせしめ、 前記主冷凍機の冷媒の最低圧力を冷媒の臨界圧
力よりも低くすると共に、 前記予冷冷凍機の冷媒の最低圧力を冷媒の臨界
圧力以上にせしめ、 前記主冷凍機の冷媒を前記予冷冷凍機で冷却す
ることを特徴とする冷凍装置。 ２ 圧縮室、熱交換器、蓄冷器および膨張室から
なる主冷凍機と、 圧縮室、熱交換器、蓄冷器および膨張室からな
る予冷冷凍機とから構成される冷凍装置におい
て、 前記主冷凍機の膨張段数を１段以上、且つ前記
予冷冷凍機の膨張段数を２段以上にせしめ、 前記主冷凍機の冷媒の最低圧力を冷媒の臨界圧
力よりも低くすると共に、 前記予冷冷凍機の冷媒の最低圧力を冷媒の臨界
圧力以上にせしめ、 前記主冷凍機の冷媒を前記予冷冷凍機で冷却す
ることを特徴とする冷凍装置。[Scope of Claims] 1. A refrigeration system consisting of a main refrigerator consisting of a compression chamber, a heat exchanger, a regenerator, and an expansion chamber, and a precooling refrigerator consisting of a compression chamber, a heat exchanger, a regenerator, and an expansion chamber. The number of expansion stages of the main refrigerator is two or more, and the number of expansion stages of the pre-cooling refrigerator is one or more, and the minimum pressure of the refrigerant in the main refrigerator is lower than the critical pressure of the refrigerant, and A refrigeration system characterized in that the minimum pressure of the refrigerant in the pre-cooling refrigerator is made to be equal to or higher than the critical pressure of the refrigerant, and the refrigerant in the main refrigerator is cooled by the pre-cooling refrigerator. 2. A refrigeration system consisting of a main refrigerator consisting of a compression chamber, a heat exchanger, a regenerator, and an expansion chamber, and a precooling refrigerator consisting of a compression chamber, a heat exchanger, a regenerator, and an expansion chamber, wherein the main refrigerator the number of expansion stages is one or more, and the number of expansion stages of the precooling refrigerator is two or more, and the minimum pressure of the refrigerant in the main refrigerator is lower than the critical pressure of the refrigerant; A refrigeration system, characterized in that the minimum pressure is made to be equal to or higher than the critical pressure of the refrigerant, and the refrigerant in the main refrigerator is cooled by the pre-cooling refrigerator.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP14270183A JPS6033457A (en) | 1983-08-03 | 1983-08-03 | Refrigeration system |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP14270183A JPS6033457A (en) | 1983-08-03 | 1983-08-03 | Refrigeration system |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6033457A JPS6033457A (en) | 1985-02-20 |
| JPH0583827B2 true JPH0583827B2 (en) | 1993-11-29 |
Family
ID=15321543
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP14270183A Granted JPS6033457A (en) | 1983-08-03 | 1983-08-03 | Refrigeration system |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS6033457A (en) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS4317026Y1 (en) * | 1967-06-12 | 1968-07-15 | ||
| JPS5568562A (en) * | 1978-11-16 | 1980-05-23 | Aisin Seiki | Refrigerator |
| JPS5644555A (en) * | 1979-09-17 | 1981-04-23 | Aisin Seiki | Refrigerating system |
-
1983
- 1983-08-03 JP JP14270183A patent/JPS6033457A/en active Granted
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS4317026Y1 (en) * | 1967-06-12 | 1968-07-15 | ||
| JPS5568562A (en) * | 1978-11-16 | 1980-05-23 | Aisin Seiki | Refrigerator |
| JPS5644555A (en) * | 1979-09-17 | 1981-04-23 | Aisin Seiki | Refrigerating system |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS6033457A (en) | 1985-02-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6378312B1 (en) | Pulse-tube cryorefrigeration apparatus using an integrated buffer volume | |
| US3421331A (en) | Refrigeration apparatus | |
| JPH055568A (en) | Pulse tube type refrigerator | |
| CN102980321B (en) | Multi-stage pulse tube refrigerator adopting relay linear compressor | |
| CN114151989B (en) | Superconducting magnet | |
| JP2783112B2 (en) | Cryogenic refrigerator | |
| US4700545A (en) | Refrigerating system | |
| JPS629827B2 (en) | ||
| JP2650437B2 (en) | Cold storage cryogenic refrigerator | |
| JP2836175B2 (en) | refrigerator | |
| JP2609327B2 (en) | refrigerator | |
| US4281517A (en) | Single stage twin piston cryogenic refrigerator | |
| Gifford et al. | A new refrigeration system for 4.2 K | |
| JPH0583827B2 (en) | ||
| JPH0452468A (en) | Cryogenic refrigerator | |
| JP2008215783A (en) | Cryogenic refrigerating machine and cryogenic refrigerating method | |
| CN202973643U (en) | Multi-stage pulse tube refrigerator adopting relay linear compressor | |
| JP2636240B2 (en) | Helium liquefaction method | |
| JPH0412378B2 (en) | ||
| JPH0481096B2 (en) | ||
| JPH0636452Y2 (en) | Cryogenic refrigerator | |
| JP2698477B2 (en) | Cryogenic refrigerator | |
| JPH03286970A (en) | Cooling system | |
| JPH0350949B2 (en) | ||
| Radebaugh | Cryocoolers and High-Tc Devices |