JP2005283026A - Cold storage type refrigerating machine - Google Patents
Cold storage type refrigerating machine Download PDFInfo
- Publication number
- JP2005283026A JP2005283026A JP2004100349A JP2004100349A JP2005283026A JP 2005283026 A JP2005283026 A JP 2005283026A JP 2004100349 A JP2004100349 A JP 2004100349A JP 2004100349 A JP2004100349 A JP 2004100349A JP 2005283026 A JP2005283026 A JP 2005283026A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- pressure
- mpa
- valve
- low
- stage
- 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.)
- Pending
Links
Images
Classifications
-
- 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
- F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
- F25B9/14—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the cycle used, e.g. Stirling cycle
- F25B9/145—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the cycle used, e.g. Stirling cycle pulse-tube cycle
-
- 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
- F25B2309/14—Compression machines, plants or systems characterised by the cycle used
- F25B2309/1407—Pulse-tube cycles with pulse tube having in-line geometrical arrangements
-
- 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
- F25B2309/14—Compression machines, plants or systems characterised by the cycle used
- F25B2309/1411—Pulse-tube cycles characterised by control details, e.g. tuning, phase shifting or general control
-
- 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
- F25B2309/14—Compression machines, plants or systems characterised by the cycle used
- F25B2309/1413—Pulse-tube cycles characterised by performance, geometry or theory
-
- 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
- F25B2309/14—Compression machines, plants or systems characterised by the cycle used
- F25B2309/1418—Pulse-tube cycles with valves in gas supply and return lines
-
- 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
- F25B2309/14—Compression machines, plants or systems characterised by the cycle used
- F25B2309/1424—Pulse tubes with basic schematic including an orifice and a reservoir
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Devices That Are Associated With Refrigeration Equipment (AREA)
Abstract
Description
本発明は極低温用の冷凍機として使用されるGM型パルス管冷凍機や、ギフォード・マクマホンサイクルを採用したGM冷凍機などのように、圧縮部と冷凍部を分離させて構成した蓄冷式冷凍機に関するものである。 The present invention relates to a regenerative refrigeration system in which a compression unit and a freezing unit are separated from each other, such as a GM type pulse tube refrigerator used as a cryogenic refrigerator or a GM refrigerator employing a Gifford-McMahon cycle. Related to the machine.
蓄冷式冷凍機は、周知されているように、室温部に置かれる圧縮部と、低温部を構成する冷凍部で構成される。 As is well known, the cold storage type refrigerator includes a compression unit placed in a room temperature part and a freezing part constituting a low temperature part.
すなわち圧縮部の圧縮機で圧縮された冷媒が、弁の開閉または圧縮ピストンと膨張ピストンの位相差によって、冷凍部に構成されている蓄冷器に導かれ、そこで予冷されたのち冷凍部低温端で膨張仕事に相当した寒冷を発生し、再び、蓄冷器を通って、次サイクルで吸気される冷媒を冷却するために蓄冷材を冷やしながら温度上昇して室温に戻り、圧縮部に回収される。 That is, the refrigerant compressed by the compressor of the compression unit is led to a regenerator configured in the refrigeration unit by opening / closing of the valve or a phase difference between the compression piston and the expansion piston, and after being precooled there, The cold corresponding to the expansion work is generated, and again passes through the regenerator, rises in temperature while cooling the regenerator material to cool the refrigerant sucked in the next cycle, returns to room temperature, and is recovered by the compression unit.
蓄冷式冷凍機は、この行程を1サイクルとして周期的に動作し、冷凍部低温端に寒冷を発生させるものである。 The regenerative refrigerator is operated periodically with this process as one cycle, and generates cold at the low temperature end of the freezing section.
このような蓄冷式冷凍機の代表的なものとしては、GM型パルス管冷凍機、GM冷凍機、スターリング冷凍機などがある。 Typical examples of such a regenerative refrigerator include a GM type pulse tube refrigerator, a GM refrigerator, and a Stirling refrigerator.
スターリング冷凍機の場合には、圧縮部を構成する圧縮ピストンと、冷凍部を構成する膨張ピストンとは、特定の位相差を保ちながら同期運転されるが、GM型パルス管冷凍機やGM冷凍機では、冷凍部を構成するパルス管や、ディスプレーサピストンを単独に動作させるようにしてあるため、構成的には冷凍部から独立した圧縮部を採用することができる。 In the case of a Stirling refrigerator, the compression piston constituting the compression unit and the expansion piston constituting the freezing unit are operated synchronously while maintaining a specific phase difference. However, a GM type pulse tube refrigerator or GM refrigerator is used. Then, since the pulse tube and the displacer piston constituting the refrigeration unit are operated independently, a compression unit independent from the refrigeration unit can be adopted structurally.
従ってGM型パルス管冷凍機やGM冷凍機では、圧縮部を構成する圧縮機としては回転型や往復動型など種々のものが選択できるし、圧縮機を高速回転させることにより、小型化および高効率化を図ることも出来る。 Therefore, in the GM type pulse tube refrigerator and GM refrigerator, various types such as a rotary type and a reciprocating type can be selected as the compressor constituting the compression unit, and the compressor can be reduced in size and height by rotating at high speed. Efficiency can also be achieved.
また、冷凍部が分離されているので、圧縮部からの振動が低減できるし、被冷却体への取付け性の良さや取扱いの簡便さなどの理由から極低温利用の様々な分野で使用されている。 Also, since the refrigeration unit is separated, vibration from the compression unit can be reduced, and it is used in various fields of cryogenic use for reasons such as good attachment to the object to be cooled and easy handling. Yes.
この圧縮部と冷凍部が分離した構成にあるGM型パルス管冷凍機やGM冷凍機としては、周知されるように種々のものが提案されており、いずれも圧縮部で加圧された高圧、例えば1.8MPa(メガパスカル)から2MPa前後に圧縮された冷媒が、高圧弁を介して冷凍部に供給され、冷凍部で断熱膨張されてその低温端部が極低温に冷却される。 Various types of GM type pulse tube refrigerators and GM refrigerators having a configuration in which the compression unit and the freezing unit are separated have been proposed as is well known. For example, a refrigerant compressed from 1.8 MPa (megapascal) to around 2 MPa is supplied to the freezing section through a high-pressure valve, and is adiabatically expanded in the freezing section, and its low temperature end is cooled to a very low temperature.
このような蓄冷式冷凍機における膨張は基本的にはサイモン膨張であり、冷凍部低温端での寒冷発生量(以下では冷凍能力と表現する)は原理的に、膨張前後の圧力差と膨張容積に比例し、冷凍効率(=冷凍能力/消費電力)は膨張前後の圧力比に反比例するので、この冷凍能力と冷凍効率を向上させるためいろいろな改良が提案されている。 Expansion in such a regenerative refrigerator is basically Simon expansion, and the amount of cold generated at the cold end of the freezing section (hereinafter referred to as refrigeration capacity) is in principle the pressure difference before and after expansion and the expansion volume. Since the refrigeration efficiency (= refrigeration capacity / power consumption) is inversely proportional to the pressure ratio before and after expansion, various improvements have been proposed to improve the refrigeration capacity and the refrigeration efficiency.
例えば特許文献1は、GM型パルス管冷凍機の一例で、この構成は、図3に示すように蓄冷器24'、低温熱交換器25'、パルス管26'及び高温熱交換器27'が順次直列に連結されて構成された冷凍部12'と、圧縮部21'、高圧弁22'及び低圧弁23'を有し、高圧弁22'及び低圧弁23'を介して前記蓄冷器24'と圧縮部21’とが連結されて冷凍部12'の内部の冷媒に圧力変動を発生させる圧力振動装置11'を備えている。
For example,
さらにまた圧縮部21'の吐出圧力である高圧側圧力Phと吸入圧力である低圧側圧力Plとの中間圧力である第1中圧Pm1を有し、第1中圧バッファ弁14'を介して高温熱交換器27'に連結されてパルス管26'内部の冷媒の圧力変動と位置変動との位相差を調節する第1中圧バッファ13'と、第1中圧よりも高い圧縮部21'の高圧側圧力Phと低圧側圧力Plとの中間である第2中圧をPm2有し、第2中圧バッファ弁16'を介して高温熱交換器27'に連結されてパルス管26'内部の冷媒の圧力変動と位置変動との位相差を調節する第2中圧バッファ15'とを備え、高圧弁22'、低圧弁23'、第1中圧バッファ弁14'及び第2中圧バッファ弁16'は、その制御圧力の順番に開動作するように構成されている。
Furthermore, it has a first intermediate pressure Pm1 that is an intermediate pressure between the high pressure side pressure Ph that is the discharge pressure of the compression section 21 'and the low pressure side pressure Pl that is the suction pressure, and via the first intermediate pressure buffer valve 14'. A first
この特許文献1の例のGM型パルス管冷機における回路内の圧力状態としては、まず圧縮部21'の吐出圧力である高圧側圧力Phは、2MPaに設定されておりまた、吸入圧力である低圧側圧力Plは、1MPaに設定されているので、上記したように、この冷凍機の冷凍能力に比例する膨張前後の高圧側圧力Phと低圧側圧力Plの圧力差(Ph―Pl)は1MPaに、冷凍効率に関与する圧力比(Ph/Pl)は2となっている。
As a pressure state in the circuit in the GM type pulse tube cooler of the example of
さらに、第1中圧バッファ13'内の圧力である第1中圧Pm1は、圧縮部21'の高圧側圧力Phである2MPaと、低圧側圧力Plである1MPaの間をほぼ三等分したときの低い方の圧力である1.33MPa前後に、第2中圧バッファ15内の圧力としての第2中圧Pm2は、圧縮部21'の高圧側圧力Phである2MPaと、低圧側圧力Plである1MPaの間をほぼ三等分したときの高い方の圧力である1.66MPa前後となっている。
Further, the first intermediate pressure Pm1 that is the pressure in the first
従って例えば高圧弁22'、低圧弁23'、第1中圧バッファ弁14'及び第2中圧バッファ弁16'を互いにほぼ重なり合わないように開状態として、この冷凍サイクルを進行させた場合には、同サイクルの各段階での冷媒圧力の動作過程は、各隣接する中間圧力などが介在されることにより形成される比較的小さな圧力差のもとで行われる。
Therefore, for example, when the refrigeration cycle is advanced by opening the
このため所要の圧力状態とするために、圧縮部21'からパルス管26'の低温端26a’に対して流入出する冷媒の移動量及び、第1中圧バッファ13'、第2中圧バッファ15'から、パルス管26'の高温端26b'に対して、流入出する冷媒の移動量はそれぞれ低減される。
For this reason, in order to obtain a required pressure state, the amount of movement of the refrigerant flowing into and out of the
そしてこれら冷媒の移動量の低減に伴い、圧縮部21'の負荷(消費電力)は低減されるし、冷媒の移動量の低減によりパルス管高温端26b'からパルス管低温端26a'に向かって侵入する熱量(エンタルピ)に基づくパルス管26'の熱損失、ならびに蓄冷器24'に蓄熱されずその蓄冷器高温端24b'から蓄冷器低温端24c'に流れる熱量(エンタルピ)に基づくいわゆる再生熱損失も改善され、GM型パルス管冷凍機10'としての冷凍効率は向上され、冷凍能力も向上する。
As the amount of refrigerant moved decreases, the load (power consumption) of the compressor 21 'is reduced, and from the pulse tube high temperature end 26b' toward the pulse tube
さらにまた、高圧弁22'、低圧弁23'、第1中圧バッファ弁14'及び第2中圧バッファ弁16'を、比較的小さな圧力差の下で開動作することで、熱力学的に不可逆的な過程である不等圧力下での弁の開動作に基づく損失、いわゆる弁損失も低減され、圧縮部21'の負荷(消費電力)は低減されるようになっている。
Furthermore, the
上記のように、特許文献1では、GM型パルス管冷凍機10'の回路内の圧力状態としては、膨張前の高圧側圧力Phを2MPaに、膨張後の低圧側圧力Plを1MPaに設定して、冷凍能力に比例する膨張前後の圧力差(Ph―Pl)を1MPaに、冷凍効率に関与する圧力比(Ph/Pl)を2としているが、第1中圧バッファ13'、第2中圧バッファ15'を設けることで冷媒の移動量及び弁損失などを低減させ、これにより冷凍効率と冷凍能力を向上させている。
As described above, in
次に、特許文献2は、GM冷凍機を例とした圧縮部と冷凍部が分離した構成にある蓄冷式冷凍機で、圧縮部の高圧側経路と低圧側経路とが、圧力調整弁を備えたバイパス経路により連結され、該圧力調整弁は、前記低圧側経路の圧力が所定圧力以下となったときに開弁して、高圧側経路から低圧側経路へ冷媒をバイパスするように構成されている。
Next,
従って該圧力調整弁によって、低圧側経路の圧力が所定圧力に低下するまでは、高圧側経路の冷媒が低圧側経路にバイパスされることはなく、圧縮機で圧縮された全ての冷媒が冷凍部に供給されるようになっているので、安定して高い冷凍能力が保持できるようにしている。 Therefore, until the pressure in the low-pressure side passage is reduced to a predetermined pressure by the pressure adjusting valve, the refrigerant in the high-pressure side passage is not bypassed to the low-pressure side passage, and all the refrigerant compressed by the compressor is So that a high refrigerating capacity can be stably maintained.
この特許文献2では、GM型冷凍機回路内の圧力状態の例としては、圧縮機の吐出圧力である高圧側圧力は2MPa前後に、吸入圧力である低圧側圧力は0.5MPa前後に、また圧力調整弁の設定圧力は0.4MPa前後にそれぞれ設定しているので、この冷凍機の冷凍能力に比例する膨張前後の高圧側圧力Ph(=2MPa)と低圧側経路の圧力Pl(=0.5MPa)の圧力差(Ph―Pl)は,(2MPa―0.5MPa)すなわち1.5MPa前後に、冷凍効率に関与する膨張前後の圧力比(Ph/Pl)は,(2MPa/0.5MPa)すなわち4前後となっている。
In
なお圧力調整弁の設定圧力は、0.4MPa前後に設定されているので、低圧側圧力が0.4MPaになるまでは、高圧側経路の冷媒が低圧側経路にバイパスされることなく、圧縮機で圧縮された全ての冷媒が冷凍部に安定的に供給され、冷凍能力は保持されまま運転できる。
ところで、圧縮部と冷凍部が分離した構成にあるGM型パルス管冷凍機やGM冷凍機は、室温部におかれて冷媒を加圧する圧縮機を備えた圧縮部と、低温部におかれて蓄冷器を備え冷媒を膨張させる冷凍部で構成され、圧縮機で圧縮されて放熱された常温の高圧の冷媒が、弁を介して蓄冷器に導かれ予冷されたのち、冷凍部低温端で断熱膨張して極低温に冷却される。 By the way, the GM pulse tube refrigerator and the GM refrigerator having a configuration in which the compression unit and the freezing unit are separated are placed in a low temperature unit and a compression unit having a compressor that pressurizes a refrigerant in a room temperature unit. It is composed of a refrigeration unit that has a regenerator and expands the refrigerant, and normal-temperature high-pressure refrigerant that has been compressed and radiated by the compressor is led to the regenerator through a valve and precooled, and then insulated at the cold end of the refrigeration unit It expands and is cooled to a very low temperature.
このように圧縮部と冷凍部が分離した構成にあるGM型パルス管冷凍機やGM冷凍機は、上記したように熱力学的にはサイモン膨張とよばれる不可逆膨張によって寒冷発生を行っているため膨張にともなう非効率が発生し、その冷凍効率は理想的なカルノー効率に比較して低い。 As described above, the GM pulse tube refrigerator and the GM refrigerator in which the compression unit and the freezing unit are separated in this manner generate cold due to irreversible expansion called Simon expansion as described above. Inefficiency occurs due to expansion, and the refrigeration efficiency is lower than the ideal Carnot efficiency.
従ってこの種の冷凍機の冷凍効率(ηとする)の低下を抑えるためには、原理的には、膨張前後の圧力比を小さくすることが必要で、いま、圧縮機から供給される膨張前の高圧側圧力をPh、膨張後の低圧側圧力をPlとすると、膨張前後の圧力比(Ph/Pl)は出来るだけ小さくする必要がある。 Therefore, in order to suppress the decrease in the refrigeration efficiency (referred to as η) of this type of refrigerator, in principle, it is necessary to reduce the pressure ratio before and after the expansion, and now, before the expansion supplied from the compressor If the high pressure side pressure is Ph and the low pressure side pressure after expansion is Pl, the pressure ratio before and after expansion (Ph / Pl) needs to be as small as possible.
一方、この種の冷凍機の冷凍能力(Qとする)を向上させるには、理想気体の場合、原理的には冷凍能力Qは冷媒の膨張仕事に等しく、膨張前の高圧側圧力をPh、膨張後の低圧側圧力をPlとすると、冷凍能力Qは膨張容積Vと膨張前後の圧力差(Ph―Pl)との積、すなわちQ=V(Ph―Pl)となるので、この冷凍能力であるQ=V(Ph―Pl)を増加させるには、膨張容積Vを一定とした場合、膨張前後の圧力差(Ph―Pl)を大きくする必要がある。 On the other hand, in order to improve the refrigerating capacity (Q) of this type of refrigerator, in the case of an ideal gas, in principle, the refrigerating capacity Q is equal to the expansion work of the refrigerant, and the high-pressure side pressure before expansion is set to Ph, Assuming that the low-pressure side pressure after expansion is Pl, the refrigeration capacity Q is the product of the expansion volume V and the pressure difference (Ph-Pl) before and after expansion, that is, Q = V (Ph-Pl). In order to increase a certain Q = V (Ph−Pl), when the expansion volume V is constant, it is necessary to increase the pressure difference before and after expansion (Ph−Pl).
従って冷凍効率ηを上げ、同時に冷凍能力Qを向上させるためには、圧力比(Ph/Pl)を小さくすると同時に、圧力差(Ph―Pl)を大きくすることが必要で、そのためには出来る限り冷媒の高圧側圧力Phを高くする必要がある。 Therefore, in order to increase the refrigeration efficiency η and simultaneously improve the refrigeration capacity Q, it is necessary to reduce the pressure ratio (Ph / Pl) and simultaneously increase the pressure difference (Ph-Pl). It is necessary to increase the high-pressure side pressure Ph of the refrigerant.
しかしながら従来これらの圧縮部と冷凍部が分離した構成にあるGM型パルス管冷凍機やGM冷凍機では、例えばフロン系冷媒R22などを使用した耐圧性の比較的低い空調用圧縮機を転用したり、冷凍機各部の耐圧性や蓄冷器効率などに課題があり、特許文献1や特許文献2にもあるように、膨張前の高圧側圧力Phは、いずれも2MPa前後にして設計、製作されていた。
However, in conventional GM type pulse tube refrigerators and GM refrigerators in which the compression unit and the refrigeration unit are separated, for example, an air conditioning compressor with a relatively low pressure resistance using, for example, a chlorofluorocarbon refrigerant R22 is used. , There are problems in the pressure resistance of each part of the refrigerator and the efficiency of the regenerator, and as described in
従って、冷凍能力Q=V(Ph―Pl)を向上させるために、圧力差(Ph―Pl)を大きくなるようにしようとしても、膨張前の高圧側圧力Phが2MPa前後にとどまっているので、圧力差(Ph―Pl)は1.5MPa前後以上となることはなく、この圧力差(Ph―Pl)を増加させることによっては冷凍能力をそれ以上にすることは出来ないという問題があった。 Therefore, even if an attempt is made to increase the pressure difference (Ph−Pl) in order to improve the refrigerating capacity Q = V (Ph−Pl), the high pressure side pressure Ph before expansion remains around 2 MPa. There was a problem that the pressure difference (Ph-Pl) did not become about 1.5 MPa or more, and the refrigeration capacity could not be increased by increasing the pressure difference (Ph-Pl).
また冷凍効率ηについても、高圧側圧力Phが2MPa前後にとどまっていたので、冷凍能力Q=V(Ph―Pl)を確保するために、上記のように圧力差(Ph―Pl)を大きくしようとすると、低圧側圧力Plを小さくせざるを得ず、その結果、低圧側圧力Plが小さくなる分、膨張前後の圧力比(Ph/Pl)は大きくなって、不可逆膨張にともなう非効率性が大きくなり、冷凍効率が低くなるという問題があった。 As for the refrigeration efficiency η, the high-pressure side pressure Ph remained around 2 MPa. Therefore, in order to secure the refrigeration capacity Q = V (Ph-Pl), increase the pressure difference (Ph-Pl) as described above. As a result, the low pressure side pressure Pl has to be reduced, and as a result, the pressure ratio before and after expansion (Ph / Pl) increases as the low pressure side pressure Pl decreases, resulting in inefficiency associated with irreversible expansion. There was a problem that it became large and refrigeration efficiency became low.
本発明はこのような実情に鑑みてなされたものであり、圧縮部と冷凍部が分離した構成にあるGM型パルス管冷凍機やGM冷凍機などの蓄冷式冷凍機において、冷凍能力と冷凍効率とを同時に向上させることを技術的課題とするものである。 The present invention has been made in view of such circumstances, and in a regenerative refrigerator such as a GM type pulse tube refrigerator or a GM refrigerator in which a compression unit and a freezing unit are separated, the refrigerating capacity and the refrigerating efficiency are provided. It is a technical problem to improve the above simultaneously.
上記した技術的課題を解決するためになされた請求項1の発明は、
冷媒を加圧する圧縮機を備えた圧縮部と、蓄冷器を備え冷媒を膨張する冷凍部と、前記圧縮部から冷媒を前記冷凍部に供給する高圧弁と、前記冷凍部から冷媒を圧縮部に回収する低圧弁を備えた蓄冷式冷凍機において、前記圧縮部から高圧弁を介して冷凍部に供給される冷媒の圧力が2.8MPa以上であることを特徴とする蓄冷式冷凍機としたことである。
The invention of
A compressor having a compressor for pressurizing the refrigerant; a refrigeration unit having a regenerator to expand the refrigerant; a high-pressure valve for supplying the refrigerant from the compressor to the refrigeration unit; and the refrigerant from the refrigeration unit to the compressor. A regenerative refrigerator having a low pressure valve to be recovered, wherein the pressure of the refrigerant supplied from the compression unit to the refrigerating unit via the high pressure valve is 2.8 MPa or more. It is.
また上記技術課題を解決するにあたり、請求項2のように、前記冷凍部から低圧弁を介して圧縮部に回収される冷媒の圧力は1MPa以上とすることが好ましい。 In order to solve the above technical problem, it is preferable that the refrigerant pressure recovered from the refrigeration unit to the compression unit via the low-pressure valve is 1 MPa or more.
また上記技術課題を解決するにあたり、請求項3のように、前記冷凍部が蓄冷器とパルス管を備えたGM型パルス冷凍機として構成されるとともに、前記パルス管と連結した複数個の中圧バッファ弁と、前記複数個の中圧バッファ弁それぞれに連結した複数個の中圧バッファとを備え、前記高圧弁、低圧弁、複数個の中圧バッファ弁はその制御圧力の順番に開動作されるようにすることが好ましい。
In order to solve the above technical problem, as in
また上記技術課題を解決するにあたり、請求項4のように、冷凍部が多段膨張するGM冷凍機として構成されることが好ましい。
Moreover, when solving the said technical subject, it is preferable to comprise as a GM refrigerator with which a freezing part expands multistage like
請求項1に記載の発明によれば、圧縮部と冷凍部を分離して高圧弁と低圧弁で連結した構成にあるGM型パルス管冷凍機やGM冷凍機などの蓄冷式冷凍機において、圧縮部から冷凍部に高圧弁を介して供給される冷媒の高圧側圧力を、従来技術の2MPa前後から2.8MPa以上に高めることにより、膨張前後の圧力比を低減することにより、冷凍能力Qと冷凍効率ηをともに同時に向上させることができる。 According to the first aspect of the present invention, in a regenerative refrigerator such as a GM type pulse tube refrigerator or a GM refrigerator, the compression unit and the freezing unit are separated and connected by a high pressure valve and a low pressure valve. By increasing the high-pressure side pressure of the refrigerant supplied from the unit to the refrigeration unit via the high-pressure valve from about 2 MPa of the prior art to 2.8 MPa or more, by reducing the pressure ratio before and after expansion, the refrigeration capacity Q and Both the refrigeration efficiency η can be improved at the same time.
すなわち、いま、膨張前の高圧側圧力をPh、膨張後の低圧側圧力をPlとすると、冷凍能力Qに比例する膨張前後の圧力差(Ph―Pl)を同じ圧力差とした場合には、高圧側圧力Phが高くなった分、圧力比(Ph/Pl)を小さくして冷凍効率ηを上げることができるし、また、冷凍効率ηに反比例する膨張前後の圧力比(Ph/Pl)を同じ圧力比とした場合には、高圧側圧力Phが高くなった分、膨張前後の圧力差(Ph―Pl)を大きくすることが出来て,冷凍能力Qを向上させることができる。 That is, now, assuming that the high pressure side pressure before expansion is Ph and the low pressure side pressure after expansion is Pl, when the pressure difference before and after expansion (Ph-Pl) proportional to the refrigerating capacity Q is the same pressure difference, As the high-pressure side pressure Ph increases, the pressure ratio (Ph / Pl) can be reduced to increase the refrigeration efficiency η, and the pressure ratio (Ph / Pl) before and after expansion, which is inversely proportional to the refrigeration efficiency η. In the case of the same pressure ratio, the pressure difference before and after expansion (Ph-Pl) can be increased by the increase in the high-pressure side pressure Ph, and the refrigerating capacity Q can be improved.
例えば、いま、膨張容積V、圧力比(Ph/Pl)を特許文献1と同じ圧力比の2として、高圧側圧力Phを本実施形態の2.8MPa以上である一例として3MPaとした時と、特許文献1における高圧側圧力Phを2MPaとしたときの理想状態での冷凍能力Q=V(Ph―Pl)とを比較する。
For example, now, when the expansion volume V, the pressure ratio (Ph / Pl) is 2 of the same pressure ratio as in
まず高圧側圧力Phが3MPaの場合の理想状態での冷凍能力Q1=V(Ph―Pl)は、圧力比(Ph/Pl)が2であり、低圧側圧力Plは1.5MPaとなるので、膨張前後の圧力差(Ph―Pl)は,(3MPa―1.5MPa)=1.5MPaとなり、いま、比較のために各物理量の単位を同一とすることにして省略すると、冷凍能力Q1=V(Ph―Pl)=1.5×Vとなる。 First, since the refrigerating capacity Q1 = V (Ph−Pl) in an ideal state when the high pressure side pressure Ph is 3 MPa, the pressure ratio (Ph / Pl) is 2, and the low pressure side pressure Pl is 1.5 MPa, The pressure difference (Ph−Pl) before and after expansion is (3 MPa−1.5 MPa) = 1.5 MPa. Now, for comparison, if the unit of each physical quantity is the same and omitted, the refrigerating capacity Q1 = V (Ph−Pl) = 1.5 × V.
一方、特許文献1における高圧側圧力Phが2MPaの場合の理想状態での冷凍能力Q2=V(Ph―Pl)は、圧力比(Ph/Pl)が2であり、低圧側圧力Plは1MPaとなるので、膨張前後の圧力差(Ph―Pl)は、(2MPa―1MPa)=1MPaとなり、いま、比較のために各物理量の単位を同一として省略すると、冷凍能力Q2=V(Ph―Pl)=1×Vとなる。
On the other hand, the refrigerating capacity Q2 = V (Ph−Pl) in the ideal state when the high pressure side pressure Ph is 2 MPa in
このように膨張前後の圧力比(Ph/Pl)を同じように2とした時の、高圧側圧力Phが3MPaの場合の冷凍能力Q1と特許文献1における高圧側圧力Phを2MPaとした場合の冷凍能力Q2を比較すると、冷凍能力は高圧側圧力Phが高くなったことにより(Q1−Q2)=(1.5V−V)=0.5Vだけ向上することがわかる。
Thus, when the pressure ratio (Ph / Pl) before and after expansion is set to 2 in the same manner, the refrigerating capacity Q1 when the high pressure side pressure Ph is 3 MPa and the high pressure side pressure Ph in
請求項2に記載の発明によれば、冷凍部から圧縮部に回収される冷媒の低圧側圧力を1MPa以上としていることにより、例えば、膨張前の圧縮部から供給される高圧側圧力をPh、膨張後の圧縮部に回収される低圧側圧力をPlとすると、冷媒の高圧側圧力Phが2.8MPa以上に設定されても、膨張後の低圧側圧力Plも1MPa以上となっているので、圧力比(Ph/Pl)は2.8以下の小さな値を設定できる。
According to the invention described in
すなわち蓄冷式冷凍機のように不可逆的膨張によって寒冷発生を行っている場合には、冷凍効率ηを向上させるには、上記したように膨張前後の圧力比を小さくすることが必要であるが、上記のように冷凍能力Qを向上させるために高圧側圧力Phが2.8MPa以上に設定されても、低圧側圧力Plも1MPa以上となっているので、圧力比(Ph/Pl)は2.8以下の小さな値を設定でき高い冷凍効率を確保できる。 In other words, when cold generation is performed by irreversible expansion as in a regenerative refrigerator, in order to improve the refrigeration efficiency η, it is necessary to reduce the pressure ratio before and after expansion as described above. Even if the high pressure side pressure Ph is set to 2.8 MPa or more in order to improve the refrigerating capacity Q as described above, the low pressure side pressure Pl is also 1 MPa or more, so the pressure ratio (Ph / Pl) is 2. A small value of 8 or less can be set, and high refrigeration efficiency can be secured.
例えば膨張前後の圧力差(Ph―Pl)を1.5MPaとして、同じ冷凍能力Qを確保しようとする場合、高圧側圧力Phを本実施形態の2.8MPa以上である一例として3MPaとした時と、高圧側圧力Phを特許文献1と同じ2MPaとした時の理想状態での圧力比を比較すると、高圧側圧力Phを3MPaとした時には、低圧側圧力Plは1.5MPaとなり、膨張前後の圧力比(Ph/Pl)は2となる。
For example, when the pressure difference (Ph−Pl) before and after expansion is 1.5 MPa and the same refrigeration capacity Q is to be secured, the high pressure side pressure Ph is 3 MPa as an example of 2.8 MPa or more of the present embodiment. When comparing the pressure ratio in the ideal state when the high pressure side pressure Ph is 2 MPa as in
一方、高圧側圧力Phが2MPaの場合は、圧力差(Ph―Pl)が1.5MPaであるので,低圧側圧力Plは0.5MPaとなって、膨張前後の圧力比(Ph/Pl)は4となり、高圧側圧力Phが3MPaの時の圧力比2に対し大幅に大きくなる。 On the other hand, when the high-pressure side pressure Ph is 2 MPa, the pressure difference (Ph-Pl) is 1.5 MPa, so the low-pressure side pressure Pl is 0.5 MPa, and the pressure ratio (Ph / Pl) before and after expansion is 4, which is significantly larger than the pressure ratio of 2 when the high-pressure side pressure Ph is 3 MPa.
このように膨張前後の圧力差(Ph―Pl)を1.5MPaとした時の、高圧側圧力Phが3MPaの場合の圧力比(Ph/Pl)と、特許文献1における高圧側圧力Phを2MPaとした場合の圧力比(Ph/Pl)を比較すると、圧力比(Ph/Pl)は、高圧側圧力Phが3MPaの場合は2、高圧側圧力Phが2MPaの場合は4となり、高圧側圧力Phが高い方が小さくなるので、この圧力比が小さくなった分、非可逆膨張にともなう冷凍損失が減少して冷凍効率が向上することがわかる。
Thus, when the pressure difference before and after expansion (Ph-Pl) is 1.5 MPa, the pressure ratio (Ph / Pl) when the high pressure side pressure Ph is 3 MPa, and the high pressure side pressure Ph in
請求項3に記載の発明によれば、冷凍部にパルス管を備えたGMパルス管冷凍機において、前記パルス管と中圧バッファ弁で連結した中圧バッファとを備え、前記中圧バッファ弁で連結した中圧バッファは複数個で構成して、高圧弁、低圧弁、各中圧バッファ弁をほぼ重なり合わないように開状態としてこの冷凍サイクルを進行させた場合には、同冷凍サイクル中の各動作段階における冷媒の圧力変化は、サイクル中での各動作段階の隣接する中間圧力などにより形成される比較的小さな圧力比のもとで行うことが出来るし、また、圧縮部から供給される冷媒の高圧側圧力を、従来の2MPa前後から2.8MPa以上に高くして、冷凍能力に比例する膨張前後の高圧側圧力と低圧側圧力との圧力差を、いま、同じにして圧力状態を比較すると、上記サイクル中での各動作段階の隣接する中間圧力などにより形成される比較的小さな前記圧力比は、高圧側圧力を増加させた分、小さく出来る。 According to the third aspect of the present invention, in the GM pulse tube refrigerator having a pulse tube in the refrigeration unit, the GM pulse tube refrigerator includes the intermediate pressure buffer connected to the pulse tube by an intermediate pressure buffer valve, and the intermediate pressure buffer valve When the refrigeration cycle is advanced with the high-pressure valve, the low-pressure valve, and each of the intermediate-pressure buffer valves open so that they do not substantially overlap, The refrigerant pressure change in each operation stage can be performed under a relatively small pressure ratio formed by the adjacent intermediate pressure of each operation stage in the cycle, and is supplied from the compression section. The pressure on the high pressure side of the refrigerant is increased to about 2.8 MPa or more from the conventional value of about 2 MPa, and the pressure difference between the high pressure side pressure before and after expansion, which is proportional to the refrigeration capacity, and the low pressure side pressure is now made the same. Compare A relatively small the pressure ratio which is formed by a neighboring intermediate pressure in each operation stage in the cycle, amount that increased the high side pressure, can be reduced.
従って、特許文献1にある、各動作段階において所要の圧力状態とするために、圧縮部からパルス管の低温端に対して流入する冷媒の移動量、及び各中圧バッファからパルス管高温端に流入出する冷媒の移動量はそれぞれ低減されるので圧縮部の負荷(消費電力)が低減されることに加えて、本実施形態ではさらに高圧弁、低圧弁、各中圧バッファ弁も比較的小さな圧力比のもとで開動作することが出来るので、熱力学的に不可逆な過程である不等圧下での弁の開動作に基づく損失、いわゆる弁損失などの圧力比にともなう各損失は低減され、その分、圧縮部の負荷(消費電力)は低減され、冷凍効率は向上する。
Accordingly, in order to obtain a required pressure state in each operation stage described in
請求項4に記載の発明によれば、冷凍部が膨張室とディスプレーサピストンで構成されるGM冷凍機において、前記膨張室とディスプレーサピストンで構成される冷凍部は同時に多段に膨張するように構成されることで、従来の特許文献2にあるように蓄冷器における熱力学的に不可逆な過程である不等圧下、不等温下での冷媒移動にともなう損失、いわゆる蓄冷器損失を小さくするようになっているが、本実施形態ではさらに圧縮部から供給される冷媒の高圧側圧力を、従来の2MPa前後から2.8MPa以上に高くすることにより、冷凍能力が比例する膨張前後の高圧側圧力と低圧側圧力との圧力差を同じにした場合には、膨張前後の圧力比が小さくなるので、上記蓄冷器における熱力学的に不可逆な過程である不等圧下での冷媒移動に基づく損失を小さくすることが出来、その分、圧縮部の負荷(消費電力)は低減され、冷凍効率は向上する。
According to the fourth aspect of the present invention, in the GM refrigerator in which the refrigeration unit includes an expansion chamber and a displacer piston, the refrigeration unit including the expansion chamber and the displacer piston is configured to expand in multiple stages at the same time. As a result, the loss associated with the movement of the refrigerant under non-uniform pressure and non-isothermal temperature, which is a thermodynamically irreversible process in the regenerator, as in the
以下本発明を具体化したGM型パルス管冷凍機の実施形態について、パルス管に第1中圧バッファ弁で連結した第1中圧バッファと第2中圧バッファ弁で連結した第2中圧バッファとを備えた例で、図1〜図6に基づき説明する。 Hereinafter, an embodiment of a GM type pulse tube refrigerator embodying the present invention will be described. First intermediate pressure buffer connected to a pulse tube by a first intermediate pressure buffer valve and second intermediate pressure buffer connected by a second intermediate pressure buffer valve This will be described with reference to FIGS.
図1は本発明に係るGM型パルス管冷凍機での実施形態を示す構成概略図で、本実施形態におけるGM型パルス管冷凍機10は、圧力振動装置11と、冷凍部12と、第1中圧バッファ13及び第1中圧バッファ弁14と、第2中圧バッファ15及び第2中圧バッファ弁16と、制御装置17とを備えている。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing an embodiment of a GM type pulse tube refrigerator according to the present invention. A GM type
前記圧力振動装置11は、GM型パルス管冷凍機10内に充填してあるヘリウムなどの冷媒に圧力振動を発生させるもので、圧縮部21、高圧弁22及び低圧弁23を備えている。
The
また圧縮部21の吐出口21aは、高圧弁22を介して冷凍部12に接続されており、一方、吸入口21bは、低圧弁23を介して同冷凍部12に接続されている。
The
この圧力振動装置11は、これら高圧弁22及び低圧弁23が上記制御装置17により、所定のタイミングで開閉制御されることで、上記GM型パルス管冷凍機10の冷凍部12内の冷媒に圧力振動を発生させる。
In the
なお、本実施形態においては、上記圧縮部21の吐出圧力である高圧側圧力Phは2.8MPa以上に設定しているが、以下の説明ではこの高圧側圧力Phを2.8MPa以上の中の1例として3MPaとする。
In the present embodiment, the high-pressure side pressure Ph that is the discharge pressure of the
また本実施形態においては、上記圧縮部21の吸入圧力である低圧側圧力Plは1MPa以上に設定しているが、以下の説明では高圧側圧力Phと低圧側圧力Plの圧力比(Ph/Pl)を、特許文献1と同じ2として冷凍能力を比較することができるように、この低圧側圧力Plを1MPa以上の中の1例として1.5MPaとする。
In the present embodiment, the low pressure side pressure Pl that is the suction pressure of the
前記冷凍部12は、蓄冷器24、低温熱交換器25、パルス管26及び高温熱交換器27が順次直列に連結されて構成される。
The
上記蓄冷器24は、例えばステンレス、りん青銅などのメッシュからなる蓄冷材24aが充填されたもので、上記のように高温側に蓄冷器高温端24b及び低温側に蓄冷器低温端24cを有している。
The
この蓄冷器高温端24bは,上記圧力振動装置11に連結されており、蓄冷器低温端24cは,上記低温熱交換器25に連結されている。
The regenerator
この蓄冷器24は、冷媒が上記低温熱交換器25側に向かって内部を進行する際に同冷媒を徐々に冷却し、反対に上記圧力振動装置11側に向かって進行する際には同冷媒を徐々に温めるように冷媒との熱交換を行う。
The
上記蓄冷器24の蓄冷器低温端24cに連結された低温熱交換器25は,低温発生部となっている。
The low-
この低温熱交換器25は、同低温熱交換器25に接触された被冷却体から効率よく熱を奪うため、例えば冷媒の流れ方向に沿って規則的な多数の穴を有して、たとえば銅等の熱伝導性に優れた材料により形成されている。
This low-
上記低温熱交換器25に連結されたパルス管26は、その一端(低温熱交換器25側)及び他端(高温熱交換器27側)にそれぞれパルス管低温端26a及びパルス管高温端26bを有する中空の管である。
The
このパルス管26は、そのパルス管高温端26b側の熱が熱伝導によって低温熱交換器25に伝達されるのを防止するために、例えばステンレス鋼などの熱伝導性の小さい材料により形成されている。
The
上記パルス管26に連結された高温熱交換器27は、例えば冷媒の流れ方向に沿って規則的な多数の穴を有して、例えば銅等の熱伝導性に優れた材料により形成されている。
The high-
また、この高温熱交換器27は、内部を流れる冷媒の熱を外部に放出することで、上記パルス管高温端26bを冷却するためのもので、上記第1中圧バッファ弁14及び第2中圧バッファ弁16に連結されている。
The high-
前記第1中圧バッファ弁14は、上記冷凍部12及び第1中圧バッファ13の間に介設されており、上記制御装置17により所定のタイミングで開閉制御されることで、上記冷凍部12内の冷媒の圧力変動と位置変動を調節する。
The first intermediate
また、上記第1中圧バッファ13は、例えば冷凍部12内の容積よりも大きな容積を有して形成されており、その内部の冷媒は上記圧縮部21の高圧側圧力Ph(吐出圧力:3MPa)及び低圧側圧力Pl(吸入圧力:1.5MPa)の間をほぼ三等分したときの低い方の圧力(≒2MPa)である第1中圧Pm1になっている。
The first
前記第2中圧バッファ弁16は、上記冷凍部12及び第2中圧バッファ15の間に介設されており、上記制御装置17により所定のタイミングで開閉制御されることで、同様に冷凍部12内の冷媒の圧力変動と位置変動を調節する。
The second intermediate
また上記第2中圧バッファ15は、例えば上記第1中圧バッファ13と同等の容積を有して形成されており、その内部の冷媒は上記圧縮部21の高圧側圧力Ph(吐出圧力:3MPa)及び低圧側圧力Pl(吸入圧力:1.5MPa)の間をほぼ三等分したときの高い方の圧力(≒2.5MPa)である第1中圧Pm2になっている。
The second
上記制御装置17は、上記高圧弁22、低圧弁23、第1中圧バッファ弁14及び第2中圧バッファ弁16を所定のタイミングでそれぞれ開閉する。
The
次に本実施形態におけるGM型パルス管冷凍機10の動作について、図2に基づき説明する。
Next, the operation of the GM type
図2は、本発明に係るGM型パルス管冷凍機10の実施形態における各開閉弁動作状況と圧力状態を示すグラフである。
FIG. 2 is a graph showing operating states and pressure states of the on-off valves in the embodiment of the GM type
なお該GMパルス管冷凍機10の1サイクル内の動作は、以下に説明する6つの段階(第1段階a,第2段階b,第3段階c,第4段階d,第5段階e,第6段階fとする)からなり、各段階は上記高圧弁22、低圧弁23、第1中圧バッファ弁14及び、第2中圧バッファ弁16の各開閉状態に対応して区分されている。
The operation of one cycle of the GM
図2では、この1サイクル内での6つの各動作段階における、上記高圧弁22、低圧弁23、第1中圧バッファ弁14及び、第2中圧バッファ弁16の開閉状態と、冷凍部12内の圧力状態を示している。
In FIG. 2, the open / close state of the
また図2において上記高圧弁22、低圧弁23、第1中圧バッファ弁14及び、第2中圧バッファ弁16ごとに描画された太実線はその開状態を示し、同細実線はその閉状態を示すものとする。
In FIG. 2, the thick solid line drawn for each of the
以下、本実施形態のGM型パルス管冷凍機10の1サイクル内の動作について、上記の6つの各段階ごとに説明する。
Hereinafter, the operation in one cycle of the GM
第1段階a(圧縮前期過程):低圧弁23を閉状態とするとほぼ同時に第1中圧バッファ弁14を開状態とし、高圧弁22及び第2中圧バッファ弁16の閉状態を保持した状態である。
First stage a (pre-compression process): The first intermediate
この状態では、第1中圧Pm1(≒2MPa)に保持された第1中圧バッファ13内の冷媒が、第1中圧バッファ弁14を介して、パルス管高温端26bからその内部に流入する。
In this state, the refrigerant in the first
この場合、圧力損失の少ない第1中圧バッファ弁14を介して、第1中圧バッファ13とパルス管26とが連通状態とされるので、同パルス管26内の圧力はすみやかに低圧側圧力:Pl(1.5MPa)から、第1中圧バッファ13の圧力である第1中圧Pm1(≒2MPa)まで上昇する。
In this case, since the first
第2段階b(圧縮中期過程):第1中圧バッファ弁14を閉状態とするとほぼ同時に、第2中圧バッファ弁16を開状態にした状態である。
Second stage b (intermediate compression process): The second intermediate
この状態では第2中圧Pm2(≒2.5MPa)に保持された第2中圧バッファ15内の冷媒が、中圧バッファ弁16を介してパルス管高温端26bからその内部に流入する。
In this state, the refrigerant in the second
この場合も圧力損失の少ない第2中圧バッファ弁16を介して、第2中圧バッファ14とパルス管26とが連通状態とされるので、同パルス管26内の圧力はすみやかに第1中圧Pm1(≒2MPa)から、第2中圧バッファ15の圧力である第2中圧Pm2(≒2.5MPa)まで上昇する。
Also in this case, since the second
第3段階c(圧縮後期過程):第2中圧バッファ弁16を閉状態とするとほぼ同時に、高圧弁22を開状態にした状態である。
Third stage c (late compression process): The
この状態では、高圧側圧力Ph(3MPa)である圧縮部21の吐出口21aから冷媒が高圧弁22を介して、パルス管低温端26aからパルス管26の内部に流入し、パルス管26の圧力は高圧側圧力Ph(3MPa)まで上昇する。
In this state, the refrigerant flows from the
第4段階d(膨張前期過程):高圧弁22を閉状態とするとほぼ同時に、第2中圧バッファ弁16を開の状態とした状態である。
Fourth stage d (pre-expansion process): The second intermediate
この状態では、パルス管26内に流入した第2中圧バッファ15からの冷媒が、パルス管高温端26bから第2中圧バッファ弁16を介して、第2中圧バッファ15内へと流出する。
In this state, the refrigerant from the second
この場合、圧力損失の少ない第2中圧バッファ弁16を介して、第2中圧バッファ15とパルス管26とが連通状態とされるので、同パルス管26内の圧力はすみやかに高圧側圧力:Ph(3MPa)から、第2中圧バッファ15の圧力である第2中圧Pm2(≒2.5MPa)まで低下する。
In this case, since the second
この圧力低下によりパルス管26内の冷媒が断熱膨張し、温度低下する。
Due to this pressure drop, the refrigerant in the
第5段階e(膨張中期過程):第2中圧バッファ弁16を閉状態とするとほぼ同時に、第1中圧バッファ弁14を開状態とした状態である。
Fifth stage e (mid-expansion middle stage): The first intermediate
この状態では、パルス管26内に流入した第1中圧バッファ13からの冷媒がさらにパルス管高温端26bから、第1中圧バッファ弁14を介して、第1中圧バッファ13内へ流出する。
In this state, the refrigerant from the first
この場合も、圧力損失の少ない第1中圧バッファ弁14を介して、第1中圧バッファ13とパルス管とが連通状態とされるので、同パルス管26内の圧力はすみやかに第2中圧Pm2(≒2.5MPa)から第1中圧バッファ13の圧力である第1中圧Pm1(≒2MPa)まで低下する。
Also in this case, since the first
この圧力低下によりパルス管26内の冷媒が断熱膨張し、温度低下する。
Due to this pressure drop, the refrigerant in the
第6段階f(膨張後期過程):第1中圧バッファ弁14を閉状態とするとほぼ同時に、低圧弁23を開状態にした状態である。
Sixth stage f (expansion late process): When the first intermediate
この状態では、蓄冷器24の蓄冷器高温端24bからの冷媒が、低圧弁23を介して圧縮部21の吸入口21bへと吸入され、パルス管26内の圧力は低圧側圧力Pl(1.5MPa)まで低下する。
In this state, the refrigerant from the regenerator high-
このとき、パルス管26内で断熱膨張して温度低下した冷媒が低温熱交換器25へと移動することで、同低温熱交換器25との間で熱交換を行い、第1段階a(圧縮前期過程)の状態に戻る。
At this time, the refrigerant whose temperature has decreased due to adiabatic expansion in the
以上第1段階aから第6段階fまでの一連の動作を1サイクルとし、これを繰り返すことによりパルス管冷凍機10の低温熱交換器25において効率よく極低温を発生するものである。
As described above, a series of operations from the first stage a to the sixth stage f is set as one cycle, and by repeating this, a cryogenic temperature is efficiently generated in the low-
本実施形態では上記したように、圧縮部21の吐出圧力である高圧側圧力Phを2.8MPa以上(説明例では3MPaとした)に設定して、冷媒の膨張前後圧力比を下げ非可逆膨張にともなう損失を低減し冷凍効率と冷凍能力を向上させるようにしているが、従来この種の圧縮部と冷凍部が分離した構成にあるGM型パルス管冷凍機やGM冷凍機における圧縮部21の吐出圧力である高圧側圧力Phは、既述した特許文献1や特許文献2にもあるように最も高いものでもせいぜい2MPa前後にとどまっていた。
In the present embodiment, as described above, the high-pressure side pressure Ph that is the discharge pressure of the
例えば特許文献1におけるGM型パルス管冷凍機では、図3にその構成概略図
を示すように、GM型パルス管冷凍機10'としての基本構成は本発明の実施形態と同じであるが、圧縮部の高圧側圧力Ph、圧縮部の低圧側圧力Pl、第1中圧バッファの圧力Pm1および、第2中圧バッファの圧力Pm2それぞれの圧力条件は、図4の各開閉弁の作動状況と圧力状態を示すグラフに示すように、本発明の実施形態よりいずれも低く設定されている。
For example, in the GM type pulse tube refrigerator in
すなわち、この特許文献1におけるGM型パルス管冷凍機の高圧側圧力Phは既述したように2MPa、低圧側圧力Plは1MPaであり、第1中圧バッファの圧力である第1中圧Pm1は1.33MPa、及び第2中圧バッファの圧力である第2中圧Pm2は1.66MPaである。
That is, as described above, the high pressure side pressure Ph of the GM type pulse tube refrigerator in
図3、図4に基づき、この特許文献1におけるGM型パルス管冷凍機の1サイクル内の動作ごとの圧力状態を以下に説明する。 Based on FIG. 3, FIG. 4, the pressure state for every operation | movement in 1 cycle of this GM type pulse tube refrigerator is demonstrated below.
図3は、特許文献1のGM型パルス管冷凍機10'を示す概略図で、基本構成は本実施形態と同じであるので各部位の符号は、本実施形態の図1で示した同部位の符号に'を付加して示している。
FIG. 3 is a schematic diagram showing the GM type
図4は、特許文献1のGM型パルス管冷凍機10'の各開閉弁の作動状況と圧力状態を示すグラフである。
FIG. 4 is a graph showing operating states and pressure states of the on-off valves of the GM type
図4では、本実施形態の説明の中で示した図2と同じく、1サイクル内での各動作段階における高圧弁22'、低圧弁23'、第1中圧バッファ弁14'及び第2中圧バッファ弁16'の開閉状態と、冷凍部12'内の圧力状態を示すが、高圧弁22'、低圧弁23'、第1中圧バッファ弁14'及び第2中圧バッファ弁16'ごとに描画された太実線はその開状態を示し、同細実線はその閉状態を示すものとする。
In FIG. 4, as in FIG. 2 shown in the description of the present embodiment, the
この特許文献1のGM型パルス管冷凍機10'の1サイクル内における圧力状
態に関する以外の動作は、本実施形態と同ように高圧弁22'、低圧弁23'、第1中圧バッファ弁14'及び第2中圧バッファ弁16'の各開閉状態に対応して区分された6つの段階(第1段階a',第2段階b',第3段階c',第4段階d',第5段階e',第6段階f'とする)からなるので、各段階での弁の開閉状態と冷媒の移動状態の説明は省くが、本実施形態と異なる各段階での冷凍部12'内の圧力状態については、以下のようになっている。
Operations other than those relating to the pressure state in one cycle of the GM type
第1段階a'(圧縮前期過程):低圧弁23'を閉状態とするとほぼ同時に第1中圧バッファ弁14'を開状態とし、高圧弁22'及び第2中圧バッファ弁16'の閉状態を保持した状態である。
First stage a ′ (pre-compression process): When the
この状態では、冷凍部12'内の圧力は、すみやかに低圧側圧力:Pl(1MPa)から、第1中圧バッファ13'の圧力である第1中圧Pm1(≒1.33MPa)まで上昇する。
In this state, the pressure in the
第2段階b'(圧縮中期過程):第1中圧バッファ弁14'を閉状態とするとほぼ同時に、第2中圧バッファ弁16'を開状態にした状態である。 Second stage b '(intermediate compression process): The second intermediate pressure buffer valve 16' is opened almost simultaneously with the first intermediate pressure buffer valve 14 'being closed.
この状態では、冷凍部12'内の圧力は、すみやかに第1中圧Pm1(≒1.33MPa)から、第2中圧バッファ15の圧力である第2中圧Pm2(≒1.66MPa)まで上昇する。
In this state, the pressure in the
第3段階c'(圧縮後期過程):第2中圧バッファ弁16'を閉状態とするとほぼ同時に、高圧弁22'を開状態にした状態である。
Third stage c ′ (late compression process): The
この状態では、冷凍部12'の圧力は高圧側圧力Ph(吐出圧力:2MPa)まで上昇する。
In this state, the pressure in the
第4段階d'(膨張前期過程):高圧弁22'を閉状態とするとほぼ同時に、第2中圧バッファ弁16'を開の状態とした状態である。
Fourth stage d ′ (pre-expansion process): The second intermediate
この状態では、冷凍部12'内の圧力は、すみやかに高圧側圧力Ph(2MPa)から、第2中圧バッファ15'の圧力である第2中圧Pm2(≒1.66MPa)まで低下する。
In this state, the pressure in the
この圧力低下によりパルス管26’内の冷媒が断熱膨張し、温度低下する。 Due to this pressure drop, the refrigerant in the pulse tube 26 'expands adiabatically and drops in temperature.
第5段階e'(膨張中期過程):第2中圧バッファ弁16'を閉状態とするとほぼ同時に、第1中圧バッファ弁14を開状態とした状態である。
Fifth stage e ′ (intermediate expansion process): The first intermediate
この状態では、冷凍部12'内の圧力はすみやかに第2中圧Pm2(≒1.66MPa)から第1中圧バッファ13の圧力である第1中圧Pm1(≒1.33MPa)まで低下する。
In this state, the pressure in the
この圧力低下によりパルス管26’内の冷媒が断熱膨張し、温度低下する。 Due to this pressure drop, the refrigerant in the pulse tube 26 'expands adiabatically and drops in temperature.
第6段階f'(膨張後期過程):第1中圧バッファ弁14'を閉状態とするとほぼ同時に、低圧弁23'を開状態にした状態である。
Sixth stage f ′ (expansion late stage process): The
この状態では、冷凍部12'内の圧力は低圧側圧力Pl(吸入圧力:1.5MPa)まで低下する。
In this state, the pressure in the
このとき、パルス管26’内で断熱膨張して温度低下した冷媒が低温熱交換器25'へと移動することで、同低温熱交換器25’との間で熱交換を行い、第1段階a'(圧縮前期過程)の状態に戻る。 At this time, the refrigerant whose temperature has decreased due to adiabatic expansion in the pulse tube 26 'moves to the low-temperature heat exchanger 25', so that heat is exchanged with the low-temperature heat exchanger 25 '. It returns to the state of a ′ (first compression stage process).
以上第1段階a’から第6段階f’までの一連の動作を1サイクルとし、これを繰り返すことによりパルス管冷凍機10'の低温熱交換器25'において極低温を発生するものである。 As described above, a series of operations from the first stage a 'to the sixth stage f' is set as one cycle, and by repeating this, a cryogenic temperature is generated in the low-temperature heat exchanger 25 'of the pulse tube refrigerator 10'.
すなわち、特許文献1のGM型パルス管冷凍機10'では、圧縮機21'の吐出圧力である高圧側圧力Phは2MPaに設定されており、吸入圧力である低圧側圧力Plは1MPaに設定されるとともに、第1中圧バッファ13'は圧縮部21'の高圧側圧力Ph及び低圧側圧力Plの間をほぼ三等分したときの低いほうの圧力である第1中圧Pm1(≒1.33MPa)に、第2中圧バッファ15'は圧縮部21'の高圧側圧力Ph及び低圧側圧力Plの間をほぼ三等分したときの高いほうの圧力である第2中圧Pm2(≒1.66MPa)になっている。
That is, in the GM type
これに対し、本実施形態のGM型パルス管冷凍機10では、図1、図2で説明したように、圧縮部21の吐出圧力である高圧側圧力Phは3MPaに設定されており、吸入圧力である低圧側圧力Plは1.5MPaに設定されるとともに、第1中圧バッファ13は圧縮部21の高圧側圧力Ph及び低圧側圧力Plの間をほぼ三等分したときの低いほうの圧力である第1中圧Pm1(≒2MPa)に、第2中圧バッファ15は圧縮部21の高圧側圧力Ph及び低圧側圧力Plの間をほぼ三等分したときの高い方の圧力である第2中圧Pm2(≒2.5MPa)になっている。
On the other hand, in the GM
従って、既述したように、冷凍能力を増加させるためには、膨張前後の差圧(Ph−Pl)を大きくする必要があるが、特許文献1のGM型パルス管冷凍機では、膨張前の高圧側圧力が2MPa前後にとどまっているので、低圧側圧力Plを下げると、膨張前後の圧縮比(Ph/Pl)も大きくなり冷凍効率が低下する傾向にあったし、また、膨張前後の差圧(Ph−Pl)もPlに限界があり1.5MPa前後以上にはできなかった。
Therefore, as described above, in order to increase the refrigerating capacity, it is necessary to increase the differential pressure before and after expansion (Ph-Pl). However, in the GM pulse tube refrigerator of
これに対し、本実施形態では、従来の膨張前の高圧側圧力が2MPa前後であったのに対して、この高圧側圧力を2.8MPa以上と高く設定したので、同じ膨張前後の圧力比(Ph/Pl)の条件でも、膨張前後の差圧(Ph−Pl)が大きくとれて、冷凍能力を向上させることができるし、また、冷凍効率も向上させることができる。 On the other hand, in the present embodiment, the high pressure side pressure before expansion is around 2 MPa, whereas the high pressure side pressure is set as high as 2.8 MPa or more. Even under the condition of (Ph / Pl), the differential pressure before and after expansion (Ph-Pl) can be greatly increased, so that the refrigerating capacity can be improved and the refrigerating efficiency can also be improved.
なお、このような冷凍能力と冷凍効率の向上が膨張前の高圧側圧力が高いほど顕著であることは、発明者らの本実施形態のGM型パルス管冷凍機の試作機による実験でも確認されているので、下記にその実験結果について付加説明をする。 In addition, it has also been confirmed by experiments by the inventors of the GM type pulse tube refrigerator of the present embodiment that the improvement in the refrigerating capacity and the refrigerating efficiency is more remarkable as the high-pressure side pressure before expansion is higher. Therefore, the experimental results will be explained below.
図5は、本実施形態の試作機において、高圧側圧力である圧縮部の吐出圧力を、1.61MPa、1.80Mpa、2.00MPa、2.21Mpa、2.40MPa、とそれぞれ変えた場合における、77Kでの冷凍能力を測定した結果を示したグラフである。また、図6は、圧縮部の吐出圧力を上記圧力とそれぞれ変えた場合における、77Kでの冷凍効率(=77K冷凍能力/消費電力)を測定した結果を示したグラフである。 FIG. 5 shows a case where the discharge pressure of the compression portion, which is the high-pressure side pressure, is changed to 1.61 MPa, 1.80 Mpa, 2.00 MPa, 2.21 Mpa, and 2.40 MPa, respectively, in the prototype of the present embodiment. The graph which showed the result of having measured the refrigerating capacity in 77K. FIG. 6 is a graph showing the results of measuring the refrigeration efficiency at 77K (= 77K refrigeration capacity / power consumption) when the discharge pressure of the compression unit is changed from the above pressure.
図5、図6によれば、圧縮部の吐出圧力が1.61MPaの場合は冷凍能力:73.30W、冷凍効率:0.0278、圧縮部の吐出圧力が1.80MPaの場合は冷凍能力:84.62W、冷凍効率:0.0291、圧縮部の吐出圧力が2.00MPaの場合は冷凍能力:95.91W、冷凍効率:0.0299、圧縮部の吐出圧力が2.21MPaの場合は冷凍能力:107.07W、冷凍効率:0.0304、圧縮部の吐出圧力が2.40MPaの場合は冷凍能力:117.03W、冷凍効率:0.0308であることがわかる。このように、高圧側圧力として圧縮部の吐出圧力が大きくなるほど、冷凍能力は1次関数的に増加していることがわかるし、また、冷凍効率も増加傾向にあることがわかる。 5 and 6, when the discharge pressure of the compression section is 1.61 MPa, the refrigerating capacity is 73.30 W, the refrigerating efficiency is 0.0278, and when the discharge pressure of the compression section is 1.80 MPa, the refrigerating capacity is: 84.62 W, refrigeration efficiency: 0.0291, refrigeration capacity: 95.91 W when the compression section discharge pressure is 2.00 MPa, refrigeration efficiency: 0.0299, refrigeration when the compression section discharge pressure is 2.21 MPa When the capacity is 107.07 W, the refrigeration efficiency is 0.0304, and the discharge pressure of the compression unit is 2.40 MPa, the refrigeration capacity is 117.03 W and the refrigeration efficiency is 0.0308. Thus, it can be seen that as the discharge pressure of the compression section increases as the high-pressure side pressure, the refrigeration capacity increases in a linear function, and the refrigeration efficiency also tends to increase.
例えばこの結果によると、従来技術にある特許文献1では高圧側圧力Phは2MPaで設定しているが、この本実施形態の試作機では、この高圧側圧力Ph(2MPa)下での冷凍能力は96W前後,冷凍効率は0.03前後にとどまり、本実施形態にあるように例えば高圧側圧力Phを3MPaに設定すると、この場合は冷凍能力は150W前後、冷凍効率は0.0316前後にそれぞれ向上しているのがわかる。
For example, according to this result, the high pressure side pressure Ph is set at 2 MPa in
また実施形態にあるように例えば高圧側圧力Phを2.8MPaに設定した場合でも、冷凍能力は135W前後、冷凍効率は0.0314前後となり、高圧側圧力Phを2MPaとしたときに対しそれぞれ向上しているのがわかる。 Further, as in the embodiment, for example, even when the high-pressure side pressure Ph is set to 2.8 MPa, the refrigerating capacity is about 135 W and the refrigerating efficiency is about 0.0314, which is improved as compared with the case where the high-pressure side pressure Ph is set to 2 MPa. You can see that
次に本実施形態では上記したように、圧縮部21の吸入圧力である低圧側圧力Plについては、1MPa以上(説明例では1.5MPaとした)に設定して冷凍効率と冷凍能力を向上させるようにしているが、従来この種の圧縮部と冷凍部が分離した構成にあるGM型パルス管冷凍機やGM冷凍機における膨張後の低圧側圧力Plは、特許文献1や特許文献2にもあるように、膨張前の高圧側圧力Phが.2MPa前後以下にとどまっていたこともあり、冷凍能力を確保するために膨張前後の差圧(Ph−Pl)を大きくする必要から、最も高いものでも1MPa未満に設定されていた。
Next, in the present embodiment, as described above, the low-pressure side pressure Pl that is the suction pressure of the
すなわちGM型パルス管冷凍機では、上記したように不可逆的膨張に起因する効率の低下を抑えるためには圧力比を小さくする必要がある。 That is, in the GM type pulse tube refrigerator, it is necessary to reduce the pressure ratio in order to suppress the decrease in efficiency due to irreversible expansion as described above.
本実施形態では、膨張前の高圧側圧力Phを2.8MPa以上に設定しているので、膨張前後の圧力比(Ph/Pl)を小さくするため、冷凍部から圧縮部に回収される膨張後の低圧側圧力Plを、1MPa前後以上とすることにより、冷凍能力を向上させるために膨張前の高圧側圧力Phを高く設定しても、圧力比を3前後以下の小さい値に設定することが出来、高い冷凍能力のもとでも圧力比を小さくして高い冷凍効率を確保出来るようにしている。 In this embodiment, since the high-pressure side pressure Ph before expansion is set to 2.8 MPa or more, in order to reduce the pressure ratio before and after expansion (Ph / Pl), after expansion, which is recovered from the refrigeration unit to the compression unit By setting the low-pressure side pressure Pl of about 1 MPa or more, the pressure ratio can be set to a small value of about 3 or less even if the high-pressure side pressure Ph before expansion is set high in order to improve the refrigerating capacity. It is possible to secure high refrigeration efficiency by reducing the pressure ratio even under high refrigeration capacity.
この膨張前後の圧力比(Ph/Pl)を小さくすることにより冷凍効率が向上することは、原理的にも膨張前後の圧力比Ph/Plがほぼ3以上では冷凍効率の低下割合は大きく、このほぼ3から1に近づくにつれて冷凍効率の向上割合は大きくなるし、また、発明者らの冷凍温度77Kでの試作機による実験でもこの傾向は確認されている。 Refrigerating efficiency is improved by reducing the pressure ratio before and after expansion (Ph / Pl). In principle, when the pressure ratio Ph / Pl before and after expansion is approximately 3 or more, the rate of decrease in refrigeration efficiency is large. The rate of improvement in the refrigeration efficiency increases as the value approaches from 3 to 1, and this tendency has been confirmed in experiments by the inventors at a refrigeration temperature of 77K.
以上説明してきたように、本実施形態におけるGM型パルス管冷凍機は、圧縮部21から供給される冷媒の高圧側圧力Phを従来の2MPa前後から2.8MPa以上に、また圧縮部21に回収される低圧側圧力Plを1MPa以上に設定のもと、圧力振動装置11と、冷凍部12と、第1中圧バッファ13及び第1中圧バッファ弁14と、第2中圧バッファ15及び第2中圧バッファ弁16と、制御装置17とで構成して、既述したように圧力振動装置11の高圧弁22、低圧弁23をほぼ重なり合わないように開状態としてこの冷凍サイクルを進行させて、冷凍サイクル内の各動作段階における冷媒の圧力変化を、各動作段階の隣接する中間圧力などにより形成される比較的小さな圧力比で行わせることにより、冷凍効率と冷凍能力を同時に向上させるものである。
As described above, the GM pulse tube refrigerator in the present embodiment recovers the high pressure side pressure Ph of the refrigerant supplied from the
すなわち各動作段階において所要の圧力状態とするために、圧縮部からパルス管の低温端に対して流入する冷媒の移動量及び、各中圧バッファからパルス管高温端に流入出する冷媒の移動量はそれぞれ低減されるので、圧縮部の負荷(消費電力)が低減されることに加えて、本実施形態ではさらに、上記の冷凍サイクル各動作段階における高圧弁、低圧弁、各中圧バッファ弁も比較的小さな圧力比のもとで開動作されることにより、熱力学的に不可逆な過程である不等圧下での弁の開動作に基づく損失、いわゆる弁損失などの圧力比にともなう各損失は低減され、その分、圧縮部の負荷(消費電力)は低減されて、冷凍効率と冷凍能力が向上するものである。 That is, in order to achieve a required pressure state in each operation stage, the amount of movement of refrigerant flowing from the compression section to the low temperature end of the pulse tube and the amount of movement of refrigerant flowing from each intermediate pressure buffer to the high temperature end of the pulse tube In addition to reducing the load (power consumption) of the compression unit, the present embodiment further includes a high pressure valve, a low pressure valve, and each intermediate pressure buffer valve in each operation stage of the refrigeration cycle. By opening under a relatively small pressure ratio, each loss associated with the pressure ratio such as loss due to valve opening under unequal pressure, which is a thermodynamically irreversible process, so-called valve loss, is As a result, the load (power consumption) of the compression unit is reduced correspondingly, and the refrigeration efficiency and the refrigeration capacity are improved.
本実施形態のGM型パルス冷凍機10では、パルス管26と中圧バッファ弁で連結した中圧バッファを、第1中圧バッファ弁14で連絡した第1中圧バッファ13と、第2中圧バッファ弁16で連絡した第2中圧バッファ15の2個の例で示したが、この中圧バッファ弁で連結した中圧バッファをそれぞれ3個以上備えたものであっても、また、それぞれ1個だけ備えたものであっても本実施形態は適用される。
In the
以上では蓄冷式冷凍機の例としてGM型パルス管冷凍機で説明したが、このGM型パルス管冷凍機と同じように室温部におかれた圧縮部と、低温部におかれ、それぞれ蓄冷器とディスプレーサピストンを内包した多段の膨張室で構成される冷凍部を有し、同時に多段膨張するように構成されるGM冷凍機であっても、本実施形態は適用される。 In the above description, the GM type pulse tube refrigerator has been described as an example of the regenerator type refrigerator. However, in the same manner as this GM type pulse tube refrigerator, the compressor unit placed in the room temperature part and the low temperature part are respectively regenerators. The present embodiment can be applied to a GM refrigerator that includes a refrigeration unit including a multistage expansion chamber including a displacer piston and is configured to expand at the same time.
GM冷凍機における実施形態について以下に図7、図8の基づき説明する。 Embodiments in the GM refrigerator will be described below with reference to FIGS.
図7に、2段膨張する構成にあるGM冷凍機における実施形態を示す概略構成図を示し、図8に、同2段膨張する構成にあるGM冷凍機の開閉弁及び各ディスプレーサピストンの作動状況と冷凍部の圧力状況を示す。 FIG. 7 shows a schematic configuration diagram showing an embodiment of a GM refrigerator having a two-stage expansion configuration, and FIG. 8 shows operating states of the on-off valve and each displacer piston of the GM refrigerator having the two-stage expansion configuration. And shows the pressure status of the freezer.
本実施形態におけるGM冷凍機30は、圧力振動装置11と、冷凍部31と駆動部48を持つ。
The
圧力振動装置11は、吐出口21a及び吸入口21bを有する圧縮部21と、圧縮部21の吐出口21a側に連結された高圧弁22と、圧縮部21の吸入口21b側に連結された低圧弁23とを有する。高圧弁22は、高圧配管28aにより圧縮部21の吐出口21aに連結され、低圧弁23は、低圧配管28bにより圧縮部21の吸入口21bに連結されている。高圧弁22及び低圧弁23は、本例においては、ロータリ弁で構成されており、ロータ(図示せず)の回転によって、高圧弁22と低圧弁23とが交互に排他的に開閉する動作を繰り返す。
The
冷凍部31は、1段目シリンダ41、2段目シリンダ42、1段目ディスプレーサピストン43、2段目ディスプレーサピストン44、及び駆動機構48を備える。
The
図に示すように、1段目シリンダ41内には1段目ディスプレーサピストン43が収容されている。1段目シリンダ41も1段目ディスプレーサピストン43も、本例ではともに円筒状に形成されており、1段目シリンダ41の軸方向距離が1段目ディスプレーサピストン43の軸方向距離よりも長く設計されている。また、1段目シリンダ41の直径は、1段目ディスプレーサピストン43の直径よりもわずかに大きく設計されている。したがって、1段目ディスプレーサピストン43は1段目シリンダ41内で軸方向に往復動可能とされる。
As shown in the figure, a first-
1段目ディスプレーサピストン43の後端側(図示下端側)と1段目シリンダ41との間には、隙間空間37が形成される。この隙間空間37には、図に示すように連結配管29の一端が連通している。連結配管29の他端は、高圧弁22及び低圧弁23が連結される。したがって、高圧弁22及び低圧弁23の排他的開閉による圧力の変動は、連結配管29を経由してこの隙間空間37に伝達される。
A
1段目ディスプレーサピストン43は、外郭が1段目ディスプレーサケース43aで形成され、この1段目ディスプレーサケース43a内には1段目蓄冷器45が収納されてなる。
The first
また、1段目ディスプレーサケース43aには、後面側連通孔43b及び側面側連通孔43cが形成されている。後面側連通孔43bは、1段目ディスプレーサケース43aの後端面側(図示下端面側)に形成されている。したがって、隙間空間37は、後面側連通孔43bを経由して、1段目ディスプレーサピストン43内部の1段目蓄冷器45に連通される構成となっている。一方、側面側連通孔43cは、1段目ディスプレーサケース43aの側面の図示上方側に形成されている。したがって、1段目シリンダ41と1段目ディスプレーサピストン43の前端面側(図示上端面側)との間に形成される第1膨張空間35は、1段目ディスプレーサケース43aと1段目シリンダ41との間の側面隙間及び側面側連通孔43cを通じて1段目蓄冷器45と連通される構成となっている。なお、1段目ディスプレーサケース43aの外側周には、ピストンリング47が嵌挿されている。このピストンリング47により、隙間空間37と第1膨張空間35との連通が遮断されている。
The first-stage displacer case 43a is formed with a rear surface
1段目ディスプレーサピストン43の前端面(図示上面)には、2段目ディスプレーサピストン44が接続されている。この2段目ディスプレーサピストン44は、2段目シリンダ42内に収容されている。2段目シリンダ42も2段目ディスプレーサピストン44も本例ではともに円筒状に形成されており、2段目シリンダ42の軸方向距離が2段目ディスプレーサピストン44の軸方向距離よりも長く設計されている。また、2段目シリンダ42の直径は、2段目ディスプレーサピストン44の直径よりもわずかに大きく設計されている。したがって、2段目ディスプレーサピストン44は2段目シリンダ42内で軸方向に往復動可能とされる。
A second-
2段目ディスプレーサピストン44は、外郭が2段目ディスプレーサケース44aで形成され、この2段目ディスプレーサケース44a内に2段目蓄冷器46が収納されてなる。さらに、2段目ディスプレーサケース44aには、後面側連通路44b及び側面側連通孔44cが形成されている。後面側連通路44bは、2段目ディスプレーサケース44aの内面後端(図示下端面)が第1膨張空間35に連通するように形成されている。したがって、第1膨張空間35は、後面側連通孔44bによって、2段目ディスプレーサピストン44内部の2段目蓄冷器46に連通される構成となっている。一方、側面側連通孔44cは、2段目ディスプレーサケース44aの側面の図示上方側に形成されている。したがって、2段目シリンダ42と2段目ディスプレーサピストン44の前端面側(図示上端面側)との間に形成される第2膨張空間36は、2段目ディスプレーサケース44aと2段目シリンダ42との間の側面隙間及び側面側連通孔44cによって、2段目ディスプレーサピストン44内部の2段目蓄冷器46に連通される構成となっている。
The outer casing of the second
1段目シリンダ41の後端面側には室温プレート32が、前端面側(即ち、第1膨張空間35の外周側)には第1コールドステージ33が、2段目シリンダ42の前端面側(即ち、第2膨張空間36の外周側)には第2コールドステージ34が、それぞれ取り付けられている。第1及び第2コールドステージ33、34は、各膨張空間35、36で発生した寒冷を被冷却体に伝達させるものであり、いずれも、熱伝導の良好な銅などの材質で構成される。
A
1段目ディスプレーサピストン43の後端側には、連結部材49が取り付けられている。この連結部材49は、その一端が上述のように1段目ディスプレーサピストン43に連結しているとともに、その他端が室温プレート32から外部に突出している。そして、連結部材49の他端に往復駆動手段48が接続されている。
A connecting
本例においては、この往復駆動手段48として、駆動モータと、この駆動モータの出力軸に同軸的に連結した円板と、この円板の外周側に一端が取り付けられ、他端が連結部材49に接続した連結ロッドとを備えて構成される例を示している。したがって、駆動モータが駆動すると、駆動モータによる回転運動が連結ロッドによって往復運動に変換され、この往復運動が連結ロッド及び連結部材49を介して1段目ディスプレーサピストン43に伝わる。前述のように1段目ディスプレーサピストン43の前端側に2段目ディスプレーサピストン44が連結しているので、両ディスプレーサピストン43、44は、同時に両ディスプレーサケース41、42内を往復移動する。
In this example, as the reciprocating drive means 48, a drive motor, a disc coaxially connected to the output shaft of the drive motor, one end is attached to the outer peripheral side of the disc, and the other end is a connecting
また、本例においては、高圧弁22及び低圧弁23をロータリ弁で構成している。したがって、往復駆動手段48における駆動モータの回転に連動してロータリ弁を作動させることにより、1段目及び2段目ディスプレーサピストン43、44の往復動に対して一定のタイミングをもって高圧弁22及び低圧弁23を排他的に開閉させることができる。
In this example, the high-
この構成において、圧縮部21から供給された冷媒が、2段に形成された1段目ディスプレーサピストン43,2段目ディスプレーサピストン44の動作と位相差をもたせて開閉動作が行われる高圧弁22及び低圧弁23を介して、1段目蓄冷器45及び2段目蓄冷器46に導かれ、ここで予冷されたのち、1段目ディスプレーサピストン43、2段目ディスプレーサピストン44の膨張仕事に相当した寒冷を発生し再び、蓄冷器45、46を通って蓄冷材を冷やしながら温度上昇し、室温に戻って圧縮部21に回収され、この行程を1サイクルとして周期的に動作し、第1コールドステージ33及び第2コールドステージ34に寒冷を発生させる。
In this configuration, the refrigerant supplied from the
またこの構成において、圧縮部21から冷凍部31に供給される冷媒の膨張前の高圧側圧力Phを、従来の特許文献2などで設定されている2MPa前後の値に対し、2.8MPa以上にするとともに、冷凍部31から圧縮部21に回収される冷媒の膨張後の低圧側圧力Plを、1MPa以上に設定するものである。
Further, in this configuration, the high pressure side pressure Ph before expansion of the refrigerant supplied from the
以下に図7、及び図8によって本実施形態の作動について説明する。 The operation of the present embodiment will be described below with reference to FIGS.
図7、及び図8に示すこのGM冷凍機30における、圧縮部21から冷凍部31に供給される高圧側圧力Phと、冷凍部31から圧縮部に回収される低圧側圧力Plの圧力は、以下の説明では、特許文献2と冷凍能力に比例する膨張前後の圧力差(Ph−Pl)を同じ1.5MPaにして冷凍効率を比較検討するために、高圧側圧力Phを2.8MPa以上の1例として例えば3MPaとし、低圧側圧力Plを1MPa以上の1例として例えば1.5MPaとする。
In the
図8において、高圧弁22、低圧弁23ごとに描画された太実線はその開状態を示し、同細実線はその閉状態を示すものとする。
In FIG. 8, the thick solid line drawn for each of the high-
図8に基づいて、本実施形態におけるGM冷凍機30の1サイクル内の動作と圧力状態を説明する。
Based on FIG. 8, the operation | movement and pressure state in 1 cycle of the
なお図8では、当該GM冷凍機30の1サイクル内の動作は、以下に説明する4つの段階(第1段階A、第2段階B、第3段C、第4段階D)からなり、各段階は、高圧弁22、低圧弁23の開閉状態及び、1段目ディスプレーサピストン43、2段目ディスプレーサピストン44の第1膨張空間35、第2膨張空間36での変位状態に対応して区分される。
In FIG. 8, the operation of one cycle of the
第1段階A:高圧弁22を開状態、低圧弁23を閉状態としてディスプレーサ43、44が上死点から下死点に下降しはじめている状態である。
First stage A: the
この状態では圧縮部21から高圧弁22を介して冷凍部31に冷媒が流入し、冷凍部は3MPaまで圧力が上昇する。
In this state, the refrigerant flows into the
第2段階B:高圧弁22を開状態、低圧弁23を閉状態のまま、さらにディスプレーサピストン43、44が下死点まで下降している状態である。
Second stage B: The
この状態では、冷凍部では、ディスプレーサピストン43,44が移動することにより、第1膨張空間35、第2膨張空間36に、それぞれ第1蓄冷器45、第2蓄冷器46で冷却された高圧冷媒が充填される。
In this state, in the refrigeration unit, the
第3段階C:高圧弁22を閉状態、低圧弁23を開状態としてディスプレーサ43,44が下死点から上死点に上昇しはじめている状態である。
Third stage C: The
この状態では、低圧弁23が開となり、冷凍部31の圧力が1.5MPaまで低下し、第1膨張空間35及び第2膨張空間36の冷媒が断熱膨張し、温度低下する。
In this state, the low-
第4段階D:高圧弁22を閉状態、低圧弁23を開状態のまま、さらにディスプレーサピストン43、44が上死点まで移動する状態である。
Fourth stage D: The
ディスプレーサ43、44が移動することにより、温度低下した第1膨張空間35及び第2膨張空間36の冷媒が、それぞれ第1コールドステージ33及び第2コールドステージ34を冷却し、第1蓄冷器45及び第2蓄冷器46を通して圧縮部21に回収される。
As the
以上のように本実施形態では、高圧側圧力Phを3MPaとし、低圧側圧力Plを1.5MPaとして、第1段階Aから第4段階Dまでの一連の動作を1サイクルとし、これを繰り返すことによりGM冷凍機30の低温熱交換器33,34において極低温を発生するものである。
As described above, in the present embodiment, the high pressure side pressure Ph is set to 3 MPa, the low pressure side pressure Pl is set to 1.5 MPa, and a series of operations from the first stage A to the fourth stage D is set as one cycle, and this is repeated. Therefore, a cryogenic temperature is generated in the low-
従って、例えば、この実施形態における冷凍能力に比例する圧力差(Ph−Pl)(高圧側圧力Ph:3MPa、低圧側圧力Pl:1.5MPa)を、特許文献2と同じ1.5MPa(高圧側圧力Ph:2MPa、低圧側圧力Pl:0.5MPa)とした時の圧力比(Ph/Pl)を比較すると、特許文献2では圧力比(Ph/Pl)は4となるのに対し、実施形態の例では圧力比(Ph/Pl)は2となって、圧力比が下がった分だけ冷凍効率が向上する。
Therefore, for example, the pressure difference (Ph-Pl) (high pressure side pressure Ph: 3 MPa, low pressure side pressure Pl: 1.5 MPa) proportional to the refrigerating capacity in this embodiment is set to 1.5 MPa (high pressure side) as in
すなわち既述したように蓄冷型冷凍機の理想状態における冷凍能力は、膨張容積Vと膨張前後の圧力差(Ph―Pl)との積で表わされるが、本実施形態におけるGM冷凍機も、特許文献2に代表されるような従来の膨張前の高圧側圧力Phが2MPa前後であったのに対し、この膨張前の高圧側圧力Phを2.8MPa以上に設定することにより、差圧(Ph―Pl)を同じとすれば、圧力比(Ph/Pl)は小さくなり冷凍効率は向上するし、また、圧力比(Ph/Pl)を同じとすれば、膨張前後の圧力差(Ph―Pl)が大きくとれ、冷凍能力を向上させることができる。
That is, as described above, the refrigeration capacity in the ideal state of the regenerative refrigerator is represented by the product of the expansion volume V and the pressure difference before and after expansion (Ph-Pl). The GM refrigerator in this embodiment is also patented. While the conventional high pressure side pressure Ph before expansion as represented by
さらに、本実施形態のGM冷凍機においては、冷凍部は1段目ディスプレーサピストン43、2段目ディスプレーサピストン44を内包した第1膨張空間35、第2膨張空間36とによって、同時に膨張するように構成されて、蓄冷器における熱力学的に不可逆な過程である不等圧下、不等温下での冷媒移動にともなう損失、いわゆる蓄冷器損失を小さくするようになっているが、本実施形態では、圧縮部から供給される冷媒の高圧側圧力を、従来の2MPa前後から2.8MPa以上に高くすることにより、冷凍能力が比例する膨張前後の高圧側圧力と低圧側圧力との圧力差を同じにした場合、高圧側圧力が高くなった分、膨張前後の圧力比が小さくなるので、圧力差に基づく弁損失の低減に加え、蓄冷器における熱力学的に不可逆な過程である不等圧下での冷媒移動に基づく損失も小さくすることが出来、その分さらに圧縮部の負荷(消費電力)は低減され、冷凍効率は向上する。
Furthermore, in the GM refrigerator of this embodiment, the refrigeration unit is expanded at the same time by the first expansion space 35 and the
本実施形態のGM冷凍機においては、2段膨張の例を示したが、1段膨張又は3段以上の多段膨張においても適用される。 In the GM refrigerator of the present embodiment, an example of two-stage expansion is shown, but the present invention is also applicable to one-stage expansion or multistage expansion of three or more stages.
10・・・GM型パルス管冷凍機
11・・・圧力振動装置
12・・・冷凍部
13・・・第1中圧バッファ
14・・・第1中圧バッファ弁
15・・・第2中圧バッファ
16・・・第2中圧バッファ弁
21・・・圧縮部
21a・・吐出口
21b・・吸入口
22・・・高圧弁
23・・・低圧弁
24a・・蓄冷器
24b・・蓄冷器高温端
24c・・蓄冷器低温端
25・・・低温熱交換器
26・・・パルス管
26a・・パルス管低温端
26b・・パルス管高温端
27・・・高温熱交換器
DESCRIPTION OF
Claims (4)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2004100349A JP2005283026A (en) | 2004-03-30 | 2004-03-30 | Cold storage type refrigerating machine |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2004100349A JP2005283026A (en) | 2004-03-30 | 2004-03-30 | Cold storage type refrigerating machine |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2005283026A true JP2005283026A (en) | 2005-10-13 |
Family
ID=35181613
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2004100349A Pending JP2005283026A (en) | 2004-03-30 | 2004-03-30 | Cold storage type refrigerating machine |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2005283026A (en) |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2017214936A (en) * | 2017-09-11 | 2017-12-07 | 住友重機械工業株式会社 | Cryopump system, and operation method of cryopump system |
US10197305B2 (en) | 2014-12-22 | 2019-02-05 | Sumitomo Heavy Industries, Ltd. | Cryocooler and cryocooler operation method |
JP2019173756A (en) * | 2019-06-14 | 2019-10-10 | 住友重機械工業株式会社 | Cryopump system, operation method for cryopump system, refrigerator system, and operation method for refrigerator system |
US10815982B2 (en) | 2013-11-20 | 2020-10-27 | Sumitomo Heavy Industries, Ltd. | Cryopump system and method of operating cryopump system |
JP2021063508A (en) * | 2021-01-20 | 2021-04-22 | 住友重機械工業株式会社 | Cryopump system, operation method for cryopump system, refrigerator system, and operation method for refrigerator system |
-
2004
- 2004-03-30 JP JP2004100349A patent/JP2005283026A/en active Pending
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US10815982B2 (en) | 2013-11-20 | 2020-10-27 | Sumitomo Heavy Industries, Ltd. | Cryopump system and method of operating cryopump system |
US11073308B2 (en) | 2014-07-23 | 2021-07-27 | Sumitomo Heavy Industries, Ltd. | Cryocooler and cryocooler operation method |
US10197305B2 (en) | 2014-12-22 | 2019-02-05 | Sumitomo Heavy Industries, Ltd. | Cryocooler and cryocooler operation method |
JP2017214936A (en) * | 2017-09-11 | 2017-12-07 | 住友重機械工業株式会社 | Cryopump system, and operation method of cryopump system |
JP2019173756A (en) * | 2019-06-14 | 2019-10-10 | 住友重機械工業株式会社 | Cryopump system, operation method for cryopump system, refrigerator system, and operation method for refrigerator system |
JP2021063508A (en) * | 2021-01-20 | 2021-04-22 | 住友重機械工業株式会社 | Cryopump system, operation method for cryopump system, refrigerator system, and operation method for refrigerator system |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
EP2482004B1 (en) | G-m refrigerator with phase adjusting mechanism | |
CN103808056B (en) | The vascular of recovery sound merit and the compound Cryo Refrigerator of J-T throttling | |
CN103062952B (en) | Pulse tube/Stirling gas coupling composite multi-stage refrigerator | |
US5642623A (en) | Gas cycle refrigerator | |
JP2511604B2 (en) | Cryogen freezer | |
CN107940790A (en) | Mixed circulation low-temperature refrigerator | |
JP2783112B2 (en) | Cryogenic refrigerator | |
JP5882110B2 (en) | Regenerator type refrigerator, regenerator | |
CN110986415A (en) | Double-effect Stirling device and operation control method thereof | |
JP2650437B2 (en) | Cold storage cryogenic refrigerator | |
US20150226465A1 (en) | Cryogenic engine with rotary valve | |
JP2005283026A (en) | Cold storage type refrigerating machine | |
JP2609327B2 (en) | refrigerator | |
JP2001272126A (en) | Pulse tube refrigerating machine, and superconductive magnet device using pulse tube refrigerating machine | |
JP2013217516A (en) | Regenerative refrigerator | |
CN203190707U (en) | Aqueduct/Stirling gas coupled composite type multistage refrigerating machine | |
JP6087168B2 (en) | Cryogenic refrigerator | |
JPH0452468A (en) | Cryogenic refrigerator | |
JPH11304271A (en) | Cold storage type refrigerating machine and superconducting magnet using it | |
US5697219A (en) | Cryogenic refrigerator | |
US20050000232A1 (en) | Pulse tube cooling by circulation of buffer gas | |
JPH10132405A (en) | Cold storage freezer and its operating method | |
JP2723342B2 (en) | Cryogenic refrigerator | |
JP3284484B2 (en) | Refrigeration liquefaction method and apparatus by regenerative refrigerator | |
JP4718957B2 (en) | Pulse tube refrigerator |