JP2001289522A

JP2001289522A - Ｕ字型パルス管冷凍機

Info

Publication number: JP2001289522A
Application number: JP2000109069A
Authority: JP
Inventors: Masakazu Okamoto; 昌和岡本
Original assignee: Daikin Industries Ltd
Current assignee: Daikin Industries Ltd
Priority date: 2000-04-11
Filing date: 2000-04-11
Publication date: 2001-10-19

Abstract

(57)【要約】【課題】蓄冷器とパルス管とが略平行に配置されるＵ
字型パルス管冷凍機において、小型で製作しやすく且つ
冷凍能力の高いＵ字型パルス管冷凍機を得る。【解決手段】パルス管(8)の一端部を略９０度曲げて
彎曲部(8c)を設ける。この彎曲部(8c)を蓄冷器(5)のパ
ルス管(8)側への接続部に設け略９０度に曲げられた連
通部(6)と連結することにより、作動ガスが蓄冷器(5)と
パルス管(8)と間を移動する際に生じる圧力損失を抑制
するとともに、蓄冷器(5)及びパルス管(8)の間の幅を狭
める。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、パルス管を使用す
るＵ字型パルス管冷凍機に関し、特に、蓄冷器とパルス
管との連結部の構造に係るものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、この種のパルス管冷凍機とし
て、蓄冷器とパルス管とが直列に並んでいるインライン
型パルス管冷凍機や、例えば特開平６−１８８４８６号
公報等に示されるように、蓄冷器とパルス管とが略平行
に配置されたＵ字型パルス管冷凍機が知られている。

【０００３】そのうち、例えば、イナータンス管を用い
たインライン型パルス管冷凍機では、図３に示すよう
に、作動ガスを所定周期で圧縮する圧縮機(c)と、内部
空間を有するパルス管（８）の一端部とが圧縮機(c)か
らパルス管(8)に対し給排される作動ガスと熱交換する
蓄冷器(5)により接続され、上記蓄冷器(5)、パルス管
(8)、イナータンス管(9)及びバッファ(10)が直線状に接
続されている。そして、圧縮機(c)の圧縮過程において
圧縮された作動ガスをパルス管(8)に供給するととも
に、圧縮機(c)の膨張過程において、蓄冷器(5)とパルス
管(8)との連結部のコールドヘッド(7)で作動ガスを膨張
させることで、そのコールドヘッド(7)に極低温レベル
の寒冷を発生させる。(4)は圧縮機(c)と蓄冷器(5)とを
接続する接続配管である。

【０００４】一方、Ｕ字型パルス管冷凍機では、図４に
示すように、蓄冷器(5)とパルス管(8)とが略平行に配置
されていて、両者と略直交する方向に延びる連通部(12)
により接続されている。

【０００５】さらに、例えば特開平５−１３３６３０号
公報に示されるように、パルス管の端部を円弧状に１８
０度折り曲げて直接に蓄冷器(5)と連結したＵ字型パル
ス管冷凍機が提案されている。

【０００６】上記のパルス管冷凍機の原理を図４を用い
て詳しく説明すると、圧縮機(c)の圧縮過程において供
給される作動ガスは、接続配管(4)、蓄冷器(5)、連通部
(12)を通りパルス管(8)内に入る。パルス管(8)内には、
初めに低圧の作動ガスがあるが、上記圧縮機(c)からの
供給によって入ってくる作動ガスによりパルス管(8)内
の作動ガスも圧縮される。この作動ガスによる一方向性
圧縮効果により、パルス管(8)内に温度勾配が生じる。
そして、生じた圧縮熱はパルス管(8)の壁に伝達され
る。この温度勾配は圧縮流の向きに対して正となるの
で、圧縮熱の多くはパルス管(8)の高温端(8a)で発生す
る。

【０００７】作動ガスが圧縮機(c)の膨張過程において
圧縮機(c)に回収される際には、パルス管(8)内の作動ガ
スは膨張する。この作動ガスの流れの向きは、圧縮過程
のときとは逆となり、パルス管(8)内に作動ガス流の向
きに対して負となるような温度勾配ができる。しかし、
膨張開始前に高温端(8a)部の熱除去が行われているの
で、作動ガス全体の平均温度は圧縮時より低くなってお
り、その結果、作動ガスはパルス管(8)の壁から熱を受
ける。パルス管(8)の低温端(8b)は、この温度勾配によ
って最も温度の低い部分となり、この部分で寒冷が発生
する。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記インライ
ン型パルス管冷凍機では、冷凍能力の向上の目的でパル
ス管の長さを長くした場合、パルス管冷凍機自体も大型
化してしまうので、小型化が望まれる極低温冷凍機とし
て用いることは困難である。

【０００９】また、上記蓄冷器とパルス管とを連通部で
連通したＵ字型パルス管冷凍機は、インライン型パルス
管冷凍機と比較して小型化が可能となる。しかしなが
ら、大幅に冷凍能力が低下するという欠点があった。こ
れは、蓄冷器とパルス管との連通部内を移動する作動ガ
スの急激な進路変更や渦流の発生が余儀なくされ、作動
ガスの移動に際して大きな圧力損失が起きるためと考え
られる。

【００１０】さらに、上記パルス管を１８０度曲げて蓄
冷器と直接に連通する従来のＵ字型パルス管冷凍機で
は、パルス管の加工時において１８０度の曲げが難しい
上に、パルス管と蓄冷器との間の幅が一定以上必要とな
り、冷凍機自体の小型化に限度がある。

【００１１】本発明は斯かる諸点に鑑みてなされたもの
であり、その目的とするところは、Ｕ字型パルス管冷凍
機の構造に改良を加えることで、その冷凍機を小型で製
作しやすくし、且つ作動ガスの移動の際の圧力損失を抑
制して高い冷凍能力が得られるようにすることにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、この発明では、パルス管の蓄冷器への接続端部を
略９０度に彎曲させることとした。

【００１３】具体的には、請求項１の発明では、作動ガ
スを所定周期で圧縮する圧縮機(c)と、内部空間を有す
るパルス管（８）の一端部とが、圧縮機(c)からパルス
管(8)に対し給排される作動ガスと熱交換する蓄冷器(5)
により接続され、上記蓄冷器(5)と上記パルス管(8)とが
略平行に配置されるＵ字型パルス管冷凍機において、上
記パルス管(8)の一端部に、略９０度に曲げられて蓄冷
器(5)と接続される彎曲部(8c)が設けられている。

【００１４】上記の構成により、作動ガスが蓄冷器(5)
とパルス管(8)との間を通過する際に、略９０度に彎曲
した彎曲部(8c)を通るので、その作動ガスの流れがスム
ーズになり、通過の際に生じていた無理な流路の変更や
作動ガス流の乱れが抑えられてＵ字型パルス管冷凍機の
冷凍能力を高く保つことができる。

【００１５】また、パルス管(8)の一部が略９０度に曲
げられて蓄冷器(5)と連結されるので、パルス管(8)及び
蓄冷器(5)の間の幅を狭めることができ、小型で製作し
やすいＵ字型パルス管冷凍機が得られる。

【００１６】請求項２の発明では、上記のＵ字型パルス
管冷凍機において、蓄冷器(5)のパルス管(8)側への接続
部に、略９０度に曲げられてパルス管(8)の彎曲部(8c)
に接続される連通部(6)が設けられている。

【００１７】上記の構成により、作動ガスが蓄冷器(5)
からパルス管(8)へ移動する際のガス流路に対する圧力
損失をさらに抑制することができ、より一層高い冷凍能
力を持つＵ字型パルス管冷凍機が得られる。

【００１８】請求項３の発明では、上記連通部(6)内の
断面積とパルス管(8)内の断面積とが略同じに設定され
ている。この発明では、さらに作動ガスの圧力損失を低
減できる。

【００１９】請求項４の発明では、上記のＵ字型パルス
管冷凍機において、パルス管(8)の彎曲部(8c)の管厚が
他の部分よりも厚く設定されている。

【００２０】上記の構成により、パルス管(8)を加工す
る場合に、パルス管(8)の彎曲部(8c)の破損や破断を未
然に防止することができる。

【００２１】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の実施形態に係る
パルス管冷凍機を示す。

【００２２】(c)は圧縮機で、この圧縮機(c)はシリンダ
ー(1)の内部にバネ(3)により支持される往復動型のピス
トン(2)が嵌挿されてなり、このピストン(2)は図外のリ
ニアモータに駆動連結されている。そして、このリニア
モータの作動によりピストン(2)が往復動して、その圧
縮過程においてヘリウム等の作動ガスに圧力をかける
と、パルス管冷凍機に備わった各圧縮空間で作動ガスが
圧縮されて温度の上昇が起こる。一方、圧縮機(c)の膨
張過程において、作動ガスが各空間で膨張されると温度
の降下が起こる。このように、圧縮機(c)のピストン(2)
の往復動により作動ガスの圧力変化と体積変化とが起こ
る。

【００２３】上記圧縮機(c)は、接続配管(4)を介して蓄
冷器(5)の高温端(5a)に連通している。蓄冷器(5)（再生
式熱交換機）は、円筒状の筒体内部に鉛や銅等から成る
蓄冷材を収納してなる。蓄冷器(5)の圧縮機(c)側の高温
端(5a)は、圧縮機(c)の圧縮過程において、作動ガスの
圧縮熱を帯びるが、この熱は外部に放熱される。また、
蓄冷器(5)の圧縮機(c)と反対側の低温端(5a)の一端部に
接続され、蓄冷器(5)とパルス管(8)との接続部は極低温
レベルの寒冷を発生するコールドヘッド(7)に覆われて
いる。

【００２４】すなわち、パルス管(8)の一端部には、パ
ルス管(8)の長さ方向に対し略９０度に曲げられた彎曲
部(8c)が設けられている。一方、蓄冷器(5)のパルス管
(8)側への接続部には略９０度に曲げられた連通部(6)が
形成されており、この彎曲部(8c)と連通部(6)とを蓄冷
器(5)の長さ方向に対し連結させることで、パルス管(8)
は蓄冷器(5)に対して略平行に配置されている。また、
(11)は真空容器で、この真空容器(11)内にパルス管(8)
と蓄冷器(5)とが外部からの熱侵入を防ぐために収納さ
れている。一方、圧縮機(c)、バッファ部(10)及び高温
端部(5a),(8a)は発熱を伴うため真空室外部に設置され
る。

【００２５】(10)は内部に空間（図示せず）を有するバ
ッファ部で、このバッファ部(10)内の空間はイナータン
ス管(9)を介して上記パルス管(8)の高温端(8a)と連結さ
れており、パルス管(8)から押し出された作動ガスをイ
ナータンス管(9)にて断熱膨張により更に冷却し、この
バッファ部(10)に流入させ、そのバッファ部(10)内の閉
塞空間で作動ガスの流れを制御するようにしている。つ
まり、圧縮機(c)から供給された作動ガスは、接続配管
(4)、蓄冷器(5)、連通部(6)、パルス管(8)及びイナータ
ンス管(9)を通ってバッファ部(10)に導入される。

【００２６】次に、本実施形態のＵ字型パルス管冷凍機
の作動を説明する。圧縮機(c)の圧縮過程においてピス
トン(2)が圧縮動作すると、圧縮された作動ガスは接続
配管(4)を通り、蓄冷器(5)の高温端(5a)及び蓄冷器(5)
にてその圧縮熱を放熱した後、連通部(6)を介してパル
ス管(8)に流入し、このパルス管(8)内にある作動ガスを
圧縮し、その圧縮熱をパルス管(8)の壁を介して放出す
る。さらに、作動ガスはイナータンス管(9)を通ってバ
ッファ部(10)に流入する。その後、圧縮機(c)の膨張過
程でピストン(2)が吸引動作すると、作動ガスはバッフ
ァ部(10)から圧縮機(c)側に向かう方向に復帰移動しよ
うとして、バッファ部(10)からイナータンス管(9)を通
り、パルス管(8)内で断熱膨張して更に低温化する。こ
の低温となった作動ガスは、コールドヘッド(7)を冷却
した後に蓄冷器(5)及び接続配管(4)を通り圧縮機(c)に
戻る方向に流れる。上記のような作動ガスの圧縮膨張サ
イクルを繰り返すと、圧縮機(c)の膨張過程前に高温端
(5a),(8a)側で熱の除去が行われているため、膨張過程
では作動ガスはパルス管(8)の壁から熱を受けて、パル
ス管(8)の低温端(8b)は最も温度の低い部分となり、コ
ールドヘッド(7)に極低温レベルの寒冷を得ることがで
きる。

【００２７】また、本実施形態のＵ字型パルス管冷凍機
では、パルス管(8)の一端部に略９０度に曲げられた彎
曲部(8c)が、また、蓄冷器(5)のパルス管(8)側への接続
部に設けられた略９０度に曲がった連通部(6)が設けら
れており、これら彎曲部(8c)及び連通部(6)同士を接続
することで、パルス管(8)と蓄冷器(5)とが略平行に配置
されている。このため、従来のＵ字型パルス管冷凍機と
比較して、蓄冷器(5)とパルス管(8)との間の幅を狭め
て、小型化したＵ字型パルス管冷凍機を製作することが
できる。

【００２８】また、上記の構成により、作動ガスが蓄冷
器(5)とパルス管(8)との接続部間を通過する際に、急激
な進路の変更や作動ガスの渦流が発生することがなく、
作動ガスの移動に伴う圧力損失を最小限に抑えて、高い
冷凍能力を持つＵ字型パルス管冷凍機を得ることができ
る。

【００２９】そして、蓄冷器(5)の上端に設けられた連
通部(6)内の断面積とパルス管(8)内の断面積とが略同じ
に設定されているため、図４に示すようなエルボ型折り
曲げの連通部(12)とは異なり、作動ガスの急激な進路変
更も、これに伴う渦流の発生も防止して、作動ガスが蓄
冷器(5)とパルス管(8)との間を通る際の圧力損失を効率
的に抑制することができる。このため、より一層性能の
良いＵ字型パルス管冷凍機を得ることができる。

【００３０】尚、本実施形態ではパルス管(8)の管厚は
一定のものを用いたが、図２に示すように、パルス管
(8)の一端側の管厚が他の部分と比べて厚いものを用い
てもよい。すなわち、パルス管(8)の彎曲部(8c)の管圧
を厚くすることで、加工の際にパルス管(8)の彎曲部(8
c)に破損や破断が生じたりすることを未然に防ぐこと等
ができる。また、本実施形態では、位相制御の方法に
イナータンス管を用いたが、オリフィス型やダブルイン
レット型にも適用できるのは言うまでもない。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１の発明に
よると、蓄冷器とパルス管とが略平行に配置されるＵ字
型パルス管冷凍機において、上記パルス管の一端部に、
略９０度に曲げられて蓄冷器と接続される彎曲部を設け
たことにより、作動ガスの無理な流路の変更や作動ガス
流の乱れが抑えられてＵ字型パルス管冷凍機の冷凍能力
を高く保つことができるとともに、パルス管と蓄冷器と
の間の幅を狭めて小型化したＵ字型パルス管冷凍機が得
られる。

【００３２】請求項２の発明では、蓄冷器のパルス管側
への接続部に、略９０度に曲げられてパルス管の彎曲部
に接続される連通部を設けた。また、請求項３の発明で
は、連通部内の断面積とパルス管内の断面積とを略同じ
に設定した。これらの発明によれば、蓄冷器に流入する
作動ガスの圧力損失を効果的に抑制しながら作動ガスを
移動させて、より一層高い冷凍能力を持つＵ字型パルス
管冷凍機が得られる。

【００３３】請求項４の発明によると、パルス管の彎曲
部の管厚を他の部分よりも厚く設定することにより、パ
ルス管の加工時の彎曲部の破損や破断を未然に防止する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態に係るＵ字型パルス管冷凍機
の断面図である。

【図２】本発明の実施形態に係るＵ字型パルス管冷凍機
に用いるパルス管の断面図である。

【図３】従来のインライン型パルス管冷凍機の断面図で
ある。

【図４】従来のＵ字型パルス管冷凍機の断面図である。

【符号の説明】

(c) 圧縮機 (4) ガス流路 (5) 蓄冷器 (6) 連通部 (7) コールドヘッド (8) パルス管 (8c) 彎曲部 (9) イナータンス管 (10) バッファ部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】作動ガスを所定周期で圧縮する圧縮機
(c)と、内部空間を有するパルス管(8)の一端部とが、圧
縮機(c)からパルス管(8)に対し給排される作動ガスと熱
交換する蓄冷器(5)により接続され、上記蓄冷器(5)と上記パルス管(8)とが略平行に配置され
るＵ字型パルス管冷凍機において、上記パルス管(8)の一端部に、略９０度に曲げられて蓄
冷器(5)と接続される彎曲部(8c)が設けられていること
を特徴とするＵ字型パルス管冷凍機。
【請求項２】請求項１のＵ字型パルス管冷凍機におい
て、蓄冷器(5)のパルス管(8)側への接続部に、略９０度に曲
げられてパルス管(8)の彎曲部(8c)に接続される連通部
(6)が設けられていることを特徴とするＵ字型パルス管
冷凍機。
【請求項３】請求項２のＵ字型パルス管冷凍機におい
て、連通部(6)内の断面積とパルス管(8)内の断面積とが略同
じに設定されていることを特徴とするＵ字型パルス管冷
凍機。
【請求項４】請求項１〜３のいずれか１つのＵ字型パ
ルス管冷凍機において、パルス管(8)の彎曲部(8c)の管厚が他の部分よりも厚く
設定されていることを特徴とするＵ字型パルス管冷凍
機。