JP2003279184A - パルスチューブ冷凍機 - Google Patents
パルスチューブ冷凍機Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】据え付け姿勢を変更しても安定した冷凍出力が
得られるパルスチューブ冷凍機を得る。 【解決手段】図示しない圧縮機に連結された接続管１１
ａ、放熱部１２、蓄冷器１３、冷却部１４、パルスチュ
ーブ１５、放熱部１６を順次接続して一体化し、さら
に、パルスチューブ１５に、放熱部１６を介してイナー
タンスチューブ１７、バッファータンク１８を連結して
構成されるパルスチューブ冷凍機において、パルスチュ
ーブ１５の内部断面積と蓄冷器１３の内部断面積の比
を、0.1 以上、0.35以下とする。
得られるパルスチューブ冷凍機を得る。 【解決手段】図示しない圧縮機に連結された接続管１１
ａ、放熱部１２、蓄冷器１３、冷却部１４、パルスチュ
ーブ１５、放熱部１６を順次接続して一体化し、さら
に、パルスチューブ１５に、放熱部１６を介してイナー
タンスチューブ１７、バッファータンク１８を連結して
構成されるパルスチューブ冷凍機において、パルスチュ
ーブ１５の内部断面積と蓄冷器１３の内部断面積の比
を、0.1 以上、0.35以下とする。
Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、極低温状態を形成
するための冷凍機に関し、更に詳しくは、スターリング
サイクルを用いた、パルスチューブと蓄冷器とを有する
パルスチューブ冷凍機に関する。 【０００２】 【従来の技術】スターリングサイクルを用いた冷凍装置
は、作動ガスの圧縮、膨張を繰り返して極低温を得るも
ので、超伝導素子や赤外線センサーの冷却、ガスの精製
分離等の分野で広く利用されている。図３および図４を
用いて、スターリングサイクルを用いたスターリング式
冷凍機の動作原理を説明する。図３はスターリング式冷
凍機の冷凍サイクルの概要を示す説明図であり、図４は
冷凍サイクルに伴う、圧縮ピストンとディスプレーサー
の上昇および下降のサイクルを示した特性図である。 【０００３】図３に見られるように、スターリング式冷
凍機２０は、内部に圧縮ピストン２２を有する圧縮機２
１と、内部に蓄冷材が充填された蓄冷器２３と、膨張室
２５と圧縮室２８を形成するディスプレーサー２４と、
膨張室２５と蓄冷器２３との間に形成された冷却部２６
と、圧縮室２８の外周に形成された放熱部２７とによっ
て構成される。これらの部材で構成される密閉流路内に
は作動ガスが高圧封入されており、圧縮ピストン２２と
ディスプレーサー２４とが位相差を持って往復運動す
る。図４において、実線２２ａは圧縮ピストン２２の上
昇、下降を示し、実線２４ａはディスプレーサー２４の
上昇、下降を示す。また、実線２９は圧縮ピストン２２
の上昇、下降に伴う冷凍機内部の容積の変化を示すもの
である。 【０００４】図３の中央部に示した圧力（Ｐ）―容積
（Ｖ）線図に見られるように、スターリングサイクル
は、２つの等温変化と２つの定容変化からなる工程で構
成されている。すなわち、Ｐ−Ｖ線図中のａからｂに至
る過程は等温膨張過程であり、圧縮ピストン２２が上死
点から下死点へと下降することによって膨張室２５内の
作動ガスが膨張し、冷却部２６から熱Ｑc が吸熱されて
冷却が行われる（図３（Ａ）参照）。ｂからｃに至る過
程は等容加熱過程であり、ディスプレーサー２４が下死
点から上死点へと上昇することによって膨張室２５内の
作動ガス押し出され、蓄冷器２３を経て圧縮室２８に移
動して圧力が上昇する（図３（Ｂ）参照）。次に、ｃか
らｄへの過程は等温圧縮過程であり、圧縮ピストン２２
が下死点から上死点へと上昇することによって圧縮室２
８内に作動ガスが送入され、放熱部２７で熱Ｑh を放熱
することによって等温的に圧縮される（図３（Ｃ）参
照）。最後に、ｄからａへの過程は等容冷却過程であ
り、ディスプレーサー２４が上死点から下死点へと下降
することによって圧縮室２８内の作動ガスが蓄冷器２３
を経て膨張室２５内へと押し出され、圧力が下降する
（図３（Ｄ）参照）。なお、このスターリングサイクル
においては、図４の実線２２ａと実線２４ａに示したよ
うに、圧縮ピストン２２とディスプレーサー２４の位相
差は約 90 度に設定される。 【０００５】このように、スターリング式冷凍機は、圧
縮ピストンを機械的な動力で変位させることによって密
閉空間中の作動ガスの圧力を変動させ、この圧力の周期
的な変動に同調して動くディスプレーサーによって膨張
室内の作動ガスを膨張させて冷却するので、高い熱効率
を得ることができる。一方、このスターリングサイクル
を応用した冷凍機として図５に概略構成を示したような
パルスチューブ冷凍機も知られている。図５に見られる
ように、このパルスチューブ冷凍機１０は、作動ガスの
送入・吸引を繰り返す圧縮機１１と、この圧縮機１１に
放熱部１２を介して連結され、内部に蓄冷材が充填され
た蓄冷器１３と、この蓄冷器１３に冷却部１４を介して
連結されたパルスチューブ１５と、このパルスチューブ
１５に放熱部１６およびイナータンスチューブ１７を解
して連結されたバッファータンク１８とを備えている。
このパルスチューブ冷凍機１０の密閉空間内には、ヘリ
ウム、窒素、水素等の作動ガスが高圧で封入されてお
り、スターリング式冷凍機と同様に、圧縮機１１による
作動ガスの膨張、圧縮を繰り返すことによって圧力変動
が形成される。パルスチューブ冷凍機１０では、パルス
チューブ１５内の作動ガス３０が流路内で微小に振動す
ることによって、前記のスターリング式冷凍機のディス
プレーサーの役割を果たす。したがって、振動する作動
ガス３０の変位と圧力変動との位相を制御することによ
って作動ガス３０に仕事をさせることができ、放熱部１
２、１６では熱Ｑ1 、Ｑ3 を放出し、冷凍機のコールド
ヘッドとなる冷却部１４では熱Ｑ2 を吸熱して極低温状
態を形成することができる。なお、イナータンスチュー
ブ１７とバッファータンク１８は、上記の振動する作動
ガス３０の変位と圧縮機１１のピストンの変位との位相
を制御する役割を果たす。 【０００６】このようにパルスチューブ冷凍機ではスタ
ーリング式冷凍機に組み込まれるディスプレーサーが不
要で、ディスプレーサーの代りに高圧ガスが微小に振動
することによって作動ガスを圧縮、膨張させるので、低
温部に可動部分を必要としない。それゆえ、パルスチュ
ーブ冷凍機は、コールドヘッドでの機械的振動がなく、
機器構成が単純で、信頼性が高いという特徴を有してい
る。 【０００７】 【発明が解決しようとする課題】パルスチューブ冷凍機
は、上記のように優れた特徴を有しているが、一方で、
据え付け姿勢、すなわち据え付け時の蓄冷器とパルスチ
ューブとの相対的な位置関係によって冷凍出力が変化し
やすいという難点があり、この据え付け姿勢の影響の少
ない構成とする必要がある。 【０００８】パルスチューブ冷凍機の冷凍出力は、パル
スチューブの内部空間の圧力振幅と流量振幅との積に比
例する出力（以下、図示冷凍出力と表示する）と、冷凍
機内部で生じる各種の熱ロスの差で決定され、次式で与
えられる。 【０００９】 【数１】（冷凍出力）＝（図示冷凍出力）−（熱ロス） この熱ロスのうち、冷凍機の据え付け姿勢の影響を受け
る熱ロスとして、内部に封入された作動ガスがパルスチ
ューブ内部空間および蓄冷器内部空間で対流を生じ、こ
の対流によって高温端からコールドヘッドへと熱が侵入
する熱ロスがある。すなわち、コールドヘッドは例えば
70 Ｋ程度の極低温にあり、高温端は、通常、常温（約
300Ｋ）にあるので、コールドヘッドと高温端では作動
ガスの密度が大きく異なり、このため重力による対流が
生じることとなるが、この対流の度合は据え付け姿勢に
より左右されるので、この対流による熱ロスも据え付け
姿勢の影響を受けることとなる。 【００１０】以下、パルスチューブを例として、据え付
け姿勢の影響を説明する。まず、パルスチューブのコー
ルドヘッドが高温端より高い位置となるよう据え付けら
れた状態においては、パルスチューブの内部空間の作動
ガスの温度は、コールドヘッドに接する上部に比べて高
温端に接する下部が高い状態となるので、パルスチュー
ブの内部空間の作動ガスの密度は上部が大きく、下部が
小さくなり、作動ガスは重力の影響により対流を生じる
こととなる。この結果、高温端に接した下部の作動ガス
が上昇して上部に配置されたコールドヘッドへと熱を伝
達し、コールドヘッドに接した上部の作動ガスが下部に
配置された高温端に冷熱を伝達するので、熱ロスが発生
して、冷凍機の冷凍出力が低下することとなる。 【００１１】一方、パルスチューブのコールドヘッドが
高温端より低い位置となるよう据え付けられた状態にお
いては、パルスチューブの内部空間の作動ガスの温度
は、コールドヘッドに接する下部に比べて高温端に接す
る上部が高い状態となるので、パルスチューブの内部空
間の作動ガスの密度は下部が大きく、上部が小さくな
る。したがって、この据え付け姿勢においては、作動ガ
スは重力による対流を生じることはなく、対流による熱
ロスは無視できるので、高い冷凍出力が得られることと
なる。 【００１２】本発明は、上記のごとき従来のパルスチュ
ーブ冷凍機の難点を鑑みてなされたもので、本発明の目
的は、据え付け姿勢の差による冷凍出力の差が軽減さ
れ、種々の据え付け条件下においても安定した冷凍出力
が得られるパルスチューブ冷凍機を提供することにあ
る。 【００１３】 【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに本発明者等が鋭意検討を加えた結果、据え付け姿勢
による冷凍出力の差を従来のパルスチューブ冷凍機に比
べて軽減できる条件が見出され、本発明に至った。本発
明においては、上記の課題を解決するために、パルスチ
ューブと蓄冷器とを直線状に配置したインライン型のパ
ルスチューブ冷凍機において、パルスチューブの内部断
面積と蓄冷器の内部断面積との比を、0.1 以上、0.35以
下に選定して形成することとする。 【００１４】パルスチューブの内部断面積と蓄冷器の内
部断面積との比を上記のごとき値に選定してパルスチュ
ーブ冷凍機を構成すれば、後述のごとく、パルスチュー
ブ内部空間で発生する作動ガスの自然対流による熱ロス
と、蓄冷器内部空間で発生する作動ガスの自然対流によ
る熱ロスとが同程度となり、上下に据え付け姿勢を変え
ても両者の熱ロスが相殺されるため、据え付け姿勢によ
る冷凍出力の差が軽減され、種々の据え付け条件下にお
いても安定した冷凍出力が得られるパルスチューブ冷凍
機が得られることとなる。 【００１５】 【発明の実施の形態】以下、図１に基づいて本発明の実
施形態を説明する。なお、本発明はこの図に示した実施
例に限定されるものではない。図１は本発明のパルスチ
ューブ冷凍機の一実施例の概略構成を示す要部の断面図
である。なお、基本的な構成は図５に示した従来の構成
と同一であるので、同一機能を有する構成部品には同符
号を付してその説明を省略することとする。このパルス
チューブ冷凍機１０は、図示しない圧縮機に連結された
接続管１１ａと、放熱部１２と、蓄冷器１３と、冷却部
１４と、パルスチューブ１５と、放熱部１６を順次接続
して一体化されており、全体として円筒状に構成されて
いる。パルスチューブ１５には、放熱部１６を介してイ
ナータンスチューブ１７が連結され、さらにイナータン
スチューブ１７を介してバッファータンク１８が連結さ
れている。このイナータンスチューブ１７とバッファー
タンク１８は、パルスチューブ１５内で振動する作動ガ
スの変位と、接続管１１ａに連結された図示しない圧縮
機の圧縮ピストンの変位との位相差を制御する役割を果
たす。 【００１６】これらのうち、放熱部１２、冷却部１４、
放熱部１６には、作動ガスからの熱伝導を助けるための
伝熱材が配されている。この伝熱材には、例えば銅、ア
ルミニウム等の良熱伝導性金属のメッシュが用いられ
る。また、放熱部１２の外周には放熱用の冷却フィン１
９ａが、冷却部１４の周囲にはコールドヘッド１９ｂ
が、放熱部１６の周囲には放熱用ヘッド部１９ｃが設け
られている。 【００１７】パルスチューブ１５の材質は特に限定され
ないが、強度および熱伝導特性の点から金属材料がよ
く、特にステンレス鋼が好ましい。また、パルスチュー
ブ１５の長さＬ２は、後述のごとく蓄冷器１３との関係
から決定されるもので、特に限定はされないが、冷凍出
力が２Ｗのパルスチューブ冷凍機の場合、 40 〜 100 m
m の範囲にあるのが好ましい。また、パルスチューブ１
５の内部空間の容積は、同様に、5 〜 30 mlの範囲にあ
るのが好ましい。 【００１８】蓄冷器１３の内部空間には熱容量の大きな
蓄冷材が配設されている。この蓄冷材にはステンレス鋼
のメッシュやボール等の公知の材料が使用可能であり、
特に限定されない。また、蓄冷材の充填量も適宜選択可
能であるが、蓄冷器１３の内部空間容積に対する充填率
が 60 〜 80 ％となるように充填されるのが望ましい。
蓄冷器１３の内径、すなわち、蓄冷材を充填した蓄冷器
１３の内部空間の断面積を円に換算した場合の直径Ｄ
は、後述のようにパルスチューブ１５との関係で重要で
あり、図示冷凍出力と熱ロスによる冷凍効率を決定する
要因となる。冷凍出力が２Ｗのパルスチューブ冷凍機の
場合、この蓄冷器１３の内径Ｄは 15 〜 20 mmであるこ
とが好ましい。 【００１９】本発明者等は、図１の構成のパルスチュー
ブ冷凍機を用い、パルスチューブ１５の内部空間の断面
積と蓄冷器１３の内部空間の断面積との比を変化させて
冷却温度 70 Ｋでの冷却運転を行い、パルスチューブ１
５が蓄冷器１３より上部に位置するよう据え付けた場合
と、パルスチューブ１５が蓄冷器１３より下部に位置す
るよう据え付けた場合について冷凍出力を測定した。な
お、このとき、作動ガスとしてヘリウムガスを用い、2.
1 MPa の圧力で封入し、圧力振幅 0.2 MPa、周波数 50
Hzで作動させた。また、蓄冷器１３およびパルスチュー
ブ１５はステンレス鋼で形成し、蓄冷材には 400メッシ
ュのステンレス鋼メッシュを用い、蓄冷器１３中に充填
率が 60 ％となるよう充填した。また、放熱部１２、冷
却部１４、放熱部１６の伝熱材には、100 メッシュの銅
メッシュを用いた。 【００２０】図２は、本測定試験で得られた結果を示す
特性図である。本図において、縦軸は、パルスチューブ
１５が蓄冷器１３より上部に位置するよう据え付けた場
合の冷凍出力と、パルスチューブ１５が蓄冷器１３より
下部に位置するよう据え付けた場合の冷凍出力の差を示
し、横軸は、パルスチューブ１５の内部空間の断面積と
蓄冷器１３の内部空間の断面積との比を表している。図
中に●で示した特性値（条件１）は、内径 18 mmの蓄冷
器を用いた場合の測定値であり、▲で示した特性値（条
件２）は、内径 20 mmの蓄冷器を用いた場合の測定値で
ある。また、実線はこれらの測定値の直線回帰式であ
る。 【００２１】図に見られるように、本発明者等の試験範
囲においては、据え付け状態による冷凍出力の差は、パ
ルスチューブの断面積と蓄冷器の断面積との比と直線関
係にあり、特に、パルスチューブの断面積と蓄冷器の断
面積との比が 0.1〜0.35の場合には、据え付け状態によ
る冷凍出力の差が微小に抑えられことがわかる。したが
って、パルスチューブの断面積と蓄冷器の断面積との比
を 0.1〜0.35の範囲内に選定してパルスチューブ冷凍機
を構成すれば、上下に据え付け姿勢を変えても得られる
冷凍出力の変化は微小に抑えられ、安定して冷凍出力が
得られることとなる。 【００２２】パルスチューブ冷凍機における作動ガスの
自然対流による熱ロスは、パルスチューブ１５の内部空
間での作動ガスの自然対流による熱ロスＡと、蓄冷器１
３の内部空間での作動ガスの自然対流による熱ロスＢと
からなり、パルスチューブ１５と蓄冷器１３とで高温部
と低温部の上下方向の位置が反対方向となるので、パル
スチューブ１５が蓄冷器１３より上部に位置するよう据
え付けた場合には、熱ロスＡが増大し、熱ロスＢが微小
に抑えられる。これに対して、パルスチューブ１５が蓄
冷器１３より下部に位置するよう据え付けた場合には、
熱ロスＢが増大し、熱ロスＡが微小に抑えられることと
なる。したがって、上記のごとく、パルスチューブの断
面積と蓄冷器の断面積との比を 0.1〜0.35に選定すれ
ば、パルスチューブ１５が蓄冷器１３より上部に位置す
るよう据え付けた場合の熱ロスＡと、パルスチューブ１
５が蓄冷器１３より下部に位置するよう据え付けた場合
の熱ロスＢとが同等となるので、据え付け姿勢を上下方
向に変えても、ほぼ同等の冷凍出力が得られることとな
る。 【００２３】上記のパルスチューブの断面積と蓄冷器の
断面積との比が 0.1より小さい場合には、蓄冷器の断面
積が相対的に過大となって、上記のパルスチューブが蓄
冷器より下部に位置するよう据え付けた場合の熱ロスＢ
が、パルスチューブが蓄冷器より上部に位置するよう据
え付けた場合の熱ロスＡに比較して大きくなるので、パ
ルスチューブが下部に位置するように据え付けると冷凍
出力は大きく低下する。また、上記のパルスチューブの
断面積と蓄冷器の断面積との比が 0.35 を越えると、パ
ルスチューブの断面積が相対的に過大となって、パルス
チューブの熱ロスＡが相対的に増大するので、パルスチ
ューブが上部に位置するように据え付けると冷凍出力は
大きく低下することとなる。 【００２４】 【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、パ
ルスチューブと蓄冷器とを直線状に配置したインライン
型のパルスチューブ冷凍機において、パルスチューブの
内部断面積と蓄冷器の内部断面積との比を、0.1 以上、
0.35 以下に選定して形成することとしたので、据え付
け姿勢の差による冷凍出力の差が軽減され、種々の据え
付け条件下においても安定した冷凍出力が得られるパル
スチューブ冷凍機が得られることとなった。
するための冷凍機に関し、更に詳しくは、スターリング
サイクルを用いた、パルスチューブと蓄冷器とを有する
パルスチューブ冷凍機に関する。 【０００２】 【従来の技術】スターリングサイクルを用いた冷凍装置
は、作動ガスの圧縮、膨張を繰り返して極低温を得るも
ので、超伝導素子や赤外線センサーの冷却、ガスの精製
分離等の分野で広く利用されている。図３および図４を
用いて、スターリングサイクルを用いたスターリング式
冷凍機の動作原理を説明する。図３はスターリング式冷
凍機の冷凍サイクルの概要を示す説明図であり、図４は
冷凍サイクルに伴う、圧縮ピストンとディスプレーサー
の上昇および下降のサイクルを示した特性図である。 【０００３】図３に見られるように、スターリング式冷
凍機２０は、内部に圧縮ピストン２２を有する圧縮機２
１と、内部に蓄冷材が充填された蓄冷器２３と、膨張室
２５と圧縮室２８を形成するディスプレーサー２４と、
膨張室２５と蓄冷器２３との間に形成された冷却部２６
と、圧縮室２８の外周に形成された放熱部２７とによっ
て構成される。これらの部材で構成される密閉流路内に
は作動ガスが高圧封入されており、圧縮ピストン２２と
ディスプレーサー２４とが位相差を持って往復運動す
る。図４において、実線２２ａは圧縮ピストン２２の上
昇、下降を示し、実線２４ａはディスプレーサー２４の
上昇、下降を示す。また、実線２９は圧縮ピストン２２
の上昇、下降に伴う冷凍機内部の容積の変化を示すもの
である。 【０００４】図３の中央部に示した圧力（Ｐ）―容積
（Ｖ）線図に見られるように、スターリングサイクル
は、２つの等温変化と２つの定容変化からなる工程で構
成されている。すなわち、Ｐ−Ｖ線図中のａからｂに至
る過程は等温膨張過程であり、圧縮ピストン２２が上死
点から下死点へと下降することによって膨張室２５内の
作動ガスが膨張し、冷却部２６から熱Ｑc が吸熱されて
冷却が行われる（図３（Ａ）参照）。ｂからｃに至る過
程は等容加熱過程であり、ディスプレーサー２４が下死
点から上死点へと上昇することによって膨張室２５内の
作動ガス押し出され、蓄冷器２３を経て圧縮室２８に移
動して圧力が上昇する（図３（Ｂ）参照）。次に、ｃか
らｄへの過程は等温圧縮過程であり、圧縮ピストン２２
が下死点から上死点へと上昇することによって圧縮室２
８内に作動ガスが送入され、放熱部２７で熱Ｑh を放熱
することによって等温的に圧縮される（図３（Ｃ）参
照）。最後に、ｄからａへの過程は等容冷却過程であ
り、ディスプレーサー２４が上死点から下死点へと下降
することによって圧縮室２８内の作動ガスが蓄冷器２３
を経て膨張室２５内へと押し出され、圧力が下降する
（図３（Ｄ）参照）。なお、このスターリングサイクル
においては、図４の実線２２ａと実線２４ａに示したよ
うに、圧縮ピストン２２とディスプレーサー２４の位相
差は約 90 度に設定される。 【０００５】このように、スターリング式冷凍機は、圧
縮ピストンを機械的な動力で変位させることによって密
閉空間中の作動ガスの圧力を変動させ、この圧力の周期
的な変動に同調して動くディスプレーサーによって膨張
室内の作動ガスを膨張させて冷却するので、高い熱効率
を得ることができる。一方、このスターリングサイクル
を応用した冷凍機として図５に概略構成を示したような
パルスチューブ冷凍機も知られている。図５に見られる
ように、このパルスチューブ冷凍機１０は、作動ガスの
送入・吸引を繰り返す圧縮機１１と、この圧縮機１１に
放熱部１２を介して連結され、内部に蓄冷材が充填され
た蓄冷器１３と、この蓄冷器１３に冷却部１４を介して
連結されたパルスチューブ１５と、このパルスチューブ
１５に放熱部１６およびイナータンスチューブ１７を解
して連結されたバッファータンク１８とを備えている。
このパルスチューブ冷凍機１０の密閉空間内には、ヘリ
ウム、窒素、水素等の作動ガスが高圧で封入されてお
り、スターリング式冷凍機と同様に、圧縮機１１による
作動ガスの膨張、圧縮を繰り返すことによって圧力変動
が形成される。パルスチューブ冷凍機１０では、パルス
チューブ１５内の作動ガス３０が流路内で微小に振動す
ることによって、前記のスターリング式冷凍機のディス
プレーサーの役割を果たす。したがって、振動する作動
ガス３０の変位と圧力変動との位相を制御することによ
って作動ガス３０に仕事をさせることができ、放熱部１
２、１６では熱Ｑ1 、Ｑ3 を放出し、冷凍機のコールド
ヘッドとなる冷却部１４では熱Ｑ2 を吸熱して極低温状
態を形成することができる。なお、イナータンスチュー
ブ１７とバッファータンク１８は、上記の振動する作動
ガス３０の変位と圧縮機１１のピストンの変位との位相
を制御する役割を果たす。 【０００６】このようにパルスチューブ冷凍機ではスタ
ーリング式冷凍機に組み込まれるディスプレーサーが不
要で、ディスプレーサーの代りに高圧ガスが微小に振動
することによって作動ガスを圧縮、膨張させるので、低
温部に可動部分を必要としない。それゆえ、パルスチュ
ーブ冷凍機は、コールドヘッドでの機械的振動がなく、
機器構成が単純で、信頼性が高いという特徴を有してい
る。 【０００７】 【発明が解決しようとする課題】パルスチューブ冷凍機
は、上記のように優れた特徴を有しているが、一方で、
据え付け姿勢、すなわち据え付け時の蓄冷器とパルスチ
ューブとの相対的な位置関係によって冷凍出力が変化し
やすいという難点があり、この据え付け姿勢の影響の少
ない構成とする必要がある。 【０００８】パルスチューブ冷凍機の冷凍出力は、パル
スチューブの内部空間の圧力振幅と流量振幅との積に比
例する出力（以下、図示冷凍出力と表示する）と、冷凍
機内部で生じる各種の熱ロスの差で決定され、次式で与
えられる。 【０００９】 【数１】（冷凍出力）＝（図示冷凍出力）−（熱ロス） この熱ロスのうち、冷凍機の据え付け姿勢の影響を受け
る熱ロスとして、内部に封入された作動ガスがパルスチ
ューブ内部空間および蓄冷器内部空間で対流を生じ、こ
の対流によって高温端からコールドヘッドへと熱が侵入
する熱ロスがある。すなわち、コールドヘッドは例えば
70 Ｋ程度の極低温にあり、高温端は、通常、常温（約
300Ｋ）にあるので、コールドヘッドと高温端では作動
ガスの密度が大きく異なり、このため重力による対流が
生じることとなるが、この対流の度合は据え付け姿勢に
より左右されるので、この対流による熱ロスも据え付け
姿勢の影響を受けることとなる。 【００１０】以下、パルスチューブを例として、据え付
け姿勢の影響を説明する。まず、パルスチューブのコー
ルドヘッドが高温端より高い位置となるよう据え付けら
れた状態においては、パルスチューブの内部空間の作動
ガスの温度は、コールドヘッドに接する上部に比べて高
温端に接する下部が高い状態となるので、パルスチュー
ブの内部空間の作動ガスの密度は上部が大きく、下部が
小さくなり、作動ガスは重力の影響により対流を生じる
こととなる。この結果、高温端に接した下部の作動ガス
が上昇して上部に配置されたコールドヘッドへと熱を伝
達し、コールドヘッドに接した上部の作動ガスが下部に
配置された高温端に冷熱を伝達するので、熱ロスが発生
して、冷凍機の冷凍出力が低下することとなる。 【００１１】一方、パルスチューブのコールドヘッドが
高温端より低い位置となるよう据え付けられた状態にお
いては、パルスチューブの内部空間の作動ガスの温度
は、コールドヘッドに接する下部に比べて高温端に接す
る上部が高い状態となるので、パルスチューブの内部空
間の作動ガスの密度は下部が大きく、上部が小さくな
る。したがって、この据え付け姿勢においては、作動ガ
スは重力による対流を生じることはなく、対流による熱
ロスは無視できるので、高い冷凍出力が得られることと
なる。 【００１２】本発明は、上記のごとき従来のパルスチュ
ーブ冷凍機の難点を鑑みてなされたもので、本発明の目
的は、据え付け姿勢の差による冷凍出力の差が軽減さ
れ、種々の据え付け条件下においても安定した冷凍出力
が得られるパルスチューブ冷凍機を提供することにあ
る。 【００１３】 【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに本発明者等が鋭意検討を加えた結果、据え付け姿勢
による冷凍出力の差を従来のパルスチューブ冷凍機に比
べて軽減できる条件が見出され、本発明に至った。本発
明においては、上記の課題を解決するために、パルスチ
ューブと蓄冷器とを直線状に配置したインライン型のパ
ルスチューブ冷凍機において、パルスチューブの内部断
面積と蓄冷器の内部断面積との比を、0.1 以上、0.35以
下に選定して形成することとする。 【００１４】パルスチューブの内部断面積と蓄冷器の内
部断面積との比を上記のごとき値に選定してパルスチュ
ーブ冷凍機を構成すれば、後述のごとく、パルスチュー
ブ内部空間で発生する作動ガスの自然対流による熱ロス
と、蓄冷器内部空間で発生する作動ガスの自然対流によ
る熱ロスとが同程度となり、上下に据え付け姿勢を変え
ても両者の熱ロスが相殺されるため、据え付け姿勢によ
る冷凍出力の差が軽減され、種々の据え付け条件下にお
いても安定した冷凍出力が得られるパルスチューブ冷凍
機が得られることとなる。 【００１５】 【発明の実施の形態】以下、図１に基づいて本発明の実
施形態を説明する。なお、本発明はこの図に示した実施
例に限定されるものではない。図１は本発明のパルスチ
ューブ冷凍機の一実施例の概略構成を示す要部の断面図
である。なお、基本的な構成は図５に示した従来の構成
と同一であるので、同一機能を有する構成部品には同符
号を付してその説明を省略することとする。このパルス
チューブ冷凍機１０は、図示しない圧縮機に連結された
接続管１１ａと、放熱部１２と、蓄冷器１３と、冷却部
１４と、パルスチューブ１５と、放熱部１６を順次接続
して一体化されており、全体として円筒状に構成されて
いる。パルスチューブ１５には、放熱部１６を介してイ
ナータンスチューブ１７が連結され、さらにイナータン
スチューブ１７を介してバッファータンク１８が連結さ
れている。このイナータンスチューブ１７とバッファー
タンク１８は、パルスチューブ１５内で振動する作動ガ
スの変位と、接続管１１ａに連結された図示しない圧縮
機の圧縮ピストンの変位との位相差を制御する役割を果
たす。 【００１６】これらのうち、放熱部１２、冷却部１４、
放熱部１６には、作動ガスからの熱伝導を助けるための
伝熱材が配されている。この伝熱材には、例えば銅、ア
ルミニウム等の良熱伝導性金属のメッシュが用いられ
る。また、放熱部１２の外周には放熱用の冷却フィン１
９ａが、冷却部１４の周囲にはコールドヘッド１９ｂ
が、放熱部１６の周囲には放熱用ヘッド部１９ｃが設け
られている。 【００１７】パルスチューブ１５の材質は特に限定され
ないが、強度および熱伝導特性の点から金属材料がよ
く、特にステンレス鋼が好ましい。また、パルスチュー
ブ１５の長さＬ２は、後述のごとく蓄冷器１３との関係
から決定されるもので、特に限定はされないが、冷凍出
力が２Ｗのパルスチューブ冷凍機の場合、 40 〜 100 m
m の範囲にあるのが好ましい。また、パルスチューブ１
５の内部空間の容積は、同様に、5 〜 30 mlの範囲にあ
るのが好ましい。 【００１８】蓄冷器１３の内部空間には熱容量の大きな
蓄冷材が配設されている。この蓄冷材にはステンレス鋼
のメッシュやボール等の公知の材料が使用可能であり、
特に限定されない。また、蓄冷材の充填量も適宜選択可
能であるが、蓄冷器１３の内部空間容積に対する充填率
が 60 〜 80 ％となるように充填されるのが望ましい。
蓄冷器１３の内径、すなわち、蓄冷材を充填した蓄冷器
１３の内部空間の断面積を円に換算した場合の直径Ｄ
は、後述のようにパルスチューブ１５との関係で重要で
あり、図示冷凍出力と熱ロスによる冷凍効率を決定する
要因となる。冷凍出力が２Ｗのパルスチューブ冷凍機の
場合、この蓄冷器１３の内径Ｄは 15 〜 20 mmであるこ
とが好ましい。 【００１９】本発明者等は、図１の構成のパルスチュー
ブ冷凍機を用い、パルスチューブ１５の内部空間の断面
積と蓄冷器１３の内部空間の断面積との比を変化させて
冷却温度 70 Ｋでの冷却運転を行い、パルスチューブ１
５が蓄冷器１３より上部に位置するよう据え付けた場合
と、パルスチューブ１５が蓄冷器１３より下部に位置す
るよう据え付けた場合について冷凍出力を測定した。な
お、このとき、作動ガスとしてヘリウムガスを用い、2.
1 MPa の圧力で封入し、圧力振幅 0.2 MPa、周波数 50
Hzで作動させた。また、蓄冷器１３およびパルスチュー
ブ１５はステンレス鋼で形成し、蓄冷材には 400メッシ
ュのステンレス鋼メッシュを用い、蓄冷器１３中に充填
率が 60 ％となるよう充填した。また、放熱部１２、冷
却部１４、放熱部１６の伝熱材には、100 メッシュの銅
メッシュを用いた。 【００２０】図２は、本測定試験で得られた結果を示す
特性図である。本図において、縦軸は、パルスチューブ
１５が蓄冷器１３より上部に位置するよう据え付けた場
合の冷凍出力と、パルスチューブ１５が蓄冷器１３より
下部に位置するよう据え付けた場合の冷凍出力の差を示
し、横軸は、パルスチューブ１５の内部空間の断面積と
蓄冷器１３の内部空間の断面積との比を表している。図
中に●で示した特性値（条件１）は、内径 18 mmの蓄冷
器を用いた場合の測定値であり、▲で示した特性値（条
件２）は、内径 20 mmの蓄冷器を用いた場合の測定値で
ある。また、実線はこれらの測定値の直線回帰式であ
る。 【００２１】図に見られるように、本発明者等の試験範
囲においては、据え付け状態による冷凍出力の差は、パ
ルスチューブの断面積と蓄冷器の断面積との比と直線関
係にあり、特に、パルスチューブの断面積と蓄冷器の断
面積との比が 0.1〜0.35の場合には、据え付け状態によ
る冷凍出力の差が微小に抑えられことがわかる。したが
って、パルスチューブの断面積と蓄冷器の断面積との比
を 0.1〜0.35の範囲内に選定してパルスチューブ冷凍機
を構成すれば、上下に据え付け姿勢を変えても得られる
冷凍出力の変化は微小に抑えられ、安定して冷凍出力が
得られることとなる。 【００２２】パルスチューブ冷凍機における作動ガスの
自然対流による熱ロスは、パルスチューブ１５の内部空
間での作動ガスの自然対流による熱ロスＡと、蓄冷器１
３の内部空間での作動ガスの自然対流による熱ロスＢと
からなり、パルスチューブ１５と蓄冷器１３とで高温部
と低温部の上下方向の位置が反対方向となるので、パル
スチューブ１５が蓄冷器１３より上部に位置するよう据
え付けた場合には、熱ロスＡが増大し、熱ロスＢが微小
に抑えられる。これに対して、パルスチューブ１５が蓄
冷器１３より下部に位置するよう据え付けた場合には、
熱ロスＢが増大し、熱ロスＡが微小に抑えられることと
なる。したがって、上記のごとく、パルスチューブの断
面積と蓄冷器の断面積との比を 0.1〜0.35に選定すれ
ば、パルスチューブ１５が蓄冷器１３より上部に位置す
るよう据え付けた場合の熱ロスＡと、パルスチューブ１
５が蓄冷器１３より下部に位置するよう据え付けた場合
の熱ロスＢとが同等となるので、据え付け姿勢を上下方
向に変えても、ほぼ同等の冷凍出力が得られることとな
る。 【００２３】上記のパルスチューブの断面積と蓄冷器の
断面積との比が 0.1より小さい場合には、蓄冷器の断面
積が相対的に過大となって、上記のパルスチューブが蓄
冷器より下部に位置するよう据え付けた場合の熱ロスＢ
が、パルスチューブが蓄冷器より上部に位置するよう据
え付けた場合の熱ロスＡに比較して大きくなるので、パ
ルスチューブが下部に位置するように据え付けると冷凍
出力は大きく低下する。また、上記のパルスチューブの
断面積と蓄冷器の断面積との比が 0.35 を越えると、パ
ルスチューブの断面積が相対的に過大となって、パルス
チューブの熱ロスＡが相対的に増大するので、パルスチ
ューブが上部に位置するように据え付けると冷凍出力は
大きく低下することとなる。 【００２４】 【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、パ
ルスチューブと蓄冷器とを直線状に配置したインライン
型のパルスチューブ冷凍機において、パルスチューブの
内部断面積と蓄冷器の内部断面積との比を、0.1 以上、
0.35 以下に選定して形成することとしたので、据え付
け姿勢の差による冷凍出力の差が軽減され、種々の据え
付け条件下においても安定した冷凍出力が得られるパル
スチューブ冷凍機が得られることとなった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のパルスチューブ冷凍機の一実施例の概
略構成を示す要部の断面図 【図２】パルスチューブ冷凍機の据え付け条件による冷
凍出力の差と、パルスチューブの内部空間の断面積と蓄
冷器１３の内部空間の断面積との比との関係を示す特性
図 【図３】スターリング式冷凍機の冷凍サイクルの概要を
示す説明図 【図４】スターリング式冷凍機の冷凍サイクルに伴う、
圧縮ピストンとディスプレーサーの上昇および下降のサ
イクルを示した特性図 【図５】パルスチューブ式冷凍機の概略構成を示す断面
図 【符号の説明】 １０ パルスチューブ冷凍機 １１ 圧縮機 １１ａ 接続管 １２ 放熱部 １３ 蓄冷器 １４ 冷却部 １５ パルスチューブ １６ 放熱部 １７ イナータンスチューブ １８ バッファータンク １９ａ 冷却フィン １９ｂ コールドヘッド １９ｃ 放熱用ヘッド部
略構成を示す要部の断面図 【図２】パルスチューブ冷凍機の据え付け条件による冷
凍出力の差と、パルスチューブの内部空間の断面積と蓄
冷器１３の内部空間の断面積との比との関係を示す特性
図 【図３】スターリング式冷凍機の冷凍サイクルの概要を
示す説明図 【図４】スターリング式冷凍機の冷凍サイクルに伴う、
圧縮ピストンとディスプレーサーの上昇および下降のサ
イクルを示した特性図 【図５】パルスチューブ式冷凍機の概略構成を示す断面
図 【符号の説明】 １０ パルスチューブ冷凍機 １１ 圧縮機 １１ａ 接続管 １２ 放熱部 １３ 蓄冷器 １４ 冷却部 １５ パルスチューブ １６ 放熱部 １７ イナータンスチューブ １８ バッファータンク １９ａ 冷却フィン １９ｂ コールドヘッド １９ｃ 放熱用ヘッド部
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 【請求項１】パルスチューブと蓄冷器とを直線状に配置
したインライン型のパルスチューブ冷凍機において、パ
ルスチューブの内部断面積と蓄冷器の内部断面積との比
が、0.1 以上、 0.35 以下であることを特徴とするパル
スチューブ冷凍機。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002082347A JP2003279184A (ja) | 2002-03-25 | 2002-03-25 | パルスチューブ冷凍機 |
| CNB021482500A CN1225625C (zh) | 2001-11-05 | 2002-10-31 | 脉冲管低温冷却器 |
| US10/285,677 US6691520B2 (en) | 2001-11-05 | 2002-11-01 | Pulse tube cryocooler |
| KR1020020067757A KR100557229B1 (ko) | 2001-11-05 | 2002-11-04 | 펄스 튜브식 냉동기 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002082347A JP2003279184A (ja) | 2002-03-25 | 2002-03-25 | パルスチューブ冷凍機 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003279184A true JP2003279184A (ja) | 2003-10-02 |
Family
ID=29230569
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002082347A Pending JP2003279184A (ja) | 2001-11-05 | 2002-03-25 | パルスチューブ冷凍機 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2003279184A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008541004A (ja) * | 2005-05-16 | 2008-11-20 | レイセオン・カンパニー | ソリッドステート極低温冷凍機 |
-
2002
- 2002-03-25 JP JP2002082347A patent/JP2003279184A/ja active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008541004A (ja) * | 2005-05-16 | 2008-11-20 | レイセオン・カンパニー | ソリッドステート極低温冷凍機 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Effective date: 20040312 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 |
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| A977 | Report on retrieval |
Effective date: 20051124 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 |
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Effective date: 20051129 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 |
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Effective date: 20060703 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7422 |
|
| RD04 | Notification of resignation of power of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7424 Effective date: 20060704 |
|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20060829 |