JP2004020139A - パルスチューブ冷凍機 - Google Patents

Abstract

【課題】リターン型パルスチューブ冷凍機において、パルス管低温端部近傍でのガスの流れの乱れや偏りをなくし高い冷凍出力を得る。
【解決手段】蓄冷器３とパルス管４とを接続するガス流路を複数の接続管１９で構成し、かつすべての接続管１９の内径と長さを同じにして、各接続管１９の流路抵抗を互いに同じにする。これらの接続管１９で構成されるガス流路は流路断面の各点で流路抵抗が均一化され、蓄冷器３からパルス管４に流入するガスの流速が一様になる。その結果、蓄冷器３に対してパルス管４が折り返して連結されるリターン型パルスチューブ冷凍機においても、低温端部９の近傍でのパルス管４のガスの流速が均一になり高い冷凍出力が得られる。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、液体窒素温度以下の極低温レベルに冷却するパルスチューブ冷凍機に関する。
【従来の技術】
【０００２】
図３は従来のパルスチューブ冷凍機の概略構成を示し、図３（Ａ）は縦断面図、図３（Ｂ）はそのＢ−Ｂ線に沿う断面図である。図３において、パルスチューブ冷凍機は、圧縮機１、放熱器２を介して圧縮機１に連結された蓄冷器３、蓄冷器３に対して折り返して連結されたパルス管４、パルス管４に高温側熱交換器５を介して連結された位相制御部６等からなり、位相制御部６はイナータンスチューブ７とバッファタンク８とからなっている。蓄冷器３及びパルス管４の図３（Ａ）の右端は低温端部（コールドヘッド）９で、図３（Ｂ）に示すように、蓄冷器３とパルス管４とは低温端部９を囲む伝熱部１０により熱的に結合されるとともに、その内部のガス流路１１により接続されている。蓄冷器３及びパルス管４の低温端部９にはいずれも、例えば金網からなる整流器１２及び１３が装着されている。整流器１２，１３は、熱交換器としての役割も兼ねている。
【０００３】
パルス管４が蓄冷器３に対して折り返して連結された図３のパルスチューブ冷凍機はリターン型と呼ばれるが、パルスチューブ冷凍機には図４に示すインライン型と呼ばれる種類ものがある。インライン型パルスチューブ冷凍機は、図４に示すように、蓄冷器３とパルス管４とが直線的に連結されたもので、低温端部９が冷凍機長手方向の中間に位置している。そのため、低温端部９が冷凍機端部に位置するリターン型に比べると、被冷却体の取り付け自由度が悪く、また長手寸法が大きいという難点がある。
【０００４】
上記したいずれのパルスチューブ冷凍機においても、封入されたヘリウムガスなどからなる作動ガスは、圧縮機１のピストン１４がシリンダ１５内を往復動することにより圧縮・膨張を繰り返し、この作動ガスは蓄冷器３、低温端部９、パルス管４を通り、位相制御部６に達する一連の系の中を往復動流として流れる。その際、イナータンスチューブ７とバッファタンク８とからなる位相制御部６は、圧縮機１からほぼ正弦波的な圧力振幅を伴って送り出された流体の圧力変化と流量変化との間に位相差を発生させる。電気回路的にいえば、イナータンスチューブ７がインダクタンス成分と抵抗成分、バッファタンク８がキャパシタンス成分に相当する。これにより、圧力に対する流量の位相差を−９０°から＋９０°まで変化させることができる。また、パルス管４もキャパシタンス成分に相当するため、ここでも−９０°から０°までの位相差をつけることができる。その結果、冷凍機運転時にパルス管４内で圧力と流量との間に位相差が生じ、低温端部９に寒冷を発生させる。この寒冷仕事は低温ＰＶ仕事と呼ばれている。
【０００５】
ここで、ガスの流れについて考えると、作動ガスは圧縮機１の往復動作に伴い往復動流となってパルス管４へ流れ込む。しかしながら、パルス管４のガスは一部が出入りするのみで、大部分はパルス管４の内部に留まる。この滞留ガスはあたかも仮想的なピストンとして挙動するため、ガスピストンと呼ばれているが、このガスピストンはできる限り固体的に挙動するようにすることが理想である。すなわち、パルス管４の内部のガスの流れは、圧縮機１の運転周期に応じた流れだけで、他の２次的な流れは存在しないことが望ましい。そのため、これまではパルス管４内での整流が行ないやすいインライン型が多く用いられてきたが、インライン型はすでに述べた通り低温端部９が中間に位置し、被冷却体の取り付け自由度が悪い。リターン型は、この点を改善するために考案されたものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、このリターン型パルスチューブ冷凍機には、次に述べるような大きな問題がある。ここで、図３において、矢印は低温端部９でのガスの流れを示し、矢印の長さは流速の相対的な大きさを表している。図３において、蓄冷器３から出たガスは、蓄冷器３側の整流器１２を通り、ガス流路１１を経由してパルス管４側の整流器１３に入り、パルス管４の内部に吹き出す。このとき、ガスは抵抗の小さいところを流れようとするため、蓄冷器３に近い側のガスの流速は蓄冷器３から遠い側のガスの流速に比べて大きくなってしまう。その結果、パルス管４の低温端部９の近傍で、図３（Ａ）に点線矢印で示すように、高速側から低速側に回転するような２次的な流れが発生し、この部分で温度ミキシングを起す。低温端部９の近傍で温度ミキシングが生じると、発生した寒冷（低温ＰＶ仕事）に高い温度のガスが入るため冷凍出力が低下してしまう。この冷凍出力の低下は、２次的な流れが大きければ大きいほど大きい。
【０００７】
この発明の課題は、リターン型パルスチューブ冷凍機におけるパルス管低温端部近傍でのガスの流れの乱れや偏りをなくし、高い冷凍出力を得ることにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、この発明は、蓄冷器に対してパルス管が折り返して連結されたパルスチューブ冷凍機において、前記蓄冷器とパルス管とを接続するガス流路を互いに流路抵抗の等しい複数の接続管で構成するものとする（請求項１）。この請求項１によれば、各接続管の流路抵抗がすべて等しいため、これらの接続管で構成されるガス流路は流路断面の各点で流路抵抗が均一化され、結果としてパルス管に流入するガスの流速が一様になり、温度ミキシングを招く２次的な流れが生じなくなる。
【０００９】
請求項１において、流路抵抗を等しくするには、すべての前記接続管の内径と長さを等しくするのがよい（請求項２）。これにより、各接続管の流路抵抗を正確に揃えられるとともに、接続管の切断や曲げなどの加工が容易になる。接続管はパルス管の径に対してなるべく細く（例えば１０分の１）した方が接続管内での偏流が生じにくく、安定した流れが得られる。
【００１０】
請求項１において、前記接続管は、前記蓄冷器及びパルス管の低温端部に形成した伝熱部に埋め込むのがよい（請求項３）。これにより、低温端部に対する伝熱部の伝熱面積を増やし、寒冷の伝熱を良好にすることができる。その場合、前記接続管の外側に伝熱金属を溶かし込んで前記伝熱部を形成するのがよく（請求項４）、これにより伝熱部と接続管との高い密着性が得られる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図１及び図２に基づいて、この発明の実施の形態を説明する。なお、従来例と対応する部分には同一の符号を用いるものとする。まず、図１はこの発明の第１の実施の形態を示すもので、図１（Ａ）は蓄冷器及びパルス管の低温端部の縦断面図、図１（Ｂ）はその右正面図である。図１において、蓄冷器３は円筒ケース内に多数の蓄冷板１６が積層されて構成され、低温端部９に整流器１２が設置されるとともに、整流器１２の下流側に若干の空間１７が設けられている。なお、蓄冷板１６は整流作用を有するので、蓄冷器３の整流器１２は省いてもよい。一方、パルス管４の低温端部９には、上流側に設けられた若干の空間１８を介して整流器１３が設置されている。蓄冷器３とパルス管４とは、従来例と同じに低温端部９を囲む伝熱部１０により熱的に結合されているが、図示の場合は図３の従来構成におけるガス流路１１に相当する部分はブラインドとされ、ガスの流れは遮断されている。
【００１２】
ここで、図１において、蓄冷器３とパルス管４とを接続するガス流路は、複数（図示の場合は３本）の接続管１９で構成されている。これらの接続管１９はすべて内径と長さが等しく、従って流路抵抗も等しくなっている。各接続管１９は同形の弓形に屈曲され、蓄冷器３及びパルス管４の端面に互いに平行に跨り、両端がろう付けなどにより結合されている。この結合点は蓄冷器３及びパルス管４の各々の横断面上において、それぞれ偏りのないように配置する必要があり、図示の場合は各横断面と同心の正三角形の頂点に位置するように配置されている。
【００１３】
図示パルスチューブ冷凍機において、蓄冷器３内を通過し、接続管１９を介してパルス管４に出入りするガスは、接続管１９の流路抵抗が互いに等しいことから、すべての接続管１９にそれぞれ均等に分配され、パルス管４の横断面について同じ流速で流れる。従って、リターン型パルスチューブ冷凍機のパルス管２においても２次的流れが発生せず、温度ミキシングによる冷凍出力の低下は生じない。蓄冷器３及びパルス管４の空間１７及び１８は、接続管１９を介して流入したガスをいったん合流させ、流れをより均一にする役目をしているが、必ず必要というわけではない。また、接続管１９の本数は３本に限るものではなく、接続管１９の結合点の配置も自由である。
【００１４】
次に図２は、この発明の第２の実施の形態を示す蓄冷器及びパルス管の低温端部の縦断面図である。この実施の形態においては、伝熱部１０に接続管１９が込まれている。図３において、蓄冷器３及びパルス管４の低温端部９には、例えば銅板からなる中空の箱体２０が底部の丸穴を介して、接続管１９を囲むように蓄冷器３及びパルス管４の低温端部９に被嵌されるとともに、ろう付けなどにより結合されている。そして、箱体２０の内部空間に図示しない小穴からハンダ、ろう材などの良熱伝導性の伝熱金属２１が溶かし込まれて伝熱部１０が形成されている。この伝熱部１０は伝熱金属２１が低温端部９及び接続管１９に密着し、高い伝熱効率を有する。
【００１５】
なお、図示実施の形態ではすべての接続管の内径と長さを同じにした例を示したが、内径や長さが互いに異なる接続管を用いてももちろん差し支えない。その場合には、内径と長さの組み合せを変えたり、途中を偏平に変形させたり、屈曲させあるいはらせん状に巻いたり、オリフィスを挿入したりして、流路抵抗を互いに等しくすることができる。
【００１６】
【発明の効果】
以上の通り、この発明によれば、蓄冷器とパルス管とを接続するガス流路を互いに流路抵抗の等しい複数の接続管で構成することにより、パルス管に出入りするガスの流速を均一にし、蓄冷器に対してパルス管が折り返して連結されるリターン型パルスチューブ冷凍機においても、インライン型と同等の冷凍出力を実現することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施の形態を示し、（Ａ）は蓄冷器及びパルス管の低温端部の縦断面図、（Ｂ）はその右正面図である。
【図２】この発明の第２の実施の形態を示し、（Ａ）は蓄冷器及びパルス管の低温端部の縦断面図、（Ｂ）はそのＢ−Ｂ線に沿う断面図である。
【図３】従来例を示し、（Ａ）はリターン型パルスチューブ冷凍機の縦断面図、（Ｂ）はそのＢ−Ｂ線に沿う断面図である。
【図４】異なる従来例を示すインライン型パルスチューブ冷凍機の縦断面図である。
【符号の説明】
１　　圧縮機
３　　蓄冷器
４　　パルス管
９　　低温端部
１０　　伝熱部
１９　　接続管
２０　　箱体
２１　　伝熱金属

Claims (4)

1. 蓄冷器に対してパルス管が折り返して連結されたパルスチューブ冷凍機において、
   前記蓄冷器とパルス管とを接続するガス流路を互いに流路抵抗の等しい複数の接続管で構成したことを特徴とするパルスチューブ冷凍機。
2. すべての前記接続管の内径と長さを等しくしたことを特徴とする請求項１記載のパルスチューブ冷凍機。
3. 前記蓄冷器及びパルス管の低温端部に形成した伝熱部に前記接続管を埋め込んだことを特徴とする請求項１記載のパルスチューブ冷凍機。
4. 前記接続管の外側に伝熱金属を溶かし込んで前記伝熱部を形成したことを特徴とする請求項３記載のパルスチューブ冷凍機。

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