JP2004069268A - パルスチューブ冷凍機 - Google Patents

Abstract

【課題】据え付け姿勢による冷凍出力の差が軽減され、据え付け条件が変化しても安定した冷凍出力が得られるものを得る。
【解決手段】図示しない圧縮機に連結された接続管１１ａ、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、パルスチューブ１５に、放熱部１６、イナータンスチューブ１７を介してバッファータンク１８を連結して構成されるパルスチューブ冷凍機１０において、パルスチューブ１５の内径を１２ｍｍ以下とする。
【選択図】　　　　図１

Description

【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５および図６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５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６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５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２１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６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したものである。
【０００４】
図５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５（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５（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２８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５（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５（Ｄ）参照）。なお、このスターリングサイクルにおいては、図６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７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７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振動が形成される。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の変位と圧力振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１２、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得られる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７０Ｋ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有するパルスチューブ冷凍機において、
（１）パルスチューブの内径を１２ｍｍ以下とする。
【００１４】
（２）また、複数のパルスチューブをコールドヘッドを介して蓄冷器に接続することとし、さらに、これらの複数のパルスチューブの内径を１２ｍｍ以下とする。
パルスチューブの内径を上記（１）のごとく１２ｍｍ以下とすれば、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が低減され、据え付け姿勢による冷凍出力の差が軽減される。また、上記（２）のごとく、複数のパルスチューブをコールドヘッドを介して蓄冷器に接続し、さらに、これらの複数のパルスチューブの内径を１２ｍｍ以下とすれば、所望の冷凍出力を確保することが可能となり、さらに、据え付け姿勢による冷凍出力の差が軽減されるので、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、実施例を挙げて本発明の実施形態を説明する。なお、本発明は図示された実施例に限定されるものではなく、同一の基本理念に基づいて構成されたパルスチューブ冷凍機に広く適用されるものである。
図１は本発明のパルスチューブ冷凍機の第１の実施例の概略構成を示す要部の断面図である。なお、本パルスチューブ冷凍機の基本的な構成は図７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。
【００１６】
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ものである。
【００１７】
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１９ａ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。
【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空隙率が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、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】
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、特にステンレスが好ましい。また、パルスチューブ１５の内径は冷凍能力に影響を及ぼし、内径が小さいほど冷凍能力が低下する。同時に、パルスチューブ１５の内径が大きくなると作動ガスの自然対流が増大して熱ロスが増大する。パルスチューブ１５の長さＬ２は、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　ｍｍの範囲にあるのが好ましい。また、パルスチューブ１５の空間容積は、同様に、５　〜　３０　ｍｌ　の範囲にあるのが好ましい。
【００２０】
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の内径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１５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、　３．１ＭＰａ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の材質はステンレス鋼とし、蓄冷材には４００メッシュのステンレスメッシュを用い、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。
【００２１】
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との差を示しており、横軸は、パルスチューブ１５の内径を表している。図中に●で示した特性値が測定値であり、また、実線はこれらの測定値の直線回帰式である。
【００２２】
図に見られるように、パルスチューブ１５の内径が減少するほど、据え付け状態による冷凍出力の差は減少しており、特に、パルスチューブ１５の内径が１２ｍｍ以下の場合には、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、パルスチューブの内径を１２ｍｍ以下に選定してパルスチューブ冷凍機を構成すれば、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。
【００２３】
図３は、本発明のパルスチューブ冷凍機の第２の実施例の概略構成を示す要部の断面図である。本実施例の特徴は、パルスチューブ１５と蓄冷器１３がコールドヘッド１９ｂの部分を介して折り返されたリターン型の構成となっている点にある。このリターン型の構成は、パルスチューブと蓄冷器が直線状に配置された図１のごときインライン型の構成に比較して全長を短くできるという利点をもつ。したがって、このリターン型の構成とし、さらにパルスチューブ１５の内径を１２ｍｍ以下に選定すれば、コンパクトで、かつ据え付け姿勢によらず安定した冷凍出力での運転が可能なパルスチューブ冷凍機が得られる。
【００２４】
図４は、本発明のパルスチューブ冷凍機の第３の実施例の概略構成を示す要部の断面図である。本実施例の第１の特徴は、図３に示した第２の実施例と同様に、パルスチューブ１５と蓄冷器１３がコールドヘッド１９ｂの部分を介して折り返されたリターン型の構成となっている点にある。したがってインライン型に比較して全長が短く、コンパクトに構成されている。本実施例の第２の特徴は、２本のパルスチューブ１５をコールドヘッド１９ｂを介して蓄冷器１３に接続した点にある。据え付け状態による冷凍出力の差を微小に抑えるためにパルスチューブの内径を１２ｍｍ以下に選定すると、パルスチューブの断面積が小さく抑えられ、冷凍能力が小さくなるが、このように蓄冷器１３に２本のパルスチューブ１５を接続すれば、パルスチューブの断面積が２倍となり、２倍の冷凍能力が得られることとなる。
【００２５】
なお、図４に示した実施例では、２本の個別のパルスチューブ１５をコールドヘッド１９ｂを介して蓄冷器１３に接続しているが、接続するパルスチューブの本数は２本に限られるものではなく、所望の冷凍能力に対応した複数本のパルスチューブを接続することとすればよい。また、図４の実施例では２本のパルスチューブ１５が個別に配されているが、個別のパルスチューブを複数本結束して配置することとしてもよい。また、図４に示した実施例では、上記のごとくリターン型に構成されているが、インライン型の構成において、複数のパルスチューブをコールドヘッドを介して蓄冷器に接続する構成とすることもできる。
【００２６】
【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有するパルスチューブ冷凍機において、
（１）請求項１に記載のごとくとしたので、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。
【００２７】
（２）また、請求項２、さらには請求項３のごとくとすれば、所望の冷凍出力の確保が可能となり、かつ、据え付け姿勢の差による冷凍出力の差を微小に抑制することができるので、据え付け条件が種々変わっても所定の冷凍出力が安定して得られるパルスチューブ冷凍機として好適である。
【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第１の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、パルスチューブの管径との関係を示す特性図
【図３】本発明のパルスチューブ冷凍機の第２の実施例の概略構成を示す要部の断面図
【図４】本発明のパルスチューブ冷凍機の第３の実施例の概略構成を示す要部の断面図
【図５】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６】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７】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 (3)

1. 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おいて、パルスチューブの内径が１２ｍｍ以下であることを特徴とするパルスチューブ冷凍機。
2. 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おいて、複数のパルスチューブがコールドヘッドを介して蓄冷器に接続されていることを特徴とするパルスチューブ冷凍機。
3. 複数の前記のパルスチューブの内径が１２ｍｍ以下であることを特徴とする請求項２に記載のパルスチューブ冷凍機。

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