JP2004301445A

JP2004301445A - パルス管冷凍機

Info

Publication number: JP2004301445A
Application number: JP2003096438A
Authority: JP
Inventors: Hotatsu Gan; 鵬達顔
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2003-03-31
Filing date: 2003-03-31
Publication date: 2004-10-28

Abstract

【課題】インピーダンス要素の個性差や外部要因による変化に拘わらず、最適な圧力−流量関係を得て、製造時のチューニング作業を省略あるいは簡略化すると共に、外部要因による冷凍機性能の変化を少なくする。
【解決手段】位相調節手段のインピーダンス要素として、可変オリフィス３０、３２を用いて、圧力センサ３４、３６、３８によって検出されるガスの圧力に応じて、その開度をダイナミックに制御する。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧力振動発生器、蓄冷器、低温端熱交換器、パルス管、高温端熱交換器、及び、パルス管内ガス圧力波とパルス管低温端ガス流動速度波の位相差を調節するための位相調節手段を備えたパルス管冷凍機に係り、特に、製造時のチューニング作業を省略あるいは簡単化すると共に、使用過程における性能変化を少なくすることが可能なパルス管冷凍機、及び、これを用いた低温装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ヘリウムガス等の動作ガスの圧力変化と体積変化との位相差を利用して、極低温を発生するパルス管冷凍機が、例えば特許文献１に記載されている。
【０００３】
このパルス管冷凍機は、例えば、図１にバッファタンク式を例示する如く、例えば圧縮機１０Ａ、低圧切換弁１０Ｂ、高圧切換弁１０Ｃを有する圧力振動発生器１０、銅、ステンレス製金網等の蓄冷材１３が充填された蓄冷器１２、整流器を含むパルス管低温端１６Ｌの熱交換器（低温端熱交換器と称する）１４、パルス管１６、整流器を含むパルス管高温端１６Ｈの熱交換器（高温端熱交換器と称する）１８、及び、位相調節手段としての第１、第２インピーダンス要素（例えば固定オリフィス）２０、２２、バッファタンク２４で構成されている。
【０００４】
前記圧力振動発生器１０は、圧力振動を起こし、蓄冷器１２を通してパルス管１６中のガスを圧縮したり、膨張させたりする。
【０００５】
前記位相調節手段（２０、２２、２４）は、パルス管内ガス圧力波とパルス管低温端ガス流動速度波の位相差を調節する。
【０００６】
このパルス管冷凍機において、圧縮機１０Ａで圧縮された高圧のヘリウムガスは、高圧切換弁１０Ｃが開、低圧切換弁１０Ｂが閉の状態になると、蓄冷器１２に流入し、蓄冷材１３で冷却されて温度を下げながら、蓄冷器１２の低温端１２Ｌから低温端熱交換器１４で更に冷却されて、パルス管１６の低温端１６Ｌへ流入する。
【０００７】
パルス管１６内に既に存在していた低圧ガスは、新たに流入された作動ガスにより圧縮されるため、パルス管１６内の圧力がバッファタンク２４内の圧力よりも高くなり、作動ガスはオリフィス２０を通ってバッファタンク２４へ流入する。
【０００８】
次に、高圧切換弁１０Ｃが閉となり、低圧切換弁１０Ｂが開に切り換わると、パルス管１６内の作動ガスは、蓄冷器１２の低温端１２Ｌから蓄冷器１２内を通過し、高温端１２Ｈから低圧切換弁１０Ｂを通って圧縮機１０Ａへ回収される。
【０００９】
パルス管１６とバッファタンク２４とはオリフィス２０を介して連通されているため、圧力変動の位相と作動ガスの体積変化の位相とが一定の位相差をもって変化する。この位相差によって、パルス管１６の低温端１６Ｌにおいて作動ガスの膨張に伴う寒冷が発生し、上記過程が反復されることにより、冷凍機として作用している。
【００１０】
このようなパルス管冷凍機の位相調節手段は、一定体積のバッファタンク２４と、１個以上のインピーダンス要素２０、２２が必須である。
【００１１】
図１は、従来のパルス管冷凍機の一つであるダブルインレットタイプのバッファタンク式パルス管冷凍機の一例を示したもので、位相調節手段として、バッファタンク２４が、第１インピーダンス要素であるオリフィス２０を介して高温端熱交換器１８に接続され、該高温端熱交換器１８と圧力振動発生器１０の出口１０Ｄの間に第２インピーダンス要素であるオリフィス２２が接続されている。従って、パルス管１６中のガス圧力と流量は、第１インピーダンス要素（２０）と第２インピーダンス要素（２２）により決められる。
【００１２】
【特許文献１】
特開平７−３１０９６１号公報
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら従来は、インピーダンス要素として、固定オリフィス２０、２２や、開度が固定された流量調節弁や、固定寸法の細長いチューブ等を使っており、インピーダンス要素を流れるガスの流量とインピーダンス要素両側ガスの圧力との関係は固定されている。従って、高い性能を得るための最適なガス流量とガス圧力との関係を得るのが困難である。又、インピーダンス要素の個性差によって冷凍機の性能差は大きいが、性能を出すためにインピーダンス要素をチューニングするのが困難である等の問題点を有していた。
【００１４】
本発明は、前記従来の問題点を解消するべくなされたもので、製造時のチューニング作業を省略あるいは簡単化すると共に、使用過程における性能変化を少なくすることを課題とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、圧力振動発生器、蓄冷器、低温端熱交換器、パルス管、高温端熱交換器、及び、パルス管内ガス圧力波とパルス管低温端ガス流動速度波の位相差を調節するための位相調節手段を備えたパルス管冷凍機において、前記位相調節手段のインピーダンス要素の少なくとも一つをダイナミックに制御可能とすることにより、前記課題を解決したものである。
【００１６】
又、前記インピーダンス要素に流れるガスの流量を、ガスの圧力に応じてダイナミックに制御するようにして、最適な圧力−流量関係を得ることができるようにしたものである。
【００１７】
又、前記インピーダンス要素を可変オリフィスとしたものである。
【００１８】
本発明は、又、前記のパルス管冷凍機を備えたことを特徴とする低温装置を提供するものである。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００２０】
本実施形態は、図１に示した従来例と同様のパルス管冷凍機において、図２に示す如く、固定オリフィス２０、２２を可変オリフィス３０、３２に変えると共に、該可変オリフィス３０、３２の開度を、該可変オリフィス３０、３２の前後に配置した圧力センサ３４、３６、３８の出力に応じてダイナミックに制御するようにしたものである。
【００２１】
他の点については、図１に示した従来例と同じであるので、説明は省略する。
【００２２】
本実施形態において、圧力振動発生器１０で発生した周期的な圧力波は、蓄冷器１２を経由して、パルス管１６に入る。パルス管１６中のガスは、第１インピーダンス要素である可変オリフィス３０を経由してバッファタンク２４に入ったり出たりし、第２インピーダンス要素である可変オリフィス３２を経由して圧力振動発生器１０の出口１０Ｄと連通する。
【００２３】
制御系は、パルス管１６の高温端１６Ｈの出側の近傍と、バッファタンク２４の入口と、圧力振動発生器１０の出口１０Ｄに設置している圧力センサ３８、３６、３４、図示しない制御回路、及び、可変オリフィス３０、３２で構成される。
【００２４】
各部に設定している圧力センサ３４、３６、３８は、各部ガスの圧力を、電子信号あるいは機械信号に変更する。制御回路は、圧力センサ３４、３６、３８から入力された電子信号あるいは機械信号を基準として、図３に示す如く、最適なインピーダンス要素の開度を計算し、可変オリフィス３０、３２に出力する。
【００２５】
即ち、パルス管冷凍機には、蓄冷機１２、低温端熱交換器１４、パルス管１６、高温端熱交換器１８、オリフィス３２に通路として循環する直流成分が存在しているが、高圧時と低圧時のオリフィス３２開度差によって、この循環する直流成分を調節することができる。開度差ｘは、圧力センサ３８と圧力センサ３４の値の処理結果によって制御する。
【００２６】
この際、制御回路によって、可変オリフィス３０、３２の開度は、図４に例示する如く、周期的に大きくしたり、小さくしたり、ダイナミックに制御される。
【００２７】
その制御によって、パルス管内ガスの圧力Ｐ−体積Ｖ曲線の面積は、図５に実線Ａで示す如く、破線Ｂで示す従来例に比べて大きくなるので、パルス管冷凍機の性能が向上する。
【００２８】
このような制御系は、冷凍機中各部の圧力を正確に制御できるので、製造するときのチューニング作業を省略したり、あるいは簡単にすることができ、製造工数とコストを減らすことができる。又、環境温度、圧縮機１０Ａの入力電源、切換弁１０Ｂ、１０Ｃの開閉位相等の変動によって、パルス管冷凍機の圧力は変動するが、制御回路により可変オリフィス３０、３２の開度を調節することによって、冷凍機中のガス圧力が自動的に調節される。従って、冷凍機性能の変化が少なくなる。
【００２９】
本実施形態においては、制御可能なインピーダンス要素として、可変オリフィスを用いていたが、制御可能なインピーダンス要素の種類はこれに限定されず、例えば流量調節弁であってもよい。
【００３０】
又、本実施形態においては、圧力センサ３４、３６、３８と可変オリフィス３０、３２が別体とされていたが、インピーダンス要素と圧力センサを一体として、コンパクトな制御系を構成することも可能である。圧力センサの数も３個に限定されず、１、２個又は４個以上であっても良い。
【００３１】
又、本実施形態においては、圧縮機１０Ａと切換弁１０Ｂ、１０Ｃを用いた圧力振動発生器１０が用いられていたが、圧力振動発生器の構成はこれに限定されず、例えば、機械式ピストンを外力により駆動する圧力振動発生器を用いた往復ピストン式パルス管冷凍機や、熱音響式の圧力振動発生器を用いたパルス管冷凍機等にも適用できる。
【００３２】
又、前記実施形態においては、本発明が１段式のパルス管冷凍機に適用されていたが、本発明の適用対象はこれに限定されず、パルス管を２段備えた２段式あるいは３段以上備えた多段式パルス管冷凍機に適用できる。更に、該パルス管冷凍機を使った、各種超伝導磁石装置、各種センサ冷却システム、液化装置、液化ガス再凝縮装置、クライオポンプ、ＭＲＩ診断機器、理化学機器等に適用可能である。
【００３３】
【発明の効果】
本発明によれば、インピーダンス要素の個性差や経時変化に拘わらず、常に最適な圧力−流量関係を得ることができる。従って、製造時のチューニング作業を省略したり、簡略化して、製造工数やコストを減らすことができる。又、外部要因に拘わらず、冷凍機中のガス圧力を自動的に調節することができ、冷凍機性能の変化が少なくなる。従って、冷凍効率が高く、性能調節が簡単なパルス管冷凍機を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のオリフィス型パルス管冷凍機の一例の構成を示す断面図
【図２】１段パルス管冷凍機に適用した本発明の実施形態の構成を示す断面図
【図３】前記実施形態における圧力とオリフィス開度の関係の例を示す線図
【図４】同じくオリフィス開度の変化状態の例を示すタイムチャート
【図５】本発明の効果を示すためのＰＶ曲線を従来例と比較して示す線図
【符号の説明】
１０…圧力振動発生器
１２…蓄冷器
１４…低温端熱交換器
１６…パルス管
１８…高温端熱交換器
３０、３２…可変オリフィス
３４、３６、３８…圧力センサ

Claims

圧力振動発生器、蓄冷器、低温端熱交換器、パルス管、高温端熱交換器、及び、パルス管内ガス圧力波とパルス管低温端ガス流動速度波の位相差を調節するための位相調節手段を備えたパルス管冷凍機において、
前記位相調節手段のインピーダンス要素の少なくとも一つをダイナミックに制御可能としたことを特徴とするパルス管冷凍機。
前記インピーダンス要素に流れるガスの流量を、ガスの圧力に応じてダイナミックに制御することを特徴とする請求項１に記載のパルス管冷凍機。
前記インピーダンス要素が可変オリフィスであることを特徴とする請求項１又は２に記載のパルス管冷凍機。
請求項１乃至３のいずれかに記載のパルス管冷凍機を備えたことを特徴とする低温装置。