JP2004353968A

JP2004353968A - パルス管冷凍機

Info

Publication number: JP2004353968A
Application number: JP2003152514A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Ito; 聡伊藤; Tatsuo Nakayama; 達雄中山
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-05-29
Filing date: 2003-05-29
Publication date: 2004-12-16
Anticipated expiration: 2023-05-29
Also published as: JP3838220B2

Abstract

【課題】作動流体の圧力変動と変位の位相差を検知し、最適な位相条件で運転することができるパルス管冷凍機を提供することを目的とする。
【解決手段】圧力検知手段１２及び流速検知手段９、１０を設けて作動流体の圧力と変位の位相差を求め、これが所定の値になるように、圧縮手段１、位相制御手段７、８、１３の少なくとも一方を制御することにより、冷凍負荷や設定温度、外気温度などの運転条件の変化に合わせて、適切な位相差の条件で冷凍機を運転することができる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パルス管冷凍機の位相制御に関するもので、特に冷凍負荷や周囲環境などに応じて効率的に安定して最適な条件で運転できるパルス管冷凍機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、比較的低温をターゲットとした、冷媒の相変化を用いず作動流体の圧縮・膨張の往復運動により寒冷を得る蓄冷型の冷凍方法として、スターリング冷凍機とＧＭ冷凍機が用いられている。これらは圧力振動源の違いに特徴があり、ＧＭ型は回転型の圧縮機により高圧と低圧の圧力源を構成し、バルブ切り替えにより冷凍機に圧力変動を発生させるものである。一方、スターリング冷凍機はシリンダ内を往復するピストンにより直接冷凍機に圧力振動を発生させている。どちらの方式も圧力振動源とは別に系内の作動流体の移動を制御するディスプレーサと呼ばれるピストンを備えており、蓄冷器の内部を往復運動する作動流体の圧力と変位の位相差を制御することで冷凍を行っている。
【０００３】
次に、この蓄冷型冷凍機の動作原理について図５を用いて説明する。図５は蓄冷器内部における作動流体の圧力変動と変位の様子を示したものである。圧力振動源と接続された蓄冷器３８の内部には蓄冷材３９として粒子もしくは積層メッシュが配置されており、この蓄冷材３９が構成する個々の経路の大きさは、作動流体が往復運動する間にこの蓄冷材３９と充分熱交換できる程度に狭くなっている。図５（ａ）、図５（ｂ）それぞれにおいて、右側の図は、ある流体素片４０に注目してその動きと圧縮・膨張の様子を模式的に表現したものである。流体素片４０を円で表わし、円の大きさが圧縮、膨張の状態を示しており、大きな円が膨張状態を表わし、小さな円が圧縮状態を表わしている。この流体素片４０の上下にある直線状のものは蓄冷材３９を示しており、上下方向の矢印は蓄冷材３９との熱のやり取りを表している。また左側の図は、この流体素片４０の変位と圧力の時間変化をグラフ上に示したものである。
【０００４】
図５（ａ）において、作動流体４０は右に変位しながら圧縮され、左に変位しながら膨張している。即ち左から右への変位は圧縮過程で、蓄冷材３９に対し放熱しながら移動する。逆に右から左への変位は膨張過程で、蓄冷材３９から吸熱しながら移動する。従ってこの場合、往復１周期の過程で吸熱と放熱がバランスし作動流体による熱の移動は起こらない。
【０００５】
一方、図５（ｂ）では左から右への変位の中間位置で最も圧縮され圧力が最大となり、右から左への変位の中間位置途中で最も膨張している。この場合、往復運動の右半分は膨張過程で吸熱、左半分は圧縮過程で放熱している。従って、１往復のトータルとして右から左に熱の移動（汲み上げ）が発生し、冷凍機として機能することになる。
【０００６】
以上の説明から図５（ａ）のように、単に圧力変動を加えて圧力と位置を同位相で変化させるだけでは熱の移動は起こらず、図５（ｂ）のように（理想的には９０度の）位相差を持たせて変化させることで冷凍機として機能する。上で説明したスターリング冷凍機やＧＭ冷凍機では、圧力振動を付与する一方でディスプレーサで作動流体を適切なタイミングで移動させることにより位相差の制御を実現している。
【０００７】
近年、この蓄冷型冷凍機においてディスプレーサの替わりに、パルス管と呼ばれる中空管を設けこの中に発生させるガスピストンを利用したパルス管冷凍機の発展が著しい。このパルス管冷凍機では、冷凍部に可動機構であるディスプレーサが不要なため構造が簡単かつ低振動化が図りやすい等の特長をもつ。
【０００８】
パルス管冷凍機は１９６０年代に発見され、当初の第一世代のベーシック型はパルス管の終端を単に閉端としていたため、上で説明した圧力変動と変位の位相差が小さく、スターリング冷凍機やＧＭ冷凍機に比べて冷凍能力が小さく実用に向かないものであった。その後１９８０年代に、第二世代のオリフィス型として、パルス管の終端にオリフィスとバッファタンクを設けることでより大きな位相差に制御することが可能となり、実用化が進められた。さらにその後、より広範囲に位相を制御できる第三世代と呼ばれる数々の方法が提案され今日に至っている。これら第三世代の中でも特に、第二世代のオリフィスを細管に置き換えたイナータンス型と呼ばれる方式は、構造も簡単であり実用化に向いているものとして注目されている（例えば特許文献１参照）。
【０００９】
以下、従来のイナータンス型パルス管冷凍機について図６を用いて説明する。図６は前記特許文献１に記載された従来のイナ―タンス型パルス管冷凍機の構成を模式的に表わした模式図である。図６中、中空パルス管４１と円筒状の蓄冷器４３がほぼ平行に配置され、双方の低温端がガス流路４２を介して相互に接続されている。蓄冷器４３の高温端はガス流路４４を介して圧縮機４５に接続されている。圧縮機４５から供給された作動ガスは、ガス流路４４、蓄冷器４３及びガス流路４２を通ってパルス管４１内に導入される。パルス管４１の高温端は、細管４７によって所定の容積の内部空洞を有するバッファタンク４８に接続されている。パルス管４１と蓄冷器４３は高温端近傍を除いて真空容器４６内に収納されている。パルス管４１の一端に細管４７を介してバッファタンク４８が設けられており、この２つが上記の位相制御機構として作用し、最適な位相条件に保つことで冷凍機としての効率を高いものにしている。
【００１０】
【特許文献１】
特開平８−５４１５２号公報（第３頁、図１）
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の構成にあるようなパルス管冷凍機では、位相制御機構が簡単であるが故に、どのような運転条件でも効率の高い最適な位相差を実現できるわけではなく、一般に最適値からずれてしまう可能性がある。仮に位相制御機構のパラメータを可変として位相制御の範囲に幅を持たせたとしても、その位相差が実際の装置でどうなっているのかを簡単に検出することができなかった。特に変位を検出するのは難しく、実験室等においてはスモークワイヤー法やレーザードップラー流速計等を用いて作動流体の変位を観測することが行われているが、いずれの方法も実際の製品に搭載するのは難しい。従って、周囲温度等の環境が変化したり、冷却対象の負荷や設定温度の変化に応じて駆動周波数等の運転条件を制御する場合に、最適な運転条件となるように位相を調整することができず、場合によってはエネルギー効率を低下させてしまうという課題を有していた。
【００１２】
本発明はこのような従来の課題を解決するものであり、実際の製品に搭載することが可能な圧力及び流速検知手段を備えることで、装置の設計が容易でかつ冷凍負荷や周囲環境などの条件が変化しても安定して効率的な運転が可能なパルス管冷凍機を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するために本発明のパルス管冷凍機は、パルス管内部の作動流体の圧力と流速をそれぞれ検知する圧力検知手段、流速検知手段を備え、圧力検知手段及び流速検知手段により作動流体の圧力と変位の位相差を求め、これが所定の値になるように、圧縮手段、位相制御手段の少なくとも一方を制御するものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１に記載の発明は、作動流体に対し周期的な圧力変動を作用させる圧縮手段と、中空筒状に形成されたパルス管と、圧縮手段に接続され、圧縮・膨張を繰り返しながら往復運動する作動流体との間で交換した熱を蓄積する蓄冷器と、蓄冷器とパルス管の間に配置され、被冷却対象から吸収した熱を作動流体に伝える熱交換器と、パルス管の一端に配置され、蓄冷器内部における作動流体の圧力変動と変位の位相を制御する位相制御手段と、パルス管内部の作動流体の圧力と流速をそれぞれ検知する圧力検知手段、流速検知手段を備え、圧力検知手段及び流速検知手段により作動流体の圧力と変位の位相差を求め、これが所定の値になるように、圧縮手段、位相制御手段の少なくとも一方を制御するものである。
【００１５】
上記のように構成することで、冷凍負荷や設定温度、外気温度などの運転条件の変化に合わせて、適切な位相差の条件で冷凍機を運転することができる。
【００１６】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１の構成に加え、流速検知手段を、圧縮手段が作用させる圧力変動周期よりも高い周波数で微弱な圧力脈動を発生させる送信手段と、送信手段で発生した圧力脈動を検出する受信手段から構成するものである。
【００１７】
上記のように構成することで、受信手段は微弱圧力脈動と圧縮手段による圧力変動とを分離して検出できるようになる。
【００１８】
また、請求項３に記載の発明は請求項２の構成に加え、流速検知手段を構成する送信手段及び受信手段をパルス管の端部もしくは中間部に配置し、さらにパルス管の軸方向に互いに距離を離して配置するものである。
【００１９】
上記のように構成することで、送信手段から受信手段への圧力脈動の伝播時間から作動流体の流速を求めることができる。
【００２０】
また、請求項４に記載の発明は請求項２の構成に加え、流速検知手段を構成する送信手段及び受信手段をパルス管の端部もしくは中間部に配置し、送信手段に対し複数の受信手段をパルス管の軸方向に互いに距離を離して配置するものである。
【００２１】
上記のように構成することで、送信手段から複数の受信手段に微弱圧力脈動が伝播する時間の差から作動流体の流速を求めることができる。
【００２２】
また、請求項５に記載の発明は請求項２から４の構成に加え、圧力検知手段と送信手段又は受信手段を一体に構成して配置するものである。
【００２３】
上記のように構成することで、検知手段の設置に必要なスペースを小さくできる。
【００２４】
以下本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００２５】
（実施の形態１）
図１に本発明の実施の形態１におけるパルス管冷凍機の断面図を示す。図１において、リニア圧縮機１の圧縮室２３からガス流路２を介して作動流体（ここではヘリウムを使用）は蓄冷器４に導入される。内部に銅メッシュを積層した蓄冷器４と中空円筒に形成したパルス管６は冷却部であるコールドヘッド５で折り返した形で接続している。また、蓄冷器４とパルス管６のコールドヘッド５と逆の端部はフランジ３で保持されており、これはコールドヘッド５を真空断熱することで低温に維持する際の真空容器のフランジとしての機能と、リニア圧縮機１から流入する熱流及びコールドヘッド５側から流れ込む熱流の放熱部としての機能を兼ねている。なお、パルス管６のもう一端は電磁バルブ１３で開口が制御できる細管７を介してバッファタンク８に連通している。電磁バルブ１３、細管７とバッファタンク８は作動流体の圧力−変位の位相制御機構として作用し、電磁バルブ１３の開口を操作することで位相差を制御することが可能である。なお、電磁バルブ１３の制御や以下に示す検知装置の駆動と演算、判定には、当然ながらこれらを統括して制御する制御部が必要となるが、図１では記載していない。
【００２６】
本実施の形態の特徴は、微弱圧力脈動の送信部９と受信部１０を、パルス管６の細管７に近い部分の内面に軸方向に少し離して向かい合わせて設けた点である。送信部９と受信部１０は内部に圧電素子を備えており、微弱圧力脈動の発生と検出を行う。またその共振周波数は、リニア圧縮機１の運転周波数（数〜数十Ｈｚ）よりもはるかに高い周波数（数ｋ〜数十ｋＨｚ）とする。
【００２７】
図２は送信部９と受信部１０を備えたパルス管６の部分断面図である。送信部９の圧電体９ａと受信部１０の圧電体１０ａが角度θ、距離Ｌだけ離れて配置されている。送信部９の圧電体９ａを共振周波数付近で駆動して微弱圧力脈動を発生し、受信部１０に到達するまでの伝播時間に注目する。ヘリウムガス中における音速をｃ、また測定部分のガス流速を図中矢印の方向にｖとすれば、送受信部間を伝播するのに要する時間をｔとして、以下の関係が成り立つ。
【００２８】
ｔ×（ｃ−ｖｃｏｓθ）＝Ｌ
従って、伝播時間ｔを計測することでパルス管６の中の流速変動が求まる。ここから、流速変動に対し９０°だけ位相の遅れる作動流体の変位を把握することができる。ただし、圧縮機１による圧力振動により音速ｃは変化するので、必要に応じて圧力センサ１２の計測値を用いて、これを補正することが必要である。一方、圧力センサ１２からは圧力の時間変動が得られ、それぞれのピーク値をとる時間差から位相差を求めることが可能となる。
【００２９】
以上から、作動流体の圧力−変位の位相差をリアルタイムに知ることができる。この値が、予め決めておいた所定の範囲になるように、電磁バルブ１３の開度を制御することで最適な位相差で冷凍機を運転することが可能となる。
【００３０】
また、伝播時間を計測するのではなく周波数に注目する以下のような方法を用いることも可能である。送信部９から定常的に微弱圧力脈動を送出しこの周波数をｆ０とすれば、受信部１０での受信周波数ｆ１は以下で表される。
【００３１】
ｆ１＝（１−ｖｃｏｓθ／ｃ）×ｆ０
この場合には、受信する周波数がパルス管６を移動するガスの流速に合わせて変動し、受信周波数が最も低くなるタイミングで流速最大となる。
【００３２】
（実施の形態２）
図３に本発明の実施の形態２におけるパルス管冷凍機の部分断面図を示す。他の部分の基本構成は実施の形態１と同じであるため繰り返しての説明を避ける。異なる点は、１つの送信部９に対し２つの受信部１０、１１を軸方向に等しい距離だけずらして設けている点である。
【００３３】
送信部９からの微弱圧力脈動が受信部１０、１１に伝播するのに要する時間をそれぞれｔ１、ｔ２、送信部９と受信部１０、１１間の角度と距離を図に示すようにθ、Ｌとすれば、以下の関係が成り立つ。
【００３４】
ｔ１×（ｃ−ｖｃｏｓθ）＝Ｌ
ｔ２×（ｃ＋ｖｃｏｓθ）＝Ｌ
これから、音速ｃに依存しない以下の関係から流速を求めることができる。
【００３５】
２ｖｃｏｓθ＝Ｌ（１／ｔ２−１／ｔ１）
この関係を用いて、圧縮機１の駆動周期よりも短い時間間隔で伝播時間を計測し、作動流体の流速の変化を求める。
【００３６】
以上のように、２つの受信部１０、１１を配置することで、作動流体の音速に依存せずに流速を求めることができ、これを用いて圧力変動と変位の位相差を検知する。この方法によれば音速を圧力や温度で補正する必要がなく、簡単に流速変動を求めることができる。
【００３７】
なお、本実施の形態２では簡単のため２つの受信部１０、１１で、送信部９と受信部１０、１１間の角度と距離を同じ値θ、Ｌとしたが、異なっていても問題はない。
【００３８】
（実施の形態３）
図４に本発明の実施の形態３におけるパルス管冷凍機の部分断面図を示す。他の部分の基本構成、及び作動流体の圧力−変位の位相差の検出方法は実施の形態１と同じであるため繰り返しての説明を避ける。異なる点は、受信部１０の圧電体１０ａと同心円状に圧力センサの圧電体１２を構成していることである。
【００３９】
上記のように構成することで、別途圧力センサを設ける必要がなく安価に冷凍機を構成することができる。また、全体の構成もシンプルなものとなり小型化という点でも有利である。
【００４０】
【発明の効果】
上記から明らかなように、本発明は圧力検知手段及び流速検知手段を設けて作動流体の圧力と変位の位相差を求め、これが所定の値になるように、圧縮手段、位相制御手段の少なくとも一方を制御するもので、冷凍負荷や設定温度、外気温度などの運転条件の変化に合わせて、適切な位相差の条件で冷凍機を運転することができ、エネルギー効率と動作の安定性の点で有利なパルス管冷凍機が得られるという効果を奏する。
【００４１】
また、本発明は圧縮機による圧力変動よりも高い周波数の微弱圧力脈動を利用して流速検知を行うもので、送信受信手段として広く普及している圧電素子を利用することができ、パルス管冷凍機の位相検出機能を、安価でかつ高い信頼性で構成することができるという効果を奏する。
【００４２】
また、本発明は流速検知を行うための送信手段及び受信手段を、パルス管の軸方向に位置をずらして配置するもので、装置への組込みが簡単である上に、安定した位相検知が可能となる効果を奏する。
【００４３】
また、本発明は送信手段に対し複数の受信手段をパルス管の軸方向に位置をずらして配置するもので、受信手段の設置位置を適当に選ぶことで作動流体の音速の値に依存せずにその流速を求めることができ、音速の圧力補正等を必要とせず、簡単で信頼性の高い位相検知が可能となる効果を奏する。
【００４４】
また、本発明は圧力検知手段と受信手段を一体に構成するもので、両検知手段の設置に必要なスペースが小さくなり、パルス管冷凍機を小型化できると共に、部品点数が減って低価格化の面でも有利となる効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１を示すパルス管冷凍機の断面図
【図２】本発明の実施の形態１を示すパルス管冷凍機の部分断面図
【図３】本発明の実施の形態２を示すパルス管冷凍機の部分断面図
【図４】本発明の実施の形態３を示すパルス管冷凍機の部分断面図
【図５】従来の蓄冷式冷凍機の動作原理を示す模式図
【図６】従来のパルス管冷凍機の構成を示す模式図
【符号の説明】
１リニア圧縮機
４蓄冷器
５コールドヘッド
６パルス管
７細管
８バッファタンク
９送信部
１０受信部
１２圧力センサ
１３電磁バルブ

Claims

作動流体に対し周期的な圧力変動を作用させる圧縮手段と、中空筒状に形成されたパルス管と、前記圧縮手段に接続され、圧縮・膨張を繰り返しながら往復運動する作動流体との間で交換した熱を蓄積する蓄冷器と、前記蓄冷器と前記パルス管の間に配置され、被冷却対象から吸収した熱を作動流体に伝える熱交換器と、前記パルス管の一端に配置され、前記蓄冷器内部における作動流体の圧力変動と変位の位相を制御する位相制御手段と、前記パルス管内部の作動流体の圧力と流速をそれぞれ検知する圧力検知手段及び流速検知手段を備え、前記圧力検知手段及び流速検知手段により作動流体の圧力と変位の位相差を求め、これが所定の値になるように、前記圧縮手段、位相制御手段の少なくとも一方を制御することを特徴とするパルス管冷凍機。
流速検知手段を、圧縮手段が作用させる圧力変動周期よりも高い周波数で微弱な圧力脈動を発生させる送信手段と、前記送信手段で発生した圧力脈動を検出する受信手段から構成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。
流速検知手段を構成する送信手段及び受信手段はパルス管の端部もしくは中間部に配置され、前記パルス管の軸方向に互いに距離を離して配置することを特徴とする請求項２に記載のパルス管冷凍機。
流速検知手段を構成する送信手段及び受信手段はパルス管の端部もしくは中間部に配置され、送信手段に対し複数の受信手段を前記パルス管の軸方向に互いに距離を離して配置することを特徴とする請求項２に記載のパルス管冷凍機。
圧力検知手段と送信手段又は受信手段を一体に構成することを特徴とする請求項２から４に記載のパルス管冷凍機。