JP2005127633A - Pulse pipe refrigerating machine - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、パルス管内での作動ガスのピストン作用により極低温を発生させるパルス管冷凍機に関する。 The present invention relates to a pulse tube refrigerator that generates a cryogenic temperature by a piston action of a working gas in a pulse tube.
上記パルス管冷凍機については、例えば特許文献1や特許文献2に記載されているが、図9に従来のパルス管冷凍機の概略構成を示す。図9において、パルス管冷凍機は、圧縮機1、蓄冷器2、パルス管3、位相制御部4を備え、蓄冷器2とパルス管3との間に形成される低温端5に熱交換器6が配置されている。位相制御部4はイナータンスチューブ7とバッファタンク8とからなり、熱交換器6の周囲には伝熱体9が設けられている。このパルス管冷凍機の系内には作動ガス(冷媒ガス)として、例えばヘリウムが封入されている。
The pulse tube refrigerator is described in, for example,
このような構成のパルス管冷凍機の動作原理はすでに知られている通り、圧縮機1の運転でピストン1aが往復運動し、作動ガスが圧縮、膨張を繰り返すと、この作動ガスは圧縮機1から蓄冷器2、パルス管3を通り位相制御部4に達する一連の系の中を往復動流として流れる。その際、作動ガスはイナータンスチューブ7とバッファタンク8とからなる位相制御部4の中をほぼ正弦波的な圧力振幅を伴って流れ、作動ガスの圧力変化と流量変化との間に位相差が発生する。
As the operation principle of the pulse tube refrigerator having such a configuration is already known, when the piston 1a reciprocates by the operation of the
これを電気回路に例えると、イナータンスチューブ7はインダクタンス、レジスタンス、キャパシタンス成分、またバッファタンク8はキャパシタンス成分に相当し、作動ガスの圧力に対する流量の位相差を−90°から+90°まで変化させる。その結果、冷凍機の運転時にはパルス管3内で圧力と流量との間に位相差が生じ、この圧力と流量によるPV仕事により低温端5に寒冷が発生する。この寒冷仕事は低温PV仕事と呼ばれている。
If this is compared to an electric circuit, the
ここで、圧縮機1の圧縮工程で送り出された作動ガスは、蓄冷器2で低温となってパルス管3に流入し、その内部で断熱膨張により吸熱して位相制御部4に流出する。一方、作動ガスが位相制御部4からパルス管3を通過して低温端5に還流する工程では、ほぼ一定体積で移動するため熱の発生又は吸収は行なわれない。その場合、作動ガスがPV仕事を効率よく行なうためには、作動ガスがパルス管内の少なくとも低温端側で、ある固定面となって動くようなピストン(いわゆるガスピストン)10として作用する必要がある。このガスピストン10はできるだけ固体的に挙動することが理想であり、そのためにはパルス管3の内部での流体の流れは圧縮機1の運転周期に応じた流れだけで、他の2次的な流れが存在しないことが望ましい。
Here, the working gas sent out in the compression process of the
ところで、パルス管冷凍機は、通常、図9に示すように、パルス管3の高温側(図9の上側)の端部が上側になるように直立に設置している(以下、「上向設置」という。)。事実、パルス管3の低温側(図9の下側)の端部が上側になるように設置すると(以下、「下向設置」という。)、性能が大きく低下することが確認されている。その理由は、下向設置によりパルス管3の高温側の端部が下側になると、パルス管内で下側の比重の小さい高温の作動ガスが自然対流により上昇する一方、上側の比重の大きい低温の作動ガスが重力の影響により下降するという還流が生じ、結果として渦が発生して円滑な熱の運搬が妨げられるとともに、高温ガスの上昇により低温端の冷却が阻害されるためと考えられる。
Incidentally, as shown in FIG. 9, the pulse tube refrigerator is usually installed upright so that the end of the
ここで、図10は、図9における熱交換器6の平面図である。図10の熱交換器6は熱伝導性の良好な金属、例えば銅の円板からなり、円板6aには軸方向に多数の貫通孔11があけられている。蓄冷器2からパルス管3に流入する低温の作動ガスは貫通穴11を通過し、熱交換器6を介して伝熱体9と熱交換し、伝熱体9に接触する図示しない被冷却物を冷却する。また、熱交換器6は整流体を兼ねており、パルス管3に流入する作動ガスを整流している。多孔円板からなる図示熱交換器6は伝熱体9との密着性がよく、特許文献1に示されたパルス管冷凍機にも用いられている。熱交換器としては他に、金網を積層したメッシュ構造のものも用いられ、このメッシュ構造の熱交換器は、多孔円板のものと比較すると整流作用に優れ伝熱表面積も広いが、伝熱体との密着性は劣る。
Here, FIG. 10 is a plan view of the
図11は多孔円板からなる熱交換器6を用いた従来のパルス管冷凍機において、熱交換器6を通過してパルス管3に流入する作動ガスの速度分布を示したものである。図11に示すように、各貫通孔11の中心での速度はパルス管3の断面内で略揃っているが、各貫通孔11の断面内では速度は山形に分布し、パルス管3の断面全体として凹凸のある不均一な分布になっている。
FIG. 11 shows the velocity distribution of the working gas flowing into the
ところが、このような不均一な速度分布は、従来の上向設置では冷凍性能(以下、単に「性能」という。)にそれほど影響しないが、下向設置では性能に大きく影響することが発明者らの実験で判明した。すでに述べたように、パルス管冷凍機を下向に設置すると、作動ガスの温度と密度の不安定状態により自然対流が生じるが、そこに低温で密度の大きい作動ガスが不均一な速度分布で、図示の通り上から下に吹き出されると、速度成分の大きい作動ガスが重力の作用で加速されて温度の高い高温側端部の作動ガス中に突入し、作動ガスの対流と渦の発生を促進するものと判断される。 However, the non-uniform velocity distribution does not significantly affect the refrigeration performance (hereinafter simply referred to as “performance”) in the conventional upward installation, but the inventors have a large influence on the performance in the downward installation. It became clear by experiment. As described above, when the pulse tube refrigerator is installed downward, natural convection occurs due to unstable conditions of the temperature and density of the working gas, but the working gas having a high density at a low temperature has a non-uniform velocity distribution. As shown in the figure, when blown from the top to the bottom, the working gas with a large velocity component is accelerated by the action of gravity and rushes into the working gas at the high temperature side end, generating convection of the working gas and generation of vortices It is judged that it promotes.
この発明の課題は、パルス管冷凍機を下向に設置したときの性能の低下を抑え、パルス管冷凍機の使い勝手を向上させることにある。 The subject of this invention is suppressing the fall of the performance when a pulse tube refrigerator is installed downward, and improving the usability of a pulse tube refrigerator.
上記課題を解決するために、この発明は、圧縮機、蓄冷器、パルス管及び位相制御部を備え、前記蓄冷器とパルス管との間に形成される低温端に熱交換器が配置されたパルス管冷凍機において、前記熱交換器と前記パルス管との間に、前記熱交換器を通過して前記パルス管に流入する作動ガスの流れを整流する整流器を挿入するものとする(請求項1)。 In order to solve the above problems, the present invention includes a compressor, a regenerator, a pulse tube, and a phase control unit, and a heat exchanger is disposed at a low temperature end formed between the regenerator and the pulse tube. In the pulse tube refrigerator, a rectifier that rectifies the flow of the working gas flowing through the heat exchanger and flowing into the pulse tube is inserted between the heat exchanger and the pulse tube. 1).
請求項1の発明によれば、熱交換器とは別に整流器を設け、熱交換器を通過してパルス管に流入する作動ガスの流れを整流することにより、パルス管に流入する作動ガスの速度分布を一様にならし、パルス管冷凍機を下向に設置したときの作動ガスの自然対流や渦の発生を最小限に抑えることができる。 According to the first aspect of the present invention, the velocity of the working gas flowing into the pulse tube is provided by providing a rectifier separately from the heat exchanger and rectifying the flow of the working gas flowing through the heat exchanger and flowing into the pulse tube. The distribution can be made uniform, and the natural convection and vortex generation of the working gas when the pulse tube refrigerator is installed downward can be minimized.
請求項1の発明において、前記熱交換器と前記整流器との間に空隙を設けるのがよい(請求項2)。これにより、熱交換器を通過した作動ガスが整流器の手前の空隙内でパルス管の断面全体に広がり、速度分布がより一様になる。 In the first aspect of the present invention, a gap may be provided between the heat exchanger and the rectifier (second aspect). As a result, the working gas that has passed through the heat exchanger spreads over the entire cross section of the pulse tube within the gap before the rectifier, and the velocity distribution becomes more uniform.
請求項1又は請求項2の発明において、前記パルス管の内径d[m]と前記作動ガスの質量流量M[kg/s]との比d/M[m・s/kg]を260〜315の範囲に選ぶとよい(請求項3)。 The ratio d / M [m · s / kg] between the inner diameter d [m] of the pulse tube and the mass flow rate M [kg / s] of the working gas may be 260 to 315. (Claim 3).
請求項1〜請求項3のいずれかの発明において、前記パルス管の長さL[m]と内径d[m]との比L/dを7.5〜10の範囲に選ぶとよい(請求項4)。
In any one of
この発明によれば、熱交換器とパルス管との間に整流器を挿入し、熱交換器を通過してパルス管に流入する作動ガスの速度分布の一様化を図ることにより、パルス管冷凍機を下向に設置した場合に、パルス管の高温側端部が下になることによる自然対流や渦の発生を最小限に抑え、パルス管冷凍機の下向設置による性能の低下を低減することができる。 According to the present invention, the rectifier is inserted between the heat exchanger and the pulse tube, and the velocity distribution of the working gas flowing through the heat exchanger and flowing into the pulse tube is made uniform. When the machine is installed downward, natural convection and vortex generation due to the lower end of the high-temperature side of the pulse tube are minimized, and performance degradation due to the downward installation of the pulse tube refrigerator is reduced. be able to.
以下、図1〜図9に基づいて、この発明の実施の形態を説明する。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
図1は、この発明の実施例1を示すパルス管冷凍機の熱交換器部分の縦断面図である。図1において、低温端5の熱交換器6とパルス管3との間に、熱交換器6を通過してパルス管3に流入する作動ガスの流れを整流する整流器12が挿入されている。熱交換器6は、銅の円板に多数の貫通孔11を軸方向にあけたものである。整流器12は、円形に打ち抜いた金網を積層したメッシュ構造である。メッシュ構造の整流器12は、メッシュ数と積層枚数の調整により、圧力損失の増大を抑えながら一様な速度分布を形成することができるが、実験ではメッシュ数100、線径110μ、積層枚数23枚(高さ5mm)のものを用いた。整流器12にはメッシュ構造に限らず、例えばハニカム構造など、他の構造のものも使用可能である。
1 is a longitudinal sectional view of a heat exchanger portion of a pulse tube
図1に示すように、整流器12を経てパルス管3に流入する作動ガスの速度分布は、貫通孔11ごとの山形(図11参照)が解消され、パルス管3の断面全体で一様になる。これにより、図示の通りパルス管冷凍機を下向に設置した場合の作動ガスの自然対流や渦の発生が抑えられ、結果として性能の低下が低減する。
As shown in FIG. 1, the velocity distribution of the working gas flowing into the
図3は、この効果を実験により確認した結果を示す線図で、パルス管冷凍機を下向に設置した場合に、上向に設置した場合に対して性能がどの程度低下するかという低下率[%]を整流器12の有無について比較したものである。なお、図中の実験条件のL/dはパルス管3の長さL[m]と内径d[m]との比、d/mは同じく内径d[m]と作動ガスの質量流量M[kg/s]との比である。図3の結果によれば、整流器なしの低下率が約87%であるのに対し、整流器ありの低下率は約62%に低減していることがわかる。
FIG. 3 is a diagram showing the results of confirming this effect by experiment. When the pulse tube refrigerator is installed in the downward direction, the reduction rate of how much the performance is reduced with respect to the installation in the upward direction. [%] Is compared for the presence or absence of the
図2は、実施例1において、熱交換器6と整流器12との間に空隙13を設けた実施例2を示すものである。これにより、熱交換器6を通過した作動ガスは、整流器12の流体抵抗により、その手前の空隙13内でパルス管3の断面全体に広がる。その結果、整流器12による整流作用がより高くなり、図示の通り実施の形態に比べて速度分布がより滑らかになる。
FIG. 2 shows a second embodiment in which a gap 13 is provided between the
ところで、実施例1又は実施例2のパルス管冷凍機において、パルス管の内径を適正に選ぶことにより、この発明の作用効果をより高めることができる。図4に示すように、図4(A)の内径の大きいパルス管3よりも、図4(B)の内径の小さいパルス管3の方が平均流速が大きくなる。パルス管冷凍機における作動ガスの往復運動において、作動ガスの流速が速いということは、流体要素が1周期に移動する振幅が大きいことを意味する。すなわち、流体要素の質量m[kg]が位置振幅r[m]及び角振動数ωで往復運動する場合、その流体要素にかかる力FXは運動方程式により、以下の通り表される。
By the way, in the pulse tube refrigerator of Example 1 or Example 2, the operational effects of the present invention can be further enhanced by appropriately selecting the inner diameter of the pulse tube. As shown in FIG. 4, the average flow velocity of the
FX=mrω2sin(ωt)
ここで、同じ角振動数ωで運転させた場合、パルス管に流入する作動ガス流量Q[m3/s]が常に一定であれば、パルス管3の内径をd[m]として、
Q=r・(1/2・πd2)
r=Q/(1/2・πd2)
の関係から、位置振幅rはパルス管の内径dの2乗に反比例する。力FXは上記式から位置振幅rのみの影響を受けるので、結局、力FXはパルス管の内径dの2乗に反比例し、例えば内径dが2分の1になれば、力FXは4倍になる。
F X = mrω 2 sin (ωt)
Here, when operating at the same angular frequency ω, if the working gas flow rate Q [m 3 / s] flowing into the pulse tube is always constant, the inner diameter of the
Q = r · (1/2 · πd 2 )
r = Q / (1/2 · πd 2 )
Thus, the position amplitude r is inversely proportional to the square of the inner diameter d of the pulse tube. Since the force F X is affected only by the position amplitude r from the above equation, the force F X is inversely proportional to the square of the inner diameter d of the pulse tube. For example, if the inner diameter d is halved, the force F X Is quadrupled.
上記の力FXは、流体要素に往復動を起こさせる駆動力となるものである。一方、下向設置のパルス管冷凍機に性能の低下をもたらす作動ガスの自然対流は、作動ガスに作用する重力により生じる。すなわち、作動ガスには駆動力FXと重力が同時に作用するが、その際、駆動力FXが大きいと作動ガスに対する重力の影響が相対的に低下し、作動ガスの自然対流が抑えられる。従って、自然対流の抑制の点からは、パルス管の内径は小さい方がよいことになる。 The force F X is a driving force that causes the fluid element to reciprocate. On the other hand, the natural convection of the working gas that causes the performance deterioration of the pulse tube refrigerator installed in the downward direction is caused by the gravity acting on the working gas. That is, the driving force F X and the gravity act simultaneously on the working gas. At this time, if the driving force F X is large, the influence of the gravity on the working gas is relatively lowered, and the natural convection of the working gas is suppressed. Therefore, from the viewpoint of suppressing natural convection, it is better that the inner diameter of the pulse tube is smaller.
図5は、パルス管の内径d[m]を3種類用いて、質量流量M[kg/s]との比d/M[m・s/kg]をパラメータにとり、設置の向きによる性能の低下率[%]を比較した実験結果を示すものである。図示の通り、性能の低下率は比d/Mが275[m・s/kg]のところで極小値をとる。この結果から、質量流量Mが同じならパルス管の内径dが小さいほど性能の低下率が小さくなることがわかる。ただし、内径dを小さくし過ぎた場合には、作動ガスによる粘性抵抗が大きくなるため性能が低下するものと考えられる。このようにパルス管の内径d[m]と質量流量Mとの比d/Mには最適範囲が存在し、性能低下率の上限を10%とした場合は、260〜315[m・s/kg]の範囲となる。すなわち、この範囲に選べば、性能低下率を10%以内に留めることができる。 FIG. 5 shows the deterioration in performance due to the orientation of the installation, using three types of inner diameter d [m] of the pulse tube and taking the ratio d / M [m · s / kg] to the mass flow rate M [kg / s] as a parameter. The experimental result which compared rate [%] is shown. As shown in the figure, the rate of decrease in performance takes a local minimum when the ratio d / M is 275 [m · s / kg]. From this result, it can be seen that if the mass flow rate M is the same, the smaller the inner diameter d of the pulse tube, the smaller the performance degradation rate. However, if the inner diameter d is made too small, the viscous resistance due to the working gas increases, so the performance is considered to deteriorate. As described above, there is an optimum range for the ratio d / M between the inner diameter d [m] of the pulse tube and the mass flow rate M. When the upper limit of the performance degradation rate is 10%, 260 to 315 [m · s / kg] range. That is, if it is selected within this range, the performance deterioration rate can be kept within 10%.
一方、図6は、パルス管3内の作動ガスの自然対流を図6(A)に模式的に示し、そのパルス管3の長手方向の温度勾配を図6(B)に示したものである。図示の通り、パルス管3の長さL[m]を大きくすることにより(L1→L2)、温度勾配dT/dL[K/m]を緩やかにすることができる。一般的に、対流による伝熱量は温度勾配で決まってくる。従って、パルス管3の長さLを大きくすることで、パルス管3の高温側(位相制御部側)から低温端へ自然対流で持ち込まれる熱を低減することができる。
On the other hand, FIG. 6 schematically shows the natural convection of the working gas in the
一般的に、パルス管などの鉛直管路に見られる自然対流は、長さLと内径dとの比L/dに大きく影響を受ける。内径dを一定にして比L/dを変化させときの設置の向きによる性能低下率の変化の実験結果を図7に示す。図7から、比L/dを6.9から7.9に変化させただけで、性能の低下率を大きく低減できることがわかる。 In general, natural convection found in a vertical pipe such as a pulse tube is greatly affected by the ratio L / d between the length L and the inner diameter d. FIG. 7 shows the experimental results of the change in the performance degradation rate depending on the installation direction when the ratio L / d is changed while keeping the inner diameter d constant. From FIG. 7, it can be seen that the performance degradation rate can be greatly reduced only by changing the ratio L / d from 6.9 to 7.9.
上記した実験成果を踏まえ、実施例2の構成(図2)を採用し、比L/dを9.6に選んで、上向及び下向の両方の設置状態について、冷凍性能を図11の従来構成と比較した実験結果を図8に示す。図中の表示「対策前」は従来構成、「対策後」は実施例2の構成を表す。図8によれば、上向設置では対策前と対策後との間にほとんど差はないが、下向設置では対策前は低温端温度70Kで冷凍出力は2.8[W]から0に低下するのに対し、対策後は2.7[W]から2.5[W]までの約8%の低下に留まり、設置の向きによる性能低下率が大幅に低減していることがわかる。なお、上記実施例では熱交換器が多孔円板構造の例を示したが、この発明は熱交換器が他の構造、例えばメッシュ構造の場合にも適用可能である。 Based on the experimental results described above, the configuration of Example 2 (FIG. 2) was adopted, the ratio L / d was selected as 9.6, and the refrigeration performance for both the upward and downward installation states in FIG. The experimental results compared with the conventional configuration are shown in FIG. The display “before countermeasure” in the figure represents the conventional configuration, and “after countermeasure” represents the configuration of the second embodiment. According to FIG. 8, there is almost no difference between before and after the countermeasure in the upward installation, but in the downward installation, before the countermeasure, the cold end temperature is 70K and the refrigeration output is reduced from 2.8 [W] to 0. On the other hand, after the measure, it is only about 8% decrease from 2.7 [W] to 2.5 [W], and it can be seen that the performance deterioration rate due to the installation direction is greatly reduced. In the above embodiment, the heat exchanger has a porous disk structure. However, the present invention can be applied to other structures such as a mesh structure.
2 蓄冷器
3 パルス管
5 低温端
6 熱交換器
9 伝熱体
12 整流器
13 空隙
2
Claims (4)
4. The ratio L / d between the length L [m] and the inner diameter d [m] of the pulse tube is selected in the range of 7.5 to 10. 5. Pulse tube refrigerator.
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