JP2006017422A - Phase control mechanism for pulse tube refrigerator - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、極低温冷凍機であるパルスチューブ冷凍機の位相制御機構に関する。 The present invention relates to a phase control mechanism of a pulse tube refrigerator that is a cryogenic refrigerator.
液体窒素温度のような極低温を発生する小型の冷凍機としては、パルスチューブ冷凍機がよく知られている。
図3および図4は、このパルスチューブ冷凍機の従来例の構成を示す概念図である。パルスチューブ冷凍機は、圧縮機1、高温側熱交換器2、膨張機3および位相制御機構4で構成されている。圧縮機1は、一対のリニアモータ(図ではモータ)11と、これらによって左右に往復駆動される一対のピストン12と、ピストン12の外側を囲み、中央に作動ガスの出入り口を有するシリンダ13と、これらの外側を作動ガスの出入り口を除いて気密に包むケース14と、からなる。膨張機3は、蓄冷器31と低温端部32とパルスチューブ(図ではパルス管)33と高温端部34からなる。位相制御機構4は、イナータンスチューブ41または41aとバッファタンク42からなる。イナータンスチューブは、内径2〜3mm程度の金属管で、2〜4m程度の長さを有し、大部分をコイル状に成形されている。
A pulse tube refrigerator is well known as a small refrigerator that generates an extremely low temperature such as liquid nitrogen temperature.
3 and 4 are conceptual diagrams showing the configuration of a conventional example of this pulse tube refrigerator. The pulse tube refrigerator includes a compressor 1, a high temperature side heat exchanger 2, an expander 3, and a phase control mechanism 4. The compressor 1 includes a pair of linear motors (motors in the figure) 11, a pair of
パルスチューブ冷凍機が極低温を発生する動作原理は、以下の通りに理解されている。
この冷凍機においては、極低温を発生するための作動ガスとしてヘリウムガス等が用いられる。作動ガスは、圧縮機1から位相制御機構4までの内部空間に1〜3MPa程度の圧力で封入され、圧縮機1によって圧縮と膨張とを繰り返される。圧縮機1のピストン12で圧縮された作動ガスは、高温側熱交換器2に流入し、ここで圧縮熱を放散する。位相制御機構4へ流出する作動ガスの圧力は位相制御機構4の位相制御作用によって制御され、蓄冷器31から低温端部32を通ってパルスチューブ33へ流入する作動ガスが、膨張仕事を行って低温端部32を冷却する。一方、高温端部34からは、膨張仕事に相当する熱量が放熱される。ピストン12が吸引方向に動作すると、低温化した作動ガスは低温端部32および蓄冷器31を冷却しながら圧縮機1に戻る。この作動ガスの往復運動の繰返しによって、低温端部32に100K以下の極低温が得られる。
The principle of operation of the pulse tube refrigerator generating the cryogenic temperature is understood as follows.
In this refrigerator, helium gas or the like is used as a working gas for generating a cryogenic temperature. The working gas is sealed in the internal space from the compressor 1 to the phase control mechanism 4 at a pressure of about 1 to 3 MPa, and compression and expansion are repeated by the compressor 1. The working gas compressed by the
上述した構成のパルスチューブ冷凍機のイナータンスチューブ41または41aは、高温端部34につながる導入部411と中間のコイル状に成形されたコイル部412または412aとバッファタンク42につながる導出部413とを有し、金属のパイプを成形して作られる。バッファタンク42は、プレス加工または機械加工で製作される。両者は、溶接やろう付け等の接合や、金属シール等の機械的気密接続法で接続される。
このようなパルスチューブ冷凍機の構造や動作は、例えば特許文献1および特許文献2に開示されている。
The structure and operation of such a pulse tube refrigerator are disclosed in Patent Document 1 and Patent Document 2, for example.
上述したように、従来技術によるパルスチューブ冷凍機の位相制御機構4であるイナータンスチューブ41または41aとバッファタンク42は、他の部品とは別個に製作され、パルスチューブ冷凍機に組み込まれる。図3に示したイナータンスチューブ41の場合には、導入部411とコイル部412と導出部413がそれぞれにスペースを占有するので、パルスチューブ冷凍機の占めるスペースが大きい。スペースを小さくするために、図4の場合のように、イナータンスチューブ41aのコイル部412aを圧縮機1のケース14の外周に巻きつけると、圧縮機1からの振動がコイル部412aと干渉し、イナータンスチューブ41aを異常に振動させて異音を発生させることがある。
更に、上述したように、イナータンスチューブ41または41aの内部にも1〜3MPa程度の圧力の作動ガスが封入されており、イナータンスチューブ41または41aには、この封入圧と圧縮機1が発生する圧力振動に伴う作動圧とを加算した圧力が内圧としてかかるので、この圧力に耐えるだけの強度が求められ、金属製で肉厚の管が使われている。このため、イナータンスチューブの成形加工は難しく、材料費も加工コストも高い。バッファタンク42も同様であって、そのコストも高い。
As described above, the inertance tube 41 or 41a and the buffer tank 42, which are the phase control mechanism 4 of the pulse tube refrigerator according to the prior art, are manufactured separately from the other components and incorporated into the pulse tube refrigerator. In the case of the inertance tube 41 shown in FIG. 3, since the
Further, as described above, working gas having a pressure of about 1 to 3 MPa is also enclosed in the inertance tube 41 or 41a, and this inerting pressure and the compressor 1 are generated in the inertance tube 41 or 41a. Since the internal pressure is the sum of the operating pressures associated with the pressure vibrations, the strength required to withstand this pressure is required, and metal-made thick tubes are used. For this reason, it is difficult to form the inertance tube, and the material cost and the processing cost are high. The buffer tank 42 is the same, and its cost is high.
この発明の課題は、上記のような問題点を解消して、振動することがなく且つ安価で小型軽量のパルスチューブ冷凍機の位相制御機構を提供することである。 An object of the present invention is to provide a phase control mechanism for a pulse tube refrigerator that is free from vibration and that is inexpensive, small and light, eliminating the above problems.
この発明は、パルスチューブ冷凍機の内部に封入される作動ガスの封入圧に比べて、圧縮機によって作動ガスに圧縮および膨張として印加される圧力の振幅の方がはるかに小さいこと、に基づいて着想されたものである。すなわち、作動ガスの封入圧は、前述したように、1〜3MPa程度と大気圧の10倍から30倍であるのに対して、圧縮機により作動ガスにかけられ圧力のパルスチューブ冷凍機内部の位置による圧力の差は封入圧の10分の1程度と小さいので、外部に大気圧を受けている部分の内の一部を、この圧力差のみを受ける状態に置き換えることができれば、その部分が必要とする耐圧力を大幅に低減させることができる、という考え方に基づいている。
請求項1の発明は、封入された作動ガスの圧縮機による圧縮および膨張の繰返しによって作動ガスの流路の所定部分を極低温に冷却するパルスチューブ冷凍機の位相制御機構であって、前記位相制御機構の構成要素であるイナータンスチューブおよびバッファタンクの内のイナータンスチューブの少なくとも一部分を、バッファタンクの内部に固定して収納している。
This invention is based on the fact that the amplitude of the pressure applied as compression and expansion to the working gas by the compressor is much smaller than the sealed pressure of the working gas sealed inside the pulse tube refrigerator. Inspired. That is, as described above, the working gas sealing pressure is about 1 to 3 MPa, which is 10 to 30 times the atmospheric pressure, whereas the pressure applied to the working gas by the compressor is the position inside the pulse tube refrigerator. The difference in pressure due to the pressure is as small as one-tenth of the enclosed pressure, so if you can replace part of the part that receives atmospheric pressure outside with a state that receives only this pressure difference, that part is necessary This is based on the idea that the pressure resistance can be greatly reduced.
The invention of claim 1 is a phase control mechanism of a pulse tube refrigerator that cools a predetermined portion of the flow path of the working gas to a cryogenic temperature by repeated compression and expansion of the sealed working gas by the compressor. At least a part of the inertance tube and the inertance tube in the buffer tank, which are components of the control mechanism, are fixedly housed inside the buffer tank.
バッファタンクの内部に収納されているイナータンスチューブの部分は、バッファタンク内の圧力を外部から受けるので、その部分の管の内外圧差が大幅に低減し、その部分の管の肉厚を大幅に薄くすることができる。また、作動ガスとしてはヘリウム等の清浄な不活性ガスが使用されるので、バッファタンクの内部に収納されるイナータンスチューブの部分は、耐食性や防錆処理を必要としない。更に、バッファタンクの内部に固定して収納されるので、イナータンスチューブの振動が抑制される。
請求項2の発明は、請求項1の発明において、バッファタンクの内部に固定されて収納されている前記のイナータンスチューブの部分を樹脂製としている。
バッファタンクの内部に固定されて収納されているイナータンスチューブの部分は、請求項1の発明で説明したように、管の内外圧差が大幅に低減するので、アウトガスの少ない樹脂管をその材料として採用することができるようになる。
The portion of the inertance tube stored inside the buffer tank receives the pressure in the buffer tank from the outside, so the difference in internal and external pressure of the pipe in that part is greatly reduced, and the thickness of the pipe in that part is greatly increased. Can be thinned. Further, since a clean inert gas such as helium is used as the working gas, the inertance tube portion housed in the buffer tank does not require corrosion resistance or rust prevention treatment. Furthermore, since the buffer tank is fixed and stored, the vibration of the inertance tube is suppressed.
According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the invention, the portion of the inertance tube that is fixedly housed inside the buffer tank is made of resin.
As described in the invention of claim 1, the portion of the inertance tube that is fixedly accommodated inside the buffer tank greatly reduces the difference between the internal and external pressures of the tube. It will be possible to adopt.
請求項3の発明は、請求項1の発明において、前記バッファタンクとして前記圧縮機のケースと一体化されているバッファタンクを備えている。
バッファタンクを圧縮機のケースと一体化することによって、部品点数を減らすことができる。更に、圧縮機のケースとの隔壁部分は、受ける圧力差が小さいので、それに見合う強度を有する薄い隔壁とすることができる。
According to a third aspect of the invention, there is provided the buffer tank according to the first aspect of the invention, wherein the buffer tank is integrated with a case of the compressor.
By integrating the buffer tank with the compressor case, the number of parts can be reduced. Further, since the pressure difference received between the partition wall and the compressor case is small, the partition wall can be made into a thin partition wall having a suitable strength.
請求項1の発明においては、イナータンスチューブの少なくとも一部分をバッファタンクの内部に固定して収納しているので、イナータンスチューブのバッファタンク内に収納されている部分は、その肉厚を薄くすることができ、その部分には耐食性や防錆処理を必要とせず、且つ占めるスペースも少なくて済み、その部分の固定の効果によって、イナータンスチューブの振動を抑制することができる。したがって、この発明によれば、振動することがなく且つ安価で小型軽量のパルスチューブ冷凍機の位相制御機構を提供することができる。
請求項2の発明においては、バッファタンクの内部に固定されて収納されているイナータンスチューブの部分を樹脂製としている。この部分は、請求項1の発明で説明したように、管の内外圧差が大幅に低減するので、その効果によって、アウトガスの少ない樹脂管をその材料として採用することができるようになる。したがって、この発明によれば、パルスチューブ冷凍機の位相制御機構のコストを更に低減することができる。
In the first aspect of the present invention, at least a part of the inertance tube is fixedly housed inside the buffer tank, so that the portion of the inertance tube housed in the buffer tank is made thinner. The portion does not require corrosion resistance or rust prevention treatment, and requires less space, and the vibration of the inertance tube can be suppressed by the effect of fixing the portion. Therefore, according to the present invention, it is possible to provide a phase control mechanism for a pulse tube refrigerator that does not vibrate and is inexpensive and small and light.
In the invention of claim 2, the portion of the inertance tube that is fixedly housed inside the buffer tank is made of resin. As described in the first aspect of the present invention, since the internal / external pressure difference of the pipe is greatly reduced, a resin pipe with less outgas can be adopted as the material due to the effect. Therefore, according to this invention, the cost of the phase control mechanism of the pulse tube refrigerator can be further reduced.
請求項3の発明においては、バッファタンクとして圧縮機のケースと一体化されているバッファタンクを備えている。バッファタンクを圧縮機のケースと一体化することによって、部品点数を減らすことができる。更に、圧縮機のケースとの隔壁部分は、受ける圧力差が小さいので、それに見合う強度を有する薄い隔壁とすることができる。したがって、この発明によれば、パルスチューブ冷凍機の位相制御機構のコストと重量を更に低減することができる。 According to a third aspect of the present invention, a buffer tank integrated with a compressor case is provided as a buffer tank. By integrating the buffer tank with the compressor case, the number of parts can be reduced. Further, since the pressure difference received between the partition wall and the compressor case is small, the partition wall can be made into a thin partition wall having a suitable strength. Therefore, according to this invention, the cost and weight of the phase control mechanism of the pulse tube refrigerator can be further reduced.
この発明を実施するための最良の形態について実施例を用いて説明する。
なお、従来技術と同じ機能の部分には同じ符号を付ける。
The best mode for carrying out the present invention will be described with reference to examples.
In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the part of the same function as a prior art.
図1は、この発明によるパルスチューブ冷凍機の位相制御機構の実施例1の構成を示し、(a)は冷凍機全体の概念図、(b)はそのイナータンスチューブのコイル部の概念図である。
この実施例を用いたパルスチューブ冷凍機は、位相制御機構4aを除くと従来例と全く同じ構成であるので、位相制御機構4aのみを説明し、他の部分の説明は省略する。
この実施例の位相制御機構4aは、導入部411およびコイル部412bからなるイナータンスチューブ41bと、コイル部41bを一体に固定する固定具414と、固定具414で振動しないように一体化されたコイル部41bを内蔵しているバッファタンク42aと、で構成されている。イナータンスチューブ41bの導入部411は、従来例と同じ材料(厚肉の耐食性を有する材料:例えばステンレスパイプやニッケルメッキされた銅パイプ)で製作されているが、コイル部412bは、きれいに洗浄され脱ガスされた薄肉の銅パイプで製作されている。コイル部412bが薄肉の銅パイプで製作可能となる理由は、「課題を解決するための手段」の項で説明したように、バッファタンク42a内に収容されるので、管の内外圧力差が小さくなり、雰囲気が清浄な不活性ガス雰囲気となるからである。固定具414で一体化されたコイル部412bは、バッファタンク42aの内部へ圧入または部分溶接で固定されている。コイル部412bの終端はバッファタンク42a内に開口していて、この実施例のイナータンスチューブ41bには、従来例のような導出部はない。
FIG. 1 shows the configuration of a first embodiment of a phase control mechanism of a pulse tube refrigerator according to the present invention, where (a) is a conceptual diagram of the entire refrigerator, and (b) is a conceptual diagram of a coil portion of the inertance tube. is there.
Since the pulse tube refrigerator using this embodiment has the same configuration as the conventional example except for the phase control mechanism 4a, only the phase control mechanism 4a will be described, and the description of the other parts will be omitted.
The phase control mechanism 4a of this embodiment is integrated so that the inertance tube 41b including the
この実施例によれば、イナータンスチューブ41bの長さの大部分を占めるコイル部412bを、成形の容易なメッキのない薄肉の銅管で作製することができ、且つコイル部412bをバッファタンク42aに内臓するので、材料費および加工コストを低減することができ、且つ小型軽量化できる。更に、コイル部412bが一体化されて固定されるので、イナータンスチューブ41bが振動することはない。
以上の説明においては、コイル部412bを薄肉の銅管で製作しているが、アウトガスの少ない樹脂管、例えばテフロン(登録商標)管、とすることもできる。コイル部412bを樹脂管とする場合には、成形加工が簡単になり、組立工数も低減するので、コストをより一層低減させることができる。
According to this embodiment, the coil portion 412b occupying most of the length of the inertance tube 41b can be made of a thin copper tube that is easy to mold and has no plating, and the coil portion 412b is made of the buffer tank 42a. Therefore, material costs and processing costs can be reduced, and the size and weight can be reduced. Furthermore, since the coil portion 412b is integrated and fixed, the inertance tube 41b does not vibrate.
In the above description, the coil portion 412b is made of a thin copper tube, but it may be a resin tube with little outgas, such as a Teflon (registered trademark) tube. In the case where the coil portion 412b is a resin pipe, the molding process is simplified and the number of assembly steps is reduced, so that the cost can be further reduced.
図2は、この発明によるパルスチューブ冷凍機の位相制御機構の実施例2の構成を示し、(a)は冷凍機全体の概念図、(b)はそのバッファタンクおよびイナータンスチューブのコイル部の構成を示す概念図である。
この実施例は、圧縮機のケースとバッファタンクとを一体化したものであり、イナータンスチューブのコイル部は、実施例1と同様に、バッファタンク内に固定されて収容されている。
この実施例のケース15は、圧縮機1のケースの側面にバッファタンク42bを一体化した構造になっており、両者の間を仕切り151で仕切っている。コイル部412cは中空のドーナツ状をした固定具414a内に収納されて固定され、固定具414aが部分溶接によってケース15に固定されている。
2A and 2B show a configuration of a phase control mechanism of a pulse tube refrigerator according to a second embodiment of the present invention, in which FIG. 2A is a conceptual diagram of the entire refrigerator, and FIG. 2B is a diagram of a coil portion of the buffer tank and inertance tube. It is a conceptual diagram which shows a structure.
In this embodiment, the compressor case and the buffer tank are integrated, and the coil portion of the inertance tube is fixed and accommodated in the buffer tank as in the first embodiment.
The
この実施例では、実施例1と同様の効果に加えて、圧縮機のケースとバッファタンクとが一体化されたことによって、部品点数が減り、全体の構成がより簡素化され、同時に、仕切り151にかかる圧力差が作動ガスの差圧のみとなるので、仕切り151が肉薄にできる。この結果として、この実施例は実施例1よりも更に小型軽量化される。 In this embodiment, in addition to the same effects as in the first embodiment, the compressor case and the buffer tank are integrated, so that the number of parts is reduced, the overall configuration is further simplified, and at the same time, the partition 151 Therefore, the partition 151 can be made thin. As a result, this embodiment is further reduced in size and weight than the first embodiment.
1 圧縮機
11 モータ 12 ピストン
13 シリンダ 14 ケース
15 ケース 151 仕切り
2 高温側熱交換器
3 膨張機
31 蓄冷器 32 低温端部
33 パルスチューブ(パルス管) 34 高温端部
4、4a、4b 位相制御機構
41、41a、41b、41c イナータンスチューブ
411 導入部
412、412a、412b、412c コイル部
413 導出部
414、414a 固定具
42、42a、42b バッファタンク
1 Compressor
11
13
15 Case 151 Partition 2 High-temperature side heat exchanger 3 Expander
31 Regenerator 32 Cold end
33 Pulse tube (Pulse tube) 34 High temperature end 4, 4a, 4b Phase control mechanism
41, 41a, 41b, 41c inertance tube
411 Introduction
412, 412a, 412b, 412c Coil section
413 Deriving part
414, 414a Fixing tool
42, 42a, 42b Buffer tank
Claims (3)
前記位相制御機構の構成要素であるイナータンスチューブおよびバッファタンクの内のイナータンスチューブの少なくとも一部分を、バッファタンクの内部に固定して収容している、
ことを特徴とするパルスチューブ冷凍機の位相制御機構。 A phase control mechanism of a pulse tube refrigerator that cools a predetermined portion of a flow path of a working gas to a cryogenic temperature by repeated compression and expansion of the enclosed working gas by a compressor,
The inertance tube as a component of the phase control mechanism and at least a part of the inertance tube in the buffer tank are fixedly accommodated inside the buffer tank,
A phase control mechanism of a pulse tube refrigerator characterized by that.
ことを特徴とする請求項1に記載のパルスチューブ冷凍機の位相制御機構。 The portion of the inertance tube fixed and accommodated inside the buffer tank is made of resin,
The phase control mechanism of the pulse tube refrigerator according to claim 1.
ことを特徴とする請求項1に記載のパルスチューブ冷凍機の位相制御機構。 A buffer tank integrated with the compressor case as the buffer tank;
The phase control mechanism of the pulse tube refrigerator according to claim 1.
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