JP2008286507A

JP2008286507A - パルス管冷凍機

Info

Publication number: JP2008286507A
Application number: JP2007134624A
Authority: JP
Inventors: Yoshikatsu Hiratsuka; 善勝平塚
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2007-05-21
Filing date: 2007-05-21
Publication date: 2008-11-27

Abstract

【課題】本発明は圧縮機、蓄冷器、低温端、パルス管および位相制御部間で冷媒ガスが流れることにより寒冷を発生させるパルス管冷凍機に関し、パルス管内における冷媒ガスのシャトル損失及び流れの乱れの低減を図ることを課題とする。
【解決手段】位相制御部２０，パルス管７０Ａ，低温端３０，蓄熱器４０，圧縮機５０が直列状に接続され、その内部に冷媒ガスの流路が形成されたパルス管冷凍機において、前記パルス管７０Ａ内に流路形成部材８０Ａを設ける。また、この流路形成部材８０Ａに流路方向に沿って延在すると共に、パルス管７０Ａ内で冷媒ガスの流路となる複数の流路孔８２を形成する。更に、パルス管７０Ａの直径と蓄熱器４０の直径を等しくする。
【選択図】図３

Description

本発明はパルス管冷凍機に係り、特に圧縮機、蓄冷器、低温端、パルス管および位相制御部間で冷媒ガスが流れることにより寒冷を発生させるパルス管冷凍機に関する。

一般に、パルス管冷凍機は圧縮機、蓄冷器、低温端、パルス管および位相制御部を設けており、圧縮機に設けられたピストンの往復移動によりパルス管内で冷媒ガスを圧縮・膨張を行うことにより強制振動を発生させる。これによるパルス管内での冷媒ガスの断熱膨張により寒冷が発生し、この寒冷は冷媒ガスの流れにより蓄冷器に蓄熱され、これを繰り返し実施することにより低温端を例えば５０Ｋ〜８０Ｋに冷却することができる（特許文献１参照）。

図１は、従来の一例であるパルス管冷凍機の概略構成図である。同図に示すように、パルス管冷凍機１は、位相制御部２０、パルス管１０、低温端３０、蓄冷器４０、圧縮機５０を直列状に配置した構成とされている。位相制御部２０は、バッファタンク２１とオリフィス２２とにより構成されている。

低温端３０は、蓄熱器４０の低温側の端部に設けられている。即ち、低温端３０は、パルス管１０と蓄熱器４０との接合位置に設けられている。この蓄熱器４０の低温端３０には低温側熱交換器３１が配設され、また高温側には高温側熱交換器４１が配設されている。更に、圧縮機５０は、シリンダ５１とピストン５２とを備えている。

また、パルス管１０、位相制御部２０、低温端３０、蓄冷器４０、及び圧縮機５０の内部には流路が形成されている。この流路内には、冷媒ガス（冷媒ガス）として例えば、ヘリウムが封入されている。

上記構成とされたパルス管冷凍機１は、圧縮機５０を構成するピストン５２がシリンダ５１内で往復移動することにより、シリンダ５１内で冷媒ガスの圧縮処理と膨張処理を繰り返し実施する。この冷媒ガスは、圧縮機５０から蓄冷器４０、低温端３０、パルス管１０を通り、位相制御部２０との間で往復動流として流れる。

また、冷媒ガスは、位相制御部２０のオリフィス２２とバッファタンク２１の中を、ほぼ正弦波的に圧力振幅を伴って流れる。これにより、冷媒ガスの圧力変化と流量変化の間には位相差が発生する。

このようにパルス管冷凍機１は、パルス管１０および位相制御部２０による位相制御効果により、パルス管１０内で冷媒ガスの圧力と流量の間に位相差が生じ、この圧力と流量とがなす仕事が低温部でのＰＶ仕事となり、低温端３０に寒冷を発生させる（この発生寒冷を低温ＰＶ仕事という）。

ここで、低温端３０は前記のように蓄冷器４０とパルス管１０との間に介装されている。パルス管冷凍機１の運転時には、圧縮機５０の圧縮工程で送り出された冷媒ガスは低温となってパルス管１０に流入し、その内部で断熱膨張してこれにより吸熱して位相制御部２０に流出する。また、前記とは逆に冷媒ガスが位相制御部２０からパルス管１０を通過して低温端３０に還流する工程では、ほぼ一定体積で変化するため熱の発生または吸収は行わない。このため、低温端３０では発熱がなく吸熱のみされ、よって低温端３０では例えば８０Ｋの寒冷が発生する。
特開２０００−２０５６７４

ところで、図１に示すように、従来のパルス管冷凍機１は、圧縮機５０から供給されるＰＶ仕事が低温で減衰するため、パルス管１０の直径は蓄熱器４０の直径よりも小さく設定されている。しかしながら、パルス管１０での損失となるシャトル損失は、パルス管１０の直径が小さいと冷媒ガスが流れる流路壁の面積が小さくなり、低温側において多大な熱進入が発生して冷却能力を低下させる。

そこで、シャトル損失を低減させる方法として、パルス管１０内に充填物を充填することにより、冷媒ガスが流れる流路の流路壁の面積を増大させることが考えられる。しかしながら、単純にパルス管１０内に充填物を充填する構成では、この充填物が流体ガスの流れに対する抵抗となってしまい、返って冷却能力が低下することとなる。

本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、パルス管内における冷媒ガスのシャトル損失及び流れ抵抗の低減を図りうるパルス管冷凍機を提供することを目的とする。

上記の課題は、本発明の第１の観点からは、
圧縮機、蓄冷器、低温端、パルス管、及び位相制御部が接続されることにより、前記圧縮機から前記位相制御部との間に冷媒ガスが流れる流路が形成されてなるパルス管冷凍機において、
前記パルス管内に前記流路方向に沿って延在すると共に、前記パルス管内に前記冷媒ガスの複数の流路が形成された流路形成部材を設け、
かつ、前記パルス管の直径と前記蓄熱器の直径を等しくしたことを特徴とするパルス管冷凍機により解決することができる。

また、上記発明において、前記圧縮機、前記蓄冷器、前記低温端、前記パルス管、及び前記位相制御部を直列状に接続した構成としてもよい。

また、前記流路形成部材は、前記流路方向に延在する多数の孔が形成された多孔体であることとしてもよい。

また、前記流路形成部材は、前記パルス管内で平行に対向離間して配置された複数のプレートにより構成されることとしてもよい。

本発明によれば、パルス管の直径と蓄熱器の直径を等しくすると共に、流路方向に沿って延在し冷媒ガスが流れる複数の流路が形成された流路形成部材をパルス管内に設けたことにより、流れ抵抗による損失を低減しながら、シャトル損失の低減を図ることができる。

次に、本発明を実施するための最良の形態について図面と共に説明する。

図２は本発明の一実施例であるパルス管冷凍機６０を示しており、図３はパルス管冷凍機６０に設けられるパルス管７０Ａを拡大して示している。尚、図２及び図３において、図１に示した構成と同一構成については同一符号を付して、その説明を一部省略する。

パルス管冷凍機６０は、位相制御部２０、パルス管７０Ａ、低温端３０、蓄冷器４０、圧縮機５０を図中矢印Ｘ１，Ｘ２方向に直列状に配置した構成とされている。位相制御部２０はバッファタンク２１とオリフィス２２とにより構成され、低温端３０は蓄熱器４０の低温側の端部に形成され、更に圧縮機５０はシリンダ５１とピストン５２により構成されている。

また、低温端３０はパルス管７０Ａと蓄熱器４０との接合位置に設けられている。低温側熱交換器３１は蓄熱器４０の低温端３０に配設され、また高温側には高温側熱交換器４１が配設されている。更に、上記構成とされたパルス管冷凍機６０は、その内部にヘリウム等の冷媒ガスが封入された流路が形成されている。

ここで、パルス管７０Ａに注目すると、パルス管７０Ａの直径Ｄ1は、蓄熱器４０の直径と同一径に設定されている。よって、蓄熱器４０及びパルス管７０Ａは、協働して同径の筒状体を形成することとなる。これにより、パルス管冷凍機６０の中央部分に段差部が形成されることはなくなり、パルス管冷凍機６０の取り扱い及び据付を容易に行うことができる。

更に、パルス管７０Ａの内部には、流路形成部材８０Ａが設けられている。この流路形成部材８０Ａは、図３に示されるように、パルス管７０Ａの内部に液密に嵌入された構成とされている。この流路形成部材８０Ａは、円柱状の本体部８１に流路方向（図中矢印Ｘ１，Ｘ２方向）に沿って延在する複数の流路孔８２が形成された構成とされている。よって、パルス管冷凍機６０の稼動時において、冷媒ガスは流路孔８２内を流れることとなる。この流路形成部材８０Ａは、パルス管７０Ａと熱膨張率が等しい材質が選定されている。尚、本実施例では、本体部８１に５個の流路孔８２を形成した構成としているが、流路孔８２の形成数はこれに限定されるものではない。

続いて、上記構成とされたパルス管冷凍機６０の動作について説明する。

パルス管冷凍機６０は、圧縮機５０を構成するピストン５２がシリンダ５１内で往復移動することにより、シリンダ５１内で冷媒ガスの圧縮処理と膨張処理を繰り返し実施する。この冷媒ガスは、圧縮機５０から蓄冷器４０、低温端３０、パルス管７０Ａ内の流路形成部材８０Ａを通り、位相制御部２０との間で往復動流として流れる。

このようにパルス管冷凍機６０は、パルス管冷凍機６０および位相制御部２０による位相制御効果により、パルス管冷凍機６０内で冷媒ガスの圧力と流量の間に位相差が生じ、この圧力と流量とがなす仕事が低温部でのＰＶ仕事となり、低温端３０に寒冷（低温ＰＶ仕事）を発生させる。

ここで、低温端３０は前記のように蓄冷器４０とパルス管冷凍機６０との間に介装されている。パルス管冷凍機６０の運転時には、圧縮機５０の圧縮工程で送り出された冷媒ガスは低温となってパルス管冷凍機６０に流入し、その内部で断熱膨張してこれにより吸熱して位相制御部２０に流出する。また、前記とは逆に冷媒ガスが位相制御部２０からパルス管冷凍機６０を通過して低温端３０に還流する工程では、ほぼ一定体積で変化するため熱の発生または吸収は行わない。このため、低温端３０では発熱がなく吸熱のみされ、よって低温端３０では例えば８０Ｋの寒冷（低温ＰＶ仕事）が生じる。

ところで、冷媒ガスが上記の低温ＰＶ仕事を効率よく行うためには、冷媒ガスがパルス管７０Ａ内で、流路孔８２の壁面により区画された仮想ピストン（以下、ガスピストンＡという）として作用することが必要である。このようなガスピストンＡの形成のためには、各流路孔８２内で偏りのない一様な速度分布を形成させることが重要となる。このため、シャトル損失を低減させる必要が生じる。

いま、冷媒ガスが流れる流路孔８２の直径をＤ，ガス熱伝導率をｋ，ガスの変位をＸ_ｄ，高温側の温度をＴ_n，低温側の温度をＴ_l，パルス管長をＬ，温度境界層厚さをδとすると、シャトル損失Ｈ_shは下式で求められる。

また、温度境界層厚さδは、熱拡散係数をα，角周波数をωとすると、下式で求められる。

ここで、パルス管７０Ａに流路形成部材８０Ａを配設せずに単にその直径を蓄熱器４０の直径と等しい直径Ｄ1とすると、従来のパルス管冷凍機１に設けられていたパルス管１０の直径Ｄ0（図１参照）に比べてパルス管７０Ａの直径Ｄ1は大きくなる（Ｄ1>Ｄ0）ため、シャトル損失Ｈ_shは増大してしまう。

しかしながら、本実施例ではパルス管７０Ａに流路孔８２が形成された流路形成部材８０Ａを配設した構成としている。また、流路形成部材８０Ａには複数の流路孔８２が形成されており、その直径ｄはパルス管７０Ａの直径Ｄ1よりも小さい（ｄ<Ｄ1）。よって、個々の流路孔８２を通過する冷媒ガスのシャトル損失Ｈ_shは小さくなる。

更に、前記したように流路形成部材８０Ａは本体部８１に複数の流路孔８２が流路方向（Ｘ１，Ｘ２方向）に延在するよう形成された多孔体であり、よって冷媒ガスが流路孔８２を通過するときの乱流は、従来のパルス管１０を通過するときの乱流に比べて小さくなっている。よって、本実施例に係るパルス管冷凍機６０によれば、冷媒ガスの流れの乱れによる損失を低減しながら、かつ、シャトル損失の低減を図ることができる。これにより、パルス管冷凍機６０の冷却効率の向上を図ることができる。

図４は、上記したパルス管冷凍機６０の変形例に設けられるパルス管７０Ｂを示している。尚、図４において、図３に示した構成と対応する構成については同一符号を付してその説明を省略する。

上記した実施例では流路形成部材８０Ａとして、本体部８１に冷媒ガスの流れ方向に沿って複数の流路孔８２を形成した構成例を示した。これに対して本変形例に係る流路形成部材８０Ｂは、パルス管７０Ｂに嵌入される円筒状の本体部８１に複数の平板状のプレート８５を配設した構成としている。このプレート８５は、パルス管７０Ｂ（本体部８１）内で平行に対向離間するよう配置されている。

上記構成とすることにより、冷媒ガスは隣接するプレート８５の間の間隙部分を流路８６として流れることとなる。この流路８６は、前記の流路孔８２と同様に冷媒ガスの流れ方向に沿って延在するものであり、よって冷媒ガスが流れる際の流れ抵抗は小さい。

また、流路８６の断面形状は円形ではないが、各流路８６の断面の面積はパルス管７０Ｂの直径Ｄ１よりは小さいため、数１，２を用いて説明した上記した理由が適用できると考えられ、よってシャトル損失の低減も図ることができる。よって、本変形例のパルス管７０Ｂを用いることによっても、冷媒ガスの流れの乱れによる損失を低減しながら、かつ、シャトル損失の低減を図ることができ、パルス管冷凍機６０の冷却効率の向上を図ることができる。

以上、本発明の好ましい実施例について詳述したが、本発明は上記した特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能なものである。

図１は、従来の一例であるパルス管冷凍機の構成図である。図２は、本発明の一実施例であるパルス管冷凍機の構成図である。図３は、本発明の一実施例であるパルス管冷凍機のパルス管を拡大して示して、（Ａ）は縦断面図、（Ｂ）は横断面図である。図４は、図２及び図３に示すパルス管の変形例を示しており、（Ａ）は縦断面図、（Ｂ）は横断面図である。

符号の説明

２０位相制御部
２１バッファタンク
２２オリフィス
３０低温端
３１低温側熱交換器
４０蓄熱器
４１高温側熱交換器
５０圧縮機
５１シリンダ
５２ピストン
６０パルス管冷凍機
７０Ａ，７０Ｂパルス管
８０Ａ，８０Ｂ流路形成部材
８１本体部
８２流路孔
８５プレート
８６流路

Claims

圧縮機、蓄冷器、低温端、パルス管、及び位相制御部が接続されることにより、前記圧縮機から前記位相制御部との間に冷媒ガスが流れる流路が形成されてなるパルス管冷凍機において、
前記パルス管内に前記流路方向に沿って延在すると共に、前記パルス管内に前記冷媒ガスの複数の流路が形成された流路形成部材を設け、
かつ、前記パルス管の直径と前記蓄熱器の直径を等しくしたことを特徴とするパルス管冷凍機。
前記圧縮機、前記蓄冷器、前記低温端、前記パルス管、及び前記位相制御部を直列状に接続したことを特徴とする請求項１記載のパルス管冷凍機。
前記流路形成部材は、前記流路方向に延在する多数の孔が形成された多孔体であることを特徴とする請求項１又は２記載のパルス管冷凍機。
前記流路形成部材は、前記パルス管内で平行に対向離間して配置された複数のプレートにより構成されることを特徴とする請求項１又は２記載のパルス管冷凍機。