JP2010025411A - Heat exchanger and pulse tube refrigerating machine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、作動ガスと熱交換を行う熱交換器、および、この熱交換器が搭載されるパルス管冷凍機に関する。 The present invention relates to a heat exchanger that exchanges heat with a working gas, and a pulse tube refrigerator in which the heat exchanger is mounted.
液体窒素温度のような極低温を発生する小型の極低温冷凍機としては、パルス管冷凍機等がよく知られている。
図4は同軸型パルス管冷凍機の構成図である。パルス管冷凍機は、圧縮機1、放熱器2、蓄冷器3、コールドヘッド4、パルス管5および位相制御機構6から構成されており、これの冷凍作用発生原理は、以下の通りに理解されている。
A pulse tube refrigerator or the like is well known as a small cryogenic refrigerator that generates an extremely low temperature such as liquid nitrogen temperature.
FIG. 4 is a block diagram of a coaxial pulse tube refrigerator. The pulse tube refrigerator is composed of a compressor 1, a
この冷凍機の内部に封入されている作動ガス(例えばヘリウムガス)は、所定の周波数で往復運動する圧縮機1によって繰り返し圧縮と膨張が行われる。まず、圧縮機1の圧縮過程によって圧縮熱を発生した作動ガスは、放熱器2で熱交換器21を介して圧縮熱を外部に放出する(断熱圧縮行程)。圧縮された作動ガスは、蓄冷器3およびコールドヘッド4を通ってパルス管5に流入する(等温行程)。パルス管5においては、作動ガスは膨張して寒冷を発生する(断熱膨張行程)。この際、位相制御機構6によって、作動ガスの圧力と流速との位相が調整される。位相制御機構6はイナータンスチューブ61とバッファータンク62とで構成されており、作動ガスはこの中をほぼ正弦波的な圧力振幅を伴って流れる。電気回路に例えると、イナータンスチューブ61はインダクタンスおよび抵抗のインピーダンス成分に相当し、バッファータンク62はキャパシタンス成分に相当する。上記のようにして発生した寒冷によりコールドヘッド4から吸熱する。次に、圧縮機1の膨張過程においては、パルス管5で冷却された作動ガスが、蓄冷器3と準静的に熱交換しながら放熱器2を通って圧縮機1に戻ってくる(等温行程)。以上の4つの工程を繰り返すことによって、コールドヘッド4は極低温まで冷却される。
The working gas (for example, helium gas) enclosed in the refrigerator is repeatedly compressed and expanded by the compressor 1 that reciprocates at a predetermined frequency. First, the working gas that has generated compression heat by the compression process of the compressor 1 releases the compression heat to the outside through the
従来技術においては、このような冷凍機に使われている放熱器2の熱交換器21は、図5(a)および図5(b)のように、銅などの熱抵抗の小さい材料で円筒リング部に軸方向に多数の貫通孔211を設けた形状を有している。熱交換器の円筒外周面は、放熱器2に一体的に接合され放熱経路を構成している。一方、円筒内周面にはパルス管が差し込まれているが、熱的に結合されていない方が良く、適切なクリアランスがあっても良い。円筒端面部は、片方を圧縮機の接続管と結合した空間22に、他端を蓄冷器3に接している。圧縮機側から流入する作動ガスの熱を多数の貫通孔211の表面で熱交換し、放熱器2に設けたフィン23で外部空間に放熱する機能を有している。
In the prior art, the
この種の冷凍機の熱交換器としては、特許文献1に記載されているものがよく知られている。
上記した従来型同軸パルス管冷凍機において、熱交換器は圧損が小さく熱交換表面積を大きく取れるように、円筒状の銅ブロックに小径の貫通孔211を多数個設けて、開口率40%程度にしたものが一般的に採用されている。一方、蓄冷器3はリング状に成形したステンレス金網31などを蓄冷材として積層し、作動ガスの流れ方向に抵抗が大きく、作動ガスの流れと直角方向の抵抗が小さくなるように構成している。具体的には、300〜500メッシュで開口率70〜80%程度のもので構成している。
In the conventional coaxial pulse tube refrigerator described above, the heat exchanger is provided with a large number of small-diameter through
図6(a)および図6(b)に示すように、熱交換器21と蓄冷器3の接触部では熱交換器の貫通孔211を蓄冷器の蓄冷材を構成しているステンレス金網31で塞ぐこととなり、実質の開口率は、30%程度に低下することになる。このため、圧力損失が大きくなり、極低温発生に寄与する圧力振幅が小さくなり効率が低下するという課題があった。
一方、単純に熱交換器21と蓄冷器3との間に一定の隙間を設けて開口率を確保するということも行われている。しかし、当該方法の場合には、圧縮機1から蓄冷器3の入口までの空間が圧縮機1のピストンによる作動ガスの圧縮空間として機能するため、作動ガスの圧縮比が低下して冷凍機の能力(効率)が下がるという問題が発生する。
As shown in FIG. 6A and FIG. 6B, the
On the other hand, simply providing a certain gap between the
そこで、本発明は、熱交換器と蓄冷器の境界における圧力損失を低減して圧力振幅を大きくし、かつ、圧縮比の低下を抑制することにより、冷凍機能力の向上させることを目的とする。 Therefore, the present invention aims to improve the refrigeration function by reducing the pressure loss at the boundary between the heat exchanger and the regenerator, increasing the pressure amplitude, and suppressing the decrease in the compression ratio. .
上記課題を解決するため、請求項1に係る発明は、円柱形状または円筒形状で構成され、円柱または円筒の軸方向に作動ガスを通流させる複数の貫通孔を設け、少なくとも円柱または円筒の一の端面に複数の貫通孔を連通する溝を設けたこと、を特徴とする。
請求項2に係る発明は、請求項1に係る熱交換器において、複数の貫通孔を複数の同心円上に設けることを特徴とする。
In order to solve the above problems, the invention according to claim 1 is configured in a columnar shape or a cylindrical shape, provided with a plurality of through holes through which the working gas flows in the axial direction of the column or the cylinder, and at least one of the columns or the cylinder is provided. A groove for communicating a plurality of through-holes is provided on the end face.
The invention according to
請求項3に係る発明は、請求項1または請求項2に記載の熱交換器において、溝を円状に設けることを特徴とする。
請求項4に係る発明は、請求項1乃至3に記載の熱交換器において、溝がV溝であることを特徴とする。
請求項5に係る発明は、圧縮機、蓄冷器、低温端、パルス管、高温端および位相制御部により流路を形成し、流路を流れる作動ガスの熱交換により低温端に寒冷を発生するパルス管冷凍機において、請求項1〜請求項4の何れか一項に記載の熱交換器を、溝を有する端面が蓄冷器の高温端側となるように配置することを特徴とするパルス管冷凍機。
According to a third aspect of the present invention, in the heat exchanger according to the first or second aspect, the groove is provided in a circular shape.
The invention according to
In the invention according to
この発明によれば、熱交換器の貫通孔の軸方向に蓄冷器の蓄冷材が位置していても作動ガスの流通経路が確保されるため、作動ガスの圧力損失による圧力振幅の低下を抑制でき、冷凍能力の向上を図れる。一方で、圧縮空間の増加による冷凍機能力の低下を必要最小限に抑えることができる。さらに、V溝とすることにより、熱交換器と蓄冷器との境界部における流体抵抗を低減させることにより、熱交換特性の向上と流体抵抗損失の低減を図ることもできる。 According to this invention, even if the regenerator material of the regenerator is located in the axial direction of the through hole of the heat exchanger, the working gas flow path is ensured, so that a decrease in pressure amplitude due to working gas pressure loss is suppressed. This can improve the refrigeration capacity. On the other hand, it is possible to minimize the reduction in the refrigeration function due to the increase in the compression space. Furthermore, by using the V groove, the fluid resistance at the boundary between the heat exchanger and the regenerator can be reduced, thereby improving the heat exchange characteristics and reducing the fluid resistance loss.
以下、本発明の実施形態について図面に基づいて説明する。なお、本発明においては、熱交換器21以外の構成は従来技術と同様の構成であるため、熱交換器以外の部分の説明は省略する。
図1は本発明に係る熱交換器を同軸パルス管冷凍機に適用した図である。図1(a)は平面図であり、図1(b)は断面図である。図2は、図1(b)のD部の詳細図である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, in this invention, since structures other than the
FIG. 1 is a diagram in which a heat exchanger according to the present invention is applied to a coaxial pulse tube refrigerator. FIG. 1A is a plan view, and FIG. 1B is a cross-sectional view. FIG. 2 is a detailed view of a portion D in FIG.
熱交換器21は、銅等のような熱伝導性の高い材質で円筒形状に形成されている。さらに、円筒の軸と中心が一致する同心円上に複数の小さな貫通孔211が設けられている。つまり、貫通孔211の中心が同心円上に位置するように形成されている。当然に、図1(a)に示すように、複数の同心円上に小さな貫通孔211を設けることができる。このように多重に貫通孔211を設けることで、熱交換器の開口率を向上するとともに熱交換する表面積を増大させている。
The
さらに、熱交換器21の円筒の少なくとも一の端面には、貫通孔211を設けた同心円と一致するようにV溝212を形成している。具体的には、図1および図2に示すようにV形状の凹部先端と貫通孔中心が一致するようにV溝212を多重に形成してもよい。また、溝は貫通孔211の一部でも連通すれば良く、貫通孔の中心と溝中心が必ずしも一致する必要はない。
Furthermore, a
図3は熱交換器の一部の拡大図である。図3(a)は拡大された平面図であり、図3(b)はその断面図である。図3(b)のE−E断面図のように、熱交換器の貫通孔211の上側に蓄冷機の蓄冷材であるステンレス金網31が位置する場合でも、図3(a)の平面図に示すようにV溝212により溝方向に作動ガスが拡散する。よって、図6に示された従来の熱交換器に比べて蓄冷器との境界面における圧力損失を著しく低減することができる。
FIG. 3 is an enlarged view of a part of the heat exchanger. FIG. 3A is an enlarged plan view, and FIG. 3B is a cross-sectional view thereof. Even when the
さらに、V溝は必要な深さや幅にて加工が可能であるために作動ガスの圧縮空間の拡大を最小限度に抑えることが可能であり、単純に熱交換器と蓄冷器との境界に空間を設けるのに比べて圧縮比低下による冷凍能力低減を抑制できる。
また、V溝とすることで、貫通孔端部の形状係数が改善されることで、熱交換器全体としての圧力損失が小さくなって冷凍機の効率が向上することになる。
Furthermore, since the V-groove can be processed at the required depth and width, it is possible to minimize the expansion of the compression space for the working gas, and the space is simply at the boundary between the heat exchanger and the regenerator. Compared with the provision of refrigeration, it is possible to suppress a reduction in refrigeration capacity due to a decrease in compression ratio.
In addition, by forming the V groove, the shape factor of the end portion of the through hole is improved, so that the pressure loss as the whole heat exchanger is reduced and the efficiency of the refrigerator is improved.
なお、溝はV溝形状に限定されず、半円状や四角形等の各種断面形状を有する溝でもよい。また、貫通孔211を熱交換器21の円中心に放射線状に配置し、かつ、溝も放射線上に形成しても良い。
本実施例においては蓄冷機側のみに溝を設けているが、もちろん空間22側にも溝を設けて良い。
The groove is not limited to the V-groove shape, and may be a groove having various cross-sectional shapes such as a semicircular shape and a square shape. Moreover, the through-
In this embodiment, the groove is provided only on the regenerator side, but of course, the groove may also be provided on the
上記は同軸パルス管冷凍機およびその熱交換器に基づいて説明したが、本発明は同軸パルス管冷凍機およびその熱交換器に限定したものではなく、U字リターン型パルスチューブ冷凍機および直列型パルスチューブ冷凍機においても、熱交換器を円柱形状とすることにより当然適用できる。 The above description is based on the coaxial pulse tube refrigerator and its heat exchanger. However, the present invention is not limited to the coaxial pulse tube refrigerator and its heat exchanger, but a U-shaped return type pulse tube refrigerator and a series type. Of course, the present invention can also be applied to a pulse tube refrigerator by making the heat exchanger cylindrical.
1 圧縮器
2 放熱器
21 熱交換器
211 貫通孔
212 V溝
3 蓄冷機
31 金網
4 コールドヘッド
5 パルス管
6 位相制御部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (5)
円柱または円筒の軸方向に作動ガスを通流させる複数の貫通孔を設け、
少なくとも円柱または円筒の一の端面に複数の貫通孔を連通する溝を設けたこと、
を特徴とする熱交換器。 Consists of a cylindrical or cylindrical shape,
Providing a plurality of through holes that allow the working gas to flow in the axial direction of the cylinder or cylinder,
Providing a groove for communicating with a plurality of through holes on at least one end face of a column or cylinder;
A heat exchanger characterized by
請求項1乃至請求項4の何れか一項に記載の熱交換器を、溝を有する端面が蓄冷器の高温端側となるように配置することを特徴とするパルス管冷凍機。
In a pulse tube refrigerator that forms a flow path by a compressor, a regenerator, a low temperature end, a pulse tube, a high temperature end and a phase control unit, and generates cold at the low temperature end by heat exchange of the working gas flowing through the flow path,
A pulse tube refrigerator, wherein the heat exchanger according to any one of claims 1 to 4 is disposed such that an end surface having a groove is on a high temperature end side of the regenerator.
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