JP2600720B2 - 極低温冷凍機 - Google Patents

極低温冷凍機

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JP2600720B2 JP62273871A JP27387187A JP2600720B2 JP 2600720 B2 JP2600720 B2 JP 2600720B2 JP 62273871 A JP62273871 A JP 62273871A JP 27387187 A JP27387187 A JP 27387187A JP 2600720 B2 JP2600720 B2 JP 2600720B2
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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明はパルスチューブを利用して100゜K以下の極低
温を実現するパルスチューブ型の極低温冷凍機に関す
る。
[従来の技術] 近年、極低温下で可動部を要しない小型極低温冷凍機
として、パルスチューブ(Pulse tube)を利用したパル
スチューブ冷凍機が提案されている。この冷凍機は、そ
の内部にガスを導入して往復動させると、温度勾配を形
成してガス導入側に低温端を反対側に高温端をつくり出
すパルスチューブの熱交換機能を利用したもので、可動
部の存在に起因した振動や摩耗等による性能低下を蒙ら
ないのが大きな特徴である。
既提案に係るパルスチューブ冷凍機は、パルスチュー
ブとリジェネレータを組合わせたもので、その具体的構
成が第2図に示される。すなわち、パルスチューブ1の
低温端1aとリジェネレータ2の低温端2aとを吸熱部(熱
交換器)3を介して連通し、圧縮機4からアフタークー
ラ7を介してリジェネレータ2の高温端2b側に供給され
るガスを、該リジェネレータ2及び吸熱部3を介しパル
スチューブ1の低温端1aから高温端1b側に向けて導入す
るようにしている。
しかして、このパルスチューブ冷凍機では、圧縮機4
のピストン動力で圧縮されたガスは、リジェネレータ2
の内部を通り予冷されながら吸熱部3及びパルスチュー
ブ低温端1aに入り、更にパルスチューブ1の低温端1aに
導入された高圧ガスは、その中の残留ガスを高温端1bに
向けて圧縮する。このときパルスチューブ1内のガス
は、断熱圧縮を受けて温度上昇しながら温度勾配のある
同チューブ1内を移動する。そして、圧縮ガスはパルス
チューブ高温端1bの放熱部(熱交換器)8に入り、ここ
で放熱して冷却される。次いで、ピストン5を引き上げ
ると、放熱部8で熱を放出したガスはパルスチューブ1
内で断熱膨張し降温してから、吸熱部3及びリジェネレ
ータ2を冷やし込みながら戻され、このサイクルを繰り
返すことで、被冷却物を冷却する吸熱部3に100゜K以下
の極低温を実現することができる。
[発明が解決しようとする問題点] パルスチューブ冷凍機は、以上のように、パルスチュ
ーブ内のガスピストンの働きにより、断熱圧縮、膨張作
用を繰返し寒冷を発生するものであるが、冷凍効率を高
める上では、チューブ内における高温端側への断熱圧縮
行程でガスの保有エネルギを出来るだけ効率よく放出さ
せてから、断熱膨張行程に移行させるのが肝要となる。
しかるに、上述したパルスチューブ冷凍機の場合は、
チューブ高温端側に配した放熱部(水冷熱交換機)8に
より、チューブ内の圧縮ガスから熱エネルギを放出させ
るだけのものであるため、断熱膨張でガスが自冷して得
られる寒冷に一定の限界がある。
本発明は、このような問題点に着目し、低温可動部を
排除できるパルスチューブ型の小型極低温冷凍機の冷凍
能力を改善することに主眼を置く。
[問題点を解決するための手段] 本発明は、このような目的を達成するために、パルス
チューブの高温端に弾性体で形成いた拡縮自在のガス室
を設けるとともに、このガス室のまわりに、外部の液溜
めとオリフィスを介し連通され、更に好ましくは作動流
体として冷却液を充満するようにして、動力吸収室を設
けたことを特徴としている。
[作用] パルスチューブの高温端にかかる動力吸収機構を付加
したものであれば、チューブ内の低温端側に導入された
高圧ガスがチューブ内のガスを高温端側に断熱圧縮して
行くとき、高温端のガス室が膨張し、これに伴う容積変
化で動力吸収室内の冷却液がオリフィスを通して外部の
液溜めに強制的に放出される。このとき、ガス室と連通
される液溜めはダンパ機能を営んで、圧縮ガスのエネル
ギをガス室から膨張仕事として取り出し、オリフィスで
熱エネルギとして消費する。そして、液溜めに充満され
る作動流体を冷却液に兼用すれば、ガス室の圧縮ガスを
冷却する作用が同時に発現されて、一層エネルギ吸収度
が高まる。従って、パルスチューブ内の圧縮ガスには、
冷凍能力の増大に直結する効率的なエネルギ吸収が実現
される。
[実施例] 以下、本発明の一実施例を第1図に図示して説明す
る。但し、この実施例は第2図の従来例と同じくスター
リングサイクルの場合のシステム構成を示す。
本発明に係る極低温冷凍機の基本構成は、既述したパ
ルスチューブ冷凍機と共通しており、図において、1は
薄肉のステンレスパイプ等からなる中空のパルスチュー
ブ、2は内部に蓄熱要素を装着したリジュネレータで、
両者の低温端1a、2aを連通させ、その間に被冷却物を冷
却する吸熱部3を設けている。そして、リジェネレータ
2の高温端2bには、ピストン5を嵌装した圧縮機4の圧
縮室との間でガスを導出入させるガス通路6が連通さ
れ、該通路6の途中にはアフタークーラ7が設けられ
る。
一方、パルスチューブ1の高温端(常温端)1bには、
従前の水冷熱交換器8に代えて、本発明に係る動力吸収
機構が設けられる。この機構は次のように構成される。
まず、パルスチューブ1の高温端1bを小径に絞り、この
上に同チューブ1内を上昇するガスが勢いよくその内部
に導入されるガス室10を連設している。このガス室10は
薄膜状の適宜弾性体をもってバルーン状に形成されてお
り、下方一箇所にある開口縁をチューブ高温端1bと気密
に結合し、その内部に導入される圧縮ガスのガス圧で図
示矢印のように拡縮自在となる。
また、ガス室10のまわりには、同ガス室10を液密に包
囲する剛体容器製の動力吸収室11が冠設される。そし
て、動力吸収室11の内部には作動流体として、ガス室10
の外面と接する冷却液12が充満される。冷却液12は、ガ
ス室10の冷却と同時に、本発明の第1義的な狙いである
ガス膨張仕事を取り出す役目を担うもので、非圧縮性の
液体(例えば水など)が用いられる。
更に又、この動力吸収室11の外部には冷却液(作動流
体)12を貯溜する液溜め13が装備され、動力吸収室11の
一側と液溜め13の底部とがオリフィス15を介挿した連絡
流路14で連通されている。この場合、液溜め13は嵌合ピ
ストン13aの背面にオフセットスプリング13bを介装し
て、その内部に貯溜される冷却液12の液圧を略一定に保
つ液圧シリンダからなっている。
上記の構成を具備した極低温冷凍機であると、既に説
明した従前のパルスチューブ冷凍機と同様の冷凍サイク
ルを営み、その際パルスチューブ1の高温端1bに付加し
た動力吸収機構が有効に作動する。圧縮機4のピストン
5を押し下げると、パルスチューブ1の内圧は一瞬にし
て上昇し、その後リジェネレータ2を通して低温端1aか
らチューブ1内に高圧ガスが緩やかに導入される。この
とき、チューブ1内のガスは断熱圧縮されて昇温すると
ともに、ガス圧で高温端1bのガス室10の容積を拡大す
る。すると、ガス室10のまわりの動力吸収室11に充満さ
れた冷却液12はガス室10内の圧縮ガスを冷却するととも
に、液圧が相対的に上昇して、連絡流路14からオリフィ
ス15を介して外部の液溜め13に流出する。この結果、動
力吸収室11内の冷却液12はチューブ1内の圧縮ガスがも
つエネルギを膨張仕事として取り出し、これをオリフィ
ス15で熱エネルギに変換して消散する。
このように動力吸収機構により、パルスチューブ1の
断熱圧縮行程で圧縮ガスを冷却すると同時に、その保有
エネルギを膨張仕事として取り出すようにしているの
で、圧縮機4のピストン5を引き上げてチューブ1内の
ガスを急激に膨張させる断熱膨張行程に移行すると、自
冷してチューブ1の低温端1aから押し出される膨張ガス
に極低温を実現することができ、リターンガスで冷却さ
れる吸熱部3により大きな冷凍能力を発現することが可
能となる。なお、パルスチューブ1の膨張行程では、ガ
ス室10の縮小に伴って動力吸収室11内の液圧が相対的に
低下し、液溜め13のピストン作用で内部に冷却液12が自
動的に補給されることになる。
本発明の実施例は、以上のような構成、作用効果を有
するものであるが、パルスチューブ1の高温端1bに形成
するガス室10の形態は、勿論例示のものに限らず、その
他例えばベローやダイヤフラムを用いたものであっても
よい。
また冷凍サイクルは、タイミングバルブの追加等を条
件に、G−Mサイクルによる運転も実施可能である。
[発明の効果] 以上の通り、本発明の極低温冷凍機では、パルスチュ
ーブの高温端に所定の動力吸収機構を設置したことによ
り、低温可動部を排除できるというパルスチューブ冷凍
機の特徴を活かしながら、その冷凍能力の不足を補うこ
とができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例を示す極低温冷凍機のシステ
ム図である。第2図は従来のパルスチューブ冷凍機の構
成を示すシステム図である。 1……パルスチューブ、2……リジェネレータ 1a、2a……低温端、1b、2b……高温端 3……吸熱部 4……圧縮機、5……ピストン 6……ガス通路、7……アフタークーラ 10……ガス室、11……動力吸収室 12……冷却液、13……液溜め(シリンダ) 14……連絡流路、15……オリフィス

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】パルスチューブの高温端に弾性体で形成し
    た拡縮自在のガス室を設けるとともに、このガス室のま
    わりに、外部の液溜めとオリフィスを介し連通させた動
    力吸収室を設けたことを特徴とする極低温冷凍機。
  2. 【請求項2】動力吸収室の液溜めには冷却液が充満され
    ていることを特徴とする特許請求の範囲第1項記載の極
    低温冷凍機。
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CN117107225B (zh) * 2023-08-08 2024-03-08 上海顺心谷半导体科技有限公司 一种基于mpcvd法的金刚石膜生产设备

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