JP2942045B2 - パルス管式冷凍機 - Google Patents

パルス管式冷凍機

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JP2942045B2 JP3332803A JP33280391A JP2942045B2 JP 2942045 B2 JP2942045 B2 JP 2942045B2 JP 3332803 A JP3332803 A JP 3332803A JP 33280391 A JP33280391 A JP 33280391A JP 2942045 B2 JP2942045 B2 JP 2942045B2
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    • F25B2309/1426Pulse tubes with basic schematic including at the pulse tube warm end a so called warm end expander

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、パルス管を用い且つ低
温度で往復動する膨脹ピストンを必要としないパルス管
式冷凍機に関する。
【0002】
【従来の技術】二つの等温過程と等容過程からなるスタ
ーリングサイクルは、作動流体(ヘリウム、アルゴン、
水素等)を用いた閉サイクル装置であり、外燃機関、或
いは冷凍機として開発されている。このスターリングサ
イクルを用いた冷凍機は、低温度となる長さの長い膨脹
ピストンの往復動により発生する機械的振動がコールド
ヘッドに伝わり、センサー等にノイズを発生させる。
又、長い膨脹ピストンの外周面とシリンダ内周面との接
触は摩耗粉を発生させ、作動流体や蓄冷器を汚染させ
る。これは、冷凍機の性能を劣化や故障の原因となって
いる。
【0003】スターリングサイクルを応用した冷凍機の
前述した欠点を解消させるために、1963年にパルス
管式冷凍機(井上龍夫,低温工学 Vol.26No.
2(1991))が提案された。この方式は、圧縮空間
とバッファータンクとの間に、放熱器、再生器(蓄冷
器)、コールドヘッド、パルス管オリフィスを直列に結
合させ、ヘリウム等の作動ガスを媒体として、低温を生
成している。
【0004】このパルス管式冷凍機の構成的特色は、金
属やセラミック、又はそれらの複合材からなる円筒状の
パルス管を用いることにある。このパルス管は冷凍機動
作中相当大きな温度勾配を保ち、断熱効果を担ってい
る。しかしながら、知られる如く、パルス管を用いた冷
凍機は効率が必ずしも良くない。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、前述した従
来技術の不具合を解消させることを解決すべき課題とす
る。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明は前述した課題を
解決するために、従来用いられているパルス管、オリフ
ィスおよびバッファータンクに代えて、パルス管と常温
の膨脹ピストンとの組合せによる手段を基本的に用い
る。
【0007】本発明によれば、具体的には、圧縮空間、
放熱器、蓄冷器、コールドヘッド、パルス管および膨脹
空間を有する低温生成系を複数個互いに熱交換関係で連
結させるパルス管式冷凍機において、一方の低温生成系
のパルス管と蓄冷器とを同心関係に配し、該パルス管と
蓄冷器との接続部にコールドヘッドを有し、該蓄冷器ま
わりに他の低温生成系の蓄冷器とパルス管を配し、該蓄
冷器とパルス管との接続部を、一方の低温生成系に対す
る熱交換部とさせているパルス管式冷凍機を提供する。
【0008】
【作用】第2熱系のパルス管まわりに蓄冷器、第1の熱
系の蓄冷器とパルス管を配置させているので、構造を小
型化させ且つ必要な熱交換を配管による熱損失もなく行
うことができる。
【0009】
【実施例】図1を参照する。パルス管式冷凍機1は、ク
ランクシャフト2に連結されたロッド3により往復動す
る圧縮ピストン4により、シリンダ5内に画定される圧
縮空間6を有す。又、クランクシャフト2に連結された
別のロッド7が、シリンダ8内の膨脹ピストン9を往復
させ、膨脹空間10の容積を可変とさせる。
【0010】膨脹空間10は、常温状態に置かれ、両ロ
ッド3,7のクランク角は、膨脹空間10が圧縮空間6
に対し、10〜45度の範囲内のある一定の位相差で進
むように選定される。好ましくは、位相差を20〜30
度とする。
【0011】圧縮空間6は、放熱器11、蓄冷器12、
コールドヘッド13、およびパルス管14を介して、膨
脹空間10に連通する。蓄冷器10はステンレスやブロ
ンズのメッシュ、小球の鉛群、奇土類等の蓄冷材を詰め
たものである。このようにして構成される部分を第1の
熱系とする。
【0012】第1の熱系と並設して第2の熱系を構成す
る。第2の熱系で第1の熱系と同一部品には、ダッシュ
を付し、その説明を省略する。図1から明らかなよう
に、第2の熱系の蓄冷器は、12′−1と12′−2と
の二部分からなる点で第1の熱系と異る。
【0013】第1の熱系と第2の熱系とは、第1の熱系
のコールトヘッド13と、第2の熱系の両蓄冷器12′
−1,12′−2との間の部分とで熱交換15させる関
係で結合させる。このような結合は、第1の熱系のコー
ルドヘッド13の低温を、第2の熱系の作動流体に伝達
させ、第2の熱系で極低温を発生可能とさせる。
【0014】図2の例を説明する。図1に示す例と同一
部品には同一符号を示し、その説明を省略する。図2と
図1を対比するに、図2の例では両圧縮ピストン4,
4′を並設し且つ両膨脹ピストン9,9′を並設させた
ことに加えて、両熱系のパルス管14,14′を同心関
係に配設させたことで、図2の例は図1の例と異る。し
かし、基本的動作は図1と図2とでは同じである。
【0015】図3に、図1の例の各要素の配置例を示
す。第2の熱系のパルス管14′を中心に蓄冷器12′
−1,12′−2、蓄冷器12とパルス管14をほぼ同
心関係に円筒形にまとめる。この結果、両熱系をコンパ
クトに構成することができる。
【0016】図4は、図2の例の各要素の配置例を示
す。本例においても、パルス管14′を中心に同心関係
に、蓄冷器12′−1,12′−2、パルス管14、蓄
冷器12を円筒形に配す。第1の熱系のコールドヘッド
13が第2の熱系の両蓄冷器12′−1,12′−2間
で熱交換15が成される。この構成は、両熱系をコンパ
クトにまとめるのに有効である。
【0017】図3と図4とに蓄冷器とパルス管との好ま
しい具体的配置例を示したが、図5と図6とにクランク
シャフト2まわりの具体的構成を示す。2本複動型ピス
トン4,4′を水平対向に配置し、4組の圧縮空間6,
6,6′,6′を構成し、同位相で動作する一方の圧縮
空間6,6を導通させ且つ他方の圧縮空間6′,6′を
導通させる。
【0018】膨脹ピストン9は、同一クランクケース1
6内に納められ、二つの膨脹空間10,10′を構成す
る。両ロッド3,3′,6のクランク角は10〜45度
の範囲内とする。図5と図6から明らかなように、クラ
ンクケース16内に両ピストン6,6′,9,9′、ロ
ッド3,3′,7を納めることができ、圧縮空間と膨脹
空間に接続したフレキシブル管を、図3と図4の蓄冷器
とパルス管に接続することでコンパクトな冷凍機が構成
できる。
【0019】各圧縮ピストン4,4′と各膨脹ピストン
9,9′との位相角を同一又は異る角度の組合せとし、
各圧縮空間と各膨脹空間の容積を、コールドヘッドで期
待される低温が得られるよう、可変とさせるとよい。こ
の可変は、クランクシャフトに対するクランク部の角度
を選択することで可能となる。
【0020】図7と図8に示す例は、クランクシャフト
2に代えて、リニアモータ17,18を用いて、両ピス
トン4,9を往復動させるものである。膨脹ピストン9
は、圧縮ピストン4に対し、10〜45度の位相角で進
むよう、両リニアモータ17,18への通電を制御す
る。圧縮空間6とは圧縮ピストン4を介して反対側とな
る部分にバッファータンク19を設ける。圧縮空間16
とバッファータンク19との間は、制御弁20とフィル
ター21を有するフレキシブル管により連通させる。こ
れら制御弁20とフィルター21とは、作動流体中の不
純物を除いて作動流体の純度を高め、又作動流体の圧力
を管理する働きをする。
【0021】図8に示す例は、膨脹ピストンとして凸型
ピストン9aを用い、第2のバッファータンク22を構
成したものである。両ピストン4,9,9aの動きは位
置センサーにより規制可能である。図7又は図8に示す
例を並設させ、しかし、コールドヘッド13を共通させ
ることで(たとえば、いくつかのコールドヘッド13を
同心円筒形に配し)、一つの大きなコールトヘッドに同
一の冷温を生成させるようにしてもよい。又、図1と図
2に示すように、コールドヘッド13を他の低温生成系
のための予冷として用い、この部分で他の低温生成系と
熱交換させてもよい。
【0022】何れの例においても、好ましくは膨脹空間
の容積を圧縮空間の容積の6.6−30%の範囲とする。
圧縮空間の必要な容積をいくつかの圧縮ピストンにより
確保してもよい。
【0023】図7と図8に示す例は、リニアモータ1
7,18を用いて両ピストン4,9を動作させている
が、図9に示すように、リニアモータ17,18に代え
て、クランクシャフト2と電動モータMとを用い、両ピ
ストン4,9を往復動させてもよい。
【0024】図10に示す例は、膨脹空間10の膨脹仕
事が大きくなると、膨脹空間の温度は常温より低下する
が(たとえば、冷凍温度を80Kとし、膨脹仕事が50
W以上になると、放熱効果が充分でないと、膨脹空間の
温度は250K位まで低下する)、これを防ぐのに有効
である。圧縮空間6からの熱を放熱器23を用いて、膨
脹空間10の作動流体に伝達し、膨脹空間10の温度の
低下を防ぐ。尚、図10に付した符号は、他の例で用い
た符号と同一部品を示す。
【0025】尚、圧縮空間6に高純度の作動流体を供給
するには、加圧弁24と減圧弁25との間にフィルター
21を配すればよい。これにより、クランクケースから
の作動流体はフィルター21と圧力制御弁20を介して
圧縮空間6へ高純度の作動流体として供給される。
【0026】図11を参照する。図1に示す例におい
て、冷凍温度TEを80Kの一定とさせ、クランク角を
0度より30度まで大きくしていくと、成績係数(冷凍
出力対消費動力の比)は、0.01より0.027に上昇す
る。40Kでは最大の成績係数がクランク角22度の時
である。図11から明らかなように、冷凍温度に応じた
最適なクランク角は存在するが、その値は20〜30度
の範囲内にある。
【0027】
【効果】本発明によれば、低温可動部を必要としないた
め、即ち、膨脹ピストンを常温に置けるので、製作、保
守が容易となり、又、複数サイクルにすることができる
ので、用途に応じて冷凍出力を調整できる。実用上の冷
凍能力が従来に比べ向上する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一例の説明図である。
【図2】本発明の他の例の説明図である。
【図3】本発明の一例の具体的構成を示す断面図であ
る。
【図4】本発明の他の例の具体的構成を示す断面図であ
る。
【図5】クランクシャフト部の縦断面図である。
【図6】クランクシャフト部の横断面図である。
【図7】リニアモータを用いた一例の断面図である。
【図8】リニアモータを用いた他の例の断面図である。
【図9】図7の例にクランクシャフトを適用した例の平
面図である。
【図10】本発明の別の例を示す説明図である。
【図11】クランクアングルと成績係数との関係を示す
グラフ図である。
【符号の説明】
2 クランクシャフト 3,3′,7,7′ ロッド 4,4′ 圧縮ピストン 6,6′ 圧縮空間 9,9′ 膨脹ピストン 10,10′ 膨脹空間 12,12′ 蓄冷器 13,13′ コールドヘッド 14,14′ パルス管 17,18 リニアモータ 19,20 パッファータンク

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 圧縮空間、放熱器、蓄冷器、コールドヘ
    ッド、パルス管および膨脹空間を有する低温生成系を複
    数個互いに熱交換関係で連結させるパルス管式冷凍機に
    おいて、一方の低温生成系のパルス管と蓄冷器とを同心
    関係に配し、該パルス管と蓄冷器との接続部にコールド
    ヘッドを有し、該蓄冷器まわりに他の低温生成系の蓄冷
    器とパルス管を配し、該蓄冷器とパルス管との接続部
    を、一方の低温生成系に対する熱交換部とさせているパ
    ルス管式冷凍機。
  2. 【請求項2】 一方の低温生成系の蓄冷器まわりに他方
    の低温生成系のパルス管と蓄冷器とを同心関係に配した
    請求項1のパルス管式冷凍機。
JP3332803A 1991-10-15 1991-11-22 パルス管式冷凍機 Expired - Lifetime JP2942045B2 (ja)

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JP3332803A JP2942045B2 (ja) 1991-11-22 1991-11-22 パルス管式冷凍機
US07/960,837 US5435136A (en) 1991-10-15 1992-10-14 Pulse tube heat engine
DE4234678A DE4234678C2 (de) 1991-10-15 1992-10-14 Reversible Schwingrohr-Wärmekraftmaschine

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