JP2969124B2 - 波動式冷凍機 - Google Patents
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- F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
- F25B9/14—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the cycle used, e.g. Stirling cycle
- F25B9/145—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the cycle used, e.g. Stirling cycle pulse-tube cycle
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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- F25B2309/00—Gas cycle refrigeration machines
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- F25B2309/1408—Pulse-tube cycles with pulse tube having U-turn or L-turn type geometrical arrangements
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- F25B2309/14—Compression machines, plants or systems characterised by the cycle used
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- Apparatuses For Generation Of Mechanical Vibrations (AREA)
Description
【０００１】
【０００２】
【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張ピストンを必要としない波動式冷
凍機に関する。
温度で往復動する膨張ピストンを必要としない波動式冷
凍機に関する。
【０００３】
【従来の技術】従来、この種の波動式冷凍機は、パルス
管冷凍機として知られ、基本的に、圧縮空間に、放熱
器，蓄冷器及び円筒（以下、パルス管と称する）を直列
に結合して構成される。このパルス管冷凍機では、圧縮
空間での圧縮作用によつて充填された作動流体の圧力に
変動が引き起され、作動流体の圧力振動と変位振動との
間に適当な位相差が生じることによつて、蓄冷器が熱輸
送を行う（コールドヘツド部分（パルス管低温端）より
熱を吸収し且つ放熱器から放出することによつてコール
ドヘツド部分が冷やされていく）。
管冷凍機として知られ、基本的に、圧縮空間に、放熱
器，蓄冷器及び円筒（以下、パルス管と称する）を直列
に結合して構成される。このパルス管冷凍機では、圧縮
空間での圧縮作用によつて充填された作動流体の圧力に
変動が引き起され、作動流体の圧力振動と変位振動との
間に適当な位相差が生じることによつて、蓄冷器が熱輸
送を行う（コールドヘツド部分（パルス管低温端）より
熱を吸収し且つ放熱器から放出することによつてコール
ドヘツド部分が冷やされていく）。
【０００４】ところで、このパルス管冷凍機における蓄
冷器の熱輸送能力を向上させるためには、パルス管低温
端での作動流体の圧力振動と変位振動との間の位相差を
９０°により近づけてやることが有効であることが知ら
れている。（ Advances in Cryogenic Engineering. Vo
l 35(1990) P. 1191）そこで、このパルス管冷凍機にお
いて、パルス管高温端にオリフイス及びバツフアタンク
よりなる位相調節器（ phase phifter )を設けてパルス
管低温端での作動流体の圧力振動と変位振動との間の位
相差を調整し、これにより、蓄冷器の熱輸送能力を向上
させたり、更に、このタイプの位相調節器を設けたパル
ス管冷凍機において、オリフイスとバツフアタンクとの
間に、可動するフリーピストン等の慣性体を設けて、バ
ツフアタンクをヘルムホルツ共鳴器として作用させ、こ
の作用によつて生じる位相調節器の共振周波数ω0 を作
動流体の駆動周波数ωより小さくする（ω＞ω0 ）こと
によつて、パルス管低温端での作動流体の圧力振動と変
位振動との間の位相差を９０°により近づけ、蓄冷器の
熱輸送能力をより向上させていた。（ Proc. Fifth Int
ernational Cryocooler conf. (1988) P.127 ）
冷器の熱輸送能力を向上させるためには、パルス管低温
端での作動流体の圧力振動と変位振動との間の位相差を
９０°により近づけてやることが有効であることが知ら
れている。（ Advances in Cryogenic Engineering. Vo
l 35(1990) P. 1191）そこで、このパルス管冷凍機にお
いて、パルス管高温端にオリフイス及びバツフアタンク
よりなる位相調節器（ phase phifter )を設けてパルス
管低温端での作動流体の圧力振動と変位振動との間の位
相差を調整し、これにより、蓄冷器の熱輸送能力を向上
させたり、更に、このタイプの位相調節器を設けたパル
ス管冷凍機において、オリフイスとバツフアタンクとの
間に、可動するフリーピストン等の慣性体を設けて、バ
ツフアタンクをヘルムホルツ共鳴器として作用させ、こ
の作用によつて生じる位相調節器の共振周波数ω0 を作
動流体の駆動周波数ωより小さくする（ω＞ω0 ）こと
によつて、パルス管低温端での作動流体の圧力振動と変
位振動との間の位相差を９０°により近づけ、蓄冷器の
熱輸送能力をより向上させていた。（ Proc. Fifth Int
ernational Cryocooler conf. (1988) P.127 ）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記したバツ
フアタンクをヘルムホルツ共振器として作用させてパル
ス管低温端での圧力と変位の位相差を９０°により近づ
けるパルス管式冷凍機であると、作動流体の駆動周波数
ωが位相調節器の共振周波数ω0 によつて制限されるこ
ととなる。
フアタンクをヘルムホルツ共振器として作用させてパル
ス管低温端での圧力と変位の位相差を９０°により近づ
けるパルス管式冷凍機であると、作動流体の駆動周波数
ωが位相調節器の共振周波数ω0 によつて制限されるこ
ととなる。
【０００６】故に、本発明は、作動流体の駆動周波数が
制限を受けることがなく、パルス管低温端での作動流体
の圧力振動と変位振動との間の位相差を９０°により近
づけて蓄冷器の熱輸送能力をより向上させることを、そ
の技術的課題とするものである。
制限を受けることがなく、パルス管低温端での作動流体
の圧力振動と変位振動との間の位相差を９０°により近
づけて蓄冷器の熱輸送能力をより向上させることを、そ
の技術的課題とするものである。
【０００７】
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記技術的課題を解決す
るために本発明において講じた技術的手段は、圧力振動
発生源によつて互いに逆位相で圧縮膨張作用され且つ逆
位相で振動させられる作動流体が充填された第１及び第
２の空間と、該第１の空間と第２の空間とを一対の放熱
器及び蓄冷器を介して連結するパルス管と、該パルス管
内の前記蓄冷器間に配設され前記圧力振動発生源に対し
て所定の位相差をもつて作動する位相制御振動子と、該
位相制御振動子の圧力振動発生源に対する位相差を制御
する制御手段とを有したことである。
るために本発明において講じた技術的手段は、圧力振動
発生源によつて互いに逆位相で圧縮膨張作用され且つ逆
位相で振動させられる作動流体が充填された第１及び第
２の空間と、該第１の空間と第２の空間とを一対の放熱
器及び蓄冷器を介して連結するパルス管と、該パルス管
内の前記蓄冷器間に配設され前記圧力振動発生源に対し
て所定の位相差をもつて作動する位相制御振動子と、該
位相制御振動子の圧力振動発生源に対する位相差を制御
する制御手段とを有したことである。
【０００９】
【作用】上記技術的手段は次のように作用する。パルス
管低温端での作動流体の圧力振動と変位振動との間の位
相差を調整する位相制御振動子は、互いに逆位相で圧縮
膨張作用されることによる第１の空間に連結される側の
系と第２の空間に連結される側の系の圧力差によつて駆
動され、共振を必要としない。これにより、作動流体の
駆動周波数は制限を受け得ない。又、制御手段により位
相制御振動子の圧力振動発生源に対する位相差が制御さ
れるので、パルス管低温端での作動流体の圧力振動と変
位振動との間の位相差を任意に制御し得、これにより、
その位相差を９０°により近づけて蓄冷器の熱輸送能力
を向上させ得る。
管低温端での作動流体の圧力振動と変位振動との間の位
相差を調整する位相制御振動子は、互いに逆位相で圧縮
膨張作用されることによる第１の空間に連結される側の
系と第２の空間に連結される側の系の圧力差によつて駆
動され、共振を必要としない。これにより、作動流体の
駆動周波数は制限を受け得ない。又、制御手段により位
相制御振動子の圧力振動発生源に対する位相差が制御さ
れるので、パルス管低温端での作動流体の圧力振動と変
位振動との間の位相差を任意に制御し得、これにより、
その位相差を９０°により近づけて蓄冷器の熱輸送能力
を向上させ得る。
【００１０】
【実施例】以下、本発明の実施例を添付図面に基づいて
説明する。
説明する。
【００１１】図１に示されるように、圧縮器１は、シリ
ンダ２とシリンダ２内に配設された可動ピストン３とか
ら構成されている。この可動ピストン３はリンク機構４
を介して駆動モータ５に連結されており、駆動モータ５
の駆動によつてシリンダ１内を往復動する。シリンダ１
内には可動ピストン３を挟んでその両側に第１の空間６
及び第２の空間７が区画形成されている。この第１の空
間６及び第２の空間７は可動ピストン３の可動によつて
交互に圧縮空間又は膨張空間となる。第１の空間６及び
第２の空間７には熱交換器８，９及び蓄冷器１０，１１
が夫々連結されており、更に、両蓄冷器１０，１１はパ
ルス管１２を介して連結されて、閉空間を形成してい
る。
ンダ２とシリンダ２内に配設された可動ピストン３とか
ら構成されている。この可動ピストン３はリンク機構４
を介して駆動モータ５に連結されており、駆動モータ５
の駆動によつてシリンダ１内を往復動する。シリンダ１
内には可動ピストン３を挟んでその両側に第１の空間６
及び第２の空間７が区画形成されている。この第１の空
間６及び第２の空間７は可動ピストン３の可動によつて
交互に圧縮空間又は膨張空間となる。第１の空間６及び
第２の空間７には熱交換器８，９及び蓄冷器１０，１１
が夫々連結されており、更に、両蓄冷器１０，１１はパ
ルス管１２を介して連結されて、閉空間を形成してい
る。
【００１２】両蓄冷器１０，１１間のパルス管１２内に
は位相制御振動子１３が配設されている。この位相制御
振動子１３は、可動ピストン３の往復動による充填され
た作動流体（ヘリウム，ネオン，アルゴン，窒素，水
素，空気等）の圧力の変動により可動ピストン３に対し
て適当な位相差をもつて振動する。この位相制御振動子
１３は、永久磁石であり、その回りにはコイル１４が配
設されている。これにより、位相制御振動子１３の運動
エネルギーが電気的エネルギーとして取り出される。コ
イル１４には制御ボツクス１５が接続されており、制御
ボツクス１５内の負荷抵抗）にて逆に取り出す電気エネ
ルギーを制御することにより位相制御振動子１３の可動
ピストン３に対する位相差（位相制御振動子１３の振動
と可動ピストンの作動による圧力振動との位相差）が制
御される。
は位相制御振動子１３が配設されている。この位相制御
振動子１３は、可動ピストン３の往復動による充填され
た作動流体（ヘリウム，ネオン，アルゴン，窒素，水
素，空気等）の圧力の変動により可動ピストン３に対し
て適当な位相差をもつて振動する。この位相制御振動子
１３は、永久磁石であり、その回りにはコイル１４が配
設されている。これにより、位相制御振動子１３の運動
エネルギーが電気的エネルギーとして取り出される。コ
イル１４には制御ボツクス１５が接続されており、制御
ボツクス１５内の負荷抵抗）にて逆に取り出す電気エネ
ルギーを制御することにより位相制御振動子１３の可動
ピストン３に対する位相差（位相制御振動子１３の振動
と可動ピストンの作動による圧力振動との位相差）が制
御される。
【００１３】次に作動について説明する。
【００１４】駆動モータ５を駆動させると、可動ピスト
ン３が往復動し、第１の空間６に連結される側の系及び
第２の空間７に連結される側の系の充填された可動流体
が互いに逆位相で振動され、その圧力に変動が引き起こ
される。この結果、作動流体の圧力振動と変位振動との
間に適当な位相差が生じて蓄冷器１０，１１内の熱輸送
が行われ、パルス管１２の蓄冷器１０，１１側の端（パ
ルス管１２の両低温端）が冷やされる。この時、位相制
御振動子１３は第１の空間６に連結される側の系と第２
の空間７に連結される側の系の圧力差によつて駆動さ
れ、制御ボツクス１５によつて位相制御振動子１３の可
動ピストン３に対する位相差が制御されることにより、
パルス管１２の低温端での作動流体の圧力振動と変位振
動との間の位相差がより９０°に近づくように調整され
る。これにより、蓄冷器１０，１１の熱輸送能力が向上
し、パルス管１２の蓄冷器１０，１１側の端がより冷や
される。尚、位相制御振動子１３は可動ピストン３と同
期して駆動されると共に、第１の空間６に連結される側
の系及び第２の空間７に連結される側の系の両方に対し
て同等に作用する。
ン３が往復動し、第１の空間６に連結される側の系及び
第２の空間７に連結される側の系の充填された可動流体
が互いに逆位相で振動され、その圧力に変動が引き起こ
される。この結果、作動流体の圧力振動と変位振動との
間に適当な位相差が生じて蓄冷器１０，１１内の熱輸送
が行われ、パルス管１２の蓄冷器１０，１１側の端（パ
ルス管１２の両低温端）が冷やされる。この時、位相制
御振動子１３は第１の空間６に連結される側の系と第２
の空間７に連結される側の系の圧力差によつて駆動さ
れ、制御ボツクス１５によつて位相制御振動子１３の可
動ピストン３に対する位相差が制御されることにより、
パルス管１２の低温端での作動流体の圧力振動と変位振
動との間の位相差がより９０°に近づくように調整され
る。これにより、蓄冷器１０，１１の熱輸送能力が向上
し、パルス管１２の蓄冷器１０，１１側の端がより冷や
される。尚、位相制御振動子１３は可動ピストン３と同
期して駆動されると共に、第１の空間６に連結される側
の系及び第２の空間７に連結される側の系の両方に対し
て同等に作用する。
【００１５】上記したように、位相制御振動子１３は第
１の空間６に連結される側の系と第２の空間６に連結さ
れる側の系の圧力差によつて駆動されるので、その駆動
に共振動作を必要としない。これにより、作動流体の駆
動周波数は何ら制限を受けず、自由に設定できる。又、
制御ボツクス１５により、取り出した位相制御振動子１
３の運動エネルギーの一部に相当する電気的エネルギー
の量（発電量）を制御することによつて、冷凍機を、最
適な状態を見出しながら運転させることができる。
１の空間６に連結される側の系と第２の空間６に連結さ
れる側の系の圧力差によつて駆動されるので、その駆動
に共振動作を必要としない。これにより、作動流体の駆
動周波数は何ら制限を受けず、自由に設定できる。又、
制御ボツクス１５により、取り出した位相制御振動子１
３の運動エネルギーの一部に相当する電気的エネルギー
の量（発電量）を制御することによつて、冷凍機を、最
適な状態を見出しながら運転させることができる。
【００１６】尚、図１においては、第１空間６及び第２
の空間７を可動ピストン３によつて圧縮作用させている
が、図２に示される如く、第１の空間６及び第２の空間
７に圧縮機１６を夫々吐出弁１７，１８及び吸入弁１
９，２０介して連結し、吐出弁１７，１８及び吸入弁１
９，２０を逆位相で且つ交互に作動させることによつて
第１の空間６及び第３の空間７を圧縮膨張作用させても
よい。
の空間７を可動ピストン３によつて圧縮作用させている
が、図２に示される如く、第１の空間６及び第２の空間
７に圧縮機１６を夫々吐出弁１７，１８及び吸入弁１
９，２０介して連結し、吐出弁１７，１８及び吸入弁１
９，２０を逆位相で且つ交互に作動させることによつて
第１の空間６及び第３の空間７を圧縮膨張作用させても
よい。
【００１７】又、図１においては、位相制御振動子１３
は常温の所に配置されているが、図３に示す如く、パル
ス管１２を短くして低温の所に配置してもよい。この場
合、波動式冷凍機は、スターリング冷凍機として作用す
ることとなる。又、この場合、図４に示される如く、位
相制御振動子１３が各段階毎に夫々最適な位相差で駆動
され各段階毎に独立した熱輸送能力に調節し得る多段化
も可能となる。
は常温の所に配置されているが、図３に示す如く、パル
ス管１２を短くして低温の所に配置してもよい。この場
合、波動式冷凍機は、スターリング冷凍機として作用す
ることとなる。又、この場合、図４に示される如く、位
相制御振動子１３が各段階毎に夫々最適な位相差で駆動
され各段階毎に独立した熱輸送能力に調節し得る多段化
も可能となる。
【００１８】更に、図５に示す如く、蓄冷器１０，１１
を熱接触されて向流型蓄冷器２１としてもよい。この場
合、第１の空間６に連結される側の系の作動流体と第２
の空間７に連結される側の系の作動流体との間で直接熱
の引渡しを行うことができ、蓄冷材の熱容量が不足する
ような低温でも動作可能となる。
を熱接触されて向流型蓄冷器２１としてもよい。この場
合、第１の空間６に連結される側の系の作動流体と第２
の空間７に連結される側の系の作動流体との間で直接熱
の引渡しを行うことができ、蓄冷材の熱容量が不足する
ような低温でも動作可能となる。
【００１９】
【発明の効果】本発明は、圧力振動発生源によつて互い
に逆位相で圧縮膨張作用され且つ逆位相で振動させられ
る作動流体が充填された第１及び第２の空間と、該第１
の空間と第２の空間とを一対の放熱器及び蓄冷器を介し
て連結するパルス管と、該パルス管内の前記蓄冷器間に
配設され前記圧力振動発生源に対して所定の位相差をも
つて作動する位相制御振動子と、該位相制御振動子の圧
力振動発生源に対する位相差を制御する制御手段とを有
して波動式冷凍機を構成したので、作動流体の駆動周波
数が制限を受けることなく、パルス管低温端での作動流
体の圧力振動と変位振動との間の位相差を９０°により
近づけて蓄冷器の熱輸送能力をより向上させることがで
きる。
に逆位相で圧縮膨張作用され且つ逆位相で振動させられ
る作動流体が充填された第１及び第２の空間と、該第１
の空間と第２の空間とを一対の放熱器及び蓄冷器を介し
て連結するパルス管と、該パルス管内の前記蓄冷器間に
配設され前記圧力振動発生源に対して所定の位相差をも
つて作動する位相制御振動子と、該位相制御振動子の圧
力振動発生源に対する位相差を制御する制御手段とを有
して波動式冷凍機を構成したので、作動流体の駆動周波
数が制限を受けることなく、パルス管低温端での作動流
体の圧力振動と変位振動との間の位相差を９０°により
近づけて蓄冷器の熱輸送能力をより向上させることがで
きる。
【００２０】又、前記位相制御振動子を永久磁石とし且
つ前記位相制御振動子周りにコイルを巻回して発電機を
構成し、前記位相制御振動子の受ける運動エネルギーを
電気的エネルギーとして変換し、更に、制御手段によつ
て、前記変換された電気的エネルギーを制御して前記位
相制御振動子の前記圧力振動発生源に対する位相差を制
御するようにしたので、その制御が容易で蓄冷機の熱輸
送能力を使用目的（冷却速度や冷凍効率等）に合わせて
任意に調整することができる。
つ前記位相制御振動子周りにコイルを巻回して発電機を
構成し、前記位相制御振動子の受ける運動エネルギーを
電気的エネルギーとして変換し、更に、制御手段によつ
て、前記変換された電気的エネルギーを制御して前記位
相制御振動子の前記圧力振動発生源に対する位相差を制
御するようにしたので、その制御が容易で蓄冷機の熱輸
送能力を使用目的（冷却速度や冷凍効率等）に合わせて
任意に調整することができる。
【００２１】更に、前記蓄冷器，前記パルス管，前記位
相制御振動子及び前記制御手段を組とし、該組を複数個
連結して多段としたので、位相制御振動子が各組毎に夫
々最適な位相差で駆動することにより、各組毎に独立し
た熱輸送能力に調整することができる。
相制御振動子及び前記制御手段を組とし、該組を複数個
連結して多段としたので、位相制御振動子が各組毎に夫
々最適な位相差で駆動することにより、各組毎に独立し
た熱輸送能力に調整することができる。
【図１】本発明に係る波動式冷凍機を示す説明図であ
る。
る。
【図２】図１の第１の変形例を示す説明図である。
【図３】図１の第２の変形例を示す説明図である。
【図４】図１の第３の変形例を示す説明図である。
【図５】図１の第４の変形例を示す説明図である。
３ 可動ピストン（圧力振動発生源） ６ 第１の空間 ７ 第２の空間 ８，９ 熱交換器（放熱器） １０，１１ 蓄冷器 １２ パルス管 １３ 位相制御振動子 １４ コイル １５ 制御ボツクス（制御手段）
Claims (4)
- 【請求項１】 圧力振動発生源によつて互いに逆位相で
圧縮膨張作用され且つ逆位相で振動させられる作動流体
が充填された第１及び第２の空間と、該第１の空間と第
２の空間とを一対の放熱器及び蓄冷器を介して連結する
パルス管と、該パルス管内の前記蓄冷器間に配設され前
記圧力振動発生源に対して所定の位相差をもつて作動す
る位相制御振動子と、該位相制御振動子の圧力振動発生
源に対する位相差を制御する制御手段とを有する波動式
冷凍機。 - 【請求項２】 前記位相制御振動子を永久磁石とし且つ
前記位相制御振動子周りにコイルを巻回して発電機を構
成し、前記位相制御振動子の受ける運動エネルギーを電
気的エネルギーとして変換する請求項１記載の波動式冷
凍機。 - 【請求項３】 前記制御手段は変換された電気的エネル
ギーを制御して前記位相制御振動子の前記圧力振動発生
源に対する位相差を制御する請求項２記載の波動式冷凍
機。 - 【請求項４】 前記蓄冷器，前記パルス管，前記位相制
御振動子及び前記制御手段を組とし、該組を複数個連結
して多段とした請求項１記載の波動式冷凍機。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4009363A JP2969124B2 (ja) | 1991-11-26 | 1992-01-22 | 波動式冷凍機 |
| US08/006,855 US5275002A (en) | 1992-01-22 | 1993-01-21 | Pulse tube refrigerating system |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3-311096 | 1991-11-26 | ||
| JP31109691 | 1991-11-26 | ||
| JP4009363A JP2969124B2 (ja) | 1991-11-26 | 1992-01-22 | 波動式冷凍機 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05322337A JPH05322337A (ja) | 1993-12-07 |
| JP2969124B2 true JP2969124B2 (ja) | 1999-11-02 |
Family
ID=18013090
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4009363A Expired - Fee Related JP2969124B2 (ja) | 1991-11-26 | 1992-01-22 | 波動式冷凍機 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2969124B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101395285B1 (ko) * | 2012-08-30 | 2014-05-15 | 한국과학기술원 | 진동 방지를 위한 맥동관 냉동기 |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6938426B1 (en) * | 2004-03-30 | 2005-09-06 | Praxair Technology, Inc. | Cryocooler system with frequency modulating mechanical resonator |
| NL2013939B1 (en) * | 2014-12-08 | 2016-10-11 | Stichting Energieonderzoek Centrum Nederland | Thermo-acoustic heat pump. |
-
1992
- 1992-01-22 JP JP4009363A patent/JP2969124B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101395285B1 (ko) * | 2012-08-30 | 2014-05-15 | 한국과학기술원 | 진동 방지를 위한 맥동관 냉동기 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH05322337A (ja) | 1993-12-07 |
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|---|---|---|---|
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