JP3593713B2 - パルス管冷凍機 - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、作動ガスの流速度の変動と圧力の変動との位相を調節する位相調節機構を備えるパルス管冷凍機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のパルス管冷凍機は、圧縮ピストン等の圧力振動源と、圧力振動源に放熱器、再生器、コールドヘッドを介して結合されるパルス管と、パルス管の温端部に結合され作動ガスの圧力変動と作動ガスの動きとの間の位相を調節する位相調節機構とを備えたものである。このようなパルス管冷凍機はオリフィス型、ダブルピストン型、ダブルインレット型等に大別されるが、図３に基づいてダブルインレット型のパルス管冷凍機の構成について説明する。
【０００３】
図３において、シリンダ３内にはクランクシャフト１により往復動する圧縮ピストン２が配設され、シリンダ３との間で圧縮空間４を形成している。圧縮空間４は、第１導管１１を介して放熱器５、再生器６、コールドヘッド７、パルス管８及び熱交換器９の順に連結される。熱交換器９は、第１のオリフィス１０付の第２導管１２を介してキャパシタとしてのバッファタンク１４に連結される。第１導管１１は、第２のオリフィス１３付の第３導管１５を介して第２導管１２に連結される。ここで、第１、第２のオリフィス１０、１３は作動ガスの流れに対する抵抗となる。尚、第１、第２のオリフィス１０、１３及びバッファタンク１４により位相調節機構が構成される。
【０００４】
上記した冷凍機においては、位相調節機構が低温部から中空のパルス管８で隔てられた室温部に存在し、遠隔操作的即ち間接的に作動ガスの圧力変動と動きとの位相を調節している。つまり、パルス管８の温端部とバッファタンク１４との間を行き来する作動ガスに圧縮ピストン２の往復動により直接送られてくる作動ガスを混合することで位相調節を行っている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記した冷凍機においては、前述したように、位相調節機構が室温部に存在し、低温のコールドヘッド７に中空のパルス管８を介して連結されているので、このパルス管８を通して様々な種類の熱が流入する。ここで、この流入熱としては、例えば熱対流によるもの、室温側から低温側への作動ガスの伝導熱、パルス管７内の作動ガスの圧縮膨脹に伴う流入熱等が考えられる。これらの様々な種類の流入熱が冷凍を発生するコールドヘッド７に進入することで、冷凍能力が低下する恐れがある。
故に、本発明は、パルス管への流入熱がコールドヘッドに伝わるのを抑制することを、その技術的課題とする。
【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、基本的には、パルス管を再生器と熱接触させたことを採用する。
【０００７】
具体的には、本発明は、圧力振動源と、圧力振動源に放熱器、再生器、コールドヘッドを介して結合されるパルス管と、パルス管の温端部に結合され作動ガスの圧力変動と作動ガスの動きとの間の位相を調節する位相調節機構とを有し、パルス管は再生器に熱接触していることを特徴とするパルス管冷凍機を提供する。
【０００８】
更に、好ましくは、再生器とパルス管とが互いに隣接するように同心状に配置され、パルス管内に再生器と熱接触するように熱交換部を設けたことである。
【０００９】
【作用】
本発明によれば、パルス管を再生器に熱接触させたので、様々な熱がパルス管内へ流入しても、それらの流入熱は再生器に伝達される。このため、流入熱がコールドヘッドに伝達されるのを抑制でき、その結果、冷凍能力が向上する。
【００１０】
【実施例】
図１と図２に本発明の一例を示すが、図３の従来例と同構成部分には図３に用いたものと同符号を記す。
図１を参照する。クランクシャフト１により往復動する圧縮ピストン２が、シリンダ３内の圧縮空間４の容積を可変とする。圧縮空間４は導管１１を介して放熱器５、再生器６およびコールドヘッド７に連結され、圧縮空間４からの作動ガスはこれらの部分を介してパルス管８内に導入される。パルス管８の温端部は熱交換器（放熱器）９を有し、この熱交換器９が導管１２を介してバッファタンク１４に接続される。
【００１１】
再生器６は中空円筒体にして、その中空部内にパルス管８を配する内外二重管方式とする。コールドヘッド７が再生器６とパルス管８の上端に両者を作動ガスの流入出を可能にするよう配す。
放熱器９とバッファタンク１４とを連結する第２の導管１２に第１のオリフィス１０を、かつ第１の導管１１と第２の導管１２とを連結する第３の導管１５に第２のオリフィス１３を設ける。両オリフィス１０、１３を可変タイプ、たとえば、ニードルバルブとし、両オリフィス１０、１３が作動ガスの流れの変化や圧力振動に対する抵抗となり、これらの位相差を作る。
パルス管８の内部に、再生器６への伝熱を可能にする熱交換部１６を設ける。熱交換部１６はパルス管８の外周全域に或いは部分的に設けてもよい。
【００１２】
圧縮ピストン２が圧縮行程に入ると、冷凍機内のヘリウム等の作動ガスの圧力が上がり、作動ガスは放熱器５、再生器６、コールドヘッド７及びパルス管８の夫々の位置で振動しながら熱を吐き出す。一方、圧縮ピストン２が膨脹行程に入ると、冷凍機内のヘリウム等の作動ガスの圧力が下がり、作動ガスは放熱器５、再生器６、コールドヘッド７及びパルス管８の夫々の位置で振動しながら熱を吸い込む。ここで、位相調節機構であるバッファタンク１４、第１、第２オリフィス１０、１３により作動ガスの圧力変化と作動ガスの動きとの位相を調節することで、主に再生器６の中の作動ガスが現在の位置から一方に動いた所でその位置に存在する蓄冷材から熱を吸い、他方に動いてその位置に存在する蓄冷材に熱を吐くことを実現できる。
【００１３】
つまり、再生器６内に分布している作動ガスが夫々の位置で往復動しながら蓄冷材に対して熱の吸い吐きを行うことで、熱は再生器６の中を低温側から高温側へあたかも熱のバケツリレーの如く汲み上げられていく。その結果、再生器６の低温側に連結されるコールドヘッド７の温度が下がって冷凍を発生すると共に、高温側に熱が輸送されて外部に放出される。このように、位相調節機構を用いて作動ガスの圧力変化と作動ガスの動きとの位相を調整することにより、効率良く熱を汲み上げることが可能になる。
【００１４】
冷凍機の駆動時に、対流による熱、室温側から低温側への作動ガスの伝導熱、パルス管７内の作動ガスの圧縮膨脹に伴う熱等がパルス管８内に流入するが、その流入熱は熱交換部１６を介して隣接する再生器６に伝達され、コールドヘッド７への伝熱が抑制される。ここで、再生器６に伝達された流入熱は、高温側（放熱器５側）に汲み上げられ、放熱器５にて外部に放出される。
【００１５】
両オリフィス１０、１３が作動ガスの流れの変化と圧力変動に対する抵抗となり、作動ガスの動きと圧力変動との間の位相差範囲の調整を可能にする。
以上示したように、本実施例では、パルス管８を熱交換部１６を介して再生器６と熱接触させたので、前述の如くパルス管８への流入熱が再生器６に伝達され、コールドヘッド７への伝熱が抑制される。その結果、コールドヘッド７における冷凍能力が向上する。
又、パルス管８と再生器６とを互いに隣接するように同心状に配置し、パルス管８の内部に熱交換部１６を再生器６と熱接触するように配置したので、熱交換部１６の長さが略パルス管８径になることから、パルス管と再生器とを直列に配置した場合やパルス管と再生器とを所定の間隔をおいて並列に配置した場合における熱交換部の長さよりも短くできる。つまり、熱交換部１６の長さが最短となる。その結果、パルス管８から再生器６への伝熱量が最も多くなる。
又、パルス管８の内部に熱交換部１６を配置したので、熱交換部を外部に配置する場合と比較して、占有スペースを小にでき、その分冷凍機が小型化する。
【００１６】
図２に示す例は、二段構造のパルス管冷凍機で基本的には図１の例と大差はない。
第１の再生器６と第２の再生器６′とを第１のコールドヘッド７を介して縦列に配す。両再生器６、６′の中空部内に第２のパルス管８′を配し、第１の再生器６の外周側に第１のパルス管８を筒状に配す。第１の再生器６は第１のコールドヘッド７を介して第２の再生器６′と第１のパルス管８に連結される。第２のコールドへッド７′を第２の再生器６′と第２のパルス管８′との結合部に設ける。
放熱器９とバッファタンク１４とを連結する第２の導管１２に第１のオリフィス１０を、かつ第１の導管１１と第２の導管１２とを連結する第３の導管１５に第２のオリフィス１３を設ける。
放熱器９′とバッファタンク１４とを連結する第２の導管１２′に第３のオリフィス１０′を、かつ第１の導管１１と第２の導管１２′とを連結する第３の導管１５′に第４のオリフィス１３′を設ける。
【００１７】
図２に示す例の作用は、図１の例と実質的に同じなので説明を省略するが、本例では第１のコールドヘッド７で７０−８０Ｋ、第２のコールドヘッド７′で２０−３０Ｋの極低温を出力する。
【００１８】
尚、本実施例では、ダブルインレット型のパルス管冷凍機について説明したが、本発明はこれに限定される必要はなく、オリフィス型、ダブルピストン型、４バルブ型等の全てのパルス管冷凍機に適用できる。
【００１９】
【効果】
本発明によれば、パルス管を再生器に熱接触させたので、様々な熱がパルス管内へ流入しても、それらの流入熱は再生器に伝達される。このため、流入熱がコールドヘッドに伝達されるのを抑制でき、その結果、冷凍能力が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一例の断面図である。
【図２】本発明の他の例の断面図である。
【図３】従来例の断面図である。
【符号の説明】
１ クランクシャフト
２ 圧縮ピストン
４ 圧縮空間
５ 放熱器
６、６′ 再生器
７、７′ コールドヘッド
８、８′ パルス管
９、９′ 熱交換器
１０、１０′ オリフィス
１１、１２、１２′ 導管
１３、１３′ オリフィス
１４ バッファタンク
１５、１５′ 導管
１６ 熱交換部
【産業上の利用分野】
本発明は、作動ガスの流速度の変動と圧力の変動との位相を調節する位相調節機構を備えるパルス管冷凍機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のパルス管冷凍機は、圧縮ピストン等の圧力振動源と、圧力振動源に放熱器、再生器、コールドヘッドを介して結合されるパルス管と、パルス管の温端部に結合され作動ガスの圧力変動と作動ガスの動きとの間の位相を調節する位相調節機構とを備えたものである。このようなパルス管冷凍機はオリフィス型、ダブルピストン型、ダブルインレット型等に大別されるが、図３に基づいてダブルインレット型のパルス管冷凍機の構成について説明する。
【０００３】
図３において、シリンダ３内にはクランクシャフト１により往復動する圧縮ピストン２が配設され、シリンダ３との間で圧縮空間４を形成している。圧縮空間４は、第１導管１１を介して放熱器５、再生器６、コールドヘッド７、パルス管８及び熱交換器９の順に連結される。熱交換器９は、第１のオリフィス１０付の第２導管１２を介してキャパシタとしてのバッファタンク１４に連結される。第１導管１１は、第２のオリフィス１３付の第３導管１５を介して第２導管１２に連結される。ここで、第１、第２のオリフィス１０、１３は作動ガスの流れに対する抵抗となる。尚、第１、第２のオリフィス１０、１３及びバッファタンク１４により位相調節機構が構成される。
【０００４】
上記した冷凍機においては、位相調節機構が低温部から中空のパルス管８で隔てられた室温部に存在し、遠隔操作的即ち間接的に作動ガスの圧力変動と動きとの位相を調節している。つまり、パルス管８の温端部とバッファタンク１４との間を行き来する作動ガスに圧縮ピストン２の往復動により直接送られてくる作動ガスを混合することで位相調節を行っている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記した冷凍機においては、前述したように、位相調節機構が室温部に存在し、低温のコールドヘッド７に中空のパルス管８を介して連結されているので、このパルス管８を通して様々な種類の熱が流入する。ここで、この流入熱としては、例えば熱対流によるもの、室温側から低温側への作動ガスの伝導熱、パルス管７内の作動ガスの圧縮膨脹に伴う流入熱等が考えられる。これらの様々な種類の流入熱が冷凍を発生するコールドヘッド７に進入することで、冷凍能力が低下する恐れがある。
故に、本発明は、パルス管への流入熱がコールドヘッドに伝わるのを抑制することを、その技術的課題とする。
【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、基本的には、パルス管を再生器と熱接触させたことを採用する。
【０００７】
具体的には、本発明は、圧力振動源と、圧力振動源に放熱器、再生器、コールドヘッドを介して結合されるパルス管と、パルス管の温端部に結合され作動ガスの圧力変動と作動ガスの動きとの間の位相を調節する位相調節機構とを有し、パルス管は再生器に熱接触していることを特徴とするパルス管冷凍機を提供する。
【０００８】
更に、好ましくは、再生器とパルス管とが互いに隣接するように同心状に配置され、パルス管内に再生器と熱接触するように熱交換部を設けたことである。
【０００９】
【作用】
本発明によれば、パルス管を再生器に熱接触させたので、様々な熱がパルス管内へ流入しても、それらの流入熱は再生器に伝達される。このため、流入熱がコールドヘッドに伝達されるのを抑制でき、その結果、冷凍能力が向上する。
【００１０】
【実施例】
図１と図２に本発明の一例を示すが、図３の従来例と同構成部分には図３に用いたものと同符号を記す。
図１を参照する。クランクシャフト１により往復動する圧縮ピストン２が、シリンダ３内の圧縮空間４の容積を可変とする。圧縮空間４は導管１１を介して放熱器５、再生器６およびコールドヘッド７に連結され、圧縮空間４からの作動ガスはこれらの部分を介してパルス管８内に導入される。パルス管８の温端部は熱交換器（放熱器）９を有し、この熱交換器９が導管１２を介してバッファタンク１４に接続される。
【００１１】
再生器６は中空円筒体にして、その中空部内にパルス管８を配する内外二重管方式とする。コールドヘッド７が再生器６とパルス管８の上端に両者を作動ガスの流入出を可能にするよう配す。
放熱器９とバッファタンク１４とを連結する第２の導管１２に第１のオリフィス１０を、かつ第１の導管１１と第２の導管１２とを連結する第３の導管１５に第２のオリフィス１３を設ける。両オリフィス１０、１３を可変タイプ、たとえば、ニードルバルブとし、両オリフィス１０、１３が作動ガスの流れの変化や圧力振動に対する抵抗となり、これらの位相差を作る。
パルス管８の内部に、再生器６への伝熱を可能にする熱交換部１６を設ける。熱交換部１６はパルス管８の外周全域に或いは部分的に設けてもよい。
【００１２】
圧縮ピストン２が圧縮行程に入ると、冷凍機内のヘリウム等の作動ガスの圧力が上がり、作動ガスは放熱器５、再生器６、コールドヘッド７及びパルス管８の夫々の位置で振動しながら熱を吐き出す。一方、圧縮ピストン２が膨脹行程に入ると、冷凍機内のヘリウム等の作動ガスの圧力が下がり、作動ガスは放熱器５、再生器６、コールドヘッド７及びパルス管８の夫々の位置で振動しながら熱を吸い込む。ここで、位相調節機構であるバッファタンク１４、第１、第２オリフィス１０、１３により作動ガスの圧力変化と作動ガスの動きとの位相を調節することで、主に再生器６の中の作動ガスが現在の位置から一方に動いた所でその位置に存在する蓄冷材から熱を吸い、他方に動いてその位置に存在する蓄冷材に熱を吐くことを実現できる。
【００１３】
つまり、再生器６内に分布している作動ガスが夫々の位置で往復動しながら蓄冷材に対して熱の吸い吐きを行うことで、熱は再生器６の中を低温側から高温側へあたかも熱のバケツリレーの如く汲み上げられていく。その結果、再生器６の低温側に連結されるコールドヘッド７の温度が下がって冷凍を発生すると共に、高温側に熱が輸送されて外部に放出される。このように、位相調節機構を用いて作動ガスの圧力変化と作動ガスの動きとの位相を調整することにより、効率良く熱を汲み上げることが可能になる。
【００１４】
冷凍機の駆動時に、対流による熱、室温側から低温側への作動ガスの伝導熱、パルス管７内の作動ガスの圧縮膨脹に伴う熱等がパルス管８内に流入するが、その流入熱は熱交換部１６を介して隣接する再生器６に伝達され、コールドヘッド７への伝熱が抑制される。ここで、再生器６に伝達された流入熱は、高温側（放熱器５側）に汲み上げられ、放熱器５にて外部に放出される。
【００１５】
両オリフィス１０、１３が作動ガスの流れの変化と圧力変動に対する抵抗となり、作動ガスの動きと圧力変動との間の位相差範囲の調整を可能にする。
以上示したように、本実施例では、パルス管８を熱交換部１６を介して再生器６と熱接触させたので、前述の如くパルス管８への流入熱が再生器６に伝達され、コールドヘッド７への伝熱が抑制される。その結果、コールドヘッド７における冷凍能力が向上する。
又、パルス管８と再生器６とを互いに隣接するように同心状に配置し、パルス管８の内部に熱交換部１６を再生器６と熱接触するように配置したので、熱交換部１６の長さが略パルス管８径になることから、パルス管と再生器とを直列に配置した場合やパルス管と再生器とを所定の間隔をおいて並列に配置した場合における熱交換部の長さよりも短くできる。つまり、熱交換部１６の長さが最短となる。その結果、パルス管８から再生器６への伝熱量が最も多くなる。
又、パルス管８の内部に熱交換部１６を配置したので、熱交換部を外部に配置する場合と比較して、占有スペースを小にでき、その分冷凍機が小型化する。
【００１６】
図２に示す例は、二段構造のパルス管冷凍機で基本的には図１の例と大差はない。
第１の再生器６と第２の再生器６′とを第１のコールドヘッド７を介して縦列に配す。両再生器６、６′の中空部内に第２のパルス管８′を配し、第１の再生器６の外周側に第１のパルス管８を筒状に配す。第１の再生器６は第１のコールドヘッド７を介して第２の再生器６′と第１のパルス管８に連結される。第２のコールドへッド７′を第２の再生器６′と第２のパルス管８′との結合部に設ける。
放熱器９とバッファタンク１４とを連結する第２の導管１２に第１のオリフィス１０を、かつ第１の導管１１と第２の導管１２とを連結する第３の導管１５に第２のオリフィス１３を設ける。
放熱器９′とバッファタンク１４とを連結する第２の導管１２′に第３のオリフィス１０′を、かつ第１の導管１１と第２の導管１２′とを連結する第３の導管１５′に第４のオリフィス１３′を設ける。
【００１７】
図２に示す例の作用は、図１の例と実質的に同じなので説明を省略するが、本例では第１のコールドヘッド７で７０−８０Ｋ、第２のコールドヘッド７′で２０−３０Ｋの極低温を出力する。
【００１８】
尚、本実施例では、ダブルインレット型のパルス管冷凍機について説明したが、本発明はこれに限定される必要はなく、オリフィス型、ダブルピストン型、４バルブ型等の全てのパルス管冷凍機に適用できる。
【００１９】
【効果】
本発明によれば、パルス管を再生器に熱接触させたので、様々な熱がパルス管内へ流入しても、それらの流入熱は再生器に伝達される。このため、流入熱がコールドヘッドに伝達されるのを抑制でき、その結果、冷凍能力が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一例の断面図である。
【図２】本発明の他の例の断面図である。
【図３】従来例の断面図である。
【符号の説明】
１ クランクシャフト
２ 圧縮ピストン
４ 圧縮空間
５ 放熱器
６、６′ 再生器
７、７′ コールドヘッド
８、８′ パルス管
９、９′ 熱交換器
１０、１０′ オリフィス
１１、１２、１２′ 導管
１３、１３′ オリフィス
１４ バッファタンク
１５、１５′ 導管
１６ 熱交換部
Claims (3)
- 圧力振動源と、前記圧力振動源に放熱器、再生器、コールドヘッドを介して結合されるパルス管と、前記パルス管の温端部に結合され作動ガスの圧力変動と作動ガスの動きとの間の位相を調節する位相調節機構とを有し、前記パルス管は前記再生器に熱接触していることを特徴とするパルス管冷凍機。
- 前記再生器と前記パルス管とが互いに隣接するように同心状に配置され、前記パルス管内に前記再生器と熱接触するように熱交換部が設けられていることを特徴とする請求項１記載のパルス管冷凍機。
- 第１のコールドヘッドを介在させて中空円筒状の第１の再生器と第２の再生器との中空部に前記両再生器と同心関係に配された第２のパルス管と、前記第１の再生器の外周側に配された第１のパルス管と、前記第１の再生器に第１の放熱器を介して結合される圧力振動源と、前記第２のパルス管と前記第２の再生器とを結合する第２のコールドヘッドと、前記第１、第２のパルス管の温端部に結合され作動ガスの圧力変動と作動ガスの動きとの間の位相を調節する位相調節機構とを有し、前記第１、第２のパルス管の少なくとも何れか一方の内部に熱交換部が第１の再生器と熱接触するように設けられていることを特徴とするパルス管冷凍機。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP07286094A JP3593713B2 (ja) | 1994-03-18 | 1994-03-18 | パルス管冷凍機 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP07286094A JP3593713B2 (ja) | 1994-03-18 | 1994-03-18 | パルス管冷凍機 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07260269A JPH07260269A (ja) | 1995-10-13 |
| JP3593713B2 true JP3593713B2 (ja) | 2004-11-24 |
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