JP3604733B2 - パルスチューブ冷凍機 - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、ヘリウム、水素、空気等のガスを、ガス圧力源により断熱膨張させることで、超電導体の冷却に供し得る極低温領域から、冷蔵、冷房等の零度付近の温度領域にわたる広範囲の需要に供し得て簡潔構造である所謂パルスチューブ冷凍機の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
既知の通りパルスチューブ冷凍機は、従来からあるスターリング冷凍機におけるピストンを、ガスで置換するようにしたもので、近年冷凍効率の向上と最低到達温度の低下が実現されつつあることから、注目を集めるようになって来ている。ここで、上記スターリング冷凍機なるものは、図６の（Ａ）に例示する如き構成を有し、モータ駆動部Ａによって圧縮ピストンＢを稼動し、これにより室温空間Ｃを圧縮することで全体の圧力が上昇し、この時発生する熱は室温空間Ｃの冷却によって、外部へ放出される（圧縮プロセス）ことになる。
【０００３】
さらに、膨張ピストンＤが、外部である仕事回収部Ｅへ仕事を行いながら、冷却空間Ｆを増加させる事により、全体の圧力が低下し、これにより低温空間Ｆの温度が下降する（膨張プロセス）のであり、次いで、膨張ピストンＤが低温空間Ｆの冷却ガスを、再生熱交換器Ｇ（金網、金属粒等）を通して、室温空間Ｃ側へ追い出し、同時に圧縮ピストンＢも動くため、圧力は一定のままで熱の発生はなく、発生した上記の冷熱は。再生熱交換器Ｇに蓄えられて、次のプロセスにおけるガスの冷却に用いられる（移動プロセス）のである。
【０００４】
このスターリング冷凍機に対し、パルスチューブ冷凍機としては、ピストン型パルスチューブ冷凍機（図６（Ｂ））、バルブ型パルスチューブ冷凍機（図６（Ｃ））、オリフィス型パルスチューブ冷凍機（図７）が知られており、上記ピストン型パルスチューブ冷凍機は、前記スターリング冷凍機における膨張ピストンＤの大部分が、ガスピストンＨに置換されたもので、これによるときは、ガスピストンＨが圧力に応じて伸縮するため、スターリング冷凍機より効率が低下するものの、膨張ピストンＤ１ がＤよりも軽量化されると共に、低温で動作する部分がなくなることから、高速運転も可能となる。
【０００５】
次に、上記のバルブ型パルスチューブ冷凍機は、スターリング冷凍機のモータ駆動部Ａと圧縮ピストンＢ、膨張ピストンＤと仕事回収部Ｅを、夫々高圧ガスＩ１ の流入側バルブＪ１ と低圧ガスＩ２ の流出側バルブＪ２ と、低圧ガスＫ１ の流出側バルブＬ１ と高圧ガスＫ２ の流入側バルブＬ２ とに置換してしまうことにより、すべての駆動部分を排除可能としたものであるが、スターリング冷凍機のように膨張ピストンＤによる仕事の回収が無いために効率は低下する欠陥がある。
【０００６】
また、前記のオリフィス型パルスチューブ冷凍機は、図７の如くパルス管Ｍ側における前記の流出側バルブＬ１ と流入側バルブＬ２ を、オリフィスバルブＮとバッファタンクＯに置換したことで、装置全体の簡略化が図られているが、効率の向上は期待できないものとなっている。ここで図中Ｐは圧縮機で、Ｑ１ とＱ２ は夫々高圧側圧力容器と低圧側圧力容器を示し、Ｒ１ 、Ｒ２ は冷却水による熱交換器で、Ｓは低温部、Ｔは低温側熱交換器である。
【０００７】
さらに、図８に示した従来のパルスチューブ冷凍機にあっては、シリンダＰ１ とピストンＰ２ とにより圧縮機Ｐに、放熱部Ｕを介して蓄冷材である再生熱交換器Ｇを具備した蓄冷器Ｖが連設され、蓄冷器Ｖに低温部Ｓを介して連設のパルス管Ｍが連設されている構成は、前記の従来例と同様であるが、このパルス管Ｍには、その高温端部Ｍ１ から小容器Ｗを連設し、当該小容器Ｗの上端開口部に、順次平板状フィルタＸを介して、水素吸蔵合金Ｙを添設するようにしたものも知られている。しかし、これは当該水素吸蔵合金Ｙを小容器Ｗに付設して、パルス管Ｍから流入する水素ガスを吸蔵することで、バッファ容積を大きくしただけのものに過ぎない。また、このような水素吸蔵合金を蓄冷器Ｖの前段に配設し、これに吸蔵されている水素ガスを、加温により蓄冷器Ｖ内に圧送する圧縮器として使用することも知られている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように構成されているパルスチューブ冷凍機によるときは、確かに次のような利点が存する。すなわち、バルブ以外に動作する部分がないため、長期の信頼性を有し、ピストンを用いないので精密加工の要なく低コストの製造が可能である、また、バルブ、再生熱交換器、パルス管等の機器構成が簡潔であるため超小型から大型まで、あらゆるサイズが可能であり、種々のガス圧力源であるＨｅ、Ｈ２ 、空気等に対し、低圧力比（圧力比で２以下）にて冷熱の発生が可能となる。
【０００９】
しかし、上記の如き従来のパルスチューブ冷凍機にあっては、パルス管側にあって仕事を回収すること、それ自体が困難であるだけでなく、その回収につき考慮が充分払われなかったことから、その効率が低く、この結果、仕事を回収して入力エネルギに戻すための複雑な機構をもったピストンタイプの冷凍機に比し、可成り効率の点で劣ることとなる。
【００１０】
本発明は、上記の如きパルスチューブ冷凍機に関し、前記従来例の欠陥を解消しようとするもので、請求項１によるときは、圧縮機構により生じた高圧側圧力源と低圧側圧力源とを用いるようにしたパルスチューブ冷凍機にあって、パルス管室温部に回収用制御バルブを介して回収側圧力容器を設けると共に、排出用制御バルブを介して排出側圧力容器を設けるようにし、当該両圧力容器の圧力差を利用して機械式膨張機等による発電を行うといった手段でエネルギを導出し、当該エネルギを前掲圧縮機構の入力側に戻すことにより、前記パルスチューブ冷凍機の各種長所を損なうことなしに、効率を高めようとするのが、その目的である。
【００１１】
次に請求項２にあっては、前記の従来例にあっても用いられている水素吸蔵合金を利用するのであるが、当該水素吸蔵合金に加えられた熱エネルギによって発生する水素ガス圧力源を用いるように、しかも、パルス管室温部に、回収用制御バルブを介して水素吸蔵合金を封入の回収側圧力容器と、排出用制御バルブを介して、これまた水素吸蔵合金を封入の排出側圧力容器とを設けるようにし、上記の回収側圧力容器内における水素吸蔵合金の発熱エネルギに着目し、これを前記水素ガス圧力源に対する入力熱エネルギに戻すことで、請求項１と同じく冷凍効率を向上しようとしている。
【００１２】
請求項３のパルスチューブ冷凍機にあっては、上記の請求項２の機構に加えて、前記水素発生源側である蓄冷器に低圧切替バルブを介して水素吸蔵合金を封入した低圧側圧力容器における発熱エネルギを、前記の排出側圧力容器における水素吸蔵合金の水素ガス排出用に供与可能とすることで、さらに、当該冷凍機の効率をよくしようとしている。
【００１３】
請求項４におけるパルスチューブ冷凍機では、上記請求項３における高圧側圧力容器の水素吸蔵合金を温水により加温し、当該温水を更に回収側圧力容器に送流して、ここで当該水素吸蔵合金の発熱エネルギを吸熱し、さらに吸熱温水を入力熱エネルギ源となるよう循環温水路を構成すると共に、冷水供給用配管を設けることで、これを流れる冷却水により、低圧側圧力容器の水素吸蔵合金を冷却し、これにより昇温した冷却水を、そのまま排出してしまうことなしに、排出側圧力容器の水素吸蔵合金を加温することに消費することによって、前記請求項３の目的を達成しようとしている。
【００１４】
そして、更に請求項４の第２の目的は、前記の循環温水路から並列に分岐した切替用循環水路と、前記冷水供給用配管とは別に切替用冷水供給用配管を配設することによって、上記切替用循環水路の温水によって、低圧側圧力容器と排出側圧力容器との水素ガス吸蔵量が限界に達した水素吸蔵合金を過熱することで、これを再生可能にすると共に、上記切替用冷水供給管の冷却水によって、高圧側圧力容器と回収側圧力容器との水素ガス放出量が限界に達した水素吸蔵合金を冷却することで、水素ガスの吸蔵状態に復原し、これまた再度冷凍機としての使用が可能となるようにすることである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係るパルスチューブ冷凍機は所期の目的を達成するために下記の課題手段を特徴とする。すなわち請求項１に記載されたパルスチューブ冷凍機は、再生熱交換器を内蔵した蓄冷器には、圧縮機構により生ずる高圧側圧力源を、順次連設の高圧側圧力容器と高圧切替バルブを介し、上記圧縮機構により生ずる低圧側圧力源を、順次連設の低圧側圧力容器と低圧切替バルブを介して夫々連設し、当該蓄冷器に低温部を介して連通のパルス管におけるパルス管室温部には、夫々回収用制御バルブを介して回収側圧力容器と、排出用制御バルブを介して排出側圧力容器とを夫々連設し、上記の回収側圧力容器と排出側圧力容器との間には、当該両圧力容器の圧力差で稼動させることによりエネルギ源が得られるものであって機械的膨張機による発電装置からなる仕事回収機構を連設し、該仕事回収機構の稼動で得られるエネルギ源を、前記の圧縮機構稼動用の入力エネルギとして帰還させるものであることを特徴とする。
【００１６】
請求項２では、再生熱交換器を内蔵した蓄冷器には、高圧切替バルブを介して、熱入力により吸蔵水素ガスを放出する水素吸蔵合金の封入された高圧側圧力容器と、低圧切替バルブを介して、放熱により蓄冷器から流入の水素ガスを吸蔵する水素吸蔵合金の封入された低圧側圧力容器とを夫々連設し、当該蓄冷器に低温部を介して連通のパルス管におけるパルス管室温部には、夫々回収用制御バルブを介して、上記パルス管から流入の高温高圧水素ガスを、放熱により吸蔵する水素吸蔵合金の封入された回収側圧力容器と、排出用制御バルブを介して、吸熱により吸蔵水素ガスを放出する水素吸蔵合金の封入された排出側圧力容器とを夫々連設し、上記回収側圧力容器における水素吸蔵合金に、前記高温高圧ガスが吸蔵される際に発生の熱エネルギを、前記した高圧側圧力容器に付与される熱入力として帰還させるようにしたことを特徴とするパルスチューブ冷凍機を、その内容としている。
【００１７】
請求項３では、上記の請求項２における構成に加えて、低圧側圧力容器の水素吸蔵合金からの放熱による熱エネルギを、冷水による低圧側熱交換部により熱交換させ、これによる加温冷水を、前記排水側圧力容器の排水側熱交換部に供与することで、当該排水側圧力容器内の水素吸蔵合金から水素ガスを放出する熱エネルギが供与されるようにしたことを、その内容としている。
【００１８】
さらに、請求項４にあっては、上記請求項３における熱入力を高圧側圧力容器内の水素吸蔵合金に付与するため加熱放出熱回収用加温装置を設けるが、当該装置の構成が、熱入力用熱交換部とポンプとを備えた循環温水路と、冷水供給用配管とを有し、当該循環温水路には、高圧側圧力容器に内設した高圧側熱交換部と、回収側圧力容器に内設した回収側熱交換部とが直列に連結されると共に、冷水供給用配管には、低圧側圧力容器に内設の低圧側熱交換部と、排出側圧力容器に内設の排出側熱交換部とが直列に連結されていると共に、上記加熱放出熱回収用加温装置における熱入力用熱交換部とポンプの各外側端にあって、前記循環温水路に設けた第１、第２切替バルブ間には、切替用循環水路を並列に分岐して、当該切替用循環水路には、低圧側圧力容器に内設の低圧側切替熱交換部と、排出側圧力容器に内設の排出側切替熱交換部とを直列に連設し、かつ、切替用冷水供給配管には、高圧側圧力容器に内設の高圧側切替熱交換部と、回収側圧力容器に内設の回収側切替熱交換部とを直列に連結するようにしたことを、その内容としている。
【００１９】
【実施例】
本発明を図示の実施例によって説示すれば、請求項１に係るパルスチューブ冷凍機は、図１に示されている通りで、基本的には、図６の（Ｃ）による従来例として説示したものと共通した構成を有し、金網等による再生熱交換器１を内蔵した蓄冷器２には、機械式圧縮機等による圧縮機構３により生ずる高圧側圧力源３ａを、順次高圧側圧力容器４ａと高圧切替バルブ５ａを介してパイプにより連設すると共に、当該圧縮機構３によって生ずる低圧側圧力源３ｂは、順次低圧側圧力容器４ｂと低圧切替バルブ５ｂを介して、パイプにより連設されている。
【００２０】
本発明では、上記の蓄冷器２に低温部６を介して連通のパルス管７にあって、そのパルス管室温部７ａに、回収用制御バルブ８ａを介して、回収側圧力容器９ａが連設されているだけでなく、同上パルス管室温部７ａに、排出用制御バルブ８ｂを介して、排出側圧力容器９ｂが連設され、さらに、この排出側圧力容器９ｂと、上記の回収側圧力容器９ａとの間に、例えば機械的膨張機による発電装置などによる仕事回収機構１０を連設するのであり、この仕事回収機構１０は、後に詳記する通り、回収側圧力容器９ａ内におけるガスの圧力が、排出側圧力容器９ｂにおけるガスの圧力より大となることを利用し、当該圧力差によって稼動させるのである。
【００２１】
本発明では、さらに、上記のようにして導出された仕事回収機構１０の稼動により得られた電気等のエネルギ源を、前掲圧縮機構３を稼動させるための入力エネルギとして帰還させることであり、このようにして得られたエネルギ源の活用により、パルスチューブ冷凍機としての冷凍効率を向上させ得るようにしている。図１にあって１１ａは、圧縮機構３からのヘリウム、水素、空気等によるガスが、高圧側圧力容器４ａに流入する際、当該高圧ガスを冷却水によって冷却するための高圧側冷却熱交換部、１１ｂは回収側圧力容器９ａ内のガスを冷却水により冷却するための回収側冷却熱交換部、１１ｃはパルス管室温部７ａを、冷却水により冷却するためのパルス管冷却熱交換部にして、１２は、前記低温部６における冷熱により冷却される低温側熱交換部を示している。
【００２２】
そこで、上記の実施例の冷凍機を稼動させるには、前記従来例の説示からも理解されるように、高圧切替バルブ５ａを開くことで、再生熱交換器１を通過してパルス管７における低温部６に、圧縮機構３より高圧側圧力容器４ａに圧入された高圧ガスが充填され、このことで、パルス管７内における残留ガスは、上方へ向かって圧縮されることで、ガスピストン７ｂが形成され、温度上昇を伴ってパルス管室温部７ａにて高温となり、この際、前記の回収側冷却熱交換部１１ｂに供給される冷却水により冷温化される。
【００２３】
回収用制御バルブ８ａを開くことにより、パルス管７の低温部６における高圧ガスが断熱膨張により、その温度が低下する。この際、もちろんパルス管７内のガスも膨張して、温度が降下しながら、パルス管室温部７ａ側へと移動し、さらに、当該パルス管室温部７ａにあった高温ガスは、回収側圧力容器９ａ内に取り込まれ、ここで外部からの冷却水により、回収側冷却熱交換部１１ｂにより冷却される。
【００２４】
次に、低圧切替バルブ５ｂを開くと、パルス管室温部７ａのガスは、さらに膨張して、温度を低下しながら再生熱交換部１を冷却して、低圧側圧力源３ｂへ吸入され、このとき、パルス管７内部の残留ガスも、低温部６へ吸入されてパルス管７内部の残留ガスも、低温部６に向かって膨張することにより温度は降下する。
【００２５】
次に排出用制御バルブ８ｂを開くと、パルス管７の低温部６におけるガスは、排出側圧力容器９ｂのガス圧によって、再生熱交換器１側へ移動しながら等温的に圧縮され、この際、パルス管７内のガスも圧縮されて温度上昇しながら、低温部６側へ移動することとなる。以上のようなプロセスを繰り返すことによって、パルス管７の低温部６におけるガスは、再生熱交換器１に蓄えた寒冷分により低温になって行き、一方パルス管７内部の残留ガスは、圧縮による温度上昇と膨張による温度降下とを、１サイクルの中で行うため、それほど大きな熱の移動を生ずる事はない。
【００２６】
従って、上記の如き移動により、高圧側圧力容器４ａ、低圧側圧力容器４ｂ、回収側圧力容器９ａ、排出側圧力容器９ｂの四圧力容器における圧力の大きさ４ａＰ、４ｂＰ、９ａＰ、９ｂＰには相差が生じ、
４ａＰ＞９ａＰ＞９ｂＰ＞４ｂＰ
のようになる。
このため、前記の如く９ａＰ＞９ｂＰの圧力差により、回収側圧力容器９ａと排出側圧力容器９ｂ間の前記仕事回収機構１０が得たエネルギ源を、図中破線で示す通り、圧縮機構３の入力エネルギとして使用し得ることとなる。
【００２７】
次に、請求項２に係るパルスチューブ冷凍機につき図２によって詳記すると、ここでは図１の場合における冷凍機にあって、圧縮機構３や膨張機等による仕事回収機構１０を用いたのに対し、水素吸蔵合金を採択するようにしてあり、高圧側圧力容器４ａ、低圧側圧力容器４ｂ、回収側圧力容器９ａそして排出側圧力容器９ｂには、加温によって吸蔵していた水素ガスを放出したり、発熱を伴って水素ガスを吸蔵することのできる水素吸蔵合金が封入されている。
【００２８】
そして、図１と同じく再生熱交換器１をもつ蓄冷器２に、高圧切替バルブ５ａを介して、図示の熱入力１３が供給される高圧側熱交換部１４ａにより、水素吸蔵合金から吸蔵されていた水素ガスが放出されることとなる高圧側圧力容器１４ａが連設されていると共に、低圧切替バルブ５ｂを介して、放熱により、蓄冷器２から流入の水素ガスを吸蔵する水素吸蔵合金の封入された低圧側圧力容器４ｂとが、夫々連設されている。
【００２９】
また、前図と同じパルス管７におけるパルス管室温部７ａには、回収用制御バルブ８ａを介して、パルス管７から流入して来る高温高圧水素ガスを、放熱を伴って吸蔵する前記水素吸蔵合金が封入されている回収側圧力容器９ａと、排出用制御バルブ８ｂを介して、吸熱により吸蔵水素ガスを放出する水素吸蔵合金が封入の排出側圧力容器９ｂとが、夫々連設されており、上記回収側圧力容器９ａには、その水素吸蔵合金の放熱を受容する回収側熱交換部１４ｂが設けられており、ここで得られた熱エネルギを前記の熱入力１３に帰還させるようにしてある。
【００３０】
そこで、上記の冷凍機を稼動させるため、高圧切替バルブ５ａを開き、熱入力１３により高圧側圧力容器４ａに熱を加えれば、その水素吸蔵合金から放出の高圧水素ガスが、高圧側冷却熱交換部１１ｄの冷却水により冷却されて室温状態となった後、再生熱交換器１を通過してパルス管７の低温部６に充填される。このとき前記の如くパルス管７内の残留ガスは、上方へ向かって圧縮され、温度上昇しながらパルス管室温部７ａで高温となる。
【００３１】
次に、回収用制御バルブ８ａを開くと、これまた前同様にしてパルス管７内のガスも膨張し、これにより温度降下しながらパルス管室温部７ａ側へ移動し、さらに当該室温部７ａにあった高温高圧ガスは、回収側圧力容器９ａ内に取り込まれ、ここで水素吸蔵合金と吸蔵反応を起こして熱を発生する。従って、この熱は、前記の回収側熱交換部１４ｂを介して、熱入力１３に帰還され、この結果、当該熱エネルギは高圧側圧力容器４ａへの入力熱エネルギとして使用されるのであり、実際上は温水等の加温によって、熱エネルギの回収を行うようにする。図２にあって、１１ｅ、１１ｆ、１１ｇは夫々低圧側冷却熱交換部、回収側冷却熱交換部、排出側冷却熱交換部を示している。
【００３２】
さらに、低圧切替バルブ５ｂを開くと、パルス管７の低温部６は、さらに膨張して温度が低下しながら再生熱交換器１を冷却し、低圧側圧力容器４ｂの水素吸蔵合金に吸蔵され、またパルス管７の内部における残留ガスも、低温部６に向かって膨張することにより降温することになる。次に、排出用制御バルブ８ｂを開けば、室温に維持された排出側圧力容器９ｂ内の水素吸蔵合金から放出された水素ガスによって、パルス管７の低温部６の水素ガスは、再生熱交換器１側へ移動しながら等温的に圧縮されるが、この際、パルス管７内の水素ガスも圧縮され温度上昇しながら、低温部６側へ移動する。このようなプロセスを繰り返すことによって、前説の如くパルス管７の低温部６の水素ガスが、再生熱交換器１に蓄えた寒冷分をより低温化して行くのであり、一方パルス管７内の残留ガスは、圧縮より温度上昇と、膨張による温度降下を１サイクルの中で行うため、それほど大きな熱の移動を生ずることがない。
【００３３】
請求項３にあっては、上記の請求項２よりも、さらに冷凍機の効率を向上させるため、図２明示の通り低圧側圧力容器４ｂに低圧側熱交換部１５ａを、そして排出側圧力容器９ｂに排出側熱交換部１５ｂを設け、これらを直列に連結した配管に、冷却水を流過させるようにしてある。このようにすることで、低圧側圧力容器４ｂの水素吸蔵合金から放熱された熱エネルギは、当該冷却水により低圧側熱交換部１５ａにて熱交換され、このことによる加温冷却水は、上記の排出側熱交換部１５ｂに供与されることから、この排出側圧力容器９ｂにおける水素吸蔵合金から水素ガスを放出するために、必要となる熱エネルギが供給されるようになり、熱の有効な利用が加重されることになる。
【００３４】
次に、請求項４に係るパルスチューブ冷凍機につき、図３を参照してこれを詳記すると、これまた請求項２と請求項３における同様に、水素吸蔵合金を使用するのであるが、これに使用する熱入力により加温された温水を用いることで、冷凍機の効用を果たす配管系統に特徴を有し、これにより効率を向上させるだけでなく、水素吸蔵合金の吸蔵能力が飽和して限界に達したり、逆に吸蔵していた水素ガスが放出され尽してしまった際、これを再生するのに用いて好適な配管系統をも具備している。
【００３５】
上記請求項４につき以下詳記すると、前記請求項２と請求項３の内容と、その基本的構成は同じであるが、ここでは前記の熱入力３を高圧側圧力容器４ａの水素吸蔵合金に付与するための加熱放出熱回収用加温装置１６が配設されている。これは熱入力用熱交換部１６ａとポンプ１６ｂとを備えた循環温水路１６ｃと、冷水供給用配管１６ｄとを有し、当該循環温水路１６ｃには、高圧側圧力容器４ａに内設した前記の高圧側熱交換部１４ａと、回収側圧力容器９ａに内設した前記回収側熱交換部１４ｂとが直列に連結され、前掲冷水供給用配管１６ｄには、低圧側圧力容器４ｂに内設した低圧側熱交換部１５ａと、排出側圧力容器９ｂに内設の排出側熱交換部１５ｂとが、直列に連結されている。
【００３６】
さらに、上記の加熱放出熱回収用加温装置１６における熱入力用熱交換部１６ａとポンプ１６ｂの各外側端にあって、前記の循環温水路１６ｃに設けた第１、第２切替バルブ１６ｅ、１６ｆ間には、切替用循環水路１７が並列に分岐されている。この切替用循環水路１７には、低圧側圧力容器４ｂに内設の低圧側切替熱交換部１７ａと、排出側圧力容器９ｂに内設の排出側切替熱交換部１７ｂとを直列に連設してある。さらに、これとは別に切替用冷水供給配管１８が設けられており、これには高圧側圧力容器４ａに内設の高圧側切替熱交換部１８ａと、回収側圧力容器９ａに内設の回収側切替熱交換部１８ｂとを直列に連結するようにしてある。
【００３７】
上記の如き切替用循環水路１７と、切替用冷水供給配管１８を具備させるようにしたので、高圧側圧力容器４ａにおける水素吸蔵合金の放出量、低圧側圧力容器４ｂにおける水素吸蔵合金の吸蔵量が、限界に達した時点において、これを原状に復するため、それまで温水を供給していたところに冷却水を、冷却水を供給していたところには温水を供給することになる。換言すれば、加熱部と放熱部が入れ替わり、高圧側と低圧側そして回収用と排出用が、夫々入れ替わることになる。また、この際、切り替わり時の温度が安定するまで運転停止状態となるが、これを回避するためには、後述の如きバッチ式運転を行うことも考えられる。
【００３８】
すなわち、図３における復帰の操作は、第１、第２切替バルブ１６ｅ、１６ｆの切り替えにより行われ、これにより、熱入力１３よりの熱エネルギによって熱入力用熱交換部１６ａを介し得られた温水は、切替用循環水路１７に流入し、低圧側圧力容器４ｂと排出側圧力容器９ｂにおける夫々の低圧側切替熱交換部１７ａ、排出側切替熱交換部１７ｂに、当該温水が循環する。
このことで、それまで、２０℃といった冷却水を受けていた低圧側圧力容器４ｂに、９０℃程度の温水が供給され、当該水素吸蔵合金の水素ガスは加熱放出されると共に、排出側圧力容器９ｂには、８０℃程度に降温された温水が供与されることで、その水素吸蔵合金が水素ガスを吸蔵し、この結果８２℃程度に昇温した温水が、ポンプ１６ｂに帰還される。
【００３９】
一方、高圧側圧力容器４ａには、２０℃程度の冷却水が送られ、それまで９０℃程度の温水を受けていた当該水素吸蔵合金が冷却されるので、水素ガスが吸蔵されると共に、回収側圧力容器９ａにも、２５℃程度に昇温の冷却水が供給されることとなる。この結果、それまで８０℃程度の温水を受けていた当該回収側圧力容器９ａの水素吸蔵合金は、その水素ガスを放出することになり、ここからは流出する冷却水は２４℃程度となり、このようにして水素吸蔵合金は、水素ガスにつき原状に復帰するに至る。
【００４０】
上記のような復帰操作を行っている間は、もちろん当該冷凍機の運転を停止しなければならないが、この停止状態を回避する必要があるときは、当然のことながら、図４と図５に例示されるように、本発明につき上記した水素吸蔵合金使用の構成を複数ユニットだけ設けるようにしておき、一方のユニットが稼動中に、他方のユニットにつき前記の復帰操作が実施されるようにし、一方のユニットが水素ガスにつき吸蔵量、放出量が限界に達したならば、その稼動を停止し、他方のユニットを稼動させるようにすればよい。
【００４１】
すなわち、図５に示すように、上記の通り蓄冷器２に、高圧切替バルブ５ａ−高圧側圧力容器４ａと、低圧切替バルブ５ｂ−低圧側圧力容器４ｂを、そしてパルス管７に、回収用制御バルブ８ａ−回収側圧力容器９ａと、排出用制御バルブ８ｂ−排出側圧力容器９ｂを夫々設けるだけでなく、別ユニットとして、当該蓄冷器２にバッチ操作高圧切替バルブ５Ａ−バッチ操作高圧側圧力容器４Ａと、バッチ操作低圧切替バルブ５Ｂ−バッチ操作低圧側圧力容器４Ｂを、そして、パルス管７には、バッチ操作回収用制御バルブ８Ａ−バッチ操作回収側圧力容器９Ａと、バッチ操作排出用制御バルブ８Ｂ−バッチ操作排出側圧力容器９Ｂが夫々増設されている。
【００４２】
このように二組のユニットを設けることで、図４に示す通り、例えば、５ａ、５ｂ、８ａ、８ｂが開成されて、高圧側圧力容器４ａが９０℃で加熱、低圧側圧力容器４ｂが２０℃で冷却、回収側圧力容器９ａが８０℃で加熱、排出側圧力容器９ｂが２５℃で冷却されることで運転状態にあるときには、５Ａ、５Ｂ、８Ａ、８Ｂは閉成状態とし、バッチ操作高圧側圧力容器４Ａは、２０℃から９０℃に加熱し、バッチ操作低圧側圧力容器４Ｂは９０℃から２０℃に冷却し、バッチ操作回収側圧力容器９Ａは２５℃から８０℃へ加熱すると共にバッチ操作排出側圧力容器９Ｂは８０℃から２５℃まで冷却することにより運転可能状態にしておくのである。
【００４３】
次いで５ａ、５ｂ，８ａ、８ｂを閉じて、５Ａ、５Ｂ、８Ａ、８Ｂのバルブ操作により冷凍機としての運転を行い、これと併行して、高圧側圧力容器４ａを９０℃から２０℃に冷却、低圧側圧力容器４ｂを２０℃から９０℃に加熱、回収側圧力容器９ａを８０℃から２５℃に冷却し、そして排出側圧力容器９ｂを２５℃から８０℃に加熱することで、これまた次の運転可能状態を得るようにするのである。
【００４４】
【発明の効果】
本発明は以上のように構成されたものであるから、請求項１のパルスチューブ冷凍機によるときは、圧縮機構を用いて高圧側圧力源と低圧側圧力源を用いたものにおいて、回収用圧力容器と排出側圧力容器との間に生ずるガスの圧力差を利用して仕事回収機構を稼動し、これにより得られたエネルギを、圧縮機構の入力エネルギに戻すことができるため、冷凍効率の向上を図ることができる。
【００４５】
請求項２では、水素吸蔵合金に加えられた熱エネルギにより発生するガス圧力源を利用したパルスチューブ冷凍機に関し、回収側高圧容器における水素吸蔵合金の発熱エネルギを、高圧側圧力容器における水素吸蔵合金への入力エネルギとして帰還させ得るようにしたことで、これまた冷凍効率の向上を実現することができる。
【００４６】
請求項３の場合には、請求項２の効果に加えて、さらに、低圧側高圧容器から冷却水が収受した熱エネルギを、排出側高圧容器における水素吸蔵合金に対する熱エネルギとして供与するようにしたので、それだけ当該冷凍機の効率を上げることができる。
【００４７】
そして、請求項４によるときは、適切に構成の配管により、熱エネルギの媒体として温水や冷却水を適切に活用し得るようにしたので、上記請求項３と同等の冷凍効率向上を期待し得るだけでなく、切替用循環水路と、切替用冷却供給管の増設によって、水素吸蔵合金の吸蔵量や放出量が限界に達した際にあって、これを原状に復帰させて再生を可能とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るパルスチューブ冷凍機に関し、請求項１に係る一実施例を示した一部切欠の全体構成配管図である。
【図２】本発明の他実施例を示した請求項２と請求項３に係る冷凍機の一部切欠による全体構成配管説明図である。
【図３】本発明の請求項４に係る一実施例を示した一部切欠の全体構成配管図である。
【図４】請求項２と請求項３に係るパルスチューブ冷凍機にあって、これをバッチ式に運転可能とするため、二つのユニットを構成部材として付設するようにした一方のユニット稼動状態を示す要部構成説明図である。
【図５】図４のパルスチューブ冷凍機における他方のユニット稼動状態を示している要部構成説明図である。
【図６】従来の冷凍機を示し、（Ａ）はスターリング冷凍機、（Ｂ）はピストン型パルスチューブ冷凍機、（Ｃ）はバルブ型パルスチューブ冷凍機の各縦断全体構成説明図である。
【図７】従来のオリフィス型パルスチューブ冷凍機を示す一部切欠の全体構成配管図である。
【図８】従来のパルスチューブ冷凍機に係る他の例を示した一部切欠の全体構成配管図である。
【符号の説明】
１ 再生熱交換器
２ 蓄冷器
３ 圧縮機構
３ａ 高圧側圧力源
３ｂ 低圧側圧力源
４ａ 高圧側圧力容器
４ｂ 低圧側圧力容器
５ａ 高圧切替バルブ
５ｂ 低圧切替バルブ
６ 低温部
７ パルス管
７ａ パルス管室温部
８ａ 回収用制御バルブ
８ｂ 排出用制御バルブ
９ａ 回収側圧力容器
９ｂ 排出側圧力容器
１０ 仕事回収機構
１３ 熱入力
１４ａ 高圧側熱交換部
１４ｂ 回収側熱交換部
１５ａ 低圧側熱交換部
１５ｂ 排出側熱交換部
１６ 加熱放出熱回収用加温装置
１６ａ 熱入力用熱交換部
１６ｂ ポンプ
１６ｃ 循環温水路
１６ｄ 冷水供給用配管
１６ｅ 第１切替バルブ
１６ｆ 第２切替バルブ
１７ 切替用循環水路
１７ａ 低圧側切替熱交換部
１７ｂ 排出側切替熱交換部
１８ 切替用冷水供給配管
１８ａ 高圧側切替熱交換部
１８ｂ 回収側切替熱交換部
【産業上の利用分野】
本発明は、ヘリウム、水素、空気等のガスを、ガス圧力源により断熱膨張させることで、超電導体の冷却に供し得る極低温領域から、冷蔵、冷房等の零度付近の温度領域にわたる広範囲の需要に供し得て簡潔構造である所謂パルスチューブ冷凍機の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
既知の通りパルスチューブ冷凍機は、従来からあるスターリング冷凍機におけるピストンを、ガスで置換するようにしたもので、近年冷凍効率の向上と最低到達温度の低下が実現されつつあることから、注目を集めるようになって来ている。ここで、上記スターリング冷凍機なるものは、図６の（Ａ）に例示する如き構成を有し、モータ駆動部Ａによって圧縮ピストンＢを稼動し、これにより室温空間Ｃを圧縮することで全体の圧力が上昇し、この時発生する熱は室温空間Ｃの冷却によって、外部へ放出される（圧縮プロセス）ことになる。
【０００３】
さらに、膨張ピストンＤが、外部である仕事回収部Ｅへ仕事を行いながら、冷却空間Ｆを増加させる事により、全体の圧力が低下し、これにより低温空間Ｆの温度が下降する（膨張プロセス）のであり、次いで、膨張ピストンＤが低温空間Ｆの冷却ガスを、再生熱交換器Ｇ（金網、金属粒等）を通して、室温空間Ｃ側へ追い出し、同時に圧縮ピストンＢも動くため、圧力は一定のままで熱の発生はなく、発生した上記の冷熱は。再生熱交換器Ｇに蓄えられて、次のプロセスにおけるガスの冷却に用いられる（移動プロセス）のである。
【０００４】
このスターリング冷凍機に対し、パルスチューブ冷凍機としては、ピストン型パルスチューブ冷凍機（図６（Ｂ））、バルブ型パルスチューブ冷凍機（図６（Ｃ））、オリフィス型パルスチューブ冷凍機（図７）が知られており、上記ピストン型パルスチューブ冷凍機は、前記スターリング冷凍機における膨張ピストンＤの大部分が、ガスピストンＨに置換されたもので、これによるときは、ガスピストンＨが圧力に応じて伸縮するため、スターリング冷凍機より効率が低下するものの、膨張ピストンＤ１ がＤよりも軽量化されると共に、低温で動作する部分がなくなることから、高速運転も可能となる。
【０００５】
次に、上記のバルブ型パルスチューブ冷凍機は、スターリング冷凍機のモータ駆動部Ａと圧縮ピストンＢ、膨張ピストンＤと仕事回収部Ｅを、夫々高圧ガスＩ１ の流入側バルブＪ１ と低圧ガスＩ２ の流出側バルブＪ２ と、低圧ガスＫ１ の流出側バルブＬ１ と高圧ガスＫ２ の流入側バルブＬ２ とに置換してしまうことにより、すべての駆動部分を排除可能としたものであるが、スターリング冷凍機のように膨張ピストンＤによる仕事の回収が無いために効率は低下する欠陥がある。
【０００６】
また、前記のオリフィス型パルスチューブ冷凍機は、図７の如くパルス管Ｍ側における前記の流出側バルブＬ１ と流入側バルブＬ２ を、オリフィスバルブＮとバッファタンクＯに置換したことで、装置全体の簡略化が図られているが、効率の向上は期待できないものとなっている。ここで図中Ｐは圧縮機で、Ｑ１ とＱ２ は夫々高圧側圧力容器と低圧側圧力容器を示し、Ｒ１ 、Ｒ２ は冷却水による熱交換器で、Ｓは低温部、Ｔは低温側熱交換器である。
【０００７】
さらに、図８に示した従来のパルスチューブ冷凍機にあっては、シリンダＰ１ とピストンＰ２ とにより圧縮機Ｐに、放熱部Ｕを介して蓄冷材である再生熱交換器Ｇを具備した蓄冷器Ｖが連設され、蓄冷器Ｖに低温部Ｓを介して連設のパルス管Ｍが連設されている構成は、前記の従来例と同様であるが、このパルス管Ｍには、その高温端部Ｍ１ から小容器Ｗを連設し、当該小容器Ｗの上端開口部に、順次平板状フィルタＸを介して、水素吸蔵合金Ｙを添設するようにしたものも知られている。しかし、これは当該水素吸蔵合金Ｙを小容器Ｗに付設して、パルス管Ｍから流入する水素ガスを吸蔵することで、バッファ容積を大きくしただけのものに過ぎない。また、このような水素吸蔵合金を蓄冷器Ｖの前段に配設し、これに吸蔵されている水素ガスを、加温により蓄冷器Ｖ内に圧送する圧縮器として使用することも知られている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように構成されているパルスチューブ冷凍機によるときは、確かに次のような利点が存する。すなわち、バルブ以外に動作する部分がないため、長期の信頼性を有し、ピストンを用いないので精密加工の要なく低コストの製造が可能である、また、バルブ、再生熱交換器、パルス管等の機器構成が簡潔であるため超小型から大型まで、あらゆるサイズが可能であり、種々のガス圧力源であるＨｅ、Ｈ２ 、空気等に対し、低圧力比（圧力比で２以下）にて冷熱の発生が可能となる。
【０００９】
しかし、上記の如き従来のパルスチューブ冷凍機にあっては、パルス管側にあって仕事を回収すること、それ自体が困難であるだけでなく、その回収につき考慮が充分払われなかったことから、その効率が低く、この結果、仕事を回収して入力エネルギに戻すための複雑な機構をもったピストンタイプの冷凍機に比し、可成り効率の点で劣ることとなる。
【００１０】
本発明は、上記の如きパルスチューブ冷凍機に関し、前記従来例の欠陥を解消しようとするもので、請求項１によるときは、圧縮機構により生じた高圧側圧力源と低圧側圧力源とを用いるようにしたパルスチューブ冷凍機にあって、パルス管室温部に回収用制御バルブを介して回収側圧力容器を設けると共に、排出用制御バルブを介して排出側圧力容器を設けるようにし、当該両圧力容器の圧力差を利用して機械式膨張機等による発電を行うといった手段でエネルギを導出し、当該エネルギを前掲圧縮機構の入力側に戻すことにより、前記パルスチューブ冷凍機の各種長所を損なうことなしに、効率を高めようとするのが、その目的である。
【００１１】
次に請求項２にあっては、前記の従来例にあっても用いられている水素吸蔵合金を利用するのであるが、当該水素吸蔵合金に加えられた熱エネルギによって発生する水素ガス圧力源を用いるように、しかも、パルス管室温部に、回収用制御バルブを介して水素吸蔵合金を封入の回収側圧力容器と、排出用制御バルブを介して、これまた水素吸蔵合金を封入の排出側圧力容器とを設けるようにし、上記の回収側圧力容器内における水素吸蔵合金の発熱エネルギに着目し、これを前記水素ガス圧力源に対する入力熱エネルギに戻すことで、請求項１と同じく冷凍効率を向上しようとしている。
【００１２】
請求項３のパルスチューブ冷凍機にあっては、上記の請求項２の機構に加えて、前記水素発生源側である蓄冷器に低圧切替バルブを介して水素吸蔵合金を封入した低圧側圧力容器における発熱エネルギを、前記の排出側圧力容器における水素吸蔵合金の水素ガス排出用に供与可能とすることで、さらに、当該冷凍機の効率をよくしようとしている。
【００１３】
請求項４におけるパルスチューブ冷凍機では、上記請求項３における高圧側圧力容器の水素吸蔵合金を温水により加温し、当該温水を更に回収側圧力容器に送流して、ここで当該水素吸蔵合金の発熱エネルギを吸熱し、さらに吸熱温水を入力熱エネルギ源となるよう循環温水路を構成すると共に、冷水供給用配管を設けることで、これを流れる冷却水により、低圧側圧力容器の水素吸蔵合金を冷却し、これにより昇温した冷却水を、そのまま排出してしまうことなしに、排出側圧力容器の水素吸蔵合金を加温することに消費することによって、前記請求項３の目的を達成しようとしている。
【００１４】
そして、更に請求項４の第２の目的は、前記の循環温水路から並列に分岐した切替用循環水路と、前記冷水供給用配管とは別に切替用冷水供給用配管を配設することによって、上記切替用循環水路の温水によって、低圧側圧力容器と排出側圧力容器との水素ガス吸蔵量が限界に達した水素吸蔵合金を過熱することで、これを再生可能にすると共に、上記切替用冷水供給管の冷却水によって、高圧側圧力容器と回収側圧力容器との水素ガス放出量が限界に達した水素吸蔵合金を冷却することで、水素ガスの吸蔵状態に復原し、これまた再度冷凍機としての使用が可能となるようにすることである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係るパルスチューブ冷凍機は所期の目的を達成するために下記の課題手段を特徴とする。すなわち請求項１に記載されたパルスチューブ冷凍機は、再生熱交換器を内蔵した蓄冷器には、圧縮機構により生ずる高圧側圧力源を、順次連設の高圧側圧力容器と高圧切替バルブを介し、上記圧縮機構により生ずる低圧側圧力源を、順次連設の低圧側圧力容器と低圧切替バルブを介して夫々連設し、当該蓄冷器に低温部を介して連通のパルス管におけるパルス管室温部には、夫々回収用制御バルブを介して回収側圧力容器と、排出用制御バルブを介して排出側圧力容器とを夫々連設し、上記の回収側圧力容器と排出側圧力容器との間には、当該両圧力容器の圧力差で稼動させることによりエネルギ源が得られるものであって機械的膨張機による発電装置からなる仕事回収機構を連設し、該仕事回収機構の稼動で得られるエネルギ源を、前記の圧縮機構稼動用の入力エネルギとして帰還させるものであることを特徴とする。
【００１６】
請求項２では、再生熱交換器を内蔵した蓄冷器には、高圧切替バルブを介して、熱入力により吸蔵水素ガスを放出する水素吸蔵合金の封入された高圧側圧力容器と、低圧切替バルブを介して、放熱により蓄冷器から流入の水素ガスを吸蔵する水素吸蔵合金の封入された低圧側圧力容器とを夫々連設し、当該蓄冷器に低温部を介して連通のパルス管におけるパルス管室温部には、夫々回収用制御バルブを介して、上記パルス管から流入の高温高圧水素ガスを、放熱により吸蔵する水素吸蔵合金の封入された回収側圧力容器と、排出用制御バルブを介して、吸熱により吸蔵水素ガスを放出する水素吸蔵合金の封入された排出側圧力容器とを夫々連設し、上記回収側圧力容器における水素吸蔵合金に、前記高温高圧ガスが吸蔵される際に発生の熱エネルギを、前記した高圧側圧力容器に付与される熱入力として帰還させるようにしたことを特徴とするパルスチューブ冷凍機を、その内容としている。
【００１７】
請求項３では、上記の請求項２における構成に加えて、低圧側圧力容器の水素吸蔵合金からの放熱による熱エネルギを、冷水による低圧側熱交換部により熱交換させ、これによる加温冷水を、前記排水側圧力容器の排水側熱交換部に供与することで、当該排水側圧力容器内の水素吸蔵合金から水素ガスを放出する熱エネルギが供与されるようにしたことを、その内容としている。
【００１８】
さらに、請求項４にあっては、上記請求項３における熱入力を高圧側圧力容器内の水素吸蔵合金に付与するため加熱放出熱回収用加温装置を設けるが、当該装置の構成が、熱入力用熱交換部とポンプとを備えた循環温水路と、冷水供給用配管とを有し、当該循環温水路には、高圧側圧力容器に内設した高圧側熱交換部と、回収側圧力容器に内設した回収側熱交換部とが直列に連結されると共に、冷水供給用配管には、低圧側圧力容器に内設の低圧側熱交換部と、排出側圧力容器に内設の排出側熱交換部とが直列に連結されていると共に、上記加熱放出熱回収用加温装置における熱入力用熱交換部とポンプの各外側端にあって、前記循環温水路に設けた第１、第２切替バルブ間には、切替用循環水路を並列に分岐して、当該切替用循環水路には、低圧側圧力容器に内設の低圧側切替熱交換部と、排出側圧力容器に内設の排出側切替熱交換部とを直列に連設し、かつ、切替用冷水供給配管には、高圧側圧力容器に内設の高圧側切替熱交換部と、回収側圧力容器に内設の回収側切替熱交換部とを直列に連結するようにしたことを、その内容としている。
【００１９】
【実施例】
本発明を図示の実施例によって説示すれば、請求項１に係るパルスチューブ冷凍機は、図１に示されている通りで、基本的には、図６の（Ｃ）による従来例として説示したものと共通した構成を有し、金網等による再生熱交換器１を内蔵した蓄冷器２には、機械式圧縮機等による圧縮機構３により生ずる高圧側圧力源３ａを、順次高圧側圧力容器４ａと高圧切替バルブ５ａを介してパイプにより連設すると共に、当該圧縮機構３によって生ずる低圧側圧力源３ｂは、順次低圧側圧力容器４ｂと低圧切替バルブ５ｂを介して、パイプにより連設されている。
【００２０】
本発明では、上記の蓄冷器２に低温部６を介して連通のパルス管７にあって、そのパルス管室温部７ａに、回収用制御バルブ８ａを介して、回収側圧力容器９ａが連設されているだけでなく、同上パルス管室温部７ａに、排出用制御バルブ８ｂを介して、排出側圧力容器９ｂが連設され、さらに、この排出側圧力容器９ｂと、上記の回収側圧力容器９ａとの間に、例えば機械的膨張機による発電装置などによる仕事回収機構１０を連設するのであり、この仕事回収機構１０は、後に詳記する通り、回収側圧力容器９ａ内におけるガスの圧力が、排出側圧力容器９ｂにおけるガスの圧力より大となることを利用し、当該圧力差によって稼動させるのである。
【００２１】
本発明では、さらに、上記のようにして導出された仕事回収機構１０の稼動により得られた電気等のエネルギ源を、前掲圧縮機構３を稼動させるための入力エネルギとして帰還させることであり、このようにして得られたエネルギ源の活用により、パルスチューブ冷凍機としての冷凍効率を向上させ得るようにしている。図１にあって１１ａは、圧縮機構３からのヘリウム、水素、空気等によるガスが、高圧側圧力容器４ａに流入する際、当該高圧ガスを冷却水によって冷却するための高圧側冷却熱交換部、１１ｂは回収側圧力容器９ａ内のガスを冷却水により冷却するための回収側冷却熱交換部、１１ｃはパルス管室温部７ａを、冷却水により冷却するためのパルス管冷却熱交換部にして、１２は、前記低温部６における冷熱により冷却される低温側熱交換部を示している。
【００２２】
そこで、上記の実施例の冷凍機を稼動させるには、前記従来例の説示からも理解されるように、高圧切替バルブ５ａを開くことで、再生熱交換器１を通過してパルス管７における低温部６に、圧縮機構３より高圧側圧力容器４ａに圧入された高圧ガスが充填され、このことで、パルス管７内における残留ガスは、上方へ向かって圧縮されることで、ガスピストン７ｂが形成され、温度上昇を伴ってパルス管室温部７ａにて高温となり、この際、前記の回収側冷却熱交換部１１ｂに供給される冷却水により冷温化される。
【００２３】
回収用制御バルブ８ａを開くことにより、パルス管７の低温部６における高圧ガスが断熱膨張により、その温度が低下する。この際、もちろんパルス管７内のガスも膨張して、温度が降下しながら、パルス管室温部７ａ側へと移動し、さらに、当該パルス管室温部７ａにあった高温ガスは、回収側圧力容器９ａ内に取り込まれ、ここで外部からの冷却水により、回収側冷却熱交換部１１ｂにより冷却される。
【００２４】
次に、低圧切替バルブ５ｂを開くと、パルス管室温部７ａのガスは、さらに膨張して、温度を低下しながら再生熱交換部１を冷却して、低圧側圧力源３ｂへ吸入され、このとき、パルス管７内部の残留ガスも、低温部６へ吸入されてパルス管７内部の残留ガスも、低温部６に向かって膨張することにより温度は降下する。
【００２５】
次に排出用制御バルブ８ｂを開くと、パルス管７の低温部６におけるガスは、排出側圧力容器９ｂのガス圧によって、再生熱交換器１側へ移動しながら等温的に圧縮され、この際、パルス管７内のガスも圧縮されて温度上昇しながら、低温部６側へ移動することとなる。以上のようなプロセスを繰り返すことによって、パルス管７の低温部６におけるガスは、再生熱交換器１に蓄えた寒冷分により低温になって行き、一方パルス管７内部の残留ガスは、圧縮による温度上昇と膨張による温度降下とを、１サイクルの中で行うため、それほど大きな熱の移動を生ずる事はない。
【００２６】
従って、上記の如き移動により、高圧側圧力容器４ａ、低圧側圧力容器４ｂ、回収側圧力容器９ａ、排出側圧力容器９ｂの四圧力容器における圧力の大きさ４ａＰ、４ｂＰ、９ａＰ、９ｂＰには相差が生じ、
４ａＰ＞９ａＰ＞９ｂＰ＞４ｂＰ
のようになる。
このため、前記の如く９ａＰ＞９ｂＰの圧力差により、回収側圧力容器９ａと排出側圧力容器９ｂ間の前記仕事回収機構１０が得たエネルギ源を、図中破線で示す通り、圧縮機構３の入力エネルギとして使用し得ることとなる。
【００２７】
次に、請求項２に係るパルスチューブ冷凍機につき図２によって詳記すると、ここでは図１の場合における冷凍機にあって、圧縮機構３や膨張機等による仕事回収機構１０を用いたのに対し、水素吸蔵合金を採択するようにしてあり、高圧側圧力容器４ａ、低圧側圧力容器４ｂ、回収側圧力容器９ａそして排出側圧力容器９ｂには、加温によって吸蔵していた水素ガスを放出したり、発熱を伴って水素ガスを吸蔵することのできる水素吸蔵合金が封入されている。
【００２８】
そして、図１と同じく再生熱交換器１をもつ蓄冷器２に、高圧切替バルブ５ａを介して、図示の熱入力１３が供給される高圧側熱交換部１４ａにより、水素吸蔵合金から吸蔵されていた水素ガスが放出されることとなる高圧側圧力容器１４ａが連設されていると共に、低圧切替バルブ５ｂを介して、放熱により、蓄冷器２から流入の水素ガスを吸蔵する水素吸蔵合金の封入された低圧側圧力容器４ｂとが、夫々連設されている。
【００２９】
また、前図と同じパルス管７におけるパルス管室温部７ａには、回収用制御バルブ８ａを介して、パルス管７から流入して来る高温高圧水素ガスを、放熱を伴って吸蔵する前記水素吸蔵合金が封入されている回収側圧力容器９ａと、排出用制御バルブ８ｂを介して、吸熱により吸蔵水素ガスを放出する水素吸蔵合金が封入の排出側圧力容器９ｂとが、夫々連設されており、上記回収側圧力容器９ａには、その水素吸蔵合金の放熱を受容する回収側熱交換部１４ｂが設けられており、ここで得られた熱エネルギを前記の熱入力１３に帰還させるようにしてある。
【００３０】
そこで、上記の冷凍機を稼動させるため、高圧切替バルブ５ａを開き、熱入力１３により高圧側圧力容器４ａに熱を加えれば、その水素吸蔵合金から放出の高圧水素ガスが、高圧側冷却熱交換部１１ｄの冷却水により冷却されて室温状態となった後、再生熱交換器１を通過してパルス管７の低温部６に充填される。このとき前記の如くパルス管７内の残留ガスは、上方へ向かって圧縮され、温度上昇しながらパルス管室温部７ａで高温となる。
【００３１】
次に、回収用制御バルブ８ａを開くと、これまた前同様にしてパルス管７内のガスも膨張し、これにより温度降下しながらパルス管室温部７ａ側へ移動し、さらに当該室温部７ａにあった高温高圧ガスは、回収側圧力容器９ａ内に取り込まれ、ここで水素吸蔵合金と吸蔵反応を起こして熱を発生する。従って、この熱は、前記の回収側熱交換部１４ｂを介して、熱入力１３に帰還され、この結果、当該熱エネルギは高圧側圧力容器４ａへの入力熱エネルギとして使用されるのであり、実際上は温水等の加温によって、熱エネルギの回収を行うようにする。図２にあって、１１ｅ、１１ｆ、１１ｇは夫々低圧側冷却熱交換部、回収側冷却熱交換部、排出側冷却熱交換部を示している。
【００３２】
さらに、低圧切替バルブ５ｂを開くと、パルス管７の低温部６は、さらに膨張して温度が低下しながら再生熱交換器１を冷却し、低圧側圧力容器４ｂの水素吸蔵合金に吸蔵され、またパルス管７の内部における残留ガスも、低温部６に向かって膨張することにより降温することになる。次に、排出用制御バルブ８ｂを開けば、室温に維持された排出側圧力容器９ｂ内の水素吸蔵合金から放出された水素ガスによって、パルス管７の低温部６の水素ガスは、再生熱交換器１側へ移動しながら等温的に圧縮されるが、この際、パルス管７内の水素ガスも圧縮され温度上昇しながら、低温部６側へ移動する。このようなプロセスを繰り返すことによって、前説の如くパルス管７の低温部６の水素ガスが、再生熱交換器１に蓄えた寒冷分をより低温化して行くのであり、一方パルス管７内の残留ガスは、圧縮より温度上昇と、膨張による温度降下を１サイクルの中で行うため、それほど大きな熱の移動を生ずることがない。
【００３３】
請求項３にあっては、上記の請求項２よりも、さらに冷凍機の効率を向上させるため、図２明示の通り低圧側圧力容器４ｂに低圧側熱交換部１５ａを、そして排出側圧力容器９ｂに排出側熱交換部１５ｂを設け、これらを直列に連結した配管に、冷却水を流過させるようにしてある。このようにすることで、低圧側圧力容器４ｂの水素吸蔵合金から放熱された熱エネルギは、当該冷却水により低圧側熱交換部１５ａにて熱交換され、このことによる加温冷却水は、上記の排出側熱交換部１５ｂに供与されることから、この排出側圧力容器９ｂにおける水素吸蔵合金から水素ガスを放出するために、必要となる熱エネルギが供給されるようになり、熱の有効な利用が加重されることになる。
【００３４】
次に、請求項４に係るパルスチューブ冷凍機につき、図３を参照してこれを詳記すると、これまた請求項２と請求項３における同様に、水素吸蔵合金を使用するのであるが、これに使用する熱入力により加温された温水を用いることで、冷凍機の効用を果たす配管系統に特徴を有し、これにより効率を向上させるだけでなく、水素吸蔵合金の吸蔵能力が飽和して限界に達したり、逆に吸蔵していた水素ガスが放出され尽してしまった際、これを再生するのに用いて好適な配管系統をも具備している。
【００３５】
上記請求項４につき以下詳記すると、前記請求項２と請求項３の内容と、その基本的構成は同じであるが、ここでは前記の熱入力３を高圧側圧力容器４ａの水素吸蔵合金に付与するための加熱放出熱回収用加温装置１６が配設されている。これは熱入力用熱交換部１６ａとポンプ１６ｂとを備えた循環温水路１６ｃと、冷水供給用配管１６ｄとを有し、当該循環温水路１６ｃには、高圧側圧力容器４ａに内設した前記の高圧側熱交換部１４ａと、回収側圧力容器９ａに内設した前記回収側熱交換部１４ｂとが直列に連結され、前掲冷水供給用配管１６ｄには、低圧側圧力容器４ｂに内設した低圧側熱交換部１５ａと、排出側圧力容器９ｂに内設の排出側熱交換部１５ｂとが、直列に連結されている。
【００３６】
さらに、上記の加熱放出熱回収用加温装置１６における熱入力用熱交換部１６ａとポンプ１６ｂの各外側端にあって、前記の循環温水路１６ｃに設けた第１、第２切替バルブ１６ｅ、１６ｆ間には、切替用循環水路１７が並列に分岐されている。この切替用循環水路１７には、低圧側圧力容器４ｂに内設の低圧側切替熱交換部１７ａと、排出側圧力容器９ｂに内設の排出側切替熱交換部１７ｂとを直列に連設してある。さらに、これとは別に切替用冷水供給配管１８が設けられており、これには高圧側圧力容器４ａに内設の高圧側切替熱交換部１８ａと、回収側圧力容器９ａに内設の回収側切替熱交換部１８ｂとを直列に連結するようにしてある。
【００３７】
上記の如き切替用循環水路１７と、切替用冷水供給配管１８を具備させるようにしたので、高圧側圧力容器４ａにおける水素吸蔵合金の放出量、低圧側圧力容器４ｂにおける水素吸蔵合金の吸蔵量が、限界に達した時点において、これを原状に復するため、それまで温水を供給していたところに冷却水を、冷却水を供給していたところには温水を供給することになる。換言すれば、加熱部と放熱部が入れ替わり、高圧側と低圧側そして回収用と排出用が、夫々入れ替わることになる。また、この際、切り替わり時の温度が安定するまで運転停止状態となるが、これを回避するためには、後述の如きバッチ式運転を行うことも考えられる。
【００３８】
すなわち、図３における復帰の操作は、第１、第２切替バルブ１６ｅ、１６ｆの切り替えにより行われ、これにより、熱入力１３よりの熱エネルギによって熱入力用熱交換部１６ａを介し得られた温水は、切替用循環水路１７に流入し、低圧側圧力容器４ｂと排出側圧力容器９ｂにおける夫々の低圧側切替熱交換部１７ａ、排出側切替熱交換部１７ｂに、当該温水が循環する。
このことで、それまで、２０℃といった冷却水を受けていた低圧側圧力容器４ｂに、９０℃程度の温水が供給され、当該水素吸蔵合金の水素ガスは加熱放出されると共に、排出側圧力容器９ｂには、８０℃程度に降温された温水が供与されることで、その水素吸蔵合金が水素ガスを吸蔵し、この結果８２℃程度に昇温した温水が、ポンプ１６ｂに帰還される。
【００３９】
一方、高圧側圧力容器４ａには、２０℃程度の冷却水が送られ、それまで９０℃程度の温水を受けていた当該水素吸蔵合金が冷却されるので、水素ガスが吸蔵されると共に、回収側圧力容器９ａにも、２５℃程度に昇温の冷却水が供給されることとなる。この結果、それまで８０℃程度の温水を受けていた当該回収側圧力容器９ａの水素吸蔵合金は、その水素ガスを放出することになり、ここからは流出する冷却水は２４℃程度となり、このようにして水素吸蔵合金は、水素ガスにつき原状に復帰するに至る。
【００４０】
上記のような復帰操作を行っている間は、もちろん当該冷凍機の運転を停止しなければならないが、この停止状態を回避する必要があるときは、当然のことながら、図４と図５に例示されるように、本発明につき上記した水素吸蔵合金使用の構成を複数ユニットだけ設けるようにしておき、一方のユニットが稼動中に、他方のユニットにつき前記の復帰操作が実施されるようにし、一方のユニットが水素ガスにつき吸蔵量、放出量が限界に達したならば、その稼動を停止し、他方のユニットを稼動させるようにすればよい。
【００４１】
すなわち、図５に示すように、上記の通り蓄冷器２に、高圧切替バルブ５ａ−高圧側圧力容器４ａと、低圧切替バルブ５ｂ−低圧側圧力容器４ｂを、そしてパルス管７に、回収用制御バルブ８ａ−回収側圧力容器９ａと、排出用制御バルブ８ｂ−排出側圧力容器９ｂを夫々設けるだけでなく、別ユニットとして、当該蓄冷器２にバッチ操作高圧切替バルブ５Ａ−バッチ操作高圧側圧力容器４Ａと、バッチ操作低圧切替バルブ５Ｂ−バッチ操作低圧側圧力容器４Ｂを、そして、パルス管７には、バッチ操作回収用制御バルブ８Ａ−バッチ操作回収側圧力容器９Ａと、バッチ操作排出用制御バルブ８Ｂ−バッチ操作排出側圧力容器９Ｂが夫々増設されている。
【００４２】
このように二組のユニットを設けることで、図４に示す通り、例えば、５ａ、５ｂ、８ａ、８ｂが開成されて、高圧側圧力容器４ａが９０℃で加熱、低圧側圧力容器４ｂが２０℃で冷却、回収側圧力容器９ａが８０℃で加熱、排出側圧力容器９ｂが２５℃で冷却されることで運転状態にあるときには、５Ａ、５Ｂ、８Ａ、８Ｂは閉成状態とし、バッチ操作高圧側圧力容器４Ａは、２０℃から９０℃に加熱し、バッチ操作低圧側圧力容器４Ｂは９０℃から２０℃に冷却し、バッチ操作回収側圧力容器９Ａは２５℃から８０℃へ加熱すると共にバッチ操作排出側圧力容器９Ｂは８０℃から２５℃まで冷却することにより運転可能状態にしておくのである。
【００４３】
次いで５ａ、５ｂ，８ａ、８ｂを閉じて、５Ａ、５Ｂ、８Ａ、８Ｂのバルブ操作により冷凍機としての運転を行い、これと併行して、高圧側圧力容器４ａを９０℃から２０℃に冷却、低圧側圧力容器４ｂを２０℃から９０℃に加熱、回収側圧力容器９ａを８０℃から２５℃に冷却し、そして排出側圧力容器９ｂを２５℃から８０℃に加熱することで、これまた次の運転可能状態を得るようにするのである。
【００４４】
【発明の効果】
本発明は以上のように構成されたものであるから、請求項１のパルスチューブ冷凍機によるときは、圧縮機構を用いて高圧側圧力源と低圧側圧力源を用いたものにおいて、回収用圧力容器と排出側圧力容器との間に生ずるガスの圧力差を利用して仕事回収機構を稼動し、これにより得られたエネルギを、圧縮機構の入力エネルギに戻すことができるため、冷凍効率の向上を図ることができる。
【００４５】
請求項２では、水素吸蔵合金に加えられた熱エネルギにより発生するガス圧力源を利用したパルスチューブ冷凍機に関し、回収側高圧容器における水素吸蔵合金の発熱エネルギを、高圧側圧力容器における水素吸蔵合金への入力エネルギとして帰還させ得るようにしたことで、これまた冷凍効率の向上を実現することができる。
【００４６】
請求項３の場合には、請求項２の効果に加えて、さらに、低圧側高圧容器から冷却水が収受した熱エネルギを、排出側高圧容器における水素吸蔵合金に対する熱エネルギとして供与するようにしたので、それだけ当該冷凍機の効率を上げることができる。
【００４７】
そして、請求項４によるときは、適切に構成の配管により、熱エネルギの媒体として温水や冷却水を適切に活用し得るようにしたので、上記請求項３と同等の冷凍効率向上を期待し得るだけでなく、切替用循環水路と、切替用冷却供給管の増設によって、水素吸蔵合金の吸蔵量や放出量が限界に達した際にあって、これを原状に復帰させて再生を可能とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るパルスチューブ冷凍機に関し、請求項１に係る一実施例を示した一部切欠の全体構成配管図である。
【図２】本発明の他実施例を示した請求項２と請求項３に係る冷凍機の一部切欠による全体構成配管説明図である。
【図３】本発明の請求項４に係る一実施例を示した一部切欠の全体構成配管図である。
【図４】請求項２と請求項３に係るパルスチューブ冷凍機にあって、これをバッチ式に運転可能とするため、二つのユニットを構成部材として付設するようにした一方のユニット稼動状態を示す要部構成説明図である。
【図５】図４のパルスチューブ冷凍機における他方のユニット稼動状態を示している要部構成説明図である。
【図６】従来の冷凍機を示し、（Ａ）はスターリング冷凍機、（Ｂ）はピストン型パルスチューブ冷凍機、（Ｃ）はバルブ型パルスチューブ冷凍機の各縦断全体構成説明図である。
【図７】従来のオリフィス型パルスチューブ冷凍機を示す一部切欠の全体構成配管図である。
【図８】従来のパルスチューブ冷凍機に係る他の例を示した一部切欠の全体構成配管図である。
【符号の説明】
１ 再生熱交換器
２ 蓄冷器
３ 圧縮機構
３ａ 高圧側圧力源
３ｂ 低圧側圧力源
４ａ 高圧側圧力容器
４ｂ 低圧側圧力容器
５ａ 高圧切替バルブ
５ｂ 低圧切替バルブ
６ 低温部
７ パルス管
７ａ パルス管室温部
８ａ 回収用制御バルブ
８ｂ 排出用制御バルブ
９ａ 回収側圧力容器
９ｂ 排出側圧力容器
１０ 仕事回収機構
１３ 熱入力
１４ａ 高圧側熱交換部
１４ｂ 回収側熱交換部
１５ａ 低圧側熱交換部
１５ｂ 排出側熱交換部
１６ 加熱放出熱回収用加温装置
１６ａ 熱入力用熱交換部
１６ｂ ポンプ
１６ｃ 循環温水路
１６ｄ 冷水供給用配管
１６ｅ 第１切替バルブ
１６ｆ 第２切替バルブ
１７ 切替用循環水路
１７ａ 低圧側切替熱交換部
１７ｂ 排出側切替熱交換部
１８ 切替用冷水供給配管
１８ａ 高圧側切替熱交換部
１８ｂ 回収側切替熱交換部
Claims (4)
- 再生熱交換器を内蔵した蓄冷器には、圧縮機構により生ずる高圧側圧力源を、順次連設の高圧側圧力容器と高圧切替バルブを介し、上記圧縮機構により生ずる低圧側圧力源を、順次連設の低圧側圧力容器と低圧切替バルブを介して夫々連設し、当該蓄冷器に低温部を介して連通のパルス管におけるパルス管室温部には、夫々回収用制御バルブを介して回収側圧力容器と、排出用制御バルブを介して排出側圧力容器とを夫々連設し、上記回収側圧力容器と排出側圧力容器との間には、当該両圧力容器の圧力差で稼動させることによりエネルギ源が得られるものであって機械的膨張機による発電装置からなる仕事回収機構を連設し、該仕事回収機構の稼動で得られるエネルギ源を、前記圧縮機構稼動用の入力エネルギとして帰還させるものであることを特徴とするパルスチューブ冷凍機。
- 再生熱交換器を内蔵した蓄冷器には、高圧切替バルブを介して、熱入力により吸蔵水素ガスを放出する水素吸蔵合金の封入された高圧側圧力容器と、低圧切替バルブを介して、放熱により蓄冷器から流入の水素ガスを吸蔵する水素吸蔵合金の封入された低圧側圧力容器とを夫々連設し、当該蓄冷器に低温部を介して連通のパルス管におけるパルス管室温部には、夫々回収用制御バルブを介して、上記パルス管から流入の高温高圧水素ガスを、放熱により吸蔵する水素吸蔵合金の封入された回収側圧力容器と、排出用制御バルブを介して、吸熱により吸蔵水素ガスを放出する水素吸蔵合金の封入された排出側圧力容器とを夫々連設し、上記回収側圧力容器における水素吸蔵合金に、前記高温高圧ガスが吸蔵される際に発生の熱エネルギを、前記した高圧側圧力容器に付与される熱入力として帰還させるようにしたことを特徴とするパルスチューブ冷凍機。
- 再生熱交換器を内蔵した蓄冷器には、高圧切替バルブを介して、熱入力により吸蔵水素ガスを放出する水素吸蔵合金の封入された高圧側圧力容器と、低圧切替バルブを介して、放熱により蓄冷器から流入の水素ガスを吸蔵する水素吸蔵合金の封入された低圧側圧力容器とを夫々連設し、当該蓄冷器に低温部を介して連通のパルス管におけるパルス管室温部には、夫々回収用制御バルブを介して、上記パルス管から流入の高温高圧水素ガスを、放熱により吸蔵する水素吸蔵合金の封入された回収側圧力容器と、排出用制御バルブを介して、吸熱により吸蔵水素ガスを放出する水素吸蔵合金の封入された排出側圧力容器とを夫々連設し、上記回収側圧力容器における水素吸蔵合金に、前記高温高圧ガスが吸蔵される際に発生の熱エネルギを、前記した高圧側圧力容器に付与される熱入力として帰還させると共に、前記低圧側圧力容器の水素吸蔵合金からの放熱による熱エネルギを、冷却水による低圧側熱交換部により熱交換させ、これによる加温冷水を、前記排水側出力容器の排出側熱交換部に供与することで、当該排水側圧力容器内の水素吸蔵合金から水素ガスを放出する熱エネルギが供与されるようにしたことを特徴とするパルスチューブ冷凍機。
- 再生熱交換器を内蔵した蓄冷器には、高圧切替バルブを介して、熱入力により吸蔵水素ガスを放出する水素吸蔵合金の封入された高圧側圧力容器と、低圧切替バルブを介して、放熱により蓄冷器から流入の水素ガスを吸蔵する水素吸蔵合金の封入された低圧側圧力容器とを夫々連設し、当該蓄冷器に低温部を介して連通のパルス管におけるパルス管室温部には、夫々回収用制御バルブを介して、上記パルス管から流入の高温高圧水素ガスを、放熱により吸蔵する水素吸蔵合金の封入された回収側圧力容器と、排出用制御バルブを介して、吸熱により吸蔵水素ガスを放出する水素吸蔵合金の封入された排出側圧力容器とを夫々連設し、前記した熱入力を、高圧側圧力容器内の水素吸蔵合金に付与するための加熱放出熱回収用加温装置は、熱入力用熱交換部とポンプとを備えた循環温水路と、冷水供給用配管とを有し、当該循環温水路には、高圧側圧力容器に内設した高圧側熱交換部と、回収側圧力容器に内設した回収側熱交換部とが直列に連結されると共に、冷水供給用配管には、低圧側圧力容器に内設の低圧側熱交換部と、排出側圧力容器に内設の排出側熱交換部とが直列に連結されていると共に、上記加熱放出熱回収用加温装置における熱入力用熱交換部とポンプの各外側端にあって、前記循環温水路に設けた第１、第２切替バルブ間には切替用循環水路を並列に分岐して、当該切替用循環水路には、低圧側圧力容器に内設の低圧側切替熱交換部と、排出側圧力容器に内設の排出側切替熱交換部とを直列に連設し、かつ、切替用冷水供給配管には、高圧側圧力容器に内設の高圧側切替熱交換部と、回収側圧力容器に内設の回収側切替熱交換部とを直列に連結するようにしたことを特徴とするパルスチューブ冷凍機。
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