JP3605878B2 - パルス管冷凍機 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明はパルス管を用いて冷凍性能を向上させたパルス管冷凍機に関する。本発明は極低温装置に適用できる。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、蓄冷器をもつ冷凍機が開発されている。この冷凍機は、そのブロック図を図３に示す様に、ガス状の冷媒の圧力を振動させる圧力振動源１００と、圧力振動源１００に通路１０３を介して連通され冷媒の熱を放熱する放熱器２００と、放熱器２００を介して圧力振動源１００に連通された蓄冷機能をもつ蓄冷器３００と、蓄冷器３００に連通されたコールドヘッドとも呼ばれる吸熱器４００と、冷媒の圧力変動と位置変動の位相差を調整するための位相調整器５００とを備えている。
【０００３】
この冷凍機によれば、圧力振動源１００によりガス状の冷媒（通常、ヘリウム）の圧力が振動すると、吸熱器４００で吸熱され極低温の冷凍が生成する。
冷凍が生成する理由は必ずしも明らかではないが、有力な説によれば、次の様に考えられている。即ち圧力振動源１００の増圧作用によりガス状の冷媒の圧力が増加すると、冷媒は放熱器２００、蓄冷器３００等のそれぞれの位置で振動しながら熱を吐き出す。また圧力振動源１００の減圧作用によりガス状の冷媒の圧力が減少すると、冷媒は放熱器２００、蓄冷器３００等のそれぞれの位置で振動しながら熱を吸い込む。ここで、位相調整器５００により冷媒の圧力の位相を調整することで、主に蓄冷器３００内の冷媒が現在の位置から動いた所で、その位置に存在する蓄冷器３００の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。これにより蓄冷器３００の内部を低温側から高温側へと、あたかもバケツリレーのごとく熱はくみあげられていく。その結果、吸熱器４００の温度が下がって冷凍が生成されると共に、高熱側である放熱器２００に熱が輸送される。
【０００４】
更にこの蓄冷型冷凍機を技術的に進めたものとして、近年、図４示す様に、吸熱器４００と位相調整器５００との間に中空長尺状のパルス管６００を介在させたパルス管冷凍機が開発されている。パルス管冷凍機の冷凍理論は、現在のところ解析中であるが、有力な説によれば、パルス管６００により、吸熱器４００よりも位相調整器５００をかなり離した位置につまり高温側の領域（例えば常温領域）に配置できることに基づくと、推察されている。
【０００５】
この種のパルス管冷凍機においては更に開発が進められている。そして、極低温を得るのに一層有利な多段式のパルス管冷凍機が、本出願人により近年開発されている。
この多段式のパルス管冷凍機は、図２に示す様に、ガス状の冷媒の圧力を振動させる圧力振動源１００と、冷媒の熱を放熱する放熱器２００と、圧力振動源１００の圧力振動が伝達される第１蓄冷空間３０１をもち第１蓄冷空間３０１に金網等の第１蓄冷材が装填された第１蓄冷器３００と、第１蓄冷器３００に連通された第１吸熱器４００と、一端部６０１が該第１吸熱器４００に連通された第１パルス管６００と、第１パルス管６００の他端部である温端部６０２に連通された位相調整器７００とをもつ第１段冷凍系を備えている。
【０００６】
ここで位相調整器７００は絞り弁７０１とバッファタンク７０２とからなり、第１パルス管６００側の冷媒の圧力の位相を調整するものである。
更にこの多段式のパルス管冷凍機によれば、図２に示す様に、第２蓄冷空間８０３をもち第２蓄冷空間８０３に金網等の第２蓄冷材が装填された第２蓄冷器８００、第２吸熱器８５０、中空長尺状をなす第２パルス管８７０、第２位相調整器８８０を第２段冷凍系の構成要素として設けている。第２位相調整器８８０は絞り弁８８１とバッファタンク８８２とからなり、中空状の第２パルス管８７０の冷媒の圧力の位相を調整するものである。
【０００７】
ここで図２から理解できる様に第２蓄冷器８００の一端部８０１が第１吸熱器４００に連通され、第２蓄冷器８００の一端部８０２が第２吸熱器８５０に連通され、更に第２パルス管８７０の一端部８７１が第２吸熱器８５０に連通され、第２パルス管８７０の他端部である温端部８７２が絞り弁８８１を介してバッファタンク８８２に連通している。
【０００８】
この様な多段式のパルス管冷凍機によれば、第１吸熱器４００で冷凍が生成され、更に第２吸熱器８５０で一層低温の冷凍が生成される。従って極低温の冷凍を得るのに有利である。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところでこの多段式のパルス管冷凍機によれば、第２パルス管８７０のうち第２吸熱器８５０と反対側の端、即ち温端部８７２で発熱（例えば３２０〜３８０Ｋ程度）する不具合がある。第１パルス管６００のうち第１吸熱器４００と反対側の端、即ち温端部６０２でも同様である。
【００１０】
ここで第２段の冷凍を得る第２吸熱器８５０に直接連通するのは第２パルス管８７０である。この第２パルス管８７０の温端部８７２における熱生成を抑えれば、パルス管冷凍機において更に極低温の冷凍を発生するのに一層有利となることが、本出願人の試験により確認されている。その理由は、第２パルス管８７０は中空状であり、熱に対する遮蔽物が基本的には存在しないため、第２パルス管８７０の温端部８７２の熱が、極低温を生成する第２吸熱器８５０に伝熱され易く、これが第２段の冷凍を生成する第２吸熱器８５０における冷凍性能の限界の要因を形成しているためと、推察されている。
【００１１】
そこで近年、本発明者は第２パルス管８７０の温端部８７２に冷却風や冷却水を強制的に接触させて強制冷却することを試みている。しかしながらこの場合には多段式のパルス管冷凍機とは別系統の冷却風送給装置や冷却水送給装置を必要とする不具合がある。
本発明は上記した実情に鑑みなされたものであり、その目的は、別系統の冷却風送給装置や冷却水送給装置を設けることなく、第２パルス管の温端部の抜熱に貢献でき、冷凍性能を一層向上させ得るのに有利な多段式のパルス管冷凍機を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係るパルス管冷凍機は、
ガス状の冷媒の圧力を振動させる圧力振動源と、圧力振動源に一体にまたは別体として連通され冷媒の熱を放熱する放熱器と、圧力振動源の圧力振動が伝達される第１蓄冷空間をもち蓄冷材が第１蓄冷空間に装填された第１蓄冷器と、第１蓄冷器に連通された第１吸熱器と、一端部が第１吸熱器に連通された中空状をなす第１パルス管と、第１パルス管の他端部に連通され冷媒の圧力変動と位置変動の位相差を調整する位相調整器とをもつ第１段冷凍系を備えたものであって、
第２蓄冷空間をもち第２蓄冷材が第２蓄冷空間に装填された第２蓄冷器、第２吸熱器、第２パルス管を第２段冷凍系として設け、
第２蓄冷器の一端部が第１吸熱器に連通され、第２蓄冷器の他端部に第２吸熱器が連通され、第２パルス管の一端部が第２吸熱器に連通され、
第２パルス管の他端部である温端部が流量規制手段を介して第１吸熱器、第１蓄冷器のうちの第１吸熱器側、及び第１パルス管のうちの第１吸熱器側の少なくとも一方に連通されており、
第２パルス管の温端部が常温領域以下の温度に設定されていることを特徴とするものである。
【００１３】
ここで第２パルス管の他端部である温端部を、第１段の冷凍が得られる第１吸熱器に流量規制手段を介して連通させる形態を採用できる。更に、第２パルス管の温端部を第１蓄冷器のうちの第１吸熱器側に連通させる形態を採用しても良い。また第２パルス管の温端部を第１パルス管のうちの第１吸熱器側に連通させる形態を採用しても良い。
【００１４】
圧力振動源は、高圧口及び低圧口をもつ圧力源本体と、圧力源本体の高圧口から吐出された高圧の冷媒が流れる高圧冷媒通路と、圧力源本体の低圧口に冷媒を戻す低圧冷媒通路と、高圧冷媒通路が第１蓄冷器に連通する第１形態と低圧冷媒通路が第１蓄冷器に連通する第２形態とを切り替える切替弁とをもつ構成にできる。
【００１５】
【作用】
本発明によれば従来の多段式のパルス管冷凍機と同様に、圧力振動源によりガス状の冷媒の圧力が振動すると、第１吸熱器で吸熱されて冷凍が生成する。更に第２吸熱器で吸熱されて一層低温の冷凍が生成する。
この様に第１吸熱器は冷凍のため低温とされる。この様に低温となる第１吸熱器、第１蓄冷器のうちの第１吸熱器側、及び第１パルス管のうちの第１吸熱器側の少なくとも一方に、第２パルス管の温端部側は流量規制手段を介して、連通されている。そのため、第２パルス管の温端部側は常温領域よりも低温に維持されている。
【００１６】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図１を参照して具体的に説明する。
（実施例１）
図１においてこのパルス管冷凍機は、ガス状の冷媒（ヘリウム）の圧力を振動させる圧力振動源１と、圧力振動源１に一体的に装備され冷媒の熱を放熱する放熱器２と、金属網等の蓄冷材が密に保持された第１蓄冷空間３ａをもちかつ圧力振動源１に通路１２を介して連通された第１蓄冷器３と、第１蓄冷器３に連通された第１コールドヘッドとも呼ばれる第１段の冷凍を取り出す第１吸熱器４と、第１吸熱器４に連通された中空長尺状をなす金属製の第１パルス管５と、位相調整器６とを備えている。第１吸熱器４では冷凍（例えば数１０Ｋ程度）が生成される。パルス管５のうち第１吸熱器４と反対側の部位は、発熱現象を伴う温端部５ｆとされている。
【００１７】
位相調整器６は、第１パルス管５によって第１吸熱器４に対して離遠した位置に、つまり常温領域に配置されている。位相調整器６は第１パルス管５の冷媒の圧力変動と位置変動の位相差を調整するためのものであり、絞り弁６１、バッファタンク６２をもつ。本実施例では、この様に位相調整器６を、いわゆるオリフィスパルス管冷凍機の構成としているが、位相調整器はこの方式に限ったものではない。絞り弁６１は、第１パルス管５からバッファタンク６２に流れる冷媒の流量を絞って規制するためのものであり、オリフィスや流量絞り弁で構成できる。位相調整器６は、第１パルス管５側の冷媒の圧力変動と位置変動の位相差を調整するためのものであるから、多量の冷媒流量を冷凍生成のために必要とする第１蓄冷器３とは異なり、冷媒流量はあまり必要とせず、従って絞り弁６１で絞るものである。
【００１８】
本実施例では圧力振動源１は、冷媒圧縮機能及び冷媒吸込機能をもつ圧力源本体として機能するコンプレッサ８と、コンプレッサ８の吐出口とも呼ばれる高圧口としての高圧ポート８ａにつながる高圧冷媒通路９と、コンプレッサ８の吸込口とも呼ばれる低圧口としての低圧ポート８ｂにつながる低圧冷媒通路１０と、切替通路１１ｅをもつ回転弁方式の主切替弁１１とを備えている。
【００１９】
コンプレッサ８に一体的に装備された放熱器２は、冷媒の熱を放出つまり放熱させる機能をもつ。即ち、放熱器２は、風や冷却水を送給して強制空冷や強制水冷により、コンプレッサ８自体、或いは、コンプレッサ８の高圧ポート８ａから吐出される冷媒の熱を放出して冷媒を冷却するものである。図１から理解できる様に主切替弁１１は、高圧冷媒通路９と、低圧冷媒通路１０と、第１蓄冷器３に連通する通路１２との間に配置されている。
【００２０】
主切替弁１１は、回転に伴い第１形態と第２形態とに切り替えられる。主切替弁１１が第１形態に切り替わると、図１１に示す様に高圧冷媒通路９が切替通路１１ｅ及び通路１２を介して第１蓄冷器３に連通して、高圧冷媒通路９の高圧が第１蓄冷器３に送給され、第１蓄冷器４の内部の冷媒は高圧（ゲージ圧で通常２０気圧）となる。この様な第１形態では、低圧冷媒通路１０は第１蓄冷器３に連通しない。
【００２１】
また主切替弁１１が第２形態に切り替わると、低圧冷媒通路１０が切替通路１１ｅ及び通路１２を介して第１蓄冷器３に連通するので、第１蓄冷器３の内部は低圧（ゲージ圧で通常１０気圧）となる。この様な第２形態では、高圧冷媒通路９は第１蓄冷器３に連通しない。この様に主切替弁１１が第１形態と第２形態とに交互に切り替わると、第１蓄冷器３の内部の冷媒は、所定の時間的間隔をもって交互に高圧状態と低圧状態とになる。
【００２２】
更に本実施例では、第２蓄冷器１５、第２吸熱器１６、中空長尺状をなす金属製の第２パルス管１７が第２段冷凍系の構成要素として設けられている。第２蓄冷器１５の第２蓄冷空間１５ａには金属網等の第２蓄冷材が装填されている。
第２蓄冷器１５の一端部１５ｂは第１吸熱器４に連通されている。第２蓄冷器１５の他端部１５ｂは第２吸熱器１６に連通されている。第２吸熱器１６は第２コールドヘッドとも呼ばれ、第１吸熱器４よりも低温である第２段の冷凍を取り出すものである。第２パルス管１７の一端部１７ｂは第２吸熱器１６に連通されている。第２パルス管１７の他端部である温端部１７ｃは、第１段の冷凍が生成される第１吸熱器４に、流量規制手段としての絞り弁２０を介して連通している。なお、温端部１７ｃを絞り弁２０を介して、第１蓄冷器３のうちの第１吸熱器４側、または、第１パルス管５のうちの第１吸熱器４側に連通することもできる。
【００２３】
上記した本実施例によれは、圧力振動源１が作動すると、前述の様に、第１蓄冷器３内で高圧状態、低圧状態が繰り返されると共に、位相調整器６により第１パルス管５内の冷媒の圧力位相が調整される。これにより第１吸熱器４で第１段目の冷凍、例えば５０Ｋ〜１００Ｋ程度の低温領域の冷凍が生成される。
更に第２冷凍系を構成する第２蓄冷器１５内で高圧状態、低圧状態が繰り返される。このとき第２蓄冷器１５の第２蓄冷空間１５ａに蓄冷材が装填されているので、その圧力損失に基づいて第２パルス管１７内の冷媒の圧力位相が調整される。これにより第２吸熱器１６で第２段目の冷凍、例えば数Ｋ〜数十Ｋ（特に２０Ｋ）程度の低温領域の冷凍が生成される。
【００２４】
以上説明した様に本実施例では、第２段の冷凍を取り出す第２吸熱器１６に連通する第２パルス管１７の他端部である温端部１７ｃは、第１段の冷凍が生成される第１吸熱器４に絞り弁２０を介して連通している。そのため、第２パルス管１７の温端部１７ｃを、常温領域以下の温度、即ち例えば５０Ｋ〜１００Ｋ（特に８０Ｋ）程度の低温領域に維持できる。故に第２パルス管１７の両端の温度差を比較的小さく保つことが可能となり、第２パルス管１７を通して第２吸熱器１６への侵入熱をより少なく抑えることがてきる。これにより第２吸熱器１６により取り出される第２段の冷凍性能が温端部１７ｃによって損なわれることは、抑制または回避される。従って、第２吸熱器１６での冷凍を効果的に確保でき、多段式のパルス管冷凍機の冷凍性能は向上する。
【００２５】
更に第２パルス管１７の他端部である温端部１７ｃを第１吸熱器４に連通している本実施例によれば、温端部１７ｃを常温領域以下の温度に設定するため、第２パルス管１７の長さを、図２に示す形態の冷凍機に比較して短縮化するのに有利である。
絞り弁２０を設けた理由は、第２蓄冷器１５の第２蓄冷空間１５ａを往復する冷媒に比較して、第２パルス管１７の温端部１７ｃを往復する冷媒は少量で済むためである。例えば、第２蓄冷器１５を往復する冷媒に対して、第２パルス管１７の温端部１７ｃを往復する冷媒は（１／数）〜（１／１０）程度で足りる。絞り弁２０に代えて、冷媒が流れる流路の内径が狭小化した配管を用い、これを第１吸熱器４に連通して流量規制手段とすることもできる。
【００２６】
なお第２段の冷凍を得る第２吸熱器１６に熱影響を与えやすいのは、これに直接連通している第２パルス管１７の温端部１７ｃであるから、上記した実施例では第２パルス管１７の温端部１７ｃを低温領域に維持する構成である。
これに限らず第１段の冷凍を得る第１吸熱器４に直接連通する第１パルス管５の温端部５ｆに接近させて冷却風送給装置や冷却水送給装置を設け、そして冷却空気や冷却水を第１パルス管５の温端部５ｆに接触させ温端部５ｆを強制冷却する構成とすれば、第２吸熱器１６において尚一層の低温を得るのに有利である。
【００２７】
また絞り弁２０が可変式である場合には、その絞り度合を可変すれば、第２パルス管１７における圧力を最適に微調整でき、冷凍性能確保に有利である。
【００２８】
【発明の効果】
本発明によれば、第２段の冷凍を取り出す第２吸熱器に第２パルス管は連通しており、この第２パルス管の温端部側は常温領域以下の温度に設定されるいるので、第２パルス管を介して第２吸熱器への熱流入は効果的に抑止される。よって冷凍性能が一層向上した多段式のパルス管冷凍機が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例に係る多段式のパルス管冷凍機の構成図である。
【図２】本出願人が開発した多段式のパルス管冷凍機の構成図である。
【図３】従来例に係る冷凍機のブロック図である。
【図４】従来例に係るパルス管冷凍機のブロック図である。
【符号の説明】
図中、１は圧力振動源、３は第１蓄冷器、４は第１吸熱器、５は第１パルス管、６は位相調整器、８はコンプレッサ９は高圧冷媒通路、１０は低圧冷媒通路、１１は主切替弁、１５は第２蓄冷器、１６は第２吸熱器、１７は第２パルス管、２０は絞り弁（流量規制手段）を示す。

Claims (1)

1. ガス状の冷媒の圧力を振動させる圧力振動源と、該圧力振動源に一体にまたは別体として連通され冷媒の熱を放熱する放熱器と、該圧力振動源の圧力振動が伝達される第１蓄冷空間をもち蓄冷材が該第１蓄冷空間に装填された第１蓄冷器と、該第１蓄冷器に連通された第１吸熱器と、一端部が該第１吸熱器に連通された中空状をなす第１パルス管と、第１パルス管の他端部に連通され冷媒の圧力変動と位置変動の位相差を調整する位相調整器とをもつ第１段冷凍系を備えたものであって、
   第２蓄冷空間をもち第２蓄冷材が該第２蓄冷空間に装填された第２蓄冷器、第２吸熱器、第２パルス管を第２段冷凍系として設け、
   該第２蓄冷器の一端部が該第１吸熱器に連通され、該第２蓄冷器の他端部に第２吸熱器が連通され、該第２パルス管の一端部が該第２吸熱器に連通され、
   該第２パルス管の他端部である温端部が流量規制手段を介して該第１吸熱器、該第１蓄冷器のうちの第１吸熱器側、及び該第１パルス管のうちの第１吸熱器側の少なくとも一方に連通されており、
   該第２パルス管の該温端部が常温領域以下の温度に設定されていることを特徴とするパルス管冷凍機。

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