JP3618886B2 - パルスチューブ冷凍機 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はパルスチューブ冷凍機に関し、特に冷凍能力を向上させるオリフィス型パルスチューブ冷凍機及びエキスパンダ型パルスチューブ冷凍機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図３は従来のオリフィス型パルスチューブ冷凍機の構成例を示す図である。図示するように、パルスチューブ冷凍機は、圧縮機１、アフタークーラ２、蓄冷器３、低温熱交換器４、パルス管５、高温熱交換器６、オリフィス７及びバッファータンク８を具備し、これを配管及び／又は接続部で接続して構成している。
【０００３】
蓄冷器３は内部に蓄熱物質９を保有している。該蓄熱物質９には図８に示すような球状の金属材料からなる蓄熱物質３１や図９に示すような金属材料を網状に構成した蓄熱物質３２が広く用いられている。なお、図８及び図９において、３０は作動流体を示す。パルス管５は単純な円筒構造をしており、バッファータンク８は他の構成要素に比べて大きな容積を持つ容器である。
【０００４】
圧縮機１はパルスチューブ冷凍機内に作動流体（図示せず）の圧力振動を起こさせるものである。先ず、圧縮機１で圧縮された作動流体は昇温されるためアフタークーラ２で冷却された後、蓄冷器３、低温熱交換器４、パルス管５及び高温熱交換器６内の作動流体の圧力を上げる。
【０００５】
高温熱交換器６とバッファータンク８はオリフィス７を通して連通しており、該オリフィス７で作動流体の流量が絞られているためバッファータンク８内の圧力変動は極めて小さく抑えられている。圧縮機１により起こされる圧力振動により、機内では作動流体は往復運動を行うことになり、パルス管５内の作動流体は断熱変化に近い圧縮と膨張を繰り返し、またアフタークーラ２、蓄冷器３、低温熱交換器４及び高温熱交換器６内の作動流体は等温変化に近い圧縮と膨張を繰り返すことになる。
【０００６】
上記のような作動流体の運動により、低温熱交換器４に冷凍が発生する。また、低温熱交換器４の温度が低下すると同時に蓄冷器３及びパルス管５において温度勾配が生じる。アフタークーラ２及び高温熱交換器６で発熱が生じるため、冷却水又は他の冷媒で放熱させる必要がある。パルスチューブ冷凍機はこれを連続的に行って低温を成生させるものである。
【０００７】
図７は、図３に示す従来構成のオリフィスパルスチューブ冷凍機内に定常運転時の温度分布例を示す図である。アフタークーラ２及び高温熱交換器６は冷却水（図示せず）により３００Ｋ（２７℃）に一定に保たれ、内部で発生する熱を放出する。低温熱交換器４は内部で成立された低温で被冷却物（図示せず）を冷却する。本図では、低温熱交換器４は被冷却物から熱を奪い、１００Ｋ（−１７３℃）に保たれていることを示している。
【０００８】
パルス管５内の作動流体は断熱変化に近い圧縮と膨張変化をしており、温度も時間的に振動している。図７ではパルス管５内の時間平均温度を示している。蓄冷器３内には熱容量の大きな蓄熱物質９が充填されているため作動流体は蓄熱物質９と熱交換を行い温度の時間的変動は極めて小さい。
【０００９】
図４は他のオリフィス型のパルスチューブ冷凍機の構成例を示す図である。本パルスチューブ冷凍機は図３におけるオリフィス７をニードルバルブ１０に置き換えオリフィス部での作動流体の流量を可変にしたものである。
【００１０】
図５は一般的に４−バルブ型パルスチューブ冷凍機と呼ばれるオリフィス型パルスチューブ冷凍機の構成例を示す図である。４個の切替バルブ１３により、圧縮機１の吐出側から高圧の作動流体を蓄冷器３等の機内に導入したり、逆に機内から圧縮機１の吸込側に作動流体を戻し、機内の作動流体圧力を脈動的に変化させることにより、低温を発生させる。本パルスチューブ冷凍機は図３及び図４のオリフィス型パルスチューブ冷凍機と異なりバッファータンクを不要とする。
【００１１】
図６はエキスパンダ型パルスチューブ冷凍機の構成例を示す図である。圧縮機１のピストン１７の動きとエキスパンダ１４のディスプレーサ１６の動きを制御することにより、冷凍を発生させることができる。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
パルスチューブ冷凍機は１５０Ｋ（−１２３℃）から３Ｋ（−２７０℃）を得るための低温冷凍機である。この冷凍機は簡単な構造の冷凍機であるが、冷凍発生の原理は複雑で、不明な点が多い。それ故、冷凍能力向上に関しては経験的手法と試行錯誤の結果に頼らざるを得ないのが現状である。
【００１３】
低温発生部の温度が非常に低く、伝熱による入熱が冷凍能力を低下させることや、作動流体と各要素との断熱や伝熱が不完全であるために冷凍発生能力が低下する原因となっている。
【００１４】
本発明は上述の点に鑑みてなされたもので、上記問題点を除去し、パルス管からの低温部への入熱を低く抑え、パルス管内の作動流体の作用を改善することにより、冷凍能力を向上させたパルスチューブ冷凍機を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため本願請求項１に記載の発明は、圧縮機、蓄冷器、熱交換器、パルス管及びそれらを結ぶ配管及び／又は接続部から構成され、作動流体の作用により冷凍を発生させるパルスチューブ冷凍機において、パルス管の内側に該パルス管の材料より熱伝導率の低い材料から成る内筒を挿入したことを特徴とする。
【００１６】
また、請求項２に記載の発明は請求項１に記載のパルスチューブ冷凍機において、パルス管の内側に挿入する内筒の材料はエポキシ樹脂又はポリエステル樹脂であることを特徴とする。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本願発明の実施の形態例を図面に基づいて説明する。なお、本実施の形態例は一例であり、本願発明はこの実施の形態例に限定されるものでないことは当然である。
【００２０】
図１は本発明のオリフィス型パルスチューブ冷凍機の構成を示す図である。本パルスチューブ冷凍機は、圧縮機１、アフタークーラ２、蓄冷器３、低温熱交換器４、パルス管５、高温熱交換器６、オリフィス７、バッファータンク８を具備し、パルス管の内壁面を断熱材１１で被覆している。
【００２１】
圧縮機１はパルスチューブ冷凍機内の作動流体（図示せず）に圧力振動を与えるものであり、該圧縮機１に連結されるアフタークーラ２は圧縮機１で圧縮され昇温した作動流体を冷却水等（図示せず）で放熱し、作動流体の温度を一定に保つための熱交換器である。
【００２２】
また、蓄冷器３内には図８及び図９に示す金属材料からなる蓄熱物質３１又は蓄熱物質３２が充填されており、低温熱交換器４で発生した冷凍により冷却された作動流体と熱交換し、機内の冷凍を保持するものである。パルス管５は単純な円筒構造で、内部の作動流体は圧縮と膨張を繰り返している。
【００２３】
バッファータンク８内の作動流体の圧力は略一定に保たれており、このバッファータンク８とパルス管５内の高温熱交換器６はオリフィス７を介して連通（接続）している。
【００２４】
パルス管５の内壁面は上記のように断熱材１１で被覆されており、この断熱材１１はパルス管内の作動流体とパルス管５の管壁との熱交換を阻止する作用をするものである。このようにパルス管５の内壁面を断熱材１１で被覆することにより、パルス管５内の作動流体と管壁との熱交換が極めて小さく抑えられ、冷凍能力が大幅に向上する。なお、断熱材１１はパルス管５の材料より熱伝導率の低い材料であり、例えばシリコン樹脂又はフッ素樹脂等が適している。
【００２５】
図２は本発明のオリフィス型パルスチューブ冷凍機の他の構成例を示す図である。本オリフィス型パルスチューブ冷凍機は、図１に示すオリフィス型パルス冷凍機と略同様であるが、パルス管５の内側に該パルス管５の材料より熱伝導率の低い材料からなる内筒１２を挿入している。
【００２６】
このようにパルス管５の材料より熱伝導率の低い材料からなる内筒１２を挿入することにより、内筒１２とその内側の作動流体との熱交換は極めて小さく抑えられ、冷凍能力が向上する。なお、内筒１２の材料としてはエポキシ樹脂又はポリエステル樹脂が好適である。
【００２７】
本発明のパルスチューブ冷凍機はオリフィス型パルスチューブに限定されるものではなく、例えば、図４に示すようにオリフィスに換えてニードルバルブ１０を用いたパルスチューブ冷凍機、図５に示すように４−バルブ型パルスチューブ冷凍機、図６に示すようなエキスパンダ型パルスチューブ冷凍機においても、そのパルス管５の内壁面を該パルス管５の材料より熱伝導率の低い断熱材１１で被覆するか又は該パルス管５の内側に該パルス管５の材料より熱伝導率の低い材料でなる内筒１２を挿入した構成でもよいことは当然である。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明したように、本願請求項に記載の発明によれば、パルス管の内側にパルス管の材料より熱伝導率の低い材料から成る内筒を挿入したので、パルス管壁とパルス管内の作動流体との熱交換が阻止され、冷凍能力が向上するという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のオリフィス型パルスチューブ冷凍機の構成を示す図である。
【図２】本発明のオリフィス型パルスチューブ冷凍機の構成を示す図である。
【図３】従来のオリフィス型パルスチューブ冷凍機の構成を示す図である。
【図４】従来のオリフィス型パルスチューブ冷凍機の構成を示す図である。
【図５】従来のオリフィス型パルスチューブ冷凍機の構成を示す図である。
【図６】従来のエキスパンダ型パルスチューブ冷凍機の構成を示す図である。
【図７】一般的なオリフィス型パルスチューブ冷凍機の各部の温度分布を示す図である。
【図８】球状の蓄熱物質を示す図である。
【図９】網状の蓄熱物質を示す図である。
【符号の説明】
１ 圧縮機
２ アフタークーラ
３ 蓄冷器
４ 低温熱交換器
５ パルス管
６ 高温熱交換器
７ オリフィス
８ バッファータンク
９ 蓄熱物質
１０ ニードルバルブ
１１ 断熱材
１２ 内筒
１３ 切替バルブ
１４ エキスパンダ
１６ ディスプレーサ
１７ ピストン
３０ 作動流体
３１ 球状の蓄熱物質
３２ 網状の蓄熱物質
【発明の属する技術分野】
本発明はパルスチューブ冷凍機に関し、特に冷凍能力を向上させるオリフィス型パルスチューブ冷凍機及びエキスパンダ型パルスチューブ冷凍機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図３は従来のオリフィス型パルスチューブ冷凍機の構成例を示す図である。図示するように、パルスチューブ冷凍機は、圧縮機１、アフタークーラ２、蓄冷器３、低温熱交換器４、パルス管５、高温熱交換器６、オリフィス７及びバッファータンク８を具備し、これを配管及び／又は接続部で接続して構成している。
【０００３】
蓄冷器３は内部に蓄熱物質９を保有している。該蓄熱物質９には図８に示すような球状の金属材料からなる蓄熱物質３１や図９に示すような金属材料を網状に構成した蓄熱物質３２が広く用いられている。なお、図８及び図９において、３０は作動流体を示す。パルス管５は単純な円筒構造をしており、バッファータンク８は他の構成要素に比べて大きな容積を持つ容器である。
【０００４】
圧縮機１はパルスチューブ冷凍機内に作動流体（図示せず）の圧力振動を起こさせるものである。先ず、圧縮機１で圧縮された作動流体は昇温されるためアフタークーラ２で冷却された後、蓄冷器３、低温熱交換器４、パルス管５及び高温熱交換器６内の作動流体の圧力を上げる。
【０００５】
高温熱交換器６とバッファータンク８はオリフィス７を通して連通しており、該オリフィス７で作動流体の流量が絞られているためバッファータンク８内の圧力変動は極めて小さく抑えられている。圧縮機１により起こされる圧力振動により、機内では作動流体は往復運動を行うことになり、パルス管５内の作動流体は断熱変化に近い圧縮と膨張を繰り返し、またアフタークーラ２、蓄冷器３、低温熱交換器４及び高温熱交換器６内の作動流体は等温変化に近い圧縮と膨張を繰り返すことになる。
【０００６】
上記のような作動流体の運動により、低温熱交換器４に冷凍が発生する。また、低温熱交換器４の温度が低下すると同時に蓄冷器３及びパルス管５において温度勾配が生じる。アフタークーラ２及び高温熱交換器６で発熱が生じるため、冷却水又は他の冷媒で放熱させる必要がある。パルスチューブ冷凍機はこれを連続的に行って低温を成生させるものである。
【０００７】
図７は、図３に示す従来構成のオリフィスパルスチューブ冷凍機内に定常運転時の温度分布例を示す図である。アフタークーラ２及び高温熱交換器６は冷却水（図示せず）により３００Ｋ（２７℃）に一定に保たれ、内部で発生する熱を放出する。低温熱交換器４は内部で成立された低温で被冷却物（図示せず）を冷却する。本図では、低温熱交換器４は被冷却物から熱を奪い、１００Ｋ（−１７３℃）に保たれていることを示している。
【０００８】
パルス管５内の作動流体は断熱変化に近い圧縮と膨張変化をしており、温度も時間的に振動している。図７ではパルス管５内の時間平均温度を示している。蓄冷器３内には熱容量の大きな蓄熱物質９が充填されているため作動流体は蓄熱物質９と熱交換を行い温度の時間的変動は極めて小さい。
【０００９】
図４は他のオリフィス型のパルスチューブ冷凍機の構成例を示す図である。本パルスチューブ冷凍機は図３におけるオリフィス７をニードルバルブ１０に置き換えオリフィス部での作動流体の流量を可変にしたものである。
【００１０】
図５は一般的に４−バルブ型パルスチューブ冷凍機と呼ばれるオリフィス型パルスチューブ冷凍機の構成例を示す図である。４個の切替バルブ１３により、圧縮機１の吐出側から高圧の作動流体を蓄冷器３等の機内に導入したり、逆に機内から圧縮機１の吸込側に作動流体を戻し、機内の作動流体圧力を脈動的に変化させることにより、低温を発生させる。本パルスチューブ冷凍機は図３及び図４のオリフィス型パルスチューブ冷凍機と異なりバッファータンクを不要とする。
【００１１】
図６はエキスパンダ型パルスチューブ冷凍機の構成例を示す図である。圧縮機１のピストン１７の動きとエキスパンダ１４のディスプレーサ１６の動きを制御することにより、冷凍を発生させることができる。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
パルスチューブ冷凍機は１５０Ｋ（−１２３℃）から３Ｋ（−２７０℃）を得るための低温冷凍機である。この冷凍機は簡単な構造の冷凍機であるが、冷凍発生の原理は複雑で、不明な点が多い。それ故、冷凍能力向上に関しては経験的手法と試行錯誤の結果に頼らざるを得ないのが現状である。
【００１３】
低温発生部の温度が非常に低く、伝熱による入熱が冷凍能力を低下させることや、作動流体と各要素との断熱や伝熱が不完全であるために冷凍発生能力が低下する原因となっている。
【００１４】
本発明は上述の点に鑑みてなされたもので、上記問題点を除去し、パルス管からの低温部への入熱を低く抑え、パルス管内の作動流体の作用を改善することにより、冷凍能力を向上させたパルスチューブ冷凍機を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため本願請求項１に記載の発明は、圧縮機、蓄冷器、熱交換器、パルス管及びそれらを結ぶ配管及び／又は接続部から構成され、作動流体の作用により冷凍を発生させるパルスチューブ冷凍機において、パルス管の内側に該パルス管の材料より熱伝導率の低い材料から成る内筒を挿入したことを特徴とする。
【００１６】
また、請求項２に記載の発明は請求項１に記載のパルスチューブ冷凍機において、パルス管の内側に挿入する内筒の材料はエポキシ樹脂又はポリエステル樹脂であることを特徴とする。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本願発明の実施の形態例を図面に基づいて説明する。なお、本実施の形態例は一例であり、本願発明はこの実施の形態例に限定されるものでないことは当然である。
【００２０】
図１は本発明のオリフィス型パルスチューブ冷凍機の構成を示す図である。本パルスチューブ冷凍機は、圧縮機１、アフタークーラ２、蓄冷器３、低温熱交換器４、パルス管５、高温熱交換器６、オリフィス７、バッファータンク８を具備し、パルス管の内壁面を断熱材１１で被覆している。
【００２１】
圧縮機１はパルスチューブ冷凍機内の作動流体（図示せず）に圧力振動を与えるものであり、該圧縮機１に連結されるアフタークーラ２は圧縮機１で圧縮され昇温した作動流体を冷却水等（図示せず）で放熱し、作動流体の温度を一定に保つための熱交換器である。
【００２２】
また、蓄冷器３内には図８及び図９に示す金属材料からなる蓄熱物質３１又は蓄熱物質３２が充填されており、低温熱交換器４で発生した冷凍により冷却された作動流体と熱交換し、機内の冷凍を保持するものである。パルス管５は単純な円筒構造で、内部の作動流体は圧縮と膨張を繰り返している。
【００２３】
バッファータンク８内の作動流体の圧力は略一定に保たれており、このバッファータンク８とパルス管５内の高温熱交換器６はオリフィス７を介して連通（接続）している。
【００２４】
パルス管５の内壁面は上記のように断熱材１１で被覆されており、この断熱材１１はパルス管内の作動流体とパルス管５の管壁との熱交換を阻止する作用をするものである。このようにパルス管５の内壁面を断熱材１１で被覆することにより、パルス管５内の作動流体と管壁との熱交換が極めて小さく抑えられ、冷凍能力が大幅に向上する。なお、断熱材１１はパルス管５の材料より熱伝導率の低い材料であり、例えばシリコン樹脂又はフッ素樹脂等が適している。
【００２５】
図２は本発明のオリフィス型パルスチューブ冷凍機の他の構成例を示す図である。本オリフィス型パルスチューブ冷凍機は、図１に示すオリフィス型パルス冷凍機と略同様であるが、パルス管５の内側に該パルス管５の材料より熱伝導率の低い材料からなる内筒１２を挿入している。
【００２６】
このようにパルス管５の材料より熱伝導率の低い材料からなる内筒１２を挿入することにより、内筒１２とその内側の作動流体との熱交換は極めて小さく抑えられ、冷凍能力が向上する。なお、内筒１２の材料としてはエポキシ樹脂又はポリエステル樹脂が好適である。
【００２７】
本発明のパルスチューブ冷凍機はオリフィス型パルスチューブに限定されるものではなく、例えば、図４に示すようにオリフィスに換えてニードルバルブ１０を用いたパルスチューブ冷凍機、図５に示すように４−バルブ型パルスチューブ冷凍機、図６に示すようなエキスパンダ型パルスチューブ冷凍機においても、そのパルス管５の内壁面を該パルス管５の材料より熱伝導率の低い断熱材１１で被覆するか又は該パルス管５の内側に該パルス管５の材料より熱伝導率の低い材料でなる内筒１２を挿入した構成でもよいことは当然である。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明したように、本願請求項に記載の発明によれば、パルス管の内側にパルス管の材料より熱伝導率の低い材料から成る内筒を挿入したので、パルス管壁とパルス管内の作動流体との熱交換が阻止され、冷凍能力が向上するという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のオリフィス型パルスチューブ冷凍機の構成を示す図である。
【図２】本発明のオリフィス型パルスチューブ冷凍機の構成を示す図である。
【図３】従来のオリフィス型パルスチューブ冷凍機の構成を示す図である。
【図４】従来のオリフィス型パルスチューブ冷凍機の構成を示す図である。
【図５】従来のオリフィス型パルスチューブ冷凍機の構成を示す図である。
【図６】従来のエキスパンダ型パルスチューブ冷凍機の構成を示す図である。
【図７】一般的なオリフィス型パルスチューブ冷凍機の各部の温度分布を示す図である。
【図８】球状の蓄熱物質を示す図である。
【図９】網状の蓄熱物質を示す図である。
【符号の説明】
１ 圧縮機
２ アフタークーラ
３ 蓄冷器
４ 低温熱交換器
５ パルス管
６ 高温熱交換器
７ オリフィス
８ バッファータンク
９ 蓄熱物質
１０ ニードルバルブ
１１ 断熱材
１２ 内筒
１３ 切替バルブ
１４ エキスパンダ
１６ ディスプレーサ
１７ ピストン
３０ 作動流体
３１ 球状の蓄熱物質
３２ 網状の蓄熱物質
Claims (2)
- 圧縮機、蓄冷器、熱交換器、パルス管及びそれらを結ぶ配管及び／又は接続部から構成され、作動流体の作用により冷凍を発生させるパルスチューブ冷凍機において、
前記パルス管の内側に該パルス管の材料より熱伝導率の低い材料から成る内筒を挿入したことを特徴とするパルスチューブ冷凍機。 - 請求項１に記載のパルスチューブ冷凍機において、
前記パルス管の内側に挿入する内筒の材料はエポキシ樹脂又はポリエステル樹脂であることを特徴とするパルスチューブ冷凍機。
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| JP07130296A JP3618886B2 (ja) | 1996-03-01 | 1996-03-01 | パルスチューブ冷凍機 |
Applications Claiming Priority (1)
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| JP07130296A JP3618886B2 (ja) | 1996-03-01 | 1996-03-01 | パルスチューブ冷凍機 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09243189A JPH09243189A (ja) | 1997-09-16 |
| JP3618886B2 true JP3618886B2 (ja) | 2005-02-09 |
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| JP07130296A Expired - Fee Related JP3618886B2 (ja) | 1996-03-01 | 1996-03-01 | パルスチューブ冷凍機 |
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