JP3691169B2 - パルス管冷凍機の常温部の機器構造 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パルス管冷凍機に関するものであり、特に、パルス管冷凍機の常温部の機器構造に係るものである。
【０００２】
【従来の技術】
パルス管冷凍機は W.E Gifford により発明された。機器構成が単純で被冷却体を冷却するコールドヘッドでの機械振動が極めて小さいため、被冷却体での発生ノイズが少ないという特長を有している。しかし、冷凍機内で流体の位相制御に用いられているニードル弁等の流体摩擦による発熱は大きい。また、発熱や加熱されて温度上昇した流体の温度を、常温において放熱させ常温部の機器類の温度を降下させないと効率は向上しないという欠点を有している。（常温部を水冷したり、直接ブロワーで空冷すると、機械振動やモータからの電磁気ノイズがコールドヘッド６で発生し、それが被冷却体でのノイズとなる）
その後、改良され、いろいろな方式が発表され解説もされている。しかし、いまだに流体が往復動するパルス管の温端部から流体溜までの機器類が放熱に適した構造になってはいない。そのため常温部の機器類が高温度となり、効率はあまり向上してはいない。パルス管による低温生成のメカニズムは完全には明らかにされていないが、すでに多くの解説があり、ここではその詳細を除き、本発明に関わる問題点のみを説明する。
【０００３】
第１図（ａ）は既存のパルス管冷凍機の流路系である。圧縮ピストン１、シリンダー２で形成される圧縮空間部３の流体は、電磁誘導式や同期式のリニアーモータで駆動される圧縮ピストン１が上死点に向かうと圧縮され、放熱器４で放熱してほぼ室温となり、３０で一部の流体はバイパス弁１５からニードル弁８、流体溜９に入る。３０から殆どの流体は、蓄冷器５の温端部３０より入って冷却され、蓄冷器の冷端部よりコールドヘッド６に入り、コールドヘッド６では例えば７５Ｋとなり、そしてパルス管７の冷端部２９、温端部２８よりニードル弁８、流体溜９に入る。この過程でパルス管７内に残留する流体（主にヘリウム）は圧縮され温度上昇し、ニードル弁８では流体摩擦で発熱し約３３５Ｋの高温度となって流体溜９内に入る。流体溜９の外壁から自然放熱し、多少温度降下する。
【０００４】
次に流体は、ピストン１が下死点に向かうと流体溜９より８、２８、そして７、６で断熱膨張して温度降下し、６で図示しない被冷却体を冷却し、５、３０、４、そして圧縮空間部３に戻る。流体溜９では放熱面積が少ないため、コールドヘッド６での流体温度は充分には低下せず、効率はスターリングサイクルには近づかない状況にある。なお、バイパス弁１５は細管などが代用される。
【０００５】
第１図（ｂ）は図示しない圧縮機で圧縮された例えば約２０atm.の流体（例えばヘリウム）は、ガス圧や電力で開閉する高圧弁１２が開くと、高圧のフレキシブルな導管（以後、導管）の１１より高圧弁１２を通り、そして２０より長い導管を通り、一部の流体は分岐してバイパス弁２７を通り１６、８、９に入るが、流体の殆どは蓄冷器の温端部３０より蓄冷器５で冷却されて温度降下し、コールドヘッド６、冷端部２９よりパルス管７に入り、パルス管７内の流体を圧縮して温端部２８では高温度となり、ニードル弁８では発熱し、最後に流体溜９に入る。次に高圧弁１２が閉まり、ガス圧や電力で開閉する中圧弁１４が開くと、パルス管７とコールドヘッド６内並びに蓄冷器５内の冷端部に近い流体が断熱膨張し、流体溜９の流体が約１０atm.となり、８、１６、２８、７、２９と戻り、６で被冷却体を冷却し、５、３０で流体溜９、８、バイパス弁２７よりの一部の流体と混合し、導管で２０に入り、中圧弁１４を通過し、１３より図示しない中圧の導管内の流体を圧縮しながら圧縮機に戻る。
【０００６】
次に中圧弁１４が閉まり、１サイクルが終わる。
【０００７】
この流路系のパルス管冷凍機においても、第１図（ａ）の方式と同様に、パルス管７内に残留し圧縮された流体は温度上昇し、ニードル弁８では、ここでの流体抵抗による発熱も加わって約３３５Ｋとなり、その温度のまま流体溜９内に入る。従って放熱が不充分であると常温部に設置される機器類の温度が高くなって、高い効率は期待できない。
【０００８】
【発明が解決すべき課題】
以上説明したように、従来技術では、パルス管冷凍機の高効率化は期待できない。原因の一つは、流体溜９とパルス管７の温端部２８との間において、高温度になった流体の放熱が構造上充分できないため、常温とコールドヘッドとの温度差が大きく、低温生成のための仕事が大きくなってしまうことである。
【０００９】
また、流体温度が高いと流体の密度が小さくなり、圧縮効率や膨張効率が下がることと、流体の粘性係数が高くなって放熱器での圧力損失が増え、冷凍機の効率低下の原因となる。例えば、第１図（ｂ）において、ある運転条件下では流体溜の外壁温度は、室温が２９０Ｋ（約１７度Ｃ）でも、自然放熱では３３５Ｋ以上となる。流体溜９内の流体の実際の温度は、それよりも１０Ｋ以上は高い。そして流体はこの温度でパルス管の温端部２８よりコールドヘッド６（例えば、７０Ｋ）、蓄冷器５へと戻る。しかしパルス管７の２８と２９との温度差が大きく、パルス管７の機能に期待するには、熱負荷｛(335-70)×平均比熱×質量流量｝が非常に大きくなってしまう。蓄冷器５での熱負荷も同様である。
【００１０】
それと、流体溜９、蓄冷器５の温端部３０、パルス管の温端部２８等が一体的に組み付けされている常温部にある主フランジ（第２図の本発明のパルス管冷凍機の断面構造図の３０）の温度が高くなってしまう。このため、主フランジ３０の真空側の壁面３１の輻射率が高くなり、低温度になるコールドヘッド６（第２図では３８）や、それに熱結合する図示しない被冷却体への熱放射量も、それぞれの温度の４乗の差で効いてくるから、これによる冷凍損失も増える。また、この主フランジに低温度まで接合しているパルス管３３や、第２図では蓄冷器３２に同軸のパルス管３３、蓄冷器３２と３３との間に挿入される蓄冷材３４などの固体伝導による伝熱量も大きくなり冷凍損失が増加する。即ち、この伝熱量はパイプやパイプ内の蓄冷材などの熱伝導率×断面積×（常温の温度−低温の温度）／長さ、で計算できる。温度差を３３５Ｋ−７０Ｋにおいて、常温の温度を１５度Ｋ下げられれば、(320-70)/(335K-70)=0.94 となり、損失は約６％減少する。熱伝導率も小さくなるから、固体伝導のみで約７％は減少させることができる。カルノー仕事で確認すると、常温が３３５Ｋでは、W/Q=(335K-70)/70 = 3.786である。単位冷凍量Ｑを得るのに所要動力は、3.786 倍必要となる。もしも１５Ｋ下げられれば、(320-70)/70 となり、動力は 3.571倍となる。即ち、3.571/3.786 = 0.943 であり、約６％減少することが明らかである。さらに、先に述べた熱放射損失も蓄冷器の熱負荷も減少するから、蓄冷器効率は向上し、冷凍機の効率は計算上は１２〜１３％高くなる。また、ニードル弁８での流体の出入に伴う流体摩擦による発熱を少なくすれば、効率はさらに向上すると期待される。
【００１１】
本発明は、上記従来のパルス管冷凍機の不具合を解消するために成されたものであり、パルス管冷凍機において、冷凍効率をさらに向上することを技術的課題とするものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は断熱圧縮により高温度になる作動流体の熱を、伝熱面積の大きな放熱器を設置して冷凍機外に放出するようにして、常温部に設置する機器類の温度を室温近くまで低下させるような構造にしたこと、パルス管から作動流体溜までの流体抵抗を少なくして発熱を防ぐため、作動流体のパルス管への出入の流速を調整して最大効率が得られるようにし、且つ、パルス管と放熱器の流体流路への作動流体の出入をスムースにして発熱を少なくする円錐形状の弁端部をもつ制御弁を設置したこと、ならびに、その円錐形状の円錐角とほぼ同じ開き角度の出入口を有する放射状の流体流路口を設置して放熱器への流体の出入をスムースになるようにしたこと、作動流体の温度が冷凍機内で一番高くなる制御弁の円錐形状の弁端部から制御弁の取っ手と兼用の第２の放熱器までの弁棒内をヒートパイプやサーモサイホン構造として熱輸送し放熱するようにしたこと、などによって冷凍機の効率を向上させた単純形状でコンパクトにまとめたパルス管冷凍機の常温部の機器構造に関するものである。
【００１３】
なお、本発明の名称の一部である常温部の機器構造とは、第１図（ｃ）、（ｄ）において、パルス管２０の温端部２８、その温端部２８への作動流体の出入の流速を調整する制御弁２１、放熱器２２、流量調整つき一方向弁２４、放熱器２２の流体流路系の一部を内包する作動流体溜（以後、流体溜。ある容積をもつ容積空間、バッファータンクともいう）２３、これらを設置する主フランジ（第２図３０）等を含めた機器類をいう。但し、詳細説明において、バイパス弁の図示ならびに機能説明は省略する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明に係るパルス管冷凍機は、作動流体の圧力振動を行う圧縮空間部から放熱器、あるいは蓄冷器、コールドヘッド、パルス管、パルス管の温端部の軸中心に作動流体の流速を調整して最大効率が得られるようにし、且つ、パルス管と放熱器との間に制御弁を設置し、放熱器、作動流体溜、あるいは圧縮機、精製器、高圧と中圧の作動流体の開閉をおこなう二つの制御弁（第１図、（ｂ）１２、１４）、そして圧力振動源からからフレキシブルな導管で蓄冷器５に接続し、コールドヘッド６、パルス管７、ニードル弁８、作動流体溜９等の機器類から構成されている。
【００１５】
本発明の流体の流路系を第１図（ｃ）、（ｄ）にあげ、（ａ）および（ｂ）と対比させて述べる。
【００１６】
（ａ）および（ｂ）のニードル弁８を、（ｃ）では、パルス管２０の温端部２８において、パルス管と放熱器２２への作動流体の出入をスムースにし、且つ、流体の流速を調整して冷凍機の効率を最大にするような円錐形状の弁端部をもつ制御弁２１（以下、制御弁という）とした。また、流体溜９を、放熱器２２の放熱面積の大きな流体流路の全部、または一部を内包する流体溜２３に変えた。
【００１７】
なお、（ａ）の圧縮ピストン１、シリンダー２で形成される圧縮空間部３、圧縮ピストン１、放熱器４の機器構成を、（ｃ）の１５、１６、１７、２６、３１を除いて１８に接続すれば、本発明と同様の効果が得られる。
【００１８】
（ｄ）は（ｃ）よりも冷凍効率が高くなる流路系である。高圧弁１６が開き、流体を冷凍機に供給する過程では、（ｃ）と同じく高圧で温度の高くなった流体がパルス管の温端部２８より制御弁２１を通り、２２で放熱して温度降下し流体溜２３に入る。しかし、高圧弁１６が閉まり、中圧弁３１が開いて流体が戻る過程では、流体溜２３で冷えた流体２７の一部、または殆どは、放熱器２２をバイパスして流量調整の可能な一方向弁２４（第５図）より制御弁２４の中間部６２に入り、蓄冷器１８の温端部３０に戻る。これにより、流体の殆どを、または一部を放熱器２２を通過させないため、放熱器２２での流体通過量の負荷が減り、ここで発生する流体の摩擦損失の減少とともに、温度降下をより高めることができる。なお、第５図は一方向弁の横断面構造図で、流体溜内２３に設置される。流体溜内２３からパルス管内２０に戻る流体は、５７より吸入口５８、その吸入口にオネジが切られたネジ５９をマイナス溝６０を回転させ開口部の通路面積を調整して流体の流量の調整がされ、弁板止め６２で固定された弁板６３を押して通過し、出口６４より制御弁の図示しないが、放熱器の複数の出入り口とほぼ同一の位置の穴より円錐部４２、そしてパルス管内２０へと入る。なお、６７は弁箱でメネジ６６が切られている。
【００１９】
第２図は本発明のパルス管冷凍機の断面構造と上部構造の実施例である。
【００２０】
図示しない圧力振動が行われる圧縮空間部、または圧縮機からの高圧の流体は、主フランジ３０の流体口３５より蓄冷器３２の温端部３６より蓄冷材３４で冷却され蓄冷器の冷端部と、流体との伝熱面積が大きく、しかも流体の出入をスムースに行って摩擦損失を少なくする円錐形状部３７とを一体化したコールドヘッド３８５）、そしてパルス管３３の内部３９を通過し、この過程で、ここに残留した流体を圧縮し混合しパルス管の温端部４０では温度上昇して、制御弁の弁棒４１の円錐角θ１の円錐部４２で分配し、流体溜２３のフイン部４５の内部に放射状で、しかも円錐部４２のθ１とほぼ同一の開き角度θ２で形成される放熱器の複数の出入り口４３から複数の流路４６を通過し放熱して温度降下し、出入り口４７より流体溜内２３に入る。なお、制御弁は弁端にある円錐部４２、それと直結する弁棒４１に回転用のマイナス溝４８と雄ネジ４９が切られ、ネジ５０で固定された雌ネジ部５１、Ｏリング５２から構成される。この制御弁は運転中においても流体を外部に漏洩させることなく、４８を回転させれば円錐部４２を上下させてパルス管内３９と放熱器の複数の流路４６とを出入りする流体の流速を調整し、目標とする冷凍温度や冷凍効率を得ることができる。
【００２１】
なお、θ１の円錐角は小さくなるほど４６から４７までの距離が長くなって放熱用の面積を増やすことができる。高速の運転、例えば１５Ｈｚ以上では円錐部４２での流体摩擦が増えるから３０度以上７０度以下の範囲がよい。１５Ｈｚ以下では１３０度以下なら何度でもよい。
【００２２】
第６図は制御弁の横断面構造図で、弁棒部内５３をヒートパイプやサーモサイホン機構として、弁端部４２での発熱や周囲の熱を常温部の制御弁のローレットが切られ、フイン５４が付けられた回転取っ手５５の内部５６に熱輸送して、５５を第２の放熱器として放熱することが容易な構造となる。
【００２３】
ヒートパイプの場合には、５３にウイックと水を入れる。２０度Ｃで蒸発させるには、蒸気圧を 0.023ata.、３０度Ｃでは 0.042 ata.に減圧して封入すればよい。所要蒸発温度に応じて減圧度や封入液体（例えば、エチルアルコール、水その他の混合体を用いる）を選定する。常温の放熱部が下向きでコールドヘッドが上向きの場合には、弁棒に良熱伝導材料を採用して円錐部と第２の放熱器とを接合し、さらに良熱伝導度であるヘリウム、水素その他を封入したサーモサイホン構造にする。なお、θ２は、θ１とほぼ同一のほうが、流体が流体流路４６に分配するときの摩擦損失が少なくなる。温度降下し圧力が低下した流体が２３より戻るときは、入るときとは逆の４７、４６、４２、３９、３７、３４、３６、３５、そして導管で第１図ａの４より圧縮空間部３や、第１図ｂの２０より図示しない圧縮機へと戻る。なお、第１図のｄは、２３より戻る流体の流路４６の流体損失をより減少させる流路系である。２３からの流体の一部または殆どを、２３内に設置した流量調整付きの一方向弁２４から制御弁６３の中間部６１に入れ、弁端部４２、パルス管内３９、そして先と同様に戻す方法である。この方法は、温度低下した流体に流路４６をバイパスさせて流体抵抗を減少させる方法である。なお、流体溜２３のフイン部４５の内部に作られる複数の流路４６は、ロストワックス法を用い、流体溜と一体構造で鋳造される。
【００２４】
パルス管３３は、第２図では蓄冷器３２と同軸で設置しているが、蓄冷器とは独立に設置してもよい。
【００２５】
第３図（ａ）は本発明の常温部の横断面構造の他の実施例で、流体溜２３と一体化されたフイン部４５と流体溜の外壁の放熱を促進させ、より温度降下させるため、それらを外筒６９で覆い、図示しない遠方に設置されたブロワーで吸入口７０より柔軟なホースで空気を吸引して冷却する構造である。矢印は空気の流れ方向を示す。（ｂ）は上部からの外観である。
【００２６】
第４図は本発明を少量生産用での実施例で、流体溜の外壁４４に多数のフイン管７１の両端をろう付けやレーザー溶接等をおこなって放熱器を形成した横断面構造図である。（ｂ）は上部よりの外観図、（ｃ）は多数のフイン管７１で放熱器を形成した横外観図である。
【００２７】
なお、流体溜フランジ７２、真空断熱ケース７３、ボルト７４、Ｏリング７５である。
【００２８】
【発明の効果】
本発明を整理すると、
１）常温部の機器類の平均温度は、室温が２９０Ｋのとき約３１０Ｋとなった。常温部の温度が３３５Ｋから１５度も下がり、低温部と常温部との温度差が少なくなって低温生成のための仕事が減少し、冷凍出力は２０％以上向上した。
【００２９】
モータ入力は１馬力で、冷凍出力は７５Ｋで１２Ｗから１５．５Ｗとなった。２）パルス管の温端部の軸中心に、流体の流速を調整し、パルス管と放熱器の流体流路との出入をスムースに行う円錐形状の弁端部をもつ制御弁を配置したため、冷凍出力や冷凍温度の最適値を運転中でも調整可能となった。また、これにより、放射状の放熱器の流路口での流体損失が減少した。
【００３０】
３）パルス管の温端部の軸中心に配置した制御弁の弁端部内から常温部までの弁棒部内をヒートパイプやサーモサイホン構造としたため、弁端部およびその周辺部の熱を常温部で効果的に放熱可能となった。
【００３１】
４）放熱用の流体流路を流体溜の外部壁と一体化されたフイン部内に多数設置した構造のため、放熱面積が大きな放熱器でも、形状が単純でコンパクトな常温部の機器類の構造が低価格で提供できるようになった。同時に、流体溜や主フランジの温度が低下するため、低温部への熱放射が減少するとともに、運転中でも装置としての取り扱いが容易となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】パルス管冷凍機の流路系を示した概念図であり、（ａ）、（ｂ）は従来のパルス管冷凍機の流路系、（ｃ）、（ｄ）は本発明の実施形態例におけるパルス管冷凍機の流路系である。
【図２】本発明の第１実施形態例におけるパルス管冷凍機の構造を示す図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ方向矢視上面外観図である。
【図３】本発明の第２実施形態例におけるパルス管冷凍機の構造を示す図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は（ａ）におけるＢ方向矢視上面外観図である。
【図４】本発明の第３実施形態例におけるパルス管冷凍機の構造を示す図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は（ａ）におけるＣ方向矢視上面外観図、（ｃ）は（ａ）におけるＤ方向矢視横面外観図である。
【図５】本発明の実施形態例における一方向弁の横断面構造図である。
【図６】本発明の実施形態例における制御弁の横断面構造図である。
【符号の説明】
６ コールドヘッド
７ パルス管
８ ニードル弁
９ 作動流体溜
１２ 制御弁
１４ 制御弁
１８ 蓄冷器
２０ パルス管
２１ 制御弁
２２ 放熱器
２３ 作動流体溜
２４ 一方向弁
２７ 流体
２８ 温端部
３０ 主フランジ
３１ 中圧弁
３２ 蓄冷器
３３ パルス管
３４ 蓄冷材
３５ 流体口
３６ 温端部
３７ 円錐形状部
３８ コールドヘッド
３９ パルス管内
４０ 温度端部
４１ 弁棒
４２ 円錐部
４３ 出入り口
４４ 外壁
４５ フィン部
４６ 流路
４７ 出入り口
４８ マイナス溝
４９ 雄ネジ
５０ ネジ
５１ 雌ネジ部
５２ Ｏリング
５３ 弁棒部内
５４ フィン
５５ 回転取っ手
５８ 吸入口
５９ ネジ
６０ マイナス溝
６１ 出口
６２ 中間部
６３ 弁板
６４ 出口
６６ メネジ
６７ 弁箱
６９ 外筒
７０ 吸入口
７１ フィン管
７２ 流体溜フランジ
７３ 真空断熱ケース
７４ ボルト
７５ Ｏリング
【発明の属する技術分野】
本発明は、パルス管冷凍機に関するものであり、特に、パルス管冷凍機の常温部の機器構造に係るものである。
【０００２】
【従来の技術】
パルス管冷凍機は W.E Gifford により発明された。機器構成が単純で被冷却体を冷却するコールドヘッドでの機械振動が極めて小さいため、被冷却体での発生ノイズが少ないという特長を有している。しかし、冷凍機内で流体の位相制御に用いられているニードル弁等の流体摩擦による発熱は大きい。また、発熱や加熱されて温度上昇した流体の温度を、常温において放熱させ常温部の機器類の温度を降下させないと効率は向上しないという欠点を有している。（常温部を水冷したり、直接ブロワーで空冷すると、機械振動やモータからの電磁気ノイズがコールドヘッド６で発生し、それが被冷却体でのノイズとなる）
その後、改良され、いろいろな方式が発表され解説もされている。しかし、いまだに流体が往復動するパルス管の温端部から流体溜までの機器類が放熱に適した構造になってはいない。そのため常温部の機器類が高温度となり、効率はあまり向上してはいない。パルス管による低温生成のメカニズムは完全には明らかにされていないが、すでに多くの解説があり、ここではその詳細を除き、本発明に関わる問題点のみを説明する。
【０００３】
第１図（ａ）は既存のパルス管冷凍機の流路系である。圧縮ピストン１、シリンダー２で形成される圧縮空間部３の流体は、電磁誘導式や同期式のリニアーモータで駆動される圧縮ピストン１が上死点に向かうと圧縮され、放熱器４で放熱してほぼ室温となり、３０で一部の流体はバイパス弁１５からニードル弁８、流体溜９に入る。３０から殆どの流体は、蓄冷器５の温端部３０より入って冷却され、蓄冷器の冷端部よりコールドヘッド６に入り、コールドヘッド６では例えば７５Ｋとなり、そしてパルス管７の冷端部２９、温端部２８よりニードル弁８、流体溜９に入る。この過程でパルス管７内に残留する流体（主にヘリウム）は圧縮され温度上昇し、ニードル弁８では流体摩擦で発熱し約３３５Ｋの高温度となって流体溜９内に入る。流体溜９の外壁から自然放熱し、多少温度降下する。
【０００４】
次に流体は、ピストン１が下死点に向かうと流体溜９より８、２８、そして７、６で断熱膨張して温度降下し、６で図示しない被冷却体を冷却し、５、３０、４、そして圧縮空間部３に戻る。流体溜９では放熱面積が少ないため、コールドヘッド６での流体温度は充分には低下せず、効率はスターリングサイクルには近づかない状況にある。なお、バイパス弁１５は細管などが代用される。
【０００５】
第１図（ｂ）は図示しない圧縮機で圧縮された例えば約２０atm.の流体（例えばヘリウム）は、ガス圧や電力で開閉する高圧弁１２が開くと、高圧のフレキシブルな導管（以後、導管）の１１より高圧弁１２を通り、そして２０より長い導管を通り、一部の流体は分岐してバイパス弁２７を通り１６、８、９に入るが、流体の殆どは蓄冷器の温端部３０より蓄冷器５で冷却されて温度降下し、コールドヘッド６、冷端部２９よりパルス管７に入り、パルス管７内の流体を圧縮して温端部２８では高温度となり、ニードル弁８では発熱し、最後に流体溜９に入る。次に高圧弁１２が閉まり、ガス圧や電力で開閉する中圧弁１４が開くと、パルス管７とコールドヘッド６内並びに蓄冷器５内の冷端部に近い流体が断熱膨張し、流体溜９の流体が約１０atm.となり、８、１６、２８、７、２９と戻り、６で被冷却体を冷却し、５、３０で流体溜９、８、バイパス弁２７よりの一部の流体と混合し、導管で２０に入り、中圧弁１４を通過し、１３より図示しない中圧の導管内の流体を圧縮しながら圧縮機に戻る。
【０００６】
次に中圧弁１４が閉まり、１サイクルが終わる。
【０００７】
この流路系のパルス管冷凍機においても、第１図（ａ）の方式と同様に、パルス管７内に残留し圧縮された流体は温度上昇し、ニードル弁８では、ここでの流体抵抗による発熱も加わって約３３５Ｋとなり、その温度のまま流体溜９内に入る。従って放熱が不充分であると常温部に設置される機器類の温度が高くなって、高い効率は期待できない。
【０００８】
【発明が解決すべき課題】
以上説明したように、従来技術では、パルス管冷凍機の高効率化は期待できない。原因の一つは、流体溜９とパルス管７の温端部２８との間において、高温度になった流体の放熱が構造上充分できないため、常温とコールドヘッドとの温度差が大きく、低温生成のための仕事が大きくなってしまうことである。
【０００９】
また、流体温度が高いと流体の密度が小さくなり、圧縮効率や膨張効率が下がることと、流体の粘性係数が高くなって放熱器での圧力損失が増え、冷凍機の効率低下の原因となる。例えば、第１図（ｂ）において、ある運転条件下では流体溜の外壁温度は、室温が２９０Ｋ（約１７度Ｃ）でも、自然放熱では３３５Ｋ以上となる。流体溜９内の流体の実際の温度は、それよりも１０Ｋ以上は高い。そして流体はこの温度でパルス管の温端部２８よりコールドヘッド６（例えば、７０Ｋ）、蓄冷器５へと戻る。しかしパルス管７の２８と２９との温度差が大きく、パルス管７の機能に期待するには、熱負荷｛(335-70)×平均比熱×質量流量｝が非常に大きくなってしまう。蓄冷器５での熱負荷も同様である。
【００１０】
それと、流体溜９、蓄冷器５の温端部３０、パルス管の温端部２８等が一体的に組み付けされている常温部にある主フランジ（第２図の本発明のパルス管冷凍機の断面構造図の３０）の温度が高くなってしまう。このため、主フランジ３０の真空側の壁面３１の輻射率が高くなり、低温度になるコールドヘッド６（第２図では３８）や、それに熱結合する図示しない被冷却体への熱放射量も、それぞれの温度の４乗の差で効いてくるから、これによる冷凍損失も増える。また、この主フランジに低温度まで接合しているパルス管３３や、第２図では蓄冷器３２に同軸のパルス管３３、蓄冷器３２と３３との間に挿入される蓄冷材３４などの固体伝導による伝熱量も大きくなり冷凍損失が増加する。即ち、この伝熱量はパイプやパイプ内の蓄冷材などの熱伝導率×断面積×（常温の温度−低温の温度）／長さ、で計算できる。温度差を３３５Ｋ−７０Ｋにおいて、常温の温度を１５度Ｋ下げられれば、(320-70)/(335K-70)=0.94 となり、損失は約６％減少する。熱伝導率も小さくなるから、固体伝導のみで約７％は減少させることができる。カルノー仕事で確認すると、常温が３３５Ｋでは、W/Q=(335K-70)/70 = 3.786である。単位冷凍量Ｑを得るのに所要動力は、3.786 倍必要となる。もしも１５Ｋ下げられれば、(320-70)/70 となり、動力は 3.571倍となる。即ち、3.571/3.786 = 0.943 であり、約６％減少することが明らかである。さらに、先に述べた熱放射損失も蓄冷器の熱負荷も減少するから、蓄冷器効率は向上し、冷凍機の効率は計算上は１２〜１３％高くなる。また、ニードル弁８での流体の出入に伴う流体摩擦による発熱を少なくすれば、効率はさらに向上すると期待される。
【００１１】
本発明は、上記従来のパルス管冷凍機の不具合を解消するために成されたものであり、パルス管冷凍機において、冷凍効率をさらに向上することを技術的課題とするものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は断熱圧縮により高温度になる作動流体の熱を、伝熱面積の大きな放熱器を設置して冷凍機外に放出するようにして、常温部に設置する機器類の温度を室温近くまで低下させるような構造にしたこと、パルス管から作動流体溜までの流体抵抗を少なくして発熱を防ぐため、作動流体のパルス管への出入の流速を調整して最大効率が得られるようにし、且つ、パルス管と放熱器の流体流路への作動流体の出入をスムースにして発熱を少なくする円錐形状の弁端部をもつ制御弁を設置したこと、ならびに、その円錐形状の円錐角とほぼ同じ開き角度の出入口を有する放射状の流体流路口を設置して放熱器への流体の出入をスムースになるようにしたこと、作動流体の温度が冷凍機内で一番高くなる制御弁の円錐形状の弁端部から制御弁の取っ手と兼用の第２の放熱器までの弁棒内をヒートパイプやサーモサイホン構造として熱輸送し放熱するようにしたこと、などによって冷凍機の効率を向上させた単純形状でコンパクトにまとめたパルス管冷凍機の常温部の機器構造に関するものである。
【００１３】
なお、本発明の名称の一部である常温部の機器構造とは、第１図（ｃ）、（ｄ）において、パルス管２０の温端部２８、その温端部２８への作動流体の出入の流速を調整する制御弁２１、放熱器２２、流量調整つき一方向弁２４、放熱器２２の流体流路系の一部を内包する作動流体溜（以後、流体溜。ある容積をもつ容積空間、バッファータンクともいう）２３、これらを設置する主フランジ（第２図３０）等を含めた機器類をいう。但し、詳細説明において、バイパス弁の図示ならびに機能説明は省略する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明に係るパルス管冷凍機は、作動流体の圧力振動を行う圧縮空間部から放熱器、あるいは蓄冷器、コールドヘッド、パルス管、パルス管の温端部の軸中心に作動流体の流速を調整して最大効率が得られるようにし、且つ、パルス管と放熱器との間に制御弁を設置し、放熱器、作動流体溜、あるいは圧縮機、精製器、高圧と中圧の作動流体の開閉をおこなう二つの制御弁（第１図、（ｂ）１２、１４）、そして圧力振動源からからフレキシブルな導管で蓄冷器５に接続し、コールドヘッド６、パルス管７、ニードル弁８、作動流体溜９等の機器類から構成されている。
【００１５】
本発明の流体の流路系を第１図（ｃ）、（ｄ）にあげ、（ａ）および（ｂ）と対比させて述べる。
【００１６】
（ａ）および（ｂ）のニードル弁８を、（ｃ）では、パルス管２０の温端部２８において、パルス管と放熱器２２への作動流体の出入をスムースにし、且つ、流体の流速を調整して冷凍機の効率を最大にするような円錐形状の弁端部をもつ制御弁２１（以下、制御弁という）とした。また、流体溜９を、放熱器２２の放熱面積の大きな流体流路の全部、または一部を内包する流体溜２３に変えた。
【００１７】
なお、（ａ）の圧縮ピストン１、シリンダー２で形成される圧縮空間部３、圧縮ピストン１、放熱器４の機器構成を、（ｃ）の１５、１６、１７、２６、３１を除いて１８に接続すれば、本発明と同様の効果が得られる。
【００１８】
（ｄ）は（ｃ）よりも冷凍効率が高くなる流路系である。高圧弁１６が開き、流体を冷凍機に供給する過程では、（ｃ）と同じく高圧で温度の高くなった流体がパルス管の温端部２８より制御弁２１を通り、２２で放熱して温度降下し流体溜２３に入る。しかし、高圧弁１６が閉まり、中圧弁３１が開いて流体が戻る過程では、流体溜２３で冷えた流体２７の一部、または殆どは、放熱器２２をバイパスして流量調整の可能な一方向弁２４（第５図）より制御弁２４の中間部６２に入り、蓄冷器１８の温端部３０に戻る。これにより、流体の殆どを、または一部を放熱器２２を通過させないため、放熱器２２での流体通過量の負荷が減り、ここで発生する流体の摩擦損失の減少とともに、温度降下をより高めることができる。なお、第５図は一方向弁の横断面構造図で、流体溜内２３に設置される。流体溜内２３からパルス管内２０に戻る流体は、５７より吸入口５８、その吸入口にオネジが切られたネジ５９をマイナス溝６０を回転させ開口部の通路面積を調整して流体の流量の調整がされ、弁板止め６２で固定された弁板６３を押して通過し、出口６４より制御弁の図示しないが、放熱器の複数の出入り口とほぼ同一の位置の穴より円錐部４２、そしてパルス管内２０へと入る。なお、６７は弁箱でメネジ６６が切られている。
【００１９】
第２図は本発明のパルス管冷凍機の断面構造と上部構造の実施例である。
【００２０】
図示しない圧力振動が行われる圧縮空間部、または圧縮機からの高圧の流体は、主フランジ３０の流体口３５より蓄冷器３２の温端部３６より蓄冷材３４で冷却され蓄冷器の冷端部と、流体との伝熱面積が大きく、しかも流体の出入をスムースに行って摩擦損失を少なくする円錐形状部３７とを一体化したコールドヘッド３８５）、そしてパルス管３３の内部３９を通過し、この過程で、ここに残留した流体を圧縮し混合しパルス管の温端部４０では温度上昇して、制御弁の弁棒４１の円錐角θ１の円錐部４２で分配し、流体溜２３のフイン部４５の内部に放射状で、しかも円錐部４２のθ１とほぼ同一の開き角度θ２で形成される放熱器の複数の出入り口４３から複数の流路４６を通過し放熱して温度降下し、出入り口４７より流体溜内２３に入る。なお、制御弁は弁端にある円錐部４２、それと直結する弁棒４１に回転用のマイナス溝４８と雄ネジ４９が切られ、ネジ５０で固定された雌ネジ部５１、Ｏリング５２から構成される。この制御弁は運転中においても流体を外部に漏洩させることなく、４８を回転させれば円錐部４２を上下させてパルス管内３９と放熱器の複数の流路４６とを出入りする流体の流速を調整し、目標とする冷凍温度や冷凍効率を得ることができる。
【００２１】
なお、θ１の円錐角は小さくなるほど４６から４７までの距離が長くなって放熱用の面積を増やすことができる。高速の運転、例えば１５Ｈｚ以上では円錐部４２での流体摩擦が増えるから３０度以上７０度以下の範囲がよい。１５Ｈｚ以下では１３０度以下なら何度でもよい。
【００２２】
第６図は制御弁の横断面構造図で、弁棒部内５３をヒートパイプやサーモサイホン機構として、弁端部４２での発熱や周囲の熱を常温部の制御弁のローレットが切られ、フイン５４が付けられた回転取っ手５５の内部５６に熱輸送して、５５を第２の放熱器として放熱することが容易な構造となる。
【００２３】
ヒートパイプの場合には、５３にウイックと水を入れる。２０度Ｃで蒸発させるには、蒸気圧を 0.023ata.、３０度Ｃでは 0.042 ata.に減圧して封入すればよい。所要蒸発温度に応じて減圧度や封入液体（例えば、エチルアルコール、水その他の混合体を用いる）を選定する。常温の放熱部が下向きでコールドヘッドが上向きの場合には、弁棒に良熱伝導材料を採用して円錐部と第２の放熱器とを接合し、さらに良熱伝導度であるヘリウム、水素その他を封入したサーモサイホン構造にする。なお、θ２は、θ１とほぼ同一のほうが、流体が流体流路４６に分配するときの摩擦損失が少なくなる。温度降下し圧力が低下した流体が２３より戻るときは、入るときとは逆の４７、４６、４２、３９、３７、３４、３６、３５、そして導管で第１図ａの４より圧縮空間部３や、第１図ｂの２０より図示しない圧縮機へと戻る。なお、第１図のｄは、２３より戻る流体の流路４６の流体損失をより減少させる流路系である。２３からの流体の一部または殆どを、２３内に設置した流量調整付きの一方向弁２４から制御弁６３の中間部６１に入れ、弁端部４２、パルス管内３９、そして先と同様に戻す方法である。この方法は、温度低下した流体に流路４６をバイパスさせて流体抵抗を減少させる方法である。なお、流体溜２３のフイン部４５の内部に作られる複数の流路４６は、ロストワックス法を用い、流体溜と一体構造で鋳造される。
【００２４】
パルス管３３は、第２図では蓄冷器３２と同軸で設置しているが、蓄冷器とは独立に設置してもよい。
【００２５】
第３図（ａ）は本発明の常温部の横断面構造の他の実施例で、流体溜２３と一体化されたフイン部４５と流体溜の外壁の放熱を促進させ、より温度降下させるため、それらを外筒６９で覆い、図示しない遠方に設置されたブロワーで吸入口７０より柔軟なホースで空気を吸引して冷却する構造である。矢印は空気の流れ方向を示す。（ｂ）は上部からの外観である。
【００２６】
第４図は本発明を少量生産用での実施例で、流体溜の外壁４４に多数のフイン管７１の両端をろう付けやレーザー溶接等をおこなって放熱器を形成した横断面構造図である。（ｂ）は上部よりの外観図、（ｃ）は多数のフイン管７１で放熱器を形成した横外観図である。
【００２７】
なお、流体溜フランジ７２、真空断熱ケース７３、ボルト７４、Ｏリング７５である。
【００２８】
【発明の効果】
本発明を整理すると、
１）常温部の機器類の平均温度は、室温が２９０Ｋのとき約３１０Ｋとなった。常温部の温度が３３５Ｋから１５度も下がり、低温部と常温部との温度差が少なくなって低温生成のための仕事が減少し、冷凍出力は２０％以上向上した。
【００２９】
モータ入力は１馬力で、冷凍出力は７５Ｋで１２Ｗから１５．５Ｗとなった。２）パルス管の温端部の軸中心に、流体の流速を調整し、パルス管と放熱器の流体流路との出入をスムースに行う円錐形状の弁端部をもつ制御弁を配置したため、冷凍出力や冷凍温度の最適値を運転中でも調整可能となった。また、これにより、放射状の放熱器の流路口での流体損失が減少した。
【００３０】
３）パルス管の温端部の軸中心に配置した制御弁の弁端部内から常温部までの弁棒部内をヒートパイプやサーモサイホン構造としたため、弁端部およびその周辺部の熱を常温部で効果的に放熱可能となった。
【００３１】
４）放熱用の流体流路を流体溜の外部壁と一体化されたフイン部内に多数設置した構造のため、放熱面積が大きな放熱器でも、形状が単純でコンパクトな常温部の機器類の構造が低価格で提供できるようになった。同時に、流体溜や主フランジの温度が低下するため、低温部への熱放射が減少するとともに、運転中でも装置としての取り扱いが容易となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】パルス管冷凍機の流路系を示した概念図であり、（ａ）、（ｂ）は従来のパルス管冷凍機の流路系、（ｃ）、（ｄ）は本発明の実施形態例におけるパルス管冷凍機の流路系である。
【図２】本発明の第１実施形態例におけるパルス管冷凍機の構造を示す図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ方向矢視上面外観図である。
【図３】本発明の第２実施形態例におけるパルス管冷凍機の構造を示す図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は（ａ）におけるＢ方向矢視上面外観図である。
【図４】本発明の第３実施形態例におけるパルス管冷凍機の構造を示す図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は（ａ）におけるＣ方向矢視上面外観図、（ｃ）は（ａ）におけるＤ方向矢視横面外観図である。
【図５】本発明の実施形態例における一方向弁の横断面構造図である。
【図６】本発明の実施形態例における制御弁の横断面構造図である。
【符号の説明】
６ コールドヘッド
７ パルス管
８ ニードル弁
９ 作動流体溜
１２ 制御弁
１４ 制御弁
１８ 蓄冷器
２０ パルス管
２１ 制御弁
２２ 放熱器
２３ 作動流体溜
２４ 一方向弁
２７ 流体
２８ 温端部
３０ 主フランジ
３１ 中圧弁
３２ 蓄冷器
３３ パルス管
３４ 蓄冷材
３５ 流体口
３６ 温端部
３７ 円錐形状部
３８ コールドヘッド
３９ パルス管内
４０ 温度端部
４１ 弁棒
４２ 円錐部
４３ 出入り口
４４ 外壁
４５ フィン部
４６ 流路
４７ 出入り口
４８ マイナス溝
４９ 雄ネジ
５０ ネジ
５１ 雌ネジ部
５２ Ｏリング
５３ 弁棒部内
５４ フィン
５５ 回転取っ手
５８ 吸入口
５９ ネジ
６０ マイナス溝
６１ 出口
６２ 中間部
６３ 弁板
６４ 出口
６６ メネジ
６７ 弁箱
６９ 外筒
７０ 吸入口
７１ フィン管
７２ 流体溜フランジ
７３ 真空断熱ケース
７４ ボルト
７５ Ｏリング
Claims (5)
- 圧縮機、精製器、制御弁、作動流体の圧力振動が行われる圧縮空間部、蓄冷器、コールドヘッド、パルス管、放熱器、ニードル弁、オリフィス、作動流体溜、制御弁等から構成されるパルス管冷凍機において、
作動流体が通過するパルス管の温端部の軸中心に作動流体の流速を調整し、且つ、作動流体がパルス管と放熱器の流体流路との出入りをスムーズに行うよう円錐形状の弁端部をもつ制御弁を設置し、該制御弁の円錐角とほぼ同じ開き角度で放射状の放熱流路用の分配器を配置し、前記制御弁と作動流体が導通する作動流体溜との間に１ケまたは複数の流体流路をもつ放熱器を導入し、高温度になった作動流体を放熱させるパルス管冷凍機の常温部の機器構造であって、
前記放熱器を、前記分配器の延長上に流体流路を作動流体溜の外部壁と一体化したフィン部内に設置したことを特徴とするパルス管冷凍機の常温部の機器構造。 - 圧縮機、精製器、制御弁、作動流体の圧力振動が行われる圧縮空間部、蓄冷器、コールドヘッド、パルス管、放熱器、ニードル弁、オリフィス、作動流体溜、制御弁等から構成されるパルス管冷凍機において、
作動流体が通過するパルス管の温端部の軸中心に作動流体の流速を調整する円錐形状の弁端部をもつ制御弁を設置し、それと作動流体が導通する作動流体溜との間に１ケまたは複数の流体流路をもつ放熱器を導入して、高温度になった作動流体を放熱させるパルスくれの常温部の機器構造であって、
作動流体溜の外部壁と一体化したフィン部の外周に冷却空気の吸入用のカバーをかけ、これを遠方に配置したブロワーの空気用導管で吸入排気して作動流体溜を空冷するような構造を特徴とするパルス管冷凍機の常温部の機器構造。 - 圧縮機、精製器、制御弁、作動流体の圧力振動が行われる圧縮空間部、蓄冷器、コールドヘッド、パルス管、放熱器、ニードル弁、オリフィス、作動流体溜、制御弁等から構成されるパルス管冷凍機において、
作動流体が通過するパルス管の温端部の軸中心に作動流体の流速を調整する円錐形状の弁端部をもつ制御弁を設置し、それと作動流体が導通する作動流体溜との間に１ケまたは複数の流体流路をもつ放熱器を導入して、高温度になった作動流体を放熱させるパルスくれの常温部の機器構造であって、
多数本のフィン管を放射状に作動流体溜の外部に設置した構造を特徴とするパルス管冷凍機の常温部の機器構造。 - 圧縮機、精製器、制御弁、作動流体の圧力振動が行われる圧縮空間部、蓄冷器、コールドヘッド、パルス管、放熱器、ニードル弁、オリフィス、作動流体溜、制御弁等から構成されるパルス管冷凍機において、
作動流体が通過するパルス管の温端部の軸中心に作動流体の流速を調整する円錐形状の弁端部をもつ制御弁を設置し、それと作動流体が導通する作動流体溜との間に１ケまたは複数の流体流路をもつ放熱器を導入して、高温度になった作動流体を放熱させるパルスくれの常温部の機器構造であって、
作動流体によって高温度となる前記円錐形状の弁端部およびその周辺部の熱を、前記パルス管の温端部の軸中心にある制御弁の円錐形状の弁端部内から常温部にある作動流体の流速を調整し、且つ、放熱器を兼ねる弁取っ手の内部までの弁棒部内をえぐり取ってヒートパイプやサーモサイホン機構として熱輸送をし、常温部で放熱するような構造としたことを特徴とするパルス管冷凍機の常温部の機器構造。 - 圧縮機、精製器、制御弁、作動流体の圧力振動が行われる圧縮空間部、蓄冷器、コールドヘッド、パルス管、放熱器、ニードル弁、オリフィス、作動流体溜、制御弁等から構成されるパルス管冷凍機において、
作動流体が通過するパルス管の温端部の軸中心に作動流体の流速を調整する円錐形状の弁端部をもつ制御弁を設置し、それと作動流体が導通する作動流体溜との間に１ケまたは複数の流体流路をもつ放熱器を導入して、高温度になった作動流体を放熱させるパルスくれの常温部の機器構造であって、
前記パルス管の温端部の軸中心に設置した作動流体の流速を調整する制御弁の円錐形状の弁端部の開き角度を３０度から１３０度の範囲とし、且つ、放射状に多数配置した放熱器の流体流路の開き角度とほぼ同一にするような構造を特徴とするパルス管冷凍機の常温部の機器構造。
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