JP3744413B2 - パルス管冷凍機の熱交換器 - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、高温超伝導応用などのための極低温環境を作り出す冷凍機として適用するパルス管冷凍機に関し、詳しくはパルス管冷凍機の系内に設けた熱交換器の構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
まず、本発明の対象となるパルス管冷凍機の構成を図６に示す。図において、１は圧縮機、２は蓄冷器、３はパルス管、４はイナータンスチューブ４ａとバッファタンク４ｂとを組合せた位相制御部、５は圧縮機１から引出した接続管（管径が小な導ガスパイプ）１ａと蓄冷器２の高温端との間に介装した放熱用の第１の高温側熱交換器、６は蓄冷器２の低温端とパルス管３との間に介装したコールドヘッドとして機能する吸熱用の低温側熱交換器、７はパルス管３の高温端とイナータンス４ａとの間に介装した放熱用の第２の高温側熱交換器であり、冷凍機系内には作動ガスとしてヘリウムガス，窒素ガス，アルゴンガスなどが封入されている。
【０００３】
かかるパルス管冷凍機の動作原理はよく知られている通りであり、圧縮機１のピストン往復動作により、圧縮，膨張を繰り返す作動ガスが圧力波となって圧縮機１から第１の高温側熱交換器５，蓄冷器２，低温側熱交換器（コールドヘッド）６，パルス管３，第２の高温側熱交換器７を経て位相制御部４との間で往復流する。この場合に、作動ガスはほぼ正弦波的に圧力振幅を伴って流れるとともに、位相制御部４の働きにより作動ガスはその圧力変化と流量変化の間に位相差が生じ、この圧力と流量のなす仕事が低温部でのＰＶ仕事となって低温側熱交換器６（コールドヘッド）に寒冷（７０Ｋ程度の極低温）を発生する。なお、この際に圧縮過程で生じた作動ガスの圧縮熱は高温側熱交換器５より外部に放熱され、膨張過程では低温側熱交換器（コールドヘッド）６が周囲から熱を奪う。また、低温側熱交換器６で汲み上げた熱はガス振動によりパルス管３を通じて高温側熱交換器７に熱輸送されて外部に放熱される。
【０００４】
かかるパルス管冷凍機の冷凍性能を高めるには、前記した作動ガスの圧力変化と流量変化の間の位相を最適に調節することに加えて、系内における熱ロスの低減化を図ることが重要であり、そのためには図６に示した各熱交換器の熱交換性能をいかにして高めるかが大きなな課題となる。
すなわち、図６における第１の高温側熱交換器５を通じて圧縮機１から蓄冷器２に流入する作動ガスの温度が低いほど熱ロスは低減される。また、コールドヘッドとしての低温側熱交換器６はその熱交換性能が高いほど被冷却物を低温に冷却できる。さらに、パルス管３の高温端に配した第２の高温側熱交換器７は、コールドヘッド６で周囲から汲み上げた熱を排熱する役目を果たすものであることから、その熱交換性能が低いと汲み上げた熱の輸送が円滑に行われず、熱ロス増加の原因となる。また、前記に加えて、パルス管３ではその管内を流れる作動ガスの流速分布が熱輸送に非常に大きな影響を及ぼすことが解析結果から明らかになっており、パルス管３に流れる作動ガスの流速分布を均一にすることが冷凍機の性能向上に不可欠である。
【０００５】
次に、従来のパルス管冷凍機に装備されている前記熱交換器５，６，７の従来構造を図７，図８，図９図に示す。
まず、図７に示す第１の高温側熱交換器５は、銅などの伝熱性の高い金属材で作られた円筒形のハウジング５ａの内部に熱交換部材５ｂとして多数枚の金属メッシュ（伝熱性の高い銅線などを素線として作られたメッシュ数１００〜４００の金網）を積層して装填した上で、図示のように蓄冷器２の高温端と圧縮機に通じる接続管１ａとの間に介装されている。なお、接続管１ａと接続するハウジング５ａの端部には内壁面を円錐状のテーパ面に形成して圧縮機から流入する作動ガスの乱流発生を防ぐようにしている。また、２ａは蓄冷器２のハウジング内に装填した蓄冷部材（一般には多数枚の金属メッシュを積層したものが採用されている）である。
【０００６】
かかる構成で、圧縮機１より送り出された高温の作動ガスが熱交換器５を通流すると、作動ガスは熱交換部材５ｂである金属メッシュを通過する際に熱交換し、金属メッシュからハウジング５ａに伝熱して外部に放熱される。
また、図８に示す低温側熱交換器（コールドヘッド）６は、ハウジング６ａの中に前記の高温側熱交換器５と同様に伝熱性の高い金属材で作られた多数枚の金属メッシュを積層した熱交換部材６ｂを装填した構成で、蓄冷器２の低温端とパルス管３との間に介装されており、ここを通過する低温の作動ガスと熱交換して寒冷を発生し、ハウジング６ａに伝熱的に取付けた被冷却物を極低温（液体窒素温度）に冷却する。
【０００７】
さらに、図９に示す第２の高温側熱交換器７についても、前記と同様にハウジング７ａの中に前記の高温側熱交換器５と同様に伝熱性の高い金属材で作られた多数枚の金属メッシュを積層した熱交換部材７ｂを装填した構成になり、パルス管３の高温端と小径なイナータンスチューブ４ａとの間に介装されており、ここを通流する作動ガスと熱交換してコールドヘッドから汲み上げた熱を外部に放熱する。なお、熱交換器７とイナータンスチューブ４ａとの接続部においても、図７と同様にハウジング７ａの内壁端面に円錐状のテーパ面を形成し、イナータンスチューブ４ａから流入する作動ガスの乱流発生を防ぐようにしている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、図７〜図９に示した従来構造の熱交換器では、次記のような問題点がある。すなわち、熱交換器のハウジング内に装填した熱交換部材の伝熱性能（伝熱面積大、熱伝達率大）が優れていても、熱交換部材の中を流れるガス流，および流速分布に偏りが生じていると、熱交換部材の熱交換性能が十分に発揮できないという問題がある。
【０００９】
特に、図７，図９に示した第１，および第２の高温側熱交換器５，７については、図６で示すようにハウジング５ａ，７ａの一端に小径な接続管１ａ，イナータンスチューブ４ａが接続されていてガス流路の急拡大、急縮小部と重なるために、ガスの偏流が生じ安い。なお、この点について実際にシミュレーションによる解析を行ったところ、ガス流路に急激な拡大部が存在すると、作動ガスの流れは熱交換部材の中心部分を集中的に流れる傾向を示す。しかも、作動ガスの流れが熱交換部材の中心部分に集中すると、熱交換に有効作用する伝熱面積は減少するために当初設計値通りの熱交換性能は得られなるなる。
【００１０】
また、パルス管３の両端に設置される低温側熱交換器６，および第２の高温側熱交換器７において、ここを流れる作動ガスに偏流が生じると、パルス管３内における作動ガスの流速分布が不均一となって、低温端から汲み上げた熱の高温端への熱輸送の機能が低下する。
一方、熱交換器における前記の作動ガス偏流を防ぐための対策として、従来では熱交換器内に装填した熱交換部材自身に整流機能を持たせるようにした例も一部で試みられている。ところで、熱交換部材自身に整流機能を持たせるためには、パルス管冷凍機の作動ガス（ヘリウムガスなど）は粘性が非常に小さいことから、空隙率の非常に小さな熱交換部材（目の細かな金属メッシュ）を使用する必要がある。しかしながら空隙率が小さな熱交換部材を使用すると、熱交換器の圧力損失が増大するという別の問題が発生して冷凍機の効率が低下するようになるため、最善の解決策とはいえない。
【００１１】
本発明は上記の点に鑑みなされたものであり、その目的は冷凍機本体のガス通路に装備した高温側，低温側の熱交換器について、ここを流れる作動ガスの偏流，圧力損失の増加を抑えて熱交換性能を高め、併せてパルス管内での作動ガスの流速分布を均一にして冷凍性能，冷凍効率の向上が図れるように改良したパルス管冷凍機の熱交換器を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明によれば、圧縮機と、蓄冷器と、パルス管と、位相制御部と、蓄冷器と圧縮機から引出した接続管との間に介装した第１の高温側熱交換器と、蓄冷器とパルス管との間に介装した低温側熱交換器と、パルス管と位相制御部のイナータンスチューブとの間に介装した第２の高温側熱交換器とからなり、前記の各熱交換器はハウジングの内部にここを流れる作動ガスと熱交換を行う熱交換部材を内蔵したパルス管冷凍機の熱交換器において、
(1) 第１の高温側熱交換器については、そのハウジング内における熱交換部材と圧縮機接続管の開口端との間に整流部材を介挿し、小径な接続管を通じて圧縮機から熱交換器のハウジング内に流入して熱交換部材に向かう作動ガスの偏流を防いで流速分布を均一にし、ガス流路の拡大による影響（作動ガスの偏流）を抑えて熱交換性能を高めるようにする（請求項１）。
【００１３】
(3) また、低温側熱交換器については、そのハウジング内における熱交換部材とパルス管接続部との間に整流部材を介挿し、蓄冷器から熱交換器を経てパルス管に向かう作動ガスの流速分布を均一にして熱交換性能を高めるようにし、併せてパルス管での熱輸送性能の向上を図るようにする（請求項２）。
(3) さらに、第２の高温側熱交換器については、そのハウジング内に、熱交換部材を挟んでパルス管およびイナータンスチューブとの接続端との間にそれぞれ整流部材を介挿し、パルス管から熱交換器に流入する作動ガスのガス流，および細いイナータンスチューブから熱交換器を経てパルス管に向かう作動ガスの偏流発生を抑えて熱交換性能，およびパルス管内での熱輸送性能の向上を図るようにする（請求項３）。
【００１４】
また、前項(1) 〜(3) において、整流部材は熱交換器の限られたスペース内で大きな整流効果を得るために、具体的には熱交換部材よりも空隙率の小さなメッシュ（金網）を採用する（請求項４）。あるいは、微細な金属繊維や金属粒で成形した空隙率の小さな焼結体を採用する（請求項５）。
さらに、その実施態様として、整流部材と熱交換部材との間に空隙部を設けた構成がある（請求項６）。この構成によれば、前記の空隙部が熱交換部材に対するプレナム空間としてガス流の整流に有効機能することになり、これにより整流部材が熱交換部材の空隙率と同程度の金属メッシュ，あるいは金属焼結体であっても、空隙率の小さな熱交換部材を採用した場合と同等な整流作用が得られ、これにより圧力損失の増加を抑えて高い整流効果が確保できる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図１〜図５に示す実施例に基づいて説明する。なお、各実施例の図中で図６〜図９に対応する部材には同じ符号を付してその説明は省略する。
〔実施例１〕
図１(a) 〜(d) は図６における第１の高温側熱交換器を対象とした本発明の請求項１，４，５に対応する実施例を示すものである。この実施例においては、図７の従来構造における熱交換部材（金属メッシュ）５ｂの一部を図１(a) に示す整流部材５ｂに代え、この整流部材５ｃを熱交換部材５ａと圧縮機から引き出してハウジング５ａに接続した接続管１ａの開口端との間に介挿して高温側熱交換器５を構成している。
【００１６】
ここで、ハウジング５ａに装填した熱交換部材５ｂを図１(b) に示す金属メッシュの積層体として、前記の整流部材５ｃには図１(c) に示す金属メッシュ５ｃ-1の積層体，あるいは図１(d) に示す金属焼結体５ｃ-2（微細な金属繊維，あるいは金属粒子をハウジング５ａの形状に合わせて加圧成形し、これを熱処理して焼結させた多孔質の焼結体）を採用するものとし、その空隙率は熱交換部材（金属メッシュ）５ｂよりも小さくしている。
【００１７】
上記の構成において、冷凍サイクルのガス圧縮行程で接続管１ａ通じて熱交換器５のハウジング５ａに流入した作動ガスは整流部材５ｃを通過して熱交換部材５ｂを流れ、ここで熱交換した後に蓄冷器２に向けて流出する。この場合に、小径な接続管１ａからハウジング５ａの中心に向け集中的に吐出した作動ガスは、整流部材５ｂの端面に突き当たって一旦流路断面の全域に拡散した後に整流部材５ｃを通り抜けるように整流され、図中に矢印で表すように均一な流速分布を呈した状態で熱交換部材５ｂに通流して熱交換を行う。これにより、熱交換部材５ｂはその全断面域で作動ガスと有効に伝熱接触して熱交換するようになるので高い熱交換性能が確保される。
【００１８】
なお、整流部材５ｂとしての金属メッシュ５ｃ-1は、その素線の線径とメッシュ数を選ぶことで所望の空隙率に制御でき、金属焼結体５ｃ-2は、金属繊維，金属粒子の充填率，成形圧力を調整することで空隙率を容易に制御できる。しかも、金属焼結体５ｃ-2は単体であることから、複数枚の金属メッシュ５ｃ-1を積層して整流部材５ｃを形成する場合に比べて取り扱いが簡単である。
【００１９】
〔実施例２〕
図２(a) 〜(d) は本発明の請求項６に対応する前記実施例１の応用実施例を示すものである。この実施例においては、熱交換器５の構造は基本的に図１と同様であるが、ハウジング５ａの中に装填した熱交換部材５ｂとこれに並置して接続管１ａの開口端側に介挿した整流部材５ｃとの間には空隙部５ｄ（間隙ｇ）を設けている。
【００２０】
この構成によれば、前記の空隙部５ｄが熱交換部材５ｂに対する流入ガスのプレナム空間として作用し、ガス流速分布の均一性を高める。この点について発明者等がシミュレーションで解析したところによれば、図２(c),(d) で示すように整流部材５ｃとしての金属メッシュ５ｃ-1，金属焼結体５ｃ-2の空隙率を、図２(b) に示す熱交換部材（金属メッシュ）５ｂの空隙率と同じ程度に選定した場合でも、空隙率の小さな整流部材（実施例１）と同等な整流効果が得られることが確認されている。しかも、整流部材５ｂの空隙率を熱交換部材５ｂと同じ程度にすれば、実施例１の空隙率が小さな整流部材を採用した場合に比べて圧力損失を低減できる。
【００２１】
〔実施例３〕
図３は、本発明の請求項２に対応する低温側熱交換器の実施例を示すものであり、この低温側熱交換器６は図６における蓄冷器２の低温端とパルス管３との間に介装してコールドヘッドとして機能させる。ここで、図示実施例の低温側熱交換器６では、ハウジング６ａに装填した熱交換部材６ｂの端面に重ね合わせてパルス管３に通じる開口端との間に整流部材６ｃを介挿し、この整流部材６ｃの整流作用により蓄冷器２から低温側熱交換器６を経てパルス管３に流入する作動ガスの流速分布を図中の矢印で表すように均一にして流すようにしている。なお、整流部材６ｃには、先記の実施例１と同様に熱交換部材６ｂの空隙率よりも小さく選定した金属メッシュ，あるいは金属焼結体を採用するものとする。
【００２２】
これにより、パルス管３の中を流れる作動ガスが偏りなく管内を均等に通流するようになり、図８で述べたような作動ガスの偏流に起因する熱輸送の低下を防いで冷凍機の性能向上が図れる。また、作動ガスがパルス管３から蓄冷器２に向けて流れるサイクル行程では、整流部材６ｃが熱交換部材６ｂに対して有効に働く。
【００２３】
〔実施例４〕
図４は、本発明の請求項３に対応する第２の高温側熱交換器の実施例を示すものであり、この高温側熱交換器７は図６におけるパルス管３の高温端に設けて位相制御部４のイナータンスチューブ４ａとの間に介装設置されている。ここで、図示実施例の高温側熱交換器７では、ハウジング７ａの中に装填した熱交換部材７ｂを挟んでそのパルス管３の接続端側，およびイナータンスチューブ４ａの接続端側にそれぞれ整流部材７ｃを介挿するものとし、その整流部材７ｃには先記の各実施例と同様に熱交換部材７ｂの空隙率よりも小さく選定した金属メッシュ，あるいは金属焼結体を使用する。
【００２４】
上記の構成によれば、作動ガスがパルス管３とイナータンスチューブ４との間で高温側熱交換器７を経由して往復方向に流れるサイクル行程で、小径なイナータンスチューブ４ａから熱交換器７のハウジング７ａの中に吐出した作動ガスは前段の整流部材７ｃの整流作用により図示矢印で表すように均一な流速分布の状態で熱交換器７の熱交換部材７ｂを通過し、さらに後段の整流部材７ｃにより均一な流速分布を保ってパルス管３の中を流れる。また、作動ガスがパルス管３から高温側熱交換器７を通ってイナータンスチューブ４ａに向けて流れるサイクル行程でも、前記と同様に整流部材７ｃの整流作用により熱交換部材７ｃの断面全域に作動ガスが均一に流れるので高い熱交換性能を確保できる。
【００２５】
〔実施例５〕
図５は本発明の請求項６に対応する前記実施例４の応用実施例を示すものである。この実施例においては、先記した実施例２の構成と同様に、ハウジング７ａに装填した熱交換部材７ｂと整流部材７ｃとの間にプレナム空間として働く空隙部７ｄを設けている。
【００２６】
この構成によれば、整流部材７ｃとしてその空隙率を熱交換部材７ｂと同程度に選定した金属メッシュ，あるいは金属焼結体を採用しても、実施例４と略同様な整流効果を確保しつつ、圧力損失も低減できる。
【００２７】
【発明の効果】
以上述べたように本発明の構成によれば、縮機と、蓄冷器と、パルス管と、位相制御部と、蓄冷器と圧縮機から引出した接続管との間に介装した第１の高温側熱交換器と、蓄冷器とパルス管との間に介装した低温側熱交換器と、パルス管と位相制御部のイナータンスチューブとの間に介装した第２の高温側熱交換器とからなり、前記の各熱交換器は、作動ガスとの間で熱交換を行う熱交換部材をハウジング内に装填したパルス管冷凍機の熱交換器において、
前記第１の高温側熱交換器については、ハウジング内部における熱交換部材と圧縮機接続管の開口端との間に作動ガスの流速分布を均一にする整流部材を介挿し、また低温側熱交換器については、熱交換部材とパルス管接続端との間に作動ガスの流速分布を均一にする整流部材を介挿し、さらに第２の高温側熱交換器については、熱交換部材を挟んでパルス管およびイナータンスチューブの接続端との間に作動ガスの流速分布を均一にする整流部材を介挿するようにして、整流部材の介挿位置を熱交換器ごとに規定したことにより、熱交換器を流れる作動ガスの偏流を防いで熱交換性能を効果的に高め、併せてパルス管内を通流する作動ガスの流速分布を均一にすることができ、これにより熱ロスを低減してパルス管冷凍機の冷凍能力，冷凍効率の向上に大きく寄与できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１に対応する第１の高温側熱交換器の構成図で、(a) はその断面図、(b) は熱交換部材（金属メッシュ）の平面図、(c),(d) はそれぞれ金属メッシュ，および金属焼結体からなる整流部材の平面図
【図２】本発明の実施例２に対応する第１の高温側熱交換器の構成図で、(a) はその断面図、(b) は熱交換部材（金属メッシュ）の平面図、(c),(d) はそれぞれ金属メッシュ，および金属焼結体からなる整流部材の平面図
【図３】本発明の実施例３に対応する低温側熱交換器の構成断面図
【図４】本発明の実施例４に対応する第２の高温側熱交換器の構成断面図
【図５】本発明の実施例５に対応する第２の高温側熱交換器の構成断面図
【図６】本発明の実施対象となるパルス管冷凍機の構成概略図
【図７】図６における第１の高温側熱交換器の従来構造を示す断面図
【図８】図６における低温側熱交換器の従来構造を示す断面図
【図９】図６における第２の高温側熱交換器の従来構造を示す断面図
【符号の説明】
１ 圧縮機
１ａ 接続管
２ 蓄冷器
３ パルス管
４ 位相制御部
４ａ イナータンスチューブ
５ 第１の高温側熱交換器
６ 低温側熱交換器
７ 第２の高温側熱交換器
５ａ，６ａ，７ａ ハウジング
５ｂ，６ｂ，７ｂ 熱交換部材
５ｃ，６ｃ，７ｃ 整流部材
５ｄ，７ｄ 空隙部
５ｃ-1 金属メッシュ
５ｃ-2 金属焼結体

Claims (6)

  1. 圧縮機と、蓄冷器と、パルス管と、位相制御部と、蓄冷器と圧縮機から引出した接続管との間に介装した第１の高温側熱交換器と、蓄冷器とパルス管との間に介装した低温側熱交換器と、パルス管と位相制御部のイナータンスチューブとの間に介装した第２の高温側熱交換器とからなり、前記の各熱交換器は、作動ガスとの間で熱交換を行う熱交換部材をハウジング内に装填したパルス管冷凍機の熱交換器において、
    前記第１の高温側熱交換器について、そのハウジング内部における熱交換部材と圧縮機接続管の開口端との間に作動ガスの流速分布を均一にする整流部材を介挿したことを特徴とするパルス管冷凍機の熱交換器。
  2. 圧縮機と、蓄冷器と、パルス管と、位相制御部と、蓄冷器と圧縮機から引出した接続管との間に介装した第１の高温側熱交換器と、蓄冷器とパルス管との間に介装した低温側熱交換器と、パルス管と位相制御部のイナータンスチューブとの間に介装した第２の高温側熱交換器とからなり、前記の各熱交換器はハウジングの内部にここを流れる作動ガスとの間で熱交換を行う熱交換部材を内蔵したパルス管冷凍機の熱交換器において、
    前記の低温側熱交換器について、そのハウジング内における熱交換部材とパルス管接続端との間に、作動ガスの流速分布を均一にする整流部材を介挿したことを特徴とするパルス管冷凍機の熱交換器。
  3. 圧縮機と、蓄冷器と、パルス管と、位相制御部と、蓄冷器と圧縮機から引出した接続管との間に介装した第１の高温側熱交換器と、蓄冷器とパルス管との間に介装した低温側熱交換器と、パルス管と位相制御部のイナータンスチューブとの間に介装した第２の高温側熱交換器とからなり、前記の各熱交換器はハウジングの内部にここを流れる作動ガスとの間で熱交換を行う熱交換部材を内蔵したパルス管冷凍機の熱交換器において、
    前記第２の高温側熱交換器について、そのハウジング内には熱交換部材を挟んでパルス管およびイナータンスチューブの接続端との間に作動ガスの流速分布を均一にする整流部材を介挿したことを特徴とするパルス管冷凍機の熱交換器。
  4. 請求項１ないし３のいずれかに記載の熱交換器において、整流部材は、その空隙率が熱交換部材よりも小さいメッシュの積層体であることを特徴とするパルス管冷凍機の熱交換器。
  5. 請求項１ないし３のいずれかに記載の熱交換器において、整流部材は、その空隙率が熱交換部材よりも小さな焼結体であることを特徴とするパルス管冷凍機の熱交換器。
  6. 請求項１または３のいずれかに記載の熱交換器において、整流部材と熱交換部材との間に空隙部を設けたことを特徴とするパルス管冷凍機の熱交換器。
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