JP3800577B2 - パルス管冷凍機 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明はパルス管冷凍機に関し、さらに詳細にいえば、機械的に往復動するディスプレーサに代えて、同様な機能を達成するパルス管を用いるパルス管冷凍機に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来から、機械的に往復動するディスプレーサに代えて、同様な機能を達成するパルス管を用いることにより、機械的振動の発生を大幅に低減できるパルス管冷凍機が提案されている。
【0003】
図3は従来のパルス管冷凍機の構成を示す概略図である。
【0004】
このパルス管冷凍機は、冷媒ガスを圧縮する圧縮機91と、この圧縮機91からの高圧冷媒ガスと圧縮機91に戻る低圧冷媒ガスとを切り換える切り換え弁92と、この切り換え弁92に連結されて高圧冷媒ガスの膨脹時の冷熱を蓄冷する蓄冷器93と、この蓄冷器93および低温端接続管94を通して加えられる圧力波によって圧縮、膨脹を繰り返して冷熱を発生するパルス管95と、パルス管95の高温端部とオリフィス弁96を介して接続されたバッファタンク97と、前記切り換え弁92と蓄冷器93との接続部とパルス管95の高温端部とを接続するダブルインレット弁98とを有している。
【0005】
この構成のパルス管冷凍機を採用すれば、切り換え弁92を動作させることにより、蓄冷器93および低温端接続管94を通してパルス管95内に圧力波を供給して、パルス管95内の冷媒ガスの圧縮、膨脹を反復させ、冷熱を発生させる。そして、発生された冷熱を蓄冷器93に蓄冷させる。また、オリフィス弁96、バッファタンク97、およびダブルインレット弁98によって、パルス管95内の冷媒ガスの圧縮、膨脹の位相を制御して、前記冷熱の発生を良好に行うことができる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
図3に示すパルス管冷凍機を採用した場合には、ダブルインレット弁98の方向性や高圧冷媒ガスの吸入行程と低圧冷媒ガスの吐出行程とのアンバランスによって、ダブルインレット弁98を有するダブルインレット配管、パルス管95、低温端接続管94、および蓄冷器93で構成される閉回路を循環する冷媒ガスの一方向流が発生し、この一方向流の発生により冷凍能力の低下を招くという不都合が生じると考えられる。
【0007】
さらに詳細に説明する。
【0008】
パルス管冷凍機の冷凍能力は、パルス管95の低温側の端部の圧力Pと、パルス管95内のガスピストンの変位に伴う容積変化Vとのリサージュ波形で表されるPV仕事量で議論することができる。
【0009】
ガスピストンの変位はバッファタンク97内部の圧力によって変化し、この圧力が最適になっている場合にはPV仕事量を表すPV線図は図4中(A)のようになっていると考えられる。これに対して、バッファタンク97内部の圧力の調節が不十分で最適値からずれると、PV仕事量が小さくなって冷凍能力が低下する。図4中(B)はバッファタンク97内部の圧力が最適値よりも小さくなっている状態を表している。この時、ガスピストンのストロークの中立点は常温端部の方にずれてしまい、低温端部の無駄容積が大きい状態になり、消費ガス量が大きくなってPV線図の差圧Δpが小さくなってしまう。図4中(C)はバッファタンク97内部の圧力が最適値よりも大きくなっている状態を表している。この時、ガスピストンのストロークの中立点は低温端部の方にずれてしまい、PV線図の一部が欠けてしまう。
【0010】
【発明の目的】
この発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、ダブルインレット弁の方向性や高圧冷媒ガスの吸入行程と低圧冷媒ガスの吐出行程とのアンバランスがある場合であっても、これらに起因する冷凍能力の低下を防止し、もしくは抑制することができるパルス管冷凍機を提供することを目的としている。
【0011】
【課題を解決するための手段】
請求項1のパルス管冷凍機は、バッファタンクと、前記圧縮機の高圧冷媒ガス配管、低圧冷媒ガス配管の少なくとも一方とを第3の流路抵抗を介在させた配管で接続してなるものである。なお、このパルス管冷凍機は、ギフォード・マクマフォン・サイクル、スターリン・サイクルの何れにも適用することができる。
【0012】
【作用】
請求項1のパルス管冷凍機であれば、圧縮機からの高圧冷媒ガスと圧縮機に戻る低圧冷媒ガスとを切り換え弁によって切り換え、蓄冷器を通してパルス管の内部に加えられる圧力波によって圧縮、膨脹を繰り返して冷熱を発生し、この冷熱を蓄冷器に蓄冷することにより極低温を発生させるに当って、第2の流路抵抗に方向性があり(第2の流路抵抗の流量係数が冷媒ガスの流れ方向により差があり)、または高圧冷媒ガスの吸入行程と低圧冷媒ガスの吐出行程とのアンバランスがあっても、前記バッファタンクと、前記圧縮機の高圧冷媒ガス配管、低圧冷媒ガス配管の少なくとも一方とを第3の流路抵抗を介在させた配管で接続することによって、パルス管、第2の流路抵抗、および蓄冷器で構成される閉回路を流れる冷媒ガスの一方向流の発生を防止し、もしくは抑制することができ、ひいては冷凍能力の低下を防止し、もしくは抑制することができる。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して、この発明のパルス管冷凍機の実施の態様を詳細に説明する。
【0014】
図1はこの発明のパルス管冷凍機の一実施態様を示す概略図である。
【0015】
このパルス管冷凍機は、冷媒ガスを圧縮する圧縮機1と、この圧縮機1からの高圧冷媒ガスと圧縮機1に戻る低圧冷媒ガスとを切り換える切り換え弁2と、この切り換え弁2に連結されて高圧冷媒ガスの膨脹時の冷熱を蓄冷する蓄冷器3と、この蓄冷器3および低温端接続管4を通して加えられる圧力波によって圧縮、膨脹を繰り返して冷熱を発生するパルス管5と、パルス管5の高温端部とオリフィス弁(第1の流路抵抗)6を介して接続されたバッファタンク7と、前記切り換え弁2と蓄冷器3との接続部とパルス管5の高温端部とを接続するための、ダブルインレット弁(第2の流路抵抗)8を設けた配管8aとを有している。そして、バッファタンク7と、前記圧縮機1の高圧冷媒ガス配管1a、低圧冷媒ガス配管1bとを第3の流路抵抗(ニードルバルブ、オリフィス弁など)9を介在させた配管9aで接続している。
【0016】
上記の構成のパルス管冷凍機の作用は次のとおりである。
【0017】
圧縮機1の運転を行いつつ、切り換え弁2を周期的に切り換え動作させることにより、高圧冷媒ガスを蓄冷器3に供給する動作と、低圧冷媒ガスを圧縮機1に戻す動作とを反復することができる。そして、蓄冷器3は、低温端接続管4を介してパルス管5の低温端部と接続されているので、パルス管5内の冷媒ガスには、前記切り換え弁2の切り換え動作に応答して圧力波が供給され、この圧力波によってパルス管5内のガスピストン(仮想的にピストンと同様の機能を達成する冷媒ガス)が動作して冷媒ガス(パルス管5内におけるガスピストン以外の冷媒ガス)の圧縮、膨脹を繰り返し、パルス管5の低温端部に冷熱を発生させる。この場合において、ガスピストンの動作位相は、主としてオリフィス弁6およびバッファタンク7により制御され、補助的にダブルインレット弁8により制御される。
【0018】
したがって、切り換え弁2の切り換え動作に対するガスピストンの動作位相を制御することにより、パルス管5の低温端部に効果的に冷熱を発生させることができる。
【0019】
また、このようにして発生させられた冷熱は、圧縮機1に戻る低圧冷媒ガスによって蓄冷器3に導かれ、蓄冷器3において、発生させられた冷熱が蓄冷される。
【0020】
さらに、上記の動作を行っている間において、ダブルインレット弁8の方向性、および/または高圧冷媒ガスの吸入行程と低圧冷媒ガスの吐出行程とのアンバランスによって、蓄冷器3、低温端接続管4、パルス管5、およびダブルインレット弁8を設けた配管8aで構成される閉回路を循環する冷媒ガスの一方向流が発生し、冷凍能力が低下する可能性があるが、この実施態様のパルス管冷凍機では、バッファタンク7と、前記圧縮機1の高圧冷媒ガス配管1a、低圧冷媒ガス配管1bとを第3の流路抵抗9を介在させた配管9aで接続しているのであるから、前記冷媒ガスの一方向流の発生を防止し、もしくは大幅に抑制し、冷凍能力の低下を防止し、もしくは大幅に抑制することができる。
【0021】
なお、この実施態様においては、バッファタンク7と、前記圧縮機1の高圧冷媒ガス配管1a、低圧冷媒ガス配管1bとを第3の流路抵抗9を介在させた配管9aで接続しているが、バッファタンク7と、前記圧縮機1の高圧冷媒ガス配管1a、低圧冷媒ガス配管1bの一方とを第3の流路抵抗9を介在させた配管9aで接続するように構成することが可能である。
【0022】
図2は冷凍能力測定結果を示す図である。図2において、白三角は従来のパルス管冷凍機の冷凍能力(冷凍能力−温度特性)を、白四角はバッファタンク7と前記圧縮機1の高圧冷媒ガス配管1aとを接続したパルス管冷凍機の冷凍能力を、白丸はバッファタンク7と前記圧縮機1の低圧冷媒ガス配管1bとを接続したパルス管冷凍機の冷凍能力を、それぞれ示している。なお、バッファタンク7と前記圧縮機1の高圧冷媒ガス配管1aとを接続した場合と、バッファタンク7と前記圧縮機1の低圧冷媒ガス配管1bとを接続した場合とでは、ダブルインレット弁8の取付け方向を互いに逆に設定している。なお、オリフィス弁6の流量係数(CV値)は、0.006〜0.008、ダブルインレット弁8の流量係数(CV値)は、0.012、第3の流路抵抗9の流量係数(CV値)は、0.0002〜0.00025にそれぞれ設定されている。
【0023】
図2に示す冷凍能力測定結果から明らかなように、80Kでの冷凍能力で比較すると、白三角の場合には冷凍電力が7W程度、白四角の場合には冷凍電力が10W程度、白丸の場合には冷凍電力が13W程度になっており、本願発明のパルス管冷凍機を採用することにより、従来のパルス管冷凍機と比較して冷凍能力を高くできていること(冷凍能力の低下を防止し、もしくは大幅に抑制できていること)が分かる。
【0024】
【発明の効果】
請求項1の発明は、第2の流路抵抗に方向性があり、または高圧冷媒ガスの吸入行程と低圧冷媒ガスの吐出行程とのアンバランスがあっても、パルス管、第2の流路抵抗、および蓄冷器で構成される閉回路を流れる冷媒ガスの一方向流の発生を防止し、もしくは抑制することができ、ひいては冷凍能力の低下を防止し、もしくは抑制することができるという特有の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明のパルス管冷凍機の一実施態様を示す概略図である。
【図2】冷凍能力測定結果を示す図である。
【図3】従来のパルス管冷凍機の構成を示す概略図である。
【図4】バッファタンク内部の圧力に対応するPV線図を示す図である。
【符号の説明】
1 圧縮機 1a 高圧冷媒ガス配管
1b 低圧冷媒ガス配管 2 切り換え弁
3 蓄冷器 5 パルス管
6 オリフィス弁 7 バッファタンク
8 ダブルインレット弁 9 第3の流路抵抗
9a 配管
Claims (1)
- 冷媒ガスを圧縮する圧縮機(1)と、この圧縮機(1)からの高圧冷媒ガスと圧縮機(1)に戻る低圧冷媒ガスとを切り換える切り換え弁(2)と、この切り換え弁(2)に連結されて高圧冷媒ガスの膨脹時の冷熱を蓄冷する蓄冷器(3)と、この蓄冷器(3)を通して加えられる圧力波によって圧縮、膨脹を繰り返して冷熱を発生するパルス管(5)と、パルス管(5)の高温端部と第1の流路抵抗(6)を介して接続されたバッファタンク(7)と、前記切り換え弁(2)と蓄冷器(3)との接続部とパルス管(5)の高温端部とを接続する第2の流路抵抗(8)とを有するパルス管冷凍機において、
前記バッファタンク(7)と、前記圧縮機(1)の高圧冷媒ガス配管(1a)、低圧冷媒ガス配管(1b)の少なくとも一方とを第3の流路抵抗(9)を介在させた配管(9a)で接続してなることを特徴とするパルス管冷凍機。
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Cited By (1)
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1998
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