JP3935282B2 - 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】
このパルス管冷凍機は、冷媒ガスを圧縮する圧縮機と、この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る切り換え弁と、この切り換え弁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と、この蓄冷器および低温端接続管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と、パルス管の高温端部とオリフィス弁を介して接続されたバッファタンクと、前記切り換え弁と蓄冷器との接続部とパルス管の高温端部とを接続するダブルインレット弁とを有している。
【0004】
この構成のパルス管冷凍機を採用すれば、切り換え弁を動作させることにより、蓄冷器および低温端接続管を通してパルス管内に圧力波を供給して、パルス管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に蓄冷させる。また、オリフィス弁、バッファタンク、およびダブルインレット弁によって、パルス管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。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
上記の構成のパルス管冷凍機を採用した場合には、機械的に往復動するディスプレーサを有していないので機械的振動の発生を大幅に低減できる反面、パルス管の高温端部と低温端部との間の輻射熱が増加し、冷凍能力が小さくなってしまうという不都合がある。
【0006】
特に、2段或いは3段のパルス管冷凍機においては、この輻射熱のために、2段目或いは3段目のパルス管のアスペクト比(直径/長さの比)に制約があり、このアスペクト比を大きくすることができないので、パルス管冷凍機が大型化してしまう。
【0007】
【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、アスペクト比の制約を小さくして、全体として小型化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。
【0008】
【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、冷媒ガスを圧縮する圧縮機と、この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る切り換え弁と、この切り換え弁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と、この蓄冷器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少なくとも1つのパルス管とを有するものであって、
パルス管として、少なくとも、高温端部、低温端部の円形部およびこれらの近傍の円筒部にメッキ処理、または鏡面処理を施したものを採用するものである。
【0009】
【作用】
請求項1のパルス管冷凍機であれば、圧縮機によって冷媒ガスを圧縮し、切り換え弁によって、この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、切り換え弁によって切り換えられる高圧冷媒ガスと低圧冷媒ガスとを交互にパルス管に供給して圧縮、膨脹を繰り返して冷熱を発生させ、発生した冷熱を蓄冷器に蓄冷することができる。そして、パルス管として、少なくとも、高温端部、低温端部の円形部およびこれらの近傍の円筒部にメッキ処理、または鏡面処理を施したものを採用しているのであるから、パルス管の高温端部と低温端部との間の輻射熱を低減してパルス管のアスペクト比の制約を緩和し、全体としての小型化を達成することができる。
【0010】
【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態様を詳細に説明する。
【0011】
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。
【0012】
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ダブルインレット弁8とを有している。なお、パルス管5内に破線で示す部分はガスピストンである。
【0013】
そして、パルス管5の内面のうち、少なくとも、高温端、低温端の円形部およびこれらの近傍の円筒部にメッキ処理(金、ニッケル、亜鉛、錫、アルミニウムなどを用いるメッキ処理)、鏡面加工などの表面処理を施して、これらの部分における輻射率を小さくしている(具体的には、金メッキした場合の輻射率は0.01〜0.02、銅の研磨面の輻射率は0.02である)。また、上記の処理を行った後に該当する表面が酸化すると輻射率が大きくなる(具体的には、銅の酸化面の輻射率は0.6である)ので、大気に曝さないようにするなどの酸化防止策を施すことが好ましい。もちろん、パルス管5の内面の全範囲に対して上記の表面処理を施してもよい。
【0014】
この構成のパルス管冷凍機を採用すれば、切り換え弁2を動作させることにより、蓄冷器3および低温端接続管4を通してパルス管5内に圧力波を供給して、パルス管5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3に蓄冷させる。また、オリフィス弁6、バッファタンク7、およびダブルインレット弁8によって、パルス管5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。
【0015】
また、パルス管5の高温端部と低温端部との間における輻射熱を大幅に低減できるので、パルス管5のアスペクト比を大きくすることができ、ひいては、パルス管冷凍機を全体として小型化することができる。
【0016】
図2はこの発明のパルス管冷凍機の他の実施態様を示す概略図である。
【0017】
このパルス管冷凍機が図1のパルス管冷凍機と異なる点は、パルス管5を2段にした点のみである。
【0018】
さらに詳細に説明する。
【0019】
図2の実施態様においては、蓄冷器3として、第1段の蓄冷器3aと第2段の蓄冷器3bとが互いに直列接続されてなるものを採用し、第1段の蓄冷器3aおよび低温端接続管4a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第1のパルス管5aと、第1段の蓄冷器3a、第2段の蓄冷器3bおよび低温端接続管4b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第2のパルス管5bとを設けている。そして、第1のパルス管5aの高温端部とオリフィス弁6aを介して接続されたバッファタンク7aと、切り換え弁2と第1段の蓄冷器3aとの接続部と第1のパルス管5aの高温端部とを接続するダブルインレット弁8aとを有している。また、第2のパルス管5bの高温端部とオリフィス弁6bを介して接続されたバッファタンク7bと、切り換え弁2と第1段の蓄冷器3aとの接続部と第2のパルス管5bの高温端部とを接続するダブルインレット弁8bとを有している。なお、第1のパルス管5a、第2のパルス管5b内に破線で示す部分はガスピストンである。
【0020】
図2の構成のパルス管冷凍機を採用した場合には、各パルス管において図1の実施態様と同様の動作を行って冷熱を発生させ、対応する蓄冷器に蓄冷させることができるとともに、各パルス管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。
【0021】
また、各パルス管の高温端部と低温端部との間における輻射熱を大幅に低減できるので、パルス管のアスペクト比を大きくすることができ、ひいては、パルス管冷凍機を全体として小型化することができる。
【0022】
さらに詳細に説明する。
【0023】
一般にパルス管冷凍機の冷凍能力Qは、数1で求められる。
【0024】
【数1】
ただし、Aはパルス管の断面積、Sはガスピストンのストローク、fは運転周波数(圧力波の周波数)、Lは熱損失である。
【0025】
数1から分かるように、パルス管の断面積を大きくすると冷凍能力Qを大きくすることができるが、パルス管の高温端部の内表面と低温端部の内方面との間における輻射熱のやりとりに起因する熱損失が大きくなる。ここで、平行な2面間における輻射熱交換量Qradは、数2で与えられる。
【0026】
【数2】
ただし、Aは面の表面積、T1は高温側表面の温度、T2は低温側表面の温度、ε1は高温側表面の輻射率、ε2は低温側表面の輻射率、σはステファン・ボルツマンの定数(=5.67×10-8W/m2・K4)である。
【0027】
したがって、単にパルス管の断面積を大きくしても、必ずしも冷凍能力を大きくすることはできない。しかし、パルス管の高温端部の内表面と低温端部の内方面とにおける輻射率を小さくすれば、輻射熱のやりとりに起因する熱損失を小さくして冷凍能力Qを大きくすることができる。また、輻射熱のやりとりに起因する熱損失が小さくなるので、パルス管のアスペクト比を大きくすることができ、パルス管冷凍機を全体として小型化することができる。
【0028】
具体的には、特に表面処理を施していない材料でパルス管の高温端部の内表面と低温端部の内方面とを構成した場合にはこれらの輻射率は1.0となるのに対して、パルス管の高温端部の内表面と低温端部の内方面とに鏡面加工、メッキ処理などの表面処理を施した場合にはこれらの輻射率は0.1以下になる。
【0029】
ここで、1段冷凍機(T1=300K、T2=80K)と、2段冷凍機(T1=300K、T2=20K)とについて、輻射熱のやりとりに起因する熱損失の影響を考えると、パルス管の直径が3cmである場合に、輻射率が1.0であれば、輻射熱量は1段冷凍機、2段冷凍機、共に0.32Wであるのに対して、輻射率が0.1であれば、輻射熱量は1段冷凍機、2段冷凍機、共に0.02Wである。したがって、冷却ステージの温度(各段の冷凍機の低温端部側表面の温度T2が80Kの場合と20Kの場合とで大きな差は現れない。しかしながら、2段冷凍機の第2ステージは、第1ステージや1段冷凍機に比べて、他の損失(蓄冷器の非効率による損失など)が大きくなって冷凍能力が小さくなるのが一般的であるから、単位冷凍能力に対する輻射熱損失の占める割合が大きくなる。したがって、数2に基づく計算結果からは輻射熱量の差は現れないにも拘わらず、輻射熱損失の寄与率は大きく異なる。 以上の説明から明らかなように、パルス管のアスペクト比を大きくしなくても、輻射熱損失を小さくできることに起因して、冷凍能力を大きくすることができる。また、輻射熱損失が小さくなることに起因してパルス管のアスペクト比を大きくすれば、冷凍能力を大きくすることができるだけでなく、パルス管冷凍機を全体として小型化することができる。
【0030】
なお、図2のパルス管冷凍機においては、第2のパルス管5bを、第1段の蓄冷器3aおよび第2段の蓄冷器3bからなる蓄冷器と並列に接続しているが、第2のパルス管5bを第2段の蓄冷器3bのみと並列に接続することが可能である。ただし、このように構成すると、オリフィス弁6bおよびバッファタンク7bをも低温化しなければならないので、図2の構成を採用することが好ましい。また、パルス管を3つ以上設ける構成を採用することも可能である。
【0031】
【発明の効果】
請求項1の発明は、、パルス管の高温端部と低温端部との間の輻射熱を低減してパルス管のアスペクト比の制約を緩和し、全体としての小型化を達成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】この発明のパルス管冷凍機の他の実施態様を示す概略図である。
【符号の説明】
1 圧縮機 2 切り換え弁
3 蓄冷器 3a 第1段の蓄冷器
3b 第2段の蓄冷器 5 パルス管
5a 第1のパルス管 5b 第2のパルス管
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)(3a)(3b)と、この蓄冷器(3)(3a)(3b)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少なくとも1つのパルス管(5)(5a)(5b)とを有するパルス管冷凍機であって、
パルス管(5)(5a)(5b)の内面のうち、少なくとも、高温端部、低温端部の円形部およびこれらの近傍の円筒部にメッキ処理、または鏡面処理を施したことを特徴とするパルス管冷凍機。
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