JP4942897B2 - 混成２段パルスチューブ冷凍機 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の背景】
可動部分を使用せずに極低温で実施されるパルスチューブ冷凍は、多数の用途で極低温冷却の要件を満たすことのできる、振動が発生せず寿命が長い信頼できる簡素な極低温冷却器を提供するための１つの魅力的な方法である。パルスチューブ冷却端で冷却効果を生じさせるには、パルスチューブ内部の位相を時間に応じてガス圧の変動と排気とで切り換える［時間に応じてシフトする］必要がある。パルスチューブ内部でのガス圧の変動と排気との間のこのような移相は、パルスチューブ高温端に位置する移相器を用いて質量流量を調節することによって得られる。
【０００２】
ダブルインレット型移相器、４弁型移相器、能動緩衝器型移相器など、パルスチューブ冷凍機の性能を改善するために数種類の移相器が開発されている。しかし、多段パルスチューブ冷凍機用の現在の移相器にはいくつかの欠点がある。
【０００３】
比較的高温で高い冷却能力を実現するダブルインレット型４弁パルスチューブ冷凍機では、バイパス配管および弁に出入りする質量流量のために圧縮機の大規模な追加的な仕事が必要になる。この追加的な作業負荷によって機械の全体的な効率が低下する。多段ダブルインレット４弁パルスチューブ冷凍機では、各段間の位相相互作用によって熱損失が生じ、各段において冷凍温度が不安定になる。
【０００４】
非常に低い温度で低い冷却能力を実現する能動緩衝器型パルスチューブ冷凍機では、蓄熱器の冷却端を通る質量流量がより多く、蓄熱器の空隙体積とパルスチューブ体積との比がより高いときの移相効果が不十分であるため、蓄熱器の効率が非常に低い。
【０００５】
【発明の概要】
本発明は、従来のパルスチューブ冷凍機におけるこれらの問題に対処する。本発明の目的は、より高温の段で全体的な効率がより高く、より低温の段で蓄熱器の性能がより高く、かつ位相相互作用損失がより少ない改良された２段パルスチューブ冷凍機を提供することである。
【０００６】
上記およびその他の目的を満たすために、本発明による２段パルスチューブ冷凍機は、圧力波発生装置−圧縮機と、第１段および第２段蓄熱器と、第１段および第２段パルスチューブと、熱交換器と、第１段および第２段パルスチューブ用の混成移相機構とを有する。第１の蓄熱器の高温端と第２段パルスチューブ高温端とを少なくとも１つの固定オリフィス介して連結している。この固定オリフィス移相器は、室温位置で配置されるか、あるいは第１段低温端に熱連結されている。第１段移相器は、ａ）４つの弁、ｂ）５つの弁、ｃ）２つの能動緩衝器、またはｄ）３つの能動緩衝器のうちのどれかを備えている。
【０００７】
２つの能動移相弁を有するパルスチューブ冷凍機では、第１段パルスチューブの高温端と圧縮機の戻り供給配管との間に、弁が室温で位置決めされる。第２段パルスチューブの高温端と、適度なガス圧が存在する１つの緩衝器との間に、１つのオリフィスが室温で位置決めされている。第１の蓄熱器の高温端と第２段パルスチューブの高温端との間に、他のオリフィスが室温で位置決めされている。
【０００８】
３つの能動移相弁を有する他のパルスチューブ冷凍機では、第１段パルスチューブの高温端と圧縮機の戻り供給配管との間に弁が室温で位置決めされ、第１段パルスチューブの高温端と１つの緩衝器との間に１つの能動弁が室温で位置決めされている。第２段パルスチューブの高温端と、適度なガス圧が存在する１つの緩衝器との間に、一方のオリフィスが室温で位置決めされている。第１の蓄熱器の高温端と第２段パルスチューブの高温端との間に、他方のオリフィスが室温で位置決めされている。
【０００９】
他のパルスチューブ冷凍機は、３つの緩衝器、３つの能動弁、および２つのオリフィスを含む混成移相機構を有している。この３つの能動弁は、３つの緩衝器と第１段パルスチューブの高温端との間に室温で位置決めされている。第２段パルスチューブの高温端と、適度なガス圧が存在する１つの緩衝器との間に、一方のオリフィスが室温で位置決めされている。第１の蓄熱器の高温端と第２段パルスチューブの高温端との間に、他方のオリフィスが室温で位置決めされている。
【００１０】
本発明によるパルスチューブ冷凍機の第４の実施態様は、第１段冷却端に熱連結された第２段用のダブル固定オリフィス移相器を有している。第２段パルスチューブの高温端は第１段低温端に熱連結されている。第１段冷却端と第２段パルスチューブの高温端との間に一方のオリフィスが位置決めされ、第２段パルスチューブの高温端と第１段低温端にある一方の緩衝器との間に他方のオリフィスが位置決めされている。
【００１１】
本発明を完全に理解するには、以下の説明を添付の図面と共に参照する必要がある。
【００１２】
【好ましい実施形態の説明】
各図を参照するとわかるように、本発明による２段パルスチューブ冷凍機は、第１のパルスチューブ１２および第２のパルスチューブ１４と、第２の蓄熱器１８に連結された第１の蓄熱器１６とを備えている。第１のパルスチューブ１２は、高温端熱交換器２０および低温端熱交換器２２を有しており、第２のパルスチューブ１４はそれぞれの高温端熱交換器２４および低温端熱交換器２６を有している。
【００１３】
第１のパルスチューブ１２の低温端熱交換器２２と第１の蓄熱器のより低温の端部と第２の蓄熱器１８のより高温の端部との間に配管２８が連結されている。第２のパルスチューブ１４の低温端熱交換器２６と第２の蓄熱器１８の低温端との間に配管３０が連結されている。第１の蓄熱器１６の高温端は、オン／オフ弁３６を介して圧縮機３２の低圧側に連結されており、第１のパルスチューブ１２の高温端熱交換器２０もオン／オフ弁３７を介して圧縮機３２の低圧入口に連結されている。圧縮機３２の高圧排出口は、弁３４を介して第１の蓄熱器１６の高温端に連結され、弁３５を介して第１のパルスチューブ１２の高温端熱交換器２０に連結されている。
【００１４】
緩衝器３８は、固定オリフィス４０を介して第２のパルスチューブの高温端熱交換器２４に連結されており、第１の蓄熱器１６の高温端は、固定オリフィス４２を介して第２のパルスチューブ１４の高温端熱交換器２４に連結されている。
【００１５】
「固定オリフィス」の語は、この装置が調整可能ではないことを意味するものではなく、装置が調整可能な場合、冷凍機の定常動作中には調整されず、また物理的に変動することもないことを意味する。
【００１６】
これらの冷凍機は、システム損失を低減させ、パルスチューブの低温端でガス膨張によって行われる仕事を増大させることによって全体的に改良されている。パルスチューブの各端部に出入りする冷媒ガスは、弁３４〜３７の順序付けられた動作によってガス膨張の仕事に影響を与えるように制御される。周期中の各弁の動作によって、パルスチューブ内部の位相がガス圧の変動と排気との間でシフトする。
【００１７】
図２は、各弁３４〜３７のタイミングを示している。すなわち、斜線付きの長方形は、単一の動作周期内の、特定の弁が開き、ガスがその弁を通過することができる期間を示している。この周期は、各弁３４〜３７が閉じた状態で開始し、同じ状態で終了する。
【００１８】
本発明による２段パルスチューブ冷凍機の他の実施形態（図３）では、緩衝器３８を第１のパルスチューブ１２の高温端熱交換器に連結する第５のオン／オフ弁４４が追加されていることを除いて、物理的構成が図１の構成とほぼ同様である。図３（およびすべての図面）では、本出願のいくつかの実施形態に現われる同じ要素を指定する場合に類似の参照番号が使用されている。
【００１９】
図４は、図３の冷凍機の１周期において各弁を開閉するタイミングを示している。
【００２０】
図５の発明による実施形態では、圧縮機３２と第１のパルスチューブ１２の高温端熱交換器２０との間の連結部が追加的な緩衝器４６、４８で置き換えられている。図６は、図５の実施形態に関連する弁タイミング周期を示している。図５では、３つの緩衝器３８、４６、４８と第１段パルスチューブ１２の高温端との間に３つの能動弁３５、３７、４４が室温で位置決めされている。図６は、単一の動作周期用の弁タイミングを示している。
【００２１】
図７の２段パルスチューブ冷凍機は、第２段用のダブル固定オリフィス移相器が第１段低温端に熱連結されている本発明による実施形態である。さらに、第２段パルスチューブ１４の高温端は第１段パルスチューブ１２の低温端に連結されている。一方のオリフィス４２は第１段パルスチューブ１２の低温端と第２段パルスチューブ１４の高温端との間に位置決めされている。他方のオリフィス４０は、第２段パルスチューブ１４の高温端と第１段パルスチューブ１２の低温端にある一方の緩衝器３８との間に位置決めされている。
【００２２】
図８の本発明による実施形態は、図８の固定オリフィス５０で図３の実施形態の弁４４が置き換えられていることを除いて図３の実施形態に類似している。弁タイミングは図２と同様である。
【００２３】
図９の発明による２段パルスチューブ冷凍機の実施形態は、第２のパルスチューブ１４の高温端熱交換器２４と圧縮機３２のそれぞれ入口および排出口との間にあるオン／オフ弁５２、５４で図８のオリフィス４２が置き換えられているという点で図８とは異なる。図１１は、単一冷凍周期に関する図９の実施形態における６つの弁用のタイミングシーケンスを示している。
【００２４】
図９の本発明による、好ましい実施形態の２段パルスチューブ冷凍機の動作について説明する。この説明では、パルスチューブの当業者には理解されるように、第１のパルスチューブの内部体積は３つの部分、すなわち、第１段パルスチューブ１２の高温端にある高温体積Ｖｈ１、パルスチューブ１２の低温端にある低温体積Ｖｃ１、およびガスピストンである中間体積Ｖｐ１に分割されている。
【００２５】
第２段パルスチューブ１４も同様に、Ｖｈ２、Ｖｃ２および中間Ｖｐ２で示すように分割されている。図１０ａは、第１段パルスチューブ１２内にＶｃ１で表わされたガスの圧力および体積の変化を示すＰＶ図であり、図１０ｂは、第２段パルスチューブ１４内の低温ガス体積Ｖｃ２に関する類似のＰＶ周期図である。移相の目的が、ＰＶ周期図中の囲まれた領域を増大させることであることが理解されよう。この囲まれた領域は、冷凍機によって使用できる冷却容量を表している。
【００２６】
【混成２段パルスチューブ冷凍機（図９）の基本動作原理】
Ｇ−Ｍ冷凍機とは異なり、パルスチューブ内のガスは圧縮可能なディスプレーサとして（ピストンとして）働く。このガスピストンは、パルスチューブ高温端に位置する位相制御機構を使用することにより、所望の冷凍周期用の正しい相対的なタイミングを用いて移動する必要がある。以下に、本発明の混成２段パルスチューブ冷凍機の熱力学的プロセスについて説明する。
【００２７】
プロセス１〜２： すべての弁が閉じられパルスチューブが低圧である点１から開始し、緩衝器からのガスがオリフィス５０（０１）および４０（０２）を通ってパルスチューブに流入する。それによって、パルスチューブ内の圧力が高くなり、ガスピストンＶｐ１およびＶｐ２がパルスチューブの低温端の方へ移動し、体積Ｖｃ１およびＶｃ２が低減する。
【００２８】
プロセス２〜３： ガスピストンがそれぞれのパルスチューブ低温端の底部の近傍に位置する状態で、まず入口弁５２（Ｖ５）が開かれ、その後弁３５（Ｖ３）が開かれ、パルスチューブ内の圧力が圧縮機の排出口に連結されるこによってさらに高くなる。ガスピストンはパルスチューブの底部に移動し、したがって、Ｖｃ１およびＶｃ２がゼロになる。
【００２９】
プロセス３〜４： 入口弁Ｖ５およびＶ３が依然として開いている状態で、入口弁Ｖ１が開かれ、パルスチューブ内の圧力が高圧になる。パルスチューブ内のガスピストンがパルスチューブの低温端から高温端への移動を開始し、Ｖｃ１およびＶｃ２が増大する。
【００３０】
プロセス４〜５： 入口弁Ｖ１が依然として開いている状態で、まずＶ３が閉じられ、その後Ｖ５が閉じられる。したがって、各パルスチューブ内のガスピストンは引き続きパルスチューブの低温端から高温端へ移動し続け、Ｖｃ１およびＶｃ２は比較的一定の圧力で増大する。
【００３１】
プロセス５〜６： すべての弁が閉じられ、パルスチューブは高い圧力を有する。パルスチューブからのガスがオリフィス０１および０２を通って緩衝器に流入する。それによって、パルスチューブ内の圧力が低くなり、ガスピストンＶｐ１およびＶｐ２がパルスチューブの高温端の方へ移動する。Ｖｃ１およびＶｃ２が増大する。
【００３２】
プロセス６〜７： ガスピストンがパルスチューブ高温端部の頂部の近傍に位置する状態で、まず出口弁Ｖ６が開かれ、その後Ｖ４が開かれ、パルスチューブ内の圧力が、圧縮機の吸入口に連結されることによってさらに低くなる。ガスピストンはパルスチューブの高温頂部に移動する。
【００３３】
プロセス７〜８： 出口弁Ｖ６およびＶ４が依然として開いた状態で、出口弁Ｖ２が開かれ、パルスチューブ内の圧力が低圧になる。パルスチューブ内のガスピストンがパルスチューブの高温端から低温端の方への移動を開始する。
【００３４】
プロセス８〜１： 入口弁Ｖ２が依然として開いた状態で、まずＶ４が閉じられ、その後Ｖ６が閉じられる。したがって、パルスチューブ内のガスピストンは引き続きパルスチューブの高温端から低温端へ移動しこの周期を完了する。
【００３５】
図１、３、５、７、８のパルスチューブ冷凍機の動作は、上記でパルスチューブ冷凍機の弁動作に関連するタイミング図を用いて検討したときに説明したプロセスに類似しており、当業者に容易に理解されよう。
【００３６】
したがって、上記の目的、上記の説明から明らかになる目的が、効率的に実現され、かつ本発明の趣旨および範囲から逸脱せずに上記の構成にある変更を加えることができるため、上記の説明に含まれるか、あるいは添付の図面に示されているすべての事項が例示的な意味で解釈されるものであり、制限的な意味で解釈されるものではないことが理解されよう。
【００３７】
特許請求の範囲が、ここで説明する本発明の一般的な特徴および特有の特徴と、言葉の問題としてその間に属すると言える本発明の範囲のすべて文言をカバーするものであることも理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による２段パルスチューブ冷凍機の概略図である。
【図２】 図１の冷凍機の能動弁に関するタイミンググラフである。
【図３】 本発明による２段パルスチューブ冷凍機の代替実施形態の概略図である。
【図４】 図３の実施形態に関連する弁タイミング図である。
【図５】 本発明による２段パルスチューブ冷凍機の他の代替実施形態の概略図である。
【図６】 図５の実施形態に関連する弁タイミング図である。
【図７】 本発明による２段パルスチューブ冷凍機の他の代替実施形態の概略図である。
【図８】 本発明による２段パルスチューブ冷凍機の第５の代替実施形態の概略図である。
【図９】 本発明による２段パルスチューブ冷凍機の第６の代替実施形態の概略図である。
【図１０ａ】 図９の実施形態の２つのパルスチューブの一方の低温端でのガス体積の圧力体積図である。
【図１０ｂ】 図９の実施形態の２つのパルスチューブの他方の低温端でのガス体積の圧力体積図である。
【図１１】 図９の実施形態に関連する弁タイミング図である。

Claims (7)

1. 極低温冷凍機システムで使用される２段パルスチューブ冷凍機であって、
   高温端および低温端を有する第１段蓄熱器と、
   前記第１段蓄熱器の前記低温端に連結された高温端、および低温端を有する第２段蓄熱器と、
   高温端、および前記第１段蓄熱器の前記低温端に連結された低温端を有する第１段パルスチューブと、
   高温端、および前記第２段蓄熱器の前記低温端に連結された低温端を有する第２段パルスチューブと、
   オン／オフ弁を備えており、前記第１段パルスチューブ高温端に連結されている第１の位相コントローラと、
   前記第１の蓄熱器の高温端と前記第２段パルスチューブ高温端とを第２の固定オリフィス介して連結する第２の位相コントローラと、
   前記第１段蓄熱器の前記高温端および前記オン／オフ弁を冷媒ガス圧縮機に接合する連結部とを有し、
   さらに、前記圧縮機が高圧排出口および低圧入口を有し、前記連結部は、前記第１の蓄熱器の前記高温端と前記圧縮機の前記高圧排出口との間に第１のオン／オフ弁を備え、かつ前記第１の蓄熱器の前記高温端と前記圧縮機の前記低圧入口との間に第２のオン／オフ弁を備えている、２段パルスチューブ冷凍機。
2. 前記第１の位相コントローラは、前記第１段パルスチューブ高温端と前記高圧排出口との間に第３のオン／オフ弁を備え、かつ前記第１段パルスチューブ高温端と前記低圧入口との間に第４のオン／オフ弁を備えている、請求項１に記載の２段パルスチューブ冷凍機。
3. 第１の緩衝器をさらに有しており、前記第１の位相コントローラは、前記第１段パルスチューブ高温端と前記第１の緩衝器との間に第５のオン／オフ弁を備えている、請求項２に記載の２段パルスチューブ冷凍機。
4. 第２の緩衝器をさらに有しており、前記第２の位相コントローラは、前記第２段パルスチューブの前記高温端と前記第２の緩衝器との間に連結された第１の固定オリフィスを備えている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の２段パルスチューブ冷凍機。
5. 前記第２段パルスチューブの前記高温端および前記第２の位相コントローラは、室温で配置される、請求項１〜４のいずれか１項に記載の２段パルスチューブ冷凍機。
6. 複数の熱交換器をさらに有しており、熱交換器はそれぞれ、前記第１段および第２段パルスチューブの各端部に位置されている、請求項１〜５のいずれか１項に記載の２段パルスチューブ冷凍機。
7. 前記第２の緩衝器を前記第１段パルスチューブ高温端に連結する第３の固定オリフィスとを有する、請求項４に記載の２段パルスチューブ冷凍機。

Images