JP5893510B2 - パルス管冷凍機 - Google Patents

Description

本発明は、パルス管冷凍機に関するものである。

図４は従来のアクティブバッファ方式パルス管冷凍機システム構成図、図５はそのアクティブバッファ方式パルス管冷凍機システムのＰ−Ｖ（圧力−容積）曲線〔図５（ａ）〕および制御バルブ開閉シーケンス〔図５（ｂ）〕である（下記特許文献１参照）。なお、図５（ｂ）において、線分部分はバルブが開いている状態を示している。
これらの図において、１０１はパルス管、１０２は冷端熱交換器、１０３は蓄冷器、１０４は低圧ガス制御バルブ（ＬＣ）、１０５はガス圧縮機、１０６は高圧ガス制御バルブ（ＨＣ）、１０７は高圧バッファ制御バルブ（ＨＢ）、１０８は高圧バッファタンク、１０９は低圧バッファ制御バルブ（ＬＢ）、１１０は低圧バッファタンクである。

また、Ｐｃｌは圧縮機戻り圧力、Ｐｃｈは圧縮機供給圧力、Ｐｒは蓄冷器常温側圧力、Ｐｐはパルス管常温側圧力、Ｐｂｈは高圧バッファ圧力、Ｐｂｌは低圧バッファ圧力である。
パルス管冷凍機はＧＭ冷凍機等と同様に蓄冷器１０３を備えた冷凍機である。他の冷凍機と比べて特異な点は、冷凍部（膨張機）に動く固体部分がないことである。機械的可動部分は常温部のみであるため、伝導冷却で超電導コイルを冷却する場合、超電導コイル部分を昇温せずともメンテナンスが可能となる。パルス管冷凍機は、圧力振動源（ガス圧縮機）１０５と、膨張機（蓄冷器１０３、パルス管１０１で構成）、そして位相調節機構（種々の方式がある）からなっている。アクティブバッファ方式は位相調節方法の一つであり、現在もっとも優れた冷凍能力を達成できるものである。

特許第２５５３８２２号公報

しかしながら、上記した従来のアクティブバッファ方式パルス管冷凍機システムでは、運転時の圧力波形において、ガス圧縮機１０５の圧縮機供給圧力Ｐｃｈとガス圧縮機１０５の戻り圧力Ｐｃｌが鋸波形となり、電動機トルクが大きくなる。また、ガス圧縮機１０５の圧縮機供給圧力Ｐｃｈに対して蓄冷器常温側圧力Ｐｒの振幅が小さく、圧力損失が大きいため、圧縮・膨張が十分なされていないといった問題があった。

本発明は、上記状況に鑑みて、パルス管冷凍機の圧力振動源の圧縮比を低減させ、かつ冷凍機内の圧縮・膨張の仕事量を増やし、パルス管内のＰＶ（圧力−容積）曲線を最適化することによって、さらなる冷凍能力・ＣＯＰ（エネルギー消費効率）の向上を図り得るパルス管冷凍機を提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕作動気体を吐出する高圧端と作動気体を吸入する低圧端とを有する圧縮機と、低温端および高温端を有する蓄冷器と、低温端および高温端を有するパルス管とを備えたパルス管冷凍機において、前記圧縮機の高圧端に接続された第１流路と、この第１流路に設けられた高圧ガス制御バルブと、前記圧縮機の低圧端に接続された第２流路と、この第２流路に設けられた低圧ガス制御バルブと、前記第１流路および前記第２流路に前記蓄冷器の高温端が接続され、前記蓄冷器の低温端に前記パルス管の低温端が接続され、前記パルス管の高温端に接続された第３流路および第４流路と、前記第３流路に接続された高圧バッファと、前記第４流路に接続された低圧バッファと、前記第３流路に設けられた高圧バッファ制御バルブと、前記第４流路に設けられた低圧バッファ制御バルブと、前記高圧ガス制御バルブより圧縮機側の第１流路と、前記高圧バッファ制御バルブより高圧バッファ側の第３流路もしくは高圧バッファとを接続する第５流路と、前記低圧ガス制御バルブより圧縮機側の第２流路と、前記低圧バッファ制御バルブより低圧バッファ側の第４流路もしくは低圧バッファとを接続する第６流路と、前記第５流路に設けられた高圧開閉バルブと、前記第６流路に設けられた低圧開閉バルブを具備することを特徴とする。

〔２〕上記〔１〕記載のパルス管冷凍機において、前記高圧ガス制御バルブが閉状態の時の少なくとも一部の期間で前記高圧開閉バルブを開状態とし、前記低圧ガス制御バルブが閉状態の時の少なくとも一部の期間で低圧開閉バルブを開状態とすることを特徴とする。
〔３〕上記〔１〕記載のパルス管冷凍機において、前記高圧ガス制御バルブ、前記低圧ガス制御バルブおよび前記低圧バッファ制御バルブが閉状態で前記高圧バッファ制御バルブが開状態の時の少なくとも一部の期間で前記低圧開閉バルブを開状態とし、前記高圧ガス制御バルブ、前記低圧ガス制御バルブおよび前記高圧バッファ制御バルブが閉状態で前記低圧バッファ制御バルブが開状態の時の少なくとも一部の期間で前記高圧開閉バルブを開状態とすることを特徴とする。

〔４〕上記〔１〕記載のパルス管冷凍機において、前記高圧バッファ制御バルブが開状態の時の少なくとも一部の期間で前記高圧開閉バルブを開状態とし、前記低圧バッファ制御バルブが開状態の時の少なくとも一部の期間で前記低圧開閉バルブを開状態とすることを特徴とする。
〔５〕上記〔１〕記載のパルス管冷凍機において、前記高圧ガス制御バルブが開状態の時の少なくとも一部の期間で前記高圧開閉バルブを開状態とし、前記低圧ガス制御バルブが開状態の時の少なくとも一部の期間で前記低圧開閉バルブを開状態とすることを特徴とする。

〔６〕上記〔５〕記載のパルス管冷凍機において、前記高圧ガス制御バルブが開くのと概略同時に前記高圧開閉バルブを開き、前記高圧バッファ制御バルブよりも早く前記高圧開閉バルブを閉じ、前記低圧ガス制御バルブが開くのと概略同時に前記低圧開閉バルブを開き、前記低圧バッファ制御バルブよりも早く前記低圧開閉バルブを閉じるようにしたことを特徴とする。

〔７〕上記〔１〕から〔６〕記載のパルス管冷凍機において、前記第５流路および前記第６流路には絞り機構を付設することを特徴とする。

本発明によれば、次のような効果を奏することができる。
（１）高低圧開閉バルブを動作させることで、バッファタンクがガス圧縮機の高低圧バッファの役割を担い、圧縮機内のガス流が常時あるいは一時的に連続となることにより、圧力の脈動を緩衝し、ガス圧縮機の圧縮比を減少させることにより、運転負荷を少なくすることができ、ＣＯＰ（エネルギー消費効率）が大きくなる。
（２）バッファタンクの高低圧力差が圧縮機高低圧力差に近づくことにより、パルス管内のＰＶ（圧力−容積）の仕事量が大きくなり、冷凍能力が大きくなる。
（３）以上により、冷凍機冷凍能力、ＣＯＰの向上を図ることができる。
（４）請求項２および３の制御により、圧縮機の圧縮比を減らし、パルス管と蓄冷器による膨張の仕事量を増加させることで、冷凍機の効率の向上を図ることができる。
（５）請求項４〜６の制御により、パルス管内の最適なＰＶ（圧力−容積）曲線を得ることができる。
（６）高低圧開閉制御バルブのＣｖ値を調整（若しくは手動流量調整バルブやオリフィスなどの絞り機構を付設）することにより、ガス圧縮機性能に応じたパルス管内の最適なＰＶ（圧力−容積）曲線を作ることができる。

本発明の実施例を示すパルス管冷凍機システム構成図である。 本発明の第１実施例を示すパルス管冷凍機システムのＰ−Ｖ（圧力−容積）曲線および制御バルブ開閉シーケンスを示す図である。 本発明の第２実施例を示すパルス管冷凍機システムのＰ−Ｖ（圧力−容積）曲線および制御バルブ開閉シーケンスを示す図である。 従来のアクティブバッファ方式パルス管冷凍機システム構成図である。 従来のアクティブバッファ方式パルス管冷凍機システムのＰ−Ｖ（圧力−容積）曲線および制御バルブ開閉シーケンスを示す図である。

本発明のパルス管冷凍機は、作動気体を吐出する高圧端と作動気体を吸入する低圧端とを有する圧縮機と、低温端および高温端を有する蓄冷器と、低温端および高温端を有するパルス管とを備えたパルス管冷凍機において、前記圧縮機の高圧端に接続された第１流路と、この第１流路に設けられた高圧ガス制御バルブと、前記圧縮機の低圧端に接続された第２流路と、この第２流路に設けられた低圧ガス制御バルブと、前記第１流路および前記第２流路に前記蓄冷器の高温端に接続され、前記蓄冷器のの低温端に前記パルス管の低温端が接続され、前記パルス管の高温端に接続された第３流路および第４流路と、前記第３流路に接続された高圧バッファと、前記第４流路に接続された低圧バッファと、前記第３流路に設けられた高圧バッファ制御バルブと、前記第４流路に設けられた低圧バッファ制御バルブと、前記高圧ガス制御バルブより圧縮機側の第１流路と、前記高圧ガス制御バルブより高圧バッファ側の第３流路もしくは高圧バッファとを接続する第５流路と、前記低圧ガス制御バルブより圧縮機側の第２流路と、前記低圧バッファ制御バルブより低圧バッファ側の第４流路もしくは低圧バッファとを接続する第６流路と、前記第５流路に設けられた高圧開閉バルブと、前記第６流路に設けられた低圧開閉バルブを具備するようにした。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１は本発明の実施例を示すパルス管冷凍機システム構成図である。
本発明のパルス管冷凍機は、図１に示すように、作動気体を吐出する高圧端Ｐｃｈと作動気体を吸入する低圧端Ｐｃｌとを有する圧縮機５と、低温端Ｌｒおよび高温端Ｐｒを有する蓄冷器３と、低温端Ｌｐおよび高温端Ｐｐを有するパルス管１とを備えており、蓄冷器３の低温端Ｌｒにパルス管１の低温端Ｌｐが接続されている。圧縮機５の高圧端Ｐｃｈには第１流路２１が接続され、この第１流路２１に高圧ガス制御バルブ（ＨＣ）６が配置されている。圧縮機５の低圧端Ｐｃｌには第２流路２２が接続され、この第２流路２２に低圧ガス制御バルブ（ＬＣ）４が接続されている。これら第１流路２１および第２流路２２は蓄冷器３の高温端Ｐｒに接続されている。また、パルス管１の高温端Ｐｐには高圧バッファ８と接続する第３流路２３、ならびに低圧バッファ１０と接続する第４流路２４が設けられている。第３流路２３には高圧バッファ制御バルブ（ＨＢ）７が、第４流路２４には低圧バッファ制御バルブ（ＬＢ）９がそれぞれ配置されている。さらに、高圧ガス制御バルブ（ＨＣ）６より圧縮機５側の第１流路２１と、前記高圧バッファ制御バルブ（ＨＢ）７より高圧バッファ８側の第３流路２３もしくは高圧バッファ８とを接続する第５流路２５が設けられ、低圧ガス制御バルブ（ＬＣ）４より圧縮機５側の第２流路２２と、前記低圧バッファ制御バルブ（ＬＢ）９より低圧バッファ１０側の第４流路２４もしくは低圧バッファ１０とを接続する第６流路２６が設けられる。第５流路２５および第６流路２６には高圧開閉バルブ（ＡＨＣ）１１、低圧開閉バルブ（ＡＬＣ）１２を配置するようにした。

以下、本発明のパルス管冷凍機の制御方法について説明する。
〔Ａ〕実施例１
図２は本発明の第１実施例を示すパルス管冷凍機システムのＰ−Ｖ（圧力−容積）曲線および制御バルブ開閉シーケンスを示す図である。なお、図２（ａ）において、点線は図５にも示した従来の方式でのＰ−Ｖ（圧力−容積）曲線であり、実線は本実施例により改善されたＰ−Ｖ（圧力−容積）曲線を示す。また、図２（ｂ）において、実線部分は、バルブが開いている状態（開状態）を示している。また、破線部分は、その線の一部の期間でバルブが開いている状態を示している。

（１）図２に示すように、高圧ガス制御バルブ（ＨＣ）６が閉状態の時の少なくとも一部の期間で高圧開閉バルブ（ＡＨＣ）１１が開状態であり、低圧ガス制御バルブ（ＬＣ）４が閉状態の時の少なくとも一部の期間で低圧開閉バルブ（ＡＬＣ）１２が開状態であるように制御することで、前記圧縮機の圧縮比を減らし、前記パルス管と前記蓄冷器による膨張の仕事量を増加させるようにした。

（２）また、高圧ガス制御バルブ（ＨＣ）６、低圧ガス制御バルブ（ＬＣ）４および低圧バッファ制御バルブ（ＬＢ）９が閉状態の時で高圧バッファ制御バルブ（ＨＢ）７が開状態の時の少なくとも一部の期間で低圧開閉バルブ（ＡＬＣ）１２が開状態であり、高圧ガス制御バルブ（ＨＣ）６、低圧ガス制御バルブ（ＬＣ）４および高圧バッファ制御バルブ（ＨＢ）７が閉状態の時で低圧バッファ制御バルブ（ＬＢ）９が開状態の時の少なくとも一部の期間で高圧開閉バルブ（ＡＨＣ）１１が開状態であるように制御することで、前記圧縮機の圧縮比を減らし、前記パルス管と前記蓄冷器による膨張の仕事量を増加させるようにした。

図３は本発明の第２実施例を示すパルス管冷凍機システムのＰ−Ｖ（圧力−容積）曲線および制御バルブ開閉シーケンスを示す図である。なお、図３（ａ）において、点線は図５にも示した従来の方式でのＰ−Ｖ（圧力−容積）曲線であり、実線は本実施例により改善されたＰ−Ｖ（圧力−容積）曲線を示す。また、図３（ｂ）において、実線部分は、バルブが開いている状態（開状態）を示している。また、破線部分は、その線の一部の期間でバルブが開いている状態を示している。

〔Ｂ〕実施例２
（１）図３に示すように、高圧バッファ制御バルブ（ＨＢ）７が開状態の時の少なくとも一部の期間で高圧開閉バルブ（ＡＨＣ）１１が開状態であり、低圧バッファ制御バルブ（ＬＢ）９が開状態の時の少なくとも一部の期間で低圧開閉バルブ（ＡＬＣ）１２が開状態であるように制御することで、ＰＶ（圧力−容積）曲線を改善するようにした。

（２）また、高圧ガス制御バルブ（ＨＣ）６が開状態の時の少なくとも一部の期間で高圧開閉バルブ（ＡＨＣ）１１が開状態であり、低圧ガス制御バルブ（ＬＣ）４が開状態の時の少なくとも一部の期間で低圧開閉バルブ（ＡＬＣ）１２が開状態であるように、制御することで、ＰＶ（圧力−容積）曲線を改善するようにした。
さらに、上記（２）において、高圧ガス制御バルブ（ＨＣ）６が開くのと概略同時に高圧開閉バルブ（ＡＨＣ）１１が開き、高圧ガス制御バルブ（ＨＣ）６よりも早く高圧開閉バルブ（ＡＨＣ）１２が閉じ、低圧ガス制御バルブ（ＬＣ）４が開くのと概略同時に低圧開閉バルブ（ＡＬＣ）１２が開き、低圧ガス制御バルブ（ＬＣ）４よりも早く低圧開閉バルブ（ＡＬＣ）１２が閉じるように制御することで、ＰＶ（圧力−容積）曲線を改善するようにした。

上記２つの実施例のような開閉シーケンスで制御バルブの開閉制御を行うことで、８０Ｋでの冷凍能力が１６５．２Ｗから１７１．３Ｗに向上した。また、ＣＯＰでは３．１％の向上が見られた。
さらに、このパルス管冷凍機において、上記した第５流路２５および第６流路２６には絞り機構、例えば、手動流量調整バルブ１１′，１２′又はオリフィスなどを付設することにより、開閉バルブのＣｖ値を調整することで、ガス圧縮機性能に応じたパルス管内の最適なＰＶ（圧力−容積）曲線を作ることができるようになり、なお良い。この実施例では、パルス管冷凍機の例としてエア・ウォーター株式会社製パルス管冷凍機システム、型番：ＧＰ１５８０Ｓを用いた。

このように本発明によれば、
（１）バッファタンクがガス圧縮機の高低圧バッファの役割を担い、圧縮比を減少させることにより、運転負荷を少なくすることができる。
（２）バッファタンクの高低圧力差が圧縮機高低圧力差に近づくことにより、パルス管内のＰＶ（圧力−容積）の仕事量が大きくなり、冷凍能力が大きくなる。（３）以上により、冷凍機冷凍能力、ＣＯＰの向上を図ることができる。
（４）請求項２および３の制御により、圧縮機の圧縮比を減らし、パルス管と蓄冷器による膨張の仕事量を増加させることで、冷凍機の効率の向上を図ることができる。
（５）請求項４〜６の制御により、パルス管内の最適なＰＶ（圧力−容積）曲線を得ることができる。
（６）高低圧開閉制御バルブのＣｖ値を調整（若しくは手動流量調整バルブやオリフィスなどの絞り機構を付設）することにより、ガス圧縮機性能に応じたパルス管内の最適なＰＶ（圧力−容積）曲線を作ることができる。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。

本発明のパルス管冷凍機は、パルス管冷凍機の圧力振動源のエネルギー損失を低減させ、圧縮・膨張の仕事量を増やすことによって、さらなる冷凍能力の向上を図り得るパルス管冷凍機として利用可能である。

１ パルス管
２ 冷端熱交換器
３ 蓄冷器
４ 低圧ガス制御バルブ（ＬＣ）
５ ガス圧縮機
６ 高圧ガス制御バルブ（ＨＣ）
７ 高圧バッファ制御バルブ（ＨＢ）
８ 高圧バッファ
９ 低圧バッファ制御バルブ（ＬＢ）
１０ 低圧バッファ
１１ 高圧開閉バルブ（ＡＨＣ）
１２ 低圧開閉バルブ（ＡＬＣ）
１１′，１２′ 手動流量調整バルブ

Claims (7)

1. 作動気体を吐出する高圧端と作動気体を吸入する低圧端とを有する圧縮機と、低温端および高温端を有する蓄冷器と、低温端および高温端を有するパルス管とを備えたパルス管冷凍機において、
   前記圧縮機の高圧端に接続された第１流路と、該第１流路に設けられた高圧ガス制御バルブと、前記圧縮機の低圧端に接続された第２流路と、該第２流路に設けられた低圧ガス制御バルブと、前記第１流路および前記第２流路に前記蓄冷器の高温端が接続され、前記蓄冷器の低温端に前記パルス管の低温端が接続され、前記パルス管の高温端に接続された第３流路および第４流路と、前記第３流路に接続された高圧バッファと、前記第４流路に接続された低圧バッファと、前記第３流路に設けられた高圧バッファ制御バルブと、前記第４流路に設けられた低圧バッファ制御バルブと、前記高圧ガス制御バルブより圧縮機側の第１流路と、前記高圧バッファ制御バルブより高圧バッファ側の第３流路もしくは高圧バッファとを接続する第５流路と、前記低圧ガス制御バルブより圧縮機側の第２流路と、前記低圧バッファ制御バルブより低圧バッファ側の第４流路もしくは低圧バッファとを接続する第６流路と、前記第５流路に設けられた高圧開閉バルブと、前記第６流路に設けられた低圧開閉バルブを具備することを特徴とするパルス管冷凍機。
2. 請求項１記載のパルス管冷凍機において、前記高圧ガス制御バルブが閉状態の時の少なくとも一部の期間で前記高圧開閉バルブを開状態とし、前記低圧ガス制御バルブが閉状態の時の少なくとも一部の期間で前記低圧開閉バルブを開状態とすることを特徴とするパルス管冷凍機。
3. 請求項１記載のパルス管冷凍機において、前記高圧ガス制御バルブ、前記低圧ガス制御バルブおよび前記低圧バッファ制御バルブが閉状態で前記高圧バッファ制御バルブが開状態の時の少なくとも一部の期間で前記低圧開閉バルブを開状態とし、前記高圧ガス制御バルブ、前記低圧ガス制御バルブおよび前記高圧バッファ制御バルブが閉状態で前記低圧バッファ制御バルブが開状態の時の少なくとも一部の期間で前記高圧開閉バルブを開状態とすることを特徴とするパルス管冷凍機。
4. 請求項１記載のパルス管冷凍機において、前記高圧バッファ制御バルブが開状態の時の少なくとも一部の期間で前記高圧開閉バルブを開状態とし、前記低圧バッファ制御バルブが開状態の時の少なくとも一部の期間で前記低圧開閉バルブを開状態とすることを特徴とするパルス管冷凍機。
5. 請求項１記載のパルス管冷凍機において、前記高圧ガス制御バルブが開状態の時の少なくとも一部の期間で前記高圧開閉バルブを開状態とし、前記低圧ガス制御バルブが開状態の時の少なくとも一部の期間で前記低圧開閉バルブを開状態とすることを特徴とするパルス管冷凍機。
6. 請求項５記載のパルス管冷凍機において、前記高圧ガス制御バルブが開くのと概略同時に前記高圧開閉バルブを開き、前記高圧バッファ制御バルブよりも早く前記高圧開閉バルブを閉じ、前記低圧ガス制御バルブが開くのと概略同時に前記低圧開閉バルブが開き、前記低圧バッファ制御バルブよりも早く前記低圧開閉バルブを閉じるようにしたことを特徴とするパルス管冷凍機。
7. 請求項１から６記載のパルス管冷凍機において、前記第５流路および第６流路には絞り機構を付設することを特徴とするパルス管冷凍機。

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