JPH01281367A - パルス冷凍機 - Google Patents
パルス冷凍機Info
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- JPH01281367A JPH01281367A JP10917788A JP10917788A JPH01281367A JP H01281367 A JPH01281367 A JP H01281367A JP 10917788 A JP10917788 A JP 10917788A JP 10917788 A JP10917788 A JP 10917788A JP H01281367 A JPH01281367 A JP H01281367A
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Classifications
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
- F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
- F25B9/14—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the cycle used, e.g. Stirling cycle
- F25B9/145—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the cycle used, e.g. Stirling cycle pulse-tube cycle
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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- F25B2309/00—Gas cycle refrigeration machines
- F25B2309/14—Compression machines, plants or systems characterised by the cycle used
- F25B2309/1406—Pulse-tube cycles with pulse tube in co-axial or concentric geometrical arrangements
-
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- F25B2309/1418—Pulse-tube cycles with valves in gas supply and return lines
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
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- F25B2309/1426—Pulse tubes with basic schematic including at the pulse tube warm end a so called warm end expander
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
［産業上の利用分野］
本発明は、簡単な構造で、しかも低温部にピストン等の
可動機構を必要とせず、絶対温度で７７に以下を効率よ
く生成し、しかも高信頼度のパルス冷凍機に関するもの
である。
可動機構を必要とせず、絶対温度で７７に以下を効率よ
く生成し、しかも高信頼度のパルス冷凍機に関するもの
である。
［従来の技術］
パルス冷凍機は１９６３年Ｍ、Ｅ Ｇ１ｆｆ’ｏｒｄに
より提案されている。然しこの低温生成する方式は、作
動流体の非平衡状態の特性を動作原理とし７ており、実
際の動作状態の方程式を導き解析することを困難にして
いた。また、パルス冷凍機の低温生成に関する原理は多
くの論文で提案され述べられているが、いづれも条件に
仮定が多く理論的には未だ確立されていない。然し実際
に低温生成が可能なことが実証されている。
より提案されている。然しこの低温生成する方式は、作
動流体の非平衡状態の特性を動作原理とし７ており、実
際の動作状態の方程式を導き解析することを困難にして
いた。また、パルス冷凍機の低温生成に関する原理は多
くの論文で提案され述べられているが、いづれも条件に
仮定が多く理論的には未だ確立されていない。然し実際
に低温生成が可能なことが実証されている。
第４図により従来の低温生成の原理を説明すると、まず
圧縮機よりの作動流体（主としてヘリウム、以後流体と
云う）は、例えば１５気圧で弁（１）より蓄冷器（２）
に入り、温度降下して冷凍部（３）よりパルス管（４）
の内部（５）で残留する流体を断熱圧縮し、その時残留
する流体は温度上昇し、はぼ常温でその圧縮熱を熱交換
器（６）で大気へ、或いは熱交換器（８）と接触する冷
却流体に放熱する。
圧縮機よりの作動流体（主としてヘリウム、以後流体と
云う）は、例えば１５気圧で弁（１）より蓄冷器（２）
に入り、温度降下して冷凍部（３）よりパルス管（４）
の内部（５）で残留する流体を断熱圧縮し、その時残留
する流体は温度上昇し、はぼ常温でその圧縮熱を熱交換
器（６）で大気へ、或いは熱交換器（８）と接触する冷
却流体に放熱する。
この時のパルス管（４）は、冷凍部（３）を絶対温度で
７７にとし、常温を３００にとすれば、熱交換器（６）
の凡そ３１５Ｋまでの温度勾配を保つ。次に熱交換Ｗ
（６）の内部やこの付近に残留した流体は、弁（７）が
開くため再びパルス管（４）の内部の流体を押し出しな
がら温度降下し、冷凍部（３）で図示しない被冷却体を
冷却して温度上昇し、更に、蓄冷器（２）で暖められ、
はぼ常温で弁（７）より圧縮機に戻る。これを連続的に
行って低温生成するものである。
７７にとし、常温を３００にとすれば、熱交換器（６）
の凡そ３１５Ｋまでの温度勾配を保つ。次に熱交換Ｗ
（６）の内部やこの付近に残留した流体は、弁（７）が
開くため再びパルス管（４）の内部の流体を押し出しな
がら温度降下し、冷凍部（３）で図示しない被冷却体を
冷却して温度上昇し、更に、蓄冷器（２）で暖められ、
はぼ常温で弁（７）より圧縮機に戻る。これを連続的に
行って低温生成するものである。
従って、冷凍部（３）で得られる冷凍は、弁（７）が開
くことにより蓄冷器などに残留する流体が、図示しない
が圧縮機に戻る配管内の流体を押す仕事を連続的に行う
ことと、パルス管内と弁（７）付近より圧縮機に戻る流
体の位相のずれかのみにより得られる。この冷凍量は、
理論的には熱交換器（６）での放熱量から蓄冷器（２）
での非効率性、更に断熱損失分を差し引いた量が得られ
る。しかしながら、このシステムに於いては、この断熱
損失分を十分に小さくすることが出来ず、又作動流体の
移動の位相を制御する部分が少なく、効率的には十分な
ものとは云えなかった。
くことにより蓄冷器などに残留する流体が、図示しない
が圧縮機に戻る配管内の流体を押す仕事を連続的に行う
ことと、パルス管内と弁（７）付近より圧縮機に戻る流
体の位相のずれかのみにより得られる。この冷凍量は、
理論的には熱交換器（６）での放熱量から蓄冷器（２）
での非効率性、更に断熱損失分を差し引いた量が得られ
る。しかしながら、このシステムに於いては、この断熱
損失分を十分に小さくすることが出来ず、又作動流体の
移動の位相を制御する部分が少なく、効率的には十分な
ものとは云えなかった。
［発明が解決しようとする課８］
上記の如く、従来のパルス冷凍機は、単に吸入・吐出弁
、蓄熱器、冷凍部、パルス管、及び熱交換器より構成さ
れており、仮想上の冷凍量の最大値、即ち、冷凍機外へ
放熱する相当エネルギー量だけの冷凍量に近づけるには
、この相当エネルギー量を十分得ることが出来なかった
。又、吸入・吐出弁に伴う作動流体移動の位相を十分制
御出来なかった。従って、パルス冷凍機として必ずしも
効率のよいものとは云えなかった。
、蓄熱器、冷凍部、パルス管、及び熱交換器より構成さ
れており、仮想上の冷凍量の最大値、即ち、冷凍機外へ
放熱する相当エネルギー量だけの冷凍量に近づけるには
、この相当エネルギー量を十分得ることが出来なかった
。又、吸入・吐出弁に伴う作動流体移動の位相を十分制
御出来なかった。従って、パルス冷凍機として必ずしも
効率のよいものとは云えなかった。
本発明は、か・る課題を解決するためになされたもので
、効率のよい、しかも簡単な構造で高信頼度のパルス冷
凍機を得ることを目的としている。
、効率のよい、しかも簡単な構造で高信頼度のパルス冷
凍機を得ることを目的としている。
［課題を解決するための手段］
この課題を解決するため本発明は、別に設けられた圧縮
機より吸入弁を通過した作動流体を冷却する蓄冷器と、
該蓄冷器に連なる冷凍部パルス管を通った該作動流体の
熱を放熱させる、常温域にある熱交換器と、該熱交換器
を通った前記作動流体により自動的又は＄１ｇａ的に膨
張仕事をさせられるはマ常温の、流路をａするピストン
と、該ピストンに圧縮仕事をさせ前パルス管、冷凍部、
蓄冷器を逆進した前記作動流体を、吸入行程にある前記
圧縮機に導入する吐出弁とを備えたことを特徴とした、
又上記別に設けられた圧縮機及び吸入弁、吐出弁に代え
て、機械的、流体的又は電磁的手段により稼働する圧縮
ピストン部及びそれに連なる放熱器を内蔵することを特
徴とした、更に又、前：己ピストンと係合するスプリン
グと、該スプリングの強度を調整することにより該ピス
トンの速度、前記膨張仕事の発生量及び前記吸入弁、吐
出弁の開閉に伴う該ピストンに隣接する＄１１ｇ！Ｊ空
間における作動流体移動の位相を制御する＄１１スプリ
ング２１整部とを備えたことを特徴とするパルス冷凍機
を提案するものである。
機より吸入弁を通過した作動流体を冷却する蓄冷器と、
該蓄冷器に連なる冷凍部パルス管を通った該作動流体の
熱を放熱させる、常温域にある熱交換器と、該熱交換器
を通った前記作動流体により自動的又は＄１ｇａ的に膨
張仕事をさせられるはマ常温の、流路をａするピストン
と、該ピストンに圧縮仕事をさせ前パルス管、冷凍部、
蓄冷器を逆進した前記作動流体を、吸入行程にある前記
圧縮機に導入する吐出弁とを備えたことを特徴とした、
又上記別に設けられた圧縮機及び吸入弁、吐出弁に代え
て、機械的、流体的又は電磁的手段により稼働する圧縮
ピストン部及びそれに連なる放熱器を内蔵することを特
徴とした、更に又、前：己ピストンと係合するスプリン
グと、該スプリングの強度を調整することにより該ピス
トンの速度、前記膨張仕事の発生量及び前記吸入弁、吐
出弁の開閉に伴う該ピストンに隣接する＄１１ｇ！Ｊ空
間における作動流体移動の位相を制御する＄１１スプリ
ング２１整部とを備えたことを特徴とするパルス冷凍機
を提案するものである。
本発明は、先に述べた従来のもの・構造と比較すると、
は１゛常温で、しかも流体の圧力方向のみで自動的又は
＄４ Ｇｌ的に往復動するは？常温の、流路を有するピ
ストンまたは電磁的に稼働する電磁ピストンを備え、こ
れに膨張仕事が与えられることにより効率が極めて高く
なった。また、ピストンを支持せるスプリングと該スプ
リングの強度を調整するスプリング調整部を設けたこと
により更に効率の向上をもたらした。更にまた圧縮ピス
トン部及びそれに連なる放熱器を装置に内蔵することに
より、構造を極めてコンパクトになし得、又信頼性を向
上させることができる。
は１゛常温で、しかも流体の圧力方向のみで自動的又は
＄４ Ｇｌ的に往復動するは？常温の、流路を有するピ
ストンまたは電磁的に稼働する電磁ピストンを備え、こ
れに膨張仕事が与えられることにより効率が極めて高く
なった。また、ピストンを支持せるスプリングと該スプ
リングの強度を調整するスプリング調整部を設けたこと
により更に効率の向上をもたらした。更にまた圧縮ピス
トン部及びそれに連なる放熱器を装置に内蔵することに
より、構造を極めてコンパクトになし得、又信頼性を向
上させることができる。
〔実施例］
以下図面を５照し、本発明の詳細な説明る。
第１図は本発明のパルス冷凍機の一実施例の断面構造で
ある。圧縮ｍ （３７）によりほぼ１５気圧に昇圧され
た作動流体（主としてヘリウム以下流体という）は、弁
（ｌＯ）よりパルス管（１１）を軸中心にして、その同
心円周状に置いた金属メツシュの積層、その他の材料で
構成された蓄冷器（１２）に入る。次に冷凍部（１３）
より、その内部流路（１４）、整流器（１５）よりパル
ス管（１１）に入り、その内部（１Ｂ）における流体を
パルス的に圧縮して温度上昇させ、その流体は熱交換器
（１７）のフィン部（１８）より放熱しながらスプリン
グ（１９，２０）や第２図に示す電磁リニア駆動側ｇｏ
機構で位置制御され、はぼ常温にある、流路（２４）を
Ｈするピストン（２１）を押圧する。
ある。圧縮ｍ （３７）によりほぼ１５気圧に昇圧され
た作動流体（主としてヘリウム以下流体という）は、弁
（ｌＯ）よりパルス管（１１）を軸中心にして、その同
心円周状に置いた金属メツシュの積層、その他の材料で
構成された蓄冷器（１２）に入る。次に冷凍部（１３）
より、その内部流路（１４）、整流器（１５）よりパル
ス管（１１）に入り、その内部（１Ｂ）における流体を
パルス的に圧縮して温度上昇させ、その流体は熱交換器
（１７）のフィン部（１８）より放熱しながらスプリン
グ（１９，２０）や第２図に示す電磁リニア駆動側ｇｏ
機構で位置制御され、はぼ常温にある、流路（２４）を
Ｈするピストン（２１）を押圧する。
この時、制御空間（２２，２３）の流体は、流路孔（２
４）、通気穴（２５）よりの流体で圧縮されるため温度
上昇し、放熱部（２Ｂ） （この構造では熱交換器（１
７）のフィン部（１８）と共通、または独立でも良い）
より放熱する。次に吐出弁（２７）が開くと、吐出弁（
２７）より制御空間（２２，２３）までの要素空間に残
留する流体が圧縮機の吸入圧、例えば７気圧まで膨張す
る。このときピストン（２１）が圧縮機側に吸引される
ため流体が膨張仕事をする。
４）、通気穴（２５）よりの流体で圧縮されるため温度
上昇し、放熱部（２Ｂ） （この構造では熱交換器（１
７）のフィン部（１８）と共通、または独立でも良い）
より放熱する。次に吐出弁（２７）が開くと、吐出弁（
２７）より制御空間（２２，２３）までの要素空間に残
留する流体が圧縮機の吸入圧、例えば７気圧まで膨張す
る。このときピストン（２１）が圧縮機側に吸引される
ため流体が膨張仕事をする。
また、スプリング（２０）に併設されたスプリング調整
部（２８）は、制御空間（２２，２３）の容積と流路孔
（２４）、通気穴（２５）の流路抵抗、並びにスプリン
グ（１９，２０）の弾性強度を調整し、ピストン（２１
）の速度とピストンに依る膨張仕事の発生量、弁（１０
，２７）の開閉による制御空間（２２，２３）の流体の
移動に伴う位相を制限する。さらに膨張仕事を受けるこ
とによるスプリングの発熱は、内部に残留する流体やス
プリングと接触する材料を介して熱伝導により冷凍機外
部に放熱される。なお、吸入弁（１０）及び吐出弁（２
７）は、それぞれ独立でも、１個の７ｕ動式のロータリ
弁の何れでも良い。
部（２８）は、制御空間（２２，２３）の容積と流路孔
（２４）、通気穴（２５）の流路抵抗、並びにスプリン
グ（１９，２０）の弾性強度を調整し、ピストン（２１
）の速度とピストンに依る膨張仕事の発生量、弁（１０
，２７）の開閉による制御空間（２２，２３）の流体の
移動に伴う位相を制限する。さらに膨張仕事を受けるこ
とによるスプリングの発熱は、内部に残留する流体やス
プリングと接触する材料を介して熱伝導により冷凍機外
部に放熱される。なお、吸入弁（１０）及び吐出弁（２
７）は、それぞれ独立でも、１個の７ｕ動式のロータリ
弁の何れでも良い。
第２図は他の実施例を示し、第１図の実施例では、ピス
トン（２１）がスプリングの弾性強度、制御空間の容積
、流体孔などで制御されていたが、ソレノイド（２９）
を用い、これを電磁ピストン（３ｏ）として電磁ソレノ
イド型の発電制御機構にしたものである。このため部品
数が少なくなり、然も制御が容易で効率も向上した。（
３４）はピストンリング、（３５）はＯリング、（３６
）はボルト、（３７）はスプリングホルダーを示す。な
お、図示しないが、この機構にはホトトランジスタ、そ
の他を用いて電磁ピストン（３０）の位置検出制御がさ
れている。また、電磁機構は同期型でも誘導型の何れで
も本発明は実施可能である。電磁ピストン（３０）にお
ける流路はピストンの外周面スキマまたは／及び軸方向
に貫通する孔により設けられる。さらに本発明では、第
３図のごとく圧縮機、弁（１０，２７）を除き、クラン
クシャフトや電磁駆動で往復動する圧縮ピストン（３１
）の圧縮空間（３２）よりの流体を放熱器（３３）を介
して蓄冷器（１２）に接続すれば、第２図の実施例と同
様に低温生成でき、しかもコンパクトの冷凍機として提
供可能である。
トン（２１）がスプリングの弾性強度、制御空間の容積
、流体孔などで制御されていたが、ソレノイド（２９）
を用い、これを電磁ピストン（３ｏ）として電磁ソレノ
イド型の発電制御機構にしたものである。このため部品
数が少なくなり、然も制御が容易で効率も向上した。（
３４）はピストンリング、（３５）はＯリング、（３６
）はボルト、（３７）はスプリングホルダーを示す。な
お、図示しないが、この機構にはホトトランジスタ、そ
の他を用いて電磁ピストン（３０）の位置検出制御がさ
れている。また、電磁機構は同期型でも誘導型の何れで
も本発明は実施可能である。電磁ピストン（３０）にお
ける流路はピストンの外周面スキマまたは／及び軸方向
に貫通する孔により設けられる。さらに本発明では、第
３図のごとく圧縮機、弁（１０，２７）を除き、クラン
クシャフトや電磁駆動で往復動する圧縮ピストン（３１
）の圧縮空間（３２）よりの流体を放熱器（３３）を介
して蓄冷器（１２）に接続すれば、第２図の実施例と同
様に低温生成でき、しかもコンパクトの冷凍機として提
供可能である。
本発明を実施した実験結果によれば、１馬力の圧縮機に
より得られた冷凍量が低温７７°Ｋにおいて従来形で２
ワツト以下であったものかは１゛８ワツトと大巾な性能
改善が確認された。以上本明細Ｓにおける実施例及び図
については本発明の限定された実施例につき示したもの
であり、本発明の主旨を有するものであれば、これに限
定されるものでないことは云うまでもない。
より得られた冷凍量が低温７７°Ｋにおいて従来形で２
ワツト以下であったものかは１゛８ワツトと大巾な性能
改善が確認された。以上本明細Ｓにおける実施例及び図
については本発明の限定された実施例につき示したもの
であり、本発明の主旨を有するものであれば、これに限
定されるものでないことは云うまでもない。
［発明の効果コ
本発明は以上説明したとおり、従来のパルス冷凍機に対
し、は・°常温で、然も流体の圧力方向のみで自動的又
は制御的に往復動するピストン（２１）または電磁ピス
トン（３０）を設けたこと、及びピストン（２１〉また
は電磁ピストン（３ｏ）に係合するスプリング（１９，
２０）とその強度を調整、１１３９するスプリング２１
笹部（２８）を設けたことにより、大巾にその効率を向
上させる効果がある。又、別に設けられた圧縮機（３７
）及び吸入弁（１０）、吐出弁（２７）に代えて、前記
圧縮ピストン部（３１）及びそれに連なる放熱器（３３
）を内蔵させることによりコンパクトで、信頼性の高い
パルス冷凍機を供給できる効果をＨする。
し、は・°常温で、然も流体の圧力方向のみで自動的又
は制御的に往復動するピストン（２１）または電磁ピス
トン（３０）を設けたこと、及びピストン（２１〉また
は電磁ピストン（３ｏ）に係合するスプリング（１９，
２０）とその強度を調整、１１３９するスプリング２１
笹部（２８）を設けたことにより、大巾にその効率を向
上させる効果がある。又、別に設けられた圧縮機（３７
）及び吸入弁（１０）、吐出弁（２７）に代えて、前記
圧縮ピストン部（３１）及びそれに連なる放熱器（３３
）を内蔵させることによりコンパクトで、信頼性の高い
パルス冷凍機を供給できる効果をＨする。
第１図は本発明の一実施例を示す断面説明図、第２図は
本発明の他の実施例を示す断面説明図、第３図は第１図
、第２図に於ける圧縮機及び吸入弁、吐出弁に代わり内
蔵される圧縮ピストン部及び放熱器部分を示す説明図、
第４図は従来形のパルス冷凍機の構造概念図である。
本発明の他の実施例を示す断面説明図、第３図は第１図
、第２図に於ける圧縮機及び吸入弁、吐出弁に代わり内
蔵される圧縮ピストン部及び放熱器部分を示す説明図、
第４図は従来形のパルス冷凍機の構造概念図である。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １）圧縮機より吸入弁を通過した作動流体を冷却する蓄
冷器と、 該蓄冷器に連なる冷凍部、パルス管を通った作動流体の
熱を放熱させるほゞ常温域にある熱交換器と、該熱交換
器を通った前記作動流体により自動的又は制御的に、押
され仕事及び前記蓄冷器側に吸引で仕事をさせられるほ
ゞ常温の、流路を有するスプリング調整されたピストン
又は電磁的調整ないし電磁及びスプリング調整された電
磁ピストンと、 該ピストン又は電磁ピストンに仕事を与え、前記パルス
管、冷凍部、蓄冷器を逆進した前記作動流体を、吸入行
程にある前記圧縮機に導入する吐出弁とを備えたことを
特徴とするパルス冷凍機。 ２）請求項１記載における、圧縮機及び吸入弁、吐出弁
に替わり、機械的、流体的又は電磁的手段により稼働す
る圧縮ピストン部及び、それに連なる放熱器を内蔵する
ことを特徴とするパルス冷凍機。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63109177A JP2577244B2 (ja) | 1988-05-06 | 1988-05-06 | パルス冷凍機 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63109177A JP2577244B2 (ja) | 1988-05-06 | 1988-05-06 | パルス冷凍機 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH01281367A true JPH01281367A (ja) | 1989-11-13 |
| JP2577244B2 JP2577244B2 (ja) | 1997-01-29 |
Family
ID=14503609
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63109177A Expired - Lifetime JP2577244B2 (ja) | 1988-05-06 | 1988-05-06 | パルス冷凍機 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2577244B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2020056533A (ja) * | 2018-10-02 | 2020-04-09 | 株式会社東芝 | 極低温冷却装置 |
-
1988
- 1988-05-06 JP JP63109177A patent/JP2577244B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2020056533A (ja) * | 2018-10-02 | 2020-04-09 | 株式会社東芝 | 極低温冷却装置 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2577244B2 (ja) | 1997-01-29 |
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