JPH03286967A - パルス管冷凍機 - Google Patents

パルス管冷凍機

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JPH03286967A
JPH03286967A JP8591390A JP8591390A JPH03286967A JP H03286967 A JPH03286967 A JP H03286967A JP 8591390 A JP8591390 A JP 8591390A JP 8591390 A JP8591390 A JP 8591390A JP H03286967 A JPH03286967 A JP H03286967A
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cold head
heat
fluid
radiator
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JP8591390A
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Yoshihiro Ishizaki
嘉宏 石崎
Yoichi Matsubara
洋一 松原
Takayuki Matsui
隆行 松井
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Aisin Corp
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ECTI KK
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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。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は、パルス管冷凍機に関し、赤外線センサー等の
各種センサーの冷却装置、タライオボンブ及びその他の
極低温利用の装置の冷凍発生部として利用される。
（従来の技術） パルス管冷凍機は、蓄冷型閉サイクル冷凍機の一種であ
り、他の同種の冷凍機（例えば、スターリングサイクル
冷凍機、ギフオード・マクマフオン冷凍機等）に比し、
冷凍発生部にピストン等の可動部分が無く、構成が簡素
化できると共に耐久性を向上でき、更に製作コストが安
いという特長を備えている。従来のパルス管冷凍機とし
ては、第７図に示すように薄肉の金属バイブからなるパ
ルス管１の一端をコールドヘッド２．蓄冷器３゜吐出弁
５及び第１放熱器５を介して圧縮機６の吐出側に連通さ
れると共に、吸入弁７を介して圧縮Ｉ６の吸入側に連通
され、また、パルス管１の他端を第２放熱器８に連通さ
れた密閉空間で構成されるものが知られている。このパ
ルス管冷凍機は、一般にベーシック・パルス管冷凍機と
呼ばれるもので、次のように作用する。圧縮機６により
圧縮されたおよそ３００に、２０気圧の作動ガス（空気
、窒素、アルゴン、水素、ヘリウム等）が第１放熱器５
で圧縮熱を除去され、吐出弁４が開弁すると蓄冷器３で
冷やされてコールドヘッド２を通してパルス管１内に導
入される。パルス管１内に導入された作動ガスは、パル
ス管ｌ内の作動ガスを断熱圧縮して３２０に程度になり
、圧縮熱を第２放熱器８で除去され常温近くになる。次
に吐出弁４が閉弁して吸入弁７が開弁すると、第２放熱
器８．パルス管１内の作動ガスは吸入弁７から圧縮１１
６までの配管内の８気圧程度の作動ガスを断熱圧縮する
仕事をして低温になり、コールドヘッド２を冷却し蓄冷
器３で暖められ圧縮機６に戻り、１サイクルが終了する
。これを連続的に繰り返すことにより、第２放熱器８で
の放熱量にほぼ見合う冷凍温度がコールドヘッド２で得
られる。
（発明が解決しようとする諜Ｂ） ところが、上記した従来のベーシック・パルス管冷凍機
の冷凍性能は、低く、せいぜい１３０に程までの冷凍温
度しかコールドヘッドにて得られず、他の同種の冷凍機
（例えば、スターリングサイクル冷凍機、ギフオード・
マクマフオン冷凍機等）に並ぶ性能を得ることができな
いという問題がある。
そこで、他の同種の冷凍機に並ぶ性能が得られるように
、第８図に示すようなパルス管冷凍機が従来提案されて
いる。このパルス管冷凍機は、般にオリフィス・パルス
管冷凍機と呼ばれるものテ、パルス管１１の一端をコー
ルドヘット１２蓄冷器１３及び第１放熱器１４を介して
圧縮機１５の吐出側に連通されると共に、パルス管１１
の他端を第２放熱器１６．導管１９．可変オリフィス１
７及びバッファタンク１８に連通された密閉空間で１威
されている。このオリフィス・パルス管冷凍機は、次の
ように作用する。圧縮機１５が圧縮行程にある時には、
作動ガスは第１放熱器１４により外部からの冷媒によっ
て圧縮熱を除去された後、蓄冷器１３．コールドヘッド
エ２及びパルス管１１内に順次導入され、パルス管１１
内で断熱圧縮されて生じる圧縮熱を第２放熱器１６によ
って除去される。圧縮熱を除去された作動ガスは導管１
９及び可変オリフィス１７を介してバッファタンク１８
に導入される。次いで、圧縮機１５が膨張行程に入ると
、バッファタンク１８内の作動ガスは可変オリフィス１
７を通り、パルス管１１内で断熱膨張して温度が低下し
、コールドヘッド１２に良熱伝導体２０で接続された被
冷却体２１を冷却し、同時に蓄冷器上３及び第１放熱器
１４を介して圧縮機１５に戻る。この冷凍機によれば、
可変オリフィス１７の開度を適宜張設することにより、
上記したベーシック・パルス管冷凍機より更に１００に
程低い冷凍温度をコールドヘッドにて得られるようにし
ている。
しかしながら、上記した従来のパルス管冷凍機において
は、前者によれば吐出弁及び吸入弁の交互の開閉により
運転されるため高圧の作動ガスが間欠的にパルス管内に
吹き込まれ、流体振動が発生し、これが被冷却体を冷や
すコールドヘッドで機械振動となり、悪影響を及ぼすと
いう問題があった。また、後者のパルス管冷凍機におい
ては、前者に比し低い冷凍温度を得ることができるもの
の、赤外線センサー等の被冷却体をコールドヘッドの外
表面に機械的に接触させて冷却しているため、ノイズを
センサーとして使用できるまで低減することが不可能で
あるという実用上の不具合があった。
そこで本発明は、当該パルス管冷凍機において蓄冷器よ
りパルス的にパルス管内に出入りする作動ガスの振動に
影響を受けることなく、被冷却体を冷却することを、そ
の技術的課題とする。
〔発明の構成］ （課題を解決するための手段） 上記した技術的課題を解決するために講じた手段ハ、パ
ルス管の一端をコールドヘッド、蓄冷器及び第１放熱器
を介して圧縮器に連通ずると共に、前記パルス管の他端
を第２放熱器及び流量調整機構を介してバッファタンク
に連通したパルス管冷凍機において、前記蓄冷器を被冷
却体を冷却する他の流体回路内の流体と熱交換する熱交
換式蓄冷器で構成すると共に前記流体回路の流体を前記
コールドヘッドと熱交換させるようにしたこと、である
。
上記したパルス管冷凍機においては、前記熱交換式蓄冷
器を、パルス管の同心円上に隣設されてその一端が前記
第１放熱器に連通されると共にその他端が前記コールド
ヘッドを介して前記パルス管の一端に連通される環状流
路と、該環状流路内に配設される蓄冷材と、前記環状流
路の同心円上に隣設されて前記蓄冷材と前記流体回路の
流体とを熱交換する熱交換器により構成しても良い。
或いは、前記熱交換式蓄冷器を、その一端が前記コール
ドヘッドを介して前記パルス管の一端に連通されると共
にその他端が前記第１放熱器に連通される第１流路と、
該第１流路内に配設される蓄冷材と、該第１流路の同心
円上に隣設されて前記蓄冷材と前記流体回路の流体とを
熱交換する熱交換器により構成しても良い。
（作用） 上記した手段によれば、熱交換式蓄冷器を用いることに
より、コールドヘッドで発生した冷凍量は、他の流体回
路の流体を常温から通過させ温度降下させて間接的に回
収させられ、低温になった他の流体回路の流体により被
冷却体は無振動で冷却される。
（実施例） 以下、本発明に従ったパルス管冷凍機の一実施例を図面
に基づき説明する。
第１図において、３０は薄肉の金属バイブからなるパル
ス管１１で、該パルス管３０の一端には、第２放熱器３
１．導管３２及び流量調整弁３３を介してバッファタン
ク３４に連通されている。
パルス管３０の外周部には同心円上に第１環状流路３５
が形成されており、該第１環状流路３５には金網等の蓄
冷材３６が積層して詰められており、これによりパルス
管３０の外周に環状の蓄冷器３７が隣設されている。パ
ルス管３０の他端側には、第１環状流路３５の外周壁に
固定されるコールドヘッド３８が設けられており、これ
によりパルス管３０の他端はコールドヘッド３８を介し
て蓄冷器３７の一端に連通されている。
蓄冷器３７の他端には、第２放熱器３１の外周に隣設さ
れる第１放熱器３９が連通されており、第１放熱器３９
には導管４０を介して圧縮機５０の圧縮室５０ａに連通
されている。尚、圧縮機５０は、導管４０の開口するシ
リンダ５０ｂと該シリンダ５０ｂに気密的に摺動可能に
嵌挿されるピストン５０ｃと、該ピストン５０ｃを駆動
するクランク機構５１により構成されている。
圧縮室５０ａからバッファタンク３４に至る空間には、
作動ガス（空気、窒素、アルゴン、水素、ヘリウム等）
が密封されており、上述した第８図に示すパルス管冷凍
機と同様な原理でコールドヘッド３８を冷却する。つま
り、ピストン５０ｃが上死点へ移動することにより圧縮
された圧縮室５０ａ内の作動ガスは、第１放熱器３９で
圧縮熱を除去され、蓄冷器３７で更に冷やされコールド
ヘッド３８の一側面に形成されるフィン間の流路３８ａ
にて流れを矢印で示すように反転されてパルス管３０内
に入る。パルス管３０の内部３０ａで加速された作動ガ
スはパルス管３０内に残留する作動ガスを圧縮して圧縮
熱を第２放熱器３１で除去され、導管３１及び流量調整
弁３２を介してバッファタンク３４内に入り、半サイク
ルを終わる。ピストン５０ｃが下死点に向かうと、バッ
ファタンク３４内の作動ガスは、流量調整弁３３゜導管
３１及び第２放熱器３１を経てパルス管３０の内部にて
断熱膨張されて温度降下し、コールドヘッド３８の流路
３８ａを通り、コールドヘッド３８を冷却すると同時に
、蓄冷器３７．第１放熱器３９及び配管４０を経て圧縮
室５０ａに戻り、ｌサイクルが終わる。これを連続的に
繰り返すことにより、所定の冷凍温度が得られるが、圧
縮機５０の回転を高くすればするほど冷凍温度を低くす
ることができる。ところが、この冷凍温度で被冷却体を
コールドヘッド３８にて直接機械的に接触せしめて冷却
させたのでは、機械振動により実用上の不具合が招かれ
る。
それが本実施例においては、第２図〜第５図に示すよう
に、パルス管冷凍機で発生した冷凍温度をコールドヘッ
ド３８の一側面側のＡ点で約５５に、　Ｂ点で３００に
となる温度勾配を持つ蓄冷器３７から、回収するために
、多数の小穴の設けられた金属板６０と比較的に熱伝導
度の悪い接合材６１とを交互に積層した構造の環状の冷
熱回収用の熱交換器６２を蓄冷器３７の外周に隣設して
いる。熱交換器６２は、第１図に示すように、圧縮機６
３．配管６４，６５．精製器６７、配管口６８、低温配
管６９及び被冷却体冷却用の熱交換器７０等からなる流
体回路に介装されており、これにより、蓄冷器３７から
冷熱を回収し更に配管口６８に至る際に第４図及び第５
図に示すようにコールドヘッド３８ｂの他側面に形成さ
れた熱交換用のフィン３８ｂによりコールドヘッド３８
より冷熱を回収して、熱交換器７０にて被冷却体を機械
振動を与えることなく冷却できる。尚、この流体回路を
空気や安価な窒素等による間サイクル（大気放出など）
にする場合は、第１図において、熱交換器７０により温
度上昇した流体を配管７１より弁７２を開にして外部へ
放出し、不足する流体量を弁７３を閉じ、弁７４を開き
、除湿、精製などのフィルター７５を通して圧縮機６３
に供給する。
以上説明した本実施例によれば、流体回路の流体に空気
を使用して開サイクルで８０に程度の冷却が可能であり
、他のヘリウム、水素、ネオン等を使用し、閉サイクル
で６０に以下の冷凍温度を生成して、冷凍機よりも離れ
た位置の被冷却体を無振動で冷却することができる。
第６図は、本発明の変形実施例を示し、この実施例にお
いては、蓄冷器１３７をパルス管１３０の外周部に隣設
せずに、パルス管１３０の他端に配管１８０及びコール
ドヘッド１３８を介して連通させている。蓄冷器１３７
の外周には、上述した実施例と同様に熱交換器１６２が
隣設されている。
本実施例においては、図示しない圧縮機により生しせし
められる圧力変動により、図示しない圧縮室、第１放熱
器１３９．蓄冷器１３７．コールドヘッド１３８．配管
１８０．パルス管１３０第２放熱器Ｉ３１．導管工３２
．流量調整弁工３３及びバッファタンク１３４内の作動
ガスの圧力が変動し、上述した実施例と同様に冷凍温度
が得られる。この冷凍温度は、熱交換器１６２の両端口
１８１，１８２に上述した実施例の流体回路を接続して
やれば、回収することができ、被冷却体を無振動で冷却
できる。尚、本実施例においては、パルス管１３０を熱
交換器１６２や蓄冷器１３７とは独立に設置しであるの
で、パルス管を１本、または、複数本、更に直管に限ら
ず、螺旋状も可能である。
尚、上述した実施例においては、熱交換器を積層板型に
て説明したが、蓄冷器にただ管を巻き付けても本発明は
実施可能である。
［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば、蓄冷器よりパル
ス的にパルス管内に出入りする作動ガスの振動に影響を
受けることなく、被冷却体を無振動で冷却することがで
きる。また、本発明によれば、被冷却体が液体であって
も冷却することができる。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明に従ったパルス管冷凍機の一実施例を示
す構成国、第２図は第１図における本発明の熱交換式蓄
冷器の縦断面図、第３図は第１図における本発明の熱交
換式蓄冷器の横断面図、第４図は第１図におけるコール
ドヘッドの拡大図、第５図はコールドヘッドの平面図、
第６図は本発明の変形実施例を示す構成図、第７図及び
第８図は従来のパルス管冷凍機の構成図である。 ３０・・・パルス管、３１・・・第２放熱器、３３・・
・流量調整弁（流量調整機構）、３４・・・バッファタ
ンク、３５・・・環状流路、３６・・・蓄冷材、３７・
・・蓄冷器（熱交換式蓄冷器）、３８・・・コールドヘ
ッド、３９・・・第１放熱器、５０・・・圧縮機、６２
・・・熱交換器。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. （１）パルス管の一端をコールドヘッド、蓄冷器及び第
    １放熱器を介して圧縮機に連通すると共に、前記パルス
    管の他端を第２放熱器及び流量調整機構を介してバッフ
    ァタンクに連通したパルス管冷凍機において、前記蓄冷
    器を被冷却体を冷却する他の流体回路内の流体と熱交換
    する熱交換式蓄冷器で構成すると共に前記流体回路の流
    体を前記コールドヘッドと熱交換させるようにしたこと
    を特徴とするパルス管冷凍機。
  2. （２）前記熱交換式蓄冷器を、パルス管の同心円上に隣
    設されてその一端が前記第１放熱器に連通されると共に
    その他端が前記コールドヘッドを介して前記パルス管の
    一端に連通される環状流路と、該環状流路内に配設され
    る蓄冷材と、前記環状流路の同心円上に隣設されて前記
    蓄冷材と前記流体回路の流体とを熱交換する熱交換器に
    より構成したことを特徴とする請求項（１）に記載のパ
    ルス管冷凍機。
  3. （３）前記熱交換式蓄冷器を、その一端が前記コールド
    ヘッドを介して前記パルス管の一端に連通されると共に
    その他端が前記第１放熱器に連通される第１流路と、該
    第１流路内に配設される蓄冷材と、該第１流路の同心円
    上に隣設されて前記蓄冷材と前記流体回路の流体とを熱
    交換する熱交換器により構成したことを特徴とする請求
    項（１）に記載のパルス管冷凍機。
JP8591390A 1990-03-31 1990-03-31 パルス管冷凍機 Pending JPH03286967A (ja)

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