JPH055568A - パルス管式冷凍機 - Google Patents

パルス管式冷凍機

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JPH055568A JP3154802A JP15480291A JPH055568A JP H055568 A JPH055568 A JP H055568A JP 3154802 A JP3154802 A JP 3154802A JP 15480291 A JP15480291 A JP 15480291A JP H055568 A JPH055568 A JP H055568A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】パルス管式冷凍機の効率向上を目的とする。 【構成】圧縮部の空間より出た作動流体を、放熱器等を
介して低温化し冷凍部で披冷却体を冷却して更にパルス
管を通じ温度上昇した作動流体をほぼ常温部にある熱交
換器と流量調整弁を介してほぼ常温の熱交換器で放熱さ
せ、さらに膨張空間に連結して低温生成するようにした
ことで、パルス管式冷凍機の効率が向上した。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、基本的には低温ピスト
ン等の低温可動機構を一切必要としない構成でありなが
ら絶対温度で２００Ｋ以下を効率よく生成し、且つ、単
純な構成のため安価で高信頼度の冷凍機の提供を特徴す
るパルス管式冷凍機の構成に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】パルス管式冷凍機は１９６３年Ｗ．Ｅ
Ｇｉｆｆｏｒｄらにより初めて提案された。この低温生
成する方式は、作動流体非平衡状態の特性を動作原理と
しており、実際の動作状態の方程式を導き解析すること
を困難にしている。また、パルス管式冷凍機の低温生成
に関する解析は多くの論文で発表されているが、いずれ
も条件に仮定が多く、その動作原理は理論的には確立さ
れていない。然し実際に低温生成可能なことは実証され
ている。
【０００３】既存のパルス管式冷凍機は構成が単純で、
然も低温部に可動部分がないから冷凍機としての信頼性
が高い事が第一の特徴である。その原理を図５に基づい
て低温を得る過程を説明する。
【０００４】圧縮機１よりの作動流体（ヘリウム、アル
ゴン、窒素、水素、空気等、混合気体、以後、流体と言
う）は、例えば１５気圧で吸入弁２より蓄冷器３に入り
温度降下し、冷凍部４からパルス管５の内部６で残留す
る流体を断熱圧縮し、その時の残留流体は温度上昇し、
ほぼ常温でその圧縮熱を多数のフイン管等からなる熱交
換器７で大気へ放熱し、或いは熱交換器７と接触する図
示しない冷却流体に放熱する。次に熱交換器７の内部や
この付近に残留した流体は、吐出弁８が開くため逆向き
になって再びパルス管５の内部の流体を押し出しながら
温度降下し、冷凍部４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３で暖められ、ほぼ常温で吐
出弁８より圧縮機１に戻り１サイクルが終わる。これを
連続的に行って低温生成し、冷凍部４で被冷却体を冷却
することができる。この時のパルス管５は、冷凍部４の
温度から熱交換器７の温度、約３２０Ｋまでの温度勾配
を保つ。即ち３２０Ｋと７７Ｋの温度差、２４３度を保
つ。
【０００５】尚、冷凍部４で得られる冷凍は、吐出弁８
が開くことにより蓄冷器３などに残留する流体が、圧縮
機１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６と吐出弁８付近より圧縮機に戻る配管
９の図示しないが配管内の流体の位相のずれにより得ら
れる。また冷凍量は、理論的には熱交換器７での放熱量
から蓄冷器３での非効率分、更に断熱損失分を差し引い
た量が得られる。即ち、仮想上の冷凍量の最大値は、冷
凍機外へ放熱したエネルギーだけ冷凍量として得られ
る。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】ところが、従来のパル
ス管式冷凍機の欠点は、効率が非常に低く他の如何なる
冷凍機よりも悪いことである。効率は例えば、低温温度
７７Ｋで２Ｗを得るのに約１ｋＷの動力を必要としてお
り、性能指数は１０００／２＝５００である。
【０００７】そこで、本発明は、パルス管式冷凍機の効
率向上を、その技術的課題とする。
【０００８】
【発明の構成】
【０００９】
【課題を解決するための手段】上述した本発明の技術的
課題を解決するために講じた本発明の第１の技術的手段
は、蓄冷器、熱交換器、パルス管、冷凍部、圧縮部等か
ら構成されるパルス管式冷凍機において、圧縮部の空間
より出た作動流体を、フレキシブル管に繋ぎ放熱器等を
介して低温化し冷凍部で披冷却体を冷却して更にパルス
管を通じ温度上昇した作動流体をほぼ常温部にある熱交
換器と流量調整弁を介してほぼ常温の熱交換器で放熱さ
せ、さらにフレキシブル管を通じて膨張空間に連結して
低温生成するようにしたことである。
【００１０】また、本発明の技術的課題を解決するため
に講じた本発明の第２の技術的手段は、上述した本発明
の第１の技術的手段の蓄冷器、熱交換器、パルス管、冷
凍部、圧縮部等から構成されるパルス管式冷凍機におい
て、流量調整弁を介してほぼ常温の熱交換器で放熱され
た作動流体を、フレキシブル管を通じて圧縮部の空間の
容積可変の進み方よりも位相差が５０度から１３０度の
範囲で進んで動作する膨張空間に連結して低温生成する
ようにしたことである。
【００１１】更に、本発明の技術的課題を解決するため
に講じた本発明の第３の技術的手段は、上述した本発明
の第１の技術的手段の蓄冷器、熱交換器、パルス管、冷
凍部、圧縮部等から構成されるパルス管式冷凍機におい
て、ほぼ常温の圧縮部の空間と膨張空間を複数設けて複
合サイクルとして低温生成するように構成したことであ
る。
【００１２】そして、本発明の技術的課題を解決するた
めに講じた本発明の第３の技術的手段は、上述した本発
明の第１の技術的手段のパルス管式冷凍機において、一
つ、または複数ケ所に同一、または温度の異なる温度の
異なる低温度を発生させるようにしたことである。
【００１３】
【作用】前述した本発明の第１乃至第４の技術的手段に
よれば、パルス管式冷凍機の効率が向上する。
【００１４】
【実施例】以下、本発明の技術的手段を具体化した実施
例について、添付図面に基づいて説明する。
【００１５】図１は、効率向上を目的として図５の機器
構成を改良した本発明のパルス管式冷凍機の流路並び断
面構造で、電磁気的、流体的、或いはクランクシャフト
等の機械的に往復動される圧縮ピストン１０とシリンダ
ー１１により形成される圧縮空間１２（弁を有しない圧
縮機のため圧縮部と言う）よりのほぼ１５気圧の流体
は、圧縮ピストン１０が上死点に向かうと圧縮（例えば
２５気圧）されてフレキシブル管１３より放熱器１４で
放熱し、蓄冷器（金属メッシュ、金属球、奇土類、その
他の材料で構成）１５に入って温度降下する。そして冷
凍部１６、パルス管１７で管内の残留気体を断熱的に圧
縮し加速して、熱交換器１８、流量調整弁１９（温度調
整を兼ねる）を通り放熱器２０で放熱し、フレキシブル
管２１を通りシリンダー２２とピストン２３で形成さ
れ、圧縮空間１０より５５度から１３０度進んだ位相差
で容積が可変される放熱のよい膨張空間２４に入って膨
張ピストン２３を押す仕事をする。即ち流量調整弁１９
を通過後、温度の約３５０Ｋに上昇した流体は断熱膨張
されて１０気圧程度となって温度降下しほぼ常温にな
る。この時、蓄冷器１５と冷凍部１６内に残留する流体
も共に膨張して冷凍部１６では７０Ｋ以下の低温度にな
る。そして膨張ピストン２３が上死点に向かうと位相が
遅れて動作する圧縮ピストン１０が下死点へ向かうため
膨張空間２４の流体は押し出され逆向きになって２１、
２０、１９、１８、１７、１６を順に通過し、フレキシ
ブル管１３より圧縮空間１２に戻って１サイクルが終わ
る。これを連続的に行うことによって冷凍部１６で冷凍
が得られる。効率は入力を２ｋＷ、回転数毎分３５０
回、位相差８０度の時、７７Ｋで２５Ｗ得られるから性
能指数で２０００／２５＝８０となる。即ち、性能は図
５の方式に較べて略６倍高くなった。
【００１６】尚、膨張ピストン２３は、圧縮ピストン１
０と同様に電磁気的、流体的に、或いはクランクシャフ
ト等の機械的にある位相差を保って往復動される。リニ
アモータ方式の往復動作では膨張ピストン２３の位相差
の制御を電磁気的な方式のみならず、流体とスプリング
等の機械的な方式を併用して行えることは当然のことで
ある。
【００１７】この機器構成の特徴は、冷凍サイクル的に
は、二つの等温過程と二つの等容過程から成るスターリ
ングサイクル冷凍機の低温度になる膨張ピストン（ディ
スプレーサを含む）を除く、パルス管の断熱過程と常温
の膨張ピストンによる断熱膨張過程を導入した機器構成
にしたことである。即ち、スターリングサイクル冷凍機
では、往復動する膨張ピストン（ディスプレーサを含
む）が低温度になるためこれによる事故が多く、信頼性
の向上の妨げとなっていた。
【００１８】尚、放熱器２０は膨張空間２４を形成する
シリンダー２２と一体化して製造することも可能であ
り、また膨張空間２４を形成する機構や材料、例えばピ
ストンリングに耐熱性があれば、放熱器２０を除けるか
ら膨張仕事の回収（動力の回収）が増えて流体の圧縮仕
事が減り効率は更に向上する。
【００１９】図２は、図１の圧縮空間と膨張空間をそれ
ぞれ二つずつ設けて並列に作動させた実施例を示し、圧
縮ピストン１０−１と１０−２を１８０度の位相差で動
作させ、圧縮空間１２−１および１２−２と膨張空間２
４−１および２４−２との空間容積可変が５５度から１
３０度の位相差を保って行えるようにした実施例であ
る。性能指数は図１の単サイクルの８０から７０に向上
した。サイクルは二つに限らず、三つ、四つと多数のサ
イクルを組み合わせて冷凍機を製作することが可能であ
り、サイクルの複数化によって冷凍機の機械振動が減り
モーター効率も向上する。
【００２０】図３は、図２の機器構成の圧縮ピストン１
０−１、１０−２と膨張ピストン２３−１、２３−２の
４本のピストンで形成される圧縮空間１２−１ならびに
１２−２と膨張空間２４−１および２４−２を、複動型
の圧縮ピストン２５と容積可変がそれよりも位相差が５
５度から１３０度の範囲で進んで動作する複動型の膨張
ピストン２６で形成する機器構成である。
【００２１】図４は、複動型のピストン２７−１と容積
可変の位相差を５５度から１３０度の範囲で進んで動作
する２７−２のピストンの２本によって形成する機器構
成である。図３の機器構成を含めてピストン数が減り部
品数が減って安価となり、且つ高信頼度の冷凍機が提供
できる。また冷凍部１６−１、１６−２を同一のまたは
異なる冷凍温度にすることも容易である。
【００２２】尚、これらの機器構成では、ピストン数を
３、４、５本と増すことが可能であって、より機械的、
電磁気的な効率も向上して性能指数も向上させることが
可能なことは明らかである。また、圧縮空間に対する膨
張空間の容積の割合（容積比）は０．４から１．２の範
囲まで有効であり、冷凍部の温度が低くなるに従って
０．４に近づく。ピストン数３本以上になって容積比を
調整する場合には、ピストン形状を凸型にし、その二つ
の直径を決めれば容易に製作できる。またピストンの往
復動作は、図示しないがクランクシャフト、回転斜板、
スコッチョーク等の機械的な構成や電磁機構である同期
型或いは誘導型の電磁リニア駆動制御機構、さらに流体
制御機構やこれらの機構を複合させても実施可能なのは
当然なことである。
【００２３】また、圧縮空間および膨張空間の形成は、
ピストンに限らず回転ピストン、例えばロータリ型と言
われているセンコ型やスクロール圧縮機でも吐出弁およ
び吸入弁を除き、形成され可変される圧縮空間と膨張空
間との間に位相差が５５度から１３０度の範囲で動作さ
せれば本発明は実施可能である。
【００２４】
【発明の効果】本発明によれば、 イ．冷凍効率が既存のパルス管式冷凍機の６倍に向上し
た。さらに高くすることが可能である。
【００２５】ロ．低温部に駆動機構が無く、また間欠的
にオンオフする弁を必要としないため信頼性の高い冷凍
機が提供できる。
【００２６】ハ．単サイクルでも複数サイクルでも製作
できるため、用途に応じて冷凍出力と機械振動の調整や
効率をより高めることなどが容易である。
【００２７】ニ．低温可動部を必要としないため常温の
流体機械と同様な技術で製作可能である。
【００２８】また、機器構成および機器構造が単純で部
品数が少ないため高信頼度の冷凍機が安価で提供でき
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明第１実施例のパルス管式冷凍機の構成図
を示す。
【図２】本発明第２実施例のパルス管式冷凍機の構成図
を示す。
【図３】本発明第３実施例のパルス管式冷凍機の構成図
を示す。
【図４】本発明第４実施例のパルス管式冷凍機の構成図
を示す。
【図５】従来技術のパルス管式冷凍機の構成図を示す。
【符号の説明】
１２ 圧縮部、 １３ フレキシブル管、 １４ 放熱器、 １５ 蓄冷器、 １６ 冷凍部、 １７ パルス管、 １８ 熱交換器 １９ 流量調整弁、 ２４ 膨張空間

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】 蓄冷器、熱交換器、パルス管、冷凍部、
    圧縮部等から構成されるパルス管式冷凍機において、圧
    縮部の空間より出た作動流体を、フレキシブル管に繋ぎ
    放熱器等を介して低温化し冷凍部で被冷却体を冷却して
    更にパルス管を通じ温度上昇した作動流体をほぼ常温部
    にある熱交換器と流量調整弁を介してほぼ常温の熱交換
    器で放熱させ、さらにフレキシブル管を通じて膨張空間
    に連結して低温生成するようにしたことを特徴とするパ
    ルス管式冷凍機。 【請求項２】 特許請求範囲第１項の蓄冷器、熱交換
    器、パルス管、冷凍部、圧縮部等から構成されるパルス
    管式冷凍機において、流量調整弁を介してほぼ常温の熱
    交換器で放熱された作動流体を、フレキシブル管を通じ
    て圧縮部の空間の容積可変の進み方よりも位相差が５０
    度から１３０度の範囲で進んで動作する膨張空間に連結
    して低温生成するようにしたことを特徴するパルス管式
    冷凍機。 【請求項３】 特許請求範囲第１の蓄冷器、熱交換器、
    パルス管、冷凍部、圧縮部等から構成されるパルス管式
    冷凍機において、ほぼ常温の圧縮部の空間と膨張空間を
    複数設けて複合サイクルとして低温生成するように構成
    したことを特徴とするパルス管式冷凍機。 【請求項４】 特許請求範囲第１項のパルス管式冷凍機
    において、一つ、または複数ケ所に同一、または温度の
    異なる温度の異なる低温度を発生させるようにしたこと
    を特徴とするパルス管式冷凍機。
JP3154802A 1991-06-26 1991-06-26 パルス管式冷凍機 Expired - Lifetime JP2902159B2 (ja)

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