JPH08128744A - 複動型パルス管冷凍機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 安価でかつ構造が簡単となる、複動型パルス
管冷凍機を提供すること。 【構成】 パルス管冷凍機の圧力振動源を凸型ピストン
１、シリンダ４、ガイド部材１５で構成する。圧縮空間
２はシリンダ４の底部、内周側面、及び凸型ピストン１
で囲まれた空間で形成し、膨張空間３は凸型ピストン１
の段差面１４、凸型ピストン１の小径部外周側面、シリ
ンダ４の内周側面及びガイド部材で囲まれた空間で形成
することにより、１つのシリンダ及びピストンで圧縮空
間と膨張空間を構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、パルス管冷凍機に係
り、特に圧力振動源として圧縮ピストン及び膨張ピスト
ンを用いたダブルピストン型パルス管冷凍機を改良した
複動型パルス管冷凍機に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、構成が比較的簡単で、しかも到達
温度も比較的低い冷凍機としてパルス管冷凍機が知られ
ている。このパルス管冷凍機には種々のタイプがある
が、何れも基本的には、蓄冷器とコールドヘッド、パル
ス管を直列接続してなる寒冷発生器を備え、高圧の冷媒
ガスを蓄冷器を経由させてパルス管へ導いた後に逆の経
路で排出膨張させることによって寒冷を発生させるよう
にしている。

【０００３】図３を参照して従来のダブルピストン型パ
ルス管冷凍機について説明する。

【０００４】図３において、圧縮シリンダ２４内にはク
ランクシャフト２３により往復動するガイドピストン３
５及びそれに連結する圧縮ピストン２１が配設され、圧
縮シリンダ２４と圧縮ピストン２１との間で圧縮空間３
３を形成している。圧縮空間３３は、配管２６を介して
放熱器２７、蓄冷器２８、コールドヘッド２９、パルス
管３０及び熱交換器３１の順に連結される。熱交換器３
１は配管３２を介して膨張シリンダ２５に連結され、膨
張シリンダ２５内にはクランクシャフト２３により往復
動するガイドピストン３６及びそれに連結する膨張ピス
トン２２が配設される、膨張シリンダ２５と膨張ピスト
ン２２との間で膨張空間３４を形成している。圧縮シリ
ンダ２４内のガイドピストン３５はコーンロッド３７に
連結され、コーンロッド３７はクランクシャフト２３に
設けたクランクピン３９に連結されることにより、圧縮
ピストン２１とクランクシャフト２３が連動する構成と
なっている。また膨張シリンダ２５内のガイドピストン
３６はコーンロッド３８に連結され、コーンロッド３８
はクランクシャフト２３に設けたクランクピン４０に連
結されることにより、膨張ピストン２２とクランクシャ
フト２３が連動する構成となっている。４１はクランク
角設定機構で、圧縮ピストン２１に対する膨張ピストン
２２のクランク角差を任意に設定できる。クランク角差
の設定は、冷凍温度に応じて行われるが、例えば、生成
する冷凍温度が２７Ｋから１００Ｋでは、配管の長さや
機器類の死容積によって異なるが、数度から４０度の範
囲内である。

【０００５】このような構成を持つダブルピストン型パ
ルス管冷凍機において、クランクシャフト２３が図示し
ない伝動機や原動機で回転させられると、コーンロッド
３７、ガイドピストン３５、圧縮ピストン２１が駆動す
る。圧縮空間３３内に封入された作動流体は、圧縮ピス
トン２１が上死点に向かうと圧縮される。圧縮された作
動流体は、膨張ピストン２２が圧縮ピストン２１よりも
クランク角差分だけ進んで下死点に向かうために、配管
２６より放熱器２７で放熱しながらほぼ常温になって蓄
冷器２８に入り、逐次冷却されて６０Ｋ程度でコールド
ヘッド２９を通り、パルス管３０内で加速し、熱交換器
３１を経由して、配管３２から膨張空間３４に入り、断
熱膨張してクランクシャフト２３を回す仕事をする。こ
のときコールドヘッド２９内や、この部分に近い蓄冷器
２８やパルス管３０内に残留する流体が断熱膨張によっ
て更に温度降下する。

【０００６】一方、膨張ピストン２２が上死点に向かう
と、膨張空間３４の作動流体は押し出され、配管３２、
熱交換器３１、パルス管３０を通り、コールドヘッド２
９で図示しない被冷却体を冷却し、蓄冷器２８に入って
逐次温められ、放熱器２７でほぼ常温となり、配管２６
より圧縮空間３３に戻って１サイクルが終了する。

【０００７】これを連続させることにより回転数にもよ
るが、十数分で８０Ｋ、最終的には蓄冷器５の性能にも
よるが、２３Ｋ程度の冷凍温度が得られる。

【０００８】尚、作動流体に関して、絶対温度１００Ｋ
以下がコールドヘッドにおいて要求されるときの流体
は、主に純度の高いヘリウムや水素、あるいはこれらの
混合流体であるが、２００Ｋ程度の温度が要求される場
合はアルゴン、窒素、ヘリウム等の単体、あるいは混合
流体でも可能である。また、冷暖房の温度領域では、エ
タン、プロパン等の炭化水素系の気体やこれらとヘリウ
ムや窒素等の不活性ガスと混合して用いる場合がある。
炭化水素系の気体は、この冷暖房温度領域では飽和蒸気
圧の高さによっては液化するために液体の蒸発潜熱が利
用でき、熱交換器を小さくすることができる有利さがあ
る。

【０００９】また、冷凍機の最高の効率を得るための容
積比（圧縮空間１の容積／膨張空間２の容積）の最適値
は、運転条件や冷凍温度、流体の種類、蓄冷材料、パル
ス管の直径長さ、形状、系内の死容積等によって大きく
異なるが、２以上およそ８．５までの範囲内であり、最
適なクランク角も数度から１１０度の領域であった。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】従来のダブルピストン
型パルス管冷凍機は、低温ピストンや低温可動機構を一
切必要とせず、また作動流体の圧力変動がほぼ正弦波形
状であつため、被冷却体を冷却するコールドヘッドでは
機械振動がほとんど発生しないという利点がある。しか
しながら、圧縮空間側と膨張空間側とにそれぞれピスト
ン及びシリンダを設ける必要があり、部品点数が増加し
てコスト高になると共に、装置自体が複雑となる、等の
問題点があった。

【００１１】故に、本発明は、冷凍機の部品点数を低減
し、安価で構造が簡単となるパルス管冷凍機を提供する
ことを、その技術的課題とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記技術的課題を解決す
るために請求項１の発明において講じた技術的手段（以
下、第１の技術的手段と称する。）は、１つのシリンダ
と、該シリンダ内に配設された１つの凸型ピストンと、
該凸型ピストンを往復動可能に案内するガイド部材とか
らなる圧力振動源と、少なくとも蓄冷器とコールドヘッ
ドとパルス管とを直列接続してなる寒冷発生器と、前記
寒冷発生器の前記パルス管温端部側に接続され、作動ガ
スの圧力変動と作動ガスの動きとの間の位相を調節する
位相調節機構と、を有し、前記圧力振動源の圧縮空間
は、前記シリンダの底部及び内周側面と前記凸型ピスト
ンとで囲まれた空間で形成し、前記圧力振動源の膨張空
間は、前記凸型ピストンの段差面及び小径部外周側面と
前記シリンダの内周側面と前記ガイド部材とで囲まれた
空間で形成し、前記圧縮空間は前記寒冷発生器の蓄冷器
側に連結し、前記膨張空間は前記位相調節機構に連結す
ることを特徴とする、複動型パルス管冷凍機としたこと
である。

【００１３】上記技術的課題を解決するために請求項２
の発明において講じた技術的手段（以下、第２の技術的
手段と称する。）は、前記圧縮空間の容積は、前記膨張
空間の容積の２倍以上とした特許請求の範囲第１項記載
の復動型パルス管冷凍機としたことである。

【００１４】

【作用】上記第１の技術的手段によれば、１つのシリン
ダ内に凸型ピストン及び、凸型ピストンの小径部をガイ
ドし且つ外気とシールするガイド部材を配設した。そし
て、圧縮空間はシリンダ底部とシリンダ内周側部及び凸
型ピストンとで囲まれた空間で構成し、膨張空間は凸型
ピストンの大径部から小径部になるところに形成される
段差面、凸型ピストンの小径部の外周側面、ガイドシリ
ンダ内周側面及びガイド部材で囲まれた空間で構成し
た。これにより、１つのシリンダ内に圧縮空間及び膨張
空間が構成され、また凸型ピストン１つで圧縮ピストン
及び膨張ピストンの機能を兼ね備えることができる。従
って、部品点数が減少し、安価で構造が比較的簡単な冷
凍機を提供することができる。

【００１５】上記第２の技術的手段によれば、特許請求
の範囲第１項記載のパルス管冷凍機において、圧縮空間
と膨張空間との容積比を２倍以上とした。これにより、
本発明に係るパルス管冷凍機において、冷凍効率の向上
を図ることができる。

【００１６】

【実施例】以下、本発明の実施例を添付図面に基づいて
説明する。

【００１７】図１は本発明に係る復動ピストン型パルス
管冷凍機の一例を示す。凸型ピストン１は、その小径部
側の端部１７に連結された図示せぬ駆動手段の作動によ
り、シリンダ４内を往復動する。１５は凸型ピストン１
の小径部分のガイド部材であり、ガイド部材１５の中心
に穿設された導入孔１８に凸型ピストン１の小径部が挿
入されて往復動する。シリンダ４の底部と内周側面、凸
型ピストン１により形成される空間は圧縮空間２であ
る。また圧縮空間２は、凸型ピストン１の大径部の外周
側面に設けられた大径部ピストンリング１３により外部
と気密に保持されている。凸型ピストン１の大径部から
小径部になる部分には段差面１４が形成されており、こ
の段差面１４とシリンダ４の内周側面、凸型ピストン１
の小径部の外周側面、及びガイド部材１５により囲まれ
た空間で膨張空間３が形成される。

【００１８】また膨張空間３は、ガイド部材１５の導入
孔１８に設けられたリング１６と凸型ピストン１の小径
部とが気密に摺動するため、外部空間との気密性が保持
されている。圧縮空間２は、配管５を介して放熱器６、
蓄冷器７、コールドヘッド８、パルス管９の順に連結さ
れる。パルス管９は配管１０に連通され、配管１０はニ
ードルバルブ１１に連結される。尚、ニードルバルブ１
１は作動流体の流れに対する抵抗となり、流体の圧力変
動と流体の移動との位相を制御する位相制御機構として
の役割を果たす。ニードルバルブ１１は、配管１２に連
結され、配管１２はシリンダ４内に形成される膨張空間
３と連結される。

【００１９】このような構成のパルス管冷凍機におい
て、凸型ピストン１が図１において左側に移動すると、
圧縮空間２内の作動流体は圧縮され、配管５より放熱器
６で放熱しながらほぼ常温になって蓄冷器７に入り、逐
次冷却されてコールドヘッド８を通り、パルス管９内で
加速し、配管１０、ニードルバルブ１１、配管１２を通
り、膨張空間３内に入る。膨張空間３内に入った作動流
体は断熱膨張して凸型ピストン１の段差部１４を押す仕
事をする。また凸型ピストン１が図１において右側に移
動すると、膨張空間３の流体は押し出され、配管１２、
ニードルバルブ１１、配管１０、パルス管９を通り、コ
ールドヘッド８で図示せぬ被冷却体を冷却し、蓄冷器７
に入って逐次暖められ、放熱器６で常温程になり、配管
５より圧縮空間２に戻って１サイクルが終了する。 本
発明の復動ピストン型パルス管冷凍機では、凸型ピスト
ン１の大きな直径部分で圧縮空間２を、反対側の小さな
直径部分では膨張空間３を形成する。即ち、従来のダブ
ルピストン型パルス管冷凍機では、２本のそれぞれ直径
やストロークの異なるピストンを使用して圧縮空間と膨
張空間を形成していたが、本発明では、それらを凸型形
状の１本のピストンで簡単に構成することが可能となっ
た。

【００２０】また、圧縮空間と膨張空間の容積比を変更
する際、従来のダブルピストン型パルス管冷凍機では２
本のピストンのそれぞれの直径、ストロークを決めてか
らそれぞれの容積を計算して容積比の変更をおこなって
いたが、本発明においてはそれらを１本の凸型ピストン
のみを変更することにより簡単に実施することが可能と
なった。即ち、図２において、ピストン１の大径部の直
径をＤ１とし、小径部の直径をＤ２とし、ストロークを
Ｓとすれば、圧縮空間２の容積Ｖ１は、数１によって求
められる。

【００２１】

【数１】Ｖ１＝（Ｄ１）² ／（４πＳ） 一方、膨張空間３の容積Ｖ２は、数２により求められ
る。

【００２２】

【数２】Ｖ２＝（Ｄ１）² ／（４πＳ）−（Ｄ２）² ／
（４πＳ） 従って、容積比Ｖ１／Ｖ２は数３により求められる。

【００２３】

【数３】Ｄ１² ／（Ｄ１² −Ｄ２² ） 従って、容積比を検討する場合には、ストロークＳが双
方同じであるから、数３のみの検討により済ますことが
できる。例えば容積比３を必要とするとき、Ｄ１を３セ
ンチとすれば、Ｄ２は２．４５センチとなる。

【００２４】また容積比を変更する場合は、従来では２
本のピストン、シリンダ、ピストンリングをそれぞれ新
たに製造しなければならないが、本発明では、ガイド部
材１５、凸型ピストン１の小径部、リング１６の３部品
だけを製造すればよいので、仕様変更にかかるコストも
削減できる。

【００２５】また、本発明では、圧縮空間部２と膨張空
間部３との位相差は１８０度異なるが、膨張空間部３に
出入りする流体を配管１０、ニードルバルブ１１、配管
１２によって流体抵抗を調節することによりそれぞれの
容積変化に位相差をつけることが容易であることが実験
的に確かめられた。この結果、従来のように、クランク
角設定機構等で圧縮ピストンと膨張ピストンとのクラン
ク角差の設定を行う必要がなくなった。

【００２６】また本発明における実施例において、位相
調節機構としてニードルバルブ１１を設けたが、これ
は、流体の抵抗となるものであればどのようなものでも
よい。

【００２７】また配管１０、１２の内管形状、死容積、
長さ、内断面積等の調整や、あるいはそれをキャピラリ
ーや細管にすれば、ニードルバルブ１１の代わりにする
効果を得ることもできる。

【００２８】

【効果】請求項１の発明は、以下の如く効果を有する。

【００２９】従来のダブルピストン型パルス管冷凍機と
比較して、１つのシリンダと該シリンダ内に配設された
１つの凸型ピストンと該凸型ピストンを往復動可能に案
内するガイド部材により、圧縮空間と膨張空間とを１つ
のシリンダ内に形成できることから、ピストン数が減
り、ピストン駆動系も単純化されて部品数が減少し、圧
縮空間部及び膨張空間部が単純な構造となり、安価に製
造できる。さらに凸型ピストンの採用により、流体を圧
縮中でも凸型ピストンの段差面１４に常に背圧がかかる
構成となっているため、ピストンの往復動作が動的に安
定し、ピストン駆動手段のトルク変動が抑えられ、冷凍
機の効率を上げることができる。またピストンが１本で
あるために、ピストンとシリンダの摺動部が減少し、耐
久性を向上できる。

【００３０】請求項２の発明は、以下の如く効果を有す
る。

【００３１】請求項１の発明にかかる複動型パルス管冷
凍機において、圧縮空間と膨張空間との容積比を２倍以
上とした。これにより、効率の良い冷凍機の運転が可能
となった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係る複動型パルス管冷凍機の
断面図である。

【図２】本発明の実施例に係る複動型パルス管冷凍機の
圧力振動源の拡大断面図である。

【図３】従来技術に係るダブルピストン型パルス管冷凍
機の概略図である。

【符号の説明】

１ 凸型ピストン ２ 圧縮空間 ３ 膨張空間 ４ シリンダ ５ 配管 ６ 放熱器 ７ 蓄冷器 ８ コールドヘッド ９ パルス管 １０ 配管 １１ ニードルバルブ １２ 配管 １３ ピストンリング １４ 段差部 １５ ガイド部材 １６ リング １７ 端部 １８ 導入孔

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 １つのシリンダと、該シリンダ内に配設
   される１つの凸型ピストンと、該凸型ピストンを往復動
   可能に案内するガイド部材とからなる圧力振動源と、 少なくとも蓄冷器とコールドヘッドとパルス管とを直列
   接続してなる寒冷発生器と、 前記寒冷発生器の前記パルス管温端部側に接続され、作
   動ガスの圧力変動と作動ガスの動きとの間の位相を調節
   する位相調節機構と、を有し、 前記圧力振動源の圧縮空間は、前記シリンダの底部及び
   内周側面と前記凸型ピストンとで囲まれた空間で形成
   し、 前記圧力振動源の膨張空間は、前記凸型ピストンの段差
   面及び小径部外周側面と前記シリンダの内周側面と前記
   ガイド部材とで囲まれた空間で形成し、 前記圧縮空間は前記寒冷発生器の蓄冷器側に連結し、前
   記膨張空間は前記位相調節機構に連結することを特徴と
   する、複動型パルス管冷凍機。
2. 【請求項２】 前記圧縮空間の容積は、前記膨張空間の
   容積の２倍以上とした特許請求の範囲第１項記載の複動
   型パルス管冷凍機。