JPH09133419A - Pulse tube freezer - Google Patents

Pulse tube freezer

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JPH09133419A
JPH09133419A JP29147395A JP29147395A JPH09133419A JP H09133419 A JPH09133419 A JP H09133419A JP 29147395 A JP29147395 A JP 29147395A JP 29147395 A JP29147395 A JP 29147395A JP H09133419 A JPH09133419 A JP H09133419A
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JP
Japan
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pulse tube
gas
regenerator
refrigerator
tube refrigerator
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Withdrawn
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JP29147395A
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Japanese (ja)
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Yoshikatsu Hiratsuka
善勝 平塚
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Daikin Industries Ltd
Original Assignee
Daikin Industries Ltd
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Publication date
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    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
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    • F25B9/14Compression 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
    • F25B9/145Compression 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
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F25B2309/14Compression machines, plants or systems characterised by the cycle used 
    • F25B2309/1406Pulse-tube cycles with pulse tube in co-axial or concentric geometrical arrangements
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F25B2309/1424Pulse tubes with basic schematic including an orifice and a reservoir
    • F25B2309/14241Pulse tubes with basic schematic including an orifice reservoir multiple inlet pulse tube
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To make generated cold to further lower temperature without constructing a pulse tube into multiple stages by providing the tapered cylindrical pulse tube. SOLUTION: A pulse tube freezer includes a tapered cylindrical pulse tube 1 having an upper part set to be a large diameter and a lower part set to be a small diameter, and further includes therein a cylindrical gap cold storage unit 2 containing He gas capable of serving as a cold storage member for example between an outer shell cylinder 2a and an inner shell cylinder 2b. An upper end of the gap cold storage unit 2 is communicated with a supply pipe line 3 for supplying He gas from the compressor and is communicated with a reservoir tank 5 through a first orifice 4 and with the supply pipe line 3 through a second orifice 6. In the pulse tube freezer, the tapered cylindrical pulse tube 1 is used so that it is equivalent to one where the number of stages of a pulse tube is set to be infinite and hence lower temperature cold is produced.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】この発明はパルスチューブ冷
凍機に関し、さらに詳細にいえば、到達温度をより低温
にすることができるパルスチューブ冷凍機に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a pulse tube refrigerator, and more particularly to a pulse tube refrigerator capable of achieving a lower temperature.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来から、GM(ギフォード・マクマホ
ン)冷凍機、ST(スターリング)冷凍機をより簡単に
した構造のパルスチューブ冷凍機が提案されている。図
3は従来から提案されているパルスチューブ冷凍機の一
例を示す概略図である。
2. Description of the Related Art Heretofore, a pulse tube refrigerator having a simpler structure of a GM (Gifford McMahon) refrigerator and an ST (Stirling) refrigerator has been proposed. FIG. 3 is a schematic view showing an example of a conventionally proposed pulse tube refrigerator.

【0003】このパルスチューブ冷凍機は、圧縮機21
によって冷媒ガスを等温的(断熱的)に圧縮し、この圧
縮された冷媒ガスを蓄冷器22に導くことにより等温的
に冷却する。そして、等温的に冷却された冷媒ガスを円
筒状のパルスチューブ23に導く。このパルスチューブ
23には予めガスが封入されており、冷媒ガスが予め封
入されているガスに対して断熱的に押し出し仕事を行
う。すなわち、この予め封入されているガスがピストン
と等価に機能し、スターリング冷凍機では冷媒ガスが固
体ピストンに対して押し出し仕事を行うのに対して、パ
ルスチューブ冷凍機は、冷媒ガスがガスピストン(予め
封入されているガス)に対して押し出し仕事を行うこと
になる。
This pulse tube refrigerator has a compressor 21.
The refrigerant gas is isothermally (adiabatically) compressed by, and the compressed refrigerant gas is guided to the regenerator 22 for isothermal cooling. Then, the isothermally cooled refrigerant gas is guided to the cylindrical pulse tube 23. Gas is pre-filled in the pulse tube 23, and the refrigerant gas adiabatically pushes out the pre-filled gas. That is, this pre-enclosed gas functions equivalently to the piston, and in the Stirling refrigerator, the refrigerant gas pushes out the work against the solid piston, whereas in the pulse tube refrigerator, the refrigerant gas causes the gas piston ( The extruding work will be performed for the gas that is enclosed beforehand.

【0004】このパルスチューブ23においては、冷媒
ガスの供給側が低温端熱交であり、反対側が高温端熱交
である。そして、低温端熱交で冷凍負荷の吸熱がある
と、エンタルピーの増分はパルスチューブ23内でガス
ばねの押し出し仕事により低温端から高温端へ輸送され
る。この作用によって、パルスチューブ冷凍機が寒冷を
発生させることができる。
In this pulse tube 23, the refrigerant gas supply side is the low temperature end heat exchange, and the opposite side is the high temperature end heat exchange. Then, when the refrigeration load absorbs heat due to the heat exchange at the low temperature end, the increment of the enthalpy is transported from the low temperature end to the high temperature end by the pushing work of the gas spring in the pulse tube 23. By this action, the pulse tube refrigerator can generate cold.

【0005】なお、パルスチューブ23の高温端熱交が
オリフィス24を介してリザーバータンク25と連通さ
れ、また必要に応じて図示しないオリフィスを介して圧
縮機21の吐出部と連通されているが、これは、スター
リング冷凍機の場合に圧縮ピストンと膨張ピストンとの
間に外部的な位相差をつける手段に相当するものであ
り、一般にフェイズシフタと呼ばれている。
The heat exchange at the high temperature end of the pulse tube 23 is communicated with the reservoir tank 25 via the orifice 24 and, if necessary, with the discharge part of the compressor 21 via an orifice (not shown). This corresponds to a means for providing an external phase difference between the compression piston and the expansion piston in the case of a Stirling refrigerator, and is generally called a phase shifter.

【0006】また、このようなパルスチューブ冷凍機
は、固体ピストンが不要であり、低振動、低コスト、高
信頼性を達成できるという利点を有している反面、効率
が低いという欠点を有していることが知られている。さ
らに、パルスチューブ冷凍機により発生する寒冷をさら
に低温化するためには、図4に示すように、パルスチュ
ーブを多段構成にする必要がある。
Further, such a pulse tube refrigerator does not require a solid piston, and has the advantage of achieving low vibration, low cost, and high reliability, but has the drawback of low efficiency. It is known that Further, in order to further reduce the temperature of the cold generated by the pulse tube refrigerator, it is necessary to configure the pulse tube in multiple stages as shown in FIG.

【0007】なお、図3、図4において、冷媒ガスの流
れを矢印で示してある。
In FIGS. 3 and 4, the flow of the refrigerant gas is shown by arrows.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】図4に示すようにパル
スチューブを多段構成にすれば、パルスチューブ冷凍機
の構造が全体として著しく複雑化するとともに、パルス
チューブ冷凍機の製作が繁雑になってしまうという不都
合がある。また、パルスチューブを多段構成にした場合
には、各パルスチューブ毎にフェイズシフタを設けるこ
とが好ましいので、この面からも上述の不都合が一層顕
著になってしまう。
If the pulse tube has a multi-stage structure as shown in FIG. 4, the structure of the pulse tube refrigerator is significantly complicated as a whole, and the pulse tube refrigerator is complicated to manufacture. There is an inconvenience that it will end up. Further, when the pulse tube has a multi-stage configuration, it is preferable to provide a phase shifter for each pulse tube, so that the above-mentioned inconvenience becomes more remarkable from this aspect as well.

【0009】[0009]

【発明の目的】この発明は上記の問題点に鑑みてなされ
たものであり、パルスチューブを多段構成とすることな
く、発生する寒冷をさらに低温化することができるパル
スチューブ冷凍機を提供することを目的としている。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above problems, and provides a pulse tube refrigerator capable of further reducing the temperature of generated cold without using a pulse tube having a multi-stage structure. It is an object.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】請求項1のパルスチュー
ブ冷凍機は、テーパ筒状のパルスチューブを有してい
る。請求項2のパルスチューブ冷凍機は、テーパ筒状の
パルスチューブ内に、等温的に圧縮されたガスを等圧的
に冷却してパルスチューブの小径側に供給するギャップ
蓄冷器を有している。
A pulse tube refrigerator according to a first aspect of the present invention has a tapered tube pulse tube. According to another aspect of the pulse tube refrigerator of the present invention, a pulse regenerator having a tapered cylindrical shape has a gap regenerator that cools isothermally compressed gas isobarically and supplies the gas to the small diameter side of the pulse tube. .

【0011】請求項3のパルスチューブ冷凍機は、パル
スチューブの大径側がオリフィスを介してリザーバータ
ンクと連通されている。
In the pulse tube refrigerator of the third aspect, the large diameter side of the pulse tube is communicated with the reservoir tank via the orifice.

【0012】[0012]

【作用】請求項1のパルスチューブ冷凍機であれば、テ
ーパ筒状のパルスチューブを有しているので、パルスチ
ューブの段数を無限大に設定したのと等価なパルスチュ
ーブ冷凍機を得ることができ、構造の複雑化、製作の繁
雑さを大幅に抑制することができるとともに、発生する
寒冷をより低温にすることができる。
According to the pulse tube refrigerator of the first aspect, since the pulse tube refrigerator has the tapered tubular pulse tube, it is possible to obtain a pulse tube refrigerator equivalent to the number of stages of the pulse tube set to infinity. Therefore, it is possible to significantly suppress the complication of the structure and the complexity of manufacturing, and it is possible to lower the generated cold.

【0013】請求項2のパルスチューブ冷凍機であれ
ば、テーパ筒状のパルスチューブ内に、等温的に圧縮さ
れたガスを等圧的に冷却してパルスチューブの小径側に
供給するギャップ蓄冷器を有しているので、蓄冷器を別
体に設けてパルスチューブと直列接続する場合と比較し
て構造を簡素化することができる。また、ギャップ蓄冷
器は、パルスチューブ内のガスと熱交換する際にカウン
タとなり、作動流体自身を蓄冷材として利用できるの
で、極低温(例えば、20K以下)での蓄冷器熱容量不
足の問題を解決することができ、効率を高めることがで
きる。
According to another aspect of the pulse tube refrigerator of the present invention, the taper tube-shaped pulse tube has a gap regenerator for isothermally cooling the isothermally compressed gas and supplying the gas to the small diameter side of the pulse tube. Therefore, the structure can be simplified as compared with the case where the regenerator is separately provided and connected in series with the pulse tube. Further, the gap regenerator serves as a counter when exchanging heat with the gas in the pulse tube, and the working fluid itself can be used as a regenerator material, so the problem of insufficient heat capacity of the regenerator at extremely low temperatures (for example, 20 K or less) is solved The efficiency can be improved.

【0014】請求項3のパルスチューブ冷凍機であれ
ば、パルスチューブの大径側がオリフィスを介してリザ
ーバータンクと連通されているので、圧力と流速度波と
の位相差を制御することができ、効率を高めることがで
きる。
In the pulse tube refrigerator of claim 3, since the large diameter side of the pulse tube communicates with the reservoir tank through the orifice, the phase difference between the pressure and the flow velocity wave can be controlled, The efficiency can be increased.

【0015】[0015]

【発明の実施の形態】以下、添付図面によってこの発明
の実施の態様を詳細に説明する。図1はこの発明のパル
スチューブ冷凍機の一実施態様を示す要部概略縦断面図
である。このパルスチューブ冷凍機は、上部が大径で下
部が小径となるように設定されたテーパ筒状のパルスチ
ューブ1を有しているとともに、このパルスチューブ1
の内部に、円筒状のギャップ蓄冷器2を有している。そ
して、ギャップ蓄冷器2の上端部を、図示しない圧縮機
からの圧縮Heガスを供給する供給管路3と連通してい
る。また、パルスチューブ1の上端部を、第1のオリフ
ィス4を介してリザーバータンク5と連通しているとと
もに、第2のオリフィス6を介して前記供給管路3と連
通している。さらに、ギャップ蓄冷器2は、その下端部
においてパルスチューブ1と連通されており、パルスチ
ューブ1の下端部が低温端熱交に、上端部が高温端熱交
にそれぞれ設定されている。なお、7は取付用のフラン
ジである。
Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a schematic vertical sectional view of an essential part showing an embodiment of the pulse tube refrigerator of the present invention. This pulse tube refrigerator has a tapered tube-shaped pulse tube 1 whose upper portion has a large diameter and whose lower portion has a small diameter.
Inside, there is a cylindrical gap regenerator 2. Then, the upper end portion of the gap regenerator 2 is communicated with the supply pipeline 3 for supplying the compressed He gas from the compressor (not shown). Further, the upper end portion of the pulse tube 1 communicates with the reservoir tank 5 via the first orifice 4 and also communicates with the supply pipeline 3 via the second orifice 6. Further, the gap regenerator 2 is communicated with the pulse tube 1 at its lower end, and the lower end of the pulse tube 1 is set to low temperature end heat exchange and the upper end is set to high temperature end heat exchange. In addition, 7 is a flange for attachment.

【0016】前記ギャップ蓄冷器2は、外殻の円筒2a
と内殻の円筒2bとの間に、例えば蓄冷材として機能し
得るHeガスを収容してなるものであり、内殻の円筒2
bにより区画される空間を他の空間から隔離すべく円筒
2bの端部に閉塞板2cを設けてある。また、Heガス
の動きを矢印で示してある。
The gap regenerator 2 is an outer shell cylinder 2a.
Between the inner shell 2b and the inner shell cylinder 2b, for example, He gas that can function as a regenerator material is housed.
A closing plate 2c is provided at the end of the cylinder 2b to separate the space defined by b from other spaces. Also, the movement of He gas is shown by an arrow.

【0017】上記の構成のパルスチューブ冷凍機の作用
は次のとおりである。このパルスチューブ冷凍機では、
テーパ筒状のパルスチューブ1を採用しているので、パ
ルスチューブの段数を無限大に設定したのと等価にな
り、発生する寒冷をより低温にすることができ、しかも
パルスチューブを多段化する場合と比較して構造の複雑
化を大幅に抑制することができる。もちろん、パルスチ
ューブ冷凍機の製作を簡単化することができる。
The operation of the pulse tube refrigerator having the above structure is as follows. In this pulse tube refrigerator,
Since the tapered tube pulse tube 1 is used, it is equivalent to setting the number of stages of the pulse tube to infinity, and the cold generated can be made colder, and when the pulse tube has multiple stages. It is possible to significantly suppress the complication of the structure as compared with. Of course, the production of the pulse tube refrigerator can be simplified.

【0018】また、ギャップ蓄冷器2が、パルスチュー
ブ1内のHeガスと熱交換する際にカウンタとなり、ま
たHeガスを蓄冷材として利用することができるので、
極低温(例えば、20K以下)での蓄冷材熱容量不足の
問題を解決することができ、冷凍効率を向上させること
ができる。さらに、第1のオリフィス4、リザーバータ
ンク5および第2のオリフィス6によってフェイズシフ
タを構成し、圧力と流速度波との位相差を制御するの
で、この面からも冷凍効率を向上させることができる。
Further, since the gap regenerator 2 serves as a counter when exchanging heat with the He gas in the pulse tube 1, and the He gas can be used as a regenerator material,
The problem of insufficient heat capacity of the regenerator material at extremely low temperatures (for example, 20 K or less) can be solved, and the refrigeration efficiency can be improved. Furthermore, since the phase shifter is constituted by the first orifice 4, the reservoir tank 5 and the second orifice 6 and the phase difference between the pressure and the flow velocity wave is controlled, the refrigeration efficiency can be improved also from this aspect. .

【0019】さらに、パルスチューブ冷凍機は、固定ピ
ストンを使用せず、ガスピストンを使用しているのであ
るから、機械的な振動部分がなくなり、磁気ノイズの発
生を大幅に低減することができる。図2はこの発明のパ
ルスチューブ冷凍機の他の実施態様を示す概略縦断面図
である。
Further, since the pulse tube refrigerator does not use the fixed piston but uses the gas piston, there is no mechanical vibrating portion and the generation of magnetic noise can be greatly reduced. FIG. 2 is a schematic vertical sectional view showing another embodiment of the pulse tube refrigerator of the present invention.

【0020】このパルスチューブ冷凍機は、ギャップ蓄
冷器2に代えて、パルスチューブ1よりも小さいテーパ
の蓄冷器(その材質は従来公知である)8を採用した点
が図1のパルスチューブ冷凍機と異なるだけであり、他
の構成部分は図1のパルスチューブ冷凍機と同じであ
る。前記蓄冷器8としては、極低温(例えば、20K以
下)での蓄冷材熱容量不足を防止するために磁性蓄冷材
を用いることが好ましい。
This pulse tube refrigerator has a pulse tube refrigerator shown in FIG. 1 in which the gap regenerator 2 is replaced by a regenerator 8 having a taper smaller than that of the pulse tube 1 (its material is conventionally known). The other components are the same as those of the pulse tube refrigerator of FIG. As the regenerator 8, it is preferable to use a magnetic regenerator material to prevent insufficient heat capacity of the regenerator material at an extremely low temperature (for example, 20 K or less).

【0021】また、Heガスの動きを矢印で示してあ
る。このパルスチューブ冷凍機を採用した場合にも、テ
ーパ筒状のパルスチューブ1を採用しているので、パル
スチューブの段数を無限大に設定したのと等価になり、
発生する寒冷をより低温にすることができ、しかもパル
スチューブを多段化する場合と比較して構造の複雑化を
大幅に抑制することができる。もちろん、パルスチュー
ブ冷凍機の製作を簡単化することができる。
The movement of He gas is indicated by an arrow. Even when this pulse tube refrigerator is adopted, since the tapered tube pulse tube 1 is adopted, it becomes equivalent to setting the number of stages of the pulse tube to infinity,
The generated cold can be made lower in temperature, and the complication of the structure can be significantly suppressed as compared with the case where the pulse tube has multiple stages. Of course, the production of the pulse tube refrigerator can be simplified.

【0022】また、第1のオリフィス4、リザーバータ
ンク5および第2のオリフィス6によってフェイズシフ
タを構成し、圧力と流速度波との位相差を制御するの
で、この面からも冷凍効率を向上させることができる。
さらに、パルスチューブ冷凍機は、固定ピストンを使用
せず、ガスピストンを使用しているのであるから、機械
的な振動部分がなくなり、磁気ノイズの発生を大幅に低
減することができる。
Since the phase shifter is constituted by the first orifice 4, the reservoir tank 5 and the second orifice 6 and the phase difference between the pressure and the flow velocity wave is controlled, the refrigerating efficiency is improved also from this aspect. be able to.
Further, since the pulse tube refrigerator does not use the fixed piston but uses the gas piston, there is no mechanical vibrating portion, and the generation of magnetic noise can be significantly reduced.

【0023】なお、以上にはモディファイ型パルスチュ
ーブ冷凍機を例にとって説明したが、ベーシック型パル
スチューブ冷凍機についても同様に適用できることはも
ちろんである。
Although the modification type pulse tube refrigerator has been described above as an example, it is needless to say that the same can be applied to a basic type pulse tube refrigerator.

【0024】[0024]

【発明の効果】請求項1の発明は、パルスチューブの段
数を無限大に設定したのと等価なパルスチューブ冷凍機
を得ることができ、構造の複雑化、製作の繁雑さを大幅
に抑制することができるとともに、発生する寒冷をより
低温にすることができるという特有の効果を奏する。
According to the invention of claim 1, it is possible to obtain a pulse tube refrigerator which is equivalent to setting the number of stages of the pulse tube to infinity, and significantly suppress the complication of the structure and the complexity of manufacturing. In addition to the above, there is a unique effect that the generated cold can be lowered in temperature.

【0025】請求項2の発明は、蓄冷器を別体に設けて
パルスチューブと直列接続する場合と比較して構造を簡
素化することができ、また、ギャップ蓄冷器は、パルス
チューブ内のガスと熱交換する際にカウンタとなり、作
動流体自身を蓄冷材として利用できるので、極低温(例
えば、20K以下)での蓄冷器熱容量不足の問題を解決
することができ、効率を高めることができるという特有
の効果を奏する。
According to the invention of claim 2, the structure can be simplified as compared with the case where the regenerator is separately provided and connected in series with the pulse tube, and the gap regenerator is a gas in the pulse tube. It becomes a counter when exchanging heat with, and the working fluid itself can be used as a regenerator material, so it is possible to solve the problem of insufficient heat capacity of the regenerator at extremely low temperatures (for example, 20 K or less) and improve efficiency. Has a unique effect.

【0026】請求項3の発明は、圧力と流速度波との位
相差を制御することができ、効率を高めることができる
という特有の効果を奏する。
The invention of claim 3 has a unique effect that the phase difference between the pressure and the flow velocity wave can be controlled and the efficiency can be improved.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】この発明のパルスチューブ冷凍機の一実施態様
を示す要部概略縦断面図である。
FIG. 1 is a schematic vertical sectional view of an essential part showing an embodiment of a pulse tube refrigerator of the present invention.

【図2】この発明のパルスチューブ冷凍機の他の実施態
様を示す要部概略縦断面図である。
FIG. 2 is a schematic vertical sectional view of an essential part showing another embodiment of the pulse tube refrigerator of the present invention.

【図3】従来から提案されているパルスチューブ冷凍機
の一例を示す概略縦断面図である。
FIG. 3 is a schematic vertical cross-sectional view showing an example of a conventionally proposed pulse tube refrigerator.

【図4】パルスチューブを多段に構成したパルスチュー
ブ冷凍機の一例を示す概略縦断面図である。
FIG. 4 is a schematic vertical cross-sectional view showing an example of a pulse tube refrigerator in which pulse tubes are configured in multiple stages.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 パルスチューブ 2 ギャップ蓄冷器 4 第1のオリフィス 5 リザーバータンク 1 pulse tube 2 gap regenerator 4 first orifice 5 reservoir tank

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 テーパ筒状のパルスチューブ(1)を有
していることを特徴とするパルスチューブ冷凍機。
1. A pulse tube refrigerator comprising a pulse tube (1) having a tapered cylindrical shape.
【請求項2】 テーパ筒状のパルスチューブ(1)内
に、等温的に圧縮されたガスを等圧的に冷却してパルス
チューブ(1)の小径側に供給するギャップ蓄冷器
(2)を有している請求項1に記載のパルスチューブ冷
凍機。
2. A gap regenerator (2) for isothermally cooling an isothermally compressed gas and supplying it to the small diameter side of the pulse tube (1) in a tapered tube-shaped pulse tube (1). The pulse tube refrigerator according to claim 1, which has.
【請求項3】 パルスチューブ(1)の大径側がオリフ
ィス(4)を介してリザーバータンク(5)と連通され
ている請求項1または請求項2に記載のパルスチューブ
冷凍機。
3. The pulse tube refrigerator according to claim 1, wherein the large diameter side of the pulse tube (1) communicates with the reservoir tank (5) through the orifice (4).
JP29147395A 1995-11-09 1995-11-09 Pulse tube freezer Withdrawn JPH09133419A (en)

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EP1579156A1 (en) * 2002-11-20 2005-09-28 Praxair Technology, Inc. Pulse tube refrigeration system

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