JPH09243189A - パルスチューブ冷凍機 - Google Patents

パルスチューブ冷凍機

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JPH09243189A
JPH09243189A JP7130296A JP7130296A JPH09243189A JP H09243189 A JPH09243189 A JP H09243189A JP 7130296 A JP7130296 A JP 7130296A JP 7130296 A JP7130296 A JP 7130296A JP H09243189 A JPH09243189 A JP H09243189A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 パルス管からの低温部への入熱を低く抑え、
パルス管内の作動流体の作用を改善することにより、冷
凍能力を向上させたパルスチューブ冷凍機を提供するこ
と。 【解決手段】 圧縮機1、蓄冷器3、熱交換器(低温熱
交換器4、高温熱交換器6)、パルス管5及びそれらを
結ぶ配管及び/又は接続部から構成され、作動流体の作
用により冷凍を発生させるパルスチューブ冷凍機におい
て、パルス管5の内壁面をパルス管5の材料より熱伝導
率の低い材料(断熱材11)で被覆するか、又はパルス
管5の内側にパルス管5の材料より熱伝導率の低い材料
の内筒を挿入した。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明はパルスチューブ冷凍
機に関し、特に冷凍能力を向上させるオリフィス型パル
スチューブ冷凍機及びエキスパンダ型パルスチューブ冷
凍機に関するものである。
【0002】
【従来の技術】図3は従来のオリフィス型パルスチュー
ブ冷凍機の構成例を示す図である。図示するように、パ
ルスチューブ冷凍機は、圧縮機1、アフタークーラ2、
蓄冷器3、低温熱交換器4、パルス管5、高温熱交換器
6、オリフィス7及びバッファータンク8を具備し、こ
れを配管及び/又は接続部で接続して構成している。
【0003】蓄冷器3は内部に蓄熱物質9を保有してい
る。該蓄熱物質9には図8に示すような球状の金属材料
からなる蓄熱物質31や図9に示すような金属材料を網
状に構成した蓄熱物質32が広く用いられている。な
お、図8及び図9において、30は作動流体を示す。パ
ルス管5は単純な円筒構造をしており、バッファータン
ク8は他の構成要素に比べて大きな容積を持つ容器であ
る。
【0004】圧縮機1はパルスチューブ冷凍機内に作動
流体(図示せず)の圧力振動を起こさせるものである。
先ず、圧縮機1で圧縮された作動流体は昇温されるため
アフタークーラ2で冷却された後、蓄冷器3、低温熱交
換器4、パルス管5及び高温熱交換器6内の作動流体の
圧力を上げる。
【0005】高温熱交換器6とバッファータンク8はオ
リフィス7を通して連通しており、該オリフィス7で作
動流体の流量が絞られているためバッファータンク8内
の圧力変動は極めて小さく抑えられている。圧縮機1に
より起こされる圧力振動により、機内では作動流体は往
復運動を行うことになり、パルス管5内の作動流体は断
熱変化に近い圧縮と膨張を繰り返し、またアフタークー
ラ2、蓄冷器3、低温熱交換器4及び高温熱交換器6内
の作動流体は等温変化に近い圧縮と膨張を繰り返すこと
になる。
【0006】上記のような作動流体の運動により、低温
熱交換器4に冷凍が発生する。また、低温熱交換器4の
温度が低下すると同時に蓄冷器3及びパルス管5におい
て温度勾配が生じる。アフタークーラ2及び高温熱交換
器6で発熱が生じるため、冷却水又は他の冷媒で放熱さ
せる必要がある。パルスチューブ冷凍機はこれを連続的
に行って低温を成生させるものである。
【0007】図7は、図3に示す従来構成のオリフィス
パルスチューブ冷凍機内に定常運転時の温度分布例を示
す図である。アフタークーラ2及び高温熱交換器6は冷
却水(図示せず)により300K(27℃)に一定に保
たれ、内部で発生する熱を放出する。低温熱交換器4は
内部で成立された低温で被冷却物(図示せず)を冷却す
る。本図では、低温熱交換器4は被冷却物から熱を奪
い、100K(−173℃)に保たれていることを示し
ている。
【0008】パルス管5内の作動流体は断熱変化に近い
圧縮と膨張変化をしており、温度も時間的に振動してい
る。図7ではパルス管5内の時間平均温度を示してい
る。蓄冷器3内には熱容量の大きな蓄熱物質9が充填さ
れているため作動流体は蓄熱物質9と熱交換を行い温度
の時間的変動は極めて小さい。
【0009】図4は他のオリフィス型のパルスチューブ
冷凍機の構成例を示す図である。本パルスチューブ冷凍
機は図3におけるオリフィス7をニードルバルブ10に
置き換えオリフィス部での作動流体の流量を可変にした
ものである。
【0010】図5は一般的に4−バルブ型パルスチュー
ブ冷凍機と呼ばれるオリフィス型パルスチューブ冷凍機
の構成例を示す図である。4個の切替バルブ13によ
り、圧縮機1の吐出側から高圧の作動流体を蓄冷器3等
の機内に導入したり、逆に機内から圧縮機1の吸込側に
作動流体を戻し、機内の作動流体圧力を脈動的に変化さ
せることにより、低温を発生させる。本パルスチューブ
冷凍機は図3及び図4のオリフィス型パルスチューブ冷
凍機と異なりバッファータンクを不要とする。
【0011】図6はエキスパンダ型パルスチューブ冷凍
機の構成例を示す図である。圧縮機1のピストン17の
動きとエキスパンダ14のディスプレーサ16の動きを
制御することにより、冷凍を発生させることができる。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】パルスチューブ冷凍機
は150K(−123℃)から3K(−270℃)を得
るための低温冷凍機である。この冷凍機は簡単な構造の
冷凍機であるが、冷凍発生の原理は複雑で、不明な点が
多い。それ故、冷凍能力向上に関しては経験的手法と試
行錯誤の結果に頼らざるを得ないのが現状である。
【0013】低温発生部の温度が非常に低く、伝熱によ
る入熱が冷凍能力を低下させることや、作動流体と各要
素との断熱や伝熱が不完全であるために冷凍発生能力が
低下する原因となっている。
【0014】本発明は上述の点に鑑みてなされたもの
で、上記問題点を除去し、パルス管からの低温部への入
熱を低く抑え、パルス管内の作動流体の作用を改善する
ことにより、冷凍能力を向上させたパルスチューブ冷凍
機を提供することを目的とする。
【0015】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
本願請求項1に記載の発明は、圧縮機、蓄冷器、熱交換
器、パルス管及びそれらを結ぶ配管及び/又は接続部か
ら構成され、作動流体の作用により冷凍を発生させるパ
ルスチューブ冷凍機において、パルス管の内壁面をパル
ス管の材料より熱伝導率の低い材料で被覆したことを特
徴とする。
【0016】また、請求項2に記載の発明は請求項1に
記載のパルスチューブ冷凍機において、パルス管の内壁
面を被覆する材料はシリコン樹脂又はフッ素樹脂である
ことを特徴とする。
【0017】また、請求項3に記載の発明は圧縮機、蓄
冷器、熱交換器、パルス管及びそれらを結ぶ配管及び/
又は接続部から構成され、作動流体の作用により冷凍を
発生させるパルスチューブ冷凍機において、パルス管の
内側に該パルス管の材料より熱伝導率の低い材料から成
る内筒を挿入したことを特徴とする。
【0018】また、請求項4に記載の発明は請求項3に
記載のパルスチューブ冷凍機において、パルス管の内側
に挿入する内筒の材料はエポキシ樹脂又はポリエステル
樹脂であることを特徴とする。
【0019】
【発明の実施の形態】以下、本願発明の実施の形態例を
図面に基づいて説明する。なお、本実施の形態例は一例
であり、本願発明はこの実施の形態例に限定されるもの
でないことは当然である。
【0020】図1は本発明のオリフィス型パルスチュー
ブ冷凍機の構成を示す図である。本パルスチューブ冷凍
機は、圧縮機1、アフタークーラ2、蓄冷器3、低温熱
交換器4、パルス管5、高温熱交換器6、オリフィス
7、バッファータンク8を具備し、パルス管の内壁面を
断熱材11で被覆している。
【0021】圧縮機1はパルスチューブ冷凍機内の作動
流体(図示せず)に圧力振動を与えるものであり、該圧
縮機1に連結されるアフタークーラ2は圧縮機1で圧縮
され昇温した作動流体を冷却水等(図示せず)で放熱
し、作動流体の温度を一定に保つための熱交換器であ
る。
【0022】また、蓄冷器3内には図8及び図9に示す
金属材料からなる蓄熱物質31又は蓄熱物質32が充填
されており、低温熱交換器4で発生した冷凍により冷却
された作動流体と熱交換し、機内の冷凍を保持するもの
である。パルス管5は単純な円筒構造で、内部の作動流
体は圧縮と膨張を繰り返している。
【0023】バッファータンク8内の作動流体の圧力は
略一定に保たれており、このバッファータンク8とパル
ス管5内の高温熱交換器6はオリフィス7を介して連通
(接続)している。
【0024】パルス管5の内壁面は上記のように断熱材
11で被覆されており、この断熱材11はパルス管内の
作動流体とパルス管5の管壁との熱交換を阻止する作用
をするものである。このようにパルス管5の内壁面を断
熱材11で被覆することにより、パルス管5内の作動流
体と管壁との熱交換が極めて小さく抑えられ、冷凍能力
が大幅に向上する。なお、断熱材11はパルス管5の材
料より熱伝導率の低い材料であり、例えばシリコン樹脂
又はフッ素樹脂等が適している。
【0025】図2は本発明のオリフィス型パルスチュー
ブ冷凍機の他の構成例を示す図である。本オリフィス型
パルスチューブ冷凍機は、図1に示すオリフィス型パル
ス冷凍機と略同様であるが、パルス管5の内側に該パル
ス管5の材料より熱伝導率の低い材料からなる内筒12
を挿入している。
【0026】このようにパルス管5の材料より熱伝導率
の低い材料からなる内筒12を挿入することにより、内
筒12とその内側の作動流体との熱交換は極めて小さく
抑えられ、冷凍能力が向上する。なお、内筒12の材料
としてはエポキシ樹脂又はポリエステル樹脂が好適であ
る。
【0027】本発明のパルスチューブ冷凍機はオリフィ
ス型パルスチューブに限定されるものではなく、例え
ば、図4に示すようにオリフィスに換えてニードルバル
ブ10を用いたパルスチューブ冷凍機、図5に示すよう
に4−バルブ型パルスチューブ冷凍機、図6に示すよう
なエキスパンダ型パルスチューブ冷凍機においても、そ
のパルス管5の内壁面を該パルス管5の材料より熱伝導
率の低い断熱材11で被覆するか又は該パルス管5の内
側に該パルス管5の材料より熱伝導率の低い材料でなる
内筒12を挿入した構成でもよいことは当然である。
【0028】
【発明の効果】以上説明したように、本願請求項に記載
の発明によれば、パルス管の内壁面をパルス管の材料よ
り熱伝導率の低い材料で被覆するか又はパルス管の内側
にパルス管の材料より熱伝導率の低い材料から成る内筒
を挿入したので、パルス管壁とパルス管内の作動流体と
の熱交換が阻止され、冷凍能力が向上するという効果が
得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のオリフィス型パルスチューブ冷凍機の
構成を示す図である。
【図2】本発明のオリフィス型パルスチューブ冷凍機の
構成を示す図である。
【図3】従来のオリフィス型パルスチューブ冷凍機の構
成を示す図である。
【図4】従来のオリフィス型パルスチューブ冷凍機の構
成を示す図である。
【図5】従来のオリフィス型パルスチューブ冷凍機の構
成を示す図である。
【図6】従来のエキスパンダ型パルスチューブ冷凍機の
構成を示す図である。
【図7】一般的なオリフィス型パルスチューブ冷凍機の
各部の温度分布を示す図である。
【図8】球状の蓄熱物質を示す図である。
【図9】網状の蓄熱物質を示す図である。
【符号の説明】
1 圧縮機 2 アフタークーラ 3 蓄冷器 4 低温熱交換器 5 パルス管 6 高温熱交換器 7 オリフィス 8 バッファータンク 9 蓄熱物質 10 ニードルバルブ 11 断熱材 12 内筒 13 切替バルブ 14 エキスパンダ 16 ディスプレーサ 17 ピストン 30 作動流体 31 球状の蓄熱物質 32 網状の蓄熱物質

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 圧縮機、蓄冷器、熱交換器、パルス管及
    びそれらを結ぶ配管及び/又は接続部から構成され、作
    動流体の作用により冷凍を発生させるパルスチューブ冷
    凍機において、 前記パルス管の内壁面を前記パルス管の材料より熱伝導
    率の低い材料で被覆したことを特徴とするパルスチュー
    ブ冷凍機。
  2. 【請求項2】 請求項1に記載のパルスチューブ冷凍機
    において、 前記パルス管の内壁面を被覆する材料はシリコン樹脂又
    はフッ素樹脂であることを特徴とするパルスチューブ冷
    凍機。
  3. 【請求項3】 圧縮機、蓄冷器、熱交換器、パルス管及
    びそれらを結ぶ配管及び/又は接続部から構成され、作
    動流体の作用により冷凍を発生させるパルスチューブ冷
    凍機において、 前記パルス管の内側に該パルス管の材料より熱伝導率の
    低い材料から成る内筒を挿入したことを特徴とするパル
    スチューブ冷凍機。
  4. 【請求項4】 請求項3に記載のパルスチューブ冷凍機
    において、 前記パルス管の内側に挿入する内筒の材料はエポキシ樹
    脂又はポリエステル樹脂であることを特徴とするパルス
    チューブ冷凍機。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2006105564A (ja) * 2004-10-08 2006-04-20 Daikin Ind Ltd 流体機械
CN102652246A (zh) * 2009-12-11 2012-08-29 乔治洛德方法研究和开发液化空气有限公司 用于低温冷却/液化的方法和设备
US8590318B2 (en) 2007-04-26 2013-11-26 Sumitomo Heavy Industries, Ltd. Pulse-tube refrigerating machine
CN104296412A (zh) * 2014-10-30 2015-01-21 郑州大学 使用液体工质的脉动冷管

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