JP2011237170A

JP2011237170A - パルスチューブ冷凍機及びそれに用いるロータリバルブ

Info

Publication number: JP2011237170A
Application number: JP2011138747A
Authority: JP
Inventors: Jin Lin Gao; ガオ，ジンリン
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2004-02-11
Filing date: 2011-06-22
Publication date: 2011-11-24
Anticipated expiration: 2025-02-09
Also published as: CN100494815C; JP4884986B2; JP2007522431A; JP5329607B2; US7549295B2; US20070119189A1; WO2005078363A1; CN1918441A

Abstract

【課題】パルスチューブ冷凍機に用いるロータリバルブの径と共に、それを回転させるのに必要なトルクを低減する。
【解決手段】蓄冷器と、１段目パルスチューブと、２段目パルスチューブと、蓄冷器に流入するガスの流れを制御するロータリバルブと、を備えるパルスチューブ冷凍機であって、ロータリバルブは、バルブシート７０と、バルブシート７０と対向接触しながら相対回転するバルブディスク７１と、を有し、バルブシート７０のバルブディスク７１と対向する面に、１段目パルスチューブへ流れるガスのためのポート５３と、１段目パルスチューブから流れるガスのためのポート５４と、２段目パルスチューブへ流れるガスのためのポート５５と、２段目パルスチューブから流れるガスのためのポート５６と、を配置するパルスチューブ冷凍機。
【選択図】図５

Description

本発明は、ギフォード・マクマホン（ＧＭ）タイプのパルスチューブ冷凍機に関する。かかる極低温冷凍機のコールドヘッドは、バルブ機構を含み、当該バルブ機構は、通常的には、ロータリバルブディスクとバルブシートからなる。離散的なポートが存在し、異なるポートの周期的な配置により、コンプレッサにより供給された作動流体が、蓄冷器及びコールドヘッドの作動容積に対して出入りすることが可能となる。

ＧＭタイプの冷凍機は、略一定の高圧でガスを供給し、略一定の低圧でガスを受け入れるコンプレッサを用いる。ガスは、バルブ機構によりコンプレッサに対して低速で作動する往復動エクスパンダに供給され、往復動エクスパンダは、エクスパンダ内及び外にガスを交互に導く。特許文献１には、バルブのフェースの両端で緊密なシールを維持するために高低の圧力差を用いるマルチポート型ロータリディスクが開示される。この種のバルブは、異なるタイプのＧＭ冷凍機において広く用いられてきた（例えば、特許文献２、３参照）。この種のバルブは、複数のバルブのためのポート又はより大きなポートを収容するために径が増加するにつれて、トルクの増大を必要とするという欠点を有している。

パルスチューブ冷凍機は、先ず、特許文献４により開示され、それは、以前のＧＭ冷凍機のような、バルブに接続されるパルスチューブを開示する。それは、また、コンプレッサと同一の速度で脈動するようにコンプレッサに直接接続されたパルスチューブエクスパンダを開示する。これは、スターリングサイクル冷凍機と同等である。従前のパルスチューブ冷凍機は、ＧＭタイプの冷凍機と競合するほど十分効率的でなかった。顕著な改善は、１９８４年に非特許文献５で報告され、更なる改善を求めて多くの関心が続けられた。１９８４年以降の大きな改善の記載は、非特許文献６〜９に見られる。また、改善の更なる開示が特許文献１０に見出せる。

これらのパルスチューブのすべては、パルスチューブに対してガスを周期的に流入及び流出させるためにバルブを用いるＧＭタイプのエクスパンダとして稼動できるが、シングル及びダブルオリフィスのパルスチューブだけしか、スターリングタイプのエクスパンダとして稼動できない。スターリングタイプのパルスチューブは、比較的高速で作動するので小型である。高速化は、低温に至ることを困難化するので、低速で稼動するＧＭタイプのパルスチューブは、典型的には、約２０Ｋ以下での用途で使用される。４Ｋでの最も良い性能が、特許文献１１の図９に示すようなパルスチューブにより得られることが見出されている。この設計は、特許文献１１の図１１に示す順序で開閉する、蓄冷器への流れを制御する２つのバルブと、パルスチューブの高温側端部への流れを制御する４つのバルブを有する。このパルスチューブの単一段のバージョンは、４つのバルブを有し、その２つは、蓄冷器用であり、２つはパルスチューブ用であり、従って、この制御は、一般的には４バルブ制御と称される。これらのバルブの機能は、一般的に、マルチポートのロータリディスクバルブの使用により実現される。

固定のシート上にディスク回転体を有するバルブを設計するとき、シート内に、蓄冷器に接続する一以上のポートを有し、蓄冷器に対してガスを同一のポートを通って流入及び流出させるのが通常である。たいていのＧＭ冷凍機は、２つのポートを用い、バルブディスクの回転毎に２回の冷却サイクルを有するが、特許文献１２に開示されるように、３つのポートが使用されていた。ＧＭエクスパンダに対して回転毎に１サイクルの冷却を提供する単一のポートバルブは、特許文献１３に開示されている。このバルブは、従来のロータリバルブとは、コンプレッサからの高圧ガスをバルブシートに作用させてバルブシートをロータリバルブのフェース内へと押圧させる点が異なる。ベアリングは、バルブシートの軸方向力をモータシャフトに軸方向力として伝達するよりもむしろ、バルブシートの軸方向力に対してバルブディスクを保持する。高圧ガスは、中心のポート内に流れ、低圧ガスは、バルブの外周に吐出される。

特許文献１１の図１１は、第１の段のパルスチューブＰＴ１に対して、第２の段のパルスチューブＰＴ２に流入及びから流出するガスに対して異なるタイミングを開示するが、これらのバルブのその他の重要な特徴、即ち各バルブのオリフィスのサイズが異なることについては開示していない。各パルスチューブに流れるガスの量を制御すること共に、同一量のガスを流入の際に高圧から低圧に戻すことが必要である。密度が異なるため、各パルスチューブに対するバルブにおけるオリフィスのサイズは異ならなければならない。

ロータリフェースバルブにおいて、バルブシートにおける蓄冷器へのポートは、同一の径の円ないしトラック上にある。これは、高圧供給と低圧戻しが、回転するディスクにおける長穴により交互に接続されるからである。回転毎に単一の冷却サイクルを有するバルブディスクに対しては、パルスチューブへの４つのポートのそれぞれを、異なる半径位置にて、相互間で漏れが無いように十分に径方向で隙間を置いて位置させる必要がある。従って、バルブは、５つのトラックを有し、１つは、蓄冷器への流入及びからの流出のためのものであり、４つは、パルスチューブへの流入及びからの流出のためのものである。これは、バルブの直径を増大させ、結果的に、トルクを顕著に増大させる。
Ｇｉｆｆｏｒｄの米国特許第３，２０５，６６８号明細書Ｌｏｎｇｓｗｏｒｔｈの米国特許第３，６２０，０２９号明細書Ｃｈｅｌｌｉｓの米国特許第３，６２５，０１５号明細書Ｇｉｆｆｏｒｄの米国特許第３，２３７，４２１号明細書Ｍｉｋｕｌｉｎ他による‘Low temperature expansion(orifice type) pulse tube, Advances in Cryogenic Engineering, Vol.29, 1984, p. 629. Ｓ．Ｚｈｕ及びＰ．Ｗｕによる‘Double inlet pulse tube refrigerators :an important improvement’,Cryogenics, vol.30, 1990, p514 Ｙ．Ｍａｔｓｕｂａｒａ，Ｊ．Ｌ．Ｇａｏ，Ｋ．Ｔａｎｉｄａ，Ｙ．ｈｉｒｅｓａｋｉ及びＭ．Ｋａｎｅｋｏによる ‘An experimental and analytical investigation of 4K (four valve) pulse tube refrigerator’, Proc. 7th Intl Cryocooler Conf., Air Force Report PL-(P-93-101),1993,p166-186 Ｓ．Ｗ．Ｚｈｕ、Ｋ．Ｋａｋａｍｉ、Ｋ．Ｆｕｊｉｏｋａ及びＹ．Ｍａｔｓｕｂａｒａによる‘Active-buffer pulse tube refrigerator’, Proceedings of the 16th Cryogenic Engineering Conference, 1997, P.291-294 Ｊ．Ｙｕａｎ及びＪ．Ｍ．Ｐｆｏｔｅｎｈａｕｅｒによる‘A single stage five valve pulse tube refrigerator reaching 32K’, Advances in Cryogenic Engineering, Vol.43, 1998, p1983-1989 Ｌｏｂｂの米国特許第４，９８７，７４３号明細書Ｇａｏの米国特許第６，２５６，９９８号明細書Ｌｏｎｇｓｗｏｒｔｈの米国特許第４，４３０，８６３号明細書Ａｓａｍｉの米国特許第５，３６１，５８８号明細書

本発明は、パルスチューブ用のロータリフェースバルブの径と共に、それを回転させるのに必要なトルクを低減することを目的とする。

本発明は、蓄冷器と、１段目パルスチューブと、２段目パルスチューブと、蓄冷器に流入するガスの流れを制御するロータリバルブと、を備えるパルスチューブ冷凍機であって、
ロータリバルブは、バルブシートと、バルブシートと対向接触しながら相対回転するバルブディスクと、を有し、バルブシートのバルブディスクと対向する面に、１段目パルスチューブへ流れるガスのためのポートと、１段目パルスチューブから流れるガスのためのポートと、２段目パルスチューブへ流れるガスのためのポートと、２段目パルスチューブから流れるガスのためのポートと、を配置するパルスチューブ冷凍機である。

本発明は、また、パルスチューブ冷凍機の蓄冷器に流入するガスの流れを制御するロータリバルブであって、バルブシートと、バルブシートと対向接触しながら相対回転するバルブディスクとを有し、バルブシートのバルブディスクと対向する面に、１段目パルスチューブへ流れるガスのためのポートと、１段目パルスチューブから流れるガスのためのポートと、２段目パルスチューブへ流れるガスのためのポートと、２段目パルスチューブから流れるガスのためのポートと、を配置するロータリバルブである。

本発明の一実施形態は、マルチバルブ、好ましくは４バルブ、２段パルスチューブ用に設計されたロータリフェースバルブを回転させるのに必要なトルクを低減する。これは、バルブを、１回転当たり２回の冷却サイクルを有すると共に、単一のトラック上にパルスチューブへの２つの高圧ポートを有し、別の単一のトラック上にパルスチューブからの２つの低圧ポートを有するように、設計することにより実現される。蓄冷器への流れは、２つのポートを通る一方、パルスチューブへの及びからの流れは、バルブシートにおける各１つのポートを通る。２つの高圧ポートは、低圧ポートと同様、約１８０度離れており、第２段のパルスチューブへのポートは、開口時間を増加させ且つ第１段のポートに対して開口を先行させるために、長穴化される。バルブディスクにおける長穴は対称であり、第１段のポートに対して所望の開口時間を提供する幅を有する。

回転毎に１の冷却サイクルを有するバルブに対してトラック数を５から３に低減し、１つは、蓄冷器への及びからの流れに対するものであり、残りは、２つのパルスチューブの高温側端部への及びからの流れに対するものである。トラック数の低減は、また、バルブの直径を低減し、それを回すのに必要なトルクを低減する。

本発明は、４バルブ式ＧＭタイプ２段パルスチューブ冷凍機に適用可能である。

図１は、システムを通るガス流路を示す２段４バルブ式パルスチューブ冷凍機１０の概略図である。図１は、特許文献１１の図９に図示された基本的な２段４バルブ式パルスチューブ冷凍機における幾つかの改良点を示す。高圧ガスＰｈは、コンプレッサ６０からガスライン５７を通りバルブ１１（Ｖ１），１３（Ｖ３）及び１５（Ｖ５）に流れる。低圧ガスPｌは、コンプレッサ６０に、バルブ１２（V2），１４（V4）と１６（V6）からライン５８を通り戻る。バルブＶ１，Ｖ２は、ライン５０を通って蓄冷器２１（Ｒ１）へ流入及びから流出する流れを制御する。バルブＶ３は、ライン５３、オリフィス４３（Ｏ３）及びライン５１を通る第１段のパルスチューブ３１（ＰＴ１）への流れを制御する。バルブＶ５は、ライン５５、オリフィス４５（Ｏ５）及びライン５２を通る第２段のパルスチューブ３２への流れを制御する。バルブＶ４は、ライン５１、オリフィス４４（Ｏ４）及びライン５４を通るＰＴ１からの流れを制御する。バルブＶ６は、ライン５２、オリフィス４６（Ｏ６）及びライン５６を通るＰＴ２からの流れを制御する。ＰＴ１の高温側端部に流入及びから流出するガスの一部は、ライン５１、オリフィス４１（Ｏ１）及びバッファー容積３３（Ｂ１）を介して流れる。同様に、ＰＴ２の高温側端部に流入及びから流出するガスの一部は、ライン５２、オリフィス４２（Ｏ２）及びバッファー容積３４（Ｂ２）を介して流れる。

Ｒ１，ＰＴ１，ＰＴ２の入口端部は、周囲温度に近い一方で、ＰＴ１，ＰＴ２の他の端部は、蓄冷器Ｒ１，蓄冷器２２（Ｒ２）及び接続管２３，３４を流れた後のガスの低温側端部への脈動の結果、冷たくなる。パルスチューブ内に残るガスは、ガスピストンと看做すことができる。ＰＴ１及びＰＴ２の高温側へと流れるガスは、ガスピストンの動きを制御し、冷却が低温側端部で生成されるようにする。４バルブ型２段パルスチューブの動作の更なる説明は、特許文献１１に含まれる。

特許文献１１の図９に対する図１に示す改善は、オリフィスＯ３，Ｏ４、Ｏ５，Ｏ６、及び、バッファー容積の２つの別の容積Ｂ１，Ｂ２への分割である。オリフィスは、好ましくは、可変であり、製造工程中に冷却を最適化するように調整されることができる。一旦、流路の最適なサイズが決定されると、それらは、バルブＶ３，Ｖ４，Ｖ５及びＶ６におけるポート内に組み込まれることができる。バッファー容積をそれぞれのパルスチューブに対する別の容積に分けることは、一のパルスチューブからガスのバッファー容積を介した他方のパルスチューブへのガスの循環の可能性を無くす。

図２は、冷却を最適化するために見出された開時間を示すバルブＶ１〜Ｖ６に対するタイミングチャートである。重要なこととしては、バルブのそれぞれに対する時間に差異を認識することである。本発明の目的は、これらの異なるタイミングを、単一ロータリディスク型バルブの設計に組み込むことである。

図３及び図４は、固定型のバルブシート６０と、バルブシート６０に適合し、長穴５７における高圧Ｐｈ及び長穴５８における低圧Ｐｌがバルブシート６０におけるポート上を通過する際に回転毎に１サイクルの冷却を提供するバルブディスク６１とを示す。バルブディスクの長穴及びシートにおけるポートは、図２のタイミングが実現されるように互いに対して配置される。パルスチューブへの及びからの流れの大部分は、Ｒ１を通り、従って、Ｖ１、Ｖ２用のポート５０は、５３、Ｖ３を介してＰＴ１へと流れるガス、及び、５５、Ｖ５を介してＰＴ２に流れるガスのためのポート、及び、ＰＴ１から５４、Ｖ４を通して戻るガス、及び、ＰＴ２から５６、Ｖ６を通して戻るガスのためのポートよりも有意に大きい。全ての５つのポートは、ディスク６１の回転軸から、異なる半径位置にあり、又は、異なるトラック上にあるということができる。図３は、同一の直径である長穴５７に対応するポート５３，５５と、同一の直径である長穴５８に対応するポート５４，５６とを示す。ポート５３、Ｖ３に対するポート５５、Ｖ５の開口するタイミング及び持続時間は、ポートを通過する際の長穴５７の幅及びポートの位置により達成される。同様に、ポート５４、Ｖ４に対するポート５６、Ｖ５の開口するタイミング及び持続時間は、ポートを通過する際の長穴５８の幅及びポートの位置により達成される。高圧ガスＰｈがシート６０の中心を通って長穴５７を介してポート５０，５３，５５に流れるバルブが示されている。低圧ガスは、コンプレッサに、ポート５０,５４,５６を介して、次いで長穴５８を介して戻る。この流れパターンは、バルブの周辺上に高圧ガスを有し、バルブシートの中央ポートを通って排出する低圧ガスを有する従来的なパターンよりも好ましい。なぜならば、バルブの磨耗により生成されるダストは、蓄冷器及び流れ制御オリフィス内へよりもむしろバルブ外に飛ばされる傾向にあるからである。

図５及び図６は、固定のバルブシート７０と、バルブシート７０に適合し、長穴５７における高圧及び長穴５８における低圧がバルブシート７０におけるポート上を通過する際に回転毎に２サイクルの冷却を提供するバルブディスク７１とを示す。この設計の新規性は、ＰＴ１及びＰＴ２への／からの４つのポートに対するトラック数を、図３に示す４から図５に示す２に低減する手段にある。ポートの１つを細長くすることにより、ポートを通過する際にバルブディスク７１の長穴５７が同一の幅であるが、Ｖ３，Ｖ５，ポート５３，５５を、異なる時間で開口させることが可能である。本例では、ポート５５、Ｖ５がポート５３、Ｖ３に比べて細長くされる。同様に、ポートの１つを細長くすることにより、ポートを通過する際にバルブディスク７１の長穴５８が同一の幅であるが、Ｖ４，Ｖ６，ポート５４，５６を、異なる時間で開口させることが可能である。本例では、ポート５６、Ｖ６がポート５４、Ｖ４に比べて細長くされる。

高圧ガスが中央ポートを通って流れ、低圧ガスが外周を流れるのが好ましいが、流れが逆になるようにバルブを設計することも可能である。本発明の本質的な特徴は、一のトラック上に２つの高圧ポートを有し、第２の単一のトラック上に２つの低圧ポートを有し、各トラック上のポートが異なる開口時間を有することである。

尚、本願は、２００４年２月１１日に出願された米国予備出願番号６０／５４４１４４の利益を要求する。

４バルブ式の２段パルスチューブを示す概略図である。図１に示すバルブに対するタイミングチャートである。回転毎に１の冷却サイクルを有する４バルブ式パルスチューブに対するポートを示すバルブシートのフェースの図である。図３に示したシートを用いるロータリバルブディスクのフェースの図である。本発明による、回転毎に２の冷却サイクルを有する４バルブ式パルスチューブに対するポートを示すバルブシートのフェースの図である。本発明による、図５に示したシートを用いるロータリバルブディスクのフェースの図である。

Claims

蓄冷器と、１段目パルスチューブと、２段目パルスチューブと、前記蓄冷器に流入するガスの流れを制御するロータリバルブと、を備えるパルスチューブ冷凍機であって、
前記ロータリバルブは、バルブシートと、該バルブシートと対向接触しながら相対回転するバルブディスクと、を有し、
前記バルブシートの前記バルブディスクと対向する面に、前記１段目パルスチューブへ流れるガスのためのポートと、前記１段目パルスチューブから流れるガスのためのポートと、前記２段目パルスチューブへ流れるガスのためのポートと、前記２段目パルスチューブから流れるためのポートと、を配置することを特徴とするパルスチューブ冷凍機。
前記バルブシートの前記バルブディスクと対向する面に、蓄冷器へ流れるガスのためのポートをさらに備え、
前記１段目パルスチューブへ流れるガスのためのポートと前記２段目パルスチューブへ流れるガスのためのポートとを、前記蓄冷器へ流れるガスのためのポートよりも内側に配置し、
前記１段目パルスチューブから流れるガスのためのポートと前記２段目パルスチューブから流れるためのポートとを、前記蓄冷器へ流れるガスのためのポートよりも外側に配置することを特徴とする請求項１に記載のパルスチューブ冷凍機。
パルスチューブ冷凍機の蓄冷器に流入するガスの流れを制御するロータリバルブであって、
バルブシートと、
該バルブシートと対向接触しながら相対回転するバルブディスクと、を有し、
前記バルブシートの前記バルブディスクと対向する面に、１段目パルスチューブへ流れるガスのためのポートと、１段目パルスチューブから流れるガスのためのポートと、２段目パルスチューブへ流れるガスのためのポートと、２段目パルスチューブから流れるガスのためのポートと、を配置することを特徴とするロータリバルブ。