JPH02298764A - パルス管式冷凍機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、高温超伝導体の冷却や真空装置などで使用す
る単純な構造、低価格、高信頼度を特長とする冷凍機に
関するものである。

［従来の技術］ バ／Ｉ、Ｘ管式冷凍機は１９６３年Ｗ、Ｅ、ＧｉｆＴｏ
ｒｄにより初めて提案された。

この低温生成する方式は、作動流体の非平衡状態の特性
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原理は多く
の論文で発表されているが、いづれも条件に仮定が多く
、理論的には未だ確立されていない。

然し実際に低温生成が可能なことが実証されている。

［発明が解決しようとする課題］ 既存のパルス管式冷凍機は、機器構成が単純で、然も低
温部に可動部分がないことから冷凍機としての信頼性が
高いことをその特長としているが、反面効率が他の如何
なる冷凍機よりも悪い欠陥を有している。例えば絶体温
度７７にで冷凍出力１ワツトを得るのに約１キロワツト
の動力を必要としていた。

即ち、従来の長所を損なうことなしに効率の高いパルス
管式冷凍機が望まれていた。

［課題を解決するための手段］ 本発明は上記のごとく、パルス管式冷凍機の効率を、従
来の長所を損なうことなしに高めることを目的とし、低
温部にピストン等の低温可動機構を一切必要とせずに絶
体温度で１００に以下を効率よく生成し、且つ簡単な構
造から高信頼度を得ることを特長としたパルス管式冷凍
機を提案するものである。

即ち、従来の蓄冷器、熱交換器、パルス管及び冷凍部な
どの構成よりなるパルス管式冷凍機に対し、バッファー
タンク又は可変容量空間を一方弁を介して、連接するこ
とにより作動流体の熱交換の効率を向上させ、パルス管
式冷凍機の効率を高めることを提案するものである。

［作用］ 前記目的に対し、本発明は、圧縮機よりの作動流体を弁
を介して、又は、圧縮部よりの作動流体を放熱器を介し
て蓄冷器に入れ冷却し、更に冷凍部、パルス管などを通
過させた後、ほぼ常温部にある熱交換器で放熱させ、流
入側逆止弁と流量調整弁、又はその一つを介して、機械
的、流体的、電磁的、或いはそれらの何れかにより制御
されるほぼ常温にある圧縮ピストンの背圧部の容積可変
空間に、又は一定容積のタンクに入れた後、再び排出側
逆止弁と流体調整弁、又はその何れかの一つを介してパ
ルス管を通過させ冷凍部で被冷却体を冷却して蓄冷器で
暖め再び弁を通じて圧縮機に戻る又は、蓄冷器で暖め再
び圧縮空間へ戻ることを連続的に行って低温生成するよ
うにしたものである。

［実施例］ 本発明を図面を参照して説明する。

第１図は従来のパルス管式冷凍機の構造説明図である。

図示しない圧縮機よりの作動流体（主としてヘリウム、
以後流体と云う）は、例えば１５気圧で間欠的に開閉す
る吸入弁１より蓄冷材として１５０メツシユの金網を数
百枚積層した蓄冷器２に入り温度降下し、流体と熱交換
し被冷却部を冷却する冷凍部３よりほぼ何も詰められて
いない空洞のパルス管５の内部で残留する流体を断熱圧
縮し、その時その残留する流体は温度上昇し、ほぼ常温
でその圧縮熱を熱交換器６で大気へ、或いは熱交換器６
と接触する図示しない冷却流体に放熱する。

この時のパルス管５は、冷凍部３を絶対温度７７にとし
、常温を３００にとすれば、熱交換器６の凡そ３２０Ｋ
までの温度勾配を保つ。

即ち３２０−７７−２４３で、２４３度の温度差を保つ
。

次に熱交換器６の内部やパルス管５内に残留した流体は
、間欠的に開閉する吐出弁７が開くと再びパルス管５や
蓄冷器２の内部の蓄冷材空隙部に残留する流体を押し出
しながら温度降下し、冷凍部３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２で暖められ、ほぼ常
温で吐出弁７より圧力略５気圧で圧縮機に戻る。これを
連続的に行って低温生成する。

尚、冷凍部３で得られる冷凍は、吐出弁７が開くことに
より蓄冷器などに残留する流体が、図示しないが、圧縮
機に戻る配管内の流体を押す仕事を連続的に行うことと
、パルス管内と吐出弁７付近より圧縮機に戻る流体の位
相のずれにより得られる。また、冷凍は、理論的には熱
交換器６での放熱量から蓄冷器２での非効率分、更に断
熱損失分を差し引いた量が冷凍量として得られる。

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取れる。

尚、吐出弁７は吸入弁１が開いている時は閉じており、
１サイクルにおいて開いている時間は吸入弁１より長い
。

以上のごと〈従来のパルス管式冷凍機は単純な機器構成
でしかも低温部に可動機構がなくとも低温生成が可能で
あり、高信頼度の冷凍機としての特長を有するが、効率
が悪いことが唯一の欠点であった。

第２図は、第１図の構造を改良して高効率化した本発明
のパルス管式冷凍機の基本的な流路並び断面構造説明図
で、図示しない圧縮機よりのほぼ１５気圧の流体は、吸
入弁１を瞬間的に開き直ぐ閉じることにより蓄冷器２、
冷凍部３、パルス管５内を通り放熱器６で冷却され、一
定方向のみに流体が流れる流入側逆止弁（以後、通弁と
云う）８よりある容積を持つバッファータンクＩＯに断
熱的に放出される。この時の圧縮熱は放熱器６やバッフ
ァータンク１０の外表面より大気へ、或いは他の被冷却
流体に放熱される。

次に吐出弁７が開くとバッファータンク１０内の流体は
、排出側逆止弁１１より放熱器６、パルス管５、冷凍部
３で図示しない被冷却体を冷却し蓄冷器２で暖められ、
吐出弁７よりほぼ５気圧で圧縮器に戻る。（例えば流体
の作動圧力は１５と８気圧でも、２０と１０気圧でも良
いが、圧力比が大きくなると効率は高くなるが、振動が
大きくなる）尚、吸入弁１が閉まり、冷凍機内の流体が
ほぼ１５気圧で封入された後、吐出弁７が開くと、バッ
ファータンク１０内、パルス管５内、蓄冷器２内の空間
部などにそれぞれ残留する流体が吐出弁７より同時に放
出され、圧縮機の低圧に戻る配管内の流体を断熱的に圧
縮する仕事によって特に冷凍部３前後の流体が膨張し低
温が得られる。

第２図の基本図では、第１図の原型に対し逆止弁２個と
バッファータンク１個を加えた事が基本的な機器構成の
特長で、吸入用の逆止弁８は、吸入弁１が開き冷凍機の
内部圧力がある圧力になるまで開かないので（例えば、
冷凍機内の流体の圧力が１気圧で、弁７が閉じていて弁
１が開き１５気圧の流体が入り出すと冷凍機内の圧力が
少しずつ上昇して１５気圧になると逆止弁８が開く。こ
の間を圧力上昇時間と云い、弁１が閉で弁７が開で逆止
弁ｉｔが開くまでの時間を下降時間と云う）、この圧力
上昇時間の間に流体が放熱器６での放熱の滞留時間が第
１図の構造よりも長くなり、その分の放熱量が増える。

更に吐出弁７が開きある圧力に下がると逆止弁１１が開
くので、この下降時間においてバッファータンクＩＯ内
の流体が滞留して放熱しているので、弁８の効果と同様
に、第１図の構造より放熱量が増加する。

即ち放熱量の大小は、第１図で説明したごとく冷凍量と
ほぼ等価と考えられるので、冷凍量は各段に増え、例え
ば入力が１キロワツトで’１７にの冷凍温度で約１ワツ
トであったのが、本第２図の構造では、約４ワツトに増
加した。

尚、弁１．７の二つを、一つの電動や機械的に駆動され
るロータリー弁にすることも可能である。

第３図は本発明の主たる実施例で、吸入弁１と吐出弁７
を取り去り、更に圧縮機の代わりに図示しないが、クラ
ンクシャフト、カムなどによる機械的往復動やリニアー
モータにより往復動するピストン１２で圧縮空間１５内
の流体を圧縮・膨張させるような構造とした事が特長で
ある。

尚、この圧縮空間内には圧力がほぼ２０気圧の作動流体
が予かしめ封入されている。

ピストン１２は、誘導型や同期型のりニア−モーターの
ロータ一部２１と連結し固定され、ステイタ−１４との
電磁作用で往復動される。尚、図示しないが、この機構
にはホットトランジスター、その他を用いて電磁ピスト
ン（１２と２１による）の位置検出制御がされている。

また、電磁機構は同期型でも誘導型の何れでも本発明は
実施可能である。

１８はピストン・ローターの位置決めやピストン１２を
スムースに往復動させる為の流体やメカニカルスプリン
グによるピストン制御機構であり、膨張仕事を受けるこ
とによる発熱は、内部に残留する流体やこの機構と接触
する材料を介して熱伝導により冷凍機外部に放熱される
。

２０はビスントンリング、１９は流体溜、２２は流体供
給弁、１Ｂは放熱器で大気や他の被冷却流体１７に放熱
する。ここまでの機器が第２図の構造と変わるところで
ある。低温の発生機構は、ピストン１２がパルス的に上
死点に向かうと圧縮空間１５の流体及びパルス管５内の
流体は、それぞれ断熱的に圧縮され放熱器１Ｂと６で圧
縮熱を放出する。この時、圧縮空間１５の流体は蓄冷器
２で冷され、パルス管５内に入り、パルス管５内の流体
は断熱的に圧縮されて放熱器６で放熱し、ある圧力にな
ると開く逆止弁８よりバッファータンクＩＯ内に入る。

次にピストン１２が下死点にパルス的に向かうと、圧縮
空間１５の圧力が急に低下するので、逆止弁１１が開き
バッファータンク１０内の流体が圧縮空間１５に戻る。

この時バッファータンク１０内と圧縮空間１５内の流体
圧力との位相がずれる事により低温が得られる。即ち膨
張仕事をする。

放熱量に関しては、第２図の構造とほぼ同じであるが、
この方式では、ピストン１２の往復動作をリニアーモー
ターを使用する事によりサイン的に、或いは矩形波的に
駆動する事が可能であり、駆動周波数にもよるが機械振
動が多少増えても矩形波的に駆動すると５〜６ワツトの
冷凍量が得られる。

第４図は本発明の第３図の基本構造を元に改良した他の
実施例であり、バッファータンク１０の代わりに圧縮ピ
ストンの反圧縮空間側に可変容積のバッファー空間１０
−１とパルス管５を二つに分離した５−１と５−２を更
に、流量調整弁２３．２４を設けたことである。効率向
上からの大きな特長は、圧縮ピストン１２がパルス的に
上死点に向かうと圧縮空間１５やその他からのパルス的
に圧縮された流体が逆止弁８、放熱器６−１１流量調整
弁２３を通り可変容積のバッファー空間１０−１に入る
が、同時に圧縮ピストン１２を押し上げる仕事をするの
で、圧縮ピストン１２が流体を圧縮する動力は２０〜３
０％減ることである。

次に圧縮ピストン１２が下死点に向かうと、バッファー
空間ｌ０−１の流体が放熱器６−２、流量調整弁２４を
通り逆止弁１１よりパルス管５−２を通じて冷凍部３、
蓄冷器２、放熱器１８より圧縮空間１５に戻る。

さらにこの二つの流体の行程変化において、流量調整弁
２３．２４により流体流量が制御出来るので、所要冷凍
温度において最大になる冷凍量を得る事が出来る。実験
では７７Ｋにおいて最高８ワツトを得た。

尚、弁２５はピストン制御機構１８と共に、流体溜■９
の圧力及びピストン１２の背圧の調整を自動的に行って
ピストン１２をスムースに往復動作をするための機能を
持つ。

即ち、弁２５を介して可変空間１Ｏ−１に入る作動流体
の一部を流体溜１９に分離挿入することにより、流体圧
がローター下部２１の下面に作用し、圧縮ピストンの仕
事量を更に減少することが出来る。

又、作動流体を可変空間ｔｏ−１及び流体溜１９に吸排
出させることにより、ピストン１２及びロータ一部２１
に対する冷却効果を期待することが出来る。

第５図は、第４図の構造を元にして改良した更に他の実
施例の構造説明図で、１本又は複数の中央パルス管５−
３を軸中心にして、その同心円状に金属メツシュの数百
枚の積層その他の材料で構成された蓄冷器２−１を設け
た事が大きな特長で、第４図より単純化された構造であ
る。８−３は集約熱交換器であるが、逆止弁８の前に接
続しても、後でも良いが、後に接続すると断熱圧縮によ
る流体熱が弁を加熱して劣化を早める。

又、集約熱交換器Ｂ−３、放熱器ＩＢ−２は一体化した
放熱器にすることが可能であり、更に流量調整弁２３は
逆止弁８の前に接続しても後でも良いが、所要冷凍温度
を変える事が必要のない場合では、逆止弁のＣＶ値を一
定とし開閉圧力も正確に調整出来るようになれば設置し
なくとも良い。

本方式では、冷凍出力８〜１０ワツトが容易に得られた
。

尚、本発明の実施例の第２図〜第５図の蓄冷器及びパル
ス管は真空断熱されており、放熱器６゜１ｆ−１，８−
２の放熱量が充分数れる場合は、放熱器１８゜１８−１
．１８−２を単純で簡単な構造の空冷型か、或いは取り
除いて流体の圧力損失を無くすような構造にしても本発
明のパルス管式冷凍機の構造においては低温生成が可能
である。

［発明の効果］ 上記に述べたごとく、本発明は従来のパルス管式冷凍機
の部品数が少なく軽量コンパクトで且つ信頼性が高い長
所を損なうことなく、冷凍効率を極めて向上させること
が出来、効率のよい低温生成を可能とした。従って、従
来に増して軽量コンバトク化が可能となり、より安価な
冷凍機の提供が期待できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のパルス管式冷凍機の構造説明図、第２図
は本発明のパルス管式冷凍機の基本的構造説明図、第３
図は本発明の主たる実施例の構造説明図、第４図は本発
明の他の実施例の構造説明図、第５図は本発明の更に他
の実施例の構造説明図を示す。 図中矢印は流体の流れ方向を示す。 １・・・吸入弁、２・・・蓄冷器、３・・・冷凍部、４
・・・パルス管部分、５−１・・・流入側パルス管、５
−２・・・排出側パルス管、５−３・・・中央パルス管
、６・・・熱交換器、６−１・・・流入側熱交換器、６
−２・・・排出側熱交換器、８−３・・・集約熱交換器
、７・・・吐出弁、８・・・流入側逆止弁、９・・・流
量制御弁（図示せず）、ＩＯ・・バッファータンク、１
０−１・・・可変容量バッファ空間、１１・・・排出側
逆止弁、１２・・・ピストン、１３・・・リニアモータ
ーのローター、１４・・・ステイタ−１１５・・・圧縮
空間、１８・・・放熱器、１７・・・被冷却流体、１８
・・・スプリング、１９・・・流体溜、２０・・・ピス
トンリング、２１・・・リニア毛−グーのローター下部
、２２・・・流体供給弁、２３・・・流入側流量調整弁
、２４・・・排出側流量調整弁、２５・・・弁。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）蓄冷器、熱交換器、パルス管、冷凍部等から構成
   されるパルス管式冷凍機において、 パルス管冷凍機に内蔵された圧縮機の圧縮空間１５より
   の作動流体を、放熱器１８を介して蓄冷器２に入れ冷却
   し、更に前記冷凍部３、パルス管５などを通過させた後
   、ほぼ常温部にある熱交換器６で放熱させ、流入側逆止
   弁８と流量調整弁９又はその何れか一方を介してバッフ
   ァータンク１０に流入した後、再び排出用逆止弁１１と
   流量調整弁又はその何れか一方を介してパルス管５を通
   過させて冷凍部３で被冷却体を冷却し、更に前記蓄冷器
   ２で加熱した後、放熱器１８を介して前記圧縮空間１５
   に戻すことを特徴とするパルス管式冷凍機。
2. （２）前記バッファータンクが前記圧縮機の可変容量バ
   ッファ空間により少くとも構成されることを特徴とする
   請求項１記載のパルス管式冷凍機。
3. （３）前記１本又は複数のパルス管が複数の蓄冷器に取
   り囲まれるごとく配設されたことを特徴とする請求項２
   記載のパルス管式冷凍機。