JPH05288417A - 冷凍装置 - Google Patents

冷凍装置

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JPH05288417A
JPH05288417A JP8551092A JP8551092A JPH05288417A JP H05288417 A JPH05288417 A JP H05288417A JP 8551092 A JP8551092 A JP 8551092A JP 8551092 A JP8551092 A JP 8551092A JP H05288417 A JPH05288417 A JP H05288417A
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JP
Japan
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pulse tube
displacer
compressor
regenerator
heat exchanger
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Pending
Application number
JP8551092A
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English (en)
Inventor
Kazuo Ikegami
和男 池上
Masato Osumi
正人 大隅
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Sanyo Electric Co Ltd
Original Assignee
Sanyo Electric Co Ltd
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Publication date
Application filed by Sanyo Electric Co Ltd filed Critical Sanyo Electric Co Ltd
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Publication of JPH05288417A publication Critical patent/JPH05288417A/ja
Pending legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • F25B9/14—Compression 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
    • F25B9/145—Compression 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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2309/00—Gas cycle refrigeration machines
    • F25B2309/14—Compression machines, plants or systems characterised by the cycle used 
    • F25B2309/1408—Pulse-tube cycles with pulse tube having U-turn or L-turn type geometrical arrangements
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F25B2309/00—Gas cycle refrigeration machines
    • F25B2309/14—Compression machines, plants or systems characterised by the cycle used 
    • F25B2309/1417—Pulse-tube cycles without any valves in gas supply and return lines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、小型で冷凍能力の高く、且つ容易
に所望の冷凍温度に設定可能な極低温用の冷凍装置を提
供するものである。 【構成】 パルスチューブ7を利用した冷凍装置おい
て、パルスチューブ7の高温端21内に設けられ、支持
ばね24にて往復移動可能に支持されたディスプレーサ
22を備え、該ディスプレーサ22がコンプレッサ1の
駆動周波数と同一周波数にて振動するように、前記ディ
スプレーサ22の重量、及び直径、並びに前記支持ばね
24のばね定数を設定したものである。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、パルスチューブを利用
して100K(−173℃)以下の極低温を実現する冷
凍装置に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、この種の冷凍装置として図2に示
すものがある。
【0003】同図において1は内部に20K以下の極低
温にて液体状態となるガス状冷媒、例えばヘリウムが充
填されたコンプレッサであり、シリンダ2内にピストン
3が移動可能に設けられている。4はコンプレッサ1に
第1パイプ5を介して連結された蓄冷器であり、内部に
銅や鉛等の蓄冷材6を充填している。7は蓄冷器4に第
2パイプ8を介して連結されたパルスチューブであり、
ステンレス鋼より形成されている。9は100K以下の
極低温を取り出すための低温取出用熱交換器であり銅な
どの熱伝導性の高い材料からなり、第2パイプ8の途中
に設けられている。10はパルスチューブ7に第3パイ
プ11を介して連結されたバッファタンクであり、第3
パイプ11の途中にニードル弁等のオリフィス弁12が
設けられている。13は蓄冷器4のコンプレッサ1側端
部に設けられた放熱用熱交換器、14はパルスチューブ
7のバッファタンク10側端部に設けられた放熱用熱交
換器であり、水冷式あるいは空冷式の放熱フィンが用い
られている。また、これらの材料としては熱伝導率の高
い銅等が用いられている。
【0004】尚、蓄冷器4、低温取出用熱交換器9、パ
ルスチューブ7、及びこれらを連結する第2パイプ8は
真空チャンバ(真空度10-4torr以下)15に収納され
ている。
【0005】上記の構成においてピストン3の図2下方
向への移動による圧縮過程においてコンプレッサ1で圧
縮したガス状冷媒は、放熱用熱交換器13及び蓄冷器4
を通る間に冷却されてパルスチューブ7内に流入し、こ
のパルスチューブ7内の残留冷媒は圧縮されてその圧縮
熱が放熱用熱交換器14に放熱され、さらに冷媒がオリ
フィス弁12を通る間に断熱膨張により冷却されてバッ
ファタンク10内に流入する。
【0006】その後、ピストン3の図2上方向への移動
による膨張過程においてコンプレッサ1内へガス状冷媒
を吸引動作することでバッファタンク10内に蓄積され
たガス状冷媒を復帰移動させ、これをパルスチューブ7
内で断熱膨張させ、更に低温化させて低温取出用熱交換
器9及び蓄冷器4を冷却してコンプレッサ1に帰還させ
る。
【0007】このようにガス状冷媒の往復移動サイクル
を繰り返すことにより、低温取出用熱交換器9にて極低
温を得るようにしたものである。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の冷凍装置では、バッファタンク10とパルスチュー
ブ7とを往復移動するガス状冷媒の量は、最大の冷凍効
果が得られるようにオリフィス弁12の絞り量により調
節されているが、これにより得られる冷凍温度はバッフ
ァタンク10の容積によって限られてしまい、冷凍能力
の向上を図るためにはバッファタンク10の容積を大き
くする必要があった。このため、冷凍装置全体の大型化
を招来していた。
【0009】また、バッファタンク10の容積を大きく
設定し、オリフィス弁12の絞り量を最適に調節させた
場合でも、コンプレッサ1の駆動周波数は7(Hz)程度が
限度であり、その際、得られる冷凍温度は50K程度と
なり、これ以上冷凍能力を向上させることはできなかっ
た。
【0010】更に、コンプレッサ1の駆動周波数を変更
させ他の冷凍温度に設定する際、バッファタンク10の
交換を必要とする場合があり、容易に冷凍温度を変更す
ることができなかった。
【0011】本発明は斯かる従来技術の問題点に鑑みて
なされたものであって、小型で冷凍能力の高く、且つ容
易に所望の冷凍温度に設定可能な極低温用の冷凍装置を
提供するものである。
【0012】
【課題を解決するための手段】本発明は、パルスチュー
ブを利用した冷凍装置おいて、パルスチューブの高温端
内に設けられ、支持ばねにて往復移動可能に支持された
ディスプレーサを備え、該ディスプレーサがコンプレッ
サの駆動周波数と同一周波数にて振動するように、前記
ディスプレーサの重量、及び直径、並びに前記支持ばね
のばね定数を設定したものである。
【0013】
【作用】本発明によれば、パルスチューブの高温端内に
設けられたディスプレーサの重量、及び直径、並びに支
持ばねのばね定数を調整するのみで、コンプレッサの駆
動周波数を所望の値に設定でき、容易に冷凍能力の変
更、及び向上を図ることができる。
【0014】
【実施例】以下本発明の冷凍装置の一実施例を図1に基
づいて説明する。尚、前述の従来例と同じ構成について
は同一符号を付して示している。
【0015】同図において、1はコンプレッサーで、シ
リンダー2の内部に往復動型のピストン3を収納し、内
部にガス状冷媒としてヘリウムを充填している。4はコ
ンプレッサ1に第1パイプ5を介して配管接続された蓄
冷器で、鉛や銅などからなる蓄冷材6を収納している。
7は蓄冷器4に第2パイプ8を介して連結されたパルス
チューブであり、ステンレス鋼より形成されている。9
は100K以下の極低温を取り出すための低温取出用熱
交換器であり銅などの熱伝導性の高い材料からなり、第
2パイプ8の途中に設けられている。
【0016】パルスチューブ7の高温端21には、放熱
用熱交換器14の他に、高温端21の内部にディスプレ
ーサ22が収納され、ディスプレーサ22が高温端21
内で往復移動可能なように、支持ばね24の両端が高温
端21に固着されたばね止め23とディスプレーサ22
の背面とに嵌着されている。
【0017】ディスプレーサ22は、ピストン3の振動
に伴って、ピストン3と同じ周波数で、かつ異なった位
相で振動するよう調整されている。
【0018】本実施例においては、冷凍能力を向上させ
るため、ピストン3を20〜30(Hz)で駆動させ、同じ
周波数(以下、共振周波数と略記する)でディスプレー
サ22が振動するように、ディスプレーサ22の重量、
直径、及び支持ばね24のばね定数が設定されている。
【0019】尚、この設定値の算出には、スターリング
冷凍装置において用いられている、共振周波数算出の実
験式を用いて行った。以下にその式を示す。
【0020】
【数1】
【0021】数1において、圧力振幅Pa、ディスプレ
ーサ22のストロークSt、及び位相差αについては、
パルスチューブ冷凍装置において一般に良く用いられる
値、つまりPa=3〜4(kg/cm2)、St=5〜15(mm)、
α=100〜120(度)とし、封入ガス状冷媒の圧力を
10〜20(kg/cm2)とした。
【0022】そして、共振周波数が20〜30(Hz)とな
るように、ディスプレーサ22の質量m、直径、及び支
持ばね24のばね定数kaの最適値を、数1から算出し
た。
【0023】具体的には、質量mを60〜100(g)、
直径を10〜15(mm)、ばね定数kaを4〜5(kg/cm)に
設定した。尚、支持ばね24にはステンレス鋼を用いて
いる。
【0024】次に、上記構成における冷凍装置の動作に
ついて説明する。
【0025】圧縮過程において、ピストン3によりコン
プレッサ1を圧縮動作させると、圧縮されたガス状冷媒
はその圧縮熱を放熱用熱交換器13と蓄冷器4にて放熱
してパルスチューブ7に流入し、このパルスチューブ7
内の残留冷媒を圧縮する。そしてパルスチューブ7内で
の圧縮熱を放熱用熱交換器14で放熱する。この時、パ
ルスチューブ7内の残留冷媒の圧力変動によりディスプ
レーサ22を図1上方向へ押し上げ、そのディスプレー
サ22の変位量に相当する容積のガス状冷媒がパルスチ
ューブ7の高温端21に流入する。
【0026】その後、膨張過程においてピストン3によ
りコンプレッサ1を吸引動作すると、パルスチューブ7
内でガス状冷媒が減圧膨張される。そして、ピストン3
の振動に伴って、若干遅れてディスプレーサ22が図1
下方向に移動し、ガス状冷媒はパルスチューブ7の高温
端21から復帰移動して、低温取出用熱交換器9、及び
蓄冷器4を冷却してコンプレッサ1に戻る。
【0027】以上のガス状冷媒の往復サイクルを20〜
30(Hz)の駆動周波数で繰り返すことにより、短時間の
間にガス状冷媒と各熱交換器9,13,14との熱交換
が頻繁に行われることになり、この結果、低温取出用熱
交換器9に約40K(−233℃)の極低温が得られる
ことが確認された。
【0028】尚、上記実施例では、共振周波数が20〜
30(Hz)の場合について説明したが、その他の冷凍温度
に設定する場合には、共振周波数を適宜変更し、その値
に応じてディスプレーサ22の重量、直径、及び支持ば
ね24のばね定数が設定することにより、同様の効果を
奏することができる。
【0029】
【発明の効果】以上述べた通り本発明によれば、パルス
チューブの高温端内に設けられたディスプレーサの重
量、及び直径、並びに支持ばねのばね定数を調整するの
みで、コンプレッサの駆動周波数を所望の値に設定で
き、容易に冷凍能力の変更、及び向上を図ることができ
る。
【0030】従って、小型で冷凍能力の高く、且つ容易
に所望の冷凍温度に設定可能な極低温用の冷凍装置を実
現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例を示す冷凍装置のシステム構
成図である。
【図2】従来の冷凍装置のシステム構成図である。
【符号の説明】
1 コンプレッサ 2 シリンダ 3 ピストン 4 蓄冷器 7 パルスチューブ 9 低温取出用熱交換器 10 バッファタンク 12 オリフィス弁 13,14 放熱用熱交換器 15 真空チャンバ 21 高温端 22 ディスプレーサ 23 ばね止め 24 支持ばね

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】内部にガス状冷媒が充填されたコンプレッ
    サと、蓄冷材が充填された蓄冷器と、中空のパルスチュ
    ーブとをパイプを介して直列に連結し、前記パルスチュ
    ーブの高温端に設けられた放熱用熱交換器と、前記蓄冷
    器とパルスチューブとの間に低温取出用交換器とを設け
    ている冷凍装置において、 前記高温端内に設けられ、支持ばねにて往復移動可能に
    支持されたディスプレーサを備え、 該ディスプレーサが前記コンプレッサの駆動周波数と同
    一周波数にて振動するように、前記ディスプレーサの重
    量、及び直径、並びに前記支持ばねのばね定数を設定し
    たことを特徴とする冷凍装置。
JP8551092A 1992-04-07 1992-04-07 冷凍装置 Pending JPH05288417A (ja)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP8551092A JPH05288417A (ja) 1992-04-07 1992-04-07 冷凍装置

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JP8551092A JPH05288417A (ja) 1992-04-07 1992-04-07 冷凍装置

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JPH05288417A true JPH05288417A (ja) 1993-11-02

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ID=13860929

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JP8551092A Pending JPH05288417A (ja) 1992-04-07 1992-04-07 冷凍装置

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JP (1) JPH05288417A (ja)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN100432572C (zh) * 2004-03-30 2008-11-12 普莱克斯技术有限公司 带有频率调制机械共振器的深冷冷却器系统及其操作方法
CN103808056A (zh) * 2014-01-23 2014-05-21 浙江大学 回收声功的脉管和j-t节流复合型低温制冷机
WO2023211563A1 (en) * 2022-04-25 2023-11-02 The Regents Of The University Of Colorado, A Body Corporate Dynamic acoustic impedance matching for cryocoolers

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