JP2010025411A

JP2010025411A - 熱交換器およびパルス管冷凍機

Info

Publication number: JP2010025411A
Application number: JP2008186126A
Authority: JP
Inventors: Keiji Oshima; 恵司大嶋; Shin Matsumoto; 伸松本; Yoshinori Mizoguchi; 義則溝口
Original assignee: Fuji Electric Systems Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2008-07-17
Filing date: 2008-07-17
Publication date: 2010-02-04

Abstract

【課題】熱交換器と蓄冷器の境界における圧力損失の低減して圧力振幅を大きくし、かつ、圧縮比の低下を抑制することにより、冷凍機能力の向上を目的とする。
【解決手段】熱交換器において円柱形状または円筒形状で構成され、円柱または円筒の端面における同心円上に複数の貫通孔を設け、少なくとも円柱または円筒の一の端面に貫通孔を連通する溝を設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、作動ガスと熱交換を行う熱交換器、および、この熱交換器が搭載されるパルス管冷凍機に関する。

液体窒素温度のような極低温を発生する小型の極低温冷凍機としては、パルス管冷凍機等がよく知られている。
図４は同軸型パルス管冷凍機の構成図である。パルス管冷凍機は、圧縮機１、放熱器２、蓄冷器３、コールドヘッド４、パルス管５および位相制御機構６から構成されており、これの冷凍作用発生原理は、以下の通りに理解されている。

この冷凍機の内部に封入されている作動ガス（例えばヘリウムガス）は、所定の周波数で往復運動する圧縮機１によって繰り返し圧縮と膨張が行われる。まず、圧縮機１の圧縮過程によって圧縮熱を発生した作動ガスは、放熱器２で熱交換器２１を介して圧縮熱を外部に放出する（断熱圧縮行程）。圧縮された作動ガスは、蓄冷器３およびコールドヘッド４を通ってパルス管５に流入する（等温行程）。パルス管５においては、作動ガスは膨張して寒冷を発生する（断熱膨張行程）。この際、位相制御機構６によって、作動ガスの圧力と流速との位相が調整される。位相制御機構６はイナータンスチューブ６１とバッファータンク６２とで構成されており、作動ガスはこの中をほぼ正弦波的な圧力振幅を伴って流れる。電気回路に例えると、イナータンスチューブ６１はインダクタンスおよび抵抗のインピーダンス成分に相当し、バッファータンク６２はキャパシタンス成分に相当する。上記のようにして発生した寒冷によりコールドヘッド４から吸熱する。次に、圧縮機１の膨張過程においては、パルス管５で冷却された作動ガスが、蓄冷器３と準静的に熱交換しながら放熱器２を通って圧縮機１に戻ってくる（等温行程）。以上の４つの工程を繰り返すことによって、コールドヘッド４は極低温まで冷却される。

従来技術においては、このような冷凍機に使われている放熱器２の熱交換器２１は、図５（ａ）および図５（ｂ）のように、銅などの熱抵抗の小さい材料で円筒リング部に軸方向に多数の貫通孔２１１を設けた形状を有している。熱交換器の円筒外周面は、放熱器２に一体的に接合され放熱経路を構成している。一方、円筒内周面にはパルス管が差し込まれているが、熱的に結合されていない方が良く、適切なクリアランスがあっても良い。円筒端面部は、片方を圧縮機の接続管と結合した空間２２に、他端を蓄冷器３に接している。圧縮機側から流入する作動ガスの熱を多数の貫通孔２１１の表面で熱交換し、放熱器２に設けたフィン２３で外部空間に放熱する機能を有している。

この種の冷凍機の熱交換器としては、特許文献１に記載されているものがよく知られている。
特開２００２−２５７４２８号公報

上記した従来型同軸パルス管冷凍機において、熱交換器は圧損が小さく熱交換表面積を大きく取れるように、円筒状の銅ブロックに小径の貫通孔２１１を多数個設けて、開口率４０％程度にしたものが一般的に採用されている。一方、蓄冷器３はリング状に成形したステンレス金網３１などを蓄冷材として積層し、作動ガスの流れ方向に抵抗が大きく、作動ガスの流れと直角方向の抵抗が小さくなるように構成している。具体的には、３００〜５００メッシュで開口率７０〜８０％程度のもので構成している。

図６（ａ）および図６（ｂ）に示すように、熱交換器２１と蓄冷器３の接触部では熱交換器の貫通孔２１１を蓄冷器の蓄冷材を構成しているステンレス金網３１で塞ぐこととなり、実質の開口率は、３０％程度に低下することになる。このため、圧力損失が大きくなり、極低温発生に寄与する圧力振幅が小さくなり効率が低下するという課題があった。
一方、単純に熱交換器２１と蓄冷器３との間に一定の隙間を設けて開口率を確保するということも行われている。しかし、当該方法の場合には、圧縮機１から蓄冷器３の入口までの空間が圧縮機１のピストンによる作動ガスの圧縮空間として機能するため、作動ガスの圧縮比が低下して冷凍機の能力（効率）が下がるという問題が発生する。

そこで、本発明は、熱交換器と蓄冷器の境界における圧力損失を低減して圧力振幅を大きくし、かつ、圧縮比の低下を抑制することにより、冷凍機能力の向上させることを目的とする。

上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、円柱形状または円筒形状で構成され、円柱または円筒の軸方向に作動ガスを通流させる複数の貫通孔を設け、少なくとも円柱または円筒の一の端面に複数の貫通孔を連通する溝を設けたこと、を特徴とする。
請求項２に係る発明は、請求項１に係る熱交換器において、複数の貫通孔を複数の同心円上に設けることを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項１または請求項２に記載の熱交換器において、溝を円状に設けることを特徴とする。
請求項４に係る発明は、請求項１乃至３に記載の熱交換器において、溝がＶ溝であることを特徴とする。
請求項５に係る発明は、圧縮機、蓄冷器、低温端、パルス管、高温端および位相制御部により流路を形成し、流路を流れる作動ガスの熱交換により低温端に寒冷を発生するパルス管冷凍機において、請求項１〜請求項４の何れか一項に記載の熱交換器を、溝を有する端面が蓄冷器の高温端側となるように配置することを特徴とするパルス管冷凍機。

この発明によれば、熱交換器の貫通孔の軸方向に蓄冷器の蓄冷材が位置していても作動ガスの流通経路が確保されるため、作動ガスの圧力損失による圧力振幅の低下を抑制でき、冷凍能力の向上を図れる。一方で、圧縮空間の増加による冷凍機能力の低下を必要最小限に抑えることができる。さらに、Ｖ溝とすることにより、熱交換器と蓄冷器との境界部における流体抵抗を低減させることにより、熱交換特性の向上と流体抵抗損失の低減を図ることもできる。

以下、本発明の実施形態について図面に基づいて説明する。なお、本発明においては、熱交換器２１以外の構成は従来技術と同様の構成であるため、熱交換器以外の部分の説明は省略する。
図１は本発明に係る熱交換器を同軸パルス管冷凍機に適用した図である。図１（ａ）は平面図であり、図１（ｂ）は断面図である。図２は、図１（ｂ）のＤ部の詳細図である。

熱交換器２１は、銅等のような熱伝導性の高い材質で円筒形状に形成されている。さらに、円筒の軸と中心が一致する同心円上に複数の小さな貫通孔２１１が設けられている。つまり、貫通孔２１１の中心が同心円上に位置するように形成されている。当然に、図１（ａ）に示すように、複数の同心円上に小さな貫通孔２１１を設けることができる。このように多重に貫通孔２１１を設けることで、熱交換器の開口率を向上するとともに熱交換する表面積を増大させている。

さらに、熱交換器２１の円筒の少なくとも一の端面には、貫通孔２１１を設けた同心円と一致するようにＶ溝２１２を形成している。具体的には、図１および図２に示すようにＶ形状の凹部先端と貫通孔中心が一致するようにＶ溝２１２を多重に形成してもよい。また、溝は貫通孔２１１の一部でも連通すれば良く、貫通孔の中心と溝中心が必ずしも一致する必要はない。

図３は熱交換器の一部の拡大図である。図３（ａ）は拡大された平面図であり、図３（ｂ）はその断面図である。図３（ｂ）のＥ−Ｅ断面図のように、熱交換器の貫通孔２１１の上側に蓄冷機の蓄冷材であるステンレス金網３１が位置する場合でも、図３（ａ）の平面図に示すようにＶ溝２１２により溝方向に作動ガスが拡散する。よって、図６に示された従来の熱交換器に比べて蓄冷器との境界面における圧力損失を著しく低減することができる。

さらに、Ｖ溝は必要な深さや幅にて加工が可能であるために作動ガスの圧縮空間の拡大を最小限度に抑えることが可能であり、単純に熱交換器と蓄冷器との境界に空間を設けるのに比べて圧縮比低下による冷凍能力低減を抑制できる。
また、Ｖ溝とすることで、貫通孔端部の形状係数が改善されることで、熱交換器全体としての圧力損失が小さくなって冷凍機の効率が向上することになる。

なお、溝はＶ溝形状に限定されず、半円状や四角形等の各種断面形状を有する溝でもよい。また、貫通孔２１１を熱交換器２１の円中心に放射線状に配置し、かつ、溝も放射線上に形成しても良い。
本実施例においては蓄冷機側のみに溝を設けているが、もちろん空間２２側にも溝を設けて良い。

上記は同軸パルス管冷凍機およびその熱交換器に基づいて説明したが、本発明は同軸パルス管冷凍機およびその熱交換器に限定したものではなく、Ｕ字リターン型パルスチューブ冷凍機および直列型パルスチューブ冷凍機においても、熱交換器を円柱形状とすることにより当然適用できる。

本発明に係る熱交換器を同軸型パルス管冷凍機に適用した場合の図である。図１に示すＤ部の拡大図である。本発明に係る熱交換器と蓄冷器の蓄冷材である金網との位置関係を示した図である。同軸型パルス管冷凍機の構成図である。従来の熱交換器の図である。従来の熱交換器と蓄冷器の蓄冷材である金網との位置関係を示した図である。

符号の説明

１圧縮器
２放熱器
２１熱交換器
２１１貫通孔
２１２Ｖ溝
３蓄冷機
３１金網
４コールドヘッド
５パルス管
６位相制御部

Claims

円柱形状または円筒形状で構成され、
円柱または円筒の軸方向に作動ガスを通流させる複数の貫通孔を設け、
少なくとも円柱または円筒の一の端面に複数の貫通孔を連通する溝を設けたこと、
を特徴とする熱交換器。
請求項１に係る熱交換器において、複数の貫通孔を複数の同心円上に設けることを特徴とする熱交換器。
請求項１または請求項２に記載の熱交換器において、溝を円状に設けることを特徴とする熱交換器。
請求項１乃至３に記載の熱交換器において、溝がＶ溝であることを特徴とする熱交換器。
圧縮機、蓄冷器、低温端、パルス管、高温端および位相制御部により流路を形成し、流路を流れる作動ガスの熱交換により低温端に寒冷を発生するパルス管冷凍機において、
請求項１乃至請求項４の何れか一項に記載の熱交換器を、溝を有する端面が蓄冷器の高温端側となるように配置することを特徴とするパルス管冷凍機。