JP2697694B2

JP2697694B2 - ダブルインレット型パルス管冷凍機

Info

Publication number: JP2697694B2
Application number: JP7174773A
Authority: JP
Inventors: 真一八束
Original assignee: 株式会社移動体通信先端技術研究所
Priority date: 1995-07-11
Filing date: 1995-07-11
Publication date: 1998-01-14
Anticipated expiration: 2015-07-11
Also published as: JPH0926218A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、被冷却体を極低温
に冷却するためのダブルインレット型パルス管冷凍機に
関するものであり、赤外線センサ等のセンサ類や超伝導
体等の冷却に用いて好適なものである。

【０００２】

【従来の技術】従来のダブルインレット型パルス管冷凍
機は、図５に示すごとき構成となっており、圧縮部１、
蓄冷器３、パルス管２、第１、第２の流量調整部４Ａ及
び４Ｂ、バイパス管５、バッファタンク６、冷却部８で
構成されている。これらの機器は圧縮部１、蓄冷器３、
冷却部８、パルス管２、第１の流量調整部４Ａ、タンク
６の順番に連結されている。また、バイパス管５は圧縮
部１と蓄冷器３の間の配管９と、パルス管２と第１の流
量調整部４Ａとの間の配管１０を連結しており、そして
このバイパス管２の途中に第２の流量調整部４Ｂが設け
られている。

【０００３】そして、上記各機器で構成される密閉空間
内に、Ｈｅ、Ａｒ、Ｎ₂、Ｏ₂、Ｈ₂、空気等の作動流
体（冷媒）が封入されており、圧縮部１で作動流体の圧
縮膨張を繰り返すことによって、冷却部８で極低温を生
成し、この冷却部８に密着配置された被冷却体（図示せ
ず）を極低温に冷却することができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、冷凍機の性
能の指標として冷凍効率が上げられるが、この種のパル
ス管冷凍機はまだ冷凍効率が低く、効率向上の余地があ
る。この冷凍効率を悪化させる原因として、圧縮部１で
圧縮された作動流体の圧縮熱が様々な形で冷却部８に伝
わることが挙げられる。

【０００５】特に、ダブルインレット型パルス管冷凍機
では、バイパス管５が中空に作られており、圧縮時に作
動流体が圧縮熱を保存したままバイパス管５から配管１
０を経てパルス管２に流入し、パルス管２の管壁に熱を
与えるので、この圧縮熱がパルス管２の管壁を伝わって
冷却部８に流入する。このように、作動流体の圧縮熱が
バイパス管５を通って、パルス管２より冷却部８に流入
するので、冷凍効率を悪化させている。

【０００６】本発明は上記点に鑑みて、ダブルインレッ
ト型パルス管冷凍機において、バイパス管及び流量調整
部を通過してパルス管内に流入する流体の熱を効果的に
除去することを目的とする。

【０００７】

【発明の概要】本発明は上記目的を達成するため、以下
の技術的手段を採用する。すなわち、請求項１記載の発
明では、ダブルインレット型パルス管冷凍機において、
バイパス管（５）に、圧縮部（１）で圧縮された作動流
体の圧縮熱を放熱する蓄熱器（７）を配置したことを特
徴としている。

【０００８】請求項２記載の発明では、バイパス管
（５）のうち、第２の流量調整部（４Ｂ）より圧縮部
（１）側の部位に蓄熱器（７）を配置したことを特徴と
している。請求項３記載の発明では、バイパス管（５）
のうち、第２の流量調整部（４Ｂ）よりパルス管（２）
側の部位に蓄熱器（７）を配置したことを特徴としてい
る。

【０００９】請求項４記載の発明では、バイパス管
（５）のうち、第２の流量調整部（４Ｂ）より圧縮部
（１）側の部位と、第２の流量調整部（Ｂ）よりパルス
管（２）側の部位の両方に、蓄熱器（７）を配置したこ
とを特徴としている。請求項５記載の発明では、蓄熱器
（７）に熱伝導性の良い材料で成形された放熱用のフィ
ン（７Ａ）を設けたことを特徴としている。

【００１０】請求項１〜５記載の発明によれば、バイパ
ス管（５）を流れる作動流体が蓄熱器（７）を通過する
際、蓄熱器（７）と作動流体との間で熱交換が行われ、
作動流体の圧縮熱が蓄熱器（７）に放出され、作動流体
が冷却される。従って、この冷却された後の作動流体が
パルス管（２）中に流入することになり、バイパス管
（５）側の作動流体の圧縮熱がパルス管（２）を経て冷
却部（８）に侵入するのを効果的に除去でき、冷凍効率
を向上できる。

【００１１】さらに、請求項５記載の発明では、蓄熱器
（７）に熱伝導性の良い材料で成形された放熱用のフィ
ン（７Ａ）を設けることにより、蓄熱器（７）の熱を外
部へ良好に放熱でき、冷凍効率をより一層向上できる。

【００１２】

【発明の実施の形態】

（第１の実施形態）図１は本発明によるダブルインレッ
ト型パルス管冷凍機の第１の実施形態を示すものであ
る。圧縮部１、蓄冷器３、パルス管２、第１、第２の流
量調整部４Ａ、４Ｂ、バイパス管５、バッファタンク
６、冷却部８、蓄熱器７で構成されている。これらの機
器は圧縮部１、蓄冷器３、冷却部８、パルス管２、第１
の流量調整部４Ａ、バッファタンク６の順番に連結され
ている。

【００１３】なお、蓄冷器３、冷却部８、およびパルス
管２は、外部との断熱のため、図示しない真空容器の内
部に配設されている。バイパス管５は、圧縮部１と蓄冷
器３の間の配管９と、パルス管２と第２の流量調整部４
Ｂの間の配管１０とを直接連結しており、このバイパス
管５の途中に第２の流量調整部４Ｂが設けられている。

【００１４】そして、上記各機器で構成される密閉空間
内に、Ｈｅ、Ａｒ、Ｎ₂、Ｏ₂、Ｈ₂、空気等の作動流
体（冷媒）が所定の高圧で封入されている。圧縮部１は
図示しない駆動機構により圧縮シリンダ１ａ内を往復動
する圧縮ピストン１ｂを有し、この圧縮ピストン１ｂの
往復動により圧縮シリンダ１ａ内で、上記作動流体を圧
縮、膨張させるものである。

【００１５】蓄冷器３はステンレス、銅、銅合金等から
なる金属網状体（金属メッシュ）を積層するか、もしく
はステンレス・鉛等の金属球等を密閉容器内に封入した
ものであり、その内部を流通する作動流体の膨張時の冷
熱を蓄冷するものである。従って、蓄冷器３の材質とし
ては、作動流体より十分熱容量が大きく、かつ熱伝導率
の比較的高い材料が望ましい。しかし、圧縮部１から作
動流体の圧縮熱が蓄冷器３を経て冷却部８側へ伝導する
のは極力抑制する必要があり、このためには、蓄冷器３
を金属網状体の積層構造により構成する場合、その積層
方向を作動流体の流れ方向と直角方向（図１の上下方
向）に設定することが好ましい。

【００１６】冷却部８は、銅、インジウム等の熱伝導率
の高い金属にて形成されており、蓄冷器３の一端部に配
設されている。この冷却部８の外壁面に被冷却体（超伝
導体等）を直接接触させて冷却するようになっている。
パルス管２はステンレス、チタン、チタン合金等からな
る薄肉金属パイプで構成されている。

【００１７】第１および第２の流量調整部４Ａ及び４Ｂ
は、流量調整用バルブもしくは所定の絞り量に相当する
直径を持った細管等で構成されている。バッファタンク
６は、圧縮部１の圧縮、膨張行程の変化に伴って、所定
の位相のずれを維持しながら作動流体が流入、流出する
ものである。蓄熱器７はステンレス、銅、銅合金等の熱
伝導率の高い高い金属からなる金属網状体（金属メッシ
ュ）を多数枚積層したもの、もしくはステンレス・鉛等
の金属球を詰めた構造から構成されており、前記蓄冷器
３と同様の材質で構成されている。

【００１８】この蓄熱器７は本例では第２の流量調整部
４Ｂの前後の２箇所に配設されている。蓄熱器７は図示
したように必ずしもバイパス管５より太くする必要はな
く、バイパス管５と同等もしくは細くても良い。従っ
て、蓄熱器７はバイパス管５中に挿入しても良い。ま
た、図１では蓄熱器７を四角い断面形状で示してある
が、蓄熱器７の形状としてテーパ状にしたり、曲線状に
してもよい。また、蓄熱器７は、金属網状体や金属球の
総表面積がなるべく大きくなるように、これらの隙間を
小さくした方が、作動流体の冷却効果を高めるためには
好ましい。しかし、蓄熱器７の隙間を小さくするつれ
て、作動流体の流通する際の抵抗が増大するので、蓄熱
器７の隙間は、作動流体の流通に対して大きな抵抗にな
らない程度に細かくするのがよい。

【００１９】また、蓄熱器７を、金属網状体（金属メッ
シュ）の積層構造により構成する場合には、圧縮部１か
ら作動流体の圧縮熱が蓄熱器７を経てパルス管２側へ伝
導するのを抑制するため、蓄熱器７の金属網状体の積層
方向を作動流体の流れ方向と直角方向（図１の上下方
向）に設定することが好ましい。次に、上記構成におい
て第１の実施形態における作動を説明すると、圧縮部１
の圧縮シリンダ１ａ内の容積が減少する圧縮行程では、
圧縮シリンダ１ａ内で圧縮された作動流体が配管９に移
行し、ここで分岐されて、作動流体は蓄冷器３側とバイ
パス管５側の両方へ移行する。

【００２０】ところで、圧縮行程により生じた作動流体
の圧縮熱の一部は配管９の外表面において外部へ放出さ
れ、ここで作動流体の温度が低下する。また、蓄冷器３
内に移行した作動流体は、前回までのサイクルで低温に
なっている蓄冷器３により更に冷却される。一方、バイ
パス管５に流入した作動流体は、蓄熱器７通過する際、
蓄熱器７と熱交換を行い、作動流体の圧縮熱が蓄熱器７
に放出されるので、ここでも作動流体は冷却される。

【００２１】そして、この冷却された後の作動流体がバ
イパス管５より配管１０、パルス管２側へ移行するた
め、バイパス管５側の作動流体の圧縮熱がパルス管２の
管壁に伝達することを効果的に除去できる。次に、圧縮
部１の圧縮シリンダ１ａ内の容積が増大する膨張行程で
は、作動流体がパルス管２内で断熱膨張し、温度低下す
る。この温度低下した作動流体により冷却部８を冷却す
る。また、作動流体は蓄冷器３側にも移行して、蓄冷器
３を冷却する。

【００２２】更に、上記膨張行程において、作動流体の
一部がバイパス管５側にも移行し、蓄熱器７も冷却す
る。以上のようにして、圧縮行程において、作動流体の
圧縮熱がパルス管２の管壁を伝わり冷却部８に侵入する
を防止でき、圧縮熱に起因する冷凍効率の悪化を防止で
きる。（第２の実施形態）図２は本発明の第２の実施形態を示
すもので、バイパス管５のうち、蓄熱器７を第２の流量
調整部４Ｂと圧縮部１側の配管９との間のみに配置する
構成としたものである。（第３の実施形態）図３は本発明の第３の実施形態を示
すもので、バイパス管５のうち、蓄熱器７を第２の流量
調整部４Ｂとパルス管２側の配管１０との間のみに配置
する構成としたものである。（第４の実施形態）図４は本発明の第４の実施形態を示
すもので、蓄熱器７の外表面に銅もしくはステンレス等
の熱伝導性の良い金属で形成された板状の放熱フィン７
Ａを複数枚設けて、蓄熱器７から外部への放熱性を向上
させるようにしたものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態を示すパルス管冷凍機
の全体構成図である。

【図２】本発明の第２の実施形態を示すパルス管冷凍機
の全体構成図である。

【図３】本発明の第３の実施形態を示すパルス管冷凍機
の全体構成図である。

【図４】本発明の第４の実施形態を示すパルス管冷凍機
の全体構成図である。

【図５】従来のパルス管冷凍機の全体構成図である。

【符号の説明】

１…圧縮部、２…パルス管、３…蓄冷器、４Ａ、４Ｂ…
流量調整部、５…バイパス管、６…バッファタンク、７
…蓄熱器、８…冷却部、９、１０…配管。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】圧縮部（１）、蓄冷器（３）、冷却部
（８）、パルス管（２）、第１の流量調整部（４Ａ）、
およびバッファタンク（６）をこれらの順番に連結する
とともに、前記圧縮部（１）と前記蓄冷器（３）との間を、バイパ
ス管（５）を通して直接、前記パルス管（２）と前記第
１の流量調整部（４Ａ）との間に連結し、前記バイパス管（５）に第２の流量調整部（４Ｂ）を配
置するダブルインレット型パルス管冷凍機において、前記バイパス管（５）に、前記圧縮部（１）で圧縮され
た作動流体の圧縮熱を放熱する蓄熱器（７）を配置した
ことを特徴とするダブルインレット型パルス管冷凍機。
【請求項２】前記バイパス管（５）のうち、前記第２
の流量調整部（４Ｂ）より前記圧縮部（１）側の部位に
前記蓄熱器（７）を配置したことを特徴とする請求項１
に記載のダブルインレット型パルス管冷凍機。
【請求項３】前記バイパス管（５）のうち、前記第２
の流量調整部（４Ｂ）より前記パルス管（２）側の部位
に前記蓄熱器（７）を配置したことを特徴とする請求項
１に記載のダブルインレット型パルス管冷凍機。
【請求項４】前記バイパス管（５）のうち、前記第２
の流量調整部（４Ｂ）より前記圧縮部（１）側の部位
と、前記第２の流量調整部（４Ｂ）より前記パルス管
（２）側の部位の両方に、前記蓄熱器（７）を配置した
ことを特徴とする請求項１に記載のダブルインレット型
パルス管冷凍機。
【請求項５】前記蓄熱器（７）に熱伝導性の良い材料
で成形された放熱用のフィン（７Ａ）を設けたことを特
徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載のダブ
ルインレット型パルス管冷凍機。