JP2749550B2 - パルス管冷凍機 - Google Patents

パルス管冷凍機

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JP2749550B2 JP8040831A JP4083196A JP2749550B2 JP 2749550 B2 JP2749550 B2 JP 2749550B2 JP 8040831 A JP8040831 A JP 8040831A JP 4083196 A JP4083196 A JP 4083196A JP 2749550 B2 JP2749550 B2 JP 2749550B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、パルス管冷凍機、
詳しくは、パルス管の高温端部に位相差調節機構(phas
e shifter)を持たせた、オリフィス型又はダブルイン
レット型パルス管冷凍機に関する。
【0002】
【従来の技術】図3はオリフィス型パルス管冷凍機の構
成図である。この図において、1は所定の周波数で往復
動するピストン1aを含む圧縮機、2は積層メッシュプ
レートなどの蓄冷手段を内蔵する蓄冷器、3はパルス
管、5はパルス管3の高温端部3aにオリフィス4を介
して接続されたバッファタンクであり、オリフィス4及
びバッファタンク5は、流体変位の進行波成分を増加さ
せるための位相差調節機構を構成する。
【0003】ここで、次の用語を定義したうえで、オリ
フィス型パルス管冷凍機の原理を説明する。 <流体変位>流体変位とは、パルス管又は蓄冷器内の微
小体積の流体(例えばヘリウム;He)の変位をいう。
図4は流体変位の模式図である。図4では、簡単化のた
めに、蓄冷器の軸方向変位(1次元モデル)のみを示
し、例えば、パルス管部での微小体積は、厚さのきわめ
て薄い円盤形状をしていると想定する。なお、以下の説
明では、蓄冷器の熱容量は十分に大きく、流体との間の
熱の授受に伴う温度変化は無視でき、かつ、蓄冷器の温
度分布は一様であると考える。 <等温圧縮・等温膨張>蓄冷器内での流体の圧縮は等温
圧縮、膨張は等温膨張である。圧縮の際に発生する熱は
全て蓄冷器に吸収され、流体は、膨張の際に蓄冷器より
熱を吸収する。 <定在波・進行波>パルス管冷凍機内の流体変位のう
ち、圧力と同位相の成分を定在波と呼び、圧力に対して
90度位相の遅れている成分を進行波と呼ぶ。定在波は
圧縮膨張に関与する流体変位、進行波は圧縮膨張に関与
しない流体変位である。
【0004】図5はパルス管冷凍機の熱移動の原理説明
図であり、図中の吹き出し内に記載した二つのグラフ
は、蓄冷器内の微小体積の流体(図中では微小部分)の
サイクルを示し、詳しくは、右側のグラフは進行波がな
い場合の圧力と流体変位のサイクル軌跡を模式的に示
し、また、左側のグラフは進行波がある場合の定在波の
節(振幅ゼロの点)の位置における圧力と流体変位のサ
イクル軌跡を模式的に示している。なお、グラフの横軸
は流体変位、縦軸は圧力である。
【0005】右側のグラフに示すように、圧縮・膨張時
における圧力−変位軌跡が直線状であれば、圧縮時に流
体が蓄冷器に預けた熱は膨張時に流体に奪われるため、
一周期平均でみると熱の変位方向の移動はないが、熱の
移動の一部が不可逆であれば、圧縮時に流体が壁に与え
た熱は、完全には流体に戻ってこない。流体は振動して
いるため、ある条件下では、熱が残ってしまう場所と熱
が奪い去られてしまう場所ができてしまう。右側のグラ
フでは、低圧部から高圧部へ熱が移動する。
【0006】ところで、流体の圧縮する場所と膨張する
場所が蓄冷器内で異なるならば、可逆・不可逆にかかわ
らず、熱は、膨張する場所から圧縮される場所へ移動す
ることになる(但し断熱を除く)。左側のグラフでは、
流体変位は余弦波、圧力振幅は正弦波で移動すると仮定
している。すなわち、この場合の流体変位は進行波のみ
になる。この場合を例にすると、流体変位の中心(変位
0)を境に左側では圧縮、右側では膨張が起こり、流体
を介して熱が右から左へ移動する。パルス管蓄冷機内の
各所でこの現象が起こることにより、熱が低温部(右
端)から高温部(左端)へ運ばれていく。これが現時点
で理解されているオリフィス型パルス管冷凍機の原理で
ある。
【0007】ダブルインレット型のパルス管冷凍機は、
冷凍機の損失を抑えるため、オリフィス型の構成に、定
在波の節の位置を調節して流体変位の振幅を小さくする
ための手段を加えたものである。図6において、圧縮機
1の吐出口とパルス管3の高温端部3aとの間を連通す
る通路6及び該通路6の流量を調節するバルブ7は、そ
の手段である。
【0008】冷凍機の損失については、例えば、低温工
学会発行の低温工学 Vol.26No.1(199
1)p30〜p36に記載の「蓄冷器の熱音響理論」に
詳しい。蓄冷器中の総熱流束Qは、進行波成分による熱
流束Qprogと、定在波成分による熱流束Qstandと、流
体の往復運動による熱流束QDとの和(Q=Qprog+Q
stand+QD)であり、損失はQstandとQDであるが、進
行波型冷凍機の蓄冷器では、普通、Qstandによる損失
を無視できるから、蓄冷器損失はQDだけと考えて差し
支えない。QDは流体変位(定在波と進行波をベクトル
合成したものすなわち2乗和の平方)の2乗に比例する
熱侵入で、QDはシャトル損失とも呼ばれる。
【0009】ダブルインレット型パルス管冷凍機では、
定在波の節の位置を調節して流体変位の振幅を小さくす
ることにより、上述のシャトル損失QDを低減する。す
なわち、ダブルインレット型では、パルス管3(及び蓄
冷器2)内部の流体が両側から圧縮・膨張させられるた
め、例えば、バルブ7の開度を大きくすると、定在波の
節の位置が低温端部3bの側に移動して流体変位の振幅
が小さくなる。したがって、通路6やバルブ7などを最
適設計することにより、冷凍機の損失(シャトル損失Q
D)を最小にできる。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、かかる
オリフィス型やダブルインレット型のパルス管冷凍機に
あっては、パルス管の高温端部にオリフィス4を介して
バッファタンク5を接続しているため、オリフィス4か
らの噴流の影響で、パルス管内部の流体(図4参照)に
半径方向の速度分布が生じ、不本意な対流が発生して性
能劣化を引き起こすという問題点があった。さらに、噴
流がパルス管の低温端部に到達するような場合には、噴
流(室温)と低温端部の温度差が200Kにも及ぶた
め、著しい性能劣化を引き起こすという問題点があっ
た。
【0011】なお、噴流を弱めるために、オリフィス4
の前にメッシュプレート等の整流素子を置くという対策
がとられることもあるが、圧力損失が増大して効率の低
下を招くから好ましくない。そこで、本発明は、位相調
節機構を通ってパルス管に流入する気体の速度分布を均
一化することにより、効率の低下を招くことなく、不本
意な対流の発生と低温端部への噴流の到達とを阻止し、
以て冷凍性能の格段の向上を図ることを目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】
(構成) 請求項1記載の発明は、パルス管の高温端部に、圧力振
動に対する流体変位の位相差を制御する位相差制御機構
を備えたパルス管冷凍機において、前記位相差制御機構
は、パルス管の高温端部に装着された、多数の微細穴を
有するプレートと、該プレートの微細穴を介して前記パ
ルス管の高温端部に連通するバッファタンクとを含み、
該プレートは、多数の微細穴を有する2枚の円形プレー
トを重ね合わせ、かつ、該2枚の円形プレートの重ね合
わせ具合を調節し得るように構成したことを特徴とす
る。
【0013】(作用) 請求項1記載の発明では、パルス管の高温端部に装着さ
れたプレートの多数の微細穴によって局所に偏らないオ
リフィス作用が得られる。したがって、パルス管に流入
する気体の速度分布が均一化され、効率の低下を招くこ
となく、不本意な対流の発生と低温端部への噴流の到達
とが阻止される結果、冷凍性能の格段の向上が図られ
る。
【0014】また、2枚の円形プレートの重ね合わせ具
を調節するだけで、容易にオリフィス作用の強さが加
減される。
【0015】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を図面に基
づいて説明する。図1、図2は、本発明に係るパルス管
冷凍機の一実施例を示す図であり、オリフィス型への適
用例である。なお、ダブルインレット型にも適用できる
ことは言うまでもない。
【0016】図1において、10は圧縮機、11は蓄冷
器、12はパルス管、13はプレート、14はバッファ
タンクである。圧縮機10は、所定の周波数で往復動す
るピストン10aと、このピストン10aの動きに伴っ
て高圧ガスを吐出入する吐出口10bとを有し、蓄冷器
11は、多数の微細孔を形成した積層プレート11aを
有すると共に、その両端を圧縮機10の吐出口10bと
パルス管12の一端とにそれぞれ連通している。パルス
管12の蓄冷器11側の一端は低温端部12bとして機
能し、また、プレート13を介してバッファタンク14
に接続される他端は高温端部12aとして機能する。
【0017】図2はプレート13の好ましい三つの構造
例を示す図である。図2(a)は1枚のプレート15に
多数の微細穴15aを形成したものである。弱いオリフ
ィス作用でよく、しかも、その強さを調節する必要のな
い場合に適用できる。同図(b)は2枚のプレート1
6、17にそれぞれ等ピッチの微細穴16a、17aを
形成し、互いの微細穴16a、17aを僅かにずらして
重ね合わせたものである。強いオリフィス作用が容易に
得られる。同図(c)は、同図(b)と同様に、2枚の
プレート(円形プレート)18、19にそれぞれ等ピッ
チの微細穴18a、19a(図示の都合上その一部を示
す)を形成し、互いの微細穴18a、18aを僅かにず
らして重ね合わせたものであるが、2枚の円形プレート
18、19の各々の回転角度が個別に調節し得るよう構
成されている点で相違する。2枚の円形プレート18、
19の回転角度を調節するだけで、所望の強さのオリフ
ィス作用を容易に得ることができる。
【0018】以上の実施例によれば、パルス管12とバ
ッファタンク14との間に、多数の微細穴を形成したプ
レート13を介在させたので、パルス管12の内部の圧
力ガスの流体変位に対するオリフィス作用をプレート1
3の面方向に分散させることができる。したがって、パ
ルス管12とバッファタンク14との間の圧力流体の流
出入をプレート13の面方向に均一化でき、効率の低下
を招くことなく、不本意な対流の発生と低温端部への噴
流の到達とが阻止できる結果、冷凍性能の格段の向上が
図られる、という従来技術にない有利な効果が得られ
る。
【0019】しかも、図2(c)に示すように、2枚の
円形プレート18、19に多数の微細穴18a、19a
を形成して重ね合わせると共に、これら2枚の円形プレ
ート18、19の各々の回転角度を個別に調節し得るよ
うに構成すれば、運転中でもオリフィス作用の強さを加
減できるため、実用上好ましいものとすることができ
る。
【0020】なお、上述の微細穴の形成には、例えば、
本件出願人が先に提案した「パルス管冷凍機」(特願平
8−33329号 平成8年2月21日出願)に記載の
技術を利用できる。この技術は、単結晶のシリコン(S
i)ウエハから2枚の基板を切り出して張り合わせた
後、張り合わせた基板の両面に所望の穴を形成するため
のマスクを取り付け、基板全体をエッチング溶液に浸し
て穴を形成するというものであり、そのポイントは、一
方の基板の表面(エッチングされる面)に(100)面
の結晶面を出しておくと共に、他方の基板の表面に(1
10)面の結晶面を出しておくというものである。(1
00)面のシリコンウエハでは、54.7度の角度でエ
ッチングが進み、また、(110)面のシリコンウエハ
では、ほぼ直角に近い角度でエッチングが進むため、
(110)面と(110)面で開口面積の異なる精密な
微細穴を形成できる。
【0021】
【発明の効果】請求項1記載の発明によれば、パルス管
の高温端部に装着されたプレートの多数の微細穴によっ
てオリフィス作用の分散化を図ることができ、パルス管
に出入りする圧力流体の速度分布を均一化できる。した
がって、効率の低下を招くことなく、不本意な対流の発
生と低温端部への噴流の到達とを阻止できる結果、冷凍
性能の格段の向上を図ることができる。
【0022】また、請求項2記載の発明によれば、2枚
の円形プレートの相対的な回転角度を調節するだけで、
容易にオリフィス作用の強さを加減できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】一実施例の概念構成図である。
【図2】一実施例のプレートの構造図である。
【図3】オリフィス型パルス管冷凍機の概念構成図であ
る。
【図4】流体変位の説明模式図である。
【図5】パルス管冷凍機の熱移動説明原理図である。
【図6】ダブルインレット型パルス管冷凍機の概念構成
図である。
【符号の説明】
12:パルス管 13:プレート(位相差制御機構) 14:バッファタンク(位相差制御機構) 15:プレート(位相差制御機構) 16、17:プレート(位相差制御機構) 16a、17a:微細穴 18、19:円形プレート(位相差制御機構) 18a、19a:微細穴

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】パルス管の高温端部に、圧力振動に対する
    流体変位の位相差を制御する位相差制御機構を備えたパ
    ルス管冷凍機において、 前記位相差制御機構は、パルス管の高温端部に装着され
    た、多数の微細穴を有するプレートと、 該プレートの微細穴を介して前記パルス管の高温端部に
    連通するバッファタンクとを含み、 該プレートは、多数の微細穴を有する2枚の円形プレー
    トを重ね合わせ、かつ、該2枚の円形プレートの重ね合
    わせ具合を調節し得るように構成した ことを特徴とする
    パルス管冷凍機。
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