JP3786383B2 - パルス管冷凍機 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明はパルス管冷凍機に関し、さらに詳細にいえば、ダブルインレット型のパルス管冷凍機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、低温の可動部を必要としない冷凍機としてパルス管冷凍機が知られている。
このパルス管冷凍機としては、圧縮機に対して、蓄冷器、パルス管およびリザーバータンクをこの順に直列接続してなる最も簡単な構成のものから、オリフィスバルブをさらに設けた構成のもの、オリフィスバルブおよびダブルインレットバルブをさらに設けた構成のものなどが知られている。
【０００３】
図１は、オリフィスバルブおよびダブルインレットバルブをさらに設けた従来のパルス管冷凍機の構成を示す概略図である。
このパルス管冷凍機は、圧縮機２１に対して、蓄冷器２２、パルス管２３、オリフィスバルブ２４およびリザーバータンク２５をこの順に直列接続し、圧縮機２１と蓄冷器２２とを接続する第１接続管路２６の所定位置とパルス管２３、オリフィスバルブ２４とを接続する第２接続管路２７の所定位置との間にダブルインレットバルブ２８を接続している。そして、蓄冷器２２およびパルス管２３を真空容器に収容しているとともに、真空容器のフランジ２９を貫通させて蓄冷器２２のアフタークーラー２２ａおよびパルス管２３のホットエンド２３ａを外部に導出している。
【０００４】
ここで、アフタークーラー２２ａおよびホットエンド２３ａは熱交換器であり、外気との熱の授受を十分に行うことにより、冷凍能力を改善できることが知られている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
図１の構成のパルス管冷凍機では、アフタークーラー２２ａおよびホットエンド２３ａをフランジ２９から十分に外部に突出させることにより、外部熱伝達を促進させ、冷凍能力を高めることができると思われているが、このような構成を採用しようとすれば、アフタークーラー２２ａおよびホットエンド２３ａを長くするか、または図２に示すように、蓄冷器２２本体の一部およびアフタークーラー２２ａの一部がフランジ２９を貫通するとともに、パルス管２３本体の一部およびホットエンド２３の一部がフランジ２９を貫通する構成を採用することになる。
【０００６】
しかし、アフタークーラー２２ａおよびホットエンド２３ａを長くすれば、流体抵抗などが増加するので、冷凍能力が低下してしまうことになる。また、蓄冷器２２本体の一部およびアフタークーラー２２ａの一部がフランジ２９を貫通するとともに、パルス管２３本体の一部およびホットエンド２３の一部がフランジ２９を貫通する構成を採用すれば、フランジ２９と蓄冷器２２本体、パルス管２３本体が温度干渉して冷凍能力が低下してしまう。
【０００７】
また、後者の不都合の発生を防止するためにフランジ２９の厚みを薄くすることが考えられる。しかし、フランジ２９は真空容器本体に対する取り付けの必要上、Ｏリング、ボルトなどの装着が必須であり、これらを装着させるために必要最小限の厚みが定まるので、フランジ２９をこの厚みよりも薄くすることは不可能である。
【０００８】
したがって、アフタークーラー２２ａおよびホットエンド２３ａの長さと、フランジ２９の厚みとを適切に設定した場合であっても、上述の理由により設計上の冷凍能力を達成することができない。
なお、ダブルインレットバルブを設けていない構成のパルス管冷凍機においても、上記と同様の不都合が発生すると思われる。
【０００９】
【発明の目的】
この発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、アフタークーラーおよびホットエンドの長さと、フランジの厚みとを適切に設定した場合に設計上の冷凍能力を達成することができるパルス管冷凍機を提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１のパルス管冷凍機は、圧縮機に対して、少なくとも蓄冷器、パルス管およびリザーバータンクをこの順に直列接続し、蓄冷器とパルス管とを真空容器に収容し、かつ真空容器のフランジを貫通させて蓄冷器のアフタークーラーとパルス管のホットエンドとを外部に導出し、アフタークーラーの貫通部およびホットエンドの貫通部において、蓄冷器、パルス管とフランジとの温度干渉を低減すべくフランジを他の部分よりも薄肉に形成したものである。
【００１１】
請求項２のパルス管冷凍機は、圧縮機に対して、蓄冷器、パルス管、オリフィスバルブおよびリザーバータンクをこの順に直列接続し、蓄冷器とパルス管とをバイパスさせるダブルインレットバルブを接続し、蓄冷器とパルス管とを真空容器に収容し、かつ真空容器のフランジを貫通させて蓄冷器のアフタークーラーとパルス管のホットエンドとを外部に導出し、アフタークーラーの貫通部およびホットエンドの貫通部において、蓄冷器、パルス管とフランジとの温度干渉を低減すべくフランジを他の部分よりも薄肉に形成したものである。
【００１２】
請求項３のパルス管冷凍機は、前記フランジとして、アフタークーラーの貫通部およびホットエンドの貫通部において真空容器の内部側が凹入形成されることにより、該当部分が他の部分よりも薄肉に形成したものを採用するものである。請求項４のパルス管冷凍機は、前記ダブルインレットバルブとして、その両端部が蓄冷器のアフタークーラーとパルス管のホットエンドとにそれぞれ接続されたものを採用するものである。
【００１３】
【作用】
請求項１のパルス管冷凍機であれば、圧縮機に対して、少なくとも蓄冷器、パルス管およびリザーバータンクをこの順に直列接続し、蓄冷器とパルス管とを真空容器に収容し、かつ真空容器のフランジを貫通させて蓄冷器のアフタークーラーとパルス管のホットエンドとを外部に導出し、アフタークーラーの貫通部およびホットエンドの貫通部において、蓄冷器、パルス管とフランジとの温度干渉を低減すべくフランジを他の部分よりも薄肉に形成したのであるから、蓄冷器、パルス管とフランジとの温度干渉を排除して、アフタークーラーとホットエンドとの長さに基づいて定まる理論上可能な冷凍能力を達成することができ、しかも、フランジはアフタークーラーとホットエンドとの貫通部においてのみ厚みを薄く設定しているので、真空容器本体に対するフランジの取り付けを良好に達成することができる。
【００１４】
請求項２のパルス管冷凍機であれば、圧縮機に対して、蓄冷器、パルス管、オリフィスバルブおよびリザーバータンクをこの順に直列接続し、蓄冷器とパルス管とをバイパスさせるバルブを接続し、蓄冷器とパルス管とを真空容器に収容し、かつ真空容器のフランジを貫通させて蓄冷器のアフタークーラーとパルス管のホットエンドとを外部に導出し、アフタークーラーの貫通部およびホットエンドの貫通部において、蓄冷器、パルス管とフランジとの温度干渉を低減すべくフランジを他の部分よりも薄肉に形成したのであるから、蓄冷器、パルス管とフランジとの温度干渉を排除して、アフタークーラーとホットエンドとの長さに基づいて定まる理論上可能な冷凍能力を達成することができ、しかも、フランジはアフタークーラーとホットエンドとの貫通部においてのみ厚みを薄く設定しているので、真空容器本体に対するフランジの取り付けを良好に達成することができる。
【００１５】
請求項３のパルス管冷凍機であれば、前記フランジとして、アフタークーラーの貫通部およびホットエンドの貫通部において真空容器の内部側が凹入形成されることにより、該当部分が他の部分よりも薄肉に形成したものを採用しているので、請求項２と同様の作用を達成することができる。
請求項４のパルス管冷凍機であれば、前記ダブルインレットバルブとして、その両端部が蓄冷器のアフタークーラーとパルス管のホットエンドとにそれぞれ接続されたものを採用しているので、ダブルインレットバルブがガスの乱れの影響を殆ど受けず、パルス管内のガスカラムの位相制御を意図どおりに行うことができ、また、蓄冷器とダブルインレットバルブとの間およびパルス管とダブルインレットバルブとの間における無駄容量を大幅に低減して冷凍能力を向上させることができるほか、請求項２または請求項３と同様の作用を達成することができる。
【００１６】
【発明の実施の態様】
以下、添付図面を参照して、この発明のパルス管冷凍機の実施の態様を詳細に説明する。
図３は、この発明のパルス管冷凍機の一実施態様を示す概略図である。
このパルス管冷凍機は、圧縮機１に対して、蓄冷器２、パルス管３、オリフィスバルブ４およびリザーバータンク５をこの順に直列接続しているとともに、蓄冷器２とパルス管３とをバイパスするダブルインレットバルブ６を接続している。なお、蓄冷器２のアフタークーラー２ａとパルス管３のホットエンド３ａとは、所定厚みのフランジ７を貫通しているとともに、フランジ７よりも常温側に突出している。また、フランジ７は、蓄冷器２、パルス管３を収容する真空容器の一部を構成するものである。このフランジ７は、真空容器本体に対する取り付け、および気密保持のためのシール部材の取り付けに必要な最小限の厚みを有しているとともに、少なくともアフタークーラー２ａ、ホットエンド３ａの貫通部の厚みを小さく設定して、蓄冷器２、パルス管３とフランジ７との温度干渉を防止するとともに、アフタークーラー２ａ、ホットエンド３ａのフランジ７からの突出長さを長くしている。
【００１７】
なお、アフタークーラー２ａ、ホットエンド３ａには、ガスの乱れを低減するストレーナ（図示せず）が設けられている。
蓄冷器２、パルス管３とフランジ７との関係についてさらに説明する。
蓄冷器２、パルス管３とフランジ７との接触部分は、機能上蓄冷器２、パルス管３の端面がフランジ７の下部と溶接される。なぜならば、蓄冷器２、パルス管３のそれぞれが温度勾配を持っているので、フランジ７の下部よりも上部で蓄冷器２、パルス管３を接続すると（換言すれば、蓄冷器２、パルス管３の端部をフランジ７の内部に侵入させた状態で蓄冷器２、パルス管３をフランジ７に接続すると）、蓄冷器２、パルス管３がフランジ７に接触している範囲で温度干渉が起こるのであり、このような不都合の発生を未然に防止するためである。また、蓄冷器２、パルス管３の常温端の熱交換器であるアフタークーラー２ａ、ホットエンド３ａは、外気と接触する面積を可能な限り多くすることが好ましい。しかし、フランジ７の厚み分だけは、どうしても外気と接触させることができない。したがって、フランジ７を薄くすることにより、アフタークーラー２ａ、ホットエンド３ａが外気と接触する面積を大きくすることが考えられる。しかし、フランジ７は、真空容器本体に対する取り付けのためにボルトなどを挿通しなければならないだけでなく、気密保持のためにＯリングなどを装着しなければならないので、フランジ７を薄くすることには限界がある。本願では、これらの相反する要求を満足するために、フランジ７の厚みを全体的に薄くするのではなく、アフタークーラー２ａ、ホットエンド３ａが貫通する部分のみを薄くしている。
【００１８】
上記の構成のパルス管冷凍機の作用は次のとおりである。
圧縮機１から供給される圧力ガスは、蓄冷器２を通してパルス管３に供給される。そして、パルス管３の一部のガスは、オリフィスバルブ４を通してリザーバータンク５に供給される。そして、圧縮機１からの圧力ガスの供給が停止されれば、ガスが上記と逆に流れる。また、パルス管３内のガスは、上記の動作に伴ってパルス管３から出入りするものと、上記の動作に拘らずパルス管３から出入りしないものとに区分され、後者のガスがディスプレーサ（ガスカラム）として機能する。したがって、上記の動作に伴ってガスの圧縮、断熱膨脹が反復され、パルス管３の低温端３ｂに寒冷が発生させられる。
【００１９】
また、オリフィスバルブ４およびダブルインレットバルブ６によりパルス管３のホットエンド３ａでの位相差を大きくし、冷凍能力を高めることができる。さらに、蓄冷器２、パルス管３とフランジ７との温度干渉を排除し、しかもアフタークーラー２ａ、ホットエンド３ａが外気と接触する面積を増加させることができ、この面からも冷凍能力を高めることができる。
【００２０】
図４はこの発明のパルス管冷凍機の他の実施態様を示す概略図であり、図３の実施態様と異なる点は、蓄冷器２のアフタークーラー２ａとパルス管３のホットエンド３ａとの間にダブルインレットバルブ６を接続した点のみである。
この実施態様を採用した場合には、ガスの一部がダブルインレットバルブ６を通して流れるのであり、しかもオリフィスバルブ４を通った後のガスの乱れがホットエンド３ａのストレーナにより低減されるのであるから、ダブルインレットバルブ６はガスの乱れの影響を殆ど受けず、本来の機能を達成して、パルス管３のホットエンド３ａでの位相差を大きくし、冷凍能力を高めることができる。
【００２１】
さらに詳細に説明する。
ダブルインレット型のパルス管冷凍機は、本来、安定した冷凍能力を制御するに当って他の因子に左右されることなくバルブ開度に応じたガス流量が確保されるべきであるが、図３に示す構成のパルス管冷凍機は、ダブルインレットバルブ６がストレーナ（蓄冷器２のアフタークーラー２ａ、パルス管３のホットエンド３ａ）の末端にあり、内部を通過してきたガスがオリフィスバルブ４の開度の影響を受けやすく、そのために、冷凍能力を予測することが困難になってしまう。具体的には、オリフィスバルブ４は、パルス管３内のガスカラム（ガスピストン）の位相制御（圧力との位置関係）を行うものであり、パルス管冷凍機を効率よく作動させるために非常に重要な構成要素である。ここで、オリフィス内部を通過するガスは、図５に示すように出口で乱れが生じる。そして、オリフィスのガス流量ｍは、次式によって規定される。
ｍ＝α（Ｐ１2−Ｐ２2）1/2
ただし、αは比例定数であり、ガスの物性が同じであれば、オリフィスの開口面積に比例する。Ｐ１は入口圧力、Ｐ２は出口圧力である。
【００２２】
したがって、式からも分かるように、ガス流量は、オリフィスの開口面積と出入り口圧力差によって決定される。しかし、上述のように、オリフィスの出口でガスの乱れが生じるので、互いにガスの干渉が起こり、位相制御が独立してうまく作動しない状態になってしまう。
また、蓄冷器２とダブルインレットバルブ６との間、およびパルス管３とダブルインレットバルブ６との間が無駄容量であり、この無駄容量がかなり多いのであるから、冷凍能力が低下し、十分な冷凍能力を発揮させることができなくなってしまう。
【００２３】
図４に示すパルス管冷凍機においては、蓄冷器２のアフタークーラー２ａとパルス管３のホットエンド３ａとの間にダブルインレットバルブ６を接続しているのであるから、オリフィスバルブ４の出口で生じたガスの乱れを大幅に低減し、ガスの干渉を大幅に低減して、オリフィスバルブ４、ダブルインレットバルブ６によるパルス管３内のガスカラムの位相制御を互いに独立して意図どおりに行うことができ、冷凍能力の予測を簡単に達成することができる。また、蓄冷器２のアフタークーラー２ａとパルス管３のホットエンド３ａとの間にダブルインレットバルブ６を接続しているのであるから、ダブルインレットバルブ６と蓄冷器２のアフタークーラー２ａとの間の無駄容積、ダブルインレットバルブ６とパルス管３のホットエンド３ａとの間の無駄容積を大幅に低減し、無駄容積の低減に伴う冷凍能力の向上を達成することができる。図７はダブルインレットバルブ６の装着位置とフランジ７との距離に対応する到達温度（冷凍による到達温度）の変化を示す図であり、無駄容積を低減することにより、到達温度を低くでき、冷凍能力を向上できたことが分かる。
【００２４】
また、上記の何れの実施態様のパルス管冷凍機においても、パルス管内のガスカラムをオリフィスバルブ４、ダブルインレットバルブ６によって位相制御し、最適な冷凍能力を得ようとしている。そして、ダブルインレットバルブ６内のガス流量は、ダブルインレットバルブ６の出入り口のガス圧力差と開閉度合いに依存して定まる。ここで、開閉度合いは、外部からの操作量により簡単に設定できるのに対して、出入り口のガス圧力差は蓄冷器２の抵抗値とパルス管３の抵抗値とに依存して定まる。しかし、従来は、両抵抗値の割合などの目安が存在していないので、出入り口のガス圧力差を最適値に設定することが困難であり、例えば、思考錯誤などによるしかなかった。
【００２５】
しかし、本願発明者は、蓄冷器２の抵抗値に対するパルス管３の抵抗値を変化させて冷凍能力の変化を測定し、蓄冷器２の抵抗値に対するパルス管３の抵抗値の割合を０．２５以下の正の値に設定すればよいことを見出した。
さらに詳細に説明すると、蓄冷器２の抵抗値の調整はメッシュの枚数を変化させることにより行い、パルス管３の抵抗値の調整はホットエンド、低温端のストレーナ内に充填されているメッシュまたはそれに相当する充填物の枚数（量）を変化させることにより行う。そして、ダブルインレットバルブ６内のガス流量を一定値（例えば、１５ｌ／ｍｉｎ）に設定した状態で、両抵抗値の比（パルス管側における圧力低下／蓄冷器側における圧力低下）を変化させて冷凍能力（ＱｃｏｌｄＷ）を測定した。この測定の結果は、図６に示すとおりであり、０．２５以下の正の値に設定することにより高い冷凍能力を達成できることが分かる。ただし、０．２５以下、かつ０．１５以上であることが好ましく、０．２０以下、かつ０．１５以上であることが最も好ましい。なお、抵抗値の測定は、例えば、定常流試験により行う。
【００２６】
したがって、両抵抗値の比を上述のように設定することにより、パルス管を最適設計することが容易になる。
なお、以上には、オリフィスバルブ４およびダブルインレットバルブ６を有するパルス管冷凍機について説明したが、オリフィスバルブ４、ダブルインレットバルブ６を有していないパルス管冷凍機、ダブルインレットバルブ６を有していないパルス管冷凍機についても同様に適用することが可能である。
【００２７】
【発明の効果】
請求項１の発明は、蓄冷器、パルス管とフランジとの温度干渉を排除して、アフタークーラーとホットエンドとの長さに基づいて定まる設計上の冷凍能力を達成することができ、しかも、真空容器本体に対するフランジの取り付けを良好に達成することができるという特有の効果を奏する。
【００２８】
請求項２の発明は、蓄冷器、パルス管とフランジとの温度干渉を排除して、アフタークーラーとホットエンドとの長さに基づいて定まる設計上の冷凍能力を達成することができ、しかも、真空容器本体に対するフランジの取り付けを良好に達成することができるという特有の効果を奏する。
請求項３の発明は、請求項２と同様の効果を奏する。
【００２９】
請求項４の発明は、ダブルインレットバルブがガスの乱れの影響を殆ど受けず、パルス管内のガスカラムの位相制御を意図どおりに行うことができ、また、蓄冷器とダブルインレットバルブとの間およびパルス管とダブルインレットバルブとの間における無駄容量を大幅に低減して冷凍能力を向上させることができるほか、請求項２または請求項３と同様の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のダブルインレット型のパルス管冷凍機の構成を示す概略図である。
【図２】従来のダブルインレット型のパルス管冷凍機の他の構成を示す概略図である。
【図３】この発明のパルス管冷凍機の一実施態様を示す概略図である。
【図４】この発明のパルス管冷凍機の他の実施態様を示す概略図である。
【図５】オリフィスにおけるガスの流れを示す概略図である。
【図６】ダブルインレットバルブ内のガス流量を一定値に設定した状態で、両抵抗値の比を変化させて冷凍能力を測定した結果を示す図である。
【図７】ダブルインレットバルブの装着位置とフランジとの距離に対応する到達温度の変化を示す図である。
【符号の説明】
１ 圧縮機 ２ 蓄冷器
２ａ アフタークーラー ３ パルス管
３ａ ホットエンド ４ オリフィスバルブ
５ リザーバータンク ６ ダブルインレットバルブ
７ フランジ
【発明の属する技術分野】
この発明はパルス管冷凍機に関し、さらに詳細にいえば、ダブルインレット型のパルス管冷凍機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、低温の可動部を必要としない冷凍機としてパルス管冷凍機が知られている。
このパルス管冷凍機としては、圧縮機に対して、蓄冷器、パルス管およびリザーバータンクをこの順に直列接続してなる最も簡単な構成のものから、オリフィスバルブをさらに設けた構成のもの、オリフィスバルブおよびダブルインレットバルブをさらに設けた構成のものなどが知られている。
【０００３】
図１は、オリフィスバルブおよびダブルインレットバルブをさらに設けた従来のパルス管冷凍機の構成を示す概略図である。
このパルス管冷凍機は、圧縮機２１に対して、蓄冷器２２、パルス管２３、オリフィスバルブ２４およびリザーバータンク２５をこの順に直列接続し、圧縮機２１と蓄冷器２２とを接続する第１接続管路２６の所定位置とパルス管２３、オリフィスバルブ２４とを接続する第２接続管路２７の所定位置との間にダブルインレットバルブ２８を接続している。そして、蓄冷器２２およびパルス管２３を真空容器に収容しているとともに、真空容器のフランジ２９を貫通させて蓄冷器２２のアフタークーラー２２ａおよびパルス管２３のホットエンド２３ａを外部に導出している。
【０００４】
ここで、アフタークーラー２２ａおよびホットエンド２３ａは熱交換器であり、外気との熱の授受を十分に行うことにより、冷凍能力を改善できることが知られている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
図１の構成のパルス管冷凍機では、アフタークーラー２２ａおよびホットエンド２３ａをフランジ２９から十分に外部に突出させることにより、外部熱伝達を促進させ、冷凍能力を高めることができると思われているが、このような構成を採用しようとすれば、アフタークーラー２２ａおよびホットエンド２３ａを長くするか、または図２に示すように、蓄冷器２２本体の一部およびアフタークーラー２２ａの一部がフランジ２９を貫通するとともに、パルス管２３本体の一部およびホットエンド２３の一部がフランジ２９を貫通する構成を採用することになる。
【０００６】
しかし、アフタークーラー２２ａおよびホットエンド２３ａを長くすれば、流体抵抗などが増加するので、冷凍能力が低下してしまうことになる。また、蓄冷器２２本体の一部およびアフタークーラー２２ａの一部がフランジ２９を貫通するとともに、パルス管２３本体の一部およびホットエンド２３の一部がフランジ２９を貫通する構成を採用すれば、フランジ２９と蓄冷器２２本体、パルス管２３本体が温度干渉して冷凍能力が低下してしまう。
【０００７】
また、後者の不都合の発生を防止するためにフランジ２９の厚みを薄くすることが考えられる。しかし、フランジ２９は真空容器本体に対する取り付けの必要上、Ｏリング、ボルトなどの装着が必須であり、これらを装着させるために必要最小限の厚みが定まるので、フランジ２９をこの厚みよりも薄くすることは不可能である。
【０００８】
したがって、アフタークーラー２２ａおよびホットエンド２３ａの長さと、フランジ２９の厚みとを適切に設定した場合であっても、上述の理由により設計上の冷凍能力を達成することができない。
なお、ダブルインレットバルブを設けていない構成のパルス管冷凍機においても、上記と同様の不都合が発生すると思われる。
【０００９】
【発明の目的】
この発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、アフタークーラーおよびホットエンドの長さと、フランジの厚みとを適切に設定した場合に設計上の冷凍能力を達成することができるパルス管冷凍機を提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１のパルス管冷凍機は、圧縮機に対して、少なくとも蓄冷器、パルス管およびリザーバータンクをこの順に直列接続し、蓄冷器とパルス管とを真空容器に収容し、かつ真空容器のフランジを貫通させて蓄冷器のアフタークーラーとパルス管のホットエンドとを外部に導出し、アフタークーラーの貫通部およびホットエンドの貫通部において、蓄冷器、パルス管とフランジとの温度干渉を低減すべくフランジを他の部分よりも薄肉に形成したものである。
【００１１】
請求項２のパルス管冷凍機は、圧縮機に対して、蓄冷器、パルス管、オリフィスバルブおよびリザーバータンクをこの順に直列接続し、蓄冷器とパルス管とをバイパスさせるダブルインレットバルブを接続し、蓄冷器とパルス管とを真空容器に収容し、かつ真空容器のフランジを貫通させて蓄冷器のアフタークーラーとパルス管のホットエンドとを外部に導出し、アフタークーラーの貫通部およびホットエンドの貫通部において、蓄冷器、パルス管とフランジとの温度干渉を低減すべくフランジを他の部分よりも薄肉に形成したものである。
【００１２】
請求項３のパルス管冷凍機は、前記フランジとして、アフタークーラーの貫通部およびホットエンドの貫通部において真空容器の内部側が凹入形成されることにより、該当部分が他の部分よりも薄肉に形成したものを採用するものである。請求項４のパルス管冷凍機は、前記ダブルインレットバルブとして、その両端部が蓄冷器のアフタークーラーとパルス管のホットエンドとにそれぞれ接続されたものを採用するものである。
【００１３】
【作用】
請求項１のパルス管冷凍機であれば、圧縮機に対して、少なくとも蓄冷器、パルス管およびリザーバータンクをこの順に直列接続し、蓄冷器とパルス管とを真空容器に収容し、かつ真空容器のフランジを貫通させて蓄冷器のアフタークーラーとパルス管のホットエンドとを外部に導出し、アフタークーラーの貫通部およびホットエンドの貫通部において、蓄冷器、パルス管とフランジとの温度干渉を低減すべくフランジを他の部分よりも薄肉に形成したのであるから、蓄冷器、パルス管とフランジとの温度干渉を排除して、アフタークーラーとホットエンドとの長さに基づいて定まる理論上可能な冷凍能力を達成することができ、しかも、フランジはアフタークーラーとホットエンドとの貫通部においてのみ厚みを薄く設定しているので、真空容器本体に対するフランジの取り付けを良好に達成することができる。
【００１４】
請求項２のパルス管冷凍機であれば、圧縮機に対して、蓄冷器、パルス管、オリフィスバルブおよびリザーバータンクをこの順に直列接続し、蓄冷器とパルス管とをバイパスさせるバルブを接続し、蓄冷器とパルス管とを真空容器に収容し、かつ真空容器のフランジを貫通させて蓄冷器のアフタークーラーとパルス管のホットエンドとを外部に導出し、アフタークーラーの貫通部およびホットエンドの貫通部において、蓄冷器、パルス管とフランジとの温度干渉を低減すべくフランジを他の部分よりも薄肉に形成したのであるから、蓄冷器、パルス管とフランジとの温度干渉を排除して、アフタークーラーとホットエンドとの長さに基づいて定まる理論上可能な冷凍能力を達成することができ、しかも、フランジはアフタークーラーとホットエンドとの貫通部においてのみ厚みを薄く設定しているので、真空容器本体に対するフランジの取り付けを良好に達成することができる。
【００１５】
請求項３のパルス管冷凍機であれば、前記フランジとして、アフタークーラーの貫通部およびホットエンドの貫通部において真空容器の内部側が凹入形成されることにより、該当部分が他の部分よりも薄肉に形成したものを採用しているので、請求項２と同様の作用を達成することができる。
請求項４のパルス管冷凍機であれば、前記ダブルインレットバルブとして、その両端部が蓄冷器のアフタークーラーとパルス管のホットエンドとにそれぞれ接続されたものを採用しているので、ダブルインレットバルブがガスの乱れの影響を殆ど受けず、パルス管内のガスカラムの位相制御を意図どおりに行うことができ、また、蓄冷器とダブルインレットバルブとの間およびパルス管とダブルインレットバルブとの間における無駄容量を大幅に低減して冷凍能力を向上させることができるほか、請求項２または請求項３と同様の作用を達成することができる。
【００１６】
【発明の実施の態様】
以下、添付図面を参照して、この発明のパルス管冷凍機の実施の態様を詳細に説明する。
図３は、この発明のパルス管冷凍機の一実施態様を示す概略図である。
このパルス管冷凍機は、圧縮機１に対して、蓄冷器２、パルス管３、オリフィスバルブ４およびリザーバータンク５をこの順に直列接続しているとともに、蓄冷器２とパルス管３とをバイパスするダブルインレットバルブ６を接続している。なお、蓄冷器２のアフタークーラー２ａとパルス管３のホットエンド３ａとは、所定厚みのフランジ７を貫通しているとともに、フランジ７よりも常温側に突出している。また、フランジ７は、蓄冷器２、パルス管３を収容する真空容器の一部を構成するものである。このフランジ７は、真空容器本体に対する取り付け、および気密保持のためのシール部材の取り付けに必要な最小限の厚みを有しているとともに、少なくともアフタークーラー２ａ、ホットエンド３ａの貫通部の厚みを小さく設定して、蓄冷器２、パルス管３とフランジ７との温度干渉を防止するとともに、アフタークーラー２ａ、ホットエンド３ａのフランジ７からの突出長さを長くしている。
【００１７】
なお、アフタークーラー２ａ、ホットエンド３ａには、ガスの乱れを低減するストレーナ（図示せず）が設けられている。
蓄冷器２、パルス管３とフランジ７との関係についてさらに説明する。
蓄冷器２、パルス管３とフランジ７との接触部分は、機能上蓄冷器２、パルス管３の端面がフランジ７の下部と溶接される。なぜならば、蓄冷器２、パルス管３のそれぞれが温度勾配を持っているので、フランジ７の下部よりも上部で蓄冷器２、パルス管３を接続すると（換言すれば、蓄冷器２、パルス管３の端部をフランジ７の内部に侵入させた状態で蓄冷器２、パルス管３をフランジ７に接続すると）、蓄冷器２、パルス管３がフランジ７に接触している範囲で温度干渉が起こるのであり、このような不都合の発生を未然に防止するためである。また、蓄冷器２、パルス管３の常温端の熱交換器であるアフタークーラー２ａ、ホットエンド３ａは、外気と接触する面積を可能な限り多くすることが好ましい。しかし、フランジ７の厚み分だけは、どうしても外気と接触させることができない。したがって、フランジ７を薄くすることにより、アフタークーラー２ａ、ホットエンド３ａが外気と接触する面積を大きくすることが考えられる。しかし、フランジ７は、真空容器本体に対する取り付けのためにボルトなどを挿通しなければならないだけでなく、気密保持のためにＯリングなどを装着しなければならないので、フランジ７を薄くすることには限界がある。本願では、これらの相反する要求を満足するために、フランジ７の厚みを全体的に薄くするのではなく、アフタークーラー２ａ、ホットエンド３ａが貫通する部分のみを薄くしている。
【００１８】
上記の構成のパルス管冷凍機の作用は次のとおりである。
圧縮機１から供給される圧力ガスは、蓄冷器２を通してパルス管３に供給される。そして、パルス管３の一部のガスは、オリフィスバルブ４を通してリザーバータンク５に供給される。そして、圧縮機１からの圧力ガスの供給が停止されれば、ガスが上記と逆に流れる。また、パルス管３内のガスは、上記の動作に伴ってパルス管３から出入りするものと、上記の動作に拘らずパルス管３から出入りしないものとに区分され、後者のガスがディスプレーサ（ガスカラム）として機能する。したがって、上記の動作に伴ってガスの圧縮、断熱膨脹が反復され、パルス管３の低温端３ｂに寒冷が発生させられる。
【００１９】
また、オリフィスバルブ４およびダブルインレットバルブ６によりパルス管３のホットエンド３ａでの位相差を大きくし、冷凍能力を高めることができる。さらに、蓄冷器２、パルス管３とフランジ７との温度干渉を排除し、しかもアフタークーラー２ａ、ホットエンド３ａが外気と接触する面積を増加させることができ、この面からも冷凍能力を高めることができる。
【００２０】
図４はこの発明のパルス管冷凍機の他の実施態様を示す概略図であり、図３の実施態様と異なる点は、蓄冷器２のアフタークーラー２ａとパルス管３のホットエンド３ａとの間にダブルインレットバルブ６を接続した点のみである。
この実施態様を採用した場合には、ガスの一部がダブルインレットバルブ６を通して流れるのであり、しかもオリフィスバルブ４を通った後のガスの乱れがホットエンド３ａのストレーナにより低減されるのであるから、ダブルインレットバルブ６はガスの乱れの影響を殆ど受けず、本来の機能を達成して、パルス管３のホットエンド３ａでの位相差を大きくし、冷凍能力を高めることができる。
【００２１】
さらに詳細に説明する。
ダブルインレット型のパルス管冷凍機は、本来、安定した冷凍能力を制御するに当って他の因子に左右されることなくバルブ開度に応じたガス流量が確保されるべきであるが、図３に示す構成のパルス管冷凍機は、ダブルインレットバルブ６がストレーナ（蓄冷器２のアフタークーラー２ａ、パルス管３のホットエンド３ａ）の末端にあり、内部を通過してきたガスがオリフィスバルブ４の開度の影響を受けやすく、そのために、冷凍能力を予測することが困難になってしまう。具体的には、オリフィスバルブ４は、パルス管３内のガスカラム（ガスピストン）の位相制御（圧力との位置関係）を行うものであり、パルス管冷凍機を効率よく作動させるために非常に重要な構成要素である。ここで、オリフィス内部を通過するガスは、図５に示すように出口で乱れが生じる。そして、オリフィスのガス流量ｍは、次式によって規定される。
ｍ＝α（Ｐ１2−Ｐ２2）1/2
ただし、αは比例定数であり、ガスの物性が同じであれば、オリフィスの開口面積に比例する。Ｐ１は入口圧力、Ｐ２は出口圧力である。
【００２２】
したがって、式からも分かるように、ガス流量は、オリフィスの開口面積と出入り口圧力差によって決定される。しかし、上述のように、オリフィスの出口でガスの乱れが生じるので、互いにガスの干渉が起こり、位相制御が独立してうまく作動しない状態になってしまう。
また、蓄冷器２とダブルインレットバルブ６との間、およびパルス管３とダブルインレットバルブ６との間が無駄容量であり、この無駄容量がかなり多いのであるから、冷凍能力が低下し、十分な冷凍能力を発揮させることができなくなってしまう。
【００２３】
図４に示すパルス管冷凍機においては、蓄冷器２のアフタークーラー２ａとパルス管３のホットエンド３ａとの間にダブルインレットバルブ６を接続しているのであるから、オリフィスバルブ４の出口で生じたガスの乱れを大幅に低減し、ガスの干渉を大幅に低減して、オリフィスバルブ４、ダブルインレットバルブ６によるパルス管３内のガスカラムの位相制御を互いに独立して意図どおりに行うことができ、冷凍能力の予測を簡単に達成することができる。また、蓄冷器２のアフタークーラー２ａとパルス管３のホットエンド３ａとの間にダブルインレットバルブ６を接続しているのであるから、ダブルインレットバルブ６と蓄冷器２のアフタークーラー２ａとの間の無駄容積、ダブルインレットバルブ６とパルス管３のホットエンド３ａとの間の無駄容積を大幅に低減し、無駄容積の低減に伴う冷凍能力の向上を達成することができる。図７はダブルインレットバルブ６の装着位置とフランジ７との距離に対応する到達温度（冷凍による到達温度）の変化を示す図であり、無駄容積を低減することにより、到達温度を低くでき、冷凍能力を向上できたことが分かる。
【００２４】
また、上記の何れの実施態様のパルス管冷凍機においても、パルス管内のガスカラムをオリフィスバルブ４、ダブルインレットバルブ６によって位相制御し、最適な冷凍能力を得ようとしている。そして、ダブルインレットバルブ６内のガス流量は、ダブルインレットバルブ６の出入り口のガス圧力差と開閉度合いに依存して定まる。ここで、開閉度合いは、外部からの操作量により簡単に設定できるのに対して、出入り口のガス圧力差は蓄冷器２の抵抗値とパルス管３の抵抗値とに依存して定まる。しかし、従来は、両抵抗値の割合などの目安が存在していないので、出入り口のガス圧力差を最適値に設定することが困難であり、例えば、思考錯誤などによるしかなかった。
【００２５】
しかし、本願発明者は、蓄冷器２の抵抗値に対するパルス管３の抵抗値を変化させて冷凍能力の変化を測定し、蓄冷器２の抵抗値に対するパルス管３の抵抗値の割合を０．２５以下の正の値に設定すればよいことを見出した。
さらに詳細に説明すると、蓄冷器２の抵抗値の調整はメッシュの枚数を変化させることにより行い、パルス管３の抵抗値の調整はホットエンド、低温端のストレーナ内に充填されているメッシュまたはそれに相当する充填物の枚数（量）を変化させることにより行う。そして、ダブルインレットバルブ６内のガス流量を一定値（例えば、１５ｌ／ｍｉｎ）に設定した状態で、両抵抗値の比（パルス管側における圧力低下／蓄冷器側における圧力低下）を変化させて冷凍能力（ＱｃｏｌｄＷ）を測定した。この測定の結果は、図６に示すとおりであり、０．２５以下の正の値に設定することにより高い冷凍能力を達成できることが分かる。ただし、０．２５以下、かつ０．１５以上であることが好ましく、０．２０以下、かつ０．１５以上であることが最も好ましい。なお、抵抗値の測定は、例えば、定常流試験により行う。
【００２６】
したがって、両抵抗値の比を上述のように設定することにより、パルス管を最適設計することが容易になる。
なお、以上には、オリフィスバルブ４およびダブルインレットバルブ６を有するパルス管冷凍機について説明したが、オリフィスバルブ４、ダブルインレットバルブ６を有していないパルス管冷凍機、ダブルインレットバルブ６を有していないパルス管冷凍機についても同様に適用することが可能である。
【００２７】
【発明の効果】
請求項１の発明は、蓄冷器、パルス管とフランジとの温度干渉を排除して、アフタークーラーとホットエンドとの長さに基づいて定まる設計上の冷凍能力を達成することができ、しかも、真空容器本体に対するフランジの取り付けを良好に達成することができるという特有の効果を奏する。
【００２８】
請求項２の発明は、蓄冷器、パルス管とフランジとの温度干渉を排除して、アフタークーラーとホットエンドとの長さに基づいて定まる設計上の冷凍能力を達成することができ、しかも、真空容器本体に対するフランジの取り付けを良好に達成することができるという特有の効果を奏する。
請求項３の発明は、請求項２と同様の効果を奏する。
【００２９】
請求項４の発明は、ダブルインレットバルブがガスの乱れの影響を殆ど受けず、パルス管内のガスカラムの位相制御を意図どおりに行うことができ、また、蓄冷器とダブルインレットバルブとの間およびパルス管とダブルインレットバルブとの間における無駄容量を大幅に低減して冷凍能力を向上させることができるほか、請求項２または請求項３と同様の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のダブルインレット型のパルス管冷凍機の構成を示す概略図である。
【図２】従来のダブルインレット型のパルス管冷凍機の他の構成を示す概略図である。
【図３】この発明のパルス管冷凍機の一実施態様を示す概略図である。
【図４】この発明のパルス管冷凍機の他の実施態様を示す概略図である。
【図５】オリフィスにおけるガスの流れを示す概略図である。
【図６】ダブルインレットバルブ内のガス流量を一定値に設定した状態で、両抵抗値の比を変化させて冷凍能力を測定した結果を示す図である。
【図７】ダブルインレットバルブの装着位置とフランジとの距離に対応する到達温度の変化を示す図である。
【符号の説明】
１ 圧縮機 ２ 蓄冷器
２ａ アフタークーラー ３ パルス管
３ａ ホットエンド ４ オリフィスバルブ
５ リザーバータンク ６ ダブルインレットバルブ
７ フランジ
Claims (4)
- 圧縮機（１）に対して、少なくとも蓄冷器（２）、パルス管（３）およびリザーバータンク（５）をこの順に直列接続し、蓄冷器（２）とパルス管（３）とを真空容器に収容し、かつ真空容器のフランジ（７）を貫通させて蓄冷器（２）のアフタークーラー（２ａ）とパルス管（３）のホットエンド（３ａ）とを外部に導出し、アフタークーラー（２ａ）の貫通部およびホットエンド（３ａ）の貫通部において、蓄冷器（２）、パルス管（３）とフランジ（７）との温度干渉を低減すべくフランジ（７）を他の部分よりも薄肉に形成してあることを特徴とするパルス管冷凍機。
- 圧縮機（１）に対して、蓄冷器（２）、パルス管（３）、オリフィスバルブ（４）およびリザーバータンク（５）をこの順に直列接続し、蓄冷器（２）とパルス管（３）とをバイパスさせるダブルインレットバルブ（６）を接続し、蓄冷器（２）とパルス管（３）とを真空容器に収容し、かつ真空容器のフランジ（７）を貫通させて蓄冷器（２）のアフタークーラー（２ａ）とパルス管（３）のホットエンド（３ａ）とを外部に導出し、アフタークーラー（２ａ）の貫通部およびホットエンド（３ａ）の貫通部において、蓄冷器（２）、パルス管（３）とフランジ（７）との温度干渉を低減すべくフランジ（７）を他の部分よりも薄肉に形成してあることを特徴とするパルス管冷凍機。
- 前記フランジ（７）は、アフタークーラー（２ａ）の貫通部およびホットエンド（３ａ）の貫通部において真空容器の内部側が凹入形成されることにより、該当部分が他の部分よりも薄肉に形成してある請求項１または請求項２に記載のパルス管冷凍機。
- 前記ダブルインレットバルブ（６）は、その両端部が蓄冷器（２）のアフタークーラー（２ａ）とパルス管（３）のホットエンド（３ａ）とにそれぞれ接続されている請求項２または請求項３に記載のパルス管冷凍機。
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