JP4362632B2

JP4362632B2 - パルス管冷凍機

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Publication number: JP4362632B2
Application number: JP2005504195A
Authority: JP
Inventors: 洋一松原; 寛之杉田; 彰寛久志野
Original assignee: Nihon University; Japan Aerospace Exploration Agency JAXA
Current assignee: Nihon University; Japan Aerospace Exploration Agency JAXA
Priority date: 2003-03-28
Filing date: 2004-03-26
Publication date: 2009-11-11
Anticipated expiration: 2024-03-26
Also published as: US20060277925A1; WO2004088217A1; JPWO2004088217A1; CN1768238A; EP1610075A1; CN100371657C

Description

本発明は、パルス管冷凍機に関し、特に、熱により圧力振動を発生する圧力振動発生装置を備えたパルス管冷凍機に関する。

パルス管冷凍機は、パルス管と、パルス管の低温側に接続された蓄冷器と、蓄冷器の高温側に接続された圧縮機とを備えた構成の冷凍機である。パルス管冷凍機には、低温の可動部が無い。モータ駆動の圧縮機を用いるパルス管冷凍機では、圧縮機と蓄冷器の間に設けられた高圧バルブと低圧バルブを交互に開閉することにより、パルス管内に圧力振動を生じさせている。Ｇｉｆｆｏｒｄによる基本型パルス管冷凍機では、ｓｕｒｆａｃｅｈｅａｔ−ｐｕｍｐｉｎｇｅｆｆｅｃｔを利用している。オリフィス型パルス管冷凍機では、パルス管の高温側には、オリフィスを介してバッファ（リザーバタンク）が接続されている。パルス管内の圧力振動とパルス管内でのガス柱（パルス管内に形成される仮想のガスピストン）の変位との位相差に基づいて、冷却作用が生じる。ダブルインレット型では、オリフィスとパルス管の間の流路と、蓄冷器と圧縮機の間の流路を、別のオリフィスを有するバイパス流路を介して接続している。
スターリングエンジンなどの熱機関について、第９図に、蓄熱器を使って熱エネルギーをガスの圧力エネルギーに変換する装置におけるエネルギー流のパターンを示す。蓄熱器の両端の境界条件を変えて、エネルギー流がどのようになるかを示したものである。これらのパターンのうち、（ｂ）と（ｃ）は、蓄熱器の低温側の端で入力仕事を要求しない。他方、低温側で大きな掃引体積を必要とする。（ｃ）がより現実的な条件であり、（ｂ）は、理想的な条件である。
第１０図を参照しながら、従来のオリフィス型パルス管冷凍機について説明する。パルス管冷凍機は、パルス管と、パルス管の低温側に接続された蓄冷器と、パルス管の高温端に接続されたバッファタンクとを備える。蓄冷器の高温側（室温側）に、圧縮機が接続される。パルス管と蓄冷器の間の部分に、極低温を発生するコールドステーションが形成されている。蓄冷器は、銅線をメッシュ状に編んだ網体を円板状に打ち抜き、この円板状の網体を複数枚重ねるようにして、金属製の筒体内に収容したものである。必要に応じて、鉛等の球体を追加充填することもある。
パルス管内に、点線で示されるような‘ガスピストン’を想定することにより、その基本的動作原理を容易に説明することができる。ガスピストンとは、パルス管内に常に存在しているガスのことで、あたかも伸縮する固体ピストンのように作用することから、この名前が付けられた。圧力振動によってオリフィスを通過するガスのもたらすエネルギー流変化に注目する。パルス管内が高圧のとき、圧力降下を伴って、バッファに等エンタルピー的に流入するから、エントロピーが増加する。パルス管内が低圧のときも、圧力降下を伴ってバッファから等エンタルピー的に流出するから、エントロピーも増加する。
すなわち、振動が続く限りエントロピーが増大し続けるので、この部分で連続した仕事の吸収（あるいは消費）が行われていることになる。ただし、オリフィス内でのエンタルピー流は、サイクル平均ではゼロである。その結果、パルス管内を一定の仕事が通過していることになり、ガスピストンがあたかも膨張機のように作用して、パルス管と蓄冷器との接合部の温度が低下し、冷凍機として機能する。したがって、冷凍発生のメカニズムは、基本型パルス管冷凍機とは異なり、むしろＧＭサイクルやスターリングサイクルの冷凍発生機構に準ずるものである。
オリフィス型パルス管冷凍機では、原理的に臨界温度勾配の制限を受けないので、基本型パルス管冷凍機では到達し得なかった低温度に達成できる。しかし、効率に関しては問題がある。膨張仕事が全て熱に変換されるため、仕事として回収することができないので、大容量の冷凍システムには適さない。スターリングサイクルやＧＭサイクルの場合に比較して、蓄冷器を通過するエンタルピー流が大きく、冷凍効率が悪くて大きい蓄冷器を必要とする。
理想的な蓄冷器とは、無限大の比熱と無限大の熱伝達表面積とを限られた空間内に有しており、しかも流れの軸方向に無限小、径方向に無限大の熱伝導率を持っているような構造体をいう。例えば、蓄冷器の両端から流入するガス温度がそれぞれ３００Ｋ、３０Ｋで、蓄冷器が一定の温度勾配を保っていれば、３００Ｋで流入したガスは３０Ｋで流出し、３０Ｋで流入したガスは３００Ｋで流出する。つまり流れ方向の任意の位置でのガスは温度振動していないことになる。
一方、実際の蓄冷器で最もポピュラーなのは、円形に打ち抜いた目の細かい金網を薄肉ステンレス管に多数枚積層したものである。当然、理想状態から遠く離れているので、ガスは温度振動し、その結果としてエンタルピーの流れが生じ、実質冷凍量を低減させる。エンタルピーの流れとは、流体の低圧比熱と温度と流量の積を１サイクル周積分した値で、〈Ｈ〉で示す。与えられた蓄冷器の効率を向上させるためには、つまり〈Ｈ〉を減少させるためには、流量を減少させるほか無い。しかし、流量の減少は仕事量の減少にもつながる。重要なのは、いかにして単位流量あたりの仕事量を増大させるかである。
基本型パルス管では、理想的な蓄冷器を想定しているので、蓄冷器内のエンタルピー流〈Ｈ〉_Ｒはゼロになっている。エネルギー流の添え字Ｒは蓄冷器内、Ｐはパルス管内を表す。第１０図には、蓄冷器の非効率が、実質冷凍量の減少にどのようにかかわっているかを同時に示してある。まず、パルス管内でのエネルギー流に注目すると、基本型パルス管の場合と異なり、冷凍の元となる右向きの熱流〈Ｑ〉_Ｐが全く無い。もし、パルス管内壁が完全断熱ならば、熱流は無く、〈Ｑ〉_Ｐ＝０であり、したがって、〈Ｗ〉_Ｐ＝〈Ｈ〉_Ｐであるが、実際には、むしろわずかに左向きの〈Ｑ〉_Ｐが存在している。
それにもかかわらず、基本型パルス管より更によく温度が下がる理由は、オリフィスによって吸収される仕事量が、パルス管壁を介しての直接的熱輸送量より著しく大きいからである。つまり、ｓｕｒｆａｃｅｈｅａｔ−ｐｕｍｐｉｎｇｅｆｆｅｃｔは、圧縮比の制限を受けるが、オリフィス型の場合は、低圧縮比でも、オリフィス開度の調整で通過流量を制御し、仕事吸収量を増大させることが可能だからである。オリフィスを通過するエンタルピー流がゼロで、仕事流が減少するわけだから、エントロピーが増大する。その増大したエントロピーは、熱交換器内で熱として放出される。つまり、仕事が熱に変換されたわけである。
一方、実際の冷凍量は、第１０図から明らかなように、パルス管を通過する〈Ｈ〉_Ｐから、蓄冷器を通過する〈Ｈ〉_Ｒを差し引いたものになる。冷凍機に最低到達温度が存在するのは、入力が一定ならば温度の低下と共に〈Ｈ〉_Ｐが減少し、同時に〈Ｈ〉_Ｒが増大し、最終的に冷凍量Ｑは〈Ｈ〉_Ｐ−〈Ｈ〉_Ｒ＝０となるからである。したがって、少しでも最低到達温度を低下させたければ、パルス管を通過する仕事流を一定に保ちつつ流量を減少させ、〈Ｈ〉_Ｒを減少させることが重要となる。
第１１図は、特願２００２−１７９１４１号で提案した圧力振動発生装置である。この圧力振動発生装置では、熱入力部を加熱して、仕事伝達チューブ内に自励振動を生じさせる。共振器を共振させ、熱交換器に仕事を入力すると、この仕事が、熱交換器を介して増幅される。その仕事が、仕事伝達チューブに伝達されて、出力部に出力される。出力される仕事を、入力した仕事よりも大きくできる。出力される仕事の一部を、シリンダの駆動用のエネルギーとして用いる。加熱するだけで、圧力振動発生装置を継続的に駆動できる。圧力振動発生装置を格段に小型化できる。
特開平１１−１８２９５８号公報に開示された「パルス管冷凍機」は、熱駆動型圧縮機の共鳴管の長さを短縮することにより、小型コンパクト化したパルス管冷凍機である。熱駆動型圧縮機の共鳴管内に封入された作動ガスを加熱・冷却することにより、作動ガスに自励振動を発生させる。熱駆動型圧縮機からの作動ガスの圧力振幅を、冷凍機本体のパルス管および蓄冷器に作用させて、水素などの容器内の流体を冷却液化する。共鳴管内に封入される作動ガスに、ヘリウムガスと他の希ガスとの混合ガスを用い、共鳴管長さを短縮する。特に、混合ガスとしてＨｅとＸｅの混合ガスを用いる。
しかし、従来のパルス管冷凍機では、モータで駆動する圧縮機を利用する場合、振動が大きくて電気ノイズも発生するという問題がある。スターリングサイクルなどを利用する圧縮機では、共振管のサイズが大きくなるという問題がある。空洞共振器を利用するものでは、振動が大きいという問題がある。特許文献１に開示されたパルス管冷凍機の熱駆動型圧縮機でも、このような問題を解決できない。
本発明は、上記従来の問題を解決して、小型で振動と電気ノイズのないパルス管冷凍機を実現することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明では、パルス管と、パルス管の低温側に接続された蓄冷器と、蓄冷器の高温側に接続された振動発生装置と、パルス管の高温側に接続されたオリフィス付リザーバとを備えたパルス管冷凍機の振動発生装置を、蓄熱器と加熱用熱交換器と放熱用熱交換器と仕事伝達管とからなる熱駆動管と、熱駆動管の出力端に一端が接続された移相器と、移相器の他端と熱駆動管の入力端を結ぶ帰還路とを備えた熱駆動圧力波発生装置とする構成とした。このように構成したことにより、小型で振動とノイズのないパルス管冷凍機を実現できる。
すなわち、振動発生装置の共振器や移相器に、固体ディスプレーサを採用し、それを対向型にすることにより、振動の低減と小型化が実現できる。従来の共鳴管型の熱駆動圧力波発生装置では、小さいと共鳴しないので、大型にならざるを得なかった。小型にしようとすると、動作ガスと管壁との摩擦により、効率が非常に低くなり、実用にならなかった。固体ディスプレーサの共振器や移相器を使うことで、小型でも効率のよい熱駆動圧力波発生装置を実現することができる。同様な理由で、仕事を吸収する側に、固体ディスプレーサの共振器や移相器を設けることで、小型でも効率のよいパルス管冷凍機を実現することができる。

第１図は、本発明の第１の実施の形態におけるパルス管冷凍機に用いる熱駆動圧力波発生装置の概念図、
第２図は、本発明の第２の実施の形態におけるパルス管冷凍機に用いる熱駆動圧力波発生装置の概念図、
第３図は、本発明の第３の実施の形態におけるパルス管冷凍機に用いる熱駆動圧力波発生装置の概念図、
第４図は、本発明の第４の実施の形態におけるパルス管冷凍機に用いる熱駆動圧力波発生装置の概念図、
第５図は、本発明の第５の実施の形態におけるパルス管冷凍機に用いる共振器の概念図、
第６図は、本発明の第６の実施の形態におけるパルス管冷凍機に用いる移相器の概念図、
第７図は、本発明の第７の実施の形態におけるパルス管冷凍機に用いる漏洩移相器の概念図、
第８図は、本発明の第３、４の実施の形態におけるパルス管冷凍機に用いる熱駆動圧力波発生装置の動作実験結果を示す図、
第９図は、熱駆動圧力波発生装置におけるエネルギー流のパターンを示す図、
第１０図は、従来のパルス管冷凍機におけるエネルギー流のパターンを示す図、
第１１図は、従来のパルス管冷凍機に用いる熱駆動圧力波発生装置の概念図である。

以下、本発明の実施の形態について、第１図〜第８図を参照しながら詳細に説明する。
（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態は、熱駆動管と移相器と帰還路とを備えた熱駆動圧力波発生装置により駆動するパルス管冷凍機である。
第１図は、本発明の第１の実施の形態におけるパルス管冷凍機の構成を示す概念図である。第１図において、パルス管冷凍機１は、オリフィス型パルス管冷凍機である。このパルス管冷凍機は、パルス管と、パルス管の低温側に接続された蓄冷器と、蓄冷器の高温側に接続された振動発生装置と、パルス管の高温側に接続されたオリフィス付リザーバとを備える。図示は省略してあるが、第１０図に示したものと同じである。蓄熱器２は、一定の温度勾配をもつ等温空間を形成する手段である。再生器（ｒｅｇｅｎｅｒａｔｏｒ）とも呼ばれるものである。加熱用熱交換器３は、蓄熱器２の高温側に熱を供給する手段である。放熱用熱交換器４は、蓄熱器２の低温側を室温程度に冷却する手段である。仕事伝達管５は、断熱空間であり、動作ガスの圧力波により仕事を伝達する管である。帰還路６は、移相器７から蓄熱器２に仕事を戻す管である。移相器７は、シリンダ内を自由に往復運動するピストンにより、動作ガスの圧力波の移相を遅らせる手段である。放熱用熱交換器４ａは、仕事伝達管５の仕事出力側を室温程度に冷却する手段である。放熱用熱交換器４と蓄熱器２と加熱用熱交換器３と仕事伝達管５と放熱用熱交換器４とで、熱駆動管を構成している。熱駆動管は、蓄熱器２の高温部を加熱し、低温部を冷却することにより、蓄熱器２に一定の温度勾配を形成して、動作ガスの圧力波による仕事を増幅する装置である。熱駆動管と帰還路６と移相器７とで、熱駆動圧力波発生装置を構成している。
上記のように構成された本発明の第１の実施の形態におけるパルス管冷凍機の動作を説明する。左右対称に設置された移相器７（ディスプレーサ）が対称に振動すると、動作ガスが振動する。その結果、温度Ｔｈに加熱された加熱用熱交換器３から温度Ｔａに冷却された放熱用熱交換器４に、熱の流れが発生する。その結果、系内に圧力振動が発生する。この圧力振動と動作ガスの変位との間には特定の位相差があり、それが仕事の流れになる。この仕事の流れというエネルギーは、系に取り込まれた熱エネルギーの一部が仕事エネルギーに変換されたことによるものである。その証拠に、系から排出される熱エネルギーは、取り込まれた熱エネルギーより少ない。
仕事の流れは、温度Ｔａの放熱用熱交換器４から温度Ｔｈの加熱用熱交換器３側に向かう。つまり、熱の流れとは反対方向に流れることが特徴である。その仕事の流れは、蓄熱器２を通過する過程で増幅される。その増幅された仕事流の一部は、移相器７（ディスプレーサ）を介して帰還路６から温度Ｔａの放熱用熱交換器４に供給される。残りの仕事は、パルス管冷凍機１の駆動源として供給される。最初に移相器７（ディスプレーサ）の振動を仮定したが、加熱温度Ｔｈと放熱温度Ｔａとの温度差が充分大きければ、移相器７（ディスプレーサ）を連続的に駆動させるのに必要な仕事を消費しても、パルス管冷凍機１に供給する仕事が残されるので、自励振動が得られ、駆動に必要な仕事を外部から供給する必要はない。
仕事伝達管５から出力された仕事の一部が、移相器７（ディスプレーサ）に戻されると、シリンダ内のピストンを振動させる。戻された仕事は、移相器７（ディスプレーサ）で、入力圧力波と位相の異なる圧力波に変換され、蓄熱器２の低温側に帰還される。帰還された仕事は、蓄熱器２で増幅され、仕事伝達管５に伝達された後、進行波として出力される。熱駆動管は、入力された仕事を増幅して出力する増幅器として機能する。出力された仕事の一部は、再度移相器７（ディスプレーサ）に戻されて、熱駆動管は継続的に圧力波を発生する。この熱駆動圧力波発生装置は、イナータンス型パルス管冷凍機に適用することもできるし、発電機などにも使用できる。
上記のように、本発明の第１の実施の形態では、パルス管冷凍機を、熱駆動管と移相器と帰還路とを備えた熱駆動圧力波発生装置により駆動する構成としたので、小型で振動と電気ノイズのないパルス管冷凍機が実現でき、簡単な構成で冷却効率を高めることができる。
（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態は、熱駆動管と、共振器と移相器と帰還路とを備えた熱駆動圧力波発生装置により駆動するパルス管冷凍機である。熱駆動圧力波発生装置は、スターリングエンジン型である。
第２図は、本発明の第２の実施の形態におけるパルス管冷凍機の構成を示す概念図である。第２図において、共振器８は、熱駆動管の仕事出力側に設けたガススプリング共振器である。その他の構成は、第１の実施の形態と同じである。このパルス管冷凍機の基本的な構成は、第１１図に示した従来のパルス管冷凍機と同じである。移相器のピストンが自由に往復運動できる点が異なる。熱駆動管と帰還路６と移相器７と共振器８で、熱駆動圧力波発生装置を構成している。
上記のように構成された本発明の第２の実施の形態におけるパルス管冷凍機の動作を説明する。加熱用熱交換器３が十分に加熱されると、仕事伝達管５内に自励振動が生じ、この自励振動に対して共振器８が所定の位相差で共振する。熱駆動管の出力側に設けた共振器８に、動作ガスの圧力波が共振して、定在波が発生する。共振器８での共振によって生じる圧力波は定在波であるために、仕事として何ら取り出せるものではない。共振器８との仕事のやり取りは、１周期で差し引き０である。熱駆動管内を移動する動作ガスの振幅が大きくなり、熱駆動管で増幅された仕事が、パルス管冷凍機１に送り出される。蓄熱器２内で生成された仕事は、熱の流れと逆方向に流れる。移相器７の動作は、第１の実施の形態と同じである。
この熱駆動圧力波発生装置は、気体駆動自励スターリングエンジンである。スターリングサイクルエンジンのエネルギー流の様子は、第９図（ａ）に示した通りである。熱Ｑｉｎは、蓄熱器２の高温側から供給され、熱Ｑｏｕｔとして蓄熱器２の低温側から除去される。移相器７は、帰還路の音響慣性として用いられている。移相器７と共振器８は、機械的な振動を減らすために対称的に配置されている。浮かした状態でピストンを支持するために、撓み軸受が用いられている。ピストンの直径は、５２ｍｍである。可動質量は、１．８５ｋｇである。蓄熱器２の大きさは、直径５２ｍｍである。長さ５７ｍｍであり、２００メッシュのスクリーンで満たされている。ピストンとシリンダの隙間は、約１５μｍである。加熱温度５８０Ｋ、平均圧力１．５Ｍｐａ、駆動周波数２４．５Ｈｚで、最小仕事増幅率は、１．５７である。駆動周波数は、ピストンの共振周波数２３．５Ｈｚより高い。この熱駆動圧力波発生装置は、イナータンス型パルス管冷凍機に適用することもできるし、発電機などにも使用できる。
上記のように、本発明の第２の実施の形態では、パルス管冷凍機を、熱駆動管と共振器と移相器と帰還路とを備えた熱駆動圧力波発生装置により駆動する構成としたので、小型で振動と電気ノイズのないパルス管冷凍機が実現でき、簡単な構成で冷却効率を高めることができる。
（第３の実施の形態）
本発明の第３の実施の形態は、熱駆動管と共振器とを備えた熱駆動圧力波発生装置により駆動するパルス管冷凍機である。熱駆動圧力波発生装置は、定在波型である。
第３図は、本発明の第３の実施の形態におけるパルス管冷凍機の構成を示す概念図である。第３図において、蓄熱器２は、一定の温度勾配をもつ等温空間を形成する手段である。加熱用熱交換器３は、蓄熱器２の高温側に熱を供給する手段である。放熱用熱交換器４は、蓄熱器２の低温側を室温程度に冷却する手段である。高温バッファ１６は、圧力波を反射させて、熱駆動管に定在波を発生させる管である。蓄熱器２と加熱用熱交換器３と放熱用熱交換器４と高温バッファ１６とで、熱駆動管を構成している。共振器８は、熱駆動管とパルス管冷凍機１との接続部に設けたガススプリング共振器である。熱駆動管と共振器８とで、熱駆動圧力波発生装置を構成している。
上記のように構成された本発明の第３の実施の形態におけるパルス管冷凍機の動作を説明する。共振器８に動作ガスの圧力波が共振して、定在波が発生する。
高温バッファ１６の閉じた端部が定在波のガス変位の節となる。共振器８の接続部が定在波の腹となる。熱駆動管内を移動する動作ガスの振幅が大きくなり、熱駆動管で増幅された仕事が、パルス管冷凍機１に送り出される。共振器８との仕事のやり取りは、１周期で差し引き０である。この熱駆動圧力波発生装置は、定在波型の熱音響エンジンである。スタックと呼ばれる荒い網の蓄熱器２を用いる。この熱駆動管では、第１，２の実施の形態と異なり、仕事の流れの方向は、熱の流れの方向と同じである。第９図（ｄ）に示したように、エネルギーが流れる。圧力波による仕事は、熱駆動管の低温側から入り、高温バッファ１６で反射され、蓄熱器２で増幅されて、熱駆動管の低温側から出る。したがって、熱駆動管の低温側は、仕事の入出力端となっている。共振器８により、熱駆動管の長さが短くても、定在波の腹の振幅が大きくなるので、小型でも圧力波発生の効率がよくなる。この熱駆動圧力波発生装置は、イナータンス型パルス管冷凍機に適用することもできるし、発電機などにも使用できる。
上記のように、本発明の第３の実施の形態では、パルス管冷凍機を、熱駆動管と共振器とを備えた熱駆動圧力波発生装置により駆動する構成としたので、小型で振動と電気ノイズのないパルス管冷凍機が実現でき、簡単な構成で冷却効率を高めることができる。
（第４の実施の形態）
本発明の第４の実施の形態は、熱駆動管の出力側と反対側に共振器を備えた熱駆動圧力波発生装置により駆動するパルス管冷凍機である。
第４図は、本発明の第４の実施の形態におけるパルス管冷凍機の構成を示す概念図である。第４図において、パルス管冷凍機１は、オリフィス型パルス管冷凍機である。蓄熱器２は、一定の温度勾配をもつ等温空間を形成する手段である。加熱用熱交換器３は、蓄熱器２の高温側に熱を供給する手段である。放熱用熱交換器４は、蓄熱器２の低温側を室温程度に冷却する手段である。仕事伝達管５は、断熱空間であり、動作ガスの圧力波により仕事を伝達する管である。放熱用熱交換器４ａは、仕事伝達管５の仕事出力側を室温程度に冷却する手段である。放熱用熱交換器４と蓄熱器２と加熱用熱交換器３と仕事伝達管５と放熱用熱交換器４とで、熱駆動管を構成している。熱駆動管は、蓄熱器２の高温部を加熱し、低温部を冷却することにより、蓄熱器２に一定の温度勾配を形成して、動作ガスの圧力波による仕事を増幅する装置である。共振器８は、熱駆動管とパルス管冷凍機１との接続部の反対側に設けたガススプリング共振器である。熱駆動管と共振器８とで、熱駆動圧力波発生装置を構成している。
上記のように構成された本発明の第４の実施の形態におけるパルス管冷凍機の動作を説明する。温度Ｔａの放熱用熱交換器４側に、左右対向型の一対の共振器８（ディスプレーサ）を取り付ける。温度Ｔｈの加熱用熱交換器３からの熱流の一部が仕事流に変換される。さらにその一部は、温度Ｔａの放熱用熱交換器４側から取り出され、共振器８（ディスプレーサ）を駆動するのに用いられる。残りの仕事は、温度Ｔｈの加熱用熱交換器３側から取り出され、仕事伝達管５を介して、パルス管冷凍機１に供給される。ループが形成されていないので、循環流の発生による不安定性の心配がない。
共振器８により動作ガスの圧力波が共振して、共振器８に定在波が発生する。熱駆動管内を移動する動作ガスの振幅が大きくなり、熱駆動管で増幅された仕事が、パルス管冷凍機１に送り出される。共振器８との仕事のやり取りは、１周期で０である。
熱駆動圧力波発生装置の実験では、動作ガスをヘリウムガスとして、共振周波数３１．５Ｈｚで発振した。パルス管冷凍機を駆動するのに適当な平均圧力２．３Ｍｐａで、１．１以上の圧力比が得られた。加熱温度Ｔｈは７２３Ｋであり、冷却温度Ｔａは２９０Ｋである。ひとたび圧力振動が開始されると、加熱温度が４５０Ｋ以下になるまで振動が継続した。実験結果を、第８図に示す。この熱駆動圧力波発生装置は、イナータンス型パルス管冷凍機に適用することもできるし、発電機などにも使用できる。
上記のように、本発明の第４の実施の形態では、パルス管冷凍機を、熱駆動管の出力側と反対側に共振器を備えた熱駆動圧力波発生装置により駆動する構成としたので、小型で振動と電気ノイズのないパルス管冷凍機が実現でき、簡単な構成で冷却効率を高めることができる。
（第５の実施の形態）
本発明の第５の実施の形態は、パルス管とオリフィスとの間にガススプリング共振器を備えたパルス管冷凍機である。
第５図は、本発明の第５の実施の形態におけるパルス管冷凍機の構成を示す概念図である。第５図において、共振器８ａは、閉じたガスをスプリングとしてピストンが往復運動する共振器である。リザーバ１３は、動作ガスを溜めるバッファタンクである。オリフィス１４は、動作ガスに抵抗をかけて通過させる通路である。その他の構成は、第４の実施の形態と同じである。
上記のように構成された本発明の第５の実施の形態におけるパルス管冷凍機の動作を説明する。一般に、効率の良いパルス管冷凍機の位相制御機構として、イナータンスチューブと呼ばれる長い管とリザーバ容器とを直列に接続した「イナータンス位相制御機構」が用いられている。しかし、この機構は、小型のパルス管冷凍機には効率よく適用できない。その理由は、長い管の直径を小さくする必要があり、その結果、その管内部で振動する気体の圧力損失が増大し、同時にそこに存在するガスの質量が減少することによって、理想的な共鳴条件が成立しなくなるからである。
一方、固体のピストンとオリフィスとを併用した制御系を利用すれば、いくら小型化しても、充分に理想的な共鳴条件が成立する。理想的な共鳴条件とは、パルス管温端部でのガスの変位と圧力振動との位相差が９０度を超える状態を実現していることを言う。最近のマイクロメカニクスの技術進歩をもってすれば、超小型ピストンの製造は困難ではなくなってきていることも、この技術を実現に近づけている要因の一つである。この方式の位相制御機構は、パルス管冷凍機を小型化しようとするために重要なものである。
パルス管１５とオリフィス１４との間に設けた共振器８ａにより、短いパルス管でも共振させることができる。共振器８ａが振動の腹になるので、大きな振幅でオリフィス１４との間で動作ガスをやり取りできる。小型で効率的な位相制御機構ができる。圧力振動発生装置は、どの型のものでもよい。
上記のように、本発明の第５の実施の形態では、パルス管冷凍機を、パルス管とオリフィスとの間にガススプリング共振器を備えた構成としたので、長い共鳴管を用いることなく、小型で振動と電気ノイズのないパルス管冷凍機が実現でき、簡単な構成で冷却効率を高めることができる。
（第６の実施の形態）
本発明の第６の実施の形態は、パルス管とオリフィスとの間に移相器を備えたパルス管冷凍機である。
第６図は、本発明の第６の実施の形態におけるパルス管冷凍機の構成を示す概念図である。第６図において、移相器７は、動作ガスの移動位相を遅延させる手段である。その他の構成は、第４の実施の形態と同じである。
上記のように構成された本発明の第６の実施の形態におけるパルス管冷凍機の動作を説明する。パルス管１５とオリフィス１４との間に設けた移相器７により、動作ガスの移動位相を遅延させて、冷却効率を高めることができる。オリフィス１４のみの場合と比較して、移相器７で圧力波に対するガス変位の移相量を大きくすることができ、冷却効率が高まる。オリフィス１４がない場合の位相を０度とすると、オリフィス１４を設けると位相差は９０度となる。さらに移相器７を設けると、位相差は１１０度程度になる。また、移相器７の特性を目的に合わせて設計することができるので、最適な動作特性を実現することができる。なお、パルス管冷凍機を駆動する圧力振動発生装置は、どの型のものでも利用できる。
上記のように、本発明の第６の実施の形態では、パルス管冷凍機を、パルス管とオリフィスとの間に移相器を備えた構成としたので、小型で振動と電気ノイズのないパルス管冷凍機が実現でき、簡単な構成で冷却効率を高めることができる。
（第７の実施の形態）
本発明の第７の実施の形態は、パルス管とリザーバとの間に漏洩移相器を備えたパルス管冷凍機である。
第７図は、本発明の第７の実施の形態におけるパルス管冷凍機の構成を示す概念図である。第７図において、漏洩移相器１２は、シリンダとピストンの間に、動作ガスが通る隙間があるディスプレーサである。オリフィスはない。
上記のように構成された本発明の第７の実施の形態におけるパルス管冷凍機の動作を説明する。パルス管１５とリザーバ１３との間に設けた漏洩移相器１２は、ディスプレーサとオリフィスの機能を兼ね備えたものである。機能的には、第６の実施の形態とほぼ同じである。第６の実施の形態では、移相器とオリフィスが直列に接続されていたのに対して、この例では、移相器とオリフィスが機能的に並列に接続されていることになる。漏洩移相器１２のシリンダとピストンの間の隙間を、オリフィスとして利用することにより、オリフィスを別途設ける必要を無くして、装置を小型化することができる。圧力振動発生装置は、どの型のものでもよい。
上記のように、本発明の第７の実施の形態では、パルス管冷凍機を、パルス管とリザーバとの間に漏洩移相器を備えた構成としたので、簡単な構成で仕事吸収手段を実現できる。

以上の説明から明らかなように、本発明では、パルス管と、パルス管の低温側に接続された蓄冷器と、蓄冷器の高温側に接続された振動発生装置と、パルス管の高温側に接続されたオリフィス付リザーバとを備えたパルス管冷凍機の振動発生装置を、蓄熱器と加熱用熱交換器と放熱用熱交換器と仕事伝達管とからなる熱駆動管と、熱駆動管の出力端に一端が接続された移相器と、移相器の他端と熱駆動管の入力端を結ぶ帰還路とを備えた熱駆動圧力波発生装置とする構成としたので、小型で振動とノイズのないパルス管冷凍機を実現できる。

Claims

パルス管と、前記パルス管の低温側に接続された蓄冷器と、前記蓄冷器の高温側に接続された振動発生装置と、前記パルス管の高温側に接続されたオリフィス付リザーバとを備えたパルス管冷凍機であって、前記振動発生装置は、蓄熱器と加熱用熱交換器と放熱用熱交換器と仕事伝達管とからなる熱駆動管と、それぞれピストンとシリンダとを有し前記熱駆動管の出力端に対して互いに対称的になるように前記出力端に一端が接続された２つの移相器と、前記各移相器の他端と前記熱駆動管の入力端を結ぶ２つの帰還路とを備えて、共鳴により自励振動を起こして進行波を発生する発振器として機能する熱駆動圧力波発生装置であることを特徴とするパルス管冷凍機。
パルス管と、前記パルス管の低温側に接続された蓄冷器と、前記蓄冷器の高温側に接続された振動発生装置と、前記パルス管の高温側に接続されたオリフィス付リザーバとを備えたパルス管冷凍機であって、前記振動発生装置は、蓄熱器と加熱用熱交換器と放熱用熱交換器と高温バッファとからなる熱駆動管と、それぞれピストンとシリンダとを有し前記熱駆動管の低温部端に対して互いに対称的になるように前記低温部端に端部が接続された２つの共振器とを備えて、共鳴により自励振動を起こして定在波を発生する発振器として機能する熱駆動圧力波発生装置であることを特徴とするパルス管冷凍機。
パルス管と、前記パルス管の低温側に接続された蓄冷器と、前記蓄冷器の高温側に接続された振動発生装置と、前記パルス管の高温側に接続されたオリフィス付リザーバとを備えたパルス管冷凍機であって、前記振動発生装置は、蓄熱器と加熱用熱交換器と放熱用熱交換器と仕事伝達管とからなる熱駆動管と、それぞれピストンとシリンダとを有し前記熱駆動管の入力端に対して互いに対称的になるように前記入力端に端部が接続された２つの共振器とを備えて、共鳴により自励振動を起こして進行波を発生する発振器として機能する熱駆動圧力波発生装置であることを特徴とするパルス管冷凍機。
パルス管と、前記パルス管の低温側に接続された蓄冷器と、前記蓄冷器の高温側に接続された振動発生装置と、前記パルス管の高温側に接続されたオリフィス付リザーバとを備えたパルス管冷凍機であって、前記パルス管と前記オリフィスとに対して互いに対称的になるように前記パルス管と前記オリフィスの間に端部が接続された２つのガススプリング共振器を備え、前記振動発生装置は、共鳴により自励振動を起こして進行波を発生する発振器として機能することを特徴とするパルス管冷凍機。
パルス管と、前記パルス管の低温側に接続された蓄冷器と、前記蓄冷器の高温側に接続された振動発生装置と、前記パルス管の高温側に接続されたオリフィス付リザーバとを備えたパルス管冷凍機であって、それぞれピストンとシリンダとを有し前記パルス管と前記オリフィスとに対して互いに対称的になるように前記パルス管と前記オリフィスの間に一端が接続された２つの移相器を備え、前記振動発生装置は、共鳴により自励振動を起こして進行波を発生する発振器として機能することを特徴とするパルス管冷凍機。
パルス管と、前記パルス管の低温側に接続された蓄冷器と、前記蓄冷器の高温側に接続された振動発生装置と、前記パルス管の高温側に接続されたリザーバとを備えたパルス管冷凍機であって、それぞれピストンとシリンダとを有し前記パルス管と前記リザーバとに対して互いに対称的になるように前記パルス管と前記リザーバの間に一端が接続された２つの漏洩移相器を備え、前記振動発生装置は、共鳴により自励振動を起こして進行波を発生する発振器として機能することを特徴とするパルス管冷凍機。