JPH1194381A - パルス管冷凍機 - Google Patents

パルス管冷凍機

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JPH1194381A
JPH1194381A JP26243697A JP26243697A JPH1194381A JP H1194381 A JPH1194381 A JP H1194381A JP 26243697 A JP26243697 A JP 26243697A JP 26243697 A JP26243697 A JP 26243697A JP H1194381 A JPH1194381 A JP H1194381A
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JP
Japan
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pulse tube
heat
temperature end
tube
cooler
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JP26243697A
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Yoshinori Funatsu
津 義 徳 船
Hitoshi Kondo
藤 斎 近
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Aisin Corp
Original Assignee
Aisin Seiki Co Ltd
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 パルス管冷凍機において、放熱効率を向上さ
せること。 【解決手段】冷却器５と冷却器５の一端に連結した蓄冷
器７と冷却器５の他端に連結したパルス管１とを備えほ
ぼ直線状に配置された冷凍発生部２０と、蓄冷器７の高
温端７ａ側に連結された圧力変動源３０と、パルス管１
の高温端１ａ側に熱良導体で形成された細管４を介して
連結された位相調節機構４０とを備えたパルス管冷凍機
とした。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、パルス管冷凍機に関す
るものである。
【０００２】
【従来の技術】従来のパルス管冷凍機としては、特開平
８−５４１５２号公報に記載されたものがある。これ
は、冷却器と冷却器の一端に連結した蓄冷器と冷却器の
他端に連結したパルス管とを備え前記冷却器の部分で折
り返して配置された冷凍発生部と、蓄冷器の高温端側に
連結された圧力変動源と、パルス管の高温端側に細管を
介して連結された位相調節機構とを備えるものである。
【０００３】上記パルス管冷凍機は、冷凍発生部が冷却
器の部分で折り返して配置されているので、この折り返
し部分で作動ガスの流れが乱れ、冷却効率を悪化させ
る。
【０００４】上記問題に対し、図５に示すパルス管冷凍
機が提案されている。このパルス管冷凍機１０５は、冷
却器５と冷却器５の一端に連結した蓄冷器７と冷却器５
の他端に連結したパルス管１とを備えほぼ直線状に配置
された冷凍発生部２０と、蓄冷器７の高温端７ａ側に連
結された圧力変動源３０と、パルス管１の高温端１ａ側
に細管４を介して連結された位相調節機構４０とを備え
るものである。
【０００５】また、冷凍発生部２０及び細管４は、放熱
器となる基部１２ａと基部１２ａに取り付けられた蓋部
１２ｂとからなる真空槽１２の内部の真空空間内に収容
されている。さらにパルス管１の高温端１ａには熱交換
器１３が取り付けられ、この熱交換器１３は熱良導体で
形成された伝熱棒３により真空槽１２の基部１２ａに連
結されているものである。
【０００６】上記パルス管冷凍機１０５は、冷凍発生部
２０がほぼ直線状に配置されているので、冷凍発生部２
０内での作動ガスの流れはさほど乱れない。このため特
開平８−５４１５２号公報に示されたパルス管冷凍機よ
りは、作動ガスの流れの観点から言えば、効率は良くな
るものである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記説
明した従来技術では、パルス管の高温端に蓄積される熱
は、熱交換器から伝熱棒を経て真空槽の基部に伝達さ
れ、基部より外部に放出されるが、パルス管高温端と伝
熱棒との接触面積は小さく、十分な放熱ができないとい
う問題がある。
【０００８】ゆえに、本発明は、上記実情に鑑みてなさ
れたものであり、パルス管冷凍機において、放熱効率を
向上させることを技術的課題とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】上記した技術的課題を解
決するためになされた請求項１の発明は、冷却器と該冷
却器の一端に連結した蓄冷器と前記冷却器の他端に連結
したパルス管とを備えほぼ直線状に配置された冷凍発生
部と、前記蓄冷器の高温端側に連結された圧力変動源
と、前記パルス管の高温端側に熱良導体で形成された細
管を介して連結された位相調節機構とを備えたパルス管
冷凍機である。
【００１０】これによれば、パルス管の高温端側と位相
調節機構とは、熱良導体で形成された細管を介して連結
されており、パルス管高温端の作動ガスに蓄積された熱
は細管内で該細管に伝達される。この場合、細管の内壁
全体が作動ガスとの接触伝熱面積となるので、より大き
な伝熱面積を確保することができ、より多くの熱を細管
に伝達させることができる。さらに、細管は銅、アルミ
ニウム等の熱良導体で形成されているので、熱伝導度が
良好であり、伝達された熱を速やかに外部に放出するこ
とができるものである。このため接触伝熱面積の小さい
熱交換器を経てパルス管高温端に蓄積された熱を外部に
放熱する従来のパルス管冷凍機に比べて放熱効率が向上
するものである。
【００１１】また、上記技術的課題を解決するためにな
された請求項２の発明は、冷却器と該冷却器の一端に連
結した蓄冷器と前記冷却器の他端に連結したパルス管と
を備えほぼ直線状に配置された冷凍発生部と、前記蓄冷
器の高温端側に連結された圧力変動源と、前記パルス管
の高温端側に細管を介して連結された位相調節機構と、
前記細管に沿って配置され熱良導体で形成された伝熱手
段とを備えたパルス管冷凍機である。
【００１２】これによれば、パルス管の高温端側と位相
調節機構とは細管を介して連結されており、パルス管高
温端の作動ガスに蓄積された熱は細管内で該細管に伝達
される。この場合、細管の内壁全体が作動ガスとの接触
伝熱面積となるので、より大きな伝熱面積を確保するこ
とができ、より多くの熱を細管に伝達させることができ
る。また、細管に沿って熱良導体で形成された伝熱手段
が配置しているので、細管に伝達された熱はさらに伝熱
手段にも伝達される。そして、伝熱手段は熱良導体で形
成されているので、熱伝導度が良好であり、伝達された
熱を速やかに外部に放出することができるものである。
このため接触伝熱面積の小さい熱交換器を経てパルス管
高温端に蓄積された熱を外部に放熱する従来のパルス管
冷凍機に比べて放熱効率が向上するものである。
【００１３】また、上記技術的課題を解決するためにな
された請求項３の発明は、冷却器と該冷却器の一端に連
結した蓄冷器と前記冷却器の他端に連結したパルス管と
を備えほぼ直線状に配置された冷凍発生部と、前記蓄冷
器の高温端側に連結された圧力変動源と、前記パルス管
の高温端側に厚肉の細管を介して連結された位相調節機
構とを備えたパルス管冷凍機である。
【００１４】これによれば、パルス管の高温端側と位相
調節機構とは細管を介して連結されており、パルス管高
温端の作動ガスに蓄積された熱は細管内で該細管に伝達
される。この場合、細管の内壁全体が作動ガスとの接触
伝熱面積となるので、より大きな伝熱面積を確保するこ
とができ、より多くの熱を細管に伝達させることができ
る。また、細管は厚肉とされているので、伝達された熱
は細管の大きな断面積に沿って移動しやすく、伝達され
た熱を速やかに外部に放出することができるものであ
る。このため接触伝熱面積の小さい熱交換器を経てパル
ス管高温端に蓄積された熱を外部に放熱する従来のパル
ス管冷凍機に比べて放熱効率が向上するものである。
【００１５】細管の肉厚としては、好ましくは３ｍｍ以
上である。３ｍｍ以下であるとパルス管高温端で発生す
る熱を放出しきれないという問題がある。
【００１６】また、上記技術的課題を解決するにあた
り、請求項４の発明のように、前記細管には放熱手段が
装着されていることが好ましい。これによれば、パルス
管高温端側の熱が細管に伝達され、該細管に装着された
放熱手段により効率良く外部に放出されるので、放熱効
率をより一層向上させることができるものである。
【００１７】
【発明の実施の形態】以下、本発明に係る実施の形態を
図面に基づいて説明する。
【００１８】（第１実施形態例）図１は、本発明の第１
実施形態例であるパルス管冷凍機の概略図である。図に
おいて、本例におけるパルス管冷凍機１０１は、冷却器
５と冷却器５の一端に連結した蓄冷器７と冷却器５の他
端に連結したパルス管１とを備えほぼ直線状に配置され
た冷凍発生部２０と、蓄冷器７の高温端７ａ側に連結さ
れた圧力変動源３０と、パルス管１の高温端１ａ側に熱
良導体で形成された細管４を介して連結された位相調節
機構４０とを備えたものである。
【００１９】冷却器５はコールドヘッドとも呼ばれ、内
部に蓄冷器７とパルス管１とを連通する通路５ａを備
え、材質としては例えば銅等で形成されるものであり、
この冷却器５が被冷却体と接触して熱交換を行うもので
ある。
【００２０】冷却器５の一端側には蓄冷器７が連結され
ている。蓄冷器は円筒状のケース内部に例えばメッシュ
等が積層して形成された蓄冷材６が充填されてなるもの
である。また、パルス管冷凍機１０１の運転中、蓄冷器
７は冷却器５に近い側で低温となり、遠い側で高温とな
る温度分布を持つ。従って、冷却器５に近い側の蓄冷器
端が低温端７ｂ、反対側の端が高温端７ａとなる。
【００２１】冷却器５の他端側にはパルス管１が連結さ
れている。パルス管１は中空の円筒管であり、一般的に
はステンレスにより形成される。また、パルス管冷凍機
１０１の運転中、パルス管１は冷却器５に近い側で低温
となり、遠い側で高温となる温度分布を持つ。従って、
冷却器５に近い側のパルス管端が低温端１ｂ、反対側の
端が高温端１ａとなる。
【００２２】パルス管１の高温端１ａ側には熱交換器１
３が装着されている。この熱交換器１３は銅で形成さ
れ、パルス管高温端１ａの作動ガスの熱を受け取る部分
としての機能を持つ。尚、この熱交換器１３は本例にお
いては装着しなくても良い。
【００２３】上記の冷却器５、蓄冷器７、パルス管１か
ら冷凍発生部２０が構成される。図より明らかなよう
に、冷凍発生部２０はほぼ直線状に配置されている。こ
れにより、冷凍発生部２０内の作動ガスの流れの乱れが
減少し、冷却効率が向上するものである。
【００２４】上記冷凍発生部２０は図より明らかなよう
に、真空槽１２内に収容されている。真空槽１２は、基
部１２ａと基部１２ａに気密的に取り付けられた蓋部１
２ｂで形成されており、これら基部１２ａ及び蓋部１２
ｂで囲まれた内部空間は真空状態とされている。また基
部１２ａは銅等の熱良導体で構成され、真空槽１２内や
パルス管冷凍機１０１で発生する熱を外部に放出する放
熱器としての機能を備えるものである。
【００２５】蓄冷器７の高温端７ａは基部１２ａ上に接
触して設置されている。また、蓄冷器７は、該蓄冷器７
の高温端７ａに向かって開口し基部１２ａ内に形成され
た連通管８を介して圧力変動源３０と連結されている。
圧力変動源３０は、図に示すように往復動ピストン９と
シリンダ１０から構成されピストン９とシリンダ１０と
で区画された空間１０の容積変化により圧力変動を発生
させるものであり、この空間１０での圧力変動が該空間
１０に他端が開口した連通管を経由して蓄冷器７側に伝
達されるものである。尚、本例において圧力変動源３０
としてピストン及びシリンダを使用するものとしたが、
これ以外にも、回転圧縮機等により得られる高、低圧源
を弁の切換えで圧力変動を発生するもの等がある。
【００２６】パルス管１の高温端１ａ側には細管４を介
してバッファタンク１１及びオリフィス１４よりなる位
相調節機構４０が連結されている。細管４は、その一端
がパルス管高温端１ａに開口し、真空槽内で折り返し、
さらに基部１２ａを突き抜けて真空槽１２の外部に配置
された位相調節機構４０に接続されているものである。
この細管４の材質は本例においては銅が使用されるが、
その他、アルミニウム、真鍮等、熱良導体であれば良
い。また細管４と基部１２ａとは互いに気密的に接触し
ており、細管４の熱が基部１２ａに伝達されるようにな
っている。
【００２７】上記構成のパルス管冷凍機１０１におい
て、ピストン９がシリンダ１０内を往復動することによ
りパルス管冷凍機１０１内の作動空間に圧力変動を発生
する。この圧力変動に伴って作動ガスが変位するが、オ
リフィス１４によりパルス管１内とバッファタンク１１
内とを行き来する作動ガスの流量が規制されるので、作
動ガスの圧力変動と変位との間に一定の位相差が生じ
る。この位相差を冷却器５付近の作動ガスにおいて９０
度程度とすることにより、作動ガスは冷却器５付近の熱
を吸込み、蓄冷器高温端７ａ側又はパルス管高温端１ａ
側に移動し、移動した後その位置で熱を吐き出し、熱を
吐き出した後蓄冷器低温端７ｂ側又はパルス管低温端１
ｂ側に移動する動作を繰り返す。これにより冷却器５付
近の熱が蓄冷器高温端７ａ側またはパルス管高温端１ａ
側に汲み出され、冷却器５付近において極低温を発生す
るものである。
【００２８】パルス管冷凍機１０１の運転中、蓄冷器高
温端７ａ及びパルス管高温端１ａは、冷却器５付近から
の熱をもらい受け、加熱する。蓄冷器高温端７ａに蓄積
された熱は、該高温端７ａに接触している真空槽１２の
基部１２ａに受け渡され、この基部１２ａから外部に熱
が放出される。一方パルス管高温端１ａに蓄積された熱
は、熱交換器１３に受け渡されるとともに細管４にも受
け渡される。この場合、細管４の内壁全体が作動ガスと
の接触伝熱面積となるので、より大きな伝熱面積を確保
することができ、より多くの熱を細管に伝達させること
ができる。さらに、細管４は銅等の熱良導体で形成され
ているので、熱伝導度が良好であり、伝達された熱が速
やかに移動可能である。従って、作動ガスから細管４へ
と大量に伝達された熱は速やかに移動し、細管４と気密
的に接触する真空槽１２の基部１２ａに受け渡され、外
部に放出されるものである。
【００２９】以上説明したように、本例は、冷却器５と
冷却器５の一端に連結した蓄冷器７と冷却器５の他端に
連結したパルス管１とを備えほぼ直線状に配置された冷
凍発生部２０と、蓄冷器７の高温端７ａ側に連結された
圧力変動源３０と、パルス管１の高温端１ａ側に熱良導
体で形成された細管４を介して連結された位相調節機構
４０とを備えたパルス管冷凍機であるので、パルス管高
温端１ａに蓄積された熱は熱良導体で形成されかつ高温
の作動ガスとの接触伝熱面積の大きい細管４に大量に受
け渡されて速やかに外部に放熱される。このため接触伝
熱面積の小さい熱交換器を経てパルス管高温端に蓄積さ
れた熱を外部に放熱する従来のパルス管冷凍機に比べて
放熱効率が向上するものである。
【００３０】（第２実施形態例）次に、本発明の第２実
施形態例について、図に示すパルス管冷凍機１０２に基
づいて説明する。本例は上記第１実施形態例とはパルス
管高温端と位相調節機構とを連結する細管の構成が相違
するものであり、以下、相違点を中心に説明する。
【００３１】図２に示すように、本例におけるパルス管
冷凍機１０２は、冷却器５と該冷却器５の一端に連結し
た蓄冷器７と冷却器５の他端に連結したパルス管１とを
備えほぼ直線状に配置された冷凍発生部２０と、蓄冷器
７の高温端７ａ側に連結された圧力変動源３０と、パル
ス管１の高温端１ａ側に細管４を介して連結された位相
調節機構４０と、細管４に沿って配置され熱良導体で形
成された伝熱手段としての伝熱棒３を備えたものであ
る。
【００３２】伝熱棒３は、細管４に沿って形成され、一
端はパルス管１の高温端１ａ付近まで延び、他端は細管
４と基部１２ａとが接触する部分まで延びてこの部分で
基部１２ａに固定されている。また伝熱棒３は銅、アル
ミニウム等の熱良導体で形成されているものである。
【００３３】その他の構成、及び、パルス管冷凍機の冷
凍発生の作動については上記第１実施形態例と同様であ
るので、その説明を省略する。
【００３４】パルス管冷凍機１０２の運転中、蓄冷器高
温端７ａ及びパルス管高温端１ａは、冷却器５付近から
の熱をもらい受け、加熱する。蓄冷器高温端７ａに蓄積
された熱は、該高温端７ａに接触している真空槽１２の
基部１２ａに受け渡され、この基部１２ａから外部に熱
が放出される。一方パルス管高温端１ａに蓄積された熱
は、熱交換器１３に受け渡されるとともに細管４にも受
け渡される。この場合、細管４の内壁全体が作動ガスと
の接触伝熱面積となるので、より大きな伝熱面積を確保
することができ、より多くの熱を細管に伝達させること
ができる。また、細管４に沿って熱良導体で形成された
伝熱棒３が配置しているので、細管４に伝達された熱は
さらに伝熱棒３にも伝達される。そして、伝熱棒３は熱
良導体で形成されているので、熱伝導度が良好であり、
伝達された熱は速やかに移動して伝熱棒３の位相調節機
構４０に近い側の端部に達する。そして、該端部に連結
された基部１２ａに熱を受け渡し、この基部１２ａより
外部に熱を放出することができるものである。
【００３５】以上説明したように、本例は、冷却器５と
該冷却器５の一端に連結した蓄冷器７と冷却器５の他端
に連結したパルス管１とを備えほぼ直線状に配置された
冷凍発生部２０と、蓄冷器７の高温端７ａ側に連結され
た圧力変動源３０と、パルス管１の高温端１ａ側に細管
４を介して連結された位相調節機構４０と、細管４に沿
って配置され熱良導体で形成された伝熱手段としての伝
熱棒３を備えたパルス管冷凍機であるので、パルス管高
温端１ａに蓄積された熱は高温の作動ガスとの接触伝熱
面積の大きい細管４に大量に受け渡され、さらに細管４
から該細管４に沿って配置され熱良導体で形成された伝
熱棒３に受け渡され、速やかに外部に放熱される。この
ため接触伝熱面積の小さい熱交換器を経てパルス管高温
端に蓄積された熱を外部に放熱する従来のパルス管冷凍
機に比べて放熱効率が向上するものである。
【００３６】（第３実施形態例）次に、本発明の第３実
施形態例について、図３に示すパルス管冷凍機１０３に
基づいて説明する。本例も上記第２実施形態例と同様
に、上記第１実施形態例とはパルス管高温端と位相調節
機構とを連結する細管の構成が相違するものであり、以
下、相違点を中心に説明する。
【００３７】図３に示すように、本例におけるパルス管
冷凍機１０３は、冷却器５と該冷却器５の一端に連結し
た蓄冷器７と冷却器５の他端に連結したパルス管１とを
備えほぼ直線状に配置された冷凍発生部２０と、蓄冷器
７の高温端７ａ側に連結された圧力変動源３０と、パル
ス管１の高温端１ａ側に厚肉の細管４を介して連結され
た位相調節機構４０とを備えたものである。
【００３８】細管４は、肉厚が３ｍｍとされている。通
常の細管の肉厚は１ｍｍ以下であり、本例における細管
４は、通常の細管と比較して厚肉である。
【００３９】その他の構成、及び、パルス管冷凍機の冷
凍発生の作動については上記第１実施形態例と同様であ
るので、その説明を省略する。
【００４０】パルス管冷凍機１０３の運転中、蓄冷器高
温端７ａ及びパルス管高温端１ａは、冷却器５付近から
の熱をもらい受け、加熱する。蓄冷器高温端７ａに蓄積
された熱は、該高温端７ａに接触している真空槽１２の
基部１２ａに受け渡され、この基部１２ａから外部に熱
が放出される。一方パルス管高温端１ａに蓄積された熱
は、熱交換器１３に受け渡されるとともに細管４にも受
け渡される。この場合、細管４の内壁全体が作動ガスと
の接触伝熱面積となるので、より大きな伝熱面積を確保
することができ、より多くの熱を細管に伝達させること
ができる。また、細管４は厚肉であるので、細管４の軸
方向に向かって熱が通過する面積（細管４の断面積）が
大きく、熱は速やかに移動可能である。従って、作動ガ
スから細管４へと大量に伝達された熱は速やかに移動
し、細管４と気密的に接触する真空槽１２の基部１２ａ
に受け渡され、外部に放出されるものである。
【００４１】以上説明したように、本例は、冷却器５と
該冷却器５の一端に連結した蓄冷器７と冷却器５の他端
に連結したパルス管１とを備えほぼ直線状に配置された
冷凍発生部２０と、蓄冷器７の高温端７ａ側に連結され
た圧力変動源３０と、パルス管１の高温端１ａ側に厚肉
の細管４を介して連結された位相調節機構４０とを備え
たパルス管冷凍機であるので、パルス管高温端１ａに蓄
積された熱は高温の作動ガスとの接触伝熱面積の大きい
細管４に大量に受け渡され、また厚肉の細管の大きい断
面積を通って熱が速やかに移動し、外部に放熱される。
このため接触伝熱面積の小さい熱交換器を経てパルス管
高温端に蓄積された熱を外部に放熱する従来のパルス管
冷凍機に比べて放熱効率が向上するものである。
【００４２】また、図４は、上記第１〜第３実施形態例
において説明したパルス管冷凍機において、細管４の真
空槽１２から突出した部分の外周に放熱手段としての放
熱フィン１５を取り付けた構成を示すものである。この
ように放熱フィン１５を取り付けることにより、細管４
から効率良く移動してきたパルス管高温端１ａ付近の熱
が、放熱フィン１５により効率良く外部に放出される。
このためより一層放熱効率が向上するものである。
【００４３】
【発明の効果】以上のように、本発明によれば、放熱効
率の良いパルス管冷凍機を提供することができるもので
ある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態例におけるパルス管冷凍
機の概略図である。
【図２】本発明の第２実施形態例におけるパルス管冷凍
機の概略図である。
【図３】本発明の第３実施形態例におけるパルス管冷凍
機の概略図である。
【図４】上記第１〜第３実施形態例におけるパルス管冷
凍機の細管に放熱フィンを取り付けた図である。
【図５】従来技術におけるパルス管冷凍機の概略図であ
る。
【符号の説明】
１・・・パルス管、１ａ・・・高温端、１ｂ・・・低温
端 ３・・・伝熱棒 ４・・・細管 ５・・・冷却器 ７・・・蓄冷器、７ａ・・・高温端、７ｂ・・・低温端 ９・・・ピストン １０・・・シリンダ １１・・・バッファタンク １２・・・真空槽 １４・・・オリフィス １５・・・放熱フィン ２０・・・冷凍発生部 ３０・・・圧力変動源 ４０・・・位相調節機構 １０１、１０２、１０３・・・パルス管冷凍機

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 冷却器と該冷却器の一端に連結した蓄冷
    器と前記冷却器の他端に連結したパルス管とを備えほぼ
    直線状に配置された冷凍発生部と、前記蓄冷器の高温端
    側に連結された圧力変動源と、前記パルス管の高温端側
    に熱良導体で形成された細管を介して連結された位相調
    節機構とを備えたパルス管冷凍機。
  2. 【請求項２】 冷却器と該冷却器の一端に連結した蓄冷
    器と前記冷却器の他端に連結したパルス管とを備えほぼ
    直線状に配置された冷凍発生部と、前記蓄冷器の高温端
    側に連結された圧力変動源と、前記パルス管の高温端側
    に細管を介して連結された位相調節機構と、前記細管に
    沿って配置され熱良導体で形成された伝熱手段とを備え
    たパルス管冷凍機。
  3. 【請求項３】 冷却器と該冷却器の一端に連結した蓄冷
    器と前記冷却器の他端に連結したパルス管とを備えほぼ
    直線状に配置された冷凍発生部と、前記蓄冷器の高温端
    側に連結された圧力変動源と、前記パルス管の高温端側
    に厚肉の細管を介して連結された位相調節機構とを備え
    たパルス管冷凍機。
  4. 【請求項４】 請求項１〜３において、 前記細管には放熱手段が装着されていることを特徴とす
    るパルス管冷凍機。
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