| 【発明の名称】 |
パルス管冷凍機 |
| 【発明者】 |
【氏名】滝澤 敬次
【氏名】鳥居 明人
【氏名】萩原 康正
【氏名】小原 公和
【氏名】八束 真一
【氏名】奈良 健一
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| 【要約】 |
【課題】パルス管冷凍機の性能、冷凍能力を向上せしめるための位相調整手段（キャピラリチューブ及びバッファタンク）の改良。
【解決手段】バッファタンク圧力を変動せしめる制御手段、オリフィスバルブを用いないダブルキャピラリによる位相調整手段、キャピラリ内径を互いに異なるようにして位相を制御可能としたマルチキャピラリ手段、及び特性の異なる複数のバッファタンクを擁するマルチバッファ手段のいずれかを備えたパルス管冷凍機は、従来技術と比較して、冷却能率及び／又は到達温度においてその機能が優れる。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】圧縮機と、蓄冷器と、パルス管と、該パルス管に接続する位相調整手段と、からなる冷凍装置において、該位相調整手段の一部となるバッファタンクと該蓄冷器の熱交換器とをキャピラリチューブにより連結して、該バッファタンクの圧力を変動可能と為し、補助的な位相調整を行い得ることを特徴とするパルス管冷凍機。
【請求項２】圧縮機と、蓄冷器と、パルス管と、該パルス管に接続する位相調整手段と、からなる冷凍装置において、該パルス管先端と該蓄冷器の熱交換器とをオリッフィスバルブの付されていないキャピラリチューブにより連結して、該キャピラリチューブにより補助的位相調整を行うことを特徴とするパルス管冷凍機。
【請求項３】チャンバと、蓄冷器と、該チャンバ内に置かれたパルス管と、該パルス管に接続する位相調整手段と、該チャンバ外に設けられた圧縮機とにより、該チャンバ内を冷却冷凍する装置において、位相調整手段が、前記パルス管の先端に接続する複数のキャピラリと該キャピラリに接続する同数のバッファタンクとから構成されることを特徴とするマルチバッファ型のパルス管冷凍機。
【請求項４】チャンバと、蓄冷器と、該チャンバ内に置かれたパルス管と、該パルス管に接続する位相調整手段と該チャンバ外に設けられた圧縮機とにより、該チャンバ内を冷却冷凍する装置において、位相調整手段が、該パルス管の先端に接続する複数の内径を異にするキャピラリと、夫々のキャピラリの他端が接続する単一のバッファタンクと、から構成されることを特徴とするマルチキャピラリ型のパルス管冷凍機。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は高温超伝導現象が認められる窒素温度域の冷凍手段の一つであるパルス管冷凍機に関する。更に詳しくは、位相調整手段とバッファタンクとを中核としたパルス管冷凍機の冷凍能力を改良する技術に係わる。
【０００２】
【従来技術とその問題点】パルス管冷凍機は、圧縮機、パルス管、蓄冷器及び位相調整器を構成要部とするものであるが、パルス管冷凍機のパルス管の先端部に設けられるキャピラリとバッファタンクとを含む位相調整手段はパルス管冷凍機の冷凍能力を決定する重要な部分である。本発明は位相調整手段としてのキャピラリとバッファタンクとを中核としたパルス管冷凍機の冷凍能力を改良する技術に係わる。
【０００３】パルス管冷凍機において、その冷凍機能を高める手段の一つに、使用する熱交換器の形状、構造、材質等を適切なものとすることが挙げられる。蓄冷器の高温側及び低温側にそれぞれ熱交換器が設けられるが、パルス管に封じた作業ガスの管内流速分布と熱交換状況が作業ガスの粘性や慣性によって影響され、熱交換器の設計は未だ開発過程にある。
【０００４】冷凍機能を改良する手段の他の一つが位相調整である。パルス管において、その圧力と変位とが９０度の位相差を保つようにすることが理想である。パルス管冷凍機は、圧縮器にリニアモータを使用してレシプロカルに動くピストンにより、パルス管内に封じた作業ガスに圧縮膨張を繰り返させて強制振動を発生させ、パルス管の端部に設けた蓄冷器の高温及び低温の熱交換器（熱源）を動作させ、ガスの膨張時の放熱作用を利用して、低温の蓄冷器から熱をさらに汲み上げる機能を備えている。
【０００５】したがって、この冷凍機は位相調整によってその冷凍能力が左右される。そして、従来から、圧力と変位との位相差を９０度に近づける努力が払われて来た。経験的にはオリフィスバルブでは９０度に到達せしめることは期待できないものの、キャピラリでは達成の可能性があると云われている。ここで注意すべきことは、細いチューブ内に封じられているガスは流体としての粘性抵抗を有し、しかも慣性も持つため、細いチューブ内の挙動は複雑であり、キャピラリの長さや径によって粘性抵抗と慣性とが変化するため、種々の工夫が計られてきた。これらの従来技術として図５（ａ）乃至（ｃ）に示す例が挙げられる。
【０００６】図５（ａ）はバルブ付きオリフィスを設けた位相調整手段である。パルス管先端とバッファタンクとを連結する細いチューブにおいてバルブを設けることにより、そのバルブの絞り具合を変えてオリフィスの有効径を変化せしめ、位相を適当に調整するものである。この方法は効果的と思われるにも拘わらず、バルブ付きオリフィスでは位相差を９０度に到達せしめることは困難のようである。現在までバルブ付きオリフィスを用いて位相差を９０度に到達せしめたとの報告はない。
【０００７】図５（ｂ）は、キャピラリチューブを使用した位相調整装置である。この装置はキャピラリの径と長さが最適条件を満足したとき、位相差を理想値に到達できる期待がある。ただし、キャピラリが少し変わると位相差は変化するので、汎用性を欠く。しかもキャピラリに止まらず、パルス管の形状や封入ガスが異なる場合、同一パルス管であっても運転条件が変更された場合に、直ちにキャピラリの成績が適応できない欠点がある。冷凍機の大型化のような設備規模を拡張する際に、設計仕様を変更せざるを得ないため、好まれない装置である。
【０００８】図５（ｃ）は、キャピラリチューブとバルブ付きオリフィスとを設けたダブルインレット型位相調整手段である。前掲図５（ａ）及び（ｂ）の長所をそれぞれ取り込んだ仕様のように見えるが、実際には実用性に欠ける。試験実績によれば、到達温度は５０Ｋ程度と単一チューブの位相調整器（６０Ｋ）に較べ低温到達性能が優れているにも拘わらず、温度が安定せず、突如温度上昇が起こる等の問題点を孕んでいる。その上、オリフィスバルブがパルス管や蓄冷器の外部に配置されることから、冷凍機としての冷凍能力を低下させ、運転コストが高くなる不利を伴う。
【０００９】以上述べたように、従来技術の冷凍機は、実用機としてはさらなる改良が必要である。
【００１０】そこで、本発明者等は、冷凍能力を向上せしめ得る新たな位相調整手段を設けたパルス管冷凍機を提案する。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】熱交換器の伝熱量を増やし、パルス管内の熱損失を低減して、冷凍能力を向上せしめることを前提として、位相調整が容易にでき、しかも設計的に設備規模に広く適用可能であるうえに、到達温度が低い、ヒートポンプとしての効率（蓄冷熱量／運転における消費エネルギー量）が高い等の特徴と、運転調整のし易さを課題として、パルス管冷凍機の改良を試みる。
【００１２】
【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、圧縮機と、蓄冷器と、パルス管と、該パルス管に接続するキャピラリチューブとバッファタンクとを含む位相調整手段と、からなる冷凍装置において、該バッファタンクと該蓄冷器の高温側熱交換器（近傍の位置）とを別な（第２の）キャピラリチューブにより連結して、該バッファタンクの圧力を変動可能と為し、補助的位相調整を行い得ることを特徴とする。従来技術におけるダブルインレット型パルス管冷凍機は、通常の運転において冷凍効率が不充分のうえに、温度が不安定であって、しかも充分な位相差を生じさせるための調整が難しいものであったが、本発明によりバッファタンクの位相差を９０度近傍にまで高めることや位相差そのものを適宜調整できる作用効果と運転に際しての経済性に利点がある。なお、主たる位相調整手段のキャピラリチューブと補助的位相調整を行う第２のキャピラリチューブとは材質や径が同一でも異なってもよい。
【００１３】請求項２の発明は、チャンバと、蓄冷器と、該チャンバ内に置かれたパルス管と、該パルス管に接続するキャピラリ及びバッファタンクを含む位相調整手段と、該チャンバ外に設けられた圧縮機とにより、該チャンバ内を冷却する装置において、該パルス管先端と該蓄冷器の熱交換器とをオリフィスバルブの付されていない第２のキャピラリチューブにより連結して、該第２のキャピラリチューブにより補助的位相調整を行うことを特徴とする。この発明は、オリフィスバルブを使用しないキャピラリチューブを設けた点に特徴があり、装置を簡略化したため、チャンバ外に曝されるキャピラリチューブの容積が少なく効率が高い。つまり、ダブルインレットの利点である低温到達能力を備えているうえに、冷凍機の運転効率（冷凍能力）も優れている。
【００１４】請求項３の発明は、チャンバと、蓄冷器と、該チャンバ内に置かれたパルス管と、該パルス管に接続するキャピラリ及びバッファタンクを含む位相調整手段と、該チャンバ外に設けられた圧縮機とにより、該チャンバ内を冷却する装置において、位相調整手段が該パルス管の先端に接続する複数のキャピラリと、キャピラリと同数のバッファタンクと、から構成されるマルチバッファ型のパルス管冷凍機である。この装置は径や長さを変更したキャピラリと容量の異なるバッファタンクとを複数設けることにより位相調整の選択に多面性を持たせ得る効果がある。
【００１５】請求項４の発明は、チャンバと、蓄冷器と、該チャンバ内に置かれたパルス管と、該パルス管に接続するキャピラリ及びバッファタンクを含む位相調整手段と、該チャンバ外に設けられた圧縮機とにより、該チャンバ内を冷却する装置において、位相調整手段が、該パルス管の先端に接続する複数の内径を異にするキャピラリと、夫々のキャピラリの他端が接続する単一のバッファタンクと、から構成されることを特徴とするマルチキャピラリ型のパルス管冷凍機と云うべきものである。この装置も径や長さを変更したキャピラリを複数設けることにより位相調整の選択に多面性を持たせ得る効果がある。
【００１６】
【作 用】パルス管冷凍機において、その冷凍機能を高めるには、圧力と変位とが９０度の位相差を保つようにすることが理想である。パルス管冷凍機は、リニアモータを使用してレシプロカルに動くピストンにより、強制振動を発生させ、パルス管内に封じた作業ガスに圧縮膨張を繰り返させ、パルス管の端部に設けた蓄冷器の高温及び低温の熱交換器（熱源）を動作させ、ガスの膨張時の放熱作用を利用して、低温の蓄冷器から熱をさらに汲み上げる機能を備えている。
【００１７】したがって、この冷凍機は位相調整によってその冷凍能力が左右される。
【００１８】そして、現実には、圧力と変位との位相差を９０度に近づける努力が払われている。経験的にはオリフィスバルブを用いた場合９０度に達することは期待できないものの、キャピラリでは達成可能である。もっとも、細いチューブ内に封じられているガスは流体としての粘性抵抗を有し、しかも慣性も持つため、細いチューブ内の挙動は複雑であり、キャピラリの長さや径によって粘性抵抗と慣性とが変化する。
【００１９】
【実施例】図面を参照して本発明を具体的に説明する。
【００２０】図１は、本発明請求項１の概略を示す図面である。図面から明らかな通り、圧縮機と、蓄冷器と、パルス管と、該パルス管に接続するキャピラリチューブと、バッファタンクとからなる冷凍装置である。この実施例において、バッファタンクと蓄冷器の高温側熱交換器（近傍の位置）とを別な（第２の）キャピラリチューブにより連結して、バッファタンクの圧力を変動可能としたものである。この改良により、第２のキャピラリチューブは補助的な位相調整機能を備える。実際には調整範囲が極めて広範囲となる効用がある。パルス管先端に接続するキャピラリからなる位相調整手段は、その径と長さが決められると調整範囲が狭く、多様な運転条件に追従できる範囲に限度があるが、上記の改良によって、適用範囲が広がる。ただし、蓄冷器の高温側熱交換器（近傍の位置）に接続され、冷凍チャンバーの外部にキャピラリチューブが配置されるので、冷凍能率は冷熱ロスが生じる分だけ低減することは避けられない。
【００２１】従来技術におけるダブルインレット型パルス管冷凍機は、通常の運転において冷凍効率が不充分のうえに、温度が安定しておらず、実用性に欠けるものであったが、本発明によりバッファタンクの位相差を９０度近傍にまで高めることや位相差そのものを適宜調整できる作用効果がある。
【００２２】請求項２の発明を図示したものが図２である。チャンバと、蓄冷器と、該チャンバ内に置かれたパルス管と、該パルス管に接続するキャピラリチューブと、該キャピラリチューブと接続するバッファタンクと、該チャンバ外に設けられた圧縮機とにより、該チャンバ内を冷却する装置である。この発明では、パルス管先端と蓄冷器の熱交換器とをオリフィスバルブの付されていない第２のキャピラリチューブにより連結して、当該キャピラリチューブにより補助的位相調整を行うことを特徴とする。この改良では、オリフィスバルブを使用しないキャピラリチューブを設けた点に特徴があり、装置を簡略化したため、チャンバ外に曝されるキャピラリチューブの容積が少なく、熱効率が高い。つまり、低温到達能力を備えているうえに、冷凍機の運転効率（冷凍能力）も優れている。
【００２３】図３は、本発明の請求項３に相当するものである。チャンバと、蓄冷器と、該チャンバ内に置かれたパルス管と、該パルス管に接続するキャピラリと、該キャピラリに接続するバッファタンクと、該チャンバ外に設けられた圧縮機とにより、該チャンバ内を冷却する装置である。図で明らかなように、位相調整手段はパルス管の先端に接続する複数のキャピラリと、該複数のキャピラリに接続する（キャピラリの数と）同数のバッファタンクとからなるマルチバッファ型のパルス管冷凍機である。この位相調整装置は、径や長さを変更したキャピラリと、複数からなる容量の異なるバッファタンクとをそれぞれ設けることにより位相調整の選択に多面性を持たせ得る効果がある。従って、実際の設備に容易に適用できる上に、運転条件の変更に便宜性をもつ。更に、設備設計において設備規模の変更にも対処できる利点がある。
【００２４】図４は本発明の請求項４に該当するものであって、チャンバと、蓄冷器と、該チャンバ内に置かれたパルス管と、該パルス管に接続するキャピラリ及び該キャピラリに接続するバッファタンクを含む位相調整手段と、チャンバ外に設けられた圧縮機とにより、チャンバ内を冷却する装置である。図４の装置は、位相調整手段として、パルス管の先端に接続する複数の内径を異にするキャピラリと、そのキャピラリに接続する単一のバッファタンクとからなるマルチキャピラリ型のパルス管冷凍機と云うべきものである。この実施例の装置も径や長さを変更したキャピラリを複数設けることにより位相調整の選択に多面性を持たせ得る効果がある。従って、前図と同様に、実際の設備に容易に適用できる上に、運転条件の変更に便宜性をもち、設備設計においても設備規模の変更にも対応できるものである。
【００２５】
【発明の効果】請求項１の発明は、パルス管冷凍機において、バッファタンクと蓄冷器の高温側熱交換器近傍とを第２のキャピラリチューブにより連結して、該バッファタンクの圧力を変動可能と為し、補助的位相調整を行い得ることを特徴とする。従来技術におけるダブルインレット型パルス管冷凍機は、通常の運転において冷凍効率が不充分のうえに、充分な位相差を生じさせるための調整が難しいものであったが、本発明によりバッファタンクの位相差を９０度近傍にまで高めることが可能となり、しかも位相差そのものを適宜調整できる作用効果と有する。更に運転に際しての経済性にも利点がある。
【００２６】請求項２の発明は、パルス管冷凍機において、パルス管先端と蓄冷器の高温側熱交換器（近傍位置）とをオリフィスバルブの付されていない第２のキャピラリチューブにより連結して、該キャピラリチューブにより補助的位相調整を行うことを特徴とする。この発明は、オリフィスバルブを使用しないキャピラリチューブを設けた点に特徴があり、装置を簡略化したため、チャンバ外に曝されるキャピラリチューブの容積が少なく効率が高い。つまり、低温到達能力を備えているうえに、冷凍機の運転効率（冷凍能力）も優れている効果を有する。
【００２７】請求項３の発明は、位相調整手段が、パルス管の先端に接続する複数のキャピラリと、このキャピラリに接続するキャピラリと同数のバッファタンクとからなるマルチバッファ型のパルス管冷凍機である。この装置は径や長さを変更したキャピラリと容量の異なるバッファタンクとを複数設けることにより位相調整の選択に多面性を持たせ得る効果がある。設計が容易であるうえに、設備規模の変化に順応し易い利点をも備えている。
【００２８】請求項４の発明は、位相調整手段が、パルス管の先端に接続する複数の内径を異にするキャピラリと、該キャピラリに接続する唯一のバッファタンクとからなるマルチキャピラリ型のパルス管冷凍機である。この装置も径や長さを変更したキャピラリを複数設けることにより位相調整の選択に多面性を持たせ得る効果がある。請求項３の装置と同様に、設計が容易であるうえに、設備規模の変化に順応し易い利点をも備えている。
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| 【出願人】 |
【識別番号】５９５０００７９３
【氏名又は名称】株式会社移動体通信先端技術研究所
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| 【出願日】 |
平成１１年１月８日（１９９９．１．８） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００７２６０４
【弁理士】
【氏名又は名称】有我 軍一郎
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| 【公開番号】 |
特開２０００−２０５６７８（Ｐ２０００−２０５６７８Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１２年７月２８日（２０００．７．２８） |
| 【出願番号】 |
特願平１１−２８５５ |
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