(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
パルス管内のガスを圧縮し上記パルス管の高温端における発熱を除去した後に上記ガスを膨張させて上記パルス管の低温端に寒冷熱を得るパルス管冷凍機において、共鳴管の一端を補助冷凍機により冷却し同共鳴管の他端をヒータにより加熱して得られる自励振動により上記パルス管内のガスを圧縮および膨張させるとともに、上記パルス管の高温端における発熱を上記補助冷凍機により除去することを特徴とするパルス管冷凍機。
【請求項２】
パルス管内のガスを圧縮し上記パルス管の高温端における発熱を除去した後に上記ガスを膨張させて上記パルス管の低温端に寒冷熱を得るパルス管冷凍機において、共鳴管の一端を液体窒素槽内の液体窒素により冷却し同共鳴管の他端をヒータにより加熱して得られる自励振動により上記パルス管内のガスを圧縮および膨張させるとともに、上記パルス管の高温端における発熱を上記液体窒素槽内の液体窒素により除去することを特徴とするパルス管冷凍機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、極低温流体の液化などに適用されるパルス管冷凍機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図３は極低温流体の液化などに使用されている従来のパルス管冷凍機の説明図である。図において、本パルス管冷凍機はパルス管の高温端における排熱をＧＭ冷凍機などの補助冷凍機を用いて行っており、図における符号１は本パルス管冷凍機へ侵入する熱を低減する断熱真空容器、２は断熱真空容器１のフランジ部、３は補助冷凍機の第一段寒冷発生部、４は第一段寒冷発生部３に取付けられて輻射により侵入する熱を抑制するシールド板、５は補助冷凍機の作動用ガスを圧縮する圧縮機、６は補助冷凍機に対する高圧ガスの供給ライン、７は補助冷凍機に対する低圧ガスの供給ラインである。８，９はそれぞれ高圧ガスおよび低圧ガスのロータリーバルブである。
【０００３】
１０は補助冷凍機の第二段寒冷発生部である。１１はパルス管で、パルス管１１の高温端１２は銅ブロック１３により補助冷凍機の第二段寒冷発生部１０と熱的に接続されている。１４はパルス管１１の低温端で、導管１５によって蓄冷器１６の低温端１７と接続されている。１８は蓄冷器１６の高温端で、バイパス弁１９によりパルス管１１の高温端１２と接続されている。蓄冷器１６の材料として、例えば磁性蓄冷材であるＥｒ3 Ｎｉなどを用いている。
【０００４】
２０は圧縮機、２１は蓄冷器１６への低圧ガスライン、２２は蓄冷器１６への高温ガスラインである。２３，２４はそれぞれ低圧ガス用および高温ガス用のロータリーバルブで、このロータリーバルブ２３，２４の開閉により蓄冷器１６およびパルス管１１内の圧力を調整する。２５はパルス管１１から流出するガスのバッファ、２６は流出するガスの流量をコントロールするオリフィス、２７，２８はそれぞれパルス管１１と低圧ガスライン２１および高温ガスライン２２とを結ぶ導管、２９，３０は導管２７，２８内を流れるガスの流量をコントロールするバルブである。これらバイパス弁１９，導管２７，２８，バルブ２９，３０はパルス管１１および蓄冷器１６を流れるガスの圧力と変位の位相差とをコントロールする位相制御機構である。
【０００５】
３１は沸点が液体窒素以下の例えば液体水素などの極低温流体、３２は極低温流体３１を収める容器、３３は極低温流体３１の供給管、３４は蒸発した極低温流体３１の逃気管、３５は膨張して温度の低下したガスが流れる導管１５に設置されているフィンである。蒸発した極低温流体３１はフィン３５の表面で液化して再び液体となる。
【０００６】
このように構成されているパルス管冷凍機において、パルス管１１および蓄冷器１６高温側のロータリーバルブ２４を開にすると、蓄冷器１６およびパルス管１１内のガスが高温ガスによって押され、行き場のなくなったガスはパルス管１１の高温端１２で発熱する。この発熱を補助冷凍機の第二段寒冷ヘッド１０によって除去し、次に低圧側のロータリーバルブ２３を開くと、パルス管１１の低温端１４および蓄冷器１６の低温端１７に寒冷熱を与えながらガスが膨張する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、従来のパルス管冷凍機においてはパルス管１１の高温端１２の排熱に補助冷凍機を用いているため、補助冷凍機を運転する圧縮機５の動力などを必要とし、さらにパルス管１１および蓄冷器１６内のガスを圧縮する圧縮機２０などにも大きな動力を必要としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るパルス管冷凍機は上記課題の解決を目的にしており、パルス管内のガスを圧縮し上記パルス管の高温端における発熱を除去した後に上記ガスを膨張させて上記パルス管の低温端に寒冷熱を得るパルス管冷凍機において、共鳴管の一端を補助冷凍機により冷却し同共鳴管の他端をヒータにより加熱して得られる自励振動により上記パルス管内のガスを圧縮および膨張させるとともに、上記パルス管の高温端における発熱を上記補助冷凍機により除去するようになっている。
【０００９】
即ち、本発明に係るパルス管冷凍機においては、パルス管の圧力振動源として共鳴管の両端に温度差を与えて共鳴管に自励振動を発生させ、この共鳴管の自励振動をパルス管の圧力振動源として用いており、共鳴管の低温端をパルス管の高温端における発熱を除去する補助冷凍機により冷却し、高温端をヒータにより加熱すると共鳴管の温度差により誘起されて共鳴管内に自励振動が発生する。このようにパルス管の圧力振動源として共鳴管を用いることにより、従来例におけるパルス管用の大規模な圧縮機が不要になる。
【００１０】
また、本発明に係るパルス管冷凍機は、パルス管内のガスを圧縮し上記パルス管の高温端における発熱を除去した後に上記ガスを膨張させて上記パルス管の低温端に寒冷熱を得るパルス管冷凍機において、共鳴管の一端を液体窒素槽内の液体窒素により冷却し同共鳴管の他端をヒータにより加熱して得られる自励振動により上記パルス管内のガスを圧縮および膨張させるとともに、上記パルス管の高温端における発熱を上記液体窒素槽内の液体窒素により除去するようになっている。
【００１１】
即ち、本発明に係るパルス管冷凍機においては、パルス管の圧力振動源として共鳴管の両端に温度差を与えて共鳴管に自励振動を発生させ、この共鳴管の自励振動をパルス管の圧力振動源として用いており、共鳴管の低温端を液体窒素槽内の液体窒素により冷却し高温端をヒータにより加熱すると共鳴管の温度差により誘起されて共鳴管内に自励振動が発生する。さらに、パルス管の高温端の冷却にも上記液体窒素槽内の液体窒素を用いており、パルス管の高温端に発生する熱が同液体窒素槽内の液体窒素により排熱される。このように、パルス管の圧力振動源として共鳴管を用いることにより従来例におけるパルス管用の大規模な圧縮機が不要になるとともに、パルス管の高温端の冷却に比較的安価に入手が可能な液体窒素を用いることにより従来例におけるパルス管用の補助冷凍機が不要になる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の実施の一形態に係るパルス管冷凍機の説明図、図２は本発明の実施の他の形態に係るパルス管冷凍機の説明図である。図において、これらの実施の形態に係るパルス管冷凍機は極低温流体の液化などに使用されるもので、図における符号１は本パルス管冷凍機へ侵入する熱を低減する断熱真空容器、２は断熱真空容器１のフランジ部、３は補助冷凍機の第一段寒冷発生部、４は第一段寒冷発生部３に取付けられて輻射により侵入する熱を抑制するシールド板、５は補助冷凍機の作動用ガスを圧縮する圧縮機、６は補助冷凍機に対する高圧ガスの供給ライン、７は補助冷凍機に対する低圧ガスの供給ラインである。８，９はそれぞれ高圧ガスおよび低圧ガスのロータリーバルブである。
【００１３】
１０は補助冷凍機の第二段寒冷発生部である。１１はパルス管で、パルス管１１の高温端１２は銅ブロック１３により補助冷凍機の第二段寒冷発生部１０と熱的に接続されている。１４はパルス管１１の低温端で、導管１５によって蓄冷器１６の低温端１７と接続されている。１８は蓄冷器１６の高温端で、バイパス弁１９によりパルス管１１の高温端１２と接続されている。蓄冷器１６の材料として、例えば磁性蓄冷材であるＥｒ3 Ｎｉなどを用いている。
【００１４】
２４は高温ガス用のロータリーバルブで、このロータリーバルブ２４の開閉により蓄冷器１６およびパルス管１１内の圧力を調整する。２５はパルス管１１から流出するガスのバッファ、２６は流出するガスの流量をコントロールするオリフィスである。これらバイパス弁１９，バッファ２５，オリフィス２６は、パルス管１１および蓄冷器１６を流れるガスの圧力と変位の位相差とをコントロールする位相制御機構である。
【００１５】
３１は沸点が液体窒素以下の例えば液体水素などの極低温流体、３２は極低温流体３１を収める容器、３３は極低温流体３１の供給管、３４は蒸発した極低温流体３１の逃気管、３５は膨張して温度の低下したガスが流れる導管１５に設置されているフィンである。蒸発した極低温流体３１はフィン３５の表面で液化して再び液体となる。
【００１６】
パルス管１１および蓄冷器１６高温側を加圧すると、蓄冷器１６およびパルス管１１内のガスが高温ガスによって押され、行き場のなくなったガスはパルス管１１の高温端１２で発熱する。この発熱を冷却して除去し、次にガスを開放すると、パルス管１１の低温端１４および蓄冷器１６の低温端１７に寒冷熱を与えながらガスが膨張する。
【００１７】
図１において、本実施の形態に係るパルス管冷凍機は図に示すように、パルス管１１の圧力振動源として共鳴管の自励振動を用いるようになっており、共鳴管の両端に温度差を与えることにより共鳴管に自励振動を発生させ、この共鳴管の自励振動をパルス管１１の圧力振動源として用いることによってパルス管１１の大規模な圧縮機が不要になり、パルス管冷凍機に必要な所要動力を低減するようになっている。即ち、図における符号３６は共鳴管、３７，３８はそれぞれ共鳴管３６内に設置した高温端熱交換器、低温端熱交換器である。３９はスタックで、ステンレス製の薄い板を重ね合わせたものなどが用いられる。４０は共鳴管３６の低温端熱交換器３８と補助冷凍機の第二段寒冷発生部１０とを熱的に結合する銅など熱の良導体で構成されるブロック、４１は共鳴管３６の高温端熱交換器３７を加熱するヒータ、４２は共鳴管３６と蓄冷器１６とを継ぐガスの導管、４３はパルス管１１および蓄冷器１６を流れるガスの圧力と変位の位相差とをコントロールする位相制御機構である。
【００１８】
共鳴管３６の低温端熱交換器３８を補助冷凍機の第二段寒冷発生部１０で冷却するとともに、高温端熱交換器３７をヒータ４１で加熱して１００℃程度にすると、共鳴管３６内に共鳴管３６の温度差により誘起されて自励振動が発生する。このように圧力振動源として共鳴管３６を用いることにより、従来例におけるパルス管１１用の圧縮機２０が不要になり、従って圧縮機２０の動力分だけパルス管冷凍機に必要な所要動力を低減することができる。
【００１９】
図２において、本実施の形態に係るパルス管冷凍機は図に示すように、パルス管１１の圧力振動源として共鳴管３６の自励振動を用いるようになっており、共鳴管３６の両端に温度差を与えることにより共鳴管３６に自励振動を発生させ、この共鳴管３６の自励振動をパルス管１１の圧力振動源として用いることによってパルス管１１の大規模な圧縮機が不要になり、パルス管冷凍機に必要な所要動力を低減するようになっている。さらに、この共鳴管３６の低温端３８およびパルス管１１の高温端１２の冷却に比較的安価に入手が可能な液体窒素を用いることによって補助冷凍機も不要になり、圧縮機を全く必要としないパルス管冷凍機になっている。即ち、図における符号４４は常温からの輻射熱をシールドするための液体窒素槽、４５は液体窒素、４６は液体窒素４５の供給管、４７は蒸発した液体窒素４５の逃気管、４０は低温端熱交換器３８と液体窒素４５とを熱的に結合する銅など熱の良導体で構成されるブロックである。
【００２０】
パルス管１１の高温端１２で発生した熱は、伝熱材のブロック４８により液体窒素４５に伝えられて排熱される。従って、従来例における補助冷凍機が不要になり、補助冷凍機用の圧縮機５の動力分だけ、パルス管冷凍機に必要な所要動力を低減することができる。また、パルス管１１の圧力振動源として共鳴管３６を用いることにより従来例におけるパルス管１１用の圧縮機２０も不要になり、圧縮機２０の動力分だけパルス管冷凍機に必要な所要動力を低減することができる。さらに、従来例におけるパルス管１１用の圧縮機２０が不要になることにより、全く圧縮機を必要としないパルス管冷凍機を得ることができる。
【００２１】
【発明の効果】
本発明に係るパルス管冷凍機は前記のように構成されており、パルス管の圧力振動源として共鳴管の両端に温度差を与えて共鳴管に自励振動を発生させ、この共鳴管の自励振動をパルス管の圧力振動源として用いており、共鳴管の低温端をパルス管の高温端における発熱を除去する補助冷凍機により冷却し、高温端をヒータにより加熱すると共鳴管の温度差により誘起されて共鳴管内に自励振動が発生する。このようにパルス管の圧力振動源として共鳴管を用いることにより、従来例におけるパルス管用の大規模な圧縮機が不要になるので、この圧縮機の動力分だけパルス管冷凍機に必要な所要動力を低減することができる。
【００２２】
また、本発明に係るパルス管冷凍機は前記のように構成されており、パルス管の圧力振動源として共鳴管の両端に温度差を与えて共鳴管に自励振動を発生させ、この共鳴管の自励振動をパルス管の圧力振動源として用いており、共鳴管の低温端を液体窒素槽内の液体窒素により冷却し高温端をヒータにより加熱すると共鳴管の温度差により誘起されて共鳴管内に自励振動が発生する。さらに、パルス管の高温端の冷却にも上記液体窒素槽内の液体窒素を用いており、パルス管の高温端に発生する熱が同液体窒素槽内の液体窒素により排熱される。このように、パルス管の圧力振動源として共鳴管を用いることにより従来例におけるパルス管用の大規模な圧縮機が不要になるとともに、パルス管の高温端の冷却に比較的安価に入手が可能な液体窒素を用いることにより従来例におけるパルス管用の補助冷凍機が不要になるので、パルス管用の大規模な圧縮機および補助冷凍機の圧縮機用の動力分だけパルス管冷凍機に必要な所要動力を低減することができる。また、パルス管用の大規模な圧縮機およびパルス管用の補助冷凍機の圧縮機が不要になるので、全く圧縮機を必要としないパルス管冷凍機を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明の実施の一形態に係るパルス管冷凍機の断面図である。
【図２】図２は本発明の実施の他の形態に係るパルス管冷凍機の断面図である。
【図３】図３は従来のパルス管冷凍機の断面図である。
【符号の説明】
１      断熱真空容器
２      フランジ部
３      第一段寒冷発生部
４      シールド板
５      圧縮機
６      高圧ガスの供給ライン
７      低圧ガスの供給ライン
８      ロータリーバルブ
９      ロータリーバルブ
１０    第二段寒冷発生部
１１    パルス管
１２    高温端
１３    銅ブロック
１４    低温端
１５    導管
１６    蓄冷器
１７    低温端
１８    高温端
１９    バイパス弁
２４    高圧ガス用のロータリーバルブ
２５    バッファ
２６    オリフィス
３１    極低温流体
３２    容器
３３    供給管
３４    逃気管
３５    フィン
３６    共鳴管
３７    高温端熱交換器
３８    低温端熱交換器
３９    スタック
４０    ブロック
４１    ヒータ
４２    ガスの導管
４３    位相制御機構
４４    液体窒素槽
４５    液体窒素
４６    液体窒素の供給管
４７    液体窒素の逃気管
４８    ブロック
【図１】
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【図２】
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【図３】
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