(57)【要約】気体流量と位相を自動的に調節する装置を有するパルスチューブ冷凍機は、ヘリウムコンプレッサ１と、気体分配バルブ１１と、駆動コントローラ９と、駆動リード線１０と、温度センサと、温度測定リード線８と、再熱器と、第１段パルスチューブ５と、第２段パルスチューブ６と、第１段気体タンク１４と、及び第２段気体タンク１５とを含み、前記気体分配バルブ１１が８つの独立した第１バルブ２１、第２バルブ２２、第３バルブ２３、第４バルブ２４、第５バルブ２５、第６バルブ２６、第７バルブ２７、第８バルブ２８からなる。本発明は、冷凍作業状況の変化により、再熱器またはパルスチューブに入った気体流量の大小と位相に対し自動的な調節を行うことができることにより、冷凍機の性能を調整して、冷凍機が最適化の作業状態にあるようにさせ、冷凍機の効率と冷凍温度の安定性を向上する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ヘリウムコンプレッサ（１）と、気体分配バルブ（１１）と、駆動コントローラ（９）と、駆動リード線（１０）と、温度センサ（７）と、温度測定リード線（８）と、再熱器（４）と、第１段パルスチューブ（５）と、第２段パルスチューブ（６）と、第１段気体タンク（１４）と、第２段気体タンク（１５）とを含む気体流量と位相を自動的に調節する装置を有する低温パルスチューブ冷凍機において、
前記気体分配バルブ（１１）が８つの独立した第１バルブ（２１）、第２バルブ（２２）、第３バルブ（２３）、第４バルブ（２４）、第５バルブ（２５）、第６バルブ（２６）、第７バルブ（２７）、第８バルブ（２８）からなり、気体分配バルブ（１１）のうちの上記８つのバルブの開度並びに開閉の時間及び順序をコントロールするように、駆動コントローラ（９）が駆動リード線（１０）によって命令信号を上記８つの独立したバルブへ伝送しており、再熱器（４）の出口にそれぞれ第５バルブ（２５）と、第６バルブ（２６）が連接され、それぞれヘリウムコンプレッサ（１）の高圧気体チューブ（３）と低圧気体チューブ（２）に連接され、第１段パルスチューブ（５）の頂部出口にそれぞれ第３バルブ（２３）、第４バルブ（２４）及び第８バルブ（２８）が連接され、第３バルブ（２３）と第４バルブ（２４）がそれぞれヘリウムコンプレッサ（１）の高圧気体チューブ（３）と低圧気体チューブ（２）に連接され、第２段パルスチューブ（６）の頂部出口にそれぞれ第１バルブ（２１）、第２バルブ（２２）及び第７バルブ（２７）が連接され、第１バルブ（２１）と第２バルブ（２２）がそれぞれ高圧気体チューブ（３）と低圧気体チューブ（２）に連接され、第１段パルスチューブ（５）の底部と第２段パルスチューブ（６）の底部がそれぞれ第２連接チューブ（１９ｂ）と第１連接チューブ（１９ａ）によって第１段再熱器（４ｂ）の底部と第２段再熱器（４ａ）の底部に連通される、ことを特徴とする気体流量と位相を自動的に調節する装置を有する低温パルスチューブ冷凍機。
【請求項２】
前記第１段再熱器（４ｂ）と第２段再熱器（４ａ）の底部にそれぞれ第２温度センサ（７ｂ）と第１温度センサ（７ａ）が貼り付けられ、第２温度センサ（７ｂ）と第１温度センサ（７ａ）の温度信号出力端が温度測定リード線（８）によって駆動コントローラ（９）の温度信号受信端に接続される、ことを特徴とする請求項１に記載の気体流量と位相を自動的に調節する装置を有する低温パルスチューブ冷凍機。
【請求項３】
前記第７バルブ（２７）が独立して第２段気体タンク（１５）と第２段パルスチューブ（６）の間に連接される、ことを特徴とする請求項１に記載の気体流量と位相を自動的に調節する装置を有する低温パルスチューブ冷凍機。
【請求項４】
前記第８バルブ（２８）が独立して第１段気体タンク（１４）と第１段パルスチューブ（５）の間に連接される、ことを特徴とする請求項１に記載の気体流量と位相を自動的に調節する装置を有する低温パルスチューブ冷凍機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気体流量と位相を自動的に調節する装置を有する低温パルスチューブ冷凍機に係り、特に気体流量と位相を自動的に調節するものを有するパルスチューブ冷凍機に係る。
【背景技術】
【０００２】
パルスチューブ冷凍機は、コールドフィンガー部分に運動部品がないため、従来のＧ‐Ｍ冷凍機とスターリング型冷凍機よりさらに信頼でき、コールドフィンガーが無摩損、低振動、低騒音などの特徴を有し、商業において汎用価値を有する。
【０００３】
パルスチューブ冷凍機は、固体ピストンを気体ピストンに置換したＧ‐Ｍ冷凍機の変形と見なすことができ、パルスチューブ中空部における高圧気体の熱絶縁気体放出膨張過程によって冷凍効果を獲得する。その稼動過程は下記の通り分けることができる。
【０００４】
１）吸気過程。吸気バルブが開けられ、高圧気体がバルブによって再熱器、冷端再熱器及び導流器を流れ、層流の形式でパルスチューブに入り、チューブ内の気体を密閉端へ押す。気体が押し潰しを受けた後、パルスチューブ密閉端の気体温度を最大値に達するようにさせる。
２）熱交換過程。パルスチューブ密閉端に配置される水冷却器が熱量を持ち出し、チューブ内の気体の温度が再熱器に入った当初の気体温度まで下がるようにさせる。
３）排気過程。排気バルブが開けられ、低圧気体チューブに連通され、パルスチューブ内気体が膨張し、冷凍効果を発生し、気体が最低温度まで下がる。
４）再熱器過程。膨張後の低圧気体が逆方向に回熱器を流れ、充填物における熱量を吸収し、コンプレッサの入口へ帰り、１回の循環を完成する。図１に示すようである。
【０００５】
気体がパルスチューブ内において膨張冷凍する冷凍量の一般的な表現式は下記の通りである。
【数１】
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【０００６】
その冷凍量の大小はパルスチューブに到着する圧力ｐ、流量ｖの大小及び両者の位相関係によって決定される。Ｇ‐Ｍ型パルスチューブ冷凍機における圧力と流量の位相関係は気体圧縮過程または膨張過程の相対的な時間の長さと理解されることができる。
【０００７】
パルスチューブ冷凍機の冷端に運動部品がないため、パルスチューブ内に入った気体の流量大小と位相を能動的に調整することができず、超低温下で理想的な流量大小と位相関係を獲得するために、能動的気体分配装置によって完成しなければならず、図２に示す６つのバルブが能動的に気体分配をする両段パルスチューブ冷凍機のようである。
【０００８】
従来の気体分配バルブは一般に平面回転バルブを採用し、バルブを１つの運動装置に設計する。平面回転バルブは一旦設計加工が完成すると、その気体流通量大小並びにバルブ開閉の時間及び順序は再び改変できず、作業状況の変化が冷凍温度の変化を引き起こす時に、冷凍機は気体流量を調節することによって最適運行パラメータに達することができない。また、運行過程において、粉末がチューブ内、例えば双方向吸気バルブの孔道内に入ると、流量係数を改変するようになり、これによって、冷凍機内気体流量と位相を改変し、オリジナル設計の最適運行パラメータから偏移する。
【０００９】
パルスチューブ冷凍機の冷凍温度が環境温度の変化、内部気体不純物、コールドフィンガー方向など多くの要素の影響を受けやすいため、運行過程において不安定な状況が出現しやすい。したがって、パルスチューブ冷凍機の運行過程においてこれらの変化要素によりそれぞれ再熱器またはパルスチューブに入った気体流量と移送を調整することにより、冷凍機の性能を調整し、冷凍機が最適化の作業状態にあるようにさせ、冷凍機の効率と冷凍温度の安定性を向上する必要がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の目的は、従来のパルスチューブ冷凍機の冷凍性能が環境温度及び運行作業状況の影響を受けやすいことについて、気体流量と位相を自動的に調節する装置を有し、冷凍機の作業状況により変化を発生し、気体流量と位相を自動的に調節することができるパルスチューブ冷凍機を提供することにより、冷凍機の性能を調整し、冷凍機が最適化の作業状態にあるようにさせ、冷凍機の効率と冷凍温度の安定性を向上することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
気体流量と位相を自動的に調節する装置を有するパルスチューブ冷凍機であって、ヘリウムコンプレッサ、気体分配バルブ、駆動コントローラ、駆動リード線、温度センサ、温度測定リード線、再熱器、第１段パルスチューブ、第２段パルスチューブ、第１段気体タンク及び第２段気体タンクを含み、前記気体分配バルブが８つの独立した第１バルブ、第２バルブ、第３バルブ、第４バルブ、第５バルブ、第６バルブ、第７バルブ及び第８バルブからなり、互いに影響せず、気体分配バルブのうちの８つの独立したバルブの開閉大小並びに開閉の時間及び順序をコントロールするように、駆動コントローラが駆動リード線によって命令信号を上記８つの独立したバルブへ伝送し、再熱器の出口にそれぞれ第５バルブと第６バルブが連接され、第５バルブと第６バルブがそれぞれヘリウムコンプレッサの高圧気体チューブと低圧気体チューブに連接され、第１段パルスチューブの頂部出口にそれぞれ第３バルブ、第４バルブ及び第８バルブが連接され、第３バルブと第４バルブがそれぞれヘリウムコンプレッサの高圧気体チューブと低圧気体チューブに連接され、第２段パルスチューブの頂部出口にそれぞれ第１バルブ、第２バルブ及び第７バルブが連接され、第１バルブと第２バルブがそれぞれ高圧気体チューブと低圧気体チューブに連接され、第１段パルスチューブの底部と第２段パルスチューブの底部がそれぞれ第２連接チューブと第１連接チューブによって第１段再熱器の底部と第２段再熱器の底部に連通される。
【００１２】
前記気体分配バルブのうちの８つのバルブの開閉の時間及び順序並びに開度が駆動コントローラにコントロールされ、駆動コントローラが駆動リード線によってコントロール信号をそれぞれ８つの独立した第１バルブ、第２バルブ、第３バルブ、第４バルブ、第５バルブ、第６バルブ、第７バルブ及び第８バルブへ伝送する。
【００１３】
前記第１段再熱器と第２段再熱器の底部にそれぞれ第２温度センサと第１温度センサが貼り付けられ、第２温度センサと第１温度センサの温度信号出力端が温度測定リード線によって駆動コントローラの温度信号受信端に接続され、且つ温度信号によりバルブの開閉の時間及び順序並びに開度を調節する。
【００１４】
前記第７バルブが第２段気体タンクと第２段パルスチューブの間に連接される。
【００１５】
前記第８バルブが第１段気体タンクと第１段パルスチューブの間に連接される。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の気体分配バルブは８つの独立したバルブからなり、互いに影響せず、駆動コントローラがテストした冷凍温度信号の変化により独立して毎バルブの開度と開閉の時間及び順序を調整することができるにより、再熱器、第１段パルスチューブ及び第２段パルスチューブから入ったり出たりする気体量の大小、時間及び順序をコントロールし、冷凍機が運行する過程において気体位相と気体量大小を常に調節することを実現し、冷凍機性能の安定性を維持することにより、従来の平面回転バルブが能動的に気体分配をする機能における局限性を取り除いた。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】従来技術の基本型パズルチューブ冷凍機の循環過程温度分布図である。
【図２】従来技術の６つのバルブが能動的に気体分配をする両段パズルチューブ冷凍機である。
【図３】本発明の気体流量と位相を自動的に調節する装置を有するパルスチューブ冷凍機の説明図である。
【図４】本発明の冷凍機のバルブが開閉する時間及び順序の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
図面と合わせて本発明についてさらなる説明を行う。
【００１９】
図３〜４に示すようである。前記「底部」、「頂部」は全て図面における方向による。
【００２０】
気体流量と位相を自動的に調節する装置を有する低温パルスチューブ冷凍機であって、ヘリウムコンプレッサ１、気体分配バルブ１１、駆動コントローラ９、駆動リード線１０、温度センサ、温度測定リード線８、再熱器、第１段パルスチューブ５、第２段パルスチューブ６、第１段気体タンク１４及び第２段気体タンク１５を含む。
【００２１】
前記気体分配バルブ１１は８つの独立した第１バルブ２１、第２バルブ２２、第３バルブ２３、第４バルブ２４、第５バルブ２５、第６バルブ２６、第７バルブ２７及び第８バルブ２８からなり、互いに影響しない。気体分配バルブ１１のうちの８つの独立したバルブの開度と開閉の時間及び順序をコントロールするように、駆動コントローラ９が駆動リード線１０によって命令信号を上記８つの独立したバルブへ伝送し、再熱器の出口にそれぞれ第５バルブ２５と第６バルブ２６が連接され、第５バルブ２５と第６バルブ２６がそれぞれヘリウムコンプレッサ１の高圧気体チューブ３と低圧気体チューブ２に連接され、第１段パルスチューブ５の頂部出口にそれぞれ第３バルブ２３、第４バルブ２４及び第８バルブ２８が連接され、第３バルブ２３と第４バルブ２４がそれぞれヘリウムコンプレッサ１の高圧気体チューブ３と低圧気体チューブ２に連接され、第２段パルスチューブ６の頂部出口にそれぞれ第１バルブ２１、第２バルブ２２及び第７バルブ２７が連接され、第１バルブ２１と第２バルブ２２がそれぞれ高圧気体チューブ３と低圧気体チューブ４に連接され、第１段パルスチューブ５の底部と第２段パルスチューブ６の底部がそれぞれ第２連接チューブ１９ｂと第１連接チューブ１９ａによって第１段再熱器４ｂの底部と第２段再熱器４ａの底部に連通される。
【００２２】
気体分配バルブ１１のうちの８つのバルブの開閉の時間及び順序並びに開度は駆動コントローラ９にコントロールされ、駆動コントローラ９が駆動リード線１０によってコントロール信号をそれぞれ８つの独立した第１バルブ２１、第２バルブ２２、第３バルブ２３、第４バルブ２４、第５バルブ２５、第６バルブ２６、第７バルブ２７及び第８バルブ２８へ伝送する。
【００２３】
第１段再熱器４ｂと第２段再熱器４ａの底部にそれぞれ第２温度センサ７ｂと第１温度センサ７ａが貼り付けられ、第２温度センサ７ｂと第１温度センサ７ａの温度信号出力端が温度測定リード線８によって駆動コントローラ９の温度信号受信端に接続され、且つ温度信号によりバルブ２１〜２８の開閉の時間及び順序並びに開度を調節する。
【００２４】
第７バルブ２７が独立して第２段気体タンク１５と第２段パルスチューブ６の間に連接される。
【００２５】
前記第８バルブ２８が独立して第１段気体タンク１４と第１段パルスチューブ５の間に連接される。
【００２６】
特定の実施形態では、第１段再熱器４ｂと第２段再熱器４ａを同軸連接し、階段状にする。同時に第１段再熱器４ｂ、第１段パルスチューブ５及び第２段パルスチューブ６の頂部をフランジプレート１６に取り付ける。
【００２７】
特定の実施形態では、気体がチューブ３３によって第１段再熱器４ｂの頂部から進入し、チューブ３３が並列連接される２つの通路に分けられ、且つそれぞれ第５バルブ２５と第６バルブ２６を直列連接し、上記２つのバルブがそれぞれヘリウムコンプレッサ１の高圧気体チューブ３と低圧気体チューブ２に連通され、第１段再熱器４ｂの頂部気体の進出をコントロールする。第１段パルスチューブ５の底部と第２段パルスチューブ６の底部がそれぞれ第２連接チューブ１９ｂと第１連接チューブ１９ａによって第１段再熱器４ｂと第２段再熱器４ａの底部に連接され、第１段再熱器４ｂに進出する気体が第１段再熱器４ｂの底部において２つの部分に分けられ、一部の気体が第２連接チューブ１９ｂによって第１段パルスチューブ５に進出でき、他部の気体が第２段再熱器底部４ａを経て、さらに第１連接チューブ１９ａによって第２段パルスチューブ６に進出する。
【００２８】
特定の実施形態では、気体がチューブ３２によって第１段パルスチューブ５の頂部において入ったり出たりし、チューブ３２が並列連接される３つの通路に分けられ、毎通路がそれぞれ第３バルブ２３、第４バルブ２４及び第８バルブ２８を直列連接し、第３バルブ２３、第４バルブ２４がそれぞれヘリウムコンプレッサ１の高圧気体チューブ３と低圧気体チューブ２に連通され、第８バルブ２８が第１段気体タンク１４に連通され、第２段パルスチューブ６の頂部出口がチューブ３１に連接され、チューブ３１が並列連接される３つの通路に分けられ、毎通路がそれぞれ第１バルブ２１、第２バルブ２２及び第７バルブ２７を直列連接し、第１バルブ２１と第２バルブ２２がそれぞれ高圧気体チューブ３と低圧気体チューブ２に連通され、第２段気体タンク１５が第１バルブ２７に連通される。
【００２９】
第１段再熱器４ｂと第２段再熱器４ａの底部にそれぞれ第２温度センサ７ｂと第１温度センサ７ａが貼り付けられ、第１段冷凍温度と第２段冷凍温度をテストすることができる。
【００３０】
気体流量と位相を自動的に調節する装置は、８つの独立したバルブである第１バルブ２１、第２バルブ２２、第３バルブ２３、第４バルブ２４、第５バルブ２５、第６バルブ２６、第７バルブ２７、第８バルブ２８、駆動コントローラ９、第１温度測定センサ７ａ、第２温度測定センサ７ｂ及び温度測定リード線８を含む。
【００３１】
第１バルブ２１、第２バルブ２２、第３バルブ２３、第４バルブ２４、第５バルブ２５、第６バルブ２６、第７バルブ２７及び第８バルブ２８が互いに独立するため、再熱器に入る気体流量大小と位相は単独で第５バルブ２５と第６バルブ２６を調節することができ、第２段パルスチューブ６に入る気体流量の大小と位相は単独で第１バルブ２１、第２バルブ２２及び第７バルブ２７を調節することができ、第１段パルスチューブ５に入る気体流量の大小と位相は単独で第３バルブ２３、第４バルブ２４及び第８バルブ２８を調節することができる。
【００３２】
冷凍機の作業状況が変化する時に、冷凍温度が変化を発生し、この変化信号により、温度センサ７が温度変化信号を駆動コントローラ９へ伝送し、駆動コントローラ９が該温度信号の変化状況により、上記８つの独立したバルブに対しそれぞれ指令を発出し、上記８つの独立したバルブのオープン量大小を調節することにより、気体量大小のコントロールを実現し、また、気体の入る、出る相対的な時間を調整するように、さらに上記８つの独立したバルブの相対的なオープンまたはクローズの時間を改変することができることにより気体位相調節機能を実現する。
【００３３】
適用中、駆動コントローラ９の出力命令信号は事前要求により手動出力または自動出力に設定されることができる。手動出力の場合は、対応するオープンループコントロールボックスまたはフェースプレートを事前に設計することができ、８つの独立したバルブの開度と開閉の時間及び順序を調節可能なプログラムに編成し、実験過程において手動でデバッグすることになる。自動出力の場合は、実験により得た変化規律によりテスト信号とコントロール信号を対応するプログラムに編成し、駆動コントローラ９に入力し、再熱器またはパルスチューブに入った気体流量の大小と位相に対し自動調節を行うことにより、自動コントロール機能を実現して、冷凍機が終始最適化の作業状態にあるようにさせ、冷凍機の効率と冷凍温度の安定性を向上する。
【００３４】
本発明はいずれかの形式の周期的に気体分配が必要である低温冷凍機に適用し、Ｇ‐Ｍ冷凍機、Ｇ‐Ｍ型パルスチューブ冷凍機及びソルベー冷凍機を含み、Ｇ‐Ｍ型パルスチューブ冷凍機に用いられる時に、効果が特に顕著である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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2013540979.tif 000010
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