(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
蓄冷管を含む低温蓄冷器において、
前記蓄冷管内に仕切管が同軸に配置されており、蓄冷管の内壁と仕切管の外壁との間はバッファキャビティであり、前記仕切管の管壁に複数の貫通孔が均一に配置されており、仕切管内に蓄冷充填材が設けられていることを特徴とする低温蓄冷器。
【請求項２】
仕切管の外壁には、周方向に巻き付けられる複数のリブリングを有することを特徴とする請求項１に記載の低温蓄冷器。
【請求項３】
前記リブリングと蓄冷管の内壁との間に隙間を有することを特徴とする請求項２に記載の低温蓄冷器。
【請求項４】
前記蓄冷管と仕切管とは、フランジにより端部で固定されることを特徴とする請求項３に記載の低温蓄冷器。
【請求項５】
順に接続されるコンプレッサ、輸送管、冷却器、蓄冷器、冷却側熱交換器、パルス管、放熱側熱交換器、慣性管およびバッファを含む低温冷凍機において、
前記蓄冷器は、請求項１〜４のいずれか一項に記載の低温蓄冷器であることを特徴とする低温冷凍機。
【請求項６】
吸気弁が設けられた吸気管をさらに含み、前記吸気管は、一端が前記輸送管に接続され、他端が前記放熱側熱交換器に接続されることを特徴とする請求項５に記載の低温冷凍機。
【請求項７】
順に接続される冷却器、蓄冷器、冷却側熱交換器、パルス管、放熱側熱交換器、慣性管およびバッファを含み、前記冷却器は、高圧ガス源に接続される第一ガス管と、低圧ガス源に接続される第二ガス管とを有し、第一ガス管および第二ガス管にいずれも電動弁が設けられている低温冷凍機において、
前記蓄冷器は、請求項１〜４のいずれか一項に記載の低温蓄冷器であることを特徴とする低温冷凍機。
【請求項８】
吸気弁が設けられる吸気管をさらに含み、前記吸気管は、一端が前記第一ガス管に接続され、他端が前記放熱側熱交換器に接続されることを特徴とする請求項７に記載の低温冷凍機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷凍機分野に関し、特に、低温蓄冷器および低温冷凍機に関する。
【背景技術】
【０００２】
パルス管冷凍機は、ガスの断熱膨張による温度低下の原理により冷熱を得る蓄冷器式冷凍機である。現在の主流であるパルス管冷凍機は、駆動方式によってＧＭ型パルス管冷凍機とスターリング型パルス管冷凍機の二種類に分けられ、ここで、ＧＭ型とスターリング型は、必需に応じて双方向吸気の配置が追加されてもよい。
【０００３】
スターリング型パルス管冷凍機は、図１に示すように、順に接続されるコンプレッサ、輸送管１、冷却器２、蓄冷器３、冷却側熱交換器４、パルス管５、放熱側熱交換器６、慣性管７およびバッファ８を含み、双方向吸気を有するスターリング型パルス管冷凍機には、図２に示すように、吸気弁９を有する吸気管１０がさらに設けられており、吸気管は、一端が輸送管に接続され、他端が放熱側熱交換器に接続される。
【０００４】
ＧＭ型パルス管冷凍機は、図３に示すように、順に接続される冷却器２、蓄冷器３、冷却側熱交換器４、パルス管５、放熱側熱交換器６、慣性管７およびバッファ８を含み、ここで、冷却器は、第一ガス管を介して高圧ガス源に接続され、第二ガス管を介して低圧ガス源に接続され、第一ガス管および第二ガス管にはいずれも電動弁が設けられており、双方向吸気を有するＧＭ型パルス管冷凍機には、図４に示すように、吸気弁９を有する吸気管１０がさらに設けられており、吸気管は、一端が輸送管に接続され、他端が放熱側熱交換器に接続される。
【０００５】
パルス管冷凍機の作業プロセスは以下の通りである。コンプレッサの圧縮ガスが冷凍機に入る（ＧＭ型は高圧ガス源が冷凍機に接続される）とき、ガスが冷却器の前段予冷および蓄冷器の予冷を経てパルス管内に入り、圧縮熱が放熱側熱交換器により排出される。ガスが膨張し始めてコンプレッサに戻る（ＧＭ型は低圧ガス源が冷凍機に接続される）とき、ガスはパルス管５内で断熱膨張し、温度が低下するとともに、冷却側熱交換器４により冷熱が伝送され、残余冷熱で蓄冷器が予冷される。ここで、蓄冷器３は、そのうちの核心部材として冷凍機の効率と冷凍能力の大きさに非常に重要な影響を与える。
【０００６】
従来の大容量パルス管冷凍機は、蓄冷器の幾何学的サイズの増大に起因して大容量パルス管冷凍機における特有の問題があり、最も典型的なものは、大径の蓄冷器内の不均一性現象である。不均一現象は、蓄冷器内部での流れと熱伝達の正のフィードバック効果により、蓄冷効率が急激に悪化する現象である。不均一性現象の発生のメカニズムは非常に複雑であり、蓄冷器内に蓄冷器の冷却側と放熱側を往復する直流の流れがあり、蓄冷器の温度が周方向において顕著な温度勾配を有することを特徴とする。これは、蓄冷器内において冷凍循環に参与する有効体積の大幅な減少を実際にもたらし、直流の流れは、放熱側の熱エネルギーも冷却側に導入されて蓄冷器の損失を増加させ、さらに蓄冷器の効率の急激的な低下をもたらす。研究によれば、不均一性が抑制される蓄冷器において、この冷凍機により生成される冷凍能力は、不均一性が抑制されていない冷凍機の５倍に達することが明らかになっている。これから分かるように、不均一性の抑制は、大容量パルス管冷凍機にとって非常に重要な意味を持っている。
【０００７】
現在、不均一性の抑制方法は、主に同じ断面の熱伝達を増加させることを手段としており、蓄冷器の中段に高熱伝導率の充填材が挿入されるというものである。例えば、中国特許ＣＮ１９７１１７２Ａに、蓄冷器ハウジングと、前記蓄冷器ハウジング内に交互に置かれる熱伝導率の異なる穴付き金属板および金網／鉛球とを含む径方向の熱伝導強化式蓄冷熱交換器が開示されている。しかしながら、この方法では、蓄冷器内の軸方向の熱伝導率も同様に増加し、続いて蓄冷器の熱伝導の損失が増加してしまう。現在報告されている蓄冷器は、通常、１００ｍｍ未満の距離で２２０Ｋを超える温度差の温度勾配に耐えられる必要があるため、軸方向の熱伝導率を増加させる金属充填材は、蓄冷器にとって最適な選択ではない。
【０００８】
大容量パルス管冷凍機は、主に種々の高温超伝導および低温液体の無損失貯蔵等の産業分野に適用され、超電導モータ、超電導発電機、超電導限流器、超電導リードおよび大型低温液体貯蔵タンク等を含む。蓄冷器の効率等の要素の制限を受けることから、現在、大容量パルス管冷凍機の全体効率は依然として高くなく、より高効率の蓄冷器が将来の発展の傾向である。
【発明の概要】
【０００９】
上記の問題を解決するために、本発明は、低温蓄冷器を提供する。蓄冷器内の不均一性現象を効果的に抑制して蓄冷器の効率を向上させることができる。
【００１０】
蓄冷管を含む低温蓄冷器において、前記蓄冷管内に仕切管が同軸に配置されており、蓄冷管の内壁と仕切管の外壁との間はバッファキャビティであり、前記仕切管の管壁に複数の貫通孔が均一に配置されており、仕切管内に蓄冷充填材が設けられている。
【００１１】
仕切管に貫通孔が設けられており、仕切管内のガスが貫通孔を通りバッファキャビティに入り、バッファキャビティ中で混合されて熱交換してから、貫通孔を通り仕切管内に入り、蓄冷充填材と熱交換する。このような設計は、蓄冷器の同じ断面の熱交換形式を単純な熱伝導から熱対流と熱伝導を兼備した熱交換となるように径方向の流れを引き込み、蓄冷器の軸方向の熱伝導を増加することなく蓄冷器の径方向の熱伝達を大幅に強化させることができ、蓄冷器の周方向の温度勾配をより迅速に均衡化することができ、蓄冷器内の不均一現象を効果的に抑制して冷凍機の効率を顕著に向上させ、低温での冷凍能力を増加させることができる。
【００１２】
好ましくは、仕切管の外壁は、周方向に巻き付けられる複数のリブリングを有する。
【００１３】
リブリングは隔離機能を有し、リブリングの設置によって、バッファキャビティ内のガスが放熱側と冷却側との間で対流を形成し、従来の高熱伝導率のワイヤ網を介在させる方法に比べてサイドブローの仕切管への進入による軸方向の熱伝導損失がより小さくなる。
【００１４】
ガスが仕切管の軸線に沿って温度勾配を確立するようにするために、好ましくは、前記リブリングと蓄冷管の内壁との間に隙間を有する。
【００１５】
前記蓄冷管と仕切管との間は、溶接、螺合および係着等の従来の任意の方式で接続することができるが、前記蓄冷管と仕切管とがフランジにより端部で固定されることが好ましい。
【００１６】
本発明は、低温冷凍機をさらに提供する。順に接続されるコンプレッサ、輸送管、冷却器、蓄冷器、冷却側熱交換器、パルス管、放熱側熱交換器、慣性管およびバッファを含む低温冷凍機において、蓄冷器は、本発明に記載の低温蓄冷器である。
【００１７】
好ましくは、吸気弁が設けられる吸気管をさらに含み、前記吸気管は、一端が前記輸送管に接続され、他端が前記放熱側熱交換器に接続される。
【００１８】
本発明はさらに他の低温冷凍機をさらに提供する。順に接続される冷却器、蓄冷器、冷却側熱交換器、パルス管、放熱側熱交換器、慣性管およびバッファを含み、前記段式冷却器は、高圧ガス源に接続される第一ガス管と、低圧ガス源に接続される第二ガス管とを有し、第一ガス管および第二ガス管にいずれも電動弁が設けられている低温冷凍機において、蓄冷器は、本発明に記載の低温蓄冷器である。
【００１９】
好ましくは、吸気弁が設けられる吸気管をさらに含み、前記吸気管は、一端が前記第一ガス管に接続され、他端が前記放熱側熱交換器に接続される。
【００２０】
本発明の有益な効果は以下の通りである。
【００２１】
一、バッファキャビティおよび貫通孔の設計によって、蓄冷器の同じ断面の熱交換形式を単純な熱伝導から熱対流と熱伝導を兼備した熱交換となるように径方向の流れを引き込み、蓄冷器の軸方向の熱伝導を増加することなく蓄冷器の径方向の熱伝達を大幅に強化させ、蓄冷器の周方向の温度勾配をより迅速に均衡化することができ、蓄冷器内の不均一現象を効果的に抑制して冷凍機の効率を顕著に向上させ、低温での冷凍能力を増加させることができる。
【００２２】
二、蓄冷管の隙間に係合されるリブリングの設置によって、バッファキャビティ内のガスが放熱側と冷却側との間に対流を形成せず、かつガスがバッファキャビティ内で軸線に沿って温度勾配を確立するようにすることができる。
【００２３】
三、ガスの熱伝導率は金属よりはるかに低く、同じ温度差において、サイドブローの仕切管への進入による軸方向の熱伝導は、従来の高熱伝導率の金網を介在させる従来の軸方向の熱伝導よりはるかに小さい。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】従来のスターリング型パルス管冷凍機の構造模式図である。
【図２】従来の双方向の吸気を有するスターリング型パルス管冷凍機の構造模式図である。
【図３】従来のＧＭ型パルス管冷凍機の構造模式図である。
【図４】従来の双方向の吸気を有するＧＭ型パルス管冷凍機の構造模式図である。
【図５】本発明の低温蓄冷器の部分構造断面図である。
【図６】低温冷凍機の構造模式図である。
【図７】他の低温冷凍機の構造模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
図５に示すように、蓄冷管１７を含む低温蓄冷器１９において、蓄冷管内に仕切管１４が同軸に配置されており、仕切管１４の管壁に複数の貫通孔１５が均一に配置されており、仕切管内に再生充填材が設けられ，仕切管１４の外壁には、周方向に巻き付けられる複数のリブリング１８を有し、蓄冷管の内壁と仕切管の外壁との間はバッファキャビティ１６である。ガスが仕切管の軸線に沿って温度勾配を確立するようにするために、リブリング１８と蓄冷管の内壁との間に隙間を有する。
【００２６】
蓄冷管と仕切管との間は、溶接、螺合および係着等の従来のいずれかの方式で接続することができ、本実施例では、蓄冷管と仕切管とがフランジにより端部で固定される。
【００２７】
図６に示すように、低温冷凍機において、順に接続されるコンプレッサ、輸送管１、冷却器２、低温蓄冷器１９、冷却側熱交換器４、パルス管５、放熱側熱交換器６、慣性管７およびバッファ８を含み、吸気弁９が設けられる吸気管１０をさらに含み、吸気管は、一端が輸送管に接続され、他端が放熱側熱交換器に接続される。
【００２８】
図７に示すように、他の低温冷凍機において、順に接続される冷却器２、低温蓄冷器１９、冷却側熱交換器４、パルス管５、放熱側熱交換器６、慣性管７およびバッファ８を含み、冷却器は、高圧ガス源に接続される第一ガス管１３と、低圧ガス源に接続される第二ガス管１１とを有し、第一ガス管と第二ガス管にはいずれも電動弁１２が設けられており、さらに吸気弁９が設けられる吸気管１０を含み、吸気管は、一端が第一ガス管に接続され、他端が放熱側熱交換器に接続される。
【００２９】
本発明の低温蓄冷器は、バッファキャビティおよび貫通孔の設計によって、蓄冷器の同じ断面の熱交換形式を単純な熱伝導から熱対流と熱伝導を兼備した熱交換となるように径方向の流れを引き込み、蓄冷器の軸方向の熱伝導を増加することなく蓄冷器の径方向の熱伝達を大幅に強化させ、蓄冷器の周方向の温度勾配をより迅速に均衡化することができ、蓄冷器内の不均一現象を効果的に抑制して冷凍機の効率を顕著に向上させ、低温での冷凍能力を増加させることができる。蓄冷管の隙間に係合されるリブリングを設置することによって、バッファキャビティ内のガスが放熱側と冷却側との間で対流を形成せず、かつガスがバッファキャビティ内で軸線に沿って温度勾配を確立するようにすることができる。
【００３０】
上述は単に本発明の好ましい実施例であり、本発明の特許保護範囲はこれらによって制限されず、本発明の明細書および図面の内容を応用した等価の構造変換は、直接または間接的に他の技術関連分野に応用する限り、いずれも本発明の保護範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００３１】
１−輸送管
２−冷却器
３−蓄冷器
４−冷却側熱交換器
５−パルス管
６−放熱側熱交換器
７−慣性管
８−バッファ
９−吸気弁
１０−吸気管
１１−第二ガス管
１２−電動弁
１３−第一ガス管
１４−仕切管
１５−貫通孔
１６−バッファキャビティ
１７−蓄冷管
１８−リブリング
１９−低温蓄冷器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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