(57)【要約】【課題】パルス管冷凍機をパルス管の高温側を下にして設置したときの性能の低下を抑える。【解決手段】圧縮機、蓄冷器２、パルス管３及び位相制御部を備え、蓄冷器２とパルス管３との間に形成される低温端５に熱交換器６が配置されるパルス管冷凍機において、熱交換器６とパルス管３との間に、熱交換器６を通過してパルス管３に流入する作動ガスの流れを整流する整流器１２を挿入する。これにより、パルス管３に流入する作動ガスの速度分布が一様になり、パルス管の高温側を下にして設置したときの作動ガスの自然対流や渦の発生を最小限に抑えて性能の低下を低減することができる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機、蓄冷器、パルス管及び位相制御部を備え、前記蓄冷器とパルス管との間に形成される低温端に熱交換器が配置されるパルス管冷凍機において、前記熱交換器と前記パルス管との間に、前記熱交換器を通過して前記パルス管に流入する作動ガスの流れを整流する整流器を挿入したことを特徴とするパルス管冷凍機。
【請求項２】
前記熱交換器と前記整流器との間に空隙を設けたことを特徴とする請求項１記載のパルス管冷凍機。
【請求項３】
前記パルス管の内径ｄ[ｍ]と前記作動ガスの質量流量Ｍ[ｋｇ／ｓ]との比ｄ／Ｍ[ｍ・ｓ／ｋｇ]を２６０〜３１５の範囲に選んだことを特徴とする請求項１又は請求項２記載のパルス管冷凍機。
【請求項４】
前記パルス管の長さＬ[ｍ]と内径ｄ[ｍ]との比Ｌ／ｄを７．５〜１０の範囲に選んだことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載のパルス管冷凍機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、パルス管内での作動ガスのピストン作用により極低温を発生させるパルス管冷凍機に関する。
【背景技術】
【０００２】
上記パルス管冷凍機については、例えば特許文献１や特許文献２に記載されているが、図９に従来のパルス管冷凍機の概略構成を示す。図９において、パルス管冷凍機は、圧縮機１、蓄冷器２、パルス管３、位相制御部４を備え、蓄冷器２とパルス管３との間に形成される低温端５に熱交換器６が配置されている。位相制御部４はイナータンスチューブ７とバッファタンク８とからなり、熱交換器６の周囲には伝熱体９が設けられている。このパルス管冷凍機の系内には作動ガス（冷媒ガス）として、例えばヘリウムが封入されている。
【０００３】
このような構成のパルス管冷凍機の動作原理はすでに知られている通り、圧縮機１の運転でピストン１ａが往復運動し、作動ガスが圧縮、膨張を繰り返すと、この作動ガスは圧縮機１から蓄冷器２、パルス管３を通り位相制御部４に達する一連の系の中を往復動流として流れる。その際、作動ガスはイナータンスチューブ７とバッファタンク８とからなる位相制御部４の中をほぼ正弦波的な圧力振幅を伴って流れ、作動ガスの圧力変化と流量変化との間に位相差が発生する。
【０００４】
これを電気回路に例えると、イナータンスチューブ７はインダクタンス、レジスタンス、キャパシタンス成分、またバッファタンク８はキャパシタンス成分に相当し、作動ガスの圧力に対する流量の位相差を−９０°から＋９０°まで変化させる。その結果、冷凍機の運転時にはパルス管３内で圧力と流量との間に位相差が生じ、この圧力と流量によるＰＶ仕事により低温端５に寒冷が発生する。この寒冷仕事は低温ＰＶ仕事と呼ばれている。
【０００５】
ここで、圧縮機１の圧縮工程で送り出された作動ガスは、蓄冷器２で低温となってパルス管３に流入し、その内部で断熱膨張により吸熱して位相制御部４に流出する。一方、作動ガスが位相制御部４からパルス管３を通過して低温端５に還流する工程では、ほぼ一定体積で移動するため熱の発生又は吸収は行なわれない。その場合、作動ガスがＰＶ仕事を効率よく行なうためには、作動ガスがパルス管内の少なくとも低温端側で、ある固定面となって動くようなピストン（いわゆるガスピストン）１０として作用する必要がある。このガスピストン１０はできるだけ固体的に挙動することが理想であり、そのためにはパルス管３の内部での流体の流れは圧縮機１の運転周期に応じた流れだけで、他の２次的な流れが存在しないことが望ましい。
【０００６】
【特許文献１】特開平１１−２４８２７９号公報
【特許文献２】特開２００２−２３５９６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、パルス管冷凍機は、通常、図９に示すように、パルス管３の高温側(図９の上側)の端部が上側になるように直立に設置している(以下、「上向設置」という。)。事実、パルス管３の低温側(図９の下側)の端部が上側になるように設置すると(以下、「下向設置」という。)、性能が大きく低下することが確認されている。その理由は、下向設置によりパルス管３の高温側の端部が下側になると、パルス管内で下側の比重の小さい高温の作動ガスが自然対流により上昇する一方、上側の比重の大きい低温の作動ガスが重力の影響により下降するという還流が生じ、結果として渦が発生して円滑な熱の運搬が妨げられるとともに、高温ガスの上昇により低温端の冷却が阻害されるためと考えられる。
【０００８】
ここで、図１０は、図９における熱交換器６の平面図である。図１０の熱交換器６は熱伝導性の良好な金属、例えば銅の円板からなり、円板６ａには軸方向に多数の貫通孔１１があけられている。蓄冷器２からパルス管３に流入する低温の作動ガスは貫通穴１１を通過し、熱交換器６を介して伝熱体９と熱交換し、伝熱体９に接触する図示しない被冷却物を冷却する。また、熱交換器６は整流体を兼ねており、パルス管３に流入する作動ガスを整流している。多孔円板からなる図示熱交換器６は伝熱体９との密着性がよく、特許文献１に示されたパルス管冷凍機にも用いられている。熱交換器としては他に、金網を積層したメッシュ構造のものも用いられ、このメッシュ構造の熱交換器は、多孔円板のものと比較すると整流作用に優れ伝熱表面積も広いが、伝熱体との密着性は劣る。
【０００９】
図１１は多孔円板からなる熱交換器６を用いた従来のパルス管冷凍機において、熱交換器６を通過してパルス管３に流入する作動ガスの速度分布を示したものである。図１１に示すように、各貫通孔１１の中心での速度はパルス管３の断面内で略揃っているが、各貫通孔１１の断面内では速度は山形に分布し、パルス管３の断面全体として凹凸のある不均一な分布になっている。
【００１０】
ところが、このような不均一な速度分布は、従来の上向設置では冷凍性能（以下、単に「性能」という。）にそれほど影響しないが、下向設置では性能に大きく影響することが発明者らの実験で判明した。すでに述べたように、パルス管冷凍機を下向に設置すると、作動ガスの温度と密度の不安定状態により自然対流が生じるが、そこに低温で密度の大きい作動ガスが不均一な速度分布で、図示の通り上から下に吹き出されると、速度成分の大きい作動ガスが重力の作用で加速されて温度の高い高温側端部の作動ガス中に突入し、作動ガスの対流と渦の発生を促進するものと判断される。
【００１１】
この発明の課題は、パルス管冷凍機を下向に設置したときの性能の低下を抑え、パルス管冷凍機の使い勝手を向上させることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するために、この発明は、圧縮機、蓄冷器、パルス管及び位相制御部を備え、前記蓄冷器とパルス管との間に形成される低温端に熱交換器が配置されたパルス管冷凍機において、前記熱交換器と前記パルス管との間に、前記熱交換器を通過して前記パルス管に流入する作動ガスの流れを整流する整流器を挿入するものとする(請求項１)。
【００１３】
請求項１の発明によれば、熱交換器とは別に整流器を設け、熱交換器を通過してパルス管に流入する作動ガスの流れを整流することにより、パルス管に流入する作動ガスの速度分布を一様にならし、パルス管冷凍機を下向に設置したときの作動ガスの自然対流や渦の発生を最小限に抑えることができる。
【００１４】
請求項１の発明において、前記熱交換器と前記整流器との間に空隙を設けるのがよい(請求項２)。これにより、熱交換器を通過した作動ガスが整流器の手前の空隙内でパルス管の断面全体に広がり、速度分布がより一様になる。
【００１５】
請求項１又は請求項２の発明において、前記パルス管の内径ｄ［ｍ］と前記作動ガスの質量流量Ｍ［ｋｇ／ｓ］との比ｄ／Ｍ［ｍ・ｓ／ｋｇ］を２６０〜３１５の範囲に選ぶとよい(請求項３)。
【００１６】
請求項１〜請求項３のいずれかの発明において、前記パルス管の長さＬ［ｍ］と内径ｄ［ｍ］との比Ｌ／ｄを７．５〜１０の範囲に選ぶとよい(請求項４)。
【発明の効果】
【００１７】
この発明によれば、熱交換器とパルス管との間に整流器を挿入し、熱交換器を通過してパルス管に流入する作動ガスの速度分布の一様化を図ることにより、パルス管冷凍機を下向に設置した場合に、パルス管の高温側端部が下になることによる自然対流や渦の発生を最小限に抑え、パルス管冷凍機の下向設置による性能の低下を低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、図１〜図９に基づいて、この発明の実施の形態を説明する。
【実施例１】
【００１９】
図１は、この発明の実施例１を示すパルス管冷凍機の熱交換器部分の縦断面図である。図１において、低温端５の熱交換器６とパルス管３との間に、熱交換器６を通過してパルス管３に流入する作動ガスの流れを整流する整流器１２が挿入されている。熱交換器６は、銅の円板に多数の貫通孔１１を軸方向にあけたものである。整流器１２は、円形に打ち抜いた金網を積層したメッシュ構造である。メッシュ構造の整流器１２は、メッシュ数と積層枚数の調整により、圧力損失の増大を抑えながら一様な速度分布を形成することができるが、実験ではメッシュ数１００、線径１１０μ、積層枚数２３枚(高さ５ｍｍ)のものを用いた。整流器１２にはメッシュ構造に限らず、例えばハニカム構造など、他の構造のものも使用可能である。
【００２０】
図１に示すように、整流器１２を経てパルス管３に流入する作動ガスの速度分布は、貫通孔１１ごとの山形(図１１参照)が解消され、パルス管３の断面全体で一様になる。これにより、図示の通りパルス管冷凍機を下向に設置した場合の作動ガスの自然対流や渦の発生が抑えられ、結果として性能の低下が低減する。
【００２１】
図３は、この効果を実験により確認した結果を示す線図で、パルス管冷凍機を下向に設置した場合に、上向に設置した場合に対して性能がどの程度低下するかという低下率［％］を整流器１２の有無について比較したものである。なお、図中の実験条件のＬ／ｄはパルス管３の長さＬ［ｍ］と内径ｄ［ｍ］との比、ｄ／ｍは同じく内径ｄ［ｍ］と作動ガスの質量流量Ｍ［ｋｇ／ｓ］との比である。図３の結果によれば、整流器なしの低下率が約８７％であるのに対し、整流器ありの低下率は約６２％に低減していることがわかる。
【実施例２】
【００２２】
図２は、実施例１において、熱交換器６と整流器１２との間に空隙１３を設けた実施例２を示すものである。これにより、熱交換器６を通過した作動ガスは、整流器１２の流体抵抗により、その手前の空隙１３内でパルス管３の断面全体に広がる。その結果、整流器１２による整流作用がより高くなり、図示の通り実施の形態に比べて速度分布がより滑らかになる。
【００２３】
ところで、実施例１又は実施例２のパルス管冷凍機において、パルス管の内径を適正に選ぶことにより、この発明の作用効果をより高めることができる。図４に示すように、図４(Ａ)の内径の大きいパルス管３よりも、図４(Ｂ)の内径の小さいパルス管３の方が平均流速が大きくなる。パルス管冷凍機における作動ガスの往復運動において、作動ガスの流速が速いということは、流体要素が１周期に移動する振幅が大きいことを意味する。すなわち、流体要素の質量ｍ［ｋｇ］が位置振幅ｒ［ｍ］及び角振動数ωで往復運動する場合、その流体要素にかかる力ＦXは運動方程式により、以下の通り表される。
【００２４】
ＦX＝ｍｒω2ｓｉｎ(ωｔ)
ここで、同じ角振動数ωで運転させた場合、パルス管に流入する作動ガス流量Ｑ［ｍ3／ｓ］が常に一定であれば、パルス管３の内径をｄ［ｍ］として、
Ｑ＝ｒ・(１／２・πｄ2)
ｒ＝Ｑ／(１／２・πｄ2)
の関係から、位置振幅ｒはパルス管の内径ｄの２乗に反比例する。力ＦXは上記式から位置振幅ｒのみの影響を受けるので、結局、力ＦXはパルス管の内径ｄの２乗に反比例し、例えば内径ｄが２分の１になれば、力ＦXは４倍になる。
【００２５】
上記の力ＦXは、流体要素に往復動を起こさせる駆動力となるものである。一方、下向設置のパルス管冷凍機に性能の低下をもたらす作動ガスの自然対流は、作動ガスに作用する重力により生じる。すなわち、作動ガスには駆動力ＦXと重力が同時に作用するが、その際、駆動力ＦXが大きいと作動ガスに対する重力の影響が相対的に低下し、作動ガスの自然対流が抑えられる。従って、自然対流の抑制の点からは、パルス管の内径は小さい方がよいことになる。
【００２６】
図５は、パルス管の内径ｄ［ｍ］を３種類用いて、質量流量Ｍ［ｋｇ／ｓ］との比ｄ／Ｍ［ｍ・ｓ／ｋｇ］をパラメータにとり、設置の向きによる性能の低下率［％］を比較した実験結果を示すものである。図示の通り、性能の低下率は比ｄ／Ｍが２７５［ｍ・ｓ／ｋｇ］のところで極小値をとる。この結果から、質量流量Ｍが同じならパルス管の内径ｄが小さいほど性能の低下率が小さくなることがわかる。ただし、内径ｄを小さくし過ぎた場合には、作動ガスによる粘性抵抗が大きくなるため性能が低下するものと考えられる。このようにパルス管の内径ｄ［ｍ］と質量流量Ｍとの比ｄ／Ｍには最適範囲が存在し、性能低下率の上限を１０％とした場合は、２６０〜３１５［ｍ・ｓ／ｋｇ］の範囲となる。すなわち、この範囲に選べば、性能低下率を１０％以内に留めることができる。
【００２７】
一方、図６は、パルス管３内の作動ガスの自然対流を図６（Ａ）に模式的に示し、そのパルス管３の長手方向の温度勾配を図６（Ｂ）に示したものである。図示の通り、パルス管３の長さＬ［ｍ］を大きくすることにより（Ｌ１→Ｌ２）、温度勾配ｄＴ／ｄＬ［Ｋ／ｍ］を緩やかにすることができる。一般的に、対流による伝熱量は温度勾配で決まってくる。従って、パルス管３の長さＬを大きくすることで、パルス管３の高温側（位相制御部側）から低温端へ自然対流で持ち込まれる熱を低減することができる。
【００２８】
一般的に、パルス管などの鉛直管路に見られる自然対流は、長さＬと内径ｄとの比Ｌ／ｄに大きく影響を受ける。内径ｄを一定にして比Ｌ／ｄを変化させときの設置の向きによる性能低下率の変化の実験結果を図７に示す。図７から、比Ｌ／ｄを６．９から７．９に変化させただけで、性能の低下率を大きく低減できることがわかる。
【００２９】
上記した実験成果を踏まえ、実施例２の構成（図２）を採用し、比Ｌ／ｄを９．６に選んで、上向及び下向の両方の設置状態について、冷凍性能を図１１の従来構成と比較した実験結果を図８に示す。図中の表示「対策前」は従来構成、「対策後」は実施例２の構成を表す。図８によれば、上向設置では対策前と対策後との間にほとんど差はないが、下向設置では対策前は低温端温度７０Ｋで冷凍出力は２．８[Ｗ]から０に低下するのに対し、対策後は２．７[Ｗ]から２．５[Ｗ]までの約８％の低下に留まり、設置の向きによる性能低下率が大幅に低減していることがわかる。なお、上記実施例では熱交換器が多孔円板構造の例を示したが、この発明は熱交換器が他の構造、例えばメッシュ構造の場合にも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】この発明の実施例１を示す冷凍機の熱交換器部分の縦断面図である。
【図２】この発明の実施例２を示す冷凍機の熱交換器部分の縦断面図である。
【図３】実施例１の作用効果を説明する図である。
【図４】パルス管内径による作動ガスの平均流速の差を説明する図である。
【図５】図１の冷凍機の下向設置時におけるパルス管内径による性能低下率の差を説明する図である。
【図６】パルス管内における作動ガスの自然対流及びパルス管長さによる温度勾配の差を説明する図である。
【図７】冷凍機の設置に向きによる性能低下率のパルス管長さによる差を説明する図である。
【図８】この発明による対策の前後における冷凍出力の差を説明する図である。
【図９】従来のパルス管冷凍機の構成を示す図である。
【図１０】図９における熱交換器の平面図である。
【図１１】図９のパルス管冷凍機における熱交換器部分の拡大図である。
【符号の説明】
【００３１】
２    蓄冷器
３    パルス管
５    低温端
６    熱交換器
９    伝熱体
１２    整流器
１３    空隙
【図１】
2005127633.tif 000003
【図２】
2005127633.tif 000004
【図３】
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【図４】
2005127633.tif 000006
【図５】
2005127633.tif 000007
【図６】
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【図７】
2005127633.tif 000009
【図８】
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【図９】
2005127633.tif 000011
【図１０】
2005127633.tif 000012
【図１１】
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