(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒ガスを圧縮する圧縮機（１）と、この圧縮機（１）からの高圧冷媒ガスと圧縮機（１）に戻る低圧冷媒ガスとを切り換える切り換え弁（２）と、この切り換え弁（２）に連結されて高圧冷媒ガスの膨脹時の冷熱を蓄冷する蓄冷器（３）（３ａ）（３ｂ）と、この蓄冷器（３）（３ａ）（３ｂ）を通して加えられる圧力波によって圧縮、膨脹を繰り返して冷熱を発生する少なくとも１つのパルス管（５）（５ａ）（５ｂ）とを有するパルス管冷凍機であって、
パルス管（５）（５ａ）（５ｂ）の内面のうち、少なくとも、高温端部、低温端部の円形部およびこれらの近傍の円筒部にメッキ処理、または鏡面処理を施した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】
この発明はパルス管冷凍機に関し、さらに詳細にいえば、機械的に往復動するディスプレーサに代えて、同様な機能を達成するパルス管を用いるパルス管冷凍機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、機械的に往復動するディスプレーサに代えて、同様な機能を達成するパルス管を用いることにより、機械的振動の発生を大幅に低減できるパルス管冷凍機が提案されている。
【０００３】
このパルス管冷凍機は、冷媒ガスを圧縮する圧縮機と、この圧縮機からの高圧冷媒ガスと圧縮機に戻る低圧冷媒ガスとを切り換える切り換え弁と、この切り換え弁に連結されて高圧冷媒ガスの膨脹時の冷熱を蓄冷する蓄冷器と、この蓄冷器および低温端接続管を通して加えられる圧力波によって圧縮、膨脹を繰り返して冷熱を発生するパルス管と、パルス管の高温端部とオリフィス弁を介して接続されたバッファタンクと、前記切り換え弁と蓄冷器との接続部とパルス管の高温端部とを接続するダブルインレット弁とを有している。
【０００４】
この構成のパルス管冷凍機を採用すれば、切り換え弁を動作させることにより、蓄冷器および低温端接続管を通してパルス管内に圧力波を供給して、パルス管内の冷媒ガスの圧縮、膨脹を反復させ、冷熱を発生させる。そして、発生された冷熱を蓄冷器に蓄冷させる。また、オリフィス弁、バッファタンク、およびダブルインレット弁によって、パルス管内の冷媒ガスの圧縮、膨脹の位相を制御して、前記冷熱の発生を良好に行うことができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記の構成のパルス管冷凍機を採用した場合には、機械的に往復動するディスプレーサを有していないので機械的振動の発生を大幅に低減できる反面、パルス管の高温端部と低温端部との間の輻射熱が増加し、冷凍能力が小さくなってしまうという不都合がある。
【０００６】
特に、２段或いは３段のパルス管冷凍機においては、この輻射熱のために、２段目或いは３段目のパルス管のアスペクト比（直径／長さの比）に制約があり、このアスペクト比を大きくすることができないので、パルス管冷凍機が大型化してしまう。
【０００７】
【発明の目的】
この発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、アスペクト比の制約を小さくして、全体として小型化できるパルス管冷凍機を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１のパルス管冷凍機は、冷媒ガスを圧縮する圧縮機と、この圧縮機からの高圧冷媒ガスと圧縮機に戻る低圧冷媒ガスとを切り換える切り換え弁と、この切り換え弁に連結されて高圧冷媒ガスの膨脹時の冷熱を蓄冷する蓄冷器と、この蓄冷器を通して加えられる圧力波によって圧縮、膨脹を繰り返して冷熱を発生する少なくとも１つのパルス管とを有するものであって、
パルス管として、少なくとも、高温端部、低温端部の円形部およびこれらの近傍の円筒部にメッキ処理、または鏡面処理を施したものを採用するものである。
【０００９】
【作用】
請求項１のパルス管冷凍機であれば、圧縮機によって冷媒ガスを圧縮し、切り換え弁によって、この圧縮機からの高圧冷媒ガスと圧縮機に戻る低圧冷媒ガスとを切り換え、切り換え弁によって切り換えられる高圧冷媒ガスと低圧冷媒ガスとを交互にパルス管に供給して圧縮、膨脹を繰り返して冷熱を発生させ、発生した冷熱を蓄冷器に蓄冷することができる。そして、パルス管として、少なくとも、高温端部、低温端部の円形部およびこれらの近傍の円筒部にメッキ処理、または鏡面処理を施したものを採用しているのであるから、パルス管の高温端部と低温端部との間の輻射熱を低減してパルス管のアスペクト比の制約を緩和し、全体としての小型化を達成することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して、この発明のパルス管冷凍機の実施態様を詳細に説明する。
【００１１】
図１はこの発明のパルス管冷凍機の一実施態様を示す概略図である。
【００１２】
このパルス管冷凍機は、冷媒ガスを圧縮する圧縮機１と、この圧縮機１からの高圧冷媒ガスと圧縮機１に戻る低圧冷媒ガスとを切り換える切り換え弁２と、この切り換え弁２に連結されて高圧冷媒ガスの膨脹時の冷熱を蓄冷する蓄冷器３と、この蓄冷器３および低温端接続管４を通して加えられる圧力波によって圧縮、膨脹を繰り返して冷熱を発生するパルス管５と、パルス管５の高温端部とオリフィス弁６を介して接続されたバッファタンク７と、前記切り換え弁２と蓄冷器３との接続部とパルス管５の高温端部とを接続するダブルインレット弁８とを有している。なお、パルス管５内に破線で示す部分はガスピストンである。
【００１３】
そして、パルス管５の内面のうち、少なくとも、高温端、低温端の円形部およびこれらの近傍の円筒部にメッキ処理（金、ニッケル、亜鉛、錫、アルミニウムなどを用いるメッキ処理）、鏡面加工などの表面処理を施して、これらの部分における輻射率を小さくしている（具体的には、金メッキした場合の輻射率は０．０１〜０．０２、銅の研磨面の輻射率は０．０２である）。また、上記の処理を行った後に該当する表面が酸化すると輻射率が大きくなる（具体的には、銅の酸化面の輻射率は０．６である）ので、大気に曝さないようにするなどの酸化防止策を施すことが好ましい。もちろん、パルス管５の内面の全範囲に対して上記の表面処理を施してもよい。
【００１４】
この構成のパルス管冷凍機を採用すれば、切り換え弁２を動作させることにより、蓄冷器３および低温端接続管４を通してパルス管５内に圧力波を供給して、パルス管５内の冷媒ガスの圧縮、膨脹を反復させ、冷熱を発生させる。そして、発生された冷熱を蓄冷器３に蓄冷させる。また、オリフィス弁６、バッファタンク７、およびダブルインレット弁８によって、パルス管５内の冷媒ガスの圧縮、膨脹の位相を制御して、前記冷熱の発生を良好に行うことができる。
【００１５】
また、パルス管５の高温端部と低温端部との間における輻射熱を大幅に低減できるので、パルス管５のアスペクト比を大きくすることができ、ひいては、パルス管冷凍機を全体として小型化することができる。
【００１６】
図２はこの発明のパルス管冷凍機の他の実施態様を示す概略図である。
【００１７】
このパルス管冷凍機が図１のパルス管冷凍機と異なる点は、パルス管５を２段にした点のみである。
【００１８】
さらに詳細に説明する。
【００１９】
図２の実施態様においては、蓄冷器３として、第１段の蓄冷器３ａと第２段の蓄冷器３ｂとが互いに直列接続されてなるものを採用し、第１段の蓄冷器３ａおよび低温端接続管４ａを通して加えられる圧力波によって圧縮、膨脹を繰り返して冷熱を発生する第１のパルス管５ａと、第１段の蓄冷器３ａ、第２段の蓄冷器３ｂおよび低温端接続管４ｂを通して加えられる圧力波によって圧縮、膨脹を繰り返して冷熱を発生する第２のパルス管５ｂとを設けている。そして、第１のパルス管５ａの高温端部とオリフィス弁６ａを介して接続されたバッファタンク７ａと、切り換え弁２と第１段の蓄冷器３ａとの接続部と第１のパルス管５ａの高温端部とを接続するダブルインレット弁８ａとを有している。また、第２のパルス管５ｂの高温端部とオリフィス弁６ｂを介して接続されたバッファタンク７ｂと、切り換え弁２と第１段の蓄冷器３ａとの接続部と第２のパルス管５ｂの高温端部とを接続するダブルインレット弁８ｂとを有している。なお、第１のパルス管５ａ、第２のパルス管５ｂ内に破線で示す部分はガスピストンである。
【００２０】
図２の構成のパルス管冷凍機を採用した場合には、各パルス管において図１の実施態様と同様の動作を行って冷熱を発生させ、対応する蓄冷器に蓄冷させることができるとともに、各パルス管内の冷媒ガスの圧縮、膨脹の位相を制御して、前記冷熱の発生を良好に行うことができる。
【００２１】
また、各パルス管の高温端部と低温端部との間における輻射熱を大幅に低減できるので、パルス管のアスペクト比を大きくすることができ、ひいては、パルス管冷凍機を全体として小型化することができる。
【００２２】
さらに詳細に説明する。
【００２３】
一般にパルス管冷凍機の冷凍能力Ｑは、数１で求められる。
【００２４】
【数１】
0003935282.tif 000002
ただし、Ａはパルス管の断面積、Ｓはガスピストンのストローク、ｆは運転周波数（圧力波の周波数）、Ｌは熱損失である。
【００２５】
数１から分かるように、パルス管の断面積を大きくすると冷凍能力Ｑを大きくすることができるが、パルス管の高温端部の内表面と低温端部の内方面との間における輻射熱のやりとりに起因する熱損失が大きくなる。ここで、平行な２面間における輻射熱交換量Ｑｒａｄは、数２で与えられる。
【００２６】
【数２】
0003935282.tif 000003
ただし、Ａは面の表面積、Ｔ１は高温側表面の温度、Ｔ２は低温側表面の温度、ε１は高温側表面の輻射率、ε２は低温側表面の輻射率、σはステファン・ボルツマンの定数（＝５．６７×１０-8Ｗ／ｍ2・Ｋ4）である。
【００２７】
したがって、単にパルス管の断面積を大きくしても、必ずしも冷凍能力を大きくすることはできない。しかし、パルス管の高温端部の内表面と低温端部の内方面とにおける輻射率を小さくすれば、輻射熱のやりとりに起因する熱損失を小さくして冷凍能力Ｑを大きくすることができる。また、輻射熱のやりとりに起因する熱損失が小さくなるので、パルス管のアスペクト比を大きくすることができ、パルス管冷凍機を全体として小型化することができる。
【００２８】
具体的には、特に表面処理を施していない材料でパルス管の高温端部の内表面と低温端部の内方面とを構成した場合にはこれらの輻射率は１．０となるのに対して、パルス管の高温端部の内表面と低温端部の内方面とに鏡面加工、メッキ処理などの表面処理を施した場合にはこれらの輻射率は０．１以下になる。
【００２９】
ここで、１段冷凍機（Ｔ１＝３００Ｋ、Ｔ２＝８０Ｋ）と、２段冷凍機（Ｔ１＝３００Ｋ、Ｔ２＝２０Ｋ）とについて、輻射熱のやりとりに起因する熱損失の影響を考えると、パルス管の直径が３ｃｍである場合に、輻射率が１．０であれば、輻射熱量は１段冷凍機、２段冷凍機、共に０．３２Ｗであるのに対して、輻射率が０．１であれば、輻射熱量は１段冷凍機、２段冷凍機、共に０．０２Ｗである。したがって、冷却ステージの温度（各段の冷凍機の低温端部側表面の温度Ｔ２が８０Ｋの場合と２０Ｋの場合とで大きな差は現れない。しかしながら、２段冷凍機の第２ステージは、第１ステージや１段冷凍機に比べて、他の損失（蓄冷器の非効率による損失など）が大きくなって冷凍能力が小さくなるのが一般的であるから、単位冷凍能力に対する輻射熱損失の占める割合が大きくなる。したがって、数２に基づく計算結果からは輻射熱量の差は現れないにも拘わらず、輻射熱損失の寄与率は大きく異なる。  以上の説明から明らかなように、パルス管のアスペクト比を大きくしなくても、輻射熱損失を小さくできることに起因して、冷凍能力を大きくすることができる。また、輻射熱損失が小さくなることに起因してパルス管のアスペクト比を大きくすれば、冷凍能力を大きくすることができるだけでなく、パルス管冷凍機を全体として小型化することができる。
【００３０】
なお、図２のパルス管冷凍機においては、第２のパルス管５ｂを、第１段の蓄冷器３ａおよび第２段の蓄冷器３ｂからなる蓄冷器と並列に接続しているが、第２のパルス管５ｂを第２段の蓄冷器３ｂのみと並列に接続することが可能である。ただし、このように構成すると、オリフィス弁６ｂおよびバッファタンク７ｂをも低温化しなければならないので、図２の構成を採用することが好ましい。また、パルス管を３つ以上設ける構成を採用することも可能である。
【００３１】
【発明の効果】
請求項１の発明は、、パルス管の高温端部と低温端部との間の輻射熱を低減してパルス管のアスペクト比の制約を緩和し、全体としての小型化を達成することができるという特有の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明のパルス管冷凍機の一実施態様を示す概略図である。
【図２】この発明のパルス管冷凍機の他の実施態様を示す概略図である。
【符号の説明】
１  圧縮機    ２  切り換え弁
３  蓄冷器    ３ａ  第１段の蓄冷器
３ｂ  第２段の蓄冷器    ５  パルス管
５ａ  第１のパルス管    ５ｂ  第２のパルス管
【図１】
0003935282.tif 000004
【図２】
0003935282.tif 000005