(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
共鳴管内に封入された作動ガスを加熱・冷却することにより同作動ガスに自励振動を発生させる熱駆動型圧縮機を備え、同熱駆動型圧縮機からの作動ガスの圧力振幅を冷凍機本体部のパルス管及び蓄冷器に作用させて、水素等の容器内の流体を冷却液化するパルス管冷凍機において、上記共鳴管内に封入される作動ガスにヘリウムガスと他の希ガスとの混合ガスであってヘリウムガスよりも音速の小さい混合ガスを用いたことを特徴とするパルス管冷凍機。
【請求項２】
請求項１に記載のパルス管冷凍機において、上記混合ガスが、ヘリウム（Ｈｅ）とキセノン（Ｘｅ）とを混合してなることを特徴とするパルス管冷凍機。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載のパルス管冷凍機において、上記熱駆動型圧縮機と冷凍機本体部とを接続する導管路に、熱駆動型圧縮機側の上記混合ガスと冷凍機本体部側の作動ガスとを遮断して両ガスの混合を阻止し、かつ上記熱駆動型圧縮機側の圧力振幅の冷凍機本体部側への伝達を可能としたピストン付きベローズ等の遮断機構を設けてな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】
本発明は液体水素等の液化に使用される、熱駆動型圧縮機を備えたパルス管冷凍機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図３は、液体水素の液化に使用されるパルス管冷凍機の圧縮機として、共鳴管におけるガスの自励振動を利用した熱駆動型圧縮機を用いたパルス管冷凍機の従来の１例を示す。
【０００３】
図３において、１は外部からの侵入熱を低減するための有底筒状の断熱真空容器、２は同断熱真空容器１の上部を覆蓋するフランジ部である。３は上記断熱真空容器１の内部に収納されて常温からの輻射熱をシールドするための液体窒素槽、４は同液体窒素槽３内に収容された液体窒素である。５は第１段パルス管、７は第１段蓄冷器、１３は第２段蓄冷器である。同第１段パルス管５の高温端は上記断熱真空容器１のフランジ部２と熱的に結合されるとともに、低温端は、導管６によって上記第１段蓄冷器７の低温端と接続されている。
【０００４】
８ａは上記第１段蓄冷器７の高温端と上記第１段パルス管５の高温端とを接続する第１段用のバイパス管、８は同バイパス管路８ａを開閉するバイパス弁である。１１は第２段パルス管であり、同パルス管１１の高温端は上記フランジ部２と熱的に結合されるとともに、低温端は導管１２によって上記第２段蓄冷器１３の低温端と接続されている。
【０００５】
１４ａは上記第２段蓄冷器１３の高温端と上記第２段パルス管１１の高温端とを接続する第２段用のバイパス管、１４は同バイパス管１４ａを開閉するバイパス弁である。１０は上記第１段用のバイパス管８ａに接続される第１段用のバッファ、９は同バッファ１０への接続管路に設けられた第１段用のオリフィス弁である。また、１６は上記第２段用のバイパス管１４ａに接続される第２段用のバッファ、１５は同バッファ１６への接続管路に設けられた第２段用のオリフィス弁である。
【０００６】
上記バイパス弁８及び１４、並びにオリフィス弁９及び１５は、第１段パルス管５及び第２段パルス管１１内のガスの圧力振動及び速度振幅変動の間の位相差を制御する制御機構の機能をなす。上記蓄冷器７、１３の材料としては、磁性蓄冷材であるＥｒ3 Ｎｉ等が用いられる。
【０００７】
１７は密閉の容器１８内に封入され、沸点が上記液体窒素４以下の液体水素等の極低温流体である。１９は上記第２段蓄冷器１３の低温端に設置された熱交換器で、上記容器１８内で蒸発した極低温流体１７を同熱交換器１９のフィン２０の表面で液化し再び液体とせしめるように構成されている。
【０００８】
２１は内部にヘリウムガス２５が収容された共鳴管で、同共鳴管２１には高温側熱交換器２３、低温側熱交換器２４及びスタック２２が設けられている。上記スタック２２は例えば、厚さ０．５mm程度のステンレス板を１mm程度の間隔で重ね合わせて形成される。２６は上記共鳴管２１と上記第１段蓄冷器７とを接続する導管である。
【０００９】
そして、上記高温側熱交換器２３を４００℃程度に加熱するとともに低温側熱交換器２４を室温に保持すると、スタック２２内に侵入しているヘリウムガス２５に自励振動が発生し、共鳴管２１内に圧力振動の定在波が発生することにより、定常的に圧力振幅が発生する熱駆動型圧縮機１００が構成される。この熱駆動型圧縮機１００における上記圧力振幅は、上記導管２６を介して上記第１段、第２段パルス管５，１１及び蓄冷器７，１３側に伝達されるようになっている。
【００１０】
上記のように構成されたパルス管冷凍機の作動時において、上記熱駆動型圧縮機１００から、圧力振幅を伴なう高圧のガスが導管２６を介して導入されると、上記蓄冷器７，１３及び第１段、第２段パルス管６，１１内のガスは上記高圧ガスによって押される。そして行き場の無くなったガスは第１段、第２段パルス管５，１１の高温端で発熱し、その熱は断熱真空容器１のフランジ部２に排熱される。次いで、上記熱駆動型圧縮機１００から低圧のガスが送られると、蓄冷器７，１３及び第１段、第２段パルス管６，１１内のガスは、蓄冷器７，１３に寒冷を与えながら膨張する。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記従来の熱駆動型圧縮機１００を備えたバイパス管冷凍機には次のような問題点がある。即ち、上記パルス管冷凍機においては、上記のように、作動ガスとして、上記熱駆動型圧縮機１００の共鳴管２１内に封入されたヘリウムガス２５を使用している。しかしながら同ヘリウムガス２５の音速がきわめて大きいため、熱駆動型圧縮機１００の共鳴周波数をパルス管冷凍機の運転周波数に等しい数１０Ｈｚに設定すると共鳴管２１の長さが長くなり、上記熱駆動型圧縮機１００を含むパルス管冷凍機が大型化する。
【００１２】
本発明の目的は、熱駆動型圧縮機の共鳴管の長さを短縮することにより、小型コンパクト化されたパルス管冷凍機を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記問題点を解決するもので、その要旨とする第１の手段は、共鳴管内に封入された作動ガスを加熱・冷却することにより同作動ガスに自励振動を発生させる熱駆動型圧縮機を備え、同熱駆動型圧縮機からの作動ガスの圧力振幅を冷凍機本体部のパルス管及び蓄冷器に作用させて、水素等の容器内の流体を冷却液化するパルス管冷凍機であって、上記共鳴管内に封入される作動ガスにヘリウムガスと他の希ガスとの混合ガスであってヘリウムガスよりも音速の小さい混合ガスを用いたことを特徴とするパルス管冷凍機にある。
【００１４】
また上記第１の手段において、上記混合ガスが、ヘリウム（Ｈｅ）とキセノン（Ｘｅ）とを混合してなるのが好ましい。
【００１５】
上記手段によれば、共鳴管内に熱駆動型圧縮機側の作動ガスとしてヘリウムと他の希ガスとを混合しガスの音速がヘリウムよりも小さくなるようにした混合ガスを封入したので、上記音速の低下により所要の共鳴管長さもヘリウムガス使用時に較べ上記音速の低下分相当量短縮される。
【００１６】
特に混合ガスとしてヘリウム（Ｈｅ）とキセノン（Ｘｅ）との混合ガスを用いて、例えば、双方のモル比をＨｅ＝８９％、Ｘｅ＝１１％程度に設定すれば、分子量がヘリウムの場合の４倍以上となり音速が半分以下となって、共鳴管の長さも半分以下に短縮することが可能となる。
【００１７】
また第２の手段は、第１の手段のパルス管冷凍機において、上記熱駆動型圧縮機と冷凍機本体部とを接続する導管路に、熱駆動型圧縮機側の上記混合ガスと冷凍機本体部側の作動ガスとを遮断して両ガスの混合を阻止し、かつ上記熱駆動型圧縮機側の圧力振幅の冷凍機本体部側への伝達を可能としたピストン付きベローズ等の遮断機構を設けてなる。
【００１８】
上記第２の手段によれば、極低温流体の生成時に最も温度が低下する蓄冷器の低温端において混合ガス中のキセノン（Ｘｅ）が凝縮、液化しようとするも、熱駆動型圧縮機と冷凍機本体部との間に設けた遮断機構により、共鳴管内の熱駆動型圧縮機側の混合ガスと冷凍機本体部側の作動ガスとの混合を阻止したのでかかるキセノンの凝縮、液化が回避される。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下図１〜図２を参照して本発明の実施形態につき詳細に説明する。図１は本発明の実施形態に係る熱駆動型圧縮機１００を備えたパルス管冷凍機の構成図、図２は作動ガスの化学的性質及び物理的性質の１例を示す表である。
【００２０】
図１において、１は外部からの侵入熱を低減するための有底筒状の断熱真空容器、２は同断熱真空容器１の上部を覆蓋するフランジ部である。３は上記断熱真空容器１の内部に収納されて常温からの輻射熱をシールドするための液体窒素槽、４は同液体窒素槽３内に収容された液体窒素である。５は第１段パルス管、７は第１段蓄冷器、１３は第２段蓄冷器であり同蓄冷器７，１３の材料としては磁性蓄冷材であるＥｒ3 Ｎｉ等が用いられる。同第１段パルス管５の高温端は上記断熱真空容器１のフランジ部２と熱的に結合されるとともに、低温端は、導管６によって上記第１段蓄冷器７の低温端と接続されている。
【００２１】
８ａは上記第１段蓄冷器７の高温端と上記第１段パルス管５の高温端とを接続する第１段用のバイパス管、８は同バイパス管路８ａを開閉するバイパス弁である。１１は第２段パルス管であり、同パルス管１１の高温端は上記フランジ部２と熱的に結合されるとともに、低温端は導管１２によって上記第２段蓄冷器１３の低温端と接続されている。
【００２２】
１４ａは上記第２段蓄冷器１３の高温端と上記第２段パルス管１１の高温端とを接続する第２段用のバイパス管、１４は同バイパス管１４ａを開閉するバイパス弁である。１０は上記第１段用のバイパス管８ａに接続される第１段用のバッファ、９は同バッファ１０への接続管路に設けられた第１段用のオリフィス弁である。
【００２３】
また、１６は上記第２段用のバイパス管１４ａに接続される第２段用のバッファ、１５は同バッファ１６への接続管路に設けられた第２段用のオリフィス弁である。
【００２４】
１７は密閉の容器１８内に封入され、沸点が上記液体窒素４以下の液体水素等の極低温流体である。また、１９は上記第２段蓄冷器１３の低温端に設置された熱交換器で、上記容器１８内の極低温流体１７の上方に位置して設けられたフィン２０を備えている。以上に示すパルス管冷凍機の構成は図３に示す従来技術と同様である。
【００２５】
本発明の実施形態においては、熱駆動型圧縮機１００を改良している。即ち、図１において、２１は熱駆動型圧縮機１００の共鳴管であり、同共鳴管２１内にはヘリウムガスとヘリウムガス以外の希ガスからなる混合ガス２７が封入されている。上記混合ガス２７の１例として、図２に示すように、ヘリウム（Ｈｅ）とキセノン（Ｘｅ）のモル比８９％／１１％のものがある。図２はこの実施形態に適用されるヘリウムガス及び上記混合ガスの化学的、物理的性質を示している。
【００２６】
また上記共鳴管２１には、高温側熱交換器２３、低温側熱交換器２４及びスタック２２が設けられている。上記スタック２２は例えば、厚さ０．５mm程度のステンレス板を１mm程度の間隔で重ね合わせて形成される。２６は上記共鳴管２１と上記第１段蓄冷器７とを接続する導管である。
【００２７】
２８は上記導管２６に設けられた容器である。上記容器２８内にはピストン及び仕切板を兼ねた板２９とこの板２９を容器２８に支持するベローズ３０とが設けられ、これら板２９及びベローズ３０によって熱駆動型圧縮機１００側と冷凍機本体２００側とのガスを遮断している。
【００２８】
上記構成からなるパルス管冷凍機の作動時において、上記熱駆動型圧縮機１００の上記高温側熱交換器２３を４００℃程度に加熱するとともに低温側熱交換器２４を室温に保持すると、スタック２２内に侵入している混合ガス２７に自励振動が発生し、共鳴管２１内に圧力振動の定在波が発生することにより、定常的に圧力振幅が発生する。そしてこの圧力振幅は導管２６を介して容器２８内の板２９及びベローズ３０に作用し、この板２９及びベローズ３０が伸縮させて、導管２６を介して冷凍機本体部２００側の上記第１段、第２段パルス管５，１１及び蓄冷器７，１３側に伝達される。
【００２９】
７，１３及び第１段、第２段パルス管６，１１内のガスは、上記圧力振幅を伴なう混合ガスによって押される。そして行き場の無くなったガスは第１段、第２段パルス管５，１１の高温端で発熱し、その熱は断熱真空容器１のフランジ部２に排熱される。次いで、上記熱駆動型圧縮機１００から低圧のガスが送られると、蓄冷器７，１３及び第１段、第２段パルス管６，１１内のガスは、蓄冷器７，１３に寒冷を与えながら膨張する。そして、上記容器１８内においては、極低温流体１７の蒸発があるが、同流体は同容器１８内に設けられた熱交換器１９のフィン２０の表面で液化して再び液体となって容器１８底部に収容される。
【００３０】
また、上記バイパス弁８及び１４、並びにオリフィス弁９及び１５は、第１段パルス管５及び第２段パルス管１１内のガスの圧力振動及び速度振幅変動の間の位相差を制御する。
【００３１】
かかる作動時において、共鳴管２１内に、図２に示すようなヘリウム（Ｈｅ）とキセノン（Ｘｅ）との混合ガス２７を封入しており、同混合ガス２７はその分子量が従来のヘリウム２５に較べて４倍以上に増大し音速が半分以下に低下することから、共鳴管２１の長さも半分以下に短縮される。
【００３２】
また、本発明の実施形態に係るヘリウム（Ｈｅ）とキセノン（Ｘｅ）との混合ガス２７を用い、この混合ガス２７をそのまま冷凍機本体部２００の作動ガスとして蓄冷器７、及び１３に流し、容器１８内の水素を液化して極低温流体（液体水素）１７を生成するように構成すると、最も温度が低下する第２段蓄冷器１３の低温端において混合ガス２７中のキセノン（Ｘｅ）が凝縮液化するが、本発明の実施形態においては、上記熱駆動型圧縮機１００と、冷凍機本体部２００とを接続する導管２６に、容器２８内に支持されたピストン兼用の板２９及びベローズ３０を設けて共鳴管２１内の混合ガス２７と冷凍機本体部２００側の作動ガスとを遮断したので、かかるキセノンの凝縮、液化が阻止され、冷凍機は順調に作動する。
【００３３】
【発明の効果】
本発明は以上のように構成されており、請求項１の発明によれば、共鳴管内にヘリウムと他の希ガスとを混合しガスの音速がヘリウムよりも小さくなるようにした混合ガスを封入したので、上記音速の低下により所要の共鳴管長さもヘリウムガス使用時に較べ上記音速の低下分相当量短縮される。これにより熱駆動型圧縮機の長さが短縮され、小形、コンパクトなパルス管冷凍機が得られる。
【００３４】
また、請求項２の発明のように、混合ガスとしてヘリウムとキセノンとの混合ガスを使用すれば、例えば、双方のモル比をＨｅ＝８９％、Ｘｅ＝１１％程度に設定すると、分子量がヘリウムの場合の４倍以上となり音速が半分以下となって、共鳴管の長さも半分以下に短縮することが可能となり、請求項１の発明の効果が顕著に得られる。
【００３５】
さらに、請求項３のように構成すれば、請求項１または請求項２の発明の効果に加え、熱駆動型圧縮機と冷凍機本体部との間に設けた遮断機構により、共鳴管内の熱駆動型圧縮機側の混合ガスと冷凍機本体部側の作動ガスとの混合を阻止したので蓄冷器低温端におけるキセノンの凝縮、液化が阻止され、かかる現象によるパルス管冷凍機の運転の阻害を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係るパルス管冷凍機の構成図。
【図２】上記冷凍機用作動ガスの化学的性質及び物理的性質を示す表。
【図３】従来例を示す図１応当図。
【符号の説明】
１００          熱駆動型圧縮機
２００          冷凍機本体部
１              断熱真空容器
２              フランジ
３              液体窒素槽
４              液体窒素
５              第１段パルス管
６，１２        導管
７              蓄冷器（第１段）
８，１４        バイパス弁
８ａ，１４ａ    バイパス管
９，１５        オリフィス弁
１０，１６      バッファ
１１            第２段パルス管
１３            蓄冷器（第２段）
１７            極低温流体
１８            容器
１９            熱交換器
２０            フィン
２１            共鳴管
２２            スタック
２３            高温側熱交換器
２４            低温側熱交換器
２６            導管
２７            混合ガス
２８            容器
２９            板
３０            ベローズ
【図１】
0003835912.tif 000002
【図２】
0003835912.tif 000003
【図３】
0003835912.tif 000004