JP3589401B2 - Pulse tube refrigerator - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パルス管冷凍機に関し、特に冷却温度と冷凍能力を調節することが可能なパルス管冷凍機に関する。
【0002】
【従来の技術】
パルス管冷凍機は、低温部に可動部分がなく構造も簡単である。このため、振動の少ない冷凍機として、多くの低温機器に用いられている。低温機器が必要とする冷却温度または冷凍能力は多種多様である。また、運転状況、時間、季節等によって、必要とされる冷却温度または冷凍能力が変動する場合もある。このような要求に応えるために、冷却温度や冷凍能力を調節する機構が必要となる。
【0003】
冷却温度や冷凍能力を調節するために、冷却ステージに電気ヒータを熱的に結合させる方法が知られている。パルス管冷凍機の余分の冷凍能力を電気ヒータからの発熱により相殺し、冷凍能力を調節することができる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
冷却ステージは、通常、真空容器内に配置される。電気ヒータが故障すると、電気ヒータを修理するために、冷凍機の運転を停止して低温部分を室温まで昇温させ、真空容器内から冷却ステージを取り出す必要がある。運転開始時には、低温ステージを真空容器内に配置し、真空容器内を真空排気しなければならない。
【0005】
本発明の目的は、冷却温度を調節することができ、かつ維持管理の容易なパルス管冷凍機を提供することである。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明の一観点によると、高温端と低温端とが画定され、内部にガス流路を有し、内部を流れる作動ガスと熱交換を行う蓄冷器と、高温端と低温端とが画定され、内部空洞を有するパルス管と、前記蓄冷器とパルス管との低温端同士を接続し、前記蓄冷器内のガス流路と前記パルス管の内部空洞とを連通させるガス流路を有する冷却ステージと、前記蓄冷器の高温端に接続され、該蓄冷器内のガス流路への作動ガスの供給と、該蓄冷器内のガス流路からの作動ガスの回収とを周期的に繰り返す圧力振動源と、実効的な容積を変化させることが可能な内部空洞を有するバッファ手段と、前記パルス管の内部空洞と前記バッファ手段の内部空洞とを連通させるガス輸送路とを有し、前記バッファ手段が、直列に接続された複数のバッファタンクであって、少なくともひとつが前記ガス輸送路に接続された前記バッファタンクと、隣り合うバッファタンク間のガスの流れの開閉を行う開閉弁とを含むパルス管冷凍機が提供される。
【0007】
バッファ手段の内部空洞の容積を変化させることにより、冷凍能力を変えることができる。
【0008】
【発明の実施の形態】
図1に、本発明の第1の実施例によるパルス管冷凍機の概略図を示す。蓄冷器1の低温端1Lとパルス管2の低温端2Lとが、冷却ステージ4により接続されている。蓄冷器1は、例えばステンレス管内に、蓄冷材3を充填したものである。蓄冷材3は、例えばステンレス金網であり、蓄冷器1内を流れる作動ガスと熱交換を行う。パルス管2は、例えば内径3〜30mmの中空のステンレス管である。冷却ステージ4は、銅製のブロックであり、その内部にガス流路5が形成されている。ガス流路5は、蓄冷器1内の空間とパルス管2内の空間とを連通させる。冷却ステージ4に、温度センサ7が取り付けられている。
【0009】
蓄冷器1、パルス管2、及び冷却ステージ4は、真空容器6内に配置される。蓄冷器1の高温端1H及びパルス管2の高温端2Hが、真空容器6の壁に固定される。パルス管2の高温端2Hに、放熱フィンが取り付けられている。
【0010】
蓄冷器1の高温端1Hに、圧力振動源10が接続されている。圧力振動源10は、ガス圧縮機11、ロータリバルブ12を含んで構成される。ガス圧縮機11のガス排出口及び吸気口が、ロータリバルブ12を介して蓄冷器1の高温端1Hに接続されている。ロータリバルブ12を回転させると、ガス圧縮機11のガス排出口が蓄冷器1に連通するガス供給フェーズと、吸気口が蓄冷器1に連通するガス回収フェーズとが交互に繰り返される。
【0011】
ガス供給フェーズには、高圧の作動ガス、例えばヘリウムガスが蓄冷器1の高温端1Hに供給される。ガス回収フェーズには、作動ガスが、蓄冷器1の高温端1Hからガス圧縮機11に回収される。
【0012】
ガス輸送路21の一端が、パルス管2の高温端2Hに接続されている。ガス輸送路21内に、内径0.2〜1mmのオリフィス20が配置されている。オリフィス20は、ガス輸送路21内を流れる作動ガスに対して流路抵抗として作用する。ガス輸送路21の他端に、4本の分岐路22a〜22dが連結している。分岐路22a〜22dは、それぞれ開閉弁23a〜23dを介してバッファタンク25a〜25dに接続されている。バッファタンク25a〜25dの容積は、それぞれ100cm3、200cm3、400cm3、及び800cm3である。開閉弁23a〜23dは、例えば手動のボールバルブである。
【0013】
開閉弁23a〜23dの開閉により、バッファタンクの合計容積を変化させることができる。例えば、開閉弁23aを開け、他の開閉弁を閉じると、バッファタンクの合計容積は100cm3になり、開閉弁23aと23bを開け、他の開閉弁を閉じると、バッファタンクの合計容積は300cm3になる。すなわち、複数のバッファタンク25a〜25d及び開閉弁23a〜23dは、実効的に、容積可変のひとつのバッファタンクを取り付けた場合と同様の機能を果たす。
【0014】
圧力振動源10を運転し、作動ガスの供給と回収を繰り返すと、パルス管2の低温端2Lで吸熱が生じ、高温端2Hで発熱が生ずる。低温端2Lで吸熱が生ずることにより、冷却ステージ4が冷却される。高温端2Hで発生した熱は、放熱フィンから放熱される。
【0015】
図2は、図1に示すパルス管冷凍機を運転した時の冷却ステージ4の温度を、バッファタンクの合計容積の関数として示す。横軸はバッファタンクの合計容積を単位「cm3」で表し、縦軸は冷却ステージの温度を絶対温度で表す。運転周波数は2Hz、運転前のヘリウムガスの封入圧力は1.7MPaである。
【0016】
バッファタンクの合計容積が100cm3から1500cm3までの範囲であれば、合計容積が増加するに従って、冷却ステージ温度が低下する。すなわち、冷凍能力が向上する。このように、バッファタンクの容積を変化させることにより、冷却温度、及び冷凍能力を調節することができる。
【0017】
第1のパルス管冷凍機を運転する場合には、まず、パルス管冷凍機に必要とされる冷凍能力を決定する。これは、必要とされる到達温度、冷却ステージへの熱の流入量等から決定することができる。次に、決定された冷凍能力を発揮するためのバッファタンクの容積を決定する。これは、例えば、図2に示すグラフから求めることができる。バッファタンクの容積が、決定された容積になるように、開閉弁23a〜23bを適宜開閉する。この状態でパルス管冷凍機を運転すると、所望の冷凍能力を発揮でき、冷却ステージ4の温度を所望の温度まで冷却することができる。
【0018】
次に、図3を参照して、第2の実施例によるパルス管冷凍機について説明する。第2の実施例によるパルス管冷凍機を、第1の実施例によるパルス管冷凍機と比較すると、主としてバッファタンクの接続方法が異なる。
【0019】
図3は、第2の実施例によるパルス管冷凍機の概略図を示す。ここでは、図1に示す第1の実施例によるパルス管冷凍機の構成と異なる部分についてのみ説明する。図3に示すパルス管冷凍機の各構成部分には、図1に示すパルス管冷凍機の対応する構成部分に付された参照符号と同一の参照符号が付されている。
【0020】
一方の端部がパルス管2の高温端2Hに接続されたガス輸送路21の他方の端部に、開閉弁28a、バッファタンク30a、開閉弁28b、バッファタンク30b、開閉弁28c、バッファタンク30c、開閉弁28d、及びバッファタンク30dが、この順番に直列に接続されている。開閉弁28a〜28dは、例えば電磁弁であり、冷却ステージの温度に基づいて自動制御される。
【0021】
圧力振動源10が、シリンダ15とピストン16とを含んで構成される。シリンダ15とピストン16により画定されたガス圧縮室が、ガス流路を介して蓄冷器1の高温端1Hに接続されている。ピストン16を往復駆動させることにより、蓄冷器1への作動ガスの供給と、蓄冷器1からの作動ガスの回収が周期的に繰り返される。なお、この圧力振動源10の代わりに、図1に示す第1の実施例で用いたロータリバルブ型の圧力振動源を用いてもよい。逆に、第1の実施例のパルス管冷凍機に、図3に示すシリンダピストン型のガス圧縮機を使用してもよい。
【0022】
蓄冷器1の高温端1Hとパルス管2の高温端2Hとが、ガス流路によって相互に接続され、このガス流路内にオリフィス20aが配置されている。オリフィス20aを挿入することにより、パルス管2内の作動ガスの圧力変化と体積変化の位相差を調整することができる。位相差が適切に調整されると、冷凍効率を高めることができる。
【0023】
第2の実施例の場合にも、開閉弁28a〜28dを開閉状態を適宜変えることにより、バッファタンクの実効的な容積を変化させることができる。また、閉じられた開閉弁よりも、パルス管から遠い位置に接続されたバッファタンク及び開閉弁を、冷凍機の運転中に保守点検、及び交換することができる。
【0024】
図4は、第3の実施例によるパルス管冷凍機に用いられるバッファタンクの概略図を示す。このバッファタンクは、シリンダ35、ピストン36、及び駆動装置37を含んで構成される。シリンダ35内にピストン36が挿入され、シリンダ35とピストン36とにより空洞38が画定される。駆動装置37は、ピストン36の挿入量を変化させ、所望の位置でピストン36を保持する。ピストン36の挿入量を変化させることにより、空洞38の容積を変化させることができる。空洞38が、ガス輸送路21を介して、パルス管の内部空洞に連通している。第3の実施例の場合には、バッファタンクの容積を連続的に変化させることができる。
【0025】
上記実施例によるパルス管冷凍機では、冷却ステージの温度調整のためのバッファタンク及び開閉弁が、真空容器の外に配置される。このため、電気ヒータで加熱する場合によく見られる放出ガスによる真空状態への悪影響を防止することができる。また、真空容器の真空状態を保ったまま、保守作業を行うことができる。
【0026】
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
【0027】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、パルス管の高温端に接続されたバッファ手段の実効的な容積を変化させることにより、冷却温度を調節することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例によるパルス管冷凍機の概略図である。
【図2】第1の実施例によるパルス管冷凍機の冷却ステージの温度を、バッファタンクの実効的な容積の関数として示すグラフである。
【図3】本発明の第2の実施例によるパルス管冷凍機の概略図である。
【図4】本発明の第3の実施例によるパルス管冷凍機に用いられるバッファタンクの概略図である。
【符号の説明】
1 蓄冷器
2 パルス管
3 蓄冷材
4 冷却ステージ
5 ガス流路
6 真空容器
7 温度センサ
10 圧力振動源
11 ガス圧縮機
12 ロータリバルブ
15 シリンダ
16 ピストン
20、20a オリフィス
21 ガス輸送路
22a〜22d 分岐路
23a〜23d、28a〜28d 開閉弁
25a〜25d、30a〜30d バッファタンク
35 シリンダ
36 ピストン
37 駆動装置
38 空洞[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a pulse tube refrigerator, and more particularly to a pulse tube refrigerator capable of adjusting a cooling temperature and a refrigeration capacity.
[0002]
[Prior art]
The pulse tube refrigerator has no moving parts in the low temperature part and has a simple structure. For this reason, it is used in many low-temperature devices as a refrigerator having less vibration. The cooling temperature or refrigeration capacity required by cryogenic equipment varies widely. Also, the required cooling temperature or refrigeration capacity may fluctuate depending on the operating conditions, time, season, and the like. In order to meet such demands, a mechanism for adjusting the cooling temperature and the refrigeration capacity is required.
[0003]
There is known a method of thermally coupling an electric heater to a cooling stage to adjust a cooling temperature and a refrigeration capacity. The excess refrigerating capacity of the pulse tube refrigerator can be offset by the heat generated from the electric heater, and the refrigerating capacity can be adjusted.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
The cooling stage is usually arranged in a vacuum vessel. When the electric heater breaks down, it is necessary to stop the operation of the refrigerator, raise the temperature of the low-temperature portion to room temperature, and take out the cooling stage from the vacuum vessel in order to repair the electric heater. At the start of operation, the low-temperature stage must be placed in a vacuum vessel, and the inside of the vacuum vessel must be evacuated.
[0005]
An object of the present invention is to provide a pulse tube refrigerator capable of adjusting a cooling temperature and easy to maintain.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
According to one aspect of the present invention, a high-temperature end and a low-temperature end are defined, a regenerator having a gas flow path therein and performing heat exchange with a working gas flowing therein, and a high-temperature end and a low-temperature end are defined. , A pulse tube having an internal cavity, and a cooling stage having a gas flow path that connects low-temperature ends of the regenerator and the pulse tube to each other and communicates a gas flow path in the regenerator with an internal cavity of the pulse tube. Pressure oscillation connected to a high-temperature end of the regenerator and periodically repeating supply of a working gas to a gas passage in the regenerator and collection of a working gas from the gas passage in the regenerator source and, possess a buffer means having an interior cavity capable of changing the effective volume and a gas transport passage for communicating the interior cavity of the buffer unit and the internal cavity of said pulse tube, said buffer means But with multiple buffer tanks connected in series , The pulse tube refrigerator comprising said buffer tank at least one of which is connected to the gas transport channel, the opening and closing valve for opening and closing of the gas between adjacent buffer tank flow is provided.
[0007]
The refrigeration capacity can be changed by changing the volume of the internal cavity of the buffer means.
[0008]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
FIG. 1 shows a schematic diagram of a pulse tube refrigerator according to a first embodiment of the present invention. A low-temperature end 1L of the
[0009]
The
[0010]
A
[0011]
In the gas supply phase, a high-pressure working gas, for example, helium gas is supplied to the high-temperature end 1H of the
[0012]
One end of the
[0013]
The total volume of the buffer tank can be changed by opening and closing the on-off
[0014]
When the
[0015]
FIG. 2 shows the temperature of the cooling stage 4 when operating the pulse tube refrigerator shown in FIG. 1 as a function of the total volume of the buffer tank. The horizontal axis represents the total volume of the buffer tank in units of “cm 3 ”, and the vertical axis represents the temperature of the cooling stage in absolute temperature. The operation frequency was 2 Hz, and the pressure of the filled helium gas before the operation was 1.7 MPa.
[0016]
If the range combined volume of the buffer tank is from 100 cm 3 to 1500 cm 3, according to the total volume is increased, the cooling stage the temperature is lowered. That is, the refrigeration capacity is improved. Thus, by changing the volume of the buffer tank, the cooling temperature and the refrigerating capacity can be adjusted.
[0017]
When operating the first pulse tube refrigerator, first, the refrigerating capacity required for the pulse tube refrigerator is determined. This can be determined from the required ultimate temperature, the amount of heat flowing into the cooling stage, and the like. Next, the capacity of the buffer tank for exhibiting the determined refrigeration capacity is determined. This can be determined, for example, from the graph shown in FIG. The on-off
[0018]
Next, a pulse tube refrigerator according to a second embodiment will be described with reference to FIG. When comparing the pulse tube refrigerator according to the second embodiment with the pulse tube refrigerator according to the first embodiment, the connection method of the buffer tank is different mainly.
[0019]
FIG. 3 shows a schematic diagram of a pulse tube refrigerator according to the second embodiment. Here, only portions different from the configuration of the pulse tube refrigerator according to the first embodiment shown in FIG. 1 will be described. Each component of the pulse tube refrigerator shown in FIG. 3 is denoted by the same reference numeral as that of the corresponding component of the pulse tube refrigerator shown in FIG.
[0020]
The other end of the
[0021]
The
[0022]
The high-temperature end 1H of the
[0023]
Also in the case of the second embodiment, the effective volume of the buffer tank can be changed by appropriately changing the open / close state of the open /
[0024]
FIG. 4 is a schematic view of a buffer tank used in a pulse tube refrigerator according to the third embodiment. The buffer tank includes a
[0025]
In the pulse tube refrigerator according to the above embodiment, the buffer tank and the on-off valve for adjusting the temperature of the cooling stage are arranged outside the vacuum vessel. For this reason, it is possible to prevent adverse effects on the vacuum state due to released gas, which is often seen when heating with an electric heater. In addition, maintenance work can be performed while maintaining the vacuum state of the vacuum container.
[0026]
Although the present invention has been described with reference to the embodiments, the present invention is not limited thereto. For example, it will be apparent to those skilled in the art that various modifications, improvements, combinations, and the like can be made.
[0027]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to adjust the cooling temperature by changing the effective volume of the buffer means connected to the high-temperature end of the pulse tube.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic view of a pulse tube refrigerator according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a graph showing the temperature of the cooling stage of the pulse tube refrigerator according to the first embodiment as a function of the effective volume of the buffer tank.
FIG. 3 is a schematic view of a pulse tube refrigerator according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a schematic view of a buffer tank used in a pulse tube refrigerator according to a third embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
REFERENCE SIGNS
Claims (2)
高温端と低温端とが画定され、内部空洞を有するパルス管と、
前記蓄冷器とパルス管との低温端同士を接続し、前記蓄冷器内のガス流路と前記パルス管の内部空洞とを連通させるガス流路を有する冷却ステージと、
前記蓄冷器の高温端に接続され、該蓄冷器内のガス流路への作動ガスの供給と、該蓄冷器内のガス流路からの作動ガスの回収とを周期的に繰り返す圧力振動源と、
実効的な容積を変化させることが可能な内部空洞を有するバッファ手段と、
前記パルス管の内部空洞と前記バッファ手段の内部空洞とを連通させるガス輸送路と
を有し、
前記バッファ手段が、直列に接続された複数のバッファタンクであって、少なくともひとつが前記ガス輸送路に接続された前記バッファタンクと、隣り合うバッファタンク間のガスの流れの開閉を行う開閉弁とを含むパルス管冷凍機。A high-temperature end and a low-temperature end are defined, have a gas flow path inside, and a regenerator that exchanges heat with a working gas flowing inside,
A pulse tube having a hot end and a cold end defined and having an internal cavity;
A cooling stage having a gas passage connecting the low-temperature ends of the regenerator and the pulse tube to each other, and communicating a gas passage in the regenerator and an internal cavity of the pulse tube,
A pressure vibration source connected to the high-temperature end of the regenerator and supplying a working gas to a gas flow path in the regenerator and periodically collecting the working gas from the gas flow path in the regenerator; ,
Buffer means having an internal cavity capable of changing the effective volume;
And an internal cavity to have a gas transport passage for communicating the buffer means to the internal cavity of the pulse tube,
The buffer means is a plurality of buffer tanks connected in series, at least one of which is connected to the gas transport path, and an on-off valve that opens and closes a gas flow between adjacent buffer tanks. Including pulse tube refrigerator.
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