JP2699939B2

JP2699939B2 - 蓄冷器式冷凍機

Info

Publication number: JP2699939B2
Application number: JP7168403A
Authority: JP
Inventors: 考晴藤田
Original assignee: 株式会社移動体通信先端技術研究所
Priority date: 1995-07-04
Filing date: 1995-07-04
Publication date: 1998-01-19
Anticipated expiration: 2015-07-04
Also published as: JPH0921572A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、作動ガスの圧縮、膨張
の繰り返しを利用して冷凍作用（極低温）を得るスター
リング冷凍機、パルス管冷凍機等の蓄冷器式冷凍機に関
するもので、超伝導体や、赤外線センサ等のセンサ類の
冷却に用いて好適なものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、蓄冷器式冷凍機の一種であるパル
ス管冷凍機は、特開平３−２８６９６７号公報等におい
て種々提案されており、その基本的構成は図８に示すよ
うに、圧縮部１、蓄冷器２、それらを連結させる配管
３、パルス管５、絞り弁６、バッファタンク７、および
冷却部８から構成されている。

【０００３】パルス管冷凍機には、作動ガス（Ｈｅ、Ｎ
₂、Ｈ₂、Ａｒ、Ｎｅ等）が高圧（例えば１．５ＭＰ
ａ）で封入されており、この作動ガスが圧縮部１により
膨張、圧縮を繰り返すことにより、作動ガスが流路内で
微小に振動し、蓄冷器２や絞り弁６により、振動する作
動ガス変位と圧力変位との位相を制御することにより作
動ガスに仕事をさせ、冷却部（コールドヘッド）８に低
温を生成するものである。

【０００４】ここで、冷凍の作動原理について簡単に説
明すると、流路内の作動ガスを便宜的に小さな単位（エ
レメント）の集合とみると、圧縮部１により流路内の作
動ガスに圧力波を加えると、作動ガスのエレメントは圧
力の変動に応じて流路内を微小に前進、後退する。作動
ガスのエレメントが前進するときは断熱圧縮されて温度
が上がる。そこで、作動ガスのエレメントはその熱を流
路管壁に伝えて温度を下げる。この状態で、作動ガスの
エレメントが後退すると、エレメントは断熱膨張になる
ので、エレメントの温度はさらに下がる。そこで、エレ
メントは流路管壁から熱を奪う。この流路管壁の熱は１
つ手前のエレメントが圧縮時に残したものである。この
ようにして、作動ガスのエレメント間でバケツリレーの
ように熱の輸送が行われる。蓄冷器２はエレメントと流
路管壁との間の熱交換を理想的に実現するもので、最終
的に冷却部８に低温を生成するものである。

【０００５】ところで、この種の冷凍機においては、圧
縮過程において圧縮部１で発生する圧縮熱が配管３、蓄
冷器２を通って冷凍機の冷却部８に流れ込み、冷凍性能
を劣化させる要因の一つとなっていた。そこで、従来技
術として、特公平２−５２１９１号公報では、スターリ
ング冷凍機において、図９に示す構成のものが提案され
ている。この公報記載のものでは、圧縮部１００で圧縮
された作動ガスの圧縮熱がクーラ１０１に放熱され、こ
のクーラ１０１を通過した作動ガスは蓄熱器１０２によ
り冷却された後、配管１０３を通り、膨張部１０４側の
蓄冷器１０５に流入する。この蓄冷器１０５で、作動ガ
スはさらに冷却され、その後に膨張部１０４の膨張ピス
トン１０６上部の空間１０７内に流入する。この空間１
０７が膨張ピストン１０６の下降により拡大する過程
で、作動ガスが膨張して低温となる。

【０００６】上記後者の公報記載のものによれば、圧縮
部１００のクーラ１０１と配管１０３との間に、蓄熱器
１０２を追加設置することにより、圧縮部１００で発生
した作動ガスの圧縮熱を配管１０３の入口で放熱させる
ことができる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記後者の公
報記載の従来構成では、圧縮部１００による圧縮熱をク
ーラ１０１および蓄熱器１０２により取り除くことがで
きたとしても、その後に作動ガスはより流路断面積の小
さい配管１０３に流入し、この配管１０３内でさらに圧
縮され発熱するという問題がある。

【０００８】また、配管１０３の流路径が小さいため、
作動ガスの粘性散逸による発熱も無視できない。さら
に、蓄熱器１０２を圧縮部１００側に配設することによ
り、圧縮部１００による圧縮不能な死容積が増大するこ
とになり、冷凍機の圧縮比が低下し、ひいては冷凍性能
の低下を招くことになる。

【０００９】本発明は上記点に鑑み、圧縮部と膨張部と
を連結する配管自体において、作動ガスの熱を効果的に
放熱できる蓄冷器式冷凍機を提供することを目的とす
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するため、圧縮部と膨張部とを連結する配管内に蓄熱器
を配設するという技術的手段を採用する。具体的には以
下の技術的手段を採用する。すなわち、請求項１記載の
発明では、作動ガスを圧縮する圧縮部（１）と、この圧
縮部（１）で圧縮された作動ガスを膨張する膨張部
（Ａ）と、この膨張部（Ａ）に設けられ、この膨張部
（Ａ）における作動ガスの膨張により発生する極低温の
冷熱を蓄冷する蓄冷器（２）と、前記膨張部（Ａ）に設
けられ、被冷却物を冷却する冷却部（８）とを備え、前
記圧縮部（１）と前記膨張部（Ａ）との間で、作動ガス
の圧縮、膨張を繰り返して、冷凍作用を発揮する蓄冷器
式冷凍機において、前記圧縮部（１）と前記膨張部
（Ａ）との間を結合し、前記作動ガスを流通させる配管
（３）内に、蓄熱器（４）が備えられており、この蓄熱
器（４）を通して、前記作動ガスの熱を外部へ放出する
ようにした蓄冷器式冷凍機を特徴とする。

【００１１】請求項２記載の発明では、請求項１に記載
の蓄冷器式冷凍機において、前記配管（３）のうち、前
記圧縮部（１）直後の配管（３）内のみに前記蓄熱器
（４）が配設されていることを特徴とする。請求項３記
載の発明では、請求項１に記載の蓄冷器式冷凍機におい
て、前記配管（３）は、前記圧縮部（１）と前記膨張部
（Ａ）の蓄冷器（２）との間を結合するものであって、
前記配管（３）のうち、前記蓄冷器（２）直前の配管
（３）内のみに前記蓄熱器（４）が配設されていること
を特徴とする。

【００１２】請求項４記載の発明では、請求項に１記載
の蓄冷器式冷凍機において、前記蓄熱器（４）が前記配
管（３）内に複数に分割して配設されていることを特徴
とする。請求項５記載の発明では、請求項１ないし４の
いずれか１つに記載の蓄冷器式冷凍機において、前記圧
縮部（１）および前記膨張部（Ａ）がそれぞれパルス管
冷凍機の圧縮部および膨張部として構成されていること
を特徴とする。

【００１３】請求項６記載の発明では、請求項１ないし
４のいずれか１つに記載の蓄冷器式冷凍機において、前
記圧縮部（１）、および前記膨張部（Ａ）がそれぞれス
ターリング冷凍機の圧縮部、膨張部として構成されてい
ることを特徴とする。なお、上記各手段の括弧内の符号
は、後述する実施例記載の具体的手段との対応関係を示
すものである。

【００１４】

【発明の作用効果】請求項１〜６記載の発明によれば、
圧縮過程において圧縮部や配管で発熱した作動ガスの顕
熱は配管内に配された蓄熱器により蓄熱され、膨張過程
において流れ込むより低温の作動ガスにより蓄熱器が冷
却されることにより圧縮熱を除去し、配管での放熱を向
上させる。しかも、配管内に蓄熱器を配管の内径を変え
ることなく配しているので、死容積の増大も招かない。

【００１５】すなわち、本発明によれば、死容積増大に
伴う圧縮比低下による冷凍性能低下を招くことなく、圧
縮部、配管部の発熱を配管内で効果的に放熱させること
により、冷凍機冷却部への熱の侵入を防ぐことができ、
冷凍機の性能向上を実現できる。また、請求項２記載の
発明では、図４に示すように配管（３）が短く、配管で
の粘性散逸による発熱が無視できる場合等に圧縮部
（１）直後に蓄熱器（４）を配することにより、蓄熱器
（４）の長さを抑えることで蓄熱器による圧力損失を防
ぎ、圧縮部（１）による発熱を有効に取り除くことがで
きる。

【００１６】また、請求項３記載の発明では、図５に示
すように配管（３）が長く、配管での粘性散逸による発
熱が無視できない場合等に、蓄冷器（２）直前に蓄熱器
（４）を配することにより、蓄熱器（４）の長さを抑え
ることで蓄熱器による圧力損失を防ぎ、圧縮部（１）及
び配管（３）での発熱を有効に取り除くことができる。

【００１７】請求項４の発明では、図６に示すように配
管（３）の形状が曲がっていたり、複雑な場合等に、配
管（３）内に蓄熱器（４）を複数に分割して配設するこ
とにより、極力圧力損失を防ぎ、圧縮部（１）及び配管
（３）での発熱を有効に取り除くことができる。以上の
ことから、本発明によれば、死容積増大に伴う圧縮比低
下による冷凍性能低下を招くことなく、圧縮部、配管部
の発熱を配管内で効果的に放熱させることにより、冷凍
機冷却部への熱の侵入を防止して冷凍機の性能向上を実
現できる。

【００１８】

【実施例】以下、本発明を図に示す実施例について説明
する。（第１実施例）図１は第１実施例を示すもので、例とし
てパルス管冷凍機の構成を示しており、１は圧縮部で、
図示しない駆動源からの駆動力をピストン等に伝達して
このピストン等を作動させることにより、高圧（例えば
１．５ＭＰａ程度）に封入された作動ガス（Ｈｅ、
Ｎ₂、Ｈ₂、Ａｒ、Ｎｅ等）を圧縮、膨張させるもので
ある。

【００１９】２は適宜の蓄冷材（具体的材質は後述の蓄
熱器４の蓄熱材と同じでよい）を作動ガスが流通可能に
形態に構成してなる蓄冷器で、作動ガスの冷熱を吸収し
蓄冷するものである。３は圧縮部１と蓄冷器２との間を
結合し、作動ガスを流通させる配管、４はこの配管３の
内部に配設された蓄熱器で、作動ガスの圧縮熱を吸収し
蓄熱し、配管３の管壁を通して外部へ放熱するものであ
る。

【００２０】５は金属管からなるパルス管、６は絞り弁
（作動ガス通路の絞り手段）、７はバッファタンクであ
り、パルス管５とバッファタンク７との間の通路断面積
は絞り弁６により所定量に絞るようになっている。８は
被冷却物（超伝導体等）を冷却する冷却部（コールドヘ
ッド）で、蓄冷器２のパルス管５側端面に配設された管
状の形状のものである。この冷却部８は銅、インジウム
等の熱伝導率の高い金属材料で形成されており、その外
壁面に被冷却物を直接接触させて冷却するようになって
いる。なお。本例では、蓄冷器２からバッファタンク７
に至る機器によりパルス管冷凍機の膨張部Ａが構成され
ている。

【００２１】第１実施例では、配管３内全体に蓄熱器４
を配した点に特徴を有するものである。配管３として
は、例えばステンレス製の外径φ６肉厚１ｍｍのものを
用いている。そして、この配管３内に配設する蓄熱器４
の蓄熱材としてはニッケル、ニッケル−クロム合金等で
不規則な無数の流路が成形された発泡金属、あるいはス
テンレス鋼、ブロンズ等からなる積層金網、あるいは金
属やセラミック等の球充填層を用いて構成されている。

【００２２】ここで、蓄熱器４は、配管３の断面（例え
ば、上記具体例の配管３では内径φ４ｍｍの円形断面
で）全体に充填されており、また配管３の長さ方向に対
しても、圧縮部１と蓄冷器２との間全体に充填されてい
る。第１実施例では、上記のごとく構成されているか
ら、圧縮過程において圧縮部１で圧縮された作動ガスは
配管３内に配された蓄熱器４を通過する。この際に、作
動ガスの顕熱である圧縮熱は蓄熱器４で吸収され、また
配管３における作動ガスの粘性散逸による発熱も蓄熱器
４で吸収される。

【００２３】そして、圧縮部１の圧縮空間が膨張する膨
張過程において、温度低下した作動ガスは蓄冷器２から
配管３内の蓄熱器４を通って、蓄熱器４を冷却してか
ら、圧縮部１の圧縮空間に吸入される。従って、最終的
には、圧縮、膨張の１サイクルにおいて、圧縮熱は蓄熱
器４で吸収、放熱されることになる。

【００２４】第１実施例では、図１に示すように配管３
内全体に蓄熱器４を配設することにより、圧縮部１、配
管３での発熱による、蓄冷器２、冷却部８側への熱の流
入を防いでいる。なお、第１実施例において、配管３か
ら外部への放熱を促進する具体的手段としては、例え
ば、図２に示すように配管３の外周面に放熱フィン３ａ
を接合する構造や、図３に示すように配管３の外周面に
冷却水３ｃが循環する冷却管３ｂを巻装する構造等が好
適である。（第２実施例）図４は第２実施例を示すもので、第１実
施例と同様のパルス管冷凍機において、配管３のうち、
特に圧縮部１直後の部分のみに蓄熱器４を配したもので
ある。本例は、配管３が短く、配管３における作動ガス
の粘性散逸による発熱が無視できる場合等に用いて有効
であり、かつ、蓄熱器４内の圧力損失の低減に有効であ
る。蓄熱器４の長さは必要な放熱量を確保するために十
分な長さで、かつ圧力損失ができるだけ小さくなるよう
に選定すると良い。（第３実施例）図５は第３実施例を示すもので、第１、
第２実施例と同様のパルス管冷凍機において、配管３の
うち、特に蓄冷器２直前の部分のみに蓄熱器４を配した
ものである。本例は、配管３が長く、配管３での粘性散
逸による発熱が無視できない場合等に用いると、蓄冷器
２直前の部分に配設した蓄熱器４により粘性散逸による
発熱を効果的に吸収できる。かつ、蓄冷器４の長さを抑
えることで圧力損失の低減に有効である。蓄冷器４の長
さは前述の第２実施例のように決定すると良い。（第４実施例）図６は第４実施例を示すもので、第１〜
第３実施例と同様のパルス管冷凍機ににおいて、配管３
内に分割して蓄熱器４を配したものである。配管３の形
状が図６に示すように曲がっていたり、複雑な形状であ
る場合等に用いると、配管３での圧力損失の低減に有効
である。（第５実施例）図７は、本発明をスターリング冷凍機に
適用した場合の第５実施例を示す。本例は、一般にディ
スプレーサ型と称されているスターリング冷凍機であ
り、圧縮部１、蓄冷器２、配管３、駆動機構の回転中心
Ｐに対して偏心して回転するロータ９、圧縮ピストン１
０、膨張部Ａのシリンダ１３から構成されている。

【００２５】蓄冷器２は本例の場合、前記ロータ９と第
１連結棒１１により連結されており、シリンダ１３内を
往復動するディスプレーサと呼ばれ、膨張ピストンの役
割を果たす。また、圧縮ピストン１０はロータ９と第２
連結棒１２により連結されており、蓄冷器２が構成する
ディスプレーサとほぼ９０゜の位相差をもって運転され
る。

【００２６】本例では、膨張部Ａのシリンダ１３の先端
部に被冷却物を冷却する冷却部８が設けられている。第
５実施例では、上記のごとく構成されているから、駆動
機構のロータ９が時計回りに回転することにより逆スタ
ーリングサイクルを行い、圧縮部１と膨張部Ａで作動ガ
スの圧縮、膨張を繰り返すことにより冷凍機として作動
し冷却部８に低温を得る。

【００２７】第５実施例のスターリング冷凍機において
も、第１〜第４実施例に示すパルス管冷凍機と同様に、
圧縮部１と膨張部Ａの蓄冷器２とを連結させる配管３内
に、蓄熱器４を配設することによって、圧縮熱を良好に
除去できる。なお、蓄熱器４の具体的材質等は第１〜第
４実施例と同じでよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例を示すパルス管冷凍機の全
体構成図である。

【図２】図１の配管３部分における放熱構造を例示する
拡大断面図である。

【図３】図１の配管３部分における放熱構造の他の例を
示す拡大断面図である。

【図４】本発明の第２実施例を示すパルス管冷凍機の全
体構成図である。

【図５】本発明の第３実施例を示すパルス管冷凍機の全
体構成図である。

【図６】本発明の第４実施例を示すパルス管冷凍機の全
体構成図である。

【図７】本発明の第５実施例を示すスターリング冷凍機
の全体構成図である。

【図８】従来のパルス管冷凍機の全体構成図である。

【図９】従来のスターリング冷凍機の全体構成図であ
る。

【符号の説明】

１…圧縮部、２…蓄冷器、３…配管、４…蓄熱器、５…
パルス管、６…絞り弁、７…バッファタンク、８…冷却
部、９…ロータ、１０…圧縮ピストン、１３…膨張シリ
ンダ、Ａ…膨張部。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】作動ガスを圧縮する圧縮部と、この圧縮部で圧縮された作動ガスを膨張する膨張部と、この膨張部に設けられ、この膨張部における作動ガスの
膨張により発生する極低温の冷熱を蓄冷する蓄冷器と、前記膨張部に設けられ、被冷却物を冷却する冷却部とを
備え、前記圧縮部と前記膨張部との間で、作動ガスの圧縮、膨
張を繰り返して、冷凍作用を発揮する蓄冷器式冷凍機に
おいて、前記圧縮部と前記膨張部との間を結合し、前記作動ガス
を流通させる配管内に、蓄熱器が備えられており、この蓄熱器を通して、前記作動ガスの熱を外部へ放出す
るようにしたことを特徴とする蓄冷器式冷凍機。
【請求項２】前記配管のうち、前記圧縮部直後の配管
内のみに前記蓄熱器が配設されていることを特徴とする
請求項１に記載の蓄冷器式冷凍機。
【請求項３】前記配管は、前記圧縮部と前記膨張部の
蓄冷器との間を結合するものであって、前記配管のうち、前記蓄冷器直前の配管内のみに前記蓄
熱器が配設されていることを特徴とする請求項１に記載
の蓄冷器式冷凍機。
【請求項４】前記蓄熱器が前記配管内に複数に分割し
て配設されていることを特徴とする請求項１に記載の蓄
冷器式冷凍機。
【請求項５】前記圧縮部および前記膨張部がそれぞれ
パルス管冷凍機の圧縮部および膨張部として構成されて
いることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つ
に記載の蓄冷器式冷凍機。
【請求項６】前記圧縮部、および前記膨張部がそれぞ
れスターリング冷凍機の圧縮部、膨張部として構成され
ていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１
つに記載の蓄冷器式冷凍機。