JP2000074518A - 冷却装置 - Google Patents

冷却装置

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JP2000074518A
JP2000074518A JP10241979A JP24197998A JP2000074518A JP 2000074518 A JP2000074518 A JP 2000074518A JP 10241979 A JP10241979 A JP 10241979A JP 24197998 A JP24197998 A JP 24197998A JP 2000074518 A JP2000074518 A JP 2000074518A
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low
heat exchanger
cooling
pulse tube
pressure
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JP10241979A
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English (en)
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Hideo Mita
英夫 三田
Akira Hirano
明良 平野
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Aisin Corp
Original Assignee
Aisin Seiki Co Ltd
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Publication date
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    • F25D19/006—Thermal coupling structure or interface

Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来の冷却装置と同等以上の冷却効率を維持
したまま、信頼性が高く、長時間の連続運転を可能にす
る。 【解決手段】 低温部に可動部を持たないパルス管冷凍
機Ａ１と、低温部に可動部を持たない直列に配設された
ジュール・トムソン回路Ｂ１から構成される冷却装置
で、コールドヘッド２６、２９に熱接触された予冷熱交
換器５４、５６が冷媒に寒冷を伝達する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、パルス管冷凍機に
より寒冷を得て、被冷却体を冷却する冷却装置に関する
ものである。
【０００２】
【従来の技術】本発明に関する蓄冷式の冷凍機による冷
却装置としては、例えば特公平３−４９０２１公報に開
示されているものがある。
【０００３】すなわち図１５において、９０1は予冷冷
凍機の３段ピストン、９０２はこの３段ピストン９０１
の第１段シリンダー、９０３は第２段シリンダー、９０
４は第３段シリンダー、９０５は第１段シリンダーのヘ
ッドを形成する第１段予冷熱交換器、９０６は第２段シ
リンダーのヘッドを形成する第２段予冷熱交換器、９０
７は第３段シリンダーのヘッドを形成する第３段予冷熱
交換器、９０８は第１段予冷熱交換器９０５を介して第
１段シリンダー９０２に連通する第１段蓄冷器、９０９
は一方の口が第１段予冷熱交換器９０５を介して第１段
シリンダー９０２に連通し、他方の口が第２段予冷熱交
換器９０６を介して第２段シリンダー９０３に連通する
蓄冷器、９１０は一方の口が第２段予冷熱交換器９０６
を介して第２段シリンダー９０３に連通し、他方の口が
第３段予冷熱交換器９０７を介して第３段シリンダー９
０４に連通する蓄冷器、９１１は第１向流型熱交換器、
９１２は第２向流型熱交換器、９１３は第３向流型熱交
換器、９１４は第４段向流型熱交換器で、これらの向流
型熱交換器の高圧側回路と予冷熱交換器とは９１１、９
０５、９１２、９０６、９１３、９０７、９１４の順に
配管を介して連通し、９１５は第４熱交換器９１４の高
圧側回路出口と配管を介して連通するジュール・トムソ
ン弁、９１６は圧縮ピストン、９１８は圧縮ピストンの
圧縮シリンダーのヘッドを形成するアフタークーラーで
ある。
【０００４】圧縮ピストン９１６と３段ピストン９０１
が９０°の位相差で往復運動すると、予冷熱交換器９０
５、９０６、９０７に寒冷が発生し、ここに高圧冷媒が
これら予冷熱交換器９０５、９０６、９０７の高圧側回
路を流れて冷却され、又向流型熱交換器９１１、９1
２、９１３、９１４の低圧側回路を流れる冷媒と熱交換
して冷却され、ジュール・トムソン弁９１５でジュール
・トムソン膨張して冷媒の一部が液化し、この液化した
冷媒で被冷却体を冷却して、気化した冷媒は向流型熱交
換器９１４、９１３、９１２、９１１の低圧側回路を通
って高圧側回路を流れる冷媒と熱交換して、向流型熱交
換器９１１から出て行く。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
ものは冷凍機の低温部に寒冷を発生するための往復運動
するピストン９０１が配設されるため、ピストン９０１
に取り付けられたピストンリング９３０、９３１、９３
２の耐久寿命、摩耗粉の堆積、また冷却装置の振動、ピ
ストン９０１とシリンダ９０２、９０３、９０４が接触
するといった耐久・信頼性に欠ける問題がある。
【０００６】本発明の目的は、低温部に往復運動するピ
ストン等の可動部の無いパルス管冷凍機とジュール・ト
ムソン回路を用いることにより、従来と同等以上の冷却
効率を維持したまま、信頼性が高く、長時間の連続運転
が可能な冷却装置を提供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、常温
環境下に配設された作動媒体を圧縮、膨張させる圧力振
動源と、該圧力振動源と連通した蓄冷器と、該蓄冷器と
連通したパルス管と、該パルス管と連通した放熱器を有
するパルス管冷凍機と、前記パルス管冷凍機に熱接触し
た冷媒が流動する冷却回路であって、冷媒を流動させる
圧送手段と、該圧送手段と連通した冷却手段と、前記圧
送手段の吐出側と前記冷却手段を直列に結ぶ高圧側回路
と、前記圧送手段の吸込側と前記冷却手段を直列に結ぶ
低圧側回路と、前記高圧側回路を流れる冷媒と前記低圧
側回路を流れる冷媒を熱接触させる向流型熱交換器と、
前記高圧側回路に直列に連通して少なくとも前記蓄冷器
もしくは前記パルス管のいずれかに熱接触した予冷熱交
換器と、前記予冷熱交換器と前記冷却手段の間に配設さ
れるジュール・トムソン弁を有するジュール・トムソン
回路と、から構成されたことを特徴とする。
【０００８】請求項１の発明では、パルス管冷凍機の作
動媒体を圧縮する圧縮手段（ＧＭ型パルス管冷凍機の場
合は圧縮機となり、スターリング型パルス管冷凍機の場
合は圧縮部）は常温環境下に配設され、また作動媒体を
圧縮するための可動部は常温部にあるが、低温部には可
動部がない。
【０００９】ジュール・トムソン回路の圧送手段も常温
環境下に配設されているので、作動媒体を圧縮するため
の可動部は常温部に設けられ、低温部には可動部がな
い。
【００１０】従ってパルス管冷凍機の低温部と、ジュー
ル・トムソン回路から構成された本発明の冷却装置に
は、低温部に可動部が無いので、従来の冷却装置と比べ
て故障し難く、信頼性が高くなる。
【００１１】請求項２の発明は、前記蓄冷器の高温端と
低温端の間に配設されたコールドヘッドと、該コールド
ヘッドに熱接触された予冷熱交換器を特徴とする。
【００１２】請求項２の発明では、パルス管冷凍機の蓄
冷器の低温端に設置されたコールドヘッドと、前記蓄冷
器の高温端と低温端の間に配設されたコールドヘッド
が、蓄冷器内を往復流動する作動媒体の連続した温度よ
り寒冷を受け取ることができるので、カルノー効率の観
点から冷却効率が向上する。また請求項１と同様の理由
により、従来のこの種の冷却装置に比べて信頼性が高く
なる。
【００１３】請求項３の発明は、前記パルス管の高温端
と低温端の間に配設されたコールドヘッドと、該コール
ドヘッドに熱接触された予冷熱交換器を特徴とする。
【００１４】請求項３の発明では、パルス管冷凍機のパ
ルス管の高温端と低温端の間に配設されたコールドヘッ
ドで、パルス管内を往復流動する作動媒体の常温から低
温まで連続した温度より寒冷を受け取ることができるた
め、カルノー効率の観点から冷却効率が向上する。また
請求項１と同様の理由により、従来のこの種の冷却装置
と比べて信頼性が高くなる。
【００１５】請求項４の発明は、前記蓄冷器の高温端と
低温端の間に配設されたコールドヘッドと、前記パルス
管の高温端と低温端の間に配設されたコールドヘッド
と、該コールドヘッドに熱接触された予冷熱交換器を特
徴とする。
【００１６】請求項４の発明では、パルス管冷凍機の蓄
冷器の高温端と低温端の間に配設されたコールドヘッド
と、前記パルス管の高温端と低温端の間に配設されたコ
ールドヘッドの両方で、蓄冷器とパルス管内を往復流動
する作動媒体の常温から低温まで連続した温度より寒冷
を受け取ることができるため、カルノー効率の観点か
ら、冷却効率が向上する。また請求項１と同様の理由に
より、従来のこの種の冷却装置と比べて信頼性が高くな
る。
【００１７】請求項５の発明は、多数個の前記蓄冷器
と、多数個の前記パルス管の高温端と低温端の間に少な
くとも１個以上配設されたコールドヘッドと、該コール
ドヘッドに熱接触された予冷熱交換器を特徴とする。
【００１８】請求項５の発明では、請求項１〜４と同様
の理由により、従来のこの種の冷却装置と比べて冷却効
率が向上し、信頼性が高くなる。
【００１９】
【発明の実施の形態】第１実施例 図１は第１実施例で、低温部に可動部を持たない２段の
パルス管冷凍機Ａ１と、低温部に可動部を持たないジュ
ール・トムソン回路Ｂ１とから構成される。
【００２０】常温の環境下に配設された圧縮手段１の高
圧側はそれぞれ高圧配管９、１１、１３を介して高圧切
換弁２、４、６に連通しており、圧縮手段１の低圧側は
低圧配管１０、１２、１４を介して低圧切換弁３、５、
７に連通している。高圧切換弁２、４、６、低圧切換弁
３、５、７はパルスモータ等の駆動部８に接続され、各
々の高圧切換弁２、４、６、低圧切換弁３、５、７があ
るタイミングで開閉するようになっている。
【００２１】高圧切換弁２、低圧切換弁３はそれぞれ配
管１５、１６を介して蓄冷器２５の高温端部分に連通し
ており、蓄冷器２５の低温端部分にはコールドヘッド２
６が配設してある。コールドヘッド２６は、蓄冷器２８
に連通しており、蓄冷器２８の低温端部分にはコールド
ヘッド２９が配設してある。
【００２２】コールドヘッド２６、２９はそれぞれ配管
３０、３１を介し、パルス管３２、３３の低温端に連通
している。パルス管３２、３３の高温端には放熱器３
４、３５が配設されていて、放熱器３４、３５の他端
は、それぞれ配管２３、２４を介し、絞り２１、２２に
連通している。
【００２３】絞り２１の他端はそれぞれ配管１７、１８
を介して、高圧切換弁４、低圧切換弁５に連通し、絞り
２２の他端はそれぞれ配管１９、２０を介して、高圧切
換弁６、低圧切換弁７に連通している。このようにして
２段のパルス管冷凍機Ａ１が構成される。
【００２４】上記パルス管冷凍機の作動状態は、駆動部
８で駆動される高圧切換弁２、４、６、低圧切換弁３、
５、７により、図２に示すような開閉を繰り返す。その
操作に伴う内部の作動媒体の状態は、時間的に次のａ〜
ｄの４つの過程に区分される。各過程毎に詳述すると、 過程ａ 高圧切換弁２が開、低圧切換弁３が閉の時、圧縮手段１
よって圧縮された作動媒体は、順次高圧配管９、高圧切
換弁２、配管１５を通過して蓄冷器２５、２９に流入す
る。蓄冷器２５、２９に流入した作動媒体は、蓄冷器２
５、２９内の冷えた蓄冷材で冷却され、コールドヘッド
２６、２９、を通り、配管３０、３１を通ってパルス管
３２、３３に流入する。
【００２５】過程ｂ 低圧切換弁５、７が開、高圧切換弁４、６が閉の時、パ
ルス管３２、３３に流入した作動媒体は、パルス管３
２、３３の軸方向の連続した温度の作動媒体を押しのけ
て略等温的な膨張仕事をし、高温側のパルス管３２、３
３内の作動媒体は、順次放熱器３４、３５、配管２３、
２４を通り、絞り２１、２２、低圧切換弁５、７を通過
して圧縮手段１の吸込側に流入する。この時、パルス管
３２、３３には軸方向に連続した温度の寒冷が発生す
る。
【００２６】過程ｃ 低圧切換弁３が開、高圧切換弁２が閉の時、パルス管３
２、３３内の作動媒体は、順次配管３０、３１、蓄冷器
２５、２８、配管１６、低圧切換弁３、低圧配管１０を
通過して圧縮手段１の吸込側にもどる。
【００２７】過程ｄ 高圧切換弁４、６が開、低圧切換弁５、７が閉の時、圧
縮手段１よって圧縮された作動媒体は、順次高圧配管１
１、１３、高圧切換弁４、６、配管１７、１９、絞り２
１、２２、配管２３、２４、放熱器３４、３５を通過し
て、パルス管３２、３３に流入する。
【００２８】以上の過程ａ〜ｄを１サイクルとし、これ
を繰り返すことにより寒冷を発生する。
【００２９】圧送手段５１の高圧側は、順次、配管５
２、向流型熱交換器５３の高圧側回路５３ａ、予冷熱交
換器５４、向流型熱交換器５５の高圧側回路５５ａ、予
冷熱交換器５６、向流型熱交換器５７の高圧側回路５７
ａ、ジュール・トムソン弁５８、そして冷却手段のタン
ク５９に連通している。冷却手段のタンク５９には、被
冷却体９０が熱接触していて、寒冷を伝達する。
【００３０】圧送手段５１の低圧側は、順次、配管６
３、向流型熱交換器５３の低圧側回路５３ｂ、配管６
２、向流型熱交換器５５の低圧側回路５５ｂ、配管６
１、向流型熱交換器５７の低圧側回路５７ｂ、配管６
０、そして冷却手段のタンク５９に連通している。
【００３１】このようにしてジュール・トムソン回路Ｂ
１が構成させている。
【００３２】ジュール・トムソン回路Ｂ１の予冷熱交換
器５４、５６はそれぞれ、パルス管冷凍機Ａ１のコール
ドヘッド２６、２９に熱接触している。本実施例ではコ
ールドヘッド２６、２９は、それぞれ蓄冷器２５、２８
の低温端に設けてあるが、蓄冷器２５、２８の高温端と
低温端の途中に設けても良い。
【００３３】常温の環境下に配設された圧送手段５１か
ら吐出した約１５気圧の高圧の作動媒体（例えばヘリウ
ム）は、順次、向流型熱交換器５３の高圧側回路５３ａ
に流入し、そこで低圧側回路５３ｂを流れている温度の
低い低圧の冷媒で冷却され、予冷熱交換器５４に流入す
ると、パルス管冷凍機Ａ１のコールドヘッド２６で発生
している寒冷によって約５５Ｋにまで冷却され、向流型
熱交換器５５の高圧側回路５５ａに流入し、そこで低圧
側回路５５ｂを流れている温度の低い低温の冷媒で冷却
され、予冷熱交換器５６に流入し、そこでパルス管冷凍
機Ａ１のコールドヘッド２９で発生している寒冷によっ
て約１５Ｋに冷却され、向流型熱交換器５７の高圧側回
路５７ａに流入し、そこで低圧側回路５７ｂを流れてい
る温度の低い低圧の作動媒体で冷却され、ジュール・ト
ムソン弁５８に流入する。
【００３４】ジュール・トムソン弁５８に流入した作動
媒体は、ジュール・トムソン弁５８を通過すると、作動
媒体の一部が液化し、ミストとなってタンク５９に流入
する。液化した作動媒体はタンク５９の下部の液相に溜
まり、被冷却体９０を冷却する。タンク５９で気化した
作動媒体は、順次配管６０向流型熱交換器５７の低圧配
管５７ｂ、配管６１、向流型熱交換器５５の低圧配管５
５ｂ、配管６２、向流型熱交換器５３の低圧配管５３
ｂ、配管６３を通って圧送手段５１の吸込側に流入す
る。
【００３５】パルス管冷凍機Ａ１の作動媒体を圧縮する
圧縮手段１（ＧＭ型パルス管冷凍機の場合は圧縮機とな
り、スターリング型パルス管冷凍機の場合は圧縮部）
は、常温環境下に配設されるので、低温部には可動部が
ない。
【００３６】ジュール・トムソン回路Ｂ１の圧送手段５
１も常温環境下に配設されるので、作動媒体を圧縮する
ための可動部は常温部に設けられ、低温部には可動部が
無い。
【００３７】従って、パルス管冷凍機Ａ１の低温部と、
ジュール・トムソン回路Ｂ１とを予冷熱交換器を介して
熱接触させた本発明の冷却装置は、低温部に可動部が無
いので、従来のこの種の冷却装置に比べて故障し難く、
信頼性が高くなる。
【００３８】第１実施例の変形例 図３は第１実施例の変形例でコールドヘッドを蓄冷器の
低温端と、蓄冷器の低温端と高温端の間に配設したもの
である。
【００３９】常温の環境下に配設された圧縮手段１０１
の吐出側はそれぞれ高圧配管１０９、１１１、１１３を
介し、高圧切換弁１０２、１０４、１０６に連通してお
り、圧縮手段１０１の吸込側は低圧配管１１０、１１
２、１１４を介し、低圧切換弁１０３、１０５、１０７
に連通している。
【００４０】高圧切換弁１０２、１０４、１０６、低圧
切換弁１０３、１０５、１０７はパルスモータ等の駆動
部１０８に接続され、各々の高圧切換弁１０２、１０
４、１０６、低圧切換弁１０３、１０５、１０７がある
タイミングで開閉するようになっている。高圧切換弁１
０２、低圧切換弁１０３はそれぞれ配管１１５、１１６
を介し、蓄冷器１２５の高温端に連通しており、蓄冷器
１２５の高温端と低温端の間にはコールドヘッド１２５
ａが設けてある。
【００４１】蓄冷器１２５の低温端には、コールドヘッ
ド１２６が設けてあり、コールドヘッド１２６は蓄冷器
１２８に接続され、蓄冷器１２８の高温端と低温端の間
にはコールドヘッド１２８ａが設けてあり、蓄冷器１２
８の低温端にもコールドヘッド１２９が配設してある。
【００４２】コールドヘッド１２６、１２９はそれぞれ
配管１３０、１３１を介して、パルス管１３２、１３３
の低温端に連通している。パルス管１３２、１３３の高
温端には、放熱器１３４、１３５が配設してあり、放熱
器１３４、１３５の他端は、それぞれ配管１２３、１２
４を介し、絞り１２１、１２２に連通している。
【００４３】絞り１２１の他端はそれぞれ配管１１７、
１１８を介して、高圧切換弁１０４、低圧切換弁１０５
に連通し、絞り１２２の他端はそれぞれ配管１１９、１
２０を介して、高圧切換弁１０６、低圧切換弁１０７に
連通している。
【００４４】このようにして２段のパルス管冷凍機Ａ２
が構成される。
【００４５】常温の環境下に配設された圧送手段１７１
の吐出側は、順次配管１７２、向流型熱交換器１７３の
高圧側回路１７３ａ、予冷熱交換器１７４、向流型熱交
換器１７５の高圧側回路１７５ａ、予冷熱交換器１７
６、向流型熱交換器１７７の高圧側回路１７７ａ、予冷
熱交換器１７８、向流型熱交換器１７９の高圧側回路１
７９ａ、予冷熱交換器１８０、向流型熱交換器１８１の
高圧側回路１８１ａ、ジュール・トムソン弁１８２、そ
して冷却手段のタンク１８３に連通している。冷却手段
のタンク１８３には、被冷却体１９０が熱接触してい
て、寒冷を伝達する。
【００４６】圧送手段１７１の吸込側は、順次配管１８
９、向流型熱交換器１７３の低圧配管１７３ｂ、配管１
８８、向流型熱交換器１７５の低圧配管１７５ｂ、配管
１８７、向流型熱交換器１７７の低圧側回路１７７ｂ、
配管１８６、向流型熱交換器１７９の低圧側回路１７９
ｂ、配管１８５、向流型熱交換器１８１の低圧配管１８
１ｂ、配管１８４、そして冷却手段のタンク１８３に連
通している。
【００４７】このようにしてジュール・トムソン回路Ｂ
２が構成されている。
【００４８】ジュール・トムソン回路Ｂ２の予冷熱交換
器１７４、１７６、１７８、１８０はそれぞれパルス管
冷凍機Ａ２のコールドヘッド１２５ａ、１２６、１２８
ａ、１２９に熱接触している。予冷熱交換器１７４、１
７６、１７８、１８０を流れる冷媒はコールドヘッド１
２５ａ、１２６、１２８ａ、１２９を介して、パルス管
冷凍機Ａ２で発生した寒冷によって冷却される。
【００４９】向流型熱交換器１７３、１７５、１７７、
１７９、１８１の高圧側回路１７３ａ、１７５ａ、１７
７ａ、１７９ａ、１８１ａを流れる冷媒は、低圧側回路
１７３ｂ、１７５ｂ、１７７ｂ、１７９ｂ、１８１ｂを
流れる温度の低い冷媒で冷却される。
【００５０】ジュール・トムソン回路の高圧側回路の冷
媒は、予冷熱交換器１７４、１７６、１７８、１８０を
介し、パルス管冷凍機Ａ２で発生される４ヵ所の異なる
温度の寒冷で冷却されるので、第１実施例の場合より冷
却効率が高くなる。また第１実施例と同様の理由によ
り、本発明の冷却装置の信頼性は従来のこの種の冷却装
置より高くなる。
【００５１】第１実施例の変形例 図４は第１実施例の変形例で、蓄冷器２２８にコールド
ヘッド２２９を配設し、パルス管２３２にコールドヘッ
ド２３２ａ、２３２ｂを配設し、パルス管２３３にコー
ルドヘッド２３３ａを配設した実施例である。
【００５２】常温の環境下に配設された圧縮手段２０１
の吐出側はそれぞれ高圧配管２０９、２１１、２１３を
介し、高圧切換弁２０２、２０４、２０６に連通してお
り、圧縮手段２０１の吸込側は低圧配管２１０、２１
２、２１４を介し、低圧切換弁２０３、２０５、２０７
に連通している。
【００５３】高圧切換弁２０２、２０４、２０６、低圧
切換弁２０３、２０５、２０７はパルスモータ等の駆動
部２０８に接続され、あるタイミングで開閉するように
なっている。
【００５４】高圧切換弁２０２、低圧切換弁２０３はそ
れぞれ配管２１５、２１６を介し、蓄冷器２２５の高温
端に連通している。蓄冷器２２５の低温端は、蓄冷器２
２８と配管２３０の一端に連通され、蓄冷器２２８の低
温端にはコールドヘッド２２９が配設してある。配管２
３０の他端は、パルス管２３２の低温端に配設されたコ
ールドヘッド２３２ｂに連通しており、パルス管２３２
の高温端と低温端の間にもコールドヘッド２３２ａが配
設してある。
【００５５】コールドヘッド２２９は、配管２３１を介
してパルス管２３３に連通しており、パルス管２３３の
高温端と低温端の間にはコールドヘッド２３３ａが配設
してある。パルス管２３２、２３３の高温端には放熱器
２３４、２３５が配設してあり、放熱器２３４、２３５
の他端は配管２２３、２２４を介して、絞り２２１、２
２２の一端に連通しており、絞り２２１の他端はそれぞ
れ配管２１７、２１８を介して高圧切換弁２０４、低圧
切換弁２０５に連通し、絞り２２２の他端はそれぞれ配
管２１９、２２０を介して、高圧切換弁２０６、低圧切
換弁２０７に連通している。
【００５６】このようにして２段のパルス管冷凍機Ａ３
が構成されている。
【００５７】常温の環境下に配設された圧送装置２５１
の吐出側は順次配管２５２、向流型熱交換器２５３の高
圧側回路２５３ａ、予冷熱交換器２５４、向流型熱交換
器２５５の高圧側回路２５５ａ、予冷熱交換器２５６、
向流型熱交換器２５７の高圧側回路２５７ａ、予冷熱交
換器２５８、向流型熱交換器２５９の高圧側回路２５９
ａ、予冷熱交換器２６０、向流型熱交換器２６１の高圧
側回路２６１ａ、ジュール・トムソン弁２６２、そして
冷却手段のタンク２６３に連通している。冷却手段のタ
ンク２６３には、被冷却体２９０が熱接触していて、寒
冷を伝達する。
【００５８】このようにしてジュール・トムソン回路Ｂ
３が構成されている。
【００５９】ジュール・トムソン回路Ｂ３の予冷熱交換
器２５４、２５６、２５８、２６０はそれぞれ、パルス
管冷凍機Ａ３のコールドヘッド２３２ａ、２３２ｂ、２
３３ａ、２２９に熱接触している。
【００６０】予冷熱交換器２５４、２５６、２５８、２
６０を流れる冷媒は、コールドヘッド２３２ａ、２３２
ｂ、２３３ａ、２２９を介して、パルス管冷凍機Ａ３で
発生する寒冷によってそれぞれ約９０Ｋ、５５Ｋ、３０
Ｋ、１５Ｋに冷却される。向流型熱交換器２５３、２５
５、２５７、２５９、２６１の高圧側回路２５３ａ、２
５５ａ、２５７ａ、２５９ａ、２６１ａを流れる冷媒
は、低圧側回路２５３ｂ、２５５ｂ、２５７ｂ、２５９
ｂ、２６１ｂを流れる温度の低い冷媒で冷却される。
【００６１】第１実施例と同様の理由により、本発明の
冷却装置は冷却効率も高く、従来のこの種の冷却装置と
比べて信頼性が高い。
【００６２】第２実施例 図５は第２実施例で、２段のパルス管冷凍機Ａ４の蓄冷
器３２５、３２８のコールドヘッド３２６、３２９に、
ジュール・トムソン回路Ｂ４の向流型熱交換器３５３、
３５５と、予冷熱交換器３５４、３５６を熱接触した構
成となっている。
【００６３】常温の環境下に配設された圧縮手段３０１
の吐出側はそれぞれ高圧配管３０９、３１１、３１３を
介し、高圧切換弁３０２、３０４、３０６に連通してお
り、圧縮手段３０１の吸込側は低圧配管３１０、３１
２、３１４を介し、低圧切換弁３０３、３０５、３０７
に連通している。
【００６４】高圧切換弁３０２、３０４、３０６、低圧
切換弁３０３、３０５、３０７はパルスモータ等の駆動
部３０８に接続され、あるタイミングで開閉するように
なっている。高圧切換弁３０２、低圧切換弁３０３はそ
れぞれ配管３１５、３１６を介し、蓄冷器３２５の高温
端に連通している。蓄冷器３２５の低温端はコールドヘ
ッド３２６に連通し、コールドヘッド３２６の他端は蓄
冷器３２８と配管３３０の一端に連通され、蓄冷器３２
８の低温端にはコールドヘッド３２９が配設してある。
【００６５】配管３３０の他端はパルス管３３２の低温
端にに連通していて、コールドヘッド３２９の一端は、
配管３３１を介してパルス管３３３に連通している。パ
ルス管３３２、３３３の高温端には放熱器３３４、３３
５が配設してあり、放熱器３３４、３３５の他端は配管
３２３、３２４を介して、絞り３２１、３２２に連通し
ている。絞り３２１の他端はそれぞれ配管３１７、３１
８を介して高圧切換弁３０４、低圧切換弁３０５に連通
し、絞り３２２の他端はそれぞれ配管３１９、３２０を
介して、高圧切換弁３０６、低圧切換弁３０７に連通し
ている。
【００６６】このようにして２段のパルス管冷凍機Ａ４
が構成される。
【００６７】常温の環境下に配設された圧送手段３５１
の吐出側は、順次配管３５２、向流型熱交換器３５３の
高圧側回路３５３ａ、予冷熱交換器３５４、向流型熱交
換器３５５の高圧側回路３５５ａ、予冷熱交換器３５
６、向流型熱交換器３５７の高圧側回路３５７ａ、ジュ
ール・トムソン弁３５８、そして冷却手段のタンク３５
９に連通している。冷却手段のタンク３５９には、被冷
却体３９０が熱接触していて、寒冷を伝達する。
【００６８】圧送手段３５１の吸込側は、順次配管３６
３、向流型熱交換器３５３の低圧側回路３５３ｂ、配管
３６２、向流型熱交換器３５５の低圧側回路３５５ｂ、
配管３６１、向流型熱交換器３５７の低圧側回路３５７
ｂ、配管３６０そしてタンク３５９に連通している。向
流型熱交換器の高圧側回路３５３ａ、３５５ａ、３５７
ａと、向流型熱交換器の低圧側回路３５３ｂ、３５５
ｂ、３５７ｂは、それぞれ熱交換できるようになってい
る。
【００６９】予冷熱交換器３５４、３５６は、それぞれ
パルス管冷凍機Ａ４のコールドヘッド３２６、３２９に
熱接触しており、蓄冷器３２５、３２８はそれぞれ向流
型熱交換器３５３、３５５に熱接触している。
【００７０】蓄冷器３２５、３２８を流れる作動媒体
は、向流型熱交換器３５３、３５５の高圧側回路３５３
ａ、３５５ａを流れる冷媒、あるいは低圧側回路３５３
ｂ、３５５ｂを流れる冷媒と熱交換できるようにしてあ
る。
【００７１】このようにしてジュール・トムソン回路Ｂ
４が構成される。
【００７２】圧送手段３５１から吐出した約１５気圧の
高圧の冷媒（例えばヘリウム）は、順次向流型熱交換器
３５３の高圧側回路３５３ａに流入し、そこで低圧側回
路３５３ｂを流れている温度の低い冷媒と蓄冷器３２５
内を流れている作動媒体の両方で冷却され、予冷熱交換
器３５４に流入すると、パルス管冷凍機Ａ４のコールド
ヘッド３２６で発生している寒冷によって約５５Ｋに冷
却され、向流型熱交換器３５５の高圧側回路３５５ａに
流入し、そこで低圧側回路３５５ｂを流れている温度の
低い冷媒と、蓄冷器３２８内を流れている作動媒体の両
方で冷却され、予冷熱交換器３５６に流入し、そこでパ
ルス管冷凍機Ａ４のコールドヘッド３２９で発生してい
る寒冷によって約１５Ｋに冷却され、向流型熱交換器３
５７の高圧側回路３５７ａに流入し、そこで低圧側回路
３５７ｂを流れる温度の低い低圧の冷媒で冷却され、ジ
ュール・トムソン弁３５８に流入する。
【００７３】ジュール・トムソン弁３５８に流入した冷
媒は、ジュール・トムソン弁３５８を通過すると、冷媒
の一部が液化し、ミストとなってタンク３５９に流入す
る。液化した冷媒はタンク３５９の下部の液相に溜まる
が、タンク３５９に入ってくる熱によって冷媒は気化す
る。タンク３５９の上部の気相の冷媒は、順次配管３６
０、向流型熱交換器３５７の低圧側回路３５７ｂ、配管
３６１、向流型熱交換器３５５の低圧側回路３５５ｂ、
配管３６２、向流型熱交換器３５３の低圧側回路３５３
ｂ、配管３６３を通って圧送手段３５１の吸込側に流入
する。
【００７４】向流型熱交換器３５３の高圧側回路３５３
ａに流れる冷媒は、蓄冷器３２５を流れる作動媒体で常
温から約６０Ｋまで連続して冷却され、また向流型熱交
換器３５５の高圧側回路３５５ａを流れる冷媒も蓄冷器
３２８内を流れる作動媒体で約５５Ｋから約１７Ｋまで
連続して冷却されるので第１実施例より冷却効率が高く
なる。
【００７５】本発明の冷却装置は、低温部に可動部が無
いので、従来の冷却装置に比べて故障し難く、信頼性が
高くなる。
【００７６】本実施例では蓄冷器３２５、３２８を流れ
ている作動媒体が、向流型熱交換器３５３、３５５の高
圧側回路３５３ａ、３５５ａを流れている冷媒を冷却し
ているが、蓄冷器３２５、３２８を流れている作動媒体
が、向流型熱交換器３５３、３５５の低圧側回路３５３
ｂ、３５５ｂを流れる冷媒を冷却し、その低圧側回路３
５３ｂ、３５５ｂを流れる冷媒が、更に高圧側回路３５
３ａ、３５５ａを流れる冷媒を冷却しても良い。又、蓄
冷器３２５、３２８は、多数本、向流型熱交換器３５
３、３５５に設けても良い。
【００７７】図６は第２実施例の変形例で、向流型熱交
換器３５３、３５５に熱接触された蓄冷器３２５、３２
８と並列に配置し、向流型熱交換器３５３、３５５に熱
接触していない蓄冷器３２５ａ、３２８ａを設けたもの
である。
【００７８】第３実施例 図７は第３実施例で、パルス管冷凍機Ａ５のパルス管を
ジュール・トムソン回路Ｂ５の向流型熱交換器に熱接触
させたことを特長とする。
【００７９】常温の環境下に配設された圧縮手段４０１
の吐出側はそれぞれ高圧配管４０９、４１１、４１３を
介し、高圧切換弁４０２、４０４、４０６に連通してお
り、圧縮手段４０１の吸込側は、低圧配管４１０、４１
２、４１４を介し、低圧切換弁４０３、４０５、４０７
に連通している。高圧切換弁４０２、４０４、４０６、
低圧配管４１０、４１２、４１４はパルスモータ等の駆
動部４０８に接続され、あるタイミングで開閉するよう
になっている。高圧切換弁４０２、低圧切換弁４０３は
それぞれ配管４１５、４１６を介し、蓄冷器４２５の高
温端に連通している。
【００８０】蓄冷器４２５の低温端には蓄冷器４２８が
配設してあり、蓄冷器４２５の低温端と蓄冷器４２８の
低温端は、配管４３０、４３１を介して、コールドヘッ
ド４２６、４２９に連通している。コールドヘッド４２
６、４２９の他端はパルス管４３２、４３３に連通して
おり、パルス管４３２、４３３の高温端は放熱器４３
４、４３５に連通している。
【００８１】放熱器４３４、４３５の他端は、配管４２
３、４２４を介し、絞り４２１、４２２の一端に連通し
ており、絞り４２１の他端はそれぞれ配管４１７、４１
８を介して、高圧切換弁４０４、低圧切換弁４０５に連
通し、絞り４２２の他端はそれぞれ配管４１９、４２０
を介して、高圧切換弁４０６、低圧切換弁４０７に連通
している。
【００８２】このようにして２段のパルス管冷凍機Ａ５
が構成されている。
【００８３】常温の環境下に配設された圧送手段４５１
から吐出された約１５気圧の高圧の冷媒（たとえばヘリ
ウム）は、順次、向流型熱交換器４５３の高圧側回路４
５３ａに流入し、そこで低圧側回路４５３ｂを流れる温
度の低い低圧の冷媒と、パルス管４３２を流れている作
動媒体の両方で冷却され、予冷熱交換器４５４に流入す
ると、パルス管冷凍機Ａ５のコールドヘッド４２６で発
生している寒冷により、約５５Ｋに冷却さる。
【００８４】約５５Ｋに冷却された冷媒は、向流型熱交
換器４５５の高圧側回路４５５ａに流入し、そこで低圧
側回路４５５ｂを流れている温度の低い低圧の冷媒と、
パルス管４３３を流れている作動媒体の両方で冷却さ
れ、予冷熱交換器４５６に流入し、そこでパルス管冷凍
機Ａ６のコールドヘッド４２９で発生している寒冷によ
って約１５Ｋに冷却さる。
【００８５】約１５Ｋに冷却された冷媒は、向流型熱交
換器４５７の高圧側回路４５７ａに流入し、そこで低圧
側回路４５７ｂを流れている温度の低い低圧の冷媒で冷
却され、ジュール・トムソン弁４５８に流入する。
【００８６】ジュール・トムソン弁４５８に流入した冷
媒は、ジュール・トムソン弁４５８を通過すると、冷媒
の一部が液化し、ミストとなって冷却手段のタンク４５
９に流入する。液化した冷媒はタンク４５９の下部の液
相に溜まるが、タンク４５９に入ってくる熱によって冷
媒は気化する。タンク４５９の上部の気相の冷媒は、順
次配管４６０、向流型熱交換器４５７の低圧側回路４５
７ｂ、配管４６１、向流型熱交換器４５５の低圧側回路
４５５ｂ、配管４６２、向流型熱交換器４５３の低圧側
回路４５３ｂ、配管４６３を通って圧送手段４５１の吸
込側に流入する。
【００８７】向流型熱交換器４５３の高圧側回路４５３
ａに流れる冷媒は、パルス管４３２を流れる作動媒体で
常温から約６０Ｋまで連続して冷却され、また向流型熱
交換器４５５の高圧側回路４５５ａを流れる冷媒も、パ
ルス管４３３を流れる作動媒体で約５５Ｋから約１７Ｋ
まで連続して冷却されるので、パルス管冷凍機Ａ５の冷
却効率は良くなる。本実施例の冷却装置は、低温部に可
動部が無いので、従来のこの種の冷却装置に比べて故障
し難く、信頼性が高くなる。
【００８８】本実施例では、パルス管４３２、４３３を
流れている作動媒体が向流型熱交換器４５３、４５５の
高圧側回路４５３ａ、４５５ａを流れる冷媒を冷却して
いるが、パルス管４３２、４３３を流れている作動媒体
が向流型熱交換器４５３、４５５の低圧側回路４５３
ｂ、４５５ｂを流れる冷媒を冷却し、その低圧側回路を
流れる冷媒が高圧側回路４５３ａ、４５５ａを流れる冷
媒を冷却しても良い。又、パルス管４３２、４３３は多
数本、向流型熱交換器４５３、４５５に設けても良い。
【００８９】図８は第３実施例の変形例で、向流型熱交
換器４５３、４５５に熱接触されたパルス管４３２、４
３３に並列に配置し、向流型熱交換器４５３、４５５に
は熱接触していないパルス管４３２ａ、４３３ａを設け
たものである。
【００９０】第４実施例 図９は、本発明の第４実施例で、パルス管冷凍機Ａ６の
第１段目の蓄冷器５２５と第２段目のパルス管５３３
を、それぞれジュール・トムソン回路Ｂ６の向流型熱交
換器５５３、５５５に熱接触したことを特徴とする。
【００９１】常温の環境下に配設された圧縮手段５０１
の吐出側は、それぞれ高圧配管５０９、５１１、５１３
を介し、高圧切換弁５０２、５０４、５０６に連通して
おり、圧縮手段５０１の吸込側は低圧配管５１０、５１
２、５１４を介し、低圧切換弁５０３、５０５、５０７
に連通している。
【００９２】高圧切換弁５０２、５０４、５０６、低圧
切換弁５０３、５０５、５０７はパルスモータ等の駆動
部５０８に接続され、各々の高圧切換弁５０２、５０
４、５０６、低圧切換弁５０３、５０５、５０７はある
タイミングで開閉するようになっている。高圧切換弁５
０２、低圧切換弁５０３はそれぞれ配管５１５、５１６
を介し、蓄冷器５２５に連通しており、蓄冷器５２５の
低温端にはコールドヘッド５２６が設けてある。コール
ドヘッド５２６は、蓄冷器５２８に連通され、蓄冷器５
２８の低温端にはコールドヘッド５２９が配設してあ
る。
【００９３】コールドヘッド５２６、５２９はそれぞれ
配管５３０、５３１を介し、パルス管５３２、５３３の
低温端に連通している。パルス管５３２、５３３の高温
端には、放熱器５３４、５３５が配設してあり、放熱器
５３４、５３５の他端は配管５２３、５２４を介し、絞
り５２１、５２２の一端に連通している。
【００９４】絞り５２１の他端はそれぞれ配管５１７、
５１８を介して、高圧切換弁５０４、低圧切換弁５０５
に連通し、絞り５２２の他端はそれぞれ配管５１９、５
２０を介して、高圧切換弁５０６、低圧切換弁５０７に
連通している。
【００９５】このようにして２段のパルス管冷凍機Ａ６
が構成される。
【００９６】常温の環境下に配設された圧送手段５５１
の吐出側は、順次配管５５２、向流型熱交換器５５３の
高圧配管５５３ａ、予冷熱交換器５５４、向流型熱交換
器５５５の高圧側回路５５５ａ、予冷熱交換器５５６、
向流型熱交換器５５７の高圧側回路５５７ａ、ジュール
・トムソン弁５５８、そして冷却手段のタンク５５９に
連通している。冷却手段のタンク５５９には、被冷却体
５９０が熱接触していて、寒冷を伝達する。
【００９７】圧送手段５５１の吸込側は、順次配管５６
３、向流型熱交換器５５３の低圧側回路５５３ｂ、配管
５６２、向流型熱交換器５５５の低圧側回路５５５ｂ、
配管５６１、向流型熱交換器５５７の低圧側回路５５７
ｂ、配管５６０、そしてタンク５５９に連通している。
【００９８】向流型熱交換器５５３、５５５、５５７の
高圧側回路５５３ａ、５５５ａ、５５７ａと低圧側回路
５５３ｂ、５５５ｂ、５５７ｂはそれぞれ熱交換できる
ように熱接触している。
【００９９】予冷熱交換器５５４、５５６はそれぞれパ
ルス管冷凍機Ａ６のコールドヘッド５２６、５２９に熱
接触しており、蓄冷器５２５は、向流型熱交換器５５３
に熱接触している。蓄冷器５２５を流れる作動媒体は、
向流型熱交換器５５３の高圧側回路５５３ａを流れる冷
媒、あるいは低圧側回路５５３ｂを流れる冷媒と熱交換
できるようになっている。
【０１００】蓄冷器５２５、パルス管５３３は、それぞ
れ向流型熱交換器５５３、５５５に熱接触しており、蓄
冷器５２５、パルス管５３３を流れる作動媒体が、向流
型熱交換器５５３、５５５を流れる高圧側回路５５３
ａ、５５５ａの冷媒、あるいは低圧側回路５５３ｂ、５
５５ｂの冷媒を冷却する。
【０１０１】このようにしてジュール・トムソン回路Ｂ
６が構成されている。
【０１０２】向流型熱交換器５５３の高圧側回路５５３
ａを流れる冷媒は、蓄冷器５２５を流れる作動媒体で常
温から約６０Ｋまで連続して冷却され、また向流型熱交
換器５５５の高圧側回路５５５ａに流れる冷媒も、パル
ス管５３３を流れる作動媒体で約５５Ｋから１７Ｋまで
連続した寒冷で冷却される。
【０１０３】本実施例の冷却装置は、低温部に可動部が
無いので、従来のこの種の冷却装置に比べて故障し難
く、信頼性が高くなる。
【０１０４】尚、具体例は全てパルス管が２段の場合で
あるが、段数は何段でも良い。段数が増えると冷却効率
は高くなるが、構造は複雑になる。
【０１０５】本実施例では、常温側の圧力振動源にダブ
ルインレットの４バルブ方式を使用しているが、図１０
のバッファタンク６７０、６７１を用いたオリフィス方
式、図１１のダブルインレットの４バルブ方式とオリフ
ィス方式を組み合わせたもの、図１２のイナータンスチ
ューブ方式、ベイシック方式、フェイズシフタ一方式等
のいずれの場合でも良い。
【０１０６】またパルス管、蓄冷器に配設されるコール
ドヘッドと予冷熱交換器は、図１３、１４のような構造
であり、作動媒体の寒冷を有効に冷媒に伝達できるよう
にしてある。
【０１０７】
【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、低
温部に機械的な可動部を持たないパルス管冷凍機と、低
温部に機械的な可動部を持たないジュール・トムソン回
路から冷却装置が構成されるため、従来問題とされてい
た低温部で可動するピストンリングの耐久寿命による交
換や、ピストンリング類の摩耗粉の堆積、冷却装置の振
動、またピストンと膨張シリンダの接触による性能低下
といった問題を解決することができる。従って従来のこ
の種の冷却装置に比べて、信頼性が高く、長時間の連続
運転を可能にできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施例を具現した、冷却装置の概念図であ
る。
【図２】本実施例のパルス管冷凍機の切換弁の１サイク
ルの開閉状態を示した図である。
【図３】第１実施例の変形例を具現した、冷却装置の概
念図である。
【図４】第１実施例の変形例を具現した、冷却装置の概
念図である。
【図５】第２実施例を具現した、冷却装置の概念図であ
る。
【図６】第２実施例の変形例を具現した、冷却装置の概
念図である。
【図７】第３実施例を具現した、冷却装置の概念図であ
る。
【図８】第３実施例の変形例を具現した、冷却装置の概
念図である。
【図９】第４実施例を具現した、冷却装置の概念図であ
る。
【図１０】本実施例の変形例を具現した、パルス管冷凍
機の圧力振動源の概念図である。
【図１１】本実施例の変形例を具現した、パルス管冷凍
機の圧力振動源の概念図である。
【図１２】本実施例の変形例を具現した、パルス管冷凍
機の圧力振動源の概念図である。
【図１３】コールドヘッドに熱接触された予冷熱交換器
の詳細図である。
【図１４】コールドヘッドに熱接触された予冷熱交換器
の詳細図である。
【図１５】従来の冷却装置を示す説明図である。
【符号の説明】
Ａ１…パルス管冷凍機 Ｂ１…ジュール・トムソン回路 １…圧縮手段 ２５…蓄冷器 ２６、２９…コールドヘッド ３２、３３…パルス管 ３４、３５…放熱器 ５１…圧送手段 ５３、５５、５７…向流型熱交換器 ５４、５６…予冷熱交換器 ５８…ジュール・トムソン弁 ５９…タンク（冷却手段） ９０…被冷却体

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 常温環境下に配設された作動媒体を圧
    縮、膨張させる圧力振動源と、該圧力振動源と連通した
    蓄冷器と、該蓄冷器と連通したパルス管と、該パルス管
    と連通した放熱器を有するパルス管冷凍機と、 前記パルス管冷凍機に熱接触した冷媒が流動する冷却回
    路であって、冷媒を流動させる圧送手段と、該圧送手段
    と連通した冷却手段と、前記圧送手段の吐出側と前記冷
    却手段を直列に結ぶ高圧側回路と、前記圧送手段の吸込
    側と前記冷却手段を直列に結ぶ低圧側回路と、前記高圧
    側回路を流れる冷媒と前記低圧側回路を流れる冷媒を熱
    接触させる向流型熱交換器と、前記高圧側回路に直列に
    連通して少なくとも前記蓄冷器もしくは前記パルス管の
    いずれかに熱接触した予冷熱交換器と、前記予冷熱交換
    器と前記冷却手段の間に配設されるジュール・トムソン
    弁を有するジュール・トムソン回路と、 から構成されたことを特徴とする冷却装置。
  2. 【請求項２】 前記蓄冷器の高温端と低温端の間に配設
    されたコールドヘッドと、該コールドヘッドに熱接触さ
    れた予冷熱交換器を特徴とする請求項１記載の冷却装
    置。
  3. 【請求項３】 前記パルス管の高温端と低温端の間に配
    設されたコールドヘッドと、該コールドヘッドに熱接触
    された予冷熱交換器を特徴とする請求項１記載の冷却装
    置。
  4. 【請求項４】 前記蓄冷器の高温端と低温端の間に配設
    されたコールドヘッドと、前記パルス管の高温端と低温
    端の間に配設されたコールドヘッドと、該コールドヘッ
    ドに熱接触された予冷熱交換器を特徴とする請求項１記
    載の冷却装置。
  5. 【請求項５】 多数個の前記蓄冷器と、多数個の前記パ
    ルス管の高温端と低温端の間に少なくとも１個以上配設
    されたコールドヘッドと、該コールドヘッドに熱接触さ
    れた予冷熱交換器を特徴とする請求項１記載の冷却装
    置。
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