JP2001263840A - パルス管冷凍機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 冷凍能力を高めることが可能なパルス管冷凍
機を提供する。 【解決手段】 ガス供給手段とパルス管の低温端との間
に、蓄冷器が接続されている。蓄冷器は、ガス供給手段
とパルス管との間で作動ガスを輸送し、輸送される作動
ガスと熱交換を行う。流路断面の小さな入口と、流路断
面の大きな出口とを有し、入口から出口に向かって流路
断面が徐々に大きくなっているディフューザの出口がパ
ルス管の高温端に接続されている。作動ガス流に対して
流動抵抗を有する抵抗流路が、ディフューザの入口に接
続されている。抵抗流路の他端にバッファタンクが接続
されている。ディフューザの流路内に仕切板が配置され
ている。仕切板は、流路を複数の小流路に区分する。小
流路の各々は、ディフューザの入口から出口に向かって
徐々に大きくなった流路断面を画定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、パルス管の高温端
に流動抵抗を介してバッファタンクを接続したパルス管
冷凍機に関する。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、しかも到達温度が比較的低い。こ
のため、振動の少ない冷凍機としての応用が期待されて
いる。また、アウトガス等の汚染物質が可動部に固着し
て動きを阻害することがないため、長寿命化も容易であ
る。

【０００２】

【従来の技術】図４に、従来のオリフィス型パルス管冷
凍機の概略断面図を示す。ガス圧縮機１０１の吐出口及
び吸入口が、それぞれ高圧側バルブ１０２ａ及び低圧側
バルブ１０２ｂを介して蓄冷器１０３の高温端１３１に
接続されている。圧縮機１０１は、ヘリウム（Ｈｅ）な
どの作動ガスを吸入口から吸入し、圧縮して吐出口から
吐出する。図中の矢印はガス流の方向を示す。高圧側バ
ルブ１０２ａを開き、低圧側バルブ１０２ｂを閉じる
と、圧縮された作動ガスが蓄冷器１０３内に導入され
る。高圧側バルブ１０２ａを閉じ、低圧側バルブ１０２
ｂを開くと、蓄冷器１０３から圧縮機１０１へ作動ガス
が吸入される。

【０００３】蓄冷器１０３の内部に作動ガスの流路が画
定され、その流路内に金網などの蓄冷材が充填されてい
る。蓄冷器１０３の低温端１３２は、連絡流路１０５を
介してパルス管１０４の低温端１４２に連通している。
パルス管１０４内に、作動ガスが流入する空洞が画定さ
れている。パルス管１０４の高温端１４１は作動ガスの
流量調整を行うオリフィス１０６を介してバッファタン
ク１０７に接続されている。

【０００４】圧縮機１０１で圧縮された高圧の作動ガス
が、開かれた高圧側バルブ１０２ａを通って蓄冷器１０
３を通過し、パルス管１０４に流入する。作動ガスは、
蓄冷器１０３内を通過するときに、蓄冷材と熱交換を行
う。パルス管１０４内に作動ガスが流入すると、既にパ
ルス管１０４内に存在していた作動ガスが、新たに流入
した作動ガスに押されて高温端１４１の方へ移動する。

【０００５】この結果、パルス管１０４内の圧力がバッ
ファタンク１０７の圧力よりも高くなり、作動ガスがオ
リフィス１０６を通ってバッファタンク１０７内に流入
する。このとき、パルス管１０４の高温端１４１で、作
動ガスの圧縮による発熱が生ずる。この熱は、パルス管
１０４の高温端１４１の周りに設けられた放熱フィン１
０８により外部に放射される。

【０００６】次に、高圧側バルブ１０２ａが閉じて低圧
側バルブ１０２ｂが開く。パルス管１０４内の作動ガス
が、蓄冷器１０３の低温端１３２に流れ込み、蓄冷器１
０３の内部の金網を冷却しつつ温度上昇し、圧縮機１の
吸入口に戻る。この際、瞬間的に中間圧室１０７内の作
動ガスがオリフィス１０６を通ってパルス管１０４内に
流入する。

【０００７】このような作動ガスの流れにより寒冷が発
生する原理は明確にはなっていないが、パルス管１０４
の低温端１４２で作動ガスの膨張に伴う寒冷が発生する
と考えられる。差動ガスの膨張による寒冷の発生が繰り
返されることにより、連絡流路１０５に接する被冷却体
が冷却される。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】高温の作動ガスが、バ
ッファタンク１０７からオリフィス１０６を通過してパ
ルス管１０４内に流入する際に、パルス管１０４内に勢
いよく噴出する。細いオリフィス１０６から、それより
も太いパルス管１０４内に作動ガスが噴出すると、乱流
が生ずると考えられる。この乱流が、冷凍能力の低下を
もたらしていると考えられる。

【０００９】本発明の目的は、冷凍能力を高めることが
可能なパルス管冷凍機を提供することである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の一観点による
と、作動ガスの供給及び回収を繰り返すガス供給手段
と、高温端と低温端とが画定され、内部に空洞を有する
パルス管と、前記ガス供給手段と前記パルス管の低温端
との間に接続され、該ガス供給手段とパルス管との間で
作動ガスを輸送し、輸送される作動ガスと熱交換を行う
蓄冷器と、流路断面の小さな入口と、流路断面の大きな
出口とを有し、入口から出口に向かって流路断面が徐々
に大きくなっており、出口が前記パルス管の高温端に接
続されているディフューザと、一端が前記ディフューザ
の入口に接続され、作動ガス流に対して流動抵抗を有す
る抵抗流路と、前記抵抗流路の他端に接続されたバッフ
ァタンクと、前記ディフューザの流路内に配置され、流
路を複数の小流路に区分し、小流路の各々が、該ディフ
ューザの入口から出口に向かって徐々に大きくなった流
路断面を画定する仕切部材とを有するパルス管冷凍機が
提供される。

【００１１】ディフューザ部内の空間が、複数の小流路
に仕切られている。このため、作動ガスが入口から出口
に向かって流れる際に、乱流が発生しにくい。

【００１２】

【発明の実施の形態】図１及び図２を参照して、本発明
の実施例によるパルス管冷凍機の構造及び動作について
説明する。

【００１３】図１は、実施例によるパルス管冷凍機の断
面図を示す。パルス管冷凍機は、パルス管１０、蓄冷器
２０、コールドステージ３０、高温端支持部材４０、ガ
ス供給装置５０、及びバッファタンク６０を含んで構成
される。

【００１４】パルス管１０は、内径２０ｍｍ、肉厚１ｍ
ｍ、長さ約２００ｍｍの中空のステンレス管である。パ
ルス管１０の高温端が高温端支持部材４０に取り付けら
れ、低温端がコールドステージ３０に取り付けられてい
る。

【００１５】蓄冷器２０は、内径２６ｍｍ、肉厚１ｍ
ｍ、長さ約２００ｍｍのステンレス管２１を含んで構成
される。ステンレス管２１は、その内部に円柱状のガス
流路を画定する。このガス流路内に、ステンレスメッシ
ュを積層した蓄冷材２２が充填されている。蓄冷器２０
の高温端が、高温端支持部材４０に取り付けられ、低温
端がコールドステージ３０に取り付けられている。

【００１６】コールドステージ３０は銅で形成されてお
り、その内部にガス流路３１が設けられている。ガス流
路３１は、パルス管１０内の空洞と、蓄冷器２０内のガ
ス流路とを連通させる。ガス流路３１の、パルス管１０
内の空洞に接する部分に、ステンレスメッシュ３２が充
填され、蓄冷材２２に接する部分に、ステンレスメッシ
ュ３３が充填されている。ステンレスメッシュ３２及び
３３は、ガス流路３１内を流れる作動ガスと熱交換を行
う。

【００１７】高温端支持部材４０は、第１の部材４１と
第２の部材４２とを含んで構成される。第１の部材４１
は、２つの貫通孔が設けられた円盤状の形状を有する。
一方の貫通孔にパルス管１０の高温端が挿入され、他方
の貫通孔に、パルス管１０と同じ側から蓄冷器２０の高
温端が挿入されている。

【００１８】第２の部材４２は、第１の部材４１の、パ
ルス管１０等が挿入されている面とは反対側の面に密着
している。第２の部材４２内に、ガス流路４３及び４４
が形成されている。ガス流路４３は、パルス管１０内の
空洞に連通し、ガス流路４４は、蓄冷器２０内のガス流
路に連通している。

【００１９】第１の部材４１と第２の部材４２との接触
面に、ガス流路４３とパルス管１０内の空洞との接続部
を取り囲むＯリング３５が配置されている。さらに、ガ
ス流路４４と蓄冷器２０内のガス流路との接続部、及び
Ｏリング３５を取り囲むＯリング３６が配置されてい
る。これらのＯリング３５及び３６により、ガス流路の
気密性が確保される。

【００２０】ガス流路４３は、大径部４３ａ、ディフュ
ーザ部４３ｂ、小径部４３ｃ、及びオリフィス部４３ｄ
の４つの部分から構成されている。大径部４３ａは、パ
ルス管１０内の空洞に接し、パルス管１０内の空洞とほ
ぼ等しい内径を有する。小径部４３ｃは、内径６ｍｍ、
長さ約１６ｍｍの円柱状のガス流路を画定する。ディフ
ューザ部４３ｂは、流路断面の小さな入口と、流路断面
の大きな出口を有し、入口が小径部４３ｃに接続され、
出口が大径部４３ａに接続されている。ディフューザ部
４３ｃの流路断面は、入口から出口に進むに従って徐々
に大きくなっている。例えば、ディフューザ部４３ｃの
内周面は円錐面とされている。オリフィス部４３ｄは、
小径部４３ｃに接続され、第２の部材４２の表面まで延
在している。

【００２１】オリフィス部４３ｄ内に、オリフィス４５
が挿入されている。オリフィス４５は、ガス流路４３内
に、作動ガスに対して流動抵抗となる細いガス流路４６
を画定する。細いガス流路４６の内径は、例えば０．５
ｍｍである。

【００２２】大径部４３ａ内に、層状に重ねられた複数
の金網４７が配置されている。大径部４３ａとパルス管
１０内の空洞との境界部に、パンチングメタル４９が配
置されている。金網４７及びパンチングメタル４９は、
細いガス流路４６からパルス管１０内の空洞に向けて噴
出する作動ガスを整流する。

【００２３】ディフューザ部４３ｂ内に、仕切板４８が
配置されている。仕切板４８は、ディフューザ部４３ｂ
内の円錐状のガス流路を、複数の小ガス流路に分割す
る。

【００２４】図２（Ａ）に、仕切板４８の斜視図を示
す。仕切板４８は、２枚の等脚台形状のアルミニウム板
を、十文字に交差させて構成される。アルミニウム板の
等脚台形の斜辺に相当する縁が、ディフューザ４８の内
周面に接する。この仕切板４８により、ガス流路が４つ
の小ガス流路に分割される。

【００２５】図２（Ｂ）に、仕切板４８を配置した状態
における作動ガスの流れを示す。比較のために、図２
（Ｃ）に、仕切板４８を配置しない状態における作動ガ
スの流れを示す。仕切板４８を配置しない状態では、作
動ガスの層流がガス流路の壁面から剥離し、壁面近傍に
乱流が発生する。これは、ディフューザ部４３ｂの広が
り角が大きすぎるためである。ここで、広がり角とは、
ディフューザ部４３ｂの円錐面と、その中心軸を含む仮
想平面との２本の交線の成す角を意味する。広がり角を
小さくすると、乱流の発生は抑制されるが、図１に示す
大径部４３ａと小径部４３ｃとを連続的に接続するため
に、ディフューザ部４３ｂが長くなってしまう。

【００２６】図２（Ｂ）に示す仕切板４８で仕切られた
小ガス流路の各々の実効的な広がり角は、仕切板４８を
配置しない状態の広がり角よりも小さい。このため、乱
流の発生が抑制されると考えられる。

【００２７】図１に戻って説明を続ける。ガス流路４４
は、ディフューザ部４４ａと小径部４４ｂとにより構成
される。ディフューザ部４４ａは、円錐状のガス流路を
画定し、その太い端部において蓄冷器２０内のガス流路
に接続されている。小径部４４ｂは、ディフューザ部４
４ａの細い端部に接続され、第２の部材４２の表面まで
延在している。

【００２８】ガス流路４３に、バッファタンク６０が接
続されている。ガス流路４４に、ガス供給装置５０が接
続されている。ガス供給装置５０は、ガス圧縮機５１、
開閉弁５２及び５３を含んで構成される。開閉弁５２
は、ガス圧縮機５１の吐出口とガス流路４４とを接続す
るガス流路内に取り付けられ、開閉弁５３は、ガス圧縮
機５１の吸入口とガス流路４４とを接続するガス流路内
に取り付けられている。

【００２９】開閉弁５２を開き、開閉弁５３を閉じる
と、ガス圧縮機５１からガス流路４４内に圧縮された作
動ガス（ヘリウムガス）が供給される。開閉弁５２を閉
じ、開閉弁５３を開くと、ガス流路４４からガス圧縮機
５１に作動ガスが回収される。

【００３０】作動ガスの供給と回収とを周期的に繰り返
すと、パルス管１０の低温端及び蓄冷器２０の低温端で
吸熱が生じ、コールドステージ３０が冷却される。ディ
フューザ部４３ｂ内に配置された仕切板４８により、乱
流が発生しにくくなるため、冷凍能力の向上が期待され
る。

【００３１】一般に、ディフューザ部の広がり角が４°
以下であれば、乱流が生じにくいと考えられる。広がり
角４°は、立体角で表すと０．００３８ｓｒに相当す
る。従って、仕切板で仕切られた各小ガス流路の広がり
の立体角を、０．００３８ｓｒ以下とすることが好まし
い。

【００３２】図２（Ａ）では、円錐状のガス流路を、断
面が十文字の仕切板４８で４つの小ガス流路に仕切る場
合を示したが、放射状に配置されたより多くの仕切板に
より、５つ以上の小ガス流路に仕切ってもよい。

【００３３】図３に、仕切板の他の構成例を示す。図３
（Ａ）は、ディフューザ部４３ｂの中心軸を含む断面図
を示し、図３（Ｂ）は、中心軸に垂直な断面図を示す。
２つのコーン型の仕切板４８Ａ及び４８Ｂにより、ディ
フューザ部４３ｂ内のガス流路が３つの小ガス流路に仕
切られている。中心軸に垂直な断面においては、各仕切
板４８Ａ及び４８Ｂが同心円状に配置されている。図３
に示す仕切板を用いても、上記実施例の場合と同様の効
果が得られるであろう。

【００３４】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。

【００３５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によると、
細いガス流路とパルス管内の空洞とを接続するディフュ
ーザ部内に仕切板が配置され、複数の小ガス流路に仕切
られている。このため、乱流が発生しにくくなり、冷凍
能力の向上を図ることが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例によるパルス管冷凍機の断面図である。

【図２】図２（Ａ）は実施例によるパルス管冷凍機に使
用されている仕切板の一構成例を示す斜視図であり、図
２（Ｂ）はディフューザ部のガス流を示す図であり、図
２（Ｃ）は仕切板を配置しない状態のディフューザ部の
ガス流を示す図であり、図２（Ｄ）は仕切板の他の構成
例を示す断面図である。

【図３】仕切板の他の構成例を示す断面図である。

【図４】従来のオリフィス型パルス管冷凍機の概略図で
ある。

【符号の説明】

１０ パルス管 ２０ 蓄冷器 ２１ ステンレス管 ２２ 蓄冷材 ３０ コールドステージ ３１ ガス流路 ３２、３３ 金網 ４０ 高温端支持部材 ４１ 第１の部材 ４２ 第２の部材 ４３、４４ ガス流路 ４３ａ 大径部 ４３ｂ、４４ａ ディフューザ部 ４３ｃ、４４ｂ 小径部 ４３ｄ オリフィス部 ４５ オリフィス ４６ 細いガス流路 ４７ 金網 ４８ 仕切板 ４９ パンチングメタル ５０ ガス供給装置 ５１ ガス圧縮機 ５２、５３ 開閉弁 ６０ バッファタンク

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 作動ガスの供給及び回収を繰り返すガス
   供給手段と、 高温端と低温端とが画定され、内部に空洞を有するパル
   ス管と、 前記ガス供給手段と前記パルス管の低温端との間に接続
   され、該ガス供給手段とパルス管との間で作動ガスを輸
   送し、輸送される作動ガスと熱交換を行う蓄冷器と、 流路断面の小さな入口と、流路断面の大きな出口とを有
   し、入口から出口に向かって流路断面が徐々に大きくな
   っており、出口が前記パルス管の高温端に接続されてい
   るディフューザと、 一端が前記ディフューザの入口に接続され、作動ガス流
   に対して流動抵抗を有する抵抗流路と、 前記抵抗流路の他端に接続されたバッファタンクと、 前記ディフューザの流路内に配置され、流路を複数の小
   流路に区分し、小流路の各々が、該ディフューザの入口
   から出口に向かって徐々に大きくなった流路断面を画定
   する仕切部材とを有するパルス管冷凍機。
2. 【請求項２】 前記仕切部材の、ガス流の方向に垂直な
   断面が放射状である請求項１に記載のパルス管冷凍機。
3. 【請求項３】 前記仕切部材の、ガス流の方向に垂直な
   断面が同心円状である請求項１に記載のパルス管冷凍
   機。