JP2001272124A - パルス管冷凍機 - Google Patents

パルス管冷凍機

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 メンテナンス作業の簡素化と時間短縮を実現
できるパルス管冷凍機を提供する。 【解決手段】 バルブユニット３２とコールドヘッド３
３とを接続する４m連結管の両端にセルフシーリング・
カップリング１３，１４を設ける。また、コールドヘッ
ド３３とバッファータンクを接続する１m連結管にもセ
ルフシーリング・カップリング１５を設ける。バルブユ
ニット３２と圧縮機とを接続する高圧配管３５及び低圧
配管３６にもそれぞれセルフシーリング・カップリング
が設けられている。

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
関し、特に、そのメンテナンス作業を容易にしたパルス
管冷凍機に関する。
【０００２】
【従来の技術】各種超伝導磁石装置、各種センサー冷却
システム、液化装置、液化ガス再凝縮装置、クライオポ
ンプ、ＭＲＩ診断機器、及び理化学機器などに利用され
る冷凍機の一つとして、パルス管冷凍機がある。
【０００３】従来のパルス管冷凍機は、図３に示すよう
に、圧縮機３１、バルブユニット３２、コールドヘット
３３、及びバッファータンク３４を有している。
【０００４】圧縮機３１は、作動ガスを圧縮してコール
ドヘッド３３へ供給する高圧力源、及びコールドヘッド
３３から作動ガスを回収する低圧力源として働く。
【０００５】バルブユニット３２は、圧縮機３１とコー
ルドヘッド３３との間に接続され、圧縮機３１の高圧配
管３５及び低圧配管３６を交互にコールドヘッド３３に
連通させる。この結果、コールドヘッド３３に対して、
作動ガスの供給と回収が周期的に行なわれる。なお、バ
ルブユニット３２と圧縮機３１との接続は、しばしば、
セルフシーリング・カップリング３７を備えた連結管に
より行なわれる。ここで、セルフシーリング・カップリ
ングとは、単独では配管の先端をシールドし、かつ互い
に結合させると配管を連通させることができる、２つの
配管の先端にそれぞれ固定されるオスハーフ及びメスハ
ーフの２つの部材からなる管用継手のことである。この
セルフシーリング・カップリングを使用すると、一度２
つの配管を連通させた後でも、２つの部材の結合を解除
することにより、再び各配管の先端を自動的にシールド
することができる。即ち、セルフシーリング・カップリ
ングを用いると、管内の流体を外部に流出させることな
く、２つの配管の着脱が自在に行なえる。
【０００６】コールドヘッド３３は、バルブユニット３
２にその高温端側が接続される蓄冷器３３ａと、バッフ
ァータンク３４にその高温端側が接続されるパルス管３
３ｂと、蓄冷器３３ａ及びパルス管３３ｂの低温端側同
士を連結する低温端連結部３３ｃと、これらを収容する
真空槽３３ｄとを有している。そして、このコールドヘ
ッド３３は、作動ガスの供給と回収を周期的に受けて、
周囲の温度を低下させる。
【０００７】バッファータンク３４は、パルス管３３ｂ
から流出する作動ガスを収容して、パルス管３３ｂにお
ける作動ガスの圧力変動と流速変動との位相差を制御す
る位相制御機構として働く。なお、位相制御機構は、バ
ッファータンク３４以外にオリフィスを備えることもあ
る。
【０００８】以上のような構成のパルス管冷凍機は、そ
の目的に応じて主に次に２つの形態のうちのいずれかが
採用される。
【０００９】第１の形態は、コールドヘッドにおける振
動を抑えるために、可動部品を有するバルブユニット３
２をコールドヘッド３３から離れた位置に設置するとい
うものである。この場合、バルブユニット３２とコール
ドヘッド３３との間は、数十cmから数mの連結管によっ
て連結される。
【００１０】第２の形態は、その冷凍能力を最大限に発
揮させるために、バルブユニットとコールドヘッドとを
一体化し、これらの間の距離を最小にするというもので
ある。
【００１１】なお、第１の形態、第２の形態のいずれの
場合も、小型化を実現するために、バッファータンク３
４（及びオリフィス）とコールドヘッド３３とを一体化
する場合がある。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】従来のパルス冷凍機の
メンテナンスは、次のようにして行なわれる。即ち、ま
ず、パルス冷凍機又はパルス冷凍機を備えた装置（超電
導装置等）の運転を停止する。そして、その装置からコ
ールドヘッドを取り外し、取り外したコールドヘッドの
温度を室温にまで昇温させる。あるいは、装置全体の温
度を室温にまで昇温させて、コールドヘッド内部の結露
防止などの処理を行なう。それから、必要な箇所に対し
てメンテナンス作業を行なう。その後、各構成部品のガ
ス置換（内部に侵入した空気を作動ガスに置換）を行な
い、冷却を再開する。あるいは、装置の運転を再開す
る。
【００１３】上記のメンテナンス作業手順は、例えば、
可動部分が摩耗した場合や作動ガス中に不純物（水）が
混入してコールドヘッド内で凍結してしまった場合のよ
うに、一部の構成部品のみのメンテナンスが必要な場合
であっても、定期点検のように全構成部品のメンテナン
スが必要な場合であっても、基本的には同じである。こ
れは、従来のパルス冷凍機では、構成部品間が連結管に
より連通しているため、いずれかの構成部品を取り外
す、あるいは分解すると、全構成部品内の作業ガスが流
出し、代わりに大気が流入するからである。つまり、一
つの構成部品のメンテナンスを行なう場合であっても、
全構成部品におけるガス流路が大気に曝されるからであ
る。
【００１４】なお、圧縮機とバルブユニットとの間にセ
ルフシーリング・カップリングが用いられている場合に
は、圧縮機に関する限り、その内部が大気に曝されるこ
とはない。しかしながら、他の構成部品については上記
と同様、ある構成部品のメンテナンス時に、それ以外の
構成部品の内部が大気に曝されることになる。
【００１５】以上のように、従来のパルス冷凍機では、
ある構成部品についてメンテナンスを行なおうとする
と、全ての構成部品のメンテナンスを行なう場合と同じ
程度の長い時間と面倒な作業を要するという問題点があ
る。
【００１６】本発明は、メンテナンス作業の簡素化と時
間短縮を実現できるパルス管冷凍機を提供することを目
的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、パルス
管を備えたコールドヘッドと、該コールドヘッドに作動
ガスを供給し、回収するための圧縮機と、前記コールド
ヘッドと前記圧縮機との間に接続され、前記作動ガスの
供給及び回収を制御するためのバルブユニットと、前記
コールドヘッドに接続され、前記作動ガスの圧力変化と
流速変化との位相差を制御するためのバッファータンク
とを備えたパルス管冷凍機において、前記バルブユニッ
トと前記コールドヘッドとの間を接続する連結管及び前
記コールドヘッドと前記バッファータンクとの間を接続
する連結管のうち、少なくとも一方がセルフシーリング
・カップリングを備えていることを特徴とするパルス管
冷凍機が得られる。
【００１８】
【作用】セルフシーリング・カップリングの結合を解除
することにより、各構成部品を、その内部を大気に曝す
ことなく、個々に分離することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態について詳細に説明する。ここで、従来と同一
のものには同一番号を付し、その説明を省略する。
【００２０】図１に本発明の第１の実施の形態を示す。
図１のパルス管冷凍機は、１段式パルス冷凍機であっ
て、バルブユニット３２とコールドヘッド３３とを接続
する連結管として、４m連結管１１を備えている。ま
た、このパルス管冷凍機は、コールドヘッド３３とバッ
ファタンク３４とを接続する連結管として、１m連結管
１２を備えている。
【００２１】４m連結管１１は、例えば、外径６．３５m
m、内径４．３５mmのＣｕ管、ＳＵＳ管、あるいは樹脂
系チューブであって、その両端には、セルフシーリング
・カップリング１３，１４のオスハーフ又はメスハーフ
が固定されている。バルブユニット３２及びコールドヘ
ッド３３には、それぞれ、４m連結管１１に固定された
セルフシーリング・カップリング１３，１４のオフハー
フ又はメスハーフに結合されるメスハーフ又はオスハー
フが、直接又は短い連結管を介して固定されている。
【００２２】また、１m連結管１２は、４m連結管１１と
同様、例えば、外径６．３５mm、内径４．３５mmのＣｕ
管、ＳＵＳ管、あるいは樹脂系チューブであって、その
一端はバッファタンク３４に接続され、他端には、セル
フシーリング・カップリング１５のオスハーフ又はメス
ハーフが固定されている。コールドヘッド３３には、１
m連結管１２に固定されたセルフシーリング・カップリ
ング１５のオフハーフ又はメスハーフに結合されるメス
ハーフ又はオスハーフが、直接又は短い連結管を介して
固定されている。
【００２３】なお、パルス管冷凍機に使用できるセルフ
シーリング・カップリングとしては、米国エイロクイッ
プ社製（日本では横浜エイロクイップ株式会社より入手
可能）のものがある。
【００２４】このパルス管冷凍機では、バルブユニット
３２とコールドヘッド３３との間の距離を約４mとする
ことができる。それゆえ、バルブユニット３２の設置場
所や設置方法などに大きな自由度を持つとともに、バル
ブユニット３２で発生する振動は、ほとんどコールドヘ
ッド３３には伝わらない。従って、このパルス管冷凍機
は、多様な用途に利用することができる。
【００２５】図１のパルス管冷凍機では、バルブユニッ
ト３２内の可動部品に摩耗が生じた場合、次のようにメ
ンテナンスが行なわれる。
【００２６】まず、パルス管冷凍機の運転を停止する。
次に、４m連結管１１とバルブユニット３２との間のセ
ルフシーリング・カップリング１３の結合を解除する。
また、バルブユニット３２と圧縮機３１とを接続する高
圧配管３５及び低圧配管３６のセルフシーリング・カッ
プリング３２も結合を解除する。これにより、圧縮機３
１及びコールドヘッド３３の内部に大気や不純物を侵入
させることなく、作動ガスを保持した状態で、バルブユ
ニット３２を取り外すことができる。この後、取り外し
たバルブユニット３２の分解を行ない、メンテナンス作
業を進める。作業終了後、バルブユニット３２の内部の
空気を作業ガスで置換し、セルフシーリング・カップリ
ング３７及び１３を結合させて、バルブユニット３２を
圧縮機３１とコールドヘッド３３とに接続する。
【００２７】こうして、本実施の形態では、バルブユニ
ット３２のメンテナンスが行なわれ、パルス管冷凍機の
運転の再開が可能になる。
【００２８】以上のように、本実施の形態によれば、バ
ルブユニット３２のみのメンテナンスを行なう場合に
は、コールドヘッド内部に作業ガスが保持される。それ
ゆえ、コールドヘッド３３を昇温させる必要がないの
で、作業時間が短縮される。特に、バルブユニット３２
を丸ごと交換する場合のように、作業が短時間で済む場
合には、コールドヘッドの温度上昇がわずかで済むの
で、パルス冷凍機の運転再開から通常動作に移行するま
での復帰所要時間を従来に比べて大幅に短縮することが
できる。
【００２９】また、図１のパルス管冷凍機では、不純物
の混入によりコールドヘッド３３のメンテナンスが必要
になった場合には、次のようにして行なわれる。
【００３０】まず、パルス管冷凍機の運転を停止する。
そして、コールドヘッド３３と４m連結管１１及び１m連
結管１２との間のセルフシーリング・カップリング１
４，１５の結合を解除して、コールドヘッド３３を取り
外し、昇温させる。そして、コールドヘッドの温度が室
温にまで達したならば、それを分解して、蓄冷材の交換
や清掃など、必要なメンテナンス作業を行なう。この
後、コールドヘッド３３内の空気を作業ガスに置換し、
４m連結管１１及び１m連結管１２の各セルフシーリング
・カップリング１４，１５の結合を行なう。
【００３１】以上のようにして、コールドヘッド３３の
メンテナンスが行なわれ、パルス管冷凍機の運転再開が
可能になる。
【００３２】コールドヘッド３３のみのメンテナンスを
行なう場合には、コールドヘッド３３の昇温工程が必ず
必要になる。このため、バルブユニット３２のみのメン
テナンスを行なう場合に比べて、メンテナンスに要する
時間が長くなる。しかしながら、メンテナンスの対象と
なる構成部品以外については、その内部が大気に曝され
ることがないので、大気と作業ガスとの置換等の作業が
不要になり、作用工程の簡素化、作業時間の短縮を実現
することができる。
【００３３】次に、図２を参照して、本発明の第２の実
施の形態について説明する。
【００３４】図２のパルス管冷凍機は、２段式パルス管
冷凍機であって、１段目蓄冷器２１ａ、１段目パルス管
２１ｂ、１段目低温端連結部２１ｃ、２段目蓄冷器２１
ｄ、２段目パルス管２１ｅ、及び２段目低温端連結部２
１ｆを備えたコールドヘッド２１と、１段目パルス管２
１ｂの高温端に連結管により接続される１段目バッファ
ータンク２２と、２段目パルス管２１ｅの高温端に連結
管により接続される２段目バッファータンク２３と、バ
ルブユニット３２とコールドヘッド２１との間を連結す
る連結管の途中に設けられたセルフシーリング・カップ
リング２４と、コールドヘッド２１と１段目バッファー
タンク２２及び２段目バッファータンク２３のそれぞれ
を接続する連結管の、コールドヘッド２１近傍に設けら
れたセルフシーリング・カップリング２５，２６とを備
えている。
【００３５】バルブユニット３２とコールドヘッド２１
とを接続する連結管は、例えば、外径１２．７mm、内径
１０．５mm、長さ２０cmのＣｕ管、ＳＵＳ管、あるいは
樹脂チューブからなる連結管であって、そのほぼ中央に
セルフシーリング・カップルが設けられている。また、
２つのバッファータンク２２，２３とコールドヘッド２
１とを接続する連結管は、上記外径及び内径を有する長
さ１ｍの連結管である。
【００３６】本実施の形態のよるパルス管冷凍機におい
ても、第１の実施の形態の場合と同様にして、簡素な工
程で、かつ短時間で、メンテナンスを行なうことができ
る。
【００３７】なお、２段式パルス管冷凍機では、バルブ
ユニット３２とコールドヘッド２１とを接続する連結管
が長くなると（例えば、１ｍ以上になると）冷凍性能が
著しく低下するので、第１の実施例のように、これらの
間の距離を大きくすることは避けた方が良い。
【００３８】
【発明の効果】本発明によれば、パルス管冷凍機の各構
成要素を連結する連結管にセルフシーリング・カップリ
ングを設けるようにしたことで、いずれかの構成要素の
みのメンテナンスを行なう際の作業行程を簡素化し、作
業時間の短縮を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態によるパルス管冷凍
機の構成を示す図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態によるパルス管冷凍
機の構成を示す図である。
【図３】従来のパルス管冷凍機の構成を示す図である。
【符号の説明】 １１ ４m連結管 １２ １m連結管 １３，１４，１５ セルフシーリング・カップリン
グ ２１ コールドヘッド ２２ １段目バッファータンク ２３ ２段目バッファータンク ２４，２５，２６ セルフシーリング・カップリン
グ ３１ 圧縮機 ３２ バルブユニット ３３ コールドヘッド ３４ バッファータンク ３５ 高圧配管 ３６ 低圧配管 ３７ セルフシーリング・カップリング

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 パルス管を備えたコールドヘッドと、該
    コールドヘッドに作動ガスを供給し、回収するための圧
    縮機と、 前記コールドヘッドと前記圧縮機との間に接続され、前
    記作動ガスの供給及び回収を制御するためのバルブユニ
    ットと、 前記コールドヘッドに接続され、前記作動ガスの圧力変
    化と流速変化との位相差を制御するためのバッファータ
    ンクとを備えたパルス管冷凍機において、 前記バルブユニットと前記コールドヘッドとの間を接続
    する連結管及び前記コールドヘッドと前記バッファータ
    ンクとの間を接続する連結管のうち、少なくとも一方が
    セルフシーリング・カップリングを備えていることを特
    徴とするパルス管冷凍機。
  2. 【請求項２】 前記バルブユニットと前記コールドヘッ
    ドとを接続するための前記連結管が、前記コールドヘッ
    ドに接続される端部又は当該付近に前記セルフシーリン
    グ・カップリングを備えていることを特徴とする請求項
    １のパルス管冷凍機。
  3. 【請求項３】 前記バルブユニットと前記コールドヘッ
    ドとを接続するための前記連結管が、その両端又は当該
    両端付近にそれぞれ前記セルフシーリング・カップリン
    グを備えていることを特徴とする請求項１のパルス管冷
    凍機。
  4. 【請求項４】 前記コールドヘッドと前記バッファータ
    ンクとを接続するための前記連結管が、前記コールドヘ
    ッドに接続される端部又は当該端部付近に前記セルフシ
    ーリング・カップリングを備えていることを特徴とする
    請求項１のパルス管冷凍機。
  5. 【請求項５】 前記圧縮機と前記バルブユニットとの間
    を接続する高圧配管及び低圧配管が、それぞれセルフシ
    ーリング・カップリングを備えていることを特徴とする
    請求項１乃至４のうちいずれかのパルス管冷凍機。
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