JP2006275477A - パルス管冷凍機 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は蓄冷器カートリッジを用いたパルス管冷凍機に関し、蓄冷器筒内に蓄冷器カートリッジを設けた構成であっても蓄冷器筒及びステージ部材に振動が発生するのを抑制することを課題とする。
【解決手段】 蓄冷器カートリッジ４０と、パルス管２６と、作動ガスとなるヘリウムガスの位相調節を行う位相調節機構２５と、真空フランジ２７とコールドステージ２８との間に設けられると共に内部に蓄冷器カートリッジ４０が収納される蓄冷器筒３０とを有するパルス管冷凍機において、蓄冷器カートリッジ４０の低温端に接続孔４３を有する突出部４２を形成し、コールドステージ２８に突出部４２を移動可能に装着する装着凹部５０を形成し、この装着凹部５０の断面積が蓄冷器カートリッジ４０の断面積よりも小さくなるよう設定する。
【選択図】 図５

Description

本発明はパルス管冷凍機に係り、特に蓄冷器カートリッジを用いたパルス管冷凍機に関する。

一般に、パルス管冷凍機は、圧力振動発生器、蓄冷器、パルス管、位相制御機構等により構成されている。このパルス管冷凍機は、ＧＭ冷凍機やスターリング冷凍機に比べて静粛性に優れているため、核磁気共鳴診断装置（ＮＭＲ）や電子顕微鏡等の各種検査・分析器の冷却装置として適用が期待されている。

図１は、従来の一例であるパルス管冷凍機の要部構成図である。パルス管冷凍機は、大略するとヘリウム圧縮機１、蓄冷器２、切換弁３、位相調整機構５、パルス管６、真空フランジ７、及びコールドステージ８等を有した構成とされている。

ヘリウム圧縮機１及び切換弁３は、作動ガスとなるヘリウムガスに圧力振動を発生させる圧力振動発生器として機能するものであり、配管１６を介して蓄冷器２の高温端に接続されている。切換弁３は所定の周期で切り換え動作を行い、よってヘリウム圧縮機１で生成される高圧のヘリウムガスは、所定の周期で蓄冷器２に供給される。

蓄冷器２は、真空フランジ７とコールドステージ８との間に設けた蓄冷器筒１０及びこの蓄冷器筒１０に収納された蓄冷材９により構成されている。蓄冷材９としては、例えば銅材あるいはステンレス材その他金属の繊維あるいはパンチングメタルを用いることができ、蓄冷器筒１０内に所定の密度で充填される。ヘリウム圧縮機１から供給された作動ガスは、この蓄冷器２を通過する間に蓄冷材９との間で熱交換を行って、蓄冷材９に蓄冷する。

パルス管６も真空フランジ７とコールドステージ８との間に設けられており、その低温端に低温端熱交換器１１（整流器も内設されている）が設けられると共に、高温端に高温端熱交換器１２（整流器も内設されている）が設けられている。更に、蓄冷器２の低温端とパルス管６の低温端との間は、コールドステージ８に形成された連通路４により連通された構成とされている。尚、蓄冷器２及びパルス管６において、図中矢印Ｘ１方向端部が高温端となり、矢印Ｘ２方向端部が低温端となる。

また、真空フランジ７の上部には、位相調整機構５が配設されている。この位相調整機構５の内部には、前記した配管１６に加え、図示しないオリフィスやバッファタンク等が内設されている。このオリフィス及びバッファタンクは、パルス管６の高温側に接続されている。この位相調整機構５の底面（以下、調整機構底面１５という）は、蓄冷器２及びパルス管６の高温端と直接接しているため、作動ガスの圧力が直接印加される。このため、位相調整機構５は、ボルト１３を用いて真空フランジ７に強固に固定されている。また、真空フランジ７の上面（以下、フランジ上面１４という）と、調整機構底面１５との間には、作動ガスの漏洩を防止するためのシールド部材１７が設けられている。

上記のパルス管冷凍機は、運転モードになると圧縮機１で圧縮された高圧のヘリウムガスが蓄冷器２に流入するよう切換弁３が切り換わる。蓄冷器２に流入したヘリウムガスは、蓄冷器２内に配設された蓄冷材９で冷却されて温度を下げながら、蓄冷器２の低温端から接続路４を通って低温端熱交換器１１へ流入し、更に冷却されてパルス管６へ流入する。

パルス管６内に既に存在していた低圧ガスは新たに流入された作動ガスにより圧縮されるため、パルス管６内の圧力は位相調整機構５内に配設されているバッファタンク内の圧力よりも高くなる。このため、パルス管６内の作動ガスは位相調整機構５内に配設されたオリフィスを通ってバッファタンクへ流入する。

次に、蓄冷器２及びパルス管６のヘリウムガスをヘリウム圧縮機１が回収するモードでは、切換弁３が切り換わり、パルス管６内の作動ガスは蓄冷器２の低温端に流入し、蓄冷器２内を通過して高温端及び配管１６を経由して圧縮機１へと回収される。

前記したように、パルス管６の高温端と接続された位相調整機構５は、パルス管６と接続されたオリフィス及びバッファタンクを有しているため、圧力変動の位相と作動ガスの体積変化の位相は、一定の位相差をもって変化する。この位相差によってパルス管６の低温端において作動ガスの膨張に伴う寒冷が発生し、上記の工程が繰り返し実施されることにより冷凍機として作用する。

しかしながら、図１に示すパルス管冷凍機は、蓄冷材９を蓄冷器筒１０に直接的に詰め込んだ一体構造である。したがって、パルス管冷凍機の運転時、ヘリウムガス中の不純物（例えば、水分その他の液体等）が氷結した場合、蓄冷材１９に目詰まりを起こし、冷却性能が低下するおそれがある。

この場合には、それぞれの部分を昇温して氷結した液体分を除去すれば良いが、不純物がたとえばヘリウム圧縮機１からの油などの場合には、該当部分を昇温してもこれを除去することは困難であり、蓄冷材９を交換する必要がある。このメンテナンスを実施する場合は、パルス管冷凍機を冷却対象物（図示せず）から外し、蓄冷材９を新しいものと交換する作業を行うために、稼動効率の低下につながるという問題がある。しかも、新しいものとの交換終了後に再度の冷却操作が必要で、膨大な費用および手間、時間がかかるという問題がある。

そこで、例えば特許文献１に開示されているように、蓄冷材９を蓄冷器カートリッジに収納し、この蓄冷器カートリッジを蓄冷器筒１０に対して装着脱することにより、コールドメンテナンスを可能としたパルス管冷凍機が提案されている。図２は、蓄冷器カートリッジ１８を用いた従来のパルス管冷凍機の一例を示す要部構成図である。尚、図２において、図１に示した構成と同一構成については同一符号を付して、その説明は省略する。

蓄冷器カートリッジ１８は有底筒状の形状を有しており、その内部には蓄冷材９が重点されている。また、蓄冷器カートリッジ１８の底部１８Ｂには開口１８Ａが形成されており、ヘリウムガスが連通路４を介してパルス管６との間で流れうる構成とされている。また、蓄冷器カートリッジ１８の底部１８Ｂと、蓄冷器筒１０の容器底面１９との間には、所定の間隙が形成されるよう構成されていた。
特開２００１−１６５５１７号公報

しかしながら、従来の蓄冷器カートリッジ式のパルス管冷凍機は、蓄冷器２内のヘリウムガスの圧力が上昇した場合、蓄冷器筒１０の内部は開口１８Ａを介して蓄冷器カートリッジ１８と連通している。このため、図４（Ａ）に示すように、ヘリウム圧縮機１から供給されるヘリウムガスの圧力は、蓄冷器筒１０の容器底面１９の全面に印加されてしまう。このとき、蓄冷器２内の単位面積当たりの圧力をＰ、容器底面１９の断面積をＳ１（図４（Ｂ）にＳ１で示す梨地の面積）とすると、容器底面１９が受ける力Ｆ１は、Ｆ１＝Ｐ×Ｓ１となる。

従来のパルス管冷凍機では、このように容器底面１９におけるヘリウムガス（作動ガス）の受圧面積が広かったため、容器底面１９が受ける力Ｆ１も大きかった。この力Ｆ１は、コールドステージ８及び蓄冷器筒１０を位相調整機構５から離間させるよう作用するため、よって従来のパルス管冷凍機では図３に示すように蓄冷器２内におけるヘリウムガスの交番的な圧力変動に伴い、蓄冷器２及びコールドステージ８が交番的に矢印Ｘ１，Ｘ２方向に変位し、パルス管冷凍機に振動が発生してしまうという問題点があった。

本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、蓄冷器筒内に蓄冷器カートリッジを設けた構成であっても、蓄冷器筒及びステージ部材に振動が発生するのを抑制しうるパルス管冷凍機を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために本発明では、次に述べる各手段を講じたことを特徴とするものである。

請求項１記載の発明は、
高温端が圧力変動源と接続される蓄冷器カートリッジと、
低温端がステージ部材を介して該蓄冷器カートリッジの低温端と接続されるパルス管と、
該パルス管の高温端と接続される位相調節機構と、
該位相調節機構が配設されるフランジと、
該フランジと前記ステージ部材との間に設けられ、前記蓄冷器カートリッジが収納される蓄冷器筒とを有するパルス管冷凍機において、
前記蓄冷器カートリッジの低温端に、前記パルス管と接続するための接続孔が形成されると共に、前記ステージ部材に向け突出する突出部を形成し、
前記ステージ部材に前記突出部を移動可能に装着する装着凹部を形成し、
かつ、前記装着凹部の断面積を前記蓄冷器カートリッジの断面積よりも小さく設定したことを特徴とするものである。

上記発明によれば、パルス管と接続するための接続孔が形成された突出部を蓄冷器カートリッジの低温端に形成し、この突出部がステージ部材の装着凹部に移動可能に装着する構成としたことにより、蓄冷器カートリッジ内の作動ガスの圧力がステージ部材に印加される部位は、装着凹部の底面となる。このため、作動ガスの圧力がステージ部材に作用する面積は、従来作動ガスがステージ部材に対して作用していた面積（蓄冷器カートリッジの断面積）に比べて小さくなる。よって、作動ステージ２８を変位させようとする力は小さくなり、パルス管冷凍機に振動が発生するのを防止できる。

また、請求項２記載の発明は、
請求項１記載のパルス管冷凍機において、
前記容器本体と前記蓄冷器カートリッジとの間に、稼動時に前記蓄冷器カートリッジに発生するたわみ量よりも大きい間隙部を設けたことを特徴とするものである。

上記発明によれば、稼動時に作動ガスにより蓄冷器筒及びステージが蓄冷器カートリッジに対して相対的に変位してもこの変位は間隙部内で吸収されるため、蓄冷器カートリッジと容器本体が互いに干渉するようなことはない。

また、請求項３記載の発明は、
請求項１または２記載のパルス管冷凍機において、
前記突出部または前記装着凹部の少なくとも一方にピストンリングを配設したことを特徴とするものである。

上記発明によれば、ピストンリングを配設したことにより、簡単な構成で蓄冷器カートリッジの低温端とステージ部材とを気密状態を維持しつつ移動させることが可能となる。

また、請求項４記載の発明のように、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のパルス管冷凍機は超伝導装置に適用することができる。

また、請求項５記載の発明のように、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のパルス管冷凍機は、クライオポンプ装置に適用することができる。

また、請求項６記載の発明のように、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のパルス管冷凍機は、極低温計測分析装置に適用することができる。

また、請求項７記載の発明のように、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のパルス管冷凍機は、核磁気共鳴装置に適用することができる。

上述の如く本発明によれば、作動ガスの圧力がステージ部材に作用する面積は従来に比べて小さくなるため、位相調節機構に対してフランジを変位させようとする力は小さくなり、パルス管冷凍機に発生する振動を抑制することができる。

次に、本発明を実施するための最良の形態について図面と共に説明する。

図５は、本発明の第１実施例であるパルス管冷凍機２０Ａを示す要部構成図である。このパルス管冷凍機２０Ａは、大略するとヘリウム圧縮機２１、蓄冷器２２、切換弁２３、位相調整機構２５、パルス管２６、真空フランジ２７、コールドステージ２８、及び蓄冷器カートリッジ４０等を有した構成とされている。

ヘリウム圧縮機２１及び切換弁２３は、作動ガスとなるヘリウムガスに圧力振動を発生させる圧力振動発生器として機能するものであり、位相調整機構２５に形成された配管３６を介して蓄冷器２２の高温端に接続されている。切換弁２３は所定の周期で切り換え動作を行い、よってヘリウム圧縮機２１で生成される高圧のヘリウムガスは、所定の周期で蓄冷器２２に供給される。

蓄冷器２２は、真空フランジ２７とコールドステージ２８との間に設けた蓄冷器筒３０と、この蓄冷器筒３０に収納される蓄冷器カートリッジ４０とにより構成されている。蓄冷器カートリッジ４０は、蓄冷器筒３０に対して着脱可能な構成とされている。この蓄冷器カートリッジ４０は有底筒状の形状を有しており、上端部（図中矢印Ｘ１方向端部）には、鍔状の係合部４１を形成している。

また、真空フランジ２７の蓄冷器カートリッジ４０の取り付け位置には、係合部４１と係合する段部５２が形成されている。よって、蓄冷器カートリッジ４０が蓄冷器筒３０に挿入装着された際、係合部４１は段部５２と係合する。また、この装着状態で蓄冷器カートリッジ４０の上端面と真空フランジ２７のフランジ上面３４は略面一となっている。

そして、蓄冷器カートリッジ４０が蓄冷器筒３０に装着された状態で、真空フランジ２７に位相調整機構２５が取り付けられることにより、蓄冷器カートリッジ４０は蓄冷器筒３０内に固定された状態となる。尚、係合部４１の側面とコールドステージ２８との間、及び位相調整機構２５とコールドステージ２８との間はシール部材５５により気密にシールされた構成となっている。

一方、蓄冷器カートリッジ４０の底部４５には、コールドステージ２８に向け（図中、矢印Ｘ２方向に向け）突出した突出部４２が形成されている。この突出部４２は、その中央に上下に貫通する接続孔４３が形成されている。

また、コールドステージ２８には突出部４２と対応するよう装着凹部５０が形成されており、突出部４２は装着凹部５０に矢印Ｘ１，Ｘ２方向（後述するコールドステージ２８及び蓄冷器筒３０の振動方向）に移動可能な構成で挿入される。この装着凹部５０の断面積は、蓄冷器カートリッジ４０の断面積よりも小さく設定されている（従って、蓄冷器筒３０の断面積よりも小さい）。

この挿入された状態において、突出部４２とコールドステージ２８との間の気密性を維持するために、突出部４２の側面にはピストンリング４４が配設されている。このピストンリングとは、矩形断面の樹脂をリング状に形成して張り出し性を持たせたもので、気体のシール性を有するものである。このピストンリング４４を設けることにより、簡単な構成で気密性を維持しつつ、突出部４２を装着凹部５０に対して気密性を維持しつつ移動させることが可能となる。

上記構成とされた蓄冷器カートリッジ４０の内部には、蓄冷材２９が収納される。この蓄冷材２９としては、例えば銅材あるいはステンレス材その他金属の繊維あるいはパンチングメタルを用いることができ、蓄冷器カートリッジ４０内に所定の密度で充填される。ヘリウム圧縮機２１から供給された作動ガスは、蓄冷器２２を構成する蓄冷器カートリッジ４０内を通過する間に蓄冷材２９との間で熱交換を行って、蓄冷材２９に蓄冷する。

一方、パルス管２６は、蓄冷器２２と同様に真空フランジ２７とコールドステージ２８との間に設けられている。このパルス管２６は、その低温端に低温端熱交換器３１（整流器も合わせて内設されている）が設けられると共に、高温端に高温端熱交換器３２（整流器も合わせて内設されている）が設けられている。更に、蓄冷器２２の低温端とパルス管２６の低温端との間は、コールドステージ２８に形成された連通路２４により連通された構成とされている。尚、蓄冷器２２及びパルス管２６において、図中矢印Ｘ１方向端部が高温端となり、矢印Ｘ２方向端部が低温端となる。

上記した蓄冷器筒３０，真空フランジ２７，パルス管２６，及びコールドステージ２８は、いずれもステンレスにより形成されている。また、溶接等の接合手段を用いることにより、蓄冷器筒３０，真空フランジ２７，及びコールドステージ２８は一体的に接合された構成とされている。

また、真空フランジ２７の上部には、位相調整機構２５が固定される。この位相調整機構２５の内部には、前記した配管３６に加え、図示しないオリフィスやバッファタンク等が内設されている。このオリフィス及びバッファタンクは、パルス管２６の高温側に接続されている。位相調整機構２５が真空フランジ２７に固定されることにより、フランジ上面３４は調整機構底面３５と密着する。

上記構成とされたパルス管冷凍機２０Ａは、運転モードになると、圧縮機２１で圧縮された高圧のヘリウムガスが蓄冷器２２に流入するよう切換弁２３が切り換わる。これにより、圧縮機２１で圧縮された高圧のヘリウムガスは、配管３６を介して蓄冷器２２を構成する蓄冷器カートリッジ４０に流入する。

蓄冷器カートリッジ４０に流入したヘリウムガスは、蓄冷器カートリッジ４０内に配設された蓄冷材２９で冷却されて温度を下げながら、蓄冷器カートリッジ４０の低温端に形成された接続孔４３から装着凹部５０に流入する。装着凹部５０は連通路２４に接続されており、よってヘリウムガスは接続路２４を通って低温端熱交換器３１へ流入し、更に冷却されてパルス管２６へ流入する。

パルス管２６内に既に存在していた低圧ガスは新たに流入されたヘリウムガスにより圧縮されるため、パルス管２６内の圧力は位相調整機構２５内に配設されているバッファタンク内の圧力よりも高くなる。このため、パルス管２６内の作動ガスは位相調整機構２５内に配設されたオリフィスを通ってバッファタンクへ流入する。

一方、切換弁２３が切り換わり、蓄冷器２２及びパルス管２６のヘリウムガスをヘリウム圧縮機２１が回収する回収モードとなると、パルス管２６内の作動ガスは連通路２４、装着凹部５０、及び接続孔４３を介して蓄冷器カートリッジ４０の低温端に流入する。そして、蓄冷器カートリッジ４０内を通過し、配管３６を経由して圧縮機２１へと回収される。

前記したように、パルス管２６の高温端と接続された位相調整機構２５は、パルス管２６と接続されたオリフィス及びバッファタンクを有しているため、圧力変動の位相と作動ガスの体積変化の位相は、一定の位相差をもって変化する。この位相差によってパルス管２６の低温端において作動ガスの膨張に伴う寒冷が発生し、上記の工程が繰り返し実施されることにより冷凍機として作用する。

ここで、蓄冷器カートリッジ４０に導入されるヘリウムガスの圧力が上昇した場合における、蓄冷器カートリッジ４０に形成された突出部４２と装着凹部５０との間に作用するヘリウムガスの圧力に注目し、図６を参照しつつ以下説明する。

前記したように本実施例に係るパルス管冷凍機２０Ａは、接続孔４３が形成された突出部４２を蓄冷器カートリッジ４０の低温端に形成し、この蓄冷器カートリッジ４０がコールドステージ２８に形成された装着凹部５０に移動可能に装着された構成とされている。５０は、接続孔４３を介して蓄冷器カートリッジ４０内と連通しているため、蓄冷器カートリッジ４０に導入されるヘリウムガスの圧力は、接続孔４３を介して装着凹部５０にも印加される。

従来では、図４を用いて説明したように蓄冷器カートリッジ１８の底部１８Ｂは平坦であり、開口１８Ａが形成されただけの構成とされていた。このため、蓄冷器カートリッジ１８に導入されたヘリウムガスの圧力は、容器底面１９の全面（面積Ｓ１）に印加されてしまい、よってコールドステージ８及び蓄冷器筒１０に振動を発生させる力Ｆ１は、Ｆ１＝Ｐ×Ｓ１と大きな力であった。

これに対して本実施例に係るパルス管冷凍機２０Ａは、図６に示すように、蓄冷器カートリッジ４０の底部４５に、コールドステージ２８に形成された装着凹部５０に気密に移動可能な突出部４２が装着された構成とされている。突出部４２の外径は蓄冷器カートリッジ４０の直径よりも小さく、また装着凹部５０の内径は突出部４２の外径と略等しい。このため、装着凹部５０の凹部底面５１の面積（図６（Ｂ）に梨地で示す面積。以下、面積Ｓ２とする）は、蓄冷器カートリッジ４０の断面積よりも小さい。

よって、蓄冷器カートリッジ４０に導入されたヘリウムガスの圧力によりコールドステージ２８を矢印Ｘ２方向に移動させようとする力をＦ２、蓄冷器カートリッジ４０内の単位面積当たりの圧力をＰとすると、Ｆ２＝Ｐ×Ｓ２となる（連通路２４による圧力損は無視する）。この凹部底面５１の面積Ｓ２は、従来のパルス管冷凍機においてヘリウムガスの圧力が印加された容器底面１９の面積Ｓ１に比べて非常に小さい値となっている（Ｓ２＜Ｓ１）。よって、コールドステージ２８を変位させようとする力Ｆ２も、従来に比べて小さくなる（Ｆ２＜Ｆ１）。よって、コールドステージ２８を変位させようとする力は小さくなり、パルス管冷凍機２０Ａに発生する振動を抑制することができる。

この本実施例に係るパルス管冷凍機２０Ａの効果について、従来の技術と比較しつつ、具体例を挙げて説明する。

従来におけるパルス管冷凍機は、各種パラメータを次のように設定した。即ち、蓄冷器筒１０の内径を５０ｍｍ、蓄冷器筒１０の長さを１５０ｍｍ、蓄冷器筒１０の肉厚を１ｍｍ、蓄冷器筒１０の材質をステンレス、ヘリウム圧縮機１の高圧時の圧力を２Ｍｐａ、ヘリウム圧縮機１の低圧時の圧力を０．８Ｍｐａとした。そして、これに基づき計算を行うと、高圧時においてはコールドステージ８の受ける力Ｆ１は３９２Ｋｇとなる。また、低圧時においては、コールドステージ８の受ける力Ｆ１は１５７Ｋｇとなる。よって、高圧時と低圧時で、コールドステージ８に印加される力Ｆ１の変動幅は２３５Ｋｇとなり、蓄冷器筒１０の変形量の振幅は約１２μｍとなる。即ち、コールドステージ８の矢印Ｘ１，Ｘ２方向の振幅は、約１２μｍとなる。

これに対し、本実施例に係るパルス管冷凍機２０Ａでは、前記したように装着凹部５０の凹部底面５１のみが圧力変動を受けており、他の部分（蓄冷器カートリッジ４０の内壁等）は一定の圧力を受けている。この一定の圧力はコールドステージ２８の振動に影響を及ぼさない。

本実施例では、各種パラメータを蓄冷器筒１０の内径を５０ｍｍ、蓄冷器カートリッジ４０の外径を１６ｍｍ、蓄冷器筒１０の長さを１５０ｍｍ、蓄冷器筒１０の肉厚を１ｍｍ、蓄冷器筒１０の材質をステンレス、ヘリウム圧縮機２１の高圧時の圧力を２Ｍｐａ、ヘリウム圧縮機２１の低圧時の圧力を０．８Ｍｐａ、中間圧力を１．４Ｍｐａとした。

そして、これに基づき計算を行うと、高圧時においてはコールドステージ２８の受ける力Ｆ１は３１５Ｋｇとなる。また、低圧時においては、コールドステージ２８の受ける力Ｆ１は２８１Ｋｇとなる。よって、高圧時と低圧時で、コールドステージ２８に印加される力Ｆ１の変動幅は２４Ｋｇとなり、蓄冷器筒１０の変形量の振幅は約１．２μｍとなる。即ち、本実施例においては、コールドステージ８の矢印Ｘ１，Ｘ２方向の振幅は約１．２μｍとなり、従来に比べてコールドステージ２８に発生する変位量（振動）を約１／１０にすることができた。

一方、上記のようにヘリウムガスの圧力変動が生じた場合、蓄冷器筒３０及びコールドステージ２８と、蓄冷器カートリッジ４０との間に相対的な変位（Ｘ１，Ｘ２方向の変位）が発生する。この相対的な変位を吸収するため、本実施例に係るパルス管冷凍機２０Ａは、蓄冷器カートリッジ４０の底部４５と蓄冷器筒３０の底面３０Ａとの間、及び突出部４２の先端部と凹部底面５１との間には、所定のクリアランスΔＨが設けられている。

このクリアランスΔＨは、上記した相対的な変位の最大値よりも大きな値に設定されている。この構成とすることにより、ヘリウムガスの圧力によりコールドステージ２８及び蓄冷器筒３０が蓄冷器カートリッジ４０に対して相対的に変位しても、この変位はクリアランスΔＨ内で吸収されるため、コールドステージ２８及び蓄冷器筒３０と、蓄冷器カートリッジ４０とが互いに干渉するようなことはない。尚、上記のクリアランスΔＨは、５００μｍ以上０．１ｍｍ以下で設定することが望ましい。

次に、本発明の第２実施例について説明する。

図７は、第２実施例であるパルス管冷凍機２０Ｂを示している。尚、図７において、図５及び図６に示した第１実施例であるパルス管冷凍機２０Ａの構成と対応する構成については同一符号を付して、その説明を省略するものとする。

図６に示すパルス管冷却機２０Ｂは二段式のダブルインレットタイプ、または４バルブタイプのパルス管冷却機である。このパルス管冷却機２０Ｂは二段式であるため、蓄冷器として第１段目蓄冷器２２Ａと第２段目蓄冷器２２Ｂとを有しており、またパルス管として第１段目パルス管２６Ａと第２段目パルス管２６Ｂとを有している。

第１段目蓄冷器２２Ａの高温端、第１段目及び第２段目パルス管２６Ａ，２６Ｂの高温端は、いずれも真空フランジ２７に支持された構成とされている。この第１段目蓄冷器２２Ａは第１段目蓄冷器筒３０Ａと蓄冷器カートリッジ４０とにより構成されている。２２Ａは、真空フランジ２７とコールドステージ２８Ｂとの間に設けた第１段目蓄冷器筒３０Ａと、この第１段目蓄冷器筒３０Ａに収納される蓄冷器カートリッジ４０とにより構成されている。蓄冷器カートリッジ４０は、第１段目蓄冷器筒３０Ａに対して着脱可能な構成とされている。

また、蓄冷器カートリッジ４０の底部４５には、コールドステージ２８Ｂに向け（図中、矢印Ｘ２方向に向け）突出した突出部４２が形成されている。この突出部４２は、その中央に上下に貫通する接続孔４３が形成されている。

また、コールドステージ２８Ｂには突出部４２と対応するよう装着凹部５０が形成されており、突出部４２は装着凹部５０に矢印Ｘ１，Ｘ２方向（コールドステージ２８Ａ，２９Ｂ及び第１段目蓄冷器筒３０Ａの振動方向）に移動可能な構成で挿入される。この装着凹部５０の断面積は、蓄冷器カートリッジ４０の断面積よりも小さく設定されている（従って、第１段目蓄冷器筒３０Ａの断面積よりも小さい）。尚、本実施例では、装着凹部５０は第２段目蓄冷器２２Ｂを構成する第２段目蓄冷器筒３０Ｂの内径と等しい内径を有する構成としている。

一方、第１段目蓄冷器２２Ａと第２段目蓄冷器２２Ｂは、直接に接続された構成とされている。即ち、第１段目蓄冷器２２Ａの低温端（矢印Ｘ２方向端部）は、第２段目蓄冷器２２Ｂの高温端（矢印Ｘ１方向端部）に接続された構成とされている。第１段目蓄冷器２２Ａの低温端と第１段目パルス管２６Ａの低温端は接続路２４Ａにより接続されている。また、第２段目蓄冷器２２Ｂの低温端と第２段目パルス管２６Ｂの低温端は、第２の接続路２４Ｂにより接続されている。

上記のパルス管冷却機２０Ｂは運転モードになると、ヘリウム圧縮機２１で圧縮された高圧のヘリウムガスが配管３６を介して第１段目蓄冷器２２Ａの蓄冷器カートリッジ４０に流入する。蓄冷器カートリッジ４０に流入したヘリウムガスは、蓄冷器カートリッジ４０内に配設された蓄冷材２９Ａで冷却されて温度を下げながら、蓄冷器カートリッジ４０の低温端に設けられた接続孔４３からその一部が接続路２４Ａを通って第１段目パルス管２６Ａの低温端へ流入する。

第１段目パルス管２６Ａ内に既に存在していた低圧のヘリウムガスは新に流入されたヘリウムガスにより圧縮されるため、第１段目パルス管２６Ａ内の圧力は位相調整機構２５内に配設されている第１のバッファタンク（図示せず）内の圧力よりも高くなる。このため、第１段目パルス管２６Ａ内のヘリウムガスは位相調整機構２５内に配設されているオリフィス（図示せず）を通って第１のバッファタンクへ流入する。

一方、回収モードでは、第１段目パルス管２６Ａ内のヘリウムガスは第１段目蓄冷器２２Ａの低温端内に流入し、蓄冷器カートリッジ４０内を通過して配管３６を経由してヘリウム圧縮機２１へと回収される。上記のように位相調整機構２５により圧力変動の位相とヘリウムガス（作動ガス）の体積変化の位相は、一定の位相差をもって変化する。この位相差によって第１段目パルス管２６Ａの低温端においてヘリウムガスの膨張に伴う寒冷が発生する。

一方、運転モードにおいてヘリウム圧縮機２１から蓄冷器カートリッジ４０に流入したヘリウムガスの内、第１段目パルス管２６Ａに流入しなかったヘリウムガスは、蓄冷器カートリッジ４０（第１段目蓄冷器２２Ａ）から第２段目蓄冷器２２Ｂに流入する。この際、第１段目蓄冷器２２Ａの低温端には第１段目パルス管２６Ａで冷却されたヘリウムガスが流入するため、この低温端は冷却されている。よって、第１段目蓄冷器２２Ａから第２段目蓄冷器２２Ｂに流入するヘリウムガスは、第１段目パルス管２６Ａにより冷却された上で第２段目蓄冷器２２Ｂの高温端に流入する。

第２段目蓄冷器２２Ｂに流入したヘリウムガスは、第２段目蓄冷器２２Ｂ内に配設された蓄冷材２９Ｂで冷却されて更に温度を下げながら低温端に至り、続いて第２段目コールドステージ２８Ａに形成された第２の連通路２４Ｂを通って第２段目パルス管２６Ｂの低温端へ流入する。第２段目パルス管２６Ｂ内に既に存在していた低圧のヘリウムガスは、新に流入されたヘリウムガスにより圧縮されるため、第２段目パルス管２６Ｂ内の圧力は位相調整機構２５に内設された第２のバッファタンク（図示せず）内の圧力よりも高くなる。このため、第２段目パルス管２６Ｂ内の作動ガスは位相調整機構２５に内設されたオリフィス（図示せず）を通って第２のバッファタンクへ流入する。

次に、回収モードにおいては、第２段目パルス管２６Ｂ内のヘリウムガスは第２段目蓄冷器２２Ｂの低温端に流入する。この第２段目蓄冷器２２Ｂの低温端に流入したヘリウムガスは、更に第１段目蓄冷器２２Ａの蓄冷器カートリッジ４０内を通過して高温端からヘリウム圧縮機２１へと回収される。

前記のように位相調整機構２５により圧力変動の位相とヘリウムガス（作動ガス）の体積変化の位相は、一定の位相差をもって変化する。この位相差によって、第２段目パルス管２６Ｂの低温端においてもヘリウムガスの膨張に伴う寒冷が発生する。本実施例では、第１段目蓄冷器２２Ａ及び第１段目パルス管２６Ａで冷却されたヘリウムガスが、第２段目蓄冷器２２Ｂ及び第２段目パルス管２６Ｂで更に冷却される構成とされているため、第２段目パルス管２６Ｂの低温端における温度（第２段目コールドステージ２８Ａの温度）を極低温（例えば４程度）とすることができる。

また、本実施例に係るパルス管冷凍機２０Ｂおいても、蓄冷器カートリッジ４０の低温端部に突出部４２を設けると共に、コールドステージ２８Ｂに蓄冷器カートリッジ４０よりも小径の装着凹部５０を設けたことにより、この装着凹部５０内にヘリウムガスが侵入しても、このヘリウムガスによるコールドステージ２８Ｂ及び第１段目蓄冷器筒３０Ａを変位させようとする力Ｆ２を小さく抑えることができる。これにより、コールドステージ２８Ｂ及び第１段目蓄冷器筒３０Ａに変形が発生することを防止でき、パルス管冷凍機２０Ｂに振動が発生することを抑制することができる。

尚、上記した第１及び第２実施例に係るパルス管冷凍機２０Ａ，２０Ｂは、種々の機器・装置に適用することができる。例えば、超伝導装置、クライオポンプ装置、極低温計測分析装置、及び核磁気共鳴装置の冷凍装置として適用することができる。

図１は、第１の従来例であるパルス管冷凍機の構成図である。 図２は、第２の従来例であるパルス管冷凍機の構成図である。 図３は、第２の従来例であるパルス管冷凍機の構成図であり、真空フランジに変形が発生している状態を示す図である。 図４（Ａ）は、第２の従来例であるパルス管冷凍機の蓄冷器カートリッジの低温端近傍を拡大して示す図である。図４（Ｂ）は、図４（Ａ）におけるＡ−Ａ線に沿う断面図である。 図５は、本発明の第１実施例であるパルス管冷凍機の構成図である。 図６（Ａ）は、本発明の第１実施例であるパルス管冷凍機の蓄冷器カートリッジの低温端近傍を拡大して示す図である。図６（Ｂ）は、図６（Ａ）におけるＢ−Ｂ線に沿う断面図である。 図７は、本発明の第２実施例であるパルス管冷凍機の構成図である。

符号の説明

２０Ａ，２０Ｂ パルス管冷凍機
２１ ヘリウム圧縮機
２２ 蓄冷器
２２Ａ 第１段目蓄冷器
２２Ｂ 第２段目蓄冷器
２３ 切換弁
２４ 連通路
２４Ａ 第１の連通路
２４Ｂ 第２の連通路
２５ 位相調整機構
２６ パルス管
２６Ａ 第１段目パルス管
２６Ｂ 第２段目パルス管
２７ 真空フランジ
２８ コールドステージ
２８Ａ 第１段目コールドステージ
２８Ｂ 第２段目コールドステージ
２９，２９Ａ，２９Ｂ 蓄冷材
３０ 蓄冷器筒
３０Ａ 第１段目蓄冷器筒
３０Ｂ 第２段目蓄冷器筒
３４ フランジ上面
３５ 調整機構底面
３７ 第１の装着孔
３８ 第２の装着孔
３９ 第３の装着孔
４０ 蓄冷器カートリッジ
４１ 係合部
４２ 突出部
４３ 接続孔
４４ ピストンリング
５０ 装着凹部
５１ 凹部底面

Claims (7)

1. 高温端が圧力変動源と接続される蓄冷器カートリッジと、
   低温端がステージ部材を介して該蓄冷器カートリッジの低温端と接続されるパルス管と、
   該パルス管の高温端と接続される位相調節機構と、
   該位相調節機構が配設されるフランジと、
   該フランジと前記ステージ部材との間に設けられ、前記蓄冷器カートリッジが収納される蓄冷器筒とを有するパルス管冷凍機において、
   前記蓄冷器カートリッジの低温端に、前記パルス管と接続するための接続孔が形成されると共に、前記ステージ部材に向け突出する突出部を形成し、
   前記ステージ部材に前記突出部を移動可能に装着する装着凹部を形成し、
   かつ、前記装着凹部の断面積を前記蓄冷器カートリッジの断面積よりも小さく設定したことを特徴とするパルス管冷凍機。
2. 請求項１記載のパルス管冷凍機において、
   前記容器本体と前記蓄冷器カートリッジとの間に、前記容器本体と前記蓄冷器カートリッジの相対的な変位量よりも大きい間隙部を設けたことを特徴とするパルス管冷凍機。
3. 請求項１または２記載のパルス管冷凍機において、
   前記突出部または前記装着凹部の少なくとも一方にピストンリングを配設したことを特徴とするパルス管冷凍機。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載のパルス管冷凍機を備えたことを特徴とする超伝導装置。
5. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載のパルス管冷凍機を備えたことを特徴とするクライオポンプ装置。
6. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載のパルス管冷凍機を備えたことを特徴とする極低温計測分析装置。
7. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載のパルス管冷凍機を備えたことを特徴とする核磁気共鳴装置。

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