JP2007093120A

JP2007093120A - パルスチューブ冷凍機

Info

Publication number: JP2007093120A
Application number: JP2005283564A
Authority: JP
Inventors: Yasumi Otani; 安見大谷; Takashi Yazawa; 孝矢澤; Toru Kuriyama; 透栗山; Masami Urata; 昌身浦田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2005-09-29
Filing date: 2005-09-29
Publication date: 2007-04-12
Anticipated expiration: 2025-09-29
Also published as: JP4718957B2

Abstract

【課題】ガス位相制御機構系内の冷媒ガスの温度を常に一定値に維持し、冷凍性能の安定化を図ったパルスチューブ冷凍機の提供。
【解決手段】圧縮室２３に収容され、ピストン２５ａ，２５ｂを往復動させて冷媒ガスを圧縮するリニアモータ２６ａ，２６ｂを備えるガス圧縮系２０と、このガス圧縮系２０からの冷媒ガスをアフタークーラ２９、蓄冷器３０、冷却ステージ３１を順次介装して膨張させるパルス管３２を備えるガス膨張系２１と、このガス膨張系２１に接続され、前記パルス管３２内の冷媒ガスの圧力、変位の位相差を制御するガス位相制御機構系２２とで構成するパルスチューブ冷凍機において、前記リニアモータ２６ａ，２６ｂ、前記アフタークーラ２９、前記パルス管３２の高温部３２ａを順次冷却させる冷却管系２８に直列接続させ、前記ガス位相制御機構系２２のバッファタンク３４に設けたバッファ冷却部３６と接続させる冷却系３５を備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、パルスチューブ冷凍機に係り、特にスターリングタイプのパルスチューブ冷凍機に改良を加えて冷凍性能のより一層の向上を図ったパルスチューブ冷凍機に関する。

一般に、パルスチューブ冷凍機は、大別してガス圧縮部の出口側に開閉バルブを備えるＧＭタイプのものと、開閉バルブを備えていないスターリングタイプのものとがあるが、これらのうち、スターリングタイプのものの方が冷媒ガスを圧縮するとき低振動であり、また高速化が可能であり、さらに、小型化が可能であり、オイルフリーの観点から信頼性が高く、販路の拡大が期待されている。

このように、販路拡大が期待されているスターリングタイプのパルスチューブ冷凍機は、図６に示すように、ガス圧縮系１、ガス膨張系２およびガス位相制御機構系３を備えている。

ガス圧縮系１は、圧縮室４のシリンダ５に収容され、対向配置させたピストン６ａ，６ｂと、これらピストン６ａ，６ｂを直線的に往復動させるために駆動するリニアモータ７ａ，７ｂと、リニアモータ７ａ，７ｂを、冷却媒体で冷却する冷却管系８を備え、リニアモータ７ａ，７ｂの駆動力によってピストン６ａ，６ｂを往復動させて、例えばヘリウム等の冷媒ガスを圧縮し、圧縮した高圧の冷媒ガスを通路５ａを介してガス膨張系２に供給する一方、リニアモータ７ａ，７ｂを冷却管系８で冷却させている。

また、ガス膨張系２は、ガス圧縮系１からの高圧冷媒ガスを室温までに冷却させるアフタークーラ９と、寒冷を蓄冷させる蓄冷材を備えた蓄冷器１０と、この蓄冷器１０に冷却ステージ１１を介装させて接続する円筒状のパルス管１２と、このパルス管１２の高温部１２ａに装着され、アフタークーラ９から延びる冷却管系８を備え、冷媒ガスの圧縮行程に際し、ガス圧縮系１からの高圧冷媒ガスをアフタークーラ９で冷却させた後、蓄冷器１０の蓄冷材からの寒冷を受けてより一層温度を下げ、さらに冷却ステージ１１を介してパルス管１２に供給し、ここで膨張させている。

冷媒ガスの膨張行程に際し、ガス膨張系２は、パルス管１２内の冷媒ガスの変位振動と圧力振動との位相をずらし、冷媒ガス自身の温度をより一層低くさせている。

なお、パルス管１２の高温部１２ａは、冷媒ガスの膨張の際、熱が集まるので、当該部分を冷却管系８で冷却させた後、排出管系１５から外部に冷却媒体を排出させている。

膨張行程で、より一層寒冷になった冷媒ガスは、ガス圧縮系１に戻るとき、冷却ステージ１１で、例えば超電導コイルの熱を吸収し、さらに蓄冷器１０の蓄冷材で寒冷を与える。蓄冷材に蓄冷を与えた冷媒ガスは、自身熱を受ける。熱を受けた冷媒ガスはアフタークーラ９で冷却される。

ガス圧縮系１の圧縮室４に戻った冷媒ガスは、再び圧縮が行われる。

また、ガス位相制御機構系３は、管状のイナータンスチューブ１３とバッファタンク１４とを組み合わせて構成し、パルス管１２内で膨張行程を終えた冷媒ガスがガス圧縮系１に戻るとき、パルス管１２内の冷媒ガスの変位がガス圧縮系１内の冷媒ガスの変位に対して位相遅れとなるようにイナータンスチューブ１３およびバッファタンク１４内の冷媒ガスからの押圧力（慣性力）をパルス管１２内の冷媒ガスに与え、次の圧縮行程への円滑な移行に対処させている。

このように、従来のスターリングタイプのパルスチューブ冷凍機は、構造を簡素化させて冷媒ガスを寒冷化させていた。

なお、スターリングタイプのパルスチューブ冷凍機は、例えば、特許文献１や特許文献２で見られるように、数多の発明が開示されている。
特開２００１−３０４７０８号公報特開２００３−１３９４２６号公報

ところで、ガス位相制御機構系３は、大気中に放置され、室温状態で維持されている。

ところが、ガス位相制御機構系３は、冷媒ガスが管内の圧力損失等を受け、発熱して室温よりも高くなり、冷凍性能に悪い影響を与えることがあった。特に、バッファタンク１４は、容積が冷凍機全体の容積の大部分を占めている。このため、バッファタンク１４内の冷媒ガスの温度が上昇すると、冷凍機内部の平均圧力も変化し、冷凍性能を著しく低下させる要因になっていた。

従来、このような事象に対して何らの対策も講じておらず、専ら、自然冷却に委ねるのみであった。

しかし、自然冷却に委ねていたのでは、安定温度に戻すまでに長い時間を要し、また、安定温度に戻すまでの間に、例えばイナータンスチューブ１３内の冷媒ガスが昇温すると、冷凍性能が設計値を維持できなくなり、何らかの改善策が求められていた。

本発明は、このような事情に基づいてなされたものであり、ガス位相制御機構系内の冷媒ガスの温度を常に一定値に維持させておき、冷凍性能を設計値どおりに維持させるよう安定化を図ったパルスチューブ冷凍機を提供することを目的とする。

本発明に係るパルスチューブ冷凍機は、上述の目的を達成するために、請求項１に記載したように、圧縮室に収容され、ピストンを往復動させて冷媒ガスを圧縮するリニアモータを備えるガス圧縮系と、このガス圧縮系からの冷媒ガスをアフタークーラ、蓄冷器、冷却ステージを順次介装して膨張させるパルス管を備えるガス膨張系と、このガス膨張系に接続され、前記パルス管内の冷媒ガスの圧力、変位の位相差を制御するガス位相制御機構系とで構成するパルスチューブ冷凍機において、前記リニアモータ、前記アフタークーラ、前記パルス管の高温部を順次冷却させる冷却管系に直列接続させ、前記ガス位相制御機構系のバッファタンクに設けたバッファ冷却部と接続させる冷却系を備えたものである。

また、本発明に係るパルスチューブ冷凍機は、上述の目的を達成するために、請求項２に記載したように、バッファタンクは、冷媒ガスを区分けして流し、均温度化させる仕切りを備えたものである。

また、本発明に係るパルスチューブ冷凍機は、上述の目的を達成するために、請求項３に記載したように、仕切りは、金属板および金網のうち、いずれかを選択したものである。

また、本発明に係るパルスチューブ冷凍機は、上述の目的を達成するために、請求項４に記載したように、バッファタンクに設けたバッファ冷却部は、ジャケットであることを特徴とする。

また、本発明に係るパルスチューブ冷凍機は、上述の目的を達成するために、請求項５に記載したように、圧縮室に収容され、ピストンを往復動させて冷媒ガスを圧縮するリニアモータを備えるガス圧縮系と、このガス圧縮系からの冷媒ガスをアフタークーラ、蓄冷器、冷却ステージを順次介装して膨張させるパルス管を備えるガス膨張系と、このガス膨張系に接続され、前記パルス管内の冷媒ガスの圧力、変位の位相差を制御するガス位相制御機構系とで構成するパルスチューブ冷凍機において、前記リニアモータに冷却媒体を供給する冷却媒体供給系に冷却媒体の流量を制御する冷却媒体温度制御装置を備えたものである。

また、本発明に係るパルスチューブ冷凍機は、上述の目的を達成するために、請求項６に記載したように、冷却媒体温度制御装置は、圧縮室の温度を検出する温度センサと、この温度センサで検出した温度信号に基づいて演算した弁開閉信号を冷却媒体供給系に設けた流量制御弁に与える演算制御部とを備えたものである。

また、本発明に係るパルスチューブ冷凍機は、上述の目的を達成するために、請求項７に記載したように、圧縮室に収容され、ピストンを往復動させて冷媒ガスを圧縮するリニアモータを備えるガス圧縮系と、このガス圧縮系からの冷媒ガスをアフタークーラ、蓄冷器、冷却ステージを順次介装して膨張させるパルス管を備えるガス膨張系と、このガス膨張系に接続され、前記パルス管内の冷媒ガスの圧力、変位の位相差を制御するガス位相制御機構系とで構成するパルスチューブ冷凍機において、前記ガス位相制御機構系のイナータンスチューブを前記ガス圧縮系に巻装するとともに、巻装する前記イナータンスチューブをバッファタンクに接続させる構成にしたものである。

また、本発明に係るパルスチューブ冷凍機は、上述の目的を達成するために、請求項８に記載したように、バッファタンクは、ガス圧縮系に当接させる構成にしたものである。

また、本発明に係るパルスチューブ冷凍機は、上述の目的を達成するために、請求項９に記載したように、請求項１〜８記載のパルスチューブ冷凍機を超電導コイルに適用するものである。

また、本発明に係るパルスチューブ冷凍機は、上述の目的を達成するために、請求項１０に記載したように、請求項１〜８記載のパルスチューブ冷凍機を超電導電流リードに適用するものである。

本発明に係るパルスチューブ冷凍機は、ガス圧縮系のリニアモータ、ガス膨張系のアフタークーラ、パルス管の高温部を順次冷却させる冷却管系に直列接続させ、バッファタンクに設けたバッファ冷却部と接続させる冷却系を備えたので、ガス位相制御機構系内の冷媒ガスの温度を一定値に維持させて冷凍性能を高く維持させ、その性能の安定化を図ることができる。

以下、本発明に係るパルスチューブ冷凍機の実施形態を図面および図面に付した符号を引用して説明する。

図１は、本発明に係るパルスチューブ冷凍機の第１実施形態を示す概念図である。

本実施形態に係るパルスチューブ冷凍機は、ガス圧縮系２０、ガス膨張系２１およびガス位相制御機構系２２を備えている。

ガス圧縮系２０は、圧縮室２３のシリンダ２４に収容され、対向配置させたピストン２５ａ，２５ｂと、これらピストン２５ａ，２５ｂを直線的に往復動させるために駆動するリニアモータ２６ａ，２６ｂと、リニアモータ２６ａ，２６ｂを冷却媒体で冷却する冷却管系２８を備え、リニアモータ２６ａ，２６ｂの駆動力によってピストン２５ａ，２５ｂを往復動させ、これに伴って冷媒ガスを圧縮し、圧縮した高圧冷媒ガスを通路２７を介してガス膨張系２１に供給している。

その際、リニアモータ２６ａ，２６ｂは、冷却管系２８を流れる冷却媒体で冷却される。

また、ガス膨張系２１は、ガス圧縮系２０から供給された高圧冷媒ガスを室温までに冷却させるアフタークーラ２９と、寒冷を蓄冷させる、例えば、Ｅｒ_３Ｎｉ系などの金属間化合物からなる磁性粒子の蓄冷材を備えた蓄冷器３０と、この蓄冷器３０に冷却ステージ３１を介装させて接続する円筒状のパルス管３２と、このパルス管３２の高温部３２ａに装着され、アフタークーラ２９から延びる冷却管系２８を備え、冷媒ガスの圧縮行程に際し、ガス圧縮系２０からの高圧冷媒ガスをアフタークーラ２９で冷却させた後、蓄冷器３０の蓄冷材からの寒冷を受け、より一層温度を下げ、さらに冷却ステージ３１を介してパルス管３２に供給し、ここで膨張させている。

冷媒ガスの膨張の際、ガス膨張系２１は、パルス管３２内の冷媒ガスの変位振動と圧力変動との位相をずらし、冷媒ガス自身をより一層寒冷にさせている。

なお、パルス管３２の高温部３２ａは、冷媒ガスの膨張の際、熱が集まるので、当該部分を冷却管系２８で冷却させている。

また、膨張工程で、より一層寒冷になった冷媒ガスは、ガス圧縮系２０に戻るとき、冷却ステージ３１において、超電導コイル、あるいは超電導電流リードの熱を吸収し、さらに蓄冷器３０の蓄冷材に寒冷を与え、アフタークーラ２９で冷却される。

ガス圧縮系２０の圧縮室２３に戻った冷媒ガスは、再び圧縮行程に移行する。

一方、ガス位相制御機構系２２は、管状のイナータンスチューブ３３とバッファタンク３４を備え、パルス管３２内で膨張工程を終えた冷媒ガスがガス圧縮系２０に戻るとき、パルス管３２内の冷媒ガスの変位が、ガス圧縮系２０内の冷媒ガスの変位に対して位相遅れとなるようにイナータンスチューブ３３およびバッファタンク３４内の冷媒ガスからの押圧力（慣性力）をパルス管３２内の冷媒ガスに与え、次の圧縮行程への円滑な移行に対処させている。

このような構成を備えるスターリングタイプのパルスチューブ冷凍機において、本実施形態では、ガス位相制御機構系２２に冷却系３５を設け、ガス位相制御機構系２２内の冷媒ガスの温度を一定値に維持させたものである。

すなわち、本実施形態は、ガス膨張系２１におけるパルス管３２の高温部３２ａに設けた冷却管系２８に連通して延長し、バッファタンク３４に設けた、例えば、ジャケット等のバッファ冷却部３６に接続する冷却系３５を備え、この冷却系３５から供給される冷却媒体によってバッファタンク３４を冷却し、バッファタンク３４内の冷媒ガスを一定温度に維持させている。冷媒ガスを一定温度に維持させておくと、ガス圧縮系２０におけるピストン２５ａ，２５ｂは、設計値のストロークで往復動させることができる。

図２は、ピストン２５ａ，２５ｂの挙動を示すストローク線図である。この線図から、ガス位相制御機構系２２内の冷媒ガスを一定温度に維持させると、ガス圧縮系２０におけるピストン２５ａ，２５ｂは、設計値のストロークで往復動していることが認められた。

このように、本実施形態は、バッファタンク３４に設けたバッファ冷却部３６に、パルス管３２の高温部３２ａに設けた冷却管系２８に接続させる冷却系３５を備え、この冷却系３５からバッファ冷却部３６に冷却媒体を供給してバッファタンク３４内の冷媒ガスの温度を一定値に維持させたので、冷媒ガスの圧損等による昇温に影響されることもなく、冷凍性能を高い状態に維持させてその性能の安定化を図ることができる。

また、本実施形態は、冷却媒体供給系３８からの冷却媒体でリニアモータ２６ａ，２６ｂ、アフタークーラ２９、パルス管３２の高温部３２ａを順次冷却させる冷却管系２８に連通し、パルス管３２の高温部３２ａとバッファタンク３４に設けたバッファ冷却部３６とを互いに接続させる冷却系３５を接続させる構成にしているので、冷却媒体の共用化を図ってランニングコストを低減させることができる。また、何らかの事情でバッファタンク３４内の冷媒ガスが昇温しても、装置全体が冷却されているので、その昇温はそれほど高くなく、したがって、ガス位相制御機構系２２からガス膨張系２１への位相制御を何ら支障なく良好に行うことができる。

図３は、本発明に係るパルスチューブ冷凍機の第２実施形態を示す概念図である。

なお、第１実施形態の構成要素と同一構成要素には、同一符号を付し、重複説明を省略する。

本実施形態は、第１実施形態と同様に、ガス膨張系２１におけるパルス管３２の高温部３２ａに設けた冷却管系２８に連通して延長し、バッファタンク３４に設けた、具体的にはジャケット等のバッファ冷却部３６に接続する冷却系３５を備えるとともに、ガス位相制御機構系２２のバッファタンク３４内に積層状に配置する、例えば銅製の金属板または金網等の仕切り３７を設け、仕切り３７によって区分けされたバッファタンク３４内の冷媒ガスとバッファタンク３４の外側に設けバッファ冷却部３６との熱交換を良好にさせ、バッファタンク３４内の冷媒ガスを全域に亘って均温度化させたものである。

このように、本実施形態は、バッファタンク３４内に仕切り３７を設け、バッファタンク３４内の冷媒ガスとバッファタンク３４の外側に設けたバッファ冷却部３６との熱交換を良好にさせ、冷媒ガスを全域に亘って均温度化させたので、冷媒ガスの冷凍性能を高く維持させ、その性能の安定化を図ることができる。

図４は、本発明に係るパルスチューブ冷凍機の第３実施形態を示す概念図である。

なお、第１実施形態の構成要素と同一構成要素には、同一部号を付し、重複説明を省略する。

本実施形態は、第１実施形態と同様にガス膨張系２１におけるパルス管３２の高温部３２ａに設けた冷却管系２８に連通して延長し、バッファタンク３４に設けた、例えばジャケット等のバッファ冷却部３６に接続する冷却系３５を備えるとともに、ガス圧縮系２０のリニアモータ２６ａ，２６ｂに冷却媒体を供給する冷却媒体供給系３８に冷却媒体温度制御装置３９を備えたものである。

この冷却媒体温度制御装置３９は、温度センサ４０、演算制御部４１、流量制御弁４２を備え、ガス圧縮系２０における圧縮室２３の温度を温度センサ４０で検出し、演算制御部４１で検出した温度信号に基づいて弁開閉信号を演算し、演算した弁開閉信号を冷却媒体供給系３８に設けた流量制御弁４２に与えて冷却媒体の流量を調整している。

このように、本実施形態は、ガス圧縮系２０に冷却媒体温度制御装置３９を設け、冷却媒体供給系３８からガス圧縮系２０のリニアモータ２６ａ，２６ｂに供給する冷却媒体の流量調整を行うので、冷却媒体を適正量に調整してランニングコストの低減化を図ることができ、リニアモータ２６ａ，２６ｂに安定運転を行わせることができる。

図５は、本発明に係るパルスチューブ冷凍機の第４実施形態を示す概念図である。

本実施形態は、ガス位相制御機構系２２のイナータンスチューブ３３をガス圧縮系２０の圧縮室２３まで延ばして圧縮室２３に巻装させ、巻装させたイナータンスチューブ３３をバッファタンク３４に接続させるとともに、バッファタンク３４を圧縮室２３に当接させる構成にしたものである。

このように、本実施形態は、イナータンスチューブ３３を圧縮室２３まで延ばして圧縮室２３に巻装させ、巻装させたイナータンスチューブ３３をバッファタンク３４に接続させるとともに、バッファタンク３４を圧縮室２３に当接させる構成にしたので、イナータンクチューブ３３およびバッファタンク３４を流れる冷媒ガスで圧縮室２３を冷却させることができ、冷却の共通化を図って装置全体のコンパクト化を図ることができる。

本発明に係るパルスチューブ冷凍機の第１実施形態を示す概念図。本発明に係るパルスチューブ冷凍機におけるピストンの挙動を示すストローク線図。本発明に係るパルスチューブ冷凍機の第２実施形態を示す概念図。本発明に係るパルスチューブ冷凍機の第３実施形態を示す概念図。本発明に係るパルスチューブ冷凍機の第４実施形態を示す概念図。従来のパルスチューブ冷凍機を示す概念図。

符号の説明

１ガス圧縮系
２ガス膨張系
３ガス位相制御機構系
４圧縮室
５シリンダ
５ａ通路
６ａ，６ｂピストン
７ａ，７ｂリニアモータ
８冷却管系
９アフタークーラ
１０蓄冷器
１１冷却ステージ
１２パルス管
１２ａ高温部
１３イナータンスチューブ
１４バッファタンク
１５排出管系
２０ガス圧縮系
２１ガス膨張系
２３ガス位相制御機構系
２４圧縮室
２５シリンダ
２５ａ，２５ｂピストン
２６ａ，２６ｂリニアモータ
２７通路
２８冷却管系
２９アフタークーラ
３０蓄冷器
３１冷却ステージ
３２パルス管
３２ａ高温部
３３イナータンスチューブ
３４バッファタンク
３５冷却系
３６バッファ冷却部
３７仕切り
３８冷却媒体供給系
３９冷却媒体温度制御装置
４０温度センサ
４１演算制御部
４２流量制御弁

Claims

圧縮室に収容され、ピストンを往復動させて冷媒ガスを圧縮するリニアモータを備えるガス圧縮系と、このガス圧縮系からの冷媒ガスをアフタークーラ、蓄冷器、冷却ステージを順次介装して膨張させるパルス管を備えるガス膨張系と、このガス膨張系に接続され、前記パルス管内の冷媒ガスの圧力、変位の位相差を制御するガス位相制御機構系とで構成するパルスチューブ冷凍機において、前記リニアモータ、前記アフタークーラ、前記パルス管の高温部を順次冷却させる冷却管系に直列接続させ、前記ガス位相制御機構系のバッファタンクに設けたバッファ冷却部と接続させる冷却系を備えたことを特徴とするパルスチューブ冷凍機。
バッファタンクは、冷媒ガスを区分けして流し、均温度化させる仕切りを備えたことを特徴とする請求項１記載のパルスチューブ冷凍機。
仕切りは、金属板および金網のうち、いずれかを選択したことを特徴とする請求項２記載のパルスチューブ冷凍機。
バッファタンクに設けたバッファ冷却部は、ジャケットであることを特徴とする請求項１記載のパルスチューブ冷凍機。
圧縮室に収容され、ピストンを往復動させて冷媒ガスを圧縮するリニアモータを備えるガス圧縮系と、このガス圧縮系からの冷媒ガスをアフタークーラ、蓄冷器、冷却ステージを順次介装して膨張させるパルス管を備えるガス膨張系と、このガス膨張系に接続され、前記パルス管内の冷媒ガスの圧力、変位の位相差を制御するガス位相制御機構系とで構成するパルスチューブ冷凍機において、前記リニアモータに冷却媒体を供給する冷却媒体供給系に冷却媒体の流量を制御する冷却媒体温度制御装置を備えたことを特徴とするパルスチューブ冷凍機。
冷却媒体温度制御装置は、圧縮室の温度を検出する温度センサと、この温度センサで検出した温度信号に基づいて演算した弁開閉信号を冷却媒体供給系に設けた流量制御弁に与える演算制御部とを備えたことを特徴とする請求項５記載のパルスチューブ冷凍機。
圧縮室に収容され、ピストンを往復動させて冷媒ガスを圧縮するリニアモータを備えるガス圧縮系と、このガス圧縮系からの冷媒ガスをアフタークーラ、蓄冷器、冷却ステージを順次介装して膨張させるパルス管を備えるガス膨張系と、このガス膨張系に接続され、前記パルス管内の冷媒ガスの圧力、変位の位相差を制御するガス位相制御機構系とで構成するパルスチューブ冷凍機において、前記ガス位相制御機構系のイナータンスチューブを前記ガス圧縮系に巻装するとともに、巻装する前記イナータンスチューブをバッファタンクに接続させる構成にしたことを特徴とするパルスチューブ冷凍機。
バッファタンクは、ガス圧縮系に当接させる構成にしたことを特徴とする請求項７記載のパルスチューブ冷凍機。
請求項１〜８記載のパルスチューブ冷凍機を超電導コイルに適用することを特徴とするパルスチューブ冷凍機。
請求項１〜８記載のパルスチューブ冷凍機を超電導電流リードに適用することを特徴とするパルスチューブ冷凍機。