JP2007315644A - パルスチューブ冷凍機 - Google Patents

Abstract

【課題】イナータンスチューブのコンパクト化を図りつつ、イナータンスチューブを簡単に密着固定できるようにする。
【解決手段】イナータンスチューブとして機能するガス流路が形成されたイナータンスブロック２４をパルスチューブ冷凍機に設け、イナータンスブロック２４は、渦巻き状の溝が設けられた板状部材２４ａ、２４ｂを積層してガス流路を構成する。
【選択図】 図１

Description

本発明はパルスチューブ冷凍機に関し、特に、パルスチューブ冷凍機に設けられたイナータンスチューブの構成方法に適用して好適なものである。

パルスチューブ冷凍機は、構造が単純、冷凍部が低振動、しかも長寿命・高信頼性で保守が容易であることから、長時間の無保守運転や低振動が要求される用途への利用が期待され、民生用としては通信分野等での高温超伝導デバイスの冷却や医療用に、宇宙用としては赤外線デバイス等の冷却用への応用が有望である。
図１０は、従来のパルスチューブ冷凍機の概略構成を示す断面図である。

図１０において、パルスチューブ冷凍機では、膨張機が圧縮機１１と一体的に構成されている。そして、圧縮機１１には、対向配置された１対のピストン１６およびピストン１６を軸方向に駆動するリニアモータが設けられ、これらのピストン１６およびリニアモータはケーシング１２に収容されている。
ここで、リニアモータには、ケーシング１２の内部に固定された固定子およびピストン１６に固定された可動子が設けられている。そして、固定子には、永久磁石１４、永久磁石１４の磁極の端面に結合して閉磁路を形成するヨーク１３が設けられ、可動子には、ヨーク１３の隙間に側方から出入りするコイル１５が設けられている。

そして、ピストン１６およびリニアモータの可動子は、フレクシャーベアリング１７を介して軸方向に変位可能に案内支持されている。また、ピストン１６は数１０μｍの微少すきま（クリアランス）を介してシリンダに挿入され、摺動のないクリアランスシールが構成されている。
また、膨張機には、圧縮機１１に直列に接続されたアフタークーラ１８、蓄冷器１９、コールドヘッド２０、パルス管２１、イナータンスチューブ１２２が設けられるとともに、イナータンスチューブ１２２に接続されたバッファタンク２３が設けられている。そして、パルスチューブ冷凍機内には、例えば、約３ＭＰａのヘリウムガスなどの冷媒ガスが封入されている。

ここで、パルスチューブ冷凍機の膨張機には可動部がなく、パルス管２１内のガス（これをガスピストンと称する）がその役割を担うことができる。そして、ピストン１６を往復運動させることにより圧力振幅を発生させ、位相を進ませる役割のイナータンスチューブ１２２と流量を増加させる役割のバッファタンク２３を使用し、パルス管２１内の圧力とガスピストン位置が最適な位相をとるように調整することにより、ガスピストンをパルス管２１内で作動させ、冷凍を発生させることができる。また、１対のピストン１６を対向して配置することにより、それぞれの慣性力を相殺し発生振動を低減することができる。

また、例えば、特許文献１には、側壁の外面に螺旋状のイナータンスチューブ用溝を形成されたバッファタンクと、バッファタンクの側壁の外面に接合され螺旋状のイナータンスチューブ用溝を気密に覆うスリーブとを設け、イナータンスチューブとして、スリーブで気密に覆われた螺旋状のイナータンスチューブ用溝が形成する螺旋状管部を用いる方法が開示されている。

また、例えば、特許文献２には、イナータンスチューブのコイル部を固定具で一体にしてバッファタンク内に収容して固定する方法が開示されている。
特開２００５−３７０１５号公報 特開２００６−１７４２２号公報

しかしながら、従来のイナータンスチューブは、ステンレス製パイプをコイル状に丸めて圧縮機１１の外周に沿って装着され、コイル径の成型バラツキが大きくなる。このため、コイル内径側と圧縮機１１の外径側との間に隙間が発生し、この隙間が振動発生源になるという問題があった。
また、コイル内径側と圧縮機１１の外径側との間の隙間が振動発生源となるのを防止するために、コイル内径側に固定用リングを装着する方法もあるが、固定面が円筒状であるために、隙間を完全になくすことはできなかった。

また、特許文献１に開示された方法では、イナータンスチューブ用溝がバッファタンクに直接形成されるため、バッファタンクの加工作業が煩雑化し、コストアップを招くという問題があった。
また、特許文献２に開示された方法では、イナータンスチューブのコイル部がそのままバッファタンク内に収容されて固定されるため、イナータンスチューブの固定面との間に隙間が発生し、この隙間が振動発生源になるという問題があった。
そこで、本発明の目的は、イナータンスチューブのコンパクト化を図りつつ、イナータンスチューブを簡単に密着固定することが可能なパルスチューブ冷凍機を提供することである。

上述した課題を解決するために、請求項１記載のパルスチューブ冷凍機によれば、パルス管内で作動するガスピストンの位相制御機構としてイナータンスチューブとバッファタンクが設けられたパルスチューブ冷凍機において、前記イナータンスチューブの少なくとも一部は、渦巻き状の溝が設けられた板状部材を積層してガス流路が形成されたイナータンスブロックにて構成されていることを特徴とする。

これにより、イナータンスチューブをブロック化することができ、イナータンスチューブの固定面を平坦化することが可能となる。このため、イナータンスチューブのコンパクト化を図りつつ、イナータンスチューブを簡単に密着固定することが可能となり、イナータンスチューブの装着面の隙間をなくすことが可能となることから、イナータンスチューブによる振動の発生を低減することができる。

また、請求項２記載のパルスチューブ冷凍機によれば、前記板状部材は少なくとも２層以上積層され、奇数層と偶数層とで渦巻き方向が逆であることを特徴とする。
これにより、イナータンスブロックの中の冷媒ガスの流れが急変するのを防止しつつ、イナータンスチューブをブロック化することができ、ガスピストンの位相制御機能を安定して働かせることができる。

また、請求項３記載のパルスチューブ冷凍機によれば、前記イナータンスブロックは前記バッファタンク内に収容され、前記イナータンスブロックの一端面は前記バッファタンクの内側の平面上に取り付けられていることを特徴とする。
これにより、数ＫＰａの差圧のみしかイナータンスブロックに圧力が作用しないようにすることができ、剛性の低いイナータンスブロックを使用することが可能となるとともに、バッファタンクへの内部漏れに対する感受性も小さくすることができ、イナータンスブロックの小型・軽量化を図ることができる。

また、請求項４記載のパルスチューブ冷凍機によれば、前記イナータンスブロックと前記パルス管との接続部分のイナータンスチューブは、圧縮機内部に内蔵されていることを特徴とする。
これにより、イナータンスチューブが外気に曝されないようにしてイナータンスブロックとパルス管とを接続することができ、圧縮機とバッファタンクとの間の数ＫＰａの差圧のみしかイナータンスチューブに圧力が作用しないようにすることができる。このため、剛性の低いイナータンスチューブを使用することが可能となるとともに、イナータンスチューブの外部シールなどを不要とすることができ、パルスチューブ冷凍機の構成を簡素化することができる。

また、請求項５記載のパルスチューブ冷凍機によれば、前記イナータンスブロックの構成部材はろう付けにて接合されていることを特徴とする。
これにより、従来の切削加工が主体の加工法からワイヤーカットなどの切削粉の少ない加工法を採用することができ、イナータンスブロックの低コスト化を図ることが可能となる。
また、請求項６記載のパルスチューブ冷凍機によれば、前記イナータンスブロックは射出成型にて構成されていることを特徴とする。
これにより、イナータンスブロックのより一層の低コスト化を図ることが可能となるとともに、イナータンスブロックの軽量化を実現することができる。

以上説明したように、本発明によれば、イナータンスチューブをブロック化することにより、イナータンスチューブを簡単に密着固定することが可能となり、イナータンスチューブの装着面の隙間をなくすことが可能となることから、イナータンスチューブによる振動の発生を低減することができる。

以下、本発明の実施形態に係るパルスチューブ冷凍機について図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の第１実施形態に係るパルスチューブ冷凍機の概略構成を示す断面図である。なお、図１０の構成と同一の部分については同一の符号を付し、説明を省略する。
図１において、パルスチューブ冷凍機には、イナータンスチューブとして機能するガス流路が形成されたイナータンスブロック２４が設けられ、イナータンスブロック２４では、渦巻き状の溝が設けられた板状部材２４ａ、２４ｂを積層してガス流路が構成されている。そして、イナータンスブロック２４は、バッファタンク２３の端面の平面上にねじ止めなどの方法にて密着固定することができる。また、イナータンスブロック２４は、圧縮機１１の外側に配されたイナータンスチューブ２２を介してパルス管２１と接続されている。

これにより、イナータンスブロック２４にてイナータンスチューブを構成することができ、イナータンスチューブの固定面を平坦化することが可能となる。このため、イナータンスチューブのコンパクト化を図りつつ、イナータンスチューブを簡単にバッファタンク２３に密着固定することが可能となり、イナータンスチューブの装着面の隙間をなくすことが可能となることから、イナータンスチューブによる振動の発生を低減することができる。

図２は、図１のパルスチューブ冷凍機に設けられたイナータンスブロックの概略構成を示す平面図、図３は、図１のパルスチューブ冷凍機に設けられたイナータンスブロックの概略構成を示す側面図、図４は、図３のＡ−Ａ線で切断したイナータンスブロックの概略構成を示す横断面図、図５は、図３のＢ−Ｂ線で切断したイナータンスブロックの概略構成を示す横断面図、図６は、図２のＣ−Ｃ線で切断したイナータンスブロックの概略構成を示す縦断面図、図７は、図４のＤ−Ｄ線で切断したイナータンスブロックの概略構成を示す縦断面図である。

なお、図３（ａ）は、渦状溝付き部材の２層構造でイナータンスブロックを形成した例、図３（ｂ）は、渦状溝付き部材の４層構造でイナータンスブロックを形成した例を示す。
図２〜図７において、イナータンスブロック２４は、板状部材２４ａ、２４ｂを積層して構成され、板状部材２４ａ上には平板２６が積層されている。ここで、板状部材２４ａ、２４ｂには、ガス流路を構成する渦状溝２７ａ、２７ｂが形成されている。そして、板状部材２４ｂに形成された渦状溝２７ｂは、板状部材２４ｂ上に積層された板状部材２４ａの底面で塞がれ、板状部材２４ａに形成された渦状溝２７ａは、板状部材２４ａ上に積層された平板２６で塞がれている。

なお、板状部材２４ａ、２４ｂおよび平板２６は、例えば、銅合金などで構成し、拡散接合やろう付けなどにて接合することができる。
ここで、渦状溝２７ａ、２７ｂは、板状部材２４ａ、２４ｂの奇数層と偶数層とで渦巻き方向が逆になるように形成することができ、例えば、渦状溝２７ａは反時計回り、渦状溝２７ｂは時計回りとすることができる。
そして、板状部材２４ａにおいて、渦状溝２７ａの中心部には、部材入口２６ａが設けられるとともに、渦状溝２７ａの外端部には、部材出口２６ｂが設けられている。また、板状部材２４ｂにおいて、渦状溝２７ｂの外端部には、部材入口２８ａが設けられるとともに、渦状溝２７ｂの中心部には、部材出口２８ｂが設けられている。

また、平板２６の中心部には、平板２６を貫通させて構成されたイナータンス入口２５ａが設けられ、板状部材２４ａの部材出口２６ｂには、板状部材２４ａを貫通させて構成されたイナータンス接続口２８が設けられ、板状部材２４ｂの部材出口２８ｂには、板状部材２４ｂを貫通させて構成されたイナータンス出口２５ｂが設けられている。そして、板状部材２４ａ、２４ｂは、部材入口２６ａと部材出口２８ｂが重なるとともに、部材出口２６ｂと部材入口２８ａが重なるように積層されている。

そして、イナータンスチューブ２２からイナータンスブロック２４に送出された冷媒ガスは、イナータンス入口２５ａ→部材入口２６ａ→渦状溝２７ａ→部材出口２６ｂ→イナータンス接続口２８→部材入口２８ａ→渦状溝２７ｂ→部材出口２８ｂ→イナータンス出口２５ｂという経路を介してバッファタンク２３に流れ込むことができる。
ここで、板状部材２４ａ、２４ｂの奇数層と偶数層とで渦巻き方向が逆になるように形成することで、板状部材２４ａ、２４ｂ間を冷媒ガスが移動するときに、イナータンスブロック２４中の冷媒ガスの流れが急変するのを防止することができ、ガスピストンの位相制御機能を安定して働かせることができる。

なお、イナータンスブロック２４にて構成されたイナータンスチューブの長さは板状部材２４ａ、２４ｂの積層数を変えたり、渦状溝２７ａ、２７ｂの終端位置を変えることで調整することができる。例えば、図３（ａ）に示すように、板状部材２４ａ、２４ｂの２層構成としたり、図３（ｂ）に示すように、板状部材２４ａ〜２４ｄの４層構成としたりすることができる。

また、渦状溝２７ａ、２７ｂが形成された板状部材２４ａ、２４ｂとしては、平板に溝を直接形成するようにしてもよいが、例えば、渦状スリットが形成された板状部材と平板とをロウ材にて一体化することで、渦状溝２７ａ、２７ｂが形成された板状部材２４ａ、２４ｂを構成するようにしてもよい。
また、渦状溝２７ａ、２７ｂが形成された板状部材２４ａ、２４ｂをＰＰＳなどの射出成型樹脂にて構成し、これらの部材を加熱接着したり、接着剤などで貼り合わせたりするようにしてもよい。特に、イナータンスブロック２４をバッファタンク２３に内蔵することで、これらの部材の境界面からの漏れを一定量は許容することができ、このような方法を用いることが可能となる。

図８は、本発明の第２実施形態に係るパルスチューブ冷凍機の概略構成を示す断面図である。
図８において、イナータンスブロック２４はバッファタンク２３内に収容され、イナータンスブロック２４の一端面はバッファタンク２３の内側の平面上に密着固定されている。
これにより、イナータンスチューブによる数ＫＰａの差圧のみしかイナータンスブロック２４の外壁に圧力が作用しないようにすることができ、剛性の低いイナータンスブロック２４を使用することが可能となるとともに、バッファタンク２３への内部漏れに対する感受性も小さくすることができる。このため、イナータンスブロック２４の隔壁を薄くすることがで可能となるとともに、イナータンスブロック２４の材質としてステンレスの代わりに樹脂などを用いることが可能となり、イナータンスブロック２４の小型・軽量化、低コスト化を図ることができる。

図９は、本発明の第３実施形態に係るパルスチューブ冷凍機の概略構成を示す断面図である。
図９において、イナータンスブロック２４とパルス管２１との接続部分のイナータンスチューブ２２は、圧縮機１１内部に内蔵されている。
これにより、イナータンスチューブ２２が外気に曝されないようにしてイナータンスブロック２４とパルス管２１とを接続することができ、圧縮機１１とバッファタンク２３との間の数ＫＰａの差圧のみしかイナータンスチューブ２２に圧力が作用しないようにすることができる。このため、剛性の低いイナータンスチューブ２２を使用することが可能となるとともに、イナータンスチューブ２２の外部シールやフランジなどを不要とすることができ、パルスチューブ冷凍機の構成を簡素化することができる。

本発明の第１実施形態に係るパルスチューブ冷凍機の概略構成を示す断面図である。 図１のパルスチューブ冷凍機に設けられたイナータンスブロックの概略構成を示す平面図である。 図１のパルスチューブ冷凍機に設けられたイナータンスブロックの概略構成を示す側面図である。 図３のＡ−Ａ線で切断したイナータンスブロックの概略構成を示す横断面図である。 図３のＢ−Ｂ線で切断したイナータンスブロックの概略構成を示す横断面図である。 図２のＣ−Ｃ線で切断したイナータンスブロックの概略構成を示す縦断面図である。 図４のＤ−Ｄ線で切断したイナータンスブロックの概略構成を示す縦断面図である。 本発明の第２実施形態に係るパルスチューブ冷凍機の概略構成を示す断面図である。 本発明の第３実施形態に係るパルスチューブ冷凍機の概略構成を示す断面図である。 従来のパルスチューブ冷凍機の概略構成を示す断面図である。

符号の説明

１１ 圧縮機
１２ ケーシング
１３ ヨーク
１４ 永久磁石
１５ コイル
１６ ピストン
１７ フレクシャーベアリング
１８ アフタークーラ
１９ 蓄冷器
２０ コールドヘッド
２１ パルス管
２２ イナータンスチューブ
２３ バッファタンク
２４ イナータンスブロック
２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄ 溝付き板状部材
２５ａ イナータンス入口
２５ｂ イナータンス出口
２６ 平板
２７ａ、２７ｂ 渦状溝
２８ イナータンス接続口

Claims (6)

1. パルス管内で作動するガスピストンの位相制御機構としてイナータンスチューブとバッファタンクが設けられたパルスチューブ冷凍機において、
   前記イナータンスチューブの少なくとも一部は、渦巻き状の溝が設けられた板状部材を積層してガス流路が形成されたイナータンスブロックにて構成されていることを特徴とするパルスチューブ冷凍機。
2. 前記板状部材は少なくとも２層以上積層され、奇数層と偶数層とで渦巻き方向が逆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。
3. 前記イナータンスブロックは前記バッファタンク内に収容され、前記イナータンスブロックの一端面は前記バッファタンクの内側の平面上に取り付けられていることを特徴とする請求項１または２記載のパルスチューブ冷凍機。
4. 前記イナータンスブロックと前記パルス管との接続部分のイナータンスチューブは、圧縮機内部に内蔵されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載のパルスチューブ冷凍機。
5. 前記イナータンスブロックの構成部材はろう付けにて接合されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項記載のパルスチューブ冷凍機。
6. 前記イナータンスブロックは射出成型にて構成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項記載のパルスチューブ冷凍機。

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