JP2008116141A - パルスチューブ冷凍機の位相制御機構 - Google Patents

Abstract

【課題】イナータンスチューブで発生する振動を、コストアップや大型化を招くことなく、簡単な構成にて効果的に低減するパルスチューブ冷凍機の位相制御機構を提供する。
【解決手段】パルスチューブ冷凍機１００の位相制御機構５の構成要素であるイナータンスチューブ５１のコイル部５１２を、圧縮機１の長手方向および膨張機３の構成要素であるパルスチューブ３３の長手方向に対してそれぞれ垂直な軸と平行な中心軸まわりに巻かれる弦巻状のコイル部とした。
【選択図】図１

Description

本発明は、極低温冷凍機であるパルスチューブ冷凍機の位相制御機構に関する。

液体窒素温度のような極低温を発生する小型の冷凍機としては、パルスチューブ冷凍機が良く知られている。
ここに従来技術のパルスチューブ冷凍機について図を参照しつつ説明する。図７は従来技術のパルスチューブ冷凍機の構成図である。図７で示すパルスチューブ冷凍機１０００は、圧縮機１、高温側熱交換器２、膨張機３および位相制御機構４を備える。

圧縮機１は、さらに一対のリニアモータ１１と、これらによって左右に往復駆動される一対のピストン１２と、ピストン１２の外側を囲み、中央に作動ガスの出入り口を有するシリンダ１３と、これらの外側を作動ガスの出入り口を除いて気密に包むケース１４と、を有する。一対のピストン１２がシリンダ１３内で向き合って対向している。

膨張機３は、蓄冷器３１、低温端部３２、パルスチューブ３３、高温端部３４、を備える。
位相制御機構４は、イナータンスチューブ４１、バッファタンク４２を備える。イナータンスチューブ４１は、内径２〜４ｍｍ程度あり、また、全長が２〜４ｍ程度の長さの銅やステンレス等の金属管を成形して構成され、高温端部３４に繋がる導入部４１１と、中間の大部分を円筒や楕円等のコイル状に成形されたコイル部４１２と、バッファタンク４２に繋がる導出部４１３と、を有する。
バッファタンク４２は、プレス加工または機械加工で製作される。イナータンスチューブ４１およびバッファタンク４２の両者は、溶接やろう付け等の接合や、金属シール等の機械的気密接続法により気密を確保しつつ接続される。

パルスチューブ冷凍機１０００が極低温を発生する動作原理は、以下の通りに理解されている。
このパルスチューブ冷凍機１０００においては、上記のような圧縮機１、高温側熱交換器２、膨張機３、位相制御機構４により冷凍回路系が形成されており、極低温を発生するための作動ガスとしてヘリウムガス等が用いられる。作動ガスは、圧縮機１から位相制御機構４までの内部空間に数ＭＰａ程度の圧力で封入され、圧縮機１によって圧縮と膨張とが繰り返される。作動ガスは、圧縮機１から位相制御部４までの間の一連の系の中で往復動流として流れる。

ピストン１２により作動ガスを圧縮させて作動ガスの放出方向に動作すると、圧縮機１のピストン１２の圧縮された作動ガスは、高温側熱交換器２に流入し、ここで圧縮熱を放散する。
位相制御機構４へ流出する作動ガスの圧力は位相制御機構４の位相制御作用によって制御され、蓄冷器３１から低温端部３２を通ってパルスチューブ３３へ流入する作動ガスが、膨張仕事を行って低温端部３２を冷却する。一方、高温端部３４からは、膨張仕事に相当する熱量が放熱される。

ピストン１２により作動ガスを膨張させて作動ガスの吸引方向に動作すると、低温化した作動ガスは低温端部３２および蓄冷器３１を冷却しながら圧縮機１に戻る。この作動ガスの往復運動の繰り返しにより、低温端部３２に液体窒素温度（約−２００℃）以下の極低温が得られる。パルスチューブ冷凍機１０００の動作はこのようなものである。

このようなパルスチューブ冷凍機の構造や動作は、例えば特許文献１（特開２００２−２０６８１６号公報）および特許文献２（特開２００４−２８５０１号公報）に開示されている。

上述したように、従来技術によるパルスチューブ冷凍機１０００の位相制御機構４が有するイナータンスチューブ４１やバッファタンク４２は、他の部品とは別個に製作され、パルスチューブ冷凍機１０００に組み込まれる。一般的にイナータンスチューブ４１は、図７でも明らかなように、そのままの形状では占有スペースが大きいものであり、小型化が必要とされている。

このような小型化に配慮したパルスチューブ冷凍機の他の従来技術について図を参照しつつ説明する。図８は他の従来技術のパルスチューブ冷凍機の構成図である。このパルスチューブ冷凍機１０００は、特にイナータンスチューブの占有スペースを小さくする冷凍機であり、図８で示すように圧縮機１のケース１４の外周にイナータンスチューブ４１ａを円筒状に巻きつけたり、また、図示しないがイナータンスチューブ４１ａを楕円状に巻いて圧縮機１の横に配置する。これにより、イナータンスチューブ４１ａの占有スペースを小さくして、パルスチューブ冷凍機１０００全体でも小型化を実現する。

しかしながら、イナータンスチューブの巻き方や固定の状態によっては、隣り合うイナータンスチューブが微妙に接触し合い、異常振動を引き起こしたり、異音を発したりするといった問題がある。

このようなイナータンスチューブの巻き方や固定の状態による異常振動・異音の問題の解決を図るパルスチューブ冷凍機として、例えば特許文献３（特開２００６−１７４２２号公報）に記載されたものが知られている。
イナータンスチューブをバッファタンク内に入れて固定して隣り合うイナータンスチューブ同士の接触を抑制すると同時に、内外差圧を低減して圧縮・膨張の変形量を抑えることで、異常振動・異音を防止している。従来技術はこのようなものである。

特開２００２−２０６８１６号公報 （段落番号０００２，図４） 特開２００４−２８５０１号公報 （段落番号００１１〜００１５，図１，図２，図３） 特開２００６−１７４２２号公報 （段落番号００１３〜００１６，図１，図２）

イナータンスチューブ４１，４１ａで発生する振動は、作動流体の圧縮・膨張による変形のため発生する振動に加え、コイル状に巻くことで内部の作動流体による遠心力の影響を受けて発生する振動もある。この遠心力は、作動ガスが往復運動をするという冷却原理のため、流路方向に渡って時間差をもって働くことになる。
その結果、駆動周波数の半周期の間に例えばイナータンスチューブ内を作動流体が半時計回りに流れる場合、イナータンスチューブ４１，４１ａには右⇒上⇒左⇒下といった力が順番に働くこととなり、これがパルスチューブ冷凍機振動の大きな発生要因のひとつとなっていた。

このようなイナータンスチューブ４１，４１ａの振動発生原理を図９，図１０を用いて説明する。図９は、作動流体がＵ字管に発生させる力の説明図、図１０は、作動流体がイナータンスチューブに発生させる力の説明図である。簡易モデルとして図９で示すようにイナータンスチューブ４１，４１ａの一部を１８０ｄｅｇ折り返すＵ字管として考え、このＵ字管による発生力Ｆを考える。流体の運動量と流体が受ける力との間には、以下の関係（運動量保存則）が存在する。

［式１]
（流体が受ける力）＝（流出する運動量）−（流入する運動量）

単位時間当たりに流入する運動量は、ｍｖであるから、Ｕ字管の開口断面積Ａ、密度ρ、流速ｖを用いれば以下のようになる。

［式２]
ｍｖ＝（ρ・Ａ・ｖ）・ｖ＝ρ・Ａ・ｖ^２

流出する運動量は、流速の向きが異なるだけであるから、最終的に発生力Ｆは次式で表される。

［式３]
Ｆ＝２・ρ・Ａ・ｖ^２

一方向の定常流の場合、流体が一周することで径方向への発生力は、キャンセルすることになる。しかし、往復動流の場合、各部で発生する力は、時間差を持って常に働くはずである。ここで簡単化のため、働く力のイメージを図１０に示すように３分割したモデルで説明する。図１０に示すように、１／２サイクル中の半時計回り流体が移動し、パルスチューブ冷凍機１０００はフランジで固定されており、圧縮機１の軸方向まわりにのみ力が働く場合を考える。この場合、力は時間と共に、Ｆ１⇒Ｆ２⇒Ｆ３というように順次働く。すなわち、これらの力が連続的に伝播すると、半時計周りに一周する力となる。このような力が加わる圧縮機１は振動し、パルスチューブ冷凍機１０００全体で振動の影響を受けるおそれがあった。

さらに、図８のように圧縮機のケース１４に巻きつけた場合、圧縮機１の長手方向軸まわりに加振力が作用し、圧縮機１が振動するという問題があった。

そこで、本発明は上記した問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、イナータンスチューブが発生する振動を、コストアップや大型化を招くことなく、簡単な構成にて効果的に低減するパルスチューブ冷凍機の位相制御機構を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明の請求項１に係る発明のパルスチューブ冷凍機の位相制御機構は、
封入された作動ガスの圧縮機による圧縮および膨張の繰返しによって作動ガスの流路の所定部分を極低温に冷却するパルスチューブ冷凍機の位相制御機構であって、
前記位相制御機構の構成要素であるイナータンスチューブは、圧縮機の長手方向に対する垂直軸と平行な中心軸まわりに巻かれる弦巻状のコイル部を備えることを特徴とする。

また、本発明の請求項２に係る発明のパルスチューブ冷凍機の位相制御機構は、
封入された作動ガスの圧縮機による圧縮および膨張の繰返しによって作動ガスの流路の所定部分を極低温に冷却する機能を有し、圧縮機と膨張機とが剛体接続されるパルスチューブ冷凍機の位相制御機構であって、
前記イナータンスチューブの前記コイル部は、圧縮機の長手方向および膨張機の構成要素であるパルスチューブの長手方向に対してそれぞれ垂直な軸と平行な中心軸まわりに巻かれる弦巻状のコイル部であることを特徴とする。

また、本発明の請求項３に係る発明のパルスチューブ冷凍機の位相制御機構は、
請求項１または請求項２に記載のパルスチューブ冷凍機の位相制御機構において、
前記イナータンスチューブの前記コイル部は、パルスチューブの断面径に応じて算出される最小曲率半径と一致させたコイル部の巻き径を有することを特徴とする。

また、本発明の請求項４に係る発明のパルスチューブ冷凍機の位相制御機構は、
請求項１〜請求項３の何れか一項に記載のパルスチューブ冷凍機の位相制御機構において、
前記イナータンスチューブの前記コイル部は、同心円状の多層巻きによるコイル部であることを特徴とする。

以上のような本発明によれば、イナータンスチューブが発生する振動を、コストアップや大型化を招くことなく、簡単な構成にて効果的に低減するパルスチューブ冷凍機の位相制御機構を提供することができる。

続いて、本発明を実施するための最良の形態について、図を参照しつつ説明する。図１は本形態のパルスチューブ冷凍機の説明図、図２は圧縮機の振動の伝達を説明する説明図である。図１で示すパルスチューブ冷凍機１００は、圧縮機１、高温側熱交換器２、膨張機３および位相制御機構５を備える。ここに圧縮機１、高温側熱交換器２、膨張機３は、先に図７，図８を用いて説明した従来技術のパルスチューブ冷凍機１０００の圧縮機１、高温側熱交換器２、膨張機３と同じ構成であり、同じ符号を付すとともに重複する説明を省略し、相違点となる位相制御機構５について重点的に説明する。また、位相制御機構４に代えて位相制御機構５を採用した場合、制振効果が高まるが寒冷発生の作動原理は同じであり、作動原理については重複する説明を省略する。

位相制御機構５は、イナータンスチューブ５１、バッファタンク５２を備える。イナータンスチューブ５１は、内径２〜４ｍｍ程度あり、また、全長が２〜４ｍ程度の長さの銅やステンレス等の金属管を成形して構成され、高温端部３４に繋がる導入部５１１と、中間の大部分を円筒や楕円等のコイル状に成形されたコイル部５１２と、バッファタンク５２に繋がる導出部５１３と、を有する。ここにイナータンスチューブ５１と圧縮機１とは紙面と平行面の同一面内に配置されるようにしている。

コイル状に成形されたコイル部５１２は、結束バンドや針金等による締結や接着等の簡易的な固定や、溶接、ろう付けまたははんだ付け等の金属接合により一体化させたり、隣り合うパイプとの間にゴム・樹脂等の緩衝材を挟んだりして、パイプ同士の接触による異常振動を抑える処理がなされている。

バッファタンク５２は、プレス加工または機械加工で製作される。イナータンスチューブ５１の導出部５１３とバッファタンク５２とは溶接やろう付け等の接合や、金属シールといった機械的気密接続法により接続されている。なお、イナータンスチューブ５１の導入部５１１と高温端部３４とも同様に溶接やろう付け等の接合や、金属シールといった機械的気密接続法により接続されている。

内部の作動流体としては、従来技術として先に説明したようにヘリウム等の不活性ガスが数ＭＰａ程度の圧力で封入されている。圧縮機１内のピストン１２により作動流体の圧縮・膨張が繰り返し行われ、それにともなって、パルスチューブ冷凍機１００の全体、すなわち圧縮機１からバッファタンク５２まで作動流体の往復運動をもたらす。

続いて本発明の特徴的部分をなす、パルスチューブ冷凍機１００の位相制御機構５による制振について説明する。圧縮機１および膨張器３が剛体接続されていない場合は、圧縮機１のみを考慮してイナータンスチューブ５１で発生する振動を減少させるというものである。この場合のイナータンスチューブ５１は、圧縮機１の長手方向となる圧縮機長手軸に対する垂直軸と平行な中心軸まわりに巻かれる弦巻状のコイル部５１２を備えるようにした。本形態では最も好ましい形態である、圧縮機長手軸とパルスチューブ長手軸との両方向に対する垂直軸と平行な中心軸まわりに巻かれる弦巻状のコイル部５１２を備えるようにした。

制振原理について説明する。ここで、圧縮機１は図１，図２で示すように、圧縮機長手軸を中心軸とする回転体であって略円柱状に形成されている。また、圧縮機１の載置面（床面）の垂直軸を基準とすると、この垂直軸と平行なパルスチューブ長手軸方向、載置面と平行でパルスチューブ長手軸方向と垂直な圧縮機長手軸方向、載置面と平行でパルスチューブ長手軸方向および圧縮機長手軸方向と垂直なコイルの中心軸方向が決定できる。

続いて、図１のように圧縮機１およびイナータンスチューブ５１を配置した場合のパルスチューブ冷凍機１００の挙動を考える。イナータンスチューブ５１で発生する力は、高温端部３４から流入してきた作動流体により、下⇒左⇒上⇒右といった順番で力が発生する。なお、本形態では圧縮機長手軸およびパルスチューブ長手軸の２つの軸のいずれとも垂直な軸（図１の紙面の垂直方向）と平行な中心軸まわりに巻いた弦巻状のコイル部５１２となっており、この場合前後方向の振動は殆どなくなって無視できるものとなり、コイル部５１２では圧縮機長手軸方向（左右方向）およびパルスチューブ長手軸方向（重力方向・上下方向）の振動を考慮すればよい。

さらに、一般的に冷凍出力数Ｗ＠７０Ｋクラスという小型のパルスチューブ冷凍機１００の質量は数ｋｇ〜２０ｋｇ程度である。一方、イナータンスチューブ５１が発生する各方向への力は、作動流体の運動量から考慮すると最大でも１Ｎにも満たない。したがって、パルスチューブ長手軸方向（重力方向・上下方向）の力は、パルスチューブ冷凍機１００の自重に比べて少なくとも数十分の１以下であるためパルスチューブ冷凍機１００の全体の挙動に与える影響は小さく、このパルスチューブ長手軸方向（重力方向・上下方向）では圧縮機１の自重による充分な制振効果が見込める。なお、中型・大型のパルスチューブ冷凍機という場合は自重が重くなるためさらなる制振効果が見込めることはいうまでもない。そこで垂直な圧縮機長手軸方向（左右方向）の振動のみを考慮すれば良い。

以上より、イナータンスチューブ５１以外の振動（例えばピストン等の可動部の機械的振動）を無視すれば、パルスチューブ冷凍機１００は図１において圧縮機長手軸方向（左右方向）への加振力を考慮すれば良い。図２で示すように、圧縮機１に対して従来技術（同軸巻き）時の振動方向で加振したとき、中心点Ｏを通るパルスチューブ長手軸を基準とする回転体として圧縮機１を考えると、回転しやすい、つまり振動を起こしやすく圧縮機１がコイル部５１２の振動を抑える制振効果が高くないが、圧縮機１に対して本発明（垂直巻き）時の振動方向で加振したとき、中心点Ｏを通るパルスチューブ長手軸を基準とした回転体として圧縮機１を考えると、回転しにくい、つまり振動を起こしにくくなっており、圧縮機１がコイル部５１２の振動を抑える制振効果が見込める。

つまり圧縮機長手軸およびパルスチューブ長手軸に垂直な軸と平行な中心軸まわりに巻いた弦巻状のコイル部５１２とすれば、上下方向および前後方向の振動は無視でき、さらに左右方向は制振効果が見込めるため、制振効果の向上に寄与する。

これをパルスチューブ長手軸を回転軸とする慣性モーメントの視点で考えると、圧縮機長手軸の軸まわり（同軸巻き）よりは中心軸の軸まわり（垂直巻き）にコイル部５１２を配置した方が、回転しにくいことから振動しにくい、つまり慣性モーメントが高くなっており、振動振幅が最小となり、制振効果が見込める。
これは、円柱状の圧縮機１についての圧縮機長手軸周りの慣性モーメントと中心軸周りの慣性モーメントとを比較した場合、圧縮機長手軸周りの慣性モーメントが最小で、中心軸周りの慣性モーメントは大きいことからも理解できる。

続いて他の形態について説明する。この形態では、図１で示したパルスチューブ冷凍機１００のうち、特に圧縮機１と膨張機３とが剛体接続され、圧縮機１および膨張機３を含む剛体を考慮する点が相違する以外は、構成や動作原理は同じであり、重複する説明を省略する。

続いて本発明の特徴的部分をなす、パルスチューブ冷凍機１００の位相制御機構５による制振について説明する。圧縮機１および膨張器３が剛体接続されている場合、圧縮機１および膨張機３による凸時状の剛体を考慮することでイナータンスチューブ５１が発生する振動を減少させるというものである。この場合のイナータンスチューブ５１は、圧縮機１の長手方向となる圧縮機長手軸に対する垂直軸と平行な中心軸まわりに巻かれる弦巻状のコイル部５１２を備えるようにした。本形態では最も好ましい形態である、圧縮機長手軸とパルスチューブ長手軸との両方向に対する垂直軸と平行な中心軸まわりに巻かれる弦巻状のコイル部５１２を備えるようにした。

制振原理について説明する。ここで、圧縮機１および膨張機３による剛体は図１で示すように、略凸字状に形成されている。また、圧縮機１の載置面（床面）の垂直軸を基準とすると、この垂直軸と平行なパルスチューブ長手軸方向、載置面と平行でパルスチューブ長手軸方向と垂直な圧縮機長手軸方向、載置面と平行でパルスチューブ長手軸方向および圧縮機長手軸方向と垂直なコイルの中心軸方向が決定できる。

続いて、図１のように圧縮機１およびイナータンスチューブ５１を配置した場合のパルスチューブ冷凍機１００の挙動を考える。イナータンスチューブ５１で発生する力は、高温端部３４から流入してきた作動流体により、下⇒左⇒上⇒右といった順番で力が発生する。なお、本形態では圧縮機長手軸およびパルスチューブ長手軸の２つの軸のいずれとも垂直な軸（図１の紙面の垂直方向）と平行な中心軸まわりに巻いた弦巻状のコイル部５１２となっており、この場合前後方向の振動は殆どなくなって無視できるものとなり、コイル部５１２では圧縮機長手軸方向（左右方向）およびパルスチューブ長手軸方向（重力方向・上下方向）の振動を考慮すればよい。

さらに、一般的に冷凍出力数Ｗ＠７０Ｋクラスという小型のパルスチューブ冷凍機１００の質量は数ｋｇ〜２０ｋｇ程度である。一方、イナータンスチューブ５１が発生する各方向への力は、作動流体の運動量から考慮すると最大でも１Ｎにも満たない。したがって、パルスチューブ長手軸方向（重力方向・上下方向）の力は、パルスチューブ冷凍機１００の自重に比べて少なくとも数十分の１以下であるためパルスチューブ冷凍機１００の全体の挙動に与える影響は小さく、このパルスチューブ長手軸方向（重力方向・上下方向）では圧縮機１の自重による充分な制振効果が見込める。なお、中型・大型のパルスチューブ冷凍機という場合は自重が重くなるためさらなる制振効果が見込めることはいうまでもない。そこで垂直な圧縮機長手軸方向（左右方向）の振動のみを考慮すれば良い。

以上より、イナータンスチューブ５１以外の振動（例えばピストン等の可動部の機械的振動）を無視すれば、パルスチューブ冷凍機１００は図１において圧縮機長手軸方向（左右方向）への加振力を考慮すれば良い。図２で示すように、圧縮機１に対して従来技術（同軸巻き）時の振動方向で加振したとき、中心点Ｏを通るパルスチューブ長手軸を基準とする回転体として圧縮機１を考えると、回転しやすい、つまり振動を起こしやすく圧縮機１がコイル部５１２の振動を抑える制振効果が高くないが、圧縮機１に対して本発明（垂直巻き）時の振動方向で加振したとき、中心点Ｏを通るパルスチューブ長手軸を基準とした回転体として圧縮機１を考えると、回転しにくい、つまり振動を起こしにくくなっており、圧縮機１がコイル部５１２の振動を抑える制振効果が見込める。

つまり圧縮機長手軸およびパルスチューブ長手軸に垂直な軸と平行な中心軸まわりに巻いた弦巻状のコイル部５１２とすれば、上下方向および前後方向の振動は無視されて左右方向は制振効果が見込めるため、制振効果の向上に寄与する。

これをパルスチューブ長手軸を回転軸とする慣性モーメントの視点で考えると、圧縮機長手軸の軸まわり（同軸巻き）よりは中心軸の軸まわり（垂直巻き）にコイル部５１２を配置した方が、回転しにくいことから振動しにくい、つまり慣性モーメントが高くなっており、振動振幅が最小となり、制振効果が見込める。
これは、略凸字状の圧縮機１についての圧縮機長手軸周りの慣性モーメントと中心軸周りの慣性モーメントとを比較した場合、圧縮機長手軸周りの慣性モーメントが最小で、中心軸周りの慣性モーメントは大きいことからも理解できる。

続いて他の形態について説明する。この形態ではイナータンスチューブ５１の巻き径をできるだけ小さくして構成する。小径にすることで、イナータンスチューブ５１の１ターン内の作動流体の時間遅れを低減させて、発生力を抑えることができる。実際の製作の際は、冷凍機全体の配置や加工コスト等を複合的に考慮して最小巻き径が決定される。例えばイナータンスチューブ５１の断面開口径をＤとする場合、例えば、曲げの曲率半径ＲはＲ＝Ｋ・Ｄ（Ｋは定数）程度と決定するというものである。このようにコイル径により最小曲率半径が決定されるが、材料等により具体的な数値や定数は変更される。

続いて他の形態について図を参照しつつ説明する。図３は、同心円状の多層巻きによるコイル部の説明図であり、図３（ａ）はＡ−Ａ断面図、図３（ｂ）は正面図である。図３では二層構成に巻回したイナータンスチューブの例を示してある。図３（ａ），（ｂ）では、バッファタンク５２に近い側で１段目（内側）を構成し、折り返すようにして２段目（外側）を整列巻きして高温端部３４側に接続する構成となっている。同様にして三層以上の多層に構成しても良い。このようなイナータンスチューブのコイル部では同じ巻き数でも体積を小さくすることができ、小型化に寄与する。

なお、今まで説明した形態において、イナータンスチューブ５１と圧縮機１とを同一面内に配置したが、圧縮機長手軸とパルスチューブ長手軸との２軸に対して垂直な中心軸の周りを巻かれるようなコイル部とすれば、同等の効果が得られる。
また、膨張機３の形式や圧縮機１の駆動形式には、無関係に成り立つため、適宜最適な膨張機や圧縮機を選択することができる。

以上、本発明によれば、パルスチューブ冷凍機１００では圧縮機１において圧縮機長手軸方向に対して垂直軸と平行な中心軸の軸まわり（好ましくは圧縮機１において圧縮機長手軸方向およびパルスチューブ長手軸方向に対して垂直な中心軸の軸まわり）に巻かれたイナータンスチューブ５１のコイル部５１２とする（請求項１）ことで、振動振幅を低減させることができる。
また、圧縮機１と膨張機２とが剛体接続されており、圧縮機１において圧縮機長手軸方向に対して垂直軸と平行な中心軸の軸まわり（好ましくは圧縮機１において圧縮機長手軸方向およびパルスチューブ長手軸方向に対して垂直な中心軸の軸まわり）に巻かれたイナータンスチューブ５１のコイル部５１２とする（請求項２）ことで、より振動振幅を低減させることができる。

また、イナータンスチューブ５１のコイル部５１２を可能な限り小径とする（請求項３）ことで、１ターン内の作動流体の時間遅れを低減することができ、結果的に径方向に働く遠心力を低減することができる。
また、イナータンスチューブ５１１のコイル部５１２では、内周から外周まで多層に巻く（請求項４）ことで、イナータンスチューブ５１の占有スペースを最小限に抑制し、小型化することができる。

次に、図４，図５，図６を用いて本発明の効果検証試験結果について説明する。
図４は本発明によるイナータンスチューブの振動抑制効果の検証試験装置の模式図、図５は従来技術によるイナータンスチューブの振動抑制効果の検証試験装置の模式図、図６は検証試験結果を示すセンサ位置−振動加速度線図である。

検証試験装置２００は、図４で示すよう、真空容器２０１、支持フランジ２０２、二本の支持ばね２０３を備えている。真空容器２０１の上側に支持フランジ部２０２が固定されている。支持フランジ部２０２は支持ばね２０３を介して固定されている。
パルスチューブ冷凍機１００は検証試験装置２００の支持フランジ上に設置されて、試験が行われる。圧縮機１は真空容器２０１を介在させて支持フランジ２０２上に配置されており、実環境に近い状態になっている。なお、図４，図５中では圧縮機１、イナータンスチューブ５１のみ図示し、他の構成の図示を省略している。

この場合、イナータンスチューブ５１は図１のようにイナータンスチューブ５１を圧縮機長手軸およびパルスチューブ長手軸の２つの軸にいずれも垂直な軸まわりに巻かれる弦巻状のコイル部（垂直巻き）である。圧縮機１の挙動を加速度ピックアップにより定常運転時の冷凍機挙動を測定している。

なお、比較検証用のため、図５で示すようにイナータンスチューブ５１を圧縮機長手軸という軸まわりに巻かれる弦巻状のコイル部（同軸巻き）による振動の調査も行う。この場合も、圧縮機１の挙動を加速度ピックアップにより定常運転時の冷凍機挙動を測定している。

代表方向（図４，図５中の方向２７Ｒ、２８Ｒ、２９Ｒ、３０Ｒ）の加速度を表した試験結果は、図６で示す特性図のようになる。パルスチューブ冷凍機１００の運転条件は、封入圧力３．１ＭＰａ、運転周波数５０Ｈｚ、入力電力１２０Ｗとしてある。また、イナータンスチューブ５１として内径３ｍｍで３．５〜４ｍ程度の金属管を用いている。また、図６は、イナータンスチューブの形状が異なる３条件における加速度を表している。さらに、パルスチューブ冷凍機１００全体の挙動がよく表れている真空容器先端部の加速度（図４，図５中の方向２７Ｒ、２８Ｒ、２９Ｒ、３０Ｒの加速度）を示してある。

コイル部５１１を図５で示すように従来技術の同軸巻き、すなわち圧縮機長手軸方向にイナータンスチューブ５１をφ１２０ｍｍで１０ターン巻いた場合、加速度振幅は２７Ｒと２９Ｒとでピークを示しており、圧縮機長手軸まわりの回転振動をしていることがわかる。しかし、コイル部５１１を図４で示すように本発明の垂直巻き、すなわち圧縮機長手軸に対して垂直な軸まわりにイナータンスチューブ５１を、同条件のφ１２０ｍｍで１０ターン巻いて配置した場合、加速度振幅のピークは２８Ｒと３０Ｒとであり、同軸巻きの９０度回転した方向で回転振動していることがわかる。

この特性図からも明らかなように、同軸巻きと垂直巻きとを比較すると、垂直巻きにすることで、加速度のピーク値は同軸巻きの８０％程度に低減していることがわかる。すなわち、圧縮機１が回転しにくくなるような軸まわりにイナータンスチューブを巻くことで、加速度振幅が低減されることを表している。

さらに、垂直巻きで巻き径をφ５０ｍｍ（ターン数２４）に小さくした場合（図４では垂直小径）、２８Ｒおよび３０Ｒのピークが、さらに巻き径φ１２０ｍｍの８０％程度に低減されている。巻き径を縮小することでイナータンスチューブ１ターン中の作動流体の時間遅れが、小さくなったことによる効果が表れている。

以上の試験結果より、イナータンスチューブのコイル部の巻き方向を変え、さらに巻き径を小さくするという簡単な手法で同軸巻きの６５％に低減させることができ、本発明の有効性が示された。

以上説明した本発明によれば、圧縮機長手軸方向に対して垂直軸と平行な中心軸まわりに巻くことで、振動振幅を低減することができる。また、パルスチューブ長手方向および圧縮機長手軸方向の両方向に対する垂直軸と平行な中心軸まわりにイナータンスチューブを巻くことで、より振動振幅を低減させることができる。イナータンスチューブが発生する振動を簡単に低減することができる。

また、イナータンスチューブを可能な限り小径で巻くことで、１ターン内の作動流体の時間遅れを低減し、結果的に径方向に働く遠心力自体を低減することができる。
また、イナータンスチューブを多段に巻くことで、イナータンスチューブの占有スペースを最小限に抑制し、小型化することができる。
また、特別な部品や部品点数が増加することが無いため、大型化やコストアップを招くことも無い。

本発明を実施するための最良の形態のパルスチューブ冷凍機の説明図である。 圧縮機の振動の伝達を説明する説明図である 同心円状の多層巻きによるコイル部の説明図であり、図３（ａ）はＡ−Ａ断面図、図３（ｂ）は正面図である。 本発明によるイナータンスチューブの振動抑制効果の検証試験装置の模式図である。 従来技術によるイナータンスチューブの振動抑制効果の検証試験装置の模式図である。 検証試験結果を示すセンサ位置−振動加速度線図である。 従来技術のパルスチューブ冷凍機の構成図である。 従来技術の他のパルスチューブ冷凍機の構成図である。 作動流体がＵ字管に発生させる力の説明図である。 作動流体がイナータンスチューブに発生させる力の説明図である。

符号の説明

１００：パルスチューブ冷凍機
１：圧縮機
１１：リニアモータ
１２：ピストン
１３：シリンダ
１４：ケース
２：高温側熱交換器
３：膨張機
３１：蓄冷器
３２：低温端部
３３：パルスチューブ
３４：高温端部
５：位相制御機構
５１：イナータンスチューブ
５１１：導入部
５１２：コイル部
５１３：導出部
５２：バッファタンク

Claims (4)

1. 封入された作動ガスの圧縮機による圧縮および膨張の繰返しによって作動ガスの流路の所定部分を極低温に冷却するパルスチューブ冷凍機の位相制御機構であって、
   前記位相制御機構の構成要素であるイナータンスチューブは、圧縮機の長手方向に対する垂直軸と平行な中心軸まわりに巻かれる弦巻状のコイル部を備えることを特徴とするパルスチューブ冷凍機の位相制御機構。
2. 封入された作動ガスの圧縮機による圧縮および膨張の繰返しによって作動ガスの流路の所定部分を極低温に冷却する機能を有し、圧縮機と膨張機とが剛体接続されるパルスチューブ冷凍機の位相制御機構であって、
   前記イナータンスチューブの前記コイル部は、圧縮機の長手方向および膨張機の構成要素であるパルスチューブの長手方向に対してそれぞれ垂直な軸と平行な中心軸まわりに巻かれる弦巻状のコイル部であることを特徴とするパルスチューブ冷凍機の位相制御機構。
3. 請求項１または請求項２に記載のパルスチューブ冷凍機の位相制御機構において、
   前記イナータンスチューブの前記コイル部は、パルスチューブの断面径に応じて算出される最小曲率半径と一致させたコイル部の巻き径を有することを特徴とするパルスチューブ冷凍機の位相制御機構。
4. 請求項１〜請求項３の何れか一項に記載のパルスチューブ冷凍機の位相制御機構において、
   前記イナータンスチューブの前記コイル部は、同心円状の多層巻きによるコイル部であることを特徴とするパルスチューブ冷凍機の位相制御機構。

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