JP2008267735A - パルス管冷凍機 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明はヘリウム雰囲気等の非真空雰囲気内で使用されるパルス管冷凍機に関し、非真空雰囲気内での作動でであっても当該雰囲気ガスの対流による熱損失を確実に低減することを課題とする。
【解決手段】ヘリウム雰囲気内で用いられるパルス管冷凍機であって、１段目蓄冷器７と、２段目蓄冷器２６と、１段目パルス管１０と、２段目パルス管４０Ａと、１段目冷却ステージ３０と、２段目冷却ステージ２５とを有し、かつ、２段目パルス管４０Ａの途中位置の１段目冷却ステージ３０と対応するステージ対応位置に、前記ステージ対応位置以外の部位に比べて熱交換効率を高めた熱交換部４５を設ける。
【選択図】図１

Description

本発明はパルス管冷凍機に係り、特にヘリウム雰囲気下等の非真空雰囲気下で使用されるパルス管冷凍機に関する。

近年、パルスチューブ技術とＭＲＩ（磁気共鳴映像法）クライオスタット設計の進歩により、パルス管冷凍機を用いてヘリウムを再凝縮することが可能となっている。また、パルス管冷凍機は単段式のものや多段式のものがあるが、例えば２段式のパルス管冷凍機は、第１段ステージを約４０Ｋに冷却し、第２段ステージでは約４Ｋに冷却を行うことができる。また、パルス管冷凍機は振動が少なくＭＲＩ信号内でのノイズが少ないので、機械的振動を伴うＧＭ冷凍機よりも好まれている。

ところで、通常パルス管冷凍機は、蓄冷器とパルス管が平行に配置された構造を有する。この構造のパルス管冷凍機がＭＲＩ磁石の冷却容器内に実装されると、この冷却容器内に充填されているヘリウムガスがパルス管と蓄冷器の温度差に起因し、パルス管と蓄冷器との間で対流することが知られている。これにより、第１及び第２段ステージで熱損失（対流損失という）が発生し、パルス管冷凍機の冷凍能力に重大な損失をもたらす。

Stautner他は、従来的な２段４Ｋパルスチューブに対する問題点を説明し、パルスチューブ組立体を囲繞し、チューブまわりに断熱材を含むスリーブ状の解決策を提示している（特許文献１参照）。また、対流損失の問題に対する他の解決策としては、Daniel他により提唱されたものがあり（特許文献２２参照）、この方法ではパルス管及び蓄冷器まわりに断熱スリーブを配設し、これによりヘリウムガスによる対流損失を低減する構成としている。

更に、他の方法としては、本出願人が提案した特許文献３に提案した方法がある。このパルス管冷凍機を図１６に示す。同図に示すパルス管冷凍機は２段式のものであり、バルブ機構２、バルブ駆動装置３、コンプレッサ５、１段目蓄冷器７，１段目パルス管１０，２段目蓄冷器２６，及び２段目パルス管４０等を有しており、１段目冷却ステージ３０を例えば４０Ｋに冷却すると共に、２段目冷却ステージ２５を４Ｋ程度に冷却する構成とされている。

ここで、２段目パルス管４０の中央位置に注目すると、蓄冷器７，２６と２段目パルス管４０との間には熱橋（サーマルブリッジ）３１が配設され、蓄冷器７，２６と２段目パルス管４０とを熱的に接続した構成としている（尚、同図に示す例では１個の熱橋３１のみが配設された例を示しているが、この熱橋３１は複数個配設する構成とすることも可能である）。この構成とすることにより、蓄冷器７，２６と２段目パルス管４０の間で熱伝導が行われ、これにより蓄冷器７，２６と２段目パルス管４０の間の温度差が低減される。

これにより、パルス管冷凍機が置かれた雰囲気内のガスが蓄冷器７，２６と２段目パルス管４０の間で対流することを抑制でき、対流損失の発生の抑制を望むことができる。尚、図中Ａで示す矢印は、対流が発生したときのガスの流れを参考までに記載したものである。
ＰＣＴ ＷＯ０３／０３６２０７ Ａ２ ＰＣＴ ＷＯ０３／０３６１９０ Ａ１ 特開２００６−２１４７１７

図１６に示したように、蓄冷器７，２６と２段目パルス管４０との間に熱橋３１を設けて熱的に接続することにより、蓄冷器７，２６と２段目パルス管４０との間の温度差を低減でき、よって対流損失の低減を在る程度図ることができる。

しかしながら、作動ガス（例えば、ヘリウム）の熱伝導が低いと、２段目パルス管４０内の作動ガスと１段目冷却ステージ３０との温度差は依然として大きく、よって対流損失をパルス管冷凍機の被冷却物に対する冷却に影響を及ぼさない程度まで抑制することが困難である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、非真空雰囲気内での作動でであっても当該雰囲気ガスの対流による対流損失の発生を抑制できるパルス管冷凍機を提供することを目的とする。

上記の課題は、本発明の第１の観点からは、
非真空雰囲気内で用いられるパルス管冷凍機であって、
作動ガスに対し圧力振動を発生させる圧力振動発生機と、
前記圧力振動発生機に高温側が接続された１段目蓄冷器と、
該１段目蓄冷器に高温側が接続された２段目蓄冷器と、
高温側が第１のバッファタンクに接続されると共に、低温側が前記１段目蓄冷器の低温側に接続された１段目パルス管と、
高温側が第２のバッファタンクに接続されると共に、低温側が前記２段目蓄冷器の低温側に接続された２段目パルス管と、
前記１段目蓄冷器と前記１段目パルス管との接続位置に設けられた１段目冷却ステージと、
前記２段目蓄冷器と前記２段目パルス管との接続位置に設けられた２段目冷却ステージとを有し、
かつ、前記２段目パルス管の途中位置で前記１段目冷却ステージと対応するステージ対応位置に、前記２段目パルス管内を流れる前記作動ガスの寒冷により、前記ステージ対応位置以外の部位に比べて熱交換効率を高めた熱交換部を設けたことを特徴とするパルス管冷凍機により解決することができる。

また上記発明において、前記熱交換部は前記ステージ対応位置以外の部位の流路面積に比べ、前記ステージ対応位置の流路面積を小さくした構成とすることが望ましい。

また上記発明において、前記熱交換部は基部に流通孔を形成した構成とすることが望ましい。

また上記発明において、前記熱交換部は多孔性材料により構成されていることが望ましい。

また上記発明において、前記熱交換部の前記パルス管の長手方向に沿った長さをＬとし、前記１段目冷却ステージの厚さをＷとした場合、0.8×Ｗ≦Ｌ≦1.20×Ｗとなるよう設定することが望ましい。

また上記発明において、前記熱交換部を挟んだ上下位置に、前記作動ガスの流れを整える整流器を設けた構成とすることが望ましい。

また上記発明において、前記非真空雰囲気は、ヘリウム、水素、ネオンの群から選択される少なくも一種のガスを含む雰囲気であることが望ましい。

本発明によれば、２段目パルス管のステージ対応位置に、ステージ対応位置以外の部位に比べて熱交換効率の高い熱交換部を設けたことにより、この熱交換部において第１冷却ステージと作動ガスとの間及び作動ガスと２段目パルス管との間で良好な熱交換が行われ、ステージ対応位置における２段目パルス管の温度を蓄冷器の温度に近づけることができる。（コメント：この部分の記載内容について、特に重点的にご検討願います）
これにより、パルス管冷凍機を非真空雰囲気内で使用しても、２段目パルス管と蓄冷器との温度差に起因した対流損失が発生すること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１は本発明の一実施例であるパルス管冷凍機１Ａを示しており、また図２はパルス管冷凍機１ＡをＭＲＩクライオスタットに適用した例を示している。

先ず、図１を用いてパルス管冷凍機１Ａの構成について説明する。

パルス管冷凍機１Ａは、大略するとバルブ機構２、コンプレッサ５、１段目蓄冷器７，１段目パルス管１０、２段目蓄冷器２６，オリフィス−バッファ組立体２８，及び２段目パルス管４０Ａ等により構成されている。このパルス管冷凍機１Ａはヘリウムガスを作動流体としており、この作動ガスが後述するように蓄冷器７，２６及びパルス管１０，４０Ａ内を流れる途中において断熱膨張を行い寒冷を発生する構成となっている。

１段目蓄冷器７は、その内部に例えばメッシュ状の蓄冷材（図示せず）が積層されて充填されている。この１段目蓄冷器７の高温端部は通路１５を介してバルブ機構２に接続されている。また、１段目蓄冷器７の低温端部は、２段目蓄冷器２６の高温端部に接続されると共に連通路１６を介して１段目パルス管１０の低温端部に接続されている。

２段目蓄冷器２６は、その内部に例えば磁性材よりなる蓄冷材（図示せず）が充填されている。この２段目蓄冷器２６低温端部は、連通管１７を介して２段目パルス管４０Ａの低温側端部に接続されている。

１段目パルス管１０は、低温側端部及び高温側端部にそれぞれ整流器９，１１が設けられている。また、１段目パルス管１０の高温側端部は、オリフィス１２を介して第１のバッファタンク１４に接続されている。更に、１段目パルス管１０と第１のバッファタンク１４を接続する配管は、オリフィス１３を介して通路１５に接続されている。

上記した１段目蓄冷器７の低温側端部及び１段目パルス管１０の低温側端部には、１段目冷却ステージ３０が設けられている。この１段目冷却ステージ３０は、１段目蓄冷器７及び１段目パルス管１０に熱的に接続されており、パルス管冷凍機１Ａの駆動時には約４０Ｋに冷却される。尚、１段目蓄冷器７と１段目パルス管１０とを接続する連通路１６は、この１段目冷却ステージ３０内に形成されている。

２段目パルス管４０Ａは、後に詳述するように上部４１と下部４２との間に小径部４５を形成した構成とされている。この２段目パルス管４０Ａは、高温側端部及び低温側端部にそれぞれ整流器２２，２４が設けられている。また、２段目パルス管４０Ａの高温側端部は、オリフィス２７を介して第２のバッファタンク２１に接続されている。また、２段目パルス管４０Ａと第２のバッファタンク２１を接続する配管は、オリフィス２０を介して通路１５に接続されている。

上記した２段目蓄冷器２６の低温側端部及び２段目パルス管４０Ａの低温側端部には、２段目冷却ステージ２５が設けられている。この２段目冷却ステージ２５は、２段目蓄冷器２６及び２段目パルス管４０Ａに熱的に接続されており、パルス管冷凍機１Ａの駆動時には約４Ｋに冷却される。尚、２段目蓄冷器２６と２段目パルス管４０Ａとを接続する連通管１７は、この連通管１７内に形成されている。

上記の１段目蓄冷器７、１段目パルス管１０、及び２段目パルス管４０Ａの高温側端部は、オリフィス−バッファ組立体２８に取り付けられた高温側フランジ５１（図２参照。図１では図示せず）に固定されている。また、オリフィス−バッファ組立体２８の上部にはバルブ機構２が配設されており、更にその上部にはバルブ駆動装置３が配設されている。

バルブ機構２は内部にバルブ駆動装置３により駆動される切換弁（図示せず）が設けられている。この切換弁にはコンプレッサ５からの低圧側ガスライン４、コンプレッサ５からの高圧側ガスライン６、及び前記した通路１５が接続されている。そして、バルブ駆動装置３の駆動により、切換弁は低圧側ガスライン４と通路１５とを接続した状態と、高圧側ガスライン６を通路１５に接続した状態とで切換処理を行う。

図２は、上記構成とされたパルス管冷凍機１ＡをＭＲＩクライオスタットに適用した例を示している。

パルス管冷凍機１Ａは、ＭＲＩクライオスタットのクライオスタットハウジング６０に設けられたネックチューブ６１内に搭載される。ネックチューブ６１は、大径の上部６１Ａと、それより小径の下部６１Ｂとを有し、この上部６１Ａと下部６１Ｂとの間にはネックチューブ熱ステーション６８が設けられている。このネックチューブ熱ステーション６８は、クライオスタットハウジング６０の放射シールド６４と熱的に接続されている。

また、ネックチューブ６１の最下部にはＭＲＩ磁石６７を収納する容器６５が設けられており、この容器６５内にはＭＲＩ磁石６７を冷却する液体ヘリウム６６が装填されている。このため、ネックチューブ６１の液体ヘリウム６６より上部は、ヘリウムガス６２に満たされた状態となり、よってパルス管冷凍機１Ａはヘリウム雰囲気内で使用されることとなる。

ネックチューブ６１にパルス管冷凍機１Ａが搭載されると、１段目蓄冷器７，１段目パルス管１０，及び２段目パルス管４０Ａの上部４１はネックチューブ６１の上部６１Ａ内に位置し、２段目蓄冷器２６及び２段目パルス管４０Ａの下部４２は下部６１Ｂに位置した状態となる。また、高温側フランジ５１はＯリング５２によりネックチューブ６１に気密に接合され、よってネックチューブ６１は気密に密封される。

この搭載状態において、１段目冷却ステージ３０はネックチューブ熱ステーション６８と熱的に接続した状態となっており、よってネックチューブ熱ステーション６８を介して放射シールド６４は４０Ｋ程度に冷却される。また搭載状態において、２段目冷却ステージ２５は液体ヘリウム６６に近接した位置に位置している。

よって、２段目冷却ステージ２５は４Ｋの極低温に冷却されるため、蒸発したヘリウムガスは２段目冷却ステージ２５により冷却されて凝固して滴下する。これにより、ＭＲＩ磁石６７は液体ヘリウム６６に常に浸漬された状態を維持し確実に冷却される。尚、ネックチューブ６１の外部は真空６３とされている。

上記のようにパルス管冷凍機１Ａをネックチューブ６１に対して搭載する構成とすることにより、メンテナンス等によりパルス管冷凍機１ＡをＭＲＩクライオスタットから取り外す必要が生じたような場合でも、これに容易に対応することができる。

ここで、パルス管冷凍機１Ａの２段目パルス管４０Ａに設けられた小径部４５について説明する。この小径部４５（請求項に記載の熱交換部に対応する）は、本実施例では２段目パルス管４０Ａに一体的に形成されており、この形成位置は１段目冷却ステージ３０の配設位置に対応する位置（以下、ステージ対応位置という）に設定されている。この小径部４５の断面積Ｓ１（作動ガスが流れる部分の断面積）は、２段目パルス管４０Ａのステージ対応位置以外の位置の断面積Ｓ２（作動ガスが流れる部分の断面積）よりも小さく設定されている（Ｓ１<Ｓ２）。

また、小径部４５の長さＬ（２段目パルス管４０Ａの長手方向に対する長さ）は、１段目冷却ステージ３０の幅Ｗに比べて長く設定されている。具体的には、小径部４５の長さＬは１段目冷却ステージ３０の幅Ｗに対し、0.8×Ｗ≦Ｌ≦1.20×Ｗとなるよう設定されており、特に0.95×Ｗ≦Ｌ≦1.05×Ｗの範囲で設定することが望ましい。

続いて、上記構成とされたパルス管冷凍機１Ａの動作について説明する。

上記構成とされたパルス管冷凍機１Ａは、バルブ駆動装置３によりバルブ機構２内の切換弁を駆動し、１段目蓄冷器７の高温側端部に接続された通路１５を低圧側ガスライン４又は高圧側ガスライン６に選択的に切換接続する。これにより、１段目パルス管１０内で作動ガスが圧縮と膨張とを繰り返し、その際における断熱膨張によって発生する寒冷によって、１段目蓄冷器７及び１段目パルス管１０の低温側端部に配設された１段目冷却ステージ３０が約４０Ｋ程度に冷却される。

また、本実施例に係るパルス管冷凍機１Ａは２段式の構成であるため、コンプレッサ５から高圧側ガスライン６を介して１段目蓄冷器７内に導入された高圧作動ガスは、１段目蓄冷器７の低温側端部から２段目蓄冷器２６の高温側端部に導入される。そして、導入された作動ガスは２段目蓄冷器２６の蓄冷材１１と熱交換を行いつつ低温側端部に至り、連通管１７を通って２段目パルス管４０Ａの低温側端部に流入する。

これにより、既に２段目パルス管４０Ａに存在している作動ガスが、新たに流入した作動ガスによって押されて高温側端部側に移動を始める。同時に、オリフィス２０を通って２段目パルス管４０Ａの高温側端部に通路１５から作動ガスが流入し、２段目パルス管４０Ａの低温側端部から流入する作動ガスが抑制される。

その結果、作動ガスの移動のタイミングが２段目パルス管４０Ａ内における圧力変化のタイミングに対して遅れる。その後、２段目パルス管４０Ａ内の圧力が第２のバッファタンク２１内の圧力よりも高くなって、２段目パルス管４０Ａ内の作動ガスはオリフィス２７を通って第２のバッファタンク２１内に流入する。

次に、バルブ駆動装置３によりバルブ機構２が切り換わり、１段目蓄冷器７に接続された通路１５が低圧側ガスライン４に接続されると、１段目蓄冷器７内が減圧し、この減圧に伴って２段目蓄冷器２６内の作動ガスが１段目蓄冷器７に吸入され始める。そうすると、既に２段目パルス管４０Ａに存在している作動ガスが２段目蓄冷器２６に吸入され、２段目パルス管４０Ａ内の作動ガスが低温端部側に移動し始める。

同時に、オリフィス２０を通って２段目パルス管４０Ａの高温側端部側の作動ガスが通路１５に流出し、２段目パルス管４０Ａの低温側端部から流出する作動ガスが抑制される。その後、第２のバッファタンク２１内の作動ガスがオリフィス２７を通って２段目パルス管４０Ａ内に戻ると共に、２段目パルス管４０Ａ内の作動ガスが２段目蓄冷器２６の低温側端部に流れ込み、図示しない蓄冷材を冷却して温度上昇しつつ高温側端部に移動し、そして１段目蓄冷器７、通路１５、バルブ機構２、低圧側ガスライン４を介してコンプレッサ５に戻る。

こうして、上記２段目パルス管４０Ａ内において、１段目パルス管１０によって約４０Ｋ程度に冷却された作動ガスの圧縮・膨張が繰り返され、その際における断熱膨張によって発生した寒冷が２段目蓄冷器２６及び２段目パルス管４０Ａの低温側端部に蓄積される。これにより、２段目蓄冷器２６及び２段目パルス管４０Ａの低温側端部に配設された２段目冷却ステージ２５は、４Ｋ程度に冷却される。従って、図２に示す液体ヘリウム６６が気化しても２段目冷却ステージ２５により凝縮することができ、常にＭＲＩ磁石６７を液体ヘリウム６６内に浸漬させた状態とすることができる。

ところで、本実施例に係るパルス管冷凍機１Ａは、前記のように２段目パルス管４０Ａのステージ対応位置に小径部４５が形成された構成とされている。このように２段目パルス管４０Ａにステージ対応位置以外の位置に比べて小径な小径部４５を設けることにより、作動ガスがこの小径部４５を流れるときに乱流が発生する。この作動ガスの乱流により、作動ガスと２段目パルス管４０Ａの小径部４５の形成部位との間には、良好な熱交換が行われる。

また、小径部４５は１段目冷却ステージ３０と熱的に接続されており、２段目パルス管４０Ａの高温側から流入した作動ガスは小径部４５を通過することにより１段目冷却ステージ３０により冷却される。また、上記のように小径部４５は他の部位に比べて熱効率が良好であるため、冷却された作動ガスにより２段目パルス管４０Ａのステージ対応位置をそれ以外の位置に比べてより冷却することができる。（コメント：この部分の記載内容について、特に重点的にご検討願います）
次に、２段目パルス管４０Ａに小径部４５を設けたことによる作用，効果について、図３を用いて説明する。

図３は、１段目蓄冷器７及び２段目蓄冷器２６と、２段目パルス管４０Ａの低温側端部から高温側端部に至る温度を示したものである。縦軸は温度を示し、横軸は段目蓄冷器７及び２段目蓄冷器２６と、２段目パルス管４０Ａの低温側端部からの長さを示している。図１に示した位置Ｐ０〜Ｐ３は、図３に示した位置Ｐ０〜Ｐ３に対応している。

図中Ａで示す温度分布は、１段目及び２段目蓄冷器７，２６の温度分布である。また、図中Ｂで示す温度分布は、従来例として図１６に示したパルス管冷凍機からサーマルブリッジ３１を取り外したパルス管冷凍機における２段目パルス管４０の温度分布である。また、図中Ｃで示すのは、従来例として図１６に示したパルス管冷凍機における２段目パルス管４０の温度分布である。更に、図中Ｄで示すのは、本実施例に係る２段目パルス管４０Ａに小径部４５を設けた構成のパルス管冷凍機における２段目パルス管４０Ａの温度分布である。
先ず、１段目及び２段目蓄冷器７，２６の温度分布Ａに注目すると、２段目蓄冷器２６の低温側端部である位置Ｐ０では、その温度は約４Ｋとなっている。この位置Ｐ０より高温側端部に向かう従い、１段目及び２段目蓄冷器７，２６の温度は上昇する。

しかしながら、ステージ対応位置に対応する位置Ｐ１〜Ｐ２において、１段目及び２段目蓄冷器７，２６の温度は、略一定の温度（約４０Ｋ）を維持する。これは、ステージ対応位置は１段目冷却ステージ３０が配設された位置であり、この１段目冷却ステージ３０が約４０Ｋの温度に冷却されていることに起因している。そして位置Ｐ２より、更に高温側端部に向かうに従い、１段目及び２段目蓄冷器７，２６の温度は漸次増大する特性を示す。従って、１段目及び２段目蓄冷器７，２６の温度分布Ａは、ステージ対応位置に段部を有したような特性となる。

これに対し、従来におけるパルス管冷凍機の２段目パルス管４０の温度特性Ｂ，Ｃに注目すると、サーマルブリッジ３１を設けていない２段目パルス管４０の温度分布Ｂに比べ、サーマルブリッジ３１が設けられた２段目パルス管４０の温度分布Ｃの方が１段目及び２段目蓄冷器７，２６の温度分布Ａに近づいている。よって、サーマルブリッジ３１を設けた方が、設けない構成に比べて２段目パルス管４０の温度分布Ｃを１段目及び２段目蓄冷器７，２６の温度分布Ａに近似させることができ、よって対流損失を低減することができることがわかる。

しかしながら、温度分布Ｂ，Ｃを示す従来のパルス管冷凍機は、２段目パルス管４０が低温側端部から高温側端部まで同一構成であったため、その温度分布は一次関数的な略直線的な特性となる。これに対して１段目及び２段目蓄冷器７，２６の温度分布Ａは、上記のようにステージ対応位置に段部を有した特性である。このため、１段目及び２段目蓄冷器７，２６と従来のパルス管冷凍機の２段目パルス管４０は、このステージ対応位置において特に大きな温度差が発生することとなり、これに起因して有効な対流損失の発生抑制が行えなかった。

これに対して本実施例に係るパルス管冷凍機１Ａは、２段目パルス管４０Ａに小径部４５を設けることにより、２段目パルス管４０Ａのステージ対応位置を他の位置に比べて冷却しうる構成としている。このため、本実施例に係る２段目パルス管４０Ａの温度分布Ｄは、位置Ｐ１〜Ｐ２に対応する部分に、１段目及び２段目蓄冷器７，２６の温度分布Ａと同様に段差を有した温度分布特性となっている。

このように、２段目パルス管４０Ａに小径部４５を設けることにより、２段目パルス管４０Ａの温度分布Ｄを１段目及び２段目蓄冷器７，２６の温度分布Ａと近似させることができる。よって、パルス管冷凍機１Ａをヘリウム雰囲気等の非真空雰囲気内で使用しても、２段目パルス管４０Ａと１段目及び２段目蓄冷器７，２６との温度差に起因した対流損失の発生を確実に抑制することができ、パルス管冷凍機１Ａの冷凍効率の向上を図ることができる。

一方、小径部４５における２段目パルス管４０Ａの温度低下は、小径部４５の長さにより調整することが可能である。即ち、小径部４５を長くすると熱変換効率の高い部位が長く存在することにより、冷却効率も高くなり低温化する。また、上記した説明から明らかなように、小径部４５による冷却は、２段目パルス管４０Ａのステージ対応位置における温度を１段目及び２段目蓄冷器７，２６のステージ対応位置の温度と近似させることが目的である。これを実現しうる小径部４５の長さＬは、本発明者の実験によれば、１段目冷却ステージ３０の幅Ｗに対し、0.8×Ｗ≦Ｌ≦1.20×Ｗとなるよう設定することが望ましく、特に0.95×Ｗ≦Ｌ≦1.05×Ｗの範囲で設定することにより、より高い効果が得られる。

図４は、本発明の第２実施例であるパルス管冷凍機１Ｂを示している。尚、図４において、図１及び図２に示した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。

本実施例に係るパルス管冷凍機１Ｂは、小径部４５の高温側に整流器７０を配設すると共に、小径部４５の低温側に整流器７１を配設したことを特徴とするものである。前記したように、小径部４５内では乱流が発生するが、この乱流は熱伝達効率の向上の面からは利益があるが、２段目パルス管４０Ａ内における作動ガスの円滑な流れを維持する面かは不利である。

このため本実施例では、小径部４５を挟むように整流器７０，７１を設けることにより、ステージ対応位置における熱伝達効率の向上を図ると共に、ステージ対応位置意外の位置における作動ガスの流れの円滑化を図ったものである。

図５は、本発明の第３実施例であるパルス管冷凍機１Ｃを示している。尚、本実施例以降の説明に用いる図５乃至図１５において、図１乃至図４に示した構成と対応する構成についは同一符号を付して、その説明を省略するものとする。

第３実施例に係るパルス管冷凍機１Ｃは、２段目パルス管４０Ｂのステージ対応位置における冷却効率を高める熱交換部として、単孔プラグ８０を設けたことを特徴とするものである。この単孔プラグ８０は、２段目パルス管４０Ｂのステージ対応位置の内部に嵌入された構成とされている。また、単孔プラグ８０は内部に作動ガスが流通する１本の流通孔８１が形成されている。作動ガスは、この流通孔８１を通過する際に乱流を発生し、よって第１実施例と同様に、単孔プラグ８０において２段目パルス管４０Ｂの冷却を行うことができ、対流損失の発生を抑制することができる。

図６は、本発明の第４実施例であるパルス管冷凍機１Ｄを示している。本実施例に係るパルス管冷凍機１Ｄは、基本構成は第３実施例に係るパルス管冷凍機１Ｃと同一構成であるが、単孔プラグ８０の高温側に整流器７０を配設し、単孔プラグ８０の低温側に整流器７１を配設した構成としている。このように、単孔プラグ８０を挟むように整流器７０，７１を設けることにより、ステージ対応位置における熱伝達効率の向上を図ると共に、ステージ対応位置意外の位置における作動ガスの流れの円滑化を図ることができる。

図７は、本発明の第５実施例であるパルス管冷凍機１Ｅを示している。

本実施例に係るパルス管冷凍機１Ｅは、２段目パルス管４０Ｂのステージ対応位置における冷却効率を高める熱交換部として、多孔プラグ９０を設けたことを特徴とするものである。この多孔プラグ９０は、図７（Ａ）に示すように、２段目パルス管４０Ｂのステージ対応位置の内部に嵌入された構成とされている。また、多孔プラグ９０は図７（Ｂ）に平面視した状態を示すように、内部に作動ガスが流通する多数の流通孔９１が形成されている。作動ガスは、この多数の流通孔９１を通過する際に乱流を発生し、よって第１実施例と同様に、多孔プラグ９０において２段目パルス管４０Ｂの冷却を行うことができ、対流損失の発生を抑制することができる。

図８は、本発明の第６実施例であるパルス管冷凍機１Ｆを示している。

本実施例に係るパルス管冷凍機１Ｆは、基本構成は第５実施例に係るパルス管冷凍機１Ｅと同一構成であるが、多孔プラグ９０の高温側に整流器７０を配設し、多孔プラグ９０の低温側に整流器７１を配設した構成としている。このように、多孔プラグ９０を挟むように整流器７０，７１を設けることにより、ステージ対応位置における熱伝達効率の向上を図ると共に、ステージ対応位置意外の位置における作動ガスの流れの円滑化を図ることができる。

図９は、本発明の第７実施例であるパルス管冷凍機１Ｇを示している。

本実施例に係るパルス管冷凍機１Ｇは、２段目パルス管４０Ｂのステージ対応位置における冷却効率を高める熱交換部として、メッシュプラグ１２０を設けたことを特徴とするものである。このメッシュプラグ１２０は、２段目パルス管４０Ｂのステージ対応位置の内部に嵌入された構成とされている。作動ガスは、この網目を有したメッシュプラグ１２０を通過する際に乱流を発生し、よって第１実施例と同様に、メッシュプラグ１２０において２段目パルス管４０Ｂの冷却を行うことができ、対流損失の発生を抑制することができる。

図１０は、本発明の第８実施例であるパルス管冷凍機１Ｈを示している。

本実施例に係るパルス管冷凍機１Ｈは、２段目パルス管４０Ｃのステージ対応位置における冷却効率を高める熱交換部として流通孔１３１を有する連結部材１３０を設けたことを特徴とするものである。

本実施例では、２段目パルス管４０Ｃは、上部パルス管４３、下部パルス管４４、及び連結部材１３０とにより構成されている。この上部パルス管４３及び下部パルス管４４は、連結部材１３０の連結部１３２，１３３に連結されている。

具体的には、連結部材１３０の高温側の連結部１３２には上部パルス管４３の低温側端部が連結され、連結部材１３０の低温側の連結部１３３には下部パルス管４４の高温側端部が連結された構成とされている。

このように本実施例では、上部パルス管４３と下部パルス管４４が分離されているため、連結部材１３０に対して上部パルス管４３及び下部パルス管４４を容易に連結することができる。また作動ガスは、連結部材１３０に形成された流通孔１３１を通過する際に乱流を発生し、よって第１実施例と同様に、流通孔１３１において２段目パルス管４０Ｃの冷却を行うことができ、対流損失の発生を抑制することができる。

図１１は、本発明の第９実施例であるパルス管冷凍機１Ｉを示している。

本実施例に係るパルス管冷凍機１Ｉは、基本構成は第８実施例に係るパルス管冷凍機１Ｈと同一構成であるが、上部パルス管４３の低温側端部に整流器７０を配設し、下部パルス管４４の高温側端部に整流器７１を配設した構成としている。このように、連結部材１３０を挟むように整流器７０，７１を設けることにより、ステージ対応位置における熱伝達効率の向上を図ると共に、ステージ対応位置意外の位置における作動ガスの流れの円滑化を図ることができる。

図１２は、本発明の第１０実施例であるパルス管冷凍機１Ｊを示している。

本実施例に係るパルス管冷凍機１Ｊは、２段目パルス管４０Ｃのステージ対応位置における冷却効率を高める熱交換部として小径部１４１を設けると共に、この小径部１４１を１段目冷却ステージ１４０に形成したことを特徴とするものである。本実施例においても２段目パルス管４０Ｃを上部パルス管４３と下部パルス管４４とにより構成しており、この上部パルス管４３と下部パルス管４４を１段目冷却ステージ１４０に形成された小径部１４１で連結した構成としている。

具体的には、上部パルス管４３の低温側は、１段目冷却ステージ１４０に形成された小径部１４１の高温側に連結されている。また、下部パルス管４４の高温側は、１段目冷却ステージ１４０に形成された小径部１４１の低温側に連結されている。

本実施例においても、上部パルス管４３と下部パルス管４４が分離されているため、１段目冷却ステージ１４０に対して上部パルス管４３及び下部パルス管４４を容易に連結することができる。また作動ガスは、この小径部１４１を通過する際に乱流を発生し、よって第１実施例と同様に、小径部１４１において２段目パルス管４０Ｃの冷却を行うことができ、対流損失の発生を抑制することができる。

更に、本実施例では、１段目及び２段目蓄冷器７，２６と２段目パルス管４０Ｄは、ステージ対応位置において１段目冷却ステージ１４０により熱的に接続された構成とされている。よって、１段目及び２段目蓄冷器７，２６と２段目パルス管４０Ｄのステージ対応位置における温度を近づけることができ、対流損失の発生をより確実に抑制することができる。

図１３は、本発明の第１１実施例であるパルス管冷凍機１Ｋを示している。

本実施例に係るパルス管冷凍機１Ｋは、基本構成は第１０実施例に係るパルス管冷凍機１Ｊと同一構成であるが、小径部１４１の高温側に整流器７０を配設し、小径部１４１の低温側に整流器７１を配設した構成としている。このように、小径部１４１を挟むように整流器７０，７１を設けることにより、ステージ対応位置における熱伝達効率の向上を図ると共に、ステージ対応位置意外の位置における作動ガスの流れの円滑化を図ることができる。

図１４は、本発明の第１２実施例であるパルス管冷凍機１Ｌを示している。

本実施例に係るパルス管冷凍機１Ｌは、２段目パルス管４０Ｃのステージ対応位置における冷却効率を高める熱交換部として、１段目冷却ステージ１４０に小径部１４１を設けると共にこの小径部１４１と１段目蓄冷器７とを接続するバイパス通路１５０を設けたことを特徴とするものである。

このように、バイパス通路１５０により小径部１４１と１段目蓄冷器７とを接続することにより、少量の作動ガスがこのバイパス通路１５０を介して流通する。このため、この接続位置における１段目蓄冷器７と２段目パルス管４０Ｅの温度を近似させることが可能となり、対流損失の発生をより確実に抑制することができる。

図１５は、本発明の第１３実施例であるパルス管冷凍機１Ｍを示している。

本実施例に係るパルス管冷凍機１Ｍは、基本構成は第１２実施例に係るパルス管冷凍機１Ｌと同一構成であるが、小径部１４１の高温側に整流器７０を配設し、小径部１４１の低温側に整流器７１を配設した構成としている。このように、小径部１４１を挟むように整流器７０，７１を設けることにより、ステージ対応位置における熱伝達効率の向上を図ると共に、ステージ対応位置意外の位置における作動ガスの流れの円滑化を図ることができる。

以上、本発明の好ましい実施例について詳述したが、本発明は上記した特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能なものである。

即ち、上記した各実施例では、２段目パルス管のステージ対応位置における冷却効率を高める熱交換部として、単孔プラグ８０，多孔プラグ９０，メッシュプラグ１２０，連結部材１３０，小径部１４１を設けた構成を示したが、このプラグ等の熱交換部８０，９０，１２０，１３０，１４１の長さＬは、１段目冷却ステージ３０の幅Ｗに対し、0.8×Ｗ≦Ｌ≦1.20×Ｗとなるよう設定することが望ましく、特に0.95×Ｗ≦Ｌ≦1.05×Ｗの範囲で設定することにより、より高い効果が得られる。

また、上記した実施例では、パルス管冷凍機１Ａ〜１Ｍをヘリウム雰囲気内に搭載する例を示したが、非真空雰囲気はヘリウム雰囲気に限定されるものではなく、水素、ネオンの群から選択される少なくも一種のガスを含む雰囲気内にパルス管冷凍機１Ａ〜１Ｍを搭載して使用することも可能である。

図１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２は、本発明の第１実施例であるパルス管冷凍機をＭＲＩクライオスタットに適用した例を示す構成図である。 図３は、第１実施例であるパルス管冷凍機の温度特性を従来のパルス管冷凍機の温度特性と比較して示す図である。 図４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。 図５は、本発明の第３実施例であるパルス管冷凍機の構成図である。 図６は、本発明の第４実施例であるパルス管冷凍機の構成図である。 図７は、本発明の第５実施例であるパルス管冷凍機の構成図である。 図８は、本発明の第６実施例であるパルス管冷凍機の構成図である。 図９は、本発明の第７実施例であるパルス管冷凍機の構成図である。 図１０は、本発明の第８実施例であるパルス管冷凍機の構成図である。 図１１は、本発明の第９実施例であるパルス管冷凍機の構成図である。 図１２は、本発明の第１０実施例であるパルス管冷凍機の構成図である。 図１３は、本発明の第１１実施例であるパルス管冷凍機の構成図である。 図１４は、本発明の第１２実施例であるパルス管冷凍機の構成図である。 図１５は、本発明の第１３実施例であるパルス管冷凍機の構成図である。 図１６は、従来の一例であるパルス管冷凍機の構成図である。

符号の説明

１Ａ〜１Ｍ パルス管冷凍機
７ １段目蓄冷器
１０ １段目パルス管
１４ 第１のバッファタンク
２１ 第２のバッファタンク
２５ ２段目冷却ステージ
２６ ２段目蓄冷器
３０，１４０ １段目冷却ステージ
４０Ａ〜４０Ｅ ２段目パルス管
４３ 上部パルス管
４４ 下部パルス管
４５，１４１ 小径部
５１ 高温側フランジ
６０ クライオスタットハウジング
６４ 放射シールド
６７ ＭＲＩ磁石
７０，７１ 整流器
８０ 単孔プラグ
８１，９１，１３１ 流通孔
９０ 多孔プラグ
１２０ メッシュプラグ
１３０ 連結部材
１５０ バイパス通路

Claims (7)

1. 非真空雰囲気内で用いられるパルス管冷凍機であって、
   作動ガスに対し圧力振動を発生させる圧力振動発生機と、
   前記圧力振動発生機に高温側が接続された１段目蓄冷器と、
   該１段目蓄冷器に高温側が接続された２段目蓄冷器と、
   高温側が第１のバッファタンクに接続されると共に、低温側が前記１段目蓄冷器の低温側に接続された１段目パルス管と、
   高温側が第２のバッファタンクに接続されると共に、低温側が前記２段目蓄冷器の低温側に接続された２段目パルス管と、
   前記１段目蓄冷器と前記１段目パルス管との接続位置に設けられた１段目冷却ステージと、
   前記２段目蓄冷器と前記２段目パルス管との接続位置に設けられた２段目冷却ステージとを有し、
   かつ、前記２段目パルス管の途中位置で前記１段目冷却ステージと対応するステージ対応位置に、前記２段目パルス管内を流れる前記作動ガスとの熱交換により、前記ステージ対応位置以外の部位に比べて熱交換効率を高めた熱交換部を設けたことを特徴とするパルス管冷凍機。
2. 前記熱交換部は、前記ステージ対応位置以外の部位の流路面積に比べ、前記ステージ対応位置の流路面積を小さくした構成であることを特徴とする請求項１記載のパルス管冷凍機。
3. 前記熱交換部は、基部に流通孔を形成した構成であることを特徴とする請求項１記載のパルス管冷凍機。
4. 前記熱交換部は、多孔性材料により構成されていることを特徴とする請求項１記載のパルス管冷凍機。
5. 前記熱交換部の前記パルス管の長手方向に沿った長さをＬとし、前記１段目冷却ステージの厚さをＷとした場合、0.8×Ｗ≦Ｌ≦1.20×Ｗとなるよう設定したことを特徴とする請求項２乃至４のいずれか１項に記載のパルス管冷凍機。
6. 前記熱交換部を挟んだ上下位置に、前記作動ガスの流れを整える整流器を設けたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のパルス管冷凍機。
7. 前記非真空雰囲気は、ヘリウム、水素、ネオンの群から選択される少なくも一種のガスを含む雰囲気であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のパルス管冷凍機。

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