JP2008281234A - 蓄冷式冷凍機およびパルスチューブ冷凍機 - Google Patents

Abstract

【課題】装置を複雑化させることなく、冷却ステージの振動を抑制することが可能な、パルスチューブ冷凍機等の蓄冷式冷凍機を提供する。
【解決手段】本発明では、冷媒ガスを高圧にして送出し、低圧の冷媒ガスを吸引する圧縮機と接続されており、内部に蓄冷材を包含し、圧縮、膨張を繰り返す冷媒ガスが流通するシリンダ部材に接続された冷却ステージを有する、蓄冷式冷凍機であって、前記冷却ステージの振動を抑制する補強部材を備えることを特徴とする蓄冷式冷凍機が提供される。
【選択図】図１

Description

本発明は、被冷却対象を極低温に冷却する蓄冷式冷凍機に関し、特にパルスチューブ冷凍機に関する。

従来より極低温環境が必要となる装置、例えば、核磁気共鳴診断装置（ＭＲＩ）等を冷却する際には、パルスチューブ冷凍機およびギフォード・マクマホン（ＧＭ）冷凍機のような蓄冷式冷凍機が使用されている。

蓄冷式冷凍機では、４Ｋ程度の極低温から１００Ｋ程度の低温を形成することができる。例えば、パルスチューブ冷凍機では、ガス圧縮機により圧縮された冷媒ガス（例えば、ヘリウムガス）が蓄冷管およびパルス管に流入する動作と、ガス圧縮機により作動流体が回収され蓄冷管およびパルス管から流出する動作を繰り返すことで、蓄冷管およびパルス管の低温端に寒冷が形成される。また、これらの低温端を被冷却対象である被冷却体に熱的に接触させることで、被冷却体から熱を奪うことができる。

パルスチューブ冷凍機の蓄冷管は、内部に蓄冷材を有する筒状部材（シリンダ）で構成され、パルス管は、中空のシリンダで構成される。それぞれのシリンダは、一端が高温端、他端が低温端を構成する。また、シリンダの低温端には、冷却ステージが設置され、この冷却ステージには、被冷却体が接続される。なお、周囲環境からシリンダの高温端への侵入熱が多くなると、低温端の温度が上昇して、冷凍機の冷凍能力が低下してしまう。そこで、周囲環境とシリンダの高温端との間の熱伝達を抑制するため、蓄冷管およびパルス管を構成するシリンダの薄肉化が進められている。

他方、これらのシリンダの薄肉化がすすむと、内部を流通する冷媒ガスの圧縮、膨張の繰り返しによって、シリンダが軸方向に伸縮し、シリンダの低温端に接続された冷却ステージが振動してしまう。また、このような冷却ステージの振動によって、冷却ステージに設置された被冷却体の位置が変動する。被冷却体の位置の変動は、高精度の位置決めが必要な半導体製造装置等の装置では、大きな問題となる。

そこで、このような冷却ステージの振動による被冷却体の位置変動を抑制するため、パルスチューブ冷凍機等の冷凍機に、振動抑制装置を追加設置することが提案されている（特許文献１）。

この振動抑制装置は、パルス管および蓄冷管等のシリンダを支持する通常のサポートフランジとは別に、被冷却体を支持する第２のフランジを備え、この第２のフランジには、被冷却体と接触される低振動ステージが、支持棒を介して支持されている。また、冷却ステージと低振動ステージは、ヒートリンク（可撓性の高熱伝導性線材）を介して、熱的および機械的に接続される。なお、通常のサポートフランジと第２のフランジは、ベローズのような振動吸収材によって相互に接続されている。このような振動抑制装置を設けた場合、冷凍機のシリンダで生じた振動が、被冷却体に伝わることを防止することができる。
特開２００５−２４１８４号公報

しかしながら、特許文献１のような振動抑制装置を設置した場合、ヒートリンクは、断面積の小さな線材であるため、仮にヒートリンクを銅またはアルミニウム等の高熱伝導性材料で構成したとしても、ヒートリンクに生じる熱抵抗を完全に排除することはできない。従って、ヒートリンクを介して、冷却ステージと低振動ステージ（さらには被冷却体）を熱的に接続する方法では、冷却ステージと被冷却体を直接接触させた場合に比べて、冷凍機の冷却能力が低下してしまう。また、振動抑制装置を追加した場合、冷凍機の構成が複雑なものとなり、冷凍機を小型化することが難しくなるという問題が生じる。

本発明は、このような背景に鑑みなされたものであり、本発明では、装置を複雑化および／または大型化することなく、良好な冷凍能力を有し、冷却ステージの振動を抑制することが可能な蓄冷式冷凍機、特にパルスチューブ冷凍機を提供することを目的とする。

本発明では、冷媒ガスを高圧にして送出し、低圧の冷媒ガスを吸引する圧縮機と接続されており、
内部に蓄冷材を包含し、圧縮、膨張を繰り返す冷媒ガスが流通するシリンダ部材に接続された冷却ステージを有する、蓄冷式冷凍機であって、
前記冷却ステージの振動を抑制する補強部材を備えることを特徴とする蓄冷式冷凍機が提供される。

また、本発明では、冷媒ガスを高圧にして送出し、低圧の冷媒ガスを吸引する圧縮機と、内部に蓄冷材を有する蓄冷管と、内部に圧縮、膨張を繰り返す冷媒ガスが流通するパルス管とを有するパルスチューブ冷凍機であって、前記蓄冷管と前記パルス管とを接続する冷却ステージの振動を抑制する補強部材を備えることを特徴とするパルスチューブ冷凍機が提供される。

ここで、当該パルスチューブ冷凍機は、さらに、前記パルス管の一端が接続されたフランジを有し、前記補強部材は、前記フランジと前記冷却ステージの間に介在されていても良い。

また、当該パルスチューブ冷凍機は、前記フランジからの距離が近い方から順に、第１段冷却ステージおよび第２段冷却ステージを有する２段式のパルスチューブ冷凍機であって、前記補強部材は、前記フランジと第１段冷却ステージの間、および第１段冷却ステージと第２段冷却ステージの間の一方もしくは双方に介在されても良い。

ここで前記補強部材は、一端が前記フランジに接続され、他端が第２段冷却ステージに接続されていても良い。

また、前記補強部材は、
Ａ＝材料の室温（２５℃）での熱伝導率（Ｗ／ｍ／Ｋ）／材料の室温（２５℃）での引張弾性率（ｋｇｆ／ｍｍ^２） （１）
としたとき、
Ｂ＝（材料のＡ値）／（ＳＵＳ３０４ステンレス鋼のＡ値）≦１ （２）
を満たす材料で構成されていても良い。

特に、前記補強部材は、ステンレス鋼、ガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ）、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）、アラミド繊維強化プラスチック（ＡｒＦＲＰ）および炭化珪素繊維強化プラスチック（ＳｉＣ−ＦＲＰ）からなる群から選定された、少なくとも一つの材料で構成されていることが好ましい。

本発明では、装置を複雑化および／または大型化することなく、良好な冷凍能力を有し、冷却ステージの振動を抑制することが可能なパルスチューブ冷凍機等の蓄冷式冷凍機を提供することができる。

以下、図面により本発明の形態を説明する。

図１には、本発明の第１の実施形態に係るパルスチューブ冷凍機の概略構成図を示す。なお、図１の実施形態では、本発明によるパルスチューブ冷凍機は、２段式のパルスチューブ冷凍機である。

図１に示すように、本発明による２段式パルスチューブ冷凍機１００は、ガス圧縮機１１と、ハウジング部１０と、該ハウジング部１０にフランジ２１を介して連結されたコールドヘッド部２０とを備えている。

ガス圧縮機１１は、ハウジング部１０さらにはコールドヘッド部２０に、ヘリウムガス等の冷媒ガスを所定の周期で高圧流入させたり、低圧排気させたりする役割を有する。

ハウジング部１０は、ハウジング５を有し、このハウジング５内には、第１段リザーバ１５Ａ、第２段リザーバ１５Ｂ、熱交換器１８ａ、１９ａ、吸気バルブ１２、排気バルブ１３およびオリフィス１７等が収容されている。吸気バルブ１２および排気バルブ１３は、ガス配管１４を介して、ガス圧縮機１１に接続されている。なお、ハウジング５は、例えばアルミニウムまたはアルミニウム合金で構成されている。

コールドヘッド部２０は、フランジ２１に固定された第１段蓄冷管３１、第１段パルス管３６、第１段冷却ステージ３０、第２段蓄冷管４１、第２段パルス管４６および第２段冷却ステージ４０を有する。

第１段蓄冷管３１は、例えばステンレス鋼の中空状のシリンダ３２と、その内部に充填された銅やステンレス鋼製金網等の蓄冷材３３からなる。第１段パルス管３６は、例えばステンレス鋼の中空状のシリンダ３７からなる。これらのシリンダ３２、３７の高温端３２ａ、３７ａはフランジ２１に接触、固定され、これらのシリンダ３２、３７の低温端３２ｂ、３７ｂは、第１冷却ステージ３０に接触、固定されている。第１冷却ステージ３０には、その内部にガス流通路３８が形成されており、第１段パルス管３６の低温端３７ｂと第１段蓄冷管３１の低温端３２ｂとが熱交換器１８ｂおよびガス流路３８を介して接続されている。第１冷却ステージ３０は、図示しない被冷却対象に熱的および機械的に接続され、寒冷が被冷却対象に取り出される。

また、第２段蓄冷管４１は、例えばステンレス鋼の中空状のシリンダ４２と、その内部に充填された銅やステンレス鋼製金網等の蓄冷材４３からなる。第２段パルス管４６は、例えばステンレス鋼の中空状のシリンダ４７からなる。第２段蓄冷管４１のシリンダ４２の高温端４２ａは、第１冷却ステージ３０に接触、固定され、低温端４２ｂは、第２段冷却ステージ４０に接触、固定されている。第２段パルス管４６のシリンダ４７の高温端４７ａは、フランジ２１に接触、固定され、低温端４７ｂは、第２段冷却ステージ４０に接触、固定されている。第２段冷却ステージ４０には、その内部にガス流通路４８が形成されており、第２段パルス管４６の低温端４７ｂと第２段蓄冷管４１の低温端４２ｂとが、熱交換器１９ｂおよびガス流路４８を介して接続されている。第２段冷却ステージ４０は、図示しない被冷却対象に熱的および機械的に接続され、寒冷が被冷却対象に取り出される。

パルスチューブ冷凍機１００では、ガス圧縮機１１から、高圧の冷媒ガスが吸気バルブ１２およびガス流路１４を介して第１段蓄冷管３１に供給され、また、第１段蓄冷管３１から低圧の冷媒ガスがガス流路１４および排気バルブ１３を介してガス圧縮機１１に排気される。第１段パルス管３６の高温端３７ａには、熱交換器１８ａおよびオリフィス１７を介して、第１段リザーバ１５Ａが接続されている。また、第２段パルス管４６の高温端４７ａには、熱交換器１９ａおよびオリフィス１７を介して、第２段リザーバ１５Ｂが接続されている。オリフィス１７は、第１段パルス管３６および第２段パルス管４６において、周期的に変化する冷媒ガスの圧力変動と体積変化との位相差を調整する役割を果たす。

次に、このように構成されるパルスチューブ冷凍機１００の動作を説明する。まず、吸気バルブ１２が開状態、排気バルブ１３が閉状態になると、高圧の冷媒ガスが、ガス圧縮機１１から第１段蓄冷管３１に流入する。第１段蓄冷管３１内に流入した冷媒ガスは、蓄冷材３３により冷却されて温度を下げながら、第１段蓄冷管３１の低温端３２ｂからガス流通路３８を通り、第１段パルス管３６の内部に流入する。この際に、第１段パルス管３６の内部に予め存在していた低圧の冷媒ガスは、流入した高圧の冷媒ガスにより圧縮される。これにより、第１段パルス管３６内の冷媒ガスの圧力は、第１段リザーバ１５Ａ内の圧力よりも高くなり、冷媒ガスは、オリフィス１７およびガス流路１６を通って、第１段リザーバ１５Ａに流入する。

また、第１段蓄冷管３１で冷却された高圧の冷媒ガスの一部は、第２段蓄冷管４１にも流入する。この冷媒ガスは、蓄冷材４３によりさらに冷却されて温度を下げながら、第２段蓄冷管４１の低温端４２ｂからガス流通路４８を通り、第２段パルス管４６の内部に流入する。この際に、第２段パルス管４６の内部に予め存在していた低圧の冷媒ガスは、流入した高圧の冷媒ガスにより圧縮される。これにより、第２段パルス管４６内の冷媒ガスの圧力は、第２段リザーバ１５Ｂ内の圧力よりも高くなり、冷媒ガスは、オリフィス１７およびガス流路１６を通って、第２段リザーバ１５Ｂに流入する。

次に、吸気バルブ１２を閉じ、排気バルブ１３を開くと、第１段パルス管３６および第２段パルス管４６内の冷媒ガスは、それぞれ、蓄冷材３３および４３を冷却しながら、第１段蓄冷管３１および第２段蓄冷管４１を通過する。また、第２段蓄冷管４１を通過した冷媒ガスは、さらに第１段蓄冷管３１を通過する。その後、冷媒ガスは、第１段蓄冷管３１の高温端３２ａから排気バルブ１３を通り、ガス圧縮機１１に戻る。ここで、第１段パルス管３６および第２段パルス管４６は、それぞれ、オリフィス１７を介して、第１段リザーバ１５Ａおよび第２段リザーバ１５Ｂと接続されているため、冷媒ガスの圧力変動の位相と、冷媒ガスの体積変化の位相とは、一定の位相差で変化する。この位相差により、第１段パルス管３６の低温端３７ｂおよび第２段パルス管４６の低温端４７ｂにおいて、冷媒ガスの膨張による寒冷が発生する。パルスチューブ冷凍機１００は、上記の動作が反復されることで冷凍機として機能する。

なお、通常の場合、第１段蓄冷管３１のシリンダ３２、第２段蓄冷管４１のシリンダ４２、第１段パルス管３６のシリンダ３７および第２段パルス管４６のシリンダ４７は、薄肉のステンレス鋼管で構成されている。このため、パルスチューブ冷凍機の作動時には、これらの管内に流通する冷媒ガスの圧縮、膨張の繰り返しにより、シリンダ３２、４２、３７および４７は、軸方向（図１の上下方向）に弾性的に伸縮する。このようなシリンダ３２、４２、３７および４７の伸縮に伴い、これらのシリンダの低温端に接続された第１段冷却ステージ３０および第２段冷却ステージ４０に、振動が生じる。さらに、この振動によって、それぞれの冷却ステージに設置された被冷却体の位置が変動する。被冷却体の位置の変動は、高精度の位置決めが必要な半導体製造装置等の装置では、大きな問題となる。

これに対して、本発明では、パルスチューブ冷凍機１００が、第１段冷却ステージ３０および第２段冷却ステージ４０の振動を抑制するための補強部材を有することに特徴がある。例えば、図１の例では、フランジ２１と第１段冷却ステージ３０の間に、補強部材５１が介在されており、この補強部材５１は、上端がフランジ２１に固定され、下端が第１段冷却ステージ３０に固定されている。

フランジ２１と第１段冷却ステージ３０の間に、このような補強部材５１を設置した場合、各蓄冷管およびパルス管の内部に流通する冷媒ガスの圧縮、膨張によって生じる第１段冷却ステージ３０の振動を抑制することが可能になる。また、これにより、第２段蓄冷管４１を介して第１段冷却ステージ３０と接続されている第２段冷却ステージ４０の振動も抑制される。従って、本発明によるパルスチューブ冷凍機１００では、コールドヘッド部２０での振動によって、第１段冷却ステージ３０、さらには第２段冷却ステージ４０に接続された被冷却対象に生じ得る位置変動を低減することができる。

このような補強部材を構成する材料は、特に限られず、金属、ガラス等のセラミックおよびプラスチック等の有機高分子材料等、様々な材料が使用できる。

なお、補強部材を構成する材料の引張弾性率が十分に大きい場合、補強部材５１の設置により、フランジ２１と第１段冷却ステージ３０の間の剛性が高まり、第１段冷却ステージ３０および第２段冷却ステージ４０の振動を、より一層抑制することが可能になる。また、補強部材を構成する材料の熱伝導率が十分に小さい場合、補強部材５１の設置により、補強部材と、コールドヘッド部２０に生じる寒冷環境との間の熱伝導によって生じ得る熱損失が抑制され、補強部材を設置することにより生じ得る冷凍機の冷凍能力の低下を低減することができる。

このような考察の下、本願発明者は、以下の式（１）で表されるＡ値が、補強部材を構成する材料を選定する際の指標となり得ることを見出した。

Ａ＝材料の室温（２５℃）での熱伝導率（Ｗ／ｍ／Ｋ）／材料の室温（２５℃）での引張弾性率（ｋｇｆ／ｍｍ^２） （１）
また本願発明者は、特に、材料のＡ値が、ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４鋼）のＡ値と等しいか、これよりも小さい場合、そのような材料を補強部材として使用することにより、冷凍機の冷凍能力に悪影響を及ぼさずに、第１段および第２段冷却ステージの振動を有意に低減することができることを見出した。すなわち、補強部材としての使用に特に好適な材料は、式（２）を満たすものである：
Ｂ＝（材料のＡ値）／（ＳＵＳ３０４ステンレス鋼のＡ値）≦１ （２）
このような式（２）の関係を満たす材料としては、例えば、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６Ｌ、ＳＵＳ３１０ＳおよびＳＵＳ４３０等のオーステナイト系またはマルテンサイト系ステンレス鋼の他、例えば、ガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ）、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）、アラミド繊維強化プラスチック（ＡｒＦＲＰ）ならびに炭化珪素繊維強化プラスチック（ＳｉＣ−ＦＲＰ）が挙げられる。表１には、これらの材料のＢ値をＡ値とともに示す。この表に示すように、これらの材料のＢ値は、いずれもＳＵＳ３０４ステンレス鋼に比べて著しく小さいことがわかる。

補強部材に前述のような材料を使用することにより、第１段および第２段冷却ステージ、さらにはこれらに接続された被冷却対象に、極めて好適な振動抑制効果が得られる。

次に、本発明の別の実施形態について説明する。図２は、本発明に係るパルスチューブ冷凍機の第２の実施形態を示したものである。

このパルスチューブ冷凍機２００の基本構成部材は、前述のパルスチューブ冷凍機１００とほぼ同様である（従って、図２において、図１と同様の部材には、図１と同一の参照符号が付されている）。ただし、このパルスチューブ冷凍機２００では、前述の場合とは異なり、補強部材５２が第１段冷却ステージ３０と第２段冷却ステージ４０の間に介在されている。

ここで、前述の蓄冷管およびパルス管の弾性的な伸縮による冷却ステージの振動の問題は、第１段冷却ステージ３０よりも第２段冷却ステージ４０において、より顕在化する傾向にある。これは、第２段冷却ステージ４０は、シリンダ３２、３７および４７等を支持するフランジ２１に対して、第１段冷却ステージ３０よりも遠い位置にあり、シリンダ３２、３７、４７（および４２）に微小の伸縮が生じただけでも、この振動による影響をより大きく受けてしまうからである。

しかしながら、この実施形態では、補強部材５２によって、第２段冷却ステージ４０に生じる振動を、第１段冷却ステージ３０と同レベルにまで低減することができる。従って、第２段冷却ステージ４０に接続された被冷却対象に生じる位置変動を、有意に抑制することができる。

次に、本発明のさらに別の実施形態について説明する。図３は、本発明に係るパルスチューブ冷凍機の第３の実施形態を示したものである。

このパルスチューブ冷凍機３００の基本構成部材は、前述のパルスチューブ冷凍機１００とほぼ同様である（従って、図３において、図１と同様の部材には、図１と同一の参照符号が付されている）。ただし、この実施形態は、前述の第１の実施形態と第２の実施形態を組み合わせた構成となっている。すなわち、このパルスチューブ冷凍機３００は、補強部材５１および５２を有し、両補強部材は、それぞれ、フランジ２１と第１段冷却ステージ３０の間、および第１段冷却ステージ３０と第２段冷却ステージ４０の間の両方の位置に介在されている。

補強部材５１および５２をこのように設置した場合、補強部材５１によって、第１段冷却ステージ３０に生じる振動が抑制されるとともに、補強部材５２によって、第２段冷却ステージ４０に生じる振動が抑制される。従って、第１段冷却ステージ３０および第２段冷却ステージ４０に接続された被冷却対象に生じる位置変動を、より一層低減することができる。

次に、本発明のさらに別の実施形態について説明する。図４は、本発明に係るパルスチューブ冷凍機の第４の実施形態を示したものである。

このパルスチューブ冷凍機４００の基本構成部材は、前述のパルスチューブ冷凍機３００とほぼ同様である（従って、図４において、図３と同様の部材には、図３と同一の参照符号が付されている）。ただし、この実施形態では、パルスチューブ冷凍機４００の補強部材５４が、フランジ２１から第２段冷却ステージ４０にまで延伸している点が、図３のパルスチューブ冷凍機３００とは異なっている。すなわち、補強部材５４は、第１段冷却ステージ３０を貫通して、上端がフランジ２１に固定され、下端が第２段冷却ステージ４０に固定されている。なお、補強部材５４と第１段冷却ステージ３０とは、接合箇所５９において、例えば、補強部材５４の周囲溶接等の方法により相互に固定されている。

以上の実施形態では、２段式のパルスチューブ冷凍機を例に、本発明の特徴を説明した。しかしながら、本発明のパルスチューブ冷凍機は、このような形態に限られるものではなく、例えば、単段式パルスチューブ冷凍機および３段以上の多段式パルスチューブ冷凍機にも有効に適用できる。以下、この一例として、単段式のパルスチューブ冷凍機に発明を適用した実施形態について説明する。

図５は、本発明に係るパルスチューブ冷凍機の第５の実施形態を示したものである。この実施形態では、パルスチューブ冷凍機は、単段式のパルスチューブ冷凍機５００である。なお、この図には、記載の重複を避けるため、単段式のパルスチューブ冷凍機５００のフランジ２１Ｓと、コールドヘッド部２０Ｓのみが示されている。

コールドヘッド部２０Ｓは、蓄冷管３１Ｓ、パルス管３６Ｓおよび冷却ステージ３０Ｓを有する。各部材の構成および機能は、それぞれ、前述の２段式のパルスチューブ冷凍機１００の第１段蓄冷管３１、第１段パルス管３６および第１段冷却ステージ３０と同様である。また、コールドヘッド部２０Ｓには、補強部材５５が設置されており、この補強部材５５は、上端がフランジ２１Ｓに固定され、下端が冷却ステージ３０Ｓに固定されている。この実施形態では、補強部材５５によって、冷却ステージ３０Ｓの振動が抑制され、これにより、冷却ステージ３０Ｓに設置された被冷却対象の位置変動を低減することができる。

なお、前述の各実施形態では、補強部材５１、５２、５４および５５は、中空の管部材として示されているが、補強部材は、棒部材等、他の形態であっても良い。また、補強部材の本数は、２本に限られず、１本であっても３本以上であっても良いことは、当業者には明らかである。例えば、フランジと冷却ステージの間に１本の補強部材を介在させる場合、この補強部材を、冷却ステージの重心が中央部分となるように、冷却ステージの所定の位置に設置しても良い。通常、冷却ステージには、パルス管と蓄冷管の一端が固定されているが、冷却ステージを上から見た場合、両者の固定位置は、対称にはなっていない。すなわち、冷却ステージの重心は、中央部分から偏心している。しかしながら、１本の補強部材を前述のように設置して、冷却ステージの重心を中央部分にずらした場合、冷却ステージのバランス状態が良くなり、冷却ステージの振動をより低減することができる。

また、補強部材を、内径が十分に大きな中空の一つの円筒管として形成し、この補強部材で全てのパルス管および蓄冷管を取り囲むようにして、補強部材をフランジと冷却ステージ３０の間に介在させても良い。

また、以上の実施形態では、２段式パルスチューブ冷凍機等のパルスチューブ冷凍機を例に、本発明の特徴を説明した。しかしながら、本発明は、パルスチューブ冷凍機のような、圧縮、膨張を繰り返す冷媒ガスが内部に流通するシリンダ部材と接続された冷却ステージを有する、他の蓄冷式冷凍機、例えば、ギフォード・マクマホン（ＧＭ）冷凍機等にも適用できることは、当業者には明らかである。ＧＭ冷凍機に本発明を適用する場合、内部に往復運動可能なディスプレーサおよび蓄冷材を有するシリンダを支持するフランジと冷却ステージとの間に、前述の補強部材が介在され、これにより冷却ステージの振動、さらには、これに接続された被冷却対象の位置変動を低減することができる。

以下、実施例について説明する。

本発明による効果を確認するため、補強部材を有する２段式パルスチューブ冷凍機（以下、簡単のため、「本発明の冷凍機」と称する）と、補強部材を有さない２段式パルスチューブ冷凍機（以下、簡単のため、「従来の冷凍機」と称する）について、冷却ステージの振動の度合いをシミュレーションにより評価した。

本発明の冷凍機は、図３に示す構成とした。すなわち、本発明の冷凍機は、フランジと第１段冷却ステージの間に介在された第１の補強部材、および第１段冷却ステージと第２段冷却ステージの間に介在された第２の補強部材を有する。これに対して、従来の冷凍機は、図３に示す構成において、補強部材を除いたものとした。

シミュレーションでは、第１の補強部材は、ＧＦＲＰ製で中空管状のものとし、フランジと第１段冷却ステージの間に４本介在されていると仮定した。これらの補強部材は、第１段冷却ステージの中心を通る相互に直交する２本の直線上であって、中心からの距離が等しい（すなわち半径方向の距離の等しい）４箇所の位置に、それぞれ１本ずつ配置した。従って、各補強部材は、第１段冷却ステージを上から見た際に、上下左右、対称となる位置に配置されている。第２の補強部材は、ＧＦＲＰ製で中空管状のものとし、第１段冷却ステージと第２段冷却ステージの間に２本介在されていると仮定した。２本の補強部材は、第２段冷却ステージの中心位置から等距離の位置（すなわち半径方向の距離の等しい位置）に設置し、両補強部材の設置位置と、第２段冷却ステージの中心位置を結ぶ線が一直線上に配置されるように設置した。

表２には、シミュレーションに使用した、第１の補強部材と第２の補強部材の外径、管の肉厚および全長をまとめて示した。

シミュレーションの結果を表２の最下段に示す。この表から、従来の冷凍機では、第１段および第２段の冷却ステージの振動変位は、それぞれ、±２．８μｍおよび±３．２μｍであった。一方、本発明の冷凍機では、第１段および第２段の冷却ステージの振動変位は、それぞれ、±１．７μｍおよび±２．６μｍとなった。なお、「振動変位」とは、静止時（例えば、冷凍機の停止時）の冷却ステージの位置に対する、振動時（例えば、冷凍機の稼働時）の冷却ステージの位置の垂直方向の最大の変動幅を言う。また、「振動変位」の正負の符号は、それぞれ、冷却ステージの中心位置の上方向および下方向の最大の変動幅を表している。

この結果から、２段式パルスチューブ冷凍機に補強部材を設置することにより、第１段および第２段の冷却ステージの双方において、振動が抑制されることが確認された。

本発明は、核磁気共鳴診断装置、超伝導マグネット装置、クライオポンプ等の低温システムに適用される蓄冷式の冷凍機、例えば、１段式または多段式のパルスチューブ冷凍機およびＧＭ冷凍機に適用することができる。

本発明の第１の実施形態に係る２段式パルスチューブ冷凍機の概略構成図である。 本発明の第２の実施形態に係る２段式パルスチューブ冷凍機の概略構成図である。 本発明の第３の実施形態に係る２段式パルスチューブ冷凍機の概略構成図である。 本発明の第４の実施形態に係る２段式パルスチューブ冷凍機の概略構成図である。 本発明の第５の実施形態に係る単段式パルスチューブ冷凍機の概略構成図である。

符号の説明

５ ハウジング
１０ ハウジング部
１１ ガス圧縮機
１５Ａ 第１段リザーバ
１５Ｂ 第２段リザーバ
１７ オリフィス
２０、２０Ｓ コールドヘッド部
２１、２１Ｓ フランジ
３０ 第１段冷却ステージ
３０Ｓ 冷却ステージ
３１ 第１段蓄冷管
３１Ｓ 蓄冷管
３２、３７、４２、４７ シリンダ
３６ 第１段パルス管
３６Ｓ パルス管
４０ 第２段冷却ステージ
４１ 第２段蓄冷管
４６ 第２段パルス管
５１、５２、５４、５５ 補強部材
１００、２００、３００、４００、５００ パルスチューブ冷凍機。

Claims (7)

1. 冷媒ガスを高圧にして送出し、低圧の冷媒ガスを吸引する圧縮機と接続されており、
   内部に蓄冷材を包含し、圧縮、膨張を繰り返す冷媒ガスが流通するシリンダ部材に接続された冷却ステージを有する、蓄冷式冷凍機であって、
   前記冷却ステージの振動を抑制する補強部材を備えることを特徴とする蓄冷式冷凍機。
2. 冷媒ガスを高圧にして送出し、低圧の冷媒ガスを吸引する圧縮機と、内部に蓄冷材を有する蓄冷管と、内部に圧縮、膨張を繰り返す冷媒ガスが流通するパルス管とを有するパルスチューブ冷凍機であって、
   前記蓄冷管と前記パルス管とを接続する冷却ステージの振動を抑制する補強部材を備えることを特徴とするパルスチューブ冷凍機。
3. 当該パルスチューブ冷凍機は、さらに、前記パルス管の一端が接続されたフランジを有し、
   前記補強部材は、前記フランジと前記冷却ステージの間に介在されていることを特徴とする請求項２に記載のパルスチューブ冷凍機。
4. 当該パルスチューブ冷凍機は、前記フランジからの距離が近い方から順に、第１段冷却ステージおよび第２段冷却ステージを有する２段式のパルスチューブ冷凍機であって、
   前記補強部材は、前記フランジと第１段冷却ステージの間、および第１段冷却ステージと第２段冷却ステージの間の一方もしくは双方に介在されることを特徴とする請求項３に記載のパルスチューブ冷凍機。
5. 前記補強部材は、一端が前記フランジに接続され、他端が第２段冷却ステージに接続されていることを特徴とする請求項４に記載のパルスチューブ冷凍機。
6. 前記補強部材は、
   Ａ＝材料の室温（２５℃）での熱伝導率（Ｗ／ｍ／Ｋ）／材料の室温（２５℃）での引張弾性率（ｋｇｆ／ｍｍ^２） （１）
   としたとき、
   Ｂ＝（材料のＡ値）／（ＳＵＳ３０４ステンレス鋼のＡ値）≦１ （２）
   を満たす材料で構成されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一つに記載のパルスチューブ冷凍機。
7. 前記補強部材は、ステンレス鋼、ガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ）、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）、アラミド繊維強化プラスチック（ＡｒＦＲＰ）および炭化珪素繊維強化プラスチック（ＳｉＣ−ＦＲＰ）からなる群から選定された、少なくとも一つの材料で構成されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一つに記載のパルスチューブ冷凍機。

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