JP2009257625A - パルス管冷凍機 - Google Patents

Abstract

【課題】
振動することがなく且つ小型のパルス管冷凍機を提供すること。
【解決手段】
対向配置された一対のリニアモータと、前記リニアモータにより軸方向に駆動される一対のピストンと、前記対向するピストンが収容されるシリンダと、前記対向するピストンの中央に位置し前記シリンダの外側にリング状に形成したバッファタンクと、前記バッファタンク内に配置されたイナータンスチューブと、前記バッファタンク外側に形成した前記シリンダおよび前記イナータンスチューブとの作動ガスの出入り口と、を有し、前記作動ガスの出入り口を除いて気密状態である圧縮機と、前記圧縮機の作動ガス出入り口と連結され、高温端部と蓄冷器と低温端部とパルス管とからなる膨張機と、により構成する。
【選択図】 図１

Description

本発明はパルス管冷凍機に関し、特に、パルス管冷凍機に設けられた位相制御機構の構成方法に適用して好適なものである。

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、パルス管冷凍機がよく知られている。
図３は、従来技術におけるパルス管冷凍機の構成を示す概念図である。
パルス管冷凍機１は、圧縮機１０、膨張機３０、位相制御機構４０から構成される。圧縮機１０ は、一対のリニアモータ１１と、これらによって軸方向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、作動ガスの出入り口を有するシリンダ１３とにより構成され、圧縮機１０は作動ガスの出入り口を除いて気密状態に構成している。
ここでリニアモータ１１は、圧縮機１０の内部で固定された励磁ヨーク１４および励磁ヨーク１４の内部に配置された励磁コイル１５と、同様に圧縮機１０の内部で固定されて励磁ヨーク１４と閉磁路を形成するバックヨーク１６と、ピストン１２に固定された永久磁石１７を有する可動子１８とから構成されている。
そして、ピストン１２およびリニアモータの可動子１８は、フレクシャーベアリング１９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１２は数１０μｍの微少すきま（クリアランス）を介してシリンダ１３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。

膨張機３０は、高温部３１と蓄冷器３２と低温端部３３とパルス管３４とからなる。高温部３１は、蓄冷器３２へ接続される流路３６とパルス管３４に接続される流路３７とを有する。膨張機３０は高温部３１の流路３６により圧縮機１０のシリンダ１３と接続されている。
位相制御機構４０は、イナータンスチューブ４１とバッファタンク４２からなり、イナータンスチューブ４１とバッファタンク４２は接続されている。また、高温部３１の流路３７とイナータンスチューブ４１とは接続されている。イナータンスチューブ４１は、内径２ 〜 ３ m m程度の金属管で、２〜４ｍ 程度の長さを有し、大部分をコイル状に成形されている。
パルス管冷凍機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。
この冷凍機においては、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１０から位相制御機構４０までの内部空間に１ 〜 ３ Ｍ P a程度の圧力で封入され、圧縮機１０によって圧縮と膨張とを繰り返される。圧縮機１０のピストン１２で圧縮された作動ガスは、流路３６により高温部３１を通過するに際し圧縮熱を放散する。

位相制御機構４０では、イナータンスチューブ４１とバッファタンク４２の中をほぼ正弦波的に圧力振幅を伴った作動ガスが流れることにより、圧力変化と流量変化の間に位相差を発生させることが出来る。電気回路的に言えば、イナータンスチューブ４１はインダクタンス成分と抵抗成分，バッファタンク４２はキャパシタンス成分に相当する。したがって、このイナータンスチューブ４１とバッファタンク４２による位相制御機構４０により、圧力に対する流量の位相差を原理的に−９０度から＋９０度まで変化させることができ、最適な位相制御機構を構成することができる。
これにより、冷凍機１の運転時にはパルス管３４、位相制御機構４０による位相制御効果で、パルス管３４内で圧力と流量の間に位相差が生じ、この圧力と流量のなす仕事が低温部でのＰＶ仕事となり、低温端部３３に寒冷が発生する。この発生寒冷を低温ＰＶ仕事と呼ぶ。このとき、パルス管内のガスがあたかもピストンのような動きをして、パルス管３４の中に適切な量のガスが留まり、全体の数〜数十%程度がほぼ同じところで振動しているような動きとなっているため、ガスピストンと呼ばれている。
高温部３１からは、ＰＶ仕事に相当する熱量が放熱される。ピストン１２が吸引方向に動作すると、低温化した作動ガスは低温端部３３および蓄冷器３２を冷却しながら圧縮機１０に戻る。この作動ガスの往復運動の繰返しによって、低温端部３３に１００Ｋ以下の極低温が得られる。

なお、図２の従来技術の例ではバッファタンク４２が圧縮機１０と一体となった構造であるが、例えば特許文献１および特許文献２に開示されているように、圧縮機とは別となったものが一般的である。
特開２００７−９３１２０号公報 特開２００６−１７４２２号公報

上記のようにバッファタンクと圧縮機を一体とした構造では、バッファタンクは対向ピストン型圧縮機のどちらか一方の端部に一体となった形で形成されることになる。このため、圧縮機の軸方向の長さがバッファタンクの分だけ長くなり圧縮機の大型化を招くこととなる。
また、上記構成では圧縮機が対向配置されたピストンの中心に対して非対称のために質量バランスが崩れており、圧縮機の運転時においては振動の発生原因となる。例えば、冷凍機を使用する用途が振動を嫌うセンサ類（蛍光Ｘ線装置用Ｓｉセンサ、ゲルマニウムセンサなど）や電子顕微鏡用途との場合には、この振動により計測精度が悪化するために問題となってしまう。
一方、振動を発生させないためにバッファタンクを別置きとした場合には、圧縮機とは別の取り付けが必要となり、使い勝手が極めて悪くなる。
さらに、上記のいずれの場合においても長いイナータンスチューブが外部に出ているため、圧縮機と干渉しビビリ音を発生することがある。
この発明の課題は、上記のような問題点を解消して、振動することがなく且つ小型のパルス管冷凍機を提供することである。

請求項１に係る発明は、対向配置された一対のリニアモータと、前記リニアモータにより軸方向に駆動される一対のピストンと、前記一対のピストンが収容されるシリンダと、前記一対のピストンの中央に位置し前記シリンダの外側にリング状に形成したバッファタンクと、前記バッファタンク内に配置されたイナータンスチューブと、前記バッファタンク外側に形成した前記シリンダおよび前記イナータンスチューブとの作動ガスの出入り口と、を有し、前記作動ガスの出入り口を除いて気密状態である圧縮機と、前記圧縮機の作動ガス出入り口と連結され、高温部と蓄冷器と低温端部とパルス管とからなる膨張機と、により構成することを特徴とする。
請求項２に係る発明は、請求項１に記載のパルス管冷凍機において、前記蓄冷器と前記パルス管が同軸に構成されることを特徴とする。
請求項３に係る発明は、請求項１または２に記載のパルス管冷凍機において、前記高温部に取り付けフランジを形成することを特徴とする。

作動ガスに往復動流を与える圧縮機、膨張機および位相制御機構により構成されるパルス管冷凍機において、圧縮機の中央部に位相制御機構を内蔵することにより、パルス管冷凍機の小型化と低振動化が達成できる。
さらに、パルス管冷凍機の膨張機において、蓄冷器とパルス管を同軸上に配置した構成とすることにより、圧縮機と膨張機のほぼ完全な対称性が得られ、冷凍機全体の小型化と低振動化を同時に達成することができる。

以下、この発明の実施の形態を図１および図２を用いて説明するが、この発明はこれらの実施の形態に限定されるものではない。
図１は本発明に係るパルス管冷凍機の実施形態を示す概念図である。なお、従来技術である図３の構成と同一の部分については同一符号を付し、説明を省略する。
パルス管冷凍機１００は、位相制御機構を内蔵する圧縮機１１０、膨張機１３０、から構成される。
圧縮機１１０ は、対向配置された一対のリニアモータ１１と、これらによって軸方向に往復駆動される一対のピストン１２と、ピストン１２の外側を囲み作動ガスの出入り口を有するシリンダ１１３と、対向配置されたリニアモータの内側であって対向するピストン１２の中央に位置しシリンダ１１３の外側に略リング状に形成されたバッファタンク１４２と、バッファタンク１４２の内部に配置されたイナータンスチューブ１４１と、バッファタンク１４２の外側に形成したシリンダ１１３および前記イナータンスチューブ１４１との作動ガス接続部１１９と、により構成されている。なお、作動ガス接続部１１９は、圧縮機１１０の中心に位置しており、イナータンスチューブ１４１とバッファタンク１４２は接続されている。

次に図２は作動ガス接続部１１９近傍の拡大図である。作動ガス接続部１１９は流路１２０および流路１２１を有する。シリンダ１１３の作動ガス出入り口と流路１２０はバッファタンク１４２内を通過するように金属管１２２等で接続されている。イナータンスチューブ１４１と流路１２１も接続されている。なお、圧縮機１１０は接続部１１９の流路１２０および流路１２１を除いて気密状態となっている。
上記構成により、圧縮機１１０の内部に位相制御機構であるイナータンスチューブ１４１とバッファタンク１４２が組み込まれ、かつ、位相制御機構が圧縮機１１０の中央に配置されることにより、対称構造を有する位相制御機構付き圧縮機が実現できる。また、バッファタンク１４２を形成した部分は従来技術においては作動ガスの流路以外の機能は有しておらず、いわゆるデッドスペースであった部分をバッファタンクとして有効活用して小型化を実現した。
膨張機１３０は、高温部１３１と蓄冷器３２と低温端部３３とパルス管３４とからなる。高温部１３１は、蓄冷器３２へ接続される流路３６とパルス管３４に接続される流路１３７とを有する。圧縮機１１０と膨張機１３０は、作動ガス接続部１１９と高温部１３１において流路１２０と流路３６および流路１２１と流路１３７が接続されることにより、シリンダ１１３と蓄冷器３２およびパルス管３４とイナータンスチューブ１４１がつながる事となる。

高温部１３１には取り付けフランジ１３８が形成されている。取り付けフランジ１３８より熱伝導が可能となり、高温部１３１の熱をより積極的に放熱することができるからである。
図１においては蓄冷器３２とパルス管３４が同軸上に配置され、蓄冷器３２の中にパルス管３４が内蔵となったいわゆる同軸リターン型で示してあるが、もちろん、蓄冷器とパルス管が低温端で接続され平行に配置されたいわゆるU字リターン型、蓄冷器と低温端とパルス管がこの順で一直線上に配置されたインライン型でも構わない。
ここで、振動レベルについて比較してみる。従来技術においても圧縮機は対抗ピストンにより構成され低振動化されてはいるものの、圧縮機が左右非対称構造であるため、取り付けフランジにて装置へ取り付けた場合、振動の1次モードにおいて味噌擂り運動が発生することが確認されている。これに対して、本発明に係る実施形態におけるパルス管冷凍機では、取り付けフランジに対して左右対称の圧縮機であるために味噌擂り運動は発生しない。
さらに、膨張機構成を同軸リターン型として構成したことにより、膨張機も軸対称構造であるため、パルス管と蓄冷器が平行に配置されるU字リターン型と比較して、膨張機での振動も基本的はゼロであるため、究極の低振動化が実現できる。

本発明に係るパルス管冷凍機の実施形態を示す概念図 本発明に係る作動ガス接続部１１９近傍の拡大図 従来技術におけるパルス管冷凍機の構成を示す概念図

符号の説明

１，１００ パルス管冷凍機
１０，１１０ 圧縮機
１１ リニアモータ
１２ ピストン
１３，１１３ シリンダ
３０，１３０ 膨張機
３１，１３１ 高温部
３２ 蓄冷器
３３ 低温端部
３４ パルス管
４１，１４１ イナータンスチューブ
４２，１４２ バッファタンク

Claims (3)

1. 対向配置された一対のリニアモータと、前記リニアモータにより軸方向に駆動される一対のピストンと、前記一対のピストンが収容されるシリンダと、前記一対のピストンの中央に位置し前記シリンダの外側にリング状に形成したバッファタンクと、前記バッファタンク内に配置されたイナータンスチューブと、前記バッファタンク外側に形成した前記シリンダおよび前記イナータンスチューブとの作動ガスの出入り口と、を有し、前記作動ガスの出入り口を除いて気密状態である圧縮機と、
   前記圧縮機の作動ガス出入り口と連結され、高温部と蓄冷器と低温端部とパルス管とからなる膨張機と、
   により構成することを特徴とするパルス管冷凍機。
2. 請求項１に記載のパルス管冷凍機において、前記蓄冷器と前記パルス管が同軸に構成されることを特徴とするパルス管冷凍機。
3. 請求項１または２に記載のパルス管冷凍機において、前記高温部に取り付けフランジを形成することを特徴とするパルス管冷凍機。
   

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