JP2009506293A - 過渡的クールダウン時間及び熱損失を低減するよう作られた音響インピーダンスを有する多ステージ式パルス管クライオクーラー - Google Patents

Abstract

多ステージ、パルス管クライオクーラーのクールダウン時間は、それが該選択されたステージのコールドヘッドを囲むように、第１ステージより高い、選択されたステージの音響インピーダンスの少なくとも１部分を構成することにより減じられる。該選択されたステージの該囲んでいる音響インピーダンスは、該音響インピーダンスを冷却するために、該選択されたステージの温領域に熱伝導結合で設置され、そして高い温度伝導率と低い熱放射率の材料、好ましくはアルミニウム、で作られるのがよい。

Description

本発明は一般的にパルス管クライオクーラーに関し、特にクライオクーラーをその動作温度までクールダウンするのに要する過渡的時間を減じるために多ステージパルス管クライオクーラーの第２以降のステージに組み込まれた音響インピーダンスの構造に関する。

パルス管クーラーは、極低温温度まで冷却ために望ましい特性を有すると認識されて来た。それらは典型的に再生器を通してパルス管の一端に接続された、往復するダイアフラム又はピストンの様な、圧力波発生器を有する。該パルス管の反対端は、内部作用ガスの圧力及び速度を適切に位相合わせするために、音響インピーダンスに接続される。熱は、普通、該パルス管に接続された該再生器端部にある冷領域で受け入れられ、普通、該再生器の反対端にある温領域で排出される。該パルス管クーラー内の作用流体は、それが、適当に位相合わせされた圧力と排気の波動により作られる空間的に排気される膨張及び圧縮を受けると、該冷領域から該温領域へ熱をポンプ作用する。銅ハウジングであり、該ハウジングと伝導性結合された銅スクリーンを有する該銅ハウジングの様な、熱交換器が該温及び冷領域内に配置されるが、それは該作用ガスと取り付けられた伝導性マスの間で熱を輸送するためである。

パルス管クライオクーラー用に使われる１構成は特許文献１に図解される様な、Ｕ字管構成である。該パルス管及び再生器は近似的に平行で、該Ｕ字の脚を形成する。それらは、熱を受け入れるターニングマニフォールドにより接合され、そして該ターニングマニフォールドの中に、又はそれに隣接して、熱交換器が作られる。この構成では、該再生器と該パルス管の温領域は、この構成の比較的近くのより近い１端に配置され、冷領域は該構成の反対端に配置される。組み立てられたパルス管、再生器及びターニングマニフォールドは、それらの熱交換器と一緒に、普通、コールドヘッドと呼ばれる。

パルス管クーラーはより低い温度を提供し、効率を改善するために多ステージにカスケード化され得る。Ｕ字管構成の各ステージを有する２ステージクライオクーラーが上記引用の特許文献１に図解されているが、３以上のステージがあってもよい。ステージ化では、ステージの該冷、すなわち熱受け入れ、領域は、次のステージの該温、すなわち熱排出、領域に結合される。各ステージはその冷領域からその温領域へ熱をポンプし、該熱は前のステージの冷領域へ伝導され、そしてこれは、熱が第１ステージの温領域から周囲環境又は或る冷却媒体内へ排出されるまで、該カスケード化されたステージに沿って続く。

該コールドヘッドに加えて、該パルス管クーラーは又、該再生器を通して熱がポンプされるよう、該パルス管クライオクーラー内の作用ガスの圧力及び速度を位相合わせするために、音響インピーダンスを必要とする。音響インピーダンスは電気的インピーダンスに似た位相特性を示す構造体である。リザーバー、サージ容積又はバッファーと呼ばれる、比較的大容積のレセプタクル（ｒｅｃｅｐｔａｃｌｅ）は主としてコンプライアンスとして知られる特性を示す。コンプライアンスは大地に接続されたキャパシターと似ており、何故ならばその容積流れレート又は速度が、気体の圧縮性の結果として圧力に９０°先行するからである。比較的長く、狭い管は主としてイナータンスと呼ばれる特性を示す。イナータンスはインダクターと似ており、何故ならばその容積流れレート又は速度が、気体の運動量の結果として圧力に９０°後れるからである。結果として、コンプライアンスは位相先行を導入し、イナータンスは位相後れを導入する。用語”後れ（ｌａｇｓ）”、”先行（ｌｅａｄｓ）”は、速度用として使われる符号の慣例に左右され、すなわち＋が考慮する容積の中にある、或いは外にある様な、相対的用語である。従って、該＋及び−符号の慣例が交換されると、他の説明はこれらの用語を交換されてもよい。オリフィスは抵抗に似ており、何故ならばオリフィスでは、該速度及び圧力は同相だからである。

これらのインピーダンス特性を使って、望まれる位相関係を提供するために、１つ以上の音響インピーダンスの選択により、普通、適切な位相合わせがパルス管クライオクーラー内で設計される。パルス管デバイス及び他の熱音響学的システムで使われる、音響インピーダンスは非特許文献１で詳細に論じられている。普通、音響インピーダンスは、１端で該パルス管に、そしてその他端でリザーバーの形のコンプライアンスに接続された、長く比較的細い管、又は異なる直径の２本の直列接続された管をなす、イナータンス組立体である。

各ステージ用のコールドヘッドと、少なくとも第１ステージの後のステージ用の音響インピーダンスと、は真空容器内に封じられるのが典型的である。該容器は、周囲環境から該パルス管クーラー部品への熱の寄生的な伝導及び対流を防止又は最小化するため、高真空下に保持される。

説明される種類のクライオクーラーの動作が始動されると、その部品は、それらが設計された正規動作温度まで、過渡的条件下でクールダウンされねばならない。これらの部品は相当なマスを有するので、それらは相当な量の熱を蓄え、従ってクールダウン時間は相当である。このクールダウン時間は時間で測定され得て、例えば半時間を要するかも知れない。該部品が定常状態に達した後、それらはそれらの動作温度に保持されねばならない。該部品は、該部品を通しての或るステージの冷領域への熱の伝導と、該パルス管クーラー又は多ステージクーラーを通しての熱のポンプ作用と、によりそれらの動作温度に冷却され、そこに保持される。しかしながら、伝導及び対流負荷を防止するための真空にも拘わらず、該パルス管部品は、取り囲む真空容器の内壁からの放射により伝達される熱の結果として、熱放射負荷を有する。該取り囲む容器は、例えば、３００Ｋの桁の周囲温度にあり、一方該圧力容器内の部品の温度はステージ内で、例えば、下方の、２０Ｋ又は３０Ｋの桁の温度に及ぶ。

従来技術は、該真空容器の内壁から該コールドヘッドへの直接放射を防止するため該真空容器内で該コールドヘッドに放射遮蔽を巻き付けることにより該熱放射負荷問題を解決しようと探索した。これらの放射遮蔽は普通、入って来る熱放射を反射する目的で、該コールドヘッドの周りに巻き付けられた高反射材料層である。典型的捲き付けは直接的に該コールドヘッドの上及び周りへの、多層箔絶縁体｛普通エムエルアイ（ＭＬＩ）として公知の｝のブランケットである。このブランケットは、線維状絶縁スペーサー層の薄層により分離されたアルミナイズドマイラーフィルムの交互層製である。これらの温度は、該冷領域温度から該コールドヘッドの温領域温度まで勾配を通して変化する。

しかしながら、該使用エムエルアイは問題を創生する。該エムエルアイは注意深いカッテイングと手捲き付けを要し、ワイヤフィードスルー及び他の貫入を処理するために難しい巧みな操作を要し、そしてそれは該箔層から全ての水蒸気及び他の汚損物を放出するため長時間を要する（数日以上のポンピング時間）。

本発明の目的と特徴は、冷却された動作温度を保持する効率を改善し、多層絶縁物でコールドヘッドを捲くことに付随する困難を避けるため、多ステージパルス管クライオクーラー用の過渡的クールダウン時間を減じることである。
米国特許出願公開第２００４／００００１４９号明細書 Ｇ．Ｗ．Ｓｗｉｆｔ、Ｔｈｅｒｍｏａｃｏｕｓｔｉｃｓ、Ａｃｏｕｓｔｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ（２００２）

第１ステージの後の（より高く番号付けされた）選択されたステージの音響インピーダンスの少なくとも１部分は、該選択されたステージのコールドヘッドから外方へ隔てられ、該コールドヘッドを囲んでおり、そして該音響インピーダンスをその温領域の温度に又はその近くまで冷却するために、該選択されたステージの温領域と熱伝導結合するよう設置される。第２の、又はそれより高いステージのコールドヘッドを囲む音響インピーダンス部品は、高い温度伝導率と低い熱放射率を有する金属、好ましくはアルミニウム、で作られる。結果として、該囲む音響インピーダンス部品は放射遮蔽として作用し、別の遮蔽の必要性を無くするのみならず、熱が該インピーダンス部品から高められたレートで伝導されることを可能にする。

図で図解される本発明の好ましい実施例を説明するに当たり、明確化のために特定の用語に頼ることにする。しかしながら、本発明を選択された特定の用語に限定するようには意図しておらず、各特定の用語は、同様な目的を達成するために同様な仕方で動作する全部の技術的等価物を含むと理解されるべきである。例えば、用語、結合された、又はそれと同様な用語が使われている。それらは直接的結合に限定されず、この様な結合が当業者により等価と認識される、他の構造体による結合も含むものである。

図１は、３つのカスケード化された、パルス管クーラーステージ１，２及び３から成るパルス管クライオクーラーを線図で、象徴的に図解している。これらのステージの大抵の部品は、底部支持プレート１２と、該支持プレート１２にシールされたベル型クロージャ１４と、により形成された真空容器１０内に含まれる。

該第１ステージパルス管クーラー１はターニングマニフォールド２５を通してパルス管２４の１端に結合された再生器２２を有するコールドヘッド２０を備える。それは又、第１ステージで内部ガスの圧力及び速度を適切に位相合わせするために、該パルス管２４の反対端で該コールドヘッド２０に結合された音響インピーダンス２６を有する。用語”結合された”はこれらの部品内の内部空間が流体的に連通して結合されることを意味する。該第１ステージ音響インピーダンス２６はリザーバー３０に結合されたイナータンス管２８から成る。圧力波発生器３１は該第１ステージ再生器２２の温端に結合され、当業者に公知の特性を有する従来の又は他の圧縮器とすることが出来る。それは全ステージを通して１つの音響波を伝播させる。好ましい実施例では、該圧力波発生器３１は３０Ｈｚで動作する２つの相対するフリーピストン振動圧縮器である。

各パルス管クーラーは２つの異なる温度で動作する、熱受け入れ冷領域と熱排出温領域を有する。用語”冷”及び”温”は相対用語（ｒｅｌａｔｉｖｅ ｔｅｒｍｓ）であり、同じステージの相対温度を呼び、１つのステージの”冷”領域は同じステージの”温”領域より低い温度にあること意味する。その結果、該第１ステージパルス管クーラー１は、熱を受け入れるためにターニングマニフォールド２５に冷領域３２と熱を排出するために温領域３４を有する。各ステージの音響インピーダンスの動作温度は、該ステージの温の、熱排出領域の温度であるので、該第１ステージ用のイナータンス２８とリザーバー３０は周囲大気内で真空容器１０の外側に配置され得る。この第１ステージは典型的な、従来技術のＵ字構成でのパルス管クーラーである。

該パルス管クーラーは、低いステージの冷領域を、もっと高いステージの温領域に熱的に結合することによりステージ化されている。その結果、それらの熱的に結合された領域は同じ温度になり、熱は、それらを通して、高いステージから低いステージへ運ばれる。図１には、もっと高い次のステージのコールドヘッドが第１ステージのコールドヘッド２０と同一に形付けられた物として図解されている。かくして、第２ステージのパルス管クーラー２はコールドヘッド４０を備えるが、該コールドヘッドはターニングマニフォールド４５を通してパルス管４４の１端に結合された再生器４２を有する。第３ステージのパルス管クーラー３はコールドヘッド５０を備え、該コールドヘッドはターニングマニフォールド５５を通してパルス管５４の１端に結合された再生器５２を有する。各ステージは、当業者に公知の様に、流体的に連通するようその隣接ステージに結合される。

しかしながら、該第２及び第３ステージの音響インピーダンス部品は第１ステージの従来の音響インピーダンス部品と異なる。第１ステージより高い、選択されたステージの音響インピーダンスの少なくとも１部分は、該選択されたステージのコールドヘッドの外方へ隔てられ、該コールドヘッドを囲んでいる。該選択されたステージの音響インピーダンスの囲んでいる部品は、該音響インピーダンスを冷却するために、該選択されたステージの温領域に熱伝導的に結合するよう設置される。これは該音響インピーダンスを物理的に支持するために便利な場所であるのみならず、もっと重要なこととして、作用ガスの温度依存特性に基づく望ましい作用ガス位相合わせを達成するために、該音響インピーダンスは、そのパルス管クーラーステージの該温の、熱排出領域と同じ温度になるべきだからである。

図１に図解される第２及び第３ステージの音響インピーダンスは同一構成を有しており、従って第３ステージ音響インピーダンスのみを説明する。第３ステージのリザーバー６０は第３ステージ３のコールドヘッド５０を囲む中空の、シールされた環状体である。それは、他の断面も使われ得るが、楕円形断面を有する。この環状リザーバー６０は、熱伝導性の支持又は設置プレートを提供する、金属の、かつ、環状のデイスク６２に、溶接又は蝋付けに依るように、伝熱的、かつ、機械的に取り付けられる。代わりに、多くの他のものの様に、これらの構造体が、それらの機能を組み合わせるために、同じ材料片から一体的に形成又は加工されてもよい。該デイスク６２は第２ステージのターニングマニフォールド４５に、ねじ、ボルト又は他のフアスナーに依るように、伝熱的、かつ、機械的に取り付けられるので、該デイスク６２と該リザーバー６０は該ターニングマニフォールド４５上に物理的に支持され、そして熱は該リザーバー６０から該ターニングマニフォールド４５へ伝導され得る。

空間を保存し、機械的支持を提供し、そして該音響インピーダンスを冷却するよう熱伝導を最大化するために、該イナータンス管６４は該リザーバー６０内のコイルとして捲かれるのが有利である。該イナータンス管６４の１端は該リザーバー６０の壁を通して延び、該壁に対しシールされ、パルス管５４の１端での結合部に続く。イナータンス管は長さが数メートルになるのが典型的なので、普通、図１で線図的に図解されるより多くのターンがある。製造は該リザーバーの軸線に直角な平面に沿って分離された２つの部分のリザーバーを形成することにより実現される。該イナータンス管６４はコイル化され、該リザーバーの１つの部分内に挿入され、そして次いで該２つの部分は合わさるよう溶接又は他の仕方で取り付けられ、シールされる。代わりに、該イナータンス管は該環状リザーバー６０の半径方向の内方又は外方内でコイル化されてもよい。

本発明の有効性の１側面は、真空容器内の熱放射を考慮することにより分かることが出来る。該真空容器壁は室温、例えば３００Ｋ、であるのが典型的であり、どんなボデイとも同じ様に、その温度の増加関数として、特定的には、その絶対温度の４乗として、内方へ熱を放射する。２つのインターフエースするボデイ間の正味の熱伝達はそれら間の温度差の増加関数である。その選択されたステージのコールドヘッドを囲む介在音響インピーダンス部品は、該真空容器１４よりかなり低い温度に保持される。その音響インピーダンスは選択されたステージの温領域の温度、例えば、８０Ｋに保持されるが、それは該音響インピーダンスが熱伝導性支持構造体によりそのステージの温領域に結合されているからである。それ故、該音響インピーダンスは該コールドヘッドを囲むよう形作られるので、それは従来の放射遮蔽を取り替え得て、かくして別置きの放射遮蔽のニーヅを取り除く。該音響インピーダンスは選択されたステージの温領域（前のステージの冷領域）に熱伝導性結合で結合され、能動的に前のステージの温度に冷却されるので、それは該コールドヘッドよりも高い温度に於いて入来する放射を遮り、内方へ放射される熱がより高い温度から該システムの外部へポンプされるのを可能にする。これは重要であり、何故なら、全てのクライオクーラーで、熱がそこからポンプされねばならぬ温度が低い程、それを周囲温度へポンプするため消費されるパワーが大きいからである。電力入力要求で測定すると、８０Ｋでの１Ｗに比べて、２０Ｋでの１Ｗの熱を引き上げるためには概略１５倍も、より多くの電力入力を要する。放射遮蔽を第１ステージ向けに約８０Ｋに留めることは、殆ど全放射熱負荷が、それを除くことが比較的容易な温度に止められることを意味する。この戦略を用いると、何等エムエルアイ（ＭＬＩ）の必要無しに、第２ステージへの放射熱負荷を大幅に減じることが可能である。同じ原理は第３ステージ放射熱負荷にも適用される。

音響インピーダンス部品はそれらが如何に作られたかに関係なく必要であり、それらは動作効率の理由でそれらの低い温度に既に保持されているので、コールドヘッドを囲むよう該音響インピーダンスを構成し、位置付けることは第２の又は２重の目的を付加する。換言すれば、音響インピーダンスは低い温度に既に冷却されつつあるので、該コールドヘッドを囲むようそれを構成することは、該コールドヘッドと、該コールドヘッド上へ放射する面と、の間の温度差を減じ、従って該コールドヘッドへの放射による熱伝達を減じる。

本発明は従って該放射遮蔽機能を、該コールドヘッドを囲む該音響インピーダンスの部分に一体化する。それはより高価で、手で付けるエムエルアイ（ＭＬＩ）放射遮蔽の必要を取り除き、代わりに、その機能をそのハードウエア内に一体化する。勿論、もし望むなら、本発明とエムエルアイが組み合わされ、同じクライオクーラー内で一緒に使われてもよい。

もし、代わりに該イナータンス管６４が該環状リザーバー６０の内側に位置付けられるなら、このクーラー温度からコールドヘッド５０上へ放射するのは主に該イナータンス管部品となる。なお、もう１つの代替えとして、該音響インピーダンスの該イナータンス管部品のみが該コールドヘッドの周りに捲かれて、該リザーバーは該コールドヘッドを囲まない従来の容器とすることも出来る。その場合、イナータンス管のコイルは本発明の利点をもたらす熱放射に関して機能する。

本発明の説明では用語”囲む（ｓｕｒｒｏｕｎｄ）”の意味は説明するに値しよう。音響インピーダンスのどんな部品もコールドヘッドを、卵の殻が卵を囲む、又は閉じた箱がその中味を囲む、様な意味で、囲むことは明らかに不可能である。該音響インピーダンスは、該コールドヘッドからの各方向に、そして全ての方向に、延びる線が、該音響インピーダンスと交叉するように、該コールドヘッドを完全に囲むことは出来ない。本発明は、”囲む”を、リングが線を囲む意味に、考えている。音響インピーダンスは、該コールドヘッドから外方に、横に或いは半径方向に隔てられている。加えて、普通、”囲む”は囲まれる対象の周り全３６０°の弧を通しての連続性を意味する。しかしながら、該囲んでいる音響インピーダンス部品の連続性の中にギャップがないことは好ましいが、比較的短いギャップは許容され得る。それらは該ギャップの寸法に比例した割合で本発明の有効性を損ねるのみである。

更に、該囲む音響インピーダンスの軸方向の長さ又は寸法は重要でない。本発明の動作の理解は、該囲む音響インピーダンスの軸方向長さが長い程、それを通しての熱伝導は妨げられるが、それが放射を減じるよう益々有効に機能出来ることを表す。囲む音響インピーダンスの軸方向長さは好ましくは該コールドヘッドと少なくとも同一長さを有するのがよく、最も好ましくは該コールドヘッドの長さより長いが、それが他のステージと干渉する程は長くないのがよい。これは入射する最も広い円弧又は角度範囲に亘り真空容器からの放射を防止する。しかしながら、該軸方向長さは該コールドヘッドの長さより短くて、なお有効であることも可能である。特に、該音響インピーダンスが、図解される実施例内の該コールドヘッド、ターニングマニフォールドの少なくとも冷領域の外に位置付けられることにより該コールドヘッドを囲むことが最も重要であり、何故ならば、それは各ステージの最も冷たい部分であり、従って熱放射負荷が最も重要な部分であるからである。

コールドヘッドを囲むリザーバーの形も重要でない。それは対称であったり、コールドヘッドの周りに対称に設置されることは、両方の特性共好ましいけれども、必要なことではない。概ね円形の構成は好ましいが、リザーバーは正方形、長方形、八角形又は他の形状とすることが出来る。断面形状も図解されたそれからかなり変更することが出来る。

クールダウン時間は、高い温度伝導率と低い放射率を有する金属で該囲む音響インピーダンスを形成することにより更に相当に減じられる。従来技術で典型的に見出されるパルス管クーラーのリザーバーはステンレス鋼で作られるが、アルミニウムでそれを形成することは下記理由で本発明の有利な結果を非常に改善する。

温度伝導率は、材料を通しての熱の伝播率のメジャーとなる材料特性である。もし材料が１つの場所で加熱又は冷却されるなら、他の場所が高められた又は減じられた温度の定常状態に達するまで、熱的温度勾配波が該材料を通して伝播するであろう。音響インピーダンスを含めてパルス管クーラーの部品は、相当な熱的質量を有するので、その定常状態動作温度までそれをクールダウンするために時間が掛かるが、それは下記２つの理由、すなわち（１）クールダウンされる必要がある質量の量と、（２）冷却源から或る部品までの、そして該部品を冷却するためにそれに沿って熱が伝導されねばならない、伝導路の長さと、からである。これは、アルミニウムの温度伝導率が遙かに高いので、ステンレスボデイは同じ形状のアルミニウムボデイより遙かに長いヒートアップ又はクールダウンする時間を要することを意味する。

パルス管クーラーのその動作温度までの過渡的クールダウン過程を遅らせるもう１つの要因は、前述の様に、その真空容器からの熱の放射である。放射率は、材料への及び材料からの、熱の放射率のメジャーとなる材料の特性である。材料の放射率が高い程、それは益々、黒体の割合で放射するのに近くなる。本発明の実施例は、第２以降のステージであるが、そのステージのコールドヘッドを囲み、従って該コールドヘッドへ熱を放射する、該第２以降のステージの音響インピーダンスを有するので、該囲む音響インピーダンスは最も低い実際の熱放射率を示すべきである。

本発明者等は、アルミニウムが、該アルミニウムに他の材料に優る相当な利点を与える、比較的高い温度伝導率と比較的低い放射率の最適で好ましい組み合わせを有することを見出した。勿論、何等かの機能用に何等かの材料を選択する場合は、最大の有効性を得るために技術的トレードオフと妥協を要する。機械的強さは、パルス管クーラーの部品の製作で使われる材料に必要なもう１つの重要特性である。しかしながら、アルミニウムとアルミニウムの合金は全てのこれらの特性の組み合わせを発揮して、アルミニウムが優れた結果を提供することになる。

選択した金属の温度伝導率と放射率の下表はアルミニウム使用の熱伝達の利点を図解する。

好ましくは、本発明を具体化するため使われる金属は、少なくとも２０Ｅ−０６ｍ^２／ｓの、最も好ましくは、少なくとも５０Ｅ−０６ｍ^２／ｓの温度伝導率を有するのがよい。好ましくは、その金属が０．０６０を越えない放射率を有するのがよい。最も好ましくは、該金属が両方の上記限界内にあるのがよい。

当該技術で公知の様に、熱放射率も又材料の表面形態に左右される。スムーズな表面は粗い表面より少なく放射する。従って、本発明の実施例ではポリッシされた表面を使うことも亦望ましい。

高い温度伝導率金属が使われる時、第２ステージが第１ステージ温度へクールダウンするクールダウン時間の改善の例として、この時間は概略下記の様に近似されてもよく、

ここでαは該金属の温度伝導率、Ｌは該伝導路の長さである。好ましい実施例用の典型的な伝導路長は０．１ｍの桁の長さである。約５Ｅ−６ｍ^２／ｓの温度伝導率を有するステンレス鋼については、上記式の拡散時間は約２０００秒（３３分）である。他方、アルミニウムを用いると、該温度伝導率は約１４倍高いので、該拡散時間は約１５０秒に過ぎない。

図２は本発明のより実用的で好ましい実施例を図解する。第１ステージクーラーはそのターニングマニフォールド７４を通してそのパルス管７２に結合された再生器７０を有する。これらのコールドヘッド部品は支持プレート７６に設置され、その熱交換器７８及び８０はマニフォールド８２に熱伝導結合されている。該マニフォールド８２内のポート８４は圧力波発生器（図解されてない）に従来の様に結合され、マニフォールド８２のポート８６は図１に於ける様に音響インピーダンス（図解されてない）に従来式に結合される。

第２ステージクーラーは、第２ステージコールドヘッドを形成するために、ターニングマニフォールド９０を通してそのパルス管９２に結合された再生器８８を有する。該パルス管９２は内部でテーパ付けされたマニフォールド９４を通して該第２ステージイナータンス管９６に結合され、該第２ステージイナータンス管は該第２ステージリザーバー９８内へ、導かれ、その中でコイル化され、そして該リザーバー内へ開いている。

同様に、第３ステージクーラーは、第３ステージコールドヘッドを形成するために、ターニングマニフォールド１０２を通してそのパルス管１０４に結合された再生器１００を有する。該パルス管１０４は内部でテーパ付けされたマニフォールド１０６を通して該第３ステージイナータンス管１０８に結合され、該第３ステージイナータンス管は該第３ステージリザーバー１１０内へ、導かれ、その中でコイル化され、そして該リザーバー内へ開いている。

結果として、第１ステージより高い各ステージは、選択されたステージのコールドヘッドから外方へ隔てられ、該コールドヘッドを囲むその音響インピーダンスの少なくとも１部分を有する。この構成では、該リザーバー９８と１１０の外面は、露出された放射面であり、従って、これらのリザーバーは、高い温度伝導率と低い放射率の金属、好ましくはアルミニウム又はアルミニウム合金、で作られるのが有利である。

図３は本発明の実施例に適用されてもよい追加の構造的特徴を図解する。図１で図解された実施例と似て、それは、３つのステージ化されたコールドヘッド１２１，１２２及び１２３を有する３つのパルス管クーラーステージを備える。各ステージ用の真空容器とイナータンス管は図解されてないが、それらは図１に於ける様に、又は従来の仕方で形成されてもよい。該第３ステージコールドヘッド１２３は、図１で図解された第３ステージのコールドヘッド１２３から外方へ隔てられ、該コールドヘッドを囲むその音響インピーダンスのリザーバー１２６部分を有する。該第２ステージコールドヘッド１２２は、第２ステージのコールドヘッド１２２と、該第３ステージコールドヘッド１２６の音響インピーダンスの囲んでいるリザーバー１２６の部分と、の両者から外方に隔てられ、該両者を囲む、該第２ステージコールドヘッド１２２の音響インピーダンスのリザーバー１２８部分を有する。これは該リザーバー１２８の軸方向長さを延ばすことにより達成されるので、それは該第３ステージリザーバー１２６、従って該第３ステージコールドヘッド１２３を囲む。結果として、本発明の利点は、最も低い温度のコールドヘッド１２３を囲む、２つの音響インピーダンス部分、この場合はリザーバー１２６と１２８、を有することにより２重に適用される。

本発明の或る好ましい実施例が詳細に開示されたが、本発明の精神又は付記された請求項の範囲を離れることなく、種々の変更が採用されても良いことは理解されるべきである。

本発明の原理と概念を図解し、音響インピーダンス部品を垂直断面で示す簡単な略図の線図である。 本発明の好ましい実施例を図解する、部分的に断面された側面図である。 図１と同様な簡単な略図の線図であり、本発明の代わりの実施例を図解する。

Claims (14)

1. 各ステージが、パルス管の１端に結合された再生器を有するコールドヘッドと、内部ガスの圧力及び速度を適切に位相合わせするために、該パルス管の反対端で該コールドヘッドに結合された音響インピーダンスとを備えるカスケード化された多ステージを具備する改良パルス管クライオクーラーであって、該各コールドヘッドは熱を受け入れる冷領域と熱を排出する温領域とを有しており、該コールドヘッドはより低いステージの該冷領域を、より高いステージの該温領域に熱的に結合することによりステージ化されている該改良パルス管クライオクーラーに於いて、
   第１ステージより高い、選択されたステージの該音響インピーダンスの、該選択されたステージの該コールドヘッドから外方へ隔てられ、かつ該コールドヘッドを囲む少なくとも１部分、を具備することを特徴とするクライオクーラー。
2. 該選択されたステージの該囲んでいる音響インピーダンスが、該音響インピーダンスを冷却するために、該選択されたステージの該温領域に熱伝導結合により設置されていることを特徴とする請求項１のクライオクーラー。
3. 該音響インピーダンスが、少なくとも２０Ｅ−０６ｍ^２／ｓの温度伝導率を有する金属で形成されることを特徴とする請求項１のクライオクーラー。
4. 該金属がアルミニウムを有することを特徴とする請求項３のクライオクーラー。
5. 該選択されたステージの該音響インピーダンスが、該音響インピーダンスを冷却するために、該選択されたステージの該温領域に熱伝導結合により設置されることを特徴とする請求項３のクライオクーラー。
6. 該選択されたステージがＵ字管構成であることを特徴とする請求項５のクライオクーラー。
7. 該音響インピーダンスが環状であることを特徴とする請求項６のクライオクーラー。
8. 該音響インピーダンスが環状リザーバーと、該リザーバー内で捲き付けられたイナータンス管と、を有することを特徴とする請求項７のクライオクーラー。
9. 設置プレートが、該音響インピーダンスに伝導的及び機械的に結合され、そして内方へ延び該選択されたステージの温領域と熱伝導的及び機械的に結合することを特徴とする請求項７のクライオクーラー。
10. 該音響インピーダンスの前記部分が該音響インピーダンスのコイル化されたイナータンス管部品であることを特徴とする請求項１のクライオクーラー。
11. 該音響インピーダンスが実質的に０．０６０より大きくない放射率を有する金属で形成されることを特徴とする請求項１のクライオクーラー。
12. 該音響インピーダンスが少なくとも２０Ｅ−０６ｍ^２／ｓの温度伝導率を有する金属で形成されることを特徴とする請求項１１のクライオクーラー。
13. 該音響インピーダンスが少なくとも５０Ｅ−０６ｍ^２／ｓの温度伝導率を有する金属で形成されることを特徴とする請求項１１のクライオクーラー。
14. 該クライオクーラーが少なくとも３つのステージを具備しており、第３ステージは該第３ステージの該コールドヘッドから外方へ隔てられ、かつ、該コールドヘッドを囲んでいる該第３ステージの該音響インピーダンスの少なくとも１部分を備えており、そして第２ステージは該第２ステージの該コールドヘッドと、該囲んでいる該第３ステージの音響インピーダンスと、の両者から、外方へ隔てられ、かつ、該両者を囲んでいる該第２ステージの該音響インピーダンスの少なくとも１部分を備えていることを特徴とする請求項１のクライオクーラー。

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