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
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 Download PDFInfo
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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−06m2/sの、最も好ましくは、少なくとも50E−06m2/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−6m2/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。
Claims (14)
- 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。 - 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。
- 該音響インピーダンスが、少なくとも20E−06m2/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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 該音響インピーダンスが少なくとも20E−06m2/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。
- 該音響インピーダンスが少なくとも50E−06m2/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。
- 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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