JP2697708B2 - パルス管冷凍機 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は被冷却物を極低温に
冷却するためのパルス管冷凍機に関するものであり、赤
外線センサ等のセンサ類や超伝導体等の冷却に用いて好
適なものである。

【０００２】

【従来の技術】従来のパルス管冷凍機は図９に示す通り
の構成になっている。図９は一般にダブルインレット型
パルス管冷凍機と称されているものであって、圧縮部
１、蓄冷器３、冷却部４、パルス管５、第１の流量調整
部８、およびバッファタンク９をこれらの順番に連結す
るとともに、圧縮部１と蓄冷器３との間の配管１７をバ
イパス管１９を介してパルス管５と第１の流量調整部８
との間の配管１８に直接接続し、バイパス管１９の途中
に第２の流量調整部１０を設けた構成となっている。冷
却部４は蓄冷器３とパルス管５の低温端１６側との間に
設けられ、図示しない被冷却物を冷却するものである。

【０００３】そして、上記各機器で構成されている密閉
空間内に、Ｈｅ、Ａｒ、Ｎ２、Ｏ２、Ｈ２、空気等の作
動流体（冷媒）が所定の高圧で封入されており、圧縮部
１で作動流体の圧縮、膨張を繰り返すことによって、冷
却部４に極低温を生成し、この冷却部４に密着配置され
た被冷却物（図示せず）を極低温に冷却することができ
る。

【０００４】また、上記のパルス管冷凍機ではパルス管
５の高温端１５側に取り付けられた機器（例えば図９で
はバッファタンク９）とパルス管５内部を作動流体が圧
縮部１のピストンの変位に対して所定の位相差で往復す
ることが冷凍作用に大きく寄与している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、冷凍機の性
能の指標として冷凍効率が上げられるが、この種のパル
ス管冷凍機はまだ冷凍効率が低く、効率向上の余地があ
る。本発明者らの実験研究によると、パルス管５の高温
端１５側からパルス管５内へ作動流体が勢い良く噴出す
る際、その作動流体はパルス管高温端１５側にとどまら
ず、予め存在しているパルス管内部の作動流体を突き抜
け冷却部４側まで到達してしまう。この結果、冷却部４
と比較して温度の高いこの作動流体が冷却部４に流入す
ることは冷凍効率を悪くする原因となる。

【０００６】本発明は上記点に鑑み、パルス管内部に高
温側機器から流入する作動流体が冷却部へ到達するのを
防ぐことを目的としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するため、以下の技術的手段を採用する。すなわち、請
求項１〜７に記載の発明では、パルス管冷凍機におい
て、パルス管（５）の内部に、作動流体とともに移動可
能な移動部材（６）を挿入し、この移動部材（６）によ
りパルス管（５）内の高温端（１５）側の作動流体と低
温端（１６）側の作動流体を分離するようにし、さら
に、前記移動部材（６）の移動範囲を制限する移動制限
手段（７、１１、１３、１４）を前記パルス管（５）に
備えることを特徴としている。

【０００８】これにより、パルス管（５）の高温端（１
５）側の機器からパルス管（５）内へ作動流体が流入し
始める時、パルス管（５）内に存在する移動部材（６）
が流入した作動流体とともに低温端（１６）の方へ移動
する。この移動部材（６）により、パルス管（５）内の
高温端側の作動流体を低温端側の作動流体から分離でき
るため、パルス管（５）の高温端（１５）に流入する温
度の高い作動流体が冷却部（４）側へ到達することを移
動部材（６）にて確実に防止でき、パルス管冷凍機の冷
凍効率を向上できる。

【０００９】さらに、移動部材（６）の移動範囲を移動
制限手段により制限しているから、移動部材６の温度変
化が少なくなり、移動部材７の頻繁な温度変化による劣
化を防止でき、移動部材６の信頼性の向上、設計の自由
度が増すという効果がある。また、請求項２記載の発明
では、移動部材（６）の移動範囲を移動制限手段により
パルス管（５）の高温端（１５）側の所定範囲に制限し
ているから、高温端（１５）側の機器からの温度の高い
作動流体の熱が移動部材（６）に伝達されても、移動部
材（６）が低温端（１６）から離れているので、移動部
材（６）の熱がパルス管（５）の低温端（１６）から冷
却部（４）側に伝達されるのを効果的に防止できる。

【００１０】また、請求項３記載の発明では、移動制限
手段（７、１１、１３、１４）を、移動部材（６）の衝
撃を吸収可能な構成としているから、移動部材（６）が
移動制限手段に衝突しても、移動部材（６）やパルス管
（５）の衝撃を緩和することにより、これらの部材が破
損、磨耗、振動等の不具合を生ずるのを確実に防止でき
る。

【００１１】また、請求項６記載の発明では、ストッパ
部材（７）を、熱伝導率の低い材料にて形成しているか
ら、ストッパ部材（７）を通過する熱損失を低減でき
る。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下本発明を図に示す実施形態に
ついて説明する。 （第１実施形態）図１はダブルインレット型パルス管冷
凍機に本発明を適用した第１実施形態を示すものであ
る。圧縮部１、蓄冷器３、冷却部４、パルス管５、第１
の流量調整部８、バッファタンク９の順番に連結されて
いる。冷却部４は蓄冷器３のうち、パルス管５側端部に
設けられ、図示しない被冷却物を冷却する。

【００１３】また、圧縮部１と蓄冷器３との間の配管１
７と、パルス管５と第１の流量調整部８との間の配管１
８を直接結合するパイパス管１９を設け、このパイパス
管１９に第２の流量調整部１０を設けている。そして、
パルス管５の内部、具体的には、パルス管５の高温端１
５側（流量調整部８側端部）の内部に作動流体分離用移
動部材６が移動自在に挿入されており、パルス管５の高
温端１５側内壁には、移動部材６の移動範囲を制限する
ストッパ部材（移動制限手段）７が所定間隔を置いて一
体に設けてある。なお、蓄冷器３、冷却部４、パルス管
５は、外部との断熱のため、図示しない真空容器の内部
に配設されている。

【００１４】そして、上記各機器で構成されている密閉
空間内に、Ｈｅ、Ａｒ、Ｎ₂ 、Ｏ₂、Ｈ₂ 、空気等の作
動流体（冷媒ガス）が所定の高圧で封入されている。圧
縮部１はモータ等の駆動力によりシリンダ１ａ内を往復
動するピストン１ｂを有し、このピストン１ｂの往復動
により作動流体を圧縮、膨張させて、作動流体に圧力波
（圧力振幅）を与える。また、シリンダ１ａの外表面に
は、作動流体の圧縮熱を放出する複数のフィン部材から
なる放熱部２が形成されている。

【００１５】蓄冷器３はステンレス・銅・銅の合金等か
らなる金属網状体（金属メッシュ）を積層するか、もし
くはステンレス・鉛等の金属球等を密閉容器内に封入し
たものであり、その内部を流通する作動流体の膨張時の
冷熱を蓄冷するものである。従って、蓄冷器３の材質と
しては、作動流体より十分熱容量が大きいことが望まし
い。

【００１６】冷却部４は、銅等の熱伝導率の高い金属に
て形成されている。この冷却部４の外壁面に被冷却物を
接触させて冷却する。パルス管５はステンレス・チタン
・チタン合金等の金属で成形された円筒状の薄肉パイプ
であって、圧縮部１の圧縮行程、膨張行程の変化に伴う
圧力波が蓄冷器３を通して加えられ、この圧力波（圧力
振幅）によって作動流体が圧縮（前進）、膨張（後退）
を繰り返して変位する。

【００１７】第１、第２の流量調整部８、１０は流量調
整用バルブもしくは所定の絞り量に相当する直径の細管
等で構成される。バッファタンク９は、第１、第２の流
量調整部８、１０とともに、作動流体の圧力波に対する
作動流体の変位の位相を調整する役割を果たすものであ
る。前記移動部材６は流量調整部８、１０を通過しパル
ス管５の高温端１５に入出する作動流体とともにパルス
管５内を軽快に移動可能なものであり、パルス管５の高
温端１５側の作動流体が冷却部４側へ流入するのを防止
するものである。そのため、移動部材６は非常に軽量な
材質、例えば、発泡スチロール、樹脂（アクリル等）、
ウレタン等の軽量の樹脂系材料で成形され、かつ移動部
材６は本例では球状に成形されており、その直径はパル
ス管５の内径とほぼ等しい大きさ（換言すれば、ほぼ同
一断面積）で作られて、移動部材６はパルス管５内壁と
の間を、微小隙間を介して、作動流体をほぼ通過させる
ことなく軽快に移動する。

【００１８】これにより、冷却部４と比較して高温（室
温程度）であるバッファタンク９側の作動流体がパルス
管５の高温端１５から低温端１６側へ流入しようとする
のを移動部材６にて防ぐことができ、その結果、冷凍効
率を向上させることができる。圧縮部１の圧縮、膨張に
より発生する作動流体の圧力波（圧力振幅）によって、
パルス管５内で作動流体が所定の変位をするためには、
移動部材６は微少な圧力差で軽快に動く（振動する）こ
とが必要であるので、移動部材６を上記のように軽量の
樹脂系材料で製作することが好ましい。

【００１９】また、移動部材６を上記のように樹脂系材
料（すなわち、熱伝導率の低い材料）で製作することに
より、移動部材６自身を通過する熱量も抑制でき、冷凍
効率をより一層向上できる。また、移動部材６の形状は
本例では球であり、その直径は作動流体を通過させない
ようにほぼパルス管５の内径に等しくするか、容易に移
動できる程度にパルス管の内径よりわずかに小さくす
る。

【００２０】一方、移動部材６の移動範囲をストッパ部
材６にてパルス管５の高温端１５側の所定範囲に制限で
きるので、移動部材６の温度変化が少なくなり、移動部
材６の頻繁な温度変化による劣化を防止でき、移動部材
６の信頼性の向上、設計の自由度が増す。ところで、移
動部材６がもしパルス管５の低温端１６側に位置して振
動すると、第１、第２の流量調整部８、１０から吹き出
した温度の高い（室温程度）作動流体が移動部材６に接
触して、移動部材６がこの温度の高い作動流体により暖
められると、移動部材６の熱が直ちにパルス管５の低温
端１６側に熱が伝わり、冷凍効率の低下を招くので、移
動部材６設置の効果が低下することになる。

【００２１】これに対し、本実施形態では、移動部材６
の移動範囲をストッパ部材６にてパルス管５の高温端１
５側の所定範囲に制限するようにしているので、第１、
第２の流量調整部８、１０からの温度の高い作動流体の
熱がパルス管５の低温端１６側に伝達されるのを効果的
に防止できる。また、移動部材６がもしパルス管５の高
温端１５側から低温端１６側にわたって広範囲に移動す
ると、移動部材６とパルス管５の内壁との隙間が高温端
１５側で適当量であっても、低温端１６側では移動部材
６の温度低下による縮小により移動部材６とパルス管５
の内壁との隙間が過多となり、この隙間を通って、温度
の高い作動流体の熱がパルス管５の低温端１６側へ洩れ
て、冷凍効率を低下させるが、本実施形態によれば、移
動部材６をストッパ部材６にて高温端１５側の所定範囲
に規制することにより、移動部材６とパルス管５の内壁
との隙間を常時、適当量に維持して、温度の高い作動流
体の低温端１６側への洩れを確実に防止できる。

【００２２】ストッパ部材６の材質は、作動流体とパル
ス管５の管壁との間の熱伝導を抑制するために、熱伝導
率の低い材質、具体的にはアクリル樹脂等の樹脂材料、
ゴム等の高分子材料が好ましい。また、作動流体の圧力
振幅を受けて移動部材６がストッパ部材６に衝突するこ
とにより、移動部材６やパルス管５が衝撃を受けて、こ
れらの破損、磨耗、振動等の不具合が発生する場合があ
るため、ストッパ部材６を弾性材料で形成するか、スト
ッパ部材６自身の形状をバネ形状に形成することによ
り、ストッパ部材６に弾性を持たせて、移動部材６の衝
撃を緩和するのが好ましい。

【００２３】図２はストッパ部材６の具体的構成を例示
するものであって、（ａ）はストッパ部材６を渦巻状の
バネ形状に形成した例であり、この例では渦巻状の金属
バネ形状からなるストッパ部材６の外周側をパルス管５
の内壁に固定する。図２（ｂ）はパルス管５の内壁から
半径方向内側へ突出する４個の三角形状のストッパ部材
６をパルス管５の内壁に固定する例である。この例で
は、ストッパ部材６をゴム等の弾性材で形成しても、適
宜の金属で形成してもよい。ストッパ部材６が金属製で
あっても、三角形状の金属材の板厚を薄くすることによ
り、衝撃緩和のための弾性をストッパ部材６に持たせる
ことができる。

【００２４】図２（ｃ）はパルス管５の内壁から半径方
向内側へ十字状のストッパ部材６を突出させるととも
に、この十字状のストッパ部材６の中心部に円形部７ａ
を形成し、この十字状のストッパ部材６の外周先端部を
パルス管５の内壁に四点支持で固定する例である。図２
（ｄ）は、図２（ｃ）の十字状のストッパ部材６を変形
して、円形部７ａを有する薄板状のストッパ部材６の先
端部をパルス管５の内壁に一点支持で固定する例であ
る。

【００２５】図２（ｅ）は、図２（ｄ）の例より板厚の
厚い平板状のストッパ部材６の先端部をパルス管５の内
壁に一点支持で固定する例である。図２（ａ）〜（ｅ）
のいずれの例でも、ストッパ部材６に弾性を持たせて、
移動部材６の衝撃緩和作用を発揮することができる。ま
た、図２（ａ）〜（ｅ）のいずれにおいても、ストッパ
部材６に移動部材６が当接した際に、ストッパ部材６は
その周囲に作動流体の流通可能な隙間を形成する形状と
なっているので、パルス管５内の作動流体の圧力振幅を
受けて、移動部材６はストッパ部材６に当接していると
きでも、当接していないときと同じ動き（振動）を行う
ことが可能となる。

【００２６】したがって、ストッパ部材６の設置により
パルス管５内での作動流体の圧力振動が妨げられること
はない。 （第２実施形態）図３は上記ストッパ部材６を廃止し、
その代わりに紐状部材１１を用いて移動部材６をパルス
管５の高温端１５側に保持するようにした第２実施形態
を示している。この第２実施形態では、紐状部材１１の
一端を球状の移動部材６に取り付け、他端をパルス管５
の高温端１５の内壁に取り付けることにより、移動部材
６の移動範囲をパルス管５の高温端１５側の所定範囲内
に制限するようにしたものである。

【００２７】そして、パルス管５の高温端１５側の端面
には、移動部材６の衝突による衝撃を緩和するために、
衝撃緩和部材１２が配設されている。この衝撃緩和部材
１２はゴム等の弾性材料で形成するか、あるいは不凍液
のような液体を封入した袋状部材で構成することが好ま
しい。さらに、紐状部材１１は適宜の樹脂等で形成する
ことができるが、紐状部材１１をゴム等の弾性材料で形
成することにより、移動部材６の衝突による衝撃をより
一層効果的に緩和することができる。他の点は第１実施
形態と同じである。 （第３実施形態）図４は上記第２実施形態を若干変形し
た第３実施形態を示しており、弛みのある２本の紐状部
材１１、１１の一端を移動部材６に取り付けるととも
に、２本の紐状部材１１、１１の他端をパルス管５の高
温端１５、低温端１６の端部壁面に取り付けることによ
り、移動部材６の移動範囲をパルス管５の高温端１５側
の所定範囲内に制限している。また、この紐状部材１
１、１１により、移動部材６がパルス管５の端部壁面に
衝突するのを防止している。

【００２８】移動部材６の移動範囲は２本の紐状部材１
１、１１の長さにより容易に調整できる。なお、本例で
も、紐状部材１１をゴム等の弾性材料で形成すること
が、パルス管５の端部壁面に加わる力を軽減するために
好ましい。 （第４実施形態）図５、６は第４実施形態を示してお
り、本例では、移動部材６にその球の中心部を貫通する
穴６ａを開けて、この移動部材６の穴６ａに棒状部材１
４を挿通する。棒状部材１４はパルス管５内に軸方向に
平行に配置し、棒状部材１４の両端を、パルス管５の高
温端１５、低温端１６の端部壁面に取り付ける。そし
て、移動部材６が棒状部材１４に対して移動自在となる
ように、移動部材６の穴６ａは微小隙間を介して棒状部
材１４に嵌合するようになっている。

【００２９】棒状部材１４は熱伝導による損失を防ぐた
めに、熱伝導率の低い材料（アクリル等の樹脂）で形成
することが好ましい。そして、棒状部材１４には、所定
間隔を置いて２箇所にゴム等の弾性材から成形されたス
トッパ部材１３、１３が固定されている。従って、移動
部材６は棒状部材１４上で、ストッパ部材１３、１３に
衝突しても、衝突による衝撃を緩和できる。しかも、ス
トッパ部材１３、１３により制限された高温端１５側の
所定範囲で移動部材６が軽快に移動することができる。 （第５実施形態）図７は第５実施形態を示しており、本
例は、一般にオリフィス型パルス管冷凍機と称されてい
る冷凍機に本発明を適用したものであり、図１の第１実
施形態のダブルインレット型のものから、バイパス管１
９および第２の流量調整部１０を除去したものである。
本例においても、移動部材６およびストッパ部材６によ
る作用効果は第１実施形態と同じである。 （第６実施形態）図８は第６実施形態を示しており、本
例は、一般にダブルピストン型パルス管冷凍機と称され
ている冷凍機に本発明を適用したものであり、図７の第
５実施形態のオリフィス型冷凍機において、流量調整部
８およびバッファタンク９の代わりに、シリンダ２０
ａ、ピストン２０ｂを有する第２の圧縮部２０を設けて
いる。このダブルピストン型パルス管冷凍機において
も、移動部材６およびストッパ部材６を設けて、同じ作
用効果を発揮できる。 （他の実施形態）なお、移動部材６の形状は球に限ら
ず、円柱状、あるいは円柱体の両端に円錐形の頭部を設
けたもの等を用いることができる。

【００３０】また、移動部材６の表面に、樹脂コーティ
ング層７ａを施して、作動流体の衝突に対する移動部材
６の耐久性を向上させるようにしてもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態を示すダブルインレット
型パルス管冷凍機の全体構成図である。

【図２】第１実施形態におけるストッパ部材の具体例を
示す説明図である。

【図３】本発明の第２実施形態を示すダブルインレット
型パルス管冷凍機の全体構成図である。

【図４】本発明の第３実施形態を示すダブルインレット
型パルス管冷凍機の全体構成図である。

【図５】本発明の第４実施形態を示すダブルインレット
型パルス管冷凍機の全体構成図である。

【図６】第４実施形態の要部拡大斜視図である。

【図７】本発明の第５実施形態を示すオリフィス型パル
ス管冷凍機の全体構成図である。

【図８】本発明の第６実施形態を示すダブルピストン型
パルス管冷凍機の全体構成図である。

【図９】従来のダブルインレット型パルス管冷凍機の全
体構成図である。

【符号の説明】

１…圧縮部、３…蓄冷器、４…冷却部、５…パルス管、
６…移動部材、７…ストッパ部材、８、１０…第１、第
２の流量調整部、９…バッファタンク、１１…紐状部
材、１３…ストッパ部材、１４…棒状部材、１９…バイ
パス管。

Claims (7)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 作動流体を圧縮、膨張させる圧縮部
   （１）、 この圧縮部（１）に連結され、前記作動流体の膨張時の
   冷熱を蓄冷する蓄冷器（３）、 この蓄冷器（３）に連結され、この蓄冷器（３）を通し
   て加えられる圧力波によって前記作動流体が圧縮、膨張
   を繰り返して変位するパルス管（５）、 および前記蓄冷器（３）のうち、前記パルス管（５）側
   端部に形成され、被冷却物を冷却する冷却部（４）を少
   なくとも備えたパルス管冷凍機において、 前記パルス管（５）の内部に、作動流体とともに移動可
   能な移動部材（６）が挿入されており、この移動部材
   （６）により前記パルス管（５）内の高温端（１５）側
   の作動流体と低温端（１６）側の作動流体が分離される
   ようにし、 さらに、前記移動部材（６）の移動範囲を制限する移動
   制限手段（７、１１、１３、１４）が前記パルス管
   （５）に備えられていることを特徴とするパルス管冷凍
   機。
2. 【請求項２】 前記移動制限手段（７、１１、１３、１
   ４）により前記移動部材（６）の移動範囲を前記パルス
   管（５）の高温端（１５）側に制限することを特徴とす
   る請求項１に記載のパルス管冷凍機。
3. 【請求項３】 前記移動制限手段（７、１１、１３、１
   ４）を、前記移動部材（６）の衝撃を吸収可能な構成と
   したことを特徴とする請求項１または２に記載のパルス
   管冷凍機。
4. 【請求項４】 前記移動制限手段を前記パルス管（５）
   の内壁に設けられたストッパ部材（７）により構成した
   ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記
   載のパルス管冷凍機。
5. 【請求項５】 前記移動制限手段を前記パルス管（５）
   に設けられた紐状部材（１１）により構成したことを特
   徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載のパル
   ス管冷凍機。
6. 【請求項６】 前記ストッパ部材（７）は、熱伝導率の
   低い材料にて形成されていることを特徴とする請求項４
   に記載のパルス管冷凍機。
7. 【請求項７】 前記パルス管（５）内に、前記パルス管
   （５）の軸方向に平行に設けられた棒状部材（１４）を
   備え、この棒状部材（１４）に対して前記移動部材
   （６）を移動自在に組付けるとともに、この棒状部材
   （１４）に前記移動部材（６）の移動範囲を制限するス
   トッパ部材（１３）を設け、 前記移動制限手段を前記棒状部材（１４）と前記ストッ
   パ部材（１３）とにより構成したことを特徴とする請求
   項１ないし３のいずれか１つに記載のパルス管冷凍機。