JP2746229B2 - パルス管冷凍機 - Google Patents

パルス管冷凍機

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JP2746229B2 JP7281480A JP28148095A JP2746229B2 JP 2746229 B2 JP2746229 B2 JP 2746229B2 JP 7281480 A JP7281480 A JP 7281480A JP 28148095 A JP28148095 A JP 28148095A JP 2746229 B2 JP2746229 B2 JP 2746229B2
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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３、４、５に
示す通りの構成になっている。図３は一般にオリフィス
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８、パルス管２、流量調整部４
Ａ、およびバッファタンク６で構成され、これらの機器
は上記の順番に連結されている。
【０００３】また、図４は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、図３のオリフィス
型を改良したもので、圧縮部１と蓄冷器３の間の配管９
Ａと、パルス管２と第１の流量調整部４Ａとの間の配管
９Ｂをバイパス管１５により連結しており、そしてこの
バイパス管１５の途中に第２の流量調整部４Ｂが設けら
れている。
【０００４】図５はダブルピストン型パルス管冷凍機と
称されているものであって、第１の圧縮部１、蓄冷器
３、冷却部８、パルス管２、および第２の圧縮部１１の
順番に連結されている。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８で極低温を生成し、この冷却部８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。
【０００５】また、上記のパルス管冷凍機ではパルス管
２の高温端側に取り付けられた機器（例えば図３、４で
はバッファタンク６）とパルス管２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。
【０００６】
【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２の高温
端２ａ側からパルス管２内へ常温の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２ａ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８まで到達してしまう。冷却部８と比較
して温度の高いこの作動流体が冷却部８側に流入するこ
とは冷凍効率を悪くする原因となる。
【０００７】本発明は上記点に鑑み、パルス管内部に高
温端側の機器から流入する作動流体が冷却部側へ到達す
るのを防ぐことを目的としている。
【０００８】
【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１〜５に記載の発明では、パルス管冷凍機におい
て、パルス管（２）内部の高温端（２ａ）近傍に、作動
流体とともに移動可能な移動部材（７）を挿入し、この
移動部材（７）によりパルス管（２）内の高温端（２
ａ）側の作動流体と低温端（２ｂ）側の作動流体が分離
されるようにし、さらに、移動部材（７）がパルス管
（２）の高温端（２ａ）側へ移動する過程において、パ
ルス管（２）の高温端（２ａ）側の流体圧力を移動部材
（７）の移動により加圧する手段（２ｄ）を備えること
を特徴としている。
【０００９】これにより、パルス管（２）の高温端（２
ａ）側の機器からパルス管（２）内へ常温の作動流体が
噴出し始める時、パルス管（２）内の高温端（２ａ）側
に存在する移動部材（７）に作動流体が衝突して、速度
が低下するとともに、流れ方向を変更して、常温の作動
流体の噴出が減衰する。そのため、パルス管（２）内の
高温端（２ａ）側の作動流体を移動部材（７）により低
温端（２ｂ）側の作動流体から分離できるため、パルス
管（２）の高温端（２ａ）に流入する温度の高い作動流
体が冷却部（８）へ到達することを移動部材（７）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。
【００１０】さらに、移動部材（７）がパルス管（２）
の高温端（２ａ）側へ移動する過程において、パルス管
（２）の高温端（２ａ）側の流体圧力を移動部材（７）
の移動により加圧する手段（２ｄ）を備えているため、
この流体圧力の加圧により移動部材（７）に対するダン
パ機能を発揮でき、移動部材（７）がパルス管（２）の
高温端（２ａ）に衝突するのを防止でき、移動部材
（７）の耐久性を向上できる。
【００１１】また、請求項２記載の発明では、移動部材
（７）を、パルス管（２）の内径より僅かに径の小さい
球状もしくは円筒状の中空形状に形成し、この中空形状
の外殻部（７ａ、７ｂ）を、低密度の材料で構成したこ
とを特徴としている。これにより、移動部材（７）を十
分軽量にすることができるため、その前後の小さな圧力
差で移動部材（７）を軽快に移動させることができ、パ
ルス管（２）における作動流体の圧力波（圧力振幅）の
伝播には何ら支障がない。
【００１２】また、請求項３記載の発明では、移動部材
（７）の外殻部（７ａ、７ｂ）を、低熱伝導率の材料で
構成したことを特徴としている。このように、移動部材
（７）の熱伝導率が低いことにより、移動部材（７）自
身を通過する熱量をも抑制でき、冷凍効率の向上をより
一層図ることができる。また、請求項４記載の発明で
は、移動部材（７）の外殻部（７ａ、７ｂ）に、外殻部
（７ａ、７ｂ）の内外を連通する連通穴（７ｄ）を備え
ることを特徴としている。
【００１３】これにより、移動部材（７）に、その内外
の圧力差による応力がかかるのを防止でき、この圧力差
による移動部材（７）の破損を防止でき、移動部材
（７）の耐久性をより一層向上できる。
【００１４】
【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。図１はオリフィス型パルス管冷凍機に
本発明を適用した実施形態を示すものである。圧縮部
１、蓄冷器３、冷却部８、パルス管２、流量調整部４
Ａ、バッファタンク６の順番に連結されている。
【００１５】そして、パルス管２の内部に球状の移動部
材７が移動自在に挿入されている。ここで、図１は図面
作成上の便宜のため、パルス管２の軸方向長さを縮小し
て示しているが、実際は移動部材７の直径に比して、パ
ルス管２の軸方向長さは十分長くなっており、移動部材
７はパルス管２内のうち高温端２ａ側（流量調整部４Ａ
側端部）の内部に位置するようにしてある。なお、蓄冷
器３、冷却部８、パルス管２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。
【００１６】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。
【００１７】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。
【００１８】冷却部８は、蓄冷器３のうちパルス管２の
低温端２ｂ側端部に配設されており、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８の外壁面に
図示しない被冷却物を接触させて冷却する。パルス管２
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。
【００１９】流量調整部４Ａ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、オリフィス等で
構成される。バッファタンク６は、流量調整部４Ａ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。移動部材７は流量
調整部４Ａを通過しパルス管２の高温端２ａに入出する
作動流体とともにパルス管２内を軽快に移動可能なもの
であり、高温側の作動流体が移動部材７を通り過ぎて冷
却部８側へ流入するのを防止するものである。
【００２０】パルス管２の高温端２ａ側の小径部分２ｄ
は、その内径ｄ1 が低温端２ｂ側の内径ｄ2 より小さく
してあり、一方、移動部材７は図２に拡大図示するよう
に、中空の球状部材からなるものであって、その外径は
パルス管２の高温端２ａ側の小径部分２ｄの内径ｄ1 よ
り僅か小さくしてあるので、パルス管２の高温端２ａ側
部分でも移動部材７は微小隙間を介して移動し得るよう
になっている。パルス管２の低温端２ｂ側の大径部分２
ｅと、高温端２ａ側の小径部分２ｄとの間には、低温端
２ｂ側に向かって徐々に径が小さくなるテーパー状のガ
イド部２ｃが形成されている。
【００２１】そして、移動部材７の中空球形状の外殻部
の材質としては、低密度で、かつ低熱伝導率および低摩
擦係数の材料が好ましい。このような特性を満足する具
体的材料としては、樹脂系材料の中で、四フッ化エチレ
ン（商品名：テフロン）を使用できる。ここで、低密度
材料の使用は移動部材７の軽量化のためであり、また、
低熱伝導率の材料の使用は移動部材７を通してパルス管
２の高温端２ａ側から低温端２ｂ側の作動流体に熱が伝
導するのを防止するためであり、さらに低摩擦係数の材
料の使用は移動部材７とパルス管２の内壁面との接触に
よる摩擦を最小限に抑制するためである。
【００２２】次に、上記移動部材７の作り方について説
明すると、本例においては、上記外殻部の材料から成形
された２つの半球体７ａ、７ｂを用い、この２つの半球
体７ａ、７ｂを合体して、その合体部分を接着剤等の接
合部７ｃにより一体に接合している。ここで、接合部７
ｃは前記合体部分を全周にわたって接合せず、１箇所ま
たは複数箇所に接合部７ｃのない部分を設け、この接合
部７ｃのない部分により、中空形状の外殻部の内外、す
なわち半球体７ａ、７ｂの内外を連通する連通穴７ｄを
形成している。
【００２３】また、２つの半球体７ａ、７ｂの結合をよ
り一層強化するために、２つの半球体７ａ、７ｂの外周
面に補強線７ｅを配設して、この補強線７ｅの両端部を
半球体７ａ、７ｂの穴部を貫通して内部へ挿入し、この
補強線７ｅの両端部を半球体７ａ、７ｂにクリップ状に
引っかけて止めるようにしている。次に、上記移動部材
７がパルス管２の高温端２ａの側端面に衝突するのを防
止するためのダンパ機構について述べると、バッファタ
ンク６を流量調整部４Ａを介してパルス管２の高温端２
ａの側端面に連結する配管９において、流量調整部４Ａ
と高温端２ａとの間の部位に第１の逆止弁５Ａが配設し
てある。この逆止弁５Ａは流量調整部４Ａからパルス管
２の高温端２ａ側への一方向のみに作動流体を流すもの
である。
【００２４】一方、上記第１の逆止弁５Ａと並列となる
ように第２の逆止弁５Ｂが設けてあり、この逆止弁５Ｂ
はパルス管２の高温端２ａ側から流量調整部４Ａへの一
方向のみに作動流体を流すものであり、従って、第１の
逆止弁５Ａと第２の逆止弁５Ｂは逆方向に接続されてい
る。この第２の逆止弁５Ｂが設けられている配管１０に
おいて、パルス管２の高温端２ａ側への接続口１０ａ
は、パルス管２の高温端２ａ側の小径部分２ｄのうち、
ガイド部２ｃの近傍位置に設定してあり、これにより移
動部材７がパルス管２の高温端２ａに近接したときに
は、移動部材７の中心部が配管１０の接続口１０ａより
高温端２ａ側に位置するようにしてある。
【００２５】次に、上記構成において作用を説明する
と、圧縮部１のピストン１ｂが上死点から下死点側へ移
動することにより、引き起こされる作動流体の膨張過程
において、バッファタンク６内から作動流体が流量調整
部４Ａを介して、第１の逆止弁５Ａを開弁し、配管９の
開口部よりパルス管２の高温端２ａ内に勢い良く噴出す
る。
【００２６】このとき、高温端２ａ内への噴出流体は移
動部材７に衝突して、流体速度が低下するとともに、噴
出方向が変化して、減衰する。これにより、冷却部８と
比較して高温（室温程度）であるバッファタンク６内の
作動流体がパルス管２の高温端２ａから冷却部８側へ流
入しようとするのを移動部材７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。
【００２７】また、圧縮部１のピストン１ｂが下死点か
ら上死点側へ移動することにより、引き起こされる作動
流体の圧縮過程においては、第１の逆止弁５Ａが閉弁
し、第２の逆止弁５Ｂが開弁することにより、パルス管
２の高温端２ａ側から配管１０、第２の逆止弁５Ｂ、流
量調整部４Ａを経てバッファタンク６に圧力振動が伝え
られ、バッファタンク６内に作動流体が入る。
【００２８】そして、図１（ａ）の状態から、移動部材
７が作動流体の圧力波に追従して変位し、パルス管２の
高温端２ａ側へ移動するとき、移動部材７はガイド部２
ｃのテーパー形状に案内されて滑らかに、高温端２ａ側
の小径部分２ｄに入ることができ、そして移動部材７が
図１（ｂ）に示すように高温端２ａの側端面に近接する
と、移動部材７の中心部が、配管１０の接続口１０ａよ
り高温端２ａ側に位置するようになる。
【００２９】すると、パルス管２の高温端２ａ側の作動
流体Ａは、移動部材７の外周面と高温端２ａの内壁面と
の間の微小隙間のみを介して接続口１０ａへ流入できる
状態となり、この微小隙間を通過する流量は僅少量に制
限されるため、移動部材７と高温端２ａとの間の作動流
体の圧力が急に上昇し、ダンパー機能を果たす。そのた
め、移動部材７が高温端２ａの側端面に衝突するのを未
然に防止できる。これにより、移動部材７の衝突による
耐久性低下等の不具合を防止できる。
【００３０】また、本例では、移動部材７に、その中空
形状の内外を連通する連通穴７ｄを設けているため、移
動部材７がその内外の圧力差により破損することも防止
できる。また、前述したように、移動部材７を軽量の樹
脂系材料で製作することにより、移動部材７が図１
（ａ）に示すように、パルス管２の高温端２ａ側から、
ある程度離れた状態では、圧縮部１の圧縮、膨張により
発生する作動流体の圧力波によって、移動部材７を微少
な圧力差で軽快に移動（振動）させることができる。
【００３１】また、移動部材７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７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７の形状は
本例では球であるが、円筒形等の形状にすることもでき
る。この場合も、円筒形の外径をパルス管２の高温端２
ａ側小径部分２ｄの内径ｄ1 より僅かに小さくする。 （他の実施形態）なお、上述した実施形態では本発明を
オリフィス型のパルス管冷凍機に適用した例について説
明したが、パルス管２の高温端２ａを通過してパルス管
２内部に高温側作動流体が流入する全タイプのパルス管
冷凍機について本発明は同様に適用できる。
【００３２】すなわち、図４に示すダブルインレット型
のパルス管冷凍機、および図５に示すダブルピストン型
のパルス管冷凍機においても、パルス管２内に上述した
移動部材７を挿入するとともに、この移動部材７の、高
温端２ａへの衝突を防止するダンパ機構を構成すること
により、同様の作用効果を発揮できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）、（ｂ）は本発明の第１実施形態を示す
パルス管冷凍機の全体構成図で、それぞれ移動部材の異
なる作動状態を示している。
【図２】図１の移動部材を拡大図示する断面図である。
【図３】従来のオリフィス型パルス管冷凍機の全体構成
図である。
【図４】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。
【図５】従来のダブルピストン型パルス管冷凍機の全体
構成図である。
【符号の説明】
１、１１…圧縮部、２…パルス管、３…蓄冷器、４Ａ、
４Ｂ…流量調整部、５Ａ、５Ｂ…逆止弁、６…バッファ
タンク、７…移動部材、８…冷却部、１５…バイパス
管。

Claims (5)

    (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）と、 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）と、 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（２）と、 前記蓄冷器（３）のうち、前記パルス管（２）の低温端
    （２ｂ）側端部に形成され、被冷却物を冷却する冷却部
    （８）と、 前記パルス管（２）の高温端（２ａ）に、配管（９）を
    介して連結された高温側機器（６、１１）とを備えたパ
    ルス管冷凍機において、 前記パルス管（２）内部の前記高温端（２ａ）近傍に、
    作動流体とともに移動可能な移動部材（７）が挿入され
    ており、この移動部材（７）により前記パルス管（２）
    内の高温端（２ａ）側の作動流体と低温端（２ｂ）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（７）が前記パルス管（２）の高
    温端（２ａ）側へ移動する過程において、前記パルス管
    （２）の高温端（２ａ）側の流体圧力を前記移動部材
    （７）の移動により加圧する手段（２ｄ）を備えること
    を特徴とするパルス管冷凍機。
  2. 【請求項２】 前記移動部材（７）は、前記パルス管
    （２）の内径より僅かに径の小さい球状もしくは円筒状
    の中空形状からなり、 この中空形状の外殻部（７ａ、７ｂ）は、低密度の材料
    で構成されてい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】 前記移動部材（７）は、前記パルス管
    （２）の内径より僅かに径の小さい球状もしくは円筒状
    の中空形状からなり、 この中空形状の外殻部（７ａ、７ｂ）は、低熱伝導率の
    材料で構成されていることを特徴とする請求項１に記載
    のパルス管冷凍機。
  4. 【請求項４】 前記移動部材（７）の前記外殻部（７
    ａ、７ｂ）に、その内外を連通する連通穴（７ｄ）が備
    えられていることを特徴とする請求項２または３に記載
    のパルス管冷凍機。
  5. 【請求項５】 前記加圧する手段として、前記パルス管
    （２）の高温端（２ａ）側に、低温端（２ｂ）側の部分
    より径の小さい小径部分（２ｄ）を形成し、この小径部
    分（２ｄ）に前記移動部材（７）が移動することによ
    り、前記パルス管（２）の高温端（２ａ）側の流体圧力
    を加圧するようにし、 さらに、前記パルス管（２）の高温端（２ａ）側の空間
    を、互いに並列配置され、かつ作動流体の流れ方向が逆
    方向になっている２つの逆止弁（５Ａ、５Ｂ）を介し
    て、前記配管（９）と連通させることを特徴とする請求
    項１ないし４のいずれか１つに記載のパルス管冷凍機。
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