JP3624542B2 - パルス管冷凍機 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はパルス管冷凍機に関する。このパルス管冷凍機は、例えば、クライオポンプとして好適である。
【０００２】
【従来の技術】
従来より周知の逆スターリングサイクル冷凍機やギフォード・マクマホン冷凍機においては、寒冷発生部にピストン等の可動部分を必要とする。一方、パルス管冷凍機はパルス管において作動ガスを膨張させ、これにより寒冷を発生させる。このパルス管は実質的に空洞な構成であって、ピストン等の可動部を要さない。従って、パルス管冷凍機は上記他のタイプの冷凍機に比べてその構造が簡素となり、よって、製造コスト、耐久性、信頼性及び低振動性等において優れたものとなる。
【０００３】
従来のパルス管冷凍機１では、例えば図１に示すとおり、第１寒冷発生系における第１蓄冷器３の第１コールドステージ５を下向きにしていた。この第１コールドステージ５に連結される第１パルス管７は、第１コールドステージ５に最も近い部分、即ちその管内において温度の最も低い部分（低温端部７Ｌ）が下端となり、温度の最も高い部分（高温端部７Ｈ）が上端となるよう配設されていた。第２寒冷発生系においても同様であり、下向きに配置された第２蓄冷器１３の第２コールドステージ１５に対応してその低温端部１７Ｌが下端となるように第２パルス管１７が配設されていた。
【０００４】
図中の符号２１は圧縮機、符号２２、２４及び２６は低圧供給弁、符号２３、２５及び２７は高圧供給弁、並びに符号２８は弁駆動モータである。これらにより位相調整系と圧力振動源が構成される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
既述のようにパルス管冷凍機は種々の利点を持っているので、その用途の拡大が望まれている。本発明者らはパルス管冷凍機について鋭意研究を進めた結果、その用途を拡大する上で従来のパルス管冷凍機には次の課題があることに気が付いた。
【０００６】
即ち、パルス管冷凍機を例えばクライオポンプとして使用するためには、蓄冷器のコールドステージを上向としなければならない。図１に示す構成のパルス管冷凍機をそのまま転用すると（図１の上下を逆さまにした構成を想定されたい。）、コールドステージに連結されるパルス管の低温端部が上側に位置し、また、高温端部が下側に位置することとなる。
【０００７】
パルス管は実質的に空洞であるため、低温端部が上側にあり高温端部が下側にあると、パルス管内の作動ガスが重力の影響を受けてそこに対流が生じるおそれがある。これは上側にある低温端部内の作動ガスの密度が下側端にある高温端部内の作動ガスの密度より大きいためである。このような対流が生じると冷凍能力の低下を来すこととなるので好ましくない。
【０００８】
この発明は、かかる課題を解決することを一つの目的とする。
この発明の他の目的はコールドステージを上向きにした、即ち、コールドステージを蓄冷器の上端に配置するタイプのパルス管冷凍機において、その冷凍能力を従来例のもの、即ち、コールドステージを蓄冷器の下端に配置するパルス管冷凍機と同等とすることにある。
【０００９】
この発明の更に他の目的は、上記目的を達成する際にできる限りシンプルな構成を採用することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的の少なくとも一つを達成するために、この発明では、コールドステージをその上端に備える蓄冷器と、低温端部が下端になり高温端部が上端になるように配設され、前記低温端部が前記コールドステージより下側に位置するパルス管とを備える構成を特徴とする。このように設置されたパルス管では比較的密度の高い作動ガスがその下端にあり、一方、比較的密度の低い作動ガスがその上端にあるので、従来例のものと同様に、重力による作動ガスの対流は発生しない。パルス管の低温端部をコールドステージより下側に配置することにより、冷凍機の構成を鉛直方向においてコンパクト化できる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
蓄冷器の上端に配置されたコールドステージとパルス管の低温端部との間にその容積がパルス管の容積と比較して実質的に無視できる配管が設けられる。
この配管の容積はパルス管の容積の１０分の１以下とすることが好ましい。
この配管を蓄冷器と同じく熱の良導体で形成すれば、この配管を蓄冷器の一部として用いることができる。熱の良導体としては、銅、鉛等の金属及びそれらの適当な合金が挙げられる。熱の良導体とは熱伝導率の高い材料をいう。
【００１２】
この配管をパルス管と同じく熱の不導体で形成すれば、この配管をパルス管の一部として用いることができる。熱の不導体としては、ステンレス等があげられる。熱の不導体とは熱伝導率の低い材料をいう。
【００１３】
【実施例】
本発明を実施例にもとづき図面を参照にして説明する。
（第１実施例）
図２は本発明の第１の実施例のパルス管冷凍機３０の概略構成図である。図１と同等の部材には同一の符号を付し、その説明を部分的に省略する。
【００１４】
このパルス管冷凍機３０は第１寒冷発生系３１と第２寒冷発生系３３とから構成される。
第１寒冷発生系３１では第１コールドステージ５を上端にして第１蓄冷器３が鉛直に配設される。第１蓄冷器３は熱伝導性の高い材料で形成されればよいが、この実施例では銅のメッシュを内蔵させた。第１パルス管７はその高温端部７Ｈを上端側にし、その低温端部７Ｌを下端側にして鉛直に配設される。第１パルス管７は熱伝導性の低い材料で形成されればよいが、この実施例ではステンレス製とした。このように低温端部７Ｌが下端にあると第１パルス管７内においては重力による作動ガスの対流は発生しない。
【００１５】
第１蓄冷器３及び第１パルス管７は配管３５、３６、低圧供給弁２２、２４及び高圧供給弁２３、２５を介して圧縮機２１へ連結される。圧縮機２１は第１寒冷発生系３１に充填される作動ガスへ圧力を付与するものである。弁駆動モータ２８により所定のタイミングで低圧供給弁２２、２４及び高圧供給弁２３、２５を開閉することにより、第１寒冷発生系３１内の作動ガスの圧力を振動させるとともに、作動ガスの圧力変動と位置変動との位相を調節する。
【００１６】
作動ガスはヘリウムガスである。勿論、所望の冷凍温度や出力などに応じて作動ガスを適宜選択することができる。ヘリウムの他に、例えばアルゴン、水素、これら（ヘリウムを含む）の混合ガスを用いることができる。図示はされていないが、第１蓄冷器３と弁２４、２５とをつなぐ配管３５及び第１パルス管７と弁２２、２３とをつなぐ配管３６へ放熱器を設けることができる。
【００１７】
第２寒冷発生系３３では第２コールドステージ１５を上端にして第２蓄冷器１３が鉛直に配設される。第２蓄冷器１３内には鉛粒が充填されている。第２パルス管１７はその高温端部１７Ｈを上端にし、その低温端部１７Ｌを下端にして鉛直に配設される。このように低温端部１７Ｌが下端にあると第２パルス管１７内においては重力による作動ガスの対流は発生しない。
【００１８】
第２蓄冷器１３及び第２パルス管１７は配管３５、３７、低圧供給弁２４、２６及び高圧供給弁２５、２７を介して圧縮機２１へ連結される。圧縮機２１は第２寒冷発生系３３に充填される作動ガスへ圧力を付与するものである。弁駆動モータ２８により所定のタイミングで低圧供給弁２４、２６及び高圧供給弁２５、２７を開閉することにより、第２寒冷発生系３３内の作動ガスの圧力を振動させるとともに、作動ガスの圧力変動と位相変動との位相差を調節する。
【００１９】
以下に、本例におけるパルス管冷凍機の動作について説明する。
バルブ駆動モータ２８が作動し、まず、第１パルス管７側の低圧供給弁２２を閉じ、高圧供給弁２３を開く。すると、高圧の作動ガスが高圧供給弁２３、配管３６を経て第１パルス管７に供給される。次に、所定の位相差をもって第２パルス管１７側の低圧供給弁２６を閉じ、高圧供給弁２７を開く。すると、高圧の作動ガスが高圧供給弁２７、配管３７を経て第２パルス管１７に供給される。
【００２０】
次に、所定の位相差をもって第１蓄冷器３側の低圧供給弁２４を閉じ、高圧供給弁２５を開く。すると、高圧の作動ガスが高圧供給弁２５、配管３５を経て第１蓄冷器３内に供給される。第１蓄冷器３内へ高圧作動ガスが供給された後、所定の位相差をもって第１パルス管７側の高圧供給弁２３を閉じ、低圧供給弁２２を開く。すると、第１パルス管７内の高圧の作動ガスは、配管３６、低圧供給弁２２を経て圧縮機２１に帰還する。
【００２１】
その後、所定の位相差をもって第２パルス管１７側の高圧供給弁２７を閉じ、低圧供給弁２６を開く。すると、第２パルス管１７内の高圧の作動ガスは、配管３７、低圧供給弁２６を経て圧縮機２１に帰還する。その後、所定の位相差をもって第１蓄冷器３側の高圧供給弁２５を閉じ、低圧供給弁２４を開く。すると、第１蓄冷器３内の高圧の作動ガスは配管３５、低圧供給弁２４を経て圧縮機２１に帰還する。
【００２２】
上記動作を１周期とし、これを繰り返すことにより、パルス管冷凍機３０内の作動ガスの圧力変動と位相変動との間に位相差が生じる。この位相差の発生が、気体のＰＶ特性を利用した冷凍発生の前提になるが、バルブ駆動モータ２８の制御により各供給弁を巧妙に制御し、第１コールドステージ５及び第２コールドステージ１５において作動ガスの圧力変動と位相変動との間の位相差を最適位相差に調節すると、第１コールドステージ５及び第２コールドステージ１５において極低温が発生される。
【００２３】
第１寒冷系３１に着目すると、作動ガスは第１蓄冷器３に最も近い第１コールドステージ５において最低温度となり、８０Ｋの寒冷を発生させる。これにより、第２寒冷発生系３３の作動ガスが冷却されることとなる。一方、第１蓄冷器３から最も離れた第１パルス管７の高温端部７Ｈにおいて作動ガスは最も温度が高い。従って、第１パルス管７には温度勾配が生じている。
【００２４】
第２パルス管１７の低温端部１７Ｌは第２コールドステージ１５さらには第１コールドステージ５よりも鉛直方向下側に配置され、この低温端部１７Ｌは第２コールドステージ１５と配管３８で連結されている。この配管３８の容積は第２パルス管１７の容積と比較して実質的に無視できるものとする。実施例では配管３８を熱伝導率の小さいステンレスで形成した。これにより、配管３８内での作動ガスの寒冷をできるだけ外部へ逃がさないようにできる。即ち、配管３８を第２パルス管１７の一部として用いる。
【００２５】
図面上では第２パルス管１７の低温端部１７Ｌの位置が第１蓄冷器３の下端室温部とほぼ同じ高さに描かれている。これは第２パルス管１７の容積を大きくして寒冷の発生を大きくするためである。第２パルス管１７の低温端部１７Ｌの位置は第２コールドステージ１５よりも下であれば特に限定されない。低温端部１７Ｌの位置を第２コールドステージ１５より上側とすると、第２パルス管１７はそこからさらに上方へ向かって突出することとなり、冷凍機の構造上、占有スペースが大きくなりかつ複雑になるので好ましくない。
【００２６】
この実施例では、第１パルス管７の高温端部７Ｈと第２パルス管１７の高温端部１７Ｈを上側に配置し、それらの高さを実質的に同じとした。更には、第２蓄冷器１３の上端の第２コールドステージの高さも高温端部７Ｈ、１７Ｈとほぼ等しくすることにより、装置全体をシンプルな構成とした。
実施例のパルス管冷凍機によれば、第１コールドステージ５において８０Ｋまでの寒冷を発生させることができ、第２コールドステージ１５においては２０Ｋまでの寒冷を発生させることができた。
【００２７】
図３及び図４は、実施例と同じ緒元の構成要素（図２と同じ構成要素には同一の参照番号が付してある。）及び動作条件が適用される従来例及び比較例のパルス管冷凍機をそれぞれ示している。
各コールドステージ５、１５を下側に向けた図３に示す従来例の冷凍機では、第１コールドステージ５において４４Ｋまでの寒冷が発生し、第２コールドステージ１５において９Ｋまでの寒冷が発生した。各コールドステージ５、１５が上を向くように図３を１８０度回転させた構成の図４に示す比較例の冷凍機では、第１コールドステージ５及び第２コールドステージ１５においてそれぞれ１４５Ｋ及び４２Ｋまでしか寒冷を発生させることができなかった。
【００２８】
（第２実施例）
図５にこの発明の第２実施例のパルス管冷凍機４０を示す。
第２実施例は第１実施例の冷凍機に第３寒冷発生系４１を追加したものである。
第３寒冷発生系４１では第３コールドステージ４５を上端にして第３蓄冷器４３が鉛直に配設される。第３パルス管４７はその高温端部４７Ｈを上端にし、その低温端部４７Ｌを下端にして鉛直に配設される。このように低温端部４７Ｌが下端にあると第３パルス管４７内においては重力による作動ガスの対流は発生しない。
【００２９】
第３蓄冷器４３及び第３パルス管４７は配管３５、４９、低圧供給弁２４、４２及び高圧供給弁２５、４４を介して圧縮機２１へ連結される。圧縮機２１は第３寒冷発生系４１に充填される作動ガスへ圧力を付与するものである。弁駆動モータ２８により所定のタイミングで低圧供給弁２４、４２及び高圧供給弁２５、４４を開閉することにより、第３寒冷発生系４１内の作動ガスの圧力を振動させるとともに、作動ガスの圧力変動と位相変動との位相差を調節する。
【００３０】
第３パルス管４７の低温端部４７Ｌは第３コールドステージ４５さらには第２及び第１コールドステージ１５、５よりも鉛直方向下側に配置され、この低温端部４７Ｌは第３コールドステージ４５と配管４８で連結されている。この配管４８の容積は第３パルス管４７の容積と比較して実質的に無視できるものとする。実施例では配管４８を熱伝導率の小さいステンレスで形成した。これにより、配管の４８内での作動ガスの断熱膨張による寒冷をできるだけ外部へ逃がさないようにできる。即ち、配管３８を第３パルス管４７の一部として用いる。
【００３１】
本例におけるパルス管冷凍機の動作については第１実施例において説明したものとほぼ同様であるのでその説明を省略する。
この実施例の冷凍機では第３寒冷発生系４１が追加されているので、第１実施例の冷凍機に比べて、より低い温度を得ることができる。また、冷凍機を大型化することもできる。
【００３２】
（第３実施例）
この発明の第３実施例のパルス管冷凍機５０を図６に示す。
この冷凍機５０は図５に示した第２実施例の冷凍機４０において、圧縮振動源及び位相調節器の構成を変更したものである。すなわち、第１ないし第３の寒冷発生系３１ａ、３３ａ及び４１ａの圧縮振動源として圧縮ピストン５１及び圧縮シリンダ５２が用いられている。第１寒冷発生系３１ａの位相調節器として膨張ピストン５３及び膨張シリンダ５４が用いられる。同様に、第２及び３の寒冷発生系３３ａ、４１ａの位相調節器として膨張ピストン５５、５７及び膨張シリンダ５６、５８がそれぞれ用いられる。
【００３３】
（第４実施例）
この発明の第４実施例のパルス管冷凍機６０を図７に示す。
この冷凍機６０は図６に示した第３の実施例において、第１ないし第３の寒冷発生系の位相調節器としてバッファタンク６１、６２及び６３をそれぞれ用いたものである。
【００３４】
圧縮振動源として、図８に示す構成を採用することもできる。図８に示す圧縮振動源は、圧縮機６４、弁駆動モータ６５、低圧供給弁６６及び高圧供給弁６７から構成され、第２実施例と同様の動作を奏する。
（第５実施例）
この発明の第５実施例のパルス管冷凍機７０を図９に示す。
【００３５】
この冷凍機７０は図７に示した第４の実施例において、配管３５と配管３６との間に第１のバイパス管７３と流量調整弁７６が設けられている。同様に、配管３５と配管３７との間に第２のバイパス管７４と流量調整弁７７が設けられ、配管４９と配管７１との間にバイパス管７５と流量調整弁７８が設けられる。
（第６実施例）
この発明の第６実施例のパルス管冷凍機８０を図１０に示す。
【００３６】
この冷凍機８０は図９に示した第５の実施例において、３つのバッファタンク６１、６２、６３を一つ（バッファタンク８１）にまとめたものであり、これにより部品点数が可及的に削減される。
（第７実施例）
この発明の第７実施例のパルス管冷凍機９０を図１１に示す。
【００３７】
この冷凍機９０は図２に示した第１の実施例において、第２寒冷発生系のみを用いて構成したものであり、その動作は既述のとおりである。この冷凍機９０は極低温の要求されない条件で使用するのに好適である。
【００３８】
【発明の効果】
この発明のパルス管冷凍機では、コールドステージをその上端に備える蓄冷器と、低温端部が下端になり高温端部が上端になるように配設され、前記低温端部が前記コールドステージより下側に位置するパルス管とが備えられた。このように設置されたパルス管では比較的密度の高い作動ガスがその下端にあり、一方、比較的密度の低い作動ガスがその上端にあるので重力による作動ガスの対流は発生しない。よって、冷凍動作になんら悪影響がでず、もって充分な冷凍能力が得られる。
【００３９】
パルス管の低温端部をコールドステージより下側に配置することにより、冷凍機の構成を鉛直方向においてコンパクト化できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のパルス管冷凍機の構成図である。
【図２】本発明の第１実施例のパルス管冷凍機の構成図である。
【図３】従来例のパルス管冷凍機の主要部の構成図である。
【図４】比較例のパルス管冷凍機の主要部の構成図である。
【図５】本発明の第２実施例のパルス管冷凍機の構成図である。
【図６】本発明の第３実施例のパルス管冷凍機の構成図である。
【図７】本発明の第４実施例のパルス管冷凍機の構成図である。
【図８】第４実施例のパルス管冷凍機に使用した圧縮振動源の構成図である。
【図９】本発明の第５実施例のパルス管冷凍機の構成図である。
【図１０】本発明の第６実施例のパルス管冷凍機の構成図である。
【図１１】本発明の第７実施例のパルス管冷凍機の構成図である。
【符号の説明】
１、３０、４０、５０、６０、７０、８０、９０ パルス管冷凍機
３、１３、４３ 蓄冷器
５、１５、４５ コールドステージ
７、１７、４７ パルス管
７Ｈ、１７Ｈ、４７Ｈ 高温端部
７Ｌ、１７Ｌ、４７Ｌ 低温端部
２１ 圧縮機
２８ 弁駆動モータ
２２、２４、２６、４２ 低圧供給弁
２３、２５、２７、４４ 高圧供給弁
３８、４８ 配管

Claims (3)

1. コールドステージをその上端に備える蓄冷器と、
   低温端部が下端になり高温端部が上端になるように配設され、前記低温端部が前記コールドステージより下側に位置するパルス管と、
   前記パルス管の低温端部と前記コールドステージとを連結する配管と、
   前記パルス管の前記高温端部へ連結される位相調整系と、
   前記蓄冷器に連結される圧力振動源と、を備えていることを特徴とするパルス管冷凍機。
2. 前記配管を前記蓄冷器の一部として用いられるように、前記配管はその容積が前記パルス管の容積と比較して実質的に無視でき、かつ熱の良導体で形成されている請求項１記載のパルス管冷凍機。
3. 前記配管を前記パルス管の一部として用いられるように、前記配管はその容積が前記パルス管の容積と比較して実質的に無視でき、かつ熱の不導体で形成されている請求項１記載のパルス管冷凍機。

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