JP5425754B2 - Pulse tube refrigerator - Google Patents

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Description

本発明は、パルスチューブ冷凍機に関し、特に、雰囲気ガスの凝縮機能を有するパルスチューブ冷凍機に関する。   The present invention relates to a pulse tube refrigerator, and more particularly to a pulse tube refrigerator having an atmospheric gas condensing function.

従来より極低温環境が必要となる装置、例えば、核磁気共鳴診断装置(MRI)等を冷却する際には、パルスチューブ冷凍機が使用されている。   2. Description of the Related Art A pulse tube refrigerator is used for cooling an apparatus that requires a cryogenic environment, such as a nuclear magnetic resonance diagnostic apparatus (MRI).

パルスチューブ冷凍機では、圧縮機により圧縮された作動流体である冷媒ガス(例えば、ヘリウムガス)が蓄冷管およびパルス管に流入する動作と、作動流体が圧縮機により回収され、パルス管および蓄冷管から流出する動作を繰り返すことで、蓄冷管およびパルス管の低温端に寒冷が形成される。これらの低温端には冷却ステージが設置され、この冷却ステージを、被冷却対象である被冷却体に熱的に接触させることで、被冷却体から熱を奪うことができる。   In a pulse tube refrigerator, a refrigerant gas (for example, helium gas), which is a working fluid compressed by a compressor, flows into the regenerator and the pulse tube, and the working fluid is recovered by the compressor, and the pulse tube and the regenerator By repeating the operation of flowing out of the tube, cold is formed at the low temperature ends of the regenerator tube and the pulse tube. A cooling stage is installed at these low-temperature ends, and heat can be taken from the object to be cooled by bringing the cooling stage into thermal contact with the object to be cooled.

例えば、パルスチューブ冷凍機がMRI用クライオスタットに適用される場合、パルスチューブ冷凍機の冷却ステージは、MRI磁石が収容された液体ヘリウム槽と連通する空間内に配置され、これにより、MRI磁石が極低温に冷却される。   For example, when a pulse tube refrigerator is applied to an MRI cryostat, the cooling stage of the pulse tube refrigerator is disposed in a space communicating with a liquid helium tank in which the MRI magnet is accommodated, whereby the MRI magnet is poled. Cool to low temperature.

なお、MRI磁石を極低温に維持し続けるためには、熱交換によって気化した分の液体ヘリウムを絶えず液体ヘリウム槽に補給する必要がある。そこで、通常の場合、気化したヘリウムガスを再度液体状態に戻すため、冷却ステージ近傍(例えば、冷却ステージの直下)には、凝縮器が設置される。また、特許文献1には、そのような凝縮器を冷却ステージと一体構成したパルスチューブ冷凍機が示されている。   In order to keep the MRI magnet at a very low temperature, it is necessary to constantly replenish the liquid helium tank with the liquid helium vaporized by heat exchange. Therefore, in a normal case, in order to return the vaporized helium gas to the liquid state again, a condenser is installed in the vicinity of the cooling stage (for example, immediately below the cooling stage). Patent Document 1 discloses a pulse tube refrigerator in which such a condenser is integrated with a cooling stage.

特開2006−214717号公報JP 2006-214717 A

凝縮器は、ヘリウムガスとの熱接触の機会が高まるほど、凝縮効率(ヘリウムガスの冷却効率)が向上する。このため、通常の場合、凝縮器には、表面積を増加させるための多数の溝が設けられる。   The condenser has higher condensation efficiency (cooling efficiency of helium gas) as the chance of thermal contact with helium gas increases. For this reason, the condenser is usually provided with a number of grooves for increasing the surface area.

図1には、そのような多数の溝を有し、冷却ステージとしても機能する凝縮器の模式的な斜視図を示す。   FIG. 1 shows a schematic perspective view of a condenser having such a large number of grooves and functioning also as a cooling stage.

図1において、冷却ステージでもある凝縮器60は、上面2と下面3とを有し、上面2は、蓄冷管41の低温端42bおよびパルス管46の低温端47bと接続される。蓄冷管41の低温端42bとパルス管46の低温端47bとは、凝縮器60内に形成されたガス流通路48により連通される。また、凝縮器60は、図の上下に貫通した多数の貫通溝10を有し、これにより、凝縮器60の表面積が増加する。   In FIG. 1, the condenser 60, which is also a cooling stage, has an upper surface 2 and a lower surface 3, and the upper surface 2 is connected to the cold end 42 b of the cold storage tube 41 and the cold end 47 b of the pulse tube 46. The low temperature end 42 b of the cold storage tube 41 and the low temperature end 47 b of the pulse tube 46 are communicated by a gas flow passage 48 formed in the condenser 60. Moreover, the condenser 60 has many through-grooves 10 penetrating up and down in the figure, whereby the surface area of the condenser 60 is increased.

なお、図1には示されていないが、凝縮器60は、断熱容器内に収容されている。また、凝縮器60の下面3の下側には、MRI磁石が収容された液体ヘリウム槽が設けられている。このため、ハウジング内は、ヘリウムガス雰囲気となっている。   In addition, although not shown in FIG. 1, the condenser 60 is accommodated in the heat insulation container. In addition, a liquid helium tank containing an MRI magnet is provided below the lower surface 3 of the condenser 60. For this reason, the inside of the housing is a helium gas atmosphere.

液体ヘリウム槽中の液体ヘリウムは、MRI磁石との熱交換により温度が上昇すると、気化してヘリウムガスとなる。このヘリウムガスは、凝縮器60と接触した際に再度冷却され、液体となり、液体ヘリウム槽に戻る。従って、凝縮器60により、液体ヘリウム槽には、常時気化したヘリウムを補充する分の液体ヘリウムが供給され、これによりMRI磁石の極低温(例えば4K程度)が維持される。   The liquid helium in the liquid helium tank is vaporized into helium gas when the temperature rises due to heat exchange with the MRI magnet. This helium gas is cooled again when it comes into contact with the condenser 60, becomes liquid, and returns to the liquid helium tank. Accordingly, liquid helium is supplied to the liquid helium tank by the condenser 60 so as to replenish the vaporized helium at all times, thereby maintaining the extremely low temperature (for example, about 4K) of the MRI magnet.

しかしながら、このような凝縮器60の構成において、液体ヘリウム槽から気化したヘリウムガスの一部は、凝縮器60に設けられた貫通溝10を通って、図1の下部空間75から、比較的容易に、蓄冷管41とパルス管46の間の空間近傍まで達してしまうという問題がある。これにより、蓄冷管41とパルス管46の間の空間のヘリウムガス流速が増え、対流熱損失が増大し、また、このような対流の発生が顕著になると、パルスチューブ冷凍機の蓄冷管41およびパルス管46の温度が変化し、パルスチューブ冷凍機全体の冷却性能が低下してしまうおそれがある。   However, in such a configuration of the condenser 60, a part of the helium gas vaporized from the liquid helium tank passes through the through groove 10 provided in the condenser 60 and is relatively easy from the lower space 75 of FIG. 1. In addition, there is a problem that it reaches the vicinity of the space between the cold storage tube 41 and the pulse tube 46. As a result, the helium gas flow rate in the space between the regenerator tube 41 and the pulse tube 46 increases, convective heat loss increases, and when the occurrence of such convection becomes significant, the regenerator tube 41 of the pulse tube refrigerator and The temperature of the pulse tube 46 may change, and the cooling performance of the entire pulse tube refrigerator may be reduced.

本発明は、このような問題に鑑みなされたものであり、本発明では、凝縮器を有するタイプのパルスチューブ冷凍機であって、蓄冷管とパルス管の間の空間での対流の発生が有意に抑制されるパルスチューブ冷凍機を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such problems. In the present invention, the present invention is a pulse tube refrigerator having a condenser, and the occurrence of convection in the space between the regenerator tube and the pulse tube is significant. An object of the present invention is to provide a pulse tube refrigerator that is suppressed by the above.

本発明では、
蓄冷管およびパルス管と、雰囲気ガスの凝縮機能を備え、前記蓄冷管および前記パルス管の低温端の冷却ステージとして機能する凝縮器とを有するパルスチューブ冷凍機であって、
前記凝縮器内に形成された流通路を介して、前記蓄冷管の低温端と前記パルス管の低温端とが接続され、
前記凝縮器は、相互に対向する第1の表面および第2の表面を有し、前記第1の表面には、前記流通路の第1端および第2端用の2つの開口が設けられ、前記第2の表面は、該第2の表面から延在する複数の溝を有し、
前記蓄冷管またはパルス管の軸方向と平行な方向から見たとき、
前記流通路の2つの開口の中心を結ぶ直線上に中心を有する円であって、前記2つの開口を包含する最小の円または前記2つの開口と内接する円の領域内において、前記溝は、前記第1の表面まで貫通されていないことを特徴とするパルスチューブ冷凍機が提供される。
In the present invention,
A pulse tube refrigerator having a regenerator tube and a pulse tube, and a condenser having a function of condensing atmospheric gas, and functioning as a cooling stage at a low temperature end of the regenerator tube and the pulse tube,
The cold end of the regenerator tube and the cold end of the pulse tube are connected via a flow passage formed in the condenser,
The condenser has a first surface and a second surface facing each other, and the first surface is provided with two openings for a first end and a second end of the flow passage, The second surface has a plurality of grooves extending from the second surface;
When viewed from a direction parallel to the axial direction of the regenerator tube or pulse tube,
In a region of a circle having a center on a straight line connecting the centers of the two openings of the flow path and including the two openings or a circle inscribed in the two openings, the groove is A pulse tube refrigerator is provided that is not penetrated to the first surface.

本発明によるパルスチューブ冷凍機において、前記凝縮器は、前記第1の表面と前記第2の表面をつなぐ側面を有し、
前記溝の少なくとも一つは、前記側面に開口を有しても良い。
In the pulse tube refrigerator according to the present invention, the condenser has a side surface that connects the first surface and the second surface,
At least one of the grooves may have an opening on the side surface.

また、本発明によるパルスチューブ冷凍機において、前記凝縮器は、前記第1の表面と前記第2の表面をつなぐ側面を有し、
前記側面は、外周に沿った窪み部を有し、
前記溝の少なくとも一つは、前記窪み部に開口を有しても良い。
In the pulse tube refrigerator according to the present invention, the condenser has a side surface that connects the first surface and the second surface,
The side surface has a recess along the outer periphery,
At least one of the grooves may have an opening in the recess.

また、本発明によるパルスチューブ冷凍機において、前記複数の溝の全ては、貫通されていなくても良い。   In the pulse tube refrigerator according to the present invention, all of the plurality of grooves may not be penetrated.

また、本発明では、
雰囲気ガスの凝縮器、および該凝縮器上に設けられた冷却ステージを有し、該冷却ステージに形成された流通路を介して、蓄冷管の低温端とパルス管の低温端とが接続された、パルスチューブ冷凍機であって、
前記冷却ステージは、相互に対向する第1の表面および第2の表面を有し、前記第1の表面には、前記流通路の第1端および第2端用の2つの開口が設けられ、
前記凝縮器は、相互に対向する第3の表面および第4の表面と、前記第4の表面から延在する複数の溝とを有し、
前記凝縮器の前記第3の表面は、前記第4の表面に比べて前記冷却ステージの前記第2の表面と接近され、
前記蓄冷管またはパルス管の軸方向と平行な方向から見たとき、
前記流通路の2つの開口の中心を結ぶ直線上に中心を有する円であって、前記2つの開口を包含する最小の円または前記2つの開口と内接する円の領域内において、前記溝は、前記第1の表面まで貫通されていないことを特徴とするパルスチューブ冷凍機が提供される。
In the present invention,
It has a condenser for atmospheric gas and a cooling stage provided on the condenser, and the cold end of the regenerator tube and the cold end of the pulse tube are connected via a flow passage formed in the cooling stage. A pulse tube refrigerator,
The cooling stage has a first surface and a second surface facing each other, and the first surface is provided with two openings for the first end and the second end of the flow passage,
The condenser has a third surface and a fourth surface facing each other, and a plurality of grooves extending from the fourth surface,
The third surface of the condenser is closer to the second surface of the cooling stage than the fourth surface;
When viewed from a direction parallel to the axial direction of the regenerator tube or pulse tube,
In a region of a circle having a center on a straight line connecting the centers of the two openings of the flow path and including the two openings or a circle inscribed in the two openings, the groove is A pulse tube refrigerator is provided that is not penetrated to the first surface.

本発明によるパルスチューブ冷凍機において、当該パルスチューブ冷凍機は、多段式のパルスチューブ冷凍機であって、
前記雰囲気ガスは、ヘリウムガスであっても良い。
In the pulse tube refrigerator according to the present invention, the pulse tube refrigerator is a multi-stage pulse tube refrigerator,
The atmospheric gas may be helium gas.

この場合、前記冷却ステージは、最低温用の冷却ステージであっても良い。   In this case, the cooling stage may be a cooling stage for the lowest temperature.

また、本発明によるパルスチューブ冷凍機において、前記凝縮器の前記第4の表面側には、液体ヘリウム槽が設置されても良い。   In the pulse tube refrigerator according to the present invention, a liquid helium tank may be installed on the fourth surface side of the condenser.

あるいは、本発明によるパルスチューブ冷凍機において、当該パルスチューブ冷凍機は、単段式のパルスチューブ冷凍機であって、
前記雰囲気ガスは、窒素ガスであっても良い。
Alternatively, in the pulse tube refrigerator according to the present invention, the pulse tube refrigerator is a single-stage pulse tube refrigerator,
The atmospheric gas may be nitrogen gas.

本発明では、凝縮器を有するタイプのパルスチューブ冷凍機であって、蓄冷管とパルス管の間の空間での対流の発生が有意に抑制されるパルスチューブ冷凍機を提供することができる。   In the present invention, it is possible to provide a pulse tube refrigerator of a type having a condenser, in which the occurrence of convection in the space between the cold storage tube and the pulse tube is significantly suppressed.

従来のパルスチューブ冷凍機における凝縮器近傍の模式的な斜視図である。It is a typical perspective view of the condenser vicinity in the conventional pulse tube refrigerator. 本発明によるパルスチューブ冷凍機の一例を概略的に示した断面図である。It is sectional drawing which showed roughly an example of the pulse tube refrigerator by this invention. 本発明によるパルスチューブ冷凍機の凝縮器の一例を示した断面図である。It is sectional drawing which showed an example of the condenser of the pulse tube refrigerator by this invention. 本発明によるパルスチューブ冷凍機の凝縮器の別の一例を示した上面図および底面図である。It is the top view and bottom view which showed another example of the condenser of the pulse tube refrigerator by this invention. 本発明によるパルスチューブ冷凍機の凝縮器の別の一例を模式的に示した斜視図である。It is the perspective view which showed typically another example of the condenser of the pulse tube refrigerator by this invention. 本発明によるパルスチューブ冷凍機の凝縮器の別の一例を模式的に示した斜視図である。It is the perspective view which showed typically another example of the condenser of the pulse tube refrigerator by this invention. 本発明によるパルスチューブ冷凍機の凝縮器の別の一例を模式的に示した断面図である。It is sectional drawing which showed typically another example of the condenser of the pulse tube refrigerator by this invention.

以下、本発明についてより詳しく説明する。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

図2には、本発明によるパルスチューブ冷凍機の概略的な構成断面図を示す。図2の例では、本発明によるパルスチューブ冷凍機は、2段式のパルスチューブ冷凍機である。   FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of a pulse tube refrigerator according to the present invention. In the example of FIG. 2, the pulse tube refrigerator according to the present invention is a two-stage pulse tube refrigerator.

図2に示すように、本発明による2段式パルスチューブ冷凍機100は、圧縮機111と、上部ハウジング部110と、該上部ハウジング部110にフランジ121を介して連結されたコールドヘッド部120とを備えている。   As shown in FIG. 2, a two-stage pulse tube refrigerator 100 according to the present invention includes a compressor 111, an upper housing part 110, and a cold head part 120 connected to the upper housing part 110 via a flange 121. It has.

上部ハウジング部110は、筐体105を有し、この筐体105内には、第1段リザーバ115A、第2段リザーバ115B、開閉バルブ112、開閉バルブ113、およびオリフィス117等が収容されている。開閉バルブ112および開閉バルブ113は、配管114を介して、圧縮機111に接続されている。   The upper housing part 110 has a housing 105, and the housing 105 accommodates a first stage reservoir 115A, a second stage reservoir 115B, an on-off valve 112, an on-off valve 113, an orifice 117, and the like. . The opening / closing valve 112 and the opening / closing valve 113 are connected to the compressor 111 via a pipe 114.

コールドヘッド部120は、第1段蓄冷管131、第1段パルス管136、第1段冷却ステージ130、第2段蓄冷管141、第2段パルス管146、および第2段冷却ステージ160を有する。   The cold head unit 120 includes a first-stage regenerator tube 131, a first-stage pulse tube 136, a first-stage cooling stage 130, a second-stage regenerator tube 141, a second-stage pulse tube 146, and a second-stage cooling stage 160. .

第1段蓄冷管131は、例えばステンレス鋼の中空状のシリンダ132と、その内部に充填された銅やステンレス鋼製金網等の蓄冷材133からなる。第1段パルス管136は、例えばステンレス鋼の中空状のシリンダ137からなる。これらのシリンダ132、137の高温端132a、137aはフランジ121に固定され、これらのシリンダ132、137の低温端132b、137bは、第1段冷却ステージ130に接続されている。第1段パルス管136の高温端137aには、熱交換器118aが設置され、低温端137bには、熱交換器118bが設置されている。第1段冷却ステージ130には、その内部にガス流通路138が形成されており、第1段パルス管136の低温端137bと第1段蓄冷管131の低温端132bとは、ガス流通路138を介して接続されている。   The first-stage regenerator tube 131 includes, for example, a stainless steel hollow cylinder 132 and a regenerator material 133 such as copper or stainless steel wire net filled therein. The first stage pulse tube 136 is composed of, for example, a stainless steel hollow cylinder 137. The high temperature ends 132 a and 137 a of these cylinders 132 and 137 are fixed to the flange 121, and the low temperature ends 132 b and 137 b of these cylinders 132 and 137 are connected to the first stage cooling stage 130. A heat exchanger 118a is installed at the high temperature end 137a of the first stage pulse tube 136, and a heat exchanger 118b is installed at the low temperature end 137b. A gas flow path 138 is formed in the first stage cooling stage 130, and the low temperature end 137 b of the first stage pulse tube 136 and the low temperature end 132 b of the first stage regenerative tube 131 are connected to the gas flow path 138. Connected through.

また、第2段蓄冷管141は、例えばステンレス鋼の中空状のシリンダ142と、その内部に充填された銅やステンレス鋼製金網等の蓄冷材143からなる。第2段パルス管146は、例えばステンレス鋼の中空状のシリンダ147からなる。第2段蓄冷管141の高温端142aは、第1段冷却ステージ130を介して、第1段蓄冷管131のシリンダ132の低温端132bに接続され、第2段蓄冷管141の低温端142bは、第2段冷却ステージ160に接続されている。第2段パルス管146の高温端147aは、フランジ121に固定され、低温端147bは、第2段冷却ステージ160に接続されている。第2段パルス管146の高温端147aには、熱交換器119aが設置され、第2段パルス管146の低温端147bには、熱交換器119bが設置されている。第2段冷却ステージ160には、その内部にガス流通路148が形成されており、第2段パルス管146の低温端147bと第2段蓄冷管141の低温端142bとは、ガス流通路148を介して接続されている。   The second-stage regenerator tube 141 includes, for example, a stainless steel hollow cylinder 142 and a regenerator material 143 such as copper or stainless steel wire net filled therein. The second stage pulse tube 146 includes a hollow cylinder 147 made of stainless steel, for example. The high temperature end 142a of the second-stage regenerator tube 141 is connected to the low-temperature end 132b of the cylinder 132 of the first-stage regenerator tube 131 via the first-stage regenerator stage 130, and the low-temperature end 142b of the second-stage regenerator tube 141 is The second stage cooling stage 160 is connected. The high temperature end 147 a of the second stage pulse tube 146 is fixed to the flange 121, and the low temperature end 147 b is connected to the second stage cooling stage 160. A heat exchanger 119a is installed at the high temperature end 147a of the second stage pulse tube 146, and a heat exchanger 119b is installed at the low temperature end 147b of the second stage pulse tube 146. A gas flow path 148 is formed in the second stage cooling stage 160, and the low temperature end 147 b of the second stage pulse tube 146 and the low temperature end 142 b of the second stage regenerator pipe 141 are connected to the gas flow path 148. Connected through.

パルスチューブ冷凍機100では、圧縮機111から、高圧の冷媒ガスが開閉バルブ112および配管114を介して第1段蓄冷管131に供給され、また、第1段蓄冷管131から低圧の冷媒ガスが配管114および開閉バルブ113を介して圧縮機111に排出される。第1段パルス管136の高温端137aには、オリフィス117および配管116を介して、第1段リザーバ115Aが接続されている。また、第2段パルス管146の高温端147aには、オリフィス117および配管116を介して、第2段リザーバ115Bが接続されている。オリフィス117は、第1段パルス管136および第2段パルス管146において、周期的に変化する冷媒ガスの圧力変動と体積変化との位相差を調整する役割を果たす。   In the pulse tube refrigerator 100, high-pressure refrigerant gas is supplied from the compressor 111 to the first-stage regenerator tube 131 through the open / close valve 112 and the pipe 114, and low-pressure refrigerant gas is supplied from the first-stage regenerator tube 131. It is discharged to the compressor 111 through the pipe 114 and the opening / closing valve 113. A first stage reservoir 115 </ b> A is connected to the high temperature end 137 a of the first stage pulse tube 136 via an orifice 117 and a pipe 116. The second stage reservoir 115B is connected to the high temperature end 147a of the second stage pulse tube 146 via an orifice 117 and a pipe 116. The orifice 117 serves to adjust the phase difference between the periodically changing refrigerant gas pressure and volume change in the first-stage pulse tube 136 and the second-stage pulse tube 146.

パルスチューブ冷凍機100のコールドヘッド部120において、フランジ121〜第1段冷却ステージ130までの間の空間は、ヘリウムガスが充填された第1の断熱容器150内に収容されている。   In the cold head part 120 of the pulse tube refrigerator 100, the space between the flange 121 and the first stage cooling stage 130 is accommodated in a first heat insulating container 150 filled with helium gas.

また、パルスチューブ冷凍機100のコールドヘッド部120において、第1段冷却ステージ130〜第2段冷却ステージ160までの間の空間(上部空間165)は、第2の断熱容器152内に収容されている。また、第2の断熱容器152は、液体ヘリウム槽153が収容された、第2段冷却ステージ160の下側の空間(下部空間175)を備えている。液体ヘリウム槽153中には、液体ヘリウム154およびMRI磁石155が収容されている。液体ヘリウム槽153は、下部空間175を介して、第2段冷却ステージ160と対向するようにして、第2の断熱容器152中に設置される。   In the cold head unit 120 of the pulse tube refrigerator 100, the space (upper space 165) between the first stage cooling stage 130 and the second stage cooling stage 160 is accommodated in the second heat insulating container 152. Yes. Further, the second heat insulating container 152 includes a space (lower space 175) below the second stage cooling stage 160 in which the liquid helium tank 153 is accommodated. A liquid helium 154 and an MRI magnet 155 are accommodated in the liquid helium tank 153. The liquid helium tank 153 is installed in the second heat insulating container 152 so as to face the second stage cooling stage 160 through the lower space 175.

第2段冷却ステージ160は、凝縮器としても機能する。従って、以下の説明では、第2段冷却ステージ160は、凝縮器160とも称する。   The second cooling stage 160 also functions as a condenser. Therefore, in the following description, the second cooling stage 160 is also referred to as a condenser 160.

次に、このように構成されるパルスチューブ冷凍機100の動作を簡単に説明する。まず、開閉バルブ112が開状態、開閉バルブ113が閉状態になると、高圧の冷媒ガスが、圧縮機111から第1段蓄冷管131に流入する。第1段蓄冷管131内に流入した冷媒ガスは、蓄冷材133により冷却されて温度を下げながら、第1段蓄冷管131の低温端132bからガス流通路138を通り、第1段パルス管136の内部に流入する。この際に、第1段パルス管136の内部に予め存在していた低圧の冷媒ガスは、流入した高圧の冷媒ガスにより圧縮される。これにより、第1段パルス管136内の冷媒ガスの圧力は、第1段リザーバ115A内の圧力よりも高くなり、冷媒ガスは、オリフィス117および配管116を通って、第1段リザーバ115Aに流入する。   Next, operation | movement of the pulse tube refrigerator 100 comprised in this way is demonstrated easily. First, when the on-off valve 112 is opened and the on-off valve 113 is closed, high-pressure refrigerant gas flows from the compressor 111 into the first stage regenerator tube 131. The refrigerant gas that has flowed into the first-stage regenerator tube 131 is cooled by the regenerator material 133 and decreases its temperature, while passing through the gas flow path 138 from the low temperature end 132b of the first-stage regenerator tube 131, and the first-stage pulse tube 136. Flows into the interior. At this time, the low-pressure refrigerant gas previously present in the first stage pulse tube 136 is compressed by the high-pressure refrigerant gas that has flowed. As a result, the pressure of the refrigerant gas in the first stage pulse tube 136 becomes higher than the pressure in the first stage reservoir 115A, and the refrigerant gas flows into the first stage reservoir 115A through the orifice 117 and the pipe 116. To do.

また、第1段蓄冷管131で冷却された高圧の冷媒ガスの一部は、第2段蓄冷管141にも流入する。この冷媒ガスは、蓄冷材143によりさらに冷却されて温度を下げながら、第2段蓄冷管141の低温端142bからガス流通路148を通り、第2段パルス管146の内部に流入する。この際に、第2段パルス管146の内部に予め存在していた低圧の冷媒ガスは、流入した高圧の冷媒ガスにより圧縮される。これにより、第2段パルス管146内の冷媒ガスの圧力は、第2段リザーバ115B内の圧力よりも高くなり、冷媒ガスは、オリフィス117および配管116を通って、第2段リザーバ115Bに流入する。   Further, part of the high-pressure refrigerant gas cooled by the first stage regenerator tube 131 also flows into the second stage regenerator tube 141. The refrigerant gas is further cooled by the cold storage material 143 and lowered in temperature, and flows into the second stage pulse tube 146 from the low temperature end 142b of the second stage cold storage tube 141 through the gas flow passage 148. At this time, the low-pressure refrigerant gas previously existing in the second stage pulse tube 146 is compressed by the high-pressure refrigerant gas that has flowed. As a result, the pressure of the refrigerant gas in the second stage pulse tube 146 becomes higher than the pressure in the second stage reservoir 115B, and the refrigerant gas flows into the second stage reservoir 115B through the orifice 117 and the pipe 116. To do.

次に、開閉バルブ112を閉じ、開閉バルブ113を開くと、第1段パルス管136および第2段パルス管146内の冷媒ガスは、それぞれ、蓄冷材133および143を冷却しながら、第1段蓄冷管131および第2段蓄冷管141を通過する。また、第2段蓄冷管141を通過した冷媒ガスは、さらに第1段蓄冷管131を通過する。その後、冷媒ガスは、第1段蓄冷管131の高温端132aから開閉バルブ113を通り、圧縮機111に戻る。ここで、第1段パルス管136および第2段パルス管146は、それぞれ、オリフィス117を介して、第1段リザーバ115Aおよび第2段リザーバ115Bと接続されているため、冷媒ガスの圧力変動の位相と、冷媒ガスの体積変化の位相とは、一定の位相差で変化する。この位相差により、第1段パルス管136の低温端137bおよび第2段パルス管146の低温端147bにおいて、冷媒ガスの膨張による寒冷が発生する。パルスチューブ冷凍機100は、上記の動作が反復されることで冷凍機として機能する。   Next, when the on-off valve 112 is closed and the on-off valve 113 is opened, the refrigerant gas in the first-stage pulse tube 136 and the second-stage pulse tube 146 cools the regenerators 133 and 143, respectively, It passes through the regenerator tube 131 and the second-stage regenerator tube 141. The refrigerant gas that has passed through the second-stage regenerator tube 141 further passes through the first-stage regenerator tube 131. Thereafter, the refrigerant gas returns from the high temperature end 132 a of the first stage regenerator tube 131 through the opening / closing valve 113 to the compressor 111. Here, the first-stage pulse tube 136 and the second-stage pulse tube 146 are connected to the first-stage reservoir 115A and the second-stage reservoir 115B via the orifice 117, respectively. The phase and the phase of the change in volume of the refrigerant gas change with a constant phase difference. Due to this phase difference, cold occurs due to expansion of the refrigerant gas at the low temperature end 137b of the first stage pulse tube 136 and the low temperature end 147b of the second stage pulse tube 146. The pulse tube refrigerator 100 functions as a refrigerator by repeating the above operation.

ここで、液体ヘリウム槽153内の液体ヘリウム154の一部は、MRI磁石155との熱交換により気化するため、下部空間175および下部空間175と連通された上部空間165は、ヘリウムガス雰囲気となっている。また、このヘリウムガスは、冷却ステージ160すなわち凝縮器160に接触すると、再度熱を奪われて冷却されて液化し、液体ヘリウム槽153に戻る。このような循環サイクルにより、液体ヘリウム槽153には、気化した分の液体ヘリウムが逐次補充され、MRI磁石155を極低温に維持することができる。   Here, since a part of the liquid helium 154 in the liquid helium tank 153 is vaporized by heat exchange with the MRI magnet 155, the upper space 165 communicated with the lower space 175 and the lower space 175 becomes a helium gas atmosphere. ing. Further, when this helium gas comes into contact with the cooling stage 160, that is, the condenser 160, the heat is again taken away to be cooled and liquefied and returned to the liquid helium tank 153. By such a circulation cycle, the liquid helium tank 153 is sequentially replenished with the vaporized liquid helium, and the MRI magnet 155 can be maintained at a very low temperature.

ここで、凝縮器は、ヘリウムガスとの熱接触の機会が高まるほど、凝縮効率(ヘリウムガスの冷却効率)が向上する。このため、通常の場合、凝縮器には、表面積を増加させるための多数の溝が設けられる。   Here, the condensation efficiency (cooling efficiency of helium gas) of the condenser increases as the chance of thermal contact with the helium gas increases. For this reason, the condenser is usually provided with a number of grooves for increasing the surface area.

しかしながら、前述のように、図1のような構成の凝縮器60の場合、液体ヘリウム槽から気化したヘリウムガスの一部は、凝縮器60に設けられた貫通溝10を通って、図1の下部空間75から、第2段蓄冷管141と第2段パルス管146の間の空間近傍まで、比較的簡単に達してしまう。その結果、上部空間65の第2段蓄冷管141と第2段パルス管146の間の空間において、ヘリウムガス流速が増え、対流熱損失が増大するようになる。また、このような対流の発生が顕著になると、パルスチューブ冷凍機の蓄冷管41およびパルス管46の温度が変化し、パルスチューブ冷凍機全体の冷却性能が低下するおそれがある。   However, as described above, in the case of the condenser 60 configured as shown in FIG. 1, a part of the helium gas vaporized from the liquid helium tank passes through the through groove 10 provided in the condenser 60, and is shown in FIG. 1. From the lower space 75, the vicinity of the space between the second-stage regenerator tube 141 and the second-stage pulse tube 146 is relatively easily reached. As a result, in the space between the second-stage regenerator tube 141 and the second-stage pulse tube 146 in the upper space 65, the helium gas flow rate increases and the convective heat loss increases. In addition, when such convection occurs, the temperature of the regenerator tube 41 and the pulse tube 46 of the pulse tube refrigerator changes, and the cooling performance of the entire pulse tube refrigerator may be reduced.

これに対して、本発明では、凝縮器160は、気化したヘリウムガスが、凝縮器160内に設けられた溝を介して、対流発生が問題となる第2段蓄冷管141と第2段パルス管146の間の空間近傍に、簡単に供給されることがないように構造化されている。このため、本発明では、第2段蓄冷管141と第2段パルス管146の間の空間での対流の発生が有意に抑制される。   On the other hand, in the present invention, the condenser 160 uses the second-stage regenerator tube 141 and the second-stage pulse in which the vaporized helium gas causes convection generation through a groove provided in the condenser 160. It is structured so that it is not easily supplied in the vicinity of the space between the tubes 146. For this reason, in this invention, generation | occurrence | production of the convection in the space between the 2nd stage cold storage tube 141 and the 2nd stage pulse tube 146 is suppressed significantly.

図3には、本発明によるパルスチューブ冷凍機100の第2段冷却ステージ160として使用される凝縮器160の模式的な断面図の一例を示す。図3において、第2段蓄冷管141および第2段パルス管146等の部材は、省略されている。また、第2段蓄冷管141の低温端142bと第2段パルス管146の低温端147bを接続するガス流通路148も、明確化のため省略されている。   In FIG. 3, an example of typical sectional drawing of the condenser 160 used as the 2nd cooling stage 160 of the pulse tube refrigerator 100 by this invention is shown. In FIG. 3, members such as the second-stage regenerator tube 141 and the second-stage pulse tube 146 are omitted. The gas flow path 148 connecting the low temperature end 142b of the second stage regenerator tube 141 and the low temperature end 147b of the second stage pulse tube 146 is also omitted for the sake of clarity.

図3に示すように、凝縮器160は、表面積を増加させるため、多数の溝110を有する。これらの溝110は、凝縮器160の下面103に開口を有し、凝縮器160の上面102に向かって延在している。ただし、溝110は、上面102まで貫通されておらず、非貫通溝となっている。   As shown in FIG. 3, the condenser 160 has a large number of grooves 110 to increase the surface area. These grooves 110 have openings on the lower surface 103 of the condenser 160 and extend toward the upper surface 102 of the condenser 160. However, the groove 110 is not penetrated to the upper surface 102 and is a non-penetrating groove.

このような凝縮器160の場合、図1に示したような凝縮器60とは異なり、ヘリウムガスは、凝縮器160の溝110を介して、下部空間175から上部空間165まで、直接流通することはできない。従って、本発明では、第2段蓄冷管141と第2段パルス管146の間の空間での対流の発生を有意に抑制することができ、パルスチューブ冷凍機全体の冷却性能が低下することを抑制することができる。なお、この場合、上部空間165と下部空間175の間のヘリウムガスの流通は、第2段冷却ステージ160の外周部(すなわち、第2の断熱容器152の内壁と第2段冷却ステージ160との間の隙間)を介して行われる。   In the case of such a condenser 160, unlike the condenser 60 as shown in FIG. 1, helium gas flows directly from the lower space 175 to the upper space 165 through the groove 110 of the condenser 160. I can't. Therefore, in the present invention, it is possible to significantly suppress the occurrence of convection in the space between the second-stage regenerator tube 141 and the second-stage pulse tube 146, and to reduce the cooling performance of the entire pulse tube refrigerator. Can be suppressed. In this case, the flow of helium gas between the upper space 165 and the lower space 175 is performed between the outer periphery of the second stage cooling stage 160 (that is, the inner wall of the second heat insulating container 152 and the second stage cooling stage 160). Between the gaps).

ここで、図3に示した凝縮器160の例では、凝縮器160の上面102は、鉛直方向に対して略水平な平面を有する。しかしながら、凝縮器160において、上面102は、水平方向に対してある角度だけ傾斜された表面であっても良く、あるいは「円錐」形状または「円錐台」形状の表面を有しても良い。この場合、凝縮器160の上面102で凝縮した液体ヘリウムを、液体ヘリウム槽153の方に落下させることが容易になる。   Here, in the example of the condenser 160 shown in FIG. 3, the upper surface 102 of the condenser 160 has a substantially horizontal plane with respect to the vertical direction. However, in the condenser 160, the upper surface 102 may be a surface that is inclined at an angle with respect to the horizontal direction, or may have a “conical” or “conical” shape. In this case, it becomes easy to drop the liquid helium condensed on the upper surface 102 of the condenser 160 toward the liquid helium tank 153.

また、図3に示した凝縮器160の例では、凝縮器160に形成された溝110は、全てが非貫通溝となっている。しかしながら、本発明において、凝縮器160の溝110の形成状態は、このような態様に限られるものではない。   Further, in the example of the condenser 160 shown in FIG. 3, all the grooves 110 formed in the condenser 160 are non-penetrating grooves. However, in the present invention, the formation state of the groove 110 of the condenser 160 is not limited to such a mode.

図4には、本発明における凝縮器の別の例を示す。図4の上図は、凝縮器160−2の上面図に相当し、図4の下図は、凝縮器160−2の底面図に相当する。すなわち、図4の上図には、凝縮器160−2の上面102が示されており、図4の下図は、凝縮器160−2の下面103が示されている。なお、明確化のため、図4の上図には、第2段蓄冷管141の低温端142b部分の輪郭と、第2段蓄冷管146の低温端147b部分の輪郭が、それぞれ破線の円で示されている。また、両図において、ガス流通路148が破線で示されている。   FIG. 4 shows another example of the condenser in the present invention. The upper diagram in FIG. 4 corresponds to a top view of the condenser 160-2, and the lower diagram in FIG. 4 corresponds to a bottom view of the condenser 160-2. That is, the upper view of FIG. 4 shows the upper surface 102 of the condenser 160-2, and the lower view of FIG. 4 shows the lower surface 103 of the condenser 160-2. For the sake of clarity, in the upper diagram of FIG. 4, the outline of the low-temperature end 142 b portion of the second-stage regenerator tube 141 and the outline of the low-temperature end 147 b portion of the second-stage regenerator tube 146 are respectively indicated by broken circles. It is shown. Moreover, in both figures, the gas flow path 148 is shown with the broken line.

図4に示すように、凝縮器160−2は、2種類の溝110aおよび110bを有する。第1の溝110aは、非貫通溝であり、凝縮器160−2の上面102側では、開口されていない。一方、第2の溝110bは、貫通溝であり、凝縮器160−2の下面103から上面102まで貫通している。   As shown in FIG. 4, the condenser 160-2 has two types of grooves 110a and 110b. The first groove 110a is a non-penetrating groove and is not opened on the upper surface 102 side of the condenser 160-2. On the other hand, the second groove 110b is a through groove and penetrates from the lower surface 103 to the upper surface 102 of the condenser 160-2.

第1の溝110aは、設置場所は、特に限定されず、ガス流通路148と干渉しない位置であれば、いかなる位置に設置しても良い。これに対して、第2の溝110bは、曲線Rで示した線で区画される領域Sの外側のみに設置される。   The installation location of the first groove 110a is not particularly limited, and may be installed at any position as long as it does not interfere with the gas flow passage 148. On the other hand, the second groove 110b is installed only outside the region S defined by the line indicated by the curve R.

なお、図4において、曲線Rは、凝縮器160−2を上から(または下から)見たとき、上面102に形成されたガス流通路148の2つの開口148A、148Bの中心O1、O2を結ぶ直線L上に中心Oを有する円であり、この円は、ガス流通路148の2つの開口148A、148Bと内接している。ただし、一般に、ガス流通路148の2つの開口148A、148Bが円以外の形状を有する場合、曲線Rは、2つの開口148A、148Bを包含する最小の円である。   In FIG. 4, a curve R indicates the centers O1 and O2 of the two openings 148A and 148B of the gas flow passage 148 formed in the upper surface 102 when the condenser 160-2 is viewed from above (or from below). It is a circle having a center O on the connecting straight line L, and this circle is inscribed in the two openings 148A and 148B of the gas flow passage 148. However, generally, when the two openings 148A, 148B of the gas flow passage 148 have a shape other than a circle, the curve R is the smallest circle that includes the two openings 148A, 148B.

このように構成された溝110a、110bを有する凝縮器160−2においても、前述のような本発明の効果が得られることは明らかであろう。この凝縮器160−2においても、対流発生が問題となる第2段蓄冷管141と第2段パルス管146の間の空間近傍に、凝縮器160−2内を貫通したヘリウムガスが直接供給されることがないからである。   It will be apparent that the effect of the present invention as described above can also be obtained in the condenser 160-2 having the grooves 110a and 110b configured as described above. Also in this condenser 160-2, helium gas penetrating through the condenser 160-2 is directly supplied in the vicinity of the space between the second-stage regenerator tube 141 and the second-stage pulse tube 146 where convection is a problem. This is because there is nothing to do.

このことからも明らかなように、本発明において重要なことは、領域Sの内側に、貫通溝110bが形成されていないことであり、これが満たされる限り、溝110の配置は、特に限られない。また、溝110の形態(貫通溝または非貫通溝)も、特に限られない。   As is clear from this, what is important in the present invention is that the through groove 110b is not formed inside the region S, and the arrangement of the groove 110 is not particularly limited as long as this is satisfied. . Also, the form of the groove 110 (through groove or non-through groove) is not particularly limited.

ただし、第2段蓄冷管141と第2段パルス管146の間の空間での対流抑制の観点からは、貫通溝110bの数を抑制するほど、より大きな効果が得られることは言うまでもない。   However, from the viewpoint of suppressing convection in the space between the second-stage regenerator tube 141 and the second-stage pulse tube 146, it goes without saying that a greater effect can be obtained as the number of through grooves 110b is suppressed.

図5には、本発明における凝縮器のさらに別の例を示す。図において、明確化のため、ガス流通路148は、省略されている。この凝縮器160−3では、各溝110cは、凝縮器160−3の下面103と、側面104とに開口部を有し、「逆L字型」の「エルボー」形状に形成されている。なお、各溝110cにおいて、横方向に延伸する部分と縦方向に延伸する部分は、必ずしも90゜の角度で直交している必要はない。また、各溝110cは、「逆L字型」の「エルボー」形状以外の形状を有しても良く、各溝110cは、例えば側面104から下面103まで、略直線的に延伸していても良い。   FIG. 5 shows still another example of the condenser in the present invention. In the figure, the gas flow passage 148 is omitted for clarity. In this condenser 160-3, each groove 110c has an opening on the lower surface 103 and the side surface 104 of the condenser 160-3, and is formed in an “reverse L-shaped” “elbow” shape. In each groove 110c, the portion extending in the horizontal direction and the portion extending in the vertical direction are not necessarily orthogonal to each other at an angle of 90 °. Each groove 110c may have a shape other than an “inverted L-shaped” “elbow” shape, and each groove 110c may extend substantially linearly from the side surface 104 to the lower surface 103, for example. good.

また、図には、「逆L字型」の「エルボー」形状の溝110cしか示されていないが、凝縮器160−3は、この他に、下面103に開口を有する複数の非貫通溝を有しても良い。また、前述のように、領域S(図5には示されていない)の外側であれば、貫通溝を有しても良い。   Further, in the drawing, only the “reverse L-shaped” “elbow” -shaped groove 110 c is shown, but the condenser 160-3 also has a plurality of non-through-grooves having openings on the lower surface 103. You may have. Further, as described above, a through-groove may be provided outside the region S (not shown in FIG. 5).

このような構成においても、対流発生が問題となる第2段蓄冷管141と第2段パルス管146の間の空間近傍に、凝縮器160−3内を貫通したヘリウムガスが直接供給されることがないため、前述の効果を得ることができる。   Even in such a configuration, helium gas penetrating through the condenser 160-3 is directly supplied in the vicinity of the space between the second-stage regenerator tube 141 and the second-stage pulse tube 146 where convection generation is a problem. Therefore, the above-described effects can be obtained.

図6には、本発明における凝縮器のさらに別の例を示す。図において、明確化のため、ガス流通路148は、省略されている。この凝縮器160−4は、中央部分に窪み部190を有する側面104を有する。すなわち、凝縮器160−4には、窪み部190により、第1の部分210(窪み部190の上側部分)および第2の部分220(窪み部190の下側部分)が形成される。第1の部分210には、凝縮器190−4の上面102および下面103と平行な水平面215が形成される。第2の部分220には、凝縮器190−4の上面102および下面103と平行な水平面225が形成される。また、第2の部分220は、多数の貫通溝110dを有し、これらの貫通溝は、下面103から、水平面225まで貫通している。   FIG. 6 shows still another example of the condenser in the present invention. In the figure, the gas flow passage 148 is omitted for clarity. The condenser 160-4 has a side surface 104 having a recess 190 at the center. That is, in the condenser 160-4, the first portion 210 (upper portion of the recess portion 190) and the second portion 220 (lower portion of the recess portion 190) are formed by the recess portion 190. A horizontal plane 215 parallel to the upper surface 102 and the lower surface 103 of the condenser 190-4 is formed in the first portion 210. In the second portion 220, a horizontal plane 225 parallel to the upper surface 102 and the lower surface 103 of the condenser 190-4 is formed. Further, the second portion 220 has a large number of through grooves 110 d, and these through grooves penetrate from the lower surface 103 to the horizontal plane 225.

なお、図には、第2の部分220に形成された貫通溝110dしか示されていないが、第2の部分220は、この他に、下面103に開口を有する複数の非貫通溝を有しても良い。また、第1の部分210が水平面215に開口を有する複数の非貫通溝を有しても良い。さらに、第1の部分210は、前述の領域S(図6には示されていない)の外側であれば、貫通溝を有しても良い。   Although only the through-groove 110d formed in the second portion 220 is shown in the drawing, the second portion 220 has a plurality of non-through-grooves having openings in the lower surface 103 in addition to this. May be. Further, the first portion 210 may have a plurality of non-penetrating grooves having openings in the horizontal plane 215. Further, the first portion 210 may have a through groove as long as it is outside the region S (not shown in FIG. 6).

このような構成においても、対流発生が問題となる第2段蓄冷管141と第2段パルス管146の間の空間近傍に、凝縮器160−4内を貫通したヘリウムガスが直接供給されることがないため、前述の効果を得ることができる。   Even in such a configuration, helium gas penetrating through the condenser 160-4 is directly supplied in the vicinity of the space between the second-stage regenerator tube 141 and the second-stage pulse tube 146 where convection generation is a problem. Therefore, the above-described effects can be obtained.

図7には、本発明における凝縮器のさらに別の例を示す。図7において、明確化のため、ガス流通路148は、省略されている。この凝縮器160−5は、前述の凝縮器160−4と同様に構成される。ただし、この凝縮器160−5の場合、第2の部分220(窪み部190の下側部分)には、窪み部190の側部230に開口を有する複数の「逆L字型」の「エルボー」形状の貫通溝110eが形成される。なお、図7には、さらに複数の貫通溝110dが示されているが、これらの貫通溝110dは、形成されていなくても良い。また、図6の凝縮器160−4と同様、第2の部分220は、この他に、下面103に開口を有する複数の非貫通溝を有しても良い。また、第1の部分210が水平面215に開口を有する複数の非貫通溝を有しても良い。   FIG. 7 shows still another example of the condenser in the present invention. In FIG. 7, the gas flow passage 148 is omitted for clarity. The condenser 160-5 is configured in the same manner as the condenser 160-4 described above. However, in the case of the condenser 160-5, the second portion 220 (the lower portion of the recess portion 190) includes a plurality of “inverted L-shaped” “elbows” having openings in the side portion 230 of the recess portion 190. ”-Shaped through groove 110e is formed. In FIG. 7, a plurality of through grooves 110d are further shown, but these through grooves 110d may not be formed. Further, similarly to the condenser 160-4 in FIG. 6, the second portion 220 may have a plurality of non-penetrating grooves having openings on the lower surface 103 in addition to this. Further, the first portion 210 may have a plurality of non-penetrating grooves having openings in the horizontal plane 215.

以上、パルスチューブ冷凍機として、2段式の装置を例に掲げ、本発明の特徴を説明した。しかしながら、本発明において、パルスチューブ冷凍機は、3段以上の多段式または単段式のものであっても良い。   The features of the present invention have been described above by taking a two-stage apparatus as an example of a pulse tube refrigerator. However, in the present invention, the pulse tube refrigerator may be a multi-stage type or a single-stage type having three or more stages.

また、上記記載では、第1の断熱容器150、第2の断熱容器152内の雰囲気ガスとして、ヘリウムガスが使用される場合を例に、本発明の特徴を説明した。しかしながら、各断熱容器内の雰囲気は、ヘリウムガス以外の雰囲気であっても良い。例えば単段式のパルスチューブ冷凍機では、冷却ステージの温度は、40K〜50K程度であるため、雰囲気ガスとして窒素ガスを使用することができる。この場合、液体ヘリウム槽は、液体窒素槽に置換される。   In the above description, the features of the present invention have been described by taking as an example the case where helium gas is used as the atmospheric gas in the first heat insulating container 150 and the second heat insulating container 152. However, the atmosphere in each heat insulating container may be an atmosphere other than helium gas. For example, in a single-stage pulse tube refrigerator, since the temperature of the cooling stage is about 40K to 50K, nitrogen gas can be used as the atmospheric gas. In this case, the liquid helium tank is replaced with a liquid nitrogen tank.

また、上記記載では、凝縮器と冷却ステージが一体構成される場合を例に説明した。しかしながら、凝縮器と冷却ステージは、別個の部材であっても良い。この場合、図2において、冷却ステージの下側に、凝縮器が当接されても良い。   In the above description, the case where the condenser and the cooling stage are integrally configured has been described as an example. However, the condenser and the cooling stage may be separate members. In this case, in FIG. 2, a condenser may be brought into contact with the lower side of the cooling stage.

以下、本発明の実施例について説明する。   Examples of the present invention will be described below.

実際に、図2の構成の2段式パルスチューブ冷凍機を運転して、第1段冷却ステージと第2段冷却ステージの温度を計測し、本発明の効果を把握した。   Actually, the temperature of the first stage cooling stage and the second stage cooling stage was measured by operating the two-stage pulse tube refrigerator configured as shown in FIG. 2, and the effect of the present invention was grasped.

凝縮器には、図1の構成のもの、すなわち、凝縮器の下面から上面まで、これらの平面に対して略垂直に延在する多数の貫通溝を有するもの(実験1)、および図3の構成のもの、すなわち凝縮器の下面からこの面に対して略垂直に延在するが、上面まで貫通されていないものを使用した(実験2)。実験1、2において、溝の数および配置は、同じにした。溝の総数は、約30個とし、溝の直径は、いずれも約4mmとした。溝は、パルス管と蓄冷管用のガス流通路が形成されている領域を避けながらも、なるべく等間隔に配置した。なお、第1および第2の断熱容器150、152内の雰囲気ガスとしては、ヘリウムガスを使用した。   The condenser has the configuration shown in FIG. 1, that is, a plurality of through-grooves extending substantially perpendicular to these planes from the bottom surface to the top surface of the condenser (Experiment 1), and FIG. A construction was used, i.e. one extending from the lower surface of the condenser substantially perpendicular to this surface but not penetrating to the upper surface (Experiment 2). In Experiments 1 and 2, the number and arrangement of grooves were the same. The total number of grooves was about 30, and the diameter of each groove was about 4 mm. The grooves were arranged at equal intervals as much as possible while avoiding the region where the gas flow passages for the pulse tube and the regenerator tube were formed. Note that helium gas was used as the atmospheric gas in the first and second heat insulating containers 150 and 152.

表1には、得られた結果を示す。   Table 1 shows the results obtained.

Figure 0005425754
この表に示すように、第1段冷却ステージの熱負荷を30Wとし、第2段冷却ステージの
熱負荷を1.0Wとした場合、実験1では、第1段冷却ステージの温度が45.9Kとな
り、第2段冷却ステージの温度が4.35Kとなった。一方、実験2では、第1段冷却ステージの温度が45.5Kとなり、第2段冷却ステージの温度が4.31Kとなった。
Figure 0005425754
As shown in this table, when the heat load of the first stage cooling stage is 30 W and the heat load of the second stage cooling stage is 1.0 W, in Experiment 1, the temperature of the first stage cooling stage is 45.9K. Thus, the temperature of the second cooling stage became 4.35K. On the other hand, in Experiment 2, the temperature of the first stage cooling stage was 45.5K, and the temperature of the second stage cooling stage was 4.31K.

この結果から、本発明の凝縮器の構成により、第2段冷却ステージの温度が有意に低下することが確認された。   From this result, it was confirmed that the temperature of the second cooling stage is significantly lowered by the configuration of the condenser of the present invention.

本発明は、雰囲気ガスの凝縮器を備える各種蓄冷式冷凍機、例えば、雰囲気ガスの凝縮器を備えるパルスチューブ冷凍機等に適用することができる。   The present invention can be applied to various regenerative refrigerators including an atmospheric gas condenser, such as a pulse tube refrigerator including an atmospheric gas condenser.

2 凝縮器の上面
3 凝縮器の下面
10 貫通溝
41 蓄冷管
42b 蓄冷管の低温端
46 パルス管
47b パルス管の低温端
48 ガス流通路
65 上部空間
75 下部空間
100 パルスチューブ冷凍機
102 凝縮器の上面
103 凝縮器の下面
104 凝縮器の側面
105 筐体
110 上部ハウジング部
111 圧縮機
112 開閉バルブ
113 開閉バルブ
114、116 配管
115A 第1段リザーバ
115B 第2段リザーバ
117 オリフィス
118a、118b、119a、119b 熱交換器
120 コールドヘッド部
121 フランジ
130 第1段冷却ステージ
131 第1段蓄冷管
132、137、142、147 シリンダ
132a、137a 高温端
132b、137b 低温端
133 蓄冷材
136 第1段パルス管
138 ガス流通路
141 第2段蓄冷管
142a、147a 高温端
142b、147b 低温端
143 蓄冷材
146 第2段パルス管
148 ガス流通路
150 第1の断熱容器
152 第2の断熱容器
153 液体ヘリウム槽
154 液体ヘリウム
155 MRI磁石
160 第2段冷却ステージ、凝縮器
165 上部空間
175 下部空間
190 窪み部
210 第1の部分
215 第1の部分の水平面
220 第2の部分
225 第2の部分の水平面
230 窪み部の側部。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 2 Upper surface of condenser 3 Lower surface of condenser 10 Through groove 41 Cold storage tube 42b Low temperature end of cold storage tube 46 Pulse tube 47b Low temperature end of pulse tube 48 Gas flow passage 65 Upper space 75 Lower space 100 Pulse tube refrigerator 102 Upper surface 103 Lower surface of condenser 104 Side surface of condenser 105 Housing 110 Upper housing portion 111 Compressor 112 Open / close valve 113 Open / close valve 114, 116 Piping 115A First stage reservoir 115B Second stage reservoir 117 Orifice 118a, 118b, 119a, 119b Heat exchanger 120 Cold head part 121 Flange 130 First stage cooling stage 131 First stage regenerator tube 132, 137, 142, 147 Cylinder 132a, 137a High temperature end 132b, 137b Low temperature end 133 Regenerator material 136 First stage pulse tube 138 Gas flow passage 141 Second stage regenerator tube 142a, 147a High temperature end 142b, 147b Low temperature end 143 Cold storage material 146 Second stage pulse tube 148 Gas flow passage 150 First heat insulation container 152 Second heat insulation container 153 Liquid helium tank 154 Liquid Helium 155 MRI magnet 160 Second stage cooling stage, condenser 165 Upper space 175 Lower space 190 Recessed portion 210 First portion 215 First portion horizontal surface 220 Second portion 225 Second portion horizontal surface 230 Recessed portion side.

Claims (9)

蓄冷管およびパルス管と、雰囲気ガスの凝縮機能を備え、前記蓄冷管および前記パルス管の低温端の冷却ステージとして機能する凝縮器とを有するパルスチューブ冷凍機であって、
前記凝縮器内に形成された流通路を介して、前記蓄冷管の低温端と前記パルス管の低温端とが接続され、
前記凝縮器は、相互に対向する第1の表面および第2の表面を有し、前記第1の表面には、前記流通路の第1端および第2端用の2つの開口が設けられ、前記第2の表面は、該第2の表面から延在する複数の溝を有し、
前記蓄冷管またはパルス管の軸方向と平行な方向から見たとき、
前記流通路の2つの開口の中心を結ぶ直線上に中心を有する円であって、前記2つの開口を包含する最小の円または前記2つの開口と内接する円の領域内において、前記溝は、前記第1の表面まで貫通されていないことを特徴とするパルスチューブ冷凍機。
A pulse tube refrigerator having a regenerator tube and a pulse tube, and a condenser having a function of condensing atmospheric gas, and functioning as a cooling stage at a low temperature end of the regenerator tube and the pulse tube,
The cold end of the regenerator tube and the cold end of the pulse tube are connected via a flow passage formed in the condenser,
The condenser has a first surface and a second surface facing each other, and the first surface is provided with two openings for a first end and a second end of the flow passage, The second surface has a plurality of grooves extending from the second surface;
When viewed from a direction parallel to the axial direction of the regenerator tube or pulse tube,
In a region of a circle having a center on a straight line connecting the centers of the two openings of the flow path and including the two openings or a circle inscribed in the two openings, the groove is A pulse tube refrigerator not penetrating to the first surface.
前記凝縮器は、前記第1の表面と前記第2の表面をつなぐ側面を有し、
前記溝の少なくとも一つは、前記側面に開口を有することを特徴とする請求項1に記載のパルスチューブ冷凍機。
The condenser has a side surface connecting the first surface and the second surface;
The pulse tube refrigerator according to claim 1, wherein at least one of the grooves has an opening on the side surface.
前記凝縮器は、前記第1の表面と前記第2の表面をつなぐ側面を有し、
前記側面は、外周に沿った窪み部を有し、
前記溝の少なくとも一つは、前記窪み部に開口を有することを特徴とする請求項1に記載のパルスチューブ冷凍機。
The condenser has a side surface connecting the first surface and the second surface;
The side surface has a recess along the outer periphery,
The pulse tube refrigerator according to claim 1, wherein at least one of the grooves has an opening in the recess.
前記複数の溝の全ては、貫通されていないことを特徴とする請求項1に記載のパルスチューブ冷凍機。   The pulse tube refrigerator according to claim 1, wherein all of the plurality of grooves are not penetrated. 雰囲気ガスの凝縮器、および該凝縮器上に設けられた冷却ステージを有し、該冷却ステージに形成された流通路を介して、蓄冷管の低温端とパルス管の低温端とが接続された、パルスチューブ冷凍機であって、
前記冷却ステージは、相互に対向する第1の表面および第2の表面を有し、前記第1の表面には、前記流通路の第1端および第2端用の2つの開口が設けられ、
前記凝縮器は、相互に対向する第3の表面および第4の表面と、前記第4の表面から延在する複数の溝とを有し、
前記凝縮器の前記第3の表面は、前記第4の表面に比べて前記冷却ステージの前記第2の表面と接近され、
前記蓄冷管またはパルス管の軸方向と平行な方向から見たとき、
前記流通路の2つの開口の中心を結ぶ直線上に中心を有する円であって、前記2つの開口を包含する最小の円または前記2つの開口と内接する円の領域内において、前記溝は、前記第1の表面まで貫通されていないことを特徴とするパルスチューブ冷凍機。
It has a condenser for atmospheric gas and a cooling stage provided on the condenser, and the cold end of the regenerator tube and the cold end of the pulse tube are connected via a flow passage formed in the cooling stage. A pulse tube refrigerator,
The cooling stage has a first surface and a second surface facing each other, and the first surface is provided with two openings for the first end and the second end of the flow passage,
The condenser has a third surface and a fourth surface facing each other, and a plurality of grooves extending from the fourth surface,
The third surface of the condenser is closer to the second surface of the cooling stage than the fourth surface;
When viewed from a direction parallel to the axial direction of the regenerator tube or pulse tube,
In a region of a circle having a center on a straight line connecting the centers of the two openings of the flow path and including the two openings or a circle inscribed in the two openings, the groove is A pulse tube refrigerator not penetrating to the first surface.
当該パルスチューブ冷凍機は、多段式のパルスチューブ冷凍機であって、
前記雰囲気ガスは、ヘリウムガスであることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか一つに記載のパルスチューブ冷凍機。
The pulse tube refrigerator is a multi-stage pulse tube refrigerator,
6. The pulse tube refrigerator according to claim 1, wherein the atmospheric gas is helium gas.
前記冷却ステージは、最低温用の冷却ステージであることを特徴とする請求項6に記載のパルスチューブ冷凍機。   The pulse tube refrigerator according to claim 6, wherein the cooling stage is a cooling stage for the lowest temperature. 前記凝縮器の前記第2の表面側には、液体ヘリウム槽が設置されることを特徴とする請求項1乃至7のいずれか一つに記載のパルスチューブ冷凍機。   The pulse tube refrigerator according to any one of claims 1 to 7, wherein a liquid helium tank is installed on the second surface side of the condenser. 当該パルスチューブ冷凍機は、単段式のパルスチューブ冷凍機であって、
前記雰囲気ガスは、窒素ガスであることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか一つに記載のパルスチューブ冷凍機。
The pulse tube refrigerator is a single-stage pulse tube refrigerator,
The pulse tube refrigerator according to any one of claims 1 to 5, wherein the atmospheric gas is nitrogen gas.
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Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5936938B2 (en) * 2012-07-11 2016-06-22 住友重機械工業株式会社 Method for manufacturing a cryogenic regenerator
JP7111526B2 (en) * 2018-06-26 2022-08-02 株式会社アルバック pulse tube refrigerator
JP7265363B2 (en) * 2019-01-16 2023-04-26 住友重機械工業株式会社 Cryogenic refrigerators and cryogenic systems

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH09196486A (en) * 1996-01-17 1997-07-31 Iwatani Internatl Corp Pulse tube refrigerator
JP3732035B2 (en) * 1999-03-02 2006-01-05 岩谷産業株式会社 Method for maintaining purity of refrigerant gas for operation in pulse tube refrigerator
JP2002039640A (en) * 2000-07-28 2002-02-06 Aisin Seiki Co Ltd Double inlet type pulse tube freezer
JP2003329327A (en) * 2002-05-10 2003-11-19 Daikin Ind Ltd Pulse tube refrigerating machine
JP2004144431A (en) * 2002-10-25 2004-05-20 Sumitomo Heavy Ind Ltd Pulse pipe refrigerator
JP2005156029A (en) * 2003-11-26 2005-06-16 Sumitomo Heavy Ind Ltd Pulse tube refrigerator
JP2005265261A (en) * 2004-03-18 2005-09-29 Fuji Electric Holdings Co Ltd Pulse pipe refrigerator
US7568351B2 (en) * 2005-02-04 2009-08-04 Shi-Apd Cryogenics, Inc. Multi-stage pulse tube with matched temperature profiles
GB2463033A (en) * 2008-08-28 2010-03-03 Siemens Magnet Technology Ltd Method of operating a cryogenic refrigerator with multiple refrigeration stages

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