JP6054248B2 - スターリング型パルス管冷凍機及びその整流器 - Google Patents

Description

本発明は、スターリング型パルス管冷凍機に関する。

低温環境を実現する装置として、スターリング型パルス管冷凍機（パルス管冷凍機）を用いる場合がある。パルス管冷凍機では、圧縮機により圧縮された冷媒ガスを蓄冷器及びパルス管に供給する動作と、供給した冷媒ガスを圧縮機で回収する動作とを繰り返すことで、蓄冷器及びパルス管の低温部（例えばコールドヘッド）の温度を低下させる。

特許文献１には、蓄冷管（蓄冷器）からパルス管に、又は、パルス管から蓄冷管に流入する冷媒ガスの速度分布を均一にするために、パルス管の低温部側に金網（整流器）を配置したパルスチューブ冷凍機（パルス管冷凍機）に関する技術を開示している。

特開２０１１−１４９６０１号公報

しかしながら、特許文献１に開示されている技術では、複数の金網（メッシュ）を積層しているため、金網の網目によって形成される流路にバラツキが生じる。特にスターリング型のパルス管冷凍機では、冷媒ガスの供給と回収とを繰り返す動作の運転周波数が高いため（例えば２０Ｈｚ以上）、積層された複数の金網によって形成される流路のバラツキによって、整流器の整流効果にバラツキが生じる場合がある。

本発明は、このような事情の下に為され、隙間を設けて複数のメッシュを配置することによって、整流器の整流効果のバラツキを低減し、冷却効率を向上することができるスターリング型パルス管冷凍機又はその整流器を提供することを目的とする。

本発明の一の態様によれば、気体を加圧又は減圧する圧縮機と、前記圧縮機の加圧若しくは減圧によって、該圧縮機から気体を供給される、又は、該圧縮機に気体を供給する蓄冷器と、前記蓄冷器から気体を供給される、又は、前記蓄冷器に気体を供給するパルス管と、前記パルス管の高温側又は低温側の少なくとも一方に配置される整流器とを有するスターリング型パルス管冷凍機であって、前記整流器は、積層して配置された複数のメッシュと、該複数のメッシュの隙間を維持する保持部材と、を備え、前記複数のメッシュは、細かいメッシュと粗いメッシュとを含み、前記整流器は、前記細かいメッシュの外側に前記粗いメッシュを配置している、ことを特徴とするスターリング型パルス管冷凍機が提供される。前記圧縮機は、運転周波数として、２０Ｈｚ以上で気体を加圧又は減圧する、ことを特徴とするスターリング型パルス管冷凍機であってもよい。前記パルス管の高温側に配置された熱交換器と、前記熱交換器の前記パルス管側とは反対側に接続されたバッファタンクと、を更に有し、前記整流器は、前記パルス管の前記熱交換器の側に配置されている、ことを特徴とするスターリング型パルス管冷凍機であってもよい。前記保持部材は、前記複数のメッシュの外周に配置されている、ことを特徴とするスターリング型パルス管冷凍機であってもよい。前記保持部材は、前記複数のメッシュの中央部に配置されている、ことを特徴とするスターリング型パルス管冷凍機であってもよい。前記保持部材は、前記複数のメッシュを一体として挟持している、ことを特徴とするスターリング型パルス管冷凍機であってもよい。前記複数のメッシュは、中央に開口部を有し、前記保持部材は、前記開口部に配置されている、ことを特徴とするスターリング型パルス管冷凍機であってもよい。

本発明の他の態様によれば、上記に記載のスターリング型パルス管冷凍機のいずれか一つに用いる整流器が提供される。

本発明に係るスターリング型パルス管冷凍機又はその整流器によれば、隙間を設けて複数のメッシュを配置することによって、整流器の整流効果のバラツキを低減し、冷却効率を向上することができる。

本発明の一実施形態に係るパルス管冷凍機の一例を説明する概略構成図である。 本発明の一実施形態に係るパルス管冷凍機の整流器の配置を説明する概略断面図である。 本発明の一実施形態に係るパルス管冷凍機の整流器を説明する概略分解図である。 本発明の一実施形態に係るパルス管冷凍機の整流器の一例を説明する説明図である。 本発明の一実施形態に係るパルス管冷凍機の整流器の整流効果を説明する説明図である。 本発明の一実施形態に係るパルス管冷凍機の整流器の他の例を説明する説明図である。

添付の図面を参照しながら、本発明の限定的でない例示の実施形態について説明する。なお、添付の全図面の中の記載で、同一又は対応する部材又は部品には、同一又は対応する参照符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面は、特に指定しない限り、部材もしくは部品間の相対比を示すことを目的としない。したがって、具体的な寸法は、以下の限定的でない実施形態に照らし、当業者により決定することができる。

［スターリング型パルス管冷凍機の構成］
図１を用いて、本発明の一実施形態に係るスターリング型パルス管冷凍機及びそのスターリング型パルス管冷凍機に用いられる整流器を説明する。図１は、本発明の一実施形態に係るパルス管冷凍機の一例を説明する概略構成図である。なお、本発明を用いることができるスターリング型パルス管冷凍機は、図１に示すものに限定されるものではない。また、図１では、外部熱交換器（アフタークーラ）１２ＡＣを介して、圧縮機１１と蓄冷器１２ＲＧとを連通しているが、本発明を用いることができるパルス管冷凍機は、外部熱交換器１２ＡＣを備えないものであってもよい。

図１に示すように、本実施形態に係るスターリング型パルス管冷凍機（以下、「パルス管冷凍機」という）１００は、パルス管冷凍機１００の内部で気体を流動させる圧縮機１１と、供給された気体によって冷却される蓄冷器１２ＲＧと、低温部１２ＣＨを介して蓄冷器１２ＲＧに接続されているパルス管１３と、を有する。また、パルス管冷凍機１００は、パルス管１３の高温側又は低温側の少なくとも一方に配置される整流器１４を有する。更に、パルス管冷凍機１００は、パルス管１３の高温側に配置された熱交換器１５と、熱交換器１５のパルス管１３側とは反対側に接続されたイナータンスチューブ１６ｔ及びバッファタンク１６を有する。なお、本発明に係るパルス管冷凍機１００では、気体（冷媒ガス）として、例えばヘリウムガスを用いることができる。

パルス管冷凍機１００は、圧縮機１１から供給された気体（高圧の気体）を、蓄冷器１２ＲＧ、低温部１２ＣＨ及びパルス管１３に流通させる。このとき、パルス管１３の内部に予め存在していた低圧の気体は、流入した高圧の気体により圧縮される。このため、パルス管１３内の圧力はバッファタンク１６内の圧力よりも高くなり、気体はイナータンスチューブ１６ｔを通って、バッファタンク１６に流入する。また、パルス管冷凍機１００は、イナータンスチューブ１６ｔとバッファタンク１６とに気体を流通させることによって、気体の圧力変動と体積変化との間の位相関係を変化させる。なお、バッファタンク１６は、他の構成要素に比べて大きな容積の容器である。

これにより、パルス管冷凍機１００は、パルス管１３内の気体と蓄冷器１２ＲＧ内の気体との間で位相差を生じさせ、気体が等温状態から断熱膨張する際に消費されるエネルギーギャップを補間するように、低温部１２ＣＨから吸熱する。すなわち、パルス管冷凍機１００は、低温部１２ＣＨで寒冷を発生する。次いで、パルス管冷凍機１００は、パルス管１３の高温側に配置された熱交換器１５を用いて、低温部１２ＣＨで吸熱された熱（エネルギ）を放熱（放出）する。

以上により、パルス管冷凍機１００は、パルス管冷凍機１００の内部で断熱変化による膨張と圧縮との動作を繰り返すことで、低温部１２ＣＨに熱的に接続された非冷却物を冷却することができる。なお、本発明に係るパルス管冷凍機１００は、運転周波数として、２０Ｈｚ以上で気体を加圧又は減圧してもよい。

圧縮機１１は、パルス管冷凍機１００内部で気体を流動させるものである。本発明に係る圧縮機１１（スターリング型のパルス管冷凍機）は、図１に示すように対向配置した一対のシリンダ及びピストンを用いて、気体を加圧及び減圧することによって、パルス管冷凍機１００内部で気体を流動させる。ここで、ピストンは、磁石、モータ、カムなどの駆動機構（不図示）を用いて駆動（往復移動）される構成であってもよい。

圧縮機１１は、一対のシリンダ及びピストンの間に圧力室を形成している。また、圧縮機１１は、形成している圧力室を蓄冷器１２ＲＧに接続されている。これにより、圧縮機１１は、圧力室内部の気体をピストンの移動によって加圧することによって、蓄冷器１２ＲＧに気体を供給することができる。また、圧縮機１１は、圧力室内部の気体をピストンの移動によって減圧することによって、蓄冷器１２ＲＧから気体を供給される（回収する）ことができる。

蓄冷器１２ＲＧは、圧縮機１１又はパルス管１３から供給された気体によって冷却されるものである。蓄冷器１２ＲＧは、例えば管部材の内部に蓄冷材（不図示）を配置される構成であってもよい。なお、管部材は、例えば中空のシリンダを用いることができる。蓄冷材は、例えば金網を用いることができる。

蓄冷器１２ＲＧは、圧縮機１１から供給された気体（圧縮気体）を断熱膨張して、その温度を低下させる。また、蓄冷器１２ＲＧは、パルス管１３（低温部１２ＣＨ）から供給された気体（比較的温度が低い気体）によって冷却される。すなわち、蓄冷器１２ＲＧは、供給された気体の寒冷をいわゆる蓄冷（再生）する。

パルス管１３は、略円筒形状の管であり、その内部の気体と蓄冷器１２ＲＧ内の気体との間で位相差を生じさせるものである。パルス管１３は、低温部１２ＣＨを介して蓄冷器１２ＲＧに接続される。また、パルス管１３は、圧縮機１１によって気体を加圧若しくは減圧することによって、低温部１２ＣＨを介して、蓄冷器１２ＲＧから気体を供給される、又は、蓄冷器１２ＲＧに気体を供給する。なお、図１では、パルス管冷凍機１００の蓄冷器１２ＲＧとパルス管１３との接続タイプとしてインライン型を例示しているが、いわゆるＵ字型とすることも可能である。

本発明に係るパルス管冷凍機１００は、パルス管１３に配置される整流器１４を更に有する。すなわち、パルス管冷凍機１００は、パルス管１３の高温側（イナータンスチューブ１６ｔ側）又は低温側（低温部１２ＣＨ側）の少なくとも一方に配置される整流器１４を用いて、パルス管１３から流出する気体及びパルス管１３に流入する気体の速度分布を均一にする。

図２に、本発明の一実施形態に係るパルス管冷凍機の整流器の配置を説明する概略断面図の一例を示す。

図２に示すように、本発明に係る整流器１４は、例えばパルス管１３の高温側（イナータンスチューブ１６ｔ側）に配置される。これにより、パルス管冷凍機１００は、パルス管１３から熱交換器１５（並びに、イナータンスチューブ１６ｔ及びバッファタンク１６）に流出する気体Ｆｓ、並びに、熱交換器１５（並びに、イナータンスチューブ１６ｔ及びバッファタンク１６）からパルス管１３に流入する気体Ｆｒの速度分布を略均一にすることができる。

なお、パルス管冷凍機１００は、気体を冷却する熱交換器１５として、例えば銅ブロックにスリットを設けたものを用いてもよい。また、パルス管冷凍機１００は、図２に示すように、気体を冷却する水冷式のウォータージャケット１５ＷＪ（又は空冷式のフィンなど）を更に用いてもよい。

図３に、本発明の一実施形態に係るパルス管冷凍機の整流器を説明する概略分解図の一例を示す。

図３に示すように、本発明に係る整流器１４は、積層して配置された複数のメッシュ１４を備える。ここで、複数のメッシュ１４は、細かいメッシュ１４ａと粗いメッシュ１４ｂとを含む構成である。

なお、本発明を用いることができる整流器１４は４枚以上（例えば５枚から２０枚）のメッシュを用いたものであってもよい。また、整流器１４は流路の径又は気体の流速に対応する枚数のメッシュを配置される構成であってもよい。更に、複数のメッシュ１４は、例えば同じ網目のメッシュを複数枚用いる構成であってもよい。

また、整流器１４は、図３に示すように、例えば細かいメッシュ１４ａの外側に粗いメッシュ１４ｂを配置する構成であってもよい。これにより、整流器１４は、粗いメッシュ１４ｂを用いて整流器１４に流入する際に生じる乱れを軽減することができるとともに、細かいメッシュ１４ａを用いて十分な整流効果を得ることができる。

なお、複数のメッシュ１４のメッシュの大きさは、例えば＃３０乃至＃５００のもの（例えば金網の網目が約０．５７７ｍｍ乃至０．０２６ｍｍ）を用いてもよい。また、整流器１４は、金網以外に、パンチングメタル、金属フィルタ、樹脂フィルタ若しくは発泡金属、又はその他の整流器として使用できる多孔体などを用いてもよい。

本発明に係る整流器１４は、複数のメッシュ１４の隙間を維持する保持部材１４Ｓ（後述する図４又は図６）を更に有する。なお、保持部材１４Ｓの構成は、後述する［整流器の構成］で説明する。

［整流器の構成］
図４乃至図６を用いて、本発明の実施形態に係るパルス管冷凍機１００の整流器１４の一例を説明する。ここで、図４（ａ）は、本発明の一実施形態に係る整流器１４の一例（１４Ａ）を説明する平面図である。図４（ｂ）は、整流器１４Ａを説明する断面図である。図５（ａ）は、細かいメッシュ１４ａと粗いメッシュ１４ｂとを用いた場合の整流器１４Ａの整流効果を説明する説明図である。図５（ｂ）は、同じ網目のメッシュを用いた場合の整流効果を説明する説明図である。図５（ｃ）は、隙間を維持しないで複数のメッシュを積層した場合の整流効果を説明する説明図である。図６は、整流器１４の他の例（１４Ｂ）を説明する説明図である。

図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、整流器１４Ａ（パルス管冷凍機１００）は、ハウジング１４Ｓｈとストッパリング１４Ｓｓと複数のスペーサリング１４Ｓｐとで保持部材１４Ｓを構成している。ここで、保持部材１４Ｓ（ハウジング１４Ｓｈ、ストッパリング１４Ｓｓ及び複数のスペーサリング１４Ｓｐ）は、積層された複数のメッシュ（１４Ｍａ、１４Ｍｂ）の外周に配置されている。また、保持部材１４Ｓは、隙間を維持して複数のメッシュ（１４Ｍａ、１４Ｍｂ）を保持している。

ハウジング１４Ｓｈは、複数のメッシュ（１４Ｍａ、１４Ｍｂ）並びにストッパリング１４Ｓｓ及びスペーサリング１４Ｓｐを保持する部材である。ハウジング１４Ｓｈは、例えば略円筒形状の部材を用いることができる。また、ハウジング１４Ｓｈは、略円筒形状の内部に積層された複数のメッシュを配置される。

ストッパリング１４Ｓｓは、積層された複数のメッシュ（１４Ｍａ、１４Ｍｂ）及びスペーサリング１４Ｓｐを押圧して、固定する部材である。ストッパリング１４Ｓｓは、例えば蛇腹形状の部材を用いることができる。

複数のスペーサリング１４Ｓｐは、複数のメッシュ（１４Ｍａ、１４Ｍｂ）の間に夫々配置され、複数のメッシュ（１４Ｍａ、１４Ｍｂ）の隙間を夫々維持する部材である。スペーサリング１４Ｓｐは、例えば円環形状（リング形状）の部材を用いることができる。また、スペーサリング１４Ｓｐは、複数のメッシュの外周部と夫々拡散接合処理することによって、複数のメッシュを夫々固定する。

なお、「拡散接合処理」とは、加熱によってメッシュの界面で原子相互拡散を生じさせ、メッシュとスペーサリングとを界面接合する方法である。これにより、各界面での熱接触性が高まり、熱抵抗が小さくなる。拡散接合処理は、８００℃〜１０８０℃の範囲（例えば１０００℃）で行うことができる。

図５（ａ）に示すように、本発明に係る整流器１４Ａ（パルス管冷凍機１００）は、複数のスペーサリング１４Ｓｐを用いて複数のメッシュ（１４Ｍａ、１４Ｍｂ）の位置を夫々固定しているため、複数のメッシュの網目によって形成される流路を精度よく、所望の流路形状に固定（決定）することができる。整流器１４Ａは、図５（ａ）に示すように、複数のメッシュの網目の位置を順次ずらして配置することができる。

これにより、本発明に係る整流器１４Ａ（パルス管冷凍機１００）は、複数のメッシュの網目によって形成される流路のバラツキを低減することができる。また、本発明に係る整流器１４Ａは、積層された複数のメッシュによって形成される流路のバラツキを低減することができるので、整流効果のバラツキを低減することができる。すなわち、本発明に係るパルス管冷凍機１００は、整流器１４Ａの整流効果を向上することができるとともにその内部に流通させる気体の流量（速度）を容易に制御することができ、冷凍機の冷却性能を向上することができる。

更に、本発明に係る整流器１４Ａは、保持部材１４Ｓを用いて、隙間を維持して複数のメッシュ（１４Ｍａ、１４Ｍｂ）を保持することができるため、複数のメッシュ同士が接触することを防止することができる。特にスターリング型のパルス管冷凍機では、冷媒ガスの供給と回収とを繰り返す動作の運転周波数が高いため（例えば２０Ｈｚ以上）、複数のメッシュ同士が接触すると破損し易い。本発明に係る整流器１４Ａは、保持部材１４Ｓを用いて複数のメッシュ同士が接触することを防止することができるので、メッシュの破損を防止することができる。

また、図５（ｂ）に示すように、同じ網目のメッシュを用いた場合には、図５（ａ）と同様に本発明に係る保持部材１４Ｓ（図４）を用いて、複数のメッシュの網目によって形成される流路のバラツキを低減することができるとともに、整流器の整流効果のバラツキを低減することができる。

一方、図５（ｃ）に示すように、隙間を維持しないで複数のメッシュを積層した場合では、複数のメッシュの網目によって形成される流路形状にバラツキが生じる場合がある。また、隙間を維持しないで複数のメッシュを積層した場合では、複数のメッシュの網目によって形成される流路形状のバラツキによって、流体抵抗にバラツキが生じる場合がある。すなわち、隙間を維持しないで複数のメッシュを積層した場合では（図５（ｃ））、図５（ａ）、図５（ｂ）の場合と比較して、整流器の整流効果のバラツキが増加する。また、隙間を維持しないで複数のメッシュを積層した場合には整流効果のバラツキが増加するため、冷却性能が低下する虞がある。

図６に示すように、整流器１４Ｂ（パルス管冷凍機１００）は、整流器１４Ａ（図４）と同様に、ハウジング１４Ｓｈとストッパリング１４Ｓｓと複数のスペーサリング１４Ｓｐとで保持部材１４Ｓを構成している。また、整流器１４Ｂは、積層された複数のメッシュ（１４Ｍａ、１４Ｍｂ）の中央に開口部１４Ｍｗを更に有する。更に、整流器１４Ｂの保持部材１４Ｓは、ボルト部材１４Ｓｂ及び複数の第２のスペーサリング１４Ｓｐ２を更に備える。

ボルト部材１４Ｓｂは、複数のメッシュ（１４Ｍａ、１４Ｍｂ）の開口部１４Ｍｗに配置されている。また、複数の第２のスペーサリング１４Ｓｐ２は、複数のメッシュの中央で複数のメッシュの間に夫々配置され、複数のメッシュの隙間を夫々維持する。なお、保持部材１４Ｓのハウジング１４Ｓｈ、ストッパリング１４Ｓｓ及び複数のスペーサリング１４Ｓｐは、図４の場合と同様のため、説明を省略する。

整流器１４Ｂは、図６に示すように複数の第２のスペーサリング１４Ｓｐ２を用いて複数のメッシュ（１４Ｍａ、１４Ｍｂ）を一体として挟持している。このため、整流器１４Ｂは、整流器１４Ａ（図４）に比べて剛性が高い。すなわち、整流器１４Ｂは、機械強度が高く、複数のメッシュの変形量（例えば撓み量）が小さく、複数のメッシュの網目によって形成される流路のバラツキ（変形）及び整流効果のバラツキを更に低減することができる。また、整流器１４Ｂは、複数のメッシュの変形量を低減できるので、複数のメッシュが互いに接触することによる破損を更に防止することができる。

以上のとおり、本発明に係るスターリング型パルス管冷凍機１００又はその整流器１４によれば、保持部材１４Ｓを用いて、隙間を設けて複数のメッシュを配置することによって、整流器１４の整流効果のバラツキを低減し、冷却効率を向上することができる。また、本発明に係るスターリング型パルス管冷凍機１００又はその整流器１４によれば、保持部材１４Ｓを用いて、複数のメッシュ同士が接触することを防止することができるので、複数のメッシュの破損を防止することができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上述した実施形態に制限されるものではない。また、本発明は、添付の特許請求の範囲に照らし、種々に変形又は変更することが可能である。

１００ ： スターリング型パルス管冷凍機
１１ ： 圧縮機
１２ＡＣ： 外部熱交換器（アフタークーラ）
１２ＣＨ： 低温部（コールドヘッド）
１２ＲＧ： 蓄冷器（再生式熱交換器、再生器）
１３ ： パルス管
１４、１４Ａ、１４Ｂ： 整流器
１４Ｍａ、１４Ｍｂ： メッシュ
１４Ｍｗ： メッシュの開口部
１４Ｓ： 保持部材
１４Ｓｂ： ボルト
１４Ｓｈ： ハウジング
１４Ｓｓ： ストッパリング
１４Ｓｐ、１４Ｓｐ２： スペーサリング
１５ ： 熱交換器
１６ ： バッファタンク

Claims (8)

1. 気体を加圧又は減圧する圧縮機と、
   前記圧縮機の加圧若しくは減圧によって、該圧縮機から気体を供給される、又は、該圧縮機に気体を供給する蓄冷器と、
   前記蓄冷器から気体を供給される、又は、前記蓄冷器に気体を供給するパルス管と、
   前記パルス管の高温側又は低温側の少なくとも一方に配置される整流器と
   を有するスターリング型パルス管冷凍機であって、
   前記整流器は、積層して配置された複数のメッシュと、該複数のメッシュの隙間を維持する保持部材と、を備え、
   前記複数のメッシュは、細かいメッシュと粗いメッシュとを含み、
   前記整流器は、前記細かいメッシュの外側に前記粗いメッシュを配置している、
   ことを特徴とするスターリング型パルス管冷凍機。
2. 前記圧縮機は、運転周波数として、２０Ｈｚ以上で気体を加圧及び減圧する、ことを特徴とする、請求項１に記載のスターリング型パルス管冷凍機。
3. 前記パルス管の高温側に配置された熱交換器と、前記熱交換器の前記パルス管側とは反対側に接続されたバッファタンクと、を更に有し、
   前記整流器は、前記パルス管の前記熱交換器の側に配置されている、ことを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載のスターリング型パルス管冷凍機。
4. 前記保持部材は、前記複数のメッシュの外周に配置されている、ことを特徴とする、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載のスターリング型パルス管冷凍機。
5. 前記保持部材は、前記複数のメッシュの中央部に配置されている、ことを特徴とする、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載のスターリング型パルス管冷凍機。
6. 前記保持部材は、前記複数のメッシュを一体として挟持している、ことを特徴とする、請求項５に記載のスターリング型パルス管冷凍機。
7. 前記複数のメッシュは、中央に開口部を有し、
   前記保持部材は、前記開口部に配置されている、ことを特徴とする、請求項５又は請求項６に記載のスターリング型パルス管冷凍機。
8. 請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載のスターリング型パルス管冷凍機に用いる整流器。

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