JP6305286B2 - スターリング型パルス管冷凍機 - Google Patents

Description

本発明はパルス管冷凍機に関し、特にスターリング型パルス管冷凍機に関する。

超電導磁石や検出器等の冷却、クライオポンプ等に極低温冷凍機が用いられている。この極低温冷凍機は、一般に作動ガスとしてヘリウムガスが用いられる。極低温冷凍機はいくつかの方式が存在するが、その中でもパルス管冷凍機は、作動ガスを膨張させる膨張器に可動部品がないため、低振動で高い信頼性が期待されている。さらに、スターリング型パルス管冷凍機は可逆過程を基本とする冷却サイクルであるため、高効率化を期待することができる。このような冷凍機は、例えば特許文献１に開示されている。

特開２００４−３３３０５４号公報

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、スターリング型パルス管冷凍機の冷凍能力を高める技術を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様は、真空環境に配置されるスターリング型パルス管冷凍機である。このスターリング型パルス管冷凍機は、冷却対象を冷却するコールドヘッドと、高温端と低温端とを有し低温端がコールドヘッドと接続する蓄冷管と、高温端と低温端とを有し低温端が蓄冷管の低温端と接続するパルス管と、蓄冷管の高温端とパルス管の高温端とを支持するフランジとを備える。蓄冷管とパルス管とは、フランジとコールドヘッドとの間に並列に延在し、蓄冷管は、低温端側に蓄冷材を収容する蓄冷材収容領域と、高温端側に狭窄領域とを備える。狭窄領域の断面積は、蓄冷材収容領域の断面積の１０％以下である。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、スターリング型パルス管冷凍機の冷凍能力を高めることができる。

本発明の実施の形態に係るスターリング型パルス管冷凍機の全体構成の概略を模式的に示す図である。 本発明の実施の形態に係るアフタークーラおよび蓄冷管の接続関係を模式的に示す図である。 蓄冷材収容領域の断面積に対する狭窄領域の断面積の比を変更して、７７Ｋにおけるスターリング型パルス管冷凍機の冷凍能力を調べた実験結果を表形式で示す図である。

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。なお、説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。また、以下に述べる構成は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。

図１は、本発明の実施の形態に係るスターリング型パルス管冷凍機１００の全体構成の概略を模式的に示す図である。スターリング型パルス管冷凍機１００は、圧縮機２００、膨張器３００、および圧縮機２００と膨張器３００とを接続する通路４００を備える。また、膨張器３００の一部は、真空容器５００に収容され、真空環境に置かれている。

圧縮機２００は、通路４００を介して膨張器３００から戻ってくる作動ガスを回収する。圧縮機２００は回収した作動ガスを圧縮した後に、高圧の作動ガスを通路４００を介して膨張器３００に供給する。圧縮機２００は作動ガスの回収と供給とを繰り返し、作動ガスに正弦波的な圧力振動を発生させる。圧縮機２００の運転周波数、すなわちスターリング型パルス管冷凍機１００の冷凍サイクルの周波数を３０Ｈｚ以上としてもよく、例えば商用電源と同等の５０Ｈｚから６０Ｈｚ程度としてもよい。また、作動ガスの圧力振幅の上限値を３ＭＰａ程度、下限値を１ＭＰａ程度としてもよい。圧縮機２００はモータ（不図示）で発生するジュール熱などによって加熱されるため、図示しない水冷式の冷却機構を用いて冷却される。

図１に示す例では、圧縮機２００は二気筒対向型の圧力振動発生機構であり、第１ピストン２０２ａと第２ピストン２０２ｂとを備える。第１ピストン２０２ａと第２ピストン２０２ｂとはともに、シリンダ２０４に収容される。シリンダ２０４はさらに、第１フレクシャベアリング２０６ａおよび第２フレクシャベアリング２０６ｂを収容する。

第１フレクシャベアリング２０６ａは第１ピストン２０２ａと接続し、第１ピストン２０２ａを往復移動自在に支持する。同様に、第２フレクシャベアリング２０６ｂは第２ピストン２０２ｂと接続し、第２ピストン２０２ｂを往復移動自在に支持する。

これらのフレクシャベアリングは、接続するピストンの軸方向に柔らかく、径方向に堅い性質がある。このため、第１ピストン２０２ａおよび第２ピストン２０２ｂがシリンダ２０４内を軸方向に往復移動する際に、シリンダ２０４の内壁に接触することを抑制できる。なお、圧縮機２００は、作動ガスの出入り口となる通路４００を除いて気密となるように構成されている。

膨張器３００は、アフタークーラ３０２、蓄冷管３０４、コールドヘッド３０６、整流器３０８、Ｕ字管３１８、パルス管３１０、高温熱交換器３１２、イナータンスチューブ（Inertance-tube）３１４、およびバッファタンク３１６を含む。

アフタークーラ３０２は、一端が通路４００の端部と接続される。アフタークーラ３０２は、例えば水冷式の熱交換器であってもよい。アフタークーラ３０２は、圧縮機２００から供給された作動ガスを冷却し、その熱を膨張器３００の外部へ放出するための熱交換器として機能する。アフタークーラ３０２の他端は、蓄冷管３０４の高温端に接続される。

蓄冷管３０４は、高温端と低温端とを有する。蓄冷管３０４は筒状の外周面を有している。蓄冷管３０４の内部は、低温側の蓄冷材収容領域３０４ａと、高温側の狭窄領域３０４ｂとに分かれている。蓄冷材収容領域３０４ａには、数種類のステンレスメッシュを積層した蓄冷材（不図示）が収容され蓄冷器として機能する。蓄冷材は、圧縮機２００が供給する作動ガスを冷却する。蓄冷材はまた、パルス管３１０から戻ってくる作動ガスの寒冷を蓄積する。高温側の狭窄領域３０４ｂには、蓄冷材は収容されていない。蓄冷管３０４の高温端は、コールドヘッド３０６と接続する。

コールドヘッド３０６は、熱伝導のよい例えば銅などの材料で構成されてもよく、作動ガスの流路となるガス流路を有する。コールドヘッド３０６は、パルス管３１０で低温となった作動ガスがガス流路を通過する際に、作動ガスによって冷却される。なお、コールドヘッド３０６には、冷却対象物と熱的に接続される冷却ステージ（不図示）が配置され、冷却対象を冷却する。限定はしないが、コールドヘッド３０６は、スターリング型パルス管冷凍機１００の運転時におよそ７７Ｋの温度となる。

整流器３０８は、コールドヘッド３０６の内部に、蓄冷管３０４の低温端と接続して設けられる。整流器３０８は、複数のメッシュを多層に重ねて構成される。整流器３０８はストレイナ（strainer）とも呼ばれ、パルス管３１０から流出してコールドヘッド３０６に流入する作動ガスの渦流や旋回流、流速分布の乱れ等を低減する。これによりコールドヘッド３０６に流入する作動ガスの流れが均一となり、コールドヘッド３０６の冷却効率を高めることができる。

Ｕ字管３１８は、コールドヘッド３０６とパルス管３１０とを接続されるＵ字形状の管である。作動ガスは、Ｕ字管３１８を介して蓄冷管３０４とパルス管３１０との間を流通する。

パルス管３１０は、Ｕ字管３１８を介して蓄冷管３０４との間で作動ガスが流通可能に接続される。パルス管３１０も蓄冷管３０４と同様に筒状の外周面を有しており、低温端と高温端とを備える。図１に示す例では、パルス管３１０は蓄冷管３０４の外部において蓄冷管３０４と並列に並んで設けられる、いわゆるリターン型のスターリング型パルス管冷凍機である。

スターリング型パルス管冷凍機１００の外部からの輻射熱侵入や作動ガスの対流による熱侵入を抑制するために、蓄冷管３０４からパルス管３１０に至るまでの間は真空容器５００によって真空断熱されている。フランジ３２０は、蓄冷管３０４の高温端とパルス管３１０の高温端とを支持し、真空容器５００内において蓄冷管３０４およびパルス管３１０を真空環境に配置する。図１に示す例はリターン型のスターリング型パルス管冷凍機であるため、蓄冷管３０４とパルス管３１０とは、フランジ３２０とコールドヘッド３０６との間に並列に延在する。

高温熱交換器３１２は、パルス管３１０の高温端に接続される。図示はしないが、高温熱交換器３１２は、圧縮機２００およびアフタークーラ３０２と同様に、一定温度の冷却水を用いて作動ガスを冷却する。一例として、高温熱交換器３１２は、スターリング型パルス管冷凍機１００の運転時におよそ３００Ｋ程度の温度となる。

イナータンスチューブ３１４は、パルス管３１０の高温端とバッファタンク３１６とを接続する。イナータンスチューブ３１４は細長い管であり、実施の形態に係るスターリング型パルス管冷凍機１００の位相調整機構として機能する。

バッファタンク３１６は、作動ガスを蓄積する容器である。バッファタンク３１６は、イナータンスチューブ３１４を介して流入および流出する作動ガスの圧力振動を吸収する程度の作動ガスを蓄積する。

バッファタンク３１６に蓄積される作動ガスの圧力は、スターリング型パルス管冷凍機１００の平均圧力程度に保たれている。ここで「スターリング型パルス管冷凍機１００の平均圧力」とは、圧縮機２００が生成する作動ガスの圧力振動の平均値であり、例えば２ＭＰａ程度としてもよい。

以上の構成によるスターリング型パルス管冷凍機１００が寒冷を発生させる動作原理は、以下のとおりである。圧縮機２００は、蓄冷管３０４からイナータンスチューブ３１４までの内部空間に、正弦波的な圧力振動を伴う作動ガスを供給する。圧縮機２００から供給された作動ガスはアフタークーラ３０２で冷却された後に、蓄冷管３０４内の蓄冷材でさらに冷却される。パルス管３１０を介してイナータンスチューブ３１４に到達した作動ガスは、イナータンスチューブ３１４とバッファタンク３１６を流れるときに圧力変化と流量変化との間に位相差が生じる。

このため、パルス管３１０の内部でも作動ガスの圧力と流量との間に位相差が生じる。この結果、パルス管３１０の内部で作動ガスが膨張する。この作動ガスの膨張はパルス管３１０の低温端におけるＰＶ仕事となり、低温端において寒冷が発生する。冷却された作動ガスは整流器３０８で整流された後にコールドヘッド３０６を通過し、コールドヘッド３０６を冷却する。作動ガスはコールドヘッド３０６を通過した後に蓄冷管３０４内の蓄冷材を冷却して圧縮機２００に戻る。

以上の動作を繰り返すことにより、実施の形態に係るスターリング型パルス管冷凍機１００は、およそ７７Ｋの寒冷を発生することができる。

次に、蓄冷管３０４の高温側に設けられた狭窄領域３０４ｂについて説明する。

上述したように、蓄冷管３０４とパルス管３１０とは並列に配置される。ここで、仮に蓄冷管３０４の内部領域の全てに蓄冷材を充填すると、蓄冷管３０４内部の流路抵抗が大きくなり、圧力損失が発生するかもしれない。このため、一般に蓄冷管３０４内において蓄冷材は低温端側の蓄冷材収容領域３０４ａに収容され、高温端側の狭窄領域３０４ｂは作動ガスが単に流通する空間となり、いわば蓄冷管３０４とパルス管３１０との長さを調整するアダプタとして機能する。狭窄領域３０４ｂは作動ガスが単に流通する空間であるため、デッドボリュームとなる。なお、狭窄領域３０４ｂは例えばアルミニウムで形成され、蓄冷材収容領域３０４ａに収容された蓄冷材を支持する支持部材として機能してもよい。

図２は、本発明の実施の形態に係るアフタークーラ３０２および蓄冷管３０４の接続関係を模式的に示す図であり、狭窄領域３０４ｂを拡大して示す図である。図２に示すように、狭窄領域３０４ｂの蓄冷材収容領域３０４ａ側の出口には、蓄冷材収容領域３０４ａに向かうほど断面積が大きくなる第１テーパ部３２２ａが設けられている。同様に、狭窄領域３０４ｂのアフタークーラ３０２側の出口は、アフタークーラ３０２に向かうほど断面積が大きくなる第２テーパ部３２２ｂが設けられている。

狭窄領域３０４ｂは真空容器５００に収容されており、真空環境に置かれる。狭窄領域３０４ｂは真空断熱されていることから、本願の発明者は、狭窄領域３０４ｂにおいて作動ガスが圧縮機２００の作用によって断熱圧縮され、作動ガスの温度が上昇することを見出した。作動ガスの温度上昇は蓄冷材の温度上昇につながり、ひいてはスターリング型パルス管冷凍機１００の冷凍性能の低下の一因となりうる。以上より、作動ガスの断熱圧縮による発熱を抑制する観点、およびスターリング型パルス管冷凍機１００のデッドボリュームを少なくする観点から見ると、狭窄領域３０４ｂにおいて作動ガスが流通する領域の体積は小さい方が好ましい。

一方、上述したように、実施の形態に係るスターリング型パルス管冷凍機１００の冷凍サイクルの周波数は３０Ｈｚ以上である。これは例えばギフォード・マクマホン（Gifford-McMahon；ＧＭ）冷凍機の冷凍サイクルの周波数と比較すると高い周波数である。このため、作動ガスが流通する領域の体積を小さくするために蓄冷管３０４の高温端側の流路を狭くすると、流路抵抗が大きくなる。これは、スターリング型パルス管冷凍機１００の圧力損失の影響が大きくなる点で好ましくない。

このように、蓄冷管３０４の高温側の領域である狭窄領域３０４ｂの体積は、断熱圧縮による発熱およびデッドボリュームの抑制と、圧力損失の抑制とのトレードオフの関係にあることを本願の発明者は見出した。そこで本願の発明者は、蓄冷管３０４内の狭窄領域３０４ｂの流路径を変更し、７７Ｋにおけるスターリング型パルス管冷凍機１００の冷凍能力を調べる実験を行った。

図３は、蓄冷材収容領域３０４ａの断面積に対する狭窄領域３０４ｂの断面積の比を変更して７７Ｋにおけるスターリング型パルス管冷凍機１００の冷凍能力を調べた実験結果を表形式で示す図である。本願の発明者は、蓄冷材収容領域３０４ａの断面積に対する狭窄領域３０４ｂの断面積の比が４％のとき、スターリング型パルス管冷凍機１００の冷凍能力が最大となることを実験により見出した。また、狭窄領域３０４ｂの断面積が、蓄冷材収容領域３０４ａの断面積の３％以上かつ７％以下であれば、作動ガスの断熱圧縮による発熱を抑制しつつ、かつ圧力損失による冷凍性能の低下も抑制できる範囲であることも見出した。

また本願の発明者は、狭窄領域３０４ｂの断面積は、蓄冷材収容領域３０４ａの断面積の１０％以下であれば、作動ガスの断熱圧縮による発熱を抑制しつつ、かつ圧力損失による冷凍性能の低下も抑制するための一定の効果があると考察している。

以上説明したように、蓄冷管３０４の高温端側にある狭窄領域３０４ｂの断面積を調整することにより、スターリング型パルス管冷凍機１００の冷凍能力を向上することができる。

上述したように、狭窄領域３０４ｂの両端には、それぞれ第１テーパ部３２２ａおよび第２テーパ部３２２ｂが設けられている。これにより、狭窄領域３０４ｂに流れ込む作動ガスの流路抵抗を低減することができる。また、仮に狭窄領域３０４ｂの体積が等しい場合であっても、狭窄領域３０４ｂが一本の流路で構成される場合と、複数の細い流路で構成される場合とを比較すると、前者の方が後者よりも流路抵抗が小さくなる。そのため、狭窄領域３０４ｂは、一本の直線上の貫通路であることが好ましい。

以上、本発明を実施例にもとづいて説明した。本発明は上記実施形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。

上記では、スターリング型パルス管冷凍機１００として蓄冷管３０４とパルス管３１０とが並列に接続されるリターン型のスターリング型パルス管冷凍機を例に説明した。しかしながら、スターリング型パルス管冷凍機１００はインライン型である場合には限られない。例えば、蓄冷管３０４の中にパルス管３１０が内蔵される、いわゆる同軸リターン型のスターリング型パルス管冷凍機であってもよい。この場合も、蓄冷管３０４の高温端側に、流路径が狭くなる狭窄領域３０４ｂを設ければよい。

１００ スターリング型パルス管冷凍機、 ２００ 圧縮機、 ２０２ａ 第１ピストン、 ２０２ｂ 第２ピストン、 ２０４ シリンダ、 ２０６ａ 第１フレクシャベアリング、 ２０６ｂ 第２フレクシャベアリング、 ３００ 膨張器、 ３０２ アフタークーラ、 ３０４ 蓄冷管、 ３０４ａ 蓄冷材収容領域、 ３０４ｂ 狭窄領域、 ３０６ コールドヘッド、 ３０８ 整流器、 ３１０ パルス管、 ３１２ 高温熱交換器、 ３１４ イナータンスチューブ、 ３１６ バッファタンク、 ３１８ Ｕ字管、 ３２０ フランジ、 ３２２ａ 第１テーパ部、 ３２２ｂ 第２テーパ部、 ４００ 通路、 ５００ 真空容器。

Claims (4)

1. 真空環境に配置されるスターリング型パルス管冷凍機であって、
   冷却対象を冷却するコールドヘッドと、
   高温端と低温端とを備え、前記低温端が前記コールドヘッドと接続する蓄冷管と、
   高温端と低温端とを備え、前記低温端が前記蓄冷管の低温端と接続するパルス管と、
   前記蓄冷管の高温端と前記パルス管の高温端とを支持するフランジとを備え、
   前記蓄冷管と前記パルス管とは、前記フランジと前記コールドヘッドとの間に並列に延在し、
   前記スターリング型パルス管冷凍機は、
   前記パルス管の高温端に接続された熱交換器と、
   前記熱交換器と並列に配置され、前記蓄冷管の高温端に接続され、前記スターリング型パルス管冷凍機の作動ガスを冷却する冷却部と、をさらに備え、
   前記蓄冷管は、蓄冷材を収容する蓄冷材収容領域を低温端側に備え、前記蓄冷管と前記パルス管との長さを調整する長さ調整アダプタを高温端側に備え、
   前記長さ調整アダプタは、前記蓄冷材収容領域を前記冷却部と接続する狭窄領域を有し、前記狭窄領域の断面積は、前記蓄冷材収容領域の断面積の１０％以下であり、
   前記長さ調整アダプタの前記冷却部側の狭窄領域出口は、前記冷却部に向かうほど断面積が大きくなるテーパ部を備えることを特徴とするスターリング型パルス管冷凍機。
2. 前記スターリング型パルス管冷凍機の冷凍サイクルの周波数は３０Ｈｚ以上であり、
   前記狭窄領域の断面積は、前記蓄冷材収容領域の断面積の３％以上かつ７％以下であ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. 前記長さ調整アダプタの蓄冷材収容領域側の狭窄領域出口は、前記蓄冷材収容領域に向かうほど断面積が大きくなるテーパ部を備えることを特徴とする請求項１または２に記載のスターリング型パルス管冷凍機。
4. 前記長さ調整アダプタはアルミニウムで形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のスターリング型パルス管冷凍機。

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