JP7111526B2

JP7111526B2 - パルス管冷凍機

Info

Publication number: JP7111526B2
Application number: JP2018120479A
Authority: JP
Inventors: 淳志森平; 裕也藤原
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 2018-06-26
Filing date: 2018-06-26
Publication date: 2022-08-02
Anticipated expiration: 2038-06-26
Also published as: JP2020003098A

Description

本発明は、パルス管冷凍機に関し、より詳しくは、作動ガスの圧力損失が少なくて熱交換効率がよい構造を持つものに関する。

この種のパルス管冷凍機は例えば特許文献１で知られている。このものは、作動ガスに対し圧力振動を発生させる圧力振動発生手段と、圧力振動させた作動ガスが流入するパルス管と、圧力振動発生手段とパルス管との間に設けられてパルス管に流入する作動ガスを予冷する蓄冷器と、パルス管の高温端に連通するバッファタンクを有して作動ガスの圧力振動の位相を制御してパルス管の低温端にて作動ガスの膨張に伴う寒冷を発生させる位相制御手段とを備える。また、パルス管の低温端と蓄冷器とはステージ部材を介して接続され、このステージ部材が熱交換器としての役割を果たすようになっている。

ステージ部材は、例えば銅製の円柱状部材で構成される冷却ステージ本体（ブロック体）とその上面に装着される蓋体とで構成され、冷却ステージ本体には、一方向にのびる凹溝からなる複数のスリット溝が形成され、スリット溝により作動ガスの流通を許容する通路が形成されるようになっている。そして、蓋体に穿設した接続孔を介してパルス管と蓄冷器とが蓋体に接続されて、両者がスリット溝を介して連通する。

ここで、上記従来例のパルス管冷凍機において、より一層冷却特性を高めるためには、熱交換器としてのステージ部材での熱交換効率を高めることが重要となり、これには、例えば、作動ガスが流通する凹溝の幅を狭くしてスリットの数を増加させたり、スリットの全長を長くしたりして熱伝熱表面積を増加させることが考えられる。然し、これでは、圧力損失が増大して寒冷発生量の減少を招来し、却って、冷却特性が低下するという問題がある。

特開２００６－２８４０６１号公報

本発明は、以上の点に鑑みなされたものであり、圧力損失の増加を招来することなく、高い熱交換効率が得られる冷却性能に優れたパルス管冷凍機を提供することを課題とするものである。

上記課題を解決するために、本発明のパルス管冷凍機は、作動ガスに対し圧力振動を発生させる圧力振動発生手段と、圧力振動させた作動ガスが流入するパルス管と、圧力振動発生手段とパルス管との間に設けられてパルス管に流入する作動ガスを予冷する蓄冷器と、パルス管の高温端に連通するバッファタンクを有して作動ガスの圧力振動の位相を制御してパルス管の低温端にて作動ガスの膨張に伴う寒冷を発生させる位相制御手段とを備え、パルス管の低温端と蓄冷器とが、一方向にのびて作動ガスの流通を許容するガス通路を有する冷却ステージを介して接続され、パルス管の低温端に第１熱交換器、冷却ステージのガス通路内に第２熱交換器を備え、第２熱交換器は、ガス通路に沿ってのびる複数のスリット溝が凹設されたブロック体で構成され、ブロック体は、各スリット溝の少なくとも一部がパルス管の低温端を臨むと共に、ガス通路を区画する冷却ステージの内面とスリット溝の開口面との間に空隙を存在させてガス通路内に配置され、パルス管の低温端側とガス通路との間の隔壁部に設けた複数個のノズル孔を介して、当該パルス管の低温端側と当該ガス通路とを互いに連通させたことを特徴とする。このとき、前記ノズル孔の各々は、前記ブロック体のスリット溝に対向すると共に、同一の仮想円周上に位置させて設けられる構成を採用することができる。また、前記ノズル孔の各々は、前記ガス通路から前記パルス管に向けて拡径させた形状を有する構成を採用してもよく、更には、前記スリット溝が凹設された前記ブロック体の部分が円形の輪郭を有し、前記スリット溝の両端が前記ブロック体の部分の外周面まで達し、前記ブロック体の部分の外周面と前記ガス通路を区画する冷却ステージの内面との間に環状の前記空隙が存在する構成を採用してもよい。

本発明によれば、圧力振動発生手段が、例えば、圧縮機と高圧弁と低圧弁とを備えるような場合、高圧弁が開弁すると（低圧弁は閉弁状態）、圧縮機で高圧に圧縮された作動ガス（例えばヘリウムガス）が蓄冷器に流入し、この流入した作動ガスが蓄冷器で冷却されて温度を下げながら、蓄冷器の低温部から冷却ステージ内のガス通路を経てパルス管の低温端へ流入する。そして、バルス管とバッファタンクとの間に生じる圧力差でバルス管内の作動ガスがバッファタンクへ流入する。

次に、高圧弁を閉弁して低圧弁を開弁すると、パルス管内の作動ガスが蓄冷器の低温部内に流入して蓄冷器内を通過し、このとき、通過する作動ガスが低温であるため蓄冷器の熱を奪い、蓄冷器の高温端から低圧弁を経由して圧縮機へと回収される。上記の工程が繰り返されることで、作動ガスは、圧力振動発生手段、蓄冷器、冷却ステージ及びパルス管を通り、位相制御手段のバッファタンクに通じる一連の系の中で往復動流として略正弦波的に圧力振幅を伴って流れる。このとき、作動ガスの圧力変化と流量変化の間に位相差が発生し、この一定の位相差によってパルス管の低温端において作動ガスの膨張に伴う寒冷が発生し、冷却ステージが極低温（数Ｋ～数十Ｋ）に冷却される。

ここで、作動ガスが冷却ステージのガス通路を流通する際、第２熱交換器のスリット溝に加えて、ブロック体と冷却ステージの内面との間の空隙自体がガス通路の一部を構成するようになる。このため、熱伝熱表面積を増加させるために、例えばスリット溝の幅を狭めてスリット溝の数を増加させたり、ガス通路に沿ってのびるスリット溝を長くしたりしても、圧力損失の増大を可及的に抑制することができる。しかも、作動ガスがガス通路を流通する際には、例えば、上記空隙を流通する作動ガスが冷却ステージの内面に衝突して跳ね返ってブロック体に繰り返し衝突するようになることで、熱交換効率が向上する。このように本発明においては、第２熱交換器として、ガス通路に沿ってのびる複数のスリット溝が凹設されたブロック体を用い、各スリット溝の少なくとも一部がパルス管の低温端を臨むと共に、ガス通路を区画する冷却ステージの内面とスリット溝の開口面との間に空隙を存在させてブロック体をガス通路内に配置する構成を採用することで、圧力損失の増加を招来することなく、高い熱交換効率を達成し、ひいては冷却性能の優れたものにすることができる。

本発明において、前記第１熱交換器は、夫々がパルス管に接合される、銅また銅合金の網部材を積層して構成されることが好ましい。これによれば、作動ガスがパルス管内へ流出する際に整流作用を促す役割を果たし、有利である。また、前記冷却ステージが銅または銅合金で構成されている場合には、前記第２熱交換器が、冷却ステージに銀ロウ付けで接合されることが好ましい。

本発明の実施形態のパルス管冷凍機の構成をその一部を拡大して示す模式断面図。図１のＩＩ－ＩＩ線に沿う断面図。図１のＩＩＩ－ＩＩＩ線に沿う断面図。パルス管冷凍機の変形例を示す模式断面図。

以下、図面を参照して、作動ガスをヘリウムガスとし、所謂一段式のものを例に本発明のパルス管冷凍機の実施形態を説明する。以下において、上、下、左、右といった方向を示す用語は図１の姿勢を基準とする。

図１を参照して、ＰＲ_１は、本実施形態のパルス管冷凍機を示す。パルス管冷凍機ＰＲ_１は、ヘリウムガスに対し圧力振動を発生させる圧力振動発生手段１と、圧力振動させたヘリウムガスが流入するパルス管２と、圧力振動発生手段１とパルス管２との間に設けられてパルス管２に流入するヘリウムガスを予冷する蓄冷器３と、パルス管２の高温端２ａに連通するバッファタンク４１を有してヘリウムガスの圧力振動の位相を制御してパルス管２の低温端２ｂにてヘリウムガスの膨張に伴う寒冷を発生させる位相制御手段４とを備える。そして、パルス管２の低温端２ｂと蓄冷器３の低温端３ｂとがガス通路５１を有する冷却ステージ５を介して接続され、パルス管２の低温端２ｂの直下に位置するガス通路５１の部分に第２熱交換器６が設けられている。

冷却ステージ５は、銅や銅合金などの熱伝導に優れた金属製で角柱状の部材で構成され、冷却ステージ５内には、一方向としての左右方向にのびるガス通路５１が設けられている。冷却ステージ５の左右方向両端においてその上面には、第１及び第２の各凹部５２，５３が夫々設けられ、第１凹部５２は、その底部に設けた図示省略の連通孔を介してガス通路５１に連通している。また、冷却ステージ５の左端においてその下面には、第２凹部５３に背向させて、第３凹部５４が設けられている。この場合、第３凹部５４の内部空間はガス通路５１に連通してこのガス通路５１の一部をなすと共に、後述のスリット溝６２が凹設されたブロック体６の上部６１を収容する役割を果たすようにしている。また、第２凹部５３と第３凹部５４との間の隔壁部５５には、例えば同一の仮想円周上に位置させて複数個のノズル孔５６が設けられ（本実施形態では、３個）、第２凹部５３が、ノズル孔５６を介してガス通路５１に連通している。

圧力振動発生手段１は、ヘリウムガス用の圧縮機１１を備え、圧縮機１１の高圧ガスの出力側には高圧弁１２が、圧縮機１１のガス回収側には低圧弁１３が夫々設けられ、図外の制御コントローラにより、高圧弁１２と低圧弁１３の開弁、閉弁が周期的に切り換えられるようになっている。圧縮機１１からの第１配管１４は蓄冷器３の高温端３ａに接続されている。

蓄冷器３は、筒状の蓄冷器本体３１を有する。蓄冷器本体３１内には、蓄冷材３２が充填されている。蓄冷材３２としては、公知のものが利用できるため、ここでは、詳細な説明を省略する。そして、蓄冷器本体３１の低温端３ｂ側は、蓄冷器本体３１の外形に一致する輪郭を持つ第１凹部５３に、気密保持した状態で嵌着され、これにより、蓄冷器本体３１内がガス通路５１に連通するようになっている。パルス管２は、筒状のパルス管本体２１を有する。パルス管本体２１の上部及び下部には、上部熱交換器２２と下部熱交換器２３とが夫々組み込まれている。

上部熱交換器２２と下部熱交換器２３は同一の形態を有し、例えば、銅や銅合金などの熱伝導に優れた金属製の線材を例えば格子状に編み込んでなる網部材２２ａ，２３ａの複数枚を有し、各網部材２２ａ，２３ａを上下方向に隙間を存して夫々積層して構成されている。網部材２２ａ，２３ａを構成する線材としては、その線径が０．０３～０．３５ｍｍの範囲のものが利用され、網目の寸法が０．０４～０．６ｍｍの範囲になるように編み込まれ、各網部材網部材２２ａ，２３ａの周縁部がパルス管本体２１の内面に、例えば熱拡散接合など適宜選択される公知の方法で接合されている。この場合、下部熱交換器２３が本実施形態の第１熱交換器を構成する。そして、パルス管本体２１の低温端２ｂ側は、パルス管本体２１の外形に一致する輪郭を持つ第２凹部５３に気密保持した状態で嵌着され、パルス管本体２１内がノズル孔５６を介してガス通路５１に連通するようになっている。この場合、パルス管本体２１の低温端２ｂ側は、銀ロウ材７１を用い、冷却ステージ５の第２凹部５３に銀ロウ付けで接合されていることが好ましい。

位相制御手段４はバッファタンク４１を有する。バッファタンク４１は、第２配管４２を介してパルス管本体２１上部の高温端２ａに接続され、第２配管４２にはオリフィス４３が介設されている。また、第２配管４２には、パルス管２の高温端２ａと蓄冷器３の高温端３ａとを連通するバイパス管４４が接続され、このバイパス管４４にはオリフィス４５が介設されている。

第２熱交換器６は、図２及び図３にも示すように、銅や銅合金などの熱伝導に優れた金属製のブロック体で構成されている。ブロック体６は、径の異なる円柱状部材を上下に重ねた形態のものであり、比較的小径の上部６１には、ガス通路５１に沿ってのびる複数のスリット溝６２が等間隔でかつ互いに平行に凹設されている。この場合、例えば、冷却しようとする冷却ステージ５の温度、熱交換効率やヘリウムガスの圧力を考慮して、スリット溝６２の溝幅Ｓｗは０．２ｍｍ～２. ０ｍｍの範囲内に設定され、各スリット溝６２相互の間隔Ｓｄは０．５ｍｍ～３．５ｍｍの範囲に設定されている。そして、ブロック体６の比較的大径の下部６３が、第３凹部５４に、その内側壁に設けた段差５４ａで係止させて、気密保持した状態で嵌着されている。この場合、ブロック体６の下部６３は、銀ロウ材７２を用い、冷却ステージ５の第３凹部５４に銀ロウ付けで接合されていることが好ましい。

ブロック体６の下部６３が第３凹部５４に嵌着された状態では、各スリット溝６２を凹設したブロック体６の上部６１がガス通路５１内に突出し、これにより、ノズル孔５６を介してパルス管本体２１の低温端２ｂを臨み、パルス管２内のヘリウムガスが各スリット溝６２の長手方向に対して直交する方向から供給される。また、第３凹部５４の内部空間はブロック体６の上部６１の輪郭より大きく設定され、ブロック体６を配置した状態では、第３凹部５４の内部空間を区画する冷却ステージ５の内側面、ブロック体６の上部６１との間に環状の空隙８１が存在するようにしている。これに加えて、上部６１の上下方向長さを適宜設定して、ブロック体６の上部６１上面と、隔壁部５５の下面との間にも空隙８２が存在するようにしている。つまり、ブロック体６が、ガス通路５１を区画する冷却ステージ５の内面とスリット溝６２の上方及び側方の開口面との間に空隙８１，８２を存在させた状態でガス通路５１内に配置されるようにしている。空隙８１の幅Ｗｄは、ヘリウムガスを流通させるときの圧力損失等を考慮して、スリット溝６２の幅と同等以上、例えば０．５ｍｍ～３．５ｍｍの範囲に適宜設定される。なお、スリット溝６２の長手方向とガス通路５１との長手方向とは平行であることが好ましいが、ガス通路５１との長手方向に対して±１０度以内の角度でスリット溝６２の長手方向が傾く程度の組付誤差は許容できる。

パルス管冷凍機ＰＲ_１の運転時、先ず、高圧弁１２を開弁すると共に低圧弁１３を閉弁すると、圧縮機１１で圧縮された高圧のヘリウムガスが第１配管１４を経て蓄冷器３に流入する。蓄冷器３に流入したヘリウムガスは、蓄冷器３内に配設された蓄冷材３２で冷却されて温度を下げながら、蓄冷器３の低温端３ｂから冷却ステージ５のガス通路５１に流入し、第２熱交換器としてのブロック体６で更に冷却されてパルス管２の低温端２ｂへ流入し、第１熱交換器としての下部熱交換器２３で冷却される。そして、パルス管２の低温端２ｂへ高圧のヘリウムガスが流入すると共に、圧縮機１１で圧縮された高圧のヘリウムガスの一部がバイパス管４４のオリフィス４５を経て第２配管４２に流入することで、バルス管２の圧力がバッファタンク４１内より高くなってバルス管２内のヘリウムガスが、第２配管４２のオリフィス４３を通ってバッファタンク４１へ流入する。

次に、高圧弁１２を閉弁して低圧弁１３を開弁すると、パルス管２内のヘリウムガスは蓄冷器３の低温部３ｂ内に流入し、蓄冷器３内を通過し、このとき、通過するヘリウムガスが低温であるため蓄冷器３の熱を奪い、蓄冷器３の高温端３ａから低圧弁１３を経由して圧縮機１１へと回収される。上記の工程が繰り返されることで、ヘリウムガスは、圧力振動発生手段１、蓄冷器３、冷却ステージ５及びパルス管２を通り、位相制御手段４のバッファタンク４１に通じる一連の系の中で往復動流として略正弦波的に圧力振幅を伴って流れる。このとき、ヘリウムガスの圧力変化と流量変化の間に位相差が発生し、この一定の位相差によってパルス管２の低温端２ｂにおいてヘリウムガスの膨張に伴う寒冷が発生し、冷却ステージ５が極低温（数Ｋ～数十Ｋ）に冷却される。位相差は、位相制御手段４としてのバッファタンク４１の容積や第２配管４２のオリフィス４３を適宜設定することで調整される。

ここで、上記パルス管冷凍機ＰＲ_１の運転時、冷却ステージ５のガス通路５１をヘリウムガスが流通する際、第２熱交換器としてのブロック体６のスリット溝６２自体もガス通路を構成することになり、より一層冷却特性を高めるためには、第２熱交換器６での熱交換効率を高めることが重要となるが、ヘリウムガスの圧力損失が増大したのでは、寒冷発生量の減少を招来し、却って、冷却特性が低下してしまう。それに対して、本実施形態では、へリウムガスが冷却ステージ５のガス通路５１を流通する際、第２熱交換器としてのブロック体６のスリット溝６２に加えて、空隙８１，８２自体がガス通路の一部を構成するようになる。このため、熱伝熱表面積を増加させるために、例えばスリット溝６２の溝幅Ｓｗを狭めてスリット溝６２の数を増加させても、圧力損失の増大を可及的に抑制することができる。しかも、ヘリウムガスがガス通路５１を流通する際には、例えば冷却ステージ５の内面に衝突して跳ね返ったヘリウムガスがブロック体６の上部６１に繰り返し衝突するようになることで、熱交換効率が向上する。その結果、圧力損失の増加を招来することなく、高い熱交換効率を達成し、ひいては冷却性能の優れたものとすることができる。また、第１熱交換器２３が積層した網部材２３ａで構成されているため、ヘリウムガスがパルス管２内へ流入する際に整流作用を促す役割を果たし、有利である。

次に、本発明の効果を確認するために、図１に示すパルス管冷凍機ＰＲ_１を用いて熱流体解析（ＣＦＤ）により冷却ステージのガス通路５１を流通する１．０ＭＰａの圧力のヘリウムガスに対する圧力損失を確認した。先ず、図１に示すパルス管冷凍機ＰＲ_１にて、ガス通路５１に第２熱交換器としてのブロック体６を設けていない状態では、圧力損失が４１０Ｐａであった（これを、基準品とする）。次に、発明品として、空隙８１の幅Ｗｄを２ｍｍに設定してガス通路５１に第２熱交換器としてのブロック体６を配置した場合、圧力損失は、５１０Ｐａであり、基準品と比較して３０％以下の増加に抑制できることが確認され、ヘリウムガスの通気量を確保できていると考えられる。他方、比較品として、不回避的な隙間のみがある状態でブロック体６をガス通路５１に設けた場合、圧力損失は、１０７５Ｐａであり、基準品と比較して倍以上増加している。この場合、比較品は、圧力損失が大きくて発明品のようなヘリウムガスの通気量を確保できていないと考えられる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の技術思想の範囲を逸脱しない限り、種々の変形が可能である。上記実施形態では、パルス管２直下に位置する冷却ステージ５の部分にのみ第２熱交換器としてのブロック体を設けたものを例に説明したが、これに限定されるものではない。特に図示して説明しないが、第２熱交換器を構成するブロック体を平面視で長円や長方形の輪郭を持つ柱状体とし、スリット溝がパルス管２直下の位置から、蓄冷器３付近までのびるようにガス通路内に設けてもよい。この場合にも、上記のように、ガス通路の内面と各スリット溝が凹設されたブロック体の周囲との間及びブロック体の上面とガス通路との間に空隙が形成される。これにより、ガス通路に沿ってのびるスリット溝が長くなり熱交換効率を向上でき、また、空隙の存在により圧力損失の増加も抑制できる。

また、上記実施形態では、所謂一段式のものを例に本発明のパルス管冷凍機を説明したが、これに限定されるものでなく、多段式にすることもできる。例えば、図４には二段式のパルス管冷凍機ＰＲ_２が示されている。上記実施形態と同一の要素、部材には同一の符号を用いて説明すると、圧力振動発生手段１の圧縮機１１からの第１配管１４が一段目の蓄冷器３_１の高温端３ａに接続され、高温端３ａが一段目の冷却ステージ５_１のガス通路５０ａに連通すると共に、二段目の蓄冷器３_２の高温端３ａに接続されている。二段目の蓄冷器３_２は、二段目の冷却ステージ５_２のガス通路５０ｂに連通している。そして、各パルス管本体２_１，２_２上部の高温端２ａには、オリフィス４３を設けた第２配管４２を介してバッファタンク４１に接続されている。この場合、各パルス管本体２_１，２_２及び蓄冷器３_１，３_２としては同一の構成のものを用いられる。また、冷却ステージ５_１，５_２についても、上記の如く、第２熱交換器を構成するブロック体を両冷却ステージ５_１，５_２に設けることができ、冷却性能を一層高めることができる。

ＰＲ_１…パルス管冷凍機、１…圧力振動発生手段、２…パルス管、２ａ…パルス管２の高温端、２ｂ…パルス管２の低温端、２３…下部熱交換器（第１熱交換器）、２２ａ，２３ａ…網部材、３…蓄冷器、４…位相制御手段、４１…バッファタンク、５…冷却ステージ、５１…ガス通路、６…第２熱交換器，ブロック体、６２…スリット溝、８１，８２…空隙。

Claims

作動ガスに対し圧力振動を発生させる圧力振動発生手段と、圧力振動させた作動ガスが流入するパルス管と、圧力振動発生手段とパルス管との間に設けられてパルス管に流入する作動ガスを予冷する蓄冷器と、パルス管の高温端に連通するバッファタンクを有して作動ガスの圧力振動の位相を制御してパルス管の低温端にて作動ガスの膨張に伴う寒冷を発生させる位相制御手段とを備えるパルス管冷凍機であって、
パルス管の低温端と蓄冷器とが、一方向にのびて作動ガスの流通を許容するガス通路を有する冷却ステージを介して接続されるものにおいて、
パルス管の低温端に第１熱交換器、冷却ステージのガス通路内に第２熱交換器を備え、
第２熱交換器は、ガス通路に沿ってのびる複数のスリット溝が凹設されたブロック体で構成され、
ブロック体は、各スリット溝の少なくとも一部がパルス管の低温端を臨むと共に、ガス通路を区画する冷却ステージの内面とスリット溝の開口面との間に空隙を存在させてガス通路内に配置され、
パルス管の低温端側とガス通路との間の隔壁部に設けた複数個のノズル孔を介して、当該パルス管の低温端側と当該ガス通路とを互いに連通させたことを特徴とするパルス管冷凍機。
前記ノズル孔の各々は、前記ブロック体のスリット溝に対向すると共に、同一の仮想円周上に位置させて設けられることを特徴とする請求項１記載のパルス管冷凍機。
前記ノズル孔の内面は、前記ガス通路から前記パルス管に向けて拡がるテーパ形状を有することを特徴とする請求項２記載のパルス管冷凍機。
前記スリット溝が凹設された前記ブロック体の部分が円形の輪郭を有し、前記スリット溝の両端が前記ブロック体の部分の外周面まで達し、前記ブロック体の部分の外周面と前記ガス通路を区画する冷却ステージの内面との間に環状の前記空隙が存在することを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載のパルス管冷凍機。