JP7146543B2 - パルス管冷凍機およびパルス管冷凍機の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、パルス管冷凍機およびパルス管冷凍機の製造方法に関する。

従来から、パルス管冷凍機のパルス管の高温端および低温端に積層金網から成る整流器を設けることが知られている。

特開２００３－１４８８２６号公報

本発明者は、パルス管冷凍機において従来使用される積層金網の整流器に関して検討し、以下の課題を認識するに至った。整流器の設計に際して、積層金網を構成する各金網の仕様（例えば、線径、メッシュ数、織り方、線材など）が指定される。積層される複数枚の金網がたとえ同一の仕様をもつ場合であっても、実際には、すべての金網について網目の位置が厳密に揃うわけではない。そのため、金網が積層されたとき、隣接する２枚の金網の網目位置は不一致となり、ある金網の網目の直下に別の金網の線材が位置しうる。このように、積層金網における個々の金網の網目が揃わない場合には、積層金網を流れる冷媒ガスの流れが乱され、整流器としての整流効果は低下しうる。また、隣接する２枚の金網の間には接触熱抵抗があるため、金網間に温度差が生じうる。これは、整流器における熱交換効率を低下させうる。

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、整流効果及び／または熱交換効率に関して改良された整流器を有するパルス管冷凍機を提供することにある。

本発明のある態様によると、パルス管冷凍機は、管内空間を有するパルス管と、パルス管の低温端及び／または高温端に配置された一体型整流器と、を備える。一体型整流器は、管内空間から又は管内空間への冷媒ガス流れを整流するように管内空間に面して配置された整流層と、冷媒ガス流れとの接触により冷媒ガス流れと熱交換するように管内空間に対して整流層の外側に整流層と一体形成された熱交換層とを備える。整流層は、熱交換層から管内空間に向けて突出する複数の突起を備える。

本発明のある態様によると、パルス管冷凍機の製造方法が提供される。この方法は、３Ｄプリントにより、整流層と熱交換層とが一体形成された一体型整流器を製作することと、一体型整流器をパルス管の低温端及び／または高温端に装着することと、を備える。

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、整流効果及び／または熱交換効率に関して改良された整流器を有するパルス管冷凍機を提供することができる。

実施の形態に係るパルス管冷凍機を示す概略図である。 図２（ａ）から図２（ｃ）は、図１に示されるパルス管冷凍機に使用されうる一体型整流器の一例を示す概略図である。 図１に示されるパルス管冷凍機に使用されうる一体型整流器の他の例を示す概略図である。 図１に示されるパルス管冷凍機に使用されうる一体型整流器の他の例を示す概略図である。 図５（ａ）および図５（ｂ）は、図１に示されるパルス管冷凍機に使用されうる一体型整流器の他の例を示す概略図である。 実施の形態に係るパルス管冷凍機の製造方法を示すフローチャートである。 実施の形態に係る一体型整流器の製作方法の他の例を示す概略図である。

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。また、以下の説明において参照する図面において、各構成部材の大きさや厚みは説明の便宜上のものであり、必ずしも実際の寸法や比率を示すものではない。

図１は、実施の形態に係るパルス管冷凍機１０を示す概略図である。パルス管冷凍機１０は、コールドヘッド１１と、圧縮機１２とを備える。

パルス管冷凍機１０は、一例として、ＧＭ（Gifford-McMahon）方式の４バルブ型のパルス管冷凍機である。よって、パルス管冷凍機１０は、主圧力切換弁１４と、第１段蓄冷器１６と、第１段パルス管１８と、第１段副圧力切換弁２０および任意的に第１段流量調整要素２１を有する第１段位相制御機構と、を備える。圧縮機１２と主圧力切換弁１４によりパルス管冷凍機１０の振動流発生源が構成される。圧縮機１２は、振動流発生源と第１段位相制御機構とで共有されている。

また、パルス管冷凍機１０は、二段冷凍機であり、第２段蓄冷器２２と、第２段パルス管２４と、第２段副圧力切換弁２６および任意的に第２段流量調整要素２７を有する第２段位相制御機構と、をさらに備える。圧縮機１２は、第２段位相制御機構にも共有されている。

本書では、パルス管冷凍機１０の構成要素どうしの位置関係を説明するために、便宜上、縦方向Ａおよび横方向Ｂとの用語を用いる。通例、縦方向Ａと横方向Ｂはそれぞれ、パルス管（１８、２４）および蓄冷器（１６、２２）の軸方向と径方向にあたる。ただし、縦方向Ａと横方向Ｂは互いにおおよそ直交する方向であればよく、厳密な直交は要しない。また、縦方向Ａおよび横方向Ｂとの表記は、パルス管冷凍機１０がその使用場所に設置される姿勢を限定するものではない。パルス管冷凍機１０は所望される姿勢で設置可能であり、例えば、縦方向Ａおよび横方向Ｂをそれぞれ鉛直方向および水平方向に向けるようにして設置されてもよいし、反対に、縦方向Ａおよび横方向Ｂをそれぞれ水平方向および鉛直方向に向けるようにして設置されてもよい。あるいは、縦方向Ａおよび横方向Ｂをそれぞれ互いに異なる斜め方向に向けるようにして設置することも可能である。

２つの蓄冷器（１６、２２）は直列に接続され、縦方向Ａに延在する。２つのパルス管（１８、２４）はそれぞれ、縦方向Ａに延在する。第１段蓄冷器１６は、横方向Ｂに第１段パルス管１８と並列に配置され、第２段蓄冷器２２は、横方向Ｂに第２段パルス管２４と並列に配置されている。第１段パルス管１８は縦方向Ａに第１段蓄冷器１６とほぼ同じ長さを有し、第２段パルス管２４は、縦方向Ａに第１段蓄冷器１６と第２段蓄冷器２２の合計長さとほぼ同じ長さを有する。蓄冷器（１６、２２）とパルス管（１８、２４）は互いに概ね平行に配置されている。

圧縮機１２は、圧縮機吐出口１２ａと圧縮機吸入口１２ｂとを有し、回収した低圧ＰＬの作動ガスを圧縮して高圧ＰＨの作動ガスを生成するよう構成されている。圧縮機吐出口１２ａから第１段蓄冷器１６を通じて第１段パルス管１８に作動ガスが供給され、第１段パルス管１８から第１段蓄冷器１６を通じて圧縮機吸入口１２ｂへと作動ガスが回収される。また、圧縮機吐出口１２ａから第１段蓄冷器１６、第２段蓄冷器２２を通じて第２段パルス管２４に作動ガスが供給され、第２段パルス管２４から第２段蓄冷器２２、第１段蓄冷器１６を通じて圧縮機吸入口１２ｂへと作動ガスが回収される。

圧縮機吐出口１２ａおよび圧縮機吸入口１２ｂはそれぞれ、パルス管冷凍機１０の高圧源および低圧源として機能する。作動ガスは、冷媒ガスとも称され、例えばヘリウムガスである。なお一般に高圧ＰＨ及び低圧ＰＬはともに大気圧より顕著に高い。

主圧力切換弁１４は、主吸気開閉弁Ｖ１と主排気開閉弁Ｖ２とを有する。第１段副圧力切換弁２０は、第１段副吸気開閉弁Ｖ３と第１段副排気開閉弁Ｖ４とを有する。第２段副圧力切換弁２６は、第２段副吸気開閉弁Ｖ５と第２段副排気開閉弁Ｖ６とを有する。

パルス管冷凍機１０には、高圧ライン１３ａおよび低圧ライン１３ｂが設けられている。高圧ライン１３ａを通じて、高圧ＰＨの作動ガスが圧縮機１２からコールドヘッド１１に流れる。低圧ライン１３ｂを通じて、低圧ＰＬの作動ガスがコールドヘッド１１から圧縮機１２に流れる。高圧ライン１３ａは、圧縮機吐出口１２ａを吸気開閉バルブ（Ｖ１、Ｖ３、Ｖ５）に接続する。低圧ライン１３ｂは、圧縮機吸入口１２ｂを排気開閉バルブ（Ｖ２、Ｖ４、Ｖ６）に接続する。

第１段蓄冷器１６は、第１段蓄冷器高温端１６ａと、第１段蓄冷器低温端１６ｂとを有し、第１段蓄冷器高温端１６ａから第１段蓄冷器低温端１６ｂへと縦方向Ａに延在する。第１段蓄冷器高温端１６ａおよび第１段蓄冷器低温端１６ｂはそれぞれ、第１段蓄冷器１６の第１端および第２端とも称しうる。同様に、第２段蓄冷器２２は、第２段蓄冷器高温端２２ａと、第２段蓄冷器低温端２２ｂとを有し、第２段蓄冷器高温端２２ａから第２段蓄冷器低温端２２ｂへと縦方向Ａに延在する。第２段蓄冷器高温端２２ａおよび第２段蓄冷器低温端２２ｂはそれぞれ、第２段蓄冷器２２の第１端および第２端とも称しうる。第１段蓄冷器低温端１６ｂが、第２段蓄冷器高温端２２ａに連通している。

第１段パルス管１８は、第１段パルス管高温端１８ａと、第１段パルス管低温端１８ｂとを有し、第１段パルス管高温端１８ａから第１段パルス管低温端１８ｂへと縦方向Ａに延在する。第１段パルス管高温端１８ａおよび第１段パルス管低温端１８ｂはそれぞれ、第１段パルス管１８の第１端および第２端とも称しうる。

第１段パルス管１８は、その内部に第１段管内空間３４ａを有する。冷媒ガスは、第１段管内空間３４ａを通じて第１段パルス管高温端１８ａから第１段パルス管低温端１８ｂへと（または第１段パルス管低温端１８ｂから第１段パルス管高温端１８ａへと）流れることができる。

同様に、第２段パルス管２４は、第２段パルス管高温端２４ａと、第２段パルス管低温端２４ｂとを有し、第２段パルス管高温端２４ａから第２段パルス管低温端２４ｂへと縦方向Ａに延在する。第２段パルス管高温端２４ａおよび第２段パルス管低温端２４ｂはそれぞれ、第２段パルス管２４の第１端および第２端とも称しうる。

第２段パルス管２４は、その内部に第２段管内空間３４ｂを有する。冷媒ガスは、第２段管内空間３４ｂを通じて第２段パルス管高温端２４ａから第２段パルス管低温端２４ｂへと（または第２段パルス管低温端２４ｂから第２段パルス管高温端２４ａへと）流れることができる。以下では、第１段管内空間３４ａおよび第２段管内空間３４ｂを、管内空間３４と総称することがある。

パルス管（１８、２４）の両端それぞれには、パルス管の軸方向に垂直な面内での作動ガス流速分布を均一化し、または所望の分布に調整するための一体型整流器３２が設けられている。一体型整流器３２は、熱交換器としても機能する。一体型整流器３２は、整流層３２ａと、整流層３２ａと一体形成された熱交換層３２ｂとを備える。整流層３２ａは、管内空間３４から又は管内空間３４への冷媒ガス流れを整流するように管内空間３４に面して配置されている。熱交換層３２ｂは、冷媒ガス流れとの接触により冷媒ガス流れと熱交換するように管内空間３４に対して整流層３２ａの外側に配置されている。一体型整流器３２の詳細は後述する。

例示的な構成においては、蓄冷器（１６、２２）は内部に蓄冷材を充填した円筒状の管であり、パルス管（１８、２４）は内部を空洞とする円筒状の管である。よって、第１段管内空間３４ａおよび第２段管内空間３４ｂはそれぞれ、円柱形状の空間となる。一体型整流器３２は、全体として、円板状（または短い円柱状）の形状を有する。

コールドヘッド１１は、第１段冷却ステージ２８と第２段冷却ステージ３０とを備える。

第１段蓄冷器１６および第１段パルス管１８は第１段冷却ステージ２８から同方向に延びており、第１段蓄冷器高温端１６ａおよび第１段パルス管高温端１８ａは、第１段冷却ステージ２８に対して同じ側に配置されている。このようにして、第１段蓄冷器１６、第１段パルス管１８、および第１段冷却ステージ２８は、Ｕ字状に配置されている。同様に、第２段蓄冷器２２および第２段パルス管２４は第２段冷却ステージ３０から同方向に延びており、第２段蓄冷器高温端２２ａおよび第２段パルス管高温端２４ａは、第２段冷却ステージ３０に対して同じ側に配置されている。このようにして、第２段蓄冷器２２、第２段パルス管２４、および第２段冷却ステージ３０は、Ｕ字状に配置されている。

第１段パルス管低温端１８ｂと第１段蓄冷器低温端１６ｂは、第１段冷却ステージ２８によって、構造的に接続され熱的に結合されている。第１段冷却ステージ２８の内部には、第１段蓄冷器低温端１６ｂを第１段パルス管低温端１８ｂに連通する第１段連通路２９が形成されている。同様に、第２段パルス管低温端２４ｂと第２段蓄冷器低温端２２ｂは、第２段冷却ステージ３０によって、構造的に接続され熱的に結合されている。第２段冷却ステージ３０の内部には、第２段蓄冷器低温端２２ｂを第２段パルス管低温端２４ｂに連通する第２段連通路３１が形成されている。

一体型整流器３２は、熱交換層３２ｂがパルス管に接合されることによって、パルス管の高温端及び／または低温端に取り付けられている。整流層３２ａは、熱交換層３２ｂに支持されている。なお、熱交換層３２ｂとともに、または熱交換層３２ｂに代えて、整流層３２ａが、パルス管に接合されてもよい。

例えば、第１段パルス管低温端１８ｂに配置された一体型整流器３２は、熱交換層３２ｂが第１段パルス管低温端１８ｂに接合され、それにより一体型整流器３２は第１段パルス管低温端１８ｂおよび第１段冷却ステージ２８と構造的に接続され熱的に結合されている。熱交換層３２ｂは、第１段冷却ステージ２８に接合されてもよい。同様に、第２段パルス管低温端２４ｂに配置された一体型整流器３２は、熱交換層３２ｂが第２段パルス管低温端２４ｂに接合され、それにより一体型整流器３２は第２段パルス管低温端２４ｂおよび第２段冷却ステージ３０と構造的に接続され熱的に結合されている。熱交換層３２ｂは、第２段冷却ステージ３０に接合されてもよい。

したがって、圧縮機１２から供給される冷媒ガスは、第１段蓄冷器低温端１６ｂから第１段連通路２９を通り、さらに第１段パルス管低温端１８ｂの一体型整流器３２を通過して、第１段管内空間３４ａへと流れることができる。第１段パルス管１８からの戻りガスは、第１段管内空間３４ａから第１段パルス管低温端１８ｂの一体型整流器３２および第１段連通路２９を通って第１段蓄冷器低温端１６ｂへと流れることができる。

第２段についても、圧縮機１２から供給される冷媒ガスは、第２段蓄冷器低温端２２ｂから第２段連通路３１を通り、さらに第２段パルス管低温端２４ｂの一体型整流器３２を通過して、第２段管内空間３４ｂへと流れることができる。第２段パルス管２４からの戻りガスは、第２段管内空間３４ｂから第２段パルス管低温端２４ｂの一体型整流器３２および第２段連通路３１を通じて第２段蓄冷器低温端２２ｂへと流れることができる。

冷却ステージ（２８、３０）、および一体型整流器３２は、例えば銅などの高熱伝導率の金属材料で形成される。ただし、冷却ステージ（２８、３０）と一体型整流器３２が同じ材料で形成されることは必須ではなく、異なる材料で形成されてもよい。

第２段冷却ステージ３０には、冷却されるべき物体（図示せず）が熱的に結合されている。物体は、第２段冷却ステージ３０上に直接設置され、または第２段冷却ステージ３０に剛性または可撓性の伝熱部材を介して熱的に結合されてもよい。パルス管冷凍機１０は、第２段冷却ステージ３０からの伝導冷却によって物体を冷却することができる。なおパルス管冷凍機１０によって冷却される物体は、限定しない例として、超伝導電磁石またはその他の超伝導装置、あるいは赤外線撮像素子またはその他のセンサであってもよい。パルス管冷凍機１０は第２段冷却ステージ３０に接触する気体または液体を冷却することもできる。

また、言うまでもなく、第２段冷却ステージ３０によって冷却される物体とは異なる物体が、第１段冷却ステージ２８によって冷却されてもよい。たとえば、第１段冷却ステージ２８には、第２段冷却ステージ３０への熱侵入を低減または防止するための輻射シールドが熱的に結合されていてもよい。

一方、第１段蓄冷器高温端１６ａ、第１段パルス管高温端１８ａ、および第２段パルス管高温端２４ａは、フランジ部３６によって接続されている。フランジ部３６は、パルス管冷凍機１０が設置される支持台または支持壁などの支持部３８に取り付けられる。支持部３８は、冷却ステージ（２８、３０）および被冷却物を収容する断熱容器または真空容器の壁材またはその他の部位であってもよい。

フランジ部３６の一方の主表面からパルス管（１８、２４）および蓄冷器（１６、２２）が冷却ステージ（２８、３０）へと延び、フランジ部３６の他方の主表面にはバルブ部４０が設けられている。バルブ部４０には、主圧力切換弁１４、第１段副圧力切換弁２０、および第２段副圧力切換弁２６が収容されている。したがって、支持部３８が断熱容器または真空容器の一部を構成する場合には、フランジ部３６が支持部３８に取り付けられるとき、パルス管（１８、２４）、蓄冷器（１６、２２）、および冷却ステージ（２８、３０）は、当該容器内に収容され、バルブ部４０は、容器外に配置される。

なお、バルブ部４０は、フランジ部３６に直接取り付けられている必要はない。バルブ部４０は、パルス管冷凍機１０のコールドヘッド１１から分離して配置され、剛性または可撓性の配管によりコールドヘッド１１に接続されてもよい。こうして、パルス管冷凍機１０の位相制御機構がコールドヘッド１１から分離して配置されてもよい。

主圧力切換弁１４は、パルス管（１８、２４）内に圧力振動を生成すべく第１段蓄冷器高温端１６ａを圧縮機吐出口１２ａおよび圧縮機吸入口１２ｂに交互に接続するように構成されている。主圧力切換弁１４は、主吸気開閉弁Ｖ１と主排気開閉弁Ｖ２のうち一方が開いているとき他方は閉じているように構成されている。主吸気開閉弁Ｖ１が圧縮機吐出口１２ａを第１段蓄冷器高温端１６ａに接続し、主排気開閉弁Ｖ２が圧縮機吸入口１２ｂを第１段蓄冷器高温端１６ａに接続する。

主吸気開閉弁Ｖ１が開いているとき、圧縮機吐出口１２ａから高圧ライン１３ａおよび主吸気開閉弁Ｖ１を通じて蓄冷器（１６、２２）に作動ガスが供給される。作動ガスはさらに、第１段蓄冷器１６から第１段連通路２９および一体型整流器３２を通じて第１段パルス管１８に供給されるとともに、第２段蓄冷器２２から第２段連通路３１および一体型整流器３２を通じて第２段パルス管２４に供給される。一方、主排気開閉弁Ｖ２が開いているとき、パルス管（１８、２４）から蓄冷器（１６、２２）、主排気開閉弁Ｖ２、および低圧ライン１３ｂを通じて圧縮機吸入口１２ｂに作動ガスが回収される。

第１段副圧力切換弁２０は、第１段パルス管高温端１８ａを圧縮機吐出口１２ａおよび圧縮機吸入口１２ｂに交互に接続するように構成されている。第１段副圧力切換弁２０は、第１段副吸気開閉弁Ｖ３と第１段副排気開閉弁Ｖ４のうち一方が開いているとき他方は閉じているように構成されている。第１段副吸気開閉弁Ｖ３が圧縮機吐出口１２ａを第１段パルス管高温端１８ａに接続し、第１段副排気開閉弁Ｖ４が圧縮機吸入口１２ｂを第１段パルス管高温端１８ａに接続する。

第１段副吸気開閉弁Ｖ３が開いているとき、圧縮機吐出口１２ａから高圧ライン１３ａ第１段副吸気開閉弁Ｖ３、および第１段パルス管高温端１８ａを通じて第１段パルス管１８に作動ガスが供給される。一方、第１段副排気開閉弁Ｖ４が開いているとき、第１段パルス管１８から第１段パルス管高温端１８ａ、第１段副排気開閉弁Ｖ４、および低圧ライン１３ｂを通じて圧縮機吸入口１２ｂに作動ガスが回収される。

第２段副圧力切換弁２６は、第２段パルス管高温端２４ａを圧縮機吐出口１２ａおよび圧縮機吸入口１２ｂに交互に接続するように構成されている。第２段副圧力切換弁２６は、第２段副吸気開閉弁Ｖ５と第２段副排気開閉弁Ｖ６のうち一方が開いているとき他方は閉じているように構成されている。第２段副吸気開閉弁Ｖ５が圧縮機吐出口１２ａを第２段パルス管高温端２４ａに接続し、第２段副排気開閉弁Ｖ６が圧縮機吸入口１２ｂを第２段パルス管高温端２４ａに接続する。

第２段副吸気開閉弁Ｖ５が開いているとき、圧縮機吐出口１２ａから高圧ライン１３ａ第２段副吸気開閉弁Ｖ５、および第２段パルス管高温端２４ａを通じて第２段パルス管２４に作動ガスが供給される。一方、第２段副排気開閉弁Ｖ６が開いているとき、第２段パルス管２４から第２段パルス管高温端２４ａ、第２段副排気開閉弁Ｖ６、および低圧ライン１３ｂを通じて圧縮機吸入口１２ｂに作動ガスが回収される。

これらのバルブ（Ｖ１～Ｖ６）のバルブタイミングとしては、既存の４バルブ型パルス管冷凍機に適用しうる種々のバルブタイミングを採用することができる。

バルブ（Ｖ１～Ｖ６）の具体的構成は種々ありうる。例えば、一群のバルブ（Ｖ１～Ｖ６）は、例えば電磁開閉弁などの複数の個別に制御可能なバルブの形式をとってもよい。バルブ（Ｖ１～Ｖ６）は、ロータリーバルブとして構成されてもよい。

このような構成により、パルス管冷凍機１０は、パルス管（１８、２４）内に高圧ＰＨと低圧ＰＬの作動ガス圧力振動を生成する。圧力振動と同期して適切な位相遅れをもって、パルス管（１８、２４）内で作動ガスの変位振動すなわちガスピストンの往復動が生じる。ある圧力を保持しながらパルス管（１８、２４）内を上下に周期的に往復する作動ガスの動きは、しばしば「ガスピストン」と称され、パルス管冷凍機１０の動作を説明するためによく用いられる。ガスピストンがパルス管高温端（１８ａ、２４ａ）またはその近傍にあるときパルス管低温端（１８ｂ、２４ｂ）で作動ガスが膨張し、寒冷が発生する。このような冷凍サイクルを繰り返すことにより、パルス管冷凍機１０は、冷却ステージ（２８、３０）を冷却することができる。したがって、パルス管冷凍機１０は、例えば超電導電磁石など種々の被冷却物を所望の極低温に冷却することができる。

図２（ａ）から図２（ｃ）は、図１に示されるパルス管冷凍機１０に使用されうる一体型整流器３２の一例を示す概略図である。図２（ａ）は、一体型整流器３２の概略上面図であり、図２（ｂ）は、Ａ１－Ａ１線による概略断面図であり、図２（ｃ）は、一体型整流器３２の概略底面図である。理解を容易にするために、図２（ｂ）には、一体型整流器３２が取り付けられるパルス管と冷却ステージの一部分を併せて図示している。

一体型整流器３２の形状を説明するために便宜上、本書では、パルス管の延在方向、第１面内方向Ｂ１、および第２面内方向Ｂ２との用語を使用する。上述のようにパルス管は図１に示される縦方向Ａに沿って延在するから、パルス管の延在方向は、図１に示される縦方向Ａに相当する。第１面内方向Ｂ１および第２面内方向Ｂ２は、パルス管の延在方向に直交する平面において互いに直交する２つの方向を指す。第１面内方向Ｂ１（または第２面内方向Ｂ２）は、図１に示される横方向Ｂと同じであってもよいし、異なってもよい。

整流層３２ａは、熱交換層３２ｂから管内空間３４に向けて突出する複数の突起４２を備える。突起４２間には、整流のための冷媒ガス流路４４が形成されている。理解を容易にするために、図２（ａ）から図２（ｃ）では少数の突起４２のみを図示しているが、実際には、整流層３２ａは、例えば数百から数千、またはそれより多数の突起４２を有する。

熱交換層３２ｂは、複数の熱交換スリット４６および複数の熱交換壁４８を備える。突起４２と同様に、熱交換スリット４６および熱交換壁４８についても実際には、図示されるよりも多数のスリットおよび壁が設けられている。このようなスリット式のガス流路は、冷媒ガスと接触面積が比較的大きくなるので、熱交換効率を向上する。

熱交換スリット４６は、冷媒ガスと熱交換層３２ｂとの間の熱交換流路として一体型整流器３２に形成されている。熱交換スリット４６の各々は、縦方向Ａに熱交換層３２ｂを貫通し、第１面内方向Ｂ１に平行に延びている。熱交換壁４８の各々は、第１面内方向Ｂ１に平行に延びている。複数の熱交換壁４８は、隣接する２つの熱交換壁４８の間に１つの熱交換スリット４６を定めるようにして、複数の熱交換スリット４６と第２面内方向Ｂ２に交互に配置されている。複数の熱交換壁４８は、熱交換層３２ｂの外周枠５０によって互いに接続されている。外周枠５０が、例えばろう付け、溶接などの適宜の接合技術によって、パルス管及び／または冷却ステージに接合されている。

複数の突起４２は、複数の熱交換壁４８の各々から管内空間３４に向けて突出し、各熱交換壁４８上で第１面内方向Ｂ１に並んでいる。突起４２は格子状に配列されている。突起４２は第１面内方向Ｂ１および第２面内方向Ｂ２の両方向に等間隔に配置されている。
縦方向Ａにおける各突起４２の長さは等しい。

冷媒ガス流路４４は、熱交換スリット４６と直交する溝または凹部である。冷媒ガス流路４４は第２面内方向Ｂ２に延びている。よって、第１面内方向Ｂ１において各突起４２の両側にはそれぞれ冷媒ガス流路４４があり、第１面内方向Ｂ１において各突起４２の両側にはそれぞれ熱交換スリット４６がある。このようにして、整流層３２ａは、管内空間３４に面する網目状流路を有する。

管内空間３４は、突起４２間の冷媒ガス流路４４に連通し、冷媒ガス流路４４は熱交換スリット４６に連通している。熱交換スリット４６は、図１に示される第１段連通路２９（または第２段連通路３１でもよい）に連通している。このようにして、管内空間３４は、一体型整流器３２を通じて冷却ステージ内部の連通路に連通している。

したがって、一体型整流器３２は、従来の積層金網からなる整流器において起こりうる問題の解決に役立つ。上述のように積層金網では、隣接する２枚の金網の網目位置が不一致となり、それにより、積層金網を通過する途中で冷媒ガスの流れが乱され、整流器としての整流効果は低下しうる。これに対して、一体型整流器３２では、管内空間３４に面する網目状流路が縦方向Ａ（すなわち流路の深さ方向）に直線的に形成されているので、冷媒ガス流路４４における乱流の発生は抑制される。よって、一体型整流器３２は、整流効果を向上できる。また、積層金網では金網間の接触熱抵抗が積層金網の内部に温度差を生じさせ、これにより熱交換効率が低下されうる。これに対し、一体型整流器３２は、整流層３２ａと熱交換層３２ｂが一体形成されているので、一体型整流器３２の内部での温度差が低減される。よって、一体型整流器３２は、熱交換効率を向上できる。

整流層３２ａが複数の突起４２を備える。これにより、管内空間３４に面する網目状流路が突起４２間に形成される。こうした構成により、積層金網と比較して、良好な整流効果及び／または熱交換効率をもたらすように設計された冷媒ガス流路４４を製作することが容易となる。

複数の突起４２は、熱交換層３２ｂから管内空間３４に向けて縦方向Ａに平行に直立している。このようにすれば、管内空間３４における冷媒ガス流れの方向と各突起４２が平行に配置されるので、整流層３２ａによる整流効果を向上できる。

縦方向Ａにおける複数の突起４２の長さは、縦方向Ａにおける熱交換層３２ｂの厚さより大きい。このようにすれば、整流層３２ａが比較的厚くなるので、整流層３２ａによる整流効果を向上できる。突起４２の縦方向長さは、例えば、熱交換層３２ｂの厚さの２倍より大きく、または５倍より大きく、または１０倍より大きくてもよい。突起４２の縦方向長さは、一体型整流器３２が冷却ステージに装着されたとき冷却ステージの上面５２を超えないように定められていてもよい。

実施の形態に係るパルス管冷凍機１０によれば、上述の一体型整流器３２を備えることにより、冷媒ガスの整流効果および熱交換効率が高まる。それにより、パルス管冷凍機１０の冷凍性能の向上も期待される。

図３は、図１に示されるパルス管冷凍機１０に使用されうる一体型整流器３２の他の例を示す概略図である。図３には、一体型整流器３２の概略上面図が示されている。

複数の突起４２は、各熱交換壁４８上で少なくとも２列で第１面内方向Ｂ１に並んでいる。一体型整流器３２は、第１面内方向Ｂ１に延びる突起分離溝５４を有し、それにより、熱交換壁４８上に第１突起列４２ａと第２突起列４２ｂが形成されている。突起分離溝５４は、一体型整流器３２を貫通していない。一つの熱交換スリット４６と複数の突起列４２ａ、４２ｂが第２面内方向Ｂ２に交互に配置されている。また、一体型整流器３２は、第２面内方向Ｂ２にも突起分離溝５４を有する。このようにして、突起４２を細くして高密度に配置することにより、一体型整流器３２の整流効果が向上される。

図４は、図１に示されるパルス管冷凍機１０に使用されうる一体型整流器３２の他の例を示す概略図である。図４には、一体型整流器３２の概略断面図が示されている。複数の突起４２の少なくとも１つは、途中で枝分かれしている。突起４２は、熱交換層３２ｂから管内空間３４に向かうにつれて、段々と分岐して細くなるとともに数が増えている。このようにしても、整流層３２ａの整流効果が向上される。

図５（ａ）および図５（ｂ）は、図１に示されるパルス管冷凍機１０に使用されうる一体型整流器３２の他の例を示す概略図である。図５（ａ）は、一体型整流器３２の概略上面図であり、図５（ｂ）は、Ａ２－Ａ２線による概略断面図である。

図示されるように、整流層３２ａは、多孔板であってもよい。整流層３２ａは、突起ではなく、多数の貫通穴５６を有する。熱交換層３２ｂは、上述のように、交互に配置された複数の熱交換スリット４６および熱交換壁４８を有する。各熱交換スリット４６に沿って、複数の貫通穴５６が並んでいる。パルス管の管内空間は貫通穴５６に連通し、貫通穴５６が熱交換スリット４６に連通している。このようにしても、積層金網に比べて整流効果及び／または熱交換効率が向上された一体型整流器３２を提供することができる。

図６は、実施の形態に係るパルス管冷凍機１０の製造方法を示すフローチャートである。まず、３Ｄプリントにより、整流層３２ａと熱交換層３２ｂとが一体形成された一体型整流器３２が製作される（Ｓ１０）。パルス管冷凍機１０に組み込まれる一体型整流器３２に適切な材料である例えば銅（例えば純銅）などの高熱伝導金属材料を使用可能な金属３Ｄプリンタが開発され、そうした金属３Ｄプリンタは一般に入手可能である。

次に、一体型整流器がパルス管の低温端及び／または高温端に装着される（Ｓ１２）。上述のように、例えば、一体型整流器３２は、ろう付けなど適宜の接合技術を用いてパルス管の低温端及び／または高温端に取り付けられる。

さらに続いて、パルス管冷凍機１０が組み立てられる（Ｓ１４）。一体型整流器３２が取り付けられたパルス管に加えて、蓄冷器、バルブユニットなどパルス管冷凍機１０の種々の構成要素が用意され、これらを用いて、パルス管冷凍機１０が最終的に組み立てられる。このようにして、一体型整流器３２を有するパルス管冷凍機１０を提供することができる。

本方法によれば、３Ｄプリントにより一体型整流器３２が製作される。３Ｄプリントは形状の設計自由度が高い。そのため、良好な整流効果及び／または熱交換効率を実現するように設計された一体型整流器３２を、製造工程による制約をまったく又はほとんど受けることなく製作可能である。一体型整流器３２は、上述の具体例に限られず、任意の形状の流路を有しうる。所望の三次元形状を有する一体型整流器３２を提供することができる。

本方法によれば、複数の突起４２を整流層３２ａに有する一体型整流器３２、例えば、図２（ａ）から図２（ｃ）に示される一体型整流器３２、図３に示される一体型整流器３２、および、図４に示される一体型整流器３２を３Ｄプリントにより製作することができる。３Ｄプリントにより製作される一体型整流器３２は、これらの具体例に限られない。例えば、突起４２および熱交換スリット４６の形状および配置はいかなるものであってもよい。

また、本方法によれば、複数の貫通穴５６を整流層３２ａに有する一体型整流器３２、例えば、図５（ａ）および図５（ｂ）に示される一体型整流器３２を３Ｄプリントにより製作することができる。この場合にも、貫通穴５６および熱交換スリット４６の形状および配置はいかなるものであってもよい。

図７は、実施の形態に係る一体型整流器３２の製作方法の他の例を示す概略図である。
実施の形態に係る一体型整流器３２は、他の方法でも製作できる。図７には、ワイヤーカット加工を用いた一体型整流器３２の製作方法が示されている。まず、母材５８が用意される（Ｓ２０）。母材５８は、例えば、円板形状を有し、銅（例えば純銅）などの高熱伝導金属材料で形成されている。

次に、１回目のワイヤーカット加工が行われる（Ｓ２２）。これにより、多数の溝６０が形成される。母材５８を多数の細長片に分離しないように、ワイヤーカット加工は、母材５８の片側（図７において左側）から切削を開始し、反対側（図において右側）では母材５８の外周をわずかに残すように行われる（例えば、半円状の外周枠６２が残されている）。

続いて、２回目のワイヤーカット加工が行われる（Ｓ２４）。２回目のワイヤーカット加工は、１回目のワイヤーカット加工に対し直交する方向（例えば紙面に垂直な方向）から行われ、多数の突起４２が形成される。２回目のワイヤーカット加工も、１回目のワイヤーカット加工と同様に、母材５８を多数の小片に分離しないように行われる。１回目のワイヤーカット加工で形成された溝６０は、熱交換スリット４６となる。このようにして、一体型整流器３２が製作されてもよい。

なお、図７に示される一体型整流器３２は、３Ｄプリントにより製作されてもよい。この場合、外周枠６２を全周に形成することができるので、一体型整流器３２の強度を高めるうえで有利である。

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。ある実施の形態に関連して説明した種々の特徴は、他の実施の形態にも適用可能である。組合せによって生じる新たな実施の形態は、組み合わされる実施の形態それぞれの効果をあわせもつ。

上述の実施の形態では、一体型整流器３２は、第１段パルス管１８の両端および第２段パルス管２４の両端に設けられている。しかし、ある実施の形態においては、一体型整流器３２は、第１段パルス管高温端１８ａと第１段パルス管低温端１８ｂのうちいずれか（例えば第１段パルス管低温端１８ｂのみ）に設けられてもよい。一体型整流器３２は、第２段パルス管高温端２４ａと第２段パルス管低温端２４ｂのうちいずれか（例えば第２段パルス管低温端２４ｂのみ）に設けられてもよい。

本発明において、パルス管冷凍機１０が４バルブ型パルス管冷凍機であることは、本質的ではない。パルス管冷凍機１０は、異なる構成の位相制御機構を有してもよく、例えば、ダブルインレット型パルス管冷凍機、またはアクティブバッファ型パルス管冷凍機であってもよい。また、上述の実施の形態では、一体型整流器３２をＧＭ方式のパルス管冷凍機１０に適用する場合を例として説明したが、本発明はこれに限られず、実施の形態に係る一体型整流器３２は、スターリング方式のパルス管冷凍機またはその他の方式のパルス管冷凍機に適用されてもよい。上述の実施の形態は、二段式のパルス管冷凍機１０を例として説明したが、パルス管冷凍機１０は、単段式であってもよいし、あるいは多段式（例えば三段式）であってもよい。

上述の実施の形態では、整流層３２ａが複数の突起４２を有するいくつかの例を説明したが、一体型整流器３２は、他の構成も可能である。図５（ａ）および図５（ｂ）を参照して例示したように、整流層３２ａは、突起ではなく、多数の貫通穴５６を有してもよい。

したがって、ある実施の形態においては、パルス管冷凍機は、管内空間を有するパルス管と、パルス管の低温端及び／または高温端に配置された一体型整流器と、を備える。一体型整流器は、管内空間から又は管内空間への冷媒ガス流れを整流するように管内空間に面して配置された整流層と、冷媒ガス流れとの接触により冷媒ガス流れと熱交換するように管内空間に対して整流層の外側に整流層と一体形成された熱交換層とを備える。整流層は、整流層の上面から下面へと貫通する複数の貫通穴を有し、管内空間は、複数の貫通穴を通じて熱交換層に連通してもよい。

熱交換層は、パルス管の延在方向に熱交換層を貫通しパルス管の延在方向に直交する熱交換層の第１面内方向に平行に複数の熱交換スリットを定めるように、熱交換層の第１面内方向に平行に延びるとともに熱交換層の第１面内方向に直交する熱交換層の第２面内方向に複数の熱交換スリットと交互に配置された複数の熱交換壁を備えてもよい。少なくとも１つの熱交換スリットに沿って複数の貫通穴が並んでいてもよい。複数の熱交換スリットの各々に沿って複数の貫通穴が並んでいてもよい。管内空間は、複数の貫通穴を通じて熱交換スリットに連通してもよい。

複数の貫通穴は、管内空間から熱交換層（例えば、熱交換スリット）へとパルス管の延在方向に平行に延びていてもよい。パルス管の延在方向における複数の貫通穴の長さは、パルス管の延在方向における熱交換層の厚さより大きくてもよい。貫通穴の長さは、例えば、熱交換層の厚さの２倍より大きく、または５倍より大きく、または１０倍より大きくてもよい。貫通穴の長さは、一体型整流器が冷却ステージに装着されたとき冷却ステージの上面を超えないように定められていてもよい。

複数の貫通穴は、１つの熱交換スリットに沿って少なくとも２列で第１面内方向に並んでいてもよい。

１０ パルス管冷凍機、 ３２ 一体型整流器、 ３２ａ 整流層、 ３２ｂ 熱交換層、 ３４ 管内空間、 ４２ 突起、 ４６ 熱交換スリット、 ４８ 熱交換壁。

Claims (7)

1. 管内空間を有するパルス管と、
   前記管内空間から又は前記管内空間への冷媒ガス流れを整流するように前記管内空間に面して配置された整流層と、前記冷媒ガス流れとの接触により前記冷媒ガス流れと熱交換するように前記管内空間に対して前記整流層の外側に前記整流層と一体形成された熱交換層とを備え、前記パルス管の低温端及び／または高温端に配置された一体型整流器と、を備え、
   前記熱交換層は、前記パルス管の延在方向に直交する前記熱交換層の第１面内方向に平行に延びる複数の熱交換壁を備え、
   前記複数の熱交換壁は、前記熱交換層の第１面内方向に直交する前記熱交換層の第２面内方向に複数の熱交換スリットと交互に配置され、
   前記複数の熱交換スリットは、前記パルス管の延在方向に前記熱交換層を貫通し、前記熱交換層の第１面内方向に平行であり、
   前記整流層は、前記複数の熱交換壁の各々から前記管内空間に向けて突出し、各熱交換壁上で前記第１面内方向に並んでいる複数の突起を備えることを特徴とするパルス管冷凍機。
2. 前記複数の突起は、各熱交換壁上で少なくとも２列で前記第１面内方向に並んでいることを特徴とする請求項１に記載のパルス管冷凍機。
3. 前記複数の突起は、前記熱交換層から前記管内空間に向けて前記パルス管の延在方向に平行に直立していることを特徴とする請求項１または２に記載のパルス管冷凍機。
4. 前記パルス管の延在方向における前記複数の突起の長さは、前記パルス管の延在方向における前記熱交換層の厚さより大きいことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のパルス管冷凍機。
5. 管内空間を有するパルス管と、
   前記管内空間から又は前記管内空間への冷媒ガス流れを整流するように前記管内空間に面して配置された整流層と、前記冷媒ガス流れとの接触により前記冷媒ガス流れと熱交換するように前記管内空間に対して前記整流層の外側に前記整流層と一体形成された熱交換層とを備え、前記パルス管の低温端及び／または高温端に配置された一体型整流器と、を備え、
   前記整流層は、前記熱交換層から前記管内空間に向けて突出する複数の突起を備え、
   前記複数の突起の少なくとも１つは、途中で枝分かれしていることを特徴とするパルス管冷凍機。
6. ３Ｄプリントにより、整流層と熱交換層とが一体形成された一体型整流器を製作することと、
   前記一体型整流器をパルス管の低温端及び／または高温端に装着することと、を備え、
   前記整流層は、前記パルス管の管内空間から又は前記管内空間への冷媒ガス流れを整流するように前記管内空間に面して配置され、
   前記熱交換層は、前記冷媒ガス流れとの接触により前記冷媒ガス流れと熱交換するように前記管内空間に対して前記整流層の外側に前記整流層と一体形成され、
   前記熱交換層は、前記パルス管の延在方向に直交する前記熱交換層の第１面内方向に平行に延びる複数の熱交換壁を備え、
   前記複数の熱交換壁は、前記熱交換層の第１面内方向に直交する前記熱交換層の第２面内方向に複数の熱交換スリットと交互に配置され、
   前記複数の熱交換スリットは、前記パルス管の延在方向に前記熱交換層を貫通し、前記熱交換層の第１面内方向に平行であり、
   前記整流層は、前記複数の熱交換壁の各々から前記管内空間に向けて突出し、各熱交換壁上で前記第１面内方向に並んでいる複数の突起を備えることを特徴とするパルス管冷凍機の製造方法。
7. ３Ｄプリントにより、整流層と熱交換層とが一体形成された一体型整流器を製作することと、
   前記一体型整流器をパルス管の低温端及び／または高温端に装着することと、を備え、
   前記整流層は、前記パルス管の管内空間から又は前記管内空間への冷媒ガス流れを整流するように前記管内空間に面して配置され、
   前記熱交換層は、前記冷媒ガス流れとの接触により前記冷媒ガス流れと熱交換するように前記管内空間に対して前記整流層の外側に前記整流層と一体形成され、
   前記整流層は、前記熱交換層から前記管内空間に向けて突出する複数の突起を備え、
   前記複数の突起の少なくとも１つは、途中で枝分かれしていることを特徴とするパルス管冷凍機の製造方法。

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