JPH10238877A

JPH10238877A - 冷凍機

Info

Publication number: JPH10238877A
Application number: JP4497897A
Authority: JP
Inventors: Yasumasa Hagiwara; 康正萩原; Kenichi Nara; 健一奈良; Shinichi Yatsuka; 真一八束
Original assignee: IDOTAI TSUSHIN SENTAN GIJUTSU; IDOTAI TSUSHIN SENTAN GIJUTSU KENKYUSHO KK
Current assignee: IDOTAI TSUSHIN SENTAN GIJUTSU; IDOTAI TSUSHIN SENTAN GIJUTSU KENKYUSHO KK
Priority date: 1997-02-28
Filing date: 1997-02-28
Publication date: 1998-09-08
Anticipated expiration: 2017-02-28
Also published as: JP2781380B1

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は、冷凍機に関し、パルス管冷凍機の
冷却原理を用いて冷却部における流体の圧縮・膨張と変
位との位相差を、熱損失なく簡易に制御できるようにし
て、小型化可能な構成で冷却能力や冷却効率を向上させ
る。【解決手段】圧縮機11、放熱器12、蓄冷器13をパルス
管冷凍機と同様に備えると共に蓄冷器13に隣接させて熱
交換器14およびバッファタンク15を配設し、銅よりなる
熱交換器14の内部または外部に等価回路でインダクタン
スＬおよび抵抗Ｒｓを構成するインダクタンス流路18を
設け、バッファタンク15が等価回路のコンデンサＣｂを
構成することにより、等価回路においてＬＣＲ回路を構
築する。この簡易で小型化可能な構成によって圧縮機11
によるガスの圧送・吸引と圧縮・膨張との間のインダク
タンス流路18における位相差を容易に９０゜に設定し熱
交換器14を介して冷却体17を効率よく冷却することがで
きる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、冷凍機に関し、詳
しくは、管状部材内の流体を圧縮・膨張させると共にそ
の流体を圧縮・膨張の間に該管状部材内を移動させるこ
とにより、冷却部と熱交換した熱の熱流を発生させ該冷
却部を冷却するものに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、冷却される部位にピストンな
どの駆動する部材を設けることなく、パルス管内のガス
（流体）を圧縮・膨張させつつ変位（移動）させること
により冷却部から熱を奪って冷却するパルス管冷凍機が
知られている。このパルス管冷凍機は、近年の超電導材
料の臨界温度が高温化するのに伴って、パルス管内にガ
スを収容するだけの簡単な構成で小型化が容易であると
共に、ガスをパルス管内に圧送・吸引する装置は外付け
することができる、という利点から最近注目されて各種
改良開発が進められている。

【０００３】この種のパルス管冷凍機の基本原理は、熱
交換器に接するガスを膨張させてその熱交換器から吸熱
する熱交換を行なわせた後に、そのガスを隣接する蓄冷
器方向に変位させるとともに圧縮させてその蓄冷器に放
熱する熱交換を行なわせ、これと同じことを蓄冷器内で
も行なわせることによって、熱交換器から奪った熱を蓄
冷器に蓄熱させつつ外部方向へ運び出す熱流を発生さ
せ、これによって、熱交換器の冷却部を極低温に冷却す
ることができる、と理解されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】このパルス管冷凍機
は、ガスの圧縮・膨張と変位とに大きな位相差、理想的
には９０゜の位相差を持たせることが、効率のよい冷却
を実現するためには必要であるが、旧来のものでは、単
に、蓄冷器およびパルス管にガスを圧送・吸引するよう
に圧縮機を連結するだけであったため、蓄冷器およびパ
ルス管の間の冷却部での位相差を制御することができず
冷却能力が不十分であった（所謂、ベーシック型）。

【０００５】このことから、近年のパルス管冷凍機で
は、図６に示すように、ガスの流路として、圧縮機のシ
リンダ１ａ、蓄冷器２およびパルス管３を直列に接続し
た後に、さらにパルス管３の後端部にオリフィス４およ
びバッファタンク５を設けることによって、シリンダ１
ａ内を往復するピストン１ｂの移動とパルス管３内のガ
スの圧縮・膨張との間の位相差を制御できるように工夫
することが行なわれている（所謂、オリフィス型）。

【０００６】さらに、図示は省略するが、シリンダ１ａ
と蓄冷器２の間からパルス管３とオリフィス４の間に別
個のオリフィスを有するバイパス流路を設けることによ
って、パルス管３内のガスの圧縮・膨張に同期するよう
にオリフィス４側から補助的にガスを導入して、冷却効
率を向上させることが提案されている（所謂、ダブルイ
ンレット型）。

【０００７】しかしながら、このような従来のパルス管
冷凍機にあっては、オリフィス型ではオリフィス４によ
りバッファタンク５に流出入するガスの流量を絞るだけ
なので冷却部での位相差を９０゜に近付けることが難し
く、ダブルインレット型ではバイパス流路を設けたこと
によりガスに循環流が生じてしまい熱損失が生じてしま
うという問題があった。

【０００８】このため、冷凍機には、容易に小型化する
ことのできる構成で、冷却部をより効率よく冷却して極
低温に保持する能力を備えるものが要求されている。そ
こで、本発明は、パルス管冷凍機の冷却原理を用いて冷
却部における流体の圧縮・膨張と変位との位相差を、熱
損失なく簡易に制御できるようにして、小型化可能な構
成で冷却能力や冷却効率を向上させることを目的とす
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的達成のため、請
求項１に記載の発明は、少なくとも一部を管状に形成さ
れ内部に流体を収容する管状部材と、管状部材の一端側
から流体の圧送および吸引を繰り返すことにより該管状
部材内の流体に圧縮および膨張を生じさせる流体制御手
段と、管状部材の流体制御手段に近接する側に配設され
被冷却体および流体の間の熱交換を行なう熱交換器と、
熱交換器および流体制御手段の間に配設され流体との間
で熱交換した熱を蓄積する蓄冷器と、を備え、流体の圧
送・吸引と圧縮・膨張との間に位相差を持たせることに
より、熱交換器から受け取った熱を蓄冷器により外部方
向に移動させて被冷却体を冷却する冷凍機において、管
状部材の熱交換器の位置する部位あるいは該部位より蓄
冷器から離隔する側に、等価回路でインダクタンスとし
て機能する流体の流路を形成し、該インダクタンス流路
は熱伝導率の大きな材料により形成したことを特徴とす
るものである。ここで、インダクタンス流路は、管状部
材内の流路の内径を絞って慣性（イナーシャ）を発生さ
せることにより等価回路におけるインダクタンスを構成
することができ、例えば、細管をスパイラルに形成した
コイル形状の流路としてもよい。

【００１０】この請求項１に記載の発明では、圧送・吸
引に応じて管状部材内で圧縮・膨張・移動される流体
は、インダクタンス流路内をも移動される。このとき、
インダクタンス流路は、等価回路においてインダクタン
スとして機能するとともに抵抗（流路抵抗）としても機
能する一方、このインダクタンス流路より蓄冷器や熱交
換器から離隔する側の管状部材は、所謂、バッファタン
クとして働いて等価回路においてコンデンサとして機能
する。このため、インダクタンス流路を設けるだけで、
熱交換器の蓄冷器の反対側に等価回路においてＬＣＲ回
路を構築することができ、熱交換器における流体の圧送
・吸引と圧縮・膨張との間に位相差を生じさせつつ、そ
の位相差をパルス管冷凍機の冷却原理で有効な９０゜に
容易に設定することができる。なお、以降の説明では、
簡易かつ判り易く説明するために、「等価回路におい
て」ということなく、流路がＬＣＲ回路やインダクタン
スを構成し機能するように説明する。

【００１１】また、通常では、流体の圧送・吸引を繰り
返したときには、熱交換器に接する部分が低温に冷却さ
れるので、外部に向かうほど高温（常温）となる温度勾
配が生じる。つまり、熱交換器を超電導材料の臨界温度
よりも低い極低温に冷却する場合には、一般的には蓄冷
器、熱交換器および管状部材の他端部手前までを真空チ
ャンバー内などに設置するなどにより、外部との間を断
熱（熱絶縁）する必要がある。この場合に、管状部材の
管長を長くできないときには、管状部材が断面積の小さ
な細管では気体の振動による伝熱促進により熱の侵入が
大きくなる。このため、短い管長の管状部材でも熱交換
器と外部との間を有効に断熱するためには、管状部材の
管径を大きくして不可逆変化を小さくし（断熱変化に近
付け）、かつ、内部のガスの移動（変位）を小さくする
ことにより、熱の侵入を小さくする必要がある。

【００１２】これに対して、本発明の管状部材は、イン
ダクタンス流路を熱交換器と一体あるいは隣接するよう
に設けられており、そのインダクタンス流路以外の管状
部材は、バッファタンク（コンデンサ）として機能する
ために一定容量以上あればよいので、管径や管長を自由
に設定することができ、また管状部材内の流体の変位は
流体を圧送・吸引される一端側から離隔する他端部で最
も小さくなり、その変位も管径の２乗に反比例して減少
する。したがって、インダクタンス流路以外の管状部材
において、不可逆変化を小さくし、かつ、流体の変位を
小さくすることにより、熱交換器と外部との間を有効に
断熱して熱の侵入を小さくすることができる。

【００１３】また、インダクタンス流路においては流体
の変位が大きいが、このインダクタンス流路は熱伝導率
の大きな材料により形成しているので、内部の流体の温
度勾配は小さく、流体による伝熱の促進は考慮する必要
がない。請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発
明の構成に加え、前記インダクタンス流路を、熱交換器
の内部あるいは外部に該熱交換器と一体に設けたことを
特徴とするものである。ここで、インダクタンス流路
は、熱交換器本体との接触面積を大きくするために一体
的に、例えば、内部にスパイラル状の流路や複数に分岐
する細い流路を刻設したり、熱交換器の外部に現れる状
態でコイル形状のパイプや分岐するパイプを取り付けれ
ばよい。

【００１４】この請求項２に記載の発明では、熱交換器
は熱伝導率の大きな材料により形成されるため、そのま
ま、その内部または外部に一体的にインダクタンス流路
を設けることができるので、インダクタンス流路を熱交
換器と別体に設ける場合よりも流路全体の外形を短くす
ることができる。請求項３に記載の発明は、請求項１ま
たは２に記載の発明の構成に加え、前記インダクタンス
流路の蓄冷器から離隔する側に、等価回路で抵抗として
機能する流体流路を形成したことを特徴とするものであ
る。ここで、抵抗流路は、絞る、曲げるなどとどの様な
形状としてもよく、例えば、所謂、流出入する流体を絞
るオリフィスや、流入する流体と熱交換した熱を放熱す
る流路を設けてもよい。具体的には、後述する実施形態
において説明する。なお、内部を流出入する流体により
発熱が生じる場合には、熱交換器から離隔させる位置に
配設するのが好適である。

【００１５】この請求項３に記載の発明では、インダク
タンス流路は抵抗としても機能して、その抵抗分をあま
りに大きく取ろうとすると、内部を流体が移動すること
により発熱が生じるが、その抵抗分はインダクタンス流
路から蓄冷器の反対側に離隔する抵抗流路に抵抗として
機能させ任意の値に設定することができる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明を図面に基づいて説
明する。図１は本発明に係る冷凍機の第１実施形態を示
す図である。なお、本実施形態は、請求項１、２に記載
の発明に対応する。図１（ａ）において、冷凍機は、圧
縮機11、放熱器12、蓄冷器13、熱交換器14、およびバッ
ファタンク（管状部材）15を直列に連通させて内部に収
容するガス（流体）が移動できるように連結されてお
り、蓄冷器13からバッファタンク15の後端部15ａ手前ま
では真空装置のチャンバー16内に配置して外部との断熱
を保っている。

【００１７】圧縮機11は、シリンダ11ａ内をピストン11
ｂが往復運動することによりガスを圧送・吸引する流体
制御手段を構成しており、この圧送・吸引によって放熱
器12以降におけるガスを圧縮・膨張させる。放熱器12
は、後述するガスの働きにより蓄冷器12から取り出され
た熱を外部に放出する。蓄冷器13は、詳細な図示は省略
するが、内部にガスの移動を許容しつつそのガスとの接
触面積を大きくするために、粒状の部材が詰められた
り、メッシュなど複数の開口を有するプレートが積層さ
れており、各々が接触するガスとの間で熱交換を行な
う。ここまでは、従来のパルス管冷凍機と同様に構成さ
れており、駆動したときには、シリンダ11ｂ内をピスト
ン11ａが往復してガスを圧送・吸引することにより蓄冷
器13、熱交換器14、バッファタンク15が収容するガスの
圧縮・膨張を繰り返すとともに、そのピストン11ａの往
復とガスの圧縮・膨張との間の熱交換器14の位置におけ
る位相差（理想的には９０゜）を持たせることによっ
て、熱交換器14から蓄冷器13を介して放熱器12に向かう
熱流を発生させ、その熱交換器14の冷却部に密着させた
被冷却体17を極低温に冷却するようになっている。

【００１８】そして、本実施形態は、熱交換器14以降の
等価回路でＬＣＲ回路を構築することを特徴としてい
る。具体的には、熱交換器14は、熱伝導率の高い材料、
例えば、安価且つ加工性に優れる銅により作製するとと
もに、ガスの流路として内部にスパイラル状（コイル形
状）に刻設した、あるいはその外面に銅パイプをコイル
形状となるように巻き付けたインダクタンス流路18を一
体に形成されており、このインダクタンス流路18は、細
い流路のコイル形状とすることによりインダクタンスＬ
および固定抵抗Ｒｓを構成させるようになっている。ま
た、バッファタンク15は、圧縮機11の圧送・吸引による
作用によってガスが熱交換器14内をスムーズに移動でき
るようにそのガスを溜めるようになっており、このバッ
ファタンク15はコンデンサＣｂ（容量Ｃｂ）を構成す
る。なお、インダクタンス流路18は、インダクタンスＬ
を構成すればよいので、一定の長さで断面積の小さな細
い流路（細管）にして慣性（イナーシャ）を発生させれ
ばよく、スパイラル状にするだけでなく、熱交換器14の
内外で分岐する細い流路としてもよい。

【００１９】したがって、従来技術で説明した図４に示
すオリフィス型のパルス管冷凍機においては、ピストン
１ｂの往復とパルス管３内のガスの圧縮・膨張との間の
位相差（以下、単に位相差ともいう）を制御するため
に、オリフィス４とバッファタンク５を設けているが、
この構成では、抵抗とコンデンサを組み合せただけの等
価回路であったため、その位相差を理想の９０゜にする
のは困難であった。これに対して、本実施形態では、イ
ンダクタンス流路18がインダクタンスＬおよび抵抗Ｒｓ
を構成すると共にバッファタンク15がコンデンサＣｂを
構成することによって、図１（ｂ）に示すＬＣＲ回路を
構築することができ、熱交換器14における位相差を容易
に共振周波数の９０゜にすることができる。このため、
圧縮機11を駆動させることにより、インダクタンス流路
18内のガスが効率よく熱交換器14から、つまり被冷却体
17から熱を奪って蓄冷器13を介して放熱器12へと運び出
してその被冷却体17を極低温にすることができる。すな
わち、本実施形態では、従来のパルス管冷凍機で位相差
を制御するために設けられていたパルス管３およびオリ
フィス４に代えてインダクタンス流路18を設けて熱交換
器14に管状部材を兼ねさせる構成となっている。

【００２０】ここで、熱交換器における位相差を９０゜
に制御するために、例えば図２（ａ）に示すように、図
６に示すパルス管冷凍機のオリフィス４に代えてインダ
クタンスおよび抵抗として機能するインダクタンス管
（流路）６を追加しても同様な効果を得ることができ
る、と考えることができる。しかし、この構成で圧縮機
を駆動させたときには、図２（ｂ）に示すように、熱交
換器とチャンバー７外との間に極低温から常温までの温
度勾配が生じた状態でガスが振動することになるので、
温度勾配のある流体が振動すると、高温から低温への熱
の侵入を促進する現象（所謂、逆スターリングサイクル
におけるシャトルロス）が現れ、熱交換器における位相
差を９０゜にすることができても熱損失も大きくなって
十分な能力を得ることができないという問題が生じる。

【００２１】この熱の侵入による損失が生じないように
するには、完全可逆変化（等温変化、断熱変化）にすれ
ばよいが、これでは冷却能力を得ることができない。ま
た、ガスの流路の断面積を大きくして流体の変位を小さ
くすればよいが（従来のパルス管３ではこれによって熱
損失が生じ難かった）、インダクタンスとして機能する
ために細い流路にしているのであることから、意味がな
い。

【００２２】しかるに、この損失が生じる外部から熱交
換器に向かう熱流量Ｑｄは、次式で表されるので、Ｑｄ＝ｋ・ω・▽Ｔ・０.５・Ｘ² ・・・ｋ；ガスの熱容量と不可逆仮定の程度で決定される値
に比例する係数 ω ；ガスが振動する際の角周波数 ▽Ｔ；ガスの移動方向の温度勾配Ｘ；管径（流路の直径） ▽Ｔ＝０とすることにより、Ｑｄ＝０として熱の侵入に
よる損失をなくすことができる。

【００２３】このことから、本実施形態では、断面積を
小さくする必要のあるインダクタンス流路18を熱伝導率
の高い材料からなる熱交換器14と一体に形成しているの
であり、これによって、インダクタンス流路18を独立し
て配設する場合よりも小型化していると共に、熱の侵入
による損失が生じるのを防止している。なお、蓄冷器13
は等温変化の完全可逆変化に近く、バッファタンク15は
断面積が大きいので、問題となる熱損失は生じ難い。

【００２４】このように本実施形態においては、熱交換
器14と一体にインダクタンス流路18を形成することによ
って、熱交換器14のガスとの接触面積を極めて大きくす
ることができるとともに、温度勾配のあるガスの振動に
よる熱の侵入を防止しつつ、圧縮機11によるガスの圧送
・吸引と圧縮・膨張との間の位相差を簡易な構成で９０
゜に容易に設定することができる。したがって、熱交換
器14を介して効率よく被冷却体17から熱を奪って外部へ
と運び出し、その被冷却体17を極低温にすることができ
るとともに、従来のパルス管冷凍機よりもさらに小型化
することができる。

【００２５】次に、図３は本発明に係る冷凍機の第２実
施形態を示す図であり、本実施形態は上述第１実施形態
と略同様に構成されているので、同様な構成には同一の
符号を付してその説明を省略する。なお、本実施形態
は、請求項１〜３に記載の発明に対応する。図３（ａ）
において、冷凍機は、バッファタンク15の後端部15ａに
別個のバッファタンク21を連結して追加すると共に、こ
れらバッファタンク15、21の間に絞り量を調整すること
によりガスの流量を制御可能なオリフィス22が配設され
ている。

【００２６】ここで、上述第１実施形態においては、イ
ンダクタンス流路18に所望の流路抵抗を発生させること
により、抵抗Ｒｓとしても機能するようにしていたが、
大きな抵抗分を取ろうとすると、流通するガスにより発
熱が生じて無視できなくなる場合がある。つまり、上述
第１実施形態による等価回路の共振周波数ωは次式で
求めることができ、 ω＝１／（Ｌ・Ｃｂ）^0.5 ・・・・・・・・ガスの共振時の体積Ｖの変化は、バッファタンク15の径
が一定であるときにはガスの変位に相当し、次式で求
めることができる。

【００２７】Ｖ＝（（Ｌ・Ｃｂ）^0.5）／Ｒｓ・・・したがって、式に示すように、ガスの変位はＬとＣｂ
の積に比例するとともにＲｓに逆比例するので、ＬとＣ
ｂの積を一定、つまり、式に示す周波数ωを位相差を
９０゜にする共振周波数に設定しつつ、適当なガスの変
位を得るためには、上述第１実施形態では、Ｒｓを調整
することになる。しかし、抵抗Ｒｓの値は、インダクタ
ンス流路18がインダクタンスＬを構成するためには最低
限の値が必要である一方、流通するガスによる発熱が大
きくなって無視できなくなるため、あまり大きな値にす
るができない。そして、放熱器12と蓄冷器13との位置関
係からガスの変位は大きく取りたい場合が多いが、イン
ダクタンスＬの値を大きくしようとすると、インダクタ
ンス流路18が極めて長くなってしまう。このため、上述
第１実施形態では、位相差や変位の調整の幅を広げると
いう課題があった。

【００２８】このため、本実施形態は、この課題を解消
するために、インダクタンス流路18以外に抵抗として機
能する抵抗流路を配設して、インダクタンス流路18での
発熱を抑えつつ自由にガスの変位を調整可能なＬＣＲ回
路を構築することを特徴としている。このことから、本
実施形態においては、バッファタンク15ａの後端部15ａ
に可変流路抵抗Ｒｖとして機能するオリフィス22を接続
すると共に、気密性を保持しつつそのオリフィス22を機
能させるためにコンデンサＣｐを構成するバッファタン
ク21を追加しており、これによって、直列に抵抗Ｒｖと
コンデンサＣｐを追加した図３（ｂ）に示すＬＣＲ回路
を構築している。この可変抵抗Ｒｖは等価回路中の何れ
の位置に配設してもよいが、オリフィス22は、チャンバ
ー16内に配設して抵抗分を大きく取る必要があるときに
は流通するガスにより発熱が生じて無視できなくなる場
合があることから、バッファタンク21と共にチャンバー
16の外部に配設している。なお、抵抗流路はオリフィス
22に限らず流路を曲げたり細管とすることによっても発
生させることができるが、容易に調整できることから本
実施形態のようにオリフィス22を採用するのが好適であ
る。

【００２９】したがって、本実施形態では、インダクタ
ンス流路18のインダクタンスＬおよび抵抗Ｒｓやバッフ
ァタンク15、21の容量Ｃｂ、Ｃｐを固定のままオリフィ
ス22を調整することにより図３（ｂ）に示す等価回路中
の抵抗分を所望の値にして、発熱や熱の侵入による損失
を抑えつつガスの変位を任意に調整することができ、熱
交換器14における位相差を９０゜に設定して被冷却体17
との間で熱交換した熱を効率よく蓄冷器13を介して放熱
器12へと運び出してその被冷却体17を極低温にすること
ができる。

【００３０】このように本実施形態においては、上述第
１実施形態の作用効果に加え、インダクタンス流路18以
外に可変抵抗Ｒｖとして機能するオリフィス22をバッフ
ァタンク21と共にチャンバー16の外部に配設しているの
で、インダクタンス流路18内を移動するガスによる発熱
を抑えつつＬＣＲ回路における抵抗分を自由に設定する
ことができ、抵抗Ｒｓ、Ｒｖによる発熱および温度勾配
のあるガスの振動による熱の侵入が生じて熱交換器14に
おける冷却を妨げてしまうことがない。したがって、効
率よく熱交換器14を介して被冷却体17から熱を奪って外
部へと運び出しその被冷却体17を極低温にすることがで
きるとともに、ガスの変位を自由に設定して冷凍機を構
成する各要素の設計の自由度を向上させることができ
る。

【００３１】次に、図４は本発明に係る冷凍機の第３実
施形態を示す図であり、本実施形態は上述第１実施形態
と略同様に構成されているので、同様な構成には同一の
符号を付してその説明を省略する。なお、本実施形態
は、請求項１〜３に記載の発明に対応する。図４（ａ）
において、冷凍機は、バッファタンク15の後端部15ａに
内部のガスとの接触面積を任意に設定した複数のメッシ
ュや金属製パイプ（例えば、銅パイプ）などを挿入して
放熱部31が構成されている。

【００３２】ここで、上述第２実施形態においては、バ
ッファタンク15の後端部15ａにオリフィス22を連結して
インダクタンス流路18の抵抗Ｒｓ以外に可変抵抗Ｒｖを
追加してガスの変位を任意に調整できるようにしている
が、本実施形態では、バッファタンク15の後端部15ａの
内部のガスの不可逆変化を大きくすることによって所望
の抵抗分を等価回路に設けたのと同等の効果を得るよう
になっている。

【００３３】具体的には、ガスが等温変化または断熱変
化の可逆変化をすることができずに、これらの間の不可
逆変化をする場合には、圧縮時に接触する部材に与えた
熱を膨張時に完全に取り戻すことができずに熱の散逸が
生じる。等価回路においては、この熱の散逸によりエネ
ルギーを失うことによっても抵抗分を設けたのと同等の
効果を得ることができる。

【００３４】つまり、バッファタンク15の後端部15ａ
は、チャンバー16の外部に露出させていることから、内
装する放熱部31が圧縮時に高温となったガスの熱を効率
よく熱交換して放熱する一方、膨張時には外気温と平衡
になることにより常温となった熱を取り戻すだけとして
熱の散逸を大きくする。本実施形態は、このように内部
のガスが不可逆変化する後端部15ａにガスとの接触面積
を大きくする放熱部31を設けてインダクタンス流路18以
外の抵抗分として機能させることによって、図４（ｂ）
に示すＬＣＲ回路を構築することができる。したがっ
て、本実施形態によっても、インダクタンス流路18での
発熱を抑えつつガスの変位を容易に設定することがで
き、上述第１実施形態の課題を解消することができる。
なお、この後端部15ａに設けた放熱部31は、複数のメッ
シュや金属製パイプなどを挿入して構成しているので、
容量Ｃｐとしても機能して、図４（ｂ）に示すように、
抵抗ＲｐとコンデンサＣｐを並列に追加したＬＣＲ回路
となる。

【００３５】このように本実施形態においては、上述第
１実施形態の作用効果に加え、インダクタンス流路18以
外に抵抗Ｒｐとして機能（容量Ｃｐを兼ねる）するよう
にバッファタンク15の後端部15ａに放熱部31を配設して
いるので、インダクタンス流路18内を移動するガスによ
る発熱を抑えつつＬＣＲ回路における抵抗分を自由に設
定することができる。また、この後端部15ａはチャンバ
ー16ａから露出して内部のガスに温度勾配が生じないの
で、ガスの振動による熱の侵入がなく、内部のガスの圧
縮時の熱が熱交換器14による冷却に影響することもな
い。さらに、上述第２実施形態のようにオリフィス22や
バッファタンク21を外部に追加するのではなく、放熱部
31をバッファタンク15の後端部15ａに内装するだけなの
でガスの流路が延長されることもない。したがって、装
置外形を大型化することなく、効率よく熱交換器14を介
して被冷却体17から熱を奪って外部へと運び出しその被
冷却体17を極低温にすることができるとともに、ガスの
変位を自由に設定して冷凍機を構成する各要素の設計の
自由度を向上させることができる。

【００３６】

【実施例】次に、図５は本発明に係る冷凍機の実施形態
の実施例を示す図であり、実際に組み立てたときの一例
を示す斜視図である。なお、本実施例は、上述第２実施
形態に適用した場合の一例を示している。図５におい
て、熱交換器14は、一対の板状部材を対面させて被冷却
体17を取り付ける冷却ヘッド（冷却部）14ａと、その冷
却ヘッド14ａの間を連結する円柱あるいは円筒形状の胴
部14ｂとが銅により作製されており、その胴部14ｂの外
面には、銅パイプをコイル形状となるように巻き付けた
インダクタンス流路18が効率よく熱を伝導するように組
み付けられている。このインダクタンス流路18は、同一
方向側に両端がくるように胴部14ｂに巻き付けられてお
り、一端側には圧縮機11および放熱器12に連通する蓄冷
器13が取り付けられ、他端側にはバッファタンク21およ
びオリフィス22に連通するバッファタンク15が取り付け
られた状態で真空チャンバー16内に設置されている。

【００３７】本実施例では、インダクタンス流路18はコ
イル形状（スパイラル）に巻くことから上述実施形態を
図１、図３、図４に図示したように圧縮機11からバッフ
ァタンク21まで直線的に配置する必要はなく、蓄冷器13
やバッファタンク15に連結するインダクタンス流路18の
両端側を同一方向にしても何等問題はない。したがっ
て、このような配置にすることによって、冷凍機の装置
外形をコンパクトにまとめることができ、小型化するこ
とができる。つまり、上述実施形態では、本実施例のよ
うにインダクタンス流路18の両端側を同一方向にするだ
けでなく、その両端側を熱交換器14の何れの部位からも
延長することができ、その延長方向も平行に限る必要も
なく、自由に設計することができる。

【００３８】また、本実施例の他の態様としては、図示
は省略するが、被冷却体17が大きく表面や内部に温度差
が生じ易いときには、被冷却体17を胴部14ｂ内にセット
してインダクタンス流路18がその被冷却体17を包むよう
に構成してもよい。このように構成することによって、
被冷却体17を均一に冷却することができる。すなわち、
インダクタンス流路18は、銅パイプなどにより構成すれ
ばよいので、被冷却体17の大小や異形などの形状に応じ
て効率よく冷却できるように自由に取り廻して、冷却部
を被冷却体17に適したものに容易にすることができる。

【００３９】なお、上述実施形態および本実施例の何れ
も熱交換器14がインダクタンス流路18を内装または外装
して被冷却体17とガスとの熱交換と共に位相差の制御を
も行なうようにして、小型化を図っているが、これに限
るものではなく、熱交換器14とインダクタンス流路18と
を別体に構成して、それぞれ熱伝導率の高い材料により
作製しても同様な作用効果を得られることはいうまでも
ない。

【００４０】

【発明の効果】請求項１に記載の発明によれば、流体を
管状部材内に圧送・吸引することにより圧縮・膨張させ
たとき、インダクタンス流路および他の管状部材の部分
がＬＣＲ回路を構築しているので、その流体の圧送・吸
引と圧縮・膨張との間の位相差を容易に制御することが
でき、簡易な構成でその位相差を９０゜に設定すること
ができる。このインダクタンス流路は、熱伝導率の大き
な材料により形成しているので、温度勾配のある流体が
振動したとしても高温から低温へ熱が侵入することによ
る熱損失がない。したがって、小型化を図りつつ冷却能
力や冷却効率を向上させることができる。

【００４１】請求項２に記載の発明によれば、熱伝導率
の大きな材料により形成する熱交換器の内部または外部
にインダクタンス流路を一体に設けるので、別体にする
場合よりもインダクタンス流路分だけ外形を短くするこ
とができる。したがって、熱交換器とインダクタンス流
路を別体にする場合よりも小型にすることができる。請
求項３に記載の発明によれば、インダクタンス流路以外
に抵抗として機能する抵抗流路を設けるので、インダク
タンス流路内を移動する流体による発熱を小さくしつつ
ＬＣＲ回路における抵抗分および配設位置を自由に設定
することができ、熱交換器による冷却を妨げることがな
い。したがって、冷却能力や冷却効率を低下させてしま
うことがない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る冷凍機の第１実施形態を示す図で
あり、（ａ）はその概略全体構成を示す透視概念図、
（ｂ）はその等価回路を示す回路図である。

【図２】その作用効果を説明するための冷凍機を示す図
であり、（ａ）はその透視概念図、（ｂ）はその内部の
ガスの温度勾配を示すグラフである。

【図３】本発明に係る冷凍機の第２実施形態を示す図で
あり、（ａ）はその概略全体構成を示す透視概念図、
（ｂ）はその等価回路を示す回路図である。

【図４】本発明に係る冷凍機の第３実施形態を示す図で
あり、（ａ）はその概略全体構成を示す透視概念図、
（ｂ）はその等価回路を示す回路図である。

【図５】その第２実施形態を実施した場合の実施例を示
す斜視図である。

【図６】従来の冷凍機の概略全体構成を示す概念図であ
る。

【符号の説明】

11 圧縮機（流体制御手段） 12 放熱器 13 蓄冷器 14 熱交換器（管状部材） 14ａ冷却ヘッド（冷却部） 15 バッファタンク（管状部材） 15ａ後端部 16 真空チャンバー 17 被冷却体 18 インダクタンス流路 21 バッファタンク 22 オリフィス（流体流路） 31 放熱部（流体流路）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも一部を管状に形成され内部に流
体を収容する管状部材と、管状部材の一端側から流体の
圧送および吸引を繰り返すことにより該管状部材内の流
体に圧縮および膨張を生じさせる流体制御手段と、管状
部材の流体制御手段に近接する側に配設され被冷却体お
よび流体の間の熱交換を行なう熱交換器と、熱交換器お
よび流体制御手段の間に配設され流体との間で熱交換し
た熱を蓄積する蓄冷器と、を備え、流体の圧送・吸引と圧縮・膨張との間に位相差を持たせ
ることにより、熱交換器から受け取った熱を蓄冷器によ
り外部方向に移動させて被冷却体を冷却する冷凍機にお
いて、管状部材の熱交換器の位置する部位あるいは該部位より
蓄冷器から離隔する側に、等価回路でインダクタンスと
して機能する流体の流路を形成し、該インダクタンス流路は熱伝導率の大きな材料により形
成したことを特徴とする冷凍機。
【請求項２】前記インダクタンス流路を、熱交換器の内
部あるいは外部に該熱交換器と一体に設けたことを特徴
とする請求項１に記載の冷凍機。
【請求項３】前記インダクタンス流路の蓄冷器から離隔
する側に、等価回路で抵抗として機能する流体流路を形
成したことを特徴とする請求項１または２に記載の冷凍
機。