JPH10325626A - パルス管冷凍機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 製作や分解補修が容易な構造をもつ高性能の
パルス管冷凍機を提供する。 【解決手段】 冷凍部２０を一直線状に配置したパルス
管冷凍機において、冷凍部２０の一端側を形成する蓄冷
器１４を真空容器１２の基部１２ａに固定する。そして
冷凍部２０の他端側のパルス管１８の高温端１８ａを支
柱２６で基部１２ａに結合し、これら冷凍部２０および
支柱２６を真空容器１２の蓋部１２ｂで覆って真空室１
２ｃ内に収納する。蓋部１２ｂが冷凍部２０に固定され
ていないため基部１２ｂの着脱が可能となる。又支柱２
６でパルス管１８の高温端０８ａの熱を基部１２ａに導
出しているので冷凍性能が維持できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、断熱用の真空容器
内に蓄冷器、冷却器およびパルス管とが一直線状に配置
されるパルス管冷凍機に関する。

【０００２】

【従来の技術】パルス管冷凍機は、作動ガス（流体）に
圧力変動および往復動（位置変動）からなる仕事を与え
る圧力振動源と、蓄冷器、冷却器およびパルス管からな
り該冷却器（コールドヘッド）を挟む該蓄冷器および該
パルス管が前記作動ガスの仕事により汲上げられる熱の
移動経路をなす冷凍部と、該冷凍部の両高温端における
熱を放出する放熱器と、圧力振動源により投入された仕
事のうち蓄冷器を通り抜けた圧力変動や往復動の吸収や
位相の調整を行う位相調節機構とから構成される。圧力
振動源は、往復動ピストン等のシリンダの容積変化によ
り圧力変動を発生する形態と、例えば回転圧縮機等によ
り得られる高、低圧源を弁の切換えで圧力振動を発生す
る形態とがある。位相調節機構はパルス管側の高温端に
接続され、オリフィスとタンクやバルブあるいはピスト
ンなどで構成される。

【０００３】上記冷凍機において、その効率を上げるた
めの手段として、パルス管内の作動ガスの流れを乱れさ
せないように、冷凍部の構成を蓄冷器、冷却器およびパ
ルス管の順でほぼ直線状に配置する場合がある。このよ
うなパルス管冷凍機の従来の具体的構成は、図１に示す
ように、蓄冷器１、冷却器２およびパルス管３をほぼ直
線状に配置してなる冷凍部４を真空容器５の真空室内に
収納し、蓄冷器１側の高温端を放熱する放熱器６を真空
容器５の基部５ａに熱接触して高効率の放熱を図ると共
に、パルス管３側の高温端３ａを放熱のために真空容器
５の外部に出している。圧力振動源７は前記放熱作用を
行う真空容器５の基部５ａを介して蓄冷器１に隣接した
放熱器６に連結され、位相調節機構８はパルス管３の高
温端３ａに連結される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図１に
示すような冷凍機の構成では、放熱器６、蓄冷器１、冷
却器２、パルス管３からなるほぼ直線状のユニットが、
真空容器５の基部５ａと該基部５ａにキャップ状に被せ
る蓋部５ｂとに固定されているため、極めて製作が困難
でかつ補修作業もしにくい構造になっている。すなわ
ち、真空容器５は、放熱器６の一部となる基部５ａと、
該基部５ａに被せるキャップ状の蓋部５ｂとから構成
し、前記ユニットの放熱器６側を固定した状態でパルス
管３側より蓋部５ｂを被せるような２ピースの形態が製
作しやすいが、図１の構成ではパルス管３の高温端３ａ
を蓋部５ｂに固定し蓄冷器１の高温端を蓋部５ｂに固定
している。従って、蓋部５ｂと基部５ａとが着脱不能で
製作や補修時の分解作業を困難にしている。

【０００５】また、２端固定の構造を回避するためパル
ス管３側の高温端３ａと位相調節機構８を真空容器５内
に納めた場合、該高温端３ａからの放熱が十分できず冷
凍部４の冷凍性能を劣化させてしまう。従って本発明
は、かかる２端固定の構造や製作過程を回避し、製作が
容易で冷凍部の性能も維持できるパルス管冷凍機を提供
することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決した本発
明のパルス管冷凍機は、放熱器となる基部と該基部に取
付けられた蓋部とからなり、該基部および該蓋部で囲ま
れた内部空間に真空室を形成する真空容器と、該基部に
固定された蓄冷器と該蓄冷器の他端側に固定された冷却
器および該冷却器の他端側に固定されたパルス管とから
なり該真空室内にほぼ直線状に配置された冷凍部と、位
相調整機構および該パルス管の他端と該位相調整機構と
を連結する配管と、該真空室外に設けられ該放熱器を形
成する該基部を介して該蓄冷器に連結された圧力振動源
と、該パルス管の該他端と該基部とを連結し該真空室内
に配置された伝熱手段と、からなることを特徴とする。

【０００７】本発明のパルス管冷凍機では、冷凍部の一
端側を形成する蓄冷器を真空容器の基部に固定すると共
に冷凍部の他端側のパルス管の高温端を伝熱手段を介し
て同じく真空容器の基部に固定し、これら冷凍部及び伝
熱手段を真空容器の蓋部で覆って真空室内に収納するた
め、パルス管の高温端の熱が伝熱手段を介して基部に伝
わり、基部が放熱機能を果すことによりパルス管の高温
端を積極的に放熱して高性能な冷凍作用を行う。

【０００８】

【発明の実施の形態】本発明の実施形態に係るパルス管
冷凍機では、放熱器を設けた真空容器の基部に、蓄冷
器、冷却器およびパルス管をほぼ直線状に連結してなる
冷凍部の一方の高温端、すなわち蓄冷器側が固定され、
該冷凍部の他方の高温端、すなわちパルス管側が伝熱手
段を介して真空容器の基部と連結され、両高温端は真空
容器の基部にて冷却される。基部には圧力振動源と位相
調整機構とが連結される。これにより、冷凍部、圧力振
動源および位相調整機構とは真空容器の基部に一体に組
付けることができる。そして、この冷凍部と伝熱手段と
を覆うように蓋部を基部に嵌合すれば冷凍機を容易に製
作し得る。従って、蓋部は基部に着脱自在となり、冷凍
部等の補修を容易に行うことができ、冷凍性能も良好と
なる。

【０００９】上記伝熱手段には弾性変位部をもつことが
できる。この弾性変位部により伸縮しない伝熱手段を伸
縮する冷凍部に整合させ、冷凍部の伸縮による伝熱手段
のひずみを弾性変位部のたわみによって吸収することが
できる。伝熱手段は熱の良導体を用いて構成する。熱の
良導体としては、銅、アルミニウム等の金属およびそれ
らの適当な合金が挙げられる。

【００１０】伝熱手段の弾性変位部は、伝熱手段全体が
湾曲変位する構造や、一部に湾曲変位する部分で構成す
ることができる。圧力振動源は、シリンダ内に収嵌した
往復動ピストンにより作動ガスに圧力変動を発生される
タイプや、例えば回転圧縮機、高圧ボンベおよび低圧ボ
ンベ等よりの高、低圧を弁の切換えで発生するタイプを
用いることができる。

【００１１】位相調節機構はオリフィスとタンクやバル
ブあるいはピストンなどで構成することができる。

【００１２】

【実施例】本発明を実施例に基づき図面を参照して説明
する。 （第１実施例）図２は本発明の第１の実施例のパルス管
冷凍機の概略構成図である。図２に示すパルス管冷凍機
は、内部に真空室１２ｃを形成する真空容器１２と、該
真空室１２ｃに収納され、例えば銅のメッシュを内蔵さ
せた蓄冷器１４、冷却器１６およびパルス管１８をこの
順でほぼ直線状に連結してなる冷凍部２０と、該真空容
器１２の外部に配置され、該冷凍部２０内の作動ガスを
振動させる圧力振動源２２と、該冷凍部２０におけるパ
ルス管１８の高温端１８ａに連結された位相調節機構２
４とを主要素として構成されている。

【００１３】真空容器１２は、基部１２ａと該基部１２
ａに着脱自在な樹脂製でキャップ状の蓋部１２ｂとから
構成されている。前記冷凍部２０における蓄冷器１４の
高温端１４ａは該基部１２ａに固定されている。前記冷
凍部２０におけるパルス管１８の高温端１８ａは本発明
の伝熱手段を構成する支柱２６を介して基部１２ａに固
定されている。また、パルス管１８の高温端１８ａは、
該パルス管１８より内径の小さい配管２８に連結され該
配管２８の他端は基部１２ａを貫通して位相調節機構２
４に連結されている。

【００１４】圧力振動源２２は、シリンダ２２ａとピス
トン２２ｂとからなり、ピストン２２ｂの往復動で作動
ガスに圧力変動と位置変動を与えて冷凍部１６内のガス
圧力を振動させる。圧力振動源２２は蓄冷器１４側に配
置されるが、蓄冷器１４には放熱器２３が隣接され、圧
力振動源２２は該放熱器２３を介して蓄冷器１４に連結
されている。この放熱器２３は真空容器１２の基部１２
ａ内に一体化されているが、基部１２ａが放熱機能を果
せば特に放熱器２３として必要なものではない。 位相
調節機構２４は、作動ガスが充填されたタンク２４ａと
該タンク２４ａと配管２８との間に介装された弁２４ｂ
とから構成されている。位相調節機構２４は弁２４ｂの
開閉を所定のタイミングで行うことにより、冷凍部１６
内の作動ガスの圧力変動と位置変動との位相差を調整す
る。弁２４ｂに代えてオリフィス（微小孔）あるいは十
分な長さの細管を用いることも可能である。支柱２６
は、冷凍部１６と共に真空容器１２内に収納されてい
る。

【００１５】作動ガスはヘリウムガスである。勿論、所
望の冷凍温度や出力などに応じて作動ガスを適宜選択す
ることができる。ヘリウムの他に、例えばアルゴン、水
素、これら（ヘリウムを含む）の混合ガスを用いること
ができる。上記構成よりなるパルス管冷凍機の動作は、
圧力振動源２２のピストン２２ｂの往復動により、冷凍
部２０内の作動ガスに圧力振動と位置変動（往復動）が
生じ、この圧力振動と位置変動との間の位相差によって
気体のＰＶ特性を利用した冷凍発生の過程が醸成され
る。そして、圧力振動源２２のピストン２２ｂの往復動
に対して位相調節機構２４の弁２４ａの開閉を所定のタ
イミングに調節することにより前記位相差を調節する
と、蓄冷器１４およびパルス管１８に熱の移動が生じて
冷却器１６において極低温が得られるものである。

【００１６】本パルス管冷凍機においては、冷凍部２０
の蓄熱器１４側の高温端１４ａを真空容器１２の基部１
２ａに固定すると共に他方のパルス管１８側の高温端１
８ａを支柱２６を介して同基部１２ａと連結しているた
め、パルス管１８側の高温端１８ａの熱の導出が当該基
部１２ａにて行われると共に、真空容器１２の基部１２
ａに、真空室１２ｃ内に収納する冷凍部２０および支柱
２６等を予め組付けることができる。加えて圧力振動源
２２および位相調節機構２４も当該基部１２ａに一体に
連結することもできる。従って、この冷凍部２０および
支柱２６等を覆って蓋部１２ｂを基部１２ａに嵌合する
だけの簡単な作業で本冷凍機を製作し得る。換言すれ
ば、圧力振動源２２と位相調節機構２４とがＵ字状の寒
冷系（冷凍部２０および配管２８）で結ばれた形態とな
るため、寒冷系を真空容器１２内に収納するだけで冷凍
機を製作できる。

【００１７】また、放熱器２３と反対側に位置するパル
ス管１８の高温端１８ａを支柱２６を介して当該基部１
２ａに連結しているため、室温部に出して熱を導出する
従来構造の冷凍部の性能を維持することができる。かく
して第１実施例のパルス冷凍機は、製作が容易で冷凍部
の伸縮にも対処できかつ冷凍性能の良好なパルス管冷凍
機を提供することができる。

【００１８】また、蓋部１２ｂは基部１２ａに着脱自在
となり、内部の補修を容易に行うことができる利点もあ
る。 （第２実施例）図３にこの発明の第２実施例のパルス管
冷凍機を示す。第２実施例は第１実施例の支柱２６に弾
性変位部２６ａを設けたものである。第１実施例の冷凍
機では、冷凍部２０は冷却器１６付近が低温になり収縮
するが、パルス管１８の高温端１８ａを放熱する支柱２
６は、低温にならないため、冷凍部２０にひずみを生じ
させる。第２実施例の冷凍機では、支柱２６に弾性変位
部２６ａが設けられているため、冷凍部２０が伸縮して
もこの弾性変位部２６ａが湾曲変形して冷凍部２０のひ
ずみを吸収することができる。

【００１９】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、放熱
器と反対側に位置するパルス管の高温端を支柱を介して
熱を導出しているため、放熱器となる真空容器の基部
に、真空室に収納する冷凍部および支柱等を予め組付け
ることができ、製作が容易なパルス管冷凍機を提供する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 従来のパルス管冷凍機を示す概略構成図であ
る。

【図２】 本発明の第１実施例に係るパルス管冷凍機を
示す概略構成図である。

【図３】 本発明の第２実施例に係るパルス管冷凍機を
示す概略構成図である。

【符号の説明】

１２…真空容器、１２ｃ…真空室、１４…蓄冷器、１６
…冷却器、１８…パルス管、２０…冷凍部、２２…圧力
振動源、２４…位相調節器、２６…支柱、２６ａ…弾性
変位部、２８…配管。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 放熱器となる基部と該基部に取付けられ
   た蓋部とからなり、 該基部および該蓋部で囲まれた内部空間に真空室を形成
   する真空容器と、 該基部に固定された蓄冷器と該蓄冷器の他端側に固定さ
   れた冷却器および該冷却器の他端側に固定されたパルス
   管とからなり該真空室内にほぼ直線状に配置された冷凍
   部と、 位相調整機構および該パルス管の他端と該位相調整機構
   とを連結する配管と、 該真空室外に設けられ該放熱器を形成する該基部を介し
   て該蓄冷器に連結された圧力振動源と、 該パルス管の該他端と該基部とを連結し該真空室内に配
   置された伝熱手段と、 からなることを特徴とするパルス管冷凍機。
2. 【請求項２】 前記伝熱手段は弾性変位部をもつ請求項
   １記載のパルス管冷凍機。