JPWO2011115107A1

JPWO2011115107A1 - 蓄冷器、ｇｍ冷凍機及びパルスチューブ冷凍機

Info

Publication number: JPWO2011115107A1
Application number: JP2012505697A
Authority: JP
Inventors: 名堯許
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2010-03-19
Filing date: 2011-03-15
Publication date: 2013-06-27
Anticipated expiration: 2031-03-15
Also published as: US20130000326A1; WO2011115107A1; CN102803867B; US8991196B2; JP5575875B2; CN102803867A

Abstract

作動ガスの寒冷を蓄冷するヘリウム冷却式の蓄冷器であって、作動ガスが流通する第１の区画と、蓄冷材としてのヘリウムガスが収容される第２の区画とを有し、前記第２の区画は、ヘリウム源に接続された蓄冷材用配管と接続されることを特徴とするヘリウム冷却式の蓄冷器。

Description

本発明は、蓄冷器に関し、特に蓄冷式の冷凍機に使用され得る蓄冷器に関する。

ギフォード・マクマホン式（ＧＭ）冷凍機、パルスチューブ冷凍機等の蓄冷式冷凍機は、１００Ｋ程度の低温から４Ｋ（ケルビン）の極低温までの範囲の寒冷を発生することができ、超電導磁石や検出器等の冷却、クライオポンプ等に用いることができる。

例えば、ＧＭ冷凍機では、圧縮機で圧縮されたヘリウムガスのような作動ガスが蓄冷器に導かれ、蓄冷器内の蓄冷材で予冷される。さらに、作動ガスは、膨張室で膨張仕事に相当した寒冷を発生した後、再び蓄冷器を通過し、圧縮機に戻る。この際に、作動ガスは、次に誘導される作動ガスのため、蓄冷器内の蓄冷材を冷やしながら、蓄冷器を通過する。この行程を１サイクルとすることにより、周期的に寒冷が発生される。

このような蓄冷式冷凍機において、温度が３０Ｋ未満の極低温を発生させることが必要な場合、上述のような蓄冷器の蓄冷材として、ＨｏＣｕ_２等の磁性材料が使用される。

また、最近では、ヘリウムガスを蓄冷器の蓄冷材として使用することが検討されている。このような蓄冷器は、ヘリウム冷却式の蓄冷器とも称される。例えば、特許文献１には、内部にヘリウムガスが充填された多数の熱伝導性カプセルを蓄冷器の蓄冷材として使用することが示されている。

図１は、各温度におけるヘリウムガスとＨｏＣｕ_２磁性材料の比熱の変化を示す。図１から明らかなように、約１０Ｋ前後の極低温域では、圧力が１．５ＭＰａ程度のヘリウムガスの比熱は、ＨｏＣｕ_２磁性材料の比熱を上回る。従って、このような温度域では、ＨｏＣｕ_２磁性材料の代わりにヘリウムガスを使用することにより、より効率的な熱交換を行うことが可能になる。

しかしながら、実際には、特許文献１のようなカプセルを製作することは容易ではない。例えば、４Ｋにおいてカプセル内のヘリウムガスが１．５ＭＰａ程度の圧力を有するためには、室温において、おおよそ１６０ＭＰａ程度の圧力が必要となる。このような高圧のヘリウムが充填されたカプセルは、簡単に製作することはできない。また、このような高圧に耐え得るカプセルを形成しようとすると、カプセルの肉厚がどうしても厚くなってしまい、熱伝導性が低下してしまう。

このため、最近では、蓄冷器の内部に、孔を備える複数の容器を配置し、この穴を介して、装置の作動ガスとして使用されるヘリウムガスを容器内に流通させ、ヘリウム冷却式の蓄冷器を構成することが報告されている（特許文献２）。

特開平１１−３７５８２号公報特許第２６５０４３７号公報

特許文献２に記載のヘリウム冷却式の蓄冷器では、容器に設けられた穴を介して、作動ガスでもあるヘリウムガスが容器内に流入、流出することにより、蓄冷器が構成される。しかしながら、このようなヘリウムガスの容器内への流入、容器からの流出が頻繁に生じると、容器内において蓄冷材として機能するヘリウムガスの圧力変動が大きくなる。また、これに伴い、蓄冷材であるヘリウムガスの温度が不安定となり、蓄冷器が安定な蓄冷性能を維持することが難しくなってしまう。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、従来の方式に比べて、より安定に蓄冷性能を維持することが可能なヘリウム冷却式の蓄冷器、及び前記蓄冷器を備える冷凍機を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、本発明のヘリウム冷却式の蓄冷器は、作動ガスの寒冷を蓄冷するヘリウム冷却式の蓄冷器であって、作動ガスが流通する第１の区画と、蓄冷材としてのヘリウムガスが収容される第２の区画とを有し、前記第２の区画は、ヘリウム源に接続される蓄冷材用配管と接続されることを特徴とする。

本発明によれば、従来の方式に比べて、より安定に蓄冷性能を維持することが可能なヘリウム冷却式の蓄冷器、及び前記蓄冷器を備える冷凍機を提供することができる。

各温度におけるヘリウムガスとＨｏＣｕ_２磁性材料の比熱の変化を示すグラフである。一般的なＧＭ冷凍機の構成を示す概略図である。従来のヘリウム冷却式の蓄冷器の一例を示す概略図である。本発明の実施形態のヘリウム冷却式の蓄冷器の構成を示す概略断面図である。本発明の実施形態の蓄冷器を備えるＧＭ冷凍機の構成例を示す概略図である。本発明の実施形態の蓄冷器を備えるパルスチューブ冷凍機の構成例を示す概略図である。本発明の実施形態の蓄冷器を備えるパルスチューブ冷凍機の別の構成例を示す概略図である。本発明の実施形態の蓄冷器を備えるパルスチューブ冷凍機のさらに別の構成例を示す概略図である。

発明を実行するための形態

まず、本発明をより良く理解するため、ヘリウム冷却式の蓄冷器を備える一般的な蓄冷式冷凍機の構成について説明する。

図２は、蓄冷式冷凍機の一例として、ＧＭ（ギフォード・マクマホン）冷凍機の概略構成を示す。

ＧＭ冷凍機１は、ガス圧縮機３と、冷凍機として機能する２段式のコールドヘッド１０とを有する。コールドヘッド１０は、第１段冷却部１５と、第２段冷却部５０とを有し、これらの冷却部は、フランジ１２に同軸となるように連結される。

第１段冷却部１５は、中空状の第１段シリンダ２０と、この第１段シリンダ２０内に、軸方向に往復運動可能に設けられた第１段ディスプレーサ２２と、第１段ディスプレーサ２２内に充填された第１段蓄冷器３０と、第１段シリンダ２０の低温端２３ｂ側の内部に設けられ、第１段ディスプレーサ２２の往復運動により容積が変化する第１段膨張室３１と、第１段シリンダ２０の低温端２３ｂ付近に設けられた第１段冷却ステージ３５とを有する。第１段シリンダ２０の内壁と第１段ディスプレーサ２２の外壁との間には、第１段シール３９が設けられる。

第１段シリンダ２０の高温端２３ａには、第１段蓄冷器３０に対してヘリウムガスを流出入させるため、複数の第１段高温側流通路４０−１が設けられる。また、第１段シリンダ２０の低温端２３ｂには、第１段蓄冷器３０及び第１段膨張室３１にヘリウムガスを流出入させるため、複数の第１段低温側流通路４０−２が設けられる。

第２段冷却部５０は、第１段冷却部１５と略同様の構成を有し、中空状の第２段シリンダ５１と、第２段シリンダ５１内に軸方向に往復運動可能に設けられた第２段ディスプレーサ５２と、第２段ディスプレーサ５２内に充填された第２段蓄冷器６０と、第２段シリンダ５１の低温端５３ｂの内部に設けられ、第２段ディスプレーサ５２の往復運動により容積が変化する第２段膨張室５５と、第２段シリンダ５１の低温端５３ｂ付近に設けられた第２段冷却ステージ８５とを有する。第２段シリンダ５１の内壁と第２段ディスプレーサ５２の外壁との間には、第２段シール５９が設けられる。第２段シリンダ５１の高温端５３ａには、第１段蓄冷器３０に対してヘリウムガスを流出入させるため、第２段高温側流通路４０−３が設けられる。また、第２段シリンダ５１の低温端５３ｂには、第２段膨張室５５にヘリウムガスを流出入させるため、複数の第２段低温側流通路５４−２が設けられる。

ＧＭ冷凍機１において、ガス圧縮機３からの高圧のヘリウムガスは、バルブ５及び配管７を介して、第１段冷却部１５に供給され、また、低圧のヘリウムガスは、第１段冷却部１５から配管７及びバルブ６を介して、ガス圧縮機３に排気される。第１段ディスプレーサ２２及び第２段ディスプレーサ５２は、駆動モータ８により、往復運動される。また、これに連動して、バルブ５及びバルブ６の開閉が行われ、ヘリウムガスの吸排気のタイミングが制御される。

第１段シリンダ２０の高温端２３ａは、例えば室温に設定され、低温端２３ｂは、例えば２０Ｋ〜４０Ｋに設定される。第２段シリンダ５１の高温端５３ａは、例えば２０Ｋ〜４０Ｋに設定され、低温端５３ｂは、例えば４Ｋに設定される。

次に、このような構成のＧＭ冷凍機１の動作について、簡単に説明する。

まず、バルブ５が閉、バルブ６が閉の状態で、第１段ディスプレーサ２２及び第２段ディスプレーサ５２が、それぞれ、第１段シリンダ２０及び第２段シリンダ５１内の下死点にあるとする。

ここで、バルブ５を開状態とし、排気バルブ６を閉状態とすると、ガス圧縮機３から、高圧のヘリウムガスが第１段冷却部１５に流入する。高圧のヘリウムガスは、第１段高温側流通路４０−１から第１段蓄冷器３０に流入し、第１段蓄冷器３０の蓄冷材によって所定の温度まで冷却される。冷却されたヘリウムガスは、第１段低温側流通路４０−２から第１段膨張室３１に流入する。

第１段膨張室３１へ流入した高圧のヘリウムガスの一部は、第２段高温側流通路４０−３から第２段蓄冷器６０に流入する。このヘリウムガスは、第２段蓄冷器６０の蓄冷材によって、さらに低い所定の温度まで冷却され、第２段低温側流通路５４−２から第２段膨張室５５に流入する。これらの結果、第１段膨張室３１及び第２段膨張室５５内は、高圧状態となる。

次に、第１段ディスプレーサ２２及び第２段ディスプレーサ５２が上死点に移動するとともに、バルブ５が閉じられる。また、バルブ６が開かれる。これにより、第１段膨張室３１及び第２段膨張室５５内のヘリウムガスは、高圧の状態から低圧の状態となり、体積が膨張し、第１段膨張室３１及び第２段膨張室５５に寒冷が発生する。また、これにより、第１段冷却ステージ３５及び第２段冷却ステ−ジ８５がそれぞれ冷却される。

次に、第１段ディスプレーサ２２及び第２段ディスプレーサ５２は、下死点に向かって移動される。これに伴い、低圧のヘリウムガスは、上記の逆の順路を通り、第１段蓄冷器３０及び第２段蓄冷器６０をそれぞれ冷却しつつ、バルブ６及び配管７を介してガス圧縮機３に戻る。その後、バルブ６が閉じられる。

以上の動作を１サイクルとし、上記動作を繰り返すことにより、第１段冷却ステージ３５、第２段冷却ステージ８５において、それぞれに熱接続された冷却対象物（図示なし）から熱を吸収し、冷却することができる。

ここで、第２段冷却ステージ８５において、例えば、温度が３０Ｋ未満の極低温を形成することが必要な場合、第２段蓄冷器６０の蓄冷材として、ＨｏＣｕ_２等の磁性材料が使用される。

また、最近では、ヘリウムガスを蓄冷器の蓄冷材として使用した、いわゆるヘリウム冷却式の蓄冷器を使用することも提案されている。

図３は、図２に示すＧＭ冷凍機１の第２段蓄冷器６０として使用される、従来のヘリウム冷却式の蓄冷器６０Ａの構成を、その周囲の部材とともに示す。図３において、図２と同様の部材には、図２と同一の参照符号が付されている。

図３に示すように、従来のヘリウム冷却式の蓄冷器６０Ａは、図２に示す第２段ディスプレーサ５２内の第２段蓄冷器として使用される。

ヘリウム冷却式の蓄冷器６０Ａは、多数の容器６２を有し、これらの容器６２は、それぞれが細長い棒状の形状を有し、蓄冷器６０Ａの縦方向に沿って（すなわち、第２段シリンダ５１の高温端５３ａから低温端５３ｂに沿って）延伸している。各容器６２は、第２段シリンダ５１の低温端側に孔６５を有する。容器６２内には、蓄冷材として機能するヘリウムガス６８が存在する。

一般に、ヘリウムガスは、ＨｏＣｕ_２等の磁性材料に比べて、１０Ｋ近傍での比熱が大きく、ヘリウムガスを蓄冷材として使用することにより、蓄冷器６０Ａ内に流通する作動ガス（ヘリウムガス）をより効率的に冷却させることができる。

しかしながら、このような構成の蓄冷器６０Ａでは、容器６２に設けられた孔６５を介して、作動ガスでもあるヘリウムガスが容器６２内に簡単に流入、流出してしまう。このようなヘリウムガスの流入、流出が頻繁に生じると、容器６２内において、蓄冷材となるヘリウムガスの圧力変動が大きくなる。また、これに伴い、蓄冷材となるヘリウムガスの温度が不安定となり、蓄冷器６０Ａが安定な蓄冷性能を維持することが困難であるという課題がある。

上記の課題を解決するため、本発明のヘリウム冷却式の蓄冷器は、作動ガスが流通する第１の区画と、蓄冷材としてのヘリウムガスが収容される第２の区画とを有し、前記第２の区画は、ヘリウム源に接続される蓄冷材用配管と接続されることを特徴とする。このような蓄冷器では、第２の区画において、ヘリウムガスの圧力が低下した際に、蓄冷材用配管から第２の区画に、低下したヘリウムガス圧力分を補填するように、高圧のヘリウムガスが導入される。従って、本発明のヘリウム冷却式の蓄冷器では、従来のヘリウム冷却式の蓄冷器６０Ａのような、容器内での蓄冷材（ヘリウムガス）の圧力変動、及びそれによる温度安定性に関する問題を、軽減又は解消することができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。

図４は、本発明の実施形態のヘリウム冷却式の蓄冷器の一例を示す。

図４に示すように、この実施形態のヘリウム冷却式の蓄冷器１６０は、例えば、上述のＧＭ冷凍機の第２段ディスプレーサ５２内に設置される。

蓄冷器１６０は、複数の中空管１６５と、前記複数の中空管１６５の存在しない領域に相当する空間部１７５とで構成される。中空管１６５は、上下のフランジ１６４により、位置が固定されている。なお、空間部１７５は、このフランジ１６５によって、中空管１６５の内部との連通が遮断されている。

図４の例において、中空管１６５の内部が第１の区画に相当する。この中空管１６５には、ヘリウムのような作動ガスが流通する。一方、図４の例において、空間部１７５が第２の区画に相当する。この空間部１７５は蓄冷材であるヘリウムガスの収容部として機能する。なお、蓄冷器１６０には、第１の区画と連通されるように、作動ガス用の第１の流路１６１及び第２の流路１６２が設けられている。

ここで、蓄冷器１６０は、さらに、蓄冷材用配管１７０を有し、この蓄冷材用配管１７０の一端は、蓄冷器１６０の空間部１７５に接続されている。なお、図には示さないが、蓄冷材用配管１７０の他端は、いわゆる「ヘリウム源」に接続されている。

なお、「ヘリウム源」とは、高圧のヘリウムガス及び／又は液体ヘリウムが貯蔵されているいかなる部位をも含む概念であることに留意する必要がある。例えば、蓄冷器がＧＭ冷凍機の蓄冷管に使用される場合、「ヘリウム源」は、作動ガスを供給排気する圧縮機であっても良い。また、蓄冷器がパルスチューブ冷凍機の蓄冷管に使用される場合、「ヘリウム源」は、作動ガスを供給排気する圧縮機、又はパルス管に接続されるバッファタンク等であっても良い。

図４のように構成された蓄冷器１６０では、作動ガスは、主流方向Ｐに沿って第１の流路１６１に入り、各中空管１６５の内部を通り、第２の流路１６２から排出される。あるいは、作動ガスは、その逆向きに移動する。

一方、蓄冷材としてのヘリウムガスは、「ヘリウム源」から蓄冷材用配管１７０を介して、空間部１７５内に導入される。ここで、蓄冷器１６０の作動開始直後には、空間部１７５内の蓄冷材の圧力は、ヘリウム源の圧力とほぼ等しくなっている。その後、蓄冷器１６０の作動により、蓄冷器１６０内の温度が低下し始めると、これに伴って、空間部１７５内の蓄冷材の圧力が低下する。ただし、このような圧力低下が生じると、「ヘリウム源」から蓄冷材用配管１７０を介して、ヘリウムガスが空間部１７５に補填される。従って、空間部１７５内の蓄冷材は、温度が変動しても、あまり大きな圧力変動を受けない。このため、この実施形態の蓄冷器１６０は、作動中に、安定な蓄冷性能を維持することが可能である。

なお、図４の例では、蓄冷器１６０において、第１の区画は、第１の流路１６１、中空管１６５の内部空間、第２の流路１６２で構成され、第２の区画は、空間部１７５で構成される。すなわち、作動ガスは、中空管１６５の内部を流通し、蓄冷材は、空間部１７５に収容される。しかしながら、本発明において、蓄冷器１６０の構成は、これに限られない。例えば、第１の区画と第２の空間は、図４の構成とは反対であっても良い。すなわち、蓄冷材が中空管１６５の内部に収容され、作動ガスが空間部１７５を流通するようにして、蓄冷器を構成しても良い。この場合、当然のことながら、蓄冷材用配管１７０は、中空管１６５に接続される。

また、図４の例では、蓄冷器１６０の内部は、中空管１６５の内部及び空間部１７５によって、２区画に分割されているが、蓄冷器は、その他の方法によって、２区画に分けられていても良い。例えば、内部空間を有する容器と、その周囲の空間部とによって、蓄冷器内を分割しても良い。

以上の説明では、蓄冷器内の蓄冷材がヘリウムガスのみで構成される場合を例に、本発明の構成及びその効果について説明した。しかしながら、本発明の蓄冷器内の蓄冷材は、複数の蓄冷材で構成されても良い。例えば、一つの蓄冷器において、高温側では、ＨｏＣｕ_２磁性材料を使用し、中低温側では、ヘリウムを使用しても良い。さらに、より低温側に、第３の蓄冷材として、ＧｄＯ_２Ｓ_２のような磁性材料を使用しても良い。

本発明のヘリウム冷却式の蓄冷器は、ＧＭ冷凍機やパルスチューブ冷凍機など、各種の蓄冷式冷凍機に適用することができる。以下、本発明のヘリウム冷却式の蓄冷器が適用可能な蓄冷式冷凍機の構成について説明する。

図５は、本発明の実施形態の蓄冷器１６０を備えるＧＭ冷凍機１００の構成例を示す。ＧＭ冷凍機１００の基本構成は、図２に示すＧＭ冷凍機１と同様であり、ここでは詳しく説明しない。また、ＧＭ冷凍機１００において、図２に示すＧＭ冷凍機１と同様の部材には、図２と同一の符号が付されている。

ただし、ＧＭ冷凍機１００は、第２段ディスプレーサ５２内に、本発明の蓄冷器１６０を有する。また、本発明では、第２段シリンダ５１は、蓄冷材用配管１７０を介して、圧縮機３の高圧側に接続されている。従って、第２段シリンダ５１と第２段ディスプレーサ５２の間の隙間は、蓄冷材用配管１７０と連通される。さらに、第２段ディスプレーサ５２には、小孔１７９が設けられる。この小孔１７９により、蓄冷器１６０内の蓄冷材を収容する空間（図４の空間部１７５）と、前記隙間とが連通される。なお、この隙間には、追加シール１５９が設けられる。この追加シール１５９により、蓄冷材用配管１７０を流れる蓄冷材が作動ガスと混合されることが回避される。

ＧＭ冷凍機１００の作動中、蓄冷器１６０の温度が低下し、蓄冷器１６０内の蓄冷材を収容する空間部１７５の圧力が低下すると、圧縮機３から蓄冷材用配管１７０を通り、ヘリウムガスが供給される。従って、上述のように、蓄冷器１６０内の蓄冷材は、作動中、大きな圧力変動を受け難く、安定した蓄冷性能を維持することができる。従って、この実施形態のＧＭ冷凍機１００は、第２段冷却ステージ８５において、安定に寒冷を発生させることが可能である。

ここで、通常の圧縮機３は、内部に圧力開放用のバイパスバルブを備える。従って、ＧＭ冷凍機１００の停止の際に、蓄冷器１６０の空間部１７５及び蓄冷材用配管１７０内が高圧となった場合、圧縮機３内では、このバイパスバルブが作動して、高圧側から低圧側に蓄冷材が流れるようになる。このため、この実施形態のＧＭ冷凍機１００では、蓄冷器１６０において、高圧の蓄冷材を開放するための新たな部材は、特に必要ではない。

なお、図５の例では、蓄冷材用配管１７０は、圧縮機３の高圧側に接続される。しかしながら、蓄冷材用配管１７０は、圧縮機３の低圧側に接続されても良い。

図６は、本発明の実施形態の蓄冷器を備えるパルスチューブ冷凍機の構成例を示す。

図６に示すように、このパルスチューブ冷凍機２００は、２段式のパルスチューブ冷凍機である。

パルスチューブ冷凍機２００は、圧縮機２１２、第１段及び第２段の蓄冷管２４０、２８０、第１段及び第２段パルス管２５０、２９０、第１及び第２の配管２５６、２８６、オリフィス２６０、２６１、ならびに開閉バルブＶ１〜Ｖ６等を備える。

第１段蓄冷管２４０は、高温端２４２及び低温端２４４を有し、第２段蓄冷管２８０は、高温端２４４（第１段の低温端２４４に相当）及び低温端２８４を有する。第１段パルス管２５０は、高温端２５２及び低温端２５４を有し、第２段パルス管２９０は、高温端２９２及び低温端２９４を有する。第１段及び第２段のパルス管２５０、２９０の各高温端２５２、２９２及び低温端２５４、２９４には、熱交換器が設置される。第１段蓄冷管２４０の低温端２４４は、第１の配管２５６を介して、第１段パルス管２５０の低温端２５４と接続される。また、第２段蓄冷管２８０の低温端２８４は、第２の配管２８６を介して、第２段パルス管２９０の低温端２９４と接続される。

圧縮機２１２の高圧側（吐出側）の冷媒用流路は、Ａ点において３方向に分岐される。これら３方向にそれぞれ、第１〜第３の冷媒供給路Ｈ１〜Ｈ３が構成される。第１の冷媒供給路Ｈ１は、圧縮機２１２の高圧側、開閉バルブＶ１が設置された第１の高圧側配管２１５Ａ、共通配管２２０、及び第１段の蓄冷管２４０を接続する経路を構成する。第２の冷媒供給路Ｈ２は、圧縮機２１２の高圧側、開閉バルブＶ３が設置された第２の高圧側配管２２５Ａ、オリフィス２６０が設置された共通配管２３０、及び第１段パルス管２５０を接続する経路を構成する。第３の冷媒供給路Ｈ３は、圧縮機２１２の高圧側、開閉バルブＶ５が設置された第３の高圧側配管２３５Ａ、オリフィス２６１が設置された共通配管２９９、及び第２段パルス管２９０を接続する経路を構成する。

一方、圧縮機２１２の低圧側（吸込側）の冷媒用流路は、第１〜第３の冷媒回収路Ｌ１〜Ｌ３の、３方向に分岐される。第１の冷媒回収路Ｌ１は、第１段の蓄冷管２４０、共通配管２２０、開閉バルブＶ２が設置された第１の低圧側配管２１５Ｂ、Ｂ点、及び圧縮機２１２を接続する経路を構成する。第２の冷媒回収路Ｌ２は、第１段パルス管２５０、オリフィス２６０が設置された共通配管２３０、開閉バルブＶ４が設置された第２の低圧側配管２２５Ｂ、Ｂ点、及び圧縮機２１２を接続する経路を構成する。第３の冷媒回収路Ｌ３は、第２段パルス管２９０、オリフィス２６１が設置された共通配管２９９、開閉バルブＶ６が設置された第３の低圧側配管２３５Ｂ、Ｂ点、及び圧縮機２１２を接続する経路を構成する。

なお、このような構成のパルスチューブ冷凍機２００の一般的な動作原理について、当業者には明らかであるため、その動作原理の説明を省略する。

本実施形態のパルスチューブ冷凍機２００において、第２段蓄冷管２８０には、図４に示した蓄冷器１６０と同様の構成を有する蓄冷器２６５が設置される。また、蓄冷器２６５内の蓄冷材を収容する空間部は、流路抵抗２７５を有する蓄冷材用配管２７０を介して、圧縮機２１２の高圧側に接続される。なお、流路抵抗２７５は、必ずしも必要ではない。

本実施形態の場合、パルスチューブ冷凍機２００の作動中、蓄冷器２６５の温度が低下し、蓄冷器２６５内の蓄冷材を収容する空間部の圧力が低下すると、圧縮機２１２から蓄冷材用配管２７０を通り、ヘリウムガスが供給される。その結果、上述のように、蓄冷器２６５内の蓄冷材は、作動中、大きな圧力変動を受け難くなり、安定した蓄冷性能を維持することができる。従って、パルスチューブ冷凍機２００においても、第２段パルス管２９０の低温端２９４において、安定に寒冷を発生させることが可能となる。

なお、図６の例において、蓄冷材用配管２７０は、蓄冷器２６５と圧縮機２１２の間に、さらにバルブ等の流路抵抗２７５を有しても良い。この場合、冷凍機の作動中に、蓄冷器２６５の蓄冷材を収容する空間に供給されるヘリウムガスの流量を制御することが可能となる。

また、図６の例では、蓄冷材用配管２７０は、圧縮機２１１の高圧側に接続される。しかしながら、蓄冷材用配管２７０は、圧縮機２１１の低圧側に接続されても良い。

図７は、本発明の実施形態の蓄冷器を備えるパルスチューブ冷凍機の別の構成例を示す。図７に示すパルスチューブ冷凍機３００は、基本的に、図６に示すパルスチューブ冷凍機２００とほぼ同様の構成を有する。図７において、図６と同様の部材には、図６と同様の参照符号が付されている。

この実施形態のパルスチューブ冷凍機３００は、バッファタンク３６６を有し、このバッファタンク３６６は、オリフィス３６４を有する配管３６２を介して、第１段パルス管２５０の高温端２５２に接続される。また、このパルスチューブ冷凍機３００において、図４に示した蓄冷器１６０と同様の構成を有する蓄冷器２６５は、蓄冷材用配管３７０を介して、圧縮機２１２ではなく、バッファタンク３６６に接続される。

本実施形態の場合、パルスチューブ冷凍機３００の作動中、蓄冷器２６５の温度が低下し、蓄冷器２６５内の蓄冷材を収容する空間部の圧力が低下すると、バッファタック３６６から蓄冷材用配管３７０を通り、蓄冷材を収容する空間部にヘリウムガスが供給される。その結果、上述のように、蓄冷管２６５内の蓄冷材は、作動中、大きな圧力変動を受け難くなり、安定した蓄冷性能を維持することができる。従って、パルスチューブ冷凍機３００においても、第２段パルス管２９０の低温端２９４において、安定に寒冷を発生させることが可能となる。

図８は、本発明の実施形態の蓄冷器を備えるパルスチューブ冷凍機の別の構成例を示す。図８に示すパルスチューブ冷凍機４００は、基本的に、図６に示すパルスチューブ冷凍機２００とほぼ同様の構成を有する。図８において、図６と同様の部材には、図６と同様の参照符号が付されている。

本実施形態のパルスチューブ冷凍機４００では、第２段蓄冷管２８０に設置される蓄冷器２６５内の第２の区画（蓄冷材の収容空間）が、蓄冷材用配管４７０により、圧縮機２１２の高圧側に接続される。

蓄冷材用配管４７０は、部分４７０Ａ、４７０Ｂ及び４７０Ｃを有する。蓄冷材用配管４７０の部分４７０Ａは、圧縮機２１２の高圧側と接続される。例えば、図８の例では、部分４７０Ａは、Ｃ点で第２の高圧側配管２２５Ａと接続される。また、蓄冷材用配管４７０の部分４７０Ｂは、第１段蓄冷管２４０の周囲に配置される。さらに、蓄冷材用配管４７０の部分４７０Ｃは、第２段蓄冷管２８０の蓄冷器２６５と接続される。

このような構成の場合、冷凍機の作動時には、蓄冷器２６５の温度が低下し、蓄冷器２６５内の蓄冷材を収容する空間部の圧力が低下すると、圧縮機２１２〜第２の高圧側配管２２５Ａ〜蓄冷材用配管４７０の部分４７０Ｃを通り、ヘリウムガスが流れる。また、このヘリウムガスは、蓄冷材用配管４７０の部分４７０Ｂを通る際に、第１段蓄冷管２４０によって予冷される。従って、第２段蓄冷管２８０の蓄冷器２６５には、蓄冷材用配管４７０の部分４７０Ｃを介して、予め冷却されたヘリウムガスが導入されるようになる。このため、この構成では、蓄冷器２６５内に蓄冷ガスが導入されることによって生じ得る温度上昇を、より効果的に抑制することができる。

以上、本発明の実施形態について詳説したが、本発明は、上述した実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲に記載した内容に沿って、上述した実施形態に種々の変形、改良及び置換を加えることができる。

本国際出願は、２０１０年３月１９日に出願された日本国特許出願２０１０−０６５０３７号に基づく優先権を主張するものであり、日本国特許出願２０１０−０６５０３７号の全内容を本国際出願に援用する。

Claims

作動ガスの寒冷を蓄冷するヘリウム冷却式の蓄冷器であって、
作動ガスが流通する第１の区画と、蓄冷材としてのヘリウムガスが収容される第２の区画とを有し、
前記第２の区画は、ヘリウム源に接続された蓄冷材用配管と接続されることを特徴とするヘリウム冷却式の蓄冷器。
前記第１の区画又は前記第２の区画は、複数の中空管の内空間によって形成されることを特徴とする請求項１に記載の蓄冷器。
前記複数の中空管は、前記蓄冷器の高温端から低温端に延伸するように配設されることを特徴とする請求項２に記載の蓄冷器。
前記蓄冷材用配管に導入される前記蓄冷材は、予め冷却されたヘリウムガスであることを特徴とする請求項１に記載の蓄冷器。
作動ガスを蓄冷器を介して膨脹室に供給し、前記作動ガスを前記蓄冷器を介して膨脹室から排気する圧縮機を備えるＧＭ式冷凍機であって、
前記蓄冷器は、請求項１に記載の蓄冷器により構成され、前記ヘリウム源は、前記圧縮機により構成されることを特徴とするＧＭ式冷凍機。
作動ガスを蓄冷管を介してパルス管に供給し、前記作動ガスを前記蓄冷管を介してパルス管から排気する圧縮機を備えるパルスチューブ冷凍機であって、
前記蓄冷管には、請求項１に記載の蓄冷器が設置され、前記ヘリウム源は、前記圧縮機により構成されることを特徴とするパルスチューブ冷凍機。
作動ガスを蓄冷管を介してパルス管に供給し、前記作動ガスを前記蓄冷管を介してパルス管から排気する圧縮機と、前記パルス管に接続されたバッファタンクとを備えるパルスチューブ冷凍機であって、
前記蓄冷管には、請求項１に記載の蓄冷器が設置され、前記ヘリウム源は、前記バッファタンクにより構成されることを特徴とするパルスチューブ冷凍機。
前記パルスチューブ冷凍機は、高温側の第１段蓄冷管及び低温側の第２段蓄冷管を有する２段式であり、
前記蓄冷器は、前記第２段蓄冷管内に設置されることを特徴とする請求項６に記載のパルスチューブ冷凍機。
前記蓄冷材用配管に導入される前記蓄冷材は、前記第１段蓄冷管によって、予め冷却されたヘリウムガスであることを特徴とする請求項８に記載のパルスチューブ冷凍機。