JP2836266B2 - パルス管冷凍機 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はパルス管冷凍機に関す
る。このパルス管冷凍機は、例えば、赤外線センサなど
の各種センサの冷却装置、クライオポンプ、極低温装置
に利用できる。

【０００２】

【従来の技術】近年、パルス管冷凍機が開発されつつあ
る。このパルス管冷凍機は、蓄冷型閉サイクル冷凍機の
一種であり、他の種類の冷凍機例えば逆スターリングサ
イクル冷凍機、ギフォードマクマホン冷凍機等に比較し
て、冷凍発生部にピストン等の可動部分を要せず、構造
が簡素化でき、価格の低廉に有利であり、しかも耐久性
を向上できるという種々の利点を備えている。

【０００３】このパルス管冷凍機は、図６に模式的に示
す様に、ヘリウムなどの作動流体が装填された圧縮室１
００とピストン１０１とをもつ圧縮機１０２と、第１放
熱部１０４と、圧縮機１０２を経た作動流体を冷却する
蓄冷部１０５、コールドヘッド１０７と、蓄冷部１０５
を経た作動流体が流入するパルス管１０９と、パルス管
１０９の末端に設けられた第２放熱部１１０とで構成さ
れている（例えば、Ｃｒｙｏｇｅｎｉｃｓ １９９０
Ｖｏｌ３０ Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ Ｓｕｐｐｌｅｍｅｎ
ｔ ２６７〜２７１、Ｂｕｔｔｅｒｗｏｒｔｈ社発
刊）。このパルス管冷凍機では、冷却液を流して熱交換
する熱交換設備１３０が第１放熱部１０４に装備され、
また、冷却液を流して熱交換する熱交換設備１３１が第
２放熱部１１０にも装備されている。

【０００４】このパルス管冷凍機では、圧縮機１０２の
ピストン１０１が前進して圧縮室１００が圧縮行程とさ
れると、作動流体は第１放熱部１０４、蓄冷部１０５、
コールドヘッド１０７を経てパルス管１０９に流入す
る。なお、圧縮機１０２で圧縮された生じた作動流体の
圧縮熱は第１放熱部１０４の熱交換設備１３０で取り除
かれる。またパルス管１０９内で断熱圧縮された生じた
作動流体の圧縮熱は第２放熱部１１０の熱交換設備１３
１で取り除かれる。

【０００５】一方、ピストン１０１が後退して圧縮機１
０２が膨張行程にはいると、パルス管１０９の作動流体
は断熱膨張して温度が低下してコールドヘッド１０７が
冷却されるとともに、作動流体は蓄冷部１０５を経て圧
縮機１０２に戻る。かかる圧縮行程、膨張行程を繰り返
すことにより、コールドヘッド１０７から寒冷が取り出
される。

【０００６】パルス管冷凍機は現在、理論解析、実験解
析の段階にあり、寒冷理論は、現在のところ必ずしも明
らかでないが、従来からの逆スターリングサイクル冷凍
機、ギフォードマクマホン冷凍機等に近いかそれに並び
得る冷凍性能が得られることが実験で知見、確認されて
いる。更に近年、図７に示す様に第２放熱部１１０にオ
リフィス式の絞り弁２００、バッハァタンク部２０１を
直列に接続したものも開発されている。このパルス管冷
凍機でも、その理論的解析は現在のところ完全ではない
が、図６に示す構造のものに比較して一層の極低温が得
られることが実験で知見、確認されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記したパル
ス管冷凍機の開発の一環としてなされたものであり、そ
の目的は、第２放熱部を作動流体で冷却することによ
り、第２放熱部で熱交換するための熱交換設備を簡略化
あるいは廃止し得、小型化に有利なパルス管冷凍機を提
供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明のパルス管冷凍機
は、作動流体を圧縮する圧縮部と、圧縮部で圧縮された
作動流体の熱を取り除く第１放熱部と、第１放熱部を経
た作動流体を冷却する蓄冷部、蓄冷部を経た作動流体が
流入するとともに膨張空間となる管室をもつパルス管
と、パルス管と一体的に形成またはパルス管に連設され
た寒冷取出部と、パルス管の管室内の作動流体の熱を取
り除く第２放熱部とで構成され、第２放熱部は、パルス
管で断熱膨張して冷却された作動流体が通過する通路に
配置されていることを特徴とするものである。

【０００９】圧縮部は従来と同一のものを採用できる。
ここで、第１放熱部は圧縮部と別体として配置されてい
ても、あるいは圧縮部に併合、内蔵されていてもよく、
あるいは、圧縮部のハウジングを第１放熱部として利用
してもよい。パルス管は筒状でもリング筒状でもよい。
パルス管の全長は適宜選択できる。寒冷取出部は、一般
的にパルス管の端側となる。

【００１０】第２放熱部は、パルス管の管室の作動流体
の圧縮熱を取り除くものであり、一般的に、パルス管の
うち寒冷取出部と反対側の位置となる。第２放熱部は、
放熱フィン状に形成できる。パルス管内で断熱膨張して
冷却された作動流体が通過する通路に、第２放熱部は配
置されている。この場合、後述する実施例で示す様に、
作動流体が通過する中空室をハウジングに設け、その中
空室に第２放熱部を配置することができる。

【００１１】

【作用】本発明のパルス管冷凍機では、基本的には従来
と同様に、圧縮部で圧縮された作動流体は第１放熱部、
蓄冷部、パルス管に流入する。圧縮部で圧縮された生じ
た作動流体の圧縮熱は第１放熱部で取り除かれる。また
パルス管内で断熱圧縮された生じた作動流体の圧縮熱は
第２放熱部で取り除かれる。その後、パルス管の作動流
体は断熱膨張して温度が低下して寒冷取出部が冷却され
るとともに、作動流体は蓄冷部を経て圧縮部に戻る。か
かる行程を繰り返すことにより、寒冷取出部から寒冷が
取り出される。

【００１２】本発明のパルス管冷凍機では、パルス管内
で断熱膨張して冷却された作動流体が第２放熱部に接触
し、第２放熱部の熱を奪う。

【００１３】

【実施例】（第１実施例）以下、本発明の第１実施例を
図１〜図３に基づき説明する。 （構成）このパルス管冷凍機は、ユニット１と冷却機本
体２とからなる。

【００１４】図３に示す様にユニット１は圧縮機能と放
熱機能とをもち、サージボトル１０と圧縮部１１と第１
放熱部１２とオイルセパレータ１３とアドゾーバ１４と
で形成されている。サージボトル１０はバッファとして
機能し、ヘリウムなどの作動流体の圧力を極力均一にす
るためのものである。圧縮部１１は作動流体を圧縮して
高圧にするものである。第１放熱部１２は冷却水が流れ
る冷却水通路を備えた熱交換設備１２ａをもち、圧縮部
１１で圧縮された作動流体の熱を冷却水により熱交換し
て取り除くものである。オイルセパレータ１３、アドゾ
ーバ１４は作動流体からオイルを分離するためのもので
ある。

【００１５】図１に示す様に、冷却機本体２は、ハウジ
ング２０と、蓄冷部２１と、パルス管２２と、寒冷取出
部としてのコールドヘッド２３と、第２放熱部２４とを
もつ。ハウジング２０はモータ室２５と収納室２６とか
らなる機能室２７をもつ。ハウジング２０には往路用と
して、吸入ポート３０、吸入ポート３０につながるバネ
室３１、弁口３２、通路３３、通路３４が形成され、更
に復路用として、通路３６、バネ室３７、弁口３８、吐
出口３９、吐出ポート４０が形成されている。吸入ポー
ト３０はユニット１のアドゾーバ１４にフレキシブルパ
イプ１５を介して接続されている。吐出ポート４０はユ
ニット１のサージボトル１０にフレキシブルパイプ１６
を介して接続されている。

【００１６】図１に示す様に吐出口３９は機能室２７の
収納室２６に対面している。更に収納室２６とモータ室
２５とを連通する連通路２８が形成されている。機能室
２７のモータ室２５にはモータ４３が装備されている。
モータ４３は、ハウジング２０に保持された固定子４４
と、軸受４５に回転可能に支持され軸芯Ｐをもつ回転軸
４６と、回転軸４６に保持された回転子４７とで形成さ
れている。ハウジング２０の内壁面２０ａとモータ４３
との間には隙間２０ｂが形成されている。ハウジング２
０の内壁面２０ｃとモータ４３との間には隙間２０ｅが
形成されている。固定子４４と回転子４７との間には隙
間２０ｆ、２０ｈが形成されている。

【００１７】また図２に示す様にハウジング２０には弁
機構５が装備されている。弁機構５は、回転軸４６の先
端部に取付られた偏芯カム５０と、偏芯カム５０で作動
する作動子５１、５２と、往路用のバネ室３１に配置さ
れたバネ５３と、吸入弁５４をもつステム５５と、復路
用のバネ室３７に配置されたバネ５６と、吐出弁５７を
もつステム５８とで形成されている。バネ５３は吸入弁
５４を矢印Ｘ１方向につまり吸入用の弁口３２を閉じる
方向に付勢する。バネ５６は吐出弁５７を矢印Ｘ２方向
につまり吐出用の弁口３８を閉じる方向に付勢する。こ
こで、偏芯カム５０が矢印Ｙ１方向に回転すると、偏芯
カム５０の大径部位５０ａが吸入用の作動子５１、ステ
ム５５をバネ５３に抗して矢印Ｘ２方向に押し、吸入用
の弁口３２を開放し、これにより吸入用の弁口３２と吸
入ポート３０とが連通する。このとき偏芯カム５０の小
径部位５０ｂが作動子５２、ステム５８に対面するの
で、バネ５６の付勢力が打ちかち、バネ５６の付勢力で
吐出弁５７は弁口３８に圧接し弁口３８を閉じている。

【００１８】更に偏芯カム５０が回転すると、偏芯カム
５０の大径部位５０ａが吐出用の作動子５２、ステム５
８を矢印Ｘ１方向に押し、吐出弁５７、吐出用の弁口３
８を開放する。このとき偏芯カム５０の小径部位５０ｂ
が吸入側の作動子５１、ステム５５に対面するので、バ
ネ５３の付勢力が打ちかち、バネ５３の付勢力で吸入弁
５４は弁口３２に圧接し弁口３２を閉じている。このよ
うにモータ４３が回転して偏芯カム５０が回転すると、
吸入用の弁口３２、吐出用の弁口３８は順に開閉するも
のである。

【００１９】蓄冷部２１はハウジング２０の上面２０ｒ
に立設されている。蓄冷部２１は金属金網や小球などの
蓄冷材を装填したものであり、筒形状に形成されてい
る。パルス管２２は金属製で筒形状に形成されており、
管室２２ａをもつ。パルス管２２は通路２９を介して蓄
冷部２１に接続されている。ここでパルス管２２はハウ
ジング２０の貫通状態の取付孔２０ｈに気密的に挿通さ
れている。なお蓄冷部２１とパルス管２２とは並列状態
に並設されている。

【００２０】コールドヘッド２３はパルス管２２の上端
に設けられている。第２放熱部２４はフィン状をなし、
パルス管２２の下端２２ｉに設けられている。 （作用）次に、本実施例にかかるパルス管冷凍機の作用
をその使用方法ともに説明する。このパルス管冷凍機で
は、ユニット１の圧縮部１１が駆動すると、圧縮部１１
で作動流体が圧縮され高圧とされる。そして、作動流体
は第１放熱部１２の熱交換設備１２ａで圧縮熱を除去さ
れた後、オイルセパレータ１３に至りオイルを分離し、
更にアドゾーバ１４に至りオイルを分離し、フレキシブ
ルホース１５を介してハウジング２０の吸入ポート３０
に至る。

【００２１】ここで、弁機構５の偏芯カム５０の作動で
弁機構５の吸入弁５４が開放して吸入用の弁口３２が開
放すると、高圧の作動流体は吸入用のバネ室３１、弁口
３２、通路３３、３４を通り、蓄冷部２１に至る。更に
作動流体は、通路２９、コールドヘッド２３を経てパル
ス管２２に流入する。その後、偏芯カム５０の作動で弁
機構５の吸入弁５４が閉塞して吸入用の弁口３２が閉塞
するともに、吐出弁５７が開放して吐出用の弁口３８が
開放する。すると、パルス管２２の作動流体は膨張す
る。このようにしてパルス管２２内で圧力変動が発生
し、寒冷が発生し、コールドヘッド２３が冷却されると
ともに、パルス管２２の下端２２ｉ側で発熱が生じる。
この熱はフィン状の第２放熱部２４から放出される。

【００２２】ところでパルス管２２の作動流体は復路に
おいては、コールドヘッド２３、通路２９、蓄冷部２
１、復路用の通路３６、復路用のバネ室３７、弁口３８
を経て、吐出口３９から図１の矢印Ｔにそって機能室２
７の収納室２６に流入する。このとき吐出口３９から吐
出した作動流体はフィン状の第２放熱部２４と接触し、
第２放熱部２４の熱を積極的に奪う。

【００２３】更に作動流体は連通路２８を経てモータ室
２５に至り、モータ４３を冷却しつつ吐出ポート４０に
至る。更に吐出ポート４０からフレキシブルホース１６
を介して作動流体はユニット１に至り、ユニット１のサ
ージボトル１０を経て圧縮部１１に至る。かかる行程を
繰り返すことにより、コールドヘッド２３から寒冷（例
えば１３０〜１５０Ｋ）が取り出される。

【００２４】なおパルス管冷凍機では、パルス管２２の
下端２２ｉ側での発熱量は小さく、従ってユニット１の
第１放熱部１２による熱交換量をＷ１とし、第２放熱部
２４による熱交換量をＷ２とすると、Ｗ１はＷ２に比較
して１０倍程度大きい（Ｗ１＞Ｗ２）ものである。その
ため、第２放熱部２４で熱交換されたため昇温した作動
流体はユニット１の第１放熱部１２の熱交換設備１２ａ
で熱交換されて低温とされる。またコールドヘッド２３
が約１３０〜１５０Ｋのときには機能室２７は約３００
〜３１０Ｋ程度である。 （効果）本実施例では、パルス管２２で断熱圧縮されて
発熱した熱を放出するフィン状の第２放熱部２４が作動
流体の通路である機能室２７の収納室２６に収納されて
おり、吐出口３９から吐出した作動流体で第２放熱部２
４の熱が奪われる構成である。そのため、図６、図７に
示す従来とは異なり、第２放熱部２４と熱交換するため
の冷却液系統などの熱交換設備１３１を別途装備する必
要がない。そのため小型化、価格の低廉に有利である。

【００２５】また本実施例では、モータ４３が作動流体
の通路である機能室２７のモータ室２５に収納されてお
り、吐出口３９から吐出した作動流体でモータ４３の熱
が奪われる構成である。そのため、モータ４３を冷やす
ための冷却液系統などのモータ冷却設備を別途装備する
必要がない。かかる面においても小型化、価格の低廉に
有利である。

【００２６】更にまた本実施例では、蓄冷部２１とパル
ス管２２とを並列状態に並設しているので、図６、図７
に示す蓄冷部１０５とパルス管１０９とを直列に並設し
ている従来のパルス冷凍機に比較して全高の短縮化、小
型化に有利である。加えて本実施例では前記した様に蓄
冷部２１とパルス管２２とを並列状態に並設しているの
で、図１に示す様にコールドヘツド２３が露出する形態
となりコールドヘッド２３からの寒冷の取り出しに有利
である。

【００２７】（第２実施例）本発明の第２実施例を図４
に基づき説明する。第２実施例の構成は基本的には第１
実施例と同じであり、基本的に同じ機能を果たす部位に
は同じ符号を付する。ただし、第２実施例では図４に示
す様に蓄冷部２１をリング筒状とし、パルス管２１の外
周をリング筒状の蓄冷部２１でほぼ同軸的に覆う構造と
している。そのため蓄冷部とパルス管とを直列に並べる
構造に比較して、小型化に有利である。

【００２８】（第３実施例）本発明の第３実施例を図５
に基づき説明する。第３実施例の構成は基本的には第１
実施例と同じであり、基本的に同じ機能を果たす部位に
は同じ符号を付する。ただし、第３実施例は、オリフィ
ス・パルス管冷凍機であり、パルス管２２の下端２２ｉ
は導管６０を介してバッファ室６１に連通し、導管６０
とバッファ室６１との間の壁部２０ｉには、絞りとして
機能するオリフィス６３が設けられている。ここで、作
動流体はオリフィス６３を通過してバッファ室６１に移
入する。このようにバッファ室６１、オリフィス６３が
設けられている本実施例では、コールドヘッド２３で一
層の極低温が得られる。なおコールドヘッド２３が約６
０〜７０Ｋのときにはバッファ室６１は約３００〜３１
０Ｋである。本実施例ではハウジング２０の壁部２０ｉ
にオリフィス６３を設けることができるので、図７に示
す従来とは異なりオリフィス式の絞り弁２００を別途設
ける必要がなく、構造の簡略化、小型化に有利である。

【００２９】

【発明の効果】本発明のパルス冷凍機によれば、作動流
体が通過する通路に第２放熱部が配置されている。故
に、作動流体で第２放熱部の熱が奪われる構成である。
そのため、第２放熱部の熱を熱交換する熱交換設備を簡
略化あるいは廃止し得る。そのため小型化、価格の低廉
に有利である。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施例のパルス管冷凍機の断面図である。

【図２】図１のＭ−Ｍ線に沿う矢視図である。

【図３】ユニットの構成図である。

【図４】第２実施例のパルス管冷凍機の断面図である。

【図５】第３実施例のパルス管冷凍機の断面図である。

【図６】従来のパルス管冷凍機の構成図である。

【図７】別例の従来のパルス管冷凍機の構成図である。

【符号の説明】

１１は圧縮部、１２は第１放熱部、２１は蓄冷部、２２
はパルス管、２３はコールドヘッド、２４は第２放熱
部、２７は機能室を示す。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 作動流体を圧縮する圧縮部と、該圧縮部
   で圧縮された作動流体の熱を取り除く第１放熱部と、該
   第１放熱部を経た作動流体を冷却する蓄冷部と、該蓄冷
   部を経た作動流体が流入するとともに膨張空間となる管
   室をもつパルス管と、該パルス管と一体的に形成または
   該パルス管に連設された寒冷取出部と、該パルス管の管
   室内の作動流体の熱を取り除く第２放熱部とで構成さ
   れ、該第２放熱部は、該パルス管で断熱膨張して冷却さ
   れた作動流体が通過する通路に配置されていることを特
   徴とするパルス管冷凍機。