JPH0894197A - パルス管冷凍機 - Google Patents

パルス管冷凍機

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JPH0894197A
JPH0894197A JP22839194A JP22839194A JPH0894197A JP H0894197 A JPH0894197 A JP H0894197A JP 22839194 A JP22839194 A JP 22839194A JP 22839194 A JP22839194 A JP 22839194A JP H0894197 A JPH0894197 A JP H0894197A
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JP
Japan
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pulse tube
cold head
regenerator
main body
cylinder
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JP22839194A
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English (en)
Inventor
Takayuki Matsui
井 隆 行 松
Yoshihiro Ishizaki
崎 嘉 宏 石
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ECTI KK
Aisin Corp
Original Assignee
Aisin Seiki Co Ltd
ECTI KK
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 2系統以上の冷凍サイクルを有する多気筒の
パルス管冷凍機において、2つ以上のパルス管の内少な
くとも1つのパルス管への流入熱がそれに連結するコー
ルドヘッドに伝わるのを抑制して前記コールドヘッドの
冷凍温度を一層低く且つ他のコールドヘッドの冷凍温度
に比べても低くすることが可能なパルス管冷凍機を提供
すること。 【構成】 第2冷凍機本体30のコールドヘッド33a
を第1冷凍機本体1の蓄冷器16及びパルス管18に熱
接触させたこと。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、2系統以上の冷凍サイ
クルを有する多気筒のパルス管冷凍機に関するものであ
る。
【0002】
【従来の技術】複数の被冷却体を冷却するためには、2
系統以上の冷凍サイクルを有する多気筒の冷凍機を用い
ることが望まれる。又、近年、信頼性を向上させる点か
ら、低温部に可動部分が存在しないようにしたパルス管
冷凍機が注目を浴びてきている。
【0003】そこで、2系統の冷凍サイクルを有するパ
ルス管冷凍機としては、特開平5−5568号公報に示
されるものが知られている。このものの構成を図4を用
いて説明する。
【0004】図4に示すパルス管冷凍機100は、互い
に冷凍温度が同等の第1冷凍機本体1と第2冷凍機本体
3とから構成されている。第1冷凍機本体1は、圧縮シ
リンダ11と、圧縮シリンダ11内に往復動可能に配設
され圧縮シリンダ11との間で第1圧縮空間12及び第
2圧縮空間13を形成する圧縮ピストン14と、第1圧
縮空間12に放熱器15aを有する可撓配管15を介し
て接続された第1蓄冷器16と、第1蓄冷器16の低温
端に結合された第1コールドヘッド17と、第1コール
ドヘッド17に接続された第1パルス管18と、室温雰
囲気にある膨張シリンダ19と、膨張シリンダ19内に
往復動可能に配設され膨張シリンダ19との間で第1パ
ルス管18の高温端に可撓配管20を介して接続された
第1膨張空間21及び第2膨張空間22を形成する膨張
ピストン23とから構成されている。尚、圧縮ピストン
14はロッド24を介して駆動源であるクランクシャフ
ト25に連結され、膨張ピストン23もロッド26を介
してクランクシャフト25に連結されている。ここで、
膨張ピストン23は圧縮ピストン14よりも所定の位相
差(例えば30°)進んでいる。又、圧縮ピストン14
の側部と圧縮シリンダ11との間及び膨張ピストン23
の側部と膨張シリンダ19との間には、夫々ピストンリ
ング27,28が配設されている。
【0005】一方、第2冷凍機本体3は、第2圧縮空間
13に放熱器31aを有する可撓配管31を介して接続
された第2蓄冷器32と、第2蓄冷器32の低温端に結
合された第2コールドヘッド33と、第2コールドヘッ
ド33に接続され且つその高温端が可撓配管35を介し
て第2膨張空間22に接続された第2パルス管34とか
ら構成されている。
【0006】上記した冷凍機100では、1つの圧縮シ
リンダや圧縮ピストン等により2つの冷凍サイクルの圧
縮部を兼用し、1つの膨張シリンダや膨張ピストン等に
より膨張部(即ち位相調節機構)を兼用することによ
り、部品点数を削減でき、コスト的に有利である。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】ところが、上記した冷
凍機100においては、第1冷凍機本体1と第2冷凍機
本体3との間で熱接触が行われていないため、第1冷凍
機本体1の第1コールドヘッド17の冷凍温度と第2冷
凍機本体3の第2コールドヘッド33の冷凍温度とが同
等であり、その温度は未だ低くない。
【0008】又、第1冷凍機本体1に注目して見ると、
前述したように、膨張シリンダ19及び膨張ピストン2
3が室温部に存在し、極低温の第1コールドヘッド17
に第1パルス管18を介して連結されているので、この
第1パルス管18を通して様々な種類の熱が流入する。
ここで、この流入熱としては、熱対流(即ち上部から下
部に向けて冷熱が移動する現象:パルス管冷凍機特有の
現象)によるもの、第1パルス管18内の作動流体の圧
縮膨張に伴う流入熱(パルス管冷凍機特有の現象)、室
温側から低温側への作動流体の伝導熱等が考えられる。
これらの様々な種類の流入熱が冷凍を発生する第1コー
ルドヘッド17に進入することで、冷凍温度が低くなり
難い。
【0009】故に、本発明は、2系統以上の冷凍サイク
ルを有する多気筒のパルス管冷凍機において、2つ以上
のパルス管の内少なくとも1つのパルス管への流入熱が
それに連結するコールドヘッドに伝わるのを抑制して前
記コールドヘッドの冷凍温度を一層低く且つ他のコール
ドヘッドの冷凍温度に比べても低くすることが可能なパ
ルス管冷凍機を提供することを、その技術的課題とする
ものである。
【0010】
【課題を解決するための手段】上記技術的課題を解決す
るために請求項1の発明において講じた技術的手段(以
下第1の技術的手段と称する)は、内部の作動流体の圧
力を変化させる第1圧力振動源と、第1圧力振動源に接
続された第1蓄冷器と、第1蓄冷器の低温端に結合され
た第1コールドヘッドと、第1コールドヘッドに接続さ
れた第1パルス管と、第1パルス管の高温端に接続され
作動流体の圧力変動と作動流体の動きとの間の位相を調
節する第1位相調節機構とを有する第1パルス管冷凍機
本体と;内部の作動流体の圧力を変化させる第2圧力振
動源と、第2圧力振動源に接続された第2蓄冷器と、第
2蓄冷器の低温端に結合された第2コールドヘッドと、
第2コールドヘッドに接続された第2パルス管と、第2
パルス管の高温端に接続され作動流体の圧力変動と作動
流体の動きとの間の位相を調節する第2位相調節機構と
を有する第2パルス管冷凍機本体とを備えたパルス管冷
凍機において、第2コールドヘッドを第1パルス管に熱
接触させたことである。
【0011】上記技術的課題を解決するために請求項2
の発明において講じた技術的手段(以下第2の技術的手
段と称する)は、第1シリンダと、第1シリンダ内に往
復動可能に配設され第1シリンダとの間で第1作動空間
及び第2作動空間を形成する第1ピストンと、第1作動
空間に接続された第1蓄冷器と、第1蓄冷器の低温端に
結合された第1コールドヘッドと、第1コールドヘッド
に接続された第1パルス管と、第2シリンダと、第2シ
リンダ内に往復動可能に配設され第2シリンダとの間で
第1パルス管の高温端に接続された第3作動空間及び第
4作動空間を形成する第2ピストンとを有する第1パル
ス管冷凍機本体と;第2作動空間に接続された第2蓄冷
器と、第2蓄冷器の低温端に結合された第2コールドヘ
ッドと、第2コールドヘッドに接続され且つその高温端
が第4作動空間に接続された第2パルス管とを有する第
2パルス管冷凍機本体とを備えたパルス管冷凍機におい
て、第2コールドヘッドを第1パルス管に熱接触させた
ことである。
【0012】上記第1,第2の技術的手段において、第
1コールドヘッドの冷凍温度を一層低下させるために、
第2コールドヘッドを第1蓄冷器にも熱接触させると好
ましい。
【0013】上記第1,第2の技術的手段において、第
1パルス管冷凍機本体の低温部への輻射熱の進入を回避
して第1コールドヘッドの冷凍温度を更に一層低下させ
るために、第1コールドヘッド、第1蓄冷器の低温端近
傍及びパルス管の低温端近傍を覆う輻射シールド容器を
備え、第2コールドヘッドを輻射シールド容器にも熱接
触させると好ましい。
【0014】
【作用】上記第1,第2の技術的手段によれば、第2パ
ルス管冷凍機本体の第2コールドヘッドを第1パルス管
冷凍機本体の第1パルス管に熱接触させたので、熱対流
によるもの、第1パルス管内の作動流体の圧縮膨張に伴
う流入熱、室温側(即ち位相調節機構又は第2シリン
ダ)から低温側への作動流体の伝導熱等の第1パルス管
への流入熱が第1パルス管に連結された第1コールドヘ
ッドに伝わるのを極力抑制できる。その結果、第1コー
ルドヘッドの冷凍温度を低下させることができると共
に、第1コールドヘッドの冷凍温度を第2コールドヘッ
ドよりも低くすることができる。
【0015】又、各コールドヘッド間で冷凍温度の温度
差をつけることが可能になるので、2つの被冷却体を夫
々異なる温度に冷却したい場合に有効である。
【0016】又、上記第1,第2の技術的手段におい
て、第2コールドヘッドを第1蓄冷器にも熱接触させる
と、第1コールドヘッドの冷凍温度を一層低下させるこ
とができると共に、第2コールドヘッドの冷凍温度との
温度差を一層つけることができる。
【0017】又、第1コールドヘッド、第1蓄冷器の低
温端近傍及びパルス管の低温端近傍を覆う輻射シールド
容器を備え、第2コールドヘッドを輻射シールド容器に
も熱接触させると、第1パルス管冷凍機本体の低温部へ
の輻射熱の進入を回避できることから、第1コールドヘ
ッドの冷凍温度を更に一層低下させることができると共
に、第2コールドヘッドの冷凍温度との温度差を更に一
層つけることができる。
【0018】
【実施例】以下、本発明の一実施例を添付図面に基づい
て説明する。
【0019】図1及び図2を参照して第1実施例に係る
パルス管冷凍機の構成について説明する。尚、図1,図
2において、従来技術(図4)と同一のものについては
同一の符号を記した。
【0020】パルス管冷凍機10は、2系統の冷凍サイ
クルをもつもので、第1冷凍機本体(第1パルス管冷凍
機本体)1と第2冷凍機本体(第2パルス管冷凍機本
体)30とから構成されている。
【0021】第1冷凍機本体1は、従来技術と同様に、
圧縮シリンダ11と、第1圧縮空間(第1作動空間)1
2と、圧縮ピストン14と、放熱器15aを有する可撓
配管15と、第1蓄冷器16と、第1コールドヘッド1
7と、第1パルス管18と、可撓配管20と、膨張シリ
ンダ19と、第1膨張空間(第3作動空間)21と、膨
張ピストン23と、ロッド24,26と、クランクシャ
フト25と、クランクシャフトを回転駆動するモータ
(図示せず)と、ピストンリング27,28とから構成
されている。ここで、圧縮シリンダ11と圧縮ピストン
14とにより請求項1の圧力振動源が構成され、膨張シ
リンダ19と膨張ピストン23とにより請求項1の位相
調節機構が構成される。尚、圧力振動源には、図示する
ようなピストン式以外に、バルブ式等も適用可能であ
り、位相調節機構には、図示するようなピストン式以外
に、オリフィス及びバッファタンクを用いたオリフィス
式、バルブ式等も適用可能である。
【0022】一方、第2冷凍機本体30は、第2圧縮空
間(第2作動空間)13と、放熱器31aを有する可撓
配管31と、第2蓄冷器32と、第2コールドヘッド3
3aと、第2パルス管34と、可撓配管35と、第2膨
張空間(第4作動空間)22とから構成されている。
【0023】尚、上記した第1,第2冷凍機本体1,3
0内には、所定圧力(例えば15気圧)の作動流体(例
えばヘリウム,アルゴン,窒素,水素,空気,これらの
混合気体)が封入されている。又、第1,第2蓄冷器1
6,32は、金属メッシュ,金属球,鉛,希土類,その
他の材料で構成される。
【0024】上記した冷凍機10では、1つの圧縮シリ
ンダ11及び1つの圧縮ピストン14により2つの冷凍
機本体1,30の圧縮部を兼用し、1つの膨張シリンダ
19や1つの膨張ピストン23により膨張部を兼用して
いるので、部品点数を削減でき、コスト的に有利であ
る。
【0025】ここで、本発明の主要部について説明す
る。
【0026】第2冷凍機本体30の第2コールドヘッド
33aは、第2冷凍機本体1の第1蓄冷器16及び第1
パルス管18と熱接触しており、その略中央付近を冷却
可能となっている。又、第2コールドヘッド33aは、
第1蓄冷器16の低温部,第1コールドヘッド17及び
第1パルス管18の低温部を覆う輻射シールド容器36
にも熱接触している。
【0027】尚、第1蓄冷器16、第1コールドヘッド
17、第1パルス管18、第2蓄冷器32、第2コール
ドヘッド33a、第2パルス管34及び輻射シールド容
器36は、真空ケース37により覆われており、断熱状
態に維持される。
【0028】次に、図2を用いて図1に示すパルス管冷
凍機の要部の具体的構成について説明する。
【0029】同図に示すように、第1冷凍機本体1の一
部は略2重管構造になっており、その内管は第1パルス
管18を構成し、外管は第1蓄冷器16を構成してい
る。第1パルス管18と第1蓄冷器16との図示上端の
結合部位には、第1コールドヘッド17が結合されてい
る。
【0030】一方、第2冷凍機本体30の第2蓄冷器3
2は第1蓄冷器16の下部の周りに配置され、第2蓄冷
器32の上端には第2コールドヘッド33aが結合され
ている。この第2コールドヘッド33aにはスパイラル
状の通路33bが形成され、第2蓄冷器32の周りに巻
かれた第2パルス管34に連通している。
【0031】ここで、第2コールドヘッド33aは、第
1蓄冷器16の略中央の外壁に直接的に熱接触している
と共に、第1蓄冷器16の略中央の内部に配置された熱
交換器38を介して第1パルス管18の略中央の外壁を
間接的に熱接触している。第2コールドヘッド33aの
上部には、第1蓄冷器16の中央部から低温部まで,第
1コールドヘッド17及び第1パルス管18の中央部か
ら低温部までを覆うように輻射シールド容器36がボル
ト等(図示せず)により固定され、第2コールドヘッド
33aに取付部を介して熱接触している。
【0032】上記の如く構成されたパルス管冷凍機10
の作動について説明する。
【0033】第1冷凍機本体1において、圧縮ピストン
14及び膨張ピストン23が上死点に向かって移動する
(即ち圧縮行程に入る)と、第1冷凍機本体1内の作動
流体の圧力が上昇し、作動流体は第1放熱器15a,第
1蓄冷器16,第1コールドヘッド17及び第1パルス
管18の夫々の位置で振動しながら熱を吐き出す。一
方、圧縮ピストン14及び膨張ピストン23が下死点に
向かって移動する(即ち膨張行程に入る)と、作動流体
の圧力が下がり、作動流体は第1放熱器15a,第1蓄
冷器16,第1コールドヘッド17及び第1パルス管1
8の夫々の位置で振動しながら熱を吸い込む。このよう
な作動により主に第1蓄冷器16内の作動流体が現在の
位置から一方に動いた所でその位置に存在する蓄冷材か
ら熱を吸い、他方に動いてその位置に存在する蓄冷材に
熱を吐くことを実現できる。
【0034】つまり、第1蓄冷器16内に分布している
作動流体が夫々の位置で往復動しながら蓄冷材に対して
熱の吸い吐きを行うことで、熱は第1蓄冷器16の中を
あたかも熱のバケツリレーの如く汲み上げられていく。
その結果、第1蓄冷器16の低温端に結合される第1コ
ールドヘッド17の温度が下がって冷凍を発生すると共
に、高温側に熱が輸送されて外部に放出される。このよ
うに、圧縮ピストン14及び膨張ピストン23を所定の
位相差で往復動させることにより、作動流体の圧力変化
と作動流体の動きとの位相を調整することができ、効率
良く熱を低温側から高温側へ汲み上げることが可能にな
る。
【0035】尚、第2冷凍機本体30の作動も前述した
第1冷凍機本体1の作動と略同じであるのでその説明を
省略する。
【0036】ここで、通常第1パルス管18は天地方向
に延在するよう配置されるため、上記作動中にパルス管
上部からパルス管下部に向けて冷熱が移動する恐れがあ
る。
【0037】つまり、熱対流現象が生じる恐れがある。
又、上記作動中における第1パルス管18内の作動流体
の圧縮膨張に伴う熱が第1パルス管18の低温部に移動
する恐れがある。更に、室温状態にある第1膨張空間2
1から第1パルス管18へ作動流体の伝導熱が流入する
恐れがある。
【0038】そして、このような流入熱又は発生熱が第
1パルス管18から第1コールドヘッド17に伝わる恐
れがあるが、本第1実施例では、第2コールドヘッド3
3aを第1パルス管18に熱接触させているので、それ
らの流入熱又は発生熱が第1コールドヘッド17に伝わ
るのを抑制できる。
【0039】又、第1蓄冷器16内にも第1圧縮空間1
2から伝達される伝導熱が発生するが、本第1実施例で
は、第2コールドヘッド33aを第1蓄冷器16にも熱
接触させているので、前記伝導熱が第1コールドヘッド
17に伝わるのを抑制できる。
【0040】次に、図3を参照して第2実施例に係るパ
ルス管冷凍機について説明する。
【0041】同図に示すように、第2実施例に係るパル
ス管冷凍機10aは、第1蓄冷器16の周りに第1パル
ス管18aが巻いてあり、その第1パルス管18aの直
線部18aaに第2コールドヘッド33aが直接的に熱
接触しており、更に、輻射シールド容器が廃止されてい
る点のみが第1実施例とは異なる。
【0042】本第2実施例では、第2コールドヘッド3
3aを第1パルス管18aに直接的に熱接触させたの
で、第1実施例に比べて、第1パルス管18aから第1
コールドヘッド17へ熱が進入するのを一層抑制でき
る。
【0043】
【発明の効果】請求項1,2の発明は、以下の如く効果
を有する。
【0044】第2パルス管冷凍機本体の第2コールドヘ
ッドを第1パルス管冷凍機本体の第1パルス管に熱接触
させたので、熱対流によるもの、第1パルス管内の作動
流体の圧縮膨張に伴う流入熱、室温側(即ち位相調節機
構又は第2シリンダ)から低温側への作動流体の伝導熱
等の第1パルス管への流入熱が第1パルス管に連結され
た第1コールドヘッドに伝わるのを極力抑制できる。そ
の結果、第1コールドヘッドの冷凍温度を低下させるこ
とができると共に、第1コールドヘッドの冷凍温度を第
2コールドヘッドよりも低くすることができる。
【0045】又、各コールドヘッド間で冷凍温度の温度
差をつけることが可能になるので、2つの被冷却体を夫
々異なる温度に冷却したい場合に有効である。
【0046】請求項3の発明は、以下の如く効果を有す
る。
【0047】第2コールドヘッドを第1蓄冷器にも熱接
触させたので、第1コールドヘッドの冷凍温度を一層低
下させることができると共に、第2コールドヘッドの冷
凍温度との温度差を一層つけることができる。
【0048】請求項4の発明は、以下の如く効果を有す
る。
【0049】第1コールドヘッド、第1蓄冷器の低温端
近傍及びパルス管の低温端近傍を覆う輻射シールド容器
を備え、第2コールドヘッドを輻射シールド容器にも熱
接触させると、第1パルス管冷凍機本体の低温部への輻
射熱の進入を回避できることから、第1コールドヘッド
の冷凍温度を更に一層低下させることができると共に、
第2コールドヘッドの冷凍温度との温度差を更に一層つ
けることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1実施例に係るパルス管冷凍機の全体構成図
である。
【図2】第1実施例に係るパルス管冷凍機の部分断面図
である。
【図3】第2実施例に係るパルス管冷凍機の部分断面図
である。
【図4】従来技術に係るパルス管冷凍機の全体構成図で
ある。
【符号の説明】
10,10a パルス管冷凍機 11 圧縮シリンダ(第1シリンダ) 12 第1圧縮空間(第1作動空間) 13 第2圧縮空間(第2作動空間) 14 圧縮ピストン(第1ピストン) 16 第1蓄冷器 17 第1コールドヘッド 18 第1パルス管 19 膨張シリンダ(第2シリンダ) 21 第1膨張空間(第3作動空間) 22 第2膨張空間(第4作動空間) 23 膨張ピストン(第2ピストン) 32 第2蓄冷器 33a 第2コールドヘッド 34 第2パルス管 36 輻射シールド容器

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 内部の作動流体の圧力を変化させる第1
    圧力振動源と、前記第1圧力振動源に接続された第1蓄
    冷器と、前記第1蓄冷器の低温端に結合された第1コー
    ルドヘッドと、前記第1コールドヘッドに接続された第
    1パルス管と、前記第1パルス管の高温端に接続され作
    動流体の圧力変動と作動流体の動きとの間の位相を調節
    する第1位相調節機構とを有する第1パルス管冷凍機本
    体と、内部の作動流体の圧力を変化させる第2圧力振動
    源と、前記第2圧力振動源に接続された第2蓄冷器と、
    前記第2蓄冷器の低温端に結合された第2コールドヘッ
    ドと、前記第2コールドヘッドに接続された第2パルス
    管と、前記第2パルス管の高温端に接続され作動流体の
    圧力変動と作動流体の動きとの間の位相を調節する第2
    位相調節機構とを有する第2パルス管冷凍機本体とを備
    えたパルス管冷凍機において、 前記第2コールドヘッドが前記第1パルス管に熱接触し
    ていることを特徴とするパルス管冷凍機。
  2. 【請求項2】 第1シリンダと、前記第1シリンダ内に
    往復動可能に配設され前記第1シリンダとの間で第1作
    動空間及び第2作動空間を形成する第1ピストンと、前
    記第1作動空間に接続された第1蓄冷器と、前記第1蓄
    冷器の低温端に結合された第1コールドヘッドと、前記
    第1コールドヘッドに接続された第1パルス管と、第2
    シリンダと、前記第2シリンダ内に往復動可能に配設さ
    れ前記第2シリンダとの間で前記第1パルス管の高温端
    に接続された第3作動空間及び第4作動空間を形成する
    第2ピストンとを有する第1パルス管冷凍機本体と、 前記第2作動空間に接続された第2蓄冷器と、前記第2
    蓄冷器の低温端に結合された第2コールドヘッドと、前
    記第2コールドヘッドに接続され且つその高温端が前記
    第4作動空間に接続された第2パルス管とを有する第2
    パルス管冷凍機本体とを備えたパルス管冷凍機におい
    て、 前記第2コールドヘッドが前記第1パルス管に熱接触し
    ていることを特徴とするパルス管冷凍機。
  3. 【請求項3】 請求項1,2において、前記第2コール
    ドヘッドが前記第1蓄冷器にも熱接触していることを特
    徴とするパルス管冷凍機。
  4. 【請求項4】 請求項1,2,3において、前記第1コ
    ールドヘッド、前記第1蓄冷器の低温端近傍及び前記パ
    ルス管の低温端近傍を覆う輻射シールド容器を備え、 前記第2コールドヘッドが前記輻射シールド容器にも熱
    接触していることを特徴とするパルス管冷凍機。
JP22839194A 1994-09-22 1994-09-22 パルス管冷凍機 Pending JPH0894197A (ja)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN100383470C (zh) * 2006-05-18 2008-04-23 上海交通大学 双冷头狭缝冷指同轴脉管制冷机
JP2009506293A (ja) * 2005-08-23 2009-02-12 サンパワー・インコーポレーテツド 過渡的クールダウン時間及び熱損失を低減するよう作られた音響インピーダンスを有する多ステージ式パルス管クライオクーラー

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