(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高温端と低温端とが画定され、内部にガス流路を有し、内部を流れる作動ガスと熱交換を行う蓄冷器と、
高温端と低温端とが画定され、内部空洞を有するパルス管と、
前記蓄冷器とパルス管との低温端同士を接続し、前記蓄冷器内のガス流路と前記パルス管の内部空洞とを連通させるガス流路を有する冷却ステージと、
前記蓄冷器の高温端に接続され、該蓄冷器内のガス流路への作動ガスの供給と、該蓄冷器内のガス流路からの作動ガスの回収とを周期的に繰り返す圧力振動源と、
実効的な容積を変化させることが可能な内部空洞を有するバッファ手段と、
前記パルス管の内部空洞と前記バッファ手段の内部空洞とを連通させるガス輸送路と
を有し、
前記バッファ手段が、直列に接続された複数のバッファタンクであって、少なくともひとつが前記ガス輸送路に接続された前記バッファタンクと、隣り合うバッファタンク間のガスの流れの開閉を行う開閉弁とを含むパルス管冷凍機。
【請求項２】
前記ガス輸送路が、作動ガスに対して流路抵抗として作用するオリフィスを有する請求項1に記載のパルス管冷凍機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パルス管冷凍機に関し、特に冷却温度と冷凍能力を調節することが可能な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、低温部に可動部分がなく構造も簡単である。このため、振動の少ない冷凍機として、多くの低温機器に用いられている。低温機器が必要とする冷却温度または冷凍能力は多種多様である。また、運転状況、時間、季節等によって、必要とされる冷却温度または冷凍能力が変動する場合もある。このような要求に応えるために、冷却温度や冷凍能力を調節する機構が必要となる。
【０００３】
冷却温度や冷凍能力を調節するために、冷却ステージに電気ヒータを熱的に結合させる方法が知られている。パルス管冷凍機の余分の冷凍能力を電気ヒータからの発熱により相殺し、冷凍能力を調節することができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
冷却ステージは、通常、真空容器内に配置される。電気ヒータが故障すると、電気ヒータを修理するために、冷凍機の運転を停止して低温部分を室温まで昇温させ、真空容器内から冷却ステージを取り出す必要がある。運転開始時には、低温ステージを真空容器内に配置し、真空容器内を真空排気しなければならない。
【０００５】
本発明の目的は、冷却温度を調節することができ、かつ維持管理の容易なパルス管冷凍機を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の一観点によると、高温端と低温端とが画定され、内部にガス流路を有し、内部を流れる作動ガスと熱交換を行う蓄冷器と、高温端と低温端とが画定され、内部空洞を有するパルス管と、前記蓄冷器とパルス管との低温端同士を接続し、前記蓄冷器内のガス流路と前記パルス管の内部空洞とを連通させるガス流路を有する冷却ステージと、前記蓄冷器の高温端に接続され、該蓄冷器内のガス流路への作動ガスの供給と、該蓄冷器内のガス流路からの作動ガスの回収とを周期的に繰り返す圧力振動源と、実効的な容積を変化させることが可能な内部空洞を有するバッファ手段と、前記パルス管の内部空洞と前記バッファ手段の内部空洞とを連通させるガス輸送路とを有し、前記バッファ手段が、直列に接続された複数のバッファタンクであって、少なくともひとつが前記ガス輸送路に接続された前記バッファタンクと、隣り合うバッファタンク間のガスの流れの開閉を行う開閉弁とを含むパルス管冷凍機が提供される。
【０００７】
バッファ手段の内部空洞の容積を変化させることにより、冷凍能力を変えることができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１に、本発明の第１の実施例によるパルス管冷凍機の概略図を示す。蓄冷器１の低温端１Ｌとパルス管２の低温端２Ｌとが、冷却ステージ４により接続されている。蓄冷器１は、例えばステンレス管内に、蓄冷材３を充填したものである。蓄冷材３は、例えばステンレス金網であり、蓄冷器１内を流れる作動ガスと熱交換を行う。パルス管２は、例えば内径３〜３０ｍｍの中空のステンレス管である。冷却ステージ４は、銅製のブロックであり、その内部にガス流路５が形成されている。ガス流路５は、蓄冷器１内の空間とパルス管２内の空間とを連通させる。冷却ステージ４に、温度センサ７が取り付けられている。
【０００９】
蓄冷器１、パルス管２、及び冷却ステージ４は、真空容器６内に配置される。蓄冷器１の高温端１Ｈ及びパルス管２の高温端２Ｈが、真空容器６の壁に固定される。パルス管２の高温端２Ｈに、放熱フィンが取り付けられている。
【００１０】
蓄冷器１の高温端１Ｈに、圧力振動源１０が接続されている。圧力振動源１０は、ガス圧縮機１１、ロータリバルブ１２を含んで構成される。ガス圧縮機１１のガス排出口及び吸気口が、ロータリバルブ１２を介して蓄冷器１の高温端１Ｈに接続されている。ロータリバルブ１２を回転させると、ガス圧縮機１１のガス排出口が蓄冷器１に連通するガス供給フェーズと、吸気口が蓄冷器１に連通するガス回収フェーズとが交互に繰り返される。
【００１１】
ガス供給フェーズには、高圧の作動ガス、例えばヘリウムガスが蓄冷器１の高温端１Ｈに供給される。ガス回収フェーズには、作動ガスが、蓄冷器１の高温端１Ｈからガス圧縮機１１に回収される。
【００１２】
ガス輸送路２１の一端が、パルス管２の高温端２Ｈに接続されている。ガス輸送路２１内に、内径０．２〜１ｍｍのオリフィス２０が配置されている。オリフィス２０は、ガス輸送路２１内を流れる作動ガスに対して流路抵抗として作用する。ガス輸送路２１の他端に、４本の分岐路２２ａ〜２２ｄが連結している。分岐路２２ａ〜２２ｄは、それぞれ開閉弁２３ａ〜２３ｄを介してバッファタンク２５ａ〜２５ｄに接続されている。バッファタンク２５ａ〜２５ｄの容積は、それぞれ１００ｃｍ３、２００ｃｍ３、４００ｃｍ３、及び８００ｃｍ３である。開閉弁２３ａ〜２３ｄは、例えば手動のボールバルブである。
【００１３】
開閉弁２３ａ〜２３ｄの開閉により、バッファタンクの合計容積を変化させることができる。例えば、開閉弁２３ａを開け、他の開閉弁を閉じると、バッファタンクの合計容積は１００ｃｍ３になり、開閉弁２３ａと２３ｂを開け、他の開閉弁を閉じると、バッファタンクの合計容積は３００ｃｍ３になる。すなわち、複数のバッファタンク２５ａ〜２５ｄ及び開閉弁２３ａ〜２３ｄは、実効的に、容積可変のひとつのバッファタンクを取り付けた場合と同様の機能を果たす。
【００１４】
圧力振動源１０を運転し、作動ガスの供給と回収を繰り返すと、パルス管２の低温端２Ｌで吸熱が生じ、高温端２Ｈで発熱が生ずる。低温端２Ｌで吸熱が生ずることにより、冷却ステージ４が冷却される。高温端２Ｈで発生した熱は、放熱フィンから放熱される。
【００１５】
図２は、図１に示すパルス管冷凍機を運転した時の冷却ステージ４の温度を、バッファタンクの合計容積の関数として示す。横軸はバッファタンクの合計容積を単位「ｃｍ３」で表し、縦軸は冷却ステージの温度を絶対温度で表す。運転周波数は２Ｈｚ、運転前のヘリウムガスの封入圧力は１．７ＭＰａである。
【００１６】
バッファタンクの合計容積が１００ｃｍ３から１５００ｃｍ３までの範囲であれば、合計容積が増加するに従って、冷却ステージ温度が低下する。すなわち、冷凍能力が向上する。このように、バッファタンクの容積を変化させることにより、冷却温度、及び冷凍能力を調節することができる。
【００１７】
第１のパルス管冷凍機を運転する場合には、まず、パルス管冷凍機に必要とされる冷凍能力を決定する。これは、必要とされる到達温度、冷却ステージへの熱の流入量等から決定することができる。次に、決定された冷凍能力を発揮するためのバッファタンクの容積を決定する。これは、例えば、図２に示すグラフから求めることができる。バッファタンクの容積が、決定された容積になるように、開閉弁２３ａ〜２３ｂを適宜開閉する。この状態でパルス管冷凍機を運転すると、所望の冷凍能力を発揮でき、冷却ステージ４の温度を所望の温度まで冷却することができる。
【００１８】
次に、図３を参照して、第２の実施例によるパルス管冷凍機について説明する。第２の実施例によるパルス管冷凍機を、第１の実施例によるパルス管冷凍機と比較すると、主としてバッファタンクの接続方法が異なる。
【００１９】
図３は、第２の実施例によるパルス管冷凍機の概略図を示す。ここでは、図１に示す第１の実施例によるパルス管冷凍機の構成と異なる部分についてのみ説明する。図３に示すパルス管冷凍機の各構成部分には、図１に示すパルス管冷凍機の対応する構成部分に付された参照符号と同一の参照符号が付されている。
【００２０】
一方の端部がパルス管２の高温端２Ｈに接続されたガス輸送路２１の他方の端部に、開閉弁２８ａ、バッファタンク３０ａ、開閉弁２８ｂ、バッファタンク３０ｂ、開閉弁２８ｃ、バッファタンク３０ｃ、開閉弁２８ｄ、及びバッファタンク３０ｄが、この順番に直列に接続されている。開閉弁２８ａ〜２８ｄは、例えば電磁弁であり、冷却ステージの温度に基づいて自動制御される。
【００２１】
圧力振動源１０が、シリンダ１５とピストン１６とを含んで構成される。シリンダ１５とピストン１６により画定されたガス圧縮室が、ガス流路を介して蓄冷器１の高温端１Ｈに接続されている。ピストン１６を往復駆動させることにより、蓄冷器１への作動ガスの供給と、蓄冷器１からの作動ガスの回収が周期的に繰り返される。なお、この圧力振動源１０の代わりに、図１に示す第１の実施例で用いたロータリバルブ型の圧力振動源を用いてもよい。逆に、第１の実施例のパルス管冷凍機に、図３に示すシリンダピストン型のガス圧縮機を使用してもよい。
【００２２】
蓄冷器１の高温端１Ｈとパルス管２の高温端２Ｈとが、ガス流路によって相互に接続され、このガス流路内にオリフィス２０ａが配置されている。オリフィス２０ａを挿入することにより、パルス管２内の作動ガスの圧力変化と体積変化の位相差を調整することができる。位相差が適切に調整されると、冷凍効率を高めることができる。
【００２３】
第２の実施例の場合にも、開閉弁２８ａ〜２８ｄを開閉状態を適宜変えることにより、バッファタンクの実効的な容積を変化させることができる。また、閉じられた開閉弁よりも、パルス管から遠い位置に接続されたバッファタンク及び開閉弁を、冷凍機の運転中に保守点検、及び交換することができる。
【００２４】
図４は、第３の実施例によるパルス管冷凍機に用いられるバッファタンクの概略図を示す。このバッファタンクは、シリンダ３５、ピストン３６、及び駆動装置３７を含んで構成される。シリンダ３５内にピストン３６が挿入され、シリンダ３５とピストン３６とにより空洞３８が画定される。駆動装置３７は、ピストン３６の挿入量を変化させ、所望の位置でピストン３６を保持する。ピストン３６の挿入量を変化させることにより、空洞３８の容積を変化させることができる。空洞３８が、ガス輸送路２１を介して、パルス管の内部空洞に連通している。第３の実施例の場合には、バッファタンクの容積を連続的に変化させることができる。
【００２５】
上記実施例によるパルス管冷凍機では、冷却ステージの温度調整のためのバッファタンク及び開閉弁が、真空容器の外に配置される。このため、電気ヒータで加熱する場合によく見られる放出ガスによる真空状態への悪影響を防止することができる。また、真空容器の真空状態を保ったまま、保守作業を行うことができる。
【００２６】
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、パルス管の高温端に接続されたバッファ手段の実効的な容積を変化させることにより、冷却温度を調節することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例によるパルス管冷凍機の概略図である。
【図２】第１の実施例によるパルス管冷凍機の冷却ステージの温度を、バッファタンクの実効的な容積の関数として示すグラフである。
【図３】本発明の第２の実施例によるパルス管冷凍機の概略図である。
【図４】本発明の第３の実施例によるパルス管冷凍機に用いられるバッファタンクの概略図である。
【符号の説明】
１  蓄冷器
２  パルス管
３  蓄冷材
４  冷却ステージ
５  ガス流路
６  真空容器
７  温度センサ
１０  圧力振動源
１１  ガス圧縮機
１２  ロータリバルブ
１５  シリンダ
１６  ピストン
２０、２０ａ  オリフィス
２１  ガス輸送路
２２ａ〜２２ｄ  分岐路
２３ａ〜２３ｄ、２８ａ〜２８ｄ  開閉弁
２５ａ〜２５ｄ、３０ａ〜３０ｄ  バッファタンク
３５  シリンダ
３６  ピストン
３７  駆動装置
３８  空洞
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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