(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所要大容量圧縮機構の高圧側圧力源は、順次大容量高圧側圧力容器と大容量高圧切替バルブを介し、上記大容量圧縮機構の低圧側圧力源は、順次大容量低圧側圧力容器と大容量低圧切替バルブを介して、夫々大容量再生熱交換器を内蔵した大容量蓄冷器に連設し、当該大容量蓄冷器は、複数の低温部配管を介して連通の各小容量パルス管に連設されると共に、当該小容量パルス管の室温部には、夫々の小容量オリフィスバルブを介して各小容量バッファタンクが連設され、これら各小容量パルス管と各小容量オリフィスバルブおよび各小容量バッファタンクは、所定小容量のガス流量に適合した寸法と形状に設定され、かつ、当該所定小容量にあってのガス流量を、前掲所要大容量とすることによる増加ガス流量に比例した数だけ併設するようにしたことを特徴とする大型パルスチューブ冷凍機。
【請求項２】
所要大容量圧縮機構の高圧側圧力源は、順次大容量高圧側圧力容器と大容量高圧切替バルブを介し、上記大容量圧縮機構の低圧側圧力源は、順次大容量低圧側圧力容器と大容量低圧切替バルブを介して、夫々大容量再生熱交換器を内蔵した大容量蓄冷器に連設し、当該大容量蓄冷器は、低温部を介してパルス管収納圧力容器の一端部に連設すると共に、当該パルス管収納圧力容器の他端部には、大容量オリフィスバルブを介して大容量バッファタンクが連設され、上記パルス管収納圧力容器の一端側と他端側には、夫々多孔板を内設すると共に、当該両多孔板の間には、複数の小容量パルス管を、当該パルス管収納圧力容器と同軸状に集束内嵌し、これら各小容量パルス管は、所定小容量のガス流合に適合した寸法と形状に設定され、かつ、当該所定小容量にあってのガス流量を、前掲所要大容量とすることによる増加ガス流量に比例した数だけ併設すると共に、これら併設の小容量パルス管相互間に形成された間隙を、低熱伝導物質による充填材により閉塞するようにしたことを特徴とする大型パルスチューブ冷凍機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、ヘリウム、水素、空気等のガスを、ガス圧力源により断熱膨張させることで、超電導体の冷却に供し得る極低温領域から、冷蔵、冷房等の零度付近の温度領域にわたる広範囲の需要に供し得て簡潔構造である所謂オリフィス型のパルスチューブ冷凍機に係り、特にその大型化を実現しようとするものである。
【０００２】
【従来の技術】
既知の通りパルスチューブ冷凍機は、従来からあるスターリング冷凍機におけるピストンを、ガスで置換するようにしたもので、近年冷凍効率の向上と最低到達温度の低下が実現されつつあることから、注目を集めるようになって来ている。ここで、上記スターリング冷凍機なるものは、図３の（Ａ）に例示する如き構成を有し、モータ駆動部Ａによって圧縮ピストンＢを稼動し、これにより室温空間Ｃを圧縮することで全体の圧力が上昇し、この時発生する熱は室温空間Ｃの冷却によって、外部へ放出される（圧縮プロセス）ことになる。
【０００３】
さらに、膨張ピストンＤが、外部である仕事回収部Ｅへ仕事を行いながら、冷却空間Ｆを増加させる事により、全体の圧力が低下し、これにより低温空間Ｆの温度が下降する（膨張プロセス）のであり、次いで、膨張ピストンＤが低温空間Ｆの冷却ガスを、再生熱交換器Ｇ（金網、金属粒等）を通して、室温空間Ｃ側へ追い出し、同時に圧縮ピストンＢも動くため、圧力は一定のままで熱の発生はなく、発生した上記の冷熱は。再生熱交換器Ｇに蓄えられて、次のプロセスにおけるガスの冷却に用いられる（移動プロセス）のである。
【０００４】
このスターリング冷凍機に対し、パルスチューブ冷凍機としては、ピストン型パルスチューブ冷凍機（図３（Ｂ））、バルブ型パルスチューブ冷凍機（図３（Ｃ））、オリフィス型パルスチューブ冷凍機（図４）が知られており、上記ピストン型パルスチューブ冷凍機は、前記スターリング冷凍機における膨張ピストンＤの大部分が、ガスピストンＨに置換されたもので、これによるときは、ガスピストンＨが圧力に応じて伸縮するため、スターリング冷凍機より効率が低下するものの、膨張ピストンＤ１  がＤよりも軽量化されると共に、低温で動作する部分がなくなることから、高速運転も可能となる。
【０００５】
次に、上記のバルブ型パルスチューブ冷凍機は、スターリング冷凍機のモータ駆動部Ａと圧縮ピストンＢ、膨張ピストンＤと仕事回収部Ｅを、夫々高圧ガスＩ１  の流入側バルブＪ１  と低圧ガスＩ２  の流出側バルブＪ２  と、低圧ガスＫ１  の流出側バルブＬ１  と高圧ガスＫ２  の流入側バルブＬ２  とに置換してしまうことにより、すべての駆動部分を排除可能としたものである。
【０００６】
また、前記のオリフィス型パルスチューブ冷凍機は、図４の如くパルス管Ｍ側における前記の流出側バルブＬ１  と流入側バルブＬ２  を、オリフィスバルブＮとバッファタンクＯに置換したことで、装置全体の簡略化が図られている。ここで図中Ｐは圧縮機で、Ｑ１  とＱ２  は夫々高圧側圧力容器と低圧側圧力容器、Ｒ１  、Ｒ２  は冷却水による熱交換器で、Ｓは低温部、Ｔは低温側熱交換器である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように構成されているパルスチューブ冷凍機によるときは、確かに次のような利点が存する。すなわち、バルブ以外に動作する部分がないため、長期の信頼性を有し、ピストンを用いないので精密加工の要なく低コストの製造が可能である、また、バルブ、再生熱交換器、パルス管等の機器構成が簡潔であるため、超小型から大型まで、あらゆるサイズが可能であり、種々のガス圧力源であるＨｅ、Ｈ２  、空気等に対し、低圧力比（圧力比で２以下）にて冷熱の発生が可能となる。
【０００８】
しかし、上記の如き従来のパルスチューブ冷凍機にあっては、前記オリフィス型のものに至るまで、すべて小型冷凍機、すなわち冷凍能力の比較的低いものの性能向上を目指して、その改良に傾注して来たため、大型化、すなわち冷凍能力の向上、換言すれば、ガス流量を増大したパルスチューブ冷凍機についての研究がなされていない。
【０００９】
本発明は、上記従来の実状に鑑み、オリフィス型パルスチューブ冷凍機の大型化を図ろうとするものであり、この際、冷凍能力を増大しようとすれば、もちろん、圧縮機とか高圧容器、低圧容器、高圧バルブ、低圧バルブ、再生熱交換器や、パルス管等の構成部材を大型化すればよいことになるが、この際、単純にパルス管のスケールアップを行ったとすれば、ガス流量の増加に対して、パルス管の内径は平方根に比例して増加するため、当該パルス管内におけるガス流の状態は大きく変化し、この結果パルス管内のガスがピストンのように振る舞う最適条件が得られなくなってしまう。
【００１０】
そこで、請求項１ではパルスチューブ冷凍機の大型化を実現しようとする際、これまでの小型パルスチューブ冷凍機につき、容易に大型化が可能な上記の構成部材についてはスケールアップするが、パルス管については、これを大型化するのでなく、小型パルスチューブ冷凍機として、前記の最適条件を満足しているパルス管自体を用いるようにし、大型化によってガス流量が上記小型パルスチューブ冷凍機の何倍にしたいかによって、その倍数に比例して上記のパルス管等を、所要複数だけ併設して採択するようにし、このことで、当該パルス管１本当りのガス流量に変化を与えないようにして、同管内のガス流状態を不変とし、前掲最適条件が簡易に満たし得る大型パルスチューブ冷凍機を提供しようとするのがその目的である。
【００１１】
請求項２にあっては、請求項１と同じく所要複数本のパルス管を用いるが、これらは、一つのパルス管収納容器に内装状態とするだけでなく、多孔板と充填材をも適所に内装することにより、上記請求項１と同じ大型化の目的を達成し得るようにし、かつ、その製作を容易にすると共に、耐久性を向上し、機体を小型に製作し得るようにしている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の目的を達成するため、請求項１にあっては、所要大容量圧縮機構の高圧側圧力源は、順次大容量高圧側圧力容器と大容量高圧切替バルブを介し、上記大容量圧縮機構の低圧側圧力源は、順次大容量低圧側圧力容器と大容量低圧切替バルブを介して、夫々大容量再生熱交換器を内蔵した大容量蓄冷器に連設し、当該大容量蓄冷器は、複数の低温部配管を介して連通の各小容量パルス管に連設されると共に、当該小容量パルス管の室温部には、夫々の小容量オリフィスバルブを介して各小容量バッファタンクが連設され、これら各小容量パルス管と各小容量オリフィスバルブおよび各小容量バッファタンクは、所定小容量のガス流量に適合した寸法と形状に設定され、かつ、当該所定小容量にあってのガス流量を、前掲所要大容量とすることによる増加ガス流量に比例した数だけ併設するようにしたことを特徴とする大型パルスチューブ冷凍機を提供しようとしている。
【００１３】
請求項２では、所要大容量圧縮機構の高圧側圧力源は、順次大容量高圧側圧力容器と大容量高圧切替バルブを介し、上記大容量圧縮機構の低圧側圧力源は、順次大容量低圧側圧力容器と大容量低圧切替バルブを介して、夫々大容量再生熱交換器を内蔵した大容量蓄冷器に連設し、当該大容量蓄冷器は、低温部を介してパルス管収納圧力容器の一端部に連設すると共に、当該パルス管収納圧力容器の他端部には、大容量オリフィスバルブを介して大容量バッファタンクが連設され、上記パルス管収納圧力容器の一端側と他端側には、夫々多孔板を内設すると共に、当該両多孔板の間には、複数の小容量パルス管を、当該パルス管収納圧力容器と同軸状に集束内嵌し、これら各小容量パルス管は、所定小容量のガス流合に適合した寸法と形状に設定され、かつ、当該所定小容量にあってのガス流量を、前掲所要大容量とすることによる増加ガス流量に比例した数だけ併設すると共に、これら併設の小容量パルス管相互間に形成された間隙を、低熱伝導物質による充填材により閉塞するようにしたことを特徴とする大型パルスチューブ冷凍機を、その内容としている。
【００１４】
【作用】
請求項１による大型パルスチューブ冷凍機にあっては、１本の小容量パルス管による小型パルスチューブ冷凍機の最適条件、すなわち、当該小容量パルス管の内径、長さ、形状に対する、ガス圧力、ガス流量、サイクル数、温度等を求め、その１本当りの冷凍能力から、大型パルスチューブ冷凍機に必要な小容量パルス管の本数を導出するようにして、当該複数の小容量パルス管を併設するようにしたので、前記の如く大型化に伴い、パルス管そのものを大型化した場合の条件変化に伴う不確定要素がなくなり、小容量パルス管内を流れるガス流量を、小型パルスチューブ冷凍機の場合と同等に保有できることとなり、労せずして、最適条件の満足された大型パルスチューブ冷凍機を提供し得る。
【００１５】
請求項２の大型パルスチューブ冷凍機では、所要複数本の小容量パルス管に対し、夫々の小容量オリフィスバルブと小容量バッファタンクを連設し、しかも、これらの各小容量パルス管を夫々の低温部配管にて、大容量蓄冷器と連結する請求項１のものと相違し、上記の小容量パルス管は、すべてパルス管収納圧力容器に収納してしまい、このパルス管収納圧力容器は、一個の大容量オリフィスバルブを介して一個の大容量バッファタンクと連設すると共に、一つの低温部によって大容量蓄冷器に連結したので、その製作が容易にして堅牢に仕上げることができると共に、全体を小型に仕上げることができる。
【００１６】
また、上記所要複数の小容量パルス管の上下には、多孔板が前掲パルス管収納圧力容器に内設されているため、各小容量パルス管内を流れるガス流量が平均化されて最適条件を保証することができ、しかも、当該各小容量パルス管相互間は、低熱伝導物質による充填材によって閉塞されているので、余分なガス流量の増加が阻止され、この点からも上記最適条件を満足させ得ることとなる。
【００１７】
【実施例】
本発明を図示の実施例によって詳記すると、請求項１にあっては、図１に示されている通り、冷凍能力の増加に適合するように、大型化した所要大容量圧縮機構１として、機械的圧縮機等が用いられ、その高圧側圧力源１ａは、順次大容量高圧側圧力容器２ａと大容量高圧切替バルブ３ａを介して、大容量再生熱交換器４ａを内蔵した大容量蓄冷器４の一端部に連設される。一方、上記大容量圧縮機構１の低圧側圧力源１ｂは、順次大容量低圧側圧力容器２ｂと大容量低圧切替バルブ３ｂを介して、同上大容量蓄冷器４の同上一端部に連設されている。
【００１８】
ここで、当該発明では、上記大容量蓄冷器４の他端部に、後述する所要複数の低温部配管５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄを分岐して、夫々所要の小容量パルス管６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄが連設されており、さらに、当該小容量パルス管６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄの室温部６ａ′、６ｂ′、６ｃ′、６ｄ′には、夫々小容量オリフィスバルブ７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄを介して、各小容量バッファタンク８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄが連設されている。同上図にあって、９は高圧側冷却熱交換部、１０は低温側熱交換部、１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄは、小容量パルス管６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄの室温部６ａ′、６ｂ′、６ｃ′、６ｄ′におけるパルス管熱交換部を示している。
【００１９】
ここで、上記の各小容量パルス管６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄと各小容量オリフィスバルブ７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄおよび各小容量バッファタンク８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄは、これまでに多用されている小型パルスチューブ冷凍機にあって採択されているもので、その試作段階にあって、当該１本の小容量パルス管内に係る径、長さ、形状に対する圧力、流量、サイクル数、温度等に関し、同上小容量パルス管内のガスがピストンのように振る舞うことのできる最適条件を、予め求めておくのである。
【００２０】
本発明では、パルスチューブ冷凍機の大型化に際し、パルス管等自体をも大型サイズにしてしまうことなく、前記の試作段階におけるパルス管のガス流量を、大型化に際して所要大容量とすることによる増加ガス流量に比例した本数だけ、前掲小容量パルス管６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ等を併設するのであり、このため、当該小容量パルス管の１本当りのガス流量は、前掲最適条件を満足する小型パルスチューブ冷凍機の場合と変化することなく、小容量パルス管６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄの管内における流れの状態も、小型機の場合と変わらないこととなる。
【００２１】
このように、１本の状態で最適な条件を満足させる小容量パルス管等を、冷凍能力の増大に比例した数だけ増設させるようにするが、もちろん前記の如く圧縮機構、高圧側圧力容器、低圧側圧力容器、高圧切替バルブ、低圧切替バルブ、そして再生熱交換器を備えた蓄冷器等については、その数を増設することなく容易な大型化が可能であることから、所望大型化に適合した夫々大容量圧縮機構１、大容量高圧側圧力容器２ａ、大容量低圧側圧力容器２ｂ、大容量高圧切替バルブ３ａ、大容量低圧切替バルブ３ｂ、そして大容量再生熱交換器４ａを備えた大容量蓄冷器４が用いられるのである。
【００２２】
次に図２によって、請求項２に係る大型パルスチューブ冷凍機に説示すると、前記図１のものと相違する点は、先ず大容量蓄冷器４の他端側から導出された一つの低温部５を介して、パルス管収納圧力容器１２の一端部に連設されており、当該パルス管収納圧力容器１２の他端部に大容量オリフィスバルブ７を介して、大容量バッファタンク８が連設されていることである。
【００２３】
そして、さらに請求項１のものと違っていることは、上記のパルス管収納圧力容器１２に、前記した所要複数本の小容量パルス管６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ‥‥‥が、上下に開口の状態にて当該パルス管収納圧力容器１２と同軸状に集束内嵌され、しかも、その下側と上側には、夫々多孔板１３ａ、１３ｂが配装内嵌されており、図示例では円形通孔１４ａ、１４ｂを多穿した板状体が複数板重積されているが、網状板等を使用することもできる。
【００２４】
しかも、上記の場合、小容量パルス管６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ‥‥‥は外接状態となっているので、相互間に間隙が離間形成されることとなるが、これには、エポキシ系接着剤などによる低熱伝導物質により形成された充填材１５を充填することで閉塞し、余分なガス流量の増加を阻止するようにしている。また、前記のように多孔板１３ａ、１３ｂを配装することで、１本当りの小容量パルス管内におけるガス流量が平均化され、これにより、各小容量パルス管が、何れも前記の最適条件を満足し得るようにしている。
尚、図中１１は、小容量パルス管６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ‥‥‥の室温部６ａ′、６ｂ′、６ｃ′、６ｄ′‥‥‥における大容量パルス管熱交換部を示している。
【００２５】
従って、上記機構の大型パルスチューブ冷凍機によるときは、請求項１のものと同等の冷凍効率を発揮し得るだけでなく、大容量蓄冷器４とパルス管収納圧力容器１２とを、一つの低温部５により連結すれば、また、一個の大容量バッファタンク８を、これまた一大容量オリフィスバルブ７を介して、パルス管収納圧力容器１２に連結するだけでよいから、製作も容易となり、かつ大型パルスチューブ冷凍機全体の大きさも、図１のものに比し、小型化できると共に堅牢に仕上げることが可能となる。
【００２６】
【発明の効果】
本発明は以上のようにして構成されたものであるから、請求項１に係る大型パルスチューブ冷凍機の場合には、冷凍最適条件を満たすことのできる小容量パルス管を、大型化による冷凍能力の増大に比例した数だけ併設するようにし、これに夫々の小容量オリフィスバルブおよび小容量バッファタンクを設けるようにしたので、大型化した１つのパルス管を用いた場合における不確定要素の決定作業が不要となり、迅速にして労力のかからない製造ができると共に、その冷凍最適条件の満足度を保証することができる。
【００２７】
請求項２にあっては、これまた請求項１と同等の効果を発揮し得ると共に、より一層、その製作を簡易にして迅速に行うことができ、しかも、全体の小型化が可能で、かつ、堅牢な大型パルスチューブ冷凍機を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る大型パルスチューブ冷凍機に関し、請求項１に係る一実施例を示した一部切欠の全体構成配管図である。
【図２】請求項２に係る大型パルスチューブ冷凍機の一実施例を示した一部切欠の全体構成配管図である。
【図３】従来の冷凍機を示し、（Ａ）はスターリング冷凍機、（Ｂ）はピストン型パルスチューブ冷凍機、（Ｃ）はバルブ型パルスチューブ冷凍機の各縦断全体構成説明図である。
【図４】従来のオリフィス型パルスチューブ冷凍機を示す一部切欠の全体構成配管図である。
【符号の説明】
１      大容量圧縮機構
１ａ    高圧側圧力源
１ｂ    低圧側圧力源
２ａ    大容量高圧側圧力容器
２ｂ    大容量低圧側圧力容器
３ａ    大容量高圧切替バルブ
３ｂ    大容量低圧切替バルブ
４ａ    大容量再生熱交換器
４      大容量蓄冷器
５      低温部
５ａ    低温部配管
５ｂ    低温部配管
５ｃ    低温部配管
５ｄ    低温部配管
６      小容量パルス管
６ａ    小容量パルス管
６ｂ    小容量パルス管
６ｃ    小容量パルス管
６ｄ    小容量パルス管
６ａ′  小容量パルス管の室温部
６ｂ′  小容量パルス管の室温部
６ｃ′  小容量パルス管の室温部
６ｄ′  小容量パルス管の室温部
７      大容量オリフィスバルブ
７ａ    小容量オリフィスバルブ
７ｂ    小容量オリフィスバルブ
７ｃ    小容量オリフィスバルブ
７ｄ    小容量オリフィスバルブ
８      大容量バッファタンク
８ａ    小容量バッファタンク
８ｂ    小容量バッファタンク
８ｃ    小容量バッファタンク
８ｄ    小容量バッファタンク
１２      パルス管収納圧力容器
１３ａ    多孔板
１３ｂ    多孔板
１５      充填材
【図１】
0003566751.tif 000002
【図２】
0003566751.tif 000003
【図３】
0003566751.tif 000004
【図４】
0003566751.tif 000005