(57)【要約】【課題】  パルスチューブ冷凍機を極低温を必要とする装置に搭載する場合に、パルスチューブ冷凍機の要求性能から決定される放熱フィンの大きさが問題となる。これは、放熱フィンが放熱部と一体形成されていることにより、膨張機の装置への取り付けに際して放熱フィンが制約条件となる。【解決手段】  パルスチューブ冷凍機の膨張機の放熱部を、放熱部本体と、該放熱部本体を隔てて相対する一対の放熱フィンとで構成し、放熱部本体と放熱フィンとの接触面には熱伝導性物質を塗付し、前記一対の放熱フィンは、一方の放熱フィンから前記放熱部本体の外面内側を貫通して他方の放熱フィンまで達する締結部材により放熱部本体に固定する。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
放熱部と蓄冷器と低温端部とパルス管とにより構成されたパルスチューブ冷凍機の膨張機であって、
前記放熱部は、放熱部本体と、該放熱部本体を隔てて相対する少なくとも一対の放熱フィンと、で構成され、
放熱部本体と放熱フィンとの接触面には高熱伝導物質が塗付され、
前記一対の放熱フィンは、一方の放熱フィンから前記放熱部本体の外面内側を貫通して他方の放熱フィンまで達する締結部材により放熱部本体に固定されている、
ことを特徴とするパルスチューブ冷凍機の膨張機。
【請求項２】
請求項１に記載のパルスチューブ冷凍機の膨張機であって、
前記締結部材は、一方の放熱フィンから前記放熱部本体の外面内側および他方の放熱フィンを貫通する固定ボルトと、前記他方の放熱フィン側から固定ボルトに螺着されるナットにより構成されていること、
を特徴とするパルスチューブ冷凍機の膨張機。
【請求項３】
請求項１に記載のパルスチューブ冷凍機の膨張機であって、
前記締結部材は、一方の放熱フィンから前記放熱部本体の外面内側および他方の放熱フィンに達する固定ボルトであって、
前記他方の放熱フィンには、前記固定ボルトが螺着されるネジ部がもうけられていること、
を特徴とするパルスチューブ冷凍機の膨張機。
【請求項４】
請求項１に記載のパルスチューブ冷凍機の膨張機であって、
前記締結部材は、両方の放熱フィンおよび前記放熱部本体の外面内側を貫通する両端にネジ部を有する固定ボルトと、前記両方の放熱フィン側から固定ボルトに螺着される一対のナットにより構成されていること、
を特徴とするパルスチューブ冷凍機の膨張機。
【請求項５】
請求項１または４に記載のパルスチューブ冷凍機の膨張機であって、
前記締結部材の軸方向内部にヒートパイプを設けていること、
を特徴とするパルスチューブ冷凍機の膨張機。
【請求項６】
請求項２乃至５のいずれか１項に記載のパルスチューブ冷凍機の膨張機であって、
前記放熱部本体は、前記固定ボルトの貫通穴が設けられ、
当該貫通穴と前記固定ボルトとで形成される空隙部に高熱伝導性物質を充填したこと、
を特徴とするパルスチューブ冷凍機の膨張機。
【請求項７】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の膨張機と圧縮機と位相制御部とにより構成されたパルスチューブ冷凍機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パルスチューブ冷凍機の膨張機に関する。
【背景技術】
【０００２】
パルスチューブ冷凍機は、極低温を必要とする装置に搭載され、液体窒素等に代替する冷却装置として用いられている。
パルスチューブ冷凍機の膨張機は、一般的に放熱部、蓄冷器、低温端部、パルス管によって構成されている。放熱部は、パルスチューブ冷凍機が動作することで発生する作動ガスの熱を膨張機の外部へ放出する機能を有している。そのため、放熱部は櫛型の放熱フィンを設けて放熱量を増加させている。なお、放熱フィンは放熱部に機械加工等によって一体形成され、熱伝導効率の低下を防止している。
【０００３】
通常、膨張機の装置への取り付けは、放熱部に設けられたフランジ等を介して行われる。フランジ等は、放熱部と一体形成する場合や、別部品として構成されてボルト等で放熱部に固定する場合がある。
【０００４】
放熱フィンが放熱部に一体形成されている従来技術として特許文献１が知られている。例えば、図８は従来技術の膨張機である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平６−３００３７６号公報（第５頁、図１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
パルスチューブ冷凍機を極低温を必要とする装置に搭載する場合に、パルスチューブ冷凍機の要求性能から決定される放熱フィンの大きさが問題となる。これは、放熱フィンが放熱部と一体形成されていることにより、膨張機の装置への取り付けに際して放熱フィンが制約条件となるためである。
【０００７】
また、パルスチューブ冷凍機を装置への搭載した場合、放熱フィンと装置の周辺構造等の関係によって放熱フィンの場所ごとにおける冷却性能に大きな差が生じる場合がある。係る場合、作動流体の通過場所による熱の偏りによる冷却性能の低下や、蓄冷器およびパルス管に熱応力によるひずみが発生するとの問題もある。
【０００８】
上記課題に鑑みて、放熱フィンを取外し可能にすると共に、放熱フィンを取外し可能としたことによる放熱量の減少を最小限に留めて冷却性能低下を防止するパルスチューブ冷凍機の膨張機を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の請求項１に係るパルスチューブ冷凍機の膨張機は、放熱部と蓄冷器と低温端部とパルス管とにより構成されたパルスチューブ冷凍機の膨張機であって、前記放熱部は、放熱部本体と、該放熱部本体を隔てて相対する少なくとも一対の放熱フィンと、で構成され、放熱部本体と放熱フィンとの接触面には高熱伝導物質が塗付され、前記一対の放熱フィンは、一方の放熱フィンから前記放熱部本体の外面内側を貫通して他方の放熱フィンまで達する締結部材により放熱部本体に固定されている、ことを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の請求項２に係るパルスチューブ冷凍機の膨張機は、請求項１に記載のパルスチューブ冷凍機の膨張機であって、前記締結部材は、一方の放熱フィンから前記放熱部本体の外面内側および他方の放熱フィンを貫通する固定ボルトと、前記他方の放熱フィン側から固定ボルトに螺着されるナットにより構成されていること、を特徴とする。
【００１１】
また、本発明の請求項３に係るパルスチューブ冷凍機の膨張機は、請求項１に記載のパルスチューブ冷凍機の膨張機であって、前記締結部材は、一方の放熱フィンから前記放熱部本体の外面内側および他方の放熱フィンに達する固定ボルトであって、前記他方の放熱フィンには、前記固定ボルトが螺着されるネジ部がもうけられていること、を特徴とする。
【００１２】
また、本発明の請求項４に係るパルスチューブ冷凍機の膨張機は、請求項１に記載のパルスチューブ冷凍機の膨張機であって、前記締結部材は、両方の放熱フィンおよび前記放熱部本体の外面内側を貫通する両端にネジ部を有する固定ボルトと、前記両方の放熱フィン側から固定ボルトに螺着される一対のナットにより構成されていること、を特徴とする。
【００１３】
なお、本発明の請求項５に記載のパルスチューブ冷凍機の膨張機は、請求項１または４に記載のパルスチューブ冷凍機の膨張機であって、前記固定ボルトの軸方向内部にヒートパイプを設けていること、を特徴とする。
【００１４】
また、本発明の請求項６に係るパルスチューブ冷凍機の膨張機は、請求項２乃至５のいずれか１項に記載のパルスチューブ冷凍機の膨張機であって、前記放熱部本体は、前記固定ボルトの貫通穴が設けられ、当該貫通穴と前記固定ボルトとで形成される空隙部に高熱伝導性物質を充填したこと、を特徴とする。
【００１５】
さらに、請求項７に記載のパルスチューブ冷凍機の膨張機は、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の膨張機と圧縮機と位相制御部とにより構成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明においては、放熱部を放熱部本体と放熱フィンとで構成したことにより、装置への取り付け自由度および放熱フィンの設計自由度が大幅に増加する。
さらに、締結部材の軸方向内部にヒートパイプを設けることで一対の放熱フィン間における放熱量が均一化され、作動ガスの通過場所による熱の偏りによる冷却性能の低下を防止し、蓄冷器およびパルス管に生じる熱応力によるひずみを抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】パルス管冷凍機の概略構成図である。
【図２】第１の実施形態に係るパルス管冷凍機の膨張機の概観図である。
【図３】第１の実勢形態に係る放熱部３１Ａの固定ボルト３１４の軸方向断面図である。
【図４】第２の実施形態に係るパルス管冷凍機の放熱フィンを取り外した状態の膨張機の概観図である。
【図５】第１の実勢形態に係る変形例であって、放熱部３１Ａの固定ボルト３１４の軸方向断面図である。
【図６】第１の実勢形態に係る他の変形例であって、放熱部３１Ａの固定ボルト３１４の軸方向断面図である。
【図７】放熱部本体の断面形状の変形例である。
【図８】従来技術の膨張機である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明に係る第１の実施形態について説明する。
まず、パルス管冷凍機について図を参照しつつ説明する。図１はパルス管冷凍機の概略構成図である。
【００１９】
パルス管冷凍機１００は、図１に示すように、圧縮機１０、接続管２０、膨張機３０、位相制御部４０を備えている。
圧縮機１０は、ピストン１１とシリンダ１２とを備えている。なお、圧縮機１０は本発明の主要部ではないので、詳細な説明は省略する。
【００２０】
膨張機３０は、詳しくは放熱部３１、蓄冷器３２、低温端部３３、パルス管３４を備えている。
位相制御部４０は、詳しくはイナータンスチューブ４１とバッファタンク４２とを備えている。
【００２１】
このようなパルス管冷凍機１００には流路が形成される。流路内には作動ガス（冷媒ガス）として、例えば、ヘリウムが封入されている。
続いてパルス管冷凍機１００の動作原理について説明する。パルス管冷凍機１００の運転時に圧縮機１０のシリンダ１２内でピストン１１が往復動作することにより、シリンダ１２内の作動ガスが圧縮・膨張される。このような作動ガスは圧縮機１０から接続管２０、放熱部３１、蓄冷器３２、低温端部３３、パルス管３４、イナータンスチューブ４１、バッファタンク４２まで到達する。作動ガスは、圧縮機１０と位相制御部４０との間の一連の系の中で往復動流として流れる。
【００２２】
ここで作動ガスは、位相制御部４０のイナータンスチューブ４１とバッファタンク４２との中を、ほぼ正弦波的に圧力振幅を伴って流れることにより、圧力変化と流量変化との間に位相差を発生させることができる。これら流体回路を電気回路に例えると、イナータンスチューブ４１はインダクタンス成分と抵抗成分、バッファタンク４２はキャパシタンス成分に相当する。このような位相制御部４０は、作動ガスの圧力に対する流量の位相差を−９０°から＋９０°まで変化させることができる。
【００２３】
このようにパルス管冷凍機１００の運転時には、パルス管３４および位相制御部４０による位相制御効果により、パルス管３４内で作動ガスの圧力と流量との間に位相差が生じ、この圧力と流量とがなす仕事が低温端部３３でのＰＶ仕事となり、低温端部３３に寒冷を発生する。この発生寒冷を低温ＰＶ仕事と呼ぶ。
【００２４】
ここで、低温端部３３は前記のように蓄冷器３２とパルス管３４との間に介装されている。パルス管冷凍機１００の運転時には、圧縮機１０の圧縮工程で送り出された作動ガスは蓄冷器３２において低温となってパルス管３４に流入し、パルス管３４の内部で断熱膨張してこれにより低温端部３３で吸熱し、作動ガスが位相制御部４０に流出する。また、前記とは逆に作動ガスが位相制御部４０からパルス管３４を通過して低温端部３３に還流する工程では、ほぼ一定体積で変化するため熱の発生または吸収は行わない。つまり低温端部３３では発熱がなく吸熱のみなされ、寒冷を発生することとなる。
【００２５】
次に、パルス管冷凍機の膨張機について、図を参照しつつ詳細に説明する。図２は、第１の実施形態に係るパルス管冷凍機の膨張機の概観図である。
膨張機３０は、放熱部３１Ａ、蓄冷器３２、低温端部３３、パルス管３４を備えている。さらに、放熱部３１Ａは、放熱部本体３１１Ａ、一対の放熱フィン３１２，３１３、固定ボルト３１４を備えている。なお、図２において放熱フィン３１２，３１３は、周辺部位との関係の把握を容易にするためワイヤーフレームにて外形を表示している。また、図３は、放熱部３１Ａの固定ボルト３１４の軸方向断面図である。
【００２６】
放熱部本体３１１Ａは直方体に形成され、相対する１対の面を貫通する固定ボルト３１４用のボルト穴が４個設けられている。
放熱部本体３１１Ａに取り付けられる一対の放熱フィン３１２，３１３は、一方の放熱フィン３１２には固定ボルト３１４用のボルト穴が、他方の放熱フィン３１３には固定ボルト３１４用のメネジが設けられている。
【００２７】
放熱フィン３１２，３１３は、放熱部本体３１１Ａを隔てて相対する位置に配置され、固定ボルト３１４を一方の放熱フィン３１２のボルト穴から挿入し、他方の放熱フィン３１３のメネジにて螺着し、固定ボルト３１４の軸力により放熱部本体３１１Ａに固定される。つまり、固定ボルト３１４は放熱フィン３１２，３１３の放熱部本体３１１Ａへの締結部材として機能する。
【００２８】
なお、２つの部品の接触面には必ず隙間が生じる。例えば、目視では平面であってもマイクロメートル単位での粗さは存在することからも理解ができる。隙間は空気層となり、２つの部品間における熱伝導効率を低下させる。そのため、２つの部品間における熱伝導効率の低下を防止するため、隙間を埋めて空気層をなくすことが重要となる。そこで、本発明の実施形態においては、図示しないが、放熱部本体３１１Ａと放熱フィン３１２，３１３との接触面にはサーマルグリース等の高熱伝導物質が塗付されている。放熱部本体３１１Ａと放熱フィン３１２，３１３との接触面に生じる微細な隙間をサーマルグリス等の高熱伝導物質で埋め、放熱部本体３１１Ａと放熱フィン３１２，３１３との間の熱伝達効率の低下を防止するためである。
【００２９】
さらに、放熱部本体３１１Ａのボルト穴と固定ボルト３１４とで形成される空隙部にサーマルグリース等の高熱伝導物質を充填しても良い。固定ボルト３１４を介して放熱フィン３１２，３１３に熱を伝達することで、放熱量の増大を図ることが可能となるからである。本発明に係る第１の実施形態においては、放熱部３１Ａを放熱部本体３１１Ａと放熱フィン３１２と放熱フィン３１３とで構成することにより、放熱フィン３１２，３１３を取り外した状態の膨張機３０を装置に組み付けた後、改めて放熱フィン３１２と放熱フィン３１３とを放熱部本体３１１Ａに固定することで膨張機３０の装置への組み付けが完了する。これにより、装置および膨張機３０の組み付け部分をコンパクトに設計することができる。さらに、放熱フィン３１２，３１３の設計自由度が大きくなる。なおさらに、引抜き材等で放熱フィン３１２，３１３を製作することが可能となり、製造コストを抑制することができる。また、固定ボルト３１４が放熱部本体３１１Ａの内部を貫通していることにより、固定ボルト３１４の軸力によって放熱フィン３１２，３１３が反るようなことは無い。なお、放熱フィン３１２，３１３の大きさ等を任意に決定でき、同じ大きさにする必要はない。例えば、装置に組み付けられたときに周囲の環境によって放熱量に差異が発生する場合には、放熱フィン３１２，３１３の大きさを異なる大きさとし、作動ガスを均一に冷却するようにしても良い。
【００３０】
次に、本発明に係る第２の実施形態について図を用いて説明する。ただし、第１の実施形態と共通する部分については説明を省略する。
膨張機３０は、放熱部３１Ｂ、蓄冷器３２、低温端部３３、パルス管３４を備えている。図４は、本発明に係る第２の実施形態における放熱フィン３１２，３１３を取外した膨張機の概観図である。放熱部３１Ｂは、放熱部本体３１１Ｂ、一対の放熱フィン３１２，３１３、固定ボルト３１４を備えている。なお、図４において、放熱フィン３１２，３１３は図２の第１の実施形態の放熱フィンと同一であり、第１の実施形態との差異点は放熱部本体３１１Ｂにあるので、放熱フィンを取外した膨張機の概観図としている。
【００３１】
放熱部本体３１１Ｂは直方体に形成され、相対する１対の面を貫通する固定ボルト３１４用のＵ字状溝が４個設けられている。なお、Ｕ字状溝は、固定ボルト３１４を挿入した際に、放熱部本体３１１ＢのＵ字状溝の開口側の外面よりも固定ボルト３１４頭部全体が内側に位置するように形成されている。
【００３２】
放熱部本体３１１Ｂに取り付けられる一対の放熱フィン３１２，３１３は、一方の放熱フィン３１２には固定ボルト３１４用のボルト穴が、他方の放熱フィン３１３には固定ボルト３１４用のメネジが設けられている。
【００３３】
放熱フィン３１２，３１３は、放熱部本体３１１Ｂを隔てて相対する位置に配置され、固定ボルト３１４を一方の放熱フィン３１２のボルト穴から挿入し、他方の放熱フィン３１３のメネジにて螺着し、固定ボルト３１４の軸力により放熱部本体３１１Ｂに固定される。
【００３４】
なお、図示しないが、放熱部本体３１１Ｂと放熱フィン３１２，３１３との接触面にはサーマルグリース等の高熱伝導物質が塗付されている。
放熱部本体３１１Ａにおける固定ボルト３１４用のボルト穴を、放熱部本体３１１ＢにおいてはＵ字状溝とすることで、放熱フィン３１２と放熱フィン３１３とを２本の固定ボルト３１４で仮組した後に放熱部本体３１１Ｂに組み付ける事が可能となる。これにより、装置に放熱フィン３１２，３１３を取り外した状態の放熱部を組み付けた後に放熱フィン３１２と放熱フィン３１３とを組み付ける場合に、放熱フィン３１２と放熱フィン３１３とが分離された状態では装置の構造上組み付けが困難な場合でも、放熱フィン３１２側と放熱部本体３１１Ｂの一方のＵ字状溝の開口側に十分なスペースが確保できれば、組み立てることできる。
【００３５】
本発明に係る第１および第２の実施形態の変形例について説明する。図５は、第１の実施形態の変形例を示す、放熱部３１Ａの固定ボルト３１４の軸方向断面図である。他方の放熱フィン３１３のメネジをボルト穴とし、放熱フィン３１２，３１３を、放熱部本体３１１Ａまたは放熱部本体３１１Ｂを隔てて相対する位置に配置し、固定ボルト３１４を一方の放熱フィン３１２のボルト穴から挿入し、他方の放熱フィン３１３側からナット３１５にて螺着し、固定ボルト３１４とナット３１５とにより発生する固定ボルト３１４の軸力により放熱部本体３１１Ａまたは放熱部本体３１１Ｂに固定しても良い。つまり、放熱フィン３１２，３１３の放熱部本体３１１Ａ，３１１Ｂへの締結部材として、固定ボルト３１４とナット３１５を用いることもできる。固定ボルト３１４とナット３１５を用いることで、放熱フィン３１２，３１３を共通化することが可能となる。なお、第２の実施形態に同様の変形を施すことができる。
【００３６】
さらに本発明に係る第１および第２の実施形態の他の変形例について説明する。図６は、第１の実施形態の変形例を示す、放熱部３１Ａの固定ボルト３１４Ａの軸方向断面図である。放熱フィン３１２，３１３の固定ボルトが貫通する穴をボルト穴とし、両端にネジ部を有する固定ボルト３１４Ａとし、放熱フィン３１２，３１３を、放熱部本体３１１Ａまたは放熱部本体３１１Ｂを隔てて相対する位置に配置し、固定ボルト３１４Ａを放熱フィン３１２，３１３のボルト穴を貫通させ、放熱フィン３１２，３１３の両側からナット３１５にて螺着し、固定ボルト３１４Ａとナット３１５とにより発生する固定ボルト３１４Ａの軸力により放熱部本体３１１Ａまたは放熱部本体３１１Ｂに固定しても良い。つまり、放熱フィン３１２，３１３の放熱部本体３１１Ａ，３１１Ｂへの締結部材として、両端にネジ部を有する固定ボルト３１４Ａと一対のナット３１５を用いることもできる。なお、第２の実施形態に同様の変形を施すことができる。
【００３７】
さらに、本発明に係る第１および第２の実施形態の変形例として、放熱部本体３１１Ａまたは放熱部本体３１１Ｂは、直方体に限定されるものではない。相対する２つの面を有していれば良い。さらに、相対する２つの面は平面である必要はなく、曲面で合っても良い。ただし、係る場合においては、放熱フィン３１２，３１３の放熱部本体との接触面は、放熱部本体３１１Ａ，３１１Ｂの接触面と同一の形状とする。図７に、放熱部本体の断面形状の変形例を示す。また、放熱フィンは一対に限定されることなく、相対する二対以上の面に取り付けることができる。断面が長方形であれば二対としても良く、断面が六角形であれば三対としてもよい。
【００３８】
なおさらに、図示しないが固定ボルト３１４の内部にヒートパイプを設けても良い。たとえば、放熱フィンごとの周囲の環境によって放熱量が異なる場合には、ヒートパイプにより放熱量の少ない放熱フィンから放熱量の多い放熱フィンに熱が移送されることで、作動ガスの通過場所によらず均一に冷却されることとなる。作動ガスが均一に冷却されることで作動ガスの流れが安定し、冷却性能の低下を防止することができる。さらに、蓄冷器およびパルス管に生じる熱応力によるひずみを抑えることができる。
【００３９】
なお、上記説明においてボルト穴とは、ボルトの頭部またはナットに対応する座ぐり穴を有するものも含まれるものとする。
【符号の説明】
【００４０】
１０  圧縮機
２０  接続管
３０  膨張機
３１  放熱部
３１１  放熱部本体
３１２，３１３  放熱フィン
３１４  固定ボルト
３２  蓄冷器
３３  低温端部
【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図８】
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