(57)【要約】【課題】パルスチューブ冷凍機の冷凍能力を高めることができる技術を提供する。【解決手段】パルスチューブ冷凍機１００は、ヘリウムガスで満たされたパルス管１４０を備える。パルス管１４０の高温端１４５ａはイナータンス管１９２を介してバッファタンク１９０と接続され、低温端１４５ｂは圧力変化生成部と接続される。圧力変化生成部はパルス管１４０の低温端１４５ｂにおけるヘリウムガスの圧力を周期的に変化させる。パルス管１４０の高温端１４５ａ、低温端１４５ｂにはそれぞれ高温側整流器１４９ａ、低温側整流器１４９ｂが設けられている。高温側整流器１４９ａがヘリウムガスの流れを妨げる度合いは、低温側整流器１４９ｂがヘリウムガスの流れを妨げる度合いよりも大きい。【選択図】図１
2015031424.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
作動ガスで満たされたパルス管を備える冷凍機であって、前記パルス管の一端はイナータンス管を介してバッファタンクと接続され、他端は圧力変化生成部と接続され、
前記圧力変化生成部は前記パルス管の他端における作動ガスの圧力を周期的に変化させ、
前記パルス管の一端、他端にはそれぞれ第１整流器、第２整流器が設けられており、
前記第１整流器が作動ガスの流れを妨げる度合いは、前記第２整流器が作動ガスの流れを妨げる度合いよりも大きいことを特徴とする冷凍機。
【請求項２】
前記パルス管の他端における作動ガスの圧力の変化の周波数は３０Ｈｚ以上であることを特徴とする請求項１に記載の冷凍機。
【請求項３】
前記第１整流器が作動ガスの流れを妨げる度合いを前記第２整流器が作動ガスの流れを妨げる度合いで除した値は４から８の範囲にあることを特徴とする請求項１または２に記載の冷凍機。
【請求項４】
Ｎを自然数、ＭをＮよりも大きな自然数とするとき、前記第２整流器は略同一の網目を有するＮ枚の金網が積層された積層構造を有し、前記第１整流器は前記金網の網目と略同一の網目を有するＭ枚の金網が積層された積層構造を有することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の冷凍機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パルス管を備える冷凍機に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より極低温環境が必要となる装置を冷却する際には、パルスチューブ冷凍機が使用されている。
【０００３】
パルスチューブ冷凍機では、圧縮機により圧縮された作動ガス（例えば、ヘリウムガス）がリジェネレータおよびパルス管に流入する動作と、パルス管およびリジェネレータから作動ガスが排出され、圧縮機に回収される動作と、が繰り返されることで、リジェネレータおよびパルス管の低温端が冷却される。
【０００４】
パルスチューブ冷凍機のリジェネレータは、内部に蓄冷材を有する筒状部材（シリンダ）で構成される。パルス管は、中空の筒状部材（シリンダ）で構成される。両シリンダの低温端は、連通路で連通されており、この位置に、被冷却体が接続される冷却ステージが設置される。
【０００５】
特許文献１には、パルス管の低温端側に整流器を配置したパルスチューブ冷凍機が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−１２７６３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
現状、多くのパルスチューブ冷凍機では、パルス管の高温端に位相調整用のイナータンス（Inertance）管が接続されている。パルスチューブ冷凍機の動作サイクルは、イナータンス管から常温程度の作動ガスがパルス管に流入するフェーズを含むが、そのように流入した作動ガスが低温側深くまで到達すると熱的な損失が発生し冷凍能力が低下しうる。
【０００８】
本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、パルスチューブ冷凍機の冷凍能力を高めることができる技術の提供にある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明のある態様は、冷凍機に関する。この冷凍機は、作動ガスで満たされたパルス管を備える冷凍機である。パルス管の一端はイナータンス管を介してバッファタンクと接続され、他端は圧力変化生成部と接続される。圧力変化生成部はパルス管の他端における作動ガスの圧力を周期的に変化させる。パルス管の一端、他端にはそれぞれ第１整流器、第２整流器が設けられている。第１整流器が作動ガスの流れを妨げる度合いは、第２整流器が作動ガスの流れを妨げる度合いよりも大きい。
【００１０】
なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや、本発明の構成要素や表現を装置、方法、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、パルスチューブ冷凍機の冷凍能力を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施の形態に係るパルスチューブ冷凍機の構成を示す模式図である。
【図２】高温側整流器の概略的な構成図である。
【図３】整流器を有さないパルス管について計算により得られた等価ＰＶ図である。
【図４】整流器の流路抵抗の比とパルスチューブ冷凍機の冷凍能力との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、各図面に示される同一または同等の構成要素、部材には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、各図面における部材の寸法は、理解を容易にするために適宜拡大、縮小して示される。また、各図面において実施の形態を説明する上で重要ではない部材の一部は省略して表示する。
【００１４】
図１は、実施の形態に係るパルスチューブ冷凍機１００の構成を示す模式図である。パルスチューブ冷凍機１００はインライン型であり、圧縮機１１０と、アフタクーラ１３０と、蓄冷管またはリジェネレータ（regenerator）１２０と、パルス管１４０と、冷却ステージ１８０と、バッファタンク１９０と、を備える。リジェネレータ１２０は、高温端１２５ａおよび低温端１２５ｂを有し、パルス管１４０は、高温端１４５ａおよび低温端１４５ｂを有する。
【００１５】
パルスチューブ冷凍機１００の作動ガスはヘリウムガスである。圧縮機１１０で生成されるヘリウムガスの圧力振動は、アフタクーラ１３０およびリジェネレータ１２０を介してパルス管１４０へと伝達される。パルスチューブ冷凍機１００の動作中、配管１１６、リジェネレータ１２０、パルス管１４０、イナータンス管１９２、バッファタンク１９０はそれぞれヘリウムガスで満たされている。
【００１６】
圧縮機１１０は、第１シリンダ１１２ａと、第２シリンダ１１２ｂと、第１シリンダ１１２ａ内を移動する第１ピストン１１４ａと、第２シリンダ１１２ｂ内を移動する第２ピストン１１４ｂと、を含む。第１ピストン１１４ａおよび第２ピストン１１４ｂは互いに対向するように配置される。第１シリンダ１１２ａと第２シリンダ１１２ｂとを接続する配管１１６内のヘリウムガスには、各ピストンの１１４ａ、１１４ｂの動きに応じて圧力波が生成される。配管１１６はアフタクーラ１３０を介してリジェネレータ１２０の高温端１２５ａに接続されている。
【００１７】
２つのピストン１１４ａ、１１４ｂが配管１１６に関して対称に往復駆動されることにより、配管１１６に圧力波が生成される。より具体的には、２つのピストン１１４ａ、１１４ｂが互いに近づくと配管１１６内圧力が高くなって配管１１６からリジェネレータ１２０へヘリウムガスが送り出される。２つのピストン１１４ａ、１１４ｂが互いに遠ざかると配管１１６内圧力が低くなってリジェネレータ１２０から配管１１６へヘリウムガスが引き込まれる。
【００１８】
圧縮機１１０の動作周波数すなわち２つのピストン１１４ａ、１１４ｂの対称的な往復運動の周波数は３０Ｈｚ以上であり、例えば５０Ｈｚ程度である。圧縮機１１０のように基本的にバルブを使用せず（バルブレス）に圧力振動を生成する場合、バルブの応答速度を考慮しなくてよいので動作周波数を比較的高めることができる。これに対して、ＧＭ型圧縮機のようにバルブの開閉に基づいて（バルブド）圧力振動を生成する場合は動作周波数を比較的低くする必要があり、一例では数Ｈｚ以下となる。
【００１９】
アフタクーラ１３０は配管１１６からリジェネレータ１２０の高温端１２５ａへ送出されるヘリウムガスを予冷する。アフタクーラ１３０は、アフタクーラ１３０を通過するヘリウムガスと、冷媒（不図示）と、の間の熱交換を実現する熱交換器として機能する。
【００２０】
リジェネレータ１２０は、中空状のシリンダ１２１で構成され、その内部には、蓄冷材１２２が充填されている。
【００２１】
パルス管１４０は、中空状のシリンダ１４１と、シリンダ１４１の高温端１４５ａ側に設けられた高温側整流器１４９ａと、シリンダ１４１の低温端１４５ｂ側に設けられた低温側整流器１４９ｂと、を含む。高温側整流器１４９ａは、ヘリウムガスがイナータンス管１９２からパルス管１４０に流入する際に、ヘリウムガスの速度の空間分布を平均化する。低温側整流器１４９ｂは、ヘリウムガスが熱交換器１８２からパルス管１４０に流入する際に、ヘリウムガスの速度の空間分布を平均化する。以下、このような速度分布の平均化を整流と称す。パルス管１４０の各端部で整流を行うことにより、後述のガスピストンを安定させることができ、パルスチューブ冷凍機１００の冷凍性能を向上させることができる。
【００２２】
図２は、高温側整流器１４９ａの概略的な構成図である。高温側整流器１４９ａは、所定の網目またはメッシュを有する金網１６０をＭ枚（Ｍは自然数）積層してなる積層構造を有する。したがって、高温側整流器１４９ａを構成する金網は略同一の網目を有する。Ｍ枚の金網１６０は例えば拡散接合処理により互いに結合されてもよい。
【００２３】
「網目」とは、金網の隣接する線部分同士間の距離（隙間の長さ）を意味する。
「メッシュ」とは、１インチ（２５．４ｍｍ）の間にある目数を意味する。
「拡散接合処理」とは、加熱により、各金網同士の界面で原子相互拡散が生じ、これにより界面接合が行われる方法の総称である。通常、拡散接合処理は、８００℃〜１０８０℃の範囲（例えば１０００℃）で行われる。
【００２４】
低温側整流器１４９ｂは、高温側整流器１４９ａを構成する金網１６０と同じ金網をＮ枚（ＮはＭよりも小さな自然数）積層してなる積層構造を有する。Ｎ＜Ｍなので、高温側整流器１４９ａがヘリウムガスの流れを妨げる度合い（以下、流路抵抗と称す）は、低温側整流器１４９ｂの流路抵抗よりも大きい。
【００２５】
図１に戻り、リジェネレータ１２０の低温端１２５ｂは熱交換器１８２を介してパルス管１４０の低温端１４５ｂと接続されている。熱交換器１８２は冷却ステージ１８０と熱的に接続されている。熱交換器１８２は、リジェネレータ１２０の低温端１２５ｂとパルス管１４０の低温端１４５ｂとの間を行き来する低温のヘリウムガスと冷却ステージ１８０との間の熱交換を実現するよう構成される。冷却ステージ１８０には不図示の冷却対象物が熱的に接続される。パルスチューブ冷凍機１００の動作中、冷却対象物の熱が冷却ステージ１８０および熱交換器１８２を介してヘリウムガスに移動することにより、冷却対象物が冷却される。
【００２６】
バッファタンク１９０は、イナータンス管１９２を介して、パルス管１４０の高温端１４５ａに接続されている。
【００２７】
以上のように構成されたパルスチューブ冷凍機１００の動作について説明する。
２つのピストン１１４ａ、１１４ｂが互いに近づくことにより、圧縮機１１０から高圧のヘリウムガスがアフタクーラ１３０に供給され、予冷される。予冷された高圧のヘリウムガスはリジェネレータ１２０に供給される。リジェネレータ１２０内に流入したヘリウムガスは、蓄冷材１２２により冷却されて温度を下げながら、リジェネレータ１２０の低温端１２５ｂから出て熱交換器１８２を通過する。熱交換器１８２を通過したヘリウムガスは、パルス管１４０の低温端１４５ｂに設けられた低温側整流器１４９ｂを通過することで整流されて、パルス管１４０の内部に流入する。
【００２８】
この際に、パルス管１４０の内部に予め存在していた低圧のヘリウムガスは、流入した高圧のヘリウムガスにより圧縮される。これにより、パルス管１４０内のヘリウムガスの圧力は、バッファタンク１９０内の圧力よりも高くなり、ヘリウムガスの一部は、イナータンス管１９２を通って、バッファタンク１９０に流入する。
【００２９】
次に、２つのピストン１１４ａ、１１４ｂが遠ざかると、パルス管１４０内のヘリウムガスは、パルス管１４０の低温端１４５ｂから熱交換器１８２を通過して、リジェネレータ１２０の低温端１２５ｂに流入する。さらにヘリウムガスは、蓄冷材１２２を冷却しながらリジェネレータ１２０内を通過し、リジェネレータ１２０の高温端１２５ａからアフタクーラ１３０を通過して圧縮機１１０に回収される。
【００３０】
ここで、パルス管１４０は、イナータンス管１９２を介して、バッファタンク１９０と接続されている。したがって、バッファタンク１９０からイナータンス管１９２を介してヘリウムガスがパルス管１４０の高温端１４５ａに供給され、そのように供給されるヘリウムガスは高温側整流器１４９ａを通過することで整流される。
【００３１】
イナータンス管１９２およびバッファタンク１９０の作用により、ヘリウムガスの圧力変化の位相と、ヘリウムガスの体積変化の位相とは、略一定の位相差を有する。この位相差により、パルス管１４０の低温端１４５ｂにおいて、ヘリウムガスが膨張することによる冷却作用が発生する。パルスチューブ冷凍機１００は、上記の動作が反復されることで、冷却ステージ１８０に接続された被冷却対象を冷却することができる。
【００３２】
なお、ある圧力を保持しながら、パルス管１４０内を上下に周期的に移動するヘリウムガスの動きは、しばしば「ガスピストン」と称される。
【００３３】
図３は、整流器を有さないパルス管について計算により得られた等価ＰＶ図である。パルス管の高温端付近の変位６２は、低温端付近の変位６４よりも大きくなっている。したがって、低温端において十分な整流作用を発揮する整流器と同じ整流器を高温端に設けても、高温端では要求される整流作用が奏されない状況が生じうる。
【００３４】
これに対して本実施の形態に係るパルスチューブ冷凍機１００では、高温側整流器１４９ａの流路抵抗は低温側整流器１４９ｂの流路抵抗よりも大きいので、高温端１４５ａおよび低温端１４５ｂのそれぞれにおいて十分な整流作用を得ることができる。特に、高温側整流器１４９ａの流路抵抗を大きくすることで、パルスチューブ冷凍機１００の動作中に、比較的高温（〜３００Ｋ）のヘリウムガスの低温端１４５ｂ側への移動を抑えることができる。その結果、熱損失を抑えてパルスチューブ冷凍機１００の冷凍性能を向上させることができる。
【００３５】
また、整流器の流路抵抗を大きくし過ぎると、整流器における損失によりパルス管１４０の冷却作用に悪影響が生じうる。したがって、要求される整流作用が比較的低い低温端１４５ｂには流路抵抗の比較的小さい低温側整流器１４９ｂを設け、要求される整流作用が比較的高い高温端１４５ａには流路抵抗の比較的大きい高温側整流器１４９ａを設けることで、パルス管１４０の冷却作用の極大化を図ることができる。
【００３６】
また、本実施の形態に係るパルスチューブ冷凍機１００では、圧縮機１１０の動作周波数は３０Ｈｚ以上となっている。ヘリウムガスがイナータンス管１９２からパルス管１４０に流入する際の流速は一般に動作周波数が高いほど大きいので、高温側整流器１４９ａの流路抵抗を大きくして熱損失を低減するという本実施の形態の作用効果は、動作周波数が高いほどより有効となる。
【００３７】
図４は、整流器の流路抵抗の比とパルスチューブ冷凍機１００の冷凍能力との関係を示すグラフである。図４のグラフのデータは本発明者が行った実験結果に基づく。グラフの横軸はＭ／Ｎ、すなわち高温側整流器１４９ａの金網の枚数を低温側整流器１４９ｂの金網の枚数で除した値である。この値は、高温側整流器１４９ａの流路抵抗と低温側整流器１４９ｂの流路抵抗との比の値に対応する。金網のメッシュは＃２５０であった。縦軸は、Ｍ／Ｎ＝２のときの７７Ｋにおけるパルスチューブ冷凍機１００の冷凍能力を１としたときの、各Ｍ／Ｎにおける７７Ｋにおけるパルスチューブ冷凍機１００の冷凍能力を表す。
【００３８】
図４のグラフから明らかな通り、冷凍能力はＭ／Ｎ＝６の辺りで極大となる。特に、Ｍ／Ｎが４から８の範囲であれば、冷凍能力が顕著に向上する。メッシュを＃３００として行われた実験でも同様の結果が示された。
【００３９】
以上、実施の形態に係るパルスチューブ冷凍機１００について説明した。この実施の形態は例示であり、その各構成要素の組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。
【００４０】
実施の形態では、高温側整流器１４９ａおよび低温側整流器１４９ｂを略同一の網目を有する金網により構成する場合について説明したが、これに限られない。例えば、高温側整流器を構成する金網のメッシュを、低温側整流器を構成する金網のメッシュよりも大きくしてもよい。本発明者が行った実験によると、積層枚数が同じ場合にメッシュナンバーの比率（高温側整流器のメッシュナンバー／低温側整流器のメッシュナンバー）を、５から１２の範囲とすると冷凍能力が向上した。
また、例えば整流器を金網ではなく多孔体により構成してもよい。
【符号の説明】
【００４１】
１００  パルスチューブ冷凍機、  １１０  圧縮機、  １２０  リジェネレータ、  １３０  アフタクーラ、  １４０  パルス管、  １４９ａ  高温側整流器、  １４９ｂ  低温側整流器、  １８０  冷却ステージ、  １９０  バッファタンク、  １９２  イナータンス管。
【図１】
2015031424.tif 000003
【図２】
2015031424.tif 000004
【図３】
2015031424.tif 000005
【図４】
2015031424.tif 000006