(57)【要約】【課題】真空容器内に伝熱バーを付設せずに、コールドヘッドから汲み上げた熱を効率よく系外に放熱して冷凍機を支障無く運転できるようにする。【解決手段】圧縮機１，蓄冷器２，パルス管３，イナータンスチューブ４ａとバッファタンク４ｂを組合せた位相制御部４，コールドヘッド６，高温側熱交換器７から構成され、蓄冷器およびパルス管を真空容器８の内部に配置した上で、パルス管の高温端に接続したイナータンスチューブを真空容器から引き出してバッファタンクに接続したパルスチューブ冷凍機において、イナータンスチューブ４ａとして、銅ないし銅合金，アルミニウムないしアルミニウム合金，チタンなどの良伝熱性で作られた金属チューブを採用し、イナータンスチューブを伝熱体として、低温ＰＶ仕事によりコールドヘッドから汲み上げた熱を、高温側熱交換器からイナータンスチューブを介して真空容器外の大気中へ放熱させる。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
作動ガスに往復動流を与える圧縮機と、圧縮機に放熱器を介して接続した蓄冷器と、蓄冷器の低温端にコールドヘッドとして機能する吸熱用の低温側熱交換器を介して接続したパルス管と、イナータンスチューブとバッファタンクを組合せてパルス管の高温端に高温側熱交換器を介して接続した位相制御部とから構成され、かつ前記蓄冷器およびパルス管を真空容器内に配置した上で、パルス管の高温端に接続したイナータンスチューブを真空容器から外部に引き出してバッファタンクに接続したパルスチューブ冷凍機において、
前記のイナータンスチューブを、銅ないし銅合金，アルミニウムないしアルミニウム合金，チタンのいずれかの良伝熱性金属材料で構成したことを特徴とするパルスチューブ冷凍機。
【請求項２】
請求項１に記載パルスチューブ冷凍機において、真空容器から外部に引出したイナータンスチューブの配管領域に放熱フインを取付けたことを特徴とするパルスチューブ冷凍機。
【請求項３】
請求項２に記載のパルスチューブ冷凍機において、放熱フインを、銅ないし銅合金，アルミニウムないしアルミニウム合金，チタンのいずれかの良伝熱性金属材料で構成したことを特徴とするパルスチューブ冷凍機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、クライオスタットに適用して極低温環境を作りだすパルスチューブ冷凍機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
まず、図３に本発明の対象となるパルスチューブ冷凍機の構成原理図を、図４にクライオスタットに適用した冷凍機の構成を示す。各図において、１は圧縮機、２は蓄冷器、３はパルス管、４はイナータンスチューブと呼ばれる位相制御用の細管４ａ（以下、「イナータンスチューブ」と呼称する）とバッファータンク４ｂを組合せた位相制御部、５は圧縮機１から引出したガス導管１ａに接続して蓄冷器２の高温端側に設けた放熱器、６は蓄冷器２の低温端とパルス管３との間に介装したコールドヘッドとして機能する吸熱用の低温側熱交換器（以下「コールドヘッド」と呼称する）、７はパルス管３の高温端に設けてイナータンスチューブ４ａを接続した放熱用の高温側熱交換器であり、冷凍機の系内にはヘリウムガス，窒素ガス，アルゴンガスなどの作動ガスが封入されている。
【０００３】
また、８はクライオスタットの真空容器であり、該真空容器８には前記パルスチューブ冷凍機の蓄冷器２，低温側熱交換器６，パルス管３，高温側熱交換器７、および被冷却物（コールドヘッド６に伝熱的に取付ける）を収容して周囲から熱的に隔離した上で、高温側熱交換器７に接続したイナータンスチューブ（ステンレス製チューブ）４ａを真空容器８から外部に引出してバッファータンク４ｂに接続し、さらに高温側熱交換器７と真空容器８のフランジ（ヒートシンクとして機能する金属ベース）８ａとの間にまたがって銅材で作られた伝熱バー９を付設している。
【０００４】
なお、前記の真空容器８は小形の容器で、例えば通信フィルタの冷却装置として適用する冷凍機では、真空容器８の外形サイズは１３０φ×２５０ｍｍ程度である。また、真空容器８から外部に引出したイナータンスチューブ４ａは、例えばコイル状に巻いて省スペース化を図るようにしている。
かかる構成になるパルスチューブ冷凍機の動作原理はよく知られている通りであり、冷凍機の運転時に圧縮機１のピストン１ａを往復動操作することにより、圧縮機１内で作動ガスが圧縮，膨張を繰り返すとともに、作動ガスは圧縮機１から蓄冷器２，コールドヘッド６，パルス管３，高温側端熱交換器７を通り、位相制御部４のバッファータンクとの間でほぼ正弦波的に圧力振幅を伴って流れる。これにより、作動ガスの圧力変化と流量変化の間に位相差が発生する。これを電気回路に例えると、イナータンスチューブ４ａが電気回路のインダクタンス，抵抗，インピーダンス成分、バッファータンク４ｂはインピーダンス成分に相当する。したがって、イナータンスチューブ４ａの管径，長さおよびバッファータンク４ｂの容積を変えることで、作動ガスの圧力に対する流量の位相差を−９０°〜＋９０°まで変化させることができ、これによりパルス管３内で作動ガスの圧力と流量の間に位相差が生じ、この圧力と流量のなす仕事が低温部でのＰＶ仕事となってコールドヘッド６に寒冷（７０Ｋ程度の極低温）を発生して被冷却部を冷却する。なお、この発生寒冷を低温ＰＶ仕事と呼ぶ。また、低温ＰＶ仕事によりコールドヘッド６で被冷却部から汲み上げた熱は、作動ガスのガス振動によりパルス管３を通じて高温側熱交換器７に熱移送され、ここから伝熱バー９を伝熱して真空容器８のフランジ８ａから系外に放熱される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記した従来のパルスチューブ冷凍機には次記のような問題点がある。
すなわち、従来構成では前記の低温ＰＶ仕事によりコールドヘッド６から汲み上げ、パルス管３を通じて高温側熱交換器７に熱移送された熱を、伝熱バー９を介して系外へ放熱するために、高温側熱交換器７と真空容器８のフランジ８ａとの間に跨がって真空容器８の中に伝熱バー９を付設しているが、この伝熱バー９で高い伝熱性を確保させるためにバーの断面積が比較的大きくなる。
【０００６】
しかも、限られた空間の真空容器８の中でコールドヘッド６に取り付ける被冷却体（図示せず）と伝熱バー９とが干渉（接触）し易く、またこの不要な干渉を避けるには伝熱バー９をコールドヘッド６との間に十分な離間させて被冷却体の設置スペースを確保する必要があることから、結果として真空容器８が大形化する。さらに、冷凍機の運転時にはコールドヘッド６と高温側熱交換器７との間には大きな温度勾配が生じることから、この温度勾配に対応する熱的応力を吸収するためには伝熱バー９に可撓性をもたせる必要があるなど、真空容器８の内部に伝熱バー９を付設した従来構成のパルスチューブ冷凍機では、その組立構造面で様々な制約を受けることになる。
【０００７】
本発明は上記の点に鑑みなされたものであり、その目的は前記課題を解決し、真空容器内に伝熱バーを付設することなしに、コールドヘッドから汲み上げた熱を効率よく系外に放熱して支障無く運転できるようにしたパルスチューブ冷凍機を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明によれば、作動ガスに往復動流を与える圧縮機と、圧縮機に放熱器を介して接続した蓄冷器と、蓄冷器の低温端にコールドヘッドとして機能する吸熱用の低温側熱交換器を介して接続したパルス管と、イナータンスチューブ（位相制御用の細管）とバッファタンクを組合せてパルス管の高温端に高温側熱交換器を介して接続した位相制御部とから構成され、かつ前記蓄冷器およびパルス管を真空容器内に配置した上で、パルス管の高温端に接続したイナータンスチューブを真空容器から外部に引き出してバッファタンクに接続したパルスチューブ冷凍機において、
前記のイナータンスチューブを、銅ないし銅合金，アルミニウムないしアルミニウム合金，チタンのいずれかの良伝熱性金属材料で作られたチューブを採用して構成するものとする（請求項１）。
【０００９】
上記の構成によれ、パルス管の高温端に接続して真空容器から外部に引出したイナータンスチューブ自身が図４で述べた伝熱バーの役目を果す。すなわち、冷凍機の低温ＰＶ仕事によりコールドヘッド（低温側熱交換器）で吸熱し、ここから作動ガスのガス振動によりパルス管の高温側熱交換器に熱移送された熱は、作動ガスと接する伝熱性の高いイナータンスチューブに伝熱し、真空容器外に引出した配管領域から系外に放熱する。これにより、従来構造で真空容器内に付設していた伝熱バーを排除しても、従来と殆ど同等な冷凍能力を発揮してパルスチューブ冷凍機を支障無く運転できる。なお、この点については後述のように発明者等が行った実機テストからも確認されている。
【００１０】
また、本発明によれば、前記構成を基本とした実施態様として、真空容器から外部に引出したイナータンスチューブの配管領域に放熱フインを取付け（請求項２）、かつこの放熱フインを銅ないし銅合金，アルミニウムないしアルミニウム合金，チタンのいずれかの良伝熱性金属材料で構成する（請求項３）ことで、イナータンスチューブからの放熱性をさらに高めることかできる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図１、図２に示す実施例に基づいて説明する。なお、各実施例の図中で図４に対応する部材には同じ符号を付してその説明は省略する。
〔実施例１〕
図１は、本発明の請求項１に対応する実施例を示すものである。すなわち、図示実施例のパルスチューブ冷凍機の構成は基本的に図４に示した従来のものと同じであるが、従来の構成で真空容器８の内部に付設していた伝熱バー９（図４参照）を排除し、その代わりに高温側熱交換器７に接続して真空容器８から外部に引出し配管したイナータンスチューブ４ａに銅製チューブを採用し、このイナータンスチューブを伝熱体として高温側熱交換器７に生じた熱（低温ＰＶ仕事に対応する熱）系外に放熱するように構成している。ここで、銅の熱伝導率は０．９４ｃａｌ／ｃｍ／ｓｅｃ／　℃、ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）の熱伝導率は０．０３９ｃａｌ／ｃｍ／ｓｅｃ／　℃であり、イナータンスチューブ４ａとして従来のステンレス鋼製チューブに代えて銅製チューブを採用することにより、従来構成の伝熱バー９と同等な伝熱性を確保できる。なお、イナータンスチューブ４ａの材質としては、細管の加工性，伝熱性，実用性を勘案して、銅合金，アルミニウムないしアルミニウム合金，チタンなどの良伝熱性金属材料を採用して実施することもできる。
【００１２】
ここで、コールドヘッド６に発生する寒冷温度が７０Ｋ，冷凍出力が数Ｗ程度の小型のパルスチューブ冷凍機を供試例として、発明者等はイナータンスチューブ４ａに内径４ｍｍφ，外径６ｍｍφ，長さ３ｍの銅製チューブを採用して組立てたパルスチューブ冷凍機と、イナータンスチューブ４ａをステンレスチューブとして真空容器８内に伝熱バー９を付設した従来構造（図４参照）のパルスチューブ冷凍機とを用意し、双方の冷却性能を比較するために実機テストを行った。表１はその試験結果を示す。
【００１３】
【表１】
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上記の表１から判るように、本発明の実施例と従来例に基づくパルスチューブ冷凍機は、同じ冷凍出力で消費電力の差は０．１Ｗ以下であり、冷凍機の性能としては殆ど差異が見られなかった。なお、高温側熱交換器７の温度については、本発明の実施例が６．４Ｋ高くなっているが、最終的にはこの熱はイナータンスチューブ４ａの内壁面とここを流れる作動ガスとで熱交換した上でイナータンスチューブ４ａを伝熱し、真空容器８から引出した配管領域４ａ−１で周囲空気による自然空冷，もしくは強制空冷されて系外に放熱される。これにより、冷凍出力としては従来例と殆ど変わらない結果が得られている。この試験結果から、従来構造で真空容器内に付設した伝熱バー９を排除しても、コールドヘッド７で汲み上げた低温ＰＶ仕事に対応する熱を良伝熱性の材料で作られたイナータンスチューブ４ａを介して系外に放熱することで冷凍能力を低下させることなく運転できることが判明し、本発明が極めて有効であることが実証された。
【００１４】
〔実施例２〕
図２は本発明の請求項２，３に対応する実施例を示すものである。この実施例においては、真空容器７から外部に引出したイナータンスチューブ４ａの配管領域４ａ−１に銅ないし銅合金，アルミニウムないしアルミニウム合金，チタンなどの良伝熱性材料で作られた放熱フィン４ｃを取付けてイナータンスチューブ４ａの放熱面積の拡大化を図っている。
【００１５】
すなわち、真空容器８の内部に配置した高温側熱交換器７の発生熱をイナータンスチューブ４ａを介して効率よく外部へ放熱させるためには、イナータンスチューブ４ａ放熱面積が大きいほど効果がある。かかる点、先記実施例１のようにイナータンスチューブ４ａをそのまま真空容器１から外部に引出し配管した構成のままでは、イナータンスチューブ４ａの管内部では作動ガスが流速２０〜５０ｍ／ｓｅｃ　程度の振動流となつて流れているので、作動ガスと管内壁との間の境界面における熱伝導率は大きくて熱伝達が効率的に行われるが、管の外表面と大気との間の境界面では強制空冷等を行っても熱伝達率が大きく取れない。そこで、図示実施例のようにイナータンスチューブ４ａの外部配管領域４ａ−１に放熱フイン４ｃを取付けて放熱表面積を大きくすることにより、イナータンスチューブ４ａと大気との間の熱交換性が高まり、コールドヘッド７で汲み上げた低温ＰＶ仕事をより効率的に熱に変換して系外に放熱することが可能となる。
【００１６】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、作動ガスに往復動流を与える圧縮機と、圧縮機に放熱器を介して接続した蓄冷器と、蓄冷器の低温端にコールドヘッドとして機能する吸熱用の低温側熱交換器を介して接続したパルス管と、イナータンスチューブとバッファタンクを組合せてパルス管の高温端に高温側熱交換器を介して接続した位相制御部とから構成され、かつ前記蓄冷器およびパルス管を真空容器内に配置した上で、パルス管の高温端に接続したイナータンスチューブを真空容器から外部に引き出してバッファタンクに接続したパルスチューブ冷凍機において、前記のイナータンスチューブを、銅ないし銅合金，アルミニウムないしアルミニウム合金，チタンのいずれかの良伝熱性材料で構成したことにより、
真空容器の内部に配置した高温側熱交換器で低温ＰＶ仕事から変換された熱を、従来構成のように真空容器内に伝熱バーを付設することなく、冷凍機の作動ガスを伝熱媒体として良伝熱性材で作られたイナータンスチューブに伝熱させた上で、真空容器外に引き出したをイナータンスチューブの配管領域から大気中へ放熱させることができる。これにより冷凍能力を確保しつつ、真空容器の小型化，被冷却体を配置する有効空間の増大化が図れ、さらにはコスト低減を可能にしたパルスチューブ冷凍機を提供できる。
【００１７】
また、真空容器から外部に引出したイナータンスチューブの配管領域に放熱フインを取り付けることにより、イナータンスチューブと大気の間の熱交換性をさらに高めて冷凍能力の向上化が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１に対応するパルスチューブ冷凍機の構成図
【図２】本発明の実施例２に対応するパルスチューブ冷凍機の構成図
【図３】パルスチューブ冷凍機の原理構成図
【図４】従来におけるパルスチューブ冷凍機の構成図
【符号の説明】
１　　圧縮機
２　　蓄冷器
３　　パルス管
４　　位相制御部
４ａ　イナータンスチューブ
４ａ−１　真空容器外の配管領域
４ｂ　バッファータンク
４ｃ　放熱フィン
６　　コールドヘッド（低温側熱交換器）
７　　高温側熱交換器
８　　真空容器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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