(57)【要約】【課題】放熱に関して、スペース、サイズの制約があっても、高性能で小型のパルス管冷凍機を提供することを目的とする。【解決手段】蓄冷器３の第１の放熱部２近くから放熱するために、その部分のみ内面に断熱被覆を施さず、蓄冷器３の第１の放熱部２に近い部分を除いた内面に蓄冷器外郭１２より熱伝導率の低い材質の断熱被覆１５を備えた。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧力振動部と、作動流体の移動を許容するよう配された蓄冷材と、内部に前記作動流体と蓄冷材を有した蓄冷器と、その蓄冷器に接続された放熱部と、コールドヘッドと、パルス管を備えたパルス管冷凍機であって、前記蓄冷器の前記放熱部に近い部分を除いた内面と、前記放熱部に近い部分を除いた前記蓄冷材の前記蓄冷器内面との接触部の少なくとも一方に前記蓄冷器の筐体を構成する蓄冷器外郭より熱伝導率の低い材質の断熱被覆を施したことを特徴とするパルス管冷凍機。
【請求項２】
圧力振動部と、作動流体の移動を許容するよう配された蓄冷材と、内部に前記作動流体と蓄冷材を有した蓄冷器と、その蓄冷器に接続された放熱部と、コールドヘッドと、パルス管を備えたパルス管冷凍機であって、前記蓄冷器の筐体を構成する蓄冷器外郭の前記放熱部に近い部分のみ前記蓄冷器外郭の厚さをそれ以外の部分より厚くしたことを特徴とするパルス管冷凍機。
【請求項３】
圧力振動部と、作動流体の移動を許容するよう配された蓄冷材と、内部に前記作動流体と蓄冷材を有した蓄冷器と、その蓄冷器に接続された放熱部と、コールドヘッドと、パルス管を備えたパルス管冷凍機であって、前記蓄冷器の筐体を構成する蓄冷器外郭の前記放熱部に近い部分の材質をそれ以外の部分より高い熱伝導率の材料で形成したことを特徴とするパルス管冷凍機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、往復蓄冷型冷凍機におけるパルス管冷凍機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
超伝導デバイスなどに応用可能な超低温用の冷凍機としては、スターリングサイクル冷凍機、ギフォード・マクマホンサイクル冷凍機、パルス管冷凍機などの往復蓄冷型冷凍機がある。特に近年、冷却部に駆動系がないパルス管冷凍機はデバイスに直接接触させて冷却できるという優位性があり、進歩がめざましい。
【０００３】
往復蓄冷型冷凍機は、内部に封入したヘリウムなどの作動流体の圧縮・膨張に伴う顕熱変化を利用して熱を輸送するもので、その仕組みについて図５を用いて説明する。図５は従来の往復蓄冷型冷凍機の一部である蓄冷器内部を示す模式図であり、図５において１７は単位質量の作動流体を、１８は蓄冷材の断面を模式的に表したものである。また作動流体１７と蓄冷材１８の間の矢印Ａは熱の流れの方向を、水平方向の矢印Ｂは作動流体１７の移動方向を表している。図５（ａ）より図５（ｂ）のほうが作動流体１７を表す円が大きいのは図５（ａ）が圧縮された状態、図５（ｂ）が膨張された状態であることを示している。
【０００４】
後述する圧力振動源の圧縮作用により、図５（ａ）に示すように作動流体１７は圧縮され、作動流体１７の温度が上昇すると共に、矢印Ｂ方向へ移動する。矢印Ｂ方向に移動した作動流体１７は熱をＡ方向の蓄冷材１８に伝達する。これは、作動流体１７と蓄冷材１８の温度を比較すると、作動流体１７の温度が蓄冷材１８の温度より高く、温度は高温から低温の箇所に移動するためである。次ぎに、圧力振動源の膨張作用により、図５（ｂ）に示すように作動流体１７は膨張して、作動流体１７の温度が下降すると共に、ＢＢ方向に移動する。矢印ＢＢ方向に移動した作動流体１７の温度は蓄冷材１８の温度より低くなっているので、蓄冷材１８の熱がＡＡ方向の作動流体１７に伝達する。このような局所的な熱搬送を蓄冷器の全体で繰り返し発生させることにより、熱を一方向に搬送する。このようにして熱が運び出される側が低温、運び込まれる側が高温になり蓄冷器の両端に大きな温度差が生じる。高温側からすみやかに放熱することにより低温側は超低温となる。
【０００５】
以下、従来のパルス管冷凍機について図４を用いて説明する（例えば特許文献１参照）。図４中、１は圧力振動部、２は第１の放熱部、３は蓄冷器、４はコールドヘッド、５はパルス管、７は第２の放熱部、８は連通管、９はバッファタンク、１１は蓄冷材、１２は蓄冷器外郭、１６は熱交換器である。
【０００６】
蓄冷器３内部には作動流体の移動を許容しつつ作動流体との接触面積を大きくするように金属製のメッシュや粒子などの蓄冷材１１が詰め込まれている。パルス管冷凍機は、圧力振動部１の圧力振動によってパルス管５内のガス圧縮および膨張を繰返し行うと共に圧力振動部１の圧力振動とガスの圧縮および膨張との間に位相差を持たせることによって、蓄冷器３内で熱交換を行って、パルス管５の一端側であるコールドヘッド４から取り去った熱を外部へと搬送するようになっている。パルス管５は第２の放熱部７を経て、連通管８でバッファタンク９を接続した構成になっており、この部分が圧力振動の位相と作動流体移動の位相の差を制御する機能をはたしている。
【０００７】
熱搬送によって蓄冷器３に生じた大きな温度勾配によって熱伝導で熱が逆流しないように、蓄冷器外郭１２は厚さを極力薄くし、また蓄冷器３に内蔵される蓄冷材１１は互いの接触による熱伝導が小さくなるような熱伝導率が低い材質・形状にすることが望ましい。
【０００８】
蓄冷器３、コールドヘッド４、パルス管５は外部からの熱流入を防ぐため断熱が重要であり、これらの構成の外側を図中点線で示す別の容器１０で囲い、その容器１０内部を真空にすることにより高い断熱性を得る構造が一般的である。
【０００９】
他方、高温端は熱を速やかに外部へ放熱することが必要であるので、第１、第２の放熱部２、７は熱伝導率の高い材質が用いられ、フィンを形成して表面積を大きくするなど放熱効果の高い形状にする。設置スペースなどの制約がなければファンによって強制冷却する場合もある。
【００１０】
第１、第２の放熱部２、７には、作動流体１７から熱を奪う効率を高めるため熱交換器１６が内蔵される。熱交換器１６は作動流体１７と接触する表面積が大きい形状で、かつパルス管冷凍機の中心軸付近からも速やかに熱を外部へ取り出すため、できるだけ熱伝導を大きくすることが望ましい。蓄冷器３同様、メッシュが用いられることもあるが、材質としては銅などの熱伝導率の高いものが用いられる。
【００１１】
【特許文献１】
特許番号第２９４１７７１号公報（第２頁、図６）
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
高温端での放熱は、冷凍機の性能を左右するポイントの１つであるが、超伝導デバイスの直接冷却など、用途によっては設置スペースの制約や小型であることなどの要請がある。そのためこのような用途ではファンを用いずに自然放熱をすることが望ましい。また、第１、第２放熱部２，７は、性能の点では大きな面積で空気と接触させ、空気の流れが良くなるようフィンの間の距離も十分に取ることが望ましいが、小型化のためにはそれも制限される。これらの制約のために、放熱が不十分になると、冷却性能そのものが不足する恐れがある。
【００１３】
本発明は従来技術が有する上記課題を解決するもので、スペース、サイズの制約があっても、高性能で小型のパルス管冷凍機を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明のパルス管冷凍機は、第１の放熱部に近い部分を除いた蓄冷器外郭の内面、または第１の放熱器に近い部分を除いた蓄冷材端部の少なくとも一方に断熱被覆を施した構成を有している。
【００１５】
この構成によって、高温部分の蓄冷材からは蓄冷器外部へ熱が流れ外部へ放熱されるが、それ以外の低温部分の蓄冷材へは蓄冷器外部からの熱流入が抑えられることとなり、放熱が充分に行なわれ、従って冷却性能が向上させることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１に記載の発明は、圧力振動部と、作動流体の移動を許容するよう配された蓄冷材と、内部に作動流体と蓄冷材を有した蓄冷器と、その蓄冷器に接続された放熱部と、コールドヘッドと、パルス管を備えたパルス管冷凍機であって、蓄冷器の放熱部に近い部分を除いた内面と、放熱部に近い部分を除いた蓄冷材の蓄冷器内面との接触部の少なくとも一方に蓄冷器の筐体を構成する蓄冷器外郭より熱伝導率の低い材質の断熱被覆を施したものである。
【００１７】
本発明の請求項２に記載の発明は、圧力振動部と、作動流体の移動を許容するよう配された蓄冷材と、内部に作動流体と蓄冷材を有した蓄冷器と、その蓄冷器に接続された放熱部と、コールドヘッドと、パルス管を備えたパルス管冷凍機であって、蓄冷器の筐体を構成する蓄冷器外郭の放熱部に近い部分のみ蓄冷器外郭の厚さをそれ以外の部分より厚くしたものである。
【００１８】
本発明の請求項３に記載の発明は、圧力振動部と、作動流体の移動を許容するよう配された蓄冷材と、内部に作動流体と蓄冷材を有した蓄冷器と、その蓄冷器に接続された放熱部と、コールドヘッドと、パルス管を備えたパルス管冷凍機であって、蓄冷器の筐体を構成する蓄冷器外郭の放熱部に近い部分の材質をそれ以外の部分より高い熱伝導率の材料で形成したものである。
【００１９】
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。
【００２０】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１におけるパルス管蓄冷機の構成を示す模式図であり、図中、１は圧力振動源、２は第１の放熱部、３は蓄冷器、４はコールドヘッド、５はパルス管、７は第２の放熱部、８は連通管、９はバッファタンク、１１は蓄冷材、１２は蓄冷器３の筐体を構成する蓄冷器外郭、１５は断熱被覆、１６は熱交換器、６は真空容器であり、以上の構成要素からパルス管冷凍機が構成されている。
【００２１】
第１の放熱部２に近い部分の蓄冷器３の内面に断熱被覆１５がなく、それ以外の蓄冷器３の内面に断熱被覆１５が施されている。断熱被覆１５は蓄冷器外郭１２より熱伝導率の低い材質となっている。この構造により、高温部分の蓄冷材１１からは蓄冷器外郭１２へ熱が流れ外部へ放熱されるが、それ以外の低温部分の蓄冷材１１へは蓄冷器外郭１２からの熱流入を抑えられる。蓄冷材１１の材質は熱伝導率が高くないものであるが、蓄冷器外郭１２に近い部分からは熱が伝わる。またよく用いられるメッシュを中軸方向に積層した構成では、メッシュを構成する線材により、径方向へは中心軸方向よりも熱は伝わりやすく、蓄冷器外郭１２からかなり内部に入ったところからも熱が伝わることが期待できる。
【００２２】
蓄冷器３の中心付近の熱まで放出することはできないが、小型の冷凍機では、蓄冷器３の断面積が小さいので、放出すべき全熱量の中で蓄冷器外郭１２へ伝わる熱量の占める比率は相対的に大きい。
【００２３】
このようにして、第１の放熱部２のみで放熱する場合に比べて、放熱量を増やすことができるので、パルス管冷凍機の性能を高めることができる。
【００２４】
なお、以上の説明では、第１の方熱部２に近い部分の蓄冷器３の内面に断熱被覆がなく、それ以外の蓄冷器３の内面に断熱被覆１５を施す構成としたが、蓄冷器３に近い部分を除いた蓄冷材１１の蓄冷器３の内面との接触部に断熱被覆１５を施す構成としても、上記と同様の効果が得られるものである。
【００２５】
以上のように本実施の形態においては、蓄冷器３の第１の放熱部２に近い部分を除いた内面と、蓄冷器３に近い部分を除いた蓄冷材１１の蓄冷器３内面との接触部の少なくとも一方に蓄冷器外郭１２より熱伝導率の低い材質の断熱被覆１５を施すことにより、放熱効果を高め、冷却性能を向上させることができるものである。
【００２６】
（実施の形態２）
図２は本発明の実施の形態２におけるパルス管蓄冷機の構成を示す模式図であり、図中、１は圧力振動源、２は第１の放熱部、３は蓄冷器、４はコールドヘッド、５はパルス管、７は第２の放熱部、８は連通管、９はバッファタンク、１１は蓄冷材、１２は蓄冷器３の筐体を構成する蓄冷器外郭、１６は熱交換器、６は真空容器であり、以上の構成要素からパルス管冷凍機が構成されている。
【００２７】
第１の放熱部２に近い部分の蓄冷器外郭１２の肉厚が厚くなっており、その部分の内面には断熱処理は施されておらず、真空断熱もされていない。このような構造とすることで、その部分で外気への放熱が可能となり、冷凍機の性能を高めることができる。
【００２８】
なお、本実施の形態では、第１放熱部２と蓄冷器３の境界部分で肉厚が階段状に変化しているが、傾斜を持たせて序々に厚みが増加するようにしてもよい。
【００２９】
さらに実施の形態１と同様に、第１の放熱部２に近い部分の蓄冷器３の内面に断熱被覆がなく、それ以外の部分に断熱被覆を施すと一層効果が増す。
【００３０】
また肉厚が厚くなっている部分は真空断熱されない構造としているが、この部分が真空断熱の範囲に入っていても、第１の放熱部２への熱伝導が肉厚が薄い場合より高いため、第１の放熱部２へすみやかに熱が伝わり、放熱効果を高めることができる。
【００３１】
以上のように本実施の形態においては、蓄冷器外郭１２の第１の放熱部２に近い部分のみ外郭を厚くしたことにより、この部分の放熱効果を高めることができるものである。
【００３２】
（実施の形態３）
図３は本発明の実施の形態３におけるパルス管蓄冷機の構成を示す模式図であり、図中、１は圧力振動源、２は第１の放熱部、３は蓄冷器、４はコールドヘッド、５はパルス管、７は第２の放熱部、８は連通管、９はバッファタンク、１１は蓄冷材、１２（ａ）は高い熱伝導率の材質で形成された蓄冷器外郭、１２（ｂ）は低い熱伝導率の材質で形成された蓄冷器外郭、１６は熱交換器、６は真空容器であり、以上の構成要素からパルス管冷凍機が構成されている。
【００３３】
第１の放熱部２に近い部分の蓄冷器外郭１２（ａ）が熱伝導率の高い材質で構成されており、真空断熱もされていない。
【００３４】
このような構造とすることで、第１の放熱部２に近い部分では、蓄冷材１１から高い熱伝導率の材質で形成された蓄冷器外郭１２（ａ）に伝わった熱は、すみやかに外気へ放出される。したがって冷凍機全体としての放熱効果が高まり、冷凍機の性能を高めることができる。
【００３５】
なお本実施の形態では、第１の放熱部２に近い部分の蓄冷器外郭１２（ａ）の肉厚が厚くなっているが、材質の熱伝導率が大きければ薄くても効果は得られる。
【００３６】
さらに実施の形態１と同様に、第１の放熱器２に近い部分の蓄冷器３の内面に断熱被覆がなく、それ以外の部分に断熱被覆が施すと一層効果的である。
【００３７】
【発明の効果】
以上から明らかなように、本発明のパルス管冷凍機によれば、放熱部近くの蓄冷器の高い温度になる部分で放熱することができ、パルス管冷凍機全体としての放熱性能を向上させることができ、高性能のパルス管冷凍機を提供することができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１におけるパルス管冷凍機の構成を示す模式図
【図２】本発明の実施の形態２におけるパルス管冷凍機の構成を示す模式図
【図３】本発明の実施の形態３におけるパルス管冷凍機の構成を示す模式図
【図４】従来のパルス管冷凍機の構成を示す模式図
【図５】従来のパルス管冷凍機における蓄冷器内部の作動流体挙動と熱の授受の関係を示す模式図
【符号の説明】
１  圧力振動部
２  第１の放熱部
３  蓄冷器
４  コールドヘッド
５  パルス管
１１  蓄冷材
１２  蓄冷器外郭
１５  断熱被覆
【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５】
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