(57)【要約】【課題】リターン型パルスチューブ冷凍機において、低温端の容積を抑えながら表面積を増やして冷却性能を向上させる。【解決手段】蓄冷器２とパルス管３とがＵ字形に屈曲された接続管５により接続されたパルスチューブ冷凍機において、内径及び長さが同一の複数本の細管１２を束ね、この束を捩り及び曲げ加工して接続管５を構成する。複数の細管１２を束ねることにより、接続管５の容積を小さくしながら大きな表面積を確保することができる。また、複数の細管１２の内径及び長さを同一とすることで各細管１２の流動抵抗を等しくし、整流体を用いなくてもパルス管断面での作動ガスの流速分布を均一にすることができる。その場合、細管１２の束を捩ることにより、Ｕ曲げ後の細管１２の束の両端面を軸心に直角に保ち、蓄冷器２及びパルス管３との接続を容易にすることができる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機、蓄冷器、パルス管及び位相制御部を備え、前記蓄冷器とパルス管とはＵ字形に屈曲された接続管により接続されたパルスチューブ冷凍機において、
内径及び長さが同一の複数本の細管を束ね、この束を捩り及び曲げ加工して前記接続管を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】
前記細管の束の捩り角を「１８０度＋３６０度×Ｎ（Ｎは０を含む整数）」としたことを特徴とする請求項１記載のパルスチューブ冷凍機。
【請求項３】
前記蓄冷器及びパルス管の低温側の端部と前記細管の束とを伝熱金属で一体に包んで低温ブロックを形成したことを特徴とする請求項１又は請求項２記載のパルスチューブ冷凍機。
【請求項４】
前記低温ブロックを金属粉末射出燒結法を用いて形成したことを特徴とする請求項３記載の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】
この発明は、パルスチューブ冷凍機に関し、詳しくはリターン型パルスチューブ冷凍機の接続管構造に関する。
【従来の技術】
【０００２】
図４は従来のパルスチューブ冷凍機の一般構成を示す概略図である。図４において、パルスチューブ冷凍機は、圧縮機１、蓄冷器２、パルス管３、位相制御制御機４を備え、蓄冷器２とパルス管３とはＵ字形に屈曲された接続管５により接続されている。位相制御部４はイナータンスチューブ６とバッファタンク７とからなっている。このパルスチューブ冷凍機の系内には作動ガス（冷媒ガス）として、例えばヘリウムが封入されている。
【０００３】
このような構成の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、圧縮機１の運転でピストン１ａが往復運動し、作動ガスが圧縮、膨張を繰り返すと、この作動ガスは圧縮機１から蓄冷器２、接続管５、パルス管３を通り位相制御部６に達する一連の系の中を往復動流として流れる。その際、作動ガスはイナータンスチューブ６とバッファタンク７とからなる位相制御部の中をほぼ正弦波的な圧力振幅を伴って流れ、作動ガスの圧力変化と流量変化との間に位相差が発生する。
【０００４】
これを電気回路に例えると、イナータンスチューブ６はインダクタンス、レジスタンス、キャパシタンス成分、またバッファタンク７はキャパシタンス成分に相当し、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。その結果、冷凍機の運転時にはパルス管３内で圧力と流量との間に位相差が生じ、この圧力と流量によるＰＶ仕事により、接続管５を含むパルス管上端部の低温端８に寒冷が発生する。この寒冷仕事は低温ＰＶ仕事と呼ばれている。
【０００５】
ここで、圧縮機１の圧縮工程で送り出された作動ガスは、蓄冷器２で低温となってパルス管３に流入し、その内部で断熱膨張により吸熱して位相制御部４に流出する。一方、作動ガスが位相制御部４からパルス管３を通過して低温端８に還流する工程では、ほぼ一定体積で移動するため熱の発生又は吸収は行なわない。その場合に、作動ガスがＰＶ仕事を効率よく行なうためには、作動ガスがパルス管内の少なくとも低温端側で、ある固定面となって動くようなピストン（いわゆるガスピストン）９として作用することが必要である。
【０００６】
そこで、作動ガスをガスピストン９として作用させるために、従来は図４に示すように、パルス管３の低温端８に整流体１０を設け、作動ガスがパルス管３に流入するときの速度分布を一様にするように構成している。また、ＰＶ仕事に重要な圧力振幅を大きくするためには、可能な限り低温端８での空間（容積）を抑制して、低温端内部ではなくパルス管３の内部で作動ガスを膨張させることが必要である。そのため、接続管５を用いて低温端８の容積の低減を図っていた。更に、低温端８で作動ガスに十分な熱交換を行なわせるためには、低温端内部での表面積を十分に確保する必要がある。そこで、図５に示すように、接続管５に代えて内部にガス流路を設けた低温端ブロック１１を用い、表面積を増大させる構造を採ることもある。
【０００７】
一方、特許文献１には、パルス管内の作動ガスの流速分布を均一にして、冷凍性能の向上を図ったパルス管冷凍機が記載されている。これは、パルス管の低温端に複数の貫通孔を設けた整流板を取り付けるとともに、流速が遅い作動ガスが通過する整流板の貫通孔の流路断面積を流速が速い作動ガスが通過する整流板の貫通孔よりも小さくしたものである。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００２−１３８３２号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上記したように、パルスチューブ冷凍機の低温端では、▲１▼容積を小さく、▲２▼表面積を大きく、かつ▲３▼流れを一様にする、という条件が同時に要求される。しかし、作動ガスの流れが１８０度折り返すリターン型冷凍機において、例えば上記▲２▼，▲３▼の条件を満足させようとすると、▲１▼の条件が満足されずに冷却性能が低下したり、構造や内部形状が複雑になり製作コストが増大したりするという問題があった。また、▲３▼の条件を満足させようとする特許文献１の整流板は、やはり部品コストや小型化の点で問題がある。
【００１０】
そこで、この発明の課題は、リターン型パルスチューブ冷凍機において、簡素な構造で上記条件▲１▼〜▲３▼を同時に満足させ、効率よくＰＶ仕事を取り出せるようにすることにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、この発明は、圧縮機、蓄冷器、パルス管及び位相制御部を備え、前記蓄冷器とパルス管とはＵ字形に屈曲（以下、「Ｕ曲げ」という）された接続管により接続されたパルスチューブ冷凍機において、内径及び長さが同一の複数本の細管を束ね、この束を捩り及び曲げ加工して前記接続管を構成するものとする（請求項１）。
【００１２】
請求項１の発明によれば、複数の細管を束ねることにより、容積の増加を抑えつつ、大きな表面積を確保することが可能になる。また、複数の細管の内径及び長さを同一とすることで各細管の流動抵抗を揃え、整流体を用いなくてもパルス管断面での作動ガスの流速分布を均一にすることができる。その場合、細管の束を捩ることにより、Ｕ曲げ後の細管の束の両端面を軸心に直角に保つことが可能になる。
【００１３】
請求項１において、前記細管の束の捩り角は「１８０度＋３６０度×Ｎ（Ｎは０を含む整数）」とするのがよい（請求項２）。これにより、Ｕ曲げした細管の束の両端面を同一平面内に揃えることができ、接続管と蓄冷器及びパルス管との接続が容易になる。
【００１４】
請求項１又は請求項２において、前記蓄冷器及びパルス管の低温側の端部と前記細管の束とを伝熱金属で一体に包んで低温ブロックを形成するとよい（請求項３）。これにより、被冷却物の取り付けが容易な形状を任意に形成することが可能になる。その場合、前記低温ブロックは金属粉末射出燒結法を用いれば容易に形成することができる（請求項４）。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１はこの発明の実施の形態を示し、図１（Ａ）はパルスチューブ冷凍機の接続管部分の平面図、図１（Ｂ）はその側面図である。図１において、蓄冷器２とパルス管３とを接続するＵ字形の接続管５は、内径及び長さが同一の複数の銅の細管１２が円柱状に束ねられて構成されている。図示の場合、細管１２は２１本用いられ、図１（Ａ）に示すように、中心から半径方向に向って１本、８本、１２本の細管１２が同心円状に均一に配列されている。この細管１２の束は１８０度捩られた上でＵ字形に屈曲され、両端が蓄冷器２及びパルス管３にそれぞれろう付けにより接続されている。
【００１６】
ここで、接続管５は、上述した通り１８０度の捩り角で捩られることにより、Ｕ曲げ後における細管１２の束の両端面が軸心に直角に保たれ、かつ同一平面内に揃えられている。図１に記載したＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄの各符号は、接続管５の例えば最外層の４本の細管１２の蓄冷器２及びパルス管３との接続点の対応関係を示している。図示の通り、蓄冷器２及びパルス管３上の各接続点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄは、接続管５の捩り方向に反転しながら両端が同一の位置関係で、つまり内側は内側同士、外側は外側同士が繋がるように分布し、同一長さの各細管１２の接続が適正に達成されている。これは他の細管１２の接続関係についても同じである。このような接続関係は、接続管５の捩り角が「１８０度＋３６０度×Ｎ（Ｎは０を含む整数で図示の場合はＮ＝０）」とすることにより可能となる。
【００１７】
同一長さの複数の細管を蓄冷器２とパルス管３とに跨らせて接続するには、Ｕ曲げした細管を単に平行に並べて配管することも可能である。しかし、その場合は細管が多数になると細管同士が互いに干渉し、結果として配置が錯綜するため接続作業が複雑になるとともに接続信頼性が低下する。それに対して、図示実施の形態のように細管１２を束ね、この束を捩り及び曲げ加工することにより、多数の細管１２を緊密にかつ規則的に順序良く並べることができ、接続管５がコンパクトになるとともに接続作業も簡単になる。
【００１８】
次に、接続管５を複数の細管１２で構成することによる冷却特性の向上について下記に説明する。まず、接続管５の容積Ｖと内側の表面積Ｓとの関係を考えると、容積Ｖと表面積Ｓとはそれぞれ以下の式で表される。
Ｖ＝π／４・ｄ２・Ｌ・ｎ
Ｓ＝πｄ・Ｌ・ｎ
ここで、ｄ、Ｌ及びｎは、それぞれ細管１２の内径、長さ及び本数である。
【００１９】
Ｌを一定とした場合、Ｓ／Ｖは次のように変形される。
Ｓ／Ｖ＝（πｄ・Ｌ・ｎ）／（π／４・ｄ２・Ｌ・ｎ）＝４／ｄ
【００２０】
Ｓ／Ｖは一定容積に対して表面積がどれだけあるかを表す指標であるが、Ｌ、ｎに関係なくｄのみで決まりｄに反比例することから、ｄが小さいほどこの比を大きく取ることができる。言い換えれば、同じ表面積Ｓを必要とした場合には、細管１２の内径ｄを小さくすることで容積Ｖを小さくすることができる。
【００２１】
また、熱伝達コンダクタンスＣは以下の式で定義される。
Ｃ＝ｈｍ・Ｓ
ｈｍ＝Ｎｕ・λ／ｄ
ここで、ｈｍ、Ｎｕ及びλは、それぞれ平均熱伝達率、ヌセルト数及び作動ガスの熱伝達率である。このＣは作動ガスと接続管５との間で可能な熱の授受の値を示す。従って、Ｃの値が大きいほど低温端としての性能がよいことを意味している。なお、接続管５の圧力損失については、蓄冷器２と比較して無視できるほど小さいため、特に考慮する必要はない。
【００２２】
図２は、細管１２の内径ｄ（ｍｍ）と本数ｎを変えたときの上記各特性値Ｖ、Ｓ、Ｓ／Ｖ及びＣの変化を例示したものである。パルス管３の内径は１０ｍｍ、細管１２の長さＬは２４ｍｍとした。図２から分るように、細管１２の内径ｄを小さくして本数ｎを増加させるにつれて、容積Ｖは減少し、表面積Ｓが増大して熱交換能力が増大する。
【００２３】
図３は、この発明の異なる実施の形態を示すものである。図３においては、蓄冷器２及びパルス管３の低温側の端部と細管１２の束とが伝熱金属で一体に包まれ、低温ブロック１３が形成されている。その他の構成は図１と同じである。低温ブロック１３の形成により低温端８の形状の自由度が増し、図示しない被冷却物の取り付けが容易になる。低温ブロック１３の形成には、金属粉末射出燒結法（ＭＩＭ）が好適である。なお、上記各実施の形態では、複数の細管１２を同心円状に接続した例を示したが、接続点の配列は均一であれば必ずしも図示例に限定されるものではなく、例えば格子状に配列してもよい。
【００２４】
図示実施の形態のパルスチューブ冷凍機の利点を次にまとめる。
（１）    接続管５は多数の細管１２の束からなるので、低温端８での容積は小さく表面積は大きくという条件が満たされ、優れた熱交換能力が得られる。
（２）    流体抵抗の等しい多数の細管１２がパルス管の断面に均一に分布するように接続されているので、パルス管３の断面で一様な流速分布が形成され整流体を省くことが可能である。
（３）    細管１２の束は１８０度捩られてからＵ曲げされているので、同一長さの細管１２が緊密に配列されるとともに、軸心に直交する接続管５の両端面には、各細管１２の両端が蓄冷器側とパルス管側とで同一位置関係を保って同一平面上に順序良く並ぶ。従って、細管１２の接続作業が簡単である。
（４）    低温端８に金属粉末射出燒結法で低温ブロック１３を形成すれば、パルスチューブ冷凍機への被冷却物の取り付けが容易になる。
【００２５】
【発明の効果】
以上の通り、この発明によれば、蓄冷器とパルス管との間を接続するＵ字形の接続管を複数の細管の束に捩り及び曲げ加工を加えて構成することにより、接続管の容積を抑えながら表面積を増やし、かつパルス管断面の速度分布を一様にして、冷却性能の向上を図ることができるとともに、整流体の省略を可能にして構造を簡単にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態を示し、（Ａ）は蓄冷器とパルス管とを接続する接続管部分の平面図、（Ｂ）はその側面図である。
【図２】図１のパルスチューブ冷凍機の接続管における細管の内径と本数を変えたときの特性値の変化を示す線図である。
【図３】この発明の異なる実施の形態を示し、（Ａ）は蓄冷器とパルス管とを接続する接続管部分の平面図、（Ｂ）はそれぞれの側面図である。
【図４】従来例を示すパルスチューブ冷凍機の構成図である。
【図５】異なる従来例を示すパルスチューブ冷凍機の一部構成図である。
【符号の説明】
１    圧縮機
２    蓄冷器
３    パルス管
４    位相制御部
５    接続管
８    低温端
１２    細管
１３    低温ブロック
【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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