(57)【要約】【課題】整流効果の増大、圧力損失や温度上昇といったエネルギーロスの低減、および、短い距離で整流する省スペース化を共に実現し、トータル的な性能を大幅に向上したパルス管冷凍機を提供する。【解決手段】圧縮機、蓄冷器、低温端、パルス管および位相制御部を直列に接続して流路を形成し、流路を流れる作動ガスの熱交換により低温端に寒冷を発生するパルス管冷凍機において、空間部１２ｄを挟んで２枚の多孔板１２ａを配置した構成の整流部１２とし、パルス管へ流入する作動ガスを整流するパルス管冷凍機とした。【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、低温端、パルス管および位相制御部を直列に接続して流路を形成し、流路を流れる作動ガスの熱交換により低温端に寒冷を発生するパルス管冷凍機において、
ｎ（ｎは１以上の自然数）の空間部と（ｎ＋１）枚の多孔板とを交互に配置した構成を有し、パルス管へ流入する作動ガスを整流する整流部と、を備えることを特徴とするパルス管冷凍機。
【請求項２】
請求項１記載のパルス管冷凍機において、
（ｎ＋１）枚の多孔板は、パルス管に近づくにつれて多孔板の孔径が小さくなることを特徴とするパルス管冷凍機。
【請求項３】
請求項１または請求項２記載のパルス管冷凍機において、
蓄冷器、低温端、およびパルス管を略Ｕ字型に構成するＵ字リターン型である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、極低温冷凍機として用いられるパルス管冷凍機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
まず、従来技術のパルス管冷凍機の構成について図を参照しつつ説明する。
図６は従来技術のパルス管冷凍機の概略構成図である。図７は従来技術の低温端の構成図で、図７（ａ）は端部本体内を上側から見た図、図７（ｂ）は低温端の側断面図である。
パルス管冷凍機１００は、図６に示すように、パルス管１１０、圧縮機１２０、蓄冷器１３０、位相制御部１４０、低温端１５０を備えている。
【０００３】
さらに圧縮機１２０は、シリンダ１２１とピストン１２２とを備え、位相制御部１４０はイナータンスチューブ１４１とバッファタンク１４２とを備え、また、低温端１５０は熱交換部１５１と整流部１５２とを備えている。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。
【０００４】
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１２０のシリンダ１２１内でピストン１２２が往復動作することにより、シリンダ１２１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１２０から蓄冷器１３０、低温端１５０、パルス管１１０を通り、位相制御部１４０との間を往復動流として流れる。
また、作動ガスは、位相制御部１４０のイナータンスチューブ１４１とバッファタンク１４２の中を、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は位相差が発生する。
【０００５】
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１４１は電気回路のインダクタンス、レジスタンス、キャパシタンス成分に相当し、また、バッファタンク１４２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１４０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。
【０００６】
このようにパルス管冷凍機１００の運転時には、パルス管１１０および位相制御部１４０による位相制御効果により、パルス管１１０内で作動ガスの圧力と流量の間に位相差が生じ、この圧力と流量とがなす仕事が低温部でのＰＶ仕事となり、低温端１５０に寒冷を発生する。この発生寒冷を低温ＰＶ仕事と呼ぶ。
【０００７】
ここで、低温端１５０は前記のように蓄冷器１３０とパルス管１１０との間に介装されており、略Ｕ字型に構成されている。パルス管冷凍機１００の運転時には、圧縮機１２０の圧縮工程で送り出された作動ガスは低温となってパルス管１１０に流入し、その内部で断熱膨張してこれにより吸熱して位相制御部１４０に流出する。また、前記とは逆に作動ガスが位相制御部１４０からパルス管１１０を通過して低温端１５０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１５０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。
【０００８】
この場合に作動ガスがＰＶ仕事を効率よく行うためには、作動ガスがパルス管１１０内で、あたかも、ある二面の固定面により区画されたピストン（以下「ガスピストン」と呼称する）１１１として作用することが必要であり、少なくとも低温端１５０側では固定面を必ず形成する必要がある。このようなガスピストン１１１の形成のためには、パルス管１１０内で偏りのない一様な速度分布を形成させることが必要不可欠となっている。
【０００９】
そこで、図７で示すように、低温端１５０ではパルス管１１０と熱交換部１５１との間に整流部１５２が介在している。この整流部１５２は所定厚さを持った板に多数の孔部１５３を規則的に形成したものであり、パルス管１１０内へ流入する作動ガスを整流し、整流済みの作動ガスによりガスピストン１１１を形成して、位相差に乱れがないようにする。
従来技術のパルス管冷凍機１００はこのようなものであった。
【００１０】
また、パルス管冷凍機の他の従来技術として、例えば、特許文献１（特開２００２−２３５９６２号）や特許文献２（特開２００２−３４９９８１号）がある。これら従来技術は、パルス管へ流入する作動ガスを整流してパルス管内で効果的にガスピストンを形成する発明に係るものであり、特許文献１では熱交換器に加えて遮蔽体を設置する発明が、また、特許文献２では整流用金網の設置の仕方を工夫する発明が、それぞれ開示されている。
【００１１】
【特許文献１】
特開２００２−２３５９６２号公報
（段落番号００１０〜００１８，図１〜図５）
【特許文献２】
特開２００２−３４９９８１号公報
（段落番号００１０〜００１５，図１〜図４）
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
ガスピストンの形成をより効果的にするための一つの方策として、整流部の整流機能をさらに向上させることが考えられる。そこで、先に図６，図７を用いて説明したパルス管冷凍機１０００の整流部１５２よりも整流効果を増大させる必要がある。
【００１３】
特許文献１，２に記載された他の従来技術では、遮蔽体の挿入、目の細かな金網の使用、金網枚数の増加を行っているが、圧力損失や不必要なエネルギー変換を引き起こして、結果的にトータル的な性能を増大させることがうまくできていないという問題があった。さらには、熱交換器以外に遮蔽体などの挿入物が入るために全体的に大きな構造になりがちであった。
そこで、新規で簡易な構造を採用し、整流効果を高めた整流部、およびこの整流部を搭載したパルス管冷凍機が希求されている。
【００１４】
本発明の上記した問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、整流効果の増大、圧力損失や温度上昇といったエネルギーロスの低減、および、短い距離で整流する省スペース化を共に実現し、トータル的な性能を大幅に向上したパルス管冷凍機を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明の請求項１に係る発明のパルス管冷凍機は、圧縮機、蓄冷器、低温端、パルス管および位相制御部を直列に接続して流路を形成し、流路を流れる作動ガスの熱交換により低温端に寒冷を発生するパルス管冷凍機において、
ｎ（ｎは１以上の自然数）の空間部と（ｎ＋１）枚の多孔板とを交互に配置した構成を有し、パルス管へ流入する作動ガスを整流する整流部と、を備えることを特徴とする。
【００１６】
また、本発明の請求項２に係る発明のパルス管冷凍機は、
請求項１記載のパルス管冷凍機において、
（ｎ＋１）枚の多孔板は、パルス管に近づくにつれて多孔板の孔径が小さくなることを特徴とする。
【００１７】
また、本発明の請求項３に係る発明のパルス管冷凍機は、
請求項１または請求項２記載のパルス管冷凍機において、
蓄冷器、低温端、およびパルス管を略Ｕ字型に構成するＵ字リターン型であることを特徴とする。
【００１８】
【発明の実施の形態】
続いて、本発明のパルス管冷凍機に係る第１実施形態について、図を参照しつつ説明する。図１は本実施形態のパルス管冷凍機の要部となる低温端の構成図であり、図１（ａ）は端部本体内を上側から見た図、図１（ｂ）は低温端の側断面図である。図２は減衰率と抵抗係数の関係を説明する説明図であり、図２（ａ）は減衰率−抵抗係数線図、図２（ｂ）は変数の説明図である。図３は減衰率−温度差線図である。
【００１９】
本実施形態のパルス管冷凍機は、図６を用いて説明した従来技術のパルス管冷凍機の構成とほぼ同じであり、図６に示すように、パルス管１１０、圧縮機１２０、蓄冷器１３０、位相制御部１４０を備える点は同じであるが、低温端１５０に代えて、図１で示すような低温端１０を採用した点が相違している。以下、低温端１０の構成およびその改良点について説明する。なお、それ以外の構成および冷凍原理は同じであるため、重複する説明を省略する。
【００２０】
本実施形態の低温端１０は、図１で示すように、端部本体１１、整流部１２を備えている。さらに端部本体１１内には、作動ガスの流路となる空間である熱交換部１３が形成される。
【００２１】
整流部１２は、図１（ａ），（ｂ）で示すように、２枚の多孔板１２ａ、環体１２ｂを備えている。この多孔板１２ａには、図１（ａ），（ｂ）で示すように、所定厚さｔを有する板であり、多数の孔部１２ｃが形成されている。このような２枚の多孔板１２ａが環体１２ｂを挟持したとき、間に空間部１２ｄが形成される。このように整流部１２は、一つの空間部１２ｄを２枚の多孔板１２ａが挟むような構成となる。
このような整流部１２は、パルス管１１０（図６参照）への作動ガスの出入口であって、パルス管１１０と熱交換部１３との間に配置されることとなる。
【００２２】
続いてこのような整流部１２の優位性についての理論的な説明を行う。
まず、整流効果を示す指標として擾乱速度の減衰率Ａ∞を用いるものとし、減衰率Ａ∞は、以下の理論式により算出する。
【００２３】
【数１】
Ａ∞＝（１＋α−αＫ）／（１＋α＋Ｋ）
【００２４】
ここで、αは流出角係数であり、流入角θと流出角φを用いて次式で示す関係がある。
【００２５】
【数２】
φ＝α・θ
【００２６】
また、Ｋは抵抗係数であり抵抗体前後の差圧Δｐ、平均流速Ｕおよび密度ρを用いて次式で算出する。
【００２７】
【数３】
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【００２８】
上記数１〜数３の式は多孔板が１枚の時の理論式であり、複数枚（例えば２枚）の場合の理論式は確立されていない。そこで図２（ａ）の減衰率−抵抗係数特性図から数式を算出し、実験式とした。実験式は次式で示すようになる。
【００２９】
【数４】
｜Ａ∞｜＝０．２１６４Ｋ４−１．２０１６Ｋ３＋２．５２４５Ｋ２−２．５８６８Ｋ＋１．１７８２  ：Ｋ≦２
｜Ａ∞｜＝−０．００４９Ｋ３＋０．０６２８Ｋ２−０．２５０９Ｋ＋０．２０５７          ：２≦Ｋ≦５
但し、Ｌ／λ＝０．２（＝Ｌ／Ｄ）の場合である。
【００３０】
ここで、Ｌおよびλは、図２（ｂ）で示すように、多孔板間の隙間および擾乱の波長（円管の場合は外径Ｄに相当）である。図２（ａ）の意味するところは、例えば同じ抵抗係数Ｋ＝１をもつ多孔板を持つ場合、１枚では擾乱を０．４までしか減衰できないことに対して、２枚入れることで０．１３まで減衰することができる。すなわち、単純にＮ倍の効果ではなく、Ｎ乗程度の効果を得ることができる。
【００３１】
以上のことから、多孔板を２枚使用する場合には１枚当たりのΔｐは小さくできるため、厚さｔを小さくしたり、開口率Ｂを大きくしたりと、設置スペース低減等の設計上の自由度を大きく向上することができる。
【００３２】
なお、本発明では整流部に熱交換機能も同時に持たせるために、熱交換能力を考慮する。その場合には、多孔板内ガス温度と電熱面における温度差ΔＴを指標に考える。
図２（ｂ）で示すように、多孔板の場合には、ある一定の外径Ｄに対して開けられ孔（径ｄ）の数は、孔径ｄとピッチｐを決めた時点で決まる。したがって必然的に開口率Ｂ（＝Ａｄ／Ａｄ）も決まる。
【００３３】
それでは、実際に計算してみる。現状の１枚のみの多孔板を基準に取る。その寸法を孔径ｄ／Ｄ＝０．１、厚さｔ／Ｄ＝０．５、開口率Ｂ＝０．６とし、例えば開口率Ｂを同程度（０．５４〜０．６）に取って２枚使用時の減衰率Ａ∞と温度差ΔＴを比較したものを図３に示す。また、この時の多孔板の厚さをｔ／Ｄ＝０．１とし、多孔板間の隙間をＬ／Ｄ＝０．２として計算した。
【００３４】
図３で示すように、２枚時の孔径を変化させて穴数を増加させると、ガスとの接触面積が増大するため、熱交換能力の指標である温度差ΔＴが減少すると同時に、減衰率は低減していく。
逆に圧力損失は接触面積が増大するために増加傾向にある。
【００３５】
本計算例の場合には厚さ０．０５の時に１枚時と同程度の圧力損失（１．００と１，１３）で減衰率を０．１４５→０．０９８に低減させ、温度差を２．２６→１．３９とし、トータル能力を増大させることが可能である。
さらに、設置スペースとして軸方向の総長さ（厚さ）を０．５→０．４（＝０．１×２＋０．２）と低減することが可能である。
【００３６】
本計算例では、多孔板の厚さ、開口率、隙間などを固定して計算したが、これらのパラメータを自由に設定することであらゆる設計が可能である。
【００３７】
続いて本発明の第２実施形態について図を参照しつつ説明する。図４は本実施形態のパルス管冷凍機の要部となる低温端の構成図であり、図４（ａ）は端部本体内を上側から見た図、図４（ｂ）は低温端の側断面図である。
本実施形態のパルス管冷凍機は、図６を用いて説明した従来技術のパルス管冷凍機の構成とほぼ同じであり、図６に示すように、パルス管１１０、圧縮機１２０、蓄冷器１３０、位相制御部１４０を備える点は同じであるが、低温端１５０に代えて、図４で示すような低温端２０を採用した点が相違している。以下、低温端２０の構成およびその改良点について説明する。なお、それ以外の構成および冷凍原理は同じであるため、重複する説明を省略する。
【００３８】
本実施形態の低温端２０は、図４で示すように、端部本体２１、整流部２２を備えている。さらに端部本体２１内には、作動ガスの流路となる空間である熱交換部２３が形成される。
【００３９】
整流部２２は、図４（ａ），（ｂ）で示すように、上側（パルス管から離れた側）に大径多孔板２２ａ、環体２２ｂ、下側（パルス管に近い側）に小径多孔板２２ｃを備えている。大径多孔板２２ａは、図４（ａ），（ｂ）で示すように、所定厚さｔの板に、多数の大径孔部２２ｄが形成されている。また、大径多孔板２２ａは、図４（ｂ）で示すように、所定厚さｔの板に、多数の小径孔部２２ｅが形成されている。
【００４０】
このような大径多孔板２２ａと小径多孔板２２ｃとが環体２２ｂを挟持したとき、空間部２２ｆが形成される。このように整流部２２は、大径多孔板２２ａと小径多孔板２２ｃという２枚の多孔板で１個の空間部２２ｆを挟むような構成となる。
このような整流部２２は、パルス管１１０（図６参照）への作動ガスの出入口であって、パルス管１１０と熱交換部２３との間に配置されることとなる。
【００４１】
このように本実施形態では、熱交換部側、つまりに乱れが大きい側（折り返し側）で孔径が大きい大径多孔板２２ａを配置し、また、パルス管側で孔径の小さい小径多孔板２２ｃを配置した。
これにより、容易に所望の減衰率と温度差とを得ることが可能である。例えば、先に説明した計算例を用いるとパルス管側でｄ／Ｄ＝０．０４、折り返し側でｄ／Ｄ＝０．０５を組み合わせることで、その中間の能力の低温端を形成することができる。
【００４２】
これら第１，第２実施形態では整流部は２枚であるものとして説明したが、３枚以上の組合せも可能である。図５は、３枚の多孔板を有する整流部の側断面図である。
図５（ａ）で示すように、整流部３０は、孔径が同じ多孔板３１を３枚、中心に空間部３２ａを有する円環３２を２個それぞれ備え、２個の空間部３２ａと３枚の多孔板３１と交互に配置した構成を有するようにしても良い。
さらに、図５（ｂ）で示すように、整流部４０は、孔径がそれぞれ異なる大径多孔板４１、中径多孔板４２、小径多孔板４３、中心に空間部４４ａを有する円環４４を２個それぞれ備え、２個の空間部４４ａと３枚の大径多孔板４１、中径多孔板４２、小径多孔板４３と交互に配置した構成を有するようにしても良い。
【００４３】
このような整流部の構成について一般化すると、ｎ（ｎは１以上の自然数）の空間部と（ｎ＋１）枚の多孔板と交互に配置した構成を有し、パルス管の出入口に配置される。なお、パルス管の出入口ではパルス管と熱交換部との間の流路に配置されることが少なくとも必要であるが、これに加えてパルス管とイナータンスチューブとの間に配置しても良い。
【００４４】
さらに、孔径を同径とするか（第１実施形態）あるいパルス管から離れた側（熱交換部側）で大径とし、また、パルス管側で小径となる（第２実施形態）ように構成する。
このような基準に則る各種の整流部とすれば、整流効果を高めることが可能となる。
【００４５】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、整流効果の増大、圧力損失や温度上昇といったエネルギーロスの低減、および、短い距離で整流する省スペース化を共に実現し、トータル的な性能を大幅に向上したパルス管冷凍機を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態のパルス管冷凍機の要部となる低温端の構成図であり、図１（ａ）は端部本体内を上側から見た図、図１（ｂ）は低温端の側断面図である。
【図２】減衰率と抵抗係数の関係を説明する説明図であり、図２（ａ）は減衰率−抵抗係数線図、図２（ｂ）は変数の説明図である。
【図３】減衰率−温度差線図である。
【図４】本発明の第２実施形態のパルス管冷凍機の要部となる低温端の構成図であり、図４（ａ）は端部本体内を上側から見た図、図４（ｂ）は低温端の側断面図である。
【図５】３枚の多孔板を有する整流部の側断面図である。
【図６】従来技術のパルス管冷凍機の概略構成図である。
【図７】従来技術の低温端の構成図で、図７（ａ）は端部本体内を上側から見た図、図７（ｂ）は低温端の側断面図である。
【符号の説明】
１０        ：低温端
１１        ：端部本体
１２        ：整流部
１２ａ      ：多孔板
１２ｂ      ：環体
１２ｃ      ：孔部
１２ｄ      ：空間部
１３        ：熱交換部
２０        ：低温端
２１        ：端部本体
２２        ：整流部
２２ａ      ：大径多孔板
２２ｂ      ：環体
２２ｃ      ：小径多孔板
２２ｄ      ：大径孔部
２２ｅ      ：小径孔部
２２ｆ      ：空間部
２３        ：熱交換部
３０        ：整流部
３１        ：多孔板
３２        ：環体
３２ａ      ：空間部
４０        ：整流部
４１        ：大径多孔板
４２        ：中径多孔板
４３        ：小径多孔板
４４        ：環体
４４ａ      ：空間部
１００      ：パルス管冷凍機
１１０      ：パルス管
１１１      ：ガスピストン
１２０      ：圧縮機
１２１      ：シリンダ
１２２      ：ピストン
１３０      ：蓄冷器
１４０      ：位相制御部
１４１      ：イナータンスチューブ
１４２      ：バッファタンク
１５０      ：低温端
１５１      ：熱交換部
１５２      ：整流部
１５３      ：孔部
【図１】
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【図２】
2005003245.tif 000005
【図３】
2005003245.tif 000006
【図４】
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【図５】
2005003245.tif 000008
【図６】
2005003245.tif 000009
【図７】
2005003245.tif 000010