(57)【要約】【課題】振動ガス圧による冷却ステージの振動を効果的に低減することができると共に、小型化が可能な極低温冷凍機を提供する。【解決手段】極低温冷凍機１０は、冷却ステージ１４上に略平行に配置されると共に、冷却ステージ１４に形成されたガス流路を介して連通された２本の管からなる第１冷凍管１６及び第２冷凍管１８を備えている。そして、この第１冷凍管１６及び第２冷凍管１８の振動ガス圧にそれぞれ位相差を持たせることによって、冷却ステージ１４の振動を相殺するようにした。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却ステージ上に略平行に配置されると共に、前記冷却ステージに形成されたガス流路を介して連通された２本の管からなる冷凍管を備えた極低温冷凍機において、前記冷凍管を複数備えると共に、該複数の各冷凍管の振動ガス圧にそれぞれ位相差を持たせることによって、前記冷却ステージの振動を相殺することを特徴とする極低温冷凍機。
【請求項２】
請求項１において、前記複数の各冷凍管の前記管を、前記冷却ステージの周方向に略等間隔に、且つ、前記２本の管が最も遠い位置になるように配置したことを特徴とする極低温冷凍機。
【請求項３】
請求項１において、前記複数の各冷凍管の前記管を、前記冷却ステージの周方向に略等間隔に、且つ、前記２本の管が最も近い位置になるように配置したことを特徴とする極低温冷凍機。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかにおいて、前記冷凍管をＮ（Ｎ：２以上の整数）個備えた場合に、前記位相差を３６０／Ｎ度としたことを特徴とする極低温冷凍機。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかにおいて、前記２本の管を、蓄冷器とパルス管とによって構成したことを特徴とする極低温冷凍機。
【請求項６】
請求項１乃至４のいずれかにおいて、前記２本の管を、蓄冷器とディスプレーサが収容されたシリンダとによって構成したことを特徴とする極低温冷凍機。
【請求項７】
冷却ステージ上に配置された１本のシリンダからなる冷凍管を備えた極低温冷凍機において、Ｎ（Ｎ：２以上の整数）個の前記冷凍管を前記冷却ステージの周方向に略等間隔に配置すると共に、該Ｎ個の各冷凍管の振動ガス圧にそれぞれ３６０／Ｎ度の位相差を持たせたことを特徴とする極低温冷凍機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷却ステージ上に略平行に配置されると共に、前記冷却ステージに形成されたガス流路を介して連通された２本の管からなる冷凍管を備えた極低温冷凍機に係り、特にＧＭ（ギフォード・マクマフォン）型やパルス管型などの蓄冷型の極低温冷凍機に用いるのに好適な、振動ガス圧による冷却ステージの振動を効果的に低減することができると共に、小型化が可能な極低温冷凍機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、医療用ＭＲＩ診断装置やクライオポンプ等に適用される小型の極低温冷凍機として、図１に示されるようなＧＭ型の極低温冷凍機や、図２に示されるようなパルス管型の極低温冷凍機が広く知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
図１のＧＭ型極低温冷凍機１００は、冷却ステージ１０２上に略平行に配置されると共に、ガス流路１０４を介して連通された蓄冷器１０６及びシリンダ１０８からなる冷凍管１１０を備えている。又、シリンダ１０８内にはディスプレーサ１１２が収容されており、このディスプレーサ１１２はモータ１１４の駆動によってシリンダ１０８内を往復運動する構造となっている。このＧＭ型極低温冷凍機１００は、コンプレッサ１１６及びディスプレーサ１１２によって冷凍管１１０内への高圧ガスの供給や冷凍管１１０内の低圧ガスの回収を行うことで冷却ステージ１０２において寒冷を発生させるようにしたものである。
【０００４】
一方、図２に示されたパルス管型極低温冷凍機１２０は、冷却ステージ１２２上に略平行に配置されると共に、ガス流路１２４を介して連通された蓄冷器１２６及びパルス管１２８からなる冷凍管１３０を備えている。このパルス管型極低温冷凍機１２０は、コンプレッサ１３２によって冷凍管１３０内への高圧ガスの供給や冷凍管１３０内の低圧ガスの回収を行うことで冷却ステージ１２２において寒冷を発生させるようにしたものである。
【０００５】
しかしながら、これら従来公知のＧＭ型極低温冷凍機１００やパルス管型極低温冷凍機１２０では、冷凍管１１０、１３０内の振動ガス圧の変化によって冷凍管１１０、１３０が弾性的に伸縮し、冷却ステージ１０２、１２２が振動してしまうといった問題があった。又、パルス管型極低温冷凍機１２０は、ＧＭ型極低温冷凍機１００におけるディスプレーサ１１２のような機械的駆動部が無いため、装置全体としては低振動化が実現可能であるものの、上述の弾性的伸縮による冷却ステージの振動についてはＧＭ型極低温冷凍機１００とほとんど大差が無い。
【０００６】
このような問題を解決する一手段として、特許文献２には、ディスプレーサを２台備えると共に、この２台のディスプレーサを同相又は逆相で駆動することによって振動を低減した冷凍機が提案されている。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００２−１０６９９３号公報
【特許文献２】
特許第２９９５１４４号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この従来公知の冷凍機では、シリンダ、冷却部接続部材及び支持部材を多角形的に構成し、機械的強度を強くすることによって、振動を抑制するため、慣性力による加速度振動を低減するのに一定の効果はあるが、冷凍管の弾性的伸縮による振動の低減には限界がある。
【０００９】
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであって、振動ガス圧による冷却ステージの振動を効果的に低減することができると共に、小型化が可能な極低温冷凍機を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、冷却ステージ上に略平行に配置されると共に、前記冷却ステージに形成されたガス流路を介して連通された２本の管からなる冷凍管を備えた極低温冷凍機において、前記冷凍管を複数備えると共に、該複数の各冷凍管の振動ガス圧にそれぞれ位相差を持たせることによって、前記冷却ステージの振動を相殺することによって、上記課題を解決したものである。
【００１１】
又、前記複数の各冷凍管の前記管を、前記冷却ステージの周方向に略等間隔に、且つ、前記２本の管が最も遠い位置になるように配置したものである。
【００１２】
更に、前記複数の各冷凍管の前記管を、前記冷却ステージの周方向に略等間隔に、且つ、前記２本の管が最も近い位置になるように配置したものである。
【００１３】
又、前記冷凍管をＮ（Ｎ：２以上の整数）個備えた場合に、前記位相差を３６０／Ｎ度としたものである。
【００１４】
なお、前記２本の管を、蓄冷器とパルス管とによって構成してもよく、又、蓄冷器とディスプレーサが収容されたシリンダとによって構成してもよい。
【００１５】
又、本発明は、冷却ステージ上に配置された１本のシリンダからなる冷凍管を備えた極低温冷凍機において、Ｎ（Ｎ：２以上の整数）個の前記冷凍管を前記冷却ステージの周方向に略等間隔に配置すると共に、該Ｎ個の各冷凍管の振動ガス圧にそれぞれ３６０／Ｎ度の位相差を持たせることによって、上記と同様の課題を解決したものである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００１７】
図３の斜視図に示されるように、本発明の実施形態に係る極低温冷凍機１０は、図において上下に配置された、略円板形状の高温端ブロック１２及び冷却ステージ（低温端ブロック）１４と、これら高温端ブロック１２と冷却ステージ１４との間に配置された、第１冷凍管１６及び第２冷凍管１８とを備えている。
【００１８】
図４、図５の断面図に示されるように、前記第１冷凍管１６は、冷却ステージ１４上に略平行に配置された略円筒形状の第１パルス管１６Ａと第１蓄冷器１６Ｂを備えており、これら第１パルス管１６Ａ及び第１蓄冷器１６Ｂの高温端が前記高温端ブロック１２に、又、低温端が前記冷却ステージ１４にそれぞれ固定されている。又、第１パルス管１６Ａ及び第１蓄冷器１６Ｂの低温端は、冷却ステージ１４に形成されたガス流路１６Ｃによって連通されている。
【００１９】
一方、前記第２冷凍管１８も第１冷凍管１６と同じ構造を有しており、冷却ステージ１４上に略平行に配置された略円筒形状の第２パルス管１８Ａと第２蓄冷器１８Ｂを備え、これら第２パルス管１８Ａと第２蓄冷器１８Ｂの高温端が前記高温端ブロック１２に、又、低温端が前記冷却ステージ１４にそれぞれ固定されている。又、第２パルス管１８Ａ及び第２蓄冷器１８Ｂの低温端は、冷却ステージ１４に形成されたガス流路１８Ｃによって連通されている。
【００２０】
これら第１冷凍管１６の第１パルス管１６Ａと第１蓄冷器１６Ｂ、及び第２冷凍管１８の第２パルス管１８Ａと第２蓄冷器１８Ｂの４つの管は、それぞれ冷却ステージ１４の周方向に略等間隔に、且つ、第１パルス管１６Ａと第１蓄冷器１６Ｂ、及び第２パルス管１８Ａと第２蓄冷器１８Ｂがそれぞれ最も遠い位置になるように配置されている。又、第１冷凍管１６のガス流路１６Ｃと第２冷凍管１８のガス流路１８Ｃは、冷却ステージ１４の中央付近において立体的に交差した構造となっている。
【００２１】
次に、図６〜図８を用いて、前記極低温冷凍機１０の作用について説明する。
【００２２】
図６（Ａ）に示されるように、第１冷凍管１６の振動ガス圧Ｐ１は、第１冷凍管１６への高圧ガスの供給や第１冷凍管１６からの低圧ガスの回収のため、周期的に変化するように制御される。その結果、この振動ガス圧Ｐ１の変化によって、第１冷凍管１６の第１パルス管１６Ａと第１蓄冷器１６Ｂは軸方向に伸縮し、冷却ステージ１４には軸方向に変位が生じる。例えば、図６（Ａ）の時間Ｔにおいては、図６（Ｂ）、（Ｃ）に示されるように、第１パルス管１６Ａ及び第１蓄冷器１６Ｂは、振動ガス圧ＰＨによって軸方向に伸長し、冷却ステージ１４には変位Ｅ１が生ずる。
【００２３】
一方、図７（Ａ）に示されるように、第２冷凍管１８の振動ガス圧Ｐ２も、第２冷凍管１８への高圧ガスの供給や第２冷凍管１８からの低圧ガスの回収のため、周期的に変化するように制御される。その結果、この振動ガス圧Ｐ２の変化によって、第２冷凍管１８の第２パルス管１８Ａと第２蓄冷器１８Ｂは軸方向に伸縮し、冷却ステージ１４には軸方向に変位が生じる。例えば、図７（Ａ）の時間Ｔにおいては、図７（Ｂ）、（Ｃ）に示されるように、第２パルス管１８Ａ及び第２蓄冷器１８Ｂは振動ガス圧ＰＬによって軸方向に収縮し、冷却ステージ１４には変位Ｅ２が生ずる。
【００２４】
このように、極低温冷凍機１０の冷却ステージ１４には、第１冷凍管１６の伸縮に起因する変位と第２冷凍管１８の伸縮に起因する変位がそれぞれ生ずることになる。
【００２５】
ところが、極低温冷凍機１０では、図８（Ａ）に示されるように、第１冷凍管１６の振動ガス圧Ｐ１と第２冷凍管１８の振動ガス圧Ｐ２に１８０度の位相差を持たせているため、図８（Ｂ）に示されるように、第１冷凍管１６が軸方向に伸長している時には、第２冷凍管１８が軸方向に収縮することになる。一方、第２冷凍管１８が軸方向に伸長している時には、第１冷凍管１６が軸方向に収縮する。従って、第１冷凍管１６の伸縮に起因する変位と第２冷凍管１８の伸縮に起因する変位を相殺することができ、冷凍ステージ１４における変位を略零にすることができる。
【００２６】
本発明の実施形態に係る極低温冷凍機１０によれば、冷凍管を複数備えると共に、該複数の各冷凍管の振動ガス圧にそれぞれ位相差を持たせることによって、冷却ステージ１４の振動を相殺することができ、振動を効果的に低減することができると共に、装置の小型化が可能である。
【００２７】
又、第１冷凍管１６の第１パルス管１６Ａと第１蓄冷器１６Ｂ、及び第２冷凍管１８の第２パルス管１８Ａと第２蓄冷器１８Ｂの４つの管を、それぞれ冷却ステージ１４の周方向に略等間隔に、且つ、第１パルス管１６Ａと第１蓄冷器１６Ｂ、及び第２パルス管１８Ａと第２蓄冷器１８Ｂがそれぞれ最も遠い位置になるように配置しているため、振動低減の効果を更に向上することができる。
【００２８】
なお、振動低減の効果は、冷却ステージ１４の材質やサイズ等によって異なるが、本発明の発明者の実験によれば、冷却ステージ１４の材料が弾性体であることを考慮しても、実用的なサイズの範囲で、従来の数十分の１程度の低振動化を達成可能である。
【００２９】
本発明に係る極低温冷凍機は、上記実施形態における極低温冷凍機１０の構造や形状等に限定されるものではなく、冷凍管を複数備えると共に、該複数の各冷凍管の振動ガス圧にそれぞれ位相差を持たせることによって、冷却ステージの振動を相殺するようにしたものであればよい。
【００３０】
従って、例えば、図９に示されるように、第１冷凍管１６の第１パルス管１６Ａ及び第１蓄冷器１６Ｂと、第２冷凍管１８の第２パルス管１８Ａ及び第２蓄冷器１８Ｂを、それぞれ冷却ステージ１４の周方向に略等間隔に、且つ、第１パルス管１６Ａと第１蓄冷器１６Ｂ、及び第２パルス管１８Ａと第２蓄冷器１８Ｂがそれぞれ最も近い位置になるように配置してもよい。この場合、第１パルス管１６Ａと第１蓄冷器１６Ｂを連通するガス流路１６Ｃ、及び第２パルス管１８Ａと第２蓄冷器１８Ｂを連通するガス流路１８Ｃの長さをそれぞれ短くすることができ、最良な冷却効果を確保することができる。なお、この場合には、冷却ステージ１４の中央付近が最も振動低減の効果が高いため、被冷却物は冷却ステージ１４の中央付近に取り付けることが好ましい。
【００３１】
又、冷凍管を３つ以上備えた極低温冷凍機としてもよく、例えば、図１０、図１１に示されるように、３つの第１〜第３冷凍管２０、２２、２４を備えた構造にすると共に、図１２に示されるように、これら３つの第１〜第３冷凍管２０、２２、２４の振動ガス圧Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５にそれぞれ１２０度の位相差を持たせることによって、冷却ステージ２６の振動を相殺するようにしてもよい。このように、冷凍管を複数備えれば、より高次の振動モードしか残らず、一層の振動低減が可能となる。なお、冷却ステージの振動を効果的に低減するためには、冷凍管をＮ（Ｎ：２以上の整数）個備えた場合に、振動ガス圧の位相差を３６０／Ｎ度とするのが好ましい。
【００３２】
上記実施形態においては、第１冷凍管１６及び第２冷凍管１８を、パルス管と蓄冷器によって構成したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、蓄冷器とディスプレーサが収容されたシリンダとによって構成してもよい。
【００３３】
又、本発明は、例えば、図１３に示されるように、蓄冷器３２を内蔵したディスプレーサ３４をシリンダ（冷凍管）３６内で往復運動させるようにした、１本のシリンダ３６を備えた極低温冷凍機に適用することもできる。この場合、Ｎ（Ｎ：２以上の整数）個のシリンダ３６を冷却ステージ３８の周方向に略等間隔に配置すると共に、該Ｎ個の各シリンダ３６の振動ガス圧にそれぞれ３６０／Ｎ度の位相差を持たせれば、上記と同様の効果を得ることができる。もちろん、蓄冷器を２段以上備えた多段型の極低温冷凍機にも適用することができる。
【００３４】
【発明の効果】
本発明に係る極低温冷凍機によれば、振動ガス圧による冷却ステージの振動を効果的に低減することができると共に、小型化が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のＧＭ型極低温冷凍機を模式的に示した図
【図２】従来のパルス管型極低温冷凍機を模式的に示した図
【図３】本発明の実施形態に係る極低温冷凍機を模式的に示した斜視図
【図４】図３におけるＩＶ−ＩＶ線に沿う断面図
【図５】図４におけるＶ−Ｖ線に沿う断面図
【図６】図１における第１冷凍管の振動ガス圧と時間の関係を示したグラフ（Ａ）、冷却ステージ周辺の模式図（Ｂ）及びその平面図（Ｃ）
【図７】図１における第２冷凍管の振動ガス圧と時間の関係を示したグラフ（Ａ）、冷却ステージ周辺の模式図（Ｂ）及びその平面図（Ｃ）
【図８】図１における第１、第２冷凍管の振動ガス圧と時間の関係を示したグラフ（Ａ）、冷却ステージ周辺の平面図（Ｃ）
【図９】図１の極低温冷凍機における冷凍管の他の配置例を示した断面図
【図１０】本発明の他の実施形態に係る極低温冷凍機の断面を模式的に示した図
【図１１】図１０の極低温冷凍機における冷凍管の他の配置例を示した断面図
【図１２】図１０、１１の極低温冷凍機における冷凍管の振動ガス圧と時間の関係を示したグラフ
【図１３】１本のシリンダを備えた極低温冷凍機の断面を模式的に示した図
【符号の説明】
１０…極低温冷凍機
１２…高温端ブロック
１４、２６、３８…冷却ステージ
１６、２０…第１冷凍管
１８、２２…第２冷凍管
２４…第３冷凍管
３４…ディスプレーサ
３６…シリンダ
１６Ａ、１８Ａ、２０Ａ、２２Ａ、２４Ａ…パルス管
１６Ｂ、１８Ｂ、２０Ｂ、２２Ｂ、２４Ｂ、３２…蓄冷器
１６Ｃ、１８Ｃ、２０Ｃ、２２Ｃ、２４Ｃ…ガス流路
Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５…振動ガス圧
Ｅ１、Ｅ２、ＥＲ…変位
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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