(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
系内に冷媒ガスを給排するとともに給排する際の冷媒ガスの圧力変動と体積流量との位相差を調整する冷媒ガス給排・位相調整兼用系と、この冷媒ガス給排・位相調整兼用系による冷媒ガスの給排により極低温に維持させる極低温系とを具備するパルス式冷凍機であって、
前記極低温系は、
区分けしてそれぞれ設けられる第１段極低温冷凍部および第２段極低温冷凍部と、
大口径部分と比較的小口径部分として形成して組み合わせてなり、頭部側に高温端部を、中間部分に第１段冷却ステージを、底部側に第２段冷却ステージをそれぞれ備え、かつ、前記大口径部分に前記第１段極低温冷凍部を、前記比較的小口径部分に前記第２段極低温冷凍部をそれぞれ収容させてなるシリンダと、
を備え、かつ
前記第２段極低温冷凍部は、前記シリンダの大口径部分の中央に配置され前記高温端部から前記第２段冷却ステージに向かって延びる第２段パルス管と、この第２段パルス管の外側に同心的に配置され前記第１段冷却ステージから前記シリンダの比較的小口径部分の第２段冷却ステージに向かって延びる第２段蓄冷器と、この第２段蓄冷器と前記第２段パルス管との間の前記第２段冷却ステージ側に設けられ前記冷媒ガスの通路を狭めるスペーサと、このスペーサから前記第２段パルス管に流れる前記冷媒ガスの流れを整流する整流板と、を備え、
前記第１段極低温冷凍部は、前記シリンダの大口径部分の中央で前記第２段パルス管の外側に同心的に配置され前記高温端部から前記第１段冷却ステージに向かって延びる第１段蓄冷器、を備え、
さらに、前記冷媒ガス給排・位相調整兼用系は、
ケーシング内の中央に区画し第２段蓄冷器用ピストンを収容する第２段パルス管用ピストン室と、
この第２段パルス管用ピストン室の外側に同心的に区画し第１段蓄冷器用ピストンを収容する第１段蓄冷器用ピストン室と、
この第１段蓄冷器用ピストン室の外側に同心的に区画し第１段パルス管用ピストンを収容する第１段パルス管用ピストン室と、
前記第２段パルス管用ピストン、前記第１段蓄冷器用ピストンおよび前記第１段パルス管用ピストンのそれぞれを進退移動させるとともにそれぞれの位相角を調整するクランク軸と、を備えた
ことを特徴とするパルス管冷凍機。
【請求項２】
前記第１段極低温冷凍部は、シリンダの大口径部分の第１段蓄冷器の外側に同心的に配置され前記高温端部から前記第１段冷却ステージに向かって延びる第１段パルス管と、この第１段パルス管と前記第１の蓄冷器との間の前記第１段冷却ステージに設けられ前記冷媒ガスの通路を狭めるスペーサと、を備えたことを特徴とする請求項１記載のパルス管冷凍機。
【請求項３】
請求項１または２に記載のパルス管冷凍機と、真空容器内に設けられ第１の伝熱板を介して前記第１段冷却ステージと接続する熱シールドと、この熱シールドに収容され第２の伝熱板を介して前記第２段冷却ステージと接続する超電導コイルと、を備えてなる超電導磁石装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パルス管を複数段に配置して複数段膨張方式を採用するパルス管冷凍機および超電導磁石装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、超電導磁石装置を極低温に維持して運転させる蓄冷式の冷凍機には、ギフォード・マクマホン冷凍機やスターリング冷凍機等数多の形式のものが開示されているが、その中でも構成が比較的簡素化され、かつ極低温部に駆動部がないため低振動運転ができるパルス管冷凍機が、最近、注目されている。
【０００３】
このパルス管冷凍機は、高圧冷媒ガス供給運転時、図９に示すように、コンプレッサ１００で生成された高圧冷媒ガスを、高圧系ＨＰ、ロータリーバルブ１０１、第１段蓄冷器１０２、第１段冷却ステージ（第１段コールドヘッド）１０３を介して供給し、第１段冷却ステージ１０３でその一部を第１段パルス管１０４に分配・供給するとともに、残りを第２段蓄冷器１０５、第２段冷却ステージ（第２段コールドヘッド）１０６を介して別置きの第２段パルス管１０７に供給している。
【０００４】
また、パルス管冷凍機は、コンプレッサ１００からの高圧冷媒ガスを、第１段位相調整系１０８および第２段位相調整系１０９をそれぞれ分配・供給している。
【０００５】
第１段位相調整系１０８に分配・供給された高圧冷媒ガスは、その一部を第１段バッファタンク１１０に分配・供給され、残りを第１段パルス管１０４に分配・供給されている。また、第２段位相調整系１０９に分配・供給された高圧冷媒ガスは、第１段位相調整系１０８と同様に、その一部を第２段バッファタンク１１１に分配・供給され、残りを第２段パルス管１０７に分配・供給される。
【０００６】
一方、冷媒ガス排気運転時、パルス管冷凍機は、ロータリーバルブ１０１のポート１１２を図示の破線の位置に回転移動させ、第１段パルス管１０４内の冷媒ガスを膨張させて温度を低く下げ、その一部を第１段冷却ステージ１０３を介して第２段蓄冷器１０５からの冷媒ガスとともに第１段蓄冷器１０２、ロータリーバルブ１０１のポート１１２を経てコンプレッサ１００の低圧系ＬＰに戻している。
【０００７】
また、パルス管冷凍機は、第１段パルス管１０４内の膨張後の冷媒ガスの残りを、第１段バッファタンク１１０内の冷媒ガスとともに第１段位相調整系１０８、ロータリーバルブ１０１のポート１１２を経てコンプレッサ１００の低圧系ＬＰに戻している。
【０００８】
また、パルス管冷凍機は、第２段パルス管１０７内の膨張後の冷媒ガスを、上述と同様に、第２段位相調整系１０９、ロータリーバルブ１０１のポート１１２を経てコンプレッサ１００の低圧系ＬＰに戻している。
【０００９】
なお、パルス管冷凍機は、第１段バッファタンク１１０、第２段バッファタンク１１１のそれぞれに冷媒ガス逃し系１１４，１１３を設け、冷媒ガスの給排運転中、第１段蓄冷器１０２および第１段パルス管１０４等に誘起する循環流れを抑制するため、第１段バッファタンク１１０、第２段バッファタンク１１１内の冷媒ガスを常にコンプレッサ１００の低圧系ＬＰに流している。
【００１０】
このように、従来のパルス管冷凍機では、ロータリーバルブ１０１のポート１１２を高圧系ＨＰ、低圧系ＬＰに交互に回転移動して冷媒ガスの給排を連続的に行わせ、その際、冷媒ガスを膨張させ、温度を低くさせて第１段冷却ステージ１０３に伝熱板１１５を介して、例えば熱シールド１１７に接続させ、また第２段冷却ステージ１０６に伝熱板１１６を介して、例えば超電導コイル１１８を接続させ、熱シールド１１７および超電導コイル１１８を極低温状態に維持させていた。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
図９で示した従来のパルス管冷凍機は、第１段冷却ステージ１０３や第２段冷却ステージ１０６に駆動部がないので、運転が低振動になっている優れた面を持つものの、冷媒ガスを膨張させる部分と蓄冷させる部分とを一つの容器等で兼用することができず、このため冷凍能力を同じにした場合、ギフォード・マクマホン冷凍機やスターリング冷凍機に較べてシリンダの容積が大きくなり、設置面積を多く必要とする等の不具合があった。
【００１２】
また、図９で示した従来のパルス管冷凍機では、冷凍能力を向上させるために、第１段パルス管１０４と第２段パルス管１０７との複数段膨張部分を備えており、第２段パルス管１０７を第１段パルス管１０４の外側に配置しているため、この第２段パルス管１０７の設置位置を考慮して第２段冷却ステージ１０６を機械加工しなければならず、機械加工時間を多く必要とする不都合があった。
【００１３】
また、最近では、２段式パルス管冷凍機も提案されているが、各段毎に独立の位相調整部がなく、このため冷凍能力の増加が僅かであり、比較的容量の大きい超電導コイル３ｂを極低温状態に維持させて通電運転をさせることができない等の問題点があった。
【００１４】
本発明は、このような事情に基づいてなされたもので、構造簡素な多段膨張式のパルス管にするとともに、各パルス管の位相調整を独立に実施でき、より一層冷凍効率を向上させたパルス管冷凍機および超電導磁石装置を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るパルス管冷凍機は、上述の目的を達成するために、請求項１に記載したように、系内に冷媒ガスを給排するとともに給排する際の冷媒ガスの圧力変動と体積流量との位相差を調整する冷媒ガス給排・位相調整兼用系と、この冷媒ガス給排・位相調整兼用系による冷媒ガスの給排により極低温に維持させる極低温系とを具備するパルス式冷凍機であって、前記極低温系は、区分けしてそれぞれ設けられる第１段極低温冷凍部および第２段極低温冷凍部と、大口径部分と比較的小口径部分として形成して組み合わせてなり、頭部側に高温端部を、中間部分に第１段冷却ステージを、底部側に第２段冷却ステージをそれぞれ備え、かつ前記大口径部分に前記第１段極低温冷凍部を、前記比較的小口径部分に前記第２段極低温冷凍部をそれぞれ収容させてなるシリンダと、を備え、かつ、前記第２段極低温冷凍部は、前記シリンダの大口径部分の中央に配置され前記高温端部から前記第２段冷却ステージに向かって延びる第２段パルス管と、この第２段パルス管の外側に同心的に配置され前記第１段冷却ステージから前記シリンダの比較的小口径部分の第２段冷却ステージに向かって延びる第２段蓄冷器と、この第２段蓄冷器と前記第２段パルス管との間の前記第２段冷却ステージ側に設けられ前記冷媒ガスの通路を狭めるスペーサと、このスペーサから前記第２段パルス管に流れる前記冷媒ガスの流れを整流する整流板と、を備え、前記第１段極低温冷凍部は、前記シリンダの大口径部分の中央で前記第２段パルス管の外側に同心的に配置され前記高温端部から前記第１段冷却ステージに向かって延びる第１段蓄冷器、を備え、さらに、前記冷媒ガス給排・位相調整兼用系は、ケーシング内の中央に区画し第２段蓄冷器用ピストンを収容する第２段パルス管用ピストン室と、この第２段パルス管用ピストン室の外側に同心的に区画し第１段蓄冷器用ピストンを収容する第１段蓄冷器用ピストン室と、この第１段蓄冷器用ピストン室の外側に同心的に区画し第１段パルス管用ピストンを収容する第１段パルス管用ピストン室と、前記第２段パルス管用ピストン、前記第１段蓄冷器用ピストンおよび前記第１段パルス管用ピストンのそれぞれを進退移動させるとともにそれぞれの位相角を調整するクランク軸と、を備えたものである。
【００１６】
本発明に係るパルス管冷凍機は、上述の目的を達成するために、請求項２に記載したように、前記第１段極低温冷凍部は、シリンダの大口径部分の第１段蓄冷器の外側に同心的に配置され前記高温端部から前記第１段冷却ステージに向かって延びる第１段パルス管と、この第１段パルス管と前記第１の蓄冷器との間の前記第１段冷却ステージに設けられ前記冷媒ガスの通路を狭めるスペーサと、を備えたものである。
本発明に係るパルス管冷凍機は、上述の目的を達成するために、請求項３に記載したように、請求項１または２に記載のパルス管冷凍機と、真空容器内に設けられ第１の伝熱板を介して前記第１段冷却ステージと接続する熱シールドと、この熱シールドに収容され第２の伝熱板を介して前記第２段冷却ステージと接続する超電導コイルと、を備えたものである。
【００１９】
本発明に係るパルス管冷凍機は、上述の目的を達成するために、請求項３に記載したように、位相調整系は、第１段位相調整系と第２段位相調整系とに区分けするとともに、各段位相調整系を、冷媒ガス給排系と極低温系の第１段極低温冷凍部とを互いに接続させる蓄冷器冷媒ガス往復配管に接続したものである。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るパルス管冷凍機および超電導磁石装置の実施形態を図面および図面に付した符号を引用して説明する。
【００３２】
図１は、本発明に係るパルス管冷凍機の第１実施形態を示す概念図である。
【００３３】
本実施形態に係るパルス管冷凍機は、冷媒ガス給排系１と、伝熱板２ａ，２ｂに接続し、超電導コイル３ｂを包囲する熱シールド３ａと伝熱板２ｂに接続する超電導コイル３ｂとのそれぞれを極低温状態に維持させる極低温系４と、この極低温系４の冷凍効率を向上させる位相調整系５とを備えて構成される。
【００３４】
冷媒ガス給排系１は、コンプレッサ６とロータリーバルブ７とを備え、冷媒ガスを極低温系４に供給する場合、ロータリーバルブ７を回転させ、ポート８を蓄冷器冷媒ガス往復配管２４に接続させ（図示の状態）、コンプレッサ６で生成された高圧の冷媒ガスを高圧系ＨＰを介して極低温系４に供給する一方、極低温系４からの冷媒ガスを低圧系ＬＰを介してコンプレッサ６に返す場合、ロータリーバルブ７のポート８を破線で示す位置に回転移動させて極低温系４からの冷媒ガスを低圧系ＬＰに戻しており、冷媒ガスの給排を、例えば１Ｈｚ（０．５秒）毎に繰り返し、極低温系４を極低温状態に維持させて熱シールド３ａおよび超電導コイル３ｂを冷却している。
【００３５】
また、極低温系４は、頂部を高温端部９で塞ぎ、中間部分に第１段冷却ステージ（第１段コールドヘッド）１４を備え、底部を第２段冷却ステージ（第２段コールドヘッド）１０で塞いだシリンダ１１内に、例えば５０Ｋの極低温に維持させる第１段極低温冷凍部１２と、例えば４Ｋ〜２０Ｋの極低温に維持させる第２段極低温冷凍部１３とに区分けして収容する構成になっている。
【００３６】
第１段極低温冷凍部１２は、高温端部９と第１段冷却ステージ（第１段コールドヘッド）１４との間に配置した第１段蓄冷器１５と、この第１段蓄冷器１５の外側を、図２に示すように、同心的に包囲して配置する第１段パルス管１６とを備えている。なお、第１段蓄冷器１５には、球径状の磁性蓄冷材が充填されている。また、第１段パルス管１６は、筒状の中空管として形成されている。
【００３７】
また、第２段極低温冷凍部１３は、第１段冷却ステージ１４から第２段冷却ステージ１０に向って延びる第２段蓄冷器１７と、第１段極低温冷凍部１２に同心的に配置され、高温端部９の中央部から第２段冷却ステージ１０に向って延びる第２段パルス管１８を備えている。なお、第２段蓄冷器１７も、第１段蓄冷器１５と同様に、磁性蓄冷材を充填している。さらに、第２段パルス管１８も、第１段パルス管１６と同様に、筒状の中空になっている。
【００３８】
一方、位相調整系５は、第１段位相調整系１９と第２段位相調整系２０とに区分けされている。
【００３９】
第１段位相調整系１９は、第２段位相調整系２０と共通にするバッファタンク２１と、第１段オリフィスバルブ２２とを備えた第１段パルス管位相調整配管２３と、この第１段パルス管位相調整配管２３を冷媒ガス給排系１と極低温系４との間で冷媒ガスを給排させる蓄冷器冷媒ガス往復配管２４に接続させ、かつ途中に第１段ダブルインレットバルブ２５を介装させた第１段バイパス配管２６とを備え、冷媒ガスの排気時、第１段パルス管１６内の圧力変動と体積流量との位相差を、例えば９０°以上に調整して効果的に膨張させるとともに、冷媒ガスの供給時、コンプレッサ６から第１段蓄冷器１５に供給する冷媒ガスの流量を比較的少なくさせ、残りを第１段パルス管１６に供給して冷凍効率を効果的に増加させるようになっている。
【００４０】
また第２段位相調整系２０も、第１段位相調整系１９と同様に、第１段位相調整系１９と共通のバッファタンク２１と、第２段オリフィスバルブ２７を備えた第２段パルス管位相調整配管２８と、この第２段パルス管位相調整配管２８を冷媒ガス給排系１と極低温系４との間で冷媒ガスを給排させる蓄冷器冷媒ガス往復配管２４に接続させ、かつ途中第２段ダブルインレットバルブ２９を介装させた第２段バイパス配管３０とを備え、冷媒ガスの排気時の効果的な膨張と冷媒ガスの供給時の適正流量配分を行わせるようになっている。
【００４１】
また、第１段位相調整系１９および第２段位相調整系２０は、共通のバッファタンク２１にセカンドオリフィスバルブ３１を介装させてコンプレッサ６の低圧系ＬＰに接続する冷媒ガス逃し配管３２を設け、冷媒ガス逃し配管３２を介してバッファタンク２１からの冷媒ガスをコンプレッサ６の低圧系ＬＰに常時供給し、冷媒ガスの給排運転中、第１段蓄冷器１５、第１段パルス管１６等内の冷媒ガスの振動流に加わる定常流に基づいて発生する循環流を抑制するようになっている。
【００４２】
このような構成を備えたパルス管冷凍機において、冷媒ガス供給運転時、冷媒ガス給排系１のコンプレッサ６で生成された高圧・高温の冷媒ガスのうち、高温熱を吸熱器（図示せず）で吸収させた高圧の冷媒ガスは、高圧系ＨＰ、ロータリーバルブ７のポート８を介して蓄冷器冷媒ガス往復配管２４に供給され、ここで第１段極低温冷凍部１２の第１段蓄冷器１５に、また第１段バイパス配管２６および第１段パルス管位相調整配管２３を介して一方を第１段パルス管１６に、他方をバッファタンク２１に、さらに第２段バイパス配管３０および第２段パルス管位相調整配管２８を介して一方を第２段パルス管１８に、他方をバッファタンク２１にそれぞれ適正流量にして分配される。
【００４３】
第１段蓄冷器１５に分配された冷媒ガスは、ここで磁性蓄冷材で熱を吸収させ、第１段冷却ステージ１４で極低温にさせ、その一部を第１段パルス管１６に、また残りを第２段蓄冷器１７のそれぞれに供給させる。なお、第１段蓄冷器１５は、冷媒ガスを第１段パルス管１６に分配させる際、スペーサ３３を設けて通路を狭くさせ、高流速の下、熱伝達係数を高めて第１段冷却ステージ１４を効果的に極低温状態に維持させている。
【００４４】
また、第２段蓄冷器１７に分配された冷媒ガスも、上述と同様に磁性蓄冷材で熱を吸収させ、さらにスペーサ３４を設けて通路を狭くして冷媒ガスの熱伝達係数を高め、整流板３５で冷媒ガスに整流効果を持たせて第２段パルス管１８に供給される。
【００４５】
なお、第１段パルス管１６は、第１段蓄冷器１５のほかに、第１段パルス管位相調整配管２３からも冷媒ガスが供給されるが、第１段オリフィスバルブ２２および第１段ダブルインレットバルブ２５の弁開度を調整し、第１段冷却ステージ１４側の位置で圧力バランスさせるようにしている。また、第２段パルス管１８も、上述と同様に、第２段冷却ステージ１０側の位置で圧力バランスさせている。
【００４６】
一方、冷媒ガス排気運転時、冷媒ガス給排系１のロータリーバルブ７のポート８を破線で示す位置に回転移動させると、第１段パルス管１６内の冷媒ガスは、膨張しながら温度を下げ、その一部が第１段冷却ステージ１４、第１段蓄冷器１５を流れる間に周囲の温度を下げ、伝熱板２ａを介して接続させた熱シールド３ａを極低温状態に維持させるとともに、その残りとバッファタンク２１から第１段パルス管位相調整配管２３、第１段バイパス配管２６を介して戻される冷媒ガスとが蓄冷器冷媒ガス往復配管２４で第１段蓄冷器１５からの冷媒ガスに合流し、その合流冷媒ガスがコンプレッサ６の低圧系ＬＰに戻される。なお、第２パルス管１８内の冷媒ガスも、上述と同様にしてコンプレッサ６の低圧系ＬＰに戻される。
【００４７】
その際、第１段蓄冷器１５、第１段パルス管１６あるいは第２段蓄冷器１７、第２段パルス管１８内のそれぞれの冷媒ガスが循環流れを誘起するので、バッファタンク２１は、冷媒ガスを冷媒ガス逃し配管３２を介してコンプレッサ６の低圧系ＬＰに戻し、循環流を抑制している。
【００４８】
このように、本実施形態は、極低温系４を第１段極低温冷凍部１２と第２段極低温冷凍部１３とに区分けし、区分けした第１段極低温冷凍部１２と第１段極低温冷凍部１３とを、頂部に高温端部９を、中間部分に第１段冷却ステージ１４を、底部に第２段冷却ステージ１０をそれぞれ備えたシリンダ１１に収容させる際、シリンダ１１の中央部に高温端部９から第２段冷却ステージ１０に向って延びる第２段極低温冷凍部１３の第２段パルス管１８を配置し、この第２段パルス管１８の外側を同心的に配置し、かつ高温端部９から第１段冷却ステージ１４に向って延びる第１段極低温冷凍部１２の第１段蓄冷器１５を配置するとともに、この第１段蓄冷器１５の外側を同心的に配置し、かつ高温端部９から第１段冷却ステージ１４に向って延びる第１段極低温冷凍部１２の第１段パルス管１６を配置する一方、第２段極低温冷凍部１３の第２段パルス管１８の外側を同心的に配置し、かつ第１段冷却ステージ１４から第２段冷却ステージ１０に向って延びる第２段蓄冷器１７を配置したので、構造簡素にして設置面積の少ないパルス管冷凍機を実現することができる。
【００４９】
その際、極低温系４に接続する第１段位相調整系１９と第２段位相調整系２０に共用のバッファタンク２１を設けたので、パルス管冷凍機の構造をより一層簡素化させることができる。
【００５０】
図３は、本発明に係るパルス管冷凍機および超電導磁石装置の第２実施形態を示す概念図である。
【００５１】
なお、第１実施形態で用いた構成要素と同一要素には同一符号を付す。
【００５２】
本実施形態に係るパルス管冷凍機は、極低温系４の第１段極低温冷凍部１２および第２段極低温冷凍部１３のそれぞれに接続する第１段位相調整系１９の第１段パルス管位相調整配管２３および第２段位相調整系２０の第２段パルス管位相調整配管２８のそれぞれに第１段バッファタンク３６および第２段バッファタンク３７のそれぞれを設けたものである。
【００５３】
本実施形態は、第１段極低温冷凍部１２の第１段パルス管１６および第２段極低温冷凍部１３の第２段パルス管１８内の冷媒ガスを膨張させる際、圧力変動と体積流量との位相差を調整すれば、冷凍効率が向上することに着目したもので、第１段パルス管位相調整配管２３に第１段バッファタンク３６を、第２段パルス管位相調整配管２８に第２段バッファタンク３７をそれぞれ設け、各パルス管１６，１８内の冷媒ガスの位相差を別個独立に調整させたものである。
【００５４】
また、本実施形態は、第１段パルス管位相調整配管２３に第１段バッファタンク３６を、第２段パルス管位相調整配管２８に第２段バッファタンク３７をそれぞれ設けることに伴って各バッファタンク３６，３７のそれぞれから冷媒ガス給排系１の低圧系ＬＰに接続させる第１段セカンドオリフィスバルブ３８を備えた第１段冷媒ガス逃し配管３９と第２段セカンドオリフィスバルブ４０を備えた第２段冷媒ガス逃し配管４１とを設け、各バッファタンク３６，３７内の冷媒ガスを、常時、冷媒ガス給排系１の低圧系ＬＰに流すことにより、冷媒ガス給排運転中に第１段蓄冷器１５および第１段パルス管１６等に誘起する循環流を抑制したものである。
【００５５】
このように、本実施形態では、各パルス管１６，１８内の冷媒ガスの位相差を別個独立に調整する第１段バッファタンク３６を第１段パルス管位相調整配管２３に、第２段バッファタンク３７を第２段パルス管位相調整配管２８にそれぞれ設けるとともに、各バッファタンク３６，３７内の冷媒ガスを冷媒ガス給排系１の低圧系ＬＰに流す第１段冷媒ガス逃し配管３９および第２段冷媒ガス逃し配管４１とをそれぞれ設けたので、冷媒ガスの圧力変動と体積流量との位相差を別個独立に調整でき、循環流を抑制でき、より一層冷凍効率を向上させることができ。
【００５６】
なお、本実施形態は、第１段バッファタンク３６を冷媒ガス給排系１の低圧系ＬＰに接続させる第１段冷媒ガス逃し配管３９と、第２段バッファタンク３７を冷媒ガス給排系１の低圧系ＬＰに接続させる第２段冷媒ガス逃し配管４１とをそれぞれ設けたが、この例に限らず、例えば図４に示すように、第２段バッファタンク３７を冷媒ガス給排系１の低圧系ＬＰに接続させる第２段セカンドオリフィスバルブ４０を備えた第２段冷媒ガス逃し配管４１だけを設けてもよい。
【００５７】
図５は、本発明に係るパルス管冷凍機および超電導磁石装置の第３実施形態を示す概念図である。なお、第１実施形態で用いた構成要素と同一要素には同一符号を付す。
【００５８】
本実施形態に係るパルス管冷凍機は、冷媒ガス給排系１に第１ロータリーバルブ４２と第２ロータリーバルブ４３とを設けたものである。
【００５９】
本実施形態は、冷媒ガス供給運転時、冷媒ガス給排系１のコンプレッサ６で生成された高圧・高温の冷媒ガスのうち、高温熱を吸熱器（図示せず）で吸収させた高圧の冷媒ガスの一部を高圧系ＨＰ、第１ロータリーバルブ４２のポートＰ１を介して極低温系４における第１段極低温冷凍部１２の第１段蓄冷器１５に供給するとともに、その残りを第２ロータリーバルブ４３のポートＰ３を介して第１段極低温冷凍部１２の第１段パルス管１６および第２段極低温冷凍部１３の第２段パルス管１８のそれぞれに供給する一方、冷媒ガス排気運転時、第１ロータリーバルブ４２のポートＰ２を破線で示す位置に回転移動させ、第１段蓄冷器１５内の冷媒ガスをコンプレッサ６の低圧系ＬＰに戻すとともに、第２ロータリーバルブ４３のポートＰ４を破線で示す位置に回転移動させ、第１段パルス管１６および第２段パルス管１８内の冷媒ガスをコンプレッサ６の低圧系ＬＰに同時に戻し、冷媒ガス給排運転時の冷媒ガスの流量をより多量に処理し、冷凍効率を向上させたものである。なお、第１ロータリーバルブ４２と第２ロータリーバルブ４３とは、負荷に応じて回転切り替えを変えてもよい。
【００６０】
このように、本実施形態は、冷媒ガス給排系１に第１ロータリーバルブ４２と第２ロータリーバルブ４３とを設けて冷媒ガス給排運転時の冷媒ガスの流量をより多く処理したので、冷凍効率をより一層向上させることができる。
【００６１】
なお、本実施形態は、冷媒ガス給排系１に第１ロータリーバルブ４２と第２ロータリーバルブ４３とを設け、冷媒ガスの流量を多量に処理したが、この例に限らず、例えば、図６に示すように、冷媒ガス給排系１に第１ロータリーバルブ４２、第２ロータリーバルブ４３のほかに第３ロータリーバルブ４４等のより多数個のロータリーバルブを設けてもよい。
【００６２】
図７および図８は、本発明に係る超電導磁石装置を組み込んだパルス管冷凍機の実施形態を示す概念図である。なお、第１実施形態で用いた構成要素と同一要素には同一符号を付す。
【００６３】
本実施形態に係る超電導磁石装置は、非磁性材で作製され、ボックス状に形成した真空容器４４内に、非磁性材の熱シールド３ａを設けるとともに、この熱シールド３ａ内に筒状の磁場空間４６を介して超電導コイル４７を収容する一方、超電導コイル４７に伝熱板４８、超電導コイル通電用パワーリード４９を介してパルス管冷凍機５０を接続させる構成になっている。なお、超電導コイル通電用パワーリード４９は、熱シールド３ａのアンカ５１を介して外部に電源（図示せず）に接続している。
【００６４】
パルス管冷凍機５０は、極低温系４と冷媒ガス給排・位相調整兼用系５２とを組み合せた構成になっている。
【００６５】
この冷媒ガス給排・位相調整兼用系５２は、図８に示すように、シリンダ５３の中央に区画した第２段パルス管用ピストン室５４に収容する第２段パルス管用ピストン５４ａと、この第２段パルス管用ピストン５４ａの外側に同心的に区画した第１段蓄冷器用ピストン室５５に収容する第１段蓄冷器用ピストン５５ａと、この第１段蓄冷用ピストン５５ａの外側に同心的に区画した第１段パルス管用ピストン室５６に収容する第１段パルス管用ピストン５６ａとをそれぞれ備えて構成される。
【００６６】
また、冷媒ガス給排・位相調整兼用系５２は、各ピストン室５４，５５，５６に収容した各ピストン５４ａ，５５ａ，５６ａのそれぞれに、ロッド５７ａ，５７ｂ，５７ｃのそれぞれを介装させ、かつ各ピストン５４ａ，５５ａ，５６ａの位相角を適正に調整したクランク軸５８に接続させ、モータ５９の駆動力でクランク軸５８を回転させ、クランク軸５８の回転力で各ピストン５４ａ，５５ａ，５６ａのそれぞれを連続的に進退移動させるようになっている。なお、冷媒ガス給排・位相調整兼用系５２に接続する極低温系４は、第１実施形態の構成と同一なので説明を省略する。
【００６７】
このような構成を備えたパルス管冷凍機５０は、冷媒ガス供給運転時、冷媒ガス給排・位相調整兼用系５２のモータ５９を駆動させ、クランク軸５８を矢印ＡＲの方向に向って回転させ、第１段蓄冷器用ピストン５５ａを図示の位置に移動させ、冷媒ガスを高圧に圧縮する。高圧ガスは、高温端部９を介して極低温系４の第１段蓄冷器１５に供給され、ここで磁性蓄冷材で熱が吸収されて極低温になり、その一部を第１段冷却ステージ１４、スペーサ３３を介して第１段パルス管１６に、残りを第２段蓄冷器１５で再び熱が吸収されて極低温になった後、スペーサ３４、第２段冷却ステージ１０、整流板３５を介して第２段パルス管１８のそれぞれに供給される。
【００６８】
このとき、パルス管冷凍機５０は、クランク軸５８の位相角の適正な調整の下、冷媒ガス供給運転とほぼ同時に、冷媒ガス排気運転を行っている。冷媒ガス排気運転時、パルス管冷凍機５０は、冷媒ガス給排・位相調整兼用系５２のモータ５９の駆動力でクランク軸５８を図示の位置（下死点）に移動させ、第２段パルス管用ピストン５４ａ、第１段パルス管用ピストン５６ａをそれぞれ移動させ、第２段パルス管１８、第１段パルス管１６内の冷媒ガスを膨張させて温度を低くさせ、周囲の熱を奪いながら第２段冷却ステージ１０、第１段冷却ステージ１４を極低温に維持させ、さらに第２段蓄冷器１７、第１段蓄冷器１５の磁性蓄冷材に冷熱を与えて第１段蓄冷器用ピストン５５に戻される。なお、本実施形態では、クランク軸５８の適正な位相角調整の下、冷媒ガス供給運転、冷媒ガス排気運転を連続的に行い、熱シールド３ａおよび超電導コイル３ｂを極低温に維持させている。
【００６９】
このように、本実施形態は、パルス管冷凍機５０を極低温系４と給排・位相調整兼用系５２とを組み合せたので、構造簡素にして設置面積の少ないコンパクトな超電導磁石装置を実現することができる。
【００７０】
【発明の効果】
以上の説明のとおり、本発明に係るパルス管冷凍機および超電導磁石装置は、極低温系を複数の極低温冷凍部に区分けし、区分けした複数の極低温冷凍部のうち、複数の蓄冷器と複数のパルス管とを同心的に配置して一つのシリンダ内に収容させるとともに、この極低温系に冷媒ガスの給排と冷媒ガスの圧力変動と体積流量との位相差を調整する冷媒ガス給排・位相調整兼用系とを組み合せて構成したので、構造簡素にして設置面積の少ないコンパクトな冷凍技術を実現することができる。
【００７１】
その際、複数の蓄冷器に対応させて複数のパルス管を設け、冷媒ガスを複数のパルス管で膨張させたので、より一層冷凍効率を増加させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係るパルス管冷凍機および超電導磁石装置の第１実施形態を示す概念図。
【図２】  図１のＡ−Ａ矢視方向から見た切断断面図。
【図３】  本発明に係るパルス管冷凍機および超電導磁石装置の第２実施形態を示す概念図。
【図４】  本発明に係るパルス管冷凍機および超電導磁石装置の第２実施形態における変形例を示す概念図。
【図５】  本発明に係るパルス管冷凍機および超電導磁石装置の第３実施形態を示す概念図。
【図６】  本発明に係るパルス管冷凍機および超電導磁石装置の第３実施形態における変形例を示す概念図。
【図７】  本発明に係る超電導磁石装置を組み込んだパルス管冷凍機の実施形態を示す概念図。
【図８】  図７の全体のパルス管冷凍機から引き出した極低温系と冷媒ガス給排・位相調整兼用系とを示す部分拡大図。
【図９】  従来のパルス管冷凍機を示す概念図。
【符号の説明】
１  冷媒ガス給排系
２ａ，２ｂ  伝熱板
３ａ  熱シールド
３ｂ  超電導コイル
４  極低温系
５  位相調整系
６  コンプレッサ
７  ロータリーバルブ
８  ポート
９  高温端部
１０  第２段冷却ステージ
１１  シリンダ
１２  第１段極低温冷凍部
１３  第２段極低温冷凍部
１４  第１段冷却ステージ
１５  第１段蓄冷器
１６  第１段パルス管
１７  第２段蓄冷器
１８  第２段パルス管
１９  第１段位相調整系
２０  第２段位相調整系
２１  バッファタンク
２２  第１段オリフィスバルブ
２３  第１段パルス管位相調整配管
２４  蓄冷器冷媒ガス往復配管
２５  第１段ダブルインレット
２６  第１段バイパス配管
２７  第２段オリフィスバルブ
２８  第２段パルス管位相調整配管
２９  第２段ダブルインレット
３０  第２段バイパス配管
３１  セカンドオリフィスバルブ
３２  冷媒ガス逃し配管
３３，３４  スペーサ
３５  整流板
３６  第１段バッファタンク
３７  第２段バッファタンク
３８  第１段セカンドオリフィスバルブ
３９  第１段冷媒ガス逃し配管
４０  第２段セカンドオリフィスバルブ
４１  第２段冷媒ガス逃し配管
４２  第１ロータリーバルブ
４３  第２ロータリーバルブ
４４  第３ロータリーバルブ
４５  真空容器
４６  磁場空間
４７  超電導コイル
４８  伝熱板
４９  超電導コイル通電用パワーリード
５０  パルス管冷凍機
５１  アンカ
５２  冷媒ガス給排・位相調整兼用系
５３  シリンダ
５４  第２段パルス管用ピストン室
５４ａ  第２段パルス管用ピストン
５５  第１段蓄冷器用ピストン室
５５ａ  第１段蓄冷器用ピストン
５６  第１段パルス管用ピストン室
５６ａ  第１段パルス管用ピストン
５７ａ，５７ｂ，５７ｃ  ロッド
５８  クランク軸
５９  モータ
１００  コンプレッサ
１０１  ロータリーバルブ
１０２  第１段蓄冷器
１０３  第１段冷却ステージ
１０４  第１段パルス管
１０５  第２段蓄冷器
１０６  第２段冷却ステージ
１０７  第２段パルス管
１０８  第１段位相調整系
１０９  第２段位相調整系
１１０  第１段バッファタンク
１１１  第２段バッファタンク
１１２  ポート
１１３，１１４  冷媒ガス逃し系
１１５，１１６  伝熱板
１１７  熱シールド
１１８  超電導コイル
【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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