(57)【要約】【課題】２段式パルス管冷凍機を含めた多段式パルス管冷凍機の高段側の部分を小径化し、輻射による熱流入を抑えることができる多段式パルス管冷凍機を提供する。【解決手段】第１パルス管１０及び第１蓄冷管７と、第２パルス管及び第２蓄冷管８と、略円板形状の第１冷却ステージ２４ａと略円板形状の第２冷却ステージ２５ａとを備え、第２パルス管は、高温側から順に、第１蓄冷管７及び第２蓄冷管８に対応して第２パルス管高温部２６と第２パルス管低温部２７とに分割され、第２パルス管高温部２６と第２パルス管低温部２７とは、第１冷却ステージ２４ａの内部に設けられた第１パルス管連通部３０を通して連通され、第２パルス管低温部２７は、第２パルス管低温部２７の中心軸と第１冷却ステージ２４ａの中心軸との軸間距離が第２パルス管高温部２６の中心軸と第１冷却ステージ２４ａの中心軸との軸間距離より短い位置で設けられることを特徴とする多段式パルス管冷凍機１ａ。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
１段目を構成する第１パルス管及び第１蓄冷管と、
２段目を構成する第２パルス管及び第２蓄冷管と、
前記第１パルス管及び前記第１蓄冷管の低温側に設けられる略円板形状の第１冷却ステージと、
前記第２パルス管及び前記第２蓄冷管の低温側に設けられる略円板形状の第２冷却ステージと
を備える多段式パルス管冷凍機において、
前記第２パルス管は、高温側から順に、前記第１蓄冷管及び前記第２蓄冷管に対応して第２パルス管高温部と第２パルス管低温部とに分割され、
前記第２パルス管高温部と前記第２パルス管低温部とは、前記第１冷却ステージの内部に設けられた第１パルス管連通部を通して連通され、
前記第２パルス管低温部は、該第２パルス管低温部の中心軸と前記第１冷却ステージの中心軸との軸間距離が前記第２パルス管高温部の中心軸と前記第１冷却ステージの中心軸との軸間距離より短い位置で設けられることを特徴とする多段式パルス管冷凍機。
【請求項２】
前記第１パルス管連通部の中ほどに、流路の内径が前記第２パルス管高温部及び前記第２パルス管低温部の内径より小さい連通路が設けられ、
前記連通路の前記第２パルス管高温部側及び前記第２パルス管低温部側の各々において、前記第２パルス管高温部及び前記第２パルス管低温部に向かって前記連通路の内径が徐々に増大することを特徴とする請求項１記載の多段式パルス管冷凍機。
【請求項３】
前記第１パルス管連通部の前記第２パルス管高温部と接続される側及び前記第２パルス管低温部と接続される側の各々に、冷媒ガスの流れを整える整流器を設けることを特徴とする請求項１又は２記載の多段式パルス管冷凍機。
【請求項４】
前記第２蓄冷管は、該第２蓄冷管の中心軸と前記第１冷却ステージの中心軸との軸間距離が前記第１蓄冷管の中心軸と前記第１冷却ステージの中心軸との軸間距離より短い位置で設けられることを特徴とする請求項１乃至３何れか一項に記載の多段式パルス管冷凍機。
【請求項５】
３段目を構成する第３パルス管及び第３蓄冷管と、
前記第３パルス管及び前記第３蓄冷管の低温側に設けられる略円板形状の第３冷却ステージと
を備え、
前記第３パルス管は、高温側から順に、前記第１蓄冷管、前記第２蓄冷管及び前記第３蓄冷管に対応して第３パルス管高温部と第３パルス管中温部と第３パルス管低温部とに分割され、
前記第３パルス管高温部と前記第３パルス管中温部とは、前記第１冷却ステージの内部に設けられた第２パルス管連通部を通して連通され、
前記第３パルス管中温部と前記第３パルス管低温部とは、前記第２冷却ステージの内部に設けられた第３パルス管連通部を通して連通され、
前記第３パルス管中温部は、該第３パルス管中温部の中心軸と前記第１冷却ステージの中心軸との軸間距離が前記第３パルス管高温部の中心軸と前記第１冷却ステージの中心軸との軸間距離より短い位置で設けられ、
前記第３パルス管低温部は、該第３パルス管低温部の中心軸と前記第２冷却ステージの中心軸との軸間距離が前記第３パルス管中温部の中心軸と前記第２冷却ステージの中心軸との軸間距離より短い位置で設けられることを特徴とする請求項１乃至４何れか一項に記載の多段式パルス管冷凍機。
【請求項６】
前記第３蓄冷管は、該第３蓄冷管の中心軸と前記第２冷却ステージの中心軸との軸間距離が前記第２蓄冷管の中心軸と前記第２冷却ステージの中心軸との軸間距離より短い位置で設けられることを特徴とする請求項１乃至５何れか一項に記載の多段式パルス管冷凍機。
【請求項７】
１段目を構成する第１パルス管及び第１蓄冷管と、
２段目を構成する第２パルス管及び第２蓄冷管と、
前記第１パルス管及び前記第１蓄冷管の低温側に設けられる略円板形状の第１冷却ステージと、
前記第２パルス管及び前記第２蓄冷管の低温側に設けられる略円板形状の第２冷却ステージと
を備える多段式パルス管冷凍機において、
前記第２パルス管は、該第２パルス管の中心軸と前記第１冷却ステージの中心軸との軸間距離が前記第１蓄冷管の中心軸と前記第１冷却ステージの中心軸との距離及び前記第２蓄冷管の中心軸と前記第１冷却ステージの中心軸との軸間距離より短い位置で、前記第１冷却ステージを貫通し、
前記第２蓄冷管は、該第２蓄冷管の中心軸と前記第１冷却ステージの中心軸との軸間距離が前記第１蓄冷管の中心軸と前記第１冷却ステージの中心軸との軸間距離より短い位置で設けられることを特徴とする多段式パルス管冷凍機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多段式パルス管冷凍機に係り、特に高段側の部分を小径化した多段式パルス管冷凍機及び蓄冷型冷凍機に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、磁気共鳴イメージング（Magnetic Resonance Imaging：ＭＲＩ）装置等の超伝導磁石を備えたシステムにおいて、超伝導磁石を極低温に冷却するために、極低温冷凍機が用いられている。極低温冷凍機として、例えば、ギフォード・マクマホン（Gifford-McMahon：ＧＭ）冷凍機、パルス管冷凍機等の冷凍機が用いられている。これらの冷凍機は、冷媒ガスを断熱膨張させ、その際に発生する冷熱を蓄冷材に蓄冷することによって冷凍冷却を行う蓄冷型冷凍機である。
【０００３】
蓄冷型冷凍機は、冷媒ガスが断熱膨張するときに発生した冷熱を蓄冷する蓄冷管を備えた蓄冷型膨張機と、蓄冷型膨張機から冷媒ガスを回収し、回収した冷媒ガスを圧縮し、圧縮した冷媒ガスを再び蓄冷型膨張機に供給する圧縮機とを備える。圧縮機は、回収した冷媒ガスを吸入する吸入側、回収し、圧縮した冷媒ガスを供給するために吐出する吐出側に配管を備える。蓄冷管は、圧縮機の吐出側又は供給側と交互に連通又は遮断される。そして、蓄冷型冷凍機として代表的なものはＧＭ冷凍機及びパルス管冷凍機である。
【０００４】
そのうち、パルス管冷凍機は、振動が少なく信頼性に勝るという点でＧＭ冷凍機より優れている。更に、パルス管冷凍機は、ＧＭ冷凍機におけるディスプレーサのような可動部分を含まないため、冷凍機に含まれる磁性蓄冷材の移動距離が小さく、磁界が擾乱される量が少ない。そのため、ＭＲＩの超伝導磁石冷却システムにおいてパルス管冷凍機が用いられた場合、ＧＭ冷凍機に比べ、ＭＲＩ信号を擾乱するノイズが少ないという大きな利点を有する。従って、パルス管冷凍機は、ＭＲＩや核磁気共鳴（Nuclear Magnetic Resonance：ＮＭＲ）測定装置といった微小磁界測定装置への用途を中心として、開発が進められている。
【０００５】
このようなパルス管冷凍機は、冷媒ガスを断熱膨張させるためのパルス管と、断熱膨張によって発生した冷熱を蓄冷する蓄冷管とを備える。ただし、蓄冷管とパルス管を１組（段）用いて構成される１段式冷凍機で極低温を発生させることは困難であり、通常は、複数の蓄冷管及びパルス管より構成される組（段）を用いて極低温を発生させる。具体的には、１段目の蓄冷管、パルス管、冷却ステージを設け、１段目の冷却ステージを例えば４０Ｋ程度の低温に冷却し、更に低温側として２段目の蓄冷管、パルス管、冷却ステージを設け、２段目の冷却ステージを例えば４Ｋの極低温を発生させる。
【０００６】
ここで、図１１を参照し、従来の２段式パルス管冷凍機の例を説明する。図１１は、従来の２段式パルス管冷凍機の構成を模式的に示す図である。図１１に示されるように、パルス管冷凍機１０１は、バルブユニット１０２、バルブ駆動装置１０３、低圧配管１０４、圧縮機１０５、高圧配管１０６、１段目の蓄冷管である第１蓄冷管１０７、１段目のパルス管である第１パルス管１１０、２段目の蓄冷管である第２蓄冷管１０８、２段目のパルス管である第２パルス管１０９、１段目の冷却ステージである第１冷却ステージ１２４、２段目の冷却ステージである第２冷却ステージ１２５を有する。パルス管冷凍機が動作するとき、第１冷却ステージ１２４は例えば４０Ｋに冷却され、第２冷却ステージ１２５は例えば４Ｋに冷却される。
【０００７】
図１１に示されるような２段式のパルス管冷凍機を用いてヘリウムを液体ヘリウム温度（４．２Ｋ）に冷却する例は、多数開示されている。例えば特許文献１には、１段目の蓄冷管である第１蓄冷管、１段目のパルス管である第１パルス管、２段目の蓄冷管である第２蓄冷管、２段目のパルス管である第２パルス管を備え、２段目の冷却ステージを例えば４Ｋの極低温に冷却することのできる２段式パルス管冷凍機の例が開示されている。
【特許文献１】特開２００６−２８４０６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところが、２段式又は多段式のパルス管冷凍機を用いてヘリウムを液体ヘリウム温度に冷却する場合、２段目を小径化することができないために、冷却時間がかかるという問題があった。
【０００９】
ここで、図１２（ａ）及び図１２（ｂ）を参照し、従来の２段式パルス管冷凍機の１段目及び２段目の平面視における構造を説明する。図１２（ａ）及び図１２（ｂ）は、従来の２段式パルス管冷凍機の構成を説明するための図であり、夫々図１１におけるＡ方向から第１冷却ステージ１２４を見た平面図及び図１１におけるＢ方向から第２冷却ステージ１２５を見た平面図である。
【００１０】
図１２（ａ）に示されるように、平面視において第１冷却ステージ１２４の上面は円形形状を有し、第１パルス管１１０、第１蓄冷管１０７、第２パルス管１０９の３つの管が接続される。第１冷却ステージ１２４の半径はＲ１０１であり、第１冷却ステージ１２４の中心から第２パルス管１０９及び第１蓄冷管１０７の各々の中心までの距離はＤ１０２及びＤ１０３である。
【００１１】
一方、図１２（ｂ）に示されるように、平面視において第２冷却ステージ１２５の上面は円形形状を有し、第２蓄冷管１０８、第２パルス管１０９の２つの管が接続される。第２冷却ステージ１２５は第１冷却ステージ１２４と同心になるように設けられ、第２蓄冷管１０８は第１蓄冷管１０７と同心になるように設けられる。そのため、第２冷却ステージ１２５の中心から第２パルス管１０９及び第２蓄冷管１０８の各々の中心までの距離は、Ｄ１０２及びＤ１０３である。従って、第２冷却ステージ１２５の半径をＲ１０４とすると、Ｒ１０４はＲ１０１に比べてほとんど小さくすることができなかった。即ち、従来の２段式パルス管冷凍機１０１においては、第１冷却ステージ１２４より低温側の部分、即ち第２蓄冷管１０８及び第２パルス管１０９で構成される部分の直径（略第２冷却ステージ１２５の直径Ｒ１０４に等しい）を小さくすることができなかった。
【００１２】
ＭＲＩやＮＭＲなどの装置に搭載される際の２段式パルス管冷凍機の２段目の部分は、極低温に冷却された場合、外部との温度差が大きく、外部からの伝導及び輻射による熱の流入を抑える必要がある。このうち輻射によって移動する熱量は、熱が輻射される部分の外周の面積に比例し、輻射する側の温度の４乗と輻射される側の温度の４乗の差に比例する。従って、輻射による熱侵入を阻止するためには、１段目（高温側）に比べ２段目（低温側）の部分を小径化する必要がある。しかしながら、従来の２段式パルス管冷凍機では、上述したように、第２冷却ステージ１２５の半径Ｒ１０４を第１冷却ステージ１２４の半径Ｒ１０１より小さくすることができないため、輻射による熱侵入を防止することができず、見かけ上の冷凍能力が低下してしまうという問題があった。
【００１３】
尤も、第２冷却ステージ１２５には第２蓄冷管１０８と第２パルス管１０９の２本の配管が設けられるだけであり、第１蓄冷管１０７、第１パルス管１１０、及び第２パルス管１０９の３本の管が設けられる第１冷却ステージ１２４に比べると設けられる管の本数は減少するため、第２冷却ステージ１２５の中心を第１冷却ステージ１２４の中心から偏心させることによって、第２冷却ステージ１２５の直径を小さくすることはできる。しかし、パルス管冷凍機を収容する低温容器の形状を軸対称にすることのできないための製造コスト面での不利益、及びパルス管冷凍機を低温容器に取付け取外しする際の不安定性の問題を回避するため、通常は、第２冷却ステージ１２５は第１冷却ステージ１２４と同心に配置される。従って、第２冷却ステージの直径を小さくすることはできず、２段目部分の直径を細くすることができなかった。更に、これらの問題は、２段式パルス管冷凍機のみならず、３段式以上の多段式パルス管冷凍機においても当てはまる問題であった。
【００１４】
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、２段式パルス管冷凍機を含めた多段式パルス管冷凍機の高段側の部分を小径化し、ＭＲＩやＮＭＲなどの装置に搭載される際の輻射による熱流入を抑え、見かけ上の冷凍能力を向上させることができる多段式パルス管冷凍機を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記の課題を解決するために本発明では、次に述べる各手段を講じたことを特徴とするものである。
【００１６】
第１の発明に係る多段式パルス管冷凍機は、１段目を構成する第１パルス管及び第１蓄冷管と、２段目を構成する第２パルス管及び第２蓄冷管と、前記第１パルス管及び前記第１蓄冷管の低温側に設けられる略円板形状の第１冷却ステージと、前記第２パルス管及び前記第２蓄冷管の低温側に設けられる略円板形状の第２冷却ステージとを備える多段式パルス管冷凍機において、前記第２パルス管は、高温側から順に、前記第１蓄冷管及び前記第２蓄冷管に対応して第２パルス管高温部と第２パルス管低温部とに分割され、前記第２パルス管高温部と前記第２パルス管低温部とは、前記第１冷却ステージの内部に設けられた第１パルス管連通部を通して連通され、前記第２パルス管低温部は、該第２パルス管低温部の中心軸と前記第１冷却ステージの中心軸との軸間距離が前記第２パルス管高温部の中心軸と前記第１冷却ステージの中心軸との軸間距離より短い位置で設けられることを特徴とする。
【００１７】
第２の発明は、第１の発明に係る多段式パルス管冷凍機において、前記第１パルス管連通部の中ほどに、流路の内径が前記第２パルス管高温部及び前記第２パルス管低温部の内径より小さい連通路が設けられ、前記連通路の前記第２パルス管高温部側及び前記第２パルス管低温部側の各々において、前記第２パルス管高温部及び前記第２パルス管低温部に向かって前記連通路の内径が徐々に増大することを特徴とする。
【００１８】
第３の発明は、第１又は第２の発明に係る多段式パルス管冷凍機において、前記第１パルス管連通部の前記第２パルス管高温部と接続される側及び前記第２パルス管低温部と接続される側の各々に、冷媒ガスの流れを整える整流器を設けることを特徴とする。
【００１９】
第４の発明は、第１乃至第３の何れか一つの発明に係る多段式パルス管冷凍機において、前記第２蓄冷管は、該第２蓄冷管の中心軸と前記第１冷却ステージの中心軸との軸間距離が前記第１蓄冷管の中心軸と前記第１冷却ステージの中心軸との軸間距離より短い位置で設けられることを特徴とする。
【００２０】
第５の発明は、第１乃至第４の何れか一つの発明に係る多段式パルス管冷凍機において、３段目を構成する第３パルス管及び第３蓄冷管と、前記第３パルス管及び前記第３蓄冷管の低温側に設けられる略円板形状の第３冷却ステージと
を備え、前記第３パルス管は、高温側から順に、前記第１蓄冷管、前記第２蓄冷管及び前記第３蓄冷管に対応して第３パルス管高温部と第３パルス管中温部と第３パルス管低温部とに分割され、前記第３パルス管高温部と前記第３パルス管中温部とは、前記第１冷却ステージの内部に設けられた第２パルス管連通部を通して連通され、前記第３パルス管中温部と前記第３パルス管低温部とは、前記第２冷却ステージの内部に設けられた第３パルス管連通部を通して連通され、前記第３パルス管中温部は、該第３パルス管中温部の中心軸と前記第１冷却ステージの中心軸との軸間距離が前記第３パルス管高温部の中心軸と前記第１冷却ステージの中心軸との軸間距離より短い位置で設けられ、前記第３パルス管低温部は、該第３パルス管低温部の中心軸と前記第２冷却ステージの中心軸との軸間距離が前記第３パルス管中温部の中心軸と前記第２冷却ステージの中心軸との軸間距離より短い位置で設けられることを特徴とする。
【００２１】
第６の発明は、第１乃至第５の発明に係る多段式パルス管冷凍機において、前記第３蓄冷管は、該第３蓄冷管の中心軸と前記第２冷却ステージの中心軸との軸間距離が前記第２蓄冷管の中心軸と前記第２冷却ステージの中心軸との軸間距離より短い位置で設けられることを特徴とする。
【００２２】
第７の発明に係る多段式パルス管冷凍機は、１段目を構成する第１パルス管及び第１蓄冷管と、２段目を構成する第２パルス管及び第２蓄冷管と、前記第１パルス管及び前記第１蓄冷管の低温側に設けられる略円板形状の第１冷却ステージと、前記第２パルス管及び前記第２蓄冷管の低温側に設けられる略円板形状の第２冷却ステージとを備える多段式パルス管冷凍機において、前記第２パルス管は、該第２パルス管の中心軸と前記第１冷却ステージの中心軸との軸間距離が前記第１蓄冷管の中心軸と前記第１冷却ステージの中心軸との距離及び前記第２蓄冷管の中心軸と前記第１冷却ステージの中心軸との軸間距離より短い位置で、前記第１冷却ステージを貫通し、前記第２蓄冷管は、該第２蓄冷管の中心軸と前記第１冷却ステージの中心軸との軸間距離が前記第１蓄冷管の中心軸と前記第１冷却ステージの中心軸との軸間距離より短い位置で設けられることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、２段式パルス管冷凍機を含めた多段式パルス管冷凍機の高段側の部分を小径化し、ＭＲＩやＮＭＲなどの装置に搭載される際の輻射による熱流入を抑え、見かけ上の冷凍能力を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
次に、本発明を実施するための最良の形態について図面と共に説明する。
（実施の形態）
図１乃至図３（ｂ）を参照し、本発明の実施の形態に係るパルス管冷凍機を説明する。
【００２５】
始めに、図１及び図２を参照し、本実施の形態に係るパルス管冷凍機の構成を説明する。図１は、本実施の形態に係るパルス管冷凍機の構成を模式的に示す図である。また、図２は、本実施の形態に係るパルス管冷凍機を説明するための図であり、第１パルス管連通部の形成された第１冷却ステージを模式的に示す断面図である。
【００２６】
図１に示されるように、本実施の形態に係るパルス管冷凍機１は、圧縮機５、バルブユニット２、第１蓄冷管７、第２蓄冷管８、第１パルス管１０、第１冷却ステージ２４、第２冷却ステージ２５、第２パルス管高温部２６、第２パルス管低温部２７を有する。パルス管冷凍機１は、２段式パルス管冷凍機であり、第１蓄冷管７及び第１パルス管１０が１段目を構成し、第２蓄冷管８、第２パルス管高温部２６及び第２パルス管低温部２７が２段目を構成する。
【００２７】
圧縮機５は、吐出側に高圧配管６、吸入側に低圧配管４を有する。圧縮機１０は、低圧配管４を通してバルブユニット２から冷媒ガスを回収し、回収した冷媒ガスを低圧配管４から吸入し、吸入した冷媒ガスを圧縮し、圧縮した冷媒ガスを高圧配管６に吐出し、高圧配管６を通してバルブユニット２へ冷媒ガスを供給する。
【００２８】
バルブユニット２は、バルブ駆動装置３により駆動される切換弁（図示せず）が設けられている。この切換弁には、圧縮機５への低圧配管４、圧縮機５からの高圧配管６、及び配管１５が接続されている。バルブユニット２は、バルブ駆動装置３の駆動により、圧縮機１０の吐出側である高圧配管６、圧縮機１０の吸入側である低圧配管４を交互に配管１５に連通させる。
【００２９】
第１蓄冷管７は、１段目に設けられた蓄冷管であり、冷媒ガスであるヘリウムガスが断熱膨張を繰り返して発生する冷熱を蓄冷する。第１蓄冷管７は、高温端側が配管１５を介してバルブユニット２に接続され、低温端側が第１パルス管１０の低温端側に接続されると共に、第２蓄冷管８の高温端側に接続される。第１蓄冷管７は、中心軸に垂直な断面が略円形の内周及び外周を有する管であり、軸方向に沿った伝熱を抑制するため、肉薄の例えばＳＵＳ３０４等のＳＵＳ材で構成され、軸方向に垂直な断面の形状は、例えば外径６０ｍｍ、内径５５ｍｍ、厚さは２．５ｍｍとすることができる。また、その内部に例えばメッシュ状又は球状の蓄冷材（図示せず）が充填される。
【００３０】
第２蓄冷管８は、２段目に設けられた蓄冷管であり、高温端側が第１蓄冷管７の低温端側に接続され、第１の蓄冷管７の低温端側より導入された冷媒ガスであるヘリウムガスが断熱膨張を繰り返して発生する冷熱を蓄冷する。第２蓄冷管８は、中心軸に垂直な断面が略円形の内周及び外周を有する管であり、軸方向に沿った伝熱を抑制するため、肉薄の例えばＳＵＳ３０４等のＳＵＳ材で構成され、その直径は第１蓄冷管７の直径に比べて小さいため、軸方向に垂直な断面の形状は、例えば外径３０ｍｍ、内径２５ｍｍ、厚さは２．５ｍｍとすることができる。また、第２蓄冷管８は、その内部に例えば極低温で高い比熱を有し、メッシュ状又は球状の形状を有する磁性蓄冷材（図示せず）が充填される。
【００３１】
第１パルス管１０は、１段目に設けられるパルス管であり、第１蓄冷管７を通して供給される冷媒ガスであるヘリウムガスが断熱膨張を繰り返して冷熱を発生する。第１パルス管１０は、中心軸に垂直な断面が略円形の内周及び外周を有する管であり、中心軸が第１蓄冷管７の中心軸と平行になるように設けられる。第１パルス管１０は、低温端側及び高温端側に夫々冷媒ガスの流れを整える整流器９、１１が設けられる。整流器９、１１は、後述する整流器２９、３１と同様に、金網（メッシュ）の積層体又は金網（メッシュ）とパンチングプレートの積層体が用いられる。第１パルス管１０は、低温端側が第１蓄冷管７の低温端側と接続される。また、第１パルス管１０は、高温端側がオリフィス２２を介して第１バッファ１４に接続される。更に、第１パルス管１０と第１バッファ１４を接続する配管は、オリフィス１３を介して配管１５に接続される。第１パルス管１０は、肉薄の例えばＳＵＳ３０４等のＳＵＳ材で構成され、軸方向に垂直な断面の形状は、例えば外径５０ｍｍ、内径４５ｍｍ、厚さは２．５ｍｍとすることができる。
【００３２】
第１冷却ステージ２４は、１段目に設けられる略円板形状の冷却ステージであり、第１蓄冷管７の低温端側及び第１パルス管１０の低温端側に設けられる。第１冷却ステージ２４は、第１蓄冷管７及び第１パルス管１０に熱的に接続されており、パルス管冷凍機１の駆動時には、約４０Ｋに冷却される。第１冷却ステージ２４は、熱伝導率及び比熱が比較的高い材料である銅により形成される。尚、第１蓄冷管７と第１パルス管１０とを接続する連通路１６、及び第１パルス管連通部３０は、第１冷却ステージ２４内に形成される。
【００３３】
第２パルス管は、従来と異なり、高温側から順に、第１蓄冷管７及び第２蓄冷管８に対応して、第２パルス管高温部２６と第２パルス管低温部２７の２つの部分に分かれる。また、第２パルス管高温部２６と第２パルス管低温部２７とは、第１冷却ステージ２４の内部に設けられた第１パルス管連通部３０を通して連通される。第２パルス管高温部２６、第２パルス管低温部２７は、２段目に設けられたパルス管であり、第２蓄冷管８を通して供給される冷媒ガスであるヘリウムガスが断熱膨張を繰り返して冷熱を発生する。第２パルス管高温部２６及び第２パルス管低温部２７は、夫々中心軸に垂直な断面が略円形の内周及び外周よりなる管であり、各々の中心軸が第１蓄冷管７、第２蓄冷管８及び第１パルス管の夫々の中心軸と平行になるように設けられる。第２パルス管高温部２６及び第２パルス管低温部２７は、肉薄の例えばＳＵＳ３０４等のＳＵＳ材で構成され、軸方向に垂直な断面の形状は、例えば外径３０ｍｍ、内径２５ｍｍ、厚さは２．５ｍｍとすることができる。
【００３４】
第２冷却ステージ２５は、２段目に設けられる略円板形状の冷却ステージであり、第２蓄冷管８の低温端側及び第２パルス管低温部２７の低温端側に設けられる。後述されるように、第２冷却ステージ２５は、第１冷却ステージ２４と同心になるように設けられる。第２冷却ステージ２５は、熱伝導率及び比熱が比較的高い材料である銅により形成される。また、第２冷却ステージ２５は、パルス管冷凍機１の駆動時には、約４Ｋに冷却される。尚、第２蓄冷管８と第２パルス管低温部２７とを接続する連通路１７は、第２冷却ステージ２５内に形成される。
【００３５】
第１パルス管連通部３０は、図２（ａ）に示されるように、第１冷却ステージ２４の内部に設けられる。第１パルス管連通部３０は、その中ほどに、流路の内径が第２パルス管高温部２６及び第２パルス管低温部２７の内径より小さい連通路３０ａを有する。連通路３０ａは、連通路３０ａの高温側（第２パルス管高温部２６側）及び低温側（第２パルス管低温部２７側）の各々において、第２パルス管高温部２６及び第２パルス管低温部２７に向かって、連通路の内径が徐々に増大する接続部３０ｂ、３０ｃを有する。連通路３０ａの内径は、特に限定されるものではないが、例えば第２パルス管高温部２６及び第２パルス管低温部２７の内径を２５ｍｍとするとき、連通路３０ａの内径を３ｍｍとすることができる。
【００３６】
第１パルス管連通部３０の第２パルス管高温部２６の低温端と接続される側、第１パルス管連通部３０の第２パルス管低温部２７の高温端側と接続される側、の夫々には、冷媒ガスの流れを整える整流器２９、３１が設けられる。整流器２９、３１は、図２（ａ）に示されるように、金網（メッシュ）２９ａ、３１ａの積層体を用いることができる。金網（メッシュ）は、冷媒ガスが金網（メッシュ）の細孔を通過することにより、第２パルス管高温部２６及び第２パルス管低温部２７において、中心軸に垂直な断面において冷媒ガスの圧力及び流速を一定に揃えることによって、冷却効率を高めるためのものである。整流器２９、３１として金網（メッシュ）の積層体を用いる場合、特に限定されるものではないが、例えば目の開きが０．１５４ｍｍ、線径が０．１０ｍｍ、の１００メッシュのＳＵＳの細目金網と、目の開きが１．０９ｍｍ、線径が０．５ｍｍ、１６メッシュのＳＵＳの粗目金網とを重ね合わせたものを４組積層したものが用いられる。
【００３７】
また、整流器２９、３１は、図２（ｂ）に示されるように、金網（メッシュ）２９ａ、３１ａとパンチングプレート２９ｂ、３１ｂとの積層体を用いることができる。整流器２９、３１として金網（メッシュ）とパンチングプレートとの積層体を用いる場合、特に限定されるものではないが、例えば目の開きが０．１５４ｍｍ、線径が０．１０ｍｍ、の１００メッシュのＳＵＳの細目金網と、穴径が０．５ｍｍφ、開口率が２３％のパンチングプレートとを重ね合わせたものを４組積層したものを用いることができる。
【００３８】
第２パルス管低温部２７の低温端側は、冷媒ガスの流れを整える整流器３２が設けられ、第２蓄冷管８の低温端側と接続される。また、第２パルス管高温部２６の高温端側は、冷媒ガスの流れを整える整流器２８が設けられ、オリフィス２３を介して第２バッファ２１に接続される。更に、第２パルス管高温部２６と第２バッファ２１を接続する配管は、オリフィス１２を介して配管１５に接続される。整流器２８、３２は、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示される整流器２９、３１と同様に、金網（メッシュ）の積層体又は金網（メッシュ）とパンチングプレートの積層体が用いられる。
【００３９】
更に、本実施の形態において、第２蓄冷管８は、第１蓄冷管７と同心でなく設けられる。具体的には、第２蓄冷管８は、第２蓄冷管８の中心軸が、第１蓄冷管７の中心軸より第１冷却ステージ２４ａの中心軸に近くなるように設けられる。
【００４０】
次に、図３を参照し、本実施の形態に係るパルス管冷凍機１の１段目及び２段目の蓄冷管及びパルス管の平面視における配置について説明する。図３は、本実施の形態に係るパルス管冷凍機を説明するための図であり、図３（ａ）は第１冷却ステージ２４の上面を図１におけるＡ方向から見た平面図であり、図３（ｂ）は第２冷却ステージ２５の上面を図１におけるＢ方向から見た平面図である。
【００４１】
図３（ａ）に示されるように、平面視において、第１冷却ステージ２４の上面は円形形状を有し、第１パルス管１０、第１蓄冷管７、第２パルス管高温部２６の３つの管が接続される。第１冷却ステージ２４の半径はＲ１であり、第２パルス管高温部２６の半径はＲ２であり、第１蓄冷管７の半径はＲ３であり、第１冷却ステージ２４の中心軸と第２パルス管高温部２６の中心軸との軸間距離はＤ２であり、第１冷却ステージ２４の中心軸と第１蓄冷管７の中心軸との軸間距離はＤ３である。
【００４２】
図３（ｂ）に示されるように、平面視において、第２冷却ステージ２５の上面は円形形状を有し、第２蓄冷管８、第２パルス管低温部２７の２つの管が接続される。第２冷却ステージ２５は、第１冷却ステージ２４と同心になるように設けられる。これは、第１の冷却ステージ２４、第２の冷却ステージ２５が銅よりなり重量があるので、操作性、安定性を考慮し、冷凍機の重心を中心軸に略一致させるためであると共に、パルス管冷凍機１を収容する低温容器を中心軸対称に近い構成にするためである。
【００４３】
第２冷却ステージ２５の半径はＲ４であり、第２パルス管低温部２７の半径はＲ５であり、第２蓄冷管８の半径はＲ６であり、第２冷却ステージ２５の中心軸（第１冷却ステージ２４の中心軸）と第２パルス管低温部２７の中心軸との軸間距離はＤ５であり、第２冷却ステージ２５の中心軸と第２蓄冷管８の中心軸との軸間距離はＤ６である。
【００４４】
ここで、第２パルス管低温部２７の中心軸を、第２パルス管高温部２６の中心軸に比べ第２冷却ステージ２５の中心軸（第１冷却ステージ２４の中心軸）に近づける場合、Ｄ５＜Ｄ２である。また、第２蓄冷管８の中心軸を、第１蓄冷管７の中心軸に比べ第２冷却ステージ２５の中心軸（第１冷却ステージ２４の中心軸）に近づける場合、Ｄ６＜Ｄ３である。
【００４５】
次に、本実施の形態に係るパルス管冷凍機１の冷凍冷却の作用、２段目が小径化される作用、小径化されることによる輻射の低減の作用を説明する。
【００４６】
まず、パルス管冷凍機の冷凍冷却を行う作用を説明する。
【００４７】
最初に、１段目のパルス管である第１パルス管１０において冷熱が発生し、発生した冷熱が１段目の蓄冷管である第１蓄冷管７に蓄冷される作用を説明する。
【００４８】
バルブユニット２に収容される図示しない切換弁を切換えることにより、配管１５を介し、第１蓄冷管７の高温端側は、高圧配管６又は低圧配管４と切換え連通される。その結果、第１蓄冷管７の低温端側と連通された第１パルス管１０に冷媒ガスが周期的に供給／回収されるため、第１パルス管１０内で冷媒ガスが圧縮と膨張とを繰返し、その際に断熱膨張で発生する冷熱を第１蓄冷管７に蓄冷することにより、第１蓄冷管７の低温端側は冷却される。
【００４９】
具体的には、まず、第１蓄冷管７を高圧配管６に切換え連通すると共に、オリフィス１３を通して第１パルス管１０の高温端側に冷媒ガスを流入させ、第１パルス管１０の低温端側からの冷媒ガスの流入を抑制する。その後、第１パルス管１０内の圧力が第１バッファ１４内の圧力よりも高くなると、第１パルス管１０内の冷媒ガスがオリフィス２２を通って第１バッファ１４内に流入し、第１パルス管１０内の冷媒ガスが第１パルス管１０の高温端側に移動する。
【００５０】
次に、第１蓄冷管７を低圧配管４に切換え連通すると共に、オリフィス１３を通して第１パルス管１０の高温端側から冷媒ガスを流出させ、第１パルス管１０の低温端側からの冷媒ガスの流出を抑制する。その後、第１パルス管１０内の圧力が第１バッファ１４内の圧力よりも低くなると、第１バッファ１４内の冷媒ガスがオリフィス２２を通って第１パルス管１０内に流出し、第１パルス管１０内の冷媒ガスが第１パルス管１０の低温端側に移動する。
【００５１】
この結果、第１パルス管１０内の圧力変化と流速変化のタイミングがずれて位相差が大きくなるため、冷媒ガスの圧縮／膨張が繰返されるときに冷凍機が冷熱を発生する仕事量が大きくなり、冷凍能力が向上する。本実施の形態に係るパルス管冷凍機１において、例えば、冷媒ガスとして、例えば０．５〜２．５ＭＰａの圧力を有するヘリウム（Ｈｅ）ガスが用いられ、例えば２Ｈｚ程度の繰返し速度で冷媒ガスの圧縮・膨張を繰返すことによって、第１パルス管１０の低温端側で例えば５０Ｋ程度の低温を得ることができる。
【００５２】
次に、２段目のパルス管である第２パルス管高温部２６及び第２パルス管低温部２７において冷熱が発生し、発生した冷熱が２段目の蓄冷管である第２蓄冷管８に蓄冷される作用を説明する。
【００５３】
バルブユニット２に収容される図示しない切換弁を切換えることにより、配管１５及び第１蓄冷管７を介し、第２蓄冷管８の高温端側は、高圧配管６又は低圧配管４と切換え連通される。その結果、第２蓄冷管８の低温端側と連通された第２パルス管低温部２７及び第２パルス管高温部２６に冷媒ガスが周期的に供給／回収されるため、第２パルス管低温部２７内及び第２パルス管高温部２６内で冷媒ガスが圧縮と膨張とを繰返し、その際に断熱膨張で発生する冷熱を第２蓄冷管８に蓄冷することにより、第２蓄冷管８の低温端側は冷却される。
【００５４】
具体的には、まず、第２蓄冷管８を高圧配管６に切換え連通すると共に、オリフィス１２を通して第２パルス管高温部２６の高温端側に冷媒ガスを流入させ、第２パルス管低温部２７の低温端側からの冷媒ガスの流入を抑制する。その後、第２パルス管低温部２７内及び第２パルス管高温部２６内の圧力が第２バッファ２１内の圧力よりも高くなると、第２パルス管低温部２７内及び第２パルス管高温部２６内の冷媒ガスがオリフィス２３を通って第２バッファ２１内に流入し、第２パルス管低温部２７内及び第２パルス管高温部２６内の冷媒ガスが第２パルス管高温部２６の高温端側に移動する。
【００５５】
次に、第２蓄冷管８を低圧配管４に切換え連通すると共に、オリフィス１２を通して第２パルス管高温部２６の高温端側から冷媒ガスを流出させ、第２パルス管低温部２７の低温端側からの冷媒ガスの流出を抑制する。その後、第２パルス管低温部２７内及び第２パルス管高温部２６内の圧力が第２バッファ２１内の圧力よりも低くなると、第２バッファ２１内の冷媒ガスがオリフィス２３を通って第２パルス管低温部２７内及び第２パルス管高温部２６内に流出し、第２パルス管低温部２７内及び第２パルス管高温部２６内の冷媒ガスが第２パルス管低温部２７の低温端側に移動する。
【００５６】
この結果、第２パルス管低温部２７内及び第２パルス管高温部２６内の圧力変化と流速変化のタイミングがずれて位相差が大きくなるため、冷媒ガスの圧縮／膨張が繰返されるときに冷凍機が冷熱を発生する仕事量が大きくなり、冷凍能力が向上する。本実施の形態に係るパルス管冷凍機１において、例えば、冷媒ガスとして、例えば０．５〜２．５ＭＰａの圧力を有するヘリウム（Ｈｅ）ガスが用いられ、例えば２Ｈｚ程度の繰返し速度で冷媒ガスの圧縮・膨張を繰返すことによって、第２パルス管低温部２７の低温端側で例えば４Ｋ程度の低温を得ることができる。
【００５７】
なお、本実施の形態においては、第２パルス管が、第２パルス管高温部２６と第２パルス管低温部２７とに分割され、第１パルス管連通部３０を通して連通されるため、クランク状に屈曲し、第２パルス管低温部２７の中心軸が、第２パルス管高温部２６の中心軸よりも第１冷却ステージ２４の中心軸に近づくような構造を有する。また、第１パルス管連通部３０の流路の断面積は、第２パルス管高温部２６及び第２パルス管低温部２７の中心軸に垂直な断面の断面積より小さい。更に、第１パルス管連通部３０の第２パルス管高温部２６側及び第２パルス管低温部２７側の各々には、冷媒ガスの流れを整える整流器２９、３１が設けられる。このような連通構造を用いることにより、第２パルス管高温部２６と第２パルス管低温部２７とは、一体のパルス管として機能し、約４Ｋ程度の低温を得ることができる。
【００５８】
次に、２段目が小径化される作用について説明する。
【００５９】
第１冷却ステージ２４及び第２冷却ステージ２５が同心になるように設けられ、従来のように２段目の第２パルス管が高温端側から低温端側まで一体である場合、図１２に示されるように、２段目の冷却ステージである第２冷却ステージ２５の径は、第１冷却ステージ２４の径に比べてそれほど小さくすることはできない。
【００６０】
一方、本実施の形態に係るパルス管冷凍機１においては、第２パルス管を第２パルス管高温部２６と第２パルス管低温部２７とに分割し、第２パルス管低温部２７の中心軸を、第２パルス管高温部２６に比べて第２冷却ステージ２５の中心軸（第１冷却ステージ２４の中心軸）に近づけることにより、図３（ａ）及び図３（ｂ）に示されるように、Ｄ５＜Ｄ２とすることができる。また、第２パルス管低温部２７の半径は第２パルス管高温部２６の半径と同一であり、Ｒ５＝Ｒ２である。従って、Ｄ５＋Ｒ５＜Ｄ２＋Ｒ２となる。即ち、第２冷却ステージ２５の中心軸（第１冷却ステージの中心軸）を中心とし、第２パルス管低温部２７を内接するような円の半径（Ｄ５＋Ｒ５）は、第１冷却ステージ２４の中心軸を中心とし、第２パルス管高温部２６を内接するような円の半径（Ｄ２＋Ｒ２）より小さくすることができる。
【００６１】
更に、本実施の形態に係るパルス管冷凍機１においては、第２蓄冷管８の中心軸を、第１蓄冷管７の中心軸に比べて第２冷却ステージ２５の中心軸（第１冷却ステージ２４の中心軸）に近づけることにより、図３（ａ）及び図３（ｂ）に示されるように、Ｄ６＜Ｄ３とすることができる。また、第２蓄冷管８の半径は第１蓄冷管７の半径より小さいため、Ｒ６＜Ｒ３である。従って、Ｄ６＋Ｒ６＜Ｄ３＋Ｒ３となる。即ち、第２冷却ステージ２５の中心軸（第１冷却ステージ２４の中心軸）を中心とし、第２蓄冷管８を内接するような円の半径（Ｄ６＋Ｒ６）は、第１冷却ステージ２４の中心軸を中心とし、第１蓄冷管７を内接するような円の半径（Ｄ３＋Ｒ３）より小さくすることができる。
【００６２】
以上の関係と、第１冷却ステージ２４に接続される第１パルス管１０が第２冷却ステージ２５には接続されないことから、第２冷却ステージ２５の半径を第１冷却ステージ２４の半径より小さくすることができる。即ち、図３（ａ）及び図３（ｂ）に示されるように、Ｒ４＜Ｒ１とすることができる。
【００６３】
また、前述したように、第２パルス管高温部２６と第２パルス管低温部２７とを第１パルス管連通部３０で連通した場合も、２段目の第２パルス管としての機能は確保されるので、冷凍機の冷凍能力を低下させることなく小型化することができる。
【００６４】
具体的には、第１蓄冷管７の外径を６０ｍｍ、第２蓄冷管８の外径を３０ｍｍ、第１パルス管１０の外径を５０ｍｍ、第２パルス管高温部２６及び第２パルス管低温部２７の外径を３０ｍｍ、としたとき、第１冷却ステージ２４の外径を１３０ｍｍφとし、第２冷却ステージ２５の外径を６０ｍｍφにすることができる。第２パルス管を分割しない場合には、第２冷却ステージ２５の外径は１００ｍｍφより小さくすることができないが、第２パルス管を分割することによって、第２冷却ステージ２５の外径を１００ｍｍφから６０ｍｍφに小径化できる。
【００６５】
最後に、小径化されることによる輻射の低減の作用を説明する。
【００６６】
絶対温度Ｔｓの表面積Ａ２の放射率ε２の物体が、まわりの温度Ｔａの外部に輻射によって放出する熱量Ｐは、Ｐ∝ε２Ａ２（Ｔｓ４−Ｔａ４）と表される。即ち、物体の表面積が小さいほど、輻射熱が小さくなる。
【００６７】
図１に示されるように、２段目の長さをＬとし、２段目部分を収容する低温容器の内径をＲとすると、側周面において外部から低温容器へ輻射により流入する熱量ＰはＰ∝２πＲＬとなるため、第２冷却ステージ２５を小径化するほど、低温容器外部からの輻射熱による熱量の流入は少なくなる。
【００６８】
以上、本実施の形態に係るパルス管冷凍機によれば、２段式パルス管冷凍機の２段目のパルス管を第２パルス管高温部と第２パルス管低温部とに分割し、第２パルス管低温部を第２パルス管高温部よりも冷却ステージの中心に近づけ、第１蓄冷管より径の細い第２蓄冷管の中心軸を第１蓄冷管の中心軸よりも冷却ステージの中心に近づけることにより、２段式パルス管冷凍機の２段目の部分を小径化し、ＭＲＩやＮＭＲなどの装置に搭載する際の輻射による熱流入を抑え、見かけ上の冷凍能力を向上させることができる。
【００６９】
なお、正面視において、第１パルス管及び第２パルス管は、実際は、第１蓄冷管及び第２蓄冷管の後方にあるが、図１に示される正面図では、第１パルス管、第２パルス管、第１蓄冷管、第２蓄冷管の中心軸の配置関係を分かりやすく示すために、第１パルス管、第２パルス管を各々左右の外側にやや移動して示している。従って、実際の配置は、図３に示す平面図に示されるような配置に近い（以下の変形例、実施の形態についても同様）。
（実施の形態の第１の変形例）
次に、図４乃至図５（ｂ）を参照し、本発明の実施の形態の第１の変形例に係るパルス管冷凍機を説明する。
【００７０】
始めに、図４を参照し、本変形例に係るパルス管冷凍機の構成を説明する。図４は、本変形例に係るパルス管冷凍機の構成を模式的に示す図である。ただし、以下の文中では、先に説明した部分には同一の符号を付し、説明を省略する場合がある（以下の変形例、実施の形態についても同様）。
【００７１】
本変形例に係るパルス管冷凍機は、第２蓄冷管が、第１蓄冷管と同心に設けられる点で、実施の形態に係るパルス管冷凍機と相違する。
【００７２】
図４を参照するに、実施の形態において、第２蓄冷管の中心軸が、第１蓄冷管の中心軸よりも第１冷却ステージの中心軸に近い位置で設けられるのと相違し、本変形例に係るパルス管冷凍機１ａにおける第２蓄冷管８は、第１蓄冷管７と同心に設けられる。
【００７３】
図４に示されるように、本変形例に係るパルス管冷凍機１ａは、第２蓄冷管８、第１冷却ステージ２４ａ、第２冷却ステージ２５ａ以外の構成は、実施の形態と同一である。
【００７４】
第２蓄冷管８が中心軸に垂直な断面が略円形の内周及び外周を有する管であること、また、第２蓄冷管８の内部にメッシュ状又は球状の形状を有する磁性蓄冷材が充填されることは、実施の形態と同一である。
【００７５】
しかし、第２蓄冷管８は、図４に示されるように、第２蓄冷管８の中心軸と第１蓄冷管７の中心軸とが一致するように設けられる。そのため、第１冷却ステージ２４ａ及び第２冷却ステージ２５ａは、実施の形態と異なる。
【００７６】
次に、図５を参照し、本変形例に係るパルス管冷凍機１ａの１段目及び２段目の蓄冷管及びパルス管の平面視における配置について説明する。図５は、本変形例に係るパルス管冷凍機を説明するための図であり、図５（ａ）は第１冷却ステージ２４ａを図４におけるＡ方向から見た平面図であり、図５（ｂ）は第２冷却ステージ２５ａの上面を図４におけるＢ方向から見た平面図である。
【００７７】
図５（ａ）に示されるように、平面視において、第１冷却ステージ２４ａの上面は円形形状を有し、第１パルス管１０、第１蓄冷管７、第２パルス管高温部２６の３つの管が接続される。図３（ａ）に示されるのと同様に、第１冷却ステージ２４ａの半径はＲ１であり、第２パルス管高温部２６の半径はＲ２であり、第１蓄冷管７の半径はＲ３であり、第１冷却ステージ２４ａの中心軸と第２パルス管高温部２６の中心軸との軸間距離はＤ２であり、第１冷却ステージ２４ａの中心軸と第１蓄冷管７の中心軸との軸間距離はＤ３である。
【００７８】
図５（ｂ）に示されるように、平面視において、第２冷却ステージ２５ａの上面は円形形状を有し、第２蓄冷管８、第２パルス管低温部２７の２つの管が接続される。第２冷却ステージ２５ａは、第１冷却ステージ２４ａと同心になるように設けられる。これは、実施の形態と同様の理由により、パルス管冷凍機１ａを中心軸対称に近い構成にするためである。
【００７９】
第２冷却ステージ２５ａの半径はＲ７であり、第２パルス管低温部２７の半径はＲ８であり、第２蓄冷管８の半径はＲ９であり、第２冷却ステージ２５ａの中心軸と第２パルス管低温部２７の中心軸との軸間距離はＤ８であり、第２冷却ステージ２５ａの中心軸（第１冷却ステージ２４ａの中心軸）と第２蓄冷管８の中心軸との軸間距離はＤ９である。
【００８０】
ここで、第２パルス管低温部２７の中心軸は、第２パルス管高温部２６の中心軸よりも第２冷却ステージ２５ａの中心軸（第１冷却ステージ２４ａの中心軸）に近いため、Ｄ８＜Ｄ２である。また、第２パルス管低温部２７の半径は、第２パルス管高温部２６の半径と等しいため、Ｒ８＝Ｒ２である。また、第２蓄冷管８は第１蓄冷管７と同心であるため、Ｄ９＝Ｄ３である。更に、第２蓄冷管８の半径は第１蓄冷管７の半径より小さいため、Ｒ９＜Ｒ３である。
【００８１】
本変形例に係るパルス管冷凍機１の冷凍冷却の作用は、実施の形態と同様である。
【００８２】
次に、２段目が小径化される作用について説明する。
【００８３】
本変形例に係るパルス管冷凍機１ａにおいては、前述したように、Ｄ８＜Ｄ２及びＲ８＝Ｒ２であるため、Ｄ８＋Ｒ８＜Ｄ２＋Ｒ２となる。即ち、第２冷却ステージ２５ａの中心軸（第１冷却ステージ２４ａの中心軸）を中心とし、第２パルス管低温部２７を内接するような円の半径（Ｄ８＋Ｒ８）は、第１冷却ステージ２４ａの中心軸を中心とし、第２パルス管高温部２６を内接するような円の半径（Ｄ２＋Ｒ２）より小さくすることができる。
【００８４】
一方、本変形例に係るパルス管冷凍機１ａにおいては、Ｄ９＝Ｄ３及びＲ９＜Ｒ３であるため、Ｄ９＋Ｒ９＜Ｄ３＋Ｒ３となる。即ち、第２冷却ステージ２５ａの中心軸（第１冷却ステージ２４ａの中心軸）を中心とし、第２蓄冷管８を内接するような円の半径（Ｄ９＋Ｒ９）は、第１冷却ステージ２４ａの中心軸を中心とし、第１蓄冷管７を内接するような円の半径（Ｄ３＋Ｒ３）より小さくすることができる。
【００８５】
以上の関係と、第１冷却ステージ２４ａに接続される第１パルス管１０が第２冷却ステージ２５ａには接続されないことから、第２冷却ステージ２５ａの半径を第１冷却ステージ２４ａの半径より小さくすることができる。即ち、図３（ａ）及び図３（ｂ）に示されるように、Ｒ７＜Ｒ１とすることができる。
【００８６】
具体的には、第１蓄冷管７の外径を６０ｍｍ、第２蓄冷管８の外径を３０ｍｍ、第１パルス管１０の外径を５０ｍｍ、第２パルス管高温部２６及び第２パルス管低温部２７の外径を３０ｍｍ、としたとき、第１冷却ステージ２４ａの外径を１３０ｍｍφとし、第２冷却ステージ２５ａの外径を９０ｍｍφにすることができる。第２パルス管を分割しない場合には、第２冷却ステージ２５ａの外径は１００ｍｍφより小さくすることができないが、第２パルス管を分割することによって、第２冷却ステージ２５ａの外径を１００ｍｍφから９０ｍｍφに小径化できる。
【００８７】
また、第２冷却ステージ２５ａを小径化することによる輻射熱の抑制の効果は、実施の形態と同様である。
【００８８】
従って、本変形例に係るパルス管冷凍機によれば、２段式パルス管冷凍機の２段目のパルス管を第２パルス管高温部と第２パルス管低温部とに分割し、第２パルス管低温部を第２パルス管高温部よりも冷却ステージの中心に近づけるだけで、第２蓄冷管８の中心軸を第１蓄冷管７の中心軸よりも中心に近づけることをしなくても、２段式パルス管冷凍機の２段目の部分を小径化し、ＭＲＩやＮＭＲなどの装置に搭載する際の輻射による熱流入を抑え、見かけ上の冷凍能力を向上させることができる。
（実施の形態の第２の変形例）
次に、図６乃至図７（ｃ）を参照し、本発明の実施の形態の第２の変形例に係るパルス管冷凍機を説明する。
【００８９】
始めに、図６を参照し、本変形例に係るパルス管冷凍機の構成を説明する。図６は、本変形例に係るパルス管冷凍機の構成を模式的に示す図である。
【００９０】
本変形例に係るパルス管冷凍機は、３段式パルス管冷凍機である点で、実施の形態に係るパルス管冷凍機と相違する。
【００９１】
図６を参照するに、実施の形態において、１段目の蓄冷管及びパルス管と、２段目の蓄冷管及びパルス管を有する２段式のパルス管冷凍機であるのと相違し、本変形例に係るパルス管冷凍機１ｂは、１段目及び２段目に加え、３段目の蓄冷管３９及びパルス管４２、４３、４４を有する３段式のパルス管冷凍機である。
【００９２】
図６に示されるように、本変形例に係るパルス管冷凍機１ｂは、圧縮機５、バルブユニット２、第１蓄冷管７、第２蓄冷管８、第１パルス管１０、第１冷却ステージ２４ｂ、第２冷却ステージ２５ｂ、第２パルス管高温部２６、第２パルス管低温部２７を有し、１段目及び２段目の構成は、実施の形態と同様である。
【００９３】
一方、本変形例に係るパルス管冷凍機１ｂは、３段式のパルス管冷凍機であり、第３蓄冷管３９、第３パルス管高温部４２、第３パルス管中温部４３、第３パルス管低温部４４及び第３冷却ステージ４０が３段目を構成する。
【００９４】
第３蓄冷管３９は、３段目に設けられた蓄冷管であり、高温端側が第２蓄冷管８の低温端側に接続され、第２の蓄冷管８の低温端側より導入された冷媒ガスであるヘリウムガスが断熱膨張を繰り返して発生する冷熱を蓄冷する。第３蓄冷管３９は、中心軸に垂直な断面が略円形の内周及び外周を有する管であり、その中心軸が第１蓄冷管７の中心軸及び第２蓄冷管８の中心軸と平行になるように設けられる。第３蓄冷管３９は、軸方向に沿った伝熱を抑制するため、その直径は、第２蓄冷管８の直径に比べて更に小さく、肉薄の例えばＳＵＳ３０４等のＳＵＳ材で構成され、軸方向に垂直な断面の形状は、例えば外径２０ｍｍ、内径１５ｍｍ、厚さは２．５ｍｍとすることができる。また、第３蓄冷管３９は、その内部に例えば極低温で高い比熱を有し、メッシュ状又は球状の形状を有する磁性蓄冷材（図示せず）が充填される。
【００９５】
第３パルス管は、高温側から順に、第１蓄冷管７、第２蓄冷管８及び第３蓄冷管３９に対応して、第３パルス管高温部４２、第３パルス管中温部４３及び第３パルス管低温部４４の３つの部分に分かれる。第３パルス管高温部４２と第３パルス管中温部４３とは、第１冷却ステージ２４ｂの内部に設けられた第２パルス管連通部５１を通して連通され、第３パルス管中温部４３と第３パルス管低温部４４とは、第２冷却ステージ２５ｂの内部に設けられた第３パルス管連通部５２を通して連通される。第３パルス管高温部４２、第３パルス管中温部４３及び第３パルス管低温部４４は、３段目に設けられたパルス管であり、第３蓄冷管３９を通して供給される冷媒ガスであるヘリウムガスが断熱膨張を繰り返して冷熱を発生する。第３パルス管高温部４２、第３パルス管中温部４３及び第３パルス管低温部４４は、夫々中心軸に垂直な断面が略円形の内周及び外周よりなる管であり、各々の中心軸が第１蓄冷管７、第２蓄冷管８及び第３蓄冷管３９の夫々の中心軸と平行になるように設けられる。
【００９６】
第３パルス管高温部４２の高温端側及び第３パルス管低温部４４の低温端側の夫々には、整流器４５、５０が設けられる。また、第２パルス管連通部５１の第３パルス管高温部４２側及び第３パルス管中温部４３側並びに第３パルス管連通部５２の第３パルス管中温部４３側及び第３パルス管低温部４４側の各々には、整流器４６、４７、４８、４９が設けられる。整流器４５、４６、４７、４８、４９、５０の構造は、実施の形態における整流器２８、２９、３１、３２と同様である。
【００９７】
第３パルス管低温部４４は、低温端側が第３蓄冷管３９の低温端側と接続される。また、第３パルス管高温部４２は、高温端側がオリフィス３４を介して第３バッファ３３に接続される。更に、第３パルス管高温部４２と第３バッファ３３を接続する配管は、オリフィス３５を介して配管１５に接続される。
【００９８】
第３パルス管高温部４２、第３パルス管中温部４３及び第３パルス管低温部４４は、肉薄の例えばＳＵＳ３０４等のＳＵＳ材で構成され、軸方向に垂直な断面の形状は、例えば外径３０ｍｍ、内径２５ｍｍ、厚さは２．５ｍｍとすることができる。
【００９９】
第３冷却ステージ４０は、３段目に設けられる略円板形状の冷却ステージであり、第３蓄冷管３９の低温端側及び第３パルス管低温部４４の低温端側に設けられる。第３冷却ステージ４０も、第１冷却ステージ２４ｂ及び第２冷却ステージ２５ｂと同心になるように設けられる。第３冷却ステージ４０は、熱伝導率及び比熱が比較的高い材料である銅により形成される。尚、第３蓄冷管３９と第３パルス管低温部４４とを接続する連通路５３は、この第３冷却ステージ４０内に形成される。
【０１００】
また、第２パルス管連通部５１、第３パルス管連通部５２は、実施の形態における第１パルス管連通部３０と同様な構造とすることができる。
【０１０１】
本変形例に係るパルス管冷凍機１ｂは、３段式パルス管冷凍機であるため、パルス管冷凍機の駆動時には、例えば、第１冷却ステージは約８０Ｋに冷却され、第２冷却ステージは約４０Ｋに冷却され、第３冷却ステージは約４Ｋに冷却される。
【０１０２】
更に、本変形例において、第３蓄冷管３９は、第１蓄冷管７又は第２蓄冷管８と同心でなく設けられる。具体的には、第３蓄冷管３９は、第３蓄冷管３９の中心軸が、第２蓄冷管８の中心軸よりも第２冷却ステージ２５ｂの中心軸に近い位置で設けられる。
【０１０３】
次に、図７を参照し、本変形例に係るパルス管冷凍機１ｂの１段目、２段目及び３段目の蓄冷管及びパルス管の平面視における配置について説明する。図７は、本変形例に係るパルス管冷凍機を説明するための図であり、図７（ａ）は第１冷却ステージ２４ｂの上面を図６におけるＡ方向から見た平面図であり、図７（ｂ）は第２冷却ステージ２５ｂの上面を図６におけるＢ方向から見た平面図であり、図７（ｃ）は第３冷却ステージ４０の上面を図６におけるＣ方向から見た平面図である。
【０１０４】
図７（ａ）に示されるように、平面視において、第１冷却ステージ２４ｂの上面は円形形状を有し、第１パルス管１０、第１蓄冷管７、第２パルス管高温部２６及び第３パルス管高温部４２の４つの管が接続される。第１冷却ステージ２４ａ、第２パルス管高温部２６及び第１蓄冷管７の各々の半径は、実施の形態と同様に、Ｒ１、Ｒ２及びＲ３であり、第３パルス管高温部４２の半径はＲ１０であり、第１冷却ステージ２４ｂの中心軸と第２パルス管高温部２６及び第１蓄冷管７の各々の中心軸との軸間距離は、実施の形態と同様に、Ｄ２及びＤ３であり、第１冷却ステージ２４ｂの中心軸と第３パルス管高温部４２の中心軸との軸間距離はＤ１０である。
【０１０５】
図７（ｂ）に示されるように、平面視において、第２冷却ステージ２５ｂの上面は円形形状を有し、第２蓄冷管８、第２パルス管低温部２７及び第３パルス管中温部４３の３つの管が接続される。第２冷却ステージ２５ｂは、実施の形態と同様に、第１冷却ステージ２４ｂと同心になるように設けられる。第２冷却ステージ２５ｂ、第２パルス管低温部２７及び第２蓄冷管８の各々の半径は、Ｒ４、Ｒ５及びＲ６であり、第３パルス管中温部４３の半径はＲ１１であり、第２冷却ステージ２５ｂの中心軸と第２パルス管低温部２７及び第２蓄冷管８の各々の中心軸との軸間距離は、実施の形態と同様に、Ｄ５及びＤ６であり、第２冷却ステージ２５ｂの中心軸と第３パルス管中温部４３の中心軸との距離はＤ１１である。
【０１０６】
更に、図７（ｃ）に示されるように、平面視において、第３冷却ステージ４０の上面は円形形状を有し、第３パルス管低温部４４及び第３蓄冷管３９の２つの管が接続される。第３冷却ステージ４０は、第２冷却ステージ２５ｂと同様に、第１冷却ステージ２４ｂと同心になるように設けられる。即ち、第１冷却ステージ２４ｂ、第２冷却ステージ２５ｂ及び第３冷却ステージ４０は、全て同心になるように設けられる。
【０１０７】
第３冷却ステージ４０の半径はＲ１２であり、第３パルス管低温部４４の半径はＲ１３であり、第３蓄冷管３９の半径はＲ１４であり、第３冷却ステージ４０の中心軸と第３パルス管低温部４４及び第３蓄冷管３９の各々の中心軸との軸間距離はＤ１３及びＤ１４である。
【０１０８】
ここで、実施の形態と同様に、Ｄ５＜Ｄ２、Ｄ６＜Ｄ３の関係がある。また、第３パルス管中温部４３の中心軸は、第３パルス管高温部４２の中心軸よりも第２冷却ステージ２５ｂの中心軸（第１冷却ステージ２４ｂの中心軸）に近いため、Ｄ１１＜Ｄ１０である。また、第３パルス管低温部４４の中心軸は、第３パルス管中温部４３の中心軸よりも第３冷却ステージ４０の中心軸（第２冷却ステージ２５ｂの中心軸）に近いため、Ｄ１３＜Ｄ１１である。更に、第３蓄冷管３９の中心軸は、第２蓄冷管８の中心軸よりも第３冷却ステージ４０の中心軸（第２冷却ステージ２５ｂの中心軸）に近いため、Ｄ１４＜Ｄ６である。
【０１０９】
本変形例に係るパルス管冷凍機１ｂの１段目及び２段目の冷凍冷却の作用は、実施の形態と同様である。
【０１１０】
しかし、本変形例に係るパルス管冷凍機１ｂは、３段目の蓄冷管及びパルス管を有する。ここで、３段目の第３パルス管である第３パルス管高温部４２、第３パルス管中温部４３、第３パルス管低温部４４において冷熱が発生し、発生した冷熱が第３蓄冷管に蓄冷される作用を説明する。
【０１１１】
バルブユニット２に収容される図示しない切換弁を切換ることにより、配管１５、第１蓄冷管７及び第２蓄冷管８を介し、第３蓄冷管３９の高温側は、高圧配管６又は低圧配管４と切換え連通される。その結果、第３蓄冷管３９の低温端側と連通された第３パルス低温部４４、第３パルス管中温部４３及び第３パルス管高温部４２に冷媒が周期的に供給／回収されるため、第３パルス低温部４４内、第３パルス管中温部４３内及び第３パルス管高温部４２内で冷媒ガスが圧縮と膨張とを繰返し、その際に断熱膨張で発生する冷熱を第３蓄冷管３９に蓄冷することにより、第３蓄冷管３９の低温端側は冷却される。
【０１１２】
具体的には、まず、第３蓄冷管３９を高圧配管６に切換え連通すると共に、オリフィス３５を通して第３パルス管高温部４２の高温端側に冷媒ガスを流入させ、第３パルス管低温部４４の低温端側からの冷媒ガスの流入を抑制する。その後、第３パルス管低温部４４内、第３パルス管中温部４３内、第３パルス管高温部４２内の冷媒ガスがオリフィス３４を通って第３バッファ３３内に流入し、第３パルス管低温部４４内、第３パルス管中温部４３内及び第３パルス管高温部４２内の冷媒ガスが第３パルス管高温部４２の高温端側に移動する。
【０１１３】
次に、第３蓄冷管３９を低圧配管４に切換え連通すると共に、オリフィス３５を通して第３パルス管高温部４２の高温端側から冷媒ガスを流出させ、第３パルス管低温部４４の低温端側からの冷媒ガスの流出を抑制する。その後、第３パルス管低温部４４内、第３パルス管中温部４３内及び第３パルス管高温部４２内の圧力が第３バッファ３３内の圧力よりも低くなると、第３バッファ３３内の冷媒ガスがオリフィス３４を通って第３パルス管低温部４４内、第３パルス管中温部４３内及び第３パルス管高温部４２内に流出し、第３パルス管低温部４４内、第３パルス管中温部４３内及び第３パルス管高温部４２内の冷媒ガスが第３パルス管低温部４４の低温端側に移動する。
【０１１４】
この結果、第３パルス管低温部４４内、第３パルス管中温部４３内及び第３パルス管高温部４２内の圧力変化と流速変化のタイミングがずれて位相差が大きくなるため、冷媒ガスの圧縮／膨張が繰返されるときに冷凍機が冷熱を発生する仕事量が大きくなり、冷凍能力が向上する。本変形例に係るパルス管冷凍機１ｂにおいて、例えば、冷媒ガスとして、例えば０．５〜２．５ＭＰａの圧力を有するヘリウム（Ｈｅ）ガスが用いられ、例えば２Ｈｚ程度の繰返し速度で冷媒ガスの圧縮・膨張を繰返すことによって、第３パルス管低温部４４の低温端側で例えば４Ｋ程度の低温を得ることができる。
【０１１５】
また、本変形例においては、３段目の第３冷却ステージ４０を有するため、第１冷却ステージ２４ｂは約４０Ｋの低温に到達する必要はなく、例えば８０Ｋ程度の温度に到達すればよい。また、第２冷却ステージ２５ｂは約４Ｋの極低温に到達する必要はなく、例えば４０Ｋ程度の温度に到達すればよい。その結果、第３冷却ステージ４０は、約４Ｋの極低温に安定して保持される。
【０１１６】
なお、本変形例においては、第３パルス管は、第３パルス管高温部４２、第３パルス管中温部４３及び第３パルス管低温部４４に分割され、第２パルス管連通部５１及び第３パルス管連通部５２を通して連通されるため、クランク状に屈曲し、高温部から低温部の順に中心軸が第１冷却ステージ２４ｂの中心軸に近づくような構造を有する。また、第２パルス管連通部５１及び第３パルス管連通部５２の各々の流路の断面積は、第３パルス管高温部４２、第３パルス管中温部４３及び第３パルス管低温部４４の中心軸に垂直な断面の断面積より小さい。更に、第２パルス管連通部５１の第３パルス管高温部４２側及び第３パルス管中温部４３側、第３パルス管連通部５２の第３パルス管中温部４３側及び第３パルス管低温部４４側と接続される側の各々には、冷媒ガスの流れを整える整流器４６、４７、４８、４９が設けられる。このような連通構造を用いることにより、第３パルス管高温部４２、第３パルス管中温部４３及び第３パルス管低温部４４は、一体のパルス管として機能し、約４Ｋ程度の低温を得ることができる。
【０１１７】
次に、本変形例において、２段目及び３段目が小径化される作用について、図７（ａ）、図７（ｂ）、図７（ｃ）、図１３、図１４（ａ）、図１４（ｂ）及び図１４（ｃ）を参照し、従来の３段式パルス管冷凍機１０１ｂの例と比較しながら、説明する。
【０１１８】
図１３は、従来の３段式パルス管冷凍機の構成を模式的に示す図である。図１３に示されるように、パルス管冷凍機１０１ｂは、バルブユニット１０２、バルブ駆動装置１０３、低圧配管１０４、圧縮機１０５、高圧配管１０６、第１蓄冷管１０７、第１パルス管１１０、第２蓄冷管１０８、第２パルス管１０９、第３蓄冷管１３９、第３パルス管１３６、第１冷却ステージ１２４ｂ、第２冷却ステージ１２５ｂ、第３冷却ステージ１４０を有する。
【０１１９】
ここで、図１４（ａ）乃至図１４（ｃ）を参照し、従来の３段式パルス管冷凍機の１段目乃至３段目の平面視における構造を説明する。図１４（ａ）乃至図１４（ｃ）は、従来の３段式パルス管冷凍機の構成を説明するための図であり、夫々図１３におけるＡ方向から第１冷却ステージ１２４ｂを見た平面図、図１３におけるＢ方向から第２冷却ステージ１２５ｂを見た平面図及び図１３におけるＣ方向から第３冷却ステージ１４０を見た平面図である。
【０１２０】
図１４（ａ）に示されるように、平面視において第１冷却ステージ１２４ｂの上面は円形形状を有し、第１パルス管１１０、第１蓄冷管１０７、第２パルス管１０９、第３パルス管１３６の４つの管が接続される。第１冷却ステージ１２４ｂの半径はＲ１０１であり、第１冷却ステージ１２４ｂの中心軸から第２パルス管１０９、第１蓄冷管１０７及び第３パルス管１３６の各々の中心軸までの軸間距離はＤ１０２、Ｄ１０３及びＤ１１０である。
【０１２１】
一方、図１４（ｂ）に示されるように、平面視において第２冷却ステージ１２５ｂの上面は円形形状を有し、第２蓄冷管１０８、第２パルス管１０９、第３パルス管１３６の３つの管が接続される。第２冷却ステージ１２５ｂは第１冷却ステージ１２４ｂと同心になるように設けられる。また、第２蓄冷管１０８は第１蓄冷管１０７と同心になるように設けられる。そのため、第２冷却ステージ１２５ｂの中心軸から第２パルス管１０９、第２蓄冷管１０８及び第３パルス管１３６の各々の中心軸までの軸間距離は、Ｄ１０２、Ｄ１０３及びＤ１１０である。従って、第２冷却ステージ１２５ｂの半径をＲ１０４とすると、Ｒ１０４はＲ１０１に比べてほとんど小さくすることができない。
【０１２２】
更に、図１４（ｃ）に示されるように、平面視において第３冷却ステージ１４０の上面は円形形状を有し、第３蓄冷管１３９、第３パルス管１３６の２つの管が接続される。第３冷却ステージ１４０は第２冷却ステージ１２５ｂと同心になるように設けられる。また、第３蓄冷管１３９は第２蓄冷管１０８と同心になるように設けられる。そのため、第３冷却ステージ１４０の中心軸から第３蓄冷管１３９及び第３パルス管１３６の各々の中心軸までの軸間距離は、Ｄ１０３及びＤ１１０である。従って、第２冷却ステージ１２５の半径をＲ１１２とすると、Ｒ１１２はＲ１０４に比べてほとんど小さくすることができない。
【０１２３】
以上のように、従来の３段式パルス管冷凍機１０１ｂにおいては、第２冷却ステージ１２５ｂ及び第３冷却ステージ１４０の径は、第１冷却ステージ１２４ｂの径に比べて小さくすることはできない。
【０１２４】
一方、本変形例に係るパルス管冷凍機１ｂにおいて、図７（ａ）及び図７（ｂ）にＤ５＜Ｄ２、Ｒ５＝Ｒ２と示されるように、第２パルス管低温部２７の中心軸を第２パルス管高温部２６の中心軸より第１冷却ステージ２４ｂの中心軸に近づけることができるのは、実施の形態と同様である。
【０１２５】
また、本変形例に係るパルス管冷凍機１ｂにおいて、図７（ａ）及び図７（ｂ）にＤ６＜Ｄ３、Ｒ６＜Ｒ３と示されるように、第１蓄冷管７より径の細い第２蓄冷管８の中心軸を第１蓄冷管７の中心軸よりも第１冷却ステージ２４ｂの中心軸に近づけることができるのは、実施の形態と同様である。
【０１２６】
更に、本変形例に係るパルス管冷凍機１ｂにおいては、第３パルス管中温部４３の中心軸を第３パルス管高温部４２の中心軸より第１冷却ステージ２４ｂの中心軸に近づけることができ、図７（ａ）及び図７（ｂ）に示されるように、Ｄ１１＜Ｄ１０とすることができる。また、第３パルス管中温部４３の半径は第３パルス管高温部４２の半径と同一であり、Ｒ１１＝Ｒ１０である。従って、Ｄ１１＋Ｒ１１＜Ｄ１０＋Ｒ１０となり、第２冷却ステージ２５ｂの中心軸を中心とし、第３パルス管中温部４３を内接するような円の半径（Ｄ１１＋Ｒ１１）は、第１冷却ステージ２４ｂの中心軸を中心とし、第３パルス管高温部４２を内接するような円の半径（Ｄ１０＋Ｒ１０）より小さくすることができる。
【０１２７】
以上の関係と、第１冷却ステージ２４ｂに接続される第１パルス管１０が第２冷却ステージ２５ｂには接続されないことから、第２冷却ステージ２５ｂの半径を第１冷却ステージ２４ｂの半径より小さくすることができる。即ち、図７（ａ）及び図７（ｂ）に示されるように、Ｒ４＜Ｒ１とすることができる。
【０１２８】
次に、第３パルス管低温部４４の中心軸を第３パルス管中温部４３の中心軸よりも第２冷却ステージ２５ｂの中心軸に近づけることができ、図７（ｂ）及び図７（ｃ）に示されるように、Ｄ１３＜Ｄ１１とすることができる。また、第３パルス管低温部４４の半径は第３パルス管中温部４３の半径と同一であり、Ｒ１３＝Ｒ１１である。従って、Ｄ１３＋Ｒ１３＜Ｄ１１＋Ｒ１１となり、第３冷却ステージ４０の中心軸を中心とし、第３パルス管低温部４４を内接するような円の半径（Ｄ１３＋Ｒ１３）は、第２冷却ステージ２５ｂの中心軸を中心とし、第３パルス管中温部４３を内接するような円の半径（Ｄ１１＋Ｒ１１）より小さくすることができる。
【０１２９】
また、第３蓄冷管３９の中心軸を第２蓄冷管８の中心軸よりも第２冷却ステージ２５ｂの中心軸に近づけることができ、図７（ｂ）及び図７（ｃ）に示されるように、Ｄ１４＜Ｄ６とすることができる。また、第３蓄冷管３９の半径は第２蓄冷管８の半径より小さいため、Ｒ１４＜Ｒ６である。従って、Ｄ１４＋Ｒ１４＜Ｄ６＋Ｒ６となり、第３冷却ステージ４０の中心軸を中心とし、第３蓄冷管３９を内接するような円の半径（Ｄ１４＋Ｒ１４）は、第２冷却ステージ２５ｂの中心軸を中心とし、第２蓄冷管８を内接するような円の半径（Ｄ６＋Ｒ６）より小さくすることができる。
【０１３０】
以上の関係と、第２冷却ステージ２５ｂに接続される第２パルス管低温部２７が第３冷却ステージ４０には接続されないことから、第３冷却ステージ４０の半径を第２冷却ステージ２５ｂの半径より小さくすることができる。即ち、図７（ｂ）及び図７（ｃ）に示されるように、Ｒ１２＜Ｒ４とすることができる。
【０１３１】
具体的には、第１蓄冷管７の外径を６０ｍｍ、第２蓄冷管８の外径を３０ｍｍ、第３蓄冷管３９の外径を２０ｍｍ、第１パルス管１０の外径を５０ｍｍ、第２パルス管高温部２６及び第２パルス管低温部２７の外径を３０ｍｍ、第３パルス管高温部４２、第パルス管中音部４３及び第３パルス管低温部４４の外径を３０ｍｍとしたとき、第１冷却ステージ２４ｂの外径を１５０ｍｍφとし、第２冷却ステージ２５ｂの外径を１２０ｍｍφ、第３冷却ステージ４０の外径を９０ｍｍφにすることができる。第２及び第３パルス管を分割しない場合には、第２冷却ステージ２５ｂの外径は１４０ｍｍφ、第３冷却ステージ４０の外径は１３０ｍｍφより小さくすることができないが、第２及び第３パルス管を分割することによって、第２冷却ステージ２５ｂの外径を１４０ｍｍφから１２０ｍｍφに小径化でき、第３冷却ステージ４０の外径を１３０ｍｍφから９０ｍｍφに小径化できる。
【０１３２】
また、前述したように、第３パルス管高温部４２、第３パルス管中温部４３及び第３パルス管低温部４４を第２パルス管連通部５１及び第３パルス管連通部５２で連通しても３段目の第３パルス管としての機能は確保されるので、冷凍機の冷凍能力を低下させることなく小径化することができる。
【０１３３】
また、第３冷却ステージ４０の半径を小径化することによる輻射熱の抑制の効果は、実施の形態と同様である。
【０１３４】
従って、本変形例に係るパルス管冷凍機によれば、３段式パルス管冷凍機においても、パルス管を段毎に分割し、高段側の部分を低段側の部分より冷却ステージの中心に近づけ、蓄冷管も高段側ほど径を細くして冷却ステージの中心に近づけることにより、高段側の部分ほど小径化し、ＭＲＩやＮＭＲなどの装置に搭載する際の輻射による熱流入を抑え、見かけ上の冷凍能力を向上させることができる。
（実施の形態の第３の変形例）
次に、図８乃至図９（ｂ）を参照し、本発明の実施の形態の第３の変形例に係るパルス管冷凍機を説明する。
【０１３５】
始めに、図８を参照し、本変形例に係るパルス管冷凍機の構成を説明する。図８は、本変形例に係るパルス管冷凍機の構成を模式的に示す図である。
【０１３６】
本変形例に係るパルス管冷凍機は、第２パルス管が分割されない点で、実施の形態に係るパルス管冷凍機と相違する。
【０１３７】
図８を参照するに、実施の形態において、第２パルス管が第１冷却ステージを境界として第２パルス管高温部と第２パルス管低温部とに分割されるのと相違し、本変形例に係るパルス管冷凍機１ｃにおける第２パルス管１９は、一体で設けられる。
【０１３８】
図８に示されるように、本変形例に係るパルス管冷凍機１ｃは、第２パルス管１９、第１冷却ステージ２４ｃ、第２冷却ステージ２５ｃ以外の構成は、実施の形態と同一である。
【０１３９】
第２パルス管１９は、２段目に設けられるパルス管であり、第１蓄冷管７を通して供給される冷媒ガスであるヘリウムガスが断熱膨張を繰り返して冷熱を発生すること、中心軸に垂直な断面が略円形の内周及び外周を有する管であること、中心軸が第１蓄冷管７の中心軸と平行になるように設けられることは、実施の形態と同一である。
【０１４０】
しかし、第１蓄冷管７は、図８に示されるように、一体で設けられる。そのため、第１冷却ステージ２４ｃ及び第２冷却ステージ２５ｃは、実施の形態と異なる。
【０１４１】
次に、図９を参照し、本変形例に係るパルス管冷凍機１ｃの１段目及び２段目の蓄冷管及びパルス管の平面視における配置について説明する。図９は、本変形例に係るパルス管冷凍機１ｃを説明するための図であり、図９（ａ）は第１冷却ステージ２４ｃを図８におけるＡ方向から見た平面図であり、図９（ｂ）は第２冷却ステージ２５ｃの上面を図８におけるＢ方向から見た平面図である。
【０１４２】
図９（ａ）に示されるように、平面視において、第１冷却ステージ２４ｃの上面は円形形状を有し、第１パルス管１０、第１蓄冷管７、第２パルス管１９の３つの管が接続される。図３（ａ）に示されるのと同様に、第１冷却ステージ２４ｃの半径はＲ１であり、第２パルス管１９の半径はＲ２であり、第１蓄冷管７の半径はＲ３であり、第１冷却ステージ２４ｃの中心軸と第２パルス管１９の中心軸との軸間距離はＤ２であり、第１冷却ステージ２４ｃの中心軸と第１蓄冷管７の中心軸との軸間距離はＤ３である。
【０１４３】
図９（ｂ）に示されるように、平面視において、第２冷却ステージ２５ｃの上面は円形形状を有し、第２蓄冷管８、第２パルス管１９の２つの管が接続される。第２冷却ステージ２５ｃは、第１冷却ステージ２４ｃと同心になるように設けられる。これは、実施の形態と同様の理由により、パルス管冷凍機１ｃを中心軸対称に近い構成にするためである。
【０１４４】
第２冷却ステージ２５ｃの半径はＲ１５であり、第２パルス管１９の半径はＲ２であり、第２蓄冷管８の半径はＲ１６であり、第２冷却ステージ２５ｃの中心軸と第２パルス管１９及び第２蓄冷管８の各々の中心軸との軸間距離はＤ２及びＤ１６である。
【０１４５】
ここで、第２蓄冷管８の中心軸は、第１蓄冷管７の中心軸よりも第２冷却ステージ２５ｃの中心軸（第１冷却ステージ２４ｃの中心軸）に近いため、Ｄ１６＜Ｄ３である。
【０１４６】
本変形例に係るパルス管冷凍機１ｃの冷凍冷却の作用は、実施の形態と同様である。
【０１４７】
次に、２段目が小径化される作用について説明する。
【０１４８】
本変形例に係るパルス管冷凍機１ｃにおいては、図９（ａ）及び図９（ｂ）に示され、前述したように、Ｄ１６＜Ｄ３であり、第２蓄冷管８の半径は第１蓄冷管７の半径より小さいため、Ｒ１６＜Ｒ３である。従って、Ｄ１６＋Ｒ１６＜Ｄ３＋Ｒ３となり、第２冷却ステージ２５ｃの中心軸を中心とし、第２蓄冷管８を内接するような円の半径（Ｄ１６＋Ｒ１６）は、第１冷却ステージ２４ｃの中心軸を中心とし、第１蓄冷管７を内接するような円の半径（Ｄ３＋Ｒ３）より小さくすることができる。
【０１４９】
以上の関係と、第１冷却ステージ２４ｃに接続される第１パルス管１０が第２冷却ステージ２５ｃには接続されないことから、第２冷却ステージ２５ｃの半径を第１冷却ステージ２４ｃの半径より小さくすることができる。即ち、図９（ａ）及び図９（ｂ）に示されるように、Ｒ１５＜Ｒ１とすることができる。
【０１５０】
具体的には、第１蓄冷管７の外径を６０ｍｍ、第２蓄冷管８の外径を３０ｍｍ、第１パルス管１０の外径を５０ｍｍ、第２パルス管１９の外径を３０ｍｍ、としたとき、第１冷却ステージ２４ｃの外径を１３０ｍｍφとし、第２冷却ステージ２５ｃの外径を９０ｍｍφにすることができる。第２蓄冷管８が第１の蓄冷管７と同心に設けられる場合には、第２冷却ステージ２５ｃの外径は１００ｍｍφより小さくすることができないが、第２蓄冷管８を第１の蓄冷管７よりも第１冷却ステージ２４ｃの中心に近づけることにより、第２冷却ステージ２５ｃの外径を１００ｍｍφから９０ｍｍφに小径化できる。
【０１５１】
また、第２冷却ステージ２５ｃの半径を小径化することによる輻射熱の抑制の効果は、実施の形態と同様である。
【０１５２】
従って、本変形例に係るパルス管冷凍機によれば、２段式パルス管冷凍機の２段目の蓄冷管を１段目の蓄冷管よりも冷却ステージの中心に近づけることにより、２段式パルス管冷凍機の２段目の部分を小径化し、輻射による熱流入を抑え、冷凍能力を向上させることができる。
（実施の形態の第４の変形例）
次に、図１０を参照し、本発明の実施の形態の第４の変形例に係るパルス管冷凍機を説明する。
【０１５３】
図１０は、本変形例に係るパルス管冷凍機を説明するための図であり、第１パルス管連通部が形成された第１冷却ステージを模式的に示す断面図である。
【０１５４】
本変形例に係るパルス管冷凍機は、第１パルス管連通部がその途中において内径が小さくならない点で、実施の形態に係るパルス管冷凍機と相違する。
【０１５５】
図１０を参照するに、実施の形態において、第１パルス管連通部が、第１パルス管連通部の途中位置に、流路の内径が第２パルス管高温部及び第２パルス管低温部の内径より小さい連通路が設けられ、連通路の第２パルス管高温部側及び第２パルス管低温部側の各々において、連通路の内径が連続的に変化するのと相違し、本変形例に係るパルス管冷凍機における第１パルス管連通部３０ｄは、第２パルス管高温部２６側から第２パルス管低温部２７側に至るまで内径が変化せず、一定である。
【０１５６】
図１０に示されるように、第１冷却ステージ２４ｄの内部に第２パルス管高温部２６及び第２パルス管低温部２７の内径と等しい内径を有する第１パルス管連通部３０ｄが、第２パルス管高温部２６と第２パルス管低温部２７を連通するように形成される。第２パルス管低温部２７の中心軸は第２パルス管高温部２６の中心軸と平行であり、第２パルス管低温部２７の中心軸は、第２パルス管高温部２６の中心軸より第１冷却ステージ２４ｄの中心軸に近づくため、図１０に示されるように、第１パルス管連通部３０ｄはクランク状に屈曲するように形成される。
【０１５７】
本変形例では、第２パルス管高温部２６及び第２パルス管低温部２７は、実施の形態と同様に、肉薄の例えばＳＵＳ３０４等のＳＵＳ材で構成され、第２蓄冷管部材２６の軸方向に垂直な断面の形状は、例えば外径３０ｍｍ、内径２５ｍｍ、厚さは２．５ｍｍとすることができる。従って、第１パルス管連通部３０ｄの内径も２５ｍｍとすることができる。
【０１５８】
第１パルス管連通部３０ｄをこのような構造とした場合でも、第２パルス管高温部２６及び第２パルス管低温部２７は一体の第２パルス管として機能するため、本変形例に係る２段式パルス管冷凍機の２段目を小径化し、ＭＲＩやＮＭＲなどの装置に搭載される際の輻射による熱流入を抑え、見かけ上の冷凍能力を向上させる作用については、実施の形態と同様の作用が得られる。
【０１５９】
以上、本発明の好ましい実施の形態について記述したが、本発明はかかる特定の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１６０】
【図１】本発明の実施の形態に係るパルス管冷凍機の構成を模式的に示す図である
【図２】本発明の実施の形態に係るパルス管冷凍機を説明するための図であり、第１パルス管連通部の形成された第１冷却ステージを模式的に示す断面図である。
【図３】本発明の実施の形態に係るパルス管冷凍機を説明するための図であり、第１冷却ステージの上面及び第２冷却ステージの上面を示す平面図である。
【図４】本発明の実施の形態の第１の変形例に係るパルス管冷凍機の構成を模式的に示す図である。
【図５】本発明の実施の形態の第１の変形例に係るパルス管冷凍機を説明するための図であり、第１冷却ステージの上面及び第２冷却ステージの上面を示す平面図である。
【図６】本発明の実施の形態の第２の変形例に係るパルス管冷凍機の構成を模式的に示す図である。
【図７】本発明の実施の形態の第２の変形例に係るパルス管冷凍機を説明するための図であり、第１冷却ステージの上面、第２冷却ステージの上面及び第３冷却ステージの上面を示す平面図である。
【図８】本発明の実施の形態の第３の変形例に係るパルス管冷凍機の構成を模式的に示す図である。
【図９】本発明の実施の形態の第３の変形例に係るパルス管冷凍機を説明するための図であり、第１冷却ステージの上面及び第２冷却ステージの上面を示す平面図である。
【図１０】本発明の実施の形態の第４の変形例に係るパルス管冷凍機を説明するための図であり、第１パルス管連通部が形成された第１冷却ステージを模式的に示す断面図である。
【図１１】従来の２段式パルス管冷凍機の構成を模式的に示す図である。
【図１２】従来の２段式パルス管冷凍機を説明するための図であり、第１冷却ステージの上面及び第２冷却ステージの上面を示す平面図である。
【図１３】従来の３段式パルス管冷凍機の構成を模式的に示す図である。
【図１４】従来の３段式パルス管冷凍機を説明するための図であり、第１冷却ステージの上面、第２冷却ステージの上面及び第３冷却ステージの上面を示す平面図である。
【符号の説明】
【０１６１】
１、１ａ、１ｂ、１ｃ  パルス管冷凍機
２  バルブユニット
３  バルブ駆動機構
４  低圧配管
５  圧縮機
６  高圧配管
７  第１蓄冷管
８  第２蓄冷管
９、１１、２８、２９、３１、３２、４５、４６、４７、４８、４９、５０  整流器
１０  第１パルス管
１２、１３、２２、２３、３４、３５  オリフィス
１４  第１バッファ
１５  配管
１６、１７、５３  連通路
２１  第２バッファ
２４、２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄ  第１冷却ステージ
２５、２５ａ、２５ｂ、２５ｃ  第２冷却ステージ
２６  第２パルス管高温部
２７  第２パルス管低温部
２９ａ、３１ａ  金網（メッシュ）
２９ｂ、３１ｂ  パンチングプレート
３０、３０ｄ  第１パルス管連通部
３０ａ  連通路
３０ｂ、３０ｃ  接続部
３３  第３バッファ
３９  第３蓄冷管
４０  第３冷却ステージ
４２  第３パルス管高温部
４３  第３パルス管中温部
４４  第３パルス管低温部
５１  第２パルス管連通部
５２  第３パルス管連通部
Ｄ２、Ｄ３、Ｄ５、Ｄ６、Ｄ８、Ｄ９、Ｄ１０、Ｄ１１、Ｄ１３、Ｄ１４、Ｄ１６  軸間距離
Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５、Ｒ６、Ｒ７、Ｒ８、Ｒ９、Ｒ１０、Ｒ１１、Ｒ１２、Ｒ１３、Ｒ１４、Ｒ１５、Ｒ１６  半径
【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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【図１４】
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