(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
切換弁(１２)によって高圧ガス室(１６)と低圧ガス室(１８)とに切り換え接続される蓄冷器(１,２)と、この蓄冷器(１,２)に先端部が連通された１または複数のパルス管(３,４)と、各パルス管(３,４)の先端部に設けられた冷却ステージ(２４,２５)を有するパルス管冷凍機において、
上記１または複数のパルス管(３,４)のうち、少なくとも最終段の蓄冷器(２)に連通されたパルス管(４)のシリンダ(２７)における低温側領域の肉厚を、高温側領域の肉厚よりも厚くしたことを特徴とするパルス管冷凍機。
【請求項２】
請求項１に記載のパルス管冷凍機において、
上記シリンダ(２７)における高温側領域よりも肉厚が厚い領域(２９)は、低温端からの長さが上記シリンダ(２７)全長の７０％以下の領域であることを特徴とするパルス管冷凍機。
【請求項３】
請求項１に記載のパルス管冷凍機において、
上記シリンダ(２７)における高温側領域よりも肉厚が厚い領域(２９)は、低温端からの長さが上記シリンダ(２７)全長の５０％以下の領域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】
この発明は、パルス管冷凍機の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、冷凍機として、特開２００１‐２６３８４０号公報に開示されているようなパルス管冷凍機がある。このパルス管冷凍機は、低温部に、ギフォードマクマホン型冷凍機のディスプレーサのような可動部分が無く構造が簡単で、振動の少ない冷凍機として期待されている。
【０００３】
上記パルス管冷凍機は、蓄冷器とパルス管とを有している。そして、上記蓄冷器の高温端は、高圧側バルブによって圧縮機の吐出口に接続される一方、低圧側バルブによって上記圧縮機の吸入口に接続されている。そして、この蓄冷器の低温端部には、上記パルス管の低温端部が接続されており、上記パルス管の高温端部にはオリフィスを介してバッファタンクが接続されている。
【０００４】
上記構成において、上記低圧側バルブが閉鎖される一方、上記高圧側バルブが開放されると、上記圧縮機から高圧の作動ガス(ヘリウムガス等)が蓄冷器に導入されて蓄冷材と熱交換を行いつつ低温端部に至り、パルス管の低温端部に流入する。そうすると、既にパルス管に存在している作動ガスが、新たに流入した作動ガスによって押されて高温端側に移動する。その結果、上記パルス管内の圧力が上記バッファタンク内の圧力よりも高くなって、作動ガスがオリフィスを通ってバッファタンク内に流入する。
【０００５】
次に、上記高圧側バルブが閉鎖される一方、低圧側バルブが開放されると、上記蓄冷器の高温端側の作動ガスが上記圧縮機に吸入され、それに連れてパルス管内の作動ガスが蓄冷器の低温端側に流れ込み、蓄冷材を冷却して温度上昇しつつ高温端側に移動し、圧縮機の吸入口に戻る。その際に、上記バッファタンク内の作動ガスがオリフィスを通ってパルス管内に戻る。
【０００６】
こうして、上記パルス管内で作動ガスの圧縮・膨張が繰り返され、その際における断熱膨張によって冷熱が発生して上記蓄冷器の低温端に設けられた冷却ステージが３０Ｋ〜８０Ｋ程度に冷却される。また、上記蓄冷器を２段に構成し、各段夫々の蓄冷器を異なるパルス管に接続した場合には、２段目の蓄冷器の冷却ステージが１０Ｋ以下に冷却される。さらに、上記２段目の蓄冷器の低温端側に極低温においても大きな比熱を有する磁性材料を用いた場合には、４Ｋ以下に冷却される。
【０００７】
上述したように、上記従来のパルス管冷凍機においては、パルス管内に上記ディスプレーサのような可動部分は無い。したがって、振動が少なく、光学機器等の精密機器の冷却に用いられている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来のパルス管冷凍機には以下のような問題がある。すなわち、上記パルス管内では、流入・排出される作動ガスによって圧力が低圧と高圧との間で脈動する。したがって、上記パルス管の肉厚が薄い場合には数十μの範囲で伸び縮みが生じ、パルス管の低温端に設けられた冷却ステージが振動することになる。このような振動は、上記ディスプレーサの可動に起因する振動に比べて小さいとは言うもののさらに小さいに越したことは無く、さらに小さくすることによって、冷却対象となる光学機器による計測精度の更なる向上を図ることができるのである。
【０００９】
そこで、この発明の目的は、冷却ステージの振動をより少なくし且つ冷却性能の低下を抑制できるパルス管冷凍機を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に係る発明は、切換弁によって高圧ガス室と低圧ガス室とに切り換え接続される蓄冷器と,この蓄冷器に先端部が連通された１または複数のパルス管と,各パルス管の先端部に設けられた冷却ステージを有するパルス管冷凍機において、上記１または複数のパルス管のうち、少なくとも最終段の蓄冷器に連通されたパルス管のシリンダにおける低温側領域の肉厚を、高温側領域の肉厚よりも厚くしたことを特徴としている。
【００１１】
上記構成によれば、少なくとも最終段の蓄冷器に連通されたパルス管(以下、最終段のパルス管と言う)のシリンダにおける低温側領域の肉厚が、高温側領域の肉厚よりも厚くなっている。したがって、従来の最終段のパルス管におけるシリンダよりも剛性が大きくなって、上記最終段のパルス管内におけるガス圧の脈動に起因する冷却ステージの振動が低減される。
【００１２】
また、上記最終段のパルス管のシリンダにおける高温側領域の肉厚を従来のパルス管シリンダと同等にすることによって、上記低温側領域の厚肉化に伴う高温端部から低温側への熱伝導が抑制されて、冷凍性能の低下が防止される。
【００１３】
また、請求項２に係る発明は、上記請求項１に係る発明のパルス管冷凍機において、上記シリンダにおける高温側領域よりも肉厚が厚い領域は、低温端からの長さが上記シリンダ全長の７０％以下の領域であることを特徴としている。
【００１４】
上記構成によれば、上記最終段のパルス管内が減圧されるガス吐出時でも温度４Ｋを保つことができる領域の肉厚が、他の領域よりも厚くなっている。したがって、上記高温端部から低温側への熱伝導が効果的に抑制される。
【００１５】
また、請求項３に係る発明は、上記請求項１に係る発明のパルス管冷凍機において、上記シリンダにおける高温側領域よりも肉厚が厚い領域は、低温端からの長さが上記シリンダ全長の５０％以下の領域であることを特徴としている。
【００１６】
上記構成によれば、上記最終段のパルス管内が減圧されるガス吐出時でもガス吸入時でも温度４Ｋを保つことができる領域の肉厚が、他の領域よりも厚くなっている。したがって、上記高温端部から低温側への熱伝導がより確実に抑制される。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、この発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。図１は、本実施の形態のパルス管冷凍機における断面図である。
【００１８】
このパルス管冷凍機は、第１蓄冷器１と、この第１蓄冷器１の先端部に連通して直列に設けられた第２蓄冷器２と、先端が連通管５によって第１蓄冷器１の先端部に連通された第１パルス管３と、先端が連通管６によって第２蓄冷器２の先端部に連通された第２パルス管４とを有している。そして、第１蓄冷器１,第１パルス管３および第２パルス管４の基端部は、バルブ室７の端面に取り付けられたフランジ８に挿入されて固定されており、バルブ室７はモータ室９に固定されている。ここで、第１蓄冷器１内にはメッシュ状の蓄冷材１０(一部のみ図示)が積層されて充填され、第２蓄冷器２内には球状の蓄冷材１１(一部のみ図示)が充填されている。
【００１９】
上記バルブ室７には、ロータとステータとで構成される切換弁１２が設けられており、モータ室９に設けられた駆動モータ１３によって切換弁１２の上記ロータを回転駆動することによって、第１蓄冷器１の基端部が、通路１４を介して、導入口１５を有する高圧室１６と排出口１７を有する低圧室１８とに切り換え連通される。尚、駆動モータ１３は高圧室１６内に収納されており、導入口１５は圧縮機１９の吐出口に接続されており、排出口１７は圧縮機１９の吸入口に接続されている。
【００２０】
また、上記第１パルス管３の基端部は、第１流路抵抗２０が介設された流路によって通路１４に連通されている。更に、第１パルス管３の基端部は、第２流路抵抗２１が介設された流路によってバッファタンク２２に連通されている。尚、図１では省略されているが、第２パルス管４の基端部も同様に、流路抵抗が介設された流路によって通路１４とバッファタンク２２とに連通されている。
【００２１】
上記構成を有するパルス管冷凍機は、上記駆動モータ１３によって切換弁１２を回転して、第１蓄冷器１の基端部を高圧室１６と低圧室１８とに切り換え接続することによって、上記従来のパルス管冷凍機の場合と同様にして、第１パルス管３内で作動ガスが圧縮と膨張とを繰り返し、その際における断熱膨張によって発生する冷熱によって、第１蓄冷器１の先端部に設けられたシールド冷却ステージ２３および第１パルス管３の先端部に設けられた冷却ステージ２４が３０Ｋ〜８０Ｋ程度に冷却される。
【００２２】
さらに、本パルス管冷凍機の蓄冷器は２段に構成されているため、上記高圧室１６から第１蓄冷器１内に導入された高圧作動ガスは、第１蓄冷器１の先端から第２蓄冷器２の基端部に導入される。そして、第２蓄冷器２の蓄冷材１１と熱交換を行いつつ先端部に至り、連通管６を通って第２パルス管４の先端部に流入する。そうすると、既に第２パルス管４に存在している作動ガスが、新たに流入した作動ガスによって押されて基端側に移動し始める。同時に、第１流路抵抗を通って第２パルス管４の基端部に作動ガスが流入し、第２パルス管４の先端部から流入する作動ガスが抑制される。その結果、作動ガスの移動のタイミングが第２パルス管４内における圧力変化のタイミングに対して遅れる。その後、第２パルス管４内の圧力がバッファタンク２２内の圧力よりも高くなって基端側の作動ガスが第２流路抵抗を通ってバッファタンク２２内に流入し、第２パルス管４内の作動ガスが基端側に移動する。
【００２３】
次に、上記第１蓄冷器１が低圧室１８に切り換え接続されると、上記第１蓄冷器１内の減圧に伴って第２蓄冷器２内の作動ガスが第１蓄冷器１に吸入され始める。そうすると、既に第２パルス管４に存在している作動ガスが、第２蓄冷器２に吸入され、第２パルス管４内の作動ガスが低温端側に移動し始める。同時に、第１流路抵抗を通って第２パルス管４の基端側の作動ガスが流出し、第２パルス管４の先端部から流出する作動ガスが抑制される。その後、バッファタンク２２内の作動ガスが第２流路抵抗を通って第２パルス管４内に戻ると共に、第２パルス管４内の作動ガスが第２蓄冷器２の低温端側に流れ込み、蓄冷材１１を冷却して温度上昇しつつ高温端側に移動し、第１蓄冷器１を介して圧縮機１９の吸入口に戻る。
【００２４】
こうして、上記第２パルス管４内において、第１パルス管３によって３０Ｋ〜８０Ｋ程度に冷却された作動ガスの圧縮・膨張が繰り返され、その際における断熱膨張によって発生した冷熱によって、第２パルス管４の先端部に設けられた冷却ステージ２５が４Ｋ程度に冷却されるのである。
【００２５】
ここで、本実施の形態においては、図２に示すように、上記第２パルス管４のパルス管シリンダ２７のうち、低温端から高温端に向って全長の７０％の領域２９の肉厚を、高温端側３０％の領域３０の肉厚よりも厚くしている。その際に、パルス管シリンダ２７における高温端側３０％の領域３０の肉厚は、第１パルス管３のパルス管シリンダ２８の肉厚と同じであり、従来のパルス管シリンダの肉厚と同等の肉厚である。こうして、パルス管シリンダ２７の剛性を高めることによって、第２パルス管４内における圧力の脈動に起因する冷却ステージ２５の振動を防止するのである。
【００２６】
一方において、上記第２パルス管４のパルス管シリンダ２７全体の肉厚を厚くすると、パルス管シリンダ２７の熱伝導性が良くなり高温端部から低温側に熱伝導が生ずる。そのために冷凍性能が低下することになる。
【００２７】
図３は、パルス管シリンダにおける長さ方向への温度分布を示す。尚、上記長さは低温端を原点として全長に対する割合で表している。また、実線はガス吸入時(高圧時)の温度分布であり、破線はガス吐出時(低圧時)の温度分布である。図３から明らかなように、上記ガス吸入時には、上記パルス管シリンダにおける低温端から５０％までは温度４Ｋを保っており、高温側５０％においては高温端に向って温度が上昇して高温端では温度３００Ｋとなる。一方、上記ガス吐出時には、上記パルス管シリンダにおける低温端から７０％までは温度４Ｋを保っており、高温側３０％においては高温端の温度３００Ｋに向って温度が上昇する。
【００２８】
すなわち、上記パルス管シリンダにおける低温端から７０％まで(望ましくは５０％まで)は、常に安定して冷却対象物を冷却するに充分な温度４Ｋが保たれている。したがって、その部分の肉厚を厚くしても、高温端から３０％まで(望ましくは５０％まで)の肉厚を従来のパルス管シリンダと同等にしておけば、高温側から低温側への熱伝導を抑制することができ、低温側の肉厚増加による冷凍能力の低下を抑制することができるのである。
【００２９】
したがって、本実施の形態におけるパルス管冷凍機のごとく、上記第２パルス管４のパルス管シリンダ２７における低温端から高温端に向って全長の７０％の領域２９の肉厚を、高温端側３０％の領域３０の肉厚よりも厚くすることによって、冷却ステージ２５の振動を従来よりも小さくすることができる。すなわち、冷却ステージ２５に取り付けられる光学機器等の精密機器に対する振動の影響を小さくして、上記精密機器による計測精度を従来のパルス管冷凍機よりも大幅に向上できるのである。また、高温端側３０％の領域３０の肉厚を、従来のパルス管シリンダの場合と同等にすることによって、高温側から低温側への熱伝導を抑制して、低温側の肉厚増加による冷凍能力の低下を抑制することができる。
【００３０】
尚、上記実施の形態においては、上記パルス管シリンダ２７における高温側領域よりも肉厚を厚くする領域を、低温端から高温端に向って全長の７０％の領域２９としている。しかしながら、この発明は全長の７０％の領域に限定されるものではなく、７０％以下の領域であれば差し支えない。さらに、上記吸入時も吐出時も温度４Ｋを保つことが可能な５０％以下の領域とすることによって、上記低温側の肉厚増加による冷凍能力の低下をより確実に抑制することができる。
【００３１】
また、上記実施の形態においては、上記第２パルス管４のパルス管シリンダ２７のみにこの発明を適用しているが、１段目の第１パルス管３のパルス管シリンダ２８にも適用しても一向に構わない。要は、少なくとも、冷却の対象となる精密機器が直接取り付けられる最終段のパルス管のパルス管シリンダ２７に適用されていれば良いのである。
【００３２】
また、上記実施の形態においては、上記第１蓄冷器１および第１パルス管３と第２蓄冷器２および第２パルス管４とで成る２段のパルス管冷凍機の場合を例に説明しているが、３段以上のパルス管冷凍機にも適用できることは言うまでもない。その場合にも、少なくとも、最終段のパルス管のパルス管シリンダにこの発明を適用すれば良いのである。
【００３３】
【発明の効果】
以上より明らかなように、請求項１に係る発明のパルス管冷凍機は、少なくとも最終段の蓄冷器に連通された最終段のパルス管のシリンダにおける低温側領域の肉厚を、高温側領域の肉厚よりも厚くしている。したがって、従来の最終段のパルス管におけるシリンダよりも剛性を大きくして、上記最終段のパルス管内におけるガス圧の脈動に起因する冷却ステージの振動を従来のパルス管冷凍機よりも少なくできる。
【００３４】
さらに、上記最終段のパルス管のシリンダにおける高温側領域の肉厚を、従来のパルス管シリンダと同等にすることによって、上記低温側領域の厚肉化に伴う高温側から低温側への熱伝導を抑制でき、冷凍性能の低下を防止できる。
【００３５】
すなわち、この発明によれば、光学機器等の精密機器の冷却に最適なパルス管冷凍機を提供できるのである。
【００３６】
また、請求項２に係る発明のパルス管冷凍機は、上記最終段のパルス管のシリンダにおける肉厚を厚くする領域を、低温端からの長さが全長の７０％以下である領域としたので、ガス吐出時でも温度４Ｋを保つことができる領域の肉厚を他の領域よりも厚くして、上記低温端部から高温側への冷熱の伝導を効果的に抑制することができる。
【００３７】
また、請求項３に係る発明のパルス管冷凍機は、上記最終段のパルス管のシリンダにおける肉厚を厚くする領域を、低温端からの長さが全長の５０％以下である領域としたので、ガス吐出時でもガス吸入時でも温度４Ｋを保つことができる領域の肉厚を他の領域よりも厚くして、上記高温側から低温側への熱伝導をより確実に抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明のパルス管冷凍機における断面図である。
【図２】  図１における第２パルス管のパルス管シリンダの肉厚の状態を示す図である。
【図３】  パルス管シリンダの長さ方向への温度分布を示す図である。
【符号の説明】
１…第１蓄冷器、
２…第２蓄冷器、
３…第１パルス管、
４…第２パルス管、
５,６…連通管、
８…フランジ、
１０,１１…蓄冷材、
１２…切換弁、
１３…駆動モータ、
１６…高圧室、
１８…低圧室、
１９…圧縮機、
２０,２１…流路抵抗、
２２…バッファタンク、
２４,２５…冷却ステージ、
２７,２８…パルス管シリンダ。
【図１】
0003793481.tif 000002
【図２】
0003793481.tif 000003
【図３】
0003793481.tif 000004