パルスチューブ冷凍機
【課題】パルスチューブ冷凍機において、熱交換器を有する第１段蓄冷管を流通する冷媒ガスの圧力損失を抑制する。
【解決手段】熱交換器を有する第１段蓄冷管の低温端と第１段パルス管の低温端とが接続された第１段の冷却ステージ、および第２段蓄冷管の低温端と第２段パルス管の低温端とが接続された第２段の冷却ステージを少なくとも有するパルスチューブ冷凍機であって、前記第１段蓄冷管の低温端は、前記第１段パルス管と第１の流通経路を介して連通されており、前記第２段蓄冷管と第２の流通経路を介して連通されており、前記第１の流通経路は、内部を流れる冷媒ガスが前記熱交換器と熱交換されるように構成され、前記第２の流通経路は、内部を流れる冷媒ガスが前記熱交換器をバイパスするように構成されるパルスチューブ冷凍機。
【解決手段】熱交換器を有する第１段蓄冷管の低温端と第１段パルス管の低温端とが接続された第１段の冷却ステージ、および第２段蓄冷管の低温端と第２段パルス管の低温端とが接続された第２段の冷却ステージを少なくとも有するパルスチューブ冷凍機であって、前記第１段蓄冷管の低温端は、前記第１段パルス管と第１の流通経路を介して連通されており、前記第２段蓄冷管と第２の流通経路を介して連通されており、前記第１の流通経路は、内部を流れる冷媒ガスが前記熱交換器と熱交換されるように構成され、前記第２の流通経路は、内部を流れる冷媒ガスが前記熱交換器をバイパスするように構成されるパルスチューブ冷凍機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パルスチューブ冷凍機に関し、特に多段式のパルスチューブ冷凍機に関する。
【背景技術】
【０００２】
パルスチューブ冷凍機は、極低温環境が必要となる装置、例えば、核磁気共鳴診断装置（ＭＲＩ）等を冷却する際等において、広く使用されている。
【０００３】
パルスチューブ冷凍機では、ガス圧縮機により圧縮された作動流体である冷媒ガス（例えば、ヘリウムガス）が蓄冷管およびパルス管に流入する動作と、ガス圧縮機により作動流体が回収されパルス管および蓄冷管から流出する動作を繰り返すことで、蓄冷管およびパルス管の低温端に寒冷が形成される。また、これらの低温端を被冷却対象である被冷却体に熱的に接触させることで、被冷却体から熱を奪うことができる。
【０００４】
例えば、２段式のパルスチューブ冷凍機の場合、パルスチューブ冷凍機は、第１段および第２段の蓄冷管と、第１段および第２段のパルス管とを備える。
【０００５】
通常、第１段および第２段の蓄冷管は、内部に蓄冷材を有する筒状部材（シリンダ）で構成され、第１段および第２段のパルス管は、中空のシリンダで構成される。それぞれのシリンダは、一端が高温端、他端が低温端を構成する。第１段蓄冷管と第１段パルス管の両低温端には、第１段の冷却ステージが設置され、第２段蓄冷管と第２段パルス管の両低温端には、第２段の冷却ステージが設置され、これらの冷却ステージに、被冷却体が接続される。なお、第１段蓄冷管の低温端は、第２段蓄冷管の高温端とも連通可能に接続される。
【０００６】
通常、第１段および第２段のパルス管の低温端には、冷媒ガスの寒冷を熱伝達するため、熱交換器が設けられている。
【０００７】
しかしながら、熱交換器を、第１段および第２段のパルス管にのみに設置した場合、第１段および第２段のパルス管の全長が長くなり、さらにはパルスチューブ冷凍機全体が大型化してしまう。そこで、装置の小型化が重要なときなどには、熱交換器の一部（または全部）を第１段および第２段の蓄冷管の低温端に設置し、これによりパルスチューブ冷凍機の寸法を抑制している（例えば特許文献１）。
【０００８】
例えば、第１段蓄冷管の低温端に熱交換器を設置した場合、第１段のパルス管、および第２段のパルス管〜第２段蓄冷管を通り、流入する冷媒ガスの寒冷がこの熱交換器と熱交換される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】米国特許第６７１５３００Ｂ２号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
前述のように、第１段蓄冷管の低温端に設置される熱交換器は、ガス圧縮機により、冷媒ガスが回収されるモードにおいて、第１段のパルス管から、および第２段蓄冷管を介して、第２のパルス管から第１段蓄冷管に流れる冷媒ガスの寒冷を伝達（吸収）するために使用される。
【００１１】
しかしながら、第２のパルス管から、第２段蓄冷管を介して第１段蓄冷管に流れる冷媒ガスに着目した場合、この冷媒ガスから熱交換器に伝達される熱量（寒冷）は、実質上極めて少ないものと予想される。これは、この冷媒ガスは、第２段蓄冷管の高温端を通過するまでに、例えば第２段蓄冷管に含まれる蓄冷材に対して、既にある程度の寒冷を放出しており、熱交換器の位置では、もはや顕著な冷却能力を有さないためである。
【００１２】
一方、熱交換器との間の熱交換の発生有無に関わらず、第２段蓄冷管４１からの冷媒ガスが熱交換器を通過する以上、この熱交換器の流通前後において、冷媒ガスに所定の圧力損失が生じることは、避けられない。すなわち、第２段蓄冷管から第１段蓄冷管に流れるこの冷媒ガスについては、熱交換器との間で、実質的な熱交換をすることなく、「無駄」な圧力損失を発生させていることになる。
【００１３】
さらに、このような圧力損失は、装置全体としての冷却性能の低下につながるため、できる限り抑制する必要がある。
【００１４】
本発明は、このような背景に鑑みなされたものであり、本発明では、熱交換器を有する第１段蓄冷管を流通する冷媒ガスの圧力損失を有意に抑制することが可能な、多段式パルスチューブ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】
本発明では、熱交換器を有する第１段蓄冷管の低温端と第１段パルス管の低温端とが接続された第１段の冷却ステージ、および第２段蓄冷管の低温端と第２段パルス管の低温端とが接続された第２段の冷却ステージを少なくとも有し、内部に冷媒ガスが流通することにより、前記第１段および第２段の冷却ステージに寒冷が発現される多段式のパルスチューブ冷凍機であって、
前記第１段蓄冷管の低温端は、前記第１段パルス管と第１の流通経路を介して連通されており、前記第２段蓄冷管と第２の流通経路を介して連通されており、
前記第１の流通経路は、内部を流れる冷媒ガスが前記熱交換器と熱交換されるように構成され、
前記第２の流通経路は、内部を流れる冷媒ガスが前記熱交換器をバイパスするように構成されることを特徴とする多段式のパルスチューブ冷凍機が提供される。
【００１６】
ここで、本発明による多段式のパルスチューブ冷凍機において、前記熱交換器は、前記第１段蓄冷管の内壁と、プラグ部との間に形成された隙間構造を有しても良い。
【００１７】
また、本発明による多段式のパルスチューブ冷凍機において、前記第２の流通経路は、前記熱交換器を貫通するようにして設けられた貫通路であっても良い。
【００１８】
また、本発明による多段式のパルスチューブ冷凍機において、前記第１段パルス管の低温端および／または第２段パルス管の低温端は、熱交換器を有しても良い。
【００１９】
なお、当該多段式のパルスチューブ冷凍機は、２段式であっても良い。
【発明の効果】
【００２０】
本発明では、熱交換器を有する第１段蓄冷管を流通する冷媒ガスの圧力損失を有意に抑制することが可能な、多段式パルスチューブ冷凍機を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】従来の２段式パルスチューブ冷凍機の構成を概略的に示した図である。
【図２】本発明の２段式パルスチューブ冷凍機の構成の一例を概略的に示した図である。
【図３】本発明の２段式パルスチューブ冷凍機において、第１段蓄冷管の低温端の別の構成を拡大して示した概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、図面を参照して、本発明について詳しく説明する。
【００２３】
まず、本発明によるパルスチューブ冷凍機の特徴および利点をより良く理解するため、図１を用いて、従来の２段式パルスチューブ冷凍機の構成および動作について説明する。
【００２４】
図１は、従来の２段式パルスチューブ冷凍機の構成を概略的に示した図である。
【００２５】
従来の２段式パルスチューブ冷凍機１は、ガス圧縮機１１と、ハウジング部１０と、該ハウジング部１０にフランジ２１を介して連結されたコールドヘッド部２０とを備えている。
【００２６】
ガス圧縮機１１は、ハウジング部１０さらにはコールドヘッド部２０に、ヘリウムガス等の冷媒ガスを所定の周期で高圧流入させたり、低圧排気させたりする役割を有する。
【００２７】
ハウジング部１０は、ハウジング５を有し、このハウジング５内には、第１段リザーバ１５Ａ、第２段リザーバ１５Ｂ、上部熱交換部材１８ａ、１９ａ、吸気バルブ１２、排気バルブ１３およびオリフィス１７等が収容されている。吸気バルブ１２および排気バルブ１３は、ガス配管１４を介して、ガス圧縮機１１に接続されている。なお、ハウジング５は、例えばアルミニウムまたはアルミニウム合金で構成されている。
【００２８】
コールドヘッド部２０は、第１段蓄冷管３１、第１段パルス管３６、第１段の冷却ステージ３０、第２段蓄冷管４１、第２段パルス管４６および第２段の冷却ステージ４０を有する。
【００２９】
第１段蓄冷管３１は、例えばステンレス鋼の中空状のシリンダ３２と、その内部に充填された銅やステンレス鋼製金網等の蓄冷材３３と、熱交換器６０とを有する。熱交換器６０は、例えば、多孔板等で構成される。第１段蓄冷管３１は、フランジ２１に接触、固定された高温端３２ａと、第１段の冷却ステージ３０に接触、固定された低温端３２ｂを有する。第１段蓄冷管３１の低温端３２ｂは、第１流通口５５と、第２流通口５７とを有する。
【００３０】
第１段パルス管３６は、例えばステンレス鋼の中空状のシリンダ３７で構成される。第１段パルス管３６の高温端３７ａはフランジ２１に接触、固定され、低温端３７ｂは、第１段の冷却ステージ３０に接触、固定されている。従って、第１段蓄冷管３１の低温端３２ｂと、第１段パルス管３６の低温端３７ｂとは、第１段の冷却ステージ３０を介して接続されている。
【００３１】
第１段の冷却ステージ３０には、その内部に第１の流通経路３８が形成されており、この第１の流通経路３８は、前述の第１段蓄冷管３１の低温端３２ｂに設けられた第１流通口５５に接続されている。第１段の冷却ステージ３０は、図示しない被冷却対象に熱的および機械的に接続され、寒冷が被冷却対象に取り出される。
【００３２】
また、第２段蓄冷管４１は、例えばステンレス鋼の中空状のシリンダ４２と、その内部に充填された球状の鉛や磁性材料等からなる蓄冷材４３とを有する。第２段蓄冷管４１の高温端４２ａは、第１段の冷却ステージ３０に接触、固定され、低温端４２ｂは、第２段の冷却ステージ４０に接触、固定されている。第２段蓄冷管４１の低温端４２ｂは、例えば多孔板等で構成された熱交換器４９を有する。なお、第２段蓄冷管４１は、前述の第１段蓄冷管３１の低温端３２ｂの第２流通口５７に接続された第２の流通経路５８を介して、第１段蓄冷管３１とガスの流通が可能となるように接続されている。
【００３３】
第２段パルス管４６は、例えばステンレス鋼の中空状のシリンダ４７で構成される。第２段パルス管４６の高温端４７ａは、フランジ２１に接触、固定され、低温端４７ｂは、第２段の冷却ステージ４０に接触、固定されている。
【００３４】
第２段の冷却ステージ４０には、その内部にガス流路４８が形成されており、これにより、第２段パルス管４６の低温端４７ｂと第２段蓄冷管４１の低温端４２ｂとが、ガス流路４８を介して接続される。第２段の冷却ステージ４０は、図示しない被冷却対象に熱的および機械的に接続され、寒冷が被冷却対象に取り出される。
【００３５】
パルスチューブ冷凍機１では、ガス圧縮機１１から、高圧の冷媒ガスが吸気バルブ１２およびガス流路１４を介して第１段蓄冷管３１に供給され、また、第１段蓄冷管３１から低圧の冷媒ガスがガス流路１４および排気バルブ１３を介してガス圧縮機１１に排気される。第１段パルス管３６の高温端３７ａは、上部熱交換部材１８ａおよびオリフィス１７を介して、第１段リザーバ１５Ａまで接続されている。また、第２段パルス管４６の高温端４７ａは、熱交換器１９ａおよびオリフィス１７を介して、第２段リザーバ１５Ｂまで接続されている。オリフィス１７は、第１段パルス管３６および第２段パルス管４６において、周期的に変化する冷媒ガスの圧力変動と体積変化との位相差を調整する役割を果たす。
【００３６】
次に、このように構成された２段式パルスチューブ冷凍機１の動作を説明する。まず、第１の作動モードでは、吸気バルブ１２が開状態、排気バルブ１３が閉状態になり、高圧の冷媒ガスが、ガス圧縮機１１から第１段蓄冷管３１に流入する。第１段蓄冷管３１内に流入した冷媒ガスは、蓄冷材３３により冷却されて温度を下げながら、熱交換器６０を通過する。さらに、熱交換器６０を通過した冷媒ガスの一部は、第１段蓄冷管３１の低温端３２ｂに設けられた第１流通口５５から、第１の流通経路３８を経て、第１段パルス管３６の内部に流入する。この際に、第１段パルス管３６の内部に予め存在していた低圧の冷媒ガスは、流入した高圧の冷媒ガスにより圧縮される。これにより、第１段パルス管３６内の冷媒ガスの圧力は、第１段リザーバ１５Ａ内の圧力よりも高くなり、冷媒ガスは、オリフィス１７およびガス流路１６を通って、第１段リザーバ１５Ａに流入する。
【００３７】
また、熱交換器６０を通過した冷媒ガスの他方は、第１段蓄冷管３１の低温端３２ｂの第２流通口５７に接続された第２の流通経路５８を介して、第２段蓄冷管４１にも流入する。この冷媒ガスは、蓄冷材４３によりさらに冷却されて温度を下げながら、第２段蓄冷管４１の低温端４２ｂからガス流路４８を通り、第２段パルス管４６の内部に流入する。この際に、第２段パルス管４６の内部に予め存在していた低圧の冷媒ガスは、流入した高圧の冷媒ガスにより圧縮される。これにより、第２段パルス管４６内の冷媒ガスの圧力は、第２段リザーバ１５Ｂ内の圧力よりも高くなり、冷媒ガスは、オリフィス１７およびガス流路１６を通って、第２段リザーバ１５Ｂに流入する。
【００３８】
次に、第２の作動モードにおいて、吸気バルブ１２が閉じ、排気バルブ１３が開かれると、第１段パルス管３６内の冷媒ガスは、第１の流通経路３８および第１流通口５５を通り、熱交換器６０および蓄冷材３３を冷却しながら、第１段蓄冷管３１を通過する。同様に、第２段パルス管４６内の冷媒ガスは、熱交換器４９および蓄冷材４３を冷却しながら、第２段蓄冷管４１を通過する。また、第２段蓄冷管４１を通過した冷媒ガスは、さらに第２の流通経路５８および第２流通口５７を介して、熱交換器６０および蓄冷材３３を通過する。その後、冷媒ガスは、第１段蓄冷管３１の高温端３２ａから排気バルブ１３を通り、ガス圧縮機１１に戻る。
【００３９】
ここで、第１段パルス管３６および第２段パルス管４６は、それぞれ、オリフィス１７を介して、第１段リザーバ１５Ａおよび第２段リザーバ１５Ｂと接続されているため、冷媒ガスの圧力変動の位相と、冷媒ガスの体積変化の位相とは、一定の位相差で変化する。この位相差により、第１段パルス管３６の低温端３７ｂおよび第２段パルス管４６の低温端４７ｂにおいて、冷媒ガスの膨張による寒冷が発生する。パルスチューブ冷凍機１は、上記の動作が反復されることで冷凍機として機能する。
【００４０】
しかしながら、このようなパルスチューブ冷凍機１の構成では、以下のような問題が生じ得る。
【００４１】
前述のように、第２の作動モードでは、第２段蓄冷管４１内の冷媒ガスは、第１段蓄冷管３１を介してガス圧縮機１１に戻る際に、第２の流通経路５８および第２流通口５７を通過した後、熱交換器６０を通って、第１段蓄冷管３１内を移動することになる。
【００４２】
しかしながら、第２段蓄冷管４１の高温端４２ａを通過した冷媒ガスは、蓄冷材４３に対して、既にある程度の寒冷を放出しているため、第２の流通経路５８〜熱交換器６０の位置では、もはや顕著な冷却能力を有さない状態となっている。換言すれば、熱交換器６０の位置では、冷媒ガスは、熱交換器６０とあまり変わらない温度（例えば、４０Ｋ程度）になっており、このため、冷媒ガスがこの熱交換器６０を冷却する効果は、ほとんどないと言える。
【００４３】
一方、熱交換器６０での熱交換の有無に関わらず、第２の作動モードにおいて、第２段蓄冷管４１内の冷媒ガスが熱交換器６０を通過する以上、この熱交換器６０の流通前後において、冷媒ガスに圧力損失が生じることは、避けられない。従って、第２段蓄冷管４１から、第２の流通経路５８を介して、第２流通口５７を通過する冷媒ガスについては、冷媒ガスが熱交換器６０を通過する度に、冷媒ガスに「無駄」な圧力損失が発生することになる。さらに、このような「無駄」な圧力損失は、装置全体の冷却能力の低下につながるため、できるだけ抑制する必要がある。
【００４４】
本発明は、このような問題を解決することを目的として提案されたものであり、本発明では、このような第１段蓄冷管３１の低温端３２ｂを通る冷媒ガスの「無駄」な圧力損失を有意に抑制することが可能なパルスチューブ冷凍機が提供される。
【００４５】
以下、図２を参照して、本発明の特徴について説明する。
【００４６】
図２には、本発明に係る２段式のパルスチューブ冷凍機の概略構成図を示す。なお、図２において、図１の構成部材と実質的に対応する構成部材には、図１の参照符号に１００を加えた参照符号が示されていることに留意する必要がある。
【００４７】
図２に示すように、本発明による２段式パルスチューブ冷凍機１００も、前述の２段式パルスチューブ冷凍機１と同様、ガス圧縮機１１１と、ハウジング部１１０と、該ハウジング部１１０にフランジ１２１を介して連結されたコールドヘッド部１２０とを備えている。従って、本発明の２段式パルスチューブ冷凍機１００において、前述の構成部材と同様の構成部材については、繰り返し説明しない。
【００４８】
ただし、本発明の２段式パルスチューブ冷凍機１００では、以下に詳しく説明するように、第１段蓄冷管１３１の構造が、前述の第１段蓄冷管３１とは大きく異なるという特徴を有する。
【００４９】
本発明の２段式パルスチューブ冷凍機１００では、熱交換器１６０を有する第１段蓄冷管１３１の低温端１３２ｂは、第１流通口１５５と、第２流通口１５７とを有する。ここで、第１流通口１５５は、実質的に前述の２段式パルスチューブ冷凍機１の第１流通口５５に相当し、第１段ステージの内部に設けられた第１の流通経路１３８と接続されている。一方、第２流通口１５７は、熱交換器１６０を貫通するように設けられた貫通路１５９と接続されており、このため貫通路１５９は、第２の流通経路１５８とも接続される。換言すれば、第２の流通経路１５８は、貫通路１５９により、熱交換器１６０をバイパスする構造となっている。
【００５０】
従って、第２段蓄冷管１４１から第１段蓄冷管１３１に移動する冷媒ガスは、第２の流通経路１５８を通り、第２流通口１５７および貫通路１５９を介して、熱交換器１６０を通らずに、第２段蓄冷管１４１内に流通される。なお、第１段パルス管１３６から、第１段蓄冷管１３１に移動する冷媒ガスは、従来通り、第１の流通経路１３８および第１流通口１５５を介して熱交換器１６０を通り、第１段パルス管１３６内に流通される。
【００５１】
このような第１段蓄冷管１３１〜第２段蓄冷管１４１の構成では、第２の作動モードにおいて、第２段蓄冷管４１内の冷媒ガスは、熱交換器１６０を通らないようにバイパスされ、すなわちこの冷媒ガスは、第２の流通経路１５８および第２流通口１５７を介して、第１段蓄冷管３１内に流入することが可能となる。従って、前述のような冷媒ガスの「無駄」な圧力損失を有意に抑制することができる。
【００５２】
また前述のように、第２の作動モードにおいて、第２段蓄冷管１４１の高温端１４２ａから第１段蓄冷管１３１の方に戻る冷媒ガスは、蓄冷材１４３に対して、既にある程度の寒冷を放出しているため、既に冷却能力の大部分を喪失している（例えば、冷媒ガス温度４０Ｋ程度）。従って、冷媒ガスが熱交換器１６０をバイパスするように流通路を構成しても、これにより、熱交換器１６０の位置での熱伝達効率が実質的に低下することはない。
【００５３】
このように、本発明では、第１段蓄冷管１３１の低温端３２ｂにおいて、従来の熱伝達性能を維持したまま、低温端３２ｂを通る冷媒ガスの「無駄」な圧力損失を有意に抑制することが可能となる。
【００５４】
以上の説明では、本発明によるパルスチューブ冷凍機１００の第１の作動モードにおける冷媒ガスの流れについて、説明を省略した。しかしながら、本発明では、第１の作動モードにおいても、熱交換器１６０を通る冷媒ガスの圧力損失が有意に抑制されることは明らかであろう。
【００５５】
また、図２（および図１）では、第１段蓄冷管１３１の低温端１３２ｂに配置される熱交換器１６０の一例として、多孔板を採用した場合を例に、本発明の特徴について説明した。しかしながら、熱交換器１６０の態様は、これに限られるものではない。熱交換器１６０は、例えば、スリットを有する板状部材であっても良く、あるいは第１段蓄冷管１４１の内壁との間に隙間を形成することにより構成されたもの（いわゆる「クリアランスタイプ）の熱交換器）であっても良い。
【００５６】
図３には、本発明による２段式パルスチューブ冷凍機において、別の構成を有する第１段蓄冷管１３１'の低温端１３２ｂ'の近傍の拡大模式図を示す。この図には、熱交換器として、「クリアランスタイプ」の熱交換器１６０'を採用した場合の例が示されている。
【００５７】
図３に示すように、第１段蓄冷管１３１'の低温端１３２ｂ'は、熱交換器１６０'を有する。この熱交換器１６０'は、中央部分のプラグ部１６０ｂと、隙間１６０ａとを有し、隙間１６０ａは、第１段蓄冷管１３１'の内壁とプラグ部１６０ｂの外周の間に沿って、円周状に形成されるように構成される。隙間１６０ａは、第１流通口１５５'を介して第１の流通経路１３８'と接続されている。また、この熱交換器１６０'のプラグ部１６０ｂには、貫通路１５９'が形成されており、該貫通路１５９'は、第２流通口１５７'を介して、第２の流通経路１５８'に接続される。
【００５８】
このような構成の場合、第２の作動モードでは、第２段蓄冷管１４１'内の冷媒ガスは、図において矢印ＩＩで示されるように、熱交換器１６０'を通らず、すなわち第２の流通経路１５８'および貫通路１５９'を介して、第１段蓄冷管１３１'内に流入される。従って、この場合も、第２段蓄冷管１４１'内の冷媒ガスが熱交換器１６０'を通ることにより生じ得る「無駄」な圧力損失を有意に抑制することができる。
【００５９】
以上、２段式のパルスチューブ冷凍機を例に、本発明による特徴および効果を説明した。しかしながら、本発明は、２段式のパルスチューブ冷凍機に限られるものではなく、３段以上の多段式のパルスチューブ冷凍機にも適用することができることは、当業者には明らかである。
【００６０】
また、前述の記載では、第１段蓄冷管１３１（および第２段蓄冷管１４１）のみが熱交換器１６０（および１４９）を有する場合を例に、本発明の特徴を説明した。しかしながら、第１段蓄冷管１３１（および第２段蓄冷管１４１）に設置された熱交換器１６０（および１４９）の一部が、第１段パルス管１３６（および第２段パルス管１４６）の方に移行されても良い。この場合、第１段蓄冷管１３１（および第２段蓄冷管１４１）に設置される熱交換器１６０の量（高さ）が抑制されるため、パルスチューブ冷凍機全体の寸法を小型化することができる。
【実施例】
【００６１】
本発明の効果を定量的に確認するため、従来のパルスチューブ冷凍機および本発明によるパルスチューブ冷凍機において、冷媒ガスが第１段蓄冷管の熱交換器を通過する前後の圧力差（すなわち圧力損失ΔＰ）を試算した。また、第１段蓄冷管の熱交換器の温度と該熱交換器の位置での冷媒ガスの温度の間の温度差ΔＴを試算した。なお、従来のパルスチューブ冷凍機の構造としては、図１に示すパルスチューブ冷凍機１において、熱交換器６０が「クリアランスタイプ」のものであると仮定した（以下、「例１」と称する）。また、本発明によるパルスチューブ冷凍機の構造としては、図２のパルスチューブ冷凍機１００において、熱交換器１６０が「クリアランスタイプ」のもの（すなわち図３の構造）であると仮定した（以下、「例２」と称する）。
【００６２】
計算には、以下の表１に示す前提条件を使用した。
【００６３】
【表１】
なお、表１には、各前提条件の欄の明確化のため、各部材に参照番号を付記した。ただし、各項目に記載されている部材の参照番号は、図２および図３の記載に基づくものである。従って、図１に示すパルスチューブ冷凍機１を想定した例１の場合は、表１の参照符号と、使用部材の参照符号とは一致しない。しかしながら、この場合であっても、表１において参照符号が付された各部材が図１のどの部材と対応しているかは、明らかであろう。
【００６４】
まず、表１の前提条件の下、以下の式（１）を用いて、第１の作動モードにおいて、高圧の冷媒ガスが第１段蓄冷管の熱交換器（１６０'）を経て、第１段パルス管（例１の場合、さらに第２段蓄冷管）の方に向かって流出する際に生じる、冷媒ガスの圧力損失ΔＰｈ（ｋＰａ）を算出した。
ΔＰｈ＝０．５×ｆ×Ｌ／Ｄｈ×ρ×ｖ２ （１）
ここで、ｆは、摩擦係数であり、Ｒｅをレイノルズ数として、以下の式（２）で表される：
ｆ＝４×０．０７９１×Ｒｅ０．２５ （２）
Ｌ（ｍｍ）は、熱交換器（１６０'）の高さである。またＤｈは、水力直径（ｍｍ）であり、隙間１６０ａの幅ｄの２倍である。ρ（ｇ／ｍｍ３）は、熱交換器（１６０'）の位置での冷媒ガスの密度（ｇ／ｍｍ３）であり、表１のＰ１、Ｐ２およびＴ１、Ｔ２から求められる。また、ｖ（ｍｍ／ｓｅｃ）は、熱交換器（１６０'）の位置での冷媒ガスの流速であり、表１のｖ１およびｖ２から求められる。なおレイノルズ数Ｒｅは、以下の式（３）から求められる：
Ｒｅ＝ρ×ｖ×Ｄｈ／μ （３）
ここで、μは、熱交換器（１６０'）の位置での冷媒ガスの粘度である。
【００６５】
計算の結果、例１の場合、ΔＰｈ＝３５．６ｋＰａとなり、例２の場合、ΔＰｈ＝１０．６ｋＰａが得られた。
【００６６】
次に、同様に、以下の式（４）を用いて、第２の作動モードにおいて、第１段パルス管（例１の場合、さらに第２段蓄冷管）から、低圧の冷媒ガスが第１段蓄冷管の熱交換器（１６０'）を流通した際に生じる、冷媒ガスの圧力損失ΔＰｌ（ｋＰａ）を算出した。
ΔＰｌ＝０．５×ｆ×Ｌ／Ｄｈ×ρ×ｖ２ （４）
計算の結果、例１の場合、ΔＰｌ＝３６．１ｋＰａとなり、例２の場合、ΔＰｌ＝１０．７ｋＰａが得られた。
【００６７】
以上の結果を用いて、１サイクル全体での冷媒ガスの総圧力損失ΔＰは、式（５）から求められる：
ΔＰ＝ΔＰｈ＋ΔＰｌ （５）
一方、熱交換器（１６０'）の温度と該熱交換器の位置での冷媒ガスの温度の間の温度差ΔＴは、表１の前提条件から、以下の式（４）を用いて算出される：
ΔＴ＝Ｑｃ／Ｋ１ （６）
ここで、Ｑｃ（Ｗ）は、第１段冷却ステージ（１３０）の冷凍能力であり（ここではＱｃ＝４０Ｗ）、Ｋ１（Ｗ／Ｋ）は、以下の式（７）で表される伝熱係数である。
Ｋ１＝α×Ａｈ （７）
ここで、Ａｈ（ｍｍ２）は、熱交換面積であり、熱交換器（１６０'）の表面積から求めることができる。また、αは、
α＝０．０２３×Ｒｅ０．８×Ｐｒ０．３５×λ／Ｄｈ （８）
で表される。ここで、Ｐｒは、プラントル数であり（Ｐｒ＝０．７２）、λ（Ｗ／ｍ・Ｋ）は、熱交換器（１６０'）の熱伝導率であり、ここではλ＝０．０４４Ｗ／ｍ・Ｋである。
以上の計算によって得られたΔＰおよびΔＴの結果を、まとめて表２に示す。
【００６８】
【表２】
この結果から、例１では、第１段蓄冷管内の熱交換器前後の１サイクル分の圧力損失ΔＰは、７１．７ｋＰａ程度であるのに対して、例２では、圧力損失ΔＰが２１．３ｋＰａまで抑制されていることがわかる。また、例１では、熱交換器と該熱交換器の位置での冷媒ガスの温度差ΔＴは、０．３Ｋ程度であり、例２の温度差ΔＴ＝０．５Ｋとほとんど変わらないことがわかる。
【００６９】
このように、冷媒ガスを第２段蓄冷管から第１段蓄冷管に流通させる際（あるいはその逆の流通の際）に、冷媒ガスが熱交換器をバイパスするように、冷媒ガスの流通路を構成することにより、熱交換器の位置での熱伝達効率を実質的に低下させずに、第１段蓄冷管内の熱交換器前後における圧力損失を有意に抑制することができることが確認された。
【産業上の利用可能性】
【００７０】
本発明は、多段式のパルスチューブ冷凍機に適用することができる。
【符号の説明】
【００７１】
１ 従来のパルスチューブ冷凍機
５、１０５ ハウジング
１０、１１０ ハウジング部
１１、１１１ ガス圧縮機
１２、１２１ 吸気バルブ
１３、１３１ 排気バルブ
１５Ａ、１１５Ａ 第１段リザーバ
１５Ｂ、１１５Ｂ 第２段リザーバ
１７、１１７ オリフィス
２０、１２０ コールドヘッド部
２１、１２１ フランジ
３０、１３０ 第１段の冷却ステージ
３１、１３１ 第１段蓄冷管
３３、４３ 蓄冷材
３６、１３６ 第１段パルス管
３８、１３８ 第１の流通経路
４０、１４０ 第２段の冷却ステージ
４１、１４１ 第２段蓄冷管
４６、１４６ 第２段パルス管
４８、１４８ ガス流路
５５、１５５ 第１流通口
５７、１５７ 第２流通口
５８、１５８ 第２の流通経路
６０、１６０ 熱交換器
１００ 本発明のパルスチューブ冷凍機
１５９ 貫通路
１６０ａ 隙間
１６０ｂ プラグ部。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パルスチューブ冷凍機に関し、特に多段式のパルスチューブ冷凍機に関する。
【背景技術】
【０００２】
パルスチューブ冷凍機は、極低温環境が必要となる装置、例えば、核磁気共鳴診断装置（ＭＲＩ）等を冷却する際等において、広く使用されている。
【０００３】
パルスチューブ冷凍機では、ガス圧縮機により圧縮された作動流体である冷媒ガス（例えば、ヘリウムガス）が蓄冷管およびパルス管に流入する動作と、ガス圧縮機により作動流体が回収されパルス管および蓄冷管から流出する動作を繰り返すことで、蓄冷管およびパルス管の低温端に寒冷が形成される。また、これらの低温端を被冷却対象である被冷却体に熱的に接触させることで、被冷却体から熱を奪うことができる。
【０００４】
例えば、２段式のパルスチューブ冷凍機の場合、パルスチューブ冷凍機は、第１段および第２段の蓄冷管と、第１段および第２段のパルス管とを備える。
【０００５】
通常、第１段および第２段の蓄冷管は、内部に蓄冷材を有する筒状部材（シリンダ）で構成され、第１段および第２段のパルス管は、中空のシリンダで構成される。それぞれのシリンダは、一端が高温端、他端が低温端を構成する。第１段蓄冷管と第１段パルス管の両低温端には、第１段の冷却ステージが設置され、第２段蓄冷管と第２段パルス管の両低温端には、第２段の冷却ステージが設置され、これらの冷却ステージに、被冷却体が接続される。なお、第１段蓄冷管の低温端は、第２段蓄冷管の高温端とも連通可能に接続される。
【０００６】
通常、第１段および第２段のパルス管の低温端には、冷媒ガスの寒冷を熱伝達するため、熱交換器が設けられている。
【０００７】
しかしながら、熱交換器を、第１段および第２段のパルス管にのみに設置した場合、第１段および第２段のパルス管の全長が長くなり、さらにはパルスチューブ冷凍機全体が大型化してしまう。そこで、装置の小型化が重要なときなどには、熱交換器の一部（または全部）を第１段および第２段の蓄冷管の低温端に設置し、これによりパルスチューブ冷凍機の寸法を抑制している（例えば特許文献１）。
【０００８】
例えば、第１段蓄冷管の低温端に熱交換器を設置した場合、第１段のパルス管、および第２段のパルス管〜第２段蓄冷管を通り、流入する冷媒ガスの寒冷がこの熱交換器と熱交換される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】米国特許第６７１５３００Ｂ２号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
前述のように、第１段蓄冷管の低温端に設置される熱交換器は、ガス圧縮機により、冷媒ガスが回収されるモードにおいて、第１段のパルス管から、および第２段蓄冷管を介して、第２のパルス管から第１段蓄冷管に流れる冷媒ガスの寒冷を伝達（吸収）するために使用される。
【００１１】
しかしながら、第２のパルス管から、第２段蓄冷管を介して第１段蓄冷管に流れる冷媒ガスに着目した場合、この冷媒ガスから熱交換器に伝達される熱量（寒冷）は、実質上極めて少ないものと予想される。これは、この冷媒ガスは、第２段蓄冷管の高温端を通過するまでに、例えば第２段蓄冷管に含まれる蓄冷材に対して、既にある程度の寒冷を放出しており、熱交換器の位置では、もはや顕著な冷却能力を有さないためである。
【００１２】
一方、熱交換器との間の熱交換の発生有無に関わらず、第２段蓄冷管４１からの冷媒ガスが熱交換器を通過する以上、この熱交換器の流通前後において、冷媒ガスに所定の圧力損失が生じることは、避けられない。すなわち、第２段蓄冷管から第１段蓄冷管に流れるこの冷媒ガスについては、熱交換器との間で、実質的な熱交換をすることなく、「無駄」な圧力損失を発生させていることになる。
【００１３】
さらに、このような圧力損失は、装置全体としての冷却性能の低下につながるため、できる限り抑制する必要がある。
【００１４】
本発明は、このような背景に鑑みなされたものであり、本発明では、熱交換器を有する第１段蓄冷管を流通する冷媒ガスの圧力損失を有意に抑制することが可能な、多段式パルスチューブ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】
本発明では、熱交換器を有する第１段蓄冷管の低温端と第１段パルス管の低温端とが接続された第１段の冷却ステージ、および第２段蓄冷管の低温端と第２段パルス管の低温端とが接続された第２段の冷却ステージを少なくとも有し、内部に冷媒ガスが流通することにより、前記第１段および第２段の冷却ステージに寒冷が発現される多段式のパルスチューブ冷凍機であって、
前記第１段蓄冷管の低温端は、前記第１段パルス管と第１の流通経路を介して連通されており、前記第２段蓄冷管と第２の流通経路を介して連通されており、
前記第１の流通経路は、内部を流れる冷媒ガスが前記熱交換器と熱交換されるように構成され、
前記第２の流通経路は、内部を流れる冷媒ガスが前記熱交換器をバイパスするように構成されることを特徴とする多段式のパルスチューブ冷凍機が提供される。
【００１６】
ここで、本発明による多段式のパルスチューブ冷凍機において、前記熱交換器は、前記第１段蓄冷管の内壁と、プラグ部との間に形成された隙間構造を有しても良い。
【００１７】
また、本発明による多段式のパルスチューブ冷凍機において、前記第２の流通経路は、前記熱交換器を貫通するようにして設けられた貫通路であっても良い。
【００１８】
また、本発明による多段式のパルスチューブ冷凍機において、前記第１段パルス管の低温端および／または第２段パルス管の低温端は、熱交換器を有しても良い。
【００１９】
なお、当該多段式のパルスチューブ冷凍機は、２段式であっても良い。
【発明の効果】
【００２０】
本発明では、熱交換器を有する第１段蓄冷管を流通する冷媒ガスの圧力損失を有意に抑制することが可能な、多段式パルスチューブ冷凍機を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】従来の２段式パルスチューブ冷凍機の構成を概略的に示した図である。
【図２】本発明の２段式パルスチューブ冷凍機の構成の一例を概略的に示した図である。
【図３】本発明の２段式パルスチューブ冷凍機において、第１段蓄冷管の低温端の別の構成を拡大して示した概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、図面を参照して、本発明について詳しく説明する。
【００２３】
まず、本発明によるパルスチューブ冷凍機の特徴および利点をより良く理解するため、図１を用いて、従来の２段式パルスチューブ冷凍機の構成および動作について説明する。
【００２４】
図１は、従来の２段式パルスチューブ冷凍機の構成を概略的に示した図である。
【００２５】
従来の２段式パルスチューブ冷凍機１は、ガス圧縮機１１と、ハウジング部１０と、該ハウジング部１０にフランジ２１を介して連結されたコールドヘッド部２０とを備えている。
【００２６】
ガス圧縮機１１は、ハウジング部１０さらにはコールドヘッド部２０に、ヘリウムガス等の冷媒ガスを所定の周期で高圧流入させたり、低圧排気させたりする役割を有する。
【００２７】
ハウジング部１０は、ハウジング５を有し、このハウジング５内には、第１段リザーバ１５Ａ、第２段リザーバ１５Ｂ、上部熱交換部材１８ａ、１９ａ、吸気バルブ１２、排気バルブ１３およびオリフィス１７等が収容されている。吸気バルブ１２および排気バルブ１３は、ガス配管１４を介して、ガス圧縮機１１に接続されている。なお、ハウジング５は、例えばアルミニウムまたはアルミニウム合金で構成されている。
【００２８】
コールドヘッド部２０は、第１段蓄冷管３１、第１段パルス管３６、第１段の冷却ステージ３０、第２段蓄冷管４１、第２段パルス管４６および第２段の冷却ステージ４０を有する。
【００２９】
第１段蓄冷管３１は、例えばステンレス鋼の中空状のシリンダ３２と、その内部に充填された銅やステンレス鋼製金網等の蓄冷材３３と、熱交換器６０とを有する。熱交換器６０は、例えば、多孔板等で構成される。第１段蓄冷管３１は、フランジ２１に接触、固定された高温端３２ａと、第１段の冷却ステージ３０に接触、固定された低温端３２ｂを有する。第１段蓄冷管３１の低温端３２ｂは、第１流通口５５と、第２流通口５７とを有する。
【００３０】
第１段パルス管３６は、例えばステンレス鋼の中空状のシリンダ３７で構成される。第１段パルス管３６の高温端３７ａはフランジ２１に接触、固定され、低温端３７ｂは、第１段の冷却ステージ３０に接触、固定されている。従って、第１段蓄冷管３１の低温端３２ｂと、第１段パルス管３６の低温端３７ｂとは、第１段の冷却ステージ３０を介して接続されている。
【００３１】
第１段の冷却ステージ３０には、その内部に第１の流通経路３８が形成されており、この第１の流通経路３８は、前述の第１段蓄冷管３１の低温端３２ｂに設けられた第１流通口５５に接続されている。第１段の冷却ステージ３０は、図示しない被冷却対象に熱的および機械的に接続され、寒冷が被冷却対象に取り出される。
【００３２】
また、第２段蓄冷管４１は、例えばステンレス鋼の中空状のシリンダ４２と、その内部に充填された球状の鉛や磁性材料等からなる蓄冷材４３とを有する。第２段蓄冷管４１の高温端４２ａは、第１段の冷却ステージ３０に接触、固定され、低温端４２ｂは、第２段の冷却ステージ４０に接触、固定されている。第２段蓄冷管４１の低温端４２ｂは、例えば多孔板等で構成された熱交換器４９を有する。なお、第２段蓄冷管４１は、前述の第１段蓄冷管３１の低温端３２ｂの第２流通口５７に接続された第２の流通経路５８を介して、第１段蓄冷管３１とガスの流通が可能となるように接続されている。
【００３３】
第２段パルス管４６は、例えばステンレス鋼の中空状のシリンダ４７で構成される。第２段パルス管４６の高温端４７ａは、フランジ２１に接触、固定され、低温端４７ｂは、第２段の冷却ステージ４０に接触、固定されている。
【００３４】
第２段の冷却ステージ４０には、その内部にガス流路４８が形成されており、これにより、第２段パルス管４６の低温端４７ｂと第２段蓄冷管４１の低温端４２ｂとが、ガス流路４８を介して接続される。第２段の冷却ステージ４０は、図示しない被冷却対象に熱的および機械的に接続され、寒冷が被冷却対象に取り出される。
【００３５】
パルスチューブ冷凍機１では、ガス圧縮機１１から、高圧の冷媒ガスが吸気バルブ１２およびガス流路１４を介して第１段蓄冷管３１に供給され、また、第１段蓄冷管３１から低圧の冷媒ガスがガス流路１４および排気バルブ１３を介してガス圧縮機１１に排気される。第１段パルス管３６の高温端３７ａは、上部熱交換部材１８ａおよびオリフィス１７を介して、第１段リザーバ１５Ａまで接続されている。また、第２段パルス管４６の高温端４７ａは、熱交換器１９ａおよびオリフィス１７を介して、第２段リザーバ１５Ｂまで接続されている。オリフィス１７は、第１段パルス管３６および第２段パルス管４６において、周期的に変化する冷媒ガスの圧力変動と体積変化との位相差を調整する役割を果たす。
【００３６】
次に、このように構成された２段式パルスチューブ冷凍機１の動作を説明する。まず、第１の作動モードでは、吸気バルブ１２が開状態、排気バルブ１３が閉状態になり、高圧の冷媒ガスが、ガス圧縮機１１から第１段蓄冷管３１に流入する。第１段蓄冷管３１内に流入した冷媒ガスは、蓄冷材３３により冷却されて温度を下げながら、熱交換器６０を通過する。さらに、熱交換器６０を通過した冷媒ガスの一部は、第１段蓄冷管３１の低温端３２ｂに設けられた第１流通口５５から、第１の流通経路３８を経て、第１段パルス管３６の内部に流入する。この際に、第１段パルス管３６の内部に予め存在していた低圧の冷媒ガスは、流入した高圧の冷媒ガスにより圧縮される。これにより、第１段パルス管３６内の冷媒ガスの圧力は、第１段リザーバ１５Ａ内の圧力よりも高くなり、冷媒ガスは、オリフィス１７およびガス流路１６を通って、第１段リザーバ１５Ａに流入する。
【００３７】
また、熱交換器６０を通過した冷媒ガスの他方は、第１段蓄冷管３１の低温端３２ｂの第２流通口５７に接続された第２の流通経路５８を介して、第２段蓄冷管４１にも流入する。この冷媒ガスは、蓄冷材４３によりさらに冷却されて温度を下げながら、第２段蓄冷管４１の低温端４２ｂからガス流路４８を通り、第２段パルス管４６の内部に流入する。この際に、第２段パルス管４６の内部に予め存在していた低圧の冷媒ガスは、流入した高圧の冷媒ガスにより圧縮される。これにより、第２段パルス管４６内の冷媒ガスの圧力は、第２段リザーバ１５Ｂ内の圧力よりも高くなり、冷媒ガスは、オリフィス１７およびガス流路１６を通って、第２段リザーバ１５Ｂに流入する。
【００３８】
次に、第２の作動モードにおいて、吸気バルブ１２が閉じ、排気バルブ１３が開かれると、第１段パルス管３６内の冷媒ガスは、第１の流通経路３８および第１流通口５５を通り、熱交換器６０および蓄冷材３３を冷却しながら、第１段蓄冷管３１を通過する。同様に、第２段パルス管４６内の冷媒ガスは、熱交換器４９および蓄冷材４３を冷却しながら、第２段蓄冷管４１を通過する。また、第２段蓄冷管４１を通過した冷媒ガスは、さらに第２の流通経路５８および第２流通口５７を介して、熱交換器６０および蓄冷材３３を通過する。その後、冷媒ガスは、第１段蓄冷管３１の高温端３２ａから排気バルブ１３を通り、ガス圧縮機１１に戻る。
【００３９】
ここで、第１段パルス管３６および第２段パルス管４６は、それぞれ、オリフィス１７を介して、第１段リザーバ１５Ａおよび第２段リザーバ１５Ｂと接続されているため、冷媒ガスの圧力変動の位相と、冷媒ガスの体積変化の位相とは、一定の位相差で変化する。この位相差により、第１段パルス管３６の低温端３７ｂおよび第２段パルス管４６の低温端４７ｂにおいて、冷媒ガスの膨張による寒冷が発生する。パルスチューブ冷凍機１は、上記の動作が反復されることで冷凍機として機能する。
【００４０】
しかしながら、このようなパルスチューブ冷凍機１の構成では、以下のような問題が生じ得る。
【００４１】
前述のように、第２の作動モードでは、第２段蓄冷管４１内の冷媒ガスは、第１段蓄冷管３１を介してガス圧縮機１１に戻る際に、第２の流通経路５８および第２流通口５７を通過した後、熱交換器６０を通って、第１段蓄冷管３１内を移動することになる。
【００４２】
しかしながら、第２段蓄冷管４１の高温端４２ａを通過した冷媒ガスは、蓄冷材４３に対して、既にある程度の寒冷を放出しているため、第２の流通経路５８〜熱交換器６０の位置では、もはや顕著な冷却能力を有さない状態となっている。換言すれば、熱交換器６０の位置では、冷媒ガスは、熱交換器６０とあまり変わらない温度（例えば、４０Ｋ程度）になっており、このため、冷媒ガスがこの熱交換器６０を冷却する効果は、ほとんどないと言える。
【００４３】
一方、熱交換器６０での熱交換の有無に関わらず、第２の作動モードにおいて、第２段蓄冷管４１内の冷媒ガスが熱交換器６０を通過する以上、この熱交換器６０の流通前後において、冷媒ガスに圧力損失が生じることは、避けられない。従って、第２段蓄冷管４１から、第２の流通経路５８を介して、第２流通口５７を通過する冷媒ガスについては、冷媒ガスが熱交換器６０を通過する度に、冷媒ガスに「無駄」な圧力損失が発生することになる。さらに、このような「無駄」な圧力損失は、装置全体の冷却能力の低下につながるため、できるだけ抑制する必要がある。
【００４４】
本発明は、このような問題を解決することを目的として提案されたものであり、本発明では、このような第１段蓄冷管３１の低温端３２ｂを通る冷媒ガスの「無駄」な圧力損失を有意に抑制することが可能なパルスチューブ冷凍機が提供される。
【００４５】
以下、図２を参照して、本発明の特徴について説明する。
【００４６】
図２には、本発明に係る２段式のパルスチューブ冷凍機の概略構成図を示す。なお、図２において、図１の構成部材と実質的に対応する構成部材には、図１の参照符号に１００を加えた参照符号が示されていることに留意する必要がある。
【００４７】
図２に示すように、本発明による２段式パルスチューブ冷凍機１００も、前述の２段式パルスチューブ冷凍機１と同様、ガス圧縮機１１１と、ハウジング部１１０と、該ハウジング部１１０にフランジ１２１を介して連結されたコールドヘッド部１２０とを備えている。従って、本発明の２段式パルスチューブ冷凍機１００において、前述の構成部材と同様の構成部材については、繰り返し説明しない。
【００４８】
ただし、本発明の２段式パルスチューブ冷凍機１００では、以下に詳しく説明するように、第１段蓄冷管１３１の構造が、前述の第１段蓄冷管３１とは大きく異なるという特徴を有する。
【００４９】
本発明の２段式パルスチューブ冷凍機１００では、熱交換器１６０を有する第１段蓄冷管１３１の低温端１３２ｂは、第１流通口１５５と、第２流通口１５７とを有する。ここで、第１流通口１５５は、実質的に前述の２段式パルスチューブ冷凍機１の第１流通口５５に相当し、第１段ステージの内部に設けられた第１の流通経路１３８と接続されている。一方、第２流通口１５７は、熱交換器１６０を貫通するように設けられた貫通路１５９と接続されており、このため貫通路１５９は、第２の流通経路１５８とも接続される。換言すれば、第２の流通経路１５８は、貫通路１５９により、熱交換器１６０をバイパスする構造となっている。
【００５０】
従って、第２段蓄冷管１４１から第１段蓄冷管１３１に移動する冷媒ガスは、第２の流通経路１５８を通り、第２流通口１５７および貫通路１５９を介して、熱交換器１６０を通らずに、第２段蓄冷管１４１内に流通される。なお、第１段パルス管１３６から、第１段蓄冷管１３１に移動する冷媒ガスは、従来通り、第１の流通経路１３８および第１流通口１５５を介して熱交換器１６０を通り、第１段パルス管１３６内に流通される。
【００５１】
このような第１段蓄冷管１３１〜第２段蓄冷管１４１の構成では、第２の作動モードにおいて、第２段蓄冷管４１内の冷媒ガスは、熱交換器１６０を通らないようにバイパスされ、すなわちこの冷媒ガスは、第２の流通経路１５８および第２流通口１５７を介して、第１段蓄冷管３１内に流入することが可能となる。従って、前述のような冷媒ガスの「無駄」な圧力損失を有意に抑制することができる。
【００５２】
また前述のように、第２の作動モードにおいて、第２段蓄冷管１４１の高温端１４２ａから第１段蓄冷管１３１の方に戻る冷媒ガスは、蓄冷材１４３に対して、既にある程度の寒冷を放出しているため、既に冷却能力の大部分を喪失している（例えば、冷媒ガス温度４０Ｋ程度）。従って、冷媒ガスが熱交換器１６０をバイパスするように流通路を構成しても、これにより、熱交換器１６０の位置での熱伝達効率が実質的に低下することはない。
【００５３】
このように、本発明では、第１段蓄冷管１３１の低温端３２ｂにおいて、従来の熱伝達性能を維持したまま、低温端３２ｂを通る冷媒ガスの「無駄」な圧力損失を有意に抑制することが可能となる。
【００５４】
以上の説明では、本発明によるパルスチューブ冷凍機１００の第１の作動モードにおける冷媒ガスの流れについて、説明を省略した。しかしながら、本発明では、第１の作動モードにおいても、熱交換器１６０を通る冷媒ガスの圧力損失が有意に抑制されることは明らかであろう。
【００５５】
また、図２（および図１）では、第１段蓄冷管１３１の低温端１３２ｂに配置される熱交換器１６０の一例として、多孔板を採用した場合を例に、本発明の特徴について説明した。しかしながら、熱交換器１６０の態様は、これに限られるものではない。熱交換器１６０は、例えば、スリットを有する板状部材であっても良く、あるいは第１段蓄冷管１４１の内壁との間に隙間を形成することにより構成されたもの（いわゆる「クリアランスタイプ）の熱交換器）であっても良い。
【００５６】
図３には、本発明による２段式パルスチューブ冷凍機において、別の構成を有する第１段蓄冷管１３１'の低温端１３２ｂ'の近傍の拡大模式図を示す。この図には、熱交換器として、「クリアランスタイプ」の熱交換器１６０'を採用した場合の例が示されている。
【００５７】
図３に示すように、第１段蓄冷管１３１'の低温端１３２ｂ'は、熱交換器１６０'を有する。この熱交換器１６０'は、中央部分のプラグ部１６０ｂと、隙間１６０ａとを有し、隙間１６０ａは、第１段蓄冷管１３１'の内壁とプラグ部１６０ｂの外周の間に沿って、円周状に形成されるように構成される。隙間１６０ａは、第１流通口１５５'を介して第１の流通経路１３８'と接続されている。また、この熱交換器１６０'のプラグ部１６０ｂには、貫通路１５９'が形成されており、該貫通路１５９'は、第２流通口１５７'を介して、第２の流通経路１５８'に接続される。
【００５８】
このような構成の場合、第２の作動モードでは、第２段蓄冷管１４１'内の冷媒ガスは、図において矢印ＩＩで示されるように、熱交換器１６０'を通らず、すなわち第２の流通経路１５８'および貫通路１５９'を介して、第１段蓄冷管１３１'内に流入される。従って、この場合も、第２段蓄冷管１４１'内の冷媒ガスが熱交換器１６０'を通ることにより生じ得る「無駄」な圧力損失を有意に抑制することができる。
【００５９】
以上、２段式のパルスチューブ冷凍機を例に、本発明による特徴および効果を説明した。しかしながら、本発明は、２段式のパルスチューブ冷凍機に限られるものではなく、３段以上の多段式のパルスチューブ冷凍機にも適用することができることは、当業者には明らかである。
【００６０】
また、前述の記載では、第１段蓄冷管１３１（および第２段蓄冷管１４１）のみが熱交換器１６０（および１４９）を有する場合を例に、本発明の特徴を説明した。しかしながら、第１段蓄冷管１３１（および第２段蓄冷管１４１）に設置された熱交換器１６０（および１４９）の一部が、第１段パルス管１３６（および第２段パルス管１４６）の方に移行されても良い。この場合、第１段蓄冷管１３１（および第２段蓄冷管１４１）に設置される熱交換器１６０の量（高さ）が抑制されるため、パルスチューブ冷凍機全体の寸法を小型化することができる。
【実施例】
【００６１】
本発明の効果を定量的に確認するため、従来のパルスチューブ冷凍機および本発明によるパルスチューブ冷凍機において、冷媒ガスが第１段蓄冷管の熱交換器を通過する前後の圧力差（すなわち圧力損失ΔＰ）を試算した。また、第１段蓄冷管の熱交換器の温度と該熱交換器の位置での冷媒ガスの温度の間の温度差ΔＴを試算した。なお、従来のパルスチューブ冷凍機の構造としては、図１に示すパルスチューブ冷凍機１において、熱交換器６０が「クリアランスタイプ」のものであると仮定した（以下、「例１」と称する）。また、本発明によるパルスチューブ冷凍機の構造としては、図２のパルスチューブ冷凍機１００において、熱交換器１６０が「クリアランスタイプ」のもの（すなわち図３の構造）であると仮定した（以下、「例２」と称する）。
【００６２】
計算には、以下の表１に示す前提条件を使用した。
【００６３】
【表１】
なお、表１には、各前提条件の欄の明確化のため、各部材に参照番号を付記した。ただし、各項目に記載されている部材の参照番号は、図２および図３の記載に基づくものである。従って、図１に示すパルスチューブ冷凍機１を想定した例１の場合は、表１の参照符号と、使用部材の参照符号とは一致しない。しかしながら、この場合であっても、表１において参照符号が付された各部材が図１のどの部材と対応しているかは、明らかであろう。
【００６４】
まず、表１の前提条件の下、以下の式（１）を用いて、第１の作動モードにおいて、高圧の冷媒ガスが第１段蓄冷管の熱交換器（１６０'）を経て、第１段パルス管（例１の場合、さらに第２段蓄冷管）の方に向かって流出する際に生じる、冷媒ガスの圧力損失ΔＰｈ（ｋＰａ）を算出した。
ΔＰｈ＝０．５×ｆ×Ｌ／Ｄｈ×ρ×ｖ２ （１）
ここで、ｆは、摩擦係数であり、Ｒｅをレイノルズ数として、以下の式（２）で表される：
ｆ＝４×０．０７９１×Ｒｅ０．２５ （２）
Ｌ（ｍｍ）は、熱交換器（１６０'）の高さである。またＤｈは、水力直径（ｍｍ）であり、隙間１６０ａの幅ｄの２倍である。ρ（ｇ／ｍｍ３）は、熱交換器（１６０'）の位置での冷媒ガスの密度（ｇ／ｍｍ３）であり、表１のＰ１、Ｐ２およびＴ１、Ｔ２から求められる。また、ｖ（ｍｍ／ｓｅｃ）は、熱交換器（１６０'）の位置での冷媒ガスの流速であり、表１のｖ１およびｖ２から求められる。なおレイノルズ数Ｒｅは、以下の式（３）から求められる：
Ｒｅ＝ρ×ｖ×Ｄｈ／μ （３）
ここで、μは、熱交換器（１６０'）の位置での冷媒ガスの粘度である。
【００６５】
計算の結果、例１の場合、ΔＰｈ＝３５．６ｋＰａとなり、例２の場合、ΔＰｈ＝１０．６ｋＰａが得られた。
【００６６】
次に、同様に、以下の式（４）を用いて、第２の作動モードにおいて、第１段パルス管（例１の場合、さらに第２段蓄冷管）から、低圧の冷媒ガスが第１段蓄冷管の熱交換器（１６０'）を流通した際に生じる、冷媒ガスの圧力損失ΔＰｌ（ｋＰａ）を算出した。
ΔＰｌ＝０．５×ｆ×Ｌ／Ｄｈ×ρ×ｖ２ （４）
計算の結果、例１の場合、ΔＰｌ＝３６．１ｋＰａとなり、例２の場合、ΔＰｌ＝１０．７ｋＰａが得られた。
【００６７】
以上の結果を用いて、１サイクル全体での冷媒ガスの総圧力損失ΔＰは、式（５）から求められる：
ΔＰ＝ΔＰｈ＋ΔＰｌ （５）
一方、熱交換器（１６０'）の温度と該熱交換器の位置での冷媒ガスの温度の間の温度差ΔＴは、表１の前提条件から、以下の式（４）を用いて算出される：
ΔＴ＝Ｑｃ／Ｋ１ （６）
ここで、Ｑｃ（Ｗ）は、第１段冷却ステージ（１３０）の冷凍能力であり（ここではＱｃ＝４０Ｗ）、Ｋ１（Ｗ／Ｋ）は、以下の式（７）で表される伝熱係数である。
Ｋ１＝α×Ａｈ （７）
ここで、Ａｈ（ｍｍ２）は、熱交換面積であり、熱交換器（１６０'）の表面積から求めることができる。また、αは、
α＝０．０２３×Ｒｅ０．８×Ｐｒ０．３５×λ／Ｄｈ （８）
で表される。ここで、Ｐｒは、プラントル数であり（Ｐｒ＝０．７２）、λ（Ｗ／ｍ・Ｋ）は、熱交換器（１６０'）の熱伝導率であり、ここではλ＝０．０４４Ｗ／ｍ・Ｋである。
以上の計算によって得られたΔＰおよびΔＴの結果を、まとめて表２に示す。
【００６８】
【表２】
この結果から、例１では、第１段蓄冷管内の熱交換器前後の１サイクル分の圧力損失ΔＰは、７１．７ｋＰａ程度であるのに対して、例２では、圧力損失ΔＰが２１．３ｋＰａまで抑制されていることがわかる。また、例１では、熱交換器と該熱交換器の位置での冷媒ガスの温度差ΔＴは、０．３Ｋ程度であり、例２の温度差ΔＴ＝０．５Ｋとほとんど変わらないことがわかる。
【００６９】
このように、冷媒ガスを第２段蓄冷管から第１段蓄冷管に流通させる際（あるいはその逆の流通の際）に、冷媒ガスが熱交換器をバイパスするように、冷媒ガスの流通路を構成することにより、熱交換器の位置での熱伝達効率を実質的に低下させずに、第１段蓄冷管内の熱交換器前後における圧力損失を有意に抑制することができることが確認された。
【産業上の利用可能性】
【００７０】
本発明は、多段式のパルスチューブ冷凍機に適用することができる。
【符号の説明】
【００７１】
１ 従来のパルスチューブ冷凍機
５、１０５ ハウジング
１０、１１０ ハウジング部
１１、１１１ ガス圧縮機
１２、１２１ 吸気バルブ
１３、１３１ 排気バルブ
１５Ａ、１１５Ａ 第１段リザーバ
１５Ｂ、１１５Ｂ 第２段リザーバ
１７、１１７ オリフィス
２０、１２０ コールドヘッド部
２１、１２１ フランジ
３０、１３０ 第１段の冷却ステージ
３１、１３１ 第１段蓄冷管
３３、４３ 蓄冷材
３６、１３６ 第１段パルス管
３８、１３８ 第１の流通経路
４０、１４０ 第２段の冷却ステージ
４１、１４１ 第２段蓄冷管
４６、１４６ 第２段パルス管
４８、１４８ ガス流路
５５、１５５ 第１流通口
５７、１５７ 第２流通口
５８、１５８ 第２の流通経路
６０、１６０ 熱交換器
１００ 本発明のパルスチューブ冷凍機
１５９ 貫通路
１６０ａ 隙間
１６０ｂ プラグ部。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱交換器を有する第１段蓄冷管の低温端と第１段パルス管の低温端とが接続された第１段の冷却ステージ、および第２段蓄冷管の低温端と第２段パルス管の低温端とが接続された第２段の冷却ステージを少なくとも有し、内部に冷媒ガスが流通することにより、前記第１段および第２段の冷却ステージに寒冷が発現される多段式のパルスチューブ冷凍機であって、
前記第１段蓄冷管の低温端は、前記第１段パルス管と第１の流通経路を介して連通されており、前記第２段蓄冷管と第２の流通経路を介して連通されており、
前記第１の流通経路は、内部を流れる冷媒ガスが前記熱交換器と熱交換されるように構成され、
前記第２の流通経路は、内部を流れる冷媒ガスが前記熱交換器をバイパスするように構成されることを特徴とする多段式のパルスチューブ冷凍機。
【請求項２】
前記熱交換器は、前記第１段蓄冷管の内壁と、プラグ部との間に形成された隙間構造を有することを特徴とする請求項１に記載の多段式のパルスチューブ冷凍機。
【請求項３】
前記第２の流通経路は、前記熱交換器を貫通するようにして設けられた貫通路であることを特徴とする請求項１または２に記載の多段式のパルスチューブ冷凍機。
【請求項４】
前記第１段パルス管の低温端および／または第２段パルス管の低温端は、熱交換器を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一つに記載の多段式のパルスチューブ冷凍機。
【請求項５】
当該多段式のパルスチューブ冷凍機は、２段式であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一つに記載の多段式のパルスチューブ冷凍機。
【請求項１】
熱交換器を有する第１段蓄冷管の低温端と第１段パルス管の低温端とが接続された第１段の冷却ステージ、および第２段蓄冷管の低温端と第２段パルス管の低温端とが接続された第２段の冷却ステージを少なくとも有し、内部に冷媒ガスが流通することにより、前記第１段および第２段の冷却ステージに寒冷が発現される多段式のパルスチューブ冷凍機であって、
前記第１段蓄冷管の低温端は、前記第１段パルス管と第１の流通経路を介して連通されており、前記第２段蓄冷管と第２の流通経路を介して連通されており、
前記第１の流通経路は、内部を流れる冷媒ガスが前記熱交換器と熱交換されるように構成され、
前記第２の流通経路は、内部を流れる冷媒ガスが前記熱交換器をバイパスするように構成されることを特徴とする多段式のパルスチューブ冷凍機。
【請求項２】
前記熱交換器は、前記第１段蓄冷管の内壁と、プラグ部との間に形成された隙間構造を有することを特徴とする請求項１に記載の多段式のパルスチューブ冷凍機。
【請求項３】
前記第２の流通経路は、前記熱交換器を貫通するようにして設けられた貫通路であることを特徴とする請求項１または２に記載の多段式のパルスチューブ冷凍機。
【請求項４】
前記第１段パルス管の低温端および／または第２段パルス管の低温端は、熱交換器を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一つに記載の多段式のパルスチューブ冷凍機。
【請求項５】
当該多段式のパルスチューブ冷凍機は、２段式であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一つに記載の多段式のパルスチューブ冷凍機。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１０−２４３１１３（Ｐ２０１０−２４３１１３Ａ）
【公開日】平成２２年１０月２８日（２０１０．１０．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−９４３０９（Ｐ２００９−９４３０９）
【出願日】平成２１年４月８日（２００９．４．８）
【出願人】（０００００２１０７）住友重機械工業株式会社 (2,241)
【公開日】平成２２年１０月２８日（２０１０．１０．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年４月８日（２００９．４．８）
【出願人】（０００００２１０７）住友重機械工業株式会社 (2,241)
[ Back to top ]