パルスチューブ冷凍機
【課題】本発明では、従来に比べて、蓄冷管とパルス管の間に良好な整流機能を有するパルスチューブ冷凍機を提供することを目的とする。
【解決手段】パルス管の低温端と蓄冷管の低温端が連通路により連通されたパルスチューブ冷凍機であって、前記連通路の前記パルス管の低温端側には、熱交換器が設置され、該熱交換器は、少なくとも第１および第２の金網を含む積層体を有し、前記第１および第２の金網は、いずれも銅または銅合金で構成され、各金網同士の界面は、拡散接合されており、前記積層体の側面は、前記連通路を構成する内壁と拡散接合されていることを特徴とするパルスチューブ冷凍機。
【解決手段】パルス管の低温端と蓄冷管の低温端が連通路により連通されたパルスチューブ冷凍機であって、前記連通路の前記パルス管の低温端側には、熱交換器が設置され、該熱交換器は、少なくとも第１および第２の金網を含む積層体を有し、前記第１および第２の金網は、いずれも銅または銅合金で構成され、各金網同士の界面は、拡散接合されており、前記積層体の側面は、前記連通路を構成する内壁と拡散接合されていることを特徴とす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する。
【背景技術】
【０００２】
従来より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）等を冷却する際には、パルスチューブ冷凍機が使用されている。
【０００３】
パルスチューブ冷凍機では、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、パルス管および蓄冷管から冷媒ガスが排出され、圧縮機に回収され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。
【０００４】
パルスチューブ冷凍機の蓄冷管は、内部に蓄冷材を有する筒状部材（シリンダ）で構成され、パルス管は、中空の筒状部材（シリンダ）で構成される。両シリンダの低温端は、連通路で連通されており、この位置に、被冷却体が接続される冷却ステージが設置される。
【０００５】
一般に、パルス管の低温端側には熱交換器が設置され、この熱交換器は、銅製の金網等で構成された積層体で構成される（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−３０７０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来のパルスチューブ冷凍機において、パルス管の低温端側には、熱交換器として、銅製の金網等で構成された積層体が充填される。金網が使用されるのは、冷媒ガスが蓄冷管からパルス管に流入する際に、冷媒ガスの速度に大きな差異が生じないようにするため、すなわち冷媒ガスの整流効果を高めるためである。
【０００８】
しかしながら、パルス管の低温端側にこのような積層体を充填して熱交換器を構成した場合、積層体の側面と、この積層体を収容する溝の内壁とを、効率的に熱接触させることは難しい。このため、両者の接触状態に応じて、界面での熱抵抗が大きく変化してしまい、熱交換性にバラツキが生じたり、パルスチューブ冷凍機の熱交換性能が低下してしまうという問題が生じ得る。
【０００９】
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、従来に比べて、良好な熱交換性を発揮する熱交換器を有する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】
【００１０】
本発明では、パルス管の低温端と蓄冷管の低温端が連通路により連通されたパルスチューブ冷凍機であって、
前記連通路の前記パルス管の低温端側には、熱交換器が設置され、
該熱交換器は、少なくとも第１および第２の金網を含む積層体を有し、
前記第１および第２の金網は、いずれも銅または銅合金で構成され、
各金網同士の界面は、拡散接合されており、
前記積層体の側面は、前記連通路を構成する内壁と拡散接合されていることを特徴とするパルスチューブ冷凍機が適用される。
【００１１】
また本発明では、パルス管の低温端と蓄冷管の低温端が連通路により連通されたパルスチューブ冷凍機であって、
前記連通路の前記パルス管の低温端側には、熱交換器が設置され、
該熱交換器は、少なくとも第１および第２の金網を含む積層体と、筐体とを有し、
前記第１および第２の金網、ならびに前記筐体は、いずれも銅または銅合金で構成され、
各金網同士の界面は、拡散接合されており、
前記積層体は、前記筐体内に収容され、
前記積層体の側面は、前記筐体の内壁と拡散接合されていることを特徴とするパルスチューブ冷凍機が提供される。
【００１２】
前述の両パルスチューブ冷凍機において、前記積層体は、さらに、銅または銅合金とは別の金属で構成された第３の金網を最上部に有し、
各金網同士の界面は、拡散接合されており、
前記積層体は、前記第３の金網の側が前記蓄冷管の低温端から最も遠ざかるようにして、前記連通路内に配置されても良い。
【００１３】
この場合、前記積層体は、さらに、銅または銅合金とは別の金属で構成された第４の金網を有し、
各金網同士の界面は、拡散接合されており、
前記積層体は、前記第３の金網、前記第１の金網、前記第４の金網、および前記第２の金網の順に積層されても良い。
【００１４】
また、前記積層体は、６層以上の金網が積層されて構成され、
前記積層体は、全体を通して、銅または銅合金とは別の金属で構成された金網と、銅または銅合金製の金網との交互繰り返し構造で構成され、
各金網同士の界面は、拡散接合されていても良い。
【００１５】
また、本発明によるパルスチューブ冷凍機において、前記銅または銅合金とは別の金属で構成された金網の網目の寸法は、０．０２ｍｍ〜０．５８ｍｍの範囲であっても良い。
【００１６】
また、本発明によるパルスチューブ冷凍機において、前記銅または銅合金とは別の金属は、ステンレス鋼もしくはニッケルであっても良い。
【００１７】
また、本発明によるパルスチューブ冷凍機において、各銅または銅合金とは別の金属で構成された金網の網目の寸法は、実質的に等しくても良い。
【００１８】
また、本発明によるパルスチューブ冷凍機において、各銅または銅合金とは別の金属で構成された金網の網目の寸法は、各銅または銅合金製の金網の網目の寸法よりも小さくても良い。
【００１９】
また、本発明によるパルスチューブ冷凍機において、前記銅または銅合金製の金網の網目の寸法は、０．０５ｍｍ〜１．１４ｍｍの範囲であっても良い。
【００２０】
また、本発明によるパルスチューブ冷凍機において、各銅または銅合金製の金網の網目の寸法は、実質的に等しくても良い。
【００２１】
あるいは、各銅または銅合金製の金網の網目の寸法は、前記蓄冷管の低温端に最も近い金網から、前記積層体の積層方向に向かって、連続的にまたは段階的に減少しても良い。
【００２２】
また、本発明によるパルスチューブ冷凍機において、前記金網は、圧延処理されたものであっても良い。
【発明の効果】
【００２３】
本発明では、従来に比べて、良好な熱交換性を発揮する熱交換器を有するパルスチューブ冷凍機を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明によるパルスチューブ冷凍機の一例を概略的に示した図である。
【図２】熱交換器の一例の概略的な断面図である。
【図３】熱交換器に含まれる積層体の概略的な分解構成図である。
【図４】別の熱交換器の一例の概略的な断面図である。
【図５】熱交換器に含まれる別の積層体の概略的な分解構成図である。
【図６】熱交換器に含まれるさらに別の積層体の概略的な分解構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、図面により本発明の形態を説明する。
【００２６】
図１には、本発明によるパルスチューブ冷凍機の一例を概略的に示す。
【００２７】
図１に示すように、本発明によるパルスチューブ冷凍機１００は、圧縮機１１０と、蓄冷管１２０と、パルス管１４０と、冷却ステージ１８０と、バッファタンク１９０とを有する。蓄冷管１２０は、高温端１２５ａおよび低温端１２５ｂを有し、パルス管１４０は、高温端１４５ａおよび低温端１４５ｂを有する。
【００２８】
圧縮機１１０には、排気バルブ１１０ａおよび吸気バルブ１１０ｂが接続される。また、圧縮機１１０は、ガス流路１１２を介して、蓄冷管１２０の高温端１２５ａに接続されている。
【００２９】
蓄冷管１２０は、中空状のシリンダ１２１で構成され、その内部には、蓄冷材１２２が充填されている。シリンダ１２１は、例えばステンレス鋼等で構成される。
【００３０】
パルス管１４０は、例えばステンレス鋼製の中空状のシリンダ１４１で構成される。パルス管１４０の高温端１４５ａ側には、熱交換器１４９ａが設けられ、パルス管１４０の低温端１４５ｂ側には、熱交換器１４９ｂが設けられる。
【００３１】
蓄冷管１２０の低温端１２５ｂおよびパルス管１４０の低温端１４５ｂは、銅製の冷却ステージ１８０に接触、固定されている。また、蓄冷管１２０の低温端１２５ｂおよびパルス管１４０の低温端１４５ｂは、冷却ステージ１８０内に設けられた連通路１８２で連通されている。冷却ステージ１８０は、図示しない被冷却対象に熱的に接続され、被冷却対象が冷却される。
【００３２】
バッファタンク１９０は、ガス流路１９２およびオリフィス１９４を介して、パルス管１４０の高温端１４５ａに接続されている。
【００３３】
なお、蓄冷管１２０およびパルス管１４０は、それぞれの高温端１２５ａおよび１４５ａがフランジ１１５に接続されており、これにより固定されている。
【００３４】
次に、このように構成されたパルスチューブ冷凍機の動作について簡単に説明する。
【００３５】
まず、排気バルブ１１０ａが開、吸気バルブ１１０ｂが閉の状態において、ガス圧縮機１１０から、高圧の冷媒ガスが排気バルブ１１０ａおよびガス流路１１２を介して、蓄冷管１２０に供給される。蓄冷管１２０内に流入した冷媒ガスは、蓄冷材１２２により冷却されて温度を下げながら、蓄冷管１２０の低温端１２５ｂから連通路１８２を通る。冷媒ガスは、パルス管１４０の低温端１４５ｂ側に設けられた熱交換器１４９ｂでさらに冷却されて、パルス管１４０の内部に流入する。
【００３６】
この際に、パルス管１４０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、パルス管１４０内の冷媒ガスの圧力は、バッファタンク１９０内の圧力よりも高くなり、冷媒ガスは、オリフィス１９４およびガス流路１９２を通って、バッファタンク１９０に流入する。
【００３７】
次に、排気バルブ１１０ａを閉じ、吸気バルブ１１０ｂを開くと、パルス管１４０内の冷媒ガスは、低温端１４５ｂを通り、蓄冷管１２０の低温端１２５ｂに流入する。さらに冷媒ガスは、蓄冷材１２２を冷却しながら蓄冷管１２０内を通過し、高温端１２５ａからガス流路１１２および吸気バルブ１１０ｂを通り、圧縮機１１０に回収される。
【００３８】
ここで、パルス管１４０は、オリフィス１９４を介して、バッファタンク１９０と接続されている。このため、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、パルス管１４０の低温端１４５ｂ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１００は、上記の動作が反復されることで、冷却ステージ１８０に接続された被冷却対象を冷却することができる。
【００３９】
ところで、従来のパルスチューブ冷凍機では、パルス管の低温端側に設置される熱交換器として、銅製の金網等からなる積層体が使用される。このような金網を使用するのは、冷媒ガスが蓄冷管からパルス管に流入する際に、冷媒ガスの速度に大きな差異が生じないようにするため、すなわち冷媒ガスの整流効果を得るためである。この積層体は、各構成部材が相互にずれないように固定（接合）した後、パルス管の低温端側に充填される。
【００４０】
しかしながら、熱交換器をこのように構成した場合、積層体を高精度の寸法で形成したとしても、積層体の側面と、この積層体を収容する溝（図１の例では、連通路１８２）の内壁との間に、ある程度の隙間が生じてしまうことは避けられない。従って、両者を常に確実に熱接触させることは難しいという問題が生じる。また、このため、両者の接触状態に応じて、界面での熱抵抗が大きく変化してしまい、熱交換性にバラツキが生じたり、パルスチューブ冷凍機の熱交換性能が低下してしまうという問題が生じ得る。
【００４１】
なお、この問題に対処するため、積層体を溝内に充填した後、積層体の側部を溝の内壁にろう付けすることが考えられる。
【００４２】
しかしながら、この方法では、積層体と溝の内壁の両者を複数の「点」で接触させることはできても、積層体の側部を全体的に溝の内壁と接触させることは不可能である。従って、この方法は、熱抵抗の抑制効果としては不十分であり、前述の問題の根本的な解決にはならない。
【００４３】
これに対して、本発明によるパルスチューブ冷凍機では、パルス管１４０の低温端１４５ｂ側に設置される熱交換器１４９ｂは、この熱交換器１４９ｂを収容する溝の内壁と拡散接合されているという特徴を有する。
【００４４】
熱交換器１４９ｂをこのように構成した場合、熱交換器１４９ｂの側部は、常時溝の内壁と接触されるようになる。従って、従来のような、両者の間で熱抵抗が大きく変化したり、パルスチューブ冷凍機の熱交換性能が低下してしまうという問題を軽減または解消することができる。
【００４５】
以下、図２および図３を参照して、本発明の特徴をより詳しく説明する。
【００４６】
図２には、パルス管１４０の低温端１４５ｂが接続される冷却ステージ１８０の溝１８９近傍の断面を模式的に示す。この図には、本発明に使用される熱交換器１４９ｂの一例の概略的な断面が示されている。図３には、熱交換器１４９ｂを構成する積層体１５０の一例の概略的な分解構成図を示す。
【００４７】
図２に示すように、熱交換器１４９ｂは、冷却ステージ１８０の溝１８９内に形成される。熱交換器１４９ｂは、積層体１５０を有し、この積層体の側面は、溝１８９の内壁１８４と拡散接合されている。
【００４８】
図３に示すように、通常の場合、積層体１５０は、複数の銅または銅合金製（以下、両者をまとめて「銅（製）」と称する）の金網を積層することにより構成される。図３の例では、積層体１５０は、第１の金網１５２Ａ、第２の金網１５２Ｂ、第３の金網１５２Ｃ...および第ｎの金網１５２Ｎを積層することにより構成される。ただし、積層体１５０は、単一の銅製の金網１５２Ａで構成されても良い。これらの金網１５２Ａ、１５２Ｂ、１５２Ｃ...および１５２Ｎの各接触界面は、拡散接合されている。従って、各界面での熱接触性が高まり、界面での熱抵抗が小さくなる。
【００４９】
熱交換器１４９ｂは、例えば以下の方法で、冷却ステージ１８０の溝１８９内に形成される。
【００５０】
まず、各銅製の金網１５２Ａ、１５２Ｂ、１５２Ｃ...および１５２Ｎを積層する。次に、得られた組立体を冷却ステージ１８０の溝１８９内に設置する。その後、冷却ステージ１８０ごと、「拡散接合処理」することにより、熱交換器１４９ｂが形成される。
【００５１】
ここで、「拡散接合処理」とは、加熱により、各部材同士の界面で原子相互拡散が生じ、これにより界面接合が行われる方法の総称である。通常、本願における拡散接合処理は、８００℃〜１０８０℃の範囲（例えば１０００℃）で行われる。
【００５２】
このような拡散接合処理により、各金網間の界面が密着、接合されると同時に、溝１８９の内壁１８４に、積層体１５０の側面が拡散接合される。
【００５３】
なお、各金網間の拡散接合処理は、積層体１５０と溝１８９の内壁１８４との拡散接合処理の前に実施しておいても良い（すなわち、「２段階」拡散接合処理）。
【００５４】
このような熱交換器１４９ｂの構成では、積層体１５０を後から溝１８９に充填する場合に比べて、熱交換器１４９ｂと冷却ステージ１８０との間の熱接触性を高めることができ、両者の間の熱抵抗を有意に抑制することができる。
【００５５】
ここで、図３において、各銅製の金網１５２Ａ、１５２Ｂ、１５２Ｃ...および１５２Ｎのメッシュまたは網目（開き目）の寸法は、実質的に等しくても、異なっていても良い。
【００５６】
なお、本願において、「メッシュ」とは、１インチ（２５．４ｍｍ）の間にある目数を意味し、「網目」とは、金網の隣接する線部分同士間の距離（隙間の長さ）を意味する。
【００５７】
各金網１５２Ａ〜１５２Ｎの網目が異なる場合、網目は、第１の金網１５２Ａから第ｎの金網１５２Ｎの順に、連続的にまたは段階的（例えばステップ状）に大きくなっても良い。この場合、網目の細かい第１の金網１５２Ａは、網目の粗い第ｎの金網１５２Ｎに比べて、蓄冷管１２０の低温端１２５ｂから遠い側（パルス管１４０に近い側）に設置される。これにより、冷媒ガスが蓄冷管１２０からパルス管１４０に流れる際、冷媒ガスの流速に大きな変動が生じにくくなり、より有意な整流効果が得られる。
【００５８】
金網の総数は、各金網の厚さ等によっても異なるが、２〜２００の範囲（例えば１００）であっても良い。
【００５９】
各銅製の金網のメッシュは、通常、＃１６〜＃３００の範囲であり、これは、金網の網目に換算すると、約１．１４ｍｍ〜約０．０５ｍｍの範囲である。各銅製の金網のメッシュは、＃６０〜＃１５０（網目換算で、約０．３０３ｍｍ〜約０．１０４ｍｍ）の範囲であることが好ましい。
【００６０】
なお、各金網は、圧延処理されたものであっても良い。圧延処理した金網は、特開２００３−２８５２６に示されている。特開２００３−２８５２６の図２（Ａ）に示すように、金網を圧延処理することにより、金網同士の間の接触面積が増加する。金網同士の熱接触抵抗が小さくなり、熱交換効率が向上する。圧延処理後の金網の厚さは、処理前を１とすると、０．４〜０．９９の範囲である。この厚さは、０．６〜０．８の範囲であることが好ましい。
【００６１】
なお、図２の例では、熱交換器１４９ｂの側面は、冷却ステージ１８０の構１８９の内壁１８４と拡散接合されている。しかしながら、本発明の態様は、これに限られるものではない。例えば熱交換器１４９ｂの側面は、パルス管１４０を構成するシリンダ１４１の低温端１４５ｂ側の内壁と、拡散接合されても良い。
【００６２】
次に、図４を参照して、別の熱交換器１４９ｂ−２の構成について説明する。図４には、パルス管１４０の低温端１４５ｂが接続される冷却ステージ１８０の溝１８９近傍の断面を模式的に示す。この図には、本発明に使用される熱交換器１４９ｂ−２の一例の概略的な断面が示されている。
【００６３】
図４に示すように、熱交換器１４９ｂ−２は、冷却ステージ１８０の溝１８９に形成される。この熱交換器１４９ｂ−２は、前述の図２に示した熱交換器１４９ｂと同様の積層体を有する。ただし、この熱交換器１４９ｂ−２は、さらに、金網の積層体１５０を収容する筐体１５９を備えるという特徴を有する。この筐体１５９は、銅または銅合金で構成される。また、筐体１５９は、上面および下面が開口されており、溝１８９の内径とほぼ適合する側面寸法を有する。金網の積層体１５０は、その側面が、筐体１５９の側面の内壁と拡散接合される。
【００６４】
熱交換器１４９ｂ−２は、各金網１５２Ａ〜１５２Ｎを積層して、筐体１５９内に充填した後、この筐体１５９ごと拡散接合処理することにより形成することができる。その後、この筐体１５９は、冷却ステージ１８０の溝１８９に設置され、筐体１５９が冷却ステージ１８０の溝１８９の内壁１８４とろう付けされる。
【００６５】
ここで、筐体１５９と内壁１８４とをろう付けした場合、接触界面での両者の密着および接触の程度は、従来のような積層体と内壁とを直接ろう付けした場合よりも良好であることに留意する必要がある。これは、積層体の側面は、通常、複数の部材の端部が存在するため、高い寸法精度で十分に平滑化することが難しいのに対して、筐体１５９は、単一の部材で構成されるため、その側面は、高精度で比較的容易に平滑化することができるためである。
【００６６】
従って、図４のような構成でも、従来の熱交換器に比べて、熱交換器１４９ｂ−２と冷却ステージ１８０との間の熱接触性を高めることができ、両者の間の熱抵抗を有意に抑制することができる。
【００６７】
なお、図４の例では、熱交換器１４９ｂ−２は、冷却ステージ１８０の構１８９内に直接設置される。しかしながら、本発明の態様は、これに限られるものではない。例えば熱交換器１４９ｂ−２の外側は、パルス管１４０を構成するシリンダ１４１の低温端１４５ｂ側と接触していても良い。この場合、熱交換器１４９ｂ−２の筐体１５９は、シリンダ１４１の内壁とろう付けされる。
【００６８】
以上の例では、熱交換器１４９ｂおよび熱交換器１４９ｂ−２が、銅製の金網からなる積層体１５０を有する場合について説明した。しかしながら、本発明は、このような態様に限られるものではない。
【００６９】
図５には、熱交換器１４９ｂおよび熱交換器１４９ｂ−２に使用される別の積層体の構成を示す。
【００７０】
図５において、積層体１５０Ａは、第１の金網１５３Ａ、第２の金網１５３Ｂ、第３の金網１５３Ｃ、第４の金網１５３Ｄ...および第ｎの金網１５３Ｎをこの順に積層することにより構成される。なお、前述の積層体１５０と同様、最終的に、各金網同士の界面は、拡散接合される。
【００７１】
ここで、第２の金網１５３Ｂ〜第ｎの金網１５３Ｎは、銅製であるのに対して、第１の金網１５３Ａは、銅以外の金属または合金で構成される。例えば、第１の金網１５３Ａは、ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４、３１６等）またはニッケル等であっても良い。ステンレス鋼およびニッケルは、銅に比べて剛性が高い。従って、第１の金網１５３Ａをステンレス鋼またはニッケルで構成した場合、最終的に得られる積層体１５０Ａの剛性を高めることができ、使用の際に、冷媒ガスの圧力により、積層体１５０が変形する可能性が少なくなる。
【００７２】
また、第１の金網１５３Ａは、その他の金網に比べて大きなメッシュ（すなわち、小さい網目）を有しても良い。この場合、積層体１５０Ａは、第１の金網１５３Ａの側が蓄冷管１２０の低温端１２５ｂから遠い側となるようにして（図２、図４の例では、上側となるようにして）、溝１８９内に設置される。これにより、蓄冷管１２０とパルス管１４０の間を往復する冷媒ガスに対して、高い整流効果が得られるようになる。
【００７３】
また、一般に、銅製の金網では、加工技術およびコスト上の制約から、メッシュが大きく、網目の細かいものを製作することが難しいという問題がある（例えば、メッシュの最大値は、＃１００程度であり、網目の最小値は、０．１３４〜０．１５４ｍｍ程度である）。しかしながら、例えばステンレス鋼等の非銅製の金網の場合、メッシュが大きく、網目の細かいものを比較的容易に入手することができる。従って、２種類の材料を組み合わせることにより、熱交換器１４９ｂ、１４９ｂ−２の整流性に関して、幅広い設計が可能になる。
【００７４】
例えば、第１の金網１５３Ａのメッシュは、＃３０〜＃５００の範囲であり、＃６０〜＃４００の範囲であることが好ましい。これは、網目換算では、それぞれ、約０．５７７ｍｍ〜約０．０２６ｍｍ、および約０．２５３ｍｍ〜約０．０３４ｍｍに相当する。一方、第２の金網１５３Ｂ〜第ｎの金網１５３Ｎのメッシュは、＃１６〜＃３００の範囲であり、＃６０〜＃１５０の範囲であることが好ましい。これは、網目換算では、それぞれ、約１．１４ｍｍ〜約０．０５ｍｍ、および約０．３０３ｍｍ〜約０．１０４ｍｍに相当する。なお、前述のように、第２の金網１５３Ｂ〜第ｎの金網１５３Ｎは、メッシュまたは網目が同一であっても異なっていても良い。
【００７５】
金網の総数は、各金網の厚さ等によっても異なるが、２〜２００の範囲（例えば１００）であっても良い。
【００７６】
前述のように、積層体１５０Ａは、冷却ステージ１８０の溝１８９内に設置され、これを拡散接合処理することにより、熱交換器１４９ｂが形成される。あるいは、積層体１５０Ａは、筐体１５９内に設置され、これを拡散接合処理した後、筐体１５９を冷却ステージ１８０の溝１８９内に設置し、筐体１５９と内壁１８４とをろう付けすることにより、熱交換器１４９ｂ−２が形成される。拡散接合処理は、例えば、８００℃〜１０８０℃（例えば１０００℃）の範囲で行われる。
【００７７】
図６には、熱交換器１４９ｂおよび熱交換器１４９ｂ−２に使用されるさらに別の積層体の構成を示す。
【００７８】
図６において、積層体１５０Ｂは、第１の金網１５４Ａ、第２の金網１５４Ｂ、第３の金網１５４Ｃ、第４の金網１５４Ｄ...および第ｎの金網１５４Ｎをこの順に積層することにより構成される。なお、前述の積層体１５０および１５０Ａと同様、最終的に、各金網同士の界面は、拡散接合される。
【００７９】
第２の金網１５４Ｂ、第４の金網１５４Ｄ、および第６の金網１５４Ｆ〜第ｎの金網１５４Ｎは、銅製である。これに対して、第１の金網１５４Ａ、第３の金網１５４Ｃ、および第５の金網１５４Ｅの３つは、銅以外の金属または合金で構成される。例えば、第１の金網１５４Ａ、第３の金網１５４Ｃ、および第５の金網１５４Ｅは、ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４、３１６等）またはニッケル等で構成される。なお、第１の金網１５４Ａ、第３の金網１５４Ｃ、および第５の金網１５４Ｅは、同一の材料で構成されても、異なる材料で構成されても良い。
【００８０】
この図の構成では、非銅製の金網と銅製の金網とが交互に積層されたサイクルＣが３回繰り返される。
【００８１】
第１の金網１５４Ａ、第３の金網１５４Ｃ、および第５の金網１５４Ｅの３つは、その他の金網に比べて大きなメッシュ（すなわち小さい網目）を有する。例えば、第１の金網１５４Ａ、第３の金網１５４Ｃ、および第５の金網１５４Ｅのメッシュは、＃３０〜＃５００（網目換算で、約０．５７７ｍｍ〜約０．０２６ｍｍ）の範囲であり、＃６０〜＃４００（網目換算で、約０．２５３ｍｍ〜約０．０３４ｍｍ）の範囲であることが好ましい。一方、残りの銅製の金網１５４Ｂ、１５４Ｄ、１５４Ｆ〜１５４Ｎのメッシュは、＃１６〜＃３００（網目換算で、約１．１４ｍｍ〜約０．０５ｍｍ）の範囲であり、＃６０〜＃１５０（網目換算で、約０．３０３ｍｍ〜約０．１０４ｍｍ）の範囲であることが好ましい。なお、銅製の金網は、網目の寸法が同一であっても異なっていても良い。銅製の金網１５４Ｂ〜１５４Ｎの各網目の寸法が異なる場合、網目は、第２の金網１５４Ｂから第ｎの金網１５４Ｎの順に、連続的にまたは段階的（例えばステップ状）に大きくなっても良い。
【００８２】
金網の総数は、各金網の厚さにもよるが、２〜２００の範囲（例えば１００）であっても良い。
【００８３】
図６に示す積層体１５０Ｂは、使用の際には、第１の金網１５４Ａが、冷却ステージ１８０の連通路１８２から遠い側となるようにして（図２、４の例では、上側となるようにして）、冷却ステージ１８０内に設置される。
【００８４】
なお、図６の例では、非銅製の金網を合計３つ含み、サイクル数Ｃが３回の積層体１５０Ｂについて説明したが、積層体１５０Ｂにおいて、非銅製の金網の数、およびサイクル数Ｃは、特に限られない。非銅製の金網の数は、例えば、２つ、４つ、または６つ以上であっても良い。また、繰りかえし数Ｃは、２回、４回、または６回以上であっても良い。例えば、第１の金網から第ｎの金網まで（すなわち積層体１５０Ｂの全体にわたって）、非銅製と銅製の金網の交互配置が繰り返されても良い。
【００８５】
以上、図面を参照して、本発明による実施例の一例について説明した。ただし、本発明は、前述の構成に限られるものではないことは、当業者には明らかである。例えば、前述の例において、パルスチューブ冷凍機１００は、単段式である。しかしながら、本発明は、２段式、または３段式等の多段パルスチューブ冷凍機にも適用することができる。
【実施例】
【００８６】
実際に、冷却ステージの溝内に、前述の図２に示すような熱交換器１４９ｂを形成したパルスチューブ冷凍機を通常の条件で運転して、冷却ステージの温度を測定した。熱交換器１４９ｂの積層体には、図５に示す構成の積層体１５０Ａを使用した。最上部の金網１５３Ａには、メッシュが＃２５０のＳＵＳ３０４製の金網を使用した。また、２段目以降の金網には、メッシュが＃８０の銅製の金網を使用した。
【００８７】
測定の結果、冷却ステージの温度は、約３６．４Ｋ（ケルビン）であった。一方、冷却ステージの溝内に、従来の熱交換器（メッシュが＃８０の銅製の積層体を有し、積層体の側部が溝の内壁と拡散接合されていないもの）を備えるパルスチューブ冷凍機において、同様の測定を行ったところ、冷却ステージの温度は、約４０．２Ｋ（ケルビン）であった。
【００８８】
この結果から、本発明によるパルスチューブ冷凍機では、従来に比べて冷却能力が向上することが確認された。
【産業上の利用可能性】
【００８９】
本発明は、核磁気共鳴診断装置、超伝導マグネット装置、クライオポンプ等の低温システムに適用される、単段式また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】
【００９０】
１００ パルスチューブ冷凍機
１１０ 圧縮機
１１０ａ 排気バルブ
１１０ｂ 吸気バルブ
１１２ ガス流路
１１５ フランジ
１２０ 蓄冷管
１２１ シリンダ
１２２ 蓄冷材
１２５ａ 蓄冷管の高温端
１２５ｂ 蓄冷管の低温端
１４０ パルス管
１４１ シリンダ
１４５ａ パルス管の高温端
１４５ｂ パルス管の低温端
１４９ａ、１４９ｂ 熱交換器
１５０ 積層体
１５０Ａ 別の積層体
１５０Ｂ さらに別の積層体
１５２Ａ、１５３Ａ、１５４Ａ 第１の金網
１５２Ｂ、１５３Ｂ、１５４Ｂ 第２の金網
１５２Ｃ、１５３Ｃ、１５４Ｃ 第３の金網
１５９ 筐体
１８０ 冷却ステージ
１８２ 連通路
１８４ 内壁
１８９ 溝
１９０ バッファタンク
１９２ ガス流路
１９４ オリフィス。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パルスチューブ冷凍機に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より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）等を冷却する際には、パルスチューブ冷凍機が使用されている。
【０００３】
パルスチューブ冷凍機では、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、パルス管および蓄冷管から冷媒ガスが排出され、圧縮機に回収され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。
【０００４】
パルスチューブ冷凍機の蓄冷管は、内部に蓄冷材を有する筒状部材（シリンダ）で構成され、パルス管は、中空の筒状部材（シリンダ）で構成される。両シリンダの低温端は、連通路で連通されており、この位置に、被冷却体が接続される冷却ステージが設置される。
【０００５】
一般に、パルス管の低温端側には熱交換器が設置され、この熱交換器は、銅製の金網等で構成された積層体で構成される（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−３０７０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来のパルスチューブ冷凍機において、パルス管の低温端側には、熱交換器として、銅製の金網等で構成された積層体が充填される。金網が使用されるのは、冷媒ガスが蓄冷管からパルス管に流入する際に、冷媒ガスの速度に大きな差異が生じないようにするため、すなわち冷媒ガスの整流効果を高めるためである。
【０００８】
しかしながら、パルス管の低温端側にこのような積層体を充填して熱交換器を構成した場合、積層体の側面と、この積層体を収容する溝の内壁とを、効率的に熱接触させることは難しい。このため、両者の接触状態に応じて、界面での熱抵抗が大きく変化してしまい、熱交換性にバラツキが生じたり、パルスチューブ冷凍機の熱交換性能が低下してしまうという問題が生じ得る。
【０００９】
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、従来に比べて、良好な熱交換性を発揮する熱交換器を有する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】
【００１０】
本発明では、パルス管の低温端と蓄冷管の低温端が連通路により連通されたパルスチューブ冷凍機であって、
前記連通路の前記パルス管の低温端側には、熱交換器が設置され、
該熱交換器は、少なくとも第１および第２の金網を含む積層体を有し、
前記第１および第２の金網は、いずれも銅または銅合金で構成され、
各金網同士の界面は、拡散接合されており、
前記積層体の側面は、前記連通路を構成する内壁と拡散接合されていることを特徴とするパルスチューブ冷凍機が適用される。
【００１１】
また本発明では、パルス管の低温端と蓄冷管の低温端が連通路により連通されたパルスチューブ冷凍機であって、
前記連通路の前記パルス管の低温端側には、熱交換器が設置され、
該熱交換器は、少なくとも第１および第２の金網を含む積層体と、筐体とを有し、
前記第１および第２の金網、ならびに前記筐体は、いずれも銅または銅合金で構成され、
各金網同士の界面は、拡散接合されており、
前記積層体は、前記筐体内に収容され、
前記積層体の側面は、前記筐体の内壁と拡散接合されていることを特徴とするパルスチューブ冷凍機が提供される。
【００１２】
前述の両パルスチューブ冷凍機において、前記積層体は、さらに、銅または銅合金とは別の金属で構成された第３の金網を最上部に有し、
各金網同士の界面は、拡散接合されており、
前記積層体は、前記第３の金網の側が前記蓄冷管の低温端から最も遠ざかるようにして、前記連通路内に配置されても良い。
【００１３】
この場合、前記積層体は、さらに、銅または銅合金とは別の金属で構成された第４の金網を有し、
各金網同士の界面は、拡散接合されており、
前記積層体は、前記第３の金網、前記第１の金網、前記第４の金網、および前記第２の金網の順に積層されても良い。
【００１４】
また、前記積層体は、６層以上の金網が積層されて構成され、
前記積層体は、全体を通して、銅または銅合金とは別の金属で構成された金網と、銅または銅合金製の金網との交互繰り返し構造で構成され、
各金網同士の界面は、拡散接合されていても良い。
【００１５】
また、本発明によるパルスチューブ冷凍機において、前記銅または銅合金とは別の金属で構成された金網の網目の寸法は、０．０２ｍｍ〜０．５８ｍｍの範囲であっても良い。
【００１６】
また、本発明によるパルスチューブ冷凍機において、前記銅または銅合金とは別の金属は、ステンレス鋼もしくはニッケルであっても良い。
【００１７】
また、本発明によるパルスチューブ冷凍機において、各銅または銅合金とは別の金属で構成された金網の網目の寸法は、実質的に等しくても良い。
【００１８】
また、本発明によるパルスチューブ冷凍機において、各銅または銅合金とは別の金属で構成された金網の網目の寸法は、各銅または銅合金製の金網の網目の寸法よりも小さくても良い。
【００１９】
また、本発明によるパルスチューブ冷凍機において、前記銅または銅合金製の金網の網目の寸法は、０．０５ｍｍ〜１．１４ｍｍの範囲であっても良い。
【００２０】
また、本発明によるパルスチューブ冷凍機において、各銅または銅合金製の金網の網目の寸法は、実質的に等しくても良い。
【００２１】
あるいは、各銅または銅合金製の金網の網目の寸法は、前記蓄冷管の低温端に最も近い金網から、前記積層体の積層方向に向かって、連続的にまたは段階的に減少しても良い。
【００２２】
また、本発明によるパルスチューブ冷凍機において、前記金網は、圧延処理されたものであっても良い。
【発明の効果】
【００２３】
本発明では、従来に比べて、良好な熱交換性を発揮する熱交換器を有するパルスチューブ冷凍機を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明によるパルスチューブ冷凍機の一例を概略的に示した図である。
【図２】熱交換器の一例の概略的な断面図である。
【図３】熱交換器に含まれる積層体の概略的な分解構成図である。
【図４】別の熱交換器の一例の概略的な断面図である。
【図５】熱交換器に含まれる別の積層体の概略的な分解構成図である。
【図６】熱交換器に含まれるさらに別の積層体の概略的な分解構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、図面により本発明の形態を説明する。
【００２６】
図１には、本発明によるパルスチューブ冷凍機の一例を概略的に示す。
【００２７】
図１に示すように、本発明によるパルスチューブ冷凍機１００は、圧縮機１１０と、蓄冷管１２０と、パルス管１４０と、冷却ステージ１８０と、バッファタンク１９０とを有する。蓄冷管１２０は、高温端１２５ａおよび低温端１２５ｂを有し、パルス管１４０は、高温端１４５ａおよび低温端１４５ｂを有する。
【００２８】
圧縮機１１０には、排気バルブ１１０ａおよび吸気バルブ１１０ｂが接続される。また、圧縮機１１０は、ガス流路１１２を介して、蓄冷管１２０の高温端１２５ａに接続されている。
【００２９】
蓄冷管１２０は、中空状のシリンダ１２１で構成され、その内部には、蓄冷材１２２が充填されている。シリンダ１２１は、例えばステンレス鋼等で構成される。
【００３０】
パルス管１４０は、例えばステンレス鋼製の中空状のシリンダ１４１で構成される。パルス管１４０の高温端１４５ａ側には、熱交換器１４９ａが設けられ、パルス管１４０の低温端１４５ｂ側には、熱交換器１４９ｂが設けられる。
【００３１】
蓄冷管１２０の低温端１２５ｂおよびパルス管１４０の低温端１４５ｂは、銅製の冷却ステージ１８０に接触、固定されている。また、蓄冷管１２０の低温端１２５ｂおよびパルス管１４０の低温端１４５ｂは、冷却ステージ１８０内に設けられた連通路１８２で連通されている。冷却ステージ１８０は、図示しない被冷却対象に熱的に接続され、被冷却対象が冷却される。
【００３２】
バッファタンク１９０は、ガス流路１９２およびオリフィス１９４を介して、パルス管１４０の高温端１４５ａに接続されている。
【００３３】
なお、蓄冷管１２０およびパルス管１４０は、それぞれの高温端１２５ａおよび１４５ａがフランジ１１５に接続されており、これにより固定されている。
【００３４】
次に、このように構成されたパルスチューブ冷凍機の動作について簡単に説明する。
【００３５】
まず、排気バルブ１１０ａが開、吸気バルブ１１０ｂが閉の状態において、ガス圧縮機１１０から、高圧の冷媒ガスが排気バルブ１１０ａおよびガス流路１１２を介して、蓄冷管１２０に供給される。蓄冷管１２０内に流入した冷媒ガスは、蓄冷材１２２により冷却されて温度を下げながら、蓄冷管１２０の低温端１２５ｂから連通路１８２を通る。冷媒ガスは、パルス管１４０の低温端１４５ｂ側に設けられた熱交換器１４９ｂでさらに冷却されて、パルス管１４０の内部に流入する。
【００３６】
この際に、パルス管１４０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、パルス管１４０内の冷媒ガスの圧力は、バッファタンク１９０内の圧力よりも高くなり、冷媒ガスは、オリフィス１９４およびガス流路１９２を通って、バッファタンク１９０に流入する。
【００３７】
次に、排気バルブ１１０ａを閉じ、吸気バルブ１１０ｂを開くと、パルス管１４０内の冷媒ガスは、低温端１４５ｂを通り、蓄冷管１２０の低温端１２５ｂに流入する。さらに冷媒ガスは、蓄冷材１２２を冷却しながら蓄冷管１２０内を通過し、高温端１２５ａからガス流路１１２および吸気バルブ１１０ｂを通り、圧縮機１１０に回収される。
【００３８】
ここで、パルス管１４０は、オリフィス１９４を介して、バッファタンク１９０と接続されている。このため、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、パルス管１４０の低温端１４５ｂ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１００は、上記の動作が反復されることで、冷却ステージ１８０に接続された被冷却対象を冷却することができる。
【００３９】
ところで、従来のパルスチューブ冷凍機では、パルス管の低温端側に設置される熱交換器として、銅製の金網等からなる積層体が使用される。このような金網を使用するのは、冷媒ガスが蓄冷管からパルス管に流入する際に、冷媒ガスの速度に大きな差異が生じないようにするため、すなわち冷媒ガスの整流効果を得るためである。この積層体は、各構成部材が相互にずれないように固定（接合）した後、パルス管の低温端側に充填される。
【００４０】
しかしながら、熱交換器をこのように構成した場合、積層体を高精度の寸法で形成したとしても、積層体の側面と、この積層体を収容する溝（図１の例では、連通路１８２）の内壁との間に、ある程度の隙間が生じてしまうことは避けられない。従って、両者を常に確実に熱接触させることは難しいという問題が生じる。また、このため、両者の接触状態に応じて、界面での熱抵抗が大きく変化してしまい、熱交換性にバラツキが生じたり、パルスチューブ冷凍機の熱交換性能が低下してしまうという問題が生じ得る。
【００４１】
なお、この問題に対処するため、積層体を溝内に充填した後、積層体の側部を溝の内壁にろう付けすることが考えられる。
【００４２】
しかしながら、この方法では、積層体と溝の内壁の両者を複数の「点」で接触させることはできても、積層体の側部を全体的に溝の内壁と接触させることは不可能である。従って、この方法は、熱抵抗の抑制効果としては不十分であり、前述の問題の根本的な解決にはならない。
【００４３】
これに対して、本発明によるパルスチューブ冷凍機では、パルス管１４０の低温端１４５ｂ側に設置される熱交換器１４９ｂは、この熱交換器１４９ｂを収容する溝の内壁と拡散接合されているという特徴を有する。
【００４４】
熱交換器１４９ｂをこのように構成した場合、熱交換器１４９ｂの側部は、常時溝の内壁と接触されるようになる。従って、従来のような、両者の間で熱抵抗が大きく変化したり、パルスチューブ冷凍機の熱交換性能が低下してしまうという問題を軽減または解消することができる。
【００４５】
以下、図２および図３を参照して、本発明の特徴をより詳しく説明する。
【００４６】
図２には、パルス管１４０の低温端１４５ｂが接続される冷却ステージ１８０の溝１８９近傍の断面を模式的に示す。この図には、本発明に使用される熱交換器１４９ｂの一例の概略的な断面が示されている。図３には、熱交換器１４９ｂを構成する積層体１５０の一例の概略的な分解構成図を示す。
【００４７】
図２に示すように、熱交換器１４９ｂは、冷却ステージ１８０の溝１８９内に形成される。熱交換器１４９ｂは、積層体１５０を有し、この積層体の側面は、溝１８９の内壁１８４と拡散接合されている。
【００４８】
図３に示すように、通常の場合、積層体１５０は、複数の銅または銅合金製（以下、両者をまとめて「銅（製）」と称する）の金網を積層することにより構成される。図３の例では、積層体１５０は、第１の金網１５２Ａ、第２の金網１５２Ｂ、第３の金網１５２Ｃ...および第ｎの金網１５２Ｎを積層することにより構成される。ただし、積層体１５０は、単一の銅製の金網１５２Ａで構成されても良い。これらの金網１５２Ａ、１５２Ｂ、１５２Ｃ...および１５２Ｎの各接触界面は、拡散接合されている。従って、各界面での熱接触性が高まり、界面での熱抵抗が小さくなる。
【００４９】
熱交換器１４９ｂは、例えば以下の方法で、冷却ステージ１８０の溝１８９内に形成される。
【００５０】
まず、各銅製の金網１５２Ａ、１５２Ｂ、１５２Ｃ...および１５２Ｎを積層する。次に、得られた組立体を冷却ステージ１８０の溝１８９内に設置する。その後、冷却ステージ１８０ごと、「拡散接合処理」することにより、熱交換器１４９ｂが形成される。
【００５１】
ここで、「拡散接合処理」とは、加熱により、各部材同士の界面で原子相互拡散が生じ、これにより界面接合が行われる方法の総称である。通常、本願における拡散接合処理は、８００℃〜１０８０℃の範囲（例えば１０００℃）で行われる。
【００５２】
このような拡散接合処理により、各金網間の界面が密着、接合されると同時に、溝１８９の内壁１８４に、積層体１５０の側面が拡散接合される。
【００５３】
なお、各金網間の拡散接合処理は、積層体１５０と溝１８９の内壁１８４との拡散接合処理の前に実施しておいても良い（すなわち、「２段階」拡散接合処理）。
【００５４】
このような熱交換器１４９ｂの構成では、積層体１５０を後から溝１８９に充填する場合に比べて、熱交換器１４９ｂと冷却ステージ１８０との間の熱接触性を高めることができ、両者の間の熱抵抗を有意に抑制することができる。
【００５５】
ここで、図３において、各銅製の金網１５２Ａ、１５２Ｂ、１５２Ｃ...および１５２Ｎのメッシュまたは網目（開き目）の寸法は、実質的に等しくても、異なっていても良い。
【００５６】
なお、本願において、「メッシュ」とは、１インチ（２５．４ｍｍ）の間にある目数を意味し、「網目」とは、金網の隣接する線部分同士間の距離（隙間の長さ）を意味する。
【００５７】
各金網１５２Ａ〜１５２Ｎの網目が異なる場合、網目は、第１の金網１５２Ａから第ｎの金網１５２Ｎの順に、連続的にまたは段階的（例えばステップ状）に大きくなっても良い。この場合、網目の細かい第１の金網１５２Ａは、網目の粗い第ｎの金網１５２Ｎに比べて、蓄冷管１２０の低温端１２５ｂから遠い側（パルス管１４０に近い側）に設置される。これにより、冷媒ガスが蓄冷管１２０からパルス管１４０に流れる際、冷媒ガスの流速に大きな変動が生じにくくなり、より有意な整流効果が得られる。
【００５８】
金網の総数は、各金網の厚さ等によっても異なるが、２〜２００の範囲（例えば１００）であっても良い。
【００５９】
各銅製の金網のメッシュは、通常、＃１６〜＃３００の範囲であり、これは、金網の網目に換算すると、約１．１４ｍｍ〜約０．０５ｍｍの範囲である。各銅製の金網のメッシュは、＃６０〜＃１５０（網目換算で、約０．３０３ｍｍ〜約０．１０４ｍｍ）の範囲であることが好ましい。
【００６０】
なお、各金網は、圧延処理されたものであっても良い。圧延処理した金網は、特開２００３−２８５２６に示されている。特開２００３−２８５２６の図２（Ａ）に示すように、金網を圧延処理することにより、金網同士の間の接触面積が増加する。金網同士の熱接触抵抗が小さくなり、熱交換効率が向上する。圧延処理後の金網の厚さは、処理前を１とすると、０．４〜０．９９の範囲である。この厚さは、０．６〜０．８の範囲であることが好ましい。
【００６１】
なお、図２の例では、熱交換器１４９ｂの側面は、冷却ステージ１８０の構１８９の内壁１８４と拡散接合されている。しかしながら、本発明の態様は、これに限られるものではない。例えば熱交換器１４９ｂの側面は、パルス管１４０を構成するシリンダ１４１の低温端１４５ｂ側の内壁と、拡散接合されても良い。
【００６２】
次に、図４を参照して、別の熱交換器１４９ｂ−２の構成について説明する。図４には、パルス管１４０の低温端１４５ｂが接続される冷却ステージ１８０の溝１８９近傍の断面を模式的に示す。この図には、本発明に使用される熱交換器１４９ｂ−２の一例の概略的な断面が示されている。
【００６３】
図４に示すように、熱交換器１４９ｂ−２は、冷却ステージ１８０の溝１８９に形成される。この熱交換器１４９ｂ−２は、前述の図２に示した熱交換器１４９ｂと同様の積層体を有する。ただし、この熱交換器１４９ｂ−２は、さらに、金網の積層体１５０を収容する筐体１５９を備えるという特徴を有する。この筐体１５９は、銅または銅合金で構成される。また、筐体１５９は、上面および下面が開口されており、溝１８９の内径とほぼ適合する側面寸法を有する。金網の積層体１５０は、その側面が、筐体１５９の側面の内壁と拡散接合される。
【００６４】
熱交換器１４９ｂ−２は、各金網１５２Ａ〜１５２Ｎを積層して、筐体１５９内に充填した後、この筐体１５９ごと拡散接合処理することにより形成することができる。その後、この筐体１５９は、冷却ステージ１８０の溝１８９に設置され、筐体１５９が冷却ステージ１８０の溝１８９の内壁１８４とろう付けされる。
【００６５】
ここで、筐体１５９と内壁１８４とをろう付けした場合、接触界面での両者の密着および接触の程度は、従来のような積層体と内壁とを直接ろう付けした場合よりも良好であることに留意する必要がある。これは、積層体の側面は、通常、複数の部材の端部が存在するため、高い寸法精度で十分に平滑化することが難しいのに対して、筐体１５９は、単一の部材で構成されるため、その側面は、高精度で比較的容易に平滑化することができるためである。
【００６６】
従って、図４のような構成でも、従来の熱交換器に比べて、熱交換器１４９ｂ−２と冷却ステージ１８０との間の熱接触性を高めることができ、両者の間の熱抵抗を有意に抑制することができる。
【００６７】
なお、図４の例では、熱交換器１４９ｂ−２は、冷却ステージ１８０の構１８９内に直接設置される。しかしながら、本発明の態様は、これに限られるものではない。例えば熱交換器１４９ｂ−２の外側は、パルス管１４０を構成するシリンダ１４１の低温端１４５ｂ側と接触していても良い。この場合、熱交換器１４９ｂ−２の筐体１５９は、シリンダ１４１の内壁とろう付けされる。
【００６８】
以上の例では、熱交換器１４９ｂおよび熱交換器１４９ｂ−２が、銅製の金網からなる積層体１５０を有する場合について説明した。しかしながら、本発明は、このような態様に限られるものではない。
【００６９】
図５には、熱交換器１４９ｂおよび熱交換器１４９ｂ−２に使用される別の積層体の構成を示す。
【００７０】
図５において、積層体１５０Ａは、第１の金網１５３Ａ、第２の金網１５３Ｂ、第３の金網１５３Ｃ、第４の金網１５３Ｄ...および第ｎの金網１５３Ｎをこの順に積層することにより構成される。なお、前述の積層体１５０と同様、最終的に、各金網同士の界面は、拡散接合される。
【００７１】
ここで、第２の金網１５３Ｂ〜第ｎの金網１５３Ｎは、銅製であるのに対して、第１の金網１５３Ａは、銅以外の金属または合金で構成される。例えば、第１の金網１５３Ａは、ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４、３１６等）またはニッケル等であっても良い。ステンレス鋼およびニッケルは、銅に比べて剛性が高い。従って、第１の金網１５３Ａをステンレス鋼またはニッケルで構成した場合、最終的に得られる積層体１５０Ａの剛性を高めることができ、使用の際に、冷媒ガスの圧力により、積層体１５０が変形する可能性が少なくなる。
【００７２】
また、第１の金網１５３Ａは、その他の金網に比べて大きなメッシュ（すなわち、小さい網目）を有しても良い。この場合、積層体１５０Ａは、第１の金網１５３Ａの側が蓄冷管１２０の低温端１２５ｂから遠い側となるようにして（図２、図４の例では、上側となるようにして）、溝１８９内に設置される。これにより、蓄冷管１２０とパルス管１４０の間を往復する冷媒ガスに対して、高い整流効果が得られるようになる。
【００７３】
また、一般に、銅製の金網では、加工技術およびコスト上の制約から、メッシュが大きく、網目の細かいものを製作することが難しいという問題がある（例えば、メッシュの最大値は、＃１００程度であり、網目の最小値は、０．１３４〜０．１５４ｍｍ程度である）。しかしながら、例えばステンレス鋼等の非銅製の金網の場合、メッシュが大きく、網目の細かいものを比較的容易に入手することができる。従って、２種類の材料を組み合わせることにより、熱交換器１４９ｂ、１４９ｂ−２の整流性に関して、幅広い設計が可能になる。
【００７４】
例えば、第１の金網１５３Ａのメッシュは、＃３０〜＃５００の範囲であり、＃６０〜＃４００の範囲であることが好ましい。これは、網目換算では、それぞれ、約０．５７７ｍｍ〜約０．０２６ｍｍ、および約０．２５３ｍｍ〜約０．０３４ｍｍに相当する。一方、第２の金網１５３Ｂ〜第ｎの金網１５３Ｎのメッシュは、＃１６〜＃３００の範囲であり、＃６０〜＃１５０の範囲であることが好ましい。これは、網目換算では、それぞれ、約１．１４ｍｍ〜約０．０５ｍｍ、および約０．３０３ｍｍ〜約０．１０４ｍｍに相当する。なお、前述のように、第２の金網１５３Ｂ〜第ｎの金網１５３Ｎは、メッシュまたは網目が同一であっても異なっていても良い。
【００７５】
金網の総数は、各金網の厚さ等によっても異なるが、２〜２００の範囲（例えば１００）であっても良い。
【００７６】
前述のように、積層体１５０Ａは、冷却ステージ１８０の溝１８９内に設置され、これを拡散接合処理することにより、熱交換器１４９ｂが形成される。あるいは、積層体１５０Ａは、筐体１５９内に設置され、これを拡散接合処理した後、筐体１５９を冷却ステージ１８０の溝１８９内に設置し、筐体１５９と内壁１８４とをろう付けすることにより、熱交換器１４９ｂ−２が形成される。拡散接合処理は、例えば、８００℃〜１０８０℃（例えば１０００℃）の範囲で行われる。
【００７７】
図６には、熱交換器１４９ｂおよび熱交換器１４９ｂ−２に使用されるさらに別の積層体の構成を示す。
【００７８】
図６において、積層体１５０Ｂは、第１の金網１５４Ａ、第２の金網１５４Ｂ、第３の金網１５４Ｃ、第４の金網１５４Ｄ...および第ｎの金網１５４Ｎをこの順に積層することにより構成される。なお、前述の積層体１５０および１５０Ａと同様、最終的に、各金網同士の界面は、拡散接合される。
【００７９】
第２の金網１５４Ｂ、第４の金網１５４Ｄ、および第６の金網１５４Ｆ〜第ｎの金網１５４Ｎは、銅製である。これに対して、第１の金網１５４Ａ、第３の金網１５４Ｃ、および第５の金網１５４Ｅの３つは、銅以外の金属または合金で構成される。例えば、第１の金網１５４Ａ、第３の金網１５４Ｃ、および第５の金網１５４Ｅは、ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４、３１６等）またはニッケル等で構成される。なお、第１の金網１５４Ａ、第３の金網１５４Ｃ、および第５の金網１５４Ｅは、同一の材料で構成されても、異なる材料で構成されても良い。
【００８０】
この図の構成では、非銅製の金網と銅製の金網とが交互に積層されたサイクルＣが３回繰り返される。
【００８１】
第１の金網１５４Ａ、第３の金網１５４Ｃ、および第５の金網１５４Ｅの３つは、その他の金網に比べて大きなメッシュ（すなわち小さい網目）を有する。例えば、第１の金網１５４Ａ、第３の金網１５４Ｃ、および第５の金網１５４Ｅのメッシュは、＃３０〜＃５００（網目換算で、約０．５７７ｍｍ〜約０．０２６ｍｍ）の範囲であり、＃６０〜＃４００（網目換算で、約０．２５３ｍｍ〜約０．０３４ｍｍ）の範囲であることが好ましい。一方、残りの銅製の金網１５４Ｂ、１５４Ｄ、１５４Ｆ〜１５４Ｎのメッシュは、＃１６〜＃３００（網目換算で、約１．１４ｍｍ〜約０．０５ｍｍ）の範囲であり、＃６０〜＃１５０（網目換算で、約０．３０３ｍｍ〜約０．１０４ｍｍ）の範囲であることが好ましい。なお、銅製の金網は、網目の寸法が同一であっても異なっていても良い。銅製の金網１５４Ｂ〜１５４Ｎの各網目の寸法が異なる場合、網目は、第２の金網１５４Ｂから第ｎの金網１５４Ｎの順に、連続的にまたは段階的（例えばステップ状）に大きくなっても良い。
【００８２】
金網の総数は、各金網の厚さにもよるが、２〜２００の範囲（例えば１００）であっても良い。
【００８３】
図６に示す積層体１５０Ｂは、使用の際には、第１の金網１５４Ａが、冷却ステージ１８０の連通路１８２から遠い側となるようにして（図２、４の例では、上側となるようにして）、冷却ステージ１８０内に設置される。
【００８４】
なお、図６の例では、非銅製の金網を合計３つ含み、サイクル数Ｃが３回の積層体１５０Ｂについて説明したが、積層体１５０Ｂにおいて、非銅製の金網の数、およびサイクル数Ｃは、特に限られない。非銅製の金網の数は、例えば、２つ、４つ、または６つ以上であっても良い。また、繰りかえし数Ｃは、２回、４回、または６回以上であっても良い。例えば、第１の金網から第ｎの金網まで（すなわち積層体１５０Ｂの全体にわたって）、非銅製と銅製の金網の交互配置が繰り返されても良い。
【００８５】
以上、図面を参照して、本発明による実施例の一例について説明した。ただし、本発明は、前述の構成に限られるものではないことは、当業者には明らかである。例えば、前述の例において、パルスチューブ冷凍機１００は、単段式である。しかしながら、本発明は、２段式、または３段式等の多段パルスチューブ冷凍機にも適用することができる。
【実施例】
【００８６】
実際に、冷却ステージの溝内に、前述の図２に示すような熱交換器１４９ｂを形成したパルスチューブ冷凍機を通常の条件で運転して、冷却ステージの温度を測定した。熱交換器１４９ｂの積層体には、図５に示す構成の積層体１５０Ａを使用した。最上部の金網１５３Ａには、メッシュが＃２５０のＳＵＳ３０４製の金網を使用した。また、２段目以降の金網には、メッシュが＃８０の銅製の金網を使用した。
【００８７】
測定の結果、冷却ステージの温度は、約３６．４Ｋ（ケルビン）であった。一方、冷却ステージの溝内に、従来の熱交換器（メッシュが＃８０の銅製の積層体を有し、積層体の側部が溝の内壁と拡散接合されていないもの）を備えるパルスチューブ冷凍機において、同様の測定を行ったところ、冷却ステージの温度は、約４０．２Ｋ（ケルビン）であった。
【００８８】
この結果から、本発明によるパルスチューブ冷凍機では、従来に比べて冷却能力が向上することが確認された。
【産業上の利用可能性】
【００８９】
本発明は、核磁気共鳴診断装置、超伝導マグネット装置、クライオポンプ等の低温システムに適用される、単段式また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】
【００９０】
１００ パルスチューブ冷凍機
１１０ 圧縮機
１１０ａ 排気バルブ
１１０ｂ 吸気バルブ
１１２ ガス流路
１１５ フランジ
１２０ 蓄冷管
１２１ シリンダ
１２２ 蓄冷材
１２５ａ 蓄冷管の高温端
１２５ｂ 蓄冷管の低温端
１４０ パルス管
１４１ シリンダ
１４５ａ パルス管の高温端
１４５ｂ パルス管の低温端
１４９ａ、１４９ｂ 熱交換器
１５０ 積層体
１５０Ａ 別の積層体
１５０Ｂ さらに別の積層体
１５２Ａ、１５３Ａ、１５４Ａ 第１の金網
１５２Ｂ、１５３Ｂ、１５４Ｂ 第２の金網
１５２Ｃ、１５３Ｃ、１５４Ｃ 第３の金網
１５９ 筐体
１８０ 冷却ステージ
１８２ 連通路
１８４ 内壁
１８９ 溝
１９０ バッファタンク
１９２ ガス流路
１９４ オリフィス。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
パルス管の低温端と蓄冷管の低温端が連通路により連通されたパルスチューブ冷凍機であって、
前記連通路の前記パルス管の低温端側には、熱交換器が設置され、
該熱交換器は、少なくとも第１および第２の金網を含む積層体を有し、
前記第１および第２の金網は、いずれも銅または銅合金で構成され、
各金網同士の界面は、拡散接合されており、
前記積層体の側面は、前記連通路を構成する内壁と拡散接合されていることを特徴とするパルスチューブ冷凍機。
【請求項２】
パルス管の低温端と蓄冷管の低温端が連通路により連通されたパルスチューブ冷凍機であって、
前記連通路の前記パルス管の低温端側には、熱交換器が設置され、
該熱交換器は、少なくとも第１および第２の金網を含む積層体と、筐体とを有し、
前記第１および第２の金網、ならびに前記筐体は、いずれも銅または銅合金で構成され、
各金網同士の界面は、拡散接合されており、
前記積層体は、前記筐体内に収容され、
前記積層体の側面は、前記筐体の内壁と拡散接合されていることを特徴とするパルスチューブ冷凍機。
【請求項３】
前記積層体は、さらに、銅または銅合金とは別の金属で構成された第３の金網を最上部に有し、
各金網同士の界面は、拡散接合されており、
前記積層体は、前記第３の金網の側が前記蓄冷管の低温端から最も遠ざかるようにして、前記連通路内に配置されることを特徴とする請求項１または２のいずれか一つに記載のパルスチューブ冷凍機。
【請求項４】
前記積層体は、さらに、銅または銅合金とは別の金属で構成された第４の金網を有し、
各金網同士の界面は、拡散接合されており、
前記積層体は、前記第３の金網、前記第１の金網、前記第４の金網、および前記第２の金網の順に積層されることを特徴とする請求項３に記載のパルスチューブ冷凍機。
【請求項５】
前記積層体は、６層以上の金網が積層されて構成され、
前記積層体は、全体を通して、銅または銅合金とは別の金属で構成された金網と、銅または銅合金製の金網との交互繰り返し構造で構成され、
各金網同士の界面は、拡散接合されていることを特徴とする請求項４に記載のパルスチューブ冷凍機。
【請求項６】
前記銅または銅合金とは別の金属で構成された金網の網目の寸法は、０．０２ｍｍ〜０．５８ｍｍの範囲であることを特徴とする請求項３乃至５のいずれか一つに記載のパルスチューブ冷凍機。
【請求項７】
前記金網は、圧延処理されたものであることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一つに記載のパルスチューブ冷凍機。
【請求項８】
前記圧延処理された金網の厚さは、処理前を１とすると、０．４〜０．９９の範囲であることを特徴とする請求項７に記載のパルスチューブ冷凍機。
【請求項９】
前記銅または銅合金とは別の金属は、ステンレス鋼もしくはニッケルであることを特徴とする請求項３乃至８のいずれか一つに記載のパルスチューブ冷凍機。
【請求項１０】
各銅または銅合金とは別の金属で構成された金網の網目の寸法は、実質的に等しいことを特徴とする請求項４乃至９のいずれか一つに記載のパルスチューブ冷凍機。
【請求項１１】
各銅または銅合金とは別の金属で構成された金網の網目の寸法は、各銅または銅合金製の金網の網目の寸法よりも小さいことを特徴とする請求項４乃至９のいずれか一つに記載のパルスチューブ冷凍機。
【請求項１２】
前記銅または銅合金製の金網の網目の寸法は、０．０５ｍｍ〜１．１４ｍｍの範囲であることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか一つに記載のパルスチューブ冷凍機。
【請求項１３】
各銅または銅合金製の金網の網目の寸法は、実質的に等しいことを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか一つに記載のパルスチューブ冷凍機。
【請求項１４】
各銅または銅合金製の金網の網目の寸法は、前記蓄冷管の低温端に最も近い金網から、前記積層体の積層方向に向かって、連続的にまたは段階的に減少することを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか一つに記載のパルスチューブ冷凍機。
【請求項１】
パルス管の低温端と蓄冷管の低温端が連通路により連通されたパルスチューブ冷凍機であって、
前記連通路の前記パルス管の低温端側には、熱交換器が設置され、
該熱交換器は、少なくとも第１および第２の金網を含む積層体を有し、
前記第１および第２の金網は、いずれも銅または銅合金で構成され、
各金網同士の界面は、拡散接合されており、
前記積層体の側面は、前記連通路を構成する内壁と拡散接合されていることを特徴とするパルスチューブ冷凍機。
【請求項２】
パルス管の低温端と蓄冷管の低温端が連通路により連通されたパルスチューブ冷凍機であって、
前記連通路の前記パルス管の低温端側には、熱交換器が設置され、
該熱交換器は、少なくとも第１および第２の金網を含む積層体と、筐体とを有し、
前記第１および第２の金網、ならびに前記筐体は、いずれも銅または銅合金で構成され、
各金網同士の界面は、拡散接合されており、
前記積層体は、前記筐体内に収容され、
前記積層体の側面は、前記筐体の内壁と拡散接合されていることを特徴とするパルスチューブ冷凍機。
【請求項３】
前記積層体は、さらに、銅または銅合金とは別の金属で構成された第３の金網を最上部に有し、
各金網同士の界面は、拡散接合されており、
前記積層体は、前記第３の金網の側が前記蓄冷管の低温端から最も遠ざかるようにして、前記連通路内に配置されることを特徴とする請求項１または２のいずれか一つに記載のパルスチューブ冷凍機。
【請求項４】
前記積層体は、さらに、銅または銅合金とは別の金属で構成された第４の金網を有し、
各金網同士の界面は、拡散接合されており、
前記積層体は、前記第３の金網、前記第１の金網、前記第４の金網、および前記第２の金網の順に積層されることを特徴とする請求項３に記載のパルスチューブ冷凍機。
【請求項５】
前記積層体は、６層以上の金網が積層されて構成され、
前記積層体は、全体を通して、銅または銅合金とは別の金属で構成された金網と、銅または銅合金製の金網との交互繰り返し構造で構成され、
各金網同士の界面は、拡散接合されていることを特徴とする請求項４に記載のパルスチューブ冷凍機。
【請求項６】
前記銅または銅合金とは別の金属で構成された金網の網目の寸法は、０．０２ｍｍ〜０．５８ｍｍの範囲であることを特徴とする請求項３乃至５のいずれか一つに記載のパルスチューブ冷凍機。
【請求項７】
前記金網は、圧延処理されたものであることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一つに記載のパルスチューブ冷凍機。
【請求項８】
前記圧延処理された金網の厚さは、処理前を１とすると、０．４〜０．９９の範囲であることを特徴とする請求項７に記載のパルスチューブ冷凍機。
【請求項９】
前記銅または銅合金とは別の金属は、ステンレス鋼もしくはニッケルであることを特徴とする請求項３乃至８のいずれか一つに記載のパルスチューブ冷凍機。
【請求項１０】
各銅または銅合金とは別の金属で構成された金網の網目の寸法は、実質的に等しいことを特徴とする請求項４乃至９のいずれか一つに記載のパルスチューブ冷凍機。
【請求項１１】
各銅または銅合金とは別の金属で構成された金網の網目の寸法は、各銅または銅合金製の金網の網目の寸法よりも小さいことを特徴とする請求項４乃至９のいずれか一つに記載のパルスチューブ冷凍機。
【請求項１２】
前記銅または銅合金製の金網の網目の寸法は、０．０５ｍｍ〜１．１４ｍｍの範囲であることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか一つに記載のパルスチューブ冷凍機。
【請求項１３】
各銅または銅合金製の金網の網目の寸法は、実質的に等しいことを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか一つに記載のパルスチューブ冷凍機。
【請求項１４】
各銅または銅合金製の金網の網目の寸法は、前記蓄冷管の低温端に最も近い金網から、前記積層体の積層方向に向かって、連続的にまたは段階的に減少することを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか一つに記載のパルスチューブ冷凍機。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１１−１４９６００（Ｐ２０１１−１４９６００Ａ）
【公開日】平成２３年８月４日（２０１１．８．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１０４４７（Ｐ２０１０−１０４４７）
【出願日】平成２２年１月２０日（２０１０．１．２０）
【出願人】（０００００２１０７）住友重機械工業株式会社 (2,241)
【公開日】平成２３年８月４日（２０１１．８．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１月２０日（２０１０．１．２０）
【出願人】（０００００２１０７）住友重機械工業株式会社 (2,241)
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