パルスチューブ冷凍機
【課題】蓄冷管とパルス管の間の空間での対流の発生を抑制する。
【解決手段】蓄冷管およびパルス管と、雰囲気ガスの凝縮機能を備え、前記蓄冷管および前記パルス管の低温端の冷却ステージとして機能する凝縮器とを有するパルスチューブ冷凍機において、前記凝縮器内の流通路を介して、蓄冷管の低温端とパルス管の低温端とが接続され、前記凝縮器は、相互に対向する第１の表面および第２の表面を有し、第１の表面には、前記流通路の第１端および第２端用の２つの開口が設けられ、第２の表面は、該第２の表面から延在する複数の溝を有し、前記蓄冷管またはパルス管の軸方向と平行な方向から見たとき、前記流通路の２つの開口の中心を結ぶ直線上に中心を有する円であって、前記２つの開口を包含する最小の円または前記２つの開口と内接する円の領域内では、前記溝は、前記第１の表面まで貫通されていない。
【解決手段】蓄冷管およびパルス管と、雰囲気ガスの凝縮機能を備え、前記蓄冷管および前記パルス管の低温端の冷却ステージとして機能する凝縮器とを有するパルスチューブ冷凍機において、前記凝縮器内の流通路を介して、蓄冷管の低温端とパルス管の低温端とが接続され、前記凝縮器は、相互に対向する第１の表面および第２の表面を有し、第１の表面には、前記流通路の第１端および第２端用の２つの開口が設けられ、第２の表面は、該第２の表面から延在する複数の溝を有し、前記蓄冷管またはパルス管の軸方向と平行な方向から見たとき、前記流通路の２つの開口の中心を結ぶ直線上に中心を有する円であって、前記２つの開口を包含する最小の円または前記２つの開口と内接する円の領域内では、前記溝は、前記第１の表面まで貫通されていない。
【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、雰囲気ガスの凝縮機能を有する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、作動流体が圧縮機により回収され、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。これらの低温端には冷却ステージが設置され、この冷却ステージを、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、パルスチューブ冷凍機がＭＲＩ用クライオスタットに適用される場合、パルスチューブ冷凍機の冷却ステージは、ＭＲＩ磁石が収容された液体ヘリウム槽と連通する空間内に配置され、これにより、ＭＲＩ磁石が極低温に冷却される。
【０００５】
なお、ＭＲＩ磁石を極低温に維持し続けるためには、熱交換によって気化した分の液体ヘリウムを絶えず液体ヘリウム槽に補給する必要がある。そこで、通常の場合、気化したヘリウムガスを再度液体状態に戻すため、冷却ステージ近傍（例えば、冷却ステージの直下）には、凝縮器が設置される。また、特許文献１には、そのような凝縮器を冷却ステージと一体構成したパルスチューブ冷凍機が示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−２１４７１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
凝縮器は、ヘリウムガスとの熱接触の機会が高まるほど、凝縮効率（ヘリウムガスの冷却効率）が向上する。このため、通常の場合、凝縮器には、表面積を増加させるための多数の溝が設けられる。
【０００８】
図１には、そのような多数の溝を有し、冷却ステージとしても機能する凝縮器の模式的な斜視図を示す。
【０００９】
図１において、冷却ステージでもある凝縮器６０は、上面２と下面３とを有し、上面２は、蓄冷管４１の低温端４２ｂおよびパルス管４６の低温端４７ｂと接続される。蓄冷管４１の低温端４２ｂとパルス管４６の低温端４７ｂとは、凝縮器６０内に形成されたガス流通路４８により連通される。また、凝縮器６０は、図の上下に貫通した多数の貫通溝１０を有し、これにより、凝縮器６０の表面積が増加する。
【００１０】
なお、図１には示されていないが、凝縮器６０は、断熱容器内に収容されている。また、凝縮器６０の下面３の下側には、ＭＲＩ磁石が収容された液体ヘリウム槽が設けられている。このため、ハウジング内は、ヘリウムガス雰囲気となっている。
【００１１】
液体ヘリウム槽中の液体ヘリウムは、ＭＲＩ磁石との熱交換により温度が上昇すると、気化してヘリウムガスとなる。このヘリウムガスは、凝縮器６０と接触した際に再度冷却され、液体となり、液体ヘリウム槽に戻る。従って、凝縮器６０により、液体ヘリウム槽には、常時気化したヘリウムを補充する分の液体ヘリウムが供給され、これによりＭＲＩ磁石の極低温（例えば４Ｋ程度）が維持される。
【００１２】
しかしながら、このような凝縮器６０の構成において、液体ヘリウム槽から気化したヘリウムガスの一部は、凝縮器６０に設けられた貫通溝１０を通って、図１の下部空間７５から、比較的容易に、蓄冷管４１とパルス管４６の間の空間近傍まで達してしまうという問題がある。これにより、蓄冷管４１とパルス管４６の間の空間のヘリウムガス流速が増え、対流熱損失が増大し、また、このような対流の発生が顕著になると、パルスチューブ冷凍機の蓄冷管４１およびパルス管４６の温度が変化し、パルスチューブ冷凍機全体の冷却性能が低下してしまうおそれがある。
【００１３】
本発明は、このような問題に鑑みなされたものであり、本発明では、凝縮器を有するタイプのパルスチューブ冷凍機であって、蓄冷管とパルス管の間の空間での対流の発生が有意に抑制され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】
【００１４】
本発明では、
蓄冷管およびパルス管と、雰囲気ガスの凝縮機能を備え、前記蓄冷管および前記パルス管の低温端の冷却ステージとして機能する凝縮器とを有するパルスチューブ冷凍機であって、
前記凝縮器内に形成された流通路を介して、前記蓄冷管の低温端と前記パルス管の低温端とが接続され、
前記凝縮器は、相互に対向する第１の表面および第２の表面を有し、前記第１の表面には、前記流通路の第１端および第２端用の２つの開口が設けられ、前記第２の表面は、該第２の表面から延在する複数の溝を有し、
前記蓄冷管またはパルス管の軸方向と平行な方向から見たとき、
前記流通路の２つの開口の中心を結ぶ直線上に中心を有する円であって、前記２つの開口を包含する最小の円または前記２つの開口と内接する円の領域内において、前記溝は、前記第１の表面まで貫通されていないことを特徴とするパルスチューブ冷凍機が提供される。
【００１５】
本発明によるパルスチューブ冷凍機において、前記凝縮器は、前記第１の表面と前記第２の表面をつなぐ側面を有し、
前記溝の少なくとも一つは、前記側面に開口を有しても良い。
【００１６】
また、本発明によるパルスチューブ冷凍機において、前記凝縮器は、前記第１の表面と前記第２の表面をつなぐ側面を有し、
前記側面は、外周に沿った窪み部を有し、
前記溝の少なくとも一つは、前記窪み部に開口を有しても良い。
【００１７】
また、本発明によるパルスチューブ冷凍機において、前記複数の溝の全ては、貫通されていなくても良い。
【００１８】
また、本発明では、
雰囲気ガスの凝縮器、および該凝縮器上に設けられた冷却ステージを有し、該冷却ステージに形成された流通路を介して、蓄冷管の低温端とパルス管の低温端とが接続された、パルスチューブ冷凍機であって、
前記冷却ステージは、相互に対向する第１の表面および第２の表面を有し、前記第１の表面には、前記流通路の第１端および第２端用の２つの開口が設けられ、
前記凝縮器は、相互に対向する第３の表面および第４の表面と、前記第４の表面から延在する複数の溝とを有し、
前記凝縮器の前記第３の表面は、前記第４の表面に比べて前記冷却ステージの前記第２の表面と接近され、
前記蓄冷管またはパルス管の軸方向と平行な方向から見たとき、
前記流通路の２つの開口の中心を結ぶ直線上に中心を有する円であって、前記２つの開口を包含する最小の円または前記２つの開口と内接する円の領域内において、前記溝は、前記第１の表面まで貫通されていないことを特徴とするパルスチューブ冷凍機が提供される。
【００１９】
本発明によるパルスチューブ冷凍機において、当該パルスチューブ冷凍機は、多段式のパルスチューブ冷凍機であって、
前記雰囲気ガスは、ヘリウムガスであっても良い。
【００２０】
この場合、前記冷却ステージは、最低温用の冷却ステージであっても良い。
【００２１】
また、本発明によるパルスチューブ冷凍機において、前記凝縮器の前記第４の表面側には、液体ヘリウム槽が設置されても良い。
【００２２】
あるいは、本発明によるパルスチューブ冷凍機において、当該パルスチューブ冷凍機は、単段式のパルスチューブ冷凍機であって、
前記雰囲気ガスは、窒素ガスであっても良い。
【発明の効果】
【００２３】
本発明では、凝縮器を有するタイプのパルスチューブ冷凍機であって、蓄冷管とパルス管の間の空間での対流の発生が有意に抑制される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】
【００２４】
【図１】従来のパルスチューブ冷凍機における凝縮器近傍の模式的な斜視図である。
【図２】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断面図である。
【図３】本発明によるパルスチューブ冷凍機の凝縮器の一例を示した断面図である。
【図４】本発明によるパルスチューブ冷凍機の凝縮器の別の一例を示した上面図および底面図である。
【図５】本発明によるパルスチューブ冷凍機の凝縮器の別の一例を模式的に示した斜視図である。
【図６】本発明によるパルスチューブ冷凍機の凝縮器の別の一例を模式的に示した斜視図である。
【図７】本発明によるパルスチューブ冷凍機の凝縮器の別の一例を模式的に示した断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明についてより詳しく説明する。
【００２６】
図２には、本発明によるパルスチューブ冷凍機の概略的な構成断面図を示す。図２の例では、本発明によるパルスチューブ冷凍機は、２段式のパルスチューブ冷凍機である。
【００２７】
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は、圧縮機１１１と、上部ハウジング部１１０と、該上部ハウジング部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。
【００２８】
上部ハウジング部１１０は、筐体１０５を有し、この筐体１０５内には、第１段リザーバ１１５Ａ、第２段リザーバ１１５Ｂ、開閉バルブ１１２、開閉バルブ１１３、およびオリフィス１１７等が収容されている。開閉バルブ１１２および開閉バルブ１１３は、配管１１４を介して、圧縮機１１１に接続されている。
【００２９】
コールドヘッド部１２０は、第１段蓄冷管１３１、第１段パルス管１３６、第１段冷却ステージ１３０、第２段蓄冷管１４１、第２段パルス管１４６、および第２段冷却ステージ１６０を有する。
【００３０】
第１段蓄冷管１３１は、例えばステンレス鋼の中空状のシリンダ１３２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１３３からなる。第１段パルス管１３６は、例えばステンレス鋼の中空状のシリンダ１３７からなる。これらのシリンダ１３２、１３７の高温端１３２ａ、１３７ａはフランジ１２１に固定され、これらのシリンダ１３２、１３７の低温端１３２ｂ、１３７ｂは、第１段冷却ステージ１３０に接続されている。第１段パルス管１３６の高温端１３７ａには、熱交換器１１８ａが設置され、低温端１３７ｂには、熱交換器１１８ｂが設置されている。第１段冷却ステージ１３０には、その内部にガス流通路１３８が形成されており、第１段パルス管１３６の低温端１３７ｂと第１段蓄冷管１３１の低温端１３２ｂとは、ガス流通路１３８を介して接続されている。
【００３１】
また、第２段蓄冷管１４１は、例えばステンレス鋼の中空状のシリンダ１４２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１４３からなる。第２段パルス管１４６は、例えばステンレス鋼の中空状のシリンダ１４７からなる。第２段蓄冷管１４１の高温端１４２ａは、第１段冷却ステージ１３０を介して、第１段蓄冷管１３１のシリンダ１３２の低温端１３２ｂに接続され、第２段蓄冷管１４１の低温端１４２ｂは、第２段冷却ステージ１６０に接続されている。第２段パルス管１４６の高温端１４７ａは、フランジ１２１に固定され、低温端１４７ｂは、第２段冷却ステージ１６０に接続されている。第２段パルス管１４６の高温端１４７ａには、熱交換器１１９ａが設置され、第２段パルス管１４６の低温端１４７ｂには、熱交換器１１９ｂが設置されている。第２段冷却ステージ１６０には、その内部にガス流通路１４８が形成されており、第２段パルス管１４６の低温端１４７ｂと第２段蓄冷管１４１の低温端１４２ｂとは、ガス流通路１４８を介して接続されている。
【００３２】
パルスチューブ冷凍機１００では、圧縮機１１１から、高圧の冷媒ガスが開閉バルブ１１２および配管１１４を介して第１段蓄冷管１３１に供給され、また、第１段蓄冷管１３１から低圧の冷媒ガスが配管１１４および開閉バルブ１１３を介して圧縮機１１１に排出される。第１段パルス管１３６の高温端１３７ａには、オリフィス１１７および配管１１６を介して、第１段リザーバ１１５Ａが接続されている。また、第２段パルス管１４６の高温端１４７ａには、オリフィス１１７および配管１１６を介して、第２段リザーバ１１５Ｂが接続されている。オリフィス１１７は、第１段パルス管１３６および第２段パルス管１４６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。
【００３３】
パルスチューブ冷凍機１００のコールドヘッド部１２０において、フランジ１２１〜第１段冷却ステージ１３０までの間の空間は、ヘリウムガスが充填された第１の断熱容器１５０内に収容されている。
【００３４】
また、パルスチューブ冷凍機１００のコールドヘッド部１２０において、第１段冷却ステージ１３０〜第２段冷却ステージ１６０までの間の空間（上部空間１６５）は、第２の断熱容器１５２内に収容されている。また、第２の断熱容器１５２は、液体ヘリウム槽１５３が収容された、第２段冷却ステージ１６０の下側の空間（下部空間１７５）を備えている。液体ヘリウム槽１５３中には、液体ヘリウム１５４およびＭＲＩ磁石１５５が収容されている。液体ヘリウム槽１５３は、下部空間１７５を介して、第２段冷却ステージ１６０と対向するようにして、第２の断熱容器１５２中に設置される。
【００３５】
第２段冷却ステージ１６０は、凝縮器としても機能する。従って、以下の説明では、第２段冷却ステージ１６０は、凝縮器１６０とも称する。
【００３６】
次に、このように構成されるパルスチューブ冷凍機１００の動作を簡単に説明する。まず、開閉バルブ１１２が開状態、開閉バルブ１１３が閉状態になると、高圧の冷媒ガスが、圧縮機１１１から第１段蓄冷管１３１に流入する。第１段蓄冷管１３１内に流入した冷媒ガスは、蓄冷材１３３により冷却されて温度を下げながら、第１段蓄冷管１３１の低温端１３２ｂからガス流通路１３８を通り、第１段パルス管１３６の内部に流入する。この際に、第１段パルス管１３６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１３６内の冷媒ガスの圧力は、第１段リザーバ１１５Ａ内の圧力よりも高くなり、冷媒ガスは、オリフィス１１７および配管１１６を通って、第１段リザーバ１１５Ａに流入する。
【００３７】
また、第１段蓄冷管１３１で冷却された高圧の冷媒ガスの一部は、第２段蓄冷管１４１にも流入する。この冷媒ガスは、蓄冷材１４３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１４１の低温端１４２ｂからガス流通路１４８を通り、第２段パルス管１４６の内部に流入する。この際に、第２段パルス管１４６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１４６内の冷媒ガスの圧力は、第２段リザーバ１１５Ｂ内の圧力よりも高くなり、冷媒ガスは、オリフィス１１７および配管１１６を通って、第２段リザーバ１１５Ｂに流入する。
【００３８】
次に、開閉バルブ１１２を閉じ、開閉バルブ１１３を開くと、第１段パルス管１３６および第２段パルス管１４６内の冷媒ガスは、それぞれ、蓄冷材１３３および１４３を冷却しながら、第１段蓄冷管１３１および第２段蓄冷管１４１を通過する。また、第２段蓄冷管１４１を通過した冷媒ガスは、さらに第１段蓄冷管１３１を通過する。その後、冷媒ガスは、第１段蓄冷管１３１の高温端１３２ａから開閉バルブ１１３を通り、圧縮機１１１に戻る。ここで、第１段パルス管１３６および第２段パルス管１４６は、それぞれ、オリフィス１１７を介して、第１段リザーバ１１５Ａおよび第２段リザーバ１１５Ｂ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１３６の低温端１３７ｂおよび第２段パルス管１４６の低温端１４７ｂ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凍機として機能する。
【００３９】
ここで、液体ヘリウム槽１５３内の液体ヘリウム１５４の一部は、ＭＲＩ磁石１５５との熱交換により気化するため、下部空間１７５および下部空間１７５と連通された上部空間１６５は、ヘリウムガス雰囲気となっている。また、このヘリウムガスは、冷却ステージ１６０すなわち凝縮器１６０に接触すると、再度熱を奪われて冷却されて液化し、液体ヘリウム槽１５３に戻る。このような循環サイクルにより、液体ヘリウム槽１５３には、気化した分の液体ヘリウムが逐次補充され、ＭＲＩ磁石１５５を極低温に維持することができる。
【００４０】
ここで、凝縮器は、ヘリウムガスとの熱接触の機会が高まるほど、凝縮効率（ヘリウムガスの冷却効率）が向上する。このため、通常の場合、凝縮器には、表面積を増加させるための多数の溝が設けられる。
【００４１】
しかしながら、前述のように、図１のような構成の凝縮器６０の場合、液体ヘリウム槽から気化したヘリウムガスの一部は、凝縮器６０に設けられた貫通溝１０を通って、図１の下部空間７５から、第２段蓄冷管１４１と第２段パルス管１４６の間の空間近傍まで、比較的簡単に達してしまう。その結果、上部空間６５の第２段蓄冷管１４１と第２段パルス管１４６の間の空間において、ヘリウムガス流速が増え、対流熱損失が増大するようになる。また、このような対流の発生が顕著になると、パルスチューブ冷凍機の蓄冷管４１およびパルス管４６の温度が変化し、パルスチューブ冷凍機全体の冷却性能が低下するおそれがある。
【００４２】
これに対して、本発明では、凝縮器１６０は、気化したヘリウムガスが、凝縮器１６０内に設けられた溝を介して、対流発生が問題となる第２段蓄冷管１４１と第２段パルス管１４６の間の空間近傍に、簡単に供給されることがないように構造化されている。このため、本発明では、第２段蓄冷管１４１と第２段パルス管１４６の間の空間での対流の発生が有意に抑制される。
【００４３】
図３には、本発明によるパルスチューブ冷凍機１００の第２段冷却ステージ１６０として使用される凝縮器１６０の模式的な断面図の一例を示す。図３において、第２段蓄冷管１４１および第２段パルス管１４６等の部材は、省略されている。また、第２段蓄冷管１４１の低温端１４２ｂと第２段パルス管１４６の低温端１４７ｂを接続するガス流通路１４８も、明確化のため省略されている。
【００４４】
図３に示すように、凝縮器１６０は、表面積を増加させるため、多数の溝１１０を有する。これらの溝１１０は、凝縮器１６０の下面１０３に開口を有し、凝縮器１６０の上面１０２に向かって延在している。ただし、溝１１０は、上面１０２まで貫通されておらず、非貫通溝となっている。
【００４５】
このような凝縮器１６０の場合、図１に示したような凝縮器６０とは異なり、ヘリウムガスは、凝縮器１６０の溝１１０を介して、下部空間１７５から上部空間１６５まで、直接流通することはできない。従って、本発明では、第２段蓄冷管１４１と第２段パルス管１４６の間の空間での対流の発生を有意に抑制することができ、パルスチューブ冷凍機全体の冷却性能が低下することを抑制することができる。なお、この場合、上部空間１６５と下部空間１７５の間のヘリウムガスの流通は、第２段冷却ステージ１６０の外周部（すなわち、第２の断熱容器１５２の内壁と第２段冷却ステージ１６０との間の隙間）を介して行われる。
【００４６】
ここで、図３に示した凝縮器１６０の例では、凝縮器１６０の上面１０２は、鉛直方向に対して略水平な平面を有する。しかしながら、凝縮器１６０において、上面１０２は、水平方向に対してある角度だけ傾斜された表面であっても良く、あるいは「円錐」形状または「円錐台」形状の表面を有しても良い。この場合、凝縮器１６０の上面１０２で凝縮した液体ヘリウムを、液体ヘリウム槽１５３の方に落下させることが容易になる。
【００４７】
また、図３に示した凝縮器１６０の例では、凝縮器１６０に形成された溝１１０は、全てが非貫通溝となっている。しかしながら、本発明において、凝縮器１６０の溝１１０の形成状態は、このような態様に限られるものではない。
【００４８】
図４には、本発明における凝縮器の別の例を示す。図４の上図は、凝縮器１６０−２の上面図に相当し、図４の下図は、凝縮器１６０−２の底面図に相当する。すなわち、図４の上図には、凝縮器１６０−２の上面１０２が示されており、図４の下図は、凝縮器１６０−２の下面１０３が示されている。なお、明確化のため、図４の上図には、第２段蓄冷管１４１の低温端１４２ｂ部分の輪郭と、第２段蓄冷管１４６の低温端１４７ｂ部分の輪郭が、それぞれ破線の円で示されている。また、両図において、ガス流通路１４８が破線で示されている。
【００４９】
図４に示すように、凝縮器１６０−２は、２種類の溝１１０ａおよび１１０ｂを有する。第１の溝１１０ａは、非貫通溝であり、凝縮器１６０−２の上面１０２側では、開口されていない。一方、第２の溝１１０ｂは、貫通溝であり、凝縮器１６０−２の下面１０３から上面１０２まで貫通している。
【００５０】
第１の溝１１０ａは、設置場所は、特に限定されず、ガス流通路１４８と干渉しない位置であれば、いかなる位置に設置しても良い。これに対して、第２の溝１１０ｂは、曲線Ｒで示した線で区画される領域Ｓの外側のみに設置される。
【００５１】
なお、図４において、曲線Ｒは、凝縮器１６０−２を上から（または下から）見たとき、上面１０２に形成されたガス流通路１４８の２つの開口１４８Ａ、１４８Ｂの中心Ｏ１、Ｏ２を結ぶ直線Ｌ上に中心Ｏを有する円であり、この円は、ガス流通路１４８の２つの開口１４８Ａ、１４８Ｂと内接している。ただし、一般に、ガス流通路１４８の２つの開口１４８Ａ、１４８Ｂが円以外の形状を有する場合、曲線Ｒは、２つの開口１４８Ａ、１４８Ｂを包含する最小の円である。
【００５２】
このように構成された溝１１０ａ、１１０ｂを有する凝縮器１６０−２においても、前述のような本発明の効果が得られることは明らかであろう。この凝縮器１６０−２においても、対流発生が問題となる第２段蓄冷管１４１と第２段パルス管１４６の間の空間近傍に、凝縮器１６０−２内を貫通したヘリウムガスが直接供給されることがないからである。
【００５３】
このことからも明らかなように、本発明において重要なことは、領域Ｓの内側に、貫通溝１１０ｂが形成されていないことであり、これが満たされる限り、溝１１０の配置は、特に限られない。また、溝１１０の形態（貫通溝または非貫通溝）も、特に限られない。
【００５４】
ただし、第２段蓄冷管１４１と第２段パルス管１４６の間の空間での対流抑制の観点からは、貫通溝１１０ｂの数を抑制するほど、より大きな効果が得られることは言うまでもない。
【００５５】
図５には、本発明における凝縮器のさらに別の例を示す。図において、明確化のため、ガス流通路１４８は、省略されている。この凝縮器１６０−３では、各溝１１０ｃは、凝縮器１６０−３の下面１０３と、側面１０４とに開口部を有し、「逆Ｌ字型」の「エルボー」形状に形成されている。なお、各溝１１０ｃにおいて、横方向に延伸する部分と縦方向に延伸する部分は、必ずしも９０゜の角度で直交している必要はない。また、各溝１１０ｃは、「逆Ｌ字型」の「エルボー」形状以外の形状を有しても良く、各溝１１０ｃは、例えば側面１０４から下面１０３まで、略直線的に延伸していても良い。
【００５６】
また、図には、「逆Ｌ字型」の「エルボー」形状の溝１１０ｃしか示されていないが、凝縮器１６０−３は、この他に、下面１０３に開口を有する複数の非貫通溝を有しても良い。また、前述のように、領域Ｓ（図５には示されていない）の外側であれば、貫通溝を有しても良い。
【００５７】
このような構成においても、対流発生が問題となる第２段蓄冷管１４１と第２段パルス管１４６の間の空間近傍に、凝縮器１６０−３内を貫通したヘリウムガスが直接供給されることがないため、前述の効果を得ることができる。
【００５８】
図６には、本発明における凝縮器のさらに別の例を示す。図において、明確化のため、ガス流通路１４８は、省略されている。この凝縮器１６０−４は、中央部分に窪み部１９０を有する側面１０４を有する。すなわち、凝縮器１６０−４には、窪み部１９０により、第１の部分２１０（窪み部１９０の上側部分）および第２の部分２２０（窪み部１９０の下側部分）が形成される。第１の部分２１０には、凝縮器１９０−４の上面１０２および下面１０３と平行な水平面２１５が形成される。第２の部分２２０には、凝縮器１９０−４の上面１０２および下面１０３と平行な水平面２２５が形成される。また、第２の部分２２０は、多数の貫通溝１１０ｄを有し、これらの貫通溝は、下面１０３から、水平面２２５まで貫通している。
【００５９】
なお、図には、第２の部分２２０に形成された貫通溝１１０ｄしか示されていないが、第２の部分２２０は、この他に、下面１０３に開口を有する複数の非貫通溝を有しても良い。また、第１の部分２１０が水平面２１５に開口を有する複数の非貫通溝を有しても良い。さらに、第１の部分２１０は、前述の領域Ｓ（図６には示されていない）の外側であれば、貫通溝を有しても良い。
【００６０】
このような構成においても、対流発生が問題となる第２段蓄冷管１４１と第２段パルス管１４６の間の空間近傍に、凝縮器１６０−４内を貫通したヘリウムガスが直接供給されることがないため、前述の効果を得ることができる。
【００６１】
図７には、本発明における凝縮器のさらに別の例を示す。図７において、明確化のため、ガス流通路１４８は、省略されている。この凝縮器１６０−５は、前述の凝縮器１６０−４と同様に構成される。ただし、この凝縮器１６０−５の場合、第２の部分２２０（窪み部１９０の下側部分）には、窪み部１９０の側部２３０に開口を有する複数の「逆Ｌ字型」の「エルボー」形状の貫通溝１１０ｅが形成される。なお、図７には、さらに複数の貫通溝１１０ｄが示されているが、これらの貫通溝１１０ｄは、形成されていなくても良い。また、図６の凝縮器１６０−４と同様、第２の部分２２０は、この他に、下面１０３に開口を有する複数の非貫通溝を有しても良い。また、第１の部分２１０が水平面２１５に開口を有する複数の非貫通溝を有しても良い。
【００６２】
以上、パルスチューブ冷凍機として、２段式の装置を例に掲げ、本発明の特徴を説明した。しかしながら、本発明において、パルスチューブ冷凍機は、３段以上の多段式または単段式のものであっても良い。
【００６３】
また、上記記載では、第１の断熱容器１５０、第２の断熱容器１５２内の雰囲気ガスとして、ヘリウムガスが使用される場合を例に、本発明の特徴を説明した。しかしながら、各断熱容器内の雰囲気は、ヘリウムガス以外の雰囲気であっても良い。例えば単段式のパルスチューブ冷凍機では、冷却ステージの温度は、４０Ｋ〜５０Ｋ程度であるため、雰囲気ガスとして窒素ガスを使用することができる。この場合、液体ヘリウム槽は、液体窒素槽に置換される。
【００６４】
また、上記記載では、凝縮器と冷却ステージが一体構成される場合を例に説明した。しかしながら、凝縮器と冷却ステージは、別個の部材であっても良い。この場合、図２において、冷却ステージの下側に、凝縮器が当接されても良い。
【実施例】
【００６５】
以下、本発明の実施例について説明する。
【００６６】
実際に、図２の構成の２段式パルスチューブ冷凍機を運転して、第１段冷却ステージと第２段冷却ステージの温度を計測し、本発明の効果を把握した。
【００６７】
凝縮器には、図１の構成のもの、すなわち、凝縮器の下面から上面まで、これらの平面に対して略垂直に延在する多数の貫通溝を有するもの（実験１）、および図３の構成のもの、すなわち凝縮器の下面からこの面に対して略垂直に延在するが、上面まで貫通されていないものを使用した（実験２）。実験１、２において、溝の数および配置は、同じにした。溝の総数は、約３０個とし、溝の直径は、いずれも約４ｍｍとした。溝は、パルス管と蓄冷管用のガス流通路が形成されている領域を避けながらも、なるべく等間隔に配置した。なお、第１および第２の断熱容器１５０、１５２内の雰囲気ガスとしては、ヘリウムガスを使用した。
【００６８】
表１には、得られた結果を示す。
【００６９】
【表１】
この表に示すように、第１段冷却ステージの熱負荷を３０Ｗとし、第２段冷却ステージの
熱負荷を１．０Ｗとした場合、実験１では、第１段冷却ステージの温度が４５．９Ｋとな
り、第２段冷却ステージの温度が４．３５Ｋとなった。一方、実験２では、第１段冷却ステージの温度が４５．５Ｋとなり、第２段冷却ステージの温度が４．３１Ｋとなった。
【００７０】
この結果から、本発明の凝縮器の構成により、第２段冷却ステージの温度が有意に低下することが確認された。
【産業上の利用可能性】
【００７１】
本発明は、雰囲気ガスの凝縮器を備える各種蓄冷式冷凍機、例えば、雰囲気ガスの凝縮器を備えるパルスチューブ冷凍機等に適用することができる。
【符号の説明】
【００７２】
２ 凝縮器の上面
３ 凝縮器の下面
１０ 貫通溝
４１ 蓄冷管
４２ｂ 蓄冷管の低温端
４６ パルス管
４７ｂ パルス管の低温端
４８ ガス流通路
６５ 上部空間
７５ 下部空間
１００ パルスチューブ冷凍機
１０２ 凝縮器の上面
１０３ 凝縮器の下面
１０４ 凝縮器の側面
１０５ 筐体
１１０ 上部ハウジング部
１１１ 圧縮機
１１２ 開閉バルブ
１１３ 開閉バルブ
１１４、１１６ 配管
１１５Ａ 第１段リザーバ
１１５Ｂ 第２段リザーバ
１１７ オリフィス
１１８ａ、１１８ｂ、１１９ａ、１１９ｂ 熱交換器
１２０ コールドヘッド部
１２１ フランジ
１３０ 第１段冷却ステージ
１３１ 第１段蓄冷管
１３２、１３７、１４２、１４７ シリンダ
１３２ａ、１３７ａ 高温端
１３２ｂ、１３７ｂ 低温端
１３３ 蓄冷材
１３６ 第１段パルス管
１３８ ガス流通路
１４１ 第２段蓄冷管
１４２ａ、１４７ａ 高温端
１４２ｂ、１４７ｂ 低温端
１４３ 蓄冷材
１４６ 第２段パルス管
１４８ ガス流通路
１５０ 第１の断熱容器
１５２ 第２の断熱容器
１５３ 液体ヘリウム槽
１５４ 液体ヘリウム
１５５ ＭＲＩ磁石
１６０ 第２段冷却ステージ、凝縮器
１６５ 上部空間
１７５ 下部空間
１９０ 窪み部
２１０ 第１の部分
２１５ 第１の部分の水平面
２２０ 第２の部分
２２５ 第２の部分の水平面
２３０ 窪み部の側部。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パルスチューブ冷凍機に関し、特に、雰囲気ガスの凝縮機能を有する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、作動流体が圧縮機により回収され、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。これらの低温端には冷却ステージが設置され、この冷却ステージを、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、パルスチューブ冷凍機がＭＲＩ用クライオスタットに適用される場合、パルスチューブ冷凍機の冷却ステージは、ＭＲＩ磁石が収容された液体ヘリウム槽と連通する空間内に配置され、これにより、ＭＲＩ磁石が極低温に冷却される。
【０００５】
なお、ＭＲＩ磁石を極低温に維持し続けるためには、熱交換によって気化した分の液体ヘリウムを絶えず液体ヘリウム槽に補給する必要がある。そこで、通常の場合、気化したヘリウムガスを再度液体状態に戻すため、冷却ステージ近傍（例えば、冷却ステージの直下）には、凝縮器が設置される。また、特許文献１には、そのような凝縮器を冷却ステージと一体構成したパルスチューブ冷凍機が示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−２１４７１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
凝縮器は、ヘリウムガスとの熱接触の機会が高まるほど、凝縮効率（ヘリウムガスの冷却効率）が向上する。このため、通常の場合、凝縮器には、表面積を増加させるための多数の溝が設けられる。
【０００８】
図１には、そのような多数の溝を有し、冷却ステージとしても機能する凝縮器の模式的な斜視図を示す。
【０００９】
図１において、冷却ステージでもある凝縮器６０は、上面２と下面３とを有し、上面２は、蓄冷管４１の低温端４２ｂおよびパルス管４６の低温端４７ｂと接続される。蓄冷管４１の低温端４２ｂとパルス管４６の低温端４７ｂとは、凝縮器６０内に形成されたガス流通路４８により連通される。また、凝縮器６０は、図の上下に貫通した多数の貫通溝１０を有し、これにより、凝縮器６０の表面積が増加する。
【００１０】
なお、図１には示されていないが、凝縮器６０は、断熱容器内に収容されている。また、凝縮器６０の下面３の下側には、ＭＲＩ磁石が収容された液体ヘリウム槽が設けられている。このため、ハウジング内は、ヘリウムガス雰囲気となっている。
【００１１】
液体ヘリウム槽中の液体ヘリウムは、ＭＲＩ磁石との熱交換により温度が上昇すると、気化してヘリウムガスとなる。このヘリウムガスは、凝縮器６０と接触した際に再度冷却され、液体となり、液体ヘリウム槽に戻る。従って、凝縮器６０により、液体ヘリウム槽には、常時気化したヘリウムを補充する分の液体ヘリウムが供給され、これによりＭＲＩ磁石の極低温（例えば４Ｋ程度）が維持される。
【００１２】
しかしながら、このような凝縮器６０の構成において、液体ヘリウム槽から気化したヘリウムガスの一部は、凝縮器６０に設けられた貫通溝１０を通って、図１の下部空間７５から、比較的容易に、蓄冷管４１とパルス管４６の間の空間近傍まで達してしまうという問題がある。これにより、蓄冷管４１とパルス管４６の間の空間のヘリウムガス流速が増え、対流熱損失が増大し、また、このような対流の発生が顕著になると、パルスチューブ冷凍機の蓄冷管４１およびパルス管４６の温度が変化し、パルスチューブ冷凍機全体の冷却性能が低下してしまうおそれがある。
【００１３】
本発明は、このような問題に鑑みなされたものであり、本発明では、凝縮器を有するタイプのパルスチューブ冷凍機であって、蓄冷管とパルス管の間の空間での対流の発生が有意に抑制され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】
【００１４】
本発明では、
蓄冷管およびパルス管と、雰囲気ガスの凝縮機能を備え、前記蓄冷管および前記パルス管の低温端の冷却ステージとして機能する凝縮器とを有するパルスチューブ冷凍機であって、
前記凝縮器内に形成された流通路を介して、前記蓄冷管の低温端と前記パルス管の低温端とが接続され、
前記凝縮器は、相互に対向する第１の表面および第２の表面を有し、前記第１の表面には、前記流通路の第１端および第２端用の２つの開口が設けられ、前記第２の表面は、該第２の表面から延在する複数の溝を有し、
前記蓄冷管またはパルス管の軸方向と平行な方向から見たとき、
前記流通路の２つの開口の中心を結ぶ直線上に中心を有する円であって、前記２つの開口を包含する最小の円または前記２つの開口と内接する円の領域内において、前記溝は、前記第１の表面まで貫通されていないことを特徴とするパルスチューブ冷凍機が提供される。
【００１５】
本発明によるパルスチューブ冷凍機において、前記凝縮器は、前記第１の表面と前記第２の表面をつなぐ側面を有し、
前記溝の少なくとも一つは、前記側面に開口を有しても良い。
【００１６】
また、本発明によるパルスチューブ冷凍機において、前記凝縮器は、前記第１の表面と前記第２の表面をつなぐ側面を有し、
前記側面は、外周に沿った窪み部を有し、
前記溝の少なくとも一つは、前記窪み部に開口を有しても良い。
【００１７】
また、本発明によるパルスチューブ冷凍機において、前記複数の溝の全ては、貫通されていなくても良い。
【００１８】
また、本発明では、
雰囲気ガスの凝縮器、および該凝縮器上に設けられた冷却ステージを有し、該冷却ステージに形成された流通路を介して、蓄冷管の低温端とパルス管の低温端とが接続された、パルスチューブ冷凍機であって、
前記冷却ステージは、相互に対向する第１の表面および第２の表面を有し、前記第１の表面には、前記流通路の第１端および第２端用の２つの開口が設けられ、
前記凝縮器は、相互に対向する第３の表面および第４の表面と、前記第４の表面から延在する複数の溝とを有し、
前記凝縮器の前記第３の表面は、前記第４の表面に比べて前記冷却ステージの前記第２の表面と接近され、
前記蓄冷管またはパルス管の軸方向と平行な方向から見たとき、
前記流通路の２つの開口の中心を結ぶ直線上に中心を有する円であって、前記２つの開口を包含する最小の円または前記２つの開口と内接する円の領域内において、前記溝は、前記第１の表面まで貫通されていないことを特徴とするパルスチューブ冷凍機が提供される。
【００１９】
本発明によるパルスチューブ冷凍機において、当該パルスチューブ冷凍機は、多段式のパルスチューブ冷凍機であって、
前記雰囲気ガスは、ヘリウムガスであっても良い。
【００２０】
この場合、前記冷却ステージは、最低温用の冷却ステージであっても良い。
【００２１】
また、本発明によるパルスチューブ冷凍機において、前記凝縮器の前記第４の表面側には、液体ヘリウム槽が設置されても良い。
【００２２】
あるいは、本発明によるパルスチューブ冷凍機において、当該パルスチューブ冷凍機は、単段式のパルスチューブ冷凍機であって、
前記雰囲気ガスは、窒素ガスであっても良い。
【発明の効果】
【００２３】
本発明では、凝縮器を有するタイプのパルスチューブ冷凍機であって、蓄冷管とパルス管の間の空間での対流の発生が有意に抑制される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】
【００２４】
【図１】従来のパルスチューブ冷凍機における凝縮器近傍の模式的な斜視図である。
【図２】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断面図である。
【図３】本発明によるパルスチューブ冷凍機の凝縮器の一例を示した断面図である。
【図４】本発明によるパルスチューブ冷凍機の凝縮器の別の一例を示した上面図および底面図である。
【図５】本発明によるパルスチューブ冷凍機の凝縮器の別の一例を模式的に示した斜視図である。
【図６】本発明によるパルスチューブ冷凍機の凝縮器の別の一例を模式的に示した斜視図である。
【図７】本発明によるパルスチューブ冷凍機の凝縮器の別の一例を模式的に示した断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明についてより詳しく説明する。
【００２６】
図２には、本発明によるパルスチューブ冷凍機の概略的な構成断面図を示す。図２の例では、本発明によるパルスチューブ冷凍機は、２段式のパルスチューブ冷凍機である。
【００２７】
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は、圧縮機１１１と、上部ハウジング部１１０と、該上部ハウジング部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。
【００２８】
上部ハウジング部１１０は、筐体１０５を有し、この筐体１０５内には、第１段リザーバ１１５Ａ、第２段リザーバ１１５Ｂ、開閉バルブ１１２、開閉バルブ１１３、およびオリフィス１１７等が収容されている。開閉バルブ１１２および開閉バルブ１１３は、配管１１４を介して、圧縮機１１１に接続されている。
【００２９】
コールドヘッド部１２０は、第１段蓄冷管１３１、第１段パルス管１３６、第１段冷却ステージ１３０、第２段蓄冷管１４１、第２段パルス管１４６、および第２段冷却ステージ１６０を有する。
【００３０】
第１段蓄冷管１３１は、例えばステンレス鋼の中空状のシリンダ１３２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１３３からなる。第１段パルス管１３６は、例えばステンレス鋼の中空状のシリンダ１３７からなる。これらのシリンダ１３２、１３７の高温端１３２ａ、１３７ａはフランジ１２１に固定され、これらのシリンダ１３２、１３７の低温端１３２ｂ、１３７ｂは、第１段冷却ステージ１３０に接続されている。第１段パルス管１３６の高温端１３７ａには、熱交換器１１８ａが設置され、低温端１３７ｂには、熱交換器１１８ｂが設置されている。第１段冷却ステージ１３０には、その内部にガス流通路１３８が形成されており、第１段パルス管１３６の低温端１３７ｂと第１段蓄冷管１３１の低温端１３２ｂとは、ガス流通路１３８を介して接続されている。
【００３１】
また、第２段蓄冷管１４１は、例えばステンレス鋼の中空状のシリンダ１４２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１４３からなる。第２段パルス管１４６は、例えばステンレス鋼の中空状のシリンダ１４７からなる。第２段蓄冷管１４１の高温端１４２ａは、第１段冷却ステージ１３０を介して、第１段蓄冷管１３１のシリンダ１３２の低温端１３２ｂに接続され、第２段蓄冷管１４１の低温端１４２ｂは、第２段冷却ステージ１６０に接続されている。第２段パルス管１４６の高温端１４７ａは、フランジ１２１に固定され、低温端１４７ｂは、第２段冷却ステージ１６０に接続されている。第２段パルス管１４６の高温端１４７ａには、熱交換器１１９ａが設置され、第２段パルス管１４６の低温端１４７ｂには、熱交換器１１９ｂが設置されている。第２段冷却ステージ１６０には、その内部にガス流通路１４８が形成されており、第２段パルス管１４６の低温端１４７ｂと第２段蓄冷管１４１の低温端１４２ｂとは、ガス流通路１４８を介して接続されている。
【００３２】
パルスチューブ冷凍機１００では、圧縮機１１１から、高圧の冷媒ガスが開閉バルブ１１２および配管１１４を介して第１段蓄冷管１３１に供給され、また、第１段蓄冷管１３１から低圧の冷媒ガスが配管１１４および開閉バルブ１１３を介して圧縮機１１１に排出される。第１段パルス管１３６の高温端１３７ａには、オリフィス１１７および配管１１６を介して、第１段リザーバ１１５Ａが接続されている。また、第２段パルス管１４６の高温端１４７ａには、オリフィス１１７および配管１１６を介して、第２段リザーバ１１５Ｂが接続されている。オリフィス１１７は、第１段パルス管１３６および第２段パルス管１４６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。
【００３３】
パルスチューブ冷凍機１００のコールドヘッド部１２０において、フランジ１２１〜第１段冷却ステージ１３０までの間の空間は、ヘリウムガスが充填された第１の断熱容器１５０内に収容されている。
【００３４】
また、パルスチューブ冷凍機１００のコールドヘッド部１２０において、第１段冷却ステージ１３０〜第２段冷却ステージ１６０までの間の空間（上部空間１６５）は、第２の断熱容器１５２内に収容されている。また、第２の断熱容器１５２は、液体ヘリウム槽１５３が収容された、第２段冷却ステージ１６０の下側の空間（下部空間１７５）を備えている。液体ヘリウム槽１５３中には、液体ヘリウム１５４およびＭＲＩ磁石１５５が収容されている。液体ヘリウム槽１５３は、下部空間１７５を介して、第２段冷却ステージ１６０と対向するようにして、第２の断熱容器１５２中に設置される。
【００３５】
第２段冷却ステージ１６０は、凝縮器としても機能する。従って、以下の説明では、第２段冷却ステージ１６０は、凝縮器１６０とも称する。
【００３６】
次に、このように構成されるパルスチューブ冷凍機１００の動作を簡単に説明する。まず、開閉バルブ１１２が開状態、開閉バルブ１１３が閉状態になると、高圧の冷媒ガスが、圧縮機１１１から第１段蓄冷管１３１に流入する。第１段蓄冷管１３１内に流入した冷媒ガスは、蓄冷材１３３により冷却されて温度を下げながら、第１段蓄冷管１３１の低温端１３２ｂからガス流通路１３８を通り、第１段パルス管１３６の内部に流入する。この際に、第１段パルス管１３６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１３６内の冷媒ガスの圧力は、第１段リザーバ１１５Ａ内の圧力よりも高くなり、冷媒ガスは、オリフィス１１７および配管１１６を通って、第１段リザーバ１１５Ａに流入する。
【００３７】
また、第１段蓄冷管１３１で冷却された高圧の冷媒ガスの一部は、第２段蓄冷管１４１にも流入する。この冷媒ガスは、蓄冷材１４３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１４１の低温端１４２ｂからガス流通路１４８を通り、第２段パルス管１４６の内部に流入する。この際に、第２段パルス管１４６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１４６内の冷媒ガスの圧力は、第２段リザーバ１１５Ｂ内の圧力よりも高くなり、冷媒ガスは、オリフィス１１７および配管１１６を通って、第２段リザーバ１１５Ｂに流入する。
【００３８】
次に、開閉バルブ１１２を閉じ、開閉バルブ１１３を開くと、第１段パルス管１３６および第２段パルス管１４６内の冷媒ガスは、それぞれ、蓄冷材１３３および１４３を冷却しながら、第１段蓄冷管１３１および第２段蓄冷管１４１を通過する。また、第２段蓄冷管１４１を通過した冷媒ガスは、さらに第１段蓄冷管１３１を通過する。その後、冷媒ガスは、第１段蓄冷管１３１の高温端１３２ａから開閉バルブ１１３を通り、圧縮機１１１に戻る。ここで、第１段パルス管１３６および第２段パルス管１４６は、それぞれ、オリフィス１１７を介して、第１段リザーバ１１５Ａおよび第２段リザーバ１１５Ｂ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１３６の低温端１３７ｂおよび第２段パルス管１４６の低温端１４７ｂ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凍機として機能する。
【００３９】
ここで、液体ヘリウム槽１５３内の液体ヘリウム１５４の一部は、ＭＲＩ磁石１５５との熱交換により気化するため、下部空間１７５および下部空間１７５と連通された上部空間１６５は、ヘリウムガス雰囲気となっている。また、このヘリウムガスは、冷却ステージ１６０すなわち凝縮器１６０に接触すると、再度熱を奪われて冷却されて液化し、液体ヘリウム槽１５３に戻る。このような循環サイクルにより、液体ヘリウム槽１５３には、気化した分の液体ヘリウムが逐次補充され、ＭＲＩ磁石１５５を極低温に維持することができる。
【００４０】
ここで、凝縮器は、ヘリウムガスとの熱接触の機会が高まるほど、凝縮効率（ヘリウムガスの冷却効率）が向上する。このため、通常の場合、凝縮器には、表面積を増加させるための多数の溝が設けられる。
【００４１】
しかしながら、前述のように、図１のような構成の凝縮器６０の場合、液体ヘリウム槽から気化したヘリウムガスの一部は、凝縮器６０に設けられた貫通溝１０を通って、図１の下部空間７５から、第２段蓄冷管１４１と第２段パルス管１４６の間の空間近傍まで、比較的簡単に達してしまう。その結果、上部空間６５の第２段蓄冷管１４１と第２段パルス管１４６の間の空間において、ヘリウムガス流速が増え、対流熱損失が増大するようになる。また、このような対流の発生が顕著になると、パルスチューブ冷凍機の蓄冷管４１およびパルス管４６の温度が変化し、パルスチューブ冷凍機全体の冷却性能が低下するおそれがある。
【００４２】
これに対して、本発明では、凝縮器１６０は、気化したヘリウムガスが、凝縮器１６０内に設けられた溝を介して、対流発生が問題となる第２段蓄冷管１４１と第２段パルス管１４６の間の空間近傍に、簡単に供給されることがないように構造化されている。このため、本発明では、第２段蓄冷管１４１と第２段パルス管１４６の間の空間での対流の発生が有意に抑制される。
【００４３】
図３には、本発明によるパルスチューブ冷凍機１００の第２段冷却ステージ１６０として使用される凝縮器１６０の模式的な断面図の一例を示す。図３において、第２段蓄冷管１４１および第２段パルス管１４６等の部材は、省略されている。また、第２段蓄冷管１４１の低温端１４２ｂと第２段パルス管１４６の低温端１４７ｂを接続するガス流通路１４８も、明確化のため省略されている。
【００４４】
図３に示すように、凝縮器１６０は、表面積を増加させるため、多数の溝１１０を有する。これらの溝１１０は、凝縮器１６０の下面１０３に開口を有し、凝縮器１６０の上面１０２に向かって延在している。ただし、溝１１０は、上面１０２まで貫通されておらず、非貫通溝となっている。
【００４５】
このような凝縮器１６０の場合、図１に示したような凝縮器６０とは異なり、ヘリウムガスは、凝縮器１６０の溝１１０を介して、下部空間１７５から上部空間１６５まで、直接流通することはできない。従って、本発明では、第２段蓄冷管１４１と第２段パルス管１４６の間の空間での対流の発生を有意に抑制することができ、パルスチューブ冷凍機全体の冷却性能が低下することを抑制することができる。なお、この場合、上部空間１６５と下部空間１７５の間のヘリウムガスの流通は、第２段冷却ステージ１６０の外周部（すなわち、第２の断熱容器１５２の内壁と第２段冷却ステージ１６０との間の隙間）を介して行われる。
【００４６】
ここで、図３に示した凝縮器１６０の例では、凝縮器１６０の上面１０２は、鉛直方向に対して略水平な平面を有する。しかしながら、凝縮器１６０において、上面１０２は、水平方向に対してある角度だけ傾斜された表面であっても良く、あるいは「円錐」形状または「円錐台」形状の表面を有しても良い。この場合、凝縮器１６０の上面１０２で凝縮した液体ヘリウムを、液体ヘリウム槽１５３の方に落下させることが容易になる。
【００４７】
また、図３に示した凝縮器１６０の例では、凝縮器１６０に形成された溝１１０は、全てが非貫通溝となっている。しかしながら、本発明において、凝縮器１６０の溝１１０の形成状態は、このような態様に限られるものではない。
【００４８】
図４には、本発明における凝縮器の別の例を示す。図４の上図は、凝縮器１６０−２の上面図に相当し、図４の下図は、凝縮器１６０−２の底面図に相当する。すなわち、図４の上図には、凝縮器１６０−２の上面１０２が示されており、図４の下図は、凝縮器１６０−２の下面１０３が示されている。なお、明確化のため、図４の上図には、第２段蓄冷管１４１の低温端１４２ｂ部分の輪郭と、第２段蓄冷管１４６の低温端１４７ｂ部分の輪郭が、それぞれ破線の円で示されている。また、両図において、ガス流通路１４８が破線で示されている。
【００４９】
図４に示すように、凝縮器１６０−２は、２種類の溝１１０ａおよび１１０ｂを有する。第１の溝１１０ａは、非貫通溝であり、凝縮器１６０−２の上面１０２側では、開口されていない。一方、第２の溝１１０ｂは、貫通溝であり、凝縮器１６０−２の下面１０３から上面１０２まで貫通している。
【００５０】
第１の溝１１０ａは、設置場所は、特に限定されず、ガス流通路１４８と干渉しない位置であれば、いかなる位置に設置しても良い。これに対して、第２の溝１１０ｂは、曲線Ｒで示した線で区画される領域Ｓの外側のみに設置される。
【００５１】
なお、図４において、曲線Ｒは、凝縮器１６０−２を上から（または下から）見たとき、上面１０２に形成されたガス流通路１４８の２つの開口１４８Ａ、１４８Ｂの中心Ｏ１、Ｏ２を結ぶ直線Ｌ上に中心Ｏを有する円であり、この円は、ガス流通路１４８の２つの開口１４８Ａ、１４８Ｂと内接している。ただし、一般に、ガス流通路１４８の２つの開口１４８Ａ、１４８Ｂが円以外の形状を有する場合、曲線Ｒは、２つの開口１４８Ａ、１４８Ｂを包含する最小の円である。
【００５２】
このように構成された溝１１０ａ、１１０ｂを有する凝縮器１６０−２においても、前述のような本発明の効果が得られることは明らかであろう。この凝縮器１６０−２においても、対流発生が問題となる第２段蓄冷管１４１と第２段パルス管１４６の間の空間近傍に、凝縮器１６０−２内を貫通したヘリウムガスが直接供給されることがないからである。
【００５３】
このことからも明らかなように、本発明において重要なことは、領域Ｓの内側に、貫通溝１１０ｂが形成されていないことであり、これが満たされる限り、溝１１０の配置は、特に限られない。また、溝１１０の形態（貫通溝または非貫通溝）も、特に限られない。
【００５４】
ただし、第２段蓄冷管１４１と第２段パルス管１４６の間の空間での対流抑制の観点からは、貫通溝１１０ｂの数を抑制するほど、より大きな効果が得られることは言うまでもない。
【００５５】
図５には、本発明における凝縮器のさらに別の例を示す。図において、明確化のため、ガス流通路１４８は、省略されている。この凝縮器１６０−３では、各溝１１０ｃは、凝縮器１６０−３の下面１０３と、側面１０４とに開口部を有し、「逆Ｌ字型」の「エルボー」形状に形成されている。なお、各溝１１０ｃにおいて、横方向に延伸する部分と縦方向に延伸する部分は、必ずしも９０゜の角度で直交している必要はない。また、各溝１１０ｃは、「逆Ｌ字型」の「エルボー」形状以外の形状を有しても良く、各溝１１０ｃは、例えば側面１０４から下面１０３まで、略直線的に延伸していても良い。
【００５６】
また、図には、「逆Ｌ字型」の「エルボー」形状の溝１１０ｃしか示されていないが、凝縮器１６０−３は、この他に、下面１０３に開口を有する複数の非貫通溝を有しても良い。また、前述のように、領域Ｓ（図５には示されていない）の外側であれば、貫通溝を有しても良い。
【００５７】
このような構成においても、対流発生が問題となる第２段蓄冷管１４１と第２段パルス管１４６の間の空間近傍に、凝縮器１６０−３内を貫通したヘリウムガスが直接供給されることがないため、前述の効果を得ることができる。
【００５８】
図６には、本発明における凝縮器のさらに別の例を示す。図において、明確化のため、ガス流通路１４８は、省略されている。この凝縮器１６０−４は、中央部分に窪み部１９０を有する側面１０４を有する。すなわち、凝縮器１６０−４には、窪み部１９０により、第１の部分２１０（窪み部１９０の上側部分）および第２の部分２２０（窪み部１９０の下側部分）が形成される。第１の部分２１０には、凝縮器１９０−４の上面１０２および下面１０３と平行な水平面２１５が形成される。第２の部分２２０には、凝縮器１９０−４の上面１０２および下面１０３と平行な水平面２２５が形成される。また、第２の部分２２０は、多数の貫通溝１１０ｄを有し、これらの貫通溝は、下面１０３から、水平面２２５まで貫通している。
【００５９】
なお、図には、第２の部分２２０に形成された貫通溝１１０ｄしか示されていないが、第２の部分２２０は、この他に、下面１０３に開口を有する複数の非貫通溝を有しても良い。また、第１の部分２１０が水平面２１５に開口を有する複数の非貫通溝を有しても良い。さらに、第１の部分２１０は、前述の領域Ｓ（図６には示されていない）の外側であれば、貫通溝を有しても良い。
【００６０】
このような構成においても、対流発生が問題となる第２段蓄冷管１４１と第２段パルス管１４６の間の空間近傍に、凝縮器１６０−４内を貫通したヘリウムガスが直接供給されることがないため、前述の効果を得ることができる。
【００６１】
図７には、本発明における凝縮器のさらに別の例を示す。図７において、明確化のため、ガス流通路１４８は、省略されている。この凝縮器１６０−５は、前述の凝縮器１６０−４と同様に構成される。ただし、この凝縮器１６０−５の場合、第２の部分２２０（窪み部１９０の下側部分）には、窪み部１９０の側部２３０に開口を有する複数の「逆Ｌ字型」の「エルボー」形状の貫通溝１１０ｅが形成される。なお、図７には、さらに複数の貫通溝１１０ｄが示されているが、これらの貫通溝１１０ｄは、形成されていなくても良い。また、図６の凝縮器１６０−４と同様、第２の部分２２０は、この他に、下面１０３に開口を有する複数の非貫通溝を有しても良い。また、第１の部分２１０が水平面２１５に開口を有する複数の非貫通溝を有しても良い。
【００６２】
以上、パルスチューブ冷凍機として、２段式の装置を例に掲げ、本発明の特徴を説明した。しかしながら、本発明において、パルスチューブ冷凍機は、３段以上の多段式または単段式のものであっても良い。
【００６３】
また、上記記載では、第１の断熱容器１５０、第２の断熱容器１５２内の雰囲気ガスとして、ヘリウムガスが使用される場合を例に、本発明の特徴を説明した。しかしながら、各断熱容器内の雰囲気は、ヘリウムガス以外の雰囲気であっても良い。例えば単段式のパルスチューブ冷凍機では、冷却ステージの温度は、４０Ｋ〜５０Ｋ程度であるため、雰囲気ガスとして窒素ガスを使用することができる。この場合、液体ヘリウム槽は、液体窒素槽に置換される。
【００６４】
また、上記記載では、凝縮器と冷却ステージが一体構成される場合を例に説明した。しかしながら、凝縮器と冷却ステージは、別個の部材であっても良い。この場合、図２において、冷却ステージの下側に、凝縮器が当接されても良い。
【実施例】
【００６５】
以下、本発明の実施例について説明する。
【００６６】
実際に、図２の構成の２段式パルスチューブ冷凍機を運転して、第１段冷却ステージと第２段冷却ステージの温度を計測し、本発明の効果を把握した。
【００６７】
凝縮器には、図１の構成のもの、すなわち、凝縮器の下面から上面まで、これらの平面に対して略垂直に延在する多数の貫通溝を有するもの（実験１）、および図３の構成のもの、すなわち凝縮器の下面からこの面に対して略垂直に延在するが、上面まで貫通されていないものを使用した（実験２）。実験１、２において、溝の数および配置は、同じにした。溝の総数は、約３０個とし、溝の直径は、いずれも約４ｍｍとした。溝は、パルス管と蓄冷管用のガス流通路が形成されている領域を避けながらも、なるべく等間隔に配置した。なお、第１および第２の断熱容器１５０、１５２内の雰囲気ガスとしては、ヘリウムガスを使用した。
【００６８】
表１には、得られた結果を示す。
【００６９】
【表１】
この表に示すように、第１段冷却ステージの熱負荷を３０Ｗとし、第２段冷却ステージの
熱負荷を１．０Ｗとした場合、実験１では、第１段冷却ステージの温度が４５．９Ｋとな
り、第２段冷却ステージの温度が４．３５Ｋとなった。一方、実験２では、第１段冷却ステージの温度が４５．５Ｋとなり、第２段冷却ステージの温度が４．３１Ｋとなった。
【００７０】
この結果から、本発明の凝縮器の構成により、第２段冷却ステージの温度が有意に低下することが確認された。
【産業上の利用可能性】
【００７１】
本発明は、雰囲気ガスの凝縮器を備える各種蓄冷式冷凍機、例えば、雰囲気ガスの凝縮器を備えるパルスチューブ冷凍機等に適用することができる。
【符号の説明】
【００７２】
２ 凝縮器の上面
３ 凝縮器の下面
１０ 貫通溝
４１ 蓄冷管
４２ｂ 蓄冷管の低温端
４６ パルス管
４７ｂ パルス管の低温端
４８ ガス流通路
６５ 上部空間
７５ 下部空間
１００ パルスチューブ冷凍機
１０２ 凝縮器の上面
１０３ 凝縮器の下面
１０４ 凝縮器の側面
１０５ 筐体
１１０ 上部ハウジング部
１１１ 圧縮機
１１２ 開閉バルブ
１１３ 開閉バルブ
１１４、１１６ 配管
１１５Ａ 第１段リザーバ
１１５Ｂ 第２段リザーバ
１１７ オリフィス
１１８ａ、１１８ｂ、１１９ａ、１１９ｂ 熱交換器
１２０ コールドヘッド部
１２１ フランジ
１３０ 第１段冷却ステージ
１３１ 第１段蓄冷管
１３２、１３７、１４２、１４７ シリンダ
１３２ａ、１３７ａ 高温端
１３２ｂ、１３７ｂ 低温端
１３３ 蓄冷材
１３６ 第１段パルス管
１３８ ガス流通路
１４１ 第２段蓄冷管
１４２ａ、１４７ａ 高温端
１４２ｂ、１４７ｂ 低温端
１４３ 蓄冷材
１４６ 第２段パルス管
１４８ ガス流通路
１５０ 第１の断熱容器
１５２ 第２の断熱容器
１５３ 液体ヘリウム槽
１５４ 液体ヘリウム
１５５ ＭＲＩ磁石
１６０ 第２段冷却ステージ、凝縮器
１６５ 上部空間
１７５ 下部空間
１９０ 窪み部
２１０ 第１の部分
２１５ 第１の部分の水平面
２２０ 第２の部分
２２５ 第２の部分の水平面
２３０ 窪み部の側部。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
蓄冷管およびパルス管と、雰囲気ガスの凝縮機能を備え、前記蓄冷管および前記パルス管の低温端の冷却ステージとして機能する凝縮器とを有するパルスチューブ冷凍機であって、
前記凝縮器内に形成された流通路を介して、前記蓄冷管の低温端と前記パルス管の低温端とが接続され、
前記凝縮器は、相互に対向する第１の表面および第２の表面を有し、前記第１の表面には、前記流通路の第１端および第２端用の２つの開口が設けられ、前記第２の表面は、該第２の表面から延在する複数の溝を有し、
前記蓄冷管またはパルス管の軸方向と平行な方向から見たとき、
前記流通路の２つの開口の中心を結ぶ直線上に中心を有する円であって、前記２つの開口を包含する最小の円または前記２つの開口と内接する円の領域内において、前記溝は、前記第１の表面まで貫通されていないことを特徴とするパルスチューブ冷凍機。
【請求項２】
前記凝縮器は、前記第１の表面と前記第２の表面をつなぐ側面を有し、
前記溝の少なくとも一つは、前記側面に開口を有することを特徴とする請求項１に記載のパルスチューブ冷凍機。
【請求項３】
前記凝縮器は、前記第１の表面と前記第２の表面をつなぐ側面を有し、
前記側面は、外周に沿った窪み部を有し、
前記溝の少なくとも一つは、前記窪み部に開口を有することを特徴とする請求項１に記載のパルスチューブ冷凍機。
【請求項４】
前記複数の溝の全ては、貫通されていないことを特徴とする請求項１に記載のパルスチューブ冷凍機。
【請求項５】
雰囲気ガスの凝縮器、および該凝縮器上に設けられた冷却ステージを有し、該冷却ステージに形成された流通路を介して、蓄冷管の低温端とパルス管の低温端とが接続された、パルスチューブ冷凍機であって、
前記冷却ステージは、相互に対向する第１の表面および第２の表面を有し、前記第１の表面には、前記流通路の第１端および第２端用の２つの開口が設けられ、
前記凝縮器は、相互に対向する第３の表面および第４の表面と、前記第４の表面から延在する複数の溝とを有し、
前記凝縮器の前記第３の表面は、前記第４の表面に比べて前記冷却ステージの前記第２の表面と接近され、
前記蓄冷管またはパルス管の軸方向と平行な方向から見たとき、
前記流通路の２つの開口の中心を結ぶ直線上に中心を有する円であって、前記２つの開口を包含する最小の円または前記２つの開口と内接する円の領域内において、前記溝は、前記第１の表面まで貫通されていないことを特徴とするパルスチューブ冷凍機。
【請求項６】
当該パルスチューブ冷凍機は、多段式のパルスチューブ冷凍機であって、
前記雰囲気ガスは、ヘリウムガスであることを特徴とする請求項１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】
前記冷却ステージは、最低温用の冷却ステージであることを特徴とする請求項６に記載のパルスチューブ冷凍機。
【請求項８】
前記凝縮器の前記第２の表面側には、液体ヘリウム槽が設置されることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一つに記載のパルスチューブ冷凍機。
【請求項９】
当該パルスチューブ冷凍機は、単段式のパルスチューブ冷凍機であって、
前記雰囲気ガスは、窒素ガスであることを特徴とする請求項１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１】
蓄冷管およびパルス管と、雰囲気ガスの凝縮機能を備え、前記蓄冷管および前記パルス管の低温端の冷却ステージとして機能する凝縮器とを有するパルスチューブ冷凍機であって、
前記凝縮器内に形成された流通路を介して、前記蓄冷管の低温端と前記パルス管の低温端とが接続され、
前記凝縮器は、相互に対向する第１の表面および第２の表面を有し、前記第１の表面には、前記流通路の第１端および第２端用の２つの開口が設けられ、前記第２の表面は、該第２の表面から延在する複数の溝を有し、
前記蓄冷管またはパルス管の軸方向と平行な方向から見たとき、
前記流通路の２つの開口の中心を結ぶ直線上に中心を有する円であって、前記２つの開口を包含する最小の円または前記２つの開口と内接する円の領域内において、前記溝は、前記第１の表面まで貫通されていないことを特徴とするパルスチューブ冷凍機。
【請求項２】
前記凝縮器は、前記第１の表面と前記第２の表面をつなぐ側面を有し、
前記溝の少なくとも一つは、前記側面に開口を有することを特徴とする請求項１に記載のパルスチューブ冷凍機。
【請求項３】
前記凝縮器は、前記第１の表面と前記第２の表面をつなぐ側面を有し、
前記側面は、外周に沿った窪み部を有し、
前記溝の少なくとも一つは、前記窪み部に開口を有することを特徴とする請求項１に記載のパルスチューブ冷凍機。
【請求項４】
前記複数の溝の全ては、貫通されていないことを特徴とする請求項１に記載のパルスチューブ冷凍機。
【請求項５】
雰囲気ガスの凝縮器、および該凝縮器上に設けられた冷却ステージを有し、該冷却ステージに形成された流通路を介して、蓄冷管の低温端とパルス管の低温端とが接続された、パルスチューブ冷凍機であって、
前記冷却ステージは、相互に対向する第１の表面および第２の表面を有し、前記第１の表面には、前記流通路の第１端および第２端用の２つの開口が設けられ、
前記凝縮器は、相互に対向する第３の表面および第４の表面と、前記第４の表面から延在する複数の溝とを有し、
前記凝縮器の前記第３の表面は、前記第４の表面に比べて前記冷却ステージの前記第２の表面と接近され、
前記蓄冷管またはパルス管の軸方向と平行な方向から見たとき、
前記流通路の２つの開口の中心を結ぶ直線上に中心を有する円であって、前記２つの開口を包含する最小の円または前記２つの開口と内接する円の領域内において、前記溝は、前記第１の表面まで貫通されていないことを特徴とするパルスチューブ冷凍機。
【請求項６】
当該パルスチューブ冷凍機は、多段式のパルスチューブ冷凍機であって、
前記雰囲気ガスは、ヘリウムガスであることを特徴とする請求項１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】
前記冷却ステージは、最低温用の冷却ステージであることを特徴とする請求項６に記載のパルスチューブ冷凍機。
【請求項８】
前記凝縮器の前記第２の表面側には、液体ヘリウム槽が設置されることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一つに記載のパルスチューブ冷凍機。
【請求項９】
当該パルスチューブ冷凍機は、単段式のパルスチューブ冷凍機であって、
前記雰囲気ガスは、窒素ガスであることを特徴とする請求項１乃至５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７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１１−１７９８０８（Ｐ２０１１−１７９８０８Ａ）
【公開日】平成２３年９月１５日（２０１１．９．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２８３７０８（Ｐ２０１０−２８３７０８）
【出願日】平成２２年１２月２０日（２０１０．１２．２０）
【出願人】（０００００２１０７）住友重機械工業株式会社 (2,241)
【公開日】平成２３年９月１５日（２０１１．９．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月２０日（２０１０．１２．２０）
【出願人】（０００００２１０７）住友重機械工業株式会社 (2,241)
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