(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
【発明を実施するための形態】
【0011】
添付の図面を参照しながら、本発明の限定的でない例示の実施形態について説明する。なお、添付の全図面の中の記載で、同一又は対応する部材又は部品には、同一又は対応する参照符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面は、特に指定しない限り、部材もしくは部品間の相対比を示すことを目的としない。したがって、具体的な寸法は、以下の限定的でない実施形態に照らし、当業者により決定することができる。
【0012】
[スターリング型パルス管冷凍機の構成]
図1を用いて、本発明の一実施形態に係るスターリング型パルス管冷凍機及びそのスターリング型パルス管冷凍機に用いられる整流器を説明する。
図1は、本発明の一実施形態に係るパルス管冷凍機の一例を説明する概略構成図である。なお、本発明を用いることができるスターリング型パルス管冷凍機は、
図1に示すものに限定されるものではない。また、
図1では、外部熱交換器(アフタークーラ)12ACを介して、圧縮機11と蓄冷器12RGとを連通しているが、本発明を用いることができるパルス管冷凍機は、外部熱交換器12ACを備えないものであってもよい。
【0013】
図1に示すように、本実施形態に係るスターリング型パルス管冷凍機(以下、「パルス管冷凍機」という)100は、パルス管冷凍機100の内部で気体を流動させる圧縮機11と、供給された気体によって冷却される蓄冷器12RGと、低温部12CHを介して蓄冷器12RGに接続されているパルス管13と、を有する。また、パルス管冷凍機100は、パルス管13の高温側又は低温側の少なくとも一方に配置される整流器14を有する。更に、パルス管冷凍機100は、パルス管13の高温側に配置された熱交換器15と、熱交換器15のパルス管13側とは反対側に接続されたイナータンスチューブ16t及びバッファタンク16を有する。なお、本発明に係るパルス管冷凍機100では、気体(冷媒ガス)として、例えばヘリウムガスを用いることができる。
【0014】
パルス管冷凍機100は、圧縮機11から供給された気体(高圧の気体)を、蓄冷器12RG、低温部12CH及びパルス管13に流通させる。このとき、パルス管13の内部に予め存在していた低圧の気体は、流入した高圧の気体により圧縮される。このため、パルス管13内の圧力はバッファタンク16内の圧力よりも高くなり、気体はイナータンスチューブ16tを通って、バッファタンク16に流入する。また、パルス管冷凍機100は、イナータンスチューブ16tとバッファタンク16とに気体を流通させることによって、気体の圧力変動と体積変化との間の位相関係を変化させる。なお、バッファタンク16は、他の構成要素に比べて大きな容積の容器である。
【0015】
これにより、パルス管冷凍機100は、パルス管13内の気体と蓄冷器12RG内の気体との間で位相差を生じさせ、気体が等温状態から断熱膨張する際に消費されるエネルギーギャップを補間するように、低温部12CHから吸熱する。すなわち、パルス管冷凍機100は、低温部12CHで寒冷を発生する。次いで、パルス管冷凍機100は、パルス管13の高温側に配置された熱交換器15を用いて、低温部12CHで吸熱された熱(エネルギ)を放熱(放出)する。
【0016】
以上により、パルス管冷凍機100は、パルス管冷凍機100の内部で断熱変化による膨張と圧縮との動作を繰り返すことで、低温部12CHに熱的に接続された非冷却物を冷却することができる。なお、本発明に係るパルス管冷凍機100は、運転周波数として、20Hz以上で気体を加圧又は減圧してもよい。
【0017】
圧縮機11は、パルス管冷凍機100内部で気体を流動させるものである。本発明に係る圧縮機11(スターリング型のパルス管冷凍機)は、
図1に示すように対向配置した一対のシリンダ及びピストンを用いて、気体を加圧及び減圧することによって、パルス管冷凍機100内部で気体を流動させる。ここで、ピストンは、磁石、モータ、カムなどの駆動機構(不図示)を用いて駆動(往復移動)される構成であってもよい。
【0018】
圧縮機11は、一対のシリンダ及びピストンの間に圧力室を形成している。また、圧縮機11は、形成している圧力室を蓄冷器12RGに接続されている。これにより、圧縮機11は、圧力室内部の気体をピストンの移動によって加圧することによって、蓄冷器12RGに気体を供給することができる。また、圧縮機11は、圧力室内部の気体をピストンの移動によって減圧することによって、蓄冷器12RGから気体を供給される(回収する)ことができる。
【0019】
蓄冷器12RGは、圧縮機11又はパルス管13から供給された気体によって冷却されるものである。蓄冷器12RGは、例えば管部材の内部に蓄冷材(不図示)を配置される構成であってもよい。なお、管部材は、例えば中空のシリンダを用いることができる。蓄冷材は、例えば金網を用いることができる。
【0020】
蓄冷器12RGは、圧縮機11から供給された気体(圧縮気体)を断熱膨張して、その温度を低下させる。また、蓄冷器12RGは、パルス管13(低温部12CH)から供給された気体(比較的温度が低い気体)によって冷却される。すなわち、蓄冷器12RGは、供給された気体の寒冷をいわゆる蓄冷(再生)する。
【0021】
パルス管13は、略円筒形状の管であり、その内部の気体と蓄冷器12RG内の気体との間で位相差を生じさせるものである。パルス管13は、低温部12CHを介して蓄冷器12RGに接続される。また、パルス管13は、圧縮機11によって気体を加圧若しくは減圧することによって、低温部12CHを介して、蓄冷器12RGから気体を供給される、又は、蓄冷器12RGに気体を供給する。なお、
図1では、パルス管冷凍機100の蓄冷器12RGとパルス管13との接続タイプとしてインライン型を例示しているが、いわゆるU字型とすることも可能である。
【0022】
本発明に係るパルス管冷凍機100は、パルス管13に配置される整流器14を更に有する。すなわち、パルス管冷凍機100は、パルス管13の高温側(イナータンスチューブ16t側)又は低温側(低温部12CH側)の少なくとも一方に配置される整流器14を用いて、パルス管13から流出する気体及びパルス管13に流入する気体の速度分布を均一にする。
【0023】
図2に、本発明の一実施形態に係るパルス管冷凍機の整流器の配置を説明する概略断面図の一例を示す。
【0024】
図2に示すように、本発明に係る整流器14は、例えばパルス管13の高温側(イナータンスチューブ16t側)に配置される。これにより、パルス管冷凍機100は、パルス管13から熱交換器15(並びに、イナータンスチューブ16t及びバッファタンク16)に流出する気体Fs、並びに、熱交換器15(並びに、イナータンスチューブ16t及びバッファタンク16)からパルス管13に流入する気体Frの速度分布を略均一にすることができる。
【0025】
なお、パルス管冷凍機100は、気体を冷却する熱交換器15として、例えば銅ブロックにスリットを設けたものを用いてもよい。また、パルス管冷凍機100は、
図2に示すように、気体を冷却する水冷式のウォータージャケット15WJ(又は空冷式のフィンなど)を更に用いてもよい。
【0026】
図3に、本発明の一実施形態に係るパルス管冷凍機の整流器を説明する概略分解図の一例を示す。
【0027】
図3に示すように、本発明に係る整流器14は、積層して配置された複数のメッシュ14を備える。ここで、複数のメッシュ14は、細かいメッシュ14aと粗いメッシュ14bとを含む構成である。
【0028】
なお、本発明を用いることができる整流器14は4枚以上(例えば5枚から20枚)のメッシュを用いたものであってもよい。また、整流器14は流路の径又は気体の流速に対応する枚数のメッシュを配置される構成であってもよい。更に、複数のメッシュ14は、例えば同じ網目のメッシュを複数枚用いる構成であってもよい。
【0029】
また、整流器14は、
図3に示すように、例えば細かいメッシュ14aの外側に粗いメッシュ14bを配置する構成であってもよい。これにより、整流器14は、粗いメッシュ14bを用いて整流器14に流入する際に生じる乱れを軽減することができるとともに、細かいメッシュ14aを用いて十分な整流効果を得ることができる。
【0030】
なお、複数のメッシュ14のメッシュの大きさは、例えば#30乃至#500のもの(例えば金網の網目が約0.577mm乃至0.026mm)を用いてもよい。また、整流器14は、金網以外に、パンチングメタル、金属フィルタ、樹脂フィルタ若しくは発泡金属、又はその他の整流器として使用できる多孔体などを用いてもよい。
【0031】
本発明に係る整流器14は、複数のメッシュ14の隙間を維持する保持部材14S(後述する
図4又は
図6)を更に有する。なお、保持部材14Sの構成は、後述する[整流器の構成]で説明する。
【0032】
[整流器の構成]
図4乃至
図6を用いて、本発明の実施形態に係るパルス管冷凍機100の整流器14の一例を説明する。ここで、
図4(a)は、本発明の一実施形態に係る整流器14の一例(14A)を説明する平面図である。
図4(b)は、整流器14Aを説明する断面図である。
図5(a)は、細かいメッシュ14aと粗いメッシュ14bとを用いた場合の整流器14Aの整流効果を説明する説明図である。
図5(b)は、同じ網目のメッシュを用いた場合の整流効果を説明する説明図である。
図5(c)は、隙間を維持しないで複数のメッシュを積層した場合の整流効果を説明する説明図である。
図6は、整流器14の他の例(14B)を説明する説明図である。
【0033】
図4(a)及び
図4(b)に示すように、整流器14A(パルス管冷凍機100)は、ハウジング14Shとストッパリング14Ssと複数のスペーサリング14Spとで保持部材14Sを構成している。ここで、保持部材14S(ハウジング14Sh、ストッパリング14Ss及び複数のスペーサリング14Sp)は、積層された複数のメッシュ(14Ma、14Mb)の外周に配置されている。また、保持部材14Sは、隙間を維持して複数のメッシュ(14Ma、14Mb)を保持している。
【0034】
ハウジング14Shは、複数のメッシュ(14Ma、14Mb)並びにストッパリング14Ss及びスペーサリング14Spを保持する部材である。ハウジング14Shは、例えば略円筒形状の部材を用いることができる。また、ハウジング14Shは、略円筒形状の内部に積層された複数のメッシュを配置される。
【0035】
ストッパリング14Ssは、積層された複数のメッシュ(14Ma、14Mb)及びスペーサリング14Spを押圧して、固定する部材である。ストッパリング14Ssは、例えば蛇腹形状の部材を用いることができる。
【0036】
複数のスペーサリング14Spは、複数のメッシュ(14Ma、14Mb)の間に夫々配置され、複数のメッシュ(14Ma、14Mb)の隙間を夫々維持する部材である。スペーサリング14Spは、例えば円環形状(リング形状)の部材を用いることができる。また、スペーサリング14Spは、複数のメッシュの外周部と夫々拡散接合処理することによって、複数のメッシュを夫々固定する。
【0037】
なお、「拡散接合処理」とは、加熱によってメッシュの界面で原子相互拡散を生じさせ、メッシュとスペーサリングとを界面接合する方法である。これにより、各界面での熱接触性が高まり、熱抵抗が小さくなる。拡散接合処理は、800℃〜1080℃の範囲(例えば1000℃)で行うことができる。
【0038】
図5(a)に示すように、本発明に係る整流器14A(パルス管冷凍機100)は、複数のスペーサリング14Spを用いて複数のメッシュ(14Ma、14Mb)の位置を夫々固定しているため、複数のメッシュの網目によって形成される流路を精度よく、所望の流路形状に固定(決定)することができる。整流器14Aは、
図5(a)に示すように、複数のメッシュの網目の位置を順次ずらして配置することができる。
【0039】
これにより、本発明に係る整流器14A(パルス管冷凍機100)は、複数のメッシュの網目によって形成される流路のバラツキを低減することができる。また、本発明に係る整流器14Aは、積層された複数のメッシュによって形成される流路のバラツキを低減することができるので、整流効果のバラツキを低減することができる。すなわち、本発明に係るパルス管冷凍機100は、整流器14Aの整流効果を向上することができるとともにその内部に流通させる気体の流量(速度)を容易に制御することができ、冷凍機の冷却性能を向上することができる。
【0040】
更に、本発明に係る整流器14Aは、保持部材14Sを用いて、隙間を維持して複数のメッシュ(14Ma、14Mb)を保持することができるため、複数のメッシュ同士が接触することを防止することができる。特にスターリング型のパルス管冷凍機では、冷媒ガスの供給と回収とを繰り返す動作の運転周波数が高いため(例えば20Hz以上)、複数のメッシュ同士が接触すると破損し易い。本発明に係る整流器14Aは、保持部材14Sを用いて複数のメッシュ同士が接触することを防止することができるので、メッシュの破損を防止することができる。
【0041】
また、
図5(b)に示すように、同じ網目のメッシュを用いた場合には、
図5(a)と同様に本発明に係る保持部材14S(
図4)を用いて、複数のメッシュの網目によって形成される流路のバラツキを低減することができるとともに、整流器の整流効果のバラツキを低減することができる。
【0042】
一方、
図5(c)に示すように、隙間を維持しないで複数のメッシュを積層した場合では、複数のメッシュの網目によって形成される流路形状にバラツキが生じる場合がある。また、隙間を維持しないで複数のメッシュを積層した場合では、複数のメッシュの網目によって形成される流路形状のバラツキによって、流体抵抗にバラツキが生じる場合がある。すなわち、隙間を維持しないで複数のメッシュを積層した場合では(
図5(c))、
図5(a)、
図5(b)の場合と比較して、整流器の整流効果のバラツキが増加する。また、隙間を維持しないで複数のメッシュを積層した場合には整流効果のバラツキが増加するため、冷却性能が低下する虞がある。
【0043】
図6に示すように、整流器14B(パルス管冷凍機100)は、整流器14A(
図4)と同様に、ハウジング14Shとストッパリング14Ssと複数のスペーサリング14Spとで保持部材14Sを構成している。また、整流器14Bは、積層された複数のメッシュ(14Ma、14Mb)の中央に開口部14Mwを更に有する。更に、整流器14Bの保持部材14Sは、ボルト部材14Sb及び複数の第2のスペーサリング14Sp2を更に備える。
【0044】
ボルト部材14Sbは、複数のメッシュ(14Ma、14Mb)の開口部14Mwに配置されている。また、複数の第2のスペーサリング14Sp2は、複数のメッシュの中央で複数のメッシュの間に夫々配置され、複数のメッシュの隙間を夫々維持する。なお、保持部材14Sのハウジング14Sh、ストッパリング14Ss及び複数のスペーサリング14Spは、
図4の場合と同様のため、説明を省略する。
【0045】
整流器14Bは、
図6に示すように複数の第2のスペーサリング14Sp2を用いて複数のメッシュ(14Ma、14Mb)を一体として挟持している。このため、整流器14Bは、整流器14A(
図4)に比べて剛性が高い。すなわち、整流器14Bは、機械強度が高く、複数のメッシュの変形量(例えば撓み量)が小さく、複数のメッシュの網目によって形成される流路のバラツキ(変形)及び整流効果のバラツキを更に低減することができる。また、整流器14Bは、複数のメッシュの変形量を低減できるので、複数のメッシュが互いに接触することによる破損を更に防止することができる。
【0046】
以上のとおり、本発明に係るスターリング型パルス管冷凍機100又はその整流器14によれば、保持部材14Sを用いて、隙間を設けて複数のメッシュを配置することによって、整流器14の整流効果のバラツキを低減し、冷却効率を向上することができる。また、本発明に係るスターリング型パルス管冷凍機100又はその整流器14によれば、保持部材14Sを用いて、複数のメッシュ同士が接触することを防止することができるので、複数のメッシュの破損を防止することができる。
【0047】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上述した実施形態に制限されるものではない。また、本発明は、添付の特許請求の範囲に照らし、種々に変形又は変更することが可能である。