特開 2024-85233 パルス管冷凍機

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024085233

(43)【公開日】2024-06-26

(54)【発明の名称】パルス管冷凍機

(51)【国際特許分類】

   F25B 9/00 20060101AFI20240619BHJP

【ＦＩ】

F25B9/00 311

【審査請求】未請求

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022199651

(22)【出願日】2022-12-14

(71)【出願人】

【識別番号】000002107

【氏名又は名称】住友重機械工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100105924

【弁理士】

【氏名又は名称】森下 賢樹

(74)【代理人】

【識別番号】100116274

【弁理士】

【氏名又は名称】富所 輝観夫

(72)【発明者】

【氏名】平塚 善勝

(57)【要約】

【課題】ムービングプラグ型のパルス管冷凍機の効率を改善することに役立つ技術を提供する。
【解決手段】パルス管冷凍機１０は、圧力振動源１２と、第１段パルス管２０ａと、第２段パルス管２０ｂと、圧力振動源１２を第１段パルス管２０ａに接続する第１段蓄冷器２２ａと、第１段蓄冷器２２ａを第２段パルス管２０ｂに接続する第２段蓄冷器２２ｂと、第１ピストン２６ａを備え、第１ピストン２６ａによって第１室３０ａと第２室３２ａに仕切られ、第１室３０ａが圧力振動源１２に接続され、第２室３２ａが第１段パルス管２０ａの高温端に接続された第１段ムービングプラグ２４ａと、第２ピストン２６ｂを備え、第２ピストン２６ｂによって第３室３０ｂと第４室３２ｂに仕切られ、第３室３０ｂが圧力振動源１２に接続され、第４室３２ｂが第２段パルス管２０ｂの高温端に接続された第２段ムービングプラグ２４ｂと、を備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

圧力振動源と、
第１段パルス管と、
第２段パルス管と、
高温端で前記圧力振動源に接続され、低温端で前記第１段パルス管の低温端に接続された第１段蓄冷器と、
高温端で前記第１段蓄冷器の低温端に接続され、低温端で前記第２段パルス管の低温端に接続された第２段蓄冷器と、
第１ピストンを備え、前記第１ピストンによって第１室と第２室に仕切られ、前記第１室が前記圧力振動源に接続され、前記第２室が前記第１段パルス管の高温端に接続された第１段ムービングプラグと、
第２ピストンを備え、前記第２ピストンによって第３室と第４室に仕切られ、前記第３室が前記圧力振動源に接続され、前記第４室が前記第２段パルス管の高温端に接続された第２段ムービングプラグと、を備えることを特徴とするパルス管冷凍機。

【請求項2】

前記パルス管冷凍機は、前記第１段パルス管の低温端および前記第１段蓄冷器の低温端が設けられた第１段低温部を備え、
前記第３室は、前記第１段低温部を介して前記圧力振動源に接続され、
前記第４室は、前記第１段低温部を介して前記第２段パルス管の高温端に接続されていることを特徴とする請求項１に記載のパルス管冷凍機。

【請求項3】

前記第１段ムービングプラグは、対向する一組の第１ピストンを備え、及び／または、
前記第２段ムービングプラグは、対向する一組の第２ピストンを備えることを特徴とする請求項１または２に記載のパルス管冷凍機。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、パルス管冷凍機に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、パルス管冷凍機には、パルス管高温端での位相制御のために、イナータンス管と呼ばれる長い細管を用いたものが知られている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０２２－８５１２２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

本発明者は、パルス管冷凍機について鋭意研究を重ねた結果、以下の課題を認識するに至った。パルス管冷凍機の位相制御の他の方式の一つとして、ムービングプラグを用いるタイプがある。ムービングプラグ型の２段パルス管冷凍機の典型的な設計では、ムービングプラグ型ステップディスプレーサとも呼ばれるが、第１段パルス管および第２段パルス管の両者の高温端が一つのムービングプラグに接続され、第１段の位相制御と第２段の位相制御がこの共通のムービングプラグによって行われている。この場合、第１段と第２段の位相を独立に変えることができないため、パルス管冷凍機の位相制御の最適化に限界がある。

【0005】

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、ムービングプラグ型のパルス管冷凍機の効率を改善することに役立つ技術を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明のある態様によると、パルス管冷凍機は、圧力振動源と、第１段パルス管と、第２段パルス管と、高温端で圧力振動源に接続され、低温端で第１段パルス管の低温端に接続された第１段蓄冷器と、高温端で第１段蓄冷器の低温端に接続され、低温端で第２段パルス管の低温端に接続された第２段蓄冷器と、第１ピストンを備え、第１ピストンによって第１室と第２室に仕切られ、第１室が圧力振動源に接続され、第２室が第１段パルス管の高温端に接続された第１段ムービングプラグと、第２ピストンを備え、第２ピストンによって第３室と第４室に仕切られ、第３室が圧力振動源に接続され、第４室が第２段パルス管の高温端に接続された第２段ムービングプラグと、を備える。

【発明の効果】

【0007】

本発明によれば、ムービングプラグ型のパルス管冷凍機の効率を改善することが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】実施の形態に係るパルス管冷凍機を概略的に示す図である。

【図2】図２（ａ）および図２（ｂ）は、実施の形態に係るパルス管冷凍機に適用しうるムービングプラグの他の一例を概略的に示す図である。

【図3】実施の形態に係るパルス管冷凍機１０に適用しうる圧縮機ピストンの他の一例を概略的に示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。説明および図面において同一または同等の構成要素、部材、処理には同一の符号を付し、重複する説明は適宜省略する。図示される各部の縮尺や形状は、説明を容易にするために便宜的に設定されており、特に言及がない限り限定的に解釈されるものではない。実施の形態は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

【0010】

図１は、実施の形態に係るパルス管冷凍機１０を概略的に示す図である。パルス管冷凍機１０は、スターリング型パルス管冷凍機として構成され、圧力振動源１２と、接続流路１４と、コールドヘッドとも称される膨張器１６とを備える。パルス管冷凍機１０は、二段パルス管冷凍機であり、膨張器１６は、第１段低温部１８ａと第２段低温部１８ｂを備える。詳細は後述するが、膨張器１６は、位相制御部として第１段ムービングプラグ２４ａと第２段ムービングプラグ２４ｂを備える。

【0011】

パルス管冷凍機１０の冷媒ガスは典型的にヘリウムガスが使用される。ただし、これに限られず、適切な他のガスを冷媒ガスとして用いることも可能である。冷媒ガスは、パルス管冷凍機１０内に充填され封入されている。

【0012】

パルス管冷凍機１０は、圧力振動源１２の動作によってパルス管内に冷媒ガスの圧力振動が誘起され、位相制御部の作用により圧力振動と同期して適切な位相差をもって、パルス管内で冷媒ガスの変位振動すなわちガスピストンの往復動が生じるように、設計されている。ある圧力を保持しながらパルス管内をその管軸方向に周期的に往復する冷媒ガスの動きは、しばしば「ガスピストン」と称され、パルス管冷凍機１０の挙動を説明するためによく用いられる。ガスピストンがパルス管の高温端またはその近傍にあるときパルス管の低温端で冷媒ガスが膨張し、寒冷が発生する。

【0013】

このような冷凍サイクル（例えば、具体的には、逆スターリングサイクル）を繰り返すことにより、パルス管冷凍機１０は、第１段低温部１８ａと第２段低温部１８ｂを所望の極低温に冷却することができる。したがって、パルス管冷凍機１０は、これら低温部に設置され、または適宜の伝熱部材を介して熱的に結合された被冷却物を極低温に冷却することができる。被冷却物は、低温部に接触する気体または液体であってもよい。

【0014】

例えば、第１段低温部１８ａは第１冷却温度（例えば１００Ｋ未満であり、例えば３０Ｋ～６０Ｋ程度の温度）に冷却され、第２段低温部１８ｂは第１冷却温度よりも低い第２冷却温度（例えば２０Ｋ未満であり、例えば約４Ｋ程度またはそれ以下の温度）に冷却される。これら低温部は、例えば銅（例えば純銅）などの金属材料またはその他の高い熱伝導率をもつ材料で形成され、冷却ステージと呼ばれることもある。

【0015】

圧力振動源１２は、対向して同軸に配置された２つの圧縮機シリンダ１２ａを有する、いわゆる対向二気筒のリニア圧縮機として構成されている。各圧縮機シリンダ１２ａには、圧縮機ピストン１２ｂと、圧縮機ピストン１２ｂをその軸方向に振動させるリニアアクチュエータ１２ｃが収容されている。圧縮機ピストン１２ｂは、フレクシャベアリング１２ｄとも呼ばれる板バネまたは弾性支持部材を介して、径方向および周方向の変位は規制されつつ軸方向には変位できるように圧縮機シリンダ１２ａに弾性的に支持されている。また圧縮機シリンダ１２ａは、リニアアクチュエータ１２ｃを固定的に支持する。圧縮機シリンダ１２ａと圧縮機ピストン１２ｂとの間に圧縮室１２ｅが形成される。接続流路１４の一端が圧縮室１２ｅに接続されている。

【0016】

リニアアクチュエータ１２ｃの駆動により、圧縮機ピストン１２ｂが軸方向に振動される。それにより圧縮室１２ｅの容積が振動的に増減し、圧縮室１２ｅ内の冷媒ガスの圧力振動が生成される。一例として、圧力振動の平均圧力は例えばメガパスカルのオーダ、例えば約１～４ＭＰａの範囲にあり、圧力振幅は例えば約０．５～１ＭＰａ以内の範囲にあり、周波数は例えば約５０～６０Ｈｚの範囲にあってもよい。

【0017】

接続流路１４は、圧力振動源１２と膨張器１６との間で相互に双方向に冷媒ガスを流すことができるように圧力振動源１２と膨張器１６とを接続する。よって、圧力振動源１２により生成される冷媒ガスの圧力振動は、接続流路１４を介して膨張器１６に伝達され、それにより膨張器１６内に圧力振動を誘起することができる。接続流路１４は、例えば、フレキシブル管であってもよいし、剛性管であってもよい。

【0018】

膨張器１６は、第１段パルス管２０ａと第１段蓄冷器２２ａを備える。第１段蓄冷器２２ａは、その高温端で圧力振動源１２に接続され、低温端で第１段パルス管２０ａの低温端に接続されている。よって、第１段蓄冷器２２ａは、接続流路１４を通じて圧力振動源１２に接続されている。第１段蓄冷器２２ａの低温端と第１段パルス管２０ａの低温端は、第１段低温部１８ａにより構造的に結合され、第１段低温部１８ａの内部流路を通じて相互に双方向に冷媒ガスを流すことができるように接続されている。

【0019】

また、膨張器１６は、第２段パルス管２０ｂと第２段蓄冷器２２ｂを備える。第２段蓄冷器２２ｂは、その高温端で第１段蓄冷器２２ａの低温端に接続され、低温端で第２段パルス管２０ｂの低温端に接続されている。よって、第２段蓄冷器２２ｂは、第１段蓄冷器２２ａを通じて圧力振動源１２に接続されている。第２段蓄冷器２２ｂの低温端と第２段パルス管２０ｂの低温端は、第２段低温部１８ｂにより構造的に結合され、第２段低温部１８ｂの内部流路を通じて相互に双方向に冷媒ガスを流すことができるように接続されている。また、第２段パルス管２０ｂの高温端は、第１段低温部１８ａに結合されており、第１段低温部１８ａによって上述の第１冷却温度に冷却される。

【0020】

例示的な構成として、第１段パルス管２０ａおよび第２段パルス管２０ｂはそれぞれ、例えば円筒または他の適切な形状を有する管状の部材であり、冷媒ガスを収容できる内部空間を有する。第１段蓄冷器２２ａおよび第２段蓄冷器２２ｂは、円筒またはそのほか筒状の形状を有する容器と、この容器に充填された蓄冷材とを備える。

【0021】

第１段ムービングプラグ２４ａは、第１ピストン２６ａと第１シリンダ２８ａを備える。第１ピストン２６ａは、第１シリンダ２８ａ内に配置され、第１シリンダ２８ａは、第１ピストン２６ａによって第１室３０ａと第２室３２ａに仕切られている。第１室３０ａは、圧力振動源１２に接続され、第２室３２ａは、第１段パルス管２０ａの高温端に接続されている。圧力振動源１２から延びる接続流路１４は、途中で分岐しており、その一方が第１段蓄冷器２２ａの高温端に接続され、他方が第１室３０ａに接続されている。第１段ムービングプラグ２４ａは、圧力振動源１２と同様に、周囲環境（例えば室温大気圧環境）に配置される。

【0022】

第１ピストン２６ａは、その軸方向に第１シリンダ２８ａに対して移動できるように、例えば板バネまたは弾性支持部材を介して、径方向および周方向の変位は規制されつつ軸方向には変位できるように第１シリンダ２８ａに弾性的に支持されている。よって、圧力振動源１２によって生成される圧力振動流が第１室３０ａに導入され、第１段パルス管２０ａの高温端から圧力振動が第２室３２ａに導入されるとき、第１ピストン２６ａは、これら圧力振動間の振動的な差圧によって軸方向に振動する。第１段ムービングプラグ２４ａは、第１ピストン２６ａの振動特性が第１段パルス管２０ａの高温端に所望の位相制御を提供するように設計されている。

【0023】

第２段ムービングプラグ２４ｂは、第１段ムービングプラグ２４ａと同様の構成を有するが、その設置場所が異なっている。第２段ムービングプラグ２４ｂは、第２ピストン２６ｂと第２シリンダ２８ｂを備える。第２ピストン２６ｂは、第２シリンダ２８ｂ内に配置され、第２シリンダ２８ｂは、第２ピストン２６ｂによって第３室３０ｂと第４室３２ｂに仕切られている。第３室３０ｂは、圧力振動源１２に接続され、第４室３２ｂは、第２段パルス管２０ｂの高温端に接続されている。第３室３０ｂは、第１段蓄冷器２２ａを通じて圧力振動源１２に接続されている。

【0024】

第２ピストン２６ｂは、その軸方向に第２シリンダ２８ｂに対して移動できるように、例えば板バネまたは弾性支持部材を介して、径方向および周方向の変位は規制されつつ軸方向には変位できるように第２シリンダ２８ｂに弾性的に支持されている。よって、圧力振動源１２によって生成される圧力振動流が第１段蓄冷器２２ａを通じて第３室３０ｂに導入され、第２段パルス管２０ｂの高温端から圧力振動が第４室３２ｂに導入されるとき、第２ピストン２６ｂは、これら圧力振動間の振動的な差圧によって軸方向に振動する。第２段ムービングプラグ２４ｂは、第２ピストン２６ｂの振動特性が第２段パルス管２０ｂの高温端に所望の位相制御を提供するように設計されている。

【0025】

したがって、実施の形態によると、第１段ムービングプラグ２４ａがパルス管冷凍機１０の第１段の位相制御を可能にし、第２段ムービングプラグ２４ｂがパルス管冷凍機１０の第２段の位相制御を可能にする。第１段と第２段の位相制御が単一のムービングプラグで行われる既存の典型的な設計とは異なり、第１段と第２段の位相制御を互いに独立に設計することができる。これにより、パルス管冷凍機の効率をさらに改善しうる。

【0026】

ここで、第２段ムービングプラグ２４ｂの第３室３０ｂは、第１段低温部１８ａを介して圧力振動源１２に接続されている。第３室３０ｂと第１段蓄冷器２２ａの低温端とが第１段低温部１８ａの内部流路を通じて相互に双方向に冷媒ガスを流すことができるように接続されている。また、第４室３２ｂは、第１段低温部１８ａを介して第２段パルス管２０ｂの高温端に接続されている。上述のように第２段パルス管２０ｂの高温端は第１段低温部１８ａに結合されているから、第４室３２ｂと第２段パルス管２０ｂの高温端とが第１段低温部１８ａの内部流路を通じて相互に双方向に冷媒ガスを流すことができるように接続されている。

【0027】

このようにして、第２段ムービングプラグ２４ｂは、第１段低温部１８ａと同様に、低温環境に配置されている。第２段ムービングプラグ２４ｂは、第１段低温部１８ａの近傍に配置され、または第１段低温部１８ａに取り付けられていてもよい。これにより、第２段ムービングプラグ２４ｂと第２段パルス管２０ｂの高温端との間で流れる冷媒ガスは、第２段ムービングプラグ２４ｂがより高温の周囲環境に配置される場合に比べて低温となる。これも、パルス管冷凍機１０の効率を改善することに役立つ。

【0028】

図２（ａ）および図２（ｂ）は、実施の形態に係るパルス管冷凍機１０に適用しうるムービングプラグの他の一例を概略的に示す図である。

【0029】

図２（ａ）に示されるように、第１段ムービングプラグ２４ａは、上述の圧力振動源１２と同様に、対向する一組の第１ピストン２６ａを備えてもよい。各第１ピストン２６ａは、上述の第１段ムービングプラグ２４ａと同様に、対応する第１シリンダ２８ａ内で軸方向に振動可能に配置され、第１シリンダ２８ａは、第１ピストン２６ａによって第１室３０ａと第２室３２ａに仕切られている。第１室３０ａは、圧力振動源１２に接続され、第２室３２ａは、第１段パルス管２０ａの高温端に接続されている。対向する第１ピストン２６ａにより、第１段ムービングプラグ２４ａの作動に伴い発生する振動を低減することができる。

【0030】

また、図２（ｂ）に示されるように、第２段ムービングプラグ２４ｂは、対向する一組の第２ピストン２６ｂを備えてもよい。各第２ピストン２６ｂは、対応する第２シリンダ２８ｂ内で軸方向に振動可能に配置され、第２シリンダ２８ｂは、第２ピストン２６ｂによって第３室３０ｂと第４室３２ｂに仕切られている。第３室３０ｂは、第１段蓄冷器２２ａを通じて圧力振動源１２に接続され、第４室３２ｂは、第２段パルス管２０ｂの高温端に接続されている。上述の実施の形態と同様に、第３室３０ｂは、第１段低温部１８ａおよび第１段蓄冷器２２ａを介して圧力振動源１２に接続され、第４室３２ｂは、第１段低温部１８ａを介して第２段パルス管２０ｂの高温端に接続されてもよい。対向する第２ピストン２６ｂにより、第２段ムービングプラグ２４ｂの作動に伴い発生する振動を低減することができる。

【0031】

図３は、実施の形態に係るパルス管冷凍機１０に適用しうる圧縮機ピストン１２ｂの他の一例を概略的に示す図である。圧縮機ピストン１２ｂは、その外周面に軸受４０を備えてもよい。軸受４０は、例えばリニアボールベアリングであってもよい。圧縮機ピストン１２ｂは、軸受４０を介して圧縮機シリンダ１２ａによって軸方向にガイドされる。シール部４２が圧縮機ピストン１２ｂと圧縮機シリンダ１２ａとの間に形成されてもよい。軸受４０は、圧縮機ピストン１２ｂの外周面の上部と下部に設置され、シール部４２は、圧縮機ピストン１２ｂの外周面の中間部に設けられてもよい。また、圧縮機ピストン１２ｂは、一端が開放された中空の筒形状を有しており、圧縮機ピストン１２ｂを圧縮機シリンダ１２ａなどの静止部に弾性的に支持する弾性部材（例えば、ばね）４４がピストン内部に収められている。

【0032】

既存の設計では、例えば図１に示されるように、圧縮機ピストン１２ｂは圧縮機シリンダ１２ａとの間に圧縮室１２ｅを画定するピストン本体とこの本体から圧縮室１２ｅとは反対側に延びるピストンロッドとを備え、ピストンロッドが圧縮機シリンダ１２ａに弾性的に支持されている。この場合、ピストンロッドの分だけ圧縮機ピストン１２ｂが長くなり、圧力振動源１２も長手方向にサイズが大きくなりがちである。また、圧縮機ピストン１２ｂは片持ち支持されているため、フレクシャベアリング１２ｄなど軸受部の負荷も大きくなり得る。

【0033】

これに対して、図３に示される圧縮機ピストン１２ｂは、ピストンロッドをなくすことができ、圧縮機ピストン１２ｂひいては圧力振動源１２の小型化が可能になる。また、シール部４２を上下に挟み込むように軸受４０が配置されることで、圧縮機ピストン１２ｂのブレを抑えることができ、信頼性向上につながる。

【0034】

なお、図３に示される圧縮機ピストン１２ｂおよび軸受４０を備えるピストン構造は、第１段ムービングプラグ２４ａの第１ピストン２６ａ及び／または第２段ムービングプラグ２４ｂの第２ピストン２６ｂに適用されてもよい。

【0035】

実施の形態にもとづき、具体的な語句を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用の一側面を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。

【符号の説明】

【0036】

１０ パルス管冷凍機、 １２ 圧力振動源、 １８ａ 第１段低温部、 １８ｂ 第２段低温部、 ２０ａ 第１段パルス管、 ２０ｂ 第２段パルス管、 ２２ａ 第１段蓄冷器、 ２２ｂ 第２段蓄冷器、 ２４ａ 第１段ムービングプラグ、 ２４ｂ 第２段ムービングプラグ、 ２６ａ 第１ピストン、 ２６ｂ 第２ピストン、 ３０ａ 第１室、 ３０ｂ 第３室、 ３２ａ 第２室、 ３２ｂ 第４室。

【図1】

【図2】

【図3】