特開 2025-56543 極低温冷凍機、および極低温冷凍機用フレキシブルホース

(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】P2025056543

(43)【公開日】2025-04-08

(54)【発明の名称】極低温冷凍機、および極低温冷凍機用フレキシブルホース

(51)【国際特許分類】

   F25B 9/00 20060101AFI20250401BHJP

   F16L 11/15 20060101ALI20250401BHJP

   F16L 11/16 20060101ALI20250401BHJP

【ＦＩ】

F25B9/00 B

F16L11/15

F16L11/16

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023166077

(22)【出願日】2023-09-27

(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】水野 陽治

【テーマコード（参考）】

3H111

【Ｆターム（参考）】

3H111AA02

3H111BA03

3H111CA42

3H111CA47

3H111CC13

3H111DA13

3H111DB09

3H111DB22

3H111EA09

3H111EA17

(57)【要約】

【課題】極低温冷凍機の動作中にフレキシブルホースから発生する騒音を低減する。
【解決手段】極低温冷凍機１０は、圧縮機１２と、コールドヘッド１４と、圧縮機１２をコールドヘッド１４に接続する第１フレキシブルホース６３とを備える。第１フレキシブルホース６３は、極低温冷凍機１０の作動ガスを流すための導管と、導管に外装されたブレイドとを備える。ブレイドは、導管を被覆するように筒状に編まれたブレイド線を備え、作動ガスが公称圧力で導管を流れるときブレイド線に働く引張応力が８５Ｎ／ｍｍ^２以下となるように構成されている。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

圧縮機と、
コールドヘッドと、
前記圧縮機を前記コールドヘッドに接続するフレキシブルホースであって、極低温冷凍機の作動ガスを流すための導管と、前記導管に外装されたブレイドとを備えるフレキシブルホースと、を備え、
前記ブレイドは、前記導管を被覆するように筒状に編まれたブレイド線を備え、前記作動ガスが公称圧力で前記導管を流れるとき前記ブレイド線に働く引張応力が８５Ｎ／ｍｍ^２以下となるように構成されていることを特徴とする極低温冷凍機。

【請求項2】

前記ブレイドは、前記作動ガスが前記公称圧力で前記導管を流れるとき前記ブレイド線に働く引張応力が３０Ｎ／ｍｍ^２以上となるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の極低温冷凍機。

【請求項3】

前記圧縮機は、前記作動ガスを送出する送出ポートを備え、
前記コールドヘッドは、前記作動ガスを受け入れる吸気ポートを備え、
前記フレキシブルホースは、前記送出ポートを前記吸気ポートに接続することを特徴とする請求項１に記載の極低温冷凍機。

【請求項4】

前記圧縮機は、前記作動ガスを回収する回収ポートを備え、
前記コールドヘッドは、前記作動ガスを排出する排気ポートを備え、
前記極低温冷凍機は、前記回収ポートを前記排気ポートに接続する別のフレキシブルホースであって、前記作動ガスを流すための導管を備える別のフレキシブルホースをさらに備え、
前記別のフレキシブルホースの前記導管は、前記作動ガスの流れに露出されるコルゲート内面を備え、前記コルゲート内面におけるコルゲート間隙間が１ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の極低温冷凍機。

【請求項5】

前記コルゲート内面におけるコルゲート間隙間が０．６ｍｍ以下であることを特徴とする請求項４に記載の極低温冷凍機。

【請求項6】

圧縮機と、
コールドヘッドと、
前記圧縮機を前記コールドヘッドに接続するフレキシブルホースであって、極低温冷凍機の作動ガスを流すための導管を備えるフレキシブルホースと、を備え、
前記導管は、前記作動ガスの流れに露出されるコルゲート内面を備え、前記コルゲート内面におけるコルゲート間隙間が１ｍｍ以下であることを特徴とする極低温冷凍機。

【請求項7】

極低温冷凍機用フレキシブルホースであって、
極低温冷凍機の作動ガスを流すための導管と、
前記導管に外装されたブレイドと、を備え、
前記ブレイドは、前記導管を被覆するように筒状に編まれたブレイド線を備え、前記作動ガスが公称圧力で前記導管を流れるとき前記ブレイド線に働く引張応力が８５Ｎ／ｍｍ^２以下となるように構成され、及び／または、
前記導管は、前記作動ガスの流れに露出されるコルゲート内面を備え、前記コルゲート内面におけるコルゲート間隙間が１ｍｍ以下であることを特徴とする極低温冷凍機用フレキシブルホース。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、極低温冷凍機、および極低温冷凍機用フレキシブルホースに関する。

【背景技術】

【0002】

一般に、ギフォード・マクマホン（Gifford-McMahon；ＧＭ）冷凍機などの極低温冷凍機は、圧縮機とコールドヘッドとも呼ばれる膨張機との間での作動ガスの給排のために両者を接続する作動ガス配管を備える。作動ガス配管として、蛇腹状のフレキシブルホースが用いられることがある。従来、極低温冷凍機の動作中の作動ガス流れによりフレキシブルホースから発生する騒音を低減するために、柔軟性のあるパイプを蛇腹状フレキシブルホースの内面に装着することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００２－３３３２２４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、上述の極低温冷凍機用フレキシブルホースを検討し、以下の課題を認識した。このフレキシブルホースは、柔軟性パイプを用いてホース内面を平滑化することで、ガス流れに起因する騒音を低減することを目指すものである。しかしながら、本発明者の検討によると、フレキシブルホースに外装されるブレイドの設計や、例えば作動ガス圧力など極低温冷凍機の使用条件によっては、騒音レベルが悪化しうることが判明した。また、上述のフレキシブルホースは、柔軟性パイプという追加部品を必要とする。これは、フレキシブルホースの製造コストの増加につながりうる。極低温冷凍機の長期的な運転に伴うパイプの摩耗の進行など、長期信頼性についての懸念もある。

【0005】

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、極低温冷凍機の動作中にフレキシブルホースから発生する騒音を低減することにある。

【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、極低温冷凍機は、圧縮機と、コールドヘッドと、圧縮機をコールドヘッドに接続するフレキシブルホースであって、極低温冷凍機の作動ガスを流すための導管と、導管に外装されたブレイドとを備えるフレキシブルホースと、を備える。ブレイドは、導管を被覆するように筒状に編まれたブレイド線を備え、作動ガスが公称圧力で導管を流れるときブレイド線に働く引張応力が８５Ｎ／ｍｍ^２以下となるように構成されている。

【0007】

本発明のある態様によると、極低温冷凍機は、圧縮機と、コールドヘッドと、圧縮機をコールドヘッドに接続するフレキシブルホースであって、極低温冷凍機の作動ガスを流すための導管を備えるフレキシブルホースと、を備える。導管は、作動ガスの流れに露出されるコルゲート内面を備え、コルゲート内面におけるコルゲート間隙間が１ｍｍ以下であることを特徴とする。

【0008】

本発明のある態様によると、極低温冷凍機用フレキシブルホースは、極低温冷凍機の作動ガスを流すための導管と、導管に外装されたブレイドと、を備える。ブレイドは、導管を被覆するように筒状に編まれたブレイド線を備え、作動ガスが公称圧力で導管を流れるときブレイド線に働く引張応力が８５Ｎ／ｍｍ^２以下となるように構成されている。それとともに、またはそれに代えて、導管は、作動ガスの流れに露出されるコルゲート内面を備え、コルゲート内面におけるコルゲート間隙間が１ｍｍ以下である。

【発明の効果】

【0009】

本発明によれば、極低温冷凍機の動作中にフレキシブルホースから発生する騒音を低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】実施の形態に係る極低温冷凍機を概略的に示す図である。

【図2】実施の形態に係る極低温冷凍機を概略的に示す図である。

【図3】図３（ａ）から図３（ｃ）は、実施の形態に係る極低温冷凍機用フレキシブルホースを概略的に示す図である。

【図4】実施の形態に係り、ブレイド応力と騒音レベルとの関係を示すグラフである。

【図5】実施の形態に係り、コルゲート間隙間と騒音レベルとの関係を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0011】

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。

【0012】

図１および図２は、実施の形態に係る極低温冷凍機１０を概略的に示す図である。極低温冷凍機１０は、一例として、二段式のギフォード・マクマホン（Gifford-McMahon；ＧＭ）冷凍機である。図１には、極低温冷凍機１０の外観を示し、図２には、極低温冷凍機１０の内部構造を示す。

【0013】

極低温冷凍機１０は、圧縮機１２と、コールドヘッド１４とを備える。圧縮機１２は、極低温冷凍機１０の作動ガスをコールドヘッド１４から回収し、回収した作動ガスを昇圧して、再び作動ガスをコールドヘッド１４に供給するよう構成されている。コールドヘッド１４は膨張機とも呼ばれる。圧縮機１２とコールドヘッド１４により極低温冷凍機１０の冷凍サイクル（例えばＧＭサイクル）が構成され、それにより極低温冷凍機１０は極低温冷却を提供することができる。作動ガスは、冷媒ガスとも称され、通例はヘリウムガスであるが、適切な他のガスが用いられてもよい。

【0014】

一般に、圧縮機１２からコールドヘッド１４に供給される作動ガスの圧力と、コールドヘッド１４から圧縮機１２に回収される作動ガスの圧力は、ともに大気圧よりかなり高く、それぞれ第１高圧及び第２高圧と呼ぶことができる。第１高圧、すなわち供給側の作動ガスの公称圧力は、例えば、１．５ＭＰａ以上３．５ＭＰａ以下の第１圧力範囲から選択されてもよい。この第１公称圧力は、例えば、２．２ＭＰａであってもよい。第２高圧、すなわち回収側の作動ガスの公称圧力は、第１高圧よりも低い。第２高圧は、例えば、０．２ＭＰａ以上２．０ＭＰａ以下の第２圧力範囲から選択される。この第２公称圧力は、例えば、０．８ＭＰａであってもよい。以下では、説明の便宜上、第１高圧及び第２高圧はそれぞれ単に高圧及び低圧とも呼ばれる。理解のために、作動ガスの流れる方向を矢印で示す。

【0015】

図１に示されるように、圧縮機１２は、作動ガスを送出する送出ポート５０と、作動ガスを回収する回収ポート５２とを備える。送出ポート５０は、圧縮機１２により圧縮された高圧の作動ガスの圧縮機１２からの出口として圧縮機１２の筐体に設けられている。回収ポート５２は、圧縮機１２に回収される低圧の作動ガスの圧縮機１２への入口として圧縮機１２の筐体に設けられている。

【0016】

圧縮機１２は、例えば、スクロール方式、ロータリ式、または作動ガスを昇圧するそのほか適宜のポンプであってもよい。この実施の形態では、圧縮機１２は、固定された一定の作動ガス流量を吐出するよう構成されている。あるいは、圧縮機１２は、吐出する作動ガス流量を可変とするよう構成されていてもよい。圧縮機１２には、作動ガスの圧縮により生じる圧縮熱を除去するために、例えばチラーなどの冷却装置が付設されていてもよい。

【0017】

コールドヘッド１４は、冷凍機シリンダ１６と、ディスプレーサ組立体１８とを備える。冷凍機シリンダ１６は、ディスプレーサ組立体１８の直線往復運動をガイドするとともに、ディスプレーサ組立体１８との間に作動ガスの膨張室（３２、３４）を形成する。また、コールドヘッド１４は、膨張室への作動ガスの吸気開始タイミングおよび膨張室からの作動ガスの排気開始タイミングを定める圧力切替バルブ４０を備える。

【0018】

本書では、極低温冷凍機１０の構成要素間の位置関係を説明するために、便宜上、ディスプレーサの軸方向往復動の上死点に近い側を「上」、下死点に近い側を「下」と表記することとする。上死点は膨張空間の容積が最大となるディスプレーサの位置であり、下死点は膨張空間の容積が最小となるディスプレーサの位置である。極低温冷凍機１０の運転時には軸方向上方から下方へと温度が下がる温度勾配が生じるので、上側を高温側、下側を低温側と呼ぶこともできる。

【0019】

冷凍機シリンダ１６は、第１シリンダ１６ａ、第２シリンダ１６ｂを有する。第１シリンダ１６ａと第２シリンダ１６ｂは、一例として、円筒形状を有する部材であり、第２シリンダ１６ｂが第１シリンダ１６ａよりも小径である。第１シリンダ１６ａと第２シリンダ１６ｂは同軸に配置され、第１シリンダ１６ａの下端が第２シリンダ１６ｂの上端に剛に連結されている。

【0020】

ディスプレーサ組立体１８は、互いに連結された第１ディスプレーサ１８ａと第２ディスプレーサ１８ｂを備え、これらは一体に移動する。第１ディスプレーサ１８ａと第２ディスプレーサ１８ｂは、一例として、円筒形状を有する部材であり、第２ディスプレーサ１８ｂが第１ディスプレーサ１８ａよりも小径である。第１ディスプレーサ１８ａと第２ディスプレーサ１８ｂは同軸に配置されている。

【0021】

第１ディスプレーサ１８ａは、第１シリンダ１６ａに収容され、第２ディスプレーサ１８ｂは、第２シリンダ１６ｂに収容されている。第１ディスプレーサ１８ａは、第１シリンダ１６ａに沿って軸方向に往復移動可能であり、第２ディスプレーサ１８ｂは、第２シリンダ１６ｂに沿って軸方向に往復移動可能である。

【0022】

図２に示されるように、第１ディスプレーサ１８ａは、第１蓄冷器２６を収容する。第１蓄冷器２６は、第１ディスプレーサ１８ａの筒状の本体部の中に、例えば銅などの金網またはその他適宜の第１蓄冷材を充填することによって形成されている。第１ディスプレーサ１８ａの上蓋部および下蓋部は第１ディスプレーサ１８ａの本体部とは別の部材として提供されてもよく、第１ディスプレーサ１８ａの上蓋部および下蓋部は、締結、溶接など適宜の手段で本体に固定され、それにより第１蓄冷材が第１ディスプレーサ１８ａに収容されてもよい。

【0023】

同様に、第２ディスプレーサ１８ｂは、第２蓄冷器２８を収容する。第２蓄冷器２８は、第２ディスプレーサ１８ｂの筒状の本体部の中に、例えばビスマスなどの非磁性蓄冷材、ＨｏＣｕ２などの磁性蓄冷材、またはその他適宜の第２蓄冷材を充填することによって形成されている。第２蓄冷材は粒状に成形されていてもよい。第２ディスプレーサ１８ｂの上蓋部および下蓋部は第２ディスプレーサ１８ｂの本体部とは別の部材として提供されてもよく、第２ディスプレーサ１８ｂの上蓋部の下蓋部は、締結、溶接など適宜の手段で本体に固定され、それにより第２蓄冷材が第２ディスプレーサ１８ｂに収容されてもよい。

【0024】

ディスプレーサ組立体１８は、上部室３０、第１膨張室３２、第２膨張室３４を冷凍機シリンダ１６の内部に形成する。極低温冷凍機１０によって冷却すべき所望の物体または媒体との熱交換のために、コールドヘッド１４は、第１冷却ステージ３３と第２冷却ステージ３５を備える。上部室３０は、第１ディスプレーサ１８ａの上蓋部と第１シリンダ１６ａの上部との間に形成される。第１膨張室３２は、第１ディスプレーサ１８ａの下蓋部と第１冷却ステージ３３との間に形成される。第２膨張室３４は、第２ディスプレーサ１８ｂの下蓋部と第２冷却ステージ３５との間に形成される。第１冷却ステージ３３は、第１膨張室３２を取り囲むように第１シリンダ１６ａの下部に固着され、第２冷却ステージ３５は、第２膨張室３４を取り囲むように第２シリンダ１６ｂの下部に固着されている。

【0025】

第１蓄冷器２６は、第１ディスプレーサ１８ａの上蓋部に形成された作動ガス流路３６ａを通じて上部室３０に接続され、第１ディスプレーサ１８ａの下蓋部に形成された作動ガス流路３６ｂを通じて第１膨張室３２に接続されている。第２蓄冷器２８は、第１ディスプレーサ１８ａの下蓋部から第２ディスプレーサ１８ｂの上蓋部へと形成された作動ガス流路３６ｃを通じて第１蓄冷器２６に接続されている。また、第２蓄冷器２８は、第２ディスプレーサ１８ｂの下蓋部に形成された作動ガス流路３６ｄを通じて第２膨張室３４に接続されている。

【0026】

第１膨張室３２、第２膨張室３４と上部室３０との間の作動ガス流れが、冷凍機シリンダ１６とディスプレーサ組立体１８との間のクリアランスではなく、第１蓄冷器２６、第２蓄冷器２８に導かれるようにするために、第１シール３８ａ、第２シール３８ｂが設けられていてもよい。第１シール３８ａは、第１ディスプレーサ１８ａと第１シリンダ１６ａとの間に配置されるように第１ディスプレーサ１８ａの上蓋部に装着されてもよい。第２シール３８ｂは、第２ディスプレーサ１８ｂと第２シリンダ１６ｂとの間に配置されるように第２ディスプレーサ１８ｂの上蓋部に装着されてもよい。

【0027】

図１に示されるように、コールドヘッド１４は、圧力切替バルブ４０を収容する冷凍機ハウジング２０を備える。冷凍機ハウジング２０は、冷凍機シリンダ１６と結合され、それにより、圧力切替バルブ４０およびディスプレーサ組立体１８を収容する気密容器が構成される。

【0028】

また、コールドヘッド１４は、作動ガスを受け入れる吸気ポート２２と、作動ガスを排出する排気ポート２４とを備える。吸気ポート２２は、圧縮機１２から供給される高圧の作動ガスのコールドヘッド１４への入口として冷凍機ハウジング２０に設けられている。排気ポート２４は、コールドヘッド１４から排出される低圧の作動ガスのコールドヘッド１４からの出口として冷凍機ハウジング２０に設けられている。

【0029】

圧力切替バルブ４０は、図２に示されるように、高圧バルブ４０ａと低圧バルブ４０ｂを備え、冷凍機シリンダ１６内に周期的圧力変動を発生させるように構成されている。圧縮機１２の送出ポート５０が高圧バルブ４０ａを介して上部室３０に接続され、圧縮機１２の回収ポート５２が低圧バルブ４０ｂを介して上部室３０に接続されている。高圧バルブ４０ａと低圧バルブ４０ｂは、選択的かつ交互に開閉するように（すなわち、一方が開いているとき他方が閉じるように）構成されている。

【0030】

圧力切替バルブ４０は、ロータリーバルブの形式をとってもよい。すなわち、圧力切替バルブ４０は、静止したバルブ本体に対するバルブディスクの回転摺動によって高圧バルブ４０ａと低圧バルブ４０ｂが交互に開閉されるように構成されていてもよい。その場合、膨張機モータ４２が圧力切替バルブ４０のバルブディスクを回転させるように圧力切替バルブ４０に連結されていてもよい。たとえば、圧力切替バルブ４０は、バルブ回転軸が膨張機モータ４２の回転軸と同軸となるように配置される。

【0031】

あるいは、高圧バルブ４０ａと低圧バルブ４０ｂはそれぞれ個別に制御可能なバルブであってもよく、その場合、圧力切替バルブ４０は、膨張機モータ４２に連結されていなくてもよい。

【0032】

膨張機モータ４２は、電気モータ、たとえば、三相交流で駆動する永久磁石型モータであってもよい。膨張機モータ４２は、たとえばスコッチヨーク機構などの運動変換機構４３を介してディスプレーサ駆動軸４４に連結されている。膨張機モータ４２は、冷凍機ハウジング２０に取り付けられている。運動変換機構４３は、圧力切替バルブ４０と同様に、冷凍機ハウジング２０に収容されている。運動変換機構４３は、膨張機モータ４２が出力する回転運動をディスプレーサ駆動軸４４の直線往復運動に変換する。ディスプレーサ駆動軸４４は、運動変換機構４３から上部室３０の中へと延び、第１ディスプレーサ１８ａの上蓋部に固定されている。膨張機モータ４２の回転は運動変換機構４３によってディスプレーサ駆動軸４４の軸方向往復動に変換され、ディスプレーサ組立体１８は冷凍機シリンダ１６内を軸方向に直線的に往復する。

【0033】

また、極低温冷凍機１０は、圧縮機１２とコールドヘッド１４の間で作動ガスを循環させる作動ガスライン６２を備える。作動ガスライン６２は、高圧側の第１フレキシブルホース６３と低圧側の第２フレキシブルホース６４とを備える。第１フレキシブルホース６３は、圧縮機１２の送出ポート５０をコールドヘッド１４の吸気ポート２２に接続する。よって、第１フレキシブルホース６３には、圧縮機１２からコールドヘッド１４へと供給される高圧の作動ガスが流れる。第２フレキシブルホース６４は、圧縮機１２の回収ポート５２をコールドヘッド１４の排気ポート２４に接続する。よって、第２フレキシブルホース６４には、コールドヘッド１４から圧縮機１２へと回収される低圧の作動ガスが流れる。これらフレキシブルホースの詳細は後述する。

【0034】

極低温冷凍機１０は、圧縮機１２および膨張機モータ４２が運転されるとき、第１膨張室３２および第２膨張室３４において周期的な容積変動とこれに同期した作動ガスの圧力変動を発生させる。典型的には、吸気工程においては、低圧バルブ４０ｂが閉じ高圧バルブ４０ａが開くことによって、高圧の作動ガスが圧縮機１２から高圧バルブ４０ａを通じて上部室３０に流入し、第１蓄冷器２６を通じて第１膨張室３２に供給され、第２蓄冷器２８を通じて第２膨張室３４に供給される。こうして、第１膨張室３２、第２膨張室３４は低圧から高圧へと昇圧される。このとき、ディスプレーサ組立体１８が下死点から上死点へと上動され第１膨張室３２と第２膨張室３４の容積が増加される。高圧バルブ４０ａが閉じると吸気工程は終了する。

【0035】

排気工程においては、高圧バルブ４０ａが閉じ低圧バルブ４０ｂが開くことによって、高圧の第１膨張室３２、第２膨張室３４が圧縮機１２の低圧の作動ガス吸入口に開放されるので、作動ガスが第１膨張室３２、第２膨張室３４で膨張し、その結果低圧となった作動ガスが第１膨張室３２、第２膨張室３４から第１蓄冷器２６、第２蓄冷器２８を通じて上部室３０へと排出される。このとき、ディスプレーサ組立体１８が上死点から下死点へと下動され第１膨張室３２と第２膨張室３４の容積が減少される。作動ガスはコールドヘッド１４から低圧バルブ４０ｂを通じて圧縮機１２に回収される。低圧バルブ４０ｂが閉じると排気工程は終了する。

【0036】

このようにして、極低温冷凍機１０にはたとえばＧＭサイクルなどの冷凍サイクルが構成され、第１冷却ステージ３３および第２冷却ステージ３５が所望の極低温に冷却される。第１冷却ステージ３３は、第１冷却温度に冷却され、第２冷却ステージ３５は、第１冷却温度より低い第２冷却温度に冷却される。第１冷却温度は、例えば約３０Ｋ～約８０Ｋの範囲にあってもよい。第２冷却温度は、例えば約１Ｋ～約２０Ｋの範囲にあってもよい。第２冷却温度は、約４．２Ｋの液体ヘリウム温度またはそれよりも低い温度であってもよい。

【0037】

ところで、極低温冷凍機１０の動作中、作動ガスライン６２は、作動ガス流れに起因する音を発生させうる。吸気工程では、圧縮機１２からコールドヘッド１４へと第１フレキシブルホース６３を通じて作動ガスが流れるので、第１フレキシブルホース６３から作動ガスの流れに伴う音が発生しうる。排気工程では、コールドヘッド１４から圧縮機１２へと第２フレキシブルホース６４を通じて作動ガスが流れるので、第２フレキシブルホース６４から作動ガスの流れに伴う音が発生しうる。こうした音は、極低温冷凍機１０の使用者、または極低温冷凍機１０を搭載した装置（例えば、磁気共鳴イメージング（Magnetic Resonance Imaging；ＭＲＩ）装置）の使用者にとって、騒音に感じられることがあるかもしれない。そこで、本書では、このような騒音を低減する技術が提案される。

【0038】

図３（ａ）から図３（ｃ）は、実施の形態に係る極低温冷凍機用フレキシブルホースを概略的に示す図である。図３（ａ）から図３（ｃ）に示されるように、フレキシブルホース７０は、極低温冷凍機の作動ガスを流すための導管７２と、導管７２に外装されたブレイド７４とを備える。図示されるフレキシブルホース７０は、図１および図２を参照して上述した第１フレキシブルホース６３、または第２フレキシブルホース６４、またはその両方に用いることができる。

【0039】

この実施の形態では、導管７２は、コルゲート管であり、すなわち蛇腹状の管である。図３（ｃ）に模式的に示されるように、導管７２すなわちコルゲート管の内面（以下、コルゲート内面ともいう）７２ａは、作動ガスの流れ８０に露出されている。導管７２は、例えば、ステンレス鋼で形成されている。または、導管７２は、そのほか適宜の材料で形成されてもよい。

【0040】

導管７２は、いくつかの導管設計パラメータに基づき設計されうる。導管設計パラメータは、例えば、コルゲート管の最大内径Ｄ_ｉｍａｘ（ｍｍ）、コルゲート管の内径Ｄ_ｉ（ｍｍ）、コルゲートピッチｑ（ｍｍ）、コルゲート管隙間ｇ（ｍｍ）を含みうる。コルゲート管の管壁には、管内に向かう多数の凸部７３が管軸方向に沿って形成されているが、コルゲート管隙間ｇは、図示されるように、隣接する２つの凸部７３間の管軸方向の距離を指す。

【0041】

ブレイド７４は、導管７２を被覆するように筒状に編まれたブレイド線７６を備える。ブレイド７４は、導管７２のコルゲート形状を包絡するように編まれている。よって、ブレイド７４の外表面は、導管７２とは異なり、概ね一定の外径Ｄ_ｏ（ｍｍ）を有する円筒状の形状を有する。ブレイド線７６は、例えば、ステンレス鋼で形成されている。または、ブレイド線７６は、そのほか適宜の材料で形成されてもよい。

【0042】

ブレイド７４は、いくつかのブレイド設計パラメータに基づき設計されうる。ブレイド設計パラメータは、例えば、ブレイド線径ｄ（ｍｍ）、ブレイド持数ｂ１、ブレイド打数ｂ２、ブレイド交差角ｂ３（ｒａｄ）、ブレイド層数ｂ４を含みうる。ブレイド持数ｂ１は、ブレイド７４を編み込みに使用される一束のブレイド線７６を構成するブレイド線７６の本数を表す。ブレイド打数ｂ２は、ブレイド７４の編み込みに使用されるブレイド線７６の束の数を表す。ブレイド交差角ｂ３は、ブレイド７４を編み込む際のブレイド線７６の束と束の角度を表す。ブレイド層数ｂ４は、導管７２を被覆するブレイド７４の層の数を表し、図３（ｂ）には、ブレイド層数ｂ４が２の場合が例示されている。

【0043】

本発明者は、さまざまなブレイド設計のフレキシブルホース７０からの騒音を実験により調査し、その結果として、ブレイド７４に関連して騒音レベルを左右する１つの主要パラメータを発見した。それは、ブレイド線７６に働く引張応力（以下、単に「ブレイド応力」ともいう）である。

【0044】

フレキシブルホース７０の導管７２に作動ガスが流れるとき、導管７２には作動ガスの圧力により伸びようとする力が働き、これがブレイド７４に伝わりブレイド線７６に引張応力を生じさせうる。ブレイド応力σ（Ｎ／ｍｍ^２）、すなわち、１本のブレイド線７６にその延在方向に働く引張応力は、以下の式により計算することができる。
σ＝Ｐ・π（Ｄ_ｉｍａｘ／２）^２／（ｂ１・ｂ２）／ｂ４／ｃｏｓ（ｂ３／２）／π（ｄ／２）^２
ここで、Ｐ（ＭＰａ）は、極低温冷凍機１０の動作中における作動ガスによる導管７２の内圧を表す。ブレイド応力σを計算するために、この内圧Ｐとして、上述の第１公称圧力（例えば、２．２ＭＰａ）を用いることができる。

【0045】

図４は、実施の形態に係り、ブレイド応力と騒音レベルとの関係を示すグラフである。本発明者により用意された第１フレキシブルホース６３の９つのサンプル１ａ～１ｉについてブレイド応力が計算されるとともに騒音値（ｄＢＡ）が測定され、その結果が図４にプロットされている。

【0046】

９つのサンプル１ａ～１ｉのブレイド設計パラメータは、以下の表に記載されるとおりである。

【表1】

【0047】

サンプル１ａ～１ｉについて計算されたブレイド応力σ（Ｎ／ｍｍ^２）と測定された騒音値（ｄＢＡ）は、以下の通りであり、これらが図４に示されている。

【表2】

【0048】

ブレイド応力σの計算にあたり、各サンプルの導管７２の設計は同一であり、コルゲート管の最大内径Ｄ_ｉｍａｘは２５．２ｍｍである。極低温冷凍機１０の運転条件は各サンプルについて同一であり、第１フレキシブルホース６３内の作動ガスの公称圧力は、２．２ＭＰａである。また、極低温冷凍機１０は、第１フレキシブルホース６３と第２フレキシブルホース６４の両方を一つの遮音箱に収めた状態で運転され、騒音値は、この遮音箱内で測定されている。各サンプルの騒音測定にあたり第２フレキシブルホース６４は同一のものが使用されている。遮音箱により、外部騒音は測定結果に含まれない。第１フレキシブルホース６３と第２フレキシブルホース６４で音の発生タイミングは上述のように異なるので、第１フレキシブルホース６３からの音を第２フレキシブルホース６４からの音から分離して測定できる。なお、この騒音測定方法は、後述の図５においても同様である。

【0049】

図４から理解されるように、騒音値は、ブレイド応力が８５Ｎ／ｍｍ^２以下であるときには概して、５６ｄＢＡ程度の上限値またはそれ以下に抑えられている。これに対して、ブレイド応力がこのしきい値（すなわち８５Ｎ／ｍｍ^２）を超えると、騒音値はこの上限値を超えて高まっている。具体的には、ブレイド応力が９４．３Ｎ／ｍｍ^２のとき、騒音値が６１．１ｄＢＡに達している。

【0050】

第１フレキシブルホース６３が発する音は、極低温冷凍機１０の吸気工程の開始時に高圧バルブ４０ａが開放されて圧縮機１２から第１フレキシブルホース６３に高圧作動ガスが流入するとき導管７２内で生じるガス流れの衝撃に起因する。この衝撃が導管７２を介してブレイド７４のブレイド線７６に伝わり、これが第１フレキシブルホース６３からの騒音として感知される。ブレイド線７６を媒体とする音伝達は、ブレイド線７６に働く張力すなわちブレイド応力が高いほど促進される。ブレイド線７６は、いわばギターの弦のように働く。このようにしてブレイド線７６から発せられる音の音圧は、本発明者の解析によると、ブレイド応力があるしきい値を超えると顕著に大きくなると考えられる。図４に示される測定結果から、このしきい値は、８５Ｎ／ｍｍ^２と読み取れる。

【0051】

したがって、第１フレキシブルホース６３のブレイド７４は、作動ガスが公称圧力で導管を流れるときブレイド線７６に働く引張応力が８５Ｎ／ｍｍ^２以下となるように構成されることが好ましい。この提案は、上述のブレイド設計パラメータ（例えば、ｄ、ｂ１、ｂ２等）そのものではなく、ブレイド設計パラメータを用いて計算されるブレイド応力σに注目することで騒音を管理することができるという、本発明者が独自に発見した着想に基づく。このようなブレイド設計により、第１フレキシブルホース６３から極低温冷凍機１０の動作中に発生する騒音を低減することができる。

【0052】

騒音値を低減する観点からは、ブレイド応力は低いほど良い。しかしながら、製造容易性など他の要因から、ブレイド応力は、３０Ｎ／ｍｍ^２以上であることが設計上合理的であると考えられる。よって、ブレイド７４は、作動ガスが公称圧力で導管７２を流れるときブレイド線７６に働く引張応力が３０Ｎ／ｍｍ^２以上となるように構成されてもよい。

【0053】

極低温冷凍機１０の動作中、第１フレキシブルホース６３の内圧は第２フレキシブルホース６４に比べて高く、そのため、作動ガス流れによる衝撃音も第１フレキシブルホース６３でより顕著となりやすい。よって、本書で提案されるブレイド応力管理は、第１フレキシブルホース６３のように、作動ガスライン６２のうち高圧側のラインでの騒音対策として有効である。

【0054】

しかしながら、上述のブレイド応力管理、具体的にはブレイド応力を８５Ｎ／ｍｍ^２以下に設定することは、第２フレキシブルホース６４に同様に適用されてもよい。第２フレキシブルホース６４は、極低温冷凍機１０の動作中に内部を流れる作動ガスの公称圧力が低く、ブレイド応力が小さくなるから、騒音値も小さくなると期待される。また、第１フレキシブルホース６３と同じ設計のフレキシブルホースを第２フレキシブルホース６４にも採用することで、部品共通化による製品コスト低減にもつながりうる。

【0055】

図５は、実施の形態に係り、コルゲート間隙間と騒音レベルとの関係を示すグラフである。導管７２のコルゲート間隙間もまた、騒音レベルを左右する１つの主要パラメータである。本発明者により用意された第２フレキシブルホース６４の５つのサンプル２ａ～２ｅは、以下に示すように、それぞれ異なる大きさのコルゲート間隙間を有する。サンプル２ａ～２ｅについて、ブレイド設計などコルゲート間隙間以外の諸元は同一である。具体的には、サンプル２ａ～２ｅのブレイド設計は、サンプル１ｃと同じである。これらサンプル２ａ～２ｅについて騒音値（ｄＢＡ）が測定され、その結果が図５にプロットされている。騒音測定方法は、上述の図４において使用された方法と同様である。各サンプルの騒音測定にあたり第１フレキシブルホース６３は同一のものが使用されている。

【表3】

【0056】

図５から理解されるように、騒音値は、コルゲート間隙間が１ｍｍ以下、好ましくは０．６ｍｍ以下であるときには５６ｄＢＡ程度となる。これに対して、コルゲート間隙間がこのしきい値を超えると、騒音値は高まる。具体的には、コルゲート間隙間が１．５ｍｍのとき、騒音値は５７．９ｄＢＡである。

【0057】

第２フレキシブルホース６４が発する音は、極低温冷凍機１０の排気工程の開始時に低圧バルブ４０ｂが開放されてコールドヘッド１４内で膨張した作動ガスが第２フレキシブルホース６４に流入するとき導管７２内で生じるガス流れに起因する。コルゲート間隙間にガスの一部が入り込むことで乱流が生じ、それにより音が発生する。このようにして導管７２から発せられる音の音圧は、本発明者の解析によると、コルゲート間隙間の増加につれて線形に大きくなるのではなく、コルゲート間隙間があるしきい値以下のときには概ね一定に保たれ、このしきい値を超えると顕著に高まると考えられる。図５に示される測定結果から、このしきい値は、例えば１ｍｍ、または好ましくは０．６ｍｍと読み取れる。

【0058】

したがって、第２フレキシブルホース６４の導管７２は、コルゲート内面７２ａにおけるコルゲート間隙間が例えば１ｍｍ以下、または好ましくは０．６ｍｍ以下であるように構成されることが好ましい。このようにすれば、コルゲート内面７２ａにおけるコルゲート間隙間が十分に狭くなり、そこに入り込む作動ガスが低減されうる。こうして、第２フレキシブルホース６４内での乱流の発生を抑制し、第２フレキシブルホース６４から極低温冷凍機１０の動作中に発生する騒音を低減することができる。

【0059】

騒音値を低減する観点からは、コルゲート間隙間は小さいほど良い。よって、コルゲート間隙間は、０ｍｍより大きければ良い。しかしながら、製造容易性など他の要因から、コルゲート間隙間は、０．０１ｍｍ以上であることが設計上合理的であると考えられる。よって、導管７２は、コルゲート内面７２ａにおけるコルゲート間隙間が０ｍｍより大きく、または好ましくは０．０１ｍｍ以上であるように構成されてもよい。

【0060】

極低温冷凍機１０の動作中、第２フレキシブルホース６４と第１フレキシブルホース６３で作動ガスの質量流量は等しく、第２フレキシブルホース６４で第１フレキシブルホース６３よりも圧力が低い。そのため、第２フレキシブルホース６４を通じた作動ガスの排気工程では、第１フレキシブルホース６３を通じた作動ガスの吸気工程に比べて体積流量は大きくなる。よって、乱流音は、第１フレキシブルホース６３に比べて、第２フレキシブルホース６４でより発生しやすい。したがって、本書で提案されるコルゲート間隙間の管理は、第２フレキシブルホース６４のように、作動ガスライン６２のうち低圧側のラインでの騒音対策として有効である。

【0061】

しかしながら、上述のコルゲート間隙間の管理は、第１フレキシブルホース６３に同様に適用されてもよく、第１フレキシブルホース６３で生じうる乱流音の低減に役立ちうる。また、第２フレキシブルホース６４と同じ設計のフレキシブルホースを第１フレキシブルホース６３にも採用することで、部品共通化による製品コスト低減にもつながりうる。
い。

【0062】

なお、コルゲート間隙間は、フレキシブルホースの内部構造に関する寸法であるから、ある与えられたフレキシブルホースについてそのホースの外側から直接測定することは難しい。そこで、フレキシブルホースのコルゲート間隙間を特定するために、コルゲート間隙間は、以下の手順により測定されてもよい。
（１）フレキシブルホースを直線状に配置する。
（２）軸方向に異なる３箇所でフレキシブルホースを切断する。切断面はホース中心軸を含む平面である。３箇所の切断位置は、例えば、ホースの両端と中間であってもよい。
（３）各切断位置で、ホース軸方向に連続して並ぶ１０個のコルゲート間隙間の平均値を測定する。
（４）３箇所の切断位置から取得されたコルゲート間隙間の平均値の平均をとる。こうして取得された平均値をこのフレキシブルホースのコルゲート間隙間とみなすことができる。

【0063】

以上、本発明を実施例にもとづいて説明した。本発明は上記実施形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。ある実施の形態に関連して説明した種々の特徴は、他の実施の形態にも適用可能である。組合せによって生じる新たな実施の形態は、組み合わされる実施の形態それぞれの効果をあわせもつ。

【0064】

上述の実施の形態では、第１フレキシブルホース６３と第２フレキシブルホース６４がそれぞれ一本のフレキシブルホースである場合を例として説明しているが、本発明は、これに限られない。第１フレキシブルホース６３と第２フレキシブルホース６４のうち少なくとも一方は、複数本のフレキシブルホースをつなげたものであってもよく、実施の形態に係るブレイド応力管理が、これらフレキシブルホースの各々に、または少なくとも１つのフレキシブルホースに適用されてもよい。

【0065】

上述の実施の形態は、極低温冷凍機１０が二段式のＧＭ冷凍機である場合を例として説明しているが、本発明は、これに限られない。極低温冷凍機１０は、単段式または多段式のＧＭ冷凍機であってもよく、さらには、パルス管冷凍機、スターリング冷凍機などその他のタイプの極低温冷凍機であってもよい。実施の形態に係る極低温冷凍機用フレキシブルホースは、こうしたさまざまな極低温冷凍機に使用されうる。

【0066】

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】

【0067】

１０ 極低温冷凍機、 １２ 圧縮機、 １４ コールドヘッド、 ２２ 吸気ポート、 ２４ 排気ポート、 ５０ 送出ポート、 ５２ 回収ポート、 ７０ フレキシブルホース、 ７２ 導管、 ７４ ブレイド、 ７６ ブレイド線。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】