JP2005265261A - パルス管冷凍機 - Google Patents

Abstract

【課題】 折り返し空間内の最低温の作動ガスとの熱交換を行うとともに、可能な限り作動ガスの膨張を抑制することで熱的なロスを減少させ、性能を大幅に改善したＵ字リターン型のパルス管冷凍機を提供する。
【解決手段】
蓄冷器３０、コールドヘッド４０およびパルス管５０を略Ｕ字型としたＵ字リターン型のパルス管冷凍機において、コールドヘッド４０の折り返し空間４２内に複数の空間内熱交換部材４４を配置し、蓄冷器３０側とパルス管５０側との間で連通する流路４５を形成したパルス管冷凍機とした。
【選択図】 図１

Description

本発明は、Ｕ字リターン型のパルス管冷凍機に関する。

従来技術のパルス管冷凍機について図を参照しつつ説明する。
図１４は従来技術のＵ字リターン型パルス管冷凍機の概要構成図である。このパルス管冷凍機１００は、大きく圧縮機１０、アフタークーラ２０、蓄冷器３０、コールドヘッド４０、パルス管５０、高温端６０および位相制御部７０を備えている。

圧縮機１０は、シリンダ１１とピストン１２とを備えている。
アフタークーラ２０は、熱交換器２１と放熱器２２とを備えている。
コールドヘッド４０は、伝導ブロック４１と折り返し空間４２と低温熱交換器４３とを備えている。
高温端６０は、高温熱交換器６１と高温放熱器６２とを備えている。
位相制御部７０は、イナータンスチューブ７１とバッファタンク７２とを備えている。

このようなパルス管冷凍機１００には流路が形成される。流路内には作動ガス（冷媒ガス）として、例えば、ヘリウムが封入されている。パルス管冷凍機１００の運転時に圧縮機１０のシリンダ１１内でピストン１２が所定の周波数により往復動作することにより、シリンダ１１内の作動ガスが圧縮、膨張する。このような作動ガスは圧縮機１０からアフタークーラ２０、蓄冷器３０、コールドヘッド４０、パルス管５０、高温端６０を通り、位相制御部７０との間を往復動流として流れる。

続いてパルス管冷凍機１００の冷凍発生原理について概略説明する。このパルス管冷凍機１００の冷凍発生原理は、以下の通り理解されている。
まず、圧縮機１０ではピストン１２がシリンダ１１内の作動ガスを圧縮し、この圧縮した作動ガスを出力する。この作動ガスは、アフタークーラ２０へ流入する。作動ガスがアフタークーラ２０の熱交換器２１を通過すると、この熱交換器２１で圧縮熱を熱交換して放熱器２２に熱伝導する。そして放熱器２２はこの熱を外部に放出する（第１行程：断熱圧縮行程）。
アフタークーラ２０から流出した作動ガスは、蓄冷器３０およびコールドヘッド４０を通りパルス管５０に流入する（第２行程：等温行程）。
パルス管５０において作動ガスが膨張して、寒冷が発生する（第３行程：断熱膨張行程）。この発生寒冷をコールドヘッド４０に設けられた低温熱交換器４３にて吸熱が行われる。
そして、高温端６０の高温熱交換器６１では、この高温熱交換器６１で作動ガスの熱を熱交換して高温放熱器６２に熱伝導する。高温放熱器６２は熱を外部に放出する。続いて、位相制御部７０ではイナータンスチューブ７１とバッファタンク７２の中を、ほぼ正弦波的に圧力振幅を伴って作動ガスが流れて、作動ガスの圧力変化と流量変化の間に位相差を発生させる。
次に、圧縮機１０が膨張を行う場合、パルス管５０で冷却された作動ガスは蓄冷器３０と準静的に熱交換を行いながらアフタークーラ２０を通って、圧縮機１０に戻ってくる（第４行程：等温行程）。
以上４行程を繰り返すことで極低温までコールドヘッド４０は冷却される。

このようなＵ字リターン型のパルス管冷凍機１００のコールドヘッド４０の内部には折り返し空間４２が形成されている。この折り返し空間４２は、図１４に示されるように伝導ブロック４１に空間として設けられたり、また、図示しないが単純に曲げた円管などにより設けられたり、というようにただの空間として構成されている。したがって、先記の発生寒冷はパルス管５０の流入直前に設置された低温熱交換器４３のみで吸熱される構造になっている。

また、他の従来技術例として、特許文献１には低温端（コールドヘッドに相当）にフィン状熱交換部材を取付けたパルス管冷凍機が開示されている。
特開平１１−１８２９５７号公報 （段落番号００１０〜００１９，図１〜図４）

古典熱力学的には先記の第２行程（等温行程）から第３行程（断熱膨張行程）に移行する境界面、つまりコールドヘッド４０の低温熱交換器４３にて行われるとされている。しかし、Ｕ字リターン型のパルス管冷凍機１００のように折り返し空間４２を持つ場合、その折り返し空間４２内にて徐々に作動ガスの膨張が始まっており、低温熱交換器４３への到達時には作動ガスのガス温度が僅かに上昇している。したがって低温熱交換器４３のみで熱交換を行った場合、コールドヘッド４０全体の温度も伝導ブロック４１を通して上昇し、熱的なロスを生じて冷凍機全体の性能を低下させるという問題が生じていた。

そこで、本発明は上記した問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、折り返し空間内の最低温の作動ガスとの熱交換を行うとともに、可能な限り作動ガスの膨張を抑制することで熱的なロスを減少させ、性能を大幅に改善したＵ字リターン型のパルス管冷凍機を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明の請求項１に係る発明のパルス管冷凍機は、
蓄冷器、コールドヘッドおよびパルス管が略Ｕ字型に接続されてＵ字リターン型の流路となるように圧縮機、蓄冷器、コールドヘッド、パルス管および位相制御部が接続され、このＵ字リターン型の流路を流れる作動ガスとの熱交換によりコールドヘッドに寒冷を発生させるＵ字リターン型のパルス管冷凍機において、
コールドヘッドの折り返し空間内に形成される熱交換器と、
蓄冷器側とパルス管側との間で連通させるように、熱交換器とコールドヘッドとにより分割形成される流路と、
を備えることを特徴とする。

また、本発明の請求項２に係る発明のパルス管冷凍機は、
請求項１記載のパルス管冷凍機において、
前記熱交換器は、線状の空間内熱交換部材が、蓄冷器側とパルス管側との流路方向と略平行に複数設けられ、隣接する二個の空間内熱交換部材およびコールドヘッドにより略直線状の流路が複数形成される熱交換器であることを特徴とする。

また、本発明の請求項３に係る発明のパルス管冷凍機は、
請求項２記載のパルス管冷凍機において、
前記熱交換器は、蓄冷器側およびパルス管側で流路間隔が同一間隔となるように、空間内熱交換部材が配置された熱交換器であることを特徴とする。

また、本発明の請求項４に係る発明のパルス管冷凍機は、
請求項２記載のパルス管冷凍機において、
前記熱交換器は、長い流路では流路間隔が狭く、また、短い流路では流路間隔が広くなるように、空間内熱交換部材が配置された熱交換器であることを特徴とする。

また、本発明の請求項５に係る発明のパルス管冷凍機は、
請求項１記載のパルス管冷凍機において、
前記熱交換器は、線状の空間内熱交換部材が、パルス管側を中心に放射状に複数設けられ、隣接する二個の空間内熱交換部材およびコールドヘッドにより略直線状の流路が放射状に複数形成される熱交換器であることを特徴とする。

また、本発明の請求項６に係る発明のパルス管冷凍機は、
請求項５記載のパルス管冷凍機において、
前記熱交換器は、蓄冷器側では流路間隔が広く、また、パルス管側では流路間隔が狭くなるように、空間内熱交換部材が配置された熱交換器であることを特徴とする。

また、本発明の請求項７に係る発明のパルス管冷凍機は、
請求項５記載のパルス管冷凍機において、
前記熱交換器は、蓄冷器側およびパルス管側でガス流路開口率（＝ガス流路断面積／全断面積）が一定となるように空間内熱交換部材が配置された熱交換器であることを特徴とする。

また、本発明の請求項８に係る発明のパルス管冷凍機は、
請求項２〜請求項７の何れか一項に記載のパルス管冷凍機において、
前記空間内熱交換部材は、断面矩形状または断面三角形状の中実体である線状部材とすることを特徴とする。

また、本発明の請求項９に係る発明のパルス管冷凍機は、
請求項２〜請求項７の何れか一項に記載のパルス管冷凍機において、
前記空間内熱交換部材は、断面正弦波状、断面三角波状または断面矩形波状の板である波状部材とし、複数の空間内熱交換部材が一体に形成されることを特徴とする。

また、本発明の請求項１０に係る発明のパルス管冷凍機は、
請求項２〜請求項７の何れか一項に記載のパルス管冷凍機において、
前記空間内熱交換部材は、中空の管状部材とすることを特徴とする。

また、本発明の請求項１１に係る発明のパルス管冷凍機は、
請求項１記載のパルス管冷凍機において、
前記熱交換器は、ピン形状の空間内熱交換部材が、蓄冷器側とパルス管側との流路方向と略鉛直方向に突出するように複数設けられた熱交換器であることを特徴とする。

また、本発明の請求項１２に係る発明のパルス管冷凍機は、
請求項１１記載のパルス管冷凍機において、
前記熱交換器は、ピン形状の多数の空間内熱交換部材が均等平行並列配列により配置されて、格子状流路が形成されることを特徴とする。

また、本発明の請求項１３に係る発明のパルス管冷凍機は、
請求項１１記載のパルス管冷凍機において、
前記熱交換器は、ピン形状の多数の空間内熱交換部材が千鳥配列により配置されて、あみだ状流路が形成されることを特徴とする。

また、本発明の請求項１４に係る発明のパルス管冷凍機は、
請求項１１記載のパルス管冷凍機において、
前記熱交換器は、ピン形状の多数の空間内熱交換部材が一定開口率配列により配置されて、蓄冷器側およびパルス管側でガス流路開口率（＝ガス流路断面積／全断面積）が一定の流路として形成されることを特徴とする。

また、本発明の請求項１５に係る発明のパルス管冷凍機は、
請求項１１〜請求項１４の何れか一項に記載のパルス管冷凍機において、
前記空間内熱交換部材は、円柱、多角柱、円錐、または、多角錘によるピン形状であることを特徴とする。

本発明は、コールドヘッドの折り返し空間にも熱交換器を設置して、最も低温の作動ガス（蓄冷器近傍の作動ガス）と積極的に熱交換を行い、かつ折り返し空間内のパルス管の流入口へ流れるまで作動ガスの膨張を抑える構成とした。
このような本発明によれば、折り返し空間内の最低温の作動ガスとの熱交換を行うとともに、可能な限り作動ガスの膨張を抑制することでコールドヘッド内で生じていた熱的ロスを大幅に減少させ、大幅に性能を向上させたＵ字リターン型のパルス管冷凍機を提供することができる。

続いて、本発明を実施するための最良の形態について、図を参照しつつ説明する。本形態では、図１４のパルス管冷凍機１００のうちコールドヘッド４０に改良を施した点が新規である。以下、このコールドヘッド４０を中心に説明し、他の箇所は従来技術の説明と同様であるとしてその重複する説明を省略する。

図１は本形態のパルス管冷凍機のコールドヘッド付近の概略図である。本形態は請求項１，２に係る発明に関するものである。本形態では、熱交換器を折り返し空間４２内に設ける。この熱交換器は、コールドヘッド４０の伝導ブロック４１に複数（図１では五つ）の空間内熱交換部材４４をネジ締結・ロー付け・溶接により熱伝導性を確保した上で取り付け、または、伝導ブロック４１と一体形成することで設ける。このような熱交換器では、コールドヘッド４０内の流路である折り返し空間４２内に、蓄冷器３０側とパルス管５０側との間で連通し、作動ガスが流れる流路４５も複数（図１では六つ）形成される。一つの流路４５は、隣接する二個の空間内熱交換部材４４および伝導ブロック４２により仕切られて略直線状に形成される。空間内熱交換部材４４の材料は、良伝導性の銅が一般的である。これら空間内熱交換部材４４は、上側は勿論のこと下側も、蓄冷器３０、低温熱交換器４３および伝導ブロック４１に表面が接触し、熱的に接続されている。なお、この下側では空間内熱交換部材４４が蓄冷器３０および低温熱交換器４３に熱的に接続されないようにしても良く、図示しないが空間内熱交換部材４４は、伝導ブロック４１の上側のみ表面が接触して熱的に接続され、下側では若干の隙間を有するような構造とすることも可能である。

このような折り返し空間４２では蓄冷器３０の出口直後の最低温ガスから、僅かに温度上昇したパルス管５０入口の低温ガスまで、空間内熱交換部材４４に接触し、折り返し空間４２の全領域で強制的に作動ガスとの間で熱交換を行う。このようにコールドヘッド４０全体で熱交換を行うことができる。
本形態では、コールドヘッド４０内部全体の平均温度で熱交換することが可能となり、かつ作動ガス温度の急激な温度変化を抑えることが可能となる。その結果、従来技術のようにパルス管５０の入口近傍の温度のみで熱交換する場合に比べて、コールドヘッド４０をより温度低下させることができるとともに、仕様温度の冷凍出力も向上する。

続けて本形態のより具体的な形態について説明する。図２は本形態のパルス管冷凍機のコールドヘッドの空間内熱交換部材の配置説明図である。本形態は請求項３に係る発明に関するものである。本形態はコールドヘッド４０の折り返し空間４２内に複数の線状（棒状）の空間内熱交換部材４４を設置し、作動ガスが流れる流路４５を形成する。特に蓄冷器３０側およびパルス管５０側で流路間隔が同一間隔となるように空間内熱交換部材４４をそれぞれ平行に配置している。例えば、間隔ａの空間内熱交換部材４４と間隔ｂの流路４５とを交互に配置した平行等間隔配置により熱交換器を形成している。

なお、図１，図２で示すように、蓄冷器３０は直径が大きく、また、パルス管５０は直径が小さいため、空間内熱交換部材４４を平行に配列するためには、複数列に並ぶ空間内熱交換部材４４のうち、外側は空間内熱交換部材４４を流路方向に短く、また、内側は空間内熱交換部材４４を流路方向に長く形成する必要がある。空間内熱交換部材４４の材料は、良伝導性の銅が一般的である。これら空間内熱交換部材４４は、下側でも蓄冷器３０、低温熱交換器４３および伝導ブロック４１に表面が接触し、熱的に接続されている。なお、図示しないが空間内熱交換部材４４は、伝導ブロック４１の上側のみ表面が接触して熱的に接続され、下側では隙間を有して熱的に接続されないようにしても良い。

本形態では流路間隔を一定にしてコールドヘッド４０内部の圧力損失を低減し、パルス管冷凍機１００全体の効率向上に寄与する。また、間隔ａの空間内熱交換部材４４と間隔ｂの流路４５とを交互に配置し熱交換器では、例えば、フライス盤により直径ｂのエンドミルにより流路４５を切削して伝導ブロック４１と一体に形成できるなどの利点が見込め、製作が容易である。

続いて、他の形態について説明する。図３は本形態のパルス管冷凍機のコールドヘッドの空間内熱交換部材の配置説明図である。本形態は請求項４に係る発明に関するものである。本形態もコールドヘッド４０の折り返し空間４２内に複数の棒状の空間内熱交換部材４４を設置し、作動ガスが流れる流路４５を形成する。特に蓄冷器３０側およびパルス管５０側で複数列に並ぶ空間内熱交換部材４４のうち、長い流路４５では流路間隔が狭く、また、短い流路４５では流路間隔が広くなるように空間内熱交換部材４４を配置するものである。

例えば、先に説明したが、図１，図２で示すように、蓄冷器３０は直径が大きく、また、パルス管５０は直径が小さいため、空間内熱交換部材４４を平行に配列するためには、複数列に並ぶ空間内熱交換部材４４のうち、外側は空間内熱交換部材４４を流路方向に短く、また、内側は空間内熱交換部材４４を流路方向に長く形成する必要がある。この場合、流路が長い内側では狭くまた流路が短い外側では広くなるように配置したものである。配置には無数あるが、例えば、流路４５の間隔がｂ，１．２ｂ，１．４ｂ，１．６ｂの流路４５となるように間隔ａの空間内熱交換部材４４を平行配置したものである。

空間内熱交換部材４４の材料は、良伝導性の銅が一般的である。これら空間内熱交換部材４４は、下側では蓄冷器３０、低温熱交換器４３および伝導ブロック４１に表面が接触し、熱的に接続されている。なお、図示しないが空間内熱交換部材４４は、伝導ブロック４１の上側のみ表面が接触して熱的に接続され、下側では隙間を有して熱的に接続されないようにしても良い。

このような本形態では、空間内熱交換部材４４による流路間隔を調整することで各流路４５（部材間）の流体抵抗を等しくして、パルス管５０への流入時の流れの偏りをなくす構造である。続いてこのような流れの偏りをなくす原理について解析的に説明する。
一般的に一方向流れの管路の圧力損失は、流体抵抗係数Ｒ、ガス密度ρ、管摩擦抵抗λ、管路の水力直径ｄ、管路長さＬおよび流速ｖを用いて以下の式で表される。

また、管路の合流が生じる場合の圧力損失は、損失係数ζ（合流時の管路の角度や合流前後の流量比にて決まる係数）を用いて以下の式で表される。

続いて、以上の表記を用いて図を参照しつつ説明する。図４は流体抵抗の説明図であり、図４（ａ）は等断面積の合流管の模式図、図４（ｂ）は等断面積の直管の模式図、図４（ｃ）は合流管の等価回路図、図４（ｄ）は直管の等価回路図である。図４（ａ），（ｂ）では、例えば、管路径が全て等しく、直管の長さＬに対して、合流管の長さをそれぞれＬ／２とする。また、出口流速ｖを一定とし、合流前の二本の管の入口流速をｖ／２で等しいとした場合、上記数２のζは約０．５程度になる。直管の流体抵抗Ｒ_０は上記数１より、以下のようになる。

合流管の合成抵抗Ｒ’はまとめると以下の式で表される。

これらＲ_０とＲ’が等しい場合、両者の流体抵抗が同じになり、出口側の流速が等しいとしたときに矛盾が生じない。上記数３と上記数４より、以下の関係が導出される。

摩擦係数λ＝０．０１とした場合、上記数５よりＬ／ｄ＝３３．３となる。ここでＬ／ｄ＜３３．３となる場合、合流管側の流体抵抗Ｒ’の方が大きくなる。すなわち、パルス管５０側出口を基準にみた場合の各流路抵抗を等しくするためには合流管側の流路間隔（水力直径）を大きくして流体抵抗Ｒ’を小さくしてやる必要がある。逆にＬ／ｄ＞３３．３となる場合は直管の流体抵抗Ｒ_０の方が大きくなるため、相対的に直管側の流路間隔を大きくして流体抵抗を小さくしてやれば良い。
一般的には、長さＬ、径ｄおよび摩擦係数λの関係がＬ／ｄ＜１／（３λ）の場合は空間内熱交換部材の間隔を内側（直管側）で狭く、外側（合流管側）に向かって徐々に広く設置し、Ｌ／ｄ＞１／（３λ）の場合は空間内熱交換部材の間隔を内側（直管側）で広く、外側（合流管側）に向かって徐々に狭く設置してコールドヘッドを構成することが望ましい。
（ｅｘ．Ｌ＝２０ｍｍ、ｄ＝１ｍｍならば、Ｌ／ｄ＝２０＜３３．３となって合流管側の流体抵抗Ｒ’の方が大きいため、合流管側の流路間隔を広く取って合流管側の流体抵抗Ｒ’を小さくして調整する必要がある。）

このように流路４５の流路間隔を調整することで各流路４５（部材間）の流体抵抗を等しくして、パルス管５０への流入時の流れの偏りをなくし、作動ガスを効率的に通流させることができる。このような配置としても良い。

続いて、他の形態について説明する。図５は本形態のパルス管冷凍機のコールドヘッドの空間内熱交換部材の配置説明図である。本形態は請求項１，５，６に係る発明に関するものである。本形態では熱交換器は、線状（棒状）で全長にわたり部材間隔が等しい空間内熱交換部材４４を、パルス管５０側を中心に放射状に複数設け、隣接する二個の空間内熱交換部材４４により形成される流路４５を複数備える熱交換器である。さらに流路間隔が一定割合で変化し、蓄冷器３０側では流路４５の間隔が広く、また、パルス管５０側では流路４５の間隔が狭くなるように同じ長さの空間内熱交換部材４４を複数配置した熱交換器である。
空間内熱交換部材４４の材料は、良伝導性の銅が一般的である。これら空間内熱交換部材４４は、下側では蓄冷器３０、低温熱交換器４３および伝導ブロック４１に表面が接触し、熱的に接続されている。なお、図示しないが空間内熱交換部材４４は、伝導ブロック４１の上側のみ表面が接触して熱的に接続され、下側では隙間を有して熱的に接続されないようにしても良い。

本形態では、流路４５が蓄冷器３０側では流路が広く、またパルス管５０側では流路が狭くなるように空間内熱交換部材４４をパルス管側から放射状に配置した放射状配置である。これにより、全ての流路の流体抵抗が同等となる。したがって、流れの偏りが改善されて、全体の熱交換効率を向上することができる。

続いて、他の形態について説明する。図６本形態のパルス管冷凍機のコールドヘッドの空間内熱交換部材の配置説明図である。本形態は請求項１，５，７に係る発明に関するものである。本形態では熱交換器は、線状（棒状）で一定割合で部材間隔が変化する空間内熱交換部材４４を、パルス管５０側を中心に放射状に複数設けて、隣接する二個の空間内熱交換部材４４により、作動ガスが流れる流路４５が複数形成された熱交換器である。さらに蓄冷器３０側およびパルス管５０側でガス流路開口率（＝ガス流路断面積／全断面積）が一定の流路４５となるように空間内熱交換部材４４を配置した熱交換器である。
空間内熱交換部材４４の材料は、良伝導性の銅が一般的である。これら空間内熱交換部材４４は、下側では、蓄冷器３０、低温熱交換器４３および伝導ブロック４１に表面が接触し、熱的に接続されている。なお、図示しないが空間内熱交換部材４４は、伝導ブロック４１の上側のみ表面が接触して熱的に接続され、下側では隙間を有して熱的に接続されないようにしても良い。

特に本形態では、図６でも明らかなように、蓄冷器４０側では流路間隔が広い流路４５が、パルス管５０側へ進むにつれて流路間隔が狭くなるようにするため、蓄冷器４０側からパルス管５０側へ進むにつれて一定割合で部材間隔が狭くなるような空間内熱交換部材４４をパルス管５０側から放射状に配置した一定開口率配置である。
このような本形態では、全ての流路４５の流体抵抗が同等となることに加えて、流路４５の絞りが一定（＝流体抵抗の変化率が一定）となる。したがって、コールドヘッド４０内部の圧力損失を低減することで、パルス管冷凍機１００全体の効率向上に寄与する。

続いて、先に説明した空間内熱交換部材の具体的な構造を説明する。図７はコールドヘッドの空間内熱交換部材の構造図であり、図７（ａ）は矩形部材の断面構造図、図７（ｂ）は三角形部材の断面構造図である。本形態は請求項８に係る発明に関するものである。伝導ブロック４１の上面に複数の長尺の空間内熱交換部材４４が設けられている。取付けはロー付けなどによる接着・ネジ等締結部材による取付けや、伝導ブロック４１と空間内熱交換部材４４とを一体的構造としても良く、熱伝導性が確保された状態で固着される。

空間内熱交換部材４４の形状パラメータのうち熱交換性能に関係する主要なパラメータは、空間内熱交換部材４４の長さが一定の場合は水力直径である。流体抵抗と熱伝達率とのトレードオフによりパルス管冷凍機１００の性能が左右されるため、最適な水力直径を選択することが好ましい。そこで、空間内熱交換部材４４を図７（ａ）のように断面形状が矩形の中実体である矩形部材や、図７（ｂ）のように断面形状が三角形の中実体である三角形部材とし、さらに空間内熱交換部材４４の肉厚や、流路４５の間隔を調整することで、最適な流体抵抗と熱伝達率に選択する。なお、線状部材の例として矩形部材・三角形部材を例に掲げて説明したが、図示しないが断面形状が台形状というように他の断面形状の線状部材を採用しても良い。

続いて、先に説明した熱交換部材の他の具体的な構造を説明する。図８はコールドヘッドの空間内熱交換部材の構造図であり、図８（ａ）は正弦波状板の空間内熱交換部材の断面構造図、図８（ｂ）は矩形波状板の空間内熱交換部材の断面構造図である。本形態は請求項９に係る発明に関するものである。本形態の空間内熱交換部材４４は、断面正弦波状、断面三角波状または断面矩形波状の板である波状部材を採用している。

図８（ａ）は良伝導性（例えば銅）の薄板に曲げ加工を施して形成した正弦波状板の山部を複数の接続層４６により伝導ブロック４１の上面に固着したものである。この場合一つの空間内熱交換部材４４は個々の山であり、複数の空間内熱交換部材４４が一体に形成された状態である。このような熱交換器では、伝導ブロック４１と空間内熱交換部材４４とで閉じた流路が形成され、また、空間内熱交換部材４４と図示しない伝導ブロック４１の下面（蓄冷器３０・低温熱交換４３も含む）により閉じた流路が形成されている。取付けはロー付けなどによる接着により接続層４６を形成して行う。なお、正弦波状部材に代えて、図示しないが、三角波状部材を採用することもできる。

図８（ｂ）は良伝導性（例えば銅）の薄板に曲げ加工を施して形成した矩形波状板の山部を接続層４６により伝導ブロック４１に固着したものである。この場合、一つの空間内熱交換部材４４は個々の凸辺が対応し、複数の空間内熱交換部材４４が一体に形成されている。熱交換器では空間内熱交換部材４４と図示しない伝導ブロック４１の下面（蓄冷器３０・低温熱交換４３も含む）により閉じた流路が形成されている。接続層４６の取付けはロー付けなどによる接着により接続層４６を形成して行う。
これらのような本形態によれば、安価な構成であり、また、作動ガスと接触する表面積の増大も図れ、冷却効果を高めることができる。

続いて、先に説明した熱交換部材の他の具体的な構造を説明する。図９はコールドヘッドの楕円管の空間内熱交換部材の断面構造図である。本形態は請求項１０に係るものである。本形態では空間内熱交換部材４４は、中空の管状部材である。図９は良伝導性（例えば銅）の円管に潰し加工を施した楕円管状部材の空間内熱交換部材４４としている。これら空間内熱交換部材４４の頂部を接続層４６により伝導ブロック４１に固着し、多数並べて熱交換器を形成する。この場合、空間内熱交換部材４４の管内には閉じた流路が形成されている。接続層４６の取付けはロー付けなどによる接着により接続層４６を形成して行う。

これらのように製作することで、単一のブロック材料に切削等の加工にて空間内熱交換部材４４を製作する場合よりも安価に製作することができる。また、切削やワイヤーカットなどの機械加工では、加工できる空間内熱交換部材４４の肉厚や隙間に限界があり、必要な表面積が確保できない場合がある。しかし、この方法では、空間内熱交換部材４４の肉厚や隙間を自由にとることが可能となり、設計時に自由度が増し、最適設計が可能となる。

続いて、格子状に流路を形成する熱交換部材の構造を説明する。図１０は本形態のパルス管冷凍機のコールドヘッドの空間内熱交換部材の配置説明図である。本形態は請求項１１，１２に係る発明に関するものである。本形態では、ピン形状の空間内熱交換部材４４を、蓄冷器３０側とパルス管５０側との流路方向と略鉛直方向に突出するように複数設けた熱交換器である。さらに、熱交換器は、ピン形状の多数の空間内熱交換部材４４を均等平行並列配列により配置して形成し、この多数の空間内熱交換部材４４により流路が縦横に伸びる格子状流路（井柄状の流路）となる。
ピン形状にすることで、積極的に渦を誘起して熱伝達率を向上させることができる。

続いて、他の格子状に流路を形成する熱交換部材の構造を説明する。図１１は本形態のパルス管冷凍機のコールドヘッドの空間内熱交換部材の構造図である。本形態は請求項１１，１３に係る発明に関するものである。本形態では、ピン形状の空間内熱交換部材４４を、蓄冷器３０側とパルス管５０側との流路方向と略鉛直方向に突出するように複数設けた熱交換器である。さらに、熱交換器は、ピン形状の多数の空間内熱交換部材４４を千鳥配列により配置して熱交換器を形成し、この多数の空間内熱交換部材４４により流路があみだ状に伸びるあみだ状流路としている。
この場合もピン形状にすることで、積極的に渦を誘起して熱伝達率を向上させることができる。また、並行並列に配置するよりも乱流が促進されて、さらに熱伝達率を向上させることができる。

続いて、他の格子状に流路を形成する熱交換部材の構造を説明する。図１２は本形態のパルス管冷凍機のコールドヘッドの空間内熱交換部材の配置説明図である。本形態は請求項１１，１４に係る発明に関するものである。本形態では、ピン形状の空間内熱交換部材４４を、蓄冷器３０側とパルス管５０側との流路方向と略鉛直方向に突出するように複数設けた熱交換器である。さらに、図１２に示すように、熱交換器の空間内熱交換部材４４は、蓄冷器３０側では辺が大きい正方形ピンとして、また、パルス管５０側では辺が小さい正方形ピンとして放射状に配置され、ピン形状の多数の空間内熱交換部材４４を一定開口率配列により配置して流路が蓄冷器３０側およびパルス管５０側でガス流路開口率（＝ガス流路断面積／全断面積）が一定の流路となるように流路間隔を変化させた一定開口率配列である。なお、二個の空間内熱交換部材４４結ぶ線上に図示しない多数の空間内熱交換部材４４を配置しても良い。
これにより、折り返し空間４２に同一流路長さを持つようにパルス管５０側から放射状に配置することで、全ての流路４５の流体抵抗が同等となることに加えて、流路４５の絞りが一定（＝流体抵抗の変化率が一定）となる。したがって、コールドヘッド４０内部の圧力損失を低減することで、パルス管冷凍機１００全体の効率向上に寄与する。

続いて、これらピン形状の熱交換部材の構造を説明する。図１３はコールドヘッドの空間内熱交換部材の構造図であり、図１３（ａ）は円柱状の空間内熱交換部材の斜視図、図１３（ｂ）は多角柱状の空間内熱交換部材の斜視図、図１３（ｃ）は円錐状の空間内熱交換部材の斜視図、図１３（ｄ）は多角錘状の空間内熱交換部材の斜視図である。
同一のブロック材料に切削等の加工を施して上側の伝導ブロック４１と空間内熱交換部材４４とを一体に切り出して製作する場合、加工限度とコストの兼ね合いにより空間内熱交換部材４４は直方体のような形状に限定される。しかし、伝導ブロック４１にピン形状の空間内熱交換部材４４を直接打ち付けたり、ロー付けしたりする場合のピン形状は円柱、円錐、多角柱など多数選択することが可能である。これにより、乱流の促進・流体抵抗の調整等が可能となり、選択肢を広げることができる。

以上本発明について説明した。これら発明では何れも、コールドヘッドの折り返し空間にも熱交換器を設置して、最も低温の作動ガスと積極的に熱交換を行い、かつ作動ガスの膨張を押さえた構成にしたため、折り返し空間内の最低温の作動ガスとの熱交換を行うとともに、可能な限り作動ガスの膨張を抑制して、コールドヘッド内で生じていた熱的ロスを大幅に低減して、大幅に性能を向上させることができる。

本発明を実施するための最良の形態のパルス管冷凍機のコールドヘッド付近の概略図である。 本発明を実施するための最良の形態のパルス管冷凍機のコールドヘッドの空間内熱交換部材の配置説明図である。 本発明を実施するための最良の形態のパルス管冷凍機のコールドヘッドの空間内熱交換部材の配置説明図である。 流体抵抗の説明図であり、図４（ａ）は等断面積の合流管の模式図、図４（ｂ）は等断面積の直管の模式図、図４（ｃ）は合流管の等価回路図、図４（ｄ）は直管の等価回路図である。 本発明を実施するための最良の形態のパルス管冷凍機のコールドヘッドの空間内熱交換部材の配置説明図である。 本発明を実施するための最良の形態のパルス管冷凍機のコールドヘッドの空間内熱交換部材の配置説明図である。 コールドヘッドの空間内熱交換部材の構造図であり、図７（ａ）は矩形部材の断面構造図、図７（ｂ）は三角形部材の断面構造図である。 コールドヘッドの空間内熱交換部材の構造図であり、図８（ａ）は正弦波状板の空間内熱交換部材の断面構造図、図８（ｂ）は矩形波状板の空間内熱交換部材の断面構造図である。 コールドヘッドの楕円管の空間内熱交換部材の断面構造図である。 本発明を実施するための最良の形態のパルス管冷凍機のコールドヘッドの空間内熱交換部材の配置説明図である。 本発明を実施するための最良の形態のパルス管冷凍機のコールドヘッドの空間内熱交換部材の配置説明図である。 本発明を実施するための最良の形態のパルス管冷凍機のコールドヘッドの空間内熱交換部材の配置説明図である。 コールドヘッドの空間内熱交換部材の構造図であり、図１３（ａ）は円柱状の空間内熱交換部材の斜視図、図１３（ｂ）は多角柱状の空間内熱交換部材の斜視図、図１３（ｃ）は円錐状の空間内熱交換部材の斜視図、図１３（ｄ）は多角錘状の空間内熱交換部材の斜視図である。 従来技術のＵ字リターン型パルス管冷凍機の概要構成図である。

符号の説明

１００：パルス管冷凍機
１０：圧縮機
１１：シリンダ
１２：ピストン
２０：アフタークーラ
２１：熱交換器
２２：放熱器
３０：蓄冷器
４０：コールドヘッド
４１：伝導ブロック
４２：折り返し空間
４３：低温熱交換器
４４：空間内熱交換部材
４５：流路
４６：接続層
５０：パルス管
６０：高温端
６１：高温熱交換器
６２：高温放熱器
７０：位相制御部
７１：イナータンスチューブ
７２：バッファタンク

Claims (15)

1. 蓄冷器、コールドヘッドおよびパルス管が略Ｕ字型に接続されてＵ字リターン型の流路となるように圧縮機、蓄冷器、コールドヘッド、パルス管および位相制御部が接続され、このＵ字リターン型の流路を流れる作動ガスとの熱交換によりコールドヘッドに寒冷を発生させるＵ字リターン型のパルス管冷凍機において、
   コールドヘッドの折り返し空間内に形成される熱交換器と、
   蓄冷器側とパルス管側との間で連通させるように、熱交換器とコールドヘッドとにより分割形成される流路と、
   を備えることを特徴とするパルス管冷凍機。
2. 請求項１記載のパルス管冷凍機において、
   前記熱交換器は、線状の空間内熱交換部材が、蓄冷器側とパルス管側との流路方向と略平行に複数設けられ、隣接する二個の空間内熱交換部材およびコールドヘッドにより略直線状の流路が複数形成される熱交換器であることを特徴とするパルス管冷凍機。
3. 請求項２記載のパルス管冷凍機において、
   前記熱交換器は、蓄冷器側およびパルス管側で流路間隔が同一間隔となるように、空間内熱交換部材が配置された熱交換器であることを特徴とするパルス管冷凍機。
4. 請求項２記載のパルス管冷凍機において、
   前記熱交換器は、長い流路では流路間隔が狭く、また、短い流路では流路間隔が広くなるように、空間内熱交換部材が配置された熱交換器であることを特徴とするパルス管冷凍機。
5. 請求項１記載のパルス管冷凍機において、
   前記熱交換器は、線状の空間内熱交換部材が、パルス管側を中心に放射状に複数設けられ、隣接する二個の空間内熱交換部材およびコールドヘッドにより略直線状の流路が放射状に複数形成される熱交換器であることを特徴とするパルス管冷凍機。
6. 請求項５記載のパルス管冷凍機において、
   前記熱交換器は、蓄冷器側では流路間隔が広く、また、パルス管側では流路間隔が狭くなるように、空間内熱交換部材が配置された熱交換器であることを特徴とするパルス管冷凍機。
7. 請求項５記載のパルス管冷凍機において、
   前記熱交換器は、蓄冷器側およびパルス管側でガス流路開口率（＝ガス流路断面積／全断面積）が一定となるように空間内熱交換部材が配置された熱交換器であることを特徴とするパルス管冷凍機。
8. 請求項２〜請求項７の何れか一項に記載のパルス管冷凍機において、
   前記空間内熱交換部材は、断面矩形状または断面三角形状の中実体である線状部材とすることを特徴とするパルス管冷凍機。
9. 請求項２〜請求項７の何れか一項に記載のパルス管冷凍機において、
   前記空間内熱交換部材は、断面正弦波状、断面三角波状または断面矩形波状の板である波状部材とし、複数の空間内熱交換部材が一体に形成されることを特徴とするパルス管冷凍機。
10. 請求項２〜請求項７の何れか一項に記載のパルス管冷凍機において、
    前記空間内熱交換部材は、中空の管状部材とすることを特徴とするパルス管冷凍機。
11. 請求項１記載のパルス管冷凍機において、
    前記熱交換器は、ピン形状の空間内熱交換部材が、蓄冷器側とパルス管側との流路方向と略鉛直方向に突出するように複数設けられた熱交換器であることを特徴とするパルス管冷凍機。
12. 請求項１１記載のパルス管冷凍機において、
    前記熱交換器は、ピン形状の多数の空間内熱交換部材が均等平行並列配列により配置されて、格子状流路が形成されることを特徴とするパルス管冷凍機。
13. 請求項１１記載のパルス管冷凍機において、
    前記熱交換器は、ピン形状の多数の空間内熱交換部材が千鳥配列により配置されて、あみだ状流路が形成されることを特徴とするパルス管冷凍機。
14. 請求項１１記載のパルス管冷凍機において、
    前記熱交換器は、ピン形状の多数の空間内熱交換部材が一定開口率配列により配置されて、蓄冷器側およびパルス管側でガス流路開口率（＝ガス流路断面積／全断面積）が一定の流路として形成されることを特徴とするパルス管冷凍機。
15. 請求項１１〜請求項１４の何れか一項に記載のパルス管冷凍機において、
    前記空間内熱交換部材は、円柱、多角柱、円錐、または、多角錘によるピン形状であることを特徴とするパルス管冷凍機。

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