JP2008281311A - パルスチューブ冷凍機 - Google Patents

Abstract

【課題】装置を複雑化させることなく、冷却ステージの振動を抑制することが可能な、パルスチューブ冷凍機等の蓄冷式冷凍機を提供する。
【解決手段】本発明では、冷媒ガスを高圧にして送出し、低圧の冷媒ガスを吸引する圧縮機と、前記冷媒ガスを挿通するパルス管および蓄冷管と、該パルス管および蓄冷管の一方もしくは双方を構成するシリンダ部材の一端が接続されたフランジとを有するパルスチューブ冷凍機であって、当該パルスチューブ冷凍機の稼働の際に生じる、前記シリンダ部材の軸方向と平行な方向での前記フランジの振動の幅は、最大１０μｍ以下に抑制されていることを特徴とするパルスチューブ冷凍機が提供される。
【選択図】図1

Description

本発明は、パルスチューブ冷凍機に関する。

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。

パルスチューブ冷凍機では、ガス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、ガス圧縮機により作動流体が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。また、これらの低温端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。

パルスチューブ冷凍機の蓄冷管は、内部に蓄冷材を有する筒状部材（シリンダ）で構成され、パルス管は、中空のシリンダで構成される。それぞれのシリンダは、一端が高温端、他端が低温端を構成する。また両シリンダの高温端は、パルス管および蓄冷管を支持するフランジに設けられた開口に挿通され、これによりフランジに、パルス管および蓄冷管が固定される。一方、これらのシリンダの低温端には、冷却ステージが設置され、この冷却ステージには、被冷却体が接続される。

ここで、パルスチューブ冷凍機の稼働時には、パルス管および蓄冷管の内部を流通する冷媒ガスの圧縮、膨張の繰り返しによって、パルス管および蓄冷管を構成するシリンダは、軸方向に弾性的に伸縮する。またこの影響により、パルス管および蓄冷管を構成するシリンダが接続、固定されているフランジにおいても、同様の方向（通常は、鉛直方向）に振動が発生する。さらにフランジにこのような振動が生じた場合、パルス管および蓄冷管を介してフランジと接続されている冷却ステージにも、鉛直方向に振動が生じ得る。

また、２段式パルスチューブ冷凍機の場合、フランジには、第１段パルス管、第２段パルス管および第１段蓄冷管の、少なくとも３つのシリンダの一端（高温端）が接続、固定されることになる。ここで通常の場合、第１段パルス管、第２段パルス管および第１段蓄冷管をフランジに固定するため、フランジ表面に設けられる開口は、各部材の取り回し配置上の制限から、非対称位置関係で形成される。すなわち、これらの部材が固定されたフランジの重心は、フランジの中央部分からずれており、フランジは、いわゆる偏心した状態にある。従って、このようなフランジの重心状態の影響により、フランジに前述のようなシリンダの伸縮による鉛直方向の振動が生じた場合、冷却ステージには、鉛直方向と同時に、水平方向にも振動が発生してしまう。

さらに、このような冷却ステージの鉛直方向および水平方向の振動が生じると、これに伴って、冷却ステージに設置された被冷却体の位置が変動してしまう。被冷却体の位置の変動は、高精度の位置決めが必要な半導体製造装置等の装置では、大きな問題となる。

そこで、前述のような冷却ステージの振動を抑制するため、フランジに設けられた各開口に、パルス管および蓄冷管を構成するシリンダの高温端を挿通した後、これらのシリンダの内周と略同等の寸法を有するプラグ部材を用いて、各開口に蓋をすることが提案されている（特許文献１）。
特開２００３−３２９３２５号公報

しかしながら、特許文献１のようなプラグ部材を用いる方法では、プラグ部材は、シリンダとは別個の部材であって、シリンダと一体化されているわけではないため、フランジの剛性を高める効果は、あまり期待できない。従って、前述のようなフランジの鉛直方向および水平方向の振動を、有意な程度にまで抑制することは難しい。そのため、冷却ステージさらには被冷却体の位置変動の問題は、依然として残る。

本発明は、このような背景に鑑みなされたものであり、本発明では、冷却ステージの鉛直方向および水平方向の振動を有意に抑制することが可能なパルスチューブ冷凍機を提供することを目的とする。

本発明では、冷媒ガスを高圧にして送出し、低圧の冷媒ガスを吸引する圧縮機と、前記冷媒ガスを挿通するパルス管および蓄冷管と、該パルス管および蓄冷管の一方もしくは双方を構成するシリンダ部材の一端が接続されたフランジとを有するパルスチューブ冷凍機であって、当該パルスチューブ冷凍機の稼働の際に生じる、前記シリンダ部材の軸方向と平行な方向での前記フランジの振動の幅は、最大１０μｍ以下に抑制されていることを特徴とするパルスチューブ冷凍機が提供される。

特に、前記フランジは、厚さが２５ｍｍ〜４０ｍｍの範囲にあることが好ましい。

また、当該パルスチューブ冷凍機は、第１段冷却ステージおよび第２段冷却ステージを有する２段式のパルスチューブ冷凍機であっても良い。

本発明では、冷却ステージの鉛直方向および水平方向の振動を有意に抑制することが可能なパルスチューブ冷凍機を提供することができる。

以下、図面により本発明の形態を説明する。

図１には、本発明の第１の実施形態に係るパルスチューブ冷凍機の概略構成図を示す。なお、図１の実施形態では、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。

図１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、ガス圧縮機１１と、ハウジング部１０と、該ハウジング部１０にフランジ２１を介して連結されたコールドヘッド部２０とを備えている。

ガス圧縮機１１は、ハウジング部１０さらにはコールドヘッド部２０に、ヘリウムガス等の冷媒ガスを所定の周期で高圧流入させたり、低圧排気させたりする役割を有する。

ハウジング部１０は、ハウジング５を有し、このハウジング５内には、第１段リザーバ１５Ａ、第２段リザーバ１５Ｂ、熱交換器１８ａ、１９ａ、吸気バルブ１２、排気バルブ１３およびオリフィス１７等が収容されている。吸気バルブ１２および排気バルブ１３は、ガス配管１４を介して、ガス圧縮機１１に接続されている。なお、ハウジング５は、例えばアルミニウムまたはアルミニウム合金で構成されている。

コールドヘッド部２０は、フランジ２１に固定された第１段蓄冷管３１、第１段パルス管３６、第１段冷却ステージ３０、第２段蓄冷管４１、第２段パルス管４６および第２段冷却ステージ４０を有する。

第１段蓄冷管３１は、例えばステンレス鋼の中空状のシリンダ３２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３３からなる。第１段パルス管３６は、例えばステンレス鋼の中空状のシリンダ３７からなる。これらのシリンダ３２、３７の高温端３２ａ、３７ａはフランジ２１に接触、固定され、これらのシリンダ３２、３７の低温端３２ｂ、３７ｂは、第１冷却ステージ３０に接触、固定されている。第１冷却ステージ３０には、その内部にガス流通路３８が形成されており、第１段パルス管３６の低温端３７ｂと第１段蓄冷管３１の低温端３２ｂとが熱交換器１８ｂおよびガス流路３８を介して接続されている。第１冷却ステージ３０は、図示しない被冷却対象に熱的および機械的に接続され、寒冷が被冷却対象に取り出される。

また、第２段蓄冷管４１は、例えばステンレス鋼の中空状のシリンダ４２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４３からなる。第２段パルス管４６は、例えばステンレス鋼の中空状のシリンダ４７からなる。第２段蓄冷管４１のシリンダ４２の高温端４２ａは、第１冷却ステージ３０に接触、固定され、低温端４２ｂは、第２段冷却ステージ４０に接触、固定されている。第２段パルス管４６のシリンダ４７の高温端４７ａは、フランジ２１に接触、固定され、低温端４７ｂは、第２段冷却ステージ４０に接触、固定されている。第２段冷却ステージ４０には、その内部にガス流通路４８が形成されており、第２段パルス管４６の低温端４７ｂと第２段蓄冷管４１の低温端４２ｂとが、熱交換器１９ｂおよびガス流路４８を介して接続されている。第２段冷却ステージ４０は、図示しない被冷却対象に熱的および機械的に接続され、寒冷が被冷却対象に取り出される。

パルスチューブ冷凍機１００では、ガス圧縮機１１から、高圧の冷媒ガスが吸気バルブ１２およびガス流路１４を介して第１段蓄冷管３１に供給され、また、第１段蓄冷管３１から低圧の冷媒ガスがガス流路１４および排気バルブ１３を介してガス圧縮機１１に排気される。第１段パルス管３６の高温端３７ａには、熱交換器１８ａおよびオリフィス１７を介して、第１段リザーバ１５Ａが接続されている。また、第２段パルス管４６の高温端４７ａには、熱交換器１９ａおよびオリフィス１７を介して、第２段リザーバ１５Ｂが接続されている。オリフィス１７は、第１段パルス管３６および第２段パルス管４６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。

次に、このように構成されるパルスチューブ冷凍機１００の動作を説明する。まず、吸気バルブ１２が開状態、排気バルブ１３が閉状態になると、高圧の冷媒ガスが、ガス圧縮機１１から第１段蓄冷管３１に流入する。第１段蓄冷管３１内に流入した冷媒ガスは、蓄冷材３３により冷却されて温度を下げながら、第１段蓄冷管３１の低温端３２ｂからガス流通路３８を通り、第１段パルス管３６の内部に流入する。この際に、第１段パルス管３６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３６内の冷媒ガスの圧力は、第１段リザーバ１５Ａ内の圧力よりも高くなり、冷媒ガスは、オリフィス１７およびガス流路１６を通って、第１段リザーバ１５Ａに流入する。

また、第１段蓄冷管３１で冷却された高圧の冷媒ガスの一部は、第２段蓄冷管４１にも流入する。この冷媒ガスは、蓄冷材４３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４１の低温端４２ｂからガス流通路４８を通り、第２段パルス管４６の内部に流入する。この際に、第２段パルス管４６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４６内の冷媒ガスの圧力は、第２段リザーバ１５Ｂ内の圧力よりも高くなり、冷媒ガスは、オリフィス１７およびガス流路１６を通って、第２段リザーバ１５Ｂに流入する。

次に、吸気バルブ１２を閉じ、排気バルブ１３を開くと、第１段パルス管３６および第２段パルス管４６内の冷媒ガスは、それぞれ、蓄冷材３３および４３を冷却しながら、第１段蓄冷管３１および第２段蓄冷管４１を通過する。また、第２段蓄冷管４１を通過した冷媒ガスは、さらに第１段蓄冷管３１を通過する。その後、冷媒ガスは、第１段蓄冷管３１の高温端３２ａから排気バルブ１３を通り、ガス圧縮機１１に戻る。ここで、第１段パルス管３６および第２段パルス管４６は、それぞれ、オリフィス１７を介して、第１段リザーバ１５Ａおよび第２段リザーバ１５Ｂ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３６の低温端３７ｂおよび第２段パルス管４６の低温端４７ｂ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。

ここで、従来のパルスチューブ冷凍機では、稼働時に、第１段および第２段パルス管等のシリンダ内を流通する冷媒ガスの圧縮、膨張の繰り返しにより、シリンダは、軸方向（図１の上下方向）に弾性的に伸縮する。またこの影響により、パルス管および蓄冷管を構成するシリンダが接続、固定されているフランジにおいても、同様の方向、すなわち上下方向に振動が発生する。さらにフランジにこのような振動が生じた場合、パルス管および蓄冷管を介してフランジと接続されている第１段および第２段冷却ステージにも、鉛直方向に振動が生じ得る。

また、２段式パルスチューブ冷凍機は、第１段および第２段の蓄冷管と、第１段および第２段のパルスとを有するため、フランジには、少なくとも３つのシリンダの一端が接続、固定されることになる。ここで、第１段パルス管、第２段パルス管および第１段蓄冷管をフランジに固定するため、フランジ表面に設けられる開口は、図２に示すように、各部材の配置等の関係から、非対称位置関係で形成される。なお、図２は、各部材を接続する前の状態の通常のフランジ２１'の底面図であり、図の開口１、２および３は、それぞれ、第１段パルス管、第２段パルス管および第１段蓄冷管の高温端を挿通させるためのものである。この図からわかるように、フランジ２１'に、第１段パルス管、第２段パルス管および第１段蓄冷管の３つのシリンダが固定された場合、フランジ２１'の重心は、フランジの中心Ｃから（図の上部方向に）ずれ、フランジ２１'は、いわゆる偏心した状態となる。従って、このようなフランジ２１'の重心状態の影響により、フランジが前述のようなシリンダの伸縮による鉛直方向の振動を受けた場合、第１段および第２段冷却ステージには、鉛直方向と同時に、水平方向にも振動が発生してしまう。特に、３段以上の多段式パルスチューブ冷凍機では、フランジに接続されるシリンダの数がさらに増えるため、この偏心の状態がより一層顕著となり、冷却ステージには、無視できない程度の鉛直方向および水平方向の振動が生じるようになる。

さらに、このような冷却ステージの鉛直方向および水平方向の振動によって、それぞれの冷却ステージに設置された被冷却体の位置が変動する。被冷却体の位置の変動は、高精度の位置決めが必要な半導体製造装置等の装置では、大きな問題となる。

これに対して、本発明のパルスチューブ冷凍機１００では、フランジ２１が良好な剛性を有することに特徴がある。例えば、フランジ２１の厚さを厚くすることにより、フランジの剛性が高まり、各蓄冷管およびパルス管の内部に流通する冷媒ガスの圧縮、膨張によって生じ得る第１段冷却ステージ３０および第２段冷却ステージ４０の鉛直方向および水平方向の振動を抑制することが可能になる。また、これにより、本発明によるパルスチューブ冷凍機１００では、第１段冷却ステージ３０および第２段冷却ステージ４０に接続された被冷却体に生じ得る位置変動を低減することができる。

なお、前述の効果を得るには、フランジの剛性をできる限り高めることが好ましく、このためフランジ２１の厚さは、できる限り厚いことが好ましい。しかしながら、フランジの厚さを厚くすればする程、パルスチューブ冷凍機全体の重量が増加し、軽量なパルスチューブ冷凍機を得ることができなくなる。また、フランジの厚さが極端に厚くなると、フランジと、該フランジに接続されたハウジング５との間で生じる熱伝導の影響が無視できなくなる。また、この熱伝導によって、コールドヘッド２０内に形成された寒冷環境に熱が侵入するため、パルスチューブ冷凍機の冷凍能力が低下する。

従って、本発明において、フランジ２１の厚さは、フランジの水平方向の振動幅が最大１０μｍ以下に抑制される厚さ範囲であることが好ましい。より具体的には、フランジの厚さは、２５〜４０ｍｍの範囲であれば良い。例えば、以下の実施例に示すように、フランジの厚さを３６ｍｍとした場合、フランジの鉛直方向の位置変動を６μｍ以内に抑制することができる。

なお、以上の実施形態では、フランジの剛性を高めるための一例として、フランジを厚く形成する場合について説明した。しかしながら、本発明は、これに限られるものではなく、例えば、フランジの材質を従来の材料から、より剛性の高い材料に変えることによっても、同様の効果を奏することができる。

また上記実施形態では、２段式のパルスチューブ冷凍機を例に、本発明の特徴を説明した。しかしながら、本発明のパルスチューブ冷凍機は、このような形態に限られるものではなく、例えば、単段式パルスチューブ冷凍機および３段以上の多段式パルスチューブ冷凍機にも有効に適用できることは、当業者には明らかである。

以下、実施例について説明する。

本発明による効果を確認するため、従来のフランジを有する２段式パルスチューブ冷凍機（以下、簡単のため、「従来のパルスチューブ冷凍機」と称する）と、本発明による厚いフランジを有する２段式パルスチューブ冷凍機（以下、簡単のため、「本発明のパルスチューブ冷凍機」と称する）とを用いて、振動の程度を評価した。評価に使用したパルスチューブ冷凍機は、第１段冷却ステージを４０Ｋ程度に、また第２段冷却ステージを４Ｋ程度に冷凍することができる仕様のものである（例えば、型式ＳＲＰ−０５２Ａ−Ｗ７１Ｃ：住友重機械工業株式会社製）。なお、従来のパルスチューブ冷凍機では、フランジの厚さは、１６ｍｍであった。一方、本発明のパルスチューブ冷凍機では、フランジの厚さを３６ｍｍとした。

両パルスチューブ冷凍機において、冷凍機の稼働状態で、フランジの振動変位を測定した結果、従来のパルスチューブ冷凍機では、振動変位は、約２０μｍであったが、本発明のパルスチューブ冷凍機では、約６μｍであった。なお、「振動変位」とは、振動時（例えば、冷凍機の稼働時）のフランジの中心位置の鉛直（上下）方向の最大の変動幅を言う。

この結果から、フランジの厚さを３６ｍｍとすることにより、フランジの振動が抑制されることが確認された。

本発明は、核磁気共鳴診断装置、超伝導マグネット装置、クライオポンプ等の低温システムに適用される蓄冷式の冷凍機、例えば、１段式または多段式のパルスチューブ冷凍機に適用することができる。

本発明の実施形態に係る２段式パルスチューブ冷凍機の概略構成図である。 表面に、第１段パルス管、第２段パルス管および蓄冷管用の３つの開口が形成された、従来のフランジの底面図である。

符号の説明

１、２、３ 開口
５ ハウジング
１０ ハウジング部
１１ ガス圧縮機
１５Ａ 第１段リザーバ
１５Ｂ 第２段リザーバ
１７ オリフィス
２０ コールドヘッド部
２１、２１' フランジ
３０ 第１段冷却ステージ
３１ 第１段蓄冷管
３２、３７、４２、４７ シリンダ
３６ 第１段パルス管
４０ 第２段冷却ステージ
４１ 第２段蓄冷管
４６ 第２段パルス管
１００ パルスチューブ冷凍機。

Claims (3)

1. 冷媒ガスを高圧にして送出し、低圧の冷媒ガスを吸引する圧縮機と、前記冷媒ガスを挿通するパルス管および蓄冷管と、該パルス管および蓄冷管の一方もしくは双方を構成するシリンダ部材の一端が接続されたフランジとを有するパルスチューブ冷凍機であって、
   当該パルスチューブ冷凍機の稼働の際に生じる、前記シリンダ部材の軸方向と平行な方向での前記フランジの振動の幅は、最大１０μｍ以下に抑制されていることを特徴とするパルスチューブ冷凍機。
2. 前記フランジは、厚さが２５ｍｍ〜４０ｍｍの範囲にあ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。
3. 当該パルスチューブ冷凍機は、第１段冷却ステージおよび第２段冷却ステージを有する２段式のパルスチューブ冷凍機であることを特徴とする請求項１または２に記載のパルスチューブ冷凍機。

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