JP5273672B2

JP5273672B2 - 温度分布が整合された多段式パルスチューブ冷凍機

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Publication number: JP5273672B2
Application number: JP2009105172A
Authority: JP
Inventors: シュイミンヤオ; リンガオジン
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2005-02-04
Filing date: 2009-04-23
Publication date: 2013-08-28
Anticipated expiration: 2026-02-03
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Description

本発明は、ＭＲＩ磁石内のヘリウムの再凝縮に適用されるような多段式ギフォード・マクマホン（ＧＭ）タイプパルスチューブ冷凍機に関する。

従来的な多段式パルスチューブは、ヘリウムで囲繞されるＭＲＩクライオスタットのネックチューブで動作されるとき、相当な熱損失が、パルスチューブ及び蓄冷器との間の温度分布の差異によるＨｅの対流循環に起因して生ずる。

ＧＭタイプの冷凍機は、エキスパンダに略一定の高圧でガスを供給し、略一定の低圧でガスを受けるコンプレッサを用いる。エキスパンダは、バルブ機構によりコンプレッサに対して低い速度で稼動し、エキスパンダの内外にガスを交互に出す。特許文献１は、ガス式駆動のＧＭエキスパンダのタイプを開示する。ＧＭサイクルは、エキスパンダが１から２Ｈｚで動作できるので、約２０Ｋより極低温での冷却を生成する最良の手段であることが証明されている。

パルスチューブ冷凍機は、先ず、特許文献２により開示され、それは、以前のＧＭ冷凍機のような、蓄冷器の高温端に接続される対のバルブを有し、蓄冷器は、低温端にてパルスチューブに接続される。１９６０年代半ばにおけるパルスチューブ冷凍機に関する初期の研究は、非特許文献１にある。単段、２段、Inter-phasingによる４段階、同軸設計が研究されてきた。すべては、パルスチューブの高温端が閉じられ、同軸設計を除く全ては、蓄冷器とは別のパルスチューブを有していた。極低温はこれらの初期のパルスチューブで達成されたが、効率はＧＭタイプの冷凍機と比較して十分でなかった。

パルスチューブ性能における大きな改善は、非特許文献２に見られ、更なる改善を求めて多くの関心が続けられた。この初期の改善は、パルスチューブの高温端に接続したオリフィス及びバッファー容積を用いて、パルスチューブ内の“ガスピストン”の動きを制御し、各サイクルでより多くの冷却を生成しようとした。続く研究は、ガスピストンの制御を改善するための手段と、パルスチューブエキスパンダの構成を改善することに集中された。非特許文献３は、ガスピストンを制御する２つのオリフィス手段を開示する。特許文献３は、４Ｋで良好に動作する２段階のパルスチューブにおけるガスピストンの制御手段を開示する。

多段式パルスチューブは、熱を一の段から次の高い段へと汲み上げる設計を用いて、ＧｉｆｆｏｒｄとＬｏｎｇｓｗｏｒｔｈにより最初に研究されている（非特許文献１参照）。Ｃｈａｎ他は、低温側熱交換器から室温端までの全領域に亘って第２段のパルスチューブを延在させることが可能であり、より良好であることを見出した（特許文献１参照）。

この概念は、Ｙ．Ｍａｔｓｈｕｂａｒａ，Ｊ．Ｌ．Ｇａｏ，Ｋ．Ｔａｎｉｄａ，Ｙ．Ｈｉｒｅｓａｋｉ及びＭ．Ｋａｎｅｋｏによる非特許文献４や、Ｙ．Ｍａｔｓｈｕｂａｒａ，Ｊ．Ｌ．Ｇａｏによる非特許文献５にて報告された幾つかの構成の１つである。二段４Kパルスチューブが良好に作動することが証明されている。研究された構成の全ては、蓄冷器とは別にパルスチューブを有し、パルスチューブは蓄冷器に平行で、低温端が下方に向けられていた。これは、今日の２段式パルスチューブのもっとも典型的な構成であり、ここでは従来的な設計と称する。Ｏｈｔａｎｉ他は、第１段熱ステーションと近傍の第２段パルスチューブとの間に熱リンクを備える２段パルスチューブを開示する（特許文献５参照）。本願発明者の１人は、この構成を１９９４年に試験したところ、冷却性能に改善を見出せなかったが、パルスチューブ温度特性に変化が生じていた。

パルスチューブと蓄冷器との間の温度差は、チューブが蓄冷器から離れており、パルスチューブが真空により囲繞されているときは問題とならない。しかし、その温度差は、従来的なパルスチューブがＭＲＩクライオスタットのネックチューブにおけるヘリウム雰囲気内に搭載されるときに、対流的な熱損失をもたらす。

パルスチューブと蓄冷器との間の温度差に関連した損失は、Ｉｎｏｕｅによって同軸パルスチューブに関連して対処された（特許文献６参照）。この特許文献は、高温端付近でパルスチューブ内に間隔をおいて配され、第１段の蓄冷器の壁に接触する幾つかの多孔プラグ熱交換器を開示する。Ｍａｓｔｒｕｐ他は、単一段の同心（同軸）のパルスチューブを開示し、その中には、中心のパルスチューブは、熱伝導性の低い材料からなる厚い壁を有し、外側の環状の蓄冷器からの高い度合いの断熱性を提供する（特許文献７参照）。Ｒａｔｔａｙ他は、この概念を拡大し、そこでは、囲繞する真空がパルスチューブと蓄冷器の内壁の間の隙間内へと延在する（特許文献８参照）。

パルスチューブの壁を断熱するその他の手段は、Ｍｉｔｃｈｅｌｌにより記載されている（特許文献９参照）。同軸型パルスチューブ内の損失の研究は、各種の論文に報告されている（非特許文献６，７参照）。損失は、多くのサイクルに亘って温かいガスをパルスチューブの下方に導く“直流（ｄｃ）”流れを重畳することにより最適化されていた。

Ｚｈｏｕ他は、効率改善を目的としたマルチバイアスパルスチューブを開示する（特許文献１０参照）。実際上、それは、多段式パルスチューブであるが、唯一のパルスチューブしか有さない。現実的には、各バイパスオリフィスを通る双方向の正確に同一のガス流量を有することの困難性の故に、実現が略困難である。それは、蓄冷器としてパルスチューブにおいて実質的に同一の温度特性を課する特徴を有する。

ＭＲＩ磁石内のヘリウムを凝縮するのに関連した問題は、Ｌｏｎｇｓｗｏｒｔｈにより対処されていた（特許文献１１参照）。最低温度１０Ｋの２段ＧＭエキスパンダは、４Ｋにて冷却を生成するＪＴ熱交換器内のガスを事前冷却する。ＪＴ熱交換器は、ＧＭエキスパンダまわりに巻き付けられ、ＪＴ熱交換器とエキスパンダの双方の温度が、高温側と低温側の間で徐々により冷たくなるようにする。エキスパンダ組立体は、ＭＲＩ磁石のネックチューブ内に搭載され、そこでは、それは、低温端が鉛直方向下向きであることにより熱的に成層化されるヘリウムガスにより囲繞される。４Ｋ熱ステーションは、Ｈｅを再凝縮するための延長された表面を有する。冷凍は、略６０Ｋ及び１５Ｋの温度である２つの熱ステーションにてＭＲＩクライオスタット内のシールドを冷却するために伝達される。嵌り合う円錐形の熱ステーション及びネックチューブの中空部（ベロー）は、高温側フランジが下方にボルト締めされ、フェースタイプのＯリングによりシールされたときに、双方の熱ステーションが係合することを可能とする。

Ｌｏｎｇｓｗｏｒｔｈは、真っ直ぐな熱ステーション及び高温側フランジ側でラジアルタイプのＯリングシールを有する同心状のＧＭ／ＪＴエキスパンダを開示している（特許文献１２参照）。これにより、エキスパンダは、軸方向に動くことが可能となり、ネックチューブ熱ステーションに対するエキスパンダ熱ステーションの所望の位置を確立することが可能となる。

パルスチューブ技術とＭＲＩクライオスタット設計の進歩により、今では、２段パルスチューブを用いて、約４０Ｋで単一シールドを冷却し、約４Ｋでヘリウムを再凝縮することが可能となっている。２段パルスチューブエキスパンダは、振動が少なくＭＲＩ信号内でのノイズが少ないので、２段ＧＭエキスパンダよりも好まれる。蓄冷器と平行なパルスチューブを備える、現在の設計のパルスチューブが、ＭＲＩ磁石のネックチューブ内に実装されるとき、ネックチューブ内のヘリウムガスが、パルスチューブと蓄冷器の間を、それらの間の温度差に起因して循環することが見出されている。これは、冷凍の重大な損失をもたらす。

Ｓｔａｕｔｎｅｒ他は、従来的な２段４Ｋパルスチューブに対する問題点を説明し、パルスチューブ組立体を囲繞し、チューブまわりに断熱材を含むスリーブ状の解決策を提示する（特許文献１３参照）。スリーブは、約４０Ｋで熱ステーションを有し、低温端で再凝縮器を有する。それは、整備のためにネックチューブから容易に取り外しされることができる。

ＭＲＩネックチューブにおける従来的な２段４Ｋパルスチューブの対流損失の問題に対するその他の解決策は、Ｄａｎｉｅｌ他により提唱されている（特許文献１４参照）。パルスチューブ及び蓄冷器まわりの断熱スリーブは、パルスチューブがＭＲＩネックチューブ内のヘリウムガス内に搭載されたときに対流損失を低減する。

Ｇｉｆｆｏｒｄの米国特許第３，１１９，２３７号明細書Ｇｉｆｆｏｒｄの米国特許第３，２３７，４２１号明細書Ｇａｏによる米国特許第６，２５６，９９８号明細書米国特許第５，１０７，６８３号明細書米国特許第５，４１２，９５２号明細書特開平０７−２６０２６９号公報米国特許第５，６１３，３６５号明細書米国特許第５，６８０，７６８号明細書米国特許第６，６１９，０４６号明細書米国特許第５，２９５，３５５号明細書米国特許第４，６０６，２０１号明細書米国特許第４，４８４，４５８号明細書ＰＣＴＷＯ０３／０３６２０７Ａ２ＰＣＴＷＯ０３／０３６１９０Ａ１

Ｒ．Ｃ．Ｌｏｎｇｓｗｏｒｔｈによる論文‘Early pulse tube refrigerator developments’、冷凍機９、１９９７年、２６１−２６８頁Ｍｉｋｕｌｉｎ他による‘Low temperature expansion (orifice type) pulse tube, Advances in Cryogenic Engineering, Vol.29, 1984, p. 629-637. Ｓ．ＺｈｕとＰ．Ｗｕによる論文’Double inlet pulse tube refrigerators: an important improvement’, Cryogenics、１９９０年、５１４−５２０頁Ｙ．Ｍａｔｓｕｂａｒａ，Ｊ．Ｌ．Ｇａｏ，Ｋ．Ｔａｎｉｄａ，Ｙ．Ｈｉｒｅｓａｋｉ及びＭ．Ｋａｎｅｋｏによる論文‘An experimental and analytical investigation of 4K (four valve) pulse tube refrigerator’, Proc. 7’ Intl Cryocooler Conf., Air Force Report PL-(P-93-101), 1 993, p.166-186 Ｊ．Ｌ．Ｇａｏ及びＹ．Ｍａｔｓｕｂａｒａによる論文‘Experimental investigation of 4K pulse tube refrigerator’, Cryogenics 1994, Vol.34, p.25 Ｌ．Ｗ．Ｙａｎｇ，Ｊ．Ｔ．Ｌｉａｎｇ，Ｙ．Ｚｈｏｕ及びＪ．Ｊ．Ｗａｎｇによる論文’Research of two-stage co-axial pulse tube crycooles driven by a valveless compressor’, Cryocoolers 10, 1999, p.233-238 Ｋ．Ｙｕａｎ、Ｊ．Ｔ．Ｌｉａｎｇ及びＹ．Ｌ．Ｊｕによる論文"Experimental investigation of a G-M type co-axial pulse tube crycooler", Cryocoolers 12, 2001, p.317-323

従来的な２段パルスチューブ冷凍機は、別々の平行なチューブ内に蓄冷器及びパルスチューブを有する。真空で動作する従来的なパルスチューブでは、パルスチューブ及び蓄冷器の長さ及び径は、実質的に互いに対して独立的に最適化される。ＭＲＩクライオスタットのネックチューブ内に搭載されるとき、ネックチューブのヘリウムは、パルスチューブと蓄冷器との間の温度差による対流に起因した熱損失を生み、したがって、他の要因が設計時に考慮されなければならない。

そこで、本発明は、ヘリウム環境下で動作するときにパルスチューブの対流による熱損失を最小化することを目的とする。

本発明は、ＭＲＩクライオスタットのネックチューブ内のヘリウムガス内に搭載される多段パルスチューブの蓄冷器とパルスチューブとの間の異なる温度特性に関連した対流損失を、スペーサを一以上のパルスチューブ及び蓄冷器の間に有することにより、低減する。

本発明の主たる実施例では、それは、２段ＧＭタイプパルスチューブによりＭＲＩクライオスタット内のヘリウムを再凝縮するために用いられる。代替的な実施例では、それは、高温超伝導ＨＴＳ磁石用に設計されたクライオスタット内の水素及びネオンを再凝縮するために用いられる。高い温度では、パルスチューブを直接コンプレッサに接続し、より高い速度にてスターリングサイクルモードで動作することも実用的である。

シールドを冷却するための約４０Ｋの熱ステーションを有し、約４Ｋのヘリウム蓄冷器を有する、ヘリウムガスで囲繞されるＭＲＩクライオスタットのネックチューブ内に搭載される第１段で熱橋を備える２段パルスチューブを示す概略図である。真空により囲繞された従来的な２段４ＫＧＭタイプパルスチューブに対して典型的な温度特性を示す図である。温度の位置を示すパルスチューブの概略図である。パルスチューブと蓄冷器との間の熱の差が多数の熱橋により低減された２段パルスチューブの概略図である。パルスチューブと蓄冷器との熱の差が第２段蓄冷器の低温側でスペーサにより低減された２段パルスチューブの概略図である。パルスチューブと蓄冷器との熱の差が、第２段パルスチューブの低温側でスペーサチューブにより低減された２段パルスチューブの概略図である。パルスチューブと蓄冷器との間の熱の差が、第２段パルスチューブの高温端側でスペーサにより低減された２段パルスチューブの概略図である。パルスチューブと蓄冷器との熱の差が、第２段蓄冷器の低温側のスペーサ及び第２段パルスチューブの高温側のスペーサにより低減された２段パルスチューブの概略図である。パルスチューブと蓄冷器との熱の差が、第２段蓄冷器の低温側のスペーサチューブ及び第２段パルスチューブの高温側のスペーサにより低減された２段パルスチューブの概略図である。パルスチューブと蓄冷器との熱の差が、第１段蓄冷器の低温側のスペーサチューブにより低減された２段パルスチューブの概略図である。パルスチューブと蓄冷器との熱の差が、第１段蓄冷器の低温端及び第１段パルスチューブを接続するスペーサチューブにより低減された２段パルスチューブの概略図である。パルスチューブと第一段蓄冷器との熱の差が蓄冷器の高温側のスペーサにより低減された２段パルスチューブの概略図である。パルスチューブと蓄冷器との熱の差が、第１段パルスチューブの高温端をウォームエンドマニホールド本体内に延在させることにより低減された２段パルスチューブの概略図である。パルスチューブと蓄冷器との熱の差が、第１段蓄冷器の高温側及び低温側のスペーサ、及び、第２段蓄冷器の低温側のスペーサにより低減された２段パルスチューブの概略図である。パルスチューブと蓄冷器との熱の差が、第１段蓄冷器及び第２段蓄冷器まわりの断熱スリーブにより低減された２段パルスチューブの概略図である。

以下、図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態の説明を行う。

本発明の２段パルスチューブの修正された設計は、ヘリウム環境のような、真空以外で動作するよう設計され、対流による熱損失の低減を可能とする。このパルスチューブ設計は、液体ヘリウム冷却されるＭＲＩ磁石のネックチューブ内に２段パルスチューブを搭載することに関連した熱損失を最小化する手段を提供する。図１に示すように、２段パルスチューブエキスパンダ１００は、ネックチューブ６１内に実装され、そこで、それは、約２９０Ｋを最高とし４Ｋを最低として室温からの温度勾配を有するガスのヘリウム６２により囲繞される。パルスチューブエキスパンダは、磁石クライオスタット（クライオスタット）内のシールドを冷却するために用いられる約４０Ｋの第１段熱ステーションを有し、第２段でヘリウム蓄冷器を有する。ネックチューブ内にパルスチューブエキスパンダを有することは、その整備のための取り外しが容易となる。

ＭＲＩクライオスタットは、ネックチューブ６１により内側の容器６５に接続される外側ハウジング６０からなる。容器６５は、液体ヘリウムと、超電導のＭＲＩ磁石６７とを含む。それは、真空６３により囲繞される。典型的なＭＲＩクライオスタットは、パルスチューブエキスパンダ１００の第１段によりネックチューブ熱ステーション６８を介して約４０Ｋまで冷却される放射シールド６４を有する。エキスパンダ１００は、第１段のパルスチューブ１０、チューブ内に包まれる第１段蓄冷器７、及び、第２段パルスチューブ２３を有し、全て、高温側フランジ５１に接続される。３つのチューブは、熱伝達表面３０と第２段パルスチューブ２３との間の熱橋として作用する第１段熱ステーション３０により相互に接続される。第１段のパルスチューブ１０内には、コールドエンドフロースムーザー９及びウォームエンドフロースムーザー１１がある。第２段のパルスチューブ２３内には、コールドエンドフロースムーザー２４及びウォームエンドフロースムーザー２２がある。これらフロースムーザーは、熱交換器としても機能してよい。ガスは、第２段蓄冷器２６の低温側を通って第２段パルスチューブ２３に又はから流れ、ヘリウム蓄冷器２５内の熱伝達表面を通って流れる。高温側フランジ５１は、蓄冷器７の高温側からのガスポート１５を有し、パルスチューブ１０，２３の高温側に接続されるポートをも有し、パルスチューブ１０，２３は、オリフィスバッファーボリューム組立体２８にガスポートを接続する。典型的には、組立体２８は、ＧＭタイプパルスチューブを構成するよう、供給ガスライン６及び戻りガスライン４によりコンプレッサに接続されるバルブ機構に接続される。また、スターリングタイプパルスチューブを構成するよう、組立体２８を、単一のガスラインによりコンプレッサに直接的に接続することも可能である。

熱ステーション３０は、ネックチューブ６１内の同様に形状付けられた受け器に適合するよう、円錐状に形状付けられたものが示されている。半径方向のＯリング５２は、パルスチューブ熱ステーション３０がネックチューブ熱ステーション６８と熱的に係合するまでネックチューブ６１内にパルスチューブエキスパンダ１００が実装されることを可能とする。典型的には、パルスチューブ１，２及び蓄冷器３,４に対するシェルを、薄壁ＳＳチューブから構成し、軸方向の伝達損失を最小化する。

図２ａは、図２ｂに示すように真空により囲繞された従来的な２段４ＫＧＭタイプパルスチューブに対して典型的な温度特性を示す。パルスチューブと第１段蓄冷器の間の温度差は、第２段温度差よりも大きいが、ネックチューブに充填されたヘリウムにおける対流損失は、ヘリウムの濃度が濃いので第２段のほうが第１段よりも顕著であり、したがって、質量循環速度がより高い。

図３は、パルスチューブと蓄冷器との間の熱の差が多数の熱橋により低減された２段パルスチューブエキスパンダ１０１の概略図である。第１段の低温側の熱リンク３０は、図１に関連して説明したように、第２段パルスチューブ２３に接続する。３つの熱リンク３１は、蓄冷器７、パルスチューブ２３の上側部分の間に示され、３つの熱リンク３３は、蓄冷器とパルスチューブ１０の間に示され、３つの熱リンク３２は、蓄冷器２６とパルスチューブ２３の下側部分の間に示される。採用される熱リンクの実際の数は、設計者の選択事項である。

図３は、オリフィス／バッファーボリューム組立体２８における典型的な構成要素を概略的に示す。ダブルオリフィス制御は、Ｓ．Ｚｈｕ及びＰ．Ｗｕによる’Double inlet pulse tube refrigerators: an important improvement’, Cryogenics, vol.30, 1990, p.514に示されており、パルスチューブ１０，２３の高温側にコンプレッサからの周期的な流れをそれぞれ接続するオリフィス１３，２０、及び、パルスチューブ２３とバッファーボリューム２１との間のガス流速を制御するオリフィス２７からなる。ＧＭタイプのフロー周期は、モータ３により駆動されガスライン４，６によりコンプレッサ５に接続されるバルブ機構２と共に示される。図１及び図３〜１４における共通の構成要素は、同一の番号指示を有する。

図４は、パルスチューブと蓄冷器との温度差が第２段蓄冷器２６の低温側でスペーサ４３により低減された２段パルスチューブエキスパンダ１０２を示す。スペーサ４３の長さは、パルスチューブ２３の長さの２０％より小さく、好ましくは、５％から２０％の間である。この距離は、蓄冷器２６の低温端とフロースムーザー２４の上部との間で測定される。図３〜図１３に示される全てのパルスチューブは、図１及び図１４に示すように、第１段熱ステーション３０及び第２段熱ステーション２５を有する。２５における熱伝達表面は、スペーサ４３内の熱伝達表面により増大されることができる。

図５は、２段パルスチューブ２３と蓄冷器２６との温度差が、２３，２６の低温端をつなぐスペーサチューブ２９により低減された２段パルスチューブエキスパンダ１０３を示す。スペーサチューブ２９の長さは、パルスチューブ２３の長さの２０％より小さく、好ましくは、５％から２０％の間である。この距離は、蓄冷器２６の低温端とフロースムーザー２４の上部との間で測定される。

図６は、パルスチューブ２３、蓄冷器７，２６、及びパルスチューブ１０間の温度差が、第２段パルスチューブ２３の高温端側でスペーサ４４により低減された２段パルスチューブエキスパンダ１０４の概略図である。スペーサ４４の長さは、パルスチューブ２３の長さの２０％より小さく、好ましくは、５％から２０％の間である。この距離は、蓄冷器７の高温端とフロースムーザー２２の底部との間で測定される。

図７は、パルスチューブと蓄冷器との温度差が、第２段蓄冷器２６の低温側のスペーサ４３及び第２段パルスチューブ２３の高温側のスペーサ４４により低減された２段パルスチューブエキスパンダ１０５の概略図である。スペーサ４４の長さは、パルスチューブ２３の長さの２０％より小さい。この距離は、蓄冷器７の高温端とフロースムーザー２２の底部との間で測定される。スペーサ４３の長さは、パルスチューブ２３の長さの２０％より小さく、好ましくは、５％から２０％の間である。この距離は、蓄冷器２６の低温端とフロースムーザー２４の上部との間で測定される。２５における熱伝達表面は、スペーサ４３内の熱伝達表面により増大されることができる。

図８は、パルスチューブと蓄冷器との温度差が、第２段蓄冷器２６の低温側のスペーサチューブ２９及び第２段パルスチューブ２３の高温側のスペーサ４４により低減された２段パルスチューブエキスパンダ１０６の概略図である。スペーサ４４の長さは、パルスチューブ２３の長さの２０％より小さく、好ましくは、５％から２０％の間である。この距離は、蓄冷器７の高温端とフロースムーザー２２の底部との間で測定される。スペーサチューブ２９の長さは、パルスチューブ２３の長さの２０％より小さい。この距離は、蓄冷器２６の低温端とフロースムーザー２４の上部との間で測定される。

図９は、パルスチューブと蓄冷器との温度差が、第１段蓄冷器７の低温側のスペーサ４１により低減された２段パルスチューブエキスパンダ１０７の概略図である。スペーサ４１の長さは、パルスチューブ１０の長さの２０％より小さく、好ましくは、５％から２０％の間である。この距離は、蓄冷器７の低温端とフロースムーザー９の上部との間で測定される。３０における熱伝達表面は、スペーサ４１内の熱伝達表面により増大されることができる。

図１０は、パルスチューブと蓄冷器との温度差が、第１段蓄冷器７の低温端及び第１段パルスチューブ１０を接続するスペーサチューブ１９により低減された２段パルスチューブエキスパンダ１０８の概略図である。スペーサチューブ１９の長さは、パルスチューブ１０の長さの２０％より小さく、好ましくは、５％から２０％の間である。この距離は、蓄冷器７の低温端とフロースムーザー９の上部との間で測定される。

図１１は、パルスチューブと蓄冷器との温度差が、蓄冷器７の高温側のスペーサ４０により低減された２段パルスチューブエキスパンダ１０９の概略図である。スペーサ４０の長さは、パルスチューブ１０の長さの２０％より小さく、好ましくは、５％から２０％の間である。この距離は、蓄冷器７の高温端とフロースムーザー１１の底部との間で測定される。

図１２は、パルスチューブと蓄冷器との温度差が、第１段パルスチューブ１０の高温端をウォームエンドマニホールド本体７０内に延在させることにより低減された２段パルスチューブエキスパンダ１１０の概略図である。マニホールド７０内のパルスチューブ１０の長さは、パルスチューブ１０の長さの２０％より小さい。

図１３は、パルスチューブと蓄冷器との温度差が、第１段蓄冷器の高温側のスペーサ４０、７の低温側のスペーサ４１、及び、第２段蓄冷器２６の低温側のスペーサ４３により低減された２段パルスチューブエキスパンダ１１１の概略図である。スペーサ４０の長さは、パルスチューブ１０の長さの２０％より小さく、好ましくは、５％から２０％の間である。この距離は、蓄冷器７の高温端とフロースムーザー２２の底部との間で測定される。スペーサ４１の長さは、パルスチューブ１０の長さの２０％より小さく、好ましくは、５％から２０％の間である。この距離は、蓄冷器７の低温端とフロースムーザー９の上部との間で測定される。熱ステーション３０における熱伝達表面は、スペーサ４１内の熱伝達表面により増大されることができる。スペーサ４３の長さは、パルスチューブ２３の長さの２０％より小さく、好ましくは、５％から２０％の間である。この距離は、蓄冷器２６の低温端とフロースムーザー２４の上部との間で測定される。２５における熱伝達表面は、スペーサ４３内の熱伝達表面により増大されることができる。

図１４は、パルスチューブと蓄冷器との温度差が、第１段蓄冷器７まわりの断熱スリーブ７１、及び、第２段蓄冷器２６まわりの断熱スリーブ７２により低減された２段パルスチューブエキスパンダ１１２の概略図である。綿、リネン及びガラス布の補強材を備える樹脂が、断熱スリーブに対する良い選択肢である。ガラス布は、他の繊維に比して低い熱伝導性を有していないが、寸法的な安定性や強度が最もよい。

多段パルスチューブを設計するとき、パルスチューブ及び蓄冷器の体積は、一般的に、冷却能力の要求及びコンプレッサ排気量により設定される。パルスチューブに対して、径と長さの比を選択する際に多数の寛容度が存在する。蓄冷器に対する径と長さの比は、圧力降下損失と熱性能のバランスを取る必要があるが故に、より厳しくされる。パルスチューブが真空で動作されるように設計されるとき、パルスチューブ及び蓄冷器の温度特性は考慮されない。しかし、ヘリウム環境で動作するとき、それらは重要な設計考慮事項となる。図１及び図３は、熱リンクにより蓄冷器とパルスチューブの間の温度差を低減する手段を示す。図４〜図１３は、蓄冷器内のスペーサ、及び／又は、蓄冷器の低温端とパルスチューブの低温端の間のスペーサチューブにより、パルスチューブに対する蓄冷器の軸方向の位置をずらすための手段を示す。図１４は、断熱スリーブ内に蓄冷器を包含させる選択肢を示す。

尚、熱リンク、パルスチューブ及び断熱スリーブを備える上述の構成（図１、３、５、１０、１４に示す構成）は、単独では本発明に属さない参考例である。

上述した蓄冷器とパルスチューブの間の温度差を低減する異なる手段は、個々に、又は、組み合わせで、一以上の段を有するパルスチューブで用いることができる。

７第１段蓄冷器
１０第１段パルスチューブ
２３第２段パルスチューブ
６２Ｈｅガス
６３真空

Claims

非真空雰囲気内に搭載され、冷凍機におけるパルスチューブと蓄冷器との温度差が低減されたギフォード・マクマホンタイプのパルスチューブ冷凍機であって、
チューブに収容された第１段蓄冷器と、当該第１段蓄冷器の低温側の端部と接続した第１段パルスチューブと、第２段蓄冷器と、当該第２段蓄冷器の低温側と接続した第２段パルスチューブと、を含むパルスチューブエキスパンダと、
前記チューブ内において前記第１段蓄冷器の低温側の端部に配置され、前記第２段パルスチューブに対する前記第１段蓄冷器の軸方向の位置をずらすための第１スペーサを含み、
前記第１スペーサの長さは、前記第１段パルスチューブの長さの５％から２０％の範囲内である、冷凍機。
非真空雰囲気内に搭載され、冷凍機におけるパルスチューブと蓄冷器との温度差が低減されたギフォード・マクマホンタイプのパルスチューブ冷凍機であって、
第１段蓄冷器と、当該第１段蓄冷器の低温側の端部と接続した第１段パルスチューブと、第２段蓄冷器と、当該第２段蓄冷器の低温側と接続した第２段パルスチューブと、を含むパルスチューブエキスパンダと、
前記第２段パルスチューブの高温側の端部に配置され、前記第１段蓄冷器及び前記第２蓄冷器に対する前記第２段パルスチューブの軸方向の位置をずらすための第２スペーサを含み、
前記スペーサの長さは、前記第２段パルスチューブの長さの５％から２０％の範囲内である、冷凍機。
前記パルスチューブエキスパンダは、クライオスタット内に搭載される、請求項１又は２に記載の冷凍機。
前記非真空雰囲気は、水素及びネオン雰囲気のいずれかである、請求項１又は２に記載の冷凍機。
前記非真空雰囲気は、ヘリウム雰囲気である、請求項１又は２に記載の冷凍機。