JP6611124B2 - 極低温冷凍機用フレキシブル接続管および極低温冷凍機 - Google Patents

Description

本発明は、極低温冷凍機用フレキシブル接続管およびそれを有する極低温冷凍機に関する。

従来のある極低温冷凍機においては、ある構成要素と他の構成要素（例えば、圧縮機と膨張機）とが剛性管で接続されている。この構成は、接続管内の圧力損失を低減するには有効である。しかし、剛性管はその形状を変え難いため構成要素どうしの相対位置を自由に変えることが難しい。そのため、冷凍機が使用される現場での設置レイアウトが制約される。そこで、設置の自由度を高めるために、フレキシブル管を冷凍機に用いることが提案されている。フレキシブル管は、冷凍機の構成要素間の振動伝達を低減することにも役立つ。

特開２００２−３３３２２４号公報

ある提案におけるフレキシブル管は、ベローズ状の凹凸をもつ内面を有する単管構造を有する。しかし、こうした凹凸は管内の圧力損失を大きくしうる。圧力損失の増加は冷凍機の性能低下をもたらしうる。そこで、他の提案におけるフレキシブル管は、ベローズ状の凹凸をもつ内面を有する外管とこの外管に挿入され凹凸面を覆う内管とを有する二重管構造をとりうる。二重管構造は、接続管内の圧力損失を低減するのに有効である。

本発明者らは、二重管構造をもつフレキシブル管の極低温冷凍機への適用について鋭意研究を重ねた結果、当該構造は剛性管に比べて極低温冷凍機の性能低下を招きうることを認識するに至った。

本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、極低温冷凍機の性能低下を防止し又は緩和する極低温冷凍機用フレキシブル接続管を提供することにある。

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接続管は、パイプ端部を有するフレキシブルパイプと、前記パイプ端部に密着されているチューブ端部を有し、前記フレキシブルパイプに挿通されているフレキシブルチューブと、を備える接続ホースと、前記接続ホースを極低温冷凍機の構成要素に接続するための接続アダプタであって、前記チューブ端部に隣接し、前記パイプ端部に固定されている接続アダプタと、を備える。

本発明のある態様によると、極低温冷凍機は、圧縮機と、前記圧縮機から離れて配置される膨張機と、前記圧縮機を前記膨張機に接続するフレキシブル接続管と、を備え、前記フレキシブル接続管は、第１パイプ端部および第２パイプ端部を有するフレキシブルパイプと、前記第１パイプ端部および前記第２パイプ端部にそれぞれ密着されている第１チューブ端部および第２チューブ端部を有し、前記フレキシブルパイプに挿通されているフレキシブルチューブと、を備える接続ホースと、前記接続ホースを前記圧縮機に接続するための第１接続アダプタであって、前記第１チューブ端部に隣接し、前記第１パイプ端部に固定されている第１接続アダプタと、前記接続ホースを前記膨張機に接続するための第２接続アダプタであって、前記第２チューブ端部に隣接し、前記第２パイプ端部に固定されている第２接続アダプタと、を備える。

本発明のある態様によると、極低温冷凍機は、コールドヘッドと、前記コールドヘッドから離れて配置されるバルブユニットと、前記コールドヘッドを前記バルブユニットに接続するフレキシブル接続管と、を備え、前記フレキシブル接続管は、第１パイプ端部および第２パイプ端部を有するフレキシブルパイプと、前記第１パイプ端部および前記第２パイプ端部にそれぞれ密着されている第１チューブ端部および第２チューブ端部を有し、前記フレキシブルパイプに挿通されているフレキシブルチューブと、を備える接続ホースと、前記接続ホースを前記コールドヘッドに接続するための第１接続アダプタであって、前記第１チューブ端部に隣接し、前記第１パイプ端部に固定されている第１接続アダプタと、前記接続ホースを前記バルブユニットに接続するための第２接続アダプタであって、前記第２チューブ端部に隣接し、前記第２パイプ端部に固定されている第２接続アダプタと、を備える。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、極低温冷凍機の性能低下を防止し又は緩和する極低温冷凍機用フレキシブル接続管を提供することができる。

本発明のある実施形態に係る極低温冷凍機の全体構成を概略的に示す図である。 図１に示すフレキシブル接続管の端部の断面を概略的に示す図である。 あるフレキシブル管の端部の断面を概略的に示す図である。 他の実施形態に係るフレキシブル接続管の端部の断面を概略的に示す図である。 図４に示すフレキシブルパイプとフレキシブルチューブの寸法の関係を説明するための概略図である。 他の実施形態に係るフレキシブル接続管の端部の断面を概略的に示す図である。 他の実施形態に係る極低温冷凍機の全体構成を概略的に示す図である。 他の実施形態に係る極低温冷凍機の全体構成を概略的に示す図である。

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。なお、説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。また、以下に述べる構成は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。

図１は、本発明のある実施形態に係る極低温冷凍機１０の全体構成を概略的に示す図である。極低温冷凍機１０は、圧縮機１１、フレキシブル接続管１２、及び膨張機１３を備える。圧縮機１１は膨張機１３から離れて配置されている。フレキシブル接続管１２は、圧縮機１１の作動ガス室を膨張機１３の作動ガス室に接続する。フレキシブル接続管１２は、圧縮機１１と膨張機１３との間で作動ガスを流通させるガス流路を提供する。作動ガスは例えばヘリウムガスである。フレキシブル接続管１２は、任意に湾曲した状態で圧縮機１１を膨張機１３に接続することができる。

極低温冷凍機１０は、例えば、スプリット式のスターリング冷凍機である。この場合、圧縮機１１は作動ガスの圧力振動を生成する。これがフレキシブル接続管１２を通じて膨張機１３に伝達される。膨張機１３には圧縮機１１の圧力振動と同一の周波数で当該振動と位相差を有する圧力振動が駆動される。圧縮機１１と膨張機１３との間に逆スターリングサイクルが形成される。このようにして、膨張機１３は寒冷を発生させる。

フレキシブル接続管１２は、接続ホース１４と、接続ホース１４を圧縮機１１に接続するための第１接続アダプタ１６ａと、接続ホース１４を膨張機１３に接続するための第２接続アダプタ１６ｂと、を備える。接続ホース１４は、フレキシブルパイプ１８と、フレキシブルパイプ１８に挿通されているフレキシブルチューブ２０と、を備える。フレキシブルチューブ２０はフレキシブルパイプ１８の中に収容されているので、図１においては説明の便宜上、破線で示す。

フレキシブルパイプ１８は、例えば、蛇腹状内壁面を有するステンレス製のフレキシブルホースであってもよい。フレキシブルパイプ１８の外表面は柔軟性をもつ被覆材で被覆されていてもよい。フレキシブルチューブ２０は、シリコーン樹脂などの柔軟性をもつ材料からなるチューブであってもよい。

フレキシブルパイプ１８は、第１パイプ端部２２ａおよび第２パイプ端部２２ｂを有する。フレキシブルチューブ２０は、第１チューブ端部２４ａおよび第２チューブ端部２４ｂを有する。第１パイプ端部２２ａに第１接続アダプタ１６ａが固定され、第２パイプ端部２２ｂに第２接続アダプタ１６ｂが固定されている。第１接続アダプタ１６ａは、第１チューブ端部２４ａに隣接して配置され、第２接続アダプタ１６ｂは、第２チューブ端部２４ｂに隣接して配置されている。

詳しくは後述するが、第１チューブ端部２４ａおよび第２チューブ端部２４ｂはそれぞれ第１パイプ端部２２ａおよび第２パイプ端部２２ｂに密着されている。なお、第１チューブ端部２４ａは第１パイプ端部２２ａに永久的に固定されていてもよいが、そうである必要はない。第１チューブ端部２４ａは、第１パイプ端部２２ａから取り外し可能であってもよい。同様に、第２チューブ端部２４ｂは、第２パイプ端部２２ｂから取り外し可能であってもよい。フレキシブルチューブ２０自体がフレキシブルパイプ１８から取り外し可能であってもよい。

第１接続アダプタ１６ａは第２接続アダプタ１６ｂと同じ構造を有する。以下の説明では簡単のため、第１接続アダプタ１６ａおよび第２接続アダプタ１６ｂを接続アダプタ１６と総称する。また、第１パイプ端部２２ａは第２パイプ端部２２ｂと、第１チューブ端部２４ａは第２チューブ端部２４ｂと、それぞれ同じ構造を有する。そこで同様に、第１パイプ端部２２ａおよび第２パイプ端部２２ｂをパイプ端部２２と総称し、第１チューブ端部２４ａおよび第２チューブ端部２４ｂをチューブ端部２４と総称する。なお、必要に応じて、第１接続アダプタ１６ａは第２接続アダプタ１６ｂと異なる構造を有してもよい。

図２は、図１に示すフレキシブル接続管１２の端部の断面を概略的に示す図である。上述のように、接続アダプタ１６は、接続ホース１４を冷凍機の構成要素に接続するために設けられている。接続アダプタ１６は、チューブ端部２４に隣接し、パイプ端部２２に固定されている。フレキシブルパイプ１８は、蛇腹状のパイプ内面１８ａを備え、パイプ内面１８ａとフレキシブルチューブ２０との間には空洞１９が形成されている。

接続アダプタ１６は、チューブ端部２４に接触するテーパ面２６を有する。チューブ端部２４は、テーパ面２６とパイプ端部２２との間に挟み込まれている。チューブ端部２４は、もとの円筒形状から、テーパ面２６に沿う円すい状またはフレア状に変形されている。このようにして、チューブ端部２４は、パイプ端部２２に密着されている。

接続アダプタ１６は、フレキシブルチューブ２０内のガス流路を冷凍機構成要素内の作動ガス室へと連通するための貫通孔２８を有する。よって、貫通孔２８を通じてフレキシブルチューブ２０と冷凍機構成要素との間で作動ガスが流れる（矢印Ａ）。

また、接続アダプタ１６は、接続ホース１４の端部を塞ぐプラグ部材として構成されている。そのため、接続アダプタ１６は、貫通孔２８を囲む外面を有し、この外面に第１ねじ部３０が形成されている。貫通孔２８の延在方向において第１ねじ部３０の一端側に上述のテーパ面２６が形成されている。他端側には、フレキシブルパイプ１８の端面に適合する蓋部３４が形成されている。パイプ端部２２はその先端内面に、第１ねじ部３０に対応する第２ねじ部を備える。第１ねじ部３０を第２ねじ部にねじ込むことにより、接続アダプタ１６は接続ホース１４に固定される。それとともに、テーパ面２６がチューブ端部２４をパイプ端部２２との間に挟み込み、蓋部３４がフレキシブルパイプ１８の端面に接触する。

図３は、あるフレキシブル管の端部の断面を概略的に示す図である。図示されるように、接続アダプタ１６’の端部がチューブ端部２４’に隣接する。この場合、チューブ端部２４’は接続アダプタ１６’にもパイプ端部２２’にも密着されていないので、作動ガスが空洞１９’にリークしうる。とりわけ、フレキシブル管が湾曲された状態では、その湾曲の外周側でチューブ端部２４’が接続アダプタ１６’から離れうる。そうすると、相当の作動ガスがその隙間を通じて空洞１９’にリークする。フレキシブル管の一端で空洞１９’にリークしたガスは管の他端にまで流れうる。本発明者らの研究によると、このようなバイパス流れＢは冷凍性能に影響しうる。とくに、作動ガスの圧力振動の周波数が大きい場合（例えば６０Ｈｚ程度）、バイパス流れＢは冷凍性能を顕著に低下させる。

ところが、上述の実施形態によると、チューブ端部２４が接続アダプタ１６によってパイプ端部２２に密着されているので、空洞１９への作動ガスのリークを防止または軽減し、バイパス流れを抑制することができる。とくに、接続ホース１４が直線状態であるときだけでなく湾曲状態においても、空洞１９への作動ガスのリークを防止または軽減することができる。本発明者らは、剛性接続管を用いる従来型の冷凍機と比較して、上述の実施形態が同等の冷凍性能をもたらすことを実験により検証している。

フレキシブル接続管１２は、空洞１９における圧力がフレキシブルチューブ２０内の作動ガス圧力より低くなるよう構成されていてもよい。そのために、フレキシブルチューブ２０内の作動ガス圧力より低い圧力を有するガスが空洞１９に予め封入されていてもよい。冷凍機の作動圧力、すなわちフレキシブルチューブ２０内の作動ガス圧力は、ふつう、大気圧に比べて顕著に高いので、大気圧またはこれより低い圧力を有するガスが空洞１９に予め封入されていてもよい。このようにすれば、冷凍機作動圧力と空洞内圧力との差圧によってフレキシブルチューブ２０を膨張させ、好ましくは、フレキシブルチューブ２０をパイプ内面１８ａに押し付けることができる。そのため、空洞１９が狭くなり、あるいは、空洞１９が接続ホース１４の途中で遮断され、バイパス流れを抑制することができる。

図４は、他の実施形態に係るフレキシブル接続管１２の端部の断面を概略的に示す図である。図５は、図４に示すフレキシブルパイプ１８とフレキシブルチューブ２０の寸法の関係を説明するための概略図である。次に説明するように、フレキシブルチューブ２０をパイプ内面１８ａに押し付ける方法は、他にも考えられる。

パイプ内面１８ａは、交互に並ぶ複数の凸部３６および複数の凹部３８を有し、この交互配列によって蛇腹状に形成されている。フレキシブルチューブ２０は、複数の凸部３６に接触するチューブ外面２０ａを備える。空洞１９は、複数の凹部３８とチューブ外面２０ａとの間に形成されている。複数の凸部３６は、複数の個別に形成された環状突起であってもよい。あるいは、複数の凸部３６は、１つの連続する螺旋状突起であってもよい。

チューブ端部２４の外径Ｄ１は、パイプ端部２２の内径Ｄ２より大きい。より具体的には、内径Ｄ２は、凸部３６での内径である。チューブ端部２４がパイプ端部２２より太いので、フレキシブルチューブ２０がフレキシブルパイプ１８に挿通されたときチューブ端部２４がパイプ端部２２に押し当てられる。このようにしても、バイパス流れを抑制することができる。

外径Ｄ１と内径Ｄ２との差は、フレキシブルチューブ２０がフレキシブルパイプ１８に挿通可能である程度に小さいことが望ましい。そのために、例えば、チューブ端部２４の外径Ｄ１は、凹部３８での内径より小さくてもよい。あるいは、チューブ端部２４の外径Ｄ１は、凸部３６での内径と凹部３８での内径の平均より小さくてもよい。

こうした寸法の関係は、接続ホース１４の端部だけでなくホース全体に適用されてもよい。すなわち、フレキシブルチューブ２０の外径Ｄ１は、パイプ内面１８ａの凸部３６の内径より大きく、凹部３８の内径またはパイプ内面１８ａの平均径より小さくてもよい。

上述の寸法関係は、図２を参照して説明したテーパ付き接続アダプタ１６の実施形態に適用されてもよい。

図６は、他の実施形態に係るフレキシブル接続管１２の端部の断面を概略的に示す図である。図６には、空洞１９の圧力を冷凍機作動圧力より低く維持するための他の構成を例示する。フレキシブル接続管１２は、空洞１９から接続ホース１４の外（すなわち周囲環境）にガスを排出するためのガス抜きポート４０を備える。ガス抜きポート４０は、空洞１９を接続ホース１４の外に連通する開閉可能な連通孔、及びこの連通孔を塞ぐ閉塞部材を有する。閉塞部材は、連通孔を開閉するために接続ホース１４から取り外し可能である。図示の例では、ガス抜きポート４０が接続ホース１４を径方向に貫通しているが、他の実施形態においては、接続アダプタ１６及び接続ホース１４を貫通するよう軸方向に沿って設けられてもよい。

ガス抜きポート４０を定期的に開くことによって、空洞１９の圧力を周囲圧力（例えば大気圧）に調整することができる。上述のようにチューブ内の圧力はそれより高いので、空洞１９の圧力を低圧に維持することができる。あるいは、ガス抜きポート４０を真空ポンプまたはその他の真空源に接続することにより、空洞１９が真空引きされてもよい。このようにしても、バイパス流れを抑制することができる。また、空洞１９の残留ガスを排出することができるので、コンタミネーションによる冷凍機の性能低下を防止しうる。

ガス抜きポート４０は、図４及び図５を参照して説明したテーパなしの接続アダプタ１７の実施形態に適用されてもよい。この場合、空洞１９への作動ガスのリークを防ぐために、シール部材またはシール機構が、接続アダプタ１７とフレキシブルパイプ１８との間に、及び／または、フレキシブルチューブ２０とフレキシブルパイプ１８との間に、設けられてもよい。

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。

例えば、フレキシブル接続管１２は、スターリング冷凍機だけでなく他の極低温冷凍機にも適用することができる。

図７は、他の実施形態に係る極低温冷凍機１１０の全体構成を概略的に示す図である。極低温冷凍機１１０は、圧縮機１１１、コールドヘッド１１３、及びバルブユニット１１４を備える。バルブユニット１１４は、コールドヘッド１１３から離れて配置される。極低温冷凍機１１０は、パルス管冷凍機であってもよい。上述のフレキシブル接続管１２と同一構成を有してもよいフレキシブル接続管１１２は、バルブユニット１１４をコールドヘッド１１３に接続する。フレキシブル接続管１１２は、コールドヘッド１１３に接続される第１接続アダプタ１１６ａと、バルブユニット１１４に接続される第２接続アダプタ１１６ｂと、を備えてもよい。上述のフレキシブル接続管１２は、圧縮機１１１の吐出口をバルブユニット１１４に接続する高圧配管１１７として、及び／または、バルブユニット１１４を圧縮機２１１の吸入口に接続する低圧配管１１８として、用いられてもよい。

図８は、他の実施形態に係る極低温冷凍機２１０の全体構成を概略的に示す図である。極低温冷凍機２１０は、圧縮機２１１及び膨張機２１３を備える。極低温冷凍機２１０は、ギフォード・マクマホン式の極低温冷凍機であってもよい。極低温冷凍機２１０は、圧縮機２１１の吐出口を膨張機２１３に接続する高圧配管としての第１フレキシブル接続管２１２ａと、膨張機２１３を圧縮機２１１の吸入口に接続する低圧配管としての第２フレキシブル接続管２１２ｂと、を備える。第１フレキシブル接続管２１２ａ及び／または第２フレキシブル接続管２１２ｂとして、上述のフレキシブル接続管１２を用いてもよい。

１０ 極低温冷凍機、 １１ 圧縮機、 １２ フレキシブル接続管、 １３ 膨張機、 １４ 接続ホース、 １６ 接続アダプタ、 １６ａ 第１接続アダプタ、 １６ｂ 第２接続アダプタ、 １８ フレキシブルパイプ、 １８ａ パイプ内面、 １９ 空洞、 ２０ フレキシブルチューブ、 ２０ａ チューブ外面、 ２２ パイプ端部、 ２２ａ 第１パイプ端部、 ２２ｂ 第２パイプ端部、 ２４ チューブ端部、 ２４ａ 第１チューブ端部、 ２４ｂ 第２チューブ端部、 ２６ テーパ面、 ３６ 凸部、 ３８ 凹部、 ４０ ガス抜きポート、 １１０ 極低温冷凍機、 １１１ 圧縮機、 １１２ フレキシブル接続管、 １１３ コールドヘッド、 １１４ バルブユニット、 ２１０ 極低温冷凍機、 ２１１ 圧縮機、 ２１３ 膨張機。

Claims (6)

1. パイプ端部を有するフレキシブルパイプと、前記パイプ端部に密着されているチューブ端部を有し、前記フレキシブルパイプに挿通されているフレキシブルチューブと、を備える接続ホースと、
   前記接続ホースを極低温冷凍機の構成要素に接続するための接続アダプタであって、前記チューブ端部に隣接し、前記パイプ端部に固定されている接続アダプタと、を備え、
   前記接続アダプタは、前記チューブ端部に接触するテーパ面を有し、前記チューブ端部は、前記テーパ面と前記パイプ端部との間に挟み込まれていることを特徴とする極低温冷凍機用フレキシブル接続管。
2. 前記フレキシブルパイプは、交互に並ぶ複数の凸部および複数の凹部を有する蛇腹状のパイプ内面を備え、前記フレキシブルチューブは、前記複数の凸部に接触するチューブ外面を備え、前記接続ホースは、前記複数の凹部と前記チューブ外面との間に形成された空洞を有しており、
   前記フレキシブル接続管は、前記空洞における圧力が前記極低温冷凍機の構成要素から又は該構成要素へと前記フレキシブルチューブ内を流れるガスの圧力より低くなるよう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用フレキシブル接続管。
3. 前記空洞から前記接続ホースの外にガスを排出するためのガス抜きポートを備えることを特徴とする請求項２に記載の極低温冷凍機用フレキシブル接続管。
4. 前記チューブ端部の外径は、前記パイプ端部の内径より大きい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用フレキシブル接続管。
5. 圧縮機と、
   前記圧縮機から離れて配置される膨張機と、
   前記圧縮機を前記膨張機に接続するフレキシブル接続管と、を備え、
   前記フレキシブル接続管は、
   第１パイプ端部および第２パイプ端部を有するフレキシブルパイプと、前記第１パイプ端部および前記第２パイプ端部にそれぞれ密着されている第１チューブ端部および第２チューブ端部を有し、前記フレキシブルパイプに挿通されているフレキシブルチューブと、を備える接続ホースと、
   前記接続ホースを前記圧縮機に接続するための第１接続アダプタであって、前記第１チューブ端部に隣接し、前記第１パイプ端部に固定されている第１接続アダプタと、
   前記接続ホースを前記膨張機に接続するための第２接続アダプタであって、前記第２チューブ端部に隣接し、前記第２パイプ端部に固定されている第２接続アダプタと、を備え、
   前記第１接続アダプタは、前記第１チューブ端部に接触する第１テーパ面を有し、前記第１チューブ端部は、前記第１テーパ面と前記第１パイプ端部との間に挟み込まれ、及び／または、前記第２接続アダプタは、前記第２チューブ端部に接触する第２テーパ面を有し、前記第２チューブ端部は、前記第２テーパ面と前記第２パイプ端部との間に挟み込まれていることを特徴とする極低温冷凍機。
6. コールドヘッドと、
   前記コールドヘッドから離れて配置されるバルブユニットと、
   前記コールドヘッドを前記バルブユニットに接続するフレキシブル接続管と、を備え、
   前記フレキシブル接続管は、
   第１パイプ端部および第２パイプ端部を有するフレキシブルパイプと、前記第１パイプ端部および前記第２パイプ端部にそれぞれ密着されている第１チューブ端部および第２チューブ端部を有し、前記フレキシブルパイプに挿通されているフレキシブルチューブと、を備える接続ホースと、
   前記接続ホースを前記コールドヘッドに接続するための第１接続アダプタであって、前記第１チューブ端部に隣接し、前記第１パイプ端部に固定されている第１接続アダプタと、
   前記接続ホースを前記バルブユニットに接続するための第２接続アダプタであって、前記第２チューブ端部に隣接し、前記第２パイプ端部に固定されている第２接続アダプタと、を備え、
   前記第１接続アダプタは、前記第１チューブ端部に接触する第１テーパ面を有し、前記第１チューブ端部は、前記第１テーパ面と前記第１パイプ端部との間に挟み込まれ、及び／または、前記第２接続アダプタは、前記第２チューブ端部に接触する第２テーパ面を有し、前記第２チューブ端部は、前記第２テーパ面と前記第２パイプ端部との間に挟み込まれていることを特徴とする極低温冷凍機。

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