(57)【要約】【課題】ディスプレーサの適正な作動を実現して高性能な冷凍機を提供すること。【解決手段】パルス管３とその低温側３２に接続された蓄冷器２とその高温側２２に接続され作動ガスに圧力振動を付与する圧力振動源１１及び１２とパルス管３の高温側３１に一端部４１１が連通する第１シリンダ４１と第１シリンダ４１より小さい断面積をもち蓄冷器２の高温側２１に一端部４２２が連通する第２シリンダ４２とをもつシリンダ４１及び４２と第１シリンダ４１内を往復動する第１ピストン４３と第１ピストン４３に対して反対の変位量で連動して第２シリンダ４２内を往復動する第２ピストン４４とをもつピストン４３及び４４とを有する。第１及び第２シリンダ４１及び４２との断面積を相違させることで、圧力に相違があってもピストン４３及び４４に印加される力を適正に作動するように制御できる。その結果、効率的に冷凍機を運転できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
パルス管と、
前記パルス管の低温側に接続された蓄冷器と、
前記蓄冷器の高温側に接続され作動ガスに圧力振動を付与する圧力振動源と、
前記パルス管の高温側に一端部が連通する第１シリンダと前記第１シリンダとは異なる断面積をもち前記蓄冷器の高温側に一端部が連通する第２シリンダとをもつシリンダと、
前記第１シリンダ内を往復動する第１ピストンと前記第１ピストンに対して反対の変位量で連動して前記第２シリンダ内を往復動する第２ピストンとをもつピストンと、
を有することを特徴とする冷凍機。
【請求項２】
前記第１シリンダ及び前記第２シリンダはそれぞれの他端部側で背向状態にて連結されて同一の空間を区画し、
前記ピストンは前記第１ピストン及び前記第２ピストンを軸方向に相対移動不能に一体化して接続する連結部材をもつ請求項１に記載の冷凍機。
【請求項３】
前記第１ピストンは前記第２ピストンよりも断面積が大きい請求項１又は２に記載の冷凍機。
【請求項４】
前記第１シリンダ及び前記第２シリンダに対して前記第１ピストン及び前記第２ピストンを中立位置に付勢する付勢部材を有する請求項１〜３の何れか１項に記載の冷凍機。
【請求項５】
前記圧力振動源は前記シリンダと前記ピストンとの相対位置を検出するピストン位置検出手段をもち、前記相対位置に基づいて前記作動ガスに圧力振動を付与する請求項１〜４の何れか１項に記載の冷凍機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、いわゆるディスプレーサをもつパルス管を用いた冷凍機に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のＧＭ型パルス管冷凍機におけるディスプレーサの構成としては、蓄冷器の高温側とパルス管の高温側とを連絡するシリンダとそのシリンダ内で往復動するピストンとをもつものが開示されている（特許文献１）。この装置のシリンダにおいては蓄冷器側とパルス管側とにおける径が同じである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−８１７７６号公報（図１など）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ディスプレーサを高周波型のパルス管冷凍機に適用する場合には、蓄冷器での圧力損失が大きくなり、ディスプレーサの両端での圧力変動の大きさが大きく異なることになる。そのためにディスプレーサ内に配されるピストンには両側から異なる大きさの圧力を受けることになりディスプレーサ自体が仕事をしたり、ディスプレーサのピストンを通じて仕事の遣り取りをすることになる。ディスプレーサが仕事をするためには外部からのエネルギー投入が必要になって冷凍機のエネルギー効率が低下したり、仕事の遣り取りが生起する結果、冷凍機の性能が十分に発揮できなかったりする。
【０００５】
本発明は上記実情に鑑み為されたものであり、ディスプレーサの適正な作動を実現することにより高性能な冷凍機を提供することを解決すべき課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決する請求項１に係る冷凍機の特徴は、パルス管と、
前記パルス管の低温側に接続された蓄冷器と、
前記蓄冷器の高温側に接続され作動ガスに圧力振動を付与する圧力振動源と、
前記パルス管の高温側に一端部が連通する第１シリンダと前記第１シリンダとは異なる断面積をもち前記蓄冷器の高温側に一端部が連通する第２シリンダとをもつシリンダと、
前記第１シリンダ内を往復動する第１ピストンと前記第１ピストンに対して反対の変位量で連動して前記第２シリンダ内を往復動する第２ピストンとをもつピストンと、
を有することにある。なお、第１及び第２シリンダの断面積とは作動ガスが流れる方向に直交する方向における断面積である。ここで、「第１ピストン及び第２ピストンの変動量は反対になっている」とは、第１ピストンが第１シリンダ内を拡張する方向に変位したときには第２ピストンは第２シリンダ内を縮小する方向に同じ大きさだけ変位し、反対に、第２ピストンが第２シリンダ内を拡張する方向に変位したときには第１ピストンは第１シリンダ内を縮小する方向に同じ大きさだけ変位することを意味する。
【０００７】
上記課題を解決する請求項２に係る冷凍機の特徴は、請求項１において、前記第１シリンダ及び前記第２シリンダはそれぞれの他端部側で背向状態にて連結されて同一の空間を区画し、
前記ピストンは前記第１ピストン及び前記第２ピストンを軸方向に相対移動不能に一体化して接続する連結部材をもつことにある。
【０００８】
上記課題を解決する請求項３に係る冷凍機の特徴は、請求項１又は２において、前記第１ピストンは前記第２ピストンよりも断面積が大きいことにある。
【０００９】
上記課題を解決する請求項４に係る冷凍機の特徴は、請求項１〜３の何れか１項において、前記第１シリンダ及び前記第２シリンダに対して前記第１ピストン及び前記第２ピストンを中立位置に付勢する付勢部材を有することにある。
【００１０】
上記課題を解決する請求項５に係る冷凍機の特徴は、請求項１〜４の何れか１項において、前記圧力振動源は前記シリンダと前記ピストンとの相対位置を検出するピストン位置検出手段をもち、前記相対位置に基づいて前記作動ガスに圧力振動を付与することにある。
【発明の効果】
【００１１】
請求項１に係る発明においては、第１シリンダと第２シリンダとの断面積を相違させることで、第１及び第２シリンダ内の圧力に相違があっても、ピストンに印加される力を適正に作動するように制御することが可能になる。
【００１２】
請求項２に係る発明においては、第１及び第２シリンダを連結して一体化することにより、作動ガスが系外に漏れ出すことが防止できると共に。第１及び第２ピストンの接続も簡単な構成で容易に行うことができる。
【００１３】
請求項３に係る発明においては、パルス管の高温側に接続されて蓄冷器による圧力低下により第２ピストンよりも相対的に低圧力である第１ピストンの断面積を第２ピストンの断面積よりも大きくすることにより、ピストン全体として印加される力を釣り合うようにすることで、ピストンにて消費される仕事を低減させることができる。
【００１４】
請求項４に係る発明によれば、付勢部材を設けることにより、ピストンを適正に作動させることが可能になる。
【００１５】
請求項５に係る発明においては、ピストンの位置に応じて圧力振動源を制御することにより、パルス管内での作動ガスの圧力変動及び圧力分布を適正化することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】実施例の冷凍機の概念模式図である。
【図２】変形例の冷凍機の概念模式図である。
【図３】変形例の冷凍機の概念模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明の冷凍機について以下実施形態に基づき詳細に説明する。本実施形態の冷凍機はパルス管と蓄冷器と圧力振動源とディスプレーサに相当するシリンダ及びピストンとを有する。パルス管と蓄冷器とはそれぞれの低温側で接続されている。蓄冷器は内部に蓄冷材が充填されている。パルス管と蓄冷器との間には熱交換器を介設することもできる。パルス管と蓄冷器とは内径が異なることが普通なので（蓄冷器の方がパルス管よりも径が大きい）、両者の間に内面がテーパ状となった内部空間をもつ接続部材を介設することができる。両者の内径が異なる場合に、蓄冷器とパルス管とのそれぞれの端部に熱交換器を設けることができる。その場合には接続部材を熱交換器の間に介設する。接続部材は内部に作動ガスの流れを制御するガイド部材をもつことができる。ガイド部材は作動ガスの流れが均等になるようにする形状にすることができる。例えば、ガイド部材として接続部材の内部空間内に配設可能な大きさであって、その形状が接続部材の内部空間と両端の断面積の比率と同等の比率で縮小するような両端部の断面をもつ漏斗状の部材とすることができる。
【００１８】
シリンダは第１シリンダと第２シリンダとをもつ。第１シリンダはパルス管の高温側に一端部が接続され、第２シリンダは蓄冷器の高温側に接続される。第１シリンダと第２シリンダとは断面積が異なる。蓄冷器での圧力損失を考慮すると、パルス管側に接続される第１シリンダ内の圧力が第２シリンダ内の圧力よりも低くなるため、ピストンに加えられる力を同等にするためには、第１シリンダの断面積を第２シリンダの断面積よりも大きくすることが望ましい。第１及び第２シリンダのそれぞれの断面積の大きさは蓄冷器での圧力損失の大きさ、第１及び第２シリンダ内の圧力変動の位相差をそれぞれ考慮した上で、圧力振動の１サイクル内において全体として見た場合に、後述する第１ピストン及び第２ピストンに加わる力が釣り合うように設定することが望ましい。第１シリンダと第２シリンダとは別々の部材にも一体化させることもできる。一体化させる場合にはそれぞれのシリンダの軸方向が平行になるような構成が望ましく、それぞれのシリンダの軸が一致することがより望ましい。例えば、両者を背向状態にて他端部側で接続する。
【００１９】
ピストンは第１ピストンと第２ピストンとをもつ。第１ピストンは第１シリンダ内にて往復動し、第２ピストンは第２シリンダ内にて往復動する。第１ピストン及び第２ピストンは同じ変位量で連動している。第１ピストン及び第２ピストンを連動させる方法は特に限定しない。例えば、第１シリンダ及び第２シリンダを背向状態にて接続した上で、両者の間を接続する連結部材を採用することができる。連結部材は第１ピストン及び第２ピストンを各シリンダの軸方向に相対移動不能に一体化させる部材である。更には完全に第１ピストン及び第２ピストンを一体化することもできる。その他には、第１ピストン及び第２ピストンは第１及び第２シリンダ内にてそれぞれ区画する空間が縮小する方向に付勢されており、その上で、両ピストンの間を互いに背面側に引っ張るようにワイヤなどにて接続するような構成を採用することもできる。また、第１ピストン及び第２ピストンはシリンダ内で中立位置に向けて付勢されることが望ましい。ピストンの付勢は付勢部材により行うことができる。付勢部材はバネなどの弾性体により実現できる。バネを配置する位置としては第１シリンダと第１ピストンとで区画する空間内、並びに、第２シリンダと第２ピストンとで区画する空間内のそれぞれに配置することができる。また、第１ピストン及び第２ピストンを接続する連結部材を採用し、シリンダなどとその連結部材との間をフレクシャベアリングにて接続する構成が挙げられる。更に、ピストンはモータなどの駆動源により駆動されることで変位量が調節されるような構成を採用できる。積極的に変位を制御する構成を採用することにより、冷凍機の性能が向上できる。ここで、駆動源を設けることにより、エネルギーは消費するものの、前述したように、各シリンダの断面積を異なるものとして適正化しているために、投入するエネルギーは少なくて済む。第１ピストン４３及び第２ピストン４４の周部分にはシリンダ４１及び４２との間での密閉性を付与することができるシール部材を配設されることも可能である。
【００２０】
圧力振動源は蓄冷器の高温側に接続される。圧力振動源は作動ガスの圧力を振動させる。圧力の振動方法は特に限定しないが、シリンダとピストンとを組み合わせ、ピストンを駆動源により駆動することによる方法、高圧源と低圧源とを用意し、交互に切り替えることにより、圧力振動を生起する方法がある。高圧源及び低圧源はポンプの吸入側（低圧源）と吐出側（高圧源）とを用いることができる。作動ガスへの圧力振動の付与は前述したピストンとシリンダとの相対位置（位相）に応じて制御することができる。
【００２１】
（実施例１）
（構成）
本発明の冷凍機について実施例に基づき以下詳細に説明する。なお、本実施例にて用いる図面は模式図であり、その縮尺や細部の構造については必ずしも正確でない場合がある。本実施例のパルス管冷凍機は、図１に示すように、圧力振動源１１及び１２と蓄冷器２とパルス管３とシリンダ４１及び４２とピストン４３及び４４とと熱交換器５１及び５２と接続部材６とを有する。
【００２２】
蓄冷器２とパルス管３とはそれぞれの低温側２２及び３２にて熱交換器５１及び５２並びに接続部材６を介して接続される。圧力振動源１１及び１２は配管７１により蓄冷器２の高温側２１に接続される。シリンダ４１及び４２は、パルス管３の高温側３１に一端部４１１が配管７２を介して接続された第１シリンダ４１と蓄冷器２の高温側２１に配管７３を介して一端部４２２が接続された第２シリンダ４２とをもつ。第１シリンダ４１及び第２シリンダ４２は背向状態で配設されており、それぞれの他端部側にて一体化されて内外を区画している。第１シリンダ４１及び第２シリンダ４２はその断面積が異なっている。断面積については後に詳しく説明する。
【００２３】
ピストン４３及び４４は全体として第１シリンダ４１及び第２シリンダ４２にて区画される空間内に配設される。ピストン４３及び４４は、第１シリンダ４１内に摺動自在に配設された第１ピストン４３と、第２シリンダ４２内に摺動自在に配設された第２ピストン４４とを有する。両ピストン４３及び４４は連結部材４５にて一体化されている。ピストン４３及び４４の位置はピストン位置検出手段８により検出される。両ピストン４３及び４４共にシリンダ４１及び４２との間の密閉性を向上するシール部材４３１及び４４１が周設されている。
【００２４】
圧力振動源１１及び１２はシリンダ１１とピストン１２と図示しない動力源とをもつ。ピストン１２はシリンダ１１内にて摺動可能に配されており、動力源によりシリンダ１１内を往復運動させられることにより、作動ガスが配管７１を介してシリンダ１１内と蓄冷器２及び第２シリンダ４２内との間を移動する。ピストン１２を駆動する際の位相はピストン位置検出手段８により検出されたピストン４３及び４４の位置に応じて決定することもできる。つまり、圧力振動源１１及び１２により生成される作動ガスの圧力振動の位相とパルス管３内の作動ガスの位相（ピストン４３及び４４の位置により推定できる）との位相差が適正になるように制御する。
【００２５】
蓄冷器２には蓄冷材が充填されている。低温端２２には第１熱交換器５１が接続される。第１熱交換器５１は蓄冷器２とほぼ同径である。パルス管３は低温端３２に第２熱交換器５２が接続される。パルス管３は蓄冷器２よりも径が小さい。第１熱交換器５１及び第２熱交換器５２の間は接続部材６により接続される。接続部材６は、第１熱交換器５１に接続される一端部側６１１と第２熱交換器５２に接続される他端部側６１２とをもつ外筒部材６１とガイド部材６２とをもつ。外筒部材６１は一端部側６１１が第１熱交換器５１とほぼ同径であり、他端部側６１２が第２熱交換器５２と同径である。ガイド部材６２は薄板から形成され、外筒部材６１と同様に一端部側６１１から他端部側６１２に向けて縮径される漏斗状の部材である。ガイド部材６２は、外筒部材６１の内部に固定される。
【００２６】
（作用効果）
以上の構成を有することから本実施例の冷凍機は以下の作用効果を有する。すなわち、圧力振動源１１及び１２により生成した圧力振動は第２シリンダ４２と蓄冷器２の高温側２１とに入力される。蓄冷器２内には蓄冷材が充填されているため、一定の圧力損失が生じる。そのためにパルス管３の高温側３１に接続された第１シリンダ４１内の圧力は概ねその圧力損失の値だけ小さくなる。ここで、第１シリンダ４１と第２シリンダ４２との断面積を異なる大きさにしているため、その圧力差に影響されずに適正にピストン４３及び４４をシリンダ４１及び４２内を移動（振動）させることができる。ここで、第１シリンダ４１内の圧力振幅をＰ１、第２シリンダ４２内の圧力振幅をＰ２（Ｐ１よりも小さい）、第１シリンダ４１の断面積をＳ１、第２シリンダ４２の断面積をＳ２とすると、理想としてはＰ１×Ｓ１＝Ｐ２×Ｓ２となるように設定されていることが望ましい。ここで、Ｐ１及びＰ２のそれぞれの値の変動の位相が同一であれば、蓄冷器２における圧力損失の割合を考慮して両者の断面積Ｓ１及びＳ２の比を決定できるが、Ｐ１及びＰ２それぞれの値はある程度の位相差を有した状態（例えば、第１シリンダ４１内の圧力変動が第２シリンダ４２内の圧力変動よりも遅れて変動することがある）で変動しているため、Ｐ１及びＰ２それぞれの値の１サイクル中における最大値又は実効値を用いてＳ１及びＳ２の比を決定することもできる。
【００２７】
以上説明したように、蓄冷器２の高温側２１及びパルス管３の高温側３１の間の圧力差には位相差があるために、所定の位相範囲においてはＰ１×Ｓ１の値がＰ２×Ｓ２よりも大きくなってピストン４３及び４４が第２シリンダ４２側（図面左方）に押圧され、その他の所定の位相範囲においてはＰ１×Ｓ１の値がＰ２×Ｓ２よりも小さくなってピストン４３及び４４が第１シリンダ４１側（図面右方）に押圧される。この場合に、断面積Ｓ１及びＳ２の大きさが異なるために、作動ガスの圧力振動の１サイクルの間で外部からのエネルギー投入量を減少することができ、冷凍機を効率的に運転することができる。特に、断面積Ｓ１及びＳ２の比を圧力振動の１サイクル中の平均値にて決定している場合には、１サイクル内においてエネルギー投入量を最小化することが可能になる。
【００２８】
（変形例）
本変形例の冷凍機は、図２に示すように、第１シリンダ４１内に配設した付勢部材としてのコイルバネ９１と、第２シリンダ４２内に配設した付勢部材としてのコイルバネ９２とを有する以外は実施例と同様の構成をもつ。なお、同一の部材には同一の符号を付している。コイルバネ９１はピストン４３の頂面と第１シリンダ４１の内壁との間にて圧縮されるように配設され、コイルバネ９２はピストン４４の頂面と第２シリンダ４２の内壁との間にて圧縮されるように配設される。コイルバネ９１及び９２はピストン４３及び４４を介して付勢力を伝達し、その付勢力が釣り合う位置（中立位置）にピストン４３及び４４が移動することになる。ここで、中立位置は外部から入力される作動ガスによって変化する位置である。中立位置は圧力振動源１１及び１２から入力される作動ガスの位相に対して、望ましい位置になるように設定する。中立位置（釣り合いの位置）はコイルバネ９１及び９２のバネ定数を調節することにより調節できる。付勢部材９１及び９２を設けたことにより作動ガスの圧力振動に対し、ピストン位置（位相）の追従性を向上することができる。
【００２９】
ここで、コイルバネ９１及び９２に代えて（加えて）、付勢部材としてのフレクシャベアリング９３を採用することができる（図３）。フレクシャベアリング９３は連結部材４５とシリンダ４１及び４２との間を接続している。ピストン４３及び４４とシリンダ４１及び４２との間に生じる変位の大きさに応じて、ピストン４３及び４４の変位を戻す方向に付勢する。
【符号の説明】
【００３０】
１１…圧力振動源（シリンダ）    １２…圧力振動源（ピストン）
２…蓄冷器２    ２１…高温側    ２２…低温側
３…パルス管    ３１…高温側    ３２…低温側
４１…シリンダ（第１シリンダ)    ４２…シリンダ（第２シリンダ）    ４３…ピストン（第１ピストン）    ４４…ピストン（第２ピストン）    ４３１、４４１…シール部材
５１、５２…熱交換器
６…接続部材    ６１…外筒部材    ６２…ガイド部材
７１、７２、７３…配管
８…ピストン位置検出手段
９１、９２…コイルバネ    ９３…フレクシャベアリング
【図１】
2010175117.tif 000003
【図２】
2010175117.tif 000004
【図３】
2010175117.tif 000005