(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
作動ガスを圧力変動させる圧力振動源と，蓄冷材が充填された蓄冷器と，コールドヘッドと，パルス管と，作動ガスの圧力変動と位置変動との間に位相差を生じさせる第１位相調節機構とを順次直列接続してなり，
上記圧力振動源と上記蓄冷器とを結ぶ第１通路と，上記パルス管と上記第１位相調節機構とを結ぶ第２通路との間には，両通路を結ぶバイパス通路を有すると共に，該バイパス通路の途中にバイパスオリフィスを設け，上記バイパス通路及び上記バイパスオリフィスにより作動ガスの圧力変動と位置変動との間の位相差を調節する第２位相調節機構を構成してなるパルス管冷凍機において，
上記第２位相調節機構は,上記バイパス通路に,該バイパス通路の連通を遮断し,上記バイパス通路を上記第１通路側と上記第２通路側とに区画すると共に,上記バイパス通路の上記第１通路側と上記第２通路側との間で上記作動ガスの圧力変動を伝達するように,上記バイパス通路内において往復動可能な区画体が配されてなることを特徴とするパルス管冷凍機。
【請求項２】
請求項１において，上記バイパス通路には，該バイパス通路を分断する分断シリンダを設けてなり，
該分断シリンダの内部は，往復動可能な上記区画体によって，上記第１通路に連通する第１室と上記第２通路に連通する第２室とに区画されていることを特徴とするパルス管冷凍機。
【請求項３】
請求項１または２において，上記区画体は，伸縮可能なベローズであることを特徴とするパルス管冷凍機。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項において，上記圧力振動源は，上記第１通路に連通する圧縮室と，該圧縮室と外部とを区画する伸縮可能なベローズとよりなることを特徴とするパルス管冷凍機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【技術分野】
本発明は，パルス管冷凍機に関するものであり，特に，圧力振動源とパルス管高温端とをオリフィスを介して直接連通するバイパス通路を設けたダブルインレット型パルス管冷凍機に係るものである。
【０００２】
【従来技術】
従来より，極低温用の冷凍機として，パルス管冷凍機が知られている。パルス管冷凍機は，冷凍機内に充填した作動ガスの圧縮変動と位置変動との位相をずらして振動させることにより，冷却能力を発揮するものである。
【０００３】
かかる従来のパルス管冷凍機としては，図３に示すものがある。
即ち，従来のパルス管冷凍機９１は，冷凍機９１内に充填してあるヘリウム等の作動ガスの圧縮・膨張を繰り返すための圧縮機１０を有する。また，圧縮機１０には，作動ガスと熱交換を行う蓄冷材２０を充填した蓄冷器２を連結してある。蓄冷器２の高温端側，つまり上記圧縮機１０側には，放熱器２８を配設してある。
【０００４】
蓄冷器２における上記圧縮機１０と反対側の低温端は，低温発生部であるコールドヘッド３を介してパルス管４に連結されている。コールドヘッド３は，熱伝導のよい銅等よりなる。また，パルス管４は，中空の管であって，ステンレス鋼等よりなる。
【０００５】
パルス管４は，バッファオリフィス８４を介してバッファタンク５に連結されている。パルス管４の室温側，つまり上記バッファオリフィス８４側には，放熱器４８を配設してある。
【０００６】
上記構成のパルス管冷凍機９１において，圧縮機１０が駆動すると，冷凍機内の作動ガスの圧力変動が生じる。このとき，バッファタンク５及びバッファオリフィス８４の作用により，作動ガスの圧力変動と位置変動との間に位相差が生じる。このため作動ガスは，一方に移動して熱を吸い込み，他方に移動して熱を吐き出す動作を繰り返す。このような動作が蓄冷器２内で連続的に行なわれることにより，コードヘッド３付近で低温を発生する。
【０００７】
パルス管冷凍機は，上記動作により冷凍を発生するものである。ところで，この種のパルス管冷凍機において，冷凍効率を向上させるためには，コールドヘッド付近の作動ガスの圧力変動と位置変動との位相差を最適位相差に制御する必要がある。ところが，図３に示すパルス管冷凍機９１の如き構成であると，作動ガスの圧力変動と位置変動との間に生じる位相差には限界があり，最適位相差に制御することは困難であった。
【０００８】
このような問題を解決して，さらに冷凍能力を向上させるべく，図４に示すごとき構成のダブルインレット型パルス管冷凍機９２が提案されている。
このダブルインレット型パルス管冷凍機９２は，上記通常のパルス管冷凍機９１において，圧縮機１０と蓄冷器２とを結ぶ第１通路８１と，パルス管４とバッファオリフィス８４とを結ぶ第２通路８２との間に，両通路８１，８２を結ぶバイパス通路８３を有する。
【０００９】
そして，該バイパス通路８３には，作動ガスの流量を調整するためのバイパスオリフィス８５を設けている。
このバイパスオリフィス８５を有するバイパス通路８３によって，上記バッファタンク及びバッファオリフィスによって発生される位相差に修正を加えることができる。そのため，上記系内の作動ガスの圧力変動と位置変動との位相差を最適位相差にすることができる。それ故，ダブルインレット型パルス管冷凍機９２は，従来のバイパス通路８３を有していないパルス管冷凍機９１よりも優れた冷凍能力を発揮するとされている。
【００１０】
【解決しようとする課題】
しかしながら，上記従来のダブルインレット型パルス管冷凍機９２においては，次の問題がある。
即ち，上記ダブルインレット型パルス管冷凍機９２は，理想的には優れた冷凍能力を発揮し得る。しかし，実際には，上記バイパス通路８３を設けたことにより，上記蓄冷器２とパルス管４との間において，上記バイパス通路８３を経由して常に一方向に作動ガスが流れる現象（一方向流）が起こる場合がある。
【００１１】
この一方向流が起こった場合には，コールドヘッドへの熱の流入がおこり，冷凍能力が大きく低下し，不安定となる。したがって，ダブルインレット型パルス管冷凍機は，上記作動ガスの圧力変動と位置変動との間の位相差を調整する位相調整機能に優れているものの，冷凍能力の安定性に欠ける。
【００１２】
本発明は，かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので，優れた位相調整機能を保持しつつ，かつ一方向流の発生を防止することができ，信頼性の高い，パルス管冷凍機を提供しようとするものである。
【００１３】
【課題の解決手段】
請求項１の発明は，作動ガスを圧力変動させる圧力振動源と，蓄冷材が充填された蓄冷器と，コールドヘッドと，パルス管と，作動ガスの圧力変動と位置変動との間に位相差を生じさせる第１位相調節機構とを順次直列接続してなり，
上記圧力振動源と上記蓄冷器とを結ぶ第１通路と，上記パルス管と上記第１位相調節機構とを結ぶ第２通路との間には，両通路を結ぶバイパス通路を有すると共に，該バイパス通路の途中にバイパスオリフィスを設け，上記バイパス通路及び上記バイパスオリフィスにより作動ガスの圧力変動と位置変動との間の位相差を調節する第２位相調節機構を構成してなるパルス管冷凍機において，
上記第２位相調節機構は,上記バイパス通路に,該バイパス通路の連通を遮断し,上記バイパス通路を上記第１通路側と上記第２通路側とに区画すると共に,上記バイパス通路の上記第１通路側と上記第２通路側との間で上記作動ガスの圧力変動を伝達するように,上記バイパス通路内において往復動可能な区画体が配されてなることを特徴とするパルス管冷凍機にある。
【００１４】
本発明において最も注目すべきことは，上記バイパス通路に，該バイパス通路内の連通を遮断し，かつバイパス通路内を往復動可能である区画体を配置したことである。
【００１５】
上記圧力振動源は，パルス管冷凍機内部に充填される作動ガスの圧力を変動させるものである。そして，その構造としては，従来技術において示したようにピストンを往復動させるピストンタイプのものを用いることもできるし，また，高圧吐出弁及び低圧吸入弁を備えたコンプレッサーを用いることもでき，少なくとも，作動ガスの圧力を変動させることが必要である。
【００１６】
上記蓄冷器に充填されている蓄冷材としては，例えば，ステンレス鋼，リン酸銅等のメッシュを用いる。
また，上記蓄冷器の高温端側，つまり上記圧力振動源側には，放熱器を配設することが好ましい。これにより効率よく冷凍能力を発揮することができる。
【００１７】
また，上記パルス管は，上記第１相調節機構により発生する熱が振動によりコールドヘッドに伝達されるのを防止するように設けられる中空管である。また，上記パルス管の高温端，つまり上記第１位相調節機構側にも，放熱用の熱交換器を配設することが好ましい。これにより，さらに効率よく冷凍能力を発揮することができる。
【００１８】
上記コールドヘッドは，上記蓄冷器の低温端部と上記パルス管の低温端部との間に設けられている。また，このコールドヘッドは，冷却されるべき被冷却体からの熱を効率よく奪うため，例えば銅のように熱伝導性に優れた材料により構成する。
上記第１位相調節機構は，作動ガスの圧力変動と位置変動との位相差を生じさせるためのものである。位相調節機構として，例えば冷凍機の容積よりも充分大きな容積をもつバッファタンク及びオリフィス等で構成することができる。
【００１９】
そして，上記の如く，上記第１通路と第２通路との間に設けたバイパス通路には，上記区画体と上記バイパスオリフィスが設けてあり，このバイパス通路及びバイパスオリフィスにより上記第２位相調節機構が構成される。第２位相調節機構は，上記第１位相調節機構により生じる作動ガスの圧力変動と位置変動との間の位相差をさらに最適な位相差に修正するものである。
【００２０】
また，上記区画体は，上記バイパス通路内の連通を遮断し，上記バイパス通路を上記第１通路側と上記第２通路側とに区画している。さらに上記区画体は，上記第１通路側の圧力と上記第２通路側の圧力に応じて自由に往復動可能とされる。
【００２１】
次に，本発明における作用につき説明する。
本発明のパルス管冷凍機は，上記バイパス通路を有し，該バイパス通路には，上記区画体を設けてなる。
そのため，上記バイパス通路は，上記区画体によってその連通が遮断され，該区画体の前後の作動ガスが行き交うことはない。それ故，バイパス通路を設けてあっても，蓄冷器とパルス管との間にバイパス通路を経由して一方向流が発生するという従来の不具合を確実に防止することができる。
【００２２】
さらに，上記区画体は，バイパス通路の内部を往復動可能に配置される。そのため，上記区画体の前後における，作動ガスの振動は，上記区画体の移動によってその前後に確実に伝えることができる。即ち，上記バイパス通路においては，上記区画体の存在によって，上記一方向流の発生を確実に防止しつつ，上記作動ガスの振動の伝達を行なうことができる。
【００２３】
そして，上記バイパス通路には，上記バイパスオリフィスを設けている。このバイパスオリフィスは，従来のダブルインレット型の場合と同様に，バイパス通路における作動ガスの流量を制御する。この流量の制御により修正される作動ガスの圧力変動と位置変動との間の位相差は，上記区画体を介して，その前後に確実に伝達される。
【００２４】
このように，本発明においては，上記バイパスオリフィスおよび上記区画体を有するバイパス通路で構成される第２位相調節機構を設けることによって，従来のダブルインレット型と同様に，作動ガスの圧力変動と位置変動との間に最適な位相差を実現することができる一方，上記一方向流の発生を確実に防止することができる。
それ故，本発明のパルス管冷凍機によって得られる冷凍能力は，一層向上し，また安定した状態となる。
【００２５】
また，請求項２の発明のように，上記バイパス通路に分断シリンダを設け，分断シリンダの内部に，往復動可能な区画体を設け，この区画体により，上記第１通路に連通する第１室と上記第２通路に連通する第２室とを区画するよう構成することもできる。この場合には，上記区画体は上記分断シリンダ内を往復することになり，区画体の往復動作が安定する。
【００２６】
また，請求項３の発明のように，上記区画体は，伸縮可能なベローズにより構成することができる。この場合には，摺動部を設けることなく区画体が往復動可能となる。そのため，区画体の往復動の抵抗を極力小さくすることができる。
【００２７】
また，請求項４の発明のように，上記圧力振動源は，上記第１通路に連通する圧縮室と，該圧縮室と外部とを区画する伸縮可能なベローズとより構成することができる。この場合には，該ベローズを伸縮することによって上記作動ガスの圧縮・膨張を発生させることができる。これにより，従来の摺動型ピストンタイプの場合におけるシール材の摩耗による作動ガス汚染等を防止することができる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
実施形態例１
本発明の実施形態例にかかるパルス管冷凍機につき，図１を用いて説明する。
本例のパルス管冷凍機１は，図１に示すごとく，作動ガスの圧力変動を発生させるための圧縮機１０と，蓄冷材２０を充填した蓄冷器２と，極低温を発生するコールドヘッド３と，中空状のパルス管４と，作動ガスの流量を調節するためのバッファオリフィス８４と，バッファタンク５とを順次直列に連結してなる。ここで，圧縮機１０が本発明における圧力振動源に，バッファオリフィス８４及びバッファタンク５が本発明における第１位相調節機構に相当する。
【００２９】
そして，圧縮機１０と蓄冷器２とを結ぶ第１通路８１と，パルス管４と上記バッファオリフィス８４とを結ぶ第２通路８２との間には，両通路８１，８２を結ぶバイパス通路８３を有する。該バイパス通路８３には作動ガスの流量を調整するためのバイパスオリフィス８５を設けてなる。ここで，バイパス通路８３及びバイパスオリフィス８５が本発明における第２位相調節機構に相当する。
【００３０】
また，バイパス通路８３には，該バイパス通路８３を分断する分断シリンダ６を，バイパスオリフィス８５と上記第１通路８１との間に設けている。
該分断シリンダ６の内部は，往復移動可能な区画体７によって，第１通路８１に連通する第１室６１と第２通路８２に連通する第２室６２とに区画されている。
【００３１】
以下，これを詳述する。
上記圧縮機１０は，図１に示すごとく，本体部１１と該本体部１１内にピストンリング１２１を介して摺動可能に配設したピストン１２とよりなる。そして，このピストン１２を往復動させることにより，ピストン１２と本体部１１とにより形成されている圧縮室１３内の作動ガスを圧縮・膨張するよう構成されている。
【００３２】
また，図１に示すごとく，上記蓄冷器２，コールドヘッド３，パルス管４，バッファオリフィス８４，及びバッファタンク５については，従来例と同様である。そして，上記蓄冷器２及びパルス管４の室温側には，放熱用の熱交換器２８，４８を設けてある。
また，バイパス通路８３にバイパスオリフィス８５を設けてある。
【００３３】
バイパス通路８３における分断シリンダ６は，図１に示すごとく，伸縮可能なベローズよりなる区画体７を有する。区画体７のパルス管高温端側には，上記第２通路８２側に連通した第１室６２が形成されており，一方，区画体７の蓄冷器高温端側には，上記第１通路８１側に連通した第２室６１が形成されている。そして，区画体７が伸縮することによって，第１室８１及び第２室８２の容積が変化するように構成されている。
【００３４】
次に，本例におけるパルス管冷凍機の作動について説明する。
まず，圧縮機１０が駆動してピストン１２が往復動すると，圧縮室１３内の作動ガスが周期的に高圧状態から低圧状態への圧力変動を繰り返す。この周期的な圧力変動は，圧縮室１３に連通しているパルス管冷凍機１内の作動ガスに伝達され，系内の作動ガスも圧力変動を起こす。
【００３５】
このとき，バッファタンク５及びバッファオリフィス８４で構成される第１位相調節機構と，バイパス通路８３及びバッファオリフィス８５で構成される第２位相調節機構との作用により，系内の作動ガスの圧力変動と位相変動との位相差が，コールドヘッド３の部分において最適位相差となるように調節される。これにより，コールドヘッド３内の熱が蓄冷器２側に受け渡され，コールドヘッド３において極低温を発生する。
【００３６】
本例のパルス管冷凍機１においては，上記バイパス通路８３に分断シリンダ６を設けてある。さらに，分断シリンダ６には，伸縮可能なベローズよりなる区画体７がその内部に配されており，この区画体７により分断シリンダ６内を第１室６１と第２室６２とに区画している。このためバイパス通路８３内を流れる作動ガスは区画体７によりせき止められ，第１室６１と第２室６２とで作動ガスが行き交うことはない。それ故，バイパス通路８３を設けてあっても，蓄冷器２とパルス管４との間に一方向流が発生することがない。
【００３７】
さらに，区画体７は，ベローズより構成されているため，第１室６１と第２室６２とで圧力差が生じた場合には伸縮し，両室間における圧力変化（圧力変動）は伝達可能である。例えば，第１室６１が第２室６２よりも高圧であった場合，ベローズが縮み，第２室６２の容積が減少される。このため第２室６２も高圧状態となる。また逆に，第２室６２が第１室６１よりも高圧であった場合，ベローズが伸び，第１室６１の容積が減少される。このため第１室６１も高圧となる。
【００３８】
即ち，バイパス通路８３においては，区画体７の存在によって，一方向流の発生を確実に防止しつつ，圧力変動の伝達を行なうことができる。このため，バイパス通路８３及びバイパスオリフィス８４によって構成される第２位相調節機構は，作動ガスの圧力変動と位置変動との間の位相差を調節する機能を損なうことなく，かつバイパス通路８３を通る一方向流を遮断してコールドヘッドの熱流入を防止することができる。よって，従来よりも一層冷凍能力が安定し，向上する。
【００３９】
実施形態例２
本例のパルス管冷凍機１０４においては，図２に示すごとく，実施形態例１における圧縮機１０に代えて，伸縮可能なベローズ１２４を用いた圧縮機１４を用いた。即ち，圧縮機１４は，第１通路８１に連通する圧縮室１３と，該圧縮室１３と外部とを区画する伸縮可能なベローズ１２４とより構成した。ベローズ１２４は，ロッド１２５の円板状座板１２６の外周に配設されており，ロッド１２５の往復動により伸縮するように構成されている。
【００４０】
本例においては，上記圧縮機１４及び分断シリンダ６のいずれにおいも，摺動部を排除することができる。そのため，シール材の摩耗による作動ガス汚れを防止することができ，冷凍機の信頼性を向上させることができる。
その他，実施形態例１と同様の効果が得られる。
【００４１】
実施形態例３
本例においては，実施形態例１における圧縮機１０に代えて，高圧吐出弁および低圧吸入弁を備えたコンプレッサを用いた。
この場合には，高圧吐出弁と低圧吸入弁とを交互に開閉することによって圧力変動を生じさせることができる。
その他，実施形態例２と同様の効果が得られる。
【００４２】
【発明の効果】
上述のごとく，本発明によれば，優れた位相調整機能を保持しつつ，かつ一方向流の発生を防止することができ，信頼性の高い，パルス管冷凍機を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態例１のパルス管冷凍機の構成を示す説明図。
【図２】実施形態例２のパルス管冷凍機の構成を示す説明図。
【図３】従来例のパルス管冷凍機の構成を示す説明図。
【図４】従来例における，ダブルインレット型パルス管冷凍機の構成を示す説明図。
【符号の説明】
１，１０４．．．パルス管冷凍機，
２．．．蓄冷器，
２０．．．蓄冷材，
３．．．コールドヘッド，
４．．．パルス管，
５．．．バッファタンク，
６，６０４．．．分断シリンダ，
６１．．．第１室，
６２．．．第２室，
７，７０４．．．区画体，
８１．．．第１通路，
８２．．．第２通路，
８３．．．バイパス通路，
８４．．．バッファオリフィス，
８５．．．バイパスオリフィス，
【図１】
0003674151.tif 000002
【図２】
0003674151.tif 000003
【図３】
0003674151.tif 000004
【図４】
0003674151.tif 000005