(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧力の変動を発生させる機構を有する圧力振動源と、前記圧力振動源に連結され、少なくとも蓄冷器とコールドヘッドとパルス管とを直列接続してなる寒冷発生器と、
前記寒冷発生器の前記パルス管の温端部側に結合され、作動ガスの圧力変動と作動ガスの動きとの間の位相を調節する第１位相調節機構と、
前記寒冷発生器の両側端をバイパス配管で連結し、前記バイパス配管の途中に流量調節機構を設けてなる第２位相調節機構と、
を有し、前記蓄冷器温端部側と前記寒冷発生器内の圧力変動の平均圧力より低い圧力に保持された低圧圧力源とを流量調節機構を介して連結したことを特徴とする、パルス管冷凍機。
【請求項２】
請求項１のパルス管冷凍機において、前記圧力振動源として、ガス圧縮機と、該ガス圧縮機の吐出側に高圧バルブを介して配される高圧側配管と、前記ガス圧縮機の戻り側に低圧バルブを介して配される低圧側配管とで構成し、前記低圧圧力源を前記低圧側配管としたことを特徴とする、パルス管冷凍機。
【請求項３】
請求項２のパルス管冷凍機において、前記寒冷発生器の前記パルス管の温端部側と前記圧力振動源の前記高圧側配管とを流量調節機構を介して連結したことを特徴とする、パルス管冷凍機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、作動ガスの流速度の変動と圧力の変動との位相を調節する位相調節機構を備えるパルス管冷凍機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のパルス管冷凍機は、ガス圧縮機等の圧力振動源と、蓄冷器、コールドヘッド、パルス管とを直列接続してなる寒冷発生器と、パルス管の温端部に結合され、作動ガスの圧力変動と作動ガスの動きとの間の位相を調節する位相調節機構とを備えたものである。このようなパルス管冷凍機はオリフィス型、ダブルピストン型、ダブルインレット型等に大別されるが、図４に基づいてダブルインレット型のパルス管冷凍機の構成について説明する。
【０００３】
図４において、圧力振動源１は、ガス圧縮機２、高圧側配管３、高圧バルブ４、低圧バルブ５、低圧側配管６により構成されている。寒冷発生器７は、放熱器８、蓄冷器９、コールドヘッド１０、パルス管１１、熱交換器１２の順に連結されて構成されている。また圧力振動源１の高圧側配管３と低圧側配管５との合流点には第１導管１５が設けられ、この第１導管１５と寒冷発生器７の放熱器８とが連結結合されている。寒冷発生器７の熱交換器１２は、バッファバルブ１４付の第２導管１６を介してキャパシタとしてのバッファタンク１７に連結される。
【０００４】
ここで、バッファバルブ１４、第２導管１６、バッファタンク１７により、作動ガスの圧力と動きとの位相を調節する第１位相調節機構１３が構成される。第１導管１５は、バイパスバルブ１９付のバイパス配管２０を介して第２導管１６に連結される。ここで、バイパスバルブ１９及びバイパス配管２０により作動ガスの圧力と動きとの位相を調節する第２位相調節機構１８が構成される。
【０００５】
このように構成したパルス管冷凍器において、高圧バルブ４及び低圧バルブ５の開閉動作を調節することにより、寒冷発生器内の作動ガスが圧縮、膨張を繰り返す。このとき作動ガスの圧力変動と作動ガスの動きとの間の位相を第１位相調節機構１３及び第２位相調節機構１８により調節して位相差を生じさせ、冷凍を発生する。ダブルインレット型のパルス管冷凍機は、第１位相調節機構１３及び第２位相調節機構１８により位相を調節できるために従来の第１位相調節機構しか持たないオリフィス型パルス管冷凍機のものよりも位相差の可変範囲を広くとれるため、効率の良い冷凍が可能である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、最近の研究により、ダブルインレット型のパルス管冷凍機において、寒冷発生器とバイパス配管との間で作動ガスの循環流的な流れがあることが判明した。即ち、作動ガスの基本的な動きは、作動ガスの圧縮行程、膨張行程に伴い寒冷発生器内を往復運動する。このような往復動流をさらに局所的にみてみると、作動ガスは、寒冷発生器内で往復動を繰り返しながら徐々に放熱器側から熱交換器側へと移動し、やがて、寒冷発生器から押し出される。寒冷発生器から押し出された作動ガスはバイパス配管に流れ込み、往復動を繰り返しながら徐々に移動して再び寒冷発生器の放熱器側に入り込む。このような流れは、定常的な往復動流の他に、寒冷発生器内を蓄冷器側からパルス管側へと流れる循環流が合成されてできたものと考えられる。このような循環流は、寒冷発生器の高温部から低温部へと熱を運んでくることになり、これが冷凍機の能力を低下させていることがわかった。
【０００７】
故に、本発明は、寒冷発生器内で生じる循環流の発生を防止し、冷凍機の能力をさらに向上させることを、その技術的課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記技術的課題を解決するために請求項１の発明において講じた技術的手段（以下、第１の技術的手段と称する。）は、圧力の変動を発生させる機構を有する圧力振動源と、
前記圧力振動源に連結され、少なくとも蓄冷器とコールドヘッドとパルス管とを直列接続してなる寒冷発生器と、
前記寒冷発生器の前記パルス管の温端部側に結合され、作動ガスの圧力変動と作動ガスの動きとの間の位相を調節する第１位相調節機構と、
前記寒冷発生器の両側端をバイパス配管で連結し、前記バイパス配管の途中に流量調節機構を設けてなる第２位相調節機構と、
を有し、前記蓄冷器温端部側と前記寒冷発生器内の圧力変動の平均圧力より低い圧力に保持された低圧圧力源とを流量調節機構を介して連結したことを特徴とする、パルス管冷凍機としたことである。
【０００９】
上記第１の技術的手段において、寒冷発生器内の変動圧力の平均値を常時一定に保つため、低圧圧力源に供給された作動流体を再びパルス管冷凍機に戻してやる方法、外部から新たに作動ガスをパルス管冷凍機に供給してやる方法等があるが、この方法は特に限定される必要はなく、寒冷発生器の変動圧力の平均値を常時一定に保つ方法であれば、どのようなものでもよい。
【００１０】
上記技術的課題を解決するために請求項２の発明において講じた技術的手段（以下、第２の技術的手段と称する。）は、請求項１のパルス管冷凍機において、前記圧力振動源として、ガス圧縮機と、該ガス圧縮機の吐出側に高圧バルブを介して配される高圧側配管と、前記ガス圧縮機の戻り側に低圧バルブを介して配される低圧側配管とで構成し、前記低圧圧力源を前記低圧側配管としたことを特徴とする、パルス管冷凍機としたことである。
【００１１】
上記技術的課題を解決するために請求項３の発明において講じた技術的手段（以下、第３の技術的手段と称する。）は、請求項２のパルス管冷凍機において、前記寒冷発生器の前記パルス管の温端部側と前記圧力振動源の前記高圧側配管とを流量調節機構を介して連結したことを特徴とする、パルス管冷凍機としたことである。
【００１４】
【作用】
上記第１の技術的手段によれば、蓄冷器の温端部側と、低圧圧力源とを流量調節機構を介して連結した。また低圧圧力源は、寒冷発生器内の圧力変動の平均圧力よりも低い圧力に保持されているものとした。これにより、従来のダブルインレット型パルス管冷凍機よりも優れた冷凍能力を発揮した。これは、蓄冷器の温端部側と低圧圧力源が連結され、かつ低圧圧力源の圧力は寒冷発生器の変動圧力の平均よりも低いために、寒冷発生器内を蓄冷器側からパルス管側に流れる循環流が、蓄冷器から低圧圧力源へと引き戻されることによって循環流が抑制されるものと考えられる。
【００１５】
上記第２の技術的手段によれば、上記第１の技術的手段におけるパルス管冷凍機において、圧力振動源として、ガス圧縮機と、ガス圧縮機の吐出側に高圧バルブを介して配される高圧側配管と、ガス圧縮機の戻り側に低圧バルブを介して配される低圧側配管とで構成した。また低圧側配管と蓄冷器温端部側とを流量調節機構を介して連結した。これは、上記第１の技術的手段における圧力振動源の具体的構成を示したもので、特に、圧力振動源として切換バルブ方式を採用したものに適用できることを示している。その作用は第１の技術的手段におけるものと同一である。
【００１６】
上記第３の技術的手段によれば、上記第２の技術的手段に加え、パルス管の温端部側と圧力振動源の高圧側配管とを流量調節機構を介して連結した。これにより、従来のダブルインレット型パルス管冷凍機よりも優れた冷凍能力を発揮した。これは、寒冷発生器内を蓄冷器側からパルス管側に流れる循環流が、上記第２の技術的手段により蓄冷器から低圧側配管に引き戻されると共に、高圧側配管とパルス管温端部とを連結したことにより作動ガスが高圧側配管からパルス管に入り、蓄冷器側へと移動していく。そのため循環流の低圧側配管への引き戻しが促され、循環流が抑制されるものと考えられる。
【００１９】
【実施例】
以下、本発明の実施例を添付図面に基づいて説明するが、図６の従来例と同一構成部分については図６に用いたものと同符号を記す。
【００２０】
図１の第１実施例において、圧力振動源１は、ガス圧縮機２、高圧側配管３、高圧バルブ４、低圧バルブ５、低圧側配管６により構成されている。寒冷発生機７は、放熱器８、蓄冷器９、コールドヘッド１０、パルス管１１、熱交換器１２の順に連結されて構成されている。放熱器８は、蓄冷器９の温端部側、即ちコールドヘッド１０が接続されている方の端部と反対側の端部に接続される。熱交換器１２は、パルス管１１の温端部側、即ちコールドヘッド１０が接続されている方の端部と反対側の端部に接続される。また圧力振動源１の高圧側配管３と低圧側配管５との合流点には第１導管１５が設けられ、この第１導管１５と寒冷発生器７の放熱器８とが連結結合されている。寒冷発生器７の熱交換器１２は、バッファバルブ１４付の第２導管１６を介してキャパシタとしてのバッファタンク１７に連結される。ここで、バッファバルブ１４、第２導管１６、バッファタンク１７により、作動ガスの圧力と動きとの位相を調節する第１位相調節機構１３が構成される。第１導管１５は、バイパスバルブ１９付のバイパス配管２０を介して第２導管１６に連結される。ここで、バイパスバルブ１９及びバイパス配管２０により作動ガスの圧力と動きとの位相を調節する第２位相調節機構１８が構成される。またバイパス配管２０と圧力振動源１の低圧側配管６とは、第１戻りバルブ２１を介して第１戻り配管２２により連結されている。第１戻りバルブ２１は、第１戻り配管２２内を通るガスの流量を調節する機能を有する。
【００２１】
このように構成されたパルス管冷凍機において、低圧バルブ５を閉じて、高圧バルブ４を開くと、ガス圧縮機からヘリウム等の作動ガスが寒冷発生器内に流れ込み、圧力が上昇する。このため作動ガスは、放熱器８、蓄冷器９、コールドヘッド１０、パルス管１１の夫々の位置で振動しながら熱を吐き出す。一方、高圧バルブ４を閉じて、低圧バルブ５を開くと、寒冷発生器内のヘリウム等のガスの圧力が下がり、作動ガスは、放熱器８、蓄冷器９、コールドヘッド１０、パルス管１１の夫々の位置で振動しながら熱を吸い込む。ここで、第１位相調節機構１３、第２位相調節機構１８により作動ガスの圧力変化と作動ガスの動きとの位相を調節することにより、主に蓄冷器９の中の作動ガスが現在の位置から一方に動いた所でその位置に存在する蓄冷材から熱を吸い、他方に動いてその位置に存在する蓄冷材に熱を吐くことを実現できる。
【００２２】
つまり、蓄冷器９内に分布している作動ガスが夫々の位置で往復しながら蓄冷材に対して熱の吸い吐きを行うことで、熱は蓄冷器９の中を低温側から高温側へあたかも熱のバケツリレーの如く汲み上げられていく。その結果、蓄冷器９の低温側に連結されるコールドヘッド１０の温度が下がって冷凍を発生すると共に、高温側に熱が輸送されて外部に放出される。このように、位相調節機構を用いて作動ガスの圧力変化と作動ガスの動きとの位相を調節することにより、効率良く熱を汲み上げることが可能になる。
【００２３】
従来のダブルインレット型パルス管冷凍機では、作動ガスの圧縮、膨張を繰り返すことにより生じる作動ガスの往復動に重畳するかたちで寒冷発生器の蓄冷器側からパルス管側に向かって循環流が発生している。この循環流の発生を防止するため、本発明ではバイパス配管２０と圧力振動源１の低圧側配管６とを、第１戻りバルブ２１を介した第１戻り配管２２により連結した。このような構成とした場合、第１導管１５からバイパス配管２０、第１戻りバルブ２１、第１戻り配管２２を経て低圧側配管６に至る作動ガスの流れが発生する。循環流は、この流れに引き込まれるように、寒冷発生器７のパルス管側から蓄冷器側、バイパス配管２０、第１戻り配管２２を経て低圧側配管６に流れ込む。このようにして低圧側配管６へと引き込まれ、循環流が抑制されるものと考えられる。
【００２４】
図２は、図１に示すパルス管冷凍機と、従来のパルス管冷凍機との冷凍能力を比較したグラフである。グラフの縦軸は冷凍機の冷凍出力（Ｗ）、横軸は冷凍温度（Ｋ）である。またこのグラフにおいて、冷凍出力が０のときの冷凍温度は、その冷凍機の最低到達温度を示す。これによると、本発明の冷凍機の方が、従来の冷凍機よりも約３Ｋ程最低到達温度が低いことが認められる。これは、本発明の冷凍機は、寒冷発生器内の循環流が抑制されたために冷凍効率が上がり、その結果、最低到達温度が従来よりも低下したものと考えられる。
【００２５】
図３の第２実施例は、図１のパルス管冷凍機の構成に加え、第２導管１６と高圧配管３とを、第１供給バルブ２３を途中に設けた第１供給配管２４で連結したものである。このようなパルス管冷凍機の構成にすることにより、寒冷発生器７内を蓄冷器側からパルス管側に流れる循環流が、バイパス配管２０、第１戻り配管２２を経て低圧側配管６に引き戻されると共に、第１供給配管２４を通ったガスが寒冷発生器７のパルス管側から入り、蓄冷器側へと移動していくために、循環流の低圧側配管６への引き戻しが促され、循環流が抑制されるためと考えられる。
【００２９】
【発明の効果】
請求項１の発明は、以下の如く効果を有する。
【００３０】
ダブルインレット型パルス管冷凍機において生じる寒冷発生器内での循環流を抑制するため、蓄冷器の温端部側と低圧圧力源とを流量調節機構を介して連結した。この結果、循環流を低圧圧力源へ引き込むことができ、これにより、循環流を抑制させることができた。このため、従来のダブルインレット型パルス管冷凍機に比べてより高い冷凍能力を持ったパルス管冷凍機を提供することができる。
【００３１】
請求項２の発明は、以下の如く効果を有する。
【００３２】
請求項１の発明におけるパルス管冷凍機において、圧力振動源として、ガス圧縮機と、ガス圧縮機の吐出側に高圧バルブを介して配される高圧側配管と、ガス圧縮機の戻り側に低圧バルブを介して配される低圧側配管とで構成されるものとした。また低圧圧力源としての低圧側配管と蓄冷器温端部側とを流量調節機構を介して連結した。これにより、特に切換バルブ方式のパルス管冷凍機において、循環流を抑制することができ、高い冷凍能力をもったパルス管冷凍機を提供することができる。
【００３３】
請求項３の発明は、以下の如く効果を有する。
【００３４】
ダブルインレット型パルス管冷凍機において生じる寒冷発生器内での循環流を抑制するため、請求項２の発明に係るパルス管冷凍機の構成に加えて、パルス管の温端部側と圧力振動源の高圧側配管とを流量調節機構を介して連結した。この結果、循環流を低圧側配管へ引き込むことができ、さらに高圧側配管を経てパルス管から入った作動ガスが寒冷発生器内で循環流と逆向きの流れを形成するために、循環流を低圧側配管へ引き込むことを促すことができる。これにより、循環流を抑制させることができた。このため、従来のダブルインレット型パルス管冷凍機に比べてより高い冷凍能力を持った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】本発明の第１実施例に係るパルス管冷凍機の断面図である。
【図２】本発明の第１実施例に係るダブルインレット型パルス管冷凍機と従来のダブルインレット型パルス管冷凍機の冷凍能力を比較したグラフである。
【図３】本発明の第２実施例に係るパルス管冷凍機の断面図である。
【図４】従来技術に係るパルス管冷凍機の断面図である。
【符号の説明】
１ 圧力振動源
２ ガス圧縮機
３ 高圧側配管
４ 高圧バルブ
５ 低圧バルブ
６ 低圧側配管
７ 寒冷発生器
８ 放熱器
９ 蓄冷器
１０ コールドヘッド
１１ パルス管
１２ 熱交換器
１３ 第１ 位相調節機構
１４ バッファバルブ
１５ 第１ 導管
１６ 第２ 導管
１７ バッファタンク
１８ 第２ 位相調節機構
１９ バイパスバルブ（流量調節機構）
２０ バイパス配管
２１ 第１ 戻りバルブ（流量調節機構）
２２ 第１ 戻り配管
２３ 第１ 供給バルブ（流量調節機構）
２４ 第１ 供給配管
【図１】
0003694906.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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