(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動発生器と蓄冷器とコールドヘッドとパルス管とを順次直列に連結するとともに、前記振動発生器と前記蓄冷器との連結部と、前記パルス管の高温端との間を少なくともディスプレーサ系統を介在させて連結してなるパルス管冷凍機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主として極低温冷凍に用いられているパルス管冷凍機にかかわり、特に冷凍効率の向上を図れるようにしたパルス管冷凍機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の冷凍機はパルス管冷凍機として知られており、基本的に、振動発生器と蓄冷器とコールドヘッドとパルス管とを順次直列に連結して構成される。このパルス管冷凍機では、振動発生器によって冷凍機内に充填された作動流体に振動が引き起こされ、作動流体の圧力変動と変位との間に適当な位相差が生じることによって、蓄冷器において、コールドヘッドから振動発生器方向へ向かう熱の流れが発生し、コールドヘッドにおいて冷凍出力が得られる。
【０００３】
ところで、このパルス管冷凍機のコールドヘッドでの冷凍出力を向上させるためには、パルス管低温端での作動流体の圧力変動と変位との位相差（圧力が最大になってから作動流体が最もパルス管高温端側へ変位するまでの位相差）をほぼ９０度にすることが有効であることが知られている（Advances in Cryogenic Engineering Vol.35 (1990)  P.1191 ）。そこで、従来のパルス管冷凍機では、パルス管高温端に作動流体の圧力変動と変位との位相差を調節するための系統（以下、位相調節系統と称する）を設けているものが多く、位相調節系統の形式としては種々のものが知られている。
【０００４】
図３に示したパルス管冷凍機１０３は、位相調節系統として膨張ピストン系統６を用いたもの（Proceedings of the 5th International Cryocooler Conference (1988) P.127 参照）であり、振動発生器１と蓄冷器２とコールドヘッド３とパルス管４とを順次直列に連結するとともに、パルス管高温端４４に膨張ピストン系統６を連結して構成されている。膨張ピストン系統６は、シリンダ６１と、シリンダ６１内に往復動可能に配設されたピストン６２と、一端がピストン６２の背面に固定され他端がシリンダ６１に固定されてかつピストン６２の側面とシリンダ６１の内側面との間でクリアランスシールを形成するようにピストン６２を支持するばね５８と、シリンダ６１の周囲に巻回されたコイル５９と、コイルに５９に直列に接続された図示しない電気抵抗器とからなっている。ピストン６２は永久磁石からなっており、コイル５９との間で電磁誘導系を構成している。この膨張ピストン系統６は、ピストン６２の質量と、ばね５８のばね定数およびピストン６２の背面のシリンダ空間６４のガスばね定数とから定まる固有振動数を有し、かつコイル５９の中をピストン６２が往復動することによりコイル５９に生じる誘導電流をジュール熱として散逸させることに起因する減衰力がピストン６２に働き、かつパルス管高温端４４に連結されているシリンダ空間６３とシリンダ空間６４との間の圧力差にピストン６２の断面積を乗じただけの強制力がピストン６２に働くという「減衰のある強制振動系統」を構成している。
【０００５】
膨張ピストン系統６において固有振動数を振動発生器１の運転振動数に一致させた場合は、ピストン６２がパルス管高温端４４から遠ざかりながら振動中心位置を通過するとき、すなわちピストン６２が速さ最大でコイル５９に生じる誘導電流の絶対値が最大のとき、すなわちピストン６２に働く減衰力が最大のときに、ピストン６２に働く強制力、すなわちシリンダ空間６３の圧力からシリンダ空間６４の圧力を引いた値が最大となって振動する。つまりシリンダ空間６３の圧力が最大となってからピストン６２がパルス管高温端４４から最も遠ざかるまでの位相差が９０度になる。この場合、パルス管低温端４３での圧力変動と変位との位相差はパルス管の容積の効果で一般的に９０度より数１０度小さくなる。そこでこの膨張ピストン系統６においては一般的に、固有振動数を振動発生器１の運転振動数より小さくして、ピストン６２がパルス管高温端４４から遠ざかりながら振動中心位置を通過する前に、ピストン６２に働く強制力が最大、すなわちシリンダ空間６３の圧力からシリンダ空間６４の圧力を引いた値が最大となって振動するようにしている。つまりシリンダ空間６３の圧力が最大となってからピストン６２がパルス管高温端４４から最も遠ざかるまでの位相差を９０度より大きい値にしている。これによりパルス管低温端４３での作動流体の圧力変動と変位との位相差をほぼ９０度にして、コールドヘッド３での冷凍出力を向上させている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記したパルス管冷凍機１０３では、膨張ピストン系統６において膨張図示仕事をすべて熱として散逸させているため、振動発生器１において入力すべき圧縮図示仕事が大きくなり、冷凍効率を低下させる要因となっている。膨張ピストン系統６において散逸させている膨張図示仕事Ｗexp は、ピストン６２の断面積をＡ、シリンダ空間６３の圧力振幅をｐ0 、ピストン６２の変位振幅をξ0 、シリンダ空間６３の圧力が最大となってからピストン６２がパルス管高温端４４から最も遠ざかるまでの位相差をθとすると、近似的に
Ｗexp ＝πＡｐ0 ξ0 sin θ
で表される。ところで、このＷexp と振動発生器１での圧縮図示仕事Ｗcompとの比Ｗexp ／Ｗcompは、蓄冷器２において圧力損失により散逸している仕事をＷp 、振動発生器１での放熱温度をＴH 、コールドヘッド３での吸熱温度をＴC とすると、Ｗcompが近似的に
Ｗcomp＝Ｗp ＋（ＴH ／ＴC ）Ｗexp 
と表されることから、
Ｗexp ／Ｗcomp＝（１−Ｗp ／Ｗcomp）ＴC ／ＴH 
となる。例としてＷp ／Ｗcomp＝０．２、Ｔc ＝８０Ｋ、ＴH ＝３２０Ｋの場合について計算すると、Ｗexp ／Ｗcomp＝０．２であり、振動発生器１での圧縮図示仕事のうち２０％を膨張ピストン系統６において熱として捨てることになる。さらにＴC がＴH に近い場合には、Ｗexp ／Ｗcompの比は１に近づき、振動発生器１での圧縮図示仕事のうちほとんどを膨張ピストン系統６において熱として捨てることになる。
【０００７】
故に、本発明は、パルス管低温端４３での作動流体の圧力変動と変位との位相差をほぼ９０度にするとともに、位相調節系統での仕事の散逸をなるべく小さく抑えた冷凍効率の高いパルス管冷凍機を提供することを技術的課題とするものである。
【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本発明において講じた技術的手段は、振動発生器と蓄冷器とコールドヘッドとパルス管とを順次直列に連結するとともに、前記振動発生器と前記蓄冷器との連結部と、前記パルス管の高温端との間を少なくともディスプレーサ系統を介在させて連結してなるパルス管冷凍機としたことである。
【０００９】
上記技術的手段は次のように作用する。振動発生器と蓄冷器との連結部と、パルス管の高温端との間に介在させたディスプレーサ系統は、パルス管低温端での作動流体の圧力変動と変位との間の位相差を９０度にするとともに、パルス管高温端での作動流体の仕事をディスプレーサを介して往復動という運動形態のままでほとんど外部に散逸させずに、振動発生器と蓄冷器との連結部の作動流体の仕事として伝達する。これにより従来において位相調節系統で散逸させていた仕事を、振動発生器が行うべき仕事の一部として利用することができ、コールドヘッドでの冷凍出力を維持したままで振動発生器からの仕事の入力が低減でき、冷凍効率の向上を図ることが可能となる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。
【００１１】
（第１実施形態例）
図１には本発明の第１実施形態例に係わるパルス管冷凍機１０１の概略構成が示されている。
【００１２】
パルス管冷凍機１０１は、振動発生器１と蓄冷器２とコールドヘッド３とパルス管４とを順次直列に連結するとともに、前記振動発生器１と前記蓄冷器２との連結部１４と、前記パルス管４の高温端４４との間をディスプレーサ系統５を介在させて連結して構成される。作動流体としてはヘリウム、ネオン、アルゴン、窒素、空気等、あるいはこれらの混合物が用いられる。
【００１３】
振動発生器１は、シリンダ１１と、シリンダ１１内に配設されたピストン１２と、ピストン１２を往復動させるための図示しない駆動源と、ピストン１２の側面とシリンダ１１の内壁面との間でクリアランスシールを形成するようにピストン１２を支持するための図示しない機構とからなっている。蓄冷器２は、ステンレス鋼等の熱伝導率の小さい材料で形成された容器２１内に、ステンレス鋼、りん青銅等のメッシュ等で形成された蓄冷材２２を収容したものとなっている。コールドヘッド３は、銅等の熱伝導率の大きい材料で形成されている。パルス管４は、ステンレス鋼等の熱伝導率の小さい材料で中空容器状に形成されている。位相調節系統のディスプレーサ系統５は、シリンダ５１と、シリンダ５１内に往復動可能に配設されたディスプレーサ５２と、一端がディスプレーサ５２の片面に固定され他端がシリンダ５１に固定されてかつディスプレーサ５２の側面とシリンダ５１の内壁面との間でクリアランスシールを形成するようにディスプレーサ５２を支持するばね５８と、シリンダ５１の周囲に巻回されたコイル５９と、コイルに５９に直列に接続された図示しない電気抵抗器とからなっている。ディスプレーサ５２は永久磁石からなっており、コイル５９との間で電磁誘導系を構成している。このディスプレーサ系統５は、ディスプレーサ５２の質量とばね５８のばね定数とから定まる固有振動数を有し、かつコイル５９の中をディスプレーサ５２が往復動することによりコイル５９に生じる誘導電流をジュール熱として散逸させることに起因する減衰力がディスプレーサ５２に働き、かつパルス管高温端４４に連結されているシリンダ空間５３と、振動発生器１と蓄冷器２との連結部１４に連結されているシリンダ空間５４との間の圧力差にディスプレーサ５２の断面積を乗じただけの強制力がディスプレーサ５２に働くという「減衰のある強制振動系統」を構成している。シリンダ空間５３とシリンダ空間５４との間の圧力差は、蓄冷器２における流動抵抗によって生じ、蓄冷器高温端２４から低温端２３に向かう流速が最大のときにシリンダ空間５４の圧力からシリンダ空間５３の圧力を引いた値が最大になり、蓄冷器低温端２３から高温端２４に向かう流速が最大のときにシリンダ空間５３の圧力からシリンダ空間５４の圧力を引いた値が最大になる。この圧力差の最大値は一般的に運転振動数が数Ｈｚ程度の場合はシリンダ空間５３内の圧力振幅の数％程度、数１０Ｈｚ程度の場合は圧力振幅の１０〜２０％程度である。
【００１４】
ディスプレーサ系統５において固有振動数を振動発生器１の運転振動数に一致させた場合は、ディスプレーサ５２が速さ最大で振動中心位置をパルス管高温端４４に向かって通過するとき、すなわち誘導電流の絶対値が最大、すなわちディスプレーサ５２に働く減衰力が最大のときに、ディスプレーサ５２に働く強制力が最大、すなわちシリンダ空間５４の圧力からシリンダ空間５３の圧力を引いた値が最大となって振動する。シリンダ空間５３の圧力が最大になるのは、シリンダ空間５４の圧力からシリンダ空間５３の圧力を引いた値が最大になってからおよそ９０度位相後であり、ディスプレーサ５２がパルス管高温端４４から最も遠ざかるのは、ディスプレーサ５２が速さ最大で振動中心位置をパルス管高温端４４に向かって通過してから２７０度位相後である。つまりシリンダ空間５３の圧力が最大となってからディスプレーサ５２がパルス管高温端４４から最も遠ざかるまでの位相差はおよそ１８０度になる。この場合、パルス管低温端４３において作動流体の仕事はほとんどなく冷凍出力はほとんど得られない。そこでこのディスプレーサ系統５においては、固有振動数を振動発生器１の運転振動数より大きくして、ディスプレーサ５２がパルス管高温端４４に向かって振動中心位置を通過してから後に強制力が最大、すなわちシリンダ空間５４の圧力からシリンダ空間５３の圧力を引いた値が最大となって振動するようにする。これによりシリンダ空間５３の圧力が最大となってからディスプレーサ５２がパルス管高温端４４から最も遠ざかるまでの位相差は一般的に１８０度から数１０度引いた位相となり、パルス管低温端４３での作動流体の圧力変動と変位との位相差をほぼ９０度にしてコールドヘッドでの冷凍出力を向上させることができる。
【００１５】
本発明のディスプレーサ系統５において、従来のパルス管冷凍機１０３の膨張ピストン系統６における膨張図示仕事と同様の膨張図示仕事
Ｗexp ＝πＡｐ0 ξ0 sin θ
が実現しているとき、ディスプレーサ系統５において散逸する仕事Ｗout は、シリンダ空間５４とシリンダ空間５３との圧力差の変動振幅をΔｐ0 として、近似的に
Ｗout ＝πＡΔｐ0 ξ0 sin θ
で表される。一般的にΔｐ0 はシリンダ空間５３内の圧力変動の振幅ｐ0 の１０〜２０％程度以下であり、ディスプレーサ系統５において散逸させる仕事Ｗout とディスプレーサ系統５における膨張図示仕事Ｗexp との比Ｗout ／Ｗexp は
Ｗout ／Ｗexp ＝Δｐ0 ／ｐ0 ＜０．２
程度となり、ディスプレーサ系統５において散逸する仕事はディスプレーサ系統５における膨張図示仕事と比較して小さく抑えることができる。ディスプレーサ系統５での膨張図示仕事の大部分はディスプレーサ５２を介して往復動という運動形態のままでほとんど散逸させることなく連結部１４へ伝達でき、振動発生器１が行うべき仕事の一部として利用することができる。これにより振動発生器１からの仕事の入力が低減でき、冷凍効率の向上を図ることができる。
【００１６】
（第２実施形態例）
図２には本発明の第２実施形態例に係わるパルス管冷凍機１０２の概略構成が示されている。前記第１実施形態例のパルス管冷凍機１０１と異なる点は、振動発生器１が圧縮機ユニット１５と圧縮機ユニット１５の吐出口に連結された高圧開閉弁１６と圧縮機ユニット１５の吸入口に連結された低圧開閉弁１７とからなる点、ディスプレーサ系統５が、シリンダ５１内において、ディスプレーサ５２と伸縮可能なベローズ５５とにより区画されパルス管高温端４４に連結されたシリンダ空間５３と、ディスプレーサ５２と伸縮可能なベローズ５５とベローズ５５より径の十分小さい伸縮可能なベローズ５６により区画され振動発生器１と蓄冷器２との連結部１４に連結されたシリンダ空間５４と、ディスプレーサ５２とベローズ５６とにより区画され圧縮機ユニット１５の吐出口に連結された高圧開閉弁１８および圧縮機ユニット１５の吸入口に連結された低圧開閉弁１９とに連結されたシリンダ空間５７とで構成される点である。
【００１７】
前記第１実施形態例のパルス管冷凍機１０１においてはディスプレーサ５２に働く強制力として蓄冷器２での流動抵抗に起因するディスプレーサ５２の両面での圧力差による力が利用されるのであるが、本実施例のパルス管冷凍機１０２においては圧縮機ユニット１５の吐出圧と吸入圧との圧力差による力が主として利用される。パルス管冷凍機１０２においては主として高圧開閉弁１６と低圧開閉弁１７とを交互に開閉することで圧力変動を生じさせ、高圧開閉弁１６を開とする数１０度位相前に高圧開閉弁１８を開としてディスプレーサ５２をパルス管高温端４４に向かって移動させ、高圧開閉弁１６を閉とする数１０度位相前に高圧開閉弁１８を閉とし、低圧開閉弁１７を開とする数１０度位相前に低圧開閉弁１９を開としてディスプレーサ５２をパルス管高温端４４から遠ざかる向きに移動させ、低圧開閉弁１７を閉とする数１０度位相前に低圧開閉弁１９を閉とする。これによりパルス管低温端４３での作動流体の圧力変動と変位との位相差をほぼ９０度にしてコールドヘッドでの冷凍出力を向上させることができる。さらにディスプレーサ系統５においてベローズ５６の径をベローズ５５の径より十分小さくとることによりディスプレーサ５２がシリンダ空間５７の流体になす仕事はディスプレーサ系統５での膨張図示仕事に対して十分小さくすることができ、ディスプレーサ系統５での膨張図示仕事の大部分はディスプレーサ５２を介して往復動という運動形態のままでほとんど散逸させることなく連結部１４へ伝達でき、振動発生器１が行うべき仕事の一部として利用することができる。これにより振動発生器１からの仕事の入力が低減でき、冷凍効率の向上を図ることが可能となる。
【００１８】
なお、本発明は上述した実施例に限定されるものではない。上述したパルス管冷凍機はコールドヘッドが１つの単段型であるが２つ以上のコールドヘッドを有する多段型パルス管冷凍機の位相調節系統として用いて冷凍効率の向上を図ることが可能である。また従来の位相調節系統と併用して冷凍効率の向上を図ることも可能である。
【００１９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、冷凍効率の高いパルス管冷凍機が提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態例に係わるパルス管冷凍機の概略構成図である。
【図２】本発明の第２実施形態例に係わるパルス管冷凍機の概略構成図である。
【図３】従来のパルス管冷凍機の概略構成図である。
【符号の説明】
１  振動発生器
２  蓄冷器
３  コールドヘッド
４  パルス管
５  ディスプレーサ系統
６  膨張ピストン系統
１１  シリンダ
１２  ピストン
１４  振動発生器と蓄冷器との連結部
１５  圧縮機ユニット
１６、１８  高圧開閉弁
１７、１９  低圧開閉弁
２１  蓄冷器容器
２２  蓄冷材
２３  蓄冷器低温端
２４  蓄冷器高温端
４３  パルス管低温端
４４  パルス管高温端
５１、６１  シリンダ
５２  ディスプレーサ
５３、５４、５７、６３、６４  シリンダ空間
５５、５６  ベローズ
５８  ばね
５９  コイル
６２  ピストン
１０１、１０２、１０３  パルス管冷凍機
【図１】
0003728833.tif 000002
【図２】
0003728833.tif 000003
【図３】
0003728833.tif 000004