(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機，蓄冷器，パルス管，および該パルス管の高温側管端に流路インピーダンス素子を介してリザーバタンクを接続した構成になるオリフィス形のパルス管冷凍機において、前記の流路インピーダンス素子を、断面円形状になる室の中心にオリフィスが軸方向に開口し、かつ該室の外周には接線方向にガス噴口が開口した渦室で構成し、前記ガス噴口を通じて室内に噴出した作動ガスを室内で旋回させた後、前記オリフィスを通じて吹出すように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記載のパルス管冷凍機において、パルス管とリザーバタンクとの間に、オリフィスを挟んで同軸上に２組の渦室を形成した構成になる流路インピーダンス素子を介装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記載のパルス管冷凍機において、流路インピーダンス素子が、両端面を端板で閉塞した円筒状の渦室本体と、該渦室本体の内部空間を二つの渦室に仕切り、かつその中心に渦室間を連通するオリフィスが開口した仕切隔壁と、各渦室ごとに渦室本体の周壁に穿孔した接線方向のガス噴口とからなり、前記ガス噴口の一方をパルス管に、他方をリザーバタンクに連通させたことを特徴とするパルス管冷凍機。
【請求項４】
請求項２記載のパルス管冷凍機において、流路インピーダンス素子に通じるパルス管の管端に作動ガスの流れを均一化する整流板を設け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】
【発明の属する技術分野】
この発明はパルス管冷凍機、詳しくはオリフィス形パルス管冷凍機のパルス管とリザーバタンクとの間に介装した流路インピーダンス素子の構成に関する。
【０００２】
【従来の技術】
まず、頭記のパルス管冷凍機について、オリフィス形と呼ばれるパルス管冷凍機の従来構成を図４に示す。図において、１は圧縮機、２は蓄冷器、３はパルス管、４はパルス管３の高温側管端に流路インピーダンス素子（オリフィス, ニードルバルブなど）５を介して接続したリザーバタンク（バッファタンクとも呼ばれる）であり、その系内には作動ガスとしてヘリウムガスなどの不活性ガスが封入されている。
【０００３】
かかるオリフィス形パルス管冷凍機の動作原理は周知であり、圧縮機１のピストン１ａを往復動させることにより作動ガス中に正弦波に近い圧力が発生し、これに伴い作動ガスは圧縮機１とリザーバタンク４との間で蓄冷器２，パルス管３を経由する往復流として流れる。また、前記したリザーバタンク４，流路インピーダンス素子５は、電気回路のコンデンサとインピーダンスとの直列回路と同じ働きをし、作動ガスの圧力変化と体積流量変化との間に位相差を発生する。
【０００４】
これにより、冷凍機の運転時には蓄冷器２、および流路インピーダンス素子５の流体抵抗，リザーバタンク４の容積による効果でパルス管３内に圧力Ｐと流量Ｑの間に位相差が生じ、この圧力Ｐと流量Ｑとのなす仕事が冷凍出力となって冷却端（コールドヘッド）６の部分に寒冷を発生する。
また、上記のオリフィス形パルス管冷凍機においては、流路インピーダンス素子５に流体抵抗のみならず流体的インダクタンスの機能を持たせて作動ガスの圧力変化と体積流量変化の間の位相差を適正に制御することにより、冷凍能力を向上させることが知られており、そのような流体的インダクタンス機能を持たせるために従来のパルス管冷凍機では流路インピーダンス素子５としてバルブ，オリフィスに代えてキャピラリチューブ（細管）を採用したものが知られている（特開平８−５４１５２号）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記した従来例のように、パルス管３とリザーバタンク４との間に介装した流路インピーダンス素子５としてキャピラリチューブを採用した構成では次に記すような問題点がある。
すなわち、キャピラリチューブは簡便な絞り手段であるが、例えば、冷凍温度８０Ｋ，冷凍能力１Ｗ級のパルス管冷凍機で作動ガスの圧力変化と体積流量変化との間で適正な位相差を与えるには、内径１mm，長さ２ｍ程度のキャピラリチューブを必要とする。このために、キャピラリチューブを螺旋状に配管したとしても、キャピラリチューブが占める専有スペースが大きくなるほか、冷凍機の移動などに伴う振動に耐えるキャピラリチューブの支持機構が必要となるなど、このことが冷凍機を小型，コンパクト化する上での大きなネックとなっている。
【０００６】
この発明は上記の点にかんがみなされたものであり、その目的は冷凍機の小型，コンパクト化を狙いに、従来のキャピラリチューブに代えてパルス管とリザーバタンクとの間に新規開発の流路インピーダンス素子を介装したオリフィス形のパルス管冷凍機を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、この発明によれば、圧縮機，蓄冷器，パルス管，および該パルス管の高温側管端に流路インピーダンス素子を介してリザーバタンクを接続した構成になるオリフィス形のパルス管冷凍機において、前記の流路インピーダンス素子を、断面円形状になる室の中心にオリフィスが軸方向に開口し、かつ該室の外周には接線方向にガス噴口が開口した渦室で構成し、前記ガス噴口を通じて室内に噴出した作動ガスを室内で旋回させた後、前記オリフィスを通じて吹出すようにするものとし（請求項１）、具体的には流路インピーダンス素子を次記の態様で構成する。
【０００８】
(1) オリフィスを挟んで同軸上に２組の渦室を形成した構成になる流路インピーダンス素子をパルス管とリザーバタンクとの間に介装する（請求項２）。
(2) 前項(1) の流路インピーダンス素子を、両端面を端板で閉塞した円筒状の  渦室本体と、該渦室本体の内部空間を二つの渦室に仕切り、かつその中心に渦室間を連通するオリフィスが開口した仕切隔壁と、各渦室ごとに渦室本体の周壁に穿孔した接線方向のガス噴口とから構成し、前記ガス噴口の一方をパルス管に、他方をリザーバタンクに連通させる（請求項３）。
【０００９】
(3) 流路インピーダンス素子に通じるパルス管の管端に作動ガスの流れを均一化する整流板を設ける（請求項４）。
前記構成において、ガス噴口を通じて作動ガスを断面円形状の渦室室内へ外周から接線方向に噴出させると、作動ガスは旋回流となって渦室内に渦を生成した後、室内の中心に開口するオリフィス（ガス吹出口）を通じて軸方向に流出する。ここで、渦室内の任意の直径ｄにおける円周方向のガス流速度Ｕは、渦室の内径をｄi,噴口からの噴出速度をＵi として、定常状態は次式で表される流速分布となる。
【００１０】
【数１】
Ｕ＊ｄ＝Ｕi ＊ｄi   …………  (1)
そして、作動ガスにステップ状の圧力を与えて渦室の外周側から接線方向に噴出すると、渦室内を旋回する作動ガスの流速は前式(1) で与えられる速度Ｕに近づくように変化し、渦室の中心に開口するオリフィスに近づくほど加速され、この過程でガス質量の慣性力により流体的インダクタンスの効果を生じるようになる。また、渦室の壁面，および作動ガス自身の摩擦によって外周の噴口と中心のオリフィスとの間には流体抵抗が生じる。なお、この流体抵抗は渦室の内径，仕切隔壁の中心に開口したオリフィス口径の選定によって任意に調整できる。
【００１１】
ここで、渦室の外周に開口する接線方向の噴口の開口面積を従来例のキャピラリチューブの断面積と同一に設定したとすると、前記(1) 式から明らかなように、渦室の中央に開口したオリフィスから流出するガス速度はキャピラリチューブよりも速くなる。これにより、渦室構造の素子でキャピラリチューブと同一な流体的インダクタンスを得るには、キャピラリチューブに較べてより小さなガス質量，したがってより小さな容積の小形な渦室で対応できる。
【００１２】
そして、圧縮機の圧縮行程でパルス管からリザーバタンクに向けて流れる作動ガスは、前段の渦室内を旋回した後、中心のオリフィスにより軸方向の速度に変換されて後段の渦室内に吹き出す。したがって、後段の渦室では渦流を生成することなしに、該渦室を通過してリザーバタンクに送出される。一方、膨張行程でリザーバタンクからパルス管に向けて流れる作動ガスは前記と逆の経路を辿り、後段の渦室内を旋回した後に中心のオリフィスから前段の渦室に吹き出し、該渦室を経てパルス管に流れる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図１ないし図３に示す図示実施例に基づいて説明する。なお、実施例の図中で図４に対応する同一部材には同じ符号が付してある。
図１の実施例において、ハウジング７の中には蓄冷器２，パルス管３，リザーバタンク４が構成されており、かつパルス管３とリザーバタンク４との間に流路インピーダンス素子としてこの発明による渦形素子８が介装されている。
【００１４】
ここで、渦形素子８は、図２(a),(b) ，および図３に示すように、円筒状の渦室本体９と、渦室本体９の上下端面を閉塞する端板１０ａ，１０ｂと、渦室本体９の内部空間を同軸上に並ぶ上下の渦室９ａと９ｂに二分し、かつその中心に上下の渦室間を連通するオリフィス１１ａが開口した仕切隔壁１１とからなり、ハウジング７の内部に形成した装着穴に嵌挿して締結ねじ１９により定位置に固定するとともに、渦室本体９の外周中央に配したＯリング（シール部材）１２を介して渦室９ａと９ｂとの相互間を気密シールしている。
【００１５】
そして、渦室本体９には、渦室９ａ，９ｂごとに内径の接線方向（渦室の外周円に対する接線方向）に開口するガス噴口９ｃ，９ｄが穿孔されている。また、端板１０ａ，１０ｂは渦室本体８の外径よりも一回り小さく設定して端板の外周とハウジング７との間に環状流路１３ａ，１３ｂを形成するとともに、各端板１０ａ，１０ｂの端面にはそれぞれパルス管３，リザーバタンク４に向けて開放した直径方向の端面流路１０ｃ，１０ｄが形成されている。さらに、前記の環状流路１３ａ，１３ｂとガス噴口９ｃ，９ｄとの間を連通するように渦室本体９の周面には軸方向の流路９ｅ，９ｆが切欠き形成されている。なお、渦形素子７に通じるパルス管３の管端部には積層金網などで構成した整流板１４が介装されており、リザーバタンク４から渦形素子７を経てパルス管３に流入する作動ガスの乱れを防いで均一な流れを確保するようにしている。
【００１６】
次に、前記構成になる渦形素子８の動作について説明する。まず、圧縮行程で圧縮機１（図１参照）から送り出された作動ガスは、蓄冷器２，パルス管３，整流板１４を経て渦形素子８に送り込まれる。ここで、作動ガスは端面流路１０ｃ，環状流路１３ａ，軸方向の流路９ｅを経てガス噴口９ｃから上部の渦室９ａの内部へ円周方向に噴出し、渦室内を旋回して渦を生成した後に仕切隔壁１１の中央に開口したオリフィス１１ａを通じて下部の渦室９ｂに送り出される。このガス旋回流の過程では、図２(b) で表した渦室内の任意の直径ｄにおける円周方向のガス流速度Ｕは、渦室内径をｄｉ，噴口から吹出速度をＵｉとして、先記した(1) 式で表すような分布となって流体的インダクタンスの効果を生じる。
【００１７】
また、この場合に、内径１mm，長さ２ｍのキャピラリチューブと同等な流体的インダクタンスを得るための渦形素子８は、その外形寸法が直径，高さとも１０mm以内に収まる小型素子で構成でき、キャピラリチューブと較べてその専有スペースは１／１０以下に縮小化が可能になることが確認されている。
なお、上部の渦室９ａからオリフィス１１ａを通じて下部の渦室９ｂに送り出された作動ガスは軸方向の速度に変換されるので、渦室９ｂの内部では渦を生成することなくそのままガス噴口９ｄに向けて流れ、流路９ｆ，１３ｂを経てリザーバタンク４に送り込まれる。
【００１８】
一方、圧縮機１の膨張行程では、作動ガスが前記と逆の経路を辿って下部の渦室９ｂへガス噴口９ｄを経て円周方向に噴出し、渦室９ｂ内を旋回して渦を生成した後に、オリフィス１１ａから上部の渦室９ａに流出し、該渦室９ａを経てパルス管３に送り出される。これにより、下部の渦室９ｂで前記と同様な振る舞いで流体的インピーダンスの作用が働く。なお、この場合にパルス管３の管端に配した整流板１４は、リザーバタンク４から渦形素子８を経てパルス管３に流入する作動ガスの流れの乱れ（半径方向での流速分布の発生）を防ぎ、パルス管内で均一な流れを確保して冷凍性能の向上に寄与する。
【００１９】
【発明の効果】
以上述べたように、この発明によれば、作動ガスの圧力変化と体積流量変化との位相差調節を行う流路インピーダンス素子として、従来のキャピラリチューブに代えて渦室で構成した素子を採用したことにより、その専有スペースをキャピラリチューブと較べて大幅に縮小することがてき、これによりパルス管冷凍機の小型，コンパクト化に大きく寄与する。また、パルス管と渦形素子との間に整流板を設けたことにより、パルス管内での作動ガスの均一な流れを確保して冷凍出力を有効に発生させる効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施例によるパルス管冷凍機の全体構成図
【図２】図１における渦形素子の構成図であり(a) は縦断面図、(b) は横断面図
【図３】図２に示した渦形素子の外形斜視図
【図４】オリフィス形パルス管冷凍機の従来例の構成図
【符号の説明】
１    圧縮機
２    蓄冷器
３    パルス管
４    リザーバタンク
６    冷却端
８    渦形素子（流路インピーダンス素子）
９    渦室本体
９ａ，９ｂ  渦室
９ｃ，９ｄ  ガス噴口
１０ａ，１０ｂ  端板
１０ｃ  端面流路
１１    仕切隔壁
１１ａ  オリフィス
１２    Ｏリング
１３ａ，１３ｂ  環状流路
【図１】
0003637778.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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