(57)【要約】【課題】最終段のパルス管の冷却能力を有意に高めることの可能なマルチバルブ型パルスチューブ冷凍機。【解決手段】第１の低温端を有する第１段パルス管と、前記第１の低温端よりも低温の低温端を有する最終段パルス管との、少なくとも２つのパルス管を有する多段式のマルチバルブ型パルスチューブ冷凍機である。最終段パルス管には、第１の開閉バルブを備える第１の高圧側配管および第１の流路抵抗を介して、高圧冷媒が供給され、最終段パルス管からは、第１の流路抵抗および第２の開閉バルブを備える第１の低圧側配管を介して、低圧冷媒が排出される。第２の開閉バルブが開状態となる期間は、第１の開閉バルブが開状態となる期間よりも長い。【選択図】図３
2011094835.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の低温端を有する第１段パルス管と、前記第１の低温端よりも低温の低温端を有する最終段パルス管との、少なくとも２つのパルス管および蓄冷管を有する多段式のマルチバルブ型パルスチューブ冷凍機であって、
前記蓄冷管には、第１の開閉バルブを備える第１の高圧側配管を介して、高圧冷媒が供給され、前記蓄冷管からは、第２の開閉バルブを備える第１の低圧側配管を介して、低圧冷媒が排出され、
前記第１段パルス管には、第３の開閉バルブを備える第２の高圧側配管および第１の流路抵抗を介して、高圧冷媒が供給され、前記第１段パルス管からは、前記第１の流路抵抗および第４の開閉バルブを備える第２の低圧側配管を介して、低圧冷媒が排出され、
前記最終段パルス管には、第５の開閉バルブを備える第３の高圧側配管および第２の流路抵抗を介して、高圧冷媒が供給され、前記最終段パルス管からは、前記第２の流路抵抗および第６の開閉バルブを備える第３の低圧側配管を介して、低圧冷媒が排出され、
前記第６の開閉バルブが開状態となる期間は、前記第５の開閉バルブが開状態となる期間よりも長いことを特徴とするマルチバルブ型パルスチューブ冷凍機。
【請求項２】
前記第４の開閉バルブが開状態となる期間は、前記第３の開閉バルブが開状態となる期間よりも長く、あるいは、前記第４の開閉バルブが開状態となる期間は、前記第３の開閉バルブが開状態となる期間と実質的に等しいことを特徴とする請求項１に記載のマルチバルブ型パルスチューブ冷凍機。
【請求項３】
当該マルチバルブ型パルスチューブ冷凍機は、２段式であることを特徴とする請求項１または２に記載のマルチバルブ型パルスチューブ冷凍機。
【請求項４】
当該マルチバルブ型パルスチューブ冷凍機は、前記第１段パルス管、第２段パルス管、および前記最終段パルス管としての第３段パルス管を有する３段式であることを特徴とする請求項１または２に記載のマルチバルブ型パルスチューブ冷凍機。
【請求項５】
第２段パルス管には、第７の開閉バルブを備える第４の高圧側配管および第３の流路抵抗を介して、高圧冷媒が供給され、前記第２段パルス管からは、前記第３の流路抵抗および第８の開閉バルブを備える第４の低圧側配管を介して、低圧冷媒が排出され、
前記第８の開閉バルブが開状態となる期間は、前記第７の開閉バルブが開状態となる期間よりも長く、あるいは、前記第８の開閉バルブが開状態となる期間は、前記第７の開閉バルブが開状態となる期間と実質的に等しいことを特徴とする請求項４に記載のマルチバルブ型パルスチューブ冷凍機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パルスチューブ冷凍機に関し、特に、多段式のマルチバルブ型パルスチューブ冷凍機に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、極低温環境が必要となる装置、例えば、核磁気共鳴診断装置（ＭＲＩ）等を冷却する際に、パルスチューブ冷凍機が使用されている。
【０００３】
パルスチューブ冷凍機では、圧縮機により圧縮された作動流体である冷媒ガス（例えば、ヘリウムガス）が蓄冷管およびパルス管に流入する動作と、作動流体がパルス管および蓄冷管から流出され、圧縮機に回収される動作を繰り返すことで、蓄冷管およびパルス管の低温端に寒冷が形成される。また、これらの低温端に、被冷却対象を熱的に接触させることで、被冷却対象から熱を奪うことができる。
【０００４】
特に、多段式のマルチバルブ型パルスチューブ冷凍機は、高い冷却効率を有するという特徴を有し、様々な分野での適用が期待されている。
【０００５】
例えば、特許文献１には、２段式の４バルブ型パルスチューブ冷凍機が示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平９−３３１２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
多段式のマルチバルブ型パルスチューブ冷凍機において、蓄冷管、および各段のパルス管には、それぞれ、高圧冷媒ガスを供給するための高圧側配管と、低圧冷媒ガスを排出するための低圧側配管とが、共通配管を介して接続される。それぞれの高圧側配管および低圧側配管には、開閉バルブが設置される。また、各段のパルス管の共通配管には、オリフィス等の流路抵抗が設置される。例えば、２段式のマルチバルブ型パルスチューブ冷凍機の場合、蓄冷管には、第１の開閉バルブが設置された第１の高圧側配管と、第２の開閉バルブが設置された第１の低圧側配管とが、第１の共通配管を介して接続される。同様に、第１段パルス管には、第３の開閉バルブが設置された第２の高圧側配管と、第４の開閉バルブが設置された第２の低圧側配管とが、第１の流路抵抗を備える第２の共通配管を介して接続される。さらに、第２段パルス管には、第５の開閉バルブが設置された第３の高圧側配管と、第６の開閉バルブが設置された第３の低圧側配管とが、第２の流路抵抗を備える第３の共通配管を介して接続される。
【０００８】
ここで、従来の多段式のマルチバルブ型パルスチューブ冷凍機の運転の際には、最も低温となる最終段のパルス管（例えば、２段式の場合は、第２段パルス管）に接続された高圧側および低圧側配管の２つの開閉バルブは、１サイクルにおいて、開状態の期間が実質的に等しくなるように制御される。これは、最終段のパルス管中を双方向に流れる冷媒ガスの量をバランスさせ、いずれかの方向に偏った冷媒ガスの定常流が発生しないようにするためである。
【０００９】
しかしながら、そのような従来の運転方法においても、冷媒ガスの供給／排出のバランスの微妙なずれなどの影響により、最終段のパルス管には、しばしば、低温端側から高温端側に向かう冷媒ガスの定常流が生じる場合がある。すなわち、従来のような運転方法では、最終段のパルス管に生じる、特に低温端側から高温端側の方向の定常流の発生を十分に抑制することは難しい。また最終段のパルス管に、このような定常流が発生すると、最終段のパルス管が十分に冷却されなくなり、冷凍機全体の冷却能力が低下してしまうという問題が生じる。
【００１０】
本発明は、このような問題に鑑みなされたものであり、本発明では、従来の問題を軽減または回避し、最終段のパルス管の冷却能力を有意に高めることの可能なマルチバルブ型パルスチューブ冷凍機を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明では、
第１の低温端を有する第１段パルス管と、前記第１の低温端よりも低温の低温端を有する最終段パルス管との、少なくとも２つのパルス管および蓄冷管を有する多段式のマルチバルブ型パルスチューブ冷凍機であって、
前記蓄冷管には、第１の開閉バルブを備える第１の高圧側配管を介して、高圧冷媒が供給され、前記蓄冷管からは、第２の開閉バルブを備える第１の低圧側配管を介して、低圧冷媒が排出され、
前記第１段パルス管には、第３の開閉バルブを備える第２の高圧側配管および第１の流路抵抗を介して、高圧冷媒が供給され、前記第１段パルス管からは、前記第１の流路抵抗および第４の開閉バルブを備える第２の低圧側配管を介して、低圧冷媒が排出され、
前記最終段パルス管には、第５の開閉バルブを備える第３の高圧側配管および第２の流路抵抗を介して、高圧冷媒が供給され、前記最終段パルス管からは、前記第２の流路抵抗および第６の開閉バルブを備える第３の低圧側配管を介して、低圧冷媒が排出され、
前記第６の開閉バルブが開状態となる期間は、前記第５の開閉バルブが開状態となる期間よりも長いことを特徴とするマルチバルブ型パルスチューブ冷凍機が提供される。
【００１２】
ここで、本発明によるマルチバルブ型パルスチューブ冷凍機において、前記第４の開閉バルブが開状態となる期間は、前記第３の開閉バルブが開状態となる期間よりも長く、あるいは、前記第４の開閉バルブが開状態となる期間は、前記第３の開閉バルブが開状態となる期間と実質的に等しくても良い。
【００１３】
また、当該マルチバルブ型パルスチューブ冷凍機は、２段式であっても良い。
【００１４】
あるいは、当該マルチバルブ型パルスチューブ冷凍機は、前記第１段パルス管、第２段パルス管、および前記最終段パルス管としての第３段パルス管を有する３段式であっても良い。
【００１５】
特に、この場合、第２段パルス管には、第７の開閉バルブを備える第４の高圧側配管および第３の流路抵抗を介して、高圧冷媒が供給され、前記第２段パルス管からは、前記第３の流路抵抗および第８の開閉バルブを備える第４の低圧側配管を介して、低圧冷媒が排出され、
前記第８の開閉バルブが開状態となる期間は、前記第７の開閉バルブが開状態となる期間よりも長く、あるいは、前記第８の開閉バルブが開状態となる期間は、前記第７の開閉バルブが開状態となる期間と実質的に等しくても良い。
【発明の効果】
【００１６】
本発明では、最終段のパルス管の冷凍能力を有意に高めることの可能なマルチバルブ型パルスチューブ冷凍機を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明による４バルブ型パルスチューブ冷凍機の一例を概略的に示した図である。
【図２】従来の４バルブ型パルスチューブ冷凍機の作動の際の、６つのバルブの開閉状態を時系列的に示した図である。
【図３】図１に示した４バルブ型パルスチューブ冷凍機の作動の際の、６つのバルブの開閉状態を時系列的に示した図である。
【図４】本発明による別の４バルブ型パルスチューブ冷凍機の一例を概略的に示した図である。
【図５】図４に示した４バルブ型パルスチューブ冷凍機の作動の際の、８つのバルブの開閉状態を時系列的に示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図面を参照して、本発明を詳しく説明する。
【００１９】
（第１の実施例）
図１には、本発明による４バルブ型パルスチューブ冷凍機の一例を概略的に示す。このパルスチューブ冷凍機２００は、２段式の構造となっている。
【００２０】
図１に示すように、パルスチューブ冷凍機２００は、圧縮機２１２、第１段および第２段の蓄冷管２４０、２８０、第１段および第２段パルス管２５０、２９０、第１および第２の配管２５６、２８６、オリフィス等で構成された流路抵抗２６０、２６１、ならびに開閉バルブＶ１〜Ｖ６等を備える。
【００２１】
第１段蓄冷管２４０は、高温端２４２および低温端２４４を有し、第２段蓄冷管２８０は、高温端２４４（第１段の低温端２４４に相当）および低温端２８４を有する。第１段パルス管２５０は、高温端２５２および低温端２５４を有し、第２段パルス管２９０は、高温端２９２および低温端２９４を有する。第１段および第２段のパルス管２５０、２９０の各高温端２５２、２９２および低温端２５４、２９４には、熱交換器が設置されている。第１段蓄冷管２４０の低温端２４４は、第１の配管２５６を介して、第１段パルス管２５０の低温端２５４と接続される。また、第２段蓄冷管２８０の低温端２８４は、第２の配管２８６を介して、第２段パルス管２９０の低温端２９４と接続される。
【００２２】
圧縮機２１２の高圧側（吐出側）の冷媒用流路は、Ａ点で、３方向に分岐されており、第１〜第３の冷媒供給路Ｈ１〜Ｈ３が構成される。第１の冷媒供給路Ｈ１は、圧縮機２１２の高圧側〜開閉バルブＶ１が設置された第１の高圧側配管２１５Ａ〜共通配管２２０〜第１段の蓄冷管２４０で構成される。第２の冷媒供給路Ｈ２は、圧縮機２１２の高圧側〜開閉バルブＶ３が接続された第２の高圧側配管２２５Ａ〜流路抵抗２６０が設置された共通配管２３０〜第１段パルス管２５０で構成される。第３の冷媒供給路Ｈ３は、圧縮機２１２の高圧側〜開閉バルブＶ５が接続された第３の高圧側配管２３５Ａ〜流路抵抗２６１が設置された共通配管２９９〜第２段パルス管２９０で構成される。
【００２３】
一方、圧縮機２１２の低圧側（吸込側）の冷媒用流路は、第１〜第３の冷媒回収路Ｌ１〜Ｌ３の、３方向に分岐されている。第１の冷媒回収路Ｌ１は、第１段の蓄冷管２４０〜共通配管２２０〜開閉バルブＶ２が設置された第１の低圧側配管２１５Ｂ〜Ｂ点〜圧縮機２１２の経路で構成される。第２の冷媒回収路Ｌ２は、第１段パルス管２５０〜流路抵抗２６０が設置された共通配管２３０〜開閉バルブＶ４が設置された第２の低圧側配管２２５Ｂ〜Ｂ点〜圧縮機２１２の経路で構成される。第３の冷媒回収路Ｌ３は、第２段パルス管２９０〜流路抵抗２６１が設置された共通配管２９９〜開閉バルブＶ６が設置された第３の低圧側配管２３５Ｂ〜Ｂ点〜圧縮機２１２の経路で構成される。
【００２４】
ここで、本発明によるパルスチューブ冷凍機の動作について説明する前に、本発明の特徴をより良く理解するため、図１に示した本発明の４バルブ型パルスチューブ冷凍機と同様の構成を有する従来のパルスチューブ冷凍機の動作について説明する。なお、以下の説明では、従来の４バルブ型パルスチューブ冷凍機における各構成部材を参照する際に、図1に示したものと同様の参照符号を使用するものとする。
【００２５】
図２は、従来のパルスチューブ冷凍機の動作の際の、６つの開閉バルブＶ１〜Ｖ６の開閉状態を時系列的に示した図である（以下、「従来のタイミングチャート」とも称する）。
【００２６】
図２に示すように、パルスチューブ冷凍機の作動時には、６つの開閉バルブＶ１〜Ｖ６の開閉状態は、以下のように周期的に変化する。
【００２７】
（第１過程：時間０〜ｔ１）
まず、時間ｔ＝０において、開閉バルブＶ５のみが開にされる。これにより、圧縮機２１２から、第３の冷媒供給路Ｈ３を介して、すなわち第３の高圧側配管２３５Ａ〜共通配管２９９〜高温端２９２の経路で、第２段パルス管２９０に高圧冷媒ガスが供給される。その後、時間ｔ＝ｔ１において、開閉バルブＶ５が開状態のまま、開閉バルブＶ３が開にされる。これにより、圧縮機２１２から、第２の冷媒供給路Ｈ２を介して、すなわち第２の高圧側配管２２５Ａ〜共通配管２３０〜高温端２５２の経路で、第１段パルス管２５０に高圧冷媒ガスが供給される。
【００２８】
（第２過程：時間ｔ２〜ｔ３）
次に、時間ｔ＝ｔ２において、開閉バルブＶ５、Ｖ３が開いた状態で、開閉バルブＶ１が開にされる。これにより、高圧冷媒ガスは、圧縮機２１２から、第１の冷媒供給路Ｈ１を介して、すなわち第１の高圧側配管２１５Ａ〜共通配管２２０〜高温端２４２の経路で、第１段および第２段の蓄冷管２４０、２８０に導入される。冷媒ガスの一部は、第１の配管２５６を介して、第１段パルス管２５０に、低温端２５４の側から流入する。また冷媒ガスの他の一部は、第２段の蓄冷管２８０を通り、第２の配管２８６を介して、第２段パルス管２９０に、低温端２９４の側から流入する。
【００２９】
（第３過程：時間ｔ３〜ｔ４）
次に、時間ｔ＝ｔ３において、開閉バルブＶ１が開状態のまま、開閉バルブＶ３が閉にされ、その後、時間ｔ＝ｔ４において、開閉バルブＶ５も閉にされる。圧縮機２１２からの冷媒ガスは、第１の冷媒供給路Ｈ１のみを介して、第１段蓄冷管２４０に流入するようになる。冷媒ガスは、その後、両パルス管２５０および２９０内に、低温端２５４および２９４の側から流入する。
【００３０】
（第４過程：時間ｔ４〜ｔ５）
時間ｔ＝ｔ５において、全ての開閉バルブＶ１〜Ｖ６が閉にされる。第１段および第２段パルス管２５０、２９０の圧力上昇のため、第１段および第２段パルス管２５０、２９０内の冷媒ガスは、両パルス管の高温端２５２、２９２の側に設置されたリザーバ（図示されていない）の方に移動する。
【００３１】
（第５過程：時間ｔ５〜ｔ７）
その後、時間ｔ＝ｔ５において、開閉バルブＶ６が開かれ、第２段パルス管２９０内の冷媒ガスは、第３の冷媒回収路Ｌ３を通って圧縮機２１２に戻る。その後、時間ｔ＝ｔ６において、開閉バルブＶ４が開かれ、第１段パルス管２５０内の冷媒ガスは、第２の冷媒回収路Ｌ２を通って圧縮機２１２に戻る。これにより、両パルス管２５０、２９０の圧力が低下する。
【００３２】
（第６過程：時間ｔ７〜ｔ８）
次に、時間ｔ＝ｔ７において、開閉バルブＶ６、Ｖ４が開状態のまま、開閉バルブＶ２が開かれる。これにより、両パルス管２５０、２９０、および第２段蓄冷管２８０内の冷媒ガスの大部分は、第１段の蓄冷管２４０を通り、第１の冷媒回収路Ｌ１を介して、圧縮機２１２に戻るようになる。
【００３３】
（第７過程：時間ｔ８〜ｔ１０）
次に、時間ｔ＝ｔ８において、開閉バルブＶ２が開いた状態で、開閉バルブＶ４が閉止され、その後、時間ｔ＝ｔ９において、開閉バルブＶ６も閉にされる。その後、時間ｔ＝ｔ１０において、開閉バルブＶ２が閉止され、１サイクルが完了する。
【００３４】
以上のサイクルを１サイクルとして、サイクルを繰り返すことにより、第１段パルス管２５０の低温端２５４、および第２段パルス管２９０の低温端２９４に寒冷が発生し、被冷却対象を冷却させることができる。
【００３５】
ここで、図２に示すように、「従来のタイミングチャート」では、第１の低圧側配管２１５Ｂに接続された開閉バルブＶ２が開状態になっている期間（ｔ７〜ｔ１０）は、第１の高圧側配管２１５Ａに接続された開閉バルブＶ１が開状態になっている期間（ｔ２〜ｔ５）と等しくなっている。また、第２の低圧側配管２２５Ｂに接続された開閉バルブＶ４が開状態になっている期間（ｔ６〜ｔ８）は、第２の高圧側配管２２５Ａに接続された開閉バルブＶ３が開状態になっている期間（ｔ１〜ｔ３）と等しくなっている。同様に、第３の低圧側配管２３５Ｂに接続された開閉バルブＶ６が開状態になっている期間（ｔ５〜ｔ９）は、第３の高圧側配管２３５Ａに接続された開閉バルブＶ５が開状態になっている期間（０〜ｔ４）と等しくなっている。
【００３６】
これは、多段式の４バルブ型パルスチューブ冷凍機では、その設計・運転条件が、単段式の４バルブ型パルスチューブ冷凍機の設計・運転条件をベースとして適用、展開されてきたという経緯に関係する。
【００３７】
例えば、単段式の４バルブ型パルスチューブ冷凍機では、パルス管中を双方向に流れる冷媒ガスの量をバランスさせ、いずれかの方向に偏った冷媒ガスの定常流が発生しないようにするため、第２の高圧側配管２２５Ａに接続された開閉バルブＶ３、および第２の低圧側配管２２５Ｂに接続された開閉バルブＶ４は、パルス管に高圧冷媒ガスを供給する期間と、パルス管から低圧冷媒ガスが排出される期間とがほぼ等しくなるように開閉制御される。
【００３８】
従って、これと同様に、多段式の４バルブ型パルスチューブ冷凍機においても、第２段パルス管中を双方向に流れる冷媒ガスの量をバランスさせ、いずれかの方向に偏った冷媒ガスの定常流が発生しないようにするため、開閉バルブＶ５とＶ６は、開状態の期間がほぼ等しくなるように開閉制御される。
【００３９】
しかしながら、このような運転条件下では、冷媒ガスの供給／排出のバランスの微妙なずれなどの影響により、しばしば、第２段パルス管２９０には、図１に示す矢印Ｆ１のような、下向きの冷媒ガスの定常流が生じるようになる。さらに、このような定常流が生じると、第２段パルス管２９０の低温端２９４が十分に冷却されず、被冷却対象に対する冷凍能力が低下してしまうという問題が生じ得る。
【００４０】
これに対して、本発明によるマルチバルブ型パルスチューブ冷凍機では、以下に示すように、第２段パルス管２９０において、図１に示す矢印Ｆ２のような、上向きの冷媒ガスの定常流が生じやすくなる。従って、本発明では、図１に示す矢印Ｆ１のような、下向きの冷媒ガスの定常流が生じにくくなり、第２段パルス管２９０の低温端２９４が十分に冷却されず、被冷却対象に対する冷凍能力が低下してしまうという問題が軽減または解消される。
【００４１】
以下、図３を参照して、本発明によるマルチバルブ型パルスチューブ冷凍機の動作について説明する。
【００４２】
図３は、本発明によるパルスチューブ冷凍機の作動中の、６つの開閉バルブＶ１〜Ｖ６の開閉状態を時系列的に示した図である（以下、「本発明によるタイミングチャート」とも称する）。
【００４３】
図３に示すように、本発明によるタイミングチャートは、基本的に、従来のタイミングチャートとほぼ同様に構成される。しかしながら、本発明によるタイミングチャートの場合、第３の低圧側配管２３５Ｂに接続された開閉バルブV６が開状態になっている期間（ｔ５〜ｔ９；以下、「ｔＶ６」で表す）は、第３の高圧側配管２３５Ａに接続された開閉バルブＶ５が開状態になっている期間（０〜ｔ４；以下、「ｔＶ５」で表す）よりも長くなっているという特徴がある。
【００４４】
このような特徴により、本発明では、第２段パルス管２９０において、図１に示す矢印Ｆ１のような、下向きの冷媒ガスの定常流が生じにくく、逆に、図１に示す矢印Ｆ２のような、上向きの冷媒ガスの定常流が生じやすくなる。従って、本発明では、前述のような従来の問題が軽減または解消され、第２段パルス管２９０の低温端２９４と熱的に接続された被冷却対象を、安定に冷却することが可能になる。
【００４５】
ここで、開閉バルブＶ５が開状態になっている期間ｔＶ５に対する開閉バルブＶ６が開状態になっている期間ｔＶ６の比（ｔＶ６／ｔＶ５）は、１．０１〜２．００の範囲にあることが好ましく、１．０２〜１．４０の範囲にあることがより好ましい。
【００４６】
また、図３に示した例では、第１の低圧側配管２１５Ｂに接続された開閉バルブＶ２が開状態になっている期間（ｔ７〜ｔ１０；以下、「ｔＶ２」で表す）は、第１の高圧側配管２１５Ａに接続された開閉バルブＶ１が開状態になっている期間（ｔ２〜ｔ５；以下、「ｔＶ１」で表す）に比べて、幾分長くなっている。しかしながら、これは、本発明において、必ずしも必要な条件ではなく、開閉バルブＶ２が開状態になっている期間（ｔＶ２）は、開閉バルブＶ１が開状態になっている期間（ｔＶ１）よりも短くても良く、あるいは両者は、等しくても良い。特に、開閉バルブＶ１が開状態になっている期間ｔＶ１に対する開閉バルブＶ２が開状態になっている期間ｔＶ２の比（ｔＶ２／ｔＶ１）は、０．８０〜１．４０の範囲にあることが好ましく、０．９０〜１．３０の範囲にあることがより好ましい。
【００４７】
同様に、図３に示した例では、第２の低圧側配管２２５Ｂに接続された開閉バルブＶ４が開状態になっている期間（ｔ６〜ｔ８；以下、「ｔＶ４」で表す）は、第２の高圧側配管２２５Ａに接続された開閉バルブＶ３が開状態になっている期間（ｔ１〜ｔ３；以下、「ｔＶ３」で表す）に比べて、幾分長くなっている。しかしながら、これは、本発明において、必ずしも必要な条件ではなく、開閉バルブＶ４が開状態になっている期間（ｔＶ４）は、開閉バルブＶ３が開状態になっている期間（ｔＶ３）よりも短くても良く、あるいは両者は、等しくても良い。特に、開閉バルブＶ３が開状態になっている期間ｔＶ３に対する開閉バルブＶ４が開状態になっている期間ｔＶ４の比（ｔＶ４／ｔＶ３）は、０．８０〜１．４０の範囲にあることが好ましく、０．９０〜１．３０の範囲にあることがより好ましい。
【００４８】
なお、図３の本発明によるタイミングチャートでは、各開閉バルブの開状態の期間は、開閉バルブＶ１＞開閉バルブＶ５＞開閉バルブＶ３、および開閉バルブＶ２＞開閉バルブＶ６＞開閉バルブＶ４の順となっている。ただし、これは一例であって、各開閉バルブの開状態の期間として、別の組み合わせを採用しても良いことは、当業者には明らかである。
【００４９】
すなわち、本発明において重要なことは、最終段のパルス管（図１の構成の場合は、第２段パルス管２９０）に接続された低圧側配管（図１の構成の場合、第３の低圧側配管２３５Ｂ）に設置された開閉バルブ（図１の構成の場合、開閉バルブＶ６）が開状態になっている期間が、最終段のパルス管に接続された高圧側配管（図１の構成の場合、第３の高圧側配管２３５Ａ）に設置された開閉バルブ（図１の構成の場合、開閉バルブＶ５）が開状態になっている期間よりも長いことである。この関係が満たされれば、図３に示した本発明によるタイミングチャート以外にも、開閉バルブＶ１〜Ｖ６の様々な開閉条件を採用し得ることは、当業者には明らかである。
【００５０】
（第２の実施例）
次に、図４および図５を参照して、本発明の第２の実施例について説明する。
【００５１】
図４は、本発明の第２の実施例による４バルブ型パルスチューブ冷凍機の一例を概略的に示した図である。このパルスチューブ冷凍機２０１は、３段式の構造となっている。なお、図４において、前述の図１と同様の部材には、図１のものと同じ参照番号が付されている。
【００５２】
３段式のパルスチューブ冷凍機２０１は、前述の２段式のパルスチューブ冷凍機２００と同様の構成を有する。ただし、３段式のパルスチューブ冷凍機２０１は、さらに第３段蓄冷管４４０および第３段パルス管４２０を有する。
【００５３】
第３段蓄冷管４４０は、高温端２８４（第２段蓄冷管２８０の低温端に相当する）および低温端４４４を有する。第３段パルス管４２０は、高温端４２２および低温端４２４を有し、各高温端４２２、４２４には、熱交換器が設置されている。第３段蓄冷管４４０の低温端４４４は、第３の配管４１６を介して、第３段パルス管４２０の低温端４２４と接続される。
【００５４】
圧縮機２１２の高圧側（吐出側）の冷媒用流路は、図３のような第１〜第３の冷媒供給路Ｈ１〜Ｈ３の他、さらに第４の冷媒供給路Ｈ４を有する。また、圧縮機２１２の低圧側（吸込側）の冷媒用流路は、図３のような第１〜第３の冷媒回収路Ｌ１〜Ｌ３の他、さらに第４の冷媒回収路Ｌ４を有する。
【００５５】
第４の冷媒供給路Ｈ４は、圧縮機２１２の高圧側〜開閉バルブＶ７が接続された第４の高圧側配管２４５Ａ〜流路抵抗４５０が設置された共通配管４５５〜第３段パルス管４２０で構成される。第４の冷媒回収路Ｌ４は、第３段パルス管４２０〜流路抵抗４５０が設置された共通配管４５５〜開閉バルブＶ８が設置された第４の低圧側配管２４５Ｂ〜Ｂ点〜圧縮機２１２の経路で構成される。流路抵抗４５０は、オリフィス等で構成される。
【００５６】
次に、このように構成された４バルブ型パルスチューブ冷凍機２０１の動作について説明する。
【００５７】
図５は、パルスチューブ冷凍機２０１の作動中の、８つの開閉バルブＶ１〜Ｖ８の開閉状態を時系列的に示した図（以下、「第２のタイミングチャート」とも称する）である。パルスチューブ冷凍機２０１の作動時には、８つの開閉バルブＶ１〜Ｖ８の開閉状態は、以下のように周期的に変化する。
【００５８】
（第１過程：時間０〜ｔ３）
まず、時間ｔ＝０において、開閉バルブＶ７のみが開にされる。これにより、圧縮機２１２から、第４の冷媒供給路Ｈ４を介して、すなわち第４の高圧側配管２４５Ａ〜共通配管４５５〜高温端４２２の経路で、第３段パルス管４２０に高圧冷媒ガスが供給される。その後、時間ｔ＝ｔ１において、開閉バルブＶ７が開状態のまま、開閉バルブＶ５が開にされる。これにより、圧縮機２１２から、第３の冷媒供給路Ｈ３を介して、すなわち第３の高圧側配管２３５Ａ〜共通配管２９９〜高温端２９２の経路で、第２段パルス管２９０に高圧冷媒ガスが供給される。
【００５９】
次に、時間ｔ＝ｔ２において、開閉バルブＶ７、Ｖ５が開いた状態で、開閉バルブＶ３が開にされる。これにより、高圧冷媒ガスは、圧縮機２１２から、第２の冷媒供給路Ｈ２を介して、すなわち第２の高圧側配管２２５Ａ〜共通配管２３０〜高温端２５２の経路で、第１段パルス管２５０に供給される。
【００６０】
次に、時間ｔ＝ｔ３において、開閉バルブＶ７、Ｖ５、Ｖ３が開いた状態で、開閉バルブＶ１が開にされる。これにより、高圧冷媒ガスは、第１段〜第３段の蓄冷管２４０、２８０、４４０に導入される。冷媒ガスの一部は、第１の配管２５６を介して、第１段パルス管２５０に、低温端２５４の側から流入する。また冷媒ガスの別の一部は、第２段の蓄冷管２８０を通り、第２の配管２８６を介して、第２段パルス管２９０に、低温端２９４の側から流入する。冷媒ガスのさらに別の一部は、第３段の蓄冷管４４０を通り、第３の配管４１６を介して、第３段パルス管４２０に、低温端４２４の側から流入する。
【００６１】
（第２過程：時間ｔ４〜ｔ７）
次に、時間ｔ＝ｔ４において、開閉バルブＶ１、Ｖ５、Ｖ７が開状態のまま、開閉バルブＶ３が閉にされ、その後、開閉バルブＶ５、Ｖ７も順次閉にされる（時間ｔ＝ｔ５、およびｔ＝ｔ６）これに対応して、圧縮機２１２からの冷媒ガスは、第１の冷媒供給路Ｈ１のみを介して、第１段蓄冷管２４０に流入するようになる。冷媒ガスは、その後、３つのパルス管２５０、２９０、４２０内に、低温端２５４、２９４、４２４の側から流入する。
【００６２】
時間ｔ＝ｔ７では、全ての開閉バルブＶ１〜Ｖ８が閉にされる。第１段〜第３段パルス管２５０、２９０、４２０の圧力上昇のため、第１段〜第３段パルス管２５０、２９０、４２０内の冷媒ガスは、両パルス管の高温端２５２、２９２、４２２の側に設置されたリザーバ（図示されていない）の方に移動する。
【００６３】
（第３過程：時間ｔ７〜ｔ１０）
その後、時間ｔ＝ｔ７において、開閉バルブＶ８が開かれ、第３段パルス管４２０内の冷媒ガスは、第４の冷媒回収路Ｌ４を通って圧縮機２１２に戻る。その後、時間ｔ＝ｔ８において、開閉バルブＶ６が開かれ、第２段パルス管２９０内の冷媒ガスは、第３の冷媒回収路Ｌ３を通って圧縮機２１２に戻る。これにより、両パルス管４２０、２９０の圧力が低下する。その後、時間ｔ＝ｔ９において、開閉バルブＶ４が開かれ、第１段パルス管２５０内の冷媒ガスは、第２の冷媒回収路Ｌ２を通って圧縮機２１２に戻る。これにより、第１段パルス管２５０の圧力が低下する。
【００６４】
さらに、時間ｔ＝ｔ１０において、開閉バルブＶ８、Ｖ６、Ｖ４が開状態のまま、開閉バルブＶ２が開かれる。これにより、各パルス管４２０、２９０、２５０、および蓄冷管２４０、２８０、４４０内の冷媒ガスの大部分は、第１段の蓄冷管２４０を通り、第１の冷媒回収路Ｌ１を介して、圧縮機２１２に戻るようになる。
【００６５】
（第４過程：時間ｔ１１〜ｔ１４）
次に、時間ｔ＝ｔ１１において、開閉バルブＶ２、Ｖ６、Ｖ８が開いた状態で、開閉バルブＶ４が閉止され、その後、開閉バルブＶ６、Ｖ８が順次閉止される（時間ｔ＝ｔ１２およびｔ＝ｔ１３）。
【００６６】
最後に、時間ｔ＝ｔ１４において、開閉バルブＶ２が閉止され、１サイクルが完了する。
【００６７】
以上のサイクルの繰り返しにより、第１段パルス管２５０の低温端２５４、第２段パルス管２９０の低温端２９４、および第３段パルス管４２０の低温端４２４、に寒冷が発生し、被冷却対象を冷却させることができる。
【００６８】
ここで、本発明では、第２のタイミングチャートに示すように、第４の低圧側配管２４５Ｂに接続された開閉バルブＶ８が開状態になっている期間（ｔ７〜ｔ１３；以下、「ｔＶ８」で表す）は、第４の高圧側配管２４５Ａに接続された開閉バルブＶ７が開状態になっている期間（０〜ｔ６；以下、「ｔＶ７」で表す）よりも長くなっているという特徴がある。
【００６９】
このような特徴により、この３段式パルスチューブ冷凍機２０１においても、低温端が最も低温となる第３段パルス管４２０において、図４に示す矢印Ｆ３のような、上向きの冷媒ガスの定常流が生じやすくなる。従って、本発明では、前述のような従来の問題が軽減または解消され、第３段パルス管４２０の低温端４２４と熱的に接続された被冷却対象を、安定に冷却することが可能になる。
【００７０】
ここで、開閉バルブＶ７が開状態になっている期間ｔＶ７に対する開閉バルブＶ８が開状態になっている期間ｔＶ８の比（ｔＶ８／ｔＶ７）は、１．０１〜２．００の範囲にあることが好ましく、１．０２〜１．４０の範囲にあることがより好ましい。
【００７１】
また、図５に示した例では、第１の低圧側配管２１５Ｂに接続された開閉バルブＶ２が開状態になっている期間（ｔ１０〜ｔ１４；以下、「ｔＶ２」で表す）は、第１の高圧側配管２１５Ａに接続された開閉バルブＶ１が開状態になっている期間（ｔ３〜ｔ７；以下、「ｔＶ１」で表す）に比べて、幾分長くなっている。しかしながら、これは、本発明において、必ずしも必要な条件ではなく、開閉バルブＶ２が開状態になっている期間（ｔＶ２）は、開閉バルブＶ１が開状態になっている期間（ｔＶ１）よりも短くても良く、あるいは両者は、等しくても良い。特に、開閉バルブＶ１が開状態になっている期間ｔＶ１に対する開閉バルブＶ２が開状態になっている期間ｔＶ２の比（ｔＶ２／ｔＶ１）は、０．８０〜１．４０の範囲にあることが好ましく、０．９０〜１．３０の範囲にあることがより好ましい。
【００７２】
同様に、図５に示した例では、第２の低圧側配管２２５Ｂに接続された開閉バルブＶ４が開状態になっている期間（ｔ９〜ｔ１１；以下、「ｔＶ４」で表す）は、第２の高圧側配管２２５Ａに接続された開閉バルブＶ３が開状態になっている期間（ｔ２〜ｔ４；以下、「ｔＶ３」で表す）に比べて、幾分長くなっている。しかしながら、これは、本発明において、必ずしも必要な条件ではなく、開閉バルブＶ４が開状態になっている期間（ｔＶ４）は、開閉バルブＶ３が開状態になっている期間（ｔＶ３）よりも短くても良く、あるいは両者は、等しくても良い。特に、開閉バルブＶ３が開状態になっている期間ｔＶ３に対する開閉バルブＶ４が開状態になっている期間ｔＶ４の比（ｔＶ４／ｔＶ３）は、０．８０〜１．４０の範囲にあることが好ましく、０．９０〜１．３０の範囲にあることがより好ましい。
【００７３】
さらに、図５に示した例では、第３の低圧側配管２３５Ｂに接続された開閉バルブＶ６が開状態になっている期間（ｔ８〜ｔ１２；以下、「ｔＶ６」で表す）は、第３の高圧側配管２３５Ａに接続された開閉バルブＶ５が開状態になっている期間（ｔ１〜ｔ５；以下、「ｔＶ５」で表す）に比べて、幾分長くなっている。しかしながら、これは、本発明において、必ずしも必要な条件ではなく、開閉バルブＶ６が開状態になっている期間（ｔＶ６）は、開閉バルブＶ５が開状態になっている期間（ｔＶ５）よりも短くても良く、あるいは両者は、等しくても良い。特に、開閉バルブＶ５が開状態になっている期間ｔＶ５に対する開閉バルブＶ６が開状態になっている期間ｔＶ６の比（ｔＶ６／ｔＶ５）は、０．８０〜１．４０の範囲にあることが好ましく、０．９０〜１．３０の範囲にあることがより好ましい。
【００７４】
なお、図５の本発明によるタイミングチャートでは、各開閉バルブの開状態の期間は、開閉バルブＶ１＞開閉バルブＶ７＞開閉バルブＶ５＞開閉バルブＶ３、および開閉バルブＶ２＞開閉バルブＶ８＞開閉バルブＶ６＞開閉バルブＶ４の順となっている。ただし、これは一例であって、各開閉バルブの開状態の期間として、別の組み合わせを採用しても良いことは、当業者には明らかである。
【実施例】
【００７５】
以下、本発明の実施例について説明する。
【００７６】
前述の図１に示したような２段式の４バルブ型パルスチューブ冷凍機を、本発明による運転方法により実際に運転し、第１段および第２段パルス管２５０、２９０の低温端２５４、２９４の温度を測定した。なお、測定は、無熱負荷状態と、熱負荷状態で行った。
【００７７】
パルスチューブ冷凍機の運転パラメータは、以下の通りである：
圧縮機２１２の運転周波数：５０Ｈｚ；
運転時の封入圧：１．６５ＭＰａ；
開閉バルブＶ１が開状態となっている期間ｔＶ１に対する開閉バルブＶ２が開状態となっている期間ｔＶ２の比（ｔＶ２／ｔＶ１）：約１．０；
開閉バルブＶ３が開状態となっている期間ｔＶ３に対する開閉バルブＶ４が開状態となっている期間ｔＶ４の比（ｔＶ４／ｔＶ３）：約１．２；
開閉バルブＶ５が開状態となっている期間ｔＶ５に対する開閉バルブＶ６が開状態となっている期間ｔＶ６の比（ｔＶ６／ｔＶ５）：約１．２。
【００７８】
その結果、無熱負荷状態では、第１段パルス管２５０の低温端２５４の到達温度は、２５Ｋとなり、第２段パルス管２９０の低温端２９４の到達温度は、２．６Ｋとなった。また、４０Ｗ熱負荷運転時の第１段パルス管２５０の低温端２５４は、４１Ｋとなった。また、１．０Ｗ熱負荷運転時の２段パルス管２９０の低温端２９４の到達温度は、４．０Ｋとなった。
【００７９】
従来の２段式の４バルブ型パルスチューブ冷凍機では、第２段パルス管の低温端の温度は、せいぜい１０Ｋ程度であるとの報告がある。従って、本発明では、最終段のパルス管の低温端が十分な低温に維持され、これにより、パルスチューブ冷凍機が被冷却対象に対して、極めて良好な冷却能力を発揮することが確認された。
【産業上の利用可能性】
【００８０】
本発明は、多段式の様々なマルチバルブ型パルスチューブ冷凍機に適用することができる。
【符号の説明】
【００８１】
２００    本発明による２段式の４バルブ型パルスチューブ冷凍機
２０１    本発明による３段式の４バルブ型パルスチューブ冷凍機
２１２    圧縮機
２１５Ａ  第１の高圧側配管
２１５Ｂ  第１の低圧側配管
２２０    共通配管
２２５Ａ  第２の高圧側配管
２２５Ｂ  第２の低圧側配管
２３０    共通配管
２３５Ａ  第３の高圧側配管
２３５Ｂ  第３の低圧側配管
２４０    第１段蓄冷管
２４５Ａ  第４の高圧側配管
２４５Ｂ  第４の低圧側配管
２５０    第１段パルス管
２５６    第１の配管
２６０、２６１  流路抵抗
２８０    第２段蓄冷管
２８６    第２の配管
２９０    第２段パルス管
２９９    共通配管
４１６    第３の配管
４２０    第３段パルス管
４４０    第３段蓄冷管
４５０    流路抵抗
４５５    共通配管
Ｈ１      第１の冷媒供給路
Ｈ２      第２の冷媒供給路
Ｈ３      第３の冷媒供給路
Ｈ４      第４の冷媒供給路
Ｌ１      第１の冷媒回収路
Ｌ２      第２の冷媒回収路
Ｌ３      第３の冷媒回収路
Ｌ４      第４の冷媒回収路
Ｖ１〜Ｖ８  開閉バルブ。
【図１】
2011094835.tif 000003
【図２】
2011094835.tif 000004
【図３】
2011094835.tif 000005
【図４】
2011094835.tif 000006
【図５】
2011094835.tif 000007