(57)【要約】【課題】複数のコールドヘッドを有するアクティブバッファパルス管冷凍機の大型化を抑制する。【解決手段】パルス管冷凍機１０は、複数のコールドヘッド１４を備え、各コールドヘッド１４が、パルス管１６と、蓄冷器１８と、圧縮機吐出口１２ａおよび圧縮機吸入口１２ｂを蓄冷器１８の高温端に交互に接続する主圧力切替バルブ２４ａと、パルス管１６の高温端に接続された副圧力切替バルブ２４ｂと、を備える。パルス管冷凍機１０は、各コールドヘッド１４のパルス管１６の高温端に副圧力切替バルブ２４ｂを介して接続され、第１圧力源として複数のコールドヘッド１４に共有される第１バッファ容積Ｂ１と、各コールドヘッド１４のパルス管１６の高温端に副圧力切替バルブ２４ｂを介して接続され、第２圧力源として複数のコールドヘッド１４に共有される第２バッファ容積Ｂ２と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のコールドヘッドであって、各コールドヘッドが、
パルス管高温端とパルス管低温端とを有するパルス管と、
蓄冷器高温端と、前記パルス管低温端と連通している蓄冷器低温端とを有する蓄冷器と、
圧縮機吐出口および圧縮機吸入口を前記蓄冷器高温端に交互に接続する主圧力切替バルブと、
前記パルス管高温端に接続された副圧力切替バルブと、を備える複数のコールドヘッドと、
各コールドヘッドのパルス管高温端に当該コールドヘッドの副圧力切替バルブを介して接続され、第１圧力を有する第１圧力源として前記複数のコールドヘッドに共有される第１バッファ容積と、
各コールドヘッドのパルス管高温端に当該コールドヘッドの副圧力切替バルブを介して接続され、前記第１圧力と異なる第２圧力を有する第２圧力源として前記複数のコールドヘッドに共有される第２バッファ容積と、を備えることを特徴とするアクティブバッファパルス管冷凍機。
【請求項２】
各コールドヘッドのパルス管高温端に当該コールドヘッドの副圧力切替バルブを介して接続され、前記第１圧力および前記第２圧力と異なる第３圧力を有する第３圧力源として前記複数のコールドヘッドに共有される第３バッファ容積をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のアクティブバッファパルス管冷凍機。
【請求項３】
各コールドヘッドの副圧力切替バルブのバルブタイミングは、異なるバッファ容積を当該コールドヘッドのパルス管高温端に順番に接続するように定められ、前記複数のコールドヘッドの副圧力切替バルブそれぞれのバルブタイミングが互いに位相差をもつことを特徴とする請求項１または２に記載のアクティブバッファパルス管冷凍機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アクティブバッファ型のパルス管冷凍機（以下、アクティブバッファパルス管冷凍機ともいう）に関する。
【背景技術】
【０００２】
パルス管冷凍機は、主たる構成要素として、振動流発生源、蓄冷器、パルス管、および位相制御機構を備える。振動流の発生にはいくつかの方式がある。例えば、圧縮機と周期的な流路切替弁の組み合わせを用いるいわゆるＧＭ（ギフォード・マクマホン；Gifford-McMahon）方式と、調和振動するピストンによって振動流を発生するスターリング方式が知られている。また、ＧＭ方式のパルス管冷凍機は、位相制御機構の構成により、ダブルインレット型、アクティブバッファ型、４バルブ型などいくつかの方式に分類される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−９４３８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
冷却すべき物体が大きい場合には、一つのパルス管冷凍機に複数のコールドヘッドを設け、これらを並列に運転することで、当該物体に要求される冷凍能力を提供するパルス管冷凍機の設計が採用されることがある。
【０００５】
一般に、アクティブバッファパルス管冷凍機は、圧縮機から独立して設けられパルス管の高温端に接続されたバッファタンクを備え、このバッファタンクからパルス管へのガス流入および流出が位相制御に用いられる。圧縮機が提供できるガス流量を位相制御に配分する必要が無いので、アクティブバッファパルス管冷凍機は、ダブルインレット型や４バルブ式など他の方式に比べて冷凍機の効率を高くしやすいという利点がある。
【０００６】
その反面、アクティブバッファパルス管冷凍機は通例、所望の位相制御を実現するためにかなり大容積のバッファタンクを要しうる。アクティブバッファパルス管冷凍機が複数のコールドヘッドを有する場合には、コールドヘッドごとにバッファタンクが装備される。典型的には、一つ一つのコールドヘッドに複数個のバッファタンクが装備され、それぞれ異なる圧力源として用いられる（例えば、１台のコールドヘッドにつき、３個のバッファタンクが高圧源、中圧源、および低圧源として設置される）。個々のバッファタンクの容積は、しばしばパルス管または蓄冷器の容積の少なくとも数倍以上にも及びうる。
【０００７】
したがって、複数のコールドヘッドが設けられたアクティブバッファパルス管冷凍機を設置するには、かなり大きなスペースを要する。そのため、アクティブバッファパルス管冷凍機には高い効率を実現しやすいという利点があるにもかかわらず、その適用可能な用途が制約されうる。
【０００８】
本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、複数のコールドヘッドを有するアクティブバッファパルス管冷凍機の大型化を抑制する技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明のある態様によると、アクティブバッファパルス管冷凍機は、複数のコールドヘッドであって、各コールドヘッドが、パルス管高温端とパルス管低温端とを有するパルス管と、蓄冷器高温端と、前記パルス管低温端と連通している蓄冷器低温端とを有する蓄冷器と、圧縮機吐出口および圧縮機吸入口を前記蓄冷器高温端に交互に接続する主圧力切替バルブと、前記パルス管高温端に接続された副圧力切替バルブと、を備える複数のコールドヘッドと、各コールドヘッドのパルス管高温端に当該コールドヘッドの副圧力切替バルブを介して接続され、第１圧力を有する第１圧力源として前記複数のコールドヘッドに共有される第１バッファ容積と、各コールドヘッドのパルス管高温端に当該コールドヘッドの副圧力切替バルブを介して接続され、前記第１圧力と異なる第２圧力を有する第２圧力源として前記複数のコールドヘッドに共有される第２バッファ容積と、を備える。
【００１０】
なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、複数のコールドヘッドを有するアクティブバッファパルス管冷凍機の大型化が抑制される。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】ある実施の形態に係るアクティブバッファパルス管冷凍機の全体構成を概略的に示す図である。
【図２】ある実施の形態に係るアクティブバッファパルス管冷凍機の作動ガス回路構成を示す概略図である。
【図３】ある実施の形態に係るアクティブバッファパルス管冷凍機に適用可能である例示的なバルブタイミングを示す概略図である。
【図４】ある実施の形態に係るアクティブバッファパルス管冷凍機に適用可能である例示的なバルブタイミングを示す概略図である。
【図５】ある実施の形態に係るアクティブバッファパルス管冷凍機に適用可能である例示的なバルブタイミングを示す概略図である。
【図６】他の実施の形態に係るアクティブバッファパルス管冷凍機を概略的に示す図である。
【図７】他の実施の形態に係るアクティブバッファパルス管冷凍機を概略的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。なお、説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。また、以下に述べる構成は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。また、以下の説明において参照する図面において、各構成部材の大きさや厚みは説明の便宜上のものであり、必ずしも実際の寸法や比率を示すものではない。
【００１４】
図１は、ある実施の形態に係るアクティブバッファパルス管冷凍機（以下では単に、パルス管冷凍機ともいう）の全体構成を概略的に示す図である。図２は、図１に示されるアクティブバッファパルス管冷凍機の作動ガス回路構成を示す概略図である。
【００１５】
パルス管冷凍機１０は、複数の圧縮機１２と、複数のコールドヘッド１４とを備える。複数のコールドヘッド１４の各々は、パルス管１６、蓄冷器１８、被冷却物１９を冷却する冷却ステージ２０、フランジ部２２、およびバルブ部２４を備える。バルブ部２４は、主圧力切替バルブ２４ａおよび副圧力切替バルブ２４ｂを備える。
【００１６】
詳しくは後述するが、パルス管冷凍機１０は、いわゆる３バッファ方式のアクティブバッファパルス管冷凍機として構成され、第１バッファ容積Ｂ１と、第２バッファ容積Ｂ２と、第３バッファ容積Ｂ３とを備える。第１バッファ容積Ｂ１は、第１圧力を有する第１圧力源として複数のコールドヘッド１４に共有される。第２バッファ容積Ｂ２は、第１圧力と異なる第２圧力を有する第２圧力源として複数のコールドヘッド１４に共有される。第３バッファ容積Ｂ３は、第１圧力および第２圧力と異なる第３圧力を有する第３圧力源として複数のコールドヘッド１４に共有される。
【００１７】
パルス管冷凍機１０は、同じ数の圧縮機１２とコールドヘッド１４を有し、コールドヘッド１４ごとに圧縮機１２が設けられている。説明の簡明化のため、図１には、パルス管冷凍機１０が２台の圧縮機１２と２台のコールドヘッド１４を有する場合が示されている。以下では、説明の便宜上、２台の圧縮機１２を区別するときは、第１圧縮機、第２圧縮機と称し、２台のコールドヘッド１４を区別するときは、第１コールドヘッド、第２コールドヘッドと称する。
【００１８】
ただし、圧縮機１２の数はコールドヘッド１４の数と異なってもよい。例えば、圧縮機１２の数はコールドヘッド１４の数より少なくてもよい。少なくとも１つの圧縮機１２が２つまたはそれより多数のコールドヘッド１４に共有されてもよい。また、圧縮機１２とコールドヘッド１４の台数は２台に限られず、いくつであってもよい。パルス管冷凍機１０は、３台またはそれより多数の圧縮機１２と、３台またはそれより多数のコールドヘッド１４とを備えてもよい。
【００１９】
パルス管冷凍機１０は、単段式のパルス管冷凍機である。ただし、パルス管冷凍機１０は、あるいは多段式（例えば二段式）のパルス管冷凍機とすることも可能である。
【００２０】
圧縮機１２および主圧力切替バルブ２４ａによって、パルス管冷凍機１０の振動流発生源が構成される。振動流発生源は、圧縮機１２が生み出す作動ガスの定常流から、主圧力切替バルブ２４ａの切替動作によって蓄冷器１８を通じてパルス管１６内に作動ガスの圧力振動を生成するように構成されている。また、第１バッファ容積Ｂ１、第２バッファ容積Ｂ２、第３バッファ容積Ｂ３、および副圧力切替バルブ２４ｂによって、パルス管冷凍機１０の位相制御機構が構成される。位相制御機構は、副圧力切替バルブ２４ｂの開閉動作によって、作動ガスの圧力振動に対しパルス管１６内のガス要素（ガスピストンとも呼ばれる）の変位振動の位相を遅らせるように構成されている。適切な位相遅れは、パルス管１６の低温端でのＰＶ仕事を生じさせ、作動ガスを冷却することができる。冷却された作動ガスとの熱交換により冷却ステージ２０が冷却される。
【００２１】
圧縮機１２は、圧縮機吐出口１２ａと圧縮機吸入口１２ｂとを有し、回収した低圧ＰＬの作動ガスを圧縮して高圧ＰＨの作動ガスを生成するよう構成されている。圧縮機吐出口１２ａから蓄冷器１８を通じてパルス管１６に作動ガスが供給され、パルス管１６から蓄冷器１８を通じて圧縮機吸入口１２ｂへと作動ガスが回収される。圧縮機吐出口１２ａおよび圧縮機吸入口１２ｂはそれぞれ、パルス管冷凍機１０の高圧源および低圧源として機能する。作動ガスは、冷媒ガスとも称され、例えばヘリウムガスである。
【００２２】
パルス管冷凍機１０には、圧縮機１２およびコールドヘッド１４の組ごとに、高圧ライン１３ａおよび低圧ライン１３ｂが設けられている。高圧ライン１３ａは、圧縮機吐出口１２ａをコールドヘッド１４のバルブ部２４に接続する。高圧ライン１３ａを通じて、高圧ＰＨの作動ガスが圧縮機１２からコールドヘッド１４に供給される。低圧ライン１３ｂは、圧縮機吸入口１２ｂをコールドヘッド１４のバルブ部２４に接続する。低圧ライン１３ｂを通じて、低圧ＰＬの作動ガスがコールドヘッド１４から圧縮機１２に回収される。高圧ライン１３ａおよび低圧ライン１３ｂはそれぞれ、圧縮機１２とコールドヘッド１４を接続する剛性または可撓性の配管であってもよい。
【００２３】
パルス管１６は、パルス管高温端１６ａと、パルス管低温端１６ｂとを有し、パルス管高温端１６ａからパルス管低温端１６ｂへと延在する。パルス管高温端１６ａおよびパルス管低温端１６ｂはそれぞれ、パルス管１６の第１端および第２端とも称しうる。同様に、蓄冷器１８は、蓄冷器高温端１８ａと、蓄冷器低温端１８ｂとを有し、蓄冷器高温端１８ａから蓄冷器低温端１８ｂへと延在する。蓄冷器高温端１８ａおよび蓄冷器低温端１８ｂはそれぞれ、蓄冷器１８の第１端および第２端とも称しうる。
【００２４】
パルス管低温端１６ｂと蓄冷器低温端１８ｂは冷却ステージ２０によって構造的に接続され熱的に結合されている。冷却ステージ２０には冷却ステージ連通路２６が形成されている。冷却ステージ連通路２６を通じて、パルス管低温端１６ｂは、蓄冷器低温端１８ｂと流体的に連通している。したがって、圧縮機１２から供給される作動ガスは、蓄冷器低温端１８ｂから冷却ステージ連通路２６を通じてパルス管低温端１６ｂへと流れることができる。パルス管１６からの戻りガスは、パルス管低温端１６ｂから冷却ステージ連通路２６を通じて蓄冷器低温端１８ｂへと流れることができる。
【００２５】
例示的な構成においては、パルス管１６は内部を空洞とする円筒状の管であり、蓄冷器１８は内部に蓄冷材を充填した円筒状の管であり、両者は互いに隣り合って各々の中心軸を平行として配置されている。パルス管１６および蓄冷器１８は、冷却ステージ２０から同方向に延びており、パルス管高温端１６ａおよび蓄冷器高温端１８ａは、冷却ステージ２０に対して同じ側に配置されている。このようにして、パルス管１６、蓄冷器１８、および冷却ステージ２０は、Ｕ字状に配置されている。
【００２６】
被冷却物１９は、冷却ステージ２０上に直接設置され、または冷却ステージ２０に剛性または可撓性の伝熱部材を介して熱的に結合されている。パルス管冷凍機１０は、冷却ステージ２０からの伝導冷却によって被冷却物１９を冷却することができる。図示される例では、コールドヘッド１４ごとに冷却ステージ２０が設けられ、パルス管冷凍機１０は、複数の冷却ステージ２０を有する。ある実施の形態においては、複数の冷却ステージ２０は、互いに接続された一つの冷却ステージとして構成されてもよい。また、図示される例では、複数のコールドヘッド１４それぞれの冷却ステージ２０が、一つの共通の被冷却物１９に熱的に結合されているが、これに限られない。複数の冷却ステージ２０が複数の被冷却物に熱的に結合されてもよい。
【００２７】
一例として、パルス管冷凍機１０によって冷却される被冷却物１９は、超伝導電磁石またはその他の超伝導装置、あるいは赤外線撮像素子またはその他のセンサなど固形物であるが、これには限られない。言うまでもなく、パルス管冷凍機１０は冷却ステージ２０に接触する気体または液体を冷却することもできる。
【００２８】
一方、パルス管高温端１６ａと蓄冷器高温端１８ａはフランジ部２２によって接続されている。フランジ部２２は、パルス管冷凍機１０が設置される支持台または支持壁などの支持部２８に取り付けられる。支持部２８は、冷却ステージ２０および被冷却物１９を（蓄冷器１８およびパルス管１６とともに）収容する断熱容器または真空容器の壁材またはその他の部位であってもよい。図示される例では、コールドヘッド１４ごとにフランジ部２２が設けられ、パルス管冷凍機１０は、複数のフランジ部２２を有する。ある実施の形態においては、複数のフランジ部２２は、互いに接続された一つのフランジ部として構成されてもよい。
【００２９】
フランジ部２２の一方の主表面から蓄冷器１８およびパルス管１６が冷却ステージ２０へと延び、フランジ部２２の他方の主表面にはバルブ部２４が設けられている。したがって、支持部２８が断熱容器または真空容器の一部を構成する場合には、フランジ部２２が支持部２８に取り付けられるとき、蓄冷器１８、パルス管１６、および冷却ステージ２０は、当該容器内に収容され、バルブ部２４は、容器外に配置される。
【００３０】
このようにして、圧縮機１２およびバルブ部２４は周囲環境（例えば、室温大気圧環境）に配置される。第１バッファ容積Ｂ１、第２バッファ容積Ｂ２、および第３バッファ容積Ｂ３も周囲環境に配置される。蓄冷器１８、パルス管１６、および冷却ステージ２０は周囲環境から隔離された環境（例えば、極低温真空環境）に配置される。
【００３１】
なお、バルブ部２４は、フランジ部２２に直接取り付けられている必要はない。バルブ部２４は、パルス管冷凍機１０のコールドヘッド１４から分離して配置され、剛性または可撓性の配管によりコールドヘッド１４に接続されてもよい。こうして、パルス管冷凍機１０の振動流発生源および位相制御機構がコールドヘッド１４から分離して配置されてもよい。
【００３２】
また、パルス管冷凍機１０は、パルス管連通路３０、蓄冷器連通路３２、第１バッファライン３４、第２バッファライン３６、および第３バッファライン３８を有する。パルス管連通路３０はパルス管高温端１６ａから延び副圧力切替バルブ２４ｂを介して、第１バッファライン３４、第２バッファライン３６、第３バッファライン３８に分岐している。蓄冷器連通路３２は蓄冷器高温端１８ａから延び主圧力切替バルブ２４ａを介して高圧ライン１３ａと低圧ライン１３ｂに分岐している。
【００３３】
第１バッファライン３４は、複数のコールドヘッド１４それぞれの副圧力切替バルブ２４ｂから第１バッファ容積Ｂ１へと合流している。第２バッファライン３６は、複数のコールドヘッド１４それぞれの副圧力切替バルブ２４ｂから第２バッファ容積Ｂ２へと合流している。第３バッファライン３８は、複数のコールドヘッド１４それぞれの副圧力切替バルブ２４ｂから第３バッファ容積Ｂ３へと合流している。第１バッファライン３４、第２バッファライン３６、および第３バッファライン３８はそれぞれ、第１バッファ容積Ｂ１、第２バッファ容積Ｂ２、および第３バッファ容積Ｂ３と複数のコールドヘッド１４を接続する剛性または可撓性の配管であってもよい。
【００３４】
このようにして、第１バッファ容積Ｂ１は、各コールドヘッド１４のパルス管高温端１６ａに当該コールドヘッド１４の副圧力切替バルブ２４ｂを介して接続されている。第１バッファ容積Ｂ１は、高圧ＰＨを有する高圧源として複数のコールドヘッド１４に共有される。
【００３５】
同様に、第２バッファ容積Ｂ２は、各コールドヘッド１４のパルス管高温端１６ａに当該コールドヘッド１４の副圧力切替バルブ２４ｂを介して接続されている。第２バッファ容積Ｂ２は、低圧ＰＬを有する低圧源として複数のコールドヘッド１４に共有される。
【００３６】
さらに、第３バッファ容積Ｂ３は、各コールドヘッド１４のパルス管高温端１６ａに当該コールドヘッド１４の副圧力切替バルブ２４ｂを介して接続されている。第３バッファ容積Ｂ３は、中間圧ＰＭを有する中圧源として複数のコールドヘッド１４に共有される。中間圧は、高圧と低圧の平均圧であってもよい（すなわち、ＰＭ＝（ＰＨ−ＰＬ）／２）。
【００３７】
第１バッファ容積Ｂ１、第２バッファ容積Ｂ２、および第３バッファ容積Ｂ３はそれぞれ別個のバッファタンクとして構成されている。
【００３８】
パルス管冷凍機１０はアクティブバッファ型であるから、パルス管高温端１６ａと蓄冷器高温端１８ａを流体的に連通させるバイパス路は設けられていない。したがって、パルス管高温端１６ａと蓄冷器高温端１８ａの間で作動ガスが直接流れることはできない。上述のように、パルス管１６と蓄冷器１８の間で流れる作動ガスはすべて冷却ステージ連通路２６を通る。しかし、もし必要とされる場合には、パルス管冷凍機１０は、パルス管高温端１６ａと蓄冷器高温端１８ａを流体的に連通させるバイパス路を備えてもよい。
【００３９】
バルブ部２４の例示的な構成を述べる。主圧力切替バルブ２４ａは、蓄冷器高温端１８ａを圧縮機吐出口１２ａおよび圧縮機吸入口１２ｂに交互に接続するように構成されている。主圧力切替バルブ２４ａは、圧縮機吐出口１２ａを蓄冷器高温端１８ａに接続する主吸気開閉バルブＶ１と、圧縮機吸入口１２ｂを蓄冷器高温端１８ａに接続する主排気開閉バルブＶ２とを備える。
【００４０】
主圧力切替バルブ２４ａは、主吸気開閉バルブＶ１および主排気開閉バルブＶ２がそれぞれ排他的に開放されるよう構成されている。すなわち、主吸気開閉バルブＶ１および主排気開閉バルブＶ２が同時に開くことは禁止されている。主吸気開閉バルブＶ１が開放されているとき主排気開閉バルブＶ２は閉鎖され、主排気開閉バルブＶ２が開放されているとき主吸気開閉バルブＶ１は閉鎖される。なお主吸気開閉バルブＶ１および主排気開閉バルブＶ２は一時的にともに閉鎖されてもよい。
【００４１】
主吸気開閉バルブＶ１が開いているとき、圧縮機吐出口１２ａから高圧ライン１３ａ、主吸気開閉バルブＶ１、蓄冷器連通路３２、および蓄冷器高温端１８ａを通じて蓄冷器１８に作動ガスが供給される。一方、主排気開閉バルブＶ２が開いているとき、蓄冷器１８から蓄冷器高温端１８ａ、蓄冷器連通路３２、主排気開閉バルブＶ２、および低圧ライン１３ｂを通じて圧縮機吸入口１２ｂに作動ガスが回収される。
【００４２】
副圧力切替バルブ２４ｂは、主圧力切替バルブ２４ａが蓄冷器高温端１８ａを圧縮機吐出口１２ａに接続するとき第１バッファ容積Ｂ１をパルス管高温端１６ａに接続し、主圧力切替バルブ２４ａが蓄冷器高温端１８ａを圧縮機吸入口１２ｂに接続するとき第２バッファ容積Ｂ２をパルス管高温端１６ａに接続するように構成されている。さらに、副圧力切替バルブ２４ｂは、主圧力切替バルブ２４ａが蓄冷器高温端１８ａを圧縮機吐出口１２ａと圧縮機吸入口１２ｂのいずれにも接続していないとき（すなわち、圧縮機吐出口１２ａへの接続と圧縮機吸入口１２ｂへの接続とのインターバルにおいて）、第３バッファ容積Ｂ３をパルス管高温端１６ａに接続するように構成されている。
【００４３】
副圧力切替バルブ２４ｂは、第１バッファ容積Ｂ１をパルス管高温端１６ａに接続する第１バッファ開閉バルブＶ３と、第２バッファ容積Ｂ２をパルス管高温端１６ａに接続する第２バッファ開閉バルブＶ４と、第３バッファ容積Ｂ３をパルス管高温端１６ａに接続する第３バッファ開閉バルブＶ５とを備える。第１バッファ開閉バルブＶ３、第２バッファ開閉バルブＶ４、および第３バッファ開閉バルブＶ５は、それらのうちいずれか１つが開放されているとき残りの２つは閉鎖される。なお、これら３つのバッファ開閉バルブは一時的にともに閉鎖されてもよい。
【００４４】
第１バッファ開閉バルブＶ３が開いているときには、第１バッファ容積Ｂ１から第１バッファライン３４、第１バッファ開閉バルブＶ３、パルス管連通路３０およびパルス管高温端１６ａを通じてパルス管１６に作動ガスが供給される。第２バッファ開閉バルブＶ４が開いているときには、パルス管１６からパルス管高温端１６ａ、パルス管連通路３０、第２バッファ開閉バルブＶ４、第２バッファライン３６を通じて第２バッファ容積Ｂ２に作動ガスが回収される。
【００４５】
第３バッファ開閉バルブＶ５が開いているとき、第３バッファ容積Ｂ３の圧力がパルス管１６の圧力よりも高ければ、第３バッファ容積Ｂ３から第３バッファライン３８、第３バッファ開閉バルブＶ５、パルス管連通路３０およびパルス管高温端１６ａを通じてパルス管１６に作動ガスが供給される。一方、第３バッファ容積Ｂ３の圧力がパルス管１６の圧力よりも低ければ、パルス管１６からパルス管高温端１６ａ、パルス管連通路３０、第３バッファ開閉バルブＶ５、第３バッファライン３８を通じて第３バッファ容積Ｂ３に作動ガスが回収される。
【００４６】
バルブ部２４の具体的構成は種々ありうる。一群のバルブ（Ｖ１〜Ｖ５）は、機械的に定められたバルブタイミングで動作するように構成されていてもよい。例えば、バルブ部２４は、ロータリーバルブの形式をとってもよい。この場合、一群のバルブ（Ｖ１〜Ｖ５）がバルブ部２４に組み込まれており、同期して駆動される。バルブ部２４は、バルブ本体（またはバルブステータ）に対するバルブディスク（またはバルブロータ）の回転摺動によってバルブ（Ｖ１〜Ｖ５）が適正に切り替わるよう構成されている。一群のバルブ（Ｖ１〜Ｖ５）は、パルス管冷凍機１０の運転中に同一周期で切り替えられ、それにより５つの開閉バルブ（Ｖ１〜Ｖ５）は周期的に開閉状態を変化させる。５つの開閉バルブ（Ｖ１〜Ｖ５）はそれぞれ異なる位相で開閉される。
【００４７】
ある実施形態においては、一群のバルブ（Ｖ１〜Ｖ５）は、複数の個別に制御可能なバルブの形式をとってもよい。各バルブ（Ｖ１〜Ｖ５）は、電磁開閉弁であってもよい。一群のバルブ（Ｖ１〜Ｖ５）は、予め定められたバルブタイミングで自動的に開閉動作をするように構成されていてもよい。あるいは、ある実施形態においては、一群のバルブ（Ｖ１〜Ｖ５）は、ロータリーバルブと個別に制御可能なバルブの組み合わせであってもよい。
【００４８】
一般に、パルス管冷凍機１０の冷凍サイクルの一周期は、吸気工程と排気工程に区分けされる。吸気工程と排気工程は交互に繰り返される。
【００４９】
吸気工程においては、圧縮機１２から蓄冷器１８を通じてパルス管１６への吸気（主吸気）が行われる。主吸気に先行して、第３バッファ容積Ｂ３からパルス管１６への予備的な吸気が行われ、主吸気と同時に（または主吸気よりもいくらか先に）、第１バッファ容積Ｂ１からパルス管１６への吸気も行われる。主吸気の終盤では、第１バッファ容積Ｂ１は蓄冷器１８およびパルス管１６を通じて圧縮機吐出口１２ａに接続されるので、第１バッファ容積Ｂ１の圧力は圧縮機１２によって高圧ＰＨに回復される。
【００５０】
排気工程においては、パルス管１６から蓄冷器１８を通じて圧縮機１２への排気（主排気）が行われる。主排気に先行して、パルス管１６から第３バッファ容積Ｂ３への予備的な排気が行われ、主排気と同時に（または主排気よりもいくらか先に）、パルス管１６から第２バッファ容積Ｂ２への排気も行われる。主排気の終盤では、第２バッファ容積Ｂ２は蓄冷器１８およびパルス管１６を通じて圧縮機吸入口１２ｂに接続されるので、第２バッファ容積Ｂ２の圧力は圧縮機１２によって低圧ＰＬに回復される。
【００５１】
なお、パルス管冷凍機１０の性能を向上するうえで理論的には、第１バッファ容積Ｂ１からパルス管１６への吸気は、主吸気よりもいくらか先行して開始することが好ましい。この場合、第１バッファ開閉バルブＶ３は、主吸気開閉バルブＶ１よりも早く開かれる。同様に、パルス管１６から第２バッファ容積Ｂ２への排気は、主排気よりもいくらか先行して開始することが好ましい。この場合、第２バッファ開閉バルブＶ４は、主排気開閉バルブＶ２よりも早く開かれる。
【００５２】
しかし、大きな冷凍能力を有する大型のパルス管冷凍機１０については、主圧力切替バルブ２４ａを流れる作動ガス流量を確保するために、上述のように、第１バッファ容積Ｂ１からパルス管１６への吸気は、主吸気と同時に開始することが好ましい。同様に、パルス管１６から第２バッファ容積Ｂ２への排気は、主排気と同時に開始することが好ましい。このようにすれば、バッファ開閉バルブ（Ｖ３，Ｖ４）を先行して開くことによる主圧力切替バルブ２４ａのガス流量の低下を抑制し、パルス管冷凍機１０の性能を向上することができる。
【００５３】
このような構成により、パルス管冷凍機１０は、パルス管１６内に高圧ＰＨと低圧ＰＬの作動ガス圧力振動を生成する。圧力振動と同期して適切な位相遅れをもって、パルス管１６内で作動ガスの変位振動すなわちガスピストンの往復動が生じる。ある圧力を保持しながらパルス管１６内を上下に周期的に往復する作動ガスの動きは、しばしば「ガスピストン」と称され、パルス管冷凍機１０の動作を説明するためによく用いられる。ガスピストンがパルス管高温端１６ａまたはその近傍にあるときパルス管低温端１６ｂで作動ガスが膨張し、寒冷が発生する。このような冷凍サイクルを繰り返すことにより、パルス管冷凍機１０は、冷却ステージ２０を冷却することができる。したがって、パルス管冷凍機１０は、被冷却物１９を冷却することができる。
【００５４】
図３から図５はそれぞれ、図１および図２に示されるアクティブバッファパルス管冷凍機に適用可能である例示的なバルブタイミングを示す概略図である。各図の上部には第１コールドヘッドの各バルブ（Ｖ１１〜Ｖ５１）のバルブタイミングをパルス管冷凍機１０の冷凍サイクルの一周期（３６０°）にわたって示す。同様に、各図の下部には、第２コールドヘッドの各バルブ（Ｖ１２〜Ｖ５２）のバルブタイミングをパルス管冷凍機１０の冷凍サイクルの一周期にわたって示す。このように、以下では説明の便宜上、第１コールドヘッドのバルブ（Ｖ１１〜Ｖ５１）には添字「１」を付し、第２コールドヘッドのバルブ（Ｖ１２〜Ｖ５２）には添字「２」を付して区別する。図において、実線はバルブが開いている期間を示し、破線はバルブが閉じている期間を示す。
【００５５】
図３から図５に示されるように、第１コールドヘッドの主圧力切替バルブ２４ａは、主吸気開閉バルブＶ１１と主排気開閉バルブＶ２１が交互に開くように動作する。第１コールドヘッドの副圧力切替バルブ２４ｂは、第１バッファ開閉バルブＶ３１、第３バッファ開閉バルブＶ５１、第２バッファ開閉バルブＶ４１、第３バッファ開閉バルブＶ５１の順に開くように動作する。主吸気開閉バルブＶ１１は第１バッファ開閉バルブＶ３１と同時に開かれ、主排気開閉バルブＶ２１は第２バッファ開閉バルブＶ４１と同時に開かれる。
【００５６】
同様に、第２コールドヘッドの主圧力切替バルブ２４ａは、主吸気開閉バルブＶ１２と主排気開閉バルブＶ２２が交互に開くように動作する。第１コールドヘッドの副圧力切替バルブ２４ｂは、第１バッファ開閉バルブＶ３２、第３バッファ開閉バルブＶ５２、第２バッファ開閉バルブＶ４２、第３バッファ開閉バルブＶ５２の順に開くように動作する。主吸気開閉バルブＶ１２は第１バッファ開閉バルブＶ３２と同時に開かれ、主排気開閉バルブＶ２２は第２バッファ開閉バルブＶ４２と同時に開かれる。
【００５７】
このようにして、各コールドヘッド１４の主圧力切替バルブ２４ａのバルブタイミングは、圧縮機吐出口１２ａおよび圧縮機吸入口１２ｂを蓄冷器高温端１８ａに交互に接続するように定められている。各コールドヘッド１４の副圧力切替バルブ２４ｂのバルブタイミングは、異なるバッファ容積（Ｂ１〜Ｂ３）を当該コールドヘッド１４のパルス管高温端１６ａに順番に接続するように定められている。
【００５８】
図３に示されるバルブタイミングの第１の例では、複数のコールドヘッド１４が、同位相で運転されている。すなわち、第１コールドヘッドと第２コールドヘッドはバルブタイミングに位相差が無い。
【００５９】
そのため、第１バッファ容積Ｂ１、第２バッファ容積Ｂ２、および第３バッファ容積Ｂ３は、複数のコールドヘッド１４に同じタイミングで利用されることになる。具体的には、第１コールドヘッドの第１バッファ開閉バルブＶ３１と第２コールドヘッドの第１バッファ開閉バルブＶ３２は同時に開かれ、第１バッファ容積Ｂ１から複数のコールドヘッド１４に同じタイミングで高圧ＰＨの作動ガスが供給される。第１コールドヘッドの第２バッファ開閉バルブＶ４１と第２コールドヘッドの第２バッファ開閉バルブＶ４２は同時に開かれ、複数のコールドヘッド１４から第２バッファ容積Ｂ２に同じタイミングで低圧ＰＬの作動ガスが回収される。第１コールドヘッドの第３バッファ開閉バルブＶ５１と第２コールドヘッドの第３バッファ開閉バルブＶ５２は同時に開かれ、複数のコールドヘッド１４と第３バッファ容積Ｂ３との間で作動ガスが給排される。
【００６０】
図４に示されるバルブタイミング第２の例では、複数のコールドヘッド１４が、逆位相で運転されている。第１コールドヘッドと第２コールドヘッドはバルブタイミングに半周期（１８０°）の位相差を有する。第１コールドヘッドの吸気工程（排気工程）の間、第２コールドヘッドの排気工程（吸気工程）が行われる。
【００６１】
そのため、第１バッファ容積Ｂ１、第２バッファ容積Ｂ２、および第３バッファ容積Ｂ３は、複数のコールドヘッド１４に完全に異なるタイミングで利用される。例えば、第１コールドヘッドの第１バッファ開閉バルブＶ３１が開かれ第１コールドヘッドが第１バッファ容積Ｂ１に連通しているとき、第２コールドヘッドの第１バッファ開閉バルブＶ３２は閉鎖され第２コールドヘッドは第１バッファ容積Ｂ１から切り離されている。第２バッファ容積Ｂ２および第３バッファ容積Ｂ３についても同様である。
【００６２】
図５に示されるバルブタイミングの第３の例では、複数のコールドヘッド１４が、互いに位相をずらして運転されている。複数のコールドヘッド１４の主圧力切替バルブ２４ａそれぞれのバルブタイミングが互いに位相差ΔＴをもち、同じく、副圧力切替バルブ２４ｂそれぞれのバルブタイミングも互いに位相差ΔＴをもつ。
【００６３】
図５に示されるように、第２コールドヘッドのバルブタイミングは、第１コールドヘッドのバルブタイミングから位相差ΔＴだけ遅れている。第２コールドヘッドの第１バッファ開閉バルブＶ３２が開くタイミングは、第１コールドヘッドの第１バッファ開閉バルブＶ３１が開くタイミングから位相差ΔＴだけ遅れている。他のバルブ（Ｖ１，Ｖ２，Ｖ４，Ｖ５）についても同様である。位相差ΔＴは、例えば、１８０°より小さくてもよい。この場合、第２コールドヘッドの吸気工程および排気工程はそれぞれ、第１コールドヘッドの吸気工程および排気工程の途中で開始される。
【００６４】
なお位相差ΔＴは、任意の大きさであってよく、例えば、９０°以内であってもよい。あるいは、位相差ΔＴは、１８０°以上であってもよい。図４に示される第２の例は、位相差ΔＴが１８０°の場合にあたる。
【００６５】
ところで、従来典型的な３バッファ方式のアクティブバッファパルス管冷凍機では、複数のコールドヘッドの各々について３個のバッファタンクを個別に設置される。２台のコールドヘッドでは合計６個のバッファタンクが必要となる。
【００６６】
実施の形態に係るパルス管冷凍機１０によると、複数のコールドヘッド１４に共有される第１バッファ容積Ｂ１、第２バッファ容積Ｂ２、および第３バッファ容積Ｂ３が設けられている。既存のアクティブバッファパルス管冷凍機に比べて、より少数のバッファタンクを有するだけでよいので、パルス管冷凍機１０の設置に必要なスペースを小さくすることができる。アクティブバッファパルス管冷凍機の大型化が抑制され、冷凍機の設置が容易となり、より多くの適用分野に利用可能となる。
【００６７】
また、発明者の検討によれば、６個のバッファタンクを有する従来型でのバッファ総容積に比べて、これら３つのバッファ容積（Ｂ１〜Ｂ３）の合計容積が小さくても、同じ冷凍能力を提供することが可能である。例として、１個のバッファタンクの容積が１０リットルと仮定すると、従来型での６個のバッファタンクの容積は６０リットルである。例えば、図３に示されるバルブタイミングの第１の例では、３つのバッファ容積（Ｂ１〜Ｂ３）の合計容積が６０リットル未満であっても、同じ冷凍能力を提供可能である。
【００６８】
図４に示されるバルブタイミングの第２の例では、第１コールドヘッドと第２コールドヘッドが逆位相で運転され、これら２台のコールドヘッド１４が１つのバッファ容積（Ｂ１〜Ｂ３）を同時に利用することがない。個々のバッファ容積（Ｂ１〜Ｂ３）は、一つのコールドヘッド１４の運転に必要な能力をもつだけでよい。したがって、３つのバッファ容積（Ｂ１〜Ｂ３）の合計容積は、第１の例に比べて、顕著に低減される。上記の例で言えば、従来型の６０リットルに対し、実施例では３０リットル程度と約半分で済むことになる。アクティブバッファパルス管冷凍機の大型化が抑制される。
【００６９】
また、第２の例では、一方のコールドヘッド１４がバッファ容積を利用するタイミングで他方のコールドヘッド１４はそのバッファ容積から切り離されているから、２台のコールドヘッド１４は性能上それぞれ個別のパルス管冷凍機１０とみなすことができる。バッファ容積の共有に起因する冷凍能力の低下など性能上の悪影響は、ほとんど無いか、まったくないと期待される。
【００７０】
図５に示されるバルブタイミングの第３の例では、各コールドヘッド１４の副圧力切替バルブ２４ｂのバルブタイミングは、異なるバッファ容積（Ｂ１〜Ｂ３）を当該コールドヘッド１４のパルス管高温端１６ａに順番に接続するように定められている。複数のコールドヘッド１４の副圧力切替バルブ２４ｂそれぞれのバルブタイミングが互いに位相差ΔＴをもつ。
【００７１】
第３の例においても、３つのバッファ容積（Ｂ１〜Ｂ３）の合計容積は、第２の例ほどではないが、第１の例に比べてかなり低減される。アクティブバッファパルス管冷凍機の大型化が抑制される。また、バッファ容積の共有に起因する冷凍能力への影響についても、第１の例に比べて緩和される。
【００７２】
加えて、第３の例では位相差ΔＴを任意の値にとることができるので、３台以上のコールドヘッド１４を有するパルス管冷凍機１０にも容易に拡張できるという利点もある。例えば、コールドヘッドがＮ台の場合（Ｎは２以上の整数）、コールドヘッド１４のバルブタイミングを３６０°／Ｎずつ均等にずらすことができる。ただし、不均等にずらしても運転は可能である。
【００７３】
図６は、他の実施の形態に係るアクティブバッファパルス管冷凍機を概略的に示す図である。図６に示される実施形態は、パルス管冷凍機１０の位相制御機構を除いて、既述の実施形態と共通する。以下では、両者の異なる構成を中心に説明し、共通する構成については簡単に説明するか、あるいは説明を省略する。
【００７４】
図６に示されるように、第３バッファ容積Ｂ３は、コールドヘッド１４ごとに設けられていてもよい。第１バッファ容積Ｂ１と第２バッファ容積Ｂ２は、複数のコールドヘッド１４に共有されている。
【００７５】
このように、パルス管冷凍機１０に設置されるすべてのバッファ容積が複数のコールドヘッド１４に共有される必要はない。第１バッファ容積Ｂ１、第２バッファ容積Ｂ２、および第３バッファ容積Ｂ３のうち１つまたは２つだけが、複数のコールドヘッド１４に共有されてもよい。この場合にも、既述の実施形態と同様に、アクティブバッファパルス管冷凍機の大型化を抑制するという利点を得ることができる。
【００７６】
図７は、他の実施の形態に係るアクティブバッファパルス管冷凍機を概略的に示す図である。図７に示される実施形態は、パルス管冷凍機１０の位相制御機構を除いて、既述の実施形態と共通する。以下では、両者の異なる構成を中心に説明し、共通する構成については簡単に説明するか、あるいは説明を省略する。
【００７７】
パルス管冷凍機１０は、いわゆる２バッファ方式のアクティブバッファパルス管冷凍機として構成されている。よって、パルス管冷凍機１０は、第１バッファ容積Ｂ１と、第２バッファ容積Ｂ２とを有するが、第３バッファ容積Ｂ３は有しない。この場合にも、既述の実施形態と同様に、アクティブバッファパルス管冷凍機の大型化を抑制するという利点を得ることができる。
【００７８】
以上、本発明を実施例にもとづいて説明した。本発明は上記実施形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。
【００７９】
ある実施形態においては、パルス管冷凍機１０は、いわゆる４バッファ方式のアクティブバッファパルス管冷凍機として構成されてもよい。パルス管冷凍機１０は、第４圧力を有する第４圧力源として複数のコールドヘッド１４に共有される第４バッファ容積をさらに備えてもよい。第４バッファ容積は、各コールドヘッド１４のパルス管高温端１６ａに当該コールドヘッド１４の副圧力切替バルブ２４ｂを介して接続されてもよい。第４バッファ容積の第４圧力は、第１バッファ容積Ｂ１、第２バッファ容積Ｂ２、および第３バッファ容積Ｂ３の圧力とは異なる圧力であってもよい。
【符号の説明】
【００８０】
１０  パルス管冷凍機、  １２  圧縮機、  １２ａ  圧縮機吐出口、  １２ｂ  圧縮機吸入口、  １４  コールドヘッド、  １６  パルス管、  １６ａ  パルス管高温端、  １６ｂ  パルス管低温端、  １８  蓄冷器、  １８ａ  蓄冷器高温端、  １８ｂ  蓄冷器低温端、  ２４ａ  主圧力切替バルブ、  ２４ｂ  副圧力切替バルブ、  Ｂ１  第１バッファ容積、  Ｂ２  第２バッファ容積、  Ｂ３  第３バッファ容積。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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