(57)【要約】【課題】パルス管冷凍機の冷凍能力を向上する技術を提供する。【解決手段】パルス管冷凍機において、第１パルス管２５０は、低温端２５４と、圧縮機２１２と接続する高温端２５２とを有する。第１蓄冷管２４０は、第１パルス管２５０の低温端２５４と接続する低温端２４４と、圧縮機２１２と接続する高温端２４２とを有する。第２パルス管２９０は、圧縮機２１２と接続する高温端２９２と、第１パルス管２５０の低温端２５４よりもさらに低温である低温端２９４を有する。第２蓄冷管２８０は、高温端２４４と、第２パルス管２９０の低温端２９４に接続する低温端２８４とを有し、第２パルス管２９０と並んで配置される。第２パルス管２９０は、第２蓄冷管２８０の高温端２４４に対応する位置よりも低温端２９４側に狭窄部を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒ガスを圧縮する圧縮機と、
低温端と、前記圧縮機と接続する高温端とを有する第１パルス管と、
前記第１パルス管の低温端と接続する低温端と、前記圧縮機と接続する高温端とを有する第１蓄冷管と、
前記圧縮機と接続する高温端と、前記第１パルス管の低温端よりもさらに低温である低温端を有する第２パルス管と、
高温端と、前記第２パルス管の低温端に接続する低温端とを有し、前記第２パルス管と並んで配置される第２蓄冷管とを備え、
前記第２パルス管は、前記第２蓄冷管の高温端に対応する位置よりも低温端側に、狭窄部を備えることを特徴とするパルス管冷凍機。
【請求項２】
前記第２蓄冷管は、
高温側に配置された第１蓄冷材と、
低温側に配置され、前記第１蓄冷材と隣接する第２蓄冷材とを備え、
前記狭窄部は、前記第２蓄冷管における前記第１蓄冷材と前記第２蓄冷材との境界に対応する位置よりも低温端側に設けられていることを特徴とする請求項１に記載のパルス管冷凍機。
【請求項３】
前記狭窄部は、前記第２パルス管を流れる冷媒ガスの温度が８Ｋから３０Ｋとなる領域に設けられていることを特徴とする請求項１に記載のパルス管冷凍機。
【請求項４】
前記狭窄部は、他の領域との高温端側の境界部において、流路面積が他の領域における流路面積に至るまで連続的に増加することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のパルス管冷凍機。
【請求項５】
前記狭窄部は、他の領域との低温端側の境界部において、流路面積が他の領域における流路面積に至るまで連続的に増加することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のパルス管冷凍機。
【請求項６】
前記第２パルス管は、低温側の最終段のパルス管であり、
前記第２蓄冷管は、低温側の最終段の蓄冷管であることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のパルス管冷凍機。
【請求項７】
冷媒ガスを圧縮する圧縮機と、
低温端と、前記圧縮機と接続する高温端とを有する第１パルス管と、
前記第１パルス管の低温端と接続する低温端と、前記圧縮機と接続する高温端とを有する第１蓄冷管と、
前記圧縮機と接続する高温端と、前記第１パルス管の低温端よりもさらに低温である低温端を有する第２パルス管と、
高温端と、前記第２パルス管の低温端に接続する低温端とを有し、前記第２パルス管と並んで配置される第２蓄冷管とを備え、
前記第２パルス管は、前記第２パルス管を流れる冷媒ガスの温度が８Ｋから３０Ｋとなる領域に狭窄部を備えることを特徴とするパルス管冷凍機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パルス管冷凍機に関し、特に、多段式のマルチバルブ型パルス管冷凍機に関する。
【背景技術】
【０００２】
極低温を発生する冷凍機のひとつとしてパルス管冷凍機が知られている。パルス管冷凍機は、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、冷却対象を熱的に接触させることで、冷却対象から熱を奪うことができる。特に、多段式のマルチバルブ型パルス管冷凍機は、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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−０９４８３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
圧縮機は、低圧（例えば０．８ＭＰa）のヘリウムガスを圧縮し、高圧（例えば２．２ＭＰａ）のヘリウムガスを生成する。高圧ヘリウムガスの密度と低圧ヘリウムガスの密度との密度差は、極低温付近において温度依存性が大きくなり、特に温度が１０Ｋ付近のときに、その密度差が最大となる。このため、パルス管冷凍機の冷媒ガスにヘリウムガスを用いる場合、パルス管冷凍機における冷媒ガスの圧力差が小さくなり、またヘリウムガスの流速と圧力変動との位相差を調整することが困難となるため、パルス管冷凍機の冷凍能力が低下する要因となりうる。
【０００５】
本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、パルス管冷凍機の冷凍能力を向上する技術を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明のある態様のパルス管冷凍機は、冷媒ガスを圧縮する圧縮機と、低温端と圧縮機と接続する高温端とを有する第１パルス管と、第１パルス管の低温端と接続する低温端と圧縮機と接続する高温端とを有する第１蓄冷管と、圧縮機と接続する高温端と第１パルス管の低温端よりもさらに低温である低温端を有する第２パルス管と、高温端と第２パルス管の低温端に接続する低温端とを有し、第２パルス管と並んで配置される第２蓄冷管とを備える。第２パルス管は、第２蓄冷管の高温端に対応する位置よりも低温端側に、狭窄部を備える。
【０００７】
本発明の別の態様もまた、パルス管冷凍機である。このパルス管冷凍機は、冷媒ガスを圧縮する圧縮機と、低温端と圧縮機と接続する高温端とを有する第１パルス管と、第１パルス管の低温端と接続する低温端と圧縮機と接続する高温端とを有する第１蓄冷管と、圧縮機と接続する高温端と第１パルス管の低温端よりもさらに低温である低温端を有する第２パルス管と、高温端と第２パルス管の低温端に接続する低温端とを有し、第２パルス管と並んで配置される第２蓄冷管とを備える。第２パルス管は、第２パルス管を流れる冷媒ガスの温度が８Ｋから３０Ｋとなる領域に狭窄部を備える。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、パルス管冷凍機の冷凍能力を向上する技術を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】４バルブ型パルス管冷凍機の一例の概略を模式的に示す図である。
【図２】図１に示した４バルブ型パルス管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す図である。
【図３】２．２ＭＰａのヘリウムガスと０．８ＭＰａのヘリウムガスとの、それぞれの密度の温度変化、および両者の密度差の温度変化を示す図である。
【図４】図４（ａ）−（ｂ）は、実施の形態に係る第２パルス管の構成を模式的に示す図である。
【図５】本発明の変形例に係る４バルブ型パルスチューブ冷凍機の一例の概略を模式的に示した図である。
【図６】図５に示した４バルブ型のパルス管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す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の実施の形態について図面と共に説明する。
【００１１】
本発明の実施の形態に係るパルス管冷凍機の説明に先立って、まず一般的な４バルブ型のパルス管冷凍機を説明する。図１は、一般的な４バルブ型のパルス管冷凍機２００の一例の概略を模式的に示す図である。このパルス管冷凍機２００は、２段式の構造となっている。
【００１２】
図１に示すように、パルス管冷凍機２００は、圧縮機２１２、第１蓄冷管２４０および第２蓄冷管２８０、第１パルス管２５０および第２パルス管２９０、第１配管２５６および第２配管２８６、オリフィス等で構成された第１流路抵抗２６０、第２流路抵抗２６１、ならびに開閉バルブＶ１〜Ｖ６等を備える。
【００１３】
第１蓄冷管２４０は、高温端２４２および低温端２４４を有し、第２蓄冷管２８０は、高温端２４４（第１蓄冷管２４０の低温端２４４に相当）および低温端２８４を有する。第１パルス管２５０は、高温端２５２および低温端２５４を有し、第２パルス管２９０は、高温端２９２および低温端２９４を有する。第１パルス管２５０および第２パルス管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蓄冷管２４０の低温端２４４は第２蓄冷管２８０の高温端２４４と共通であるため、第１蓄冷管２４０と第２蓄冷管２８０とは長手方向の軸が共通するように配置される。また、第１蓄冷管２４０と第１パルス管２５０とは、長手方向の軸がそろうように並んで配置される。第２蓄冷管２８０と第２パルス管２９０も、長手方向の軸がそろうように並んで配置される。
【００１４】
第１蓄冷管２４０の低温端２４４は、第１配管２５６を介して、第１パルス管２５０の低温端２５４と接続される。また、第２蓄冷管２８０の低温端２８４は、第２配管２８６を介して、第２パルス管２９０の低温端２９４と接続される。したがって、第１蓄冷管２４０の低温端２４４における冷媒ガスの温度と、第１パルス管２５０の低温端２５４における冷媒ガスの温度は、ほぼ等しい温度となる。また、第２蓄冷管２８０の低温端２８４における冷媒ガスの温度と、第２パルス管２９０の低温端２９４の温度も、ほぼ等しい温度となる。
【００１５】
第１蓄冷管２４０の低温端２４４は第２蓄冷管２８０の高温端２４４と共通であるため、第２蓄冷管２８０の低温端２８４は、第１蓄冷管２４０の低温端２４４よりもさらに低温となる。ゆえに、第２パルス管２９０の低温端２９４は、第１パルス管２５０の低温端２５４よりもさらに低温となる。
【００１６】
圧縮機２１２の高圧側（吐出側）の冷媒用流路は、図１におけるＡ点で３方向に分岐し、第１冷媒供給路Ｈ１、第２冷媒供給路Ｈ２、および第３冷媒供給路Ｈ３が構成される。第１冷媒供給路Ｈ１は、圧縮機２１２の高圧側〜第１開閉バルブＶ１が設置された第１高圧配管２１５Ａ〜共通配管２２０〜第１蓄冷管２４０で構成される。第２冷媒供給路Ｈ２は、圧縮機２１２の高圧側〜第３開閉バルブＶ３が接続された第２高圧配管２２５Ａ〜第１流路抵抗２６０が設置された共通配管２３０〜第１パルス管２５０で構成される。第３冷媒供給路Ｈ３は、圧縮機２１２の高圧側〜第５開閉バルブＶ５が接続された第３高圧配管２３５Ａ〜第２流路抵抗２６１が設置された共通配管２９９〜第２パルス管２９０で構成される。
【００１７】
一方、圧縮機２１２の低圧側（吸込側）の冷媒用流路は、第１冷媒回収路Ｌ１、第２冷媒回収路Ｌ２および第３冷媒回収路Ｌ３の、３方向に分岐している。第１冷媒回収路Ｌ１は、第１蓄冷管２４０〜共通配管２２０〜第２開閉バルブＶ２が設置された第１低圧配管２１５Ｂ〜Ｂ点〜圧縮機２１２の経路で構成される。第２冷媒回収路Ｌ２は、第１パルス管２５０〜第１流路抵抗２６０が設置された共通配管２３０〜第４開閉バルブＶ４が設置された第２低圧配管２２５Ｂ〜Ｂ点〜圧縮機２１２の経路で構成される。第３冷媒回収路Ｌ３は、第２パルス管２９０〜第２流路抵抗２６１が設置された共通配管２９９〜第６開閉バルブＶ６が設置された第３低圧配管２３５Ｂ〜Ｂ点〜圧縮機２１２の経路で構成される。
【００１８】
続いて、パルス管冷凍機２００の動作について説明する。
【００１９】
図２は、図１に示した４バルブ型のパルス管冷凍機２００の作動の際の、６つのバルブの開閉状態を時系列的に示す図であり、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、図２に示す図を「タイミングチャート」とも称する。
【００２０】
図２に示すように、パルス管冷凍機の２００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。
【００２１】
（第１過程：時間０〜ｔ１）
まず、時間ｔ＝０において、第５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冷媒供給路Ｈ３を介して、すなわち第３高圧配管２３５Ａ〜共通配管２９９〜高温端２９２の経路で、第２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、第５開閉バルブＶ５が開状態のまま、第３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冷媒供給路Ｈ２を介して、すなわち第２高圧配管２２５Ａ〜共通配管２３０〜高温端２５２の経路で、第１パルス管２５０に高圧冷媒ガスが供給される。
【００２２】
（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、第１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冷媒供給路Ｈ１を介して、すなわち第１高圧配管２１５Ａ〜共通配管２２０〜高温端２４２の経路で、第１蓄冷管２４０および第２蓄冷管２８０に導入される。冷媒ガスの一部は、第１配管２５６を介して、第１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蓄冷管２８０を通り、第２配管２８６を介して、第２パルス管２９０に、低温端２９４の側から流入する。
【００２３】
（第３過程：時間ｔ３〜ｔ４）
次に、時間ｔ＝ｔ３において、第１開閉バルブＶ１が開状態のまま、第３開閉バルブＶ３が閉にされ、その後、時間ｔ＝ｔ４において、第５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冷媒供給路Ｈ１のみを介して、第１蓄冷管２４０に流入するようになる。冷媒ガスは、その後、第１パルス管２５０および第２パルス管２９０内に、それぞれ低温端２５４および低温端２９４の側から流入する。
【００２４】
（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パルス管２５０および第２パルス管２９０の圧力上昇のため、第１パルス管２５０および第２パルス管２９０内の冷媒ガスは、両パルス管の高温端２５２、２９２の側に設置された第１リザーバ２５１および第２リザーバ２９１に移動する。
【００２５】
（第５過程：時間ｔ５〜ｔ７）
その後、時間ｔ＝ｔ５において、第６開閉バルブＶ６が開かれ、第２パルス管２９０内の冷媒ガスは、第３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、第４開閉バルブＶ４が開かれ、第１パルス管２５０内の冷媒ガスは、第２冷媒回収路Ｌ２を通って圧縮機２１２に戻る。これにより、第１パルス管２５０および第２パルス管２９０の圧力が低下する。
【００２６】
（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、第２開閉バルブＶ２が開かれる。これにより、第１パルス管２５０および第２パルス管２９０、および第２蓄冷管２８０内の冷媒ガスの大部分は、第１蓄冷管２４０を通り、第１冷媒回収路Ｌ１を介して、圧縮機２１２に戻る。
【００２７】
（第７過程：時間ｔ８〜ｔ１０）
次に、時間ｔ＝ｔ８において、第２開閉バルブＶ２が開いた状態で、第４開閉バルブＶ４が閉止され、その後、時間ｔ＝ｔ９において、第６開閉バルブＶ６も閉にされる。その後、時間ｔ＝ｔ１０において、第２開閉バルブＶ２が閉止され、１サイクルが完了する。
【００２８】
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パルス管２５０の低温端２５４、および第２パルス管２９０の低温端２９４に寒冷が発生し、冷却対象を冷却することができる。
【００２９】
以上のように、パルス管冷凍機２００は、ヘリウム等の冷媒ガスが高圧によって圧縮され、低圧となると膨張することを繰り返すことで、寒冷を生じさせる。ここで圧縮機２１２が供給する高圧の冷媒ガスの圧力はおよそ２．２ＭＰａであり、低圧時の冷媒ガスの圧力はおよそ０．８ＭＰａである。
【００３０】
図３は、２．２ＭＰａのヘリウムガスと０．８ＭＰａのヘリウムガスとの、それぞれの密度の温度変化、および両者の密度差の温度変化を示す図である。図３に示すように、２．２ＭＰａのヘリウムガスと０．８ＭＰａのヘリウムガスとの密度差は、温度がおよそ８Ｋのとき最大となる。ヘリウムガスの温度が８Ｋよりも低い場合は、２．２ＭＰａのヘリウムガスと０．８ＭＰａのヘリウムガスとの密度差は温度に対して単調増加し、ヘリウムガスの温度が８Ｋよりも高い場合は、密度差は温度に対して単調減少する。
【００３１】
パルス管冷凍機２００において、第２パルス管２９０の低温端２９４における冷媒ガスの温度はおよそ４Ｋである。第２パルス管２９０中の冷媒ガスは、高温端２９２においては室温程度の温度となる。ゆえに、第２パルス管２９０中の冷媒ガスは、低温端２９４から高温端２９２に向かって４Ｋから３００Ｋ程度の温度勾配が存在することになる。
【００３２】
ここで、第２パルス管２９０には、上述の開閉バルブＶ１〜Ｖ６の開閉状態を適切に制御することにより、ガスピストンが生じる。第２パルス管２９０はガスピストンにより、ガスピストンの低温側に位置する低温領域、ガスピストンの高温側に位置する高温領域、ガスピストンが存在するガスピストン領域の３つの領域に分けられる。第２パルス管２９０の低温端に取り付けられた冷却ステージ（不図示）は、主として低温領域に存在する冷媒ガスが膨脹することにより冷却される。
【００３３】
第２パルス管２９０の低温端２９４に流入するヘリウムガスのうち、一部のヘリウムガスは低温領域に留まり冷凍に寄与する。残りのヘリウムガスは、低温領域からガスピストン領域に流入し、ガスピストンを維持する。よって、低温領域からガスピストン領域に流入するガス量を低減することにより、冷凍機の冷凍能力を向上させることができる。
【００３４】
低温領域に存在するヘリウムガスの質量をＭｅとする。また、低温端から低温領域に流入するヘリウムガスの単位時間あたりの質量をｍｉｎとし、低温領域からガスピストン領域に流出するヘリウムガスの単位時間あたりの質量をｍｏｕｔとする。もし、低温領域にヘリウムガスが流入すれば、低温領域に存在するヘリウムガスの質量Ｍｅは増加する。一方、低温領域からヘリウムガスが流出すれば、低温領域に存在するヘリウムガスの質量Ｍｅは減少する。したがって、低温領域に存在するヘリウムガスの質量Ｍｅの単位時間あたりの変化量ｄＭｅ／ｄｔは、流入質量ｍｉｎと流出質量ｍｏｕｔとの差分で表せる。以上より、以下の関係式（１）を得る。
ｍｉｎ＝ｍｏｕｔ＋ｄＭｅ／ｄｔ    （１）
ここで、ｄＭｅ／ｄｔは、低温領域に存在するヘリウムガスの質量Ｍｅの時間ｔによる微分を表す。
【００３５】
同様に、ガスピストン領域に存在するヘリウムガスの質量をＭｐとする。また、ガスピストン領域から高温領域に流入するヘリウムガスの単位時間あたりの質量をｍｈとすると、以下の式（２）で表せる。
ｍｏｕｔ＝ｍｈ＋ｄＭｐ／ｄｔ    （２）
【００３６】
式（１）に式（２）を代入すると、以下の式（３）を得る。
ｍｉｎ＝ｍｈ＋ｄＭｐ／ｄｔ＋ｄＭｅ／ｄｔ    （３）
【００３７】
第２パルス管２９０のうち低温領域における容積の変化は無視できる程度である。そこで、第２パルス管２９０のうち低温領域における容積を一定と見なし、その値をＶｅとする。また、低温領域におけるヘリウムガスの平均密度をρｅとすると、低温領域に存在する冷媒ガスの質量Ｍｅは、以下の式（４）で表せる。
Ｍｅ＝Ｖρｅ    （４）
【００３８】
同様に、第２パルス管２９０のうちガスピストン領域における容積の変化は無視できる程度である。そこで、第２パルス管２９０のうちガスピストン領域における容積を一定と見なし、その値をＶｐとする。また、ガスピストン領域におけるヘリウムガスの平均密度をρｐとすると、ガスピストン領域に存在する冷媒ガスの質量Ｍｐは、以下の式（５）で表せる。
Ｍｐ＝Ｖｐρｐ    （５）
【００３９】
式（３）に式（４）および式（５）を代入すると、以下の式（６）を得る。
ｍｉｎ＝ｍｈ＋Ｖｐｄρｐ／ｄｔ＋Ｖｅｄρｅ／ｄｔ    （６）
ここで、ｄρｐ／ｄｔは、ガスピストン領域におけるヘリウムガスの密度ρｐの時間微分を表す。また、ｄρｅ／ｄｔは、低温領域におけるヘリウムガスの密度ρｅの時間微分を表す。
【００４０】
式（６）において、低温領域およびガスピストン領域におけるヘリウムガスの密度が時間によって変化しないと仮定すると、ｍｉｎ＝ｍｈとなり、低温領域およびガスピストン領域に存在するヘリウムガスの質量は変化しないことになる。すなわち、ヘリウムガスは低温領域に流入した分だけ、ガスピストン領域から流出することを意味する。実際の冷却サイクルにおいては、第２過程および第３過程において第２パルス管２９０に高圧のヘリウムガスが供給される。この結果、低温領域に充填されている低圧のヘリウムガスは昇圧され、高圧のヘリウムガスとなる。
【００４１】
図３に示すように、高圧のヘリウムガスと低圧のヘリウムガスとは、その密度に差がある。したがって、低温領域に高圧のヘリウムガスが流入し、低温領域中の低圧のヘリウムガスが昇圧されて高圧のヘリウムガスとなると、式（６）における右辺第２項および第３項は正の値となる。より具体的には、式（６）における右辺は、図３において実線で示す密度差となる。以上より、以下の不等式（７）を得る。
ｍｉｎ−ｍｈ＝Ｖｐｄρｐ／ｄｔ＋Ｖｅｄρｅ／ｄｔ＞０    （７）
【００４２】
上記不等式（７）は、ガスピストン領域から流出するヘリウムガスの質量が、低温領域に流入するヘリウムガスの質量よりも小さいことを示している。これは、低温領域とガスピストン領域とがいわばヘリウムガスのバッファのような作用を示すことになる。結果として、パルス管冷凍機２００全体としての圧力差も小さくなる。
【００４３】
第５過程において第６開閉バルブＶ６が開とされると、第２パルス管２９０内の高圧のヘリウムガスは低圧のヘリウムガスとなる。このとき、式（６）における右辺は図３において実線で示す密度差を絶対値とする負の値となる。したがって、以下の不等式（８）を得る。
ｍｉｎ−ｍｏｕｔ＝Ｖｐｄρｐ／ｄｔ＋Ｖｅｄρｅ／ｄｔ＜０    （８）
【００４４】
これは、低温領域に流入するヘリウムガスの質量よりも、ガスピストン領域から流出するヘリウムガスの質量の方が大きいことを示している。圧縮機２１２の低圧側（吸込側）の冷媒用流路により多くのヘリウムガスが流出するため圧力低下が抑制され、結果として、パルス管冷凍機２００全体としての圧力差が小さくなる。
【００４５】
図１に示すように、冷媒ガスの位相調整機構である第２流路抵抗２６１は、第２パルス管２９０の高温端２９２側に設けられている。このため、冷媒ガスとしてヘリウムガスを用いると、第２パルス管２９０の低温端２９４側における冷媒ガスの流速および圧力変動の位相調整が難しくなる。冷媒ガスの温度が８Ｋから３０Ｋとなる領域は高圧冷媒ガスと低圧冷媒ガスとの密度差が大きくなり、結果として第２パルス管２９０に流入する冷媒ガスの流量および入力仕事が大きくなる。
【００４６】
式（６）において、もし、右辺第２項（Ｖｐｄρｐ／ｄｔ）を小さくし、その分だけ右辺第３項（Ｖｅｄρｅ／ｄｔ）を大きくすることができれば、ｍｉｎとｍｈとを変化させることなく冷凍に寄与する低温領域のヘリウムガスの質量を増加させることができる。結果として、冷凍機の冷凍性能を向上することができる。また高圧冷媒ガスと低圧冷媒ガスとの密度差が大きくなるガスピストン領域のヘリウムガスを減らすことができる。
【００４７】
実施の形態に係るパルス管冷凍機も、基本構成は上述した一般的なパルス管冷凍機２００と同様である。そのため便宜上、実施の形態に係るパルス管冷凍機も「パルス管冷凍機２００」と呼ぶ。しかしながら、実施の形態に係るパルス管冷凍機２００は、上述した式（６）における右辺第２項（Ｖｐｄρｐ／ｄｔ）を小さくし、その分だけ右辺第３項（Ｖｅｄρｅ／ｄｔ）を大きくするために、最も低い温度の低温端を有するパルス管（図１に示す例では第２パルス管２９０）の構成が上述した一般的なパルス管冷凍機２００と異なる。以下、実施の形態に係るパルス管について説明する。
【００４８】
図４（ａ）−（ｂ）は、実施の形態に係る第２パルス管２９０の構成を模式的に示す図である。図４（ａ）−（ｂ）に示すように、実施の形態に係る第２パルス管２９０は、その一部が他の部分よりも冷媒ガスの流路面積が小さくなる狭窄部２９３を備える。
【００４９】
図４（ａ）は、第２パルス管２９０の一部が絞られて狭窄部２９３が構成されている。限定はしないが、狭窄部２９３における冷媒ガスの流路面積は、他の部分の流路面積と比較して３０％〜７０％程度となっており、より具体的には６０％程度となっている。狭窄部２９３は、第２パルス管２９０において冷媒ガスの温度がおよそ８Ｋから３０Ｋとなる領域に設けられ、上述のガスピストン領域に相当する。これにより、冷媒ガスとしてヘリウムを用いた場合において、２．２ＭＰａのヘリウムガスと０．８ＭＰａのヘリウムガスとの密度差が大きくなる部分の第２パルス管２９０の流路面積が小さくなることになる。すなわち、第２パルス管２９０において温度がおよそ８Ｋから３０Ｋとなる領域を流れる冷媒ガスの流量が低減するため、パルス管冷凍機２００における冷媒ガスの圧力差の低下が抑制され、また冷媒ガスの圧力変動の位相調整が適切となる。このため、パルス管冷凍機２００全体としての冷凍能力および冷凍効率を向上することができる。
【００５０】
ここで狭窄部２９３の体積をＶｃとし、狭窄部２９３におけるヘリウムガスの質量をＭｃとする。狭窄部２９３は上述のガスピストン領域に相当するため、狭窄部２９３の体積Ｖｃは、式（６）におけるガスピストン領域の体積Ｖｐより小さくなる。一方、狭窄部２９３におけるヘリウムガスの温度分布と、上述のガスピストン領域におけるヘリウムガスの温度分布は同じである。このため、狭窄部２９３におけるヘリウムガスの平均密度はρｐである。以上より、以下の関係式（９）を得る。
Ｍｃ＝Ｖｃρｐ＜Ｍｐ    （９）
【００５１】
式（９）より、以下の式（１０）を得る。
｜ｄＭｃ／ｄｔ｜＜｜ｄＭｐ／ｄｔ｜    （１０）
【００５２】
式（１０）は、狭窄部２９３におけるヘリウムガスの質量変化の絶対値が、狭窄部２９３を設ける前のガスピストン領域におけるヘリウムガスの質量変化の絶対値よりも小さいことを示している。ヘリウムガスのバッファ作用に対する寄与が大きいガスピストン領域を狭くすることにより、バッファ作用を低減することができる。また、｜ｄＭｐ／ｄｔ｜を小さくした分だけ、式（６）の右辺第３項（Ｖｅｄρｅ／ｄｔ＝ｄＭｅ／ｄｔ）を大きくできるので、冷凍に寄与する低温領域のヘリウムガスの質量を増加させることができる。結果として、冷凍機の冷凍能力を向上することができる。
【００５３】
図４（ａ）に示すように２段式のパルス管冷凍機の場合、高温側の第１蓄冷管２４０と、低温側の第２蓄冷管２８０とは中心軸を共有して配置されている。第２パルス管２９０は、第１蓄冷管２４０および第２蓄冷管２８０に沿って、略平行となるように並べて配置されている。また、第２パルス管２９０の低温端２９４と第２蓄冷管２８０の低温端２８４とを結ぶ直線は、第２パルス管２９０の中心軸および第２蓄冷管２８０の中心軸と実質的に直交する。すなわち、第２パルス管２９０、第１蓄冷管２４０、および第２蓄冷管２８０の長手方向が鉛直方向となるように設置した場合、第２パルス管２９０の低温端２９４と第２蓄冷管２８０の低温端２８４とは、実質的に同じ高さとなる。
【００５４】
説明の便宜上、図４（ａ）に示すように、第２パルス管２９０の低温端２９４を原点として、第２パルス管２９０の低温端２９４から高温端２９２に向かって第２パルス管２９０の長手方向にｘ座標軸を設定する。第１蓄冷管２４０および第２蓄冷管２８０とは並んで配置されているため、第２パルス管２９０におけるｘ座標と、第１蓄冷管２４０および第２蓄冷管２８０におけるｘ座標とは対応付けることが可能となる。したがって、以下本明細書において、例えば、第２蓄冷管２８０に対応する第２パルス管２９０の位置とは、第２蓄冷管２８０のｘ座標と同じ座標となる第２パルス管２９０の位置を意味する。第２蓄冷管の低温端２８４に対応する第２パルス管２９０の位置は、第２パルス管２９０の低温端２９４である。
【００５５】
ここで、第１蓄冷管２４０の高温端２４２における冷媒ガスの温度は室温程度であり、第１蓄冷管２４０の低温端２４４における冷媒ガスの温度は、およそ５０Ｋである。第２蓄冷管２８０の高温端２４４における冷媒ガスの温度もおよそ５０Ｋであり、第２蓄冷管２８０の高温端２４４の低温端２８４における冷媒ガスの温度はおよそ４Ｋとなる。第２蓄冷管の低温端２９４における冷媒ガスの温度もおよそ４Ｋであり、高温端２９２における冷媒ガスの温度はおよそ室温となる。第１蓄冷管２４０または第２蓄冷管２８０の所定の位置における冷媒ガスの温度と、第２パルス管２９０の対応する位置における冷媒ガスの温度とはほぼ同じとなる。したがって、第２蓄冷管２８０の高温端２４４に対応する位置における第２パルス管２９０の冷媒ガスの温度はおよそ５０Ｋとなる。
【００５６】
図３に示したとおり、２．２ＭＰａのヘリウムガスと０．８ＭＰａのヘリウムガスとの密度差は、温度が５０Ｋ以下のときは、およそ８Ｋに至るまで、温度が低いほど大きくなる。そこで、第２パルス管２９０における狭窄部２９３は、第２蓄冷管２８０の高温端２４４に対応する位置よりも低温端２９４側に備えられる。
【００５７】
実施の形態に係る第１蓄冷管２４０および第２蓄冷管２８０は、それぞれ蓄冷材を備える。第２蓄冷管２８０は、高温側に配置された第１蓄冷材２８１と、低温側に配置された第２蓄冷材２８３との２種類の蓄冷材を備え、第１蓄冷材２８１と第２蓄冷材とは隣接している。第２パルス管２９０における狭窄部２９３は、第２蓄冷管２８０における第１蓄冷材２８１と第２蓄冷材２８３との境界に対応する位置よりも高温端２９２側に設けられることが好ましい。さらに加えて、狭窄部２９３の低温側における冷媒ガスの温度が、およそ８Ｋとなることが好ましい。これにより、第２パルス管２９０において冷媒ガスの温度がおよそ８Ｋから３０Ｋとなる領域に設けられることになる。
【００５８】
なお、第２パルス管２９０における狭窄部２９３は、他の部分の流路面積と比較して６０％程度となる。そのため、狭窄部２９３と他の領域との境界部において流路面積が急激に変化すると、冷媒ガスに乱流が生じ、圧力損失が生じる可能性がある。そのため、狭窄部２９３は、他の領域との境界部において、流路面積が連続的に変化するテーパ形状となることが好ましい。
【００５９】
より具体的には、図４（ａ）に示すように、狭窄部２９３は、他の領域との高温端側の境界部において、流路面積が他の領域における流路面積に至るまで連続的に増加する。同様に、狭窄部２９３は、他の領域との低温端側の境界部において、流路面積が他の領域における流路面積に至るまで連続的に増加する。
【００６０】
図４（ｂ）は、第２パルス管２９０における狭窄部２９３の別の構成を示す図である。図４（ａ）に示す狭窄部２９３は、第２パルス管２９０を絞ることで構成されている。これに対し、図４（ｂ）に示す例では、狭窄部２９３における第２パルス管２９０の外径は他の部分の外径と変わらない。その代わり、第２パルス管２９０の内部に充填部材を挿入することで、流路面積を小さくしている。充填部材としては、金属、樹脂、またはプラスチック等を適宜使用することで実現できる。
【００６１】
図４（ｂ）に示す例も、狭窄部２９３自体による作用効果は図４（ａ）に示す例と同等である。図４（ｂ）に示す例は、図４（ａ）に示す例と比較して、第２パルス管２９０における狭窄部２９３の強度が向上する点で利点がある。
【００６２】
以上説明したように、実施の形態に係るパルス管冷凍機２００は、一部に狭窄部２９３が設けられた第２パルス管２９０を備えることで、第２パルス管２９０の冷媒ガスの流量を低減し、パルス管冷凍機２００における冷媒ガスの圧力差の低下を抑制でき、また冷媒ガスの流速と圧力変動との間の位相を最適化することができる。結果として、パルス管冷凍機２００の冷凍能力および冷凍効率を向上することができる。
【００６３】
以上、実施の形態に基づき本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示すにすぎない。また、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が可能である。
【００６４】
（変形例）
上記では、パルス管冷凍機２００として２段式の構造を前提として説明した。パルス管冷凍機２００は２段式に限られず、多段式であっても本発明は適用できる。以下、多段式の一例として、３段式の構造のパルス管冷凍機２０１について説明する。
【００６５】
図５は、本発明の変形例に係る４バルブ型のパルス管冷凍機２０１の一例の概略を模式的に示した図である。このパルス管冷凍機２０１は、３段式の構造となっている。なお、図５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。
【００６６】
３段式のパルス管冷凍機２０１は、前述の２段式のパルス管冷凍機２００と同様の構成を有する。ただし、３段式のパルス管冷凍機２０１は、さらに第３蓄冷管４４０および第３パルス管４２０を有する。
【００６７】
第３蓄冷管４４０は、高温端２８４（第２蓄冷管２８０の低温端２８４に相当する）および低温端４４４を有する。第３パルス管４２０は、高温端４２２および低温端４２４を有し、高温端４２２および低温端４２４には、熱交換器が設置されている。第３蓄冷管４４０の低温端４４４は、第３配管４１６を介して、第３パルス管４２０の低温端４２４と接続される。
【００６８】
圧縮機２１２の高圧側（吐出側）の冷媒用流路は、図１のような第１冷媒供給路Ｈ１、第２冷媒供給路Ｈ２、および第３冷媒供給路Ｈ３の他、さらに第４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１のような第１冷媒回収路Ｌ１、第２冷媒回収路Ｌ２、および第３冷媒回収路Ｌ３の他、さらに第４冷媒回収路Ｌ４を有する。
【００６９】
第４冷媒供給路Ｈ４は、圧縮機２１２の高圧側〜第７開閉バルブＶ７が接続された第４高圧側配管２４５Ａ〜流路抵抗４５０が設置された共通配管４５５〜第３パルス管４２０で構成される。第４冷媒回収路Ｌ４は、第３パルス管４２０〜流路抵抗４５０が設置された共通配管４５５〜第８開閉バルブＶ８が設置された第４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。
【００７０】
次に、このように構成された４バルブ型のパルス管冷凍機２０１の動作について説明する。
【００７１】
図６は、図５に示した４バルブ型のパルス管冷凍機２０１の作動の際の、８つのバルブの開閉状態を時系列的に示す図であり、８つの第１開閉バルブＶ１〜Ｖ８の開閉状態を時系列的に示した図である。以下、図５に示す図を「第２タイミングチャート」とも称する。パルス管冷凍機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。
【００７２】
（第１過程：時間０〜ｔ３）
まず、時間ｔ＝０において、第７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冷媒供給路Ｈ４を介して、すなわち第４高圧側配管２４５Ａ〜共通配管４５５〜高温端４２２の経路で、第３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、第７開閉バルブＶ７が開状態のまま、第５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冷媒供給路Ｈ３を介して、すなわち第３高圧配管２３５Ａ〜共通配管２９９〜高温端２９２の経路で、第２パルス管２９０に高圧冷媒ガスが供給される。
【００７３】
次に、時間ｔ＝ｔ２において、開閉バルブＶ７、Ｖ５が開いた状態で、第３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冷媒供給路Ｈ２を介して、すなわち第２高圧配管２２５Ａ〜共通配管２３０〜高温端２５２の経路で、第１パルス管２５０に供給される。
【００７４】
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、第１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蓄冷管２４０、第２蓄冷管２８０、および第３蓄冷管４４０に導入される。冷媒ガスの一部は、第１配管２５６を介して、第１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蓄冷管２８０を通り、第２配管２８６を介して、第２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蓄冷管４４０を通り、第３配管４１６を介して、第３パルス管４２０に、低温端４２４の側から流入する。
【００７５】
（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、第３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冷媒供給路Ｈ１のみを介して、第１蓄冷管２４０に流入するようになる。冷媒ガスは、その後、第１パルス管２５０、第２パルス管２９０、および第３パルス管４２０内に、それぞれの低温端２５４、２９４、４２４の側から流入する。
【００７６】
時間ｔ＝ｔ７では、全ての開閉バルブＶ１〜Ｖ８が閉にされる。第１パルス管２５０、第２パルス管２９０、および第３パルス管４２０の圧力上昇のため、第１パルス管２５０、第２パルス管２９０、および第３パルス管４２０の内の冷媒ガスは、それぞれの高温端２５２、２９２、４２２の側に設置されたリザーバ（図示せず）の方に移動する。
【００７７】
（第３過程：時間ｔ７〜ｔ１０）
その後、時間ｔ＝ｔ７において、第８開閉バルブＶ８が開かれ、第３パルス管４２０内の冷媒ガスは、第４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、第６開閉バルブＶ６が開かれ、第２パルス管２９０内の冷媒ガスは、第３冷媒回収路Ｌ３を通って圧縮機２１２に戻る。これにより、第３パルス管４２０および第２パルス管２９０の圧力が低下する。その後、時間ｔ＝ｔ９において、第４開閉バルブＶ４が開かれ、第１パルス管２５０内の冷媒ガスは、第２冷媒回収路Ｌ２を通って圧縮機２１２に戻る。これにより、第１パルス管２５０の圧力が低下する。
【００７８】
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、第２開閉バルブＶ２が開かれる。これにより、第３パルス管４２０、第２パルス管２９０、第１パルス管２５０、および第１蓄冷管２４０、第２蓄冷管２８０、第３蓄冷管４４０内の冷媒ガスの大部分は、第１蓄冷管２４０を通り、第１冷媒回収路Ｌ１を介して、圧縮機２１２に戻る。
【００７９】
（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、第４開閉バルブＶ４が閉止され、その後、第６開閉バルブＶ６、Ｖ８が順次閉止される（時間ｔ＝ｔ１２およびｔ＝ｔ１３）。
【００８０】
最後に、時間ｔ＝ｔ１４において、第２開閉バルブＶ２が閉止され、１サイクルが完了する。
【００８１】
以上のサイクルを繰り返すことにより、第１パルス管２５０の低温端２５４、第２パルス管２９０の低温端２９４、および第３パルス管４２０の低温端４２４、に寒冷が発生し、冷却対象を冷却することができる。
【００８２】
変形例に係るパルス管冷凍機２０１は、第３蓄冷管４４０の低温端４４４を流れる冷媒ガスの温度がおよそ４Ｋとなる。このため、第３パルス管４２０の低温端４２４を流れる冷媒ガスの温度も４Ｋ程度となる。第３パルス管４２０内の冷媒ガスは、第３パルス管４２０の高温端４２２で室温程度となる。
【００８３】
パルス管冷凍機２０１において、第１蓄冷管２４０、第２蓄冷管２８０、および第３蓄冷管４４０は長手方向の中心軸を共有して配置されており、第３パルス管４２０と第３蓄冷管４４０とは並んで配置されている。したがって、図１に示す第２パルス管２９０と第２蓄冷管２８０との関係と同様に、第３蓄冷管４４０における位置と対応する位置を、第３パルス管４２０に定めることができる。
【００８４】
変形例に係るパルス管冷凍機２０１は、第３パルス管４２０を流れる冷媒ガスの温度がおよそ８Ｋから２０Ｋとなるよう域に、冷媒ガスの流路面積が小さくなる狭窄部４９３が設けられている。第３パルス管４２０における狭窄部４９３は、最終段の蓄冷管である第３蓄冷管４４０の高温端２８４に対応する位置よりも低温側に位置する。
【００８５】
これにより、２．２ＭＰａのヘリウムガスと０．８ＭＰａのヘリウムガスとの密度差がおおきくなる領域の流量を低減し、パルス管冷凍機２００における冷媒ガスの圧力差の低下を抑制できる。また冷媒ガスの圧力変動の位相調整も最適化することができる。結果として、パルス管冷凍機２００の冷凍能力および冷凍効率を向上することができる。
【００８６】
なお、２段式のパルス管冷凍機２００、３段式のパルス管冷凍機２０１と同様に、それ以上の段数の冷凍機であっても、温側の最終段のパルス管の一部に狭窄部を設けることで、同様の効果を達成することができる。
【符号の説明】
【００８７】
Ｈ１  第１冷媒供給路、  Ｌ１  第１冷媒回収路、  Ｖ１  第１開閉バルブ、  Ｈ２  第２冷媒供給路、  Ｌ２  第２冷媒回収路、  Ｖ２  第２開閉バルブ、  Ｈ３  第３冷媒供給路、  Ｌ３  第３冷媒回収路、  Ｖ３  第３開閉バルブ、  Ｈ４  第４冷媒供給路、  Ｌ４  第４冷媒回収路、  Ｖ４  第４開閉バルブ、  Ｖ５  第５開閉バルブ、  Ｖ６  第６開閉バルブ、  Ｖ７  第７開閉バルブ、  Ｖ８  第８開閉バルブ、  ２００，２０１  パルス管冷凍機、  ２１２  圧縮機、  ２１５Ａ  第１高圧配管、  ２１５Ｂ  第１低圧配管、  ２２０  共通配管、  ２２５Ａ  第２高圧配管、  ２２５Ｂ  第２低圧配管、  ２３０  共通配管、  ２３５Ａ  第３高圧配管、  ２３５Ｂ  第３低圧配管、  ２４０  第１蓄冷管、  ２４５Ａ  第４高圧側配管、  ２４５Ｂ  第４低圧側配管、  ２５０  第１パルス管、  ２５１  第１リザーバ、  ２５４  低温端、  ２５６  第１配管、  ２６０  第１流路抵抗、  ２６１  第２流路抵抗、  ２８０  第２蓄冷管、  ２８１  第１蓄冷材、  ２８３  第２蓄冷材、  ２８６  第２配管、  ２９０  第２パルス管、  ２９１  第２リザーバ、  ２９３  狭窄部、  ２９９  共通配管、  ４１６  第３配管、  ４２０  第３パルス管、  ４４０  第３蓄冷管、  ４５０  流路抵抗、  ４５５  共通配管、  ４９３  狭窄部。
【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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