(57)【要約】本発明は、バルブ型極低温冷凍機、特に、ガスがエクスパンダに接続するバルブ機構により高圧及び低圧を循環されるギフォード・マクマホン（ＧＭ）冷凍機及びＧＭタイプのパルスチューブ冷凍機に関する。入力電力は、バッファ容積の使用により低減され、バッファ容積は、バッファ容積は、メイン供給及びリターンバルブが閉じているときの期間中開閉し、メイン供給及びリターンバルブが開いているときに閉じるバルブを介して蓄冷器の高温端に対して流出及び流入するガスを溜める。
2008527308.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つのコンプレッサと、１つのバルブと、蓄冷器に前記コンプレッサからガスが直接流れる前にバッファ容積から前記蓄冷器にガスを充填すると共に前記蓄冷器から前記コンプレッサにガスを直接排出する前に前記バッファ容積に前記蓄冷器からガスを排出するバルブを介して前記蓄冷器の入口に接続された少なくとも１つのバッファを有する１つのエクスパンダとを含む、バルブ式極低温冷凍機。
【請求項２】
ＧＭ若しくはＧＭタイプのパルスチューブ冷凍機である、請求項１に記載のバルブ式極低温冷凍機。
【請求項３】
１つのバッファ容積を有する請求項１に記載のバルブ式極低温冷凍機。
【請求項４】
２以上のバッファ容積を有し、該２以上のバッファ容積は、前記蓄冷器に前記コンプレッサからガスが直接流れる前に前記バッファ容積から順に前記蓄冷器にガスを充填すると共に前記蓄冷器から前記コンプレッサにガスを直接排出する前に前記バッファ容積に逆順に前記蓄冷器からガスを排出するバルブを介して前記エクスパンダ内の前記蓄冷器の入口に接続される２以上のバッファ容積を有し、前記コンプレッサから直接前記バッファ容積に入るガス若しくは前記バッファ容積を出て前記コンプレッサに直接入るガスが存在しない、請求項１に記載のバルブ式極低温冷凍機。
【請求項５】
前記バッファ容積を前記蓄冷器入口に接続するバルブは、高圧バルブ及び低圧バルブが開になる時間間隔の間に開閉される、請求項１に記載の冷凍機。
【請求項６】
前記バッファ容積は、単独型のバッファ容積及びその他のエクスパンダのバッファ容積との組み合わせ型のバッファ容積を含む集合から選択される、請求項１に記載の冷凍機。
【請求項７】
前記エクスパンダは、単一オリフィス、ダブルオリフィス、４バルブ、５バルブ及びアクティブバッファパルスチューブを含むパルスチューブ式の集合から選択される、請求項１に記載の冷凍機。
【請求項８】
前記エクスパンダは、１段及び多段のいずれかで冷凍を生成する、請求項１に記載の冷凍機。
【請求項９】
前記エクスパンダは、機械式及びガス駆動式駆動のいずれかのＧＭタイプである、請求項２に記載の冷凍機。
【請求項１０】
少なくとも１つのコンプレッサ、蓄冷器の入口に前記コンプレッサからの高圧ガスを許容するバルブを有する１つのエクスパンダと、前記蓄冷器から前記コンプレッサに低圧ガスを戻すバルブとを含む、ＧＭ若しくはＧＭタイプのパルスチューブ冷凍機から選択された冷凍機において、
前記エクスパンダ内の前記蓄冷器の入口とバッファ容積の間にバルブ式の接続が設けられる、冷凍機。
【請求項１１】
前記コンプレッサから直接前記バッファ容積に入るガス若しくは前記バッファ容積を出て前記コンプレッサに直接入るガスが存在しない、請求項１に記載の冷凍機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バルブ式極低温冷凍機、特に、ギフォード・マクマホン（ＧＭ）冷凍機及びＧＭタイプのパルスチューブ冷凍機に関する。ガスは、エクスパンダに接続するバルブ機構により低圧及び高圧間で循環される。バルブ機構は、通常、回転バルブディスク及びバルブシートを含む。回転ディスクバルブは、多数のポートを備える設計に適している。異なるポートの周期的なアライメントにより、コンプレッサから供給される作動流体の、エクスパンダの作動空間（容積）及び蓄冷器に対する出入りのための通路を許容する離散的なポートが存在する。
【背景技術】
【０００２】
ＧＭ及びＳｏｌｖａｙタイプの冷凍機は、略一定の高圧でガスを供給し略一定の低圧でガスを受けるコンプレッサを用いる。ガスは、エクスパンダ内及び外にガスを交互に導くバルブ機構によりコンプレッサに対して低速で作動する往復動エクスパンダに供給される。
【０００３】
Ｗ．Ｅ．Ｇｉｆｆｏｒｄは、また、固体ディスプレーサをガスディスプレーサで置き換えた“パルスチューブ”冷凍機と称するエクスパンダを考案した。これは、特許文献１に先ず開示され、この文献は、初期のＧＭ冷凍機のようにバルブに接続されたパルスチューブを開示する。
【０００４】
初期のパルスチューブ冷凍機は、ＧＭタイプの冷凍機と競合するほど十分効率的でなかった。顕著な改善は、１９８４年にＭｉｋｕｌｉｎ他によりなされ、更なる改善を求めて多くの関心が続けられた。１９８４年以降の大きな改善の記載は、ここで列挙される文献に見られる。これらのパルスチューブのすべては、パルスチューブに対してガスを周期的に流入及び流出させるためにバルブを用いるＧＭタイプのエクスパンダとして動作できる。
【０００５】
この種のバルブ式極低温冷凍機は、ガスが周期的にエクスパンダに対して流入及び流出する際のエクスパンダ内の空隙容積（void  volume）の加圧及び減圧に起因した低効率の欠点を有する。バルブ式極低温冷凍機においては、蓄冷器の入口の圧力は略低圧であるので、高圧バルブが開となる直後に高圧バルブを介して大きな圧力差が存在する。他方、低圧バルブが開くとき、蓄冷器の入口の圧力は略高圧であるので、バルブを介して大きな圧力差が存在する。このプロセスは、バルブの開領域を拡大することにより低減できない回復不能な損失を生成する。損失は、コールドヘッドの空隙容積に関連する。
【０００６】
発明者藤本の特許文献２では、２つのバッファが、特許文献２の図２に示すようなタイミングシーケンスにより制御される２つの回転バルブにより蓄冷器の入口に接続される。この特許文献２では、充填プロセス中、第１ステップにおいて、ガスが先ず第１バッファから蓄冷器内に流入する。第２ステップにおいて、ガスは、コンプレッサの供給側から蓄冷器及び第１バッファの双方に流入する。この特許文献２で示される追加の第１バッファの作用は、第１ステップにおいて第１バッファから蓄冷器に流入するガスの量が第２ステップにおけるコンプレッサから補償される必要があるので、小さい。排出プロセス中、第３ステップにおいて、ガスは、蓄冷器から流出して第２バッファ内に入る。第４ステップにおいて、ガスは、蓄冷器及び第２バッファの双方からコンプレッサの戻り側に流れる。特許文献２で示される追加の第２バッファの作用は、第３ステップで蓄冷器から第２バッファに流入するガスが第４ステップで第２バッファからコンプレッサ内へと流出する必要があるので、小さい。
【特許文献１】米国特許第３，２３７，４２１号明細書
【特許文献２】特開２００１−３１７８２７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、コンプレッサにより供給されるガスの量を低減し、ガス循環中の圧力損失が低減された極低温冷凍機を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
バルブ式極低温冷凍機は、コンプレッサとエクスパンダの間のガス流の一部をバッファ容積へのバルブ接続部から供給及びバルブ接続部へ排出できるように、設計することができることが見出された。バルブを介した圧力損失は、発明された概念により低減され、コンプレッサにより供給される必要があるガスの量が低減される。
【０００９】
本発明は、ＧＭ若しくはＧＭタイプのパルスチューブ冷凍機に対する電力入力を低減する手段を提供する。バッファ容積は、メイン供給及びリターンバルブが閉じているときの期間中開閉し、メイン供給及びリターンバルブが開いているときに閉じるバルブを介して蓄冷器の高温端に対して流出及び流入するガスを溜める。充填プロセス中、ガスは、蓄冷器の入口での圧力がバッファ内の圧力よりも低いときにコンプレッサの供給側に代えて一つ以上のバッファ容積から蓄冷器内に充填される。排出プロセス中、ガスは、蓄冷器の入口での圧力がバッファ内の圧力よりも高いときにコンプレッサの戻り側に代えてバッファに蓄冷器から排出される。正味の作用は、コンプレッサにより供給されるガスの量を低減し、これにより、システム効率を増加させることである。更に、バルブを介した圧力差が低減され、ガスの流速を低くでき、ガスの流速を低減することでノイズを低減することができる。
【００１０】
バッファ容積は、パルスチューブ内のガスピストン若しくはＧＭディスプレーサを駆動するためにエクスパンダに含まれる別の容積若しくはバッファ容積であることができる。
【００１１】
バッファ容積は、任意の種類の形状を備えた容器であることができる。それは、単に、長いパイプや柔軟なガスラインであることができる。
【００１２】
バッファ容積は、コンプレッサ、バルブユニット、エクスパンダ若しくは冷却システム内の任意のサブシステムの一部であることができる。また、バッファ容積は、コンプレッサ、バルブユニット、エクスパンダ若しくは冷却システム内の任意のサブシステムと一体であっても別体であってもよい。バッファ容積は、コンプレッサ、バルブユニット、エクスパンダ若しくは冷却システム内の任意のサブシステム内の内部容積であることができる。
【００１３】
本発明は、単一段冷凍機若しくは多段冷凍機により実現されることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明は、ＧＭ冷凍機、Ｓｏｌｖａｙ冷凍機及びＧＭタイプパルスチューブ冷凍機を含む、ガスがバルブユニットによりエクスパンダに対して流出入する任意の種類の冷凍機に適用可能である。本発明は、特に、多段を有する低温パルスチューブに適用されるのに好適である。
【００１５】
図１は、コンプレッサ１、バッファ容積１３及び３つのオンオフバルブの概略を備える本発明による機械式ディスプレーサ駆動機構を備えるＧＭ冷凍機の概略図である。３つのオンオフバルブは、蓄冷器６に対してガスを周期的に出入りさせる。バルブ２、Ｖ１は、コンプレッサ１の供給側と蓄冷器６の入口の間を流れるガスを制御する。バルブ３、Ｖ２は、蓄冷器６の入口とコンプレッサの戻り側の間を流れるガスを制御する。バルブ１２、Ｖ３は、蓄冷器６の入口と電力低減バッファ容積１３の間を流れるガスを制御する。Ｖ１，Ｖ２及びＶ３は、図１７に示すようなタイミングシーケンスに従って開閉する。ディスプレーサ６１は、シリンダ６０内に収容される。図１には図示されないコントローラは、バルブタイミング及びディスプレーサ６１の変位を制御する。シリンダ６０とディスプレーサ６１の間に配置されるシール６２は、低温ガスが高温ガスと混ざるのを防止する。熱交換器７は、冷凍機と負荷との間で熱を交換する。
【００１６】
充填（吸気）プロセスの開始時、蓄冷器６の入口は、低圧Ｐ１である。このとき、ガスは、バルブＶ３が開であるとき、中間圧Ｐｍであるバッファ容積１３から蓄冷器６に入る。蓄冷器６の入口での圧力が略Ｐｍに等しくなった後、Ｖ３は閉じられ、バルブＶ１が開かれる。ガスは、高圧Ｐｈであるコンプレッサ１の供給側から蓄冷器６の入口に流れる。充填プロセスの開始時にシリンダ６０の低温端にあるディスプレーサ６１は、このとき、低温端での変位される容積がＰｈでガスにより充填されつつ、高温端に移動する。
【００１７】
排出（排気）プロセスの開始時、蓄冷器６の入口は、高圧Ｐｈであり、ガスは、バルブＶ３が開であるとき、蓄冷器６を出てバッファ容積１３に流れる。蓄冷器６の入口での圧力が、バッファ容積１３内の圧力に略達した後、Ｖ３は閉じられ、バルブＶ２が開かれる。ガスは、蓄冷器６の入口を出て低圧Ｐ１であるコンプレッサ１の戻り側に流れる。このとき、シリンダ６０の高温端にあるディスプレーサ６１は、高温端での変位される容積がＰ１でガスをコンプレッサ１に戻しつつ、低温端に移動する。従来のＧＭ冷凍機では、ガスの全てが充填中にコンプレッサ１から蓄冷器６に流入し、全てのガスが、排出中に蓄冷器６を出てコンプレッサ１に流れる。従来のＧＭ冷凍機と比較して、本発明によるＧＭ冷凍機は、コンプレッサから流れるガスが少ないのでより低い入力電力を有する。また、Ｖ１及びＶ２を介した圧力損失は、より少ないガスがこれらのバルブを介して流れるので、小さくなることができる。
【００１８】
図２は、空気式ディスプレーサ駆動機構を備えるＧＭ冷凍機の概略図である。空気式ディスプレーサ駆動機構では、ディスプレーサ６３の位相シフトは、ディスプレーサドライババッファ容積１１からの流量制約器５を介したガス流れにより達成される。流量制約器５は、オリフィス、ニードルバルブ、毛細管若しくは任意の他の同様の構成でありうる。用語“位相シフト”は、ディスプレーサが移動するときに圧力がその最大値及び最小値付近となるような圧力サイクリングにより位相がずれるディスプレーサのサイクリングを指す。空気式駆動機構及び電力低減バッファ容積１３、Ｖ３を備えるＧＭ冷凍機は、図１に関連して上述した機械式駆動機構を備えるユニットと同様である。
【００１９】
図３は、本発明によるガス駆動式ディスプレーサ駆動機構を備えるＧＭ冷凍機の概略図であり、図２の電力低減バッファ容積１３は、ディスプレーサドライババッファ容積１１と組み合わせられる。これは、それらの双方が略同一の圧力Ｐｍを有することから可能である。バルブＶ３は、バッファ容積１１を蓄冷器６の高温端に接続する。作動プロセスは、図１に関連して上述したものと同一である。
【００２０】
図４は、本発明によるＧＭタイプの単一オリフィス型のパルスチューブ冷凍機の概略図である。オリフィス型のパルスチューブ冷凍機は、パルスチューブ冷凍機においては固体ディスプレーサが存在しない点を除いて、空気式ディスプレーサ駆動機構を備えるＧＭ冷凍機と同様である。図２における固定ディスプレーサ６３は、図４における低温端スムーザ８及び高温端スムーザ１０を備えるパルスチューブ９内のガスディスプレーサにより置き換えられる。ガスディスプレーサの往復動を制御する手段は、位相シフタと称され、バッファ容積１１及び流量制約器５を含む。これらは、ガスディスプレーサのガス流速とパルスチューブ内の圧力振動との間の位相シフトに寄与する。これは、図１に対するプロセスの説明と同様であり、圧力は、Ｐｈに略達し、次いで、ディスプレーサが上に移動し、次いで、圧力が略Ｐ１まで降下し、ディスプレーサが下方に移動する。バッファ容積１１及びオリフィスは、図２の固体ディスプレーサに対してと同一のガスディスプレーサ駆動機能を果たす。作動プロセスは、図１に関連して上述したものと同一である。
【００２１】
図５は、本発明によるＧＭタイプの単一オリフィス型のパルスチューブ冷凍機の概略図であり、図５では、図４の電力低減バッファ容積が、ガスディスプレーサドライババッファ容積１１と組み合わせられる。蓄冷器６の入口は、バルブＶ３を介してバッファ容積１１に接続される。作動プロセスは、図１に関連して上述したものと同一である。
【００２２】
図６は、本発明によるＧＭタイプのダブルインレット式のパルスチューブ冷凍機の概略図である。ダブルインレット式のパルスチューブ冷凍機は、ダブルインレット式のパルスチューブ冷凍機においてはパルスチューブ９の高温端に蓄冷器６の高温端を接続する通路が存在する点を除いて、単一オリフィス型のパルスチューブ冷凍機と同様である。流量制約器４は、この通路を流通するガスを制御する。適切な量のガスをこの通路に流すことによって、パルスチューブ９内の位相シフトは、図４の単一オリフィス式のパルスチューブに比べて改善する。また、パルスチューブ９へ蓄冷器６を介して流れるガスの量が低減され、それ故に、蓄冷器の効率が改善する。バッファ容積及びバルブＶ３は、図４で説明したものと同一の機能を果たす。作動プロセスは、図１に関連して上述したものと同一である。
【００２３】
図７は、本発明によるＧＭタイプのダブルインレット式のパルスチューブ冷凍機の概略図であり、図７では、図６の電力低減バッファ容積が、ガスディスプレーサドライババッファ容積１１と組み合わせられる。蓄冷器６の入口は、バルブＶ３を介してバッファ容積１１に接続される。作動プロセスは、図１に関連して上述したものと同一である。図１乃至図７の冷凍機に適用できるＶ１，Ｖ２及びＶ３に対するバルブタイミングの一例は、図１７に示される。指摘すべきこととして、図１７に示すタイミングは、これらの冷凍機の基本構造を説明するためにだけに用いられる。実際のバルブタイミングは、図１７に示すタイミングから変更されうる。
【００２４】
図８は、本発明による電力低減バッファ容積１３及びバルブＶ３が付加された基本の４バルブ式のパルスチューブ冷凍機の概略図である。パルスチューブ９内のガスディスプレーサの位相シフトは、Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４及びＶ５のバルブタイミングを適切に制御することにより達成される。４バルブ式のパルスチューブ冷凍機は、パルスチューブ９内の位相シフトが、図４乃至図７に示したようなパッシブ（受動型）バルブに代えて、アクティブ（能動型）バルブ１３、Ｖ４及び１４，Ｖ５により制御されるという利点を有する。作動プロセスは、図１に関連して上述したものと同一である。
【００２５】
図９は、本発明による電力低減バッファ容積１３及びバルブＶ３が付加された４バルブ式のオリフィスパルスチューブ冷凍機の概略図である。４バルブ式のオリフィスパルスチューブ冷凍機は、図９におけるパルスチューブ９の高温端に流量制約器５及びバッファ容積１１が付加された点を除いて、図８に示した基本の４バルブ式のパルスチューブ冷凍機と同様である。パルスチューブ９内の位相シフトは、Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４及びＶ５のバルブタイミング、及び、流量制約器５を介したバッファ容積１１からの流れ及び流量制約器５を介したバッファ容積１１への流れを適切に制御することにより達成される。図８に示した基本の４バルブ式のパルスチューブ冷凍機に比べて、４バルブ式のオリフィスパルスチューブ冷凍機の性能は、コンプレッサ１から及びコンプレッサ１へに代えて、バッファ容積１１及びパルスチューブ９間で幾らかのガスを交換させることによって、改善する。作動プロセスは、図１に関連して上述したものと同一である。冷凍機の全体の効率は、コンプレッサからのガス流れを低減し、それ故に、コンプレッサの入力電力を低減することによって、改善する。
【００２６】
図１０は、本発明によるＧＭタイプの４バルブ式のオリフィスパルスチューブ冷凍機の概略図であり、図１０では、図９の電力低減バッファ容積が、ガスディスプレーサドライババッファ容積１１と組み合わせられる。蓄冷器６の入口は、バルブＶ３を介してバッファ容積１１に接続される。作動プロセスは、図１に関連して上述したものと同一である。図８乃至図１０の４バルブ式のオリフィスパルスチューブ冷凍機のＶ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４及びＶ５に対するバルブタイミングの一例は、図１８に示される。
【００２７】
図１１は、本発明による電力低減バッファ容積１３及びバルブＶ３が付加された５バルブ式のパルスチューブ冷凍機の概略図である。５バルブ式のパルスチューブ冷凍機は、５バルブ式のパルスチューブ冷凍機においては図９内の流量制約器５がアクティブバルブ１５、Ｖ６により置き換えられた点を除いて、図９の４バルブ式のパルスチューブ冷凍機と同様である。図１１のパルスチューブにおける位相シフトは、Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４，Ｖ５及びＶ６のバルブタイミングを適切に制御することによって達成される。５バルブ式のパルスチューブ冷凍機では、位相シフトは、パッシブ流量制約器５に代えてアクティブバルブ１５によりバッファ容積１１及びパルスチューブ９管のガス流れを制御することによって、図９のパルスチューブよりも正確に制御することができる。作動プロセスは、図１に関連して上述したものと同一である。
【００２８】
図１２は、本発明による５バルブ式のパルスチューブ冷凍機の概略図であり、図１２では、図１１の電力低減バッファ容積が、ガスディスプレーサドライババッファ容積１１と組み合わせられる。蓄冷器６の入口は、バルブＶ３を介してバッファ容積１１に接続される。作動プロセスは、図１に関連して上述したものと同一である。
【００２９】
図１１乃至図１２の５バルブ式のパルスチューブ冷凍機のＶ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４，Ｖ５及びＶ６に対するバルブタイミングの一例は、図１９に示される。
【００３０】
図１３は、本発明による電力低減バッファ容積１３及びバルブＶ３が付加されたアクティブバッファ式のパルスチューブ冷凍機の概略図である。アクティブバッファ式のパルスチューブ冷凍機は、コンプレッサ１とパルスチューブ９の高温端との間の接続を有さない。ガスは、パルスチューブ９の高温端と２つのバッファ、Ｐｈ近傍の圧力を有するバッファ容積４０、Ｐ１近傍の圧力を有するバッファ容積４１間を、２つのアクティブバルブ、バルブ４２、Ｖ７及びバルブ４３、Ｖ８を介して循環する。パルスチューブ９内の位相シフトは、Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ７及びＶ８のバルブタイミングを適切に制御することにより達成される。アクティブバッファ式のパルスチューブ冷凍機の性能は、バッファ容積１３と蓄冷器６の高温端の間をガスを循環させることによって改善する。冷凍機の全体の効率は、コンプレッサからのガス流れを低減し、それ故に、コンプレッサの入力電力を低減することによって、改善する。図１３のアクティブバッファ式のパルスチューブ冷凍機のＶ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ７及びＶ８に対するバルブタイミングの一例が図２０に示される。
【００３１】
図１４は、本発明によるアクティブバッファ式のパルスチューブ冷凍機の概略図である。それは、蓄冷器の入口がバルブ５２、Ｖ９及び５４、Ｖ１０を介してバッファ容積４０及び４１に接続されている点を除いて、図１３におけるパルスチューブ冷凍機と同様である。図１４におけるＶ７及びＶ８は、バルブタイミングが僅かに異なる点を除いて、図１３のＶ７及びＶ８と同様である。図１４のアクティブバッファ式のパルスチューブ冷凍機のＶ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ７，Ｖ８，Ｖ９及びＶ１０に対するバルブタイミングの一例が図２１に示される。
【００３２】
図１乃至図１３では、唯一の電力低減バッファ容積１３若しくは１１及びバルブＶ３が蓄冷器６の入口に接続されているが、コントロールバルブを備える一連のバッファが、コンプレッサへの電力入力を更に低減するために蓄冷器の入口に接続されうることは想像されるべきである。追加の電力低減バッファ容積及びコントロールバルブを用いる原理は、図１５及び図１６に示すＧＭ冷凍機を用いて図示される。それえらは、図１に示すＧＭ冷凍機の２つの変形例である。図１５では、２つのバッファ容積１３及び７０が、図２２に示すバルブタイミングに従って制御される２つのバルブＶ３及び７１，Ｖ１１を介して蓄冷器６の入口に接続される。図１６では、３つの電力低減バッファ容積１３，７０及び８０が、図２３に示すバルブタイミングに従って制御される３つのバルブＶ３，Ｖ１１及び８１，Ｖ１２を介して蓄冷器６に接続される。
【００３３】
図２４は、典型的なＧＭ冷凍機に対する圧力−容積（Ｐ−Ｖ）図であり、低温変位容積６０内の圧力、若しくはパルスチューブ内のその均等物と６０の変位の間の関係を示す。米国特許第２，９０６，１０１号で見出されるようなオリジナルのサイクル説明では、Ｐ−Ｖ図は、長方形であるが、実際には、固体若しくはガスディスプレーサがストロークの端部に到達する前に値Ｖ１及びＶ３に近づくことがより効率的であることが分かっている。サイクルは、時計方向に進む。各サイクルで生成される冷凍の量は、図の面積に比例する。Ｖ１は、高圧でコンプレッサからのガスを許容し、Ｖ２は、低圧でコンプレッサへガスを排出する。ストロークの端部前にＶ１及びＶ２を近づけることによって、高圧ガスの幾らかの膨張及び低圧ガスの幾らかの再圧縮が、エクスパンダ内のガスの移動に起因して存在する。
【００３４】
図２５ａは、本発明当たり１つの電力低減バッファ容積及びバルブＶ３を備える図１乃至図１２に示した冷凍機に対するＰ−Ｖ図である。図１７に示したタイミング図を参照するに、図２４のＰ−Ｖ図は、高圧膨脹位相の終了時に幾らかのガスをＶ３が開のときにバッファ容積に流すことにより修正され、同様に低圧再圧縮位相の終了時にガスは、Ｖ３が開のときにバッファ容積から流れる。バルブＶ３を介して電力低減バッファ容積に対して流出入するガスはコンプレッサに供給若しくは戻されないことを注記することは重要である。エクスパンダを加圧するガスの幾らかはバッファから来て、バッファに戻されるので、より多くの冷凍がコンプレッサにより供給される同一のガス量で生成することができる。或いは、同一の量の冷凍を生成することができ、より小型のコンプレッサを用いることができる。これは、極低温冷凍機への入力電力を低減する。
【００３５】
図２５ｂは、本発明当たり２つの電力低減バッファ容積及びバルブＶ３を備える冷凍機に対するＰ−Ｖ図である。２つの電力低減バッファ容積及びバルブＶ３を備える構成は、図１の適合として図１５に示されているが、第２の電力低減バッファ容積７０及びバルブＶ１１は、図２乃至図１２に示した冷凍機の全てに付加することができる。図２２に示したバルブタイミング図を参照するに、図２４のＰ−Ｖ図は、高圧膨脹位相の終了時に幾らかのガスをＶ３及びＶ１１が連続的に開閉するときにバッファ容積に流すことにより修正され、同様に低圧再圧縮位相の終了時にガスはＶ３及びＶ１１が連続的に開閉するときにバッファ容積から流れる。第２の電力低減バッファ容積及びバルブの追加は、単一の電力低減バッファ容積及びバルブに比べて、コンプレッサにより供給される必要があるガスの量を更に低減する。
【００３６】
図２５ｃは、本発明当たり３つの電力低減バッファ容積及びバルブＶ３を備える冷凍機に対するＰ−Ｖ図である。３つの電力低減バッファ容積及びバルブＶ３を備える構成は、図１の適合として図１６に示されているが、第２及び第３の電力低減バッファ容積７０、８０及びバルブＶ１１、Ｖ１２は、図２乃至図１２に示した冷凍機の全てに付加することができる。図２３に示したバルブタイミング図を参照するに、図２４のＰ−Ｖ図は、高圧膨脹位相の終了時に幾らかのガスをＶ１１、Ｖ３及びＶ１２が連続的に開閉するときにバッファ容積に流すことにより修正され、同様に低圧再圧縮位相の終了時にガスはＶ１１、Ｖ３及びＶ１２が連続的に開閉するときにバッファ容積から流れる。第３の電力低減バッファ容積及びバルブの追加は、２つの電力低減バッファ容積及びバルブに比べて、コンプレッサにより供給される必要があるガスの量を更に低減する。
【００３７】
図２６ａは、本発明当たり１つの電力低減バッファ容積及びバルブＶ３を備える図１３に示す冷凍機に対するＰ−Ｖ図である。図２０に示したバルブタイミング図を参照するに、図２４のＰ−Ｖ図は、圧縮位相中に幾らかのガスをＶ３が開閉されるときに電力低減バッファ容積１３から流すことにより修正され、同様に膨脹位相中にガスは、Ｖ３が開閉されるときに電力低減バッファ容積１３に流れる。バッファ容積１３に対して流出入するガスは、一切コンプレッサに供給若しくは戻されない。エクスパンダを加圧するガスの相当な部分（フラクション）がバッファ容積１３から出て、バッファ容積１３に戻されるので、より少ない量のガスが所定の冷凍量を生成するのに必要とされ、入力電力を低減することができる。
【００３８】
図２６ｂは、蓄冷器６の高温端にバルブＶ９及びＶ１０を介してドライババッファ容積４０及び４１を接続することにより電力低減バッファ容積としてのドライババッファ容積４０及び４１の利用と組み合わせられた１つのバッファ容積１３及びバルブＶ３を備える図１４に示した冷凍機に対するＰ−Ｖ図である。図２１に示したタイミング図を参照するに、図２４のＰ−Ｖ図は、圧縮位相中に幾らかのガスをＶ１０、Ｖ３及びＶ９が連続的に開閉するときにバッファ容積４１，１３及び４０から流すことにより修正される。同様に、膨脹位相中に、ガスは、Ｖ１０、Ｖ３及びＶ９が連続的に開閉するときに、バッファ容積４０，１３及び４１から流れる。これは、所定の冷凍の量を生成するために必要とされるガスの更なる低減を生み、それにより、入力電力を更に低減することができる。
【００３９】
図１乃至図１６に示した冷凍機は単一段冷凍機であるが、本発明の概念を、バルブのタイミングを適切に制御することによって複数のボリュームを備える多段冷凍機に適用することも可能である。
【００４０】
上述は、実施可能な記載が利用可能となるように本願発明者により予見される実施例の観点から本発明を説明しているが、現に予見されていない本発明の非本質的な修正は、その均等をそれにも拘らず表しうる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明による機械式ディスプレーサ駆動機構を備えるＧＭ冷凍機の概略図であり、コンプレッサ、バッファ容積及び３つのオンオフバルブの構成要素関係を示す概略図である。
【図２】本発明によるガス駆動式ディスプレーサ駆動機構を備えるＧＭ冷凍機の概略図であり、コンプレッサ、２つのバッファ容積及び３つのオンオフバルブの構成要素関係を示す概略図である。
【図３】本発明によるガス駆動式ディスプレーサ駆動機構を備えるＧＭ冷凍機の概略図であり、コンプレッサ、単一のバッファ容積及び３つのオンオフバルブの構成要素関係を示す概略図である。
【図４】本発明によるＧＭタイプの単一オリフィス型のパルスチューブ冷凍機の概略図であり、コンプレッサ、２つのバッファ容積及び３つのオンオフバルブの構成要素関係を示す概略図である。
【図５】本発明によるＧＭタイプの単一オリフィス型のパルスチューブ冷凍機の概略図であり、コンプレッサ、単一のバッファ容積及び３つのオンオフバルブの構成要素関係を示す概略図である。
【図６】本発明によるＧＭタイプのダブルインレット式のパルスチューブ冷凍機の概略図であり、コンプレッサ、２つのバッファ容積及び３つのオンオフバルブの構成要素関係を示す概略図である。
【図７】本発明によるＧＭタイプのダブルインレット式のパルスチューブ冷凍機の概略図であり、コンプレッサ、単一のバッファ容積及び３つのオンオフバルブの構成要素関係を示す概略図である。
【図８】本発明によるＧＭタイプの基本の４バルブ式のパルスチューブ冷凍機の概略図であり、コンプレッサ、バッファ容積及び５つのオンオフバルブの構成要素関係を示す概略図である。
【図９】本発明によるＧＭタイプの４バルブ式のオリフィスパルスチューブ冷凍機の概略図であり、コンプレッサ、２つのバッファ容積及び５つのオンオフバルブの構成要素関係を示す概略図である。
【図１０】本発明によるＧＭタイプの４バルブ式のオリフィスパルスチューブ冷凍機の概略図であり、コンプレッサ、単一のバッファ容積及び５つのオンオフバルブの構成要素関係を示す概略図である。
【図１１】本発明によるＧＭタイプの５バルブ式のパルスチューブ冷凍機の概略図であり、コンプレッサ、２つのバッファ容積及び６つのオンオフバルブの構成要素関係を示す概略図である。
【図１２】本発明によるＧＭタイプの５バルブ式のパルスチューブ冷凍機の概略図であり、コンプレッサ、単一のバッファ容積及び６つのオンオフバルブの構成要素関係を示す概略図である。
【図１３】本発明によるＧＭタイプのアクティブバッファ式のパルスチューブ冷凍機の概略図であり、コンプレッサ、３つのバッファ容積及び５つのオンオフバルブの構成要素関係を示す概略図である。
【図１４】本発明によるＧＭタイプのアクティブバッファ式のパルスチューブ冷凍機の概略図であり、コンプレッサ、３つのバッファ容積及び７つのオンオフバルブの構成要素関係を示す概略図である。
【図１５】本発明によるＧＭタイプの冷凍機の概略図であり、コンプレッサ、２つのバッファ容積及び４つのオンオフバルブの構成要素関係を示す概略図であり、ガスは、コンプレッサから供給される前に２つのバッファ容積から順に供給される。
【図１６】本発明によるＧＭタイプの冷凍機の概略図であり、コンプレッサ、３つのバッファ容積及び５つのオンオフバルブの構成要素関係を示す概略図であり、ガスは、コンプレッサから供給される前に３つのバッファ容積から順に供給される。
【図１７】図１乃至図７に示した冷凍機に適用可能なバルブタイミングシーケンスの一例を示す図である。
【図１８】図８乃至図１０に示した冷凍機に適用可能なバルブタイミングシーケンスの一例を示す図である。
【図１９】図１１乃至図１２に示した冷凍機に適用可能なバルブタイミングシーケンスの一例を示す図である。
【図２０】図１３に示した冷凍機に適用可能なバルブタイミングシーケンスの一例を示す図である。
【図２１】図１４に示した冷凍機に適用可能なバルブタイミングシーケンスの一例を示す図である。
【図２２】図１５に示した冷凍機に適用可能なバルブタイミングシーケンスの一例を示す図である。
【図２３】図１６に示した冷凍機に適用可能なバルブタイミングシーケンスの一例を示す図である。
【図２４】従来のＧＭタイプの冷凍機に対する圧力−容積（Ｐ−Ｖ）図である。
【図２５ａ】本発明当たり１つのバッファ容積を備えるＧＭタイプの冷凍機に対するＰ−Ｖ図である。
【図２５ｂ】本発明当たり２つのバッファ容積を備えるＧＭタイプの冷凍機に対するＰ−Ｖ図である。
【図２５ｃ】本発明当たり３つのバッファ容積を備えるＧＭタイプの冷凍機に対するＰ−Ｖ図である。
【図２６ａ】図１３に示したＧＭタイプのアクティブバッファ式のパルスチューブに対するＰ−Ｖ図である。
【図２６ｂ】図１４に示したＧＭタイプのアクティブバッファ式のパルスチューブに対するＰ−Ｖ図である。
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５ａ】
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【図２５ｂ】
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【図２５ｃ】
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【図２６ａ】
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【図２６ｂ】
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【国際調査報告】
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