(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機と、
内部空間を有するパルス管と、
作動ガスとの間で熱交換を行う蓄冷材が装填された蓄冷器と、
所定容量の内部空間を有するバッファーと、
前記パルス管の他端と前記バッファーとを接続する流路と、
前記作動ガスの温度を検出する温度検出手段と、
該流路内を流れる前記作動ガスの流量を調整する流量調整手段と、
前記温度検出手段で検出される前記作動ガスの温度に応じて前記流量調整手段を制御する制御手段とを有し、
前記制御手段は、
前記作動ガスの温度低下に伴い前記作動ガスの流量を減少させ、前記作動ガスの温度上昇に伴い前記作動ガスの流量を増大させるよう前記流量調整手段を制御することを特徴とするパルス管冷凍機。
【請求項２】
前記流路は、
主流路と、
該主流路と別箇に配設されると共に、前記流量調整手段が設けられたバイパス流路とを有す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】
請求項１又は２に記載のパルス管冷凍機の運転方法であって、
前記パルス管冷凍機の起動時に、前記流路を流れる前記作動ガスの流量が最大となるよう設定し、
前記パルス管冷凍機が起動した後、前記作動ガスの温度の低下に伴い、前記流路を流れる前記作動ガスの流量を減少させることを特徴とするパルス管冷凍機の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パルス管冷凍機及びその運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えばパルス管冷凍機は、圧縮機、パルス管、蓄冷器、及び位相制御機構等を有している。圧縮機で生成された高圧の作動ガスは、蓄冷器及びパルス管を通り、位相制御機構に流入する。
【０００３】
位相制御機構はバッファーとイナータンス管とにより構成されており、イナータンス管はパルス管とバッファーとの間に配設されている。この位相制御機構は、圧縮機から送り出される正弦波的な作動ガスの圧力変化と流量変化との間に位相差を発生させる。これにより、パルス管と蓄冷器との間に寒冷が発生する（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−０９３１２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来では、位相制御機構を構成するイナータンス管の特性は、パルス管冷凍機の仕様冷凍温度で最大の冷凍能力が得られるよう設定されていた。このため、作動ガスの温度が高い冷凍機の起動時においても、イナータンス管を流れる作動ガスの流量は、冷凍機の仕様冷凍温度に対応した流量とされていた。このため、従来のパルス管冷凍機では、クールダウン時間（常温からパルス管冷凍機の所定仕様冷凍温度まで冷却するまでに要する時間）を長く要するという問題点があった。
【０００６】
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、クールダウン時間の短縮を図りうるパルス管冷凍機及びその運転方法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】
【０００７】
上記の課題は、第１の観点からは、
圧縮機と、
内部空間を有するパルス管と、
作動ガスとの間で熱交換を行う蓄冷材が装填された蓄冷器と、
所定容量の内部空間を有するバッファーと、
前記パルス管の他端と前記バッファーとを接続する流路と、
前記作動ガスの温度を検出する温度検出手段と、
該流路内を流れる前記作動ガスの流量を調整する流量調整手段と、
前記温度検出手段で検出される前記作動ガスの温度に応じて前記流量調整手段を制御する制御手段とを有し、
前記制御手段は、
前記作動ガスの温度低下に伴い前記作動ガスの流量を減少させ、前記作動ガスの温度上昇に伴い前記作動ガスの流量を増大させるよう前記流量調整手段を制御することを特徴とするパルス管冷凍機により解決することができる。
【発明の効果】
【０００８】
開示の発明によれば、作動ガスの温度に応じて流路を流れる作動ガスの流量を調整できるため、クールダウン時間を短くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、本発明の一実施形態であるパルス管冷凍機の断面図である。
【図２】図２は、制御装置が実行する制御動作を示すフローチャートである。
【図３】図３は、イナータンス管の特性とクールダウン時間との関係を示す図である（その１）。
【図４】図４は、イナータンス管の特性とクールダウン時間との関係を示す図である（その２）。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
次に、本発明の実施の形態について図面と共に説明する。
【００１１】
図１は、本発明の第１実施形態である蓄冷式冷凍機を示している。本実施形態では、蓄冷式冷凍機としてスターリング型パルス管冷凍機１（以下、単に冷凍機という）を例に挙げて説明するものとする。この冷凍機１は、大略すると圧縮機２と、膨張器３と、位相制御機構４とを有している。
【００１２】
圧縮機２は、ハウジング５の内部にシリンダー６、ピストン７、リニアモーター８、及び板ばねユニット１５等を設けた構成とされている。
【００１３】
シリンダー６は、ハウジング５の中央部に図中左右方向に延在するよう設けられている。このシリンダー６の内部には、対向配置させた一対のピストン７が配設されている。ピストン７はシリンダー６内において、軸方向（図１における左右方向）に直線的に往復移動可能な構成とされている。この一対のピストン７の間には、圧縮室１２が形成されている。この圧縮室１２は、通路１３を介して膨張器３に接続されている。
【００１４】
リニアモーター８は、各ピストン７にそれぞれ設けられている。このリニアモーター８は、ピストン７をシリンダー６内で往復移動するよう駆動するものである。このリニアモーター８は、永久磁石９、電磁コイル１０、ヨーク１１、及び支持ホルダ１９を有した構成とされている。
【００１５】
永久磁石９は、支持ホルダ１９を用いてピストン７に固定されている。よって、永久磁石９はピストン７と一体的に移動する。またヨーク１１は、ハウジング５に固定されている。このヨーク１１には環状の凹部が形成されており、永久磁石９はこの凹部内で軸方向に移動可能な構成とされている。
【００１６】
電磁コイル１０は、ヨーク１１の永久磁石９と対向する位置（凹部の内部）に配設されている。この電磁コイル１０には、図示しない電源から所定周波数の交流電流が供給される。交流電流が電磁コイル１０に供給されると、永久磁石９と電磁コイル１０との間には軸方向に駆動力が発生する。前記のように電磁コイル１０はヨーク１１に固定されているため、リニアモーター８が発生する駆動力によりピストン７はシリンダー６内で軸方向に駆動される。
【００１７】
板ばねユニット１５は、その外周部分が支持部材１４を介してハウジング５に固定されると共に、その内周部分にピストン７が固定された構成とされている。この板ばねユニット１５は、圧縮機２内でピストン７を往復移動可能に支持する機能を奏する。よって、リニアモーター８によりピストン７が軸方向に駆動されると、板ばねユニット１５はピストン７の軸方向移動を許容すると共に、移動した際にはピストン７に対してリニアモーター８による駆動方向と反対方向に弾性反発力を付勢する。
【００１８】
これにより各ピストン７はシリンダー６内において軸方向に往復移動を行い、これに伴い圧縮室１２内の作動ガスの圧力を上下させる。この圧縮室１２内の作動ガスの圧力変動は、通路１３を介して膨張器３に供給され、これに基づき膨張器３では寒冷が発生する。
【００１９】
膨張器３は蓄冷器２０、パルス管２１、及び低温熱交換器２２等を有しており、パルス管冷凍機を構成する。
【００２０】
蓄冷器２０は、圧縮機２からパルス管２１に至る作動ガスの流路途中に配設されている。この蓄冷器２０は、筒状体の内部に寒冷を蓄冷させる蓄冷材が装填された構成とされている。
【００２１】
パルス管２１は円筒状の管であり、蓄冷器２０に低温熱交換器（コールドヘッド）２２内の通路２２ａを介して接続される。なお、本実施形態では蓄冷器２０とパルス管２１の接続タイプとして折り返し型を例示しているが、インラインタイプとすることも可能である。
【００２２】
次に、パルス管冷凍機の動作を説明する。圧縮機２から供給された作動ガスのエネルギーは、蓄冷器２０、低温熱交換器２２、パルス管２１を通過し位相制御機構４で消費される。蓄冷器２０とパルス管２１との間では、位相差を生じた作動ガスが等温状態から断熱状態に移行する際に消費された仕事分のエネルギーギャップが生じ、その差を補間するように低温熱交換器２２から吸熱が起き寒冷が発生する。一方で、パルス管２１の高温側（図１における下端部）に配設された放熱器２３では、低温熱交換器２２から吸熱された熱分を放熱する。この一連の動作を繰り返すことで、低温熱交換器２２に熱的に接続された非冷却物が冷却される。
【００２３】
次に、位相制御機構４について説明する。位相制御機構４は、流路２４、弁装置２７、温度計２８、バッファータンク２９、及び制御装置３０等により構成されている。
【００２４】
流路２４は、パルス管２１の高温端側と、所定容量の内部空間を有するバッファータンク２９とを接続するものである。本実施形態では、この流路２４をイナータンス管２５（請求項に記載の主流路に相当する）と、このイナータンス管２５と別箇の構成とされたバイパス管２６（請求項に記載のバイパス流路に相当する）とにより構成している。
【００２５】
イナータンス管２５は、冷凍機１の仕様冷凍温度（例えば、７７Ｋ）に適合した作動ガスが流れるよう、その配管長及び流路径が適正化されている。これに対しバイパス管２６は、パルス管２１の流路径に対して小さな流路径とされている。なお、本実施形態では、イナータンス管２５及びバイパス管２６の配管長は同一長さとしている。
【００２６】
弁装置２７（請求項に記載の流量調整手段に相当する）は、バイパス管２６に配設されている。この弁装置２７は制御装置３０により駆動制御される電磁弁であり、バイパス管２６内を流れる作動ガスの流量を調整する機能を奏するものである。この弁装置２７は連続的に開弁度を調整することができる。
【００２７】
温度計２８（請求項に記載の温度検出手段に相当する）は、低温熱交換器２２に配設されている。この温度計２８は、パルス管２１の低温端の温度（通路２２ａを流れる作動ガスの温度と等価）を測定するものである。よって、温度計２８の測定結果により、低温熱交換器２２の温度が仕様冷凍温度まで冷却されているかどうかを検出することができる。この温度計２８で測定された作動ガスの温度は、制御装置３０に送信される。
【００２８】
制御装置３０は、温度計２８で検出される作動ガスの温度に応じて弁装置２７を制御する。よって、パルス管２１と蓄冷器２０との間を流れる作動ガスの流量は、制御装置３０により制御される。具体的には、仮に弁装置２７が全閉した場合には、流路２４を流れる作動ガスはイナータンス管２５のみを流れることとなり，その流量は冷凍機１の仕様冷凍温度（例えば７７Ｋ）に最適な流量となる。これに対し、仮に弁装置２７が全開した場合には、流路２４を流れる作動ガスはイナータンス管２５とバイパス管２６の双方を流れることとなり，その流量はイナータンス管２５のみの場合に比べて多くなる。
【００２９】
ところで、上記構成とされた位相制御機構４は、パルス管２１内に仕事の流れを発生させるものであり、作動ガスの圧力振動に対してガスの変位を遅らせる機能を奏する。この位相制御機構４により位相遅れが発生することにより、圧縮機２（振動発生源）からの仕事に流れが生じパルス管２１の低温端側において寒冷が発生する。
【００３０】
また、位相制御機構４及びパルス管２１から構成される系を電気回路的にいうと、パルス管２１とバッファータンク２９がキャパシタンス成分に相当し、流路２４がインダクタンス成分と抵抗成分に相当する。よって、流路２４の特性を調整することにより、換言するとイナータンス管２５及びバイパス管２６を流れる作動ガスの流量を調整することにより、上記の位相差を調整することが可能となる。
【００３１】
図２は、冷凍機１の運転方法の一つである、制御装置３０が実施する弁装置２７の制御処理を示すフローチャートである。同図に示す処理は、例えば所定時間毎に繰り返し実施されるルーチン処理である。
【００３２】
同図に示す制御処理が起動すると、先ずステップ１０（図では、ステップをＳと略称する）において、制御装置３０は冷凍機１が起動時であるか否かを判断する。
【００３３】
ステップ１０で起動時であると判断された状態は、作動ガスの冷却がまだ実施されていない状態である。よって、ステップ１０で肯定判断（ＹＥＳの判断）が行われた場合には、処理はステップ１１に進み、制御装置３０は弁装置２７を全開とする。この処理が終了すると、処理はステップ１２に進む。一方、ステップ１０で起動時ではないと判断された場合は、ステップ１１の処理を行うことなく、処理はステップ１２に進む。
【００３４】
ステップ１２では、制御装置３０は温度計２８から送信される信号に基づき、現在の作動ガスの温度Ｘを読み込む。読み込まれた作動ガスの温度は、制御装置３０に送信される。
【００３５】
続くステップ１３では、制御装置３０はステップ１２で読み込まれた作動ガスの温度Ｘに基づき、弁装置２７の開度を決定する処理を行う。
【００３６】
具体的には、制御装置３０は予め作動ガスの温度変化と弁装置２７の開度とをパラメータとする二次元のマップが記憶されている。また制御装置３０は、前回の処理において測定された作動ガスの温度を記憶しており、前回と今回の作動ガスの温度を比較することにより作動ガスの温度変化を演算する。
【００３７】
制御装置３０は、この演算結果により作動ガスの温度が上昇していると判断すると、弁装置２７を所定量開く処理を行う。なお、弁装置２７が全開となっている場合には、全開状態を維持する。この処理により、バイパス管２６の流路径は大きくなり（流れ抵抗は小さくなり）、バイパス管２６を流れる作動ガスの流量は増大し、また全開状態の場合には最大流量状態を維持する。
【００３８】
一方、演算結果により作動ガスの温度が低下していると判断した場合には、制御装置３０は弁装置２７を所定量閉じる処理を行う。これにより、バイパス管２６の流路径は小さくなり（流れ抵抗は大きくなり）、バイパス管２６を流れる作動ガスの流量は減少する。そして、作動ガスの温度が仕様冷凍温度に達すると、弁装置２７は完全に閉じた状態となる。
【００３９】
また、弁装置２７が完全に閉弁した場合には、パルス管２１とバッファータンク２９との間において、作動ガスはイナータンス管２５のみを流れることとなる。前記ように、イナータンス管２５は、仕様冷凍温度に最適となるよう設定されているため、よって蓄冷器２０とパルス管２１との接合位置において高効率で寒冷を発生させることができる。
【００４０】
なお、温度変化に伴い弁装置２７の開弁量及び閉弁量は、冷凍機１の仕様冷凍温度やバイパス管２６の配管径、及び流路２４の流路長等により変化するものである。制御装置３０に格納されているマップは、これらを考慮して予め実験等を行うことにより作成されたものである。
【００４１】
上記した本実施形態に係る冷凍機１では、制御装置３０が弁装置２７を上記のように制御するため、起動時を含め作動ガスが冷却されていない場合には、弁装置２７は大きく開らかれ、よってパルス管２１とバッファータンク２９との間には大流量の作動ガスが流れることになる。
【００４２】
このように、パルス管２１の低温部分の温度が高い時にパルス管２１とバッファータンク２９との間に大流量の作動ガスが流れることにより、作動ガスの仕事量が増大してパルス管２１の低温端の温度は急激に低くなる。よって、本実施形態に係る冷凍機１によれば、従来の仕様冷凍温度に適合した流量しか流すことができないイナータンス管のみ配設された冷凍機に比べ、クールダウン時間を早めることができる。
【００４３】
しかしながら、上記のように大流量の作動ガスを流した状態を維持すると、蓄冷器２０とパルス管２１との接合位置近傍における熱損失が増大する。このため、作動ガスが使用温度になる前において、作動ガスの冷却効率が低下してしまう。
【００４４】
本実施形態に係る冷凍機１は、上記のように作動ガスの温度が低下するのに伴い弁装置２７を閉じる構成としている。これにより、パルス管２１とバッファータンク２９との間を流れる作動ガスの流量は温度の低下に伴い少なくなるため、上記の熱損失も漸次少なくなる。よって、本実施形態に係る冷凍機１によれば、クールダウン時間を早めることができると共に、低温熱交換器２２を確実に仕様冷凍温度まで冷却することができる。
【００４５】
図３は、パルス管２１とバッファータンク２９との間に配設される流路の流路径を変化させることによりクールダウン時間を早めることができることを実証する図である。図において、縦軸はパルス管の低温端の温度であり、横軸はクールダウン時間を示している。
【００４６】
図中矢印Ａで示すのは本実施形態に係る冷凍機１の特性を示しており、流路２４の内径（管内径は、イナータンス管２５とバイパス管２６の和）と長さの比（＝アスペクト比）０．００５５とし、上記した制御を行った時の特性を示している。
【００４７】
これに対して図中矢印Ｂで示すのは、バイパス管のみを配設した従来の冷凍機の特性を示している。この冷凍機は、イナータンス管長は一定とし、アスペクト比０．００５３に小さくした場合としている。
【００４８】
同図に示すように、本実施形態に係る冷凍機（矢印Ａ）の方が、従来の冷凍機（矢印Ｂ）よりもクールダウン時間が短くなっている。よって図３に示す結果より、本実施形態に係る冷凍機１は、従来の冷凍機に比べてクールダウン時間が短縮されたことが実証された。
【００４９】
ところで上記した実施形態では、流路２４をイナータンス管２５とバイパス管２６とにより構成し、バイパス管２６の流量制御を行うことによりクールダウン時間の短縮を図った。しかしながら、パルス管２１とバッファータンク２９との間における作動ガスの流量は、流路２４の流れ抵抗を調整することによっても制御することができる。
【００５０】
図４は、イナータンス内径一定で長さを変化させた場合の各アスペクト比（＝径／長さ）におけるクールダウン時間を示す。図中、矢印Ｃで示す冷凍機は、アスペクト比０．００６３である。また、図中矢印Ｄで示す冷凍機は、アスペクト比０．００５４である。更に、図中矢印Ｅで示す冷凍機は、アスペクト比０．００５９である。
【００５１】
同図に示されるように、イナータンス管の長さを変化させることによりクールダウン時間は変化する。よって、この特性を利用して冷凍機のクールダウン時間を短縮させる構成とすることも可能である。
【００５２】
以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は上記した特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能なものである。
【符号の説明】
【００５３】
１  冷凍機
２  圧縮機
３  膨張器
４  位相制御機構
５  ハウジング
６  シリンダー
７  ピストン
１２  圧縮室
１３  通路
１５  板ばねユニット
２０  蓄冷器
２１  パルス管
２２  低温熱交換器
２４  流路
２５  イナータンス管
２６  バイパス管
２７  弁装置
２８  温度計
２９  バッファータンク
３０  制御装置
【図１】
0005819228.tif 000002
【図２】
0005819228.tif 000003
【図３】
0005819228.tif 000004
【図４】
0005819228.tif 000005