(57)【要約】【課題】冷凍効率が高く、より低い到達温度を実現するパルス管冷凍機の提供。【解決手段】複数の冷凍部１００、２００（蓄冷器及びパルス管の組み合わせ）を直列に接続したパルス管冷凍機において、後列の冷凍部２００を前列の冷凍部１００にて予冷することを特徴とする。直列型パルス冷凍機においては、冷凍部１００におけるパルス管の膨張仕事はより冷凍機２００により圧縮仕事として回収できる。従って、冷凍部１００における仕事損失は理論的には存在しない。冷凍部２００の蓄冷器として、２以上の蓄冷部材２１３及び２１６を直列に接続した多段型蓄冷器２１を採用し、その多段型蓄冷器２１の蓄冷部材２１３及び２１６の接続部分２１４と、冷凍部１００の低温端１２２とを伝熱部材２１５により予冷することで多段型蓄冷器を採用した冷凍部２００での膨張仕事を回収するに値しなくなる程、小さくすることが可能となり、冷凍効率が向上する。【選択図】  図１
2004347175.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
蓄冷器と、該蓄冷器の一端に接続された低温端と該低温端の反対の端部である高温端とをもつパルス管と、を有するとともに、内部で作動ガスが移動する単位冷凍部を複数個備え、該単位冷凍部同士が該蓄冷器の他端側と該パルス管の高温端側との間で直列に接続されている冷凍部と、
該冷凍部の該蓄冷器側の端部に接続され且つ該作動ガスに圧力振動を付与する圧力振動発生装置と、
該冷凍部の該パルス管側の端部に接続され且つ該作動ガスの圧力振動の位相を調節する位相調節装置と、を有する直列型のパルス管冷凍機であって、
該単位冷凍部の少なくとも１つは、該蓄冷器が２以上の蓄冷部材が直列に接続された多段型蓄冷器をもつ多段型単位冷凍部であり、該多段型単位冷凍部よりも該圧力振動発生装置側に配設された他の該単位冷凍部の該パルス管の該低温端と該多段型蓄冷器の該蓄冷部材間との間を熱的に接続する伝熱部材をもつことを特徴とするパルス管冷凍機。
【請求項２】
作動ガスに圧力振動を付与する圧力振動発生装置と、
該圧力振動発生装置に一端が接続された第１蓄冷器と、該第１蓄冷器の他端に接続された低温端と該低温端の反対の端部である高温端とをもつ第１パルス管と、をもち、内部で該作動ガスが移動する第１冷凍部と、
該第１パルス管の該高温端側に接続され該作動ガスの圧力振動の位相を調節する位相調節装置と、を有するパルス管冷凍機であって、
２以上の蓄冷部材が直列に接続されるとともに該第１パルス管の該高温端に一端が接続された多段型の第２蓄冷器と、該第２蓄冷器の他端に接続された低温端と該低温端の反対の端部であり該位相調節装置に接続された高温端とをもつ第２パルス管と、該第１パルス管の該低温端と該第２蓄冷器の該蓄冷部材間の接続部とを熱的に接続する伝熱部材と、をもち、内部で該作動ガスが移動する第２冷凍部を有することを特徴とするパルス管冷凍機。
【請求項３】
前記冷凍部の前記パルス管のうちの少なくとも１つの前記高温端又は前記第１パルス管の前記高温端又は前記第２パルス管の前記高温端と、前記圧力振動発生装置との間で前記作動ガスをバイパスするバイパス部材を有する請求項１又は２に記載のパルス管冷凍機。
【請求項４】
前記パイパス部材は前記作動ガスの流れの方向によって前記作動ガスの通過抵抗が異なる請求項３に記載のパルス管冷凍機。
【請求項５】
前記冷凍部の前記パルス管のうちの少なくとも１つの前記高温端又は前記第１パルス管の前記高温端又は前記第２パルス管の前記高温端に接続された前記作動ガスの圧力振動の位相を調節する第２位相調節装置を有する請求項１〜４のいずれかに記載のパルス管冷凍機。
【請求項６】
前記伝熱部材は、前記作動ガスをバイパスするバイパス部材を有する請求項１〜５のいずれかに記載のパルス管冷凍機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パルス管冷凍機に関し、詳しくは直列型のパルス管冷凍機について冷凍効率を向上することに関する。
【０００２】
【従来の技術】
パルス管冷凍機は従来のスターリング冷凍機及びＧＭ冷凍機が有する低温部における可動部がないことから冷凍部の低振動性という長所を有するとともに、構造の単純化に由来する高信頼性という長所も有する。
【０００３】
しかしながら、スターリング冷凍機及びＧＭ冷凍機では膨張ピストンを介して作動ガスの膨張仕事を一部回収することが可能であるのに対し、パルス管冷凍機は膨張ピストンを有しないために膨張仕事は熱として放出されてしまい冷凍効率が原理的にスターリング冷凍機等に及ばなかった。
【０００４】
従来技術では、冷凍効率を向上できるパルス管冷凍機として直列型のパルス管冷凍機を開示している（特許文献１）。特許文献１のパルス管冷凍機は、図１１に示すように、蓄冷器（第１蓄冷器９２１、第２蓄冷器９３１）と、蓄冷器９２１、９３１の一端に接続された低温端とその反対の端部である高温端とをもつパルス管（第１パルス管９２２、第２パルス管９３２）と、をもち、内部で作動ガスが移動する単位冷凍部（第１冷凍部９２、第２冷凍部９３）を複数個直列に接続した冷凍部９５と、冷凍部９５の端部９２３に接続され且つ作動ガスに圧力振動を付与する圧力振動発生装置９１（ピストン９１１及びシリンダ９１２）と、冷凍部９５の端部９３４に接続され且つ作動ガスの圧力振動の位相を調節する位相調節装置９４（バッファ９４１及びイナータンスチューブ９４２）と、を有する。
【０００５】
特許文献１に開示された直列型パルス管冷凍機は、第２蓄冷器９３１の高温端と第１パルス管９２２の高温端とが接続されていることから、第１パルス管の膨張仕事が第２パルス管冷凍機の圧縮仕事に利用でき、冷凍効率が向上する。
【０００６】
圧力振動発生装置９１によって作動ガスに振動流れが発生し、第１冷凍部９２及び第２冷凍部９３に圧力振動が伝達される。バッファ９４１を伴うイナータンスチューブ９４２は、圧力波（圧力）と質量流量（変位）との位相を調節し、第１パルス管９２２及び第２パルス管９３２の低温端において適切な位相角を実現することにより、冷凍部熱交換器９２４及び９３３に冷凍出力を発生する。イナータンスチューブ９４２によって、圧力と変位との位相角を調節し、取り出される冷凍出力を増加する。イナータンスチューブ９４２はまた第２パルス管９３２の膨張仕事をガス流れの摩擦損失によって熱に変換する部分でもある。
【０００７】
ここで第２パルス管冷凍機９３２の冷凍部熱交換器９３１の部分で２０Ｋ程度の極低温を得ようとするには、上記構成では不充分である。なぜなら、蓄冷器２１３での蓄冷器損失が過大であるからである。
【０００８】
ところで高い冷凍効率のほかに、冷凍機に求められる性能としては高い冷凍能力（到達温度を低くできること）がある。従来、高い冷凍能力をもつパルス管冷凍機としては、多段型のパルス管冷凍機が知られているほか、２つの独立したパルス管冷凍機を組み合わせた冷凍機が開示されている（非特許文献１）。非特許文献１に開示された冷凍機は、一方のパルス管冷凍機の蓄冷器として２以上の蓄冷部材を直列に接続した多段型の蓄冷器を採用し、その多段型の蓄冷器の蓄冷部材の接続部分と、他方のパルス管冷凍機の低温部とを伝熱部材にて熱的に接続することで一方のパルス管冷凍機の低温部の冷凍能力を向上させている。
【０００９】
【特許文献１】特開２００１−９１０７６号公報（図１など）
【非特許文献１】Ｓ．  Ｚｈｕ  ｅｔ  ａｌ．：  Ｃｒｙｏｃｏｏｌｅｒｓ  １１，  ｅｄｉｔｅｄ  ｂｙ  Ｒ．Ｇ．Ｒｏｓｓ，Ｊｒ．，  Ｋｌｕｗｅｒ  Ａｃａｄｅｍｉｃ／Ｐｌｅｎｕｍ  Ｐｕｂｌｉｓｈｅｒｓ，  ２００１，  ｐ．２４３−２４７（図１、２など）
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献１に開示されたパルス管冷凍機では第１単位冷凍部９２の第１パルス管９２２の膨張仕事は第２単位冷凍部９３における圧縮仕事に利用され、放熱の形での仕事の消耗はない。第２単位冷凍部９３を第１単位冷凍部９２に直列接続することで冷凍機全体の効率は向上できるが、より低い到達温度を得ることは困難である。一方、到達温度を低くするためには非特許文献１の方法等があるが、膨張仕事の大部分を無駄に熱として放出するために効率が低い欠点がある。
【００１１】
本発明では従来のパルス管冷凍機よりも冷凍効率が高く、より低い到達温度を実現するパルス管冷凍機を提供することを解決すべき課題とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
上記課題を解決する本発明のパルス管冷凍機は、蓄冷器と、該蓄冷器の一端に接続された低温端と該低温端の反対の端部である高温端とをもつパルス管と、を有するとともに、内部で作動ガスが移動する単位冷凍部を複数個備え、該単位冷凍部同士が該蓄冷器の他端側と該パルス管の高温端側との間で直列に接続されている冷凍部と、
該冷凍部の該蓄冷器側の端部に接続され且つ該作動ガスに圧力振動を付与する圧力振動発生装置と、
該冷凍部の該パルス管側の端部に接続され且つ該作動ガスの圧力振動の位相を調節する位相調節装置と、を有する直列型のパルス管冷凍機であって、
該単位冷凍部の少なくとも１つは、該蓄冷器が２以上の蓄冷部材が直列に接続された多段型蓄冷器をもつ多段型単位冷凍部であり、該多段型単位冷凍部よりも該圧力振動発生装置側に配設された他の該単位冷凍部の該パルス管の該低温端と該多段型蓄冷器の該蓄冷部材間との間を熱的に接続する伝熱部材をもつことを特徴とする。
【００１３】
また、作動ガスに圧力振動を付与する圧力振動発生装置と、
該圧力振動発生装置に一端が接続された第１蓄冷器と、該第１蓄冷器の他端に接続された低温端と該低温端の反対の端部である高温端とをもつ第１パルス管と、をもち、内部で該作動ガスが移動する第１冷凍部と、
該第１パルス管の該高温端側に接続され該作動ガスの圧力振動の位相を調節する位相調節装置と、を有するパルス管冷凍機であって、
２以上の蓄冷部材が直列に接続されるとともに該第１パルス管の該高温端に一端が接続された多段型の第２蓄冷器と、該第２蓄冷器の他端に接続された低温端と該低温端の反対の端部であり該位相調節装置に接続された高温端とをもつ第２パルス管と、該第１パルス管の該低温端と該第２蓄冷器の該蓄冷部材間の接続部とを熱的に接続する伝熱部材と、をもち、内部で該作動ガスが移動する第２冷凍部を有することを特徴とするパルス管冷凍機であってもよい。
【００１４】
つまり、直列型のパルス管冷凍機において、圧力振動発生装置から見て下流側の単位冷凍部（蓄冷器及びパルス管の組み合わせ）の蓄冷器として、２以上の蓄冷部材を直列に接続した多段型蓄冷器を採用し、その多段型蓄冷器の蓄冷部材の接続部分に対して、より上流側にある単位冷凍部（第１冷凍部）の低温端と熱的に接続して予冷することで多段型蓄冷器を採用した単位冷凍部（第２冷凍部）での到達温度をより低くし、更に膨張仕事を回収するに値しなくなる程、小さくすることが可能となる。
【００１５】
直列型パルス管冷凍機においては、圧力振動発生装置から見て上流側の単位冷凍部におけるパルス管の膨張仕事はより下流側の単位冷凍機（例えば第２冷凍部）により圧縮仕事として回収できる。従って、上流側の単位冷凍部における仕事の熱の形での放出は理論的には存在しない。これは直列に接続した単位冷凍部の数にかかわらず妥当する。
【００１６】
しかしながら、最下流に配設された単位冷凍部では膨張仕事は回収できず、位相調節装置により熱に変換される。単位冷凍部から発生する膨張仕事の大きさは単位冷凍部の低温端における温度に依存する。単位冷凍部から発生する膨張仕事の大きさを小さくするには低温端における温度をより低くすればよい。
【００１７】
そこで、下流側の単位冷凍部に多段型蓄冷器を採用し蓄冷部材間を上流側の単位冷凍部の冷凍出力により冷却する。その結果、多段型蓄冷器におけるエンタルピー損失を小さくでき、下流側の単位冷凍部における低温端の温度が上流側の単位冷凍部よりも低くできる。
【００１８】
従って、多段型蓄冷器を採用した下流側の単位冷凍部から放出される膨張仕事は、多段型蓄冷器を採用していない単位冷凍部よりも小さくできるので理論効率を向上できる。
【００１９】
例えば、多段型蓄冷器を採用していない単位冷凍部における冷凍温度は８０Ｋ程度であり、膨張仕事は圧縮仕事の約３０％であるが、多段型蓄冷器を採用し予冷した単位冷凍部での冷凍温度は２０Ｋ程度にまで低下させることが可能であり、膨張仕事はほとんど無視できる程まで低下できる。それ故、本発明のパルス管冷凍機の理論効率は、ほとんどスターリング冷凍機の効率もしくはカルノー効率にまで等しくできる。更に、多段型蓄冷器を採用した単位冷凍部において冷凍能力を向上できるという、付随的な効果を発揮できる。なお、本明細書において多段型蓄冷器とは蓄冷器の中程を伝熱部材にて予冷することを表すために蓄冷器の部位を２区画以上に分けて考えるものであるが本発明のパルス管冷凍機を実現する実際の装置において蓄冷器が物理的に２つ以上に分離されていることを要求するものではない。
【００２０】
なお、非特許文献１に開示されたパルス管冷凍機においても高い冷凍能力を発揮できるが、非特許文献１に開示されたパルス管冷凍機は本質的に独立した２つ（複数）のパルス管冷凍機の一方の冷凍出力を他方の予冷のために用いたものであり、予冷を行う側である一方のパルス管冷凍機の膨張仕事を回収することができないので本発明のパルス管冷凍機に匹敵する高効率を達成することは原理的に困難である。
【００２１】
そして、前記冷凍部の前記パルス管のうちの少なくとも１つの前記高温端又は前記第１パルス管の前記高温端又は前記第２パルス管の前記高温端と、前記圧力振動発生装置との間で前記作動ガスをバイパスするバイパス部材を有することが好ましい。バイパス部材を有することで冷凍部における作動ガスの圧力及び変位の位相をより適正に制御できる。バイパス部材によりパルス管の両端から作動ガスを導入し、パルス管内でうまくぶつけることで変位を減らすことが可能となり損失が低減できる。ここで、前記パイパス部材は、適正な圧力及び変位の位相を達成するために、作動ガスの流れの方向によって前記作動ガスの通過抵抗が異なることが好ましい場合もある。
【００２２】
また、前記冷凍部の前記パルス管のうちの少なくとも１つの前記高温端又は前記第１パルス管の前記高温端又は前記第２パルス管の前記高温端に接続された前記作動ガスの圧力振動の位相を調節する第２位相調節装置を有することが、適正な圧力及び変位の位相を達成できるので好ましい。
【００２３】
更に、前記伝熱部材は、前記作動ガスをバイパスするバイパス部材を有することができる。作動ガスに伴い熱を効果的に移動させることができるとともに、作動ガスの圧力及び変位の位相を適正に制御することが可能となる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
〔第１実施形態〕
（構成）
本実施形態のパルス管冷凍機は、図１に示すように、圧力振動発生装置３１とそれぞれ単位冷凍部としての第１冷凍部１００及び第２冷凍部２００からなる冷凍部と位相調節装置２３とを有する。圧力振動発生装置３１、第１冷凍部１００、第２冷凍部２００及び位相調節装置２３はこの順に作動ガスが内部を移動可能に接続される。なお、本明細書の説明において特に説明なく単に「接続する」と記載した場合は「作動ガスが内部を移動可能に接続する」ことを意味する。
【００２５】
第１冷凍部１００は内部に適正な圧力及び変位の位相をもつ作動ガスを導入することで冷凍出力を発生でき、発生する冷凍出力により第２冷凍部２００を予冷する作用をもつ手段である。第１冷凍部１００は、接続導管１１１、放熱器１１２及び蓄冷部材１１３からなる第１蓄冷器１１と、接続導管１２１、冷凍部熱交換器１２２、パルス管１２３及び放熱器１２４からなる第１パルス管１２とをもつ。放熱器１１２及び１２４は内部を移動する作動ガスと外気との間で熱交換する熱交換器であり、一般的な熱交換器の構成を採用することができる。放熱器１１２は、蓄冷部材１１３の一端（高温端）に接続されており、接続導管１１１により圧力振動発生装置３１に接続される。蓄冷部材１１３は蓄冷器容器（図略）内に金網等の蓄冷材（図略）が充填してある部材である。蓄冷部材１１３の他端（低温端）は接続導管１２１により第１パルス管１２の低温端に位置する冷凍部熱交換器１２２に接続されている。冷凍部熱交換器１２２は第１冷凍部１００の冷凍出力を発生する部位であり、想定される冷凍温度において熱交換機能を発揮できる構成をもつものなら特に限定されない。パルス管１２３は冷凍部熱交換器１２２に低温端が接続され作動ガスが内部を移動できる縦長の中空室をもつ金属製の管状部材である。熱交換器１２４はパルス管１２３の高温端に接続されている。
【００２６】
第２冷凍部２００は第１冷凍部１００により予冷されることで第１冷凍部１００よりも低温に到達することができる手段である。第２冷凍部２００は、接続導管２１１、放熱器２１２、初段冷部材２１３、放熱器２１４、２段蓄冷部材２１６及び伝熱部材２１５からなる第２蓄冷器２１と、接続導管２２１、冷凍部熱交換器２２２、パルス管２２３及び放熱器２２４からなる第２パルス管２２とをもつ。放熱器２１２は、蓄冷部材２１３の一端（高温端）に接続されており、接続導管２１１により第１冷凍部１００の第１パルス管１２における放熱器１２４に接続されている。放熱器２２４はパルス管２２３の高温端に接続されており、位相調節装置２３に接続されている。放熱器２１２及び２２４は内部を移動する作動ガスと外気との間で熱交換する熱交換器であり、一般的な熱交換器の構成を採用することができる。初段蓄冷部材２１３は蓄冷器容器（図略）内に金網等の蓄冷材（図略）が充填してある部材である。放熱器２１４は第２冷凍部２００の第２蓄冷器２１の中程にあり、その前後に初段蓄冷部材２１３及び２段蓄冷部材２１６が接続されている。伝熱部材２１５は放熱器２１４及び第１冷凍部１００の冷凍部熱交換器１２２に熱的に接続されており、放熱器２１４を冷凍部熱交換器１２２により予冷する部材である。２段蓄冷部材２１６は蓄冷器容器（図略）内に鉛や希土類等の球状の蓄冷機能を有する蓄冷材（図略）が充填されている部材である。ここで、蓄冷材の種類が蓄冷部材１１３及び初段蓄冷部材２１３と異なることが好ましいとされるのは、２段蓄冷部材２１６の使用が想定される温度領域がより低温であり、その温度領域で好適に蓄冷作用を発揮できる材料が異なるからである。冷凍部熱交換器２２２は第２冷凍部２００の冷凍出力を発生する部位であり、想定される冷凍温度において熱交換機能を発揮できる構成をもつものなら特に限定されない。パルス管２２３は作動ガスが内部を移動できる縦長の中空室をもつ金属製の管状部材である。
【００２７】
なお、第１冷凍部１００及び第２冷凍部２００は断熱のために必要に応じて断熱手段（例えば、真空雰囲気）により断熱される。
【００２８】
圧力振動発生装置３１はリニア駆動型の圧縮機であり、作動ガスに対して圧力振動を生成する作用をもつ装置である。圧力振動発生装置３１は、往復移動可能なピストン３１１とシリンダ３１２との間の空間が圧縮部３１３とされている。圧縮部３１３は接続導管１１１を介して放熱器１１２に接続される。
【００２９】
位相調節装置２３は電気回路におけるリアクタンスとしての作用を発揮する部材であり、第１冷凍部１００及び第２冷凍部２００の低温端における冷凍生成のために、作動ガスの圧力及び変位の位相と圧力振幅とを制御する圧力波形位相制御要素として機能する手段である。位相調節装置２３はバッファタンク２４１を伴うイナータンスチューブ２３２からなり、作動ガスがイナータンスチューブ２３２を介してバッファタンク２４１に対して行き来することにより、作動ガスの圧力波形の位相及び圧力振幅が調整される装置である。イナータンスチューブ２３２は長さや内径を変えることで位相調節装置２３の作用を制御できる。イナータンスチューブ２３２は圧力振動発生装置３１から出力される圧力振動の振動数が比較的高い場合に特に有効である部材である。圧力振動の振動数が低い場合に、位相調節装置２３としてはイナータンスチューブに代えてオリフィスを用いることもできる。
【００３０】
（作用効果）
圧力振動発生装置３１が作動ガスに発生させた圧力振動は第１冷凍部１００及び第２冷凍部２００に導入され最終的には位相調節装置２３に伝達される。位相調節装置２３はイナータンスチューブ２３２内の作動ガスの慣性質量を用いバッファタンク２４１との組み合わせにて位相調節を行う。そして、第２冷凍部２００の第２パルス管２２から流入する膨張仕事等の余剰の仕事を摩擦熱として消費、放熱する。
【００３１】
第１冷凍部１００及び第２冷凍部２００では流入する作動ガスによって冷凍部熱交換器１２２及び２２２から冷凍出力を発生する。第１冷凍部１００の冷凍部熱交換器１２２からの冷凍出力は伝熱部材２１５を介して放熱器２１４を冷却する。放熱器２１４は第２冷凍部２００の第２蓄冷器２１の中程にあり、その前後に初段蓄冷部材２１３及び２段蓄冷部材２１６が接続されていることから、初段蓄冷部材２１３の低温端の温度を第１冷凍部１００の冷凍部熱交換器１２２の温度程度にまで冷却することが可能となる。従って、初段蓄冷部材２１３を通過するエンタルピー損失は第１冷凍部１００の冷凍出力によって消失させることができる。そのために、２段蓄冷部材２１６のエンタルピー損失は小さくなり、第２冷凍部２００の冷凍部熱交換器２２２においては２０Ｋ程度の極低温を容易に得ることができる。
【００３２】
本実施形態のパルス管冷凍機は高い効率をもつ。なぜなら、第１冷凍部１００の冷凍温度は８０Ｋであり、その冷凍出力により予冷することで第２冷凍部２００の冷凍温度は２０Ｋ程度にまで向上することができるために第２パルス管２２の膨張仕事は無視できる程小さくできるからである。第１冷凍部１００における膨張仕事は圧縮仕事の約３０％であるが、第１パルス管１２の膨張仕事は第２冷凍部２００における圧縮仕事として回収できるので問題とならない。
【００３３】
従って本実施形態のパルス管冷凍機によれば、位相調節装置に流入する膨張仕事を小さくすることで熱として捨てるエネルギーを低減することが可能となり、従来のパルス管冷凍機はもちろん、直列型のパルス管冷凍機と比較しても高い冷凍効率を発揮することができる。
【００３４】
〔第２実施形態〕
（構成）
本実施形態のパルス管冷凍機は、図２に示すように、第１実施形態のパルス管冷凍機に対して、更にバイパス部材１３１及び２３１を有することを特徴とする。本実施形態のパルス管冷凍機はいわゆるダブルインレット型と呼ばれるパルス管冷凍機の構成を応用したものである。バイパス部材１３１は、圧力振動発生装置３１及び第１蓄冷器１１の間を接続する接続導管１１１と、第１冷凍部１００及び第２冷凍部２００の間を接続する接続導管２１１との間を接続する管状の部材である。バイパス部材２３１は、圧力振動発生装置３１及び第１蓄冷器１１の間を接続する接続導管１１１と、第２冷凍部２００の放熱部材２２４との間を接続する管状の部材である。バイパス部材１３１及び２３１は途中に絞り弁（図略）をもち、バイパス部材１３１及び２３１を通過する作動ガスの流れを制御できる。制御のために流量調節可能な絞り弁に代えて、径の定まったオリフィスや細管を用いることもできる。
【００３５】
更に、バイパス部材１３１及び２３１は、作動ガスの流れの方向によって作動ガスの通過抵抗が異なるものを採用することもある。それは、例えば、非対称形のノズルを用いたり、通過抵抗の異なる２つの調節弁を直列逆向きに組み合わせたりすることで実現できる。
【００３６】
（作用効果）
本実施形態のパルス管冷凍機は第１実施形態のパルス管冷凍機のもつ作用に加えて以下の作用を発揮する。バイパス部材１３１は第１冷凍機１００の両端（第１蓄冷器１１の高温端側と第１パルス管１２の高温端側）を接続し、絞り弁等を調節することにより第１パルス管１２の両側から作動ガスを導入することが可能となり、第１パルス管１２内の流体変位を減らすことができる。その結果、損失が低減できる。バイパス部材１３１を経由する仕事損失は、第２冷凍部２００の圧縮仕事の一部として回収できる。
【００３７】
バイパス部材２３１は第１冷凍部１００及び第２冷凍部２００の両端（第１蓄冷器１１の高温端側と第２パルス管２２の高温端側）を接続し、絞り弁等を調節することにより第２パルス管２２のついても両側から作動ガスを導入することが可能となって流体変位を減らすことができる。その結果、損失が低減できる。更にバイパス部材２３１は位相調節装置２３の作用に影響をもつ。つまり、バイパス部材２３１における作動ガスの通過特性を制御することにより位相調節装置２３に影響を与えて作動ガスの圧力及び変位の位相の制御もできる。
【００３８】
従って本実施形態のパルス管冷凍機によれば、バイパス部材を設けることで作動ガスに対して適正な圧力及び変位を実現することが可能となるので、第１実施形態のパルス管冷凍機と比較しても高い冷凍効率を発揮することができる。
【００３９】
〔第３実施形態〕
（構成）
本実施形態のパルス管冷凍機は、図３に示すように、第２実施形態のパルス管冷凍機に対して、更に第２位相調節装置１３を有することを特徴とする。第２位相調節装置１３は第１パルス管１２の高温端側の熱交換器１２４と一端が接続されたイナータンスチューブ１３２と、イナータンスチューブ１３２の他端に接続されたバッファタンク１３３とをもつ。イナータンスチューブ１３２及びバッファタンク１３３は第１実施形態のパルス管冷凍機で説明したイナータンスチューブ２３２とバッファタンク２４１とほぼ同様の構成をもつ。
【００４０】
（作用効果）
本実施形態のパルス管冷凍機は、位相調節装置１３が第１パルス管１２に直接接続されているので、第１冷凍部１００における圧力及び変位の位相をより適正に制御することが可能である。つまり、位相調節装置１３は位相調節装置２３に対して独立しているので位相調節装置１３及び２３を組み合わせ適正に制御することで、第１冷凍部１００及び第２冷凍部２００のそれぞれについて独立して内部の作動ガスの圧力及び変位の位相を適正に調節することが可能である。位相調節装置１３において僅かに作動ガスのもつ仕事を消費することになるが、第１冷凍部１００における圧力及び変位の位相を適正化することによる損失の低減効果を滅失することはできない。
【００４１】
従って本実施形態のパルス管冷凍機によれば、第１パルス管１２に接続された位相調節装置１３を設けることで第１冷凍部１００及び第２冷凍部２００のそれぞれについて独立して圧力及び変位の位相を制御することが可能となるので、第１及び第２実施形態のパルス管冷凍機と比較しても高い冷凍効率を発揮することができる。
【００４２】
〔第４実施形態〕
（構成）
本実施形態のパルス管冷凍機は、図４に示すように、第２実施形態のパルス管冷凍機における圧力振動発生装置３１に代えて２段ピストンからなる圧力振動発生装置３２を採用したこと及びバイパス部材１３１を除いたことを特徴とする。圧力振動発生装置３２は２段ピストン３２１が２段シリンダ３２２内を往復運動することで２つの圧縮空間３２３ａ及び３２３ｂ内の作動ガスに圧力振動を発生することができる装置である。圧縮空間３２３ａ及び３２３ｂから発生する作動ガスの圧力振動は同じ位相をもつ。なお、圧縮空間３２３ａ及び３２３ｂ間では作動ガスの漏れが最小となるように調節される。圧縮空間３２３ａは第２実施形態のパルス管冷凍機と同様に接続導管１１１に接続されており、圧縮空間３２３ｂは接続導管３２５に接続されている。接続導管３２５は第１冷凍部１００及び第２冷凍部２００の間を接続する接続導管２１１に接続されている。
【００４３】
（作用効果）
本実施形態のパルス管冷凍機は第２実施形態のパルス管冷凍機とほぼ同じ作用を発揮できる。バイパス部材１３１の発揮していた作用は圧縮空間３２３ｂから接続導管２１１に圧力振動を出力することで達成できる。ここで、第２実施形態における圧縮空間３１３を本実施形態では圧縮空間３２３ａ及び３２３ｂに分離した結果、バイパス部材１３１を省略することが可能となる。バイパス部材は作動ガスの圧力及び変位の位相を適正に制御するために有効であるものの、バイパス部材を介して作動ガスが還流（ＤＣ流れ）するおそれがある。本実施形態のパルス管冷凍機はバイパス部材が１つなのでＤＣ流れの発生の制御が容易にできるという効果がある。
【００４４】
〔第５実施形態〕
（構成）
本実施形態のパルス管冷凍機は、図５に示すように、第４実施形態のパルス管冷凍機における圧力振動発生装置３２に代えて、独立した２つの圧力振動発生装置３３ａ及びｂを採用したことを特徴とする。本実施形態のパルス管冷凍機はいわゆるダブルピストン型と呼ばれるパルス管冷凍機の構成を応用したものである。圧力振動発生装置３３ａはピストン３３１ａがシリンダ３３２ａ内を往復運動し圧縮空間３３３ａを形成する。圧力振動発生装置３３ｂはピストン３３１ｂがシリンダ３３２ｂ内を往復運動し圧縮空間３３３ｂを形成する。圧縮空間３３３ａは接続導管１１１に接続され、圧縮空間３３３ｂは接続導管３２５に接続されている。
【００４５】
（作用効果）
本実施形態のパルス管冷凍機は、第２実施形態のパルス管冷凍機とほぼ同じ作用を発揮できる。バイパス部材１３１の発揮していた作用は圧縮空間３３３ｂから接続導管２１１に圧力振動を出力することで達成できる。ここで、第２実施形態における圧縮空間３１３を本実施形態では圧縮空間３３３ａ及び３３３ｂに分離した結果、バイパス部材１３１を省略することが可能となった。本実施形態では、第２実施形態における圧力振動発生装置３１を独立した２つの圧力振動発生装置３３ａ及びｂに分離することで圧力振動発生装置を介したＤＣ流れは原理的に発生しない。更に、圧力振動発生装置３３ａ及び３３ｂは独立して位相を調節可能であるので、第２実施形態及び第４実施形態のパルス管冷凍機に比べて到達温度及び効率ともに向上できる。また、圧力振動発生装置３３ｂにより積極的に圧力及び変位の位相を制御しているので、第３実施形態のパルス管冷凍機に比べて到達温度及び効率ともに向上できると考えられる。
【００４６】
〔第６実施形態〕
（構成）
本実施形態のパルス管冷凍機は、図６に示すように、第４実施形態のパルス管冷凍機における圧力振動発生装置３２を３段ピストンからなる圧力振動発生装置３４に代えるとともに、バイパス部材２３１を除いたことを特徴とする。圧力振動発生装置３４は３段ピストン３４１が３段シリンダ３４２内を往復運動し圧縮空間３４３ａ、３４３ｂ及び３４３ｃから作動ガスに圧力振動を出力する。圧縮空間３４３ａは接続導管１１１に接続され、圧縮空間３４３ｂは接続導管３２５に接続され、圧縮空間３４３ｃは第２パルス管２２の高温端である熱交換器２２４に接続された接続導管３２６に接続される。
【００４７】
（作用効果）
第４実施形態のパルス管冷凍機は第２実施形態のパルス管冷凍機を改良するものであった。本実施形態のパルス管冷凍機は第４実施形態のパルス管冷凍機を改良した結果、第２実施形態のパルス管冷凍機が有していたバイパス部材１３１及び２３１を省略することが可能となり、ＤＣ流れの発生を完全に防止することができる。第２実施形態のパルス管冷凍機におけるバイパス部材１３１及び２３１の作用は、バイパス部材１３１及び２３１がそれぞれ接続されていた部位にそれぞれ接続された圧縮空間３４３ｂ及び３４３ｃによって発揮される。
【００４８】
〔第６実施形態の変形例〕
本変形例のパルス管冷凍機は、図６に示した３段からなる圧力振動発生装置３４に代えて、それぞれ独立したピストン及びシリンダからなる圧力振動発生装置に置換したことを特徴とする。
【００４９】
圧力振動発生装置３４を独立した３つの圧力振動発生装置に分離することで、シリンダ及びピストンの隙間を介したＤＣ流れ発生のおそれがなくなるとともに、それぞれの圧力振動発生装置の位相を独立して制御してより適正な圧力及び変位の位相を制御することができるという効果をもつ。
【００５０】
〔第７実施形態〕
（構成）
本実施形態のパルス管冷凍機は、図７に示したように、ＧＭ型のパルス管冷凍機であって、第１実施形態のパルス管冷凍機における圧力振動発生装置３１をＧＭ型圧力振動源である圧力振動発生装置４２に代え、その上で位相調節装置４３とバイパス部材１３１及び２３３とを有することを特徴とする。圧力振動発生装置４２はＯＮ／ＯＦＦバルブ４２１、４２２をそれぞれＧＭ型圧縮機４１１の高圧側と低圧側とに接続された構造をもち、ＯＮ／ＯＦＦバルブ４２１、４２２は接続導管１１１により第１蓄冷器１１の高温端に接続される。位相調節装置４３は２つの中圧バッファ４３３及び４３４が、それぞれＯＮ／ＯＦＦバルブ４３１及び４３２を介して接続導管１２５により第２パルス管１２の高温端の熱交換器１２４に接続されている。中圧バッファの数は２つのほか、１つ又は３つを採用することもできる。更に中圧バッファに代えて高圧、中圧及び低圧バッファを組み合わせることができる。バイパス部材１３１は、圧力振動発生装置４２及び第１蓄冷器１１の間を接続する接続導管１１１と、第１冷凍部１００及び第２冷凍部２００の間を接続する接続導管２１１との間を接続する管状の部材である。バイパス部材２３３は、第１冷凍部１００及び第２冷凍部２００の間を接続する接続導管２１１と、第２冷凍部２００の放熱部材２２４との間を接続する管状の部材である。
【００５１】
（作用効果）
圧力振動発生装置４２及び位相調節装置４３は、ＯＮ／ＯＦＦバルブ４２１、４２２、４３１及び４３２を開閉することで圧力振動を発生する。バルブ４２１、４２２、４３１、４３２の開閉動作は、通常の２つの中圧バッファをもつ２−ミドルバッファタイプのパルス管冷凍機の動作と同じである。本実施形態のパルス管冷凍機において、イナータンスチューブ２３２はもはやイナータンス効果を有しておらず、単に絞り効果を有するだけである。なぜなら、一般的なＧＭ型のパルス管冷凍機の仕事周波数は非常に遅く、０．５〜４Ｈｚ程度であるからである。従ってイナータンスチューブ２３２は、管路を伴うバルブ若しくはオリフィスによって置換できる。
【００５２】
〔第８実施形態〕
（構成）
本実施形態のパルス管冷凍機は、図８に示すように、第７実施形態のパルス管冷凍機に対して、圧縮機４１１の高圧側４１３と接続導管１２５に接続されたＯＮ／ＯＦＦバルブ４２３との間を接続するニードルバルブ４２５と、圧縮機４１１の低圧側４１２と接続導管１２５に接続されたＯＮ／ＯＦＦバルブ４２４との間を接続するニードルバルブ４２６とを更に有することを特徴とする。
【００５３】
（作用効果）
ＯＮ／ＯＦＦバルブ４２４の開閉時間は、バルブ４２２の開閉と同じである。バルブ４２３の開閉時問は、バルブ４２１の開閉と同じである。ニードルバルブ４２５及び４２６は、ＤＣガス流れ及び第１冷凍部１００と第２冷凍部２００との圧縮仕事比を制御するのに用いられる。すなわち、本実施形態のパルス管冷凍機によると、ＤＣガス流れ及び第１冷凍部１００と第２冷凍部２００との圧縮仕事比を適正に制御することが可能となり、高い冷凍効率を発揮できる。
【００５４】
〔第８実施形態の変形例〕
第８実施形態のパルス管冷凍機においてニードルバルブ４２５及び４２６にて圧力振動を接続導管１２５に供給していたが、本変形例のパルス管冷凍機は、図９に示すように、独立した圧縮機４１１ｂを備え、その高圧側４１３ｂをＯＮ／ＯＦＦバルブ４２３に、低圧側４１２ｂをＯＮ／ＯＦＦバルブ４２４に接続することで第８実施形態のパルス管冷凍機と同様の作用効果を発揮することができる。
【００５５】
〔第９実施形態〕
本実施形態のパルス管冷凍機は、図１０に示すように、第２実施形態のパルス管冷凍機に対して、伝熱部材としての作用を発揮できる接続導管１２５ａを更に有することを特徴とする。接続導管１２５ａは第１蓄冷器１１及び第１パルス管１２の間を接続する接続導管１２１と、第２蓄冷器２１がもつ熱交換器２１４との間を接続する。
【００５６】
接続導管１２５ａにより作動ガスが接続導管１２１から熱交換器２１４に移動することで熱交換器２１４を直接予冷することができる。なお、伝熱部材２１５及び熱交換器２１４は省略可能である。これらを省略した場合には接続導管１２５ａが伝熱部材としての作用をすべて受け持つ。
【００５７】
〔変形態様１〕
第２蓄冷器２１の低温端側（接続導管２２１）で作動ガスの流れを分岐させ、更に蓄冷器、パルス管及び位相調節装置をこの順に直列に接続することができる。新たに接続したパルス管の低温端において、より低い到達温度を達成できる。
【００５８】
〔変形態様２〕
第２冷凍部２００と位相調節装置２３との間に、第３蓄冷器及び第３パルス管の組み合わせである単位冷凍部としての第３冷凍部を設けることができる。第３蓄冷器は３つの蓄冷部材が直列に接続されており、それぞれの間に、圧力振動発生装置側から見て上流側から第１熱交換器及び第２熱交換器をもつ。第１熱交換器は、第１パルス管１２の低温端の冷凍部熱交換器１２２又は第２蓄冷器の熱交換器２１４に伝熱部材を介して熱的に接続されている。第２熱交換器は、第２パルス管２２の低温端の冷凍部熱交換器２２２に伝熱部材を介して熱的に接続されている。
【００５９】
その結果、第３冷凍部における第３パルス管の低温端においては各実施形態のパルス管冷凍機よりも、より低い到達温度及びより高い冷凍効率を達成することができる。更に、必要に応じて４つ以上の冷凍部を直列に接続することができる。その場合に、直列に接続した蓄冷器には必要に応じて多段型の蓄冷器が採用でき予冷することができる。
【００６０】
〔変形態様３〕
第２〜９の実施形態におけるバイパス部材は、どれも省略可能である。例えば、イナータンスチューブ２３２によるイナータンス効果が十分強力ではない場合等である。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態のパルス管冷凍機を示した概略図である。
【図２】第２実施形態のパルス管冷凍機を示した概略図である。
【図３】第３実施形態のパルス管冷凍機を示した概略図である。
【図４】第４実施形態のパルス管冷凍機を示した概略図である。
【図５】第５実施形態のパルス管冷凍機を示した概略図である。
【図６】第６実施形態のパルス管冷凍機を示した概略図である。
【図７】第７実施形態のパルス管冷凍機を示した概略図である。
【図８】第８実施形態のパルス管冷凍機を示した概略図である。
【図９】第８実施形態のパルス管冷凍機の変形例を示した概略図である。
【図１０】第９実施形態のパルス管冷凍機を示した概略図である。
【図１１】従来技術の直列型のパルス管冷凍機を示した概略図である。
【符号の説明】
１００…第１冷凍部
１１…第１蓄冷器    １１１…接続導管    １１２…熱交換器    １１３…蓄冷部材
１２…第１パルス管    １２１…接続導管    １２２…冷凍部熱交換器
１２３…パルス管    １２４…熱交換器    １３１…バイパス部材
２００…第２冷凍部
２１…第２蓄冷器    ２１１…接続導管    ２１２…熱交換器    ２１３…初段蓄冷部材    ２１４…熱交換器    ２１５…伝熱部材    ２１６…２段蓄冷部材
２２…第２パルス管    ２２１…接続導管    ２２２…冷凍部熱交換器
２２３…パルス管    ２２４…熱交換器    ２３１…バイパス部材    ２３３…接続導管
１３、２３…位相調節装置
１３２、２３２…イナータンスチューブ    １３３、２４１…バッファタンク
３１、３２、３３ａ、３３ｂ、３４…圧力振動発生装置
３１１、３２１、３３１ａ、３３１ｂ、３４１…ピストン    ３１２、３２２、３３２ａ、３３２ｂ、３４２…シリンダ    ３１３，３２３ａ、３２３ｂ、３３３ａ、３３３ｂ、３４３ａ、３４３ｂ、３４３ｃ…圧縮空間    ３２５、３２６…接続導管
４２…圧力振動発生装置
４１１…圧縮機    ４２１、４２２…ＯＮ／ＯＦＦバルブ
４３…位相調節装置
４３１、４３２…ＯＮ／ＯＦＦバルブ    ４３３、４３４…中圧バッファ
４２３、４２４…ＯＮ／ＯＦＦバルブ    ４２５、４２６…ニードルバルブ
４１１ｂ…圧縮機
１２５ａ…接続導管（伝熱部材）
９１…圧力振動発生装置
９１１…ピストン    ９１２…圧縮空間
９５…冷凍部
９２…第１冷凍部
９３…第２冷凍部
９２２、９３２…パルス管
９２３、９２４、９２５、９３３、９３４…熱交換器
９２１、９３１…蓄冷器
９４…位相調節装置
９４１…バッファタンク    ９４２…イナータンスチューブ
【図１】
2004347175.tif 000003
【図２】
2004347175.tif 000004
【図３】
2004347175.tif 000005
【図４】
2004347175.tif 000006
【図５】
2004347175.tif 000007
【図６】
2004347175.tif 000008
【図７】
2004347175.tif 000009
【図８】
2004347175.tif 000010
【図９】
2004347175.tif 000011
【図１０】
2004347175.tif 000012
【図１１】
2004347175.tif 000013