(57)【要約】【課題】バッファタンクや電磁誘導系を用いることなく、小型、軽量且つ冷凍効率の高いパルス管冷凍機を提供する。【解決手段】高温端熱交換器１８の出側に、ばね４２に支持された自由膨張ピストン４０を設け、該ピストン４０のパルス管１６と反対側の空間を、位相調節動作ガス空間４４とし、該ガス空間４４を、インピーダンス要素４６を介して、圧力振動発生器１０の出口１０Ａ側に接続する。【選択図】      図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧力振動発生器、蓄冷器、低温端熱交換器、パルス管及び高温端熱交換器が順次直列に連結されたパルス管冷凍機において、
前記高温端熱交換器の出側に接続された、ばねに支持された自由膨張ピストンを備えると共に、
該ピストンのパルス管と反対側の空間が、位相調節動作ガス空間とされ、
該ガス空間が、インピーダンス要素を介して前記圧力振動発生器の出側に接続されていることを特徴とするパルス管冷凍機。
【請求項２】
前記自由膨張ピストンが、高温端熱交換器の出側に直接接続さ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】
前記自由膨張ピストンが、連結管を介して、高温端熱交換器の出側に接続さ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】
前記高温端熱交換器が省略され、前記自由膨張ピストンが、直接、パルス管の高温端に接続さ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５】
請求項１乃至４のいずれかに記載のパルス管冷凍機を備えたことを特徴とする低温装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧力振動発生器、蓄冷器、低温端熱交換器、パルス管及び高温端熱交換器が順次直列に連結されたパルス管冷凍機に係り、特に、小型、軽量且つ冷凍効率が高いパルス管冷凍機、及び、これを用いた低温装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
動作ガスの圧力変化と体積変化との位相差を利用して、極低温を発生するパルス管冷凍機が、例えば特許文献１に記載されている。
【０００３】
このパルス管冷凍機は、例えば、図１にバッファタンク式を例示する如く、圧力振動発生器１０、蓄冷器１２、整流器を含むパルス管低温端１６Ｌの熱交換器（低温端熱交換器と称する）１４、パルス管１６、整流器を含むパルス管高温端１６Ｈの熱交換器（高温端熱交換器と称する）１８、及び位相調節手段（バッファタンク２２、インピーダンス要素２４、２６）で構成されている。この位相調節手段は、パルス管１６内ガス圧力波と、パルス管低温端１６Ｌガス流動速度波の位相差を調節している。
【０００４】
従来、パルス管冷凍機の位相調節手段は、一定体積のバッファタンク２２と１個以上のインピーダンス要素２４、２６が必須である。
【０００５】
図１は、従来のパルス管冷凍機の１つであるダブルインレットタイプのバッファタンク式パルス管冷凍機の一例を示したもので、位相調節手段として、バッファタンク２２が第１インピーダンス要素２４を介して高温端熱交換器１８に接続され、該高温端熱交換器１８と圧力振動発生器１０の出口１０Ａの間に第２インピーダンス要素２６が接続されている。
【０００６】
又、図２に、特許文献２に記載された、パルス管冷凍機の１つであるリニアモータ駆動ディスプレーサ式パルス管冷凍機を示す。このパルス管冷凍機では、位相調節手段として、高温端熱交換器１８と圧力振動発生器１０の出口１０Ａの間に、ばね３２で支持された、永久磁石製のディスプレーサ３０と、該ディスプレーサ３０の振動を減衰するための電磁誘導系３４が介在されている。該ディスプレーサ３０は、ばね３２に支持され、ガス圧力差によって強制振動する。この強制振動は、電磁誘導系３４によって減衰される。
【０００７】
【特許文献１】
特開平７−３１０９６１号公報
【特許文献２】
特開平１０−１４８４１０号公報
【特許文献３】
特開２００１−９９５０６号公報
【特許文献４】
特開２０００−２８３５８０号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前者のバッファタンク式パルス管冷凍機は、バッファタンク２２によって、パルス管冷凍機の小型化や軽量化が難しい。しかも、このような位相調節手段は、インピーダンス要素２４、２６の個性差に対して冷凍機の性能差が大きいので、性能を出すためのインピーダンス要素のチユーニンクが難しい。更に、第２インピーダンス要素２６を通過するガスの直流成分（循環流となる）のため、該第２インピーダンス要素２６の個性差の制御が困難であるという問題点を有していた。
【０００９】
一方、後者のディスプレーサ式パルス管冷凍機は、調整の自由度は高いものの、電磁誘導系３４を含むため、構造が複雑化し、小型化が困難であるという問題点を有していた。
【００１０】
なお、前記循環流の発生を防止するものとして、特許文献３や４も提案されているが、特許文献３はバッファタンクを有し、特許文献４は、ピストンが高圧側と低圧側の２組必要で、構成が複雑になるという問題点を有していた。
【００１１】
本発明は、前記従来の問題点を解消するべくなされたもので、小型、軽量且つ冷凍効率の高いパルス管冷凍機を提供することを課題とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、圧力振動発生器、蓄冷器、低温端熱交換器、パルス管及び高温端熱交換器が順次直列に連結されたパルス管冷凍機において、前記高温端熱交換器の出側に接続された、ばねに支持された自由膨張ピストンを備えると共に、該ピストンのパルス管と反対側の空間を、位相調節動作ガス空間とし、該ガス空間を、インピーダンス要素を介して前記圧力振動発生器の出側に接続するようにして、前記課題を解決したものである。
【００１３】
又、前記自由膨張ピストンを、高温端熱交換器の出側に直接接続したものである。
【００１４】
あるいは、前記自由膨張ピストンを、連結管を介して、高温端熱交換器の出側に接続したものである。
【００１５】
あるいは、前記高温端熱交換器を省略し、前記自由膨張ピストンを、直接、パルス管の高温端に接続したものである。
【００１６】
本発明は、又、前記のパルス管冷凍機を備えたことを特徴とする低温装置を提供するものである。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００１８】
本発明の第１実施形態は、図３に示す如く、圧力振動発生器１０、蓄冷器１２、低温端熱交換器１４、パルス管１６、高温端熱交換器１８を順次直列に連結すると共に、前記高温端熱交換器１８の出側に、ばね４２で支持された自由膨張ピストン４０を設け、該ピストン４０のパルス管１６と反対側の空間を、位相調節動作ガス空間４４とし、該ガス空間４４を、インピーダンス要素４６を介して前記圧力振動発生器１０の出口１０Ａ側に接続したものである。
【００１９】
前記自由膨張ピストン４０は、所定質量ｍを持ち、ばね４２に支持される。
【００２０】
前記圧力振動発生器１０は、機械式の圧縮ピストン１０Ｂを外力により駆動して往復運動し、圧縮空間１０Ｃを圧縮する。
【００２１】
このパルス管冷凍機において、圧力振動発生器１０で発生した圧力波は、蓄冷器１２、低温端熱交換器１４を経由して、パルス管１６に入る。インピーダンス要素４６が存在するため、自由膨張ピストン４０の両側に圧力差が存在する。この圧力差によって、ピストン４０は強制振動を起こす。強制振動の固有振動数、振動幅、圧力波との位相差は、主に、ピストン４０の質量ｍ、ばね４２のばね定数、インピーダンス要素４６のガス抵抗によって決まる。従って、この３つのパラメータを調整することによって、ピストン４０の運動を、パルス管１６中の圧力波との位相差が９０°近くなるように調整することができ、そのとき、冷凍機は最大の性能を発揮する。
【００２２】
本実施形態においては、ピストン４０の質量ｍ、ばね４２のばね定数、インピーダンス要素４６のガス抵抗という３つのパラメータにより位相差を調整しているので、位相差を容易に調整することができる。
【００２３】
なお、第１実施形態においては、圧力振動発生器１０として、機械式ピストン１０Ｂを外力により駆動するものを用いていたが、圧力振動発生器の構成はこれに限定されず、図４に示す第２実施形態のように、圧縮機５０Ｂのガス高圧口側に高圧切換弁５０Ｃ、ガス低圧口側に低圧切換弁５０Ｄを設けて、圧力振動発生器１０の出口１０Ａに圧力波を発生させることも可能である。
【００２４】
本実施形態において、動作ガスは、高圧切換弁５０Ｃと低圧切換弁５０Ｄの切換えによって、蓄冷器１２を通してパルス管１６に入ったり、パルス管１６から出たりする。
【００２５】
又、機械式の圧力振動発生器の他に、熱音響式の圧力振動発生器を用いることも可能である。
【００２６】
又、前記第１、第２実施形態においては、いずれも、自由膨張ピストン４０が、高温端熱交換器１８の出側に直接接続されていたが、図５に示す第３実施形態のように、連結管６０によってパルス管１６の高温端から離してもよい。
【００２７】
本実施形態によれば、直管部を短くでき、配置の自由度が高まる。
【００２８】
又、前記実施形態においては、いずれも、自由膨張ピストン４０が高温端熱交換器１８を介してパルス管１６の高温端１６Ｈに接続されていたが、図６に示す第４実施形態のように、高温端熱交換器１８を省略して、自由膨張ピストン４０を、直接、パルス管１６の高温端１６Ｈに接続することも可能である。
【００２９】
なお、前記実施形態においては、いずれも、パルス管が１段とされていたが、本発明の適用対象はこれに限定されず、２段以上のパルス管を有するパルス管冷凍機にも同様に適用できることは明らかである。
【００３０】
本発明は、１段式又は複数段式パルス管冷凍機を使った、各種超伝導磁石装置、各種センサ冷却システム、液化装置、液化ガス再凝縮装置、クライオポンプ、ＭＲＩ診断機器、理化学機器等に適用可能である。
【００３１】
【発明の効果】
本発明によれば、バッファタンクや電磁誘導系を用いることなくパルス管冷凍機の位相差を調整することが可能となり、小型、軽量且つ冷凍効率の高いパルス管冷凍機を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のバッファタンク式パルス管冷凍機の一例の構成を示す断面図
【図２】従来のディスプレーサ式パルス管冷凍機の一例の構成を示す断面図
【図３】本発明の第１実施形態の構成を示す断面図
【図４】同じく第２実施形態の構成を示す断面図
【図５】同じく第３実施形態の構成を示す断面図
【図６】同じく第４実施形態の構成を示す断面図
【符号の説明】
１０…圧力振動発生器
１０Ａ…出口
１２…蓄冷器
１４…低温端熱交換器
１６…パルス管
１６Ｈ…高温端
１６Ｌ…低温端
１８…高温端熱交換器
４０…自由膨張ピストン
４２…ばね
４４…位相調節動作ガス空間
４６…インピーダンス要素
６０…連結管
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2004294001.tif 000006
【図５】
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【図６】
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