(57)【要約】  【課題】  高い冷凍能力を実現しても、蓄冷部材での冷凍効率の減少を抑制することができる蓄冷式冷凍機を提供する。  【解決手段】  蓄冷部材２１３、２２３と、該蓄冷部材の低温端に接続されるパルス管３１２と、蓄冷部材２１３、２２３の高温端に接続される圧縮機１１５、１２５と、パルス管３１２の高温端側に接続されるバッファタンク３１５とを有する。蓄冷部材２１３、２２３は、円柱状形状であり、一つのパルス管３１２の低温端側に並列に接続されている。それぞれの蓄冷部材２１３、２２３の直径を比較的小さくすることにより、蓄冷部材２１３、２２３における冷凍効率の減少を抑制することができ、かつ、高い冷凍能力を実現することができる。  【選択図】  図１
2005106297.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
蓄冷部材を有する冷凍部と、該冷凍部の前記蓄冷部材側の端部に接続され、該冷凍部内で作動ガスを移動させると共に、該作動ガスに圧力振動を付与する圧力振動発生装置と、前記冷凍部の前記圧力振動発生装置とは反対側に接続され、前記作動ガスの圧力振動の位相を調整する位相調整装置と、を有する極低温冷凍機において、
前記蓄冷部材は、前記作動ガスの流れ方向に対して並列に複数配置されているものであることを特徴とする極低温冷凍機。
【請求項２】
前記蓄冷部材は第一蓄冷部材及び第二蓄冷部材を有し、前記第一蓄冷部材に前記圧力振動発生装置としての第一圧力振動発生装置が接続されており、前記第二蓄冷部材に前記圧力振動発生装置としての第二圧力振動発生装置が接続されており、前記第一及び第二圧力振動発生装置は、前記第一及び第二蓄冷部材内の作動ガスに同位相の圧力振動を付与するものであることを特徴とする請求項１に記載の極低温冷凍機。
【請求項３】
前記蓄冷部材は第一蓄冷部材及び第二蓄冷部材を有し、該第一及び第二蓄冷部材は一つの前記圧力振動発生装置に接続されており、該第一及び第二蓄冷部材内の作動ガスは、一つの前記圧力振動発生手段により圧力振動を付与されるものであって、
前記第一蓄冷部材と前記圧力振動発生装置との間、及び前記第二蓄冷部材と前記圧力振動発生装置との間の少なくとも一方に、前記作動ガスの流れを調整する流れ調整機構が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の極低温冷凍機。
【請求項４】
前記流れ調整機構は、前記冷凍部内における作動ガスの直流流れを抑制するものであることを特徴とする請求項３に記載の極低温冷凍機。
【請求項５】
前記冷凍部は、前記蓄冷部材と、該蓄冷部材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有するパルス管と、を有するものであり、前記パルス管の前記高温端側に前記位相調整装置が接続されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の極低温冷凍機。
【請求項６】
前記パルス管は、前記位相調整装置にそれぞれ並列に接続される第一パルス管と第二パルス管とを有し、前記第一パルス管に前記蓄冷部材としての第一蓄冷部材が接続され、前記第二パルス管に前記蓄冷部材としての第二蓄冷部材が接続されていることを特徴とする請求項５に記載の極低温冷凍機。
【請求項７】
前記圧力振動発生装置は、シリンダと、該シリンダ内に形成される圧縮空間と、該圧縮空間に配置されて該圧縮空間内を往復運動することにより、該圧縮空間を膨張あるいは圧縮するピストンと、を有するものであることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の極低温冷凍機。
【請求項８】
前記ピストンは、少なくとも第一段及び第二段を有する多段型ピストンであり、前記シリンダは、前記ピストンの前記第一段及び第二段に対応する第一圧縮空間及び第二圧縮空間が形成された多段型シリンダであって、前記蓄冷部材は、第一蓄冷部材及び第二蓄冷部材を有するものであり、前記第一圧縮空間に前記第一蓄冷部材が接続され、前記第二圧縮空間に前記第二蓄冷部材が接続されていることを特徴とする請求項７に記載の極低温冷凍機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は極低温冷凍機に関し、特に、冷凍効率を減少させずに高い冷凍能力を実現することができる極低温冷凍機に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、極低温冷凍機としては、下記非特許文献１に開示されているものがある。図１８は、下記特許文献１に開示されている極低温冷凍機を模式的に示した概略図である。極低温冷凍機は、パルス管冷凍機１８としての構成を有するものである。パルス管冷凍機１８は、パルス管３１２と蓄冷部材２１３とを有する。パルス管３１２と蓄冷部材２１３とは接続管２１４により接続されており、パルス管３１２の蓄冷部材２１３と接続されている側に低温側の熱交換器３１１が配置されている。パルス管３１２の蓄冷部材２１３とは反対側に放熱器３１３が配置されており、この放熱器３１３を介してパルス管３１２とバッファタンク３１５とが接続管３１４により連結されている。
【０００３】
パルス管冷凍機１８は、特にスターリング式パルス管冷凍機であり、圧力振動発生源として、シリンダ１１２、１２２内の圧縮空間１１３、１２３において往復運動するピストン１１１、１２１を有している。シリンダ１１２、圧縮空間１１３、ピストン１１１によって、一つの圧縮機１１５が形成され、シリンダ１２２、圧縮空間１２３、ピストン１２１によって、もう一つの圧縮機１２５が形成されている。なお、これらのピストン１１１、１２１は、互いに対向するように配置されており、同軸上でお互いが接近・離間を繰り返すように、同位相で往復運動するようになっている。
【０００４】
これら二つの圧縮機１１５、１２５の往復運動により、パルス管３１２、蓄冷部材２１３内の作動ガスに圧力振動が発生する。そして、位相調整装置として作用するバッファタンク３１５及びイナータンスチューブ３１４により、作動ガスの圧力振動と該作動ガスの変位との位相差が、冷凍機の効率が上がるように調整される。これにより、パルス管３１２の低温端側の熱交換器３１１近傍が、例えば約７０Ｋ以下の低温に冷却されることになる。
【非特許文献１】S.M.Zhu, S.L.Zhou, N.Yoshimura, and Y.Matsubara "Phase Shift Effect of the Long Neck Tube For the Pulse Tube Refrigerator" Cryocoolers 9, Edited by R.G.Ross,Jr. Plenum Press, New York, 1997, p.269-278
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記非特許文献１に開示されているパルス管冷凍機１８においては、冷凍能力を上げるためには、蓄冷部材２１３の容積を大きくする必要がある。例えば、約１〜５ｋＷの冷凍能力を得ようとすると、筒状の蓄冷部材を採用する場合、その蓄冷部材２１３の直径は１００〜２００ｍｍ以上とされ、一方長さは約４０〜１００ｍｍとされる。ほとんど円筒、円柱状の形状となる。ここで、蓄冷部材２１３内における作動ガスの圧力降下が増大するので、蓄冷部材２１３の取りえる長さには限界がある。そこで、蓄冷部材２１３の容積を大きくするためには、必然的に蓄冷部材２１３の直径を大きくしなければならない。
【０００６】
しかしながら、冷凍能力を向上させる目的で、蓄冷部材２１３の直径を大きくすると、以下のような問題が生じる。まず、蓄冷部材２１３内では、作動ガスが蓄冷部材２１３の軸方向に対してに直線状に流れるのが理想的である。すなわち、蓄冷部材２１３の軸方向に対する断面において、均一に作動ガスが流れるのがよい。しかしながら、蓄冷部材２１３の直径が大きくなると、蓄冷部材２１３の軸方向に対する断面において、作動ガスが均一に流れにくくなる。つまり、蓄冷部材２１３の直径を大きくすると、蓄冷部材２１３内で作動ガスの流量が大きいところと流量の小さいところの差が大きくなる。そのため、作動ガスの流れが蓄冷部材２３１の軸方向に対して対称的とはならず、作動ガスの流れが乱れることもありえる。したがって、蓄冷部材２１３の直径を、冷凍能力を向上させるために大きくしても、作動ガスが蓄冷部材２１３内で滞留して、蓄冷部材２１３の能力を十分に活かしきれず、蓄冷部材２１３の冷凍効率が減少してまっていた。
【０００７】
本発明は、上記実情を鑑みてなされたものであって、冷凍能力を大きくしても、蓄冷部材の効率が減少するのを抑制することができる極低温冷凍機を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明の極低温冷凍機の様相１は、蓄冷部材を有する冷凍部と、該冷凍部の前記蓄冷部材側の端部に接続され、該冷凍部内で作動ガスを移動させると共に、該作動ガスに圧力振動を付与する圧力振動発生装置と、前記冷凍部の前記圧力振動発生装置とは反対側に接続され、前記作動ガスの圧力振動の位相を調整する位相調整装置と、を有する極低温冷凍機において、前記蓄冷部材は、前記作動ガスの流れ方向に対して並列に複数配置されているものであることを特徴とする。本発明においては、圧力振動発生装置は、蓄冷部材等を有する冷凍部内の作動ガスに圧力振動を発生させるものであればどのようなものでもよい。また、位相調整装置も同様に、作動ガスの圧力振動の位相を調整できるものであればどのようなものでもよい。なお、本発明において採用される蓄冷部材は、本発明の課題を達成するために、作動ガスの流れ方向に対して垂直な断面における断面積を比較的小さく設定するのが望ましい。具体的には、蓄冷部材内において、作動ガスの流れ方向に垂直な断面において、作動ガスの流れが該蓄冷部材の軸心を中心として対称的となる程度に、蓄冷部材の断面積を小さくするのがよい。本明細書中において、上記のように、蓄冷部材内部で作動ガスの流れ（流量や方向等）が該蓄冷部材の軸心を中心として対称的となる場合に、「作動ガスの流れが対称的」と記載するものとする。蓄冷部材を、筒状の蓄冷容器と該蓄冷容器内に配置される蓄冷材とにより構成する場合、蓄冷容器の直径を小さくすることにより蓄冷部材の断面積を小さくして、蓄冷部材内における作動ガスの流れが対称的となるようにすることができる。特に、蓄冷部材として、該蓄冷部材内において、作動ガスの直流流れが抑制される程度にその断面積（筒状形状の場合直径）の値を制限するのがよい。
【０００９】
本明細書中において使用する作動ガスの直流流れについて、以下に説明する。蓄冷部材を有する冷凍部のある領域において、作動ガスの位置は振動している。つまり、作動ガスは、冷凍部内のある領域内においていったりきたりしている。しかしながら、圧力振動発生装置や位相調整装置等の条件によっては、作動ガスは冷凍部内のある領域をいったりきたりしつつも、全体として一定の方向に徐々に移動する。この作動ガスの全体としての流れを作動ガスの直流流れとする。
【００１０】
また、本明細書中において「接続する」と記載した場合、特に説明がない限り、「作動ガスが内部を移動可能に接続する」ことを意味する。
【００１１】
さらに、本発明の極低温冷凍機の様相２は、前記蓄冷部材は第一蓄冷部材及び第二蓄冷部材を有し、前記第一蓄冷部材に前記圧力振動発生装置としての第一圧力振動発生装置が接続されており、前記第二蓄冷部材に前記圧力振動発生装置としての第二圧力振動発生装置が接続されており、前記第一及び第二圧力振動発生装置は、前記第一及び第二蓄冷部材内の作動ガスに同位相の圧力振動を付与するものであることを特徴とする。なお、上記構成の場合、第一蓄冷部材及び第二蓄冷部材のみしか列挙されていないが、これ以外に第三蓄冷部材や第四蓄冷部材等、さらに蓄冷部材を増加させてもよい。例えば、第一蓄冷部材、第二蓄冷部材、第三蓄冷部材、第四蓄冷部材の４つの蓄冷部材を並列に配置するようにして、一対（２つ）の蓄冷部材に一つの第一圧力振動発生装置を接続し、もう一対（２つ）の蓄冷部材に一つの第二圧力振動発生装置が接続する形態を例示することができる。なお、複数の蓄冷部材のそれぞれにひとつずつ圧力振動発生装置を接続するようにしてもよい。
【００１２】
さらに、本発明の極低温冷凍機の様相３は、前記蓄冷部材は第一蓄冷部材及び第二蓄冷部材を有し、該第一及び第二蓄冷部材は一つの前記圧力振動発生装置に接続されており、該第一及び第二蓄冷部材内の作動ガスは、一つの前記圧力振動発生手段により圧力振動を付与されるものであって、前記第一蓄冷部材と前記圧力振動発生装置との間、及び前記第二蓄冷部材と前記圧力振動発生装置との間の少なくとも一方に、前記作動ガスの流れを調整する流れ調整機構が設けられていることを特徴とする。このような構成の場合、上記においては、複数の蓄冷部材として第一蓄冷部材及び第二蓄冷部材を例示しているが、複数の蓄冷部材として第三及び第四の蓄冷部材をさらに採用することも可能である。例えば、第一蓄冷部材及び第二蓄冷部材を一組として、この一組の蓄冷部材に対して一つの圧力振動発生装置を接続することができる。そして、第三蓄冷部材及び第四蓄冷部材を一組として、この一組の蓄冷部材に、別の圧力振動発生装置を接続することができる。また、圧力振動発生装置と、第一蓄冷部材及び第二蓄冷部材との間に配置される流れ調整機構は、作動ガスの流れを調整して、蓄冷部材において、作動ガスの流れが対称的となるようにするものであればどのようなものでも採用することができる。具体的には、前記流れ調整機構は、前記冷凍部内における作動ガスの直流流れを抑制するものとすることができる。より具体的には、作動ガスが流れる流路の形状を、該作動ガスの流れ方向に沿って非対称的に設計し、これを利用して作動ガスの直流流れを抑制する機構を例示することができる。
【００１３】
さらに、本発明の極低温冷凍機の様相４は、前記冷凍部は、前記蓄冷部材と、該蓄冷部材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有するパルス管と、を有するものであり、前記パルス管の前記高温端側に前記位相調整装置が接続されていることを特徴とする。上記のように、本発明の極低温冷凍機は、パルス管冷凍機とすることができる。
【００１４】
さらに、上記様相４においては、前記パルス管は、前記位相調整装置にそれぞれ並列に接続される第一パルス管と第二パルス管とを有し、前記第一パルス管に前記蓄冷部材としての第一蓄冷部材が接続され、前記第二パルス管に前記蓄冷部材としての第二蓄冷部材が接続されているものとすることができる。上記では、第一パルス管と第二パルス管との２つのパルス管を例示しているが、この構成の場合、第三パルス管及び第四パルス管等の３つ以上のパルス管を使用してもよい。この場合、それぞれのパルス管に個別に蓄冷部材が接続されていてもよいし、それぞれのパルス管に複数の蓄冷部材が接続されていてもよい。
【００１５】
さらに、本発明の様相５は、前記圧力振動発生装置は、シリンダと、該シリンダ内に形成される圧縮空間と、該圧縮空間に配置されて該圧縮空間内を往復運動動することにより、該圧縮空間を膨張あるいは圧縮するピストンと、を有するものであることを特徴とする。このように、本発明の極低温冷凍機においては、ピストンの往復運動により、圧縮空間に連通する蓄冷部材内の作動ガスに、より高周波の圧力振動を発生させることができる。
【００１６】
上記本発明の様相５においては、前記ピストンは、少なくとも第一段及び第二段を有する多段型ピストンであり、前記シリンダは、前記ピストンの前記第一段及び第二段に対応する第一圧縮空間及び第二圧縮空間が形成された多段型シリンダであって、前記蓄冷部材は、第一蓄冷部材及び第二蓄冷部材を有するものであり、前記第一圧縮空間に前記第一蓄冷部材が接続され、前記第二圧縮空間に前記第二蓄冷部材が接続されているものとすることができる。上記構成においては、多段型ピストンとして、３段以上の段数を有するものを採用することも当然含むものである。また、多段型シリンダとして、３段以上の段数を有するもの、つまり、３つ以上の圧縮空間を有するものを採用することも当然含まれる。この場合、蓄冷部材も３つ以上使用して、多段型ピストン及び多段型シリンダにより形成される複数の圧縮空間に、それぞれ蓄冷部材を接続することができる。
【発明の効果】
【００１７】
上記のように、本発明の様相１においては、蓄冷部材として、作動ガスの流れ方向に並列に複数の蓄冷部材を配置するものを採用しているので、個々の蓄冷部材が担う冷凍能力を低くしても、冷凍部全体として発生できる冷凍能力を高く維持することができる。そのため、冷凍部全体として高い冷凍能力を維持しつつ、個々の蓄冷部材の作動ガスの流れ方向に対する断面積を比較的小さく設定することができ、蓄冷部材における冷凍能力の減少を抑制することができる。なお、蓄冷部材が円筒、円柱形状を有するものであれば、蓄冷部材の直径が蓄冷部材の断面積に対応するので、蓄冷部材の直径を小さくすることで、蓄冷部材における冷凍能力の減少を抑制することができる。このように、本発明によれば、高い冷凍能力を維持しつつ、かつ、冷凍効率を減少させない極低温冷凍機を実現することができる。
【００１８】
また、本発明の様相２においては、様相１に加えて、作動ガスの流れ方向に対して並列に複数配置される蓄冷部材のそれぞれに圧力振動発生装置を接続しており、かつ、それぞれの圧力振動発生装置は、それぞれの蓄冷部材内の作動ガスに圧力振動を付与するものであるので、蓄冷部材を作動ガスの流れ方向に対して並列に複数配置する構成を採用したとしても、それぞれの蓄冷部材の高温端側を接続しなくてもよい。そのため、蓄冷部材を含む冷凍部の、作動ガスが流れる経路に、閉回路が形成されるのを防止することが可能である。該経路に閉回路が形成されると、蓄冷部材内に作動ガスの不要な直流流れが生じる可能性があるため好ましくなく、本構成により閉回路が形成されるのを防止することで蓄冷部材内の作動ガスの直流流れを抑制することができる。これにより、蓄冷部材内における作動ガスの流れが対称的となり、蓄冷部材の冷凍効率の減少を抑制することができるのである。
【００１９】
一方、本発明の様相３においては、作動ガスの流れ方向に並列に複数配置される蓄冷部材のうち、少なくとも２つの蓄冷部材にひとつの圧力振動発生装置が接続されている構成としている。このような形態においては、作動ガスの流れ方向に対して並列に複数の蓄冷部材を配置するようにしても、これら複数の蓄冷部材内に位置する作動ガスに一つの圧力振動発生装置により圧力振動を発生させることができる。そのため、少ない圧力振動発生装置により、本発明の極低温冷凍機を構成することができる。しかしながら、上記でも説明したように、このような構成では蓄冷部材の高温端側（圧力振動発生装置側）が接続されているので、蓄冷部材の低温端側（位相調整装置側）も接続されていると、蓄冷部材を含む冷凍部に閉回路が形成されてしまう。このような構成では、上記でも説明したように、蓄冷部材内に作動ガスの直流流れが生じやすくなる。そのため、蓄冷部材内において、作動ガスの流れ方向に垂直な断面において、作動ガスの流れの流量や方向の分布が非対称となり、蓄冷部材での冷凍効率が減少してしまう場合もある。そこで、本発明の様相においては、複数の蓄冷部材の高温端側（つまり、蓄冷部材と圧力振動発生装置との間）に、作動ガスの流れを調整する流れ調整機構を設けている。これにより、蓄冷部材における作動ガスの流れを調整することができ、蓄冷部材内の作動ガスの流れ（流量や方向の分布）を、該作動ガスの流れ方向に対して垂直な断面において対称的とすることが可能となる。特に、流れ調整機構として、冷凍部内における作動ガスの直流流れを抑制するものを採用することで、蓄冷部材における作動ガスの流れが非対称となるのを抑制することができ、蓄冷部材における冷凍効率の減少をさらに抑制することができる。
【００２０】
また、本発明の様相４においては、極低温冷凍機は、パルス管冷凍機とすることができる。該パルス管冷凍機は、低温部における可動部がないことから、低温部における振動性が少なく、構造も単純で高信頼性であるという長所がある。しかし、作動ガスの膨張仕事を熱として放出してしまため、冷凍効率が原理的に低くなりがちである。このようなパルス管冷凍機において、本発明を適用することにより、もともと低くなりがちである冷凍効率をさらに減少させることなく、冷凍能力を向上させることができるので、産業上大きな効果を有するものである。
【００２１】
さらに、本発明の様相５は、圧力振動発生装置として、ピストンの往復運動により、圧縮空間を圧縮・膨張させるものを採用することができる。これにより、圧縮空間に連通する蓄冷部材内の作動ガスに、より周波数の高い圧力振動を発生させることができる。また、本発明においては、圧力振動発生装置として、圧縮機と該圧縮機の高圧吐出口に接続される高圧開閉弁と、該圧縮機の低圧吸入口に接続された低圧開閉弁と、を有し、これら高圧開閉弁と低圧開閉弁との開閉を制御することにより、作動ガスに圧力振動を発生させるものも採用することができる。しかしながら、本発明の様相５によれば、高圧開閉弁や低圧開閉弁を使用しないので、これらの弁における損失をなくすことができるという効果もある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の実施形態について、添付の図面を参照して説明する。まず、図１は、本発明の第一実施形態を示す模式図である。図１８と同様の構成を示すものには同一の符号を付与している。図１に示す極低温冷凍機は、スターリング式パルス管冷凍機１である。パルス管冷凍機１は、パルス管３１２と、該パルス管３１２の低温端側に接続管２１４、２２４を介して接続される蓄冷部材２１３、２２３と、蓄冷部材２１３、２２３に接続される圧力振動発生装置としての圧縮機１１５、１２５と、パルス管３１２の高温端側にイナータンスチューブ３１４を介して接続されるバッファタンク３１５とを有する。また、パルス管３１２の低温端側には、冷凍部熱交換器３１１が配置されており、この冷凍部熱交換器３１１において、冷凍能力を得ることができる。
【００２３】
ここで、蓄冷部材２１３、２２３は、一つのパルス管３１２に接続されている。具体的には、パルス管３１２の低温端側に配置される冷凍部熱交換器３１１に、接続管２１４、２２４が接続されており、接続管２１４に蓄冷部材２１３が接続され、接続管２２４に蓄冷部材２２３が接続されている。これらパルス管３１２及び蓄冷部材２１３、２２３により冷凍部１Ａが形成されている。さらに、それぞれの蓄冷部材２１３、２２３のパルス管３１２とは反対側には、放熱器２１２、２２２がそれぞれ配置されており、これらの放熱器２１２、２２２のそれぞれに、圧縮機１１５、１２５が接続されている。
【００２４】
また、蓄冷部材２１３、２２３は、本実施形態において、筒状の蓄冷部材容器（図略）内に金網等の蓄冷材が充填されてなる部材である。また、冷凍部熱交換器３１１は、冷凍部１Ａの冷凍能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ものであればよい。また、パルス管３１２は、冷凍部熱交換器３１１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持つ金属製の筒状部材である。
【００２５】
圧縮機１１５、１２５は、シリンダ１１１、１２１と、ピストン１１２、１２２と、圧縮空間１１３、１２３と、を有する。シリンダ１１１、１２１内には、ピストン１１２、１２２が配置されており、このピストン１１２、１２２の往復運動により、圧縮空間１１３、１２３が膨張・収縮し、冷凍部１Ａ内で作動ガスの圧力振動が発生する。なお、ピストン１１２、１２２は、互いに同位相で往復運動するようになっている。また、ピストン１１２、１２２は、同一方向において互いに向き合うように配置されており、互いのピストン１１２、１２２が接近・離間を繰り返すことで、それぞれの圧縮空間で往復運動を行うようになっている。このようにすることで、それぞれのピストン１１２、１２２により生じる振動は互いに相殺され、結果として外部に振動が伝わりにくくなるという効果がある。
【００２６】
また圧縮機１１５、１２５のピストン１１２、１２２は、シリンダ１１１、１２１との間で、図示しないフレキシブルなスプリングサスペンションにより機械的に接続されている。このような構成により、長寿命のパルス管冷凍機を実現することができる。
【００２７】
このように、本実施形態のパルス管冷凍機においては、第一蓄冷部材としての蓄冷部材２１３に第一圧力振動発生装置としての圧縮機１１５が接続され、第二蓄冷部材としての蓄冷部材２２３に第二圧力振動発生装置としての圧縮機１２５が接続されている。
【００２８】
また、パルス管３１２の高温端側には放熱器３１３が配置されており、この放熱器３１３とイナータンスチューブ３１４を介してバッファタンク３１５が接続されている。このバッファタンク３１５とイナータンスチューブ３１４を作動ガスが行き来することにより、冷凍部１Ａ内における作動ガスの圧力振動の位相と、作動ガスの変位の位相とが、冷凍部熱交換器３１１において冷凍能力が効率的に得られるように調整される。このイナータンスチューブ３１４の長さや径を変更することにより、位相調整装置としての作用を制御することができる。また、イナータンスチューブ３１４は、圧縮機１１５、１２５から出力される作動ガスの圧力振動の振動数が比較的高い場合に特に有効である。なお、圧力振動が比較的低い場合には、イナータンスチューブ３１４に代えて、位相調整装置としてオリフィスを採用することもできる。
【００２９】
以上のように、本実施形態のパルス管冷凍機１においては、図１８に示す従来のパルス管冷凍機１８とは、蓄冷部材が二つの蓄冷部材２１３、２２３に分割されているという点で異なる。これらの蓄冷部材２１３、２２３には、前述したようにシリンダ１１１、１２１等によりなる圧縮機１１５、１２５が個別に接続されている。これらそれぞれの圧縮機１１５、１２５のピストン１１２、１２２の往復運動により、個々の蓄冷部材２１３、２２３内において、作動ガスの圧力振動が発生する。さらに、本実施形態においては、筒状の蓄冷部材２１３、２２３の直径は比較的小さく設定されている。具体的には、蓄冷部材２１３、２２３内において、該作動ガスの流れが対称的となる程度に蓄冷部材２１３、２２３の直径を設定している。さらに具体的には、求める冷凍能力を、一つの蓄冷部材で実現する場合に必要な該蓄冷部材の直径よりも、本実施形態にかかる蓄冷部材２１３、２２３の直径が小さくなるように設定している。
【００３０】
なお、本実施形態において、放熱器２１２、２２２、３１３は冷凍部１Ａ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機であり、一般的な熱交換器の構造を採用することがきる。
【００３１】
圧力振動発生装置としての圧縮機１１５、１２５により、作動ガスに発生する圧力振動は、蓄冷部材２１３、２２３やパルス管３１２に導入され、最終的に位相調整装置としてのイナータンスチューブ３１４、バッファタンク３１５に伝達される。この位相調整装置において、イナータンスチューブ３１４内の作動ガスの慣性質量を用い、バッファタンク３１５との組み合わせにて位相調整を行う。そして、冷凍部１Ａのパルス管３１２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。冷凍部１Ａでは、流入する作動ガスによって冷凍部熱交換器３１１から冷凍出力を発生する。なお、圧縮機１１５、１２５のピストン１１２、１２２が互いに同一位相で往復運動していることから、蓄冷部材２１３、２２３内の作動ガスにも同一位相の圧力振動が発生する。
【００３２】
上記蓄冷部材２１３、２２３においては、その直径を比較的小さく設定しているので、これら２つの蓄冷部材２１３、２２３内においては、作動ガスが蓄冷部材の径方向において軸心を中心として対称的に流れやすくなる。そのため、該蓄冷部材２１３、２２３内では、作動ガスの不要な直流流れが抑制されることになり、蓄冷部材２１３、２２３の効率は、比較的高いものを維持することができる。また、これら２つの蓄冷部材２１３、２２３は、パルス管３１２の低温端側の冷凍部熱交換器３１１に接続されているので、蓄冷部材２１３、２２３が個別で発生できる冷凍能力よりも高い冷凍能力を冷凍部熱交換器３１１から出力することができる。したがって、蓄冷部材２１３、２２３における冷凍効率を低下させることなく、冷凍部熱交換器３１１における高い冷凍能力を実現することができる。
【００３３】
さらに、本実施形態においては、一つの蓄冷部材に一つの圧縮機を接続するようにしており、かつ、それぞれの圧縮機は同一の位相の圧力振動を作動ガスに付与するものであるので、複数の蓄冷部材２１３、２２３によりループ状の閉回路が形成されるのを防止することができる。そのため、蓄冷部材２１３、２２３を含む冷凍部１Ａに還流となる作動ガスの直流流れが生じにくく、蓄冷部材２１３、２２３内における作動ガスの流れをより一層均一にすることができるのである。また、蓄冷部材２１３、２２３内の流れ方向に対する断面において、作動ガスの流量等を均一とするために、別途流れ制御装置等を採用しなくてもよい。
【００３４】
図２は、本発明の第二実施形態について示したものである。図２に示すパルス管冷凍機２は、図１のパルス管冷凍機１とは、蓄冷部材２１３と蓄冷部材２２３とが、パルス管３１２の低温端側において、並列的に接続されている点で図１のパルス管冷凍機１と同様である。しかし、蓄冷部材２１３と蓄冷部材２２３とがパルス間３１２とは反対側の高温端側で、接続管２１１、２２１により接続されている点が異なる。つまり、図１８のパルス管冷凍機１８において、一つであった蓄冷部材を２つの蓄冷部材２１３、２２３に並列に分割した構造である。そして、それぞれの蓄冷部材２１３、２２３の高温端側（パルス管３１２とは反対側）と、圧縮機１１５、１２５との間の接続管２１１、２２１には、蓄冷部材２１３、２２３に流れる作動ガスの流れを調整する流れ調整機構２１５、２２５が配置されている。流れ調整機構２１５は、蓄冷部材２１３に続く接続管２１１に配置されており、流れ調整機構２２５は、蓄冷部材２２３に続く接続管２２１に配置されている。これらの流れ調整機構２１５、２２５が配置されている接続管２１１、２２１は、流れ調整機構２１５、２２５と、シリンダ１１１、１２１等によりなる圧縮機１１５、１２５との間で一旦接続され単一の接続管となってから、２つの圧力振動発生装置（圧縮機１１５、１２５）に接続される。なお、本発明の構成は、冷凍機の冷凍能力を大きくしても、蓄冷部材の効率が減少するのを抑制する目的でなされるものであるので、蓄冷部材２１３、２２３の直径は、蓄冷部材２１３、２２３内において、作動ガスの流れが対称的となるように、適宜その範囲を設定し、蓄冷部材における冷凍効率を減少させる必要がある。具体的には、求める冷凍能力を、一つの蓄冷部材で実現する場合に必要な該蓄冷部材の直径よりも、本実施形態にかかる蓄冷部材２１３、２２３の直径が小さくなるように設定しておく。
【００３５】
上記のように、本実施形態のパルス管冷凍機２は、第一蓄冷部材として蓄冷部材２１３を有し、第二蓄冷部材として蓄冷部材２２３を有し、これら第一蓄冷部材２１３と第二蓄冷部材２２３とは、一つの圧力振動発生手段により振動を付与されるものである。これら第一蓄冷部材２１３及び第二蓄冷部材２２３と、圧力振動発生装置としての圧縮機１１５、１２５との間で、第一蓄冷部材２１３、第二蓄冷部材２２３とが、接続管２１１、２２１により接続されている。したがって、圧縮機１１５、１２５からの作動ガスは、接続管２１１、２２１が接続する部分において一旦集められ、その後、それぞれの蓄冷部材２１３、２２３に送られることになる。
【００３６】
このように、蓄冷部材２１３、２２３自体の直径は小さく設定しているので、それぞれの蓄冷部材２１３、２２３内では、作動ガスが均一に流れやすくなり、蓄冷部材の容積の増大（蓄冷部材が筒状の場合、蓄冷部材の直径に対応する）に伴う蓄冷部材における冷凍効率の減少を抑制することができる。さらに、効率低下が抑制された蓄冷部材２１３、２２３を複数有し、これら複数の蓄冷部材２１３、２２３の低温端がパルス管３１２の冷凍部熱交換器３１１に接続されているので、個々の蓄冷部材２１３、２２３の直径を小さくしても、高い冷凍能力を実現することができる。この点の作用は図１のパルス管冷凍機１と同様である。
【００３７】
しかし、蓄冷部材２１３、２２３が、その両端において接続管２１４、２２４、２１１、２２１を介して連通していると、これらの蓄冷部材２１３、２２３を接続する接続管２１４、２２４、２１１、２２１が閉回路を形成し、一方の蓄冷部材から他方の蓄冷部材に移動する作動ガスの直流流れが生じるおそれがある。そのため、蓄冷部材２１３、２２３の直径を小さくしても、蓄冷部材２１３、２２３内の作動ガスの流れを均一にすることが困難となるので、本実施形態においては、蓄冷部材２１３、２２３に連通する接続管２１１、２２１に流れ調整機構２１５、２２５を配置し、接続管２１１、２２１に流れる作動ガスの直流流れを抑制するようにしている。具体的には、流路形状の非対称性を利用して、直流流れを抑制する機構を、流れ調整機構２１５、２２５として採用することができる。
【００３８】
流れ調整機構２１５、２２５のより具体的な構成としては、拡径部を有する１つあるいは複数のニードルバルブの組み合わせを例示することができる。例えば図１５に示すように、作動ガスに対して異なる方向の通過抵抗を有する２つのニードルバルブ７１１、７２１を、通過抵抗の方向が逆になるように並列に接続することにより流れ調整機構を構成することができる。また、図１６に示すように、作動ガスに対して異なる方向の通過抵抗を有する２つのニードルバルブ７１２、７２２を、通過抵抗の方向が逆となるように直列に接続することにより流れ調整機構を構成することができる。また、流れ調整機構としては、図１７に示すように、作動ガスが内部に流れる管状部材７３２内に、貫通孔７３３を有するプレート部材７３２が配置されており、貫通孔７３３の開口端の形状が、作動ガスの流れ方向に沿って非対称となるものを採用することもできる。図１７の例では、貫通孔７３３の開口端の一方のみをテーパー状の拡径部７３４としている。これら図１５、１６、１７に示すような流れ調整機構により、蓄冷部材内における作動ガスの直流流れを抑制することができ、ひいては蓄冷部材での冷凍効率の減少を抑制することができる。なお、流れ調整機構としては、これら図１５、１６、１７に示したものに限られない。蓄冷部材を含む冷凍部に直流流れの還流が生じるような閉回路が形成される場合に、該直流流れを抑制できるものであれば、どのようなものでもよい。
【００３９】
図３は、本発明の第三の実施形態を示すものである。図３のパルス管冷凍機３は、図１のパルス管冷凍機１とは、２つのパルス管３１２、３２２を有する点で異なる。すなわち、図３のパルス管冷凍機においては、２つの圧縮機１１５、１２５と、２つの蓄冷部材２１３、２２３と、２つのパルス管３１２、３２２とを有し、一方の圧縮機１１５、蓄冷部材２１３、パルス管３１２とが直列に接続されており、他方の圧縮機１２５、蓄冷部材２２３、パルス管３２２とが直列に接続されている。なお、パルス管３１２、３２２は、その低温端側の冷凍部熱交換器３１１、３２１を介して、それぞれ蓄冷部材２１３、２２３の高温端側に接続されている。そして、それぞれのパルス管３１３、３２３の高温端側に配置される放熱器３１３、３２３が、接続管３１４、３２４を介して、１つのバッファタンク３１５に接続されている。なお、このような構成においても、圧縮機１１５、１２５は、図１の説明において記載したように、互いに同位相の圧力振動を、蓄冷部材２１３、２２３及びパルス管３１２、３２２内の作動ガスに生じさせるものである。また、蓄冷部材２１３、２２３の直径は、その他の実施形態と同様に、比較的小さい値に設定されている。具体的には、蓄冷部材２１３、２２３内において、作動ガスの流れが均一となる程度に、該蓄冷部材２１３、２２３の直径を設定する必要がある。これにより、それぞれの蓄冷部材２１３、２２３における冷却効率を比較的高く維持することができる。
【００４０】
上記図３のパルス管冷凍機３によれば、２つのパルス管３１２、３２２と、２つの蓄冷器２１３、２２３とをそれぞれ並列に接続して冷凍部３Ａを構成し、該冷凍部３Ａ内の作動ガスの位相調整装置として、一つのバッファタンク３１５を有している。そして、それぞれの蓄冷部材２１３、２２３においては、冷凍効率が比較的高く維持されているとともに、それぞれのパルス管３１２、３２２の低温端に配置されている冷凍部熱交換器３１１、３２１においては、それぞれが接続している蓄冷部材２１３、２２３の容量に見合っただけの冷凍能力が発揮される。そして、この２つの冷凍部熱交換器３１１、３２１を一つの冷凍能力の出力部分とみなせば、より大きな冷凍能力を実現することができる。このように、本実施形態においては、冷凍部３Ａにおいて蓄冷部材２１３、２２３における冷凍効率の低下を抑制しつつ、より大きな冷凍能力を実現することができる。
【００４１】
図４は、本発明の第四の実施形態を示す模式図である。図４に示すパルス管冷凍機４において、圧力振動発生装置としての圧縮機１３５、１４５として、２段のシリンダと２段のピストンとを有するものを採用した点が、図１及び図３の実施形態と異なる。本実施形態においては、シリンダ１３１、１４１は、比較的幅の狭い領域と、比較的幅の広い領域とが形成されたものである。また、ピストン１３２、１４２は、比較的幅の狭い領域（第一段１３６、１４６）と、比較的幅の広い領域（第二段１３７、１４７）とが形成された凸形状を有するものである。シリンダ１３１、１４１の幅が狭い領域にピストン１３２、１４２の幅が狭い領域が配置され、シリンダ１３１、１４１の幅が広い領域にピストン１３２、１４２の幅が広い領域が配置されている。そして、幅が狭い領域において、シリンダ１３１、１４１とピストン１３２、１４２との間に、圧縮空間１３３、１４３が形成されており、幅が広い領域において、シリンダ１３１、１４１とピストン１３２、１４２の間に圧縮空間１３４、１４４が形成されている。圧縮空間１３３、１３４は互いに独立であり、圧縮空間１４３、１４４は互いに独立である。
【００４２】
そして、それぞれのシリンダ１３１、１４１毎に２つの蓄冷部材が連通している。具体的には、シリンダ１３１の圧縮空間１３３、１３４には、それぞれ蓄冷部材２２３、２１３が連通しており、シリンダ１４１の圧縮空間１４３、１４４には、それぞれ蓄冷部材２３３、２４３が連通している。具体的には、蓄冷部材２１３、２２３、２３３、２４３の圧縮空間１３４、１３３、１４３、１４４側には、図示しているように、放熱器２１２、２２２、２３２、２４２が配置され、これら、放熱器を介して圧縮空間と蓄冷部材とが接続されている。すなわち、本実施形態においては、計４つの蓄冷部材２１３、２２３、２３４、２４３が設けられている。そして、これら４つの蓄冷部材２１３、２２３、２３３、２４３の高温端（放熱器とは反対側の端部）側に一つのパルス管３１２が接続されている。なお、これらの蓄冷部材２１３、２２３、２３４、２４３の直径は、これら蓄冷部材内において、作動ガスの流れが均一となるように適宜設定されている。そのため、個々の蓄冷部材における冷凍効率の低下は抑制されている。なお、これらのパルス管３１２、及び蓄冷部材２１３、２２３、２３３、２４３とにより冷凍部４Ａが形成されている。
【００４３】
このように、本実施形態のパルス管冷凍機４においては、圧力振動発生装置として、シリンダ１３１、１４１と、該シリンダ１３１、１４１内に形成される圧縮空間と、該圧縮空間に配置されて該圧縮空間内を往復運動することにより、該圧縮空間を膨張・収縮するピストン１３２、１４２と、を有するものであり、かつ、ピストン１３２、１４２は、少なくとも第一段１３６、１４６及び第二段１３７、１４７を有する多段型ピストンであり、シリンダ１３１、１４１は、第一段１３６、１４６及び第二段１３７、１４７に対応する第一圧縮空間１３３、１４３及び第二圧縮空間１３４、１４４が形成された多段型シリンダである。そして、蓄冷部材２１３、２２３、２３３、２４３は、第一蓄冷部材２２３、２３３及び第二蓄冷部材２１３、２４３を有するものであり、第一圧縮空間１３３、１４３に第一蓄冷部材２２３、２３３が接続され、第二圧縮空間１３４、１４４に第二蓄冷部材２１３、２４３が接続されている。
【００４４】
上記のような本実施形態のパルス管冷凍機４によれば、圧縮機として２段ピストンと、２つの圧縮空間を有するものを採用しており、これら圧縮空間にそれぞれ蓄冷部材を接続するようにしているので、一つの圧縮機に接続できる蓄冷部材を増やすことができる。さらに、圧縮空間がそれぞれ独立とされているので、複数の蓄冷部材を一つの圧縮機に接続しても、作動ガスが流れる経路に閉回路が形成されない。そのため、複数の蓄冷部材を一つの圧縮機に接続しても、蓄冷部材での作動ガスの直流流れを抑制するための流れ調整機構を必要としない。そして、前述したように、圧縮機１３５、１４５に接続される蓄冷部材２１３、２２３、２３３、２４３の直径は比較的小さく設定されているので、それぞれの蓄冷部材における効率の低下は抑制されている。さらに、これら複数（本実施形態においては４つ）の蓄冷部材が一つのパルス管３１２の冷凍部熱交換器３１１に接続されているので、より大きな冷凍能力を冷凍部４Ａにおいて実現することができる。
【００４５】
なお、本実施形態においては、多段型ピストン、多段型シリンダとして、２段型のものを採用しているが、３段以上の多段型ピストン及び多段型シリンダを採用するようにしてもよい。この場合、段数に応じて複数形成される圧縮空間のそれぞれに蓄冷部材を接続するようにして、一つの圧縮機に接続できる蓄冷部材をさらに増やすことができる。
【００４６】
図５は、本発明の第５の実施形態について説明するものである。図５に示すパルス管冷凍機５は、図２に示すパルス管冷凍機２の変形例である。本実施形態においては、冷凍部５Ａとして、パルス管３１２と、蓄冷部材２１３、２２３、２３３、２４３とを有する。２つの圧縮機１１５、１２５を有し、これら２つの圧縮機１１５、１２５のそれぞれに、２つの蓄冷部材２１３、２２３、及び蓄冷部材２３３、２４３が接続されている。圧縮機１１５に蓄冷部材２１３、２２３が接続されており、圧縮機１２５に蓄冷部材２３３、２４３が接続されている。これら一つの圧縮機と２つの蓄冷部材の接続形態は、図２のパルス管冷凍機２の場合と全く同様のものが採用される。すなわち、２つの蓄冷部材２１３、２２３の高温端側に放熱器２１２、２２２が配置されており、これら放熱器２１２、２２２と圧縮機１１５が、接続管２１１、２２１を介して接続されている。そして、接続管２１１、２２１は、放熱器２１２、２２２と圧縮機１１５の間で一旦連結され、連結された状態で圧縮機１１５に接続されている。これら接続管２１２、２２２にそれぞれ流れ調整機構２１５、２２５が配置されている。同様に、２つの蓄冷部材２３３、２４３の高温端側に放熱器２３２、２４２が配置されており、これら放熱器２３２、２４２と圧縮機１２５が、接続管２３１、２４１を介して接続されている。そして、接続管２３１、２４１は、放熱器２３２、２４２と圧縮機１２５の間で一旦連結され、連結された状態で圧縮機１２５に接続されている。これら接続管２３２、２４２にそれぞれ流れ調整機構２３５、２４５が配置されている。
【００４７】
蓄冷部材と圧縮機の間に配置される流れ調整機構は、前述において説明したように、蓄冷部材２１３、２２３、２３３、２４３内における作動ガスが、蓄冷部材の径方向において、均一に分布するように調整できるものであれば、どのようなものでもよい。特に、流れ調整機構としては、蓄冷部材内の作動ガスの直流流れを抑制できるものがよく、図２のパルス管冷凍機２において使用できる流れ調整機構と同様のものを採用することができる。
【００４８】
さらに、２つの圧縮機１１５、１２５のピストン１１２、１２２は、互いに平行に往復運動するものであり、特に同軸上において互いに接近・離間を繰り返すことにより、それぞれ往復運動するものである。これにより、ピストン１１２、１２２により生じる振動は、一方の振動が他方の振動を相殺するようになり、全体としての振動が抑制される構造となっている。そして、ピストン１１２、１２２が接近したときに、シリンダ１１１、１２１の圧縮空間１１３、１２３が圧縮され、ピストン１１２、１２２が離間したときに、シリンダ１１１、１２１の圧縮空間１１３、１２３が膨張するようになっている。そのため、それぞれの圧縮空間１１３、１２３に接続される蓄冷部材２１３、２２３、２３３、２４３内の作動ガスに同位相を圧力振動を付与することができるようになっている。
【００４９】
上記のような本実施形態のパルス管冷凍機５においては、作動ガスの流れ方向において、複数の蓄冷部材２１３、２２３、２３３、２４３が並列に接続されており、これら複数の蓄冷部材２１３、２２３、２３３、２４３が一つのパルス管３１２の冷凍部熱交換器３１１に接続しているので、個々の蓄冷部材２１３、２２３、２３３、２４３にておいて生じえる冷凍能力を低く設定することができる。つまり、個々の蓄冷部材２１３、２２３、２３３、２４３の直径を比較的小さく設定することにより、個々の蓄冷部材２１３、２２３、２３３、２４３における効率低下を抑制しつつ、これらの蓄冷部材２１３、２２３、２３３、２４３において発生した冷却能力を一つにまとめることで、より大きな冷凍能力を実現することができる。さらに、図２に示すパルス管冷凍機２と同様に、流れ調整機構２１５、２２５、２３５、２４５を設けたので、一つの圧縮機１１５、１２５にそれぞれ複数の蓄冷部材２１３、２２３、２３３、２４３を設けることができ、より一層冷凍能力を向上させることができる。
【００５０】
以上の実施形態においては、パルス管冷凍機として一つの冷凍部を有するものについて説明したが、本発明は冷凍部を複数有するもの、特に一方の冷凍部の高温端と他方の冷凍部の低温端とが接続されている多段ステージ型パルス管冷凍機にも適用することができる。例えば、冷凍部を複数有するパルス管冷凍機として、図６に示すパルス管冷凍機６を例示することができる。パルス管冷凍機６は、冷凍部として第一冷凍部６Ａと第二冷凍部６Ｂとを有する。第一冷凍部６Ａは、第一冷凍部パルス管３１２（以下、本実施形態の説明において、パルス管３１２とする）と、該パルス管３１２の低温端側に配置される冷凍部熱交換器３１１に接続される第一冷凍部蓄冷部材２１３、２２３（本実施形態において、蓄冷部材２１３、２２３とする）と、を有する。パルス管３１２の高温端側には放熱器３１３が配置されており、該放熱器３１３とバッファタンク３１５がイナータンスチューブ３１４を介して接続されている。蓄冷部材２１３、２２３には、それぞれ個別に圧縮機１１５、１２５が接続されている。すなわち、バッファタンク３１５と、冷凍部６Ａと、圧縮機１１５、１２５との接続形態は、図１に示すパルス管冷凍機２と同様のものである。
【００５１】
また、第二冷凍部６Ｂは、第二冷凍部パルス管５１２（本実施形態の説明において、パルス管５１２とする）と、該パルス管５１２の低温端側に配置されている第二冷凍部熱交換器５１１を介して、該パルス管５１２と接続されている第二冷凍部蓄冷部材４１２（以下、本実施形態の説明において、蓄冷部材４１２とする）と、を有する。パルス管５１２の高温端側には第二冷凍部放熱器５１３（本実施形態の説明において、放熱器５１３とする）が配置されており、該放熱器５１３にイナータンスチューブ５１４を介してバッファタンク５１５が接続されている。これらイナータンスチューブ５１４とバッファタンク５１５が、第二冷凍部６Ｂのパルス管５１２内において作動ガスの圧力振動の位相を調整する位相調整装置を構成する。
【００５２】
さらに、第二冷凍部６Ｂの蓄冷部材４１２は、接続管４１１により第一冷凍部６Ａの蓄冷部材２１３、２２３に接続されている。さらに、第一冷凍部６Ａのパルス管３１２の冷凍部熱交換器３１１と、第二冷凍部６Ｂのパルス管５１２の高温端側の放熱器５１３とが伝熱部材５１６により熱的に接続されている。すなわち、冷凍部熱交換器３１１と放熱器５１３の間で熱の交換は行われるが、これらの間で作動ガスは移動しない。この伝熱部材５１６により、第二冷凍部６Ｂの放熱器５１３が第一冷凍部６Ａの低温端により予冷されることになる。
【００５３】
上記のようなパルス管冷凍機６の作用について説明する。第一冷凍部６Ａ及び第二冷凍部６Ｂとは、これら冷凍部内の作動ガスによって、冷凍部熱交換器３１１と、第二冷凍部熱交換器５１１から冷凍出力を発生する。第一冷凍部６Ａからの冷凍出力は、伝熱部材５１６を介して第二冷凍部６Ｂの放熱器５１３を冷却する。これにより、第二冷凍部６Ｂの放熱器５１３の温度を、第一冷凍部６Ａの冷凍部熱交換器３１１と略同様の温度まで冷却することができる。これにより、より一層高いイナータンス効果を実現することでき、冷凍効率及び冷凍能力を向上させることができる。なお、このように第一冷凍部６Ａの低温端を第二冷凍部６Ｂの高温端に接続することで、第二冷凍部６Ｂの第二冷凍部熱交換器５１１における温度がより一層減少することになる。
【００５４】
さらに、２ステージ型のパルス管冷凍機としては、図７に示すような形態のパルス管冷凍機７を採用することもできる。図７のパルス管冷凍機７は、図４のパルス管冷凍機４の変形例である。パルス管冷凍機７は、第一冷凍部７Ａと第二冷凍部７Ｂとを有する。さらに、第一冷凍部７Ａは、一つの第一冷凍部パルス管３１２と、該パルス管３１２の低温端側に配置される冷凍部熱交換器３１１を介して、該パルス管３１２に接続されている蓄冷部材２１３、２２３、２３３、２４３を有する。さらに、冷凍部７Ｂは、第二冷凍部パルス管５１２と、該パルス管５１２の低温端側に配置されている第二冷凍部熱交換器５１１を介して、該パルス管５１２と接続される第二冷凍部蓄冷部材４１２と、を有する。さらに、パルス管５１２の高温端側には、放熱器５１３が配置されており、この放熱器５１３にイナータンスチューブ５１４を介してバッファタンク５１５が接続されている。さらに、第一冷凍部７Ａの冷凍部熱交換器３１１と、第二冷凍部７Ｂの放熱器５１３とが、伝熱部材５１６を介して熱的に接続されている。すなわち、冷凍部熱交換器３１１と放熱器５１３の間で熱の交換は行われるが、これらの間で作動ガスは移動しない。
【００５５】
そして、上記のパルス管冷凍機７においては、バッファタンク３１５と第一冷凍部７Ａと圧縮機１３５、１４５との接続形態は、図４に示すパルス管冷凍機４と同様の接続形態を採用することができる。そのため、詳しい説明は省略する。
【００５６】
上記のようなパルス管冷凍機７は、図４に示すパルス管冷凍機４の作用に加えて、図６のパルス管冷凍機６と同様に、２ステージ型のパルス管冷凍機の作用も同時に実現できるものである。つまり、第一冷凍部７Ｂの冷凍部熱交換器３１１により、第二冷凍部７Ｂの放熱器５１３を予冷することができるので、イナータンスチューブ５１４のイナータンス効果を向上させることができる。そのため、冷凍効率及び冷凍能力を向上させることができる。
【００５７】
図８は、本実施形態のパルス管冷凍機８を示すものである。図８に示すパルス管冷凍機８は、図５に示すパルス管冷凍機５を２ステージ型のパルス管冷凍機に応用したものである。パルス管冷凍機８は、第一冷凍部８Ａと第二冷凍部８Ｂとを有する。第一冷凍部８Ａは、第一冷凍部パルス管３１２と、該パルス管３１２の低温端側に配置される冷凍部熱交換器３１１を介して該パルス管３１２と接続する蓄冷部材２１３、２２３、２３３、２４３を有する。第二冷凍部８Ｂは、第二冷凍部パルス管５１２と、該パルス管５１２の低温端側に配置される第二冷凍機熱交換器４１２と接続する蓄冷部材４１２と、を有する。パルス管５１２の高温端側には放熱器５１３が配置されており、この放熱器５１３と第一冷凍部８Ａの冷凍部熱交換器３１１とが、伝熱部材５１６により接続されている。
【００５８】
このパルス管冷凍機８において、バッファタンク３１５と、第一冷凍部８Ａと、圧縮機１１５、１２５との接続形態は、図５のパルス管冷凍機５と同様のものを採用することができる。さらに、第二冷凍部８Ｂの蓄冷部材４１２は、接続管４１１を解して蓄冷部材２１３、２２３、２３３、２４３に接続されている。
【００５９】
パルス管冷凍機８においては、図５に示すパルス管冷凍機５が有する作用に加えて、２ステージ型パルス管冷凍機の作用も同時に有するものである。これらの作用については、図５、図６において説明したので詳しい説明は省略する。
【００６０】
図９は、本実施形態のパルス管冷凍機９を示すものである。パルス管冷凍機９は、図１に示すパルス管冷凍機１の変形例である。パルス管冷凍機１の構成に、２ステージ型パルス管冷凍機の構成を応用するとともに、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。まず、パルス管冷凍機９は、第一冷凍部９Ａと第二冷凍部９Ｂとを有する。第一冷凍部９Ａは、第一冷凍部パルス管３１２と、第一冷凍部蓄冷部材２１３、２２３とを有する。第二冷凍部９Ｂは、第二冷凍部パルス管５１２と、該パルス管５１２の低温端側に配置される第二冷凍部熱交換器５１１を介して該パルス管５１２に接続されている第二冷凍部蓄冷部材４１２とを有する。パルス管５１２の高温端側には、第二冷凍部放熱器５１３が配置されており、この第二冷凍部放熱器５１３にイナータンスチューブ５１４を介してバッファタンク５１５が配置されている。第二冷凍部蓄冷部材４１２は、接続管４１１を介して第一冷凍部蓄冷部材２１３、２２３に接続されている。
【００６１】
さらに、本実施形態のパルス管冷凍機９においては、第一冷凍部９Ａの蓄冷部材２１３と圧縮機１１５とを接続する接続管２１１と、第二冷凍部９Ｂのパルス管５１２に接続するイナータンスチューブ５１４と、を接続するバイパス部材６１４を有する。さらに、第一冷凍部９Ａの蓄冷部材２２３と圧縮機２１５とを接続する接続管２２１と、第二冷凍部９Ｂのパルス管５１２に接続するイナータンスチューブ５１４と、を接続するバイパス部材６１３を有する。さらに、このバイパス部材６１４には、バイパス部材６１４内における作動ガスの流れを制御する、流れ制御機構６１１が設けられている。また、バイパス部材６１３には、このバイパス部材６１３内における作動ガスの流れを調整する流れ調整機構６１２が設けられている。
【００６２】
バイパス部材６１４、６１３に設けられる流れ調整機構６１１、６１２は、具体的には、作動ガスの流れ方向によって作動ガスの通過抵抗が異なるようにするものを例示することができる。例えば、非対称性のノズルを用いたり、通過抵抗の異なる２つの調整弁を直列逆向きに組み合わせたりすることで実現することができる。また、通過抵抗の異なる２つのニードルバルブを逆向きに並列に組み合わせたりすることで実現することができる。
【００６３】
上記のようなパルス管冷凍機９によれば、図１に示したパルス管冷凍機１のもつ作用に加えて、以下の作用を有する。すなわち、バイパス部材６１４により、圧縮機１１５、１２５とパルス管５１２とを、該パルス管５１２の高温端（放熱器５１３）側から直接接続することができ、流れ調整機構６１１、６１２により作動ガスの流れが調整されて、パルス管５１２の両側から作動ガスを導入することが可能となる。これにより、作動ガスの流体変位を減少させることができ、その結果、損失を低減することができる。さらに、このバイパス部材６１４は、イナータンスチューブ５１４に直接接続されているので、イナータンスチューブ５１４、ひいてはイナータンスチューブ５１４に接続するバッファタンク５１５等の作用にも大きく影響を与える。そのため、流れ調整機構６１１により、バイパス部材６１４内の作動ガスの通過特性を制御することにより、イナータンスチューブ５１４及びバッファタンク５１５により構成される位相調整装置に影響を与えて、作動ガスの圧力振動と変位の位相を制御することもできる。
【００６４】
図１０は、本実施形態のパルス管冷凍機１０を示すものである。図６から図９に示したように、２ステージ型のパルス管冷凍機の場合、２段目の冷凍部熱交換器５１１における温度をさらに低くして、ケーブル状や、コイル状や、バルク状の超電導体を超電導遷移温度以下に冷却するのに使用される場合がある。このような場合、２段目のパルス管５１２に配置されている冷凍部熱交換器５１１に接続される蓄冷部材は、より大きな直径を有するものを採用し、冷凍部熱交換器５１１での冷凍能力を向上させる必要がある。しかしながら、課題でも説明したように、蓄冷部材の直径を大きくすると、該蓄冷部材における冷凍効率が低下してしまう。そこで、本実施形態は、２段目の第二冷凍部熱交換器５１１に接続される第二冷凍部蓄冷部材に対して、本発明のポイント、つまり、複数の蓄冷部材を並列に接続する構成を適用したものである。
【００６５】
パルス管冷凍機１０の具体的な構成について説明する。パルス管冷凍機１０は、第一冷凍部１０Ａと第二冷凍部１０Ｂとを有するものである。さらに、第一冷凍部１０Ａは、２つの冷凍単位１０Ａａ、１０Ａｂを有するものである。ここで冷凍単位とは、パルス管と蓄冷部材とを有し、冷凍能力を出力可能な単位とされる。第一冷凍部第一冷凍単位１０Ａａは、第一冷凍部パルス管３１２と第一冷凍部蓄冷部材２１３とを有し、第一冷凍部第二冷凍単位１０Ａｂは第一パルス管冷凍機３２２と第一蓄冷部材２２３とを有するものである。冷凍単位１０Ａａのパルス管３１２の低温端側には冷凍部熱交換器３１１が配置されており、該冷凍部熱交換器３１１と蓄冷部材２１３とが接続されている。また、パルス管３１２の高温端側には放熱器３１３が配置されており、該放熱器３１３とバッファタンク３１５とがイナータンスチューブ３１４を介して接続されている。また、蓄冷部材２１３の高温端側には放熱器２１２が配置されており、この放熱器２１２と圧縮機１１５が接続されている。冷凍単位１０Ａｂのパルス管３２２の低温端側には冷凍部熱交換器３２１が配置されており、該冷凍部熱交換器３２１と蓄冷部材２２３とが接続されている。また、パルス管３２２の高温端側には放熱器３２３が配置されており、該放熱器３２３とバッファタンク３２５とがイナータンスチューブ３２４を介して接続されている。また、蓄冷部材２２３の高温端側には放熱器２２２が配置されており、この放熱器２２２と圧縮機１２５が接続されている。
【００６６】
また、第二冷凍部１０Ｂは、一つの第二冷凍部パルス管５１２（本実施形態の説明において、パルス管５１２とする）と、２つの第二冷凍部蓄冷部材４１２、４２２（本実施形態の説明において、蓄冷部材４１２、４２２とする）とを有する。パルス管５１２の低温端側には、第二冷凍部熱交換器５１１が配置されており、この第二冷凍部熱交換器５１１と、それぞれの蓄冷部材４１２、４２２とが、接続管４１３、４２３を介してそれぞれ接続されている。さらに、パルス管５１２の高温端側には、放熱器５１３が配置されており、この放熱器５１３とバッファタンク５１５とがイナータンスチューブ５１４を介して接続されている。このバッファタンク５１５とイナータンスチューブ５１４とで、第二冷凍部１０Ｂ内における作動ガスの圧力振動の位相を調整する位相調整機構を構成している。
【００６７】
また、第二冷凍部蓄冷部材４１２、４２２の高温端側は、接続管４１１、４２１を介して第一蓄冷部材２１３、２２３の低温端側にそれぞれ接続されている。これにより、圧縮機１１５、１２５により付与される圧力振動は、第一冷凍部蓄冷部材２１３、２２３を介して、第一冷凍部パルス管３１２、３２２に伝達されるとともに、第二冷凍部蓄冷部材４１２、４２２にも伝達されることになる。そして、第二冷凍部１０Ｂの蓄冷部材４１２、４２２の高温端側は、第一冷凍部１０Ａの低温端側に接続されているので、第二冷凍部１０Ｂの第二冷凍部熱交換器５１１における冷凍温度を、第一冷凍部１０Ａの冷凍部熱交換器３１１、３２１における冷凍温度よりも低くすることができる。
【００６８】
上記のような構成のパルス管冷凍機１０においては、第二冷凍部１０Ｂ内において、２つの第二冷凍部蓄冷部材４１２、４１１が、作動ガスの流れ方向に対して並列に配置されているので、それぞれの蓄冷部材４１２、４２２における冷凍効率を減少させることができる。さらに、これら蓄冷部材４１２、４２２の低温端側は、第二冷凍部熱交換器５１１に接続されているので、両者の蓄冷部材４１２、４２２において出力される冷凍能力を加えた分の冷凍能力が、第二冷凍部熱交換器５１１において実現される。しがって、第二冷凍部蓄冷部材における冷凍効率の減少を抑制しつつ、第二熱交換器５１１においてより高い冷凍能力を実現することができる。
【００６９】
図１１は、本実施形態のパルス管冷凍機１１を示すものである。図１１のパルス管冷凍機１１は、図１０に示すパルス管冷凍域１０の変形例である。まず、パルス管冷凍機１１は、多段ステージ型のパルス管冷凍機の構造を採用するとともに、図１０と同様に、第二冷凍部内における第二冷凍部蓄冷部材が作動ガスの流れ方向に対して２つ並列に配置されている。具体的には、パルス管冷凍機１１は、第一冷凍部１１Ａと第二冷凍部１１Ｂとを有する多段型パルス管冷凍機１１である。第一冷凍部１１Ａは、第一冷凍部第一冷凍単位１１Ａａと、第一冷凍部第二冷凍単位１１Ａｂとを有する。ここで冷凍単位とは、少なくとも一つのパルス管と少なくとも一つの蓄冷部材を有し、圧力振動発生装置及び位相調整装置とともに、冷凍能力を実現することができるものをいう。
【００７０】
第一冷凍部第一冷凍単位１１Ａａは第一冷凍部パルス管３１２（本実施形態の説明において、パルス管３１２とする）と、第一冷凍部蓄冷部材２１３、２５３（本実施形態の説明において、蓄冷部材２１３、２５３とする）とを有する。パルス管３１２の低温端側には、冷凍部熱交換器３１１が配置されており、この冷凍部熱交換器３１１と蓄冷部材２５３の高温端とが接続されている。この蓄冷部材２５３と作動ガスの流れ方向に並列に蓄冷部材２１３が配置されている。そして、蓄冷部材２１３、２５３の高温端側には、放熱器２１２、２５２が配置されており、この放熱器２１２、２５２が接続管２１１、２５１を介して圧縮機１１５に接続されている。
【００７１】
第一冷凍部第二冷凍単位１１Ａｂは第一冷凍部パルス管３２２（本実施形態の説明において、パルス管３２２とする）と、第一冷凍部蓄冷部材２２３、２６３（本実施形態の説明において、蓄冷部材２２３、２６３とする）とを有する。パルス管３２２の低温端側には、冷凍部熱交換器３２１が配置されており、この冷凍部熱交換器３２１と蓄冷部材２６３の高温端とが接続されている。この蓄冷部材２６３と作動ガスの流れ方向に対して並列に蓄冷部材２２３が配置されている。そして、蓄冷部材２２３、２６３の高温端側には、放熱器２２２、２６２が配置されており、この放熱器２２２、２６２が接続管２２１、２６１を介して圧縮機１２５に接続されている。
【００７２】
また、第二冷凍部１１Ｂは、第二冷凍部パルス管５１２（本実施形態の説明において、パルス管５１２とする）と、第二冷凍部蓄冷部材４１２、４２２（本実施形態の説明において、蓄冷部材４１２、４２２とする）とを有する。パルス管５１２の低温端側には第二冷凍部熱交換器５１２が配置されており、この第二冷凍部熱交換器５１２とそれぞれの蓄冷部材４１２、４２２とが接続管４１３、４２３みより接続されている。パルス管５１２の高温端側には放熱器５１３が配置されており、この放熱器５１３とバッファタンク５１５とがイナータンスチューブ５１４を介して接続されている。
【００７３】
さらに、第二冷凍部１１Ｂの蓄冷部材４１２、４２２の高温端側には、熱交換器４１４、４２４が配置されており、この熱交換器４１４、４２４を介して第一冷凍部１１Ａの蓄冷部材のうち蓄冷部材２１３、２２３がそれぞれ接続されている。第二蓄冷部材４１２、４２２に接続される第一冷凍部の蓄冷部材は、それぞれの冷凍単位１１Ａａ、１１Ａｂにおいて、第一冷凍部パルス管３１２、３２２に接続されていない方の蓄冷部材である。
【００７４】
さらに、本実施形態のパルス管冷凍機においては、第一冷凍部パルス管３１２３２２の低温端側に配置される冷凍部熱交換器３１１、３２１と、第二冷凍部蓄冷部材４１２、４２２の高温端側に配置される熱交換器４１４、４２４とが、伝熱部材４１５、４２５によりそれぞれ熱的に接続されている。さらに、熱交換器４１４、４２４同士も伝熱部材４３５により互いに熱的に接続されている。
【００７５】
上記のようなパルス管冷凍機１１においては、冷凍部熱交換器３１１、３２１における冷凍能力により、第二蓄冷部蓄冷部材４１２、４２２の高温端が冷却されることになり、第二冷凍部熱交換器５１１において到達できる冷凍温度を下げることができる。さらに、第一冷凍部１０Ａにおいて、第一冷凍部熱交換器３１１、３２１の冷凍能力に寄与する蓄冷部材として、作動ガスの流れ方向に対して並列に複数配置される蓄冷部材２１３、２５３、２２３、２６３を採用しているので、冷凍効率を減少させずに、第一冷凍部熱交換器３１１、３２１における冷凍能力を向上させることができる。さらに、第二冷凍部１１Ｂにおいても、第二冷凍部熱交換器５１１における冷凍能力に寄与する蓄冷部材として、作動ガスの流れ方向に対して並列に複数配置される蓄冷部材４１４、４２４を採用しているので、蓄冷部材における冷凍効率の減少を抑制しつつ、第二冷凍部熱交換器５１１における冷凍能力を向上させることができる。このように、本実施形態のパルス管冷凍機１１においては、第一冷凍部１１Ａ、第二冷凍部１１Ｂのそれぞれにおいて、冷凍効率を減少させずに冷凍能力を向上させることができるので、相乗効果により、本発明の効果がより一層顕著となる。このような形態を採用することにより、冷凍温度は用途に依存するものの、伝熱部材４１５、４２５、４３５での温度を約８０Ｋとすることができ、第二冷凍部熱交換器５１１での温度を約２０Ｋとすることが可能となる。
【００７６】
図１２は、本実施形態のパルス管冷凍機１２を示すものである。パルス管冷凍機１２は、冷凍部１２Ａと、圧力振動発生装置としての圧縮機１１５、１２５と、作動ガスの圧力振動の位相を調整する位相調整装置とを有する。冷凍部１２Ａは、パルス管３１２、３２２と、蓄冷部材２１３、２２３とを有する。パルス管冷凍機３１２、３２２の低温端側には、冷凍部熱交換器３１１、３２１が配置されており、この冷凍部熱交換器３１１、３２１と、蓄冷部材２１３、２２３の高温端側とが、接続管２１４、２２４により接続されている。蓄冷部材２１３、２２３の高温端側には放熱器２１２、２２２が配置されており、この放熱器２１２、２２２を介して圧縮機１１５、１２５と蓄冷部材２１３、２２３とが、接続管２１１、２２１により接続されている。なお、本実施形態において、蓄冷部材２１３、２２３と、圧縮機１１５、１２５との間の接続管２１１、２２１は、接続管２３１により接続されており、圧縮機１１５と蓄冷部材２２３との間、及び圧縮機１２５と蓄冷部材２１３との間で作動ガスの移動が可能となっている。
【００７７】
一方、パルス管３１２、３２２の高温端側には放熱器３１３、３２３が配置されており、この放熱器３１３、３２３を介して、パルス管３１２、３２２とバッファタンク３１５、３２５とが、接続管３１４、３２４によりそれぞれ接続されている。つまり、一つのパルス管に対して一つのバッファタンクが接続される形態となっている。このように、本実施形態のパルス管冷凍機１２は、２つあるパルス管、第一パルス管３１２と第二パルス管３２２との高温端側は互いに接続されていないが、第一パルス管３１２、第二パルス管３２２とそれぞれ直列に接続される第一蓄冷部材２１３、第二蓄冷部材２２３の高温端側は互いに接続されている。この点、図３のパルス管冷凍機３とは、直列に接続されたパルス管と蓄冷部材の組を２つ有している形態は同じであるが、異なる形態である。
【００７８】
上記のような形態のパルス管冷凍機１２によれば、第一パルス管３１２と第一蓄冷部材２１３との組、及び第二パルス管３２２と第二蓄冷部材２２３との組における作動ガスは、圧縮機１１５、１２５の両者から圧力振動が付与される。そして、作動ガスの流れ方向対して並列に複数の蓄冷部材２１３、２２３が配置されている。そのため、個々の蓄冷部材２１３、２２３においては、蓄冷部材の直径を比較的小さくして、冷凍効率が減少するのを抑制することができる。一方、それぞれの蓄冷部材２１３、２２３は、それぞれパルス管３１２、３２２に接続されているので、これら２つのパルス管３１２、３２２の冷凍部熱交換機３１１、３２１を一つの冷凍能力の出力箇所とすれば、それぞれの冷凍部熱交換器３１１、３２１における冷凍能力を加えて、より高い冷凍能力を実現することができる。そのため、冷凍機全体として、冷凍効率の減少を抑制しつつ、高い冷凍能力を実現することができる。
【００７９】
さらに、それぞれパルス管３１２、３２２にそれぞれイナータンスチューブ３１４、３２４を介してバッファタンク３１５、３２５を接続し、これらの間を接続していないので、蓄冷部材２１３、２２３を含む閉回路が形成されることを抑制することができる。そのため、図１５、図１６、図１７に示すような流れ調整機構を採用しなくても、蓄冷部材２１３、２２３内における作動ガスの直流流れを抑制でき、ひいては、冷凍効率の減少を抑制することができるのである。
【００８０】
図１３は、本実施形態のパルス管冷凍機１３を示すものである。パルス管冷凍機１３は、図１２に示すパルス管冷凍機１２の変形例である。パルス管冷凍機１３は、図１２に示すパルス管冷凍機１２に、２ステージ型のパルス管冷凍機の構成を適用したものである。パルス管冷凍機１３は、第一冷凍部１３Ａと、第二冷凍部１３Ｂとを有する。第一冷凍部１３Ａは、第一冷凍部パルス管３１２と、第一冷凍部蓄冷部材２１３、２２３とを有する。第二冷凍部１３Ｂは、第二冷凍部パルス管５１２と、第二冷凍部蓄冷部材４１２とを有する。
【００８１】
第一冷凍部パルス管３１２の低温端側には冷凍部熱交換器３１１が配置されており、この冷凍部熱交換器３１１と蓄冷部材２１３の低温端側が接続管２１４を介して接続されている。また、蓄冷部材２１３の高温端側には放熱器２１２が配置されており、この放熱器２１２と圧縮機１１５とが接続管２１１を介して接続されている。一方、第一冷凍部蓄冷部材２２３の低温端側は、第二冷凍部蓄冷部材４１２の高温端側に配置されている放熱器２２５と、接続管２２４を介して接続されている。また、第一冷凍部蓄冷部材２２３の高温端側には放熱器２２２が配置されており、この放熱器２２２と圧縮機１２５とが、接続管２２１を介して接続されている。第一冷凍部パルス管３１２の高温端側には放熱器３１３が配置されており、この放熱器３１３とバッファタンク３１５とがイナータンスチューブ３１４を介して接続されている。
【００８２】
第二冷凍部パルス管５１２の低温端側には第二冷凍部熱交換器５１１が配置されており、この第二冷凍部熱交換器５１１を介して第二冷凍部パルス管５１２の低温端と第二蓄冷部材４１２の低温端とが直接接続されている。この第二冷凍部熱交換器５１１において、第二冷凍部１０Ｂにおける冷凍能力が出力されることになる。一方、第二冷凍部パルス管５１２の高温端側には放熱器５１３が配置されており、この放熱器５１３とバッファタンク５１５とがイナータンスチューブ５１４を介して接続されている。
【００８３】
さらに、第一冷凍部１３Ａの冷凍部熱交換器３１１と、第二冷凍部１３Ｂの第二冷凍部蓄冷部材４１２の高温端（放熱器２２５）とが伝熱部材２２６により熱的に接続されている。これにより、第一冷凍部の冷凍能力により、第二冷凍部蓄冷部材４１２の高温端を予冷することができる。そのため、第二冷凍部熱交換器５１１における冷凍温度を、第一冷凍部熱交換器３１１における冷凍温度よりも低くすることができる。
【００８４】
さらに、本実施形態のパルス管冷凍機１３においては、２つの第一冷凍部蓄冷部材２１２、２２２に接続する２つの圧縮機１１５、１２５の間は、接続管２３１により接続されている。つまり、第一冷凍部蓄冷部材２１２、２２２のそれぞれの高温端側が接続されている。これにより、それぞれの圧縮機１１５、１２５により作動ガスに付与される圧力振動は、第一蓄冷部材２１３、２２３のいずれの蓄冷部材内の作動ガスにも付与されることになる。一方で、第一冷凍部パルス管３１３の高温端側と、第二冷凍部パルス管５１２の高温端側とは接続されていない。これは、本実施形態においては前記したように第一冷凍部蓄冷部材２１３、２２３の高温端側を接続しているため、第一冷凍部１３Ａ及び第二冷凍部１３Ｂを含む作動ガスの経路内に閉回路が形成されるのを防止するためである。これにより、それぞれの蓄冷部材内における作動ガスの直流流れを抑制しやすくなり、それぞれの蓄冷部材における冷凍効率の減少を抑制することができる。このように、第一冷凍部蓄冷部材２１３、２２３の高温端側を接続するような本実施形態の構成を採用する場合、第一冷凍部パルス管３１２と、第二冷凍部パルス管５１２との高温端側は接続しないようにするのがよい。
【００８５】
さらに、本実施形態のパルス管冷凍機１３においては、ダブルインレット型のパルス管冷凍機の構成を応用している。すなわち、蓄冷部材の高温端側とパルス管の高温端側をバイパスする構成を採用している。具体的には、第二冷凍部蓄冷部材４１２の高温端側に接続する第一冷凍部蓄冷部材２２３の高温端側と、第二冷凍部パルス管５１２の高温端側とをバイパス部材６１３により接続している。バイパス部材６１３の途中には、流れ調整機構６１２が配置されている。該流れ調整機構は、図９のパルス管冷凍機９において使用されるものと同様のものを採用することができる。このような構成を採用することにより、流れ調整機構６１２により、作動ガスの流量を調整することで、第二冷凍部パルス管５１２の両側から作動ガスを流入することができる。これにより、作動ガスの流体変位を減少させることができ、その結果、損失を低減することができる。さらに、イナータンスチューブ５１４及びバッファタンク５１５により構成される位相調整装置の作用にも影響を与えることができ、ひいては、作動ガスの圧力振動の位相を制御することが可能となる。
【００８６】
なお、上記実施形態のパルス管冷凍機１３においては、第一冷凍部パルス管３１２の冷凍部熱交換機３１１を、第二冷凍部蓄冷部材４１２の高温端側に熱的に接続しているが、図６〜８に示すパルス管冷凍機６〜８と同様に、該冷凍部熱交換器３１１を第二冷凍部パルス管５１２の高温端側に熱的に接続するようにしてもよい。このような構成により、図６〜８と同様に、イナータンスチューブ５１４において高いイナータンス効果を実現することができる。
【００８７】
図１４は、本実施形態のパルス管冷凍機１４を示すものである。図１４のパルス管冷凍機１４は、図１３のパルス管冷凍機１３の変形例である。図１３と同様の構成のものは同一の符号をつけて図示しており、詳細な説明は省略する。パルス管冷凍機１４は、第一冷凍部１４Ａと、第二冷凍部１４Ｂとを有する。これら第一冷凍部１４Ａ及び第二冷凍部１４Ｂの構成は、パルス管冷凍機１３の第一冷凍部１３Ａ及び第二冷凍部１３Ｂと同様であるので、詳細な説明は省略する。図１４に示すように、パルス管冷凍機１４は、第一冷凍部蓄冷部材２１３の高温端側と、第一冷凍部蓄冷部材２２３の高温端側とが接続されておらず、かつ、第一冷凍部パルス管３１２の高温端側と、第二冷凍部パルス管３２２の高温端側とが接続管５１８により接続されている点で、パルス管冷凍機１３と異なる。このような構成により、それぞれの蓄冷部材内において作動ガスの直流流れが生じにくくなり、それぞれの蓄冷部材における冷凍効率の減少を抑制することができる。
【００８８】
以上、本発明の実施形態について、図面を参照しつついくつか説明したが、本発明の極低温冷凍機は、これらに限定されるものではない。例えば、本実施形態においては、極低温冷凍機として、スターリング式パルス管冷凍機を例にして説明しているが、本発明の構成は、これに限られるものではなく、冷凍部に蓄冷部材を有する蓄冷式冷凍機を含むものであれば、その他の極低温冷凍機にも適用できるものである。例えば、ＧＭ式冷凍機、ＧＭ型パルス管冷凍機、スターリング式冷凍機等にも適用することができる。しかしながら、蓄冷部材において冷凍効率が減少するのは、作動ガスに付与される圧力振動の作動周波数が、比較的高い場合に特に顕著である。そのため、スターリング式冷凍機あるいはスターリング式パルス管冷凍機に本発明の構成を適用するのがよい。ただ、本発明の課題とされる問題は、影響の大小はあるものの、蓄冷式冷凍機全般において生じうるものであるため、スターリング式冷凍機あるいはスターリング式パルス管冷凍機以外の蓄冷式冷凍機に適用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００８９】
【図１】本発明の極低温冷凍機の一例を模式的に示す図。
【図２】本発明の極低温冷凍機の一例を模式的に示す図。
【図３】本発明の極低温冷凍機の一例を模式的に示す図。
【図４】本発明の極低温冷凍機の一例を模式的に示す図。
【図５】本発明の極低温冷凍機の一例を模式的に示す図。
【図６】本発明の極低温冷凍機の一例を模式的に示す図。
【図７】本発明の極低温冷凍機の一例を模式的に示す図。
【図８】本発明の極低温冷凍機の一例を模式的に示す図。
【図９】本発明の極低温冷凍機の一例を模式的に示す図。
【図１０】本発明の極低温冷凍機の一例を模式的に示す図。
【図１１】本発明の極低温冷凍機の一例を模式的に示す図。
【図１２】本発明の極低温冷凍機の一例を模式的に示す図。
【図１３】本発明の極低温冷凍機の一例を模式的に示す図。
【図１４】本発明の極低温冷凍機の一例を模式的に示す図。
【図１５】流れ調整機構の一例を模式的に示す図。
【図１６】流れ調整機構の一例を模式的に示す図。
【図１７】流れ調整機構の一例を模式的に示す図。
【図１８】従来の極低温冷凍機を模式的に示す図。
【符号の説明】
【００９０】
１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４、１８  パルス管冷凍機
１Ａ、２Ａ、３Ａ、４Ａ、５Ａ、６Ａ、７Ａ、８Ａ、９Ａ、１０Ａ、１１Ａ、１２Ａ、１３Ａ、１４Ａ、１８Ａ、６Ｂ、７Ｂ、８Ｂ、９Ｂ、１０Ｂ、１１Ｂ、１３Ｂ、１４Ｂ  冷凍部
２１３、２２３、２３３、２４３、４１２、４２２  蓄熱部材
１１５、１２５、１３５、１４５  圧縮機（圧力振動発生装置）
２１５、２２５、２３５、２４５  流れ調整機構
３１２、３２２、５１２  パルス管
１１１、１２１、１３１、１４１  シリンダ
１１２、１２２、１３２、１４２  ピストン
１１３、１２３、１３３、１３４、１４３、１４４  圧縮空間
【図１】
2005106297.tif 000003
【図２】
2005106297.tif 000004
【図３】
2005106297.tif 000005
【図４】
2005106297.tif 000006
【図５】
2005106297.tif 000007
【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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