(57)【要約】【課題】蓄冷型冷凍機において、蓄冷器と膨張部とを連通する圧力連通部の開口調節手段の開口部がステップ状に圧力が変動するように開口して冷凍能力を向上させること。【解決手段】ガス振動源としての圧縮機１と、該圧縮機に連通した蓄冷器２と、該蓄冷器２に接続された吸熱器３１と、該吸熱器３１に連通した膨張部３とを備え、前記吸熱器３１で冷凍を生成する蓄冷型冷凍機において、前記蓄冷器２と前記膨張部３とを連通する圧力連通部７０の開口調節手段の扇形または矩形の開口部１０２、１０３がステップ状に圧力が変動するように開口する蓄冷型冷凍機。【選択図】        図１
2005076894.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス振動源としての圧縮機と、該圧縮機に連通した蓄冷器と、該蓄冷器に接続された吸熱器と、該吸熱器に連通した膨張部とを備え、前記吸熱器で冷凍を生成する蓄冷型冷凍機において、
開口調節手段の開口部がステップ状に圧力が変動するように開口する
ことを特徴とする蓄冷型冷凍機。
【請求項２】
請求項１において、
前記開口調節手段が、前記蓄冷器側の圧力切換弁によって構成され、該圧力切換弁の開口度が経時的に急激に変化する
ことを特徴とする蓄冷型冷凍機。
【請求項３】
請求項１において、
前記開口調節手段が、前記膨張部側の圧力切換弁によって構成され、該圧力切換弁の開口度が経時的に急激に変化する
ことを特徴とする蓄冷型冷凍機。
【請求項４】
請求項１において、
前記開口調節手段を構成する圧力切換弁が、外周側の辺の長さが内周側の辺の長さより大きな開口部が形成された円形の回転部材を備えている
ことを特徴とする蓄冷型冷凍機。
【請求項５】
請求項１において、
前記開口調節手段を構成する圧力切換弁が、扇形の開口部が形成された円形の回転部材を備えている
ことを特徴とする蓄冷型冷凍機。
【請求項６】
請求項１において、
前記開口調節手段を構成する圧力切換弁が、円周方向に延在する外周側の辺および内周側の辺と半径方向に延在する両端の辺とによって構成される開口部が形成された円形の回転部材を備えている
ことを特徴とする蓄冷型冷凍機。
【請求項７】
請求項１ないし６の何れかにおいて、
前記蓄冷型冷凍機が、パルス管冷凍機によって構成されている
ことを特徴とする蓄冷型冷凍機。
【請求項８】
請求項１ないし６の何れかにおいて、
前記蓄冷型冷凍機が、アクティブバッファ型パルス管冷凍機によって構成されている
ことを特徴とする蓄冷型冷凍機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガス振動源としての圧縮機と、該圧縮機に連通した蓄冷器と、該蓄冷器に接続された吸熱器と、該吸熱器に連通した膨張部とを備え、前記吸熱器で冷凍を生成する蓄冷型冷凍機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の蓄冷型冷凍機は、ガス状の冷媒の圧力を振動させる圧力振動源と、該圧力振動源圧縮機に接続され冷媒の熱を放熱する放熱器と、蓄冷機能をもつ蓄冷器と、該蓄冷器に接続された吸熱器と、冷媒の圧力変動と位置変動の位相差を調整する位相調整器とを備え、前記吸熱器で冷凍を生成する蓄冷型冷凍機において、前記放熱器に連通する圧力連通路の開口を開閉する弁部と、該弁部による前記圧力連通路の開口度を経時的に変化させる開口調整手段が、横軸を時間として縦軸を冷媒の圧力としたとき、圧力をサインカーブ形状、台形波形状または三角波形状になるように変化させる、すなわち圧力を徐々に変化させるように、図１３に示されるように円形の開口部Ｃと円弧状の開口部Ｍとを組み合わせることにより、圧力連通路の開口度を変化させるものであった（例えば特許文献１参照。）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平８−２７１０７５号公報（第４頁、第９図）
【０００４】
すなわち従来の蓄冷型冷凍機は、前記開口調節手段の開口度を急激に変化させることを防ぎ、経時的に滑らかに開口度増加させることを目的とするもので、その結果、横軸を時間とし、縦軸を冷媒の圧力とした場合、圧力をサインカーブ形状、台形波形状または三角波形状になるように変化させる、すなわち圧力を徐々に変化させることにより、冷凍能力を向上させるものであった。
【０００５】
従来、この技術が有効なものとして、パルス管常温部の位相制御方法における「４バルブ方式」がある。これは圧縮機の高圧および低圧配管を蓄冷器常温端に切換弁を介して接続するとともに、パルス管の常温端にも切換弁を介して上記高圧および低圧配管を接続するものである。
【０００６】
蓄冷器常温端の高低圧配管は、従来の一般的な蓄冷型冷凍機の例にあるように蓄冷器入口に高低圧の脈動したガス圧力を供給して冷凍を発生させるためのものである。
また、パルス管常温端の高低圧配管は、パルス管内の仮想ガスピストンの位相、ストロークを決めるためのものであり「位相制御機構」と呼ぶ。
【０００７】
この位相制御機構の代表的な例として、「オリフィスバッフア」、「ダブルインレット」、「アクティブバッファ」またはそれぞれの組合せがある。「４バルブ」は、これらの位相制御機構のなかの１つである。
【０００８】
４バルブ方式の場合、パルス管常温端に切換弁を介してつながる高低圧は、圧縮機から供給されるため、ガス量としては、圧縮機能力によるが、パルス管の容積に対し大きなガス量となる。それに対し、アクティブバッファ方式は、パルス管常温端に切換弁を介してつながるバッファタンクは、ある有限な量のため、一般的には４バルブに対してパルス管内に流入（流出）するガス量は小さい。
【０００９】
この理由から４バルブ方式の場合、パルス管常温端の切換弁の開口面積が大きく、その時間が長いと大量のガスがパルス管に流れ込む（流れ出る）結果となる。その結果、パルス管内のガスピストンの動き（ストローク）が大きくなる。
【００１０】
ガスピストンのストロークは、パルス管全長の１／３〜１／２が適正であると一般的には言われている。このストロークが小さいとＰＶ仕事のＶが小さいため、冷凍能力が小さくなる。また、ストロークが大きいと、ＰＶ線図の面積が大きくなりＰＶ仕事が増えるが、パルス管常温部のガスが低温部まで移動してしまい、パルス管内のガスピストンの動きに伴う熱侵入（モーショナルヒートリーク）がＰＶ仕事の増加以上に増大し、その結果冷凍能力が減少する。
【００１１】
これらの理由から、４バルブ方式の場合は、パルス管常温端の切換弁は、開き始め当初は、小さい開口面積で徐々に大きくしていくことが有効となると考えられる。なお、最終的には切換弁の開口面積が最大となるが、このときは蓄冷器側からのガスも蓄冷器を通過してパルス管低温端まで到達しているため、パルス管常温端から入ったガスと押し合うこととなり、ガスピストンの移動は起こらない。逆にパルス管常温端切換弁の開口面積が小さくガス流入量が少ないと蓄冷器側からガスが侵入してピストンが逆方向に動いてしまう結果となる。これも冷凍能力を減少させる。
【００１２】
以上のことから、従来技術で採用している４バルブ方式の場合、パルス管常温端の切換弁開口面積は徐々に大きくしていくことで冷凍能力が向上すると考えられる。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の蓄冷型冷凍機は、アクティブバッファ型パルス管冷凍機のように蓄冷型冷凍機のタイプによっては、横軸を時間として縦軸を冷媒の圧力としたとき、圧力をサインカーブ形状、台形波形状または三角波形状になるように変化させる、すなわち圧力を徐々に変化させる場合には、後述するように冷凍能力が低下してしまうという問題があった。
【００１４】
アクティブバッファ方式の場合においては、前述したようにパルス管常温端は、切換弁を介しバッファタンクに接続されている。そのためこれも前述したようにパルス管に流入するガス量は少ない。そのため、開き始めから開口面積を大きくしても必要以上のガスがパルス管内に流入または流出することがない。
【００１５】
また、別の面からみると、アクティブバッファ方式のバッファタンクは、圧縮機から供給するガスを節約している効果がある。すなわち、パルス管と蓄冷器を含む冷凍機内部全体が低圧の場合、３アクティブバッファでは中圧バッファタンクが開き冷凍機内部を中圧に昇圧する。またその後、蓄冷器高圧配管の切換弁が開いて冷凍機内部を高圧に昇圧する時も同時に高圧バッファタンクの切換弁が開きバッファタンクからも高圧ガスを供給する。
【００１６】
つまり、バッファタンクがない場合は、冷凍機内部圧力を低圧から高圧に圧縮機の供給ガスのみで昇圧する必要があるのに対し、アクティブバッファの場合は、中圧バッファタンクおよび高圧バッファタンクのガスが使われ、その分圧縮機の供給ガス量を節約できる。
【００１７】
それ以外の利点として、以下の２点がある。
（１）ガスピストンを急激に動かすことにより、移動途中でのガスピストンと管壁の熱交換によるシャトルヒートロスが減少する。
（２）パルス管内の圧力変動の波形が、より矩形波に近くなり、結果としてＰＶ線図が楕円に近い形から長方形に近い形となり、ＰＶ線図の角部の仕事が増え結果として冷凍能力が増す。
【００１８】
そこで本発明者らは、ガス振動源としての圧縮機と、該圧縮機に連通した蓄冷器と、該蓄冷器に接続された吸熱器と、該吸熱器に連通した膨張部とを備え、前記吸熱器で冷凍を生成する蓄冷型冷凍機において、前記蓄冷器と前記膨張部とを連通する圧力連通部の開口調節手段の開口部がステップ状に圧力が変動するように開口するという本発明の技術的思想に着眼し、更に研究開発を重ねた結果、冷凍能力を向上させるという目的を達成する本発明に到達した。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明（請求項１に記載の第１発明）の蓄冷型冷凍機は、
ガス振動源としての圧縮機と、該圧縮機に連通した蓄冷器と、該蓄冷器に接続された吸熱器と、該吸熱器に連通した膨張部とを備え、前記吸熱器で冷凍を生成する蓄冷型冷凍機において、
開口調節手段の開口部がステップ状に圧力が変動するように開口する
ものである。
【００２０】
本発明（請求項２に記載の第２発明）の蓄冷型冷凍機は、
前記第１発明において、
前記開口調節手段が、前記蓄冷器側の圧力切換弁によって構成され、該圧力切換弁の開口度が経時的に急激に変化する
ものである。
【００２１】
本発明（請求項３に記載の第３発明）の蓄冷型冷凍機は、
前記第１発明において、
前記開口調節手段が、前記膨張部側の圧力切換弁によって構成され、該圧力切換弁の開口度が経時的に急激に変化する
ものである。
【００２２】
本発明（請求項４に記載の第４発明）の蓄冷型冷凍機は、
前記第１発明において、
前記開口調節手段を構成する圧力切換弁が、外周側の辺の長さが内周側の辺の長さより大きな開口部が形成された円形の回転部材を備えている
ものである。
【００２３】
本発明（請求項５に記載の第５発明）の蓄冷型冷凍機は、
前記第１発明において、
前記開口調節手段を構成する圧力切換弁が、扇形の開口部が形成された円形の回転部材を備えている
ものである。
【００２４】
本発明（請求項６に記載の第６発明）の蓄冷型冷凍機は、
前記第１発明において、
前記開口調節手段を構成する圧力切換弁が、円周方向に延在する外周側の辺および内周側の辺と半径方向に延在する両端の辺とによって構成される開口部が形成された円形の回転部材を備えている
ものである。
【００２５】
本発明（請求項７に記載の第７発明）の蓄冷型冷凍機は、
前記第１発明ないし第６発明の何れかにおいて、
前記蓄冷型冷凍機が、パルス管冷凍機によって構成されている
ものである。
【００２６】
本発明（請求項８に記載の第８発明）の蓄冷型冷凍機は、
前記第１発明ないし第６発明の何れかにおいて、
前記蓄冷型冷凍機が、アクティブバッファ型パルス管冷凍機によって構成されている
ものである。
【００２７】
【発明の作用および効果】
上記構成より成る第１発明の蓄冷型冷凍機は、ガス振動源としての圧縮機と、該圧縮機に連通した蓄冷器と、該蓄冷器に接続された吸熱器と、該吸熱器に連通した膨張部とを備え、前記吸熱器で冷凍を生成する蓄冷型冷凍機において、前記開口調節手段の開口部がステップ状に圧力が変動するように開口するので、冷凍能力を向上させるという効果を奏する。
【００２８】
上記構成より成る第２発明の蓄冷型冷凍機は、前記第１発明において、前記開口調節手段を構成する前記蓄冷器側の前記圧力切換弁の開口度が経時的に急激に変化するので、冷凍能力を向上させるという効果を奏する。
【００２９】
上記構成より成る第３発明の蓄冷型冷凍機は、前記第１発明において、前記開口調節手段を構成する前記膨張部側の前記圧力切換弁の開口度が経時的に急激に変化するので、冷凍能力を向上させるという効果を奏する。
【００３０】
上記構成より成る第４発明の蓄冷型冷凍機は、前記第１発明において、前記開口調節手段を構成する圧力切換弁が備えている前記円形の回転部材に形成された前記開口部の外周側の辺の長さが内周側の辺の長さより大きいので、前記開口部の前記内周側の辺の一端が開口した時には、前記開口部の外周側の辺の一端も開口するため、ステップ状に圧力が変動するように開口することにより、冷凍能力を向上させるという効果を奏する。
【００３１】
上記構成より成る第５発明の蓄冷型冷凍機は、前記第１発明において、前記開口調節手段を構成する圧力切換弁が備えている円形の回転部材に形成された扇形の開口部の内周側の辺の一端が開口した時には、前記開口部の外周側の辺の一端も開口するため、ステップ状に圧力が変動するように開口するので、冷凍能力を向上させるという効果を奏する。
【００３２】
上記構成より成る第６発明の蓄冷型冷凍機は、前記第１発明において、前記開口調節手段を構成する圧力切換弁が備えている前記円形の回転部材に形成された前記開口部が、円周方向に延在する外周側の辺および内周側の辺と半径方向に延在する両端の辺とによって構成されているので、前記開口部が開口する時には矩形形状の開口が形成されるため、ステップ状に圧力が変動するように開口するので、冷凍能力を向上させるという効果を奏する。
【００３３】
上記構成より成る第７発明の蓄冷型冷凍機は、蓄冷型冷凍機を構成する前記パルス管冷凍機が、前記開口調節手段の開口部がステップ状に圧力が変動するように開口するので、冷凍能力を向上させるという効果を奏する。
【００３４】
上記構成より成る第８発明の蓄冷型冷凍機は、蓄冷型冷凍機を構成する前記アクティブバッファ型パルス管冷凍機が、前記開口調節手段の開口部がステップ状に圧力が変動するように開口するので、冷凍能力を向上させるという効果を奏する。
【００３５】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態につき、図面を用いて説明する。
【００３６】
（第１実施形態）
本第１実施形態の蓄冷型冷凍機は、図１、図３および図４に示されるようにガス振動源としての圧縮機１と、該圧縮機に連通した蓄冷器２と、該蓄冷器２に接続された吸熱器３１と、該吸熱器３１に連通した膨張部３とを備え、前記吸熱器３１で冷凍を生成する蓄冷型冷凍機において、前記蓄冷器２と前記膨張部３とを連通する圧力連通部７０の開口調節手段７、８、９、１１、１２の扇形または矩形の開口部１０２、１０３、１１２、７０１、８０１、９０１がステップ状に圧力が変動するように開口するものである。
【００３７】
本第１実施形態の蓄冷型冷凍機は、図１に示されるようにガス振動源としての圧縮機１と、該圧縮機１に連通した蓄冷器２と、該蓄冷器２に接続された吸熱器３１と、該吸熱器３１に連通したパルス管より成る膨張部３とに加え、該膨張部３の高温端に設けた位相制御機構４０を備えている。
【００３８】
本第１実施形態においては、前記位相制御機構４０および前記蓄冷器２に連通する圧力連通部７０が、圧力が矩形波状に変化するように開口度が経時的に急激に変化する開口調整手段７、８、９、１１、１２を備えているものである。
【００３９】
前記位相制御機構４０は、並列に配設された３個の位相制御用のバッファタンク４、５、６によって構成され、前記開口調整手段７、８、９が、前記バッファタンク４、５、６の一端に連通する複数の並列の流路４１、５１、６１と前記膨張部３の一端に連通する合流流路４３との前記連通部７０を構成する接続部４４にそれぞれ配設された圧力切換弁によって構成されているものである。
【００４０】
前記開口調整手段１１、１２は、前記圧縮機１の両端に接続された並列の流路１０１Ｔ、１０２Ｔと前記蓄冷器２の一端に連通する合流流路１０３Ｔとの前記連通部７０を構成する接続部１０４に配設された圧力切換弁によって構成されているものである。
【００４１】
前記膨張部３の一端に連通する合流流路と前記蓄冷器２の一端に連通する合流流路とを連通する連通通路に可変絞り弁１０が配設されている。
【００４２】
前記開口調整手段１１、１２を構成する前記圧力切換弁が、図２に示されるようにモータ１１３によって回転駆動された回転部１１１と該回転部１１１が回転可能に介挿されるケーシングとしての固定部１１０を備え、回転部１１１および固定部１１０にそれぞれ設けた同一形状の穴が一致した時には流路を開き、前記回転部および固定部の前記穴の位置が異なる時には流路を閉じるように構成されているものである。
【００４３】
前記回転部１１１は、図３に示されるように円形の回転部材より成り、円周方向に延在する外周側の辺および内周側の辺と半径方向に延在する両端の辺とによって構成された開口部１１２が円周方向１２０度毎に穿設されている。または、１個ないし複数個同心円上に穿設されている。
【００４４】
円形の回転部材に穿設された前記開口部１１２は、図３（Ａ）および（Ｂ）に示されるようにその外周側の辺の長さが、内周側の辺の長さより大きい略扇形および逆台形の開口形状に形成されている。
【００４５】
前記固定部１１０は、前記回転部１１１の円形の回転部材が回転自在に介挿される円形の部屋１１４を形成する軸方向の対向壁に、前記円形の回転部材に穿設されている略扇形および逆台形の開口部１１２に対向して円周方向の１２０度毎に略扇形および逆台形の開口形状の開口部１０２が穿設されている。
【００４６】
前記回転部１１１の開口部１１２と固定部１１０の前記開口部１０２とが一致した時には弁内に導入されている高圧ガスヘリウムが前記蓄冷器２に供給されるように構成されている。
【００４７】
前記開口調整手段７、８、９を構成する前記圧力切換弁は、図４（Ａ）ないし（Ｃ）に示されるように回転部１１１の外周部および固定部１１０の外周部にそれぞれ設けた同一形状の円形穴（図４（Ａ））、長円形穴（図４（Ｂ））、または矩形穴（図４（Ｃ））７０１、８０１、９０１と１０３および７０２、８０２、９０２と１０４が一致した時には流路を開き、前記バッファタンク４、５、６とパルス管より成る膨張部３とを連通させ、前記回転部１１１および固定部１１０の前記穴の位置が異なる時には流路を閉じるように構成されているものである。
【００４８】
前記開口調整手段７、８、９を構成する前記圧力切換弁において、前記開口調整手段１１、１２を構成する前記圧力切換弁と同様に扇形穴を採用する場合は、図３（Ａ）に示されるように前記回転部１１１の円形の回転部材が回転自在に介挿される円形の部屋１１４を形成する軸方向の対向壁に、前記円形の回転部材に穿設されている扇形の開口部１１２に対向して円周方向に略扇形の開口形状の開口部１０２が穿設される。
【００４９】
上記構成より成る本第１実施形態の蓄冷型冷凍機においては、前記回転部１１１の前記扇形の開口部１１２と前記固定部１１０の前記扇形の前記開口部１０２とが一致して、前記回転部１１１の開口部１１２の円周方向の一端が、前記固定部１１０の前記開口部１０２の円周方向の一端に開口すると、ステップ状に圧力が上昇変動するものであり、弁内の部屋１１４内に導入されている高圧ガスヘリウムが前記蓄冷器２に供給されるものである。
【００５０】
前記回転部１１１および固定部１１０の前記扇形の穴の位置が異なる時には流路を閉じられるので、弁内の部屋１１４内に導入されている高圧ガスヘリウムが前記蓄冷器２に供給されない。
【００５１】
前記開口調整手段７、８、９を構成する前記圧力切換弁において、前記回転部１１１の外周部および固定部１１０の外周部にそれぞれ設けた同一形状の円形穴、長円形穴、矩形穴または扇形穴７０１、８０１、９０１と１０３および７０２、８０２、９０２と１０４が一致した時には流路を開き、前記バッファタンク４、５、６とパルス管より成る膨張部３とを連通させる。
【００５２】
前記開口調整手段７、８、９を構成する前記圧力切換弁において、前記矩形穴または扇形穴７０１、８０１、９０１と１０３および７０２、８０２、９０２と１０４を用いた場合には、前記矩形穴または扇形穴が一致して、前記回転部１１１の前記矩形穴または扇形穴の一端が、前記固定部１１０の前記矩形穴または扇形穴の一端に開口すると、ステップ状に圧力が変動するものである。
【００５３】
前記回転部１１１および固定部１１０の同一形状の前記円形穴、長円形穴、矩形穴または扇形穴７０１、８０１、９０１と１０３および７０２、８０２、９０２と１０４の位置が異なる時には流路を閉じるので、前記バッファタンク４、５、６とパルス管より成る膨張部３との連通が遮断させる。
【００５４】
上記作用を奏する本第１実施形態の蓄冷型冷凍機は、ガス振動源としての圧縮機１と、該圧縮機１に連通した蓄冷器２と、該蓄冷器２に接続された吸熱器３１と、該吸熱器３１に連通した膨張部３と、該膨張部３の高温端に設けた位相制御機構４０とを備え、前記吸熱器３１で冷凍を生成する蓄冷型冷凍機において、前記蓄冷器２に連通する圧力連通部１０４が備えている前記開口調整手段１１、１２の開口度が経時的に急激に変化するので、圧力が矩形波状に変化するため、冷凍能力を向上させるという効果を奏する。
【００５５】
また本第１実施形態の蓄冷型冷凍機は、前記位相制御機構を構成する前記位相制御用のバッファタンク４、５、６の接続部７０に配設された前記開口調整手段７、８、９を構成する圧力切換弁の開口度が経時的に急激に変化して、圧力が矩形波状に変化するため、前記膨張部３としてパルス管を用いる本第１実施形態においては、特に冷凍能力を向上させるという効果を奏する。
【００５６】
さらに本第１実施形態の蓄冷型冷凍機は、前記圧縮機１の前記蓄冷器２との接続部１０４に配設された前記開口調整手段を構成する圧力切換弁の開口度が経時的に急激に変化するので、圧力が矩形波状に変化するため、冷凍能力を向上させるという効果を奏する。
【００５７】
また本第１実施形態の蓄冷型冷凍機は、前記圧力切換弁が備える前記回転部１１１および前記固定部１１０にそれぞれ設けた同一形状の円形穴、長円形穴、矩形穴または扇形穴が一致した時には流路を開き、前記回転部１１１および固定部１１０の前記穴の位置が異なる時には流路を閉じるので、圧力が矩形波状に変化するため、冷凍能力を向上させるという効果を奏する。
【００５８】
（第２実施形態）
本第２実施形態の蓄冷型冷凍機は、図５に示されるように圧縮機１に連通した蓄冷器２の低温端に第２の蓄冷器２２を追加するとともに、第２の膨張部３２および第２の位相制御機構２４０を追加した点が、前記第１実施形態との相違点であり、以下相違点を中心に説明する。
【００５９】
本第２実施形態においては、圧縮機１に連通した第１段の前記蓄冷器２の低温端に追加した第２段の前記第２の蓄冷器２２と、該第２の蓄冷器２２に接続された第２の吸熱器３４と、該第２の吸熱器３４に連通したパルス管より成る前記第２の膨張部３２と、該第２の膨張部３２の高温端に設けた第２の位相制御機構２４０とを備えている。
【００６０】
前記第２の位相制御機構２４０は、並列に配設された３個の位相制御用のバッファタンク２４、２５、２６によって構成されている。
【００６１】
開口調整手段２７、２８、２９は、上述の第１実施形態と同様に前記バッファタンク２４、２５、２６の一端に連通する複数の並列の流路２４１、２５１、２６１と前記第２の膨張部３２の一端に連通する合流流路２４３との接続部２４４にそれぞれ配設された圧力切換弁によって構成されているものである。
【００６２】
本第２実施形態の蓄冷型冷凍機は、ガス振動源としての圧縮機１と、該圧縮機１に連通した蓄冷器２と、該蓄冷器２に接続された吸熱器３１と、該吸熱器３１に連通した膨張部３と、該膨張部３の高温端に設けた位相制御機構４０とを備え、前記吸熱器３１で冷凍を生成する蓄冷型冷凍機において、前記第１実施形態と同様に前記蓄冷器２に連通する圧力連通部１０４が備えている前記開口調整手段１１、１２の開口度が経時的に急激に変化するので、圧力が矩形波状に変化するため、冷凍能力を向上させるという効果を奏する。
【００６３】
また本第２実施形態の蓄冷型冷凍機は、前記位相制御機構４０を構成する前記位相制御用のバッファタンク４、５、６の接続部７０に配設された前記開口調整手段７、８、９を構成する圧力切換弁の開口度が経時的に急激に変化して、圧力が矩形波状に変化するため、前記膨張部３としてパルス管を用いる本第２実施形態においては、上述の第１実施形態と同様に特に冷凍能力を向上させるという効果を奏する。
【００６４】
さらに本第２実施形態の蓄冷型冷凍機は、前記位相制御機構４０に加え、前記第２の位相制御機構２４０を付加するものであるので、前記第２の位相制御機構２４０を構成する前記位相制御用のバッファタンク２４、２５、２６の接続部２４４に配設された前記開口調整手段２７、２８、２９を構成する圧力切換弁の開口度が経時的に急激に変化して、圧力が矩形波状に変化するため、前記第２の膨張部３２としてパルス管を用いる本第２実施形態においては、特に冷凍能力を向上させるという効果を奏する。
【００６５】
すなわち本発明者らが行ったアクティブバッファ型パルス管冷凍機における試験では、従来の蓄冷型冷凍機のように円形および円弧状の開口を用いて開口調節手段の開口度を経時的に滑らかに増加させるよりも、本第２実施形態の蓄冷型冷凍機のように扇形の開口および矩形開口の開口度を急激に変化させて、圧力の変動を急激にした方が、表１から明らかなように追加した１３Ｋの前記第２の蓄冷器２２による第２段（第２ステージ）において特に２．１４Ｗ向上するので、冷凍能力が高いという結果が得られた。
【表１】
2005076894.tif 000003
【００６６】
さらに本第２実施形態における開口調節手段の開口部の穴形状の違いによる、開口面積の変化がどのようになるのか検討したので、以下説明する。
前記開口部の穴形状について、図６ないし図８に示されるようにロータリバルブの穴形状として「丸型」、「矩形」、「扇型」の３つの形状を比較検討した。
【００６７】
図６に示される「丸型」に対し図８に示される「扇型」は、特に開き始めの角度が数度のところにおいては、図９に示されるように開口面積が約２倍以上ある。この開き始めの開口面積の大きいことが性能向上につながっていると考えられる。
【００６８】
また開口面積と流量の関係についても検討した。
一般的に直管の場合、圧力損失の式としては、以下の数１のようになる。
ここでｆ：摩擦係数、Ｍ：質量流量（ｇ／ｃｍ２  Ｓ）＝ｍ／Ａ、Ｌ：長さ（ｃｍ）、ρ：密度（ｇ／ｃｍ３）、Ｄｅ：  相当直径（ｃｍ）である。
【数１】
2005076894.tif 000004
【００６９】
摩擦係数ｆ、長さＬ、密度ρ、相当直径Ｄｅが同一と仮定すると、上記数１は、以下の数２となる。
【数２】
2005076894.tif 000005
【００７０】
したがって、非常に単純化した計算ではあるが流量ｍは、流路断面積に比例する。そのため、「丸型」に対し「扇型」は、特に開き始めの開口面積が約２倍以上あるため、流量も２倍以上流れていると言うことが出来る。
【００７１】
さらに本第２実施形態におけるロータリバルブの穴形状を丸型としたものと扇型としたものとの性能の比較試験を行ったので、以下試験方法および試験結果について述べる。
【００７２】
（試験内容）
試験方法は、真空断熱容器に収められた２段パルス管冷凍機の低温ヘッドすなわちパルス管の低温端に温度センサを取り付けるとともにヒータを巻きつけ、このヒータに加える電気量（ヒータ量）と温度センサの温度指示値との関係を把握し、冷凍能力を評価する。
【００７３】
冷凍能力とは、○○Ｗ（ａｔ○○Ｋ）の表現で表す。冷凍機の性能は、消費電力と冷凍能力の関係で、少ない消費電力で大きな冷凍能力を持つ冷凍機が性能の高い冷凍機といえる。また、同じ冷凍能力でも温度レベルが低いほど性能は高いといえる。その理由は、後述するカルノー効率の項で詳述するが、同じ消費電力でも温度レベルが下がるほど冷凍能力が減少していくためである。
【００７４】
（試験結果）
試験結果は、表１に示される。
これは、ロータリバルブの蓄冷器側およびパルス管側のバルブの穴形状を「丸」型、「扇」型およびその組合せにした場合の第１段（第１ステージ）と第２段（第２ステージ）の冷凍能力を測定した。
【００７５】
蓄冷器側、パルス管側共（丸」型の場合に比較して、両者とも「扇」型の場合、第１段の冷凍能力はほぼ同じであるが、第２段の冷凍能力は、２．１Ｗ向上している。そのため、効果は穴形状変更の効果は大きいといえる。
【００７６】
また、蓄冷器側が「扇」型で、パルス管側が「丸」型の場合、１段冷凍能力が１．９Ｗ減少し、２段冷凍能力が１．０Ｗ上昇している。これは、冷凍機をトータルに考えると性能としては向上している。
【００７７】
この理由は、後述するカルノー効率の関係で冷凍機の冷凍能力を同じワット数を程度向上させるのに１段に対し２段は、約１３倍の電力がかかることから、１段の１．９Ｗの減少に対し２段の１Ｗ向上の方が価値が大きいことによる。
【００７８】
温度が下がるに伴い、冷凍能力を出すのが難しくなる理由として、カルノー効率が用いられる。閉サイクル冷凍機の効率の表現としては、通常、全消費動力ＷＡ  と冷凍出力ＱＥ  との比である成績係数ＣＯＰ、そのＣＯＰと理想ＣＯＰであるカルノー効率ηＣＡＲ  （＝ＴＥ  ／（ＴＣ  −ＴＥ  ））との比を％で表したパーセントカルノーが良く用いられる。
それらは次のような式の数３で表される。
ここで、ＴＣ  ：  圧縮温度（Ｋ）、ＴＥ  ：冷凍温度（Ｋ）である。
【数３】
2005076894.tif 000006
【００７９】
例として、後述する冷凍機例を一例としてあげる。この冷凍機は、２段式の冷凍機である。１段温度が約６５Ｋ、２段温度が約１３Ｋである。そのため、室温（≒３００Ｋ）から１段温度６５Ｋに冷凍する場合と、２段温度１３Ｋに冷却する場合とをそれぞれ検討する。
【００８０】
３００Ｋから６５Ｋに冷却する場合のカルノー効率は、以下の数４で表される。これは、理想状態の効率のため、パーセントカルノーが１００％の場合である。現実は圧力損失、熱侵入ロス、モータ損失等があり、一般的には、この温度レベルでは、パーセントカルノーが１０％程度であるため、ＣＯＰは、以下の数５となる。
【数４】
2005076894.tif 000007
【数５】
2005076894.tif 000008
【００８１】
つまり、１ｋＷの入力電力に対し１段（６５Ｋ）は、以下の数６で表される。
【数６】
2005076894.tif 000009
【００８２】
３００Ｋから１３Ｋに冷却する場合のカルノー効率は、以下の数７で表される。これは、理想状態の効率のため、パーセントカルノーが１００％の場合である。現実は圧力損失、熱侵入ロス、モータ損失等があり、一般的には、この温度レベルでは、パーセントカルノーが５％程度であるため、ＣＯＰは、以下の数８で表される。
【数７】
2005076894.tif 000010
【数８】
2005076894.tif 000011
【００８３】
つまり、１ｋＷの入力電力に対し１段（６５Ｋ）は、以下の数９で表される。すなわち、同じ入力電力により発生可能な冷凍能力は、１段（６５Ｋ）に対し、２段（１３Ｋ）は２７／２．１≒１３である。別の言い方をすれば、同じ冷凍能力を出すのに２段（１３Ｋ）は、１段（６５Ｋ）に対し１３倍の消費電力が必要である。
【数９】
2005076894.tif 000012
【００８４】
また、冷凍を発生させる技術的な難しさもほぼこの割合で説明できる。つまり、１段の１３Ｗの性能向上の努力は、２段の１Ｗの性能向上に匹敵することになる。
【００８５】
（第３実施形態）
本第３実施形態の蓄冷型冷凍機は、図１０に示されるヘリウム系冷凍機に本発明を適用したものである。
【００８６】
本第３実施形態のＨｅ系冷凍機における切換弁は、第１および第２蓄冷器側１１、１２と１段パルス管用バッファタンク入口の７、８、９および２段パルス管用バッファタンク入口７−２、８−２、９−２にそれぞれ配設されている。
【００８７】
前記第１蓄冷器２と前記切換弁１１とを接続する回路１０３と前記２段パルス管３２と前記切換弁２７、２８、２９とを接続する回路２４３とを接続する回路２４４にダブルインレットバルブ２１０が配設されている。
【００８８】
本第３実施形態における性能確認試験では、蓄冷器側とバッファタンク側両方の切換弁穴形状を変更し圧力波形を矩形波状にすることが最も性能上効果があることが確認されている。この理由として、以下の少なくとも３つが考えられる。
【００８９】
第１は、バッファタンク側の穴の開度変化を急峻にすることによりバッファタンクとパルス管間のガスの移動量（流量）が増加し、見かけ上バッファタンクが大きくなった効果があり、圧縮機から供給する流量が節約できる。
【００９０】
第２は、蓄冷器側とバッファタンク側両方の切換弁穴形状を変更することにより、圧力波形が矩形波に近づきＰＶ線図の面積が増加する。
【００９１】
第３は、パルス管内の気体（作動流体）の移動速度が速くなり、作動流体とパルス管壁との断熱性が向上し、パルス管部を経由するシャトルヒートリークが減少する。
【００９２】
上述の実施形態は、説明のために例示したもので、本発明としてはそれらに限定されるものでは無く、特許請求の範囲、発明の詳細な説明および図面の記載から当業者が認識することができる本発明の技術的思想に反しない限り、変更および付加が可能である。
【００９３】
上述の第１実施形態においては、一例として前記位相制御機構４０を並列に配設された３個の位相制御用のバッファタンク４、５、６によって構成する例について説明したが、本発明としてはそれらに限定されるものでは無く、図１１に示されるように前記位相制御機構４０を並列に配設された２個の位相制御用のバッファタンク４、６によって構成する変形例を採用することが出来る。
【００９４】
上述の第２実施形態においては、一例として前記位相制御機構４０および第２の位相制御機構２４０を並列に配設された３個の位相制御用のバッファタンク４、５、６、２４、２５、２６によって構成する例について説明したが、本発明としてはそれらに限定されるものでは無く、図１２に示されるように前記位相制御機構４０および第２の位相制御機構２４０を並列に配設された２個の位相制御用のバッファタンク４、６、２４、２６によって構成する変形例を採用することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態の蓄冷型冷凍機を示す回路図である。
【図２】本第１実施形態の蓄冷型冷凍機における圧力切換弁を示す横断面図である。
【図３】本第１実施形態の圧力切換弁における回転部および固定部の側壁に形成した扇形およで逆台形の開口部を示す側面図である。
【図４】本第１実施形態の圧力切換弁における回転部および固定部の外周部に形成した円形穴、長円形穴、矩形穴を示す底面図である。
【図５】本発明の第２実施形態の蓄冷型冷凍機を示す回路図である。
【図６】本第２実施形態の蓄冷型冷凍機における穴形状を丸型としたロータリバルブを構成する各部材を示す説明図である。
【図７】本第２実施形態の蓄冷型冷凍機における穴形状を矩形としたロータリバルブを構成する各部材を示す説明図である。
【図８】本第２実施形態の蓄冷型冷凍機における穴形状を扇形としたロータリバルブを構成する各部材を示す説明図である。
【図９】本第２実施形態の蓄冷型冷凍機における穴形状の相違による回転角度と開口面積の変化との関係を示す線図である。
【図１０】本発明の第３実施形態の蓄冷型冷凍機を示す回路図である。
【図１１】本発明の第１実施形態の変形例の蓄冷型冷凍機を示す回路図である。
【図１２】本発明の第２実施形態の変形例の蓄冷型冷凍機を示す回路図である。
【図１３】従来の蓄冷型冷凍機の圧力切換弁における回転部および固定部の側壁に形成した円形開口部および円弧状開口部を示す側面図である。
【符号の説明】
１  圧縮機
２  蓄冷器
３  膨張部
３１  吸熱器
７０、１０４  圧力連通部
７、８、９、１１、１２  開口調節手段
１０２、１１２  扇形の開口部
１０３、７０１、８０１、９０１  矩形の開口部
【図１】
2005076894.tif 000013
【図２】
2005076894.tif 000014
【図３】
2005076894.tif 000015
【図４】
2005076894.tif 000016
【図５】
2005076894.tif 000017
【図６】
2005076894.tif 000018
【図７】
2005076894.tif 000019
【図８】
2005076894.tif 000020
【図９】
2005076894.tif 000021
【図１０】
2005076894.tif 000022
【図１１】
2005076894.tif 000023
【図１２】
2005076894.tif 000024
【図１３】
2005076894.tif 000025