(57)【要約】【課題】  圧縮部と冷凍部が分離した構成にあるGM型パルス管冷凍機やＧＭ冷凍機などの蓄冷式冷凍機において、冷凍効率と冷凍能力を向上させること。【解決手段】  圧縮部２１と、蓄冷器２４を備えた冷凍部１２と、圧縮部２１から冷媒を冷凍部１２に供給する高圧弁２２と、冷凍部１２から冷媒を圧縮部２１に回収する低圧弁２３とを備えた蓄冷式冷凍機において、圧縮部２１から冷凍部１２に供給される冷媒の圧力を２．８ＭＰａ以上に、また、冷凍部１２から圧縮部２１に回収される冷媒の圧力を１ＭＰａ以上にして、冷凍効率と冷凍能力を同時に向上させる。【選択図】図１  
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒を加圧する圧縮機を備えた圧縮部と、蓄冷器を備え冷媒を膨張する冷凍部と、前記圧縮部から冷媒を前記冷凍部に供給する高圧弁と、前記冷凍部から冷媒を圧縮部に回収する低圧弁を備えた蓄冷式冷凍機において、前記圧縮部から高圧弁を介して冷凍部に供給される冷媒の圧力が２．８ＭＰａ以上であることを特徴とする蓄冷式冷凍機。
【請求項２】
請求項１において、前記冷凍部から低圧弁を介して圧縮部に回収される冷媒の圧力が１ＭＰａ以上であることを特徴とする蓄冷式冷凍機。
【請求項３】
請求項１、２のいずれか１項において、前記冷凍部が蓄冷器とパルス管を備えたＧＭ型パルス冷凍機として構成されるとともに、前記パルス管と連結した複数個の中圧バッファ弁と、前記複数個の中圧バッファ弁それぞれに連結した複数個の中圧バッファとを備え、前記高圧弁、低圧弁、複数個の中圧バッファ弁はその制御圧力の順番に開動作されることを特徴とする蓄冷式冷凍機。
【請求項４】
請求項１、２のいずれか１項において、冷凍部が多段膨張するＧＭ冷凍機として構成されたことを特徴とする蓄冷式冷凍機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は極低温用の冷凍機として使用されるＧＭ型パルス管冷凍機や、ギフォード・マクマホンサイクルを採用したＧＭ冷凍機などのように、圧縮部と冷凍部を分離させて構成した蓄冷式冷凍機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
蓄冷式冷凍機は、周知されているように、室温部に置かれる圧縮部と、低温部を構成する冷凍部で構成される。
【０００３】
すなわち圧縮部の圧縮機で圧縮された冷媒が、弁の開閉または圧縮ピストンと膨張ピストンの位相差によって、冷凍部に構成されている蓄冷器に導かれ、そこで予冷されたのち冷凍部低温端で膨張仕事に相当した寒冷を発生し、再び、蓄冷器を通って、次サイクルで吸気される冷媒を冷却するために蓄冷材を冷やしながら温度上昇して室温に戻り、圧縮部に回収される。
【０００４】
蓄冷式冷凍機は、この行程を１サイクルとして周期的に動作し、冷凍部低温端に寒冷を発生させるものである。
【０００５】
このような蓄冷式冷凍機の代表的なものとしては、ＧＭ型パルス管冷凍機、ＧＭ冷凍機、スターリング冷凍機などがある。
【０００６】
スターリング冷凍機の場合には、圧縮部を構成する圧縮ピストンと、冷凍部を構成する膨張ピストンとは、特定の位相差を保ちながら同期運転されるが、ＧＭ型パルス管冷凍機やＧＭ冷凍機では、冷凍部を構成するパルス管や、ディスプレーサピストンを単独に動作させるようにしてあるため、構成的には冷凍部から独立した圧縮部を採用することができる。
【０００７】
従ってＧＭ型パルス管冷凍機やＧＭ冷凍機では、圧縮部を構成する圧縮機としては回転型や往復動型など種々のものが選択できるし、圧縮機を高速回転させることにより、小型化および高効率化を図ることも出来る。
【０００８】
また、冷凍部が分離されているので、圧縮部からの振動が低減できるし、被冷却体への取付け性の良さや取扱いの簡便さなどの理由から極低温利用の様々な分野で使用されている。
【０００９】
この圧縮部と冷凍部が分離した構成にあるＧＭ型パルス管冷凍機やＧＭ冷凍機としては、周知されるように種々のものが提案されており、いずれも圧縮部で加圧された高圧、例えば１．８ＭＰａ（メガパスカル）から２ＭＰａ前後に圧縮された冷媒が、高圧弁を介して冷凍部に供給され、冷凍部で断熱膨張されてその低温端部が極低温に冷却される。
【００１０】
このような蓄冷式冷凍機における膨張は基本的にはサイモン膨張であり、冷凍部低温端での寒冷発生量（以下では冷凍能力と表現する）は原理的に、膨張前後の圧力差と膨張容積に比例し、冷凍効率（＝冷凍能力／消費電力）は膨張前後の圧力比に反比例するので、この冷凍能力と冷凍効率を向上させるためいろいろな改良が提案されている。
【００１１】
例えば特許文献１は、ＧＭ型パルス管冷凍機の一例で、この構成は、図３に示すように蓄冷器２４'、低温熱交換器２５'、パルス管２６'及び高温熱交換器２７'が順次直列に連結されて構成された冷凍部１２'と、圧縮部２１'、高圧弁２２'及び低圧弁２３'を有し、高圧弁２２'及び低圧弁２３'を介して前記蓄冷器２４'と圧縮部２１’とが連結されて冷凍部１２'の内部の冷媒に圧力変動を発生させる圧力振動装置１１'を備えている。
【００１２】
さらにまた圧縮部２１'の吐出圧力である高圧側圧力Ｐｈと吸入圧力である低圧側圧力Ｐｌとの中間圧力である第１中圧Ｐｍ１を有し、第１中圧バッファ弁１４'を介して高温熱交換器２７'に連結されてパルス管２６'内部の冷媒の圧力変動と位置変動との位相差を調節する第１中圧バッファ１３'と、第１中圧よりも高い圧縮部２１'の高圧側圧力Ｐｈと低圧側圧力Ｐｌとの中間である第２中圧をＰｍ２有し、第２中圧バッファ弁１６'を介して高温熱交換器２７'に連結されてパルス管２６'内部の冷媒の圧力変動と位置変動との位相差を調節する第２中圧バッファ１５'とを備え、高圧弁２２'、低圧弁２３'、第１中圧バッファ弁１４'及び第２中圧バッファ弁１６'は、その制御圧力の順番に開動作するように構成されている。
【００１３】
この特許文献１の例のＧＭ型パルス管冷機における回路内の圧力状態としては、まず圧縮部２１'の吐出圧力である高圧側圧力Ｐｈは、２ＭＰａに設定されておりまた、吸入圧力である低圧側圧力Ｐｌは、１ＭＰａに設定されているので、上記したように、この冷凍機の冷凍能力に比例する膨張前後の高圧側圧力Ｐｈと低圧側圧力Ｐｌの圧力差（Ｐｈ―Ｐｌ）は１ＭＰａに、冷凍効率に関与する圧力比（Ｐｈ／Ｐｌ）は２となっている。
【００１４】
さらに、第１中圧バッファ１３'内の圧力である第１中圧Ｐｍ１は、圧縮部２１'の高圧側圧力Ｐｈである２ＭＰａと、低圧側圧力Ｐｌである１ＭＰａの間をほぼ三等分したときの低い方の圧力である１．３３ＭＰａ前後に、第２中圧バッファ１５内の圧力としての第２中圧Ｐｍ２は、圧縮部２１'の高圧側圧力Ｐｈである２ＭＰａと、低圧側圧力Ｐｌである１ＭＰａの間をほぼ三等分したときの高い方の圧力である１．６６ＭＰａ前後となっている。
【００１５】
従って例えば高圧弁２２'、低圧弁２３'、第１中圧バッファ弁１４'及び第２中圧バッファ弁１６'を互いにほぼ重なり合わないように開状態として、この冷凍サイクルを進行させた場合には、同サイクルの各段階での冷媒圧力の動作過程は、各隣接する中間圧力などが介在されることにより形成される比較的小さな圧力差のもとで行われる。
【００１６】
このため所要の圧力状態とするために、圧縮部２１'からパルス管２６'の低温端２６ａ’に対して流入出する冷媒の移動量及び、第１中圧バッファ１３'、第２中圧バッファ１５'から、パルス管２６'の高温端２６ｂ'に対して、流入出する冷媒の移動量はそれぞれ低減される。
【００１７】
そしてこれら冷媒の移動量の低減に伴い、圧縮部２１'の負荷（消費電力）は低減されるし、冷媒の移動量の低減によりパルス管高温端２６ｂ'からパルス管低温端２６ａ'に向かって侵入する熱量（エンタルピ）に基づくパルス管２６'の熱損失、ならびに蓄冷器２４'に蓄熱されずその蓄冷器高温端２４ｂ'から蓄冷器低温端２４ｃ'に流れる熱量（エンタルピ）に基づくいわゆる再生熱損失も改善され、ＧＭ型パルス管冷凍機１０'としての冷凍効率は向上され、冷凍能力も向上する。
【００１８】
さらにまた、高圧弁２２'、低圧弁２３'、第１中圧バッファ弁１４'及び第２中圧バッファ弁１６'を、比較的小さな圧力差の下で開動作することで、熱力学的に不可逆的な過程である不等圧力下での弁の開動作に基づく損失、いわゆる弁損失も低減され、圧縮部２１'の負荷（消費電力）は低減されるようになっている。
【００１９】
上記のように、特許文献１では、ＧＭ型パルス管冷凍機１０'の回路内の圧力状態としては、膨張前の高圧側圧力Ｐｈを２ＭＰａに、膨張後の低圧側圧力Ｐｌを１ＭＰａに設定して、冷凍能力に比例する膨張前後の圧力差（Ｐｈ―Ｐｌ）を１ＭＰａに、冷凍効率に関与する圧力比（Ｐｈ／Ｐｌ）を２としているが、第１中圧バッファ１３'、第２中圧バッファ１５'を設けることで冷媒の移動量及び弁損失などを低減させ、これにより冷凍効率と冷凍能力を向上させている。
【００２０】
次に、特許文献２は、ＧＭ冷凍機を例とした圧縮部と冷凍部が分離した構成にある蓄冷式冷凍機で、圧縮部の高圧側経路と低圧側経路とが、圧力調整弁を備えたバイパス経路により連結され、該圧力調整弁は、前記低圧側経路の圧力が所定圧力以下となったときに開弁して、高圧側経路から低圧側経路へ冷媒をバイパスするように構成されている。
【００２１】
従って該圧力調整弁によって、低圧側経路の圧力が所定圧力に低下するまでは、高圧側経路の冷媒が低圧側経路にバイパスされることはなく、圧縮機で圧縮された全ての冷媒が冷凍部に供給されるようになっているので、安定して高い冷凍能力が保持できるようにしている。
【００２２】
この特許文献２では、ＧＭ型冷凍機回路内の圧力状態の例としては、圧縮機の吐出圧力である高圧側圧力は２ＭＰａ前後に、吸入圧力である低圧側圧力は０．５ＭＰａ前後に、また圧力調整弁の設定圧力は０．４ＭＰａ前後にそれぞれ設定しているので、この冷凍機の冷凍能力に比例する膨張前後の高圧側圧力Ｐｈ（＝２ＭＰａ）と低圧側経路の圧力Ｐｌ（＝０．５ＭＰａ）の圧力差（Ｐｈ―Ｐｌ）は，（２ＭＰａ―０．５ＭＰａ）すなわち１．５ＭＰａ前後に、冷凍効率に関与する膨張前後の圧力比（Ｐｈ／Ｐｌ）は，（２ＭＰａ／０．５ＭＰａ）すなわち４前後となっている。
【００２３】
なお圧力調整弁の設定圧力は、０．４ＭＰａ前後に設定されているので、低圧側圧力が０．４ＭＰａになるまでは、高圧側経路の冷媒が低圧側経路にバイパスされることなく、圧縮機で圧縮された全ての冷媒が冷凍部に安定的に供給され、冷凍能力は保持されまま運転できる。
【特許文献１】特許第３３１４７６９
【特許文献２】特開２０００−２６６４１６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２４】
ところで、圧縮部と冷凍部が分離した構成にあるＧＭ型パルス管冷凍機やＧＭ冷凍機は、室温部におかれて冷媒を加圧する圧縮機を備えた圧縮部と、低温部におかれて蓄冷器を備え冷媒を膨張させる冷凍部で構成され、圧縮機で圧縮されて放熱された常温の高圧の冷媒が、弁を介して蓄冷器に導かれ予冷されたのち、冷凍部低温端で断熱膨張して極低温に冷却される。
【００２５】
このように圧縮部と冷凍部が分離した構成にあるＧＭ型パルス管冷凍機やＧＭ冷凍機は、上記したように熱力学的にはサイモン膨張とよばれる不可逆膨張によって寒冷発生を行っているため膨張にともなう非効率が発生し、その冷凍効率は理想的なカルノー効率に比較して低い。
【００２６】
従ってこの種の冷凍機の冷凍効率（ηとする）の低下を抑えるためには、原理的には、膨張前後の圧力比を小さくすることが必要で、いま、圧縮機から供給される膨張前の高圧側圧力をＰｈ、膨張後の低圧側圧力をＰｌとすると、膨張前後の圧力比（Ｐｈ／Ｐｌ）は出来るだけ小さくする必要がある。
【００２７】
一方、この種の冷凍機の冷凍能力（Ｑとする）を向上させるには、理想気体の場合、原理的には冷凍能力Ｑは冷媒の膨張仕事に等しく、膨張前の高圧側圧力をＰｈ、膨張後の低圧側圧力をＰｌとすると、冷凍能力Ｑは膨張容積Ｖと膨張前後の圧力差（Ｐｈ―Ｐｌ）との積、すなわちＱ＝Ｖ（Ｐｈ―Ｐｌ）となるので、この冷凍能力であるＱ＝Ｖ（Ｐｈ―Ｐｌ）を増加させるには、膨張容積Ｖを一定とした場合、膨張前後の圧力差（Ｐｈ―Ｐｌ）を大きくする必要がある。
【００２８】
従って冷凍効率ηを上げ、同時に冷凍能力Ｑを向上させるためには、圧力比（Ｐｈ／Ｐｌ）を小さくすると同時に、圧力差（Ｐｈ―Ｐｌ）を大きくすることが必要で、そのためには出来る限り冷媒の高圧側圧力Ｐｈを高くする必要がある。
【００２９】
しかしながら従来これらの圧縮部と冷凍部が分離した構成にあるＧＭ型パルス管冷凍機やＧＭ冷凍機では、例えばフロン系冷媒Ｒ２２などを使用した耐圧性の比較的低い空調用圧縮機を転用したり、冷凍機各部の耐圧性や蓄冷器効率などに課題があり、特許文献１や特許文献２にもあるように、膨張前の高圧側圧力Ｐｈは、いずれも２MＰａ前後にして設計、製作されていた。
【００３０】
従って、冷凍能力Ｑ＝Ｖ（Ｐｈ―Ｐｌ）を向上させるために、圧力差（Ｐｈ―Ｐｌ）を大きくなるようにしようとしても、膨張前の高圧側圧力Ｐｈが２ＭＰａ前後にとどまっているので、圧力差（Ｐｈ―Ｐｌ）は１．５ＭＰａ前後以上となることはなく、この圧力差（Ｐｈ―Ｐｌ）を増加させることによっては冷凍能力をそれ以上にすることは出来ないという問題があった。
【００３１】
また冷凍効率ηについても、高圧側圧力Ｐｈが２ＭＰａ前後にとどまっていたので、冷凍能力Ｑ＝Ｖ（Ｐｈ―Ｐｌ）を確保するために、上記のように圧力差（Ｐｈ―Ｐｌ）を大きくしようとすると、低圧側圧力Ｐｌを小さくせざるを得ず、その結果、低圧側圧力Ｐｌが小さくなる分、膨張前後の圧力比（Ｐｈ／Ｐｌ）は大きくなって、不可逆膨張にともなう非効率性が大きくなり、冷凍効率が低くなるという問題があった。
【００３２】
本発明はこのような実情に鑑みてなされたものであり、圧縮部と冷凍部が分離した構成にあるＧＭ型パルス管冷凍機やＧＭ冷凍機などの蓄冷式冷凍機において、冷凍能力と冷凍効率とを同時に向上させることを技術的課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００３３】
上記した技術的課題を解決するためになされた請求項１の発明は、
冷媒を加圧する圧縮機を備えた圧縮部と、蓄冷器を備え冷媒を膨張する冷凍部と、前記圧縮部から冷媒を前記冷凍部に供給する高圧弁と、前記冷凍部から冷媒を圧縮部に回収する低圧弁を備えた蓄冷式冷凍機において、前記圧縮部から高圧弁を介して冷凍部に供給される冷媒の圧力が２．８ＭＰａ以上であることを特徴とする蓄冷式冷凍機としたことである。
【００３４】
また上記技術課題を解決するにあたり、請求項２のように、前記冷凍部から低圧弁を介して圧縮部に回収される冷媒の圧力は１ＭＰａ以上とすることが好ましい。
【００３５】
また上記技術課題を解決するにあたり、請求項３のように、前記冷凍部が蓄冷器とパルス管を備えたＧＭ型パルス冷凍機として構成されるとともに、前記パルス管と連結した複数個の中圧バッファ弁と、前記複数個の中圧バッファ弁それぞれに連結した複数個の中圧バッファとを備え、前記高圧弁、低圧弁、複数個の中圧バッファ弁はその制御圧力の順番に開動作されるようにすることが好ましい。
【００３６】
また上記技術課題を解決するにあたり、請求項４のように、冷凍部が多段膨張するＧＭ冷凍機として構成されることが好ましい。
【発明の効果】
【００３７】
請求項１に記載の発明によれば、圧縮部と冷凍部を分離して高圧弁と低圧弁で連結した構成にあるＧＭ型パルス管冷凍機やＧＭ冷凍機などの蓄冷式冷凍機において、圧縮部から冷凍部に高圧弁を介して供給される冷媒の高圧側圧力を、従来技術の２ＭＰａ前後から２．８ＭＰａ以上に高めることにより、膨張前後の圧力比を低減することにより、冷凍能力Ｑと冷凍効率ηをともに同時に向上させることができる。
【００３８】
すなわち、いま、膨張前の高圧側圧力をＰｈ、膨張後の低圧側圧力をＰｌとすると、冷凍能力Ｑに比例する膨張前後の圧力差（Ｐｈ―Ｐｌ）を同じ圧力差とした場合には、高圧側圧力Ｐｈが高くなった分、圧力比（Ｐｈ／Ｐｌ）を小さくして冷凍効率ηを上げることができるし、また、冷凍効率ηに反比例する膨張前後の圧力比（Ｐｈ／Ｐｌ）を同じ圧力比とした場合には、高圧側圧力Ｐｈが高くなった分、膨張前後の圧力差（Ｐｈ―Ｐｌ）を大きくすることが出来て，冷凍能力Ｑを向上させることができる。
【００３９】
例えば、いま、膨張容積Ｖ、圧力比（Ｐｈ／Ｐｌ）を特許文献１と同じ圧力比の２として、高圧側圧力Ｐｈを本実施形態の２．８ＭＰａ以上である一例として３ＭＰａとした時と、特許文献１における高圧側圧力Ｐｈを２ＭＰａとしたときの理想状態での冷凍能力Ｑ＝Ｖ（Ｐｈ―Ｐｌ）とを比較する。
【００４０】
まず高圧側圧力Ｐｈが３ＭＰａの場合の理想状態での冷凍能力Ｑ１＝Ｖ（Ｐｈ―Ｐｌ）は、圧力比（Ｐｈ／Ｐｌ）が２であり、低圧側圧力Ｐｌは１．５ＭＰａとなるので、膨張前後の圧力差（Ｐｈ―Ｐｌ）は，（３ＭＰａ―１．５ＭＰａ）＝１．５ＭＰａとなり、いま、比較のために各物理量の単位を同一とすることにして省略すると、冷凍能力Ｑ１＝Ｖ（Ｐｈ―Ｐｌ）＝１．５×Ｖとなる。
【００４１】
一方、特許文献１における高圧側圧力Ｐｈが２ＭＰａの場合の理想状態での冷凍能力Ｑ２＝Ｖ（Ｐｈ―Ｐｌ）は、圧力比（Ｐｈ／Ｐｌ）が２であり、低圧側圧力Ｐｌは１ＭＰａとなるので、膨張前後の圧力差（Ｐｈ―Ｐｌ）は、（２ＭＰａ―１ＭＰａ）＝１ＭＰａとなり、いま、比較のために各物理量の単位を同一として省略すると、冷凍能力Ｑ２＝Ｖ（Ｐｈ―Ｐｌ）＝１×Ｖとなる。
【００４２】
このように膨張前後の圧力比（Ｐｈ／Ｐｌ）を同じように２とした時の、高圧側圧力Ｐｈが３ＭＰａの場合の冷凍能力Ｑ１と特許文献１における高圧側圧力Ｐｈを２ＭＰａとした場合の冷凍能力Ｑ２を比較すると、冷凍能力は高圧側圧力Ｐｈが高くなったことにより（Ｑ１−Ｑ２）＝（１．５Ｖ−Ｖ）＝０．５Ｖだけ向上することがわかる。
【００４３】
請求項２に記載の発明によれば、冷凍部から圧縮部に回収される冷媒の低圧側圧力を１ＭＰａ以上としていることにより、例えば、膨張前の圧縮部から供給される高圧側圧力をＰｈ、膨張後の圧縮部に回収される低圧側圧力をＰｌとすると、冷媒の高圧側圧力Ｐｈが２．８ＭＰａ以上に設定されても、膨張後の低圧側圧力Ｐｌも１ＭＰａ以上となっているので、圧力比（Ｐｈ／Ｐｌ）は２．８以下の小さな値を設定できる。
【００４４】
すなわち蓄冷式冷凍機のように不可逆的膨張によって寒冷発生を行っている場合には、冷凍効率ηを向上させるには、上記したように膨張前後の圧力比を小さくすることが必要であるが、上記のように冷凍能力Ｑを向上させるために高圧側圧力Ｐｈが２．８ＭＰａ以上に設定されても、低圧側圧力Ｐｌも１ＭＰａ以上となっているので、圧力比（Ｐｈ／Ｐｌ）は２．８以下の小さな値を設定でき高い冷凍効率を確保できる。
【００４５】
例えば膨張前後の圧力差（Ｐｈ―Ｐｌ）を１．５ＭＰａとして、同じ冷凍能力Ｑを確保しようとする場合、高圧側圧力Ｐｈを本実施形態の２．８ＭＰａ以上である一例として３ＭＰａとした時と、高圧側圧力Ｐｈを特許文献１と同じ２ＭＰａとした時の理想状態での圧力比を比較すると、高圧側圧力Ｐｈを３ＭＰａとした時には、低圧側圧力Ｐｌは１．５ＭＰａとなり、膨張前後の圧力比（Ｐｈ／Ｐｌ）は２となる。
【００４６】
一方、高圧側圧力Ｐｈが２ＭＰａの場合は、圧力差（Ｐｈ―Ｐｌ）が１．５ＭＰａであるので，低圧側圧力Ｐｌは０．５ＭＰａとなって、膨張前後の圧力比（Ｐｈ／Ｐｌ）は４となり、高圧側圧力Ｐｈが３ＭＰａの時の圧力比２に対し大幅に大きくなる。
【００４７】
このように膨張前後の圧力差（Ｐｈ―Ｐｌ）を１．５ＭＰａとした時の、高圧側圧力Ｐｈが３ＭＰａの場合の圧力比（Ｐｈ／Ｐｌ）と、特許文献１における高圧側圧力Ｐｈを２ＭＰａとした場合の圧力比（Ｐｈ／Ｐｌ）を比較すると、圧力比（Ｐｈ／Ｐｌ）は、高圧側圧力Ｐｈが３ＭＰａの場合は２、高圧側圧力Ｐｈが２ＭＰａの場合は４となり、高圧側圧力Ｐｈが高い方が小さくなるので、この圧力比が小さくなった分、非可逆膨張にともなう冷凍損失が減少して冷凍効率が向上することがわかる。
【００４８】
請求項３に記載の発明によれば、冷凍部にパルス管を備えたＧＭパルス管冷凍機において、前記パルス管と中圧バッファ弁で連結した中圧バッファとを備え、前記中圧バッファ弁で連結した中圧バッファは複数個で構成して、高圧弁、低圧弁、各中圧バッファ弁をほぼ重なり合わないように開状態としてこの冷凍サイクルを進行させた場合には、同冷凍サイクル中の各動作段階における冷媒の圧力変化は、サイクル中での各動作段階の隣接する中間圧力などにより形成される比較的小さな圧力比のもとで行うことが出来るし、また、圧縮部から供給される冷媒の高圧側圧力を、従来の２ＭＰａ前後から２．８ＭＰａ以上に高くして、冷凍能力に比例する膨張前後の高圧側圧力と低圧側圧力との圧力差を、いま、同じにして圧力状態を比較すると、上記サイクル中での各動作段階の隣接する中間圧力などにより形成される比較的小さな前記圧力比は、高圧側圧力を増加させた分、小さく出来る。
【００４９】
従って、特許文献１にある、各動作段階において所要の圧力状態とするために、圧縮部からパルス管の低温端に対して流入する冷媒の移動量、及び各中圧バッファからパルス管高温端に流入出する冷媒の移動量はそれぞれ低減されるので圧縮部の負荷（消費電力）が低減されることに加えて、本実施形態ではさらに高圧弁、低圧弁、各中圧バッファ弁も比較的小さな圧力比のもとで開動作することが出来るので、熱力学的に不可逆な過程である不等圧下での弁の開動作に基づく損失、いわゆる弁損失などの圧力比にともなう各損失は低減され、その分、圧縮部の負荷（消費電力）は低減され、冷凍効率は向上する。
【００５０】
請求項４に記載の発明によれば、冷凍部が膨張室とディスプレーサピストンで構成されるＧＭ冷凍機において、前記膨張室とディスプレーサピストンで構成される冷凍部は同時に多段に膨張するように構成されることで、従来の特許文献２にあるように蓄冷器における熱力学的に不可逆な過程である不等圧下、不等温下での冷媒移動にともなう損失、いわゆる蓄冷器損失を小さくするようになっているが、本実施形態ではさらに圧縮部から供給される冷媒の高圧側圧力を、従来の２ＭＰａ前後から２．８ＭＰａ以上に高くすることにより、冷凍能力が比例する膨張前後の高圧側圧力と低圧側圧力との圧力差を同じにした場合には、膨張前後の圧力比が小さくなるので、上記蓄冷器における熱力学的に不可逆な過程である不等圧下での冷媒移動に基づく損失を小さくすることが出来、その分、圧縮部の負荷（消費電力）は低減され、冷凍効率は向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５１】
以下本発明を具体化したＧＭ型パルス管冷凍機の実施形態について、パルス管に第１中圧バッファ弁で連結した第１中圧バッファと第２中圧バッファ弁で連結した第２中圧バッファとを備えた例で、図１〜図６に基づき説明する。
【００５２】
図１は本発明に係るＧＭ型パルス管冷凍機での実施形態を示す構成概略図で、本実施形態におけるＧＭ型パルス管冷凍機１０は、圧力振動装置１１と、冷凍部１２と、第１中圧バッファ１３及び第１中圧バッファ弁１４と、第２中圧バッファ１５及び第２中圧バッファ弁１６と、制御装置１７とを備えている。
【００５３】
前記圧力振動装置１１は、ＧＭ型パルス管冷凍機１０内に充填してあるヘリウムなどの冷媒に圧力振動を発生させるもので、圧縮部２１、高圧弁２２及び低圧弁２３を備えている。
【００５４】
また圧縮部２１の吐出口２１ａは、高圧弁２２を介して冷凍部１２に接続されており、一方、吸入口２１ｂは、低圧弁２３を介して同冷凍部１２に接続されている。
【００５５】
この圧力振動装置１１は、これら高圧弁２２及び低圧弁２３が上記制御装置１７により、所定のタイミングで開閉制御されることで、上記ＧＭ型パルス管冷凍機１０の冷凍部１２内の冷媒に圧力振動を発生させる。
【００５６】
なお、本実施形態においては、上記圧縮部２１の吐出圧力である高圧側圧力Ｐｈは２．８ＭＰａ以上に設定しているが、以下の説明ではこの高圧側圧力Ｐｈを２．８ＭＰａ以上の中の１例として３ＭＰａとする。
【００５７】
また本実施形態においては、上記圧縮部２１の吸入圧力である低圧側圧力Ｐｌは１ＭＰａ以上に設定しているが、以下の説明では高圧側圧力Ｐｈと低圧側圧力Ｐｌの圧力比（Ｐｈ／Ｐｌ）を、特許文献１と同じ２として冷凍能力を比較することができるように、この低圧側圧力Ｐｌを１ＭＰａ以上の中の１例として１．５ＭＰａとする。
【００５８】
前記冷凍部１２は、蓄冷器２４、低温熱交換器２５、パルス管２６及び高温熱交換器２７が順次直列に連結されて構成される。
【００５９】
上記蓄冷器２４は、例えばステンレス、りん青銅などのメッシュからなる蓄冷材２４ａが充填されたもので、上記のように高温側に蓄冷器高温端２４ｂ及び低温側に蓄冷器低温端２４ｃを有している。
【００６０】
この蓄冷器高温端２４ｂは，上記圧力振動装置１１に連結されており、蓄冷器低温端２４ｃは，上記低温熱交換器２５に連結されている。
【００６１】
この蓄冷器２４は、冷媒が上記低温熱交換器２５側に向かって内部を進行する際に同冷媒を徐々に冷却し、反対に上記圧力振動装置１１側に向かって進行する際には同冷媒を徐々に温めるように冷媒との熱交換を行う。
【００６２】
上記蓄冷器２４の蓄冷器低温端２４ｃに連結された低温熱交換器２５は，低温発生部となっている。
【００６３】
この低温熱交換器２５は、同低温熱交換器２５に接触された被冷却体から効率よく熱を奪うため、例えば冷媒の流れ方向に沿って規則的な多数の穴を有して、たとえば銅等の熱伝導性に優れた材料により形成されている。
【００６４】
上記低温熱交換器２５に連結されたパルス管２６は、その一端（低温熱交換器２５側）及び他端（高温熱交換器２７側）にそれぞれパルス管低温端２６ａ及びパルス管高温端２６ｂを有する中空の管である。
【００６５】
このパルス管２６は、そのパルス管高温端２６ｂ側の熱が熱伝導によって低温熱交換器２５に伝達されるのを防止するために、例えばステンレス鋼などの熱伝導性の小さい材料により形成されている。
【００６６】
上記パルス管２６に連結された高温熱交換器２７は、例えば冷媒の流れ方向に沿って規則的な多数の穴を有して、例えば銅等の熱伝導性に優れた材料により形成されている。
【００６７】
また、この高温熱交換器２７は、内部を流れる冷媒の熱を外部に放出することで、上記パルス管高温端２６ｂを冷却するためのもので、上記第１中圧バッファ弁１４及び第２中圧バッファ弁１６に連結されている。
【００６８】
前記第１中圧バッファ弁１４は、上記冷凍部１２及び第１中圧バッファ１３の間に介設されており、上記制御装置１７により所定のタイミングで開閉制御されることで、上記冷凍部１２内の冷媒の圧力変動と位置変動を調節する。
【００６９】
また、上記第１中圧バッファ１３は、例えば冷凍部１２内の容積よりも大きな容積を有して形成されており、その内部の冷媒は上記圧縮部２１の高圧側圧力Ｐｈ（吐出圧力：３ＭＰａ）及び低圧側圧力Ｐｌ（吸入圧力：１．５ＭＰａ）の間をほぼ三等分したときの低い方の圧力（≒２ＭＰａ）である第１中圧Ｐｍ１になっている。
【００７０】
前記第２中圧バッファ弁１６は、上記冷凍部１２及び第２中圧バッファ１５の間に介設されており、上記制御装置１７により所定のタイミングで開閉制御されることで、同様に冷凍部１２内の冷媒の圧力変動と位置変動を調節する。
【００７１】
また上記第２中圧バッファ１５は、例えば上記第１中圧バッファ１３と同等の容積を有して形成されており、その内部の冷媒は上記圧縮部２１の高圧側圧力Ｐｈ（吐出圧力：３ＭＰａ）及び低圧側圧力Ｐｌ（吸入圧力：１．５ＭＰａ）の間をほぼ三等分したときの高い方の圧力（≒２．５ＭＰａ）である第１中圧Ｐｍ２になっている。
【００７２】
上記制御装置１７は、上記高圧弁２２、低圧弁２３、第１中圧バッファ弁１４及び第２中圧バッファ弁１６を所定のタイミングでそれぞれ開閉する。
【００７３】
次に本実施形態におけるＧＭ型パルス管冷凍機１０の動作について、図２に基づき説明する。
【００７４】
図２は、本発明に係るＧＭ型パルス管冷凍機１０の実施形態における各開閉弁動作状況と圧力状態を示すグラフである。
【００７５】
なお該ＧＭパルス管冷凍機１０の１サイクル内の動作は、以下に説明する６つの段階（第１段階ａ，第２段階ｂ，第３段階ｃ，第４段階ｄ，第５段階ｅ，第６段階ｆとする）からなり、各段階は上記高圧弁２２、低圧弁２３、第１中圧バッファ弁１４及び、第２中圧バッファ弁１６の各開閉状態に対応して区分されている。
【００７６】
図２では、この１サイクル内での６つの各動作段階における、上記高圧弁２２、低圧弁２３、第１中圧バッファ弁１４及び、第２中圧バッファ弁１６の開閉状態と、冷凍部１２内の圧力状態を示している。
【００７７】
また図２において上記高圧弁２２、低圧弁２３、第１中圧バッファ弁１４及び、第２中圧バッファ弁１６ごとに描画された太実線はその開状態を示し、同細実線はその閉状態を示すものとする。
【００７８】
以下、本実施形態のＧＭ型パルス管冷凍機１０の１サイクル内の動作について、上記の６つの各段階ごとに説明する。
【００７９】
第１段階ａ（圧縮前期過程）：低圧弁２３を閉状態とするとほぼ同時に第１中圧バッファ弁１４を開状態とし、高圧弁２２及び第２中圧バッファ弁１６の閉状態を保持した状態である。
【００８０】
この状態では、第１中圧Ｐｍ１（≒２ＭＰａ）に保持された第１中圧バッファ１３内の冷媒が、第１中圧バッファ弁１４を介して、パルス管高温端２６ｂからその内部に流入する。
【００８１】
この場合、圧力損失の少ない第１中圧バッファ弁１４を介して、第１中圧バッファ１３とパルス管２６とが連通状態とされるので、同パルス管２６内の圧力はすみやかに低圧側圧力：Ｐｌ（１.５ＭＰａ）から、第１中圧バッファ１３の圧力である第１中圧Ｐｍ１（≒２ＭＰａ）まで上昇する。
【００８２】
第２段階ｂ（圧縮中期過程）：第１中圧バッファ弁１４を閉状態とするとほぼ同時に、第２中圧バッファ弁１６を開状態にした状態である。
【００８３】
この状態では第２中圧Ｐｍ２（≒２.５ＭＰａ）に保持された第２中圧バッファ１５内の冷媒が、中圧バッファ弁１６を介してパルス管高温端２６ｂからその内部に流入する。
【００８４】
この場合も圧力損失の少ない第２中圧バッファ弁１６を介して、第２中圧バッファ１４とパルス管２６とが連通状態とされるので、同パルス管２６内の圧力はすみやかに第１中圧Ｐｍ１（≒２ＭＰａ）から、第２中圧バッファ１５の圧力である第２中圧Ｐｍ２（≒２.５ＭＰａ）まで上昇する。
【００８５】
第３段階ｃ（圧縮後期過程）：第２中圧バッファ弁１６を閉状態とするとほぼ同時に、高圧弁２２を開状態にした状態である。
【００８６】
この状態では、高圧側圧力Ｐｈ（３ＭＰａ）である圧縮部２１の吐出口２１ａから冷媒が高圧弁２２を介して、パルス管低温端２６ａからパルス管２６の内部に流入し、パルス管２６の圧力は高圧側圧力Ｐｈ（３ＭＰａ）まで上昇する。
【００８７】
第４段階ｄ（膨張前期過程）：高圧弁２２を閉状態とするとほぼ同時に、第２中圧バッファ弁１６を開の状態とした状態である。
【００８８】
この状態では、パルス管２６内に流入した第２中圧バッファ１５からの冷媒が、パルス管高温端２６ｂから第２中圧バッファ弁１６を介して、第２中圧バッファ１５内へと流出する。
【００８９】
この場合、圧力損失の少ない第２中圧バッファ弁１６を介して、第２中圧バッファ１５とパルス管２６とが連通状態とされるので、同パルス管２６内の圧力はすみやかに高圧側圧力：Ｐｈ（３ＭＰａ）から、第２中圧バッファ１５の圧力である第２中圧Ｐｍ２（≒２.５ＭＰａ）まで低下する。
【００９０】
この圧力低下によりパルス管２６内の冷媒が断熱膨張し、温度低下する。
【００９１】
第５段階ｅ（膨張中期過程）：第２中圧バッファ弁１６を閉状態とするとほぼ同時に、第１中圧バッファ弁１４を開状態とした状態である。
【００９２】
この状態では、パルス管２６内に流入した第１中圧バッファ１３からの冷媒がさらにパルス管高温端２６ｂから、第１中圧バッファ弁１４を介して、第１中圧バッファ１３内へ流出する。
【００９３】
この場合も、圧力損失の少ない第１中圧バッファ弁１４を介して、第１中圧バッファ１３とパルス管とが連通状態とされるので、同パルス管２６内の圧力はすみやかに第２中圧Ｐｍ２（≒２.５ＭＰａ）から第１中圧バッファ１３の圧力である第１中圧Ｐｍ１（≒２ＭＰａ）まで低下する。
【００９４】
この圧力低下によりパルス管２６内の冷媒が断熱膨張し、温度低下する。
【００９５】
第６段階ｆ（膨張後期過程）：第１中圧バッファ弁１４を閉状態とするとほぼ同時に、低圧弁２３を開状態にした状態である。
【００９６】
この状態では、蓄冷器２４の蓄冷器高温端２４ｂからの冷媒が、低圧弁２３を介して圧縮部２１の吸入口２１ｂへと吸入され、パルス管２６内の圧力は低圧側圧力Ｐｌ（１．５ＭＰａ）まで低下する。
【００９７】
このとき、パルス管２６内で断熱膨張して温度低下した冷媒が低温熱交換器２５へと移動することで、同低温熱交換器２５との間で熱交換を行い、第１段階ａ（圧縮前期過程）の状態に戻る。
【００９８】
以上第１段階aから第６段階ｆまでの一連の動作を１サイクルとし、これを繰り返すことによりパルス管冷凍機１０の低温熱交換器２５において効率よく極低温を発生するものである。
【００９９】
本実施形態では上記したように、圧縮部２１の吐出圧力である高圧側圧力Ｐｈを２．８ＭＰａ以上（説明例では３ＭＰａとした）に設定して、冷媒の膨張前後圧力比を下げ非可逆膨張にともなう損失を低減し冷凍効率と冷凍能力を向上させるようにしているが、従来この種の圧縮部と冷凍部が分離した構成にあるＧＭ型パルス管冷凍機やＧＭ冷凍機における圧縮部２１の吐出圧力である高圧側圧力Ｐｈは、既述した特許文献１や特許文献２にもあるように最も高いものでもせいぜい２ＭＰａ前後にとどまっていた。
【０１００】
例えば特許文献１におけるＧＭ型パルス管冷凍機では、図３にその構成概略図
を示すように、ＧＭ型パルス管冷凍機１０'としての基本構成は本発明の実施形態と同じであるが、圧縮部の高圧側圧力Ｐｈ、圧縮部の低圧側圧力Ｐｌ、第１中圧バッファの圧力Ｐｍ１および、第２中圧バッファの圧力Ｐｍ２それぞれの圧力条件は、図４の各開閉弁の作動状況と圧力状態を示すグラフに示すように、本発明の実施形態よりいずれも低く設定されている。
【０１０１】
すなわち、この特許文献１におけるＧＭ型パルス管冷凍機の高圧側圧力Ｐｈは既述したように２ＭＰａ、低圧側圧力Ｐｌは１ＭＰａであり、第１中圧バッファの圧力である第１中圧Ｐｍ１は１．３３ＭＰａ、及び第２中圧バッファの圧力である第２中圧Ｐｍ２は１．６６ＭＰａである。
【０１０２】
図３、図４に基づき、この特許文献１におけるＧＭ型パルス管冷凍機の１サイクル内の動作ごとの圧力状態を以下に説明する。
【０１０３】
図３は、特許文献１のＧＭ型パルス管冷凍機１０'を示す概略図で、基本構成は本実施形態と同じであるので各部位の符号は、本実施形態の図１で示した同部位の符号に'を付加して示している。
【０１０４】
図４は、特許文献１のＧＭ型パルス管冷凍機１０'の各開閉弁の作動状況と圧力状態を示すグラフである。
【０１０５】
図４では、本実施形態の説明の中で示した図２と同じく、１サイクル内での各動作段階における高圧弁２２'、低圧弁２３'、第１中圧バッファ弁１４'及び第２中圧バッファ弁１６'の開閉状態と、冷凍部１２'内の圧力状態を示すが、高圧弁２２'、低圧弁２３'、第１中圧バッファ弁１４'及び第２中圧バッファ弁１６'ごとに描画された太実線はその開状態を示し、同細実線はその閉状態を示すものとする。
【０１０６】
この特許文献１のＧＭ型パルス管冷凍機１０'の１サイクル内における圧力状
態に関する以外の動作は、本実施形態と同ように高圧弁２２'、低圧弁２３'、第１中圧バッファ弁１４'及び第２中圧バッファ弁１６'の各開閉状態に対応して区分された６つの段階（第１段階ａ'，第２段階ｂ'，第３段階ｃ'，第４段階ｄ'，第５段階ｅ'，第６段階ｆ'とする）からなるので、各段階での弁の開閉状態と冷媒の移動状態の説明は省くが、本実施形態と異なる各段階での冷凍部１２'内の圧力状態については、以下のようになっている。
【０１０７】
第１段階ａ'（圧縮前期過程）：低圧弁２３'を閉状態とするとほぼ同時に第１中圧バッファ弁１４'を開状態とし、高圧弁２２'及び第２中圧バッファ弁１６'の閉状態を保持した状態である。
【０１０８】
この状態では、冷凍部１２'内の圧力は、すみやかに低圧側圧力：Ｐｌ（１ＭＰａ）から、第１中圧バッファ１３'の圧力である第１中圧Ｐｍ１（≒１．３３ＭＰａ）まで上昇する。
【０１０９】
第２段階ｂ'（圧縮中期過程）：第１中圧バッファ弁１４'を閉状態とするとほぼ同時に、第２中圧バッファ弁１６'を開状態にした状態である。
【０１１０】
この状態では、冷凍部１２'内の圧力は、すみやかに第１中圧Ｐｍ１（≒１．３３ＭＰａ）から、第２中圧バッファ１５の圧力である第２中圧Ｐｍ２（≒１．６６ＭＰａ）まで上昇する。
【０１１１】
第３段階ｃ'（圧縮後期過程）：第２中圧バッファ弁１６'を閉状態とするとほぼ同時に、高圧弁２２'を開状態にした状態である。
【０１１２】
この状態では、冷凍部１２'の圧力は高圧側圧力Ｐｈ（吐出圧力：２ＭＰａ）まで上昇する。
【０１１３】
第４段階ｄ'（膨張前期過程）：高圧弁２２'を閉状態とするとほぼ同時に、第２中圧バッファ弁１６'を開の状態とした状態である。
【０１１４】
この状態では、冷凍部１２'内の圧力は、すみやかに高圧側圧力Ｐｈ（２ＭＰａ）から、第２中圧バッファ１５'の圧力である第２中圧Ｐｍ２（≒１.６６ＭＰａ）まで低下する。
【０１１５】
この圧力低下によりパルス管２６’内の冷媒が断熱膨張し、温度低下する。
【０１１６】
第５段階ｅ'（膨張中期過程）：第２中圧バッファ弁１６'を閉状態とするとほぼ同時に、第１中圧バッファ弁１４を開状態とした状態である。
【０１１７】
この状態では、冷凍部１２'内の圧力はすみやかに第２中圧Ｐｍ２（≒１.６６ＭＰａ）から第１中圧バッファ１３の圧力である第１中圧Ｐｍ１（≒１．３３ＭＰａ）まで低下する。
【０１１８】
この圧力低下によりパルス管２６’内の冷媒が断熱膨張し、温度低下する。
【０１１９】
第６段階ｆ'（膨張後期過程）：第１中圧バッファ弁１４'を閉状態とするとほぼ同時に、低圧弁２３'を開状態にした状態である。
【０１２０】
この状態では、冷凍部１２'内の圧力は低圧側圧力Ｐｌ（吸入圧力：１．５ＭＰａ）まで低下する。
【０１２１】
このとき、パルス管２６’内で断熱膨張して温度低下した冷媒が低温熱交換器２５'へと移動することで、同低温熱交換器２５’との間で熱交換を行い、第１段階ａ'（圧縮前期過程）の状態に戻る。
【０１２２】
以上第１段階ａ’から第６段階ｆ’までの一連の動作を１サイクルとし、これを繰り返すことによりパルス管冷凍機１０'の低温熱交換器２５'において極低温を発生するものである。
【０１２３】
すなわち、特許文献１のＧＭ型パルス管冷凍機１０'では、圧縮機２１'の吐出圧力である高圧側圧力Ｐｈは２ＭＰａに設定されており、吸入圧力である低圧側圧力Ｐｌは１ＭＰａに設定されるとともに、第１中圧バッファ１３'は圧縮部２１'の高圧側圧力Ｐｈ及び低圧側圧力Ｐｌの間をほぼ三等分したときの低いほうの圧力である第１中圧Ｐｍ１（≒１．３３ＭＰａ）に、第２中圧バッファ１５'は圧縮部２１'の高圧側圧力Ｐｈ及び低圧側圧力Ｐｌの間をほぼ三等分したときの高いほうの圧力である第２中圧Ｐｍ２（≒１．６６ＭＰａ）になっている。
【０１２４】
これに対し、本実施形態のＧＭ型パルス管冷凍機１０では、図１、図２で説明したように、圧縮部２１の吐出圧力である高圧側圧力Ｐｈは３ＭＰａに設定されており、吸入圧力である低圧側圧力Ｐｌは１．５ＭＰａに設定されるとともに、第１中圧バッファ１３は圧縮部２１の高圧側圧力Ｐｈ及び低圧側圧力Ｐｌの間をほぼ三等分したときの低いほうの圧力である第１中圧Ｐｍ１（≒２ＭＰａ）に、第２中圧バッファ１５は圧縮部２１の高圧側圧力Ｐｈ及び低圧側圧力Ｐｌの間をほぼ三等分したときの高い方の圧力である第２中圧Ｐｍ２（≒２．５ＭＰａ）になっている。
【０１２５】
従って、既述したように、冷凍能力を増加させるためには、膨張前後の差圧（Ｐｈ−Ｐｌ）を大きくする必要があるが、特許文献１のＧＭ型パルス管冷凍機では、膨張前の高圧側圧力が２ＭＰａ前後にとどまっているので、低圧側圧力Ｐｌを下げると、膨張前後の圧縮比（Ｐｈ／Ｐｌ）も大きくなり冷凍効率が低下する傾向にあったし、また、膨張前後の差圧（Ｐｈ−Ｐｌ）もＰｌに限界があり１．５ＭＰａ前後以上にはできなかった。
【０１２６】
これに対し、本実施形態では、従来の膨張前の高圧側圧力が２ＭＰａ前後であったのに対して、この高圧側圧力を２．８ＭＰａ以上と高く設定したので、同じ膨張前後の圧力比（Ｐｈ／Ｐｌ）の条件でも、膨張前後の差圧（Ｐｈ−Ｐｌ）が大きくとれて、冷凍能力を向上させることができるし、また、冷凍効率も向上させることができる。
【０１２７】
なお、このような冷凍能力と冷凍効率の向上が膨張前の高圧側圧力が高いほど顕著であることは、発明者らの本実施形態のＧＭ型パルス管冷凍機の試作機による実験でも確認されているので、下記にその実験結果について付加説明をする。
【０１２８】
図５は、本実施形態の試作機において、高圧側圧力である圧縮部の吐出圧力を、１．６１ＭＰａ、１．８０Ｍｐａ、２．００ＭＰａ、２．２１Ｍｐａ、２．４０ＭＰａ、とそれぞれ変えた場合における、７７Ｋでの冷凍能力を測定した結果を示したグラフである。また、図６は、圧縮部の吐出圧力を上記圧力とそれぞれ変えた場合における、７７Ｋでの冷凍効率（＝７７Ｋ冷凍能力／消費電力）を測定した結果を示したグラフである。
【０１２９】
図５、図６によれば、圧縮部の吐出圧力が１．６１ＭＰａの場合は冷凍能力：７３．３０Ｗ、冷凍効率：０．０２７８、圧縮部の吐出圧力が１．８０ＭＰａの場合は冷凍能力：８４．６２Ｗ、冷凍効率：０．０２９１、圧縮部の吐出圧力が２．００ＭＰａの場合は冷凍能力：９５．９１Ｗ、冷凍効率：０．０２９９、圧縮部の吐出圧力が２．２１ＭＰａの場合は冷凍能力：１０７．０７Ｗ、冷凍効率：０．０３０４、圧縮部の吐出圧力が２．４０ＭＰａの場合は冷凍能力：１１７．０３Ｗ、冷凍効率：０．０３０８であることがわかる。このように、高圧側圧力として圧縮部の吐出圧力が大きくなるほど、冷凍能力は１次関数的に増加していることがわかるし、また、冷凍効率も増加傾向にあることがわかる。
【０１３０】
例えばこの結果によると、従来技術にある特許文献１では高圧側圧力Ｐｈは２ＭＰａで設定しているが、この本実施形態の試作機では、この高圧側圧力Ｐｈ（２ＭＰａ）下での冷凍能力は９６Ｗ前後，冷凍効率は０．０３前後にとどまり、本実施形態にあるように例えば高圧側圧力Ｐｈを３ＭＰａに設定すると、この場合は冷凍能力は１５０Ｗ前後、冷凍効率は０．０３１６前後にそれぞれ向上しているのがわかる。
【０１３１】
また実施形態にあるように例えば高圧側圧力Ｐｈを２．８ＭＰａに設定した場合でも、冷凍能力は１３５Ｗ前後、冷凍効率は０．０３１４前後となり、高圧側圧力Ｐｈを２ＭＰａとしたときに対しそれぞれ向上しているのがわかる。
【０１３２】
次に本実施形態では上記したように、圧縮部２１の吸入圧力である低圧側圧力Ｐｌについては、１ＭＰａ以上（説明例では１．５ＭＰａとした）に設定して冷凍効率と冷凍能力を向上させるようにしているが、従来この種の圧縮部と冷凍部が分離した構成にあるＧＭ型パルス管冷凍機やＧＭ冷凍機における膨張後の低圧側圧力Ｐｌは、特許文献１や特許文献２にもあるように、膨張前の高圧側圧力Ｐｈが．２ＭＰａ前後以下にとどまっていたこともあり、冷凍能力を確保するために膨張前後の差圧（Ｐｈ−Ｐｌ）を大きくする必要から、最も高いものでも１ＭＰａ未満に設定されていた。
【０１３３】
すなわちＧＭ型パルス管冷凍機では、上記したように不可逆的膨張に起因する効率の低下を抑えるためには圧力比を小さくする必要がある。
【０１３４】
本実施形態では、膨張前の高圧側圧力Ｐｈを２．８ＭＰａ以上に設定しているので、膨張前後の圧力比（Ｐｈ／Ｐｌ）を小さくするため、冷凍部から圧縮部に回収される膨張後の低圧側圧力Ｐｌを、１ＭＰａ前後以上とすることにより、冷凍能力を向上させるために膨張前の高圧側圧力Ｐｈを高く設定しても、圧力比を３前後以下の小さい値に設定することが出来、高い冷凍能力のもとでも圧力比を小さくして高い冷凍効率を確保出来るようにしている。
【０１３５】
この膨張前後の圧力比（Ｐｈ／Ｐｌ）を小さくすることにより冷凍効率が向上することは、原理的にも膨張前後の圧力比Ｐｈ／Ｐｌがほぼ３以上では冷凍効率の低下割合は大きく、このほぼ３から１に近づくにつれて冷凍効率の向上割合は大きくなるし、また、発明者らの冷凍温度７７Ｋでの試作機による実験でもこの傾向は確認されている。
【０１３６】
以上説明してきたように、本実施形態におけるＧＭ型パルス管冷凍機は、圧縮部２１から供給される冷媒の高圧側圧力Ｐｈを従来の２ＭＰａ前後から２．８ＭＰａ以上に、また圧縮部２１に回収される低圧側圧力Ｐｌを１ＭＰａ以上に設定のもと、圧力振動装置１１と、冷凍部１２と、第1中圧バッファ１３及び第１中圧バッファ弁１４と、第２中圧バッファ１５及び第２中圧バッファ弁１６と、制御装置１７とで構成して、既述したように圧力振動装置１１の高圧弁２２、低圧弁２３をほぼ重なり合わないように開状態としてこの冷凍サイクルを進行させて、冷凍サイクル内の各動作段階における冷媒の圧力変化を、各動作段階の隣接する中間圧力などにより形成される比較的小さな圧力比で行わせることにより、冷凍効率と冷凍能力を同時に向上させるものである。
【０１３７】
すなわち各動作段階において所要の圧力状態とするために、圧縮部からパルス管の低温端に対して流入する冷媒の移動量及び、各中圧バッファからパルス管高温端に流入出する冷媒の移動量はそれぞれ低減されるので、圧縮部の負荷（消費電力）が低減されることに加えて、本実施形態ではさらに、上記の冷凍サイクル各動作段階における高圧弁、低圧弁、各中圧バッファ弁も比較的小さな圧力比のもとで開動作されることにより、熱力学的に不可逆な過程である不等圧下での弁の開動作に基づく損失、いわゆる弁損失などの圧力比にともなう各損失は低減され、その分、圧縮部の負荷（消費電力）は低減されて、冷凍効率と冷凍能力が向上するものである。
【０１３８】
本実施形態のＧＭ型パルス冷凍機１０では、パルス管２６と中圧バッファ弁で連結した中圧バッファを、第１中圧バッファ弁１４で連絡した第１中圧バッファ１３と、第２中圧バッファ弁１６で連絡した第２中圧バッファ１５の２個の例で示したが、この中圧バッファ弁で連結した中圧バッファをそれぞれ３個以上備えたものであっても、また、それぞれ１個だけ備えたものであっても本実施形態は適用される。
【０１３９】
以上では蓄冷式冷凍機の例としてＧＭ型パルス管冷凍機で説明したが、このＧＭ型パルス管冷凍機と同じように室温部におかれた圧縮部と、低温部におかれ、それぞれ蓄冷器とディスプレーサピストンを内包した多段の膨張室で構成される冷凍部を有し、同時に多段膨張するように構成されるＧＭ冷凍機であっても、本実施形態は適用される。
【０１４０】
ＧＭ冷凍機における実施形態について以下に図７、図８の基づき説明する。
【０１４１】
図７に、２段膨張する構成にあるＧＭ冷凍機における実施形態を示す概略構成図を示し、図８に、同２段膨張する構成にあるＧＭ冷凍機の開閉弁及び各ディスプレーサピストンの作動状況と冷凍部の圧力状況を示す。
【０１４２】
本実施形態におけるＧＭ冷凍機３０は、圧力振動装置１１と、冷凍部３１と駆動部４８を持つ。
【０１４３】
圧力振動装置１１は、吐出口２１ａ及び吸入口２１ｂを有する圧縮部２１と、圧縮部２１の吐出口２１ａ側に連結された高圧弁２２と、圧縮部２１の吸入口２１ｂ側に連結された低圧弁２３とを有する。高圧弁２２は、高圧配管２８ａにより圧縮部２１の吐出口２１ａに連結され、低圧弁２３は、低圧配管２８ｂにより圧縮部２１の吸入口２１ｂに連結されている。高圧弁２２及び低圧弁２３は、本例においては、ロータリ弁で構成されており、ロータ（図示せず）の回転によって、高圧弁２２と低圧弁２３とが交互に排他的に開閉する動作を繰り返す。
【０１４４】
冷凍部３１は、１段目シリンダ４１、２段目シリンダ４２、１段目ディスプレーサピストン４３、２段目ディスプレーサピストン４４、及び駆動機構４８を備える。
【０１４５】
図に示すように、１段目シリンダ４１内には１段目ディスプレーサピストン４３が収容されている。１段目シリンダ４１も１段目ディスプレーサピストン４３も、本例ではともに円筒状に形成されており、１段目シリンダ４１の軸方向距離が１段目ディスプレーサピストン４３の軸方向距離よりも長く設計されている。また、１段目シリンダ４１の直径は、１段目ディスプレーサピストン４３の直径よりもわずかに大きく設計されている。したがって、１段目ディスプレーサピストン４３は１段目シリンダ４１内で軸方向に往復動可能とされる。
【０１４６】
１段目ディスプレーサピストン４３の後端側（図示下端側）と１段目シリンダ４１との間には、隙間空間３７が形成される。この隙間空間３７には、図に示すように連結配管２９の一端が連通している。連結配管２９の他端は、高圧弁２２及び低圧弁２３が連結される。したがって、高圧弁２２及び低圧弁２３の排他的開閉による圧力の変動は、連結配管２９を経由してこの隙間空間３７に伝達される。
【０１４７】
１段目ディスプレーサピストン４３は、外郭が１段目ディスプレーサケース４３ａで形成され、この１段目ディスプレーサケース４３ａ内には１段目蓄冷器４５が収納されてなる。
【０１４８】
また、１段目ディスプレーサケース４３ａには、後面側連通孔４３ｂ及び側面側連通孔４３ｃが形成されている。後面側連通孔４３ｂは、１段目ディスプレーサケース４３ａの後端面側（図示下端面側）に形成されている。したがって、隙間空間３７は、後面側連通孔４３ｂを経由して、１段目ディスプレーサピストン４３内部の１段目蓄冷器４５に連通される構成となっている。一方、側面側連通孔４３ｃは、１段目ディスプレーサケース４３ａの側面の図示上方側に形成されている。したがって、１段目シリンダ４１と１段目ディスプレーサピストン４３の前端面側（図示上端面側）との間に形成される第１膨張空間３５は、１段目ディスプレーサケース４３ａと１段目シリンダ４１との間の側面隙間及び側面側連通孔４３ｃを通じて１段目蓄冷器４５と連通される構成となっている。なお、１段目ディスプレーサケース４３ａの外側周には、ピストンリング４７が嵌挿されている。このピストンリング４７により、隙間空間３７と第１膨張空間３５との連通が遮断されている。
【０１４９】
１段目ディスプレーサピストン４３の前端面（図示上面）には、２段目ディスプレーサピストン４４が接続されている。この２段目ディスプレーサピストン４４は、２段目シリンダ４２内に収容されている。２段目シリンダ４２も２段目ディスプレーサピストン４４も本例ではともに円筒状に形成されており、２段目シリンダ４２の軸方向距離が２段目ディスプレーサピストン４４の軸方向距離よりも長く設計されている。また、２段目シリンダ４２の直径は、２段目ディスプレーサピストン４４の直径よりもわずかに大きく設計されている。したがって、２段目ディスプレーサピストン４４は２段目シリンダ４２内で軸方向に往復動可能とされる。
【０１５０】
２段目ディスプレーサピストン４４は、外郭が２段目ディスプレーサケース４４ａで形成され、この２段目ディスプレーサケース４４ａ内に２段目蓄冷器４６が収納されてなる。さらに、２段目ディスプレーサケース４４ａには、後面側連通路４４ｂ及び側面側連通孔４４ｃが形成されている。後面側連通路４４ｂは、２段目ディスプレーサケース４４ａの内面後端（図示下端面）が第１膨張空間３５に連通するように形成されている。したがって、第１膨張空間３５は、後面側連通孔４４ｂによって、２段目ディスプレーサピストン４４内部の２段目蓄冷器４６に連通される構成となっている。一方、側面側連通孔４４ｃは、２段目ディスプレーサケース４４ａの側面の図示上方側に形成されている。したがって、２段目シリンダ４２と２段目ディスプレーサピストン４４の前端面側（図示上端面側）との間に形成される第２膨張空間３６は、２段目ディスプレーサケース４４ａと２段目シリンダ４２との間の側面隙間及び側面側連通孔４４ｃによって、２段目ディスプレーサピストン４４内部の２段目蓄冷器４６に連通される構成となっている。
【０１５１】
１段目シリンダ４１の後端面側には室温プレート３２が、前端面側（即ち、第１膨張空間３５の外周側）には第１コールドステージ３３が、２段目シリンダ４２の前端面側（即ち、第２膨張空間３６の外周側）には第２コールドステージ３４が、それぞれ取り付けられている。第１及び第２コールドステージ３３、３４は、各膨張空間３５、３６で発生した寒冷を被冷却体に伝達させるものであり、いずれも、熱伝導の良好な銅などの材質で構成される。
【０１５２】
１段目ディスプレーサピストン４３の後端側には、連結部材４９が取り付けられている。この連結部材４９は、その一端が上述のように１段目ディスプレーサピストン４３に連結しているとともに、その他端が室温プレート３２から外部に突出している。そして、連結部材４９の他端に往復駆動手段４８が接続されている。
【０１５３】
本例においては、この往復駆動手段４８として、駆動モータと、この駆動モータの出力軸に同軸的に連結した円板と、この円板の外周側に一端が取り付けられ、他端が連結部材４９に接続した連結ロッドとを備えて構成される例を示している。したがって、駆動モータが駆動すると、駆動モータによる回転運動が連結ロッドによって往復運動に変換され、この往復運動が連結ロッド及び連結部材４９を介して１段目ディスプレーサピストン４３に伝わる。前述のように１段目ディスプレーサピストン４３の前端側に２段目ディスプレーサピストン４４が連結しているので、両ディスプレーサピストン４３、４４は、同時に両ディスプレーサケース４１、４２内を往復移動する。
【０１５４】
また、本例においては、高圧弁２２及び低圧弁２３をロータリ弁で構成している。したがって、往復駆動手段４８における駆動モータの回転に連動してロータリ弁を作動させることにより、１段目及び２段目ディスプレーサピストン４３、４４の往復動に対して一定のタイミングをもって高圧弁２２及び低圧弁２３を排他的に開閉させることができる。
【０１５５】
この構成において、圧縮部２１から供給された冷媒が、２段に形成された１段目ディスプレーサピストン４３，２段目ディスプレーサピストン４４の動作と位相差をもたせて開閉動作が行われる高圧弁２２及び低圧弁２３を介して、１段目蓄冷器４５及び２段目蓄冷器４６に導かれ、ここで予冷されたのち、１段目ディスプレーサピストン４３、２段目ディスプレーサピストン４４の膨張仕事に相当した寒冷を発生し再び、蓄冷器４５、４６を通って蓄冷材を冷やしながら温度上昇し、室温に戻って圧縮部２１に回収され、この行程を１サイクルとして周期的に動作し、第１コールドステージ３３及び第２コールドステージ３４に寒冷を発生させる。
【０１５６】
またこの構成において、圧縮部２１から冷凍部３１に供給される冷媒の膨張前の高圧側圧力Ｐｈを、従来の特許文献２などで設定されている２ＭＰａ前後の値に対し、２．８ＭＰａ以上にするとともに、冷凍部３１から圧縮部２１に回収される冷媒の膨張後の低圧側圧力Ｐｌを、１ＭＰａ以上に設定するものである。
【０１５７】
以下に図７、及び図８によって本実施形態の作動について説明する。
【０１５８】
図７、及び図８に示すこのＧＭ冷凍機３０における、圧縮部２１から冷凍部３１に供給される高圧側圧力Ｐｈと、冷凍部３１から圧縮部に回収される低圧側圧力Ｐｌの圧力は、以下の説明では、特許文献２と冷凍能力に比例する膨張前後の圧力差（Ｐｈ−Ｐｌ）を同じ１．５ＭＰａにして冷凍効率を比較検討するために、高圧側圧力Ｐｈを２．８ＭＰａ以上の１例として例えば３ＭＰａとし、低圧側圧力Ｐｌを１ＭＰａ以上の１例として例えば１．５ＭＰａとする。
【０１５９】
図８において、高圧弁２２、低圧弁２３ごとに描画された太実線はその開状態を示し、同細実線はその閉状態を示すものとする。
【０１６０】
図８に基づいて、本実施形態におけるＧＭ冷凍機３０の１サイクル内の動作と圧力状態を説明する。
【０１６１】
なお図８では、当該ＧＭ冷凍機３０の1サイクル内の動作は、以下に説明する４つの段階（第１段階Ａ、第２段階Ｂ、第３段Ｃ、第４段階Ｄ）からなり、各段階は、高圧弁２２、低圧弁２３の開閉状態及び、１段目ディスプレーサピストン４３、２段目ディスプレーサピストン４４の第１膨張空間３５、第２膨張空間３６での変位状態に対応して区分される。
【０１６２】
第１段階Ａ:高圧弁２２を開状態、低圧弁２３を閉状態としてディスプレーサ４３、４４が上死点から下死点に下降しはじめている状態である。
【０１６３】
この状態では圧縮部２１から高圧弁２２を介して冷凍部３１に冷媒が流入し、冷凍部は３ＭＰａまで圧力が上昇する。
【０１６４】
第２段階Ｂ：高圧弁２２を開状態、低圧弁２３を閉状態のまま、さらにディスプレーサピストン４３、４４が下死点まで下降している状態である。
【０１６５】
この状態では、冷凍部では、ディスプレーサピストン４３，４４が移動することにより、第１膨張空間３５、第２膨張空間３６に、それぞれ第１蓄冷器４５、第２蓄冷器４６で冷却された高圧冷媒が充填される。
【０１６６】
第３段階Ｃ：高圧弁２２を閉状態、低圧弁２３を開状態としてディスプレーサ４３，４４が下死点から上死点に上昇しはじめている状態である。
【０１６７】
この状態では、低圧弁２３が開となり、冷凍部３１の圧力が１．５ＭＰａまで低下し、第１膨張空間３５及び第２膨張空間３６の冷媒が断熱膨張し、温度低下する。
【０１６８】
第４段階Ｄ：高圧弁２２を閉状態、低圧弁２３を開状態のまま、さらにディスプレーサピストン４３、４４が上死点まで移動する状態である。
【０１６９】
ディスプレーサ４３、４４が移動することにより、温度低下した第１膨張空間３５及び第２膨張空間３６の冷媒が、それぞれ第１コールドステージ３３及び第２コールドステージ３４を冷却し、第１蓄冷器４５及び第２蓄冷器４６を通して圧縮部２１に回収される。
【０１７０】
以上のように本実施形態では、高圧側圧力Ｐｈを３ＭＰａとし、低圧側圧力Ｐｌを１．５ＭＰａとして、第１段階Ａから第４段階Ｄまでの一連の動作を１サイクルとし、これを繰り返すことによりＧＭ冷凍機３０の低温熱交換器３３，３４において極低温を発生するものである。
【０１７１】
従って、例えば、この実施形態における冷凍能力に比例する圧力差（Ｐｈ−Ｐｌ）（高圧側圧力Ｐｈ：３ＭＰａ、低圧側圧力Ｐｌ：１．５ＭＰａ）を、特許文献２と同じ１．５ＭＰａ(高圧側圧力Ｐｈ：２ＭＰａ、低圧側圧力Ｐｌ：０．５ＭＰａ)とした時の圧力比（Ｐｈ／Ｐｌ）を比較すると、特許文献２では圧力比（Ｐｈ／Ｐｌ）は４となるのに対し、実施形態の例では圧力比（Ｐｈ／Ｐｌ）は２となって、圧力比が下がった分だけ冷凍効率が向上する。
【０１７２】
すなわち既述したように蓄冷型冷凍機の理想状態における冷凍能力は、膨張容積Ｖと膨張前後の圧力差（Ｐｈ―Ｐｌ）との積で表わされるが、本実施形態におけるＧＭ冷凍機も、特許文献２に代表されるような従来の膨張前の高圧側圧力Ｐｈが２ＭＰａ前後であったのに対し、この膨張前の高圧側圧力Ｐｈを２．８ＭＰａ以上に設定することにより、差圧（Ｐｈ―Ｐｌ）を同じとすれば、圧力比（Ｐｈ／Ｐｌ）は小さくなり冷凍効率は向上するし、また、圧力比（Ｐｈ／Ｐｌ）を同じとすれば、膨張前後の圧力差（Ｐｈ―Ｐｌ）が大きくとれ、冷凍能力を向上させることができる。
【０１７３】
さらに、本実施形態のＧＭ冷凍機においては、冷凍部は１段目ディスプレーサピストン４３、２段目ディスプレーサピストン４４を内包した第１膨張空間３５、第２膨張空間３６とによって、同時に膨張するように構成されて、蓄冷器における熱力学的に不可逆な過程である不等圧下、不等温下での冷媒移動にともなう損失、いわゆる蓄冷器損失を小さくするようになっているが、本実施形態では、圧縮部から供給される冷媒の高圧側圧力を、従来の２ＭＰａ前後から２．８ＭＰａ以上に高くすることにより、冷凍能力が比例する膨張前後の高圧側圧力と低圧側圧力との圧力差を同じにした場合、高圧側圧力が高くなった分、膨張前後の圧力比が小さくなるので、圧力差に基づく弁損失の低減に加え、蓄冷器における熱力学的に不可逆な過程である不等圧下での冷媒移動に基づく損失も小さくすることが出来、その分さらに圧縮部の負荷（消費電力）は低減され、冷凍効率は向上する。
【０１７４】
本実施形態のＧＭ冷凍機においては、２段膨張の例を示したが、１段膨張又は３段以上の多段膨張においても適用される。
【図面の簡単な説明】
【０１７５】
【図１】本発明に係わるＧＭ型パルス管冷凍機での実施形態を示す構成概略図である。
【図２】本発明に係わるＧＭ型パルス管冷凍機での実施形態における各開閉弁作動状況と圧力状態を示すグラフである。
【図３】従来のＧＭ型パルス管冷凍機を示す構成概略図である。
【図４】従来のＧＭ型パルス管冷凍機の各開閉弁の作動状況と冷凍部の圧力状態を示すグラフである。
【図５】本発明に係わるＧＭ型パルス管冷凍機での実施形態における７７Ｋでの冷凍能力と圧縮部の吐出圧力の関係を示すグラフである。
【図６】本発明に係わるＧＭ型パルス管冷凍機での実施形態における７７Ｋ冷凍効率と圧縮部の吐出圧力の関係を示すグラフである。
【図７】本発明に係わるＧＭ冷凍機での実施形態を示す概略構成図である。
【図８】本発明に係わるＧＭ冷凍機での実施形態における開閉弁の作動状況と冷凍部の圧力状態を示めすグラフである。
【符号の説明】
【０１７６】
１０・・・ＧＭ型パルス管冷凍機
１１・・・圧力振動装置
１２・・・冷凍部
１３・・・第１中圧バッファ
１４・・・第１中圧バッファ弁
１５・・・第２中圧バッファ
１６・・・第２中圧バッファ弁
２１・・・圧縮部
２１ａ・・吐出口
２１ｂ・・吸入口
２２・・・高圧弁
２３・・・低圧弁
２４ａ・・蓄冷器
２４ｂ・・蓄冷器高温端
２４ｃ・・蓄冷器低温端
２５・・・低温熱交換器
２６・・・パルス管
２６ａ・・パルス管低温端
２６ｂ・・パルス管高温端
２７・・・高温熱交換器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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