(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
パルス管と、このパルス管の低温側に接続された蓄冷器と、この蓄冷器の高温側に接続された圧縮機とを備えたパルス管冷凍機であって、
前記パルス管の高温側に連通したシリンダと、このシリンダ内を往復動するピストンと、前記シリンダ内における当該ピストンの位置を検出する位置検出手段と、この位置検出手段からの検出信号に基づいて前記蓄冷器および圧縮機間に設けられた高圧バルブおよび低圧バルブの開閉を制御する制御手段とを具備し、
前記シリンダ内には、前記ピストンを境にして前記パルス管に連通したパルス管側連通室と、前記高圧バルブまたは低圧バルブと前記蓄冷器との間のメイン流路に連通した流路側連通室とが形成されているとともに、これらの連通室同士が前記ピストンに取り付けられたシール部材で遮断され、
前記ピストンが、前記パルス管の高温側の圧力とメイン流路内の圧力との圧力差によって移動することを特徴とするパルス管冷凍機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パルス管冷凍機に係り、例えば、クライオポンプ等に利用されるパルス管冷凍機に関する。
【０００２】
【背景技術】
従来より、パルス管と、このパルス管の低温側に接続された蓄冷器と、この蓄冷器の高温側に接続された圧縮機とを備えたパルス管冷凍機が知られている。
このようなパルス管冷凍機では、蓄冷器および圧縮機間に設けられた高圧バルブおよび低圧バルブの開閉を略交互に行うことにより、パルス管内に圧力振動を生じさせている。そして、パルス管の高温側にオリフィスを介してバッファ（リザーバタンク）を接続することで、パルス管内の圧力振動とパルス管内でのガス柱（パルス管内に形成される仮想のガスピストン）の変位との位相差を良好にし、冷凍効率を向上させている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来のパルス管冷凍機では、パルス管内でのガス柱が仮想のガスピストンであることから、ガス柱の変位を的確に把握するのは困難であり、各バルブを開閉させるための切り換えをガス柱の変位に基づいて行うことができない。このため、所定の周波数で切り換わる各バルブの開閉状態に対して、ガス柱の変位との間で生じる位相差が最適となるようにオリフィスの絞り量を調整している。
【０００４】
しかしながら、調整されたオリフィスの絞り量は、パルス管冷凍機の運転中は一定に維持されるため、各バルブの切換タイミングにばらつきが生じると、このばらつきが直接に位相差のばらつきになってしまい、冷凍効率を低下させるという問題が生じる。
【０００５】
本発明の目的は、冷凍効率を確実に向上させることができるパルス管冷凍機を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明のパルス管冷凍機は、パルス管と、このパルス管の低温側に接続された蓄冷器と、この蓄冷器の高温側に接続された圧縮機とを備えたパルス管冷凍機であって、前記パルス管の高温側に連通したシリンダと、このシリンダ内を往復動するピストンと、前記シリンダ内における当該ピストンの位置を検出する位置検出手段と、この位置検出手段からの検出信号に基づいて前記蓄冷器および圧縮機間に設けられた高圧バルブおよび低圧バルブの開閉を制御する制御手段とを具備し、前記シリンダ内には、前記ピストンを境にして前記パルス管に連通したパルス管側連通室と、前記高圧バルブまたは低圧バルブと前記蓄冷器との間のメイン流路に連通した流路側連通室とが形成されているとともに、これらの連通室同士が前記ピストンに取り付けられたシール部材で遮断され、前記ピストンが、前記パルス管の高温側の圧力とメイン流路内の圧力との圧力差によって移動することを特徴とする。
【０００７】
このような構成では、パルス管内のガス柱がシリンダ内を移動するピストンの位置に応じて変位するので、シリンダ内でのピストンの位置を位置検出手段で検出することはすなわち、パルス管内のガス柱の変位を把握することにつながる。従って、ピストンの位置を検出した際の検出信号に応じて各バルブの開閉を制御する本発明では、ガス柱の変位に基づいて各バルブの開閉が制御されるのと同じことになるから、ガス柱が常に所定の変位にあるときに各バルブの開閉の切り換えが正確に行えるようになり、その切換動作のばらつきが抑えられて冷凍効率が確実に向上する。
【０００９】
また、このような構成では、シリンダ内の流路側連通室の圧力は、バルブおよび蓄冷器間の流路内の圧力と等圧に維持されるため、シリンダ内のピストンで流路側連通室内の作動ガスが圧縮等されることがなく、このピストンがいわゆるディスプレーサと同じになって移動がスムーズになる。従って、圧縮機はシリンダ内のピストンを移動させるのには殆ど仕事をしなくてよいから、圧縮機に余分な負荷がかからず、冷凍効率がさらに向上する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１において、パルス管冷凍機１は、パルス管１０と、パルス管１０の低温側に接続された蓄冷器２０と、蓄冷器２０の高温側に接続された圧縮機（コンプレッサ）３０と、パルス管１０の高温側に接続されたシリンダ４０と、シリンダ４０内に配置されたピストン５０と、ピストン５０に設けられたセンサ６０（６０Ａ，６０Ｂ）と、このセンサ６０および後述する低圧バルブ、高圧バルブにそれぞれ電気的に接続された制御手段７０とを備え、パルス管１０および蓄冷器２０を連通させる流路８１の部分により、極低温を発生するコールド（ヒート）ステーションが形成されている。
【００１１】
パルス管１０内にはヘリウム等の作動ガスによって仮想的にガス柱１１（ガス柱：点線で図示）が形成されている。このガス柱１１は、パルス管１０内を図中上下に往復動する。このときのガス柱１１のストロークはＡ１−Ｂ１（一点鎖線で図示）であり、パルス管１０内の低温端および高温端間で上下に変位する。
【００１２】
蓄冷器２０はパルス管冷凍機に一般的に用いられるものであり、例えば、銅線をメッシュ状に編んだ網体を円板状に打ち抜き、この円板状の網体を複数枚重ねるようにして金属製の筒体内に収容した構成であり、必要に応じて鉛等の球体を追加充填することもある。
【００１３】
圧縮機３０もパルス管冷凍機に一般的に用いられるものである。圧縮機３０への作動ガスの流入側の流路８２には低圧バルブ３１が設けられ、吐出側の流路８３には高圧バルブ３２が設けられている。これらのバルブ３１，３２の開閉が交互に切り換わることにより、作動ガスがメイン流路８０、蓄冷器２０、流路８１を通してパルス管１０内に出入りし、パルス管１０内に圧力振動を生じさせてガス柱１１を上下に変位させる。
【００１４】
シリンダ４０は、一端側が流路８４を介してパルス管１０の高温側に連通しており、他端側が流路８５を介してメイン流路８０に連通している。シリンダ４０内には、ピストン５０を境にして流路８４側、すなわちパルス管１０側にパルス管側連通室４１が形成され、流路８５側、すなわちメイン流路８０側に流路側連通室４２が形成される。
【００１５】
ここで、流路８４，８５の途中にはオリフィス等は設けられていない。このため、パルス管側連通室４１にはパルス管１０での圧力振動が流路８４を介してそのまま伝達される。また、流路側連通室４２内の圧力はメイン流路８０での圧力と等圧になる。
【００１６】
ピストン５０は、圧縮機３０の各バルブ３１，３２の切り換えよって生じる作動ガスの流路側連通室４２への出入りにより、シリンダ４０内を図中のＡ２−Ｂ２（二点鎖線で図示）のストロークで往復動する。ピストン５０の外周部分には、オーリング等のシール部材５１が取り付けられ、シリンダ４０内の各連通室４１，４２間での作動ガスの漏れを確実に遮断している。
【００１７】
センサ６０のうちのセンサ６０Ａは、ピストン５０がＡ２の位置に達したときに制御手段７０に検出信号を出力し、センサ６０Ｂは、ピストン５０がＢ２の位置に達したときに制御手段７０に検出信号を出力する。
なお、このようなセンサは、ピストン５０に取り付けられるものに限定されず、シリンダ４０に取り付けられてピストン５０の位置を検出可能に構成されていてもよい。
【００１８】
制御手段７０は、ＣＰＵ等を備えたシーケンス回路を含んで構成され、センサ６０Ａ，６０Ｂからの検出信号の入力に基づいて、各バルブ３１，３２へ動作信号を出力し、当該バルブ３１、３２の開閉を切り換える。
【００１９】
具体的には、制御手段７０は、シリンダ５０がＡ２の位置に達し、センサ６０Ａからの検出信号を入力すると、低圧バルブ３１を構成するソレノイド等に動作信号を出力して当該低圧バルブ３１を開け、また、高圧バルブ３２を構成するソレノイド等に別の動作信号を出力して当該高圧バルブ３２を閉める。
反対に、制御手段７０は、ピストン５０がＢ２の位置に達し、センサ６０Ｂからの検出信号を入力すると、低圧バルブ３１に対しては閉める動作信号を出力し、高圧バルブ３２に対しては開ける動作信号を出力する。
【００２０】
このような本実施形態のパルス管冷凍機１においては、以下のように冷凍が発生する。
先ず、パルス管１０内のガス柱１１がＡ１の位置にあるとき、シリンダ４０内のピストン５０はＢ２の位置にあり、センサ６０Ｂからの検出信号を入力した制御手段７０は低圧バルブ３１を閉め、高圧バルブ３２を開ける。
すると、高圧となった作動ガスは、高圧バルブ３２から流路８５を通ってシリンダ４０の流路側連通室４２内に流入し、ピストン５０を右方（Ａ２側）に移動させ、同時にメイン流路８０、蓄冷器２０、および流路８１を通ってパルス管１０の低温側に入り込もうとするが、ピストン５０の移動がガス柱１１を上方から押す形になるので、ガス柱１１はほぼ低温側に留まったまま系内が高圧になる。
【００２１】
ピストン５０が移動してＡ２に達すると、センサ６０Ａからの検出信号を入力した制御手段７０は高圧バルブ３２を閉め、低圧バルブ３１を開ける。
すると、低圧バルブ３１に戻ろうとする流路側連通室４２内の作動ガスはピストン５０を左方（Ｂ２側）に移動させ、ピストン５０はＢ２に至り、これに基づいてガス柱１１が上方に移動してＢ１に達する。引き続き、パルス管１０内においてガス柱１１よりも低温側に入り込んだ高圧の作動ガスは、断熱膨張した末に低圧バルブ３１から圧縮機３０に戻り、ガス柱１１はＢ１からＡ１へ戻る。そして、この際、断熱膨張した作動ガスは冷凍を発生し、流路８１を通過するときにこの流路８１を冷却し、また、蓄冷器２０を通過することで低熱が当該蓄冷器２０に蓄熱される。
【００２２】
以上でパルス管冷凍機１の１サイクルが終了する。そして、次のサイクルにおいて、蓄冷器２０を通過してパルス管１０に向かう高圧作動ガスは、蓄冷器２０からの低熱を受け取ることでより低温となってパルス管１０内に入り込む。この後、この低温の作動ガスが断熱膨張することで一層低温の冷凍を発生し、これによって流路８１の温度がさらに下げられる。このようなサイクルを繰り返すことで、流路８１に形成されたコールドステーションは最終的に極低温に達する。
【００２３】
本実施形態によれば、以下のような効果がある。
パルス管１０内でのガス柱１１は本来、作動ガスで形成される仮想のものであるため、パルス管１０内での変位、つまりはパルス管１０内での位置を検出することが困難である。しかし、本実施形態のパルス管冷凍機１では、ガス柱１１はピストン５０の動きに応じて変位するので、パルス管１０内のガス柱１１の変位をシリンダ内を移動するピストン５０の位置として検出することができる。
従って、シリンダ４０内のピストン５０の位置を検出し、この位置に応じて圧縮機３０側の各バルブ３１，３２の開閉をコントロールすることで、ガス柱１１の変位に基づいて各バルブ３１，３２の開閉をコントロールするのと同じにできるため、ガス柱１１が常に所定の位置となったときに各バルブ３１，３２の開閉の切り換えを正確に行え、各バルブ３１，３２の動作時のばらつきを少なくして冷凍効率を確実に向上させることができる。
【００２４】
また、シリンダ４０内の流路側連通室４２はメイン流路８０と連通しているうえ、パルス管側連通室４１とはシール部材５１で完全に遮断されているので、流路側連通室４２の圧力をメイン流路８０内の圧力と等圧に維持できる。このため、ピストン５０で流路側連通室４２内の作動ガスが圧縮等されることがなく、このピストン５０がいわゆるディスプレーサと同じになって移動をスムーズにできる。このことにより、圧縮機３０はシリンダ４０内のピストン５０を移動させるのには殆ど仕事をしなくてよく、圧縮機３０に余分な負荷をかけないことで冷凍効率をさらに向上させることができる。
【００２５】
なお、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる他の構成等を含み、以下に示すような変形等も本発明に含まれる。
例えば、前記実施形態では、シリンダ４０内に入り込む作動ガスのみでピストン５０を移動させていたが、このようなピストンをクランクやロッドを用いて機械的に駆動させてもよい。
【００２６】
【発明の効果】
以上に述べたように、本発明のパルス管冷凍機によれば、冷凍効率を確実に向上させることができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係るパルス管冷凍機を示す模式図である。
【符号の説明】
１  パルス管冷凍機
１０  パルス管
２０  蓄冷器
３０  圧縮機
３１  低圧バルブ
３２  高圧バルブ
４０  シリンダ
４１  パルス管側連通室
４２  流路側連通室
５０  ピストン
５１  シール部材
６０，６０Ａ，６０Ｂ  位置検出手段であるセンサ
７０  制御手段
８０  メイン流路
８０〜８５  流路
【図１】
0004505590.tif 000002