(57)【要約】      （修正有）【課題】パルス管内作動流体の膨張による仕事損失を最大限回避でき、シンプルかつ高効率のパルス管型蓄熱機関を提供する。【解決手段】作動流体に圧力振動を付与する振動発生器１と、蓄冷器２４、コールドヘッド２５、パルス管２６がこの順で連結されており、一端が振動発生器１に連結する冷凍発生部２と、冷凍発生部２の他端に連結され作動流体の圧力振動の位相を調節する位相調節手段３とを有し、振動発生器１は、内部に第１圧縮作動空間１１１を形成する大径部及び内部に第２圧縮作動空間１１２を形成する小径部を備えるシリンダ１１と、小径部に収納される第１段部１２１及び大径部に収納される第２段部１２２を備えるピストン１２と、を有し、第１及び第２圧縮作動空間１１１、１１２の一方が冷凍発生部２の一端に連結し、第１及び第２圧縮作動空間１１１、１１２の他方が位相調節手段３を介して冷凍発生部２の他端に連結している。【選択図】図１
2007040647.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
作動流体に圧力振動を付与する振動発生器と、蓄冷器、コールドヘッド、パルス管がこの順で連結されており、一端が前記振動発生器に連結する冷凍発生部と、前記冷凍発生部の他端に連結され作動流体の圧力振動の位相を調節する位相調節手段と、を有し、前記位相調節手段で前記作動流体の位置変動と圧力変動とに位相差を持たせることにより低温あるいは動力を発生させるパルス管型蓄熱機関であって、
前記振動発生器は、内部に第１圧縮作動空間を形成する大径部及び内部に第２圧縮作動空間を形成する小径部を備えるシリンダと、前記小径部に収納される第１段部及び前記大径部に収納される第２段部を備えるピストンと、を有しており、
前記第１及び第２圧縮作動空間の一方が前記冷凍発生部の一端に連結し、前記第１及び第２圧縮作動空間の他方が前記位相調節手段を介して前記冷凍発生部の他端に連結していることを特徴とするパルス管型蓄熱機関。
【請求項２】
前記位相調節手段は、前記冷凍発生部に一端が連結するイナータンスチューブと、前記イナータンスチューブに一端が連結するバッファー空間とを有する請求項１に記載のパルス管型蓄熱機関。
【請求項３】
前記バッファー空間は、一端が前記イナータンスチューブに連結し、他端が前記第１及び第２圧縮作動空間の他方に連結するバッファータンクにより形成される請求項２に記載のパルス管型蓄熱機関。
【請求項４】
前記第１及び第２圧縮作動空間の他方は、前記作動流体の圧力振動の位相を調整するのに充分なデッドボリュームを持ち、該デッドボリュームが前記バッファー空間の少なくとも一部として機能する請求項２に記載のパルス管型蓄熱機関。
【請求項５】
前記イナータンスチューブの他端が前記第１及び前記第２圧縮作動空間の他方に連結している請求項４に記載のパルス管型蓄熱機関。
【請求項６】
前記位相調節手段は、一端が前記冷凍発生部に連結し、他端が前記第１及び第２圧縮作動空間の他方に連結するディスプレーサーシステムより構成される請求項１に記載のパルス管型蓄熱機関。
【請求項７】
前記ディスプレーサーシステムは、前記作動流体が流入、流出するディスプレーサー作動空間と、該ディスプレーサー作動空間を形成するシリンダと、該シリンダ内に配置され、前記ディスプレーサー作動空間を、前記冷凍発生部の他端に連結する第１ディスプレーサー作動空間と前記第１及び第２圧縮作動空間の他方に連結する第２ディスプレーサー作動空間とに区画するディスプレーサーピストンと、を有する請求項６に記載のパルス管型蓄熱機関。
【請求項８】
前記冷凍発生部の一端に前記蓄冷器が配置され、前記冷凍発生部の他端に前記パルス管が配置されており、前記振動発生器に前記蓄冷器が連結し、前記位相調節手段に前記パルス管が連結する請求項１ないし７のいずれか１項に記載のパルス管型蓄熱機関。
【請求項９】
前記冷凍発生部の一端に前記パルス管が配置され、前記冷凍発生部の他端に前記蓄冷器が配置されており、前記振動発生器に前記パルス管が連結し、前記位相調節手段に前記蓄冷器が連結する請求項１ないし７のいずれか１項に記載のパルス管型蓄熱機関。
【請求項１０】
前記振動発生器に対向して配置され、前記ピストンの往復動に応じて作動する振動バランサーを有する請求項１ないし９のいずれか１項に記載のパルス管型蓄熱機関。
【請求項１１】
前記振動バランサーは、内部に第３圧縮作動空間を形成する小径部及び内部に第４圧縮作動空間を形成する大径部を備え、前記振動発生器のシリンダと軸を同じくして配置されるバランサーシリンダと、前記バランサーシリンダの小径部に収納される第３段部及び前記バランサーシリンダの大径部に収納される第４段部を備え、前記振動発生器のピストンと軸を同じくして配置されるバランサーピストンと、を有し、
前記第１圧縮作動空間と前記第３圧縮作動空間が連結しており、前記第２圧縮作動空間と前記第４圧縮作動空間が連結している請求項１０に記載のパルス管型蓄熱機関。
【請求項１２】
前記振動バランサーは、内部に第３圧縮作動空間を形成する小径部及び内部に第４圧縮作動空間を形成する大径部を備え、前記振動発生器のシリンダと軸を同じくして配置されるバランサーシリンダと、前記バランサーシリンダの小径部に収納される第３段部及び前記バランサーシリンダの大径部に収納される第４段部を備え、前記振動発生器のピストンと軸を同じくして配置されるバランサーピストンと、を有し、
前記第３及び第４圧縮作動空間の一方が、前記冷凍発生器の一端に連結し、前記第３及び第４圧縮作動空間の他方が前記位相調節手段を介して前記冷凍発生部の他端に連結している請求項１０又は１１に記載のパルス管型蓄熱機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パルス管型蓄熱機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
パルス管型蓄熱機関の一つとしてパルス管型冷凍機が知られ、広く使用されている。基本的に、パルス管型冷凍機は振動発生器と蓄冷器とコールドヘッドとパルス管とを順次直列に連結して構成される。パルス管型冷凍機では、冷凍機内に注入された作動流体に対し振動発生器により振動が引き起こされ、作動流体の圧力変動と変位との間に適当な位相差が生じる。これによって、蓄冷器においてコールドヘッドから振動発生器方向へ向かう熱の流れが発生し、コールドヘッドにおいて冷凍出力が得られる。
【０００３】
パルス管型冷凍機はさまざまな場合において有効な冷凍手段であって、高い冷凍出力安定性を持っている。また、パルス管型冷凍機は、振動発生器としてコンプレッサーを一つのみ設ければ良く、シンプルな構造を持っている。
【０００４】
非特許文献１に開示されるように、イナータンスチューブパルス管型冷凍機には、システムを構成する振動発生器が一つのコンプレッサーのみであるため、構造はシンプルである。イナータンスチューブパルス管型冷凍機はさまざまの場合に使用され、高い冷凍効率を持つことがよく知れている。
【０００５】
また、非特許文献２に開示されるように、ステップピストンタイプダブルインレットパルス管型冷凍機では、ステップピストンが使用されている。ステップピストンはパルス管の高温端に仕事を送出し、パルス管の高温端において作動流体の流れが調整される。
【非特許文献１】Phase shift Effect of the Long Neck Tube for the Pulse Tube                Refrigerator, Cryocooler 9, Plenum Press, 1997, P269〜P278
【非特許文献２】Double inlet pulse tube refrigerators: an important                         improvement, Cryogenics, 1990 Vol 30 June, P514〜P520
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、非特許文献１のイナータンスチューブパルス管型冷凍機では、作動流体の膨張による仕事がイナータンスチューブ内において損失されることから、その冷凍効率は理論的にカルノー効率より低い。
【０００７】
また、非特許文献２のステップピストンタイプダブルインレットパルス管冷凍機では、作動流体の膨張による仕事が作動流体の流れとともに損失され、さらに圧縮作動空間とパルス管高温端とを連結するチューブやダブルインレット部においても仕事損失が発生する。故に、ステップピストンタイプダブルインレットパルス管型冷凍機の冷凍効率はイナータンスチューブパルス管型冷凍機の冷凍効率よりも低い。
【０００８】
本発明は上記実状に鑑みてなされたものであり、高効率のパルス管型蓄熱機関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、作用、効果】
【０００９】
本発明のパルス管型蓄熱機関は、作動流体に圧力振動を付与する振動発生器と、蓄冷器、コールドヘッド、パルス管がこの順で連結されており、一端が振動発生器に連結する冷凍発生部と、冷凍発生部の他端に連結され作動流体の圧力振動の位相を調節する位相調節手段と、を有し、位相調節手段で作動流体の位置変動と圧力変動とに位相差を持たせることにより低温あるいは動力を発生させるパルス管型蓄熱機関であって、振動発生器は、内部に第１圧縮作動空間を形成する大径部及び内部に第２圧縮作動空間を形成する小径部を備えるシリンダと、小径部に収納される第１段部及び大径部に収納される第２段部を備えるピストンと、を有しており、第１及び第２圧縮作動空間の一方が冷凍発生部の一端に連結し、第１及び第２圧縮作動空間の他方が位相調節手段を介して冷凍発生部の他端に連結していることを特徴とする。
【００１０】
本発明のパルス管型蓄熱機関位相調節手段は、冷凍発生部に一端が連結するイナータンスチューブと、イナータンスチューブに一端が連結するバッファー空間とを有することが好ましい。
【００１１】
本発明のパルス管型蓄熱機関は、バッファー空間が、一端がイナータンスチューブに連結し、他端が第１及び第２圧縮作動空間の他方に連結するバッファータンクにより形成されることが好ましい。
【００１２】
本発明のパルス管型蓄熱機関は、第１及び第２圧縮作動空間の他方が、作動流体の圧力振動の位相を調整するのに充分なデッドボリュームを持ち、該デッドボリュームがバッファー空間の少なくとも一部として機能することが好ましい。
【００１３】
本発明のパルス管型蓄熱機関イナータンスチューブの他端が第１及び第２圧縮作動空間の他方に連結していることが好ましい。
【００１４】
本発明のパルス管型蓄熱機関は、位相調節手段が、一端が冷凍発生部に連結し、他端が第１及び第２圧縮作動空間の他方に連結するディスプレーサーシステムより構成されることが好ましい。
【００１５】
本発明のパルス管型蓄熱機関は、ディスプレーサーシステムが、作動流体が流入、流出するディスプレーサー作動空間と、該ディスプレーサー作動空間を形成するシリンダと、該シリンダ内に配置され、ディスプレーサー作動空間を、冷凍発生部の他端に連結する第１ディスプレーサー作動空間と第１及び第２圧縮作動空間の他方に連結する第２ディスプレーサー作動空間とに区画するディスプレーサーピストンと、を有することが好ましい。
【００１６】
本発明のパルス管型蓄熱機関は、冷凍発生部の一端に蓄冷器が配置され、冷凍発生部の他端にパルス管が配置されており、振動発生器に蓄冷器が連結し、位相調節手段にパルス管が連結することが好ましい。
【００１７】
本発明のパルス管型蓄熱機関は、冷凍発生部の一端にパルス管が配置され、冷凍発生部の他端に蓄冷器が配置されており、振動発生器にパルス管が連結し、位相調節手段に蓄冷器が連結することが好ましい。
【００１８】
本発明のパルス管型蓄熱機関は、振動発生器に対向して配置され、ピストンの往復動に応じて作動する振動バランサーを有することが好ましい。
【００１９】
本発明のパルス管型蓄熱機関は、振動バランサーが、内部に第３圧縮作動空間を形成する小径部及び内部に第４圧縮作動空間を形成する大径部を備え、振動発生器のシリンダと軸を同じくして配置されるバランサーシリンダと、バランサーシリンダの小径部に収納される第３段部及びバランサーシリンダの大径部に収納される第４段部を備え、振動発生器のピストンと軸を同じくして配置されるバランサーピストンと、を有し、第１圧縮作動空間と第３圧縮作動空間が連結しており、第２圧縮作動空間と第４圧縮作動空間が連結していることが好ましい。
【００２０】
本発明のパルス管型蓄熱機関は、振動バランサーが、内部に第３圧縮作動空間を形成する小径部及び内部に第４圧縮作動空間を形成する大径部を備え、振動発生器のシリンダと軸を同じくして配置されるバランサーシリンダと、バランサーシリンダの小径部に収納される第３段部及びバランサーシリンダの大径部に収納される第４段部を備え、振動発生器のピストンと軸を同じくして配置されるバランサーピストンと、を有し、第３及び第４圧縮作動空間の一方が、冷凍発生器の一端に連結し、第３及び第４圧縮作動空間の他方が位相調節手段を介して冷凍発生部の他端に連結していることが好ましい。
【００２１】
また、本発明のパルス管蓄熱機関は、固体ピストンと同様に液体ピストンを採用することも可能である。
【００２２】
さらに、本発明のパルス管型蓄熱機関は、ステップピストンおよびステップシリンダで構成された振動発生器を有し、さらに振動発生器のコンプレッサ作動空間は二つに分割され、一方はパルス管の高温端と接続され、他方はバッファー空間と接続される。パルス管の高温端内の作動流体の膨張による仕事が、パルス管の高温端とバッファー空間を接続するイナータンスチューブを介してバッファー空間に流され、さらに作動流体の圧力が連続的に変化するコンプレッサ空間において該仕事が回収される。このように、理論上において本発明のパルス管型冷凍機の効率はカルノー効率に相等している。そのため、従来のイナータンスチューブタイプパルス管型冷凍機に比べ、理論効率が上がる。さらにシステムの構成は、シリンダが第１及び第２圧縮作動空間を有するステップシリンダタイプに変わったが、依然として振動発生器が一つのコンプレッサーのみで構成されるため、シンプルな構造を持っている。
【００２３】
また、本発明の蓄熱機関は、冷熱交換器における温度が室温より高ければ、熱ポンプとしても機能する。さらに、本発明の蓄熱機関は、冷熱交換器において熱を加え、冷熱交換器における温度が室温度以上であれば、エンジンとして出力を得ることもできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態について説明する。パルス管型蓄熱機関の形態としてパルス管型冷凍機を用いて以下の説明を行なう。なお、パルス管型蓄熱機関の形態例であるパルス管型冷凍機とパルス管型原動機とは機器の構成はほぼ同じである。そのため、本発明はパルス管型原動機にも適用できる。
【００２５】
（第１実施形態例）
本発明の第１実施形態例のパルス管型冷凍機の概略構成を図１に示した。
【００２６】
第１実施形態のパルス管型冷凍機は、振動発生器１と冷凍発生部２の蓄冷器２４、コールドヘッド２５およびパルス管２６と位相調節手段３を順次連結し閉回路を形成している。ステップシリンダ１１の第２圧縮作動空間１１２が蓄冷器２４と連結され、第１圧縮作動空間１１１が位相調節手段３を介して、パルス管２６の高温端２６２と連結されている。作動流体としてはヘリウム、ネオン、アルゴン、窒素、空気など、あるいはこれらの混合物が用いられる。また、パルス管型冷凍機は、さまざまな可動部において作動流体の気密性（液密性）が確保されている。なお、本発明の冷凍発生部２はコールドヘッド２５と、蓄冷器２４と、パルス管２６とから構成されるものである。
【００２７】
振動発生器１は、第２圧縮作動空間１１２および第１圧縮作動空間１１１を区画するステップシリンダ１１と、ステップシリンダ１１内に配置されたステップピストン１２と、ステップピストン１２を往復動させるための駆動源１０と、ステップピストン１２の側面とステップシリンダ１１の内壁面との間でクリアランスシールを形成するようにピストン１２を支持するための支持バネ（図に示さず）を有している。  ステップシリンダ１１は、内部に第２圧縮作動空間１１２を形成する小径部及び内部に第１圧縮作動空間１１１を形成する大径部を備える。ステップピストン１２は、小径部に収納される第１段部１２１及び大径部に収納される第２段部１２２を備える。駆動源１０は、ステップピストン１２の背面から突出したシャフト１０１と、シャフト１０１に形成された可動子（図に示さず）と、可動子に往復動する駆動力を付与するリニアモータ（図に示さず）と、を有する。
【００２８】
また、振動発生器１のステップシリンダ１１の第１圧縮作動空間１１１の背面側１０２にはバランサー（図に示さず）を取付けることができる。バランサーは、振動発生器１がステップシリンダ１１を往復動させたときに生じる振動を減衰させるもので、バランサーウェイト（図に示さず）を支持バネ（図に示さず）が支持した構成を有することができる。
【００２９】
本実施例のパルス管型冷凍機では、蓄冷器２４、コールドヘッド２５、パルス管２６が一体をなし冷凍発生部２を構成している。蓄冷器２４は、ステンレス鋼などの熱伝導率の小さい材料で形成された容器２０内にステンレス鋼、りん青銅等のメッシュなどで形成された蓄冷材を配置してなる。
【００３０】
コールドヘッド２５は、容器２０に配置された蓄冷器２４の、振動発生器１と接続されていない端部側に設けられている。パルス管２６は、容器２０に配置されたコールドヘッド２５の蓄冷器２４と接続されていない端部側に設けられている。高温側ディストリビュータ２７は、容器２０に配置されたパルス管２６のコールドヘッド２５と接続されていない端部側に設けられている。
【００３１】
位相調節手段３は、イナータンスチューブ３１と、バッファー空間３２とを有する。なお、位相調節手段３は、第１圧縮作動空間１１１の少なくとも一部と、イナータンスチューブ３１と、バッファー空間３２とから構成されているとみなすこともできる。イナータンスチューブ３１は、チューブ内で適当な長さを持ち、アコースティックな作用（音響的振動作用）により、バッファー空間３２内のガスの往復動と第１圧縮作動空間１１１内のガスの往復動とで作動流体の圧力振動と位置変動とに位相差を持たせる機能を有することが特徴である。一般的に、イナータンスチューブ３１の長さは作動流体の物質組成、振動頻度、バッファー空間３２の体積、温度およびチューブ口径などで決められる。また、熱損失を抑えるため、イナータンスチューブ３１およびバッファー空間３２を形成する容器は熱伝導率小さい材料から形成させるものが好ましい。
【００３２】
また、チューブ２１１は第２圧縮作動空間１１２とパルス管容器２０の蓄冷器２４が設置された側とを接続している。さらに、蓄冷器２４と接続チューブ２１１の間に室温熱交換器２３が設けられている。なお、チューブ２１１は漏斗状端部２２１を介してパルス管容器２０に接続することが好ましい。漏斗状端部２２１は異なった口径を持つ両端口を有し、異なる口径を持つ各部分を接続する連結部であり、連結された管路内の作動流体の流れを良くする機能を持ち、高流速のガスの圧力損失を抑える効果がある。また、ガスディストリビューター２７とイナータンスチューブ３１とを接続する接続部には漏斗状端部２２２を、イナータンスチューブ３１とバッファー空間３２の一端の口を接続する接続部にも漏斗状端部３２１を設けることが好ましい。また、作動流体を効率良く分配するため、漏斗状端部２２２は穴が開いてるシート板に代えることもできる。また、バッファー空間３２はイナータンスチューブ３１の長さを短縮する効果がある。小さいバッファー空間３２がより長いイナータンスチューブ３１を必要とし、より大きい圧力損失を招く。
【００３３】
最後に、チューブ３２２はバッファー空間３２の他端の口と振動発生器１のステップシリンダ１１の第１圧縮作動空間１１１とを接続し、以上により閉回路が構成される。
【００３４】
本実施形態例のパルス管型冷凍機は、以下に示すように作動する。
【００３５】
まず、振動発生器１の駆動源１０によりステップピストン軸１０１を作動し、連動するステップピストン１２をステップシリンダ１１内において往復運動させ、第２圧縮作動空間１１２及び第１圧縮作動空間１１１内において作動ガスの圧力振動を発生させる。
【００３６】
ステップピストン１２の往動（上昇）時、第２圧縮作動空間１１２内の作動ガスが圧縮され、温度が上昇する。昇温したガスはチューブ２１１および漏斗状端部２２１を介して室温熱交換器２３に流され、そこで室温度に近い温度まで冷却される。圧縮された作動ガスは、蓄冷器２４を通過し冷凍温度に近い温度まで冷却され、さらに冷熱交換器（コールドヘッド２５）に到達し冷凍温度に達する。そして圧縮された作動ガスはパルス管２６の下端部に流され、パルス管２６の低温端２６１において、膨張され、温度がさらに下がる。
【００３７】
また、パルス管２６の低温端２６１に到達し冷却された作動ガスの一部が、パルス管２６の低温端２６１において冷やされた後、パルス管２６に沿ってパルス管２６の高温端２６２まで拡散される。さらに、ディストリビューター２７を介して、位相調節手段３のイナータンスチューブ３１に流入される。
【００３８】
ステップピストン１２の複動（下降）時、冷やされた作動ガスが冷凍発生部２内をリターンする際、冷熱交換器２５を収納する容器２０の壁を冷却させ、作動ガスの冷凍力を発揮し低温が生成される。さらに、リターンする作動ガスは蓄冷器２４を通過し、室温に近い温度まで熱を吸収し、加熱された後第２圧縮作動空間１１２まで流される。
【００３９】
また、振動発生器１がステップピストン１２から構成されるため、ステップピストン１２の往動時、作動ガスは第２圧縮作動空間１１２内で圧縮されると同時に、第１圧縮作動空間１１１で圧縮される。圧縮された作動ガスが連結チューブ３２２を介して位相調節手段３のバッファー空間３２に流される。
【００４０】
従って、図２に示したように、イナータンスチューブ３１およびバッファー空間３２を介して、第１圧縮作動空間１１１および第２圧縮作動空間１１２内の圧力が変動する。この圧力変動によりパルス管２６内で作動ガスの往復動と圧力変動とに位相差が発生し、つまり、第１圧縮作動空間１１１内の圧力変動が第２圧縮作動空間１１２内の圧力変動よりも時間が遅れ、コールドヘッド２５で低温が生成される。また、図３に示したように、本実施形態においては、第１圧縮作動空間１１１におけるＰＶ面積は第２圧縮作動空間１１２におけるＰＶ面積より小さいため、コールドヘッド２５は、第２圧縮作動空間１１２から仕事を得て、第１圧縮作動空間１１１に対して仕事を与えることが明らかになった。従って、イナータンスチューブ３１などを含む位相調節手段３を用いて作動ガスの膨張による仕事を回収することができる。
【００４１】
即ち、位相調節手段３において、作動ガスの膨張による仕事が閉回路内に回収され、熱に変え損失することなく、カルノー効率に相等する冷凍効率を得ることができる。
【００４２】
なお、本実施形態とは別に、第１圧縮作動空間１１１に冷凍発生器２の一端を接続し、第２圧縮作動空間１１２に位相調節手段３を接続する場合には、第１圧縮作動空間１１１におけるＰＶ面積を第２圧縮作動空間１１２におけるＰＶ面積よりも大きくする。これにより、コールドヘッド２５は、第１圧縮作動空間１１１から仕事を得て、第２圧縮作動空間１１２に対して仕事を与えるようになる。
【００４３】
冷凍機あるいはパルス管エンジンでは、イナータンスチューブにおいて振動を引き起こす際、一方の圧縮作動空間における仕事が入力となり、もう一方の圧縮作動空間における仕事が出力となるために最低周波数が設定されている。最低周波数を下回った場合は、振動が引き起されなく、冷凍機が正常に作動しない。
【００４４】
イナータンスチューブ内において、振動が引き起こされた作動流体が高い速度を持つため、摩擦による仕事の損失が発生している。このため、すべての膨張による仕事を回収することができない。膨張による仕事をできるだけ回収するために、イナータンスチューブの口径、長さ、バッファー空間容積及び圧縮体積などの影響する要素を最適化する必要がある。冷凍機の作動周波数は最低作動周波数以上で作動させる必要がある。
【００４５】
冷凍機は高い作動周波数で作動する際、より短いイナータンスチューブを使用することができる。このため、作動流体の摩擦による仕事の損失を低減することができる。即ち、仕事の回収率が上昇し、冷凍機の効率をアップさせる。
【００４６】
なお、イナータンスチューブ内において、チューブ口径が急に減少する部品を使用すると作動流体に抵抗を与え、仕事の損失を増大させる恐れがあるため、口径が同じなチューブ部品を使用することが好ましい。また、摩擦による仕事の損失を防ぐために、イナータンスチューブはスムーズな内面を持つものが好ましいが、市販されているパイプを用いることも可能である。このように、パルス管の高温端から、ディストリビューター、イナータンスチューブまたはバッファー空間を介して、そしてバッファー空間に接続する圧縮作動空間までの各部分において摩擦による顕著な仕事の損失を回避する必要がある。
【００４７】
本実施形態例のパルス管型冷凍機は、従来のイナータンスチューブパルス管型冷凍機と比べ、作動ガスのパルス管高温端におけるすべての膨張による仕事がイナータンスチューブにおいて損失することを回避し、理論冷凍効率が大きく向上し、カルノー効率に相当している。しかも、構造上ではディスプレーサーパルス管型冷凍機に比べ、振動発生部１は一つのコンプレッサーで構成され、ディスプレーサーパルス管型冷凍機のように複雑な構成がなく、非常にシンプルでしかも高い冷凍力性能を持っている。また、ディスプレーサーパルス管型冷凍機のような複雑なデュアルコンプレッサーシステムを必要としないため、システム構成コスト及び運転コストが低減される。ここでは、直線状のイナータンスチューブ３１を用いたが、イナータンスチューブ３１をコイル状に形成しコンプレッサー本体１の外周に配置すれば、よりコンパクトになる。
【００４８】
（第２実施形態例）
本発明の第２実施形態例のパルス管型冷凍機の概略構成を図４に示した。
【００４９】
第２実施形態例のパルス管型冷凍機は、振動発生器１が有する第２圧縮作動空間１１２が蓄冷器２４と連結され、振動発生器１が有する第１圧縮作動空間１１１は作動流体の位相を調整するのに充分なデッドボリュームを持つ。なお、デッドボリュームとは、ステップシリンダー１１およびステップピストン１２で区画する圧縮作動空間１１１内において、ステップピストン１２がステップシリンダー１１内において往復動を行い、作動ガスを圧縮する際、圧縮されない圧縮作動空間１１１の上部空間である。また、位相調節手段３は、独立した前記バッファー空間３２（図１参照）を有しない。その他の構成は第１実施形態例と同様であり、具体的な説明は行なわない。
【００５０】
本実施形態例の振動発生器１が有する第１圧縮作動空間１１１が十分な長さを持つイナータンスチューブ３１を介してパルス管２６の高温端２６２と連接されている。十分なデッドボリュームを有する第１圧縮作動空間１１１の一部と、イナータンスチューブ３１とで位相調節手段３が構成されている。
【００５１】
本実施形態例の振動発生器１においては、第１圧縮作動空間１１１内の上方部分に十分なデッドボリュームが設けられ、前記バッファー空間３２の役割を分担している。図４に示すように、第１圧縮作動空間１１１内の上方部分のステップピストン１２の移動により圧縮される体積が第１圧縮作動空間１１１の全体積に比べて極めて小さい場合は、この上方の部分はバッファー空間３２を構成することができる。このように、位相調節手段３のイナータンスチューブ３１および第１圧縮作動空間１１１内のデッドボリュームを用い、各空間内（１１１、１１２）の圧力変動を調節する。この圧力変動によりパルス管２６内で作動流体の位置変動と圧力変動に位相差が発生し、コールドヘッド２５で低温が生成される。
【００５２】
本実施形態例によれば、第１実施形態例のパルス管型冷凍機と同様な効果を発揮する。
【００５３】
（第３実施形態例）
本発明の第３実施形態例のパルス管型冷凍機の概略構成を図５に示した。
【００５４】
第３実施形態例のパルス管型冷凍機は、振動発生器１が有する第１圧縮作動空間１１１が位相調節手段３を介してコールドヘッド２５及び蓄冷器２４と連結され、振動発生器１が有する第２圧縮作動空間１１２がパルス管２６の高温端２６２と連結され、閉回路を形成する形態例である。
【００５５】
第３実施形態例のパルス管型冷凍機では、位相調節手段３が第１圧縮作動空間１１１と蓄冷器２４の間に設けられるため、閉回路内作動ガスの往復動及び圧力変動に生じた位相差が調節され、コールドヘッド２５において低温が生成される。
【００５６】
なお、これ以外は、第１実施形態例と同様であり、具体的な説明は行なわない。
【００５７】
このように、第１圧縮作動空間１１１と蓄冷器２４の間に位相調節手段３を設けることによって、冷凍発生部２内の各構成要素の配置順序を変えても本発明のパルス管冷凍機を構成する閉回路内の作動流体の位相差を発生し、冷凍発生部２において冷凍能力を生成することができる。
【００５８】
この実施形態例によれば、第１実施例のパルス管型冷凍機と同様な効果を発揮する。
【００５９】
（第４実施形態例）
本発明の第４実施形態例のパルス管型冷凍機の概略構成を図６に示した。
【００６０】
第４実施形態例のパルス管型冷凍機は、振動発生器１０Ａによりシステムに与えている振動を抑えるために、バランサー１０Ｂが設けられ。振動発生器１０Ａとバランサー１０Ｂが対向方向に連結され、振動発生器１０Ａおよびバランサー１０Ｂが第２圧縮作動空間１１２Ａと第４圧縮作動空間１１２Ｂとを一体的に形成し、振動発生器１０Ａおよびバランサー１０Ｂがバッファー空間３２を介して二つの第１圧縮作動空間１１１を連通しており、第２圧縮作動空間１１２が前記蓄冷器２４と連結され、第１圧縮作動空間１１１が位相調節手段３を介してパルス管２６の高温端２６２と連結され、閉回路を形成する形態例である。
【００６１】
また、一体的に形成された振動発生器１０Ａとバランサー１０Ｂは、独立した第１圧縮作動空間１１１Ａと第３圧縮作動空間１１１Ｂがそれぞれ形成たれているが、それぞれ開口部１１３Ａまたは１１３Ｂを有し、バッファー空間３２に開口される。即ち、バッファー空間３２を介して、振動発生器１０Ａとバランサー１０Ｂが有するそれぞれの第１圧縮作動空間１１１Ａと第３圧縮作動空間１１１Ｂとが連結されることになっている。
【００６２】
また、この実施形態例の装置に関しては、設計上のコンパクト性を考量し、バッファー空間３２が振動発生器１０Ａおよびバランサー１０Ｂの外側に設けられ、これら二つのコンプレッサー（１０Ａ，１０Ｂ）を括弧し、一体化されている。
【００６３】
なお、これ以外は、第１実施形態例と同様であり、具体的な説明は行なわない。
【００６４】
本実施形態例によれば、第１実施形態例のパルス管型冷凍機と同様な効果を発揮できると同時に、システムの振動を抑えることができり、より安定した作動を得られている。
【００６５】
（第５実施形態例）
本発明の第５実施形態例のパルス管型冷凍機の概略構成を図７に示した。
【００６６】
第５実施形態例のパルス管型冷凍機は、位相調節手段３を構成するディスプレーサーシステム３３において、シリンダ３４０及びディスプレーサー３３１が設けられた。ディスプレーサーシステム３３には、ディスプレーサーシステム３３を構成するディスプレーサー３３１の側面とシリンダ３４０の内壁面との間にクリアランスシールが形成され、更に支持バネ３３２により支持される構造となっている。なお、バネ３３２は、一端がディスプレーサー３３１に固定され、他端が第１圧縮作動空間１１１と接続する側のシリンダ３４０の底面に固定される。このように、シリンダ３４０がディスプレーサー３３１により第１ディスプレーサー作動空間３３３（シリンダ３４０空間内ディスプレーサー３３１以上の部分）と第２ディスプレーサー作動空間３３４（シリンダ３４０空間内ディスプレーサー３３１以下の部分）に分けられる。二つ独立した空間内の作動ガスの圧力差の変動によりディスプレーサー３３１が振動を引き起こし、イナータンスチューブ３１のように位相調節機能を果たしている。また、シリンダ３４０内において、第１ディスプレーサー作動空間３３３及び第２ディスプレーサー作動空間３３４内の圧力差により構成されるガスバネがバネとして十分な機能をする場合、特にバネ３３２を設ける必要はない。このように、位相調節手段３を構成するディスプレーサーシステム３３とイナータンスチューブ３１において、各空間内（１１１、１１２）の圧力変動を調節する。この圧力変動によりパルス管２６内で作動流体の往復動と圧力変動に位相差が発生し、コールドヘッド２５で低温が生成される。
【００６７】
なお、イナータンスチューブ３１の長さは、大きければ位相調節手段３としての機能が顕著であり、ディスプレーサーシステム３３と同様な役割を分担する。逆に、長さが短ければ位相調節手段としての機能を無視することができる。この場合に関しては、ディスプレーサーシステム３３のみで位相調節機能を果たしている。
【００６８】
また、第１ディスプレーサー作動空間３３３の容積は、ディスプレーサー３３１の作動体積より少し大きい方が好ましい。十分な大きさを持つことが位相調節機能に有利である。なお、大きすぎると逆に位相調節機能に悪い影響を与える。
【００６９】
さらに、第２ディスプレーサー作動空間３３４の容積は、ディスプレーサー３３１の作動体積より少し大きい方が好ましい。なお、大きすぎると逆に位相調節機能に悪い影響を与える。
【００７０】
ディスプレーサーシステム３３を構成するディスプレーサー３３１は固体ピストンであるが、液体ピストンを用いることも可能である。
【００７１】
その他の構成は第１実施形態例と同様であり、具体的な説明は行なわない。
【００７２】
本実施形態例によれば、第１実施形態例のパルス管型冷凍機と同様な効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】第１実施形態例のパルス管型冷凍機の構成を示した図である。
【図２】位相調節手段により各圧縮作動空間内圧力変動を示す図である。
【図３】位相調節手段により各圧縮作動空間内作動流体のＰＶ図である。
【図４】第２実施形態例のパルス管型冷凍機の構成を示した図である。
【図５】第３実施形態例のパルス管型冷凍機の構成を示した図である。
【図６】第４実施形態例のパルス管型冷凍機の構成を示した図である。
【図７】第５実施形態例のパルス管型冷凍機の構成を示した図である。
【符号の説明】
【００７４】
１：振動発生器  １０：駆動源  １０１：シャフト  １０２：背面側
１１：ステップシリンダー  １２：ステップピストン
１１１：第１圧縮作動空間  １１２：第２圧縮作動空間
１２１：第１段部  １２２：第２段部
２：冷凍発生部  ２０：容器  ２５：コールドヘッド
２１１、３２２：チューブ  ２２１、２２２、３２１：漏斗状端部
２３：室温熱交換器  ２４：蓄冷器  ２６：パルス管
２６１：低温端  ２６２：高温端  ２７：ディストリビュータ
３：位相調節手段  ３１：イナータンスチューブ  ３２：バッファー空間
【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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