(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高温端と低温端が画定され、内部にガス流路を有し、内部を流れる作動ガスと熱交換を行う蓄冷器と、
高温端と低温端が画定され、内部空洞を有するパルス管と、
前記蓄冷器とパルス管の低温端同士を接続し、前記蓄冷器内のガス流路と前記パルス管の内部空洞を連結させるガス流路を有するコールドステージと、
作動ガスを吸引する吸引口、及び、該吸引口から吸引された作動ガスを圧縮して吐出する吐出口を有するガス圧縮機と、
前記ガス圧縮機の吐出口、吸引口、及び、前記蓄冷器の高温端に接続され、該吸引口と蓄冷器の高温端を連結させるガス回収状態と、前記吐出口と蓄冷器の高温端を連通させるガス供給状態を取りうるバルブ機構と、
を備えたパルス管冷凍機において、
前記バルブ機構が、回転数可変モータにより駆動され、前記ガス回収及び供給状態のサイクルが、運動姿勢に応じて可変とされていることを特徴とするパルス管冷凍機。
【請求項２】
前記パルス管とバッファタンクを連結する管路に可変オリフィスが配設されていることを特徴とする請求項１に記載のパルス管冷凍機。
【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、特に、運転姿勢による冷凍能力の低下を抑えることが可能なパルス管冷凍機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１に示す如く、高温端１０Ｈと低温端１０Ｃが画定され、内部にガス流路を有し、内部を流れる作動ガスと熱交換を行う蓄冷器１０と、高温端１２Ｈと低温端１２Ｃが画定され、内部空洞を有するパルス管１２と、前記蓄冷器１０とパルス管１２の低温端同士を接続し、前記蓄冷器１０内のガス流路と前記パルス管１２の内部空洞を連結させるガス流路を有するコールドステージ１４と、作動ガスを吸引する吸引口１６Ａ、及び、該吸引口１６Ａから吸引された作動ガスを圧縮して吐出する吐出口１６Ｂを有するガス圧縮機１６と、前記ガス圧縮機１６の吐出口、吸引口、及び、前記蓄冷器１０の高温端に接続され、該吸引口と蓄冷器の高温端とを連結させるガス回収状態と、前記吐出口と蓄冷器の高温端を連通させるガス供給状態を取りうる、高／低圧切換用のバルブ機構１８とを備えたパルス管冷凍機が知られている。
【０００３】
図において、２０は、例えば出願人が特許第２６１７６８１号で提案したような回転式のバルブ機構（ロータリバルブとも称する）１８を、例えば６０ｒｐｍの一定速で回転駆動するための同期モータでなる駆動モータ、２２は、例えばヘリウムガスでなる作動ガスを蓄えるためのバッファタンク、２４は、該バッファタンク２２と前記パルス管１２の間に挿入された、流路抵抗のための絞り弁としてのオリフィスである。
【０００４】
このようなパルス管冷凍機は、低温部に機械的な可動部がなく、構造も簡単である。この為、振動の少ない冷凍機として、多くの低温機器に用いられている。
【０００５】
しかしながら、このようなパルス管冷凍機においては、パルス管１２を、その高温端１２Ｈが上方となるように、垂直な姿勢（０度とする）に取り付けた場合には、充分な能力を発揮するが、それ以外の姿勢、例えば図２に示す水平な姿勢（９０度）に取り付けた場合には、冷凍能力が著しく低下してしまうという問題点を有していた。
【０００６】
このような問題点を解決するべく、特開２０００−４６４２７には、図３に示す如く、パルス管１２をＬ字状とし、その低温端１２Ｃを高温端１２Ｈより低く位置させて、パルス管内の自然対流を防ぐことにより、横から取り付けた場合においても冷凍能力が維持できるようにすることが提案されている。
【０００７】
又、特開平７−２３４０２９には、図４に示す如く、パルス管１２内に、作動ガスの対流の発生を抑制し、且つ、発生した対流を減速させるための仕切り板１３を設けることにより、取付姿勢によって冷凍性能が低下しないようにすることが提案されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前者の特開２０００−４６４２７に記載された方法では、運転姿勢毎に専用の冷凍機を準備する必要があり、冷凍機の種類が増えるだけでなく、一度装置に組み込んでしまうと、運転姿勢を変更することが不可能であるという問題点を有する。
【０００９】
一方後者の特開平７−２３４０２９に記載された方法によれば、装置に組み込んだ後の運転姿勢の変更は可能であるが、パルス管１２内に仕切り板を設ける必要があるため、冷凍能力に影響を受けるという問題点を有していた。
【００１０】
本発明は、前記従来の問題点を解消するべくなされたもので、各運転姿勢専用としたり、或いは、パルス管内に異物を設けることなく、運転姿勢による冷凍能力の低下を抑えることを課題とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、高温端と低温端が画定され、内部にガス流路を有し、内部を流れる作動ガスと熱交換を行う蓄冷器と、高温端と低温端が画定され、内部空洞を有するパルス管と、前記蓄冷器とパルス管の低温端同士を接続し、前記蓄冷器内のガス流路と前記パルス管の内部空洞を連結させるガス流路を有するコールドステージと、作動ガスを吸引する吸引口、及び、該吸引口から吸引された作動ガスを圧縮して吐出する吐出口を有するガス圧縮機と、前記ガス圧縮機の吐出口、吸引口、及び、前記蓄冷器の高温端に接続され、該吸引口と蓄冷器の高温端を連結させるガス回収状態と、前記吐出口と蓄冷器の高温端を連通させるガス供給状態を取りうるバルブ機構とを備えたパルス管冷凍機において、前記バルブ機構を、回転数可変モータにより駆動し、前記ガス回収及び供給状態のサイクル（駆動周波数と称する）を、運動姿勢に応じて可変とすることにより、前記課題を解決したものである。
【００１３】
又、前記パルス管とバッファタンクを連結する管路に可変オリフィスを配設したものである。
【００１４】
発明者の実験によると、運転姿勢とコールドステージの到達温度（以下、単に到達温度と称する）の間には図５に示すような関係があり、白丸印（駆動周波数２．０Ｈｚ）、白三角印（駆動周波数６．０Ｈｚ）で示す無負荷（０Ｗ）の場合、黒丸印（駆動周波数２．０Ｈｚ）、黒三角印（駆動周波数６．０Ｈｚ）で示す１０Ｗの熱負荷を加えた場合のいずれにおいても、パルス管１２の運転姿勢が、図１に示したように垂直の０度の場合には、駆動周波数が２．０Ｈｚの方が到達温度が低く高い冷凍性能が得られているのに対して、図２に示したように水平の９０度になった場合には、駆動周波数を６．０Ｈｚに高めた方が逆に到達温度が低くなっている。
【００１５】
図５は、蓄冷器１０の内径が２６ｍｍ、パルス管１２の内径が２０ｍｍ、オリフィス２４の径が０．５５ｍｍのパルス管におけるデータである。
【００１６】
又、オリフィス２４の径に関しては、図６（配管長３．２ｍの場合）及び図７（配管長２．２ｍの場合）に示す如く、運転姿勢が０度（各図（Ａ））の場合と上下逆にした１８０度、（各図（Ｂ））の場合で最適なオリフィス径が変化し、図６（Ａ）の場合には、オリフィス径０．７ｍｍの時に到達温度が最も低くなっているのに対し、図６（Ｂ）の場合には、オリフィス径０．９ｍｍの時に到達温度が最も低くなり、又、図７（Ａ）の場合には、オリフィス径０．７ｍｍの時に到達温度が最も低くなっているのに対し、図７（Ｂ）の場合には、オリフィス径０．８ｍｍの時に最も到達温度が低くなっている。従って、運転周波数と共にオリフィス径も変えるのが望ましい。
【００１７】
なお、駆動周波数は、バルブ機構１８の構造と駆動モータ２０の回転数に支配され、モータ回転数を変えずに駆動周波数を高くするには、例えばロータリバルブの場合、図８に示す如く、バルブ機構を変えて、モータ一回転で多数回ガス流路が切り替わるようにバルブ機構を大きくする必要があり、好ましくない。
【００１８】
本発明は、上記のような知見に基いてなされたものである。
【００１９】
なお、特許第２９０９９３４号には、蓄冷器１０とパルス管１２の結合部の温度に応じて、バルブ機構を構成する電磁弁の駆動周波数及び弁開度をフィードバック制御することが記載されているが、取付姿勢の変化に対応させる思想は記載されていなかった。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して、本発明の第一実施形態を詳細に説明する。
【００２１】
本発明の第一実施形態は、図１に示した従来例と同様のパルス管冷凍機において、図９に示す如く、バルブ機構の駆動モータ２０を、例えば直流モータ或いは交流可変速モータ等（特にステッピングモータが適している）の回転数可変モータとすると共に、該駆動モータ２０の回転数を制御するためのモータ回転数コントローラ３０を設け、駆動周波数を外部制御により可変としたものである。
【００２２】
前記バルブ機構１８としては、例えば出願人が特許第２６１７６８１号で提案したロータリバルブを用いることができる。このロータリバルブを用いた場合には、特に駆動周波数を高める場合に有利である。
【００２３】
前記駆動モータ２０の回転数としては、例えば１０〜１０００ｒｐｍ程度に設定可能とすることができる。
【００２４】
本実施形態においては、図５に示したような関係に基づいて、例えば運転姿勢が０度の場合には、駆動モータ２０の回転数を６０ｒｐｍとして、駆動周波数を２．０Ｈｚに設定し、運転姿勢が９０度の場合には、駆動モータ２０の回転数を３倍の１８０ｒｐｍに高めて、駆動周波数を６．０Ｈｚに変更することにより、運転姿勢による影響を小さくすることができる。
【００２５】
なお、図６及び図７に示したように、駆動周波数だけでなく運転姿勢に応じてオリフィス２４の径も変えられることが望ましい。このようにした本発明の第二実施形態を図１０に示す。
【００２６】
本実施形態は、第一実施形態と同様のパルス管冷凍機において、オリフィスとしてオリフィス径が可変の可変オリフィス３２を用い、該可変オリフィス３２のオリフィス径を、オリフィス径コントローラ３４により、運転姿勢に応じて、例えばΦ０．１ｍｍ〜Φ３ｍｍ程度に変えられるようにしたものである。
【００２７】
本実施形態によれば、図６又は図７に示すような関係に基いて、駆動周波数だけでなくオリフィス径を最適値に変えることによって、冷凍能力の低下を更に抑えることが可能となる。
【００２８】
なお前記実施形態においては、いずれも、駆動モータ２０に回転数可変モータを用いているので、既存装置のままで、運転姿勢による冷凍能力低下を抑えることが可能となる。なお駆動周波数を変える方法は、駆動モータの回転数を変える方法に限定されず、例えば無段変速機等の変速機を用いて駆動モータ２０の回転数を一定としたまま、バルブ機構１８の駆動周波数を変えることも可能である。
【００２９】
【発明の効果】
本発明によれば、既存装置のまま、駆動周波数を変えることによって、取付姿勢の変化による冷凍能力の低下を抑えることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のパルス管冷凍機の構成例を示すブロック図
【図２】同じく取付姿勢９０度の取付状態を示す正面図
【図３】特開２０００−４６４２７で提案されたパルス管冷凍機の要部構成を示す正面図
【図４】特開平７−２３４０２９で提案されたパルス管冷凍機の要部を示す断面図
【図５】本発明の原理を説明するための、運転姿勢と到達温度の関係の例を示す線図
【図６】同じく配管長３．２ｍの場合の駆動周波数及びオリフィス径と到達温度の関係の例を示す線図
【図７】同じく配管長２．２ｍの場合の駆動周波数及びオリフィス径と到達温度の関係の例を示す線図。
【図８】モータ回転数を変えずに駆動周波数を変える方法を説明するためのバルブの平面図
【図９】本発明の第一実施形態の全体構成を示す管路図
【図１０】同じく第二実施形態の構成を示す管路図
【符号の説明】
１０…蓄冷器
１２…パルス管
１４…コールドステージ
１６…ガス圧縮機
１８…バルブ機構
２０…駆動モータ
２２…バッファタンク
２４…オリフィス
３０…モータ回転数コントローラ
３２…可変オリフィス
３４…オリフィス径コントローラ
【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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【図９】
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【図１０】
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