(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、
前記圧縮機は、それぞれ一端側が前記蓄冷器に対して並列に接続された別のパルス管および別の蓄冷器と、これら別のパルス管および別の蓄冷器の各他端側間に直列に接続され、かつ両端側を略同温度に維持させるシリンダと、このシリンダ内に設けられて機械的に駆動されるディスプレーサピストンと、前記別のパルス管の前記一端側を前記シリンダの前記一端側よりも低温に維持する冷却装置とを備える
ことを特徴とするパルス管冷凍機。
【請求項２】
請求項１に記載のパルス管冷凍機において、前記蓄冷器と前記圧縮機を構成する別の蓄冷器とは一体に設けられてい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）を接続したり、加えて、当該オリフィスおよびパルス管間の流路と蓄冷器および圧縮機間の流路とを、別のオリフィスを有するバイパス流路を介して接続することで（ダブルインレット型）、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】
しかしながら、従来のパルス管冷凍機に用いられる圧縮機としては、往復動式、スクリュー式、ロータリ式、スクロール式など、モータによって駆動される駆動部を有するものが多いため、パルス管冷凍機の運転中にかかる駆動部への負荷により、モータでの消費電力が大きかったり、駆動部の摩耗等が生じやすくなって頻繁にメンテナンスが必要になるなど、不経済であるという問題がある。
【０００４】
本発明の目的は、経済的に優位なパルス管冷凍機を提供することにある。
【０００５】
【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（室温側）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、前記圧縮機は、それぞれ一端側が前記蓄冷器に対して並列に接続された別のパルス管および別の蓄冷器と、これら別のパルス管および別の蓄冷器の各他端側間に直列に接続され、かつ両端側を略同温度に維持させるシリンダと、このシリンダ内に設けられて機械的に駆動されるディスプレーサピストンと、前記別のパルス管の前記一端側を前記シリンダの前記一端側よりも低温に維持する冷却装置とを備えることを特徴とする。
【０００６】
このような発明では、圧縮機を構成する別のパルス管、別の蓄冷器、およびシリンダ同士が直列に接続されるうえ、当該別のパルス管の前記蓄冷器側の一端側をシリンダの一端側よりも低温にするため、この圧縮機はシリンダ内のピストンを駆動させることでサーマルコンプレッサとして機能する。従って、ピストンがシリンダ内での往復動時に受ける負荷は、シリンダとの接触抵抗だけであり、このピストンを駆動する例えばモータ等での消費電力は極めて小さいうえ、ピストンを駆動する部品の摩耗等も抑えられてメンテナンスを頻繁に行う必要がなくなり、従来に比して経済的である。
【０００７】
また、本発明のパルス管冷凍機では、前記蓄冷器と前記圧縮機を構成する別の蓄冷器とは一体に設けられていることが望ましい。
このような構成では、各蓄冷器を個別に配置する場合よりも配置スペースが小さくてすみ、パルス管冷凍機の小型化が促進される。
【０００８】
【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、第１のパルス管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の高温端（室温端）側に一端側が接続されたシリンダ３１と、シリンダ３１内に配置されたピストン３２と、蓄冷器２０の途中に一端側が接続された第２のパルス管３３と、パルス管３３の当該一端側を冷却する冷却装置３４と、前記第１のパルス管１０の高温端側に接続されたバッファタンク４０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。
【０００９】
また、本実施形態では、蓄冷器２０の高温側（後述の流路８２の接続部分を境にして高温側のこと）、シリンダ３１、ピストン３２、第２のパルス管３３、および冷却装置３４で本発明に係る圧縮機３０が形成されている。
【００１０】
第１のパルス管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。
【００１１】
蓄冷器２０は、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。この蓄冷器２０において、作動ガスの流れ方向の途中には、流路８２を介して第２のパルス管３３の一端側、すなわち冷却装置３４で冷却される低温端側が接続されている。
【００１２】
圧縮機３０では、シリンダ３１、パルス管３３、および蓄冷器２０の前記高温側とが流路８２，８３，８４で直列に接続されており、このうちのパルス管３３の図中の下端側および蓄冷器２０の前記高温側は、蓄冷器２０の低温側（流路８２の接続部分を境にして低温側のこと）に対してそれぞれ並列に接続されている。
【００１３】
シリンダ３１内には、ピストン３２を境にして流路８４側、すなわち第２のパルス管３３側にパルス管側連通室３１１が形成され、流路８３側、すなわち蓄冷器２０側に蓄冷器側連通室３１２が形成される。また、シリンダ３１には、図示を省略するが、ピストン３２に接続されたロッドとの間での気密を確保するシール部材が設けられている。
【００１４】
ピストン３２は、図示しないロッドおよびクランク等によってモータ駆動される。ピストン３２の外周部分には、オーリング等のシール部材３２１が取り付けられ、シリンダ３１内の各連通室３１１，３１２間での作動ガスの漏れを確実に遮断している。このようなピストン３２は、各連通室３１１，３１２が流路８３，８４を介して他と連通していることにより、作動ガスを各連通室３１１，３１２で圧縮せずに往復動可能であり、シール部材３２１とシリンダ３１との間で生じる摩擦抵抗を除き、往復動中に殆ど負荷を受けないディスプレーサとなっている。
【００１５】
第２のパルス管３３は径寸法が第１のパルス管１０よりも大きいが、長さ寸法がより小さくなっている。第２のパルス管３３内にも作動ガスによって仮想的にガス柱３３１（ガス柱：点線で図示）が形成されている。このガス柱３３１は、パルス管３３内を図中上下に往復動する。パルス管３３の下端側は冷却装置３４で冷却されるが、上端側は例えば室温程度に維持される。
【００１６】
冷却装置３４は、冷媒等が循環するチューブをパルス管３３の下端側に接触等させることで冷却するものや、その他、任意の構造のものを適用できる。
【００１７】
バッファタンク４０は、パルス管冷凍機に一般に用いられるものであり、第１のパルス管１０とは流路８５を介して連通され、流路８５の途中にはオリフィス８５１が設けられている。また、このオリフィス８５１のパルス管１０側では、流路８５と流路８３とがバイパス流路８６で連通し、流路８６の途中にはオリフィス８６１が設けられている。つまり、このバッファタンク４０、オリフィス８５１，８６１、第１のパルス管１０、および蓄冷器２０は、従来のいわゆるダブルインレット型のパルス管冷凍機の構造と略同じである。
【００１８】
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、圧縮機３０のシリンダ３１内において、ピストン３２が流路８４側の端部にあるとき、第２のパルス管３３内のガス柱３３１は下端の冷却端側に位置し、第１のパルス管１０内のガス柱１１も下端の低温側に位置する。そして、シリンダ３１の蓄冷器側連通室３１２内の作動ガスは高圧になっている。
【００１９】
この状態からピストン３２を流路８３側に移動させ、高圧の作動ガスを蓄冷器側連通室３１２から送り出すと、作動ガスの大部分は蓄冷器２０の上部側を通過した後に流路８２を通ってより径寸法の大きい第２のパルス管３３の下端側に入り込む。この際、作動ガスは冷却装置３４で冷却されて低圧となり、低圧となった作動ガスでガス柱３３１を上方に押し上げ、このガス柱３３１よりも上方にもとから存在した室温レベルの作動ガスは流路８４を介してシリンダ３１内のパルス管側連通室３１１に入る。
【００２０】
一方、蓄冷器側連通室３１２から送り出された残りの作動ガスは、蓄冷器２０を最後まで通過した後、流路８１を通ってパルス管１０の低温側に入り込み、ガス柱１１を上方に押し上げると同時に、流路８６からもオリフィス８６１で流量調整されてパルス管１０の高温側に流入する。これに伴い、パルス管１０内におけるガス柱１１よりも高温側にもとから存在した作動ガスと、オリフィス８６１から流入した作動ガスとは混合され、流路８５を通ってオリフィス８５１で流量調整されてバッファタンク４０に入り込む。
【００２１】
次に、この時点でピストン３２を流路８４側に戻すと、パルス管側連通室３１１内の室温レベルの作動ガスが第２のパルス管３３側に戻るとともに、第２のパルス管３３内に入り込んでいた低圧でかつ低温の作動ガスは、流路８２を通って蓄冷器２０の上部側で冷熱が奪われた後、徐々に高圧となってシリンダ３１内の蓄冷器側連通室３１２内に戻る。つまり、シリンダ３１、ピストン３２、および第２のパルス管３３を含んで形成された圧縮機３０は、サーマルコンプレッサとして機能することになる。
【００２２】
また、ピストン３２が流路８４側に戻る過程で、バッファタンク４０内に入り込んでいた作動ガスが吐出され、一部は流路８６を通して流路８３に戻り、残りはガス柱１１の高温側ガスとしてパルス管１０に戻る。このとき、第１のパルス管１０内においてガス柱１１よりも低温側に入り込んでいた高圧の作動ガスは断熱膨張して冷凍を発生し、流路８１を冷却し、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。そして、断熱膨張した末に低圧となった作動ガスは蓄冷器２０を過ぎて徐々に高温となり、蓄冷器側連通室３１２内に戻る。
【００２３】
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を最後まで通過して第１のパルス管１０に向かう高圧作動ガスは、蓄冷器２０に蓄熱された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。
【００２４】
このような本実施形態によれば、以下のような効果がある。
すなわち、圧縮機３０を構成する蓄冷器２０の上部側、シリンダ３１、第２パルス管３３同士が直列に接続されているうえ、第２のパルス管３３の蓄冷器２０側の端部が冷却装置３４で冷却されるため、シリンダ３１内のピストン３２を駆動させることで圧縮機３０全体をサーマルコンプレッサとして機能させることができる。
従って、ピストン３２がシリンダ３１内での往復動時に受ける負荷を、シール部材３２１を介して受けるシリンダ３１との接触抵抗だけにでき、このピストン３２を駆動する例えばモータ等での消費電力を極めて小さくできるとともに、ピストン３２を駆動する部品の摩耗等も抑えてメンテナンスを頻繁に行う手間を省くことができ、従来に比して経済的である。
【００２５】
また、パルス管冷凍機１では、圧縮機３０を構成する蓄冷器と冷凍を発生させるのに直接必要な蓄冷器とが蓄冷器２０によって一体に設けられているから、各蓄冷器を個別に配置する場合よりも配置スペースを小さくでき、パルス管冷凍機１を小型化できる。
【００２６】
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、第２のパルス管３３の下端側が冷却装置３４で冷却されていたが、第２のパルス管３３の一端側を冷却する本発明としては、流路８２を冷却する場合も含まれる。
【００２７】
さらに、前記実施形態では、第１のパルス管１０側の構造が従来のダブルインレット型であったが、このような構造の他、例えば、第１のパルス管１０とバッファタンク４０とを単に流路８５で連通した構造であってもよく、任意である。
【００２８】
【発明の効果】
以上に述べたように、本発明によれば、経済的に優位なパルス管冷凍機を提供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  パルス管である第１のパルス管
２０  蓄冷器
３０  圧縮機
３１  シリンダ
３２  ピストン
３３  別のパルス管である第２のパルス管
【図１】
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