(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒ガスを圧縮する圧縮機（１）と、この圧縮機（１）からの高圧冷媒ガスと圧縮機（１）に戻る低圧冷媒ガスとを切り換える切り換え弁（２）と、この切り換え弁（２）に連結されて高圧冷媒ガスの膨脹時の冷熱を蓄冷する蓄冷器（３）と、この蓄冷器（３）を通して加えられる圧力波によって圧縮、膨脹を繰り返して冷熱を発生するパルス管（５）と、パルス管（５）の高温端部と第１の流路抵抗（６）を介して接続されたバッファタンク（７）と、前記切り換え弁（２）と蓄冷器（３）との接続部とパルス管（５）の高温端部とを接続する第２の流路抵抗（８）とを有するパルス管冷凍機において、
前記バッファタンク（７）と、前記圧縮機（１）の高圧冷媒ガス配管（１ａ）、低圧冷媒ガス配管（１ｂ）の少なくとも一方とを第３の流路抵抗（９）を介在させた配管（９ａ）で接続してな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】
この発明はパルス管冷凍機に関し、さらに詳細にいえば、機械的に往復動するディスプレーサに代えて、同様な機能を達成するパルス管を用いるパルス管冷凍機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、機械的に往復動するディスプレーサに代えて、同様な機能を達成するパルス管を用いることにより、機械的振動の発生を大幅に低減できるパルス管冷凍機が提案されている。
【０００３】
図３は従来のパルス管冷凍機の構成を示す概略図である。
【０００４】
このパルス管冷凍機は、冷媒ガスを圧縮する圧縮機９１と、この圧縮機９１からの高圧冷媒ガスと圧縮機９１に戻る低圧冷媒ガスとを切り換える切り換え弁９２と、この切り換え弁９２に連結されて高圧冷媒ガスの膨脹時の冷熱を蓄冷する蓄冷器９３と、この蓄冷器９３および低温端接続管９４を通して加えられる圧力波によって圧縮、膨脹を繰り返して冷熱を発生するパルス管９５と、パルス管９５の高温端部とオリフィス弁９６を介して接続されたバッファタンク９７と、前記切り換え弁９２と蓄冷器９３との接続部とパルス管９５の高温端部とを接続するダブルインレット弁９８とを有している。
【０００５】
この構成のパルス管冷凍機を採用すれば、切り換え弁９２を動作させることにより、蓄冷器９３および低温端接続管９４を通してパルス管９５内に圧力波を供給して、パルス管９５内の冷媒ガスの圧縮、膨脹を反復させ、冷熱を発生させる。そして、発生された冷熱を蓄冷器９３に蓄冷させる。また、オリフィス弁９６、バッファタンク９７、およびダブルインレット弁９８によって、パルス管９５内の冷媒ガスの圧縮、膨脹の位相を制御して、前記冷熱の発生を良好に行うことができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
図３に示すパルス管冷凍機を採用した場合には、ダブルインレット弁９８の方向性や高圧冷媒ガスの吸入行程と低圧冷媒ガスの吐出行程とのアンバランスによって、ダブルインレット弁９８を有するダブルインレット配管、パルス管９５、低温端接続管９４、および蓄冷器９３で構成される閉回路を循環する冷媒ガスの一方向流が発生し、この一方向流の発生により冷凍能力の低下を招くという不都合が生じると考えられる。
【０００７】
さらに詳細に説明する。
【０００８】
パルス管冷凍機の冷凍能力は、パルス管９５の低温側の端部の圧力Ｐと、パルス管９５内のガスピストンの変位に伴う容積変化Ｖとのリサージュ波形で表されるＰＶ仕事量で議論することができる。
【０００９】
ガスピストンの変位はバッファタンク９７内部の圧力によって変化し、この圧力が最適になっている場合にはＰＶ仕事量を表すＰＶ線図は図４中（Ａ）のようになっていると考えられる。これに対して、バッファタンク９７内部の圧力の調節が不十分で最適値からずれると、ＰＶ仕事量が小さくなって冷凍能力が低下する。図４中（Ｂ）はバッファタンク９７内部の圧力が最適値よりも小さくなっている状態を表している。この時、ガスピストンのストロークの中立点は常温端部の方にずれてしまい、低温端部の無駄容積が大きい状態になり、消費ガス量が大きくなってＰＶ線図の差圧Δｐが小さくなってしまう。図４中（Ｃ）はバッファタンク９７内部の圧力が最適値よりも大きくなっている状態を表している。この時、ガスピストンのストロークの中立点は低温端部の方にずれてしまい、ＰＶ線図の一部が欠けてしまう。
【００１０】
【発明の目的】
この発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、ダブルインレット弁の方向性や高圧冷媒ガスの吸入行程と低圧冷媒ガスの吐出行程とのアンバランスがある場合であっても、これらに起因する冷凍能力の低下を防止し、もしくは抑制することができるパルス管冷凍機を提供することを目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
請求項１のパルス管冷凍機は、バッファタンクと、前記圧縮機の高圧冷媒ガス配管、低圧冷媒ガス配管の少なくとも一方とを第３の流路抵抗を介在させた配管で接続してなるものである。なお、このパルス管冷凍機は、ギフォード・マクマフォン・サイクル、スターリン・サイクルの何れにも適用することができる。
【００１２】
【作用】
請求項１のパルス管冷凍機であれば、圧縮機からの高圧冷媒ガスと圧縮機に戻る低圧冷媒ガスとを切り換え弁によって切り換え、蓄冷器を通してパルス管の内部に加えられる圧力波によって圧縮、膨脹を繰り返して冷熱を発生し、この冷熱を蓄冷器に蓄冷することにより極低温を発生させるに当って、第２の流路抵抗に方向性があり（第２の流路抵抗の流量係数が冷媒ガスの流れ方向により差があり）、または高圧冷媒ガスの吸入行程と低圧冷媒ガスの吐出行程とのアンバランスがあっても、前記バッファタンクと、前記圧縮機の高圧冷媒ガス配管、低圧冷媒ガス配管の少なくとも一方とを第３の流路抵抗を介在させた配管で接続することによって、パルス管、第２の流路抵抗、および蓄冷器で構成される閉回路を流れる冷媒ガスの一方向流の発生を防止し、もしくは抑制することができ、ひいては冷凍能力の低下を防止し、もしくは抑制することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して、この発明のパルス管冷凍機の実施の態様を詳細に説明する。
【００１４】
図１はこの発明のパルス管冷凍機の一実施態様を示す概略図である。
【００１５】
このパルス管冷凍機は、冷媒ガスを圧縮する圧縮機１と、この圧縮機１からの高圧冷媒ガスと圧縮機１に戻る低圧冷媒ガスとを切り換える切り換え弁２と、この切り換え弁２に連結されて高圧冷媒ガスの膨脹時の冷熱を蓄冷する蓄冷器３と、この蓄冷器３および低温端接続管４を通して加えられる圧力波によって圧縮、膨脹を繰り返して冷熱を発生するパルス管５と、パルス管５の高温端部とオリフィス弁（第１の流路抵抗）６を介して接続されたバッファタンク７と、前記切り換え弁２と蓄冷器３との接続部とパルス管５の高温端部とを接続するための、ダブルインレット弁（第２の流路抵抗）８を設けた配管８ａとを有している。そして、バッファタンク７と、前記圧縮機１の高圧冷媒ガス配管１ａ、低圧冷媒ガス配管１ｂとを第３の流路抵抗（ニードルバルブ、オリフィス弁など）９を介在させた配管９ａで接続している。
【００１６】
上記の構成のパルス管冷凍機の作用は次のとおりである。
【００１７】
圧縮機１の運転を行いつつ、切り換え弁２を周期的に切り換え動作させることにより、高圧冷媒ガスを蓄冷器３に供給する動作と、低圧冷媒ガスを圧縮機１に戻す動作とを反復することができる。そして、蓄冷器３は、低温端接続管４を介してパルス管５の低温端部と接続されているので、パルス管５内の冷媒ガスには、前記切り換え弁２の切り換え動作に応答して圧力波が供給され、この圧力波によってパルス管５内のガスピストン（仮想的にピストンと同様の機能を達成する冷媒ガス）が動作して冷媒ガス（パルス管５内におけるガスピストン以外の冷媒ガス）の圧縮、膨脹を繰り返し、パルス管５の低温端部に冷熱を発生させる。この場合において、ガスピストンの動作位相は、主としてオリフィス弁６およびバッファタンク７により制御され、補助的にダブルインレット弁８により制御される。
【００１８】
したがって、切り換え弁２の切り換え動作に対するガスピストンの動作位相を制御することにより、パルス管５の低温端部に効果的に冷熱を発生させることができる。
【００１９】
また、このようにして発生させられた冷熱は、圧縮機１に戻る低圧冷媒ガスによって蓄冷器３に導かれ、蓄冷器３において、発生させられた冷熱が蓄冷される。
【００２０】
さらに、上記の動作を行っている間において、ダブルインレット弁８の方向性、および／または高圧冷媒ガスの吸入行程と低圧冷媒ガスの吐出行程とのアンバランスによって、蓄冷器３、低温端接続管４、パルス管５、およびダブルインレット弁８を設けた配管８ａで構成される閉回路を循環する冷媒ガスの一方向流が発生し、冷凍能力が低下する可能性があるが、この実施態様のパルス管冷凍機では、バッファタンク７と、前記圧縮機１の高圧冷媒ガス配管１ａ、低圧冷媒ガス配管１ｂとを第３の流路抵抗９を介在させた配管９ａで接続しているのであるから、前記冷媒ガスの一方向流の発生を防止し、もしくは大幅に抑制し、冷凍能力の低下を防止し、もしくは大幅に抑制することができる。
【００２１】
なお、この実施態様においては、バッファタンク７と、前記圧縮機１の高圧冷媒ガス配管１ａ、低圧冷媒ガス配管１ｂとを第３の流路抵抗９を介在させた配管９ａで接続しているが、バッファタンク７と、前記圧縮機１の高圧冷媒ガス配管１ａ、低圧冷媒ガス配管１ｂの一方とを第３の流路抵抗９を介在させた配管９ａで接続するように構成することが可能である。
【００２２】
図２は冷凍能力測定結果を示す図である。図２において、白三角は従来のパルス管冷凍機の冷凍能力（冷凍能力−温度特性）を、白四角はバッファタンク７と前記圧縮機１の高圧冷媒ガス配管１ａとを接続したパルス管冷凍機の冷凍能力を、白丸はバッファタンク７と前記圧縮機１の低圧冷媒ガス配管１ｂとを接続したパルス管冷凍機の冷凍能力を、それぞれ示している。なお、バッファタンク７と前記圧縮機１の高圧冷媒ガス配管１ａとを接続した場合と、バッファタンク７と前記圧縮機１の低圧冷媒ガス配管１ｂとを接続した場合とでは、ダブルインレット弁８の取付け方向を互いに逆に設定している。なお、オリフィス弁６の流量係数（ＣＶ値）は、０．００６〜０．００８、ダブルインレット弁８の流量係数（ＣＶ値）は、０．０１２、第３の流路抵抗９の流量係数（ＣＶ値）は、０．０００２〜０．０００２５にそれぞれ設定されている。
【００２３】
図２に示す冷凍能力測定結果から明らかなように、８０Ｋでの冷凍能力で比較すると、白三角の場合には冷凍電力が７Ｗ程度、白四角の場合には冷凍電力が１０Ｗ程度、白丸の場合には冷凍電力が１３Ｗ程度になっており、本願発明のパルス管冷凍機を採用することにより、従来のパルス管冷凍機と比較して冷凍能力を高くできていること（冷凍能力の低下を防止し、もしくは大幅に抑制できていること）が分かる。
【００２４】
【発明の効果】
請求項１の発明は、第２の流路抵抗に方向性があり、または高圧冷媒ガスの吸入行程と低圧冷媒ガスの吐出行程とのアンバランスがあっても、パルス管、第２の流路抵抗、および蓄冷器で構成される閉回路を流れる冷媒ガスの一方向流の発生を防止し、もしくは抑制することができ、ひいては冷凍能力の低下を防止し、もしくは抑制することができるという特有の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明のパルス管冷凍機の一実施態様を示す概略図である。
【図２】冷凍能力測定結果を示す図である。
【図３】従来のパルス管冷凍機の構成を示す概略図である。
【図４】バッファタンク内部の圧力に対応するＰＶ線図を示す図である。
【符号の説明】
１  圧縮機    １ａ  高圧冷媒ガス配管
１ｂ  低圧冷媒ガス配管    ２  切り換え弁
３  蓄冷器    ５  パルス管
６  オリフィス弁    ７  バッファタンク
８  ダブルインレット弁    ９  第３の流路抵抗
９ａ  配管
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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