JP2001099506A - パルス管冷凍機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 パルス管冷凍機において、循環流の発生を防
止して冷凍効率を向上させること。 【解決手段】 第２高圧開閉弁１８及び第２低圧開閉弁
１９とパルス管高温端４１ｂとの間にシリンダ部材７１
を設ける。シリンダ部材７１の内部空間に画成部材７２
を配置する。この画成部材７１で、シリンダ部材７１内
の空間を、第２高圧開閉弁１８及び第２低圧開閉弁１９
に連通する第１内部空間７４と、パルス管高温端４１ｂ
に連通する第２内部空間７５とに画成する。

Description

【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
関するものであり、特に、４弁型パルス管冷凍機の改良
構造に係るものである。

【０００２】

【従来の技術】極低温を発生するパルス管冷凍機として
４弁型（ｆｏｕｒ ｖａｌｖｅ）パルス管冷凍機が知ら
れている。この４弁型パルス管冷凍機は、圧縮機の吐出
口（高圧口）に連通された第１高圧開閉弁及び第２高圧
開閉弁と、圧縮機の吸入口（低圧口）に連通された第１
低圧開閉弁及び第２低圧開閉弁との４つの開閉弁を具備
し、第１高圧開閉弁及び第１低圧開閉弁を蓄冷器の高温
端に、第２高圧開閉弁及び第２低圧開閉弁をパルス管の
高温端に連通した構成であり、４つの開閉弁の開閉動作
を制御することで作動流体の圧力と位置との位相差を調
節する。これにより、通常のオリフィスバッファタイプ
のパルス管冷凍機よりも冷凍効率を向上させることがで
きるというものである。

【０００３】近年、この４弁型パルス管冷凍機の改良構
造がいろいろと提案されている。その１つに、Ａｄｖａ
ｎｃｅｓ ｉｎ ｃｒｙｏｇｅｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒ
ｉｎｇ， Ｖｏｌ．４３ ｐ．１９８３〜ｐ．１９８９
に記載されたパルス管冷凍機がある。これを従来技術と
して以下に説明する。

【０００４】図１２は、上記従来文献に記載されたパル
ス管冷凍機である。図において、パルス管冷凍機２０１
は、圧縮機１１と、圧縮機１１の吐出口（高圧口）１１
ａに連通された第１高圧開閉弁１４及び第２高圧開閉弁
１８と、圧縮機１１の吸入口（低圧口）１１ｂに連通さ
れた第１低圧開閉弁１５及び第２低圧開閉弁１９と、低
温端２１ａおよび高温端２１ｂを備え該高温端２１ｂに
て第１高圧開閉弁１４および第１低圧開閉弁１５に連通
した蓄冷器２１と、蓄冷器２１の低温端２１ａに連通し
たコールドヘッド３１と、低温端４１ａ及び高温端４１
ｂを備え該低温端４１ａにてコールドヘッド３１に連通
したパルス管４１と、パルス管４１の高温端４１ｂにバ
ッファ側開閉弁６２を介して連通されたバッファタンク
６１とを具備して構成されている。また、パルス管４１
の高温端４１ｂと、第２高圧開閉弁１８及び第２低圧開
閉弁１９とは、連通路５８で連通している。上記構成か
らもわかるように、このパルス管冷凍機２０１は、第１
高圧開閉弁１４、第２高圧開閉弁１８、第１低圧開閉弁
１５、第２低圧開閉弁１９、バッファ側開閉弁６２と、
５つの開閉弁を具備している。このため、上記文献では
このようなパルス管冷凍機を、５弁型（ｆｉｖｅ ｖａ
ｌｖｅ）パルス管冷凍機と呼んでいる。

【０００５】このようなパルス管冷凍機２０１におい
て、各開閉弁を所定のタイミングで開閉操作することに
より、コールドヘッド３１において効率良く寒冷を発生
する。この場合、作動空間内の圧力が高圧から低圧へ、
また低圧から高圧へと切り替わる間に、一旦バッファ側
開閉弁６２を開とすることによって作動空間内圧力をバ
ッファ圧（中圧）としているので、圧力差に伴って発生
する開閉弁損失（圧力差が大きい程損失が大きい）を減
少させることができ、これによって冷凍効率が一層向上
するといった効果がある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記構成のパルス管冷
凍機２０１でも、通常の４弁型パルス管冷凍機でも、そ
の構造上特有の欠点がある。それは、作動空間内の循環
流（ＤＣガスフロー）の発生である。４弁型パルス管冷
凍機は、圧縮機の吐出口と吸入口とが開閉弁を介して閉
ループ状に接続されているので、この閉ループに沿って
循環流が発生する。この循環流は、例えば図１２のパル
ス管冷凍機２０１を例にとると、圧縮機１１の吐出口１
１ａから第２高圧開閉弁１８を通ってパルス管４１の高
温端４１ｂへ流れ、その後パルス管４１内、蓄冷器２１
内を経て第１低圧開閉弁１５から圧縮機１１の吸入口１
１ｂに帰還するルートを辿ったり、圧縮機１１の吐出口
１１ａから第１高圧開閉弁１４を通って蓄冷器２１の高
温端２１ｂへ流れ、その後蓄冷器２１、パルス管４１内
を経て第２低圧開閉弁１９から圧縮機１１の吸入口１１
ｂに帰還するルートを辿ったりするものであり、循環流
に乗って高温部における熱が低温部に運ばれることとな
り、冷凍効率を低下させる要因となる。

【０００７】故に、本発明は、上記実情に鑑みなされた
ものであり、パルス管冷凍機において、循環流の発生を
防止して冷凍効率を向上さることを技術的課題とするも
のである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記技術的課題を解決す
るためになされた請求項１の発明は、圧縮機と、前記圧
縮機の吐出口に連通された第１高圧開閉弁及び第２高圧
開閉弁と、前記圧縮機の吸入口に連通された第１低圧開
閉弁及び第２低圧開閉弁と、低温端および高温端を備え
該高温端にて前記第１高圧開閉弁および前記第１低圧開
閉弁に連通した蓄冷器と、該蓄冷器の低温端に連通した
コールドヘッドと、低温端及び高温端を備え該低温端に
て前記コールドヘッドに連通したパルス管と、該パルス
管の高温端にバッファ側開閉弁を介して連通されたバッ
ファタンクと、前記第2の高圧開閉弁及び前記第2の低圧
開閉弁並びに前記パルス管の高温端に連通する内部空間
を持つシリンダ部材と、該シリンダ部材の内部に往復動
可能に配置されかつ前記シリンダ部材の内部空間を前記
第２の高圧開閉弁及び前記第２の低圧開閉弁に連通する
第１内部空間と前記パルス管冷凍機の高温端に連通する
第２内部空間とに画成する画成部材とを具備したパルス
管冷凍機としたことである。

【０００９】上記発明のパルス管冷凍機は、第２高圧開
閉弁及び第２低圧開閉弁に連通するとともに、パルス管
の高温端に連通したシリンダを備える。このシリンダの
内部には、ディスプレーサ等の画成部材が往復動可能に
配置している。そして、この画成部材によって、シリン
ダ部材の内部空間が、第2の高圧開閉弁及び第2の低圧開
閉弁に連通する第1内部空間とパルス管の高温端に連通
する第2内部空間とに画成されている構成である。

【００１０】このようにシリンダ部材の内部に配置され
た画成部材によってシリンダ内部の空間が画成されてい
るので、この画成部材によって循環流が遮断される。こ
のため循環流が発生することなく、循環流の発生による
冷凍効率の低下が防止され、ひいては冷凍効率を向上さ
せることができる。

【００１１】また、請求項２の発明は、請求項１の発明
において、前記画成部材は、弾性部材によって弾性支持
されていることを特徴としている。

【００１２】上記発明によれば、画成部材をスプリング
等の弾性部材で弾性支持することにより、画成部材の移
動距離を規制するとともに、弾性部材の弾性係数を調整
することにより画成部材の移動量を制御することができ
る。

【００１３】また、請求項３の発明は、請求項２の発明
において、前記パルス管冷凍機の運転中、高圧移送過程
において、前記画成部材が移動して作動流体が行う仕事
の一部を回収するように前記第１高圧開閉弁及び前記第
２高圧開閉弁を開閉制御し、低圧移送過程において、前
記画成部材が移動して作動流体が行う仕事の一部を回収
するように前記第１低圧開閉弁及び前記第２低圧開閉弁
を開閉制御することを特徴としている。

【００１４】上記発明によれば、高圧移送過程及び低圧
移送過程において、従来のパルス管冷凍機では熱として
散逸してしまう仕事を、画成部材が移動することにより
系内に回収するので、冷凍効率を向上させることができ
る。ここで、高圧移送過程及び低圧移送過程とは、理論
的には作動空間内（主にパルス管内）の作動流体が圧力
変化せずに変位する過程である。

【００１５】また、請求項４の発明は、請求項３の発明
において、前記高圧移送過程において、前記第１高圧開
閉弁及び前記第２高圧開閉弁とが共に開となり、低圧移
送過程において、前記第１低圧開閉弁と前記第２低圧開
閉弁とが共に開となるように開閉弁制御されることを特
徴としている。

【００１６】上記発明に示す開閉弁制御を行うことによ
り、確実に作動流体の仕事を回収でき、確実に冷凍効率
を向上させることができる。

【００１７】また、請求項５の発明は、請求項１または
２において、前記バッファ側開閉弁は、前記パルス管の
高温端と前記バッファタンクとの間に２つ並設されてな
ることを特徴としている。

【００１８】上記発明によれば、パルス管の高温端とバ
ッファタンクとの間に、バッファ側開閉弁が２つ並設さ
れているので、圧縮・膨張過程にて開閉作動させるバッ
ファ側開閉弁と高圧・低圧移送過程にて開閉作動させる
バッファ側開閉弁とを別々にすることにより、要求され
る冷凍能力に見合った状態でパルス管冷凍機を運転する
ことができる。

【００１９】また、請求項６の発明は、請求項５におい
て、前記パルス管冷凍機の運転中、圧縮過程及び膨張過
程において、並設された２つの前記バッファ側開閉弁の
うちの一方のバッファ側開閉弁が開となり、高圧移送過
程及び低圧移送過程において、並設された２つの前記バ
ッファ側開閉弁のうちの他方のバッファ側開閉弁が開と
なるように前記２つのバッファ側開閉弁を制御すること
を特徴としている。

【００２０】上記発明によれば、圧縮・膨張過程にて開
閉作動させるバッファ側開閉弁と高圧・低圧移送過程に
て開閉作動させるバッファ側開閉弁とを別々にするの
で、要求される冷凍能力に見合った状態でパルス管冷凍
機を運転することができる。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、本発明を実施の形態により
具体的に説明する。尚、以下の実施形態例において、従
来技術と同一部分については同一の符号で示すものとす
る。

【００２２】（第１実施形態例）図１は、本発明の第１
実施形態例におけるパルス管冷凍機の概略構成図であ
る。図に示すように、パルス管冷凍機１０１は、圧縮機
１１を具備する。この圧縮機１１は、一般的には吐出口
（高圧口）１１ａ及び吸入口（低圧口）１１ｂを持つコ
ンプレッサーで構成される。圧縮機１１の吐出口１１ａ
には、第1高圧通路１２及び第２高圧通路１６が接続さ
れており、第１高圧通路１２で第１高圧開閉弁１４が、
第２高圧通路１６で第２高圧開閉弁１８が、それぞれ圧
縮機１１の吐出口１１ａに連通している。また、圧縮機
１１の吸入口１１ｂには、第１低圧通路及１３び第２低
圧通路１７が接続されており、第１低圧通路１３で第1
低圧開閉弁１５が、第２低圧通路１７で第2低圧開閉弁
１９が、それぞれ圧縮機１１の吸入口１１ｂに連通して
いる。

【００２３】第１高圧開閉弁１４及び第１低圧開閉弁１
５は、連通路５１で蓄冷器２１に連通している。本例に
おいては図に示すように連通路５１はその一方側が二股
状に分岐しており、一方の分岐端部が第１高圧開閉弁１
４に連通し、他方の分岐端部が第１低圧開閉弁１５に連
通している。そして、連通路５１の他方側は蓄冷器２１
に連通している。蓄冷器２１は、本例では円筒状のハウ
ジング及び該ハウジングの内部に積層された金属製のメ
ッシュで構成され、一方の円筒端部である低温端２１ａ
及び他方の円筒端部である高温端２１ｂとを備えてい
る。低温端２１ａは、パルス管冷凍機１０１の運転中に
低温となる側の端部であり、高温端２１ｂは、パルス管
冷凍機１０１の運転中に常温もしくは高温となる側の端
部である。そして、蓄冷器２１の高温端２１ｂにて連通
路５１を介して第１高圧開閉弁１４及び第１低圧開閉弁
に連通している。

【００２４】蓄冷器２１の低温端２１ａにはコールドヘ
ッド３１が連通している。このコールドヘッド３１はパ
ルス管冷凍機１０１の運転によって発生する寒冷を取出
したり、被冷却体を接触させて冷却させたりする部分で
あり、熱伝導の良好な銅等の材質で形成され、かつ内部
に作動流体が通過する通路が形成されている。

【００２５】コールドヘッド３１はさらにパルス管４１
と連通している。パルス管４１は一般的に円筒状の中空
管、例えばステンレス製の中空円筒管で形成され、一方
の円筒端部である低温端４１ａ及び他方の円筒端部であ
る高温端４１ｂとを備えている。低温端４１ａは、パル
ス管冷凍機１０１の運転中に低温となる側の端部であ
り、高温端４１ｂは、パルス管冷凍機１０１の運転中に
常温もしくは高温となる側の端部である。そして、低温
端４１ｂにてコールドヘッド３１に連通している。尚、
本例ではパルス管４１の高温端４１ｂに放熱器５２が取
り付けられている。この放熱器５２は、高温となるパル
ス管冷凍機４１の高温端４１ｂから熱を外部に放散させ
る機能を果たすものである。

【００２６】パルス管４１の高温端４１ｂには、連通路
５３でバッファタンク６１が連通している。また連通路
５３の途中にはバッファ側開閉弁６２が介装されてい
る。従って、バッファタンク６１は、バッファ側開閉弁
６２を介してパルス管４１の高温端４１ｂに連通してい
ることになる。

【００２７】連通路５３の途中には、図に示すように連
通路５４の一端が連結されている。この連通路５４の他
端は、シリンダ部材７１に接続されている。シリンダ部
材７１は、本例では中空円筒状に形成されており、連通
路５４の他端はシリンダ部材７１の一端面に接続してい
る。シリンダ部材７１の他端面には連通路５５が接続さ
れている。この連通路５５は、その途中で分岐してお
り、一方の分岐端が第２高圧開閉弁１８に、他方の分岐
端が第２低圧開閉弁１９に連通している。従って、シリ
ンダ部材７１は、連通路５５を通って第２高圧開閉弁１
８及び第２低圧開閉弁１９に、連通路５４及び連通路５
３を通ってパルス管４１の高温端４１ｂに連通する内部
空間を持つものである。

【００２８】シリンダ部材７１の内部には、画成部材７
２が配置している。本例ではこの画成部材７２は、円筒
状に形成されたディスプレーサ７２ａ及び該ディスプレ
ーサ７２ａの外周に取り付けられたピストンリング７２
ｂで構成されており、シリンダ部材７１の内部空間を、
該シリンダ部材７１の一端面から他端面にかけて往復動
可能に配置されているとともに、シリンダ部材７１の内
部空間を第１内部空間７４及び第２内部空間７５に画成
している。図からわかるように、第１内部空間７４は、
連通路５５を通って第２高圧開閉弁１８及び第２低圧開
閉弁１９に連通しており、第２内部空間７５は、連通路
５４、連通路５３を通ってパルス管４１の高温端４１ｂ
に連通している。従って画成部材７２は、シリンダ部材
７１の内部空間を、第２高圧開閉弁１８及び第２低圧開
閉弁１９に連通する第１内部空間７４と、パルス管４１
の高温端４１ｂに連通する第２内部空間７５とに画成す
るものである。

【００２９】また、画成部材７２には、弾性部材として
のスプリング７３が連結されている。このスプリング７
３は本例では図に示すように第１内部空間７４内に配設
されており、その一端が画成部材７２に接続され、その
他端がシリンダ部材７１の一端面の内壁に接続されてい
る。このスプリング７３で画成部材７２を弾性支持する
とともに、該画成部材７２が往復動するときの移動距離
を規制したり調整したりする。

【００３０】上記構成からわかるように、本例における
パルス管冷凍機１０１においては、開閉弁が５個（第１
高圧開閉弁１４、第１低圧開閉弁１５、第２高圧開閉弁
１８、第２低圧開閉弁１９、バッファ側開閉弁６２）あ
る。この５個の開閉弁をそれぞれ分離して開閉制御して
も構わないが、装置のコンパクト化等を考慮して、これ
らの５個の開閉弁を１つのロータリーバルブユニットと
してまとめ、ロータの回転によって各開閉弁の開閉操作
がなされるようにするのが一般的である。

【００３１】尚、上記構成において、５個の開閉弁（第
１高圧開閉弁１４、第１低圧開閉弁１５、第２高圧開閉
弁１８、第２低圧開閉弁１９）で囲まれた空間内、具体
的には連通路１５、蓄冷器２１、コールドヘッド３１、
パルス管４１、連通路５３（バッファ側開閉弁６２ま
で）、連通路５４、シリンダ部材７１、連通路５５内の
空間を作動空間と、圧縮機１１の吐出口１１ａから第１
高圧開閉弁１４までの空間（第１高圧通路１２内の空
間）及び第２高圧開閉弁１８までの空間（第２高圧通路
１６内の空間）を高圧空間と、圧縮機１１の吸入口１１
ｂから第１低圧開閉弁１５までの空間（第１低圧通路１
３内の空間）及び第２低圧開閉弁１９までの空間（第２
低圧通路１７内の空間）を低圧空間と、バッファタンク
６１及びそれに連通する連通路５３（バッファ側開閉弁
６２まで）内の空間をバッファ空間と呼ぶ。

【００３２】図２は、上記説明のパルス管冷凍機１０１
の運転時における、時間経過に伴う５個の開閉弁（第１
高圧開閉弁１４、第１低圧開閉弁１５、第２高圧開閉弁
１８、第２低圧開閉弁１９、バッファ側開閉弁６２）の
開閉状態（太線部分が開の状態、線のない部分が閉の状
態）を示す図、第３は、時間経過に伴う作動空間内（主
にパルス管１０内）の圧力状態を示すグラフ、図４は、
時間経過に伴う画成部材７２の位置の変化を示すグラ
フ、図５は本例におけるパルス管冷凍機１０１を運転し
たときのパルス管低温端４１ｂ付近の作動流体の圧力と
位置との関係を示す線図（Ｐ−Ｖダイヤグラム）であ
る。また、図２、３、４における横軸（時間軸）には、
各開閉弁を操作するタイミング毎にａ〜ｈの番号を順に
つけて時間経過の代用としている。尚、図３において、
Ｐ_Ｈは高圧空間内の圧力、Ｐ_Ｍはバッファ空間内の圧
力、Ｐ_Ｌは低圧空間内の圧力と同程度の圧力である。

【００３３】本例におけるパルス管冷凍機１０１におけ
る５個の開閉弁の操作状態及びその操作に伴う作動流体
の状態は、１サイクル中、時間的に次の（１）〜（８）
の８つの過程に区分される。各過程毎に詳述すると、 （１）圧縮前半過程（図２〜図５におけるａ〜ｂ間） 第１低圧開閉弁１５を閉とするとともにバッファ側開閉
弁６２を開とし、バッファ側開閉弁６２のみが開でその
他の開閉弁を閉とした状態。この状態では、バッファタ
ンク６１内の作動流体がバッファ側開閉弁６２を通って
作動空間に流れる。作動空間に流れた作動流体は、パル
ス管４１の高温端４１ｂからパルス管４１に流入する。
従って、パルス管４１内の圧力が上昇する（図３参
照）。また、パルス管４１の高温端４１ｂからの作動流
体の流入に伴い低温端４１ａ付近の作動流体はより低温
端４１ａ側に変位する。このためパルス管４１の低温端
４１ａ付近の作動流体は、圧力が増加するとともにその
位置が低温端４１ａ側に変位する（図５参照）。また、
バッファ空間から作動空間に流入した作動流体は、連通
路５４を通ってシリンダ部材７１の第２内部空間７５に
も流れる。このため第２内部空間７５内の圧力が増加し
て、画成部材７２は図示左方向に移動する（図４参
照）。

【００３４】（２）圧縮中間過程（図２〜図５における
ｂ〜ｃ間） パルス管４１内の圧力が上昇してＰ_Ｍに近づいたあたり
で、バッファ側開閉弁６２を閉とするとともに、第２高
圧開閉弁１８を開とした状態。この状態では、第２高圧
通路１６内（高圧空間内）の高圧の作動流体が第２高圧
開閉弁１８を通って作動空間内に流れる。作動空間に流
れた作動流体は、連通路５５を通ってシリンダ部材７１
の第１内部空間７４に流入する。このため第１内部空間
７４の圧力が高くなり、画成部材７２は図示右方向に移
動する（図４参照）。また、画成部材７２の移動に伴っ
て第２内部空間７５内の作動流体が押出され、このよう
に押出された作動流体は連通路５４、５３を通ってパル
ス管４１内に高温端４１ｂ側から流入する。従って、パ
ルス管４１内の圧力がさらに上昇する（図３参照）。ま
た、パルス管４１の高温端４１ｂからの作動流体の流入
に伴い低温端４１ａ付近の作動流体は低温端４１ａ側に
さらに変位する。このためパルス管４１の低温端４１ａ
付近の作動流体は、圧力がさらに増加するとともにその
位置がさらに低温端４１ａ側に変位する（図５参照）。

【００３５】（３）圧縮後半過程（図２〜図５における
ｃ〜ｄ間） パルス管４１内の圧力が上昇してＰ_Ｈに近づいたあたり
で、第２高圧開閉弁１８を開としたまま第１高圧開閉弁
１４を開とした状態。この状態では、第１高圧通路１２
内の高圧の作動流体が第１高圧開閉弁１４を通って作動
空間内に流れる。作動空間に流れた作動流体は、連通路
５１を通って蓄冷器２１に流入する。このためパルス管
４１内の作動流体の圧力がさらに上昇して最高圧力Ｐ_Ｈ
となる（図３参照）。また、この状態において画成部材
７２は第２内部空間７５の圧力が上昇するまでの間依然
図示右側に移動する（図４参照）。またこのときの第１
高圧開閉弁１４と第２高圧開閉弁１８との開弁面積を調
整することによって、パルス管４１の低温端４１ａ付近
の作動流体の変位を小さくし、圧力は上昇するがその位
置は変化しないようにすることもできる（図５参照）。

【００３６】（４）高圧移送過程（図２〜図５における
ｄ〜ｅ間） 第２高圧開閉弁１８を閉とし、第１高圧開閉弁１４を開
としたままバッファ側開閉弁６２を開とした状態。この
状態では、パルス管４１内の作動流体はバッファ側開閉
弁６２を通ってバッファタンク６１に流れる。これとと
もに、高圧空間（第１高圧通路１２）から第１高圧開閉
弁１４を通って蓄冷器２１に流入した作動流体が該蓄冷
器２１で冷却されながらパルス管４１内に流入する。こ
のため、パルス管４１内の圧力は最高圧力を維持したま
ま（図３参照）、低温端部４１ａ付近の低温の作動流体
の位置が低温端４１ａ側から高温端４１ｂ側に変位する
（図５参照）。またこのときのシリンダ部材７１内の第
１内部空間７４と第２内部空間７５との間の圧力差には
変化が生じないので、画成部材７２は動かない（図４参
照）。

【００３７】（５）膨張前半過程（図２〜図５における
ｅ〜ｆ間） バッファ側開閉弁６２を開としたまま第１高圧開閉弁１
４を閉とした状態。この状態では、第１高圧開閉弁１４
を閉じることによって高圧空間から作動空間への作動流
体の流入が停止されるので、パルス管４１内の高圧の作
動流体がバッファ側開閉弁６２を通ってバッファタンク
６１に流出するのみとなり、その結果パルス管４１内の
圧力が減少する（図３参照）。このためパルス管４１の
低温端４１a付近の作動流体はさらに高温端４１ｂ側に
変位する（図５参照）とともに、断熱膨張により寒冷を
発生する。また、シリンダ部材７１の第２内部空間７５
内の作動流体も、連通路５４、５３を経てバッファ側開
閉弁６２を通ってバッファタンク６１に流出する。従っ
て、第２内部空間７５の圧力が減少して画成部材７２は
図示右側へ移動する（図４参照）。

【００３８】（６）膨張中間過程（図２〜図５における
ｆ〜ｇの間） パルス管４１内の圧力が下降してＰ_Ｍに近づいたあたり
で、バッファ側開閉弁６２を閉とするとともに、第２低
圧開閉弁１９を開とした状態。この状態では、シリンダ
部材７１の第１内部空間７４内の作動流体が第２低圧開
閉弁１９を通って低圧空間（第２低圧通路１７）側に流
出する。このため第１内部空間７４内の圧力が減少して
画成部材７２は図示左側に移動する（図４参照）。ま
た、画成部材７２の図示左側への移動により第２内部空
間７５の容積が大きくなるので、パルス管４１内の作動
流体が連通路５３、連通路５４を通って第２内部空間７
５内に流れる。このためパルス管４１内の圧力はさらに
減少し（図３参照）、低温端４１a付近の作動流体はさ
らに高温端４１ｂ側に変位する（図５参照）とともに、
断熱膨張により寒冷を発生する。

【００３９】（７）膨張後半過程（図２〜図５における
ｇ〜ｈ間） パルス管４１内の圧力が下降してＰ_Ｌに近づいたあたり
で、第２低圧開閉弁１９を開としたまま、第１低圧開閉
弁１５を開とした状態。この状態では、蓄冷器２１内の
作動流体が第１低圧開閉弁１５を通って低圧空間（第１
低圧通路１３）内に流れる。このためパルス管４１内の
作動流体はさらに低圧となって最低圧力Ｐ_Ｌとなるとと
もに、低温端４１ｂ付近の作動流体がさらに膨張して寒
冷を発生する（図３参照）。また、この状態において画
成部材７２は第２内部空間７５の圧力が下降するまでの
間依然図示左側に移動する（図４参照）。またこのとき
の第１低圧開閉弁１５と第２低圧開閉弁１９との開弁面
積を調整することによって、パルス管４１の低温端４１
ａ付近の作動流体の変位を小さくし、圧力は減少するが
その位置は変化しないようにすることもできる（図５参
照）。

【００４０】（８）低圧移送過程（図２〜図５における
ｈ〜ａ間） 第２低圧開閉弁１９を閉とし、第１低圧開閉弁１５を開
いたままバッファ側開閉弁６２を開とした状態。この状
態では、バッファタンク６１内の作動流体がバッファ側
開閉弁６２を通ってパルス管４１内に流れる。これとと
もに、パルス管４１の低温端４１ａ付近の作動流体がコ
ールドヘッド３１、蓄冷器２１を冷却しながら流れ、第
１低圧開閉弁１５から低圧空間（第１低圧通路１３）に
流出する。このため、パルス管４１内の圧力は最低圧力
に維持したまま（図３参照）、低温端部４１ａ付近の作
動流体は高温端４１ｂ側から低温端４１ａ側に変位する
（図５参照）。またこのときのシリンダ部材７１内の第
１内部空間７４と第２内部空間７５との間の圧力差に変
化が生じないので、画成部材７２は動かない（図４参
照）。

【００４１】以上の（１）〜（８）の過程を１サイクル
とし、これを繰り返すことにより図５のＰ−Ｖダイヤグ
ラムで示すような状態変化を作動流体に生ぜしめ、コー
ルドヘッド３１において極低温を発生させるものであ
る。

【００４２】上記例に示すパルス管冷凍機１０１では、
図１より明らかなように、第２高圧開閉弁１８及び第２
低圧開閉弁１９並びにパルス管４１の高温端４１ｂに連
通する内部空間を持つシリンダ部材７１を設けている。
このシリンダ部材７１の内部には、往復動可能に配置さ
れてかつシリンダ部材７１の内部空間を第２高圧開閉弁
１８及び第２低圧開閉弁１９に連通する第１内部空間７
４とパルス管４１の高温端４１ｂに連通する第２内部空
間７５とに画成する画成部材７２（ディスプレーサ７２
ａ及びピストンリング７２ｂ）とを具備する。このた
め、従来の４弁型パルス管冷凍機において必然的に発生
していた循環流は、この画成部材７２の存在によって遮
断され、本例におけるパルス管冷凍機１０１では循環流
が発生することがない。従って、循環流の発生による熱
の持ち込み等が防止され、冷凍効率を向上させることが
できるものである。

【００４３】（第２実施形態例）本例では、上記第１実
施形態例で説明したパルス管冷凍機１０１と同じ構成
で、このパルス管冷凍機１０１により適した（より効率
の良い）開閉弁操作によって運転する例を示す。

【００４４】本例で説明するパルス管冷凍機の構造は、
上記第１実施形態例で説明した図１に示すパルス管冷凍
機１０１と同じであるので、図１を援用し、その具体的
な構成についての説明は省略する。

【００４５】図６は、パルス管冷凍機１０１の運転時に
おける、時間経過に伴う５個の開閉弁（第１高圧開閉弁
１４、第１低圧開閉弁１５、第２高圧開閉弁１８、第２
低圧開閉弁１９、バッファ側開閉弁６２）の開閉状態
（太線部分が開の状態、線のない部分が閉の状態）を示
す図、図７は、時間経過に伴う画成部材７２の位置の変
化を示すグラフである。尚、時間経過に伴う作動空間内
（主にパルス管１０内）の圧力状態は、上記第１実施形
態例で示した図３と、本例におけるパルス管冷凍機１０
１を運転したときのパルス管低温端４１ｂ付近の作動流
体の圧力と位置との関係は、上記第１実施形態例で示し
た図５とほぼ同一であるので、これらの図を援用する。
また、図６、７における横軸（時間軸）には、各開閉弁
を操作するタイミング毎にａ〜ｈの番号を順につけて時
間経過の代用としている。

【００４６】本例におけるパルス管冷凍機１０１におけ
る５個の開閉弁の操作状態及びその操作に伴う作動流体
の状態は、１サイクル中、時間的に次の（１）〜（８）
の８つの過程に区分される。各過程毎に詳述すると、 （１）圧縮前半過程（ａ〜ｂ間） 第１低圧開閉弁１５を閉とするとともにバッファ側開閉
弁６２を開とし、バッファ側開閉弁６２のみが開でその
他の開閉弁を閉とした状態。この状態では、バッファタ
ンク６１内の作動流体がバッファ側開閉弁６２を通って
作動空間に流れる。作動空間に流れた作動流体は、パル
ス管４１の高温端４１ｂからパルス管４１に流入する。
従って、パルス管４１内の圧力が上昇する（図３参
照）。また、パルス管４１の高温端４１ｂからの作動流
体の流入に伴い低温端４１ａ側の作動流体はより低温端
４１ａ側に変位する。このためパルス管４１の低温端４
１ａ付近の作動流体は、圧力が増加するとともにその位
置が低温端４１ａ側に変位する（図５参照）。また、バ
ッファ空間から作動空間に流入した作動流体は、連通路
５４を通ってシリンダ部材７１の第２内部空間７５にも
流れる。このため第２内部空間７５内の圧力が増加し
て、画成部材７２は図示左方向に移動する（図７参
照）。

【００４７】（２）圧縮中間過程（ｂ〜ｃ間） パルス管４１内の圧力が上昇してＰ_Ｍに近づいたあたり
で、バッファ側開閉弁６２を閉とするとともに、第２高
圧開閉弁１８を開とした状態。この状態では、第２高圧
通路１６内（高圧空間内）の高圧の作動流体が第２高圧
開閉弁１８を通って作動空間内に流れる。作動空間に流
れた作動流体は、連通路５５を通ってシリンダ部材７１
の第１内部空間７４に流入する。このため第１内部空間
７４の圧力が高くなり、画成部材７２は図示右方向に移
動する（図７参照）。また、画成部材７２の移動に伴っ
て第２内部空間７５内の作動流体が押出され、このよう
に押出された作動流体は連通路５４、５３を通ってパル
ス管４１内に高温端４１ｂ側から流入する。従って、パ
ルス管４１内の圧力がさらに上昇する（図３参照）。ま
た、パルス管４１の高温端４１ｂからの作動流体の流入
に伴い低温端４１ａ付近の作動流体は低温端４１ａ側に
さらに変位する。このためパルス管４１の低温端４１ａ
付近の作動流体は、圧力がさらに増加するとともにその
位置がさらに低温端４１ａ側に変位する（図５参照）。

【００４８】（３）圧縮後半過程（ｃ〜ｄ間） パルス管４１内の圧力が上昇してＰ_Ｈに近づいたあたり
で、第２高圧開閉弁１８を開としたまま第１高圧開閉弁
１４を開とした状態。この状態では、第１高圧通路１２
内の高圧の作動流体が第１高圧開閉弁１４を通って作動
空間内に流れる。作動空間に流れた作動流体は、連通路
５１を通って蓄冷器２１に流入する。このためパルス管
４１内の作動流体の圧力がさらに上昇して最高圧力Ｐ_Ｈ
となる（図３参照）。また、この状態において画成部材
７２は第２内部空間７５の圧力が上昇するまでの間依然
図示右側に移動する（図７参照）。またこのときの第１
高圧開閉弁１４と第２高圧開閉弁１８との開弁面積を調
整することによって、パルス管４１の低温端４１ａ付近
の作動流体の変位を小さくし、圧力は上昇するがその位
置は変化しないようにすることもできる（図５参照）。

【００４９】（４）高圧移送過程（ｄ〜ｅ間） 本例ではこの過程における開閉弁の状態は上記（３）の
圧縮後半過程と同じである。この状態では、第１内部空
間７４と第２内部空間７５との間の圧力が同じとなり、
スプリング７３の弾性力によって画成部材７２が図示左
方向に移動してシリンダ部材７１のほぼ中央付近にまで
もどる（図７参照）。これに伴い第２内部空間７５の容
積が大きくなるので、パルス管４１内の作動流体は連通
路５３、５４を通ってシリンダ部材７１の第２内部空間
７５に流れる。また高圧空間（第１高圧通路１２）から
第１高圧開閉弁１４を通って蓄冷器２１に流入した作動
流体が該蓄冷器２１で冷却されながらパルス管４１内に
流入する。このため、パルス管４１内の圧力は最高圧力
を維持したまま（図７参照）、低温端部４１ａ付近の作
動流体が低温端４１ａ側から高温端４１ｂ側へと変位す
る（図５参照）。

【００５０】（５）膨張前半過程（ｅ〜ｆ間） 第１高圧開閉弁１４及び第２高圧開閉弁１８を閉じ、バ
ッファ側開閉弁６２を開とした状態。この状態では、パ
ルス管４１内の高圧の作動流体がバッファ側開閉弁６２
を通ってバッファタンク６１に流出し、パルス管４１内
の圧力が減少する（図３参照）。このためパルス管４１
の低温端４１a付近の作動流体はさらに高温端４１ｂ側
に変位する（図５参照）とともに、断熱膨張により寒冷
を発生する。また、シリンダ部材７１の第２内部空間７
５内の作動流体も、連通路５４、５３を経てバッファ側
開閉弁６２を通ってバッファタンク６１に流出する。従
って、第２内部空間７５の圧力が減少して画成部材７２
は図示右側へ移動する（図７参照）。

【００５１】（６）膨張中間過程（ｆ〜ｇの間） パルス管４１内の圧力が下降してＰ_Ｍに近づいたあたり
で、バッファ側開閉弁６２を閉とするとともに、第２低
圧開閉弁１９を開とした状態。この状態では、シリンダ
部材７１の第１内部空間７４内の作動流体が第２低圧開
閉弁１９を通って低圧空間（第２低圧通路１７）側に流
出する。このため第１内部空間７４内の圧力が減少して
画成部材７２は図示左側に移動する（図７参照）。ま
た、画成部材７２の図示左側への移動により第２内部空
間７５の容積が大きくなるので、パルス管４１内の作動
流体が連通路５３、連通路５４を通って第２内部空間７
５内に流れる。このためパルス管４１内の圧力はさらに
減少し（図３参照）、低温端４１a付近の作動流体はさ
らに高温端４１ｂ側に変位する（図５参照）とともに、
断熱膨張により寒冷を発生する。

【００５２】（７）膨張後半過程（図６〜図９における
ｇ〜ｈ間） パルス管４１内の圧力が下降してＰ_Ｌに近づいたあたり
で、第２低圧開閉弁１９を開としたまま、第１低圧開閉
弁１５を開とした状態。この状態では、蓄冷器２１内の
作動流体が第１低圧開閉弁１５を通って低圧空間（第１
低圧通路１３）内に流れる。このためパルス管４１内の
作動流体はさらに低圧となって最低圧力Ｐ_Ｌとなるとと
もに、低温端４１ａ付近の作動流体がさらに膨張して寒
冷を発生する（図３参照）。また、この状態において画
成部材７２は第２内部空間７５の圧力が下降するまでの
間依然左側に移動する（図７参照）。またこのときの第
１低圧開閉弁１５と第２低圧開閉弁１９との開弁面積を
調整することによって、パルス管４１の低温端４１ａ付
近の作動流体の変位を小さくし、圧力は減少するがその
位置は変化しないようにすることもできる（図５参
照）。

【００５３】（８）低圧移送過程（図６〜図９における
ｈ〜ａ間） 本例ではこの過程における開閉弁の状態は上記（７）の
膨張後半過程と同じである。この状態では、第１内部空
間７４と第２内部空間７５との間の圧力が同じとなり、
スプリング７６の弾性力によって画成部材７２が図示右
方向に移動してシリンダ部材７１のほぼ中央付近にまで
もどる（図７参照）。これに伴い第２内部空間７５の容
積が小さくなって該内部空間７５内から作動流体が押出
され、押出された作動流体は連通路５４、５３を通って
パルス管４１内に流れる。これとともにパルス管４１の
低温端４１ａ付近の作動流体がコールドヘッド３１、蓄
冷器２１を冷却しながら流れ、第１低圧開閉弁１５から
低圧空間（第１低圧通路１３）に流出する。このため、
パルス管４１内の圧力は最低圧力に維持したまま（図７
参照）、低温端部４１ａ付近の作動流体が高温端４１ｂ
側から低温端４１ａ側へと変位する（図５参照）。

【００５４】以上の（１）〜（８）の過程を１サイクル
とし、これを繰り返すことにより図５のＰ−Ｖダイヤグ
ラムで示すような状態変化を作動流体に生ぜしめ、コー
ルドヘッド３１において極低温を発生させるものであ
る。

【００５５】上記例に示すパルス管冷凍機１０１では、
上記第１実施形態例と同様に、従来の４弁型パルス管冷
凍機において必然的に発生していた循環流が画成部材７
２の存在によって遮断される。従って、循環流の発生に
よる熱の持ち込み等が防止され、冷凍効率を向上させる
ことができるものである。

【００５６】また、本例では、高圧移送過程（ｄ〜ｅ区
間）において、画成部材７２が図示左方向に移動してい
る。これは、高圧移送過程において本来であれば熱とし
て散逸される仕事の一部が回収されたことを示す。具体
的には、高圧移送過程において画成部材７２が左に移動
すると、第１内部空間７４内の容積が小さくなり、該空
間７４内の作動流体が押出される。押出された作動流体
は第２高圧開閉弁１８を通って高圧空間内に回収され、
高圧空間内の圧力増加を助長する。このようにして作動
流体自体で圧縮機の行うべき仕事を補い、結果として圧
縮機の行う仕事を低減することができる。このため冷凍
効率が向上する。

【００５７】同様に、低圧移送過程（ｈ〜ａ区間）にお
いて、画成部材７２は図示右方向に移動している。これ
は、低圧移送過程において本来であれば熱として散逸さ
れる仕事の一部が回収されたことを示す。具体的には、
低圧移送過程において画成部材７２が右に移動すると、
第１内部空間７４の容積が大きくなり、低圧空間内の作
動流体が第２低圧開閉弁１９を第１内部空間７４内に引
き込まれる。これにより低圧空間内の圧力減少を助長す
る。このようにして作動流体自体で圧縮機の行うべき仕
事を補い、結果として圧縮機の行う仕事を低減すること
ができる。このため冷凍効率が向上する。

【００５８】このように、本例のパルス管冷凍機は、高
圧移送過程において、第１高圧開閉弁１４及び第２高圧
開閉弁１８を共に開き、画成部材７２が移動して作動流
体が行う仕事の一部を回収するように両開閉弁１４及び
１８を開閉制御するので、冷凍効率を向上させることが
できる。同様に、低圧移送過程において、第１低圧開閉
弁１５及び第２低圧開閉弁１９を共に開き、画成部材７
２が移動して作動流体が行う仕事の一部を回収するよう
に両開閉弁１５及び１９を開閉制御するので、冷凍効率
を向上させることができる （第３実施形態例）次に、本発明の第３実施形態例につ
いて図面に基づいて説明する。

【００５９】図８は、本発明の第３実施形態例における
パルス管冷凍機の概略構成図であるが、本例で説明する
パルス管冷凍機は、基本的には上記第１及び第２実施形
態例で説明したパルス管冷凍機１０１と同一構成であ
り、異なるところはパルス管の高温端とバッファタンク
との間に２つの開閉弁を並設した点である。その他の構
成は上記第１実施形態例で説明したパルス管冷凍機１０
１と同一であるので、同一部分を同一符号で示してその
具体的説明を省略する。

【００６０】本例のパルス管冷凍機１０２において、パ
ルス管４１の高温端４１ｂには、連通路５３でバッファ
タンク６１が連通している。また連通路５３の途中には
第１バッファ側開閉弁６３が介装されている。さらに、
連通路５３の途中（パルス管高温端４１ｂと第１バッフ
ァ側開閉弁６３との間）には、連通路５４の一端が連結
されており、この連通路５４の他端はシリンダ部材７１
に接続している。この連通路５４の途中には、連通路５
６の一端が接続されており、連通路５６の他端は連通路
５３（第１バッファ側開閉弁６３とバッファタンク６１
との間）に接続している。そして、連通路５６の途中に
は、第２バッファ側開閉弁６４が介装されている。従っ
て、図からわかるように、パルス管高温端４１ｂとバッ
ファタンク６１との間には、第１バッファ側開閉弁６３
と第２バッファ側開閉弁６４とが並設されている構成と
なっている。その他の構成は、上記第１及び第２実施形
態例と同一であるので、説明を省略する。

【００６１】図９は、上記説明のパルス管冷凍機１０２
の運転時における、時間経過に伴う６個の開閉弁（第１
高圧開閉弁１４、第１低圧開閉弁１５、第２高圧開閉弁
１８、第２低圧開閉弁１９、第１バッファ側開閉弁６
３、第２バッファ側開閉弁６４）の開閉状態（太線部分
が開の状態、線のない部分が閉の状態）を示す図、図１
０は、本例におけるパルス管冷凍機１０２を運転したと
きのパルス管低温端４１ｂ付近の作動流体の圧力と位置
との関係を示すグラフ（Ｐ−Ｖダイヤグラム）である。
尚、時間経過に伴う作動空間内（主にパルス管１０内）
の圧力状態は、上記第１実施形態例で示した図３と、時
間経過に伴う画成部材７２の位置の変化は、上記第１実
施形態例で示した図４とほぼ同一であるので、これらの
図を援用する。また、図９、図１０における横軸（時間
軸）には、各開閉弁を操作するタイミング毎にａ〜ｈの
番号を順につけて時間経過の代用としている。

【００６２】本例におけるパルス管冷凍機１０２におけ
る６個の開閉弁の操作状態及びその操作に伴う作動流体
の状態は、１サイクル中、時間的に次の（１）〜（８）
の８つの過程に区分される。各過程毎に詳述すると、 （１）圧縮前半過程（ａ〜ｂ間） 第１低圧開閉弁１５を閉とするとともに第１バッファ側
開閉弁６３を開とし、第１バッファ側開閉弁６３のみが
開でその他の開閉弁を閉とした状態。この状態では、バ
ッファタンク６１内の作動流体が第１バッファ側開閉弁
６３を通って作動空間に流れる。作動空間に流れた作動
流体は、パルス管４１の高温端４１ｂからパルス管４１
に流入する。従って、パルス管４１内の圧力が上昇する
（図３参照）。また、パルス管４１の高温端４１ｂから
の作動流体の流入に伴い低温端４１ａ付近の作動流体は
より低温端４１ａ側に変位する。このためパルス管４１
の低温端４１ａ付近の作動流体は、圧力が増加するとと
もにその位置が低温端４１ａ側に変位する（図１０参
照）。また、バッファ空間から作動空間に流入した作動
流体は、連通路５４を通ってシリンダ部材７１の第２内
部空間７５にも流れる。このため第２内部空間７５内の
圧力が増加して、画成部材７２は図示左方向に移動する
（図４参照）。

【００６３】（２）圧縮中間過程（ｂ〜ｃ間） パルス管４１内の圧力が上昇してＰ_Ｍに近づいたあたり
で、第１バッファ側開閉弁６２を閉とするとともに、第
２高圧開閉弁１８を開とした状態。この状態では、第２
高圧通路１６内の高圧の作動流体が第２高圧開閉弁１８
を通って作動空間内に流れる。作動空間に流れた作動流
体は、連通路５５を通ってシリンダ部材７１の第１内部
空間７４に流入する。このため第１内部空間７４の圧力
が高くなり、画成部材７２は図示右方向に移動する（図
４参照）。また、画成部材７２の移動に伴って第２内部
空間７５内の作動流体が押出され、このように押出され
た作動流体は連通路５４、５３を通ってパルス管４１内
に高温端４１ｂ側から流入する。従って、パルス管４１
内の圧力がさらに上昇する（図３参照）。また、パルス
管４１の高温端４１ｂからの作動流体の流入に伴い低温
端４１ａ付近の作動流体は低温端４１ａ側にさらに変位
する。このためパルス管４１の低温端４１ａ付近の作動
流体は、圧力がさらに増加するとともにその位置がさら
に低温端４１ａ側に変位する（図１０参照）。

【００６４】（３）圧縮後半過程（ｃ〜ｄ間） パルス管４１内の圧力が上昇してＰ_Ｈに近づいたあたり
で、第２高圧開閉弁１８を開としたまま第１高圧開閉弁
１４を開とした状態。この状態では、第１高圧通路１２
内の高圧の作動流体が第１高圧開閉弁１４を通って作動
空間内に流れる。作動空間に流れた作動流体は、連通路
５１を通って蓄冷器２１に流入する。このためパルス管
４１内の作動流体の圧力がさらに上昇して最高圧力Ｐ_Ｈ
となる（図３参照）。また、この状態において画成部材
７２は第２内部空間７５の圧力が上昇するまでの間依然
図示右側に移動する（図４参照）。またこのときの第１
高圧開閉弁１４と第２高圧開閉弁１８との開弁面積を調
整することによって、パルス管４１の低温端４１ａ付近
の作動流体の変位を小さくし、圧力は上昇するがその位
置は変化しないようにすることもできる（図１０参
照）。

【００６５】（４）高圧移送過程（ｄ〜ｅ間） 第２高圧開閉弁１８を閉とし、第１高圧開閉弁１４を開
としたまま第２バッファ側開閉弁６４を開とした状態。
この状態では、パルス管４１内の作動流体は連通路５
３、連通路５４、連通路５６、第２バッファ側開閉弁６
４を通ってバッファタンク６１に流れる。これととも
に、高圧空間（第１高圧通路１２）から第１高圧開閉弁
１４を通って蓄冷器２１に流入した作動流体が該蓄冷器
２１で冷却されながらパルス管４１内に流入する。この
ため、パルス管４１内の圧力は最高圧力を維持したまま
（図３参照）、低温端部４１ａ付近の低温の作動流体の
位置が低温端４１ａ側から高温端４１ｂ側に変位する
（図１０参照）。またこのときのシリンダ部材７１内の
第１内部空間７４と第２内部空間７５との間の圧力差に
は変化が生じないので、画成部材７２は動かない（図４
参照）。尚、この過程において、第２バッファ側開閉弁
６４の開弁面積を操作することによって、パルス管４１
の低温端４１ａ付近の作動流体の変位を操作することが
できる。例えば、第２バッファ側開閉弁６４の開弁面積
を大きく設定した場合には、パルス管４１から第２バッ
ファ側開閉弁６４を通ってバッファタンク６１に流れる
作動流体の流量を増加させることができ、その結果パル
ス管低温端４１ａ付近の作動流体の低温端４１ａ側から
高温端４１ｂ側への変位を大きくさせることができる
（図１０の実線）。また、第２バッファ側開閉弁６４の
開弁面積を小さく設定した場合には、パルス管４１から
第２バッファ側開閉弁６４を通ってバッファタンク６１
に流れる作動流体を流量を減少させることができ、その
結果パルス管低温端４１ａ付近の作動流体の低温端４１
ａ側から高温端４１ｂ側への変位を小さくさせることが
できる（図１０の点線）。

【００６６】（５）膨張前半過程（ｅ〜ｆ間） 第２バッファ側開閉弁６４及び第１高圧開閉弁１４を閉
とし、第１バッファ側開閉弁６３を開いた状態。この状
態では、第１高圧開閉弁１４を閉じることによって高圧
空間から作動空間への作動流体の流入が停止されるとと
もに、パルス管４１内の高圧の作動流体が第１バッファ
側開閉弁６２を通ってバッファタンク６１に流出する。
その結果パルス管４１内の圧力が減少する（図３参
照）。このためパルス管４１の低温端４１a付近の作動
流体はさらに高温端４１ｂ側に変位する（図１０参照）
とともに、断熱膨張により寒冷を発生する。また、シリ
ンダ部材７１の第２内部空間７５内の作動流体も、連通
路５４、５３を経て第１バッファ側開閉弁６３を通って
バッファタンク６１に流出する。従って、第２内部空間
７５の圧力が減少して画成部材７２は図示右側へ移動す
る（図４参照）。

【００６７】（６）膨張中間過程（図２〜図５における
ｆ〜ｇの間） パルス管４１内の圧力が下降してＰ_Ｍに近づいたあたり
で、第１バッファ側開閉弁６３を閉とするとともに、第
２低圧開閉弁１９を開とした状態。この状態では、シリ
ンダ部材７１の第１内部空間７４内の作動流体が第２低
圧開閉弁１９を通って低圧空間（第２低圧通路１７）側
に流出する。このため第１内部空間７４内の圧力が減少
して画成部材７２は図示左側に移動する（図４参照）。
また、画成部材７２の図示左側への移動により第２内部
空間７５の容積が大きくなるので、パルス管４１内の作
動流体が連通路５３、連通路５４を通って第２内部空間
７５内に流れる。このためパルス管４１内の圧力はさら
に減少し（図３参照）、低温端４１a付近の作動流体は
さらに高温端４１ｂ側に変位する（図１０参照）ととも
に、断熱膨張により寒冷を発生する。

【００６８】（７）膨張後半過程（ｇ〜ｈ間） パルス管４１内の圧力が下降してＰ_Ｌに近づいたあたり
で、第２低圧開閉弁１９を開としたまま、第１低圧開閉
弁１５を開とした状態。この状態では、蓄冷器２１内の
作動流体が第１低圧開閉弁１５を通って低圧空間（第１
低圧通路１３）内に流れる。このためパルス管４１内の
作動流体はさらに低圧となって最低圧力Ｐ_Ｌとなるとと
もに、低温端４１ｂ付近の作動流体がさらに膨張して寒
冷を発生する（図３参照）。また、この状態において画
成部材７２は第２内部空間７５の圧力が下降するまでの
間依然図示左側に移動する（図４参照）。またこのとき
の第１低圧開閉弁１５と第２低圧開閉弁１９との開弁面
積を調整することによって、パルス管４１の低温端４１
ａ付近の作動流体の変位を小さくし、圧力は減少するが
その位置は変化しないようにすることもできる（図１０
参照）。

【００６９】（８）低圧移送過程（ｈ〜ａ間） 第２低圧開閉弁１９を閉とし、第１低圧開閉弁１５を開
いたまま第２バッファ側開閉弁６４を開とした状態。こ
の状態では、バッファタンク６１内の作動流体が連通路
５６、第２バッファ側開閉弁６４、連通路５４、連通路
５３を通ってパルス管４１内に流れる。これとともに、
パルス管４１の低温端４１ａ付近の作動流体がコールド
ヘッド３１、蓄冷器２１を冷却しながら流れ、第１低圧
開閉弁１５から低圧空間（第１低圧通路１３）に流出す
る。このため、パルス管４１内の圧力は最低圧力に維持
したまま（図３参照）、低温端部４１ａ付近の作動流体
が高温端４１ｂ側から低温端４１ａ側に変位する（図１
０参照）。またこのときのシリンダ部材７１内の第１内
部空間７４と第２内部空間７５との間の圧力差に変化が
生じないので、画成部材７２は動かない（図４参照）。
尚、この過程において、第２バッファ側開閉弁６４の開
弁面積を操作することによって、パルス管４１の低温端
４１ａ付近の作動流体の変位を操作することができる。
例えば、第２バッファ側開閉弁６４の開弁面積を大きく
設定した場合には、バッファタンク６１から第２バッフ
ァ側開閉弁６４を通ってパルス管４１に流れる作動流体
の流量を増加させることができ、その結果パルス管低温
端４１ａ付近の作動流体の高温端４１ｂ側から低温端４
１ａ側への変位を大きくさせることができる（図１０の
実線）。また、第２バッファ側開閉弁６４の開弁面積を
小さく設定した場合には、バッファタンク６１から第２
バッファ側開閉弁６４を通ってパルス管４１に流れる作
動流体を流量を減少させることができ、その結果パルス
管低温端４１ａ付近の作動流体の高温端４１ｂ側から低
温端４１ａ側への変位を小さくさせることができる（図
１０の点線）。

【００７０】以上の（１）〜（８）の過程を１サイクル
とし、これを繰り返すことにより図１０のＰ−Ｖダイヤ
グラムで示すような状態変化を作動流体に生ぜしめ、コ
ールドヘッド３１において極低温を発生させるものであ
る。

【００７１】上記例に示すパルス管冷凍機１０２でも、
図６より明らかなように、第２高圧開閉弁１８及び第２
低圧開閉弁１９並びにパルス管４１の高温端４１ｂに連
通する内部空間を持つシリンダ部材７１を設けている。
このシリンダ部材７１の内部には、往復動可能に配置さ
れてかつシリンダ部材７１の内部空間を第２高圧開閉弁
１８及び第２低圧開閉弁１９に連通する第１内部空間７
４とパルス管４１の高温端４１ｂに連通する第２内部空
間７５とに画成する画成部材７２（ディスプレーサ７２
ａ及びピストンリング７２ｂ）とを具備する。このた
め、従来の４弁型パルス管冷凍機において必然的に発生
していた循環流は、この画成部材７２の存在によって遮
断され、本例におけるパルス管冷凍機１０１では循環流
が発生することがない。従って、循環流の発生による熱
の持ち込み等が防止され、冷凍効率を向上させることが
できるものである。

【００７２】また、本例では、パルス管高温端４１ｂと
バッファタンク６１との間に第１バッファ側開閉弁６３
と第２バッファ側開閉弁６４とを並設して構成してい
る。そして、高圧移送過程及び低圧移送過程において
は、圧縮・膨張過程で開閉する第１バッファ側開閉弁６
３ではなく、第２バッファ側開閉弁６４を開いている。
このため第２バッファ側開閉弁６４の開弁面積を調整す
ることで、作動流体の移送過程におけるパルス管４１内
の作動流体の容積変化を調整することができる。パルス
管４１内の作動流体の容積変化を大きくとった場合（図
１０の実線の場合）には、作動流体の変位の増大に伴う
熱侵入が増加するので極低温には向かず、むしろ８０Ｋ
程度の低温を発生するのに適する。パルス管４１内の作
動流体の容積変化を小さくとった場合（図１０の点線の
場合）には、作動流体の変位が小さいので熱侵入も減少
し、極低温領域、例えば４〜３０Ｋ程度の極低温を発生
するのに適する。このように本例におけるパルス管冷凍
機１０２は、第２バッファ側開閉弁６４の開弁面積の操
作によってパルス管冷凍機の冷凍能力を調整することが
できる構成である。

【００７３】（第４実施形態例）図１１は、本発明の第
４実施形態例にかかるパルス管冷凍機の構成概略図であ
る。このパルス管冷凍機は２段型パルス管冷凍機である
が、基本的な構成は上記第３実施形態例とほぼ同一であ
る。即ち、本例のパルス管冷凍機１０３は、冷凍部（蓄
冷器、コールドヘッド、パルス管、放熱器で構成される
部分）が２段となっており、１段目の冷凍部８１（蓄冷
器２１、コールドヘッド３１、パルス管４１、放熱器５
２で構成される部分）のコールドヘッド３１と２段目の
冷凍部８２（蓄冷器１２１、コールドヘッド１３１、パ
ルス管１４１、放熱器１５２で構成される部分）の蓄冷
器１２１の高温端１２１ｂとを連通路５７で連通した構
成である。そして、各冷凍部８１、８２のパルス管４
１、１４１の各高温端４１ｂ、１４１ｂ側には、上記第
３実施形態例と同様に、２つの並設されたバッファ側開
閉弁（パルス管４１に対しては第１バッファ側開閉弁６
３及び第２バッファ側開閉弁６４、パルス管１４１に対
しては第１バッファ側開閉弁１６３及び第２バッファ側
開閉弁１６４）を介してそれぞれバッファタンク６１、
１６１が連通されている。

【００７４】また、２つのパルス管４１、１４１の高温
端４１ｂ、１４１ｂは、連通路５４、１５４でシリンダ
部材９１に接続されている。このシリンダ部材９１は、
径の大きな大径シリンダ部９１ａと、該大径シリンダ部
９１ａよりも径の小さな小径シリンダ部９１ｂを備えた
段付き円筒形状を呈している。またシリンダ部材９１の
内部空間には画成部材９２が配置されている。この画成
部材９２は、径の大きな大径ディスプレーサ部９２１ａ
と、該大径ディスプレーサ部９２１ａの一面から一方に
延びて形成される径の小さな小径ディスプレーサ部９２
１ｂを備えている。そして、大径ディスプレーサ部９２
１ａは大径シリンダ部９１ａ内を、小径ディスプレーサ
部９２１ｂは小径シリンダ部９１ｂ内を、それぞれ往復
動可能なように配置されている。また、大径ディスプレ
ーサ部９２１ａの外周には大径ピストンリング９２２ａ
が、小径ディスプレーサ部９２１ｂの外周には小径ピス
トンリング９２２ｂが取り付けられている。図から明ら
かなように、大径ディスプレーサ部９２１ａ及び大径ピ
ストンリング９２２ａで大径シリンダ部９１ａ内の内部
空間を第１大径内部空間９４及び第２大径内部空間９５
に区画し、小径ディスプレーサ９２１ｂ及び小径ピスト
ンリング９２２ｂで小径シリンダ部９１ｂ内の小径内部
空間９６を第２大径内部空間９５と画成している。ま
た、第１大径内部空間９４内には弾性部材としてのスプ
リング９３が配設されている。このスプリング９３は、
一端が大径ディスプレーサ部９２１ａの一端面に接続さ
れ、他端は大径シリンダ部９１ａの内壁端面に接続され
ており、このスプリング９３で画成部材９２を弾性支持
するとともに、画成部材９２が往復動するときの移動距
離を規制したり調整したりする。その他の構成は概ね第
３実施形態例と同一であるので、その具体的説明を省略
する。

【００７５】上記構成の２段型パルス管冷凍機１０３に
おいても、上記第３実施形態例と同様の開閉弁操作（た
だし、１段目の冷凍部８１に連通した第１バッファ側開
閉弁６３と２段目の冷凍部８２に連通した第１バッファ
側開閉弁１６３とを同タイミングで開閉操作し、１段目
の冷凍部８１に連通した第２バッファ側開閉弁６４と２
段目の冷凍部８２に連通した第２バッファ側開閉弁１６
４とを同タイミングで開閉操作する）を行う。これによ
り、コールドヘッド３１及びコールドヘッド１３１にお
いて寒冷を発生する。また、画成部材９２の存在により
循環流の発生が防止され、効率の良いパルス管冷凍機と
することができる。

【００７６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
パルス管冷凍機において、循環流の発生を防止して冷凍
効率を向上させることができるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態例におけるパルス管冷凍
機の構成概略図である。

【図２】本発明の第１実施形態例におけるパルス管冷凍
機を運転する際の、時間経過に伴う、第１高圧開閉弁、
第２高圧開閉弁、第１低圧開閉弁、第２低圧開閉弁、バ
ッファ側開閉弁の開閉状態を示したグラフである。

【図３】本発明の第１〜第３実施形態例におけるパルス
管冷凍機を運転する際の、時間経過に伴う作動空間内
（主にパルス管内）の圧力状態を示すグラフである。

【図４】本発明の第１及び第３実施形態例におけるパル
ス管冷凍機を運転する際の、時間経過に伴う画成部材の
位置の変化を示すグラフである。

【図５】本発明の第１及び第２実施形態例におけるパル
ス管冷凍機を運転したときのパルス管低温端付近の作動
流体の圧力と位置との関係を示す線図（Ｐ−Ｖダイヤグ
ラム）である。

【図６】本発明の第２実施形態例におけるパルス管冷凍
機を運転する際の、時間経過に伴う、第１高圧開閉弁、
第２高圧開閉弁、第１低圧開閉弁、第２低圧開閉弁、バ
ッファ側開閉弁の開閉状態を示したグラフである。

【図７】本発明の第２実施形態例におけるパルス管冷凍
機を運転する際の、時間経過に伴う画成部材の位置の変
化を示すグラフである。

【図８】本発明の第３実施形態例におけるパルス管冷凍
機の構成概略図である。

【図９】本発明の第３実施形態例におけるパルス管冷凍
機を運転する際の、時間経過に伴う、第１高圧開閉弁、
第２高圧開閉弁、第１低圧開閉弁、第２低圧開閉弁、第
１バッファ側開閉弁、第２バッファ側開閉弁の開閉状態
を示したグラフである。

【図１０】本発明の第３実施形態例におけるパルス管冷
凍機を運転したときの、パルス管低温端付近の作動流体
の圧力と位置との関係を示す線図（Ｐ−Ｖダイヤグラ
ム）である。

【図１１】本発明の第４実施形態例におけるパルス管冷
凍機の構成概略図である。

【図１２】従来のパルス管冷凍機の構成概略図である。

【符号の説明】

１１・・・圧縮機、 １１ａ・・・吐出口、 １１ｂ・
・・吸入口 １４・・・第１高圧開閉弁 １５・・・第１低圧開閉弁 １８・・・第２高圧開閉弁 １９・・・第２低圧開閉弁 ２１・・・蓄冷器、 ２１ａ・・・低温端、 ２１ｂ・
・・高温端 ３１・・・コールドヘッド ４１・・・パルス管、 ４１ａ・・・低温端、 ４１ｂ
・・・高温端 ６１・・・バッファタンク ６２・・・バッファ側開閉弁 ６３・・・第１バッファ側開閉弁 ６４・・・第２バッファ側開閉弁 ７１・・・シリンダ部材 ７２・・・画成部材、 ７２ａ・・・ディスプレーサ、
７２ｂ・・・ピストンリング ７３・・・スプリング（弾性部材） ７４・・・第１内部空間 ７５・・・第２内部空間 ９１・・・シリンダ部材、 ９１ａ・・・大径シリンダ
部、 ９１ｂ・・・小径シリンダ部 ９２・・・画成部材、 ９２１ａ・・・大径ディスプレ
ーサ部、 ９２１ｂ・・・小径ディスプレーサ部、 ９
２２ａ・・・大径ピストンリング、 ９２２ｂ・・・小
径ピストンリング ９３・・・スプリング（弾性部材） ９４・・・第１大径内部空間（第１内部空間） ９５・・・第２大径内部空間（第２内部空間） ９６・・・小径内部空間（第２内部空間） １０１、１０２、１０３・・・パルス管冷凍機

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 井上 龍夫 愛知県刈谷市朝日町２丁目１番地 アイシ ン精機株式会社内

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧縮機と、前記圧縮機の吐出口に連通さ
   れた第１高圧開閉弁及び第２高圧開閉弁と、前記圧縮機
   の吸入口に連通された第１低圧開閉弁及び第２低圧開閉
   弁と、低温端および高温端を備え該高温端にて前記第１
   高圧開閉弁および前記第１低圧開閉弁に連通した蓄冷器
   と、該蓄冷器の低温端に連通したコールドヘッドと、低
   温端及び高温端を備え該低温端にて前記コールドヘッド
   に連通したパルス管と、該パルス管の高温端にバッファ
   側開閉弁を介して連通されたバッファタンクと、前記第
   2高圧開閉弁及び前記第2低圧開閉弁並びに前記パルス管
   の高温端に連通する内部空間を持つシリンダ部材と、該
   シリンダ部材の内部に往復動可能に配置されかつ前記シ
   リンダ部材の内部空間を前記第２高圧開閉弁及び前記第
   ２低圧開閉弁に連通する第１内部空間と前記パルス管冷
   凍機の高温端に連通する第２内部空間とに画成する画成
   部材とを具備したパルス管冷凍機。
2. 【請求項２】 請求項１において、 前記画成部材は、弾性部材によって弾性支持されている
   ことを特徴とするパルス管冷凍機。
3. 【請求項３】 請求項２において、 前記パルス管冷凍機の運転中、高圧移送過程において、
   前記画成部材が移動して作動流体が行う仕事の一部を回
   収するように前記第１高圧開閉弁及び前記第２高圧開閉
   弁を開閉制御し、低圧移送過程において、前記画成部材
   が移動して作動流体が行う仕事の一部を回収するように
   前記第１低圧開閉弁及び前記第２低圧開閉弁を開閉制御
   することを特徴とするパルス管冷凍機。
4. 【請求項４】 請求項３において、 前記第１高圧開閉弁及び前記第２高圧開閉弁は、高圧移
   送過程において共に開となるように開閉制御され、前記
   第１低圧開閉弁及び前記第２低圧開閉弁は、低圧移送過
   程において共に開となるように開閉弁制御されることを
   特徴とするパルス管冷凍機。
5. 【請求項５】 請求項１または２において、 前記バッファ側開閉弁は、前記パルス管の高温端と前記
   バッファタンクとの間に２つ並設されてなることを特徴
   とするパルス管冷凍機。
6. 【請求項６】 請求項５において、 前記パルス管冷凍機の運転中、圧縮過程及び膨張過程に
   おいて、並設された２つの前記バッファ側開閉弁のうち
   の一方のバッファ側開閉弁が開となり、高圧移送過程及
   び低圧移送過程において、並設された２つの前記バッフ
   ァ側開閉弁のうちの他方のバッファ側開閉弁が開となる
   ように前記２つのバッファ側開閉弁を制御することを特
   徴とするパルス管冷凍機。