JP2001116378A - パルス管冷凍機 - Google Patents

パルス管冷凍機

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JP2001116378A
JP2001116378A JP29971899A JP29971899A JP2001116378A JP 2001116378 A JP2001116378 A JP 2001116378A JP 29971899 A JP29971899 A JP 29971899A JP 29971899 A JP29971899 A JP 29971899A JP 2001116378 A JP2001116378 A JP 2001116378A
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pressure
valve
pulse tube
low
pressure supply
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JP29971899A
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Masabumi Nogawa
正文 野川
Shiyoui Shiyu
紹偉 朱
Arata Kono
新 河野
Tatsuo Inoue
龍夫 井上
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Aisin Corp
Original Assignee
Aisin Seiki Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 作動状態を安定化することができるパルス管
冷凍機を提供する。 【解決手段】 パルス管冷凍機１０は、第１圧力振動装
置１１、冷凍部１２及び第２圧力振動装置１３を備えて
いる。冷凍部１２の蓄冷器２４と第１圧力振動装置１１
の第１圧縮源２１の吐出口及び吸入口とはそれぞれ第１
高圧供給用開閉弁２２及び第１低圧供給用開閉弁２３を
介して連結されている。また、冷凍部１２の高温熱交換
器２７と第２圧力振動装置１３の第２圧縮源３１の吐出
口及び吸入口とはそれぞれ第２高圧供給用開閉弁３２及
び第２低圧供給用開閉弁３３を介して連結されている。
第１圧力振動装置１１と第２圧力振動装置１３とは互い
に独立して設けられている。

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
関するものである。
【０００２】
【従来の技術】近年、極低温用の冷凍機としてパルス管
冷凍機が注目を集めている。このパルス管冷凍機は、内
部に充填した作動ガスの圧力変動と位置変動との位相を
ずらして振動させることにより、冷却能力を発揮するも
のである。
【０００３】このようなパルス管冷凍機の構造として
は、例えば文献J.Yuan and J.M.Pfotenhauer,"A SINGLE
STAGE FIVE VALVE PULSE TUBE REFRIGERATOR REACHING
32K",Advances in Cryogenic Engineering Vol.43,199
8,p.1983において紹介されたものが知られている。
【０００４】図５は、この文献に紹介されたパルス管冷
凍機の構造を簡略化し、模式的に図示したものである。
同図に示されるように、このパルス管冷凍機８０は、圧
力振動装置８１と、冷凍部８２とを備えている。
【０００５】前記圧力振動装置８１は、パルス管冷凍機
８０内に充填してある作動ガスに圧力振動を発生させる
もので、圧縮源８３、第１高圧供給用開閉弁８４、第１
低圧供給用開閉弁８５、第２高圧供給用開閉弁８６及び
第２低圧供給用開閉弁８７を備えている。そして、圧縮
源８３の吐出口は、上記冷凍部８２の一側（図５の左
側）及び他側（図５の右側）に、それぞれ第１高圧供給
用開閉弁８４、第２高圧供給用開閉弁８６を介して接続
されている。一方、圧縮源８３の吸入口は、上記冷凍部
８２の一側（図５の左側）及び他側（図５の右側）に、
それぞれ第１低圧供給用開閉弁８５、第２低圧供給用開
閉弁８７を介して接続されている。この圧力振動装置８
１は、これら第１高圧供給用開閉弁８４、第１低圧供給
用開閉弁８５、第２高圧供給用開閉弁８６及び第２低圧
供給用開閉弁８７が所定のタイミングで開閉制御される
ことで、上記パルス管冷凍機８０（冷凍部８２）内の作
動ガスに圧力振動を発生させる。
【０００６】前記冷凍部８２は、蓄冷器９１、低温熱交
換器９２、パルス管９３及び高温熱交換器９４が順次直
列に連結されて構成されている。上記蓄冷器９１の高温
端は上記圧力振動装置８１の第１高圧供給用開閉弁８４
及び第１低圧供給用開閉弁８５に連結されており、低温
端は上記低温熱交換器９２に連結されている。この蓄冷
器９１は、作動ガスが上記低温熱交換器９２側に向かっ
て内部を進行する際に同作動ガスを徐々に冷却し、反対
に、上記圧力振動装置８１側に向かって進行する（戻
る）際に同作動ガスを徐々に温めるように作動ガスとの
熱交換を行う。
【０００７】上記蓄冷器９１の低温端に連結された低温
熱交換器９２は低温発生部となっており、同低温熱交換
器９２に接触された被冷却体から効率よく熱を奪うた
め、作動ガスの流れ方向に沿って規則的な多数の穴を有
して形成されている。
【０００８】上記低温熱交換器９２に連結されたパルス
管９３は、その高温端側（高温熱交換器９４側）の熱が
振動によって低温熱交換器９２に伝達されるのを防止す
るための中空の管であって、熱伝導率の小さい材料によ
り形成されている。
【０００９】上記パルス管９３に連結された高温熱交換
器９４は、作動ガスの流れ方向に沿って規則的な多数の
穴を有して形成されている。この高温熱交換器９４は、
内部を流れる作動ガスの熱を外部に放出することで、上
記パルス管９３の高温端側を冷却するためのものであ
る。この高温熱交換器９４は、上記圧力振動装置８１の
第２高圧供給用開閉弁８６及び第２低圧供給用開閉弁８
７に連結されている。
【００１０】このような構造にあって、上記第１高圧供
給用開閉弁８４、第１低圧供給用開閉弁８５を所定のタ
イミングで開閉制御することで、上記パルス管冷凍機８
０（パルス管９３）内の作動ガスに圧力振動を発生す
る。このとき、上記第２高圧供給用開閉弁８６、第２低
圧供給用開閉弁８７を所定のタイミングで開閉制御する
ことで、上記パルス管冷凍機８０（パルス管９３）内の
作動ガスに補助的に圧力振動を発生し、同作動ガスの圧
力変動と位置変動との位相差を調節する。そして、作動
ガスは、一方に移動して上記高温熱交換器９４において
熱を吐き出し、他方に移動して上記低温熱交換器９２に
おいて熱を吸い込む動作を繰り返す。そして、このよう
な動作が連続的に行なわれることにより、上記低温熱交
換器９２に冷凍を発生する。
【００１１】パルス管冷凍機８０は、以上の動作により
冷凍を行う。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】ところで、このパルス
管冷凍機８０においては、冷凍部８２の一側（蓄冷器９
１）及び他側（高温熱交換器９４）が圧力振動装置８１
を介して接続されているため、これら圧力振動装置８１
及び冷凍部８２は閉ループを形成している。従って、冷
凍部８２の内部において作動ガスの往復動流の他に、方
向性を有する循環流が発生することがある（この流れ方
向は、作動条件により異なる）。そして、この循環流の
発生は、上記パルス管冷凍機８０の作動状態の不安定化
の要因となっている。
【００１３】本発明の目的は、作動状態を安定化するこ
とができるパルス管冷凍機を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
めに、請求項１に記載の発明は、蓄冷器、低温熱交換
器、パルス管及び高温熱交換器が順次直列に連結されて
構成された冷凍部と、第１圧縮源、第１高圧供給用開閉
弁及び第１低圧供給用開閉弁を有し、該第１高圧供給用
開閉弁及び第１低圧供給用開閉弁を介して前記蓄冷器と
該第１圧縮源の吐出口及び吸入口とがそれぞれ連結され
て前記パルス管の内部の作動ガスに圧力変動を発生させ
る第１圧力振動装置と、第２圧縮源、第２高圧供給用開
閉弁及び第２低圧供給用開閉弁を有し、該第２高圧供給
用開閉弁及び第２低圧供給用開閉弁を介して前記高温熱
交換器と該第２圧縮源の吐出口及び吸入口とがそれぞれ
連結されて前記パルス管の内部の作動ガスの圧力変動と
位置変動との位相差を調節する前記第１圧力振動装置と
は独立した第２圧力振動装置とを備えたことを要旨とす
る。
【００１５】請求項２に記載の発明は、請求項１に記載
のパルス管冷凍機において、前記高温熱交換器に連結さ
れ、前記第１圧縮源の吐出圧力と吸入圧力との略中間圧
力を有して前記パルス管の内部の作動ガスの圧力変動と
位置変動との位相差を更に調節するバッファタンクを備
えたことを要旨とする。
【００１６】請求項３に記載の発明は、請求項２に記載
のパルス管冷凍機において、前記冷凍部と前記バッファ
タンクとは、バッファ側開閉弁を介して連結されたこと
を要旨とする。
【００１７】請求項４に記載の発明は、請求項１〜３の
いずれかに記載のパルス管冷凍機において、前記パルス
管の内部の作動ガスの圧力上昇時において、前記第１高
圧供給用開閉弁及び前記第２高圧供給用開閉弁の開状態
を少なくとも一部重ね合わせたことを要旨とする。
【００１８】請求項５に記載の発明は、請求項１〜３の
いずれかに記載のパルス管冷凍機において、前記パルス
管の内部の作動ガスの圧力低下時において、前記第１低
圧供給用開閉弁及び前記第２低圧供給用開閉弁の開状態
を少なくとも一部重ね合わせたことを要旨とする。
【００１９】（作用）請求項１に記載の発明によれば、
上記パルス管の内部の作動ガスの圧力変動と位置変動と
の位相差を調節する第２圧力振動装置は、上記第１圧力
振動装置とは独立して設けられている。従って、上記第
１及び第２圧力振動装置及び冷凍部は開ループを形成す
るため、閉ループを形成した場合に生じる循環流の発生
は回避され、パルス管冷凍機は安定作動される。
【００２０】請求項２及び３に記載の発明によれば、上
記第１圧縮源の吐出圧力と吸入圧力との略中間圧力を有
するバッファタンクを設けて、上記パルス管の内部の作
動ガスの圧力変動と位置変動との位相差を更に調節する
ようにした。従って、例えばパルス管の内部の作動ガス
の圧力上昇時において最低圧力（第１圧縮源の吸入圧
力）から上記バッファタンクの圧力（中間圧力）まで上
昇させて圧力差を低減した後に、上記第１高圧供給用開
閉弁を開作動させ、最高圧力（第１圧縮源の吐出圧力）
へと上昇させるようすることで、第１及び第２圧力振動
装置の動力負荷は低減される。
【００２１】また、パルス管の内部の作動ガスの圧力低
下時において最高圧力（第１圧縮源の吐出圧力）から上
記バッファタンクの圧力（中間圧力）まで低下させて圧
力差を低減した後に、上記第１低圧供給用開閉弁を開作
動させ、最低圧力（第１圧縮源の吸入圧力）へと低下さ
せるようすることで、同様に第１及び第２圧力振動装置
の動力負荷は低減される。
【００２２】請求項４に記載の発明によれば、パルス管
の内部の作動ガスの圧力上昇時において、上記第１高圧
供給用開閉弁及び第２高圧供給用開閉弁の開状態は少な
くとも一部重ね合わされている。従って、最高圧力（第
１圧縮源の吐出圧力）となった作動ガスは、その位置変
動において上記第２圧縮源の吐出口に押し込まれる。従
って、第２圧縮源の圧力生成は、この押し込まれた作動
ガスによって助長され、同第２圧縮源に必要とされる動
力負荷は低減される。
【００２３】請求項５に記載の発明によれば、パルス管
の内部の作動ガスの圧力低下時において、上記第１低圧
供給用開閉弁及び第２低圧供給用開閉弁の開状態は少な
くとも一部重ね合わされている。従って、最低圧力（第
１圧縮源の吸入圧力）となった作動ガスは、その位置変
動において上記第２圧縮源の吸入口から吸引される。従
って、第２圧縮源の圧力生成は、この吸入される作動ガ
スによって助長され、同第２圧縮源に必要とされる動力
負荷は低減される。
【００２４】
【発明の実施の形態】以下、本発明を具体化したパルス
管冷凍機の一実施形態について図１〜図３に基づき説明
する。
【００２５】図１に示されるように、本実施形態におけ
るパルス管冷凍機１０は、第１圧力振動装置１１と、冷
凍部１２と、第２圧力振動装置１３と、バッファ側開閉
弁１４と、バッファタンク１５と、制御装置１６とを備
えている。
【００２６】前記第１圧力振動装置１１は、パルス管冷
凍機１０内に充填してあるヘリウム等の作動ガスに圧力
振動を発生させるもので、第１圧縮源２１、第１高圧供
給用開閉弁２２及び第１低圧供給用開閉弁２３を備えて
いる。そして、第１圧縮源２１の吐出口は、第１高圧供
給用開閉弁２２を介して上記冷凍部１２に接続されてお
り、一方、吸入口は、第１低圧供給用開閉弁２３を介し
て同冷凍部１２に接続されている。この第１圧力振動装
置１１は、これら第１高圧供給用開閉弁２２及び第１低
圧供給用開閉弁２３が上記制御装置１６により所定のタ
イミングで開閉制御されることで、上記パルス管冷凍機
１０（冷凍部１２）内の作動ガスに圧力振動を発生させ
る。
【００２７】前記冷凍部１２は、蓄冷器２４、低温熱交
換器２５、パルス管２６及び高温熱交換器２７が順次直
列に連結されて構成されている。上記蓄冷器２４は、例
えば、ステンレス鋼、リン青銅等のメッシュからなる蓄
冷材２４ａが充填されたもので、高温端２４ｂ及び低温
端２４ｃを有している。そして、その高温端２４ｂは上
記第１圧力振動装置１１に連結されており、低温端２４
ｃは上記低温熱交換器２５に連結されている。この蓄冷
器２４は、作動ガスが上記低温熱交換器２５側に向かっ
て内部を進行する際に同作動ガスを徐々に冷却し、反対
に、上記第１圧力振動装置１１側に向かって進行する
（戻る）際に同作動ガスを徐々に温めるように作動ガス
との熱交換を行う。
【００２８】上記蓄冷器２４の低温端２４ｃに連結され
た低温熱交換器２５は低温発生部となっている。この低
温熱交換器２５は、同低温熱交換器２５に接触された被
冷却体から効率よく熱を奪うため、作動ガスの流れ方向
に沿って規則的な多数の穴を有して、例えば銅等の熱伝
導性に優れた材料により形成されている。
【００２９】上記低温熱交換器２５に連結されたパルス
管２６は、その高温端側（高温熱交換器２７側）の熱が
振動によって低温熱交換器２５に伝達されるのを防止す
るための中空の管であって、例えばステンレス鋼等の熱
伝導率の小さい材料により形成されている。
【００３０】上記パルス管２６に連結された高温熱交換
器２７は、作動ガスの流れ方向に沿って規則的な多数の
穴を有して、例えば銅にて形成されている。この高温熱
交換器２７は、内部を流れる作動ガスの熱を外部に放出
することで、上記パルス管２６の高温端側を冷却するた
めのものである。この高温熱交換器２７は、上記第２圧
力振動装置１３及びバッファ側開閉弁１４に連結されて
いる。
【００３１】前記第２圧力振動装置１３は、パルス管冷
凍機１０（パルス管２６）内の作動ガスに補助的に圧力
振動を発生させるもので、第２圧縮源３１、第２高圧供
給用開閉弁３２及び第２低圧供給用開閉弁３３を備えて
いる。そして、第２圧縮源３１の吐出口は、第２高圧供
給用開閉弁３２を介して上記冷凍部１２（高温熱交換器
２７）に接続されており、一方、吸入口は、第２低圧供
給用開閉弁３３を介して同冷凍部１２（高温熱交換器２
７）に接続されている。この第２圧力振動装置１３は、
これら第２高圧供給用開閉弁３２及び第２低圧供給用開
閉弁３３が上記制御装置１６により所定のタイミングで
開閉制御されることで、上記パルス管冷凍機１０（パル
ス管２６）内の作動ガスに補助的に圧力振動を発生さ
せ、同作動ガスの圧力変動と位置変動との位相差を調節
する。なお、上記第２圧縮源３１の吐出圧力は前記第１
圧縮源２１の吐出圧力と同様であるが、その容量は同第
１圧縮源２１の容量よりも小さく設定されている。そし
て、第２圧縮源３１の質量流量は、上記第１圧縮源２１
の質量流量よりも小さく設定されている。
【００３２】前記バッファ側開閉弁１４は、上記冷凍部
１２（高温熱交換器２７）及びバッファタンク１５の間
に介設されており、上記制御装置１６により所定のタイ
ミングで開閉制御されることで、上記パルス管冷凍機１
０（パルス管２６）内の作動ガスに補助的に圧力振動を
発生させ、同作動ガスの圧力変動と位置変動との位相差
を調節する。なお、上記バッファタンク１５は、例えば
パルス管冷凍機１０の容積よりも充分大きな容積を有し
て形成されており、その内部の作動ガスは上記第１及び
第２圧縮源２１，３１の吐出圧力と吸入圧力との略中間
圧力となっている。
【００３３】上記制御装置１６は、上記第１高圧供給用
開閉弁２２、第１低圧供給用開閉弁２３、第２高圧供給
用開閉弁３２、第２低圧供給用開閉弁３３及びバッファ
側開閉弁１４を所定のタイミングでそれぞれ開閉制御す
る。
【００３４】次に、本実施形態におけるパルス管冷凍機
１０の動作について図２及び図３に基づき説明する。な
お、図２は、１サイクル内の各時刻における上記第１高
圧供給用開閉弁２２、第１低圧供給用開閉弁２３、第２
高圧供給用開閉弁３２、第２低圧供給用開閉弁３３及び
バッファ側開閉弁１４の開閉状態と、パルス管２６の低
温端（低温熱交換器２５側）付近の圧力状態とを示すグ
ラフであり、図３は、同時刻における同パルス管２６の
低温端（低温熱交換器２５側）付近の作動ガスの等価Ｐ
Ｖ線図である。ちなみに、図２において、上記第１高圧
供給用開閉弁２２、第１低圧供給用開閉弁２３、第２高
圧供給用開閉弁３２、第２低圧供給用開閉弁３３及びバ
ッファ側開閉弁１４ごとに描画された実線はその開状態
を示し、それ以外は閉状態を示すものとする。
【００３５】パルス管冷凍機１０の動作は以下に説明す
る８つの段階からなり、各段階は主として上記第１高圧
供給用開閉弁２２、第１低圧供給用開閉弁２３、第２高
圧供給用開閉弁３２、第２低圧供給用開閉弁３３及びバ
ッファ側開閉弁１４の各開閉状態に対応して区分されて
いる。
【００３６】第１段階（状態→状態：圧縮前期過
程）：第１低圧供給用開閉弁２３及び第２低圧供給用開
閉弁３３を閉状態とするとともにバッファ側開閉弁１４
を開状態とし、第１高圧供給用開閉弁２２及び第２高圧
供給用開閉弁３２の閉状態を保持した状態である。この
状態では、中間圧力に保持されたバッファタンク１５内
の作動ガスがバッファ側開閉弁１４を介してパルス管２
６の高温端（高温熱交換器２７側）から冷凍部１２内に
流入する。この場合、圧力損失の少ないバッファ側開閉
弁１４を介してバッファタンク１５と冷凍部１２とが連
通状態とされるので、パルス管２６内の圧力は速やかに
最低圧からバッファタンク１５の圧力（中間圧力）まで
上昇する。
【００３７】第２段階（状態→状態：圧縮中期過
程）：パルス管２６内の圧力が最低圧からバッファタン
ク１５の圧力にまで上昇したときに第２高圧供給用開閉
弁３２を開状態にするとともにバッファ側開閉弁１４を
閉状態にした状態である。この状態では、第２圧縮源３
１から吐出された作動ガスが第２高圧供給用開閉弁３２
を介してパルス管２６の高温端（高温熱交換器２７側）
から冷凍部１２内に流入する。このとき、バッファタン
ク１５と冷凍部１２とはバッファ側開閉弁１４によって
遮断されているため、パルス管２６内の圧力は上記バッ
ファタンク１５の圧力から更に上昇する。
【００３８】第３段階（状態→状態：圧縮後期過
程）：パルス管２６内の圧力上昇中に更に第１高圧供給
用開閉弁２２を開状態にした状態である。この状態で
は、第１圧縮源２１から吐出された作動ガスも第１高圧
供給用開閉弁２２を介して蓄冷器２４の高温端２４ｂか
ら冷凍部１２内に流入し、パルス管２６内の圧力は最高
圧にまで速やかに上昇する。なお、パルス管２６内に
は、第１圧縮源２１、第１高圧供給用開閉弁２２、蓄冷
器２４及び低温熱交換器２５を介してその低温端から流
入する作動ガスと、第２圧縮源３１、第２高圧供給用開
閉弁３２及び高温熱交換器２７を介してその高温端から
流入する作動ガスが存在するため、同パルス管２６の低
温端（低温熱交換器２５側）付近の作動ガスの位置変動
は抑制されている。
【００３９】第４段階（状態→状態：高圧移送過
程）：上記状態を更に維持した状態である。この状態で
は、上記第１及び第２高圧供給用開閉弁２２，３２が同
時に開状態にあるものの、第１圧縮源２１の質量流量は
第２圧縮源３１の質量流量よりも大きいために、作動ガ
スは第２圧縮源３１側へと押し込まれ、パルス管２６内
の作動ガスは最高圧を維持したまま、その低温端から高
温端へと流れる。
【００４０】第５段階（状態→状態：膨張前期過
程）：第１高圧供給用開閉弁２２及び第２高圧供給用開
閉弁３２を閉状態とするとともにバッファ側開閉弁１４
を開状態とした状態である。この状態では、冷凍部１２
内の作動ガスがパルス管２６の高温端（高温熱交換器２
７側）からバッファ側開閉弁１４を介して上記バッファ
タンク１５内へと流出する。この場合、圧力損失の少な
いバッファ側開閉弁１４を介してバッファタンク１５と
冷凍部１２とが連通状態とされるので、パルス管２６内
の圧力は速やかに最高圧からバッファタンク１５の圧力
（中間圧力）まで低下する。この圧力低下によりパルス
管２６内の作動ガスが断熱膨張し、温度が低下する。
【００４１】第６段階（状態→状態：膨張中期過
程）：パルス管２６内の圧力が最高圧からバッファタン
ク１５の圧力にまで低下したときに第２低圧供給用開閉
弁３３を開状態にするとともにバッファ側開閉弁１４を
閉状態にした状態である。この状態では、冷凍部１２内
の作動ガスが第２圧縮源３１に吸入され、パルス管２６
の高温端（高温熱交換器２７側）から第２低圧供給用開
閉弁３３を介して第２圧縮源３１へと流出する。このと
き、バッファタンク１５と冷凍部１２とはバッファ側開
閉弁１４によって遮断されているため、パルス管２６内
の圧力は上記バッファタンク１５の圧力から更に低下す
る。この圧力低下によりパルス管２６内の作動ガスが更
に断熱膨張し、温度が低下する。
【００４２】第７段階（状態→状態：膨張後期過
程）：パルス管２６内の圧力低下中に更に第１低圧供給
用開閉弁２３を開状態にした状態である。この状態で
は、冷凍部１２内の作動ガスが第１圧縮源２１にも吸入
され、パルス管２６の低温端から低温熱交換器２５、蓄
冷器２４及び第１低圧供給用開閉弁２３を介して第１圧
縮源２１へと流出し、パルス管２６内の圧力は最低圧に
まで速やかに低下する。この圧力低下によりパルス管２
６内の作動ガスが更に断熱膨張し、温度が低下する。な
お、パルス管２６内には、低温熱交換器２５、蓄冷器２
４及び第１低圧供給用開閉弁２３を介してその低温端か
ら第１圧縮源２１へと流出する作動ガスと、高温熱交換
器２７及び第２低圧供給用開閉弁３３を介してその高温
端から第２圧縮源３１へと流出する作動ガスが存在する
ため、同パルス管２６の低温端（低温熱交換器２５側）
付近の作動ガスの位置変動は抑制されている。
【００４３】第８段階（状態→状態：低圧移送過
程）：上記状態を更に維持した状態である。この状態で
は、上記第１及び第２低圧供給用開閉弁２３，３３が同
時に開状態にあるものの、第１圧縮源２１の質量流量は
第２圧縮源３１の質量流量よりも大きいために、作動ガ
スは第２圧縮源３１側から吸引され、パルス管２６内の
作動ガスは最低圧を維持したまま、その高温端から低温
端へと流れ、第１段階の状態に戻る。
【００４４】以上の第１〜第８段階を１サイクルとし、
これを繰り返すことにより図８の等価ＰＶ線図で示すよ
うな状態変化を作動ガスに生ぜしめ、パルス管冷凍機１
０の低温熱交換器２５において極低温を発生するもので
ある。
【００４５】以上詳述したように、本実施形態によれ
ば、以下に示す効果が得られるようになる。 （１）本実施形態では、冷凍部１２の一側（蓄冷器２４
側）及び他側（高温熱交換器２７側）にそれぞれ互いに
独立した第１及び第２圧力振動装置１１，１３を設け、
これら第１及び第２圧力振動装置１１，１３により、同
冷凍部１２の圧力変動を制御するようにした。従って、
上記第１及び第２圧力振動装置１１，１３及び冷凍部１
２は開ループを形成するため、閉ループを形成した場合
に生じる循環流の発生を回避し、パルス管冷凍機１０を
安定作動させることができる。
【００４６】また、第１及び第２圧力振動装置１１，１
３の例えば容量や吐出圧力などの能力をそれぞれ個別に
設定することができるため、パルス管冷凍機１０の作動
を好適なおものとすることができる。
【００４７】（２）本実施形態では、第４段階（状態
→状態：高圧移送過程）において、第１及び第２高圧
供給用開閉弁２２，３２をともに開状態に維持し、作動
ガスを第２圧縮源３１側に押し込むようにした。従っ
て、第２圧縮源３１の圧力生成を、この押し込まれた作
動ガスによって助長し、同第２圧縮源３１に必要とされ
る動力負荷を低減することができる。
【００４８】また、第８段階（状態→状態：低圧移
送過程）において、第１及び第２低圧供給用開閉弁２
３，３３をともに開状態に維持し、作動ガスを第２圧縮
源３１側から吸引するようにした。従って、第２圧縮源
３１の圧力生成を、この吸入される作動ガスによって助
長し、同様に第２圧縮源３１に必要とされる動力負荷を
低減することができる。
【００４９】（３）本実施形態では、冷凍部１２（高温
熱交換器２７）にバッファ側開閉弁１４を介してバッフ
ァタンク１５を設け、第１段階〜第３段階においてパル
ス管２６内の圧力を最低圧力から同バッファタンク１５
の圧力（中間圧力）まで上昇させて圧力差を低減した後
に、第１高圧供給用開閉弁２２を開作動させ、最高圧力
へと上昇させるようにした。従って、上記パルス管２６
内の圧力が最低圧力であるときに第１高圧供給用開閉弁
２２を開作動させ、最高圧力へと上昇させた場合に比べ
て、第１及び第２圧力振動装置１１，１３の動力負荷を
低減することができる。
【００５０】また、第５段階〜第７段階においては、パ
ルス管２６内の圧力を最高圧力から同バッファタンク１
５の圧力（中間圧力）まで低下させて圧力差を低減した
後に、第１低圧供給用開閉弁２３を開作動させ、最低圧
力へと低下させるようにした。従って、同様に第１及び
第２圧力振動装置１１，１３の動力負荷を低減すること
ができる。
【００５１】（４）本実施形態では、冷凍部１２（高温
熱交換器２７）にバッファ側開閉弁１４を介してバッフ
ァタンク１５を設けた。従って、例えば第１段階（状態
→状態：圧縮前期過程）においては圧力損失の少な
いバッファ側開閉弁１４を介してバッファタンク１５と
冷凍部１２とが連通状態とされるので、パルス管２６内
の圧力を速やかに最低圧からバッファタンク１５の圧力
（中間圧力）まで上昇させ、また、第５段階（状態→
状態：膨張前期過程）においても同様にパルス管２６
内の圧力を速やかに最高圧からバッファタンク１５の圧
力（中間圧力）まで低下させることができる。このため
第１及び第５段階の状態変化に要する時間を短縮させる
ことができる。
【００５２】（５）本実施形態では、第３段階（状態
→状態：圧縮後期過程）においてパルス管２６内に、
第１圧縮源２１、第１高圧供給用開閉弁２２、蓄冷器２
４及び低温熱交換器２５を介してその低温端から流入す
る作動ガスと、第２圧縮源３１、第２高圧供給用開閉弁
３２及び高温熱交換器２７を介してその高温端から流入
する作動ガスとを存在させたため、同パルス管２６の低
温端（低温熱交換器２５側）付近の作動ガスの位置変動
を抑制することができる。従って、この第３段階におい
て図３に示される等価ＰＶ線図に囲まれる面積をより大
きくし、パルス管冷凍機１０の冷凍効率を向上すること
ができる。
【００５３】また、第７段階（状態→状態：膨張後
期過程）においてパルス管２６内に、低温熱交換器２
５、蓄冷器２４及び第１低圧供給用開閉弁２３を介して
その低温端から第１圧縮源２１へと流出する作動ガス
と、高温熱交換器２７及び第２低圧供給用開閉弁３３を
介してその高温端から第２圧縮源３１へと流出する作動
ガスとを存在させたため、同様にパルス管２６の低温端
（低温熱交換器２５側）付近の作動ガスの位置変動を抑
制することができる。従って、この第７段階においても
図３に示される等価ＰＶ線図に囲まれる面積をより大き
くし、パルス管冷凍機１０の冷凍効率を向上することが
できる。
【００５４】なお、本発明の実施の形態は上記実施形態
に限定されるものではなく、次のように変更してもよ
い。 ・前記実施形態において採用した１サイクル内の各時刻
における第１高圧供給用開閉弁２２、第１低圧供給用開
閉弁２３、第２高圧供給用開閉弁３２、第２低圧供給用
開閉弁３３及びバッファ側開閉弁１４の開閉状態（図
２）は一例であり、例えば図４に示されるような同開閉
状態を採用してもよい。この場合においても、前記実施
形態の（１）、（３）〜（５）と同様の効果が得られる
ようになる。また、１サイクル内の各時刻における第１
高圧供給用開閉弁２２、第１低圧供給用開閉弁２３、第
２高圧供給用開閉弁３２、第２低圧供給用開閉弁３３及
びバッファ側開閉弁１４をその他の開閉状態としてもよ
い。
【００５５】・前記実施形態においては、１サイクル内
の各時刻における第１高圧供給用開閉弁２２、第１低圧
供給用開閉弁２３、第２高圧供給用開閉弁３２、第２低
圧供給用開閉弁３３及びバッファ側開閉弁１４の開閉状
態を固定的に繰り返す態様としたが、例えばパルス管冷
凍機１０の起動時と運転時とで異なる開閉状態を設定す
るなどしてもよい。
【００５６】・前記実施形態においては、冷凍部１２と
バッファタンク１５との間に、バッファ側開閉弁１４を
介設したが、例えば小型のニードル弁にて作動ガスの流
量を調節するオリフィスなどであってもよい。
【００５７】・前記実施形態においては、バッファ側開
閉弁１４及びバッファタンク１５を備えたパルス管冷凍
機１０を採用したが、これらバッファ側開閉弁１４及び
バッファタンク１５は必ずしもなくともよい。特にこの
場合、バッファタンク１５及びその周辺構造を割愛した
分だけパルス管冷凍機１０の小型化を図ることができ
る。
【００５８】・前記実施形態においては、第２圧縮源３
１の吐出圧力を第１圧縮源２１の吐出圧力と同様とした
が、これらは互いに異なっていてもよい。 ・前記実施形態における作動ガスとして、ヘリウム、ネ
オン、アルゴン、窒素、空気等、あるいはこれらの混合
物を採用してもよい。
【００５９】
【発明の効果】以上詳述したように、請求項１に記載の
発明によれば、作動状態を安定化することができるパル
ス管冷凍機を提供することができる。
【００６０】請求項２及び３に記載の発明によれば、第
１及び第２圧力振動装置の動力負荷を低減することがで
きる。請求項４及び５に記載の発明によれば、第２圧縮
源に必要とされる動力負荷を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るパルス管冷凍機の一実施形態を示
す概略構成図。
【図２】同実施形態の各開閉弁の作動状態と圧力状態と
を示すグラフ。
【図３】同実施形態のパルス管の低温端付近の作動ガス
の等価ＰＶ線図。
【図４】同実施形態の各開閉弁の作動状態の別例と圧力
状態とを示すグラフ。
【図５】従来のパルス管冷凍機を示す概略構成図。
【符号の説明】
１１ 第１圧力振動装置 １２ 冷凍部 １３ 第２圧力振動装置 １４ バッファ側開閉弁 １５ バッファタンク ２１ 第１圧縮源 ２２ 第１高圧供給用開閉弁 ２３ 第１低圧供給用開閉弁 ２４ 蓄冷器 ２５ 低温熱交換器 ２６ パルス管 ２７ 高温熱交換器 ３１ 第２圧縮源 ３２ 第２高圧供給用開閉弁 ３３ 第２低圧供給用開閉弁
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 河野 新 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 (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 (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 蓄冷器、低温熱交換器、パルス管及び
    高温熱交換器が順次直列に連結されて構成された冷凍部
    と、 第１圧縮源、第１高圧供給用開閉弁及び第１低圧供給用
    開閉弁を有し、該第１高圧供給用開閉弁及び第１低圧供
    給用開閉弁を介して前記蓄冷器と該第１圧縮源の吐出口
    及び吸入口とがそれぞれ連結されて前記パルス管の内部
    の作動ガスに圧力変動を発生させる第１圧力振動装置
    と、 第２圧縮源、第２高圧供給用開閉弁及び第２低圧供給用
    開閉弁を有し、該第２高圧供給用開閉弁及び第２低圧供
    給用開閉弁を介して前記高温熱交換器と該第２圧縮源の
    吐出口及び吸入口とがそれぞれ連結されて前記パルス管
    の内部の作動ガスの圧力変動と位置変動との位相差を調
    節する前記第１圧力振動装置とは独立した第２圧力振動
    装置とを備えたことを特徴とするパルス管冷凍機。
  2. 【請求項２】 請求項１に記載のパルス管冷凍機にお
    いて、 前記高温熱交換器に連結され、前記第１圧縮源の吐出圧
    力と吸入圧力との略中間圧力を有して前記パルス管の内
    部の作動ガスの圧力変動と位置変動との位相差を更に調
    節するバッファタンクを備えたことを特徴とするパルス
    管冷凍機。
  3. 【請求項３】 請求項２に記載のパルス管冷凍機にお
    いて、 前記冷凍部と前記バッファタンクとは、バッファ側開閉
    弁を介して連結されたことを特徴とするパルス管冷凍
    機。
  4. 【請求項４】 請求項１〜３のいずれかに記載のパル
    ス管冷凍機において、 前記パルス管の内部の作動ガスの圧力上昇時において、
    前記第１高圧供給用開閉弁及び前記第２高圧供給用開閉
    弁の開状態を少なくとも一部重ね合わせたことを特徴と
    するパルス管冷凍機。
  5. 【請求項５】 請求項１〜３のいずれかに記載のパル
    ス管冷凍機において、 前記パルス管の内部の作動ガスの圧力低下時において、
    前記第１低圧供給用開閉弁及び前記第２低圧供給用開閉
    弁の開状態を少なくとも一部重ね合わせたことを特徴と
    するパルス管冷凍機。
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