JP2002286313A - パルス管冷凍機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 冷媒ガスの圧力波によりパルス管（２）内で
圧縮及び膨張を繰り返して冷熱を発生させ、冷媒ガスの
膨張時の冷熱を蓄冷器（４）に蓄冷するパルス管冷凍機
（Ｒ）に対し、蓄冷器（４）でのガス流動抵抗が変化し
ても、そのガスの流量の変化を抑え、長期間に亘り、パ
ルス管冷凍機（Ｒ）内でのガス流量を一定に維持して冷
却性能を安定に保つ。 【解決手段】 パルス管（２）の高温端部（２ｂ）に対
する冷媒ガス圧の位相を制御するために、シリンダ（１
７）と、その内部を１対の空間（１８），（１９）に区
画するピストン（２０）とを設け、第１空間（１８）を
パルス管（２）の高温端部（２ｂ）に接続し、第２空間
（１９）に給排される冷媒ガスに可変の流動抵抗を与え
る可変流量調整弁（２５）を設け、ピストン（２０）の
移動位置を検出して、その検出移動位置に基づいて可変
流量調整弁（２５）による流動抵抗を制御することで、
ピストン（２０）の移動ストロークやその中立位置を略
一定に保つようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、冷媒ガスの圧縮及
び膨張を繰り返して冷熱（寒冷）を発生させるパルス管
冷凍機に関し、特に、その冷却性能を長期間に亘り安定
させるための対策に関する技術分野に属する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、この種のパルス管冷凍機は極
低温冷凍機の一種として知られている。その一例とし
て、ＧＭタイプのパルス管冷凍機を図６により説明する
と、このパルス管冷凍機（Ｒ′）は、例えばヘリウム等
の冷媒ガスを圧縮して定常的に高圧冷媒ガスを発生させ
る圧縮機（１）と、高温端部が圧縮機（１）に給排配管
（３）を介して接続され、冷媒ガスの膨張時の冷熱を蓄
冷する蓄冷器（４）（蓄冷式熱交換器）と、低温端部
（２ａ）が上記蓄冷器（４）の低温端部に連通管（７）
を介して接続された１つ以上のパルス管（２）とを備
え、このパルス管（２）の低温端部（２ａ）と蓄冷器
（４）の低温端部との間には内部に膨張空間（図示せ
ず）を有するコールドヘッド（６）が形成されている。

【０００３】また、圧縮機（１）と蓄冷器（４）との間
には例えばロータリタイプのメインバルブ（８）が接続
されている。このメインバルブ（８）は互いに接する固
定弁体（９）及び回転弁体（１０）からなり、固定弁体
（９）の接触面には上記蓄冷器（４）に常時連通する給
排ポート（１１）と、圧縮機（１）の吸込み部に常時連
通する低圧ポート（１２）とが、また回転弁体（１０）
の接触面には圧縮機（１）の吐出部に常時連通する高圧
ポート（１３）と、連通部（１４）とがそれぞれ形成さ
れており、回転弁体（１０）を固定弁体（９）に対し相
対回転させて給排ポート（１１）に圧縮機（１）の吐出
部又は吸込み部を切り換えて連通させ、回転弁体（１
０）の高圧ポート（１３）を固定弁体（９）の給排ポー
ト（１１）に連通させたときには、圧縮機（１）からの
高圧冷媒ガスを高圧ポート（１３）ないし給排ポート
（１１）を経て蓄冷器（４）及びパルス管（２）に供給
する一方、回転弁体（１０）の回転によりその連通部
（１４）を給排ポート（１１）に連通させたときには、
パルス管（２）及び蓄冷器（４）から冷媒ガスを給排ポ
ート（１１）、連通部（１４）及び低圧ポート（１２）
を介して圧縮機（１）の吸込み部に戻すようになってい
る。

【０００４】これに対し、上記パルス管（２）の高温端
部（２ｂ）には、その高温端部（２ｂ）に対する冷媒ガ
ス圧の位相を制御して、パルス管（２）内における冷媒
ガスの仮想ピストン（ｐ）の往復動についてメインバル
ブ（８）による高圧又は低圧冷媒ガスの給排切換えに対
し位相差を作るための位相制御手段（１６）が設けられ
ている。すなわち、この位相制御手段（１６）は、シリ
ンダ（１７）と、このシリンダ（１７）内に往復動可能
に収容され、シリンダ（１７）内を第１及び第２の１対
の空間（１８），（１９）に区画するピストン（２０）
とを有するシリンダ部材（２１）を備え、このシリンダ
部材（２１）の第１空間（１８）は配管（２２）を介し
て上記パルス管（２）の高温端部（２ｂ）に接続されて
いる。

【０００５】上記シリンダ部材（２１）の第２空間（１
９）は上記圧縮機（１）に対し、サブバルブ（２３）及
び絞り弁（２４）を介して接続されている。このサブバ
ルブ（２３）は、上記メインバルブ（８）と同じ例えば
ロータリタイプのもので（メインバルブ（８）と同じ部
分については同じ符号を付して説明する）、上記シリン
ダ部材（２１）の第２空間（１９）に配管（２８）を介
して常時連通する給排ポート（１１）、及び圧縮機
（１）の吸込み部に常時連通する低圧ポート（１２）が
形成された固定弁体（９）と、圧縮機（１）の吐出部に
常時連通する高圧ポート（１３）、及び連通部（１４）
が形成された回転弁体（１０）とからなり、回転弁体
（１０）を固定弁体（９）に対し相対回転させて給排ポ
ート（１１）に圧縮機（１）の吐出部又は吸込み部を切
り換えて連通させ、回転弁体（１０）の高圧ポート（１
３）を固定弁体（９）の給排ポート（１１）に連通させ
たときには、圧縮機（１）からの高圧冷媒ガスを高圧ポ
ート（１３）ないし給排ポート（１１）を経てシリンダ
部材（２１）の第２空間（１９）に供給する一方、回転
弁体（１０）の回転によりその連通部（１４）を給排ポ
ート（１１）に連通させたときには、シリンダ部材（２
１）の第２空間（１９）から冷媒ガスを給排ポート（１
１）、連通部（１４）及び低圧ポート（１２）を介して
圧縮機（１）の吸込み部に戻すようになっている。

【０００６】また、上記絞り弁（２４）は、サブバルブ
（２３）とシリンダ部材（２１）の第２空間（１９）と
を接続する配管（２８）の途中に接続されていて、サブ
バルブ（２３）を介してシリンダ部材（２１）の第２空
間（１９）に給排される冷媒ガスに流動抵抗を与える機
能を有する。

【０００７】そして、上記メインバルブ（８）の回転弁
体（１０）を給排ポート（１１）と圧縮機（１）の吐出
部又は吸込み部とが一定時間保持されるように回転させ
て、冷媒ガスの矩形波からなる圧力波を発生させ、この
圧力波をパルス管（２）に供給する一方、サブバルブ
（２３）をメインバルブ（８）と所定のタイミング差で
回転制御して冷媒ガスの圧力波を発生させ、この圧力波
をシリンダ部材（２１）の第２空間（１９）に絞り弁
（２４）で流動抵抗を付与しながら供給してピストン
（２０）を往復動させ、パルス管（２）の高温端部（２
ｂ）に対する冷媒ガス圧の位相を制御することにより、
パルス管（２）内で冷媒ガスの仮想ピストン（ｐ）を往
復動させ、この仮想ピストン（ｐ）の往復動によりコー
ルドヘッド（６）内の膨張空間で冷媒ガスを膨張させて
極低温レベルの冷熱を発生させるようにしている。

【０００８】また、蓄冷器（４）は内部に磁性蓄冷材等
からなる蓄冷材（５）を有しており、メインバルブ
（８）が回転弁体（１０）の連通部（１４）で固定弁体
（９）の給排ポート（１１）及び低圧ポート（１２）同
士を連通するように切り換えられて、パルス管（２）か
ら冷媒ガスが圧縮機（１）の吸込み部に戻されるとき
に、コールドヘッド（６）内の膨張空間で発生した冷媒
ガスの冷熱を蓄冷器（４）の蓄冷材（５）に熱交換によ
り蓄冷する一方、逆に、メインバルブ（８）が回転弁体
（１０）の高圧ポート（１３）を固定弁体（９）の給排
ポート（１１）に連通するように切り換えられて、圧縮
機（１）からの高圧冷媒ガスがパルス管（２）に供給さ
れるときに、その冷媒ガスに対し上記蓄冷材（５）に蓄
冷した冷熱を熱交換により与えるようにしている。

【０００９】尚、図６中、（２９）はパルス管（２）の
高温端部（２ｂ）に設けられた整流熱交換部材で、パル
ス管（２）の高温端部（２ｂ）からシリンダ部材（２
１）の第１空間（１８）に給排される冷媒ガスを整流す
るとともに、そのガスの冷熱を蓄冷して保持する。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来のパルス管冷凍機（Ｒ′）では、長期間の運転に伴
い、冷媒ガス中に混入している不純物（例えば窒素等）
が凝固して蓄冷器（４）に堆積したり、或いは冷凍機
（Ｒ′）の温度変動が生じたりして、その蓄冷器（４）
での冷媒ガスの流動抵抗が変化したとき、この蓄冷器
（４）でのガス流動抵抗の変化に伴って、蓄冷器（４）
を通過する冷媒ガスの流量も変化し、冷凍機（Ｒ′）の
冷却性能が変動するという問題があった。

【００１１】また、シリンダ部材（２１）におけるピス
トン（２０）は、シリンダ（１７）内周面との間をシー
ル部材でシールされた状態で、パルス管（２）内の仮想
ピストン（ｐ）の往復動に同期して往復動するが、冷凍
機（Ｒ′）が長期間に亘って運転されると、このシール
部材が摩耗するのは避けられず、その摩耗に伴い、ピス
トン（２０）の移動抵抗の変化やガス漏れによりピスト
ン（２０）の移動が不安定になり、やはり冷凍機
（Ｒ′）の冷却性能が不安定になる。

【００１２】本発明は斯かる点に鑑みてなされたもの
で、その主たる目的は、上記の如きパルス管冷凍機にお
いて、そのパルス管での冷媒ガスの仮想ピストンの位相
を制御するための手段に改良を加えることにより、長期
間に亘り、パルス管冷凍機内でのガス流量を一定に維持
して冷却性能を安定に保つようにすることにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、請求項１の発明では、冷媒ガスの圧力波を発生さ
せる圧力波発生手段と、この圧力波発生手段に低温端部
（２ａ）が接続され、圧力波発生手段からの圧力波によ
って冷媒ガスの圧縮及び膨張を繰り返して冷熱を発生す
る少なくとも１つのパルス管（２）と、上記圧力波発生
手段及びパルス管（２）の低温端部（２ａ）の間に接続
され、冷媒ガスの膨張時の冷熱を蓄冷する蓄冷器（４）
と、上記パルス管（２）の高温端部（２ｂ）に対する冷
媒ガス圧の位相を制御する位相制御手段（１６）とを備
えたパルス管冷凍機を対象とする。

【００１４】そして、上記位相制御手段（１６）は、シ
リンダ（１７）、及びこのシリンダ（１７）内に往復動
可能に収容され、シリンダ（１７）内を１対の空間（１
８），（１９）に区画するピストン（２０）を有してな
り、上記一方の空間（１８）が上記パルス管（２）の高
温端部（２ｂ）に接続されたシリンダ部材（２１）と、
このシリンダ部材（２１）の他方の空間（１９）に接続
され、該他方の空間（１９）に給排される冷媒ガスに可
変の流動抵抗を与える可変流動抵抗付与手段（２５）〜
（２７）と、上記シリンダ部材（２１）におけるピスト
ン（２０）の移動位置を検出する位置検出手段（３１）
と、この位置検出手段（３１）により検出されたピスト
ン（２０）の移動位置に基づいて上記可変流動抵抗付与
手段（２５）〜（２７）による流動抵抗を制御する流動
抵抗制御手段（３２）とを備えているものとする。

【００１５】この構成によれば、冷凍機の運転中、圧力
波発生手段からの圧力波が蓄冷器（４）を介してパルス
管（２）の低温端部（２ａ）に供給される。また、位相
制御手段（１６）により上記パルス管（２）の高温端部
（２ｂ）に対する冷媒ガス圧の位相が制御される。すな
わち、上記位相制御手段（１６）においては、パルス管
（２）の低温端部（２ａ）に対する冷媒ガスの給排に伴
い、シリンダ部材（２１）の第１空間（１８）に対する
冷媒ガス圧が変化してピストン（２０）がシリンダ（１
７）内で往復動し、このピストン（２０）の往復動によ
り第２空間（１９）の圧力が変化して、その内部の冷媒
ガスが給排され、この冷媒ガスに対し可変流動抵抗付与
手段（２５）〜（２７）により流動抵抗が付与される。
このことで、パルス管（２）で冷媒ガスの仮想ピストン
（ｐ）が往復動し、この仮想ピストン（ｐ）の往復動に
より、冷媒ガスの圧縮及び膨張が繰り返されて冷熱が発
生する。

【００１６】そして、上記シリンダ部材（２１）のピス
トン（２０）の移動位置が位置検出手段（３１）により
検出され、流動抵抗制御手段（３２）において、上記位
置検出手段（３１）により検出されたピストン（２０）
の移動位置に基づいて上記可変流動抵抗付与手段（２
５）〜（２７）による冷媒ガスの流動抵抗が可変制御さ
れる。このような冷媒ガスの流動抵抗の可変制御によ
り、冷凍機の長期間の運転に伴い、冷媒ガス中に混入し
ている不純物の蓄冷器（４）への堆積や冷凍機の温度変
動に起因して、その蓄冷器（４）での冷媒ガスの流動抵
抗が変化したとしても、ピストン（２０）の移動ストロ
ークやその中立位置を略一定に保って、その蓄冷器
（４）を流れるガスの流量変化を抑制でき、長期間に亘
り、パルス管冷凍機内でのガス流量を一定に維持して冷
却性能を安定に保つことができる。

【００１７】請求項２の発明では、上記請求項１の発明
の対象と同様のパルス管冷凍機として、その位相制御手
段（１６）は、シリンダ（１７）、及びそのシリンダ
（１７）内に往復動可能に収容され、シリンダ（１７）
内を１対の空間（１８），（１９）に区画するピストン
（２０）を有してなり、上記一方の空間（１８）が上記
パルス管（２）の高温端部（２ｂ）に接続されたシリン
ダ部材（２１）と、このシリンダ部材（２１）の他方の
空間（１９）に接続され、該他方の空間（１９）に給排
される冷媒ガスに流動抵抗を与える流動抵抗付与手段
（２４）〜（２７）とを備えているものとする。

【００１８】そして、上記シリンダ部材（２１）のピス
トン（２０）をシリンダ（１７）に対し、ピストン（２
０）の外面とシリンダ（１７）内面との間にクリアラン
スシールが形成されるように往復動可能にかつ往復動方
向と直交する方向に移動不能に支持する板ばね型又はボ
ールベアリング型のベアリング部材（４６），（４９）
を設ける。

【００１９】こうすれば、シリンダ部材（２１）におけ
るピストン（２０）は、板ばね型又はボールベアリング
型のベアリング部材（４６），（４９）によりシリンダ
（１７）内面との間にクリアランスシールが形成される
ように往復動可能にかつ往復動方向と直交する方向に移
動不能に支持されているので、このピストン（２０）と
シリンダ（１７）とのシール部材の摩耗に伴う移動抵抗
の変化やガス漏れによりピストン（２０）の移動が不安
定になるのを防止することができ、ピストン（２０）の
移動を長期間に亘って一定に保ってパルス管冷凍機の冷
却性能を安定させることができる。

【００２０】請求項３の発明では、請求項１の発明の対
象と同様のパルス管冷凍機として、その位相制御手段
（１６）は、シリンダ（１７）、及びこのシリンダ（１
７）内に往復動可能に収容され、シリンダ（１７）内を
１対の空間（１８），（１９）に区画するピストン（２
０）を有してなり、上記一方の空間（１８）が上記パル
ス管（２）の高温端部（２ｂ）に接続されたシリンダ部
材（２１）と、このシリンダ部材（２１）におけるピス
トン（２０）の往復動を制御するリニアモータ（４０）
とを備えてなるものとする。

【００２１】このことで、シリンダ部材（２１）におけ
るピストン（２０）の往復動がリニアモータ（４０）に
より制御されるので、上記請求項１の発明と同様に、蓄
冷器（４）での冷媒ガスの流動抵抗が変化したとして
も、ピストン（２０）の移動ストロークやその中立位置
を略一定に保って、その蓄冷器（４）を流れるガスの流
量変化を抑制でき、長期間に亘り、パルス管冷凍機内で
のガス流量を一定に維持して冷却性能を安定に保つこと
ができる。しかも、ピストン（２０）の往復動をリニア
モータ（４０）によって任意に制御することができる。

【００２２】請求項４の発明では、上記請求項１又は３
の発明のパルス管冷凍機において、そのシリンダ部材
（２１）のピストン（２０）をシリンダ（１７）に対
し、ピストン（２０）の外面とシリンダ（１７）内面と
の間にクリアランスシールが形成されるように往復動可
能にかつ往復動方向と直交する方向に移動不能に支持す
る板ばね型又はボールベアリング型のベアリング部材
（４６），（４９）を設ける。このことで、請求項１又
は３の発明と請求項２の発明との双方の作用効果が相乗
的に得られ、パルス管冷凍機の冷却性能をより一層安定
させることができる。

【００２３】請求項５の発明では、上記圧力波発生手段
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及び圧縮機（１）に戻る低圧
冷媒ガスを切り換える切換弁（８）とを備えてなるもの
とする。このことで、望ましい圧力波発生手段を具体化
することができる。

【００２４】

【発明の実施の形態】（実施形態１）図１は本発明の実
施形態１に係る極低温冷凍機としてのパルス管冷凍機
（Ｒ）の全体構成を示し、この冷凍機（Ｒ）は、冷媒ガ
スとして例えばヘリウムガスを用いる１段のＧＭタイプ
のパルス管冷凍機からなる。尚、本発明の各実施形態に
係るＧＭタイプのパルス管冷凍機（Ｒ）は基本的に従来
のもの（図６参照）と同じであり、その基本構成は既述
したので、図６と同じ部分については同じ符号を付して
その詳細な説明は省略する。

【００２５】すなわち、このパルス管冷凍機（Ｒ）は、
冷媒ガスを圧縮して定常的に高圧冷媒ガスを発生させる
圧縮機（１）と、低温端部（２ａ）が上記圧縮機（１）
に接続されたパルス管（２）と、このパルス管（２）の
低温端部（２ａ）と圧縮機（１）との間に接続され、冷
媒ガスの膨張時の冷熱を蓄冷する蓄冷器（４）とを備
え、パルス管（２）の低温端部（２ａ）には内部に膨張
空間（図示せず）を有するコールドヘッド（６）が形成
されている。

【００２６】また、圧縮機（１）と蓄冷器（４）との間
には例えばロータリタイプのメインバルブ（８）が接続
されている。このメインバルブ（８）は互いに接する固
定弁体（９）及び回転弁体（１０）からなり、回転弁体
（１０）を固定弁体（９）に対し相対回転させて固定弁
体（９）の給排ポート（１１）に圧縮機（１）の吐出部
又は吸込み部を切り換えて連通させ、回転弁体（１０）
の高圧ポート（１３）を固定弁体（９）の給排ポート
（１１）に連通させたときには、圧縮機（１）からの高
圧冷媒ガスを高圧ポート（１３）ないし給排ポート（１
１）を経て蓄冷器（４）及びパルス管（２）に供給する
一方、回転弁体（１０）の回転によりその連通部（１
４）を給排ポート（１１）に連通させたときには、パル
ス管（２）及び蓄冷器（４）から冷媒ガスを給排ポート
（１１）、連通部（１４）及び低圧ポート（１２）を介
して圧縮機（１）の吸込み部に戻すようになっている。

【００２７】上記パルス管（２）の高温端部（２ｂ）に
は、その高温端部（２ｂ）に対する冷媒ガス圧の位相を
制御して、パルス管（２）内における冷媒ガスの仮想ピ
ストン（ｐ）の往復動についてメインバルブ（８）によ
る高圧又は低圧冷媒ガスの給排切換えに対し位相差を作
るための位相制御手段（１６）が設けられている。この
位相制御手段（１６）は、シリンダ（１７）と、このシ
リンダ（１７）内に往復動可能に収容され、シリンダ
（１７）内を第１及び第２の１対の空間（１８），（１
９）に区画するピストン（２０）とを有するシリンダ部
材（２１）を備え、このシリンダ部材（２１）の第１空
間（１８）が上記パルス管（２）の高温端部（２ｂ）に
接続されている。

【００２８】シリンダ部材（２１）の第２空間（１９）
は上記圧縮機（１）に対し、サブバルブ（２３）と可変
流量調整弁（２５）を介して接続されている。このサブ
バルブ（２３）は、上記メインバルブ（８）と同じ例え
ばロータリタイプのもので、互いに接する固定弁体
（９）及び回転弁体（１０）からなり、回転弁体（１
０）を固定弁体（９）に対し相対回転させて給排ポート
（１１）に圧縮機（１）の吐出部又は吸込み部を切り換
えて連通させ、回転弁体（１０）の高圧ポート（１３）
を固定弁体（９）の給排ポート（１１）に連通させたと
きには、圧縮機（１）からの高圧冷媒ガスを高圧ポート
（１３）ないし給排ポート（１１）を経てシリンダ部材
（２１）の第２空間（１９）に供給する一方、回転弁体
（１０）の回転によりその連通部（１４）を給排ポート
（１１）に連通させたときには、シリンダ部材（２１）
の第２空間（１９）から冷媒ガスを給排ポート（１
１）、連通部（１４）及び低圧ポート（１２）を介して
圧縮機（１）の吸込み部に戻すようにしている。

【００２９】上記サブバルブ（２３）とシリンダ部材
（２１）との間は配管（２８）で接続され、この配管
（２８）に上記可変流量調整弁（２５）が接続されてい
る。そして、メインバルブ（８）の回転弁体（１０）を
給排ポート（１１）と圧縮機（１）の吐出部又は吸込み
部とが一定時間保持されるように回転させて、冷媒ガス
の矩形波からなる圧力波を発生させ、この圧力波をパル
ス管（２）に供給する一方、サブバルブ（２３）をメイ
ンバルブ（８）と所定のタイミングを持って回転制御
し、かつシリンダ部材（２１）の第２空間（１９）に給
排される冷媒ガスに可変流量調整弁（２５）で流動抵抗
を付与して、パルス管（２）の高温端部（２ｂ）に対す
る冷媒ガス圧の位相を制御することにより、パルス管
（２）内で冷媒ガスの仮想ピストン（ｐ）を往復動さ
せ、この仮想ピストン（ｐ）の往復動によりコールドヘ
ッド（６）内の膨張空間で冷媒ガスを膨張させて極低温
レベルの冷熱を発生させる。

【００３０】また、蓄冷器（４）では、メインバルブ
（８）の切換えにより、パルス管（２）から冷媒ガスが
圧縮機（１）の吸込み部に戻されるときに、コールドヘ
ッド（６）内の膨張空間で発生した冷媒ガスの冷熱を熱
交換により蓄冷する一方、逆に、圧縮機（１）からの高
圧冷媒ガスがパルス管（２）に供給されるときに、その
冷媒ガスに対し上記蓄冷した冷熱を熱交換により与える
ようにしている。

【００３１】さらに、上記シリンダ部材（２１）のシリ
ンダ（１７）には、その内部のピストン（２０）の移動
位置を検出する位置検出手段としてのピストン位置セン
サ（３１）が取り付けられている。このピストン位置セ
ンサ（３１）は、例えばレーザ光をピストン（２０）に
当ててその反射レーザ光のドップラー効果からピストン
（２０）の移動位置を検出する。

【００３２】そして、上記ピストン位置センサ（３１）
の出力信号は、上記可変流量調整弁（２５）を制御する
流動抵抗制御装置（３２）（流動抵抗制御手段）に入力
されており、この流動抵抗制御装置（３２）において、
ピストン位置センサ（３１）により検出されたピストン
（２０）の移動位置に基づいて可変流量調整弁（２５）
による冷媒ガスの流動抵抗を制御するようにしている。

【００３３】したがって、この実施形態においては、冷
凍機（Ｒ）の運転中、メインバルブ（８）の回転弁体
（１０）が固定弁体（９）に対し相対回転してメインバ
ルブ（８）が開閉切換えされる。また、サブバルブ（２
３）の回転弁体（１０）も固定弁体（９）に対し相対回
転して、サブバルブ（２３）が上記メインバルブ（８）
の切換えに対し所定のタイミング差を持って開閉切換え
される。上記メインバルブ（８）の切換えにより、圧縮
機（１）から吐出された高圧冷媒ガスと、圧縮機（１）
に戻る低圧冷媒ガスとが交互に切り換えられて冷媒ガス
の所定周期の圧力波が生成され、この圧力波は蓄冷器
（４）を経てパルス管（２）の低温端部（２ａ）に伝達
される。一方、サブバルブ（２３）の切換えにより、同
様に高圧冷媒ガスと低圧冷媒ガスとが交互に切り換えら
れて冷媒ガスの所定周期の圧力波が可変流量調整弁（２
５）で流動抵抗を付与されてシリンダ部材（２１）の第
２空間（１９）に伝達され、この圧力波によりピストン
（２０）がシリンダ（１７）内で往復動し、このピスト
ン（２０）の往復動により第１空間（１８）の冷媒ガス
が整流熱交換部材（２９）を経てパルス管（２）の高温
端部（２ｂ）に給排される。このことで、パルス管
（２）の高温端部（２ｂ）に対する冷媒ガス圧の位相が
制御されて、パルス管（２）内の冷媒ガスによる仮想ピ
ストン（ｐ）が所定周期で往復動する。このガスの仮想
ピストン（ｐ）の往復動により冷媒ガスがパルス管
（２）の低温端部（２ａ）におけるコールドヘッド
（６）内の膨張空間で膨張し、この冷媒ガスの膨張によ
り冷熱が生じてコールドヘッド（６）が極低温レベルに
冷却される。

【００３４】そのとき、上記シリンダ部材（２１）のピ
ストン（２０）は、シリンダ（１７）内の第１空間（１
８）の冷媒ガスの圧力と、上記サブバルブ（２３）から
の冷媒ガスの圧力との差圧により往復動するので、この
ピストン（２０）の動きはパルス管（２）内の冷媒ガス
の仮想ピストン（ｐ）の移動と同期している。そして、
このピストン（２０）の移動位置がピストン位置センサ
（３１）により検出され、流動抵抗制御装置（３２）に
おいて、上記検出されたピストン（２０）の移動位置に
基づいて上記可変流量調整弁（２５）による冷媒ガスの
流動抵抗が可変制御される。このような冷媒ガスの流動
抵抗の可変制御により、冷凍機（Ｒ）の長期間の運転に
伴い、冷媒ガス中に混入している不純物の蓄冷器（４）
への堆積或いは冷凍機（Ｒ）の温度変動に起因して、そ
の蓄冷器（４）での冷媒ガスの流動抵抗が変化したとし
ても、ピストン（２０）の移動ストロークやその中立位
置を略一定に保って、その蓄冷器（４）を流れるガスの
流量変化が抑制され、長期間に亘り、パルス管冷凍機
（Ｒ）内でのガス流量を一定に維持して冷却性能を安定
に保つことができる。

【００３５】（実施形態２）図２は本発明の実施形態２
を示し（尚、以下の各実施形態では、図１（図６）と同
じ部分については同じ符号を付してその詳細な説明は省
略する）、上記実施形態１ではサブバルブ（２３）を用
いているのに対し、開閉弁を採用したものである。

【００３６】すなわち、この実施形態では、シリンダ部
材（２１）の第２空間（１９）は、高圧配管（３４）に
より圧縮機（１）の吐出部に、また低圧配管（３５）を
介して圧縮機（１）の吸込み部にそれぞれ接続されてい
る。上記高圧配管（３４）の途中には該高圧配管（３
４）を開閉する高圧側開閉弁（３７）と高圧側可変流量
調整弁（２６）とが直列に、また低圧配管（３５）の途
中には該低圧配管（３５）を開閉する低圧側開閉弁（３
８）と低圧側可変流量調整弁（２７）とが直列にそれぞ
れ接続されている。高圧側可変流量調整弁（２６）は、
サブバルブ（２３）（圧縮機（１））からシリンダ部材
（２１）の第２空間（１９）に流れる高圧冷媒ガスの流
量を可変調整する一方、低圧側可変流量調整弁（２７）
は、逆にシリンダ部材（２１）の第２空間（１９）から
サブバルブ（２３）（圧縮機（１））に流れる低圧冷媒
ガスの流量を可変調整するものであり、これら可変流量
調整弁（２６），（２７）により、サブバルブ（２３）
を介してシリンダ部材（２１）の第２空間（１９）に給
排される冷媒ガスに流動抵抗を与えるようにしている。
その他の構成は上記実施形態１と同様である（図１参
照）。

【００３７】したがって、この実施形態においても、開
閉弁（３７），（３７）を開閉切換えしてパルス管
（２）の高温端部（２ｂ）に対する冷媒ガス圧の位相を
制御することで、上記実施形態１と同様の作用効果を奏
することができる。

【００３８】（実施形態３）図３は実施形態３を示し、
シリンダ部材（２１）のピストン（２０）の移動をリニ
アモータで制御するようにしたものである。

【００３９】すなわち、この実施形態では、位相制御手
段（１６）は、シリンダ部材（２１）と、そのシリンダ
部材（２１）におけるピストン（２０）の往復動を制御
するリニアモータ（４０）とを備えてなる。シリンダ部
材（２１）のピストン（２０）において第２空間（１
９）側の面にはピストン移動方向に延びるロッド（４
４）の一端部が固定され、このロッド（４４）の他端部
はシリンダ（１７）を貫通してその外部に延び、このロ
ッド（４４）の他端部にリニアモータ（４０）が駆動連
結されている。

【００４０】上記リニアモータ（４０）は、ハウジング
（４１）と、このハウジング（４１）内にシリンダ部材
（２１）のピストン移動方向と平行に配置された円筒状
の永久磁石（４２）と、この永久磁石（４２）の内部に
同心状に配置された円筒状の駆動コイル（４３）とを備
え、この駆動コイル（４３）に上記ロッド（４４）の他
端部が移動一体に固定されており、リニアモータ（４
０）の駆動コイル（４３）に対しメインバルブ（８）の
回転切換えと同期した交流信号電圧を印可することによ
り、駆動コイル（４３）をロッド（４４）と共に移動さ
せて、ピストン（２０）をシリンダ（１７）内で往復動
制御するようにしている。

【００４１】したがって、この実施形態でも上記実施形
態１と同様の作用効果が得られる。しかも、リニアモー
タ（４０）の駆動コイル（４３）への印加電圧を変える
ことで、ピストン（２０）の移動を任意に制御できる利
点がある。

【００４２】（実施形態４）図４は実施形態４を示す。
この実施形態では、上記各実施形態１〜３とは異なり、
パルス管冷凍機（Ｒ）の基本構成は従来例（図６参照）
と同じで、シリンダ部材（２１）の構造のみが異なって
いる。

【００４３】すなわち、この実施形態におけるシリンダ
部材（２１）のピストン（２０）はシリンダ（１７）に
対し、第１空間（１８）及び第２空間（１９）にそれぞ
れ配置した１対の板ばね型ベアリング部材（４６），
（４６）によりシリンダ部材（２１）のピストン（２
０）をシリンダ（１７）に対し、ピストン（２０）の外
面とシリンダ（１７）内面との間にクリアランスシール
が形成されるように往復動可能にかつ往復動方向と直交
する方向に移動不能に支持されている。ピストン（２
０）の移動方向両面の中央部にはシャフト（４８），
（４８）が一体的に固定され、この各シャフト（４８）
とシリンダ（１７）の内周面との間に板ばね型ベアリン
グ部材（４６）が配置されている。この各板ばね型ベア
リング部材（４６）は、例えばシリンダ（１７）内で中
央部から周辺部に向かって放射状や渦巻状等に延びる複
数枚の板ばね（４７），（４７），…（これは例えば板
状のばね材に中央部から周辺部に向かう放射状や渦巻状
等の複数のスリットを形成することで得られる）からな
り、各板ばね（４７）の中央端部が可動端部とされて、
この可動端部がピストン（２０）に、また外周部がシリ
ンダ（１７）にそれぞれ固定されている。そして、この
板ばね（４７），（４７），…により、ピストン（２
０）を移動方向と直交する方向に移動不能に規制した状
態で往復動可能に支持している。

【００４４】また、ピストン（２０）の外周縁部にはシ
リンダ（１７）の内周面との間をシールするシール部材
がなく、ピストン（２０）外周縁部とシリンダ（１７）
内周面との間は例えば１００μｍ以下の隙間があけられ
ており、この隙間をクリアランスシールとして冷媒ガス
自体でシールするようにしている。尚、シリンダ（１
７）内の各空間（１８），（１９）においてベアリング
部材（４９）で仕切られる両側の空間のガスは、板ばね
（４７），（４７）間の隙間等を通って流通可能とされ
ている。その他は上記従来例と同様の構成である。

【００４５】したがって、この実施形態の場合、シリン
ダ部材（２１）におけるピストン（２０）は、板ばね型
ベアリング部材（４６），（４６）によりシリンダ（１
７）内面との間にクリアランスシールとなるクリアラン
スをあけて往復動可能にかつ往復動方向と直交する方向
に移動不能に支持されているので、このピストン（２
０）外周縁部がシリンダ（１７）内周面と摺接して摩耗
することはなく、その摩耗によりピストン（２０）の移
動抵抗の変化やガス漏れが生じてピストン（２０）の移
動が不安定になるのを防止することができ、ピストン
（２０）の移動を長期間に亘って一定に保ち、パルス管
冷凍機（Ｒ）の冷却性能を安定させることができる。

【００４６】（実施形態５）図５は実施形態５を示し、
上記実施形態４では板ばね型ベアリング部材（４６）を
設けているのに対し、シリンダ部材（２１）のピストン
（２０）をシリンダ（１７）にボールベアリング型ベア
リング部材により、ピストン（２０）外面とシリンダ
（１７）内面との間にクリアランスシールとなるクリア
ランスをあけて往復動可能にかつ往復動方向と直交する
方向に移動不能に支持するようにしたものである。

【００４７】この実施形態では、シリンダ部材（２１）
のシリンダ（１７）内の第１空間（１８）及び第２空間
（１９）にそれぞれボールベアリング型ベアリング部材
（４９），（４９）が嵌挿されている。この各ベアリン
グ部材（４９）は、シリンダ（１７）内周面に固定され
たレース（５０）と、そのレース（５０）の内周面に転
動可能にかつ脱落不能に配置された複数のボール（５
１），（５１），…とを備えている。ピストン（２０）
の移動方向両面の中央部に一体的に固定されている各シ
ャフト（４８）は上記各ベアリング部材（４９）におけ
る複数のボール（５１），（５１），…間の中心部に挿
通されており、シャフト（４８）を各ボール（５１）に
接触させた状態で該ボール（５１）をシャフト（４８）
の移動方向（軸方向）に沿う方向に転動させることで、
ピストン（２０）を移動方向と直交する方向に移動不能
に規制した状態で往復動させるようにしている。尚、シ
リンダ（１７）内の各空間（１８），（１９）において
ベアリング部材（４９）で仕切られる両側の空間のガス
は、ボール（５１），（５１）間の隙間等を通って流通
可能とされている。その他は上記実施形態４と同様の構
成である。

【００４８】したがって、この実施形態においても、実
施形態４と同様の作用効果を奏することができる。

【００４９】尚、上記実施形態４及び５は、従来の構成
のパルス管冷凍機（Ｒ）のシリンダ部材（２１）にベア
リング部材（４６），（４９）を設けたものであるが、
上記実施形態１〜３の構成のパルス管冷凍機（Ｒ）のシ
リンダ部材（２１）に実施形態４又は５のベアリング部
材（４６），（４９）を設けてもよく、実施形態１〜３
の作用効果に加え、ベアリング部材（４６），（４９）
による作用効果が相乗的に得られることになり、パルス
管冷凍機（Ｒ）の冷却性能をより一層安定させることが
できる。

【００５０】また、上記各実施形態では、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
媒ガス及び圧縮機（１）に戻る低圧冷媒ガスを切り換え
るロータリタイプのメインバルブ（８）とで圧力波発生
手段を構成しているが、シリンダ内でピストンを往復動
させて冷媒ガスを周期的に圧縮する往復動ピストン型圧
縮機を用いることもできる。

【００５１】さらに、上記各実施形態は、１段のパルス
管冷凍機（Ｒ）に適用したものであるが、本発明は、２
段以上のパルス管冷凍機にも適用することができる。

【００５２】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１の発明に
よると、圧力波発生手段による圧力波によって冷媒ガス
の圧縮及び膨張を繰り返して冷熱を発生する少なくとも
１つのパルス管と、上記冷媒ガスの膨張時の冷熱を蓄冷
する蓄冷器と、パルス管の高温端部に対する冷媒ガス圧
の位相を制御する位相制御手段とを備えたパルス管冷凍
機に対し、その位相制御手段として、シリンダと、その
内部を１対の空間に区画するピストンとを有するシリン
ダ部材を備えたものとし、空間の一方をパルス管の高温
端部に接続し、ピストンの移動位置を検出してその移動
位置に基づき、他方の空間に給排される冷媒ガスに流動
抵抗を可変制御するようにしたことにより、冷凍機の長
期間の運転に伴い、冷媒ガス中の不純物の蓄冷器への堆
積や冷凍機の温度変動に起因して、その蓄冷器での冷媒
ガスの流動抵抗が変化したとしても、ピストンの移動ス
トロークやその中立位置を略一定に保って、その蓄冷器
を流れるガスの流量変化を抑制でき、長期間に亘り、パ
ルス管冷凍機内でのガス流量を一定に維持して冷却性能
を安定に保つことができる。

【００５３】請求項２の発明によれば、上記位相制御手
段として、シリンダと、その内部を１対の空間に区画す
るピストンとを有するシリンダ部材を備えたものとし、
空間の一方をパルス管の高温端部に接続し、他方の空間
に給排される冷媒ガスに流動抵抗を与える流動抵抗付与
手段を設け、ピストンを板ばね型又はボールベアリング
型のベアリング部材によりシリンダに対し、ピストン外
面とシリンダ内面との間にクリアランスシールが形成さ
れるように往復動可能にかつ往復動方向と直交する方向
に移動不能に支持するようにしたことにより、ピストン
とシリンダとの間のシール部材の摩耗に伴う移動抵抗の
変化やガス漏れによりピストンの移動が不安定になるの
を防止でき、ピストンの移動を長期間に亘って一定に保
ってパルス管冷凍機の冷却性能を安定させることができ
る。

【００５４】請求項３の発明によると、位相制御手段と
して、シリンダと、その内部を１対の空間に区画するピ
ストンとを有するシリンダ部材を備えたものとし、空間
の一方をパルス管の高温端部に接続し、ピストンをシリ
ンダに対し往復動制御するリニアモータを設けたことに
より、請求項１の発明と同様に、蓄冷器での冷媒ガスの
流動抵抗が変化したとしても、ピストンの移動ストロー
クやその中立位置を略一定に保って、その蓄冷器を流れ
るガスの流量変化を抑制でき、長期間に亘り、パルス管
冷凍機内でのガス流量を一定に維持して冷却性能を安定
に保つことができるとともに、ピストンの往復動をリニ
アモータにより任意に制御することができる。

【００５５】請求項４の発明によると、請求項１又は３
の発明のパルス管冷凍機において、そのシリンダ部材に
おけるシリンダに対しピストンを両者間にクリアランス
シールが形成されるように往復動可能にかつ往復動方向
と直交する方向に移動不能に支持する板ばね型又はボー
ルベアリング型のベアリング部材を設けたことにより、
請求項１又は３の発明と請求項２の発明との作用効果が
相乗的に得られ、パルス管冷凍機の冷却性能をより一層
安定させることができる。

【００５６】請求項５の発明によれば、圧力波発生手段
は、冷媒ガスを圧縮する圧縮機と、この圧縮機からの高
圧冷媒ガス及び圧縮機に戻る低圧冷媒ガスを切り換える
切換弁とを備えてなるものとしたことにより、望ましい
圧力波発生手段を具体化することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態１に係るパルス管冷凍機の構
成を概略的に示す図である。

【図２】実施形態２に係るパルス管冷凍機の構成を示す
図１相当図である。

【図３】実施形態３に係るパルス管冷凍機の構成を示す
図１相当図である。

【図４】実施形態４の要部を概略的に示す断面図であ
る。

【図５】実施形態５を示す図４相当図である。

【図６】パルス管冷凍機の従来例を示す図１相当図であ
る。

【符号の説明】

（Ｒ） パルス管冷凍機 （２） パルス管 （２ａ） 低温端部 （２ｂ） 高温端部 （４） 蓄冷器 （６） コールドヘッド （８） メインバルブ（切換弁） （１６） 位相制御部（位相制御手段） （１７） シリンダ （１８），（１９） 空間 （２０） ピストン （２１） シリンダ部材 （２３） サブバルブ （２４） 絞り弁（流動抵抗付与手段） （２５）〜（２７） 可変流量制御弁（可変流動抵抗付
与手段） （３１） ピストン位置センサ（位置検出手段） （３２） 流動抵抗制御装置（流動抵抗制御手段） （４０） リニアモータ （４６） 板ばね型ベアリング部材 （４９） ボールベアリング型ベアリング部材 （ｐ） 仮想ピストン

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 冷媒ガスの圧力波を発生させる圧力波発
   生手段と、 上記圧力波発生手段に低温端部（２ａ）が接続され、圧
   力波発生手段からの圧力波によって冷媒ガスの圧縮及び
   膨張を繰り返して冷熱を発生する少なくとも１つのパル
   ス管（２）と、 上記圧力波発生手段とパルス管（２）の低温端部（２
   ａ）との間に接続され、冷媒ガスの膨張時の冷熱を蓄冷
   する蓄冷器（４）と、 上記パルス管（２）の高温端部（２ｂ）に対する冷媒ガ
   ス圧の位相を制御する位相制御手段（１６）とを備えた
   パルス管冷凍機であって、 上記位相制御手段（１６）は、シリンダ（１７）と、該
   シリンダ（１７）内に往復動可能に収容され、シリンダ
   （１７）内を１対の空間（１８），（１９）に区画する
   ピストン（２０）とを有してなり、上記一方の空間（１
   ８）が上記パルス管（２）の高温端部（２ｂ）に接続さ
   れたシリンダ部材（２１）と、 上記シリンダ部材（２１）の他方の空間（１９）に接続
   され、該他方の空間（１９）に給排される冷媒ガスに可
   変の流動抵抗を与える可変流動抵抗付与手段（２５）〜
   （２７）と、 上記シリンダ部材（２１）におけるピストン（２０）の
   移動位置を検出する位置検出手段（３１）と、 上記位置検出手段（３１）により検出されたピストン
   （２０）の移動位置に基づいて上記可変流動抵抗付与手
   段（２５）〜（２７）による流動抵抗を制御する流動抵
   抗制御手段（３２）とを備えていることを特徴とするパ
   ルス管冷凍機。
2. 【請求項２】 冷媒ガスの圧力波を発生させる圧力波発
   生手段と、 上記圧力波発生手段に低温端部（２ａ）が接続され、圧
   力波発生手段からの圧力波によって冷媒ガスの圧縮及び
   膨張を繰り返して冷熱を発生する少なくとも１つのパル
   ス管（２）と、 上記圧力波発生手段とパルス管（２）の低温端部（２
   ａ）との間に接続され、冷媒ガスの膨張時の冷熱を蓄冷
   する蓄冷器（４）と、 上記パルス管（２）の高温端部（２ｂ）に対する冷媒ガ
   ス圧の位相を制御する位相制御手段（１６）とを備えた
   パルス管冷凍機であって、 上記位相制御手段（１６）は、シリンダ（１７）と、該
   シリンダ（１７）内に往復動可能に収容され、シリンダ
   （１７）内を１対の空間（１８），（１９）に区画する
   ピストン（２０）とを有してなり、上記一方の空間（１
   ８）が上記パルス管（２）の高温端部（２ｂ）に接続さ
   れたシリンダ部材（２１）と、 上記シリンダ部材（２１）の他方の空間（１９）に接続
   され、該他方の空間（１９）に給排される冷媒ガスに流
   動抵抗を与える流動抵抗付与手段（２４）〜（２７）と
   を備え、 上記シリンダ部材（２１）のピストン（２０）をシリン
   ダ（１７）に対し、ピストン（２０）の外面とシリンダ
   （１７）内面との間にクリアランスシールが形成される
   ように往復動可能にかつ往復動方向と直交する方向に移
   動不能に支持する板ばね型又はボールベアリング型のベ
   アリング部材（４６），（４９）を設けたことを特徴と
   するパルス管冷凍機。
3. 【請求項３】 冷媒ガスの圧力波を発生させる圧力波発
   生手段と、 上記圧力波発生手段に低温端部（２ａ）が接続され、圧
   力波発生手段からの圧力波によって冷媒ガスの圧縮及び
   膨張を繰り返して冷熱を発生する少なくとも１つのパル
   ス管（２）と、 上記圧力波発生手段とパルス管（２）の低温端部（２
   ａ）との間に接続され、冷媒ガスの膨張時の冷熱を蓄冷
   する蓄冷器（４）と、 上記パルス管（２）の高温端部（２ｂ）に対する冷媒ガ
   ス圧の位相を制御する位相制御手段（１６）とを備えた
   パルス管冷凍機であって、 上記位相制御手段（１６）は、シリンダ（１７）と、該
   シリンダ（１７）内に往復動可能に収容され、シリンダ
   （１７）内を１対の空間（１８），（１９）に区画する
   ピストン（２０）とを有してなり、上記一方の空間（１
   ８）が上記パルス管（２）の高温端部（２ｂ）に接続さ
   れたシリンダ部材（２１）と、 上記シリンダ部材（２１）におけるピストン（２０）の
   往復動を制御するリニアモータ（４０）とを備えてなる
   ことを特徴とするパルス管冷凍機。
4. 【請求項４】 請求項１又は３のパルス管冷凍機におい
   て、 シリンダ部材（２１）のピストン（２０）をシリンダ
   （１７）に対し、ピストン（２０）の外面とシリンダ
   （１７）内面との間にクリアランスシールが形成される
   ように往復動可能にかつ往復動方向と直交する方向に移
   動不能に支持する板ばね型又はボールベアリング型のベ
   アリング部材（４６），（４９）を設けたことを特徴と
   するパルス管冷凍機。
5. 【請求項５】 請求項１〜４のいずれか１つのパルス管
   冷凍機において、 圧力波発生手段は、冷媒ガスを圧縮する圧縮機（１）
   と、 上記圧縮機（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換弁（８）とを備え
   てなることを特徴とするパルス管冷凍機。