JP2004293891A

JP2004293891A - パルス管冷凍機

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Publication number: JP2004293891A
Application number: JP2003085650A
Authority: JP
Inventors: Hideo Mita; 英夫三田; Toyohisa Yamada; 豊久山田; Motohito Igarashi; 基仁五十嵐; Kenji Okutomi; 健志奥富; Katsuyuki Kuwano; 勝之桑野
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd; Central Japan Railway Co
Current assignee: Central Japan Railway Co; Aisin Corp
Priority date: 2003-03-26
Filing date: 2003-03-26
Publication date: 2004-10-21
Anticipated expiration: 2023-03-26
Also published as: US20070000257A1; CN1764811A; JP3974869B2; WO2004085935A1

Abstract

【課題】冷凍能力を高めるのに有利なパルス管冷凍機を提供することにある。
【解決手段】パルス管冷凍機は、冷媒ガスの圧力波形を生成する圧力波形発生装置１と、圧力波形をもつ冷媒ガスが流入し一端が低温端で他端が高温端とされたパルス管１４，２０と、パルス管１４，２０に流入させる冷媒ガスを予冷する蓄冷器８，１０と、パルス管２０の高温端に連通するバッファタンク２３をもち冷媒ガスの圧力波形の位相をパルス管２０の低温端における冷凍生成のために制御する圧力波形位相制御要素と、パルス管２０を収容する真空断熱室２４ｗをもつ真空断面槽２４とを具備する。バッファタンク２３は真空断熱槽２４の真空断熱室２４ｗ内に配置されている。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は極低温を生成するパルス管冷凍機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来技術として、図８（特許文献１：特開平９−２９６９６３号公報）に示されるパルス管冷凍機が知られている。このパルス管冷凍機は、図８に示すように、圧縮機１２１と，低圧供給弁１２２，１２４，１２６と、高圧供給弁１２３，１２５，１２７と、第１パルス管１０７と、第２パルス管１１７と、第１蓄冷器１０３と、第２蓄冷器１３とをもつ。第１パルス管１０７は高温端１０７Ｈ，低温端１０７Ｌをもつ。より低温側の第２パルス管１１７は高温端１１７Ｈ，低温端１１７Ｌをもつ。
【０００３】
このパルス管冷凍機によれば、第２パルス管１１７の高温端１１７Ｈは室温部に設けられており、大気によって冷却されている。このため、第２パルス管１１７の容積が大きくなるため、冷凍回路内の冷媒ガスの圧縮比を高めるには限界があり、このため第２パルス管１１７の一端側である低温端で発生する冷凍能力を高めるには限界があった。
【０００４】
またこのパルス管冷凍機によれば、第２パルス管１１７の高温端１１７Ｈから室温以上の暖かいガスが第２パルス管１１７の低温端に流入するため、この意味においても、第２パルス管１１７の低温端１１７Ｌで発生する冷凍能力を高めるには限界があった。
【０００５】
また、従来の技術として、図９に示される文献（非特許文献１：Ｃｒｙｏｃｏｏｌｅｒｓ１１，Ｐ１８９〜１９８ＤｅｓｉｇｎａｎｄＴｅｓｔｏｆｔｈｅＮＩＳＴ／ＬｏｃｋｈｅｅｄＭａｒｔｉｎＭｉｎｉｔｕａｔｕｒｅＰｕｌｓｅＴｕｂｅＦｌｉｇｔＣｒｙｏｏｓｏｏｌｅｒ）に開示されているパルス管冷凍機がある。このパルス管冷凍機は、図９に示すように、圧縮機２０９と，第１パルス管２０１と、第２パルス管２０３と、第１蓄冷器２０７と、第２蓄冷器２０６と、オリフィス３００，３０１，３０２とをもつ。第１パルス管２０１は高温端２０１Ｈ，低温端２０１Ｌをもつ。より低温側の第２パルス管２０３は高温端２０３Ｈ，低温端２０３Ｌをもつ。
【０００６】
このパルス管冷凍機によれば、第２のパルス管２０３の高温端２０３Ｈが、第１パルス管２０１の低温端２０１Ｌに接続して設けられている。このため、第２のパルス管２０３の高温端２０３Ｈが、第１パルス管２０１で発生する冷凍で冷却されるが、第２パルス管の高温端２０３Ｈは、第１パルス管２０１の低温端２０１Ｌに設けられているだけであり、冷媒ガスのガスの圧縮比が大きくても、第２パルス管２０３の低温端２０３Ｌでは良好な冷凍能力が得られない。
【０００７】
【特許文献１】
特開平９−２９６９６３号公報
【特許文献２】
Ｃｒｙｏｃｏｏｌｅｒｓ１１，Ｐ１８９〜１９８ＤｅｓｉｇｎａｎｄＴｅｓｔｏｆｔｈｅＮＩＳＴ／ＬｏｃｋｈｅｅｄＭａｒｔｉｎＭｉｎｉｔｕａｔｕｒｅＰｕｌｓｅＴｕｂｅＦｌｉｇｔＣｒｙｏｏｓｏｏｌｅｒ
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、冷凍能力を高めるのに有利なパルス管冷凍機を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
（１）第１様相の本発明のパルス管冷凍機は、
冷媒ガスの圧力波形を生成する圧力波形発生装置と、
圧力波形をもつ冷媒ガスが流入し一端が低温端で他端が高温端とされたパルス管と、
圧力波形発生装置とパルス管との間に設けられパルス管に流入させる冷媒ガスを予冷する蓄冷器と、
パルス管の高温端に連通するバッファタンクをもち冷媒ガスの圧力波形の位相をパルス管の低温端における冷凍生成のために制御する圧力波形位相制御要素と、
パルス管を収容する真空断熱室をもつ真空断熱槽とを具備するパルス管冷凍機において、
バッファタンクは、真空断熱槽の真空断熱室内に配置されていることを特徴とするものである。
【００１０】
第１様相の本発明のパルス管冷凍機によれば、バッファタンクはパルス管と共に真空断熱槽の真空断熱室内に配置されている。このためバッファタンクに大気の熱が進入することが抑制される。よってバッファタンク内の冷媒ガスを低温に維持することができる。このため冷凍回路内の冷媒ガスの圧縮比を高くすることができ、パルス管の低温端で発生する冷凍量は大きくなり、パルス管冷凍機の冷凍能力を高めるのに有利となる。
【００１１】
第１様相の本発明のパルス管冷凍機によれば、第１バッファタンク及び第２バッファタンクが設けられているときには、低温側の第２バッファタンクを真空断熱槽内に配置することができる。
【００１２】
なお、各様相の本発明によれば、圧力波形発生装置は、冷媒ガスの圧力波形を生成するものであり、圧縮機を用いて形成できる。蓄冷器は、圧力波形発生装置とパルス管との間に設けられており、パルス管に流入させる冷媒ガスを冷却する機能を有するものである。蓄冷器は、金属等の熱容量の大きな材料を用いて形成できる。
【００１３】
各様相の本発明によれば、真空断熱槽の真空断熱室内は高真空状態に維持されており、真空断熱を図り得る。この場合、高真空状態としては１０^−３Ｔｏｒｒ以下（≒１３３×１０^−３Ｐａ以下）を例示でき、より好ましくは１０^−４Ｔｏｒｒ以下（≒１３３×１０^−４Ｐａ以下）を例示できる。
【００１４】
（２）第２様相の本発明のパルス管冷凍機は、
冷媒ガスの圧力波形を生成する圧力波形発生装置と、
圧力波形をもつ冷媒ガスが流入し一端が低温端で他端が高温端とされたパルス管と、
圧力波形発生装置とパルス管との間に設けられパルス管に流入させる冷媒ガスを予冷する蓄冷器と、
パルス管の高温端にパルス管の内径よりも小さい内径の流路をもつイナータンスチューブを介して連通するバッファタンクをもち冷媒ガスの圧力波形の位相をパルス管の低温端における冷凍生成のために制御する圧力波形位相制御要素と、パルス管を収容する真空断熱室をもつ真空断熱槽とを具備するパルス管冷凍機において、
イナータンスチューブは、真空断熱槽の真空断熱室内に配置されていることを特徴とするものである。
【００１５】
第２様相の本発明のパルス管冷凍機によれば、パルス管の高温端の冷媒ガスは、パルス管の内径よりも小さい内径の流路をもつイナータンスチューブを介してバッファタンクに対して流入及び流出する。このとき冷媒ガスの圧力波形の位相は調整され、パルス管の低温端における冷凍を良好に生成される。イナータンスチューブは、バッファタンクとともに、冷媒ガスの位相と圧力振幅とを調整する圧力波形位相制御要素として機能するものである。冷媒ガスの圧力波形の位相を調整する機能を有する観点において、イナータンスチューブは、電気回路との対応を考えた場合に、電気回路におけるインダクタンスに相当する機能を奏するものである。
【００１６】
第２様相の本発明のパルス管冷凍機によれば、イナータンスチューブはパルス管と共に真空断熱槽の真空断熱室内に配置されている。このためイナータンスチューブに大気の熱が進入することが抑制される。よってイナータンスチューブを流れる冷媒ガスを低温に維持することができる。このため冷凍回路内の冷媒ガスの圧縮比を高くすることができ、パルス管の低温端で発生する冷凍量は大きくなり、パルス管冷凍機の冷凍能力を高めるのに有利となる。
【００１７】
殊に、イナータンスチューブを流れる冷媒ガスが低温であると、イナータンスチューブの流路抵抗が小さくなり、イナータンスチューブ内を流動するガスの粘性損失を小さくできる。その結果、パルス管の高温端に流動する冷媒ガスの位相とガス量とを良好にすることができるので、冷凍能力が増大する。
【００１８】
第２様相の本発明のパルス管冷凍機によれば、第１バッファタンクに連通する第１イナータンスチューブ、第２バッファタンクに連通する第１イナータンスチューブが設けられているときには、低温側の第２イナータンスチューブを真空断熱槽内に配置することができる。
【００１９】
（３）第３様相の本発明のパルス管冷凍機は、
冷媒ガスの圧力波形を生成する圧力波形発生装置と、
圧力波形をもつ冷媒ガスが流入し一端が低温端で他端が高温端とされた第１パルス管と、
圧力波形をもつ冷媒ガスが流入し一端が第１パルス管の低温端よりも低温となる低温端で他端が高温端とされた第２パルス管と、
圧力波形発生装置と第１パルス管及び第２パルス管との間に設けられ第１パルス管及び／又は第２パルス管に流入させる冷媒ガスを予冷する蓄冷器と、
第１パルス管の高温端に第１パルス管の内径よりも小さい内径の流路をもつ第１イナータンスチューブを介して連通する第１バッファタンクと、第２パルス管の高温端に第２パルス管の内径よりも小さい内径の流路をもつ第２イナータンスチューブを介して連通する第２バッファタンクとをもち、冷媒ガスの圧力波形の位相を冷凍生成のために制御する圧力波形位相制御要素と、
少なくとも第２パルス管を収容する真空断熱室をもつ真空断熱槽とを具備するパルス管冷凍機において、
第１パルス管の低温端に熱的に接触して第１パルス管の低温端からの冷凍で冷却される冷却要素を設け、冷却要素を第２イナータンスチューブに熱的に接触させていることを特徴とするものである。
【００２０】
第３様相の本発明のパルス管冷凍機によれば、パルス管の高温端の冷媒ガスは、パルス管の内径よりも小さい内径の流路をもつイナータンスチューブを介してバッファタンクに対して流入及び流出する。このとき冷媒ガスの圧力波形の位相は調整され、パルス管の低温端における冷凍を良好に生成される。イナータンスチューブは、バッファタンクとともに、冷媒ガスの位相と圧力振幅とを調整する圧力波形位相制御要素として機能するものである。冷媒ガスの圧力波形の位相を調整する機能を有する観点において、イナータンスチューブは、電気回路との対応を考えた場合に、電気回路におけるインダクタンスに相当する機能を奏するものである。
【００２１】
更に、第１パルス管の低温端に熱的に接触して第１パルス管の低温端からの冷凍で冷却される冷却要素が設けられている。このため冷却要素は、第１パルス管の低温端の冷凍で冷却される。
【００２２】
更に第３様相の本発明のパルス管冷凍機によれば、冷却要素を第２イナータンスチューブに熱的に接触させているため、第１パルス管の低温端からの冷凍で第２イナータンスチューブは冷却される。このためイナータンスチューブを流れる冷媒ガスを低温に維持することができる。故に冷凍回路内の冷媒ガスの圧縮比を高くすることができ、パルス管の低温端で発生する冷凍量は大きくなり、パルス管冷凍機の冷凍能力を高めるのに有利となる。
【００２３】
殊に、イナータンスチューブを流れる冷媒ガスが低温であると、イナータンスチューブの流路抵抗が小さくなり、イナータンスチューブ内を流動するガスの粘性損失を小さくでき、その結果、パルス管の高温端に流動する冷媒ガスの位相とガス量とを良好にすることができるので、冷凍能力が増大する。
【００２４】
冷却要素としては伝熱性が良好な金属で形成することが好ましい。冷却要素としてはプレートを例示できる。プレートの形状は特に限定されない。イナータンスチューブに対する冷却性を高めるべく、冷却要素とイナータンスチューブとの熱的接触面積を大きくすることができる。
【００２５】
（４）第４様相の本発明のパルス管冷凍機は、
冷媒ガスの圧力波形を生成する圧力波形発生装置と、
圧力波形をもつ冷媒ガスが流入し一端が低温端で他端が高温端とされた第１パルス管と、
圧力波形をもつ冷媒ガスが流入し一端が第１パルス管の低温端よりも低温となる低温端で他端が高温端とされた第２パルス管と、
圧力波形発生装置と第１パルス管及び第２パルス管との間に設けられ第１パルス管及び／又は第２パルス管に流入させる冷媒ガスを予冷する蓄冷器と、
第１パルス管の高温端に第１パルス管の内径よりも小さい内径の流路をもつ第１イナータンスチューブを介して連通する第１バッファタンクと、第２パルス管の高温端に第２パルス管の内径よりも小さい内径の流路をもつ第２イナータンスチューブを介して連通する第２バッファタンクとをもち、冷媒ガスの圧力波形の位相を冷凍生成のために制御する圧力波形位相制御要素と、
少なくとも第２パルス管を収容する真空断熱室をもつ真空断熱槽とを具備するパルス管冷凍機において、
第１パルス管の低温端に熱的に接触して第１パルス管の低温端からの冷凍で冷却される冷却要素を設け、冷却要素を第２バッファタンクに熱的に接触させていることを特徴とするものである。
【００２６】
第４様相の本発明のパルス管冷凍機によれば、第１パルス管の低温端に熱的に接触して第１パルス管の低温端からの冷凍で冷却される冷却要素が設けられている。このため冷却要素は、第１パルス管の低温端の冷凍で冷却される。
【００２７】
更に第４様相の本発明のパルス管冷凍機によれば、冷却要素を第２バッファタンクに熱的に接触しているため、第１パルス管の低温端からの冷凍で第２バッファタンクは冷却される。このため第２バッファタンク内の冷媒ガスを低温に維持することができる。このため冷凍回路内の冷媒ガスの圧縮比を高くすることができ、パルス管の低温端で発生する冷凍量は大きくなり、パルス管冷凍機の冷凍能力を高めるのに有利となる。
【００２８】
冷却要素は、第１パルス管の低温端に熱的に接触し、第１パルス管の低温端からの冷凍で冷却されるものである。冷却要素としては伝熱性が良好な金属（一般的にはアルミニウム合金、銅合金、鉄合金等）を用いて形成することが好ましい。冷却要素の形状としては特に限定されないが、プレート形状を例示できる。プレート形状は特に限定されない。第２バッファタンクに対する冷却性を高めるべく、冷却要素と第２バッファタンクとの熱的接触面積としては、大きくすることができる。
【００２９】
（５）第５様相の本発明のパルス管冷凍機は、
冷媒ガスの圧力波形を生成する圧力波形発生装置と、
圧力波形をもつ冷媒ガスが流入し一端が低温端で他端が高温端とされた第１パルス管と、
圧力波形をもつ冷媒ガスが流入し一端が第１パルス管の低温端よりも低温となる低温端で他端が高温端とされた第２パルス管と、
圧力波形発生装置と第１パルス管及び第２パルス管との間に設けられ第１パルス管及び／又は前記第２パルス管に流入させる冷媒ガスを予冷する蓄冷器と、
第１パルス管の高温端に第１パルス管の内径よりも小さい内径の流路をもつ第１イナータンスチューブを介して連通する第１バッファタンクと、第２パルス管の高温端に前記第２パルス管の内径よりも小さい内径の流路をもつ第２イナータンスチューブを介して連通する第２バッファタンクとをもち、冷媒ガスの圧力波形の位相を冷凍生成のために制御する圧力波形位相制御要素と、
少なくとも第２パルス管を収容する真空断熱室をもつ真空断熱槽とを具備するパルス管冷凍機において、第２イナータンスチューブの少なくとも一部を第１パルス管の低温端に熱的に接触させていることを特徴とするものである。
【００３０】
第５様相の本発明のパルス管冷凍機によれば、第２イナータンスチューブを第１パルス管の低温端に熱的に接触させている。この場合、第１パルス管の低温端からの冷凍で第２イナータンスチューブの少なくとも一部は冷却される。このため第２イナータンスチューブを流れる冷媒ガスを低温に維持することができる。このため冷凍回路内の冷媒ガスの圧縮比を高くすることができ、第２パルス管の低温端で発生する冷凍量は大きくなり、パルス管冷凍機の冷凍能力を高めるのに有利となる。
【００３１】
殊に、第２イナータンスチューブの流路の内径は小さいため、第２イナータンスチューブの流路の内径が大きい場合に比較して、第２イナータンスチューブの外壁側を流れる冷媒ガスの他に、第２イナータンスチューブの中心側を流れる冷媒ガスをも効率よく冷却できるので、第２イナータンスチューブ内を流れる冷媒ガスの全体を効率よく冷却することができる。
【００３２】
第５様相の本発明のパルス管冷凍機によれば、第２イナータンスチューブを第１パルス管の低温端にスパイラル形状に巻いて第１パルス管の低温端に熱的に接触させる形態を例示できる。
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。
【００３４】
（第１実施形態）
第１実施形態を図１に示す。図１において、１はリニア駆動型の圧縮機で、ガス状の冷媒ガスの圧力波形を生成する圧力波形発生装置として機能することができる。圧縮機１によれば、往復移動可能なピストン２とピストン３の間の空間が圧縮部４とされている。圧縮部４は配管５を介して放熱器６の一端６ａに連通しており、放熱器６の他端６ｂは、金網等の蓄冷材７が充填してある第１蓄冷器８に接続されている。第１蓄冷器８の低温端８ｂには、第２蓄冷器１０を接続する筒形状の接続部材９が設けられている。第２蓄冷器１０の内部には、鉛や希土類等の球状の蓄冷機能を有する蓄冷材１２が充填されている。第２蓄冷器１０は第１蓄冷器８よりも低温に維持される。接続部材９の内部には流路部材１１が配設している。流路部材１１は第１パルス管１４及び第２パルス管２０に連通しており、第１パルス管１４に向かう冷媒ガス、第２パルス管２０に向かう冷媒ガスが流れる。
【００３５】
図１に示すように、前記した接続部材９の円周面である外壁面に、冷媒通過用の配管１３の一端１３ａが配設されている。配管１３の他端１３ｂは第１熱交換器１５に連通している。第１熱交換器１５は第１パルス管１４の低温端１４Ｌに設けられている。
【００３６】
第１パルス管１４は、冷媒ガスが流入できる中空室をもつ縦長の金属製の管状部材であり、圧縮部４で生成された圧力波形をもつ冷媒ガスが流入する。ここで、第１パルス管１４の上端側（他端）が高温端１４Ｈとされ、第１パルス管１４の下端側（一端）が低温端１６Ｌとされている。低温端１６Ｌを下側に配置したのは、冷媒ガスの熱的対流を抑制するためである。
【００３７】
図１に示すように、第１パルス管１４の高温端１４Ｈには、第１放熱器１６の一端が接続され、第１放熱器１６の他端は、第１連通管として機能する細長い配管で形成された金属製の第１イナータンスチューブ１７の一端１７ａに接続されている。第１イナータンスチューブ１７は電気回路のリアクタンスに相当する機能を有するものであり、その内径は第１パルス管１４の内径よりも小さい。第１イナータンスチューブ１７の他端１７ｂは第１バッファタンク１８に接続されている。第１バッファタンク１８は容積が大きいタンク室１８ｗをもつ。
【００３８】
ここで、第１パルス管１４の冷媒ガスが第１イナータンスチューブ１７を介して第１バッファタンク１に対して行き来することにより、冷媒ガスの圧力波形の位相と圧力振幅が調整される。従って、第１イナータンスチューブ１７及び第１バッファタンク１８は、第１パルス管１４の低温端１４Ｌにおける冷凍生成のために、冷媒ガスの圧力波形の位相と圧力振幅を制御する圧力波形位相制御要素として機能することができる。
【００３９】
図１に示すように、第２蓄冷器１０の低温端１０Ｌは、熱交換により冷媒ガスを冷却できる機能を有する第２熱交換器３０に配管１９を介して連通している。第２熱交換器３０は第２パルス管２０の低温端２０Ｌに配設されている。第２パルス管２０は、冷媒ガスが流入できる縦長の中空室をもつ長い金属製の管状部材である。ここで、第２パルス管２０の長さは第１パルス管１４の長さよりも短く設定されている。また第２パルス管２０の内径は第１パルス管１４の内径よりも小さく設定されている。第２パルス管２０の上端側が高温端２０Ｈとされ、第２パルス管２０の下端側が低温端２０Ｌとされている。低温端２０Ｌを下側にしたのは熱的対流を抑制するためである。
【００４０】
第２パルス管２０の高温端２０Ｈには、冷却機能を有する第２放熱器２１が設けられている。第２放熱器２１は、接触部材９の円筒部９ａの外面にフランジ部９ｂを介して熱的に接触している。前述したように接触部材９の円筒部９ａの内面には、第１パルス管１４の低温端１４Ｌで発生した冷凍で冷却された冷媒ガスが流れる流路が設けられている。従って、第２放熱器２１は、接触部材９の円筒部９ａを流れる冷媒ガスによって冷却される。
【００４１】
換言すれば、第２パルス管２０の高温端２０Ｈは第２放熱器２１に熱的に接触しており、第２放熱器２１により冷却されるため、結果として、第２パルス管２０の高温端２０Ｈは、第１パルス管１４の低温端１４Ｌで発生した冷凍で冷却されることになる。このように第２放熱器２１により第２パルス管２０の高温端２０Ｈは低い温度に維持されるため、同一流量でも冷媒ガスの体積を小さくするのに有利となり、第２パルス管２０の長さを短くすることができる。従って冷凍回路の圧縮比を高めるのに有利となり、第２パルス管２０の低温端２０Ｌで発生する冷凍量を従来技術よりも大きくすることができる。
【００４２】
本実施形態によれば、図１に示すように、冷却要素として機能できるシールドプレ−ト２５が設けられている。シールドプレ−ト２５は、伝熱性が良好な金属製であり、図１に示すように、シールドプレ−ト２５の部位２５ｍが第１パルス管１４の低温端１４Ｌに熱的に接触しているため、シールドプレ−ト２５は低温に冷却される。
【００４３】
冷却要素としてのシールドプレ−ト２５には、箱状のシールドケース２６が熱的に接触している。シールドケース２６は、シールドプレ−ト２５の下側に配置されており、シールド室２６ｗを形成している。シールド室２６ｗは真空断熱室２４ｗに連通しており、真空断熱室２４ｗと同様に高真空状態に維持される。
【００４４】
図２に示すように、シールドプレ−ト２５には、細長い配管で形成された金属製の第２イナータンスチューブ２２が熱的に接触して保持されている。第２イナータンスチューブ２２は、第２バッファタンク２３と第２パルス管２０とを連通させる第２連通管として機能し、且つ、ガス流量の絞り機能を有するものであり、その内径は、第２パルス管２０の内径よりも小さい。
【００４５】
また図１に示すように、シールドプレ−ト２５に、第２バッファタンク２３の上部２３ｕが熱的に接触して保持されている。第２バッファタンク２３はシールドプレ−ト２５の下面側に配置されている。第２バッファタンク２３は容積が大きいタンク室２３ｗをもつ。タンク室２３ｗの容積は、第１バッファタンク１８のタンク室１８ｗの容積よりも小さくされている。上記したように第２バッファタンク２３も、冷却要素としてのシールドプレ−ト２５に熱的に接触している。これにより第２バッファタンク２３はシールドプレ−ト２５により冷却され、第２バッファタンク２３内の冷媒ガスは低温に維持される。
【００４６】
ここで、第２パルス管２０の冷媒ガスが第２イナータンスチューブ２２を介して第２バッファタンク２３に対して行き来することにより、第２パルス管２０に供給される冷媒ガスの圧力波形の位相と圧力振幅が調整される。従って、第２イナータンスチューブ２２及び第２バッファタンク２３は、第２パルス管２０の低温端２０Ｌにおける冷凍生成のために、冷媒ガスの圧力波形の位相を制御する圧力波形位相制御要素として機能することができる。
【００４７】
本実施形態によれば、図１に示すように、第２バッファタンク２３は大気に配置されているのではなく、真空断熱槽２４の真空断熱室２４ｗ内に配設されている。殊に、第２バッファタンク２３は真空断熱槽２４内のシールドケース２６のシールド室２６ｗ内に設けられている。シールドケース２６は、外部からの熱輻射の伝達を抑制する輻射熱伝達防止要素として機能する。
【００４８】
このため第２バッファタンク２３内の冷媒ガスを一層低い温度に保つことができる。真空断熱槽２４の真空断熱室２４ｗ内は真空ポンプ２４ｘに接続され、高真空状態（１０^−４Ｔｏｒｒ以下≒１３３×１０^−４Ｐａ以下）に維持されている。真空断熱槽２４は断熱性に優れている。
【００４９】
なお、真空断熱槽２の壁体は、熱伝達を抑制する断熱性が高い材料で形成されている。シールドケース２６は外部からの熱輻射を抑えるためのものであり、熱伝導の良い金属を基材として形成されている。
【００５０】
本実施形態によれば、図１に示すように、シールドケース２６のシールド室２６ｗ内には、第２バッファタンク２３の他に、第２蓄冷器１０，第２パルス管２０、第２放熱器２１が収容されており、これらと大気との熱的接触が防止されている。第１パルス管１４はシールドケース２６の外方で且つ真空断熱槽２４内に収容されている。
【００５１】
使用の際には、圧縮機１のピストン４、５が対向しつつ、ある周波数で往復運動する。これにより圧縮機１の圧縮部４内の冷媒ガスは、ピストン４、５と同一の周波数で圧縮され、冷媒ガス（一般的にはヘリウム）の圧力波形が生成される。そして、第１バッファタンク１８と第１イナータンスチューブ１７内のガス圧の共振周波数、第２バッファタンク２３と第２イナータンスチューブ２５内のガス圧の共振周波数は、ピストン５、６の動きとほぼ同一の周波数となるように寸法諸元が設定されている。これにより第１パルス管１４の低温端１４Ｌと第２パルス管２０の低温端２０Ｌとでは、ほぼスターリングサイクルに近い圧力波形が得られ、第２パルス管２０の低温端２０Ｌにおいて理想に近い冷凍量を得ることが出来るように設定されている。
【００５２】
ちなみに、運転状況にもよるが、第１パルス管１４の低温端１４Ｌでは４０〜１００Ｋの冷凍が得られ、第２パルス管２０の低温端２０Ｌでは１０〜３０Ｋの冷凍が得られる。運転状況にもよるが、真空断熱槽２４とシールドケース２６とは、真空断熱槽２４からの伝導熱を妨げる機能を有し、シールドケース２６のシールド室２６ｗの温度は一般的には４０〜１００Ｋ程度である。シールドケース２６は真空断熱槽２４からの輻射熱を防ぐ機能を有する。
【００５３】
本実施形態によれば、第１パルス管１４の低温端１４Ｌで発生した冷凍によって低い温度になった冷媒ガスは、接触部材９の円筒部９ａの内面を流れる。この結果、接触部材９は冷却されるので、接触部材９に熱的に接触する第２放熱器２１が低い温度となる。ひいては第２放熱器２１に熱的に接触する第２パルス管２０の高温端２０Ｈも、低い温度に維持され、ほぼ第１パルス管１４の低温端１４Ｌの温度に近い温度に維持される。
【００５４】
このように本実施形態によれば、第２放熱器２１により第２パルス管２０の高温端２０Ｈを低い温度に維持できるため、冷媒ガスのガス体積を小さくするのに有利となり、第２パルス管２０の長さは、従来技術に係る第２パルス管の長さよりも短くでき、第２パルス管２０の小型化を図り得る。
【００５５】
以上説明したように本実施形態によれば、第２バッファタンク２３は、真空断熱槽２４の真空断熱室２４ｗ内に配設されているので、第２バッファタンク２３と大気との熱的接触を抑えることができ、第２バッファタンク２３を常時低い温度に保つことができる。
【００５６】
殊に、図１に示すように、第２バッファタンク２３は、真空断熱槽２４内に配置されている熱絶縁性が高いシールドケース２６のシールド室２６ｗ内に設けられているため、第２バッファタンク２３を一層低い温度に保つことができ、ひいては第２バッファタンク２３内の冷媒ガスも低い温度に保つことができる。
【００５７】
このため本実施形態によれば、冷凍回路内の冷媒ガスの圧縮比を一層高くするのに有利となり、第２パルス管２０の低温端２０Ｌで発生する冷凍量は大きくなり、パルス管冷凍機の冷凍能力を高めるのに有利となる。
【００５８】
更に本実施形態によれば、第２バッファタンク２３に対して冷媒ガスの流入及び流出を行う第２イナータンスチューブ２２は、真空断熱槽２４の真空断熱室２４ｗ内に第２バッファタンク２３と共に配設されている。このため第２バッファタンク２３と大気との熱的接触も抑えるばかりか、第２イナータンスチューブ２２と大気との熱的接触も抑えることができ、第２イナータンスチューブ２２を常時低い温度に保つことができる。
【００５９】
殊に、図１に示すように、第２イナータンスチューブ２２は真空断熱槽２４内のシールドケース２６のシールド室２６ｗ内に設けられているため、第２イナータンスチューブ２２を一層低い温度に保つことができ、第２イナータンスチューブ２２の冷媒ガスを低い温度に保つことができる。このため本実施形態によれば、冷凍回路内の冷媒ガスの圧縮比を一層高くするのに有利となり、第２パルス管２０の低温端２０Ｌで発生する冷凍量は大きくなる。
【００６０】
更にまた本実施形態によれば、第２イナータンスチューブ２２は冷却要素としてのシールドプレ−ト２５に熱的に接触しているため、第２イナータンスチューブ２２は、第１パルス管１４の低温端１４Ｌで発生した冷凍によりシールドプレ−ト２５を介して冷却できる。殊に、第２イナータンスチューブ２２の流路の内径は小さいため、第２イナータンスチューブ２２の外周側を流れる冷媒ガスばかりか、第２イナータンスチューブ２２の中心軸芯側を流れる冷媒ガスもシールドプレ−ト２５で冷却できる。従って、第２イナータンスチューブ２２を流れる冷媒ガスの全体を効率よく冷却することができる。
【００６１】
即ち本実施形態によれば、第２イナータンスチューブ２２の冷媒ガスをシールドプレ−ト２５で効率よく冷却することができるため、第２イナータンスチューブ２２を流れる冷媒ガスを一層低い温度に保つことができる。故に、冷凍回路内の冷媒ガスの圧縮比を一層高くするのに有利となり、第２パルス管２０の高温端２０Ｈはさらに低い温度になり、第２パルス管２０の低温端２０Ｌで発生する冷凍量はさらに向上する。
【００６２】
上記したように第２イナータンスチューブ２２内の冷媒ガスを低温側に冷却できれば、第２バッファタンク２３と第２イナータンスチューブ２５内のガス圧の共振周波数のピークを明瞭化でき、第２パルス管２０の低温端２０Ｌで発生する冷凍量を向上させるのに有利となる。
【００６３】
加えて本実施形態によれば、第２バッファタンク２３は、冷却要素としてのシールドプレ−ト２５に熱的に接触しており、シールドプレ−ト２５を介して、第１パルス管１４の低温端１４Ｌで発生した冷凍で冷却される。このため第２バッファタンク２３の冷媒ガスを一層低い温度に保つことができる。故に、冷凍回路内の冷媒ガスの圧縮比を一層高くするのに有利となり、第２パルス管２０の高温端２０Ｈはさらに低い温度になり、第２パルス管２０の低温端２０Ｌで発生する冷凍量はさらに向上する。
【００６４】
以上説明したように本実施形態によれば、冷凍回路内の冷媒ガスの圧縮比を高くするのに有利であるため、第２パルス管２０の容積を従来技術に係る第２パルス管の容積よりも小さくできる。これにより第２パルス管２０の長さを短縮することができる。このため第２パルス管２０の振動を抑制する面で有利であり、パルス管冷凍機を振動環境において使用するのに適する。
【００６５】
なお、上記した実施形態によれば、図１に示すように、第２パルス管２０の高温端２０Ｈに設けた第２放熱器２１を接触部材９に熱接触させているが、これに限らず、第２放熱器２１を第１パルス管１４の低温端１４Ｌに直接的に熱接触させても良い。
【００６６】
また、上記した実施形態は、２段パルス管冷凍機に適用した例であるが、これに限らず、３段以上のパルス管冷凍機に適用しても良いものである。
（第２実施形態）
図３は第２実施形態を示す。第２実施形態は第１実施形態の変形形態である。第２実施形態は第１実施形態と基本的には同様の構成であり、基本的には同様の作用効果を奏する。共通する部位には共通の符号を付する。以下、第１実施形態と相違する部分を中心として説明する。即ち、第１実施形態の第１熱交換器１５と配管１３との間にサブ蓄冷器４０を設けている。そしてサブ蓄冷器４０の高温端に、冷却要素としてのシールドプレ−ト２５を設けている。このような第２実施形態によれば、第１パルス管１４で発生する冷凍の温度が十分低く、第２パルス管２０の高温端２０Ｈの温度が第１パルス管１４の低温端１４Ｌの温度よりも高くて良い場合の形態例である。
【００６７】
（第３実施形態）
図４は第３実施形態を示す。第３実施形態は第１実施形態の変形形態である。第３実施形態は第１実施形態と基本的には同様の構成であり、基本的には同様の作用効果を奏する。共通する部位には共通の符号を付する。以下、第１実施形態と相違する部分を中心として説明する。即ち、図４に示すように、第２バッファタンク２３は、冷却要素としてのシールドプレ−ト２５に熱的に接触しており、シールドプレ−ト２５を介して、第１パルス管１４の低温端１４Ｌで発生した冷凍で冷却される。このため第２バッファタンク２３の冷媒ガスを一層低い温度に保つことができる。図４に示すように、シールドプレ−ト２５は、第２バッファタンク２３に向けて曲成され第２バッファタンク２３の外壁面に熱的に接触する伝熱促進用のフランジ部２５ｒをもつ。伝熱促進用のフランジ部２５ｒは、第２バッファタンク２３との接触部分を増加させるためのものである。
【００６８】
（第４実施形態）
図５は第４実施形態を示す。第４実施形態は第１実施形態の変形形態である。第４実施形態は第１実施形態と基本的には同様の構成であり、基本的には同様の作用効果を奏する。共通する部位には共通の符号を付する。以下、第１実施形態と相違する部分を中心として説明する。即ち、第２バッファタンク２３の大部分は真空断熱槽２４内に配置されているが、第２バッファタンク２３の一部のみが真空断熱槽２４から露出している。ただし、第２バッファタンク２３のうち、真空断熱槽２４から露出している部分には、断熱性に優れた断熱材２３ｍが配置されている。断熱材２３ｍは、第２バッファタンク２３内の冷媒ガスの昇温を抑える。
【００６９】
（第５実施形態）
図６は第５実施形態を示す。第５実施形態は第１実施形態の変形形態である。第５実施形態は第１実施形態と基本的には同様の構成であり、基本的には同様の作用効果を奏する。以下、第１実施形態と相違する部分を中心として説明する。共通する部位には共通の符号を付する。即ち、第２バッファタンク２３は真空断熱槽２４内に配置されているが、第２バッファタンク２３から突出した管状部２３ｘのみが真空断熱槽２４から露出している。管状部２３ｘには、第２バッファタンク２３内の冷媒ガスの圧力や温度等の物理量を検出するためのセンサ等の計器２３ｋが必要に応じて取り付けられる。
【００７０】
（第６実施形態）
図７は第６実施形態を示す。第６実施形態は第１実施形態の変形形態である。第６実施形態は第１実施形態と基本的には同様の構成であり、基本的には同様の作用効果を奏する。以下、第１実施形態と相違する部分を中心として説明する。即ち、第２イナータンスチューブ２２の長さは長いため、有効利用すべく、第２イナータンスチューブ２２の全部または一部は、第１パルス管１４の低温端１４Ｌに巻回されている。第２イナータンスチューブ２２は、第１パルス管１４の低温端１４Ｌ（冷却要素）で発生した冷凍で冷却される。
【００７１】
【発明の効果】
本発明によれば、パルス管の低温端で発生する冷凍能力を高めるのに有利なパルス管冷凍機を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態に係り、パルス管冷凍機の概念を示す構成図である。
【図２】第１実施形態に係り、第２インナータンスチューブとシールドプレートとの接触部分を示す構成図である。
【図３】第２実施形態に係り、パルス管冷凍機の概念を示す構成図である。
【図４】第３実施形態に係り、第２バッファタンクとシールドプレートとの接触状態を示す構成図である。
【図５】第４実施形態に係り、第２バッファタンク付近を示す構成図である。
【図６】第５実施形態に係り、第２バッファタンク付近を示す構成図である。
【図７】第６実施形態に係り、第１バッファタンクの低温端に第２インナータンスチューブを巻いている状態を示す構成図である。
【図８】従来技術に係り、パルス管冷凍機の概念を示す構成図である。
【図９】従来技術に係り、パルス管冷凍機の概念を示す構成図である。
【符号の説明】
図中、１は圧縮機（圧力波形発生装置）、６は放熱器、７は蓄冷器、１０は第２蓄冷器、９は接続部材、１４は第１パルス管、１７は第１イナータンスチューブ、２０は第２パルス管、１８は第１バッファタンク、２２は第２イナータンスチューブ、２３は第２バッファタンク、２４は真空断熱槽、２５はシールドプレ−ト（冷却要素）を示す。

Claims

冷媒ガスの圧力波形を生成する圧力波形発生装置と、
圧力波形をもつ冷媒ガスが流入し一端が低温端で他端が高温端とされたパルス管と、
前記圧力波形発生装置と前記パルス管との間に設けられ前記パルス管に流入させる冷媒ガスを予冷する蓄冷器と、
前記パルス管の高温端に連通するバッファタンクをもち冷媒ガスの圧力波形の位相を前記パルス管の低温端における冷凍生成のために制御する圧力波形位相制御要素と、
前記パルス管を収容する真空断熱室をもつ真空断熱槽とを具備するパルス管冷凍機において、
前記バッファタンクは、前記真空断熱槽の前記真空断熱室内に配置されていることを特徴とするパルス管冷凍機。
冷媒ガスの圧力波形を生成する圧力波形発生装置と、
圧力波形をもつ冷媒ガスが流入し一端が低温端で他端が高温端とされたパルス管と、
前記圧力波形発生装置と前記パルス管との間に設けられ前記パルス管に流入させる冷媒ガスを予冷する蓄冷器と、
前記パルス管の高温端に前記パルス管の内径よりも小さい内径の流路をもつイナータンスチューブを介して連通するバッファタンクをもち冷媒ガスの圧力波形の位相を前記パルス管の低温端における冷凍生成のために制御する圧力波形位相制御要素と、
前記パルス管を収容する真空断熱室をもつ真空断熱槽とを具備するパルス管冷凍機において、
前記イナータンスチューブは、前記真空断熱槽の前記真空断熱室内に配置されていることを特徴とするパルス管冷凍機。
冷媒ガスの圧力波形を生成する圧力波形発生装置と、
圧力波形をもつ冷媒ガスが流入し一端が低温端で他端が高温端とされた第１パルス管と、
圧力波形をもつ冷媒ガスが流入し一端が前記第１パルス管の低温端よりも低温となる低温端で他端が高温端とされた第２パルス管と、
前記圧力波形発生装置と前記第１パルス管及び前記第２パルス管との間に設けられ前記第１パルス管及び／又は前記第２パルス管に流入させる冷媒ガスを予冷する蓄冷器と、
前記第１パルス管の高温端に前記第１パルス管の内径よりも小さい内径の流路をもつ第１イナータンスチューブを介して連通する第１バッファタンクと、前記第２パルス管の高温端に前記第２パルス管の内径よりも小さい内径の流路をもつ第２イナータンスチューブを介して連通する第２バッファタンクとをもち、冷媒ガスの圧力波形の位相を冷凍生成のために制御する圧力波形位相制御要素と、
少なくとも前記第２パルス管を収容する真空断熱室をもつ真空断熱槽とを具備するパルス管冷凍機において、
前記第１パルス管の低温端に熱的に接触して前記第１パルス管の低温端からの冷凍で冷却される冷却要素を設け、前記冷却要素を前記第２イナータンスチューブに熱的に接触させていることを特徴とするパルス管冷凍機。
冷媒ガスの圧力波形を生成する圧力波形発生装置と、
圧力波形をもつ冷媒ガスが流入し一端が低温端で他端が高温端とされた第１パルス管と、
圧力波形をもつ冷媒ガスが流入し一端が前記第１パルス管の低温端よりも低温となる低温端で他端が高温端とされた第２パルス管と、
前記圧力波形発生装置と前記第１パルス管及び前記第２パルス管との間に設けられ前記第１パルス管及び／又は前記第２パルス管に流入させる冷媒ガスを予冷する蓄冷器と、
前記第１パルス管の高温端に前記第１パルス管の内径よりも小さい内径の流路をもつ第１イナータンスチューブを介して連通する第１バッファタンクと、前記第２パルス管の高温端に前記第２パルス管の内径よりも小さい内径の流路をもつ第２イナータンスチューブを介して連通する第２バッファタンクとをもち、冷媒ガスの圧力波形の位相を冷凍生成のために制御する圧力波形位相制御要素と、
少なくとも前記第２パルス管を収容する真空断熱室をもつ真空断熱槽とを具備するパルス管冷凍機において、
前記第１パルス管の低温端に熱的に接触して前記第１パルス管の低温端からの冷凍で冷却される冷却要素を設け、前記冷却要素を前記第２バッファタンクに熱的に接触させていることを特徴とするパルス管冷凍機。
冷媒ガスの圧力波形を生成する圧力波形発生装置と、
圧力波形をもつ冷媒ガスが流入し一端が低温端で他端が高温端とされた第１パルス管と、
圧力波形をもつ冷媒ガスが流入し一端が第１パルス管の低温端よりも低温となる低温端で他端が高温端とされた第２パルス管と、
前記圧力波形発生装置と前記第１パルス管及び前記第２パルス管との間に設けられ前記第１パルス管及び前記第２パルス管に流入させる冷媒ガスを予冷する蓄冷器と、
前記第１パルス管の高温端に前記第１パルス管の内径よりも小さい内径の流路をもつ第１イナータンスチューブを介して連通する第１バッファタンクと、前記第２パルス管の高温端に前記第２パルス管の内径よりも小さい内径の流路をもつ第２イナータンスチューブを介して連通する第２バッファタンクとをもち、冷媒ガスの圧力波形の位相を冷凍生成のために制御する圧力波形位相制御要素と、
少なくとも前記第２パルス管を収容する真空断熱室をもつ真空断熱槽とを具備するパルス管冷凍機において、
前記第２イナータンスチューブの少なくとも一部を前記第１パルス管の低温端に熱的に接触させていることを特徴とするパルス管冷凍機。