JP2008051408A - パルス管冷凍機 - Google Patents

Abstract

【課題】高効率かつ実用化可能なパルス管冷凍機、特に実用化可能な二段式パルス管冷凍機を提供する。
【解決手段】パルス管冷凍機は、振動発生装置に順次接続された第１蓄冷器と第１高温端及び第１低温端を持つ第１パルス管と第１流路調節手段と第１バッファータンクとからなる第１冷凍部と、振動発生装置の高圧通路及び低圧通路に順次接続された第１蓄冷器と第２蓄冷器と第２高温端及び第２低温端を持つ第２パルス管と第２流路調節手段と第２バッファータンクとからなる第２冷凍部と、第１蓄冷器と振動発生装置とを結ぶ第１通路と、第１流路調節手段と第１パルス管とを結ぶ第２通路と、第２流路調節手段と第２パルス管とを結ぶ第３通路とを備え、各通路を通路とを結ぶバイパス通路と、バイパス通路に設けられたシリンダと、シリンダの軸長方向に往復動可能に設けられたディスプレーサーと、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、パルス管冷凍機に関する。特に、圧縮機とパルス管高温端との間にディスプレーサー系統を介してバイパス通路を設けたパルス管冷凍機に係るものである。

パルス管型蓄熱機関の一つとしてパルス管冷凍機が知られ、広く使用されている。基本的に、パルス管冷凍機は振動発生器と蓄冷器とパルス管とを順次直列に連結して構成される。パルス管冷凍機では、冷凍機内に注入された作動気体に対し振動発生器により振動が引き起こされ、作動気体の圧力変動と変位との間に適当な位相差が生じる。これによって、蓄冷器においてパルス管の低温端から振動発生器方向へ向かう熱の流れが発生し、パルス管の低温端において冷凍出力が得られる。

技術資料Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｓｔｕｄｙ ｏｎ ａ ｔｗｏ−ｓｔａｇｅ ４Ｋ ｐｕｌｓｅ ｔｕｂｅ ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｏｒ（以下非特許文献１と称する）には二段式（Ｔｗｏ−ｓｔａｇｅ）パルス管冷凍機が開示されている。非特許文献１に示された二段式パルス管冷凍機では、第１パルス管の低温端において４０Ｋ〜８０Ｋの低温が生成され、第２のパルス管の低温端において４Ｋ〜２０Ｋの低温が生成される。また、低温により冷凍力を生成するために、第１パルス管を含む第１冷凍部及び第２パルス管を含む第２冷凍部と振動発生器との間にはダブルインレットを備えるバイパス通路が設けられている。ダブルインレットはバイパス通路において圧力抵抗を持ち、作動気体の直流気体流れ（ＤＣ ｆｌｏｗ）を制御している。図１７は非特許文献１に開示された二段式パルス管冷凍機の原理を示すものである。図１７に示すように、第１冷凍部２１は第１蓄冷器２１１、第１パルス管２１２、第１流路調節手段Ｐ１、第１バッファータンク２１４で構成され、第２冷凍部２２は第１蓄冷器２１１、第２蓄冷器２２１、第２パルス管２２２、第２流路調節手段Ｐ２、第２バッファータンク２２４で構成される。また、第１冷凍部２１及び第２冷凍部２２は連結通路Ｓ１を介して振動発生手段１０に接続されている。第１流路調節手段Ｐ１と第１パルス管２１２とを結ぶ連結通路Ｓ２と連結通路Ｓ１との間にバイパス通路Ｂ２が設けられている。また、第２流路調節手段Ｐ２と第２パルス管２２２とを結ぶ連結通路Ｓ３と連結通路Ｓ１との間にバイパス通路Ｂ３が設けられている。バイパスＢ１，Ｂ２にはダブルインレットを構成する流路調節手段Ｐ３，Ｐ４，Ｐ５，Ｐ６が設けられている。

また、特開２００１−２８０７２６号公報（以下特許文献１と称する）には、ディスプレーサーが位相調節手段としてパルス管の高温端に設けられたパルス管冷凍機が開示されている。特許文献１の技術によれば、パルス管冷凍機の冷凍力はディスプレーサーの移動による空間容積の変動に左右される。パルス管冷凍機の製造が完了すれば、冷凍力に関わる調節が必要な係数がない。このため、パルス管冷凍機の製造から運転開始までに関わる工程は比較的に簡単である。

また、特開２００１−０９９５０６号公報（以下特許文献２と称する）には、特許文献１と同様に、特許文献２に開示されたパルス管冷凍機はパルス管の高温端にバッファータンクを持つディスプレーサーが設けられている。特許文献２に開示されたパルス管冷凍機の効率は特許文献１より比較的に向上されている。
特開２００１−２８０７２６号公報 特開２００１−０９９５０６号公報 PERFORMANCE STUDY ON A TWO-STAGE 4K PULSE TUBE COOLER, Advances in Cryogenic Engineering, Vol. 43, Plenum Press, New York, 1998

非特許文献１にダブルインレットを用いた二段式パルス管冷凍機では、効率よく冷凍力を発生するために、少なくとも流路調節手段Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４，Ｐ５，Ｐ６、計６個の調節が必要な制御係数を実験により最適化する必要がある。しかしながら、この六個の制御係数はそれぞれ相互に影響し合い、実際に高精度的に六個の最適制御係数を決定することが難しい。このため、二段式パルス管冷凍機は研究段階に停滞し実用化することは困難である。また、振動発生器に駆動された作動気体はバイパス通路に設けられたダブルインレットを通過する際、エネルギー損失が無視できないため、パルス管冷凍機の効率に悪い影響を与える。

特許文献１に開示された技術では、製造工程が簡単になったが、ＧＭ式パルス管冷凍機において圧縮比率が高く設定されているため、作動気体の位相を調整する際ディスプレーサーが移動するのに大容積を有する空間が必要である。このため、ディスプレーサーの移動に必要とする空間容積は無駄容積となり、大量な作動気体が必要となる。従って、特許文献２に開示されるパルス管冷凍機では低い冷凍温度に達成できるが、冷凍効率は低いという問題がある。さらに、ディスプレーサーの動きが開閉弁により制御されているため、構造は複雑である。

また、特許文献２に開示された技術は特許文献１の技術と同様な問題を抱えているため、比較的に効率が改善されたが、構造上は依然に複雑である。

本発明は上記実状に鑑みてなされたものであり、高効率かつ実用化可能なパルス管冷凍機、特に実用化可能な二段式パルス管冷凍機を提供することを課題とする。

本発明のパルス管冷凍機によれば、従来の二段式パルス管冷凍機には作動気体の直流気体流れを制御し位相調節の役割を果たすダブルインレットをディスプレーサー系統に変えることができる。このため、ダブルインレットに設けられた流路調節手段は不要となり、これらの流路調節手段に係わる四個の制御係数を最適化する煩雑な実験工程が削減され、パルス管冷凍機、特に二段式パルス管冷凍機の実用化及び商品化を可能にすることができる。さらに、ディスプレーサー系統をバイパス通路に設けることにより、従来にダブルインレットで生じるエネルギー損失が存在しなくなり、パルス管冷凍機の効率を一層高めることができる。また、本発明のパルス管冷凍機は二段式パルス管冷凍機に限りなく、多段式パルス管冷凍機にも適用される。

また、本発明のパルス管冷凍機のディスプレーサー系統は、外部の駆動力を必要としなく、ディスプレーサーの両端に作用する圧力の圧力差に応じて往復運動を行うことができる。さらに、バイパス通路にはディスプレーサー系統が設けられているため、直流気体流れを抑制する必要がなくなり、流路調節手段の制御係数を決定する煩雑な工程が軽減される。例えば、冷凍部を構成する一個のパルス管に一個のバッファータンクを設ければ、パルス管冷凍機全体の流路調節手段制御係数は最少二個に絞られ、パルス管冷凍機の製造工程を簡易化することができる。従って、パルス管冷凍機、特に二段式、あるいは多段式パルス管冷凍機の実用化かつ商品化に有利である。

さらに、本発明のパルス管冷凍機は、ダブルインレットを用いたパルス管冷凍機に比べ、バイパス通路にはディスプレーサー系統が設けられているため、直流気体流れ（ＤＣ ｆｌｏｗ）の一部がストップされる。このため、本発明のパルス管冷凍機は高い効率を有することができる。

課題を解決するための手段、作用、効果

本発明のパルス管冷凍機は、作動気体を吐出する高圧端及び作動気体を吸入する低圧端を持つ圧縮機と、圧縮機の高圧端及び低圧端にそれぞれ接続された高圧通路及び低圧通路と、高圧通路の開閉と低圧通路の開閉とを切り替える流路切替手段と、を備える振動発生装置と、振動発生装置の高圧通路及び低圧通路に順次接続された第１蓄冷器と、第１高温端及び第１低温端を持つ第１パルス管と、第１流路調節手段と、第１バッファータンクとからなる第１冷凍部と、振動発生装置の高圧通路及び低圧通路に順次接続された第１蓄冷器と、第２蓄冷器と、第２高温端及び第２低温端を持つ第２パルス管と、第２流路調節手段と、第２バッファータンクとからなる第２冷凍部と、第１蓄冷器と振動発生装置とを結ぶ第１通路と、第１流路調節手段と第１パルス管とを結ぶ第２通路と、第２流路調節手段と第２パルス管とを結ぶ第３通路とを備え、第１通路と第２通路と第３通路とを結ぶバイパス通路と、バイパス通路に設けられ、第１径部と第２径部を備えるシリンダと、第２径部に収容され内部に第２膨張空間を形成する第２段部と第１径部に収容され第２段部と共に第１膨張空間及び背向側にバック空間を形成する第１段部とからなりシリンダの軸長方向に往復動可能に設けられたディスプレーサーとを備えるディスプレーサー系統とを有することを特徴とする。

本発明のパルス管冷凍機によれば、従来の二段式パルス管冷凍機には作動気体の直流気体流れを制御し位相調節の役割を果たすダブルインレットをディスプレーサー系統に変えることができる。このため、ダブルインレットを構成する流路調節手段（図１７に示すＰ３，Ｐ４，Ｐ５，Ｐ６）は不要となり、これらの流路調節手段に係わる四個の制御係数を最適化する煩雑な実験工程が削減され、パルス管冷凍機、特に二段式パルス管冷凍機の実用化及び商品化を可能にすることができる。さらに、ディスプレーサー系統をバイパス通路に設けることにより、従来にダブルインレットで生じるエネルギー損失が存在しなくなり、パルス管冷凍機の効率を一層高めることができる。また、本発明のパルス管冷凍機は二段式パルス管冷凍機に限りなく、多段式パルス管冷凍機にも適用される。

また、本発明のパルス管冷凍機のバイパス通路は、ディスプレーサー系統のバック空間と第１通路とを接続する第１連通路と、ディスプレーサー系統の第１膨張空間と第２通路とを接続する第２連通路と、ディスプレーサー系統の第２膨張空間と第３通路とを接続する第３連通路と、を有することが好ましい。

また、本発明のパルス管冷凍機の第１連通路には、バイパス通路を流れる気体の流量を調節する第３流路調節手段が設けられていることが好ましい。これにより、第３流路調節手段はバイパスに設けられたディスプレーサー系統とともに、パルス管内の作動気体の位相差を調整することができ、作動気体の位相制御をより容易に行うことができる。

また、本発明のパルス管冷凍機の第１流路調節手段及び第２流路調節手段はオリフィス、または開閉弁のいずれか一方、もしくはオリフィス及び開閉弁の組み合わせたもので構成されることが好ましい。これにより、第１流路調節手段及び第２流路調節手段をオリフィスで構成することができる。このため、最適化するのに必要なオリフィスの制御係数の数は３個に絞られ、６個の制御係数を決めるといった煩雑な工程がより簡単化することができる。また、第１流路調節手段及び第２流路調節手段を開閉弁で構成することができる。このため、最適化するのに必要なオリフィスの制御係数の数を最も少なく絞られ、開閉弁の開閉タイミングを制御することにより作動気体の位相差が調整される。さらに、第１流路調節手段及び第２流路調節手段がオリフィス及び開閉弁を並列して組み合わせたもので構成されることもできる。このため、作動気体の位相制御をより一層精確に行うことができる。

また、本発明のパルス管冷凍機のディスプレーサー系統は、バック空間を第１バック空間と第２バック空間とに区画し、シリンダの軸長方向に往復動可能に設けられた第３段部と、第２バック空間に連通する第３バッファータンクと、を有することが好ましい。これにより、シリンダの各空間内の作動気体の圧力が調整され、シリンダ内に収納されたディスプレーサーがより容易に往復運動を行うことができる。

また、本発明のパルス管冷凍機のディスプレーサー系統は、第２バック空間と第３バッファータンクとの間に第４流路調節手段が設けられ、第３段部と第１段部第２段部との間に、第３段部と第１段部第２段部とを係合する係合手段が設けられていることが好ましい。また、本発明のパルス管冷凍機の係合手段は、第３段部あるいは第１段部のいずれか一方に連結された連結部と、連結部の一端に連結部と一体に形成された係合部と、内部に係合部を収容する収容空間と係合部が収容空間内に軸方向に往復動、かつ係合可能な係合開口部とを形成する第１段部第２段部あるいは第３段部と、を備えることが好ましい。

また、本発明のパルス管冷凍機の第１通路は、第１連通路を介して第１バック空間に接続されていることが好ましい。

また、本発明のパルス管冷凍機のディスプレーサー系統は、第２バック空間と第３バッファータンクとの間に第４流路調節手段が設けられ、第４流路調節手段と第２バック空間とを結ぶ第６通路と第１バック空間との間に第５流路調節手段が設けられ、第１バック空間と第５流路調節手段とを結ぶ第５通路と第１通路との間に第１連通路が設けられていることが好ましい。

（第１実施形態例）
本発明の第１実施形態のパルス管冷凍機の概略構成を図１に示した。

図１に示すように、本実施形態のパルス管冷凍機は、主に振動発生装置１０、第１冷凍部２１、第２冷凍部２２、バイパス通路３１、ディスプレーサー系統４で構成されている。

振動発生装置１０は、圧縮機１１と、高圧通路１２Ｈ及び低圧通路１２Ｌと、流路切替手段１３とで構成される。なお、圧縮機１１は高圧端１１Ｈと低圧端１１Ｌとを備えている。このように、作動気体は圧縮機１１の高圧端１１Ｈから吐出し、低圧端１１Ｌに吸入される。また、高圧端１１Ｈに高圧通路１２Ｈが接続され、低圧端１１Ｌに低圧通路１２Ｌが接続されている。さらに、高圧通路１２Ｈ及び低圧通路１２Ｌには、通路の開閉を切り替える流路切替手段１３を構成する高圧弁口１３Ｈと低圧弁口１３Ｌが設置されている。高圧弁口１３Ｈと低圧弁口１３Ｌは周期的に開閉を切り替えることができるため、異なる圧力によってパルス管冷凍機内封入された作動気体の振動を引き起こすことができる。

第１冷凍部２１は順次に第１蓄冷器２１１と、第１パルス管２１２と、第１流路調節手段２１３と、第１バッファータンク２１４とで構成される。第２冷凍部２２は順次に第１蓄冷器２１１と、第２蓄冷器２２１と、第２パルス管２２２と、第２流路調節手段２２３と、第２バッファータンク２２４とで構成される。なお、第１パルス管２１２は第１高温端２１２Ｈと第１低温端２１２Ｌとを備え、第２パルス管２２２は第２高温端２２２Ｈと第２低温端２２２Ｌとを備える。また、第１流路調節手段２１３と第２流路調節手段２２３はそれぞれオリフィス２１３Ａ，２２３Ａで構成されている。

また、第１蓄冷器２１１と第２蓄冷器２２１との間に通路Ｓ４が設けられる。さらに、通路Ｓ４は通路Ｓ２１を介して第１パルス管２１２の第１低温端２１２Ｌに連通されている。第２蓄冷器２２１は通路Ｓ３１を介して第２パルス管２２２の第２低温端２２２Ｌに連通されている。第１蓄冷器２１１は第１通路Ｓ１を介して振動発生装置１０の高圧通路１２Ｈ及び低圧通路１２Ｌに連通されている。また、第１冷凍部２１の第１流路調節手段２１３と第１パルス管２１２との間に第２通路Ｓ２が設けられ、第２冷凍部２２の第２流路調節手段２２３と第２パルス管２２２との間に第３通路Ｓ３が設けられる。第１通路Ｓ１と第２通路Ｓ２及び第３通路Ｓ３との間に後述するバイパス通路３１が設けられている。さらに、第１バッファータンク２１４は通路Ｓ２０を介して第１流路調節手段２１３に連通されている。第２バッファータンク２２４は通路Ｓ３０を介して第２流路調節手段２２３に連通されている。

ディスプレーサー系統４は、シリンダ４１と、シリンダ４１内に収容されたディスプレーサー４２とで構成される。シリンダ４１は所定サイズの第１径部４１１と所定サイズの第２径部４１２とからなり、一体に形成されている。ディスプレーサー４２は、第１径部４１１に収容される所定サイズの第１段部４２１と第２径部４１２に収容される所定サイズの第２段部４２２とからなる。なお、第１段部４２１と第２段部４２２は一体に形成されることができる。第１、第２段部４２１、４２２は第１、第２径部４１１、４１２に内壁面に摺接して往復運動を行う。シリンダ４１には、第２径部４１２と第２段部４２２とで区画された第２膨張空間４３２と、第２段部４２２と第１段部４２１と第１径部４１１とで区画された第１膨張空間４３１と、第１膨張空間４３１の背向側に第１径部４１１と第１段部４２１とで区画されたバック空間４３３とが形成されている。このように、ディスプレーサー４２はシリンダ４１に内置され、シリンダ４１の軸長方向に往復動可能に設けられている。なお、ディスプレーサー４２を介在することによりシリンダ４１内に区画された各空間内の作動気体が互いに漏れない。

バイパス通路３１は、ディスプレーサー系統４のバック空間４３３と第１通路Ｓ１とを連通する第１連通路Ｂ１と、第１膨張空間４３１と第２通路Ｓ２とを連通する連通路Ｂ２と、第２膨張空間４３２と第３通路Ｓ３とを連通する連通路Ｂ３とを備える。

また、第１連通路Ｂ１には、バイパス通路３１を流れる気体の流量を調節する第３流路調節手段３１が設けられている。なお、第３流路調節手段３１はオリフィスなどで構成することができる。

次に、本実施形態のパルス管冷凍機の運転過程について説明する。振動発生装置１０の高圧通路１２Ｈ及び低圧通路１２Ｌの開閉を切り替える高圧弁口１３Ｈ及び１３Ｌの開閉状態（タイミング）を図２に示した。実線は弁口が開通状態を示し、線なし部分は閉じる状態を示している。

高圧通路１２Ｈ内の作動気体の圧力が１．８〜２．４ＭＰａの範囲内に維持され、低圧通路１２Ｌ内の作動気体の圧力が０．６〜１．２ＭＰａの範囲内に維持される。また、第１、第２バッファータンク２１４、２２４内の圧力は高圧通路１２Ｈ内の圧力（高圧）及び低圧通路１２Ｌ内の圧力（低圧）の平均値に近い水準（中圧）に維持される。

作動気体が第１蓄冷器２１１、また第２蓄冷器２２１を通過する際に発生する圧力損失は、各連通するパイプ、熱交換器、またはパルス管を流れる際の圧力損失よりも、遥かに大きいため、第１、第２蓄冷器２１１、２２１における圧力損失のみ配慮すればよい。

高圧弁口１３Ｈが所定開通時間内で開通された後に閉じられる。この過程は高圧作動気体が流入する過程である。高圧弁口１３Ｈが開通され、高圧状態になる作動気体が高圧通路１２Ｈを介して第１蓄冷器２１１、第２蓄冷器２２１を通過し、第１パルス管２１２及び第２パルス管２２２の低温端２１２Ｌ，２２２Ｌに流される。このとき、第１蓄冷器２１１、第２蓄冷器２２１における圧力は第１パルス管２１２、第２パルス管２２２における圧力よりも高い。このため、第１連通路Ｂ１を介してディスプレーサー系統４のバック空間４３３に流れる作動気体の圧力は第２連通路Ｂ２、または第３連通路Ｂ３を介して第１圧縮空間４３１、第２圧縮空間４３２に流れる作動気体の圧力よりも高い。この結果、ディスプレーサー４２はこの圧力差に応じてシリンダ４１の軸長方向に沿い、バック空間４３３内の圧力が減少する方向（図１に示す右方向）に移動する。第１、第２圧縮空間４３１、４３２内の作動気体がそれぞれ第２連通路Ｂ２、第３連通路Ｂ３を介して第１パルス管２１２、第２パルス管２２２の高温端２１２Ｈ，２２２Ｈに流される。ディスプレーサー４２がシリンダ４１の右側最端部に到達して止められたとき、第１、第２パルス管２１２、２２２の低温端２１２Ｌ，２２２Ｌを流れる作動気体の流速はゼロに近づき、圧力は高圧に近づく状態は理想である。なお、高圧とは、振動発生装置１０の高圧端１１Ｈの圧力より若干低く高圧端１１Ｈの圧力に近い圧力をいう。低圧とは、振動発生装置１０の低圧端１１Ｌの圧力より若干高く低圧端１１Ｌの圧力に近い圧力をいう。中圧とは、高圧と低圧の平均値に近い圧力をいう。

図３は第１、第２パルス管２１２，２２２内の作動気体のＰＶ図を示したものである。図３には、この過程が０−１に示される。

ディスプレーサー４２が止まると、作動気体が振動発生装置１０から第１、第２蓄冷器２１１，２２１を通り、第１、第２パルス管２１２、２２２の低温端２１２Ｌ，２２２Ｌに流れ始める。このとき、第１、第２パルス管２１２、２２２内の作動気体の一部はオリフィス２１３Ａ，２２３Ａを介して第１、第２バッファータンク２１４、２２４に流される。作動気体の流れは振動発生装置１０から第１、第２蓄冷器２１１、２２１に向かう方向である。このため、バック空間４３３における作動気体の圧力が増大される。圧力差力によりディスプレーサー４２が押し付けられシリンダ４１の右側最端部に移動し、左側最端部に到達してから停止される。図３には、この過程が１−２に示される。

高圧弁口１３Ｈが閉じられ、所定時間を経過する。この過程は膨張過程である。

膨張過程において、第１、第２パルス管２１２、２２２の高温端２１２Ｈ，２２２Ｈ内の作動気体はオリフィス２１３Ａ，２２３Ａを介して、第１、第２バッファータンク２１４、２２４に流される。第１、第２蓄冷器２１１、２２１内の作動気体が第１、第２パルス管２１２、２２２の低温端２１２Ｌ，２２２Ｌに流され、圧力が減少される。また、第１、第２蓄冷器２１１、２２１における圧力損失により、第１、第２圧縮空間４３１、４３２内の圧力はバック空間４３３内の圧力よりも低い。従って、ディスプレーサー４２が動かない。この過程の最終段階に第１、第２パルス管２１２、２２２における作動気体の圧力は、第１、第２バッファータンク２１４、２２４内の圧力とほぼ同じ程度までに減少された状態は理想である。第１、第２パルス管２１２，２２２の低温端２１２Ｌ，２２２Ｌにおける作動気体の圧力は、振動発生装置１０の高圧端１１Ｈと低圧端１１Ｌにおける圧力の平均値に近い程度（中圧）まで膨張される。図３には、この過程が２−３に示される。

低圧弁口１３Ｌが開通され、所定時間を経過した後に閉じられる。

低圧弁口１３Ｌが開通された後、作動気体が第１、第２蓄冷器２１１、２２１から低圧通路１２Ｌに流される。第１、第２蓄冷器２１１、２２１内の作動気体の流れによりバック空間４３３内の圧力は第１、第２膨張空間４３１、４３２内の圧力より低くなる。このため、シリンダ４１内のディスプレーサー４２は左側最端部に移動する。従って、第１、第２パルス管２１２，２２２内の作動気体が第１、第２膨張空間４３１、４３２に流される。ディスプレーサー４２がシリンダ４１の左側最端部に到達して止められたとき、第１、第２パルス管２１２、２２２の低温端２１２Ｌ，２２２Ｌを流れる作動気体の流速はゼロに近づき、圧力は低圧に近づく状態は理想である。図３には、この過程が３−４に示される。

ディスプレーサー４２はシリンダ４１の左側最端部に到達して止められた後、第１、第２バッファータンク２１４、２２４内の作動気体が第１、第２パルス管２１２、２２２に流される、この結果、第１、第２パルス管２１２、２２２の低温端２１２Ｌ，２２２Ｌ内の作動気体が第１、第２蓄冷器２１１、２２１内の作動気体を押し付け、振動発生装置１０の低圧通路１２Ｌに流れる。図３には、この過程が４−５に示される。なお、この過程では、第１、第２膨張空間４３１、４３２内の圧力はバック空間４３３内の圧力よりも大きいため、この圧力差による力を受けたディスプレーサー４２がシリンダ４１の左側最端部に到達して止められた後暫らく動かない。

低圧弁口１３Ｌが閉じられ、所定時間を経過する。

この過程では、第１、第２バッファータンク２１４、２２４内の作動気体が連続的に第１、第２パルス管２１２、２２２の高温端２１２Ｈ，２２２Ｈに流され、第１、第２バッファータンク２１４、２２４内の圧力と同程度になるまで続く。また、この過程では、作動気体の流動方向は第１、第２蓄冷器２１１、２２１を通りバック空間４３３に向かうため、第１、第２蓄冷器２１１、２２１における圧力損失が発生する。この結果、バック空間４３３内の圧力は第１、第２膨張空間４３１、４３２内の圧力よりも若干高く、ディスプレーサー４２はこの圧力差によりシリンダ４２の左側最端部に止められたままの状態を維持する。図３には、この過程が５−０に示される。

また、過程０−１−２−３−４−５−０におけるパルス管内の圧力状態の変動を図４に示すことができる。図４に示すように、実線Ｈは振動発生装置１０の高圧通路１２Ｈ内の圧力を示し、実線Ｌは低圧通路１２Ｌ内の圧力を示し、実線Ｍは第１、第２バッファータンク２１４、２２４内の圧力を示す。また、図３に示した膨張サイクルの各過程の圧力状態変動は図４の実線Ｃで示している。

以上説明したように、各過程においてディスプレーサー４２がシリンダ４１内の移動速度は、オリフィス２１３Ａ，２２３Ａで構成された流路調節手段２１３、２２３を調整することにより制御される。また、オリフィス３１１Ａで構成された第３流路調節手段３１１を連通路Ｂ１に設けることによりディスプレーサー４２の移動速度を制御することができるが、オリフィス３１１Ａが存在しなくてもディスプレーサー４２の移動速度に大きな影響を与えない。

このように、本実施形態のパルス管冷凍機によれば、従来の二段式パルス管冷凍機には作動気体の直流気体流れ（ＤＣ ｆｌｏｗ）を制御し位相調節の役割を果たすダブルインレットをディスプレーサー系統４に変えることができる。一般のダブルインレットを使用したパルス管冷凍機に比べ、本実施形態のパルス管冷凍機は製造完了後に調節が必要な係数は二個に絞られる（オリフィス２１３Ａ，２２３Ａのみ）。図１７に示す従来技術では必要な４個の係数（Ｐ３，Ｐ４，Ｐ５，Ｐ６）の最適化する工程は不要となる。従って、Ｐ３，Ｐ４，Ｐ５，Ｐ６に係わる四個の制御係数を最適化するための煩雑な実験工程が削減され、パルス管冷凍機、特に二段式パルス管冷凍機の実用化及び商品化を可能にすることができる。オリフィスを通過する作動気体の流速は、主に振動発生装置１０における圧縮比率に左右される。一般的に、この圧縮比率は１．８〜３である。また、流速はオリフィスの開通孔の断面積にも左右される。なお、オリフィスの断面積を予め設定することができる。さらに、ディスプレーサー４２がシリンダ４１内の移動による変動容積を予め設計することができる。このため、製造完成後、調節が必要な係数が最小限に抑えられる。

また、ディスプレーサー系統４は外部からの動力を必要としない、ディスプレーサー４１の両端の圧力差に応じて往復動を行うため、ディスプレーサー４２を駆動する駆動手段を設ける必要がない。このため、本実施形態のパルス管冷凍機の構成はシンプルである。

さらに、ディスプレーサー系統４をバイパス通路３１に設けることにより、従来にダブルインレットにおいて生じるエネルギー損失が存在しなくなり、パルス管冷凍機の効率を一層高めることができる。つまり、ディスプレーサー４２がバイパス通路３１を遮断し、作動気体はバイパス通路３１を通過することがなく、さらに作動気体の使用量は少ないため、本実施形態のパルス管冷凍機の効率の向上に有利である。また、ディスプレーサー４２がバイパス通路３１を遮断しているので、蓄冷器の低温端とパルス管の高温端との間に発生する直流気体流れの問題も回避できる。

また、本実施形態のパルス管冷凍機は二段式パルス管冷凍機に限りなく、多段式パルス管冷凍機にも適用される。

なお、図１に示すような第１実施形態例に係るパルス管冷凍機は、次のような改変が可能である。
・第１パルス管２１２の第１低温端部２１２Ｌと第２パルス管２２２の図示しない良熱伝導体で熱的に連結しても良い。これにより、第２パルス管２２２の中央部の温度を相当低くでき、第２パルス管２２２の第２低温端部２２２Ｌにおける熱損失を防止できる。
・ディスプレーサー４２のバック空間４３３と第１パルス管２１２の第１高温端部２１２Ｈ（第２パルス管２２２の第２高温端部２２２Ｈ）とを図示されないオリフィスで連結して、第１パルス管２１２（第２パルス管２２２）へのガス導入損失を少なくすることができる。

（第２実施形態例）
本実施形態のパルス管冷凍機は、第１実施形態例とは基本に同様な構成である、共通機能を奏する部位には共通の符号を付する。以下異なる部分を中心として図５を参照しながら説明する。

図５に示すように、第１流路調節手段２１３は開閉弁２１３Ｂで構成され、第２流路調節手段２２３は開閉弁２２３Ｂで構成されている。その他の構成は第１実施形態例と同様である。

本実施形態のパルス管冷凍機は、オリフィス２１３Ａ，２２３Ａの替わりに開閉弁２１３Ｂ，２２３Ｂを用いて第１、第２流路調節手段２１３、２２３を構成することにより、第１実施形態例より高い効率を実現することができる。開閉弁２１３Ｂ，２２３Ｂ及び振動発生装置１０の高圧弁口１３Ｈ，低圧弁口１３Ｌの開閉タイミングは図６に示される。実線は弁口が開通される状態を示し、線なし部分は閉じる状態を示している。

図６には、過程０−１及び過程３−４において、開閉弁２１３Ｂ，２２３Ｂが閉じられる状態である。また、過程０−１及び過程３−４では、オリフィスを閉じることにより、オリフィスにおける気体流れが停止され、ディスプレーサー４２の移動に必要とする容積が減少される。このため、パルス管冷凍機の効率が向上される。

また、各開閉弁口の開閉タイミングを図７のように制御することができる。なお、図７には、太い実線は開閉弁口が大きく開通される状態を示し、作動気体が速やかに流れることができる。実線は開閉弁口が普通に開通される状態を示す。線なし部分は閉じる状態を示す。

このように、第１流路調節手段２１３及び第２流路調節手段２２３がそれぞれ開閉弁２１３Ｂ，２２３Ｂで構成されるため、最適化するのに必要なオリフィスの制御係数の数が最も少なく絞られ、開閉弁の開閉タイミングで作動気体の位相制御を行うことができる。

（第３実施形態例）
本実施形態のパルス管冷凍機は、第１、または第２実施形態例とは基本に同様な構成である、共通機能を奏する部位には共通の符号を付する。以下異なる部分を中心として図８を参照しながら説明する。

図８に示すように、第１流路調節手段２１３はオリフィス２１３Ａと開閉弁２１３Ｂとを並立して構成される。第２流路調節手段２２３はオリフィス２２３Ａと開閉弁２２３Ｂとを並立して構成される。その他の構成は第１実施形態例と同様である。

図９は各開閉弁口の開閉タイミングを示す。なお、実線は開通状態を示し、線なし部分は閉じる状態を示す。本実施形態によれば、過程５−０あるいは過程２−３において作動気体が速やかに流れ、所定圧力に達成する時間を短縮することができる。このため、振動発生装置１０の高圧弁口１３Ｈと低圧弁口１３Ｌ（Ｍａｉｎ ｖａｌｖｅ）の開通時間を延長することができる。これにより、作動気体の流速ピック値が抑えられ、第１、第２蓄冷器２１１、２２１の効率の向上に有利である。また、弁口の開閉における圧力損失を軽減することができる。

また、流路調節手段を介して複数のバッファータンクをパルス管の高温端に接続することができる。これにより、パルス管冷凍機の性能を向上させることができる。さらに、第１パルス管２１２の第１高温端２１２Ｈに設置されるバッファータンクの数を第２パルス管２２２の第２高温端２２２Ｈに設置されるバッファータンクの数と同じに設定する必要がない。もしくは、第２パルス管２２２にオリフィスを持つ一個のバッファータンクを設置することができる。

このように、第１流路調節手段２１３及び第２流路調節手段２２３がオリフィス及び開閉弁を並列して組み合わせたもので構成されることができ、作動気体の位相制御をより一層精確に行うことができる。

（第４実施形態例）
本実施形態のパルス管冷凍機は、第１、または第２実施形態例とは基本に同様な構成である、共通機能を奏する部位には共通の符号を付する。以下異なる部分を中心として図１０を参照しながら説明する。

図１０に示すように、本実施形態のパルス管冷凍機のディスプレーサー系統４は、シリンダ４１とディスプレーサー４２とからなる。シリンダ４１は、第１径部４１１、第２径部４２１、第３径部４３１とを持つ。ディスプレーサー４２は、第１段部４２１,第２段部４２２、第３段部４２３とを持つ。第１段部４２１は第１径部４１１に収容され、第２段部４２２は第１段部４２１に連結され、第２径部４１２に摺接されている。第３段部４２３は第１段部４２１を中心とし第２段部４２２の背向側に第１段部４２１に連結され、第３径部４１３に摺接されている。このため、第１、第２、第３段部４２１、４２２、４２３で構成されたディスプレーサー４２は第１、第２、第３径部４１１、４１２、４１３で構成されたシリンダ４１内にシリンダ４１の軸長方向に往復動可能に設けられている。また、第３段部４２３は第３径部４１３に摺接して往復運動を行うため、第１径部４１１内において、第１段部４２１と第３段部４２３とで第１バック空間４３３１が区画されている。また第３径部４１３内において、第３段部４２３を中心とし第１バック空間４３３１の背向側に第２バック空間４３３２が区画されている。さらに、第２バック空間４３３２には第３バッファータンク４３３３が設けられている。

なお、バッファータンク４３３３は、第２バック空間４３３２を形成する第３段部４１３と一体に形成されることができる。また、第３段部４２３を第３径部４１３に摺接しながら収容することができるが、第３段部を第３径部に支持し、第３段部が摺接して往復動するように開口部を持つ支持部材（図示せず）を有することができる。即ち、支持部材を介して第１バック空間４３３１と第２バック空間４３３２を区画することもできる。

本実施形態のパルス管冷凍機のディスプレーサー４２が図示左方向（図１０）へ移動した後、図示右側方向に戻り、ＧＭ式冷凍機のように膨張による仕事を回収することができる。図１１に示す開閉弁の開閉タイミングで制御を行うことができる。

以下、図３を参照しながら、本実施形態のパルス管冷凍機の運転過程について説明する。

高圧弁口１３Ｈが開通し、第１バック空間４３３１内の圧力は速やかに増加するが、第１、第２膨張空間４３１、４３２内の圧力は第１、第２蓄冷器２１１、２２１における圧力損失のため増加が鈍い。この結果、第１バック空間４３３１内の圧力は第１、第２膨張空間４３１、４３２内の圧力よりも大きくなり、ディスプレーサー４２を図示右方向（図１０）に移動させることができる。また、ディスプレーサー４２が右方向に移動し始めるとき、第３バッファータンク４３３３に連通された第２バック空間４３３２内の圧力は第２バッファータンク２２４に連通された第２膨張空間４３２内の圧力と同じ程度であるため、第３段部４２３を左方向に移動させる力がゼロに近い。このため、ディスプレーサー４２は右方向に移動する。ディスプレーサー４２がシリンダ４１の右側端部（図１０に示す）に到達して止められるか、或いはストッパーに止められたとき、第１、第２パルス管２１２、２２２の低温端２１２Ｌ、２２２Ｌを流れる作動気体の流速はゼロに近づき、圧力は高圧に近づく状態は理想である。第１、第２パルス管２１２，２２２内の作動気体は図３に示されたＰＶ図と同様である。図３には、この過程が０−１に示される。

次に、ディスプレーサー４２はシリンダ４１の右側端部に移動し、右側端部に止められたとき、第２膨張空間４３２内の圧力（高圧状態）は第２バック空間４３３２内の圧力（中圧状態）より高いため、圧力差により第３段部４２３に受けた力がディスプレーサー４２を左側方向に移動させる。図３には、この過程が１−２に示される。この過程では、作動気体が第１、第２膨張空間４３１、４３２の増大により引っ張られ、第１、第２パルス管の低温端２１２Ｌ、２２２Ｌに流される。なお、第１、第２蓄冷器２１１、２２１における圧力損失が大きいとき、ディスプレーサー４２の移動速度は遅く、第１、第２蓄冷器２１１、２２１における圧力損失が小さいとき、ディスプレーサー４２の移動速度は速い。

次に、高圧弁口１３Ｈが閉じられ、開閉弁２１３Ｂ，２２３Ｂが開通される。この際、第１、第２膨張空間４３１、４３２内の圧力が速やかに減少するが、第１バック空間４３３１内の圧力は第１、第２蓄冷器２１１、２２１における圧力損失のため減少が鈍い。この結果、ディスプレーサー４２がこの圧力差による力に応じて右側（図１０）に移動する。ディスプレーサー４２が移動し始まるとき、第２バック空間４３３２内の圧力は（第３バッファータンク４３３３に連通されているため中圧である）第２膨張空間４３２内の圧力よりも小さいため、第３段部４２３に作用する力が大きい。このため、ディスプレーサー４２が移動しにくい。第２膨張空間４３２内の圧力が減少し、第３段部４２３に作用する力も減少し、ディスプレーサー４２が速やかに移動できる。作動気体の圧力が中圧までに減少したとき、ディスプレーサー４２が右側端部に近づく状態が理想である。図３には、この過程が２−３に示される。

次に、開閉弁２１３Ｂ，２２３Ｂが閉じられ、低圧弁口１３Ｌが開通される。第１バック空間４３３内の圧力が速やかに減少するが、第１、第２膨張空間４３１、４３２内の圧力は第１、第２蓄冷器２１１、２２１における圧力損失のため減少が鈍い。この結果、ディスプレーサー４２がこの圧力差による力に応じて左側に移動する。ディスプレーサー４２が移動し始めるとき、第２バック空間４３３２内の圧力は（第３バッファータンク４３３３に連通されているため中圧である）第２膨張空間４３２内の圧力と同じ程度であるため、第３段部４２３を右方向に移動させる力がゼロに近い。このため、ディスプレーサー４２が速やかに左方向に移動する。ディスプレーサー４２がシリンダ４１の左側端部に近づき、端部またはストッパーに止められたとき、作動気体が低圧状態になり、そしてこの過程において第１、第２パルス管の低温端２１２Ｌ、２２２Ｌを流れる作動気体の流速がゼロに近い状態が理想である。図３には、この過程が３−４に示される。

次に、ディスプレーサー４２がシリンダ４１の左側端部に止まったとき、第２膨張空間４３２内における圧力は低圧であり、第２バック空間４３３２内における圧力はバッファータンク４３３３に連通されているため中圧である。このため、圧力差による力でディスプレーサー４２が右方向へ移動される。従って、第１、第２パルス管低温端２１２Ｌ、２２２Ｌ内の作動気体が第１、第２蓄冷器２１１、２２１、振動発生装置１０の低圧弁口１３Ｌを通して最後に振動発生装置１０に戻される。図３には、この過程が４−５に示される。なお、第１、第２蓄冷器２１１、２２１における圧力損失が大きいとき、ディスプレーサー４２の移動速度は遅く、第１、第２蓄冷器２１１、２２１における圧力損失が小さいとき、ディスプレーサー４２の移動速度は速い。

次に、低圧弁口１３Ｌが閉じられ、開閉弁２１３Ｂ，２２３Ｂが開通される。第１、２膨張空間４３１、４３２内の圧力が速やかに増加するが、第１バック空間４３３１内の圧力は第１、第２蓄冷器２１１、２２１における圧力損失のため増加が鈍い。なお、圧力損失による力の作用方向は左方向である。また、この左方向の力が最終的に右方向の力に克服され、結果的に、ディスプレーサー４２が右側方向（図１０）に移動する。ディスプレーサー４２が移動し始めるとき、第２バック空間４３３２内の圧力は中圧であり、第２膨張空間４３２内の圧力は低圧であるため、第３段部４２３に作用する力が最大である。このため、ディスプレーサー４２の移動速度が遅い。作動気体の圧力の増加に連れ、第３段部４２３に作用する力が減少し、右方向の力が顕著になる。このため、ディスプレーサー４２の移動速度が大きくなる。作動気体の圧力が中圧になるとき、ディスプレーサー４２がシリンダ４１の右側端部（図１０）に近づく状態が理想である。図３には、この過程が５−０に示される。

なお、図３に示した圧縮サイクルのように、ディスプレーサー４２が過程１−２、または過程４−５において膨張による仕事を回収することができる。このため、冷凍機の効率の向上に有利である。

このように、シリンダ４１の各空間内の作動気体の圧力が調整され、シリンダ４１内に収納されたディスプレーサー４２がより容易に往復運動を行うことができる。

開閉弁２１３Ｂ，２２３Ｂは圧力増加、または圧力減少する過程において開通されるため、第２実施形態例に比べ、回収不可能な損失が少ない。なお、第２実施形態例では、過程１−２、または４−５において、作動気体が開閉弁２１３Ｂ，２２３Ｂを流れる際、大きな圧力損失が発生するため、回収不可能な損失が存在する。

（第５実施形態例）
本実施形態のパルス管冷凍機は、第１、または第４実施形態例とは基本に同様な構成である、共通機能を奏する部位には共通の符号を付する。以下異なる部分を中心として図１２を参照しながら説明する。

図１２に示すように、本実施形態のパルス管冷凍機は、第２バック空間４３３２と第３バッファータンク４３３３との間に第４流路調節手段３１２が設けられる。また、第４流路調節手段３１２は第６通路Ｓ６を介して第２バック空間４３３２に連通されている。さらに、第１バック空間４３３１と第６通路Ｓ６との間に第５流路調節手段３１３が設けられる。なお、第５流路調節手段３１３は第５通路を介して第１バック空間４３３１に連通されている。第４流路調節手段３１２はオリフィス３１２Ａで構成することができる。第５流路調節手段３１３は開閉弁３１３Ｂで構成することができる。

以下、図３を参照しながら、本実施形態のパルス管冷凍機の運転過程について説明する。また、各開閉弁の開通タイミングを図１３に示す。

高圧弁口１３Ｈ、３１３Ｂが開通される。圧力差により作用力が発生し、ディスプレーサー４２が右方向（図１２）に移動する。第２バック空間４３３２内の圧力は第１バック空間４３３１内の圧力とはほぼ同じであるため、ディスプレーサー４２がこの過程では第１実施形態例と同様の動きである。ディスプレーサー４２がシリンダ４１の右側最端部（図１２）に止まるとき、第１、第２パルス管低温端２１２Ｌ、２２２Ｌ内の作動気体の流速がゼロに近い状態が理想である。図３には、この過程が０−１に示される。なお、この過程では、第２バック空間内の作動気体の一部が第３バッファータンク４３３３に流され、一部の圧縮による仕事がアウトプットされる。

次に、開閉弁３１３Ｂが閉じられる。作動気体がオリフィス３１２Ａを介して第３バッファータンク４３３３へ流れるため、ディスプレーサー４２が左方向（図１２）に移動することができる。第１、第２パルス管高温端２１２Ｈ、２２２Ｈ内の作動気体が引っ張られ第１、第２膨張空間４３１，４３２に流される。作動気体が振動発生装置１０の高圧弁口１３Ｈを通り、第１、第２蓄冷器２１１、２２１を介して第１、第２パルス管低温端２１２Ｌ、２２２Ｌに流される。作動気体がパルス管に流れた後、高圧弁口１３Ｈが閉じられる。図３には、この過程が１−２に示される。なお、この過程では、ディスプレーサー４２が左側最端部に移動する必要がない。

次に、開閉弁２１３Ｂ，２２３Ｂが開通される。第１、第２膨張空間４３１、４３１内の圧力が速やかに減少するが、第１バック空間４３３１内の圧力が第１、第２蓄冷器２１１、２２１における圧力損失のため減少が鈍い。さらに、第２バック空間４３３２内の圧力が高圧状態である。このため、ディスプレーサー４２が圧力差による力で右方向に移動される。図３には、この過程が２−３に示される。作動気体の圧力がバッファータンク内の圧力（中圧）に近づくとき、開閉弁２１３Ｂ，２２３Ｂが閉じられる。この過程の最後の段階では、ディスプレーサー４２がシリンダ４１の右側最端部（図１２）に止まる状態が理想である。

次に、低圧弁口１３Ｌ、開閉弁３１３Ｂが開通される。第１、第２バック空間４３３１、４３３２内の圧力が速やかに減少するが、第１、第２膨張空間４３１、４３２内の圧力が第１、第２蓄冷器２１１、２２１における圧力損失のため減少が鈍い。このため、ディスプレーサー４２が圧力差による力で左方向に移動される。ディスプレーサー４２がシリンダ４１の左側最端部（図１２）に止められたとき、作動気体の圧力が低圧（振動発生装置１０の低圧端１１Ｌにおける圧力）まで減少し、さらに、この過程では第１、第２パルス管低温端２１２Ｌ、２２２Ｌ内の作動気体の流速がゼロに近づく状態が理想である。そして、開閉弁３１３Ｂが閉じられる。図３には、この過程が３−４に示される。

次に、第３バッファータンク４３３３内の作動気体がオリフィス３１２Ａを介して第２バック空間４３３２に流され、ディスプレーサー４２が右方向に移動し、作動気体を第１、第２パルス管低温端２１２Ｌ、２２２Ｌ内から第１、第２蓄冷器２１１、２２１、振動発生装置１０の低圧弁口１３Ｌを介して振動発生装置１０の低圧通路１２Ｌに流される。図３には、この過程が４−５に示される。作動気体が振動発生装置１０に流された後、低圧弁口１３Ｌが閉じられる。なお、この過程では、ディスプレーサー４２が右側最端部に移動する必要がない。

次に、開閉弁２１３Ｂ，２２３Ｂが開通される。第１、第２膨張空間４３１、４３２内の圧力が速やかに増加するが、第１バック空間４３３内の圧力が第１、第２蓄冷器２１１、２２１における圧力損失のため増加が鈍い。さらに、第２バック空間４３３２内の圧力が低圧状態である。このため、ディスプレーサー４２が圧力差による力で左方向に移動される。この過程の最後の段階では、ディスプレーサー４２がシリンダ４１の左側最端部（図１２）に止まる状態が理想である。図３には、この過程が５−０に示される。

また、図１４に示すように、本実施形態の第５流路調節手段３１３はオリフィス３１３Ａで構成されることができる。図１５に示された各開閉弁の開通タイミングから分かるように、この場合の作動過程は図１２に示されたパルス管冷凍機と同様であるが、開閉弁３１３Ｂが設けられていないため、開閉制御の必要がない。このように、図１４に示されたパルス管冷凍機は、図１２に示されたパルス管冷凍機よりシンプルである。

（第６実施形態例）
本実施形態のパルス管冷凍機は、第１、または第５実施形態例とは基本に同様な構成である、共通機能を奏する部位には共通の符号を付する。以下異なる部分を中心として図１６を参照しながら説明する。

図１６に示すように、本実施形態のパルス管冷凍機のディスプレーサー系統４は、第２バック空間４３３２と第３バッファータンク４３３３との間に第４流路調節手段３１２が設けられ、第３段部４２３と第１段部４２１第２段部４２２との間に、第３段部４２３と第１段部４２１第２段部４２２とを係合する係合手段４２４が設けられている。また、係合手段４２４は、第３段部４２３に連結された連結部４２４１と、連結部４２４１の一端に連結部４２４１と一体に形成された係合部４２４２と、内部に係合部４２４２を収容する収容空間４２１２と係合部４２４２が収容空間４２１２内に軸方向に往復動、かつ係合可能な係合開口部４２１１とを形成する第１段部４２１第２段部４２２とを備えている。また、第１通路Ｓ１は、第１連通路Ｂ１を介して第１バック空間４３３１に接続されている。

このように、係合手段４２４には、ディスプレーサー４２には収容空間４２１２が設けられ、開口部４２１１を介して第１バック空間４３３１に連通されている。また、第３段部４２３には連結部４２４１が設けられ、連結部４２４１は開口部４２１１を介して収容空間４２１２に挿入されている。連結部４２４１の一端に係合部４２４２が設けられ、開口部４２１１より大きい径を有するため、ストッパーとして収容空間４２１２に自由に移動することができるが、開口部４２１１から出ることができない。

また、本実施形態のパルス管冷凍機の各開閉弁の開通タイミングは第３実施形態例のパルス管冷凍機の各開閉弁の開通状態（タイミング）と同様であるが、ディスプレーサー４２の移動状態は図１２に示された第５実施形態例と同様である。

以下、図３を参照しながら、本実施形態のパルス管冷凍機の運転過程について説明する。また、各開閉弁の開通タイミンはが図１３に参照して示す。

図３に示された過程０−１では、ディスプレーサー４２を構成する第１、第２段部４２１、４２２が右方向に移動し、第３段部４２３が連結部４２４１及び係合部４２４２を連れて左方向に移動する。このため、第２バック空間４３３２内の作動気体は高圧状態になる。この過程を経て、係合部４２４２は開口部４２１１に接触する。

次に、図３に示された過程１−２では、第２バック空間４３３２内の作動気体は高圧のためオリフィス３１２Ａを介して第３バッファータンク４３３３に流される。従って、第３段部４２３は連結部４２４１及び係合部４２４２を介して、第１、第２段部４２１、４２２を引っ張って左方向に移動する。

次に、図３に示された過程２−３では、第２バック空間４３３２内の圧力が高圧状態になり、第１バック空間４３３１内の圧力が減少するため、第３段部４２３は連結部４２４１及び係合部４２４２を連れて右方向に移動する。第１、第２段部４２１、４２２は第１、第２蓄冷器２１１、２２１における圧力損失のため右方向に移動する。

次に、図３に示された過程３−４では、第２バック空間４３３２内の圧力が中圧になり、第１バック空間４３２内の圧力が低圧になるため、第３段部４２３は連結部４２４１及び係合部４２４２を連れて右方向に移動する。第１、第２段部４２１、４２２は自由に左方向に移動する。この過程の最後の段階では、係合部４２４２は収容空間４２１２の右側最端部に接触する。

次に、図３に示された過程４−５では、作動気体が第３バッファータンク４３３３から第２バック空間４３３２に流されるため、第３段部４２３は連結部４２４１及び係合部４２４２を連れて右方向に移動する。さらに、係合部４２４２に押し付けられ、第１、第２段部４２１、４２２は右方向に移動する。

次に、図３に示された過程５−０では、第１、第２段部４２１、４２２は左方向に移動する。第１バック空間４３３１内の圧力が増加し、さらに、第２バック空間４３３２内の圧力が低圧であるため、第３段部４２３は連結部４２４１及び係合部４２４２を連れて左方向に移動する。

また、係合手段４２４を用いて、ディスプレーサー４２が往復運動を行う際、前進方向に対して後退方向に移動させる方法のほか、例えば、ＣＡＭ、リニアモータ、クランクシャフト、または、ステップモータを持つＳｃｈｏｃｈヨーク等を用いてディスプレーサー４２の往復動を自由に制御することができる。

第１実施形態例のパルス管冷凍機の構成を示す図である。 第１実施形態例のパルス管冷凍機に係わる各開閉弁の開通タイミングを示す図である。 パルス管冷凍機のパルス管内の作動気体のＰＶ図である。 パルス管冷凍機のパルス管内の作動気体の圧力状態の変動を示す図である。 第２実施形態例のパルス管冷凍機の構成を示す図である。 第２実施形態例のパルス管冷凍機に係わる各開閉弁の第１開通タイミングを示す図である。 第２実施形態例のパルス管冷凍機に係わる各開閉弁の第２開通タイミングを示す図である。 第３実施形態例のパルス管冷凍機の構成を示す図である。 第３実施形態例のパルス管冷凍機に係わる各開閉弁の開通タイミングを示す図である。 第４実施形態例のパルス管冷凍機の構成を示す図である。 第４実施形態例のパルス管冷凍機に係わる各開閉弁の開通タイミングを示す図である。 第５実施形態例のパルス管冷凍機の構成を示す図である。 第５実施形態例のパルス管冷凍機に係わる各開閉弁の開通タイミングを示す図である。 第５実施形態例のパルス管冷凍機の変態形態の構成を示す図である。 第５実施形態例のパルス管冷凍機の変態形態に係わる各開閉弁の開通タイミングを示す図である。 第６実施形態例のパルス管冷凍機の構成を示す図である。 従来型のパルス管冷凍機の構成を示す図である。

符号の説明

１０：振動発生装置 １１：圧縮機 １１Ｈ：高圧端 １１Ｌ：低圧端
１２Ｈ：高圧通路 １２Ｌ：低圧通路
１３：流路切替手段 １３Ｈ：高圧弁口（開閉弁） １３Ｌ：低圧弁口（開閉弁）
２１：第１冷凍回路 ２２：第２冷凍回路
２１１：第１蓄冷器 ２２１：第２蓄冷器
２１２：第１パルス管 ２１２Ｈ：（第１）高温端 ２１２Ｌ：（第１）低温端
２２２：第２パルス管 ２２２Ｈ：（第２）高温端 ２２２Ｌ：（第２）低温端
２１３：第１流路調節手段 ２２３：第２流路調節手段
２１３Ａ，２２３Ａ：オリフィス
２１４：第１バッファータンク ２２４：第２バッファータンク
３１：バイパス通路 ３１１：第３流路調節手段 ３１１Ａ：オリフィス
４：ディスプレーサー系統 ４１：シリンダ ４２：ディスプレーサー
４１１：第１径部 ４１２：第２径部
４２１：第１段部 ４２２：第２段部
４３１：第１膨張空間 ４３２：第２膨張空間 ４３３：バック空間
Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４，Ｓ２０，Ｓ２１，Ｓ３０，Ｓ３１：通路
Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３：連通路

Claims (9)

1. 作動気体を吐出する高圧端及び作動気体を吸入する低圧端を持つ圧縮機と、前記圧縮機の前記高圧端及び前記低圧端にそれぞれ接続された高圧通路及び低圧通路と、前記高圧通路の開閉と前記低圧通路の開閉とを切り替える流路切替手段と、を備える振動発生装置と、
   前記振動発生装置の前記高圧通路及び前記低圧通路に順次接続された第１蓄冷器と、第１高温端及び第１低温端を持つ第１パルス管と、第１流路調節手段と、第１バッファータンクとからなる第１冷凍部と、
   前記振動発生装置の前記高圧通路及び前記低圧通路に順次接続された前記第１蓄冷器と、第２蓄冷器と、第２高温端及び第２低温端を持つ第２パルス管と、第２流路調節手段と、第２バッファータンクとからなる第２冷凍部と、
   前記第１蓄冷器と前記振動発生装置とを結ぶ第１通路と、前記第１流路調節手段と前記第１パルス管とを結ぶ第２通路と、前記第２流路調節手段と前記第２パルス管とを結ぶ第３通路とを備え、前記第１通路と前記第２通路と前記第３通路とを結ぶバイパス通路と、
   前記バイパス通路に設けられ、第１径部と第２径部を備えるシリンダと、前記第２径部に収容され内部に第２膨張空間を形成する第２段部と前記第１径部に収容され前記第２段部と共に第１膨張空間及び背向側にバック空間を形成する第１段部とからなり前記シリンダの軸長方向に往復動可能に設けられたディスプレーサーとを備えるディスプレーサー系統と、を有するパルス管冷凍機。
2. 前記バイパス通路は、前記ディスプレーサー系統の前記バック空間と前記第１通路とを接続する第１連通路と、前記ディスプレーサー系統の前記第１膨張空間と前記第２通路とを接続する第２連通路と、前記ディスプレーサー系統の前記第２膨張空間と前記第３通路とを接続する第３連通路と、を有する請求項１に記載のパルス管冷凍機。
3. 前記第１連通路には、バイパス通路を流れる気体の流量を調節する第３流路調節手段が設けられている請求項１または２のいずれか１項に記載のパルス管冷凍機。
4. 前記第１流路調節手段及び前記第２流路調節手段はオリフィス、または開閉弁のいずれか一方、もしくは前記オリフィス及び前記開閉弁の組み合わせたもので構成される請求項１または２のいずれか１項に記載のパルス管冷凍機。
5. 前記ディスプレーサー系統は、前記バック空間を第１バック空間と第２バック空間とに区画し、前記シリンダの軸長方向に往復動可能に設けられた第３段部と、前記第２バック空間に連通する第３バッファータンクと、を有する請求項１または２のいずれか１項に記載のパルス管冷凍機。
6. 前記ディスプレーサー系統は、前記第２バック空間と前記第３バッファータンクとの間に第４流路調節手段が設けられ、前記第３段部と前記第１段部前記第２段部との間に、前記第３段部と前記第１段部前記第２段部とを係合する係合手段が設けられている請求項５に記載のパルス管冷凍機。
7. 前記係合手段は、前記第３段部あるいは前記第１段部のいずれか一方に連結された連結部と、前記連結部の一端に該連結部と一体に形成された係合部と、内部に前記係合部を収容する収容空間と前記係合部が前記収容空間内に軸方向に往復動、かつ係合可能な係合開口部とを形成する前記第１段部前記第２段部あるいは前記第３段部と、を備える請求項６に記載のパルス管冷凍機。
8. 前記第１通路は、前記第１連通路を介して前記第１バック空間に接続されている請求項５または６のいずれか１項に記載のパルス管冷凍機。
9. 前記ディスプレーサー系統は、前記第２バック空間と前記第３バッファータンクとの間に第４流路調節手段が設けられ、前記第４流路調節手段と前記第２バック空間とを結ぶ第６通路と前記第１バック空間との間に第５流路調節手段が設けられ、前記第１バック空間と前記第５流路調節手段とを結ぶ第５通路と前記第１通路との間に第１連通路が設けられている請求項５に記載のパルス管冷凍機。

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