JP2009063209A - パルス管冷凍機およびその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 安定した高い冷凍能力と、量産時においても均一な冷凍能力を有するとともに、パルス管の高温側から低温側方向の循環流が発生した場合でも冷凍機を停止することなくその循環流を解消し、長期間安定した冷凍能力を確保できるコストの安いパルス管冷凍機を提供すること。
【解決手段】 パルス管冷凍機１は、圧縮部２と、切換弁３と、蓄冷器４と、パルス管７と、バイパス回路９と、バッファ回路１０とを備え、切換弁３の供給弁３ａと戻り弁３ｂを開閉制御して、パルス管７とバイパス回路９と蓄冷器４とを経由してパルス管７に循環する循環流を発生させ、又は、循環流の発生を抑える。
【選択図】 図５

Description

本発明は、循環流制御を備えたパルス管冷凍機およびその制御方法に関するものである。

従来技術のダブルインレット型パルス管冷凍機では、パルス管高温端から低温端に向かう方向の循環流が起因する熱損失を抑制する手段として、パルス管の高温端と圧縮機の吐出口との間を連通する通路と、該通路の流量を調整する流量調整手段とを備え、流量調整手段は、張り合わせた２枚の基板からなり、一方の穴と他方の基板に成形した第１の穴と他方の基板に成形した第２の穴とを相互に連通させるとともに、第１の穴を圧縮機の吐出口側にむかって徐々に開放する形状とし、且つ、第２の穴をパルス管の高温端部側にほぼ直角近い段差を持って開放する形状とすることで、パルス管の高温端部から低温端部に向かう循環流を抑え、パルス管の低温端部から高温端部に向かう循環流にしてパルス管の高温端部からパルス管の低温端部に流入する常温の温まったガスによる熱損失を防いでいる。（例えば、特許文献１。）。

また、パルス管の低温端と蓄冷器の低温端とを吸熱用連結路を介して連通し、圧縮機から冷媒ガス給排路を介して蓄冷器の高温端に供給される冷媒ガスを蓄冷器、吸熱用連結路を介してパルス管の低温端から高温端に向けて導入し、パルス管の高温端と蓄冷器の高温端とをキャピラリーで構成されたバイパス路で連通し、バイパス路の蓄冷器側での端部を冷媒ガス給排路における冷媒ガスの最大流速安定領域に開放させたダブルインレット型パルス管冷凍機がある。このパルス管冷凍機は、圧縮機から蓄冷器の高温端に向けて導入される冷媒ガスの流れによりキャピラリーの蓄冷器の高温端側のバイパス路の端部に冷媒ガス給排路の通路部分の圧力より低い圧力を生じさせ、パルス管の低温端から高温端に向かう方向の循環流を生じさせ、パルス管の高温端からの常温の温まったガスの流入による熱損失を防いでいる（例えば、特許文献２。）。

また、作業流体の圧縮機から圧力切換弁、蓄冷器、パルス管、及びオリフィスまたは絞り弁を経てバッファタンクに至る流路と、圧力切換弁と蓄冷器とを結ぶ流路とパルス管とオリフィスまたは絞り弁とを結ぶ流路とを連結する短絡流路及び該短絡流路に設けた流路調節機構とからなり、パルス管の低温端における冷凍温度を検出する検出系と、検出された冷凍温度に応じてダブルインレット型パルス管冷凍機の運転の開始と停止を制御する制御系を設けて、冷凍機の運転の開始と停止による温度調節で冷凍温度を一定に保つダブルインレット型パルス管冷凍機がある（例えば、特許文献３。）。
第２７４９５４９号公報 特開２０００−２４９４１５号公報 特開平８−２５４３６５号公報

しかしながら、特許文献１のダブルインレット型パルス管冷凍機では、基板に開けた穴の形状で一方方向に流れる流路抵抗と反対方向に流れる流路抵抗を違えることで循環流の制御を行うため、穴の形状や寸法の僅かな違いにより循環流の方向や流量が変化し、パルス管低温端で熱損失が発生したり、熱損失が増大する恐れが生じ、冷凍能力が減少したり、不安定になるといった問題がある。また、穴形状や寸法の僅かな違いよって穴を流動する冷媒ガスの流れが影響を受けるため、冷凍機を量産する場合に均一な冷凍能力を確保することが難しくなると言った問題も生じる。また、一度パルス管の高温端部から低温端部方向の循環流が発生すると冷凍機を停止しなければ循環流が止まらないと言う問題もある。

また、特許文献２のダブルインレット型パルス管冷凍機では、キャピラリーの一端が最大流速安定領域に開かれているが、１サイクル中、キャピラリーの蓄冷器の高温端側が冷媒ガス給排路の通路部分の圧力より低い圧力（以下、負圧）を確保するに必要な冷媒ガスの流速を得られない場合があり、パルス管の低温端から高温端に向かう方向の流れを安定させることができない恐れがあり、パルス管の高温端からの常温の温まった冷媒ガスがパルス管の低温端に流入して冷凍能力を低下させる問題がある。また、ガス給排路の通路部分を流れる冷媒ガスの流れに中にキャピラリーの一端側を流れ方向にほぼ直交して配置する場合は、冷媒ガスの流れが乱され負圧が確保し難い問題もある。

また、特許文献３のダブルインレット型パルス管冷凍機では、長時間運転にともなう循環流の成長による冷凍温度の不安定を解消するために運転の開始と停止による温度調整で冷凍温度を一定温度幅に保っているが、停止中の冷凍を確保するため、連続運転使用の冷凍機より大きな冷凍能力が必要になり、また、低温部の熱容量も大きくしなければならず、冷凍機が大型になり冷凍機のコストが高くなると言った問題がある。

本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、パルス管の高温側から低温側方向の循環流の発生を抑え、安定した高い冷凍能力と、量産時においても均一な冷凍能力を有するとともに、パルス管の高温側から低温側方向の循環流が生じた場合でも冷凍機を停止することなくその循環流を解消し、長期間安定した冷凍能力を確保できるコストの安いパルス管冷凍機およびその制御方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、吸入口より吸入した作動ガスを圧縮して吐出口より吐出する圧縮部と、吐出口からの作動ガスの流れを開閉制御する供給弁と、吸入口への作動ガスの流れを開閉制御する戻り弁と、を有する切換弁と、供給弁と戻り弁とに連通する蓄冷器と、蓄冷器の低温端に連通するパルス管と、一端がパルス管の高温端と連通し他端が供給弁と戻り弁とに連通する第１流量調整手段を有するバイパス回路と、バッファタンクと、一端がバッファタンクと連通し他端がパルス管の高温端と連通する第２流量調整手段と、を有するバッファ回路と、を備えたパルス管冷凍機であって、供給弁と戻り弁の開閉により、パルス管とバイパス回路と蓄冷器とを経由してパルス管に循環する方向の作動ガスの循環流を発生させ、又は、パルス管を循環する作動ガスの発生を抑えた循環流制御を備えた。

また、請求項２に記載の発明は、パルス管の高温端から流入する１サイクル当りの作動ガスのガス量は、流出する１サイクル当りの作動ガス量より少ないか、又は、同じである。

また、請求項３に記載の発明は、切換弁は、供給弁を閉じて戻り弁を開くまでの時間と、戻り弁を閉じて供給弁を開くまでの時間と、を調整する。

また、請求項４に記載の発明は、パルス管は、温度センサを備え、温度センサの信号により切換弁の供給弁と戻り弁とが制御される。

請求項１に記載の発明では、作動ガスがパルス管とバイパス回路と蓄冷器とを経由してパルス管に循環する循環流（以下、パルス管の低温側から高温側方向の循環流）を発生させるか、又は、パルス管を循環する作動ガスの発生を抑えるか、のいずれかになるように切換弁の供給弁と戻り弁を開閉制御することで、蓄冷器とバイパス回路とパルス管とを経由して蓄冷器に循環する循環流（以下、パルス管の高温側から低温側方向の循環流）の発生を防ぐことが出来るので、パルス管の高温端側の温かい作動ガスがパルス管の低温端側に流入せず、安定した高い冷凍能力と、量産時においても均一な冷凍能力を有するパルス管冷凍機を提供できる。また、パルス管の高温側から低温側方向の循環流が発生した場合でも冷凍機を停止することなく、切換弁の供給弁と戻り弁を開閉制御してパルス管の高温側から低温側方向の循環流を解消できる。よって、従来技術のようにパルス管冷凍機を大型にする必要がなく、長期間安定した冷凍能力を確保できるコストの安いパルス管冷凍機を提供できる。

また、請求項２に記載の発明では、パルス管の高温端から流入する１サイクル当りの作動ガスのガス量は流出するガス量より少いか、又は、同じであるので、パルス管の低温側から高温側方向の循環流が発生する場合、又は、循環流が発生しない場合にすることができる。

また、請求項３に記載の発明では、供給弁を閉じて戻り弁を開くまでの時間と、戻り弁を閉じて供給弁を開くまでの時間を調整することで、パルス管の高温端から流入する１サイクル当りの作動ガスのガス量を流出するガス量より少くするか、又は、同じにすることで、パルス管の低温側から高温側方向の循環流が発生する場合と、又は、循環流が発生しない場合になり、パルス管の高温端側の温かい作動ガスがパルス管の低温端側方向に流入せず、安定した高い冷凍能力と、量産時においても均一な冷凍能力を有するパルス管冷凍機を提供できる。

また、請求項４に記載の発明では、パルス管に備えた温度センサで、パルス管内のガス温度が検知でき、パルス管の高温側から低温側方向の循環流の発生の有無が検知できるので、温度センサの信号により切換弁の供給弁と戻り弁を開閉制御することで、パルス管の高温側から低温側方向の循環流が発生した場合でも冷凍機を停止することなく、パルス管の高温側から低温側方向の循環流の発生を解消することができ、長期間安定した冷凍能力を確保できるパルス管冷凍機を提供できる。

（実施形態１）
以下に本発明の実施形態を図面を参照しつつ詳細に説明する。

図１は、本発明に係わる実施形態１のパルス管冷凍機の回路図を示す。パルス管冷凍機１は、圧縮部２と、切換弁３（流量制御手段）と、蓄冷器４と、パルス管７と、バイパス回路９と、バッファ回路１０と、配管１２、１３、１４、１５とから構成される。また、冷凍部１ａは、蓄冷器４と、パルス管７と、バイパス回路９と、バッファ回路１０と、配管１４、１５とから構成される。

圧縮部２は、吐出口２ａと吸入口２ｂとを備え、吸入口２ｂから吸入したヘリウム（作動ガス）を圧縮して吐出口２ａに圧送する。吐出口２ａは、配管１２を介して切換弁３に設けられた供給弁３ａの流入口３ｄに連通し、吸入口２ｂは配管１３を介して切換弁３に設けられた戻り弁３ｂの流出口３ｇに連通する。供給弁３ａの流出口３ｅと、戻り弁３ｂの流入口３ｆとは、二つに分岐した配管１４を介して蓄冷器４の高温端４ａに連通する。蓄冷器４の低温端４ｂは、配管１５を介してパルス管７の低温端７ｂに連通する。

バイパス回路９は、ニードル弁９ａ（第１流量調整手段）と、ニードル弁９ａの両端に接続した直線形状の配管９ｂ、Ｌ字形状の配管９ｃから構成される。配管９ｂの端部は配管１４に接続され、ニードル弁９ａは配管９ｂ、１４を介して切換弁３の供給弁３ａの流出口３ｅと戻り弁３ｂの流入口３ｆとに接続される。配管９ｃは、パルス管７の高温端７ａに接続される。

切換弁３は、モータや電磁石などの駆動手段３ｃが設けられ、駆動手段３ｃで供給弁３ａ、戻り弁３ｂを開閉制御して圧縮部２との間を往復流動するヘリウムの流れを制御する。また、切換弁３は、パルス管７の高温側から低温側方向の循環流が発生しないよう事前に供給弁３ａ、戻り弁３ｂの開閉時間が設定される。

また、バッファ回路１０は、バッファタンク１０ａと、ニードル弁１０ｂ（第２流量調整手段）と、配管１０ｃ、１０ｄとから構成され、配管１０ｄの端部は配管９ｃの途中に接続される。ニードル弁１０ｂは、バッファタンク１０ａに流出入するガス量の調整と、バッファタンク１０ａの容積とニードル弁１０ｂの流路抵抗とでパルス管７の圧力の位相を良好にする、即ち、パルス管７の低温端７ｂ側の膨張仕事を大きくする機能を有する。

蓄冷器４には、金網などの蓄冷材４ｃが充填され、蓄冷器４を往復流動するヘリウムと蓄冷材４ｃとが熱交換する。また蓄冷器４の低温端４ｂのヘッド５には、被冷却体２２ｂが固定され、低温端４ｂのヘッド５は吸熱器を形成する。

パルス管７の低温端７ｂ側には被冷却体２２ａが固定され、パルス管７の低温端７ｂ側は吸熱器６を形成される。また、パルス管７の高温端７ａ側の外周面には多数枚のフィン８ａが設けられ、パルス管７の高温端７ａ側とフィン８ａとで放熱器８が形成され、放熱器８はヘリウムがパルス管７の高温端７ａ側でなす圧縮仕事の熱を外部に放熱する。

パルス管７の低温端７ｂ側の外周面と、パルス管７の軸方向ほぼ中間の外周面とに、それぞれ温度センサ２１ａ、２１ｂとが配備され、温度センサ２１ａ、２１ｂの信号は制御装置２０に入力される。

制御装置２０は、パルス管冷凍機１の冷凍能力と、吸熱器５の温度、吸熱器６の温度、温度センサ２１ａ、２１ｂの設置位置における温度との関係、および冷凍能力と温度センサ２１ａ、２１ｂの設置位置間の軸方向の温度勾配とが事前にメモリされている。

また、制御装置２０は、切換弁３の駆動手段３ｃにより、供給弁３ａと、戻り弁３ｂの開閉制御、および圧縮部２の運転制御とを行うとともに、供給弁３ａと、戻り弁３ｂの開閉時間を事前に設定することができ、さらには、温度センサ２１ａ、２１ｂの検知信号、あるいは温度センサ２１ａと２１ｂの検知信号から算出したパルス管７の管壁の軸方向の温度勾配によって供給弁３ａと、戻り弁３ｂの開閉制御ができる。

次に、実施形態１の作用と効果について説明する。

図２は、図１の回路において、循環流が発生してない場合のパルス管の圧力波形とパルス管７の低温端７ｂのガス片１１ａの容積移動量を示す。図２に示すように、冷凍機１の１サイクルは、切換弁３の供給弁３ａが開で戻り弁３ｂが閉である状態の時間ｔ１の昇圧行程と、供給弁３ａと戻り弁３ｂが共に閉である状態の時間ｔ２の高圧移行行程と、供給弁３ａが閉で戻り弁３ｂが開である状態の時間ｔ３の降圧行程と、供給弁３ａと戻り弁３ｂが共に閉である状態の時間ｔ４の低圧移行行程とから形成される。図３は、各行程のヘリウムの流れを示し、矢印線は、流れがあることと、流れ方向とを示す。矢印線の太さの違いは、各行程においてのガス移動量の違いを示し、矢印極太線は矢印中太線よりガス移動量が多いことを示す。各行程の作用は以下に示す。尚、以下の説明のガス量は１サイクル当りのガス量である。

（時間ｔ１の昇圧行程の作用：供給弁３ａ開、戻り弁３ｂ閉）：図３の（ａ）、（ｂ）
圧縮部２で圧縮された高圧のヘリウムは、供給弁３ａが開き始めてから時間ｔ１の間、供給弁３ａを通過して、蓄冷器４の高温端４ａと、バイパス回路９のニードル弁９ａを通ってパルス管７の高温端７ａとに流入する。ニードル弁９の流路抵抗は、蓄冷器４の流路抵抗より大きいので、パルス管７の低温端７ｂには、蓄冷器４の高温端４ａに流入したヘリウムにより押込まれた蓄冷器４の低温端４ｂ側のヘリウムが流入する。

供給弁３ａが開き始めてから時間ｔ１ａ(図２)までの供給初期時間では、図３の（ａ）に示すように、バッファタンク１０ａの方がパルス管７の圧力より高いので、バッファタンク１０ａのヘリウムがニードル弁１０ｂを通過してパルス管７の高温端７ａに流入し、時間ｔ１ａでバッファタンク１０ａの圧力とバイパス回路９の配管９ｃの圧力（＝パルス管９の圧力）とが等しくなる。

時間ｔ１から時間ｔ１ａの間では、バイパス回路９の配管９ｃの圧力（＝パルス管９の圧力）がバッファタンク１０ａの圧力より高くなり（図２）、また配管１４の圧力はバッファタンク１０ａの圧力より高いので、図３の（ｂ）に示すように、パルス管７の高温端７ａから流出したヘリウムと、圧縮部２の吐出口２ａから供給弁３ａ、ニードル弁９ａを通過したヘリウムとは、合流し、バイパス回路９のニードル弁１０ｂを通過してバッファタンク１０ａへ流入しバッファタンク１０ａの圧力を高める。配管１４から蓄冷器４を通ってパルス管７の低温端７ｂに流入したヘリウムはパルス管７、及び蓄冷器４の圧力を高め、パルス管７、及び蓄冷器４の圧力は時間の経過とともに圧縮部２の吐出圧（圧縮部の高圧）に漸近する。

質量保存則により、時間ｔ１の行程で圧縮部２から冷凍部１ａに供給される１サイクルのヘリウム量Ｍｓは、冷凍部１ａの各部位に供給される１サイクルのヘリウムの量に等しい。即ち、Ｍｓは、蓄冷器４（ガス量Ｍ１ｒ）と、バイパス回路９経由のパルス管７（ガス量Ｍ１ｐ）と、バイパス回路９経由のバッファタンク１０ａ（ガス量Ｍ１ｂ）とへ流入した合計ガス量（Ｍｓ＝Ｍ１ｒ＋Ｍ１ｐ＋Ｍ１ｂ）に等しい。

（時間ｔ２の高圧移行行程の作用：供給弁３ａ閉、戻り弁３ｂ閉））：図３の（ｃ）
図３の（ｃ）に示すように、切換弁３によって、圧縮部２と冷凍部１ａとの間のヘリウムのやり取りが断たれるため、冷凍部１ａのヘリウムはバッファタンク１０ａに流入する。蓄冷器4内では、高温端４ａから低温端４ｂに向かうに連れ温度がほぼ直線的に低くなり、これに伴い高温端４ａから低温端４ｂに向かうに連れ、ヘリウムの粘性も低くなり、ヘリウムの密度は高くなることで、蓄冷器４の低温端４ｂ側の方が高温端４ａ側よりヘリウム量は多く偏在し、且つ、蓄冷器４の低温端４ｂ側の方が高温端４ａ側より流路抵抗が小さいので、蓄冷器４の低温端４ｂ側の方が高温端４ａ側より流れ易い。従って、時間ｔ２の高圧移行行程では、蓄冷器４内のヘリウムのうちバッファタンク１０ａに流入するヘリウムは、僅かしかバイパス回路９には流入せず、ほとんどはパルス管７の低温端７ｂに流入して、パルス管７内のヘリウム（ガスピストン１１ｂ）を押してパルス管７の高温端７ａ側のヘリウムをバッファタンク１０ａに充填し、バッファタンク１０ａの圧力を高める。

（時間ｔ３の降圧行程の作用：供給弁３ａ閉、戻り弁３ｂ開））：図３の（ｄ）、（ｅ）
蓄冷器４の高温端４ａ側のヘリウムは、戻り弁３ｂが開き始めてから時間ｔ３の間、配管１４から切換弁３の戻り弁３ｂを通過して圧縮部２の吸入口２ｂに流入し、パルス管７の高温端７ａ側のヘリウムは、バイパス回路９のニードル弁９ａを経由し、配管１４から切換弁３の戻り弁３ｂを通過して圧縮部２の吸入口２ｂに流入する。また、ニードル弁９ａの流路抵抗は、蓄冷器４の流路抵抗より大きいので、パルス管７の低温端７ｂ側のヘリウムは、蓄冷器４の低温端４ｂ側に流入する。

戻り弁３ｂを閉じ始めてから時間ｔ３ａ(図２)までの戻り初期時間では、パルス管７の圧力がバッファタンク１０ａより高いので、図３の（ｄ）に示すように、パルス管７の高温端７ａ側のヘリウムは、バッファタンク１０ａに流入してバッファタンク１０ａの圧力を高める。時間ｔ３ａではバッファタンク１０ａの圧力とバイパス回路９の配管９ｃの圧力（＝パルス管９の圧力）とが等しくなる。

時間ｔ３ａから時間ｔ３の間では、バイパス回路９の配管９ｃの圧力（＝パルス管９の圧力）がバッファタンク１０ａの圧力より低くなる（図２）ので、図３の（ｅ）に示すように、バッファタンク１０ａのヘリウムは、ニードル弁１０ｂを通った後、分岐してバイパス回路９のニードル弁９ａと、パルス管７の高温端７ａとに流入し、バッファタンク１０ａの圧力を低める。バイパス回路９のニードル弁９ａに流入したヘリウムはパルス管７の低温端７ｂから蓄冷器４を通ったヘリウムと配管１４で合流し、戻り弁３ｂを通過して圧縮部２の吸入口２ｂに流入する。パルス管７、及び蓄冷器４の圧力は時間の経過とともに圧縮部２の吸入圧（圧縮部の低圧）に漸近する。

質量保存則により時間ｔ３の行程で冷凍部１ａから流出されるヘリウム量は、圧縮部２へ戻されるヘリウムの量Ｍｄに等しい。即ち、Ｍｄは、蓄冷器４（ガス量Ｍ３ｒ）と、バイパス回路９経由のパルス管７（ガス量Ｍ３ｐ）と、バイパス回路９経由のバッファタンク１０ａ（ガス量Ｍ３ｂ）とが配管１４で合流したガス量、即ち、合計ガス量（Ｍｄ＝Ｍ３ｒ＋Ｍ３ｐ＋Ｍ３ｂ）に等しく、また時間ｔ１の行程で圧縮部２から供給されるヘリウム量Ｍ１に等しい。

（時間ｔ４の低圧移行行程の作用：供給弁３ａ閉、戻り弁３ｂ閉）：図３の（ｆ）
図３の（ｆ）に示すように、切換弁３によって、圧縮部２と冷凍部１ａとの間のヘリウムのやり取りが断たれるため、バッファタンク１０ａのヘリウムがガス源となってニードル弁１０ｂを経由し、冷凍部１ａの各部位に流入する。蓄冷器４の低温端４ｂ側の方が高温端４ａ側よりヘリウム量は多く偏在し、且つ、蓄冷器４の低温端４ｂ側の方が高温端４ａ側より流路抵抗が小さいので、蓄冷器４の低温端４ｂ側の方が高温端４ａ側より流れ易い。従って、時間ｔ４の低圧移行行程では、バッファタンク１０ａのヘリウムのうち冷凍部１ａに流入するヘリウムは、僅かしかバイパス回路９のニードル弁９ａには流入せず、ほとんどパルス管７の高温端７ａに流入し、パルス管７内のヘリウム（ガスピストン１１ｂ）を押してパルス管７の低温端７ｂ側のヘリウムを蓄冷器４の低温端４ｂ側に送込み、パルス管７、蓄冷器４の圧力を高める。以上の４つの行程で1サイクルが終了する。

圧縮部２から供給されるガス量Ｍｓは、蓄冷器４の高温端４ａに供給されるガス量Ｍ１ｒと、バイパス回路９を経由して、それぞれバッファタンク１０ａに流入するガス量Ｍ１ｂと、パルス管７の高温端７ａに流入するガス量Ｍ１ｐとの合計量Ｍｓ＝Ｍ１ｒ＋Ｍ１ｂ＋Ｍ１ｐであり、圧縮機２に戻されるガス量Ｍｄは、蓄冷器４の高温端４ａから圧縮部２に戻されるガス量Ｍ３ｒと、バイパス回路９を経由して、バッファタンク１０ａとパルス管７の高温端７ａとから圧縮部２に戻されるそれぞれのガス量Ｍ３ｂ、Ｍ３ｐとの合計量Ｍｄ＝Ｍ３ｒ＋Ｍ３ｂ＋Ｍ３ｐで、Ｍｓ＝Ｍｄである。従って、圧縮部２から蓄冷器４の高温端４ａに供給されるガス量Ｍ１ｒと、蓄冷器４の高温端４ａから圧縮部２に戻されるガス量Ｍ３ｒの差（Ｍ１ｒ−Ｍ３ｒ）は、（Ｍ１ｒ−Ｍ３ｒ）＝Ｍ３ｂ−Ｍ１ｂ＋Ｍ３ｐ−Ｍ１ｐとなる。

１サイクルにおけるバッファタンクの流入ガス量と流出ガス量は等しくＭｂであり、バッファタンク１０ａの流入ガス量Ｍｂは、昇圧行程の時間ｔ１ａから時間ｔ１の間に圧縮部２からバイパス回路９のニードル弁９ａを通ったヘリウムとパルス管７の高温端７ａから流出するヘリウムとが合流してバッファタンク１０ａに流入するガス量Ｍ１ｂ（図３の（ｂ））と、高圧移行行程の時間ｔ２の間にバッファタンク１０ａに流入するガス量Ｍ２（図３の（ｃ））と、降圧行程の戻り初期時間ｔ３ａの間にバッファタンク１０ａに流入するガス量Ｍ３ａ（図３の（ｄ））との合計Ｍｂ＝Ｍ１ｂ＋Ｍ２＋Ｍ３ａである。

バッファタンクの流出ガス量Ｍｂは、低圧移行行程の時間ｔ３ａから時間ｔ３の間にバッファタンク１０ａからバイパス回路９のニードル弁９ａを通って圧縮部２に戻るガス量とパルス管７の高温端７ａから流出するガス量とを合計したガス量Ｍ３ｂ（図３の（ｅ））と、低圧移行行程の時間ｔ４の間にバッファタンク１０ａから流出するガス量Ｍ４（図３の（ｆ））と、昇圧行程の供給初期時間ｔ１ａの間にバッファタンク１０ａからニードル弁１０ｂを通ってパルス管７の高温端７ａに流入するガス量Ｍ１ａ（図３の（ａ））との合計Ｍｂ＝Ｍ３ｂ＋Ｍ４＋Ｍ１ａであるので、Ｍ３ｂ−Ｍ１ｂ＝（Ｍ２＋Ｍ３ａ）−（Ｍ４＋Ｍ１ａ）となる。従って、前述の（Ｍ１ｒ−Ｍ３ｒ）は、（Ｍ１ｒ−Ｍ３ｒ）＝（Ｍ２＋Ｍ３ａ）−（Ｍ４＋Ｍ１ａ）＋（Ｍ３ｐ−Ｍ１ｐ）となる。

図２の循環流が発生していない場合、蓄冷器４の高温端４ａのガス流入量Ｍ１ｒと流出量Ｍ３ｒは等しくＭ１ｒ＝Ｍ３ｒで、パルス管７の高温端７ａのガス流入量Ｍ１ｐと流出量Ｍ３ｐも等しくＭ１ｐ＝Ｍ３ｐであるので、Ｍ２＋Ｍ３ａ＝Ｍ４＋Ｍ１ａとなる。即ち、図３の（ｃ）、（ｄ）の時間（ｔ２＋ｔ３ａ）間にパルス管７の高温端７ａからバッファタンク１０ａに流入するガス量（Ｍ２＋Ｍ３ａ）は、図３の（ｆ）、（ａ）の時間（ｔ４＋ｔ１ａ）間にバッファタンク１０ａからパルス管７の高温端７ａに流入するガス量（Ｍ４＋Ｍ１ａ）と等しくなる。従って、前述の高圧移行行程の時間ｔ２と降圧行程の戻り初期時間ｔ３ａでのパルス管７からバッファタンク１０ａに流入するガス量と、低圧移行行程の時間ｔ４と高圧行程の供給初期時間ｔ１ａでのバッファタンク１０ａからパルス管７に流出するガス量を等しくなるように時間（ｔ２＋ｔ３ａ）と、時間（ｔ４＋ｔ１ａ）を調整することで、パルス管７の高温端７ａ側を1サイクルにおいて移動するガス量が互いに打消し合い、蓄冷器４と、バイパス回路９と、パルス管７と、配管１５とから形成されるループを循環するヘリウムの循環流を起きなくすることができ、循環流による熱損失は発生しない。

図４は、図２のパルス管低温端側のＰＶ線図を示す。図４に示すように、ＰＶ線図は閉じており、閉じていることは、パルス管７の低温端７ａ側のガス片１１ａ（図１）が所定の位置を中心に所定の振幅量の往復運動をしていることで、循環流が発生していないこと示す。

図５は、図１の回路において、図中、反時計回り（パルス管７の低温側からパルス管７の高温側方向）の循環流が発生している場合のパルス管７の圧力波形とパルス管７の低温端７ｂのガス片１１ａの容積移動量を示す。前述と同様に１サイクルの４つの行程、即ち、時間ｔ１の行程、時間ｔ２の行程、時間ｔ３の行程、時間ｔ４の行程での各々の作用は、前述の循環流が生じない場合と同じであるが、循環流が生じない場合と異なる点は次の通りである。バッファタンク１０ａのヘリウムの流出入に着目すると、１サイクルにおいて、図３の（ｃ）、（ｄ）の時間（ｔ２＋ｔ３ａ）のパルス管７からバッファタンク１０ａに流入するガス量（Ｍ２＋Ｍ３ａ）は、図３の（ｆ）、（ａ）の時間（ｔ４＋ｔ１ａ）のバッファタンク１０ａからパルス管７の高温端７ａに流入するガス量（Ｍ４＋Ｍ１ａ）より多い。昇圧行程の時間ｔ１ａから時間ｔ１の間に圧縮部２からバイパス回路９を経由してバッファタンク１０ａに流入するガス量Ｍ１ｂは、降圧行程の時間ｔ３ａから時間ｔ４の間にバッファタンク１０ａからバイパス回路９を経由して圧縮部２に戻るガス量Ｍ３ｂより少なくなる（Ｍｂ＝Ｍ１ｂ＋（Ｍ２＋Ｍ３ａ）＝Ｍｂ３＋（Ｍ４＋Ｍ１ａ）によりＭ３ｂ−Ｍ１ｂ＝（Ｍ２＋Ｍ３ａ）−（Ｍ４＋Ｍ１ａ）＞０）。

前述と同様に、圧縮部２から蓄冷器４の高温端４ａに供給されるガス量Ｍ１ｒと、蓄冷器４の高温端４ａから圧縮部２に戻されるガス量Ｍ３ｒの差（Ｍ１ｒ−Ｍ３ｒ）は、（Ｍ１ｒ−Ｍ３ｒ）＝Ｍ３ｂ−Ｍ１ｂ＋Ｍ３ｐ−Ｍ１ｐ＝（Ｍ２＋Ｍ３ａ）−（Ｍ４＋Ｍ１ａ）＋Ｍ３ｐ−Ｍ１ｐとなる。後述のする図６のＰＶ線図が開いていることから、パルス管７の高温端７ａからの流出ガス量Ｍ３ｐは、流入ガス量Ｍ１ｐより大きく、Ｍ３ｐ−Ｍ１ｐ＞０である。また上述のＭ３ｂ−Ｍ１ｂ＝（Ｍ２＋Ｍ３ａ）−（Ｍ４＋Ｍ１ａ）＞０とから（Ｍ１ｒ−Ｍ３ｒ）＝（Ｍ２＋Ｍ３ａ）−（Ｍ４＋Ｍ１ａ）＋（Ｍ３ｐ−Ｍ１ｐ）＞０なる。従って、圧縮部２から蓄冷器４の高温端４ａに供給されるガス量は、蓄冷器４の高温端４ａから圧縮部２に戻されるガス量より（Ｍ２＋Ｍ３ａ）―（Ｍ４＋Ｍ１ａ）＋（Ｍ３ｐ−Ｍ１ｐ）多い。1サイクルにおいて（Ｍ２＋Ｍ３ａ）―（Ｍ４＋Ｍ１ａ）＋（Ｍ３ｐ−Ｍ１ｐ）より多いガス量が、図１における反時計回り（パルス管７の低温端７ｂからパルス管７を通ってパルス管７の高温端７ａ，バイパス回路９，蓄冷器４の高温端４ａを通って蓄冷器４の低温端４ｂ，配管１５，パルス管７の低温端７ｂ）の循環流が生じる。反時計回りの循環流は、時計回りの循環流が引き起こすパルス管７の高温端７ａ側の温かいヘリウムがパルス管７の低温端７ｂ側に流入する熱損失を生じない。

図６は、図５のパルス管低温端側のＰＶ線図を示す。図６に示すように、ＰＶ線図は開いており、図中の点Ｑ１がスタート点となって次の１サイクルが始まり、点Ｑ２に至ると１サイクルが終了するが、ＰＶ線図は開いている。次の１サイクルは、点Ｑ２がスタート点となって始り、ＰＶ線図は開いた状態で１サイクルを終了する。点Ｑ１から点Ｑ２の移動量ΔＶ（図６）は、パルス管７の低温端７ｂのガス片１１ａ(図１)がパルス管７の高温端７ａ方向へ１サイクルにおいて移動する容積量を示す。サイクルが連続して、この容積移動量ΔＶは反時計回りの循環流となるので、パルス管７の高温端７ａ側の温かいヘリウムがパルス管７の低温端７ｂ側に流入することはなく、冷凍能力はほとんど低下しない。また、時間（ｔ２＋ｔ３ａ）が時間（ｔ４＋ｔ１ａ）より短いと、上記の容積移動量ΔＶが蓄冷器４の低温端４ｂの方向へ移動してパルス管７の高温側から低温側方向の循環流となり、パルス管７の高温端７ａ側の温かいヘリウムがパルス管７の低温端７ｂ側に流入する熱損失となって冷凍能力を低下させる。

以上により、パルス管７の低温側から高温側方向の循環流が発生するようにするか、あるいは、循環流をなくすようにするか、の少なくとも一方になるよう切換弁３の供給弁３ａと戻り弁３ｂを開閉制御することで、パルス管７の高温端７ａ側の温かいヘリウムがパルス管７の低温端７ｂ側に流入しないので、安定した高い冷凍能力と、量産時においても均一な冷凍能力を有するパルス管冷凍機１を提供できる。また、パルス管７の高温側から低温側方向の循環流が発生した場合でも冷凍機１を停止することなく、切換弁３の供給弁３ａと戻り弁３ｂを開閉制御してパルス管７の高温側から低温側方向の循環流をなくすことが出来るので、従来技術のように、冷凍能力や、低温部の熱容量を大きくする必要はなく、パルス管冷凍機１を大型にする必要がなく、長期間安定した冷凍能力を確保できる安いコストのパルス管冷凍機１と、および、その循環流の制御方法を提供できる。

また、切換弁３の供給弁３ａと戻り弁３ｂを開閉制御して、パルス管７の高温端７ａから流入する１サイクル当りのヘリウムのガス量は流出するガス量より少なくするか、あるいはは、同じにするか、の少なくとも一方にすることで、パルス管７の低温側から高温側方向の循環流がある場合と、あるいは、循環流ない場合の少なくとも一方になることから、上述と同様の効果を生じる。

さらには、供給弁３ａと戻り弁３ｂが共に閉である状態の時間ｔ２と、供給弁３ａと戻り弁３ｂが共に閉である状態の時間ｔ４とを制御して、パルス管７の高温端７ａから流入する１サイクル当りのヘリウムのガス量を流出するガス量より少くするか、あるいは、同じにするか、の少なくとも一方にすることで、パルス管７の低温側から高温側方向の循環流がある場合と、あるいは、循環流ない場合の少なくとも一方になることから、パルス管７の高温端の温かい作動ガスがパルス管７の低温端７ｂ側に流入せず、安定した高い冷凍能力と、量産時においても均一な冷凍能力を有するパルス管冷凍機１を提供できる。更には、事前にパルス管ａの高温側から低温側方向の循環流の発生を防止したパルス管冷凍機１を提供できる。

（パルス管７の高温側から低温側方向の循環流が生じた場合の対応について）
被冷却体２２ａと２２ｂを冷却する冷却量が時間の経過に対して一定でない場合、パルス管７の高温側から低温側方向の循環流が生じると、パルス管７の低温端７ｂ側に常温の熱が侵入し、パルス管７の軸方向の温度勾配は、この侵入熱と同じ熱量が被冷却体２２ａに加わった場合のパルス管７の軸方向の温度勾配より傾斜が大きくなるので、高温側から低温側方向の循環流の発生を温度センナ２１ａ、２１ｂで検知できる。また、循環流が発生しており、循環流の流れが変化すると、温度勾配も変化するので循環流の変化も検知できる。従って、制御装置２０は、温度センサ２１ａと２１ｂの検知信号から算出したパルス管７の管壁の軸方向の温度勾配の信号により制御装置２０を介して供給弁３ａと戻り弁３ｂを開閉制御することで、パルス管７の高温側から低温側方向の循環流が生じても冷凍機１を停止することなく、供給弁３ａと、戻り弁３ｂを開閉制御してパルス管７の高温側から低温側方向の循環流が発生すると直ぐなくすことができる。従って、従来技術のように冷凍能力や、低温部の熱容量を大きくする必要はなく、冷凍機を大型にする必要もなく、長期間安定した冷凍能力を確保できる安いコストのパルス管冷凍機１を提供できる。

被冷却体２２ａと２２ｂを冷却する冷却量が時間の経過に対して一定の場合、循環流が発生していないならば、温度センサ２１ａの検知信号は変化しない。パルス管７に循環流が発生したり、ありは、循環流が発生しており循環流が変化したりすると、パルス管７の低温端７ｂ側の熱負荷も変化して温度センサ２１ａの検知信号が変化するので、循環流の発生や変化を温度センサ２１ａで検知できる。制御装置２０は、供給弁３ａと戻り弁３ｂを開閉制御してパルス管７の高温側から低温側方向の循環流が発生すると直ぐになくすことができる。従って、上述と同じ効果を生じる。

（実施形態２）
図７は、本発明に係わる実施形態２のパルス管冷凍機の回路図を示す。図７において、図１と同じ形状の部材の符号は、図１と同じ符号を付す。

図７のパルス管冷凍機５１は、圧縮部２と切換弁５３と冷凍部５１ａから構成される。図１のパルス管冷凍機１と異なる点は、以下の通りである。図７に示すように、切換弁５３の供給弁３ａと、戻り弁３ｂは、それぞれモータや電磁弁などの駆動手段５３ｃと、５３ｄが設けられ、駆動手段５３ｃと、５３ｄは、それぞれ供給弁３ａと、戻り弁３ｂを開閉制御することで、供給弁３ａと、戻り弁３ｂに、それぞれ駆動手段５３ｃと、５３ｄを設けたことで、切換弁５３は実施形態１より部品点数が増えるが、きめ細かな開閉制御できる。他の構成、作用、効果は実施形態１と同様である。

蓄冷器４の低温端４ｂには吸熱器５５が設けられ、また、パルス管７の低温端７ｂのヘッドにも吸熱器５６が設けられ、吸熱器５５と吸熱器５６は配管１５を介して互いに連通される。吸熱器５５と吸熱器５６は、ともに蓄冷器４の低温端４ｂ側とパルス管７の低温端７ｂ側との間を流動するヘリウムによって冷却され、それぞれ被冷却体２２ｂ、２２ａを冷却する。吸熱器５５、５６を設けることで、実施形態１より部品点数は増えるが、冷却効果は実施形態１より良好である。また、パルス管７の高温端７ａに放熱器５８が設けられ、放熱器５８はバイパス回路９とバッファ回路１０に連通している。放熱器５８は、パルス管７の高温端７ａ側でなされるヘリウムの圧縮仕事の熱を放熱する。放熱器５８を設けることで、実施形態１より部品点数が増えるが、冷却効果は実施形態１より良好である。他の構成、作用、効果は実施形態１と同様である。

本発明に係わる実施形態１のパルス管冷凍機の回路図を示す。 図１の回路における循環流が発生してい場合のパルス管の圧力波形とパルス管７の低温端のヘリウムの容積移動量を示す。 図１の回路における各行程のヘリウムの流れを示す。 図２のパルス管低温端側のＰＶ線図を示す。 図１の回路におけるパルス管の低温側からパルス管の高温側方向の循環流が発生している場合のパルス管の圧力波形とパルス管の低温端のガス片の容積移動量を示す。 図５のパルス管低温端側のＰＶ線図を示す。 本発明に係わる実施形態２のパルス管冷凍機の回路図を示す。

符号の説明

１、５１ パルス管冷凍機
２ 圧縮部
２ａ 吐出口
２ｂ 吸入口
３、５３ 切換弁
３ａ 供給弁
３ｂ 戻り弁
４ 蓄冷器
４ｂ 低温端
７ パルス管
７ａ 高温端
９ バイパス回路
９ａ ニードル弁（第１流量調整手段）
１０ バッファ回路
１０ａ バッファタンク
１０ｂ ニードル弁（第２流量調整手段）
２１ａ、２１ｂ 温度センサ

Claims (4)

1. 吸入口より吸入した作動ガスを圧縮して吐出口より吐出する圧縮部と、
   前記吐出口からの作動ガスの流れを開閉制御する供給弁と、前記吸入口への作動ガスの流れを開閉制御する戻り弁と、を有する切換弁と、
   前記供給弁と前記戻り弁とに連通する蓄冷器と、
   前記蓄冷器の低温端に連通するパルス管と、
   一端が前記パルス管の高温端と連通し他端が前記供給弁と前記戻り弁とに連通する第１流量調整手段を有するバイパス回路と、
   バッファタンクと、一端が前記バッファタンクと連通し他端が前記パルス管の高温端と連通する第２流量調整手段と、を有するバッファ回路と、
   を備えたパルス管冷凍機であって、
   前記供給弁と前記戻り弁の開閉により、前記パルス管と前記バイパス回路と前記蓄冷器とを経由して前記パルス管に循環する方向の作動ガスの循環流を発生させ、又は、前記パルス管を循環する作動ガスの発生を抑えた循環流制御を備えた、ことを特徴とするパルス管冷凍機。
2. 前記パルス管の前記高温端から流入する１サイクル当りの作動ガスのガス量は、流出する１サイクル当りの作動ガス量より少ないか、又は、同じである、ことを特徴とする請求項１に記載のパルス管冷凍機。
3. 前記切換弁は、前記供給弁を閉じて前記戻り弁を開くまでの時間と、前記戻り弁を閉じて前記供給弁を開くまでの時間と、を調整する、ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のパルス管冷凍機。
4. 前記パルス管は、温度センサを備え、前記温度センサの信号により前記切換弁の前記供給弁と前記戻り弁とが制御される、ことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載のパルス管冷凍機。

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