JP2011012925A - ４バルブ型パルスチューブ冷凍機 - Google Patents

Abstract

【課題】適正な冷凍能力を有するパルスチューブ冷凍機。
【解決手段】パルスチューブ冷凍機において、圧縮機の高圧供給側は、２つの供給路を有し、第１供給路は、第１開閉バルブを備える第１の高圧側配管を有し、蓄冷管の高温端に接続され、第２供給路は、第２開閉バルブを備える第２の高圧側配管、および流路制御バルブを備えパルス管の高温端に接続された共通配管を有する。圧縮機の低圧回収側は、２つの回収路を有し、第１回収路は、第３開閉バルブを備える第１の低圧側配管を有し、蓄冷管の高温端に接続され、第２回収路は、第４開閉バルブを備える第２の低圧側配管、および前記流路制御バルブを備えパルス管の高温端に接続された前記共通配管を有する。圧縮機の低圧回収側は、前記共通配管を介して、パルス管の高温端に接続された第３回収路を有し、該第３回収路は、流路抵抗部材を備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、パルスチューブ冷凍機に関し、特に、４バルブ型パルスチューブ冷凍機に関する。

従来より、極低温環境が必要となる装置、例えば、核磁気共鳴診断装置（ＭＲＩ）等を冷却する際に、パルスチューブ冷凍機が使用されている。

パルスチューブ冷凍機では、圧縮機により圧縮された作動流体である冷媒ガス（例えば、ヘリウムガス）が蓄冷管およびパルス管に流入する動作と、作動流体がパルス管および蓄冷管から流出され、圧縮機に回収される動作を繰り返すことで、蓄冷管およびパルス管の低温端に寒冷が形成される。また、これらの低温端に、被冷却対象を熱的に接触させることで、被冷却対象から熱を奪うことができる。

特に、４バルブ式パルスチューブ冷凍機は、高い冷却効率を有するという特徴を有し、様々な分野での適用が期待されている。

図１には、従来の単段（１段）式の４バルブ型パルスチューブ冷凍機の概略構成図を示す（特許文献１）。従来の単段式の４バルブ型パルスチューブ冷凍機１０は、圧縮機１２、高温端４２と低温端４４を有する蓄冷管４０、および高温端５２と低温端５４を有するパルス管５０を備える。蓄冷管４０の低温端４４とパルス管５０の低温端５４は、配管５６で接続されている。

圧縮機１２の高圧（供給）側および低圧（回収）側の冷媒用流路は、それぞれ二股に分岐されている。圧縮機１２の高圧側の冷媒用流路の一方は、開閉バルブＶ１が接続された第１の高圧側配管１５Ａおよび共通配管２０を介して、蓄冷管４０の高温端４２に接続されている。また、圧縮機１２の高圧側の冷媒用流路の他方は、開閉バルブＶ２が接続された第２の高圧側配管２５Ａおよび共通配管３０を介して、パルス管５０の高温端５２に接続されている。

同様に、圧縮機１２の低圧側の冷媒用流路の一方は、開閉バルブＶ３が接続された第１の低圧側配管１５Ｂおよび共通配管２０を介して、蓄冷管４０の高温端４２に接続されている。また、圧縮機１２の低圧側の冷媒用流路の他方は、開閉バルブＶ４が接続された第２の低圧側配管２５Ｂおよび共通配管３０を介して、パルス管５０の高温端５２に接続されている。なお、共通配管３０には、オリフィスのような流量制御バルブ６０が設置されている。

このように構成された４バルブ型パルスチューブ冷凍機１０では、高圧の冷媒ガスの供給過程において、開閉バルブＶ２が開かれると、冷媒ガスは、第２の高圧側配管２５Ａおよび共通配管３０を介して、パルス管５０の方に流入する。また、開閉バルブＶ１が開かれると、冷媒ガスは、圧縮機１２から、第１の高圧側配管１５Ａおよび共通配管２０を通り、蓄冷管４０、さらにはパルス管５０に流入される。一方、低圧の冷媒ガスの回収過程では、開閉バルブＶ４が開かれると、パルス管５０内の冷媒ガスは、パルス管５０の高温端５２から、共通配管３０および第２の低圧側配管２５Ｂを通り、圧縮機１２に回収される。また、開閉バルブＶ３が開かれると、パルス管５０内の冷媒ガスは、パルス管５０の低温端５４から、配管５６および蓄冷管４０を通り、共通配管２０および第１の低圧側配管１５Ｂを介して、圧縮機１２に回収される。

しかしながら、４バルブ型パルスチューブ冷凍機１０では、運転中に、冷媒ガスの供給過程／回収過程における冷媒ガス流量のアンバランスによって、例えば、開閉バルブＶ２〜流量制御バルブ６０〜パルス管５０〜配管５６〜蓄冷管４０〜共通配管２０〜開閉バルブＶ１で構成される閉回路（図１の矢印Ｌ）を循環する、冷媒ガスの二次流れが発生し易いという問題がある。このような二次流れは、一方向性であり、熱損失の原因となるため、二次流れが発生すると、冷凍機の冷却効率は、大幅に低下してしまう。

二次流れが発生する主な原因は、流量制御バルブ６０が冷媒ガスの双方向の流れの抵抗となり、高圧の冷媒ガスの供給時と低圧の冷媒ガスの回収時の間で、流量のアンバランスが生じやすいためである。例えば、冷媒ガスの供給過程において、流量制御バルブ６０を図１の下向きに流れる高圧冷媒ガスの量は、冷媒ガスの回収過程において、流量制御バルブ６０を図１の上向きに流れる低圧冷媒ガスの量に比べて多くなる場合が生じ得る。この場合、流量制御バルブ６０を上下に流通する冷媒ガス量のアンバランスによって、図１の矢印Ｌで示すような二次流れが発生し易くなる。

このような二次流れの発生を抑制するため、４バルブ型パルスチューブ冷凍機を図２のように構成することが提案されている。

図２は、従来の別の４バルブ型パルスチューブ冷凍機１０'の構成を模式的に示した図である。この図２に示すように、４バルブ型パルスチューブ冷凍機１０'では、前述の４バルブ型パルスチューブ冷凍機１０と比較すると、共通配管３０の流量制御バルブ６０が削除され、代わりに、第１の流量制御バルブ６０ａおよび第２の流量制御バルブ６０ｂが追加されている。第１の流量制御バルブ６０ａは、開閉バルブＶ２よりも下流側（図２の下側）になるようにして、第２の高圧側配管２５Ａに設置される。第２の流量制御バルブ６０ｂは、開閉バルブＶ４よりも上流側（図２の下側）になるようにして、第２の低圧側配管２５Ｂに設置される。

このような構成では、冷媒ガスの供給過程において、冷媒ガスの一部は、第１の流量制御バルブ６０ａが設置された第２の高圧側配管２５Ａ〜共通配管３０を介して、パルス管５０に流れる。また、冷媒ガスの回収過程においては、冷媒ガスの一部は、パルス管５０から、共通配管３０〜第２の流量制御バルブ６０ｂが設置された第２の低圧側配管２５Ｂを介して、圧縮機１２の方に流れる。従って、この場合、第１および第２の流量制御バルブ６０ａ、６０ｂを適正に制御することにより、パルス管５０の高温端５２からパルス管５０に供給される高圧の冷媒ガスの供給量と、パルス管５０の高温端５２からの低圧の冷媒ガスの排出量を、それぞれ独立に調節することができる。従って、図２のような構成にすることにより、前述のような閉回路を循環する二次流れの発生を抑制することができる。

特開２０００−１８７４２号公報

しかしながら、図２のように構成された４バルブ型パルスチューブ冷凍機１０'の場合、以下のような問題が生じ得る。

一般に、冷凍機を長期間稼働すると、高圧の冷媒ガスの流通により、開閉バルブＶ２が摩耗し、この際に、摩耗粉が発生する。ここで、図１のような構成では、流量制御バルブ６０には、双方向に冷媒ガスが流れるため、流量制御バルブ６０に摩耗粉が蓄積されることは生じ難い。

しかしながら、図２のような構成では、冷媒ガスは、第１の流量制御バルブ６０ａには、一方向（図２では、下向きの方向）に沿ってのみ流通することになる。この場合、開閉バルブＶ２の摩耗によって生じた摩耗粉は、冷媒ガスとともに第１の流量制御バルブ６０ａに混入し、その後も、該第１の流量制御バルブ６０ａにそのまま残留してしまうことになる。また、このような摩耗粉の混入、蓄積が顕著になると、第１の流量制御バルブ６０ａの流路面積が変化し、これにより、第１の流量制御バルブ６０ａの精度が低下してしまう。このような第１の流量制御バルブ６０ａの精度低下は、冷凍機の冷凍効率の低下につながり、さらには、冷凍機に適正な冷凍性能が得られなくなるおそれがある。

本発明は、このような背景に鑑みなされたものであり、本発明では、二次流れの発生を抑制することができるとともに、長期にわたって、適正な冷凍能力を維持することの可能な４バルブ型パルスチューブ冷凍機を提供することを目的とする。

本発明では、
高温端および低温端を有する蓄冷管と、
高温端、および前記蓄冷管の低温端と接続された低温端を有するパルス管と、
冷媒用の高圧供給側および低圧回収側を有する圧縮機であって、
前記高圧供給側は、２つの冷媒供給路を有し、
第１の冷媒供給路は、第１の開閉バルブを備える第１の高圧側配管を有し、前記蓄冷管の高温端に接続され、
第２の冷媒供給路は、第２の開閉バルブを備える第２の高圧側配管、および流路制御バルブを備え前記パルス管の高温端に接続された共通配管を有し、
前記低圧回収側は、２つの冷媒回収路を有し、
第１の冷媒回収路は、第３の開閉バルブを備える第１の低圧側配管を有し、前記蓄冷管の高温端に接続され、
第２の冷媒回収路は、第４の開閉バルブを備える第２の低圧側配管、および前記流路制御バルブを備え前記パルス管の高温端に接続された前記共通配管を有する、
圧縮機と、
を備える４バルブ型パルスチューブ冷凍機であって、
さらに、前記圧縮機の低圧回収側は、前記共通配管を介して、前記パルス管の高温端に接続された第３の冷媒回収路を有し、
該第３の冷媒回収路は、流路抵抗部材を備え、前記流量制御バルブと前記パルス管の高温端の間に接続される、４バルブ型パルスチューブ冷凍機が提供される。

本発明による４バルブ型パルスチューブ冷凍機において、前記流路抵抗部材は、別の流量制御バルブおよび／または開閉バルブであっても良い。

また、本発明による４バルブ型パルスチューブ冷凍機において、前記流路抵抗部材は、第５の開閉バルブであり、該第５の開閉バルブは、前記第４の開閉バルブと実質的に等しいタイミングで開閉されても良い。

また、当該４バルブ型パルスチューブ冷凍機は、２段式のパルスチューブ冷凍機であって、
前記第１の冷媒供給路は、第１段の蓄冷管の高温端に接続され、
前記第１の冷媒回収路は、前記第１段の蓄冷管の高温端に接続され、
前記第２の冷媒供給路および前記第２の冷媒回収路の前記共通配管は、第１段のパルス管の高温端に接続され、
前記第３の冷媒回収路は、前記共通配管を介して、前記流量制御バルブと前記第１段のパルス管の高温端の間に接続されても良い。

また、当該４バルブ型パルスチューブ冷凍機は、２段式のパルスチューブ冷凍機であって、
前記第１の冷媒供給路は、第１段の蓄冷管の高温端に接続され、
前記第１の冷媒回収路は、前記第１段の蓄冷管の高温端に接続され、
前記第２の冷媒供給路および前記第２の冷媒回収路の前記共通配管は、第２段のパルス管の高温端に接続され、
前記第３の冷媒回収路は、前記共通配管を介して、前記流量制御バルブと前記第２段のパルス管の高温端の間に接続されても良い。

また、当該４バルブ型パルスチューブ冷凍機は、２段式のパルスチューブ冷凍機であって、
前記第１の冷媒供給路は、第１段の蓄冷管の高温端に接続され、
前記第１の冷媒回収路は、前記第１段の蓄冷管の高温端に接続され、
前記第２の冷媒供給路および前記第２の冷媒回収路の前記共通配管は、第１段のパルス管の高温端に接続され、
前記第３の冷媒回収路は、前記共通配管を介して、前記流量制御バルブと前記第１段のパルス管の高温端の間に接続され、
前記圧縮機の高圧供給側は、さらに、第３の冷媒供給路を有し、該第３の冷媒供給路は、第６の開閉バルブを備える第３の高圧側配管、および第２の流路制御バルブを備え第２段のパルス管の高温端に接続された第２の共通配管を有し、
前記圧縮機の低圧回収側は、さらに、第４の冷媒回収路を有し、該第４の冷媒回収路は、第７の開閉バルブを備える第４の低圧側配管、および前記第２の流路制御バルブを備え前記第２段のパルス管の高温端に接続された前記共通配管を有し、
前記圧縮機の低圧回収側は、さらに、前記第２の共通配管を介して、前記第２段のパルス管の高温端に接続された第５の冷媒回収路を有し、
該第５の冷媒回収路は、第２の流路抵抗部材を備え、前記第２の流量制御バルブと前記第２段のパルス管の高温端の間に接続されても良い。

この場合、前記第２の流路抵抗部材は、さらに別の流量制御バルブおよび／または開閉バルブであっても良い。

あるいは、前記第２の流路抵抗部材は、第８の開閉バルブであり、該第８の開閉バルブは、前記第７の開閉バルブと同様のタイミングで開閉されても良い。

本発明では、二次流れの発生を抑制することができるとともに、長期にわたって、適正な冷凍能力を維持することの可能な４バルブ型パルスチューブ冷凍機を提供することができる。

従来の４バルブ型パルスチューブ冷凍機を概略的に示した図である。 従来の別の４バルブ型パルスチューブ冷凍機を概略的に示した図である。 本発明の第１の実施例による４バルブ型パルスチューブ冷凍機の一例を概略的に示した図である。 図３に示した４バルブ型パルスチューブ冷凍機の作動の際の、４つのバルブの開閉状態を時系列的に示した図である。 本発明の第２の実施例による４バルブ型パルスチューブ冷凍機の一例を概略的に示した図である。 図５に示した４バルブ型パルスチューブ冷凍機の作動の際の、５つのバルブの開閉状態を時系列的に示した図である。 本発明の第４の実施例による４バルブ型パルスチューブ冷凍機の一例を概略的に示した図である。 図７に示した４バルブ型パルスチューブ冷凍機の作動の際の、８つのバルブの開閉状態を時系列的に示した図である。 本発明の第５の実施例による４バルブ型パルスチューブ冷凍機の一例を概略的に示した図である。

以下、図面を参照して、本発明を詳しく説明する。

（第１の実施例）
図３は、本発明の第１の実施例による４バルブ型パルスチューブ冷凍機の一例を概略的に示した図である。

図３に示すように、本発明の第１の実施例による４バルブ型パルスチューブ冷凍機１００−１は、圧縮機１１２、蓄冷管１４０、パルス管１５０、およびこれらに接続された各配管類を備える。

蓄冷管１４０は、高温端１４２および低温端１４４を有する。パルス管１５０は、高温端１５２および低温端１５４を有する。パルス管１５０の高温端１５２および低温端１５４には、熱交換器が設置されている。蓄冷管１４０の低温端１４４とパルス管１５０の低温端１５４は、配管１５６で接続されている。

圧縮機１１２の高圧側（吐出側）の冷媒用流路は、Ａ点で、第１の高圧側配管１１５Ａおよび第２の高圧側配管１２５Ａの２方向に分岐されている。従って、圧縮機１１２から供給される高圧の冷媒ガスは、開閉バルブＶ１が接続された第１の高圧側配管１１５Ａおよび共通配管１２０を介して、蓄冷管１４０の高温端１４２に供給される（以下、この流路を「第１の冷媒供給路Ｈ１」という）。また、圧縮機１１２から供給される高圧の冷媒ガスの一部は、開閉バルブＶ２が接続された第２の高圧側配管１２５Ａおよび共通配管１３０を介して、パルス管１５０の高温端熱交換器１５２に供給される（以下、この流路を「第２の冷媒供給路Ｈ２」という）。なお、共通配管１３０には、流量制御バルブ１６０が設置されている。

一方、低圧側（吸込側）の冷媒用流路は、第１の冷媒回収路Ｌ１、第２の冷媒回収路Ｌ２、および第３の冷媒回収路Ｌ３の３方向に分岐されている。第１の冷媒回収路Ｌ１は、蓄冷管１４０〜共通配管１２０〜開閉バルブＶ３が設置された第１の低圧側配管１１５Ｂ〜Ｂ点〜圧縮機１１２の経路で構成される。第２の冷媒回収路Ｌ２は、パルス管１５０〜共通配管１３０〜開閉バルブＶ４が設置された第２の低圧側配管１２５Ｂ〜Ｃ点〜Ｂ点〜圧縮機１１２の経路で構成される。第３の冷媒回収路Ｌ３は、パルス管１５０〜共通配管１３０のＤ点で分岐した分岐配管１３５Ｂ〜Ｃ点〜Ｂ点〜圧縮機１１２の経路で構成される。分岐配管１３５Ｂには、オリフィス等の流量制御バルブ１７０が設置される。

次に、図４を用いて、図３のように構成された本発明による４バルブ型パルスチューブ冷凍機１００−１の動作について説明する。

パルスチューブ冷凍機１００−１の作動時には、バルブモータ等の駆動源による駆動により、４つの開閉バルブＶ１〜Ｖ４の開閉状態が周期的に変化する。図４は、パルスチューブ冷凍機１００−１の作動中の、４つの開閉バルブＶ１〜Ｖ４の開閉状態を時系列的に示した図である。以下、各過程について説明する。

（第１過程：時間０〜ｔ_１）
まず、時間ｔ＝０において、開閉バルブＶ２のみが開にされる。これにより、圧縮機１１２から、第２の冷媒供給路Ｈ２を通り、パルス管１５０に高圧の冷媒ガスが供給される。

（第２過程：時間ｔ_１〜ｔ_２）
次に、時間ｔ＝ｔ_１において、開閉バルブＶ２が開状態のまま、開閉バルブＶ１が開にされる。これにより、圧縮機１１２から、第１の冷媒供給路Ｈ１を通り、蓄冷管１４０に高圧の冷媒ガスが供給される。また、蓄冷管１４０に流入した冷媒ガスは、蓄冷器１４０内に設置された蓄冷材で冷却される。冷却された冷媒ガスは、配管１５６を介して、パルス管１５０に流入し、低温端１５４に設置された熱交換器で熱交換される。

（第３過程：時間ｔ_２〜ｔ_３）
次に、時間ｔ＝ｔ_２において、開閉バルブＶ１が開状態のまま、開閉バルブＶ２が閉にされる。蓄冷器１４０を介して冷却された冷媒ガスは、依然として、配管１５６を介して、パルス管１５０の低温端１５４からパルス管１５０内に流入する。しかしながら、この場合、第２の冷媒供給路Ｈ２を介した、パルス管１５０の高温端１５２からの冷媒ガスの供給が停止されているため、蓄冷器１４０からの冷却された冷媒ガスは、パルス管１５０の低温端１５４〜高温端１５２まで、パルス管１５０の延伸方向に沿って進行する。従って、冷媒ガスは、パルス管１５０の高温端１５２および低温端１５４の、両熱交換器と熱交換される。

さらに、予めパルス管１５０の高温端１５２側に収容されていた冷媒ガスの一部は、第３の冷媒回収路Ｌ３を介して排出され、圧縮機１１２に戻る。また一部の冷媒ガスは、パルス管１５０の高温端に接続されたリザーバ（図示されていない）に収容される。

以上の動作により、パルス管１５０（特に、低温端１５４）が冷却される。

（第４過程：時間ｔ_３〜ｔ_４）
次に、時間ｔ＝ｔ_３において、開閉バルブＶ１が閉にされる。また、開閉バルブＶ４が開にされる。これにより、パルス管１５０内の冷媒ガスは、第３の冷媒回収路Ｌ３の他、第２の冷媒回収路Ｌ２を介した経路を経由して、圧縮機１２２に戻るようになる。

（第５過程：時間ｔ_４〜ｔ_５）
時間ｔ＝ｔ_４では、開閉バルブＶ４が開状態のまま、開閉バルブＶ３が開にされる。これにより、パルス管１５０内の冷媒ガスは、第２および第３の冷媒回収路Ｌ２、Ｌ３を通る経路の他、パルス管１５０の低温端１５４から配管１５６および蓄冷管１４０を通る、第１の冷媒回収路Ｌ１を介しても、圧縮機１１２に戻るようになる。パルス管１５０内では、冷媒ガスの膨脹による寒冷が発生する。また、パルス管１５０から蓄冷管１４０への冷媒ガスの流入のため、蓄冷管１４０内の蓄冷材が冷却される。

（第６過程：時間ｔ_５〜ｔ_６）
次に、時間ｔ＝ｔ_５において、開閉バルブＶ３が開状態のまま、開閉バルブＶ４が閉にされる。これにより、第２の冷媒回収路Ｌ２を通る経路が遮断される。パルス管１５０内の冷媒ガスは、パルス管１５０の低温端１５４から、配管１５６および蓄冷管１４０を通り、第１の冷媒回収路Ｌ１を介して、圧縮機１１２に戻る。また、パルス管１５０内の一部の冷媒ガスは、パルス管１５０の高温端１５２から、第３の冷媒回収路Ｌ３を介して、圧縮機１１２に戻る。これにより、蓄冷管１４０内の蓄冷材がさらに冷却される。

以上の過程を１サイクルとして、サイクルが繰り返されることにより、パルス管１５０の低温端１５４に設置された被冷却対象（図３には示されていない）が冷却される。

ここで、前述のように、従来のパルスチューブ冷凍機１０'では、開閉バルブＶ２の摩耗によって生じた摩耗粉は、冷媒ガスとともに第１の流量制御バルブ６０ａに混入され、その後、該第１の流量制御バルブ６０ａにそのまま蓄積されてしまうという問題がある。このような摩耗粉の蓄積が顕著になると、第１の流量制御バルブ６０ａの流路面積が変化し、第１の流量制御バルブ６０ａの精度が低下してしまう。

これに対して、本発明によるパルスチューブ冷凍機１００−１では、第１過程〜第２過程の間、流量制御バルブ１６０には、図３の下向きに冷媒ガスが流れる。また、第４過程〜第５過程の間、流量制御バルブ１６０には、図３の上向きに冷媒ガスが流れる。すなわち、流量制御バルブ１６０には、１サイクル中に、図３の上向きと下向きの２方向に冷媒ガスが流通される。このため、本発明によるパルスチューブ冷凍機１００−１では、開閉バルブＶ２の摩耗によって生じた摩耗粉が、流量制御バルブ１６０に蓄積されることが有意に抑制される。従って、本発明によるパルスチューブ冷凍機１００−１では、長期にわたって、流量制御バルブ６０を適正に作動することができる。また、パルスチューブ冷凍機１００−１は、長期にわたって、適正な冷凍能力を維持することができる。

また、本発明によるパルスチューブ冷凍機１００−１では、第２の冷媒回収路Ｌ２および第３の冷媒回収路Ｌ３のそれぞれに、流量制御バルブ１６０および１７０が設置されている。従って、２つの制御バルブ１６０および１７０を調整することにより、第２の冷媒供給路Ｈ２からパルス管１５０に供給される冷媒ガスの量と、第２および第３の冷媒回収路Ｌ２、Ｌ３から排出される冷媒ガスの量をバランスさせることが可能になる。従って、本発明によるパルスチューブ冷凍機１００−１では、装置の冷凍性能および冷凍効率に悪影響を及ぼし得る、冷媒ガスの二次流れの発生を、有意に抑制することができる。

（第２の実施例）
図５は、本発明の第２の実施例による４バルブ型パルスチューブ冷凍機の一例を概略的に示した図である。

第２の実施例による４バルブ型パルスチューブ冷凍機１００−２は、前述の４バルブ型パルスチューブ冷凍機１００−１とほぼ同様に構成される。従って、図５において、図４と同様の部材等には、図４と同じ参照符号が付されている。

しかしながら、この実施例では、図４において第３の冷媒回収路Ｌ３に、さらに、開閉バルブ１７１（Ｖ５）が設置される。開閉バルブ１７１は、流量制御バルブ１７０よりも圧縮機１１２に近い側（すなわち低圧の冷媒ガスの流れの下流側）に設置される。

図６には、パルスチューブ冷凍機１００−２の作動中の、５つの開閉バルブＶ１〜Ｖ５の開閉状態を時系列的に示す。

パルスチューブ冷凍機１００−２においても、基本的な動作は、前述のパルスチューブ冷凍機１００−１と同様である。従って、前述の第１過程〜第６過程を１サイクルとし、このサイクルが繰り返されることにより、被冷却対象を冷却することができる。

なお、開閉バルブ１７１（Ｖ５）の開閉の時間タイミングは、開閉バルブＶ４と実質的に同じである。すなわち、開閉バルブ１７１（Ｖ５）は、第４過程（時間ｔ＝ｔ_３〜ｔ_４）〜第５過程（時間ｔ＝ｔ_４〜ｔ_５）において、開閉バルブＶ４とともに開状態にされる。

冷媒ガスは、第１〜第２過程の間、圧縮機１１２から、第２の冷媒供給路Ｈ２〜流量制御バルブ１６０が設置された共通配管１３０を介して、パルス管１５０に供給される。また、冷媒ガスは、第４〜第５過程の間、パルス管１５０から、流量制御バルブ１６０が設置された共通配管１３０〜第２の冷媒回収路Ｌ２を介して（および一部は、第３の冷媒回収路Ｌ３を介して）、圧縮機１１２に回収される。

従って、この構成においても、前述の効果が発揮される。すなわち、開閉バルブＶ２の摩耗によって生じた摩耗粉が、流量制御バルブ１６０に蓄積されることが有意に抑制される。また、二次流れの発生が有意に抑制される。さらに、この構成では、前述の図３の場合に比べて、第３の冷媒回収路Ｌ３に流れる冷媒ガスを、より高精度に制御することが可能となる。

（第３の実施例）
本発明の第３の実施例による４バルブ型パルスチューブ冷凍機は、前述の第２の実施例において、流量制御バルブ１７０を省略した構成を有する。

本構成では、開閉バルブ１７１（Ｖ５）の開閉を適正に制御することにより、第３の冷媒回収路Ｌ３に流れる冷媒ガスの量が制御され、前述のような二次流れの発生が抑制される。

第１〜第３の実施例からも明らかなように、本発明の４バルブ型パルスチューブ冷凍機において、前述のような効果を発揮するためには、（１）流量制御バルブ１６０に、冷媒ガスの双方向の流れが生じるようにし、（２）第３の冷媒回収路Ｌ３に、低圧の冷媒ガスの流れを調整することが可能な、いわゆる「流路抵抗部材」を設置すれば良い。従って、本発明は、前述の（１）、（２）の構成を有するいかなる４バルブ型パルスチューブ冷凍機をも包含するものである。なお、流路抵抗部材は、実施例１のような流量制御バルブ１７０（例えばオリフィス）であっても、第３の実施例のような開閉バルブ１７１であっても良い。あるいは、流路抵抗部材は、第２の実施例のように、複数の部材を有しても良い。

（第４の実施例）
図７は、本発明の第４の実施例による４バルブ型パルスチューブ冷凍機の一例を概略的に示した図である。このパルスチューブ冷凍機２００−１は、２段式の構造となっている。

図７に示すように、パルスチューブ冷凍機２００−１は、圧縮機２１２、第１段および第２段の蓄冷管２４０、２８０、第１段および第２段のパルス管２５０、２９０、第１および第２の配管２５６、２８６、第１および第２の「流路抵抗部材」２７３、３０３、ならびに開閉バルブＶ１〜Ｖ４等を備える。

第１段の蓄冷管２４０は、高温端２４２および低温端２４４を有し、第２段の蓄冷管２８０は、高温端２４４（第１段の低温端２４４に相当）および低温端２８４を有する。第１段のパルス管２５０は、高温端２５２および低温端２５４を有し、第２段のパルス管２９０は、高温端２９２および低温端２９４を有する。第１段および第２のパルス管２５０、２９０の各高温端２５２、２９２および低温端２５４、２９４には、熱交換器が設置されている。第１段の蓄冷管２４０の低温端２４４は、第１の配管２５６を介して、第１段のパルス管２５０の低温端２５４と接続される。また、第２段の蓄冷管２８０の低温端２８４は、第２の配管２８６を介して、第２段のパルス管２９０の低温端２９４と接続される。

圧縮機２１２の高圧側（吐出側）の冷媒用流路は、Ａ点で、３方向に分岐されており、第１〜第３の冷媒供給路Ｈ１〜Ｈ３が構成される。第１の冷媒供給路Ｈ１は、圧縮機２１２の高圧側〜開閉バルブＶ１が設置された第１の高圧側配管２１５Ａ〜共通配管２２０〜第１段の蓄冷管２４０で構成される。第２の冷媒供給路Ｈ２は、圧縮機２１２の高圧側〜開閉バルブＶ２が接続された第２の高圧側配管２２５Ａ〜流量制御バルブ２６０が設置された共通配管２３０〜第１段のパルス管２５０で構成される。第３の冷媒供給路Ｈ３は、圧縮機２１２の高圧側〜開閉バルブＶ６が接続された第３の高圧側配管２３５Ａ〜流量制御バルブ３１３が設置された共通配管２９９〜第２段のパルス管２９０で構成される。

一方、圧縮機２１２の低圧側（吸込側）の冷媒用流路は、第１〜第５の冷媒回収路Ｌ１〜Ｌ５の、５方向に分岐されている。第１の冷媒回収路Ｌ１は、第１段の蓄冷管２４０〜共通配管２２０〜開閉バルブＶ３が設置された第１の低圧側配管２１５Ｂ〜Ｂ点〜圧縮機２１２の経路で構成される。第２の冷媒回収路Ｌ２は、第１段のパルス管２５０〜流量制御バルブ２６０が設置された共通配管２３０〜開閉バルブＶ４が設置された第２の低圧側配管２２５Ｂ〜Ｃ点〜Ｂ点〜圧縮機２１２の経路で構成される。第３の冷媒回収路Ｌ３は、第１段のパルス管２５０〜共通配管２３０のＤ点で分岐した第３の低圧側配管２３５Ｂ〜Ｅ点〜Ｃ点〜Ｂ点〜圧縮機２１２の経路で構成される。第３の低圧側配管２３５Ｂには、第１の流路抵抗部材２７３が設置される。第４の冷媒回収路Ｌ４は、第２段のパルス管２９０〜流量制御バルブ３１３が設置された共通配管２９９〜開閉バルブＶ７が設置された第４の低圧側配管２４５Ｂ〜Ｆ点〜Ｅ点〜Ｃ点〜Ｂ点〜圧縮機２１２の経路で構成される。第５の冷媒回収路Ｌ５は、第２段のパルス管２９０〜共通配管２９９のＧ点で分岐した分岐配管２５５Ｂ〜Ｆ点〜Ｅ点〜Ｃ点〜Ｂ点〜圧縮機２１２の経路で構成される。

次に、このように構成された４バルブ型パルスチューブ冷凍機２００−１の動作について説明する。なお、以下の説明では、第１の流路抵抗部材２７３が開閉バルブＶ５を有し、第２の流路抵抗部材３０３が開閉バルブＶ８を有するものと仮定する。

図８は、パルスチューブ冷凍機２００−１の作動中の、８つの開閉バルブＶ１〜Ｖ８の開閉状態を時系列的に示した図である。パルスチューブ冷凍機２００−１の作動時には、パルスモータ等の駆動源による駆動により、８つの開閉バルブＶ１〜Ｖ８の開閉状態は、以下のように周期的に変化する。

（第１過程：時間０〜ｔ_２）
まず、時間ｔ＝０において、開閉バルブＶ６のみが開にされる。これにより、圧縮機２１２から、第３の冷媒供給路Ｈ３を介して、すなわち第３の高圧側配管２３５Ａ〜共通配管２９９〜高温端２９２の経路で、第２段のパルス管２９０に冷媒ガスが供給される。その後、時間ｔ＝ｔ_１において、開閉バルブＶ６が開状態のまま、開閉バルブＶ２が開にされる。これにより、圧縮機２１２から、第２の冷媒供給路Ｈ２を介して、すなわち第２の高圧側配管２２５Ａ〜共通配管２３０〜高温端２５２の経路で、第１段のパルス管２５０に冷媒ガスが供給される。

（第２過程：時間ｔ_２〜ｔ_３）
次に、時間ｔ＝ｔ_２において、開閉バルブＶ６、Ｖ２が開いた状態で、開閉バルブＶ１が開にされる。これにより、冷媒ガスは、圧縮機２１２から、第１の冷媒供給路Ｈ１を介して、すなわち第１の高圧側配管２１５Ａ〜共通配管２２０〜高温端２４２の経路で、第１段の蓄冷器２４０に導入される。冷媒ガスの一部は、第１の配管２５６を介して、第１段のパルス管２５０に、低温端２５４の側から流入する。また冷媒ガスの他の一部は、第２段の蓄冷器２８０を通り、第２の配管２８６を介して、第２段のパルス管２９０に、低温端２９４の側から流入する。

（第３過程：時間ｔ_３〜ｔ_５）
次に、時間ｔ＝ｔ_３において、開閉バルブＶ１が開状態のまま、まず開閉バルブＶ６が閉にされ、その後、開閉バルブＶ２も閉にされる（時間ｔ＝ｔ_４）。圧縮機２１２からの冷媒ガスは、第１の冷媒供給路Ｈ１のみを介して、第１段の蓄冷管２４０に流入し、その後、両パルス管２５０および２９０内に、低温端２５４および２９４の側から流入する。

（第４過程：時間ｔ＝ｔ_５）
時間ｔ＝ｔ_５において、全ての開閉バルブＶ１〜Ｖ６が閉にされる。第１段および第２段のパルス管２５０、２９０の圧力上昇のため、第１段および第２段のパルス管２５０、２９０内の冷媒ガスは、両パルス管の高温端２５２、２９２の側に設置されたリザーバ（図示されていない）の方に移動する。

（第５過程：時間ｔ_５〜ｔ_７）
その後、時間ｔ＝ｔ_５において、開閉バルブＶ７およびＶ８が開かれ、第２段のパルス管２９０内の冷媒ガスは、第４の冷媒回収路Ｌ４および第５の冷媒回収路Ｌ５を通って圧縮機２１２に戻る。その後、時間ｔ＝ｔ_６において、開閉バルブＶ４およびＶ５が開かれ、第１段のパルス管２５０内の冷媒ガスは、第２の冷媒回収路Ｌ２および第３の冷媒回収路Ｌ３を通って圧縮機２１２に戻る。これにより、両パルス管２５０、２９０の圧力が低下する。

（第６過程：時間ｔ_７〜ｔ_８）
次に、時間ｔ＝ｔ_７において、開閉バルブＶ７、Ｖ８、Ｖ４およびＶ５が開状態のまま、開閉バルブＶ３が開かれる。これにより、両パルス管２５０、２９０、および第２段の蓄冷管２８０内の冷媒ガスの大部分は、第１段の蓄冷管２４０を通り、第１の冷媒回収路Ｌ１を介して、圧縮機２１２に戻るようになる。

（第７過程：時間ｔ_８〜ｔ_１０）
次に、時間ｔ＝ｔ_８において、開閉バルブＶ３が開いた状態で、まず開閉バルブＶ７およびＶ８が閉止され、その後、開閉バルブＶ４およびＶ５が閉止される（時間ｔ＝ｔ_９）。

その後、時間ｔ＝ｔ_１０において、開閉バルブＶ３が閉止され、１サイクルが完了する。

パルスチューブ冷凍機２００−１では、第１過程〜第３過程（時間ｔ_１〜ｔ_４）の間、流量制御バルブ２６０に、図７の下向きに冷媒ガスが流れ、第５過程〜第７過程（時間ｔ_６〜ｔ_９）の間、流量制御バルブ２６０に、図７の上向きに冷媒ガスが流れる。また、第１過程〜第２過程（時間０〜ｔ_３）の間、流量制御バルブ３１３には、図７の下向きに冷媒ガスが流れ、第５過程〜第６過程（時間ｔ_５〜ｔ_８）の間、流量制御バルブ３１３に、図７の上向きに冷媒ガスが流れる。

すなわち、両流量制御バルブ２６０、３１３には、１サイクル中に、図７の上向きと下向きの２方向に冷媒ガスが流通される。このため、本発明によるパルスチューブ冷凍機２００−１では、開閉バルブＶ２およびＶ６の摩耗によって生じた摩耗粉が、それぞれ、流量制御バルブ２６０および３１３に蓄積されることが有意に抑制される。従って、本発明によるパルスチューブ冷凍機２００−１においても、長期にわたって、適正な冷凍能力を維持することができる。

また、本発明によるパルスチューブ冷凍機２００−１では、第１段のパルス管２５０の高温端２５２への高圧冷媒ガスの供給路（Ｈ２）と、第１段のパルス管２５０の高温端２５２からの低圧冷媒ガスの回収路（Ｌ２）とは、分離されている。また、第２段のパルス管２９０の高温端２９２への高圧冷媒ガスの供給路（Ｈ３）と、第２段のパルス管２９０の高温端２９２からの低圧冷媒ガスの回収路（Ｌ４）とは、分離されている。このため、本発明によるパルスチューブ冷凍機２００−１においても、冷凍性能および冷凍効率に悪影響を及ぼし得る、冷媒ガスの二次流れの発生を、有意に抑制することができる。

（第５の実施例）
図９は、本発明の第５の実施例による４バルブ型パルスチューブ冷凍機の一例を概略的に示した図である。

第５の実施例による４バルブ型パルスチューブ冷凍機２００−２は、前述の図７の４バルブ型パルスチューブ冷凍機２００−１とほぼ同様に構成される。従って、図９において、図７と同様の部材等には、図７と同じ参照符号が付されている。

しかしながら、この実施例では、図７における第３の冷媒回収路Ｌ３に相当する部分が排除されている。

すなわち、４バルブ型パルスチューブ冷凍機２００−２において、圧縮機２１２の低圧側（吸込側）の冷媒用流路は、第１および第２の冷媒回収路Ｌ１、Ｌ２と、第４および第５の冷媒回収路Ｌ４、Ｌ５の、４方向に分岐されている。

このような構成の４バルブ型パルスチューブ冷凍機２００−２において、作動中の各開閉バルブの開閉タイミングは、前述の図８において、開閉バルブＶ５を除いた場合に相当する。従って、ここでは、各過程については、説明しない。

これまでの説明から、図９に示した４バルブ型パルスチューブ冷凍機２００−２においても、開閉バルブＶ６の摩耗によって生じた摩耗粉が、流量制御バルブ３１３に蓄積されることが有意に抑制されることは、明らかであろう。また、この構成において、流量制御バルブ３１３が設置された共通配管２９９〜第２段のパルス管２９０〜第２の配管２８６〜第２段の蓄冷管２８０〜第１段の蓄冷管２４０〜共通配管２２０〜の間で、冷媒ガスの二次流れの発生を、有意に抑制することができることは、明らかであろう。

以上、本発明のいくつかの実施例について説明した。これらの実施例は、本発明の構成の一例を示したものであり、本発明を限定するものと解してはならない。例えば、図７に示した４バルブ型パルスチューブ冷凍機２００−１の構成において、第５の冷媒回収路Ｌ５は、省略されても良い。この場合も、〜共通配管２２０〜第１段の蓄冷管２４０〜第１の配管２５６〜第１段のパルス管２５０〜流量制御バルブ２６０が設置された共通配管２３０〜で構成される二次流れに対して、および流量制御バルブ２６０への摩耗粉の混入に対して、前述のような本発明の効果を得ることができる。

また、各実施例において、パルス管（第１段および／または第２段のパルス管）の高温端には、配管を介してリザーバが設置されていても良く、この配管には、オリフィス、流量制御バルブ、開閉バルブ等の流路抵抗部材が設置されていても良い。

さらに、例えば図８において、開閉バルブＶ６とＶ２を開くタイミングは、ほぼ等しくても良く、開閉バルブＶ７（およびＶ８）とＶ４（およびＶ５）を開くタイミングは、ほぼ等しくても良い。また、開閉バルブＶ６とＶ２を閉じるタイミングは、ほぼ等しくても良く、開閉バルブＶ７（およびＶ８）とＶ４（およびＶ５）を閉じるタイミングは、ほぼ等しくても良い。

本発明は、４バルブ型パルスチューブ冷凍機に適用することができる。

１０、１０' 従来の４バルブ型パルスチューブ冷凍機
１２ 圧縮機
１５Ａ 第１の高圧側配管
１５Ｂ 第１の低圧側配管
２０ 共通配管
２５Ａ 第２の高圧側配管
２５Ｂ 第２の低圧側配管
３０ 共通配管
４０ 蓄冷管
５０ パルス管
５６ 配管
６０ 流量制御バルブ
６０ａ、６０ｂ 流量制御バルブ
１００−１ 第１の実施例による４バルブ型パルスチューブ冷凍機
１００−２ 第２の実施例による４バルブ型パルスチューブ冷凍機
１１２ 圧縮機
１１５Ａ 第１の高圧側配管
１１５Ｂ 第１の低圧側配管
１２０ 共通配管
１２５Ａ 第２の高圧側配管
１２５Ｂ 第２の低圧側配管
１３０ 共通配管
１３５Ｂ 分岐配管
１４０ 蓄冷管
１５０ パルス管
１５６ 配管
１６０ 流量制御バルブ
１７０ 流量制御バルブ
１７１ 第５の開閉バルブ
２００−１ 第４の実施例による４バルブ型パルスチューブ冷凍機
２００−２ 第５の実施例による４バルブ型パルスチューブ冷凍機
２１２ 圧縮機
２１５Ａ 第１の高圧側配管
２１５Ｂ 第１の低圧側配管
２２０ 共通配管
２２５Ａ 第２の高圧側配管
２２５Ｂ 第２の低圧側配管
２３０ 共通配管
２３５Ａ 第３の高圧側配管
２３５Ｂ 第３の低圧側配管
２４０ 第１段の蓄冷管
２４５Ｂ 第４の低圧側配管
２５０ 第１段のパルス管
２５５Ｂ 分岐配管
２５６ 第１の配管
２６０ 流量制御バルブ
２７３ 第１の流路抵抗部材
２８０ 第２段の蓄冷管
２８６ 第２の配管
２９０ 第２段のパルス管
２９９ 共通配管
３０３ 第２の流路抵抗部材
３１３ 流量制御バルブ
Ｖ１〜Ｖ８ 開閉バルブ
Ｈ１ 第１の冷媒供給路
Ｈ２ 第２の冷媒供給路
Ｈ３ 第３の冷媒供給路
Ｌ１ 第１の冷媒回収路
Ｌ２ 第２の冷媒回収路
Ｌ３ 第３の冷媒回収路
Ｌ４ 第４の冷媒回収路
Ｌ５ 第５の冷媒回収路。

Claims (8)

1. 高温端および低温端を有する蓄冷管と、
   高温端、および前記蓄冷管の低温端と接続された低温端を有するパルス管と、
   冷媒用の高圧供給側および低圧回収側を有する圧縮機であって、
   前記高圧供給側は、２つの冷媒供給路を有し、
   第１の冷媒供給路は、第１の開閉バルブを備える第１の高圧側配管を有し、前記蓄冷管の高温端に接続され、
   第２の冷媒供給路は、第２の開閉バルブを備える第２の高圧側配管、および流路制御バルブを備え前記パルス管の高温端に接続された共通配管を有し、
   前記低圧回収側は、２つの冷媒回収路を有し、
   第１の冷媒回収路は、第３の開閉バルブを備える第１の低圧側配管を有し、前記蓄冷管の高温端に接続され、
   第２の冷媒回収路は、第４の開閉バルブを備える第２の低圧側配管、および前記流路制御バルブを備え前記パルス管の高温端に接続された前記共通配管を有する、
   圧縮機と、
   を備える４バルブ型パルスチューブ冷凍機であって、
   さらに、前記圧縮機の低圧回収側は、前記共通配管を介して、前記パルス管の高温端に接続された第３の冷媒回収路を有し、
   該第３の冷媒回収路は、流路抵抗部材を備え、前記流量制御バルブと前記パルス管の高温端の間に接続される、４バルブ型パルスチューブ冷凍機。
2. 前記流路抵抗部材は、別の流量制御バルブおよび／または開閉バルブであることを特徴とする請求項１に記載の４バルブ型パルスチューブ冷凍機。
3. 前記流路抵抗部材は、第５の開閉バルブであり、該第５の開閉バルブは、前記第４の開閉バルブと実質的に等しいタイミングで開閉されることを特徴とする請求項１に記載の４バルブ型パルスチューブ冷凍機。
4. 当該４バルブ型パルスチューブ冷凍機は、２段式のパルスチューブ冷凍機であって、
   前記第１の冷媒供給路は、第１段の蓄冷管の高温端に接続され、
   前記第１の冷媒回収路は、前記第１段の蓄冷管の高温端に接続され、
   前記第２の冷媒供給路および前記第２の冷媒回収路の前記共通配管は、第１段のパルス管の高温端に接続され、
   前記第３の冷媒回収路は、前記共通配管を介して、前記流量制御バルブと前記第１段のパルス管の高温端の間に接続されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一つに記載の４バルブ型パルスチューブ冷凍機。
5. 当該４バルブ型パルスチューブ冷凍機は、２段式のパルスチューブ冷凍機であって、
   前記第１の冷媒供給路は、第１段の蓄冷管の高温端に接続され、
   前記第１の冷媒回収路は、前記第１段の蓄冷管の高温端に接続され、
   前記第２の冷媒供給路および前記第２の冷媒回収路の前記共通配管は、第２段のパルス管の高温端に接続され、
   前記第３の冷媒回収路は、前記共通配管を介して、前記流量制御バルブと前記第２段のパルス管の高温端の間に接続されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一つに記載の４バルブ型パルスチューブ冷凍機。
6. 当該４バルブ型パルスチューブ冷凍機は、２段式のパルスチューブ冷凍機であって、
   前記第１の冷媒供給路は、第１段の蓄冷管の高温端に接続され、
   前記第１の冷媒回収路は、前記第１段の蓄冷管の高温端に接続され、
   前記第２の冷媒供給路および前記第２の冷媒回収路の前記共通配管は、第１段のパルス管の高温端に接続され、
   前記第３の冷媒回収路は、前記共通配管を介して、前記流量制御バルブと前記第１段のパルス管の高温端の間に接続され、
   前記圧縮機の高圧供給側は、さらに、第３の冷媒供給路を有し、該第３の冷媒供給路は、第６の開閉バルブを備える第３の高圧側配管、および第２の流路制御バルブを備え第２段のパルス管の高温端に接続された第２の共通配管を有し、
   前記圧縮機の低圧回収側は、さらに、第４の冷媒回収路を有し、該第４の冷媒回収路は、第７の開閉バルブを備える第４の低圧側配管、および前記第２の流路制御バルブを備え前記第２段のパルス管の高温端に接続された前記共通配管を有し、
   前記圧縮機の低圧回収側は、さらに、前記第２の共通配管を介して、前記第２段のパルス管の高温端に接続された第５の冷媒回収路を有し、
   該第５の冷媒回収路は、第２の流路抵抗部材を備え、前記第２の流量制御バルブと前記第２段のパルス管の高温端の間に接続されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一つに記載の４バルブ型パルスチューブ冷凍機。
7. 前記第２の流路抵抗部材は、さらに別の流量制御バルブおよび／または開閉バルブであることを特徴とする請求項６に記載の４バルブ型パルスチューブ冷凍機。
8. 前記第２の流路抵抗部材は、第８の開閉バルブであり、該第８の開閉バルブは、前記第７の開閉バルブと同様のタイミングで開閉されることを特徴とする請求項７に記載の４バルブ型パルスチューブ冷凍機。

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