JP2017062064A

JP2017062064A - パルス管冷凍機

Info

Publication number: JP2017062064A
Application number: JP2015186934A
Authority: JP
Inventors: 貴士平山; Takashi Hirayama; 名堯許; Meigyo Kyo
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2015-09-24
Filing date: 2015-09-24
Publication date: 2017-03-30

Abstract

【課題】パルス管冷凍機における循環ガス流の調整のための改良された機構を提供する。【解決手段】パルス管冷凍機１０は、第２段副排気路３６ｂに配設され、ＤＣフロー４２を調整するよう構成された第２段流量調整要素２７と、補助排気路３６ｆに配設され、ＤＣフロー４２を調整するよう構成された補助流量調整要素４４と、を備える。パルス管冷凍機１０の第２段副圧力切換弁２６は、第２段流量調整要素２７と直列に第２段副排気路３６ｂに配設され、第１開放タイミングで開くよう構成された第２段副排気開閉弁Ｖ６と、補助流量調整要素４４と直列に補助排気路３６ｆに配設され、第１開放タイミングから遅れた第２開放タイミングで開くよう構成された補助排気開閉弁Ｖ７と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、パルス管冷凍機に関し、より具体的には、４バルブ型パルス管冷凍機に関する。

ＧＭ方式パルス管冷凍機には、ダブルインレット型、４バルブ型、アクティブバッファ型などいくつかの種類が含まれる。振動流発生源は圧縮機を有する。４バルブ型パルス管冷凍機ではたいてい、この圧縮機が位相制御機構にも共有される。そのため、圧縮機、蓄冷器、およびパルス管を含む作動ガス循環経路が形成される。作動ガス循環経路には、「ＤＣフロー」とも称される、直流成分をもつガス流れが生成されうる。

特許第５１７２７８８号公報

ＤＣフローはパルス管冷凍機の性能に影響する。したがって、ＤＣフローを制御するためのＤＣフローラインがパルス管冷凍機に設けられてもよい。こうしたＤＣフローラインの概念は既知であるが、その制御性や信頼性には実用上改善が望まれる。

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、パルス管冷凍機における循環ガス流の調整のための改良された機構を提供することにある。

本発明のある態様によると、パルス管冷凍機は、圧縮機吐出口と圧縮機吸入口とを有する圧縮機と、蓄冷器入口端と蓄冷器出口端とを有する蓄冷器と、前記蓄冷器出口端と連通するパルス管入口端と、パルス管出口端とを有するパルス管と、前記圧縮機を前記蓄冷器入口端に接続する主配管系と、前記圧縮機、前記蓄冷器、および前記パルス管を含む作動ガス循環経路を前記主配管系とともに形成するよう前記パルス管出口端を前記圧縮機に接続する副配管系であって、前記パルス管出口端を前記圧縮機吸入口に接続する副排気路と、前記副排気路と並列に前記パルス管出口端を前記圧縮機吸入口に接続する補助排気路と、備える副配管系と、前記主配管系に配設され、作動ガスの圧力振動が前記パルス管に与えられるように前記圧縮機吐出口または前記圧縮機吸入口を前記蓄冷器入口端に選択的に連通するよう構成された主圧力切替弁と、前記副配管系に配設され、前記圧力振動に対し位相差をもつガス変位振動が前記パルス管に与えられるように前記パルス管出口端を前記圧縮機吐出口または前記圧縮機吸入口に選択的に連通するよう構成された副圧力切替弁と、前記副排気路に配設され、前記作動ガス循環経路における循環ガス流の直流成分を調整するよう構成された第１流量調整要素と、前記補助排気路に配設され、前記循環ガス流の直流成分を調整するよう構成された第２流量調整要素と、を備える。前記副圧力切替弁は、前記第１流量調整要素と直列に前記副排気路に配設され、前記圧力振動の１サイクル内の第１開放タイミングで開くよう構成された副排気開閉弁と、前記第２流量調整要素と直列に前記補助排気路に配設され、前記第１開放タイミングから遅れた前記圧力振動の１サイクル内の第２開放タイミングで開くよう構成された補助排気開閉弁と、を備える。

本発明のある態様によると、パルス管冷凍機は、圧縮機吐出口と圧縮機吸入口とを有する圧縮機と、第１段蓄冷器入口端と第１段蓄冷器出口端とを有する第１段蓄冷器と、前記第１段蓄冷器出口端と連通する第２段蓄冷器入口端と、第２段蓄冷器出口端とを有する第２段蓄冷器と、前記第２段蓄冷器出口端と連通する第２段パルス管入口端と、第２段パルス管出口端とを有する第２段パルス管と、前記圧縮機を前記第１段蓄冷器入口端に接続する主配管系と、前記圧縮機、前記第１段蓄冷器、前記第２段蓄冷器、および前記第２段パルス管を含む作動ガス循環経路を前記主配管系とともに形成するよう前記第２段パルス管出口端を前記圧縮機に接続する第２段副配管系であって、前記第２段パルス管出口端を前記圧縮機吸入口に接続する第２段副排気路と、前記第２段副排気路と並列に前記第２段パルス管出口端を前記圧縮機吸入口に接続する補助排気路と、備える第２段副配管系と、前記主配管系に配設され、作動ガスの圧力振動が前記第２段パルス管に与えられるように前記圧縮機吐出口または前記圧縮機吸入口を前記第１段蓄冷器入口端に選択的に連通するよう構成された主圧力切替弁と、前記第２段副配管系に配設され、前記圧力振動に対し位相差をもつガス変位振動が前記第２段パルス管に与えられるように前記第２段パルス管出口端を前記圧縮機吐出口または前記圧縮機吸入口に選択的に連通するよう構成された第２段副圧力切替弁と、前記第２段副排気路に配設され、前記作動ガス循環経路における循環ガス流の直流成分を調整するよう構成された第１流量調整要素と、前記補助排気路に配設され、前記循環ガス流の直流成分を調整するよう構成された第２流量調整要素と、を備える。前記第２段副圧力切替弁は、前記第１流量調整要素と直列に前記第２段副排気路に配設され、前記圧力振動の１サイクル内の第１開放タイミングで開くよう構成された第２段副排気開閉弁と、前記第２流量調整要素と直列に前記補助排気路に配設され、前記第１開放タイミングから遅れた前記圧力振動の１サイクル内の第２開放タイミングで開くよう構成された補助排気開閉弁と、を備える。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、パルス管冷凍機における循環ガス流を良好に調整することができる。

本発明のある実施の形態に係るパルス管冷凍機を概略的に示す図である。図１に示すパルス管冷凍機のタイミングチャートを例示する図である。本発明の他の実施の形態に係るパルス管冷凍機を概略的に示す図である。本発明の他の実施の形態に係るパルス管冷凍機を概略的に示す図である。

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。なお、説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。また、以下に述べる構成は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。

図１は、本発明のある実施の形態に係るパルス管冷凍機１０を概略的に示す図である。図２は、図１に示すパルス管冷凍機１０のタイミングチャートを例示する図である。図２には、パルス管冷凍機１０のバルブ開閉状態が１サイクルにわたり時系列的に示されている。図２では説明の便宜上、パルス管冷凍機１０の冷却サイクルが時刻Ｔ０に始まり時刻Ｔ１２に終了する。図示される時刻Ｔ０からＴ１２はそれぞれバルブ開閉状態が変わるタイミングを表す。

パルス管冷凍機１０は、いわゆる４バルブ型パルス管冷凍機である。よって、パルス管冷凍機１０は、圧縮機１２および主圧力切換弁１４を有する振動流発生源と、第１段蓄冷器１６と、第１段パルス管１８と、第１段副圧力切換弁２０および任意的に第１段流量調整要素２１を有する第１段位相制御機構と、を備える。圧縮機１２は、振動流発生源と第１段位相制御機構とで共有されている。

また、パルス管冷凍機１０は、図示されるように二段冷凍機である。よって、パルス管冷凍機１０は、第２段蓄冷器２２と、第２段パルス管２４と、第２段副圧力切換弁２６および任意的に第２段流量調整要素２７を有する第２段位相制御機構と、をさらに備える。圧縮機１２は、第２段位相制御機構にも共有されている。

圧縮機１２は、蓄冷器およびパルス管に作動ガスを供給する圧縮機吐出口１２ａと、蓄冷器およびパルス管から作動ガスを回収する圧縮機吸入口１２ｂと、を有する。圧縮機１２は、回収した低圧の作動ガスを圧縮して高圧の作動ガスを生成するよう構成されている。圧縮機吐出口１２ａおよび圧縮機吸入口１２ｂはそれぞれ、パルス管冷凍機１０の高圧源および低圧源として機能する。作動ガスは、冷媒ガスとも称され、例えばヘリウムガスである。

第１段蓄冷器１６は、第１段蓄冷器入口端１６ａと、第１段蓄冷器出口端１６ｂと、を有する。第１段蓄冷器入口端１６ａおよび第１段蓄冷器出口端１６ｂはそれぞれ、第１段蓄冷器高温端および第１段蓄冷器低温端と称されうる。

第２段蓄冷器２２は、第２段蓄冷器入口端２２ａと、第２段蓄冷器出口端２２ｂと、を有する。第２段蓄冷器入口端２２ａは、第１段蓄冷器出口端１６ｂと連通している。第２段蓄冷器入口端２２ａおよび第２段蓄冷器出口端２２ｂはそれぞれ、第２段蓄冷器高温端および第２段蓄冷器低温端と称されうる。

第１段パルス管１８は、第１段パルス管入口端１８ａと、第１段パルス管出口端１８ｂと、を有する。第１段パルス管入口端１８ａは、第１段蓄冷器出口端１６ｂと第１段連通路２８を通じて連通している。第１段パルス管入口端１８ａおよび第１段パルス管出口端１８ｂはそれぞれ、第１段パルス管低温端および第１段パルス管高温端と称されうる。第１段パルス管入口端１８ａは第１段低温端熱交換器を有し、第１段パルス管出口端１８ｂは第１段高温端熱交換器を有する（図示せず）。

第２段パルス管２４は、第２段パルス管入口端２４ａと、第２段パルス管出口端２４ｂと、を有する。第２段パルス管入口端２４ａは、第２段蓄冷器出口端２２ｂと第２段連通路３０を通じて連通している。第２段パルス管入口端２４ａおよび第２段パルス管出口端２４ｂはそれぞれ、第２段パルス管低温端および第２段パルス管高温端と称されうる。第２段パルス管入口端２４ａは第２段低温端熱交換器を有し、第２段パルス管出口端２４ｂは第２段高温端熱交換器を有する（図示せず）。

パルス管冷凍機１０は、圧縮機１２を第１段蓄冷器入口端１６ａに接続する主配管系３２（または主回路）を備える。主配管系３２は、圧縮機吐出口１２ａを第１段蓄冷器入口端１６ａに接続する主供給路３２ａと、圧縮機吸入口１２ｂを第１段蓄冷器入口端１６ａに接続する主排気路３２ｂと、を備える。

また、主配管系３２は、主供給路３２ａの一部でありかつ主排気路３２ｂの一部である主双方向流路３２ｃと、主圧力切換弁１４と第１段蓄冷器入口端１６ａとの間に位置する主接続点３２ｄと、を備える。主供給路３２ａは、主排気路３２ｂと主接続点３２ｄで合流する。主双方向流路３２ｃは、主接続点３２ｄから第１段蓄冷器入口端１６ａに延びる。主供給路３２ａは、圧縮機吐出口１２ａと主圧力切換弁１４との間に位置する供給分岐点３２ｅを有する。主排気路３２ｂは、圧縮機吸入口１２ｂと主圧力切換弁１４との間に位置する排気合流点３２ｆを有する。

主圧力切換弁１４は、主配管系３２に配設されている。主圧力切換弁１４は、作動ガスの圧力振動が第１段パルス管１８および第２段パルス管２４に与えられるように圧縮機吐出口１２ａまたは圧縮機吸入口１２ｂを第１段蓄冷器入口端１６ａに選択的に連通するよう構成されている。

主圧力切換弁１４は、主供給開閉弁Ｖ１と主排気開閉弁Ｖ２とを有する。主供給開閉弁Ｖ１は、供給分岐点３２ｅと主接続点３２ｄとの間で主供給路３２ａに配設されている。主排気開閉弁Ｖ２は、排気合流点３２ｆと主接続点３２ｄとの間で主排気路３２ｂに配設されている。

主圧力切換弁１４は、主供給開閉弁Ｖ１および主排気開閉弁Ｖ２がそれぞれ排他的に開放されるよう構成されている。すなわち、主供給開閉弁Ｖ１および主排気開閉弁Ｖ２が同時に開くことは禁止されている。主供給開閉弁Ｖ１が開いているとき主排気開閉弁Ｖ２は閉じられる。矢印Ａ１で図示されるように、圧縮機吐出口１２ａから主供給路３２ａを通じて第１段蓄冷器１６に作動ガスが供給される。一方、主排気開閉弁Ｖ２が開いているとき主供給開閉弁Ｖ１は閉じられる。矢印Ａ２で図示されるように、第１段蓄冷器１６から主排気路３２ｂを通じて圧縮機吸入口１２ｂに作動ガスが回収される。なお主供給開閉弁Ｖ１および主排気開閉弁Ｖ２が一時的にともに閉じられてもよい。

例えば、図２に示されるように、主供給開閉弁Ｖ１は、予め定められた主供給開始タイミングＴ２で開き主供給終了タイミングＴ５で閉じるよう構成されている。主排気開閉弁Ｖ２は、予め定められた主排気開始タイミングＴ８で開き主排気終了タイミングＴ１２で閉じるよう構成されている。

パルス管冷凍機１０は、第１段パルス管出口端１８ｂを圧縮機１２に接続する第１段副配管系３４（または第１段副回路）を備える。第１段副配管系３４は、主配管系３２とともに、圧縮機１２、第１段蓄冷器１６、および第１段パルス管１８を含む作動ガスの第１段循環経路を形成する。

第１段副配管系３４は、圧縮機吐出口１２ａを第１段パルス管出口端１８ｂに接続する第１段副供給路３４ａと、圧縮機吸入口１２ｂを第１段パルス管出口端１８ｂに接続する第１段副排気路３４ｂと、を備える。第１段副供給路３４ａは、供給分岐点３２ｅで主供給路３２ａから分岐する。第１段副排気路３４ｂは、排気合流点３２ｆで主排気路３２ｂに合流する。

また、第１段副配管系３４は、第１段副供給路３４ａの一部でありかつ第１段副排気路３４ｂの一部である第１段副双方向流路３４ｃと、第１段副圧力切換弁２０と第１段パルス管出口端１８ｂとの間に位置する第１段接続点３４ｄと、を備える。第１段副供給路３４ａは、第１段副排気路３４ｂと第１段接続点３４ｄで合流する。第１段副双方向流路３４ｃは、第１段接続点３４ｄから第１段パルス管出口端１８ｂに延びる。

第１段流量調整要素２１は、第１段パルス管１８に発生するガスピストンの位相を調整するよう構成されている。また、第１段流量調整要素２１は、上述の第１段循環経路における循環ガス流の直流成分を調整するよう構成されている。第１段流量調整要素２１は、例えば、可変または固定のオリフィス、またはニードル弁である。第１段流量調整要素２１は、第１段副配管系３４に、具体的には第１段副双方向流路３４ｃに配設されている。

第１段副圧力切換弁２０は、第１段副配管系３４に配設されている。第１段副圧力切換弁２０は、作動ガスの圧力振動に対し位相差をもつガス変位振動が第１段パルス管１８に与えられるように第１段パルス管出口端１８ｂを圧縮機吐出口１２ａまたは圧縮機吸入口１２ｂに選択的に連通するよう構成されている。

第１段副圧力切換弁２０は、第１段副供給開閉弁Ｖ３と第１段副排気開閉弁Ｖ４とを有する。第１段副供給開閉弁Ｖ３は、供給分岐点３２ｅと第１段接続点３４ｄとの間で第１段副供給路３４ａに配設されている。第１段副排気開閉弁Ｖ４は、排気合流点３２ｆと第１段接続点３４ｄとの間で第１段副排気路３４ｂに配設されている。

第１段副圧力切換弁２０は、第１段副供給開閉弁Ｖ３および第１段副排気開閉弁Ｖ４がそれぞれ排他的に開放されるよう構成されている。すなわち、第１段副供給開閉弁Ｖ３および第１段副排気開閉弁Ｖ４が同時に開くことは禁止されている。第１段副供給開閉弁Ｖ３が開いているとき第１段副排気開閉弁Ｖ４は閉じられる。矢印Ａ３で図示されるように、圧縮機吐出口１２ａから第１段副供給路３４ａを通じて第１段パルス管１８に作動ガスが供給される。一方、第１段副排気開閉弁Ｖ４が開いているとき第１段副供給開閉弁Ｖ３は閉じられる。矢印Ａ４で図示されるように、第１段パルス管１８から第１段副排気路３４ｂを通じて圧縮機吸入口１２ｂに作動ガスが回収される。なお第１段副供給開閉弁Ｖ３および第１段副排気開閉弁Ｖ４が一時的にともに閉じられてもよい。

第１段副圧力切換弁２０は、第１段副供給開閉弁Ｖ３が主供給開閉弁Ｖ１の開放前に開放されかつ主供給開閉弁Ｖ１の閉鎖前に閉鎖されるよう構成されている。第１段副圧力切換弁２０は、第１段副排気開閉弁Ｖ４が主排気開閉弁Ｖ２の開放前に開放されかつ主排気開閉弁Ｖ２の閉鎖前に閉鎖されるよう構成されている。

例えば、図２に示されるように、第１段副供給開閉弁Ｖ３は、予め定められた第１段副供給開始タイミングＴ１で開き第１段副供給終了タイミングＴ４で閉じるよう構成されている。第１段副排気開閉弁Ｖ４は、予め定められた第１段副排気開始タイミングＴ７で開き第１段副排気終了タイミングＴ１１で閉じるよう構成されている。

パルス管冷凍機１０は、第２段パルス管出口端２４ｂを圧縮機１２に接続する第２段副配管系３６（または第２段副回路）を備える。第２段副配管系３６は、主配管系３２とともに、圧縮機１２、第１段蓄冷器１６、第２段蓄冷器２２、および第２段パルス管２４を含む作動ガスの第２段循環経路を形成する。

第２段副配管系３６は、圧縮機吐出口１２ａを第２段パルス管出口端２４ｂに接続する第２段副供給路３６ａと、圧縮機吸入口１２ｂを第２段パルス管出口端２４ｂに接続する第２段副排気路３６ｂと、を備える。第２段副供給路３６ａは、供給分岐点３２ｅで主供給路３２ａから分岐する。第２段副排気路３６ｂは、排気合流点３２ｆで主排気路３２ｂに合流する。なお、第２段副供給路３６ａは、第１段副供給路３４ａの分岐点とは異なる場所で主供給路３２ａから分岐してもよく、第２段副排気路３６ｂは、第１段副排気路３４ｂの合流点とは異なる場所で主排気路３２ｂに合流してもよい。

また、第２段副配管系３６は、第２段副供給路３６ａの一部でありかつ第２段副排気路３６ｂの一部である第２段副双方向流路３６ｃと、第２段副圧力切換弁２６と第２段パルス管出口端２４ｂとの間に位置する第２段接続点３６ｄと、を備える。第２段副供給路３６ａは、第２段副排気路３６ｂと第２段接続点３６ｄで合流する。第２段副双方向流路３６ｃは、第２段接続点３６ｄから第２段パルス管出口端２４ｂに延びる。

第２段流量調整要素２７は、第２段パルス管２４に発生するガスピストンの位相を調整するよう構成されている。また、第２段流量調整要素２７は、上述の第２段循環経路における循環ガス流の直流成分、いわゆるＤＣフロー４２の流量を調整するよう構成されている。第２段流量調整要素２７は、例えば、可変または固定のオリフィス、またはニードル弁である。第２段流量調整要素２７は、第２段副配管系３６に、具体的には第２段副双方向流路３６ｃに配設されている。

さらに、第２段副配管系３６は、補助分岐点３６ｅ、補助排気路３６ｆ、および補助合流点３６ｇを備える。補助排気路３６ｆは、第２段副排気路３６ｂと並列に第２段パルス管出口端２４ｂを圧縮機吸入口１２ｂに接続する。

補助分岐点３６ｅは、第２段副双方向流路３６ｃ上で第２段流量調整要素２７と第２段パルス管出口端２４ｂとの間に位置する。補助排気路３６ｆは、補助分岐点３６ｅで第２段副双方向流路３６ｃから分岐し、補助合流点３６ｇで第２段副排気路３６ｂに合流する。補助合流点３６ｇは、第２段副排気路３６ｂ上で排気合流点３２ｆと第２段副圧力切換弁２６との間に位置する。なお、補助合流点３６ｇは、主排気路３２ｂ上に位置してもよい。

パルス管冷凍機１０は、補助排気路３６ｆに配設された補助流量調整要素４４を備える。補助流量調整要素４４は、ＤＣフロー４２の流量を調整するよう構成されている。補助流量調整要素４４は、例えば、可変または固定のオリフィス、またはニードル弁である。

第２段副圧力切換弁２６は、第２段副配管系３６に配設されている。第２段副圧力切換弁２６は、作動ガスの圧力振動に対し位相差をもつガス変位振動が第２段パルス管２４に与えられるように第２段パルス管出口端２４ｂを圧縮機吐出口１２ａまたは圧縮機吸入口１２ｂに選択的に連通するよう構成されている。

第２段副圧力切換弁２６は、第２段副供給開閉弁Ｖ５と第２段副排気開閉弁Ｖ６とを有する。第２段副供給開閉弁Ｖ５は、供給分岐点３２ｅと第２段接続点３６ｄとの間で第２段副供給路３６ａに配設されている。第２段副排気開閉弁Ｖ６は、第２段流量調整要素２７と直列に第２段副排気路３６ｂに配設されている。第２段副排気開閉弁Ｖ６は、補助合流点３６ｇと第２段接続点３６ｄとの間に位置する。

第２段副圧力切換弁２６は、第２段副供給開閉弁Ｖ５および第２段副排気開閉弁Ｖ６がそれぞれ排他的に開放されるよう構成されている。すなわち、第２段副供給開閉弁Ｖ５および第２段副排気開閉弁Ｖ６が同時に開くことは禁止されている。第２段副供給開閉弁Ｖ５が開いているとき第２段副排気開閉弁Ｖ６は閉じられる。矢印Ａ５で図示されるように、圧縮機吐出口１２ａから第２段副供給路３６ａを通じて第２段パルス管２４に作動ガスが供給される。一方、第２段副排気開閉弁Ｖ６が開いているとき第２段副供給開閉弁Ｖ５は閉じられる。矢印Ａ６で図示されるように、第２段パルス管２４から第２段副排気路３６ｂを通じて圧縮機吸入口１２ｂに作動ガスが回収される。なお第２段副供給開閉弁Ｖ５および第２段副排気開閉弁Ｖ６が一時的にともに閉じられてもよい。

また、第２段副圧力切換弁２６は、補助流量調整要素４４と直列に補助排気路３６ｆに配設されている補助排気開閉弁Ｖ７を有する。補助排気開閉弁Ｖ７は、補助合流点３６ｇと補助流量調整要素４４との間に位置する。なお、補助排気開閉弁Ｖ７は、補助分岐点３６ｅと補助流量調整要素４４との間に位置してもよい。

第２段副圧力切換弁２６は、第２段副供給開閉弁Ｖ５および補助排気開閉弁Ｖ７がそれぞれ排他的に開放されるよう構成されている。すなわち、第２段副供給開閉弁Ｖ５および補助排気開閉弁Ｖ７が同時に開くことは禁止されている。

第２段副圧力切換弁２６は、第２段副供給開閉弁Ｖ５が主供給開閉弁Ｖ１の開放前に開放されかつ主供給開閉弁Ｖ１の閉鎖前に閉鎖されるよう構成されている。第２段副圧力切換弁２６は、第２段副排気開閉弁Ｖ６および補助排気開閉弁Ｖ７が主排気開閉弁Ｖ２の開放前に開放されかつ主排気開閉弁Ｖ２の閉鎖前に閉鎖されるよう構成されている。補助排気開閉弁Ｖ７は、第２段副排気開閉弁Ｖ６と一時的に同時に開放されてもよい。

ただし、第２段副圧力切換弁２６は、補助排気開閉弁Ｖ７が第２段副排気開閉弁Ｖ６から遅れて開放されるよう構成されている。補助排気開閉弁Ｖ７は、第２段副排気開閉弁Ｖ６から遅れて閉鎖されるよう構成されていてもよい。

例えば、図２に示されるように、第２段副供給開閉弁Ｖ５は、予め定められた第２段副供給開始タイミングＴ０で開き第２段副供給終了タイミングＴ３で閉じるよう構成されている。第２段副排気開閉弁Ｖ６は、予め定められた第２段副排気開始タイミングで開き第２段副排気終了タイミングＴ９で閉じるよう構成されている。補助排気開閉弁Ｖ７は、予め定められた補助排気開始タイミングＴ６で開き補助排気終了タイミングＴ１０で閉じるよう構成されている。なお、図においては第２段副排気開始タイミングは主供給終了タイミングＴ５に一致しているが、主供給終了タイミングＴ５から遅れを有してもよい。

このようにして、補助流量調整要素４４、補助排気開閉弁Ｖ７、および補助排気路３６ｆは、ＤＣフローライン４６（または補助回路）を構成する。第２段流量調整要素２７は、ＤＣフロー４２の流量の粗調整をするよう構成され、ＤＣフローライン４６は、ＤＣフロー４２の流量の微調整をするよう構成されている。

パルス管冷凍機１０は、主圧力切換弁１４、第１段副圧力切換弁２０、および第２段副圧力切換弁２６を含むバルブ部を駆動するよう構成されているバルブ駆動部４８を備える。バルブ部は、主圧力切換弁１４、第１段副圧力切換弁２０、および第２段副圧力切換弁２６を有する単一のロータリーバルブの形式をとってもよい。バルブ駆動部４８はロータリーバルブを駆動するモータを有してもよい。これにより、主圧力切換弁１４、第１段副圧力切換弁２０、および第２段副圧力切換弁２６が相互に同期して駆動されてもよい。

バルブ駆動部４８は、いずれかの供給開閉弁（Ｖ１、Ｖ３、またはＶ５）の開放中はすべての排気開閉弁（Ｖ２、Ｖ４、Ｖ６、およびＶ７）を閉じ、かつ、いずれかの排気開閉弁（Ｖ２、Ｖ４、Ｖ６、またはＶ７）の開放中はすべての供給開閉弁（Ｖ１、Ｖ３、およびＶ５）を閉じるよう構成されている。

あるいは、バルブ部は、個別的に駆動される複数の電磁開閉弁の形式をとってもよい。バルブ駆動部４８は、これら電磁開閉弁を駆動する制御装置を有してもよい。

上記の構成をもつパルス管冷凍機１０の動作を説明する。図２を参照して以下に述べるように、運転中にパルス管冷凍機１０の７つの開閉弁（Ｖ１〜Ｖ７）は周期的に開閉状態を変化させる。

まず、パルス管の高温端に圧縮機１２から高圧作動ガスが供給され始める。第２段パルス管２４へのガス供給が先に開始され、それに少し遅れて第１段パルス管１８へのガス供給が開始される。より詳しくは、第２段副供給開閉弁Ｖ５が開かれ（時間Ｔ０〜Ｔ３）、それにより、圧縮機吐出口１２ａから第２段副供給路３６ａを通じて第２段パルス管出口端２４ｂに高圧作動ガスが流入する。また、第１段副供給開閉弁Ｖ３が開かれ（時間Ｔ１〜Ｔ４）、圧縮機吐出口１２ａから第１段副供給路３４ａを通じて第１段パルス管出口端１８ｂに高圧作動ガスが流入する。なお、第１段パルス管１８および第２段パルス管２４へのガス供給が同時に開始されてもよい。

続いて、蓄冷器を通じてパルス管に高圧作動ガスが供給される。主供給開閉弁Ｖ１が開かれ（時間Ｔ２〜Ｔ５）、それにより、圧縮機吐出口１２ａから主供給路３２ａを通じて第１段蓄冷器入口端１６ａに高圧作動ガスが流入する。ガスは第１段蓄冷器１６によって予冷され、第１段蓄冷器出口端１６ｂから第１段連通路２８を通じて第１段パルス管入口端１８ａに流入する。また、ガスは第２段蓄冷器２２によって予冷され、第２段蓄冷器出口端２２ｂから第２段連通路３０を通じて第２段パルス管入口端２４ａに流入する。

次に、パルス管からガスが圧縮機１２に回収され始める。第２段パルス管２４からのガス回収が先に開始され、それに少し遅れて第１段パルス管１８からのガス回収が開始される。弁開放により、パルス管でガスが膨張し寒冷が発生する。より詳しくは、第２段副排気開閉弁Ｖ６が開かれ（時間Ｔ５〜Ｔ９）、第２段パルス管出口端２４ｂから第２段副排気路３６ｂを通じて圧縮機吸入口１２ｂへとガスが流出する。補助排気開閉弁Ｖ７が開かれ（時間Ｔ６〜Ｔ１０）、図１に矢印Ａ７で示されるように、第２段パルス管出口端２４ｂから補助排気路３６ｆを通じて圧縮機吸入口１２ｂへとガスが流出する。また、第１段副排気開閉弁Ｖ４が開かれ（時間Ｔ７〜Ｔ１１）、第１段パルス管出口端１８ｂから第１段副排気路３４ｂを通じて圧縮機吸入口１２ｂへとガスが流出する。なお、第１段パルス管１８および第２段パルス管２４からのガス回収が同時に開始されてもよい。

続いて、パルス管から蓄冷器を通じて圧縮機１２にガスが回収される。主排気開閉弁Ｖ２が開かれ（時間Ｔ８〜Ｔ１２）、パルス管でガスが膨張し寒冷が発生する。冷却されたガスは第１段パルス管１８から第１段蓄冷器１６に戻り、第１段蓄冷器１６を冷却する。また、冷却されたガスは第２段パルス管２４から第２段蓄冷器２２に戻り、第２段蓄冷器２２を冷却する。

このような冷却サイクルを繰り返すことにより、パルス管冷凍機１０は、パルス管の低温端を冷却する。したがって、パルス管冷凍機１０は、パルス管の低温端に熱的に結合された物体を冷却することができる。

説明したように、補助排気開閉弁Ｖ７の開放タイミング（時刻Ｔ６）は、第２段副排気開閉弁Ｖ６の開放タイミング（時刻Ｔ５）から遅れている。このように、第２段副排気開閉弁Ｖ６が先に開かれるので、補助排気開閉弁Ｖ７に作用する差圧は、補助排気開閉弁Ｖ７の開放前に低減される。そのため、補助排気開閉弁Ｖ７の開放に伴い補助流量調整要素４４を通るガス流量も低減される。

仮に大きな差圧が排気開閉弁に作用するとき弁を開くと、弁を流れるガス流量も大きくなる。過剰なガス流量を適正量に低減するために、流量調整要素は非常に小さい開度に設定されることが必要となりうる。この場合、流量は開度に敏感であり、開度のわずかな誤差が大きな流量誤差を生む。そのため、流量調整要素は開度が精確に調整可能であるように製作されなければならない。また、そうした精確さを長期の運転にわたり維持し続けることが実用上求められる。

故に、第２段副排気開閉弁Ｖ６の開放タイミング（時刻Ｔ５）に対し補助排気開閉弁Ｖ７の開放タイミング（時刻Ｔ６）を遅らせることは、補助流量調整要素４４によるＤＣフロー４２の流量調整のロバスト性を向上することに役立つ。なぜなら、上述のように、補助排気開閉弁Ｖ７を開く前に第２段副排気開閉弁Ｖ６を通じて、補助排気開閉弁Ｖ７に作用する差圧を逃がすことができるからである。差圧の低減によって、ある所定の流量調整量が、より大きい補助流量調整要素４４の開度で実現される。したがって、補助流量調整要素４４によるガス流量の精密な制御が容易となる。こうしてＤＣフロー４２を微調整することができるので、パルス管冷凍機１０の性能調整も容易となる。また、補助流量調整要素４４の製作も容易となるから、長期運転における信頼性が向上される。

第２段副排気開閉弁Ｖ６の開放タイミング（時刻Ｔ５）に対する補助排気開閉弁Ｖ７の開放タイミング（時刻Ｔ６）の遅れは、パルス管内の圧力振動の１サイクル（つまり１回の冷却サイクル）の約５％以上であってもよい。このようにすれば、補助排気開閉弁Ｖ７に作用する差圧を、補助排気開閉弁Ｖ７の開放前に効果的に低減することができる。副回路を通じた排気開始から１サイクルの約５％の時間が経過すると、パルス管内の圧力は十分に低下する。それから補助回路を開くことで、補助回路の流量を効率的に制限することができる。

また、第２段副排気開閉弁Ｖ６の開放タイミング（時刻Ｔ５）に対する補助排気開閉弁Ｖ７の開放タイミング（時刻Ｔ６）の遅れは、パルス管内の圧力振動の１サイクルの約３０％以下（または約３０％未満）であってもよい。一般に、排気開始から１サイクルの約３０％の時間が経過すると冷凍機の吸気が開始されるからである。

以上、本発明を実施例にもとづいて説明した。本発明は上記実施形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。

図３は、本発明の他の実施の形態に係るパルス管冷凍機１０を概略的に示す図である。図３に示されるパルス管冷凍機１０は、図１及び図２を参照して説明した第２段のＤＣフローライン４６に加えて、それと同様に構成される第１段のＤＣフローライン５０をさらに備える。第１段のＤＣフローライン５０は、補助流量調整要素５２、補助排気開閉弁Ｖ８、および補助排気路３４ｆを備える。補助流量調整要素５２および補助排気開閉弁Ｖ８は、補助排気路３４ｆに配設されている。補助排気路３４ｆは、第１段副排気路３４ｂと並列に第１段パルス管出口端１８ｂを圧縮機吸入口１２ｂに接続する。補助排気開閉弁Ｖ８は、第１段副排気開閉弁Ｖ４から遅れて開放される。このようにしても、図１および図２を参照して説明した実施の形態と同様の又は類似の効果を奏することができる。なお、パルス管冷凍機１０は、第１段にのみＤＣフローラインを備えてもよい。

図４は、本発明の他の実施の形態に係るパルス管冷凍機１０を概略的に示す図である。図示されるように、単段のパルス管冷凍機にＤＣフローライン５０が設けられてもよい。このようにしても、図１から図３を参照して説明した実施の形態と同様の又は類似の効果を奏することができる。

実施の形態に係るＤＣフローラインは、三段以上の多段パルス管冷凍機の第１段、第２段、および／またはその他の段に設けられてもよい。

上記の実施の形態は、例として４バルブ型パルス管冷凍機に言及して説明された。しかし、本発明はこれに限られない。実施の形態に係るＤＣフローラインは、作動ガス循環経路を有しＤＣフローが生成されうる他の任意のパルス管冷凍機に適用されてもよい。

１０パルス管冷凍機、１２圧縮機、１２ａ圧縮機吐出口、１２ｂ圧縮機吸入口、１６第１段蓄冷器、１６ａ第１段蓄冷器入口端、１６ｂ第１段蓄冷器出口端、２２第２段蓄冷器、２２ａ第２段蓄冷器入口端、２２ｂ第２段蓄冷器出口端、２４第２段パルス管、２４ａ第２段パルス管入口端、２４ｂ第２段パルス管出口端、３２主配管系、３６第２段副配管系、３６ｂ第２段副排気路、３６ｆ補助排気路。

Claims

圧縮機吐出口と圧縮機吸入口とを有する圧縮機と、
蓄冷器入口端と蓄冷器出口端とを有する蓄冷器と、
前記蓄冷器出口端と連通するパルス管入口端と、パルス管出口端とを有するパルス管と、
前記圧縮機を前記蓄冷器入口端に接続する主配管系と、
前記圧縮機、前記蓄冷器、および前記パルス管を含む作動ガス循環経路を前記主配管系とともに形成するよう前記パルス管出口端を前記圧縮機に接続する副配管系であって、
前記パルス管出口端を前記圧縮機吸入口に接続する副排気路と、
前記副排気路と並列に前記パルス管出口端を前記圧縮機吸入口に接続する補助排気路と、備える副配管系と、
前記主配管系に配設され、作動ガスの圧力振動が前記パルス管に与えられるように前記圧縮機吐出口または前記圧縮機吸入口を前記蓄冷器入口端に選択的に連通するよう構成された主圧力切替弁と、
前記副配管系に配設され、前記圧力振動に対し位相差をもつガス変位振動が前記パルス管に与えられるように前記パルス管出口端を前記圧縮機吐出口または前記圧縮機吸入口に選択的に連通するよう構成された副圧力切替弁と、
前記副排気路に配設され、前記作動ガス循環経路における循環ガス流の直流成分を調整するよう構成された第１流量調整要素と、
前記補助排気路に配設され、前記循環ガス流の直流成分を調整するよう構成された第２流量調整要素と、を備え、
前記副圧力切替弁は、
前記第１流量調整要素と直列に前記副排気路に配設され、前記圧力振動の１サイクル内の第１開放タイミングで開くよう構成された副排気開閉弁と、
前記第２流量調整要素と直列に前記補助排気路に配設され、前記第１開放タイミングから遅れた前記圧力振動の１サイクル内の第２開放タイミングで開くよう構成された補助排気開閉弁と、を備えることを特徴とするパルス管冷凍機。
圧縮機吐出口と圧縮機吸入口とを有する圧縮機と、
第１段蓄冷器入口端と第１段蓄冷器出口端とを有する第１段蓄冷器と、
前記第１段蓄冷器出口端と連通する第２段蓄冷器入口端と、第２段蓄冷器出口端とを有する第２段蓄冷器と、
前記第２段蓄冷器出口端と連通する第２段パルス管入口端と、第２段パルス管出口端とを有する第２段パルス管と、
前記圧縮機を前記第１段蓄冷器入口端に接続する主配管系と、
前記圧縮機、前記第１段蓄冷器、前記第２段蓄冷器、および前記第２段パルス管を含む作動ガス循環経路を前記主配管系とともに形成するよう前記第２段パルス管出口端を前記圧縮機に接続する第２段副配管系であって、
前記第２段パルス管出口端を前記圧縮機吸入口に接続する第２段副排気路と、
前記第２段副排気路と並列に前記第２段パルス管出口端を前記圧縮機吸入口に接続する補助排気路と、備える第２段副配管系と、
前記主配管系に配設され、作動ガスの圧力振動が前記第２段パルス管に与えられるように前記圧縮機吐出口または前記圧縮機吸入口を前記第１段蓄冷器入口端に選択的に連通するよう構成された主圧力切替弁と、
前記第２段副配管系に配設され、前記圧力振動に対し位相差をもつガス変位振動が前記第２段パルス管に与えられるように前記第２段パルス管出口端を前記圧縮機吐出口または前記圧縮機吸入口に選択的に連通するよう構成された第２段副圧力切替弁と、
前記第２段副排気路に配設され、前記作動ガス循環経路における循環ガス流の直流成分を調整するよう構成された第１流量調整要素と、
前記補助排気路に配設され、前記循環ガス流の直流成分を調整するよう構成された第２流量調整要素と、を備え、
前記第２段副圧力切替弁は、
前記第１流量調整要素と直列に前記第２段副排気路に配設され、前記圧力振動の１サイクル内の第１開放タイミングで開くよう構成された第２段副排気開閉弁と、
前記第２流量調整要素と直列に前記補助排気路に配設され、前記第１開放タイミングから遅れた前記圧力振動の１サイクル内の第２開放タイミングで開くよう構成された補助排気開閉弁と、を備えることを特徴とするパルス管冷凍機。
前記第１開放タイミングに対する前記第２開放タイミングの遅れは、前記圧力振動の１サイクルの５％以上３０％以下であることを特徴とする請求項１または２に記載のパルス管冷凍機。