JP2020190337A - パルス管冷凍機、パルス管冷凍機のコールドヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】パルス管冷凍機の冷凍効率を向上する。【解決手段】パルス管冷凍機１０は、圧縮機吐出口１２ａと圧縮機吸入口１２ｂとを有する圧縮機１２と、異なる位置に設けられた第１接続口３８および第２接続口４０を有するパルス管高温端１６ａと、パルス管低温端１６ｂと、を有するパルス管１６と、蓄冷器高温端１８ａと、パルス管低温端１６ｂと連通している蓄冷器低温端１８ｂと、を有する蓄冷器１８と、蓄冷器高温端１８ａを圧縮機吐出口１２ａおよび圧縮機吸入口１２ｂに交互に接続する主圧力切換弁２２と、蓄冷器１８をバイパスするように、主圧力切換弁２２と蓄冷器高温端１８ａとの間の分岐部３２ａから流量制御部を介してパルス管高温端１６ａの第１接続口３８に接続されたダブルインレット流路３４と、パルス管高温端１６ａの第２接続口４０に接続されたバッファ容積２６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。

パルス管冷凍機は、主たる構成要素として、振動流発生源、蓄冷器、パルス管、および位相制御機構を備える。振動流の発生にはいくつかの方式がある。例えば、圧縮機と周期的な流路切替弁の組み合わせを用いるいわゆるＧＭ（ギフォード・マクマホン；Gifford-McMahon）方式と、調和振動するピストンによって振動流を発生するスターリング方式が知られている。また、位相制御機構についても、ダブルインレット型、アクティブバッファ型、４バルブ型など様々な方式がある。

特開２００１−３２４２３２号公報

パルス管冷凍機においては、振動流発生源と位相制御機構それぞれの方式に依存して、蓄冷器およびパルス管を含む作動ガスの循環経路が形成されうる。例えば、ダブルインレット型のパルス管冷凍機では、蓄冷器とパルス管それぞれの低温端が互いに連通されるとともに、それぞれの高温端どうしも、振動流発生源からパルス管へと蓄冷器をバイパスして接続する連通路で接続され、作動ガスの循環経路が形成される。こうした循環経路には、「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。ＤＣフローは、パルス管冷凍機の冷凍性能に影響しうる。とりわけ、ＤＣフローが、パルス管高温端からパルス管低温端へと貫通する作動ガス流れを含む場合には、そうした作動ガス流れによりパルス管高温端からパルス管低温端へと顕著な入熱が与えられ、パルス管冷凍機の冷凍効率は低下しうる。

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、パルス管冷凍機の冷凍効率を向上することにある。

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、異なる位置に設けられた第１接続口および第２接続口を有するパルス管高温端と、パルス管低温端と、を有するパルス管と、蓄冷器高温端と、前記パルス管低温端と連通している蓄冷器低温端と、を有する蓄冷器と、前記蓄冷器高温端を前記圧縮機吐出口および前記圧縮機吸入口に交互に接続する主圧力切換弁と、前記蓄冷器をバイパスするように、前記主圧力切換弁と前記蓄冷器高温端との間の分岐部から流量制御部を介して前記パルス管高温端の前記第１接続口に接続されたダブルインレット流路と、前記パルス管高温端の前記第２接続口に接続されたバッファ容積と、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、異なる位置に設けられた第１接続口および第２接続口を有するパルス管高温端と、パルス管低温端と、を有するパルス管と、蓄冷器高温端と、前記パルス管低温端と連通している蓄冷器低温端と、を有する蓄冷器と、前記蓄冷器高温端を前記圧縮機吐出口および前記圧縮機吸入口に交互に接続する主圧力切換弁と、前記パルス管高温端の前記第１接続口を前記圧縮機吐出口および前記圧縮機吸入口に交互に接続する副圧力切換弁と、前記パルス管高温端の前記第２接続口に接続されたバッファ容積と、を備える。

本発明のある態様によると、パルス管冷凍機のコールドヘッドは、異なる位置に設けられた第１接続口および第２接続口を有するパルス管高温端と、パルス管低温端と、を有するパルス管と、蓄冷器高温端と、前記パルス管低温端と連通している蓄冷器低温端と、を有する蓄冷器と、前記蓄冷器高温端を主圧力切換弁に接続する蓄冷器連通路と、前記蓄冷器をバイパスするように、前記蓄冷器連通路上の分岐部から流量制御部を介して前記パルス管高温端の前記第１接続口に接続されたダブルインレット流路と、前記パルス管高温端の前記第２接続口に接続されたバッファ容積と、を備える。

本発明のある態様によると、パルス管冷凍機のコールドヘッドは、異なる位置に設けられた第１接続口および第２接続口を有するパルス管高温端と、パルス管低温端と、を有するパルス管と、蓄冷器高温端と、前記パルス管低温端と連通している蓄冷器低温端と、を有する蓄冷器と、前記蓄冷器高温端を主圧力切換弁に接続する蓄冷器連通路と、前記パルス管高温端の前記第１接続口を副圧力切換弁に接続するパルス管連通路と、前記パルス管高温端の前記第２接続口に接続されたバッファ容積と、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、パルス管冷凍機の冷凍効率が向上される。

第１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。 図１に示されるパルス管冷凍機のパルス管高温端を概略的に示す上面図である。 ある典型的なダブルインレット型のパルス管冷凍機を概略的に示す図である。 第１の実施の形態に係るパルス管冷凍機の他の例を概略的に示す図である。 第２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。また、以下の説明において参照する図面において、各構成部材の大きさや厚みは説明の便宜上のものであり、必ずしも実際の寸法や比率を示すものではない。

図１は、第１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。パルス管冷凍機１０は、一例として、ＧＭ（Gifford-McMahon）方式のダブルインレット型パルス管冷凍機である。また、パルス管冷凍機１０は、単段式のパルス管冷凍機である。ただし、後述するように、パルス管冷凍機１０は、多段式（例えば二段式）のパルス管冷凍機とすることも可能である。

パルス管冷凍機１０は、圧縮機１２と、コールドヘッド１４とを備える。コールドヘッド１４は、パルス管１６、蓄冷器１８、冷却ステージ２０、主圧力切換弁２２、および室温部２４を備える。

コールドヘッド１４の室温部２４には、バッファ容積２６、例えばバッファタンクが接続されている。また、室温部２４は、２つの流量制御部を有する。流量制御部は、例えば、オリフィス、または絞り弁などの流量調整要素を含む。流量制御部の流路抵抗は、固定されていてもよいし、調整可能であってもよい。以下では説明の便宜上、第１流量制御部をダブルインレットオリフィス２８と称し、第２流量制御部をバッファオリフィス３０と称する。ただし、流量制御部をオリフィスのみに限定することを意図するものではない。

圧縮機１２および主圧力切換弁２２によって、パルス管冷凍機１０の振動流発生源が構成される。すなわち、圧縮機１２が生み出す作動ガスの定常流から、主圧力切換弁２２の切替動作によって蓄冷器１８を通じてパルス管１６内に作動ガスの圧力振動を生成することができる。また、バッファ容積２６、ダブルインレットオリフィス２８、およびバッファオリフィス３０によって、パルス管冷凍機１０の位相制御機構が構成される。位相制御機構によって作動ガスの圧力振動に対しパルス管１６内のガス要素（ガスピストンとも呼ばれる）の変位振動の位相を遅らせることができる。適切な位相遅れは、パルス管１６の低温端でのＰＶ仕事を生じさせ、作動ガスを冷却することができる。

圧縮機１２は、圧縮機吐出口１２ａと圧縮機吸入口１２ｂとを有し、回収した低圧ＰＬの作動ガスを圧縮して高圧ＰＨ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から主圧力切換弁２２および蓄冷器１８を通じてパルス管１６に作動ガスが供給され、パルス管１６から蓄冷器１８および主圧力切換弁２２を通じて圧縮機吸入口１２ｂへと作動ガスが回収される。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。

一般に高圧ＰＨ及び低圧ＰＬはともに、パルス管冷凍機１０の周囲環境圧力（例えば大気圧）よりかなり高い。よって、高圧ＰＨ及び低圧ＰＬはそれぞれ、第１高圧及び第２高圧と呼ぶこともできる。通例、高圧ＰＨは例えば２〜３ＭＰａである。低圧ＰＬは例えば０．５〜１．５ＭＰａである。

パルス管冷凍機１０には、高圧ライン１３ａおよび低圧ライン１３ｂが設けられている。高圧ライン１３ａを通じて、高圧ＰＨの作動ガスが圧縮機１２からコールドヘッド１４に流れる。低圧ライン１３ｂを通じて、低圧ＰＬの作動ガスがコールドヘッド１４から圧縮機１２に流れる。高圧ライン１３ａは、圧縮機吐出口１２ａを主圧力切換弁２２の主吸気開閉弁Ｖ１に接続する。低圧ライン１３ｂは、圧縮機吸入口１２ｂを主圧力切換弁２２の主排気開閉弁Ｖ２に接続する。高圧ライン１３ａおよび低圧ライン１３ｂはそれぞれ、圧縮機１２とコールドヘッド１４とを接続する剛性または可撓性の配管であってもよい。

パルス管１６は、パルス管高温端１６ａと、パルス管低温端１６ｂとを有し、パルス管高温端１６ａからパルス管低温端１６ｂへと軸方向に延在する。パルス管高温端１６ａおよびパルス管低温端１６ｂはそれぞれ、パルス管１６の第１端および第２端とも称しうる。パルス管高温端１６ａおよびパルス管低温端１６ｂにはそれぞれ整流器が設けられていてもよい。同様に、蓄冷器１８は、蓄冷器高温端１８ａと、蓄冷器低温端１８ｂとを有し、蓄冷器高温端１８ａから蓄冷器低温端１８ｂへと軸方向に延在する。蓄冷器高温端１８ａおよび蓄冷器低温端１８ｂはそれぞれ、蓄冷器１８の第１端および第２端とも称しうる。パルス管１６および蓄冷器１８が延びる方向をコールドヘッド１４の軸方向Ａと表す。

パルス管低温端１６ｂと蓄冷器低温端１８ｂは冷却ステージ２０によって構造的に接続され熱的に結合されている。冷却ステージ２０には冷却ステージ流路２１が形成されている。冷却ステージ流路２１を通じて、パルス管低温端１６ｂは、蓄冷器低温端１８ｂと流体的に連通している。したがって、圧縮機１２から供給される作動ガスは、蓄冷器低温端１８ｂから冷却ステージ流路２１を通じてパルス管低温端１６ｂへと流れることができる。パルス管１６からの戻りガスは、パルス管低温端１６ｂから冷却ステージ流路２１を通じて蓄冷器低温端１８ｂへと流れることができる。

例示的な構成においては、パルス管１６は内部を空洞とする円筒状の管であり、蓄冷器１８は内部に蓄冷材を充填した円筒状の管であり、両者は互いに隣り合って各々の中心軸を平行として配置されている。パルス管１６および蓄冷器１８は、冷却ステージ２０から同方向に延びており、パルス管高温端１６ａおよび蓄冷器高温端１８ａは、冷却ステージ２０に対して同じ側に配置されている。このようにして、パルス管１６、蓄冷器１８、および冷却ステージ２０は、Ｕ字状に配置されている。

室温部２４は、蓄冷器高温端１８ａを主圧力切換弁２２に接続する蓄冷器連通路３２を備える。蓄冷器連通路３２は、主圧力切換弁２２と蓄冷器高温端１８ａとの間に位置する分岐部３２ａを有する。蓄冷器連通路３２は、蓄冷器高温端１８ａから分岐部３２ａを通って延び、さらに二分岐して、主吸気開閉弁Ｖ１および主排気開閉弁Ｖ２に接続されている。

室温部２４は、蓄冷器１８をバイパスするように主圧力切換弁２２をパルス管１６に接続するダブルインレット流路３４を備える。ダブルインレット流路３４は、蓄冷器連通路３２上の分岐部３２ａからダブルインレットオリフィス２８を介してパルス管高温端１６ａに接続されている。

また、室温部２４には、バッファオリフィス３０を有し、バッファ容積２６をコールドヘッド１４に接続するバッファライン３６が設けられている。バッファライン３６は、バッファオリフィス３０を介してバッファ容積２６をパルス管高温端１６ａに接続する。バッファ容積２６は、高圧ＰＨと低圧ＰＬとの中間圧（例えば高圧ＰＨと低圧ＰＬの平均圧）を有する作動ガスの中間圧源として働く。よって、パルス管高温端１６ａとバッファ容積２６との圧力差に応じて、パルス管１６とバッファ容積２６との間でバッファライン３６を通じて作動ガスが流れる。

なお、バッファライン３６は、剛性または可撓性の配管を含んでもよく、バッファ容積２６とバッファオリフィス３０とが、及び／またはバッファオリフィス３０とコールドヘッド１４とがそうした配管で接続されてもよい。

主圧力切換弁２２は、パルス管１６内に圧力振動を生成すべく蓄冷器高温端１８ａを圧縮機吐出口１２ａおよび圧縮機吸入口１２ｂに交互に接続するように構成されている。主圧力切換弁２２は、主吸気開閉弁Ｖ１と主排気開閉弁Ｖ２のうち一方が開いているとき他方は閉じているように構成されている。主吸気開閉弁Ｖ１が圧縮機吐出口１２ａを蓄冷器高温端１８ａに接続し、主排気開閉弁Ｖ２が圧縮機吸入口１２ｂを蓄冷器高温端１８ａに接続する。

主吸気開閉弁Ｖ１が開いているとき、圧縮機吐出口１２ａから高圧ライン１３ａおよび主吸気開閉弁Ｖ１を通じて蓄冷器１８に作動ガスが供給される。作動ガスはさらに、蓄冷器１８から冷却ステージ流路２１を通じてパルス管１６に供給される。作動ガスの一部は、ダブルインレット流路３４を通じてパルス管１６に供給される。一方、主排気開閉弁Ｖ２が開いているとき、パルス管１６から、冷却ステージ流路２１、蓄冷器１８、主排気開閉弁Ｖ２、および低圧ライン１３ｂを通じて圧縮機吸入口１２ｂに作動ガスが回収される。作動ガスの一部は、パルス管１６から、ダブルインレット流路３４、主排気開閉弁Ｖ２、および低圧ライン１３ｂを通じて圧縮機吸入口１２ｂに回収される。

一般に、圧縮機１２および室温部２４は周囲環境（例えば、室温大気圧環境）に配置される。バッファ容積２６も周囲環境に配置される。蓄冷器１８、パルス管１６、および冷却ステージ２０は周囲環境から隔離された環境（例えば、極低温真空環境）に配置される。パルス管高温端１６ａと蓄冷器高温端１８ａは、例えばフランジ部などの装着構造によって互いに固定され、装着構造を介して、パルス管冷凍機１０が設置される支持台または支持壁などの支持部（例えば、蓄冷器１８、パルス管１６、および冷却ステージ２０を収容する真空容器の壁部）に装着される。

なお、室温部２４の一部（例えば、主圧力切換弁２２）は、パルス管冷凍機１０のコールドヘッド１４から分離して配置され、剛性または可撓性の配管によりコールドヘッド１４に接続されてもよい。

このような構成により、パルス管冷凍機１０は、パルス管１６内に高圧ＰＨと低圧ＰＬの作動ガス圧力振動を生成する。圧力振動と同期して適切な位相遅れをもって、パルス管１６内で作動ガスの変位振動すなわちガスピストンの往復動が生じる。ある圧力を保持しながらパルス管１６内を上下に周期的に往復する作動ガスの動きは、しばしば「ガスピストン」と称され、パルス管冷凍機１０の動作を説明するためによく用いられる。ガスピストンがパルス管高温端１６ａまたはその近傍にあるときパルス管低温端１６ｂで作動ガスが膨張し、寒冷が発生する。このような冷凍サイクルを繰り返すことにより、パルス管冷凍機１０は、冷却ステージ２０を冷却することができる。したがって、パルス管冷凍機１０は、被冷却物を冷却することができる。

パルス管冷凍機１０によって冷却される被冷却物は、冷却ステージ２０上に直接設置され、または冷却ステージ２０に剛性または可撓性の伝熱部材を介して熱的に結合されている。パルス管冷凍機１０は、冷却ステージ２０からの伝導冷却によって被冷却物を冷却することができる。なお被冷却物は、一例として、超伝導電磁石またはその他の超伝導装置、あるいは赤外線撮像素子またはその他のセンサなど固形物であるが、これに限られない。言うまでもなく、パルス管冷凍機１０は冷却ステージ２０に接触する気体または液体を冷却することもできる。例えば、パルス管冷凍機１０は、ヘリウムガスの再凝縮に利用することができる。

図２は、図１に示されるパルス管冷凍機１０のパルス管高温端１６ａを概略的に示す上面図である。

図１および図２に示されるように、パルス管高温端１６ａには、第１接続口３８および第２接続口４０が設けられている。第１接続口３８と第２接続口４０は、互いに異なる位置にある。第１接続口３８には、ダブルインレット流路３４が接続され、第２接続口４０には、バッファライン３６によりバッファ容積２６が接続されている。このように、ダブルインレット流路３４とバッファ容積２６は別々にパルス管高温端１６ａに接続されている。

第１接続口３８と第２接続口４０は、パルス管高温端１６ａ上で径方向に互いに異なる位置にある。第２接続口４０が、パルス管高温端１６ａの中心４２から径方向外側に第２距離ｔ２の位置に設けられ、第１接続口３８が、パルス管高温端１６ａの中心４２から径方向外側に第１距離ｔ１の位置に設けられている。ここで、第１距離ｔ１および第２距離ｔ２は、パルス管高温端１６ａの中心４２から第１接続口３８および第２接続口４０の中心までの長さを示す。第１距離ｔ１および第２距離ｔ２はともに、第１接続口３８と第２接続口４０がパルス管高温端１６ａの上面に配置されるべく、パルス管１６（具体的には、パルス管高温端１６ａ）の半径より短い。

第２距離ｔ２は第１距離ｔ１より短い。よって、第２接続口４０は、パルス管高温端１６ａの中心４２の近くに位置し、第１接続口３８は、第２接続口４０に比べてパルス管高温端１６ａの外周の近くに位置する。例えば、第１距離ｔ１は、パルス管１６の半径の半分より長くてもよい。第２距離ｔ２は、パルス管１６の半径の半分より短くてもよい。

第２接続口４０は、パルス管高温端１６ａの中心４２に設けられてもよい。その場合、第２距離ｔ２はゼロとなる。

図２に示されるように、第１接続口３８と第２接続口４０はともに、パルス管高温端１６ａの中心４２を通る線（すなわち、パルス管高温端１６ａの直径）上にあり、第１接続口３８が中心４２に対し片側に位置し、第２接続口４０が中心４２に対し反対側に位置する。パルス管１６の直径が比較的小さい場合には、このように２つの接続口をパルス管１６の中心４２の両側に配置すれば、各接続口の配置スペースを確保しやすい。ただし、第１接続口３８と第２接続口４０がともに中心４２に対し片側に設けられることも可能である。あるいは、中心４２まわりの周方向に関して、第１接続口３８と第２接続口４０は、図示の例とは異なる位置に設けられてもよい。

第１接続口３８および第２接続口４０はともに、第１接続口３８および第２接続口４０それぞれを通じてパルス管１６の軸方向Ａに作動ガスが流れるようにパルス管高温端１６ａに設けられている。

図示される例においては、第１接続口３８と第２接続口４０の穴径は等しい。しかし、第１接続口３８と第２接続口４０の穴径は異なってもよい。

パルス管高温端１６ａには第１接続口３８と第２接続口４０が１つずつ設けられている。しかし、必要とされる場合には、複数の第１接続口３８、及び／または複数の第２接続口４０が、パルス管高温端１６ａに設けられてもよい。この場合、ダブルインレット流路３４は、ダブルインレットオリフィス２８とパルス管高温端１６ａとの間で分岐して複数の第１接続口３８に接続される。バッファライン３６は、バッファオリフィス３０とパルス管高温端１６ａとの間で分岐して複数の第２接続口４０に接続される。こうした構成は、軸方向Ａに垂直な平面におけるパルス管１６内のガス流速分布を所望の分布とする（例えば、均一化する）のに役立ちうる。

図３は、ある典型的なダブルインレット型のパルス管冷凍機３１０を概略的に示す図である。パルス管冷凍機３１０は、圧縮機３１２、パルス管３１６、蓄冷器３１８、冷却ステージ３２０、主圧力切換弁３２２、バッファ容積３２６、ダブルインレット流路３３４、バッファライン３３６を備える。主圧力切換弁３２２は、蓄冷器連通路３３２により蓄冷器３１８に接続されている。ダブルインレット流路３３４にはダブルインレットオリフィス３２８が設けられ、バッファライン３３６にはバッファオリフィス３３０が設けられている。

ダブルインレット流路３３４は、蓄冷器連通路３３２の分岐部３３２ａから分岐し、合流部３３２ｂでバッファライン３３６に合流し、パルス管高温端３１６ａに接続されている。合流部３３２ｂは、バッファライン３３６においてバッファオリフィス３３０とパルス管高温端３１６ａの間に位置する。

通例、バッファ容積３２６からバッファライン３３６を通じてパルス管高温端３１６ａに流れる作動ガス流れ（図３において矢印３５０で示す）の流量は、ダブルインレット流路３３４を流れるガス流量よりもかなり大きい。

バッファ容積３２６からの大流量の作動ガス流れが合流部３３２ｂを通過するとき、当該ガス流れは、合流部３３２ｂを通じてダブルインレット流路３３４からもガスをバッファライン３３６に引き込む効果を有する。図３において、ダブルインレット流路３３４からバッファライン３３６に引き込まれるガス流れを矢印３５２で示す。このようなガスの引き込み効果を以下では噴流効果とも称する。噴流効果により、ダブルインレット流路３３４から多量のガスがパルス管３１６へと引き込まれうる。

ダブルインレット型のパルス管冷凍機３１０においては、蓄冷器３１８とパルス管３１６それぞれの低温端が互いに連通されるとともに、それぞれの高温端どうしもダブルインレット流路３３４で接続されているので、蓄冷器３１８とパルス管３１６を含む作動ガスの循環経路が形成されている。

噴流効果によって、図３において矢印３５４で示すように、循環経路を流れるＤＣフローが生成されうる。このＤＣフローは、パルス管高温端３１６ａからパルス管低温端３１６ｂへとパルス管３１６を貫通して流れる作動ガス流れを含む。ＤＣフローによって、パルス管高温端３１６ａからパルス管低温端３１６ｂへと熱が伝達され、冷却ステージ３２０は加熱されうる。

このようにして、パルス管冷凍機３１０においては、ダブルインレット流路３３４とバッファライン３３６が合流してパルス管高温端３１６ａに接続されている。そのため、バッファ容積３２６とパルス管３１６との間で流れる作動ガス流れが噴流効果をもたらし、ＤＣフローが生成され、それにより、パルス管冷凍機３１０の冷凍効率が低下されうる。

これに対して、実施の形態によれば、パルス管高温端１６ａが異なる位置に設けられた第１接続口３８および第２接続口４０を有する。第１接続口３８にダブルインレット流路３４が接続され、第２接続口４０にバッファライン３６によりバッファ容積２６が接続され、すなわち、ダブルインレット流路３４とバッファライン３６が別々にパルス管高温端１６ａに接続されている。ダブルインレット流路３４とバッファライン３６は合流してからパルス管高温端１６ａに接続されるのではない。

したがって、バッファ容積２６からの作動ガス流れによる噴流効果は防止または緩和される。すなわち、バッファ容積２６からバッファライン３６を通じてパルス管１６に流入するガスは、ダブルインレット流路３４からパルス管１６へのガスの引き込みをまったく生じさせないか、または少なくとも、そうしたガスの引き込みは顕著に低減される。よって、実施の形態に係るパルス管冷凍機１０においてはＤＣフローが低減され、パルス管冷凍機１０の冷凍効率が向上される。

第２接続口４０が、パルス管高温端１６ａの中心４２または中心４２から第２距離ｔ２の位置に設けられ、第１接続口３８が、パルス管高温端１６ａの中心４２から第１距離ｔ１の位置に設けられている。第２距離ｔ２は第１距離ｔ１より短い。

このようにすれば、パルス管１６は、バッファ容積２６からの大流量の作動ガス流れをパルス管高温端１６ａの中心４２またはその近傍から管内に受け入れることができる。これは、大流量の作動ガス流れをパルス管高温端１６ａの外周部から受け入れる場合に比べて、パルス管１６内のガス流速分布を所望の分布とするのに役立つ。例えば、軸方向流れの流速分布をパルス管１６の中心軸まわりに対称な分布とすることが容易になる。

また、第１接続口３８および第２接続口４０はともに、第１接続口３８および第２接続口４０それぞれを通じてパルス管１６の軸方向Ａに作動ガスが流れるようにパルス管高温端１６ａに設けられている。このようにすれば、パルス管高温端１６ａからパルス管１６に流入する作動ガスの流れ方向を軸方向Ａに一致させることが容易になる。パルス管１６内における作動ガス流れの径方向及び／または周方向の成分が低減される。

ダブルインレット流路３４とバッファライン３６の流量の大小関係またはその他の条件によっては、第１接続口３８と第２接続口４０は逆の配置でもよい。すなわち、第１接続口３８が、パルス管高温端１６ａの中心４２または中心４２から径方向外側に第２距離ｔ２の位置に設けられ、第２接続口４０が、パルス管高温端１６ａの中心４２から径方向外側に第１距離ｔ１の位置に設けられてもよい。

したがって、第１接続口３８および第２接続口４０のうち一方が、パルス管高温端１６ａの中心４２または中心４２から径方向外側に第１距離ｔ１の位置に設けられ、第１接続口３８および第２接続口４０のうち他方が、パルス管高温端１６ａの中心４２から径方向外側に第２距離ｔ２の位置に設けられてもよい。第２距離ｔ２は第１距離ｔ１より短い。

第１接続口３８および第２接続口４０は、パルス管高温端１６ａの中心４２から等距離に設けられてもよい。この場合においても、ダブルインレット流路３４とバッファ容積２６は、パルス管高温端１６ａに別々に接続されることになるから、ＤＣフローが低減され、パルス管冷凍機１０の冷凍効率が向上される。

ここまでは、実施の形態に係るパルス管高温端１６ａでの流路接続構成を、単段式のダブルインレット型のパルス管冷凍機１０を例として説明したが、実施の形態は、多段式（例えば二段式）のダブルインレット型のパルス管冷凍機にも同様に適用可能である。そのような実施の形態を次に述べる。

図４は、第１の実施の形態に係るパルス管冷凍機の他の例を概略的に示す図である。パルス管冷凍機１１０は、ＧＭ方式のダブルインレット型パルス管冷凍機であり、二段式に構成されている。

パルス管冷凍機１１０は、圧縮機１２と、コールドヘッド１４とを備える。コールドヘッド１４は、主圧力切換弁２２、第１段パルス管１１６、第１段蓄冷器１１８、第１段冷却ステージ１２０、第１段バッファ容積１２６、第１段ダブルインレット流路１３４、第１段バッファライン１３６を備える。主圧力切換弁２２は、蓄冷器連通路３２により第１段蓄冷器１１８に接続されている。第１段ダブルインレット流路１３４には第１段ダブルインレットオリフィス１２８が設けられ、第１段バッファライン１３６には第１段バッファオリフィス１３０が設けられている。

第１段パルス管高温端１１６ａには、第１段の第１接続口１３８および第２接続口１４０が設けられている。第１接続口１３８と第２接続口１４０は、互いに異なる位置にある。第１接続口１３８には、第１段ダブルインレット流路１３４が接続され、第２接続口１４０には、第１段バッファライン１３６により第１段バッファ容積１２６が接続されている。第１段ダブルインレット流路１３４と第１段バッファ容積１２６は別々に第１段パルス管高温端１１６ａに接続されている。

例えば、第２接続口１４０が、第１段パルス管高温端１１６ａの中心１４２から径方向外側に第２距離ｔ２の位置に設けられ、第１接続口１３８が、第１段パルス管高温端１１６ａの中心１４２から径方向外側に第１距離ｔ１の位置に設けられている。

パルス管冷凍機１１０の第１段の構成は、図１および図２を参照して説明したパルス管冷凍機１０と共通するから、各構成要素の詳細な説明は省略する。

上述した各構成要素に加えて、パルス管冷凍機１１０は、第２段パルス管２１６、第２段蓄冷器２１８、第２段冷却ステージ２２０、第２段バッファ容積２２６、第２段ダブルインレット流路２３４、第２段バッファライン２３６を備える。第２段蓄冷器２１８は、第１段蓄冷器１１８に直列に接続され、第２段蓄冷器２１８の低温端は、第２段パルス管２１６の低温端と連通している。

第２段ダブルインレット流路２３４は、蓄冷器（１１８、２１８）をバイパスするように主圧力切換弁２２を第２段パルス管２１６に接続する。第２段ダブルインレット流路２３４には、第２段ダブルインレットオリフィス２２８が設けられ、第２段ダブルインレット流路２３４は、蓄冷器連通路３２上の分岐部３２ａから第２段ダブルインレットオリフィス２２８を介して第２段パルス管高温端２１６ａに接続されている。

第２段バッファライン２３６には、第２段バッファオリフィス２３０が設けられ、第２段バッファライン２３６は、第２段バッファオリフィス２３０を介して第２段バッファ容積２２６を第２段パルス管高温端２１６ａに接続する。

第１段の第１接続口１３８および第２接続口１４０と同様に、第２段パルス管高温端２１６ａにも、第２段の第１接続口２３８および第２接続口２４０が設けられている。第１接続口２３８と第２接続口２４０は、互いに異なる位置にある。第１接続口２３８には、第２段ダブルインレット流路２３４が接続され、第２接続口２４０には、第２段バッファライン２３６により第２段バッファ容積２２６が接続されている。このように、第２段ダブルインレット流路２３４と第２段バッファ容積２２６は別々に第２段パルス管高温端２１６ａに接続されている。

第２段パルス管高温端２１６ａにおける第１接続口２３８および第２接続口２４０の配置は、第１段と同様に種々ありうる。例えば、第２接続口２４０が、第２段パルス管高温端２１６ａの中心２４２から径方向外側に第２距離ｔ２２の位置に設けられ、第１接続口２３８が、第２段パルス管高温端２１６ａの中心２４２から径方向外側に第１距離ｔ２１の位置に設けられていてもよい。第２距離ｔ２２は第１距離ｔ２１より短くてもよい。

このようにして、第２段ダブルインレット流路２３４と第２段バッファ容積２２６が第２段パルス管高温端２１６ａに別々に接続されているので、第２段の循環経路において生じうるＤＣフローが低減され、パルス管冷凍機１１０の冷凍効率が向上される。

図５は、第２の実施の形態に係るパルス管冷凍機２１０を概略的に示す図である。パルス管冷凍機２１０は、ＧＭ方式の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２１０は、ダブルインレット流路に代えて、副圧力切換弁４４およびパルス管連通路４６を備える点で、図１および図２を参照して説明したパルス管冷凍機１０と概ね共通の構成をもつ。以下では、両者の異なる構成を中心に説明し、共通する構成については簡単に説明するか、あるいは説明を省略する。

パルス管冷凍機２１０は、圧縮機１２と、コールドヘッド１４とを備える。コールドヘッド１４は、パルス管１６、蓄冷器１８、冷却ステージ２０、主圧力切換弁２２、バッファ容積２６、バッファライン３６を備える。主圧力切換弁２２は、蓄冷器連通路３２により蓄冷器１８に接続されている。バッファライン３６にはバッファオリフィス３０が設けられ、バッファライン３６は、バッファオリフィス３０を介してバッファ容積２６をパルス管高温端１６ａに接続する。

パルス管冷凍機２１０は、副圧力切換弁４４およびパルス管連通路４６をさらに備える。

副圧力切換弁４４は、パルス管高温端１６ａを圧縮機吐出口１２ａおよび圧縮機吸入口１２ｂに交互に接続するように構成されている。副圧力切換弁４４は、副吸気開閉弁Ｖ３と副排気開閉弁Ｖ４とを有する。高圧ライン１３ａは、圧縮機吐出口１２ａを吸気開閉バルブ（Ｖ１、Ｖ３）に接続し、低圧ライン１３ｂは、圧縮機吸入口１２ｂを排気開閉バルブ（Ｖ２、Ｖ４）に接続する。副吸気開閉弁Ｖ３が圧縮機吐出口１２ａをパルス管高温端１６ａに接続し、副排気開閉弁Ｖ４が圧縮機吸入口１２ｂをパルス管高温端１６ａに接続する。

副圧力切換弁４４は、副吸気開閉弁Ｖ３と副排気開閉弁Ｖ４のうち一方が開いているとき他方は閉じているように構成されている。副吸気開閉弁Ｖ３が開いているとき、圧縮機吐出口１２ａから高圧ライン１３ａおよび副吸気開閉弁Ｖ３を通じてパルス管１６に作動ガスが供給される。一方、副排気開閉弁Ｖ４が開いているとき、パルス管１６から副排気開閉弁Ｖ４および低圧ライン１３ｂを通じて圧縮機吸入口１２ｂに作動ガスが回収される。

主圧力切換弁２２および副圧力切換弁４４の具体的構成は種々ありうる。例えば、一群のバルブ（Ｖ１〜Ｖ４）は、例えば電磁開閉弁などの複数の個別に制御可能なバルブの形式をとってもよい。バルブ（Ｖ１〜Ｖ４）は、ロータリーバルブとして構成されてもよい。これらのバルブ（Ｖ１〜Ｖ４）のバルブタイミングとしては、既存の４バルブ型パルス管冷凍機に適用しうる種々のバルブタイミングを採用することができる。

パルス管連通路４６は、蓄冷器１８をバイパスするように、圧縮機吐出口１２ａおよび圧縮機吸入口１２ｂをパルス管１６に接続する。パルス管連通路４６には、流量制御部の一例として流量調整要素４８が設けられている。パルス管連通路４６は、パルス管高温端１６ａから流量調整要素４８へと延び、二分岐して、副吸気開閉弁Ｖ３および副排気開閉弁Ｖ４に接続されている。

４バルブ型パルス管冷凍機では、圧縮機１２、パルス管１６、および蓄冷器１８を含む形で作動ガスの循環経路が形成される。

パルス管高温端１６ａには、第１接続口３８および第２接続口４０が設けられている。第１接続口３８と第２接続口４０は、互いに異なる位置にある。第１接続口３８には、パルス管連通路４６により副圧力切換弁４４が接続され、第２接続口４０には、バッファライン３６によりバッファ容積２６が接続されている。このように、副圧力切換弁４４とバッファ容積２６は別々にパルス管高温端１６ａに接続されている。

パルス管高温端１６ａにおける第１接続口３８および第２接続口４０の配置は、第１の実施の形態に関連して述べたものと同様に、種々ありうる。例えば、第２接続口４０が、パルス管高温端１６ａの中心４２から径方向外側に第２距離ｔ２の位置に設けられ、第１接続口３８が、パルス管高温端１６ａの中心４２から径方向外側に第１距離ｔ１の位置に設けられていてもよい。第２距離ｔ２は第１距離ｔ１より短くてもよい。

仮に、パルス管連通路４６とバッファライン３６が合流して１つの接続口でパルス管高温端１６ａに接続されていたとすると、図３に示される比較例と同様に、バッファライン３６を流れる作動ガス流れが噴流効果をもたらし、それにより、パルス管連通路４６から多量のガスがパルス管１６へと引き込まれうる。循環経路にＤＣフローが生成されうる。
ＤＣフローによって、パルス管高温端１６ａからパルス管低温端１６ｂへと熱が伝達され、パルス管冷凍機の冷凍効率が低下されうる。

しかしながら、実施の形態によれば、パルス管高温端１６ａが異なる位置に設けられた第１接続口３８および第２接続口４０を有する。第１接続口３８に副圧力切換弁４４およびパルス管連通路４６が接続され、第２接続口４０にバッファライン３６によりバッファ容積２６が接続され、すなわち、パルス管連通路４６とバッファライン３６が別々にパルス管高温端１６ａに接続されている。したがって、循環経路において噴流効果により生じうるＤＣフローが低減され、パルス管冷凍機２１０の冷凍効率が向上される。

第２の実施の形態に係るパルス管高温端１６ａでの流路接続構成は、単段式の４バルブ型のパルス管冷凍機２１０を例として説明されたが、実施の形態は、多段式の４バルブ型のパルス管冷凍機にも同様に適用可能である。よって、パルス管冷凍機２１０は、例えば二段式の４バルブ型パルス管冷凍機であってもよい。

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。ある実施の形態に関連して説明した種々の特徴は、他の実施の形態にも適用可能である。組合せによって生じる新たな実施の形態は、組み合わされる実施の形態それぞれの効果をあわせもつ。

例えば、パルス管高温端１６ａにおける第１接続口３８および第２接続口４０の位置関係に関して、第１の実施の形態において言及した様々な特徴は、第２の実施の形態に係るパルス管冷凍機２１０にも等しく適用可能である。

実施の形態にもとづき、具体的な語句を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用の一側面を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。

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、 １４ コールドヘッド、 １６ パルス管、 １６ａ パルス管高温端、 １６ｂ パルス管低温端、 １８ 蓄冷器、 １８ａ 蓄冷器高温端、 １８ｂ 蓄冷器低温端、 ２２ 主圧力切換弁、 ２６ バッファ容積、 ３２ 蓄冷器連通路、 ３２ａ 分岐部、 ３４ ダブルインレット流路、 ３８ 第１接続口、 ４０ 第２接続口、 ４２ 中心、 ４４ 副圧力切換弁、 ４６ パルス管連通路、 Ａ 軸方向、 ｔ１ 第１距離、 ｔ２ 第２距離。

Claims (8)

1. 圧縮機吐出口と圧縮機吸入口とを有する圧縮機と、
   異なる位置に設けられた第１接続口および第２接続口を有するパルス管高温端と、パルス管低温端と、を有するパルス管と、
   蓄冷器高温端と、前記パルス管低温端と連通している蓄冷器低温端と、を有する蓄冷器と、
   前記蓄冷器高温端を前記圧縮機吐出口および前記圧縮機吸入口に交互に接続する主圧力切換弁と、
   前記蓄冷器をバイパスするように、前記主圧力切換弁と前記蓄冷器高温端との間の分岐部から流量制御部を介して前記パルス管高温端の前記第１接続口に接続されたダブルインレット流路と、
   前記パルス管高温端の前記第２接続口に接続されたバッファ容積と、を備えることを特徴とするパルス管冷凍機。
2. 前記第１接続口および前記第２接続口のうち一方が、前記パルス管高温端の中心または中心から径方向外側に第１距離の位置に設けられ、前記第１接続口および前記第２接続口のうち他方が、前記パルス管高温端の中心から径方向外側に第２距離の位置に設けられ、前記第２距離は前記第１距離より短いことを特徴とする請求項１に記載のパルス管冷凍機。
3. 前記第２接続口が、前記パルス管高温端の中心または中心から前記第２距離の位置に設けられ、前記第１接続口が、前記パルス管高温端の中心から前記第１距離の位置に設けられていることを特徴とする請求項２に記載のパルス管冷凍機。
4. 前記第１接続口および前記第２接続口は、前記パルス管高温端の中心から等距離に設けられていることを特徴とする請求項１に記載のパルス管冷凍機。
5. 前記第１接続口および前記第２接続口はともに、前記第１接続口および前記第２接続口それぞれを通じて前記パルス管の軸方向にガスが流れるように前記パルス管高温端に設けられていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のパルス管冷凍機。
6. 圧縮機吐出口と圧縮機吸入口とを有する圧縮機と、
   異なる位置に設けられた第１接続口および第２接続口を有するパルス管高温端と、パルス管低温端と、を有するパルス管と、
   蓄冷器高温端と、前記パルス管低温端と連通している蓄冷器低温端と、を有する蓄冷器と、
   前記蓄冷器高温端を前記圧縮機吐出口および前記圧縮機吸入口に交互に接続する主圧力切換弁と、
   前記パルス管高温端の前記第１接続口を前記圧縮機吐出口および前記圧縮機吸入口に交互に接続する副圧力切換弁と、
   前記パルス管高温端の前記第２接続口に接続されたバッファ容積と、を備えることを特徴とするパルス管冷凍機。
7. 異なる位置に設けられた第１接続口および第２接続口を有するパルス管高温端と、パルス管低温端と、を有するパルス管と、
   蓄冷器高温端と、前記パルス管低温端と連通している蓄冷器低温端と、を有する蓄冷器と、
   前記蓄冷器高温端を主圧力切換弁に接続する蓄冷器連通路と、
   前記蓄冷器をバイパスするように、前記蓄冷器連通路上の分岐部から流量制御部を介して前記パルス管高温端の前記第１接続口に接続されたダブルインレット流路と、
   前記パルス管高温端の前記第２接続口に接続されたバッファ容積と、を備えることを特徴とするパルス管冷凍機のコールドヘッド。
8. 前記ダブルインレット流路に代えて、前記パルス管高温端の前記第１接続口を副圧力切換弁に接続するパルス管連通路を備えることを特徴とする請求項７に記載のパルス管冷凍機のコールドヘッド。

Images