JP2553822B2 - パルスチューブ冷凍機 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ガス冷凍機に関し、特
にパルスチューブ冷凍機に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】パルスチューブ内でガスが膨脹し寒冷を
発生させるためには、振動するガスの圧力と体積変化と
の間に適当な時間的ずれ（位相）を生じさせる必要があ
る。このため、従来のオリフィスタイプのパルスチュー
ブ冷凍機は、主として高圧給気バルブ，低圧排気バル
ブ，再生用熱交換器，冷却器，冷凍熱交換器と層流化部
材を含み、かつパルスチューブの熱端（Hot end）に、
位相形成のためのオリフィスを設け、またガス溜め系統
を設けている。オリフィスの絞り作用により高圧ガスの
膨脹ワークは、熱として外部に散逸し、それによってパ
ルスチューブが冷凍効果を発揮する。この際、もしパル
スチューブの熱端に、この種の不可逆ロスが存在しない
場合、パルスチューブは寒冷を発生しない。しかし、パ
ルスチューブ冷凍機における単位質量気体の總（グロ
ス）冷凍発生量は非常に低く、従って理論効率が低い。
その原因は、高圧給気バルブが開いた時、不等圧ガスの
給気プロセスがある。これは一種の不可逆プロセスであ
る。また、低圧排気バルブが開いた時、不等圧排気プロ
セスがある。これも不可逆プロセスである。従って、必
然的に非常に大きい不可逆ロスを造成する。上記の２つ
のプロセスによりオリフィスパルスチューブ冷凍機の理
論寒冷発生効率は非常に低いものとなる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】すなわち、オリフィス
を用いて位相形成することにより寒冷を発生するタイプ
のパルスチューブ冷凍機では、オリフィスをガスが通過
する時に不可逆なロスが発生し、効率が悪い。しかし、
理想のサイクルの場合、理論寒冷発生効率は１００％に
達する。パルスチューブを小寒冷発生量に使用する場
合、上記の欠点はとりわけ問題とはならないが、大寒冷
発生量を要求する場合、その欠点は顕著に表れる。

【０００４】本発明は、従来のパルスチューブ寒冷機の
高，低圧給、排気時に発生する不可逆ロスを除き、等圧
膨脹の実現により最大の温度低下と単位寒冷発生量を得
ることによってパルスチューブ冷凍機の理論寒冷発生効
率の向上を図ることを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、この発明のパルスチューブ冷凍機は、パルスチュー
ブ、層流化部材、高圧給気バルブと低圧排気バルブを備
えたパルスチューブ冷凍機であって、上記パルスチュー
ブの熱端に高圧ガス溜めと低圧ガス溜めを接続し、かつ
上記高、低圧ガス溜めとパルスチューブの間にバルブを
介装せしめるという構成をとる。

【０００６】

【作用】本発明の上記目的は、従来のパルスチューブの
熱端（高温側）に一つの高圧ガス溜めと一つの低圧ガス
溜めを設けるとともに、高，低圧ガス溜めとパルスチュ
ーブとの間にバルブを介在させることによって達成され
る。

【０００７】すなわち、オリフィスを用いて位相調整す
ることで寒冷を発生するタイプのパルスチューブ冷凍機
では、オリフィスをガスが通過する時に不可逆なロスが
発生し、効率が悪い。しかし、高圧用，低圧用のガス溜
めと、開閉バルブで構成される発明では、ガスの出入口
におけるロスが無く、パルスチューブ内でのガスの膨脹
時にすべてのエネルギーの変換が行われるので、理論効
率が１００％である。

【０００８】つぎに、実施例について説明する。

【０００９】

【実施例１】図１において、パルスチューブ７の冷端
（低温側・ガスの入口側）７１に蓋体４、層流化部材５
が配設されている。高圧給気バルブ１と低圧排気バルブ
２は、それぞれ高圧ガス源（図示せず）と連通する給気
管２１と、低圧ガス源（図示せず）と連通する排気管２
２を介し、総管３を経て上記冷端７１に連通されてい
る。給排気は、通常、回転バルブによって切換えられる
が、作業過程の説明の便宜上、給排気管のバルブ１，２
を分離式として示した。パルスチューブ７の熱端（高温
側）７２に蓋体９と層流化部材８が配設されている。上
記熱端には高圧ガス溜め（バッファータンク）１２と低
圧ガス溜め（バッファータンク）１３がそれぞれ管１
１，１４を介し、総管を経て連通されている。上記高圧
ガス溜め１２とパルスチューブ熱端間の連接管１１に高
圧ガス溜めバルブ１０、また低圧ガス溜め１３とパルス
チューブ熱端間の連接管１４に低圧ガス溜めバルブ１５
が配設されている。ここにおいて、高，低圧ガス溜めバ
ルブ１０、１５は分離式であるが、１つの回転バルブに
置き換えてもよい。図中の高，低圧ガス溜めの圧力と、
高，低圧ガス源の圧力は基本的に同一である。

【００１０】高，低圧ガス溜め１２，１３を備えた上記
パルスチューブ冷凍機の作業過程は下記の通りである。

【００１１】 給、排気バルブ１，２を閉め、また低
圧ガス溜めバルブ１５も閉める。この時、パルスチュー
ブ７内は低圧ガス源と同一圧力となっている。次に高圧
ガス溜めバルブ１０を開けると、高圧気体が高圧ガス溜
め１２より、パルスチューブ７の熱端７２に流れ込むの
で、パルスチューブ７内の気体圧力は高圧ガス溜めの圧
力近くまで上昇する。このパルスチューブの状態を図３
−に示す。図において、IVは高圧ガス溜めから導入さ
れた高圧ガス、II，III は低圧から高圧になったチュー
ブ７内のガスである。ｐｈはパルスチューブ内の高圧力
を示す。

【００１２】 バルブ１０を開けた状態で給気バルブ
１のみを開ける（その他のバルブは元のまま）。すると
高圧ガスが給気バルブ１よりパルスチューブ７の冷端に
流入する。高圧ガス源の圧力が高圧ガス溜めの圧力より
稍高いので、上記過程で上記パルスチューブ７の冷端
に流れ込んだ高圧ガス溜めのガスIV（図３−参照）は
ただちに高圧ガス溜め１２内に戻される。この過程は基
本的には等圧給気過程であり、その気体分布は図３−
に示される。図３−において、Ｉは高圧ガス源からパ
ルスチューブ７内に導入された高圧ガスを示す。

【００１３】 高圧ガス溜めバルブ１０と給気バルブ
１を閉める（排気バルブ２は閉めたまま）、ついで低圧
ガス溜めバルブ１５を開ける。するとパルスチューブ７
熱端のガスIII （図３−参照）が低圧ガス溜め１３に
流入する（戻る）ので、パルスチューブ７内の圧力が低
圧ガス溜め１３の圧力まで低下する。すなわち、上記過
程においてパルスチューブ７の冷端に入った高圧ガス
Ｉは、ガスIIと共に、低圧ガス溜め１３の圧力まで膨脹
し、温度降下してパルスチューブ７の冷端側７１を冷却
する。この過程の気体分布は図３−に示される。ＰＬ
はパルスチューブ内の低圧力を示す。

【００１４】 低圧排気バルブ２を開ける（その他の
バルブは元のまま）と、上記過程においてパルスチュ
ーブ内で膨脹したガスＩが、排気バルブ２を介して低圧
ガス源に排出され（図３−参照）、低圧ガス溜め１３
の低圧ガスがパルスチューブ７に流入する。

【００１５】図３に示すように、パルスチューブ７内の
気体は高圧ガス源気体ブロックＩとパルスチューブ７内
においてガスピストンとして作用する気体ブロックII
と、低圧ガス溜め給気気体ブロックIII と、高圧ガス溜
め給気気体ブロックIVとに分割される。これ等は左より
右に順次配列され、作業過程によりパルスチューブ７か
ら流出したり、またはパルスチューブ７に流入する。作
業過程における初期の態様は、図３に示される。パルス
チューブ７内に気体ブロックII，III がある。過程の
後、気体ブロックIVはパルスチューブ７に流入し、該管
内の圧力がＰｈに上昇する。過程の後、高圧ガス源か
ら流入した気体ブロックＩは気体ブロックIVをパルスチ
ューブ７外へ押し出す。その時パルスチューブ７内の圧
力は元通りＰｈである。過程において、低圧ガス溜め
給気気体ブロックIII は低圧ガス溜めに流れ戻り、パル
スチューブ７内の圧力がＰＬになる。過程において、
高圧ガス源給気気体ブロックＩはパルスチューブ７外へ
押し出される。これで１サイクルの作業が終了する。

【００１６】こうして１サイクルが終わり、ついで新た
に上記過程が始まる。このように循環してワークする
ので、高圧ガスは、不断に膨脹して低圧となる。気体の
パルスチューブ７内における熱伝導、混合と、流動によ
るロスとを考慮しない場合、高圧ガス溜め１２内の圧力
は、高圧力ガス源の給気圧力に、また低圧ガス溜め１３
内の圧力は、低圧ガス源の圧力にそれぞれ等しい。上記
パルスチューブ７の給、排気の全過程は等エントロピー
効率である。冷凍気体（高圧ガス）の膨脹ワーク（expa
nsion work）は不可逆のガス溜めのパルスチューブ７へ
の排気と、パルスチューブ７のガス溜めへの排気とによ
って熱に変換され大気中に放出される。すなわち、上記
のようにして１サイクルが終わると、結局、ガスＩが高
圧ガス源から入りパルスチューブ７内で断熱膨脹し寒冷
を発生した後、低圧ガス源に排出されたことになる。ガ
スIIは常にパルスチューブ７内でガスピストンの役割を
演じ、III ，IVはそれぞれ各ガス溜め（バッファタン
ク）１２，１３から出入りしているだけである。

【００１７】このように、ガスの出入りは全て可逆的に
ロス無く行われた状態で、ガスＩの膨脹が行われた事に
なるので、この理論効率は１００％となるわけである。
実際にはバルブを通過するガスのバルブ前後の圧力差が
零であることはありえないので、厳密に１００％とはな
らないが、オリフィス型と比べて原理的にロスが無い。

【００１８】なお、図１の連通管１１，１４とそれらに
取り付けられたバルブ１０，１５は冷却器としての効果
を有する。図中の高、低圧ガス溜め１０，１５は分離式
であるが、１個の２位置３通弁（Two position three-w
ay valve）に置き換えてもよい。バルブのタイプとして
電動バルブ、電磁バルブ、気動バルブまたは回転バルブ
などが挙げられる。

【００１９】

【実施例２】パルスチューブの給、排気圧の比が高すぎ
るとき、図３の過程の気体ブロックの長さが大幅に増
大するとともに、過程の高圧ガスブロックＩの体積も
大幅に増大する。過程の後、一部の膨脹後の高圧ガス
ブロックＩが低圧ガス溜めに流入する。しかし低圧ガス
溜めが室温であるから、作業（working process）は予
期の効果が得られない。そのため、１または複数の圧力
不同の中圧ガス溜めを設けて解決しなければならない。
換言すれば、高、低圧ガスの圧力比を大きくすると、例
えば高圧のガスタンクから低圧のパルスチューブ内にガ
スを詰め込む時間が長くなり、実際のロスが増える事に
なる。そこで、図２のように中圧タンク１８とバルブ１
７を加え、１サイクルの高圧、低圧の切り替えの途中に
中圧ガスの出入りを加えると、それぞれのガスの出入り
に要する時間を短縮することができる。この結果、ガス
ピストンが理想的に働き、ロスの増加を押さえる事がで
きる。

【００２０】図２は、高，中，低圧ガス溜めを備えた他
の実施例の冷凍機の断面を示す。すなわち、図２の高，
低圧ガス溜めの間に１個の中圧ガス溜め１８を増設した
もので、このガス溜め１８の圧力は、高，低圧ガス溜め
の間の圧力に設定されている。上記ガス溜め１８とパル
スチューブ７の間に接続管１７とバルブ１６が設けられ
ている。

【００２１】以下に、上記中圧ガス溜めをさらに備えた
冷凍機の作業過程を説明する。

【００２２】 給気バルブ１、排気バルブ２、低圧ガ
ス溜めバルブ１５、高圧ガス溜めバルブ１０を閉め、低
圧ガス溜めバルブ１６のみを開ける。気体は中圧ガス溜
め１８から中圧ガス溜めバルブ１６を経てパルスチュー
ブ７の熱端に流入する。するとパルスチューブ内の圧力
が中圧ガス溜めの圧力まで上昇する。

【００２３】 次に、中圧ガス溜めバルブ１６を閉
め、高圧ガス溜めバルブ１０を開ける（その他のバルブ
は元のまま）。すると、高圧ガス溜め１２内の気体は、
高圧ガス溜めバルブ１０を経てパルスチューブの熱端に
流入するので、パルスチューブ内の圧力が高圧ガス溜め
の圧力が高圧ガス溜めの圧力まで上昇する。

【００２４】 給気バルブ１を開ける（その他のバル
ブは元のまま）。すると、高圧ガス源の気体が給気バル
ブ１を介しパルスチューブの冷端（低温側）に流入す
る。この時、過程において高圧ガス溜めからパルスチ
ューブに流入した気体はバルブ１０を経て高圧ガス溜め
に流れ戻る。

【００２５】 給気バルブ１と高圧ガス溜めバルブ１
０を閉め、中圧ガス溜めバルブ１６を開ける（その他の
バルブは元のまま）。すると、過程において中圧ガス
溜めからパルスチューブに流入した気体は再びバルブ１
６を経て中圧ガス溜め１８に流れ戻る。その結果、パル
スチューブ内の圧力は中圧ガス溜めの圧力まで加工する
と共に過程において高圧ガス源からパルスチューブの
冷端に流入しら気体が膨脹して中圧ガス溜めの圧力に達
し、温度が低下する。

【００２６】 中圧ガス溜めバルブ１６を閉め、低圧
ガス溜めバルブ１５を開ける（その他のなるぶは元のま
ま）。すると、パルスの熱端の気体が低圧ガス溜め１３
に流入する。その結果、パルスチューブ７内の圧力が低
圧ガス溜め１３の圧力まで下降し、過程において高圧
ガス源からパルスチューブ冷端に流入した気体が更に膨
脹して低圧ガス溜めの圧力に達するので、温度が更に低
下する。

【００２７】 排気バルブ２を開ける（その他のバル
ブは元のまま）。すると気体が低圧ガス溜め１３から低
圧ガス溜めバルブ１５を経てパルスチューブの熱端に流
入する。その結果、過程において高圧ガス源からパル
スチューブの冷端に流入した気体を排気バルブ２から排
出し、最初の状態に戻る（すなわち、１サイクルの作業
が終了する）。

【００２８】このように、パルスチューブ冷凍機が周期
的に循環作業するので、高圧ガス源の気体が不断に（断
熱）膨脹し排気圧力になる。この際、流動摩擦、熱伝
導、気体のパルスチューブ内における混合ロスを考慮し
ない場合、全過程は等エントロピープロセスである。上
記過程の気体分布図は前記実施例１と原理的に同一であ
るから説明を省略する。

【００２９】以上、高，中，低圧ガス溜めを例にマルチ
ガス溜めパルスチューブ冷凍機の作業過程について説明
した。

【００３０】上記の実施例２において、圧力がなお十分
に高い場合、必要であれば高，低圧ガス溜めの間に圧力
不同のガス溜めをいくつか添設することができる。その
原理は上述と同様であるので、本発明の範囲に属する。

【００３１】ガス溜めバルブは図面において分離式バル
ブを示したが、多位置多パス（multi-position multi-
pass）電動回転バルブを使用すれば、一つのバルブでも
って多岐管の制御ができるので作業が簡便となり、構造
も簡単になるので、より好ましい。

【００３２】

【実施例３】図４に示すように、ガス溜め１２，１３，
１８と連接管をそれぞれ長い細管４０，４１，４２に置
き換え、単向バルブ４６，４７を介し、各細管の両端を
パルスチューブの熱端に接続せしめる構成をとることも
できる。この場合、各細管はガス溜めの働きをし、冷却
効果を発揮する。

【００３３】

【実施例４】図５はパルスチューブを円周状に複数並
べ、開閉バルブをロータリーバルブ５’，１６’で構成
した実施例を示す。この実施例では、熱端と冷端のバル
ブ５’，１６’は一つのモーターの回転で開閉される。
すなわちこの実施例は、パルスチューブを複数にするこ
とで、装置をコンパクトにしたまま大流量（大容量）化
を図ったものである。より詳しく説明すると、図示のよ
うに、円筒状パルスチューブフレーム８’の周囲に一群
（複数）のパルスチューブ２’を配設する。各パルスチ
ューブ２’は中心軸１８’を中心とし同一円周上に位置
している。各パルスチューブ群の断面は図８に示す通り
である。パルスチューブフレーム８’の上端面と回転ガ
ス溜め５’の下端面は気密状に摺接している。上記回転
ガス溜め５’の内部は、円周に沿ってそれぞれ２個の高
圧ガス溜め、２個の中圧ガス溜め、２個の低圧ガス溜め
に６分割され、各圧力のガス溜めは、それぞれ同じ圧力
のものごとに、ほぼ軸対称に位置決めされ、パイプで連
通されている。上記回転ガス溜め５’の摺接面（摺動係
合面）には図７に示すように、各ガス溜めの開口部１０
１’，１０２’，１０３’…２９４’が設けられてあ
る。より詳しく述べると、高、中、低圧ガス溜め開口
は、順次、中圧ガス溜め出口２８１’、高圧ガス溜め出
口１０２’、高圧ガス溜め入口１０１’、中圧ガス溜め
入口２８４’、低圧ガス溜め入口２９４’、低圧ガス溜
め出口２９３’、中圧ガス溜め出口２８３’、高圧ガス
溜め出口１０４’、高圧ガス溜め入口１０３’、中圧ガ
ス溜め入口２８２’、低圧ガス溜め入口２９２’、低圧
ガス溜め出口２９１’という配列をとる。これ等の開口
部とパルスチューブ群の熱端とは、同一円周上に位置し
ている。操業時、各ガス溜めの開口部は、各パルスチュ
ーブ２’の熱端入口に対して図７の矢印方向に回転し、
順次連通する。開口部が所定のパルスチューブ２’と対
向した時、バルブが開弁したことに相当し、離れた時、
バルブが閉弁したことに相当する。パルスチューブフレ
ーム８’は固定不動である。回転ガス溜め５’とパルス
チューブフレーム８’の軸１８’はキー６’を介し一体
に連結されている。パルスチューブフレーム８’の下端
面と吸、排気回転バルブコア１６’の上端面は摺接して
いる。上記回転バルブコア１６’もキー１７’を介し、
電動機２６’で駆動される回転軸１８’と一体的に連結
されている。従って、回転ガス溜め５’と回転バルブコ
ア１６’は回転軸１８’の回転に伴って回転する。上記
バルブコア１６’の上端面には、図６に示すように、高
圧吸気孔３２’，３３’と低圧排気孔４７’，４８’が
軸対称で設けられている。これらの高圧吸気孔３２’，
３３’，４７’，４８’はパルスチューブの群の冷端入
口に対して回転し順次連通する。すなわち、高圧吸気孔
３２’，３３’は、図５に示す高圧ガス通路１２’に連
通し、低圧排気孔４７’，４８’は上記バルブコア１
６’内に設けられ、図６に点線で示される低圧排気路に
連通する。この低圧排気路は図５に示す低圧低温室２
２’に連通する。より詳しく述べると、回転バルブコア
１６’内部の高圧ガス通路１２’は、回転軸心孔１９’
より２つに分岐し所定のパルスチューブ２’の冷端に連
通する。上記２つの高圧ガス通路１２’の形状、断面は
同一である。回転バルブコア１６’と冷端の壁１４’と
の間に低温低圧室２２’が形成されている。回転バルブ
コア１６’の端面の高圧吸気孔３２’，３３’と低圧排
気孔４７’，４８’の位置は図６に示す通りである。そ
れ等は同一円周上にあり、９０度間隔で配設されてい
る。上記高圧吸気孔３２’，３３’と低圧吸気孔４
７’，４８’はそれぞれ１個づつ設けられ、相互に１８
０度間隔で、つまり対向位置に位置決めされてもよい。
図６において、低圧排気路は点線で示され、両側壁を貫
通して低圧低温室２２’と連通した後、更に低圧低温室
２２’の壁孔１５’を経て低圧ガス源（図示せず）に連
通する。回転バルブコア１６’の中空回転軸４５’と冷
端の壁１４’との間に密封シール２０’が設けられ、高
圧ガスが低圧低温室２２’へ漏れないようにしている。
また、回転軸１８’と、パルスチューブフレーム８’と
の間に気密シール２３’が設けられ、これによって低温
側と高温側の気体の連通を遮断する。回転ガス溜め５’
の外周には、高温側の気体を密封するカバー４’がパル
スチューブフレーム８’上に取り付けられている。

【００３４】回転ガス溜め５に設けられた各ガス溜め入
口，出口１０１’，１０２’，１０３’…２９４’と、
回転バルブコア１６’に設けられた各気孔３２’，３
３’，４７’，４８’との相互の位置関係は図６、図７
に示す位置関係に設定される。

【００３５】そして、回転軸１８’を回転させ、それに
よって回転ガス溜め５’および回転バルブコア１６’
を、固定状態のパルスチューブ２’群に対して回転さ
せ、ガス溜め５’の入口，出口、１０１’，１０２’，
１０３’…２９４’と、回転バルブコア１６’の気孔３
２’，３３’，４７’，４８’とを順次連通させること
により、高圧ガスを、順次パルスチューブ２’内で断熱
膨脹させ、寒冷を発生させる。この過程を、それぞれ１
個のパルスチューブ２’についてみてみると、実施例２
の過程〜と同じとなる。この実施例では、複数のパ
ルスチューブ２’について、回転ガス溜め５’および回
転バルブコア１６’の回転により、連続的に順次上記過
程〜が生じるため、コンパクトな装置で大量の寒冷
を発生させることができる。

【００３６】上記の回転ガス溜め５’と回転バルブコア
１６’のガス孔の位置は、パルスチューブの作業（ワー
ク）工程によって設定され、相互に一定の配置関係があ
る。これは当業者の容易に実施できるものである。組み
立ての時、図中の孔３２’と孔１０１’は同一位相に配
置される。図６，図７に示された孔および開口は１周回
転する毎に２サイクル完了する。

【００３７】

【実施例５】細いパルスチューブは効率が比較的に高い
ので、図８に示すパルスチューブ２’に代えて図９に示
すようなパルスチューブ５１’を用いてもよい。すなわ
ち、図９のものは、管径の極めて小さいパルスチューブ
５１’を円環状に密接状に配列させた構成とし、かつ円
環の幅と前記の高，低圧吸排気孔の孔径に相当せしめて
いる。すなわち、本来、太いパルスチューブによって占
められている環状空間に、上記図９のものを嵌装する。
この細管は直径１〜４ｍｍの如き細いものを採用でき
る。５２’は環状空間における連接リブを示す。

【００３８】なお、上記実施例４の回転式パルスチュー
ブ冷凍機は、ガス溜めとバルブコアが相対的に固定され
た回転式パルスチューブ組であろうと、またはパルスチ
ューブ組が固定でガス溜めとバルブコアが回転するもの
であろうと、要は相対的運動をするものであれば何れも
同様の目的を達成し得る。後者の原理と構造は類似であ
るので詳しい説明を省略する。また、上記実施例４の軸
承２４’，２５’は電磁軸承を使用することができる。
この場合、油による汚染問題を回避することができる。
また高圧ガス吸気口、低圧ガス排気孔及び各ガス溜め開
口の位置を改変すれば、さらにＧ−Ｍサイクルの実現が
可能となる。

【００３９】上記実施例４の回転式パルスチューブ冷凍
機の各パルスチューブは交替的に吸気するので、全体的
に言えば、ガスは中断することなく吸気し、連続的に膨
脹して寒冷を発生する状態にある。吸気が連続であるか
ら単一パルスチューブに較べ寒冷発生量が大幅に向上す
る。上記記載の高圧ガス吸気口、低圧ガス排気口、各ガ
ス溜め開口とパルスチューブ口の摺動開閉方式によれば
死容積を大幅に減少できるのでパルスチューブの効率が
向上する。さらには、複数のパルスチューブがガス溜め
と回転バブルコアを共用するので装置の体積の増加が少
なく、かつパルスチューブの長さが熱分離器のそれに比
し極端に短いので、体積が小さくコンパクトになる。ま
た、パルスチューブの吸気速度は熱分離器に比し低い。
これは正に寒冷発生量を必要とする多くの場合に適合
し、寒冷発生量の選択範囲を拡大し得る。さらには、上
記実施例４のパルスチューブ冷凍機（寒冷発生機）は騒
音発生量が小であり、かつ理論効率が１００％に達する
ので、従来のパルスチューブ冷凍機と熱分離器の優点を
兼ね備え、両者の欠点のないものである。

【００４０】

【発明の効果】以上のように、本発明は、パルスチュー
ブの熱端に高圧用、低圧用それぞれのガス溜め（バッフ
ァータンク）と開閉バルブを設け、その開閉タイミング
を冷端（ガスの入り口側）の高圧、低圧用開閉バルブと
適当な位相で連動させることで、ガスの断熱膨脹による
寒冷の発生を効率よく行うことができる。すなわち、オ
リフィスを用いて位相調整することで寒冷を発生するタ
イプのパルスチューブ冷凍機では、オリフィスをガスが
通過する時に不可逆なロスが発生し効率が悪い。しか
し、高圧用，低圧用のガス溜めと、開閉バルブで構成さ
れる本発明では、ガスの出入口におけるロスが無く、パ
ルスチューブ内でのガスの膨脹時にすべてのエネルギー
の変換が行われるので、理論効率が１００％である。ま
た、高圧用，低圧用以外に中圧用のガス溜め（バッファ
ータンク）を用いたものは、高低圧ガスの圧力比を大き
くしても、中圧タンクの作用により、ロスを防ぐことが
できる。また、複数のパルスチューブを円周状に並べ、
かつ開閉バブルをロータリーバルブで構成した回転式の
パルスチューブ冷凍機は、コンパクトでしかも大量の寒
冷を連続的に製造しうるという利点がある。なお、本発
明と熱分離器はある点において類似するが、製冷原理と
構造においては大きい違いがある。具体的には、熱分離
器の高圧ガス吸気口はノズルを使用し、管内に噴入する
気流の速度は音速で、衝撃波と膨脹波を利用して製冷す
る。これに対し、本発明は容積膨脹原理を利用して製冷
する。これはピストン膨脹原理と同様である。高圧ガス
吸気口は気流通路である。パルスチューブに流入する高
圧ガスの速度は非常に低い、基本的には管路流速であっ
て、約１０〜６０ｍ／秒程度である。熱分離器の管長は
約１〜２ｍであるが、本発明のパルスチューブの長さは
約１０〜２０ｍｍ程度に過ぎない。本発明の理論効率は
１００％で、これは熱分離器の到底達しえないものであ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】高、低圧ガス溜めを備えた本発明の一実施例の
パルスチューブ冷凍機の具体的構造を示す縦断面図であ
る。

【図２】高、中、低圧ガス溜めを備えた本発明の他の実
施例のパルスチューブ冷凍機の縦断面図である。

【図３】図１の高、低圧ガス溜め冷凍機の作業（ワー
ク）過程中におけるパルスチューブ内の気体分布を示す
略図である。

【図４】ガス溜めの代わりに細管を使用したさらに他の
実施例の構造図である。

【図５】回転式パルスチューブ冷凍機の縦断面図であ
る。

【図６】回転バルブコア摺動係合面における開口を示す
略図である。

【図７】回転ガス溜め摺動係合面における開口を示す略
図である。

【図８】図５のパルスチューブ群のＡ−Ａ断面図であ
る。

【図９】環状に密接配列した細いパルスチューブの端面
を示す略図である。

【符号の説明】

１ 高圧給気バルブ ２ 低圧排気バルブ ７ パルスチューブ ５，８ 層流化部材 １２ 高圧ガス溜め １３ 低圧ガス溜め １０，１５ バルブ

Claims (8)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 パルスチューブ７、層流化部材５，８、
   高圧給気バルブ１と低圧排気バルブ２を備えたパルスチ
   ューブ冷凍機であって、上記パルスチューブ７の熱端に
   高圧ガス溜め１２と低圧ガス溜め１３を接続し、かつ上
   記高、低圧ガス溜めとパルスチューブの間にバルブ１
   ０，１５を介装せしめたことを特徴とするパルスチュー
   ブ冷凍機。
2. 【請求項２】 上記、高，低圧ガス溜め１２，１３の間
   に圧力不同の中圧ガス溜め１８を添設し、かつ該中圧ガ
   ス溜めとパルスチューブの熱端との間にバルブ１６を介
   装せしめたことを特徴とする請求項１記載のパルスチュ
   ーブ冷凍機。
3. 【請求項３】 上記高，中，低圧ガス溜め１２，１３，
   １８が細管４０，４１，４２に置き換えられ、かつ単向
   バルブ４６，４７を介し、各細管の両端をそれぞれパル
   スチューブの熱端に接続せしめたことを特徴とする請求
   項１または２記載のパルスチューブ冷凍機。
4. 【請求項４】 下記の（ａ）〜（ｄ）を備えていること
   を特徴とする回転式のパルスチューブ冷凍機。 （ａ） パルスチューブフレーム８’の円周に沿って配
   設されたパルスチューブ群２’ （ｂ） 上記パルスチューブ群の冷端側に設けられた相
   対回転可能なバルブコア１６’ （ｃ） 上記バルブコア１６’上の高圧給気口３２’と
   低圧排気口４７’は上記パルスチューブ群と同一円周上
   にあって、順次各パルスチューブの冷端を連通する。 （ｄ） 上記パルスチューブフレームの端面とバルブコ
   アの係合面は動密封状に保持され、かつ上記パルスチュ
   ーブ群２’の熱端側にガス溜め５’が配設されている。
5. 【請求項５】 上記ガス溜め５’が高，低圧又は高，
   中，低圧マルチ回転式ガス溜めであって、各ガス溜めに
   上記パルスチューブ群の熱端と連通する開口が設けられ
   ている請求項４記載のパルスチューブ冷凍機。
6. 【請求項６】 上記回転式バルブコア１６’の係合面に
   設けられた高圧給気口３２’と低圧排気口４７’がそれ
   ぞれ１個で、かつ１８０度（対向位置）に配設、または
   それぞれ２個で９０度間隔に配設されている請求項４ま
   たは５記載のパルスチューブ冷凍機。
7. 【請求項７】 上記高，中，低圧ガス溜めの開口が下記
   の順序でガス溜め係合面に設けられている請求項６記載
   のパルスチューブ冷凍機。中圧ガス溜め出口２８１’、
   高圧ガス溜め出口１０２’、高圧ガス溜め入口１０
   １’、中圧ガス溜め入口２８４’、低圧ガス溜め入口２
   ９４’、低圧ガス溜め出口２９３’、中圧ガス溜め出口
   ２８３’、高圧ガス溜め出口１０４’、高圧ガス溜め入
   口１０１’、中圧ガス溜め入口２８２’、低圧ガス溜め
   入口２９２’、低圧ガス溜め出口２９１’
8. 【請求項８】 上記パルスチューブ群２’が非常に細い
   パルスチューブ５１’を密接円環状に配列してなるもの
   であって、該円環の幅は、従来の高，低圧給、排気孔の
   直径に相当するものである請求項５記載のパルスチュー
   ブ冷凍機。