JP2824946B2 - 断熱型パルス管式冷凍機 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、パルス管を構成要素の
一つとするほぼ常温にある膨張機付きの改良型や調整弁
付きのオリフィス型その他の形式によるパルス管式冷凍
機の低温部に関し、なお詳しくは伝熱面積を増やして冷
凍効率を上げると同時に作動流体（ヘリウム、水素、ア
ルゴン、空気、窒素その他の気体、または、分子量の異
なる複数の混合気体、以下、流体という）の圧力損失を
極度に少なくする高効率でコンパクトなパルス管式冷凍
機の低温部（クライオスタットとも言う）の構造に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】パルス管式冷凍機は 1964 年 W.E Giffo
rd(Trans.ASME Ser.BJ.,Ind.(Aug.1964)p.264)により提
案された。然しこの低温生成する方式は作動流体の非平
衡状態の特性を動作原理としており、実際の動作状態の
方程式を導き解析することを困難にしている。また、パ
ルス管式冷凍機の低温生成に関する原理については多く
の論文（例えば低温工学 Vol.3 No.2 、低温工学・超電
導学会1991年秋季講演会概要集D1-13 ）が発表されてい
るが、いづれも仮定・設定条件が多く理論的には未だ確
立されていない。然し実際には、パルス管を用いた各種
の冷凍方式が提案され実験されて、少なくとも低温生成
が可能なことは実証されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】既存のパルス管式冷凍
機は機器構成が単純で、しかも低温部に可動部分がない
ことから冷凍機としての信頼性が高いことをその特徴と
しているが、半面その効率が他の如何なる冷凍機より悪
い欠陥を有している。例えば絶対温度７７Ｋで冷凍出力
１ワットを得るためには約１キロワットの動力を必要と
していた。即ち、従来の長所を損なうことなしに効率の
高いパルス管式冷凍機の出現が永い間望まれていた。

【０００４】図６（ａ）は基本型のパルス管式冷凍機の
流路説明図である。圧縮機１より高圧（１０から３０気
圧）の流体は、図示しない熱交換器を通り常温で配管２
より入り口弁３が開くと、断熱空間におかれ多数のメッ
シュや金属、希土類、その他による粉体や球体形状の蓄
冷材が多量に詰められ形成された蓄冷器４で冷やされ、
コールドヘッド５、非熱伝導材料による例えば、薄肉の
ステンレスのパルス管６内の流体を圧縮し、放熱器７で
大気に放熱する。入り口弁３が閉じ、戻り弁８が開く
と、放熱器７、パルス管６内に残留する流体は配管９内
の方向へ低圧の流体を圧縮して断熱膨張し、温度降下し
てコールドヘッド５で図示しない被冷却体を冷却し、蓄
冷器４で暖められ、ほぼ常温で戻り弁８より配管９から
圧縮機１の低圧側に戻って１サイクルが終わる。常温か
ら９０Ｋ領域までの低温生成は可能であったが、効率は
非常に低く実用には殆どならなかった。

【０００５】図６（ｂ）はオリフィス型のパルス管式冷
凍機の流路説明図である。吐出弁および吸入弁のない圧
縮器１０の空間１１の流体は、ピストン１２が上死点に
向かうと圧縮され、放熱器１３で放熱し、断熱された空
間内にある蓄冷器１４で冷やされ、コールドヘッド１５
を通過し、パルス管１６内の流体を圧縮し、放熱器１
７、空間１１とバッファー空間１９の流体の圧力変動の
位相を調整するオリフィス弁１８を通過しバッファー空
間１９に入る。ピストン１２が下死点に向かうと断熱膨
張しコールドヘッド１５で図示しない被冷却体を冷却
し、最後に空間１１に戻る。これを連続的に繰り返すこ
とによりコールドヘッド１５で８０Ｋ以下、２０Ｋ領域
の低温生成が可能となった。しかし、これでも尚十分と
は言えないものであった。

【０００６】図６（ｃ）は、圧縮ピストン２０膨脹ピス
トン２１を備えた形式のパルス管式冷凍機流路説明図で
あって、バンク角（クランク角とも云う）αが１０度か
ら６０度の範囲で、圧縮ピストン２０より進んで流体の
容積変化を行うほぼ常温の膨張ピストン２１により形成
された圧縮空間２３の数分の１の容積の膨張空間２２と
圧縮空間２３との間に、配管２４、放熱器２５、蓄冷器
２６、コールドヘッド２７、パルス管２８、配管２９を
介して接続し低温生成する方式である。低温の生成は、
ピストン２２が上死点に向かうと圧縮空間２３の流体
は、配管２４を通過し、放熱器２５で放熱（大気に、ま
たは冷却液体に）しながら圧縮され、ほぼ常温で蓄冷器
２６に入り冷やされて温度降下し、コールドヘッド２７
をとおりパルス管２８で増速して膨張空間２２に入り、
パルス管２８内に残留する流体と共に断熱膨張して温度
降下する。

【０００７】温度降下は、パルス管２８内に残留し、コ
ールドヘッドに近い流体ほど低い温度になる。低圧にな
った膨張空間２２の流体は、膨張ピストン２１が上死点
に、圧縮ピストン２０が下死点にそれぞれ向かうため押
し出され、配管２９をとおり、パルス管２８に入り、流
体速度を減速してコールドヘッド２７に冷熱を与え、蓄
冷器２６で暖められ、ほぼ常温となって放熱器２５、配
管２４から圧縮空間２３に戻って１サイクルが終わる。
尚、最大効率が得られるバンク角αの最適値は、所要冷
凍温度、流体の種類と平均圧力、回転数、膨張空間と圧
縮空間との容積比、流体の流路系の死容積、配管２４、
２５の径と長さ、パルス管の直径と長さなどによって大
きく異なる。実験によるαは、冷凍温度８０Ｋ、回転数
２３０〜５００ｒｐｍ、流体がヘリウムで平均圧力２０
気圧では、２０度から５０度の範囲であった。この方式
では、スターリングサイクルの低温度で往復動させるデ
ィスプレーサや膨張ピストンである個体ピストンの代わ
りに、パルス管２８の内部流体がほぼ常温の膨張ピスト
ン２１と連動してガスピストンとして機能している。

【０００８】上記図６（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の流路系
においては、どの形式の冷凍機の低温部でも、各要素が
独立しており互いにそれぞれとの接続箇所が多くなって
いる。この結果、圧力損失が増え、性能低下や接続箇所
からの流体の漏洩に伴う信頼性の劣化、製作のための作
業量の増加などから高価格になる、などの問題があっ
た。特に大きな問題は、低温部が複雑な接続構造体にな
っているため、冷凍機としての単位冷凍量あたりの装置
容積（比容積＝ｍ³ ／Ｗ）が大きくなり、コンパクトな
商品になりにくいことであった。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、パルス管式冷
凍機の効率を従来の長所を損なうことなく高めることを
目的としており、パルス管、圧縮機、圧縮器、放熱器等
からなり、且つ、パルス管を蓄冷器の軸中心に構成した
構造のパルス管式冷凍機において、その低温部が、ほぼ
常温にある断熱用の真空フランジと当接した蓄冷器の外
筒の冷端部に接合された流体流路を有するコーン形状部
を備えたコールドヘッドと、該外筒と同芯的に配設され
たパルス管と、該パルス管の冷端部の外周部に多数枚積
層したメッシュ型等で構成された蓄冷材とを備えること
により、また前記パルス管を比較的熱伝導度の低い材料
による真空断熱された二重管式または熱抵抗の大きい材
料乃至複合材料による断熱型パルス管により構成し、及
び／又は該断熱型パルス管の温端部に絞り形状のノズル
部を構成することにより、更にまた前記蓄冷器の外筒と
同芯的に配設された該コールドヘッドのコーン形状部の
先端部を断熱型パルス管の冷端部位置乃至冷端部位置か
らパルス管の温端部に向かって断熱型パルス管の内径の
５倍の位置まで断熱型パルス管内に挿入し、また前記蓄
冷材を固定するための整流器及び蓄冷材ストッパー、又
は整流器を兼ねた蓄冷材ストッパーを取りつけることに
より解決しようとするものである。

【００１０】

【作用】本発明は、パルス管を構成要素の１つとするほ
ぼ常温にある膨脹機付きの改良型や調整弁付きのオリフ
ィス型その他の形式によるパルス管式冷凍機の低温部に
対し、伝熱面積を十分に増やし冷凍効率を上げると同時
に、圧力損失を極度に少なくするために、流体流路付き
のコーン形状部を備えたコールドヘッドを用いることに
より、ここを通過する流体の減速および加速を効率良く
行い、さらに蓄冷器とパルス管との周方向の熱干渉を防
ぐため用いられた断熱型のパルス管と、その冷端部に設
けられた整流器及び蓄冷材ストッパー、又は整流器を兼
ねた蓄冷材ストッパーとの相乗作用により上記目的が達
成される。

【００１１】

【実施例】図１は、本発明の実施例で、流体流路３０お
よびコーン形状部３１を持つコールドヘッド３２を断熱
真空用のフランジ３３に接合された蓄冷器の外筒３４と
接合し、その軸中心に断熱型パルス管３５（真空断熱の
二重管などパルス管と蓄冷材との熱干渉を防ぐための断
熱部を持つ断熱型パルス管で以後、単にパルス管とい
う）を設置し、そのパルス管３５と同心円周上にある外
筒３４との間で形成される空間に蓄冷材３６（図示しな
いが、比熱の大きい多数枚のメッシュ、金属や希土類、
その他による粉体や球体形状の材料）を挿入して蓄冷器
とし、パルス管３５内と蓄冷材３６との間に流体を行き
来させるため、コールドヘッドの周方向に長い円弧状の
多数の流体流路３０を設け、且つ、それらの流体流路に
おいて、その流体流路の断面の総和がパルス管の内径断
面積の１／１０程度になるようにして流体の圧力損失を
少なくし、コールドヘッド３２に冷熱を有効に与えられ
るようにした。また、パルス管３５の冷端部に、メッシ
ュその他からなる蓄冷材３６の移動の制止と流体の整流
を兼ねる整流器兼蓄冷材ストッパー３７を取付け、流体
が鎖線で示す流体流路を確保しながらコールドヘッド３
２での流体の伝熱面積を増やし、圧力損失が発生しない
ようスム−スに整流する流体流路部３０とコーン部３１
の側面とでの伝熱を効率よく行うようにした構造であ
る。

【００１２】さらに、パルス管３５をストッパー３７よ
り３５ー１、３５ー２のステンレスの二重管にして内部
を真空にし、真空用のフランジ３３を貫通させ、その常
温部３９の外周には多数の細管４０から形成される放熱
器４１を設けた構造である。４２は放熱器の冷却通路
で、４３冷却流体の入り口で４４は出口である。この放
熱系は大気放熱でも本発明は実施可能である。４６は圧
縮器の圧縮空間に接続される配管口、４７は絞り形状の
ノズル部で、流体がパルス管の内断面４８と膨張空間に
接続される配管口４９とをスムースに流すような形状に
なっている。即ち、パルス管側からみると絞り形状で、
配管口４９側からは膨張するような形状となっている。
この絞りの程度は、その内断面が直径で１／２以下程度
に絞り込まれることが好ましい。４９は、図６（ｃ）の
配管２９を介して膨張空間２２に接続され、４６は、同
様に、図示しない放熱器を介したり、または直接、圧縮
空間２３に接続される。５０−１は真空用フランジ、５
０−２は真空用ドームである。尚、図示しないが、スト
ッパー３７には、ストッパーとパルス管３５との間に流
体流路を確保するガイドがあり、４５は被冷却体の取付
けボルト穴である。

【００１３】図２（ａ）、（ｂ）は、コールドヘッド部
３２の詳細図で、３５−１、３５−２は、その間を真空
にされたパルス管を形成する。鎖線と矢印は、パルス管
と蓄冷材３６とをコールドヘッド３２のコーン部３１と
多数の円弧状の溝によって形成される流体流路３０で伝
熱される場合の流体の流れ方向と流路を示す。 図３
は、流体流路付きコーン形状部を備えたコールドヘッド
３２部分において、流体により高い熱伝達をさせるよう
にした他の実施例である。図２において、蓄冷材３６を
流れる流体は、流体抵抗が少ない蓄冷器を構成する外筒
３４の内側近くを流れやすい。この結果、流体は蓄冷材
３６で熱の授受を充分行われない。つまり、効率の低下
となる。図３においてはこれを防ぎ、蓄冷材３６での熱
伝達を高めるため、ストッパー３７の機能をより効果的
にするためのシールリング５１をつけた流体整流器５２
をパルス管３５−１と外筒３４との間に挿入した。流体
整流器５２を省略し、ストッパー３７のみを挿入した場
合はストッパー３７は整流器兼蓄冷材ストッパーとして
作用する。これらにより冷凍効率は大巾に向上した。

【００１４】図１と図２および図３のコールドヘッドの
３２の詳細図により、本発明の機能を詳細に説明する。
冷熱は、複数のボルト穴４５があけられたフランジ型の
コールドヘッド３２の平板部５３で得られる。ここで図
示しない被冷却体をボルトで固定して冷却する。この形
状はガスの冷却や液化では多数のフィンが付けられる。
コーン形状部３１は、ほぼ円錐構造で、その中心の先端
部５４は、パルス管３５の冷端部（コールドヘッドに近
い部分）、または冷端部より、ほぼパルス管内径４８の
５倍までを所要冷凍温度と冷凍機の回転数に応じてパル
ス管内に挿入される。発生冷凍温度が、例えば２０Ｋ以
下では、コーン形状部３１の先端部５４は、パルス管径
４８の１／３以下、８０Ｋ以下では１．１倍以下、８０
Ｋと２７０Ｋの間では、冷凍機の回転数や冷凍温度によ
って大きく異なる。例えば、毎分３６００回転で冷凍温
度が２５０Ｋ領域では５倍近くになる。

【００１５】この理由は、所要冷凍温度が高く、ピスト
ン回転数が速くなると、パルス管３５内の流体の流れを
より高い温度から低温端まで整流し、各要素間をスムー
スに往復移動させないと圧力損失が増加してしまうこと
と、コールドヘッドでの冷熱の回収にコーン形状部３１
の円錐壁面の伝熱面積の不足を補うため、さらに長く
し、その先端部５４をパルス管３５内に挿入して面積を
増加させなければならないことを意味している。

【００１６】もしもコーン形状部３１がなく単に平板で
あると仮定すると、冷熱の回収過程において伝熱面積が
不足することは当然として、流体がパルス管のほぼ常温
の温端部より蓄冷材３６に戻るとき、コールドヘッドの
平板面に衝突したあと分散して蓄冷材３６に流れるた
め、ここでの衝撃波によって大きな摩擦損失が発生し性
能が劣化する。また、同様に、その逆過程で、流体が蓄
冷材３６からコールドヘッドの平板部を経てパルス管３
５に入るとき、コーン形状部３１がないため急に流路断
面積の拡大によって乱流となり、パルス管３５内の断熱
膨張過程でも整流されずに膨張空間（図６（ｃ）の２
２）に入る。このため乱流に伴う圧損「流体の気体分子
間の摩擦、気体とパルス管３５の内管壁との摩擦によっ
て発熱や圧力損失の発生」で、動力損失となり効率低下
となる。

【００１７】コーン形状部３１、流体流路３０、ストッ
パー３７、整流器５２による効果は、ジェットエンジン
の先頭部にある圧縮器の空気取り入れ口のロータのコー
ン形状部や靜翼部、さらに燃焼ガス噴射ノズルの一部に
用いられていることでも理解できる。このエンジンにお
ける効果は、空気吸入過程では空気がコーン形状に沿っ
て効率よく減速圧縮し、静翼と動翼からなる圧縮器に吸
入させ圧縮させている。吐出では、高温になった燃焼ガ
スを噴射口の一部であるコーン形状部でノズルの切断断
面積を急に拡大し加速させるような構造になっている。

【００１８】同様な原理において、本発明では、パルス
管の温端部にも絞り形状のノズル部４７も、その形状
は、内径の異なるパルス管３５と配管４９とを接続して
も、流体がスムースに流れて流体損失が起きないような
構造となっている。また、本発明では、コールドヘッド
部３２に近いパルス管の冷端部とパルス管の常温端とを
行き来する流体の温度をパルス管内の各所の切断面で測
定すると、中心部が低く、周方向に向かって急激に高く
なっていることである。

【００１９】パルス管の冷端部の流体温度は、中心温度
を６０Ｋとすると、同じ切断面において管壁近くを流れ
る流体は平均すると６５Ｋ、パルス管の外壁は６８Ｋで
あった。これらの理由は、断熱膨張する流体は、パルス
管の中心部の冷端部では高速に移動しで温度が低く、周
方向になるに従い流体速度が遅く温度も高くなる。この
結果、パルス管の常温端とコールドヘッド３２とのパル
ス管内の流体の温度勾配がパルス管の切断面の各部では
大きく異なっている。

【００２０】このような現象の起きる原因は、パルス管
の冷端部と温端部における流体の入出口の構造とパルス
管式冷凍機の流体の圧縮過程に大きく関係している。圧
縮過程では、パルス管内にある流体が断熱圧縮され、そ
の熱がパルス管の温端部に貯まり、ここを充分冷却しな
いと、高効率が得られないこうとはさきの論文からも容
易に理解できる。また、パルス管３５（正確には３５−
２）の外壁の温度勾配は、さらに流体とは異なって、パ
ルス管３５のある長さで測定すると、それぞれ流体温度
よりも数度高い結果を得た。

【００２１】これは、常温よりパルス管（３５−１、３
５−２）を流れてコールドヘッド３２付近に入る固体材
料による熱進入（パルス管の材質によって異なる熱伝導
度と管の断面積で異なる）が大きいことである。この管
材料には、比較的に熱伝導度の低い薄肉のチタン合金、
ステンレスなどを用いて二重管にされたり、更に、これ
らの一重管の外壁、または内壁に、熱伝導度が合金より
も極度に低いテフロン、マッコールなどを焼き付けた
り、それらの薄板を張り付けたり、また、複合材料や酸
化セラミックス（例えば、ＺｒＯ2 、ＭｇＯ）管がパル
ス管に挿入されたり、単体でパルス管として用いられた
りする。

【００２２】これら低熱伝導材を用いる理由は、温端部
から低温端へのパルス管の材料を伝わる固体熱伝導損失
を少なくすることと、蓄冷材３６とパルス管３５の外壁
との大きく異なる温度勾配からパルス管３５の外壁から
蓄冷材３６が詰められた切断面方向への伝熱を少なくす
るためである。図４のＬ、Ｔは、それぞれの長さと常温
からほぼ８０Ｋまでの温度勾配で、ある長さで変動する
温度を平均化し示した。ａはパルス管の外壁の温度であ
り、温端部では常温より１０度から２５度高くなる。ｂ
はパルス管内の中心温度で、ｃは蓄冷器温度である。こ
れらの違いによってパルス管の外壁から蓄冷材へ伝熱し
蓄冷器損失を大きくするためパルス管を断熱型にした。
即ち、パルス管の外壁と蓄冷材３６との熱抵抗を大きく
し、熱干渉に伴う損失を少なくするためである。

【００２３】鎖線によるｄは、パルス管の長さを放熱器
４１の長さだけ蓄冷器よりも長くした本発明の実施例
で、パルス管の外壁の温度勾配が、長さ０からＢまでが
蓄冷器の温度勾配ｃと、ほぼ類似する温度勾配となり、
その温度差も小さくなることが解る。その結果、パルス
管の長さに反比例して固体の熱伝導が少なくなるからパ
ルス管の低温端の温度も２、３度低くなる。また、パル
ス管を断熱型にしたのでさらに蓄冷器効率が向上した。
パルス管の温度勾配のＢからＣまでは、パルス管が常温
よりも高くなる領域（温端部３９）で、水冷、または空
冷の多数の細管４０、冷却流路４３、４２、４４からな
る放熱器４１をパルス管の温端部３９と同心円周上に設
置し、圧縮器からの流体とパルス管の温端部３９を同時
に冷却することが可能となった。尚、パルス管の内径４
８は、例えば、冷凍出力が８０Ｋで３０から２００Ｗ級
までは、１５〜３０ｍｍφである。

【００２４】本発明において、流体流路付きコールドヘ
ッド部にコーン形状部３１とパルス管の温端部３９に図
１の絞り形状のノズル部４７を付けた条件と付けない条
件での冷凍出力をそれぞれ比較した。モーター入力を７
５０Ｗと一定とし、流体流路付きコーン形状部を備えた
コールドヘッドとノズル部４７が無い／有るの条件での
各冷凍出力は、双方がない場合は８０Ｋで２１Ｗ、ノズ
ル部４７のみを付けたときは２２Ｗ、双方共付けたとき
には３２Ｗが得られた。

【００２５】成績係数は、８０Ｋで３２Ｗの冷凍出力
で、入力が７５０Ｗであるから３２／７５０＝０．０４
３である。性能指数はこの逆数で、２３．４となる。こ
の値は、スプリット・スターリングより約１０％低い
が、低温往復動部を必要としない点で勝っている。ま
た、この値は、冷凍出力が大きくなるに従い、一般の冷
凍機と同様に、さらに高くなることは明かである。尚、
図６（ｃ）において、本発明の流体流路付きコーン形状
部を備えたコールドヘッドとノズル部４７を使用せず、
それぞれ独立した蓄冷器２６、パルス管２８等を配管接
続した実施例での冷凍出力は、モーター入力７５０Ｗ
で、８０Ｋのとき１６．２Ｗであった。よって、本発明
での効率向上の効果は、３２／１６．２で、約２倍にな
った。

【００２６】実施例では、パルス管の温端部よりも冷端
部に近いコールドヘッド部における形状・構造によって
流体の摩擦損失と温度の異なる流体の混合で効率が大き
く異なることが判明した。パルス管のノズル部４７での
損失が全体の数％と比較的少ないのは、パルス管３５と
配管４９の双方の形状が共に円筒で、直径の差（それぞ
れの断面積の比で１０対１以下）が少なく、最適なノズ
ル形状の製作が容易なことによる。

【００２７】本発明では、このパルス管内の切断面にお
ける流体の温度差を少なくし、蓄冷材３６とパルス管３
５との間を行き来する流体をコールドヘッド３２と一体
構造で作られる円錐構造のコーン形状部３１と流体流路
３０、パルス管の温端部３９にある絞り形状のノズル部
４７で効率よく減速、増速させ、その両過程でコールド
ヘッド３２で冷熱を回収する構造を、パルス管３５を中
心にして、その同心円筒となる蓄冷器の外筒３４と断熱
型のパルス管３５の外壁との間に蓄冷材３６を挿入して
蓄冷器とし、これらによってコンパクトで高効率の断熱
型パルス管式冷凍機の低温部として形成することを可能
とした。

【００２８】尚、放熱器４１は、１個でも、さらに直列
に１個増設して配管で圧縮空間に接続してもよい。ま
た、液冷でも空冷でも本発明は実施可能である。図１、
図４の５５は流れの偏りを矯正する流体整流器で、３ｍ
ｍ程度の小孔による多数の流路５８及びシールリング５
６、５７を有し、外筒３４とパルス管３５−１との間の
蓄冷材３６中に一個、または複数個挿入されて、蓄冷材
３６の長さが長くなった場合その中を流れる流体がパル
ス管３５−１の外壁や外筒３４の内壁に片寄らないよう
矯正整流する。

【００２９】また、多数の流体の流路を形成するコール
ドヘッドの流体流路３０は、蓄冷材３６とパルス管３５
との間に設けられ、流体の流路長さを長くして伝熱面積
を増やすと同時に流体に渦巻の流れを起こして熱伝達係
数を高くし、流体損失が生じないようスムースに流体を
流すと共に冷凍を取り出す機能を有する。その形状は、
コールドヘッドの外周より中心に向かって多数の円弧で
構成された溝により形成される。また、流体流路の配設
方向は、外周よりコールドヘッドの先端５４に向かって
真っ直ぐな方向ばかりでなく、外周よりコーン部の先端
５４に向かって膨張タービンの静翼のように４５度まで
の範囲で斜めに設けてもよい。

【００３０】流体速度（回転数）が遅い場合（例えば、
約５０ｍ／秒）であれば、その効果が非常に高くなるこ
とは半径流タービンでの実績からも推測できる。また、
流体流路は、多数枚の羽根に置換しても同様の効果が得
られることは容易に推測できる。但し、この場合は高価
になる。

【００３１】尚、図６（ｃ）の膨張ピストン２１は、圧
縮ピストン２０と同様に、電磁気的、流体的に、或いは
クランクシャフト等の機械的にある位相差を保って往復
動される。リニアモータ方式の往復動作では、膨張ピス
トン２１の圧縮ピストンとの位相差の制御を電磁気的な
方式のみならず、流体とスプリング等の機械的な方式を
併用しても本発明は実施可能なことは当然のことであ
る。また、圧縮ピストン２０の個数は、１個でも同位相
動作で複数個でも実施可能であり、本発明の流体流路付
きコーン形状部を備えたコールドヘッド３２は、常温か
ら１段式で低温生成する断熱型パルス管式冷凍機の場合
でも、複数段に構成する方式でも実施可能である。

【００３２】

【発明の効果】以上述べた本発明により次のごとき効果
が得られた。 イ．冷凍機の成績係数（効率）は、既存のパルス管式冷
凍機に比べ約２倍に向上した。 ロ．接続箇所が減少し低温部の機器構成・構造が単純化
されたため、軽量でコンパクト化され、製造も容易で高
信頼度の冷凍機が安価で提供できるようになった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す説明図である。

【図２】本発明において使用するコールドヘッド３２の
一実施例の詳細説明図である。

【図３】本発明において使用するコールドヘッド３２の
他の実施例の詳細説明図である。

【図４】本発明におけるパルス管の外壁、同パルス管内
の中心部、蓄冷器の各温度の一例を示すグラフである。

【図５】本発明において使用する整流器の一実施例の説
明図である。

【図６】（ａ）は従来の基本型パルス管冷凍機の流路説
明図、（ｂ）は従来のオリフィス型パルス管冷凍機の流
路説明図、（ｃ）は従来の圧縮ピストンと膨脹ピストン
を備えた型式のパルス管冷凍機の流路説明図である。

【符号の説明】

３０：流体流路 ３１：コーン形状部 ３２：コールドヘッド ３４：蓄冷器の外筒 ３５：パルス管 ３７：ストッパー

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 パルス管、圧縮機、圧縮器、放熱器等か
   らなり、且つ、パルス管を蓄冷器の軸中心に構成し、そ
   の低温部が、ほぼ常温にある断熱用の真空フランジと当
   接した蓄冷器の外筒の冷端部に接合された流体流路を有
   するコーン形状部を備えたコールドヘッドと、該外筒と
   同芯的に配設されたパルス管と、該パルス管の冷端部の
   外周部に多数枚積層したメッシュ型等で構成された蓄冷
   材を備えているパルス管式冷凍機において、 蓄冷器の外筒と同芯的に配設されコールドヘッドに備え
   られたコーン形状部の先端部がパルス管の冷端部位置乃
   至冷端部位置からパルス管の温端部に向かってパルス管
   の内径の５倍の位置までパルス管内に挿入配設されてお
   り、さらに、前記蓄冷材を固定するための蓄冷材ストッ
   パー及び整流器、又は整流器を兼ねた蓄冷材ストッパー
   を取り付けたことを特徴とする断熱型パルス管式冷凍
   機。