JP5265341B2 - 圧力波発生器 - Google Patents

Description

本発明は、圧力波発生器に関する。特に、圧力波発生器を極低温冷凍システムに利用することができるが、これに限られるものではない。

多くの極低温冷凍装置、例えばスターリング冷凍装置やパルス管は、往復動圧力波によって駆動される。波を発生させるため、技術の現状では、リニヤモータによって駆動される隙間型ピストンが用いられ、これら技術は、共に効率的ではあるが、コストのかかる技術である。

スターリング冷凍装置は、作業ガスを熱が放出される圧縮空間内で圧縮し、圧縮されたガスを再生用熱交換器中に送り込み、それによりガスを冷却し、そして、ガスを熱が吸収される膨張空間内で膨張させ、そして、再生用熱交換器を通ってガスを圧縮空間に戻し、再生用熱交換器によりこのガスを再び温めることにより冷却を達成する。スターリング機は典型的には、サイクル中、膨張が圧縮に対して９０°の位相遅れを生じる。典型的には、スターリング冷凍装置は、確実に駆動される状態にあるか位相が９０°ずれた共振状態にあるかのいずれかの２つのピストンを用いている。

図１を参照すると、パルス管型冷凍装置１０は、圧力波発生器１１、再生用熱交換器１２及びパルス管１３内に位置する事実上の膨張ピストンとしてのガスのプラグを用いて同一のガスサイクルを実行することができ、この結果、この機械の低温部には可動部品が無い。オリフィス又はイナータンス管１５及びリザーバ１６が、所要の位相ずれを達成するために用いられる。パルス管は、ヒートポンプ効果を更に有し、熱を符号１４のところで放出し、パルス管の長さに沿って大きな温度勾配を維持することができるようになっている。熱交換器１７は、圧縮熱を奪い、熱交換器１８は、熱を低温状態で吸収する。

本発明の目的は、極低温冷凍システムを駆動する改良型圧力波発生器を提供すると共に少なくとも公衆に有用な選択肢を与えることにある。

第１の特徴では、本発明の要旨は、広義には、１基又は２基以上の極低温冷凍システムを駆動する圧力波発生器にあり、この圧力発生器は、１つ又は２つ以上の入口／出口ポートを備えたハウジングを有し、発生したガスの圧力波が、入口／出口ポートに連結されている１基又は複数基の極低温冷凍システムを駆動するよう入口／出口ポートを通過することができ、圧力波発生器は、ハウジング内に設けられた少なくとも１対の互いに反対側のダイヤフラムを更に有し、ダイヤフラムは、各ダイヤフラムと関連したガス空間内に圧力波を生じさせるようハウジング内で往復動状態で動くことができ、ガス空間のうちの少なくとも１つは、圧力波が通過することができる関連の入口／出口ポートを有し、ダイヤフラムの各対と関連したガス空間は、ダイヤフラムに加わる平均ガス力を釣り合わせるよう連結され、圧力波発生器は、更に、ダイヤフラムの各対をハウジング内で往復動状態で動かしてハウジングの入口／出口ポートに連結されている１基又は２基以上の極低温冷凍システムを駆動するための圧力波を発生させるよう動作できる駆動システムを有する。

好ましくは、駆動システムは、各ダイヤフラムにより各ガス空間内に生じる圧力波相互間の位相差が生じるように各対のダイヤフラムを動かすよう構成されている。

好ましくは、各対のダイヤフラムは、ダイヤフラムが駆動システムにより一緒に動かされて対の一方のダイヤフラムにより生じた圧力波が対の他方のダイヤフラムにより生じた圧力波に対して１８０°位相ずれするよう作動的に結合されている。

好ましくは、ハウジング内に２対の互いに反対側のダイヤフラムが設けられ、２対は、一方の対のダイヤフラムにより生じた圧力波が他方の対のダイヤフラムにより生じた圧力波に対して９０°位相ずれするように互いに実質的に直交している。

好ましくは、駆動システムは、ダイヤフラムに結合された往復動ピストンと、ピストンを往復動状態で駆動するよう構成された１つ又は２つ以上の動作可能なアクチュエータとを有する。より好ましくは、駆動システムは、ダイヤフラムの各対のための往復動ピストンを有し、各ピストンは、１対のダイヤフラムに結合されていて、１つ又は２つ以上の動作可能なアクチュエータによって往復動状態で駆動される。

好ましくは、対をなすダイヤフラムは、環状であり、各対のダイヤフラムの内縁部は、それぞれのピストンの互いに反対側の端に固定され、外縁部は、ハウジング内の反対側の場所に固定されている。

一形態では、駆動システムのアクチュエータは、駆動システムのピストンに直接結合されている。好ましくは、駆動システムのアクチュエータは、各ピストンについてクランクを有する単一の回転可能なクランクシャフトを有し、各ピストンは、コンロッドを介してクランクシャフトのそれぞれのクランクに結合されていて、クランクシャフトが回転すると、それによりコンロッドは、往復動状態で動き、それによりピストンを往復動状態で駆動するようになっている。より好ましくは、ハウジング内には２対の互いに反対側のダイヤフラムが設けられており、２対は、互いに実質的に直交しており、１対のダイヤフラムのためのクランクシャフトのクランクは、他方の対のダイヤフラムのためのクランクシャフトの他方のクランクよりも位相が９０°だけ進んでいる。

別の形態では、駆動システムのアクチュエータは、１本又は複数本の回動可能なレバーにより駆動システムをピストンに間接的に結合されている。好ましくは、駆動システムの各ピストンは、回動可能なレバーに結合されており、アクチュエータが、レバーの端に結合されていて、レバーをそのピボット点回りに往復動円弧の状態で回動させ、それによりピストン及びその対をなすダイヤフラムを往復動状態で駆動し、それにより圧力波を発生させるよう構成されている。

一形態では、各レバーは、一端が、ハウジング内に設けられた１つ又は２つ以上の可撓性リンク装置に固定され、リンク装置は、レバーの端のところにレバーの回動の中心となるピボット点を作るよう構成されている。好ましくは、可撓性リンク装置は、レバーの自由端に加えられた圧力に応答して撓み、それによりレバーをピボット点回りに回動させることができる。より好ましくは、各レバーは、レバーの一部とピストンの一部との間に延びる１つ又は２つ以上の可撓性リンク装置を介してピストンに結合されている。

別の形態では、レバーは、一端が、レバーの回動の中心となる回動可能な継手を介してハウジング内に固定されている取付けコンポーネントに結合されている。好ましくは各レバーは、レバーの一部とピストンの一部との間に延びる剛性リンク装置を介してピストンに結合されている。

好ましくは、アクチュエータは、コンロッドを有し、コンロッドは、レバーの一端と回転可能なクランクシャフトのクランクとの間に結合されていて、クランクシャフトが回転すると、それによりコンロッドが往復動状態で動き、それによりレバーの端を往復動円弧の状態で駆動するようになっている。

好ましくは、駆動システムのアクチュエータは、ハウジングのガス空間内には配置されていない。

好ましくは、各ガス空間は、ダイヤフラムと、ダイヤフラムのための駆動システムの関連のピストンの表面と、ハウジングの一部とによって構成されている。より好ましくは、ガス空間を構成するコンポーネントは、熱交換に適した材料で作られている。

好ましくは、各対のダイヤフラムと関連したガス空間は、連結パイプによって互いに連結され、連結パイプは、２つのガス空間相互間のガス流を無視できるレベルまで減少させるオリフィスを有する。

好ましくは、各入口／出口ポートは、流れを所望に応じて方向的に制限するよう動作できる関連の弁を有する。

好ましくは、各対のダイヤフラムは、ダイヤフラムがダイヤフラムに加わる平均ガス力を釣り合わせるように一緒に動くよう互いに作動的に結合されている。

好ましくは、入口／出口ポートは、次の極低温冷凍システム、即ち、スターリングシステム、パルス管システム及び（又は）ギフォードマクマホンシステムのうち任意の１つ又は２つ以上に連結されている。

別の特徴では、本発明の要旨は、広義には、１基又は２基以上の極低温冷凍システムを駆動する圧力波発生器にあり、この圧力発生器は、１つ又は２つ以上の入口／出口ポートを備えたハウジングを有し、発生したガスの圧力波が、入口／出口ポートに連結されている１基又は複数基の極低温冷凍システムを駆動するよう入口／出口ポートを通過することができ、圧力発生器は、ハウジング内に設けられた少なくとも１対の互いに反対側のダイヤフラムを更に有し、ダイヤフラムは、各ダイヤフラムと関連したガス空間内に圧力波を生じさせるようハウジング内で往復動状態で動くことができ、少なくとも１つのガス空間は、圧力波が通過することができる関連の入口／出口ポートを有し、各対のダイヤフラムは、ダイヤフラムが一緒に動くよう互いに作動的に結合され、圧力発生器は、更に、ダイヤフラムの各対をハウジング内で往復動状態で動かしてハウジングの入口／出口ポートに連結されている１基又は２基以上の極低温冷凍システムを駆動するための圧力波を発生させるよう動作できる駆動システムを有する。

好ましくは、駆動システムは、各ダイヤフラムにより各ガス空間内に生じる圧力波相互間の位相差が生じるように各対のダイヤフラムを動かすよう構成されている。

好ましくは、駆動システムは、ダイヤフラムの各対のための往復動ピストンを有し、各ピストンは、１対のダイヤフラムに結合されていて、１つ又は２つ以上の動作可能なアクチュエータによって往復動状態で駆動される。より好ましくは、対をなすダイヤフラムは、環状であり、各対のダイヤフラムの内縁部は、それぞれのピストンの互いに反対側の端に固定され、外縁部は、ハウジング内の反対側の場所に固定されている。

一形態では、駆動システムのアクチュエータは、駆動システムのピストンに直接結合されている。

好ましくは、駆動システムのアクチュエータは、各ピストンについてクランクを有する単一の回転可能なクランクシャフトを有し、各ピストンは、コンロッドを介してクランクシャフトのそれぞれのクランクに結合されていて、クランクシャフトが回転すると、それによりコンロッドは、往復動状態で動き、それによりピストンを往復動状態で駆動するようになっている。

別の形態では、駆動システムのアクチュエータは、１本又は複数本の回動可能なレバーにより駆動システムをピストンに間接的に結合されている。

好ましくは、駆動システムの各ピストンは、回動可能なレバーに結合されており、アクチュエータが、レバーの端に結合されていて、レバーをそのピボット点回りに往復動円弧の状態で回動させ、それによりピストン及びその対をなすダイヤフラムを往復動状態で駆動し、それにより圧力波を発生させるよう構成されている。

一形態では、各レバーは、一端が、ハウジング内に設けられた１つ又は２つ以上の可撓性リンク装置に固定され、リンク装置は、レバーの端のところにレバーの回動の中心となるピボット点を作るよう構成され、可撓性リンク装置は、レバーの端に加えられた圧力に応答して撓み、それによりレバーをピボット点回りに回動させることができる。

別の形態では、各レバーは、一端が、レバーの回動の中心となる回動可能な継手を介してハウジング内に固定されている取付けコンポーネントに結合されている。
好ましくは、アクチュエータは、コンロッドを有し、コンロッドは、レバーの一端と回転可能なクランクシャフトのクランクとの間に結合されていて、クランクシャフトが回転すると、それによりコンロッドが往復動状態で動き、それによりレバーの端を往復動円弧の状態で駆動するようになっている。

好ましくは、駆動システムのアクチュエータは、ハウジングのガス空間内には配置されていない。

好ましくは、各対のダイヤフラムと関連したガス空間は、連結パイプによって互いに連結され、連結パイプは、２つのガス空間相互間のガス流量を制御するオリフィスを有する。

好ましくは、入口／出口ポートは、次の極低温冷凍システム、即ち、スターリングシステム、パルス管システム及び（又は）ギフォードマクマホンシステムのうち任意の１つ又は２つ以上に連結されている。

第３の特徴では、本発明の要旨は、広義には、１基又は２基以上の極低温冷凍システムを駆動する圧力波発生器であって、生じた圧力波が通ることができる１つ又は２つ以上の入口／出口ポートを備えたハウジングと、ハウジング内に設けられていて、圧力波を発生させるよう往復動状態で動くよう構成された１つ又は２つ以上のダイヤフラムと、ダイヤフラムをハウジング内で往復動状態で操作してハウジングの入口／出口ポートに連結されている１基又は２基以上の極低温冷凍システムを駆動するための圧力波を発生させるよう構成されている動作可能な駆動システムを有する圧力波発生器にある。

好ましくは、ハウジング内には少なくとも１対の互いに反対側のダイヤフラムが設けられており、ダイヤフラムは、ダイヤフラムが一緒に動くよう互いに作動的に結合されている。

好ましくは、駆動システムは、各ダイヤフラムにより生じる圧力波相互間の位相差が生じるように各対のダイヤフラムを動かすよう構成されている。

好ましくは、各ダイヤフラムは、関連のガス空間と協働し、ガス空間内で動くよう構成されており、ガス空間は、ガス空間内に圧力波を発生させる所与の量のガスを有する。

好ましくは、ハウジングには少なくとも１対の反対側のダイヤフラムが設けられ、ダイヤフラムは、ダイヤフラムが一緒に動くよう互いに作動的に結合され、対の各ダイヤフラムと関連したガス空間は、対のダイヤフラムに作用する平均ガス力を釣り合わせるよう互いに連結されている。

第４の特徴では、本発明の要旨は、広義には、上述した本発明の圧力波発生器の種々の特徴のうちの任意の１つによって駆動される極低温冷凍システムにある。

本明細書及び添付の特許請求の範囲で用いられる「ガス空間」という用語は、所与の量の作業ガスを有する圧縮空間か膨張空間かのいずれかを含むものである。

原文の明細書及び特許請求の範囲で用いられる“comprising（訳文では、「〜を有する」と訳している場合が多い）”は、“consisting at least in part of（少なくとも一部として〜を含む）”を意味し、即ち、この用語を含む本明細書及び特許請求の範囲の記載を解釈する場合、各記載におけるこの用語に続く特徴は、全て、存在している必要があるが、他の特徴も又存在する場合があることを意味している。

本発明は、上述の内容にあり、又、以下に例示として与えられる構成を含むものである。

図面を参照して本発明の好ましい実施形態を説明するが、これらは例示に過ぎない。

本発明は、極低温冷凍システム、例えばスターリングシステム、パルス管システム及び（又は）ギフォードマクマホンシステムを駆動する圧力波発生器に関する。広義には、圧力波発生器は、１基又は２基以上の極低温冷凍システムを駆動する往復動圧力波を発生させる少なくとも１つの往復動ダイヤフラムを利用する。ただし、圧力波発生器の変形形態では、所望ならば単一のダイヤフラムを利用することが可能である。

上述したように、圧力波発生器を利用すると種々の形式の極低温冷凍システムを駆動することができる。図２は、一例として、圧力波発生器により駆動されるインライン型パラス管極低温冷凍システム２０を示している。パルス管システム２０は、リザーバ２１、移相器２２（例えばオリフィス又はイナータンス管）、高温熱交換器２３、パルス管２４、低温熱交換器２５及び再生用熱交換器２６を有する。パルス管システム２０は、圧力波発生器２７により生じる往復動圧力波により駆動される。

分かりやすくするために、圧力波発生器２７のコンポーネントのうちの幾つかだけが図２に示されている。圧力波発生器２７は、少なくとも１つの入口／出口ポート２９を備えたハウジング２８を有し、発生した往復動圧力波は、かかる入口／出口ポート２９を通って、入口／出口ポート２９に結合されているパルス管システム２０のコンポーネントを駆動することができる。代表的には、ハウジングは、熱伝導及び強度に鑑みて金属、例えば鋼であるのが良く、或いは、変形例としてアルミニウムを使用することができる。往復動圧力波は、入口／出口ポート２９と関連していて、動作可能な駆動システムにより往復動状態で動くことができる少なくとも１つのダイヤフラム３０によって生じる。

好ましい形態では、ダイヤフラムは、環状であり、外縁部は、ハウジングに結合され、内縁部は、駆動システムの往復動駆動部に結合されている。理解されるように、ダイヤフラムは、圧力波発生器の変形形態では必ずしも環状である必要はない。中心に対する駆動システム力を介して操作されるフルディスク型ダイヤフラムを用いても良い。ダイヤフラムは、金属又は任意適当な可撓性材料、例えばゴム、テフロン（登録商標）等で作られるのが良い。ダイヤフラムは、好ましくは、圧力波発生器に連結された極低温冷凍システムを駆動する作業ガス、例えばヘリウム中で封止を行うことができる材料で作られる。加うるに、ダイヤフラムは１基又は複数基の連結状態の極低温冷凍システムにおいて高温又は低温熱交換器として働くよう配置されるのが良く、好ましくは、熱を吸収することができる材料で作られる。

種々の駆動システムは、ダイヤフラムを往復動状態で操作するよう構成されるのが良いが、好ましくは、駆動システムは、ダイヤフラム３０の内縁部に結合されていて、矢印Ａ，Ｂにより後方に駆動されたり前方に駆動されたりするようにされる少なくとも１つの往復動ピストン又はピストン組立体３１を有している。

図３及び図４を参照して圧力波発生器の２つの好ましい実施形態を説明するが、これらは例示に過ぎない。図３の第１の好ましい実施形態は、１対の往復動ダイヤフラムを利用し、図４の第２の好ましい実施形態は、２対の往復動ダイヤフラムを利用している。

図３を参照すると、圧力波発生器４０は、往復動状態で動くよう構成された１対の互いに反対側のダイヤフラム４１，４２を包囲したハウジングを有している。ハウジングは、全体として、側壁４３及び端板４４，４５で構成されている。理解されるように、ハウジングは、全体として、所望に応じて円筒形、ボックス状又は任意他の形状のエンクロージャであるのが良い。好ましくは、ダイヤフラム４１，４２は、環状であり、各ダイヤフラムの外縁部は、ハウジングに固定され又はハウジング内で端板４４，４５寄りに固定されている。例えば、ダイヤフラム４１の外縁部は、ハウジング内で、端板４４のフランジ部分４６と、端板４４のフランジ部分４６又はハウジングの側壁４３に取り付けられ又は固定された隣りの環状クランプコンポーネント４７との間でクランプされるのが良い。同様に、ダイヤフラム４２の外縁部は、端板４５のフランジ部分４８と隣りの環状クランプコンポーネント４９との間で同様に固定されるのが良い。ダイヤフラム４１，４２の内縁部は、ピストン５０の端のところに又は端寄りにしっかりと固定され、このピストンは、圧力波発生器の駆動システムの往復動駆動部である。理解されるように、ダイヤフラムの内縁部及び外縁部をピストン及びハウジングにそれぞれ固定する種々の手段が存在し、かかる手段としては、例えば、締結コンポーネントや接着剤が挙げられる。一形態では、ダイヤフラムの内縁部は、必ずしもピストンの端に積極的に固定される必要はなく、ピストンの端に設けられてハウジング及び（又は）極低温冷凍システム内に生じるガス圧力により定位置にクランプされても良い。

ピストン５０は、動作可能なアクチュエータ、例えばコネクティングロッド５１（コンロッド）及びクランクシャフト５２から成る装置により矢印Ｄ，Ｃにより示される方向において前後に往復動状態で駆動される。コンロッド５１の一端部は、符号５４のところでピストン５０内の取付けコンポーネント５３に回動可能に結合され、コンロッド５１の他端部は、クランクシャフト５２のクランクに作動的に連結されている。クランクシャフト５２が回転すると、ピストン５０は、コンロッド５１により往復動状態に駆動され、これにより、ピストンに結合されているダイヤフラム４１，４２は、往復動状態で前後に動く。理解されるように、種々の別の駆動システムを利用してもダイヤフラムを往復動状態に操作することができ、これらのうちの幾つかについて以下に詳細に説明する。

ダイヤフラム４１，４２は、ハウジング内に圧縮空間（ガス空間）５５，５６を形成するよう構成されている。例えば、ダイヤフラム４１，４２の駆動側４１ａ，４２ａは、ピストン５０の端部及びハウジングの端板４４，４５と協働して圧縮空間５５，５６を形成している。なお、変形例として他の形態を使用できることは理解されよう。作用にあたり、ダイヤフラムは、圧縮空間５５，５６内で往復動状態で動いて往復動圧力波を発生させる。発生した圧力波は、ハウジングの端板４４，４５に設けられている入口／出口ポート５７，５８を通過し又は流通して入口／出口ポートに連結されている１基又は２基以上の極低温冷凍システムを駆動する。具体的に言えば、圧縮空間５５，５６には、或る量の作業ガス、例えばヘリウムが入っている。作用にあたり、往復動ダイヤフラムは、ハウジングの入口／出口ポート５７，５８を介して極低温冷凍システムを駆動する作業ガスの圧力波を生じさせる。

圧縮空間５５，５６内のガスは、好ましくは、平均ガス力が等しくなるように連結パイプ５９を介して結合されている。好ましい形態では、連結パイプは、２通りの量のガス相互間の流れを無視できるようにするためにインライン型オリフィス６０を更に有している。変形形態では、オリフィスは、不要である。例えば、圧縮空間をパルス管冷凍機のリザーバを介して連結しても良い。というのは、リザーバは、大きな圧力波を受けず、したがって、２つの圧縮空間相互間のガスの流れが、最小限に抑えられるようにするからである。ピストン端部及びダイヤフラム４１，４２に加わる平均ガス力が互いに等しい状態では、駆動システムコンポーネント、例えばコンロッド５１及びクランクシャフト５２に加わる正味の力は、著しく減少する。作用にあたり、圧縮空間５５内で生じた圧力波は、圧縮空間５６内で生じた圧力波と比較して位相が１８０°ずれている。

圧力波発生器４０は、設計上、極低温冷凍システムの作業ガスを駆動システムと関連した過酷な環境６１から隔離する。具体的に言えば、圧縮空間５５，５６は、駆動システムの可動アクチュエータ部分、例えばコンロッド５１及びクランクシャフト５２から密閉される。これにより、コンロッド５１及びクランクシャフト５２を良好に潤滑されたチャンバ内に長期間にわたり配置することができるが、更に、圧縮空間内の作業ガスは、汚染要因物、例えば炭化水素潤滑剤が無い状態になることができ、それにより極低温冷凍システムの効率的な性能が得られる。

圧力波発生器のピストンコンポーネントを種々の仕方で形成できることは理解されよう。好ましい形態では、ピストン５０は、端板６３，６４を備えた柱形の外壁６２を有するシリンダの形態をしている。理解されるように、ダイヤフラム４１，４２及びピストン５０の端板６３，６４は、圧縮熱を奪う熱交換器としての役目を果たすことができる。

ハウジングの側壁４３を圧力波発生器により生じる全ガス圧力に抗してハウジングの端板４４，４５を互いに保持するテンションフレームであると考えることができる。

圧力波発生器４０は、様々な形式の１基又は２基以上の極低温冷凍システムを駆動するよう構成できることは理解されよう。一形態では、圧力波発生器４０は、２つの互いに別個の極低温冷凍システムを駆動することができ、一方のシステムは、入口／出口ポート５７，５８の各々に連結される。変形例として、圧力波発生器４０は、単一の極低温冷凍システムを駆動するよう構成されても良く、入口／出口ポート５７，５８のうちの一方は、極低温冷凍システムに連結され、他方は、ガスばねを形成するよう閉塞される。ガスばねは、平均ガス圧力を釣り合わせるよう機能する。一形態では、ガスばねをパルス管冷凍システムのリザーバとして用いることができる。理解されるように、入口／出口ポート５７，５８を各々、これ又所望ならば多数基の極低温冷凍システムに結合可能に改造できる。特に、各極低温冷凍システムは、必ずしもそれ自体の専用入口／出口ポート５７，５８を必要とするわけではない。

図３に示された構成例において往復動により生じる振動は、逆の往復動力を生じさせる逆回転バランスシャフトを用いて動的に釣り合わせることができる。

図４を参照すると、圧力波発生器７０の第２の好ましい実施形態は、設計面において第１の実施形態と類似しているが、より多くの極低温冷凍システムを駆動する能力を備えている。具体的に言えば、圧力波発生器は、２対の互いに反対側の往復動ダイヤフラムを有し、４つのダイヤフラムは各々、関連の圧縮空間及び（又は）１基又は２基以上の極低温冷凍システムに結合可能な入口／出口ポートを有している。

圧力波発生器７０の駆動システムは、２つのピストンを駆動するアクチュエータを有し、各ピストンは、ダイヤフラム対のうちの一方の対に結合されている。具体的に言えば、第１の対をなすダイヤフラム７１，７２は、第１のピストン７３の対応の端部にそれぞれ結合され、第２の対をなすダイヤフラム７４，７５は、第２のピストン７６の対応の端部にそれぞれ結合されている。両方のピストン７３，７６は、同一のアクチュエータ、例えば単一のクランクシャフト７７によって往復動状態に駆動される。具体的に言えば、クランクシャフト７７は、コンロッド７８を介して第１のピストン７３を駆動し、コンロッド７９を介して第２のピストン７６を駆動する。コンロッド７８，７９は、一端が、第１の実施形態に関して説明した仕方と同様な仕方でこれらのそれぞれのピストン７３，７６に連結されている。コンロッド７８，７９の互いに反対側の端部は、クランクシャフト７７に設けられた別々のクランクに作動的に結合されている。好ましい形態では、一方のクランクは、他方のクランクより９０°進相しており、２対のダイヤフラムは、クランクシャフト７７を見下ろすと、互いに実質的に垂直に又は直交している。駆動システムの構成をクランクシャフト７７に設けられたカウンタウエイトにより動的に釣り合わせることができる。

図４に示す構成例における往復運動により生じる振動をクランクシャフトカウンタウエイトにより動的に釣り合わせることができる。

第１の好ましい実施形態の場合と同様、圧力波発生器７０は、４つのダイヤフラム７１，７２，７４，７５及び駆動システムを収納したハウジング８０を有している。ハウジングの壁は、極低温冷凍システムを駆動する際、熱交換器としての役目を果たすことができる。また、各ダイヤフラム７１，７２，７４，７５と関連してそれぞれ入口／出口ポート８１，８２，８３，８４が設けられ、生じた圧力波は、入口／出口ポート８１，８２，８３，８４に連結された１基又は２基以上の極低温冷凍システムを駆動するようかかる入口／出口ポートを通過することができる。第１の好ましい実施形態と同様、圧力波は、圧縮空間８５，８６，８７，８８内のそれぞれのダイヤフラム７１，７２，７４，７５の往復動により生じ、かかる圧縮空間は、ダイヤフラム７１，７２，７４，７５の駆動側７１ａ，７２ａ，７４ａ，７５ａ、ピストン７３，７６の端板８９，９０，９１，９２及びハウジング８０の壁によって形成されている。ガス力の釣り合わせは、第１の好ましい実施形態に関して説明した仕方と同様な仕方で達成される。特に、ダイヤフラムの各対は、その対と関連した２つの圧縮空間を互いに結合するよう配置されている好ましくはインライン型オリフィスを備えた関連の連結パイプを有している。分かりやすくするために、これら連結パイプは、図４には示されていない。

圧力波発生器７０は、本質的には、単一のクランクシャフト７７により駆動される正方形構造の４つのダイヤフラム７１，７２，７４，７５を利用している。ピストン７３，７６の端板８９，９０，９１，９２は、互いに対して対応の位相差を持つ圧力波を発生させるよう９０°進んで動いたり９０°遅れて動いたりする。

図３及び図４を参照して説明した圧力波発生器４０，７０は、種々の形式の極低温冷凍機を駆動するよう種々の形態に構成することができ、次に図５〜図９を参照して考えられる幾つかの形態について説明する。理解されるように、圧力波発生器の圧縮空間は、幾つかの形態ではガス流に応じて膨張空間として働くことができる。

スターリング冷凍システム
図５を参照すると、図４を参照して説明した圧力波発生器を利用してスターリング冷凍システムを駆動することができる。２つのスターリング冷凍システム構成例が、図示されているが、これらは例示に過ぎない。理解されるように、圧力波発生器は、両方を同時に又はいずれか一方だけを駆動することができる。

第１のスターリング冷凍システム１００は、ダイヤフラム７１，７４によって駆動され、これらダイヤフラムは、互いに対して位相が９０°ずれた状態で駆動される。空間８７は、圧縮空間として働き、入口／出口ポート８３と関連している。空間８５は、膨張空間として働き、入口／出口ポート８１と関連している。ダイヤフラム７４と関連したハウジング８０の壁１０２、ダイヤフラム７４それ自体及びピストン７６の端板９０は、高温熱交換器を形成するよう配置されている。同様に、ダイヤフラム７１と関連したハウジング８０の壁１０３、ダイヤフラム７１それ自体及びピストン７３の端板８９は、低温熱交換器であるように配置されている。インライン型再生用熱交換器１０５を備えた連結パイプ又は管１０４が、スターリングサイクルを実行させることができるよう入口／出口ポート８３を入口／出口ポート８１に連結している。

第２のスターリング冷凍システム１０１は、圧力波発生器の配管又は入口／出口ポートを利用して圧縮空間と膨張空間を互いに連結しているわけではない。これとは異なり、システム１０１は、圧力波発生器のハウジングへのエッジタッピング（edge tapping）を利用している。システム１０１は、ダイヤフラム７２，７５により駆動される。各ダイヤフラム７２，７５と関連した入口／出口ポートは、閉塞されている。空間８８は、圧縮空間を形成し、入口／出口ポートは、ハウジングに形成されていて、再生用熱交換器１０７に通じるエッジタッピング又はチャネル１０６である。スペース８６は、膨張空間を形成し、入口／出口ポートは、再生熱交換器１０７から通じているエッジタッピング又はチャネル１０８である。ハウジング８０の壁１０９、ダイヤフラム７５及び圧縮空間８８と関連したピストン７６の端板９２は、高温熱交換器を形成する。ハウジング８０の壁１１０、ダイヤフラム７２及び膨張空間８６と関連したピストン７３の端板８１は、低温熱交換器を形成する。

パルス管冷凍システム
図６を参照すると、図４を参照して説明した圧力波発生器を利用して１基又は２基以上のパルス管冷凍システムを駆動することができる。圧力波発生器により駆動されるパルス管冷凍システムのコンポーネントは、図２を参照して説明してある。

図６は、図４の４ダイヤフラム構造をパルス管冷凍システムにどのように連結すれば良いかを示している。パルス管は、垂直方向に最も良く働くので、４ダイヤフラム構造の中の水平構造は、必要ならば９０°ブラケットかエッジタッピングかのいずれかを備えたパルス管に対応するのが良い。

図示のパルス管冷凍システム１２０，１２１，１２２，１２３は各々、圧力波発生器のダイヤフラム７１，７４，７２，７５のうちの１つにより駆動され、ダイヤフラムと関連した各空間８５，８７，８６，８８は、圧縮空間である。パルス管冷凍システム１２０，１２２は、圧力波発生器のそれぞれの入口／出口ポート８１，８２に直接連結されている。パルス管冷凍システム１２１は、所望の垂直方向の向きをもたらすよう入口／出口ポート８３に連結された９０°又は直角ブラケット１２４を利用している。パルス管冷凍システム１２３の入口／出口ポートとしてエッジタッピング、サイドテークオフ又はチャネル１２５が設けられ、従来型入口／出口ポートは、閉塞される。

圧力波発生器は、４つのパルス管冷凍システムを同時に又は所望ならば各々を単独で駆動することができることは理解されよう。

フリーディスプレーサーピストン型スターリング冷却システム
図７を参照すると、図３及び図４を参照して上述した２ダイヤフラム構造か４ダイヤフラム構造かのいずれかで働くことができるフリーディスプレーサーピストン型スターリング冷却システム１３０が示されている。図７に示す圧力波発生器の部分図を参照してフリーディスプレーサーピストン型スターリング冷却システム１３０について説明する。駆動ピストン１３２及びハウジング又はテンションフレーム１３１は、図３及び図４を参照して説明したものと類似している。

このシステム１３０では、２つの隣り合うデュアルダイヤフラム１３３，１３４が、矢印Ｆ，Ｅにより指示されているようにピストン１３２により往復動状態で前後に駆動される。作用にあたり、ダイヤフラム１３３，１３４は、圧縮空間１３５内に圧力波を発生させ、ダイヤフラム１３３，１３４相互間の隙間１３６により、圧縮空間の冷却が可能になる。ピストン１３２の端板１３７は、高温熱交換器として働いて冷却される。

好ましい形態では、フリーピストン又はディスプレーサー１３８は、ばね１３９等により駆動ピストン１３２に取り付けられている。変形例として、ディスプレーサー１３８をダイヤフラム１３３，１３４により生じた圧力波により駆動しても良い。隣り合うデュアルディスプレーサーダイヤフラム１４５，１４６は、ハウジングとディスプレーサー１３８との間に結合されている。具体的に説明すると、環状ダイヤフラム１４５，１４６の内縁部は、ディスプレーサー１３８の外周部に固定され、外縁部は、ハウジングに又はハウジング内に固定されている。好ましい形態では、ディスプレーサーダイヤフラム１４５，１４６相互間には真空が存在する。ダイヤフラム相互間の真空は、高温（圧縮）ガス空間と低温（膨張）ガス空間との間の断熱手段として役立つ。ディスプレーサー及びディスプレーサーダイヤフラム１４５，１４６は、圧縮空間１３５と膨張空間１４１との間の仕切りを形成する。

作用にあたり、ディスプレーサー１３８は、その動作が９０°の位相ずれの共振状態にあり、この結果、駆動ピストン１３２は、スターリングサイクルを実行する。再生用熱交換器１４０は、ディスプレーサー１３８内に位置し、ガスが圧縮空間１３５から膨張空間１４１に流れ、そして戻ることができるよう構成されている。ハウジングの壁１４２は、低温熱交換器として働く。サイクルの高温部分と低温部分との間の断熱は、ディスプレーサー１３８の断熱パッカ１４３及びハウジングの断熱パッカ１４４並びにダイヤフラム相互間の真空により達成される。

自由膨張ピストンスターリング冷却システム
図８を参照すると、図３及び図４を参照して上述した２ダイヤフラム構造か４ダイヤフラム構造かのいずれかで働くことができる自由膨張ピストンスターリング冷却システム１５０が示されている。図８に示す圧力波発生器の部分図を参照して自由膨張ピストンスターリング冷却システム１５０について説明する。駆動ピストン１５１、ハウジング又はテンションフレーム１５２及びダイヤフラム１５３は、図３及び図４を参照して説明したものと類似している。特に、ピストン１５１は、ダイヤフラム１５３が作業ガスの圧力波を発生させるよう対応の仕方で動くようにするために矢印Ｈ，Ｇにより指示されているように往復動状態で前後に駆動される。

このシステム１５０では、静止再生用熱交換器１５４が、システムの圧縮空間１５６と膨張空間１５７との間でダイヤフラム１５３と関連した入口／出口ポート１５５に取り付けられている。膨張ダイヤフラム１５８、例えばディスク型ダイヤフラムも又設けられ、このダイヤフラムは、圧力波と共振するよう構成されており、その運動は、９０°位相がずれており、この結果、スターリングサイクルを実行する。ガスばね１５９が、膨張ダイヤフラム１５８に加わる平均ガス力に反作用する。共振は、ダイヤフラムの質量１６０及びガスばね１５９の特性により制御される。変形例として、所望ならば機械式ばねを用いても良いことは理解されよう。

ギフォードマクマホン型極低温冷凍システム
図９を参照すると、図４の圧力波発生器は、ダイヤフラム７１，７４，７２，７５の各々について単一の中央入口／出口ポートではなく、デュアルポート１７０，１７１，１７２，１７３を備えるのが良い。具体的に言えば、デュアルポート１７０，１７１，１７２，１７３の各組は、ポートを通るガスの流量を所望に応じて制御する動作可能な入口逆止弁１７０ａ，１７１ａ，１７２ａ，１７３ａ及び動作可能な出口逆止弁１７０ｂ，１７１ｂ，１７２ｂ，１７３ｂを有している。任意形式の適当な方向弁を利用できることは理解されよう。

デュアルポート及び弁を備えた圧力波発生器は、ギフォードマクマホン型極低温冷凍機に用いられる作業ガス、例えばヘリウムを圧縮するのに適した標準型圧縮機として構成できる。例えば、１つのダイヤフラムの出口ポート、例えば出口１７１ｂを次に位置するダイヤフラムの入口、例えば入口１７２ａに結合することにより、多段圧縮を行うことができ、高い圧縮比が得られる。理解されるように、圧力波発生器は、図示の構成により２つ、３つ又は４つの圧縮段階を提供することができる。また、図３の圧力波発生器は、所望ならば種々の用途向きにデュアルポート及び入口／出口逆止弁を有するよう改造できることは理解されよう。

圧力波発生器の駆動システム
作用にあたり、駆動システムは、比較的僅かな距離にわたって相当大きな力をダイヤフラムに送り出して圧力波発生器に連結されている１基又は複数基の極低温システムを駆動するのに必要な圧力波を発生させる必要がある。

図２〜図９を参照して上述した圧力波発生器のダイヤフラムを操作する駆動システムは、アクチュエータ、例えばコンロッド及びクランクシャフトから成る装置によって直接駆動される１つ又は複数個のピストンを有する。次に、図２〜図９の圧力波発生器用の変形例としてのレバーを利用した駆動システムについて説明する。

広義には、レバー利用駆動システムは、圧力波を発生させるよう１つ又は２つ以上のダイヤフラムに結合された１つ又は複数個の往復動ピストンを更に有する。しかしながら、１つ又は複数のピストンは、上述したようにアクチュエータにより直接駆動されるのではなく、かかる１つ又は複数個のピストンは、回動可能なレバーを介してピストンに作動的に結合されたアクチュエータにより往復動状態で駆動される。具体的に言えば、レバーは、一端がハウジング内の固定ピボット箇所に回動可能に取り付けられ、その自由端は、レバーの自由端をピボット箇所回りに往復動円弧の状態で回動させるよう動作できる往復動アクチュエータに結合されている。レバーを往復動円弧に沿って前後に動かすと、ピストンは、前後に往復動してダイヤフラムが往復動圧力波を発生させるようにする。

これらレバー利用駆動システム構成は、上述した直接結合型アクチュエータ構成よりも機械的に見て効率が高い。というのは、アクチュエータは、比較的長い距離にわたって僅かな力を及ぼしてレバーアーム比に従ってダイヤフラムについて僅かな距離で所要の大きな力を発生させることができるからである。

次に、レバー利用駆動システムの２つの好ましい実施形態について説明する。第１の好ましい実施形態は、レバーのためのピボット点をもたらす可撓性リンク装置又はリンクの構成を利用しており、かかる実施形態について図１０、図１１ａ及び図１１ｂを参照して説明する。レバー利用駆動システムの第２の好ましい実施形態は、レバーのための回動可能な継手を利用しており、かかる実施形態につき図１２、図１３ａ、図１３ｂ及び図１４を参照して説明する。

図１０を参照すると、全体が符号２００で示された圧力波発生器用のレバー利用駆動システムの第１の好ましい実施形態が示されている。圧力波発生器２００は、１つ又は２つ以上の入口／出口ポートを備えたハウジングを有し、発生した圧力波は、かかる入口／出口ポートを通ることができる。ただし、これらは図示されていない。圧力波発生器２００の全てのコンポーネントは、ハウジング内に収納される。圧力波発生器２００は、駆動システムにより往復動状態で駆動されるダイヤフラム２１３を更に有している。駆動システムは、頂部端板２０３及び底部端板２０５を備えたピストン又はピストンブロック２０１を有し、これら端板は、中央部材２０７の各端部のところに設けられている。ピストン２０１は、矢印Ｊ，Ｉにより指示された経路で前後に往復動するよう構成されている。

好ましい形態では、頂部端板２０３及び底部端板２０５は、円形であり、ピストン２０１は、ハウジング内に固定されると共にピストンの頂部端板の周囲に沿って設けられた円形案内壁２０９内で前後に往復動するよう構成されている。支承体２１１が、頂部端板２０３の外周部と案内壁２０９の内面との間に設けられていて、相対運動を可能にしている。理解されるように、他の摺動可能な構造を利用して、ピストン２０１が前後に動いているときにピストン２０１の頂部端板２０３を案内するようにしても良い。ピストン２０１の底部端板２０５は、ダイヤフラム２１３に結合されている。ダイヤフラムは、金属又は任意適当な可撓性材料、例えばゴム、テフロン（登録商標）等で作られるのが良い。ダイヤフラムは、好ましくは、圧力波発生器２００に連結された極低温冷凍システムを駆動する作業ガス、例えばヘリウム中で封止を行うことができる材料で作られる。好ましい形態では、ダイヤフラム２１３は、環状であり、内縁部は、底部端板２０５の外周部にしっかりと固定され、外縁部は、取付け箇所２１５のところでハウジングに又はハウジング内にしっかりと固定され又は固着されている。作用にあたり、ピストン２０１の往復運動により、これに対応してダイヤフラム２１３の往復運動が生じ、それにより圧力波を発生させてハウジングの関連の入口／出口ポートに連結されている極低温冷凍システムを駆動することができる。理解されるように、ピストン２０１を各端部のところでダイヤフラムに結合しても良く、或いは、各端部のところで２つ以上のダイヤフラムに結合して所望ならば上述したように多数の圧力波を生じさせても良い。

ピストン２０１は、回動可能なレバー２１７によりピストンに作動的に結合された動作可能なアクチュエータにより往復動状態に動かされる。好ましい形態では、レバー２１７の第１の端２１８は、箇所２１９のところで往復動アクチュエータ２２３に結合され、レバーの第２の端２２０は、剛性ピボット点２２１に結合されている。作用にあたり、アクチュエータ２２３は、レバー２１７の第１の端２１８をピボット点２２１回りに矢印Ｋ，Ｌにより指示された方向に前後に往復動アークの状態に駆動するよう動作できる。

好ましい形態では、アクチュエータ２２３は、クランクシャフト及びコンロッド（コネクティングロッド）から成る装置を有している。具体的に言えば、連結部材２２９が、レバー２１７と回転可能なクランクシャフト２２５との間に延びている。連結部材２２９は、箇所２１９のところで継手２３５を介してレバー２１７の第１の端２１８に回動可能に結合されると共にクランクシャフト２２２のクランク２２７（偏心直径を有するクランクシャフトの一部又は偏心的に取り付けられたクランク）に結合されている。符号２１９のところの継手２３５は、２つのコンポーネントをしっかりと連結するが、これらの間の相対的回動運動を可能にする回動可能な連結部、例えばピン継手又は任意他の継手である。作用にあたり、クランク２２７は、連結部材２２９の相補形の孔２３１内で回転するよう配置されており、軸受２３３が、クランク２２７の外周部と連結部材２２９の孔２３１の内周部との間に設けられていて、回転を可能にしている。変形実施形態では、理解されるように、２つの連結部材２２９をレバーの互いに反対側に配置して同一のクランクシャフトにより駆動しても良いことは理解されよう。

作用にあたり、クランクシャフト２２５を駆動源、例えばモータ又は任意他の回転可能な駆動源により回転させ、クランク２２７が回転して連結部材２２９が上下に往復動し、それによりレバー２１７が、矢印Ｋ，Ｌにより指示された円弧に沿ってピボット点２２１回りに前後に往復動する。レバー２１７がピボット点２２１回りに往復動すると、ピストン２０１及びダイヤフラム２１３は、矢印Ｉ，Ｊにより指示されているように対応の上下の往復運動を示すようになる。好ましい形態では、駆動シャフトの各回転により、ピストン２０１の振動が生じ、それによりダイヤフラム２１３が振動して圧力波が生じる。

好ましい形態では、レバー２１７の第２の端２２０のところの剛性ピボット点２２１は、レバーの第２の端に結合された可撓性リンク装置部材又は可撓性リンクの配列体により構成される。具体的に言えば、レバー２１７の第２の端２２０は、ピボット点２２１のところで可撓性リンクの配列体にしっかりと固定された結合コンポーネント２３７を備えている。具体的に言えば、可撓性リンクの配列体は、上側可撓性リンク２３９及び下側可撓性リンク２４１を有し、これら上下の可撓性リンクは、それぞれ、ピボット点２２１から固定上側静止支持体２４３及び固定下側静止支持体２４５まで延び、これら静止支持体は、ハウジングに又はハウジング内にしっかりと固定されている。また、ピボット点２２１からハウジングに又はハウジング内にしっかりと設けられた固定側方支持体２４９まで延びる側方可撓性リンク２４７が設けられている。好ましい形態では、図１１ａ及び図１１ｂに示されているように、互いに実質的に平行である１対の上側可撓性リンク２３９及び１対の下側可撓性リンク２４１が設けられると共に上側可撓性リンク対２３９と下側可撓性リンク対２４１との間に設けられた単一の側方可撓性リンク２４７が設けられている。可撓性リンク２３９，２４１，２４７を任意形式の１つ又は複数の締結コンポーネント、例えばボルト、ねじ、リベット等によりレバー２１７の結合コンポーネント２３７に固定できる。好ましい形態では、締結コンポーネントは、可撓性リンク２３９，２４１，２４７を貫通してレバー２１７の第２の端２２０のところの結合コンポーネント２３７内に延びるよう配置されたボルト２５１である。

作用にあたり、可撓性リンク２３９，２４１，２４７の配列体は、レバー２１７の回動の中心となる剛性ピボット点２２１又は支点を形成する。可撓性リンク２３９，２４１，２４７は、引っ張り及び圧縮において剛性であるが、容易に曲がることができ、正味の効果は、ピボット点２２１である。後で説明するように、リンク２３９，２４１，２４７は、レバー２１７を矢印Ｋ，Ｌによって指示されている円弧に沿って前後に往復動させるよう力がレバー２１７の第１の端又は自由端２１８に加えられると、曲がって剛性ピボット点２２１を形成する。可撓性リンクは、任意適当な強固であるが弾性的に撓むことができる１種類又は複数種類の材料で作られるのが良い。好ましい形態では、上側及び下側リンク２３９は、剛性中央部分２５３及び可撓性端区分又は部分２５５を有するのが良い。好ましい形態では、側方可撓性リンク２４７は、弾性的に撓むことができる材料で全体が且つ均質に形成される。好ましい形態では、リンクは、破損しないで大きな力を伝達することができる高強度金属から成る。

上述したように、レバー２１７は、ピストン２０１をシリンダか案内壁２０９及び（又は）ダイヤフラム２１３かのいずれかにより案内される経路中で上下に動かすようピストン２０１にも結合されている。好ましい形態では、上側可撓性リンク装置又はリンク２５７及び下側可撓性リンク装置又はリンク２５９は、レバー２１７をピストン２０１の中央部材２０７に結合している。上側リンク２５７及び下側リンク２５９は、一端が箇所２６１のところでレバー２１７の結合コンポーネント２３７にボルト止めされ、他端は、ピストン２０１の中央部材２０７の上側部分２６３及び下側部分２６５にボルト止めされている。別の締結機構体又はコンポーネントを利用できることは理解されよう。好ましい形態では、上側リンク２５７及び下側リンク２５９は、形態が剛性回動装置の上側リンク２３９及び下側リンク２４１に類似している。具体的に言えば、図１１ａ及び図１１ｂに、より明確に示されているように、リンクの上側の対２５７及び下側の対２５９が設けられている。箇所２６１は、レバー２１７が往復動すると、レバーアーム比によって定められた小さな円弧をなして動く。可撓性リンク２５７，２５９の継手構成によりピストンの対応の角度及び側方運動の僅かな変化に対応する。というのは、可撓性リンクは、ピストンが矢印Ｉ，Ｊにより指示された経路で上下に往復動すると曲がるからである。

理解されるように、可撓性リンクは、レバーのためのピボット点をもたらし、レバーをピストン２０１に結合するよう別の仕方で構成できる。例えば、回動可能な構成のために対をなす上側リンク２３９及び下側リンク２４１並びに側方リンク２４７を設ける必要はない。上側リンク及び下側リンクの機能を実行する単一の可撓性コンポーネントを設けても良い。具体的に言えば、上側リンクと下側リンクは、所望ならば互いに且つ側方リンクと一体であっても良い。これに類似した変形例は、レバー２１７をピストン２０１に結合する可撓性リンク２５７，２５９について利用できる。

レバーを矢印Ｋ，Ｌにより指示された往復動円弧の状態に駆動するアクチュエータは、任意他の機械式アクチュエータ又は電気式、油圧式又は空気圧式アクチュエータ或いはこれらの任意の組み合わせであって良いことは理解されよう。アクチュエータは、必ずしも上述したようなクランクシャフト及びコンロッドから成る装置でなければならないということはない。駆動システムは、レバー２１７の自由端２１８を所望に応じて上下に操作する任意の往復動駆動機構体を利用することができる。さらに、ユーザがレバーの変位及びレバーの運動速度を制御し、それによりピストン及びダイヤフラムの変位及び運動速度を制御することができるようにする制御システムを設けるのが良い。レバーの速度及び変位を制御できるようにすることにより、ダイヤフラムにより生じる圧力波の仕様を頻度及び圧力又は力の面で制御できる。上述した考えられるアクチュエータの種々の形態及び制御システムの能力は、最初に図２〜図９を参照して説明した直接結合型アクチュエータ駆動システムにも適用される。

レバー利用駆動システムにより、駆動システムのアクチュエータ２２３は、ピストンのところで僅かな変位により大きな力を作ってダイヤフラムをアクチュエータのところで大きな変位で小さな力で駆動することができる。これにより、ピストンを直接駆動するクランクシャフト及びコンロッド装置と比較して、サイズを減少させた軸受２３３をクランクシャフト及びコンロッド装置に利用することができる。小形軸受は、支持摩擦を減少させ、駆動システムの機械的効率を増大させる。さらに、ダイヤフラムにより生じる圧力波は、相当大きな力を呈し、ダイヤフラムの運動は、比較的僅かである。可撓性リンク装置がレバー２１７のためのピボット点２２１を形成するということは、荷重が高く且つ運動が僅かな可動部品又は軸受が存在せず、それにより、機械的効率が増大すると共に軸受中の遊びにより生じる望ましくない運動が減少するということを意味している。可撓性リンク中の応力は、好ましくは、これらの材料の疲労限度以下に保たれ、したがって、リンクは、限りない寿命を効果的に持つことができ、しかも、軸受を用いた等価リンク装置よりも長く持つことができる。

次に、図１１ａ及び図１１ｂを参照して圧力波発生器２００の作用を説明する。分かりやすくするため、圧力波発生器２００のコンポーネントが全て示されているわけではない。具体的に言えば、ピストン２０１の頂部端板２０３及び底部端板２０５、アクチュエータ２３３、ダイヤフラム２１３及びピストンの案内壁２０９は省かれている。図１１ａは、レバー２１７を矢印Ｋ，Ｌによって支持されたその往復動円弧中の途中の中間又は休止位置で示している。この中間位置では、ピボット点２２１を形成する可撓性リンク２３９，２４１，２４７は、曲げられておらず、休止状態にある。これと同様に、レバー２１７をピストン２０１に結合する可撓性リンク２５７，２５９も又、曲げられておらず、休止状態にある。図１１ｂを参照すると、レバー２１７は、アクチュエータ２２３（図示せず）によりその往復動円弧に沿って方向Ｋに上方に動かされている。レバー２１７をアクチュエータ２３３により上方に動かすと、可撓性リンク２３９，２４１，２４７は、レバー２１７の回動の中心となるピボット点２２１又は支点を形成するよう曲がり又は撓む。レバー２１７が方向Ｋに回動すると、ピストン２０１も又、方向Ｉで上方に動く。というのは、このピストンは、上側可撓性リンク２５７及び下側可撓性リンク２５９によりレバー２１７に連結されているからである。上述したように、これら結合可撓性リンク２５７，２５９は、ピストン２０１の任意の角度及び側方運動に順応すると共にピストンがもしそうではない場合にレバー装置を利用する傾向があるときに円弧の状態で上方に動くのではなく、案内壁２０９及び（又は）ダイヤフラム２１３により案内される方向Ｉで垂直方向上方に動くことができるようにする動きで曲がり又は撓む。

次に、図１２、図１３ａ、図１３ｂ及び図１４を参照して、全体を符号３００で示した圧力波発生器用のレバー利用駆動装置の第２の好ましい実施形態を説明する。圧力波発生器３００のコンポーネントのうちの幾つかは、レバー利用駆動システムの第１の好ましい実施形態に関して図示すると共に説明したコンポーネントとほぼ同じである。

図１２を参照すると、圧力波発生器３００は、１つ又は２つ以上の入口／出口ポートを備えたハウジングを有し、発生した圧力波は、かかる入口／出口ポートを通過して１基又は複数基の連結状態の極低温冷凍システムを駆動することができる。圧力波発生器３００の全てのコンポーネントは、ハウジング内に設けられているが、これは図示されていない。

圧力波発生器３００の動作可能な駆動システムは、中央部材３０３を備えたピストン３０１を有し、この中央部材には、頂部端板３０５及び底部端板３０７が取り付けられ又はこれと一体である。頂部端板３０５と底部端板３０７の両方は、各々がハウジングの入口／出口ポートと関連した環状ダイヤフラム３０９の内縁部に結合されている。ダイヤフラム３０９の外縁部は、ハウジング又は図示されていないハウジング内の固定支持体又は取り付け具に固着されている。ピストン３０１は、矢印Ｍ，Ｎにより指示された垂直経路で上下に往復動し、それによりダイヤフラム３０９の対応の往復動が往復動圧力波を生じさせるようになっている。

駆動システムは、第１の端部３１５及び第２の端部３１７を備えたレバー３１１を更に有し、このレバーは、ハウジングに又はハウジング内に固定された回動可能な継手３１３又は支点回りに例えば静止機械フレーム（図示せず）まで回動してピストン３０１及びダイヤフラム３０９を駆動するよう構成されている。一例を挙げると、回動可能な継手３１３は、レバー３１１の第２の端部３１７寄りに設けられた相補形の孔を貫通して延びる支承面を備えたピン継手であるのが良い。レバー３１１の第１の端部３１５は、矢印Ｏ，Ｐにより指示された往復動円弧の状態でピボット点又は支点３１３回りに動くよう配置されている。

レバー３１１は、剛性連結コンポーネント又はリンク３１９を介してピストン３０１の中央部材３０３に結合されている。具体的に言えば、連結コンポーネント３１９は、一端が回動可能な結合コンポーネント３２１、例えば回動ピン／継手等によりピストンの中央部材３０３の一部に回動可能に結合されている。連結コンポーネント３１９の他端部は、回動可能な結合コンポーネント３２３、例えば回動ピン／継手等によりレバー３１１に回動可能に結合されている。

作用を説明すると、アクチュエータ３２５によりレバー３１１の第１の端部３１５を矢印Ｏ，Ｐにより指示された往復動円弧の状態で動かす。好ましい形態では、アクチュエータ３２５は、関連制御システムを有するクランクシャフト及びコンロッド装置であり、このアクチュエータは、第１の好ましい実施形態に関して説明したアクチュエータとほぼ同じである。具体的に説明すると、符号３２９のところでレバー３１１の第１の端部３１５の各側に回動可能に結合された２つの連結部材３２７が設けられている。回転運動を往復運動に変換するよう連結部材３２７の孔３３１内で回転する一体形クランク又は偏心クランクを有する回転可能なクランクシャフトにより連結部材３２７を往復動状態で動かす。

図１３ａ及び図１３ｂを参照して圧力波発生器３００の作用を例示として説明する。分かりやすくするため、圧力波発生器３００のコンポーネントの中には、省かれたものがあれば、図面に記載されているものもある。具体的に言えば、ダイヤフラム３０９は省かれており、駆動システムコンポーネントの細部は、図中に記載されている。例えば、回転可能なクランクシャフト３３５と共にフライホイール３２５が示されており、このフライホイールは、連結部材３２７に設けられた孔を通って突き出ている。モータの駆動シャフトは、フライホイール内に突き出ており、フライホイールは又、クランクシャフトに結合されている。作用にあたり、フライホイールは、膨張エネルギーを捕捉してこれを次のサイクル／振動における圧縮のために戻す。上述したように、クランクシャフトは、連結部材３２７の孔３３１内で回転する偏心クランクに係合し又はこれと一体であり、それにより往復動を生じさせる。歯車３３７が、クランクシャフト３３５の端寄りに設けられており、この歯車は、クランクシャフト共に回転する。第２の歯車３３９が、第１の歯車３３７と噛み合い、この第２の歯車は、逆回転バランスシャフトを介して往復動質量の動的釣り合いを取るための回転可能なシャフトを有している。好ましい形態では、駆動シャフト３３５の各回転により、矢印Ｍ，Ｎにより示された経路に沿うピストン３０１の上下の振動が生じる。図１３ａは、レバー３１１がその往復動円弧（全体が矢印Ｏ，Ｐで示されている）の中間において休止又は中間位置にあるときの振動の開始を示している。駆動シャフトが回転すると、連結具合３２７は、往復動状態で上下に動き、それによりレバー３１１がピストン３０１及びダイヤフラム３０９を上下に動かして圧力波を発生させる。図１３ｂは、矢印Ｏに向かう往復動円弧の頂点に位置するレバー３１１を示しており、これにより、ピストン３０１は、矢印Ｍのところのその往復動経路の頂点まで移動する。駆動シャフト３３５が引き続き回転すると、レバー３１１は、Ｐに向かう円弧をなして下方に戻され、それによりピストンが矢印Ｎまで下方に続くようになる。このプロセスは、各振動について続行して往復動圧力波を発生させる。

第１の好ましい実施形態の場合と同様、レバー利用駆動システムの第２の好ましい実施形態は、可動部品に対する摩耗及び引き裂きを減少させるレバー装置を利用している。具体的に言えば、ダイヤフラム３０９により生じた圧力波は、僅かな距離で強力な運動により生じる相当大きな力を呈する。アクチュエータ３２５は、レバー３１１の機械的利点を利用して僅かな変位で所要の大きな力を生じさせる。具体的に言えば、駆動シャフト及びコンロッドの装置は、レバー３１１の自由端３１５のところで長い距離で僅かな力を生じさせ、この力は、次に、レバーをピストン３０１に結合している剛性リンク３１９のところで僅かな距離で大きな力で変えられる。これは、コンロッド及びクランクシャフト装置の軸受がコンロッドが直接ピストンに結合されている装置と比較して同程度に大きい必要はないということを意味している。具体的に言えば、コンロッド及びクランクシャフト装置は、レバーを用いていない直接結合型装置に必要な軸受と比較して小形の軸受を利用することができる。これにより、軸受摩擦が減少すると共に機械的効率が増大する。荷重が最も高い唯一の可動部品は、リンク３１９に設けられたピボットである。したがって、荷重が最も高く且つ運動が小さい可動部品が制限され、したがって、効率が増大する。

図１４は、剛性リンク３１９が圧力波発生器３００に存在していないレバー駆動システムの第２の好ましい実施形態の変形形態を示している。具体的には、レバー３１１は、結合コンポーネント３４３を介してピストン３０１の中央部材３０３に直接結合されており、この結合コンポーネントは、ピボットピン又は剛性締結コンポーネントであるのが良い。

理解されるように、第１の実施形態か第２の実施形態かのいずれかのレバー駆動利用システムは、変形形態ではダイヤフラムを用いないで圧力波発生器を作動させるよう構成されるのが良い。例えば、ピストンは、圧力波を生じさせるようシリンダ内で往復動するのが良い。

圧力波発生器の利益及び利点
本発明の圧力波発生器は、安価なダイヤフラムを用いて効率的且つ費用効果の良い仕方でスターリング極低温冷凍システム、パルス管極低温冷凍システム及び他の極低温冷凍システムを駆動するのに必要な圧力波を生じさせることができる。ダイヤフラムは、圧縮空間内の圧縮熱を吸収することができ、それ故、ほぼ等温の圧縮が得られ、それ故、極冷却機の効率が増大する。ダイヤフラムは、極低温冷却システムの必要とするクリーンなガス環境を安価な駆動コンポーネント、例えば標準型回転モータ及びクランク機構体を用いることができる駆動システムから分離する。

ダイヤフラムに加わる大きなガス力をこれと等しい反対側のダイヤフラムにより釣り合わせることができ、かかる反対側のダイヤフラムは、ガスばね又は別の極低温冷却機の一部として使用できる。特に、互いに反対側の往復動ダイヤフラムの各対は、平均ガス力を釣り合わせるような仕方で構成され、したがって、駆動システムの駆動機構体が圧力波の大きさを受けることに過ぎないようになっている。

このように正方形パターンで連結された４つのダイヤフラムは、余分のバランスシャフト及びバランスウエイトを用いないで往復動質量の動的釣り合いを達成することができる。ダイヤフラムは、共振状態のリニヤモータ、例えば可変隙間リラクタンスモータ又はリラクタンス心出しモータにより駆動可能である。２つ又は３つ以上のスターリングガスサイクルを、正方形４ダイヤフラム構造のダイヤフラムの対を用いて駆動できる。さらに、スターリング冷凍機の膨張ピストン又はディスプレーサーを密封したり案内するために圧力波発生器を利用することができる。

本発明の圧力波発生器は、非極低温冷凍システム、例えば従来型家庭用冷蔵庫で利用できるということは理解されよう。さらに、圧力波発生器は、往復動圧力波が必要な他の非冷凍用途に利用できる。

本発明の上記説明は、その好ましい形態を含む。添付の特許請求の範囲に記載された本発明の範囲から逸脱することなくかかる形態の改造例を想到できる。

公知のパルス管冷凍機を示すブロック図であり、このパルス管冷凍機が、この冷凍機を駆動する往復動圧力波を発生させる隙間型ピストンを利用する構成を示す図である。 本発明の圧力波発生器により駆動される極低温冷凍システムの一例を示すブロック図である。 １対の往復動ダイヤフラムを利用する本発明の第１の好ましい実施形態としての圧力波発生器を示す略図である。 ２対の往復動ダイヤフラムを利用する本発明の第２の好ましい実施形態としての圧力波発生器を示す略図である。 本発明の圧力波発生器により駆動されるスターリング冷凍機を示す略図である。 本発明の圧力波発生器により駆動される多くのパルス管冷凍機を示す略図である。 本発明の圧力波発生器により駆動されるフリーディスプレーサーピストン型スターリング冷却機を示す略図である。 本発明の圧力波発生器により駆動される自由膨張ピストン型スターリング冷却機を示す略図である。 ギフォードマクマホン型極低温冷凍機を駆動する逆止弁を備えた本発明の圧力波発生器を示す略図である。 往復動レバーのためのピボット点を作るために可撓性リンク装置を利用した駆動システムによって駆動される本発明の圧力波発生器の側面図である。 図１０の圧力波発生器の駆動システムコンポーネントを動作状態で示す斜視図である。 図１０の圧力波発生器の駆動システムコンポーネントを動作状態で示す斜視図である。 往復動レバーのためのピボット点を作るために回動可能な継手を利用した駆動システムによって駆動される本発明の圧力波発生器の側面図である。 図１２の圧力波発生器の駆動システムコンポーネントを動作状態で示す斜視図である。 図１２の圧力波発生器の駆動システムコンポーネントを動作状態で示す斜視図である。 駆動システムのレバーとピストンとの間に連結リンクが設けられていない図１２の圧力波発生器の変形例の斜視図である。

Claims (27)

1. 作業ガスの往復動圧力波を発生させるように構成され、１基又は２基以上の極低温冷凍システムを駆動する圧力波発生器であって、
   １つ又は２つ以上の入口／出口ポートを備えたハウジングを有し、発生した作業ガスの往復動圧力波が、前記入口／出口ポートに連結されている１基又は複数基の極低温冷凍システムを駆動するよう前記入口／出口ポートを通過し、
   前記ハウジング内に設けられた少なくとも１対の互いに反対側のダイヤフラムを有し、前記ダイヤフラムは、前記ハウジング内で往復動状態で動くことができ、各ダイヤフラムは、前方駆動側及び後方駆動側を有し、互いに反対側のダイヤフラムの各対のダイヤフラムは、ハウジングと、往復運動部の各々の端又は端寄りとの間に固定され、反対側のダイヤフラムが作動的に連結され一緒に動くようになっており、
   前記各ダイヤフラムと関連した、ハウジング内に設けられたガス空間を有し、各ダイヤフラムの前記前方駆動側は、往復動圧力波を発生させるために、対応するガス空間内で往復運動するように構成されており、前記ガス空間のうちの少なくとも１つは、発生した圧力波が通過する関連のハウジングの入口／出口ポートを有し、前記ダイヤフラムの各対と関連した前記ガス空間は、前記反対側のダイヤフラムに加わる平均ガス力を釣り合わせるよう、２つの前記ガス空間相互間のガス流を十分に無視できるレベルまで減少させるオリフィスを有する連結パイプによって連結され、
   一つ又はそれ以上の作動可能なアクチュエータを備える駆動システムを有し、当該駆動システムは、往復運動部を往復運動させるように構成され、前記ダイヤフラムの各対を前記ハウジング内で一直線上に前後させる往復動状態で動かして前記ハウジングの前記入口／出口ポートに連結されている１基又は２基以上の極低温冷凍システムを駆動するための往復動圧力波を発生させるよう動作できるようになっており、
   前記ガス空間とは分離されハウジング内の共通のチャンバが、前記ダイヤフラムの後方側の間に形成されており、前記駆動システムの往復運動部が前記チャンバ内で運動し、前記ダイヤフラムの前記後方側が同じ共通チャンバ内で運動するようになっており、前記駆動システムの前記アクチュエータは、前記ハウジングの前記ガス空間内には配置されていない、圧力波発生器。
2. 前記駆動システムは、各前記ダイヤフラムにより各前記ガス空間内に生じる前記圧力波相互間の位相差が生じるように各対の前記ダイヤフラムを動かすよう構成されている、請求項１記載の圧力波発生器。
3. 各対の前記ダイヤフラムは、前記ダイヤフラムが前記駆動システムにより一緒に動かされて前記対の一方のダイヤフラムにより生じた前記圧力波が前記対の他方の前記ダイヤフラムにより生じた圧力波に対して１８０°位相ずれするようになっている、請求項１又は２記載の圧力波発生器。
4. 前記ハウジング内に２対の互いに反対側のダイヤフラムが設けられ、前記２対は、一方の対の前記ダイヤフラムにより生じた前記圧力波が他方の対の前記ダイヤフラムにより生じた圧力波に対して９０°位相ずれするように互いに実質的に直交している、請求項１〜３のうちいずれか一に記載の圧力波発生器。
5. 前記反対側ダイヤフラムの各対と関連した往復運動部は、前記ダイヤフラムに結合された往復動ピストンである、請求項１〜４のうちいずれか一に記載の圧力波発生器。
6. 前記対をなすダイヤフラムは、環状であり、各対の前記ダイヤフラムの内縁部は、それぞれの前記ピストンの互いに反対側の端に固定され、外縁部は、前記ハウジング内の反対側の場所に固定されている、請求項５記載の圧力波発生器。
7. 前記駆動システムの前記アクチュエータは、前記駆動システムの前記ピストンに直接結合されている、請求項５又は６記載の圧力波発生器。
8. 前記駆動システムの前記アクチュエータは、各前記ピストンについてクランクを有する単一の回転可能なクランクシャフトと、往復運動するコンロッドとを有し、前記アクチュエータの前記コンロッドは、対応する前記ピストンに直接結合されている、請求項７記載の圧力波発生器。
9. 前記ハウジング内には２対の互いに反対側のダイヤフラムが設けられており、前記２対は、互いに実質的に直交しており、１対の前記ダイヤフラムのための前記クランクシャフトの前記クランクは、他方の対のダイヤフラムのための前記クランクシャフトの他方のクランクよりも位相が９０°だけ進んでいる、請求項８記載の圧力波発生器。
10. 前記駆動システムの前記アクチュエータは、１本又は複数本の回動可能なレバーにより前記駆動システムを前記ピストンに間接的に結合されている、請求項５又は６記載の圧力波発生器。
11. 前記駆動システムの各前記ピストンは、回動可能なレバーに結合されており、アクチュエータが、前記レバーの端に結合されていて、前記レバーをそのピボット点回りに往復動円弧の状態で回動させ、それにより前記ピストン及びその対をなす前記ダイヤフラムを往復動状態で駆動し、それにより圧力波を発生させるよう構成されている、請求項１０記載の圧力波発生器。
12. 各前記レバーは、一端が、前記ハウジング内に設けられた可撓性リンク装置の構成に固定され、前記リンク装置は、それぞれ休止状態と曲げ状態との間で撓むように構成され、これにより、前記レバーの端のところに前記レバーの回動の中心となるピボット点を作るよう構成されており、
    前記可撓性リンク装置は、前記レバーの自由端に加えられた圧力に応答して休止状態と曲げ状態との間で撓み、それにより前記レバーを前記ピボット点回りに回動させることができる、請求項１１記載の圧力波発生器。
13. 各前記レバーは、前記レバーの一部と前記ピストンの一部との間に延びる１つ又は２つ以上の可撓性リンク装置を介してピストンに結合されている、請求項１１又は１２記載の圧力波発生器。
14. 各前記レバーは、一端が、前記レバーの回動の中心となる回動可能な継手を介して前記ハウジング内に固定されている取付けコンポーネントに結合されており、
    各前記レバーは、前記レバーの一部と前記ピストンの一部との間に延びる剛性リンク装置を介してピストンに結合されている、請求項１２記載の圧力波発生器。
15. 前記アクチュエータは、コンロッドを有し、前記コンロッドは、前記レバーの一端と回転可能なクランクシャフトのクランクとの間に結合されていて、前記クランクシャフトが回転すると、それにより前記コンロッドが往復動状態で動き、それにより前記レバーの前記端を往復動円弧の状態で駆動するようになっている、請求項１１〜１４のうちいずれか一に記載の圧力波発生器。
16. 各前記ガス空間は、ダイヤフラムと、前記ダイヤフラムのための前記駆動システムの関連の往復運動部の表面と、前記ハウジングの一部とによって構成されている、請求項５〜１５のうちいずれか一に記載の圧力波発生器。
17. 前記入口／出口ポートは、次に記載する極低温冷凍システム、即ち、スターリングシステム、パルス管システム及び（又は）ギフォードマクマホンシステムのうち任意の１つ又は２つ以上に連結されている、請求項１〜１６のうちいずれか一に記載の圧力波発生器。
18. 極低温冷凍システムであって、請求項１〜１７のうちいずれか一に記載の圧力波発生器を備え、作業ガスの往復動圧力波によって極低温冷凍システムを駆動するように構成されている、極低温冷凍システム。
19. 圧力波発生器のハウジングの１つ又は２つ以上の入口／出口ポートに取り付けられた自由ピストンスターリング冷却機を備え、該自由ピストンスターリング冷却機は、圧力波発生器によって発生される、作業ガスの往復動圧力波によって駆動される、請求項１乃至１７のうちいずれか一に記載の圧力波発生器。
20. 自由ピストンスターリング冷却機は、圧縮空間と膨張空間に仕切られたハウジングを備え、ハウジングは、その内部に設けられた、ダイヤフラムによってハウジング内に取り付けられたディスプレーサーによって仕切られている、請求項１９に記載の圧力波発生器。
21. 自由ピストンスターリング冷却機は、ディスプレーサー内に取り付けられ、作業ガスが圧縮空間と膨張空間との間で往復できるようにする再生用熱交換器を備える、請求項２０に記載の圧力波発生器。
22. ディスプレーサーは、自由ピストンスターリング冷却機のハウジングとディスプレーサーとの間に連結された一対のダイヤフラムによって、自由ピストンスターリング冷却機のハウジング内に取り付けられている、請求項２０又は２１記載の圧力波発生器。
23. 自由ピストンスターリング冷却機のダイヤフラムは、環状であり、各ダイヤフラムの内縁部は、ディスプレーサーの各々の端部に、又はその近くに固定され、各ダイヤフラムの外縁部は、自由ピストンスターリング冷却機のハウジングに、又はその内部に固定されている、請求項２２に記載の圧力波発生器。
24. 自由ピストンスターリング冷却機の一対のダイヤフラムの間では、真空状態が維持される、請求項２２又は２３記載の圧力波発生器。
25. 自由ピストンスターリング冷却機のハウジングは、圧縮空間と膨張空間との間に配置された断熱パッカを備える、請求項２０〜２４のうちいずれか一に記載の圧力波発生器。
26. ディスプレーサーは、圧縮空間と膨張空間との間に配置された断熱パッカを備える、請求項２０〜２５のうちいずれか一に記載の圧力波発生器。
27. ディスプレーサーは、ばねによって圧力波発生器の往復運動部に連結されている、請求項２０〜２６のうちいずれか一に記載の圧力波発生器。

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