JP6305285B2 - パルス管冷凍機 - Google Patents

Description

本発明は、パルス管冷凍機に関し、特に、多段式のパルス管冷凍機に関する。

極低温を発生する冷凍機のひとつとしてパルス管冷凍機が知られている。パルス管冷凍機は、圧縮機により圧縮された作動流体である作動ガス（例えば、ヘリウムガス）が蓄冷管およびパルス管に流入する動作と、作動流体がパルス管および蓄冷管から流出され、圧縮機に回収される動作とを繰り返すことで、蓄冷管およびパルス管の低温端に寒冷が形成される。また、これらの低温端に、冷却対象を熱的に接触させることで、冷却対象から熱を奪うことができる。特に、多段式のマルチバルブ型パルス管冷凍機は、高い冷却効率を有するという特徴を有し、様々な分野での適用が期待されている。

特開２００５−１１４２０１号公報

本発明のある目的は、パルス管冷凍機の冷凍能力を向上する技術を提供することである。

上記課題を解決するために、本発明のある態様のパルス管冷凍機は、低圧の作動ガスを圧縮して高圧の作動ガスを生成する圧縮機と、高温端と低温端とを有し高温端が圧縮機と接続する高温側蓄冷器と、高温端と低温端とを有し高温端が高温側蓄冷器の低温端と接続する低温側蓄冷器と、高温端と低温端とを有し低温端が高温側蓄冷器の低温端と接続し高温端が圧縮機と接続する高温側パルス管と、高温端と低温端とを有し低温端が低温側蓄冷器の低温端と接続する低温側パルス管と、低温側パルス管の高温端と圧縮機とに接続し作動ガスが流れるガス流路とを備える。ガス流路は、低温側パルス管の高温端と接続する第１流路と、圧縮機と接続し第１流路の出口と対向する出口を有する第２流路と、第１流路の出口と第２流路の出口とを気密に収容するハウジングとを備える。ハウジングは、第１流路の出口よりもパルス管側に、第１流路の出口と第２流路の出口とに連通する気密空間を備える。

本発明によれば、パルス管冷凍機の冷凍能力を向上する技術を提供することができる。

４バルブ型パルス管冷凍機の一例の概略を模式的に示す図である。 図１に示した４バルブ型パルス管冷凍機の作動の際の、６つのバルブの開閉状態を時系列的に示す図である。 実施の形態に係る第２流路抵抗の断面を模式的に示す図である。 図４（ａ）−（ｂ）は、ニードルホルダのテーパ領域を拡大して示す模式図である。 図５（ａ）−（ｂ）は、実施の形態の変形例に係る気密空間を模式的に示す図である。

本発明の実施の形態について図面と共に説明する。まず、本発明のある実施の形態に係るパルス管冷凍機２００について、その全体構成と動作を説明する。

図１は、実施の形態に係るパルス管冷凍機２００の概略を模式的に示す図である。このパルス管冷凍機２００は、２段式の構造となっている。

図１に示すように、パルス管冷凍機２００は、圧縮機２１２、高温側蓄冷管２４０および低温側蓄冷管２８０、高温側パルス管２５０および低温側パルス管２９０、第１配管２５６および第２配管２８６、オリフィス等で構成された第１流路抵抗２６０、第２流路抵抗２６１、ならびに開閉バルブＶ１〜Ｖ６等を備える。高温側蓄冷管２４０の内部空間には、高温側蓄冷材が充填される。高温側蓄冷材は、例えば銅製の金網である。低温側蓄冷管２８０の内部空間には、低温側蓄冷材が充填される。低温側蓄冷材は、例えば鉛、ビスマス、錫の粒である。

高温側蓄冷管２４０は、高温端２４２および低温端２４４を有する。低温側蓄冷管２８０は、高温端２４４（高温側蓄冷管２４０の低温端２４４に相当）および低温端２８４を有する。高温側パルス管２５０は、高温端２５２および低温端２５４を有する。低温側パルス管２９０は、高温端２９２および低温端２９４を有する。高温側パルス管２５０の高温端２５２および低温端２５４、低温側パルス管２９０の高温端２９２および低温端２９４には、それぞれ熱交換器が設置されている。高温側蓄冷管２４０の低温端２４４は低温側蓄冷管２８０の高温端２４４と共通であるため、高温側蓄冷管２４０と低温側蓄冷管２８０とは長手方向の軸が共通するように配置される。また、高温側蓄冷管２４０と高温側パルス管２５０とは、長手方向の軸が平行になるように並んで配置される。低温側蓄冷管２８０と低温側パルス管２９０も、長手方向の軸が平行になるように並んで配置される。

高温側蓄冷管２４０の低温端２４４は、第１配管２５６を介して、高温側パルス管２５０の低温端２５４と接続される。また、低温側蓄冷管２８０の低温端２８４は、第２配管２８６を介して、低温側パルス管２９０の低温端２９４と接続される。したがって、高温側蓄冷管２４０の低温端２４４における作動ガスの温度と、高温側パルス管２５０の低温端２５４における作動ガスの温度は、ほぼ等しい温度となる。また、低温側蓄冷管２８０の低温端２８４における作動ガスの温度と、低温側パルス管２９０の低温端２９４の温度も、ほぼ等しい温度となる。

高温側蓄冷管２４０の低温端２４４は低温側蓄冷管２８０の高温端２４４と共通である。このため、低温側蓄冷管２８０の低温端２８４は、高温側蓄冷管２４０の低温端２４４よりもさらに低温となる。ゆえに、低温側パルス管２９０の低温端２９４は、高温側パルス管２５０の低温端２５４よりもさらに低温となる。

圧縮機２１２の高圧側（吐出側）のガス流路は、図１におけるＡ点で３方向に分岐し、第１ガス供給流路Ｈ１、第２ガス供給流路Ｈ２、および第３ガス供給流路Ｈ３が構成される。第１ガス供給流路Ｈ１は、第１開閉バルブＶ１が設置された第１高圧配管２１５Ａ〜共通配管２２０で構成され、圧縮機２１２の高圧側と高温側蓄冷管２４０の高温端２４２とを接続する。第２ガス供給流路Ｈ２は、第３開閉バルブＶ３が接続された第２高圧配管２２５Ａ〜第１流路抵抗２６０が設置された共通配管２３０で構成され、圧縮機２１２の高圧側と高温側パルス管２５０の高温端２５２とを接続する。第３ガス供給流路Ｈ３は、第５開閉バルブＶ５が接続された第３高圧配管２３５Ａ〜第２流路抵抗２６１が設置された共通配管２９９で構成され、圧縮機２１２の高圧側と低温側パルス管２９０の高温端２９２とを接続する。

一方、圧縮機２１２の低圧側（吸込側）のガス流路は、第１ガス回収流路Ｌ１、第２ガス回収流路Ｌ２および第３ガス回収流路Ｌ３の、３方向に分岐している。第１ガス回収流路Ｌ１は、共通配管２２０〜第２開閉バルブＶ２が設置された第１低圧配管２１５Ｂ〜Ｂ点で構成され、高温側蓄冷管２４０の高温端２４２と、圧縮機２１２とを接続する。第２ガス回収流路Ｌ２は、第１流路抵抗２６０が設置された共通配管２３０〜第４開閉バルブＶ４が設置された第２低圧配管２２５Ｂ〜Ｂ点で構成され、高温側パルス管２５０の高温端２５２と圧縮機２１２とを接続する。第３ガス回収流路Ｌ３は、第２流路抵抗２６１が設置された共通配管２９９〜第６開閉バルブＶ６が設置された第３低圧配管２３５Ｂ〜Ｂ点で構成され、低温側パルス管２９０の高温端２９２と圧縮機２１２とを接続する。このように、共通配管２２０、２３０、２９９は、圧縮機が高圧のガスを供給するときには、それぞれガス供給流路の一部となり、低圧のガスを回収するときには、それぞれガス回収路の一部となる。

圧縮機２１２は、低圧側のガス流路から低圧の作動ガスを回収する。圧縮機２１２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。圧縮機２１２は、生成した高圧の作動ガスを高圧側のガス流路に供給する。

続いて、パルス管冷凍機２００の動作について説明する。

図２は、図１に示した４バルブ型のパルス管冷凍機２００の作動の際の、６つのバルブの開閉状態を時系列的に示す図であり、６つの開閉バルブＶ１〜Ｖ６の開閉状態を時系列的に示した図である。

図２に示すように、パルス管冷凍機の２００の作動時には、６つの開閉バルブＶ１〜Ｖ６の開閉状態は、以下のように周期的に変化する。

（第１過程：時間０〜ｔ１）
まず、時間ｔ＝０において、第５開閉バルブＶ５のみが開にされる。これにより、圧縮機２１２から、第３ガス供給流路Ｈ３を介して、すなわち第３高圧配管２３５Ａ〜第２流路抵抗２６１〜共通配管２９９〜高温端２９２の経路で、低温側パルス管２９０に高圧作動ガスが供給される。その後、時間ｔ＝ｔ１において、第５開閉バルブＶ５が開状態のまま、第３開閉バルブＶ３が開にされる。これにより、圧縮機２１２から、第２ガス供給流路Ｈ２を介して、すなわち第２高圧配管２２５Ａ〜共通配管２３０〜高温端２５２の経路で、高温側パルス管２５０に高圧作動ガスが供給される。

（第２過程：時間ｔ２〜ｔ３）
次に、時間ｔ＝ｔ２において、開閉バルブＶ５、Ｖ３が開いた状態で、第１開閉バルブＶ１が開にされる。これにより、高圧作動ガスは、圧縮機２１２から、第１ガス供給流路Ｈ１を介して、すなわち第１高圧配管２１５Ａ〜共通配管２２０〜高温端２４２の経路で、高温側蓄冷管２４０および低温側蓄冷管２８０に導入される。高圧作動ガスは、高温側蓄冷管２４０および低温側蓄冷管２８０を通過するときに、蓄冷材により冷却される。作動ガスの一部は、第１配管２５６を介して、高温側パルス管２５０に、低温端２５４の側から流入する。また作動ガスの他の一部は、低温側蓄冷管２８０を通り、第２配管２８６を介して、低温側パルス管２９０に、低温端２９４の側から流入する。

（第３過程：時間ｔ３〜ｔ４）
次に、時間ｔ＝ｔ３において、第１開閉バルブＶ１が開状態のまま、第３開閉バルブＶ３が閉にされ、その後、時間ｔ＝ｔ４において、第５開閉バルブＶ５も閉にされる。圧縮機２１２からの作動ガスは、第１ガス供給流路Ｈ１のみを介して、高温側蓄冷管２４０に流入するようになる。作動ガスは、その後、高温側パルス管２５０および低温側パルス管２９０内に、それぞれ低温端２５４および低温端２９４の側から流入する。

（第４過程：時間ｔ４〜ｔ５）
時間ｔ＝ｔ５において、全ての開閉バルブＶ１〜Ｖ６が閉にされる。高温側パルス管２５０および低温側パルス管２９０の圧力上昇のため、高温側パルス管２５０および低温側パルス管２９０内の作動ガスの一部は、両パルス管の高温端２５２、２９２の側に設置された第１リザーバ２５１および第２リザーバ２９１に移動している。

（第５過程：時間ｔ５〜ｔ７）
その後、時間ｔ＝ｔ５において、第６開閉バルブＶ６が開かれ、低温側パルス管２９０内の作動ガスは、第３ガス回収流路Ｌ３を通って圧縮機２１２に戻る。その後、時間ｔ＝ｔ６において、第４開閉バルブＶ４が開かれ、高温側パルス管２５０内の作動ガスは、第２ガス回収流路Ｌ２を通って圧縮機２１２に戻る。これにより、高温側パルス管２５０および低温側パルス管２９０の圧力が低下する。すなわち、高温側パルス管２５０の低温端２５４および低温側パルス管２９０の低温端２９４で作動ガスが膨張し、寒冷が発生する。

（第６過程：時間ｔ７〜ｔ８）
次に、時間ｔ＝ｔ７において、開閉バルブＶ６、Ｖ４が開状態のまま、第２開閉バルブＶ２が開かれる。これにより、高温側パルス管２５０および低温側パルス管２９０、および低温側蓄冷管２８０内の作動ガスの大部分は、高温側蓄冷管２４０を通り、第１ガス回収流路Ｌ１を介して、圧縮機２１２に戻る。膨張した作動ガスは、高温側蓄冷管２４０および低温側蓄冷管２８０を通過するときに、蓄冷材を冷却する。

（第７過程：時間ｔ８〜ｔ１０）
次に、時間ｔ＝ｔ８において、第２開閉バルブＶ２が開いた状態で、第４開閉バルブＶ４が閉止され、その後、時間ｔ＝ｔ９において、第６開閉バルブＶ６も閉にされる。その後、時間ｔ＝ｔ１０において、第２開閉バルブＶ２が閉止され、１サイクルが完了する。

以上のサイクルを１サイクルとして、サイクルを繰り返すことにより、高温側パルス管２５０の低温端２５４、および低温側パルス管２９０の低温端２９４に寒冷が発生し、冷却対象を冷却することができる。

ここで、圧縮機２１２、高温側蓄冷管２４０、低温側蓄冷管２８０、低温側パルス管２９０、および、第２流路抵抗２６１を含むループ状の経路（以下、単に「ループ経路」という。）に着目する。上述の各過程において、低温側パルス管２９０の高温端２９２側から流出する作動ガスの方が、低温端２９４側から流出する作動ガスよりも多いとする。この場合、低温側蓄冷管２８０の低温端２９４から高温端２９２に向かってループ経路を移動する作動ガスの直流成分が存在することになる。ループ経路におけるこの作動ガスの直流成分は「ＤＣフロー」とも呼ばれ、パルス管冷凍機２００の冷凍性能に大きな性能を及ぼすことが知られている。

ループ経路に含まれる第２流路抵抗２６１は、例えばオリフィス等によって実現され、ループ経路における作動ガスの流れを調整する機能を担う。本願の発明者は、ループ経路に含まれる第２流路抵抗２６１を利用して、ループ経路における作動ガスのＤＣフローを調整しうる可能性について認識するに至った。以下、実施の形態に係る第２流路抵抗２６１についてより詳細に説明する。

図３は、実施の形態に係る第２流路抵抗２６１の断面を模式的に示す図である。図３に示すように、実施の形態に係る第２流路抵抗２６１は、ニードルバルブ３００と、ニードルバルブ３００を収容するハウジング４００とを備える。ニードルバルブ３００は、ニードル軸３０２とニードルホルダ３０４とを備える。

ハウジング４００には、共通配管２９９を介して低温側パルス管２９０の高温端２９２と接続するハウジング側第１流路４０２ａが設けられている。ハウジング４００にはまた、第３ガス供給流路Ｈ３と第３ガス回収流路Ｌ３とに接続する第２流路４０４も設けられている。第３ガス供給流路Ｈ３と第３ガス回収流路Ｌ３とはともに圧縮機２１２に接続されている。したがって、第２流路４０４は圧縮機２１２と接続する流路とも言える。

ニードルバルブ３００のニードルホルダ３０４は、ハウジング４００に挿入されて用いられる。ニードルホルダ３０４は、ハウジング４００に挿入されたときに、ハウジング側第１流路４０２ａと連通するバルブ側第１流路４０２ｂが設けられている。このハウジング側第１流路４０２ａとバルブ側第１流路４０２ｂとを合わせて、第１流路４０２を構成する。ニードルホルダ３０４がハウジング４００に挿入されると、バルブ側第１流路４０２ｂの出口は、第２流路４０４の出口と対向する。第２流路４０４の出口は、第１流路４０２に向けて径が大きくなるように拡張してもよい。

ニードルホルダ３０４は第１Ｏリング３０６ａを備える。このためニードルホルダ３０４がハウジング４００に挿入されると、第１流路４０２と第２流路４０４とを流れる作動ガスが、ニードルホルダ３０４とハウジング４００との間から外部に漏れることが抑制される。結果として、第１流路４０２の出口と第２流路４０４の出口とは、ハウジング４００によって気密に収容される。また、ニードルホルダ３０４は第２Ｏリング３０６ｂを備える。このため、作動ガスは確実にバルブ側第１流路４０２ｂを通過する。

ニードルバルブ３００のニードル軸３０２は、ハウジング４００に挿入された状態のニードルホルダ３０４に螺合されて用いられる。ニードルホルダ３０４にニードル軸３０２を螺合すると、ニードル軸３０２の先端部分はバルブ側第１流路４０２ｂに挿入される。ニードル軸３０２を回転すると、ニードル軸３０２はニードルホルダ３０４のねじに沿って移動する。バルブ側第１流路４０２ｂのうち、ニードル軸３０２の先端部分が挿入される部分にはオリフィス３０８が形成されている。このため、ニードル軸３０２をニードルホルダ３０４内で移動させることにより、第１流路４０２を流れる作動ガスの流量（流路抵抗）を調整することができる。なお、ニードル軸３０２は第３Ｏリング３１０を備えている。このため、第１流路４０２と第２流路４０４とを流れる作動ガスが、ニードルホルダ３０４とハウジング４００との間から外部に漏れることが抑制される。

上述したように、バルブ側第１流路４０２ｂはニードルホルダ３０４内に設けられる流路であり、ニードルホルダ３０４はバルブ側第１流路４０２ｂを形成する管でもある。したがって、ニードルホルダ３０４は、バルブ側第１流路４０２ｂの壁部として機能する。図３に示すように、ニードルホルダ３０４の第２流路４０４側の端部は、壁厚が第２流路４０４側に向かうほど薄くなるテーパ領域３１２を有する。ニードルホルダ３０４の本体部分は円筒形状であるが、テーパ領域３１２を有する第２流路４０４側の端部は、先細りする円錐台形状となっている。

一方、ハウジング４００のうちニードルホルダ３０４を挿入する領域は、略円筒形状の孔である。したがって、ハウジング４００にニードルホルダ３０４を挿入すると、ニードルホルダ３０４のテーパ領域３１２とハウジング４００とによって気密空間４０６が形成される。図３に示すように、バルブ側第１流路４０２ｂの出口と、その第１流路の出口と対向する第２流路４０４の出口との間には空隙がある。このため、気密空間４０６は、空隙を介してバルブ側第１流路４０２ｂの出口と第２流路４０４の出口との両方に連通する空間となる。

気密空間４０６は、ニードルホルダ３０４のテーパ領域３１２とハウジング４００とによって形成される空間である。このため気密空間４０６は、バルブ側第１流路４０２ｂの出口よりも、ニードル軸３０２側、すなわち低温側パルス管２９０側に存在する。気密空間４０６の内壁の一部はテーパ領域３１２の外壁であるため、気密空間４０６は、第２流路４０４側からバルブ側第１流路４０２ｂ側に向かって徐々に狭くなる形状を有する。以下、バルブ側第１流路４０２ｂ、第２流路４０４、および気密空間４０６についてより詳細に説明する。

図４（ａ）−（ｂ）は、ニードルホルダ３０４のテーパ領域３１２を拡大して示す模式図である。

図４（ａ）は、バルブ側第１流路４０２ｂの出口の流路径Ｄ１、それと対向する第２流路４０４の出口の流路径Ｄ２、および両出口間の距離Ｄ３の大小関係を模式的に示す図である。図４（ａ）に示すように、バルブ側第１流路４０２ｂの出口の流路径Ｄ１は、第２流路４０４の出口の流路径Ｄ２よりも小さい。また、バルブ側第１流路４０２ｂの第２流路４０４側の出口と、第２流路４０４のバルブ側第１流路４０２ｂ側の出口との間の距離Ｄ３は、バルブ側第１流路４０２ｂの流路径Ｄ１よりも小さい。限定はしない例として、バルブ側第１流路４０２ｂの出口の流路径Ｄ１は１［ｍｍ］であり、第２流路４０４の出口の流路径Ｄ２は３［ｍｍ］である。また、バルブ側第１流路４０２ｂの第２流路４０４側の出口と、第２流路４０４のバルブ側第１流路４０２ｂ側の出口との間の距離Ｄ３は０．５［ｍｍ］である。なお、バルブ側第１流路４０２ｂと第２流路４０４とは同軸に配置されている。

上述の第５過程において、低温側パルス管２９０内の作動ガスは第３ガス回収流路Ｌ３を通って圧縮機２１２に回収される。このとき、作動ガスはハウジング側第１流路４０２ａとバルブ側第１流路４０２ｂを経由して、第２流路４０４の出口に至る。一方、上述の第１過程および第２過程において、圧縮機２１２から吐出された作動ガスは、第３ガス供給流路Ｈ３を通って低温側パルス管２９０に流入する。このとき、作動ガスは第２流路４０４を通ってバルブ側第１流路４０２ｂの出口に至る。以下説明の便宜のため、第２流路抵抗２６１を低温側パルス管２９０から圧縮機２１２に向かう方向を「回収方向」、圧縮機２１２から低温側パルス管２９０に向かう方向を「供給方向」と記載することがある。

作動ガスが回収方向に流れるとき、バルブ側第１流路４０２ｂの出口の流路径Ｄ１は第２流路４０４の出口の流路径Ｄ２よりも短いので、バルブ側第１流路４０２ｂから流出した作動ガスは、そのまま第２流路４０４に流入する。一方、作動ガスが供給方向に流れるとき、第２流路４０４から流出した作動ガスの一部は、気密空間４０６に流入する。特に、第２流路４０４の壁部付近を流れる作動ガスは、第２流路の出口を出ると気密空間４０６に流入しやすい。

したがって、バルブ側第１流路４０２ｂの出口と第２流路４０４の出口とが対向する部分では、回収方向に向かう作動ガスの方が、供給方向に向かう作動ガスよりも流れやすい。すなわち、バルブ側第１流路４０２ｂの出口と第２流路４０４の出口とが対向する部分では、回収方向に向かう流路抵抗の方が、供給方向に向かう流路抵抗よりも小さい。これにより、上述したループ経路におけるこの作動ガスのＤＣフローを生み出すことができる。

バルブ側第１流路４０２ｂの出口の流路径Ｄ１、第２流路４０４の出口の流路径Ｄ２、およびバルブ側第１流路４０２ｂの第２流路４０４側の出口と第２流路４０４のバルブ側第１流路４０２ｂ側の出口との間の距離Ｄ３は、ＤＣフローを調整するためのパラメータとなる。例えば、バルブ側第１流路４０２ｂの出口の流路径Ｄ１を、第２流路４０４の出口の流路径Ｄ２と比較してさらに小さくすることにより、回収方向に向かう流路抵抗と供給方向に向かう流路抵抗との差をより大きくすることができる。

また、バルブ側第１流路４０２ｂの第２流路４０４側の出口と第２流路４０４のバルブ側第１流路４０２ｂ側の出口との間の距離Ｄ３が大きくなりすぎると、回収方向に向かう作動ガスの一部も気密空間４０６に流入するかもしれない。このため、出口間の距離Ｄ３はバルブ側第１流路４０２ｂの出口の流路径Ｄ１以下であることが好ましい。

一方上述したように、気密空間４０６は、バルブ側第１流路４０２ｂの出口よりも、低温側パルス管２９０側に存在する。このため、出口間の距離Ｄ３がゼロであっても、バルブ側第１流路４０２ｂの出口の流路径Ｄ１が第２流路４０４の出口の流路径Ｄ２よりも小さければ、供給方向に流れる作動ガスの一部は気密空間４０６に流入するので、ＤＣフローを発生することができる。さらに、出口間の距離Ｄ３が少しでも存在すれば、バルブ側第１流路４０２ｂの出口の流路径Ｄ１と第２流路４０４の出口の流路径Ｄ２とが等しくても、供給方向に流れる作動ガスの一部は気密空間４０６に流入する。以上を勘案して、Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３は以下の不等式（１）を満たすのが好ましい。
Ｄ３≦Ｄ１≦Ｄ２ （１）

ここで、ＤＣフローを調整するためのパラメータは、上述のＤ１、Ｄ２、Ｄ３の他に、テーパ領域３１２のテーパ角θもある。

図４（ｂ）は、実施の形態に係るニードルホルダ３０４のテーパ領域３１２を拡大して示す図であり、より具体的にはニードルホルダ３０４をその長軸を含む平面で切断した断面図である。図４（ｂ）に示すように、ニードルホルダ３０４のテーパ領域３１２は線形テーパであり、ニードルホルダ３０４の長軸に対するテーパ領域３１２の外壁部分の角度は一定である。したがって、図４（ｂ）に示す断面図において、テーパ領域３１２の外壁部がなす角θが、テーパ領域３１２のテーパ角となる。このテーパ角θが１８０度未満であれば、上述の気密空間４０６が形成され、ＤＣフローを生み出すことができる。テーパ角θが小さいほど気密空間４０６の体積が大きくなる。

本願の発明者は、テーパ領域３１２のテーパ角θを変更してパルス管冷凍機２００の冷凍性能を評価する実験を行った。この結果、テーパ角θが１８０度〜４５度の間にあるときは、テーパ角θが小さいほどパルス管冷凍機２００の冷凍性能が向上することを見出した。テーパ角θが４５度未満となると、テーパ角θとパルス管冷凍機２００の冷凍性能との間の相関が小さくなることを見出した。

ニードルホルダ３０４のテーパ領域３１２のテーパ角θが小さくなるほど、バルブ側第１流路４０２ｂの管壁が薄くなる。このため、テーパ角θを小さくしすぎることは、ニードルホルダ３０４の強度を担保する観点から好ましいことではない。以上より、ニードルホルダ３０４のテーパ領域３１２のテーパ角θは、１８０度未満であればよく、特に９０度以下であることが好ましい。まとめると、テーパ角θは以下の不等式（２）を満たすことが好ましい。
４５度≦θ＜１８０度 （２）

以上説明したように、実施の形態に係るパルス管冷凍機２００は、圧縮機２１２、高温側蓄冷管２４０、低温側蓄冷管２８０、および低温側パルス管２９０を含むループ経路において、第２流路抵抗２６１を改良することでＤＣフローを生じさせる。これにより、パルス管冷凍機２００の冷凍能力を向上することができる。

以上、実施の形態に基づき本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示すにすぎない。また、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可能である。

（変形例）
上記の説明では、ニードルホルダ３０４の第２流路４０４側の端部にテーパ領域３１２を設けることにより、気密空間４０６を形成した。しかしながら、気密空間４０６の形成の仕方は上記に限られない。

図５（ａ）−（ｂ）は、実施の形態の変形例に係る気密空間４０６を模式的に示す図である。具体的に、図５（ａ）は第１の変形例に係る気密空間４０６を模式的に示す図であり、図５（ｂ）は第２の変形例に係る気密空間４０６を模式的に示す図である。

図５（ａ）に示す第１の変形例では、ニードルホルダ３０４の第２流路４０４側の端部の径が、本体部分の径よりも小さくなっている。一方、ハウジング４００の形状は実施の形態に係るハウジング４００と同様であり、ニードルホルダ３０４を挿入する領域は、略円筒形状の孔である。したがって、ハウジング４００に第１の変形例に係るニードルホルダ３０４を挿入すると、ニードルホルダ３０４の小径部分とハウジング４００とによって、気密空間４０６が形成される。

図５（ｂ）に示す第２の変形例では、ニードルホルダ３０４の第２流路４０４側の端部の径は、本体部分の径と同じである。その代わり、図５（ｂ）に示すように、ハウジング４００のうち、ニードルホルダ３０４の第２流路４０４側の端部が収容される部分に溝が設けられている。この溝が気密空間４０６として機能する。

図５（ａ）に示す第１の変形例に係る気密空間４０６と、図５（ｂ）に示す第２の変形例に係る気密空間４０６とはともに、気密空間４０６は、バルブ側第１流路４０２ｂの出口よりも低温側パルス管２９０側に存在する。また、バルブ側第１流路４０２ｂの出口の流路径Ｄ１、第２流路４０４の出口の流路径Ｄ２、およびバルブ側第１流路４０２ｂの第２流路４０４側の出口と第２流路４０４のバルブ側第１流路４０２ｂ側の出口との間の距離Ｄ３は、上述の不等式（１）を満たすように調整されている。

したがって、第１の変形例に係る気密空間４０６または第２の変形例に係る気密空間４０６を設けることで、バルブ側第１流路４０２ｂの出口と第２流路４０４の出口とが対向する部分では、回収方向に向かう流路抵抗の方が、供給方向に向かう流路抵抗よりも小さくなる。これにより、上述したループ経路におけるこの作動ガスのＤＣフローを生み出すことができる。結果として、パルス管冷凍機２００の冷凍性能を向上することができる。

上記の説明では、２段式のパルス管冷凍機２００を例にして説明した。しかしながら、パルス管冷凍機の段数は２段に限られず、３段以上であってもよい。

Ｈ１ 第１ガス供給流路、 Ｌ１ 第１ガス回収流路、 Ｖ１ 第１開閉バルブ、 Ｈ２ 第２ガス供給流路、 Ｌ２ 第２ガス回収流路、 Ｖ２ 第２開閉バルブ、 Ｈ３ 第３ガス供給流路、 Ｌ３ 第３ガス回収流路、 Ｖ３ 第３開閉バルブ、 Ｖ４ 第４開閉バルブ、 Ｖ５ 第５開閉バルブ、 Ｖ６ 第６開閉バルブ、 ２００ パルス管冷凍機、 ２１２ 圧縮機、 ２１５Ａ 第１高圧配管、 ２１５Ｂ 第１低圧配管、 ２２０ 共通配管、 ２２５Ａ 第２高圧配管、 ２２５Ｂ 第２低圧配管、 ２３０ 共通配管、 ２３５Ａ 第３高圧配管、 ２３５Ｂ 第３低圧配管、 ２４０ 高温側蓄冷管、 ２５０ 高温側パルス管、 ２５１ 第１リザーバ、 ２５６ 第１配管、 ２６０ 第１流路抵抗、 ２６１ 第２流路抵抗、 ２８０ 低温側蓄冷管、 ２８６ 第２配管、 ２９０ 低温側パルス管、 ２９１ 第２リザーバ、 ２９９ 共通配管、 ３００ ニードルバルブ、 ３０２ ニードル軸、 ３０４ ニードルホルダ、 ３０６ａ 第１Ｏリング、 ３０６ｂ 第２Ｏリング、 ３０８ オリフィス、 ３１０ 第３Ｏリング、 ３１２ テーパ領域、 ４００ ハウジング、 ４０２ 第１流路、 ４０２ａ ハウジング側第１流路、 ４０２ｂ バルブ側第１流路、 ４０４ 第２流路、 ４０６ 気密空間。

Claims (3)

1. 低圧の作動ガスを圧縮して高圧の作動ガスを生成する圧縮機と、
   高温端と低温端とを有し、高温端が前記圧縮機と接続する高温側蓄冷器と、
   高温端と低温端とを有し、高温端が前記高温側蓄冷器の低温端と接続する低温側蓄冷器と、
   高温端と低温端とを有し、低温端が前記高温側蓄冷器の低温端と接続し、高温端が前記圧縮機と接続する高温側パルス管と、
   高温端と低温端とを有し、低温端が前記低温側蓄冷器の低温端と接続する低温側パルス管と、
   前記低温側パルス管の高温端と前記圧縮機とに接続し、作動ガスが流れるガス流路とを備え、
   前記ガス流路は、
   前記低温側パルス管の高温端と接続する第１流路と、
   前記圧縮機と接続し、前記第１流路の出口と対向する出口を有する第２流路と、
   前記第１流路の出口と前記第２流路の出口とを気密に収容するハウジングとを備え、
   前記ハウジングは、前記第１流路の出口よりも前記パルス管側に、前記第１流路の出口と前記第２流路の出口とに連通する気密空間を備え、
   （ｉ）前記第１流路の出口の流路径は、前記第２流路の出口の流路径よりも短く、または、
   （ｉｉ）前記第１流路の出口の流路径は、前記第２流路の出口の流路径と同じであり、かつ前記第１流路の第２流路側の出口と前記第２流路の第１流路側の出口との間の距離は、ゼロより大きく前記第１流路の流路径以下であることを特徴とするパルス管冷凍機。
2. 前記気密空間は、前記第２流路側から前記第１流路側に向かって徐々に狭くなる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１流路を形成する管は、前記第２流路側の端部において、壁厚が前記第２流路側に向かうほど薄くなるテーパ領域を有し、当該テーパ領域のテーパ角は１８０度未満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。

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