JP5606748B2

JP5606748B2 - パルスチューブ冷凍機

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Publication number: JP5606748B2
Application number: JP2010022474A
Authority: JP
Inventors: 恭介中野
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2010-02-03
Filing date: 2010-02-03
Publication date: 2014-10-15
Anticipated expiration: 2030-02-03
Also published as: JP2011158230A

Description

本発明は、パルスチューブ冷凍機に関する。

従来より、極低温環境が必要となる装置、例えば、核磁気共鳴診断装置（ＭＲＩ）等を冷却する際に、パルスチューブ冷凍機が使用されている。

パルスチューブ冷凍機では、圧縮機により圧縮された作動流体である冷媒ガス（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、被冷却対象を熱的に接触させることで、被冷却対象から熱を奪うことができる。

特に、４バルブ型パルスチューブ冷凍機は、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（例えば、特許文献１）。

図１には、従来の単段（１段）式の４バルブ型パルスチューブ冷凍機の概略構成図を示す。従来の単段式の４バルブ型パルスチューブ冷凍機１０は、圧縮機１２、高温端４２と低温端４４を有する蓄冷管４０、および高温端５２と低温端５４を有するパルス管５０を備える。蓄冷管４０の低温端４４とパルス管５０の低温端５４は、配管５６で接続されている。

圧縮機１２の高圧（供給）側および低圧（回収）側の冷媒用流路は、それぞれ二股に分岐されている。圧縮機１２の高圧側の冷媒用流路の一方は、開閉バルブＶ１が接続された第１の高圧側配管１５Ａおよび共通配管２０を介して、蓄冷管４０の高温端４２に接続されている。また、圧縮機１２の高圧側の冷媒用流路の他方は、開閉バルブＶ２、およびオリフィスのような流路抵抗６０が設置された第２の高圧側配管２５Ａ、ならびに共通配管３０を介して、パルス管５０の高温端５２に接続されている。

同様に、圧縮機１２の低圧側の冷媒用流路の一方は、開閉バルブＶ３が接続された第１の低圧側配管１５Ｂおよび共通配管２０を介して、蓄冷管４０の高温端４２に接続されている。また、圧縮機１２の低圧側の冷媒用流路の他方は、開閉バルブＶ４、およびオリフィスのような流路抵抗６５が設置された第２の低圧側配管２５Ｂ、ならびに共通配管３０を介して、パルス管５０の高温端５２に接続されている。

このように構成された４バルブパルスチューブ冷凍機１０では、高圧の冷媒ガスの供給過程において、開閉バルブＶ２が開かれると、冷媒ガスは、第２の高圧側配管２５Ａおよび共通配管３０を介して、パルス管５０の方に流入する。また、開閉バルブＶ１が開かれると、冷媒ガスは、圧縮機１２から、第１の高圧側配管１５Ａおよび共通配管２０を通り、蓄冷管４０、さらにはパルス管５０に流入される。一方、低圧の冷媒ガスの回収過程では、開閉バルブＶ４が開かれると、パルス管５０内の冷媒ガスは、パルス管５０の高温端５２から、共通配管３０および第２の低圧側配管２５Ｂを通り、圧縮機１２に回収される。また、開閉バルブＶ３が開かれると、パルス管５０内の冷媒ガスは、パルス管５０の低温端５４から、配管５６および蓄冷管４０を通り、共通配管２０および第１の低圧側配管１５Ｂを介して、圧縮機１２に回収される。

特開２０００−３５２５３号公報

しかしながら、図１のように構成された４バルブ型パルスチューブ冷凍機１０では、以下のような問題が生じ得る。

一般に、パルスチューブ冷凍機を長期間稼働すると、各開閉バルブＶ１〜Ｖ４は、開閉動作の繰り返しにより摩耗する。また、この摩耗によって摩耗粉が発生する。ここで、図１のような装置構成では、高圧の冷媒ガスの供給過程において、開閉バルブＶ２の下流側に流路抵抗６０が存在することになる。従って、長時間使用後に、流路抵抗６０には、開閉バルブＶ２から生じた摩耗粉が蓄積されるようになる。さらに、冷媒ガスは、第２の高圧側配管２５Ａのラインを一方向にしか流れないため、流路抵抗６０に蓄積した摩耗粉は、その後も、この流路抵抗６０にそのまま残留し続けることになる。このような摩耗粉の混入、蓄積が顕著になると、流路抵抗６０の流路面積が変化し、これにより、流路抵抗６０を流れる冷媒ガス量の精度が低下してしまう。このような冷媒ガス量の精度低下は、冷凍機の冷凍効率の低下につながり、さらには、冷凍機に適正な冷凍性能が得られなくなるおそれがある。

本発明は、このような背景に鑑みなされたものであり、本発明では、長期にわたって、適正な冷凍能力を維持することの可能なパルスチューブ冷凍機を提供することを目的とする。

本発明では、圧縮機と、高温端および低温端を有する少なくとも一つの蓄冷管と、高温端および前記蓄冷管の低温端と接続された低温端を有する少なくとも一つのパルス管と、を有するパルスチューブ冷凍機であって、
前記少なくとも一つのパルス管の高温端は、第１の配管を介して、前記圧縮機の供給側と接続されており、前記第１の配管には、高圧の冷媒が流れ、
前記第１の配管には、第１の開閉バルブおよび第１の流路抵抗が設置され、
前記第１の流路抵抗は、前記第１の開閉バルブよりも上流側に設置されることを特徴とするパルスチューブ冷凍機が提供される。

本発明によるパルスチューブ冷凍機において、前記少なくとも一つの蓄冷管の高温端は、第２の配管を介して、前記圧縮機の供給側と接続されており、前記第２の配管には、第２の開閉バルブが設置されても良い。

また、本発明によるパルスチューブ冷凍機において、前記圧縮機の回収側は、第１および第２の冷媒回収路を有し、
第１の冷媒回収路は、第３の開閉バルブおよび第２の流路抵抗を備え、前記少なくとも一つのパルス管の高温端に接続された第３の配管で構成され、前記第２の流路抵抗は、前記第３の開閉バルブよりも上流側に設置され、
第２の冷媒回収路は、第４の開閉バルブを備え、前記少なくとも一つの蓄冷管の高温端に接続された第４の配管で構成されても良い。

また、本発明によるパルスチューブ冷凍機において、当該パルスチューブ冷凍機は、単一の蓄冷管と、単一のパルス管とを有する単段式のパルスチューブ冷凍機であっても良い。

あるいは、本発明によるパルスチューブ冷凍機において、当該パルスチューブ冷凍機は、第１段および第２段の蓄冷管と、第１段および第２段のパルス管とを有する２段式のパルスチューブ冷凍機であって、
前記第１の配管は、第１段のパルス管の高温端に接続されても良い。

また、この場合、前記圧縮機の供給側は、さらに、第３の冷媒供給路を有し、
前記第３の冷媒供給路は、第５の開閉バルブおよび第３の流路抵抗を備えた第３の配管を有し、
前記第３の配管は、第２段のパルス管の高温端に接続され、
前記第３の流路抵抗は、前記第５の開閉バルブよりも上流側に設置されても良い。

あるいは、本発明によるパルスチューブ冷凍機において、当該パルスチューブ冷凍機は、第１段および第２段の蓄冷管と、第１段および第２段のパルス管とを有する２段式のパルスチューブ冷凍機であって、
前記第１の配管は、第２段のパルス管の高温端に接続されても良い。

また、本発明では、圧縮機と、高温端および低温端を有する少なくとも一つの蓄冷管と、高温端および前記蓄冷管の低温端と接続された低温端を有する少なくとも一つのパルス管と、を有するパルスチューブ冷凍機であって、
前記少なくとも一つのパルス管の高温端は、高圧の冷媒が流れる第１の配管を介して、前記圧縮機の供給側と接続されており、
前記少なくとも一つの蓄冷管の高温端は、高圧の冷媒が流れる第２の配管を介して、前記圧縮機の供給側と接続されており、
前記少なくとも一つのパルス管の高温端は、低圧の冷媒が流れる第３の配管を介して、前記圧縮機の回収側と接続されており、
前記少なくとも一つの蓄冷管の高温端は、低圧の冷媒が流れる第４の配管を介して、前記圧縮機の回収側と接続されており、
前記第１の配管には、第１の開閉バルブおよび第１の流路抵抗が設置され、前記第１の流路抵抗は、前記第１の開閉バルブよりも上流側に設置され、
前記第２の配管には、第２の開閉バルブが設置され、
前記第３の配管には、第３の開閉バルブおよび第２の流路抵抗が設置され、前記第２の流路抵抗は、前記第３の開閉バルブよりも上流側に設置され、
前記第４の配管には、第４の開閉バルブが設置され、
前記第１乃至第４のバルブは、単一のロータリーバルブで構成されることを特徴とするパルスチューブ冷凍機が提供される。

この場合、前記第１の流路抵抗は、前記ロータリーバルブ内に設置されても良い。

また、前記第２の流路抵抗は、前記ロータリーバルブ内に設置されても良い。

本発明では、長期にわたって、適正な冷凍能力を維持することの可能なパルスチューブ冷凍機を提供することができる。

従来の４バルブ型パルスチューブ冷凍機を概略的に示した図である。本発明の第１の実施例によるパルスチューブ冷凍機の一例を概略的に示した図である。図２に示したパルスチューブ冷凍機の作動の際の、４つのバルブの開閉状態を時系列的に示した図である。本発明の第２の実施例によるパルスチューブ冷凍機の一例を概略的に示した図である。図４に示したパルスチューブ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した図である。

以下、図面を参照して、本発明を詳しく説明する。

（第１の実施例）
図２は、本発明の第１の実施例による４バルブ型パルスチューブ冷凍機の一例を概略的に示した図である。

図２に示すように、本発明の第１の実施例による４バルブ型パルスチューブ冷凍機１００は、単段式となっている。

４バルブ型パルスチューブ冷凍機１００は、圧縮機１１２、蓄冷管１４０、パルス管１５０、バッファタンク１７０、ならびにこれらに連結された各配管およびバルブ類を備える。

蓄冷管１４０は、高温端１４２および低温端１４４を有する。パルス管１５０は、高温端１５２および低温端１５４を有する。パルス管１５０の高温端１５２および低温端１５４には、熱交換器が設置されている。蓄冷管１４０の低温端１４４とパルス管１５０の低温端１５４は、配管１５６で接続されている。

圧縮機１１２の高圧側（供給側）の冷媒用流路は、Ａ点で、第１の高圧側配管１１５Ａおよび第２の高圧側配管１２５Ａの２方向に分岐されている。従って、圧縮機１１２から供給される高圧の冷媒ガスは、開閉バルブＶ１が接続された第１の高圧側配管１１５Ａおよび共通配管１２０を介して、蓄冷管１４０の高温端１４２に供給される（以下、この流路を「第１の冷媒供給路Ｈ１」という）。また、圧縮機１１２から供給される高圧の冷媒ガスの一部は、オリフィスのような流路抵抗１６０および開閉バルブＶ２が接続された第２の高圧側配管１２５Ａ、ならびに共通配管１３０を介して、パルス管１５０の高温端１５２に供給される（以下、この流路を「第２の冷媒供給路Ｈ２」という）。

一方、低圧側（回収側）の冷媒用流路は、第１の冷媒回収路Ｌ１、および第２の冷媒回収路Ｌ２の２方向に分岐されている。第１の冷媒回収路Ｌ１は、蓄冷管１４０〜共通配管１２０〜開閉バルブＶ３が設置された第１の低圧側配管１１５Ｂ〜Ｂ点〜圧縮機１１２の経路で構成される。第２の冷媒回収路Ｌ２は、パルス管１５０〜共通配管１３０〜オリフィスのような流路抵抗１６５および開閉バルブＶ４が設置された第２の低圧側配管１２５Ｂ〜Ｂ点〜圧縮機１１２の経路で構成される。

バッファタンク１７０は、オリフィスのような流路抵抗１７９が設置された配管１７５、および共通配管１３０を介して、パルス管１５０の高温端１５２に接続される。

次に、図３を用いて、図２のように構成された本発明による４バルブ型パルスチューブ冷凍機１００の動作について説明する。

パルスチューブ冷凍機１００の作動時には、バルブモータ等の駆動源による駆動により、４つの開閉バルブＶ１〜Ｖ４の開閉状態が周期的に変化する。図３は、パルスチューブ冷凍機１００の作動中の、４つの開閉バルブＶ１〜Ｖ４の開閉状態を時系列的に示した図である。以下、各過程について説明する。

（第１過程：時間０〜ｔ_１）
まず、時間ｔ＝０において、開閉バルブＶ２のみが開にされる。これにより、圧縮機１１２から、第２の冷媒供給路Ｈ２を通り、パルス管１５０に高圧の冷媒ガスが供給される。

（第２過程：時間ｔ_１〜ｔ_２）
次に、時間ｔ＝ｔ_１において、開閉バルブＶ２が開状態のまま、開閉バルブＶ１が開にされる。これにより、圧縮機１１２から、第１の冷媒供給路Ｈ１を通り、蓄冷管１４０に高圧の冷媒ガスが供給される。また、蓄冷管１４０に流入した冷媒ガスは、蓄冷器１４０内に設置された蓄冷材で冷却される。冷却された冷媒ガスは、配管１５６を介して、パルス管１５０に流入し、低温端１５４に設置された熱交換器で熱交換される。

（第３過程：時間ｔ_２〜ｔ_３）
次に、時間ｔ＝ｔ_２において、開閉バルブＶ１が開状態のまま、開閉バルブＶ２が閉にされる。蓄冷器１４０を介して冷却された冷媒ガスは、依然として、配管１５６を介して、パルス管１５０の低温端１５４からパルス管１５０内に流入する。しかしながら、この場合、第２の冷媒供給路Ｈ２を介した、パルス管１５０の高温端１５２からの冷媒ガスの供給が停止されているため、蓄冷器１４０からの冷却された冷媒ガスは、パルス管１５０の低温端１５４〜高温端１５２まで、パルス管１５０の延伸方向に沿って進行する。従って、冷媒ガスは、パルス管１５０の高温端１５２および低温端１５４の、両熱交換器と熱交換される。

さらに、予めパルス管１５０に収容されていた冷媒ガスの一部は、パルス管１５０の高温端１５２を通り、共通配管１３０および配管１７５を介してバッファタンク１７０に収容される。

以上の動作により、パルス管１５０（特に、低温端１５４）が冷却される。

（第４過程：時間ｔ_３〜ｔ_４）
次に、時間ｔ＝ｔ_３において、開閉バルブＶ１が閉にされる。また、開閉バルブＶ４が開にされる。これにより、パルス管１５０内の冷媒ガスは、第２の冷媒回収路Ｌ２を介した経路を経由して、圧縮機１２２に戻るようになる。

（第５過程：時間ｔ_４〜ｔ_５）
時間ｔ＝ｔ_４では、開閉バルブＶ４が開状態のまま、開閉バルブＶ３が開にされる。これにより、パルス管１５０内の冷媒ガスは、第２の冷媒回収路Ｌ２を通る経路の他、パルス管１５０の低温端１５４から配管１５６および蓄冷管１４０を通る、第１の冷媒回収路Ｌ１を介して、圧縮機１１２に戻るようになる。また、バッファタンク１７０内に収容されていた冷媒ガスは、配管１７５および共通配管１３０を介して、パルス管１５０内に流入される。パルス管１５０内では、冷媒ガスの膨脹による寒冷が発生する。さらに、パルス管１５０から蓄冷管１４０への冷媒ガスの流入のため、蓄冷管１４０内の蓄冷材が冷却される。

（第６過程：時間ｔ_５〜ｔ_６）
次に、時間ｔ＝ｔ_５において、開閉バルブＶ３が開状態のまま、開閉バルブＶ４が閉にされる。これにより、第２の冷媒回収路Ｌ２を通る経路が遮断される。パルス管１５０内の冷媒ガスは、パルス管１５０の低温端１５４から、配管１５６および蓄冷管１４０を通り、第１の冷媒回収路Ｌ１を介して、圧縮機１１２に戻る。これにより、蓄冷管１４０内の蓄冷材がさらに冷却される。その後、開閉バルブＶ３が閉にされる。

以上の過程を１サイクルとして、サイクルが繰り返されることにより、パルス管１５０の低温端１５４に設置された被冷却対象（図２には示されていない）が冷却される。

なお、このような各開閉バルブＶ１〜Ｖ４の開閉タイミングを適正に切り替えるため、開閉バルブＶ１〜Ｖ４の実現手段として、単一のロータリーバルブのような機械式切り替え部材が使用されても良い。これにより、装置の小型化が可能になる。

ロータリバルブは、円筒状の回転体であるバルブプレートと、静止状態にあるバルブ本体とを備える。バルブプレートおよびバルブ本体には、所定の位置に複数の開口が設けられている。従って、バルブプレートを回転させた状態で、バルブプレートの平坦面（摺動面）をバルブ本体の平坦面（摺動面）に押し付けた際、両摺動面（すなわち開口）の相対位置が第１の関係になると、冷媒ガスが流通する第１の流路が形成される。また、両摺動面の相対位置が第２の関係になると、冷媒ガスが流通する第２の流路が形成される。第３の流路以降も同様である。ロータリバルブは、このようにバルブプレートを回転させることにより、各流路を交互に切り替えることができる。

ここで、前述のように、従来のパルスチューブ冷凍機１０では、開閉バルブＶ２の摩耗によって生じた摩耗粉は、冷媒ガスとともに流路抵抗６０に混入され、その後、該流路抵抗６０にそのまま蓄積されてしまうという問題がある。このような摩耗粉の蓄積が顕著になると、流路抵抗６０の流路面積が変化し、流路抵抗６０を通る冷媒ガス量の精度が低下してしまう。

これに対して、本発明によるパルスチューブ冷凍機１００では、第１過程〜第２過程の間、流路抵抗１６０には、図２の下向きの方向に冷媒ガスが流れる。このため、本発明によるパルスチューブ冷凍機１００では、開閉バルブＶ２から、摩耗によって摩耗粉が生じたとしても、そのような摩耗粉が流路抵抗１６０に蓄積されることが回避される。

従って、本発明によるパルスチューブ冷凍機１００では、長期にわたって、流路抵抗１６０を通る冷媒ガスの流量を適正に制御することができる。またこれにより、本発明によるパルスチューブ冷凍機１００では、長期にわたって、適正な冷凍能力を維持することができる。

なお、本発明によるパルスチューブ冷凍機１００において、流路抵抗１６０の設置形態は、特に限られない。

一般に、各ラインのバルブおよび流路抵抗は、同様の配置構成となるように設計した方が、各部材を統合し易くなり、装置全体を小型化することができるため、有意である。例えば、図１に示す従来のパルスチューブ冷凍機１０では、開閉バルブＶ２−流路抵抗６０の配置関係は、開閉バルブＶ４−流路抵抗６５と同様のものとなっており、これにより、装置全体を小型化することができる。一方、本発明によるパルスチューブ冷凍機１００においても、例えば、開閉バルブＶ１〜Ｖ４を、一般的なロータリーバルブで一体構成した場合、この単一のロータリーバルブ内に、流路抵抗１６０と流路抵抗１６５とをともに設置することができる。従って、本発明のような開閉バルブＶ２−流路抵抗１６０／開閉バルブＶ４−流路抵抗１６５の配置関係においても、パルスチューブ冷凍機が大型化するという問題を回避することができる。

（第２の実施例）
図４は、本発明の第２の実施例による４バルブ型パルスチューブ冷凍機の一例を概略的に示した図である。

第２の実施例による４バルブ型パルスチューブ冷凍機２００は、２段式の構造となっている。

図４に示すように、第２のパルスチューブ冷凍機２００は、圧縮機２１２、第１段および第２段の蓄冷管２４０、２８０、第１段および第２段のパルス管２５０、２９０、第１および第２の配管２５６、２８６、第１および第２のバッファタンク２７０、３０３、ならびに開閉バルブＶ１〜Ｖ６等を備える。

第１段の蓄冷管２４０は、高温端２４２および低温端２４４を有し、第２段の蓄冷管２８０は、高温端２４４（第１段の低温端２４４に相当）および低温端２８４を有する。第１段のパルス管２５０は、高温端２５２および低温端２５４を有し、第２段のパルス管２９０は、高温端２９２および低温端２９４を有する。第１段および第２のパルス管２５０、２９０の各高温端２５２、２９２および低温端２５４、２９４には、熱交換器が設置されている。第１段の蓄冷管２４０の低温端２４４は、第１の配管２５６を介して、第１段のパルス管２５０の低温端２５４と接続される。また、第２段の蓄冷管２８０の低温端２８４は、第２の配管２８６を介して、第２段のパルス管２９０の低温端２９４と接続される。

圧縮機２１２の高圧側（供給側）の冷媒用流路は、Ａ点で、３方向に分岐されており、第１〜第３の冷媒供給路Ｈ１〜Ｈ３が構成される。第１の冷媒供給路Ｈ１は、圧縮機２１２の高圧側〜開閉バルブＶ１が設置された第１の高圧側配管２１５Ａ〜共通配管２２０〜第１段の蓄冷管２４０で構成される。第２の冷媒供給路Ｈ２は、圧縮機２１２の高圧側〜流路抵抗２６０および開閉バルブＶ２が接続された第２の高圧側配管２２５Ａ〜共通配管２３０〜第１段のパルス管２５０で構成される。第３の冷媒供給路Ｈ３は、圧縮機２１２の高圧側〜流路抵抗３６０および開閉バルブＶ５が接続された第３の高圧側配管２３５Ａ〜共通配管２９９〜第２段のパルス管２９０で構成される。

一方、圧縮機２１２の低圧側（回収側）の冷媒用流路は、第１〜第３の冷媒回収路Ｌ１〜Ｌ３の、３方向に分岐されている。第１の冷媒回収路Ｌ１は、第１段の蓄冷管２４０〜共通配管２２０〜開閉バルブＶ３が設置された第１の低圧側配管２１５Ｂ〜Ｂ点〜圧縮機２１２の経路で構成される。第２の冷媒回収路Ｌ２は、第１段のパルス管２５０〜共通配管２３０〜オリフィスのような流路抵抗２６５および開閉バルブＶ４が設置された第２の低圧側配管２２５Ｂ〜Ｃ点〜Ｂ点〜圧縮機２１２の経路で構成される。第３の冷媒回収路Ｌ３は、第２段のパルス管２９０〜共通配管２９９〜オリフィスのような流路抵抗３６５および開閉バルブＶ６が設置された第３の低圧側配管２３５Ｂ〜Ｃ点〜Ｂ点〜圧縮機２１２の経路で構成される。

第１のバッファタンク２７０は、オリフィスのような流路抵抗２７９が設置された配管２７５、および共通配管２３０を介して、第１段のパルス管２５０の高温端２５２に接続される。第２のバッファタンク３０３は、オリフィスのような流路抵抗３７９が設置された配管３７５、および共通配管２９９を介して、第２段のパルス管２９０の高温端２９２に接続される。

次に、このように構成された第２の４バルブ型パルスチューブ冷凍機２００の動作について説明する。

図５は、第２のパルスチューブ冷凍機２００の作動中の、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。パルスチューブ冷凍機２００の作動時には、パルスモータ等の駆動源による駆動により、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〜ｔ_２）
まず、時間ｔ＝０において、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の冷媒供給路Ｈ３を介して、すなわち第３の高圧側配管２３５Ａ〜共通配管２９９〜高温端２９２の経路で、第２段のパルス管２９０に冷媒ガスが供給される。その後、時間ｔ＝ｔ_１において、開閉バルブＶ５が開状態のまま、開閉バルブＶ２が開にされる。これにより、圧縮機２１２から、第２の冷媒供給路Ｈ２を介して、すなわち第２の高圧側配管２２５Ａ〜共通配管２３０〜高温端２５２の経路で、第１段のパルス管２５０に冷媒ガスが供給される。

（第２過程：時間ｔ_２〜ｔ_３）
次に、時間ｔ＝ｔ_２において、開閉バルブＶ５、Ｖ２が開いた状態で、開閉バルブＶ１が開にされる。これにより、冷媒ガスは、圧縮機２１２から、第１の冷媒供給路Ｈ１を介して、すなわち第１の高圧側配管２１５Ａ〜共通配管２２０〜高温端２４２の経路で、第１段の蓄冷器２４０に導入される。冷媒ガスの一部は、第１の配管２５６を介して、第１段のパルス管２５０に、低温端２５４の側から流入する。また冷媒ガスの他の一部は、第２段の蓄冷器２８０を通り、第２の配管２８６を介して、第２段のパルス管２９０に、低温端２９４の側から流入する。

（第３過程：時間ｔ_３〜ｔ_５）
次に、時間ｔ＝ｔ_３において、開閉バルブＶ１が開状態のまま、まず開閉バルブＶ５が閉にされ、その後、開閉バルブＶ２も閉にされる（時間ｔ＝ｔ_４）。圧縮機２１２からの冷媒ガスは、第１の冷媒供給路Ｈ１のみを介して、第１段の蓄冷管２４０に流入し、その後、両パルス管２５０および２９０内に、低温端２５４および２９４の側から流入する。

（第４過程：時間ｔ＝ｔ_５）
次に、時間ｔ＝ｔ_５において、全ての開閉バルブＶ１〜Ｖ６が閉にされる。第１段のパルス管２５０の圧力上昇のため、予め第１段のパルス管２５０に収容されていた冷媒ガスの一部は、第１段のパルス管２５０の高温端２５２を通り、共通配管２３０および配管２７５を介して第１のバッファタンク２７０に収容される。同様に、第２段のパルス管２９０の圧力上昇のため、予め第２段のパルス管２９０に収容されていた冷媒ガスの一部は、第２段のパルス管２９０の高温端２９２を通り、共通配管２９９および配管３７５を介して第２のバッファタンク３０３に収容される。

（第５過程：時間ｔ_５〜ｔ_７）
その後、時間ｔ＝ｔ_５において、開閉バルブＶ６が開かれると、第２段のパルス管２９０内の冷媒ガスは、第３の冷媒回収路Ｌ３を通って圧縮機２１２に戻り始める。その後、時間ｔ＝ｔ_６において、開閉バルブＶ４が開かれると、第１段のパルス管２５０内の冷媒ガスは、第２の冷媒回収路Ｌ２を通って圧縮機２１２に戻り始める。これにより、両パルス管２５０、２９０の圧力が徐々に低下する。

（第６過程：時間ｔ_７〜ｔ_８）
次に、時間ｔ＝ｔ_７において、開閉バルブＶ６およびＶ４が開状態のまま、開閉バルブＶ３が開かれる。これにより、両パルス管２５０、２９０、および第２段の蓄冷管２８０内の冷媒ガスの大部分は、第１段の蓄冷管２４０を通り、第１の冷媒回収路Ｌ１を介して、圧縮機２１２に戻るようになる。

（第７過程：時間ｔ_８〜ｔ_１０）
次に、時間ｔ＝ｔ_８において、開閉バルブＶ３が開いた状態で、まず開閉バルブＶ６が閉止され、その後、開閉バルブＶ４が閉止される（時間ｔ＝ｔ_９）。

その後、時間ｔ＝ｔ_１０において、開閉バルブＶ３が閉止され、１サイクルが完了する。

第２のパルスチューブ冷凍機２００では、第１過程〜第３過程（時間ｔ_１〜ｔ_４）の間、流路抵抗３６０および流路抵抗２６０には、図４の下向き方向に冷媒ガスが流れる。このため、第２のパルスチューブ冷凍機２００では、開閉バルブＶ２およびＶ５の摩耗によって生じた摩耗粉が、それぞれ、流路抵抗２６０および３６０に蓄積されることが有意に抑制される。従って、第２のパルスチューブ冷凍機２００においても、長期にわたって、適正な冷凍能力を維持することができる。

以上、本発明のいくつかの実施例について説明した。これらの実施例は、本発明の構成の一例を示したものであり、本発明を限定するものと解してはならない。例えば、図４に示した２段式のパルスチューブ冷凍機２００において、開閉バルブＶ４と流路抵抗２６５の上流／下流の位置関係は、逆になっていても良い。この場合も、流路抵抗３６０への摩耗粉の混入に対して本発明の効果を得ることができるため、従来のパルスチューブ冷凍機に比べて、より適正な運転を行うことができる。あるいは、図４において、開閉バルブＶ５と流路抵抗３６０の上流／下流の位置関係は、逆になっていても良い。

また、本発明は、３段式以上のパルスチューブ冷凍機にも適用することができることは、当業者には明らかである。

さらに、本発明は、４バルブ型のパルスチューブ冷凍機に限られない。本発明は、例えば、ＤＣフローバルブ型パルスチューブ冷凍機、アクティブバッファパルスチューブ冷凍機、および５バルブ型パルスチューブ冷凍機にも適用することができる。さらに、本発明は、本願に示した構成と同様のオリフィスと切替バルブの配置を有する装置にも適用することができる。

本発明は、４バルブ型パルスチューブ冷凍機、ＤＣフローバルブ型パルスチューブ冷凍機、アクティブバッファパルスチューブ冷凍機、および５バルブ型パルスチューブ冷凍機など、各種パルスチューブ冷凍機に適用することができる。

１０従来のパルスチューブ冷凍機
１２圧縮機
１５Ａ第１の高圧側配管
１５Ｂ第１の低圧側配管
２０共通配管
２５Ａ第２の高圧側配管
２５Ｂ第２の低圧側配管
３０共通配管
４０蓄冷管
５０パルス管
５６配管
６０、６５流路抵抗
１００本発明の第１の実施例によるパルスチューブ冷凍機
１１２圧縮機
１１５Ａ第１の高圧側配管
１１５Ｂ第１の低圧側配管
１２０共通配管
１２５Ａ第２の高圧側配管
１２５Ｂ第２の低圧側配管
１３０共通配管
１４０蓄冷管
１５０パルス管
１５６配管
１６０流路抵抗
１７０バッファタンク
１７５配管
１７９流路抵抗
２００本発明の第２の実施例によるパルスチューブ冷凍機
２１２圧縮機
２１５Ａ第１の高圧側配管
２１５Ｂ第１の低圧側配管
２２０共通配管
２２５Ａ第２の高圧側配管
２２５Ｂ第２の低圧側配管
２３０共通配管
２３５Ａ第３の高圧側配管
２３５Ｂ第３の低圧側配管
２４０第１段の蓄冷管
２５０第１段のパルス管
２５６第１の配管
２６０流路抵抗
２７０第１のバッファタンク
２８０第２段の蓄冷管
２８６第２の配管
２９０第２段のパルス管
２９９共通配管
３０３第２のバッファタンク
３６０、３６５流路抵抗
３７５配管
３７９流路抵抗
Ｖ１〜Ｖ６開閉バルブ
Ｈ１第１の冷媒供給路
Ｈ２第２の冷媒供給路
Ｈ３第３の冷媒供給路
Ｌ１第１の冷媒回収路
Ｌ２第２の冷媒回収路
Ｌ３第３の冷媒回収路。

Claims

ヘリウムガスを圧縮する圧縮機と、高温端および低温端を有する少なくとも一つの蓄冷管と、高温端および前記蓄冷管の低温端と接続された低温端を有する少なくとも一つのパルス管と、を有するパルスチューブ冷凍機であって、
前記少なくとも一つのパルス管の高温端は、第１の配管を介して、前記圧縮機の供給側と接続されており、前記第１の配管には、高圧のヘリウムガスが流れ、
前記第１の配管には、第１の開閉バルブおよび第１の流路抵抗が設置され、
前記第１の流路抵抗は、前記第１の開閉バルブよりも上流側に設置され、
前記圧縮機の回収側は、第１および第２の冷媒回収路を有し、
第１の冷媒回収路は、第３の開閉バルブおよび第２の流路抵抗を備え、前記少なくとも一つのパルス管の高温端に接続された第３の配管で構成され、前記第２の流路抵抗は、前記第３の開閉バルブよりも上流側に設置され、
第２の冷媒回収路は、第４の開閉バルブを備え、前記少なくとも一つの蓄冷管の高温端に接続された第４の配管で構成されていることを特徴とするパルスチューブ冷凍機。
前記少なくとも一つの蓄冷管の高温端は、第２の配管を介して、前記圧縮機の供給側と接続されており、前記第２の配管には、第２の開閉バルブが設置されていることを特徴とする請求項１に記載のパルスチューブ冷凍機。
当該パルスチューブ冷凍機は、単一の蓄冷管と、単一のパルス管とを有する単段式のパルスチューブ冷凍機であることを特徴とする請求項１または２に記載のパルスチューブ冷凍機。
当該パルスチューブ冷凍機は、第１段および第２段の蓄冷管と、第１段および第２段のパルス管とを有する２段式のパルスチューブ冷凍機であって、
前記第１の配管は、第１段のパルス管の高温端に接続されることを特徴とする請求項１または２に記載のパルスチューブ冷凍機。
当該パルスチューブ冷凍機は、第１段および第２段の蓄冷管と、第１段および第２段のパルス管とを有する２段式のパルスチューブ冷凍機であって、
前記第１の配管は、第２段のパルス管の高温端に接続されることを特徴とする請求項１または２に記載のパルスチューブ冷凍機。
前記圧縮機の供給側は、さらに、第３の冷媒供給路を有し、
前記第３の冷媒供給路は、第５の開閉バルブおよび第３の流路抵抗を備えた第３の配管を有し、
前記第３の配管は、第２段のパルス管の高温端に接続され、
前記第３の流路抵抗は、前記第５の開閉バルブよりも上流側に設置されることを特徴とする請求項４に記載のパルスチューブ冷凍機。
ヘリウムガスを圧縮する圧縮機と、高温端および低温端を有する少なくとも一つの蓄冷管と、高温端および前記蓄冷管の低温端と接続された低温端を有する少なくとも一つのパルス管と、を有するパルスチューブ冷凍機であって、
前記少なくとも一つのパルス管の高温端は、高圧のヘリウムガスが流れる第１の配管を介して、前記圧縮機の供給側と接続されており、
前記少なくとも一つの蓄冷管の高温端は、高圧のヘリウムガスが流れる第２の配管を介して、前記圧縮機の供給側と接続されており、
前記少なくとも一つのパルス管の高温端は、低圧のヘリウムガスが流れる第３の配管を介して、前記圧縮機の回収側と接続されており、
前記少なくとも一つの蓄冷管の高温端は、低圧のヘリウムガスが流れる第４の配管を介して、前記圧縮機の回収側と接続されており、
前記第１の配管には、第１の開閉バルブおよび第１の流路抵抗が設置され、前記第１の流路抵抗は、前記第１の開閉バルブよりも上流側に設置され、
前記第２の配管には、第２の開閉バルブが設置され、
前記第３の配管には、第３の開閉バルブおよび第２の流路抵抗が設置され、前記第２の流路抵抗は、前記第３の開閉バルブよりも上流側に設置され、
前記第４の配管には、第４の開閉バルブが設置され、
前記第１乃至第４の開閉バルブは、単一のロータリーバルブで構成されることを特徴とするパルスチューブ冷凍機。
前記第１の流路抵抗は、前記ロータリーバルブ内に設置されることを特徴とする請求項７に記載のパルスチューブ冷凍機。
前記第２の流路抵抗は、前記ロータリーバルブ内に設置されることを特徴とする請求項８に記載のパルスチューブ冷凍機。