JP6913039B2 - パルス管冷凍機 - Google Patents

Description

本発明は、パルス管冷凍機に関する。

パルス管冷凍機は、パルス管と蓄冷器の配置によって大きく二種類に分けられる。１つは、パルス管と蓄冷器の低温端どうしが比較的短い直線状の流路で連通している形態であり、この流路からパルス管と蓄冷器がそれぞれ反対側に延びている。パルス管と蓄冷器が直列に接続されているので、インライン型とも呼ばれる。もう１つは、折り曲げられた流路でパルス管と蓄冷器の低温端どうしが連通し、この流路からパルス管と蓄冷器が同じ側に延びる形態である。これは、Ｕ型あるいはリターン型などと呼ばれることもある。通例はパルス管と蓄冷器が並列に配置されるが同軸にも配置されうる。

特開２０１０−２３０３０８号公報

典型的な並列配置型のパルス管冷凍機においては、パルス管と蓄冷器の低温端どうしが冷却ステージなどとも称される低温側連結部材で構造的に連結され、パルス管と蓄冷器の高温端どうしがフランジなどの高温側連結部材で構造的に連結される。低温側連結部材と高温側連結部材とは一定の距離をあけて配置され、パルス管と蓄冷器はこれら連結部材間を軸方向に延在するので、パルス管と蓄冷器は軸方向長さが等しくなる。

ところが、パルス管冷凍機に必要とされる冷凍能力を実現するうえで、パルス管と蓄冷器の軸長を等しくすることが望まれるとは限らない。性能上好ましい設計では、むしろ、両者はしばしば異なりうる。とくに、冷凍能力の大きいパルス管冷凍機では、パルス管の軸長に比べて蓄冷器の軸長がかなり短くなりうる。

本発明者は、既存の並列配置型のパルス管冷凍機において、このようなパルス管と蓄冷器の軸長差があると、パルス管冷凍機の冷却運転中に蓄冷器に熱的な不利益が生じうることを見出した。この熱的な不利益は、蓄冷器効率の低下をもたらし、ひいては冷凍機の効率を低下させうるので、望まれない。

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、パルス管冷凍機の効率低下を抑制する技術を提供することにある。

本発明のある態様によると、パルス管冷凍機は、パルス管高温端およびパルス管低温端を有し、前記パルス管高温端から前記パルス管低温端へと軸方向に延在するパルス管と、蓄冷器高温端および蓄冷器低温端を有し、前記パルス管と並列配置された蓄冷器であって、前記蓄冷器高温端が前記軸方向に関して前記パルス管高温端から低温側にずれて位置し、前記蓄冷器低温端が前記パルス管低温端と流体的に連通している蓄冷器と、前記パルス管内に圧力振動を生成すべく前記蓄冷器高温端を圧縮機吐出口および圧縮機吸入口に交互に接続する圧力切替バルブであって、前記軸方向に関して前記パルス管高温端と前記蓄冷器高温端の間に配置された圧力切替バルブと、を備える。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、パルス管冷凍機の効率低下を抑制することができる。

実施の形態に係るパルス管冷凍機を示す概略図である。 比較例に係るパルス管冷凍機を示す概略図である。 実施の形態に係るパルス管冷凍機に適用可能な圧力切替バルブの一例を示す概略図である。 図４（ａ）から図４（ｃ）は、実施の形態に係るパルス管冷凍機に適用可能な圧力切替バルブの他の一例を示す概略図である。 図５（ａ）および図５（ｂ）は、実施の形態に係るパルス管冷凍機に適用可能な圧力切替バルブの他の一例を示す概略図である。 実施の形態に係るパルス管冷凍機に適用可能な圧力切替バルブの他の一例を示す概略図である。 図７（ａ）および図７（ｂ）は、実施の形態に係るパルス管冷凍機に適用可能な圧力切替バルブの他の一例を示す概略図である。

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。なお、説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。また、以下に述べる構成は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。また、以下の説明において参照する図面において、各構成部材の大きさや厚みは説明の便宜上のものであり、必ずしも実際の寸法や比率を示すものではない。

図１は、実施の形態に係るパルス管冷凍機１０を示す概略図である。図１には、パルス管冷凍機１０の作動ガス回路も概略的に示されている。

パルス管冷凍機１０は、圧縮機１２と、コールドヘッド１４とを備える。コールドヘッド１４は、パルス管１６、蓄冷管１７、蓄冷器１８、被冷却物１９を冷却する冷却ステージ２０、フランジ部２２、および室温部２４を備える。パルス管冷凍機１０は、単段式のパルス管冷凍機である。ただし、パルス管冷凍機１０は、あるいは多段式（例えば二段式）のパルス管冷凍機とすることも可能である。

パルス管冷凍機１０は、一例として、ＧＭ（Gifford-McMahon）方式の４バルブ型パルス管冷凍機である。よって、コールドヘッド１４は、圧力切替バルブ２６と、位相制御バルブ２８とをさらに備える。圧力切替バルブ２６は、主吸気開閉バルブＶ１と主排気開閉バルブＶ２とを有する。位相制御バルブ２８は、副吸気開閉バルブＶ３と副排気開閉バルブＶ４とを有する。

詳しくは後述するが、パルス管冷凍機１０は、圧力切替バルブ２６の配置に関して、典型的なパルス管冷凍機と異なる。圧力切替バルブ２６は、蓄冷器１８と直列に接続され、蓄冷器１８とともにパルス管１６に並列に配置されている。例えば、圧力切替バルブ２６は、蓄冷管１７に収容されている。こうして、圧力切替バルブ２６は、蓄冷器１８のそばに配置されている。一方、位相制御バルブ２８は、典型的なパルス管冷凍機と同様に、室温部２４に配置されている。圧力切替バルブ２６は、室温部２４に配置されるのではなく、位相制御バルブ２８とは異なる場所に配置されている。

圧縮機１２および圧力切替バルブ２６によって、パルス管冷凍機１０の振動流発生源が構成される。すなわち、圧縮機１２が生み出す作動ガスの定常流から、圧力切替バルブ２６の切替動作によって蓄冷器１８を通じてパルス管１６内に作動ガスの圧力振動を生成することができる。また、圧縮機１２および位相制御バルブ２８によって、パルス管冷凍機１０の位相制御機構が構成される。圧縮機１２は、振動流発生源と位相制御機構とで共有されている。位相制御バルブ２８の切替動作によって作動ガスの圧力振動に対しパルス管１６内のガス要素（ガスピストンとも呼ばれる）の変位振動の位相を遅らせることができる。適切な位相遅れは、パルス管１６の低温端でのＰＶ仕事を生じさせ、作動ガスを冷却することができる。冷却された作動ガスとの熱交換により冷却ステージ２０が冷却される。

圧縮機１２は、圧縮機吐出口１２ａと圧縮機吸入口１２ｂとを有し、回収した低圧ＰＬの作動ガスを圧縮して高圧ＰＨの作動ガスを生成するよう構成されている。圧縮機吐出口１２ａから蓄冷器１８を通じてパルス管１６に作動ガスが供給され、パルス管１６から蓄冷器１８を通じて圧縮機吸入口１２ｂへと作動ガスが回収される。圧縮機吐出口１２ａおよび圧縮機吸入口１２ｂはそれぞれ、パルス管冷凍機１０の高圧源および低圧源として機能する。作動ガスは、冷媒ガスとも称され、例えばヘリウムガスである。

パルス管冷凍機１０には、高圧ライン１３ａおよび低圧ライン１３ｂが設けられている。高圧ライン１３ａを通じて、高圧ＰＨの作動ガスが圧縮機１２からコールドヘッド１４に流れる。低圧ライン１３ｂを通じて、低圧ＰＬの作動ガスがコールドヘッド１４から圧縮機１２に流れる。高圧ライン１３ａは、圧縮機吐出口１２ａを主吸気開閉バルブＶ１に接続し、また、圧縮機吐出口１２ａを副吸気開閉バルブＶ３に接続する。低圧ライン１３ｂは、圧縮機吸入口１２ｂを主排気開閉バルブＶ２に接続し、また、圧縮機吸入口１２ｂを副排気開閉バルブＶ４に接続する。

パルス管１６は、パルス管高温端１６ａと、パルス管低温端１６ｂとを有し、パルス管高温端１６ａからパルス管低温端１６ｂへと軸方向Ａに延在する。パルス管高温端１６ａおよびパルス管低温端１６ｂはそれぞれ、パルス管１６の第１端および第２端とも称しうる。

同様に、蓄冷管１７は、蓄冷管高温端１７ａと、蓄冷管低温端１７ｂとを有し、蓄冷管高温端１７ａから蓄冷管低温端１７ｂへと軸方向Ａに延在する。蓄冷管１７は、パルス管１６と並列配置されている。蓄冷管高温端１７ａおよび蓄冷管低温端１７ｂはそれぞれ、蓄冷管１７の第１端および第２端とも称しうる。また、蓄冷器１８は、蓄冷器高温端１８ａと、蓄冷器低温端１８ｂとを有し、蓄冷器高温端１８ａから蓄冷器低温端１８ｂへと軸方向Ａに延在する。蓄冷器１８は、パルス管１６と並列配置されている。蓄冷器高温端１８ａおよび蓄冷器低温端１８ｂはそれぞれ、蓄冷器１８の第１端および第２端とも称しうる。

蓄冷管１７は、蓄冷器１８を収容する。蓄冷器１８は蓄冷管１７の低温側（すなわち冷却ステージ２０側、図において下方）に配置され、蓄冷器低温端１８ｂが蓄冷管低温端１７ｂと同じ位置にある。また、軸方向Ａに関して、パルス管高温端１６ａと蓄冷管高温端１７ａが同じ位置にあり、パルス管低温端１６ｂと蓄冷管低温端１７ｂが同じ位置にある。そのため、蓄冷器高温端１８ａは、軸方向Ａに関してパルス管高温端１６ａから低温側にずれて位置する。蓄冷器高温端１８ａは、蓄冷管高温端１７ａから軸方向Ａに離れて位置する。

なお、ここでは蓄冷器低温端１８ｂと蓄冷管低温端１７ｂは同じ部位を指すが、常にそうとは限らない。蓄冷器低温端１８ｂが蓄冷管低温端１７ｂと異なることもありうる。必要とされる場合には、蓄冷管１７において蓄冷器１８がより高温側に配置されてもよく、蓄冷器低温端１８ｂが軸方向Ａに関して蓄冷管低温端１７ｂから高温側にずれて位置してもよい。

例示的な構成においては、パルス管１６は内部を空洞とする円筒状の管である。蓄冷管１７は、円筒状の部材である。蓄冷器１８は、蓄冷管１７のうち、内部に蓄冷材を充填した領域である。蓄冷器１８は、円柱状に形成されている。

パルス管１６と蓄冷管１７は、パルス管１６の径方向（軸方向Ａに垂直な方向）に間隔をあけて互いに隣り合って各々の中心軸を平行とするように配置されている。パルス管１６および蓄冷管１７は、冷却ステージ２０から同方向に延びており、パルス管高温端１６ａおよび蓄冷管高温端１７ａは、冷却ステージ２０から遠い側に配置されている。このようにして、パルス管１６、蓄冷管１７、および冷却ステージ２０は、Ｕ字状に配置されている。

パルス管低温端１６ｂと蓄冷器低温端１８ｂは、低温側連結部材たとえば冷却ステージ２０によって、構造的に接続され熱的に結合されている。冷却ステージ２０には冷却ステージ流路２１が形成されている。冷却ステージ流路２１を通じて、パルス管低温端１６ｂは、蓄冷器低温端１８ｂと流体的に連通している。したがって、圧縮機１２から供給される作動ガスは、蓄冷器低温端１８ｂから冷却ステージ流路２１を通じてパルス管低温端１６ｂへと流れることができる。パルス管１６からの戻りガスは、パルス管低温端１６ｂから冷却ステージ流路２１を通じて蓄冷器低温端１８ｂへと流れることができる。

被冷却物１９は、冷却ステージ２０上に直接設置され、または冷却ステージ２０に剛性または可撓性の伝熱部材を介して熱的に結合されている。パルス管冷凍機１０は、冷却ステージ２０からの伝導冷却によって被冷却物１９を冷却することができる。なおパルス管冷凍機１０によって冷却される被冷却物１９は、超伝導電磁石またはその他の超伝導装置、あるいは赤外線撮像素子またはその他のセンサなど固形物には限られない。言うまでもなく、パルス管冷凍機１０は冷却ステージ２０に接触する気体または液体を冷却することもできる。

一方、パルス管高温端１６ａと蓄冷管高温端１７ａは、高温側連結部材たとえばフランジ部２２によって接続されている。フランジ部２２は、パルス管冷凍機１０が設置される支持台または支持壁などの支持部３０に取り付けられる。支持部３０は、冷却ステージ２０および被冷却物１９を（蓄冷管１７およびパルス管１６とともに）収容する断熱容器または真空容器の壁材またはその他の部位であってもよい。

フランジ部２２の一方の主表面からパルス管１６および蓄冷管１７が冷却ステージ２０へと延び、フランジ部２２の他方の主表面には室温部２４が設けられている。したがって、支持部３０が断熱容器または真空容器の一部を構成する場合には、フランジ部２２が支持部３０に取り付けられるとき、パルス管１６、蓄冷管１７、蓄冷器１８、および冷却ステージ２０は、当該容器内に収容され、室温部２４は、容器外に配置される。よって、圧力切替バルブ２６は、当該容器内に収容される一方、位相制御バルブ２８は、容器外に配置される。

なお、室温部２４は、フランジ部２２に直接取り付けられている必要はない。室温部２４は、パルス管冷凍機１０のコールドヘッド１４から分離して配置され、剛性または可撓性の配管によりコールドヘッド１４に接続されてもよい。こうして、パルス管冷凍機１０の位相制御機構がコールドヘッド１４から分離して配置されてもよい。

圧力切替バルブ２６は、軸方向Ａに関してパルス管高温端１６ａと蓄冷器高温端１８ａの間に配置されている。上述のように、パルス管高温端は蓄冷管高温端１７ａと軸方向Ａに同じ位置にあるので、圧力切替バルブ２６は、軸方向Ａに関して蓄冷管高温端１７ａと蓄冷器高温端１８ａの間に配置されている。圧力切替バルブ２６は、フランジ部２２と蓄冷器１８の間に配置されているとも言える。

より具体的には、圧力切替バルブ２６は、蓄冷器高温端１８ａに隣接して配置されている。例えば、圧力切替バルブ２６は、蓄冷器高温端１８ａの直上に配置されている。そのため、圧力切替バルブ２６を蓄冷器１８に連通する蓄冷器連通路３２は、軸方向Ａにかなり短く、蓄冷器連通路３２の容積も小さい。蓄冷器連通路３２は、主吸気開閉バルブＶ１および主排気開閉バルブＶ２を蓄冷器高温端１８ａへと合流させる。

圧力切替バルブ２６は、蓄冷器１８とともに、蓄冷管１７に収容されている。蓄冷管１７は、圧力切替バルブ２６を収容するバルブ収容部３４を備える。バルブ収容部３４は、圧力切替バルブ２６を収容する容器であり、蓄冷器１８からフランジ部２２へと軸方向Ａに延在する。よって、蓄冷管高温端１７ａはバルブ収容部３４に属し、蓄冷管低温端１７ｂは蓄冷器１８に属する。

パルス管１６と蓄冷管１７の軸方向長さＬ１は実質的に等しい。軸方向長さＬ１は、フランジ部２２と冷却ステージ２０の距離に相当する。一方、蓄冷器１８の軸方向長さＬ２は、パルス管１６の軸方向長さＬ１より短く、例えば、軸方向長さＬ１の半分より短い。このようなパルス管１６と蓄冷器１８の軸方向長さの相違は、大型のパルス管冷凍機（つまり大きな冷凍能力を提供できるパルス管冷凍機）でしばしば見られる。大型のパルス管冷凍機では性能上、パルス管１６の軸方向長さＬ１に比べて蓄冷器１８の軸方向長さＬ２がかなり短く設計されうる。

したがって、蓄冷管１７は、蓄冷器１８の軸方向長さを調整するスペーサまたは長さ調整部材としての役割も有する。蓄冷管１７の軸方向長さを調整することにより、パルス管１６と蓄冷器１８の軸方向長さの相違を小さくし、または無くすことができる。

圧力切替バルブ２６は、バルブ収容部３４に収まる寸法を有する。よって、圧力切替バルブ２６の軸方向長さＬ３は、パルス管１６（または蓄冷管１７）の軸方向長さＬ１と蓄冷器１８の軸方向長さＬ２の差（Ｌ１−Ｌ２）より小さい。圧力切替バルブ２６の軸方向長さＬ３は、この差（Ｌ１−Ｌ２）に等しくてもよい。

圧力切替バルブ２６は、圧力切替バルブ２６への高圧ＰＨの作動ガスの流入口としての高圧ポート２６ａと、圧力切替バルブ２６からの低圧ＰＬの作動ガスの流出口としての低圧ポート２６ｂと、を備える。高圧ライン１３ａは、圧縮機吐出口１２ａから高圧ポート２６ａに至る。主吸気開閉バルブＶ１は、高圧ポート２６ａを蓄冷器高温端１８ａに接続する。また、低圧ライン１３ｂは、圧縮機吸入口１２ｂから低圧ポート２６ｂに至る。主排気開閉バルブＶ２は、低圧ポート２６ｂを蓄冷器高温端１８ａに接続する。

圧力切替バルブ２６は、蓄冷管１７の中、具体的にはバルブ収容部３４に配置されているから、高圧ポート２６ａおよび低圧ポート２６ｂもバルブ収容部３４に配置されている。よって、高圧ライン１３ａおよび低圧ライン１３ｂは、軸方向Ａに関してパルス管高温端１６ａを越えて低温側に延長されている。高圧ライン１３ａおよび低圧ライン１３ｂはそれぞれ、室温部２４からフランジ部２２および蓄冷管高温端１７ａを越えて高圧ポート２６ａおよび低圧ポート２６ｂへと延びている。このようにして、蓄冷管１７には、高圧ライン１３ａおよび低圧ライン１３ｂの一部とともに圧力切替バルブ２６が組み込まれている。

圧力切替バルブ２６は、パルス管１６内に圧力振動を生成すべく蓄冷器高温端１８ａを圧縮機吐出口１２ａおよび圧縮機吸入口１２ｂに交互に接続するように構成されている。圧力切替バルブ２６は、主吸気開閉バルブＶ１および主排気開閉バルブＶ２がそれぞれ排他的に開放されるよう構成されている。すなわち、主吸気開閉バルブＶ１および主排気開閉バルブＶ２が同時に開くことは禁止されている。主吸気開閉バルブＶ１が開いているとき主排気開閉バルブＶ２は閉じられ、主排気開閉バルブＶ２が開いているとき主吸気開閉バルブＶ１は閉じられる。なお主吸気開閉バルブＶ１および主排気開閉バルブＶ２は一時的にともに閉じられてもよい。

主吸気開閉バルブＶ１が開いているとき、圧縮機吐出口１２ａから高圧ライン１３ａ、主吸気開閉バルブＶ１、および蓄冷器連通路３２を通じて蓄冷器１８に作動ガスが供給される。作動ガスはさらに、冷却ステージ流路２１を通じてパルス管１６に供給される。一方、主排気開閉バルブＶ２が開いているとき、パルス管１６から、冷却ステージ流路２１、蓄冷器１８、蓄冷器連通路３２、主排気開閉バルブＶ２、および低圧ライン１３ｂを通じて圧縮機吸入口１２ｂに作動ガスが回収される。

位相制御バルブ２８は、パルス管高温端１６ａを圧縮機吐出口１２ａおよび圧縮機吸入口１２ｂに交互に接続するように構成されている。副吸気開閉バルブＶ３は、圧縮機吐出口１２ａをパルス管高温端１６ａに接続し、副排気開閉バルブＶ４は、圧縮機吸入口１２ｂをパルス管高温端１６ａに接続する。

位相制御バルブ２８は、副吸気開閉バルブＶ３および副排気開閉バルブＶ４がそれぞれ排他的に開放されるよう構成されている。すなわち、副吸気開閉バルブＶ３および副排気開閉バルブＶ４が同時に開くことは禁止されている。副吸気開閉バルブＶ３が開いているとき副排気開閉バルブＶ４は閉じられ、副排気開閉バルブＶ４が開いているとき副吸気開閉バルブＶ３は閉じられる。なお副吸気開閉バルブＶ３および副排気開閉バルブＶ４は一時的にともに閉じられてもよい。

副吸気開閉バルブＶ３が開いているとき、圧縮機吐出口１２ａから高圧ライン１３ａ、副吸気開閉バルブＶ３、およびパルス管高温端１６ａを通じてパルス管１６に作動ガスが供給される。一方、副排気開閉バルブＶ４が開いているとき、パルス管１６からパルス管高温端１６ａ、副排気開閉バルブＶ４、および低圧ライン１３ｂを通じて圧縮機吸入口１２ｂに作動ガスが回収される。

これらのバルブ（Ｖ１〜Ｖ４）のバルブタイミングとしては、既存の４バルブ型パルス管冷凍機に適用しうる種々のバルブタイミングを採用することができる。

バルブ（Ｖ１〜Ｖ４）の具体的構成は種々ありうる。例えば、一群のバルブ（Ｖ１〜Ｖ４）は、複数の個別に制御可能なバルブの形式をとってもよい。各バルブ（Ｖ１〜Ｖ４）は、電磁開閉弁であってもよい。一群のバルブ（Ｖ１〜Ｖ４）は、予め定められたバルブタイミングで自動的に開閉動作をするように構成されていてもよい。

後述するように、圧力切替バルブ２６、すなわち主吸気開閉バルブＶ１および主排気開閉バルブＶ２が、ロータリーバルブとして構成されてもよい。また、位相制御バルブ２８、すなわち副吸気開閉バルブＶ３および副排気開閉バルブＶ４が、圧力切替バルブ２６とは別のロータリーバルブとして構成されてもよい。

ある実施形態においては、一群のバルブ（Ｖ１〜Ｖ４）は、ロータリーバルブと個別に制御可能なバルブの組み合わせであってもよい。例えば、圧力切替バルブ２６と位相制御バルブ２８のうち一方がロータリーバルブとして構成され、他方が個別に制御可能なバルブであってもよい。

このような構成により、パルス管冷凍機１０は、パルス管１６内に高圧ＰＨと低圧ＰＬの作動ガス圧力振動を生成する。圧力振動と同期して適切な位相遅れをもって、パルス管１６内で作動ガスの変位振動すなわちガスピストンの往復動が生じる。ある圧力を保持しながらパルス管１６内を上下に周期的に往復する作動ガスの動きは、しばしば「ガスピストン」と称され、パルス管冷凍機１０の動作を説明するためによく用いられる。ガスピストンがパルス管高温端１６ａまたはその近傍にあるときパルス管低温端１６ｂで作動ガスが膨張し、寒冷が発生する。このような冷凍サイクルを繰り返すことにより、パルス管冷凍機１０は、冷却ステージ２０を冷却することができる。したがって、パルス管冷凍機１０は、被冷却物１９を冷却することができる。

図２は、比較例に係るパルス管冷凍機３６を示す概略図である。図２に示される典型的なパルス管冷凍機３６と対比することで、実施の形態に係るパルス管冷凍機１０が奏する有利な効果をよりよく理解することができる。比較例と実施の形態の主たる相違は、圧力切替バルブ２６の配置にある。

比較例に係るパルス管冷凍機３６では、圧力切替バルブ２６は、位相制御バルブ２８とともに室温部２４に配置されている。そのため、圧力切替バルブ２６は、蓄冷器１８から軸方向Ａにかなり離れて配置されている。

蓄冷管１７は、蓄冷器１８とスペーサ３８とを備える。蓄冷器１８は蓄冷管１７の低温側に位置し、パルス管１６に比べて軸方向長さが短い。蓄冷管１７の高温側には余剰の空きスペースが生まれる。この空きスペースを埋めるために、スペーサ３８が挿入されている。スペーサ３８は、蓄冷器１８をフランジ部２２に接続する。圧力切替バルブ２６を蓄冷器高温端１８ａに流体的に連通するために、スペーサ貫通流路４０が設けられている。スペーサ貫通流路４０を通じて、蓄冷器１８への作動ガスの流出入が可能となる。

このようにパルス管１６と蓄冷器１８の軸方向長さに顕著な違いがあると、パルス管冷凍機３６の冷却運転中に蓄冷器１８に熱的な不利益が生じる。パルス管冷凍機３６の吸気工程においてこのスペーサ貫通流路４０に高圧作動ガスが供給されるとき、流路内で作動ガスに断熱圧縮が起こり、圧縮熱が発生する。作動ガスとしてよく用いられるヘリウムガスはその物性上、大きな圧縮熱を発生させる。圧縮熱はパルス管１６に流入する作動ガスを昇温させる。また、パルス管１６に比べて蓄冷器１８の軸長が短いほどスペーサ貫通流路４０は長くなり、その容積が大きくなるので、発生する圧縮熱も増加する。したがって、この圧縮熱による蓄冷器流入ガスの昇温は、大型のパルス管冷凍機で顕著となりうる。よって、蓄冷器効率が低下し、パルス管冷凍機３６の効率も低下する。

これに対して、実施の形態に係るパルス管冷凍機１０によれば、圧力切替バルブ２６は、軸方向Ａに関してパルス管高温端１６ａと蓄冷器高温端１８ａの間に配置されている。これにより、圧力切替バルブ２６を蓄冷器１８に近づけて配置することができる。そのため、蓄冷器連通路３２の容積、すなわち、パルス管冷凍機１０の吸気工程において断熱圧縮が起こる容積を小さくすることができる。蓄冷器１８への流入ガスの昇温が抑制され、蓄冷器効率の低下も抑制される。したがって、パルス管冷凍機の効率低下を抑制することができる。

圧力切替バルブ２６は、蓄冷器高温端１８ａに隣接して配置されている。このようにすれば、蓄冷器連通路３２の容積を、とくに小さくすることができる。

また、圧力切替バルブ２６は、蓄冷器１８とともに、蓄冷管１７に収容されている。このようにすれば、蓄冷器１８の高温側にできる蓄冷管１７内の余剰スペースを圧力切替バルブ２６の容器として活用できる。

高圧ライン１３ａおよび低圧ライン１３ｂは、軸方向Ａに関してパルス管高温端１６ａを越えて低温側に延長されている。このことも、圧力切替バルブ２６を蓄冷器高温端１８ａに近づけて配置し、蓄冷器連通路３２の容積を小さくすることに役立つ。

図３は、実施の形態に係るパルス管冷凍機１０に適用可能な圧力切替バルブ２６の一例を示す概略図である。図３には、パルス管１６、蓄冷管１７、冷却ステージ２０、およびフランジ部２２を含むコールドヘッド１４の要部が概略的に示されている。図１に示されるパルス管冷凍機１０と同様に、パルス管１６、蓄冷管１７、および冷却ステージ２０は、Ｕ字状に配置されている。パルス管低温端１６ｂと蓄冷管低温端１７ｂは冷却ステージ２０で連結され、パルス管高温端１６ａと蓄冷管高温端１７ａはフランジ部２２で連結されている。

圧力切替バルブ２６は、ロータリーバルブとして構成され、バルブロータ４２とバルブステータ４４とを備える。圧力切替バルブ２６は、バルブステータ４４に対するバルブロータ４２の回転摺動によって、主吸気開閉バルブＶ１および主排気開閉バルブＶ２の開閉が周期的に切り替わるよう構成されている。

圧力切替バルブ２６は、ロータリーバルブ（４２、４４）の駆動機構として、モータ４６および駆動シャフト４８をさらに備える。モータ４６は、室温部２４に配置されている。ロータリーバルブ（４２、４４）は、軸方向Ａに関してパルス管高温端１６ａ（すなわち蓄冷管高温端１７ａ）と蓄冷器高温端１８ａの間に配置され、モータ４６の駆動によって駆動シャフト４８を介して駆動される。駆動シャフト４８は、一端がモータ４６に連結され、他端がバルブロータ４２に連結される。モータ４６の回転出力によって駆動シャフト４８が回転し、駆動シャフト４８の回転がバルブロータ４２に伝達される。

ロータリーバルブ（４２、４４）は、蓄冷管１７のバルブ収容部３４に配置されている。ロータリーバルブ（４２、４４）は、バルブステータ４４が蓄冷器高温端１８ａと接触するようにして、蓄冷器高温端１８ａと隣接して配置されている。駆動シャフト４８は、軸方向Ａに関してパルス管高温端１６ａを越えて低温側に延長されている。こうして、バルブロータ４２に駆動シャフト４８が連結される。駆動シャフト４８とともに、高圧ライン１３ａおよび低圧ライン１３ｂも、軸方向Ａに関してパルス管高温端１６ａ（すなわち蓄冷管高温端１７ａ）を越えて低温側に延長されている。駆動シャフト４８、高圧ライン１３ａ、および低圧ライン１３ｂは、室温部２４からフランジ部２２を貫通してバルブ収容部３４へと延びている。高圧ライン１３ａは高圧ポート２６ａに接続され、低圧ライン１３ｂは低圧ポート２６ｂに接続されている。高圧ポート２６ａおよび低圧ポート２６ｂは、バルブロータ４２に設けられている。

このようにして、圧力切替バルブ２６がロータリーバルブ（４２、４４）である場合に、ロータリーバルブ（４２、４４）を蓄冷器高温端１８ａに近づけて配置することができる。よって、ロータリーバルブ（４２、４４）と蓄冷器高温端１８ａの間の流路容積、すなわち、パルス管冷凍機１０の吸気工程において断熱圧縮が起こる容積を小さくすることができる。蓄冷器１８への流入ガスの昇温が抑制され、蓄冷器効率の低下も抑制される。したがって、パルス管冷凍機の効率低下を抑制することができる。

図４（ａ）から図５（ｂ）は、実施の形態に係るパルス管冷凍機１０に適用可能な圧力切替バルブ２６の他の一例を示す概略図である。これらの図を参照して、ロータリーバルブ（４２、４４）の内部流路が例示される。なお、ロータリーバルブ（４２、４４）の内部流路は、既知の流路構成を採用するなど種々の設計が可能であり、この例は発明を何ら限定するものではない。

図４（ａ）は、ロータリーバルブ（４２、４４）の回転摺動面を示す。図４（ａ）では、バルブステータ４４の上面を実線で、バルブロータ４２の下面を破線で示す。図４（ｂ）および図４（ｃ）はそれぞれ、図４（ａ）のＢ１断面およびＢ２断面を示す。Ｂ１断面およびＢ２断面は、ロータリーバルブ（４２、４４）の中心軸（回転軸）を通り互いに直交する二平面によるロータリーバルブ（４２、４４）の断面である。図４（ｂ）には蓄冷管１７も示してある。

バルブステータ４４の上面がバルブロータ４２の下面と面接触しており、バルブロータ４２の回転に伴いバルブロータ４２の下面がバルブステータ４４の上面に対して回転摺動する。バルブステータ４４は回転しないように蓄冷管１７に固定されている。バルブロータ４２の上面には、駆動シャフト４８の回転がバルブロータ４２に伝達されるように駆動シャフト４８が連結されている。

バルブステータ４４は、高圧ポート２６ａと蓄冷器連通路３２を有する。高圧ポート２６ａは、バルブステータ４４の側面から上面へと貫通している。高圧ポート２６ａはバルブステータ４４の上面で中心に開口している。蓄冷器連通路３２は、バルブステータ４４の上面から下面へと軸方向に貫通する２つの流路からなり、これら２つの流路は、バルブステータ４４の上面で高圧ポート２６ａを挟んで互いに反対側に位置する。バルブステータ４４の下面が蓄冷器高温端１８ａと接しており、蓄冷器連通路３２は蓄冷器１８と流体的に連通している。

バルブロータ４２は、低圧ポート２６ｂと高圧連通路５０とを有する。低圧ポート２６ｂは、バルブロータ４２の下面に形成された２つの凹部からなり、これら２つの凹部は、バルブロータ４２の下面で中心を挟んで互いに反対側に位置する。低圧ポート２６ｂは、バルブロータ４２の周囲空間すなわちバルブ収容部３４に連通している。高圧連通路５０は、バルブロータ４２の下面で中心に開口している高圧入口５０ａと、バルブロータ４２の下面で中心を挟んで互いに反対側に位置する２つの高圧出口５０ｂとを有する。高圧連通路５０は、高圧入口５０ａから高圧出口５０ｂへとバルブロータ４２の内部で２つに分岐している。バルブロータ４２の下面において高圧出口５０ｂと高圧入口５０ａが並ぶ第１直径は、低圧ポート２６ｂと高圧入口５０ａが並ぶ第２直径と直交している。Ｂ１断面およびＢ２断面はそれぞれ、第１直径および第２直径での断面である。

高圧ポート２６ａと高圧入口５０ａはともに中心軸上に位置するので、両者は連通している。蓄冷器連通路３２、低圧ポート２６ｂ、および高圧出口５０ｂは、ロータリーバルブ（４２、４４）の回転摺動面において同じ径方向位置にある。したがって、バルブロータ４２の回転に伴い蓄冷器連通路３２が高圧出口５０ｂと低圧ポート２６ｂに交互に接続される。

高圧ライン１３ａは、蓄冷管１７のバルブ収容部３４においてロータリーバルブ（４２、４４）を取り囲む側壁部の内部に形成されている。高圧ライン１３ａはこの側壁部を蓄冷管高温端１７ａから軸方向に高圧ポート２６ａへと延びている。低圧ライン１３ｂは、蓄冷管高温端１７ａに接続され、バルブロータ４２の周囲空間すなわちバルブ収容部３４には低圧ＰＬの作動ガスが導入されている。バルブ収容部３４は低圧ライン１３ｂの一部であるとも言える。高圧ライン１３ａから高圧ポート２６ａへの接続領域５１から高圧ＰＨの作動ガスが低圧領域（バルブ収容部３４）および蓄冷器１８に漏れ出すのを防ぐために、バルブステータ４４の側面にはシール部５２が設けられている。接続領域５１は、バルブステータ４４の側面と蓄冷管１７の側壁部との間のクリアランスまたは隙間である。

図４（ａ）から図４（ｃ）は、パルス管冷凍機１０の吸気工程における圧力切替バルブ２６の流路接続を示す。よって、蓄冷器連通路３２には高圧出口５０ｂが連通している。この場合、高圧ライン１３ａから高圧ポート２６ａへと高圧ＰＨの作動ガスがロータリーバルブ（４２、４４）に流入する（図４（ｂ）の矢印Ｆ１）。作動ガスは、高圧ポート２６ａから、高圧連通路５０の高圧入口５０ａおよび高圧出口５０ｂを経て（図４（ｂ）の矢印Ｆ２、図４（ｃ）の矢印Ｆ３）、蓄冷器連通路３２へと流れる（図４（ｃ）の矢印Ｆ４）。このようにして、高圧ライン１３ａから蓄冷器高温端１８ａへと高圧ＰＨの作動ガスを流すことができる。

図５（ａ）および図５（ｂ）には、パルス管冷凍機１０の排気工程における圧力切替バルブ２６の流路接続を示す。図５（ａ）は、ロータリーバルブ（４２、４４）の回転摺動面を示し、図５（ｂ）には、図５（ａ）のＣ１断面を示す。Ｃ１断面は、ロータリーバルブ（４２、４４）の中心軸（回転軸）と上述の第２直径（低圧ポート２６ｂと高圧入口５０ａが並ぶ直径）を通る断面である。

図４（ａ）から図４（ｃ）に示される吸気工程に対して、図５（ａ）および図５（ｂ）では、バルブロータ４２が９０度回転しており、蓄冷器連通路３２には低圧ポート２６ｂが連通している。よって、蓄冷器高温端１８ａから蓄冷器連通路３２を経て低圧ポート２６ｂへと作動ガスが流れる（図５（ｂ）の矢印Ｇ１）。このようにして、蓄冷器高温端１８ａから低圧ライン１３ｂへと低圧ＰＬの作動ガスを流すことができる。

したがって、ロータリーバルブ（４２、４４）は、パルス管１６内に圧力振動を生成すべく蓄冷器高温端１８ａを圧縮機吐出口１２ａおよび圧縮機吸入口１２ｂに交互に接続することができる。

図６は、実施の形態に係るパルス管冷凍機１０に適用可能な圧力切替バルブ２６の他の一例を示す概略図である。上述のように高圧ライン１３ａが蓄冷管１７の側壁部に形成されることは、必須ではない。図６に示されるように、高圧ライン１３ａは、駆動シャフト４８の内部に形成されてもよい。この場合、バルブロータ４２の高圧連通路５０が高圧ポート２６ａとなる。よって、バルブステータ４４には高圧ポート２６ａは不要である。

他の構成も可能である。例えば、バルブ収容部３４に高圧ＰＨの作動ガスを導入するよう高圧ライン１３ａが蓄冷管高温端１７ａに接続されてもよい。低圧ライン１３ｂは、蓄冷管１７の側壁部に、または、駆動シャフト４８の内部に形成されてもよい。

図７（ａ）および図７（ｂ）は、実施の形態に係るパルス管冷凍機１０に適用可能な圧力切替バルブ２６の他の一例を示す概略図である。図７（ａ）および図７（ｂ）にはそれぞれ、パルス管冷凍機１０の吸気工程および排気工程における圧力切替バルブ２６の流路接続を示す。

圧力切替バルブ２６は、制御圧を制御する制御バルブ５４と、バルブピストン５６と、バルブシリンダ５８とを備える。バルブピストン５６は、蓄冷器１８に作用するガス圧と制御圧との差圧によって蓄冷器高温端１８ａを圧縮機吐出口１２ａおよび圧縮機吸入口１２ｂに交互に接続するように往復動するよう構成されている。バルブシリンダ５８は、バルブピストン５６の往復動を案内するよう構成されている。圧力切替バルブ２６を取り囲む蓄冷管１７の側壁部が、バルブシリンダ５８として用いられている。バルブピストン５６およびバルブシリンダ５８は、軸方向Ａに関してパルス管高温端１６ａ（すなわち蓄冷管高温端１７ａ）と蓄冷器高温端１８ａの間に配置されている。

バルブピストン５６とバルブシリンダ５８によって、主吸気開閉バルブＶ１および主排気開閉バルブＶ２が構成される。位相制御バルブ２８は、副吸気開閉バルブＶ３と副排気開閉バルブＶ４とを有し、パルス管高温端１６ａを圧縮機吐出口１２ａおよび圧縮機吸入口１２ｂに交互に接続するように構成されている。

制御バルブ５４は、バルブピストン５６の片側に作用する制御圧を、圧縮機１２を利用して制御するように構成されている。制御バルブ５４は、圧縮機吐出口１２ａを蓄冷管高温端１７ａに接続する第１開閉バルブＶ５と、圧縮機吸入口１２ｂを蓄冷管高温端１７ａに接続する第２開閉バルブＶ６とを備える。

バルブピストン５６は、蓄冷器高温端１８ａに隣接して配置されている。バルブピストン５６は、蓄冷器１８とともに、蓄冷管１７に収容されている。したがって、バルブピストン５６の反対側（制御圧が作用する側とは反対側）には、蓄冷器１８と同じガス圧が作用する。バルブピストン５６は、制御圧と蓄冷器１８のガス圧との差圧によってバルブシリンダ５８に沿って動くことができる。

高圧ライン１３ａおよび低圧ライン１３ｂがバルブシリンダ５８に形成されている。バルブピストン５６は、蓄冷器連通路３２を有する。パルス管低温端１６ｂと蓄冷器低温端１８ｂ（蓄冷管低温端１７ｂ）は冷却ステージ流路２１により連通している。

図７（ａ）に示されるように、バルブピストン５６が第１位置にあるとき高圧ライン１３ａが蓄冷器連通路３２に連通される。バルブピストン５６を第１位置に移動させるために、第２開閉バルブＶ６が開放される。このとき第１開閉バルブＶ５は閉鎖される。制御圧が低圧ＰＬとなり、蓄冷器１８の圧力に比べて低圧となるので、バルブピストン５６は、蓄冷器高温端１８ａから蓄冷管高温端１７ａに向けて移動する。一方、図７（ｂ）に示されるように、バルブピストン５６が第２位置にあるとき低圧ライン１３ｂが蓄冷器連通路３２に連通される。バルブピストン５６を第２位置に移動させるために、第２開閉バルブＶ６は閉鎖され、第１開閉バルブＶ５が開放される。制御圧が高圧ＰＨとなり、蓄冷器１８の圧力に比べて高圧となるので、バルブピストン５６は、蓄冷管高温端１７ａから蓄冷器高温端１８ａに向けて移動する。

したがって、圧力切替バルブ２６は、パルス管１６内に圧力振動を生成すべく蓄冷器高温端１８ａを圧縮機吐出口１２ａおよび圧縮機吸入口１２ｂに交互に接続することができる。

以上、本発明を実施例にもとづいて説明した。本発明は上記実施形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。

上述の実施の形態においては、パルス管１６、蓄冷管１７、および冷却ステージ２０は、Ｕ字状に配置されているが、これに限られない。Ｕ字配置に代えて、パルス管１６と蓄冷管１７が同軸に配置されてもよい。例えば、蓄冷管１７および蓄冷器１８が軸上に配置され、これらを取り囲むように同軸にパルス管１６が配置されてもよい。この場合においても、圧力切替バルブ２６は、軸方向Ａに関してパルス管高温端１６ａと蓄冷器高温端１８ａの間に配置されてもよい。圧力切替バルブ２６は、蓄冷器高温端１８ａに隣接して配置され、蓄冷器１８とともに蓄冷管１７に収容されてもよい。

本発明において、パルス管冷凍機１０が４バルブ型パルス管冷凍機であることは、本質的ではない。パルス管冷凍機１０は、異なる構成の位相制御機構を有してもよく、例えば、ダブルインレット型パルス管冷凍機、またはアクティブバッファ型パルス管冷凍機であってもよい。

パルス管冷凍機１０は、単段式には限られない。パルス管冷凍機１０は、多段式（例えば二段式）のパルス管冷凍機であってもよい。多段式のパルス管冷凍機において、圧力切替バルブ２６は、軸方向Ａに関して第１段のパルス管高温端と第１段の蓄冷器高温端の間に配置されてもよい。

１０ パルス管冷凍機、 １２ 圧縮機、 １２ａ 圧縮機吐出口、 １２ｂ 圧縮機吸入口、 １３ａ 高圧ライン、 １３ｂ 低圧ライン、 １６ パルス管、 １６ａ パルス管高温端、 １６ｂ パルス管低温端、 １７ 蓄冷管、 １８ 蓄冷器、 １８ａ 蓄冷器高温端、 １８ｂ 蓄冷器低温端、 ２６ 圧力切替バルブ、 ２６ａ 高圧ポート、 ２６ｂ 低圧ポート、 ４６ モータ、 ４８ 駆動シャフト、 ５４ 制御バルブ、 ５６ バルブピストン、 ５８ バルブシリンダ。

Claims (6)

1. パルス管高温端およびパルス管低温端を有し、前記パルス管高温端から前記パルス管低温端へと軸方向に延在するパルス管と、
   蓄冷器高温端および蓄冷器低温端を有し、前記パルス管と並列配置された蓄冷器であって、前記蓄冷器高温端が前記軸方向に関して前記パルス管高温端から低温側にずれて位置し、前記蓄冷器低温端が前記パルス管低温端と流体的に連通している蓄冷器と、
   前記パルス管内に圧力振動を生成すべく前記蓄冷器高温端を圧縮機吐出口および圧縮機吸入口に交互に接続する圧力切替バルブであって、前記軸方向に関して前記パルス管高温端と前記蓄冷器高温端の間に配置された圧力切替バルブと、を備えることを特徴とするパルス管冷凍機。
2. 前記圧力切替バルブは、前記蓄冷器高温端に隣接して配置されていることを特徴とする請求項１に記載のパルス管冷凍機。
3. 前記パルス管と並列配置され、前記蓄冷器を収容する蓄冷管をさらに備え、
   前記圧力切替バルブも、前記蓄冷管に収容されてい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。
4. 前記圧縮機吐出口から前記圧力切替バルブの高圧ポートに至る高圧ラインと、前記圧縮機吸入口から前記圧力切替バルブの低圧ポートに至る低圧ラインと、をさらに備え、
   前記高圧ラインおよび前記低圧ラインは、前記軸方向に関して前記パルス管高温端を越えて低温側に延長されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のパルス管冷凍機。
5. 前記圧力切替バルブは、
   モータと、
   駆動シャフトと、
   前記軸方向に関して前記パルス管高温端と前記蓄冷器高温端の間に配置され、前記モータの駆動によって前記駆動シャフトを介して駆動されるロータリーバルブと、を備え、
   前記駆動シャフトは、前記軸方向に関して前記パルス管高温端を越えて低温側に延長されていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のパルス管冷凍機。
6. 前記圧力切替バルブは、
   制御圧を制御する制御バルブと、
   前記蓄冷器に作用するガス圧と前記制御圧との差圧によって前記蓄冷器高温端を前記圧縮機吐出口および前記圧縮機吸入口に交互に接続するように往復動するバルブピストンと、
   前記バルブピストンの往復動を案内するバルブシリンダと、を備え、
   前記バルブピストンおよび前記バルブシリンダは、前記軸方向に関して前記パルス管高温端と前記蓄冷器高温端の間に配置されていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のパルス管冷凍機。

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