JP7033009B2 - 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。

パルス管冷凍機は一般に、主たる構成要素として、振動流発生源、蓄冷器、パルス管、および位相制御機構を備える。振動流の発生にはいくつかの方式がある。例えば、圧縮機と周期的な流路切替機構の組み合わせを用いるいわゆるＧＭ（ギフォード・マクマホン；Gifford-McMahon）方式と、調和振動するピストンによって振動流を発生するスターリング方式が知られている。

特許第３８９５５１６号公報

ＧＭ方式のパルス管冷凍機では流路切替機構としてロータリーバルブが典型的に用いられている。ロータリーバルブは、バルブステータとこれに面接触しているバルブロータを有し、接触面には複数の作動ガス流路が形成されている。バルブロータがバルブステータに対して回転摺動することによって作動ガス流路間の接続が切り替わり、それにより、パルス管冷凍機を適正に動作させるための流路切替が可能となる。

パルス管冷凍機の冷凍性能を高めるうえで、ロータリーバルブの作動ガス流路で作動ガスに生じる圧力損失を低減することが望まれる。一つの方策は個々の作動ガス流路をそれぞれ広くとることであるが、そのような流路の拡大はバルブロータの回転摺動面の面積増加をもたらしうる。回転摺動面が大きくなれば、回転するバルブロータに働く摩擦抵抗も増加する。そうすると、バルブロータを駆動するのに必要なトルクも大きくなり、そのため、ロータリーバルブを駆動するモータなどの駆動源の大型化を招く。このような不利益は、大型のパルス管冷凍機において顕著となりうる。

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、パルス管冷凍機のための流路切替機構の駆動源の大型化を抑制することにある。

本発明のある態様によると、パルス管冷凍機は、パルス管および蓄冷器を備え、前記パルス管の低温端が前記蓄冷器の低温端に連結されたコールドヘッドと、バルブ駆動室と、前記バルブ駆動室の圧力に応じて第１位置と第２位置とを移動するスプールと、を備え、前記スプールは、前記第１位置で前記蓄冷器の高温端を圧縮機吐出口に接続し、前記第２位置で前記蓄冷器の高温端を圧縮機吸入口に接続するスプールバルブと、前記コールドヘッドから離れて配置され、前記バルブ駆動室の圧力を制御する圧力制御機構と、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、パルス管冷凍機のための流路切替機構の駆動源の大型化を抑制することができる。

第１の実施の形態に係るパルス管冷凍機の全体構成を概略的に示す図である。 図１に示されるパルス管冷凍機の作動ガス回路構成を示す概略図である。 図１に示されるパルス管冷凍機の作動ガス回路構成を示す概略図である。 実施の形態に係る圧力制御機構の構成を概略的に示す図である。 第２の実施の形態に係るパルス管冷凍機の全体構成を概略的に示す図である。 第２の実施の形態に係るパルス管冷凍機の他の構成を概略的に示す図である。 第３の実施の形態に係るパルス管冷凍機の作動ガス回路構成を示す概略図である。 第３の実施の形態に係るパルス管冷凍機の作動ガス回路構成を示す概略図である。 第３の実施の形態に係るパルス管冷凍機の他の構成を概略的に示す図である。 第３の実施の形態に係るパルス管冷凍機の他の構成を概略的に示す図である。 第４の実施の形態に係るパルス管冷凍機の作動ガス回路構成を示す概略図である。 第４の実施の形態に係るパルス管冷凍機の作動ガス回路構成を示す概略図である。 第４の実施の形態に係るパルス管冷凍機に適用可能なスプールバルブの他の構成を概略的に示す図である。 第４の実施の形態に係るパルス管冷凍機の他の構成を概略的に示す図である。 第５の実施の形態に係るパルス管冷凍機の作動ガス回路構成を示す概略図である。 第５の実施の形態に係るパルス管冷凍機の作動ガス回路構成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制御機構の他の構成を概略的に示す図である。 実施の形態に係るパルス管冷凍機に適用可能な圧力制御機構の他の構成を概略的に示す図である。 実施の形態に係るパルス管冷凍機に適用可能な圧力制御機構の他の構成を概略的に示す図である。

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。説明および図面において同一または同等の構成要素、部材、処理には同一の符号を付し、重複する説明は適宜省略する。図示される各部の縮尺や形状は、説明を容易にするために便宜的に設定されており、特に言及がない限り限定的に解釈されるものではない。実施の形態は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

図１は、第１の実施の形態に係るパルス管冷凍機１０の全体構成を概略的に示す図である。図２および図３は、図１に示されるパルス管冷凍機１０の作動ガス回路構成を示す概略図である。図２は、パルス管冷凍機１０の吸気工程を示し、図３は、パルス管冷凍機１０の排気工程を示す。

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）方式のダブルインレット型パルス管冷凍機である。よって、コールドヘッド１４の室温部２４には、バッファ容積２６、例えばバッファタンクが接続されている。また、室温部２４は、２つの流路抵抗（例えば、オリフィス、または絞り弁など）を有する。以下では説明の便宜上、第１流路抵抗をダブルインレットオリフィス２８と称し、第２流路抵抗をバッファオリフィス３０と称する。ただし、流路抵抗をオリフィスのみに限定することを意図するものではない。

詳しくは後述するが、パルス管冷凍機１０は、室温部２４に収容された流路切替機構に関して、典型的なパルス管冷凍機と異なる。室温部２４は、ロータリーバルブではなく、スプールバルブ３２を備える。スプールバルブ３２は、バルブ駆動室３４と、バルブ駆動室３４の圧力に応じて第１位置と第２位置とを移動するスプール３６と、を備える。スプール３６は、第１位置で蓄冷器１８の高温端を圧縮機１２の吐出口に接続し、第２位置で蓄冷器１８の高温端を圧縮機１２の吸入口に接続する。また、パルス管冷凍機１０は、コールドヘッド１４から離れて配置され、バルブ駆動室３４の圧力を制御する圧力制御機構３８を備える。圧力制御機構３８は、駆動室吸気バルブＶ１と駆動室排気バルブＶ２とを有する。

圧縮機１２およびスプールバルブ３２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、スプールバルブ３２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、バッファ容積２６、ダブルインレットオリフィス２８、およびバッファオリフィス３０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。位相制御機構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。

一般に高圧ＰＨ及び低圧ＰＬはともに、パルス管冷凍機１０の周囲環境圧力（例えば大気圧）よりかなり高い。よって、高圧ＰＨ及び低圧ＰＬはそれぞれ、第１高圧及び第２高圧と呼ぶこともできる。通例、高圧ＰＨは例えば２～３ＭＰａである。低圧ＰＬは例えば０．５～１．５ＭＰａ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は、圧縮機吐出口１２ａから延び、高圧ライン分岐点４０ａで分岐し、コールドヘッド１４の高圧ポート４２と圧力制御機構３８の駆動室吸気バルブＶ１に接続されている。高圧ＰＨの作動ガスは高圧ライン１３ａを通じて、圧縮機１２からコールドヘッド１４へと、また圧縮機１２から圧力制御機構３８へと流れる。低圧ライン１３ｂは、圧縮機吸入口１２ｂから延び、低圧ライン分岐点４０ｂで分岐し、コールドヘッド１４の低圧ポート４４と圧力制御機構３８の駆動室排気バルブＶ２に接続されている。低圧ＰＬの作動ガスは低圧ライン１３ｂを通じて、コールドヘッド１４から圧縮機１２へと、また圧力制御機構３８から圧縮機１２へと流れる。

また、パルス管冷凍機１０には、バルブ駆動室ライン４６が設けられている。バルブ駆動室ライン４６は、バルブ駆動室３４から延び、途中で分岐し、駆動室吸気バルブＶ１と駆動室排気バルブＶ２に接続されている。

高圧ライン１３ａおよび低圧ライン１３ｂはそれぞれ、圧縮機１２とコールドヘッド１４と圧力制御機構３８を接続する剛性または可撓性の配管であってもよい。また、バルブ駆動室ライン４６は、コールドヘッド１４と圧力制御機構３８を接続する剛性または可撓性の配管であってもよい。

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。パルス管高温端１６ａおよびパルス管低温端１６ｂにはそれぞれ整流器が設けられていてもよい。同様に、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へと延在する。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。パルス管１６および蓄冷器１８が延びる方向をコールドヘッド１４の軸方向Ａと表す。

パルス管低温端１６ｂと蓄冷器低温端１８ｂは冷却ステージ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。

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り、蓄冷器１８は内部に蓄冷材を充填した円筒状の管であり、両者は互いに隣り合って各々の中心軸を平行として配置されている。パルス管１６および蓄冷器１８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および蓄冷器高温端１８ａは、冷却ステージ２０に対して同じ側に配置されている。このようにして、パルス管１６、蓄冷器１８、および冷却ステージ２０は、Ｕ字状に配置されている。

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、一例として、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であるが、これに限られない。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と蓄冷器高温端１８ａはフランジ部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４８に取り付けられる。支持部４８は、冷却ステージ２０および被冷却物１９を（蓄冷器１８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および蓄冷器１８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４８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４８に取り付けられるとき、パルス管１６、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。

このようにして、圧縮機１２、室温部２４、および圧力制御機構３８は周囲環境（例えば、室温大気圧環境）に配置される。バッファ容積２６も周囲環境に配置される。蓄冷器１８、パルス管１６、および冷却ステージ２０は周囲環境から隔離された環境（例えば、極低温真空環境）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。

室温部２４は、スプールバルブ３２を蓄冷器１８に接続する蓄冷器流路５０と、バッファ容積２６をパルス管１６に接続するバッファ流路５２と、冷却ステージ流路２１を迂回して蓄冷器１８をパルス管１６に接続するバイパス流路５４とを有する。バッファ容積２６は、高圧ＰＨと低圧ＰＬとの中間圧（例えば高圧ＰＨと低圧ＰＬの平均圧）を有する作動ガスの中間圧源として働く。

蓄冷器流路５０およびバッファ流路５２はそれぞれ、フランジ部２２を貫通して、蓄冷器高温端１８ａおよびパルス管高温端１６ａまで延びている。蓄冷器流路５０は、スプールバルブ３２の第２ガス室３５を蓄冷器高温端１８ａに接続する。ダブルインレットオリフィス２８は、バイパス流路５４の途中に設けられ、バッファオリフィス３０は、バッファ流路５２の途中に設けられている。バッファ流路５２は、バッファ容積２６をバッファオリフィス３０に接続し、さらに、バッファオリフィス３０をパルス管高温端１６ａに接続する。バイパス流路５４は、蓄冷器流路５０から分岐してダブルインレットオリフィス２８に接続され、さらに、ダブルインレットオリフィス２８から延びてバッファ流路５２に合流する。バイパス流路５４は、バッファオリフィス３０とパルス管高温端１６ａとの間でバッファ流路５２に接続されている。

よって、蓄冷器流路５０を通じてスプールバルブ３２と蓄冷器高温端１８ａとの間で作動ガスの流入および流出が可能であり、さらに、冷却ステージ流路２１を通じて蓄冷器１８とパルス管低温端１６ｂとの間で作動ガスの流入および流出が可能である。また、バッファ流路５２すなわちバッファオリフィス３０を通じてバッファ容積２６とパルス管高温端１６ａとの間で作動ガスの流入および流出が可能である。バイパス流路５４すなわちダブルインレットオリフィス２８を通じてスプールバルブ３２とパルス管高温端１６ａとの間で作動ガスの流入および流出が可能である。

スプールバルブ３２は、スプール３６を収容するとともにスプール３６の移動を案内するスリーブ５６を有する。バルブ駆動室３４は、スプール３６の一端とスリーブ５６との間に形成されている。バルブ駆動室３４は、スプールバルブ３２の第１ガス室と呼ぶこともできる。第２ガス室３５は、スプール３６の他端とスリーブ５６との間に形成されている。バルブ駆動室３４と第２ガス室３５は、スプール３６に対して互いに反対側に位置する。

スプール３６は、バルブ駆動室３４と第２ガス室３５の圧力差によってスリーブ５６に対して移動することができる。バルブ駆動室３４が第２ガス室３５より低圧であるとき、スプール３６は、バルブ駆動室３４を縮小し第２ガス室３５を拡張するようにスリーブ５６内を移動する（図において上向きに動く）。逆に、バルブ駆動室３４が第２ガス室３５より高圧であるとき、スプール３６は、バルブ駆動室３４を拡張し第２ガス室３５を縮小するようにスリーブ５６内を移動する（図において下向きに動く）。

スリーブ５６は、高圧ポート４２および低圧ポート４４として働く２つの貫通穴を有する。また、スリーブ５６には、別の２つの貫通穴が設けられ、その一方を通じてバルブ駆動室３４がバルブ駆動室ライン４６に連通し、他方を通じて第２ガス室３５が蓄冷器１８およびパルス管１６に連通している。

一例として、スプール３６は、コールドヘッド１４の軸方向Ａに延在する円柱状の部材であり、スリーブ５６は、コールドヘッド１４の軸方向Ａに延在しスプール３６と同軸配置された円筒状の内周面を有する部材である。スプール３６およびスリーブ５６はそれぞれ、ピストンおよびシリンダと呼ぶこともできる。高圧ポート４２および低圧ポート４４はスリーブ５６の側面に形成され、別の２つの貫通穴はそれぞれスリーブ５６の端面に形成されている。なおスプール３６とスリーブ５６の延在方向は、コールドヘッド１４の軸方向Ａに限られず、他の方向であってもよい。

また、スプールバルブ３２は、スプール３６とスリーブ５６との間のクリアランスに配置された複数のシール部材、具体的には、第１シール部材５８ａ、第２シール部材５８ｂ、第３シール部材５８ｃ、および第４シール部材５８ｄを有する。これらシール部材は、互いに異なる軸方向位置でスプール３６に装着され、スプール３６の周方向に延びている。シール部材は、例えばスリッパーシールまたはＯリングなどの作動ガスを密閉する部材であるが、望まれるシール性能を有する限り、その他の接触シールまたは非接触シールであってもよい。

スプールバルブ３２の内部の作動ガス空間は、シール部材によって、バルブ駆動室３４と第２ガス室３５を含む５つの区画に分離されている。残りの３つの区画は、スプール３６とスリーブ５６との間のクリアランスに形成されている。すなわち、クリアランスは、第１クリアランス領域６０ａ、第２クリアランス領域６０ｂ、および第３クリアランス領域６０ｃに分離され、これらはスプール３６の軸方向に互いに隣接している。

第１シール部材５８ａは、バルブ駆動室３４と第１クリアランス領域６０ａとの間に配置され、これらの間での直接の作動ガスの流通を防止または最小化するように構成されている。第２シール部材５８ｂは、第１クリアランス領域６０ａと第２クリアランス領域６０ｂとの間に配置され、これらの間での直接の作動ガスの流通を防止または最小化するように構成されている。第３シール部材５８ｃは、第２クリアランス領域６０ｂと第３クリアランス領域６０ｃとの間に配置され、これらの間での直接の作動ガスの流通を防止または最小化するように構成されている。第４シール部材５８ｄは、第３クリアランス領域６０ｃと第２ガス室３５との間に配置され、これらの間での直接の作動ガスの流通を防止または最小化するように構成されている。

スプール３６は、スプール主流路６２を有する。スプール主流路６２の一端は第２クリアランス領域６０ｂに連通し、スプール主流路６２の他端は第２ガス室３５に連通している。スプール主流路６２は、スプール３６の側面から端面へとスプール３６を貫通して形成されていてもよい。

また、スプール３６とスリーブ５６との間には、戻しバネ６４が設けられている。戻しバネ６４は、例えば、スプール３６の上死点と下死点との中間の初期位置にスプール３６を付勢する。戻しバネ６４は、スプール３６が上死点にあるときスプール３６を下向きに引き戻し、スプール３６が下死点にあるときスプール３６を上向きに引き戻すことができる。戻しバネ６４は、第２ガス室３５に収容されている。なお戻しバネ６４は、バルブ駆動室３４に設けられてもよい。また、戻しバネ６４を設けることは必須ではなく、スプールバルブ３２は戻しバネ６４を備えなくてもよい。

スプールバルブ３２は、蓄冷器高温端１８ａに隣接して配置されるようにコールドヘッド１４に固定されている。このようにすれば、蓄冷器流路５０の長さを短くすることができる。蓄冷器流路５０の長さは、バッファ流路５２の長さよりも、またはバイパス流路５４の長さよりも短くてもよい。一例として、スプールバルブ３２のスリーブ５６がフランジ部２２に固定され、蓄冷器高温端１８ａの直上に第２ガス室３５が配置されている。このようにすれば、蓄冷器流路５０の長さをできるだけ短くすることができる。

スプール主流路６２、第２ガス室３５、および蓄冷器流路５０は、パルス管冷凍機１０の冷凍能力に寄与しないいわゆる死容積（デッドボリューム）を形成する。したがって、蓄冷器流路５０の長さを短くすることにより、死容積を小さくすることができる。これは、パルス管冷凍機１０の冷凍能力の向上に役立つ。

図２および図３を参照して、スプールバルブ３２の動作を説明する。上述のように、図２にはパルス管冷凍機１０の吸気工程の様子が示され、図３にはパルス管冷凍機１０の排気工程の様子が示されている。スプールバルブ３２のスプール３６は、吸気工程において第１位置に移動し、排気工程において第２位置に移動する。第１位置および第２位置はそれぞれ、吸気位置および排気位置と呼ぶこともできる。

図２に示されるように、吸気工程においては、駆動室排気バルブＶ２が開かれ、駆動室吸気バルブＶ１は閉じている。圧縮機吸入口１２ｂがバルブ駆動室３４に連通され、バルブ駆動室３４の圧力は、低圧ＰＬとなる。このとき第２ガス室３５は低圧ＰＬより若干高い圧力を有する。なぜなら、コールドヘッド１４（すなわち蓄冷器１８およびパルス管１６）内の圧力変動はバルブ駆動室３４での圧力変動に対していくらか遅延しているからである。吸気工程の開始時点では、スプール３６は下死点またはその近傍に位置する（図２において第２ガス室３５に破線で示す）。バルブ駆動室３４と第２ガス室３５の圧力差によりスプール３６はバルブ駆動室３４を縮小するようにスリーブ５６内を軸方向に移動する（破線の矢印で示す）。戻しバネ６４の復元力もスプール３６の上動に役立つ。

スプール３６の上動によりスプール３６が第１位置、すなわち上死点またはその近傍に到達すると、第２クリアランス領域６０ｂが高圧ポート４２に隣接する。高圧ポート４２がスプール主流路６２を通じて第２ガス室３５に接続され、圧縮機吐出口１２ａから高圧ＰＨの作動ガスが蓄冷器１８およびパルス管１６に供給される。このとき低圧ポート４４には第３クリアランス領域６０ｃが隣接する。低圧ポート４４はスプール３６によって塞がれているので、蓄冷器１８およびパルス管１６と圧縮機吸入口１２ｂとの接続は遮断されている。

図３に示されるように、排気工程においては、駆動室吸気バルブＶ１が開かれ、駆動室排気バルブＶ２が閉じている。圧縮機吐出口１２ａがバルブ駆動室３４に連通され、バルブ駆動室３４の圧力は、高圧ＰＨとなる。このとき第２ガス室３５は高圧ＰＨより若干低い圧力を有する。排気工程の開始時点では、スプール３６は上死点またはその近傍に位置する（図２においてバルブ駆動室３４に破線で示す）。バルブ駆動室３４と第２ガス室３５の圧力差によりスプール３６はバルブ駆動室３４を拡張するようにスリーブ５６内を軸方向に移動する（破線の矢印で示す）。戻しバネ６４の復元力もスプール３６の下動に役立つ。

スプール３６の下動によりスプール３６が第２位置、すなわち下死点またはその近傍に到達すると、第２クリアランス領域６０ｂが低圧ポート４４に隣接する。低圧ポート４４がスプール主流路６２を通じて第２ガス室３５に接続され、圧縮機吸入口１２ｂへと作動ガスが排出され、パルス管１６および蓄冷器１８は低圧ＰＬとなる。このとき高圧ポート４２には第１クリアランス領域６０ａが隣接する。高圧ポート４２はスプール３６によって塞がれているので、蓄冷器１８およびパルス管１６と圧縮機吐出口１２ａとの接続は遮断されている。

このようにして、スプールバルブ３２は、圧縮機吐出口１２ａおよび圧縮機吸入口１２ｂを蓄冷器高温端１８ａに交互に接続するパルス管冷凍機１０の主圧力切替バルブとして機能する。圧力制御機構３８は、圧縮機吐出口１２ａおよび圧縮機吸入口１２ｂをスプールバルブ３２のバルブ駆動室３４に交互に接続し、スプール３６を適切に駆動するようにバルブ駆動室３４の圧力を制御することができる。

上述のように、典型的なパルス管冷凍機は、流路切替機構としてロータリーバルブを有し、ロータリーバルブの回転摺動面にはいくつかの作動ガスポートが設けられている。これら作動ガスポート間の相互接続を回転により切り替えるために、これらポートは回転摺動面において径方向に互いに異なる場所に配置される。ロータリーバルブ内で作動ガスに生じる圧力損失を低減するにはポートを広くとる必要があるが、これはロータリーバルブの径の拡大、つまり回転摺動面の面積増加を招く。回転摺動面が大きくなれば回転時に働く摩擦抵抗が大きくなるから、ロータリーバルブを駆動するのに必要なトルクも増加し、モータなどの駆動源も大型のものが必要になる。これは、ロータリーバルブの製造コストの上昇や、パルス管冷凍機の大型化などの不利益をもたらす。とくに、大きな冷凍能力を出力する大型のパルス管冷凍機に関しては、こうした不利益が顕著となりうる。

一般に、ＧＭ冷凍機など他の代表的な極低温冷凍機に比べてパルス管冷凍機は静粛な運転が可能であり、そのため、ノイズや振動を嫌う冷却用途に適する。ロータリーバルブは、たいていの場合、モータ、バルブロータ、およびバルブステータが一つのロータリーバルブユニットとして構成される。これをパルス管冷凍機のコールドヘッドに直接設置すれば、モータもコールドヘッドの一部をなす。このような設計を大型のパルス管冷凍機に採用したとすると、大型のモータがコールドヘッドに直接設置されることになる。大型モータは相応の電磁気的ノイズ及び／または機械的振動の発生源となるので、好ましくない。

こうしたノイズや振動の伝達を避けるために、ロータリーバルブユニットをコールドヘッドから離れた場所に配置し、両者を長い配管で接続する設計も考えられる。ところが、この設計では、ロータリーバルブの作動ガス出入口からコールドヘッドの蓄冷器までの配管容積も大きくなる。この容積は冷凍能力に寄与しない死容積であるから、その増加は望まれない。

このように、流路切替機構としてロータリーバルブを用いる既存のパルス管冷凍機では、ロータリーバルブからコールドヘッドに伝達されるノイズ・振動の十分な低減を、死容積の増加および冷凍能力の低下を避けることなく実現することは困難である。

これに対して、実施の形態に係るパルス管冷凍機１０は、スプールバルブ３２を備える。そのため、上述のようなロータリーバルブに起因する不利益が生じにくい。

スプールバルブ３２においては、スプール主流路６２などバルブ内部流路を拡張しても、それは駆動源の大型化に直接関係しない。スプールバルブ３２はバルブ駆動室３４の作動ガス圧によって流体的に動作する。そのため、バルブ駆動室３４の容積は比較的小さくてよい。よって、バルブ駆動室３４のサイズは小さく抑えつつ、スプールバルブ３２の内部流路を拡張することができ、それにより、スプールバルブ３２内で作動ガスに生じる圧力損失を低減することができる。ロータリーバルブを採用する場合に比べて、パルス管冷凍機１０のための流路切替機構の駆動源の大型化を抑制することができる。

また、圧力制御機構３８は、コールドヘッド１４から離れて配置される。そのため、圧力制御機構３８がノイズ源または振動源となりうるとしても、圧力制御機構３８からコールドヘッド１４へのノイズまたは振動の伝達は抑制される。加えて、バルブ駆動室３４の容積が小さくてよいので、圧力制御機構３８も比較的小型でよい。よって、圧力制御機構３８が発生させうるノイズまたは振動はそもそも小さく、コールドヘッド１４に与えうる影響も小さい。

上述のように、スプールバルブ３２は、蓄冷器高温端１８ａに隣接して配置されるようにコールドヘッド１４に固定されている。したがって、死容積となる蓄冷器流路５０を短くすることができ、パルス管冷凍機１０の冷凍能力が向上される。

圧力制御機構３８の具体的構成は種々ありうる。例えば、駆動室吸気バルブＶ１および駆動室排気バルブＶ２はそれぞれ、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，Ｖ２）は、電磁開閉弁であってもよい。各バルブ（Ｖ１，Ｖ２）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。あるいは、圧力制御機構３８は、ロータリーバルブの形式で構成されてもよい。

図４は、実施の形態に係る圧力制御機構３８の構成を概略的に示す図である。圧力制御機構３８は、圧縮機吐出口１２ａおよび圧縮機吸入口１２ｂをバルブ駆動室３４に交互に接続するロータリーバルブ６６を備える。

ロータリーバルブ６６は、モータ６６ａ、バルブロータ６６ｂ、バルブステータ６６ｃ、およびバルブハウジング６６ｄを備える。バルブロータ６６ｂおよびバルブステータ６６ｃはバルブハウジング６６ｄに収容され、両者はバルブ摺動面６６ｅで互いに面接触するように隣接して配置されている。バルブステータ６６ｃは、バルブハウジング６６ｄに固定されている。モータ６６ａは、バルブハウジング６６ｄの外側に設置され、モータ６６ａの出力軸がバルブハウジング６６ｄを貫通してバルブロータ６６ｂへと延びている。

バルブハウジング６６ｄの内部には、圧力室６６ｆが形成され、バルブロータ６６ｂおよびバルブステータ６６ｃは、圧力室６６ｆに配置されている。一例として、圧力室６６ｆには、高圧ライン１３ａが接続され、高圧ＰＨが導入されている。バルブステータ６６ｃには、低圧ライン１３ｂとバルブ駆動室ライン４６が接続されている。バルブステータ６６ｃとバルブハウジング６６ｄの間には少なくとも２つのシール部材が装着され、１つのシール部材によって低圧ライン１３ｂが圧力室６６ｆ（すなわち高圧ライン１３ａ）からシールされ、他の１つのシール部材によってバルブ駆動室ライン４６が低圧ライン１３ｂからシールされる。したがって、ロータリーバルブ６６の内部において高圧ライン１３ａ、低圧ライン１３ｂ、およびバルブ駆動室ライン４６の間での直接の作動ガスの流通は防止される。

モータ６６ａの駆動により出力軸が回転し、それにより、バルブロータ６６ｂがバルブステータ６６ｃに対して回転摺動する。バルブロータ６６ｂの回転摺動に伴ってバルブ摺動面６６ｅで流路接続が周期的に切り替わり、ロータリーバルブ６６は、高圧ライン１３ａと低圧ライン１３ｂをバルブ駆動室ライン４６に交互に接続する。

バルブロータ６６ｂとバルブステータ６６ｃからなるロータリーバルブ６６の具体的な流路構成は、種々の公知のものを適宜採用することができるので、詳細説明は省略する。上述の説明では、圧力室６６ｆに高圧ライン１３ａが接続され、バルブステータ６６ｃに低圧ライン１３ｂが接続されているが、これとは逆に、バルブステータ６６ｃに高圧ライン１３ａが接続され、圧力室６６ｆに低圧ライン１３ｂが接続される構成も可能である。

このように、圧力制御機構３８がロータリーバルブ６６として構成される場合には、極低温冷凍機のロータリーバルブの既存の設計を流用することができる。よって、圧力制御機構３８を容易に製造することができ、有利である。

図５は、第２の実施の形態に係るパルス管冷凍機１０の全体構成を概略的に示す図である。第２の実施の形態に係るパルス管冷凍機１０は、作動ガス回路の配管接続に関して、第１の実施の形態に係るパルス管冷凍機１０と異なり、その余については第１の実施の形態に係るパルス管冷凍機１０と共通する構成をもつ。以下、第２の実施の形態に係るパルス管冷凍機１０について、第１の実施の形態と異なる構成を中心に説明し、共通する構成については簡単に説明するか、あるいは説明を省略する。

第２の実施の形態に係るパルス管冷凍機１０においても、スプールバルブ３２が利用される。したがって、第１の実施の形態に係るパルス管冷凍機１０と同様に、スプールバルブ３２内で作動ガスに生じる圧力損失を低減することと、パルス管冷凍機１０のための流路切替機構の駆動源の大型化を抑制することを両立することができる。よって、コールドヘッドのための流路切替機構としてロータリーバルブを採用する既存の典型的なパルス管冷凍機に比べて、有利である。

図５に示されるように、パルス管冷凍機１０は、バルブ駆動室３４を圧力制御機構３８に接続する脱着可能な継手６８を備える。脱着可能な継手６８は、バルブ駆動室ライン４６の途中に設けられている。脱着可能な継手６８は、例えば、セルフシーリング・カップリングである。

脱着可能な継手６８は、比較的長い配管で圧力制御機構３８に接続されてもよい。例えば、脱着可能な継手６８は、コールドヘッド１４の室温部２４に近接してバルブ駆動室ライン４６に設置されていてもよい。この場合、脱着可能な継手６８は、圧縮機側配管４６ａにより圧力制御機構３８に接続され、コールドヘッド側配管４６ｂにより室温部２４（具体的にはスプールバルブ３２のバルブ駆動室３４）に接続されている。圧縮機側配管４６ａは、脱着可能な継手６８からバルブ駆動室３４までの流路長さ（コールドヘッド側配管４６ｂを含む）よりも長い。あるいは、脱着可能な継手６８は、室温部２４に隣接して設置されていてもよい。

このようにして、圧力制御機構３８を脱着可能な継手６８を介してコールドヘッド１４に接続しているので、バルブ駆動室ライン４６を長くして圧力制御機構３８をコールドヘッド１４から遠隔に配置することが容易となる。これは、圧力制御機構３８で発生しうる電磁気的ノイズ及び／または機械的振動のコールドヘッド１４への伝達を抑制することに役立つ。また、圧力制御機構３８は、脱着可能な継手６８によりコールドヘッド１４から取り外し可能に接続されているから、作業者は、圧力制御機構３８をコールドヘッド１４から取り外してメンテナンスを施すことができる。

また、比較的長い圧縮機側配管４６ａを使用することにより、バルブ駆動室ライン４６を長くしつつスプールバルブ３２はコールドヘッド１４に近接配置することができる。例えば、スプールバルブ３２を蓄冷器高温端１８ａに隣接して配置することができる。このようにすれば、蓄冷器流路５０を短くして死容積を小さくするとともに、圧力制御機構３８からコールドヘッド１４へのノイズや振動の伝達を抑制することができる。

脱着可能な継手６８は、パルス管冷凍機１０の作動ガス回路の他の場所に追加して設けられてもよい。図５に示されるように、例えば、脱着可能な継手６８が、高圧ライン１３ａおよび低圧ライン１３ｂの少なくとも一方に設けられてもよい。このようにすれば、圧縮機１２からコールドヘッド１４へのノイズや振動の伝達を抑制することができる。

また、パルス管冷凍機１０は、高圧ライン分岐点４０ａおよび低圧ライン分岐点４０ｂを有するマニホールド７０を備えてもよい。マニホールド７０を介して、圧縮機１２とコールドヘッド１４が接続され、かつ圧縮機１２と圧力制御機構３８が接続されている。マニホールド７０は、床面またはその他の静止部に固定されてもよい。圧縮機１２は、マニホールド７０から離れて配置され、配管により接続されている。このようにすれば、圧縮機１２からコールドヘッド１４へのノイズや振動の伝達を抑制することができる。

図５に示されるように、圧力制御機構３８は、マニホールド７０から離れて配置され、配管により接続されてもよい。あるいは、圧力制御機構３８は、マニホールド７０に設置されてもよい。

図６は、第２の実施の形態に係るパルス管冷凍機１０の他の構成を概略的に示す図である。パルス管冷凍機１０は、高圧ライン１３ａ、低圧ライン１３ｂ、およびバルブ駆動室ライン４６の少なくとも１つに設置されたノイズ遮断構造７２を備えてもよい。ノイズ遮断構造７２は、脱着可能な継手６８に直接にまたは配管を介して連結され、ノイズ遮断構造７２が設置された配管を伝達する電磁気的ノイズを遮断または低減するように構成されている。脱着可能な継手６８は、ノイズ遮断構造７２の少なくとも片側（図６においては両側）に設けられている。

一例として、ノイズ遮断構造７２は、一対のフランジ７２ａと、これらフランジ７２ａに挟持されたノイズ遮断体７２ｂとを備える。ノイズ遮断体７２ｂは、例えば、セラミックコーティングまたはフッ素樹脂コーティングなどの絶縁性コーティング材で被覆された金属体である。フランジ７２ａおよびノイズ遮断体７２ｂは、ボルトやナットなどの適宜の締結具により相互に固定されている。フランジ７２ａおよびノイズ遮断体７２ｂを貫通して、作動ガス流路が形成されている。

ノイズ遮断構造７２を設けることにより、圧縮機１２または圧力制御機構３８からコールドヘッド１４へのノイズの伝達をさらに抑制することができる。

図７および図８は、第３の実施の形態に係るパルス管冷凍機１０の作動ガス回路構成を示す概略図である。図７は、パルス管冷凍機１０の吸気工程を示し、図８は、パルス管冷凍機１０の排気工程を示す。第３の実施の形態に係るパルス管冷凍機１０は、スプールバルブ３２に関して、第１の実施の形態に係るパルス管冷凍機１０と異なり、その余については第１の実施の形態に係るパルス管冷凍機１０と共通する構成をもつ。以下、第３の実施の形態に係るパルス管冷凍機１０について、第１の実施の形態と異なる構成を中心に説明し、共通する構成については簡単に説明するか、あるいは説明を省略する。

スプールバルブ３２は、バルブ駆動室３４と反対側でスプール３６に隣接する背圧室７４と、バルブ駆動室３４および背圧室７４からシールされた接続流路７６とを備える。接続流路７６は、スプール３６が第１位置にあるとき蓄冷器高温端１８ａを圧縮機吐出口１２ａに接続し、スプール３６が第２位置にあるとき蓄冷器高温端１８ａを圧縮機吸入口１２ｂに接続する。

また、スプールバルブ３２は、スプール３６とスリーブ５６との間のクリアランスに配置された複数のシール部材、具体的には、第１シール部材５８ａ、第２シール部材５８ｂ、第３シール部材５８ｃ、および第４シール部材５８ｄを有する。これらのシール部材によって、スプールバルブ３２の内部の作動ガス空間は、バルブ駆動室３４、第１クリアランス領域６０ａ、第２クリアランス領域６０ｂ、第３クリアランス領域６０ｃ、および背圧室７４に分離されている。背圧室７４は、第４シール部材５８ｄによって第３クリアランス領域６０ｃからシールされている。

背圧室７４には、中間圧バッファ７８が接続されている。スリーブ５６の背圧室７４側の端面に形成された貫通穴を通じて、背圧室７４は中間圧バッファ７８と連通している。中間圧バッファ７８は、高圧ＰＨと低圧ＰＬとの中間圧ＰＭ（例えば高圧ＰＨと低圧ＰＬの平均圧）を有する。よって、背圧室７４の圧力は、中間圧ＰＭに保持される。

接続流路７６は、スプール３６の軸方向に関して第２シール部材５８ｂと第３シール部材５８ｃの間に配置されている。したがって、接続流路７６は、第２クリアランス領域６０ｂと連通している。言い換えれば、接続流路７６は、第２クリアランス領域６０ｂの流路幅を拡張している。第２クリアランス領域６０ｂすなわち接続流路７６は、スリーブ５６の側面に形成された貫通穴を通じて蓄冷器流路５０に連通している。接続流路７６は、一例として、スプール３６の円筒側面に形成された溝であり、スプール３６の周方向に全周にわたって延びている。あるいは、接続流路７６は、スプール３６を径方向に貫通していてもよい。

図７に示されるように、吸気工程においては、駆動室排気バルブＶ２が開かれ、駆動室吸気バルブＶ１は閉じている。圧縮機吸入口１２ｂがバルブ駆動室３４に連通され、バルブ駆動室３４の圧力は、低圧ＰＬとなる。背圧室７４は中間圧ＰＭを有するから、バルブ駆動室３４と背圧室７４の圧力差によりスプール３６はバルブ駆動室３４を縮小するようにスリーブ５６内を軸方向に移動する。

スプール３６の上動によりスプール３６が第１位置、すなわち上死点またはその近傍に到達すると、第２クリアランス領域６０ｂが高圧ポート４２に隣接する。高圧ポート４２が接続流路７６を通じて蓄冷器流路５０に接続され、圧縮機吐出口１２ａから高圧ＰＨの作動ガスが蓄冷器１８およびパルス管１６に供給される。このとき低圧ポート４４には第３クリアランス領域６０ｃが隣接する。低圧ポート４４はスプール３６によって塞がれているので、蓄冷器１８およびパルス管１６と圧縮機吸入口１２ｂとの接続は遮断されている。

図８に示されるように、排気工程においては、駆動室吸気バルブＶ１が開かれ、駆動室排気バルブＶ２が閉じている。圧縮機吐出口１２ａがバルブ駆動室３４に連通され、バルブ駆動室３４の圧力は、高圧ＰＨとなる。背圧室７４は中間圧ＰＭを有するから、バルブ駆動室３４と背圧室７４の圧力差によりスプール３６はバルブ駆動室３４を拡張するようにスリーブ５６内を軸方向に移動する。

スプール３６の下動によりスプール３６が第２位置、すなわち下死点またはその近傍に到達すると、第２クリアランス領域６０ｂが低圧ポート４４に隣接する。低圧ポート４４が接続流路７６を通じて蓄冷器流路５０に接続され、圧縮機吸入口１２ｂへと作動ガスが排出され、パルス管１６および蓄冷器１８は低圧ＰＬとなる。このとき高圧ポート４２には第１クリアランス領域６０ａが隣接する。高圧ポート４２はスプール３６によって塞がれているので、蓄冷器１８およびパルス管１６と圧縮機吐出口１２ａとの接続は遮断されている。

このようにして、スプールバルブ３２は、圧縮機吐出口１２ａおよび圧縮機吸入口１２ｂを蓄冷器高温端１８ａに交互に接続するパルス管冷凍機１０の主圧力切替バルブとして機能する。圧力制御機構３８は、圧縮機吐出口１２ａおよび圧縮機吸入口１２ｂをスプールバルブ３２のバルブ駆動室３４に交互に接続し、スプール３６を適切に駆動するようにバルブ駆動室３４の圧力を制御することができる。

第３の実施の形態に係るパルス管冷凍機１０においても、スプールバルブ３２内で作動ガスに生じる圧力損失を低減することと、パルス管冷凍機１０のための流路切替機構の駆動源の大型化を抑制することを両立することができる。よって、コールドヘッドのための流路切替機構としてロータリーバルブを採用する既存の典型的なパルス管冷凍機に比べて、有利である。

図２および図３を参照して説明した第２ガス室３５とは異なり、第３の実施の形態に係る背圧室７４は、スプールバルブ３２から蓄冷器１８への作動ガス流路から流体的に隔離されている。背圧室７４は、死容積（デッドボリューム）を形成しない。したがって、第３の実施の形態に係るパルス管冷凍機１０は、第１の実施の形態に係るパルス管冷凍機１０に比べて、死容積を小さくすることができるという利点がある。

図９および図１０は、第３の実施の形態に係るパルス管冷凍機１０の他の構成を概略的に示す図である。中間圧バッファ７８を設けることは、必須ではない。図９に示されるように、背圧室７４は、バッファ容積２６に接続されてもよい。また、図１０に示されるように、中間圧バッファ７８を設けることに代えて、背圧室７４は、蓄冷器高温端１８ａに接続されてもよい。この場合、背圧室７４を蓄冷器高温端１８ａに接続するオリフィスなどの第３流路抵抗８０が位相制御または流量制御のために設けられていてもよい。このようにしても、図７および図８を参照して説明したのと同様に、死容積を小さくすることができる。

図１１および図１２は、第４の実施の形態に係るパルス管冷凍機１０の作動ガス回路構成を示す概略図である。図１１は、パルス管冷凍機１０の吸気工程を示し、図１２は、パルス管冷凍機１０の排気工程を示す。第４の実施の形態に係るパルス管冷凍機１０は、スプールバルブ３２に関して、第３の実施の形態に係るパルス管冷凍機１０と異なり、その余については第３の実施の形態に係るパルス管冷凍機１０と共通する構成をもつ。以下、第４の実施の形態に係るパルス管冷凍機１０について、第３の実施の形態と異なる構成を中心に説明し、共通する構成については簡単に説明するか、あるいは説明を省略する。

第４の実施の形態に係るパルス管冷凍機１０においては、スプール３６は、一組の対向配置されたピストン８２を備える。２つのピストン８２は、１つのスリーブ５６に収められ、各ピストン８２の片側にバルブ駆動室３４が形成され、反対側すなわち２つのピストン８２の間に背圧室７４が形成されている。

２つのピストン８２は、同様の構成を有する。各ピストン８２は、ピストン８２とスリーブ５６との間のクリアランスに配置された４つのシール部材（５８ａ～５８ｄ）を有する。これらのシール部材によって、スプールバルブ３２の内部の作動ガス空間は、バルブ駆動室３４、第１クリアランス領域６０ａ、第２クリアランス領域６０ｂ、第３クリアランス領域６０ｃ、および背圧室７４に分離されている。背圧室７４は、２つのピストン８２それぞれの第４シール部材５８ｄの間に形成されている。

背圧室７４は、第３流路抵抗８０を通じて蓄冷器高温端１８ａに接続されている。ただし、これは必須ではなく、図７および図８に示されるように、背圧室７４は、中間圧バッファ７８に接続されてもよい。あるいは、図９に示されるように、背圧室７４は、バッファ容積２６に接続されてもよい。

また、各ピストン８２は、バルブ駆動室３４および背圧室７４からシールされた接続流路７６を備える。接続流路７６は、ピストン８２が第１位置にあるとき蓄冷器高温端１８ａを圧縮機吐出口１２ａに接続し、ピストン８２が第２位置にあるとき蓄冷器高温端１８ａを圧縮機吸入口１２ｂに接続する。接続流路７６は、第２クリアランス領域６０ｂと連通している。

スプールバルブ３２は、２つの接続流路７６を有するから、高圧ライン１３ａは、これら接続流路７６に接続されるように圧縮機吐出口１２ａから延びて途中で２つに分岐している。同様に、低圧ライン１３ｂも、２つの接続流路７６に接続されるように圧縮機吸入口１２ｂから延びて途中で２つに分岐している。スリーブ５６は、２つの高圧ポート４２と２つの低圧ポート４４を有する。バルブ駆動室ライン４６は、２つのバルブ駆動室３４に接続されるように圧力制御機構３８から延びて途中で２つに分岐している。蓄冷器流路５０は、２つの接続流路７６に接続されるように蓄冷器高温端１８ａから延びて途中で２つに分岐している。

図１１に示されるように、吸気工程においては、駆動室排気バルブＶ２が開かれ、駆動室吸気バルブＶ１は閉じている。圧縮機吸入口１２ｂがバルブ駆動室３４に連通され、バルブ駆動室３４の圧力は、低圧ＰＬとなる。背圧室７４は中間圧ＰＭを有するから、バルブ駆動室３４と背圧室７４の圧力差により２つのピストン８２はバルブ駆動室３４を縮小するようにスリーブ５６内を軸方向に移動する。２つのピストン８２は互いに離れるように逆向きに動く。

こうして各ピストン８２が第１位置に到達すると、第２クリアランス領域６０ｂが高圧ポート４２に隣接する。高圧ポート４２が接続流路７６を通じて蓄冷器流路５０に接続され、圧縮機吐出口１２ａから高圧ＰＨの作動ガスが蓄冷器１８およびパルス管１６に供給される。このとき低圧ポート４４には第３クリアランス領域６０ｃが隣接する。低圧ポート４４はピストン８２によって塞がれているので、蓄冷器１８およびパルス管１６と圧縮機吸入口１２ｂとの接続は遮断されている。

図１２に示されるように、排気工程においては、駆動室吸気バルブＶ１が開かれ、駆動室排気バルブＶ２が閉じている。圧縮機吐出口１２ａがバルブ駆動室３４に連通され、バルブ駆動室３４の圧力は、高圧ＰＨとなる。背圧室７４は中間圧ＰＭを有するから、バルブ駆動室３４と背圧室７４の圧力差により２つのピストン８２はバルブ駆動室３４を拡張するようにスリーブ５６内を軸方向に移動する。２つのピストン８２は互いに近づくように逆向きに動く。

こうして各ピストン８２が第２位置に到達すると、第２クリアランス領域６０ｂが低圧ポート４４に隣接する。低圧ポート４４が接続流路７６を通じて蓄冷器流路５０に接続され、圧縮機吸入口１２ｂへと作動ガスが排出され、パルス管１６および蓄冷器１８は低圧ＰＬとなる。このとき高圧ポート４２には第１クリアランス領域６０ａが隣接する。高圧ポート４２はピストン８２によって塞がれているので、蓄冷器１８およびパルス管１６と圧縮機吐出口１２ａとの接続は遮断されている。

このようにして、スプールバルブ３２は、圧縮機吐出口１２ａおよび圧縮機吸入口１２ｂを蓄冷器高温端１８ａに交互に接続するパルス管冷凍機１０の主圧力切替バルブとして機能する。圧力制御機構３８は、圧縮機吐出口１２ａおよび圧縮機吸入口１２ｂをスプールバルブ３２のバルブ駆動室３４に交互に接続し、ピストン８２を適切に駆動するようにバルブ駆動室３４の圧力を制御することができる。

第４の実施の形態に係るパルス管冷凍機１０においても、スプールバルブ３２内で作動ガスに生じる圧力損失を低減することと、パルス管冷凍機１０のための流路切替機構の駆動源の大型化を抑制することを両立することができる。よって、コールドヘッドのための流路切替機構としてロータリーバルブを採用する既存の典型的なパルス管冷凍機に比べて、有利である。

また、第４の実施の形態に係るパルス管冷凍機１０によれば、２つのピストン８２が対向配置され互いに逆向きに往復動するので、単一のスプール３６が往復動する場合に比べて、スプールバルブ３２が発生する振動を低減することができる。

図１３は、第４の実施の形態に係るパルス管冷凍機１０に適用可能なスプールバルブ３２の他の構成を概略的に示す図である。スプールバルブ３２は、振動を減衰させるための少なくとも１つのダンパー８４を備えてもよい。ダンパー８４は、ピストン８２とスリーブ５６との間の衝突の衝撃を緩和するように、ピストン８２とスリーブ５６との間に配置されていてもよい。また、ダンパー８４は、２つのピストン８２どうしの衝突の衝撃を緩和するように、２つのピストン８２の間に配置されていてもよい。図１３に示されるように、２つのバルブ駆動室３４と背圧室７４のそれぞれにダンパー８４が設置されてもよい。例示的な構成として、ダンパー８４は、固定部材８４ａと緩衝材８４ｂとを備えてもよい。ダンパー８４は、ダンパー８４を設けることにより、スプールバルブ３２が発生する振動をさらに低減することができる。

なお、ダンパー８４は、一つのスプール３６を有するスプールバルブ３２においてスプール３６とスリーブ５６との間の衝突の衝撃を緩和するように、スプール３６とスリーブ５６との間に配置されていてもよい。

図１４は、第４の実施の形態に係るパルス管冷凍機１０の他の構成を概略的に示す図である。対向ピストン型のスプールバルブ３２の構成は、４バルブ型パルス管冷凍機にも応用することができる。この場合、スプールバルブ３２は、圧縮機吐出口１２ａおよび圧縮機吸入口１２ｂを蓄冷器高温端１８ａに交互に接続するだけでなく、圧縮機吐出口１２ａおよび圧縮機吸入口１２ｂをパルス管高温端１６ａにも交互に接続するように構成されている。パルス管冷凍機１０は、ダブルインレットオリフィス２８およびバイパス流路５４を備えない。

図１４に示されるように、一方のピストン８２（図において上方のピストン８２）の接続流路７６は、蓄冷器流路５０を通じて蓄冷器高温端１８ａに接続されている。また、他方のピストン８２（図において下方のピストン８２）の接続流路７６は、パルス管流路８６を通じてパルス管高温端１６ａに接続されている。パルス管流路８６には、オリフィスなどの第４流路抵抗８８が位相制御または流量制御のために設けられていてもよい。

このようにすれば、一方のピストン８２（図において上方のピストン８２）が、圧縮機吐出口１２ａおよび圧縮機吸入口１２ｂを蓄冷器高温端１８ａに交互に接続するように動作し、他方のピストン８２（図において下方のピストン８２）が、圧縮機吐出口１２ａおよび圧縮機吸入口１２ｂをパルス管高温端１６ａに交互に接続するように動作することができる。

図１５および図１６は、第５の実施の形態に係るパルス管冷凍機１０の作動ガス回路構成を示す概略図である。図１５は、パルス管冷凍機１０の吸気工程を示し、図１６は、パルス管冷凍機１０の排気工程を示す。上述の実施の形態に係るパルス管冷凍機１０は、ダブルインレット型パルス管冷凍機であるのに対し、第５の実施の形態に係るパルス管冷凍機１０は、４バルブ型パルス管冷凍機として構成されている。以下、第５の実施の形態に係るパルス管冷凍機１０について、第１の実施の形態と異なる構成を中心に説明し、共通する構成については簡単に説明するか、あるいは説明を省略する。

スプールバルブ３２は、圧縮機吐出口１２ａおよび圧縮機吸入口１２ｂを蓄冷器高温端１８ａに交互に接続するだけでなく、圧縮機吐出口１２ａおよび圧縮機吸入口１２ｂをパルス管高温端１６ａにも交互に接続するように構成されている。単一のスプール３６を有するスプールバルブ３２についても、４バルブ型パルス管冷凍機として構成することは可能である。パルス管冷凍機１０は４バルブ型であるから、第１の実施の形態とは異なり、パルス管冷凍機１０は、ダブルインレットオリフィス２８およびバイパス流路５４を備えない。

スプールバルブ３２は、バルブ駆動室３４および第２ガス室３５を備える。バルブ駆動室３４は、スプール３６の一端とスリーブ５６との間に形成され、第２ガス室３５は、スプール３６の他端とスリーブ５６との間に形成されている。スプール３６は、バルブ駆動室３４と第２ガス室３５の圧力差によってスリーブ５６に対して移動することができる。スプール３６とスリーブ５６との間には、戻しバネ６４が設けられている。戻しバネ６４は、第２ガス室３５に収容されている。

スプール３６は、スプール主流路６２、スプール副吸気流路９０、およびスプール副排気流路９２を備える。スプール主流路６２は、スプール３６とスリーブ５６との間のクリアランスを第２ガス室３５に連通する。スプール主流路６２は、スプール３６の側面から端面へとスプール３６を貫通して形成されていてもよい。スプール副吸気流路９０およびスプール副排気流路９２は、一例として、スプール３６の円筒側面に形成された溝であり、スプール３６の周方向に全周にわたって延びている。スプール副吸気流路９０およびスプール副排気流路９２は、スプール３６の軸方向に互いに異なる位置に形成され、一方がバルブ駆動室３４側にあり、他方が第２ガス室３５側にある。

スリーブ５６は、２つの高圧ポート４２ａ，４２ｂと２つの低圧ポート４４ａ，４４ｂを有する。一方の高圧ポート４２ａは、圧縮機吐出口１２ａをスプール主流路６２に連通するためにスリーブ５６に設けられ、他方の高圧ポート４２ｂは、圧縮機吐出口１２ａをスプール副吸気流路９０に連通するためにスリーブ５６に設けられている。高圧ライン１３ａは、これら高圧ポート４２ａ，４２ｂに接続されるように圧縮機吐出口１２ａから延びて途中で２つに分岐している。一方の低圧ポート４４ａは、圧縮機吸入口１２ｂをスプール主流路６２に連通するためにスリーブ５６に設けられ、他方の低圧ポート４４ｂは、圧縮機吸入口１２ｂをスプール副排気流路９２に連通するためにスリーブ５６に設けられている。低圧ライン１３ｂは、これら低圧ポート４４ａ，４４ｂに接続されるように圧縮機吸入口１２ｂから延びて途中で２つに分岐している。

バルブ駆動室ライン４６は、圧力制御機構３８をバルブ駆動室３４に接続する。蓄冷器流路５０は、第２ガス室３５を蓄冷器高温端１８ａに接続する。また、スリーブ５６は、２つのパルス管ポート９４ａ，９４ｂを有する。一方のパルス管ポート９４ａは、パルス管高温端１６ａをスプール副吸気流路９０に連通するためにスリーブ５６に設けられ、他方のパルス管ポート９４ｂは、パルス管高温端１６ａをスプール副排気流路９２に連通するためにスリーブ５６に設けられている。パルス管流路８６は、これらパルス管ポート９４ａ，９４ｂに接続されるようにパルス管高温端１６ａから延びて途中で２つに分岐している。パルス管流路８６には、オリフィスなどの第４流路抵抗８８が位相制御または流量制御のために設けられていてもよい。

スプールバルブ３２は、スプール３６とスリーブ５６との間のクリアランスに配置された複数のシール部材（５８ａ～５８ｈ）を有する。これら８個のシール部材（５８ａ～５８ｈ）は、互いに異なる軸方向位置でスプール３６に装着され、スプール３６の周方向に延びている。スプールバルブ３２の内部の作動ガス空間は、シール部材（５８ａ～５８ｈ）によって、バルブ駆動室３４、第２ガス室３５、および７つのクリアランス領域（６０ａ～６０ｇ）に分離されている。８個のシール部材（５８ａ～５８ｈ）と７つのクリアランス領域（６０ａ～６０ｇ）は、軸方向に交互に配置されている。第１シール部材５８ａは、バルブ駆動室３４と第１クリアランス領域６０ａとの間に配置され、第８シール部材５８ｈは、第７クリアランス領域６０ｇと第２ガス室３５との間に配置されている。スプール副吸気流路９０は、第２シール部材５８ｂと第３シール部材５８ｃとの間に配置され、第２クリアランス領域６０ｂに連通している。スプール副排気流路９２は、第６シール部材５８ｆと第７シール部材５８ｇとの間に配置され、第６クリアランス領域６０ｆに連通している。

図１５に示されるように、吸気工程においては、駆動室排気バルブＶ２が開かれ、駆動室吸気バルブＶ１は閉じている。圧縮機吸入口１２ｂがバルブ駆動室３４に連通され、バルブ駆動室３４の圧力は、低圧ＰＬとなる。このとき第２ガス室３５は低圧ＰＬより若干高い圧力を有する。吸気工程の開始時点では、スプール３６は下死点またはその近傍に位置する。バルブ駆動室３４と第２ガス室３５の圧力差によりスプール３６はバルブ駆動室３４を縮小するようにスリーブ５６内を軸方向に移動する。戻しバネ６４の復元力もスプール３６の上動に役立つ。

スプール３６の上動によりスプール３６が第１位置、すなわち上死点またはその近傍に到達すると、第４クリアランス領域６０ｄが高圧ポート４２ａに隣接する。また、第２クリアランス領域６０ｂが高圧ポート４２ｂおよびパルス管ポート９４ａに隣接する。よって、高圧ポート４２ａがスプール主流路６２を通じて第２ガス室３５に接続され、圧縮機吐出口１２ａから高圧ＰＨの作動ガスが蓄冷器１８に供給され、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。また、高圧ポート４２ｂが、第２クリアランス領域６０ｂおよびスプール副吸気流路９０を通じてパルス管流路８６に接続され、圧縮機吐出口１２ａから高圧ＰＨの作動ガスがパルス管高温端１６ａに供給される。

このとき、低圧ポート４４ａには第５クリアランス領域６０ｅが隣接し、低圧ポート４４ｂには第７クリアランス領域６０ｇが隣接する。よって、低圧ポート４４ａ，４４ｂはスプール３６によって塞がれているので、蓄冷器１８およびパルス管１６と圧縮機吸入口１２ｂとの接続は遮断されている。また、パルス管ポート９４ｂには第６クリアランス領域６０ｆが隣接しているので、パルス管高温端１６ａからスプール副排気流路９２を通じた圧縮機吸入口１２ｂへの接続も遮断されている。

図１６に示されるように、排気工程においては、駆動室吸気バルブＶ１が開かれ、駆動室排気バルブＶ２が閉じている。圧縮機吐出口１２ａがバルブ駆動室３４に連通され、バルブ駆動室３４の圧力は、高圧ＰＨとなる。このとき第２ガス室３５は高圧ＰＨより若干低い圧力を有する。排気工程の開始時点では、スプール３６は上死点またはその近傍に位置する。バルブ駆動室３４と第２ガス室３５の圧力差によりスプール３６はバルブ駆動室３４を拡張するようにスリーブ５６内を軸方向に移動する。戻しバネ６４の復元力もスプール３６の下動に役立つ。

スプール３６の下動によりスプール３６が第２位置、すなわち下死点またはその近傍に到達すると、第４クリアランス領域６０ｄが低圧ポート４４ａに隣接する。また、第６クリアランス領域６０ｆが低圧ポート４４ｂおよびパルス管ポート９４ｂに隣接する。よって、低圧ポート４４ａがスプール主流路６２を通じて第２ガス室３５に接続され、圧縮機吸入口１２ｂへと作動ガスが排出され、パルス管１６および蓄冷器１８は低圧ＰＬとなる。また、低圧ポート４４ｂが、第６クリアランス領域６０ｆおよびスプール副排気流路９２を通じてパルス管流路８６に接続され、パルス管高温端１６ａから圧縮機吸入口１２ｂへと作動ガスが排出される。

このとき、高圧ポート４２ａには第３クリアランス領域６０ｃが隣接し、高圧ポート４２ｂには第１クリアランス領域６０ａが隣接する。高圧ポート４２ａ，４２ｂはスプール３６によって塞がれているので、蓄冷器１８およびパルス管１６と圧縮機吸入口１２ｂとの接続は遮断されている。また、パルス管ポート９４ａには第２クリアランス領域６０ｂが隣接しているので、圧縮機吐出口１２ａからスプール副吸気流路９０を通じたパルス管高温端１６ａへの接続も遮断されている。

このようにして、スプールバルブ３２は、圧縮機吐出口１２ａおよび圧縮機吸入口１２ｂを蓄冷器高温端１８ａに交互に接続するパルス管冷凍機１０の主圧力切替バルブとして機能する。加えて、スプールバルブ３２は、圧縮機吐出口１２ａおよび圧縮機吸入口１２ｂをパルス管高温端１６ａに交互に接続するパルス管冷凍機１０の副圧力切替バルブとして機能する。圧力制御機構３８は、圧縮機吐出口１２ａおよび圧縮機吸入口１２ｂをスプールバルブ３２のバルブ駆動室３４に交互に接続し、スプール３６を適切に駆動するようにバルブ駆動室３４の圧力を制御することができる。

第５の実施の形態に係るパルス管冷凍機１０においても、スプールバルブ３２内で作動ガスに生じる圧力損失を低減することと、パルス管冷凍機１０のための流路切替機構の駆動源の大型化を抑制することを両立することができる。よって、コールドヘッドのための流路切替機構としてロータリーバルブを採用する既存の典型的なパルス管冷凍機に比べて、有利である。

図１７から図１９は、実施の形態に係るパルス管冷凍機１０に適用可能な圧力制御機構３８の他の構成を概略的に示す図である。圧力制御機構３８は、種々の具体的構成をとりうる。

図１７に示されるように、パルス管冷凍機１０は、主たる圧縮機１２と補助圧縮機９６とを備えてもよい。圧縮機１２は、コールドヘッド１４のための作動ガスの高圧源および低圧源としてコールドヘッド１４に接続されている。補助圧縮機９６は、圧力制御機構３８のための作動ガスの高圧源および低圧源として圧力制御機構３８に接続されている。このようにして、コールドヘッド１４と圧力制御機構３８が別個の圧縮機を用いて運転されてもよい。

図１８に示されるように、圧力制御機構３８は、リニア圧縮機９７を備えてもよい。リニア圧縮機９７は、電磁石などのアクチュエータ９７ａと、アクチュエータ９７ａの駆動により往復動する圧縮機ピストン９７ｂと、バルブ駆動室ライン４６に接続された圧縮室９７ｃとを備える。圧縮室９７ｃにおいては、圧縮機ピストン９７ｂが前進するとき（図１８において圧縮機ピストン９７ｂが左に移動するとき）作動ガスが圧縮され、高圧の作動ガスが圧縮室９７ｃからバルブ駆動室ライン４６を通じてバルブ駆動室３４に供給される。圧縮機ピストン９７ｂが後退するとき（図１８において圧縮機ピストン９７ｂが右に移動するとき）圧縮室９７ｃの圧力は低下し、それにより、バルブ駆動室３４の圧力も低下する。このようにして、圧力制御機構３８は、バルブ駆動室３４の圧力を制御することができる。なお、リニア圧縮機９７は、公知の構成のものを適宜採用することができる。

図１９に示されるように、圧力制御機構３８は、アクチュエータ９８ａ、ベローズ９８ｂまたはその他の可動膜と、バルブ駆動室ライン４６に接続された圧縮室９８ｃと、を備えてもよい。アクチュエータ９８ａの駆動によりベローズ９８ｂが変形し、それにより圧縮室９８ｃの作動ガス圧力が制御される。したがって、圧力制御機構３８は、バルブ駆動室３４の圧力を制御することができる。

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。

ある実施の形態に関連して説明した種々の特徴は、他の実施の形態にも適用可能である。組合せによって生じる新たな実施の形態は、組み合わされる実施の形態それぞれの効果をあわせもつ。

例えば、第２の実施の形態において説明した脱着可能な継手６８は、第３の実施の形態、または第４の実施の形態、または第５の実施の形態に係るパルス管冷凍機１０に適用されてもよい。あるいは、脱着可能な継手６８は、図１７から図１９を参照して説明したパルス管冷凍機１０に適用されてもよい。

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、 １４ コールドヘッド、 １６ パルス管、 １８ 蓄冷器、 ３２ スプールバルブ、 ３４ バルブ駆動室、 ３６ スプール、 ３８ 圧力制御機構、 ６６ ロータリーバルブ、 ６８ 脱着可能な継手、 ７４ 背圧室、 ７６ 接続流路、 ８２ ピストン。

Claims (7)

1. パルス管および蓄冷器を備え、前記パルス管の低温端が前記蓄冷器の低温端に連結されたコールドヘッドと、
   バルブ駆動室と、前記バルブ駆動室の圧力に応じて第１位置と第２位置とを移動するスプールと、を備え、前記スプールは、前記第１位置で前記蓄冷器の高温端を圧縮機吐出口に接続し、前記第２位置で前記蓄冷器の高温端を圧縮機吸入口に接続するスプールバルブと、
   前記コールドヘッドから離れて配置され、前記バルブ駆動室の圧力を制御する圧力制御機構と、を備え、
   前記スプールは、一組の対向配置されたピストンを備えることを特徴とするパルス管冷凍機。
2. パルス管および蓄冷器を備え、前記パルス管の低温端が前記蓄冷器の低温端に連結されたコールドヘッドと、
   バルブ駆動室と、前記バルブ駆動室の圧力に応じて第１位置と第２位置とを移動するスプールと、を備え、前記スプールは、前記第１位置で前記蓄冷器の高温端を圧縮機吐出口に接続し、前記第２位置で前記蓄冷器の高温端を圧縮機吸入口に接続するスプールバルブと、
   前記コールドヘッドから離れて配置され、前記バルブ駆動室の圧力を制御する圧力制御機構と、を備え、
   前記スプールバルブは、前記バルブ駆動室と反対側で前記スプールに隣接し、前記圧縮機吐出口の圧力と前記圧縮機吸入口の圧力の中間圧に保持される背圧室を備えることを特徴とするパルス管冷凍機。
3. 前記スプールバルブは、前記バルブ駆動室および前記背圧室からシールされた接続流路であって、前記スプールが前記第１位置にあるとき前記蓄冷器の高温端を前記圧縮機吐出口に接続し、前記スプールが前記第２位置にあるとき前記蓄冷器の高温端を前記圧縮機吸入口に接続する接続流路を備えることを特徴とする請求項２に記載のパルス管冷凍機。
4. 前記バルブ駆動室を前記圧力制御機構に接続する脱着可能な継手をさらに備え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. 前記スプールバルブは、前記蓄冷器の高温端に隣接して配置されるように前記コールドヘッドに固定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. 前記圧力制御機構は、前記圧縮機吐出口および前記圧縮機吸入口を前記バルブ駆動室に交互に接続するロータリーバルブを備えることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のパルス管冷凍機。
7. 前記スプールバルブは、前記圧縮機吐出口および前記圧縮機吸入口を前記パルス管の高温端に交互に接続することを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載のパルス管冷凍機。

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