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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-12-22
(45)【発行日】2024-01-05
(54)【発明の名称】二段パルス管冷凍機
(51)【国際特許分類】
F25B 9/00 20060101AFI20231225BHJP
【ＦＩ】
F25B9/00 311
【請求項の数】
7
(21)【出願番号】P 2020051333
(22)【出願日】2020-03-23
(65)【公開番号】P2021148396
(43)【公開日】2021-09-27
【審査請求日】2022-11-16
(73)【特許権者】
【識別番号】000002107
【氏名又は名称】住友重機械工業株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100105924
【弁理士】
【氏名又は名称】森下 賢樹
(74)【代理人】
【識別番号】100116274
【弁理士】
【氏名又は名称】富所 輝観夫
(72)【発明者】
【氏名】平山 貴士
【審査官】森山 拓哉
(56)【参考文献】
【文献】特開２００５－１０６２９７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１２－０５７８７１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００８－０５１４０８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１４－１６９８５２（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｆ２５Ｂ ９／００
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
ダブルインレット型の二段パルス管冷凍機であって、
二段パルス管と、
前記二段パルス管の低温端に接続された蓄冷器と、
前記蓄冷器をバイパスして前記二段パルス管の高温端に接続されたダブルインレット流路であって、パルス管流入流れとパルス管流出流れが交互に流れる双方向流路であるダブルインレット流路と、
前記ダブルインレット流路に配置され、前記パルス管流入流れに第１圧力損失をもたらし、前記パルス管流出流れに第１圧力損失と異なる第２圧力損失をもたらすＤＣフロー発生器と、
前記ＤＣフロー発生器と直列に前記ダブルインレット流路に配置され、前記パルス管流入流れおよび前記パルス管流出流れの流量を調整する流量調整器と、を備えることを特徴とする二段パルス管冷凍機。
【請求項2】
４バルブ型の二段パルス管冷凍機であって、
二段パルス管と、
圧縮機と、
前記二段パルス管の高温端を前記圧縮機の吐出口と吸入口に交互に接続する圧力切替バルブと、
前記圧力切替バルブを前記二段パルス管の高温端に接続する双方向流路であって、パルス管流入流れとパルス管流出流れが交互に流れる双方向流路と、
前記双方向流路に配置され、前記パルス管流入流れに第１圧力損失をもたらし、前記パルス管流出流れに第１圧力損失と異なる第２圧力損失をもたらすＤＣフロー発生器と、
前記ＤＣフロー発生器と直列に前記双方向流路に配置され、前記パルス管流入流れおよび前記パルス管流出流れの流量を調整する流量調整器と、を備えることを特徴とする二段パルス管冷凍機。
【請求項3】
前記流量調整器は、前記パルス管流入流れおよび前記パルス管流出流れに等しい圧力損失をもたらすことを特徴とする請求項１または２に記載の二段パルス管冷凍機。
【請求項4】
前記流量調整器は、前記双方向流路の流路断面積を変化させる可変オリフィスを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二段パルス管冷凍機。
【請求項5】
前記ＤＣフロー発生器は、固定オリフィスを備え、前記パルス管流入流れに前記第１圧力損失をもたらす第１テーパ部を前記固定オリフィスの入口側に有し、前記パルス管流出流れに前記第２圧力損失をもたらす第２テーパ部を前記固定オリフィスの出口側に有し、前記第１テーパ部と前記第２テーパ部は、互いに異なるテーパ角度を有す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二段パルス管冷凍機。
【請求項6】
前記ＤＣフロー発生器は、前記パルス管流入流れを前記ＤＣフロー発生器の入口側で第１温度に調整し、前記パルス管流出流れを前記ＤＣフロー発生器の出口側で前記第１温度と異なる第２温度に調整するように、前記双方向流路に設けられた温度調整器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二段パルス管冷凍機。
【請求項7】
前記流量調整器は、入口側と出口側で対称な流路形状を有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二段パルス管冷凍機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、パルス管冷凍機に関する。
【背景技術】
【0002】
パルス管冷凍機には、パルス管と蓄冷器を含む冷媒ガスのループ経路が形成されるタイプがある。このループ経路には、「ＤＣフロー」とも称される、直流成分をもつガス流れが生成されうる。ＤＣフローは、パルス管冷凍機の冷凍性能に影響する。そこで、ＤＣフローを調節するために、オリフィスが組み込まれたニードルバルブがループ経路に配置される。このオリフィスは、ニードルバルブを通過する流れ方向に応じて流路の幾何学的形状が異なるように設計される（例えば、特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】特開２０１６－５７０１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
しかしながら、上述のＤＣフロー調節機構は、流路の形状が複雑であり、設計および製作が煩雑であり、コストも掛かる。また、ＤＣフローを調節するオリフィスがニードルバルブに組み込まれているため、ニードルの位置を調整するときＤＣフローが変化するだけでなく、ニードル位置に依存してニードルバルブを通過する総流量も変わる。流量とＤＣフローを独立して調節することが望まれる場面では、調節の困難さが増す。
【0005】
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ＤＣフローを調節する簡易な構成を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明のある態様によると、パルス管冷凍機は、パルス管と、パルス管に接続され、パルス管流入流れとパルス管流出流れが交互に流れる双方向流路と、双方向流路に配置され、パルス管流入流れに第１圧力損失をもたらし、パルス管流出流れに第１圧力損失と異なる第２圧力損失をもたらすＤＣフロー発生器と、ＤＣフロー発生器と直列に双方向流路に配置され、パルス管流入流れおよびパルス管流出流れの流量を調整する流量調整器と、を備える。
【0007】
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。
【発明の効果】
【0008】
本発明によれば、パルス管冷凍機のＤＣフローを調節する簡易な構成を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【図1】実施の形態に係るパルス管冷凍機の一部を概略的に示す図である。
【図2】実施の形態に係るＤＣフロー発生器の例示的な構成を概略的に示す図である。
【図3】他の実施の形態に係るパルス管冷凍機の一部を概略的に示す図である。
【図4】実施の形態に係るＤＣフロー発生器における圧力損失の温度依存性を示すグラフである。
【図5】実施の形態に係るパルス管冷凍機を概略的に示す図である。
【図6】実施の形態に係るパルス管冷凍機の他の例を概略的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0010】
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。
【0011】
図１は、実施の形態に係るパルス管冷凍機１０の一部を概略的に示す図である。パルス管冷凍機１０は、パルス管５０と、パルス管５０に接続された双方向流路５２と、を備える。双方向流路５２は、パルス管５０の高温端に接続され、パルス管５０に出入りする作動ガス（たとえばヘリウムガス）の流れが許容される。
【0012】
双方向流路５２には、ＤＣフロー発生器４０と流量調整器８０が直列に配置されている。なお図１に示される例では、流量調整器８０、ＤＣフロー発生器４０、パルス管５０の高温端の順に接続されているが、流量調整器８０とＤＣフロー発生器４０の配置は逆でもよく、すなわちＤＣフロー発生器４０、流量調整器８０、パルス管５０の高温端の順でもよい。
【0013】
双方向流路５２には、パルス管流入流れ５６とパルス管流出流れ５８が交互に流れる。パルス管流入流れ５６とパルス管流出流れ５８は、互いに反対向きの作動ガス流れである。パルス管流入流れ５６は、ＤＣフロー発生器４０をその入口側から通過し、パルス管５０に流入する。パルス管流出流れ５８は、パルス管５０から流出し、ＤＣフロー発生器４０をその出口側から通過する。パルス管流入流れ５６は、パルス管冷凍機１０の冷凍サイクルの一部分（例えば吸気工程の一部）において生成され、パルス管流出流れ５８は、パルス管冷凍機の冷凍サイクルの他の一部分（例えば排気工程の一部）において生成される。
【0014】
知られているように、パルス管冷凍機１０は、作動ガスの圧力振動に対しパルス管５０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適切に遅らせることによって、パルス管５０の低温端にＰＶ仕事を発生し、パルス管５０の低温端に設けられた冷却ステージを冷却することができる。このようにして、パルス管冷凍機１０は、冷却ステージに接触する気体、液体、または、冷却ステージに熱的に結合された物体を冷却することができる。パルス管冷凍機１０が二段式である場合、第１段の冷却ステージは例えば１００Ｋ未満（たとえば３０Ｋ～６０Ｋ程度）に冷却され、第２段の冷却ステージは例えば約４Ｋ程度またはそれ以下に冷却される。振動流発生源や位相制御機構などパルス管冷凍機１０の基本的な構成要素には、様々な公知の構成が適宜採用されうる。いくつかの例示的な構成は、図５および図６を参照して後述される。
【0015】
ＤＣフロー発生器４０は、パルス管流入流れ５６に第１圧力損失をもたらし、パルス管流出流れ５８に第１圧力損失と異なる第２圧力損失をもたらす。ＤＣフロー発生器４０は、入口側と出口側で異なる流路形状をもつ。この実施形態では、ＤＣフロー発生器４０は、固定オリフィス４１を備え、第１テーパ部４２を固定オリフィス４１の入口側に有し、第２テーパ部４３を固定オリフィス４１の出口側に有する。ＤＣフロー発生器４０のオリフィス形状は固定されている。
【0016】
第１テーパ部４２は、双方向流路５２を固定オリフィス４１に接続する。第１テーパ部４２の流路断面積は、作動ガスの流れ方向に沿って双方向流路５２から固定オリフィス４１へと徐々に小さくなっている。固定オリフィス４１は、流れ方向に沿って一定の流路断面積を有する。第２テーパ部４３は、流れ方向において第１テーパ部４２とは反対側で双方向流路５２を固定オリフィス４１に接続する。第２テーパ部４３の流路断面積は、流れ方向に沿って双方向流路５２から固定オリフィス４１へと徐々に小さくなっている。
【0017】
ただし、第１テーパ部４２と第２テーパ部４３は、互いに異なるテーパ角度を有する。第１テーパ部４２の第１テーパ角度θ１は、第２テーパ部４３の第２テーパ角度θ２とは異なる。これにより、第１テーパ部４２がパルス管流入流れ５６に第１圧力損失をもたらし、第２テーパ部４３がパルス管流出流れ５８に第２圧力損失をもたらす。
【0018】
補足すると、固定オリフィス４１は、パルス管流入流れ５６、パルス管流出流れ５８に縮流を発生させる。縮流に起因する圧力損失は、パルス管流入流れ５６とパルス管流出流れ５８それぞれが固定オリフィス４１に流入する流路形状に応じて異なる。
【0019】
この実施形態では、パルス管流入流れ５６は第１テーパ部４２から固定オリフィス４１を通過する一方、パルス管流出流れ５８は第２テーパ部４３から固定オリフィス４１を通過する。第１テーパ部４２の第１テーパ角度θ１は、第２テーパ部４３の第２テーパ角度θ２よりも大きい。テーパ角度が大きいほど、固定オリフィス４１を通過する流れに生じる圧力損失は増加すると考えられる。よって、パルス管流入流れ５６に生じる第１圧力損失は、パルス管流出流れ５８に生じる第２圧力損失よりも大きくなると見込まれる。
【0020】
本発明者の計算例によると、第１テーパ角度θ１を８０度、第２テーパ角度θ２を３０度とするとき、パルス管流入流れ５６には９４．５ｋＰａ、パルス管流出流れ５８には７９．５ｋＰａの圧力損失がもたらされる。また、パルス管流入流れ５６の最大流速は８８３ｍ／ｓ、パルス管流出流れ５８の最大流速は８１２ｍ／ｓとなる。この計算では、固定オリフィス４１の流路径を０．６ｍｍ、流路長さを０．５ｍｍ、第１テーパ部４２からの入口流量を３．９６×１０－５ｋｇ／ｓ、第２テーパ部４３の出口圧力を０Ｐａ、流体をヘリウム（理想気体）とし、気体の圧縮性を考慮している。
【0021】
このように、ＤＣフロー発生器４０の入口と出口で固定オリフィス４１へのテーパ角度を異ならせることによって、ＤＣフロー発生器４０がパルス管流入流れ５６、パルス管流出流れ５８にもたらす流路抵抗を異ならせることができる。ＤＣフロー発生器４０における流れ方向に依存する流路抵抗の違いは、パルス管冷凍機１０にＤＣフローを発生させる。上述の計算例では、パルス管流入流れ５６がパルス管流出流れ５８よりも流れにくくなっている。この場合、本発明者の知見によると、パルス管５０の低温端から高温端に向かうＤＣフロー６８が促進される。ＤＣフロー発生器４０のオリフィス形状を適切に設計することにより、ＤＣフロー６８を調節することができる。
【0022】
ＤＣフロー発生器４０を逆向きで双方向流路５２に配置すれば、逆向きのＤＣフローを発生させることができる。すなわち、パルス管流入流れ５６が第２テーパ部４３から流入し、パルス管流出流れ５８が第１テーパ部４２から流入する場合、パルス管５０の高温端から低温端に向かうＤＣフローが促進される。
【0023】
一般に、パルス管５０の高温端から低温端に向かうＤＣフローは望ましくないと考えられている。なぜなら、ＤＣフローが、パルス管高温端からパルス管低温端へと貫通する作動ガス流れを含む場合には、そうした作動ガス流れはパルス管高温端からパルス管低温端への熱侵入をもたらし、それによりパルス管冷凍機１０の冷凍効率が低下しうるためである。
【0024】
しかしながら、例えばパルス管冷凍機１０が大型で蓄冷器の流路抵抗が大きい場合など、パルス管冷凍機１０の設計に起因して、パルス管５０の低温端から高温端に向かう過剰なＤＣフローが発生し、冷凍性能に影響することも起こりうる。これを緩和するには、パルス管５０の高温端から低温端に向かうＤＣフローを発生させることが望まれる。
【0025】
ＤＣフロー発生器４０は、上述のように、パルス管５０の高温端から低温端に向かうＤＣフローを発生させうるので、上述の過剰なＤＣフローを緩和し、それにより起こりうるパルス管冷凍機１０の冷凍性能の低下を抑えることができる。
【0026】
パルス管流入流れ５６とパルス管流出流れ５８に異なる大きさの圧力損失をもたらすのは、入口側と出口側のテーパ角度の相違には限られない。ＤＣフロー発生器４０の入口側と出口側の流路形状の相違は、パルス管流入流れ５６とパルス管流出流れ５８に異なる圧力損失をもたらすと考えられる。よって、ＤＣフロー発生器４０は、パルス管流入流れ５６に第１圧力損失をもたらすように入口側に第１の幾何学的な流路形状を有し、パルス管流出流れ５８に第１圧力損失と異なる第２圧力損失をもたらすように出口側に第２の幾何学的な流路形状を有してもよい。第２の幾何学的な流路形状は、第１の幾何学的な流路形状とは異なる。
【0027】
流量調整器８０は、パルス管流入流れ５６およびパルス管流出流れ５８の流量を調整する。流量調整器８０は、双方向流路の流路断面積を変化させる可変オリフィスを備えてもよい。一例として、流量調整器８０は、流れの方向に垂直な方向に移動可能な弁体８２が双方向流路に配置されてもよい。これにより、流量調整器８０は、双方向流路５２の作動ガス流量を調整可能であってもよい。
【0028】
流量調整器８０は、パルス管流入流れ５６およびパルス管流出流れ５８に等しい圧力損失をもたらすように構成される。流量調整器８０は、入口側と出口側で対称な流路形状を有してもよい。このようにして、流量調整器８０は、ＤＣフロー６８を発生しないように構成される。
【0029】
本発明者の検討によれば、流量調整器８０によって調整される流量は、流量調整器８０の入口側と出口側の流路形状には依存せず、流量調整器８０の最小流路断面積にのみ依存することが判明している。
【0030】
したがって、ＤＣフロー発生器４０と流量調整器８０を別々に設置することにより、流量とＤＣフローの相互依存の度合いは顕著に低減され、または皆無となる。ＤＣフロー発生器４０の設計によりＤＣフロー６８を調節することができ、流量調整器８０を操作することによりパルス管流入流れ５６およびパルス管流出流れ５８の流量を調整することができる。流量とＤＣフローを独立して調節することが容易である。
【0031】
流量調整すなわち流路を絞る機能は流量調整器８０が担うので、ＤＣフロー発生器４０の流路断面積（例えば固定オリフィス４１の流路断面積）は、流量調整器８０の流路断面積（例えば流量調整器８０が実現しうる最小の流路断面積）よりも大きくてよい。ＤＣフロー発生器４０と流量調整器８０を分けることによって、ＤＣフロー発生器４０の流路断面積を比較的大きく設計することが許容される。これは、ＤＣフロー発生器４０の製作を容易にすることに役立つ。
【0032】
図２は、実施の形態に係るＤＣフロー発生器４０の例示的な構成を概略的に示す図である。ＤＣフロー発生器４０は、固定オリフィス４１を有する固定オリフィス部品４４と、第１テーパ部４２を有する第１テーパ流路部品４５と、第２テーパ部４３を有する第２テーパ流路部品４６と、を備えてもよい。固定オリフィス部品４４の一方側に第１テーパ流路部品４５が気密に固定され、第１テーパ部４２が固定オリフィス４１に接続される。固定オリフィス部品４４の他方側に第２テーパ流路部品４６が気密に固定され、第２テーパ部４３が固定オリフィス４１に接続される。また、第１テーパ流路部品４５と第２テーパ流路部品４６はそれぞれ双方向流路５２に気密に固定され、それによりＤＣフロー発生器４０が双方向流路５２に設置される。固定オリフィス部品４４、第１テーパ流路部品４５、第２テーパ流路部品４６は、それぞれ取り外し可能に取り付けられてもよい。
【0033】
テーパ角度の異なる複数のテーパ流路部品があらかじめ準備されてもよい。テーパ流路部品を交換することによって、ＤＣフロー発生器４０がパルス管流入流れ５６、パルス管流出流れ５８にもたらす圧力損失を調整し、それによりパルス管冷凍機１０のＤＣフロー６８を調節することができる。
【0034】
図３は、他の実施の形態に係るパルス管冷凍機１０の一部を概略的に示す図である。この実施形態においては、ＤＣフロー発生器４０の構成が異なる。ＤＣフロー発生器４０は、パルス管流入流れ５６をＤＣフロー発生器４０の入口側で第１温度に調整し、パルス管流出流れ５８をＤＣフロー発生器４０の出口側で第１温度と異なる第２温度に調整するように、双方向流路５２に設けられた温度調整器６２を備える。
【0035】
以下に述べるように、ＤＣフロー発生器４０は、温度調整器６２を使用して、ＤＣフロー６８をオリフィス形状に依存せずに発生させることができる。そのため、ＤＣフロー発生器４０のオリフィス形状が入口側と出口側で異なることはもはや必須ではない。よって、ＤＣフロー発生器４０は、入口側と出口側で同じ流路形状をもつシンプルな固定オリフィスであってもよい。固定オリフィスは、パルス管流入流れ５６およびパルス管流出流れ５８の方向に直交しオリフィスの中心を通る対称面６０に関して面対称である。
【0036】
温度調整器６２は、パルス管流入流れ５６をＤＣフロー発生器４０の入口側で加熱するヒーター６４を備える。ヒーター６４は、ＤＣフロー発生器４０の入口側で双方向流路５２に配置される。ヒーター６４は、例えば電気ヒーターなど適宜の加熱器具であってもよい。あるいは、ヒーター６４は、バッファ容積、圧縮機など発熱するパルス管冷凍機１０の構成要素または周辺機器からの排熱を利用して加熱する加熱器具でもよい。ヒーター６４は、作動ガスよりも高温の温調流体と作動ガスの熱交換により作動ガスを加熱する熱交換器でもよい。
【0037】
パルス管流入流れ５６はヒーター６４によって第１温度に加熱された状態でＤＣフロー発生器４０に流入する。そして、パルス管流入流れ５６は、ＤＣフロー発生器４０を通過してパルス管５０の高温端からパルス管５０に流入する。パルス管５０の高温端の周りは周囲温度（例えば室温）であるから、パルス管５０に流入した作動ガスは放熱し温度が下がり、第２温度となる。第２温度は、第１温度よりも低い。こうして、ＤＣフロー発生器４０の出口側からＤＣフロー発生器４０に流入するときのパルス管流出流れ５８は、ＤＣフロー発生器４０の入口側でのパルス管流入流れ５６に比べて低い温度を有する。ＤＣフロー発生器４０に流入する作動ガス流れは、流れの方向によって温度が異なる。
【0038】
図４は、実施の形態に係るＤＣフロー発生器４０における圧力損失の温度依存性を示すグラフである。図４には、図３に示されるＤＣフロー発生器４０をヘリウムガスが通過するときガス流れに生じる流路抵抗についての解析と実験の結果が示される。横軸は、ＤＣフロー発生器４０の最小断面積（ｍｍ２）、すなわち対称面６０における流路断面積を示す。縦軸は、ＤＣフロー発生器４０の流路抵抗（ＭＰａ）を示し、これはＤＣフロー発生器４０の出口側を大気圧としたときの入口側での圧力に相当する。
【0039】
図４において、三角の符号は、ＤＣフロー発生器４０に流入するガスの温度を４００Ｋに加熱した場合についての計算結果を示し、菱形の符号は、ＤＣフロー発生器４０に流入するガスの温度が３００Ｋである場合についての計算結果を示す。丸印は実験結果を示す。
【0040】
計算結果は、実験結果と同様に、流路断面積が大きくなるほど流路抵抗が小さくなることを示している。よって、計算結果が示す流路抵抗の変化の傾向は、実験により裏付けられ、信頼できると評価される。３００Ｋでの流路抵抗（約０．１１ＭＰａ＠０．２８ｍｍ２）と４００Ｋ（約０．１５ＭＰａ＠０．２８ｍｍ２）での流路抵抗を比べると、４００Ｋでの流路抵抗が３００Ｋでの流路抵抗に対しておよそ１．３倍に増えている。
【0041】
このように、ＤＣフロー発生器４０に流入するガスの温度を異ならせることによって、ＤＣフロー発生器４０がそこを通過するガス流れにもたらす流路抵抗を異ならせることができる。ＤＣフロー発生器４０における流れ方向に依存する流路抵抗の違いは、パルス管冷凍機１０にＤＣフロー６８を発生させる。
【0042】
パルス管流入流れ５６がＤＣフロー発生器４０の入口側で第１温度（例えば４００Ｋ）を有し、パルス管流出流れ５８がＤＣフロー発生器４０の出口側で第２温度（例えば３００Ｋ）を有するとき、ＤＣフロー発生器４０の流路抵抗差により、パルス管流入流れ５６がパルス管流出流れ５８よりも流れにくくなる。この場合、本発明者の知見によると、パルス管５０の低温端から高温端に向かうＤＣフロー６８が促進される。
【0043】
第１温度と第２温度の温度差は、上述の例では１００Ｋであり、例えば５０Ｋ～１５０Ｋの範囲にあってもよい。温度調整器６２は、この温度範囲から選択される温度差を、ＤＣフロー発生器４０の入口側でのパルス管流入流れ５６とＤＣフロー発生器４０の出口側でのパルス管流出流れ５８との間に発生させるように構成されてもよい。
【0044】
また、温度調整器６２は、温度差を制御するように構成されてもよい。温度差を変え、流路抵抗差を変化させることによって、温度調整器６２は、ＤＣフロー６８を制御することができる。
【0045】
図３に示されるように、温度調整器６２は、パルス管流出流れ５８をＤＣフロー発生器４０の出口側で冷却するクーラー６６を備えてもよい。クーラー６６は、ＤＣフロー発生器４０の出口側で双方向流路５２に配置される。クーラー６６は、液冷式の熱交換器、空冷式の熱交換器、例えばペルチェ素子など冷却素子を用いる冷却器、またはその他適宜の冷却器であってもよい。
【0046】
ヒーター６４と組み合わせてクーラー６６を設けることにより、所定の温度差を実現するためのヒーター６４の加熱温度を低くすることができる。例えば、クーラー６６が無くＤＣフロー発生器４０の出口側で作動ガスが室温（例えば２０℃）にあるとき、１００℃の温度差を発生させるには、ヒーター６４は作動ガスを１２０℃に加熱しなければならない。しかし、クーラー６６が作動ガスを例えば－２０℃に冷却する場合には、１００℃の温度差を発生させるために、ヒーター６４は作動ガスを８０℃に加熱するだけで十分である。ヒーター６４の構成やパルス管冷凍機１０の耐熱性を簡素化しうる。
【0047】
また、ヒーター６４がＤＣフロー発生器４０の入口側で作動ガスの温度調整をするだけでなく、クーラー６６がＤＣフロー発生器４０の出口側でも作動ガスの温度調整をすることによって、より確実に温度差を管理することができる。
【0048】
クーラー６６によって、ヒーター６４で加熱されたパルス管流入流れ５６をパルス管５０に流入する前に冷却することができる。ガスが高温のままパルス管５０に流入し、パルス管冷凍機１０の冷凍性能に影響を及ぼすことを避けられる。
【0049】
温度調整器６２は、逆方向の温度差を生成することによって、逆向きのＤＣフローを発生させることもできる。例えば、ヒーター６４とクーラー６６を入れ替えて配置することによって、第１温度が第２温度よりも低くなる。ＤＣフロー発生器４０の入口側でのパルス管流入流れ５６が、ＤＣフロー発生器４０の出口側でのパルス管流出流れ５８に比べて低い温度を有する。パルス管流出流れ５８がパルス管流入流れ５６よりも流れにくくなり、パルス管５０の高温端から低温端に向かうＤＣフロー７０が促進される。
【0050】
図５は、実施の形態に係るパルス管冷凍機１０を概略的に示す図である。パルス管冷凍機１０は、ＧＭ（Gifford-McMahon）方式のダブルインレット型の二段パルス管冷凍機であり、二段部のＤＣフローを調節するために、上述のＤＣフロー発生器４０が適用される。また、流量調整器８０がＤＣフロー発生器４０と直列に設けられている。
【0051】
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、主圧力切替弁２２、第１段パルス管１１６、第１段蓄冷器１１８、第１段冷却ステージ１２０、第１段バッファ容積１２６、第１段ダブルインレット流路１３４、第１段バッファライン１３６を備える。主圧力切替弁２２は、蓄冷器連通路３２により第１段蓄冷器１１８に接続されている。第１段ダブルインレット流路１３４には第１段ダブルインレットオリフィス１２８が設けられ、第１段バッファライン１３６には第１段バッファオリフィス１３０が設けられている。
【0052】
加えて、パルス管冷凍機１０は、第２段パルス管２１６、第２段蓄冷器２１８、第２段冷却ステージ２２０、第２段バッファ容積２２６、第２段ダブルインレット流路２３４、第２段バッファライン２３６を備える。第２段蓄冷器２１８は、第１段蓄冷器１１８に直列に接続され、第２段蓄冷器２１８の低温端は、第２段パルス管２１６の低温端２１６ｂと連通している。
【0053】
第２段ダブルインレット流路２３４は、蓄冷器（１１８、２１８）をバイパスするように主圧力切替弁２２を第２段パルス管２１６に接続する。第２段ダブルインレット流路２３４が図１に示される双方向流路５２に相当し、第２段ダブルインレット流路２３４にはＤＣフロー発生器４０と流量調整器８０が設けられている。第２段ダブルインレット流路２３４は、蓄冷器連通路３２上の分岐部３２ａからＤＣフロー発生器４０と流量調整器８０を介して第２段パルス管高温端２１６ａに接続されている。第２段バッファライン２３６には、第２段バッファオリフィス２３０が設けられ、第２段バッファライン２３６は、第２段バッファオリフィス２３０を介して第２段バッファ容積２２６を第２段パルス管高温端２１６ａに接続する。
【0054】
ＧＭ方式のダブルインレット型のパルス管冷凍機それ自体はよく知られているから、パルス管冷凍機１０の各構成要素の詳細な説明は省略する。
【0055】
図５に示されるパルス管冷凍機１０は、第２段パルス管２１６、第２段ダブルインレット流路２３４、および蓄冷器（１１８、２１８）を含むループ経路を有する。したがって、このループ経路にＤＣフロー６８が発生しうる。第２段ダブルインレット流路２３４にＤＣフロー発生器４０を設けることにより、パルス管冷凍機１０のＤＣフロー６８を調節することができる。流量調整器８０をＤＣフロー発生器４０とは別に設けることにより、流量とＤＣフローを独立して調節することができる。
【0056】
図５に示されるパルス管冷凍機１０は第１段にもループ経路を有するから、ＤＣフロー発生器４０と流量調整器８０が第１段ダブルインレット流路１３４に設けられてもよい。
【0057】
図６は、実施の形態に係るパルス管冷凍機１０の他の例を概略的に示す図である。図６に示されるパルス管冷凍機１０は、ＧＭ方式の４バルブ型の二段パルス管冷凍機である。よって、パルス管冷凍機１０は、ダブルインレット流路に代えて、第１段副圧力切替弁（Ｖ３，Ｖ４）と第２段副圧力切替弁（Ｖ５，Ｖ６）を備える。以下では、両者の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。
【0058】
第１段副圧力切替弁（Ｖ３，Ｖ４）は、第１段パルス管１１６の高温端を圧縮機１２の吐出口と吸入口に交互に接続する。第１段副圧力切替弁（Ｖ３，Ｖ４）は、第１段パルス管連通路１４０により第１段パルス管１１６の高温端に接続される。第１段パルス管連通路１４０は、第１段流量調整要素１４２を有する。同様に、第２段副圧力切替弁（Ｖ５，Ｖ６）は、第２段パルス管２１６の高温端を圧縮機１２の吐出口と吸入口に交互に接続する。第２段副圧力切替弁（Ｖ５，Ｖ６）は、第２段パルス管連通路２４０により第２段パルス管２１６の高温端に接続される。第２段パルス管連通路２４０が図１に示される双方向流路５２に相当し、ＤＣフロー発生器４０と流量調整器８０が第２段パルス管連通路２４０に設けられている。ＧＭ方式の４バルブ型のパルス管冷凍機それ自体はよく知られているから、パルス管冷凍機１０の各構成要素の詳細な説明は省略する。
【0059】
図６に示されるパルス管冷凍機１０は、圧縮機１２、第２段パルス管２１６、および蓄冷器（１１８、２１８）を含むループ経路を有する。したがって、このループ経路にＤＣフロー６８が発生しうる。第２段パルス管連通路２４０にＤＣフロー発生器４０を設けることにより、パルス管冷凍機１０のＤＣフロー６８を調節することができる。流量調整器８０をＤＣフロー発生器４０とは別に設けることにより、流量とＤＣフローを独立して調節することができる。
【0060】
図６に示されるパルス管冷凍機１０は第１段にもループ経路を有するから、ＤＣフロー発生器４０と流量調整器８０が第１段パルス管連通路１４０に設けられてもよい。
【0061】
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。
【0062】
上述の実施の形態では、ＤＣフロー発生器４０と流量調整器８０が双方向流路５２において隣接して配置される。しかし、ある実施の形態においては、ＤＣフロー発生器４０と流量調整器８０の間にパルス管冷凍機１０の他の構成要素が設けられてもよい。例えば、ＤＣフロー発生器４０を蓄冷器の高温端に接続し、流量調整器８０をパルス管の高温端に接続する配置も可能である。つまり、ＤＣフロー発生器４０と流量調整器８０の間に、蓄冷器、冷却ステージ、パルス管が配置されてもよい。あるいは、ＤＣフロー発生器４０が蓄冷器の低温端とパルス管の低温端との間に接続されてもよい。つまり、ＤＣフロー発生器４０と流量調整器８０の間にパルス管が配置されてもよい。言い換えれば、ＤＣフロー発生器４０と流量調整器８０が配置される双方向流路５２は、パルス管冷凍機１０におけるループ経路の全体を含みうる。ＤＣフロー発生器４０と流量調整器８０は、双方向流路５２としてのループ経路のなかで任意の場所に配置されうる。
【0063】
上述の実施の形態では、ダブルインレット型、４バルブ型のパルス管冷凍機を例に挙げて説明したが、本実施形態に係るＤＣフロー発生器と流量調整器８０の分離配置は、パルス管を含む作動ガスのループ経路が形成されるそのほかのパルス管冷凍機にも適用できる。また、パルス管冷凍機は、単段式、または三段そのほかの多段式のパルス管冷凍機であってもよい。
【0064】
実施の形態にもとづき、具体的な語句を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用の一側面を示しているにすぎず、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認められる。
【符号の説明】
【0065】
１０ パルス管冷凍機、 １２ 圧縮機、 ４０ ＤＣフロー発生器、 ４１ 固定オリフィス、 ４２ 第１テーパ部、 ４３ 第２テーパ部、 ５０ パルス管、 ５２ 双方向流路、 ５６ パルス管流入流れ、 ５８ パルス管流出流れ、 ６２ 温度調整器、 ８０ 流量調整器。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】