JP2000213820A

JP2000213820A - パルス管冷凍機

Info

Publication number: JP2000213820A
Application number: JP11018321A
Authority: JP
Inventors: Shiyoui Shiyu; 紹偉朱; Arata Kono; 新河野; Masabumi Nogawa; 正文野川; Tatsuo Inoue; 龍夫井上
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 1999-01-27
Filing date: 1999-01-27
Publication date: 2000-08-02

Abstract

(57)【要約】【課題】ＧＭ型チェック弁式パルス管冷凍機におい
て、冷凍効率を向上させること。【解決手段】ＧＭ型チェック弁式パルス管冷凍機１０
１のチェック弁回路６に中圧開閉弁７３及び中圧バッフ
ァタンク７２を備える中圧ユニット７０を付設する。高
圧開閉弁２４の切替え作動と低圧開閉弁２５の切替え作
動との間に中圧開閉弁７３の切替え作動を介在させる。
これにより、高圧開閉弁２４及び低圧開閉弁２５が切り
換わる際の圧力差を小さくし、冷凍効率を向上させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、パルス管冷凍機に
関するものであり、特に、ＧＭ型チェック弁式パルス管
冷凍機の改良に係るものである。

【０００２】

【従来の技術】従来から、図９に示すようなチェック弁
（逆止弁）を持つチェック弁式パルス管冷凍機が知られ
ている（Yoichi Matsubara and Mitsuhiro Kaneko, Per
formance of Modified Pulse Tube Refrigerator, Proc
eeding of Third Japanese-Sino Joint Seminar on Sma
ll Refrigerators & Related Topics, (1989), p.15
4）。このチェック弁式パルス管冷凍機２０１は、第１
低温端１ａ及び第１高温端１ｂを備えた蓄冷器１と、蓄
冷器１の第１高温端１ｂに連結された圧力振動装置２
と、蓄冷器１の第１低温端１ａに連通したコールドヘッ
ド３と、第２低温端４ａ及び第２高温端４ｂを備え第２
低温端４ａにてコールドヘッド３に連通したパルス管４
と、パルス管４の第２高温端４ｂに放熱器５を介して接
続されたチェック弁回路６を具備する。

【０００３】圧力振動装置２は、圧縮シリンダー２１と
この圧縮シリンダー２１内に往復動可能に配設された圧
縮ピストン２２とを具えて構成され、圧縮シリンダー２
１と圧縮ピストン２２とで圧縮室２３を画成している。

【０００４】チェック弁回路６は、パルス管４の第２高
温端４ｂに放熱器５を介して連通する第１連通路６５
と、入口６６ａ及び出口６６ｂを備え入口６６ａ側が第
１連通路６５に連結された高圧側チェック弁６６と、入
口６７ａ及び出口６７ｂを備え出口６７ｂ側が第１連通
路６５に連結された低圧側チェック弁６７と、高圧側チ
ェック弁６６の出口６６ｂ側に連結された高圧バッファ
タンク６１と、低圧側チェック弁６７の入口６６ａ側に
連結された低圧バッファタンク６２と、高圧バッファタ
ンク６１と低圧バッファタンク６２とをオリフィス６３
を介して連通する第２連通路６４とを備えて構成され
る。

【０００５】高圧側チェック弁６６はパルス管４側（入
口６６ａ側）から高圧バッファタンク６１側（出口６６
ｂ側）への作動流体の流通のみを可能とする一方向弁で
あり、低圧側チェック弁６７は低圧バッファタンク６２
（入口６７ａ側）側からパルス管４側（出口６７ｂ側）
への作動流体の流通のみを可能とする一方向弁である。

【０００６】このようなチェック弁式パルス管冷凍機で
は、オリフィス６３の開度を調整することで、冷凍機の
性能特性を簡単に変更することができることを最大の特
徴としている。

【０００７】また、この種のチェック弁式パルス管冷凍
機では、図１０に示すように、圧力振動装置２が、蓄冷
器１の第１高温端１ｂに連結された高圧開閉弁２４及び
低圧開閉弁２５と、吐出口２６ａ及び吸入口２６ｂを備
えた圧縮機２６と、圧縮機２６の吐出口２６ａと高圧開
閉弁２４とを連結する高圧通路２７と、圧縮機２６の吸
入口２６ｂと低圧開閉弁２５とを連結する低圧通路２８
とを備えて構成されるものも知られている。本明細書で
は、図９に示すものをスターリング（ＳＴ）型チェック
弁式パルス管冷凍機と、図１０に示すものをギフォード
・マクマホン（ＧＭ）型チェック弁式パルス管冷凍機と
呼ぶこととする。

【０００８】図１０に示すようなＧＭ型チェック弁式パ
ルス管冷凍機２０２では、圧力振動装置２を構成する圧
縮機２６の駆動と、高圧開閉弁２４と低圧開閉弁２５と
の開閉タイミングによって発生させた周期的な作動ガス
（一般的にはヘリウムガスを用いる）の圧力変動を作動
空間（蓄冷器１、コールドヘッド３、パルス管４、放熱
器５、第１連通路６５の内部空間やこれらを連通する空
間）側に導入し、その圧力変動と作動ガスの移動タイミ
ングを好適にマッチングさせることによってパルス管４
内で冷凍出力を発生させ、その冷凍出力をコールドヘッ
ド３を介して外部に取出すものである。尚、このときの
高圧開閉弁２４、低圧開閉弁２５、及び、中圧開閉弁７
３の１サイクルにおける弁開閉タイミングと、作動空間
内（主にパルス管４内）の圧力変化を示すグラフを併記
したものを図１１に示す。図１１における弁開閉タイミ
ングを示す部分において、太線部分がそれぞれの開閉弁
が開いている期間、細線部分がそれぞれの開閉弁が閉じ
ている期間である。

【０００９】高圧側チェック弁６６、低圧側チェック弁
６７、高圧バッファタンク６１、低圧バッファタンク６
２、オリフィス６３等から構成されるチェック弁回路６
は、主としてパルス管４内の作動ガスの移動タイミング
を制御する機能を果たす。即ち、高圧開閉弁２４が開い
て作動空間内の圧力が上昇し、ほぼサイクルの最高圧力
状態に達した時に高圧側チェック弁６６が開く。する
と、高圧バッファタンク６１内にパルス管４からの作動
ガスが導かれ、これに伴いパルス管４内の低温端４ａ側
の作動ガスが高温端４ｂ側に移動する。また、高圧開閉
弁２４が閉じて低圧開閉弁２５が開くと作動空間内の圧
力は下降し、ほぼサイクルの最低圧力状態に達した時に
低圧側チェック弁６７が開く。すると、低圧バッファタ
ンク６２からパルス管４側に作動ガスが流れ込み、これ
に伴いパルス管４内の高温端４ｂ側の作動ガスが低温端
４ａ側に移動する。このときオリフィス６３は、バッフ
ァタンク連通路６４を流れる作動ガスの流量を制御して
高圧バッファタンク６１と低圧バッファタンク６２内の
所定圧力を確保するために機能するものである（高圧バ
ッファタンク６１から低圧バッファタンク６２へは常に
作動ガスの流れが生じている必要がある。さもなけれ
ば、高圧側チェック弁６６と低圧側チェック弁６８を介
してガスの流れが生じなくなり、冷凍性能がほとんど失
われる。）。尚、高圧バッファタンク６１は、サイクル
の最高圧力よりも少し低い圧力（その圧力は、高圧側チ
ェック弁６６の開放圧力差の大きさとオリフィス６３の
流路径等によって決まる）に、低圧バッファタンクは、
サイクルの最低圧力よりも少し高い圧力（その圧力は、
低圧側チェック弁６８の開放圧力差の大きさとオリフィ
ス６３の流路径等によって決まる）に維持される。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】従来におけるＧＭ型チ
ェック弁式パルス管冷凍機の問題点は、高圧開閉弁、低
圧開閉弁を介しての損失（開閉弁損失）が発生すること
であった。その開閉弁損失を説明すると次の通りであ
る。即ち、サイクル中において、低圧開閉弁を閉じ高圧
開閉弁を開いた瞬間では、圧縮機の吐出口と高圧開閉弁
とを連通する高圧通路内の圧力はサイクルのほぼ最高圧
力状態にあり、一方作動空間側はサイクルのほぼ最低圧
力状態にあり、両者の間にはサイクル中における最高圧
力と最低圧力との圧力差が生じている。また、高圧開閉
弁を閉じ低圧開閉弁を開いた瞬間では、圧縮機の吸入口
と低圧開閉弁とを連通する低圧通路はサイクルのほぼ最
低圧力状態にあり、一方作動空間側はサイクルのほぼ最
高圧力状態にあり、両者の間には、サイクル中における
最高圧力と最低圧力との圧力差が生じている。このよう
に高圧及び低圧開閉弁が介在することによって、圧力振
動装置側（高圧通路、低圧通路）と作動空間側間に大き
な圧力差が生じ、そのような条件のもとで圧縮機が作動
することは無駄な仕事の増大につながり（大きな圧力差
のある空間の間での流体の移動は非可逆的な拡散過程が
生じるため）、それはＧＭ型チェック弁式パルス管冷凍
機の効率を低下させる大きな要因となっていた。

【００１１】故に、本発明は、上記実情に鑑みてなされ
たものであり、ＧＭ型チェック弁式パルス管冷凍機にお
いて、高圧及び低圧開閉弁が切り換わる際の圧力振動装
置側と作動空間側の圧力差を緩和し、冷凍効率を向上さ
せることを技術的課題とするものである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記技術的課題を解決す
るためになされた請求項１の発明は、第１低温端及び第
１高温端を備えた蓄冷器と、該蓄冷器の第１高温端に連
結された高圧開閉弁及び低圧開閉弁と、吐出口及び吸入
口を備え前記吐出口が前記高圧開閉弁に連結されるとと
もに前記吸入口が前記低圧開閉弁に連結された圧縮機
と、前記蓄冷器の第１低温端に連通したコールドヘッド
と、第２低温端及び第２高温端を備え前記第２低温端に
て前記コールドヘッドに連通したパルス管と、該パルス
管の第２高温端に接続されたチェック弁回路を備え、前
記チェック弁回路は、前記パルス管の第２高温端に連通
する第１連通路と、入口及び出口を備え入口側が前記第
１連通路に連結された高圧側チェック弁と、入口及び出
口を備え出口側が前記第１連通路に連結された低圧側チ
ェック弁と、前記高圧側チェック弁の出口側に連結され
た高圧バッファタンクと、前記低圧側チェック弁の入口
側に連結された低圧バッファタンクと、前記高圧バッフ
ァタンクと前記低圧バッファタンクとをオリフィスを介
して連通する第２連通路と、前記第１連通路に接続され
た中圧ユニットを備え、前記中圧ユニットは、前記第１
連通路に中圧通路で連通された中圧バッファタンクと、
前記中圧通路の途中に介装された中圧開閉弁とを具備す
ることを特徴とするパルス管冷凍機としたことである。

【００１３】上記発明によれば、パルス管冷凍機は、第
１低温端及び第１高温端を備えた蓄冷器と、蓄冷器の第
１高温端に連結された高圧開閉弁及び低圧開閉弁と、吐
出口及び吸入口を備え吐出口が高圧開閉弁に連結される
とともに吸入口が低圧開閉弁に連結された圧縮機と、蓄
冷器の第１低温端に連通したコールドヘッドと、第２低
温端及び第２高温端を備え第２低温端にてコールドヘッ
ドに連通したパルス管と、パルス管の第２高温端に接続
されたチェック弁回路を備える。チェック弁回路は、パ
ルス管の第２高温端に連通する第１連通路と、入口及び
出口を備え入口側が第１連通路に連結された高圧側チェ
ック弁と、入口及び出口を備え出口側が第１連通路に連
結された低圧側チェック弁と、高圧側チェック弁の出口
側に連結された高圧バッファタンクと、低圧側チェック
弁の入口側に連結された低圧バッファタンクと、高圧バ
ッファタンクと低圧バッファタンクとをオリフィスを介
して連通する第２連通路と、第１連通路に接続された中
圧ユニットを備える。そして、この中圧ユニットは、第
１連通路に中圧通路で連通された中圧バッファタンク
と、中圧通路の途中に介装された中圧開閉弁とを具えて
構成されている。このようにチェック弁回路に中圧開閉
弁及び中圧バッファタンクを備える中圧ユニットを付設
することにより、高圧開閉弁の切替え作動と低圧開閉弁
の切替え作動との間に中圧開閉弁の切替え作動を介在さ
せることができる。

【００１４】このため、例えば作動空間内が最高圧力で
ある状態から低圧開閉弁を開く前に、一旦中圧開閉弁を
開いて中圧バッファタンク内に作動空間内の作動ガスを
流すことにより作動空間内の圧力を中圧にまで低下させ
ることができ、低圧開閉弁が開いた瞬間の作動空間内と
低圧通路との圧力差を緩和することができる。同様に、
作動空間内が最低圧力である状態から高圧開閉弁を開く
前に、一旦中圧開閉弁を開いて中圧バッファタンク内か
ら作動空間内に作動ガスを流すことにより作動空間内の
圧力を中圧にまで上昇させることができ、高圧開閉弁が
開いた瞬間の作動空間内と高圧通路との圧力差を緩和す
ることができる。この圧力緩和により冷凍効率を向上さ
せることができる。

【００１５】尚、高圧側チェック弁及び低圧側チェック
弁は、いずれも入口から出口への流通のみを実質的に可
能とするものである。

【００１６】また、請求項２の発明は、請求項１におい
て、前記中圧ユニットは複数個設けられることを特徴と
するパルス管冷凍機とすることである。

【００１７】上記発明によれば、チェック弁回路に中圧
ユニットを複数個設けるので、作動空間が高圧状態から
低圧状態に切り換わるまでに複数の中圧状態とすること
ができる。このため高圧及び低圧開閉弁が切り換わる際
の圧力差をさらに小さくすることができ、冷凍効率をよ
り一層向上させることができる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て説明する。尚、以下の実施形態例において、従来技術
と同一部分については同一の符号で示すものとする。

【００１９】（第１実施形態例）図１は、本発明の第１
実施例におけるＧＭ型チェック弁式パルス管冷凍機の構
成概略図である。図において、ＧＭ型チェック弁式パル
ス管冷凍機１０１は、第１低温端１ａ及び第１高温端１
ｂを備えた蓄冷器１と、蓄冷器１の第１高温端１ｂに連
結された圧力振動装置２と、蓄冷器１の第１低温端１ａ
に連通したコールドヘッド３と、第２低温端４ａ及び第
２高温端４ｂを備え第２低温端４ａにてコールドヘッド
３に連通したパルス管４と、パルス管４の第２高温端４
ｂに放熱器５を介して接続されたチェック弁回路６を具
備する。

【００２０】圧力振動装置２は、蓄冷器１の第１高温端
１ｂに連結された高圧開閉弁２４及び低圧開閉弁２５
と、吐出口２６ａ及び吸入口２６ｂを備えた圧縮機２６
と、圧縮機２６の吐出口２６ａと高圧開閉弁２４とを連
結する高圧通路２７と、圧縮機２６の吸入口２６ｂと低
圧開閉弁２５とを連結する低圧通路２８とを備えて構成
される。

【００２１】チェック弁回路６は、パルス管４の第２高
温端４ｂに放熱器５を介して連通する第１連通路６５
と、入口６６ａ及び出口６６ｂを備え入口６６ａ側が第
１連通路６５に連結された高圧側チェック弁６６と、入
口６７ａ及び出口６７ｂを備え出口６７ｂ側が第１連通
路６５に連結された低圧側チェック弁６７と、高圧側チ
ェック弁６６の出口６６ｂ側に連結された高圧バッファ
タンク６１と、低圧側チェック弁６７の入口６６ａ側に
連結された低圧バッファタンク６２と、高圧バッファタ
ンク６１と低圧バッファタンク６２とをオリフィス６３
を介して連通する第２連通路６４とを備える。

【００２２】高圧側チェック弁６６はパルス管４側（入
口６６ａ側）から高圧バッファタンク６１側（出口６６
ｂ側）への作動流体の流通のみを可能とする一方向弁で
あり、低圧側チェック弁６７は低圧バッファタンク６２
側（入口６７ａ側）からパルス管４側（出口６７ｂ側）
への作動流体の流通のみを可能とする一方向弁である。

【００２３】本例において第１連通路６５は途中で二股
状に分岐して連通路６５ａ及び連通路６５ｂとなってお
り、連通路６５ａに高圧側チェック弁６６が接続され、
連通路６５ｂに低圧側チェック弁６７が接続されてい
る。

【００２４】また、第１連通路６５（連通路６５ａまた
は連通路６５ｂ）には中圧ユニット７０が接続されてい
る。この中圧ユニット７０は、第1連通路６５に連結さ
れた中圧通路７１と、この中圧通路７１によって第1連
通路に連通された中圧バッファタンク７２と、中圧通路
７１の途中に介装された中圧開閉弁７３を備えて構成さ
れている。

【００２５】上記構成のＧＭ型チェック弁式パルス管冷
凍機１０１において、圧力振動装置２を構成する圧縮機
２６の駆動と、高圧開閉弁２４と低圧開閉弁２５との開
閉タイミングによって発生させた周期的な作動ガスの圧
力変動を作動空間（蓄冷器１、コールドヘッド３、パル
ス管４、放熱器５、第1連通路６５の内部空間やこれら
を連通する空間）側に導入し、その圧力変動と作動ガス
の移動タイミングを好適にマッチングさせることによっ
てパルス管４内で冷凍出力を発生させ、その冷凍出力を
コールドヘッド３を介して外部に取出すものである。こ
こで、高圧側チェック弁６６、低圧側チェック弁６７、
高圧バッファタンク６１、低圧バッファタンク６２、オ
リフィス６３等から構成されるチェック弁回路６は、主
としてパルス管４内の作動ガスの移動タイミングを制御
する機能を果たす。即ち、高圧開閉弁２４が開いて作動
空間内の圧力が上昇し、ほぼサイクルの最高圧力状態に
達した時に高圧側チェック弁６６が開く。すると、高圧
バッファタンク６１内にパルス管４から作動ガスが流れ
込み、これに伴いパルス管４内の低温端４ａ側の作動ガ
スが高温端４ｂ側に移動する。また、高圧開閉弁２４が
閉じて低圧開閉弁２５が開くと作動空間内の圧力は下降
し、ほぼサイクルの最低圧力状態に達した時に低圧側チ
ェック弁６７が開く。すると、低圧バッファタンク６２
からパルス管４側に作動ガスが流れ込み、これに伴いパ
ルス管４内の高温端４ｂ側の作動ガスが低温端４ａ側に
移動する。このようにして作動空間内の作動ガスの移動
がなされる。また、このときオリフィス６３は、第2連
通路６４を流れる作動ガスの流量を制御して高圧バッフ
ァタンク６１と低圧バッファタンク６２の所定圧力を確
保するために機能する。尚、高圧バッファタンク６１
は、サイクルの最高圧力よりも少し低い圧力（その圧力
は、高圧側チェック弁６６の開放圧力差の大きさとオリ
フィス６３の流路径等によって決まる）に、低圧バッフ
ァタンクは、サイクルの最低圧力よりも少し高い圧力
（その圧力は、低圧側チェック弁６７の開放圧力差の大
きさとオリフィス６３の流路径等によって決まる）に維
持される。

【００２６】図２は、図１に示す本例のＧＭ型ダブルイ
ンレットパルス管冷凍機１０１における高圧開閉弁２
４、低圧開閉弁２５、及び、中圧開閉弁７３の１サイク
ルにおける弁開閉タイミングと、作動空間内（主にパル
ス管４内）の圧力変化を示すグラフを併記したものであ
る。尚、この図２の弁開閉タイミングを示す部分におい
て、太線部分がそれぞれの開閉弁が開いている期間、細
線部分がそれぞれの開閉弁が閉じている期間である。

【００２７】本例において、各開閉弁の状態は、１サイ
クル中に４つの状態になる。この４つの状態を、以下取
り得る順に説明する。この場合において、高圧通路２７
内の圧力、つまり圧縮機２６の吐出圧をＰ_Ｈ、低圧通路
２８内の圧力、つまり圧縮機２６の吸入圧をＰ_Ｌ、中圧
バッファタンク７２内の圧力をＰ_Ｍとし、圧力Ｐ_Ｈは圧
力Ｐ_Ｌよりも大きく（Ｐ_Ｈ＞Ｐ_Ｌ）、圧力Ｐ_Ｍは圧力Ｐ
_Ｈと圧力Ｐ_Ｌの中間の圧力（Ｐ_Ｍ＝（Ｐ_Ｈ＋Ｐ_Ｌ）／
２）とする。

【００２８】（１）状態ａ（高圧開閉弁２４開、低圧開
閉弁２５閉、中圧開閉弁７３閉）この状態では、高圧開閉弁２４のみが開であるので、圧
力振動装置２の高圧通路２７と作動空間が連通し、作動
空間の圧力が最高圧にまで上昇して高圧通路２７内の圧
力（圧力Ｐ_Ｈ）と等しくなる。

【００２９】（２）状態ｂ（高圧開閉弁２４閉、低圧開
閉弁２５閉、中圧開閉弁７３開）この状態では、中圧開閉弁７３のみが開である。状態ｂ
となる前（状態ａ）では、作動空間内は高圧状態（圧力
Ｐ_Ｈ）であったので、この状態では作動空間内の作動ガ
スは第１連通路６５、中圧連通路７１、中圧開閉弁７３
を経て中圧バッファタンク７２に流れ、作動空間内の圧
力が低下して中間バッファタンク７２の内圧（圧力
Ｐ_Ｍ）とほぼ等しくなる。

【００３０】（３）状態ｃ（高圧開閉弁２４閉、低圧開
閉弁２５開、中圧開閉弁７３閉）この状態では、低圧開閉弁２５のみが開である。状態ｃ
となる前（状態ｂ）では、作動空間内は中圧状態（圧力
Ｐ_Ｍ）であったので、作動空間内の作動ガスは低圧開閉
弁２５を介して圧縮機２６の吸入口２６ｂに流れ込み、
作動空間内の圧力が最低圧にまで低下して低圧通路２８
の内圧（圧力Ｐ_Ｌ）とほぼ等しくなる。

【００３１】（４）状態ｄ（高圧開閉弁２４閉、低圧開
閉弁２５閉、中圧開閉弁７３開）この状態では、中圧開閉弁７３のみが開である。状態ｄ
となる前（状態ｃ）では、作動空間内は低圧状態（圧力
Ｐ_Ｌ）であったので、中圧バッファタンク７２内の作動
ガスが中圧開閉弁７３、中圧連通路７１を経て第１連通
路６５から作動空間内に流れ、作動空間内の圧力が上昇
して中間バッファタンク７２の内圧（圧力Ｐ_Ｍ）とほぼ
等しくなる。

【００３２】上記状態（１）、（２）、（３）、（４）
をこの順で繰り返すように開閉弁を制御することによ
り、冷凍を発生する。

【００３３】このように、本例のＧＭ型チェック弁式パ
ルス管冷凍機１０１では、状態ａ（作動空間内の圧力が
サイクルのほぼ最高圧力となる状態）から状態ｃ（作動
空間内の圧力がサイクルのほぼ最低圧力となる状態）に
移行する間に状態ｂ（作動空間内の圧力が中圧バッファ
タンク７２内の圧力とほぼ等しくなる状態）を介在させ
ることができるので、状態ｂから状態ｃに切り換わった
瞬間、即ち低圧開閉弁２５が開いた瞬間は、作動空間内
の圧力は中圧状態（圧力Ｐ_Ｍ）にまで下降しており、作
動空間内の圧力と低圧通路２８内の圧力との圧力差を小
さくすることができる。同様に、状態ｃ（作動空間内の
圧力がサイクルのほぼ最低圧力となる状態）から状態ａ
（作動空間内の圧力がサイクルのほぼ最高圧力となる状
態）に移行する間に状態ｄ（作動空間内の圧力が中圧バ
ッファタンク７２内の圧力とほぼ等しくなる状態）を介
在させることができるので、状態ｄから状態ａに切り換
わった瞬間、即ち高圧開閉弁２４が開いた瞬間は、作動
空間内の圧力は中圧状態（圧力Ｐ_Ｍ）にまで上昇してお
り、作動空間内の圧力と高圧通路２７との圧力差を小さ
くすることができる。したがって、高圧及び低圧開閉弁
２４及び２５が開閉する際に発生する開閉弁損失を低減
することができ、ひいてはＧＭ型チェック弁式パルス管
冷凍機の冷凍効率を従来のものよりも向上させることが
できるものである。

【００３４】尚、本例においては、中圧バッファタンク
７２内の圧力Ｐ_Ｍを最高圧力Ｐ_Ｈと最低圧力Ｐ_Ｌの中間
の圧力（Ｐ_Ｍ＝（Ｐ_Ｈ＋Ｐ_Ｌ）／２）としたが、Ｐ_Ｍは
Ｐ_ＨとＰ_Ｌの間の圧力であれば、本例の効果を生じる。
最も顕著な効果が現れるのは、本例に示したようにＰ_Ｍ
をＰ_ＨとＰ_Ｌの中間の圧力とした場合である。

【００３５】図３は、本例におけるＧＭ型チェック弁式
パルス管冷凍機１０１を運転した際の、パルス管低温端
部４ａにおける仮想Ｐ−Ｖ線図である。尚、図４は、従
来技術で示したＧＭ型チェック弁式パルス管冷凍機２０
２（図１０）を運転した際のパルス管低温端部４ａにお
ける仮想Ｐ−Ｖ線図である。図３と図４を比較して明ら
かなように、本例におけるＧＭ型チェック弁式パルス管
冷凍機１０１の方が、従来技術におけるＧＭ型チェック
弁式パルス管冷凍機２０２よりもＰ−Ｖ線図で囲まれた
領域（ＰＶ仕事）を大きくすることができ、冷凍効率を
高めることができることがわかる。また、図３の場合は
図４の場合よりもＰＶ仕事の可変領域を大きくとること
ができる。このため、幅広い冷凍性能を実現することが
でき、被冷却体への冷凍適用範囲を広範にすることがで
きる。尚、本例で示した仮想Ｐ−Ｖ線図は定性的、相対
的なもので、実際にはいろいろな条件によって変化する
ものである。

【００３６】（第２実施形態例）図５は、第２実施形態
例におけるＧＭ型チェック弁式パルス管冷凍機の構成概
略図である。本例におけるＧＭ型チェック弁式パルス管
冷凍機１０２は、基本的には、上記第１実施形態例にお
いて説明した図１に示すＧＭ型チェック弁式パルス管冷
凍機１０１と同一構成であり、異なるところは、チェッ
ク弁回路６に連通した中圧ユニットが複数個付設されて
いることである。従って、上記第１実施形態例に示すも
のと同一部分については同一符号で示し、以下、上記第
１実施形態例とは異なる部分を中心に説明する。

【００３７】図において、ＧＭ型チェック弁式パルス管
冷凍機１０２は、第１低温端１ａ及び第１高温端１ｂを
備えた蓄冷器１と、蓄冷器１の第１高温端１ｂに連結さ
れた圧力振動装置２と、蓄冷器１の第１低温端１ａに連
通したコールドヘッド３と、第２低温端４ａ及び第２高
温端４ｂを備え第２低温端４ａにてコールドヘッド３に
連通したパルス管４と、パルス管４の第２高温端４ｂに
放熱器５を介して連通されたチェック弁回路６を具備す
る。

【００３８】圧力振動装置２の構成は上記第１実施形態
例と同一であるので、その説明を省略する。

【００３９】チェック弁回路６は、パルス管４の第２高
温端４ｂに放熱器５を介して連通する第１連通路６５
と、入口６６ａ及び出口６６ｂを備え入口６６ａ側が第
１連通路６５に連結された高圧側チェック弁６６と、入
口６７ａ及び出口６７ｂを備え出口６７ｂ側が第１連通
路６５に連結された低圧側チェック弁６７と、高圧側チ
ェック弁６６の出口６６ｂ側に連結された高圧バッファ
タンク６１と、低圧側チェック弁６７の入口６６ａ側に
連結された低圧バッファタンク６２と、高圧バッファタ
ンク６１と低圧バッファタンク６２とをオリフィス６３
を介して連通する第２連通路６４とを備える。

【００４０】高圧側チェック弁６６はパルス管４側から
高圧バッファタンク６１側への作動流体の流通のみを可
能とする一方向弁であり、低圧側チェック弁６７は低圧
バッファタンク６２側からパルス管４側への作動流体の
流通のみを可能とする一方向弁である。

【００４１】本例においても上記第１実施形態例と同様
に第１連通路６５は途中で二股状に分岐して連通路６５
ａ及び連通路６５ｂとなっており、連通路６５ａに高圧
側チェック弁６６が接続され、連通路６５ｂに低圧側チ
ェック弁６７が接続されている。

【００４２】また、第１連通路６５（連通路６５ａまた
は連通路６５ｂ）には第1中圧ユニット８０及び第2中圧
ユニット９０がそれぞれ接続されている。第1中圧ユニ
ット８０は、第1連通路６５に連結された第１中圧通路
８１と、この第１中圧通路８１によって第1連通路６５
に連通された第１中圧バッファタンク８２と、第１中圧
通路８１の途中に介装された第１中圧開閉弁８３を備え
て構成されている。第２中圧ユニット９０は、第１連通
路６５に連結された第２中圧通路９１と、この第２中圧
通路９１によって第１連通路６５に連通された第２中圧
バッファタンク９２と、第２中圧通路９１の途中に介装
された第２中圧開閉弁９３とを備えて構成されている。

【００４３】上記構成のＧＭ型チェック弁式パルス管冷
凍機１０２において、その冷凍発生の作動は上記第１実
施形態例と同一であるので、その説明を省略する。

【００４４】図６は、図５に示す本例のＧＭ型チェック
弁式パルス管冷凍機１０２における高圧開閉弁２４、低
圧開閉弁２５、第１中圧開閉弁８３、及び第２中圧開閉
弁９３の１サイクルにおける弁開閉タイミングと、作動
空間内（主にパルス管４内）の圧力変化を示すグラフを
併記したものである。尚、この図６の弁開閉タイミング
を示す部分において、太線部分がそれぞれの開閉弁が開
いている期間、細線部分がそれぞれの開閉弁が閉じてい
る期間である。

【００４５】本例において、各開閉弁の状態は、１サイ
クル中に６つの状態になる。この６つの状態を、以下取
り得る順に説明する。この場合において、高圧通路２７
内の圧力、つまり圧縮機２６の吐出圧をＰ_Ｈ、低圧通路
２８内の圧力、つまり圧縮機２６の吸入圧をＰ_Ｌ、第１
中圧バッファタンク８２内の圧力をＰ_Ｍ１、第２中圧バ
ッファタンク９２の圧力をＰ_Ｍ２とする。また、これら
の圧力の大きさの関係は、Ｐ_Ｈ＞Ｐ_Ｍ１＞Ｐ_Ｍ２＞Ｐ_Ｌ
とし、圧力Ｐ_Ｍ１と圧力Ｐ_Ｍ２は圧力Ｐ_ＨとＰ_Ｌとの間
を等間隔に３等分する値における圧力とする（Ｐ_Ｍ１＝
（２Ｐ_Ｈ＋Ｐ_Ｌ）／３、Ｐ_Ｍ２＝（Ｐ_Ｈ＋２Ｐ_Ｌ）／
３）。

【００４６】（１）状態ａ（高圧開閉弁２４開、低圧開
閉弁２５閉、第１中圧開閉弁８３閉、第２中圧開閉弁９
３閉）この状態では、高圧開閉弁２４のみが開であるので、圧
力振動装置２の高圧通路２７と作動空間が連通し、作動
空間内圧が最高圧にまで上昇して高圧通路２７内の圧力
（圧力Ｐ_Ｈ）と等しくなる。

【００４７】（２）状態ｂ（高圧開閉弁２４閉、低圧開
閉弁２５閉、第１中圧開閉弁８３開、第２中圧開閉弁９
３閉）この状態では、第１中圧開閉弁８３のみが開である。状
態ｂとなる前（状態ａ）では、作動空間内は高圧状態
（圧力Ｐ_Ｈ）であったので、作動空間内の作動ガスは第
１連通路６５から第１中圧連通路８１、第１中圧開閉弁
８３を介して第１中圧バッファタンク８２に流れ、作動
空間内の圧力が低下して第１中間バッファタンク８２の
内圧（圧力Ｐ_Ｍ１）とほぼ等しくなる。

【００４８】（３）状態ｃ（高圧開閉弁２４閉、低圧開
閉弁２５閉、第１中圧開閉弁８３閉、第２中圧開閉弁９
３開）この状態では、第２中圧開閉弁９３のみが開である。状
態ｃとなる前（状態ｂ）では、作動空間内は第１中圧バ
ッファタンク８２内の圧力Ｐ_Ｍ１であったので、作動空
間内の作動ガスは第１連通路６５から第２中圧連通路９
１、第２中圧開閉弁９３を介して第２中圧バッファタン
ク９２に流れ、作動空間内の圧力がさらに低下して第２
中間バッファタンク９２の内圧（圧力Ｐ_Ｍ２）とほぼ等
しくなる。

【００４９】（４）状態ｄ（高圧開閉弁２４閉、低圧開
閉弁２５開、第１中圧開閉弁８３閉、第２中圧開閉弁９
３閉）この状態では、低圧開閉弁２５のみが開である。状態ｄ
となる前（状態ｃ）では、作動空間内の圧力は第２中圧
バッファタンク９２内の圧力Ｐ_Ｍ２であったので、作動
空間内の作動ガスは低圧開閉弁２５を介して圧縮機２６
の吸入口２６ｂに流れ込み、作動空間内の圧力が最低圧
にまで低下して低圧通路２８の内圧（圧力Ｐ_Ｌ）とほぼ
等しくなる。

【００５０】（５）状態ｅ（高圧開閉弁２４閉、低圧開
閉弁２５閉、第１中圧開閉弁８３閉、第２中圧開閉弁９
３開）この状態では、第２中圧開閉弁９３のみが開である。状
態ｅとなる前（状態ｄ）では、作動空間内は低圧状態
（圧力Ｐ_Ｌ）であったので、第２中圧バッファタンク９
２内の作動ガスが第２中圧開閉弁９３を介して第２中圧
連通路９１、第１連通路６５を通って作動空間内に流
れ、作動空間内の圧力が上昇して第２中間バッファタン
ク９２の内圧（圧力Ｐ_Ｍ２）とほぼ等しくなる。

【００５１】（６）状態ｆ（高圧開閉弁２４閉、低圧開
閉弁２５閉、第１中圧開閉弁８３開、第２中圧開閉弁９
３閉）この状態では、第１中圧開閉弁８３のみが開である。状
態ｆとなる前（状態ｅ）では、作動空間内圧は第２中圧
バッファタンク９２内の圧力Ｐ_Ｍ２であったので、第１
中圧バッファタンク８２内の作動ガスが第１中圧開閉弁
８３を介して第１中圧連通路８１、第１連通路６５を通
って作動空間内に流れ、作動空間内の圧力が上昇して第
１中間バッファタンク８２の内圧（圧力Ｐ_Ｍ１）とほぼ
等しくなる。

【００５２】上記状態（１）、（２）、（３）、
（４）、（５）、（６）をこの順で繰り返すように開閉
弁を制御することにより、冷凍を発生するものである。

【００５３】このように、本例のＧＭ型チェック弁式パ
ルス管冷凍機１０２では、状態ａ（作動空間内の圧力が
サイクルのほぼ最高圧力となる状態）から状態ｄ（作動
空間内の圧力がサイクルのほぼ最低圧力となる状態）に
移行する間に状態ｂ（作動空間内の圧力が第１中圧バッ
ファタンク８２内の圧力とほぼ等しくなる状態）及び状
態ｃ（作動空間内の圧力が第２中圧バッファタンク９２
内の圧力とほぼ等しくなる状態）を介在させることがで
きるので、状態ｃから状態ｄに切り換わった瞬間、即ち
低圧開閉弁２５が開いた瞬間は、作動空間内の圧力は中
圧状態（圧力Ｐ_Ｍ２）にまで下降しており、作動空間内
の圧力と低圧通路２８内の圧力との圧力差を小さくする
ことができる。同様に、状態ｄ（作動空間内の圧力がサ
イクルのほぼ最低圧力となる状態）から状態ａ（作動空
間内の圧力がサイクルのほぼ最高圧力となる状態）に移
行する間に状態ｅ（作動空間内の圧力が第２中圧バッフ
ァタンク９２内の圧力とほぼ等しくなる状態）及び状態
ｆ（作動空間内の圧力が第１中圧バッファタンク８２内
の圧力とほぼ等しくなる状態）を介在させることができ
るので、状態ｄから状態ａに切り換わった瞬間、即ち高
圧開閉弁２４が開いた瞬間は、作動空間内の圧力は中圧
状態（圧力Ｐ_Ｍ１）にまで上昇しており、作動空間内の
圧力と高圧通路２７との圧力差を小さくすることができ
る。したがって、高圧及び低圧開閉弁２４及び２５が開
閉する際に発生する開閉弁損失を低減することができ、
ＧＭ型チェック弁式パルス管冷凍機の冷凍効率を従来の
ものよりも向上させることができるものである。

【００５４】尚、本例においては、第１中圧バッファタ
ンク８２内の圧力Ｐ_Ｍ１と第２中圧バッファタンク９２
内の圧力Ｐ_Ｍ２を、最高圧力Ｐ_Ｈと最低Ｐ_Ｌとの間を等
間隔に３等分する値における圧力としたが、Ｐ_Ｈ＜Ｐ
_Ｍ１＜Ｐ_Ｍ２＜Ｐ_Ｌという関係を維持していれば、本例
の効果を生じる。最も顕著な効果が現れるのは、本例に
示したように圧力Ｐ_Ｍ１と圧力Ｐ_Ｍ２を、最高圧力Ｐ_Ｈ
と最低Ｐ_Ｌとの間を等間隔に３等分する値における圧力
とした場合である。

【００５５】また、本例によれば、チェック弁回路６に
中圧ユニットを複数個（本例の場合は第１中圧ユニット
８０と第２中圧ユニット９０の２個）設けた構成である
ので、作動空間が高圧状態から低圧状態に切り換わるま
でに複数の中圧状態とすることができる。このため高圧
開閉弁２４及び低圧開閉弁２５が切り換わる際の圧力差
をさらに小さくすることができ、冷凍効率をより一層向
上させることができる。

【００５６】また、本例におけるＧＭ型チェック弁式パ
ルス管冷凍機１０２を運転した際のパルス管低温端部４
ａにおける仮想Ｐ−Ｖ線図も、上記第１実施形態例と同
様図３のようになる。従って、本例におけるＧＭ型チェ
ック弁式パルス管冷凍機１０２でも、従来技術における
ＧＭ型チェック弁式パルス管冷凍機よりもＰ−Ｖ線図で
囲まれた領域（ＰＶ仕事）を大きくすることができ、冷
凍効率を高めることができることがわかる。また、ＰＶ
仕事の可変領域も大きくとることができるので、幅広い
冷凍性能を実現することができ、被冷却体への冷凍適用
範囲を広範にすることができる。

【００５７】尚、上記第１及び第２実施形態例において
は、第１連通路６５を二股状に分岐した構成を示した
が、図７に示す第1実施形態例の変形例及び図８に示す
第2実施形態例の変形例のように２つの第１連通路６５
１及び６５２を独立にパルス管４の第２高温端４ｂに連
結し、一方の第１連通路６５１に高圧側チェック弁６６
を、他方の第１連通路６５２に低圧側チェック弁６７を
連結する構成でもよい。この場合は、どちらの連通路に
中圧ユニット７０、８０、９０を連結してもよい。

【００５８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
ＧＭ型チェック弁式パルス管冷凍機において、高圧開閉
弁及び低圧開閉弁が切り換わる際の圧力差を緩和して冷
凍効率を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態例における、ＧＭ型チェ
ック弁式パルス管冷凍機の構成概略図である。

【図２】本発明の第１実施形態例のＧＭ型チェック弁式
パルス管冷凍機における、高圧開閉弁、低圧開閉弁、及
び、中圧開閉弁の１サイクルにおける弁開閉タイミング
と、作動空間内の圧力変化を示すグラフを併記したもの
である。

【図３】本発明の第１及び第２実施形態例のＧＭ型チェ
ック弁式パルス管冷凍機を運転したときの仮想Ｐ−Ｖ線
図の一例を示したグラフである。

【図４】従来技術のＧＭ型チェック弁式パルス管冷凍機
を運転したときの仮想Ｐ−Ｖ線図の一例を示したグラフ
である。

【図５】本発明の第２実施例における、ＧＭ型チェック
弁式パルス管冷凍機の構成概略図である。

【図６】本発明の第２実施形態例のＧＭ型チェック弁式
パルス管冷凍機における、高圧開閉弁、低圧開閉弁、第
１中圧開閉弁、及び第２中圧開閉弁の１サイクルにおけ
る弁開閉タイミングと、作動空間内の圧力変化を示すグ
ラフを併記したものである。

【図７】本発明の第１実施形態例のＧＭ型チェック弁式
パルス管冷凍機の変形例を示す構成概略図である。

【図８】本発明の第２実施形態例のＧＭ型チェック弁式
パルス管冷凍機の変形例を示す構成概略図である。

【図９】従来技術における、スターリング（ＳＴ）型チ
ェック弁式パルス管冷凍機の構成概略図である。

【図１０】従来技術における、ＧＭ型チェック弁式パル
ス管冷凍機の構成概略図である。

【図１１】従来技術のＧＭ型チェック弁式パルス管冷凍
機における、高圧開閉弁及び低圧開閉弁の１サイクルに
おける弁開閉タイミングと、作動空間内の圧力変化を示
すグラフを併記したものである。

【符号の説明】

１・・・蓄冷器、１ａ・・・第１低温端、１ｂ・・
・第１高温端２・・・圧力振動装置３・・・コールドヘッド４・・・パルス管、４ａ・・・第２低温端、４ｂ・
・・第２高温端５・・・放熱器６・・・チェック弁回路２４・・・高圧開閉弁２５・・・低圧開閉弁２６・・・圧縮機、２６ａ・・・吐出口、２６ｂ・
・・吸入口２７・・・高圧通路２８・・・低圧通路６１・・・高圧バッファタンク６２・・・低圧バッファタンク６３・・・オリフィス６４・・・第２連通路６５・・・第１連通路、６５ａ・・・連通路、６５
ｂ・・・連通路６６・・・高圧側チェック弁、６６ａ・・・入口、
６６ｂ・・・出口６７・・・低圧側チェック弁、６７ａ・・・入口、
６７ｂ・・・出口７０・・・中圧ユニット７１・・・中圧通路７２・・・中圧バッファタンク７３・・・中圧開閉弁８０・・・第１中圧ユニット（中圧ユニット）８１・・・第１中圧通路（中圧通路）８２・・・第１中圧バッファタンク（中圧バッファタン
ク）８３・・・第１中圧開閉弁（中圧開閉弁）９０・・・第２中圧ユニット（中圧ユニット）９１・・・第２中圧通路（中圧通路）９２・・・第２中圧バッファタンク（中圧バッファタン
ク）９３・・・第２中圧開閉弁（中圧開閉弁）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者井上龍夫愛知県刈谷市朝日町２丁目１番地アイシン精機株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１低温端及び第１高温端を備えた蓄冷
器と、該蓄冷器の第１高温端に連結された高圧開閉弁及
び低圧開閉弁と、吐出口及び吸入口を備え前記吐出口が
前記高圧開閉弁に連結されるとともに前記吸入口が前記
低圧開閉弁に連結された圧縮機と、前記蓄冷器の第１低
温端に連通したコールドヘッドと、第２低温端及び第２
高温端を備え前記第２低温端にて前記コールドヘッドに
連通したパルス管と、該パルス管の第２高温端に接続さ
れたチェック弁回路を備え、前記チェック弁回路は、前記パルス管の第２高温端に連
通する第１連通路と、入口及び出口を備え入口側が前記
第１連通路に連結された高圧側チェック弁と、入口及び
出口を備え出口側が前記第１連通路に連結された低圧側
チェック弁と、前記高圧側チェック弁の出口側に連結さ
れた高圧バッファタンクと、前記低圧側チェック弁の入
口側に連結された低圧バッファタンクと、前記高圧バッ
ファタンクと前記低圧バッファタンクとをオリフィスを
介して連通する第２連通路と、前記第１連通路に接続さ
れた中圧ユニットを備え、前記中圧ユニットは、前記第１連通路に中圧通路で連通
された中圧バッファタンクと、前記中圧通路の途中に介
装された中圧開閉弁とを具備することを特徴とするパル
ス管冷凍機。
【請求項２】請求項１において、前記中圧ユニットは複数個設けられることを特徴とする
パルス管冷凍機。