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JP7186133B2 - Multi-stage pulse tube refrigerator and cold head of multi-stage pulse tube refrigerator - Google Patents

Multi-stage pulse tube refrigerator and cold head of multi-stage pulse tube refrigerator Download PDF

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JP7186133B2 JP2019097922A JP2019097922A JP7186133B2 JP 7186133 B2 JP7186133 B2 JP 7186133B2 JP 2019097922 A JP2019097922 A JP 2019097922A JP 2019097922 A JP2019097922 A JP 2019097922A JP 7186133 B2 JP7186133 B2 JP 7186133B2
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Description

本発明は、多段式パルス管冷凍機、および多段式パルス管冷凍機のコールドヘッドに関する。 The present invention relates to a multi-stage pulse tube refrigerator and a cold head for a multi-stage pulse tube refrigerator.

パルス管冷凍機は、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弁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。また、位相制御機構についても、ダブルインレット型、アクティブバッファ型、4バルブ型など様々な方式がある。 A pulse tube refrigerator has, as main components, an oscillating flow source, a regenerator, a pulse tube, and a phase control mechanism. There are several methods for generating an oscillating flow. For example, the so-called GM (Gifford-McMahon) method, which uses a combination of a compressor and a periodic flow switching valve, and the Stirling method, which generates an oscillating flow by means of a harmonically vibrating piston, are known. Also, there are various types of phase control mechanisms such as a double inlet type, an active buffer type, and a 4-valve type.

特開2014-169852号公報JP 2014-169852 A

4バルブ型パルス管冷凍機は、蓄冷器の高温端に接続された吸気バルブ及び排気バルブに加えて、パルス管の高温端に接続された吸気バルブ及び排気バルブを有する。多段式であれば、各段のパルス管それぞれに吸気バルブ及び排気バルブが設けられる。4バルブ型パルス管冷凍機は、搭載されるバルブの数が他の形式のパルス管冷凍機に比べて多く、そのため、バルブ構成が複雑で大型となりがちである。 A four-valve pulse tube refrigerator has an intake valve and an exhaust valve connected to the high temperature end of the pulse tube in addition to the intake valve and the exhaust valve connected to the high temperature end of the regenerator. In the case of a multi-stage type, an intake valve and an exhaust valve are provided for each pulse tube of each stage. A four-valve pulse tube refrigerator has a larger number of valves than other types of pulse tube refrigerators, and therefore tends to have a complicated valve configuration and a large size.

これらの吸排気バルブを一つのロータリーバルブで構成するパルス管冷凍機の設計がしばしば採用される。組となる吸気バルブと排気バルブは、所望される吸気タイミングと排気タイミングの切り替えを実現するようにロータリーバルブに組み込まれなければならない。また、ロータリーバルブに形成された蓄冷器に連通するガス流路とパルス管に連通する流路とは、蓄冷器高温端とパルス管高温端の間で冷媒ガスが直接流れないように、ロータリーバルブの回転軸から互いに異なる位置に配置される。このように、ロータリーバルブ内のガス流路構造は、かなり複雑となりうる。多段式では、異なる段のパルス管それぞれへの連通路が互いに異なる径方向位置に配置されることが多い。ロータリーバルブの直径は、単段式に比べて二段式で大きくなり、三段式ではさらに大きくなりうる。 A pulse tube refrigerator design is often employed in which these intake and exhaust valves are composed of a single rotary valve. A pair of intake and exhaust valves must be incorporated into the rotary valve to achieve the desired switching between intake and exhaust timing. In addition, the gas flow path communicating with the regenerator formed in the rotary valve and the flow path communicating with the pulse tube are arranged so that the refrigerant gas does not directly flow between the high temperature end of the regenerator and the high temperature end of the pulse tube. are arranged at positions different from each other from the rotation axis of the Thus, gas flow path structures within rotary valves can be quite complex. In the multi-stage type, communication paths to pulse tubes in different stages are often arranged at different radial positions. The diameter of the rotary valve can be larger in two stages than in single stages, and even larger in three stages.

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、簡素なバルブ構成をもつパルス管冷凍機を提供することにある。 One exemplary object of some aspects of the invention is to provide a pulse tube refrigerator with a simple valve configuration.

本発明のある態様によると、多段式パルス管冷凍機は、圧縮機吐出口と圧縮機吸入口とを有する圧縮機と、第1段パルス管と、第2段パルス管と、前記第1段パルス管の低温端と連通している低温端を有する第1段蓄冷器と、前記第2段パルス管の低温端と連通している低温端を有し、前記第1段蓄冷器に直列に接続された第2段蓄冷器と、を備えるコールドヘッドと、前記第1段蓄冷器の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主圧力切換弁と、パルス管連通路を介して前記第1段パルス管の高温端と前記第2段パルス管の高温端の両方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副圧力切換弁と、を備える。前記パルス管連通路は、前記第1段パルス管の高温端および前記第2段パルス管の高温端と前記副圧力切換弁との間に分岐部を有し、前記分岐部で第1パルス管流路と第2パルス管流路に分岐する。前記第1パルス管流路が前記副圧力切換弁を前記第1段パルス管の高温端に接続し、前記第2パルス管流路が前記副圧力切換弁を前記第2段パルス管の高温端に接続する。 According to one aspect of the invention, a multi-stage pulse tube refrigerator includes a compressor having a compressor discharge and a compressor inlet, a first stage pulse tube, a second stage pulse tube, and the first stage. a first stage regenerator having a cold end in communication with the cold end of the pulse tube; and a cold end in communication with the cold end of the second stage pulse tube in series with the first stage regenerator. a second stage regenerator connected thereto; a main pressure switching valve alternately connecting the hot end of said first stage regenerator to said compressor discharge and said compressor inlet; and a pulse tube. a secondary pressure switching valve that alternately connects both the high temperature end of the first stage pulse tube and the high temperature end of the second stage pulse tube to the compressor discharge port and the compressor suction port via a communication path; Prepare. The pulse tube communication passage has a branch portion between the high temperature end of the first stage pulse tube, the high temperature end of the second stage pulse tube, and the auxiliary pressure switching valve. It branches into a channel and a second pulse tube channel. The first pulse tube flow path connects the secondary pressure switching valve to the hot end of the first stage pulse tube, and the second pulse tube flow path connects the secondary pressure switching valve to the hot end of the second stage pulse tube. connect to.

本発明のある態様によると、多段式パルス管冷凍機のコールドヘッドは、第1段パルス管と、第2段パルス管と、前記第1段パルス管の低温端と連通している低温端を有する第1段蓄冷器と、前記第2段パルス管の低温端と連通している低温端を有し、前記第1段蓄冷器に直列に接続された第2段蓄冷器と、前記第1段蓄冷器の高温端を主圧力切換弁に接続する蓄冷器連通路と、前記第1段パルス管の高温端と前記第2段パルス管の高温端の両方を副圧力切換弁に接続するパルス管連通路と、を備える。前記パルス管連通路は、前記第1段パルス管の高温端および前記第2段パルス管の高温端と前記副圧力切換弁との間に分岐部を有し、前記分岐部で第1パルス管流路と第2パルス管流路に分岐する。前記第1パルス管流路が前記副圧力切換弁を前記第1段パルス管の高温端に接続し、前記第2パルス管流路が前記副圧力切換弁を前記第2段パルス管の高温端に接続する。 According to one aspect of the invention, a coldhead of a multi-stage pulse tube refrigerator includes a first stage pulse tube, a second stage pulse tube, and a cold end in communication with the cold end of the first stage pulse tube. a second stage regenerator having a cold end communicating with the cold end of the second stage pulse tube and connected in series with the first stage regenerator; a regenerator communication passage connecting the high temperature end of the stage regenerator to the main pressure switching valve; and a pulse connecting both the high temperature end of the first stage pulse tube and the high temperature end of the second stage pulse tube to the sub pressure switching valve. and a tube communication passage. The pulse tube communication passage has a branch portion between the high temperature end of the first stage pulse tube, the high temperature end of the second stage pulse tube, and the auxiliary pressure switching valve. It branches into a channel and a second pulse tube channel. The first pulse tube flow path connects the secondary pressure switching valve to the hot end of the first stage pulse tube, and the second pulse tube flow path connects the secondary pressure switching valve to the hot end of the second stage pulse tube. connect to.

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。 It should be noted that arbitrary combinations of the above-described constituent elements and mutually replacing the constituent elements and expressions of the present invention in methods, devices, systems, etc. are also effective as aspects of the present invention.

本発明によれば、簡素なバルブ構成をもつパルス管冷凍機を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a pulse tube refrigerator having a simple valve configuration.

実施の形態に係るパルス管冷凍機を示す概略図である。1 is a schematic diagram showing a pulse tube refrigerator according to an embodiment; FIG. 図1に示されるパルス管冷凍機のバルブ部に適用されうる例示的なバルブタイミングを示す図である。2 illustrates exemplary valve timing that may be applied to the valve portion of the pulse tube refrigerator shown in FIG. 1; FIG. 図1に示されるパルス管冷凍機のバルブ部に適用されうる例示的なロータリーバルブを示す概略図である。FIG. 2 is a schematic diagram showing an exemplary rotary valve that can be applied to the valve portion of the pulse tube refrigerator shown in FIG. 1; 図4(a)および図4(b)はそれぞれ、図3に示されるロータリーバルブのバルブステータおよびバルブロータを示す概略図である。4(a) and 4(b) are schematic diagrams showing the valve stator and valve rotor, respectively, of the rotary valve shown in FIG. 実施の形態に係るパルス管冷凍機の他の一例を示す概略図である。It is a schematic diagram showing another example of the pulse tube refrigerator according to the embodiment. 実施の形態に係るパルス管冷凍機に適用されうるバッファラインの接続構成を一例を示す概略図である。FIG. 4 is a schematic diagram showing an example of a connection configuration of buffer lines that can be applied to the pulse tube refrigerator according to the embodiment; 実施の形態に係るパルス管冷凍機の更なる一例を示す概略図である。It is a schematic diagram showing a further example of the pulse tube refrigerator according to the embodiment.

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。 BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the description and drawings, the same or equivalent components, members, and processes are denoted by the same reference numerals, and overlapping descriptions are omitted as appropriate. The scales and shapes of the illustrated parts are set for convenience in order to facilitate explanation, and should not be construed as limiting unless otherwise specified. The embodiment is an example and does not limit the scope of the present invention. All features and combinations thereof described in the embodiments are not necessarily essential to the invention.

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。パルス管冷凍機10は、コールドヘッド11と、圧縮機12とを備える。 FIG. 1 is a schematic diagram showing a pulse tube refrigerator 10 according to an embodiment. A pulse tube refrigerator 10 includes a cold head 11 and a compressor 12 .

パルス管冷凍機10は、一例として、GM(Gifford-McMahon)方式の4バルブ型のパルス管冷凍機である。よって、パルス管冷凍機10は、主圧力切換弁14と、第1段蓄冷器16と、第1段パルス管18と、副圧力切換弁20および任意的に第1流量調整要素21を有する第1段位相制御機構と、を備える。圧縮機12と主圧力切換弁14によりパルス管冷凍機10の振動流発生源が構成される。圧縮機12は、振動流発生源と第1段位相制御機構とで共有されている。 The pulse tube refrigerator 10 is, for example, a GM (Gifford-McMahon) four-valve pulse tube refrigerator. Thus, the pulse tube refrigerator 10 comprises a main pressure switching valve 14, a first stage regenerator 16, a first stage pulse tube 18, a secondary pressure switching valve 20 and optionally a first flow control element 21. and a one-stage phase control mechanism. Compressor 12 and main pressure switching valve 14 constitute an oscillating flow source of pulse tube refrigerator 10 . Compressor 12 is shared by the oscillatory flow source and the first stage phase control mechanism.

また、パルス管冷凍機10は、二段冷凍機であり、第2段蓄冷器22と、第2段パルス管24と、第2流量調整要素27を任意的に有する第2段位相制御機構と、をさらに備える。圧縮機12および副圧力切換弁20は、第2段位相制御機構にも共有されている。 Also, the pulse tube refrigerator 10 is a two-stage refrigerator, and includes a second-stage regenerator 22, a second-stage pulse tube 24, and a second-stage phase control mechanism optionally having a second flow rate adjustment element 27. , is further provided. Compressor 12 and secondary pressure switching valve 20 are also shared by the second stage phase control mechanism.

流量調整要素(21、27)は、例えば、オリフィス、または絞り弁などの流路抵抗を含む。流路抵抗は、固定されていてもよいし、調整可能であってもよい。 The flow control elements (21, 27) include, for example, orifices or flow resistances such as throttle valves. The flow resistance may be fixed or adjustable.

本書では、パルス管冷凍機10の構成要素どうしの位置関係を説明するために、便宜上、縦方向Aおよび横方向Bとの用語を用いる。通例、縦方向Aと横方向Bはそれぞれ、パルス管(18、24)および蓄冷器(16、22)の軸方向と径方向にあたる。ただし、縦方向Aと横方向Bは互いにおおよそ直交する方向であればよく、厳密な直交は要しない。また、縦方向Aおよび横方向Bとの表記は、パルス管冷凍機10がその使用場所に設置される姿勢を限定するものではない。パルス管冷凍機10は所望される姿勢で設置可能であり、例えば、縦方向Aおよび横方向Bをそれぞれ鉛直方向および水平方向に向けるようにして設置されてもよいし、反対に、縦方向Aおよび横方向Bをそれぞれ水平方向および鉛直方向に向けるようにして設置されてもよい。あるいは、縦方向Aおよび横方向Bをそれぞれ互いに異なる斜め方向に向けるようにして設置することも可能である。 In this document, the terms vertical direction A and horizontal direction B are used for convenience in describing the positional relationship between the components of the pulse tube refrigerator 10 . Typically, longitudinal direction A and lateral direction B correspond to the axial and radial directions of the pulse tubes (18, 24) and regenerators (16, 22), respectively. However, the vertical direction A and the horizontal direction B may be directions that are approximately orthogonal to each other, and are not required to be strictly orthogonal. In addition, the notation of the vertical direction A and the horizontal direction B does not limit the orientation of the pulse tube refrigerator 10 installed at its place of use. The pulse tube refrigerator 10 can be installed in any desired orientation. and the lateral direction B may be oriented horizontally and vertically, respectively. Alternatively, the vertical direction A and the horizontal direction B can be installed in different oblique directions.

2つの蓄冷器(16、22)は直列に接続され、縦方向Aに延在する。2つのパルス管(18、24)はそれぞれ、縦方向Aに延在する。第1段蓄冷器16は、横方向Bに第1段パルス管18と並列に配置され、第2段蓄冷器22は、横方向Bに第2段パルス管24と並列に配置されている。第1段パルス管18は縦方向Aに第1段蓄冷器16とほぼ同じ長さを有し、第2段パルス管24は、縦方向Aに第1段蓄冷器16と第2段蓄冷器22の合計長さとほぼ同じ長さを有する。蓄冷器(16、22)とパルス管(18、24)は互いに概ね平行に配置されている。 Two regenerators (16, 22) are connected in series and extend in longitudinal direction A. The two pulse tubes (18, 24) each extend in longitudinal direction A. The first stage regenerator 16 is arranged in the transverse direction B in parallel with the first stage pulse tube 18 , and the second stage regenerator 22 is arranged in the transverse direction B in parallel with the second stage pulse tube 24 . The first stage pulse tube 18 has approximately the same length in the longitudinal direction A as the first stage regenerator 16, and the second stage pulse tube 24 extends in the longitudinal direction A between the first stage regenerator 16 and the second stage regenerator. It has approximately the same length as the total length of 22. The regenerators (16, 22) and pulse tubes (18, 24) are arranged generally parallel to each other.

なお、図1においては、蓄冷器(16、22)に対して第1段パルス管18と第2段パルス管24が両側に配置されているが、これは単に図示を容易にするためにすぎない。通例、蓄冷器(16、22)、第1段パルス管18、第2段パルス管24は、縦方向Aに見たとき三角形をなすように配置されうる。 In FIG. 1, the first stage pulse tube 18 and the second stage pulse tube 24 are arranged on both sides of the regenerators (16, 22), but this is merely for ease of illustration. do not have. Typically, the regenerators (16, 22), first stage pulse tube 18 and second stage pulse tube 24 may be arranged to form a triangle when viewed in longitudinal direction A.

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から第1段蓄冷器16を通じて第1段パルス管18に作動ガスが供給され、第1段パルス管18から第1段蓄冷器16を通じて圧縮機吸入口12bへと作動ガスが回収される。また、圧縮機吐出口12aから第1段蓄冷器16、第2段蓄冷器22を通じて第2段パルス管24に作動ガスが供給され、第2段パルス管24から第2段蓄冷器22、第1段蓄冷器16を通じて圧縮機吸入口12bへと作動ガスが回収される。 The compressor 12 has a compressor discharge port 12a and a compressor suction port 12b, and is configured to compress the recovered low-pressure PL working gas to generate a high-pressure PH working gas. The working gas is supplied from the compressor discharge port 12a through the first stage regenerator 16 to the first stage pulse tube 18, and the working gas flows from the first stage pulse tube 18 through the first stage regenerator 16 to the compressor suction port 12b. be recovered. Further, the working gas is supplied from the compressor discharge port 12a to the second stage pulse tube 24 through the first stage regenerator 16 and the second stage regenerator 22, and from the second stage pulse tube 24 to the second stage regenerator 22 and the The working gas is recovered through the first stage regenerator 16 to the compressor suction port 12b.

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。なお一般に高圧PH及び低圧PLはともに大気圧より顕著に高い。 Compressor discharge port 12a and compressor suction port 12b function as a high pressure source and a low pressure source of pulse tube refrigerator 10, respectively. The working gas is also called refrigerant gas, for example helium gas. In general, both high pressure PH and low pressure PL are significantly higher than atmospheric pressure.

主圧力切換弁14は、主吸気開閉弁V1と主排気開閉弁V2とを有する。副圧力切換弁20は、副吸気開閉弁V3と副排気開閉弁V4とを有する。 The main pressure switching valve 14 has a main intake opening/closing valve V1 and a main exhaust opening/closing valve V2. The sub pressure switching valve 20 has a sub intake opening/closing valve V3 and a sub exhaust opening/closing valve V4.

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11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11から圧縮機12に流れる。高圧ライン13aは、圧縮機吐出口12aを吸気開閉弁(V1、V3)に接続する。低圧ライン13bは、圧縮機吸入口12bを排気開閉弁(V2、V4)に接続する。 The pulse tube refrigerator 10 is provided with a high pressure line 13a and a low pressure line 13b. A high pressure PH working gas flows from the compressor 12 to the cold head 11 through the high pressure line 13a. A low-pressure PL working gas flows from the cold head 11 to the compressor 12 through the low-pressure line 13b. A high-pressure line 13a connects the compressor discharge port 12a to the intake on-off valves (V1, V3). The low pressure line 13b connects the compressor suction port 12b to the exhaust on-off valves (V2, V4).

第1段蓄冷器16は、第1段蓄冷器高温端16aと、第1段蓄冷器低温端16bとを有し、第1段蓄冷器高温端16aから第1段蓄冷器低温端16bへと縦方向Aに延在する。第1段蓄冷器高温端16aおよび第1段蓄冷器低温端16bはそれぞれ、第1段蓄冷器16の第1端および第2端とも称しうる。同様に、第2段蓄冷器22は、第2段蓄冷器高温端22aと、第2段蓄冷器低温端22bとを有し、第2段蓄冷器高温端22aから第2段蓄冷器低温端22bへと縦方向Aに延在する。第2段蓄冷器高温端22aおよび第2段蓄冷器低温端22bはそれぞれ、第2段蓄冷器22の第1端および第2端とも称しうる。第1段蓄冷器低温端16bが、第2段蓄冷器高温端22aに連通している。 The first stage regenerator 16 has a first stage regenerator hot end 16a and a first stage regenerator cold end 16b. It extends in the longitudinal direction A. First stage regenerator hot end 16a and first stage regenerator cold end 16b may also be referred to as first and second ends of first stage regenerator 16, respectively. Similarly, the second stage regenerator 22 has a second stage regenerator hot end 22a and a second stage regenerator cold end 22b, with a second stage regenerator hot end 22a to a second stage regenerator cold end 22a. 22b in longitudinal direction A. Second stage regenerator hot end 22a and second stage regenerator cold end 22b may also be referred to as first and second ends of second stage regenerator 22, respectively. The first stage regenerator low temperature end 16b communicates with the second stage regenerator high temperature end 22a.

第1段パルス管18は、第1段パルス管高温端18aと、第1段パルス管低温端18bとを有し、第1段パルス管高温端18aから第1段パルス管低温端18bへと縦方向Aに延在する。第1段パルス管高温端18aおよび第1段パルス管低温端18bはそれぞれ、第1段パルス管18の第1端および第2端とも称しうる。 The first stage pulse tube 18 has a first stage pulse tube hot end 18a and a first stage pulse tube cold end 18b, with a pulse from first stage pulse tube hot end 18a to first stage pulse tube cold end 18b. It extends in the longitudinal direction A. First stage pulse tube hot end 18a and first stage pulse tube cold end 18b may also be referred to as first and second ends of first stage pulse tube 18, respectively.

同様に、第2段パルス管24は、第2段パルス管高温端24aと、第2段パルス管低温端24bとを有し、第2段パルス管高温端24aから第2段パルス管低温端24bへと縦方向Aに延在する。第2段パルス管高温端24aおよび第2段パルス管低温端24bはそれぞれ、第2段パルス管24の第1端および第2端とも称しうる。 Similarly, the second stage pulse tube 24 has a second stage pulse tube hot end 24a and a second stage pulse tube cold end 24b, and has a second stage pulse tube hot end 24a to a second stage pulse tube cold end 24a. 24b in longitudinal direction A. Second stage pulse tube hot end 24a and second stage pulse tube cold end 24b may also be referred to as first and second ends of second stage pulse tube 24, respectively.

例示的な構成においては、蓄冷器(16、22)は内部に蓄冷材を充填した円筒状の管であり、パルス管(18、24)は内部を空洞とする円筒状の管である。 In an exemplary configuration, the regenerators (16, 22) are cylindrical tubes filled with regenerator material, and the pulse tubes (18, 24) are hollow cylindrical tubes.

パルス管(18、24)の両端それぞれには、パルス管の軸方向に垂直な面内での作動ガス流速分布を均一化し、または所望の分布に調整するための整流器が設けられていてもよい。この整流器は、熱交換器としても機能する。 Both ends of the pulse tubes (18, 24) may be provided with rectifiers for equalizing the working gas flow velocity distribution in a plane perpendicular to the axial direction of the pulse tube or adjusting it to a desired distribution. . This rectifier also functions as a heat exchanger.

コールドヘッド11は、第1段冷却ステージ28と第2段冷却ステージ30とを備える。 The coldhead 11 comprises a first stage cooling stage 28 and a second stage cooling stage 30 .

第1段蓄冷器16および第1段パルス管18は第1段冷却ステージ28から同方向に延びており、第1段蓄冷器高温端16aおよび第1段パルス管高温端18aは、第1段冷却ステージ28に対して同じ側に配置されている。このようにして、第1段蓄冷器16、第1段パルス管18、および第1段冷却ステージ28は、U字状に配置されている。同様に、第2段蓄冷器22および第2段パルス管24は第2段冷却ステージ30から同方向に延びており、第2段蓄冷器高温端22aおよび第2段パルス管高温端24aは、第2段冷却ステージ30に対して同じ側に配置されている。このようにして、第2段蓄冷器22、第2段パルス管24、および第2段冷却ステージ30は、U字状に配置されている。 First stage regenerator 16 and first stage pulse tube 18 extend in the same direction from first stage cooling stage 28, and first stage regenerator hot end 16a and first stage pulse tube hot end 18a are connected to the first stage. It is arranged on the same side with respect to the cooling stage 28 . In this manner, the first stage regenerator 16, first stage pulse tube 18, and first stage cooling stage 28 are arranged in a U-shape. Similarly, second stage regenerator 22 and second stage pulse tube 24 extend in the same direction from second stage cooling stage 30, second stage regenerator hot end 22a and second stage pulse tube hot end 24a It is arranged on the same side with respect to the second stage cooling stage 30 . Thus, the second stage regenerator 22, the second stage pulse tube 24, and the second stage cooling stage 30 are arranged in a U shape.

第1段パルス管低温端18bと第1段蓄冷器低温端16bは、第1段冷却ステージ28によって、構造的に接続され熱的に結合されている。第1段冷却ステージ28には、第1段蓄冷器低温端16bと第1段パルス管低温端18bとの間で作動ガスが流れることができるように、両者を連通する第1段連通路29が形成されている。 First stage pulse tube cold end 18 b and first stage regenerator cold end 16 b are structurally connected and thermally coupled by first stage cooling stage 28 . In the first stage cooling stage 28, a first stage communication passage 29 communicates between the first stage regenerator low temperature end 16b and the first stage pulse tube low temperature end 18b so that the working gas can flow between them. is formed.

同様に、第2段パルス管低温端24bと第2段蓄冷器低温端22bは、第2段冷却ステージ30によって、構造的に接続され熱的に結合されている。第2段冷却ステージ30には、第2段蓄冷器低温端22bと第2段パルス管低温端24bとの間で作動ガスが流れることができるように、両者を連通する第2段連通路31が形成されている。 Similarly, second stage pulse tube cold end 24 b and second stage regenerator cold end 22 b are structurally connected and thermally coupled by second stage cooling stage 30 . In the second stage cooling stage 30, a second stage communication passage 31 communicates between the second stage regenerator low temperature end 22b and the second stage pulse tube low temperature end 24b so that the working gas can flow between them. is formed.

冷却ステージ(28、30)は、例えば銅などの高熱伝導率の金属材料で形成されている。蓄冷器(16、22)の筒部およびパルス管(18、24)は、冷却ステージ(28、30)に比べて熱伝導率の低い材料、例えばステンレス鋼などの金属材料で形成されている。 The cooling stages (28, 30) are made of a metal material with high thermal conductivity, for example copper. The cylindrical parts of the regenerators (16, 22) and the pulse tubes (18, 24) are made of a material having a lower thermal conductivity than the cooling stages (28, 30), such as a metal material such as stainless steel.

第2段冷却ステージ30には、冷却されるべき物体(図示せず)が熱的に結合される。物体は、第2段冷却ステージ30上に直接設置され、または第2段冷却ステージ30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もよい。パルス管冷凍機10は、第2段冷却ステージ30からの伝導冷却によって物体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物体は、限定しない例として、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であってもよい。パルス管冷凍機10は第2段冷却ステージ30に接触する気体または液体を冷却することもできる。 An object (not shown) to be cooled is thermally coupled to the second cooling stage 30 . The object may be placed directly on the second stage cooling stage 30 or thermally coupled to the second stage cooling stage 30 via a rigid or flexible heat transfer member. The pulse tube refrigerator 10 can cool the object by conduction cooling from the second stage cooling stage 30 . Note that the object cooled by the pulse tube refrigerator 10 may be, as non-limiting examples, a superconducting electromagnet or other superconducting device, or an infrared imager or other sensor. The pulse tube refrigerator 10 can also cool gas or liquid contacting the second cooling stage 30 .

また、言うまでもなく、第2段冷却ステージ30によって冷却される物体とは異なる物体が、第1段冷却ステージ28によって冷却されてもよい。たとえば、第1段冷却ステージ28には、第2段冷却ステージ30への熱侵入を低減または防止するための輻射シールドが熱的に結合されていてもよい。 It will also be appreciated that objects other than those cooled by the second stage cooling stage 30 may be cooled by the first stage cooling stage 28 . For example, first stage cooling stage 28 may be thermally coupled with a radiation shield to reduce or prevent heat entry into second stage cooling stage 30 .

一方、第1段蓄冷器高温端16a、第1段パルス管高温端18a、および第2段パルス管高温端24aは、フランジ部36によって接続されている。フランジ部36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38に取り付けられる。支持部38は、冷却ステージ(28、30)および被冷却物を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。 On the other hand, the first stage regenerator high temperature end 16a, the first stage pulse tube high temperature end 18a, and the second stage pulse tube high temperature end 24a are connected by a flange portion . The flange portion 36 is attached to a support portion 38 such as a support table or a support wall on which the pulse tube refrigerator 10 is installed. The support 38 may be the wall material or other part of an insulated or vacuum vessel containing the cooling stages (28, 30) and the object to be cooled.

フランジ部36の一方の主表面からパルス管(18、24)および蓄冷器(16、22)が冷却ステージ(28、30)へと延び、フランジ部36の他方の主表面にはバルブ部40が設けられている。バルブ部40には、主圧力切換弁14および副圧力切換弁20が収容されている。したがって、支持部38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36が支持部38に取り付けられるとき、パルス管(18、24)、蓄冷器(16、22)、および冷却ステージ(28、30)は、当該容器内に収容され、バルブ部40は、容器外に配置される。 Pulse tubes (18, 24) and regenerators (16, 22) extend from one major surface of flange portion 36 to cooling stages (28, 30), and valve portion 40 extends from the other major surface of flange portion 36. is provided. The valve portion 40 accommodates the main pressure switching valve 14 and the sub pressure switching valve 20 . Thus, if the support 38 forms part of an insulated or vacuum vessel, when the flange 36 is attached to the support 38, the pulse tubes (18, 24), regenerators (16, 22), and The cooling stages (28, 30) are housed within the vessel and the valve section 40 is located outside the vessel.

なお、バルブ部40は、フランジ部36に直接取り付けられている必要はない。バルブ部40は、パルス管冷凍機10のコールドヘッド11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11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11から分離して配置されてもよい。 It should be noted that the valve portion 40 need not be directly attached to the flange portion 36 . The valve section 40 may be arranged separately from the cold head 11 of the pulse tube refrigerator 10 and connected to the cold head 11 by rigid or flexible piping. Thus, the phase control mechanism of the pulse tube refrigerator 10 may be arranged separately from the cold head 11 .

主圧力切換弁14は、パルス管(18、24)内に圧力振動を生成すべく第1段蓄冷器高温端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。主圧力切換弁14は、主吸気開閉弁V1と主排気開閉弁V2のうち一方が開いているとき他方は閉じているように構成されている。主圧力切換弁14は、蓄冷器連通路32を介して第1段蓄冷器高温端16aに接続されている。主吸気開閉弁V1が圧縮機吐出口12aを第1段蓄冷器高温端16aに接続し、主排気開閉弁V2が圧縮機吸入口12bを第1段蓄冷器高温端16aに接続する。 The main pressure selector valve 14 is configured to alternately connect the first stage regenerator hot end 16a to the compressor discharge 12a and compressor suction 12b to produce pressure oscillations in the pulse tubes (18, 24). It is The main pressure switching valve 14 is configured such that when one of the main intake opening/closing valve V1 and the main exhaust opening/closing valve V2 is open, the other is closed. The main pressure switching valve 14 is connected via a regenerator communication passage 32 to the first stage regenerator high temperature end 16a. A main intake on/off valve V1 connects the compressor discharge 12a to the first stage regenerator hot end 16a, and a main exhaust on/off valve V2 connects the compressor inlet 12b to the first stage regenerator hot end 16a.

主吸気開閉弁V1が開いているとき、圧縮機吐出口12aから高圧ライン13a、主吸気開閉弁V1、および蓄冷器連通路32を通じて蓄冷器(16、22)に作動ガスが供給される。作動ガスはさらに、第1段蓄冷器16から第1段連通路29を通じて第1段パルス管18に供給されるとともに、第2段蓄冷器22から第2段連通路31を通じて第2段パルス管24に供給される。一方、主排気開閉弁V2が開いているとき、パルス管(18、24)から蓄冷器(16、22)、主排気開閉弁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。 When the main intake opening/closing valve V1 is open, working gas is supplied from the compressor discharge port 12a to the regenerators (16, 22) through the high pressure line 13a, the main intake opening/closing valve V1, and the regenerator communication passage 32. The working gas is further supplied from the first stage regenerator 16 to the first stage pulse tube 18 through the first stage communication passage 29, and from the second stage regenerator 22 to the second stage pulse tube through the second stage communication passage 31. 24. On the other hand, when the main exhaust opening/closing valve V2 is open, the working gas is recovered from the pulse tube (18, 24) to the compressor suction port 12b through the regenerators (16, 22), the main exhaust opening/closing valve V2, and the low pressure line 13b. be done.

副圧力切換弁20は、パルス管連通路34を介して第1段パルス管高温端18aと第2段パルス管高温端24aの両方を圧縮機吐出口12aおよび圧縮機吸入口12bに交互に接続する。副圧力切換弁20は、副吸気開閉弁V3と副排気開閉弁V4のうち一方が開いているとき他方は閉じているように構成されている。副吸気開閉弁V3が圧縮機吐出口12aを第1段パルス管高温端18aと第2段パルス管高温端24aの両方に接続し、副排気開閉弁V4が圧縮機吸入口12bを第1段パルス管高温端18aと第2段パルス管高温端24aの両方に接続する。 The auxiliary pressure switching valve 20 alternately connects both the first stage pulse tube high temperature end 18a and the second stage pulse tube high temperature end 24a to the compressor discharge port 12a and the compressor suction port 12b via the pulse tube communication passage 34. do. The auxiliary pressure switching valve 20 is configured such that when one of the auxiliary intake opening/closing valve V3 and the auxiliary exhaust opening/closing valve V4 is open, the other is closed. An auxiliary intake on/off valve V3 connects the compressor discharge port 12a to both the first stage pulse tube high temperature end 18a and the second stage pulse tube high temperature end 24a, and an auxiliary exhaust on/off valve V4 connects the compressor suction port 12b to the first stage pulse tube high temperature end 24a. It connects to both the pulse tube hot end 18a and the second stage pulse tube hot end 24a.

パルス管連通路34は、第1段パルス管高温端18aおよび第2段パルス管高温端24aと副圧力切換弁20との間に分岐部42を有する。パルス管連通路34は、分岐部42で第1パルス管流路44と第2パルス管流路46に分岐する。第1パルス管流路44が副圧力切換弁20を第1段パルス管高温端18aに接続し、第2パルス管流路46が副圧力切換弁20を第2段パルス管高温端24aに接続する。第1パルス管流路44は第1流量調整要素21を有し、第2パルス管流路46は第2流量調整要素27を有する。 The pulse tube communication passage 34 has a branch portion 42 between the first stage pulse tube high temperature end 18 a and the second stage pulse tube high temperature end 24 a and the auxiliary pressure switching valve 20 . The pulse tube communication passage 34 branches at a branch portion 42 into a first pulse tube flow path 44 and a second pulse tube flow path 46 . A first pulse tube flow path 44 connects the secondary pressure switching valve 20 to the first stage pulse tube hot end 18a, and a second pulse tube flow path 46 connects the secondary pressure switching valve 20 to the second stage pulse tube hot end 24a. do. The first pulse tube channel 44 has a first flow control element 21 and the second pulse tube channel 46 has a second flow control element 27 .

副吸気開閉弁V3が開いているとき、圧縮機吐出口12aから高圧ライン13a、副吸気開閉弁V3、第1パルス管流路44、および第1段パルス管高温端18aを通じて第1段パルス管18に作動ガスが供給される。一方、副排気開閉弁V4が開いているとき、第1段パルス管18から第1段パルス管高温端18a、副排気開閉弁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。 When the auxiliary intake on-off valve V3 is open, the first stage pulse tube flows from the compressor discharge port 12a through the high pressure line 13a, the auxiliary intake on-off valve V3, the first pulse tube flow path 44, and the first stage pulse tube high temperature end 18a. A working gas is supplied to 18 . On the other hand, when the auxiliary exhaust opening/closing valve V4 is open, the working gas is recovered from the first stage pulse tube 18 to the compressor suction port 12b through the first stage pulse tube high temperature end 18a, the auxiliary exhaust opening/closing valve V4, and the low pressure line 13b. be done.

また、副吸気開閉弁V3が開いているとき、圧縮機吐出口12aから高圧ライン13a、副吸気開閉弁V3、第2パルス管流路46、および第2段パルス管高温端24aを通じて第2段パルス管24に作動ガスが供給される。一方、副排気開閉弁V4が開いているとき、第2段パルス管24から第2段パルス管高温端24a、副排気開閉弁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。 Further, when the auxiliary intake on/off valve V3 is open, the second stage air is supplied from the compressor discharge port 12a through the high pressure line 13a, the auxiliary intake on/off valve V3, the second pulse tube flow path 46, and the second stage pulse tube high temperature end 24a. A working gas is supplied to the pulse tube 24 . On the other hand, when the auxiliary exhaust opening/closing valve V4 is open, the working gas is recovered from the second stage pulse tube 24 to the compressor suction port 12b through the second stage pulse tube high temperature end 24a, the auxiliary exhaust opening/closing valve V4, and the low pressure line 13b. be done.

図2は、図1に示されるパルス管冷凍機10のバルブ部40に適用されうる例示的なバルブタイミングを示す図である。パルス管冷凍機10の一周期の冷凍サイクルは、第1待機期間W1、吸気期間A1、第2待機期間W2、排気期間A2に分けられる。 FIG. 2 is a diagram showing exemplary valve timing that may be applied to the valve section 40 of the pulse tube refrigerator 10 shown in FIG. One refrigeration cycle of the pulse tube refrigerator 10 is divided into a first standby period W1, an intake period A1, a second standby period W2, and an exhaust period A2.

図2においては便宜上、一周期の冷凍サイクルが、第1待機期間W1の開始タイミングtから始まり排気期間A2の終了タイミングtで終わるものとして図示している。排気期間A2の終了タイミングtは次の周期の冷凍サイクルの開始タイミングtとなる。 In FIG. 2, for the sake of convenience, one cycle of the refrigeration cycle is illustrated as starting at the start timing t0 of the first standby period W1 and ending at the end timing t8 of the exhaust period A2. The end timing t8 of the exhaust period A2 is the start timing t0 of the next refrigeration cycle.

主圧力切換弁14は、第1待機期間W1、吸気期間A1、第2待機期間W2、排気期間A2を順番に繰り返すように構成されている。副圧力切換弁20は、主圧力切換弁14に先行して開放され、先行して閉鎖される。図2において、斜線を付した区間は、弁が開いていることを示す。 The main pressure switching valve 14 is configured to sequentially repeat a first waiting period W1, an intake period A1, a second waiting period W2, and an exhaust period A2. The auxiliary pressure switching valve 20 is opened prior to the main pressure switching valve 14 and closed prior to the main pressure switching valve 14 . In FIG. 2, the hatched section indicates that the valve is open.

第1待機期間W1においては、主吸気開閉弁V1と主排気開閉弁V2の両方が閉鎖され、第1段蓄冷器高温端16aが圧縮機吐出口12aおよび圧縮機吸入口12bのどちらにも接続されない。吸気期間A1においては、主吸気開閉弁V1が開放され主排気開閉弁V2が閉鎖され、第1段蓄冷器高温端16aが圧縮機吐出口12aに接続される。第2待機期間W2においては、再び主吸気開閉弁V1と主排気開閉弁V2の両方が閉鎖され、第1段蓄冷器高温端16aが圧縮機吐出口12aおよび圧縮機吸入口12bのどちらにも接続されない。排気期間A2においては、主吸気開閉弁V1が閉鎖され主排気開閉弁V2が開放され、第1段蓄冷器高温端16aが圧縮機吸入口12bに接続される。 During the first standby period W1, both the main intake opening/closing valve V1 and the main exhaust opening/closing valve V2 are closed, and the first stage regenerator high temperature end 16a is connected to both the compressor discharge port 12a and the compressor suction port 12b. not. During the intake period A1, the main intake opening/closing valve V1 is opened, the main exhaust opening/closing valve V2 is closed, and the first stage regenerator high temperature end 16a is connected to the compressor discharge port 12a. During the second waiting period W2, both the main intake opening/closing valve V1 and the main exhaust opening/closing valve V2 are closed again, and the first stage regenerator high temperature end 16a is connected to both the compressor discharge port 12a and the compressor suction port 12b. Not connected. During the exhaust period A2, the main intake opening/closing valve V1 is closed, the main exhaust opening/closing valve V2 is opened, and the first stage regenerator high temperature end 16a is connected to the compressor suction port 12b.

副圧力切換弁20は、第1待機期間W1の1/2(または1/3、または1/4)が経過するまでに第1段パルス管高温端18aと第2段パルス管高温端24aの両方を圧縮機吐出口12aに接続する。副圧力切換弁20は、吸気期間A1が経過するまでにこの接続を絶つ。また、副圧力切換弁20は、第2待機期間W2の1/2(または1/3、または1/4)が経過するまでに第1段パルス管高温端18aと第2段パルス管高温端24aの両方を圧縮機吸入口12bに接続する。副圧力切換弁20は、排気期間A2が経過するまでにこの接続を絶つ。 The auxiliary pressure switching valve 20 switches between the first stage pulse tube high temperature end 18a and the second stage pulse tube high temperature end 24a before 1/2 (or 1/3 or 1/4) of the first waiting period W1 elapses. Both are connected to the compressor discharge port 12a. The auxiliary pressure switching valve 20 breaks this connection before the intake period A1 elapses. In addition, the auxiliary pressure switching valve 20 switches between the first stage pulse tube high temperature end 18a and the second stage pulse tube high temperature end until 1/2 (or 1/3, or 1/4) of the second standby period W2 elapses. 24a are both connected to the compressor intake 12b. The auxiliary pressure switching valve 20 breaks this connection before the exhaust period A2 elapses.

図2に示されるように、副吸気開閉弁V3を開くタイミングtは、第1待機期間W1の開始タイミングtと(t-t)/2との間に設定される。ここで、(t-t)/2は、第1待機期間W1の開始タイミングtと吸気期間A1の開始タイミングtの差の半分である。あるいは、副吸気開閉弁V3を開くタイミングtは、tにより近くてもよく、例えば、tから(t-t)/3の間、またはtから(t-t)/4の間に設定されてもよい。副吸気開閉弁V3を閉じるタイミングtは、吸気期間A1の間(すなわち、tからtの間)に設定される。 As shown in FIG. 2, the timing t 1 for opening the auxiliary intake valve V3 is set between the start timing t 0 and (t 2 −t 0 )/2 of the first waiting period W1. Here, (t 2 −t 0 )/2 is half the difference between the start timing t 0 of the first waiting period W1 and the start timing t 2 of the intake period A1. Alternatively, the timing t 1 for opening the auxiliary intake on-off valve V3 may be closer to t 0 , for example, between t 0 and (t 2 −t 0 )/3, or between t 0 and (t 2 −t 0 ). /4. The timing t3 for closing the auxiliary intake opening/closing valve V3 is set during the intake period A1 (that is, between t2 and t4 ).

副排気開閉弁V4を開くタイミングtは、第2待機期間W2の開始タイミングtと(t-t)/2との間に設定される。ここで、(t-t)/2は、第2待機期間W2の開始タイミングtと排気期間A2の開始タイミングtの差の半分である。あるいは、副排気開閉弁V4を開くタイミングtは、tにより近くてもよく、例えば、tから(t-t)/3の間、またはtから(t-t)/4の間に設定されてもよい。副排気開閉弁V4を閉じるタイミングtは、排気期間A2の間(すなわち、tからtの間)に設定される。 The timing t 5 for opening the auxiliary exhaust opening/closing valve V4 is set between the start timing t 4 of the second waiting period W2 and (t 6 −t 4 )/2. Here, (t 6 −t 4 )/2 is half the difference between the start timing t 4 of the second waiting period W2 and the start timing t 6 of the exhaust period A2. Alternatively, the timing t 5 for opening the auxiliary exhaust on-off valve V4 may be closer to t 4 , for example, between t 4 and (t 6 −t 4 )/3, or between t 4 and (t 6 −t 4 ). /4. The timing t7 for closing the auxiliary exhaust opening/closing valve V4 is set during the exhaust period A2 (that is, between t6 and t8 ).

典型的な二段パルス管冷凍機は並列配置された2つの副圧力切換弁を有し、一方が第1段パルス管に接続され他方が第2段パルス管に接続されている。こうした典型的な設計では、第1段の副圧力切換弁のバルブタイミングを主圧力切換弁に対してごくわずかに先行させることによって、第1段の冷凍能力が最大化されうる。破線矢印Dで図示されるように、第1段の副圧力切換弁を開くタイミングは、例えば、(t-t)/2からtの間に設定される。第1段の副圧力切換弁は、実施の形態に係る副圧力切換弁20とは異なり、第1待機期間W1の1/2が経過した後に開かれる。 A typical two-stage pulse tube refrigerator has two auxiliary pressure switching valves arranged in parallel, one connected to the first stage pulse tube and the other connected to the second stage pulse tube. In such a typical design, first stage refrigeration capacity may be maximized by leading the valve timing of the first stage secondary pressure reversal valve by a very small amount relative to the main pressure reversal valve. As illustrated by the dashed arrow D, the timing of opening the first stage auxiliary pressure switching valve is set between (t 2 −t 0 )/2 and t 2 , for example. Unlike the secondary pressure switching valve 20 according to the embodiment, the first stage secondary pressure switching valve is opened after 1/2 of the first standby period W1 has elapsed.

ところが、本発明者の検討によれば、副吸気開閉弁V3が第1待機期間W1の1/2(または1/3、または1/4)が経過するまでに開放され、副排気開閉弁V4が第2待機期間W2の1/2(または1/3、または1/4)が経過するまでに開放されることによって、上述の典型的なパルス管冷凍機と同等の冷凍性能を実現することができる。 However, according to the study of the present inventor, the auxiliary intake opening/closing valve V3 is opened before 1/2 (or 1/3, or 1/4) of the first waiting period W1 elapses, and the auxiliary exhaust opening/closing valve V4 is opened. is opened before 1/2 (or 1/3, or 1/4) of the second waiting period W2 has elapsed, thereby realizing a refrigeration performance equivalent to that of the typical pulse tube refrigerator described above. can be done.

したがって、実施の形態に係るパルス管冷凍機10は、副圧力切換弁20が第1段パルス管18と第2段パルス管24に共用され、それによりバルブ部40の構造が簡素化されるとともに、良好な冷凍性能を提供することができ、有利である。 Therefore, in the pulse tube refrigerator 10 according to the embodiment, the auxiliary pressure switching valve 20 is shared by the first stage pulse tube 18 and the second stage pulse tube 24, thereby simplifying the structure of the valve section 40. , can provide good refrigeration performance, which is advantageous.

なお、これらのバルブ(V1~V4)のバルブタイミングとしては、図2に例示されるものだけでなく、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。 The valve timings of these valves (V1 to V4) are not limited to those shown in FIG. 2, and various valve timings applicable to existing 4-valve pulse tube refrigerators can be adopted. .

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、例えば電磁開閉弁などの複数の個別に制御可能なバルブの形式をとってもよい。バルブ(V1~V4)は、ロータリーバルブとして構成されてもよい。 Various specific configurations of the valves (V1 to V4) are possible. For example, the group of valves (V1-V4) may take the form of a plurality of individually controllable valves, such as electromagnetic on-off valves. The valves (V1-V4) may be configured as rotary valves.

図3は、図1に示されるパルス管冷凍機10のバルブ部40に適用されうる例示的なロータリーバルブを示す概略図である。図4(a)および図4(b)はそれぞれ、図3に示されるロータリーバルブのバルブステータ48およびバルブロータ50を示す概略図である。図4(a)および図4(b)には、ロータリーバルブのバルブ摺動面52における流路配置が示されている。図から理解されるように、このロータリーバルブは180度の回転で一周期の冷凍サイクルが行われるように構成されている。 FIG. 3 is a schematic diagram showing an exemplary rotary valve that can be applied to the valve section 40 of the pulse tube refrigerator 10 shown in FIG. 4(a) and 4(b) are schematic diagrams showing the valve stator 48 and valve rotor 50, respectively, of the rotary valve shown in FIG. FIGS. 4(a) and 4(b) show the flow path arrangement on the valve sliding surface 52 of the rotary valve. As can be seen from the figure, this rotary valve is constructed so that one refrigerating cycle is performed by rotating it by 180 degrees.

ロータリーバルブのバルブステータ48およびバルブロータ50は、バルブハウジング54に収容され、両者はバルブ摺動面52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48は、バルブハウジング54に固定されている。バルブ駆動モータ56がバルブハウジング54の外側に設置され、バルブ駆動モータ56の出力軸がバルブハウジング54を貫通してバルブロータ50へと延びている。 A valve stator 48 and a valve rotor 50 of the rotary valve are accommodated in a valve housing 54 and are arranged adjacent to each other so as to be in surface contact with each other on a valve sliding surface 52 . The valve stator 48 is fixed to the valve housing 54 . A valve drive motor 56 is installed outside the valve housing 54 , and an output shaft of the valve drive motor 56 extends through the valve housing 54 to the valve rotor 50 .

バルブハウジング54の内部には、圧力室58が形成され、バルブロータ50およびバルブステータ48は、圧力室58に配置されている。一例として、圧力室58には、低圧ライン13bが接続され、低圧PLが導入されている。バルブステータ48には、高圧ライン13a、蓄冷器連通路32、およびパルス管連通路34が接続されている。 A pressure chamber 58 is formed inside the valve housing 54 , and the valve rotor 50 and the valve stator 48 are arranged in the pressure chamber 58 . As an example, the pressure chamber 58 is connected to the low pressure line 13b to introduce the low pressure PL. The valve stator 48 is connected to the high-pressure line 13 a , the regenerator communication passage 32 and the pulse tube communication passage 34 .

バルブステータ48の中心部には、バルブロータ50の回転軸に沿って高圧導入路48aが貫通している。また、バルブステータ48の外周部には、2つの蓄冷器連通穴48bおよび2つのパルス管連通穴48cがバルブロータ50の回転軸の方向に貫通している。2つの蓄冷器連通穴48bは、バルブロータ50の回転軸を中心とする円周上で周方向に180度間隔で配置されている。2つのパルス管連通穴48cは、蓄冷器連通穴48bと同じ円周上で周方向に180度間隔で配置されている。ただし、蓄冷器連通穴48bとパルス管連通穴48cは周方向に所望の角度ずらして配置されている。 A high-pressure introduction passage 48 a extends through the center of the valve stator 48 along the rotation axis of the valve rotor 50 . Two regenerator communication holes 48 b and two pulse tube communication holes 48 c penetrate through the outer peripheral portion of the valve stator 48 in the direction of the rotation axis of the valve rotor 50 . The two regenerator communication holes 48b are arranged at intervals of 180 degrees in the circumferential direction on the circumference around the rotation axis of the valve rotor 50. As shown in FIG. The two pulse tube communication holes 48c are arranged at intervals of 180 degrees in the circumferential direction on the same circumference as the regenerator communication holes 48b. However, the regenerator communication hole 48b and the pulse tube communication hole 48c are arranged with a desired angle in the circumferential direction.

また、バルブロータ50には、高圧凹部50aと2つの低圧凹部50bが形成されている。高圧凹部50aは、バルブ摺動面52上でバルブ摺動面52の直径に沿って形成されている。高圧凹部50aは、バルブステータ48とバルブロータ50との面接触により圧力室58からシールされ、圧力室58に連通していない。高圧ライン13aは、バルブステータ48の高圧導入路48aを通じてバルブロータ50の高圧凹部50aに常時接続されている。2つの低圧凹部50bは、バルブロータ50の外周部に形成され、圧力室58の一部となっている。よって、低圧ライン13bは、低圧凹部50bに常時接続されている。 Further, the valve rotor 50 is formed with a high-pressure recess 50a and two low-pressure recesses 50b. The high pressure recess 50 a is formed on the valve sliding surface 52 along the diameter of the valve sliding surface 52 . The high-pressure recess 50 a is sealed from the pressure chamber 58 by surface contact between the valve stator 48 and the valve rotor 50 and does not communicate with the pressure chamber 58 . The high pressure line 13 a is always connected to the high pressure recess 50 a of the valve rotor 50 through the high pressure introduction passage 48 a of the valve stator 48 . The two low-pressure recesses 50b are formed on the outer periphery of the valve rotor 50 and form part of the pressure chambers 58. As shown in FIG. Therefore, the low pressure line 13b is always connected to the low pressure recess 50b.

バルブステータ48とバルブハウジング54の間にはいくつかのシール部材(例えばOリング)が装着され、バルブ部40の内部における高圧ライン13a、蓄冷器連通路32、およびパルス管連通路34の間での直接の作動ガスの流通は防止される。 Several sealing members (for example, O-rings) are mounted between the valve stator 48 and the valve housing 54, and between the high-pressure line 13a, the regenerator communication passage 32, and the pulse tube communication passage 34 inside the valve section 40. direct working gas flow is prevented.

バルブ駆動モータ56の駆動により出力軸が回転し、それにより、バルブロータ50がバルブステータ48に対して回転摺動する。バルブロータ50の回転(矢印Rで示す)に伴ってバルブ摺動面52で流路接続が周期的に切り替わる。 The drive of the valve drive motor 56 rotates the output shaft, whereby the valve rotor 50 rotates and slides with respect to the valve stator 48 . As the valve rotor 50 rotates (indicated by an arrow R), the valve sliding surface 52 periodically switches the flow channel connection.

バルブロータ50の高圧凹部50aと低圧凹部50bがバルブステータ48の蓄冷器連通穴48bを交互に通過するので、バルブ部40は、高圧ライン13aと低圧ライン13bを蓄冷器連通路32に交互に接続する。よって、バルブ部40は、第1段蓄冷器高温端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動作可能である。 Since the high-pressure recess 50a and the low-pressure recess 50b of the valve rotor 50 alternately pass through the regenerator communication hole 48b of the valve stator 48, the valve section 40 alternately connects the high-pressure line 13a and the low-pressure line 13b to the regenerator communication passage 32. do. Thus, valve assembly 40 is operable to alternately connect first stage regenerator hot end 16a to compressor discharge 12a and compressor inlet 12b.

また、バルブロータ50の高圧凹部50aと低圧凹部50bがバルブステータ48のパルス管連通穴48cを交互に通過するので、バルブ部40は、高圧ライン13aと低圧ライン13bをパルス管連通路34に交互に接続する。上述のように、パルス管連通路34は分岐部42、第1パルス管流路44、および第2パルス管流路46を有する。よって、バルブ部40は、第1段パルス管高温端18aと第2段パルス管高温端24aの両方を圧縮機吐出口12aおよび圧縮機吸入口12bに交互に接続するように動作可能である。 Since the high-pressure recess 50a and the low-pressure recess 50b of the valve rotor 50 alternately pass through the pulse tube communication hole 48c of the valve stator 48, the valve section 40 alternately connects the high-pressure line 13a and the low-pressure line 13b to the pulse tube communication passage 34. connect to. As described above, pulse tube communication passage 34 has branch 42 , first pulse tube flow path 44 and second pulse tube flow path 46 . Thus, valve assembly 40 is operable to alternately connect both first stage pulse tube hot end 18a and second stage pulse tube hot end 24a to compressor discharge 12a and compressor suction 12b.

ロータリーバルブとしてのバルブ部40の具体的な流路構成は、上述の具体例には限られず、種々ありうる。例えば、上述の説明では、圧力室58に低圧ライン13bが接続され、バルブステータ48に高圧ライン13aが接続されているが、これとは逆に、バルブステータ48に低圧ライン13bが接続され、圧力室58に高圧ライン13aが接続される構成も可能である。 A specific flow path configuration of the valve portion 40 as a rotary valve is not limited to the above-described specific example, and various configurations are possible. For example, in the above description, the low pressure line 13b is connected to the pressure chamber 58, and the high pressure line 13a is connected to the valve stator 48. Conversely, the low pressure line 13b is connected to the valve stator 48, A configuration in which the high-pressure line 13a is connected to the chamber 58 is also possible.

このように、実施の形態に係るパルス管冷凍機10においては、副圧力切換弁20が第1段パルス管18と第2段パルス管24に共用されている。パルス管連通路34は、第1段パルス管高温端18aおよび第2段パルス管高温端24aと副圧力切換弁20との間に分岐部42を有する。パルス管連通路34は、分岐部42で第1パルス管流路44と第2パルス管流路46に分岐する。第1パルス管流路44が副圧力切換弁20を第1段パルス管高温端18aに接続し、第2パルス管流路46が副圧力切換弁20を第2段パルス管高温端24aに接続する。したがって、パルス管冷凍機10は、多段式のパルス管冷凍機であるにもかかわらず、単段式のパルス管冷凍機に用いられるものと同じ構造のバルブ部40を採用することができる。よって、簡素なバルブ構成をもつパルス管冷凍機が提供される。 Thus, in the pulse tube refrigerator 10 according to the embodiment, the auxiliary pressure switching valve 20 is shared by the first stage pulse tube 18 and the second stage pulse tube 24 . The pulse tube communication passage 34 has a branch portion 42 between the first stage pulse tube high temperature end 18 a and the second stage pulse tube high temperature end 24 a and the auxiliary pressure switching valve 20 . The pulse tube communication passage 34 branches at a branch portion 42 into a first pulse tube flow path 44 and a second pulse tube flow path 46 . A first pulse tube flow path 44 connects the secondary pressure switching valve 20 to the first stage pulse tube hot end 18a, and a second pulse tube flow path 46 connects the secondary pressure switching valve 20 to the second stage pulse tube hot end 24a. do. Therefore, although the pulse tube refrigerator 10 is a multistage pulse tube refrigerator, it is possible to employ the valve section 40 having the same structure as that used in a single stage pulse tube refrigerator. Therefore, a pulse tube refrigerator with a simple valve configuration is provided.

また、第1パルス管流路44には第1流量調整要素21が設けられ、第2パルス管流路46には第2流量調整要素27が設けられている。第1流量調整要素21および第2流量調整要素27の流路抵抗を個別に予め適切に設定することにより、パルス管冷凍機10の第1段と第2段それぞれにおける位相制御の微調整をすることができる。これは、パルス管冷凍機10の第1段と第2段それぞれの冷凍能力を最大化することに役立つ。 A first flow rate adjusting element 21 is provided in the first pulse tube flow path 44 , and a second flow rate adjusting element 27 is provided in the second pulse tube flow path 46 . Fine adjustment of the phase control in each of the first stage and the second stage of the pulse tube refrigerator 10 is performed by appropriately setting the flow path resistances of the first flow rate adjusting element 21 and the second flow rate adjusting element 27 individually in advance. be able to. This helps maximize the refrigeration capacity of each of the first and second stages of pulse tube refrigerator 10 .

図5は、実施の形態に係るパルス管冷凍機10の他の一例を示す概略図である。バルブ部40(すなわち主圧力切換弁14および副圧力切換弁20)は、コールドヘッド11から取り外し可能に接続されている。 FIG. 5 is a schematic diagram showing another example of the pulse tube refrigerator 10 according to the embodiment. The valve section 40 (that is, the main pressure switching valve 14 and the sub pressure switching valve 20) is detachably connected to the cold head 11. As shown in FIG.

蓄冷器連通路32は、主圧力切換弁14を第1段蓄冷器16に連結する蓄冷器連結配管60を備え、蓄冷器連結配管60は、主圧力切換弁14および第1段蓄冷器高温端16aのそれぞれに着脱可能である。蓄冷器連結配管60の両端は、セルフシーリング・カップリングのような着脱可能な継手61を介して、主圧力切換弁14および第1段蓄冷器高温端16aに着脱可能に取り付けられている。蓄冷器連結配管60は、フレキシブル管またはリジッド管であってもよい。 The regenerator communication passage 32 includes regenerator connection piping 60 that connects the main pressure switching valve 14 to the first stage regenerator 16. The regenerator connection piping 60 connects the main pressure switching valve 14 and the first stage regenerator high temperature end. 16a can be attached and detached. Both ends of the regenerator connecting pipe 60 are detachably attached to the main pressure switching valve 14 and the first stage regenerator hot end 16a via detachable joints 61 such as self-sealing couplings. The regenerator connecting pipe 60 may be a flexible pipe or a rigid pipe.

パルス管連通路34は、副圧力切換弁20を分岐部42に連結するパルス管連結配管62を備え、パルス管連結配管62は、副圧力切換弁20および分岐部42のそれぞれに着脱可能である。パルス管連結配管62の両端は、セルフシーリング・カップリングのような着脱可能な継手63を介して、副圧力切換弁20および分岐部42に着脱可能に取り付けられている。パルス管連結配管62は、フレキシブル管またはリジッド管であってもよい。 The pulse tube communication passage 34 includes a pulse tube connection pipe 62 that connects the sub pressure switching valve 20 to the branch portion 42, and the pulse pipe connection pipe 62 is attachable/detachable to each of the sub pressure switch valve 20 and the branch portion 42. . Both ends of the pulse tube connecting pipe 62 are detachably attached to the auxiliary pressure switching valve 20 and the branch 42 via detachable joints 63 such as self-sealing couplings. The pulse tube connecting pipe 62 may be a flexible pipe or a rigid pipe.

上述のように、典型的な二段パルス管冷凍機は2つの副圧力切換弁を有し、一方が第1段パルス管に接続され他方が第2段パルス管に接続されている。こうした典型的な設計では、第1段パルス管用の連結配管と第2段パルス管用の連結配管が必要である。配管の容積は冷凍能力に寄与しない死容積であるから、なるべく小さいことが望ましい。 As mentioned above, a typical two-stage pulse tube refrigerator has two secondary pressure switching valves, one connected to the first stage pulse tube and the other connected to the second stage pulse tube. Such a typical design requires a connecting line for the first stage pulse tube and a connecting line for the second stage pulse tube. Since the volume of the piping is a dead volume that does not contribute to the refrigerating capacity, it is desirable that the volume be as small as possible.

実施の形態に係るパルス管冷凍機10においては、副圧力切換弁20が第1段パルス管18と第2段パルス管24に共用されている。そのため、副圧力切換弁20を1本のパルス管連結配管62で2つのパルス管(18、24)に接続することができる。典型的なパルス管冷凍機と比べると、連結配管による死容積を半分にすることができ、冷凍能力が向上されうる。また、配管による圧損も低減されうる。 In the pulse tube refrigerator 10 according to the embodiment, the auxiliary pressure switching valve 20 is shared by the first stage pulse tube 18 and the second stage pulse tube 24 . Therefore, the auxiliary pressure switching valve 20 can be connected to two pulse tubes (18, 24) with one pulse tube connecting pipe 62. FIG. Compared to a typical pulse tube refrigerator, the dead volume due to connecting pipes can be halved, and the cooling capacity can be improved. Also, pressure loss due to piping can be reduced.

また、バルブ部40はコールドヘッド11から取り外し可能であるので、作業者は、バルブ部40をコールドヘッド11から取り外してメンテナンスを施すことできる。あるいは、作業者は、バルブ部40をコールドヘッド11から取り外して、新品のまたはメンテナンス済みの他のバルブ部40と交換することができる。 Further, since the valve section 40 is removable from the cold head 11, the operator can remove the valve section 40 from the cold head 11 for maintenance. Alternatively, the operator can remove the valve section 40 from the coldhead 11 and replace it with another new or maintained valve section 40 .

ところで、4バルブ型パルス管冷凍機では、圧縮機、パルス管および蓄冷器を含む形で作動ガスの循環経路が形成されうる。こうした循環経路には、「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しうる。とりわけ、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によりパルス管高温端からパルス管低温端へと顕著な入熱が与えられ、パルス管冷凍機の冷凍効率は低下しうる。 By the way, in a four-valve pulse tube refrigerator, a working gas circulation path can be formed including a compressor, a pulse tube, and a regenerator. A gas flow with a direct current component can be generated in such a circulation path, also referred to as a "DC flow". DC flow can affect the refrigeration performance of pulse tube refrigerators. In particular, when the DC flow includes a working gas flow penetrating from the pulse tube hot end to the pulse tube cold end, such working gas flow provides significant heat input from the pulse tube hot end to the pulse tube cold end. and the refrigeration efficiency of the pulse tube refrigerator can be reduced.

そこで、パルス管冷凍機10は、DCフロー制御流路66を備えてもよい。DCフロー制御流路66は、副圧力切換弁20と並列に配置され、第1段パルス管高温端18aと第2段パルス管高温端24aの両方を圧縮機吸入口12bに接続する。DCフロー制御流路66は、副圧力切換弁20と分岐部42との間でパルス管連通路34から分岐する。このようにして、DCフロー制御流路66も、第1段パルス管18と第2段パルス管24に共用されてもよい。 Therefore, the pulse tube refrigerator 10 may include a DC flow control channel 66 . A DC flow control path 66 is arranged in parallel with the secondary pressure selector valve 20 and connects both the first stage pulse tube hot end 18a and the second stage pulse tube hot end 24a to the compressor inlet 12b. The DC flow control channel 66 branches from the pulse tube communication channel 34 between the auxiliary pressure switching valve 20 and the branch portion 42 . In this manner, the DC flow control channel 66 may also be shared between the first stage pulse tube 18 and the second stage pulse tube 24 .

DCフロー制御流路66は、副圧力切換弁20の副排気開閉弁V4と並列に設けられたDCフロー開閉弁68およびDCフロー調整要素70を有する。例示的なバルブタイミングにおいては、DCフロー開閉弁68は、図2に示される副排気開閉弁V4のバルブタイミングと同一でよい(すなわち、DCフロー開閉弁68は、t~tの間で開放され、他の期間は閉鎖されてもよい)。あるいは、DCフロー開閉弁68は、副排気開閉弁V4の開放中に一時的に開放されてもよい。DCフロー調整要素70は、第1流量調整要素21と同様に、例えば、オリフィス、または絞り弁などの流路抵抗を含み、流路抵抗は、固定されていてもよいし、調整可能であってもよい。 The DC flow control flow path 66 has a DC flow on-off valve 68 and a DC flow adjustment element 70 provided in parallel with the sub-exhaust on-off valve V4 of the sub-pressure switching valve 20 . In an exemplary valve timing, the DC flow on-off valve 68 may be identical to the valve timing of the secondary exhaust on-off valve V4 shown in FIG . may be open and closed at other times). Alternatively, the DC flow on/off valve 68 may be temporarily opened while the secondary exhaust on/off valve V4 is open. The DC flow regulating element 70, like the first flow regulating element 21, includes a flow resistance, such as an orifice or throttle valve, which may be fixed or adjustable. good too.

図5に示されるように、コールドヘッド11とバルブ部40の連結のためにパルス管連結配管62が使用されている場合には、DCフロー制御流路66は、副圧力切換弁20とパルス管連結配管62(副圧力切換弁20側の継手63)との間でパルス管連通路34から分岐してもよい。このようにすれば、DCフロー制御流路66のための追加の連結配管をパルス管連結配管62と並列に設ける必要がない。 As shown in FIG. 5, when the pulse tube connection pipe 62 is used to connect the cold head 11 and the valve unit 40, the DC flow control flow path 66 is connected to the auxiliary pressure switching valve 20 and the pulse tube. It may branch from the pulse tube communication passage 34 to the connection pipe 62 (the joint 63 on the side of the auxiliary pressure switching valve 20). In this way, there is no need to provide an additional connecting pipe for the DC flow control channel 66 in parallel with the pulse tube connecting pipe 62 .

DCフロー制御流路66は、ロータリーバルブに組み込まれてもよい。その場合、図4(a)に破線で示すように、バルブステータ48のパルス管連通穴48cと径方向に隣接して(例えば径方向に内側に)設けられてもよい。 A DC flow control channel 66 may be incorporated into a rotary valve. In that case, as indicated by the dashed line in FIG. 4A, it may be provided radially adjacent to (for example, radially inwardly of) the pulse tube communication hole 48c of the valve stator 48 .

図6は、実施の形態に係るパルス管冷凍機10に適用されうるバッファライン72の接続構成を一例を示す概略図である。 FIG. 6 is a schematic diagram showing an example of the connection configuration of the buffer line 72 that can be applied to the pulse tube refrigerator 10 according to the embodiment.

第1段パルス管高温端18aには、バッファライン72が接続されてもよい。バッファライン72は、バッファタンクなどのバッファ容積72aと、オリフィスなどのバッファライン流量調整要素72bとを有する。バッファ容積72a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。よって、第1段パルス管高温端18aとバッファ容積72aとの圧力差に応じて、第1段パルス管18とバッファ容積72aとの間でバッファライン72を通じて作動ガスが流れる。 A buffer line 72 may be connected to the first stage pulse tube hot end 18a. Buffer line 72 has a buffer volume 72a, such as a buffer tank, and a buffer line flow control element 72b, such as an orifice. Buffer volume 72a serves as an intermediate pressure source of working gas having an intermediate pressure between high PH and low PL (eg, the average pressure between high PH and low PL). Thus, working gas flows through the buffer line 72 between the first stage pulse tube 18 and the buffer volume 72a in response to the pressure difference between the first stage pulse tube hot end 18a and the buffer volume 72a.

第1段パルス管高温端18aには、第1接続口74および第2接続口76が設けられている。第1接続口74と第2接続口76は、互いに異なる位置にある。第1接続口74には、パルス管連通路34の第1パルス管流路44が接続され、第2接続口76には、バッファライン72によりバッファ容積72aが接続されている。このように、バッファライン72が副圧力切換弁20と第1段パルス管高温端18aとの間でパルス管連通路34に合流するのではなく、パルス管連通路34とバッファライン72は別々に第1段パルス管高温端18aに接続されている。 A first connection port 74 and a second connection port 76 are provided at the first stage pulse tube high temperature end 18a. The first connection port 74 and the second connection port 76 are located at different positions. The first connection port 74 is connected to the first pulse tube channel 44 of the pulse tube communication passage 34 , and the second connection port 76 is connected to the buffer volume 72 a through the buffer line 72 . Thus, instead of the buffer line 72 joining the pulse tube communication passage 34 between the secondary pressure switching valve 20 and the first stage pulse tube high temperature end 18a, the pulse tube communication passage 34 and the buffer line 72 are separated. It is connected to the first stage pulse tube hot end 18a.

第1接続口74と第2接続口76は、第1段パルス管高温端18a上で径方向に互いに異なる位置にある。第1接続口74が、第1段パルス管高温端18aの中心78から径方向外側に第1距離C1の位置に設けられ、第2接続口76が、第1段パルス管高温端18aの中心78から径方向外側に第2距離C2の位置に設けられている。ここで、第1距離C1および第2距離C2は、第1段パルス管高温端18aの中心78から第1接続口74および第2接続口76の中心までの長さを示す。第1距離C1および第2距離C2はともに、第1接続口74と第2接続口76が第1段パルス管高温端18aの上面に配置されるべく、第1段パルス管18の半径より短い。 The first connection port 74 and the second connection port 76 are located at radially different positions on the first stage pulse tube hot end 18a. A first connection port 74 is provided radially outward at a first distance C1 from the center 78 of the first stage pulse tube high temperature end 18a, and a second connection port 76 is provided at the center of the first stage pulse tube high temperature end 18a. It is provided at a second distance C2 radially outward from 78 . Here, the first distance C1 and the second distance C2 indicate the lengths from the center 78 of the first stage pulse tube high temperature end 18a to the centers of the first connection port 74 and the second connection port 76, respectively. Both the first distance C1 and the second distance C2 are less than the radius of the first stage pulse tube 18 so that the first connection port 74 and the second connection port 76 are located on the upper surface of the first stage pulse tube hot end 18a. .

第1距離C1は第2距離C2より長い。よって、第2接続口76は、第1段パルス管高温端18aの中心78の近くに位置し、第1接続口74は、第2接続口76に比べて第1段パルス管高温端18aの外周の近くに位置する。例えば、第1距離C1は、第1段パルス管18の半径の半分より長くてもよい。第2距離C2は、第1段パルス管18の半径の半分より短くてもよい。第2接続口76は、第1段パルス管高温端18aの中心78に設けられてもよい。その場合、第2距離C2はゼロとなる。 The first distance C1 is longer than the second distance C2. Thus, the second port 76 is located closer to the center 78 of the first stage pulse tube hot end 18a, and the first port 74 is closer to the first stage pulse tube hot end 18a than the second port 76 is. located near the perimeter. For example, first distance C1 may be greater than half the radius of first stage pulse tube 18 . The second distance C 2 may be less than half the radius of the first stage pulse tube 18 . A second connection port 76 may be provided at the center 78 of the first stage pulse tube hot end 18a. In that case, the second distance C2 is zero.

第1接続口74および第2接続口76はともに、第1接続口74および第2接続口76それぞれを通じて第1段パルス管18の軸方向に作動ガスが流れるように第1段パルス管高温端18aに設けられている。 The first connection port 74 and the second connection port 76 are both connected to the first stage pulse tube hot end such that the working gas flows in the axial direction of the first stage pulse tube 18 through the first connection port 74 and the second connection port 76 respectively. 18a.

ある例示的な設計では、バッファライン72を第1段パルス管高温端18aに直接に接続することに代えて、バッファライン72がパルス管連通路34(例えば第1パルス管流路44)に合流されてもよい。しかしながら、この場合、バッファ容積72aから第1段パルス管高温端18aへとバッファライン72を流れる作動ガスがパルス管連通路34からも作動ガスを引き込む作用が生じ、パルス管の高温端から低温端に向かうDCフローが促進されうる。こうした作用は、バッファライン72を流れる作動ガス流量が大きいほど顕著となりうる。 In one exemplary design, instead of connecting the buffer line 72 directly to the first stage pulse tube hot end 18a, the buffer line 72 joins the pulse tube communication passage 34 (e.g., the first pulse tube flow path 44). may be However, in this case, the working gas flowing through the buffer line 72 from the buffer volume 72a to the first stage pulse tube high temperature end 18a also draws in the working gas from the pulse tube communication passage 34. DC flow towards the can be encouraged. Such an effect can become more pronounced as the flow rate of the working gas flowing through the buffer line 72 increases.

これに対して、上述のように第1接続口74および第2接続口76を設け、パルス管連通路34とバッファライン72を第1段パルス管高温端18aに個別に接続することにより、DCフローが低減され、パルス管冷凍機10の冷凍効率が向上されうる。 In contrast, by providing the first connection port 74 and the second connection port 76 as described above and individually connecting the pulse tube communication path 34 and the buffer line 72 to the first stage pulse tube high temperature end 18a, the DC The flow can be reduced and the refrigeration efficiency of the pulse tube refrigerator 10 can be improved.

同様にして、第2段のバッファラインが第2段パルス管24に接続されてもよく、第1接続口74および第2接続口76が第2段パルス管高温端24aに設けられてもよい。 Similarly, a second stage buffer line may be connected to the second stage pulse tube 24, and a first connection port 74 and a second connection port 76 may be provided at the second stage pulse tube hot end 24a. .

図7は、実施の形態に係るパルス管冷凍機10の更なる一例を示す概略図である。このパルス管冷凍機10は、三段式のパルス管冷凍機である。よって、コールドヘッド11は、図1および図5を参照して説明した各構成要素に加えて、第3段蓄冷器80および第3段パルス管82を備える。第3段蓄冷器80は、第2段蓄冷器22に直列に接続されている。第3段蓄冷器80の低温端は、第3段連通路84を通じて第3段パルス管82の低温端と連通している。 FIG. 7 is a schematic diagram showing another example of the pulse tube refrigerator 10 according to the embodiment. This pulse tube refrigerator 10 is a three-stage pulse tube refrigerator. Therefore, the cold head 11 includes a third stage regenerator 80 and a third stage pulse tube 82 in addition to the components described with reference to FIGS. 1 and 5 . The third stage regenerator 80 is connected in series with the second stage regenerator 22 . The cold end of the third stage regenerator 80 communicates with the cold end of the third stage pulse tube 82 through a third stage communication passage 84 .

副圧力切換弁20は、パルス管連通路34を介して第3段パルス管82の高温端も圧縮機吐出口12aおよび圧縮機吸入口12bに交互に接続する。パルス管連通路34は、分岐部42でさらに第3パルス管流路86に分岐し、第3パルス管流路86が副圧力切換弁20を第3段パルス管82の高温端に接続する。第3パルス管流路86には、第3流量調整要素88が設けられている。 The auxiliary pressure switching valve 20 also alternately connects the high temperature end of the third stage pulse tube 82 to the compressor discharge port 12a and the compressor suction port 12b via the pulse tube communication passage 34. As shown in FIG. The pulse tube communication passage 34 further branches into a third pulse tube flow path 86 at the branching portion 42 , and the third pulse tube flow path 86 connects the auxiliary pressure switching valve 20 to the high temperature end of the third stage pulse tube 82 . A third flow control element 88 is provided in the third pulse tube flow path 86 .

このようにして、副圧力切換弁20は、第1段パルス管18および第2段パルス管24だけでなく、第3段パルス管82にも共用されている。したがって、簡素なバルブ構造をもつパルス管冷凍機10を提供することができる。 In this manner, the secondary pressure switching valve 20 is shared not only by the first stage pulse tube 18 and the second stage pulse tube 24 but also by the third stage pulse tube 82 . Therefore, it is possible to provide the pulse tube refrigerator 10 having a simple valve structure.

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。 The present invention has been described above based on the examples. It should be understood by those skilled in the art that the present invention is not limited to the above embodiments, and that various design changes and modifications are possible, and that such modifications are within the scope of the present invention. By the way. Various features described in relation to one embodiment are also applicable to other embodiments. A new embodiment resulting from a combination has the effects of each of the combined embodiments.

例えば、図5を参照して説明した着脱可能なバルブ構成は、図7に示される三段式のパルス管冷凍機10にも同様に適用されうる。 For example, the detachable valve arrangement described with reference to FIG. 5 is equally applicable to the three-stage pulse tube refrigerator 10 shown in FIG.

図5には主圧力切換弁14および副圧力切換弁20の両方がコールドヘッド11から取り外し可能とされている。しかし、主圧力切換弁14と副圧力切換弁20が別個の弁である場合には、主圧力切換弁14と副圧力切換弁20のうち少なくとも一方がコールドヘッド11から取り外し可能に接続されていてもよい。 Both the main pressure switching valve 14 and the sub pressure switching valve 20 are detachable from the cold head 11 in FIG. However, when the main pressure switching valve 14 and the sub pressure switching valve 20 are separate valves, at least one of the main pressure switching valve 14 and the sub pressure switching valve 20 is detachably connected to the cold head 11. good too.

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。 Although the present invention has been described using specific terms based on the embodiment, the embodiment only shows one aspect of the principle and application of the present invention, and the embodiment does not include the claims. Many variations and rearrangements are permissible without departing from the spirit of the invention as defined in its scope.

10 パルス管冷凍機、 11 コールドヘッド、 12 圧縮機、 12a 圧縮機吐出口、 12b 圧縮機吸入口、 14 主圧力切換弁、 16 第1段蓄冷器、 18 第1段パルス管、 20 副圧力切換弁、 21 第1流量調整要素、 22 第2段蓄冷器、 24 第2段パルス管、 27 第2流量調整要素、 32 蓄冷器連通路、 34 パルス管連通路、 42 分岐部、 44 第1パルス管流路、 46 第2パルス管流路、 62 パルス管連結配管、 66 DCフロー制御流路、 80 第3段蓄冷器、 82 第3段パルス管、 86 第3パルス管流路、 A1 吸気期間、 A2 排気期間、 W1 第1待機期間、 W2 第2待機期間。 10 Pulse tube refrigerator 11 Cold head 12 Compressor 12a Compressor discharge port 12b Compressor suction port 14 Main pressure switching valve 16 First stage regenerator 18 First stage pulse tube 20 Secondary pressure switching valve 21 first flow rate adjustment element 22 second stage regenerator 24 second stage pulse tube 27 second flow rate adjustment element 32 regenerator communication passage 34 pulse tube communication passage 42 branch 44 first pulse tube flow path 46 second pulse tube flow path 62 pulse tube connecting pipe 66 DC flow control flow path 80 third stage regenerator 82 third stage pulse tube 86 third pulse tube flow path A1 intake period , A2 exhaust period, W1 first waiting period, W2 second waiting period.

Claims (7)

圧縮機吐出口と圧縮機吸入口とを有する圧縮機と、
第1段パルス管と、第2段パルス管と、前記第1段パルス管の低温端と連通している低温端を有する第1段蓄冷器と、前記第2段パルス管の低温端と連通している低温端を有し、前記第1段蓄冷器に直列に接続された第2段蓄冷器と、を備えるコールドヘッドと、
前記第1段蓄冷器の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主圧力切換弁と、
パルス管連通路を介して前記第1段パルス管の高温端と前記第2段パルス管の高温端の両方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副圧力切換弁と、を備え、
前記パルス管連通路は、前記第1段パルス管の高温端および前記第2段パルス管の高温端と前記副圧力切換弁との間に分岐部を有し、前記分岐部で第1パルス管流路と第2パルス管流路に分岐し、前記第1パルス管流路が前記副圧力切換弁を前記第1段パルス管の高温端に接続し、前記第2パルス管流路が前記副圧力切換弁を前記第2段パルス管の高温端に接続し、
前記主圧力切換弁は、前記第1段蓄冷器の高温端が前記圧縮機吐出口および前記圧縮機吸入口のどちらにも接続されない第1待機期間、前記第1段蓄冷器の高温端が前記圧縮機吐出口に接続される吸気期間、前記第1段蓄冷器の高温端が前記圧縮機吐出口および前記圧縮機吸入口のどちらにも接続されない第2待機期間、および前記第1段蓄冷器の高温端が前記圧縮機吸入口に接続される排気期間を順番に繰り返すように構成され、
前記副圧力切換弁は、前記第1待機期間の1/2が経過するまでに前記第1段パルス管の高温端と前記第2段パルス管の高温端の両方を前記圧縮機吐出口に接続し、前記第2待機期間の1/2が経過するまでに前記第1段パルス管の高温端と前記第2段パルス管の高温端の両方を前記圧縮機吸入口に接続するように構成されていることを特徴とする多段式パルス管冷凍機。
a compressor having a compressor discharge and a compressor suction;
a first stage pulse tube, a second stage pulse tube, a first stage regenerator having a cold end communicating with the cold end of the first stage pulse tube, and communicating with the cold end of the second stage pulse tube. a second stage regenerator connected in series with the first stage regenerator;
a main pressure switching valve that alternately connects the hot end of the first stage regenerator to the compressor discharge and the compressor suction;
a secondary pressure switching valve that alternately connects both the high temperature end of the first stage pulse tube and the high temperature end of the second stage pulse tube to the compressor discharge port and the compressor suction port via a pulse tube communication passage; , and
The pulse tube communication passage has a branch portion between the high temperature end of the first stage pulse tube, the high temperature end of the second stage pulse tube, and the auxiliary pressure switching valve. The first pulse tube flow path connects the secondary pressure switching valve to the high temperature end of the first stage pulse tube, and the second pulse tube flow path connects the secondary pulse tube flow path. connecting a pressure switching valve to the hot end of the second stage pulse tube;
During a first standby period in which the high temperature end of the first stage regenerator is not connected to either the compressor discharge port or the compressor suction port, the main pressure switching valve is configured such that the high temperature end of the first stage regenerator is connected to the an intake period in which the hot end of the first stage regenerator is connected to the compressor discharge, a second standby period in which the hot end of the first stage regenerator is not connected to either the compressor discharge or the compressor inlet, and the first stage regenerator. is configured to sequentially repeat an exhaust period in which the hot end of is connected to the compressor inlet;
The auxiliary pressure switching valve connects both the high temperature end of the first stage pulse tube and the high temperature end of the second stage pulse tube to the compressor discharge port before 1/2 of the first standby period elapses. and both the high temperature end of the first stage pulse tube and the high temperature end of the second stage pulse tube are connected to the compressor suction port before 1/2 of the second waiting period elapses. A multi-stage pulse tube refrigerator characterized by:
前記第1パルス管流路には第1流量調整要素が設けられ、前記第2パルス管流路には第2流量調整要素が設けられていることを特徴とする請求項1に記載の多段式パルス管冷凍機。 2. The multi-stage system according to claim 1, wherein said first pulse tube flow path is provided with a first flow rate adjusting element, and said second pulse tube flow path is provided with a second flow rate adjusting element. pulse tube refrigerator. 前記主圧力切換弁と前記副圧力切換弁のうち少なくとも一方は、前記コールドヘッドから取り外し可能に接続されていることを特徴とする請求項1または2に記載の多段式パルス管冷凍機。 3. The multistage pulse tube refrigerator according to claim 1, wherein at least one of said main pressure switching valve and said sub pressure switching valve is detachably connected to said cold head. 前記パルス管連通路は、前記副圧力切換弁を前記分岐部に連結するパルス管連結配管を備え、前記パルス管連結配管は、前記副圧力切換弁および前記分岐部のそれぞれに着脱可能であ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多段式パルス管冷凍機。 The pulse tube communication passage includes a pulse tube connection pipe that connects the secondary pressure switching valve to the branch portion, and the pulse tube connection pipe is attachable/detachable to each of the secondary pressure switching valve and the branch portion. 4. The multi-stage pulse tube refrigerator according to any one of claims 1 to 3, characterized by: 前記副圧力切換弁と並列に配置され、前記第1段パルス管の高温端と前記第2段パルス管の高温端の両方を前記圧縮機吸入口に接続するDCフロー制御流路をさらに備え、前記DCフロー制御流路は、前記副圧力切換弁と前記分岐部との間で前記パルス管連通路から分岐することを特徴とする請求項1からのいずれかに記載の多段式パルス管冷凍機。 further comprising a DC flow control flow path arranged in parallel with the secondary pressure switching valve and connecting both the hot end of the first stage pulse tube and the hot end of the second stage pulse tube to the compressor intake; 5. The multi-stage pulse tube refrigeration system according to claim 1, wherein said DC flow control flow path branches from said pulse tube communication path between said auxiliary pressure switching valve and said branch portion. machine. 前記コールドヘッドは、第3段パルス管と、前記第3段パルス管の低温端と連通している低温端を有し、前記第2段蓄冷器に直列に接続された第3段蓄冷器と、を備え、
前記副圧力切換弁は、前記パルス管連通路を介して前記第3段パルス管の高温端も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し、
前記パルス管連通路は、前記分岐部でさらに第3パルス管流路に分岐し、前記第3パルス管流路が前記副圧力切換弁を前記第3段パルス管の高温端に接続することを特徴とする請求項1からのいずれかに記載の多段式パルス管冷凍機。
The coldhead includes a third stage pulse tube and a third stage regenerator having a cold end in communication with the cold end of the third stage pulse tube and connected in series with the second stage regenerator. , and
the auxiliary pressure switching valve also alternately connects the high temperature end of the third stage pulse tube to the compressor discharge port and the compressor suction port via the pulse tube communication passage;
The pulse tube communication path is further branched into a third pulse tube flow path at the branching portion, and the third pulse tube flow path connects the auxiliary pressure switching valve to the high temperature end of the third stage pulse tube. 6. The multi-stage pulse tube refrigerator according to any one of claims 1 to 5 .
第1段パルス管と、
第2段パルス管と、
前記第1段パルス管の低温端と連通している低温端を有する第1段蓄冷器と、
前記第2段パルス管の低温端と連通している低温端を有し、前記第1段蓄冷器に直列に接続された第2段蓄冷器と、
前記第1段蓄冷器の高温端を主圧力切換弁に接続する蓄冷器連通路と、
前記第1段パルス管の高温端と前記第2段パルス管の高温端の両方を副圧力切換弁に接続するパルス管連通路と、を備え、
前記パルス管連通路は、前記第1段パルス管の高温端および前記第2段パルス管の高温端と前記副圧力切換弁との間に分岐部を有し、前記分岐部で第1パルス管流路と第2パルス管流路に分岐し、前記第1パルス管流路が前記副圧力切換弁を前記第1段パルス管の高温端に接続し、前記第2パルス管流路が前記副圧力切換弁を前記第2段パルス管の高温端に接続し、
前記主圧力切換弁は、前記第1段蓄冷器の高温端が圧縮機吐出口および圧縮機吸入口のどちらにも接続されない第1待機期間、前記第1段蓄冷器の高温端が前記圧縮機吐出口に接続される吸気期間、前記第1段蓄冷器の高温端が前記圧縮機吐出口および前記圧縮機吸入口のどちらにも接続されない第2待機期間、および前記第1段蓄冷器の高温端が前記圧縮機吸入口に接続される排気期間を順番に繰り返すように構成され、
前記副圧力切換弁は、前記第1待機期間の1/2が経過するまでに前記第1段パルス管の高温端と前記第2段パルス管の高温端の両方を前記圧縮機吐出口に接続し、前記第2待機期間の1/2が経過するまでに前記第1段パルス管の高温端と前記第2段パルス管の高温端の両方を前記圧縮機吸入口に接続するように構成されていることを特徴とする多段式パルス管冷凍機のコールドヘッド。
a first stage pulse tube;
a second stage pulse tube;
a first stage regenerator having a cold end in communication with the cold end of the first stage pulse tube;
a second stage regenerator having a cold end in communication with the cold end of the second stage pulse tube and connected in series with the first stage regenerator;
a regenerator communication passage connecting the high temperature end of the first stage regenerator to a main pressure switching valve;
a pulse tube communication passage connecting both the high temperature end of the first stage pulse tube and the high temperature end of the second stage pulse tube to the auxiliary pressure switching valve;
The pulse tube communication passage has a branch portion between the high temperature end of the first stage pulse tube, the high temperature end of the second stage pulse tube, and the auxiliary pressure switching valve. The first pulse tube flow path connects the secondary pressure switching valve to the high temperature end of the first stage pulse tube, and the second pulse tube flow path connects the secondary pulse tube flow path. connecting a pressure switching valve to the hot end of the second stage pulse tube;
The main pressure switching valve is configured such that the high temperature end of the first stage regenerator is connected to the compressor during a first standby period in which the high temperature end of the first stage regenerator is not connected to either the compressor discharge port or the compressor suction port. an intake period when the hot end of the first stage regenerator is connected to the discharge, a second standby period when the hot end of the first stage regenerator is not connected to either the compressor discharge or the compressor inlet, and a high temperature of the first stage regenerator. configured to sequentially repeat an exhaust period with an end connected to the compressor inlet;
The auxiliary pressure switching valve connects both the high temperature end of the first stage pulse tube and the high temperature end of the second stage pulse tube to the compressor discharge port before 1/2 of the first standby period elapses. and both the high temperature end of the first stage pulse tube and the high temperature end of the second stage pulse tube are connected to the compressor suction port before 1/2 of the second waiting period elapses. A cold head for a multistage pulse tube refrigerator, characterized in that
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