(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機のシリンダと膨張機のシリンダの間に蓄冷器を配置し、蓄冷器の低温側端と膨張機との間にまたがって内部にガス流路を形成した低温伝熱部を介装接続し、該低温伝熱部をコールドヘッドとして冷凍サイクルにより寒冷を発生させるよう構成したガスサイクル機関冷凍機において、前記低温伝熱部を、その長手方向にガス流路となる断面円形穴を形成した第１の伝熱部材と、第１伝熱部材のガス流路穴に挿入し、かつその両端を第１伝熱部材へ伝熱的に結合した円柱状の第２の伝熱部材とで構成するとともに、第１伝熱部材と第２伝熱部材との間の対向面域に長手方向に沿ったガス流路を形成したことを特徴とするガスサイクル機関冷凍機。
【請求項２】
請求項１記載のガスサイクル機関冷凍機において、第２伝熱部材を長手方向の中間部で二分したことを特徴とするガスサイクル機関冷凍機。
【請求項３】
請求項１記載のガスサイクル機関冷凍機において、第２伝熱部材の直径を第１伝熱部材の穴径よりも径小に設定して穴内に同心配置し、ガス流路を第１伝熱部材の穴内周面と第２伝熱部材の外周面との間に成形したことを特徴とするガスサイクル機関冷凍機。
【請求項４】
請求項１記載のガスサイクル機関冷凍機において、第２伝熱部材の直径を第１伝熱部材の穴径と同じ径に設定し、両者間を伝熱的に密着させて嵌め合わせるとともに、ガス流路を第１伝熱部材の穴内周面，もしくは第２伝熱部材の外周面のいずれか一方，または双方の周上に分散したスリット状溝で形成したことを特徴とするガスサイクル機関冷凍機。
【請求項５】
請求項４記載のガスサイクル機関冷凍機において、第１伝熱部材に第２伝熱部材を焼き嵌めして両者間の嵌め合いをしまり嵌めとしたことを特徴とするガスサイクル機関冷凍機。
【請求項６】
請求項４記載のガスサイクル機関冷凍機において、ガス流路となるスリット溝の断面形状が三角形，もしくは四角形であることを特徴とするガスサイクル機関冷凍機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、逆スターリングサイクル冷凍機（以下「スターリング冷凍機」と呼称する）に代表されるガスサイクル機関冷凍機、詳しくは該冷凍機の低温伝熱部の構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
クライオクーラなどに適用して低温（絶対温度８０Ｋ程度）の寒冷を得る冷凍機として、スターリング冷凍機，パルス管冷凍機など、相変化を伴わない作動ガスを用いたガスサイクル機関冷凍機が公知である。
ここで、スターリング冷凍機を例に挙げて、従来におけるスターリング冷凍機の構成，動作を図５で説明する。図において、１は放熱フィン付きのシリンダ１ａに内蔵した圧縮ピストン１ｂを駆動モータ（図示せず）で往復動するレシプロ圧縮機、２は圧縮機１のシリンダ１ａの吐出口に管路を経て接続した蓄冷器、３は膨張シリンダ３ａと膨張ピストン３ｂからなる膨張機（ディスプレーサ）、４は蓄冷器２の低温側端と膨張機３のシリンダ３ａとの間にまたがって両者間を連通するガス流路４ａ（機械加工の容易な断面円形状の穴）を形成した低温伝熱部であり、圧縮機１と膨張機３の間の閉空間を作動空間としてここに作動ガス（ヘリウムガス）が封入されている。なお、圧縮機１と膨張機３とは相対的に９０°の位相差でモータ駆動される。また、前記の低温伝熱部４は、コールドヘッド（寒冷発生部）としてその冷却端Ａ（上面）に被冷却体５を伝熱的に設置し、次記の冷凍サイクル（逆スターリングサイクル）により寒冷を発生して被冷却体５を低温に冷却する。
【０００３】
周知のように逆スターリングサイクルは、等温圧縮，等容移送，等温膨張，等容移送の４工程で低温伝熱部に寒冷を発生させる。すなわち、冷凍機の定常動作では、等温圧縮工程で圧縮機１により作動ガスが圧縮され、続く等容移送工程で作動ガスは蓄冷器２により冷却されて膨張空間に送られる。次の等温膨張工程では作動ガスが寒冷を発生し、冷却端を通して被冷却物から熱を奪う。続く等容移送工程で低温の作動ガスが蓄冷器２を冷却して圧縮機１に戻る。そして、この冷凍サイクルを繰り返すことにより低温伝熱部４に設置した被冷却体５が低温に冷却される。
【０００４】
なお、冷凍機の始動開始直後は低温部の作動ガスは常温状態にあるので、最初の膨張過程ではガスと冷却端（低温伝熱部４）との間に熱の移動はなく、作動ガスは断熱膨張してガス温度が降下する。この冷えたガスが容等変化で圧縮機側に戻る過程で蓄冷器を冷却するので、次のサイクルで作動ガスが膨張機に送り出されるときには、蓄冷器の温度は前のサイクルよりも低くなっており、これに冷やされたガスがさらにほぼ断熱膨張するので温度はますます下がって行き、冷凍サイクルの繰り返しにより定常運転状態に移行する。
【０００５】
また、前記構成になるスターリング冷凍機の膨張機３は、その膨張ピストン３ｂをオリフィスとリザーバからなるパルス管に置き換えることにより、パルス管冷凍機として成り立つ。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記した従来のスターリング冷凍機（ガスサイクル機関冷凍機）は、冷凍能力が１０Ｗ程度の極低温冷凍機に対しては有効に機能するが、冷蔵庫などのように、冷却温度は−１５℃程度であるが所要冷凍能力がＫＷオーダーにもなる冷蔵装置に適用する場合に、従来構成のままでは低温伝熱部４のガス流路が単純な断面円形穴であることから、その伝熱部材とここを通流する作動ガスとの間の熱通過率が低く、このために小型で効率の高い冷凍機が得られないといった問題がある。
【０００７】
すなわち、冷凍機は冷凍能力を一定とした場合に、消費電力と体格（外形寸法）で評価され、その評価の因子として低温伝熱部４における熱通過率，ガス流路の容積（死容積），および圧力損失が挙げられる。ここで各因子の冷凍性能に与える影響について述べると、
(1) まず熱通過率については、冷凍機の運転状態で低温伝熱部４の冷却端温度Ｔａとガス流路４ａを通流する低温ガスのガス温度Ｔｃとの間には、低温伝熱部４の熱通過率に対応した温度差ΔＴが発生する。したがって、冷却端温度Ｔａを被冷却体５の要求する温度にするためには、低温ガス温度Ｔｃを冷却端温度Ｔａよりもさらに温度差ΔＴだけ低く（Ｔｃ＝Ｔａ−ΔＴ）する必要がある。
【０００８】
一方、スターリング冷凍機の理論熱効率（成績係数：ＣＯＰ）は、高温ガス温度をＴｈとすると、
【０００９】
【数１】
ＣＯＰ＝Ｔｃ／（Ｔｈ−Ｔｃ）＝（Ｔａ−ΔＴ）／（Ｔｈ−Ｔａ＋ΔＴ）
として表され、温度差ΔＴが大きくなると成績係数（ＣＯＰ）が低下し、同一の熱負荷に対しては冷凍機の入力が増大する。また、冷却端温度Ｔａに対して温度差ΔＴを補償するように低温ガス温度Ｔｃを低くすると、蓄冷器２での熱ロス，膨張機３におけるピストンとシリンダとの相対変位に伴って生じるシャトルロスなどの冷凍機自身の熱ロスが増加して冷却すべき熱負荷が増大する。このように、低温伝熱部４の熱通過率が低いと、その分だけ被冷却体５が要求する冷却端温度Ｔａに対して低温ガス温度Ｔｃを低めなければならず、その結果として冷凍機の成績係数（ＣＯＰ）が低下するとともに冷却すべき熱負荷が増大するので入力が増加し、冷凍機の効率が低下するようになる。
【００１０】
かかる点、従来の低温伝熱部４では伝熱部材の内部に加工した単純な断面円形状の穴でガス流路４ａを形成している。したがって、作動ガスが通流する流路の容積に対して作動ガスが直接接触する伝熱面積（穴の内周面）の比率が小さく、このために熱通過率が小さくなる。
(2) また、低温伝熱部４に形成したガス流路４ａの容積（死容積）については、ガス流路４ａの容積が大きいと、圧縮機１のピストン１ｂの変位（移動）に対するガス圧力の変化が小さくなる。このために、冷凍サイクルの等温圧縮工程と等温膨張工程の間で必要な圧力振幅を得るには、ピストン１ａのストロークを大きくするか、ピストン１ａの断面積を大きくする必要があるが、これは冷凍機の体格大型化を招くとともに、同一のガス圧変化に要する圧縮機１のガス吐出し量が増して冷凍機の入力が大きくなる。
【００１１】
(3) 一方、低温伝熱部４のガス流路４ａにおける圧力損失は、圧縮機１の入力を増加させるほか、膨張機３におけるガス圧振幅を小さくして冷凍出力を低下させる原因となるため、ガス流路の断面積（流路の容積）との関連でできるだけ小さく抑えることが必要である。
この発明は上記の点に鑑みなされたものであり、その目的は先記スターリング冷凍機などのガスサイクル機関冷凍機を対象に、その低温伝熱部における死容積，圧力損失を小さく抑えつつ熱通過率を向上し、小型な体格で熱効率の高い冷凍機を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、この発明によれば、ガス圧縮機のシリンダに接続した蓄冷器の低温側端と膨張機との間にまたがって内部にガス流路を形成した低温伝熱部を介装接続し、該低温伝熱部をコールドヘッドとして冷凍サイクルにより寒冷を発生させるように構成したガスサイクル機関冷凍機において、前記低温伝熱部を、その長手方向にガス流路となる断面円形穴を形成した第１の伝熱部材と、第１伝熱部材のガス流路穴に挿入し、かつその両端を第１伝熱部材へ伝熱的に結合した円柱状の第２の伝熱部材とで構成するとともに、第１伝熱部材と第２伝熱部材との間の対向面域に長手方向のガス流路を形成するものとする（請求項１）。
【００１３】
このように、両端で伝熱的に結合した第１伝熱部材と、該伝熱部材の穴に挿入して両端を伝熱的に結合した第２伝熱部とを組合せて、その対向面域にガス流路を形成して低温伝熱部を構成することにより、作動ガスとの熱交換がガス流路を挟んで対向する第１伝熱部材，および第２伝熱部材との間で行われるために、その分だけ大きな伝熱面積を確保して低温伝熱部の熱通過率が高くなる。また、単位流路面積に対する伝熱面積が大きくなることで、死容積が低減する。
【００１４】
また、本発明によれば、前記構成の低温伝熱部，およびガス流路は、具体的には次記のような形態で構成することかできる。
(1) 第２伝熱部材を長手方向の中間部で二分し、第１伝熱部材と第２伝熱部材との間に温度差があっても、両者の間に熱応力が作用するのを防ぐようにする（請求項２）。
【００１５】
(2) 第２伝熱部材の直径を第１伝熱部材の穴径よりも径小に設定して穴内に同心配置し、ガス流路を第１伝熱部材の穴内周面と第２伝熱部材の外周面との間に成形する（請求項３）。
(3) 第２伝熱部材の直径を第１伝熱部材の穴径と同じ径に設定し、両者間を伝熱的に密着させて嵌め合わせるとともに、ガス流路を第１伝熱部材の穴内周面，もしくは第２伝熱部材の外周面のいずれか一方，または双方の周上に分散したスリット状溝で形成し、ガス通路の死容積を小さく抑えつつ作動ガスと伝熱部材との間に大きな伝熱面積を確保できるようにする（請求項４）。
【００１６】
(4) 前項(3) において、第１伝熱部材に第２伝熱部材を焼き嵌めし、両者間の嵌め合いをしまり嵌めとして高い熱通過率が得られるように伝熱的に密着させる（請求項５）。
(5) ガス流路となるスリット溝の断面形状を三角形，もしくは四角形としてスリット溝の断面積に対する溝の辺長を大きくし、ガス流路の死容積に対する伝熱面積の増大化を図る（請求項６）。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、スターリング冷凍機を例に、この発明の実施の形態を図１ないし図４に示す実施例に基づいて説明する。なお、各実施例の図中で図５に対応する同一部材には同じ符号が付してある。
〔実施例１〕
図１(a),(b) はこの発明の請求項１，３に対応する基本的な実施例の構成を示すものである。この実施例において、冷凍機の全体構成は基本的に図５と同様であるが、低温伝熱部４が第１の伝熱部材６と第２の伝熱部材７の組合せから構成されている。
【００１８】
ここで、第１の伝熱部材６は、その長手方向に沿って貫通する断面円形状の穴６ａを穿孔し、さらに両端側の側壁には蓄冷器２，膨張機３のシリンダ３ａに通じる口が開口した構成になる。一方、第２の伝熱部材７はその中央部７ａの直径を前記穴６ａの穴径よりも一回り小さく、両端部７ｂを穴６ａと同じ直径にし、さらに蓄冷器２，膨張機３のシリンダ３ａに通じる連通口部分７ｃを小径にした段付きの円柱体としてなる。
【００１９】
そして、第２伝熱部材７を第１伝熱部材６の穴６ａに挿入した上で、その両端部７ｂを第１伝熱部材部材に溶接して気密，伝熱的に結合する。この組立て状態では、第１伝熱部材６の穴６ａの中に第２伝熱部材７の中央部７ａが同心的に位置し、穴６ａの内周面と中央部７ａの外周面との間の環状隙間ｇで膨張空間のガス流路４ａが形成される。
【００２０】
かかる構成で、冷凍機の運転時に前記ガス通路４ａを通流する作動ガスと低温伝熱部４との間の熱交換は、環状隙間のガス通路４ａを挟んで対向する第１伝熱部材６の穴内周面，および第２伝熱部材４の外周面との間で行われ、かつ第２伝熱部材７に伝熱した冷熱はその両端部から第１伝熱部材６を経て被冷却体５を搭載した冷却端に伝熱する。これにより、図５に示した従来構造の低温伝熱部と較べて、流路断面積に対する伝熱面積が増大して熱通過率が高くなる。
【００２１】
〔実施例２〕
図２は、この発明の請求項２に対応する実施例の構成を示すものである。この実施例においては、先記実施例１と同様に低温伝熱部４に組み込んだ第２伝熱部材７が中央で左右に二分割されており、各分割部材７Ａ，７Ｂの端部がそれぞれ第１伝熱部材６の左右端部に溶接して気密，伝熱的に結合されている。
【００２２】
かかる構成によれば、第１伝熱部材６と第２伝熱部材７との間に温度差があっても、その熱応力は分断部分で吸収され、第１伝熱部材６に作用することがない。また、第１伝熱部材６と第２伝熱部材７を熱膨張係数の異なる異種金属で構成した場合でも、同様に両伝熱部材の間に熱応力の加わることがない。これにより、低温伝熱部４に連結した膨張機３のシリンダ（膨張シリンダは熱ロスを低めるために薄肉に構成されている）に不当な変形を与えて膨張ピストンの動作を阻害するおそれがない。
【００２３】
〔実施例３〕
次に、この発明の請求項４，５に対応する応用実施例を図３，図４に示す。なお、図３(a) 〜(c) ，および図４(a),(b) はいずれも図１に示した低温伝熱部４の中央部分の断面図を表している。この実施例においては、第２伝熱部材７の直径を第１伝熱部材６の穴径と同じ径に設定し、第１伝熱部材６に第２伝熱部材７を焼き嵌めして両者間を伝熱的に密着させて嵌め合わせるとともに、あらかじめ第１伝熱部材６の穴内周面，もしくは第２伝熱部材７の外周面のいずれか一方，または双方の周上に分散してスリット状溝のガス流路４ａが形成されている。
【００２４】
ここで、図３(a) 〜(c) に示す各実施例は、スリット状溝の断面形状が四角形であり、(a) 図では第１伝熱部材６の穴内周面上に、(b) 図では第２伝熱部材７の外周面上に、(c) 図では第１伝熱部材６と第２伝熱部材７にまたがってガス流路４ａとなる多数条のスリット状溝が分散形成されている。また、図４(a),(b) の実施例では、スリット状溝の断面形状が三角形であり、(a) 図では第１伝熱部材６の穴内周面上に、(b) 図では第２伝熱部材７の外周面上に分散形成されている。
【００２５】
かかる構成によれば、先記した実施例１（図１）の環状隙間のガス流路と較べて、流路が多数のスリット状溝に分断されているので作動ガスと熱交換する伝熱面積が大きくなり、それだけ低温伝熱部４の熱通過率がより一層高くなる。
また、スリット状溝の断面形状に関しては、同じ断面積に対して溝を囲む周長（各辺長の総和）が長いほど伝熱面積が大きくなる。この観点から、スリット状溝の断面を四角形とする場合には、正方形よりも矩形に設定した方が周長が長くなる。さらに、スリット状溝に断面三角形を選べば、同じ断面積に対しする周長の比率がより長くなって伝熱面積が大きくなる。
【００２６】
なお、ガス流路４ａのスリット状溝を細分化すると、伝熱面積が増す反面、流路の圧力損失も増大することから、低温伝熱部４のガス流路４ａを設計するに際しては、伝熱面積，流路の容積（死容積），圧力損失を勘案して適正なスリット状溝の断面形状，大きさ，周上の配列ピッチなどを決定する必要がある。
【００２７】
【発明の効果】
以上述べたように、この発明の構成によれば、ガスサイクル機関冷凍機に組み込んだ低温伝熱部を、その長手方向にガス流路となる断面円形穴を形成した第１の伝熱部材と、第１伝熱部材のガス流路穴に挿入し、かつその両端を第１伝熱部材へ伝熱的に結合した円柱状の第２の伝熱部材とで構成するとともに、第１伝熱部材と第２伝熱部材との間の対向面域に長手方向に沿って環状隙間，あるいは周上に分散したスリット状溝でガス流路を形成したことにより、従来構造と較べて低温伝熱部とガス流路を通流する作動ガスと間で熱交換を行う伝熱面積を高めて熱通過率が大幅に向上するとともに、伝熱面積の増加によりガス流路の死容積を低減できる。これにより、所要冷凍能力の大きな冷蔵庫（冷却温度−１５℃程度）などにも適用可能な小型で熱効率の高いガスサイクル機関冷凍機を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施例１に対応するスターリング冷凍機の構成図であり、(a) は構成断面図、(b) は(a) 図における矢視Ｘ−Ｘ断面図
【図２】この発明の実施例２に対応する低温伝熱部の構成断面図
【図３】この発明の実施例３に対応する低温伝熱部の要部構成を示し、(a) 〜(c) はそれぞれ異なる実施例の部分断面図
【図４】図３と異なる応用実施例の要部構成を示し、(a),(b) はそれぞれ異なる実施例の部分断面図
【図５】従来におけるスターリング冷凍機の構成断面図
【符号の説明】
１    圧縮機
２    蓄冷器
３    膨張機
４    低温伝熱部
４ａ  ガス流路
５    被冷却体
６    第１の伝熱部材
７    第２の伝熱部材
７Ａ，７Ｂ  分割伝熱部材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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