(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
中心軸上に配設されているディスプレーサ基部と、前記中心軸に沿って前記ディスプレーサ基部から作動ガスの膨張空間へと延出するディスプレーサ先端部と、を備えるディスプレーサと、
前記中心軸の方向における前記ディスプレーサの往復移動を案内するよう前記ディスプレーサ先端部の周囲に配設されている蓄冷器と、を備え、
前記ディスプレーサ先端部は、前記中心軸の方向に配列された複数の板状部品であって、各々が前記ディスプレーサ先端部の外面の一部を規定する部品側面を備える複数の板状部品を備え、
前記複数の板状部品は、隣接する２つの板状部品の間に作動ガス層を形成するよう配列され、
前記中心軸の方向における前記作動ガス層の幅は、前記中心軸の方向における前記板状部品の厚さより小さいことを特徴とするスターリング冷凍機。
【請求項２】
前記複数の板状部品は、樹脂材料で形成されていることを特徴とする請求項１に記載のスターリング冷凍機。
【請求項３】
前記複数の板状部品は、ねじ部を用いて連結されていることを特徴とする請求項１または２に記載のスターリング冷凍機。
【請求項４】
前記ディスプレーサ基部は、その中に空洞を有す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スターリング冷凍機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スターリング冷凍機に関し、特にスターリング冷凍機の膨張機に関する。
【背景技術】
【０００２】
スターリング冷凍機の膨張機にはディスプレーサが設けられている。ディスプレーサの一端は低温部に配置され、他端は常温部に配置されている。よって、冷凍機の使用時においてディスプレーサには温度勾配が生じる。そのため、ディスプレーサを通じて常温部から低温部に熱が進入しうる。こうした入熱はスターリング冷凍機の冷凍能力を減少させうる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−１２１１８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、スターリング冷凍機の膨張機においてディスプレーサを通じた伝熱を低減することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明のある態様によると、中心軸上に配設されているディスプレーサ基部と、前記中心軸に沿って前記ディスプレーサ基部から作動ガスの膨張空間へと延出するディスプレーサ先端部と、を備えるディスプレーサと、前記中心軸の方向における前記ディスプレーサの往復移動を案内するよう前記ディスプレーサ先端部の周囲に配設されている蓄冷器と、を備えるスターリング冷凍機が提供される。前記ディスプレーサ先端部は、前記中心軸の方向に配列された複数の板状部品であって、各々が前記ディスプレーサ先端部の外面の一部を規定する部品側面を備える複数の板状部品を備える。前記複数の板状部品は、隣接する２つの板状部品の間に作動ガス層を形成するよう配列されている。
【０００６】
本発明のある態様によると、中心軸上に配設されているディスプレーサ基部と、前記中心軸に沿って前記ディスプレーサ基部から作動ガスの膨張空間へと延出するディスプレーサ先端部と、を備えるディスプレーサと、前記中心軸の方向における前記ディスプレーサの往復移動を案内するよう前記ディスプレーサ先端部の周囲に配設されている蓄冷器と、を備えるスターリング冷凍機が提供される。前記ディスプレーサ先端部は、前記中心軸の方向に配列された複数の板状部品であって、各々が前記ディスプレーサ先端部の外面の一部を規定する部品側面を備える複数の板状部品を備える。前記複数の板状部品は、樹脂材料で形成されている。
【０００７】
なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、スターリング冷凍機の膨張機においてディスプレーサを通じた伝熱を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明のある実施形態に係るスターリング冷凍機を概略的に示す図である。
【図２】本発明のある実施形態に係るスターリング冷凍機の膨張機を概略的に示す断面図である。
【図３】本発明のある実施形態に係る膨張機ディスプレーサの一部を概略的に示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。なお、説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。また、以下に述べる構成は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。
【００１１】
図１は、本発明のある実施形態に係るスターリング冷凍機１０を概略的に示す図である。スターリング冷凍機１０は、圧縮機１１、接続管１２、及び膨張機１３を備える。
【００１２】
圧縮機１１は、圧縮機ケース１４を備える。圧縮機ケース１４は、高圧の作動ガスを気密に保持するよう構成されている圧力容器である。作動ガスは例えばヘリウムガスである。また、圧縮機１１は、圧縮機ケース１４に収容されている圧縮機ユニットを備える。圧縮機ユニットは圧縮機ピストン及び圧縮機シリンダを備えており、それらのうち一方は圧縮機ケース１４の中で往復移動するよう構成されている可動部材１５であり、他方は圧縮機ケース１４に固定されている静止部材である。圧縮機ユニットは、可動部材１５の中心軸に沿う方向に可動部材１５を圧縮機ケース１４に対して移動させるための駆動源を備える。圧縮機１１は、可動部材１５の往復移動を可能とするように可動部材１５を圧縮機ケース１４に支持する支持部１６を備える。可動部材１５は、ある振幅及び周波数で圧縮機ケース１４及び静止部材に対し振動する。この結果、圧縮機１１内の作動ガスの容積も、特定の振幅および周波数で振動する。
【００１３】
圧縮機ピストンと圧縮機シリンダとの間に作動ガス室が形成されている。この作動ガス室は、上述の静止部材及び圧縮機ケース１４に形成されている連通路を通じて、接続管１２の一端に接続されている。接続管１２の他端は、膨張機１３の作動ガス室へと接続されている。こうして接続管１２により、圧縮機１１の作動ガス室が膨張機１３の作動ガス室に接続される。
【００１４】
膨張機１３は、図２を参照して後述するように、膨張機本体２０、ディスプレーサ２２、及び少なくとも１つの支持部４０を備える。
【００１５】
図２は、本発明の第１実施形態に係る膨張機１３を概略的に示す図である。図２には膨張機１３の内部構造の概略を示す。
【００１６】
膨張機本体２０は、高圧の作動ガスを気密に保持するよう構成されている圧力容器である。この圧力容器は、内部を気密に保持するよう相互に連結された複数の容器部分から構成されていてもよい。ディスプレーサ２２は、膨張機本体２０の中で往復移動するよう構成されている可動部材である。支持部４０は、ディスプレーサ２２の往復移動を可能とするようにディスプレーサ２２を膨張機本体２０に支持する。
【００１７】
膨張機本体２０は、第１区画２４及び第２区画２６を備える。第１区画２４は、膨張機本体２０とディスプレーサ２２との間に形成される作動ガスの膨張空間２８を含む。膨張空間２８に隣接する膨張機本体２０の部分には、対象物を冷却するための冷却ステージ２９が設けられている。第２区画２６は、弾性部材３０を介してディスプレーサ２２を膨張機本体２０に支持するよう構成されている。
【００１８】
膨張機本体２０のうち、第１区画２４側の一部は、図示しない真空容器に収容される。フランジ４７は、真空容器内部の真空層と真空容器外部の大気層とを分離する。
【００１９】
第２区画２６は、ディスプレーサ２２の往復移動方向（図において矢印Ｃで示す）において第１区画２４と隣接する。第２区画２６と第１区画２４との間にはシール部２５が設けられており、これにより第２区画２６は第１区画２４から仕切られている。よって、第１区画２４における作動ガスの圧力変動は、第２区画２６に伝わらないか、または第２区画２６における作動ガスの圧力にあまり影響しない。なお、第２区画２６は、圧縮機１１から送られる作動ガスの平均圧力と同等の圧力となるように、作動ガスと同種のガスが封入されている。このようにして、第２区画２６はその内部に平均圧室２７を形成する。
【００２０】
ディスプレーサ２２は、第１区画２４に収容されているディスプレーサヘッド３２と、ディスプレーサヘッド３２からシール部２５を通って第２区画２６へと延在するディスプレーサロッド３４と、を備える。ディスプレーサロッド３４は、ディスプレーサヘッド３２より細い軸部である。ディスプレーサ２２はその往復移動方向に平行である中心軸（図において一点鎖線Ａで示す）を有しており、ディスプレーサヘッド３２及びディスプレーサロッド３４はディスプレーサ２２の中心軸に同軸に設けられている。
【００２１】
ディスプレーサロッド３４は、ディスプレーサ２２の往復移動を可能とするよう第２区画２６において膨張機本体２０により支持される。上述のシール部２５は例えば、ディスプレーサロッド３４と膨張機本体２０との間に形成されるロッドシールであってもよい。
【００２２】
第１区画２４は、ディスプレーサヘッド３２を囲むシリンダ部４２を形成する。このシリンダ部４２の底面（すなわち冷却ステージ２９の内面）とディスプレーサヘッド３２の先端面との間に膨張空間２８が形成されている。膨張空間２８は、ディスプレーサ２２の往復移動方向においてディスプレーサヘッド３２とディスプレーサロッド３４との接合部とは反対側に形成されている。この接合部とシール部２５との間には、膨張機１３における作動ガスの圧縮空間としてのガス空間３６が形成されている。上述のようにガス空間３６は接続管１２に接続されている。
【００２３】
膨張機１３は、ディスプレーサ２２の往復移動方向における複数の異なる位置で、ディスプレーサ２２の往復移動を可能とするようディスプレーサ２２を膨張機本体２０に支持する。そのために、膨張機１３は２つの支持部４０を備える。これら２つの支持部４０は第２区画２６に設けられている。このようにして、中心軸に対するディスプレーサ２２の傾動を抑制することができる。
【００２４】
支持部４０は上述の弾性部材３０を備える。弾性部材３０は、ディスプレーサ２２が中立位置から変位するときディスプレーサ２２に弾性的復元力が作用するように、ディスプレーサロッド３４と膨張機本体２０との間に配設されている。これにより、ディスプレーサ２２は、弾性部材３０のバネ定数、作動ガスの圧力に起因するバネ定数、およびディスプレーサ２２の重量から定まる固有振動数で往復移動する。
【００２５】
弾性部材３０は例えば、少なくとも１つの板バネを含むバネ機構を備える。板バネはフレクシャベアリングとも呼ばれるバネであり、ディスプレーサ２２の往復移動方向に柔軟であり、往復移動方向に垂直な方向に剛である。したがって、弾性部材３０により、ディスプレーサ２２はその中心軸に沿う方向への移動が許容されているが、それと直交する方向への移動は規制されている。ディスプレーサロッド３４は、弾性部材取付部４９を介して弾性部材３０に固定される。
【００２６】
このようにして、ディスプレーサ２２と弾性部材３０とからなる振動系が構成されている。この振動系は、圧縮機１１の可動部材１５の振動と同一の周波数で当該振動と位相差を有してディスプレーサ２２が振動するよう構成されている。
【００２７】
ディスプレーサヘッド３２は、ディスプレーサ基部５０と、ディスプレーサ先端部５２と、を備える。ディスプレーサ基部５０は、ディスプレーサ２２の中心軸上に配設されている。ディスプレーサ先端部５２は、ディスプレーサ２２の中心軸に沿ってディスプレーサ基部５０から作動ガスの膨張空間２８へと延出する。ディスプレーサ基部５０の中心にディスプレーサロッド３４の端部が取り付けられている。
【００２８】
ディスプレーサ基部５０は、ディスプレーサ２２の中心軸に沿って延在する円筒状の中空部材である。ディスプレーサ基部５０の背面にディスプレーサロッド３４が固定されている。ディスプレーサ基部５０の中には空洞６４が形成されている。空洞６４は、ガス空間３６から気密に封じられている。ディスプレーサ基部５０は、例えば金属材料で形成されている。
【００２９】
ディスプレーサロッド３４は、両端が開放された中空の筒である。ディスプレーサロッド３４の内部空間はディスプレーサロッド３４の一端においてディスプレーサ基部５０の空洞６４に連通され、他端において平均圧室２７に連通されている。したがって、ディスプレーサ基部５０の空洞６４は、第２区画２６の内部と同様に、平均圧力を有する。ディスプレーサロッド３４は、例えば金属材料で形成されている。
【００３０】
膨張機本体２０には、蓄冷器３８が設けられている。蓄冷器３８は、軸方向におけるディスプレーサ２２の往復移動を案内するようディスプレーサ先端部５２の周囲に配設されている。蓄冷器３８は、膨張機本体２０の一部である蓄冷材容器と、蓄冷材容器に収容されている蓄冷材と、を備える。蓄冷材容器は、ディスプレーサ２２と同軸に軸方向に延在する環状またはドーナツ状の容器であり、蓄冷材の収容空間を形成する。蓄冷材容器の内筒がシリンダ部４２として機能する。蓄冷材は例えば金網の積層構造を備える。蓄冷器３８は、ガス空間３６と膨張空間２８との作動ガスの流通を許容する。
【００３１】
軸方向において蓄冷器３８とガス空間３６の間には、蓄冷器３８に隣接して水冷式熱交換器３７が設けられる。水冷式熱交換器３７も蓄冷器３８と同様に環状またはドーナツ状に形成されている。水冷式熱交換器３７の内壁部も蓄冷器３８と同様にシリンダ部４２として機能する。
【００３２】
水冷式熱交換器３７は、圧縮機１１から供給された作動ガスを冷却し、その熱を膨張機１３の外部へ放出するための熱交換を実現する。圧縮機１１からガス空間３６に供給される作動ガスは一般に室温より高い温度を有するので、水冷式熱交換器３７は、この高温ガスを室温程度に冷却する。
【００３３】
水冷式熱交換器３７は、ディスプレーサ基部５０の周囲に配設されている。ディスプレーサ基部５０の側面は水冷式熱交換器３７の内壁部と摺動可能であり、それにより水冷式熱交換器３７はディスプレーサヘッド３２の軸方向往復移動を案内することができる。ガス空間３６と膨張空間２８との作動ガスの流通を妨げるシール部が、ディスプレーサ基部５０の側面と水冷式熱交換器３７の内壁部との間に形成されていてもよい。
【００３４】
また、軸方向において蓄冷器３８と冷却ステージ２９との間には、蓄冷器３８に隣接して低温熱交換器３９が取り付けられる。低温熱交換器３９は、ディスプレーサ先端部５２の周囲に配設されている。ガス空間３６と膨張空間２８とを接続する作動ガス流路が水冷式熱交換器３７、蓄冷器３８、及び低温熱交換器３９によって形成されている。
【００３５】
フランジ４７は、蓄冷器３８と水冷式熱交換器３７との境界にあたる軸方向位置に設けられている。すなわち、フランジ４７は、スターリング冷凍機１０の常温部と低温部との境界を形成する。スターリング冷凍機１０の常温部には、第１区画２４の一部、具体的にはガス空間３６及び水冷式熱交換器３７が設けられている。シール部２５及び第２区画２６もまたスターリング冷凍機１０の常温部に設けられている。スターリング冷凍機１０の低温部には第１区画２４の残りの部分、具体的には蓄冷器３８、低温熱交換器３９、膨張空間２８、及び冷却ステージ２９が設けられている。
【００３６】
また、ディスプレーサロッド３４及びディスプレーサ基部５０は、スターリング冷凍機１０の常温部に設けられている。ディスプレーサ先端部５２は、スターリング冷凍機１０の低温部に設けられている。
【００３７】
ディスプレーサ２２は、圧縮機１１の可動部材１５の振動によって生じる作動ガス圧力の脈動によって駆動される。ディスプレーサ２２及び圧縮機１１の可動部材１５の往復動によって膨張空間２８と圧縮機１１の作動ガス室との間に逆スターリングサイクルが形成される。こうして、膨張空間２８に隣接する低温熱交換器３９が冷却される。低温熱交換器３９によって冷却ステージ２９が冷却され、スターリング冷凍機１０は対象物を冷却することができる。
【００３８】
膨張空間２８で発生した冷熱は、蓄冷器３８に蓄えられる。低温熱交換器３９と蓄冷器３８との境界領域が最も低温に冷却される一方、水冷式熱交換器３７と蓄冷器３８との境界領域は室温を有する。よって、蓄冷器３８には軸方向に温度勾配が生じる。蓄冷器３８は上述のようにディスプレーサ２２の軸方向往復移動を案内するようディスプレーサ先端部５２を包囲する。したがって、ディスプレーサ先端部５２にも蓄冷器３８と同様に軸方向に温度勾配が生じる。
【００３９】
以下では説明の便宜上、蓄冷器３８及びディスプレーサヘッド３２において膨張空間２８に近い側を「低温側」と称することがある。蓄冷器３８及びディスプレーサヘッド３２においてガス空間３６に近い側を「高温側」と称することがある。
【００４０】
ディスプレーサ先端部５２は、軸方向に配列された複数の板状部品から形成されている。複数の板状部品は、隣接する２つの板状部品の間に作動ガス層６２を形成するよう配列されている。複数の板状部品の各々は、ディスプレーサ先端部５２の外面の一部を規定する部品側面を備える。
【００４１】
複数の板状部品は、膨張空間２８に面する第１板状部品５４ａと、第１板状部品５４ａをディスプレーサ基部５０に連結する少なくとも１つの中間板状部品と、を含む。図２に示される実施形態においては、ディスプレーサ先端部５２は３つの中間板状部品を備える。よって、ディスプレーサ先端部５２は４つの板状部品を備える。
【００４２】
第１板状部品５４ａは、半球状または半楕円体状の形状を有する中実の部材である。第１板状部品５４ａの外形は、膨張空間２８に露出される第１前面５６ａと、第１前面５６と反対側（すなわちディスプレーサロッド３４側）に向けられた第１背面５８ａとにより規定されている。第１前面５６ａは、半球状または半楕円体状に湾曲した第１板状部品５４ａの側面（または前面）である。第１前面５６ａがディスプレーサヘッド３２の先端面を規定する。第１背面５８ａは略平面である。なお第１前面５６ａには、必要に応じてスリットなどの凹凸が形成されていてもよい。第１背面５８ａにも中間板状部品との連結のために凹凸や穴が形成されていてもよい。
【００４３】
３つの中間板状部品を以下では、第２板状部品５４ｂ、第３板状部品５４ｃ、第４板状部品５４ｄと呼ぶ。第２板状部品５４ｂが膨張空間２８側に配置され、第４板状部品５４ｄがディスプレーサ基部５０側に配置されている。第３板状部品５４ｃは、第２板状部品５４ｂと第４板状部品５４ｄとの間に配置されている。
【００４４】
第２板状部品５４ｂ、第３板状部品５４ｃ、第４板状部品５４ｄは、円板状の形状を有する中実の部材である。第２板状部品５４ｂ、第３板状部品５４ｃ、第４板状部品５４ｄは、同一の形状を有する。
【００４５】
第２板状部品５４ｂの外形は、第２前面５６ｂ、第２背面５８ｂ、及び第２側面６０ｂにより規定されている。
【００４６】
第２前面５６ｂ及び第２背面５８ｂは略平面である。ただし、第２前面５６ｂ及び第２背面５８ｂには、必要に応じて凹凸や穴が形成されていてもよい。
【００４７】
第２前面５６ｂはその一部分において第１板状部品５４ａの第１背面５８ａに接触し、第２前面５６ｂの他の部分は第１背面５８ａと非接触である。この非接触部分に作動ガス層６２が形成される。例えば、図示されるように、第２前面５６ｂは、第１板状部品５４ａの第１背面５８ａに接触する外周部と、第１背面５８ａに接触せずに第１背面５８ａに面する中心凹部と、を備える。
【００４８】
第２側面６０ｂは円筒面である。第２側面６０ｂがディスプレーサ先端部５２の円筒状側面の一部を規定する。
【００４９】
作動ガス層６２は、第２前面５６ｂの中心凹部と第１背面５８ａとの間に形成されている。軸方向における作動ガス層６２の幅（すなわち、中心凹部の高さ）は、軸方向における板状部品の厚さより小さい。作動ガス層６２の幅は、第２板状部品５４ｂの厚さの１／１０、１／５０、または１／１００より小さくてもよい。作動ガス層６２の幅は、１ｍｍ未満、０．５ｍｍ未満、または０．１ｍｍ未満であってもよい。
【００５０】
隣接する２つの板状部品間の接触領域には微視的な隙間６７が生じる（図３参照）。隙間６７は、第２前面５６ｂの外周部と第１背面５８ａとの間に形成される。作動ガス層６２は、ディスプレーサ先端部５２とシリンダ部４２とのクリアランス６６、及び膨張空間２８に対し気密に封じられていない。作動ガス層６２は、微視的な隙間６７を通じてクリアランス６６に連通されうる。クリアランス６６における作動ガス圧力は膨張空間２８の圧力に応じて変動するから、作動ガス層６２における作動ガス圧力も膨張空間２８の圧力に応じて変動しうる。
【００５１】
第３板状部品５４ｃ及び第４板状部品５４ｄも第２板状部品５４ｂと同様に構成されている。第３板状部品５４ｃ及び第４板状部品５４ｄそれぞれの側面がディスプレーサ先端部５２の側面の一部を規定する。第２板状部品５４ｂと第３板状部品５４ｃとの間に第２の作動ガス層６２が形成され、第３板状部品５４ｃと第４板状部品５４ｄとの間に第３の作動ガス層６２が形成されている。また、第２板状部品５４ｂと第３板状部品５４ｃとの間に第２の隙間が形成され、第３板状部品５４ｃと第４板状部品５４ｄとの間に第３の隙間が形成されている。これらの隙間は、上述の隙間６７と同様に、作動ガス層６２をクリアランス６６に連通する。第４板状部品５４ｄの背面がディスプレーサ基部５０の前面に連結されている。
【００５２】
第１板状部品５４ａの第１前面５６ａは、膨張空間２８を挟んで低温熱交換器３９及び冷却ステージ２９に対向する。第２板状部品５４ｂの第２側面６０ｂは、クリアランス６６を挟んで蓄冷器３８に対向する。同様に第３板状部品５４ｃ及び第４板状部品５４ｄの側面もクリアランス６６を挟んで蓄冷器３８に対向する。
【００５３】
第１板状部品５４ａと第２板状部品５４ｂとの境界の軸方向位置は、蓄冷器３８と低温熱交換器３９との境界の軸方向位置よりも膨張空間２８に近接する。すなわち、第１背面５８ａ及び第２前面５６ｂは、低温熱交換器３９に囲まれている。また、第２板状部品５４ｂと第３板状部品５４ｃとの境界は、蓄冷器３８に囲まれている。第３板状部品５４ｃと第４板状部品５４ｄとの境界もまた、蓄冷器３８に囲まれている。第４板状部品５４ｄとディスプレーサ基部５０との境界の軸方向位置は、水冷式熱交換器３７と蓄冷器３８との境界の軸方向位置に相当し、フランジ４７に囲まれている。
【００５４】
複数の板状部品は、ねじ部（図示せず）を用いて連結されている。例えば、複数の板状部品はこれらを貫通する長ねじによって相互に連結される。この長ねじのねじ頭はディスプレーサ基部５０側に設けられてもよいし、第１板状部品５４ａ側に設けられてもよい。
【００５５】
また、複数の板状部品は、同一の樹脂材料で形成されている。樹脂材料は、例えばポリカーボネートである。樹脂材料は、ガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ）であってもよい。あるいは、樹脂材料は、ベークライトのような汎用プラスチックであってもよい。
【００５６】
第１板状部品５４ａは、複数の板状部品のうち最も低温側に配置されている。第２板状部品５４ｂは、複数の中間板状部品のうち最も低温側に配置されている。第４板状部品５４ｄは、複数の板状部品のうち最も高温側に配置されている。
【００５７】
よって、スターリング冷凍機１０の運転中において、第４板状部品５４ｄは、ディスプレーサ基部５０より低温に冷却される。第３板状部品５４ｃは、第４板状部品５４ｄより低温に冷却される。第２板状部品５４ｂ及び第１板状部品５４ａは、第３板状部品５４ｃより低温に冷却される。
【００５８】
ところで、ある典型的なスターリング冷凍機の膨張機ディスプレーサは、単一の中実部材からなる。この中実部材は金属材料で形成されている。ディスプレーサには上述のように温度勾配が形成されかつ金属は一般に熱伝導率が大きいから、常温部から低温部へとディスプレーサを通じて流入する熱量が大きくなる。このような熱損失はスターリング冷凍機の冷凍能力に悪影響を与える。そこで、単一の中空部材からなる膨張機ディスプレーサが採用されることがある。これにより、ディスプレーサ部材の熱伝導による低温部への入熱は抑制される。しかし、中空部材の空洞部においてはガスの対流が生じ、これが熱損失をもたらすことになる。対流を防止するために、空洞部に仕切板や多孔体を設置する案も考えられる。しかし、こうした対策を用いても必ずしも充分に対流を防止することはできない。
【００５９】
本実施形態によると、ディスプレーサ先端部５２が複数の板状部品に分割されている。複数の板状部品が積層されてディスプレーサ先端部５２が形成されている。このような分割積層構造は、ある板状部品と隣の板状部品との熱伝導を、それらが一体の部品である場合に比べて、低減することができる。また、個々の板状部品は中実部材であるので、その内部でガスの対流は生じない。したがって、スターリング冷凍機１０の膨張機１３においてディスプレーサ２２を通じた伝熱を低減することができる。熱損失を低減し、スターリング冷凍機１０の冷凍能力を向上することができる。
【００６０】
複数の板状部品は、樹脂材料で形成されている。樹脂材料は一般に金属材料よりも熱伝導率が顕著に小さい。例えば、ポリカーボネートの熱伝導率は、０．２〜０．３Ｗ／Ｋｍである。したがって、本実施形態によると、ディスプレーサを金属材料で形成する場合に比べて、スターリング冷凍機１０の冷凍能力を向上することができる。
【００６１】
隣接する板状部品間には作動ガス層６２が形成されている。一般に、ガスの熱伝導率は金属材料の熱伝導率よりも顕著に小さく、かつ樹脂材料の熱伝導率よりも小さい。例えば、低温部でのヘリウムガスの熱伝導率は約０．１５Ｗ／Ｋｍであり、ポリカーボネートの熱伝導率よりも小さい。したがって、樹脂材料の板状部品間に作動ガス層を形成することにより、ディスプレーサ２２を通じた伝熱をさらに低減することができる。
【００６２】
また、作動ガス層６２は軸方向の幅が充分に小さいので、作動ガス層６２には実質的に温度勾配が生じない。言い換えれば、ある板状部品の背面と隣の板状部品の前面とは実質的に等しい温度に冷却される。そのため、作動ガス層６２における作動ガスの対流は、実質的に防止される。
【００６３】
複数の板状部品は、ねじ部を用いて連結されている。このようにすれば、板状部品どうしの熱接触を小さくすることができるので、ディスプレーサ２２を通じた伝熱を低減することができる。
【００６４】
第１板状部品５４ａと第２板状部品５４ｂとの境界の軸方向位置は、蓄冷器３８と低温熱交換器３９との境界の軸方向位置よりも膨張空間２８に近接する。このように第１板状部品５４ａと第２板状部品５４ｂとが分割されることにより、第１板状部品５４ａから第２板状部品５４ｂへの入熱が低減される。冷却ステージ２９から低温熱交換器３９と蓄冷器３８との境界領域へのディスプレーサ先端部５２を通じた入熱を低減することができる。
【００６５】
また、分割構造によって生じる板状部品間の微視的な隙間６７がクリアランス６６に隣接している（図３参照）。この隙間は、ディスプレーサヘッド３２とシリンダ部４２との摺動によって生じる摩耗粉を受け入れることができる。こうして摺動面への摩耗粉の滞留または蓄積を抑制することができる。摩耗粉は摺動抵抗を変化させうるので、ディスプレーサ２２の往復運動に影響しうる。よって、本実施形態に係るディスプレーサ２２の分割構造は、ディスプレーサ２２の往復運動の安定化に役立つ。
【００６６】
ディスプレーサ基部５０及びディスプレーサロッド３４は中空であるので、ディスプレーサ２２を軽量化することができる。
【００６７】
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。
【００６８】
ある実施形態においては、隣接する２つの板状部品の一方に第１ねじ部が形成され、他方に第１ねじ部と係合する第２ねじ部が形成されてもよい。図３に示されるように、第１板状部品５４ａの第１背面５８ａに第１ねじ部が形成され、第２板状部品５４ｂの第２前面５６ｂに第２ねじ部が形成されてもよい。このようにして、複数の板状部品がねじ部６８を用いて連結されていてもよい。
【００６９】
ある実施形態においては、複数の板状部品が異なる材料で形成されていてもよい。ディスプレーサ先端部５２の軸方向一端または両端が第１樹脂材料で形成され、ディスプレーサ先端部５２の他の部分（例えば軸方向中間部）が第２樹脂材料で形成されてもよい。第１樹脂材料は、線膨張係数が第２樹脂材料より小さくてもよい。第１樹脂材料は、熱伝導率が第２樹脂材料より大きくてもよい。線膨張係数が小さい材料は、冷却によるクリアランス６６の変動を抑えるのに役立つ。クリアランス６６の少なくとも端部には線膨張係数が小さい材料が用いられてもよい。例えば、第２板状部品５４ｂ及び第４板状部品５４ｄがＧＦＲＰで形成され、第３板状部品５４ｃがポリカーボネートで形成されてもよい。
【００７０】
ある実施形態においては、作動ガス層６２に面する板状部品の前面及び／または背面には反射面が形成されていてもよい。板状部品の前面及び／または背面に金属被覆層が形成されていてもよい。このようにして、板状部品間の輻射熱を低減してもよい。
【００７１】
蓄冷器３８と低温熱交換器３９との境界の軸方向位置は、第１板状部品５４ａと第２板状部品５４ｂとの境界の軸方向位置よりも膨張空間２８に近接していてもよい。すなわち、第１背面５８ａ及び第２前面５６ｂは、蓄冷器３８に囲まれていてもよい。
【００７２】
ある実施形態においては、少なくとも１つの板状部品は、中空の板状部品であってもよい。この場合、板状部品には、作動ガスまたはその他のガスが封入されていてもよい。あるいは、板状部品の内部が真空に保持されていてもよい。
【００７３】
ある実施形態においては、少なくとも１つの板状部品は、軸方向と異なる方向（例えば、径方向または周方向）に分割される複数の部分から形成されていてもよい。
【符号の説明】
【００７４】
１０  スターリング冷凍機、  １３  膨張機、  ２２  ディスプレーサ、  ２８  膨張空間、  ３８  蓄冷器、  ５０  ディスプレーサ基部、  ５２  ディスプレーサ先端部、  ５４ａ  第１板状部品、  ５４ｂ  第２板状部品、  ５４ｃ  第３板状部品、  ５４ｄ  第４板状部品、  ６２  作動ガス層、  ６４  空洞、  ６８  ねじ部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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