(57)【要約】【課題】膨張空間で発生する冷熱を効率的に外部に取出すことが可能となるスターリング冷凍機を提供する。【解決手段】スターリング冷凍機は、作動媒体を封入した圧力容器１１に組付けられたシリンダ２と、該シリンダ２内で往復運動するピストン３と、シリンダ２内でピストン３に対し所定の位相差で往復運動するディスプレーサ４と、ピストン３とディスプレーサ４の往復運動で形成される圧縮空間６および膨張空間７と、圧力容器１１内に設置され膨張空間７で発生する冷熱を外部に取り出す熱交換器１７とを備える。【選択図】        図１
2004347180.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
作動媒体を封入した圧力容器に組付けられたシリンダと、
前記シリンダ内で往復運動するピストンと、
前記シリンダ内で前記ピストンに対し位相差をもって往復運動するディスプレーサと、
前記ピストンとディスプレーサの往復運動で形成される圧縮空間および膨張空間と、
前記圧力容器内に設置され、前記膨張空間で発生する冷熱を外部に取り出す熱交換器と、
を備えたスターリング冷凍機。
【請求項２】
作動媒体を封入した圧力容器に組付けられたシリンダと、
前記シリンダ内で往復運動するピストンと、
前記シリンダ内で前記ピストンに対し位相差をもって往復運動するディスプレーサと、
前記ピストンとディスプレーサの往復運動で形成される圧縮空間および膨張空間と、
前記圧縮空間と前記膨張空間とを連通する連通路に配置された再生器と、
前記圧力容器内であって前記再生器の前記膨張空間側に配置され前記膨張空間内で発生した冷熱を取り込む内部熱交換器と、
前記圧力容器内に前記内部熱交換器と接触して設置され、前記冷熱を外部に取り出す外部熱交換器と、
を備えたスターリング冷凍機。
【請求項３】
前記内部熱交換器と前記外部熱交換器を一体化させた、請求項２に記載のスターリング冷凍機。
【請求項４】
作動媒体を封入した圧力容器に組付けられたシリンダと、
前記シリンダ内で往復運動するピストンと、
前記シリンダ内で前記ピストンに対し位相差をもって往復運動するディスプレーサと、
前記ピストンとディスプレーサの往復運動で形成される圧縮空間および膨張空間と、
前記圧縮空間と前記膨張空間とを連通し、前記シリンダの外側に配設された筒状の連通路と、
前記連通路に配置された再生器と、
前記圧力容器内であって前記再生器の前記膨張空間側に配置された内部熱交換器と、
前記内部熱交換器の内側に設置され、前記膨張空間で発生する冷熱を外部に取り出す外部熱交換器と、
を備えたスターリング冷凍機。
【請求項５】
作動媒体を封入した圧力容器に組付けられたシリンダと、
前記シリンダ内で往復運動するピストンと、
前記シリンダ内で前記ピストンに対し所定の位相差で往復運動するディスプレーサと、
前記ピストンとディスプレーサの往復運動で形成される圧縮空間および膨張空間と、
前記圧縮空間と前記膨張空間とを連通し、前記シリンダの外側に配設された筒状の連通路と、
前記連通路に配置された再生器と、
前記圧力容器内であって前記再生器の前記膨張空間側に配置された複数の内部熱交換器と、
前記内部熱交換器間に設置され、前記膨張空間で発生する冷熱を外部に取り出す外部熱交換器と、
を備えたスターリング冷凍機。
【請求項６】
前記圧力容器における前記膨張空間側の端部を閉じるキャップ部材を備え、
前記キャップ部材を低熱伝導率材料で形成した、請求項１から請求項５のいずれかに記載のスターリング冷凍機。
【請求項７】
前記外部熱交換器から冷熱を取り出す媒体を前記外部熱交換器に供給する供給管と、
前記外部熱交換器から前記媒体を取り出す取出管とを備え、
前記供給管と前記キャップ部材から外部に延出させた、請求項６のいずれかに記載のスターリング冷凍機。
【請求項８】
作動媒体を封入した圧力容器に組付けられたシリンダと、
前記シリンダ内で往復運動するピストンと、
前記シリンダ内で前記ピストンに対し位相差をもって往復運動するディスプレーサと、
前記ピストンとディスプレーサの往復運動で形成される圧縮空間および膨張空間と、
前記圧縮空間と前記膨張空間とを連通する連通路と、
前記連通路に配置された再生器と、
前記圧力容器内であって前記再生器の前記膨張空間側に配置され前記膨張空間内で発生した冷熱を取り込む内部熱交換器と、
前記圧力容器における前記膨張空間側の端部を閉じるキャップ部材と、
前記キャップ部材に設けられ、前記冷熱を外部に取り出す外部熱交換器と、
を備えたスターリング冷凍機。
【請求項９】
作動媒体を封入した圧力容器に組付けられたシリンダと、
前記シリンダ内で往復運動するピストンと、
前記シリンダ内で前記ピストンに対し位相差をもって往復運動するディスプレーサと、
前記ピストンとディスプレーサの往復運動で形成される圧縮空間および膨張空間と、
前記圧縮空間と前記膨張空間とを連通し前記シリンダの外側に配置された筒状の連通路と、
前記連通路に配置された再生器と、
前記圧力容器内であって前記再生器の前記膨張空間側に配置され前記膨張空間内で発生した冷熱を取り込む内部熱交換器と、
前記圧力容器における前記膨張空間側の端部を閉じ、前記内部熱交換器の外側にまで延在するキャップ部材と、
前記内部熱交換器の外側に位置する前記キャップ部材に設けられ、前記冷熱を外部に取り出す外部熱交換器と、
を備えたスターリング冷凍機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スターリング冷凍機に関し、特に、フリーピストン型スターリング冷凍機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、スターリング冷凍機を使用したスターリング冷却装置は知られており、該スターリング冷却装置の一例が、たとえば特開平１１−２２３４０４号公報に記載されている。
【０００３】
上記文献に記載のスターリング冷却装置は、作動ガスを封入し、冷却ヘッドおよび放熱用熱交換器を有するスターリング冷凍機と、上記冷却ヘッドにおいて冷却される冷熱冷媒が流される冷熱冷媒管路と、冷熱冷媒管路の一端に設けられた冷熱冷媒の入口栓および他端に設けられた出口栓とを備える。そして、冷熱冷媒の出口栓および入口栓を冷熱利用機器の冷熱冷媒管路に着脱可能に接続することにより、スターリング冷却装置と冷熱利用機器の間で冷熱冷媒の循環管路を形成して冷熱利用機器に冷熱を搬送する。
【０００４】
上記冷却ヘッドには熱交換流路が形成され、該熱交換流路内を冷熱冷媒が流れる。冷熱冷媒は、冷却ヘッドにおいて冷却された後に冷熱利用機器に送られ、冷熱利用機器内で冷凍あるいは冷却作用を行う。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１１−２２３４０４号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記文献に記載のスターリング冷却装置では、作動ガスは、蓄冷器で冷却された後に低温室（膨張空間）に流入する。そして、該作動ガスが低温室で膨張して冷熱が発生し、冷却ヘッドを介して外部への冷熱の取出しが行われる。そのため、低温室から外部への冷熱の取出し効率が低くなるという問題があった。
【０００７】
この発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、膨張空間で発生する冷熱を効率的に外部に取出すことが可能となるスターリング冷凍機を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るスターリング冷凍機は、１つの局面では、作動媒体を封入した圧力容器に組付けられたシリンダと、該シリンダ内で往復運動するピストンと、シリンダ内でピストンに対し位相差をもって往復運動するディスプレーサと、ピストンとディスプレーサの往復運動で形成される圧縮空間および膨張空間と、圧力容器内に設置され膨張空間で発生する冷熱を外部に取り出す熱交換器とを備える。
【０００９】
このように圧力容器内に熱交換器を設置し、直接的に冷熱を取り出すようにすることにより、熱交換器の表面が、圧力容器の外部に位置する外部空間に露出するのを回避することができる。それにより、熱交換器と外部空間との熱交換量を低減することができ、作動媒体からの冷熱を効率的に熱交換器へ伝達することができる。
【００１０】
本発明に係るスターリング冷凍機は、他の局面では、上記のシリンダ、ピストン、ディスプレーサ、圧縮空間および膨張空間と、該圧縮空間と膨張空間とを連通する連通路に配置された再生器と、圧力容器内であって再生器の膨張空間側に配置され前記膨張空間内で発生した冷熱を取り込む内部熱交換器と、圧力容器内に内部熱交換器と接触して設置され前記冷熱を外部に取り出す外部熱交換器とを備える。
【００１１】
本局面のように圧力容器内に内部熱交換器と接触して外部熱交換器を設置することにより、内部熱交換器からの冷熱を直接外部熱交換器に伝達することができる。したがって、作動媒体からの冷熱を内部熱交換器を介して効率的に外部熱交換器へ伝達することができる。
【００１２】
上記内部熱交換器と外部熱交換器を一体化させることが好ましい。たとえば一方を他方に装着あるいは圧入したり、何らかの部材を用いて連結することが考えられる。この場合には、両者を密着させることができ、さらに伝熱効率を向上することができる。また、スターリング冷凍機への組付けも容易に行える。
【００１３】
本発明に係るスターリング冷凍機は、さらに他の局面では、上記のシリンダ、ピストン、ディスプレーサ、圧縮空間および膨張空間と、該圧縮空間と膨張空間とを連通しシリンダの外側に配設された筒状の連通路と、連通路に配置された再生器と、圧力容器内であって再生器の膨張空間側に配置され前記膨張空間内で発生した冷熱を取り込む内部熱交換器と、内部熱交換器の内側に設置され前記冷熱を外部に取り出す外部熱交換器とを備える。
【００１４】
このように外部熱交換器を内部熱交換器の内側に設置した場合には、外部熱交換器を内部熱交換器に接触あるいは近接させることができる。この場合も、作動媒体からの冷熱を内部熱交換器を介して効率的に外部熱交換器へ伝達することができる。
【００１５】
本発明に係るスターリング冷凍機は、さらに他の局面では、上記のシリンダ、ピストン、ディスプレーサ、圧縮空間および膨張空間と、該圧縮空間と膨張空間とを連通しシリンダの外側に配設された筒状の連通路と、該連通路に配置された再生器と、圧力容器内であって再生器の膨張空間側に配置され前記膨張空間内で発生した冷熱を取り込む複数の内部熱交換器と、内部熱交換器間に設置され前記冷熱を外部に取り出す外部熱交換器とを備える。
【００１６】
このように内部熱交換器間に外部熱交換器を配置した場合は、外部熱交換器の２面以上を内部熱交換器に接触させることができ、接触面積が増大するので、作動媒体からの冷熱を内部熱交換器を介して更に効率的に外部熱交換器へ伝達することができる。また、外部熱交換器を内部熱交換器に接触させた場合には、接触面積を増大することができ、作動媒体からの冷熱を、さらに効率的に内部熱交換器から外部熱交換器へ伝達することができる。
【００１７】
上記のスターリング冷凍機は、圧力容器における膨張空間側の端部を閉じるキャップ部材（閉塞部材）を備えることが好ましい。この場合、キャップ部材を低熱伝導率材料で形成する。なお、低熱伝導率材料ステンレス或いはステンレスと同等以下の熱伝導率を有する材料を言う。
【００１８】
このようにキャップ部材を低熱伝導率材料で形成することにより、作動媒体からの冷熱がキャップ部材を介して圧力容器の外部に位置する外部空間へ伝達する量を低減することができる。したがって、冷熱のロスを低減することができる。
【００１９】
また、上記のスターリング冷凍機は、外部熱交換器から冷熱を取り出す媒体を外部熱交換器に供給する供給管と、外部熱交換器から該媒体を取り出す取出管とを備えることが好ましい。この場合、供給管と取出管とを前記キャップ部材から外部に延出させることが好ましい。
【００２０】
それにより、圧力容器の外周面から供給管と取出管とを延出させる必要がなくなり、外部熱交換器に装着された供給管と取出管を挿通してキャップ部材を圧力容器の膨張空間側端部に取り付けるだけでよくなる。したがって、供給管と取出管を接続する作業を容易に行える。
【００２１】
本発明に係るスターリング冷凍機は、さらに他の局面では、上記のシリンダ、ピストン、ディスプレーサ、圧縮空間および膨張空間と、該圧縮空間と膨張空間とを連通する連通路と、連通路に配置された再生器と、圧力容器内であって再生器の膨張空間側に配置され前記膨張空間で発生する冷熱を取り込む内部熱交換器と、圧力容器における膨張空間側の端部を閉じるキャップ部材と、キャップ部材に設けられ前記冷熱を外部に取り出す外部熱交換器とを備える。
【００２２】
上記のようにキャップ部材と内部熱交換器とを接触させることにより、内部熱交換器からキャップ部材に直接冷熱を伝達することができる。ここで、外部熱交換器はキャップ部材に設けられているので、キャップ部材に伝達された冷熱を効率良く外部熱交換器に伝達することができ、結果的に作動媒体からの冷熱を内部熱交換器を介して効率的に外部熱交換器へ伝達することができる。
【００２３】
本発明に係るスターリング冷凍機は、さらに他の局面では、上記のシリンダ、ピストン、ディスプレーサ、圧縮空間および膨張空間と、該圧縮空間と膨張空間とを連通しシリンダの外側に配置された筒状の連通路と、連通路に配置された再生器と、圧力容器内であって再生器の膨張空間側に配置され圧力容器の膨張空間側端部に内部熱交換器と、圧力容器における膨張空間側の端部を閉じ内部熱交換器の外側にまで延在するキャップ部材と、内部熱交換器の外側に位置するキャップ部材に設けられ前記冷熱を外部に取り出す外部熱交換器とを備える。なお、内部熱交換器と外部熱交換器とを接触させてもよいが、内部熱交換器と外部熱交換器との間に熱伝達率の高い部材を介在させてもよい。
【００２４】
上記のように内部熱交換器の外側に位置するキャップ部材に外部熱交換器を設けることにより、外部熱交換器を内部熱交換器と接触あるいは近接させることができ、作動媒体からの冷熱を内部熱交換器を介して効率的に外部熱交換器へ伝達することができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、図１〜図７を用いて、本発明の実施の形態について説明する。
【００２６】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１におけるスターリング冷凍機の断面図である。図１に示すように、本実施の形態１のスターリング冷凍機１は、ベッセル部１０を有する圧力容器（ケーシング）１１と、該圧力容器１１に組付けられたシリンダ２と、シリンダ２内で往復運動するピストン３およびディスプレーサ４と、シリンダ２の外側であって後述する連通路２３内に配置された筒状の再生器５と、圧縮空間（第１作動空間）６と、膨張空間（第２作動空間）７と、放熱部（ウォームヘッド）８と、吸熱部（コールドヘッド）９と、ピストン駆動手段としてのリニアモータ１２と、ピストンスプリング１３と、ディスプレーサスプリング１４と、背圧空間１５と、吸熱部９側の内部熱交換器１６と、吸熱部９側の外部熱交換器１７と、キャップ部材（閉塞部材）１８と、放熱部８側の内部熱交換器２０と、放熱部８側の外部熱交換器２１と、冷媒配管１９，２２と、圧縮空間６と膨張空間７とを連通する連通路２３とを備える。
【００２７】
圧力容器１１は、スターリング冷凍機１の外殻（外壁）を構成する部分であり、シリンダ２をはじめとする種々の部品が該圧力容器１１に組付けられる。図１の例では、圧力容器１１は、単一の容器で構成されず、背圧空間１５を規定するとともにリニアモータ１２を受け入れるベッセル部１０と、放熱部８、再生器５および吸熱部９の外周を囲む外壁部分と、キャップ部材１８とで主に構成される。該圧力容器１１の内部には、ヘリウムガス、水素ガス、窒素ガスなどの作動媒体が充填される。
【００２８】
シリンダ２は、略円筒状の形状を有し、内部にピストン３とディスプレーサ４とを往復運動可能に受け入れる。シリンダ２内においてピストン３とディスプレーサ４とは同軸上に間隔をあけて配置され、ピストン３とディスプレーサ４とはシリンダ２内でそれぞれ往復運動する。なお、ディスプレーサ４は、シリンダ２内でピストン３に対し所定の位相差で往復運動する。
【００２９】
上記のピストン３およびディスプレーサ４によってシリンダ２内の作動空間が圧縮空間６と膨張空間７とに区画される。圧縮空間６と膨張空間７との間には再生器５が配設されており、この再生器５を介して両空間が連通する。それにより、スターリング冷凍機１内に閉回路が構成される。この閉回路内に封入された作動媒体が、ピストン３およびディスプレーサ４の動作に合わせて流動することにより、逆スターリングサイクルが実現する。
【００３０】
シリンダ２の外側には、リニアモータ１２を配設する。このリニアモータ１２によって、シリンダ２の軸方向にピストン３を駆動する。ピストン３の一端は、板バネなどで構成されるピストンスプリング１３と接続される。該ピストンスプリング１３は、ピストン３に弾性力を付与する弾性力付与手段として機能し、該ピストンスプリング１３とリニアモータ１２により、シリンダ２内でピストン３を所望の振幅、周期でに往復運動させることが可能となる。
【００３１】
ピストン３に対しディスプレーサ４と反対側には、圧力容器１１のベッセル部１０によって囲まれた背圧空間１５が配設されている。この背圧空間１５内にも、作動媒体が存在する。
【００３２】
本実施の形態１では、圧力容器１１内に、膨張空間７で発生する冷熱を外部に取り出す外部熱交換器１７を設置している。それにより、外部熱交換器１７の表面が圧力容器１１の外部に位置する外部空間に露出するのを回避することができる。したがって、外部熱交換器１７と外部空間との間の熱交換量を低減することができ、作動媒体からの冷熱を直接的に外部熱交換器１７へ伝達することができる。その結果、膨張空間７で発生する冷熱を効率的に外部に取出すことが可能となる。
【００３３】
ここで、外部熱交換器１７について、図５および図６を用いて説明する。図５に示すように、外部熱交換器１７は典型的には環状の形状を有し、銅、アルミニウムなどの熱伝導率の高い材料で構成される。外部熱交換器１７の上面には、１組の開口部１７ａを設ける。該開口部１７ａは、冷熱冷媒の供給口あるいは取出口として機能する。この供給口あるいは取出口に、供給管あるいは取出管として機能する後述の冷媒配管１９が接続される。
【００３４】
図６に示すように、外部熱交換器１７本体は、中空構造を有しており、内部空間１７ｂを有する。該内部空間１７ｂ内に冷熱冷媒が封入される。外部熱交換器１７に使用可能な冷熱冷媒としては、二酸化炭素（ＣＯ２）、エチルアルコール、エーテル系フッ素化合物（ＨＦＥ）、パーフルオロカーボン（ＰＦＣ）、窒素、ヘリウムなどを挙げることができる。
【００３５】
ここで再び図１を参照して、本実施の形態１では、膨張空間７内に外部熱交換器１７を配置している。それにより、作動媒体からの冷熱を外部熱交換器１７の周囲から直接外部熱交換器１７に伝達することができる。したがって、作動媒体からの冷熱を効率的に外部熱交換器１７へ伝達することができる。
【００３６】
また図１に示すように、圧力容器１１内であって再生器５の膨張空間７側に、吸熱部９側の内部熱交換器１６を設置する。このように圧力容器１１内における作動媒体の流路に内部熱交換器１６を設置することにより、再生器５で冷却された作動媒体からの冷熱を効率的に内部熱交換器１６に伝達することができる。また、膨張空間７内で冷却された作動媒体からの冷熱も内部熱交換器１６に伝達される。
【００３７】
内部熱交換器１６は、銅やアルミニウムなどの熱伝導率の優れた金属材料で構成することが好ましい。なお、熱伝導率の優れた材料であれば金属材料以外の材料で内部熱交換器１６を形成してもよい。
【００３８】
ここで、内部熱交換器１６の構造例について図７を用いて説明する。図７に示すように、内部熱交換器１６は、円筒状の外殻部と、外殻部に内装されるコルゲートフィン１６ａおよびリング部材１６ｂとを備える。
【００３９】
コルゲートフィン１６ａは、外殻部（実施の形態１においては圧力容器１１）の内側に挿入され、金属板を波形に折り曲げて重ねた構造を有している。コルゲートフィン１６ａは、図７に示すように外殻部の内周面に沿って設置され、該コルゲートフィン１６ａによって外殻部の内側に作動媒体が通過する環状の流路が形成される。再生器５で冷却された作動媒体が上記の環状の流路を通過する際の冷熱や、膨張空間７内で冷却された作動媒体からの冷熱が、コルゲートフィン１６ａなどの内部熱交換器１６の各要素に伝達される。
【００４０】
リング部材１６ｂは、コルゲートフィン１６ａの内側に圧入される。コルゲートフィン１６ａは、外殻部の径方向に可撓性を有しているので、リング部材１６ｂがコルゲートフィン１６ａの内側に圧入されることにより外殻部側へ押し広げられるように変形し、外殻部の内周面に圧着される。
【００４１】
ここで再び図１を参照して、外部熱交換器１７は、上記の内部熱交換器１６の内周と密着して接触し圧力容器１１内に設置される。それにより、内部熱交換器１６からの冷熱を直接外部熱交換器１７に伝達することができる。したがって、作動媒体からの冷熱を内部熱交換器１６を介して効率的に外部熱交換器１７へ伝達することができる。
【００４２】
なお、このとき、外部熱交換器１７の外周をテーパ状に形成し、この外部熱交換器を直接コルゲートフィン１６ａの内側に圧入するようにすれば、リング部材１６ｂを廃止でき好適である。
【００４３】
図１の例では、内部熱交換器１６の内周面と外部熱交換器１７の外周面とを接触させているが、内部熱交換器１６と外部熱交換器１７とを接触させることができるものであれば、上記以外の内部熱交換器１６の表面部分と外部熱交換器１７の表面部分とを接触させてもよい。また、内部熱交換器１６に組付けることで両者を接触させることも考えられる。
【００４４】
内部熱交換器１６と外部熱交換器１７を一体化することも考えられる。一体化方法としては任意の手法が考えられるが、たとえば装着、圧入、取付具を用いた一体化など採用することができる。このように内部熱交換器１６と外部熱交換器１７を固定することにより、内部熱交換器１６と外部熱交換器１７を密着させることができ、内部熱交換器１６から外部熱交換器１７への伝熱効率を向上することができる。
【００４５】
内部熱交換器１６と外部熱交換器１７を一体化する際には、内部熱交換器１６と外部熱交換器１７との接触面積が大きくなるように両者を一体化することが好ましい。それにより、内部熱交換器１６から外部熱交換器１７への伝熱効率をさらに向上することができる。
【００４６】
図１の例では、外部熱交換器１７を内部熱交換器１６の内側に配置している。それにより、外部熱交換器１７の外周面を内部熱交換器１６の内周面と接触あるいは近接させることができる。外部熱交換器１７の外周面の面積は、外部熱交換器１７の内周面の面積よりも大きいので、外部熱交換器１７の外周面を内部熱交換器１６の内周面と接触させた場合には、外部熱交換器１７と内部熱交換器１６の接触面積を大きくすることができ、作動媒体からの冷熱を内部熱交換器１６を介して効率的に外部熱交換器１７へ伝達することができる。
【００４７】
また、図１の例では、外部熱交換器１７を内部熱交換器１６の内側に圧入固定している。この場合には、両者を容易に密着させることができ、かつ伝熱効率をも向上することができる。なお、外部熱交換器１７と内部熱交換器１６との間に、これらの間の隙間を埋めるように熱伝導率の高い材料を設置することも考えられる。
【００４８】
さらに、図１の例では、圧力容器１１における膨張空間７側の端部を閉じるキャップ部材１８は、凹状のプレートで構成される。より詳しくは、キャップ部材１８は、圧力容器１１の外壁の内側に圧入固定され、キャップ部材１８の中央部はディスプレーサ４側に凹んでいる。
【００４９】
キャップ部材１８は低熱伝導率材料で形成することが好ましい。具体例としてはステンレスが挙げられる。
【００５０】
このようにキャップ部材１８を低熱伝導率材料で形成することにより、作動媒体からの冷熱がキャップ部材１８を介して圧力容器１１の外部に位置する外部空間へ放出される量を減じることができる。したがって、冷熱のロスを低減することができる。
【００５１】
図１に示すように、外部熱交換器１７には１組の冷媒配管１９が接続される。一方の冷媒配管１９は、外部熱交換器１７から冷熱を取り出す冷熱媒体を外部熱交換器１７に供給する供給管となり、他方の冷媒配管１９は、外部熱交換器１７から上記の冷熱媒体を取り出す取出管となる。
【００５２】
この１組の冷媒配管１９は、圧力容器１１における膨張空間７側の端面から外部に延出することが好ましい。図１の例での、１組の冷媒配管１９は、キャップ部材１８を貫通して、シリンダ２の軸方向、つまりピストン３およびディスプレーサ４が運動する方向に延出している。
【００５３】
上述の構成であると、予め外部熱交換器１７に装着された一組の冷媒配管１９を、キャップ部材１８の冷媒配管挿通穴に挿通させて、キャップ部材１８を圧力容器１１の端部に取付け、圧力容器１１にキャップ部材１８の外周を溶接するとともに、冷媒配管１９とキャップ部材１８の冷媒配管挿通穴とを溶接して取り付けが完了する。したがって、冷媒配管１９の取付作業を容易に行える。
【００５４】
他方、放熱部８側にも、圧力容器１１内に内部熱交換器２０と外部熱交換器２１とを設置する。内部熱交換器２０および外部熱交換器２１は、上述の吸熱部９側の内部熱交換器１６および外部熱交換器１７と基本的に同様の構成を有する。
【００５５】
放熱部８側の内部熱交換器２０は、圧力容器１１内であって連通路２３内に配置される再生器５の圧縮空間６側に設置される。該内部熱交換器２０の外側に、放熱部８側の外部熱交換器２１を設置する。より詳しくは、内部熱交換器２０の外周面と外部熱交換器２１の内周面とが接触するように、内部熱交換器２０に外部熱交換器２１を外嵌する。
【００５６】
外部熱交換器２１にも、１組の冷媒配管２２が接続される。該１組の冷媒配管２２の一方が、外部熱交換器２１に冷媒を供給する供給管として機能し、冷媒配管２２の他方が、外部熱交換器２１から冷媒を取出す取出管として機能する。
【００５７】
図１の例では、外部熱交換器２１を覆うように圧力容器１１の外壁が延在するが、この外壁に１組の冷媒配管２２を挿通して１組の冷媒配管２２を外部熱交換器２１と接続する。
【００５８】
次に、本実施の形態１におけるスターリング冷凍機１の動作について説明する。
【００５９】
まず、リニアモータ１２を作動させてピストン３を駆動する。リニアモータ１２によって駆動されたピストン３は、ディスプレーサ４に接近し、圧縮空間６内の作動媒体（作動ガス）を圧縮する。
【００６０】
ピストン３がディスプレーサ４に接近することにより、圧縮空間６内の作動媒体の温度は上昇するが、放熱部８によってこの圧縮空間６内に発生した熱が外部へと放出される。このとき、圧縮空間６内に発生した熱は、内部熱交換器２０および外部熱交換器２１を介して外部に効率的に放出される。そのため、圧縮空間６内の作動媒体の温度はほぼ等温に維持される。本過程が、逆スターリングサイクルにおける等温圧縮過程に相当する。
【００６１】
ピストン３がディスプレーサ４に接近した後にディスプレーサ４は吸熱部９側に移動する。ピストン３によって圧縮空間６内において圧縮された作動媒体は再生器５内に流入し、さらに膨張空間７へと流れ込む。その際、作動媒体の持つ熱が再生器５に蓄熱される。本過程が、逆スターリングサイクルの等容冷却過程に相当する。
【００６２】
膨張空間７内に流入した高圧の作動媒体は、ディスプレーサ４がピストン３側へ移動することにより膨張する。これにより、膨張空間７内の作動媒体の温度は下降する。この作動媒体からの冷熱を、上記の内部熱交換器１６および外部熱交換器１７を介して外部に効率的に取出すことができる。なお、吸熱部９によって外部の熱が膨張空間７内へと伝熱されるため、膨張空間７内はほぼ等温に保たれる。本過程が、逆スターリングサイクルの等温膨張過程に相当する。
【００６３】
その後、ディスプレーサ４がピストン３から遠ざかる方向に移動し始める。それにより、膨張空間７内の作動媒体は再生器５を通過して再び圧縮空間６側へと戻る。その際、再生器５に蓄熱されていた熱が作動媒体に与えられるため、作動媒体は昇温する。本過程が、逆スターリングサイクルの等容加熱過程に相当する。
【００６４】
上記の一連の過程（等温圧縮過程−等容冷却過程−等温膨張過程−等容加熱過程）が繰り返されることにより、逆スターリングサイクルが構成される。この結果、吸熱部９は徐々に低温になり、極低温を有するに至る。
【００６５】
（実施の形態２）
次に、図２を用いて、本発明の実施の形態２について説明する。本実施の形態２では、圧力容器内であって吸熱部側の内部熱交換器の外側に、膨張空間で発生する冷熱を外部に取り出す外部熱交換器を設置する。それにより、実施の形態１の場合と同様に、外部熱交換器の表面が圧力容器の外部に位置する外部空間に露出するのを回避することができ、作動媒体からの冷熱を効率的に外部熱交換器へ伝達することができる。
【００６６】
図２に示すように、吸熱部９側の外部熱交換器１７は、圧力容器１１内に設置され、吸熱部９側の内部熱交換器１６の外側に配置されている。より詳しくは、外部熱交換器１７の内周面と内部熱交換器１６の外周面とが接触するように、外部熱交換器１７は内部熱交換器１６に外嵌されている。
【００６７】
また、図２の例では、吸熱部９側の外部熱交換器１７と放熱部８側の外部熱交換器２１とがほぼ同様の構造を有している。それに伴い、外部熱交換器１７と接続される冷媒配管１９が、圧力容器１１の筒状部に挿通され、シリンダ２の径方向に延出している。これ以外の構成については、実施の形態１と同様である。
【００６８】
（実施の形態３）
次に、図３を用いて、本発明の実施の形態３について説明する。本実施の形態３では、圧力容器内であって再生器の膨張空間側に複数の内部熱交換器を配置し、該内部熱交換器間に、膨張空間で発生する冷熱を外部に取り出す外部熱交換器を設置する。
【００６９】
このように内部熱交換器間に外部熱交換器を配置することにより、外部熱交換器の両側から内部熱交換器を介して、作動媒体からの冷熱を外部熱交換器に伝達することができる。それにより、作動媒体からの冷熱を内部熱交換器を介して効率的に外部熱交換器へ伝達することができる。
【００７０】
特に、内部熱交換器と外部熱交換器とを接触させることにより、内部熱交換器と外部熱交換器との間に複数の接触面を設けることができ、内部熱交換器と外部熱交換器との間の接触面積を増大することができる。それにより、作動媒体からの冷熱を、さらに効率的に内部熱交換器を介して外部熱交換器へ伝達することができる。
【００７１】
図３の例では、シリンダ２の径方向に複数の内部熱交換器１６０，１６１を間隔をあけて配置し、この内部熱交換器１６０，１６１間に外部熱交換器１７を設置している。外部熱交換器１７の内周面は、内部熱交換器１６０の外周面と接触し、外部熱交換器１７の外周面は、内部熱交換器１６１の内周面と接触する。これ以外の構成は、実施の形態１の場合とほぼ同様である。
【００７２】
（実施の形態４）
次に、図４を用いて、本発明の実施の形態４について説明する。本実施の形態４では、圧力容器における膨張空間側の端部を閉じるキャップ部材（閉塞部材）と内部熱交換器と接触させ、キャップ部材の内部に、膨張空間で発生する冷熱を外部に取り出す外部熱交換器を設けている。このとき、上記の実施の形態と異なり、キャップ部材は、銅やアルミニウムといった高熱伝導率の材料にて形成する。
【００７３】
上記のようにキャップ部材と内部熱交換器とを接触させることにより、内部熱交換器からキャップ部材に直接冷熱を伝達することができる。それにより、内部熱交換器からキャップ部材に効率的に冷熱を伝達することができる。
【００７４】
キャップ部材の内部には外部熱交換器が設られているので、キャップ部材に伝達された冷熱を効率良く外部熱交換器に伝達することができる。したがって、作動媒体からの冷熱を、内部熱交換器を介して効率的に外部熱交換器へ伝達することができる。
【００７５】
また、キャップ部材を内部熱交換器の外側にまで延在させ、内部熱交換器の外側に位置するキャップ部材の内部に外部熱交換器を設けてもよい。この場合には、外部熱交換器を内部熱交換器と接触あるいは近接させることができ、作動媒体からの冷熱を、内部熱交換器を介して外部熱交換器へ効率的に伝達することができる。
【００７６】
図４の例では、キャップ部材１８の周縁部を屈曲させ、キャップ部材１８を内部熱交換器１６に外嵌している。そして、キャップ部材１８の屈曲した周縁部の内部に冷熱冷媒が循環する冷媒通路を設けることにより、キャップ部材１８に外部熱交換器１７を設けている。
【００７７】
尚、外部熱交換器１７は必ずしもキャップ部材１８の内部に設ける必要は無く、キャップ部材１８の外周部に溝を設けて、その溝にキャップ部材１８とは別体の蓋を被せて溶接し、一体的に形成しても良い。
【００７８】
また、キャップ部材１８のディスプレーサ４と対向する面に、キャップ部材１８と一体的に内部熱交換器１６を設けるとともに、外部熱交換器１７をキャップ部材１８の内部熱交換器１６と対向する位置又はその周縁に配置するようにしてもよい。
【００７９】
また、上記の冷媒通路に達する１組の貫通孔をキャップ部材１８に設け、該貫通孔に１組の冷媒配管１９をそれぞれ挿通している。これ以外の構成については、実施の形態１と基本的に同様である。
【００８０】
以上のように本発明の実施の形態について説明を行なったが、上述の各実施の形態の特徴を適宜組合せることも当初から予定されている。
【００８１】
また、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【００８２】
【発明の効果】
本発明によれば、作動媒体からの冷熱を効率的に外部熱交換器へ伝達することができるので、膨張空間で発生する冷熱を効率的に外部に取出すことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１におけるスターリング冷凍機の断面図である。
【図２】本発明の実施の形態２におけるスターリング冷凍機の断面図である。
【図３】本発明の実施の形態３におけるスターリング冷凍機の断面図である。
【図４】本発明の実施の形態４におけるスターリング冷凍機の断面図である。
【図５】本発明の実施の形態におけるスターリング冷凍機において使用可能な外部熱交換器の一例の斜視図である。
【図６】図５に示す外部熱交換器の断面図である。
【図７】本発明の実施の形態におけるスターリング冷凍機において使用可能な内部熱交換器の一例の斜視図である。
【符号の説明】
１  スターリング冷凍機、２  シリンダ、３  ピストン、４  ディスプレーサ、５  再生器、６  圧縮空間、７  膨張空間、８  放熱部、９  吸熱部、１０  ベッセル部、１１  圧力容器、１２  リニアモータ、１３  ピストンスプリング、１４  ディスプレーサスプリング、１５  背圧空間、１６，２０，１６０，１６１  内部熱交換器、１６ａ  コルゲートフィン、１６ｂ  リング部材、１７，２１  外部熱交換器、１７ａ  開口部、１７ｂ  内部空間、１８  キャップ部材、１９，２２  冷媒配管、２３  連通路。
【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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【図６】
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【図７】
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