(57)【要約】【課題】スターリング冷凍機の蓄冷器に生じうる作動ガスの偏流を緩和する。【解決手段】膨張機１３は、軸方向に延在するディスプレーサ２２と、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２２の周囲に配設されている蓄冷器３８と、膨張機容器２０と、を備える。膨張機容器２０は、第１周方向位置に形成され圧縮空間３６を接続管１２に接続する接続口５６を有し、接続口５６から周方向に延在し圧縮空間３６を囲む容器部分を備える。圧縮空間３６の第１作動ガス領域６０が第１周方向位置において接続口５６とディスプレーサ２２との間に形成される。圧縮空間３６の第２作動ガス領域６２が第１周方向位置と異なる第２周方向位置において容器部分とディスプレーサ２２との間に形成される。第２作動ガス領域６２の第２径方向幅は、第１作動ガス領域６０の第１径方向幅より小さい。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
膨張機と、圧縮機と、前記圧縮機を前記膨張機に接続する接続管と、を備え、
前記膨張機は、
軸方向に延在するディスプレーサであって、軸方向一端側にて作動ガス膨張空間に面しかつ軸方向他端側にて作動ガス圧縮空間に面するディスプレーサと、
前記軸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の周囲に配設され、前記作動ガス圧縮空間と前記作動ガス膨張空間との間の作動ガス流路を形成する蓄冷器と、
前記ディスプレーサ及び前記蓄冷器を収容する膨張機容器であって、第１周方向位置に形成され前記作動ガス圧縮空間を前記接続管に接続する接続口を有し、前記接続口から周方向に延在し前記作動ガス圧縮空間を囲む容器部分を含む膨張機容器と、を備え、
前記作動ガス圧縮空間の第１作動ガス領域が前記第１周方向位置において前記接続口と前記ディスプレーサとの間に形成され、前記第１作動ガス領域は、前記第１周方向位置において前記接続口と前記ディスプレーサとの間に第１径方向幅を有し、
前記作動ガス圧縮空間の第２作動ガス領域が前記第１周方向位置と異なる第２周方向位置において前記容器部分と前記ディスプレーサとの間に形成され、前記第２作動ガス領域は、前記第２周方向位置において前記容器部分と前記ディスプレーサとの間に第２径方向幅を有し、
前記第２径方向幅は、前記第１径方向幅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】
前記容器部分は、前記第２周方向位置を含む周方向範囲に延在するブロックを備え、
前記第２作動ガス領域は、前記ブロックと前記ディスプレーサとの間に形成され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】
前記ディスプレーサは、前記軸方向に垂直な断面において径方向に前記容器部分に向けられた凸部を備え、
前記第２作動ガス領域は、前記容器部分と前記凸部との間に形成され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は、前記作動ガス膨張空間に面するディスプレーサ先端面を有するディスプレーサヘッドと、前記ディスプレーサヘッドから前記軸方向に前記作動ガス圧縮空間に延出するディスプレーサロッドと、を備え、
前記蓄冷器は、前記ディスプレーサヘッドの周囲に配設され、
前記第１作動ガス領域は、前記接続口と前記ディスプレーサロッドとの間に形成され、前記第２作動ガス領域は、前記容器部分と前記ディスプレーサロッドとの間に形成されてい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する。
【背景技術】
【０００２】
スターリング冷凍機の一種として、圧縮機の可動部と膨張機の可動部とが機械的に連結されていないスプリット式スターリング冷凍機が知られている。スプリット式スターリング冷凍機は、圧縮機と、膨張機と、圧縮機を膨張機に接続する接続管とを有する。接続管は膨張機の側部に接続され膨張機の作動ガス受入室に連通される。膨張機には蓄冷器が設けられている。作動ガスは接続管の出口から作動ガス受入室を経由して蓄冷器に流入する。
【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】
圧縮機から膨張機に作動ガスが流入するとき、接続管の出口から作動ガス受入室に作動ガスが噴出する。噴出したガスはその勢いによって、ガス受入室のある領域、例えば接続管出口と反対側の領域に向かう。よって、その領域から蓄冷器に流入するガス流量は、他の領域、例えば接続管の側の領域から蓄冷器に流入するガス流量よりも多くなりうる。このようにして、蓄冷器内に偏流が生成される。すなわち、蓄冷器内にガスの流量が比較的多い場所と比較的少ない場所とが生まれ、その結果、これら領域間には温度差が生じうる。このような不均一な蓄冷器温度分布は、蓄冷器の性能低下の原因となる。偏流は、冷凍機の運転周波数が高い場合や冷凍機が大型である場合に顕著となりうる。
【０００５】
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蓄冷器に生じうる作動ガスの偏流を緩和することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明のある態様によると、膨張機と、圧縮機と、前記圧縮機を前記膨張機に接続する接続管と、を備えるスターリング冷凍機が提供される。前記膨張機は  軸方向に延在するディスプレーサであって、軸方向一端側にて作動ガス膨張空間に面しかつ軸方向他端側にて作動ガス圧縮空間に面するディスプレーサと  前記軸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の周囲に配設され、前記作動ガス圧縮空間と前記作動ガス膨張空間との間の作動ガス流路を形成する蓄冷器と  前記ディスプレーサ及び前記蓄冷器を収容する膨張機容器であって、第１周方向位置に形成され前記作動ガス圧縮空間を前記接続管に接続する接続口を有し、前記接続口から周方向に延在し前記作動ガス圧縮空間を囲む容器部分を含む膨張機容器と、を備える。前記作動ガス圧縮空間の第１作動ガス領域が前記第１周方向位置において前記接続口と前記ディスプレーサとの間に形成され、前記第１作動ガス領域は、前記第１周方向位置において前記接続口と前記ディスプレーサとの間に第１径方向幅を有する。前記作動ガス圧縮空間の第２作動ガス領域が前記第１周方向位置と異なる第２周方向位置において前記容器部分と前記ディスプレーサとの間に形成され、前記第２作動ガス領域は、前記第２周方向位置において前記容器部分と前記ディスプレーサとの間に第２径方向幅を有する。前記第２径方向幅は、前記第１径方向幅より小さい。
【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蓄冷器に生じうる作動ガスの偏流を緩和することができる。
【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ブロック及びディスプレーサロッドを概略的に示す断面図である。
【図４】あ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５】本発明の他の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６】本発明の他の実施形態に係るディスプレーサロッド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。スターリング冷凍機１０は、スプリット式のスターリング冷凍機である。
【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及び圧力も、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の作動ガス受入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の作動ガス受入室に接続される。
【００１４】
膨張機１３は、図２を参照して後述するように、膨張機容器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、本発明のある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】
膨張機容器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、膨張機容器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を膨張機容器２０に支持する。
【００１７】
膨張機容器２０は、第１区画２４及び第２区画２６を備える。第１区画２４は、膨張機容器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及び圧縮空間３６を含む。膨張空間２８に隣接する膨張機容器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。冷却ステージ２９はコールドヘッドとも呼ばれる。第２区画２６は、弾性部材３０を介してディスプレーサ２２を膨張機容器２０に支持するよう構成されている。
【００１８】
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、接続管１２を流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。
【００１９】
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。ディスプレーサヘッド３２は内部に空洞を有しており、作動ガスと同種のガスで満たされている。
【００２０】
ディスプレーサロッド３４は、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において膨張機容器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と膨張機容器２０との間に形成されるロッドシールであってもよい。なお、ディスプレーサロッド３４もディスプレーサヘッド３２と同様に内部に空洞を有している。ディスプレーサロッド３４の空洞はディスプレーサヘッド３２の空洞と接続している。ディスプレーサロッド３４の末端が開放され、ディスプレーサ２２の内部空洞は第２区画２６に連通されていてもよい。
【００２１】
第１区画２４は、ディスプレーサヘッド３２を囲むシリンダ部を形成する。このシリンダ部の底面（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３２ａ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３６が形成されている。よって、ディスプレーサヘッド３２は、軸方向一端側にて膨張空間２８に面し、軸方向他端側にて圧縮空間３６に面する。圧縮空間３６は接続管１２を通じて圧縮機１１に接続される膨張機１３の作動ガス受入室である。
【００２２】
膨張機容器２０のシリンダ部には、ディスプレーサヘッド３２の径方向外側に隣接して蓄冷器３８が設けられている。ここで径方向は中心軸の方向に垂直な方向をいう。こうして蓄冷器３８は膨張機容器２０に収容されている。蓄冷器３８は、ディスプレーサ２２と同軸に軸方向に延在し、環状またはドーナツ状に形成されている。より具体的には、蓄冷器３８は、ディスプレーサヘッド３２の外周部においてディスプレーサ２２の長手軸を中心軸とする円筒形状の領域に位置するように、膨張機容器２０のシリンダ部の側面に備えられる。蓄冷器３８は蓄冷材として例えば、金網の積層構造を備える。膨張空間２８と圧縮空間３６との間の作動ガスの流通は蓄冷器３８を通じて可能である。膨張空間２８は、中心軸の方向において蓄冷器３８の一端側に位置し、圧縮空間３６は、中心軸の方向において蓄冷器３８の他端側に位置する。
【００２３】
軸方向において蓄冷器３８と圧縮空間３６の間には、蓄冷器３８に隣接して放熱器３７が設けられる。放熱器３７は例えば水冷式熱交換器である。放熱器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。放熱器３７は蓄冷器３８とともにシリンダ部を形成する。
【００２４】
放熱器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から圧縮空間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、放熱器３７は、この高温ガスを室温程度に冷却する。
【００２５】
放熱器３７は、ディスプレーサヘッド３２の周囲に配設されている。ディスプレーサヘッド３２の側面は放熱器３７の内壁部と摺動可能であり、それにより放熱器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。圧縮空間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、ディスプレーサヘッド３２の側面と放熱器３７の内壁部との間に形成されていてもよい。
【００２６】
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の周囲に配設されている。圧縮空間３６と膨張空間２８とを接続する作動ガス流路が放熱器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。径方向において蓄冷器３８とディスプレーサヘッド３２との間には微小なクリアランスが形成されていてもよい。同様に、径方向において低温熱交換器３９とディスプレーサヘッド３２との間には微小なクリアランスが形成されていてもよい。
【００２７】
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を膨張機容器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。また、蓄冷器３８及び放熱器３７は上述のように、中心軸の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ヘッド３２の周囲に配設されている。よって、蓄冷器３８及び放熱器３７もまた、ディスプレーサ２２の支持部を形成する。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。
【００２８】
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と膨張機容器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。
【００２９】
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５１を介して弾性部材３０に固定される。
【００３０】
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。ディスプレーサ２２は、圧縮機１１の可動部材１５の振動によって圧縮空間３６に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の往復動及び圧縮機１１の可動部材１５の往復動によって膨張空間２８と圧縮空間３６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。
【００３１】
続いて、膨張機容器２０について更に説明する。
【００３２】
膨張機容器２０は、冷却ステージ２９に加えて、第１容器部分２０ａ、第２容器部分２０ｂ、第３容器部分２０ｃ、及び第４容器部分２０ｄを備える。冷却ステージ２９、第１容器部分２０ａ、第２容器部分２０ｂ、第３容器部分２０ｃ、及び第４容器部分２０ｄは、この記載の順に隣接して配置され、膨張機容器２０の内部を気密に保持するよう相互に連結されている。
【００３３】
膨張機容器２０は、概ね筒状に形成されており、その側壁を第１容器部分２０ａ、第２容器部分２０ｂ、第３容器部分２０ｃ、及び第４容器部分２０ｄにより形成する。また、軸方向において膨張機容器２０の一端は冷却ステージ２９により閉じられ、他端は第４容器部分２０ｄにより閉じられている。
【００３４】
第１容器部分２０ａは、蓄冷器３８及び低温熱交換器３９を囲む。第２容器部分２０ｂは、放熱器３７を囲む。第３容器部分２０ｃは、側壁部５２及び底壁部５４を備え、圧縮空間３６を囲む。第３容器部分２０ｃは、側壁部５２に形成され接続管１２に接続される接続口５６を備える。第４容器部分２０ｄは、第２区画２６を画定する。
【００３５】
第３容器部分２０ｃの側壁部５２は、外壁部５２ａ及び内壁部５２ｂを備える。外壁部５２ａ及び内壁部５２ｂは、中心軸まわりに周方向に接続口５６から延在する。外壁部５２ａは、第２容器部分２０ｂを第４容器部分２０ｄに接続する。内壁部５２ｂは、放熱器３７の内壁部を底壁部５４に接続する。内壁部５２ｂは、圧縮空間３６を外周空間３６ａと中心空間３６ｂとに区画する。内壁部５２ｂには、外周空間３６ａと中心空間３６ｂとを接続する開口部５７が形成されている。開口部５７は、周方向に等角度間隔に配列された複数の開口である。開口部５７は、周方向に延びる１以上のスリットであってもよい。
【００３６】
接続口５６は、中心軸に対して一方側に形成され、外壁部５２ａ及び内壁部５２ｂを径方向に貫通する単一の開口である。開口部５７は、軸方向において接続口５６と放熱器３７との間に位置する。軸方向において、接続口５６は底壁部５４側に形成され、開口部５７は接続口５６と放熱器３７との間に形成されている。側壁部５２は、中心空間３６ｂの底壁部５４側の領域を囲む環状部分５２ｃを埋めるよう形成されている。よって、環状部分５２ｃは、接続口５６を除き、ガスの流路とはならない。
【００３７】
底壁部５４は、外壁部５２ａと第４容器部分２０ｄとの接合部において外壁部５２ａから径方向内側に延在する。底壁部５４の中心にはディスプレーサロッド３４を通す貫通孔が形成されている。底壁部５４とディスプレーサロッド３４との間にロッドシールが形成される。
【００３８】
第３容器部分２０ｃにはブロック５８が設けられている。ブロック５８は、内壁部５２ｂ及び底壁部５４に接して中心空間３６ｂに配置されている。
【００３９】
図３は、本発明のある実施形態に係るブロック５８及びディスプレーサロッド３４を概略的に示す断面図である。この断面図はディスプレーサロッド３４の中心軸に垂直な平面による断面を示す。ブロック５８は、周方向に全周にわたって延在するリング状の部材である。ブロック５８の中心には、ディスプレーサロッド３４を通す貫通孔５９が形成されている。貫通孔５９は、ディスプレーサロッド３４の中心軸から偏心した円形開口である。貫通孔５９の中心は、ディスプレーサロッド３４の中心と接続口５６との間に位置する。
【００４０】
接続口５６は、第１周方向位置においてブロック５８を貫通する。圧縮空間３６の第１作動ガス領域６０が第１周方向位置において接続口５６とディスプレーサロッド３４との間に形成されている。第１作動ガス領域６０は、第１周方向位置において接続口５６とディスプレーサロッド３４との間に第１径方向幅Ｗ１を有する。
【００４１】
また、圧縮空間３６の第２作動ガス領域６２が第１周方向位置と異なる第２周方向位置においてブロック５８とディスプレーサロッド３４との間に形成されている。第２周方向位置は、ディスプレーサロッド３４の中心軸に対し第１周方向位置と反対側にある。第２作動ガス領域６２は、第２周方向位置においてブロック５８とディスプレーサロッド３４との間に第２径方向幅Ｗ２を有する。
【００４２】
第２径方向幅Ｗ２は、第１径方向幅Ｗ１より小さい。例えば、第２径方向幅Ｗ２は、第１径方向幅Ｗ１の２／３より小さく、１／２より小さく、１／４より小さく、または１／８より小さい。
【００４３】
なお、ブロック５８は全周にわたって設けられていなくてもよい。ブロック５８は、第２周方向位置を含むある周方向範囲にのみ設けられていてもよい。
【００４４】
図２に示されるように、ブロック５８の軸方向厚さは、底壁部５４から開口部５７までの軸方向長さより短い。よって、開口部５７とディスプレーサロッド３４との間に形成される第３作動ガス領域は、第２周方向位置において第１径方向幅Ｗ１を有する。なお、ブロック５８の軸方向厚さは、底壁部５４から開口部５７までの軸方向長さより長くてもよい。この場合、開口部５７に連通する開口がブロック５８に形成されていてもよい。
【００４５】
膨張機１３に作動ガスが流入するとき、ガスは接続管１２から接続口５６を通じて中心空間３６ｂに流れる。一部のガスは第１作動ガス領域６０を通り、他の一部のガスは第２作動ガス領域６２を通る。そこからガスは開口部５７を通じて外周空間３６ａに流れる。ガスは外周空間３６ａから放熱器３７を通じて蓄冷器３８に流入する。ガスは蓄冷器３８から膨張空間２８に流入し膨張する。膨張したガスは逆の経路を通って膨張機１３から接続管１２へと出る。
【００４６】
図４は、あるスターリング冷凍機の膨張機１１３を概略的に示す断面図である。膨張機１１３は、ブロック５８を有しない点を除いて、図２に示す膨張機１３と概ね同様の構成を有する。例えば、圧縮空間１３６に単一の接続口１５６を有する。接続口１５６は、接続管１１２を通じて圧縮機１１に接続される。蓄冷器３８は、中心軸の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ヘッド３２の周囲に配設されている。蓄冷器３８は、軸方向一端側に位置する膨張空間２８と軸方向他端側に位置する圧縮空間１３６との間の作動ガス流路を形成する。
【００４７】
圧縮機１１から接続口１５６を通じて圧縮空間１３６に噴出したガスはその勢いによって、矢印７２で図示するように、接続口１５６と反対側の壁面１５８に向かう。ガスは壁面１５８によって放熱器３７へと向けられる。ガスは放熱器３７を通って蓄冷器３８に流入する。そのため、接続口１５６と反対側に位置する蓄冷材に流入するガス流量は、接続口１５６の側に位置する蓄冷材に流入するガス流量よりも多くなる。
【００４８】
ガスは蓄冷器３８から膨張空間２８に流入し膨張する。矢印７４で図示するように、膨張空間２８からの戻りガスに関しては逆に、接続口１５６の側に位置する蓄冷材に流入するガス流量が、接続口１５６と反対側に位置する蓄冷材に流入するガス流量よりも多くなる。
【００４９】
このようにして、蓄冷器３８の内部に偏流が生成される。すなわち、蓄冷器３８における軸方向ガス流れに不均一な分布が生じる。その結果、接続口１５６と反対側に位置する蓄冷材は、接続口１５６の側に位置する蓄冷材に比べて作動ガスから多くの熱を受け取り、蓄冷器３８には周方向及び／または径方向に温度差が生じる。このような不均一な蓄冷器温度分布は、圧力損失の増加や蓄冷器効率の低下を招き、蓄冷器３８の性能を低下させうる。偏流ひいては冷凍性能の低下は、冷凍機の運転周波数が高い場合や冷凍機の径方向寸法が大きい場合に顕著となりうる。
【００５０】
これに対して、本実施形態に係る膨張機１３においては、接続口５６に隣接する圧縮空間３６の領域に比べて圧縮空間３６の他の一部の領域が狭くなっている。具体的には、ブロック５８によって第２作動ガス領域６２が第１作動ガス領域６０に比べて狭窄されている。そのため、第２作動ガス領域６２を通って接続口５６と反対側から蓄冷器３８に流入するガス流量を抑制することができる。したがって、本実施形態に係る膨張機１３は、蓄冷器３８に生じうる作動ガスの偏流を緩和し、好ましくは防止することができる。よって、中心軸に垂直な面における蓄冷器３８の温度分布が均一化され、冷凍性能が向上される。この性能向上は、コールドヘッド温度が低いほど大きくなる。
【００５１】
図５は、本発明の他の実施形態に係る膨張機１３を概略的に示す図である。図５に示される膨張機１３は、ディスプレーサロッド３４及び第３容器部分２０ｃに関して図２に示す膨張機１３と相違する。その余の構成については、図５に示される膨張機１３は図２に示す膨張機１３と同様であり、冗長を避けるため説明を適宜省略する。
【００５２】
また、図６は、本発明のある実施形態に係るディスプレーサロッド３４を概略的に示す断面図である。この断面図はディスプレーサロッド３４の中心軸に垂直な平面による断面を示す。
【００５３】
図５及び図６に示されるように、ディスプレーサロッド３４は、軸方向に垂直な断面において楕円形状を有する。したがって、ディスプレーサロッド３４は、径方向両側に第３容器部分２０ｃの内壁部５２ｂに向けられた凸部７６を備える。第２作動ガス領域６２は、第３容器部分２０ｃの内壁部５２ｂと凸部７６との間に形成される。凸部７６は、圧縮空間３６に相当する軸方向範囲にわたって形成されている。シール部２５には凸部７６が形成されていないので、シール部２５におけるディスプレーサロッド３４の断面は円形である。
【００５４】
第１作動ガス領域６０が第１周方向位置において接続口５６とディスプレーサロッド３４との間に形成されている。第１作動ガス領域６０は、第１周方向位置において接続口５６とディスプレーサロッド３４との間に第１径方向幅Ｗ１を有する。
【００５５】
また、第２作動ガス領域６２が第１周方向位置と異なる第２周方向位置において第３容器部分２０ｃの内壁部５２ｂとディスプレーサロッド３４の凸部７６との間に形成されている。第２周方向位置は、第１周方向位置と周方向に９０度異なる位置である。第２作動ガス領域６２は、第２周方向位置において内壁部５２ｂと凸部７６との間に第２径方向幅Ｗ２を有する。
【００５６】
凸部７６によって第２作動ガス領域６２が第１作動ガス領域６０に比べて狭窄されている。そのため、第２作動ガス領域６２を通って接続口５６と反対側から蓄冷器３８に流入するガス流量を抑制することができる。したがって、本実施形態に係る膨張機１３は、蓄冷器３８に生じうる作動ガスの偏流を緩和し、好ましくは防止することができる。よって、中心軸に垂直な面における蓄冷器３８の温度分布が均一化され、冷凍性能が向上される。
【００５７】
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。
【００５８】
例えば、凸部７６の形状は楕円に限られず、長円や長方形など他の形状をとりうる。凸部７６の周方向位置は、図示の例に限られず、他の任意の場所であってもよい。
【００５９】
また、凸部７６は、ディスプレーサロッド３４の片側のみに設けられていてもよい。この場合、凸部７６は、接続口５６と反対側に向けられていてもよい。あるいは、ディスプレーサロッド３４は、３つ又はそれより多数の凸部を備えてもよい。
【００６０】
ある実施形態においては、ブロック５８と凸部７６とを組み合わせてもよい。すなわち、膨張機１３は、ブロック５８を備える第３容器部分２０ｃと、凸部７６を備えるディスプレーサ２２と、を備えてもよい。
【００６１】
ある実施形態においては、ディスプレーサヘッド３２が凸部を備えてもよい。凸部は、圧縮空間３６に面するディスプレーサヘッド３２の表面に形成されてもよい。第２作動ガス領域６２が第３容器部分２０ｃとディスプレーサヘッド３２の凸部との間に形成されてもよい。
【符号の説明】
【００６２】
１０  スターリング冷凍機、  １１  圧縮機、  １２  接続管、  １３  膨張機、  ２０  膨張機容器、  ２２  ディスプレーサ、  ２８  膨張空間、  ３２  ディスプレーサヘッド、  ３４  ディスプレーサロッド、  ３６  圧縮空間、  ３６ａ  外周空間、  ３６ｂ  中心空間、  ３７  放熱器、  ３８  蓄冷器、  ５２  側壁部、  ５２ａ  外壁部、  ５２ｂ  内壁部、  ５４  底壁部、  ５６  接続口、  ５７  開口部、  ５８  ブロック、  ５９  貫通孔、  ６０  第１作動ガス領域、  ６２  第２作動ガス領域、  ７６  凸部。
【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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