JP6275524B2 - スターリング冷凍機 - Google Patents

Description

本発明は、冷凍機に関し、特に蓄冷器を備えるスターリング冷凍機に関する。

極低温を発生させるための極低温冷凍機には様々な種類がある。このような極低温冷凍機のひとつとしてスターリング冷凍機が存在する。スターリング冷凍機は、ギフォードマクマホン（Gifford-McMahon; GM）冷凍機等の他の極低温冷凍機と比較して、小型化しやすいという特徴がある。また、ＧＭ冷凍機と同様に、作動ガスとして例えばヘリウムガス等の自然媒体を利用するので、環境負荷も小さい（特許文献１参照）。

特開２００７−３０３７２１号公報

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、蓄冷器を備えるスターリング冷凍機の冷凍性能の低下を抑制する技術を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様のスターリング冷凍機は、低温端と高温端とを有する蓄冷器と、蓄冷器の低温端と熱的に接触する複数の凸部が形成された熱交換器とを備える。熱交換器は、凸部の間に凹部を備え、当該凹部によって作動ガスの流通溝を形成している。

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。

本発明によれば、蓄冷器を備えるスターリング冷凍機の冷凍性能の低下を抑制する技術を提供する技術を提供することができる。

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。 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図である。 実施の形態に係る熱交換器を説明するための斜視断面図である。 実施の形態に係る熱交換器の外観を模式的に示す図である。 図５（ａ）−（ｂ）は、実施の形態に係る低温熱交換器と比較例に係る低温熱交換器とを説明する図である。 支持部材を備える場合の蓄冷器と低温熱交換器とを説明する図である。

スターリング冷凍機の中には蓄冷器を備えるものがある。蓄冷器は金属網等で構成された蓄冷材を収容し、作動ガスが生成した寒冷を蓄積する。蓄冷器は熱交換器に隣接して設けられるが、蓄冷器と熱交換器との間に隙間を設けるための支持部材が挿入されることがある。これは熱交換器を通過した冷温の作動ガスが蓄冷材を均等に冷却するとともに、蓄冷材である金属網が、自重や通過する作動ガスによって撓むことを抑制するためである。

しかしながら、蓄冷器と熱交換器との間に隙間を設けることは、蓄冷器と熱交換器との間の熱抵抗を増加させ、冷凍機の冷凍性能を低下させるかもしれない。そこで本発明のある実施形態に係るスターリング冷凍機は、蓄冷器の低温端と熱的に接触する複数の凸部が形成された熱交換器を備える。

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。

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。

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。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。

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。

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、及び支持部４０を備える。

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。

膨張機１３は、膨張機本体２０及びディスプレーサ２２を備える。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。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。また、膨張機１３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に支持する少なくとも１つの支持部４０を備える。

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。

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。

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本体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、ディスプレーサ本体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を有しており、ディスプレーサ本体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２２は内部空間を有しており、作動ガスと同種のガスで満たされている。

ディスプレーサロッド３４は、ディスプレーサ本体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。

第１区画２４は、ディスプレーサ本体３２を囲むシリンダ部を形成する。このシリンダ部の底面とディスプレーサ本体３２の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本体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、接続管１２に接続されるガス空間３６が形成されている。

膨張機本体２０のシリンダ部の側面には、ディスプレーサ本体３２の外周部に位置するように、蓄冷器３８が取り付けられる。より具体的には、蓄冷器３８は、ディスプレーサ本体３２の外周部においてディスプレーサ２２の長軸を中心軸とする円筒形状の領域に位置するように、膨張機本体２０のシリンダ部の側面に備えられる。蓄冷器３８は例えば、金網の積層構造を備える。膨張空間２８とガス空間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。

蓄冷器３８とガス空間３６の間には、水冷式熱交換器３７が設けられる。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。また蓄冷器３８と冷却ステージ２９との間には、低温熱交換器３９が取り付けられる。実施の形態に係るスターリング冷凍機１０は、冷却ステージ２９と低温熱交換器３９とは一体に構成されている。説明の便宜上、以下では冷却ステージ２９と低温熱交換器３９とを区別して説明する。なお、低温熱交換器３９の詳細は後述する。

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。

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の質量から定まる固有振動数で往復移動する。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。

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バネ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。このような板バネは、例えば特開２００８−２１５４４０号公報に開示されている。この文献を参照によりその全体を本願明細書に援用する。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。

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に隣接する冷却ステージが冷却され、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。

次に、実施の形態に係る低温熱交換器３９についてより詳細に説明する。

図３は、実施の形態に係る低温熱交換器３９を説明するための斜視断面図である。実施の形態に係る膨張機本体２０は円筒形状である。したがって、実施の形態に係る低温熱交換器３９は円環形状である。図３は、蓄冷器３８と低温熱交換器３９との一部を、ディスプレーサ２２の長軸に平行な面および垂直な面で切断した場合の斜視断面図である。図３において膨張空間２８の内表面は符号２８ａで示している。

圧縮機１１から接続管１２およびガス空間３６を通ったガスは、蓄冷器３８の蓄冷材で冷却されながら低温熱交換器３９に到達する。低温熱交換器３９には蓄冷器３８と熱的に接触する複数の凸部３９ａが形成されている。また、低温熱交換器３９の隣り合う凸部３９ａの間には複数の凹部３９ｂが備えられており、この凹部３９ｂは作動ガスの流通溝を形成する。

低温熱交換器３９は円環形状であるため、凸部３９ａも環状となる。結果として凹部３９ｂも環状となる。ここで実施の形態に係る低温熱交換器３９は、環状の凹部３９ｂと垂直な方向、すなわち円環の動径方向にも複数の凹部３９ｂを備える。これにより、蓄冷器３８を通って低温熱交換器３９に到達した作動ガスは、凹部３９ｂによって形成された流通溝に至る。流通溝を流れる作動ガスは、低温熱交換器３９の動径方向に放射状に広がる凹部３９ｂを通って、膨張空間２８に至る。したがって、低温熱交換器３９に形成される凸部３９ａの形状は、複数の溝によって分断された環形状ということができる。

膨張空間２８の作動ガスは、ディスプレーサ２２の往復移動に伴って膨張し、寒冷が発生する。冷たくなった作動ガスは低温熱交換器３９の凹部３９ｂを介して蓄冷器３８に至り、蓄冷材を冷却しながらガス空間３６に戻る。これにより、蓄冷器３８は低温熱交換器３９側の端部がガス空間３６側の端部よりも温度が下がり、低温端となる。したがって、蓄冷器３８のガス空間３６側の端部は高温端となる。

図３に示すように、低温熱交換器３９の凸部３９ａは蓄冷器３８の低温端と熱的に接触するとともに、蓄冷器３８の蓄冷材を物理的に押しつける抑え部材としても機能する。上述したとおり蓄冷器３８の蓄冷材は金属線で編まれた網状の構造であり、作動ガス流の圧力や温度変化によって高温端から低温端に向かって膨らむように撓むことがある。低温熱交換器３９の凸部３９ａは、このような蓄冷材の変形を抑えることも可能となる。これにより蓄冷器３８の蓄冷材に偏りが発生することが抑制され、蓄冷材をディスプレーサ２２の軸方向に対して均等に充填することが可能となる。結果として、蓄冷器３８の効率を向上することもできる。

図４は、実施の形態に係る低温熱交換器３９の外観を模式的に示す図であり、低温熱交換器３９を蓄冷器３８側から見た場合を示す図である。凸部３９ａは膨張機本体２０の外周部と同心円状に環状に配置されており、凸部３９ａの間に凹部３９ｂも備えられている。凹部３９ｂはまた、低温熱交換器３９の動径方向に放射状にも設けられ、作動ガスを膨張空間２８に導通させる流通溝を形成する。このように、作動ガスが低温熱交換器３９の全域に流通することができるため、作動ガスと低温熱交換器３９との間の熱交換効率を向上させることができる。また、凹部３９ｂが形成する流通溝は低温熱交換器３９に均一に形成されているので、作動ガスが偏ることなく低温熱交換器３９全体と均一に接触する。これにより、低温熱交換器３９を通る作動ガスは蓄冷器３８の低温端に均一に行き渡り、蓄冷器３８の低温端の温度分布を一様とすることができる。

図５（ａ）−（ｂ）は、実施の形態に係る低温熱交換器３９と比較例に係る低温熱交換器３９とを説明する図である。より具体的には、図５（ａ）は、図２における蓄冷器３８と低温熱交換器３９とを含む領域を拡大した図である。図５（ｂ）は、比較例に係る蓄冷器３８と低温熱交換器３９とを含む、図５（ａ）に示す領域と対応する領域を拡大した図である。

図５（ｂ）に示すように、比較例に係る低温熱交換器３９は、実施の形態に係る低温熱交換器３９のように凸部３９ａや凹部３９ｂを有しない。このため、比較例に係る低温熱交換器３９は、蓄冷器３８を出入りする作動ガスの流路を確保するために、蓄冷器３８との間に蓄冷材ステージ４１が挿入されている。図５（ｂ）に示すように、蓄冷材ステージ４１は蓄冷器３８の蓄冷材を支持するとともに、蓄冷器３８と低温熱交換器３９との間に作動ガスが拡散するためのギャップ（空間）を形成する。これにより、比較例に係る低温熱交換器３９は、作動ガスが低温熱交換器３９と均一に接触するので、熱交換効率が向上する。

しかしながら、比較例に係る低温熱交換器３９は、実施の形態に係る低温熱交換器３９と比べると、蓄冷器３８の低温端までの距離が長い。このため比較例に係る低温熱交換器３９は、実施の形態に係る低温熱交換器３９と比べると、蓄冷器３８と低温熱交換器３９との間の熱抵抗が大きくなる。これは、熱交換効率の低下につながる。

実施の形態に係る低温熱交換器３９は、低温熱交換器３９自体が作動ガスの流路を備えるとともに蓄冷器３８の蓄冷材を支持する機能を有する。このため、低温熱交換器３９と蓄冷器３８の距離が近くなり、比較例に係る低温熱交換器３９と比べると、蓄冷器３８と低温熱交換器３９との間の熱抵抗を低減して冷凍性能を向上することができる。また、実施の形態に係る低温熱交換器３９は、比較例に係る低温熱交換器３９のようなギャップが存在しないため、死容積が小さいことも冷凍能力の向上に寄与する。

以上、低温熱交換器３９が蓄冷器３８の低温端と直接接触することを前提として説明したが、低温熱交換器３９と蓄冷器３８との間に蓄冷材を支持する支持部材を備えてもよい。図６は、支持部材４２を備える場合の蓄冷器３８と低温熱交換器３９とを説明する図である。

図６に示すように、支持部材４２は蓄冷器３８と低温熱交換器３９との間に挿入される。支持部材４２は、低温熱交換器３９の凸部３９ａと接触し、凸部３９ａが押しつける力を、蓄冷器３８の低温端にある蓄冷材に均等に分配する。これにより、蓄冷器３８の蓄冷材が偏ることをより効率よく抑えることが可能となる。

ここで低温熱交換器３９と蓄冷器３８との距離を近づけるために、支持部材４２は薄い部材であることが好ましい。また、圧力損失を抑えるために、作動ガスの流路抵抗も小さい方が好ましい。このため、支持部材４２は、例えば開きが１〜２ｍｍ程度（＃１６）の金属メッシュで実現できる。

以上説明したように、本発明のスターリング冷凍機１０によれば、蓄冷器を備えるスターリング冷凍機１０の冷凍性能の低下を抑制する技術を提供することができる。特に、低温熱交換器３９の一部である凸部３９ａを用いて蓄冷器３８の蓄冷材を押さえつけるため、低温熱交換器３９と蓄冷器３８との距離が近づき、熱抵抗を小さくできる。これにより、スターリング冷凍機１０の冷凍性能の低下を抑制できる。また、蓄冷器３８の蓄冷材が撓むことも防止できる。

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。

上記では、スターリング冷凍機１０として、蓄冷器３８がディスプレーサ２２の長軸を中心軸とする円筒形状の領域に配置されたアニュラー型スターリング冷凍機を前提に説明した。しかしながら、本発明はディスプレーサ２２を有しないパルス式スターリング冷凍機にも適用できる。

上述したとおり、アニュラー型スターリング冷凍機１０の蓄冷器３８は、肉厚な筒状形状であり、長軸に垂直な方向の断面が円環状の形状である。これに対し、パルス式スターリング冷凍機の蓄冷器は円柱形状であり、長軸に垂直な方向の断面は円となる点でアニュラー型スターリング冷凍機１０の蓄冷器３８とは相違する。その他の点においては、アニュラー型スターリング冷凍機１０の蓄冷器３８とパルス式スターリング冷凍機の蓄冷器とは同様である。

したがって、本発明をパルス式スターリング冷凍機に適用する場合、低温熱交換器は円形状となる。この低温熱交換器のうち、蓄冷器の低温端と熱的に接触する側の面に複数の凸部を形成し、隣り合う凸部の間に作動ガスの流通溝を形成する凹部を備えることで、本発明をパルス式スターリング冷凍機に適用できる。結果として、パルス式スターリング冷凍機の場合においても、低温熱交換器に形成する凸部は環状となる。

上記では、冷凍機がスターリング冷凍機である場合について説明したが、本発明は、ＧＭ冷凍機やソルベイ冷凍機にも適用できる。

上記では、蓄冷器３８の低温端と熱的に接触する低温熱交換器３９について主に説明したが、本発明は、蓄冷器３８の高温端と熱的に接触する高温熱交換器を備える冷凍機の高温熱交換器についても適用できる。

１０ スターリング冷凍機、 １１ 圧縮機、 １２ 接続管、 １３ 膨張機、 １４ 圧縮機ケース、 １５ 可動部材、 １６ 支持部、 ２０ 膨張機本体、 ２２ ディスプレーサ、 ２４ 第１区画、 ２５ シール部、 ２６ 第２区画、 ２８ 膨張空間、 ２９ 冷却ステージ、 ３０ 弾性部材、 ３２ ディスプレーサ本体、 ３４ ディスプレーサロッド、 ３６ ガス空間、 ３７ 水冷式熱交換器、 ３８ 蓄冷器、 ３９ 低温熱交換器、 ３９ａ 凸部、 ３９ｂ 凹部、 ４０ 支持部、 ４１ 蓄冷材ステージ、 ４２ 支持部材、 ５１ 弾性部材取付部。

Claims (2)

1. 作動ガスを気密に保持するよう構成された膨張機本体と、
   前記膨張機本体の中で往復移動するよう構成され、前記膨張機本体との間に作動ガスの膨張空間を形成するディスプレーサと、
   低温端と高温端とを有する蓄冷器と、
   前記蓄冷器の低温端と熱的に接触する複数の環状の凸部が同心円状に形成された熱交換器とを備え、
   前記熱交換器は、前記複数の環状の凸部の間に同心円状に複数の環状の凹部を備えるとともに、前記複数の環状の凹部をつなぐよう前記複数の環状の凸部を分断する放射状の凹部を備え、前記複数の環状の凹部および前記放射状の凹部によって、前記蓄冷器の低温端と前記膨張空間との間で作動ガスを流通させる作動ガスの流通溝を形成し、
   前記放射状の凹部が、前記流通溝と前記膨張空間との間で作動ガスを流通させる前記熱交換器の作動ガス出入口となっていることを特徴とするスターリング冷凍機。
2. 前記蓄冷器は、網状に形成された蓄冷材を収容し、
   本スターリング冷凍機はさらに、前記熱交換器との間に前記蓄冷材を支持する支持部材を備え、
   前記熱交換器に形成された凸部は、前記支持部材と接触し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。

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