JP2009041792A - 蓄冷型冷凍機 - Google Patents

Abstract

【課題】 蓄冷器と膨張部との間に設けられる吸熱器の熱交換を良好にすることで冷却効率が高く、冷却即応性の良い蓄冷型冷凍機を提供すること。
【解決手段】 蓄冷型冷凍機の蓄冷器と膨張部との間に冷媒が冷却される吸熱器を設け、吸熱器は蓄冷型冷凍機の作動ガスが往復流動する作動ガス側流路と作動ガス側伝熱面とを有する内部熱交換部と、該内部熱交換部を形成する壁の外面に形成される冷媒が冷却される外部熱交換部とを備え、外部熱交換部は壁を覆う流路口を備えたケースと、壁とで媒側流路と冷媒側伝熱面とを形成すると共に、ケースの端部にマニホールド部を形成し、マニホールド部は、流路口を備え、冷媒側流路の流路断面積より大きな流路断面を有する流路であると共に該流路が冷媒のバッファを兼ねて、冷媒側流路の開口部に隣接する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、スターリング冷凍機、パルス管冷凍機あるいはＧＭ冷凍機などの蓄冷型冷凍機に関するものであり、詳しくは膨張部で発生される冷凍で外部から流入する冷媒を冷却する吸熱器に関するものである。

従来技術の蓄冷型冷凍機は、ケーシングと、ケーシングに組付けられたシリンダと、シリンダ内で往復動するピストンと、ピストンをシリンダ内で往復動させるピストン駆動手段と、作動媒体が圧縮される圧縮空間と、作動媒体が膨張する膨張空間とを含む作動空間と、圧縮空間の熱を外部に放出する放熱部と、膨張空間の近傍に設けられ、外部からの熱を吸収する吸熱部と、吸熱部の外表面に設置される伝熱部材と、伝熱部材の表面上に配置され、冷媒が循環する冷媒通路と、を備えたスターリング機関がある。（例えば、特許文献１）
また、冷凍装置の冷熱部に接続される凝縮器と、凝縮器に接続されて内部を作動流体が通過可能な流入管及び流出管とよりなるサーモサイフォンにおいて、凝縮器を、少なくとも冷熱部の外面と、この外面を覆うカバー部材との間に作動流体を流通可能に構成している。（例えば、特許文献２）
特開２００５−１２１３２３号公報 特開２００２−２６７３７７号公報

しかしながら、特許文献１によれば、伝熱部材を吸熱部の外表面に設置しているため、膨張空間の作動媒体は大きな熱容量を持った伝熱部材を冷却した後、冷媒管の冷媒を冷却するので冷媒を冷却するのに要する時間が長い、即ち、冷却の即応性が悪い問題がある。また吸熱部と伝熱部材の接触熱抵抗に加え、伝熱部材と冷媒管の接触熱抵抗があり、熱伝達率は充分ではない。

また、特許文献２によれば、流入管から凝縮器に流入し、冷却部の外表面で冷却され液体となって流出管から流出する作動流体は、液体と気体の重さの差を利用して作動流体を移送するので作動流体の流速は遅く、作動流体と冷却部の外表面の間の熱伝達率は低くなり、また作動流体を圧送手段で強制的に圧送するとしても、冷媒は流入口から流出口を圧力損失が小さくなるよう短い距離で流れるので流れに淀みが発生し、冷媒は冷却部の外表面の一部にしか濡れず熱伝達面積が不足するため作動流体が効率よく冷却されない問題がある。また、凝縮器を形成するカバー部材の内壁に線材をコイル状に多数巻いたコイル部材が収納されているため凝縮器の熱容量が増大し、冷却の即応性が悪い問題がある。

本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、蓄冷器と膨張部との間に設けられる吸熱器の熱交換を良好にすることで冷却効率が良く、冷却即応性の良い蓄冷型冷凍機を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、作動ガスを圧縮する圧縮部と、前記圧縮部で圧縮された前記作動ガスの熱を放熱する放熱器と、冷凍発生部に設けられるシリンダと、前記シリンダ内を往復動して冷凍を発生させるピストンと、を配備した膨張部と、前記圧縮部と前記膨張部との間を往復流動する前記作動ガスと熱交換する蓄冷器と、前記蓄冷器と前記膨張部との間に設けられ往復流動する前記作動ガスによって冷却される内部熱交換部と、該内部熱交換部を形成する壁の外面に設けられる外部熱交換部と、を配備した吸熱器と、を備えた蓄冷型冷凍機であって、前記内部熱交換部は、往復流動する作動ガスの作動ガス側流路と作動ガス側伝熱面とを有し、前記外部熱交換部は、前記壁の外面を覆い端部に冷媒が流れる流路口を有し前記冷媒側流路の開口部に隣接して前記冷媒側流路の流路断面積より大きい流路断面積のマニホールド部を端部に形成したケースと、前記マニホールド部に配備した前記流路口と前記ケースで覆った前記外面で形成される冷媒側伝熱面と、前記ケースと前記冷媒側伝熱面との間隙で形成される冷媒側流路と、を有する。

また、請求項２に記載の発明は、前記ケースは、一端が開口し、他端が閉じた端面を有し、前記一端に前記流路口を有した前記マニホールド部を形成し、前記端面に前記流路口が配備され、前記マニホールド部の端部が前記壁に固着される。

また、請求項３に記載の発明は、前記ケースは、両端にそれぞれ前記流路口を有した前記マニホールド部を形成し、それぞれの前記マニホールド部の端部は、前記壁にそれぞれ固着される。

また、請求項４に記載の発明は、前記作動ガス側流路は、前記壁と前記ピストンとの間隙で形成され、前記作動ガス側伝熱面は、前記作動ガス側流路を形成する前記壁の内面に形成される。

請求項１に記載の発明では、作動ガス側流路を形成する壁の外面と、ケースの内面との間の間隙に冷媒側流路は形成されるので、該間隙の幅を微小にすることで、冷媒側流路を流れる冷媒の流速は従来技術より早くなり、冷媒と外部熱交換部との熱伝達率は増大する。また、マニホールド部は、流入口を備え、冷媒側流路の流路断面積より大きな流路断面積のバッファ流路を有するとともに冷媒側流路の開口部に隣接しているので、流路口から流入した冷媒はマニホールド部の空間全体に行渡り、そこから冷媒側流路の開口部へ均等に流れ、冷媒側流路全体に均等に流れ、また流路口が流出口であると、マニホールド部の空間全体に行渡るように冷媒側流路全体に均等に流れ、流路口から均等に流出する。従って、冷媒は、外部熱交換部の冷媒側伝熱面全体に流れ、冷媒と外部熱交換部との熱伝達面積は従来技術より増大するので、冷媒と外部熱交換部との熱伝達は良好に行われ、従来技術より冷却効率が高い蓄冷型冷凍機を提供できる。

内部熱交換部の作動ガス側伝熱面と外部熱交換部の冷媒側伝熱面との間に介在する壁の厚さを薄くし、冷媒側伝熱面を覆おうケースの板厚を薄くすることで吸熱器の熱容量を小さく出来る上に、従来技術が具備している熱部材あるいはコイル部材を必要としないので、吸熱器の熱容量は従来技術より小さくなり冷却即応性の良い蓄冷型冷凍機を提供できる。

また、請求項２に記載の発明では、ケースの一端側にマニホールド部が形成されるので、上述したように、マニホールド部側の冷媒側流路には冷媒が均等に流れる。一方、他端側の閉じた端面に配備される流路口を端面の中心に配備することで、冷媒は、端面に対向する冷媒側伝熱面を均等に流れる。従って、冷媒の伝熱面積が従来技術より増大し、冷媒は高い冷却効率で冷却される。

また、請求項３に記載の発明では、ケースは、両端にそれぞれマニホールド部が形成され、それぞれのマニホールド部の端部は、壁にそれぞれ固着されるので、一端が閉じた側面を有するケースと比べるとケースの熱容量が小さく、冷却の即応性が向上する。また、ケースの形状が単純でコストが安くなる。

また、請求項４に記載の発明では、作動ガス側流路は、壁とピストンとの間隙で形成される環状の流路断面を備えており、該環状の間隙の幅を微小にすることで作動ガス側流路を流れる作動ガスの流速は増大し、作動ガスと内部熱交換部との熱伝達率を高くできる。

また、環状の流路断面の流れ方向の長さ、即ち内部熱交換部の長さを長くすることで、内部熱交換部の伝熱面積が増大し、これに伴い外部熱交換部の長さも長くなり冷媒側伝熱面の面積も増大する。そして、壁の厚さを薄くすることで作動側ガス側伝熱面と冷媒倍側伝熱面の間の熱抵抗は小さくなる。従って、内部熱交換部と作動ガスとの熱伝達と、外部熱交換部と冷媒との熱伝達と、作動側ガス側伝熱面と冷媒側伝熱面の間の熱伝導は効率よく行われ、冷媒は高い冷却効率で冷却される。

以下に本発明の実施例を図面を参照しつつ詳細に説明する。

（実施例１）
図１は、本発明に関わる蓄冷型冷凍機の断面図である。

蓄冷型冷凍機３０は、リニア圧縮機１の流路口３と凍発生部３１の流路口３２ａとを配管４で接続して構成される。即ち、リニア圧縮機１の第１圧縮空間２（圧縮部）は配管４、凍発生部３１の流路３２ｂ、３２ｃを介して放熱器３２に連通される。冷凍発生部３１の第２圧縮空間３５（圧縮部）は流路３２ｃを通って放熱器３２に連通し、放熱器３２は、順次、流路３２ｄ、流路３６ａ、蓄冷器３３、流路３６ｂ、吸熱器４０の作動ガス側流路４１ａとを介して膨張空間３４（膨張部）に連通し、スターリングサイクルが形成される。

リニア圧縮機１は、両端が閉じられた圧縮シリンダ５と、圧縮シリンダ５の外周面に固定された一対のリニアモータ１０、２０の固定子１１、２１と、圧縮シリンダ５の内周面に摺動可能に内接した一対のリニアモータ１０、２０の可動体１２、２２とから構成され、圧縮シリンダ５と一対の可動体１２、２２とから、第１圧縮空間２と、バッファ空間１３、２３が形成される。バッファ空間１３とバッファ空間２３の容積は同じで、可動体１２と可動体２２の質量も同じである。

リニアモータ１０と２０は同一であり、リニアモータ１０、２０の固定子１１、２１は、磁性材の外ヨーク１１ａ、２１ａにコイル１１ｂ、２１ｂを備え、圧縮シリンダ５の中央に配設した流路口３に対し図中の左右に互いに対称に位置するように圧縮シリンダ５の外周面に挿嵌固定される。

可動体１２、２２は、磁性材の内ヨーク１２ａ、２２ａと、内ヨーク１２ａ、２２ａの外周部中央に設けた溝に接着される永久磁石１２ｂ、２２ｂと、内ヨーク１２ａ、２２ａの一端に固定された非磁性材のピストン１２ｃ、２２ｃと、他端に固定された非磁性材の調整部材１２ｆ、２２ｆとを備える。内ヨーク１２ａ、２２ａの両端側外周面には、樹脂摺動材のライダリング１２ｄ、２２ｄが接着され、圧縮ピストン１２ｃ、２２ｃは樹脂摺動材のピストンリング１２ｅ、２２ｅが装着される。

可動体１２、２２は、流路口３に対し図中の左右に対称で圧縮ピストン１２ｃ、２２ｃが互いに向き合うように圧縮シリンダ５に挿入され、コイル１１ｂ、２１ｂに電流を流さない状態で、可動体１２は固定子１１に対し中立点、可動体２２は固定子２１に対し中立点に位置する。

ピストンリング１２ｅ、２２ｅを備えた圧縮ピストン１２ｃ、２２ｃは、圧縮シリンダ５とで第１圧縮空間２を形成し、圧縮ピストン１２ｃ、２２ｃが往復動することで、第１圧縮空間２の作動ガスは圧縮、膨張し、配管４を介在して冷凍発生部３１へ往復流動する。圧縮ピストン１２ｃ、２２ｃと反対側の可動体１２、２２と圧縮シリンダ５とでバッファ空間１３、２３が形成される。作動ガスは、一般的にヘリウムが使われる。

冷凍発生部３１は、圧縮されたヘリウム（作動ガス）の熱を外部に放熱する放熱器３２と、膨張空間３４を形成するシリンダ３７と、シリンダ３７に摺動可能に挿入されるロッド３８を備えたピストン３６と、ピストン３６に配設した蓄冷器３３と、膨張空間３４で発生した冷凍で冷却される吸熱器４０と、ピストン３６を駆動する駆動部５０から構成される。

放熱器３２は、シリンダ３７の開口端と駆動ケース５１の開口端との間に配備され、第１圧縮空間２と、第２圧縮空間３５で圧縮されたヘリウムの圧縮熱を外部に放熱する。

膨張空間３４は、一端が湾曲部３７ａを備え、他端が放熱器３２の端部に気密固着したシリンダ３７とピストン３６とで形成され、第２圧縮空間３５はピストン３６の背面と、ピストン３６の背面に固定されたロッド３８と、駆動部５０の隔壁５２と、隔壁５２に装着されたロッドシール３８ａから形成され、第２圧縮空間３５は隔壁５２に設けられたリング形状の流路３２ｃを介し放熱器３２に連通される。

ピストン３６の第２圧縮空間３５側は、凸型形状で小径側と大径側の円周面端部にはそれぞれ樹脂摺動材の厚さの薄いリング３６ｃ、３６ｄが接着され、リング３６ｃ、３６ｄは、軸受の機能とともにヘリウムを僅かな間隙を持ってシールするクリアランスシール機能とを備える。ピストン３６の小径と大径の径の差と、シリンダ３７とで形成される空間は、ヘリウムが往復流する流路３２ｄとして機能し、この径の差は僅かで例えば略０．４ｍｍである。また流路３２ｄ（圧縮部）を形成する空間の容積は僅かではあるがヘリウムを圧縮・膨張させる圧縮空間の機能も有し、そこで圧縮されたヘリウムの熱はシリンダ３７の壁を介し外部に放熱される。

蓄冷器３３は、ピストン３６の内部に金網などの蓄冷材エレメント３３ａが多数枚積層され形成される。蓄冷器３３の高温端と低温端には、それぞれ流路３６ａと流路３６ｂが多数個設けられ、流路３６ａは流路３２ｄに連通し、流路３６ｂは次に述べる吸熱器４０の内部熱交換部４１の作動ガス側流路４１ａに連通する。

図２は、図１に示される吸熱器４０の拡大図である。図２に示すように吸熱器４０は、内部熱交換部４１と外部熱交換部４２から構成される。内部熱交換部４１の作動ガス側伝熱面４１ｂは、蓄冷器３３と膨張空間３４との間を往復流動するヘリウムが流れるシリンダ３７の内面から形成される。内部熱交換部４１の作動ガス側流路４１ａは、シリンダ３７の内周面とピストン３６の外周面との間の間隙で、流蓄冷器３３と膨張空間３４との間のヘリウムが往復流動する微小な間隙（例えば、間隙幅略０．２ｍｍ）で形成される。

外部熱交換部４２は、冷媒側伝熱面４２ｂと、冷媒側流路４２ａと、マニホールド部４３ａとを備える。冷媒側伝熱面４２ｂは、ケース４３に覆われるシリンダ３７の外面によって形成され、壁３７ｃの外面が冷媒側伝熱面４２ｂで内面が作動ガス側伝熱面４１ｂになる（図２の二点鎖線は、壁３７ｃの範囲を示す）。冷媒側流路４２ａは、ケース４３の内面と冷媒側伝熱面４２ｂとの間の微小な間隙（例えば、間隙幅略０．８ｍｍ）から形成され、環状間隙の冷媒側流路４２ｃ（冷媒側流路）と湾曲間隙の冷媒側流路４２ｄ（冷媒側流路）とを備える。

マニホールド部４３ａは、ケース４３の開口側に設けられ、冷媒が流れる流路口４３ｃを備え、冷媒側流路４２ａの流路断面積より大きな流路断面を有するリング形状の流路であると共に該流路が冷媒のバッファを兼ねて、冷媒側流路４２ａの開口部４２ｄに隣接する。ケース４３の端部の湾曲部４３ｄ（端面）の中心部には流路口４３ｅが設けられる。ケース４３の開口側はシリンダ３７の外周面に固着される。

図１に示すように駆動部５０は、駆動ケース５１内に収納した保持器５３と駆動ケース５１の内側の端面との間と、保持器５３と隔壁５２の端面との間にそれぞれバネ５４、バネ５５が配備され、保持器５３の中央端面はロッド３８が固定され、ピストン３６を往復動させる駆動源となる。即ち、ピストン３６、蓄冷器３３、ロッド３８、保持器５３の各質量を合計した質量と、バネ５４、５５と、膨張空間３４のヘリウムによるガスバネと、第２圧縮空間３５のヘリウムによるガスバネと、流路３２ｄのヘリウムによるガスバネとを合成した合成ガスバネとでバネ・質量の固有の共振周波数を持った振動系を形成し、この共振周波数近傍でピストン３６の往復動のストロークが大きくなる。

次に、実施例１の作用と効果について説明する。

第１圧縮空間２でのヘリウムの圧縮・膨張によるガスバネと、バッファ空間１３での圧縮・膨張によるヘリウムのガスバネと、リニアモータ１０の磁気バネとの合成バネと、可動体１２の質量とで、可動体１２はバネ・質量の固有の共振周波数を持った振動系を形成し、この共振周波数近傍で圧縮ピストン１２の往復動のストロークが大きくなる。同様に、可動体２２も、バネ・質量の固有の共振周波数を持った振動系を形成し、この共振周波数近傍で圧縮ピストン２２の往復動のストロークが大きくなる。可動体１２と２２の質量は同じで、バッファ空間１２と２２の容積も同じで、またリニアモータ１０と２０も同一であるので、可動体１２と可動体２２の共振周波数は同じになる。この共振周波数で運転すると、リニア圧縮機１は高い圧縮効率が得られる。リニア圧縮機１の共振周波数と冷凍発生部３１のピストン３６の共振周波数とを同じにすることで、リニア圧縮機１の可動体１２、２２のストロークと、ピストン３６のストロークが増大するとともに、膨張空間３４の容積は第１圧縮空間２と、第２圧縮空間３５と、流路３２ｄとの合計容積に対して位相が略９０度進み、冷凍発生部３１は効率良く冷凍を発生する。

リニアモータ１０、２０のコイル１１ｂ、２１ｂに上述の共振周波数の交流電流を通電すると、圧縮ピストン１２ｃと２２ｃは、互いに対向し往復動する。第１圧縮空間２と、第２圧縮空間３５と、流路３２ｄとを合計した空間でヘリウムが圧縮、膨張される。第１圧縮空間２で圧縮されたヘリウムは、配管４、流路３２ｂ、流路３２ｃを通って放熱器３２に流入する。ピストン３６の図１の下方向への移動により第２圧縮空間３５で圧縮されたヘリウムも流路３２ｃを通って放熱器３２に流入する。放熱器３２は流入したヘリウムの圧縮熱を外部に放熱する。また流路３２ｄ内のヘリウムは、圧縮熱をシリンダ３７を介して外部に放熱する。放熱器３２と、流路３２ｄとから蓄冷器３３に流入するヘリウムは蓄冷材エレメント３３ａと熱交換し流れ方向に沿って順次、低い温度に冷却され、流路３６ｂ、放熱器４０の作動ガス側流路４１ａを通って膨張空間３４に流入すると、ビストン３６の下方向の移動により膨張空間３４で膨張し冷凍を発生する。続いて、ピストン３６が上方向へ移動すると、ヘリウムは上述の逆方向の流れになり、蓄冷器３３で蓄冷エレメント３３ａにより流れ方向に沿い徐々に暖められ、放熱器３２を通って第１圧縮空間２、第２圧縮空間３５へ流入し１サイクルを終了する。

蓄冷器３３で冷却され膨張空間３４に流入する冷された低い温度のヘリウムと、膨張空間３４で膨張し冷凍を発生しさらに低い温度に冷されたヘリウムとは、吸熱器４０の内部熱交換部４１の作動ガス側流路４１ａを流れる際、作動ガス側伝熱面４１ｂを形成するシリンダ３７の壁３７ｃを冷却し、該壁３７ｃの外面からなる冷媒側伝熱面４１ｂは略膨張空間３４の作動ガス温度に冷却される。外部熱交換部４２の冷媒側流路４１ａを流れる冷媒は、作動ガスで冷却された冷媒側伝熱面４１ｂによって冷却される。

マニホールド部４３ａは、ケース４３の開口側に設けられ、冷媒が流れる流路口４３ｃを備え、冷媒側流路４２ａの流路断面積より大きな流路断面を有するリング形状の流路であると共に該流路が冷媒のバッファを兼ねて、冷媒側流路４２ａの開口部４２ｄに隣接する。流路口４３が流入口であると、流路口４３から流入した冷媒はマニホールド部４３ａの空間全体に行渡り、流路口４３ｃの開口部４２ｄ（図２）を均等に流れ、そこから環状間隙の冷媒側流路４２ｃを均等に流れる。また、流路口４３ｅは湾曲部４３ｄの中心部に配備されているので湾曲間隙の冷媒側流路４２ｄの冷媒も均等に流れる。流路口４３が流入口であると、流路口４３ｅから流入した冷媒は、湾曲間隙の冷媒側流路４２ｄを均等に流れ、マニホールド部４３ａの空間全体に均等に行渡るように環状間隙の冷媒側流路４２ｃを流動し開口部４２ｄから流出する。従って、冷媒は、外部熱交換部４２の全体を均等に流れ、冷媒と外部熱交換部４２との媒側伝熱面４２ｂは従来技術より増大する。

また、媒側伝熱面４２ｂを形成するシリンダ３７とケース４３との間の間隙の幅（略０．８ｍｍ）を微小にすることで、環状間隙の冷媒側流路４２ｃと湾曲間隙の冷媒側流路４２ｄを流れる冷媒の流速は早くなり、冷媒と冷媒側伝熱面４２ｂとの間の熱伝達率は従来技術より増大する。従って、流速と、伝熱面積の増大により、冷媒と外部熱交換部４１との熱伝交換は促進され、冷却効率が高い蓄冷型冷凍機３０を提供できる。

吸熱器４０は、作動ガス側流路４１ａと冷媒側流路４２ａを形成するシリンダ３７の壁３７ｃの厚さを薄くし、ケース４３を形成する板材の厚さを薄くすることで吸熱器４０の熱容量を小さく出来る上に、従来技術が具備している熱部材あるいはコイル部材を必要としないことから、従来技術より吸熱器４０の熱容量は小さくなり冷却即応性の良い蓄冷型冷凍機４０を提供できる。

また、内部熱交換部４１の作動ガス側流路４１ａは、作動ガス側伝熱面４１ｂを形成するシリンダ３７の内周面とピストン３６の外周面とで形成される環状間隙の流路断面を備えるので、該環状間隙の間隙幅（例えば、略０．２ｍｍ）を微小にすることで作動ガス側流路４１ａを流れる流速は増大し、ヘリウムと作動ガス側伝熱面４１ｂとの熱伝達率が高くなる。また、作動ガス側流路４１ａを長くすることで、作動ガス側伝熱面４１ｂの面積が増大し、これに伴い外部熱交換部４２の長さも長くなり冷媒側伝熱面４２ｂの面積も増大する。そして、壁３７ｃの厚さを薄くすることで作動側ガス側伝熱面４１ａと冷媒側伝熱面４２ｂの間の熱抵抗は小さくなる。従って、内部熱交換部４１と作動ガスとの熱伝達と、外部熱交換部４２と冷媒との熱伝達と、作動側ガス側伝熱面４１ａと冷媒側伝熱面４２ｂの間の熱伝導は効率よく行われ、冷媒は高い冷却効率で冷却される。

（実施例２）
図３は、本発明に関わる吸熱器が配備された低温部の断面図で、詳しくはケースの両端にそれぞれマニホールド部を備えた場合を示す。吸熱器６０は、内部熱交換部４１と、外部熱交換部６２と、ケース６３から構成される。内部熱交換部は、図２に示される内部熱交換部４１と同じであり、図２と同じ符号を付す。

ケース６３は、両端が開口され、この両端にそれぞれマニホールド部６３ａとマニホールド部６３ｄが配備され、マニホールド部６３ａとマニホールド部６３ｄはそれぞれシリンダ３７の外周面に固着される。

外部熱交換部６２は、冷媒側伝熱面６２ｂと、冷媒側流路６２ａと、マニホールド部６３ａと、マニホールド部６３ｄとを備える。冷媒側伝熱面６２ｂは、ケース６３に覆われるシリンダ３７の外面によって形成され、壁３７ｄの外面が冷媒側伝熱面６２ｂで内面が作動ガス側伝熱面４１ｂになる（図３の二点鎖線は、壁３７ｄの範囲を示す）。冷媒側流路６２ａは、ケース６３の内周面と冷媒側伝熱面６２ｂとの間の微小な環状間隙（例えば、間隙幅略０．８ｍｍ）から形成される。

マニホールド部６３ａは、冷媒が流れる流路口６３ｃを備え、冷媒側流路６２ａの流路断面積より大きな流路断面を有するリング形状の流路であると共に該流路が冷媒のバッファを兼ねて、冷媒側流路６２ａの開口部６２ｄに隣接する。同様に、マニホールド部６３ｄは、冷媒が流れる流路口６３ｅを備え、冷媒側流路６２ａの流路断面積より大きな流路断面を有するリング形状の流路であると共に該流路が冷媒のバッファを兼ねて、冷媒側流路６２ａの開口部６２ｅに隣接する。流路口６３ｃから流入した冷媒は、マニホールド部６３ａの空間全体に行渡り、そこから冷媒側流路６２ａの環状の流路断面にほぼ均等に配分され冷媒側伝熱面６２ｂ全体を均等に流れ、マニホールド部６３ｄの空間全体にほぼ均等に行渡り、流路口６３ｅから流出する。従って、従来技術より冷媒側伝熱面６２ｂが増大する。環状流路の流路幅を微小にすることで流速が早まり冷媒と冷媒側伝熱面６２ｂとの熱伝達率が増大する。よって冷媒は、従来技術より効率よく冷却される。また、図３の吸熱器４０の作動ガス側伝熱面４１ｂと冷媒側伝熱面６２ｂは、それぞれ図１の作動ガス側伝熱面４１ｂと冷媒側伝熱面４２ｂより伝熱面積が少ので、冷却効率は図１の吸熱器４０の方が高いが、ケース６３は図１のケース４３より小型で質量も少なく、熱容量も少なくなるので冷却即応性が向上し、さらに、ケース６３の形状は単純でコストが安くなる。

尚、上述の説明は、流路口６３ｃが流入口で流路口６３ｅが流出口であるが、流路口６３ｅが流入口で流路口６３ｃが流出口でも良い。

（実施例３）
図４は、本発明に関わる吸熱器が配備された低温部の断面図で、詳しくはケースの一端マニホールド部を備え、他端は環状の冷媒側流路が形成された場合を示す。

吸熱器７０は、ケース７３が図３のケース６３と異なる点を除いては図３の吸熱器６０と同じである。内部熱交換部は、図２と同じ符号を付す。 即ち、ケース７３は、両端が開口され、一端にマニホールド部７３ａが配備され、他端側の外周面には流路口７３ｅを配備し、マニホールド部７３ａの端部とケース７３の他端はそれぞれシリンダ３７の外周面に固着される。

外部熱交換部７２は、冷媒側伝熱面７２ｂと、冷媒側流路７２ａと、マニホールド部７３ａとを備える。冷媒側伝熱面７２ｂは、ケース７３に覆われるシリンダ３７の外面によって形成され、壁３７ｅの外面が冷媒側伝熱面７２ｂで内面が作動ガス側伝熱面４１ｂになる（図４の二点鎖線は、壁３７ｅの範囲を示す）。冷媒側流路７２ａは、ケース７３の内面と冷媒側伝熱面７２ｂとの間の微小な環状間隙（例えば、間隙幅略０．８ｍｍ）から形成され、この環状間隙は流路口７３ｅ側のケース７３の端部に至る。

マニホールド部７３ａは、冷媒が流れる流路口７３ｃを備え、冷媒側流路７２ａの流路断面積より大きな流路断面を有するリング形状の流路であると共に該流路が冷媒のバッファを兼ねて、冷媒側流路７２ａの開口部７２ｄに隣接する。

マニホールド部７３ａ側の冷媒側流路７２ａでは、冷媒は均等に流れ、従来技術より冷媒が濡れる面積は大きく、冷媒は従来技術より効率よく冷却される。また、ケース７３は図３に示されるケース６３より形状が単純で質量も少ないので、冷却即応性が良く、コストも安くなる。

（実施例４）
図５は、本発明に関わる蓄冷型冷凍機の断面図で、詳しくは蓄冷器をギャップ蓄冷器にし、ピストンの駆動部をピストンの内部に設けた実施例を示す。図１と同じ形状の部品と配管は、図１と同じ符号を付す。

蓄冷型冷凍機８０は、リニア圧縮機１と冷凍発生部８１とがそれぞれに配備した流路口３と流路口８２ａに接続した配管４を介して構成される。即ち、リニア圧縮機１の第１圧縮空間２（圧縮部）は配管４、冷凍発生部８１の流路８２ｂ、８２ｃを介して放熱器８２に連通される。冷凍発生部８１の第２圧縮空間８５（圧縮部）は多数個の流路孔８２ｅ、流路８２ｃを通って放熱器８２に連通され、放熱器８２は、順次、流路８２ｄ、ギャップ蓄冷器８３（蓄冷器）の流路８３ａ、吸熱器９０の作動ガス側流路９１ａとを介して膨張空間８４に連通し、スターリングサイクルが形成される。

冷凍発生部８１は、第１圧縮空間２と膨張空間８４の反対側に形成した第２圧縮空間８５とで圧縮されたヘリウムの熱を外部に放熱する放熱器８２と、ギャップ蓄冷器８３と、膨張空間８４と、膨張空間８４で発生した冷凍で冷却される吸熱器９０と、第２圧縮空間８５と、膨張空間８４を形成するピストン８６が駆動される駆動部１００とから形成される。放熱器８２は、シリンダ８７のテーパ形状の開口したフランジ端部と常温側シリンダ８９の開口端との間に配置される。シリンダ８７のフランジと放熱器８２の端部の間に流路８２ｄが形成され、流路８２ｄはシリンダ８７の内周面とピストン８６との間の間隙で形成される環状の、図５の二点鎖線で示した略長さＬの流路８３ａへ連通する。流路８３ａは後述するギャップ蓄冷器８３の流路である。

膨張空間８４は、湾曲部８７ａ側のシリンダ８７とピストン８６とで形成され、第２圧縮空間８５はピストン８６の背面と、常温側シリンダ８９の端部に固定されたロッド８８と、常温側シリンダ８９とから形成され、第２圧縮空間８５は常温側シリンダ８９に設けられた多数個の流路孔８２ｅと、リング形状の流路８２ｃとを介し放熱器８２に連通する。

第２圧縮空間８５側端部側のピストン８６の外周面には、樹脂摺動材の薄いリング８６ｃが接着され、リング８６ｃは軸受の機能とともにヘリウムを僅かな間隙を持ってシールするクリアランスシール機能とを備える。

図６は、図５のＡ部の拡大図で、ギャップ蓄冷器８３の一部を示す。ギャップ蓄冷器８３は、流路８２ｄと吸熱器９０の作動ガス側流路９１ａとの間に配備し、ピストン８６とシリンダ８７の間の間隙で形成される環状の流路８３ａと、流路８３ａを往復流動するヘリウムが濡れるピストン８６の外周のクロスの斜線で示した表面層８６ｂ（図６）と、シリンダ８７の内周の表面層８７ｂ（図６）とから構成される。即ち、ピストン８６の外周のクロスの斜線で示した表面層８６ｂと、シリンダ８７の内周の表面層８７ｂが蓄冷材として機能する。

図７は、図５に示される吸熱器９０の拡大図である。吸熱器９０は、内部熱交換部９１と外部熱交換部９２から構成される。内部熱交換部９１の作動ガス側伝熱面９１ｂは、ギャップ蓄冷器８３の低温端と膨張空間９４との間のヘリウムが濡れるシリンダ８７の内面から形成され、内部熱交換部９１の作動ガス側流路９１ａは作動ガス側伝熱面９１ｂとピストン８６の外周面との間の微小な間隙（例えば、間隙幅略０．２ｍｍ）で形成される。

外部熱交換部９２は、冷媒側伝熱面９２ｂと、冷媒側流路９２ａと、マニホールド部９３ａとを備える。冷媒側伝熱面９２ｂは、ケース９３に覆われるシリンダ８７の外面によって形成され、壁８７ｃの外面が冷媒側伝熱面９２ｂで内面が作動ガス側伝熱面９１ｂになる（図７の二点鎖線は、壁８７ｃの範囲を示す）。冷媒側流路９２ａは、ケース９３の内面と冷媒側伝熱面９２ｂとの間の微小な間隙（例えば、間隙幅略０．８ｍｍ）から形成され、環状間隙の冷媒側流路９２ｃ（冷媒側流路）と湾曲間隙の冷媒側流路９２ｄ（冷媒側流路）とを備える。

マニホールド部９３ａは、ケース９３の開口側に設けられ、冷媒が流れる流路口９３ｃを備え、冷媒側流路９２ａの流路断面積より大きな流路断面を有するリング形状の流路であると共に該流路が冷媒のバッファを兼ねて、冷媒側流路９２ａの開口部９２ｄに隣接する。ケース９３の端部の湾曲部９３ｄ（端面）の中心部には流路口９３ｅが設けられる。ケース９３の開口側はシリンダ８７の外周面に固着される。

図５に示すように駆動部１００は、ピストン８６の内部の空間８６ａに設けられ、空間８６ａに収納された保持器１０３と空間８６ａとの間と、保持器１０３と空間８６ａとの間にそれぞれバネ１０４、１０５が配備される。保持器１０３の中央端面はロッド８８の一端が固定され、他端はピストン８６の下端側に配備された孔８６ｄを通って、常温シリンダ８９の内側端面に固定され、ロッド８８にはロッドシール８８ａが装着される。駆動部１００は、ピストン８６を往復動させる駆動源となる。ピストン８６は、膨張空間８４の圧力による力と第２圧縮空間８５の圧力とピストン内部空間８６ａの圧力のロッド８８の断面積に対応する力が上下からかかっている。膨張空間８４の圧力と第２圧縮空間８５の圧力が高圧の場合、ピストン内部空間８６ａの圧力は中圧のためピストン８６にかかる力は下向きとなる。同様に膨張空間８４の圧力と第２圧縮空間８５の圧力が低圧の場合、ピストン８６には上向きの力がかかる。即ち、ピストン８６の質量と、バネ１０４、１０５とでバネ・質量の固有の共振周波数を持った振動系を形成し、この共振周波数近傍でピストン８６の往復動のストロークが大きくなり、冷凍発生部８１は共振周波数近傍で運転することが好ましい。

次に、実施例４の作用と効果について説明する。ギャップ蓄冷器８３の作用を除いて、吸熱器８０および他の作用は図１に示される実施例１と同じである。ギャップ蓄冷器８３の作用について以下に述べる。

第１圧縮空間２と第２圧縮空間８５とを合計した空間でヘリウムが圧縮、膨張される。第１圧縮空間２で圧縮されたヘリウムは、配管４、流路８２ｂ、流路８２ｃを通って放熱器８２に流入する。ピストン８６の図５の下方向の移動により第２圧縮空間８５で圧縮されたヘリウムは流路孔８２ｅ、流路８２ｃを通って放熱器８２に流入する。放熱器８２は流入したヘリウムの圧縮熱を外部に放熱する。放熱器８２から流路８２ｄを通ってギャップ蓄冷器８３の微小な間隙幅の環状の流路８３ａに流入したヘリウムは、ピストン８６の外周の表面層８６ｂ、シリンダ８７の内周の表面層８７ｂと熱交換し流れ方向に沿って順次、低い温度に冷却され、吸熱器９０の作動ガス側熱交換部９１を冷却し膨張空間８４に流入し、ビストン８６の下方向の移動により膨張空間３４で膨張し冷凍を発生する。続いて、ピストン８６が上方向へ移動すると、ヘリウムは前述の逆方向の流れになり、膨張空間８４でさらに低い温度になったヘリウムは吸熱器９０の作動ガス側熱交換部９１を冷却し、ギャップ蓄冷器８３の環状の流路８３ａに流動し、ピストン８６の外周の表面層８６ｂ、シリンダ８７の内周の表面層８７ｂと熱交換し流れ方向に沿って徐々に暖かい温度に加温され、放熱器８２を通って第１圧縮空間２および第２圧縮空間３５へ流入し、１サイクルを終了する。

蓄冷器をギャップ蓄冷器８３にしたことで、多数枚の蓄冷材エレメント３３ａ（図１）が不要になり、またギャップ蓄冷器８３の構造が単純であることから冷凍発生部８０のコストが安くなる。また、ギャップ蓄冷器８３の圧力損失は、蓄冷材エレメントを充填した蓄冷器より圧力損失が小さくなり、リニア圧縮機１の消費電力を小さく出来る。さらには、駆動部１００をピストン８６の内部に配備したことで、冷凍発生部８１の長さを短くでき、また、ロッド８８と保持器１０３は動かず、金網などの蓄冷材も不要であるのでピストン８６は軽くなり、バネ・質量の共振周波数を高く出来るので、冷凍発生部８１が小型になる。

尚、前記冷凍発生部３１、８１が接続されるリニア圧縮機１は、可動体１２、２２が往復動する往復動型圧縮機であるが、回転型圧縮機（図示せず）でも良く、回転型圧縮機の場合には、回転型圧縮機と前記冷凍発生部３１、８１との間にヘリウムの流れを制御する切替弁（図示せず）が配備される。

また、ピストン３６、８６は、ピストン３６、８６の背面に第２圧縮空間３５、８５の圧力が作用するディスプレイサ型のピストンであるが、背面に例えば平均圧力が作用するエキスパンダ型のピストンでも良い。エキスパンダ型ピストンの場合、ピストンを往復動させるためにモータ等の動力源で駆動する駆動部が必要になる。

本発明の実施例１に関わる蓄冷型冷凍機の断面図である。 本発明の実施例１に関わる吸熱器の拡大図である。 本発明の実施例２に関わる吸熱器の拡大図である。 本発明の実施例３に関わる吸熱器の拡大図である。 本発明の実施例４に関わる蓄冷型冷凍機の断面図である。 実施例４のＡ部の拡大図で、ギャップ蓄冷器の一部を示す。 本発明の実施例４に関わる吸熱器の拡大図である。

符号の説明

２ 第１圧縮空間（圧縮部）
３０、８０ 蓄冷型冷凍機
３１、８１ 冷凍発生部
３２、８２ 放熱器
３２ｄ 流路（圧縮部）
３３ 蓄冷器
３４、８４ 膨張部
３５、８５ 第２圧縮空間（圧縮部）
３６、８６ ピストン
３７、８７ シリンダ
３７ｃ、３７ｄ、３７ｅ、８７ｃ 壁
４０、６０、７０、９０ 吸熱器
４１、９１ 内部熱交換部
４１ａ、９１ａ 作動ガス側流路
４１ｂ、９１ｂ 作動ガス側伝熱面
４２、６２、７２、９２ 外部熱交換部
４２ａ、６２ａ、７２ａ、９２ａ 冷媒側流路
４２ｃ、９２ｃ 環状間隙の冷媒側流路（冷媒側流路）
４２ｄ、９２ｄ 湾曲間隙の冷媒側流路（冷媒側流路）
４２ｂ、６２ｂ、７２ｂ、９２ｂ 冷媒側伝熱面
４２ｄ、６２ｄ、６２ｅ、７２ｄ、９２ｄ 開口部
４３、６３、７３、９３ ケース
４３ａ、６３ａ、６３ｄ、７３ａ、９３ａ マニホールド部
４３ｃ、４３ｅ、６３ｃ、６３ｅ、７３ｃ、７３ｅ、９３ｃ、９３ｅ 流路口
４３ｄ、９３ｄ 湾曲部（端面）
８３ ギャップ蓄冷器（蓄冷器）

Claims (4)

1. 作動ガスを圧縮する圧縮部と、
   前記圧縮部で圧縮された前記作動ガスの熱を放熱する放熱器と、
   冷凍発生部に設けられるシリンダと、前記シリンダ内を往復動して冷凍を発生させるピストンと、を配備した膨張部と、
   前記圧縮部と前記膨張部との間を往復流動する前記作動ガスと熱交換する蓄冷器と、
   前記蓄冷器と前記膨張部との間に設けられ往復流動する前記作動ガスによって冷却される内部熱交換部と、該内部熱交換部を形成する壁の外面に設けられる外部熱交換部と、を配備した吸熱器と、を備えた蓄冷型冷凍機であって、
   前記内部熱交換部は、往復流動する作動ガスの作動ガス側流路と作動ガス側伝熱面とを有し、
   前記外部熱交換部は、前記壁の外面を覆い端部に冷媒が流れる流路口を有し前記冷媒側流路の開口部に隣接して前記冷媒側流路の流路断面積より大きい流路断面積のマニホールド部を端部に形成したケースと、前記マニホールド部に配備した前記流路口と前記ケースで覆った前記外面で形成される冷媒側伝熱面と、前記ケースと前記冷媒側伝熱面との間隙で形成される冷媒側流路と、を有する、ことを特徴とする蓄冷型冷凍機。
2. 前記ケースは、一端が開口し、他端が閉じた端面を有し、前記一端に前記流路口を有した前記マニホールド部を形成し、前記端面に前記流路口が配備され、前記マニホールド部の端部が前記壁に固着される、ことを特徴とする請求項１に記載の蓄冷型冷凍機。
3. 前記ケースは、両端にそれぞれ前記流路口を有した前記マニホールド部を形成し、それぞれの前記マニホールド部の端部は、前記壁にそれぞれ固着される、ことを特徴とする請求項１に記載の蓄冷型冷凍機。
4. 前記作動ガス側流路は、前記壁と前記ピストンとの間隙で形成され、前記作動ガス側伝熱面は、前記作動ガス側流路を形成する前記壁の内面に形成される、ことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の蓄冷型冷凍機。

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