JP3654041B2 - ガスサイクル機関冷凍機 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、逆スターリングサイクル冷凍機（以下「スターリング冷凍機」と呼称する），もしくはパルス管冷凍機を対象とするガスサイクル機関冷凍機、詳しくは該冷凍機の低温伝熱部の構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
クライオクーラなどに適用して低温（絶対温度８０Ｋ程度）の寒冷を得る冷凍機として、頭記したスターリング冷凍機，パルス管冷凍機などのガスサイクル機関冷凍機が公知である。
【０００３】
ここで、スターリング冷凍機を例に挙げて、従来におけるスターリング冷凍機の構成，動作を図４で説明する。図において、１は放熱フィン付きのシリンダ１ａに内装した圧縮ピストン１ｂをリニアモータなどの駆動モータ（図示せず）で往復動するガス圧縮機、２はガス圧縮機１のシリンダ１ａの吐出口にガス導管３を介して接続した蓄冷器、４は膨張シリンダ４ａと膨張ピストン４ｂからなるディスプレーサ（膨張機）、５は蓄冷器２の低温側端とディスプレーサ４のシリンダ開口端との間を連通するように両者間にまたがって被せ、その内面を凹面として蓄冷器２とディスプレーサ４の膨張シリンダ４ａとの間を連通するガス流路５ａを形成した円盤状のコールドヘッド（低温伝熱部材）、６は組立ベース板である。
【０００４】
ここで、蓄冷器３はディスプレーサ４のシリンダ４ａを取り巻いて組立ベース板６の上に固定した外筒７との間の環状空間に装填されており、コールドヘッド５とともに一体に組立られている。また、ガス圧縮機１とディスプレーサ４の間の閉じた空間を作動空間としてここに作動ガス（ヘリウムガス）が封入されており、かつガス圧縮機１とディスプレーサ４とは相対的に９０°の位相差で図示されてないモータで往復動される。そして、前記のコールドヘッド５はその頂部外面Ａを寒冷発生部として、ここに被冷却体（例えば赤外線センサの光電素子）Ｗを搭載して伝熱的に結合し、次に記す冷凍サイクル（逆スターリングサイクル）により寒冷を発生して被冷却体Ｗを極低温に冷却する。
【０００５】
周知のように逆スターリングサイクルは、等温圧縮，等容移送，等温膨張，等容移送の４工程でコールドヘッドに寒冷を発生させる。すなわち、冷凍機の定常動作では、等温圧縮工程でガス圧縮機１により作動ガスが圧縮され、続く等容移送工程で作動ガスは蓄冷器２により冷却されて膨張空間に送られる。次の等温膨張工程では作動ガスが寒冷を発生し、コールドヘッド５を伝熱して被冷却体８から熱を奪う。続く等容移送工程で低温の作動ガスが蓄冷器２を冷却してガス圧縮機１に戻る。そして、この冷凍サイクルを繰り返すことによりコールドヘッド５に搭載した被冷却体Ｗが極低温に冷却される。
【０００６】
なお、冷凍機の始動開始直後は低温部の作動ガスは常温状態にあるので、最初の膨張過程ではガスとコールドヘッド５との間に熱の移動はなく、作動ガスは断熱膨張してガス温度が降下する。この冷えたガスが等容変化でガス圧縮機側に戻る過程で蓄冷器２を冷却するので、次のサイクルで作動ガスがディスプレーサに送り出されるときには、蓄冷器２の温度は前のサイクルよりも低くなっており、これに冷やされたガスがさらに断熱膨張するので温度はますます低下し、この冷凍サイクルの繰り返しにより定常運転状態に移行して極低温の寒冷を発生するようになる。
【０００７】
なお、ガスサイクル機関冷凍機には、前記のスターリング冷凍機におけるディスプレーサ４をパルス管に置き換え、このパルス管にオリフィス，リザーバを組合せて構成したパルス管冷凍機も知られている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、図４に示した従来構造では次に記すような問題点がある。すなわち、コールドヘッド５については、その製作，加工性の面から円盤の内面を単純な凹面に加工してガス流路５ａを形成しているが、この構造では作動ガスとの接触面積が大きく取れないことから、ここを通流する作動ガスとの間の熱通過率が低く、このために小型で高効率な冷凍機を得ることが困難である。
【０００９】
すなわち、冷凍機は冷凍能力に対する消費電力，体格（外形寸法）で評価され、その評価の因子としてコールドヘッド５の熱通過率，ガス流路容積（死容積），および圧力損失が挙げられる。ここでコールドヘッド５の熱通過率，ガス流路の容積（死容積），圧力損失の冷凍性能に与える影響について述べる。
【００１０】
(1) まず熱通過率については、冷凍機の運転状態でコールドヘッド５の冷却端温度Ｔａとガス流路５ａを通流する低温ガスのガス温度Ｔｃとの間には、コールドヘッド５の熱通過率（熱貫流率とも言う）に対応した温度差ΔＴが発生する。したがって、冷却端温度Ｔａを被冷却体８の要求する温度にするためには、低温ガス温度Ｔｃを冷却端温度Ｔａよりもさらに温度差ΔＴだけ低く（Ｔｃ＝Ｔａ−ΔＴ）する必要がある。
一方、スターリング冷凍機の理論熱効率（成績係数：ＣＯＰ）は、高温ガス温度をＴｈとすると、
【００１１】
【数１】
ＣＯＰ＝Ｔｃ／（Ｔｈ−Ｔｃ）＝（Ｔａ−ΔＴ）／（Ｔｈ−Ｔａ＋ΔＴ）
として表され、温度差ΔＴが大きくなると成績係数（ＣＯＰ）が低下し、同一の熱負荷に対しては冷凍機の入力（消費電力）が増大する。また、冷却端温度Ｔａに対して温度差ΔＴを補償するように低温ガス温度Ｔｃを低くすると、蓄冷器２での熱損失，ディスプレーサ４のピストン４ｂとシリンダ４ａとの相対変位に伴って生じるシャトルロスなどの冷凍機自身の熱損失も増加して熱負荷が増大する。このように、コールドヘッド５の熱通過率が低いと、その分だけ被冷却体８が要求する冷却端温度Ｔａに対して低温ガス温度Ｔｃを低めなければならず、その結果として冷凍機の成績係数（ＣＯＰ）が低下するとともに冷却すべき熱負荷が増大するので入力が増加し、冷凍機の効率が低下するようになる。
【００１２】
かかる点、従来のコールドヘッド５では、図４で示したように伝熱部材の内面を単純な凹面として、その内面と蓄冷器２の端面，および膨張器４のシリンダ開口端面との間の隙間で作動ガスが流れるガス流路５ａを形成しているため、ガス流路５ａの内容積に対する作動ガスが直接接触する伝熱面積（穴の内周面）の比率が小さく、このためにコールドヘッド５の熱通過率が低くなる。
【００１３】
(2) また、コールドヘッド５に形成したガス流路５ａの容積（死容積）についてガス流路５ａの容積が大きいと、ガス圧縮機１のピストン１ｂの変位（移動）に対するガス圧力の変化が小さくなる。このために、冷凍サイクルの等温圧縮工程と等温膨張工程の間で必要な圧力振幅を得るには、ピストン１ａのストロークを大きくするか、ピストン１ａの断面積を大きくする必要があるが、これは冷凍機の体格大型化を招くとともに、同一のガス圧変化に要するガス圧縮機１のガス吐出し量が増して冷凍機の入力，つまり消費電力が大きくなる。
【００１４】
(3) 一方、コールドヘッド５のガス流路５ａにおける圧力損失は、ガス圧縮機１の入力を増加させるほか、ディスプレーサ４におけるガス圧振幅を小さくして冷凍出力を低下させる原因となるため、ガス流路の断面積（流路の容積）との関連でできるだけ小さく抑えることが必要である。
また、上記した問題点は、そのままパルス管冷凍機についてもあてはまる。
【００１５】
この発明は上記の点に鑑みなされたものであり、その目的は先記のスターリング冷凍機，パルス管冷凍機などを実施対象に、そのコールドヘッドにおける死容積，圧力損失を小さく抑えつつ熱通過率を高めるよう改良して小型な体格で熱効率の高いガスサイクル機関冷凍機を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明によればスターリング冷凍機，あるいはパルス管冷凍機を対象に次記のように構成するものとする。
(1) ガス圧縮機，蓄冷器，ディスプレーサ，および頂部を寒冷発生部とするコールドヘッドを組合せて構成したスターリング冷凍機を対象とするガスサイクル機関冷凍機であり、ディスプレーサの膨張シリンダを内筒としてこれを取り巻く外筒との間の空間に蓄冷器を内蔵するとともに、蓄冷器の低温側端とディスプレーサのシリンダ開口端にまたがって頂部内面にガス流路を形成したコールドヘッドを被着して蓄冷器，ディスプレーサ，コールドヘッドを一体に組立てたものにおいて、前記コールドヘッドをキャップ状体となしてその内周面に螺旋溝を形成するとともに、該螺旋溝の始端，および終端部を除く面域を覆ってコールドヘッドの内周面と前記膨張シリンダの外周面との間に栓状部材を装着し、前記螺旋溝を経由して作動ガスをコールドヘッドに流すように構成する（請求項１）。
【００１７】
(2) ガス圧縮機，蓄冷器，パルス管，および頂部を寒冷発生部とするコールドヘッドを組合せて構成したパルス管冷凍機を対象とするガスサイクル機関冷凍機であり、パルス管を内筒としてこれを取り巻く外筒との間の空間に蓄冷器を内蔵するとともに、蓄冷器の低温側端とパルス管の開口端にまたがって頂部内面にガス流路を形成したコールドヘッドを被着して蓄冷器，パルス管，コールドヘッドを一体に組立てたものにおいて、前記コールドヘッドをキャップ状体となしてその内周面に螺旋溝を形成するとともに、該螺旋溝の始端，および終端部を除く面域を覆ってコールドヘッドの内周面と前記膨張シリンダの外周面との間に栓状部材を装着し、前記螺旋溝を経由して作動ガスをコールドヘッドに流すように構成する（請求項２）。
【００１８】
前項(1),(2) の構成によれば、冷凍サイクルでコールドヘッドを通流する作動ガスは経路の長い螺旋溝を経由し、コールドヘッドの内周面を旋回して流れ、その通流過程で低温の作動ガスが溝面を洗流してその冷熱がコールドヘッドに伝熱する。したがって、作動ガスとコールドヘッドとの接触面積が大きくとれるとともに、適正なガス流速も得られ、作動ガスとコールドヘッドとの間の熱貫流が増大して両者間の熱通過率が高まる。また、コールドヘッドの内方に栓状部材を装填したことでガス流路の死容積が小さくなる。これにより、小型な体格で熱効率の高いガスサイクル機関冷凍機が得られる。
また、本発明によれば、前項(1),(2) の構成は、次記のような具体的態様で構成することができる。
【００１９】
(3) コールドヘッドの内周面に形成した螺旋溝を断面三角溝となして作動ガスとの接触面積の増大化を図るようにする（請求項３）。
(4) コールドヘッドの内周面に複数条の螺旋溝を形成して作動ガスとの接触面積を一層増大化するようにする（請求項４）。
(5) コールドヘッドの頂部内面に形成したガス流路を、その中央に形成した凹状のガス集流部と、該ガス集流部から放射状に延びたガス流路溝とで形成し、作動ガスとの接触面積の増大化を図るようにする（請求項５）。
【００２０】
(6) 栓状部材の両端面に、コールドヘッドの内周面に形成した螺旋溝の始端と蓄冷器との間，および低温螺旋溝の終端とコールドヘッドの頂部内面に形成したガス流路との間を連通する溝部を形成し、蓄冷器から流出した作動ガス，あるいはコールドヘッドのガス流路を経由してディスプレーサ，ないしパルス管から還流する作動ガスの圧力損失を押さえて螺旋溝へ円滑に導くようにする（請求項６）。
【００２１】
(7) 栓状部材をディスプレーサの膨張シリンダおよびパルス管よりも熱膨張率の大きな材料で構成し、冷凍機運転時の低温状態では熱膨張差を利用してリング状になる栓状部材がディスプレーサの膨張シリンダ，ないしパルス管の外周に締まり嵌め（焼き嵌めと同様な原理）となって、作動ガスがコールドヘッドのガス流路を流れずに栓状部材の内周面側の隙間にバイパスするのを防止するようにし（請求項７）、具体的にはディスプレーサの膨張シリンダおよびパルス管の材質をステンレス，もしくはチタン合金とし、栓状部材の材質を比熱が小さく、かつ熱膨張率がステンレスおよびチタン合金よりも大きなアルミニウム，もしくはアルミニウム合金とし、前記のように熱膨張差を利用して栓状部材をディスプレーサのシリンダ，ないしパルス管の外周に締まり嵌め式に密着結合させるとともに、冷凍機の起動から定常運転に移行するまでのプルダウン時間の短縮化を図るようにする（請求項８）。
【００２２】
(9) 前項(2) のパルス管冷凍機において、低温伝熱部部材のガス流路に通じるパルス管の開口端に整流部を配し、かつ該整流部を筒状のホルダに収容した上で、該ホルダの頂部から外周に張り出す鍔状フランジを栓状部材の端面と該部材の端面に締結した支持板との間に挟持固定し（請求項９）、さらに前記整流部ホルダの先端にパルス管内に向けて拡大するテーパ面を形成する（請求項１０）ことで、パルス管を通流する作動ガスの乱流発生を押さえて圧力損失の低減化を図るようにする。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、先記した各項に対応する本発明の実施の形態を図１，図２，図３に示す実施例に基づいて説明する。なお、各実施例の図中で図４に対応する同一部材には同じ符号を付してその説明は省略する。
【００２４】
〔実施例１〕
図１は本発明の請求項２，３を除く１〜８に対応する実施例として、スターリング冷凍機を対象とした蓄冷器，ディスプレーサ，コールドヘッドの組立構造を示すものである。この実施例においては、蓄冷器２の低温側端とディスプレーサ４の膨張シリンダの開口端との間にまたがって被着したコールドヘッド５をキャップ状体となして外筒７に被着，溶接接合し、さらにその内方にはリング状の栓状部材８が装填されている。
【００２５】
ここで、コールドヘッド５の内周面域にはガス流路となる１ないし複数条の螺旋溝５ｂが形成されている。また、コールドヘッド５の頂部内面に形成したガス流路５ａは、図１(b) で示すように、その中心部に形成したディスプレーサ４と略同径な凹状のガス集流部５ａ-1と、該ガス集流部５ａ-1からコールドヘッド５の内周面に向けて放射状に延在する複数条のガス流路溝５ａ-2とからなる。
【００２６】
一方、リング状の栓状部材８は、その内径，外径寸法がそれぞれディスプレーサ４の膨張シリンダ４ａの外径，キャップ状コールドヘッド５の内径に対応して設定されており、組立て状態では図示のように栓状部材８がコールドヘッド５の内周面に形成した螺旋溝５ａの端面をその内周側から塞ぐ。また、蓄冷器２と対向する底面側端面にはガス流路として、図１(c) で示すように栓状部材８の内外周縁に沿って形成した周溝８ａ，８ｂ，および中央のリブ突起８ｃを貫いて周溝８ａと８ｂとの間を結ぶ半径方向の凹溝８ｄが形成されており、さらにコールドヘッド５の頂部内面に形成したガス流路５ａと対向する上面側には外周縁に沿って周溝８ｅが切欠き形成されている。そして、前記の周溝８ａ，８ｅは、それぞれ組立て位置で先記した螺旋溝５ｂの始端，終端と連通し合い、さらに上面側の周溝８ｅは先記したコールドヘッド５のガス流路溝５ａ-1に連通し合う。
【００２７】
かかる構成において、スターリング冷凍機の運転時には、蓄冷器２から流出した作動ガスは、栓状部材８の底面側に形成した前記溝８ａ，８ｂ，８ｄを通じてコールドヘッド５の内周面に形成した螺旋溝５ｂを通流し、その終端から出た後に栓状部材８の上面に形成した周溝８ｅを通じてコールドヘッド５の頂部内面に形成したガス流路５ａのガス流路溝５ａ-2，ガス集流部５ａ-1を流れてディスプレーサ４の膨張シリンダ４ａに送られる。したがって、このガス通流過程では、作動ガスは通路容積に対する伝熱面積の割合が大きな螺旋溝５ｂに沿ってコールドヘッド５の内周面側を旋回しながら流れた後、さらに頂部側ではガス流路溝５ａ-1を流れ、この通流過程で作動ガスの冷熱がコールドヘッド５に伝熱する。
【００２８】
したがって、ガス流路の容積（死容積）を低く抑えながら、一方ではコールドヘッド５と作動ガスとの間の伝熱面積を大きくとれ、これによりコールドヘッド５の熱通過率が高くなり、冷凍サイクルで発生した冷熱がコールドヘッド５に効率よく伝熱する。なお、螺旋溝５ｂを多条溝として形成すれば、作動ガスとの伝熱面積がより一層大きくなる。
【００２９】
また、ディスプレーサ４は管壁からの熱伝導による熱侵入を極力低く抑えるために、通常はステンレス鋼，あるいはＴｉ合金などの熱伝導率の低い材料が用いられているが、これに対して栓状部材８はディスプレーサ４よりも熱膨張率の大きな材質で構成する。これにより、冷凍機運転時の低温状態ではディスプレーサ４との熱膨張率の差を利用して栓状部材８がディスプレーサの膨張シリンダ４ａの外周に締まり嵌め状態に密着される。したがって、作動ガスがコールドヘッド５のガス流路５ａ，螺旋溝５ｂを経由せずに栓状部材８の内周面と膨張シリンダ４ａとの間の隙間にバイパス（短絡）するのを効果的に防止できる。また、この場合に栓状部材８の材質として、比熱の小さなアルミニウム，あるいはアルミニウム合金を採用すれば、栓状部材８の熱容量が小さくなるので前記効果に加えて冷凍機の起動から定常運転に移行するプルダウン時間が短縮する効果が期待できる。
【００３０】
〔実施例２〕
図２は本発明の請求項３に対応する実施例を示すものである。この実施例においては、その構成が基本的に先記実施例１と同様であるが、コールドヘッド５の内周面に形成した螺旋溝５ｂが断面三角溝としてなる。
【００３１】
これにより、図１の断面矩形溝と比べて螺旋溝の周長／断面積比が大きくなるので、これによりガス流路の死容積を小さく抑えつつ、作動ガスとコールドヘッド５との間の接触面積，つまり伝熱面積をより一層高めることができ、これによりコールドヘッド５の熱通過率を高めて大きな冷凍出力が得られる。
【００３２】
〔実施例３〕
図３はパルス管冷凍機を実施対象とした本発明の請求項２，および９，１０に対応する実施例を示すものである。この実施例においては、図１，図２に示したスターリング冷凍機のディスプレーサ４に代えてパルス管９を設置し、このパルス管９と蓄冷器２，コールドヘッド５，および栓状部材８が一体に組立てられている。
【００３３】
ここで、コールドヘッド５は先記実施例１と同様に、キャップ状体となしてその内周面には螺旋溝５ｂが形成されており、さらにコールドヘッド５の内周面とパルス管９との間にはリング状の栓状部材８が装着されている。また、パルス管９の開口端部には積層金網などで作られた整流部１０が筒状のホルダ１１に収容されこの位置に保持されている。この筒状ホルダ１１は図示のように筒部の断面がＺ字形であり、その頂部から外周に張出した鍔状フランジ１１ａを栓状部材８の端面と該部材の上に載置した支持板１２との間に挟持し、かつ支持板１２を栓状部材８にねじ１３で締結して定位置に固定している。さらに、整流部１０を支持してパルス管９の内方に突き出した筒形ホルダ１１の先端部には、パルス管９の管内に向けて拡大するテーパ面１１ｂを形成している。
【００３４】
かかる構成により、実施例１のスターリング冷凍機と同様にコールドヘッド５の熱通過率を高めてパルス管冷凍機の熱効率向上が図れるほか、作動ガスがパルス管９に流入，流出する際には整流部１０の整流作用と併せて、前記のテーパ面１１ｂが渦などの乱流発生を抑えてパルス管冷凍機の効率改善に寄与する。
【００３５】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明の構成によれば、コールドヘッドの内周面に螺旋溝を形成したことで、ここを流れる作動ガスとの熱交換面積の増加，並びに適切なガス流速が得られて熱通過率，熱交換量の増大化が図れる。さらに、コールドヘッド内に栓状部材を装填したことでガス流路の死容積を低減して冷凍出力を高めることができ、これにより小型な体格で熱効率の高いガスサイクル機関冷凍機を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１に対応するスターリング冷凍機のコールドヘッド周辺部の構成図であり、(a) は縦断面図、(b),(c) はそれぞれ(a) 図における矢視Ｘ−Ｘ，Ｙ−Ｙ断面図
【図２】本発明の実施例２に対応するスターリング冷凍機のコールドヘッド周辺部の構成断面図
【図３】本発明の実施例３に対応するパルス管冷凍機のコールドヘッド周辺部の構成断面図
【図４】従来におけるスターリング冷凍機の全体構成図
【符号の説明】
１ ガス圧縮機
２ 蓄冷器
４ ディスプレーサ
４ａ 膨張シリンダ
５ コールドヘッド
５ａ ガス流路
５ａ-1 ガス集流部
５ａ-2 ガス流路溝
５ｂ 螺旋溝
７ 外筒
８ 栓状部材
８ａ，８ｂ，８ｄ，８ｅ 溝（ガス流路）
９ パルス管
１０ 整流部
１１ ホルダ
１１ａ フランジ
１１ｂ テーパ面
１２ 支持板
【発明の属する技術分野】
本発明は、逆スターリングサイクル冷凍機（以下「スターリング冷凍機」と呼称する），もしくはパルス管冷凍機を対象とするガスサイクル機関冷凍機、詳しくは該冷凍機の低温伝熱部の構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
クライオクーラなどに適用して低温（絶対温度８０Ｋ程度）の寒冷を得る冷凍機として、頭記したスターリング冷凍機，パルス管冷凍機などのガスサイクル機関冷凍機が公知である。
【０００３】
ここで、スターリング冷凍機を例に挙げて、従来におけるスターリング冷凍機の構成，動作を図４で説明する。図において、１は放熱フィン付きのシリンダ１ａに内装した圧縮ピストン１ｂをリニアモータなどの駆動モータ（図示せず）で往復動するガス圧縮機、２はガス圧縮機１のシリンダ１ａの吐出口にガス導管３を介して接続した蓄冷器、４は膨張シリンダ４ａと膨張ピストン４ｂからなるディスプレーサ（膨張機）、５は蓄冷器２の低温側端とディスプレーサ４のシリンダ開口端との間を連通するように両者間にまたがって被せ、その内面を凹面として蓄冷器２とディスプレーサ４の膨張シリンダ４ａとの間を連通するガス流路５ａを形成した円盤状のコールドヘッド（低温伝熱部材）、６は組立ベース板である。
【０００４】
ここで、蓄冷器３はディスプレーサ４のシリンダ４ａを取り巻いて組立ベース板６の上に固定した外筒７との間の環状空間に装填されており、コールドヘッド５とともに一体に組立られている。また、ガス圧縮機１とディスプレーサ４の間の閉じた空間を作動空間としてここに作動ガス（ヘリウムガス）が封入されており、かつガス圧縮機１とディスプレーサ４とは相対的に９０°の位相差で図示されてないモータで往復動される。そして、前記のコールドヘッド５はその頂部外面Ａを寒冷発生部として、ここに被冷却体（例えば赤外線センサの光電素子）Ｗを搭載して伝熱的に結合し、次に記す冷凍サイクル（逆スターリングサイクル）により寒冷を発生して被冷却体Ｗを極低温に冷却する。
【０００５】
周知のように逆スターリングサイクルは、等温圧縮，等容移送，等温膨張，等容移送の４工程でコールドヘッドに寒冷を発生させる。すなわち、冷凍機の定常動作では、等温圧縮工程でガス圧縮機１により作動ガスが圧縮され、続く等容移送工程で作動ガスは蓄冷器２により冷却されて膨張空間に送られる。次の等温膨張工程では作動ガスが寒冷を発生し、コールドヘッド５を伝熱して被冷却体８から熱を奪う。続く等容移送工程で低温の作動ガスが蓄冷器２を冷却してガス圧縮機１に戻る。そして、この冷凍サイクルを繰り返すことによりコールドヘッド５に搭載した被冷却体Ｗが極低温に冷却される。
【０００６】
なお、冷凍機の始動開始直後は低温部の作動ガスは常温状態にあるので、最初の膨張過程ではガスとコールドヘッド５との間に熱の移動はなく、作動ガスは断熱膨張してガス温度が降下する。この冷えたガスが等容変化でガス圧縮機側に戻る過程で蓄冷器２を冷却するので、次のサイクルで作動ガスがディスプレーサに送り出されるときには、蓄冷器２の温度は前のサイクルよりも低くなっており、これに冷やされたガスがさらに断熱膨張するので温度はますます低下し、この冷凍サイクルの繰り返しにより定常運転状態に移行して極低温の寒冷を発生するようになる。
【０００７】
なお、ガスサイクル機関冷凍機には、前記のスターリング冷凍機におけるディスプレーサ４をパルス管に置き換え、このパルス管にオリフィス，リザーバを組合せて構成したパルス管冷凍機も知られている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、図４に示した従来構造では次に記すような問題点がある。すなわち、コールドヘッド５については、その製作，加工性の面から円盤の内面を単純な凹面に加工してガス流路５ａを形成しているが、この構造では作動ガスとの接触面積が大きく取れないことから、ここを通流する作動ガスとの間の熱通過率が低く、このために小型で高効率な冷凍機を得ることが困難である。
【０００９】
すなわち、冷凍機は冷凍能力に対する消費電力，体格（外形寸法）で評価され、その評価の因子としてコールドヘッド５の熱通過率，ガス流路容積（死容積），および圧力損失が挙げられる。ここでコールドヘッド５の熱通過率，ガス流路の容積（死容積），圧力損失の冷凍性能に与える影響について述べる。
【００１０】
(1) まず熱通過率については、冷凍機の運転状態でコールドヘッド５の冷却端温度Ｔａとガス流路５ａを通流する低温ガスのガス温度Ｔｃとの間には、コールドヘッド５の熱通過率（熱貫流率とも言う）に対応した温度差ΔＴが発生する。したがって、冷却端温度Ｔａを被冷却体８の要求する温度にするためには、低温ガス温度Ｔｃを冷却端温度Ｔａよりもさらに温度差ΔＴだけ低く（Ｔｃ＝Ｔａ−ΔＴ）する必要がある。
一方、スターリング冷凍機の理論熱効率（成績係数：ＣＯＰ）は、高温ガス温度をＴｈとすると、
【００１１】
【数１】
ＣＯＰ＝Ｔｃ／（Ｔｈ−Ｔｃ）＝（Ｔａ−ΔＴ）／（Ｔｈ−Ｔａ＋ΔＴ）
として表され、温度差ΔＴが大きくなると成績係数（ＣＯＰ）が低下し、同一の熱負荷に対しては冷凍機の入力（消費電力）が増大する。また、冷却端温度Ｔａに対して温度差ΔＴを補償するように低温ガス温度Ｔｃを低くすると、蓄冷器２での熱損失，ディスプレーサ４のピストン４ｂとシリンダ４ａとの相対変位に伴って生じるシャトルロスなどの冷凍機自身の熱損失も増加して熱負荷が増大する。このように、コールドヘッド５の熱通過率が低いと、その分だけ被冷却体８が要求する冷却端温度Ｔａに対して低温ガス温度Ｔｃを低めなければならず、その結果として冷凍機の成績係数（ＣＯＰ）が低下するとともに冷却すべき熱負荷が増大するので入力が増加し、冷凍機の効率が低下するようになる。
【００１２】
かかる点、従来のコールドヘッド５では、図４で示したように伝熱部材の内面を単純な凹面として、その内面と蓄冷器２の端面，および膨張器４のシリンダ開口端面との間の隙間で作動ガスが流れるガス流路５ａを形成しているため、ガス流路５ａの内容積に対する作動ガスが直接接触する伝熱面積（穴の内周面）の比率が小さく、このためにコールドヘッド５の熱通過率が低くなる。
【００１３】
(2) また、コールドヘッド５に形成したガス流路５ａの容積（死容積）についてガス流路５ａの容積が大きいと、ガス圧縮機１のピストン１ｂの変位（移動）に対するガス圧力の変化が小さくなる。このために、冷凍サイクルの等温圧縮工程と等温膨張工程の間で必要な圧力振幅を得るには、ピストン１ａのストロークを大きくするか、ピストン１ａの断面積を大きくする必要があるが、これは冷凍機の体格大型化を招くとともに、同一のガス圧変化に要するガス圧縮機１のガス吐出し量が増して冷凍機の入力，つまり消費電力が大きくなる。
【００１４】
(3) 一方、コールドヘッド５のガス流路５ａにおける圧力損失は、ガス圧縮機１の入力を増加させるほか、ディスプレーサ４におけるガス圧振幅を小さくして冷凍出力を低下させる原因となるため、ガス流路の断面積（流路の容積）との関連でできるだけ小さく抑えることが必要である。
また、上記した問題点は、そのままパルス管冷凍機についてもあてはまる。
【００１５】
この発明は上記の点に鑑みなされたものであり、その目的は先記のスターリング冷凍機，パルス管冷凍機などを実施対象に、そのコールドヘッドにおける死容積，圧力損失を小さく抑えつつ熱通過率を高めるよう改良して小型な体格で熱効率の高いガスサイクル機関冷凍機を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明によればスターリング冷凍機，あるいはパルス管冷凍機を対象に次記のように構成するものとする。
(1) ガス圧縮機，蓄冷器，ディスプレーサ，および頂部を寒冷発生部とするコールドヘッドを組合せて構成したスターリング冷凍機を対象とするガスサイクル機関冷凍機であり、ディスプレーサの膨張シリンダを内筒としてこれを取り巻く外筒との間の空間に蓄冷器を内蔵するとともに、蓄冷器の低温側端とディスプレーサのシリンダ開口端にまたがって頂部内面にガス流路を形成したコールドヘッドを被着して蓄冷器，ディスプレーサ，コールドヘッドを一体に組立てたものにおいて、前記コールドヘッドをキャップ状体となしてその内周面に螺旋溝を形成するとともに、該螺旋溝の始端，および終端部を除く面域を覆ってコールドヘッドの内周面と前記膨張シリンダの外周面との間に栓状部材を装着し、前記螺旋溝を経由して作動ガスをコールドヘッドに流すように構成する（請求項１）。
【００１７】
(2) ガス圧縮機，蓄冷器，パルス管，および頂部を寒冷発生部とするコールドヘッドを組合せて構成したパルス管冷凍機を対象とするガスサイクル機関冷凍機であり、パルス管を内筒としてこれを取り巻く外筒との間の空間に蓄冷器を内蔵するとともに、蓄冷器の低温側端とパルス管の開口端にまたがって頂部内面にガス流路を形成したコールドヘッドを被着して蓄冷器，パルス管，コールドヘッドを一体に組立てたものにおいて、前記コールドヘッドをキャップ状体となしてその内周面に螺旋溝を形成するとともに、該螺旋溝の始端，および終端部を除く面域を覆ってコールドヘッドの内周面と前記膨張シリンダの外周面との間に栓状部材を装着し、前記螺旋溝を経由して作動ガスをコールドヘッドに流すように構成する（請求項２）。
【００１８】
前項(1),(2) の構成によれば、冷凍サイクルでコールドヘッドを通流する作動ガスは経路の長い螺旋溝を経由し、コールドヘッドの内周面を旋回して流れ、その通流過程で低温の作動ガスが溝面を洗流してその冷熱がコールドヘッドに伝熱する。したがって、作動ガスとコールドヘッドとの接触面積が大きくとれるとともに、適正なガス流速も得られ、作動ガスとコールドヘッドとの間の熱貫流が増大して両者間の熱通過率が高まる。また、コールドヘッドの内方に栓状部材を装填したことでガス流路の死容積が小さくなる。これにより、小型な体格で熱効率の高いガスサイクル機関冷凍機が得られる。
また、本発明によれば、前項(1),(2) の構成は、次記のような具体的態様で構成することができる。
【００１９】
(3) コールドヘッドの内周面に形成した螺旋溝を断面三角溝となして作動ガスとの接触面積の増大化を図るようにする（請求項３）。
(4) コールドヘッドの内周面に複数条の螺旋溝を形成して作動ガスとの接触面積を一層増大化するようにする（請求項４）。
(5) コールドヘッドの頂部内面に形成したガス流路を、その中央に形成した凹状のガス集流部と、該ガス集流部から放射状に延びたガス流路溝とで形成し、作動ガスとの接触面積の増大化を図るようにする（請求項５）。
【００２０】
(6) 栓状部材の両端面に、コールドヘッドの内周面に形成した螺旋溝の始端と蓄冷器との間，および低温螺旋溝の終端とコールドヘッドの頂部内面に形成したガス流路との間を連通する溝部を形成し、蓄冷器から流出した作動ガス，あるいはコールドヘッドのガス流路を経由してディスプレーサ，ないしパルス管から還流する作動ガスの圧力損失を押さえて螺旋溝へ円滑に導くようにする（請求項６）。
【００２１】
(7) 栓状部材をディスプレーサの膨張シリンダおよびパルス管よりも熱膨張率の大きな材料で構成し、冷凍機運転時の低温状態では熱膨張差を利用してリング状になる栓状部材がディスプレーサの膨張シリンダ，ないしパルス管の外周に締まり嵌め（焼き嵌めと同様な原理）となって、作動ガスがコールドヘッドのガス流路を流れずに栓状部材の内周面側の隙間にバイパスするのを防止するようにし（請求項７）、具体的にはディスプレーサの膨張シリンダおよびパルス管の材質をステンレス，もしくはチタン合金とし、栓状部材の材質を比熱が小さく、かつ熱膨張率がステンレスおよびチタン合金よりも大きなアルミニウム，もしくはアルミニウム合金とし、前記のように熱膨張差を利用して栓状部材をディスプレーサのシリンダ，ないしパルス管の外周に締まり嵌め式に密着結合させるとともに、冷凍機の起動から定常運転に移行するまでのプルダウン時間の短縮化を図るようにする（請求項８）。
【００２２】
(9) 前項(2) のパルス管冷凍機において、低温伝熱部部材のガス流路に通じるパルス管の開口端に整流部を配し、かつ該整流部を筒状のホルダに収容した上で、該ホルダの頂部から外周に張り出す鍔状フランジを栓状部材の端面と該部材の端面に締結した支持板との間に挟持固定し（請求項９）、さらに前記整流部ホルダの先端にパルス管内に向けて拡大するテーパ面を形成する（請求項１０）ことで、パルス管を通流する作動ガスの乱流発生を押さえて圧力損失の低減化を図るようにする。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、先記した各項に対応する本発明の実施の形態を図１，図２，図３に示す実施例に基づいて説明する。なお、各実施例の図中で図４に対応する同一部材には同じ符号を付してその説明は省略する。
【００２４】
〔実施例１〕
図１は本発明の請求項２，３を除く１〜８に対応する実施例として、スターリング冷凍機を対象とした蓄冷器，ディスプレーサ，コールドヘッドの組立構造を示すものである。この実施例においては、蓄冷器２の低温側端とディスプレーサ４の膨張シリンダの開口端との間にまたがって被着したコールドヘッド５をキャップ状体となして外筒７に被着，溶接接合し、さらにその内方にはリング状の栓状部材８が装填されている。
【００２５】
ここで、コールドヘッド５の内周面域にはガス流路となる１ないし複数条の螺旋溝５ｂが形成されている。また、コールドヘッド５の頂部内面に形成したガス流路５ａは、図１(b) で示すように、その中心部に形成したディスプレーサ４と略同径な凹状のガス集流部５ａ-1と、該ガス集流部５ａ-1からコールドヘッド５の内周面に向けて放射状に延在する複数条のガス流路溝５ａ-2とからなる。
【００２６】
一方、リング状の栓状部材８は、その内径，外径寸法がそれぞれディスプレーサ４の膨張シリンダ４ａの外径，キャップ状コールドヘッド５の内径に対応して設定されており、組立て状態では図示のように栓状部材８がコールドヘッド５の内周面に形成した螺旋溝５ａの端面をその内周側から塞ぐ。また、蓄冷器２と対向する底面側端面にはガス流路として、図１(c) で示すように栓状部材８の内外周縁に沿って形成した周溝８ａ，８ｂ，および中央のリブ突起８ｃを貫いて周溝８ａと８ｂとの間を結ぶ半径方向の凹溝８ｄが形成されており、さらにコールドヘッド５の頂部内面に形成したガス流路５ａと対向する上面側には外周縁に沿って周溝８ｅが切欠き形成されている。そして、前記の周溝８ａ，８ｅは、それぞれ組立て位置で先記した螺旋溝５ｂの始端，終端と連通し合い、さらに上面側の周溝８ｅは先記したコールドヘッド５のガス流路溝５ａ-1に連通し合う。
【００２７】
かかる構成において、スターリング冷凍機の運転時には、蓄冷器２から流出した作動ガスは、栓状部材８の底面側に形成した前記溝８ａ，８ｂ，８ｄを通じてコールドヘッド５の内周面に形成した螺旋溝５ｂを通流し、その終端から出た後に栓状部材８の上面に形成した周溝８ｅを通じてコールドヘッド５の頂部内面に形成したガス流路５ａのガス流路溝５ａ-2，ガス集流部５ａ-1を流れてディスプレーサ４の膨張シリンダ４ａに送られる。したがって、このガス通流過程では、作動ガスは通路容積に対する伝熱面積の割合が大きな螺旋溝５ｂに沿ってコールドヘッド５の内周面側を旋回しながら流れた後、さらに頂部側ではガス流路溝５ａ-1を流れ、この通流過程で作動ガスの冷熱がコールドヘッド５に伝熱する。
【００２８】
したがって、ガス流路の容積（死容積）を低く抑えながら、一方ではコールドヘッド５と作動ガスとの間の伝熱面積を大きくとれ、これによりコールドヘッド５の熱通過率が高くなり、冷凍サイクルで発生した冷熱がコールドヘッド５に効率よく伝熱する。なお、螺旋溝５ｂを多条溝として形成すれば、作動ガスとの伝熱面積がより一層大きくなる。
【００２９】
また、ディスプレーサ４は管壁からの熱伝導による熱侵入を極力低く抑えるために、通常はステンレス鋼，あるいはＴｉ合金などの熱伝導率の低い材料が用いられているが、これに対して栓状部材８はディスプレーサ４よりも熱膨張率の大きな材質で構成する。これにより、冷凍機運転時の低温状態ではディスプレーサ４との熱膨張率の差を利用して栓状部材８がディスプレーサの膨張シリンダ４ａの外周に締まり嵌め状態に密着される。したがって、作動ガスがコールドヘッド５のガス流路５ａ，螺旋溝５ｂを経由せずに栓状部材８の内周面と膨張シリンダ４ａとの間の隙間にバイパス（短絡）するのを効果的に防止できる。また、この場合に栓状部材８の材質として、比熱の小さなアルミニウム，あるいはアルミニウム合金を採用すれば、栓状部材８の熱容量が小さくなるので前記効果に加えて冷凍機の起動から定常運転に移行するプルダウン時間が短縮する効果が期待できる。
【００３０】
〔実施例２〕
図２は本発明の請求項３に対応する実施例を示すものである。この実施例においては、その構成が基本的に先記実施例１と同様であるが、コールドヘッド５の内周面に形成した螺旋溝５ｂが断面三角溝としてなる。
【００３１】
これにより、図１の断面矩形溝と比べて螺旋溝の周長／断面積比が大きくなるので、これによりガス流路の死容積を小さく抑えつつ、作動ガスとコールドヘッド５との間の接触面積，つまり伝熱面積をより一層高めることができ、これによりコールドヘッド５の熱通過率を高めて大きな冷凍出力が得られる。
【００３２】
〔実施例３〕
図３はパルス管冷凍機を実施対象とした本発明の請求項２，および９，１０に対応する実施例を示すものである。この実施例においては、図１，図２に示したスターリング冷凍機のディスプレーサ４に代えてパルス管９を設置し、このパルス管９と蓄冷器２，コールドヘッド５，および栓状部材８が一体に組立てられている。
【００３３】
ここで、コールドヘッド５は先記実施例１と同様に、キャップ状体となしてその内周面には螺旋溝５ｂが形成されており、さらにコールドヘッド５の内周面とパルス管９との間にはリング状の栓状部材８が装着されている。また、パルス管９の開口端部には積層金網などで作られた整流部１０が筒状のホルダ１１に収容されこの位置に保持されている。この筒状ホルダ１１は図示のように筒部の断面がＺ字形であり、その頂部から外周に張出した鍔状フランジ１１ａを栓状部材８の端面と該部材の上に載置した支持板１２との間に挟持し、かつ支持板１２を栓状部材８にねじ１３で締結して定位置に固定している。さらに、整流部１０を支持してパルス管９の内方に突き出した筒形ホルダ１１の先端部には、パルス管９の管内に向けて拡大するテーパ面１１ｂを形成している。
【００３４】
かかる構成により、実施例１のスターリング冷凍機と同様にコールドヘッド５の熱通過率を高めてパルス管冷凍機の熱効率向上が図れるほか、作動ガスがパルス管９に流入，流出する際には整流部１０の整流作用と併せて、前記のテーパ面１１ｂが渦などの乱流発生を抑えてパルス管冷凍機の効率改善に寄与する。
【００３５】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明の構成によれば、コールドヘッドの内周面に螺旋溝を形成したことで、ここを流れる作動ガスとの熱交換面積の増加，並びに適切なガス流速が得られて熱通過率，熱交換量の増大化が図れる。さらに、コールドヘッド内に栓状部材を装填したことでガス流路の死容積を低減して冷凍出力を高めることができ、これにより小型な体格で熱効率の高いガスサイクル機関冷凍機を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１に対応するスターリング冷凍機のコールドヘッド周辺部の構成図であり、(a) は縦断面図、(b),(c) はそれぞれ(a) 図における矢視Ｘ−Ｘ，Ｙ−Ｙ断面図
【図２】本発明の実施例２に対応するスターリング冷凍機のコールドヘッド周辺部の構成断面図
【図３】本発明の実施例３に対応するパルス管冷凍機のコールドヘッド周辺部の構成断面図
【図４】従来におけるスターリング冷凍機の全体構成図
【符号の説明】
１ ガス圧縮機
２ 蓄冷器
４ ディスプレーサ
４ａ 膨張シリンダ
５ コールドヘッド
５ａ ガス流路
５ａ-1 ガス集流部
５ａ-2 ガス流路溝
５ｂ 螺旋溝
７ 外筒
８ 栓状部材
８ａ，８ｂ，８ｄ，８ｅ 溝（ガス流路）
９ パルス管
１０ 整流部
１１ ホルダ
１１ａ フランジ
１１ｂ テーパ面
１２ 支持板
Claims (10)
- ガス圧縮機，蓄冷器，ディスプレーサ，および頂部を寒冷発生部とするコールドヘッドを組合せて構成したスターリング冷凍機を対象とするガスサイクル機関冷凍機であり、ディスプレーサの膨張シリンダを内筒としてこれを取り巻く外筒との間の空間に蓄冷器を内蔵するとともに、蓄冷器の低温側端とディスプレーサのシリンダ開口端にまたがって頂部内面にガス流路を形成したコールドヘッドを被着して蓄冷器，ディスプレーサ，コールドヘッドを一体に組立てたものにおいて、前記コールドヘッドをキャップ状体となしてその内周面に螺旋溝を形成するとともに、該螺旋溝の始端，および終端部を除く面域を覆ってコールドヘッドの内周面と前記膨張シリンダの外周面との間に栓状部材を装着し、前記螺旋溝を経由して作動ガスをコールドヘッドに流すようにしたことを特徴とするガスサイクル機関冷凍機。
- ガス圧縮機，蓄冷器，パルス管，および頂部を寒冷発生部とするコールドヘッドを組合せて構成したパルス管冷凍機を対象とするガスサイクル機関冷凍機であり、パルス管を内筒としてこれを取り巻く外筒との間の空間に蓄冷器を内蔵するとともに、蓄冷器の低温側端とパルス管の開口端にまたがって頂部内面にガス流路を形成したコールドヘッドを被着して蓄冷器，パルス管，コールドヘッドを一体に組立てたものにおいて、前記コールドヘッドをキャップ状体となしてその内周面に螺旋溝を形成するとともに、該螺旋溝の始端，および終端部を除く面域を覆ってコールドヘッドの内周面と前記膨張シリンダの外周面との間に栓状部材を装着し、前記螺旋溝を経由して作動ガスをコールドヘッドに流すようにしたことを特徴とするガスサイクル機関冷凍機。
- 請求項１，または２に記載の冷凍機において、コールドヘッドの内周面に形成した螺旋溝を断面三角形のＶ溝となしたことを特徴とするガスサイクル機関冷凍機。
- 請求項１，２，３のいずれかの項に記載の冷凍機において、コールドヘッドの内周面に複数条の螺旋溝を形成したことを特徴とするガスサイクル機関冷凍機。
- 請求項１，または２に記載の冷凍機において、コールドヘッドの頂部内面に形成したガス流路が、内筒の開口端と向かい合わせに形成した凹状のガス集流部と、該ガス集流部から放射状に延びたガス流路溝とからなることを特徴とするガスサイクル機関冷凍機。
- 請求項１，または２に記載の冷凍機において、栓状部材の両端面に、コールドヘッドの内周面に形成した螺旋溝の始端と蓄冷器との間，および低温螺旋溝の終端とコールドヘッドの頂部内面に形成したガス流路との間を連通する溝部を形成したことを特徴とするガスサイクル機関冷凍機。
- 請求項１，２，６のいずれかの項に記載の冷凍機において、栓状部材をディスプレーサの膨張シリンダおよびパルス管よりも熱膨張率の大きな材料で構成したことを特徴とするガスサイクル機関冷凍機。
- 請求項７記載の冷凍機において、ディスプレーサの膨張シリンダおよびパルス管の材質をステンレス，もしくはチタン合金とし、栓状部材の材質をアルミニウム，もしくはアルミニウム合金としたことを特徴とするガスサイクル機関冷凍機。
- 請求項２記載の冷凍機において、コールドヘッドのガス流路に通じるパルス管の開口端に整流部を配し、該整流部を筒状のホルダに収容保持した上で、該ホルダの頂部から外周に張り出す鍔状フランジを栓状部材の端面と該部材の端面に締結した支持板との間に挟持したことを特徴とするガスサイクル機関冷凍機。
- 請求項９記載の冷凍機において、整流部ホルダの先端にパルス管内に向けて拡大するテーパ面を形成したことを特徴とするガスサイクル機関冷凍機。
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