JPH08210714A - ガス圧縮・膨張機の熱交換器及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 熱交換面積が広く、作動ガスの流れる配管体
積の少ない経済的な熱交換器を提供すること。 【解決手段】 シリンダ１０、１４内のピストン１１、
１５の往復動作に伴う前記ピストン前方空間１３、１７
における作動ガスの圧縮又は膨張サイクルにより前記空
間１３、１７に発生する低温又は高温を外部に取り出す
ため、前記空間１３、１７に接続するガス輸送流路中に
フィン２７が外周面に付設された良熱伝導性管体２５を
配設し、その管体２５の内側に間隙を設けて両端部が閉
塞された筒体２６を配設し、前記管体２５の外周面には
熱媒を流して前記管体２５と前記筒体２６との間に形成
される間隙に流れる作動ガスとの間で熱交換を行うこと
により、前記空間１３、１７に発生する低温又は高温を
前記熱媒を介して外部に取り出すようにしている。

Description

【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サイク
ル機関、ブルミエサイクル機関、パルスチューブ冷凍機
等のガスの圧縮、膨張を交互に繰り返すサイクル機関で
あるガス圧縮・膨張機に用いられる熱交換器及びその製
造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】上記のサイクル機関に用いられる熱交換
器には、高い伝熱性能を持たせるためと、ガス圧縮作動
空間で大きな圧縮比（サイクル時における圧力変化の最
高値を最低値で割った値）を生じさせるため、熱交換面
積を広くすることと、作動ガスが流れる内部体積（死容
積）を減らすことという、相反する２つの条件を満足す
ることが必要となる。即ち、熱交換器における伝熱性能
が高ければ、それだけ放熱効率が良くなって、作動ガス
を圧縮又は膨張する際により高温又はより低温を発生さ
せることができるようになる。また、死容積が減少すれ
ば、サイクル機関の作動に関与しない無駄なガスが減少
して圧縮比が高まり、作動ガスを有効に使用して、極め
て熱効率の良いサイクル機関が得れるようになる。

【０００３】このため、従来は図９に示すように細管１
を並列に並べて矢印方向に作動ガスを並列に流して外部
に流れる熱媒と熱交換を行う方式、あるいは、図１０に
示すようにアルミ合金等のブロック２に多数の細孔３を
穿設してそれらの細孔３に作動ガスを並列に流して外部
に流れる熱媒と熱交換を行う方式が用いられていた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来方式を採用した熱交換器では、構造が複雑で、加工が
難しく、熱交換器が高価になるといった問題点があっ
た。

【０００５】本発明は上記問題点を解決して、ガスを膨
張、圧縮するサイクル機関の作動に関与しないガスの死
容積を低減すると共に放熱効率を改善し、しかもガス圧
縮・膨張機の熱交換器を経済的に製造可能とする構成及
び方法を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するた
め、本発明の請求項１は、シリンダ内のピストン又はデ
ィスプレーサの往復動作に伴う前記ピストン又はディス
プレーサの前面又は背面のガスの圧縮又は膨張が生じる
作動空間に発生する低温又は高温を外部に取り出すガス
圧縮・膨張機の熱交換器において、前記作動空間に接続
された管体を配設する一方、その管体の内側に間隙を設
けて筒体を配設し、前記管体と前記筒体との間に形成さ
れる前記間隙に作動ガスを流すと共に、前記管体の外周
面に熱媒を流して、前記作動ガスと熱媒との間で熱交換
を行うことにより、前記作動空間に発生する低温又は高
温を前記熱媒を介して外部に取り出すようにしたもので
ある。

【０００７】このように、管体の内側に間隙を設けて筒
体を配設し、その間隙に作動ガスを流すようにして熱交
換器を構成することにより、従来に比べて構成が簡単に
して、熱交換面積が広がると共に、ガス配管内体積即ち
死容積が低減されて、熱交換器自体の高い熱伝導性能
と、ガス圧縮・膨張機の作動空間における大きな圧縮比
が得られ、ガス圧縮・膨張機に高いサイクル性能、即
ち、より低温又はより高温を発生させる能力を持つ熱交
換器が経済的に得られるようになる。

【０００８】本発明の請求項２は、請求項１の熱交換器
を、前記管体の外周径寸法より僅かに大きい内周径寸法
の孔部を有する絞り型の上に、内周径寸法が前記管体の
外周径寸法より所定寸法小さく外周径寸法が前記管体の
外周寸法より所定寸法大きい薄板状のフィンを配置し、
更にその上から前記管体を前記絞り型の前記孔部に圧入
する絞り加工により、前記フィンを前記管体外周面に固
着させる操作を繰り返して前記管体外周面に複数枚のフ
ィンを植立することにより製造すようにしたものであ
る。

【０００９】これによれば、絞り型の上にフィンを置
き、プレス機械により管体を型に圧入していくだけで、
管体へのフィンの取り付けが容易にでき、従って、熱交
換器の製造が容易になる。

【００１０】本発明の請求項３は、請求項１において前
記管体および前記筒体を可撓性材料を用いて形成すると
共に、前記筒体をブロック材又は両端部が閉じた管体に
より構成し、かつ、前記管体の外周面に放熱フィンを植
立したものである。

【００１１】これによれば、熱交換器が変形可能とな
り、外部に熱を取り出し易い形状に仕上げることができ
る。

【００１２】本発明の請求項４は、シリンダ内のピスト
ン又はディスプレーサの往復動作に伴う前記ピストン又
はディスプレーサの前面又は背面のガスの圧縮又は膨張
が生じる作動空間に発生する低温又は高温を外部に取り
出す熱交換器において、前記シリンダの外周面に所定の
間隙を設けて被覆部を配設し、前記シリンダの外周面と
被覆部との間に形成される前記間隙を介して前記作動空
間とガス輸送流路との間で作動ガスの導入導出を行うと
共に、その作動ガスと前記被覆部外周に流す熱媒との間
で熱交換を行なって前記空間に発生する低温又は高温を
外部に取り出すようにしたものである。

【００１３】これによれば、ガス配管内体積即ち死容積
が低減されると共に、熱交換面積も広がり、熱交換器自
体の高い熱伝導性能と、作動空間におけるガスの大きな
圧縮比を得ることができ、高いサイクル性能が得られる
ようになる。また、シリンダと駆動室との間のスペース
を利用して熱交換器を構成したことにより別途スペース
を設けて熱交換器を配置構成する必要が無くなり、さら
に構成が簡単にしてコンパクトなガス圧縮・膨張機の熱
交換器が得られる。

【００１４】本発明の請求項５は、請求項４において前
記被覆部の外周面に放熱フィンを植立したものである。

【００１５】これによれば、低温又は高温が放熱フィン
を介して外部へ取り出されることになり、熱交換効率が
改善される。

【００１６】本発明の請求項６は、ガス圧縮機及びガス
膨張機を構成するそれぞれのシリンダ内の各ピストンが
それぞれピストンロッドを介して駆動室内に収納される
クランク機構に接続されると共に、ガス圧縮機の作動空
間とガス膨張機の作動空間とが再生器を介してガス通路
で接続され、前記ピストンがそれぞれ所定の位相差を持
って往復動作することにより前記作動空間内のガスを圧
縮又は膨張することにより低温又は高温を発生するガス
圧縮・膨張機の前記ガス圧縮機側から前記再生器に導入
される作動ガスと熱交換する熱交換器において、前記ピ
ストンが往復動作するシリンダの前方部分を開口し外周
面に再生器を配設して全体を外郭容器で被覆すると共
に、そのシリンダに連接して前記ピストンロッド周りに
前記シリンダ空間と前記駆動室内とを仕切る仕切部材を
前記外郭容器に接近させて配設し、筒状の間隙の狭いガ
ス通路を形成し、少なくともそのガス通路が拡大、縮小
する部分の前記外郭容器外周面にフィンを配設して前記
作動空間に発生する低温又は高温を外部に取り出すよう
にしたものである。

【００１７】これによれば、間隙の狭い筒状のガス通路
が形成されることによって、死容積が低減される一方、
熱交換面積の大きい熱交換器が得られると共に、ガス通
路が拡大、縮小する熱伝導の最も良好な場所には外部に
フィンが配設されて熱交換効率が改善される。また、シ
リンダと駆動室との間のスペースを利用して熱交換器を
構成したことにより別途スペースを設けて熱交換器を配
置構成する必要が無くなり、構成が簡単にしてコンパク
トなガス圧縮・膨張機の熱交換器が得られる。

【００１８】本発明の請求項７は、請求項６の熱交換器
を構成する前記筒状の間隙の狭いガス通路、そのガス通
路が拡大、縮小する部分、及び再生器の下端部分に相当
する前記外郭容器外周面にフィンを配設したものであ
る。

【００１９】これによれば、請求項６の作用効果に付加
して更に熱交換効率が改善され、高性能なガス圧縮・膨
張機が得られるようになる。

【００２０】本発明の請求項８は、ガス圧縮機を構成す
るシリンダ内のピストンと、ガス膨張機を構成するシリ
ンダ内のディスプレーサとがそれぞれロッドを介して駆
動室内に収納されるクランク機構に接続されると共に、
ガス圧縮機の作動空間とガス膨張機の作動空間とがガス
通路で接続されて前記ピストン及びディスプレーサがそ
れぞれ所定の位相差を持って往復動作することにより前
記作動空間内のガスを圧縮又は膨張することにより低温
又は高温を発生するガス圧縮・膨張機の前記ガス圧縮機
側から前記ディスプレーサに導入される作動ガスと熱交
換する熱交換器において、前記ガス膨張機のシリンダを
良熱伝導性材料を用いて形成すると共に、そのシリンダ
空間と前記駆動室内とを仕切るロッド周りの仕切部材を
前記シリンダに連接して形成される外郭容器に接近させ
て配設し、筒状の間隙の狭いガス通路を形成し、更に前
記ガス圧縮機のピストン背面に形成される作動空間に最
短経路で接続すると共に、少なくともそのガス通路が拡
大、縮小する部分の前記外郭容器外周面にフィンを配設
して前記作動空間に発生する低温又は高温を外部に取り
出すようにしたものである。

【００２１】これによれば、請求項６同様の作用効果が
得れるほか、膨張機側はピストンの代わりにディスプレ
ーサを用いたことにより、再生器を別途配置するスペー
スが不要となり、ガス圧縮・膨張機をコンパクトに構成
することができるようになる。

【００２２】本発明の請求項９は、請求項８の熱交換器
を構成する前記筒状の間隙の狭いガス通路、そのガス通
路が拡大、縮小する部分、及びディスプレーサが上死点
に位置する際のディスプレーサ下部に形成される空間部
分に相当する前記外郭容器外周面にフィンを配設したこ
とを特徴とする。

【００２３】これによれば、請求項８の作用効果に付加
して更に熱交換効率が改善されて、高性能なガス圧縮・
膨張機が得られるようになる。

【００２４】

【発明の実施の形態】以下、本発明をスターリング冷凍
機に適用した場合を例に取り、その実施の形態を図面を
参照して説明する。

【００２５】図１は、本発明が適用されるスターリング
冷凍機の一例を示したもので、この例に示すスターリン
グ冷凍機は、冷凍熱を発生させるガス膨張機４と、その
ガス膨張機４から膨張した作動ガスを受取り圧縮して戻
すガス圧縮機５と、これらガス膨張機４とガス圧縮機５
を作動させる駆動室６とを備え、ガス膨張機４とガス圧
縮機５間には、途中に蓄冷器として働く再生器７を介在
させて、冷凍熱取り出し用の熱交換器８と放熱用の熱交
換器９とにより連結されてガス流路が形成されている。

【００２６】ガス膨張機４は、ガス圧縮機５から再生器
７を介して供給された圧縮された作動ガスを膨張させて
冷熱を発生させるもので、膨張シリンダ１０内に膨張ピ
ストン１１が上下方向に摺動自在に嵌装されている。膨
張シリンダ１０内は、膨張ピストン１１のピストンリン
グ１２により仕切られ、その前方空間は低温を発生する
膨脹空間１３として利用される。

【００２７】ガス圧縮機５は、ヘリウム等極低温の沸点
の作動ガスを所定のサイクルに従って圧縮し、圧縮した
作動ガスをガス膨張機４へ供給するもので、ガス膨張機
４同様に、圧縮シリンダ１４内に圧縮ピストン１５が左
右方向に摺動自在に嵌装されている。圧縮シリンダ１４
内は、圧縮ピストン１５のピストンリング１６により仕
切られ、その前方空間は圧縮空間１７として利用され
る。

【００２８】駆動室６には、膨張ピストン１１と圧縮ピ
ストン１５とを図示省略する駆動モータを駆動源として
９０°の位相差を持って往復運動をさせるクランク機構
部１８が潤滑オイル１９と共に収納されている。ピスト
ン１１、１５とクランク機構部１８との間はロッド２
１、２２により接続されると共に、シリンダ室とはオイ
ルシールを備えた仕切壁にて仕切られている。また、ロ
ッド２１、２２は、クランク機構部１８の回転運動がピ
ストン１１、１５の直線運動に変換されるため、途中に
関節機構を備えた構成となるが、これらの部分は本発明
に直接関係しない上、周知の構成が採用されるため、そ
の詳細説明は省略する。

【００２９】再生器７は、本実施例の場合は蓄冷器とし
て働き、ガス圧縮器５からガス膨張機４へ供給される途
中において圧縮された作動ガスを冷却する一方、ガス膨
張機４で膨脹され冷却された低温の作動ガスがガス圧縮
機５に戻される途中において低温の作動ガスによって冷
却されて蓄冷するものであり、その材料としては、例え
ばステンレスやセラミック、銅や鉛等が用いられ、それ
らに作動ガスを通す微細孔が多数穿設されたものであ
る。

【００３０】本発明による熱交換器８及び９は同じ構成
を取り、図２の外観斜視図にその一部を示すように、管
体２５の内側に間隙を設けて筒体２６を配設すると共
に、その管体２５の外周面にフィン２７を植立した構成
となっている。

【００３１】管体２５は好ましくは銅などの良熱伝導性
かつ可撓性材料を用いて形成される。一方、筒体２６は
可撓性であればよく、中実のブロック材でも良いし、中
空の場合は両端部が閉塞されて中にガスが流れなければ
良い。また、管体２５、筒体２６共に円筒形状である必
要は無く、その断面形状は、楕円、長方形等任意の形状
が採用される。また、フィン２７は、好ましくは良熱伝
導性の薄板材を用いて形成される。

【００３２】この熱交換器８、９の製造方法は、図３
（ａ）に示すように、管体２５の外径寸法Ｌ１より僅か
に大きい内径寸法Ｌ２の孔部３０を有する絞り金型３１
の上に、内径寸法Ｌ３が前記管体の外径寸法Ｌ１より所
定寸法小さく外径寸法Ｌ４が前記管体の外周寸法Ｌ１よ
り所定寸法大きい薄板円板状のフィン２７を配置し、更
にその上から管体２５を前記絞り金型３１の孔部３０に
圧入し、図３（ｂ）に示すように、１枚目は管体２５の
最上部に迄来るように管体２５を孔部３０に嵌入する。
次いで２枚目のフィン２７も同様にして１枚目の直ぐ下
に位置するように管体２５の外周面に圧入する絞り加工
により、管体２５の外周面に複数枚のフィン２７を植立
する。ただし、この方法は、管体２５が硬質材料で形成
されている場合に適しているが、管体２５内側に補強用
の管を加工時だけ挿入することにより、管体２５自体が
可撓性材料で形成されている場合にも適用可能である。

【００３３】次いで、図４（ａ）、（ｂ）の断面図で示
すように、フィン２７付きの管体２５の内側にスペーサ
２８を設けて所定の間隙２９を空けて、両端部が閉塞さ
れた中空の筒体２６を挿入配置する。この時の間隙とし
ては管体２５の径寸法によっても異なるが、大体０．０
５ｍｍから数ｍｍの間隙寸法とすると良い。また、スペ
ーサ２８は図４（ａ）に示すように、２６の軸方向に沿
って全体的に設けてもよいが、図４（ｂ）に示すよう
に、部分的に配設するようにしても良い。また、その管
体２５の外部に熱媒を流して間隙２９に流れる作動ガス
との間で熱交換を行って外部に冷熱を取り出す構成は従
来と同じ構成が採用できる。

【００３４】この構成で、図示省略する駆動モータの回
転によってクランク機構部１８が駆動されると、ガス圧
縮機５の圧縮シリンダ１４内の圧縮ピストン１５が圧縮
空間１７側に移動して圧縮空間１７に充満するヘリウム
等の液化しにくい作動ガスが圧縮される。圧縮された作
動ガスは、放熱器として作用する熱交換器９を通過する
ことによって圧縮時に生じる熱は外部に放熱され室温付
近まで冷却されて、蓄冷器として作用する再生器７に流
入する。

【００３５】再生器７に流入した作動ガスは冷却されて
ガス膨張機４の膨張空間１３にへ流入することにより、
その空間が高圧状態となる。

【００３６】その後、ガス膨張機４の膨張シリンダ１０
内の膨張ピストン１１が圧縮ピストン１５と約９０°の
位相差を持って降下することによって、膨張空間が拡張
され、流入した高圧の作動ガスが急激に膨張されて圧力
が急降下するため作動ガスが低温となる。

【００３７】やがて、膨張ピストン１１が上昇を開始
し、圧縮ピストン１５が後退すると、低温の作動ガス
が、熱交換器８を通ることにより、低温が外部に取り出
される。この作動ガスは再生器７から熱交換器９を経て
圧縮空間１７へ戻るが、再生器７を通過する際に、内部
の部材がこの作動ガスにより冷却され再生器７が低温に
なる。

【００３８】また、作動ガスは管体２５と筒体２６の狭
い間隙からなるガス流路を通して圧縮空間１７と膨張空
間１３との間を往き来する。従って、そのガス流路は熱
交換面積が広く、作動ガス全体から管体２５外部熱媒へ
低温が効率良く伝導される。また、ガスが通るガス流路
配管内体積が削減され、膨張空間に導入される作動ガス
量が増して大きな圧縮比が得られようになる。この結
果、膨張時により低温を発生させることができるように
なる。

【００３９】このように、圧縮空間１７で圧縮されたガ
スが膨張空間１３に供給されて膨張され、その膨張され
たガスが再び圧縮空間１７に戻る工程によって、一つの
熱サイクルが終了し、この工程がクランク機構部１８の
回転運動によってサイクリックに繰り返される。これに
より、徐々に膨張空間１３での作動ガスの温度と再生器
７の温度が降下し低温となる。この低温を熱交換器８か
ら外部へ取り出し図示せぬ低温槽の冷却負荷を冷凍温度
にすることができる。

【００４０】なお、外部へ低温を取り出す際、熱交換器
８を変形可能な材料を用いて構成し、例えば図５に示す
ように所望の形状に曲げた状態に形成することにより、
外部に低温を取り出し易くすることができるようにな
る。

【００４１】図６は本発明の実施の形態の他の例を示
し、図中、図１と同一符号は同一又は相当部分を示して
いる。図６の構成において、膨張シリンダ１０は良熱伝
導性材料を用いて構成され、その頭頂部には作動ガスを
出し入れする孔部４０が穿設されている。その頭部外周
面には所定の間隙４１を設けて良熱伝導性材料の被覆部
４２が配設され、さらに、その被覆部４２外周面にはフ
ィン４３が植立されて冷凍熱取り出し用の熱交換器４４
が形成されている。

【００４２】膨張シリンダ１０の下部の外周面には、所
定の間隙４５を設けて良熱伝導性材料の被覆部４６が配
設され、さらに、その被覆部４６外周面にはフィン４７
が植立されて放熱用の熱交換器４８が形成されている。

【００４３】再生器７と熱交換器４４の間隙４１との間
はガス流通配管４９により接続されている。再生器７と
熱交換器４８の間隙４５との間はガス流通配管５０によ
り接続されている。また、熱交換器４８とガス圧縮機５
の圧縮空間１７との間はガス流通配管５１により接続さ
れている。

【００４４】この構成で、ガス圧縮機５の圧縮空間１７
で圧縮された作動ガスは、熱交換器４８で放熱された
後、再生器７に流入し、そこで冷却されて熱交換器４４
からガス膨張機４の孔部４０を経て膨張空間１３に導入
される。

【００４５】膨張空間１３に導入された冷却された圧縮
ガスは、その後、ガス膨張機４の膨張シリンダ１０内の
膨張ピストン１１が圧縮ピストン１５と約９０°の位相
差を持って降下することによって、膨張空間１３が拡張
されて急激に膨張され、圧力が急降下することにより低
温となる。

【００４６】低温となった作動ガスは膨張ピストン１１
の上昇により膨張シリンダ１０から押し出されて孔部４
０から熱交換器４４を通過する際に外部に流す熱媒と熱
交換が行なわれて低温が取り出される。

【００４７】更にその作動ガスはガス流配管４９から再
生器７に流入し、再生器７を低温にして、ガス流配管５
０から熱交換器４８、ガス流配管５１を経てガス圧縮機
５の圧縮空間１７に戻される。

【００４８】以上の熱サイクルにおける作用は図１の場
合とほぼ同様であるが、この例による場合は、再生器７
と膨張空間１３間の距離が短いので、低温が空中に放失
されることが抑制される。更にガス膨張シリンダ１０自
体も熱交換器の構成の一部に組み入れられるため、熱損
失が低減される。この結果、更にサイクル性能が改善さ
れ、より低温が得られる利点がある。

【００４９】なお、以上は膨張シリンダ内の膨張空間１
３で冷凍熱を発生させて低温を取り出す場合について説
明したが、クランク機構部１８の回転方向を逆転するこ
とによって、ガス圧縮機とガス膨張機の機能を入替え
て、膨張空間１３を圧縮空間として作用させ、その空間
１３に温熱を発生させ、熱交換器８、４４から高温を外
部に取り出すようにすることもでき、本発明による熱交
換器はそのような場合に使用しても前記の例同様の作用
効果が得られる。さらには、他のサイクル機関であるス
ターリングエンジン、ブルミエサイクル機関、パルスチ
ューブ冷凍機等のガス圧縮・膨張機にも適用できること
は明らかである。

【００５０】図７は、本発明の実施の形態の更に別の例
を示したもので、図中、図１と同一符号は同一又は相当
部分を示している。この例に示すスターリング冷凍機
は、シリンダ１０上部が解放端となっており、その内周
面に気密に往復動作するピストン１１が配設されてガス
膨張機４側が構成される一方、シリンダ外周面には再生
器７が配設されて、全体が外郭容器６０で被覆されてい
る。

【００５１】更に、再生器７の下方には、放熱用の熱交
換器６１が形成され、その熱交換器６１からガス通路６
２を経てガス圧縮機５側に連通されている。

【００５２】外郭容器６０は熱伝導特性の良好な材料で
形成されると共に、死容積を低減するため、外郭容器６
０ｂに接近させてシリンダ１０に連接してピストンロッ
ド２１周りにシリンダ１０室と駆動室６との間を仕切る
仕切部材１０ａを内設し、間隙の狭いガス通路６３を形
成し、その部分の外郭容器６０ｂの外周面上には円板状
のフィン６４を配設して熱交換器６１を構成している。

【００５３】ところで、ガスが往復流する状態において
は流量の変化する場所で著しく良好な熱交換が行われる
ことが知られている。従って、フィン６４は、特にその
流量変化の生じる間隙の狭い通路から広い通路、あるい
はその逆の広い通路から狭い通路に移る個所６５、６６
には必ず配設することが熱交換効率の点から好ましい
が、図７の構成例では、フィン６４は 、図示の筒状の
間隙の狭いガス通路、そのガス通路が拡大、縮小する部
分、及び再生器の下端部分に相当する前記外郭容器外周
面にフィンを配設したことにより、従来に比べて熱交換
効率が著しく改善された。

【００５４】ガス圧縮機５側は、圧縮シリンダ１４内の
ピストン１５の駆動室６側に圧縮空間１７が形成されて
いる。

【００５５】駆動室６にはクランク機構１８が配設さ
れ、ピストン１１、１５とクランク機構１８とは、仕切
壁１０ａに内設されるオイルシール６７によってシール
されたピストンロッド２１、２２により接続されてい
る。

【００５６】以上の構成で、図１の場合と同様にして図
示省略する駆動モータの回転によってクランク機構部１
８が駆動されると、ガス圧縮機５の圧縮シリンダ１４内
の圧縮ピストン１５が後退して圧縮空間１７に充満する
ヘリウム等の液化しにくい作動ガスが圧縮される。圧縮
された作動ガスは、ガス通路６２から放熱器として作用
する熱交換器６１を通過することによって圧縮時に生じ
る熱は外部に放熱され室温付近まで冷却されて、シリン
ダ１０の外周面に配設される蓄冷器として作用する再生
器７に流入する。

【００５７】再生器７に流入した作動ガスは冷却されて
ガス膨張機４側の膨張空間１３に流入する。このとき圧
縮ピストン１１は上死点におり、膨張空間１３が圧縮さ
れた作動ガスで満たされ高圧状態となる。

【００５８】その後、膨張ピストン１１が降下すること
によって、膨張空間１３が拡張され、流入した高圧の作
動ガスが急激に膨張されて圧力が急降下するため作動ガ
スが低温となる。

【００５９】やがて、膨張ピストン１１が上昇を開始
し、圧縮ピストン１５が前進すると、低温の作動ガスは
再生器７から熱交換器６１を経て圧縮空間１７へ戻され
るが、再生器７を通過する際に、内部の部材がこの作動
ガスにより冷却され再生器７が低温になる。

【００６０】このように、作動ガスは、外郭容器６０ｂ
と仕切部材１０ａとの間の狭い間隙のガス通路６３を通
して圧縮空間１７と膨張空間１３との間を往き来する
が、そのガス通路６３は熱交換面積が広く、圧縮機４側
で圧縮されて高温となった作動ガスはこのガス通路６３
を通ることにより効率よく放熱される。特に、ガス通路
が拡大、縮小する場所６５、６６では作動ガスから外郭
容器への熱伝導が良好に行われるが、その部分の外郭容
器６０外周面にはフィン６４が配設されていることから
作動ガスとの熱交換が効率よく行われ、大量の熱が効率
よく放熱されて低温になった作動ガスが再生器７に導入
される。また、ガス通路６３は狭い間隙に形成されてい
るため、ガス流路の体積が削減されて死容積が低減さ
れ、その分膨張空間１３に導入される作動ガス量が増し
て大きな圧縮比が得られようになる。この結果、膨張時
により低温を発生させることができるようになる。

【００６１】圧縮空間１７で圧縮されたガスが膨張空間
１３に供給されて膨張され、その膨張されたガスが再び
圧縮空間１７に戻る工程によって、一つの熱サイクルが
終了し、この工程がクランク機構部１８の回転運動によ
ってサイクリックに繰り返される。これにより、徐々に
膨張空間１３での作動ガスの温度と再生器７の温度が降
下し、ピストン１１の頂部即ち外郭容器６０の頂部６０
ａが最も低温になるので、この低温を図示せぬ熱交換器
から外部へ取り出し図示せぬ低温槽の冷却負荷を冷凍温
度にすることができる。

【００６２】図８は、本発明の実施の形態の更に別の例
を示し、図中、図７と同一符号は同一又は相当部分を示
している。図の構成で、図７と異なる主な点は、ピスト
ン１１の代わりにディスプレーサ７０を用いてガス膨張
機４側を構成した点である。

【００６３】このディスプレーサ７０は、シリンダ１０
に嵌合する内部が中空の筒体の前面及び後面に開口部７
０ａ、７０ｂが形成され、内部に再生器７０が充填され
て成る。

【００６４】また、熱交換器６１は、ディスプレーサ７
０に接合されるディスプレーサロッド７１周りに配設さ
れシリンダ室と駆動室６との間を仕切る仕切部材７２
を、シリンダ１０の外径よりも胴周りを膨らませて形成
し、その仕切部材７２の外周にシリンダ１０の下部に連
設される外郭容器１０ｂを近接配置して間隙の狭い筒状
のガス通路６３を形成し、その外郭容器１０ｂの外周面
に円板状のフィン６４を配設して構成することにより、
死容積の低減と、放熱面積の拡大を図っている。

【００６５】図８の構成例では、フィン６４は、図示の
ように筒状の間隙の狭いガス通路、そのガス通路が拡
大、縮小する部分、及びディスプレーサが上死点に位置
する際のディスプレーサ下部に形成される空間部分に相
当する前記外郭容器外周面に配設したことにより、従来
に比べて熱交換効率が著しく改善される。

【００６６】以上の構成で、図７の場合と同様にしてク
ランク機構１８が駆動されると、ガス圧縮機５の圧縮シ
リンダ１４内の圧縮ピストン１５が背面側に移動して圧
縮空間１７に充満するヘリウム等の液化しにくい作動ガ
スが圧縮される。圧縮された作動ガスは、ガス通路６２
から放熱器として作用する熱交換器６１のガス通路６３
を通過することによって圧縮時に生じる熱は外部に放熱
され室温付近まで冷却されて、ディスプレーサ７０の開
口部７０ｂから再生器７に流入する。

【００６７】再生器７に流入した作動ガスは冷却されて
開口部７０ａから膨張空間１３へ流入する。このときデ
ィスプレーサ７０は上死点にあり、膨張空間１３が圧縮
された作動ガスで満たされ高圧状態となる。

【００６８】その後、ディスプレーサ７０が降下するこ
とによって、膨張空間１３が拡張され、流入した高圧の
作動ガスが急激に膨張されて圧力が急降下するため作動
ガスが低温となる。

【００６９】やがて、ディスプレーサ７０が上昇を開始
し、圧縮ピストン１５が前進すると、低温の作動ガスは
再生器７からガス通路６３、６２を経て圧縮空間１７へ
戻されるが、このとき再生器７は通過する作動ガスによ
り冷却されて低温になる。

【００７０】ところで、作動ガスは膨張シリンダ１０の
下部に連設される外郭容器１０ｂと仕切部材７２とで形
成される筒状の狭い間隙からなるガス通路６３を通して
圧縮空間１７と膨張空間１３との間を往き来する。その
ガス通路６３は熱交換面積が広く、圧縮機５側で圧縮さ
れて高温となった作動ガスはこのガス通路６３を通るこ
とにより、効率よく放熱される。特に、ガス通路が拡
大、縮小する場所６５、６６の容器外周面にはフィン６
４が配設されていることから作動ガスとの熱交換が効率
よく行われ、大量の熱が効率よく放熱されて低温になっ
た作動ガスがディスプレーサ７０の再生器７に導入され
る。また、ガス通路６３は狭い間隙に形成されているた
め、ガス流路の体積が削減されて死容積が低減され、膨
張空間に導入される作動ガス量が増して大きな圧縮比が
得られようになる。この結果、膨張時により低温を発生
させることができるようになる。

【００７１】このように、圧縮空間１７で圧縮されたガ
スが膨張空間１３に供給されて膨張され、その膨張され
たガスが再び圧縮空間１７に戻る工程によって、一つの
熱サイクルが終了し、この工程がクランク機構部１８の
回転運動によってサイクリックに繰り返される。これに
より、徐々に膨張空間１３での作動ガスの温度と再生器
７の温度が降下し、ディスプレーサ７０の頂部即ちシリ
ンダ１０の頂部１０ａが最も低温になるので、この低温
を図示せぬ熱交換器から外部へ取り出し図示せぬ低温槽
の冷却負荷を冷凍温度にすることができる。

【００７２】

【発明の効果】以上のように本発明の請求項１の構成に
よれば、管体の内側に間隙を設けて筒体を配設し、その
間隙に作動ガスを流すようにしたので、熱交換面積が広
がると共に、配管内体積が削減されて、高い熱伝導性能
と、大きな圧縮比を得ることができ、高いサイクル性
能、即ち、より低温又はより高温を発生させる能力が得
られるようになる。

【００７３】請求項２の構成によれば、請求項１の構成
による作用効果に付加して、さらに絞り型の上にフィン
を置き、プレス機械により管体を型に圧入していくだけ
で良いので、管体へのフィンの取り付けが容易になり、
従って、熱交換器の製造が容易になる。

【００７４】請求項３の構成によれば、請求項１の構成
による作用効果に付加して、さらに熱交換器が変形可能
なため、外部に熱を取り出し易い形状に仕上げることが
できる。

【００７５】請求項４の構成によれば、ガス配管内体積
即ち死容積が低減されると共に、熱交換面積も広がり、
熱交換器自体の高い熱伝導性能と、作動空間におけるガ
スの大きな圧縮比を得ることができ、高いサイクル性能
が得られるようになる。また、シリンダと駆動室との間
のスペースを利用して熱交換器を構成したことにより別
途スペースを設けて熱交換器を配置構成する必要が無く
なり、さらに構成が簡単にしてコンパクトなガス圧縮・
膨張機の熱交換器が得られる。

【００７６】請求項５の構成によれば、請求項４の構成
による作用効果に付加して、低温又は高温が放熱フィン
を介して外部へ取り出されることになり、熱交換効率が
改善される。

【００７７】請求項６の構成によれば、間隙の狭い筒状
のガス通路が形成されることによって、死容積が低減さ
れる一方、熱交換面積の大きい熱交換器が得られると共
に、ガス通路が拡大、縮小する熱伝導の最も良好な場所
には外部にフィンが配設されて熱交換効率が改善され
る。また、シリンダと駆動室との間のスペースを利用し
て熱交換器を構成したことにより別途スペースを設けて
熱交換器を配置構成する必要が無くなり、構成が簡単に
してコンパクトなガス圧縮・膨張機の熱交換器が得られ
る。

【００７８】請求項７の構成によれば、請求項６の作用
効果に付加して更に熱交換効率が改善され、高性能なガ
ス圧縮・膨張機が得られるようになる。

【００７９】請求項８の構成によれば、請求項６同様の
作用効果が得れるほか、膨張機側はピストンの代わりに
ディスプレーサを用いたことにより、再生器を別途配置
するスペースが不要となり、ガス圧縮・膨張機をコンパ
クトに構成することができるようになる。

【００８０】請求項９の構成によれば、請求項８の作用
効果に付加して更に熱交換効率が改善されて、高性能な
ガス圧縮・膨張機が得られるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態の一例を示すスターリング
冷凍機の概念構成図。

【図２】図１のスターリング冷凍機に適用される本発明
による熱交換器の一例を示す外観斜視図。

【図３】図２の熱交換器の管体部分の製造方法の説明図
で、（ａ）はフィン取り付け状態を示す部分断面図であ
り、（ｂ）はフィンが取り付けられた状態を示す管体部
分の部分断面図。

【図４】図２の熱交換器の部分断面図で、（ａ）は軸方
向部分断面図であり、（ｂ）は軸と直角方向部分断面
図。

【図５】図１のスターリング冷凍機に適用される本発明
による熱交換器の他の例を示す側面図。

【図６】本発明の実施の形態の他の例を示すスターリン
グ冷凍機の概念構成図。

【図７】本発明の実施の形態の別の実施例を示すスター
リング冷凍機の概念構成図。

【図８】本発明の実施の形態の更に別の例を示すスター
リング冷凍機の概念構成図。

【図９】従来の熱交換器の一例を示す断面概念図。

【図１０】従来の熱交換器の他の例を示す斜視図。

【符号の説明】

４ ガス膨張機 ５ ガス圧縮機 ６ 駆動室 ８、９、４４、４８、６１ 熱交換器 １０ 膨張シリンダ １１ 膨張ピストン １３ 膨張空間 １４ 圧縮シリンダ １５ 圧縮ピストン １７ 圧縮空間 ２５ 管体 ２６ 筒体 ２７、６４ フィン ２８ スペーサ ６２、６３ ガス通路 ７０ ディスプレーサ ７１ ディスプレーサロッド ７２ 仕切部材

フロントページの続き (72)発明者 森田 孝 大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号 三 洋電機株式会社内 (72)発明者 谷川 直秀 大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号 三 洋電機株式会社内

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 シリンダ内のピストン又はディスプレー
   サの往復動作に伴う前記ピストン又はディスプレーサの
   前面又は背面のガスの圧縮又は膨張が生じる作動空間に
   発生する低温又は高温を外部に取り出すガス圧縮・膨張
   機の熱交換器において、 前記作動空間に接続された管体を配設する一方、その管
   体の内側に間隙を設けて筒体を配設し、前記管体と前記
   筒体との間に形成される前記間隙に作動ガスを流すと共
   に、前記管体の外周面に熱媒を流して、前記作動ガスと
   熱媒との間で熱交換を行うことにより、前記作動空間に
   発生する低温又は高温を前記熱媒を介して外部に取り出
   すことを特徴とするガス圧縮・膨張機の熱交換器。
2. 【請求項２】 前記管体の外周径寸法より僅かに大きい
   内周径寸法の孔部を有する絞り型の上に、内周径寸法が
   前記管体の外周径寸法より所定寸法小さく外周径寸法が
   前記管体の外周寸法より所定寸法大きい薄板状のフィン
   を配置し、更にその上から前記管体を前記絞り型の前記
   孔部に圧入する絞り加工により、前記フィンを前記管体
   外周面に固着させる操作を繰り返して前記管体外周面に
   複数枚のフィンを植立することを特徴とする請求項１記
   載のガス圧縮・膨張機の熱交換器の製造方法。
3. 【請求項３】 前記管体および前記筒体は可撓性材料を
   用いて形成されると共に、前記筒体はブロック材又は両
   端部が閉じた管体により構成され、かつ、前記管体の外
   周面には放熱フィンが植立されていることを特徴とする
   請求項１記載のガス圧縮・膨張機の熱交換器。
4. 【請求項４】 シリンダ内のピストン又はディスプレー
   サの往復動作に伴う前記ピストン又はディスプレーサの
   前面又は背面のガスの圧縮又は膨張が生じる作動空間に
   発生する低温又は高温を外部に取り出すガス圧縮・膨張
   機の熱交換器において、 前記シリンダの外周面に所定の間隙を設けて被覆部を配
   設し、前記シリンダの外周面と被覆部との間に形成され
   る前記間隙を介して前記作動空間とガス輸送流路との間
   で作動ガスの導入導出を行うと共に、その作動ガスと前
   記被覆部外周に流す熱媒との間で熱交換を行なって前記
   シリンダ空間に発生する低温又は高温を外部に取り出す
   ことを特徴とするガス圧縮・膨張機の熱交換器。
5. 【請求項５】 前記被覆部の外周面には放熱フィンが植
   立されていることを特徴とする請求項４記載のガス圧縮
   ・膨張機の熱交換器。
6. 【請求項６】 ガス圧縮機及びガス膨張機を構成するそ
   れぞれのシリンダ内の各ピストンがそれぞれピストンロ
   ッドを介して駆動室内に収納されるクランク機構に接続
   されると共に、ガス圧縮機の作動空間とガス膨張機の作
   動空間とが再生器を介してガス通路で接続され、前記ピ
   ストンがそれぞれ所定の位相差を持って往復動作するこ
   とにより前記作動空間内のガスを圧縮又は膨張すること
   により低温又は高温を発生するガス圧縮・膨張機の前記
   ガス圧縮機側から前記再生器に導入される作動ガスと熱
   交換する熱交換器において、 前記ピストンが往復動作するシリンダの前方部分を開口
   し外周面に再生器を配設して全体を外郭容器で被覆する
   と共に、そのシリンダに連接して前記ピストンロッド周
   りに前記シリンダ空間と前記駆動室内とを仕切る仕切部
   材を前記外郭容器に接近させて配設し、筒状の間隙の狭
   いガス通路を形成して前記作動空間に発生する低温又は
   高温を外部に取り出すことを特徴とするガス圧縮・膨張
   機の熱交換器。
7. 【請求項７】 前記筒状の間隙の狭いガス通路、そのガ
   ス通路が拡大、縮小する部分、及び再生器の下端部分に
   相当する前記外郭容器外周面にフィンを配設したことを
   特徴とする請求項６記載のガス圧縮・膨張機の熱交換
   器。
8. 【請求項８】 ガス圧縮機を構成するシリンダ内のピス
   トンと、ガス膨張機を構成するシリンダ内のディスプレ
   ーサとがそれぞれロッドを介して駆動室内に収納される
   クランク機構に接続されると共に、ガス圧縮機の作動空
   間とガス膨張機の作動空間とがガス通路で接続されて前
   記ピストン及びディスプレーサがそれぞれ所定の位相差
   を持って往復動作することにより前記作動空間内のガス
   を圧縮又は膨張することにより低温又は高温を発生する
   ガス圧縮・膨張機の前記ガス圧縮機側から前記ディスプ
   レーサに導入される作動ガスと熱交換する熱交換器にお
   いて、 前記ガス膨張機のシリンダ空間と前記駆動室内とを仕切
   るロッド周りの仕切部材を前記シリンダに連接して形成
   される外郭容器に接近させて配設し、筒状の間隙の狭い
   ガス通路を形成し、更に前記ガス圧縮機の作動空間に接
   続して前記作動空間に発生する低温又は高温を外部に取
   り出すことを特徴とするガス圧縮・膨張機の熱交換器。
9. 【請求項９】 前記筒状の間隙の狭いガス通路、そのガ
   ス通路が拡大、縮小する部分、及びディスプレーサが上
   死点に位置する際のディスプレーサ下部に形成される空
   間部分に相当する前記外郭容器外周面にフィンを配設し
   たことを特徴とする請求項８記載のガス圧縮・膨張機の
   熱交換器。