JPWO2015146761A1 - スターリング冷凍機 - Google Patents

Abstract

スターリング冷凍機において、ディスプレーサ２２は、ガスが満たされた内部空間を有する。膨張機本体２０は、ディスプレーサ２２を往復移動可能に収容する。ディスプレーサ２２は、ガスの対流を抑制する１または複数の対流抑制板４２を内部空間に収容する。対流抑制板は、ディスプレーサの長手軸に交差する方向に配置されている。蓄冷器３８は、ディスプレーサ２２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所定の領域に位置するように膨張機本体２０に備えられてもよい。対流抑制板４２は、ディスプレーサ２２が往復移動しても、蓄冷器３８が位置する所定の領域と対応する位置となるように備えられてもよい。

Description

本発明は、冷凍機に関し、特にスターリング冷凍機に関する。

スターリング冷凍機に関して、ディスプレーサを中空にしてガスを収容することがある。このとき、ディスプレーサ内のガスの対流による伝熱により、熱損失生じることが知られている。このため、ガスの対流を規制するために、綿状、帯状、粉末状の断熱材をディスプレーサ内に収容する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００４−３４３６号公報

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、ディスプレーサ内におけるガスの対流をより適切に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、ガスが満たされた内部空間を有するディスプレーサと、ディスプレーサを往復移動可能に収容する膨張機本体とを備える。ディスプレーサは、ガスの対流を抑制する１または複数の対流抑制板を内部空間に収容し、対流抑制板は、ディスプレーサの長手軸に交差する方向に配置されている。

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、ディスプレーサ内におけるガスの対流をより適切に抑制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。 図３（ａ）−（ｂ）は、実施の形態に係る対流抑制板の収容位置の一例を模式的に示す図である。 別の実施の形態に係るディスプレーサの内部構成を示す模式図である。 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。 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。 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。

スターリング冷凍機の動作中、ディスプレーサは往復移動する。このため、ディスプレーサ内においてガスの対流を規制する部材を用いる場合、ディスプレーサに固定されていることが望ましい。しかしながら、ガスの対流を規制する部材として例えば綿状、帯状、あるいは粉末状の断熱材を用いると、これらの部材はディスプレーサ内に固定するのは難しいと考えられる。気体の対流を規制する部材がディスプレーサに固定できないと、ディスプレーサ内のガスの対流を適切に規制できない場合も起こりうる。場合によっては、ディスプレーサの往復移動時にディスプレーサの内壁に対流を規制する部材がぶつかったり、対流を規制する部材同士がぶつかったりして異音が生じる原因となるかもしれない。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、ガスの対流を規制する部材として板状の部材を用いる。

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。またディスプレーサ２２は、ガスの対流を抑制する１以上の対流抑制板４２を備える。なお、ディスプレーサ２２の詳細は後述する。

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。

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。

次にディスプレーサ２２をより詳細に説明する。

上述したように、実施の形態に係るディスプレーサ２２は中空であり、作動ガスと同種のガスが満たされた内部空間を有する。ディスプレーサ２２を中空にすることにより、ディスプレーサ２２が軽量化され、スターリング冷凍機１０自体の軽量化にも資する。また、ディスプレーサ２２の内部空間を作動ガスと同種のガスで満たすのは、何らかの原因でディスプレーサ２２の内部の気体が第１区画２４または第２区画２６に流出したとしても、それによって作動ガスが汚染されることが防止できるからである。

ここで、ディスプレーサ２２の内部空間を真空にすることにより、ディスプレーサ２２の内部の気体が第１区画２４または第２区画２６に流出することが防止できる。この場合、何らかの原因でディスプレーサ２２の内部空間と、第１区画２４または第２区画２６とが導通すると、作動ガスがディスプレーサ２２の内部空間に流入し、冷却に寄与する作動ガスが減少する。以上より、ディスプレーサ２２の内部空間を作動ガスと同種のガスが満たすのが好ましい。

膨張空間２８で発生した寒冷は、蓄冷器３８に蓄えられる。このため、蓄冷器３８において、低温熱交換器３９と熱的に接触する側の端部は、水冷式熱交換器３７と熱的に接触する側の端部よりも、低温となる。以下、本明細書において、蓄冷器３８において低温熱交換器３９と熱的に接触する側の端部を「低温端」、水冷式熱交換器３７と熱的に接触する側の端部を「高温端」と記載する。同様に、ディスプレーサ２２において、膨張空間２８に面する先端部を「低温端」、ガス空間３６（すなわち圧縮空間）に面する基端部を「高温端」と記載する。

スターリング冷凍機１０の運転中、蓄冷器３８には、高温端から低温端に向かって温度が下がる温度勾配が生じる。図２に示すように、蓄冷器３８は、ディスプレーサ２２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、膨張機本体２０に備えられている。また、ディスプレーサ２２の往復移動の範囲、すなわちディスプレーサ２２のストローク長は、蓄冷器３８よりも短い。このため、ディスプレーサ２２は、蓄冷器３８の低温端付近に接触する領域と、蓄冷器３８の高温端付近に接触する領域とが存在する。以下説明の便宜のため、ディスプレーサ２２のうち、蓄冷器３８と熱的に接触する位置を、「蓄冷器３８と対応する位置」と記載することがある。「蓄冷器３８と対応する位置」は、ディスプレーサ２２のうち、「蓄冷器３８と対向する位置」と表現することもできる。

この結果、ディスプレーサ２２の内部空間を満たしているガスも、ディスプレーサ２２の低温端側に存在するガスと、高温端側に存在するガスとの間で温度差が生じる。ディスプレーサ２２の低温端側に存在するガスは、蓄冷器３８の低温端や膨張空間２８で冷却されるからである。

実施の形態に係る膨張機１３は、ディスプレーサ２２の長手軸が延在する方向（ディスプレーサ２２の往復移動の方向）が水平方向、すなわち重力に対して交差する方向に設置されることがある。この場合、一般に低温のガスは高温のガスよりも重いため、低温のガスがディスプレーサ２２の内部空間の下部に移動し、高温のガスが内部空間の上部に移動する対流が生じる。これにより、ディスプレーサ２２の内部空間に満たされたガスは、ディスプレーサ２２の長手軸に対して交差する方向に、温度勾配が生じる。より具体的には、ディスプレーサ２２の内部空間に満たされたガスのうち、重力に対して下側に存在するガスの方が、上側に存在するガスと比較して、低温となる。

以下、実施の形態に係る膨張機１３は、ディスプレーサ２２の長手軸が延在する方向が水平方向であることを前提とする。このため、重力の方向はディスプレーサ２２の長手軸に対して交差する方向であるものとする。

ディスプレーサ２２の内部空間に満たされたガスに重力方向に温度勾配が生じることにより、ディスプレーサ２２の外周を囲む蓄冷器３８にも、重力方向に温度勾配が生じる。すなわち、重力に対して下側に存在する蓄冷器３８の方が、上側に存在する蓄冷器３８と比較して低温となる。蓄冷器３８の低温端は低温熱交換器３９と熱的に接触して熱交換をするが、場所によって蓄冷器３８の低温端の温度が異なると、熱交換の際に熱損失が発生し、スターリング冷凍機１０の冷凍性能の低下を招く。

そこで実施の形態に係るディスプレーサ２２は、内部空間の中に、ディスプレーサ２２の長手軸に交差する方向に配置された１または複数の対流抑制板４２を収容する。対流抑制板４２によってディスプレーサ２２の内部空間が複数の小部屋に仕切られるため、内部空間全体でガスが対流することが抑制される。対流抑制板４２は、好ましくは長手軸に直交する方向に配置される。

対流抑制板４２は、輻射率が低く、熱伝導率の高い部材であることが好ましい。これは例えばアルミ板によって実現できる。対流抑制板４２は、ディスプレーサ２２の内壁と気密接触することが好ましい。また、重力に対して下側に存在する蓄冷器３８と上側に存在する蓄冷器３８とが、ディスプレーサ２２の壁および対流抑制板４２を介して熱的に接続する。このため、蓄冷器３８において重力方向に温度勾配が生じることも低減できる。

図３（ａ）−（ｂ）は、実施の形態に係る対流抑制板４２の収容位置を説明するための図である。より具体的に、図３（ａ）はディスプレーサ２２が下死点にあるときの様子を示す図であり、図３（ｂ）はディスプレーサ２２が上死点にあるときの様子を示す図である。

図３（ａ）および図３（ｂ）に示すように、対流抑制板４２は、ディスプレーサ２２の往復移動に伴って、蓄冷器３８との相対的な位置関係も変化する。図３（ａ）および図３（ｂ）において、ディスプレーサ２２の収容空間の中間付近に収容されている対流抑制板４２ａは、ディスプレーサ２２が往復移動しても、「蓄冷器３８と対応する位置」に存在する。これに対し、ディスプレーサ２２の収容空間のうち、対流抑制板４２ａよりも高温端側に収容されている対流抑制板４２ｂは、ディスプレーサ２２の位置によっては「蓄冷器３８と対応する位置」から外れる。

例えば図３（ｂ）に示すように、対流抑制板４２ｂは、ディスプレーサ２２が上死点にあるときは、「蓄冷器３８と対応する位置」に存在する。しかしながら、図３（ａ）に示すように、ディスプレーサ２２が下死点にあるときは、対流抑制板４２ｂは、「蓄冷器３８と対応する位置」から外れて「水冷式熱交換器３７と対応する位置」となる。

上述したように、重力に対して下側に存在する蓄冷器３８と上側に存在する蓄冷器３８とが対流抑制板４２を介して熱的に接続することで、蓄冷器３８において重力方向に温度勾配が生じることを低減できる。したがって、対流抑制板４２は、ディスプレーサ２２が往復移動しても「蓄冷器３８と対応する位置」となるように備えられるのが好ましい。対流抑制板４２は、図３（ａ）および図３（ｂ）において、対流抑制板４２ｂの位置ではなく、対流抑制板４２ａのような位置に収容されるのが好ましい。

このように、ディスプレーサ２２の内部空間に対流抑制板４２を設けることにより、内部空間を満たしているガスの対流が低減でき、重力方向にガスの温度勾配が生じることが低減できる。結果として、蓄冷器３８において重力方向に温度勾配が生じることも低減できる。さらに、対流抑制板４２を介して重力方向に対して下側に存在する蓄冷器３８と上側に存在する蓄冷器３８とが熱的に接続する。このことも、蓄冷器３８において重力方向に生じる温度勾配の低減に寄与する。したがって、ディスプレーサ２２は対流抑制板４２を一枚備えるだけでも一定の効果があるが、図２に示すように複数枚備える方が、蓄冷器３８において重力方向に生じる温度勾配の抑制効果が高い。

１または複数の対流抑制板４２によってディスプレーサ２２の内部空間を仕切ることで、内部空間を満たしているガスの対流は低減できる。しかしながら、対流抑制板４２によってディスプレーサ２２の内部空間が複数の小部屋に仕切られたとしても、依然として各小部屋にはガスが存在する。このため、対流抑制板４２でディスプレーサ２２の内部空間を仕切ったとしても、ガスが対流することによる熱損失を完全に抑制することは難しい。また、内部空間を満たしているガスの熱が蓄冷器３８に伝導することで蓄冷器３８の温度が上昇し、熱損失が生じるかもしれない。

そこでディスプレーサ２２は、対流抑制板４２に加えて、ガスの対流を抑制する充填部材を内部空間に収容してもよい。

図４は、別の実施の形態に係るディスプレーサ２２の内部構成を示す模式図である。図４に示すディスプレーサ２２は、対流抑制板４２に加えて、ガスの対流を抑制する充填部材４３も内部空間に収容する。ここで充填部材４３は、対流抑制板４２に挟持されることによって内部空間内に保持される。以下図２に示すディスプレーサ２２の内部構成と重複す部分については、適宜省略または簡略化して説明する。

図４に示すように、異なるふたつの対流抑制板４２の間に充填部材４３を充填することで、対流抑制板４２で仕切られた小部屋内のガスは減少する。ガス自体を減少させることにより、ガスが対流することによる熱損失を抑制することが可能となる。

ここで充填部材４３は、対流抑制板４２と比較してディスプレーサ２２の内部空間に占める割合が大きくなる。このためディスプレーサ２２の重量増加を抑制するために、充填部材４３は比重が小さくなるように構成される。具体的には、充填部材４３は繊維状または網状の部材とすることで実現できる。また、ディスプレーサ２２の内部は、例えば７０Ｋ程度の低温となる場合もあるため、充填部材４３は低温脆性破壊が生じにくい材料で構成される。具体的には、充填部材４３はフッ素系樹脂やアラミド樹脂等の樹脂、軽石（pumice）等を用いて実現できる。充填部材４３はまた、輻射を抑制するために、表面にアルミテープを貼ったり、スパッタリングをしてアルミ膜を蒸着したりしてもよい。

図４に示すディスプレーサ２２は、多数の充填部材４３を対流抑制板４２およびディスプレーサの内壁と接触するように敷き詰め、多層からなる積層構造としている。このように充填部材４３を積層構造とすることによって充填部材４３から蓄冷器３８への熱伝導も低減することができる。

既に述べたように、１または複数の対流抑制板４２の各々は、ディスプレーサ２２の長手軸方向Ｃに交差する平面に沿って、好ましくは長手軸方向Ｃに直交する平面に沿って延在する仕切プレートである。仕切プレートは、ディスプレーサ２２の内部空間を小部屋に分割する。小部屋は各々が気密性を有してもよい。このプレートは、ディスプレーサ２２の内部空間を熱的に架橋するサーマルブリッジとしても働く。仕切プレートは、長手軸方向Ｃに交差する方向（例えば重力方向）にディスプレーサ２２の一方側の側壁から他方側の側壁へとディスプレーサ２２の内部空間に熱的な架橋を形成する。なお重力方向Ｇを図５に例示する。

１または複数の対流抑制板４２の配置は、特に、ディスプレーサ２２の長手軸方向Ｃにおける対流抑制板４２の位置及び対流抑制板４２どうしの間隔は、種々可能である。例えば、図３（ａ）および図３（ｂ）に示されるように、２枚の対流抑制板４２のうち一方がディスプレーサ２２の中温部に位置し、他方がディスプレーサ２２の高温部に位置する。また、図２及び図４に示されるように、対流抑制板４２は、ディスプレーサ２２の長手軸方向Ｃにおいて等間隔に並んでいる。すなわち、対流抑制板４２どうしの隙間はそれぞれ長手軸方向Ｃにおいて等しい幅を有する。

しかし、対流抑制板４２は既述の実施形態とは異なる場所に配置されてもよい。例えば、対流抑制板４２は不等間隔に配置されていてもよい。図５に示されるように、対流抑制板４２は、ディスプレーサ２２の長手軸方向Ｃにおいて膨張空間２８の側で密に並んでいてもよい。よって対流抑制板４２はガス空間３６の側では疎に並んでいてもよい。長手軸方向Ｃにおける対流抑制板４２の最小間隔は最大間隔の例えば半分以下であってもよい。

ディスプレーサ２２は内部空間に、少なくとも３枚（図５においては５枚）の対流抑制板４２を収容する。対流抑制板４２は、膨張空間２８側に位置する第１プレート、中間に位置する第２プレート、及び、ガス空間３６側に位置する第３プレートを含む。これら３つの仕切プレートは長手軸方向Ｃに互いに隣接配置されている。第１プレートと第２プレートとの間に第１小部屋が形成され、第２プレートと第３プレートとの間に第２小部屋が形成される。

長手軸方向Ｃにおける第１小部屋の幅Ｗ１は第２小部屋の幅Ｗ２よりも狭い。第１プレートとこれに膨張空間２８側で隣接する別のプレート（またはディスプレーサ２２の先端部）との間隔は、第１小部屋の幅Ｗ１と等しくてもよいし、または、それより狭くてもよい。第３プレートとこれにガス空間３６側で隣接する別のプレート（またはディスプレーサ２２の基端部）との間隔は、第２小部屋の幅Ｗ２と等しくてもよいし、または、それより広くてもよい。

あるいは、ディスプレーサ２２は内部空間に、２枚の対流抑制板４２を収容してもよい。図３（ａ）および図３（ｂ）に示される実施形態とは逆に、２枚の対流抑制板４２のうち一方がディスプレーサ２２の中温部に位置し、他方がディスプレーサ２２の低温部に位置してもよい。この場合、膨張空間２８側の第１対流抑制板４２とディスプレーサ２２の先端部との間に第１小部屋が形成され、第１及び第２対流抑制板４２間に第２小部屋が形成される。長手軸方向Ｃにおける第１小部屋の幅は第２小部屋の幅よりも狭い。

図５に示される実施形態によると、ディスプレーサ２２の内部空間を膨張空間２８の側で長手軸方向Ｃに細かく分割することができる。このようにして、低温部での対流を、より効果的に抑制することができる。これにより、ディスプレーサ２２内のガスの対流による冷凍性能の低下を抑制することができる。

とくに、低温部は熱容量が小さいので、高温ガス流入による温度上昇など、対流による悪影響を受けやすい。また、図示されるスターリング冷凍機１０の蓄冷器３８における長手軸方向Ｃの温度勾配は、高温部に比べて低温部で大きい（軸方向単位長さあたりの温度差が高温端よりも低温端で大きい）。そのため、低温部のほうが対流が起こりやすい。対流抑制板４２を低温部に密に配列することによって、こうした現象に対処することができる。

そもそも対流は、現場に設置されるスターリング冷凍機の膨張機１３の姿勢、とりわけ膨張機１３の横置き（長手軸方向Ｃを水平方向とする設置）に起因する。本実施形態によれば、対流による冷凍性能の低下が抑制されるので、横置きのみならず任意の姿勢でスターリング冷凍機を設置することができる。

なお、図２ないし図４を参照して説明したのと同様に、図５に示す実施形態においても対流抑制板４２は、「蓄冷器３８と対応する位置」にある。ディスプレーサ２２の往復運動中、対流抑制板４２は、蓄冷器３８に囲まれる円柱状領域に常に位置する。あるいは、少なくとも１つの対流抑制板４２は、「蓄冷器３８と対応する位置」から外れてもよい。少なくとも１つの対流抑制板４２は、ディスプレーサ２２の往復運動の少なくとも一部において上記円柱状領域の外に位置してもよい。例えば、ディスプレーサ２２の先端部に隣接配置される（つまり最も低温側に位置する）対流抑制板４２は、ディスプレーサ２２が上死点にあるとき、「低温熱交換器３９または冷却ステージ２９と対応する位置」にあってもよい。

対流抑制板４２の枚数が多いほどディスプレーサ２２が重くなる。ディスプレーサ２２の軽量化を重視する場合には、対流抑制板４２は、ディスプレーサ２２内で膨張空間２８の側のみに設けられてもよい。この場合、ディスプレーサ２２内にはガス空間３６側に比較的広い空洞が形成される。この空洞には充填部材４３が収容されてもよい。

ある実施形態においては、対流抑制板４２の各々は、開口部４４を有してもよい。ある対流抑制板４２の開口部４４は、その対流抑制板４２の第１側に隣接するディスプレーサ２２の内部空間の第１小部屋を対流抑制板４２の第２側に隣接するディスプレーサ２２の内部空間の第２小部屋に連通する。開口部４４は、ディスプレーサ２２の真空引きを容易にするために設けられているガス抜き穴である。真空引きは、例えば、スターリング冷凍機の膨張機１３の製造時において、ディスプレーサ２２の内部空間から空気を排出するために、行われる。真空引きの後、ディスプレーサ２２の内部空間がスターリング冷凍機の作動ガスで満たされる。こうした開口部４４は、少なくとも１つの対流抑制板４２に設けられていてもよい。

開口部４４は膨張機１３の製造上有利である一方、膨張機１３の使用時において小部屋間にガス対流の通路をもたらしうる。とりわけ、各対流抑制板４２の開口部４４が一直線に並ぶ場合には、そうである。

そこで、図６に示されるように、少なくとも１つの対流抑制板４２は、開口部４４に設けられた対流抑制壁４６を備えてもよい。各対流抑制板４２は、その中心に開口部４４を有する。対流抑制壁４６は、開口部４４の外周から対流抑制板４２の軸方向両側に延びている。対流抑制壁４６は、開口部４４から軸方向片側に延びていてもよい。このようにして、開口部４４を囲む側壁がディスプレーサ２２の中心軸に沿って不連続に延びている。開口部４４が円形である場合、対流抑制壁４６は円筒である。ある対流抑制壁４６とこれに隣接する対流抑制壁４６との軸方向隙間Ｄは、対流抑制板４２の軸方向間隔Ｗの例えば１／４から３／４の範囲にあり、例えば約１／２である。このようにして、開口部４４に側壁を付加することにより、開口部４４を通じた小部屋間のガス対流を効果的に抑制することができる。

対流抑制壁４６に代えて、図７に示されるように、隣り合う開口部４４どうしが異なる場所に形成されていてもよい。すなわち、ある対流抑制板４２の開口部４４とそれに隣接する別の対流抑制板４２の開口部４４とが、ディスプレーサ２２の長手軸に交差する平面（例えば、長手軸に直交する平面）において互いに異なる場所に位置してもよい。このようにしても、開口部４４を通じた小部屋間のガス対流を効果的に抑制することができる。こうした開口部４４のオフセット配置は、とくに、図５を参照して説明した実施形態のように、対流抑制板４２が軸方向に密に並ぶ場合に有効である。なお、ある実施形態においては、開口部４４のオフセット配置と対流抑制壁４６との組み合わせが使用されてもよい。

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、ディスプレーサ２２内におけるガスの対流をより適切に抑制することができる。これにより、ディスプレーサ２２内のガスの対流による冷凍性能の低下も抑制することができる。

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。

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、 ４０ 支持部、 ４２ 対流抑制板、 ４３ 充填部材、 ４４ 開口部、 ４６ 対流抑制壁。

Claims (11)

1. ガスが満たされた内部空間を有するディスプレーサと、
   前記ディスプレーサを往復移動可能に収容する膨張機本体とを備え、
   前記ディスプレーサは、前記ガスの対流を抑制する１または複数の対流抑制板を前記内部空間に収容し、
   前記対流抑制板は、前記ディスプレーサの長手軸に交差する方向に配置されていることを特徴とするスターリング冷凍機。
2. 前記ディスプレーサの外周部において前記ディスプレーサの長手軸を中心軸とする円筒形状の所定の領域に位置するように前記膨張機本体に備えられた蓄冷器をさらに有し、
   前記対流抑制板は、前記ディスプレーサが往復移動しても、前記蓄冷器が位置する所定の領域と対応する位置となるように備えら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。
3. 前記ディスプレーサは、複数の対流抑制板を備え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。
4. 前記対流抑制板は、前記ディスプレーサの内壁と熱的に接し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。
5. 前記ディスプレーサは、前記ガスの対流を抑制する充填部材をさらに備え、
   前記対流抑制板は、前記充填部材を保持することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のスターリング冷凍機。
6. 前記充填部材は、樹脂で構成されていることを特徴とする請求項５に記載のスターリング冷凍機。
7. 前記充填部材は、繊維状または網状の部材であることを特徴とする請求項５または６に記載のスターリング冷凍機。
8. 前記膨張機本体は、前記ディスプレーサとの間に膨張空間を形成し、前記ディスプレーサの長手軸の方向において前記膨張空間と反対側で前記ディスプレーサとの間に圧縮空間を形成し、
   前記ディスプレーサは、前記ディスプレーサの長手軸の方向において前記膨張空間の側で密にかつ前記圧縮空間の側で疎に並ぶ複数の対流抑制板を前記内部空間に収容することを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載のスターリング冷凍機。
9. 少なくとも１つの対流抑制板は、当該対流抑制板の第１側に隣接する前記内部空間の第１小部屋を当該対流抑制板の第２側に隣接する前記内部空間の第２小部屋に連通する開口部を有することを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載のスターリング冷凍機。
10. 前記少なくとも１つの対流抑制板は、前記開口部に設けられた対流抑制壁を備えることを特徴とする請求項９に記載のスターリング冷凍機。
11. ある対流抑制板の開口部とそれに隣接する別の対流抑制板の開口部とが前記ディスプレーサの長手軸に交差する平面において互いに異なる場所に位置することを特徴とする請求項９または１０に記載のスターリング冷凍機。

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