(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダ内部の空間に配設され該空間を圧縮空間と膨張空間とに仕切るピストンおよびディスプレーサを所定の位相差をもって往復運動させることにより前記空間内に封入された作動ガスを前記圧縮空間と前記膨張空間との間で往復させて冷熱を取り出すスターリング冷凍機において、
一端がディスプレーサに固定されピストンを貫通するとともに他端がスプリングを介してシリンダ底部に接続されたディスプレーサロッドと、該ディスプレーサロッドに巻回されたコイルと、該コイルにスターリング冷凍機の駆動周波数で電流を印加する制御回路とで構成された共振周波数調整手段を有し、ディスプレーサの共振周波数をスターリング冷凍機の駆動周波数に合わせるように調整することが可能であることを特徴とするスターリング冷凍機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スターリング冷凍機に係り、特にスターリング冷凍機内部のディスプレーサおよびピストンの運動制御に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、家庭用の電気冷蔵庫などの冷却設備には、蒸気圧縮式の冷凍サイクルを利用して冷熱を発生する方法が採用されている。しかし、この蒸気圧縮式の冷凍サイクルではフロンを作動媒体として使用しているため、冷蔵庫の解体時などに噴出するフロンガスによりオゾン層が破壊され、それによって有害な紫外線がオゾン層を透過して地上へ到達するといった環境問題が心配されている。そこで、このような蒸気圧縮式の冷却サイクルに代わる新しい冷却技術として近年、スターリング冷凍機が注目されている。このスターリング冷凍機は作動ガスとしてヘリウム、水素、窒素といった地球環境へ及ぼす悪影響がフロンに比べて極めて少ないガスを採用し、逆スターリングサイクルとして既知の熱力学的サイクルによって冷却のための冷熱を取り出すものである。
【０００３】
図４は従来のスターリング冷凍機の一例の概略的な断面図である。以下、このスターリング冷凍機の動作について図４を参照して説明する。内部に円筒状の空間を有するシリンダー１の前記空間内にディスプレーサ２およびピストン３を配設することにより、前記空間内に形成された圧縮空間６と膨張空間７との間に蓄冷材８を設けて閉回路を構成し、この閉回路の作動空間にヘリウム等の作動ガスを充填するとともに、前記ピストン３をリニアモータ（図示せず）等の外部動力によって軸方向に振動させる。ピストン３の振動は作動空間（前記圧縮空間６と前記膨張空間７を含む空間）に封入された前記作動ガスに周期的な圧力変化をもたらすとともに、前記蓄冷材８を通過するガスの流量変化によりディスプレーサ２に周期的な軸方向の振動力を生じさせる。
【０００４】
このようにして、ディスプレーサ２は、一端が該ディスプレーサ２に固定されるとともにピストン３を貫通するディスプレーサロッド４の他端とシリンダ底部との間に接続されたスプリング５により、ピストン３と同じ周期でかつ異なった位相でシリンダ１内を軸方向に往復運動することとなる。ディスプレーサ２およびピストン３が適当な位相差を保って運動するとき、前記作動空間封入された作動ガスは逆スターリングサイクルとして既知の熱力学的サイクルを構成し、主として膨張空間７に冷熱を発生する。尚、９は高温側熱交換器であり、圧縮空間６で作動ガスが圧縮されるときに、この高温側熱交換器９を介して外部へ熱を放出する。また、１０は低温側熱交換器であり、膨張空間７で作動ガス膨張されるときに、この低温側熱交換器１０を介して外部から熱を奪う。
【０００５】
以下に、その原理について簡単に説明する。ピストン３により圧縮された圧縮空間６内の作動ガスは蓄冷材８を経由して膨張空間７へ移動する際に、前記蓄冷材８が半サイクル前に蓄えていた冷熱を受け取り予冷される。大部分の作動ガスが膨張空間７に流入すると膨張が始まり、該膨張空間内７に冷熱を発生する。次に、作動ガスは逆の順序で蓄冷材８に冷熱を放出しながら流路を戻り圧縮空間６に入る。このとき、外部から熱を奪い外部を冷却する。そうして、大部分の作動ガスが圧縮空間６に戻ると再び圧縮が始まり次のサイクルに移行する。以上のようなサイクルが連続的に繰り返されることにより極低温の冷熱を得ることができる。従って、シリンダ１の前記膨張空間７側の先端付近に隣接して冷凍室を形成しておけば、該部で得られる冷熱によって前記冷凍室内に貯蔵した食品等の被冷却物を冷却することができる。通常、消費電力を最小とするために、スターリング冷凍機の駆動周波数とピストン３、ディスプレーサ２およびスプリング５からなる振動系の共振周波数を合わせるように設計している。
【０００６】
ところで、上記のような１シリンダ方式のスターリング冷凍機の構成では、大出力を得るために大きな駆動周波数で冷凍機を駆動させる場合、所定の位相差をもって往復運動するディスプレーサ２およびピストン３の振幅が大きくなるため、両者が衝突して破損したりする事故を招く恐れがある。
【０００７】
また、動作中のピストン３やディスプレーサ２がシリンダ１の内周面と接触するのを防ぐため、これらピストン３やディスプレーサ２の支持方法として、図５に示すように気体軸受を用いる場合、スターリング冷凍機の動作状態によっては、必要以上の作動ガスが、図中の矢印の如くピストン３やディスプレーサ２の軸方向の端面の気体軸受１１から流入して側面の気体軸受１２から流出したり、一旦気体軸受１１から流入した作動ガスが逆流して同じ軸受１１から流出したりして、圧縮空間６と膨張空間７との間を移動する作動ガスの流量のバランスが崩れ、スターリング冷凍機の冷却性能が低下する原因となる。
【０００８】
さらに、一度スターリング冷凍機を組み込んでしまうと、ディスプレーサ２の共振周波数等のシリンダ内部の状況を自由に調節することができず、経時的にディスプレーサ２の共振周波数とスターリング冷凍機の駆動周波数との間にずれが生じて所望の冷凍性能が得られなくなるという問題があった。
【０００９】
この問題に対処するため、ディスプレーサの共振周波数やシリンダ内部の作動空間のガス圧等を電気的に制御して前記共振周波数の変動を防止する方法が提案されている。例えば、特開平６−２０７７５７号公報に開示されているスターリングサイクル冷凍機は、図６に示すようにシリンダ１の外周面の一カ所に温度センサ２２を配設し、該温度センサ２２でモニタした温度情報に基づき制御回路２３は必要な電力量を計算してアンプ２４に指令を出し、その指令により該アンプ２４はヒータ２５または冷却ファン２６に電力を供給してシリンダ１の温度調節を行うように構成されている。この制御ループを繰り返すことにより、作動ガスの温度を一定に保ち、作動ガスのばね定数を一定とすることで、ディスプレーサを含む振動系の共振周波数の変動を防止して、ピストン３を動作させるリニアモータの効率の低下を防ぐことが可能となる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平６−２０７７５７号公報の方法では、作動ガスのばね定数を一定に制御することは可能であるものの、作動ガスのばね定数の制御のみで外部動力をもたないディスプレーサ２の共振周波数を充分に調製することはできない。よって、何らかの要因によりスターリング冷凍機の駆動周波数が変化した場合、動作中のピストン３の周期に変化をもたらし、ディスプレーサ２とピストン３との位相差に狂いが生じやすくなるという問題があった。このため、スターリング冷凍機の品質にバラツキが生じ、安定した冷凍性能を得ることが困難であった。
【００１１】
そこで、クランク機構による機械的な動力を用いてディスプレーサとピストンに強制的に位相差をもたせたるようにした方法もいくつか提案されている。しかしながら、このようなクランク機構を用いたスターリン冷凍機では、冷凍機自体の小型化が困難であり、省スペース化を要求される家庭用の冷蔵庫などにこの冷凍機を組み込むのは容積効率上非常に不利である。また、作動ガスのリークを防止するために作動空間の気密性を充分に確保しなければならず、このため、このようなスターリング冷凍機の構成部品の大部分はわずかな寸法や形状の狂いも許されず、加工の際に極めて高い精密度を要求されるのを免れ得なかった。この結果、製造コストの削減が困難であった。
【００１２】
本発明は上記従来の問題点に鑑みてなされたものであり、ディスプレーサとピストンとの衝突を容易に防止できるとともに、冷凍機の駆動周波数と振動系の共振周波数とを一致させることにより冷凍機を組み込んだ後からでも、ディスプレーサとピストンとの位相差を常に最適値付近で調製することができ、安定した冷却性能を得ることのできる省スペースなスターリング冷凍機を低コストで供給することを目的とする。
【００１３】
【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では、シリンダ内部の空間に配設され該空間を圧縮空間と膨張空間とに仕切るピストンおよびディスプレーサを所定の位相差をもって往復運動させることにより前記空間内に封入された作動ガスを前記圧縮空間と前記膨張空間との間で往復させて冷熱を取り出すスターリング冷凍機において、
一端がディスプレーサに固定されピストンを貫通するとともに他端がスプリングを介してシリンダ底部に接続されたディスプレーサロッドと、該ディスプレーサロッドに巻回されたコイルと、該コイルにスターリング冷凍機の駆動周波数で電流を印加する制御回路とで構成された共振周波数調整手段を有し、ディスプレーサの共振周波数をスターリング冷凍機の駆動周波数に合わせるように調整することが可能であることを特徴とする。
【００１５】
この構成によると、スターリング冷凍機の駆動周波数とディスプレーサの共振周波数との間にずれが生じた場合に、ディスプレーサの共振周波数をスターリング冷凍機の駆動周波数に積極的に合わせに行き、両者のずれを修正することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
＜第１の実施形態＞
本発明の第１の実施形態について図面を参照して説明する。図１は本発明の第１の実施形態に係るスターリング冷凍機の一例の概略的な断面図である。尚、図１において、図４に示す従来のスターリング冷凍機と共通の部材には同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。図１に示すように、高温側熱交換器９と低温側熱交換器１０には、それぞれ熱電対等からなる温度センサ１３が取り付けられており、該温度センサ１３により検出された前記熱交換器の温度情報は制御回路１５に送られる。制御回路１５は送られてきた温度情報に基づき、必要に応じて圧縮空間６内に配設された可動部材１４をシリンダ１の内周面に沿って摺動させる。この可動部材１４は、シリンダ１内周面に設けられたガイドレール（図示せず）によってシリンダ１の軸方向に対する移動が案内され、圧縮空間６から膨張空間７へ向かう作動ガスの流路の入り口である高温側熱交換器９の開口部に近づけたり、該開口部から遠ざけたりできるようになっている。
【００２０】
図１において、４はアルミニウム等の金属材料で形成されたディスプレーサロッドであり、該ディスプレーサロッド４を芯としてコイル１６が巻回形成されている。このコイル１６にスターリング冷凍機の駆動周波数で制御回路１７から電流を印加することにより、動作中のディスプレーサ２に、該ディスプレーサ２の運動方向に対して正の力あるいは負の力を与えてディスプレーサ２の共振周波数を変化させる。これにより、スターリング冷凍機の駆動周波数とディスプレーサ２の共振周波数との間にずれが生じた場合やスターリング冷凍機の駆動周波数を変化させる場合でも、前記共振周波数を前記駆動周波数に容易に一致させて、ディスプレーサ２とピストン３の位相差を常に最適値付近で制御することができる。その結果、常時安定して所望の冷凍性能を得ることができる。
【００２２】
＜第３の実施形態＞
本発明の第３の実施形態について図面を参照して説明する。図３は本発明の第３の実施形態に係るスターリング冷凍機の一例の要部拡大図である。図３に示すように内部が中空になったピストン３の周囲を成す軸方向の端面および側面にはそれぞれ弁構造体２０、気体軸受２１が設けられている。これらの弁構造体２０、気体軸受２１は前記中空部分に連通するとともにピストン３の外周面から伸び相対的に小さな断面形状を有する円筒状の空洞とピストン３の内周面から伸び相対的に大きな断面形状を有する円筒状の空洞とが略中央部で連続的に結合した連通孔２０ａ，２１ａと、該連通孔に挿入され前記相対的に小さな断面形状よりわずかに大きな外径を有する球体２０ｂ，２１ｂとからなり、前記連通孔の開口部を通気性を有するメッシュ状の金網２０ｃ，２１ｃで覆った構成となっている。
【００２３】
以下、このピストンの動作について図３を参照して説明する。スターリング冷凍機を駆動させると、リニアモータ（図示せず）によりピストン３が所定の周期で往復運動する。このとき、図中の矢印Ａで示すようにピストンの軸方向の端面の弁構造体２０からピストン３内部へ作動ガスが流入する。そして、この作動ガスは矢印Ｂで示すようにピストン３内部の中空部分を通過してピストン３の側面の気体軸受２１から流出する（矢印Ｃ）。これにより、ピストン３はシリンダ１の内周面との間に一定の間隔を保って動作するので、ピストン３がシリンダ１の内周面と接触して摩耗したりすることを防止できる。
【００２４】
ところで、弁構造体２０、気体軸受２１を通過する作動ガスの流量は、これら弁構造体２０、気体軸受２１の球体２０ｂ，２１ｂの大きさや重量を変えることにより調整することができる。例えば、ピストン３端面の弁構造体２０の球体２０ｂの重さを比較的軽くしておくと、作動ガスは矢印Ａの如く一方向からしか弁構造体２０を通過できず、逆流防止の機能をもつ弁として作用する。一方、ピストン３側面の気体軸受２１の球体２１ｂの重さを比較的重くしておくと、ある流速に達するまでは作動ガスが前記球体２１ｂを押し上げて連通孔をふさぐ力よりも前記球体２１ｂの重力が打ち勝つので、作動ガスは連通孔の相対的に大きい開口側から気体軸受２１を通過することができる。よって、上述した作動ガスの流入・流出のバランスがうまくとれるように弁構造体２０、気体軸受２１を調整することにより、作動空間のガス圧の大幅な変動を防止でき、スターリング冷凍機の冷凍性能の劣化を防ぐことが可能となる。尚、本実施形態ではピストンに弁構造体や気体軸受を設ける場合について説明したが、ディスプレーサにこれらを設けてもよい。この場合は、スターリング冷凍機の冷凍性能の劣化をさらに効果的に防止できる。
【００２５】
【発明の効果】
以上説明したように本発明に係るスターリング冷凍機によると、ディスプレーサの共振周波数を前記駆動周波数に合わせることが可能な機構をディスプレーサに設けたことにより、安定して所望の冷凍性能を得ることが可能なスターリング冷凍機を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るスターリング冷凍機の一例の概略的な断面図である。
【図２】本発明の第２の実施形態に係るスターリング冷凍機の一例の概略的な断面図である。
【図３】本発明の第３の実施形態に係るスターリング冷凍機の一例の要部拡大図である。
【図４】従来のスターリング冷凍機の一例の概略的な断面図である。
【図５】そのスターリング冷凍機の要部拡大図である。
【図６】従来のスターリング冷凍機の他の例の断面図である。
【符号の説明】
１    シリンダ
２    ディスプレーサ
３    ピストン
４    ディスプレーサロッド
５    スプリング
６    圧縮空間
７    膨張空間
８    蓄冷材
９    高温側熱交換器
１０  低温側熱交換器
１１，１２  気体軸受
１３  温度センサ
１４  可動部材
１５，１７，１９  制御回路
１６  コイル
１８  電磁石
２０  弁構造体
２１  気体軸受
【図１】
0003620578.tif 000002
【図２】
0003620578.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
0003620578.tif 000006
【図６】
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