(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部にヘリウムガスが充填された第１圧力容器と、
該第１圧力容器内に配置された第１シリンダと、
該第１シリンダ内を往復運動するピストンと、
前記第１圧力容器に対して端面同士が相互に突き合わされた状態で連結されており、内部にヘリウムガスが充填された第２圧力容器と、
該第２の圧力容器内に配置されており、前記第１シリンダとは同心状態で連通する第２シリンダと、
前記ピストンが前記第１シリンダ内を往復運動することによって、該第２シリンダ内を往復運動するように設けられたディスプレーサとを備え、
該ディスプレーサが前記第２シリンダ内を往復運動することにより、前記第２圧力容器内のヘリウムガスが一定周期で圧縮および膨張を繰り返し、それにより低温が発生するスターリング冷凍機であって、
ヘリウムガスが前記第１圧力容器よりも高圧な状態で封入された補助容器と、
前記第１圧力容器の内部と該補助容器の内部とを連通する連結路と、
該補助容器から該第１圧力容器へのヘリウムガスの通流を制御するべく該連絡路に設けられた制御弁と、
を有することを特徴とするスターリング冷凍機。
【請求項２】
前記第１圧力容器内の平均圧力が予め設定された下限値Ｐｂ１よりも小さい場合に、前記制御弁によって前記補助容器から前記第１圧力容器へヘリウムガスが通流され、前記第１圧力容器内の平均圧力が予め設定された基準値Ｐｂ２になると、前記制御弁によって前記補助容器から前記第１圧力容器へのヘリウムガスの通流が遮断されるようになっており、前記第１圧力容器内の平均圧力と前記補助容器内の圧力との差が予め設定された基準値に達せずに、該基準値よりも小さくなった場合に、前記制御弁によって前記補助容器から前記第１圧力容器へのヘリウムガスの通流が遮断される請求項１記載のスターリング冷凍機。
【請求項３】
前記第１圧力容器内の平均圧力と前記補助容器内の圧力との差が前記設定値より小さい場合に、所定の信号が出力される請求項２記載のスターリング冷凍機。
【請求項４】
予め設定された基準時間における前記補助容器内のヘリウムガスの圧力変化量が設定値より大きい場合に、所定の信号が出力される請求項１記載のスターリング冷凍機。
【請求項５】
予め設定された基準時間における前記補助容器から前記第１圧力容器へのヘリウムガスの流量が設定値より大きい場合に、所定の信号が出力される請求項１記載のスターリング冷凍機。
【請求項６】
予め設定された基準時間における前記第１圧力容器内のヘリウムガスの圧力変化が設定値より大きい場合に、所定の信号が出力される請求項１記載のスターリング冷凍機。
【請求項７】
前記第１圧力容器内の平均圧力が、予め設定された下限値よりも小さい場合に、前記制御弁によって前記補助容器から前記第１圧力容器へヘリウムガスが通流され、前記平均圧力が基準値に達すると、前記制御弁が閉鎖される、請求項１に記載の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、低温の発生に用いられるスターリング冷凍機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
低温の発生を目的とした往復駆動式のスターリング冷凍機は、熱サイクル的には逆スターリングサイクルエンジンとも呼ばれている。
【０００３】
図８は、従来のスターリング冷凍機の概略構成を示す断面図である。このスターリング冷凍機は、第１圧力容器１１と、この第１圧力容器１１に同軸状態で連結された第２圧力容器１２とを有している。第１圧力容器１１および第２圧力容器１２は、一方の端面１１ａおよび１２ａ同士が相互に突き合わされて同心状態で連結されており、各端面１１ａおよび１２ａに設けられた貫通孔１３によって、それぞれの内部同士が連通している。
【０００４】
第１圧力容器１１の内部には、第１シリンダ１４が貫通孔１３と同心状態で設けられており、また、第２圧力容器１２の内部にも、第２シリンダ１５が、貫通孔１３と同心状態で設けられている。第１圧力容器１１内に設けられた第１シリンダ１４は、第１圧力容器１１の端面１１ａに固定されており、第２シリンダ１５は、第２圧力容器１２の各端面１２ａおよび１２ｂとは適当な間隔をあけた状態で配置されている。
【０００５】
また、第１シリンダ１４の内部には、ピストン１６が摺動可能に配置されている。ピストン１６と、第１圧力容器１１におけるピストン１６が対向した端面１１ｂとは、ピストンスプリング１７によって連結されている。
【０００６】
第２圧力容器１２内に配置された第２シリンダ１５の内部には、ディスプレーサ１８のディスプレーサ本体部１８ａが摺動可能に配置されている。ディスプレーサ１８の軸心部には、第１シリンダ１４内に配置されたピストン１６の軸心部を挿通するロッド部１８ｂが設けられている。そして、ロッド部１８ｂの先端部と、ピストンスプリング１７が取り付けられた第１圧力容器１１の端面１１ｂとは、ディスプレーサスプリング１９によって連結されている。
【０００７】
第２圧力容器１２の内部には、作動空間２１が形成されている。作動空間は、第２シリンダ１５内を摺動するディスプレーサ本体１８ａと第１シリンダ１４内を摺動するピストン１６との間の圧縮空間２１ａと、ディスプレーサ本体１８ａと第２圧力容器１２における端面１２ｂに設けられたコールドヘッド１２ｃとの間の膨張空間２１ｂとによって構成されている。
【０００８】
圧縮空間２１ａと膨張空間２１ｂとは、第２圧力容器１２の周面と第２シリンダとの間に設けられた再生器２２によって連結されている。再生器２２は、メッシュ形状の銅材等によって構成されている。
【０００９】
第１圧力容器１１および第２圧力容器１２は、充填されたヘリウムがそれぞれ外部に漏洩しないように、Ｏリング等のシール部材によって、あるいは、溶接等の方法によって、それぞれシールされている。
【００１０】
このような構成のスターリング冷凍機の動作について説明する。ピストンスプリング１７が連結されたピストン１６が、リニアモーター等のピストン駆動装置（図示せず）によって、第１シリンダ１４内を、一定の周期によって往復駆動されると、圧縮空間２１ａ内の作動媒体であるヘリウムガスが、一定の周期で、圧縮と膨張とを繰り返す。これにより、ディスプレーサ１８は、ピストン１６の往復運動に連動する第１圧力容器１１および第２圧力容器１２内のヘリウムガスの圧力変動によって、第２シリンダ１５内を一定の周期で往復運動される。
【００１１】
ディスプレーサ１８の往復運動の周期は、ピストン１６の往復運動の周期と同一であり、所定の位相差（通常９０度）になるように、各構成部の形状、ガス圧等が設計されている。このようにして、ディスプレーサ１８が往復運動すると、膨張空間２１ｂにおいてヘリウムガスが膨張し、これにより、コールドヘッド１２ｃが冷却され、低温が生成される。
【００１２】
スターリング冷凍機の作動媒体であるヘリウムには、運転時の圧力として、熱力学的及び運動力学的に最適値が存在する。この最適運転圧力は、冷凍機を高効率にて運転するために重要であり、任意な圧力による運転では適正な運転性能は得られない。
【００１３】
図９は、ヘリウムの圧力と、スターリング冷凍機の冷凍能力を示すＣＯＰ値（Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ  Ｏｆ  Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ）との関係を示すグラフである。ＣＯＰ値が最大となるガス圧Ｃ１に対して適当な上限値（充填基準圧力）Ｐｂ２および下限値（安定境界下限値）Ｐｂ１を設定して、ヘリウムの圧力をその範囲内に設定することにより、高効率にて運転される。従って、スターリング冷凍機を長時間にわたって効率よく運転するには、圧力容器内のヘリウムの圧力を、常時、上限値Ｐｂ２と下限値Ｐｂ１との範囲内に保つことが望ましい。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
第１および第２の圧力容器１１および１２内に作動媒体として充填されるヘリウムは、比熱が大きく不活性であり、スターリング冷凍機の冷凍能力を高めるために、通常、２０気圧以上の高圧なガス状態で使用される。ヘリウムは、近年問題化している地球温暖化、オゾン層破壊等の要因にならないなど、環境面でも好適な物質である。ヘリウムよりも分子径が小さな水素は、比熱が非常に大きいが、爆発の危険性も大きく、スターリング冷凍機の作動媒体としてはほとんど使用されていない。このように、ヘリウムは、スターリング冷凍機の作動媒体として、今後も、さらに使用されると考えられる。
【００１５】
しかしながら、ヘリウムは水素に次いで分子径が小さいために、圧力容器内から外部に漏洩し易いという問題がある。圧力容器のシールの方法はＯリング等のシール部材の使用や圧力容器の溶接などの方法が用いられるが、圧力容器からのガス漏洩はこれらシール部のシール不良から生ずる場合が多い。ヘリウム以外のガスに対しては気密性が得られる場合でも、ヘリウムを用いた場合にはその分子径が小さいために、シール部から、または圧力容器の壁のピンホール等から直接外部に漏洩することがある。このように、ヘリウムは、スターリング冷凍機の作動媒体として、熱的特性および環境面からは非常に有利である反面、漏洩の危険性が高い物質と言える。
【００１６】
上述のように、スターリング冷凍機の運転においては、圧力容器内のヘリウムの圧力を所定の範囲内に保つことが望ましいが、ヘリウムが圧力容器から漏洩し易い物質であるために、スターリング冷凍機を長期間にわたって運転させると、ヘリウムが圧力容器の外部へ漏洩し、圧力容器内のヘリウムの圧力が、運転に好適な圧力の下限値Ｐｂ１よりも低下するおそれがあり、長期間にわたって高効率で運転することができないおそれがある。
【００１７】
本発明は、このような問題を解決するものであり、その目的は、長時間にわたる運転においても、圧力容器内の作動媒体圧力を安定的に維持することができ、高効率で低温を発生させることができるスターリング冷凍機を提供することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明のスターリング冷凍機は、内部にヘリウムガスが充填された第１圧力容器と、
該第１圧力容器内に配置された第１シリンダと、該第１シリンダ内を往復運動するピストンと、前記第１圧力容器に対して端面同士が相互に突き合わされた状態で連結されており、内部にヘリウムガスが充填された第２圧力容器と、該第２の圧力容器内に配置されており、前記第１シリンダとは同心状態で連通する第２シリンダと、前記ピストンが前記第１シリンダ内を往復運動することによって、該第２シリンダ内を往復運動するように設けられたディスプレーサとを備え、該ディスプレーサが前記第２シリンダ内を往復運動することにより、前記第２圧力容器内のヘリウムガスが一定周期で圧縮および膨張を繰り返し、それにより低温が発生するスターリング冷凍機であって、ヘリウムガスが前記第１圧力容器よりも高圧な状態で封入された補助容器と、前記第１圧力容器の内部と該補助容器の内部とを連通する連結路と、該補助容器から該第１圧力容器へのヘリウムガスの通流を制御するべく該連絡路に設けられた制御弁と、を有することを特徴とする。
好ましくは、前記第１圧力容器内の平均圧力が予め設定された下限値Ｐｂ１よりも小さい場合に、前記制御弁によって前記補助容器から前記第１圧力容器へヘリウムガスが通流され、前記第１圧力容器内の平均圧力が予め設定された基準値Ｐｂ２になると、前記制御弁によって前記補助容器から前記第１圧力容器へのヘリウムガスの通流が遮断されるようになっており、前記第１圧力容器内の平均圧力と前記補助容器内の圧力との差が予め設定された基準値に達せずに、該基準値よりも小さくなった場合に、前記制御弁によって前記補助容器から前記第１圧力容器へのヘリウムガスの通流が遮断される。
好ましくは、前記第１圧力容器内の平均圧力と前記補助容器内の圧力との差が前記設定値より小さい場合に、所定の信号が出力される。
好ましくは、予め設定された基準時間における前記補助容器内のヘリウムガスの圧力変化量が設定値より大きい場合に、所定の信号が出力される。
好ましくは、予め設定された基準時間における前記補助容器から前記第１圧力容器へのヘリウムガスの流量が設定値より大きい場合に、所定の信号が出力される。
好ましくは、予め設定された基準時間における前記第１圧力容器内のヘリウムガスの圧力変化が設定値より大きい場合に、所定の信号が出力される。
好ましくは、前記第１圧力容器内の平均圧力が、予め設定された下限値よりも小さい場合に、前記制御弁によって前記補助容器から前記第１圧力容器へヘリウムガスが通流され、前記平均圧力が基準値に達すると、前記制御弁が閉鎖される。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００２４】
（実施の形態１）
図１は、本発明のスターリング冷凍機の実施の形態の一例を示す概略構成図である。このスターリング冷凍機は、第１圧力容器１１と、この第１圧力容器１１に同軸状態で連結された第２圧力容器１２とを有している。第１圧力容器１１および第２圧力容器１２は、一方の端面１１ａおよび１２ａ同士が相互に突き合わされて同心状態で連結されており、各端面１１ａおよび１２ａに設けられた貫通孔１３によって、それぞれの内部同士が連通している。
【００２５】
第１圧力容器１１の内部には、第１シリンダ１４が貫通孔１３と同心状態で設けられており、また、第２圧力容器１２の内部には、第２シリンダ１５が、貫通孔１３と同心状態で設けられている。第１圧力容器１１内に設けられた第１シリンダ１４は、第１圧力容器１１の端面１１ａに固定されており、第２シリンダ１５は、第２圧力容器１２の各端面１２ａおよび１２ｂとは適当な間隔をあけた状態で配置されている。
【００２６】
また、第１シリンダ１４の内部には、ピストン１６が摺動可能に配置されている。ピストン１６と、第１圧力容器１１におけるピストン１６が対向する端面１１ｂとは、ピストンスプリング１７によって連結されている。
【００２７】
第２圧力容器１２内に配置された第２シリンダ１５の内部には、ディスプレーサ１８のディスプレーサ本体部１８ａが摺動可能に配置されている。ディスプレーサ１８の軸心部には、第１シリンダ１４内に配置されたピストン１６の軸心部を挿通するロッド部１８ｂが摺動可能に設けられている。そして、ロッド部１８ｂの先端部と、ピストンスプリング１７が取り付けられた第１圧力容器１１の端面１１ｂとは、ディスプレーサスプリング１９によって連結されている。
【００２８】
第２圧力容器１２の内部には、作動空間２１が形成されている。作動空間２１は、第２シリンダ１５内を摺動するディスプレーサ本体１８ａと第１シリンダ１４内を摺動するピストン１６との間の圧縮空間２１ａと、ディスプレーサ本体１８ａと第２圧力容器１２における端面１２ｂに設けられたコールドヘッド１２ｃとの間の膨張空間２１ｂとによって構成されている。
【００２９】
圧縮空間２１ａと膨張空間２１ｂとは、第２圧力容器１２の周面と第２シリンダとの間に設けられた再生器２２によって連結されている。再生器２２は、メッシュ形状の銅材等によって構成されている。
【００３０】
第１圧力容器１１の内部は、第１シリンダ１４内を摺動するピストン１６に対して背面空間２３になっており、第１圧力容器１１には、背面空間２３の圧力を検出する第１圧力計２４が設けられている。
【００３１】
なお、以下本文中において、第１圧力容器１１内のガス圧とは上記背面空間内のガス圧と同意である。
【００３２】
第１圧力容器１１の外周面には、補助容器２５が設けられている。この補助容器２５の内部は、第１圧力容器１１の内部と、連結路２６によって連通されており、連結路２６には、この連結路２６内を通流する作動媒体の流量を調節する制御弁２７が設けられている。補助容器２５には、内部の圧力を測定する第２圧力計２８が設けられている。
【００３３】
第１圧力容器１１および第２圧力容器１２内には、作動媒体として、２０〜３０気圧程度のへリウムが、ガス状態で充填されている。また、補助容器２５内には、第１および第２の圧力容器１１および１２内に充填されたヘリウムガスよりも高圧（例えば、３５〜５０気圧）のヘリウムがガス状態で充填されている。そして、第１圧力容器１１、第２圧力容器１２、補助容器２５は、充填されたヘリウムがそれぞれ外部に漏洩しないように、Ｏリング等のシール部材によって、あるいは、溶接等の方法によって、それぞれシールされている。
【００３４】
本構成では、第１シリンダ１４と第２シリンダ１５との２つによってシリンダを構成したが、圧縮空間２１ａと再生器２２との間のガス流路を形成する一体のシリンダとすることも可能である。
【００３５】
このような構成のスターリング冷凍機の動作について説明する。ピストンスプリング１９が連結されたピストン１６が、リニアモーター等のピストン駆動装置（図示せず）によって、第１シリンダ１４内を、一定の周期によって往復駆動されると、圧縮空間２１ａ内の作動媒体であるヘリウムガスが、一定の周期で、圧縮と膨張とを繰り返す。これにより、ディスプレーサ１８は、ピストン１６の往復運動に連動する第１圧力容器１１および第２圧力容器１２内のヘリウムガスの圧力変動によって、第２シリンダ１５内を一定の周期で往復運動する。
【００３６】
ディスプレーサ１８の往復運動の周期は、ピストン１６の往復運動の周期と同一であり、所定の位相差（通常９０度）になるように、各構成部の形状、ガス圧等が設計されている。このようにして、ディスプレーサ１８が往復運動すると、膨張空間２１ｂにおいてヘリウムガスが膨張することにより、コールドヘッド１２ｃが冷却され、低温が生成される。
【００３７】
ヘリウムガスは、ピストン１６およびディスプレーサ１８の往復運動によって作動空間２１内が一定の周期で圧縮と膨張とを繰り返すことにより、作動空間２１内の圧力が一定の周期で変動する。この場合、背面空間２３内のヘリウムガスもピストン１６の往復運動に連動して、わずかに圧縮および膨張を繰り返し、背面空間２３の圧力も、一定の周期で変動し、その圧力変動が、第１圧力容器１１に設けられた第１圧力計２４によって検出される。
【００３８】
第１圧力容器１１内の背面空間２３のヘリウムガスの圧力の変動状態を図２に示す。第１圧力容器１１の内部の圧力の変動の振幅Ｐｄは、往復運動するピストン１６の振幅変化に追従するが、第１圧力容器１１内の温度条件が一定の場合には、その振幅の中心値は、第１圧力容器１１内に充填されているヘリウムのガス圧のみに依存する。この第１圧力容器１１の内部の圧力の振幅中心の圧力、すなわち、振幅中心圧力をＰａｖｅとする。
【００３９】
この振幅中心圧力Ｐａｖｅは、第１圧力容器１１内に充填されているヘリウムの全体のガス圧（平均）が一定の場合には一定となり、第１圧力容器１１内全体のガス圧の増減に伴って、増減する。第１圧力容器１１内の温度条件が一定の場合には、第１圧力容器１１全体のガス圧は、第１圧力容器１１内に存在しているガスの質量に比例する。従って、第１圧力容器１１内のヘリウムが外部に漏洩している場合には、第１圧力容器１１内に存在しているヘリウムの質量が減少するために、温度条件が一定であれば、第１圧力容器１１のガス圧が減少し、振幅平均圧力Ｐａｖｅも低下する。その結果、スターリング冷凍機の運転時においては、第１圧力計２４の測定値に基づいて、変動する第１圧力容器１１内のヘリウムの振幅中心ガス圧Ｐａｖｅをモニターすることにより、ヘリウムの漏洩を検知することができる。
【００４０】
図３は、本発明のスターリング冷凍機の第１圧力容器１１内の圧力制御の手順を示すフローチャートである。この場合、初期条件として、第１圧力容器１１内（背面空間２４内）全体のヘリウムのガス圧力を、振幅中心ガス圧Ｐａｖｅの安定境界下限値Ｐｂ１および充填基準圧力Ｐｂ２を予め設定する。そして、スターリング冷凍機を高効率で運転するために、第１圧力容器１１には、設定された充填基準圧力Ｐｂ２となるように、ヘリウムが初期充填されている。
【００４１】
この制御では、まず、第１圧力容器１１に設けられた第１圧力計１１により、第１圧力容器１１内のヘリウムのガス圧Ｐａを測定する（図３のステップＳ１参照、以下同様）。この場合、第１圧力容器１１内のヘリウムのガス圧は、ピストン１６の往復によって、一定周期で変動しており、第１圧力計１１によって測定されたガス圧力Ｐａの平均値が、振幅中心ガス圧Ｐａｖｅとして算出される（ステップＳ２）。
【００４２】
振幅中心ガス圧Ｐａｖｅが算出されると、その算出された振幅中心ガス圧Ｐａｖｅが、予め設定された振幅中心ガス圧の安定境界下限値Ｐｂ１と比較される（ステップＳ３）。そして、算出された振幅中心ガス圧Ｐａｖｅが安定境界下限値Ｐｂ１よりも大きくなっている場合（Ｐａｖｅ＞Ｐｂ１）には、ステップＳ１へ戻る。これに対して、算出された振幅中心ガス圧Ｐａｖｅが安定境界下限値Ｐｂ１の場合（Ｐａｖｅ≦Ｐｂ１）には、制御弁２７を開放する（ステップＳ４）。これにより、補助容器１２内のヘリウムが、連結路２６を通って第１圧力容器１１内に流入し、背面空間２３の圧力が上昇する。従って、第１圧力計２４の測定値に基づいて算出される振幅中心ガス圧Ｐａｖｅも上昇するとになる。
【００４３】
このようにして、第１圧力容器１１内の圧力が上昇することによって、算出される振幅中心ガス圧Ｐａｖｅが上昇し、その振幅中心ガス圧Ｐａｖｅが、予め設定された振幅中心ガス圧の充填基準圧力Ｐｂ２と比較される（ステップＳ５）。そして、振幅中心ガス圧Ｐａｖｅが、充填基準圧力Ｐｂ２に等しくなると（Ｐａｖｅ＝Ｐｂ２）、制御弁２７が閉鎖される（ステップＳ６）。
【００４４】
このような制御が繰り返されることによって、第１圧力容器１１内のヘリウムが、何らかの原因で外部に漏洩して、振幅中心ガス圧Ｐａｖｅが低下すると、補助容器２５内から第１圧力容器１１内にヘリウムが補充され、第１圧力容器１１内の圧力低下が防止される。その結果、第１圧力容器１１内の背面空間２３における振幅中心圧力Ｐａｖｅは、予め設定された充填基準圧力Ｐｂ２と安定境界下限値Ｐｂ１との間に制御される
なお、本実施の形態では、振幅中心圧力Ｐａｖｅが安定境界下限値Ｐｂ１になると、制御弁２７を開放、振幅中心圧力Ｐａｖｅが充填基準圧力Ｐｂ２になると制御弁２７を閉鎖するように構成して、補助容器２５から第１圧力容器１１内ヘのリウムの通流を、オン−オフ制御する構成としたが、振幅中心圧力Ｐａｖｅが、スターリング冷凍機の運転効率が最大となる最適圧力値Ｐｂに常に維持されるように、制御弁２７の開度を可変制御する構成としても良い。
【００４５】
（実施の形態２）
本実施の形態２では、図１に示すスターリング冷凍機において、第１圧力容器１１内の圧力と補助容器２５内の圧力との圧力差が設定圧力差より小さい場合に、制御弁２７により、補助容器２５から第１圧力容器１１へのヘリウムの通流を遮断するように制御しており、その制御の手順を図４にフローチャートとして示す。
【００４６】
この場合、ヘリウムが補助容器２５内から制御弁２７を介して第１圧力容器１１内へ円滑に流入できるように、補助容器２５の内部圧力と第１圧力容器１１の内部圧力との圧力差の基準値が、基準圧力差△Ｐｃ１として、予め設定されている。
【００４７】
本実施の形態では、まず、補助容器２５内の圧力Ｐｃが、補助容器２５に設けられた第２圧力計２８によって測定される（図４のステップＳ１１参照、以下同様）。また、第１圧力容器１１に設けられた第１圧力計１１により、第１圧力容器１１内のヘリウムのガス圧Ｐａを測定し（ステップＳ１２）、その平均値が、振幅中心ガス圧Ｐａｖｅとして算出される（ステップＳ１３）。
【００４８】
そして、測定された補助容器２５の内部圧力Ｐｃと、算出された振幅中心ガス圧Ｐａｖｅとの差が、圧力差△Ｐｃとして演算され（ステップＳ１４）、演算された圧力差△Ｐｃが、予め設定された基準圧力差△Ｐｃ１と比較される（ステップＳ１５）。この場合、圧力差△Ｐｃが、基準圧力差△Ｐｃ１以上になっているに場合（△Ｐｃ≧△Ｐｃ１）に、算出された振幅中心ガス圧Ｐａｖｅが、振幅中心ガス圧の安定境界下限値Ｐｂ１と比較される（ステップＳ１６）。
【００４９】
そして、算出された振幅中心ガス圧Ｐａｖｅが安定境界下限値Ｐｂ１の場合（Ｐａｖｅ≦Ｐｂ１）には、制御弁２７を開放し（ステップＳ１７）、補助容器１２内のヘリウムを、連結路２６を通って第１圧力容器１１内に流入させる。その後、第１圧力計２４の測定値に基づいて演算される振幅中心ガス圧Ｐａｖｅを、予め設定された振幅中心ガス圧の充填基準圧力Ｐｂ２と比較し（ステップＳ１８）、振幅中心ガス圧Ｐａｖｅが、充填基準圧力Ｐｂ２に等しくなると（Ｐａｖｅ＝Ｐｂ２）、制御弁２７を閉鎖する（ステップＳ１９）。
【００５０】
このように、第１圧力容器１１からヘリウムが漏洩することによって、補助容器２５内から第１圧力容器１１内にヘリウムが補充され、これにより、補助容器２５内のヘリウム量が減少して、補助容器１２内の圧力が低下する。第１圧力容器１１からのヘリウムの漏洩が継続的な場合、補助容器２５内のヘリウム量が減少し続けるため、補助容器１２内の圧力も低下し続けることになり、最終的には、補助容器２５内の圧力は、振幅中心ガス圧Ｐａｖｅの充填基準圧力Ｐｂ２以下になる。その結果、第１圧力容器１１内においても振幅中心ガス圧Ｐａｖｅが充填基準圧力Ｐｂ２を上回らなくなる。
【００５１】
この場合、第１圧力容器１１内の圧力と補助容器２５内の圧力との圧力差△Ｐｃが減少し続けて、圧力差△Ｐｃが設定圧力差△Ｐｃ１より小さくなると、制御弁２７が遮断されるようになっている。このために、制御弁２７が、常時、解放されることによって、第１圧力容器１１の内部と補助容器２５の内部とが連通して、背面空間２３の容積が補助容器２５の容積分だけ増加するというおそれがない。スターリング冷凍機では、冷凍能力と運転効率とを考慮して、背面空間２３の容積を設計しているために、このように、背面空間２３の容積が増加することを回避することによって、スターリング冷凍機の冷凍能力と運転効率の低下を防止することができる。
【００５２】
（実施の形態３）
本実施の形態３におけるスターリング冷凍機では、図５示すフローチャートに基づいて圧力制御を実施するようになつている。図５に示すように、補助容器２５の内部圧力と第１圧力容器１１の内部圧力との圧力差△Ｐｃが、基準圧力差△Ｐｃ１を下回った場合に（ステップＳ１５）、スターリング冷凍機の外部に対して、補助容器２５の内部圧力と第１圧力容器１１の内部圧力との圧力差△Ｐｃが、基準圧力差△Ｐｃ１を下回ることによって制御弁２７が閉鎖されたことを示す信号を送るとともに（ステップＳ２０）、制御弁２７を閉鎖する（ステップＳ１９）。
【００５３】
このように、制御弁２７が閉鎖されたことを示す信号が出力されると、例えば、警報ランプの点灯等によって、制御弁２７が閉鎖されたことが報知される。これにより、補助容器２５内へのヘリウムの補充等が実施されることになる。
【００５４】
（実施の形態４）
図６は、本実施の形態４における制御の手順を示すフローチャートである。本実施の形態では、補助容器２５内のヘリウムのガス圧の変化量が、設定基準変化量より大きい場合、スターリング冷凍機外部に対して、第１圧力容器１１に、ヘリウムの異常な漏洩が発生している信号を発するようになっている。
【００５５】
この場合、補助容器２５内のヘリウムの圧力の基準時間当たりの低下量が、△Ｘｄとして予め設定されている。この基準圧力低下量△Ｘｄは、設計時において想定される第１圧力容器１１からのヘリウムの外部への不可避的な漏洩量に基づいて設定される。
【００５６】
本実施の形態４では、まず、補助容器２５内のヘリウムの圧力Ｐｃが、補助容器２５に設けられた第２圧力計２８によって測定され（図６のステップＳ２１参照、以下同様）、基準時間当たりの補助容器１２内のヘリウムの圧力の低下量△Ｘｃを算出する（ステップＳ２２）。そして、補助容器２５内の作動媒体圧力の低下量△Ｘｃが、予め設定された基準圧力低下量△Ｘｄと比較され（ステップＳ２３）、補助容器２５内のヘリウムの圧力の低下量△Ｘｃが、基準圧力低下量△Ｘｄ以上になっている場合には（△Ｘｃ≧△Ｘｄ）、そのことを示す信号が外部に出力される（ステップＳ２４）。補助容器２５内のヘリウムの圧力の低下量△Ｘｃが、基準圧力低下量△Ｘｄよりも小さくなっている場合には、実施の形態３と同様に、第１圧力容器１１内の圧力が検出されて（ステップＳ１２）、以下、図５に示すフローチャートと同様の手順で制御されるために、図５に示すフローチャートのステップと同様の符号を付して説明を省略する。
【００５７】
補助容器２５内のヘリウムの圧力の低下量△Ｘｃが、基準圧力低下量△Ｘｄより大きく、このまま放置すれば、第１圧力容器１１内のヘリウムの圧力は低下し続けるために、最終的には、振幅中心ガス圧の安定境界下限値Ｐｂ１以下になる。本実施の形態では、第１圧力容器１１内のヘリウムの圧力が、振幅中心ガス圧の安定境界下限値Ｐｂ１以下になることがより早く認識することができ、従って、スターリング冷凍機の運転効率が著しく低下し、冷凍能力の不足、最悪の場合、ピストン、ディスプレーサ等のスターリング冷凍機内部構造体の破損等の重大な問題の発生をより確実に防止することができる。
【００５８】
さらに、第１圧力容器１１からの漏洩量が大きいことの認識から、第１圧力容器１１のシール等の早期の点検および補修を実施することができる。
【００５９】
（実施の形態５）
図７は、本実施形態５における制御の手順を示すフローチャートである。
【００６０】
本実施の形態５では、連結路２６に流量計（図示せず）を設けて、スターリング冷凍機の第１圧力容器１１内のヘリウムの漏洩が不可避である場合に、その漏洩量を十分補充できるように、補助容器の体積を設計する。この場合、補助容器２５から第１圧力容器１１への基準時間当たりヘリウムの補充流量△Ｘｄが予め設定されている。この△Ｘｄは、設計時に想定される第１圧力容器１１から外部への不可避的漏洩量に基づいて設定される。
【００６１】
本実施の形態では、まず、補助容器２５内の圧力Ｐｃが、補助容器２５に設けられた第２圧力計２８によって測定される（図７のステップＳ１１参照、以下同様）。また、第１圧力容器１１に設けられた第１圧力計１１により、第１圧力容器１１内のヘリウムのガス圧Ｐａを測定し（ステップＳ１２）、その平均値が、振幅中心ガス圧Ｐａｖｅとして算出される（ステップＳ１３）。
【００６２】
そして、測定された補助容器２５の内部圧力Ｐｃと、算出された振幅中心ガス圧Ｐａｖｅとの差が、圧力差△Ｐｃとして演算され（ステップＳ１４）、演算された圧力差△Ｐｃが、予め設定された基準圧力差△Ｐｃ１と比較される（ステップＳ１５）。
【００６３】
圧力差△Ｐｃが、基準圧力差△Ｐｃ１を下回っている場合（△Ｐｃ＜△Ｐｃ１）には、スターリング冷凍機の外部に対して、補助容器２５の内部圧力と第１圧力容器１１の内部圧力との圧力差△Ｐｃが、基準圧力差△Ｐｃ１を下回ることによって制御弁２７が閉鎖されることを示す信号を出力するとともに（ステップＳ２０）、制御弁２７を閉鎖するようになっている（ステップＳ１９）。
【００６４】
これに対して、圧力差△Ｐｃが、基準圧力差△Ｐｃ１以上になっているに場合（△Ｐｃ≧△Ｐｃ１）には、算出された振幅中心ガス圧Ｐａｖｅが、振幅中心ガス圧の安定境界下限値Ｐｂ１と比較される（ステップＳ１６）。
【００６５】
算出された振幅中心ガス圧Ｐａｖｅが安定境界下限値Ｐｂ１の場合（Ｐａｖｅ≦Ｐｂ１）には、制御弁２７を開放し（ステップＳ１７）、補助容器１２内のヘリウムを、連結路２６を通って第１圧力容器１１内に流入させる。
【００６６】
その後、補助容器２５に設けられた流量計に基づいて、第１圧力容器１１内に補充されたヘリウムの流量が測定され（ステップＳ３１）、測定されたヘリウムの補充量に基づいて、基準時間当りの補充されたヘリウムの流量△Ｘａを算出する（ステップＳ３２）。算出された基準時間当りの補充ヘリウム流量△Ｘａが、予め設定された基準時間当りのヘリウムの基準流量△Ｘｂと比較され、基準時間当りの補充ヘリウム流量△Ｘａが、基準時間当りのヘリウムの基準流量△Ｘｂ以上になっている場合には（△Ｘａ≧△Ｘｂ）、そのことを示す信号が外部に出力される（ステップＳ３４）。
【００６７】
これに対して、基準時間当りの補充ヘリウム流量△Ｘａが、基準時間当りのヘリウムの基準流量△Ｘｂよりも小さくなっている場合（△Ｘａ＜△Ｘｂ）には、第１圧力計２４の測定値に基づいて演算される振幅中心ガス圧Ｐａｖｅを、予め設定された振幅中心ガス圧の充填基準圧力Ｐｂ２と比較し（ステップＳ１８）、振幅中心ガス圧Ｐａｖｅが、充填基準圧力Ｐｂ２に等しくなると（Ｐａｖｅ＝Ｐｂ２）、制御弁２７が閉鎖される（ステップＳ１９）。
【００６８】
このように、補充されるヘリウムガスの流量△Ｘａが基準ヘリウムガス流量△Ｘｂより大きい場合には、そのことを示す信号が出力されるために、スターリング冷凍機の運転効率が著しく低下して、冷凍能力の不足、最悪の場合、ピストン、ディスプレーサ等のスターリング冷凍機内部構造体の破損等の重大な問題が発生することをより確実に回避することができる。
【００６９】
さらに、第１圧力容器１１からの漏洩量が大きいことの認識から、第１圧力容器１１のシール等の早期の点検および補修を行うことができる。
【００７０】
【発明の効果】
本発明のスターリング冷凍機は、このように、補助容器内に封入された作動媒体が、制御弁によって、圧力容器に通流されるようになっているために、圧力容器内の作動媒体の圧力の低下を防止することができ、低温発生効率が低下することを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のスターリング冷凍機の実施の形態の一例を示す概略断面図である。
【図２】そのスターリング冷凍機の動作説明のための圧力陽気内のガス圧力の変化を示すグラフである。
【図３】そのスターリング冷凍機の動作の一例を示すフローチャートである。
【図４】そのスターリング冷凍機の動作の他の例を示すフローチャートである。
【図５】そのスターリング冷凍機の動作のさらに他の例を示すフローチャートである。
【図６】そのスターリング冷凍機の動作のさらに他の例を示すフローチャートである。
【図７】そのスターリング冷凍機の動作のさらに他の例を示すフローチャートである。
【図８】従来のスターリング冷凍機の概略構成を示す断面図である。
【図９】スターリング冷凍機における圧力容器内の作動媒体のガス圧とＣＯＰとの関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１１  第１圧力容器
１２  第２圧力容器
１４  第１シリンダ
１５  第２シリンダ
１６  ピストン
１７  ピストンスプリング
１８  ディスプレーサ
１９  ディスプレーサスプリング
２４  第１圧力計
２５  補助容器
２６  連結路
２７  制御弁
２８  第２圧力計
【図１】
0003615446.tif 000002
【図２】
0003615446.tif 000003
【図３】
0003615446.tif 000004
【図４】
0003615446.tif 000005
【図５】
0003615446.tif 000006
【図６】
0003615446.tif 000007
【図７】
0003615446.tif 000008
【図８】
0003615446.tif 000009
【図９】
0003615446.tif 000010