(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
作動媒体が充填された圧力容器内に設けられたシリンダーと、
該シリンダー内を往復運動可能なピストンと、
該ピストンの該シリンダー内での往復運動に伴って、該圧力容器と該シリンダーとで構成される空間のうちの作動空間内で圧縮および膨張を繰り返す作動媒体の圧力変化によって駆動されるディスプレーサとを備え、
該ピストンと該ディスプレーサの少なくとも一端が各々スプリング部材に支持されているスターリング冷凍機であって、
該スプリング部材の破損を検出する破損検出手段を設けたことを特徴とするスターリング冷凍機。
【請求項２】
前記破損検出手段が前記スプリング部材表面に固定した歪みゲージにて構成されている請求項１に記載のスターリング冷凍機。
【請求項３】
前記破損検出手段は、前記スプリング部材に検知電流を流し、該スプリング部材に流れる電流値の変化を検出することにより該スプリング部材の破損を検出する請求項１に記載のスターリング冷凍機。
【請求項４】
前記破損検出手段は、前記スプリング表面に固定した通電手段を備え、該通電手段に流れる電流値の変化を検出することにより該スプリング部材の破損を検出する請求項１に記載のスターリング冷凍機。
【請求項５】
前記破損検出手段が機械式スイッチにて構成され、前記スプリング部材が破損した場合にその破損部によりスイッチが押されるように配置されている請求項１に記載のスターリング冷凍機。
【請求項６】
前記破損検出手段が前記スプリング部材の異常変位を検出可能な変位センサーにて構成されている請求項１に記載のスターリング冷凍機。
【請求項７】
前記破損検出手段が前記スプリング部材の異常加速度を検出可能な加速度センサーにて構成されている請求項１に記載のスターリング冷凍機。
【請求項８】
前記破損検出手段は、前記ピストンの駆動電流をモニターし、該駆動電流の波形変化を検出することにより該スプリング部材の破損を検出する請求項１に記載のスターリング冷凍機。
【請求項９】
前記破損検出手段によって前記スプリング部材の異常を検出した場合に、運転を停止させるように構成されている請求項１乃至請求項８のいずれか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、冷熱の発生のために用いられるスターリング冷凍機に関し、特に、ピストンやディスプレーサの少なくとも一端に固定されたスプリング部材の破損を検出して信頼性を高めることが可能なスターリング冷凍機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
冷熱の発生を目的としたフリーピストン型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称され、従来から知られている。
【０００３】
図１２は、従来のスターリング冷凍機の構成例を説明するための断面図である。このスターリング冷凍機においては、ヘリウム、水素または窒素等の作動媒体が充填されて密閉された圧力容器４にシリンダー３が固定されている。ピストン１とディスプレーサ２とは同軸上に構成され、シリンダー３の内周壁面３ａを往復摺動可能に配されている。ディスプレーサ２のロッド２ａはピストン１の中心部に設けられた摺動孔１ａを貫通しており、ピストン１とディスプレーサ２はシリンダー３の内周壁面３ａを滑らかに摺動可能である。
【０００４】
ピストン１はピストン支持バネ（ピストンスプリング）６によって圧力容器４に対して弾性支持され、ディスプレーサ２はディスプレーサ支持バネ（ディスプレーサスプリング）５によって圧力容器４に対して弾性支持されている。
【０００５】
圧力容器４とシリンダー３により構成される空間は、ピストン１により二つの空間に分割されている。一つはピストン１のディスプレーサ２側である作動空間７であり、もう一つはピストン１のディスプレーサ２側とは反対側である背面空間８である。
【０００６】
作動空間７は、ディスプレーサ２によりさらに二つの空間に分割されている。一つはピストン１とディスプレーサ２に挟まれた圧縮空間７ａであり、もう一つはシリンダー３の先端部の膨張空間７ｂである。この二つの空間７ａ、７ｂは、一般にメッシュ形状の銅材等からなる再生器９を介して連結されている。また、背面空間８はシリンダー３のピストン１が挿入された側を取り囲むように形成されている。
【０００７】
ピストン１は、背面空間８に形成されたリニアモーター等のピストン駆動体（図示せず）により所定周期で往復運動する。これにより、圧力容器４内に充填された作動媒体が作動空間７内で圧縮および膨張され、ディスプレーサ２が作動空間７内で圧縮および膨張される作動媒体の圧力変化により往復運動する。このとき、ピストン１とディスプレーサ２とが一般に約９０度の位相差をもって同一周期にて往復運動するように、ディスプレーサスプリング５等は設計されている。そして、膨張空間７ｂにおいて作動媒体を膨張させることにより、シリンダー３の先端部のコールドヘッド１０に冷熱を発生させる。なお、このような構成の冷凍機を用いた逆スターリング熱サイクルについては一般に良く知られているので、ここでは詳細な説明を省略する。
【０００８】
上述したように、ピストン１の一端はピストンスプリング６に固定され、ディスプレーサ２の一端はディスプレーサスプリング５に固定されている。一般に、このような構成のスターリング冷凍機の場合、リニアモーター等のピストン駆動体（図示せず）により往復駆動されるピストン１の駆動周波数は、数十Ｈｚであることが多く、ディスプレーサ２もピストン１と同一周波数で駆動される。
【０００９】
図１３に、一般的な金属スプリングについて、繰り返し曲げ回数と繰り返し曲げ応力の大きさの関係（Ｓ−Ｎ曲線）を示す。ここで、スプリングの持つ繰り返し曲げ許容応力をσｍａｘとし、スプリングの変位量がＸ１のときにスプリングにかかる最大曲げ応力をσＸ１（σＸ１＞σｍａｘ）とすると、このスプリングを変位量Ｘ１にて繰り返し曲げた場合、Ｎ１回の繰り返し曲げ回数にて破損することになる。従って、繰り返し曲げ回数に関わらずにスプリングの破損を防ぐためには、最大変位時の最大曲げ応力σＸがスプリング材料の持つ繰り返し曲げ許容応力σｍａｘ以下となるように設定することが必要である。スプリングの設計時に、通常は有限要素解析（ＦＥＭ解析）等によりスプリングにかかる最大曲げ応力σＸを見積もる。
【００１０】
一方、スプリングは、プレス加工やレーザー加工、ワイヤーカット放電加工等により製作される。この加工時に、仮にスプリングの加工面や表面に小さな傷が入ってしまった場合、その傷の部分に応力が集中し、設計時に想定したスプリング材料の持つ繰り返し曲げ許容応力σｍａｘを超えた値となることがある。このような場合には、スプリングをある繰り返し曲げ回数だけ使用したときに、スプリングが破損してしまう。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
図１４（ａ）はスプリング形状の一例を示す平面図であり、図１４（ｂ）はスプリングに可動体が固定された状態を示す側面図である。このスプリング１９は板バネ形状であり、二本のアーム部１９ａ、１９ｂからなる。スプリング１９の外周部１９ｃはスプリング固定部１２に固定され、中央部１９ｄにはピストンやディスプレーサ等の可動体１８が固定されている。上記アーム部のアーム数や形状は、必要とされるバネ定数や最大曲げ応力σＸの大きさによって決定される。なお、図１４（ｂ）は、ピストンおよびディスプレーサをモデル化して単純な円筒形状で表したものであり、ピストンやディスプレーサに、スプリング１９の中央部１９ｄ（穴）に固定して位置決めするための突出部を有する構成が一般的である。
【００１２】
ここで、スプリング１９が位置Ｐ１において破損した場合について考える。スプリング１９が破損したことにより、二本のアーム部のうちの一本１９ａはスプリングとして働かない。従って、中央部１９ｄに固定された可動体１８はもう一本のアーム部１９ｂのみにより支持されていることになる。
【００１３】
上述したように、ピストンやディスプレーサはシリンダー内を往復運動する。ここで、スプリングが破損していない場合には、二本のアーム部１９ａ、１９ｂが同時に作用することにより、可動体１８が変位した際にスプリング１９から可動体１８に加わる力の方向が可動体１８の運動方向（シリンダーの軸方向）Ｘとほぼ一致する。このため、可動体１８がスムーズにシリンダー内を往復運動することができる。
【００１４】
ところが、スプリング１９ａが破損した場合には、可動体１８が変位した際にスプリング１９から可動体１８に加わる力の方向が可動体１８の運動方向Ｘとは異なる。一本のアーム部１９ｂのみがスプリングとして可動体１８に作用するため、変位した可動体１８をシリンダー内壁に押しつけるような力がスプリング１９から働く。このため、スプリングが破損した状態で冷凍機の運転を継続した場合には、例えば可動体であるピストンとシリンダーとが強い力で接触し、接触時の摩耗粉等によりピストンがシリンダーに食い込んだり、焼き付きを起こす等が生じ、可動部の正しい運動が阻害される。また、最悪の場合には、摩擦熱等により冷凍機内部が破損するといった重大な問題を引き起こすおそれがあった。
【００１５】
本発明は、このような従来技術の課題を解決するためになされたものであり、スプリングが破損した場合でも、スプリングの破損を検知して冷凍機内部を破損させる等の重大な問題を防ぐことができる信頼性の高いスターリング冷凍機を提供することを目的とする。
【００１６】
【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、作動媒体が充填された圧力容器内に設けられたシリンダーと、該シリンダー内を往復運動可能なピストンと、該ピストンの該シリンダー内での往復運動に伴って、該圧力容器と該シリンダーとで構成される空間のうちの作動空間内で圧縮および膨張を繰り返す作動媒体の圧力変化によって駆動されるディスプレーサとを備え、該ピストンと該ディスプレーサの少なくとも一端が各々スプリング部材に支持されているスターリング冷凍機であって、該スプリング部材の破損を検出する破損検出手段を設けたことを特徴とし、そのことにより上記目的が達成される。
【００１７】
前記破損検出手段が前記スプリング部材表面に固定した歪みゲージにて構成されていてもよい。
【００１８】
前記破損検出手段は、前記スプリング部材に検知電流を流し、該スプリング部材に流れる電流値の変化を検出することにより該スプリング部材の破損を検出するものであってもよい。
【００１９】
前記破損検出手段は、前記スプリング表面に固定した通電手段を備え、該通電手段に流れる電流値の変化を検出することにより該スプリング部材の破損を検出するものであってもよい。
【００２０】
前記破損検出手段が機械式スイッチにて構成され、前記スプリング部材が破損した場合にその破損部によりスイッチが押されるように配置されていてもよい。
【００２１】
前記破損検出手段が前記スプリング部材の異常変位を検出可能な変位センサーにて構成されていてもよい。
【００２２】
前記破損検出手段が前記スプリング部材の異常加速度を検出可能な加速度センサーにて構成されていてもよい。
【００２３】
前記破損検出手段は、前記ピストンの駆動電流をモニターし、該駆動電流の波形変化を検出することにより該スプリング部材の破損を検出するものであってもよい。
【００２４】
前記破損検出手段によって前記スプリング部材の異常を検出した場合に、運転を停止させるように構成されているのが好ましい。
【００２５】
以下、本発明の作用について説明する。
【００２６】
本発明にあっては、ピストンやディスプレーサの少なくとも一端に固定されたスプリング部材に破損が生じた場合に、破損検出手段によって検出することができ、さらに、スプリング部材の異常を検出した場合に、スターリング冷凍機の運転を停止させることができる。よって、スプリング部材に破損が生じた場合でも、従来のスターリング冷凍機のように内部に重大なダメージを生じさせることがなく、信頼性を高めることが可能である。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本発明は、これによって限定されるものではない。また、以下の図において、従来技術と同じ機能を有する部分については同じ符号を付して説明を省略する。
【００２８】
（実施の形態１）
図１は本発明の一実施形態であるスターリング冷凍機の構成を説明するための断面図である。このスターリング冷凍機には、スプリング部材（ピストンスプリング６、ディスプレーサスプリング５）の破損を検出する破損検出手段１１が設けられている。それ以外の構成は図１２に示した従来のスターリング冷凍機と基本的に同様である。
【００２９】
図２（ａ）は本実施形態のスターリング冷凍機におけるピストンスプリング６および破損検出手段を示す平面図であり、図２（ｂ）はピストンスプリング６にピストン１が固定された状態を示す側面図である。このピストンスプリング６は板バネ形状であり、二本のアーム部６ａ、６ｂからなる。ピストンスプリング６の外周部６ｃは、シリンダー３または圧力容器４と一体的に結合されたスプリング固定部１２に固定され、中央部６ｄには可動体であるピストン１が固定されている。
【００３０】
各アーム部６ａ、６ｂの外周側付け根部には、破損検出手段として歪みゲージ１１ａがスプリング表面に貼り付けられており、スターリング冷凍機外部の制御回路（図示せず）と接続されている。ピストン１が変位すると、ピストンスプリング６の歪みゲージ貼り付け部も微小に変位するため、歪みゲージによってその変位量を検出することができる。なお、歪みゲージの動作原理については、一般に良く知られているので、ここでは説明を省略する。
【００３１】
このように構成されたスターリング冷凍機が運転状態のときに、ピストンスプリング６の中央部６ｄに固定されたピストン１は、リニアモーター等のピストン駆動体（図示せず）によりシリンダー３内を往復駆動されている。そして、ピストン変位が正弦波波形を示す場合、歪みゲージ出力も同じ正弦波波形を示す。図３（ａ）にピストンの変位波形の一例を示し、図３（ｂ）に歪みゲージの出力波形の一例を示す。
【００３２】
図４はピストンスプリング６の一部６ｅが何らかの原因で破損した状態を示す斜視図である。例えば、ピストンスプリング製作時の微小傷等によりアーム部の一部に曲げ応力が集中し、材料が持つ許容曲げ応力を超えた結果、破損に至ることが考えられる。このような場合には、上記歪みゲージ１１ａがピストンスプリング６のアーム部６ｂの外周側付け根部に貼り付けられており、アーム部６ｂが破損するとこの歪みゲージ貼り付け部６ｆが変位しなくなるため、歪みゲージ出力信号波形もほぼゼロ変位を示す。本来、歪みゲージはピストン変位波形と同一の波形出力を示すべきものであるのに、ほぼゼロ出力を示すことによって、ピストンスプリングに破損等の異常が発生したことを検出することができる。
【００３３】
このように、破損検出手段１１（本実施形態では歪みゲージ１１ａ）を設けることにより、ピストンスプリングの異常を直ちに検出することができるようになる。なお、本実施形態では二つの歪みゲージをピストンスプリングのアーム部に貼り付けているため、両方の歪みゲージの出力波形を比較して、その出力波形に差が生じた場合にピストンスプリングに異常が発生したと判断することも可能である。
【００３４】
なお、上記説明においては、ピストンやディスプレーサの可動部の一端にスプリングを設ける構成としたが、可動部の両端にスプリングを設けて、各スプリングに破損検出手段を設ける構成とすることも可能である。
【００３５】
（実施の形態２）
図５は本実施形態のスターリング冷凍機におけるピストンスプリングおよび破損検出手段を示す平面図である。このピストンスプリング６は、スプリング両端６ｇがスプリング固定部に固定されている。二本のアーム部６ａ、６ｂの外周側付け根部には破損検出手段としてスプリングに直接通電するための電極１３ａ、１３ｂが形成されており、スターリング冷凍機外部の制御回路（図示せず）と接続されている。
【００３６】
スプリング６の材質が導電性材料である場合には、スプリング６に所定の電圧をかけることで電極１３ａ、１３ｂ間に微小検知電流を流すことができる。両電極１３ａ、１３ｂ間の電気抵抗値は一定であるため、スターリング冷凍機が運転状態のときに、ピストンがシリンダー内を往復運動している際にも、その電流値はほぼ一定の値を示す。
【００３７】
ここで、ピストンスプリング６のアーム部６ｂの一部が何らかの原因で破損した場合、上記電極１３ａ、１３ｂ間の配線が切断されたのと同じことになるため、上記微小検知電流が流れなくなる。従って、上記電極１３ａ、１３ｂ間の検知電流の大きさを測定することによって、ピストンスプリングが破損したか否かを判断することができる。
【００３８】
（実施の形態３）
図６は本実施形態のスターリング冷凍機におけるピストンスプリングおよび破損検出手段を示す平面図である。このピストンスプリング６の表面には、ピストンスプリング６のアーム部６ａ、６ｂの形状に沿って薄膜状の通電手段１４が貼り付けられ、通電手段１４の一端に二つの電極１４ａ、１４ｂが形成されている。両電極１４ａ、１４ｂはアーム部６ａ、６ｂの形状に沿って往復するように結線１４ｃされており、スターリング冷凍機外部の制御回路（図示せず）とも接続されている。
【００３９】
各通電手段１４の電極１４ａ、１４ｂ間に外部の制御回路から微小検知電流を流すと、スターリング冷凍機が運転状態のときに、ピストンがシリンダー内を往復運動している際にも、その電流値はほぼ一定の値を示す。
【００４０】
ここで、ピストンスプリング６のアーム部の一部が何らかの原因で破損した場合、上記通電手段１４の配線も同時に切断され、上記微小検知電流が流れなくなる。従って、上記電極１４ａ、１４ｂ間の検知電流の大きさを測定することによって、ピストンスプリングが破損したか否かを判断することができる。
【００４１】
（実施の形態４）
図７は本実施形態のスターリング冷凍機における破損検出手段を説明するための側面図である。ここでは、破損検出手段として、スプリング６の異常変位を検出する機械式（メカ）スイッチ１５が設けられている。
【００４２】
ここで示した機械式スイッチ１５は、一般にプッシュスイッチと称されており、スイッチの検出部である可動バー１５ａをスイッチ本体側に押し込むことにより動作し、非常に安価に作製することができる。機械式スイッチ１５はシリンダーまたは圧力容器と一体的に結合されたスプリング固定部１２に固定され、その信号線はスターリング冷凍機外部の制御回路（図示せず）と接続されている。
【００４３】
一般に、スプリングの設計時には、有限要素解析を行ってスプリングに最も大きな曲げ応力がかかる位置とその大きさを見積もる。この解析結果から、万一スプリングが破損すると仮定した場合に、その破損する可能性が高い位置も容易に予測することができる。上記スイッチ検出部（可動バー）１５ａは、有限要素解析によるスプリングアーム部の破損予測位置６ｈよりも内周側の位置６ｋに向かい合うように、ピストンスプリング中央部に固定されたピストン１がスプリングの最大出力運転時に最も大きく往復運動した際のアーム部の最大変位位置よりもわずかに隙間を開けて設置されている。
【００４４】
ここで、ピストンスプリング６がアーム部の破損予測位置６ｈで破損した場合、上記スイッチ検出部１５ａが配されたアーム部の位置６ｋは破損前と比較して大きく変位する。これにより、上記スイッチ検出部である可動バー１５ａが大きく変位したアーム部に押されて機械式スイッチ１５のスイッチが入る。このように、機械式スイッチにて破損検出手段を構成することにより、ピストンスプリングが破損したか否かを非常に安価かつ容易に判断することができる。
【００４５】
（実施の形態５）
図８は本実施形態のスターリング冷凍機における破損検出手段を説明するための側面図である。ここでは、破損検出手段として、スプリング６の異常変位を検出する変位センサー１６が設けられている。
【００４６】
ここで示した変位センサー１６は、一般に反射型フォトインタプラタと称される光学的変位センサーである。この変位センサー１６はシリンダーまたは圧力容器と一体的に結合されたスプリング固定部１２に固定され、その信号線はスターリング冷凍機外部の制御回路（図示せず）と接続されている。
【００４７】
この反射型フォトインタプラタの本体には、発光素子１６ａと受光素子１６ｂとが隣接してパッケージ内に設置されており、発光素子１６ａから発せられた光１６ｃが被測定物に反射され、その反射光１６ｄを受光素子１６ｂで検出することにより被測定物の位置を検出することができる。
【００４８】
この変位センサー１６は、ピストンスプリングのアーム部の外周側付け根部６ｉの変位を検出できるように配置されている。ピストンスプリング６の中央部に固定されたピストン１が往復運動している際に、ピストンスプリング６のアーム付け根部６ｉも僅かであるが変位している。上記反射型フォトインタプラタは被測定物の変位に対する分解能が非常に高いセンサーであり、連続的に変位しているアーム付け根部６ｉの変位検出を容易に行うことができる。
【００４９】
ここで、ピストンスプリング６の一部が何らかの原因で破損した場合、本来検出されるべきスプリングアーム付け根部６ｉの変位が検出されなくなったり、または、通常とは大きく異なる変位信号が検出される。従って、反射型フォトインタプラタ等の変位センサーにて破損検出手段を構成することにより、ピストンスプリングが破損したか否かを容易に判断することができる。
【００５０】
（実施の形態６）
図９は本実施形態のスターリング冷凍機における破損検出手段を説明するための側面図である。ここでは、破損検出手段として、スプリング６の異常加速度を検出する加速度センサー１７が設けられている。この加速度センサーとしては、例えば圧電素子型の加速度センサーを用いることができる。
【００５１】
この加速度センサー１７は、ピストンスプリング中央部のピストン１との結合部６ｊに固定され、スターリング冷凍機外部の制御回路（図示せず）と接続されている。
【００５２】
ピストン１が往復運動している際には、その運動状態に合わせた加速度が加速度センサー１７により検出される。ピストン変位が正弦波波形を示す場合には、加速度センサー出力波形は、位相差はあるものの同じ正弦波波形を示す。
【００５３】
ここで、ピストンスプリング６のアーム部の一部が何らかの原因で破損した場合、その破損した際の衝撃が、通常運転時に検出される加速度の大きさよりもはるかに大きな値として加速度センサー１７により検出される。さらに、ピストンスプリング６の形状が図２（ａ）に示したような二本のアーム部にて形成されている場合、シリンダー内を往復運動するピストン１に対して本来二本のアーム部によってバランス良くスプリングの力がピストン１に作用している。
【００５４】
ところが、スプリングアーム部の一部が破損すると、１本のアーム部のみがスプリングとしてピストン１に作用するため、ピストン１とシリンダーの内壁面に押し付けるような力が働く。このため、スプリング６が破損した状態では、ピストン１の正常な運動が阻害され、その結果、ピストン１と一体的に固定された加速度センサー１７の出力波形にも、本来あるべき波形とは異なった加速度信号が検出される。このように、加速度センサーにて破損検出手段を構成することにより、ピストンスプリングが破損したか否かを容易に判断することができる。さらに、同様にして、ＡＥ（Ａｃｏｕｓｔｉｃ  Ｅｍｉｓｓｉｏｎ）センサーにて破損検出手段を構成することも可能である。
【００５５】
（実施の形態７）
図１０は本実施形態のスターリング冷凍機における破損検出手段を説明するためのフローチャートである。ここでは、ピストンの駆動電流をモニターし、その電流波形の変化を検出する駆動電流モニター手段をスプリングの破損検出手段としてステップに組み込んでいる。
【００５６】
ピストンスプリングの中央部に固定されたピストンは、例えばリニアモーター等のピストン駆動体によりシリンダー内を往復駆動されている。このリニアモーターの駆動力は、リニアモーターを構成する巻回されたコイルへの印加電流の大きさや、電流波形によって制御される。
【００５７】
ピストン駆動波形発生器（ステップＳ１）から発生された信号に従って、駆動電流発生器（ステップＳ２）から出力された駆動電流がコイルに流され、リニアモーターにピストン駆動力が発生する。このピストン駆動力によりピストンが駆動され（ステップＳ３）、駆動電流波形がモニターされる（ステップＳ４）。駆動波形発生器から発せられる信号が正弦波波形である場合、本実施形態のスターリング冷凍機が正常な状態で運転されていれば、モニターされる駆動電流波形も正弦波波形を示す。
【００５８】
ところで、ピストンが運動する際には、その移動速度に比例した大きさの逆起電力がコイルに発生している。ここで、ピストンスプリングのアーム部の一部が何らかの原因で破損した場合、上述したようにピストンがシリンダーの内壁面に押しつけられて擦りながら往復運動する。そして、ピストンとシリンダー内壁面との間に大きな摩擦力を発生させながらピストンが変位し、その摩擦力の大きさも常に一定ではないために、ピストンの変位波形は本来の正弦波の形状が歪んだ波形となる。このようにピストンの運動が不安定になることによる影響を大きく受けた結果、コイルに発生する逆起電力の大きさも不規則な値となるため、モニターされる駆動電流波形が本来あるべき波形と異なり、その正弦波の形状が歪んだ波形が検出される。そこで、モニターされる駆動電流波形と本来あるべき基準波形とを比較し（ステップＳ５）、両者の波形が異なっていれば、ピストンスプリングに破損等の異常が発生したことを検出することができる。
【００５９】
このように、ピストンの駆動電流をモニターし、その電流波形の変化を検出する駆動電流モニター手段をスプリングの破損検出手段として用いることにより、ピストンスプリングが破損したか否かを判断することができる。
【００６０】
なお、上記実施の形態１〜実施の形態７において、上記アーム部のアーム数や形状は、必要とされるバネ定数や最大曲げ応力の大きさによって決定される。よって、破損検出手段の配置位置についても上述したものに限られず、スプリングに応じて最適な位置を設定することができる。また、上記実施の形態１〜実施の形態７においてはピストンスプリングの破損を検出する方法について説明したが、ディスプレーサスプリングについても同様に検出することができる。
【００６１】
（実施の形態８）
図１１は本実施形態のスターリング冷凍機において、破損検出手段によりスプリングの異常を検知した際に、スターリング冷凍機の運転を停止させるステップを組み込んだフローチャートである。なお、本実施形態において、スプリングの破損検出手段による検出方法は、例えば上記実施の形態１〜実施の形態７にて説明したような方法を用いることができる。
【００６２】
ピストン駆動波形発生器（ステップＳ１）から発生された信号に従って、駆動電流発生器（ステップＳ２）から出力された駆動電流がコイルに流され、発生した駆動力によりピストンが駆動される（ステップＳ３）。スプリング破損検出手段によりスプリングの異常の有無が確認され（ステップＳ７）、異常が無い場合には（Ｎｏ）、継続してピストンが駆動される。一方、スプリング破損検出手段によりスプリングの異常の有無が確認され（ステップＳ７）、異常が検出された場合には（Ｙｅｓ）、ピストン駆動波形発生器の出力が停止され（ステップＳ８）、スターリング冷凍機の運転が緊急停止される（ステップＳ９）。
【００６３】
このようなスターリング冷凍機の運転フローを組むことにより、スプリングが破損した場合においても、ピストンとシリンダーの異常な摩耗を防いで冷凍機内部を破損させる等の重大な問題を生じさせる前に運転を緊急停止させることができるので、信頼性の高いスターリング冷凍機を得ることができる。
【００６４】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、ピストンやディスプレーサの少なくとも一端に固定されたスプリング部材の破損を検出する破損検出手段を設けたことにより、万一スプリングが破損しても冷凍機内部に重大なダメージを与えず、信頼性の高いスターリング冷凍機を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態であるスターリング冷凍機の構成を説明するための断面図である。
【図２】（ａ）は実施の形態１のスターリング冷凍機におけるピストンスプリングおよび破損検出手段を示す平面図であり、（ｂ）はピストンスプリングにピストンが固定された状態を示す側面図である。
【図３】（ａ）はピストンの変位波形の一例を示す図であり、（ｂ）は歪みゲージの出力波形の一例を示す図である。
【図４】ピストンスプリングの一部が何らかの原因で破損した状態を示す斜視図である。
【図５】実施の形態２のスターリング冷凍機におけるピストンスプリングおよび破損検出手段を示す平面図である。
【図６】実施の形態３のスターリング冷凍機におけるピストンスプリングおよび破損検出手段を示す平面図である。
【図７】実施の形態４のスターリング冷凍機における破損検出手段を説明するための側面図である。
【図８】実施の形態５のスターリング冷凍機における破損検出手段を説明するための側面図である。
【図９】実施の形態６のスターリング冷凍機における破損検出手段を説明するための側面図である。
【図１０】実施の形態７のスターリング冷凍機における破損検出手段を説明するためのフローチャートである。
【図１１】実施の形態８のスターリング冷凍機において、破損検出手段によりスプリングの異常を検知した際に、スターリング冷凍機の運転を停止させるステップを組み込んだフローチャートである。
【図１２】従来のスターリング冷凍機の構成例を説明するための断面図である。
【図１３】一般的な金属スプリングについて、繰り返し曲げ回数と繰り返し曲げ応力の大きさの関係（Ｓ−Ｎ曲線）を示す図である。
【図１４】（ａ）はスプリング形状の一例を示す平面図であり、（ｂ）はスプリングに可動体が固定された状態を示す側面図である。
【符号の説明】
１  ピストン
１ａ  ピストンの中心部に設けられた摺動孔
２  ディスプレーサ
２ａ  ディスプレーサのロッド
３  シリンダー
３ａ  シリンダーの内周壁面
４    圧力容器
５  ディスプレーサ支持バネ（ディスプレーサスプリング）
６  ピストン支持バネ（ピストンスプリング）
６ａ、６ｂ  アーム部
６ｃ  外周部
６ｄ  中央部
６ｅ  破損部
６ｆ  歪みゲージ貼り付け部
６ｇ  スプリング両端
６ｈ  スプリングアーム部の破損予測位置
６ｉ  アーム部の外周側付け根部
６ｊ  ピストンスプリング中央部のピストンとの結合部
６ｋ  破損予測位置よりも内周側の位置
７  作動空間
７ａ  圧縮空間
７ｂ  膨張空間
８  背面空間
９  再生器
１０  シリンダーの先端部のコールドヘッド
１１  破損検出手段
１１ａ  歪みゲージ
１２  スプリング固定部
１３ａ、１３ｂ  電極
１４  通電手段
１４ａ、１４ｂ  電極
１４ｃ  結線
１５  機械式スイッチ
１５ａ  可動バー
１６  変位センサー
１６ａ  発光素子
１６ｂ  受光素子
１６ｃ  発光素子から発せられた光
１６ｄ  反射光
１７  加速度センサー
１８  可動体
１９  スプリング
１９ａ、１９ｂ  アーム部
１９ｃ  スプリングの外周部
１９ｄ  スプリングの中央部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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