(57)【要約】【課題】  騒音、振動が発生したり配管がダメージを受けたりすることが抑制された放熱システムおよびスターリング冷却庫を提供する。【解決手段】  放熱システムは、スターリング冷凍機４の放熱部２の周囲に設けられる高温側蒸発器５と、高温側凝縮器７とを含む第１高温側循環回路と、循環ポンプ６による強制循環回路である第２高温側循環回路とを備え、第２高温側循環回路における高温側蒸発器５から循環ポンプ６に至るまでの冷媒流路は、高温側蒸発器５が位置する高さ近傍から循環ポンプ６が位置する高さ近傍に達するサクションタンク３２の流路部分３２０と、流路部分３２０と循環ポンプ６および高温側蒸発器５とを接続するパイプ２Ｃ，２Ｄとを有し、流路部分３２０の上端部から該流路部分３２０の上側に突出する突出部分３２１が設けられ、少なくとも流路部分３２０の流路面積がパイプ２Ｅ，２Ｆおよび発露防止パイプ９の平均流路面積よりも大きい。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱源の周囲に設けられ、内部の冷媒を蒸発させる蒸発器と、蒸発した前記冷媒を受け入れ、該冷媒を凝縮する凝縮器とを含み、凝縮された前記冷媒を前記蒸発器内に戻す第１循環回路と、
前記蒸発器下部に接続された冷媒流路および該冷媒流路の前記蒸発器よりも下方に設けられた循環ポンプを含み、前記冷媒を放熱部に導いてから前記蒸発器内に戻す第２循環回路とを備え、
前記第２循環回路における前記蒸発器から前記循環ポンプに至るまでの前記冷媒流路は、前記蒸発器が位置する高さ近傍から前記循環ポンプが位置する高さ近傍に達する第１部分と、前記第１部分と前記循環ポンプおよび前記蒸発器とを接続する第２部分とを有し、
前記第１部分の上端部から該第１部分の上側に突出する突出部分が設けられ、
少なくとも前記第１部分の流路面積が前記第２循環回路における前記循環ポンプよりも下流側の平均流路面積よりも大きい放熱システム。
【請求項２】
前記突出部分は前記蒸発器よりも上側に突出する、請求項１に記載の放熱システム。
【請求項３】
熱源の周囲に設けられ、内部の冷媒を蒸発させる蒸発器と、蒸発した前記冷媒を受け入れ、該冷媒を凝縮する凝縮器とを含み、凝縮された前記冷媒を前記蒸発器内に戻す第１循環回路と、
前記蒸発器下部に接続された冷媒流路および該冷媒流路の前記蒸発器よりも下方に設けられた循環ポンプを含み、前記冷媒を放熱部に導いてから前記蒸発器内に戻す第２循環回路と、
前記第２循環回路における前記循環ポンプの入口近傍および／または出口近傍の前記冷媒流路に接続され、上下方向に延びる部分を有する脈動吸収パイプとを備えた放熱システム。
【請求項４】
前記脈動吸収パイプの先端部は前記蒸発器よりも上側に突出する、請求項３に記載の放熱システム。
【請求項５】
前記脈動吸収パイプの周囲に断熱手段を備える、請求項３または請求項４に記載の放熱システム。
【請求項６】
スターリング冷凍機の高温部を熱源として構成された請求項１から請求項５のいずれかに記載の放熱システムを備えたスターリング冷却庫。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、放熱システムおよびスターリング冷却庫（Ｓｔｉｒｌｉｎｇ  Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｏｒ／Ｆｒｅｅｚｅｒ）に関し、特に、冷媒配管中のキャビテーションの発生が抑制された放熱システムおよびスターリング冷却庫に関する。
【背景技術】
【０００２】
逆スターリングサイクルによる熱交換を冷却庫に適用したものとして、たとえば、特開２００３−５００７３号公報（従来例１）に記載されたものなどが挙げられる。
【０００３】
従来例１においては、逆スターリングサイクルによる作動ガスの圧縮熱を外部に放熱するための高温部と、逆スターリングサイクルによる作動ガスの膨張熱を外部から吸熱するための低温部と、低温部に熱的に結合された低温側凝縮器および複数の低温側蒸発器をサーモサイフォンを構成するように連結した閉回路からなる低温側循環回路とを備え、低温部の冷熱を搬送する冷熱搬送媒体を低温側循環回路内に封入したことを特徴とするスターリング冷凍システムが開示されている。ここで、高温部における熱は、高温側熱交換サイクル（放熱システム）により放熱される。高温側熱交換サイクルは、配管により接続された高温側蒸発器と高温側凝縮器とを含み、サーモサイフォン原理により熱が搬送、放出される。
【特許文献１】特開２００３−５００７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記のような放熱システムにおいては、以下のような問題があった。
【０００５】
上記放熱システムにおいて、上述したサーモサイフォン回路に加えて、循環ポンプを含み、高温側蒸発器から液化した冷媒が供給される強制循環回路（ｆｏｒｃｅｄ  ｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ  ｃｉｒｃｕｉｔ）が形成される場合がある。強制循環回路内を流れる冷媒の熱は、たとえば、冷却庫における発露防止に利用される。
【０００６】
ここで、強制循環回路の配管には高温側蒸発器から比較的高温の冷媒が供給されるため、該配管内を流れる冷媒中に気泡が発生しやすい（キャビテーションが発生しやすい）状態になっている。キャビテーションが生じた後、当該部分の圧力が再度高くなることにより、発生した気泡が消滅する。この際、大きな空間の変動に起因する衝撃（水撃）により、騒音、振動が発生したり配管がダメージを受けたりする可能性があるという問題がある。
【０００７】
本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、騒音、振動が発生したり配管がダメージを受けたりすることが抑制された放熱システムおよびスターリング冷却庫を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る放熱システムは、１つの局面では、熱源の周囲に設けられ、内部の冷媒を蒸発させる蒸発器と、蒸発した冷媒を受け入れ、該冷媒を凝縮する凝縮器とを含み、凝縮された冷媒を蒸発器内に戻す第１循環回路と、蒸発器下部に接続された冷媒流路および該冷媒流路の蒸発器よりも下方に設けられた循環ポンプを含み、冷媒を放熱部に導いてから蒸発器内に戻す第２循環回路とを備え、第２循環回路における蒸発器から循環ポンプに至るまでの冷媒流路は、蒸発器が位置する高さ近傍から循環ポンプが位置する高さ近傍に達する第１部分と、第１部分と循環ポンプおよび前記蒸発器とを接続する第２部分とを有し、第１部分の上端部から該第１部分の上側に突出する突出部分が設けられ、少なくとも第１部分の流路面積が第２循環回路における循環ポンプよりも下流側の平均流路面積よりも大きい。
【０００９】
ここで、循環ポンプよりも下流側の平均流路面積とは、循環ポンプの出口（吐出部）から蒸発器に至るまでの冷媒流路の面積の平均値を意味する。また、第１部分のみの流路面積が相対的に大きくなるようにしてもよいし、第１と第２部分を含む循環ポンプよりも上流側に位置するすべての部分における流路面積が、循環ポンプよりも下流側の平均流路面積よりも大きくなるようにしてもよい。
【００１０】
本構成によれば、少なくとも第１部分の流路面積を大きくすることで、循環回路内で生じた気泡が上昇しやすくなり、突出部分に溜まりやすくなる。また、第１部分において気泡が消滅しても、配管の径が大きいため、水撃が緩和される。結果として、水撃による騒音、振動や配管のダメージなどが抑制される。
【００１１】
ここで、突出部分は蒸発器よりも上側に突出することが好ましい。
【００１２】
これにより、十分な気相空間を確保することができる。結果として冷媒流路内の気泡を低減することができる。
【００１３】
第１部分の流路面積は、第２循環回路における循環ポンプよりも下流側の平均流路面積の２倍以上１６倍以下であることが好ましい。
【００１４】
これにより、第１部分の配管に要するスペースが過度に大きくなることを抑制しながら、水撃による騒音、振動や配管のダメージなどを抑制する効果を安定して得ることができる。
【００１５】
本発明に係る放熱システムは、他の局面では、熱源の周囲に設けられ、内部の冷媒を蒸発させる蒸発器と、蒸発した冷媒を受け入れ、該冷媒を凝縮する凝縮器とを含み、凝縮された冷媒を蒸発器内に戻す第１循環回路と、蒸発器下部に接続された冷媒流路および該冷媒流路の蒸発器よりも下方に設けられた循環ポンプを含み、冷媒を放熱部に導いてから蒸発器内に戻す第２循環回路と、第２循環回路における循環ポンプの入口近傍および／または出口近傍の冷媒流路に接続され、上下方向に延びる部分を有する脈動吸収パイプとを備える。
【００１６】
本構成によれば、冷媒流路内の脈動に伴う圧力変動を抑制することができる。結果として、キャビテーションの発生に伴なう水撃による騒音、振動や配管のダメージなどが抑制される。
【００１７】
ここで、脈動吸収パイプの先端部は蒸発器よりも上側に突出していることが好ましい。
【００１８】
これにより、脈動吸収パイプの先端部に安定して気相空間を確保することができる。結果として、脈動吸収能力が向上する。
【００１９】
脈動吸収パイプの周囲に断熱手段が備えられてもよい。
【００２０】
これにより、脈動吸収パイプ内の温度が高くなり、脈動吸収パイプ先端部の気相空間の体積が大きくなり、脈動吸収能力が向上する。
【００２１】
循環ポンプとしては、圧電ポンプが用いられる場合がある。圧電ポンプを用いることで脈動が生じ、冷媒中に気泡が生じやすくなる。本願発明によれば、この気泡の発生、消滅による水撃を抑制するという効果が生じる。
【００２２】
本発明に係るスターリング冷却庫は、スターリング冷凍機の高温部を熱源として構成された、上述した放熱システムを備える。
【００２３】
上述した放熱システムにおいては、冷媒配管中の水撃が抑制されている。したがって、騒音の発生などが抑制されたスターリング冷却庫が提供される。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、水撃による騒音、振動や配管へのダメージが抑制された放熱システムおよび該システムを備えたスターリング冷却庫が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下に、本発明に基づく放熱システムおよびスターリング冷却庫の実施の形態について、図１から図３を用いて説明する。
【００２６】
なお、本願明細書において、「冷却庫」とは、「冷蔵庫」、「冷凍庫」および「冷凍冷蔵庫」の全てを含む概念である。
【００２７】
また、本実施の形態においては、スターリング冷凍機を備えたスターリング機関搭載機器としてのスターリング冷却庫について説明するが、本発明に係る放熱システムが設けられるスターリング機関搭載機器は、スターリング冷却庫に限定されるものではない。スターリング機関は、たとえば、発電機としても用いられる。
【００２８】
図１は、本発明の１つの実施の形態に係るスターリング冷却庫の配管系統図である。
【００２９】
本実施の形態に係るスターリング冷却庫１は、図１に示すように、放熱部２と吸熱部３とを有するスターリング冷凍機４（スターリング機関）と、放熱部２に取付けられた高温側蒸発器５、高温側凝縮器７およびパイプ２Ａ，２Ｂを含む第１高温側循環回路（第１循環回路）と、高温側蒸発器５、循環ポンプ６、発露防止パイプ９、パイプ２Ｃ，２Ｄ，２Ｅ，２Ｆおよびサクションタンク３２を含む第２高温側循環回路（第２循環回路）と、吸熱部３に取付けられた低温側凝縮器１０、低温側蒸発器１１およびパイプ３Ａ，３Ｂを含む低温側循環回路とを備える。第１高温側循環回路は、スターリング冷凍機４の放熱部２の冷却を行ない、第２高温側循環回路は、発露防止パイプ９に熱を供給する。また、低温側循環回路は、冷却庫内の空気とスターリング冷凍機４の吸熱部３との熱交換を行なう。
【００３０】
第１と第２高温側循環回路内には水（Ｈ2Ｏ）などが冷媒として封入されている。高温側蒸発器５において蒸発した冷媒はパイプ２Ａ（高温側導管）を介して高温側凝縮器７に達する（図１中の破線矢印）。高温側凝縮器７において外気との熱交換が行なわれることで冷媒が凝縮する。この熱交換を促進するために、高温側凝縮器７近傍に気流を生じさせるファン８が設けられている。凝縮した冷媒は、パイプ２Ｂ（高温側戻り管）を介して高温側蒸発器５に戻る。第１高温側循環回路においては、このように、冷媒の蒸発と凝縮とによる自然循環を利用して、放熱部２で発生した熱を伝達することができるように、高温側凝縮器７が高温側蒸発器５より上方に配置されている。また、冷媒の沸点を調整するために、循環回路系内の圧力が調整（ほぼ真空状態に減圧）されている。
【００３１】
一方、高温側蒸発器５の下部には、パイプ２Ｃが接続されている。高温側蒸発器５からパイプ２Ｃに液相の冷媒が流入する。パイプ２Ｃに流入した冷媒は、サクションタンク３２およびパイプ２Ｄを介して、スターリング冷凍機４よりも下方に設けられた循環ポンプ６に達する。循環ポンプ６から吐出された冷媒は、パイプ２Ｅを介して発露防止パイプ９に送られる。ここで、発露防止パイプ９内を流れる冷媒は、スターリング冷凍機４の放熱部２から与えられた熱により比較的高温に保たれている。したがって、発露防止パイプ９を冷却庫の前面に配置することで、ドア部等における発露を抑制することができる。発露防止パイプ９内を流れた冷媒は、パイプ２Ｆを介して高温側蒸発器５内に戻る。このように、第２高温側循環回路においては、循環ポンプ６による強制循環が行なわれている。なお、循環ポンプ６の出口近傍に位置するパイプ２Ｅには、脈動吸収パイプ３３が接続されている。
【００３２】
サクションタンク３２は、上下方向に延在し、パイプ２Ｃとパイプ２Ｄとを繋ぐ流路部分３２０と、流路部分３２０から上側に突出する突出部分３２１とを有する。ここで、サクションタンク３２の流路面積は、パイプ２Ｃ，２Ｄ，２Ｅ，２Ｆおよび発露防止パイプ９の流路面積よりも大きい。
【００３３】
上述したように、第２高温側循環回路においては、冷媒の沸点を調整するために、循環回路系内の圧力が低く設定されており、蒸発器５から循環ポンプ６に至る冷媒流路内を流れる冷媒はほぼ飽和液に近い状態であると考えられる。したがって、局所的な圧力変動により冷媒中に気泡が発生し、これが再び液相に戻る際に大きな体積変動による衝撃（水撃）がもたらされ、騒音、振動や配管のダメージの要因になることが懸念される。
【００３４】
これに対し、上記のような断面積の大きいサクションタンク３２を設けることにより、流路部分３２０において発生した気泡を上側に移動させやすくすることができる。上側に移動した気泡は、突出部分３２１に溜められる。ここで、突出部分３２１の上端を高温側蒸発器５よりも上側に突出させることで、高温側蒸発器５中の冷媒の液面高さに関わらず、突出部分３２１の先端部に安定してガス空間を確保することができる。
【００３５】
サクションタンク３２の軸方向断面形状については、適宜変更することが可能であるが、当該断面形状が円形である場合、その径はその他のパイプの流路面積の１．５倍以上４倍以下程度であることが好ましい。たとえば、パイプ２Ｃ，２Ｄ，２Ｅ，２Ｆおよび発露防止パイプ９の内径が６ｍｍ程度である場合、サクションタンク３２の内径の好ましい範囲は、９ｍｍ以上２４ｍｍ以下程度になる。換言すると、サクションタンク３２の流路面積は第２高温側循環回路におけるその他のパイプの流路面積の２倍以上１６倍以下程度であることが好ましい。
【００３６】
これにより、サクションタンク３２の配置に要するスペースが過度に大きくなることを抑制しながら、水撃による騒音、振動や配管のダメージなどを抑制する効果を安定して得ることができる。
【００３７】
なお、図１に示す例では、サクションタンク３２の流路面積のみが相対的に大きく設定されているが、サクションタンク３２の流路部分３２０およびパイプ２Ｃ，２Ｄ（循環ポンプ６よりも上流側に位置するパイプ）の流路面積が、パイプ２Ｅ，２Ｆおよび発露防止パイプ９（循環ポンプ６よりも下流側に位置するパイプ）の平均流路面積よりも大きくなるように設定されてもよい。たとえば、パイプ２Ｃ，２Ｄとしてサクションタンク３２と同じ太さのパイプを用いることが考えられる。
【００３８】
脈動吸収パイプ３３は、上下方向に延在する。脈動吸収パイプ３３の先端部には、ガス空間が形成され、脈動吸収パイプ３３内の冷媒がパイプ２Ｅに流れ込んだり、パイプ２Ｅ内の冷媒が脈動吸収パイプ３３内に流れ込んだりすることで、パイプ２Ｅ内の流れの脈動が低減される。脈動は、局所的な圧力変動に起因するキャビテーションの発生に繋がるので、脈動吸収パイプ３３が設けられることにより、キャビテーションの発生が抑制される。
【００３９】
なお、図１に示す例では、脈動吸収パイプ３３は循環ポンプ６の下流側（出口近傍）にのみ設けられているが、循環ポンプ６の上流側（入口近傍）にも脈動吸収パイプ（図示せず）を設けてもよい。これにより、循環ポンプ６の入口側においても脈動が抑制される。また、循環ポンプ６の出口近傍および入口近傍の一方または両方に複数の脈動吸収パイプ３３が接続されてもよい。
【００４０】
循環ポンプ６としては、典型的には、水晶やニオブ酸リチウムなどの圧電素子を用いた圧電ポンプが用いられるが、その他の形式のポンプが用いられてもよい。
【００４１】
冷却庫内の空気とスターリング冷凍機４の吸熱部３との熱交換を行なう低温側循環回路内には二酸化炭素や炭化水素などが冷媒として封入されている。低温側凝縮器１０において凝縮した冷媒はパイプ３Ａ（低温側導管）を介して低温側蒸発器１１に達する。低温側蒸発器１１において冷媒が蒸発することで熱交換が行なわれる。この熱交換を促進するために、低温側蒸発器１１近傍に気流を生じさせるファン１２が設けられている。熱交換の後、ガス化された冷媒は、パイプ３Ｂ（低温側戻り管）を介して低温側凝縮器１０に戻る。低温側循環回路においては、このように、冷媒の蒸発と凝縮とによる自然循環を利用して、吸熱部３で発生した冷熱を伝達することができるように、低温側蒸発器１１が低温側凝縮器１０より下方に配置されている。また、冷媒の沸点を調整するために、循環回路系内の圧力が調整（ほぼ真空状態に減圧）されている。
【００４２】
スターリング冷凍機４を作動させると、該冷凍機４の放熱部２で発生した熱が、高温側凝縮器７を介して空気と熱交換される。一方、スターリング冷凍機４の吸熱部３で発生した冷熱は、低温側蒸発器１１を介して冷却庫内の空気と熱交換される。冷却庫内からの暖かくなった気流は、再び低温側蒸発器１１近傍に送られ、繰り返し冷却される。
【００４３】
図２は、スターリング冷却庫１における第２高温側循環回路を示した図である。
【００４４】
図２を参照して、スターリング冷凍機４は、機械室３１内に設けられる。第２高温側循環回路は、図２に示すように、高温側蒸発器５中の冷媒を高温側蒸発器５の下部からパイプ２Ｃ、サクションタンク３２、パイプ２Ｄ、循環ポンプ６およびパイプ２Ｅを介して発露防止パイプ９へと導き、スターリング冷却庫本体１Ａ前面の全体にわたって循環させた後、パイプ２Ｆを介して高温側蒸発器５の上部から該蒸発器５内へと戻す。ここで、循環ポンプ６は、高温側蒸発器５よりも下方に設置されている。これにより、位置水頭差を利用して循環ポンプ６近傍を流れる冷媒の圧力を高くして、キャビテーションの発生を抑制することができる。
【００４５】
サクションタンク３２および脈動吸収パイプ３３には、それぞれ、液相部分３２Ａ，３３Ａと気相空間３３Ａ，３３Ｂとが形成される。サクションタンク３２および脈動吸収パイプ３３の先端部を高温側蒸発器５よりも上側に突出させることで、サクションタンク３２および脈動吸収パイプ３３の先端部に気相空間３２Ｂ，３３Ｂを安定して確保することができる。これにより、上述した所望の効果を安定して得ることができる。
【００４６】
また、脈動吸収パイプ３３の周囲に断熱材（断熱手段）が設けられてもよい。たとえば、脈動吸収パイプ３３を冷蔵庫本体１Ａの側面または背面に設けられたウレタンなどの中に埋込むことが考えられる。これにより、脈動吸収パイプ３３内の温度が高くなり、脈動吸収パイプ先端部の気相空間３３Ｂの体積が大きくなり、脈動吸収能力が向上する。
【００４７】
上述した内容について要約すると、以下のようになる。
【００４８】
本実施の形態に係る放熱システムは、スターリング冷凍機４の放熱部２（熱源）の周囲に設けられ、内部の冷媒を蒸発させる高温側蒸発器５と、蒸発した冷媒を受け入れ、該冷媒を凝縮する高温側凝縮器７とを含み、凝縮された冷媒を高温側蒸発器５内に戻す第１高温側循環回路と、高温側蒸発器５下部に接続されたパイプ２Ｃを含む冷媒流路および該冷媒流路に取付けられた循環ポンプ６を含み、冷媒を発露防止パイプ９（放熱部）に導いてから、該冷媒を高温側蒸発器５内に戻す第２高温側循環回路とを備え、第２高温側循環回路において、循環ポンプ６を高温側蒸発器５よりも低い位置に配置し、第２高温側循環回路における高温側蒸発器５から循環ポンプ６に至るまでの冷媒流路は、高温側蒸発器５が位置する高さ近傍から循環ポンプ６が位置する高さ近傍に達するサクションタンク３２の流路部分３２０（第１部分）と、流路部分３２０と循環ポンプ６および高温側蒸発器５とを接続するパイプ２Ｃ，２Ｄ（第２部分）とを有し、流路部分３２０の上端部から該流路部分３２０の上側に突出する突出部分３２１が設けられ、少なくともサクションタンク３２の流路部分３２０の流路面積が、循環ポンプ６よりも下流側の流路であるパイプ２Ｅ，２Ｆおよび発露防止パイプ９の平均流路面積よりも大きい。
【００４９】
本構成においては、サクションタンク３２の流路部分３２０の流路面積が比較的大きいため、サクションタンク３２内で生じた気泡は上昇しやすい。上昇した気泡は、突出部分３２１に溜められる。また、流路部分３２０において一旦発生した気泡が消滅しても、サクションタンク３２の径が大きいため、体積変化に起因する水撃が緩和される。結果として、水撃による騒音、振動や配管のダメージなどが抑制される。
【００５０】
上記放熱システムは、第２高温側循環回路における循環ポンプ６の出口近傍のパイプ２Ｅ（冷媒流路）に接続され、上下方向に延びる部分を有する脈動吸収パイプ３３を備える。
【００５１】
これにより、循環ポンプ６の出口近傍に位置するパイプ２Ｅ内の脈動に伴う圧力変動を抑制することができる。当該箇所は、圧力変動に起因する水撃がもたらされる頻度が比較的高い箇所であるため、ここに脈動吸収パイプ３３が設けられることにより、水撃による騒音、振動や配管のダメージなどが抑制される。
【００５２】
上述した放熱システムにおいては、冷媒流路中の水撃が抑制されている。したがって、騒音、振動などが抑制されたスターリング冷却庫が提供される。
【００５３】
次に、図３を用いて、スターリング冷凍機４の構造の一例およびその動作について説明する。
【００５４】
図３に示すように、本実施の形態のスターリング冷凍機４は、フリーピストン型のスターリング機関であって、ケーシング３０と、該ケーシング３０に組付けられたシリンダ１３と、シリンダ１３内で往復動するピストン１４およびディスプレーサ１５と、再生器１６と、圧縮空間１７Ａと膨張空間１７Ｂとを含む作動空間１７と、放熱部２と、吸熱部３と、ピストン駆動手段としてのリニアモータ２３と、ピストンスプリング２４と、ディスプレーサスプリング２５と、ディスプレーサロッド２６と、背圧空間２７とを備える。
【００５５】
図３の例では、スターリング冷凍機４の外殻体（外壁）は、単一の容器で構成されず、背圧空間２７側に位置するケーシング３０（ベッセル部分）と、作動空間１７側に位置する放熱部２、チューブ１８Ａおよび吸熱部３とで主に構成される。ケーシング３０は、背圧空間２７を規定する。ケーシング３０には、シリンダ１３、リニアモータ２３、ピストンスプリング２４およびディスプレーサスプリング２５をはじめとする種々の部品が組付けられる。上記外殻体の内部には、ヘリウムガスや水素ガス、窒素ガスなどの作動媒体が充填される。
【００５６】
シリンダ１３は、略円筒状の形状を有し、内部にピストン１４とフリーピストンとしてのディスプレーサ１５とを往復動可能に受け入れる。シリンダ１３内において、ピストン１４とディスプレーサ１５とは同軸上に間隔をあけて配置され、このピストン１４およびディスプレーサ１５によってシリンダ１３内の作動空間１７が圧縮空間１７Ａと膨張空間１７Ｂとに区画される。より詳しくは、作動空間１７は、ピストン１４におけるディスプレーサ１５側の端面よりもディスプレーサ１５側に位置する空間であり、ピストン１４とディスプレーサ１５との間に圧縮空間１７Ａが形成され、ディスプレーサ１５と吸熱部３との間に膨張空間１７Ｂが形成される。圧縮空間１７Ａは主に放熱部２によって囲まれ、膨張空間１７Ｂは主に吸熱部３によって囲まれている。
【００５７】
圧縮空間１７Ａと膨張空間１７Ｂとの間には、チューブ１８Ａの内周面上に所定の隙間を有しながらフィルムが巻回されてなる再生器１６が配設されており、この再生器１６を介して圧縮空間１７Ａと膨張空間１７Ｂとが連通する。それにより、スターリング冷凍機４内に閉回路が構成される。この閉回路内に封入された作動媒体が、ピストン１４およびディスプレーサ１５の動作に合わせて流動することにより、後述する逆スターリングサイクルが実現される。
【００５８】
シリンダ１３の外側に位置する背圧空間２７にはリニアモータ２３が配設される。リニアモータ２３は、インナーヨーク２０と、可動マグネット部２１と、アウターヨーク２２とを有し、このリニアモータ２３によって、シリンダ１３の軸方向にピストン１４が駆動される。
【００５９】
ピストン１４の一端は、板バネなどで構成されるピストンスプリング２４と接続される。該ピストンスプリング２４は、ピストン１４に弾性力を付与する弾性力付与手段として機能する。該ピストンスプリング２４に弾性力を付加することにより、シリンダ１３内でピストン１４をより安定して周期的に往復動させることが可能となる。ディスプレーサ１５の一端は、ディスプレーサロッド２６を介してディスプレーサスプリング２５と接続される。ディスプレーサロッド２６はピストン１４を貫通して配設され、ディスプレーサスプリング２５は板バネなどで構成される。該ディスプレーサスプリング２５の周縁部と、ピストンスプリング２４の周縁部は、リニアモータ２３からピストン１４の背圧空間２７側（以下、後方と称する場合がある。）に延びる支持部材により支持される。
【００６０】
ピストン１４に対しディスプレーサ１５と反対側には、ケーシング３０によって囲まれた背圧空間２７が配設されている。背圧空間２７は、ケーシング３０内でピストン１４の周囲に位置する外周領域と、ケーシング３０内でピストン１４よりもピストンスプリング２４側（後方側）に位置する後方領域とを含む。この背圧空間２７内にも、作動媒体が存在する。
【００６１】
放熱部２、吸熱部３の内周面上には、それぞれ熱交換器１８と熱交換器１９とが設けられる。熱交換器１８，１９は、それぞれ、圧縮空間１７Ａ，膨張空間１７Ｂと放熱部２，吸熱部３との間の熱交換を行なう。
【００６２】
ケーシング３０の後方側には、板バネ２８を介してバランスマス２９が取付けられている。バランスマス２９は、ピストン１４やディスプレーサ１５が振動することによって生じるケーシング３０の振動を吸収する質量部材である。具体的には、ピストン１４やディスプレーサ１５が振動することによってケーシング３０に振動が生じた場合に、このケーシング３０の振動に対して追従するようにバランスマス２９が振動することにより、スターリング冷凍機４の振動が低減される。
【００６３】
次に、このスターリング冷凍機４の動作について説明する。
【００６４】
まず、リニアモータ２３を作動させてピストン１４を駆動する。リニアモータ２３によって駆動されたピストン１４は、ディスプレーサ１５に接近し、圧縮空間１７Ａ内の作動媒体（作動ガス）を圧縮する。
【００６５】
ピストン１４がディスプレーサ１５に接近することにより、圧縮空間１７Ａ内の作動媒体の温度は上昇するが、放熱部２によってこの圧縮空間１７Ａ内に発生した熱が外部へと放出される。そのため、圧縮空間１７Ａ内の作動媒体の温度はほぼ等温に維持される。すなわち、本過程は、逆スターリングサイクルにおける等温圧縮過程に相当する。
【００６６】
ピストン１４がディスプレーサ１５に接近した後にディスプレーサ１５は吸熱部３側に移動する。他方、ピストン１４によって圧縮空間１７Ａ内において圧縮された作動媒体は再生器１６内に流入し、さらに膨張空間１７Ｂへと流れ込む。その際、作動媒体の持つ熱が再生器１６に蓄熱される。すなわち、本過程は、逆スターリングサイクルの等容冷却過程に相当する。
【００６７】
膨張空間１７Ｂ内に流入した高圧の作動媒体は、ディスプレーサ１５がピストン１４側（後方側）へ移動することにより膨張する。このようにディスプレーサ１５が後方側へ移動するのに伴い、ディスプレーサスプリング２５の中央部も後方側に突出するように変形する。
【００６８】
上記のように膨張空間１７Ｂ内で作動媒体が膨張することにより、膨張空間１７Ｂ内の作動媒体の温度は下降するが、吸熱部３によって外部の熱が膨張空間１７Ｂ内へと伝熱されるため、膨張空間１７Ｂ内はほぼ等温に保たれる。すなわち、本過程は、逆スターリングサイクルの等温膨張過程に相当する。
【００６９】
その後、ディスプレーサ１５がピストン１４から遠ざかる方向に移動し始める。それにより、膨張空間１７Ｂ内の作動媒体は再生器１６を通過して再び圧縮空間１７Ａ側へと戻る。その際に再生器１６に蓄熱されていた熱が作動媒体に与えられるため、作動媒体は昇温する。すなわち、本過程は、逆スターリングサイクルの等容加熱過程に相当する。
【００７０】
この一連の過程（等温圧縮過程−等容冷却過程−等温膨張過程−等容加熱過程）が繰り返されることにより、逆スターリングサイクルが構成される。この結果、吸熱部３は徐々に低温になり、極低温を有するに至る。一方で、放熱部２は徐々に高温になる。上述したように、吸熱部３における冷熱は、低温側循環回路を介して冷却庫内に供給され、放熱部２における熱は、第１と第２高温側循環回路を介して冷却庫外に放出される。
【００７１】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、今回開示された実施の形態は全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】本発明の１つの実施の形態に係るスターリング冷却庫の配管系統図である。
【図２】本発明の１つの実施の形態に係る放熱システムにおける第２高温側循環回路を示した図である。
【図３】本発明の１つの実施の形態に係るスターリング冷却庫におけるスターリング冷凍機を示した側断面図である。
【符号の説明】
【００７３】
１  スターリング冷却庫、２  放熱部、２Ａ〜２Ｆ  パイプ（高温側循環回路）、３  吸熱部、３Ａ，３Ｂ  パイプ（低温側循環回路）、４  スターリング冷凍機、５  高温側蒸発器、６  循環ポンプ、７  高温側凝縮器、８  ファン、９  発露防止パイプ、１０  低温側凝縮器、１１  低温側蒸発器、１２  ファン、１３  シリンダ、１４  ピストン、１５  ディスプレーサ、１６  再生器、１７  作動空間、１７Ａ  圧縮空間、１７Ｂ  膨張空間、１８，１９  熱交換器、１８Ａ  チューブ、２０  インナーヨーク、２１  可動マグネット、２２  アウターヨーク、２３  リニアモータ、２４  ピストンスプリング、２５  ディスプレーサスプリング、２６  ディスプレーサロッド、２７  背圧空間、２８  板バネ、２９  バランスマス、３０  ケーシング、３１  機械室、３２  サクションタンク、３２Ａ，３３Ａ  液相部分、３２Ｂ，３３Ｂ  気相空間、３３  脈動吸収パイプ、３２０  流路部分、３２１  突出部分。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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