(57)【要約】【課題】  加工性に優れ、かつ、機関の動作効率を過度に低下させない圧力調整機構を有するスターリング機関およびスターリング冷却庫を提供する。【解決手段】  ピストン１４は、作動空間と背圧空間とを連通させる連通路を有する。連通路は、ピストン１４の内部に形成された内部空間１４０と、ピストン１４の背圧空間側の端面から内部空間１４０に達する開孔部１４１と、ピストン１４の圧縮空間側の端面から内部空間１４０に達する開孔部１４２とを含んで構成される。開孔部１４１上には、背圧空間から圧縮空間へと向かう流れを許容しながら、圧縮空間から背圧空間へと向かう流れを抑制する逆止弁１４４が設けられている。【選択図】        図３
2006308135.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外殻体と、
作動媒体を封入した前記外殻体内に組み付けられたシリンダと、
前記シリンダ内で往復運動するピストンと、
前記ピストンに対し位相差をもって往復運動するディスプレーサと、
前記ピストンと前記ディスプレーサとの間に形成された圧縮空間と、
前記ピストンに対して前記ディスプレーサ側の反対の側に形成された背圧空間と、
前記ディスプレーサに対して前記ピストン側の反対の側に形成された膨張空間とを備え、
前記ピストンは、内部空間と、前記背圧空間側の端面から前記内部空間に達する第１孔部と、前記圧縮空間側の端面から前記内部空間に達する第２孔部と、外周面から前記内部空間に達する第３孔部とを有し、
前記第１孔部および／または第２孔部上に設けられ、前記背圧空間から前記圧縮空間へと向かう流れを許容しながら前記圧縮空間から前記背圧空間へと向かう流れを抑制する逆止弁をさらに備えた、スターリング機関。
【請求項２】
外殻体と、
作動媒体を封入した前記外殻体内に組み付けられたシリンダと、
前記シリンダ内で往復運動するピストンと、
前記ピストンに対し位相差をもって往復運動するディスプレーサと、
前記ピストンと前記ディスプレーサとの間に形成された圧縮空間と、
前記ピストンに対して前記ディスプレーサ側の反対の側に形成された背圧空間と、
前記ディスプレーサに対して前記ピストン側の反対の側に形成された膨張空間とを備え、
前記シリンダを貫通し、前記圧縮空間から前記背圧空間に達する連通路が形成され、
前記連通路上に設けられ、前記背圧空間から前記圧縮空間へと向かう流れを許容しながら前記圧縮空間から前記背圧空間へと向かう流れを抑制する逆止弁をさらに備えた、スターリング機関。
【請求項３】
外殻体と、
作動媒体を封入した前記外殻体内に組み付けられたシリンダと、
前記シリンダ内で往復運動するピストンと、
前記ピストンに対し位相差をもって往復運動するディスプレーサと、
前記ピストンと前記ディスプレーサとの間に形成された圧縮空間と、
前記ピストンに対して前記ディスプレーサ側の反対の側に形成された背圧空間と、
前記ディスプレーサに対して前記ピストン側の反対の側に形成された膨張空間とを備え、
前記ピストンの内部に内部空間が形成され、
前記内部空間は、前記ピストンの外周側に位置する第１空間と、該ピストンの軸心側に位置する第２空間とを有し、
前記ピストンの前記圧縮空間側の端面から前記第１空間に達する吸込孔部が形成され、前記圧縮空間から前記第１空間へと向かう流れを許容しながら前記第１空間から前記圧縮空間へと向かう流れを抑制する逆止弁が前記吸込孔部上に設けられ、
前記第１空間から前記ピストンの外周面に達する吐出孔部が形成され、
前記吸込孔部から前記第１空間に吸込まれた前記作動媒体が前記吐出孔部から前記シリンダの内周面に向かって噴出され、
前記ピストンの前記背圧空間側の端面から前記第２空間に達する第１孔部が形成され、
前記ピストンの前記圧縮空間側の端面から前記第２空間に達する第２孔部が形成された、スターリング機関。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれかに記載のスターリング機関を備えた、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、スターリング機関およびスターリング冷却庫（Ｓｔｉｒｌｉｎｇ  Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｏｒ／Ｆｒｅｅｚｅｒ）に関し、特に、作動空間と背圧空間とを有するスターリング機関およびスターリング冷却庫に関する。
【背景技術】
【０００２】
ピストンとディスプレーサの往復運動に伴う作動ガスの圧縮／膨張を利用して低温／高温または電力あるいは動力を得るスターリング機関が従来から知られている。
【０００３】
スターリング機関は、圧力容器内に設けられたシリンダの内側面（シリンダ摺動面）を滑らかに往復摺動するピストンとディスプレーサとを備える。ピストンとディスプレーサとは同軸上に配設されており、ディスプレーサの一端を形成するロッドは、ピストンの中心部に設けられた摺動穴を貫通している。なお、ピストンおよびディスプレーサは、各々ピストン支持バネおよびディスプレーサ支持バネを介して圧力容器に弾性支持されている。
【０００４】
圧力容器の内部空間は、ピストンによって２つの空間に分割されている。該空間の一方は、ピストンから見てディスプレーサ側にある作動空間であり、他方は、ピストンから見て作動空間側とは反対の側、すなわちシリンダの後端側にある背圧空間である。これらの空間には、作動媒体が充填されている。
【０００５】
また、作動空間は、ディスプレーサによってさらに２つの空間に分割されている。該空間の一方は、ピストンとディスプレーサによって挟まれた圧縮空間であり、他方は、ディスプレーサに対して圧縮空間側とは反対の側、すなわちシリンダの先端側にある膨張空間である。なお、圧縮空間と膨張空間とは、再生器を介して連結されている。
【０００６】
ピストンは、リニアモータなどによって駆動され、所定周期で往復運動する。これにより、作動媒体は作動空間内で圧縮／膨張される。ディスプレーサは、作動媒体の圧縮／膨張に伴う圧力変化によって、直線的に往復運動する。このとき、ピストンとディスプレーサとは、所定の位相差をもって同一周期にて往復運動することになる。
【特許文献１】特開２０００−３９２２２号公報
【特許文献２】特開２００４−３４０４７７号公報
【特許文献３】特開２００４−３３２６７５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記構成から成るスターリング機関において、シリンダ摺動面とピストン摺動面との間には、作動空間と背圧空間とを遮断するガスシールが施されている。しかしながら、どのようなガスシールを施しても、作動空間と背圧空間とを完全に遮断することはできず、作動媒体が微小な隙間を介して両空間を流動することは避けられない。そのため、ピストンが作動空間方向に運動しているときには、圧縮空間の圧力が背圧空間の圧力よりも高くなり、作動媒体は圧縮空間から背圧空間へと流動する。逆に、ピストンが背圧空間方向に運動しているときには、圧縮空間の圧力が背圧空間の圧力よりも低くなり、作動媒体は背圧空間から圧縮空間へと流動する。一般に、背圧空間の容積が圧縮空間の容積よりも大きいため、圧縮空間と背圧空間との圧力差は、ピストンが背圧空間方向に運動しているときよりも、作動空間方向に運動しているときの方が大きくなる。そのため、圧縮空間の作動媒体は、ピストンの往復運動１サイクル毎に少しずつ背圧空間へと流出していく傾向にある。この結果、背圧空間と作動空間との圧力バランスが崩れ、ピストンおよびディスプレーサの振幅中心が所定の位置からずれる場合がある。
【０００８】
これに対し、従来のスターリング機関においては、背圧空間と作動空間との圧力バランスを保つために、シリンダに、背圧空間とシリンダ摺動面とを結ぶ第１の通路を設け、ピストンに、圧縮空間とピストン摺動面とを結ぶ第２の通路を設けている。なお、第１の通路の開口部（シリンダ摺動面側）と、第２の通路の開口部（ピストン摺動面側）とは、ピストンが予め設定された位置に達した時に対向するように配設されている。
【０００９】
しかしながら、シリンダおよびピストンに対する上記のような加工においては、孔を設ける工程に手間がかかり、結果として、加工費／加工時間が増大する。また、シリンダおよびピストンは、高精度寸法が必要な精密部品であり、摺動面に対する加工は回避することが好ましい。
【００１０】
また、上記とは異なる観点では、上述のような圧力調整機構においては、ピストンに設けられた第２の通路に出入りするガス流れによって、ピストンの圧縮効率、ひいてはスターリング機関の動作効率が低下する。
【００１１】
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、加工性に優れ、かつ、機関の動作効率を過度に低下させない圧力調整機構を有するスターリング機関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】
【００１２】
本発明に係るスターリング機関は、１つの局面では、外殻体と、作動媒体を封入した外殻体内に組み付けられたシリンダと、シリンダ内で往復運動するピストンと、ピストンに対し位相差をもって往復運動するディスプレーサと、ピストンとディスプレーサとの間に形成された圧縮空間と、ピストンに対してディスプレーサ側の反対の側に形成された背圧空間と、ディスプレーサに対してピストン側の反対の側に形成された膨張空間とを備え、ピストンは、内部空間と、背圧空間側の端面から内部空間に達する第１孔部と、圧縮空間側の端面から内部空間に達する第２孔部と、外周面から内部空間に達する第３孔部とを有し、第１孔部および／または第２孔部上に設けられ、背圧空間から圧縮空間へと向かう流れを許容しながら圧縮空間から背圧空間へと向かう流れを抑制する逆止弁をさらに備える。
【００１３】
上記構成によれば、加工費／加工時間を過度に増大させることなく、また、スターリング機関の動作効率を低下させずに背圧空間と作動空間との圧力バランスを保つ機構を得ることができる。また、内部空間からピストン／シリンダの摺動面に向けて作動媒体を噴出することができるので、シリンダ内を往復運動するピストンを保持する気体軸受構造が得られる。
【００１４】
本発明に係るスターリング機関は、他の局面では、外殻体と、作動媒体を封入した外殻体内に組み付けられたシリンダと、シリンダ内で往復運動するピストンと、ピストンに対し位相差をもって往復運動するディスプレーサと、ピストンとディスプレーサとの間に形成された圧縮空間と、ピストンに対してディスプレーサ側の反対の側に形成された背圧空間と、ディスプレーサに対してピストン側の反対の側に形成された膨張空間とを備え、シリンダを貫通し、圧縮空間から背圧空間に達する連通路が形成され、連通路上に設けられ、背圧空間から圧縮空間へと向かう流れを許容しながら圧縮空間から背圧空間へと向かう流れを抑制する逆止弁をさらに備える。
【００１５】
上記構成によっても、加工費／加工時間を過度に増大させることなく、また、スターリング機関の動作効率を低下させずに背圧空間と作動空間との圧力バランスを保つ機構を得ることができる。
【００１６】
本発明に係るスターリング機関は、さらに他の局面では、外殻体と、作動媒体を封入した外殻体内に組み付けられたシリンダと、シリンダ内で往復運動するピストンと、ピストンに対し位相差をもって往復運動するディスプレーサと、ピストンとディスプレーサとの間に形成された圧縮空間と、ピストンに対してディスプレーサ側の反対の側に形成された背圧空間と、ディスプレーサに対してピストン側の反対の側に形成された膨張空間とを備え、ピストンの内部に内部空間が形成され、内部空間は、ピストンの外周側に位置する第１空間と、該ピストンの軸心側に位置する第２空間とを有し、ピストンの圧縮空間側の端面から第１空間に達する吸込孔部が形成され、圧縮空間から第１空間へと向かう流れを許容しながら第１空間から圧縮空間へと向かう流れを抑制する逆止弁が吸込孔部上に設けられ、第１空間からピストンの外周面に達する吐出孔部が形成され、吸込孔部から第１空間に吸込まれた作動媒体が吐出孔部からシリンダの内周面に向かって噴出され、ピストンの背圧空間側の端面から第２空間に達する第１孔部が形成され、ピストンの圧縮空間側の端面から第２空間に達する第２孔部が形成される。
【００１７】
上記構成によれば、第２空間を経由した作動媒体の移動によって背圧空間と作動空間との圧力バランスを保つことができる。また、第１空間からピストン／シリンダの摺動面に向けて作動媒体を噴出することができるので、シリンダ内を往復運動するピストンを保持する気体軸受構造が得られる。
【００１８】
本発明に係るスターリング冷却庫は、上述したスターリング機関を備える。これにより、背圧空間と作動空間との圧力バランスが保たれた信頼性の高いスターリング冷却庫が提供される。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、加工費／加工時間を過度に増大させることなく、また、スターリング機関の動作効率を低下させずにスターリング機関における作動空間と背圧空間との圧力バランスを保つことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明に基づくスターリング機関およびスターリング冷却庫の１つの実施の形態について説明する。
【００２１】
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。
【００２２】
また、ここでは、スターリング機関としてのスターリング冷凍機、および、該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、スターリング機関は、本来スターリング冷凍機に限定されるものではなく、たとえば、発電機としても用いられる。
【００２３】
図１は、後述する実施の形態１，２に係るスターリング冷却庫の配管系統図である。
スターリング冷却庫１は、図１に示すように、高温部２と低温部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、高温部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およびパイプ２Ｃ〜２Ｅを含む第２高温側循環回路（第２循環回路）と、低温部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の高温部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の低温部３との熱交換を行なう。
【００２４】
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、高温部２で発生した熱を高温側凝縮器７に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（大気圧よりも減圧）されている。
【００２５】
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、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２Ｄ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の高温部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を冷却庫の前面開口部に配置することで、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２Ｅ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。
【００２６】
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、低温部３で発生した冷熱を低温側蒸発器１１に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されている。
【００２７】
スターリング冷凍機４を作動させると、該冷凍機４の高温部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の低温部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。
【００２８】
上述した冷却サイクルの実施に伴い、低温側蒸発器１１に着霜が生じる。この着霜に対する除霜方法については、一般によく知られた技術を援用可能であるので、詳細な説明は行なわない。
【００２９】
上述した除霜を実施することで、除霜水が発生する。除霜水は、ドレンパイプ１２Ａを介して、冷却庫本体底面の下部に設置されたドレンパン１２Ｂ（蒸発皿）に導かれる。ドレンパン１２Ｂの上部には、ファン１２Ｃが設けられており、ファン１２Ｃによってドレンパン１２Ｂ内に溜まった除霜水表面近傍に気流が形成され、比較的乾いた空気が除霜水上に供給されことにより、除霜水の蒸発が促進される。
【００３０】
次に、図２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。
【００３１】
図２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、高温部２と、低温部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。
【００３２】
図２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側に位置する高温部２、チューブ１８Ａおよび低温部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。
【００３３】
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と低温部３との間に膨張空間１７Ｂが形成される。圧縮空間１７Ａは主に高温部２によって囲まれ、膨張空間１７Ｂは主に低温部３によって囲まれている。
【００３４】
圧縮空間１７Ａと膨張空間１７Ｂとの間には、シリンダ１３の外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。
【００３５】
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およびコイルとを有し、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。
【００３６】
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による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。
【００３７】
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。
【００３８】
高温部２は、ベース部材３０Ａを介してケーシング３０に取付けられる。高温部２と低温部３とは、チューブ１８Ａを介して接続される。高温部２、低温部３の内周面上には、それぞれ内部熱交換器１８と内部熱交換器１９とが設けられる。内部熱交換器１８，１９は、それぞれ、圧縮空間１７Ａ，膨張空間１７Ｂと高温部２，低温部３との間の熱交換を行なう。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
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。
【００４１】
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、高温部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。
【００４２】
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は低温部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。
【００４３】
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。
【００４４】
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、低温部３によって外部の熱が膨張空間１７Ｂ内へと伝達されるため、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。
【００４５】
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（前方側）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。
【００４６】
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、低温部３は徐々に低温になり、極低温（たとえば−５０℃程度）を有するに至る。一方で、高温部２は徐々に高温（たとえば６０℃程度）になる。上述したように、低温部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、高温部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。
【００４７】
ところで、シリンダ１３の内周面とピストン１４の外周面との間には、作動空間１７と背圧空間２７とを遮断するガスシールが施されているものの、作動媒体は、微小な隙間を介して作動空間１７と背圧空間２７との間を流動する。そのため、ピストン１４が作動空間１７方向（矢印ＤＲ３方向）に運動しているときには、圧縮空間１７Ａの圧力が背圧空間２７の圧力よりも高くなり、作動媒体は圧縮空間１７Ａから背圧空間２７へと流動する。逆に、ピストン１４が背圧空間２７方向（矢印ＤＲ４方向）に運動しているときには、圧縮空間１７Ａの圧力が背圧空間２７の圧力よりも低くなり、作動媒体は背圧空間２７から圧縮空間１７Ａへと流動する。スターリング冷凍機４においては、背圧空間２７の容積が圧縮空間１７Ａの容積よりも大きいため、圧縮空間１７Ａと背圧空間２７との圧力差は、ピストン１４が矢印ＤＲ４方向に運動しているときよりも、矢印ＤＲ３方向に運動しているときの方が大きくなる。そのため、圧縮空間１７Ａの作動媒体は、ピストン１４の往復運動１サイクル毎に少しずつ背圧空間２７へと流出する。これに対し、実施の形態１，２に係る圧力調整機構は、背圧空間２７から作動空間１７に作動媒体を戻して、作動空間１７と背圧空間２７との圧力バランスを保持する。
【００４８】
（実施の形態１）
図３は、実施の形態１に係る圧力調整機構を示した図である。図３を参照して、本実施の形態に係る圧力調整機構は、上述したスターリング冷凍機４における作動空間１７と背圧空間２７との圧力バランスを保持するための圧力調整機構である。ここで、ピストン１４は、作動空間１７と背圧空間２７とを連通させる連通路を有する。これにより、作動空間１７と背圧空間２７との圧力バランスが保持される。
【００４９】
連通路は、ピストン１４の内部に形成された内部空間１４０と、ピストン１４の背圧空間２７側の端面から内部空間１４０に達する「第１孔部」としての開孔部１４１と、ピストン１４の圧縮空間１７Ａ側の端面から内部空間１４０に達する「第２孔部」としての開孔部１４２とを含んで構成される。
【００５０】
開孔部１４２は、ピストン１４の軸方向端面に開孔を設けた後、該開孔に連通管１４２０（オリフィス）を組付けることで形成される。このようにすることで、より微小な径の開孔部を構成することができ、圧縮空間１７Ａから内部空間１４０へと流入、または、内部空間１４０から圧縮空間１７Ａへと流出する作動媒体の流量を調整することができる。
【００５１】
開孔部１４１上には、背圧空間２７から内部空間１４０へと向かう流れを許容しながら、内部空間１４０から背圧空間２７へと向かう流れを抑制する逆止弁１４４が設けられている。なお、逆止弁１４４の開弁方向は矢印ＤＲ１４４である。
【００５２】
ピストン１４には、その外周面から内部空間１４０に達する「第３孔部」としての開孔部１４３Ａ〜１４３Ｄが設けられている。開孔部１４３Ａ〜１４３Ｄは、後述する「気体軸受構造」を構成する。そして、開孔部１４３Ａ〜１４３Ｄは、ピストン１４の外周面に開孔を設けた後、該開孔に、それぞれ、連通管１４３０Ａ〜１４３０Ｄ（オリフィス）を組付けることで形成される。このようにすることで、より微小な径の開孔部を構成することができ、内部空間１４０からシリンダ内周面に向けて吐出される作動媒体の流量を調整することができる。
【００５３】
ピストンスプリング２４に支持されたピストン１４は、シリンダ１３内において、矢印ＤＲ１方向に往復運動する。ピストン１４が矢印ＤＲ３方向（作動空間側）に移動した場合は、背圧空間２７の圧力に対して圧縮空間１７Ａの圧力が高くなり、逆止弁１４４は、内部空間１４０から背圧空間２７へと向かう流れを抑制すべく閉弁する。そして、開孔部１４２を介して、圧縮空間１７Ａから内部空間１４０内に作動媒体が流入する。
【００５４】
一方、図３に示すように、ピストン１４が矢印ＤＲ４方向（背圧空間側）に移動した場合は、圧縮空間１７Ａの圧力に対して背圧空間２７の圧力が高くなり、逆止弁１４４は、背圧空間２７から内部空間１４０へと向かう流れ（矢印ＤＲ１４１）を許容すべく矢印ＤＲ１４４方向に開弁する。そして、開孔部１４２を介して、内部空間１４０から圧縮空間１７Ａに作動媒体が流れ込む（矢印ＤＲ１４２）。
【００５５】
このように、ピストン１４の往復運動に伴なって、内部空間１４０を介して、作動媒体が背圧空間２７から圧縮空間１７Ａに流れ込む。上述したように、圧縮空間１７Ａの作動媒体は、ピストン１４の往復運動１サイクル毎に、シリンダ１３とピストン１４との隙間を通過して背圧空間２７へと移動している。これに対し、本実施の形態に係る圧力調整機構によれば、背圧空間２７へと移動した作動媒体を圧縮空間１７Ａに戻すことができる。これにより、作動空間１７と背圧空間２７との圧力バランスを保持することができる。
【００５６】
また、ピストン１４の往復運動に伴なって、内部空間１４０から開孔部１４３Ａ〜１４３Ｄを介して、シリンダ１３およびピストン１４の摺動面に作動媒体が噴出される（矢印ＤＲ１４３Ａ〜ＤＲ１４３Ｄ）。これにより、シリンダ１３内を往復運動するピストン１４を保持する気体軸受構造が構成される。
【００５７】
上述した内容について要約すると、以下のようになる。すなわち、本実施の形態に係る圧力調整機構を有する「スターリング機関」としてのスターリング冷凍機４は、ケーシング３０を含む外殻体と、作動媒体を封入した外殻体内に組み付けられたシリンダ１３と、シリンダ１３内で往復運動するピストン１４と、ピストン１４に対し位相差をもって往復運動するディスプレーサ１５と、ピストン１４とディスプレーサ１５との間に形成された圧縮空間１７Ａと、ディスプレーサ１５に対してピストン１４側の反対の側に形成された膨張空間１７Ｂと、ピストン１４に対してディスプレーサ１５側の反対の側に形成された背圧空間２７とを備える。そして、ピストン１４は、内部空間１４０と、背圧空間２７側の端面から内部空間１４０に達する「第１孔部」としての開孔部１４１と、圧縮空間１７Ａ側の端面から内部空間１４０に達する「第２孔部」としての開孔部１４２と、外周面から内部空間１４０に達する「第３孔部」としての開孔部１４３Ａ〜１４３Ｄとを有する。そして、背圧空間２７から圧縮空間１７Ａへと向かう流れを許容しながら圧縮空間１７Ａから背圧空間２７へと向かう流れを抑制する逆止弁１４４が開孔部１４１上に設けられている。なお、この逆止弁は、開孔部１４２上に設けられていてもよいし、開孔部１４１，１４２上の両方に設けられていてもよい。
【００５８】
本実施の形態に係る圧力調整機構によれば、加工費／加工時間を過度に増大させることなく、また、スターリング機関の動作効率を低下させずに背圧空間と作動空間との圧力バランスを保つ機構を得ることができる。
【００５９】
（実施の形態２）
図４は、実施の形態２に係る圧力調整機構を示した図である。図４を参照して、本実施の形態に係る圧力調整機構は、実施の形態１に係る圧力調整機構の変形例であって、作動空間１７と背圧空間２７とを連通させる連通路がシリンダ１３に形成されていることを特徴とする。本構造によっても、作動空間１７と背圧空間２７との圧力バランスが保持される。
【００６０】
連通路は、シリンダ１３を貫通し、圧縮空間１７Ａから背圧空間２７に達する開孔部１３０により構成されている。また、開孔部１３０上には、背圧空間２７から圧縮空間１７Ａへと向かう流れを許容しながら、圧縮空間１７Ａから背圧空間２７へと向かう流れを抑制する逆止弁１３１が設けられている。なお、逆止弁１３１の開弁方向は矢印ＤＲ１３１である。
【００６１】
ピストンスプリング２４に支持されたピストン１４は、シリンダ１３内において、矢印ＤＲ１方向に往復運動する。ピストン１４が矢印ＤＲ３方向（作動空間側）に移動した場合は、背圧空間２７の圧力に対して圧縮空間１７Ａの圧力が高くなり、逆止弁１３１は、圧縮空間１７Ａから背圧空間２７へと向かう流れを抑制すべく閉弁する。
【００６２】
一方、図４に示すように、ピストン１４が矢印ＤＲ４方向（背圧空間側）に移動した場合は、圧縮空間１７Ａの圧力に対して背圧空間２７の圧力が高くなり、逆止弁１３１は、背圧空間２７から圧縮空間１７Ａへと向かう流れ（矢印ＤＲ１３０）を許容すべく矢印ＤＲ１３１方向に開弁する。
【００６３】
このように、ピストン１４の往復運動に伴なって、作動媒体が背圧空間２７から圧縮空間１７Ａに流れ込む。この結果、実施の形態１と同様に、作動空間１７と背圧空間２７との圧力バランスを保持することができる。
【００６４】
上述した内容について要約すると、以下のようになる。すなわち、本実施の形態に係る圧力調整機構を有する「スターリング機関」としてのスターリング冷凍機４においては、シリンダ１３を貫通し、圧縮空間１７Ａから背圧空間２７に達する「連通路」としての開孔部１３０が形成されている。そして、開孔部１３０上には、背圧空間２７から圧縮空間１７Ａへと向かう流れを許容しながら圧縮空間１７Ａから背圧空間２７へと向かう流れを抑制する逆止弁１３１が設けられている。
【００６５】
本実施の形態に係る圧力調整機構によれば、実施の形態１と同様に、加工費／加工時間を過度に増大させることなく、また、スターリング機関の動作効率を低下させずに背圧空間と作動空間との圧力バランスを保つ機構を得ることができる。
【００６６】
（実施の形態３）
図５は、実施の形態３に係る圧力調整機構を示した図である。図５を参照して、本実施の形態に係る圧力調整機構は、実施の形態１に係る圧力調整機構の変形例であり、実施の形態１と同様に、作動空間１７と背圧空間２７とを連通させる連通路を有する。これにより、作動空間１７と背圧空間２７との圧力バランスが保持される。
【００６７】
図５を参照して、本実施の形態においては、ピストン１４内部に隔壁１４５が設けられている。これにより、ピストン１４の内部空間が、主空間１４０Ａとサブ空間１４０Ｂとに分けられる。
【００６８】
ピストン１４の圧縮空間１７Ａ側の端面には、主空間１４０Ａに達する「吸込孔部」としての孔部１４６が設けられている。そして、孔部１４６上には、圧縮空間１７Ａから主空間１４０Ａへと向かう流れを許容しながら、主空間１４０Ａから圧縮空間１７Ａへと向かう流れを抑制する逆止弁１４４Ａが設けられている。
【００６９】
ピストン１４の外周面には、主空間１４０Ａに達する「吐出孔部」が設けられている。「吐出孔部」は、ピストン１４の外周面に開孔を設けた後、該開孔に、それぞれ、連通管１４３０Ａ〜１４３０Ｄ（オリフィス）を組付けることで形成される。このようにすることで、より微小な径の開孔部を構成することができ、主空間１４０Ａからシリンダ内周面に向けて吐出される作動媒体の流量を調整することができる。
【００７０】
作動空間１７と背圧空間２７とを連通させる連通路は、サブ空間１４０Ｂと、ピストン１４の背圧空間２７側の端面からサブ空間１４０Ｂに達する「第１孔部」としての開孔部１４７と、ピストン１４の圧縮空間１７Ａ側の端面からサブ空間１４０Ｂに達する「第２孔部」としての開孔部１４８とを含んで構成される。開孔部１４７は、ピストン１４の軸方向端面に開孔を設けた後、該開孔に、連通管１４７０（オリフィス）を組付けることで形成される。このようにすることで、より微小な径の開孔部を構成することができ、背圧空間２７からサブ空間１４０Ｂに流入する作動媒体の流量を調整することができる。また、開孔部１４８上には、サブ空間２７から圧縮空間１７Ａへと向かう流れを許容しながら、圧縮空間１７Ａからサブ空間１４０Ｂへと向かう流れを抑制する逆止弁１４４Ｂが設けられている。
【００７１】
ピストン１４は、矢印ＤＲ１方向に往復運動する。図６，図７は、それぞれ、ピストン１４が矢印ＤＲ３方向（作動空間側），矢印ＤＲ４方向（背圧空間側）に移動した状態を示す図である。
【００７２】
図６を参照して、ピストン１４が矢印ＤＲ３方向（作動空間側）に移動した場合は、背圧空間２７の圧力に対して圧縮空間１７Ａの圧力が高くなり、逆止弁１４４Ａは、圧縮空間１７Ａから主空間１４０Ａへと向かう流れ（矢印ＤＲ１４６）を許容すべく開弁し、逆止弁１４４Ｂは、圧縮空間１７Ａからサブ空間１４０Ｂへと向かう流れを抑制すべく閉弁する。そして、開孔部１４６を介して、圧縮空間１７Ａから主空間１４０Ａ内に作動媒体が流入する。
【００７３】
図７を参照して、ピストン１４が矢印ＤＲ４方向（背圧空間側）に移動した場合は、圧縮空間１７Ａの圧力に対して背圧空間２７の圧力が高くなり、逆止弁１４４Ａは、主空間１４０Ａから圧縮空間１７Ａへと向かう流れを抑制すべく閉弁し、逆止弁１４４Ｂは、サブ空間１４０Ｂから圧縮空間１７Ａへと向かう流れ（矢印ＤＲ１４８）を許容すべく開弁する。そして、開孔部１４７を介して、背圧空間２７からサブ空間１４０Ｂに作動媒体が流入する（矢印ＤＲ１４７）。
【００７４】
このように、本実施の形態においても、実施の形態１と同様に、ピストン１４の往復運動に伴なって、作動媒体が背圧空間２７から圧縮空間１７Ａに流れ込む。したがって、シリンダ１３とピストン１４との隙間を通過して背圧空間２７へと移動した作動媒体を圧縮空間１７Ａに戻すことができる。これにより、作動空間１７と背圧空間２７との圧力バランスを保持することができる。
【００７５】
また、ピストン１４の往復運動に伴なって、開孔部１４６から主空間１４０Ａに流入した作動媒体が、連通管１４３０Ａ〜１４３０Ｄ（オリフィス）を介して、シリンダ１３およびピストン１４の摺動面に向けて噴出する（矢印ＤＲ１４３Ａ〜ＤＲ１４３Ｄ）。これにより、シリンダ１３内を往復運動するピストン１４を保持する気体軸受構造が構成される。
【００７６】
ここで、サブ空間１４０Ｂから圧縮空間１７Ａに流れ込む作動媒体流量は、気体軸受構造（ガスベアリング構造）に供給される作動媒体流量とほぼ一致するように調整される。そして、図５〜図７に示す構造においては、サブ空間１４０Ｂから圧縮空間１７Ａに流れ込む作動媒体の流量は、連通管１４７０（オリフィス）によって調整することができる。これにより、ピストン１４とディスプレーサ１５との接触を抑制することができる。
【００７７】
上述した内容について要約すると、以下のようになる。すなわち、本実施の形態に係る圧力調整機構を有するスターリング冷凍機４は、基本的には、実施の形態１に係る圧力調整機構を有するスターリング冷凍機４と同様の構成を備える。ここで、ピストン１４は、実施の形態１と同様に、その背圧空間２７側の端面と圧縮空間１７Ａ側の端面とに開口する連通路を有する。ピストン１４の内部空間は、ピストン１４の外周側に位置する「第１空間」として主空間１４０Ａと、該ピストン１４の軸心側に位置する「第２空間」としてのサブ空間１４０Ｂとに分けられる。そして、ピストン１４の圧縮空間１７Ａ側の端面から主空間１４０Ａに達する「吸込孔部」としての開孔部１４６が形成される。そして、開孔部１４６上に、圧縮空間１７Ａから主空間１４０Ａへと向かう流れを許容しながら主空間１４０Ａから圧縮空間１７Ａへと向かう流れを抑制する逆止弁１４４Ａが設けられる。ピストン１４には、主空間１４０Ａからピストン１４の外周面に達する「吐出孔部」を構成する連通管１４３０Ａ〜１４３０Ｄ（オリフィス）が設けられる。ここで、主空間１４０Ａに吸込まれた作動媒体は、連通管１４３０Ａ〜１４３０Ｄからシリンダ１３の内周面に向けて噴出する。そして、ピストン１４の背圧空間２７側の端面からサブ空間１４０Ｂに達する「第１孔部」としての開孔部１４７を構成する連通管１４７０（オリフィス）が設けられる。さらに、ピストン１４の圧縮空間１７Ａ側の端面からサブ空間１４０Ｂに達する「第２孔部」としての開孔部１４８が形成される。
【００７８】
図８，図９は、開孔部１４８に関する変形例を示した図である。図８を参照して、連通管１４８０（オリフィス）と逆止弁１４４Ｂとを併用して開孔部１４８を構成してもよい。この場合、オリフィスの孔径によって、サブ空間１４０Ｂから圧縮空間１７Ａに流れ込む作動媒体の流量を調整することができる。なお、図８に示される開孔部１４８の構造を採用した場合、背圧空間２７側に位置する開孔部１４７は、ピストンに微小孔を設けることで（連通管１４７０を用いずに）形成することができる。また、図９を参照して、連通管１４８０（オリフィス）により開孔部１４８を構成し、かつ、逆止弁１４４Ｂを設けない構造を採用することも可能である。この場合、開孔部１４７を連通管１４７０により構成した上で、該開孔部１４７上にも逆止弁を設けない構造を採用することが可能である。このようにすることで、微小な性能低下が生じるものの、逆止弁の設置数を減らし、コストを低減することができる。
【００７９】
本実施の形態に係る圧力調整機構によれば、実施の形態１と同様に、加工費／加工時間を過度に増大させることなく、また、スターリング機関の動作効率を低下させずに背圧空間と作動空間との圧力バランスを保つ機構を得ることができる。
【００８０】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、上述した各実施の形態の特徴部分を適宜組合わせることは、当初から予定されている。また、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】
【００８１】
【図１】本発明の実施の形態１，２および３に係るスターリング冷却庫の配管系統図である。
【図２】本発明の実施の形態１，２および３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断面図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係るスターリング機関における圧力調整機構を示した図である。
【図４】本発明の実施の形態２に係るスターリング機関における圧力調整機構を示した図である。
【図５】本発明の実施の形態３に係るスターリング機関における圧力調整機構を示した図である。
【図６】本発明の実施の形態３に係るスターリング機関における圧力調整機構の動作状態を示した図（その１）である。
【図７】本発明の実施の形態３に係るスターリング機関における圧力調整機構の動作状態を示した図（その２）である。
【図８】図５〜図７に示される圧力調整機構の１つの変形例を示した図である。
【図９】図５〜図７に示される圧力調整機構の他の変形例を示した図である。
【符号の説明】
【００８２】
１  スターリング冷却庫、２  高温部、２Ａ〜２Ｅ  パイプ（高温側循環回路）、３  低温部、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、１２Ａ  ドレンパイプ、１２Ｂ  ドレンパン、１２Ｃ  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  内部熱交換器、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、３０Ａ  ベース部材、１３０，１４１，１４２，１４３Ａ，１４３Ｂ，１４３Ｃ，１４３Ｄ  開孔部、１３１，１４４，１４４Ａ，１４４Ｂ  逆止弁、１４０  内部空間、１４０Ａ  主空間、１４０Ｂ  サブ空間、１４５隔壁、１４６，１４７，１４８  開孔部、１４２０，１４３０Ａ，１４３０Ｂ，１４３０Ｃ，１４３０Ｄ，１４７０，１４８０  連通管、ＤＲ１  ピストン軸方向、ＤＲ２  ピストン周方向、ＤＲ３  作動空間方向、ＤＲ４  背圧空間方向。
【図１】
2006308135.tif 000003
【図２】
2006308135.tif 000004
【図３】
2006308135.tif 000005
【図４】
2006308135.tif 000006
【図５】
2006308135.tif 000007
【図６】
2006308135.tif 000008
【図７】
2006308135.tif 000009
【図８】
2006308135.tif 000010
【図９】
2006308135.tif 000011