(57)【要約】【課題】  最大出力が大きいまたは動作効率が高い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】  スターリング冷凍機４は、外殻体内に組み付けられたシリンダ１３と、ピストン１４と、ピストン１４を駆動するリニアモータと、シリンダ１３内でピストン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に対して圧縮空間１７Ａの反対側に形成された膨張空間１７Ｂと、圧縮空間１７Ａ側のピストン１４の端面に取付けられ、ピストン１４とディスプレーサ１５との間隔を測定する距離センサ３２Ａと、ディスプレーサ１５に取付けられ、ディスプレーサ１５と吸熱部３との間隔を測定する距離センサ３２Ｂと、距離センサ３２Ａ，３２Ｂによる測定結果に基づいてリニアモータに入力される入力電圧を制御するコントローラ３５とを備える。【選択図】        図４
2006112654.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、
前記ピストンを駆動するピストン駆動手段と、
前記シリンダ内で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、
前記ディスプレーサに対して前記圧縮空間の反対側に形成された膨張空間と、
前記圧縮空間に面する前記ピストンおよび前記ディスプレーサの端面の一方に取付けられ、該ピストンと前記ディスプレーサとの間隔を測定する距離センサと、
前記距離センサによる測定結果に基づいて前記ピストン駆動手段に入力される入力電圧を制御するコントローラとを備えたスターリング機関。
【請求項２】
前記圧縮空間に面する前記ピストンおよび前記ディスプレーサの一方の端面上に凹部が設けられ、
前記距離センサは前記凹部内に設けられる、請求項１に記載のスターリング機関。
【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、
前記ピストンを駆動するピストン駆動手段と、
前記シリンダ内で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、
前記ディスプレーサに対して前記圧縮空間の反対側に形成された膨張空間と、
前記ディスプレーサに取付けられ、該ディスプレーサと前記膨張空間に面する前記外殻体との間隔を測定する距離センサと、
前記距離センサによる測定結果に基づいて前記ピストン駆動手段に入力される入力電圧を制御するコントローラとを備えたスターリング機関。
【請求項４】
前記ディスプレーサは、前記ピストンを貫通し該ピストンに対して前記ディスプレーサの反対側に設けられた弾性支持部材に支持されるディスプレーサロッドに接続され、
前記距離センサは前記ディスプレーサおよび前記ディスプレーサロッドを貫通する配線を介して前記コントローラと接続される、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。
【請求項５】
請求項１から請求項４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、最大出力が大きいまたは動作効率が高いスターリング機関および該スターリング機関を備えたスターリング冷却庫に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱力学サイクルである逆スターリングサイクルを利用したスターリング機関が従来から知られている。
【０００３】
たとえば特開２００４−６８７１３号公報（従来例１）においては、作動ガスが充填されたシリンダに挿入され該シリンダ内で往復動するピストンおよびディスプレーサと、ピストンを駆動するリニアモータとを有するフリーピストン型スターリング機関であって、ピストン／ディスプレーサの位置を測定する位置センサが設けられたスターリング機関が開示されている。
【特許文献１】特開２００４−６８７１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
スターリング機関を作動させる際、ピストンとディスプレーサとの衝突、および、ディスプレーサと外殻体との衝突が問題となる。これらの衝突を回避するために入力電圧を低く抑えるとスターリング機関の最大出力が低下する。より大きな最大出力を得るためには、ピストンおよびディスプレーサの正確な位置を把握する必要がある。また、スターリング機関の動作時におけるピストンとディスプレーサとの間隔は、そのスターリング機関の動作効率に影響する。
【０００５】
なお、従来例１において、ピストンとディスプレーサとの間隔を直接計測するセンサを設けるという思想は開示されていない。
【０００６】
また、上記とは異なる観点では、従来例１において、ディスプレーサにセンサを取付けるという思想は開示されていない。
【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、最大出力が大きいまたは動作効率が高いスターリング機関および該スターリング機関を備えた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、ピストンを駆動するピストン駆動手段と、シリンダ内で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、ディスプレーサに対して圧縮空間の反対側に形成された膨張空間と、圧縮空間に面するピストンおよびディスプレーサの端面の一方に取付けられ、該ピストンとディスプレーサとの間隔を測定する距離センサと、距離センサによる測定結果に基づいてピストン駆動手段に入力される入力電圧を制御するコントローラとを備える。
【０００９】
これにより、ピストンとディスプレーサとの間隔を正確に検知し、入力電圧にフィードバックすることができる。結果として、最大出力の向上、ＣＯＰ（Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ  ｏｆ  Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ）の向上を図ることができる。
【００１０】
圧縮空間に面するピストンおよびディスプレーサの一方の端面上に凹部が設けられ、距離センサは凹部内に設けられることが好ましい。
【００１１】
これにより、距離センサと反射面であるディスプレーサまたはピストンの端面との間にある程度の距離を確保することができる。結果として、市販のセンサで正確に測定しやすくなる。
【００１２】
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、ピストンを駆動するピストン駆動手段と、シリンダ内で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、ディスプレーサに対して圧縮空間の反対側に形成された膨張空間と、ディスプレーサに取付けられ、該ディスプレーサと膨張空間に面する外殻体との間隔を測定する距離センサと、距離センサによる測定結果に基づいてピストン駆動手段に入力される入力電圧を制御するコントローラとを備える。
【００１３】
これにより、ディスプレーサと外殻体との距離を正確に検知し、入力電圧にフィードバックすることができる。結果として、最大出力の向上が図られる。
【００１４】
ここで、ディスプレーサは、ピストンを貫通し該ピストンに対してディスプレーサの反対側に設けられた弾性支持部材に支持されるディスプレーサロッドに接続され、距離センサはディスプレーサおよびディスプレーサロッドを貫通する配線を介してコントローラと接続されることが好ましい。
【００１５】
これにより、ディスプレーサおよびピストンの動作に影響を与えることなく、ディスプレーサとコントローラとを接続することができる。
【００１６】
ここで、ディスプレーサが膨張空間側の端面上に凹部を有し、距離センサが凹部内に設けられるようにしてもよい。これにより、市販のセンサで正確に測定しやすくなる。
【００１７】
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。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、スターリング機関の最大出力または動作効率を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下に、本発明に基づくスターリング機関および該スターリング機関を備えたスターリング冷却庫の実施の形態について、図１から図７を用いて説明する。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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およびパイプ２Ｃ，２Ｄ，２Ｅ，２Ｆ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。
【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、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。
【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、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。
【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、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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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、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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
ピストン１４のディスプレーサ１５側の端面上に距離センサ３２Ａが設けられ、ディスプレーサ１５の吸熱部３側の端面上に距離センサ３２Ｂが設けられる。距離センサ３２Ａは、スターリング冷凍機４の動作時のピストン１４とディスプレーサ１５との間隔の経時変化を計測可能である。また、距離センサ３２Ｂは、スターリング冷凍機４の動作時のディスプレーサ１５と吸熱部３との間隔の経時変化を計測可能である。
【００３９】
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。
【００４０】
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、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。
【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。
【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、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。
【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、吸熱部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、放熱部２は徐々に高温（たとえば６０℃程度）になる。上述したように、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。
【００４７】
図３は、上述したスターリング冷凍機４の動作に伴なうピストン１４およびディスプレーサ１５の変位の経時変化を示した図である。なお、図３中の実線は、ピストン１４の変位を示し、図３中の破線は、ディスプレーサ１５の変位を示す。なお、図３中の「Ｏ」は、ピストン１４の振幅中心を示し、同じく図３中の「本体底部」は、膨張空間１７Ｂに面する吸熱部３の端面の変位を示す。
【００４８】
図３を参照して、（Ａ）は、上述した「等温圧縮過程」に相当し、（Ｂ）は、上述した「等容冷却過程」に相当し、（Ｃ）は、上述した「等温膨張過程」に相当し、（Ｄ）は、上述した「等容加熱過程」に相当する。
【００４９】
ここで、図３中の（I）は、スターリング冷凍機４の動作時におけるピストン１４とディスプレーサ１５との最小間隔を示し、図３中の（II）は、スターリング冷凍機４の動作時におけるディスプレーサ１５と吸熱部３との最小間隔を示す。スターリング冷凍機４のリニアモータ２３に入力される電圧が高くなるにつれて、ピストン１４およりディスプレーサ１５の振幅が大きくなり、上記（I），（II）が小さくなる。入力電圧が過度に高くなると、ピストン１４とディスプレーサ１５との衝突（（I）＜０）、ディスプレーサ１５と吸熱部３との衝突（（II）＜０）がおこる。また、衝突がおこらない場合であっても、(I）が適切な範囲内にない場合は、スターリング冷凍機４の動作効率が低下することになる。
【００５０】
図４は、図２に示すスターリング冷凍機４を模式化して示した図である。
【００５１】
本実施の形態に係るスターリング冷凍機４においては、上記衝突等の問題に対し、距離センサ３２Ａ，３２Ｂを設け、スターリング冷凍機４の動作時のピストン１４とディスプレーサ１５との間隔（図４中のＬ１）およびディスプレーサ１５と吸熱部３との間隔（図４中のＬ２）の経時変化を計測している。これにより、ピストン１４、ディスプレーサ１５および吸熱部３の衝突を回避しながら、リニアモータへの入力電圧を最大限高くしたり、スターリング冷凍機４の動作効率を向上させたりすることができる。ここで、距離センサ３２Ａ，３２Ｂの計測結果に基づく入力電圧の制御は、距離センサ３２Ａ，３２Ｂおよびリニアモータに接続されたコントローラ３５により行なわれる。なお、距離センサ３２Ａ，３２Ｂとしては、たとえば、超音波式や光学式のものが考えられ、光学式のものとしては、たとえば、ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ）とＰＳＤ（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ  Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ  Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）とが一体化された一体型測距センサなどが使用可能である。
【００５２】
図５は、ディスプレーサ１５およびディスプレーサロッド２６を取り出して示した断面図である。
【００５３】
図５を参照して、距離センサ３２Ｂは、透明接着剤３３を用いてディスプレーサ１５に取付けられる。なお、距離センサ３２Ａのピストン１４への取付けについても、これと同様に行なわれる。距離センサ３２Ｂに接続されたライン（配線）は、ディスプレーサ１５およびディスプレーサロッド２６を軸方向に貫通し、外部端子を介してコントローラ３５に接続される。
【００５４】
図６は、図５に示すディスプレーサ１５およびディスプレーサロッド２６の変形例を示した断面図である。
【００５５】
図６を参照して、本変形例においては、ディスプレーサ１５には凹部３６が設けられ、該凹部３６内に距離センサ３２Ｂが取付けられる。なお、凹部３６を塞ぐように、透明ガラス３３Ａが設けられている。
【００５６】
市販の距離センサでは、近距離（たとえば３０ｍｍ以下程度）の測距を行なえない場合があるが、上記のように凹部を設け該凹部内に距離センサを取付けることで、ある程度の測定距離を確保することができ、市販の距離センサを用いて容易に測定を行なうことが可能になる。
【００５７】
上記距離センサ３２Ａ，３２Ｂによる測定結果に基づいて、スターリング冷凍機４の出力を最大限に向上させることができる。この制御方法について説明する。
【００５８】
まず、リニアモータ２３への入力電圧を定常状態から１段階上げる。次に、距離センサ３２Ａ，３２Ｂにより、スターリング冷凍機４の動作時におけるピストン１４とディスプレーサ１５との間隔（Ｌ１）およびディスプレーサ１５と吸熱部３との間隔（Ｌ２）の測定を行なう。ここでいう間隔とは、図３中の（I），（II）に相当する。この測定の結果、Ｌ１≦Ｄ１、または、Ｌ２≦Ｄ２の場合は、入力電圧を固定（または若干低減）する。一方、Ｌ１＞Ｄ１、かつ、Ｌ２＞Ｄ２の場合は、再度入力電圧を１段階上げる。以上を繰り返す。なお、上記Ｄ１，Ｄ２は、予め設定されたＬ１，Ｌ２の許容最小値（たとえば０．５ｍｍ程度）である。
【００５９】
また、距離センサ３２Ａによる測定結果に基づいて、スターリング冷凍機４のＣＯＰを最大限に向上させることもできる。この制御方法について説明する。
【００６０】
予め、ＣＯＰが最大となるピストン１４とディスプレーサ１５との間隔（Ｌ０）を求めておく。次に、スターリング冷凍機４の動作時におけるピストン１４とディスプレーサ１５との間隔（Ｌ１）を測定する。ここでいう間隔とは、図３中の（I）に相当する。そして、Ｌ１＝Ｌ０であれば入力電圧を固定し、そうでなければ入力電圧を調整する。以上を繰り返す。
【００６１】
図７は、スターリング冷凍機４の変形例を模式化して示した図である。
【００６２】
図７を参照して、ピストン１４とディスプレーサ１５との間隔を測定する距離センサ３２Ａは、ディスプレーサ１５側に取付けられてもよい。
【００６３】
本実施の形態の内容について要約すると、以下のようになる。
【００６４】
本実施の形態に係る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を駆動するリニアモータ２３（ピストン駆動手段）と、シリンダ１３内でピストン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に対して圧縮空間１７Ａの反対側に形成された膨張空間１７Ｂと、圧縮空間１７Ａに面するピストン１４およびディスプレーサ１５の端面の一方に取付けられ、該ピストン１４とディスプレーサ１５との間隔（Ｌ１）を測定する距離センサ３２Ａと、ディスプレーサ１５に取付けられ、該ディスプレーサ１５と膨張空間１７Ｂに面する外殻体（吸熱部３）との間隔（Ｌ２）を測定する距離センサ３２Ｂと、距離センサ３２Ａ，３２Ｂによる測定結果に基づいてリニアモータ２３に入力される入力電圧を制御するコントローラ３５とを備える。
【００６５】
ここで、圧縮空間１７Ａに面するピストン１４およびディスプレーサ１５の一方の端面上に凹部を設け、距離センサ３２Ａを凹部内に設けてもよい。
【００６６】
また、ディスプレーサ１５は、ピストン１４を貫通し該ピストン１４に対してディスプレーサ１５の反対側に設けられたディスプレーサスプリング２５（弾性支持部材）に支持されるディスプレーサロッド２６に接続され、距離センサ３２Ｂは、ディスプレーサ１５およびディスプレーサロッド２６を貫通するライン３４（配線）を介してコントローラ３５と接続される。
【００６７】
さらに、ディスプレーサ１５の膨張空間１７Ｂ側の端面上に凹部３６を設け、距離センサ３２Ｂを凹部３６内に設けてもよい。
【００６８】
上記構成によれば、最大出力が大きく動作効率が高いスターリング冷凍機および該冷凍機を備えたスターリング冷却庫が得られる。
【００６９】
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】
【００７０】
【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。
【図３】スターリング冷凍機のピストンおよびディスプレーサの変位の経時変化を示した図である。
【図４】図２に示すスターリング冷凍機を模式化して示した図である。
【図５】図２に示すスターリング冷凍機におけるディスプレーサおよびディスプレーサロッドを取り出して示した断面図である。
【図６】図５に示すディスプレーサおよびディスプレーサロッドの変形例を示した断面図である。
【図７】図２に示すスターリング冷凍機の変形例を模式化して示した図である。
【符号の説明】
【００７１】
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、３２Ａ，３２Ｂ  距離センサ、３３  透明接着剤、３３Ａ  透明ガラス、３４  ライン、３５  コントローラ、３６  凹部。
【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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