(57)【要約】【課題】低コストで製作でき、安定的な動作を実現可能なスターリング機関を提供する。【解決手段】スターリング冷凍機４は、作動媒体が封入されたケーシング２４と、ケーシング２４内の背圧空間２３と作動空間１７との間に設けられ、作動空間１７内の作動媒体の圧力変動を与えるピストン１４と、ケーシング２４内の圧縮空間１７Ａと膨張空間１７Ｂとの間に設けられ、ピストン１４による圧力変動により作動するディスプレーサ１５とを備える。ディスプレーサ１５は、軸方向の両端部に面積が互いに異なる開口を有する筒状部材１５Ａと、筒状部材１５Ａの軸方向の両端部に位置する開口を塞ぐように筒状部材１５Ａに取り付けられ、それぞれ、凸面形状に変形しながら筒状部材１５Ａの軸方向に往復運動する受圧膜１５Ｂ，１５Ｃと、受圧膜１５Ｂ，１５Ｃの変形状態を合わせるように受圧膜１５Ｂ，１５Ｃを繋ぐ連接棒１５Ｄとを含む。【選択図】図２
2008261520.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
背圧空間と圧縮空間および膨張空間を含む作動空間とを有し、作動媒体が封入されたケーシングと、
前記背圧空間と前記作動空間との間に設けられ、前記作動空間内の前記作動媒体に圧力変動を与えるピストンと、
前記圧縮空間と前記膨張空間との間に設けられ、前記ピストンによる圧力変動により作動するディスプレーサとを備え、
前記ディスプレーサは、
軸方向の両端部に開口を有する筒状部材と、
前記筒状部材の軸方向の両端部に位置する前記開口を塞ぐように前記筒状部材に取り付けられ、それぞれ、凸面形状に変形するように前記筒状部材の軸方向に往復運動する第１と第２可動体と、
前記第１と第２可動体の変形状態を合わせるように該第１と第２可動体を繋ぐ連接手段とを含み、
前記筒状部材の前記圧縮空間側の開口の面積が該筒状部材の前記膨張空間側の開口の面積よりも小さく設定された、スターリング機関。
【請求項２】
前記連接手段は、前記第１と第２可動体の中央部に固定された棒状部材を含む、請求項１に記載のスターリング機関。
【請求項３】
前記筒状部材に取り付けられた前記第１と第２可動体を中立位置に付勢する弾性力付与手段をさらに備えた、請求項１または請求項２に記載のスターリング機関。
【請求項４】
前記第１と第２可動体は、それぞれ、前記ピストンによる圧力変動により弾性変形可能な板状部材を含む、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】
前記圧縮空間と前記膨張空間との間に設けられる再生器をさらに備え、
前記再生器は、前記筒状部材の外周面上にフィルムを巻回することにより形成される、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。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれかに記載のスターリング機関を備えた、スターリング機関搭載機器。
【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機関搭載機器に関し、特に、ケーシング内に作動媒体が封入された構造を有する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機関搭載機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
ケーシング内に作動媒体が封入された構造を有するスターリング機関が従来から知られている。スターリング機関は、たとえば冷凍機として用いられる。
【０００３】
図１０は、従来のスターリング冷凍機を示す側断面図である。図１０に示されるスターリング冷凍機４は、放熱部２および吸熱部３を含むケーシング２４と、該ケーシング２４に組付けられたシリンダ１３Ａ，１３Ｂと、シリンダ１３Ａ，１３Ｂ内でそれぞれ往復動するピストン１４およびディスプレーサ１５と、ディスプレーサロッド１５０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、熱交換器１８，１９と、リニアモータ２０と、ピストンスプリング２１と、ディスプレーサスプリング２２と、背圧空間２３とを含んで構成される。
【０００４】
ケーシング２４の内部には、作動媒体が充填される。シリンダ１３Ａ，１３Ｂ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る。
【０００５】
圧縮空間１７Ａと膨張空間１７Ｂとの間には、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、逆スターリングサイクルが実現される。
【０００６】
シリンダ１３Ａの外側に位置する背圧空間２３にはリニアモータ２０が配設される。リニアモータ２０は、インナーヨーク２０Ａと、アウターヨーク２０Ｂと、コイル２０Ｃと、可動マグネット２０Ｄとを含む。このリニアモータ２０によって、シリンダ１３Ａの軸方向にピストン１４が駆動される。
【０００７】
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２１と接続される。ディスプレーサ１５の一端は、ディスプレーサロッド１５０を介してディスプレーサスプリング２２と接続される。ディスプレーサロッド１５０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２２は板バネなどで構成される。
【０００８】
ピストン１４に対しディスプレーサ１５と反対側には、背圧空間２３が配設されている。この背圧空間２３内にも、作動媒体が存在する。
【０００９】
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。
【００１０】
図１０に示されるスターリング冷凍機は、いわゆる「エクステンディドロッド型」のディスプレーサを有するスターリング冷凍機である。このようなスターリング機関は、たとえば、特開２００３−１６６７６８号公報（特許文献１）に記載されている。
【００１１】
図１１は、従来のスターリング冷凍機の変形例を示す側断面図である。図１１を参照して、本変形例では、ディスプレーサ１５を受け入れるシリンダ１３Ｂのピストン１４側の端部から吸熱部３に向かって突出するディスプレーサロッド１５０に、スプリング１５１を介してディスプレーサ１５が取り付けられている。ここでは、ディスプレーサロッド１５０はピストン１４を貫通していない。
【００１２】
図１１に示されるスターリング冷凍機は、いわゆる「ポスティッドロッド型」のディスプレーサを有するスターリング冷凍機である。このようなスターリング機関は、たとえば、特開２００５−３４５０１３号公報（特許文献２）に記載されている。
【００１３】
また、特開２００５−２９１９号公報（特許文献３）においては、シリンダの軸線方向の中央部にゴム製のディスプレーサを取り付けることによりスターリング機関のディスプレーサを構成することが記載されている。
【特許文献１】特開２００３−１６６７６８号公報
【特許文献２】特開２００５−３４５０１３号公報
【特許文献３】特開２００５−２９１９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
特許文献１に記載されたエクステンディッドロッド型ディスプレーサを備えたフリーピストン型スターリング冷凍機においては、ディスプレーサロッドがピストンを貫通するように構成する必要があるため、各部品の高い寸法精度とこれらの部品の高い組付け精度が要求されることになる。このため、部品加工や組立て作業が非常に困難になり、部品点数も多くなるため、高コストになるという問題を有している。
【００１５】
特許文献２に記載されたポスティッドロッド型ディスプレーサを備えたフリーピストン型スターリング冷凍機は、ディスプレーサロッドがピストンを貫通しないため、上述のエクステンディッドロッド型ディスプレーサを備えたフリーピストン型スターリング冷凍機に比べて、若干低コストに製作することが可能になるが、シリンダとディスプレーサとのクリアランスを最適化する必要がある、または、ディスプレーサとディスプレーサロッドとのクリアランスを最適化する必要がある等の問題が解決されず、高い部品精度、組立精度が要求されるという課題を残している。
【００１６】
特許文献３に記載のスターリング機関では、１枚のディスプレーサダイヤフラムでディスプレーサを構成することにより、スターリング機関を低コストで製作することが可能になるが、このような構成では、ディスプレーサの動作が安定しない場合がある。
【００１７】
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、低コストで製作でき、安定的な動作を実現可能な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機関搭載機器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明に係るスターリング機関は、背圧空間と圧縮空間および膨張空間を含む作動空間とを有し、作動媒体が封入されたケーシングと、背圧空間と作動空間との間に設けられ、作動空間内の作動媒体に圧力変動を与えるピストンと、圧縮空間と膨張空間との間に設けられ、ピストンによる圧力変動により作動するディスプレーサとを備え、ディスプレーサは、軸方向の両端部に開口を有する筒状部材と、筒状部材の軸方向の両端部に位置する開口を塞ぐように筒状部材に取り付けられ、それぞれ、凸面形状に変形するように筒状部材の軸方向に往復運動する第１と第２可動体と、第１と第２可動体の変形状態を合わせるように該第１と第２可動体を繋ぐ連接手段とを含み、筒状部材の圧縮空間側の開口の面積が該筒状部材の膨張空間側の開口の面積よりも小さく設定されている。
【００１９】
上記構成によれば、筒状部材の両端に位置する開口の面積を互いに異ならせることで、第１と第２可動体が受ける圧力を異ならせることができる。したがって、ピストンの往復動に伴なう作動空間の圧力の周期的変動に応じて、連接手段で繋がれた第１と第２可動体を周期的に往復動させることができる。より具体的には、圧縮空間側の開口面積を膨張空間側の開口面積よりも小さく設定することにより、ピストンに対して所定の位相差だけ進んだ可動体の動きを安定して作り出しやすくなる。この結果、ピストンに対して所定の位相差をもって安定して動作するディスプレーサを形成することができる。すなわち、上記構成によれば、ディスプレーサロッドが不要になり、ディスプレーサの組付けが容易に行なえるようになるため、スターリング機関の組立性の大幅な向上を図ることができる。したがって、スターリング機関を低コストで製作することが可能になる。
【００２０】
上記スターリング機関において、好ましくは、連接手段は、第１と第２可動体の中央部に固定された棒状部材を含む。
【００２１】
上記構成によれば、簡単な構造で第１と第２可動体の変形状態を合わせることができる。
【００２２】
上記スターリング機関は、好ましくは、筒状部材に取り付けられた第１と第２可動体を中立位置に付勢する弾性力付与手段をさらに備える。
【００２３】
上記構成によれば、弾性力付与手段の弾性係数を調整することにより、可動体の共振周波数を調整することができる。
【００２４】
上記スターリング機関において、好ましくは、第１と第２可動体は、それぞれ、ピストンによる作動空間内の圧力変動により弾性変形可能な板状部材を含む。
【００２５】
上記構成によれば、別個の弾性部材を用いることなく可動体の共振周波数を調整することができる。
【００２６】
上記スターリング機関は、好ましくは、圧縮空間と膨張空間との間に設けられる再生器をさらに備え、再生器は、筒状部材の外周面上にフィルムを巻回することにより形成される。
【００２７】
上記構成によれば、再生器を巻回するボビンを筒状部材で兼用することができるので、スターリング機関の構造を簡素化することができる。
【００２８】
本発明に係るスターリング機関搭載機器は、上述したスターリング機関を備える。
これにより、低コストで製作でき、安定的な動作を実現可能なスターリング機関を備えたスターリング機関搭載機器が得られる。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、低コストで製作でき、安定的な動作を実現可能なスターリング機関を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下に、本発明の実施の形態について説明する。なお、同一または相当する部分に同一の参照符号を付し、その説明を繰返さない場合がある。
【００３１】
なお、以下に説明する実施の形態において、個数、量などに言及する場合、特に記載がある場合を除き、本発明の範囲は必ずしもその個数、量などに限定されない。また、以下の実施の形態において、各々の構成要素は、特に記載がある場合を除き、本発明にとって必ずしも必須のものではない。また、以下に複数の実施の形態が存在する場合、特に記載がある場合を除き、各々の実施の形態の構成を適宜組合わせることは、当初から予定されている。
【００３２】
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。
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。
【００３３】
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されている。
【００３４】
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。
【００３５】
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されている。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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、放熱部２および吸熱部３を含むケーシング２４と、該ケーシング２４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と、ピストン１４に対して吸熱部３側に設けられたディスプレーサ１５と、ディスプレーサ１５の外周に設けられた再生器１６と、圧縮空間１７Ａと膨張空間１７Ｂとを含む作動空間１７と、熱交換器１８，１９と、ピストン駆動手段としてのリニアモータ２０と、ピストンスプリング２１と、背圧空間２３とを含んで構成される。
【００３９】
ケーシング２４は、背圧空間２３を規定する。ケーシング２４には、シリンダ１３、リニアモータ２０およびピストンスプリング２１をはじめとする種々の部品が組付けられる。ケーシング２４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。
【００４０】
シリンダ１３は、略円筒状の形状を有し、内部にピストン１４を往復動可能に受け入れる。このピストン１４によってケーシング２４内の空間が作動空間１７と背圧空間１７とに区画される。作動空間１７内には、ディスプレーサ１５が設けられる。このディスプレーサ１５によって作動空間１７が圧縮空間１７Ａと膨張空間１７Ｂとに区画される。図２の例では、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。
【００４１】
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２４によって囲まれた背圧空間２３が配設されている。背圧空間２３は、ケーシング２４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２４内でピストン１４よりもピストンスプリング２１側（以下、単に「後方側」と称する場合がある。）に位置する後方領域とを含む。この背圧空間２３内にも、作動媒体が存在する。
【００４２】
シリンダ１３の外側に位置する背圧空間２３にはリニアモータ２０が配設される。リニアモータ２０は、インナーヨーク２０Ａと、アウターヨーク２０Ｂと、コイル２０Ｃと、可動マグネット２０Ｄとを含む。このリニアモータ２０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。
【００４３】
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２１と接続される。該ピストンスプリング２１は、ピストン１４に弾性力を付与する。該ピストンスプリング２１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。
【００４４】
ディスプレーサ１５は、内部空間を有する筒状部材１５Ａと、弾性体からなる受圧膜１５Ｂ，１５Ｃと、受圧膜１５Ｂ，１５Ｃを接続する連接棒１５Ｄと、圧力調整孔１５Ｅと、筒状部材１５Ａと受圧膜１５Ｂ，１５Ｃとの間に設けられる円錐バネ１５Ｆとを含んで構成される。
【００４５】
筒状部材１５Ａと受圧膜１５Ｂ，１５Ｃとは、ネジ、接着剤、スナップフィット等の締結手段によって締結されることによって一体化される。同様に、受圧膜１５Ｂ，１５Ｃと連接棒１５Ｄとは、ネジ、接着剤、スナップフィット等の締結手段によって締結されることによって一体化される。
【００４６】
受圧膜１５Ｂ，１５Ｃは、筒状部材１５Ａの両端部に設けられた開口を塞ぐように設けられる。なお、受圧膜１５Ｂ側（すなわち圧縮空間１７Ａ側）の開口の面積は、受圧膜１５Ｃ側（すなわち膨張空間１７Ｂ側）の開口の面積よりも小さい。
【００４７】
受圧膜１５Ｂ，１５Ｃは、リニアモータ２０により駆動されるピストン１４の往復動によって生じる作動空間１７内の作動ガス圧の変動を受けて、凸面形状に変形するように軸方向に往復動する。ここで、受圧膜１５Ｂ，１５Ｃは、「弾性力付与手段」としての円錐バネ１５Ｆにより中立位置に向けて付勢されているため、共振周波数が一致するようなバネ定数を持つ円錐バネ１５Ｆを選定し組み込むことでピストン１４とディスプレーサ１５との共振動作が成立し、ディスプレーサ１５は所定の周期で安定して運動する。このディスプレーサ１５の往復動は、ピストン１４の往復動と一定の位相差をもって同期的に行なわれる。この位相差については、一般的には９０°程度が最適条件であるといわれている。
【００４８】
筒状部材１５Ａの側面に設けられた圧力調整孔１５Ｅは、スターリング冷凍機４の組立時に、ディスプレーサ１５の内部空間と作動空間１７とを接続し、ガスの置換・供給をするために使用するものである。圧力調整孔１５Ｅは、微細孔であるため、スターリング冷凍機４の運転時に周期的に変動する圧力に対しては応答できず、ディスプレーサ１５の動作には影響をおよぼさない。
【００４９】
圧縮空間１７Ａと膨張空間１７Ｂとの間には、筒状部材１５Ａ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、逆スターリングサイクルが実現される。
【００５０】
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。
【００５１】
本冷凍機は、いわゆる逆スターリングサイクルを利用して冷凍効果を得るものである。上述したように、ピストン１４はリニアモータ２０により駆動されて正弦運動する。ピストン１４の動きにより圧縮空間１７Ａ内の作動媒体は正弦波状の圧力変化を示す。圧縮された作動媒体は放熱部２で圧縮熱を放出し、再生器１６を通過する際に予冷され、膨張空間１７Ｂへと流入する。
【００５２】
膨張空間１７Ｂへと流入した作動媒体は、ディスプレーサ１５の正弦運動により膨張し、これによって膨張空間１７Ｂ内の温度は著しく低下する。このとき発生した極低温（たとえば−５０℃程度）を吸熱部３を介して冷却庫内へ伝達することにより、所望の冷却効果が得られる。
【００５３】
図３は、スターリング冷凍機４におけるディスプレーサの変形例を示す断面斜視図である。図３を参照して、図２に示される円錐バネ１５Ｆに代えて、筒状部材１５Ａに固定された渦巻き型板バネ１５Ｇが設けられてもよい。渦巻き型板バネ１５Ｇは、連接棒１５Ｄを介して受圧膜１５Ｂ，１５Ｃを中立位置に向けて付勢する「弾性力付与手段」として機能する。
【００５４】
図４は、スターリング冷凍機４におけるディスプレーサの他の変形例を示す断面斜視図である。図４の例では、図２，図３に示される円錐バネ１５Ｆおよび渦巻きバネ１５Ｇに代わる部材は設けられていない。このように、ディスプレーサ１５において、受圧膜１５Ｂ，１５Ｃを中立位置に付勢する「弾性力付与手段」は、必ずしも必須の構成ではない。
【００５５】
次に、図５〜図７を用いて、ディスプレーサ１５の動作を説明する。
スターリング冷凍機４では、圧縮空間１７Ａと膨張空間１７Ｂとが再生器１６を介して連通しているため、作動空間１７全体の圧力の周期的変動の際に、圧縮空間１７Ａの圧力と膨張空間１７Ｂの圧力とがほぼ等しいと仮定することができる。図５は、受圧膜１５Ｂ，１５Ｃが中立位置にある状態を示す。図５の状態から、圧縮空間１７Ａおよび膨張空間１７Ｂの圧力が上昇すると、熱交換器１８，１９によってケーシング２４に固定されている筒状部材１５Ａは、変形・移動しないが、柔軟な部分を有する受圧膜１５Ｂ，１５Ｃは、筒状部材１５Ａの内側に押し込まれようとする。しかし、受圧膜１５Ｂ，１５Ｃには面積差があり、受圧膜１５Ｂ，１５Ｃ面上に発生される内側に押そうとする力は、その面積差に応じて異なる。受圧膜１５Ｂ，１５Ｃは、連接棒１５Ｄにより繋がれているため、上記のように受圧膜１５Ｂ，１５Ｃが受ける力が異なる場合、面積の小さい側（本実施の形態では受圧膜１５Ｂ）は、面積の大きい側（本実施の形態では受圧膜１５Ｃ）の動きに追随する事になる。以上の結果として、圧縮空間１７Ａおよび膨張空間１７Ｂの圧力が上昇した場合は、受圧膜１５Ｂ，１５Ｃは、図６に示すように、ともに圧縮空間１７Ａ側（図６中の右側）に移動する。
【００５６】
他方、ピストン１４がディスプレーサ１５から遠ざかる方向へ移動し、圧縮空間１７Ａおよび膨張空間１７Ｂの圧力が低下すると、受圧膜１５Ｂ，１５Ｃは、両方とも外側に膨らもうとする。この際も、受圧膜１５Ｂは、受圧膜１５Ｃの動きに追随し、受圧膜１５Ｂ，１５Ｃは、図７に示すように、ともに膨張空間１７Ｂ側（図７中の左側）に移動する。
【００５７】
このように、受圧膜１５Ｂ，１５Ｃは、作動空間１７全体の圧力変動に対応して往復動する。上記の説明によれば、理論的には、ピストン１４とディスプレーサ１５とは、１８０°の位相差をもって往復動することになる。しかしながら、実際には、再生器１６の流動抵抗による圧力伝播の遅れ等により、圧縮空間１７Ａと膨張空間１７Ｂとの間には、僅かな圧力差が生じている。そして、作動空間１７全体の圧力変動と、圧縮空間１７Ａ，膨張空間１７Ｂの圧力差とが相乗的に機能することにより、適度な位相ズレ角（たとえば６０°以上１２０°以下程度、典型的には９０°程度）をもってディスプレーサ１５がピストン１４と共振する。なお、位相ズレ角は、ピストン１４の周波数（たとえば７０Ｈｚ程度）、再生器１６および熱交換器１８，１９の圧力損失および作動媒体の封入圧力（たとえば２．５ＭＰａ〜４．０ＭＰａ程度、好ましくは３．０ＭＰａ〜３．４ＭＰａ程度）などを調整することにより、目標の値に適宜設定することが可能である。
【００５８】
次に、図８，図９を用いて、本実施の形態に係るスターリング冷凍機４の変形例について説明する。図８の例では、受圧膜支持部１４Ｂの先端部に受圧膜１４Ａを取り付けてピストンを構成している。このようにすることで、シリンダとピストンとのクリアランス調整が不要となり、より一層容易な組立性を確保することができる。また、図９では、圧縮機と膨張機とを別装置として構成し、これらを互いに組合わせることでスターリング冷凍機４が示されている。本実施の形態におけるスターリング冷凍機４では、ディスプレーサロッドがピストン１４を貫通しないため、ピストン１４とディスプレーサ１５とを同軸に設ける必要がなく、図９のような構成を採用することが可能である。
【００５９】
なお、本実施の形態では、「ケーシング２４」を全て一体の部材として示したが、これは、図示および説明の便宜上そのように示しただけである。実際にスターリング冷凍機を製作する際は、複数の分割体を組合わせてケーシングを構成する必要がある。
【００６０】
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スターリング冷凍機４は、背圧空間２３と圧縮空間１７Ａおよび膨張空間１７Ｂを含む作動空間１７とを有し、作動媒体が封入されたケーシング２４と、背圧空間２３と作動空間１７との間に設けられ、作動空間１７内の作動媒体の圧力変動を与えるピストン１４と、圧縮空間１７Ａと膨張空間１７Ｂとの間に設けられ、ピストン１４による圧力変動により作動するディスプレーサ１５とを備え、ディスプレーサ１５は、軸方向の両端部に面積が互いに異なる（より具体的には、圧縮空間１７Ａ側の面積が膨張空間１７Ｂ側の面積よりも小さい）開口を有する筒状部材１５Ａと、筒状部材１５Ａの軸方向の両端部に位置する開口を塞ぐように筒状部材１５Ａに取り付けられ、それぞれ、凸面形状に変形するように筒状部材１５Ａの軸方向に往復運動する「第１と第２可動体」としての受圧膜１５Ｂ，１５Ｃと、受圧膜１５Ｂ，１５Ｃの変形状態を合わせるように受圧膜１５Ｂ，１５Ｃを繋ぐ「連接手段」としての連接棒１５Ｄとを含む。
【００６１】
連接棒１５Ｄは、受圧膜１５Ｂ，１５Ｃの中央部に固定された「棒状部材」である。また、受圧膜１５Ｂ，１５Ｃは、それぞれ、ピストン１４による作動空間１７内の圧力変動により弾性変形可能な「板状部材」である。
【００６２】
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すべ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すべ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】
【００６３】
【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】図２に示されるスターリング冷凍機におけるディスプレーサの変形例を示す断面斜視図である。
【図４】図２に示されるスターリング冷凍機におけるディスプレーサの他の変形例を示す断面斜視図である。
【図５】図２〜図４に示されるディスプレーサの動作を説明する図（その１）である。
【図６】図２〜図４に示されるディスプレーサの動作を説明する図（その２）である。
【図７】図２〜図４に示されるディスプレーサの動作を説明する図（その３）である。
【図８】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の変形例を示した側断面図である。
【図９】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の他の変形例を示した側断面図である。
【図１０】従来のスターリング冷凍機を示す側断面図である。
【図１１】従来のスターリング冷凍機の変形例を示す側断面図である。
【符号の説明】
【００６４】
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、１３，１３Ａ，１３Ｂ  シリンダ、１４  ピストン、１４Ａ  受圧膜、１４Ｂ  受圧膜支持部、１５  ディスプレーサ、１５Ａ  筒状部材、１５Ｂ，１５Ｃ  受圧膜、１５Ｄ  連接棒、１５Ｅ  圧力調整孔、１５Ｆ  円錐バネ、１５Ｇ  渦巻き型板バネ、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、２０  リニアモータ、２０Ａ  インナーヨーク、２０Ｂ  アウターヨーク、２０Ｃ  コイル、２０Ｄ  可動マグネット、２１  ピストンスプリング、２２  ディスプレーサスプリング、２３  背圧空間、２４  ケーシング、１５０  ディスプレーサロッド、１５１  スプリング。
【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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