(57)【要約】【課題】ピストンを駆動するリニアモータの大型化が抑制しながら高出力を得ることが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において、リニアモータ２０は、インナーヨーク２０Ａと、該インナーヨーク２０Ａの外周側に設けられたアウターヨーク２０Ｂと、ピストン１４に固定され、インナーヨーク２０Ａとアウターヨーク２０Ｂとの間に位置する可動マグネット２０Ｄとを含む。可動マグネット２０Ｄの軸方向中心は、シリンダ１３Ａおよびピストン１４にそれぞれ形成された通路１３０，１４０が互いに連通した状態で、インナーヨーク２０Ａおよびアウターヨーク２０Ｂによる磁気回路中心に対して背圧空間２３側に位置する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮空間および膨張空間と前記圧縮空間よりも容積の大きい背圧空間とを有し、作動媒体が封入されたケーシングと、
前記ケーシング内に組付けられたシリンダと、
前記背圧空間と前記圧縮空間との間に設けられ、前記シリンダ内を往復動するピストンと、
前記圧縮空間と前記膨張空間との間に設けられ、前記シリンダ内を往復動するディスプレーサと、
前記ピストンを駆動するリニアモータとを備え、
前記シリンダは、該シリンダの内周面と前記背圧空間とを連通させる第１の通路を有し、
前記ピストンは、該ピストンの外周面と前記圧縮空間とを連通させる第２の通路を有し、
前記リニアモータは、インナーヨークと、該インナーヨークの外周側に設けられたアウターヨークと、前記ピストンに固定され、前記インナーヨークと前記アウターヨークとの間に位置するマグネットとを含み、
前記マグネットの軸方向中心は、前記第１と第２の通路が連通した状態で、前記インナーヨークおよび前記アウターヨークによる磁気回路中心に対して前記背圧空間側に位置する、スターリング機関。
【請求項２】
前記ピストンを軸方向において中立位置に付勢する弾性力付与手段をさらに備え、
前記第１と第２の通路は、前記弾性力付与手段が中立位置にあるときに互いに連通するように形成される、請求項１に記載のスターリング機関。
【請求項３】
前記インナーヨークおよび前記アウターヨークは、各々その軸方向中心に関して対称な形状を有し、
前記マグネットの軸方向中心は、前記第１と第２の通路が連通した状態で、前記インナーヨークの軸方向中心および前記アウターヨークの軸方向中心に対して前記背圧空間側に位置する、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】
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、外殻体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】
外殻体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。
【０００３】
たとえば、特開２００４−３３２６７５号公報（特許文献１）には、圧力容器内に配設されたシリンダと、該シリンダ内を往復動するピストンとを備えたスターリング機関において、作動空間と背圧空間とを連通させる通路をピストンおよびディスプレーサに形成することが記載されている。
【０００４】
上記ピストンを駆動させる手段として、リニアモータが利用される。一般的に、リニアモータは、内周側に位置するインナーヨークと、外周側に位置するアウターヨークと、インナーヨークおよびアウターヨークの間に位置するマグネットとを含む。マグネットは、ピストンに固定されている。インナーヨークとアウターヨークとにより磁気回路を形成し、マグネットを往復動させることにより、ピストンが駆動される。
【０００５】
また、特開２００２−３０３２６４号公報（特許文献２）には、アウターコアとインナーコアとの間で直線運動可能に配置され、ピストンを直線往復移動させるマグネットを備えたモータにおいて、マグネットの初期中心位置を、アウターコアおよびインナーコアの中心位置からピストンが流体を圧縮するときのピストンの移動方向に所定距離だけ偏心するように位置させることが記載されている。
【特許文献１】特開２００４−３３２６７５号公報
【特許文献２】特開２００２−３０３２６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１においても説明されているように、スターリング機関において、シリンダ内周面とピストン外周面との間に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、ケーシング内に封入された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。
【０００７】
ここで、背圧空間の容積が圧縮空間の容積よりも大きいと、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、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ことになる。この結果、背圧空間の圧力が徐々に高くなり、ピストンの振幅中心位置が初期位置から作動空間側にずれることになる。この現象は、ピストンの振幅が大きくなるにつれてより顕著になる。
【０００８】
作動空間と背圧空間との圧力バランスを保つことでピストンの振幅中心位置ずれを抑えるために、背圧空間とシリンダ内周面とを結ぶ第１の通路をシリンダに設け、圧縮空間とピストン外周面とを結ぶ第２の通路をピストンに設けることが従来から行なわれている。ピストンの振幅が一定値以下である場合には、第１と第２の通路が連通することで、作動空間と背圧空間の圧力バランスが保たれる。この場合、ピストンは、第１と第２の通路が連通する位置を振幅中心として往復動する。
【０００９】
しかしながら、ピストンの振幅が一定値以上になると、上記第１と第２の通路を設けたとしても、圧力バランスを必ずしも十分に保つことができず、結果として、ピストンの振幅中心位置が初期位置から作動空間側にずれることになる。
【００１０】
上記のようにピストンの振幅中心位置がずれることに対応するため、マグネットの軸長に対するインナーヨークおよびアウターヨークの軸方向の余裕長を大きくする必要がある。しかしながら、インナーヨークおよびアウターヨークの軸長を大きくすることにより、リニアモータが大型化する。逆に、マグネットの軸長を小さくすることにより、十分な推力を得ることができなくなる。
【００１１】
特許文献１では、リニアモータの詳細が図示されていない。したがって、引用文献１に記載のスターリング機関においては、上記課題は必ずしも十分に解決されない。また、特許文献２に記載のリニアモータは、スターリング機関に設けられるものではなく、ピストンおよびシリンダに圧縮空間と背圧空間とを連通させるための通路が設けられたものでも無い。したがって、引用文献２に記載の発明と本願発明とは、前提および構成が全く異なる。
【００１２】
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、ピストンを駆動するリニアモータの大型化を抑制しながら高出力を得ることが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】
【００１３】
本発明に係るスターリング機関は、圧縮空間および膨張空間と圧縮空間よりも容積の大きい背圧空間とを有し、作動媒体が封入されたケーシングと、ケーシング内に組付けられたシリンダと、背圧空間と圧縮空間との間に設けられ、シリンダ内を往復動するピストンと、圧縮空間と膨張空間との間に設けられ、シリンダ内を往復動するディスプレーサと、ピストンを駆動するリニアモータとを備え、シリンダは、該シリンダの内周面と背圧空間とを連通させる第１の通路を有し、ピストンは、該ピストンの外周面と圧縮空間とを連通させる第２の通路を有し、リニアモータは、インナーヨークと、該インナーヨークの外周側に設けられたアウターヨークと、ピストンに固定され、インナーヨークとアウターヨークとの間に位置するマグネットとを含み、マグネットの軸方向中心は、第１と第２の通路が連通した状態で、インナーヨークおよびアウターヨークによる磁気回路中心に対して背圧空間側に位置する。
【００１４】
上記構成によれば、インナーヨークおよびアウターヨークによる磁気回路中心に対して背圧空間側にマグネットをシフトさせることにより、ピストンの振幅が大きくなった場合にも、インナーヨークおよびアウターヨークの余裕長を確保することができるので、リニアモータの大型化を抑制しながらスターリング機関の高出力化を図ることができる。
【００１５】
上記スターリング機関は、好ましくは、ピストンを軸方向において中立位置に付勢する弾性力付与手段をさらに備え、第１と第２の通路は、弾性力付与手段が中立位置にあるときに互いに連通するように形成される。
【００１６】
上記スターリング機関において、好ましくは、インナーヨークおよびアウターヨークは、各々その軸方向中心に関して対称な形状を有し、マグネットの軸方向中心は、第１と第２の通路が連通した状態で、インナーヨークの軸方向中心およびアウターヨークの軸方向中心に対して背圧空間側に位置する。
【００１７】
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、小型化および高出力化が図られたスターリング機関搭載機器が得られる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、スターリング機関において、リニアモータの大型化を抑制しながら高出力化を図ることができる。
【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。
【００２０】
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。
【００２１】
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」のすべてを含む概念である。
【００２２】
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（Ｓｔｉｒｌｉｎｇ  Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｏｒ／Ｆｒｅｅｚｅｒ）について説明するが、本発明に係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。
【００２３】
図１は、本発明の１つの実施の形態に係る「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の配管系統図である。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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、放熱部２および吸熱部３を含む「外殻体」としてのケーシング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１５Ａ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、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、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。
【００３１】
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１３Ａ，１３Ｂ、リニアモータ２０、ピストンスプリング２１およびディスプレーサスプリング２２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。
【００３２】
シリンダ１３Ａ，１３Ｂは、略円筒状の形状を有し、内部にピストン１４およびフリーピストンとしてのディスプレーサ１５をそれぞれ往復動可能に受け入れる。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、このピストン１４およびディスプレーサ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。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。
【００３３】
圧縮空間１７Ａと膨張空間１７Ｂとの間には、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。
【００３４】
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（矢印ＤＲ１方向）にピストン１４が駆動される。
【００３５】
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「弾性力付与手段」として機能する。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１３Ａ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１５Ａ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１５Ａ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。
【００３６】
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。
【００３７】
シリンダ１３Ａには、シリンダ１３Ａの内周面と背圧空間２３とを連通させる通路１３０が形成されている。また、ピストン１４には、ピストン１４の外周面と圧縮空間１７Ａとを連通させる通路１４０が形成されている。通路１３０，１４０が互いに連通することで、圧縮空間１７Ａと背圧空間２３とが連通する。
【００３８】
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。
【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。
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。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、シリンダ１３Ｂ外に設けられた再生器１６を通過する際に予冷され、膨張空間１７Ｂへと流入する。
【００４０】
ディスプレーサ１５は、定常運転時にはピストン１４と同周期で一定の位相差をもって正弦運動し、その位相差や振幅は、ディスプレーサスプリング２２のバネ定数や、時々刻々と変化する圧縮空間１７Ａと膨張空間１７Ｂとの圧力差、ディスプレーサ１５の質量、動作周波数等によって決まる。この位相差については、一般的には９０度程度が最適条件であるといわれている。
【００４１】
膨張空間１７Ｂへと流入した作動媒体は、このディスプレーサ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。
【００４２】
スターリング冷凍機４においては、シリンダ１３Ａの内周面とピストン１４の外周面との間、およびディスプレーサロッド１５Ａの外周面とピストン１４に形成されたディスプレーサロッド１５Ａを挿通するための穴の内周面との間に、圧縮空間１７Ａと背圧空間２３とを遮断するガスシールが施されている。なお、該ガスシールは、接触する部材間にシールリングを設けたり、両部材を高精度に嵌合したりすることで実現されている。
【００４３】
しかしながら、どのようなガスシールを施しても、圧縮空間１７Ａと背圧空間２３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、ピストンが圧縮空間１７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２３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２３へと流動する。逆に、ピストンが背圧空間２３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２３の圧力よりも低くなり、作動媒体は背圧空間２３から圧縮空間１７Ａへと流動する。
【００４４】
図２に示されるように、背圧空間２３の容積は、圧縮空間１７Ａの容積よりも大きい。したがって、圧縮空間１７Ａと背圧空間２３との圧力差は、ピストンが背圧空間２３方向に運動しているときより、圧縮空間１７Ａ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、ピストンの往復運動１サイクル毎に少しずつ背圧空間２３へと流出していくことになる。この結果、背圧空間２３の圧力が相対的に高くなる。
【００４５】
スターリング冷凍機４の通常運転時（第１運転状態）においては、通路１３０，１４０が互いに連通することにより、作動空間１７と背圧空間２３との圧力バランスが保たれる。この状況下では、ピストン１４は、通路１３０，１４０が連通する位置を振幅中心として往復動する。
【００４６】
他方、通常運転時よりもピストン１４の振幅が大きくなる高出力運転時（第２運転状態）においては、通路１３０，１４０が連通することによっても、作動空間１７と背圧空間２３との圧力バランスを必ずしも十分に保つことができず、結果として、ピストンの振幅中心位置が初期位置から作動空間１７側にシフトすることになる。
【００４７】
図３は、スターリング冷凍機４におけるリニアモータ２０の周辺の構造を模式的に示した拡大図である。図３を参照して、可動マグネット２０Ｄは、ピストン１４の径方向（図３における上下方向）にＮ極とＳ極とが並ぶように着磁される。コイル２０Ｃに電流が流されると、アウターヨーク２０Ｂには、軸方向に並ぶようにＮ極とＳ極とが形成され、インナーヨーク２０Ａとアウターヨーク２０Ｂとの間に磁気回路が形成される。この磁気回路が形成されることにより、可動マグネット２０Ｄが、軸方向（矢印ＤＲ１方向）に駆動される。コイル２０Ｃに逆向きの電流を流すことにより、可動マグネット２０Ｄは逆向きに駆動される。したがって、コイル２０Ｃに交流電流を流すことにより、可動マグネット２０Ｄおよびピストン１４は、シリンダ１３Ａ内で往復動することになる。
【００４８】
なお、インナーヨーク２０Ａと、コイル２０Ｃが巻回されたアウターヨーク２０Ｂとは、軸方向（矢印ＤＲ１方向）の中心に関して略線対称な形状を有している。したがって、インナーヨーク２０Ａとアウターヨーク２０Ｂとによる磁気回路の中心は、インナーヨーク２０Ａおよびアウターヨーク２０Ｂの軸方向中心に位置する。
【００４９】
ところで、ピストン１４の往復運動に際して、可動マグネット２０Ｄが矢印ＤＲ１方向においてインナーヨーク２０Ａおよびアウターヨーク２０Ｂから突出することは、望ましくない。したがって、スターリング冷凍機４の高出力時（すなわち、ピストン１４の振幅が比較的大きい時）においても、インナーヨーク２０Ａおよびアウターヨーク２０Ｂの軸方向の余裕長を確保する必要がある。しかしながら、インナーヨーク２０Ａおよびアウターヨーク２０Ｂの軸長を大きくすると、リニアモータ２０が大型化することになる。
【００５０】
図４は、ピストン１４の振幅とピストン１４の振幅中心の（作動空間１７側への）シフト量との関係をシミュレーションにより求めた結果を示す図である。図４を参照して、振幅が６ｍｍを超えると、ピストン１４の振幅中心の圧縮空間１７Ａ側へのシフト量が急激に増加する。この場合、インナーヨーク２０Ａおよびアウターヨーク２０Ｂの圧縮空間１７Ａ側の余裕長が縮小されることになる。
【００５１】
なお、図４に示されるピストン１４のシフト量は、通路１３０，１４０の径を大きくすることによって低減することが可能である。しかしながら、通路１３０，１４０の径を大きくするにつれて、スターリング冷凍機４の成績係数が低下するため、通路１３０，１４０の径の拡大には、限界がある。
【００５２】
ここで、再び図３を参照して、スターリング冷凍機４においては、通路１３０，１４０が連通する位置において、可動マグネット２０Ｄの軸方向中心がインナーヨーク２０Ａおよびアウターヨーク２０Ｂの軸方向中心に対して距離Ｘだけ背圧空間２３側にずれるように、インナーヨーク２０Ａ、アウターヨーク２０Ｂおよび可動マグネット２０Ｄを配置している。
【００５３】
上述したように、スターリング冷凍機４の通常運転時においては、ピストン１４の振幅中心位置は、通路１３０，１４０が連通する位置となる。したがって、この状況下では、可動マグネット２０Ｄの振幅中心位置は、インナーヨーク２０Ａおよびアウターヨーク２０Ｂの軸方向（矢印ＤＲ１方向）の中心に対して背圧空間２３側に距離Ｘだけずれた位置となる。
【００５４】
他方、スターリング冷凍機４の高出力運転時においては、ピストン１４の振幅中心位置は、通路１３０，１４０が連通する位置よりも圧縮空間１７Ａ側にシフトした位置となる。したがって、この状況下では、可動マグネット２０Ｄの振幅中心位置は、インナーヨーク２０Ａおよびアウターヨーク２０Ｂの軸方向（矢印ＤＲ１方向）の中心の近傍となる。
【００５５】
本実施の形態に係るスターリング冷凍機４では、上記のように、可動マグネット２０Ｄの中心を背圧空間２３側にシフトさせることにより、スターリング冷凍機４の通常運転時（すなわち、ピストン１４の振幅が比較的小さい時）には、可動マグネット２０Ｄの振幅中心位置がインナーヨーク２０Ａおよびアウターヨーク２０Ｂとの軸方向中心に対して背圧空間２３側にずれるものの、スターリング冷凍機４の高出力運転時（すなわち、ピストン１４の振幅が大きい時）に、可動マグネット２０Ｄの振幅中心位置とインナーヨーク２０Ａおよびアウターヨーク２０Ｂとの軸方向中心とを近づけることができるので、インナーヨーク２０Ａおよびアウターヨーク２０Ｂの軸長を過度に大きくすることなく、ピストン１４の振幅が大きくなった場合にも余裕長を確保することができる。
【００５６】
なお、可動マグネット２０Ｄの中心をどの程度シフトさせるかについては、スターリング冷凍機４の仕様に応じて適宜変更される。たとえば、通常運転時に対する高出力時のピストン１４の振幅中心位置のシフト量が１ｍｍ〜２ｍｍ程度であれば、可動マグネット２０Ｄを背圧空間２３側に０．５ｍｍ〜１ｍｍ程度シフトさせることが考えられる。
【００５７】
上述のように、本実施の形態に係るスターリング冷凍機４によれば、インナーヨーク２０Ａおよびアウターヨーク２０Ｂによる磁気回路中心に対して背圧空間２３側に可動マグネット２０Ｄをシフトさせることにより、リニアモータ２０の大型化を抑制しながらスターリング冷凍機４の高出力化を図ることができる。
【００５８】
上述した内容について要約すると、以下の様になる。すなわち、本実施の形態に係る「スターリング機関」としてのスターリング冷凍機４は、圧縮空間１７Ａおよび膨張空間１７Ｂと圧縮空間１７Ａよりも容積の大きい背圧空間２３とを有し、作動媒体が封入されたケーシング２４と、ケーシング２４内に組付けられたシリンダ１３Ａ，１３Ｂと、背圧空間２３と圧縮空間１７Ａとの間に設けられ、シリンダ１３Ａ内を往復動するピストン１４と、圧縮空間１７Ａと膨張空間１７Ｂとの間に設けられ、シリンダ１３Ｂ内を往復動するディスプレーサ１５と、ピストン１４を駆動するリニアモータ２０とを備える。シリンダ１３Ａは、その内周面と背圧空間２３とを連通させる「第１の通路」としての通路１３０を有し、ピストン１４は、その外周面と圧縮空間１７Ａとを連通させる「第２の通路」としての通路１４０を有する。リニアモータ２０は、インナーヨーク２０Ａと、該インナーヨーク２０Ａの外周側に設けられたアウターヨーク２０Ｂと、ピストン１４に固定され、インナーヨーク２０Ａとアウターヨーク２０Ｂとの間に位置する可動マグネット２０Ｄとを含む。可動マグネット２０Ｄの軸方向中心は、通路１３０，１４０が互いに連通した状態で、インナーヨーク２０Ａおよびアウターヨーク２０Ｂによる磁気回路中心に対して背圧空間２３側に位置する。より具体的には、スターリング冷凍機４は、ピストン１４を軸方向において中立位置に付勢する「弾性力付与手段」としてのピストンスプリング２１をさらに備える。そして、通路１３０，１４０は、ピストンスプリング２１が中立位置にあるときに互いに連通するように形成されている。また、リニアモータ２０において、アウターヨーク２０Ｂにはコイル２０Ｃが巻回されている。インナーヨーク２０Ａおよびアウターヨーク２０Ｂは、各々その軸方向中心に関して対称な形状を有し、可動マグネット２０Ｄの軸方向中心は、通路１３０，１４０が連通した状態で、インナーヨーク２０Ａの軸方向中心およびアウターヨーク２０Ｂの軸方向中心に対して背圧空間２３側に位置している。
【００５９】
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】
【００６０】
【図１】本発明の１つの実施の形態に係るスターリング機関を含む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機関を示した側断面図である。
【図３】図２に示されるリニアモータ周辺の構造を模式的に示した拡大図である。
【図４】ピストンの振幅と振幅中心のシフト量との関係をシミュレーションにより求めた結果を示す図である。
【符号の説明】
【００６１】
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、１３Ａ，１３Ｂ  シリンダ、１４  ピストン、１５  ディスプレーサ、１５Ａ  ディスプレーサロッド、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、１３０，１４０  通路。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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