(57)【要約】【課題】  ディスプレーサロッドやディスプレーサスプリングを省略することが可能となるスターリング機関を提供する。【解決手段】  スターリング機関は、ケーシング１０と、ケーシング１０に組付けられたシリンダ２と、シリンダ２内で往復動するピストン３およびディスプレーサ４と、ピストン３をシリンダ２内で往復動させるリニアモータ１１と、ピストン３におけるディスプレーサ４側の端部に設置された永久磁石１３ａと、永久磁石１３ａと対向するようにディスプレーサ４におけるピストン３側の端部に設置され永久磁石１３ａと同じ極性の永久磁石１３ｂと、ディスプレーサ４におけるピストン３から離れた側の端部に設置された永久磁石１３ｃと、永久磁石１３ｃと対向するように吸熱部９の内壁に設置され、永久磁石１３ｃと同じ極性の永久磁石１３ｄとを備える。【選択図】        図１
2005037118.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケーシングと、
前記ケーシングに組付けられたシリンダと、
前記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、
前記ピストンを前記シリンダ内で往復動させるピストン駆動手段と、
前記ピストンと前記ディスプレーサとの間に設けられ、前記ピストンから前記ディスプレーサを引き離す方向に磁力を付与する第１磁力付与手段と、
前記ディスプレーサにおけるピストンから離れた側の端部と、該端部と対向する前記ケーシングの内壁部分との間に設けられ、前記ケーシングの内壁部分から前記ディスプレーサを引き離す方向に磁力を付与する第２磁力付与手段と、
を備えたスターリング機関。
【請求項２】
前記第１磁力付与手段は、
前記ピストンにおける前記ディスプレーサ側の端部に設置された第１磁石と、
前記第１磁石と対向するように前記ディスプレーサにおける前記ピストン側の第１端部に設置され、前記第１磁石と同じ極性の第２磁石と、から成り、
前記第２磁力付与手段は、
前記ディスプレーサにおける前記ピストンから離れた側の第２端部に設置された第３磁石と、
前記第３磁石と対向するように前記ディスプレーサの第２端部と対向する前記ケーシングの内壁部分に設置され、前記第３磁石と同じ極性の第４磁石と、から成る請求項１に記載のスターリング機関。
【請求項３】
前記第１、第２、第３および第４磁石は永久磁石である、請求項２に記載のスターリング機関。
【請求項４】
ケーシングと、
前記ケーシングに組付けられたシリンダと、
前記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、
前記ピストンを前記シリンダ内で往復動させるピストン駆動手段と、
前記ピストンと前記ディスプレーサとの間に設けられ、前記ピストンから前記ディスプレーサを引き離す方向に弾性力を付与する第１弾性力付与手段と、
前記ディスプレーサにおけるピストンから離れた側の端部と、該端部と対向する前記ケーシングの内壁部分との間に設けられ、前記ケーシングの内壁部分から前記ディスプレーサを引き離す方向に弾性力を付与する第２弾性力付与手段と、
を備えたスターリング機関。
【請求項５】
前記第１弾性力付与手段は、前記ピストンにおいて前記ディスプレーサ側に位置する端部と、前記ディスプレーサとの間に設置された第１コイルスプリングを含み、
前記第２弾性力付与手段は、前記ディスプレーサにおける前記ピストンから離れた側の端部と、該端部と対向する前記ケーシングの内壁部分との間に設置された第２コイルスプリングとを含む、請求項４に記載のスターリング機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スターリング機関に関し、特に、フリーピストン型スターリング機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、スターリング機関の一例として、フリーピストン型スターリング冷凍機は知られている。このスターリング冷凍機では、ケーシングに組付けられたシリンダ内にディスプレーサとピストンとを配設して膨張空間と圧縮空間とを設けている。膨張空間と圧縮空間の内部にはヘリウムなどの作動媒体が存在しており、これらの空間は作動媒体通路を介して連通している。作動媒体通路には、作動媒体の熱を蓄積するとともに蓄積した熱を作動媒体に供給する再生器が配設されている。
【０００３】
ピストンは、後端でピストンスプリングと一体化され、リニアモータなどによってシリンダの軸方向に往復駆動される。ディスプレーサは、ピストンを貫通するディスプレーサロッドを介してディスプレーサスプリングと一体化される。該ディスプレーサスプリングとピストンスプリングとはボルトにより連結される。
【０００４】
ピストンをシリンダの軸方向に往復運動させると、作動媒体に周期的な圧力変化がもたらされ、それによりディスプレーサも所定の位相差をもってシリンダの軸方向に往復運動する。
【０００５】
なお、上記のようなディスプレーサを備えたフリーピストン型のスターリング冷凍機ではないが、フリーピストン圧縮機と呼ばれる圧縮機が、特開平４−３３５９６２号公報に記載されている。
【特許文献１】特開平４−３３５９６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記のようにピストンを貫通するディスプレーサロッドおよびディスプレーサスプリングを有するスターリング冷凍機では、ディスプレーサロッドを高い同軸度でディスプレーサ本体に取付ける必要がある。また、ディスプレーサスプリングを特定周波数で共振させるために高い精度でばね定数を個々にチューニングする必要もある。さらに、ディスプレーサスプリングとディスプレーサロッドとを軸心が一致するように取り付けなければならない。そのため、組立作業が困難となり、生産性のみならず性能低下の要因ともなり得る。
【０００７】
その上、ディスプレーサスプリングとディスプレーサロッドの取付部は、冷凍機の動作中常時振動しているので、緩みやすくなる。また、ピストンやディスプレーサが往復運動を繰り返すことで、ピストンとディスプレーサの同軸度がずれて摺動摩耗を生じるという問題も生じ得る。
【０００８】
他方、上記の特開平４−３３５９６２号公報に記載のフリーピストン圧縮機では、磁石の反発力を利用してピストンをその往復動ストロークの中立位置に高精度に保つようにしているが、ディスプレーサロッドやディスプレーサスプリングを有するものではなく、これらを省略するために磁石の反発力を利用しているわけではない。
【０００９】
この発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、ディスプレーサロッドやディスプレーサスプリングを省略することが可能となるスターリング機関を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係るスターリング機関は、１つの局面では、ケーシングと、ケーシングに組付けられたシリンダと、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、ピストンをシリンダ内で往復動させるピストン駆動手段と、ピストンとディスプレーサとの間に設けられピストンからディスプレーサを引き離す方向に磁力を付与する第１磁力付与手段と、ディスプレーサにおけるピストンから離れた側の端部と、該端部と対向するケーシングの内壁部分との間に設けられ、ケーシングの内壁部分からディスプレーサを引き離す方向に磁力を付与する第２磁力付与手段とを備える。
【００１１】
上記第１磁力付与手段は、たとえばピストンにおけるディスプレーサ側の端部に設置された第１磁石と、第１磁石と対向するようにディスプレーサにおけるピストン側の第１端部に設置され、第１磁石と同じ極性の第２磁石とを含み、第２磁力付与手段は、ディスプレーサにおけるピストンから離れた側の第２端部に設置された第３磁石と、第３磁石と対向するようにディスプレーサの第２端部と対向するケーシングの内壁部分に設置され、第３磁石と同じ極性の第４磁石とを含む。なお、本願明細書において「ケーシング」とは、スターリング機関の外殻を構成する部分のことを称し、単一の容器で構成されてもよく、複数の要素の外殻部分を組合せて構成されてもよい。また、上記第１、第２、第３および第４磁石は、好ましくは、永久磁石である。
【００１２】
上記のように第１磁力付与手段をピストンとディスプレーサにそれぞれ設置することにより、ピストンとディスプレーサ間に斥力を発生させることができる。それにより、ピストン駆動手段でピストンを駆動してシリンダ内で往復動させた際に、上記の斥力を利用してディスプレーサをピストンから離れる方向に押圧することができる。他方、第２磁力付与手段をディスプレーサと、該ディスプレーサと対向するケーシングの内壁部分にそれぞれ対向して設置することにより、同様に第２磁力付与手段によって生じる斥力を利用してディスプレーサを上記ケーシングの内壁部分から離れる方向、つまりピストンに近づく方向に押圧することができる。
【００１３】
本発明に係るスターリング機関は、他の局面では、ケーシングと、ケーシングに組付けられたシリンダと、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、ピストンをシリンダ内で往復動させるピストン駆動手段と、ピストンとディスプレーサとの間に設けられピストンからディスプレーサを引き離す方向に弾性力を付与することが可能な第１弾性力付与手段と、ディスプレーサにおけるピストンから離れた側の端部と、該端部と対向するケーシングの内壁部分との間に設けられケーシングの内壁部分からディスプレーサを引き離す方向に弾性力を付与することが可能な第２弾性力付与手段とを備える。
【００１４】
上記第１弾性力付与手段は、たとえばピストンにおいてディスプレーサ側に位置する端部と、ディスプレーサとの間に設置された第１コイルスプリングなどの弾性部材を含み、第２弾性力付与手段は、たとえばディスプレーサにおけるピストンから離れた側の端部と、該端部と対向するケーシングの内壁部分との間に設置された第２コイルスプリングなどの弾性部材とを含む。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、ピストンとディスプレーサとの間およびディスプレーサとケーシングの内壁部分との間に発生する磁力による斥力や弾性力による反発力と、作動媒体からの圧力とを利用してディスプレーサを駆動することができるので、ディスプレーサロッドやディスプレーサスプリングを省略することが可能となる。それにより、ディスプレーサロッドやディスプレーサスプリングを設けることに起因する様々な不都合を解消することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、図１を用いて、本発明の実施の形態について説明する。
【００１７】
（実施の形態１）
図１は、スターリング機関の一例であるスターリング冷凍機１の概略構成を示す断面図である。なお、以下の説明では、本発明をスターリング冷凍機に適用した例について説明するが、スターリング冷凍機以外のスターリング機関にも本発明は適用可能である。
【００１８】
図１に示すように、本実施の形態１のスターリング冷凍機１は、ケーシング１０と、該ケーシング１０に組付けられたシリンダ２と、シリンダ２内で往復動するピストン３およびディスプレーサ４と、再生器５と、圧縮空間（第１作動空間）６と、膨張空間（第２作動空間）７と、放熱部（ウォームヘッド）８と、吸熱部（コールドヘッド）９と、ピストン駆動手段としてのリニアモータ１１と、ピストンスプリング１２と、磁力付与手段の好ましい例である永久磁石１３ａ〜１３ｄと、背圧空間１４とを備える。
【００１９】
ケーシング１０は、スターリング冷凍機１の外殻（外壁）を構成する部分であり、シリンダ２をはじめとする種々の部品が該ケーシング１０内に組付けられる。図１の例では、ケーシング１０は、単一の容器で構成されず、背圧空間１４を規定するとともにリニアモータ１１を受け入れるベッセル部分と、放熱部８、再生器５および吸熱部９の外壁部分とで主に構成される。該ケーシング１０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。
【００２０】
シリンダ２は、略円筒状の形状を有し、内部にピストン３とディスプレーサ４とを往復動可能に受け入れる。シリンダ２内において、ピストン３とディスプレーサ４とは同軸上に間隔をあけて配置され、このピストン３およびディスプレーサ４によってシリンダ２内の作動空間が圧縮空間６と膨張空間７とに区画される。圧縮空間６は主に放熱部８によって囲まれ、膨張空間７は主に吸熱部９によって囲まれている。
【００２１】
圧縮空間６と膨張空間７との間には再生器５が配設されており、この再生器５を介してこれら両空間が連通する。それにより、スターリング冷凍機１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３およびディスプレーサ４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する。
【００２２】
シリンダ２の外側には、リニアモータ１１を配設する。このリニアモータ１１によって、シリンダ２の軸方向にピストン３を駆動する。ピストン３の一端は、板バネなどで構成されるピストンスプリング１２と接続される。該ピストンスプリング１２は、ピストン３に弾性力を付与する弾性力付与手段として機能し、該ピストンスプリング１２とリニアモータ１１により、シリンダ２内でピストン３を所望の振幅で周期的に往復動させることが可能となる。
【００２３】
ピストン３に対しディスプレーサ４と反対側には、ケーシング１０のベッセル部分によって囲まれた背圧空間１４が位置している。この背圧空間１４内にも、作動媒体が存在する。
【００２４】
本実施の形態では、ピストン３とディスプレーサ４との間に、ピストン３からディスプレーサ４を引き離す方向の磁力を付与する第１磁力付与手段を設け、ディスプレーサ４におけるピストン３から離れた側の端部と、該端部と対向するケーシング１０の内壁部分（たとえば図１の例では吸熱部９の膨張空間７側に位置する表面部分）との間に、該ケーシングの内壁部分からディスプレーサ４を引き離す方向、つまりピストン３に近づく方向に磁力を付与する第２磁力付与手段とを設ける。
【００２５】
上記のように第１磁力付与手段を設けることにより、ピストン３とディスプレーサ４との間に斥力を発生させることができ、ピストン３から離れる方向にディスプレーサ４を押圧することができる。また、第２磁力付与手段を設けることにより、ディスプレーサ４と上記のケーシング１０の内壁部分との間に斥力を発生させることができ、ディスプレーサ４をピストン３に近づく方向に押圧することができる。それにより、作動媒体からの圧力と磁力付与手段による斥力（磁力）との双方を利用してディスプレーサをシリンダ２内で周期的に往復動させることができる。
【００２６】
その結果、ディスプレーサロッドやディスプレーサスプリングを省略することが可能となり、ディスプレーサロッドやディスプレーサスプリングが存在することに起因する様々な不都合を解消することができる。
【００２７】
具体的には、ディスプレーサロッドを高い同軸度でディスプレーサ本体に取付ける必要がなくなり、またディスプレーサスプリングを特定周波数で共振させるために高い精度でばね定数を個々にチューニングする必要もなくなる。さらに、ディスプレーサスプリングとディスプレーサロッドとを軸心が一致するように取り付ける必要もなくなる。したがって、スターリング機関の組立作業が格段に容易となり、特に生産性を向上することができる。
【００２８】
その上、ディスプレーサスプリングとディスプレーサロッドの取付部がスターリング機関の動作中に緩むことや、ピストン３やディスプレーサ４が往復運動を繰り返すことでピストン３とディスプレーサ４の同軸度がずれて摺動摩耗を生じるという問題も回避することができる。よって、スターリング機関の経時的な性能の劣化をも効果的に抑制することができる。
【００２９】
図１の例では、ピストン３におけるディスプレーサ４側の端部に永久磁石（第１磁石）１３ａ、該永久磁石１３ａと対向するようにディスプレーサ４におけるピストン３側の第１端部に永久磁石１３ａと同じ極性（Ｎ極同士あるいはＳ極同士）の永久磁石（第２磁石）１３ｂ、ディスプレーサ４におけるピストン３から離れた側の第２端部に永久磁石１３ｃ（第３磁石）、該永久磁石１３ｃと対向するようにディスプレーサ４の第２端部と対向する吸熱部９の膨張空間７側に位置する表面部分（内壁部分）に永久磁石１３ｃと同じ極性（Ｎ極同士あるいはＳ極同士）の永久磁石１３ｄ（第４磁石）とを設けている。
【００３０】
このようにピストン３、ディスプレーサ４および吸熱部９にそれぞれ永久磁石１３ａ〜１３ｄを設置することで、これらの間に所望の磁力を発生させることができ、作動媒体からの圧力とともに永久磁石１３ａ〜１３ｄによる磁力をディスプレーサ４に付与することができる。それにより、ディスプレーサ４を駆動することができる。
【００３１】
また、永久磁石１３ａ〜１３ｄの種類や形状などを適切に選択することで、これらの間に生じる磁力を所定値以上の値とすることができ、ディスプレーサ４とピストン３および吸熱部９の内壁との衝突を回避することもできる。
【００３２】
さらに、永久磁石１３ａ〜１３ｄを採用することにより、該永久磁石１３ａ〜１３ｄを各要素に取付けるだけでよいので、永久磁石１３ａ〜１３ｄの設置作業も容易に行える。
【００３３】
また、永久磁石１３ａ〜１３ｄをシリンダ２の軸線上に並べて配置することにより、シリンダ２の軸線に沿う方向にディスプレーサ４に磁力を付与することができ、ディスプレーサ４の規則的な往復動の実現に効果的に寄与し得る。
【００３４】
なお、図１の例では、ピストン３、ディスプレーサ４および吸熱部９などの各要素の端面に露出するように永久磁石１３ａ〜１３ｄを取付け、永久磁石１３ａ〜１３ｄの表面と各要素の表面とがほぼ面一となるようにしているが、永久磁石１３ａ〜１３ｄの表面を、上記の各要素の表面よりも各要素の内方側にシフトさせ、各要素の表面に若干の凹部を設けるようにすることも考えられる。この場合には、該永久磁石１３ａ〜１３ｄの表面を被覆する被覆部材を取付け、永久磁石１３ａ〜１３ｄの表面が作動空間に露出しないようにすることもできる。また、予め永久磁石１３ａ〜１３ｄの表面が作動空間に露出しないように各要素の内部に永久磁石１３ａ〜１３ｄを組込むことも考えられる。
【００３５】
次に、本実施の形態において使用可能な永久磁石について、より具体的に説明する。
【００３６】
まず、ピストンスプリング１２のバネ定数が８４００（Ｎ／ｍ）、従来例で用いられていたディスプレーサスプリングのバネ定数が２４５００（Ｎ／ｍ）であるスターリング冷凍機１（２００Ｗ）の場合を例にとって説明する。
【００３７】
上記のスターリング冷凍機１では、ピストン３の振幅が７ｍｍの時、ディスプレーサ４の振幅は、５．１ｍｍ以下程度であると考えられる。このとき、ディスプレーサ４に働く復元力Ｆｄｍは、下記の数式（１）で表される。なお、ディスプレーサ４の先端から吸熱部９の内壁部分までの距離は３．９ｍｍである。
【００３８】
Ｆｄｍ＝２４５００×５．１×１０−３＝１２５（Ｎ）…（１）
ここで、対向する１組の永久磁石（図１の永久磁石１３ｃ，１３ｄに対応）の磁束密度をｍ１，ｍ２とすると、距離ｒだけ離れた１組の永久磁石間に働く力Ｆは下記の数式（２）で表される。
【００３９】
Ｆ＝ｍ１・ｍ２／ｒ２…（２）
したがって、距離ｒが３．９ｍｍの時に永久磁石間に働く力Ｆを１２５（Ｎ）とするには、永久磁石の磁束密度を０．０４３６（Ｔ）とすればよい。距離ｒが３．９ｍｍの時に０．０４３６（Ｔ）の表面磁束密度を得るためには、たとえば残留磁束密度１．０８５Ｔ、外径８．７ｍｍ、厚さ１ｍｍのＮｄ−Ｆｅ−Ｂ磁石を使用すればよい。
【００４０】
次に、ディスプレーサ４の先端が吸熱部９の内壁部分から１ｍｍの位置まで吸熱部９の内壁部分に近づいた時にＮｄ−Ｆｅ−Ｂ磁石からディスプレーサ４に働く力と、従来のディスプレーサスプリングによる復元力とを比較する。
【００４１】
従来のディスプレーサスプリングの復元力Ｆ１は下記の数式（３）で表され、磁力Ｆ２は下記の数式（４）で表される。
【００４２】
Ｆ１＝２４５００×９×１０−３＝２２０．５（Ｎ）…（３）
Ｆ２＝（０．１０５１）２／（１×１０−３）２＝１１０４６（Ｎ）…（４）
このように磁力Ｆ２が上記の復元力Ｆ１よりも格段に大きい値となるので、ピストン３の振幅をさらに増加させても、ディスプレーサ４は吸熱部９の内壁に衝突し難くなることが推察される。したがって、ディスプレーサ４と吸熱部９との衝突を回避しながらディスプレーサ４を駆動することができる。
【００４３】
次に、ディスプレーサ４とピストン３との間での衝突を回避するための永久磁石の選定手法の一例について説明する。
【００４４】
上記のスターリング冷凍機１において、ピストン３が７ｍｍの振幅で運転されているとする。この時のエンジンダイナミクスから、ディスプレーサ４が圧縮空間６側で最大振幅の時のピストン３の振幅は、ディスプレーサ４とピストン３との位相差が６８°であるとした場合には２．６２２ｍｍとなる。スターリング冷凍機１の停止時の圧縮空間６の行程は１１ｍｍであるので、ディスプレーサ４とピストン３間の距離は３．２７８ｍｍ（１１−５．１−２．６２２＝３．２７８）となる。
【００４５】
ここで、ディスプレーサ４とピストン３との間に設置される永久磁石（図１の永久磁石１３ａ，１３ｂに対応）に必要な磁束密度ｍｐについては、下記の数式（５）が成立つ。
【００４６】
１２５＝（ｍｐ）２／（３．２７８×１０−３）２  …（５）
上記の数式（５）より、磁束密度ｍｐは０．０３６６（Ｔ）となる。したがって、ディスプレーサ４とピストン３間の距離が３．２７８ｍｍの場合に０．０３６６（Ｔ）の表面磁束密度を得るために必要な永久磁石としては、たとえば残留磁束密度０．８５Ｔ、外径６．５ｍｍ、厚さ１ｍｍのＳｍ−Ｃｏ磁石を使用すればよいこととなる。この磁石を使用することにより、ディスプレーサ４とピストン３との衝突を回避しながらディスプレーサ４を駆動することができる。
【００４７】
なお、本実施の形態１では、磁力付与手段の一例として永久磁石を使用する場合について説明したが、電磁石などの永久磁石以外の磁力付与手段を採用することも考えられる。
【００４８】
（実施の形態２）
次に、図２を用いて、本発明の実施の形態２について説明する。本実施の形態２のスターリング機関は、ピストンとディスプレーサとの間に設けられピストンからディスプレーサを引き離す方向に弾性力を付与することが可能な第１弾性力付与手段と、ディスプレーサにおけるピストンから離れた側の端部と、該端部と対向するケーシングの内壁部分との間に設けられケーシングの内壁部分からディスプレーサを引き離す方向に弾性力を付与することが可能な第２弾性力付与手段とを備える。
【００４９】
上記のように第１および第２弾性力付与手段を設置することにより、ピストン駆動手段によってピストンを駆動した際に、ディスプレーサに対し所望の弾性力を付与することができる。該弾性力を利用してディスプレーサを駆動することができる。つまり、弾性力付与手段を介してピストンの強制振動エネルギーをディスプレーサに伝達することができ、該ピストンの強制振動エネルギーによりディスプレーサを往復運動させることができる。
【００５０】
このとき、第１および第２弾性力付与手段からの弾性力を適切に調節することにより、ピストンに対し所定の位相差でディスプレーサを駆動するとともに、ピストンおよびケーシングの内壁部分とディスプレーサとの衝突を回避することができる。
【００５１】
第１および第２弾性力付与手段の典型例としては弾性部材を挙げることができる。弾性部材としては、典型的にはコイルスプリングを使用可能であるが、コイルスプリング以外のスプリングや、スプリング以外の弾性体をも使用可能である。さらに、異なる種類の弾性部材を組み合わせて使用することも考えられる。
【００５２】
図２に、本実施の形態２におけるスターリング冷凍機１の概略構成を示す。図２に示すように、本実施の形態２のスターリング冷凍機１では、ピストン３においてディスプレーサ４側に位置する端部と、ディスプレーサ４との間に第１コイルスプリング１６を取り付け、ディスプレーサ４におけるピストン３から離れた側の端部と、該端部と対向するケーシング１０の内壁部分（吸熱部９の内壁部分）との間に第２コイルスプリング１７を取り付けている。
【００５３】
図２の例では、ピストン３におけるディスプレーサ４側の端部に凹部１５ａ、ディスプレーサ４におけるピストン３側の端部に凹部１５ｂ、ディスプレーサ４におけるピストン３から離れた側の端部に凹部１５ｃ、ディスプレーサ４と対向するケーシング１０の内壁部分（吸熱部９の内壁部分）に凹部１５ｄを設け、凹部１５ａに第１コイルスプリング１６の一端を固定し、凹部１５ｂに第１コイルスプリング１６の他端を固定し、凹部１５ｃに第２コイルスプリング１７の一端を固定し、凹部１５ｄに第２コイルスプリング１７の他端を固定している。
【００５４】
しかし、上記のような凹部１５ａ〜１５ｄを設けることなく、第１および第２コイルスプリング１６，１７を、ピストン３、ディスプレーサ４およびケーシング１０の内壁部分（吸熱部９の内壁部分）に取り付けることも可能である。また、何らかの部材を用いて、あるいは何らかの部材を介して第１および第２コイルスプリング１６，１７を設置することも可能である。
【００５５】
第１および第２コイルスプリング１６，１７の長さやばね定数は、ディスプレーサ４に要求される振幅や周期に応じて適切に選択すればよい。第１および第２コイルスプリング１６，１７のばね定数については等しい値とすることも考えられるが、第１および第２コイルスプリング１６，１７のばね定数を異ならせてもよい。
【００５６】
第１と第２コイルスプリング１６，１７のばね定数を異ならせる場合、第１コイルスプリング１６のばね定数を第２コイルスプリング１７のばね定数より大きくしてもよく、それとは反対に第２コイルスプリング１７のばね定数を第１コイルスプリング１６のばね定数より大きくしてもよい。いずれの場合も、スプリングのばね定数を適切に調節することにより、ピストン３とディスプレーサ４間に所望の位相差を確保しながらディスプレーサ４を駆動することができる。
【００５７】
なお、第１および第２コイルスプリング１６，１７を含む振動系の共振周波数付近でピストン３を強制振動させることにより、少ないエネルギーでディスプレーサ４を所望の振幅で振動させることができる。上記以外の構成については、実施の形態１の場合と同様である。
【００５８】
次に、各実施の形態に記載のスターリング冷凍機１の動作について説明する。
【００５９】
まず、リニアモータ１１を作動させてピストン３を駆動する。リニアモータ１１によって駆動されたピストン３は、ディスプレーサ４に接近し、圧縮空間６内の作動媒体（作動ガス）を圧縮する。このとき、同じ極性の永久磁石１３ａ，１３ｂを設置することにより、該永久磁石１３ａ，１３ｂの斥力によってピストン３とディスプレーサ４との衝突を回避しながらディスプレーサ４を駆動することができる。
【００６０】
ピストン３がディスプレーサ４に接近することにより、圧縮空間６内の作動媒体の温度は上昇するが、放熱部８によってこの圧縮空間６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６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。
【００６１】
ピストン３がディスプレーサ４に接近した後にディスプレーサ４は吸熱部９側に移動するが、このとき同じ極性の永久磁石１３ｃ，１３ｄを設けることで、永久磁石１３ｃ，１３ｄの斥力によってディスプレーサ４と吸熱部９の内壁との衝突を回避しながらディスプレーサ４を駆動することができる。
【００６２】
ピストン３によって圧縮空間６内において圧縮された作動媒体は再生器５内に流入し、さらに膨張空間７へと流れ込む。その際、作動媒体の持つ熱が再生器５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。
【００６３】
膨張空間７内に流入した高圧の作動媒体は、ディスプレーサ４がピストン３側へ移動することにより膨張する。これにより、膨張空間７内の作動媒体の温度は下降するが、吸熱部９によって外部の熱が膨張空間７内へと伝熱されるため、膨張空間７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。
【００６４】
その後、ディスプレーサ４がピストン３から遠ざかる方向に移動し始める。それにより、膨張空間７内の作動媒体は再生器５を通過して再び圧縮空間６側へと戻る。その際、再生器５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。
【００６５】
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９は徐々に低温になり、極低温を有するに至る。
【００６６】
以上のように本発明の実施の形態について説明を行なったが、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】
【００６７】
【図１】本発明の実施の形態１におけるスターリング冷凍機の概略構成を示す断面図である。
【図２】本発明の実施の形態２におけるスターリング冷凍機の概略構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【００６８】
１  スターリング冷凍機、２  シリンダ、３  ピストン、４  ディスプレーサ、５  再生器、６  圧縮空間、７  膨張空間、８  放熱部、９  吸熱部、１０  ケーシング、１１  リニアモータ、１２  ピストンスプリング、１３ａ〜１３ｄ  永久磁石、１４  背圧空間、１５ａ〜１５ｄ  凹部、１６  第１コイルスプリング、１７  第２コイルスプリング。
【図１】
2005037118.tif 000003
【図２】
2005037118.tif 000004