(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一端を閉口し他端を開口した円筒形ケーシング内にシリンダを設け、該シリンダ内の前記開口側にピストンを、前記閉口側にディスプレーサをそれぞれ往復移動可能に設けると共に、前記ピストンをリニアモータにより往復移動させ、前記ディスプレーサの先端面と前記円筒形ケーシングの前記閉口側内周面との間を膨張空間となし、該膨張空間の周辺に形成される吸熱部と被冷却物とを接触させることにより、前記被冷却物を冷却するようにしたフリーピストン型スターリングサイクル冷凍機を複数台使用して共通の被冷却物を冷却するフリーピストン型スターリングサイクル冷凍システムであって、
作動ガスが充填された気密空間部を設け、該気密空間部を前記複数のフリーピストン型スターリングサイクル冷凍機の全部又は一部の前記冷凍機本体ケーシングと連通させるように構成したことを特徴とするフリーピストン型スターリングサイクル冷凍システム。
【請求項２】
前記気密空間部は、配管及び／又は補助タンクに構成されていることを特徴とする請求項１に記載のフリーピストン型スターリングサイクル冷凍システム。
【請求項３】
前記補助タンクと前記冷凍機本体ケーシングとが前記配管を介して接続されていることを特徴とする請求項２に記載のフリーピストン型スターリングサイクル冷凍システム。
【請求項４】
前記冷凍機本体ケーシングと前記被冷却物を収納する容器とを接続するための接続手段を有し、該接続手段は、熱伝導性の高い材質で構成したことを特徴とする請求項１乃至請求項３のうち、いずれか１に記載のフリーピストン型スターリングサイクル冷凍システム。
【請求項５】
前記気密空間部と前記冷凍機本体ケーシングとの間の前記作動ガスの流れを制御する制御手段を設けたことを特徴とする請求項１乃至請求項４のうち、いずれか１に記載のフリーピストン型スターリングサイクル冷凍システム。
【請求項６】
一端を閉口し他端を開口した円筒形ケーシング内にシリンダを設け、該シリンダ内の前記開口側にピストンを、前記閉口側にディスプレーサをそれぞれ往復移動可能に設けると共に、前記ピストンをリニアモータにより往復移動させ、前記ディスプレーサの先端面と前記円筒形ケーシングの前記閉口側内周面との間を膨張空間となし、該膨張空間の周辺に形成される吸熱部と被冷却物とを接触させることにより、前記被冷却物を冷却するようにしたフリーピストン型スターリングサイクル冷凍機において、
前記冷凍機本体ケーシングと連通し作動ガスが充填された気密空間部と、
前記冷凍機本体ケーシングと被冷却物を収容する容器とを接続するための接続手段とを備え、前記接続手段は、熱伝導性の高い材質で構成したことを特徴とするフリーピストン型スターリングサイクル冷凍機。
【請求項７】
一端を閉口し他端を開口した円筒形ケーシング内にシリンダを設け、該シリンダ内の前記開口側にピストンを、前記閉口側にディスプレーサをそれぞれ往復移動可能に設けると共に、前記ピストンをリニアモータにより往復移動させ、前記ディスプレーサの先端面と前記円筒形ケーシングの前記閉口側内周面との間を膨張空間となし、該膨張空間の周辺に形成される吸熱部と被冷却物とを接触させることにより、前記被冷却物を冷却するようにしたフリーピストン型スターリングサイクル冷凍機において、
前記冷凍機本体ケーシングと連通し作動ガスが充填された気密空間部と、
前記気密空間部と前記冷凍機本体ケーシングとの間の前記作動ガスの流れを制御する制御手段とを設けたことを特徴とするフリーピストン型スターリングサイクル冷凍機。
【請求項８】
前記気密空間部は、配管及び／又は補助タンクに構成されていることを特徴とする請求項６又は請求項７に記載のフリーピストン型スターリングサイクル冷凍機。
【請求項９】
前記補助タンクと前記冷凍機本体ケーシングとが前記配管を介して接続されていることを特徴とする請求項８に記載のフリーピストン型スターリングサイクル冷凍機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スターリングサイクル冷凍機を複数台用いたスターリングサイクル冷凍システム及び前記スターリングサイクル冷凍機に関し、特にピストンクランクなどの機械的なピストン駆動機構を持たないフリーピストン型スターリングサイクル冷凍機を複数台用いたスターリングサイクル冷凍システム及び前記スターリングサイクル冷凍機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、フリーピストン型スターリングサイクル冷凍機として、先端が閉口し他端が開口した円筒形ケーシング内のシリンダ内部でリニアモータにより駆動されるピストンが軸方向に往復運動可能に挿入され、前記シリンダ内部の前記閉口側は、ディスプレーサが前記軸方向に自由に往復運動可能になっている。また、シリンダ外周部にはそれぞれ通気が可能な放熱部、再生部及び吸熱部が設けられる。そして、例えば、往復運動するピストンがディスプレーサに近づくと、ピストンとディスプレーサとの間に形成される圧縮空間内の作動ガスが圧縮され、この圧縮された作動ガスは圧縮空間に設けられた孔からシリンダの外周部へ押し出され、放熱部、再生部及び吸熱部を通ってディスプレーサ先端面と円筒形ケーシングの先端内面との間の膨張空間に至り、これによりディスプレーサが前記開口側に押される。
【０００３】
また、前記リニアモータによってピストンがディスプレーサから遠ざけられると、前記圧縮空間内が負圧となり、膨張空間内の作動ガスは吸熱部、再生部及び放熱部を通って圧縮空間内に還流し、この結果、ディスプレーサが先端側に押される。
【０００４】
このようにピストンとディスプレーサを連動させることにより、作動ガスの圧力変化による等温圧縮及び等温膨張並びに作動ガスの流動時の等容積変化による吸熱及び排熱とからなる可逆サイクルが行われ、これによって前記吸熱部の周辺が低温に冷却され、吸熱部を被冷却物に接触させることにより、被冷却物が冷却される。
【０００５】
このようなフリーピストン型スターリングサイクル冷凍機は、例えば特許文献1、特許文献２に開示されている。
【０００６】
従来、被冷却物がフリーピストン型スターリングサイクル冷凍機に比べて大きく、その被冷却領域等が広い等、該冷凍機単体では必要な冷却能力が得られない場合は、図３に示すように、複数のフリーピストン型スターリングサイクル冷凍機１を用いてフリーピストン型スターリングサイクル冷凍システムを構成し、前記複数のフリーピストン型スターリングサイクル冷凍機１の各吸熱部を被冷却物５に接触させるようにしている。
【０００７】
【特許文献１】特開２００１−１９３５６１号公報
【特許文献２】特開２００５−１１４３０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上述した従来のフリーピストン型スターリングサイクル冷凍機においては、運転中に吸熱部が十分に冷えた状態（例えば、−８０〜−９０℃）に達すると、作動ガスの圧力が常温時に設定した値より下がるため吸熱や放熱の効率が低下して冷却能力が落ちるという問題があった。
【０００９】
また、図３に示すように、複数のフリーピストン型スターリングサイクル冷凍機１を用いてスターリングサイクル冷凍システムを構成する場合では、通常、各フリーピストン型スターリングサイクル冷凍機内には数Ｍｐａの高圧作動ガスが充填されているが、運転時の作動ガスの圧力の低下量や圧力の脈動の大きさ等の点で個体差が存在するため、各フリーピストン型スターリングサイクル冷凍機の冷凍能力に差が生じてしまい、被冷却物５全体を効率良く冷却することができないという問題があった。
【００１０】
本発明は上記の問題を解決し、被冷却物全体を効率良く冷却できるスターリングサイクル冷凍システムを提供すると共に、運転中における冷却能力の低下を軽減できるフリーピストン型スターリングサイクル冷凍機を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明によるフリーピストン型スターリングサイクル冷凍システムは、一端を閉口し他端を開口した円筒形ケーシング内にシリンダを設け、該シリンダ内の前記開口側にピストンを、前記閉口側にディスプレーサをそれぞれ往復移動可能に設けると共に、前記ピストンをリニアモータにより往復移動させ、前記ディスプレーサの先端面と前記円筒形ケーシングの前記閉口側内周面との間を膨張空間となし、該膨張空間の周辺に形成される吸熱部と被冷却物とを接触させることにより、前記被冷却物を冷却するようにしたフリーピストン型スターリングサイクル冷凍機を複数台使用して共通の被冷却物を冷却するフリーピストン型スターリングサイクル冷凍システムであって、作動ガスが充填された気密空間部を設け、該気密空間部を前記複数のフリーピストン型スターリングサイクル冷凍機の全部又は一部の冷凍機本体ケーシングと連通させるように構成したことを特徴とする。
【００１２】
また、本発明によるフリーピストン型スターリングサイクル冷凍システムの前記気密空間部は、配管及び／又は補助タンクに構成されていることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明によるフリーピストン型スターリングサイクル冷凍システムは、前記補助タンクと前記冷凍機本体ケーシングとが前記配管を介して接続されていることを特徴とする。
【００１４】
また、本発明によるフリーピストン型スターリングサイクル冷凍システムは、前記冷凍機本体ケーシングと前記被冷却物を収納する容器とを接続するための接続手段を有し、該接続手段は、熱伝導性の高い材質で構成したことを特徴とする。
【００１５】
また、本発明によるフリーピストン型スターリングサイクル冷凍システムは、前記気密空間部と前記冷凍機本体ケーシングとの間の前記作動ガスの流れを制御する制御手段を設けたことを特徴とする。
【００１６】
また、本発明によるフリーピストン型スターリングサイクル冷凍機は、一端を閉口し他端を開口した円筒形ケーシング内にシリンダを設け、該シリンダ内の前記開口側にピストンを、前記閉口側にディスプレーサをそれぞれ往復移動可能に設けると共に、前記ピストンをリニアモータにより往復移動させ、前記ディスプレーサの先端面と前記円筒形ケーシングの前記閉口側内周面との間を膨張空間となし、該膨張空間の周辺に形成される吸熱部と被冷却物とを接触させることにより、前記被冷却物を冷却するようにしたフリーピストン型スターリングサイクル冷凍機において、前記冷凍機本体ケーシングと連通し作動ガスが充填された気密空間部と、前記冷凍機本体ケーシングと被冷却物を収容する容器とを接続するための接続手段とを備え、前記接続手段は、熱伝導性の高い材質で構成したことを特徴とする。
【００１７】
また、本発明によるフリーピストン型スターリングサイクル冷凍機は、一端を閉口し他端を開口した円筒形ケーシング内にシリンダを設け、該シリンダ内の前記開口側にピストンを、前記閉口側にディスプレーサをそれぞれ往復移動可能に設けると共に、前記ピストンをリニアモータにより往復移動させ、前記ディスプレーサの先端面と前記円筒形ケーシングの前記閉口側内周面との間を膨張空間となし、該膨張空間の周辺に形成される吸熱部と被冷却物とを接触させることにより、前記被冷却物を冷却するようにしたフリーピストン型スターリングサイクル冷凍機において、前記冷凍機本体ケーシングと連通し作動ガスが充填された気密空間部を有し、前記気密空間部と前記冷凍機本体ケーシングとの間の前記作動ガスの流れを制御する制御手段を設けたことを特徴とする。
【００１８】
また、本発明によるフリーピストン型スターリングサイクル冷凍機の前記気密空間部は、配管及び／又は補助タンクに構成されていることを特徴とする。
【００１９】
また、本発明によるフリーピストン型スターリングサイクル冷凍機は、前記補助タンクと前記冷凍機本体ケーシングとが前記配管を介して接続されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によるフリーピストン型スターリングサイクル冷凍システムによれば、各フリーピストン型スターリングサイクル冷凍機が、運転時の作動ガスの圧力の低下量や圧力の脈動の大きさ等の点で個体差が存在するものである場合であっても、気密空間部によって各冷凍機本体ケーシングと連通しているため、運転時における各冷凍機本体ケーシング内の作動ガス圧力の低下や圧力の脈動等の差が小さくなり、被冷却物全体を効率よく冷却することが可能なフリーピストン型スターリングサイクル冷凍システムを構成することができる。
【００２１】
また、気密空間部としての補助タンクを有するため、その分だけフリーピストン型スターリングサイクル冷凍機単体の場合よりも充填されている作動ガスの容量が多く、運転中に吸熱部が冷えて作動ガスの圧力が低下しても気密空間部から冷凍機本体ケーシングに作動ガスが送り込まれるので、冷却能率が低下することを防止することができる。また、前記被冷却物を収納する容器と接続する接続手段を熱伝導性の高い材質で構成したので、特に、冷凍機本体ケーシングの放熱部に接続手段を設けた場合、その接続部位において放熱を効率よく行うことができ、放熱フィン等のような冷却能率を高める部材を別途に設ける必要がない。また、前記気密空間部と冷凍機本体ケーシングとの間に前記作動ガスの流れを制御する制御手段を設けたことにより、前記気密空間部と冷凍機本体ケーシングとの間に例えば制御手段として自己で密閉かつ開放が可能な継手等を設けることにより、作動ガスの置換を容易に行え、さらに、流量制御弁を設けることにより、作動ガスの圧力等を調整することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の実施の形態を図面と共に説明する。図１は本発明の実施の形態によるフリーピストン型スターリングサイクル冷凍機の一例を示す構成図である。
【００２３】
図１において、二点鎖線で囲まれた部分がフリーピストン型スターリングサイクル冷凍機１を構成する。フリーピストン型スターリングサイクル冷凍機1は、熱交換の媒体となるヘリウム等の高圧の作動ガスが充填された冷凍機本体ケーシング２と、冷凍機本体ケーシング２と接続されて熱交換を行う円筒型ケーシング３を備える。円筒型ケーシング３は、一端（先端３ａ）が湾曲して閉口し、円筒型ケーシング３の吸熱部１３等を含む部分を容器４内に収納された被冷却物５に接触させることにより、被冷却物５を冷却するようになされている。
【００２４】
一端を閉口し他端を開口した円筒型ケーシング３の内部にはシリンダ６が設けられ、シリンダ６内にはディスプレーサ８及びピストン７が設けられている。そしてピストン７は、その外周に配置され、所定周波数の交流電流が流れるコイル２３と筒状永久磁石２４から構成されるリニアモータによる駆動機構により矢印ａ方向に往復移動可能に設けられている。
【００２５】
また、ディスプレーサ８は、ピストン７を貫通する軸９に固定されており、ディスプレーサ８と軸９とが一体となってシリンダ６内を矢印ａ方向に自由に往復運動可能となっている。
【００２６】
また、板バネ２２で保持されているピストン７は、板バネ２５で保持されている軸９及びディスプレーサ８とは別体で矢印ａ方向に移動可能に設けられている。ピストン７とディスプレーサ８との間には圧縮空間１０が形成され、ディスプレーサ８と先端３ａとの間には膨張空間１１が形成されている。さらに、圧縮空間１０を形成するシリンダ６の内面には、圧縮空間１０内の作動ガスを膨張空間１１へ流動可能にする孔２７が設けられている。そして、シリンダ６の外周面には、放熱部１２が圧縮空間１０に対して設けられると共に、吸熱部１３が膨張空間１１に対して設けられ、これらの放熱部１２と吸熱部１３との間で熱交換を行う再生部１４が設けられている。圧縮空間１０と膨張空間１１とは、円筒型ケーシング３の内周面において放熱部１２、再生部１４、吸熱部１３に形成される隙間（図示せず）を通じて連通している。また、円筒型ケーシング３の外側には放熱フィン１５が放熱部１２に対して設けられている。
【００２７】
フリーピストン型スターリングサイクル冷凍機１と容器４とを接続するための接続手段として、円筒型ケーシング３に接続フランジ１６が設けられ、容器４に接続フランジ１８が設けられている。図１に示すように、接続フランジ１６と接続フランジ１８とはシール部材１９を介して突き合わされてネジ等（図示せず）により締結され、これにより円筒型ケーシング３と容器４とが気密に接続されている。
【００２８】
次に、冷凍機本体ケーシング２の外部には、本発明による気密空間部を構成する補助タンク２０及び配管２１が設けられている。補助タンク２０は高圧の作動ガスが充填されたものであり、冷凍機本体ケーシング２の内部と配管２１を介して連通している。また、補助タンク２０と冷凍機本体ケーシング２との間の作動ガスの流れを制御する制御手段としての継手等（図に示さず）を、配管２１又は補助タンク２０自体に設け、気密空間部と冷凍機本体ケーシングとの間で開放・遮断が自在な構成となっている。
【００２９】
次に、前記構成によるフリーピストン型スターリングサイクル冷凍機１の動作について説明する。
【００３０】
リニアモータによる駆動機構を動作させてピストン７を矢印ａ方向に往復運動させると、作動ガスの圧力が変化（等温圧縮、等温膨張）し、それに伴いディスプレーサ８はピストン７と位相差を以って往復運動する。これにより高圧の作動ガスが圧縮空間１０〜放熱部１２〜再生部１４〜吸熱部１３〜膨張空間１１を移動する間に、吸熱部１３による吸熱と放熱部１２による放熱とを行うことにより（等容積変化）スターリングサイクルが形成される。吸熱部１３は被冷却物５から吸熱を行うことにより、被冷却物５を冷却する。吸熱された熱は再生部１４を介して放熱部１２に伝導され、放熱フィン１５から放熱される。
【００３１】
次に、本発明による補助タンク２０について説明する。
【００３２】
前述したようにフリーピストン型スターリングサイクル冷凍機１の運転により吸熱部１３の温度が十分に冷えた状態になると、冷凍機本体ケーシング２内の作動ガスの圧力が低下する。圧力が低下すると吸熱や放熱の効率が低下し、冷却能率が落ちてくる。ここで本実施の形態では高圧の作動ガスが充填された補助タンク２０から冷凍機本体ケーシング２内に作動ガスが送り込まれるので圧力低下を抑えることができ、冷却能率が落ちることを防止することができる。
【００３３】
以上のように本実施の形態によれば、補助タンク２０を設けたことにより、その分だけフリーピストン型スターリングサイクル冷凍機１単体の場合よりも充填されている作動ガス量が多く、その運転中に吸熱部１３が冷えてきて冷凍機本体ケーシング２内の圧力が低下しても、補助タンク２０から高圧の作動ガスが冷凍機本体ケーシング２に補充されるので、冷凍機内の圧力を常に一定に保つことができ、従来の単体の冷凍機本体ケーシング２のみを備えたフリーピストン型スターリングサイクル冷凍機に比べて安定した冷却能力を得ることができる。また、配管２１又は補助タンク２０に設けた前記継手や流量制御弁等によって、補充される作動ガスの量を状況に応じて調整することができる。また、冷凍機内部の作動ガスに水分や不純物が含まれていると、冷凍機の動作に影響を与えるが、このような場合にも、例えば制御手段として自己で密閉かつ開放が可能な継手等を用いることにより、冷凍機内部の部品を大気にさらすことなく、容易に作動ガスの置換を行うことができる。
【００３４】
図２は本発明の実施の形態によるフリーピストン型スターリングサイクル冷凍システムの構成図であり、図１と対応する部分には同一番号を付して重複する説明は省略する。このフリーピストン型スターリングサイクル冷凍システムはフリーピストン型スターリングサイクル冷凍機1を複数台（図２では３台）を用いて同時運転するものである。
【００３５】
図２において、複数のフリーピストン型スターリングサイクル冷凍機１は１つの大形の被冷却物５に接触してこの被冷却物５を共通に冷却している。各フリーピストン型スターリングサイクル冷凍機１の各冷凍機本体ケーシング２には配管２１がそれぞれ接続され、各配管２１は１つの大形の補助タンク２０に接続されている。
【００３６】
前述したように、複数のフリーピストン型スターリングサイクル冷凍機１が同時運転されると、それらの個体差により作動ガスの圧力の低下量や圧力の脈動の大きさ等がばらつき、各冷凍機の冷凍能力に差が生じ、被冷却物５全体を効率良く冷却することができなくなる。しかし、本発明によれば、各フリーピストン型スターリングサイクル冷凍機１で１つの補助タンク２０を共通に使用するので、個々の冷凍機に補助タンクを用意する必要がなくなると共に、１つのシステムに使用する各フリーピストン型スターリングサイクル冷凍機１の圧力を略一定にすることができ、各フリーピストン型スターリングサイクル冷凍機１の個体差による圧力の低下量や脈動の差が小さく抑えられ、被冷却物５全体を効率良く冷却することができるようになる。これにより安定した冷却能力をもつフリーピストン型スターリングサイクル冷凍システムを実現することができる。
【００３７】
尚、各実施の形態においては、気密空間部として補助タンク２０を別体に設けたが、冷凍機本体ケーシング２の形状を変更して補助タンクを一体的に設けてもよい。
【００３８】
また、冷凍機本体ケーシング２に設けた接続フランジ１６を熱伝導性のよい材質とすることにより、特に、円筒型ケーシング３の放熱部１２に接続した場合、熱を外部に効率よく放熱できるので、放熱フィン１５を省略することができる。さらに、接続フランジ１６を熱伝導性のよい材質とすると共に、表面積の大きい形状とすることにより、さらに効率のよい放熱を行うことができる。
【００３９】
以上、添付図面を参照して本発明の好ましい実施形態、実施例を説明したが、本発明はかかる実施形態、実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載から把握される技術的範囲において種々の形態に変更可能である。
【００４０】
例えば、本発明によるフリーピストン型スターリングサイクル冷凍システムにおいて、補助タンク２０を設けずに各冷凍機の各冷凍機本体ケーシング２を配管２１により互いに連通接続して気密空間部としてもよい。また、複数のフリーピストン型スターリングサイクル冷凍機のうち少なくとも２台以上について共通の気密空間部を備えてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の実施の形態によるフリーピストン型スターリングサイクル冷凍機の一例を示す構成図である。
【図２】本発明の実施の形態によるフリーピストン型スターリングサイクル冷凍システムを示す構成図である。
【図３】従来のフリーピストン型スターリングサイクル冷凍システムを示す構成図である。
【符号の説明】
【００４２】
１    フリーピストン型スターリングサイクル冷凍機
２    冷凍機本体ケーシング
３    円筒型ケーシング
３ａ  先端
４    容器
５    被冷却物
６    シリンダ
７    ピストン
８    ディスプレーサ
９    軸
１０    圧縮空間
１１    膨張空間
１２    放熱部
１３    吸熱部
１４    再生部
１５    放熱フィン
１６    接続フランジ（接続手段）
１８    接続フランジ（接続手段）
１９    シール部材
２０    補助タンク（気密空間部）
２１    配管（気密空間部）
２２、２５  板バネ
２３  コイル
２４  筒状永久磁石
２６  電線
２７  孔
【図１】
0004542056.tif 000002
【図２】
0004542056.tif 000003
【図３】
0004542056.tif 000004