(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダと、前記シリンダ内に、往復自在のディスプレーサと駆動手段によって駆動されるピストンとを有し、前記ディスプレーサと前記シリンダ端部との間に膨張空間を、また前記ディスプレーサと前記ピストンとの間に圧縮空間を有し、さらに前記圧縮空間と前記膨張空間とを連通する前記シリンダ外のガス通路内に、前記圧縮空間と前記膨張空間とを熱的に隔離する再生器を備えるスターリング冷凍機関であって、
前記ガス通路内において、前記圧縮空間に開口する前記シリンダに開けられた通気孔に連接するガス通路端部空間に、前記ガス通路の流通を塞がないように、前記ガス通路端部空間の容積を減少させる充填物を前記シリンダに接して固定し、
前記充填物が前記シリンダよりも熱伝導性が低い材質で形成されている、スターリング冷凍機関。
【請求項２】
前記充填物は、前記ガスの流動損失が少なくなるように、前記再生器側に向かって前記ガス通路の断面が広くなるテーパ形状を有する、請求項１に記載のスターリング冷凍機関。
【請求項３】
前記シリンダが円筒形であり、前記充填物が前記シリンダの外周に沿って位置する円環状のガス通路の前記ガス通路端部空間に配置されたリングである、請求項１または２に記載のスターリング冷凍機関。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スターリング冷凍機関に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図１１は、従来のスターリング冷凍機関の断面図である。図１１に示すように、スターリング冷凍機関は、内部に円筒状の空間を形成するシリンダ１０１内にディスプレーサ１０３とピストン１０２とが配設されている。ディスプレーサ１０３とピストン１０２との間に圧縮空間１０８が、またピストンと反対側のディスプレーサ１０３の端部に接して膨張空間１０９が設けられている。圧縮空間１０８と膨張空間１０９との間には、シリンダ１０１の外周に配置された再生器１０５を通って作動ガスが流通するように流通路が形成されている。再生器１０５は、圧縮空間１０８と膨張空間１０９とを、熱的に隔離するためにスターリング冷凍機関では必須の要素である。
【０００３】
作動ガスは、膨張空間１０９と、圧縮空間１０８と、上記流通路とを主要空間とする作動空間内に閉じ込められている。この作動空間にヘリウム等の作動ガスを充填するとともに、ピストン１０２を、たとえばリニアモータ（図示せず）の外部動力によってシリンダ１０１の軸方向に往復する周期運動をさせる。
【０００４】
ピストン１０２の往復運動は、圧縮空間１０８に封入された作動ガスに周期的な圧力変化をもたらす。まず、圧縮空間での圧縮に付随して上昇した背圧の脈動により、作動ガスは再生器１０５を通って膨張空間１０９に導かれる。この作動ガス移動の際、作動ガス移動量の変化によってディスプレーサ１０３に、軸方向に沿って周期的な往復運動が生じる。ディスプレーサ１０３のこの往復運動は、周期がピストンと同じで、ピストンの往復運動とは所定の位相差を維持する。
【０００５】
ディスプレーサのピストン側の端は細径のディスプレーサロッド１０４に連続している。このディスプレーサロッド１０４はピストンの軸孔を貫通し、ケーシングに一端を固着されたスプリング１０６の他端に連結されている。このような構造のスターリング冷凍機関は、フリーピストン型スターリング冷凍機関と呼ばれる。ここでは、フリーピストン型スターリング冷凍機関について説明するが、本発明はフリーピストン型冷凍機関のみを対象にするものではない。
【０００６】
ディスプレーサ１０３とピストン１０２とが適当な位相差をもって往復運動するとき、シリンダー内の作動空間に封入された作動ガスは逆スターリングサイクルとして知られる既知の熱力学サイクルを構成する。この逆スターリングサイクルでは、膨張空間１０９に冷熱を発生し、圧縮空間１０８に高熱を発生する。次に、その原理について説明する。
【０００７】
ピストン１０２により圧縮された圧縮空間１０８の作動ガスは、シリンダ通気口１０１ａを通過して、この通気孔に連接するガス通路端部空間１１２から高温側熱交換器１１０ａと、再生器１０５と、低温側熱交換器１１０ｂとを経由して膨張空間１０９へと移動する。この移動の間に、作動ガスは再生器１０５が半サイクル前に蓄えていた冷熱を受け取り予冷される。また、作動ガスは高温側熱交換器１１０ａを介して放熱器１１１から外部に圧縮空間１０８で生じた熱を放出する。高温側熱交換器１１０ａと放熱器１１１とは、一体となって、作動ガスから熱を奪い外部に放熱する。上記再生器１０５は、圧縮空間１０８と膨張空間１０９とを熱的に隔離する作用を有し、スターリング冷凍機関では必須の要素である。
【０００８】
大部分の作動ガスが膨張空間に流入すると、膨張空間１０９の圧力上昇によってディスプレーサ１０３をピストン側に押すように膨張が始まる。そして、ある程度膨張すると、ピストン１０２の復帰力によりディスプレーサ１０３は逆にピストンから離れる方向に押される。この時点で膨張空間では圧力が低下しており、圧力が低下した状態で、膨張空間１０９内の作動ガスは、低温側熱交換器１１０ｂから再生器１０５と、高温側熱交換器１１０ａと、ガス通路端部空間１１２とを通過して再び圧縮空間１０８に移動する。このとき、低温側熱交換器１１０ｂを介して吸熱器１１６により外部から熱を奪う。低温側熱交換器１１０ｂと吸熱器１１６とは、一体となって、作動ガスに熱を与え外部から熱を奪う。
【０００９】
この結果、吸熱器１１６に面する外部の空気は冷却される。このようにして、大部分の作動ガスが圧縮空間１０８へ戻ると、再びピストン１０２の圧縮動作を受けて次のサイクルが始まる。このような、一連のサイクルが連続的に繰り返されることにより、吸熱器１１６の周囲では極低温の冷熱を取り出すことができる。また、逆に放熱器１１１の周りで放熱作用を利用することもできる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
スターリング冷凍機関では、シリンダ１０１のフランジ部１０１ｂと、ケーシング１１３と、高温側熱交換器１１０ａとで囲まれたガス通路端部空間１１２の容積を小さくすることにより、熱効率などの性能が向上する。すなわち、このガス通路端部空間は、圧縮と膨張との繰り返しで熱媒体を循環させる場合のデッドスペースとでもいうべき空間であり、この部分の容積を減少させることにより、作動ガスは効率よく循環する。しかしながら、従来のスターリング冷凍機関では、シリンダ１０１のフランジ部１０１ｂと、高温側熱交換器１１０ａとの距離を小さくことにより、ガス通路端部空間１１２の容量を小さくしていた。しかし、通気口１０１ａの開口面積を確保する必要があるので、ガス通路端部空間１１２の容積を十分小さくすることができなかった。
【００１１】
また、シリンダ１０１のフランジ部１０１ｂ付近におけるガス通路端部空間１１２の断面が、中心軸１０７に対して直交する平面である場合、中心軸を含む平面で切った断面形状が長方形型の円筒形となる。このため、ガス通路端部空間１１２において、作動ガスの流れに流動損失が生じていた。また、図１２および図１３に示すように、作動ガスの流動損失を低減するように、ガス通路端部空間１１２の中心軸を含む切断面における断面形状を台形または扇型にすると、加工工程が複雑になる問題があった。すなわち、上記の台形または扇型の断面形状になるように、シリンダ１０１のフランジ部１０１ｂの形状を円錐状またはドーム状に加工する場合、フランジ部１０１ｂや通気口１０１ａの加工方法が複雑となり、加工コストの上昇をもたらす問題があった。なお、膨張空間１０９に連続するガス通路端部空間も容積が大きいと熱効率の低下をもたらす。しかし、膨張空間に連続するガス通路端部空間の場合はシリンダの端部なので、容積を小さくした上で、流動損失が小さくなるように上記断面形状を台形または扇型にするのに加工上の問題は生じない。すなわち、簡単な加工処理によって、目的の形状を得ることができる。
【００１２】
また、上記高温側熱交換器１１０ａを通気孔１０１ａに面するようにして、ガス通路端部空間１１２を減少させることも考えられる。しかし、この配置では、高温側熱交換器の中で、ガス流れの向きを変える必要がある。流動損失を低くして、流れの向きを変える熱交換器は、非常に高価なものとなるので実用上、不可能である。
【００１３】
さらに、スターリング冷凍機関は、シリンダ１０１とピストン１０２とのギャップ、またはシリンダ１０１とディスプレーサ１０３とのギャップを小さくすることにより、性能向上をはかることができる。このため、シリンダ１０１の材質には加工精度を出し易い金属類を用いる。このため、圧縮空間で生じた熱がシリンダ１０１のフランジ部１０１ｂを通ってスターリング冷凍機関の内部に放熱する場合があった。放熱器１１１の放熱効率の低下およびモータの発熱による効率低下が生じる事態を生じていた。
【００１４】
本発明は、複雑な加工をすることなく、安価かつ容易に、効率向上を実現したスターリング冷凍機関を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明のスターリング冷凍機関は、シリンダと、シリンダ内に、往復自在のディスプレーサと駆動手段によって駆動されるピストンとを有し、ディスプレーサとシリンダ端部との間に膨張空間を、またディスプレーサとピストンとの間に圧縮空間を有し、さらに圧縮空間と膨張空間とを連通するシリンダ外のガス通路内に、圧縮空間と膨張空間とを熱的に隔離する再生器を備えるスターリング冷凍機関である。このスターリング冷凍機関は、シリンダの外に位置して圧縮空間と膨張空間とを連絡するガス通路において、圧縮空間に開口するシリンダに開けられた通気孔に連接するガス通路端部空間に、ガス通路の流通を塞がないように、ガス通路端部空間の容積を減少させる充填物をシリンダに接して固定し、充填物がシリンダよりも熱伝導性が低い材質で形成されている（請求項１）。
【００１６】
この構成により、充填物はシリンダ等とは別の部材で構成すればよいので、シリンダ等の形状を複雑な形状とする必要がなくなり、従来のシリンダの形状をそのまま用いることができる。このため、充填物が増えるだけで、大きなコスト増の原因となるシリンダの加工コストは増大しない。この結果、作動ガスを圧縮と膨張とにより循環させる際のデッドスペースとでもいうべき圧縮空間に連続するガス通路端部空間の容積を、簡便に減少させることができる。このガス通路端部空間をプレナム空間と呼ぶ場合がある。この充填物はガスの流通を塞がず、流通を確保するように配置されるので、デッドスペースが減少した分、このスターリング冷凍機関の熱効率を向上させることができる。
また、充填物、たとえばリングをシリンダよりも熱伝導率の低い材料で構成することにより、熱伝導はこのリングによって減少される。このため、シリンダを介してスターリング冷凍機関の内部に放熱される熱量を減少させることができる。このような熱漏れは、放熱器の熱効率を低下させ、またピストンを駆動するリニアモータ等を加熱してリニアモータの効率を減少させるので、リングによって熱漏れを減少させることにより、放熱器の熱効率およびリニアモータの効率（ひいては熱効率）を向上させることが可能となる。
【００１７】
上記シリンダは全体が一体成形物で構成されるほうが軸心合わせなどの点で好ましいが、コスト減等を考慮して複数のシリンダ部分をボルト、ナット等で連結して一体のシリンダとしてもよい。
【００２０】
本発明のスターリング冷凍機関では、充填物は、ガスの流動損失が少なくなるように、再生器側に向かってガス通路の断面が広くなるテーパ形状を有することができる（請求項２）。
【００２１】
たとえば、ガス通路内に突き出る充填物が、往復運動の方向に垂直な表面を有する場合、その表面を囲む稜線やコーナー部で乱流を生じ、流動損失を大きく減少させることが難しくなる。上記のように、ガス通路の断面を再生器側に向けて広くなるテーパ形状とすることにより乱流等を抑制することができる。この結果、さらに流動損失を減少させ、このスターリング冷凍機関の効率を向上させることができる。
【００２２】
本発明のスターリング冷凍機関では、シリンダが円筒形であり、充填物がシリンダの外周に沿って位置する円環状のガス通路のガス通路端部空間に配置されたリングとすることができる（請求項３）。
【００２３】
リングはガス通路端部空間の形状に合わせて、断面形状と径とによって決めることができる。たとえば、ゴムや樹脂で形成する場合、押し出し成形加工などによって簡便に製造することができる。この構成により、非常に簡単に、かつコスト増を抑えてスターリング冷凍機関の熱効率を向上させることが可能となる。なお、上記リングは上述のようにプレナム空間に配置されるので、プレナムリングと呼ぶ場合がある。
【００３８】
【発明の実施の形態】
次に図面を用いて本発明の実施の形態について説明する。
【００３９】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１におけるスターリング冷凍機関の圧縮空間に連続するガス通路端部空間をピストン軸を含む面で切断した断面図である。プレナムリング１４は、シリンダ１のフランジ部１ｂと、ケーシング１３とで囲まれたガス通路端部空間１２において、フランジ部１ｂに接して配置されている。ガス通路端部空間１２は、圧縮空間８に開口するシリンダに開けられた通気孔１ａと連接している。
【００４０】
図２は、図１におけるシリンダ１にプレナムリング１４を嵌め込んだ状態の斜視図である。図１は図２おいてＩ−Ｉ線に沿った断面図である。シリンダ１は、正確な軸合わせを得るために、フランジ部１ｂを含んで一体物として形成されている。このため、シリンダ１の全周にわたって通気口１ａを開けることはできず、シリンダの周囲に間欠的に、開口がなされていない柱部１ｄが配置されている。
【００４１】
図１および図２において、通気孔１ａは、プレナムリングが配置された分だけ軸方向長さを短縮されている。しかし、圧縮空間８から、通気孔１ａと高温側熱交換器１０ａとを経て再生器５に至るガス通路は、十分低い流動損失をもって確保されている。このため、ガスの流動損失を十分低くしたうえで、ガス通路端部空間（プレナム空間）１２の容積を十分小さくすることができる。この結果、このスターリング冷凍機関の熱効率を、簡単な構造変更により向上させることが可能となる。
【００４２】
プレナムリングの最適形状や最適位置は、スターリング冷凍機関の作動状態に応じて、低い流動損失と狭いプレナム空間という背反する要件のトレードオフによって決まるものである。たとえば、シリンダのフランジ部１ｂが高温側熱交換器１０ａに向かって迫り出している構造の場合には、ガス通路端部空間１２の容積はもともと狭くなっている。このような場合には、図３に示すように、低い流動損失とするために、断面形状が小さいプレナムリングを通気孔１ａから離してフランジ部１ｂに接して配置する。
【００４３】
（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の形態２におけるスターリング冷凍機関のプレナム空間付近の断面図である。本実施の形態では高温側熱交換器に向けてガス通路の断面が広くなるように、プレナムリング１４の断面にテーパがついている。本実施の形態におけるプレナムリングでは、図５に示すように、さらにシリンダの柱部分１ｄに接する部分にガイド１４ｄが設けられている。
【００４４】
図６は、図５に示すプレナムリングをシリンダに嵌め込んだ状態を示す斜視図である。ガイド１４ｄはシリンダの柱部分１ｄに位置合わせされているので、ガス流通の抵抗にはならない。むしろ、このガイドがないと、ガスは通気孔１ａからシリンダの柱部分１ｄに回り込んで乱流やよどみを形成する。このため、流動抵抗を増大させる。本実施の形態に示すように、ガイド１４ｄを設けることにより、通気孔１ａからシリンダの柱部分に回り込んで渦巻く流れがなくなり、流動損失は低下する。したがって、ガイド１４ｄの形状はシリンダの柱に接する部分からプレナムリング本体にかけて断面形状が漸減するように滑らかにテーパが付いていることが望ましい。このプレナムリングの断面におけるテーパは直線的であってもよいし、図７に示すように、ガス通路を拡大させるために、テーパ面を外に凹の曲面にしてもよい。
【００４５】
（実施の形態３）
本発明の実施の形態３では、上述の実施の形態１および２におけるスターリング冷凍機関のプレナムリングに熱伝導率の低い材料を用いる。この熱伝導率の低いプレナムリングの配置により、シリンダのフランジ部を通ってスターリング冷凍機関内部に熱が逃げる状態を防止することができる。逆に、図８に示すように、シリンダのフランジ部１ｂを通って熱が漏れる場合は、高温側熱交換器や放熱器の熱効率を低下させる。さらに、シリンダの外周に配設されたリニアモータ等のピストンの駆動手段を加熱して、これの効率を低下させる。本実施の形態は、図８に示す状態を防止することを目的に、熱伝導率の低いプレナムリングをフランジ部１ｂに接して配置する。
【００４６】
（実施の形態４）
図９は、本発明の実施の形態４におけるスターリング冷凍機関のガス通路端部空間付近の断面図である。本実施の形態では、プレナムリング１４とプレナムリングの位置を調節して固定するリング固定手段１５とを備える。リング固定手段としては、たとえば軸方向に沿って間欠的に設けられた雌ねじ孔にねじ込まれるねじまたはピン１５などを用いることができる。
【００４７】
プレナムリング１４はばね１７によって高温側熱交換器１０ａの方に弾性的に押されている。リング固定手段が、たとえば適当な間隔で複数、配置された雌ねじ孔にねじ込まれるねじの場合、適当な位置の雌ねじにねじをねじ込み、プレナムリングの外周面に設けられた凹部にねじを係合させて、プレナムリングを固定することができる。
【００４８】
このため、スターリング冷凍機関の効率が最大化される位置にプレナムリングを位置合わせして固定することができる。
【００４９】
（参考例）
図１０は、参考例におけるスターリング冷凍機関を示す構成図である。参考例では、ピストンの駆動手段にリニアモータ２５を用いている。参考例では、スターリング冷凍機関の作動状態を検知する作動状態検知センサをさらに備えている。上記の作動状態検知センサは、次のようなセンサから構成される。
（ａ）外気雰囲気温度を検出する温度センサ
（ｂ）スターリング冷凍機関の圧縮空間、膨張空間、放熱器、吸熱器などの部分の温度センサ
（ｃ）スターリング冷凍機関の圧縮空間、膨張空間、ピストンなどの駆動手段が配置されるケーシング内空間などの部分の圧力センサ
（ｄ）ピストン等の駆動手段、たとえばリニアモータに供給されている電力を検出する電力センサ
上記のセンサで検出された各状態において、スターリング冷凍機関の最大効率を得るためのプレナムリング１４の位置を予め求め、データテーブル等にして記憶しておけば、各状態に応じて最適位置を自動的に割り出すことができる。このため、プレナムリングの位置を調整して、常に最大効率を得ることが可能となる。このプレナムリングの位置の移動には、リング自動移動手段を用いる。このリング自動移動手段は、リングを弾性的に押すばね１７と、リングの外周凹部に係合するピン１５とを備える。さらに、ピンをたとえば軸に沿う長孔内を移動させるモータと、ピンを上下させプレナムリングにピンを係合させて固定するモータなどから構成される自動移動機構１８を用いることができる。
【００５０】
モータを含む自動移動機構１８は、制御装置１９によって移動位置を決められ、その位置に向かって移動させられる。この制御装置には上記の各種センサのうち少なくとも１つ、たとえば放熱器１１の温度センサ２０から信号が伝達され、その信号の値に応じて、予め記憶された最適位置にプレナムリング１４を自動的に移動させる。
【００５１】
この結果、スターリング冷凍機関の状態が時々刻々変化する場合でも、その時点における最大効率を、常時、自動的に得ることができる。このため、高い効率を確保することができ、広範な応用分野を得ることが可能となる。
【００５２】
上記において、本発明の実施の形態について説明を行なったが、上記に開示された本発明の範囲は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれら発明の実施の形態に限定されない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味及び範囲内でのすべての変更を含むものである。
【００５３】
【発明の効果】
本発明のスターリング冷凍機関を用いることにより、複雑な加工をすることなく、安価かつ容易に、ガス通路端部空間の低容積化とガス流通の低流動損失化との両方を満足させ、熱効率向上を実現することができる。さらに、充填物をシリンダよりも熱伝導率の低い材料で構成することにより、スターリング機関の内部への熱の漏れを防止して、さらに熱効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【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関のプレナム空間付近の断面図である。
【図２】  図１のスターリング冷凍機関のシリンダにプレナムリングを嵌め込んだ状態の斜視図である。
【図３】  本発明の実施の形態１の変形例におけるスターリング冷凍機関のプレナム空間付近の断面図である。
【図４】  本発明の実施の形態２におけるスターリング冷凍機関のプレナム空間付近の断面図である。
【図５】  図４のスターリング冷凍機関のガス通路端部空間に配置されたプレナムリングを示す斜視図である。
【図６】  図５のプレナムリングを図４のシリンダに嵌め込んだ状態の斜視図である。
【図７】  本発明の実施の形態２の変形例におけるスターリング冷凍機関のプレナム空間付近の断面図である。
【図８】  本発明の実施の形態３のスターリング冷凍機関に対する比較例である従来のスターリング冷凍機関における熱漏れを示す図面である。
【図９】  本発明の実施の形態４におけるスターリング冷凍機関のプレナム空間付近の断面図である。
【図１０】  参考例におけるスターリング冷凍機関の構成図である。
【図１１】  従来のスターリング冷凍機関の構成図である。
【図１２】  従来のスターリング冷凍機関の変形例のプレナム空間付近の断面図である。
【図１３】  従来のスターリング冷凍機関の別の変形例のプレナム空間付近の断面図である。
【符号の説明】
１  シリンダ、１ａ  通気孔、１ｂ  フランジ部、２  ピストン、３  ディスプレーサ、４  ディスプレーサロッド、５  再生器、６  ばね、８  圧縮空間、９  膨張空間、１０ａ  高温側熱交換器、１０ｂ  低温側熱交換器、１１  放熱器、１２  ガス通路端部空間、１３  ケーシング、１４  プレナムリング、１４ｄ  ガイド、１５  位置固定ピン（ねじ）、１６  吸熱器、１７  リングばね、１８  自動移動機構、１９  制御装置、２０  温度センサ、２５  リニアモータ。
【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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【図１２】
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【図１３】
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