JP2003014321A

JP2003014321A - スターリング冷凍機

Info

Publication number: JP2003014321A
Application number: JP2001199879A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiko Ueda; 和彦上田; Shozo Tanaka; 章三田中
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2001-06-29
Filing date: 2001-06-29
Publication date: 2003-01-15
Anticipated expiration: 2021-06-29
Also published as: JP3669945B2

Abstract

(57)【要約】【課題】運転状態が変動しても、ピストンの振幅中心
位置のずれを小さく抑えることができる信頼性が高いス
ターリング冷凍機を提供する。【解決手段】ピストン１内には、その圧縮空間７ａ側
の底面１ｃとその摺動面１ｂとを連通する第１の流路１
１が形成され、シリンダ３の側面壁には、そこを貫通し
て背面空間８と連通する第２の流路１２が形成されてい
る。ピストン１が所定の振幅中心位置にある場合に、第
１の流路１１と第２の流路１２とが結合して圧縮空間７
ａと背面空間８との間で作動媒体が流れる。第２の流路
１２に設けた流量制御弁１３によって、第２の流路１２
に流れる作動媒体の流量、即ち、圧縮空間７ａ及び背面
空間８間で流れる作動媒体の流量を制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、低温の発生に用い
られるスターリング冷凍機に関し、特に、ピストンの位
置を正確に保持できるフリーピストン型のスターリング
冷凍機に関する。

【０００２】

【従来の技術】冷熱の発生を目的としたフリーピストン
型のスターリング冷凍機は、熱サイクル的には逆スター
リングサイクルエンジンとも呼ばれている。図７は、こ
のような従来のスターリング冷凍機の一構成例を示す断
面図である。

【０００３】ピストン１とディスプレーサ２とが、シリ
ンダ３の内に往復摺動可能に配されている。このシリン
ダ３は、密閉された圧力容器４内に固定されている。ピ
ストン１及びディスプレーサ２は同軸上に構成されてお
り、ディスプレーサ２に形成されたロッド２ａはピスト
ン１の径方向中心部に設けられた摺動孔１ａを貫通し、
ピストン１とディスプレーサ２とはシリンダ３の内周壁
面３ａに沿って滑らかに摺動可能である。また、ピスト
ン１はピストン支持バネ５、ディスプレーサ２はディス
プレーサ支持バネ６によって、夫々、圧力容器４に対し
て弾性支持されている。

【０００４】圧力容器４とシリンダ３とにより形成され
る空間は、ピストン１によって２つの空間に分割されて
いる。一つはピストン１のディスプレーサ２側にある作
動空間７であり、もう一つはピストン１のディスプレー
サ２側と反対側にある背面空間８である。背面空間８
は、シリンダ３のピストン１が挿入された側を取り囲む
ように形成されている。これらの作動空間７及び背面空
間８には、高圧のヘリウムガス等の作動媒体が充填され
ている。ピストン１は、背面空間８に形成されたリニア
モータ等のピストン駆動体（図示せず）により所定周期
で往復動される。この往復動によって、作動媒体は作動
空間７内で圧縮，膨張される。ディスプレーサ２は、作
動空間７内で圧縮，膨張される作動媒体の圧力変化によ
り直線的に往復動される。このとき、ピストン１とディ
スプレーサ２とは、一般的に約９０度の位相差をもって
同一周期にて往復動するように設計されている。

【０００５】また、作動空間７はディスプレーサ２にて
更に２つの空間に分割されている。一つはピストン１と
ディスプレーサ２とに挟まれた圧縮空間７ａであり、も
う一つはシリンダ３の先端部の膨張空間７ｂである。こ
れらの圧縮空間７ａ及び膨張空間７ｂは、一般にメッシ
ュ形状の銅材などにより構成された再生器９を介して連
結されている。膨張空間７ｂで作動媒体を膨張させるこ
とにより、シリンダ３の先端のコールドヘッド１０に冷
熱を発生させるが、このような構成の冷凍機を用いた逆
スターリング熱サイクルに関しては、一般に良く知られ
ているので、ここでは詳細な説明を省略する。

【０００６】シリンダ３の内周壁面３ａに沿ってピスト
ン１が滑らかに往復動するためには、その内周壁面３ａ
とピストン１の摺動面１ｂとの間に微小隙間が必要であ
る。この冷凍機駆動時にはピストン１の往復動により、
圧縮空間７ａ及び背面空間８には何れも作動媒体の圧力
変動が生じる。その結果、圧縮空間７ａ及び背面空間８
の圧力差により、作動媒体は前記微小隙間を通過する。
従って、圧縮空間７ａの圧力が背面空間８の圧力より高
い場合には、圧縮空間７ａから背面空間８に向かって作
動媒体が漏れることになる。また逆に、背面空間８の圧
力が圧縮空間７ａの圧力より高い場合には、背面空間８
から圧縮空間７ａに向かって作動媒体が流れる。

【０００７】ところで、シリンダ３の内周壁面３ａとピ
ストン１の摺動面１ｂとの間の微小隙間は、常に一定の
隙間量ではなく、ピストン１の運動状態、摺動面１ｂの
表面状態及び摩擦状態等により変化する。また、圧縮空
間７ａと背面空間８との圧力変動の大きさも同一でない
ため、圧縮空間７ａからみた背面空間８への作動媒体の
流出量及び流入量が全く同量であることはない。このた
め、冷凍機を連続運転し、仮に圧縮空間７ａから背面空
間８に向かって少しずつ作動媒体が漏れていった場合、
ピストン１の往復動の振幅中心位置は、圧力が低下した
圧縮空間７ａ側へ徐々に移動する。その結果、作動空間
７内の作動媒体の圧力低下に伴う冷却特性の低下が生じ
たり、ピストン１の振幅中心位置が初期設定位置からず
れることによりピストン１とディスプレーサ２とが衝突
を起こしたりするなどの問題が発生する。

【０００８】そこで、作動空間７と背面空間８とにおけ
る作動媒体の圧力平衡を保ち、ピストン１の振幅中心位
置の変動を抑えるようにしたスターリング冷凍機が、米
国特許ＵＳＰ４，５８３，３６４号に開示されている。

【０００９】図８は、米国特許ＵＳＰ４，５８３，３６
４号に記載のスターリング冷凍機の構成を示す断面図で
ある。図８において、図７と同一部分には同一番号を付
している。このスターリング冷凍機では、シリンダ３に
固定されたセンターポスト１４内部に圧縮空間７ａに連
通された作動媒体流路１４ａが設けられ、センターポス
ト１４に沿って往復動するピストン１内部に背面空間８
と連通された作動媒体流路２１が設けられており、ピス
トン１が設定された振幅中心位置にある場合に、それら
の２つの作動媒体流路１４ａ，２１が結合し、圧縮空間
７ａと背面空間８とはそれらを介して結ばれるように構
成されている。そして、ピストン１がこの振幅中心位置
を通過するごとに、圧縮空間７ａと背面空間８との間
で、作動媒体の圧力が高い方から低い方へ作動媒体が流
れる。これにより、圧縮空間７ａ及び背面空間８の圧力
差が是正され、ピストン１の振幅中心位置が一定に保持
される。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】ピストン１の最初に設
定した振幅中心位置を一定に維持するためには、上述し
た図８に示すスターリング冷凍機のように、圧縮空間７
ａと背面空間８とを結ぶような微小な作動媒体流路１４
ａ，２１を設けることが有効である。

【００１１】ところで、フリーピストン型のスターリン
グ冷凍機を運転する場合、コールドヘッド１０で発生す
る冷熱の必要量によって、その運転状態は変化する。フ
リーピストン型のスターリング冷凍機は、一般的に定周
波数にて駆動するため、大きな冷凍能力を必要とする場
合には、ピストン１及びディスプレーサ２が大振幅で往
復動する。一方、小さな冷凍能力しか必要としない場合
には、ピストン１及びディスプレーサ２が小振幅で往復
動する。従って、図８に示すようにある一定形状の作動
媒体流路１４ａ，２１を単に設けただけでは、スターリ
ング冷凍機の運転状態によって、それらの２つの作動媒
体流路１４ａ，２１が結合する時間は異なることにな
る。ピストン１及びディスプレーサ２が大振幅で往復動
する場合に、この結合時間が短くなって、必要な作動媒
体流量を得られないことがある。逆に、ピストン１及び
ディスプレーサ２が小振幅で往復動する場合に、その結
合時間は長くなり、その結果、作動媒体の圧縮，膨張が
妨げられて冷凍効率が低下することがあるといった問題
がある。

【００１２】本発明は斯かる事情に鑑みてなされたもの
であり、運転状態が変化してもピストンの振幅中心位置
が変動しにくく信頼性が高いスターリング冷凍機を提供
することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明に係るスターリン
グ冷凍機は、作動媒体が充填された圧力容器と、該圧力
容器内に設けられたシリンダと、該シリンダ内を往復動
するピストンと、該ピストンの往復動によって作動空間
内で圧縮，膨張を繰り返す前記作動媒体の働きにより駆
動されるディスプレーサとを備えており、前記作動空間
は、前記ピストンと前記ディスプレーサとの間に設けら
れた第１の作動空間と、前記ディスプレーサの前記ピス
トンに対向する側の反対側に設けられた第２の作動空間
とを有しており、前記ピストンの前記ディスプレーサに
対向する側の反対側には背面空間が設けられているスタ
ーリング冷凍機において、前記ピストンに設けられて前
記第１の作動空間と連通する第１の流路と、前記シリン
ダの側壁を貫通して前記背面空間と連通する第２の流路
とが、前記ピストンがその往復動の中心部に存する場合
に前記第１の流路及び前記第２の流路が結合されて前記
第１の作動空間及び前記背面空間が連通するように形成
されており、前記第１の流路及び／または前記第２の流
路に前記作動媒体の流量を可変とする流量制御手段を具
備することを特徴とする。

【００１４】本発明のスターリング冷凍機にあっては、
ピストンに設けられて第１の作動空間に連通する第１の
流路と、シリンダの側壁を貫通して背面空間に連通する
第２の流路とが形成されており、ピストンがその往復動
の中心部にある場合に第１の流路及び第２の流路が結合
されて第１の作動空間と背面空間とが連通される。そし
て、これらの２つの流路が結合された場合にその結合部
分に流れる作動媒体の流量を、第１の流路及び第２の流
路の少なくとも一方に設けた流量制御手段により、スタ
ーリング冷凍機の運転状態に応じて変化させる。よっ
て、運転状態が変化してその２つの流路の結合時間が変
化しても、その変化量に応じて結合部分での作動媒体の
流量を変化させるため、ピストンの振幅中心位置のずれ
を抑えることができる。

【００１５】本発明に係るスターリング冷凍機は、前記
流量制御手段は、前記ピストンの往復動の振幅の大きさ
に応じて前記作動媒体の流量を変化させるようにしたこ
とを特徴とする。

【００１６】本発明のスターリング冷凍機にあっては、
ピストンの往復動の振幅の大きさに応じて結合部分での
作動媒体の流量を変化させる。よって、流量制御を精度
良く行える。

【００１７】本発明に係るスターリング冷凍機は、前記
流量制御手段は、前記ピストンの往復動の中心位置の基
準位置からのずれ量に応じて前記作動媒体の流量を変化
させるようにしたことを特徴とする。

【００１８】本発明のスターリング冷凍機にあっては、
ピストンの往復動の中心位置の基準位置からのずれ量に
応じて結合部分での作動媒体の流量を変化させる。よっ
て、流量制御を精度良く行える。

【００１９】本発明に係るスターリング冷凍機は、前記
流量制御手段は、前記ピストンが所定位置に存する場合
の前記第１の作動空間内の前記作動媒体の圧力に応じて
前記作動媒体の流量を変化させるようにしたことを特徴
とする。

【００２０】本発明のスターリング冷凍機にあっては、
ピストンが所定位置にある場合の第１の作動空間内の作
動媒体の圧力に応じて、結合部分での作動媒体の流量を
変化させる。よって、流量制御を精度良く行える。

【００２１】本発明に係るスターリング冷凍機は、前記
流量制御手段は、その開閉度を制御して前記作動媒体の
流量を変化させる機構を有することを特徴とする。

【００２２】本発明のスターリング冷凍機にあっては、
例えば弁の開閉度を制御することにより、結合部分での
作動媒体の流量を変化させる。よって、高精度の流量調
整を容易に行える。

【００２３】本発明に係るスターリング冷凍機は、前記
第１の流路及び前記第２の流路は夫々複数形成されてお
り、前記流量制御手段は、前記第１の作動空間と前記背
面空間との連通可能な流路の数を制御して前記作動媒体
の流量を変化させる機構を有することを特徴とする。

【００２４】本発明のスターリング冷凍機にあっては、
第１の作動空間と背面空間との結合可能な流路の数を制
御することにより、結合部分での作動媒体の流量を変化
させる。よって、高精度の流量調整を容易に行える。

【００２５】本発明に係るスターリング冷凍機は、前記
流量制御手段は、前記第１の流路及び／または前記第２
の流路の断面積を制御して前記作動媒体の流量を変化さ
せる機構を有することを特徴とする。

【００２６】本発明のスターリング冷凍機にあっては、
第１の流路及び／または第２の流路の断面積を制御する
ことにより、結合部分での作動媒体の流量を調整する。
よって、高精度の流量調整を容易に行える。

【００２７】

【発明の実施の形態】以下、本発明をその実施の形態を
示す図面に基づいて具体的に説明する。なお、本発明は
以下の実施の形態に限定されるものではない。

【００２８】（第１実施の形態）図１は、本発明による
スターリング冷凍機の一構成例を示す断面図である。ピ
ストン１とディスプレーサ２とが、密閉された圧力容器
４内に固定されているシリンダ３内に往復摺動可能に配
されている。ピストン１及びディスプレーサ２は同軸上
に構成されており、ディスプレーサ２に形成されたロッ
ド２ａは、ピストン１の径方向中心部に設けられた摺動
孔１ａを貫通しており、ピストン１及びディスプレーサ
２は、シリンダ３の内周壁面３ａに沿って滑らかに摺動
可能である。また、ピストン１はピストン支持バネ５、
ディスプレーサ２はディスプレーサ支持バネ６によっ
て、夫々、圧力容器４に対して弾性支持されており、ピ
ストン支持バネ５が変形していない中立状態において、
ピストン１は設定された振幅中心位置に位置決めされ
る。

【００２９】圧力容器４とシリンダ３とにより形成され
る空間は、ピストン１によって２つの空間に分割されて
いる。一つはピストン１のディスプレーサ２側にある作
動空間７であり、もう一つはピストン１のディスプレー
サ２側と反対側にある背面空間８である。背面空間８
は、シリンダ３のピストン１が挿入された側を取り囲む
ように形成されている。これらの作動空間７及び背面空
間８には、高圧のヘリウムガス等の作動媒体が充填され
ている。

【００３０】ピストン１は、背面空間８に形成されたリ
ニアモータ等のピストン駆動体（図示せず）により所定
周期で往復動される。この往復動によって、作動媒体は
作動空間７内で圧縮，膨張される。ディスプレーサ２
は、作動空間７内で圧縮，膨張される作動媒体の圧力変
化により直線的に往復動される。このとき、ピストン１
とディスプレーサ２とは、一般的に約９０度の位相差を
もって同一周期にて往復動するように設計されている。

【００３１】また、作動空間７はディスプレーサ２にて
更に２つの空間に分割されている。一つはピストン１と
ディスプレーサ２とに挟まれた圧縮空間７ａであり、も
う一つはシリンダ３の先端部の膨張空間７ｂである。こ
れらの圧縮空間７ａ及び膨張空間７ｂは、例えばメッシ
ュ形状の銅材により構成された再生器９を介して連結さ
れている。

【００３２】図１は、ピストン１が、予め設定された振
幅中心位置にある状態を表している。ピストン１内に
は、その作動空間７側の底面１ｃとその摺動面１ｂとを
結ぶ微小な第１の流路１１が形成されている。また、シ
リンダ３の側面壁には、そこを貫通して背面空間８と連
通する微小な第２の流路１２が形成されている。ピスト
ン１に形成された第１の流路１１の摺動面１ｂ（シリン
ダ３）側の開口部１１ａと、シリンダ３に形成された第
２の流路１２の内周壁面３ａ（ピストン１）側の開口部
１２ａとは、ピストン１が所定の振幅中心位置にある場
合に互いに対向する位置になるように配されており、そ
の場合に圧縮空間７ａと背面空間８とが第１の流路１１
及び第２の流路１２を介して結合して両空間７ａ，８間
での作動媒体のスムーズな流れを可能としている。

【００３３】シリンダ３に形成された第２の流路１２
に、第２の流路１２に流れる作動媒体の流量を可変とす
る流量制御手段としての流量制御弁１３が設けられてい
る。流量制御弁１３によって、第２の流路１２に流れる
作動媒体の流量を調整する。

【００３４】次に、動作について説明する。ピストン１
は定周波数によって往復駆動されるため、ピストン１が
所定の振幅中心位置にあって作動媒体が微小な第１，第
２の流路１１，１２を流れることが可能な時間は非常に
短時間である。更に、本構成のスターリング冷凍機を運
転する場合、コールドヘッド１０で発生する冷熱の必要
量によってその運転状態は変化する。大きな冷凍能力を
必要とする場合には、ピストン１及びディスプレーサ２
は大振幅で往復動する。一方、小さな冷凍能力しか必要
としない場合には、ピストン１及びディスプレーサ２は
小振幅で往復動する。従って、ある一定形状の微小な流
路を単に形成したのみでは、冷凍機の運転状態に応じ
て、第１の流路１１及び第２の流路１２が結合する時間
（Δｔ）は異なることになる。

【００３５】ここで、ピストン１が中振幅で往復動する
ときに、そのときの結合時間（Δｔ１）内でピストン１
が予め設定された所定の振幅中心位置を保持するために
必要な作動媒体流量（ΔＱ１）が得られるべく、第１，
第２の流路１１，１２の形状が設定されていると仮定す
る。ピストンが大振幅で往復動する場合には、その結合
時間（Δｔ２）が短くなる（Δｔ２＜Δｔ１）ので、ピ
ストン１がその所定の振幅中心位置を保持するために
は、中振幅時の作動媒体流量（ΔＱ１）と略同量の作動
媒体の流出入を、この短い結合時間（Δｔ２）内で行う
必要があり、そのためには、単位時間当たりの作動媒体
流量を大きくする必要がある。一方、ピストンが小振幅
で往復動する場合には、その結合時間（Δｔ３）が長く
なる（Δｔ３＞Δｔ１）ので、ピストン１がその所定の
振幅中心位置を保持するためには、中振幅時の作動媒体
流量（ΔＱ１）と略同量の作動媒体の流出入で十分であ
り、そのためには、単位時間当たりの作動媒体流量を制
限する必要がある。

【００３６】そこで、本実施の形態においては、第２の
流路１２に設けた流量制御弁１３により、冷凍機の運転
状態に応じて、第１，第２の流路１１，１２の結合部を
流れる作動媒体の流量を変化させる。流量制御弁１３
は、例えば、ある単位時間当たりの作動媒体流量（ΔＱ
ｄ）を予め設定しておき、スターリング冷凍機の運転状
態に応じて、その単位時間当たりの作動媒体流量（ΔＱ
ｄ）を変化させるように作用する。

【００３７】以上のようにして、流量制御弁１３によっ
て第２の流路１２に流れる作動媒体の流量を調整制御す
ることにより、スターリング冷凍機の運転状態の如何に
かかわらず、ピストン１の振幅中心位置のずれを小さく
抑えることができ、その結果、信頼性が高いスターリン
グ冷凍機を得ることができる。

【００３８】（第２実施の形態）図２は、流量制御手段
（流量制御弁１３）を用い、シリンダ３内を往復動する
ピストン１の振幅の大きさに応じて、第１，第２の流路
１１，１２の結合部を流れる作動媒体の流量を変化させ
る第２実施の形態における動作を示すフローチャートで
ある。

【００３９】上述したように、コールドヘッド１０で発
生する冷熱の必要量によって、スターリング冷凍機の運
転状態が変化してピストン１及びディスプレーサ２の振
幅は大きく変化する。ピストン１，シリンダ３に形成し
た微小な流路による作動媒体の流出入にも関わらず、ピ
ストン１の振幅中心位置が変化する大きな原因の一つ
は、スターリング冷凍機の運転状態の違いによるピスト
ン１の振幅の大きさの違いである。第２実施の形態で
は、ピストン１の振幅の大きさと、その振幅の大きさに
適した作動媒体流量との相関を設定データとして流量制
御弁１３の制御装置に組み込んでおき、往復動するピス
トン１の振幅の大きさを検出し、その振幅の大きさに応
じて作動媒体流量を流量制御弁１３の制御によって変化
させる。

【００４０】駆動波形発生器から発せられた信号に従っ
て（Ｓ１）、駆動電流発生器から出力された駆動電流が
コイルに流され（Ｓ２）、リニアモータ等のピストン駆
動体（図示せず）にピストン駆動力が発生し、発生した
駆動力によりピストン１が駆動される（Ｓ３）。一方、
ピストン１の振幅の大きさがモニタされる（Ｓ４）。ピ
ストン１自体に変位センサを設ける方法、ピストン１を
弾性支持するピストン支持バネ５に変位センサを設ける
方法、コールドヘッド１０の温度等で与えられる温度負
荷条件下でのピストン駆動電流の大きさとピストン振幅
の大きさとの関係を事前に明確にしておいた情報を利用
する方法などにより、ピストン１の振幅の大きさはモニ
タ可能である。

【００４１】そして、モニタされたピストン振幅の大き
さに応じて第２の流路１２に設けられた流量制御弁１３
での最適作動媒体流量を算出し（Ｓ５）、その算出結果
に基づいて流量制御弁１３の開閉度を調整して作動媒体
の流量を制御する（Ｓ６）。ピストン１の振幅が大きい
場合には、流量制御弁１３の開度を大きくして第１，第
２の流路１１，１２の結合部を流れる作動媒体の流量を
大きくし、ピストン１の振幅が小さい場合には、流量制
御弁１３の開度を小さくして第１，第２の流路１１，１
２の結合部を流れる作動媒体の流量を小さくする。

【００４２】このようにピストン１の振幅の大きさに応
じて、流量制御弁１３により作動媒体流量を制御するよ
うにしたので、ピストン１の振幅中心位置のずれを小さ
く抑えることができ、その結果、信頼性が高いスターリ
ング冷凍機を得ることができる。

【００４３】（第３実施の形態）図３は、流量制御手段
（流量制御弁１３）を用い、シリンダ３内を往復動する
ピストン１の振幅中心位置のずれ量に応じて、第１，第
２の流路１１，１２の結合部を流れる作動媒体の流量を
変化させる第３実施の形態における動作を示すフローチ
ャートである。

【００４４】第３実施の形態では、往復動するピストン
１の振幅中心位置を直接測定し、その振幅中心位置のず
れ量に応じて、流量制御弁１３の開閉度を調整して作動
媒体流量を変化させる。ピストン１の振幅中心位置を測
定する方法としては、例えば、ピストン１と一体的にマ
グネットを固定し、固定部であるシリンダ３側にホール
素子を用いた検出部を構成する方法がある。また、ピス
トン１の一端が固定されたピストン支持バネ５を平らな
板バネにて構成し、その板バネに貼り付けた歪ゲージの
出力によりピストン１の位置を検出する方法がある。ま
た、ピストン１に遮光板を固定し、シリンダ３側に固定
されたフォトインタラプタを用いてピストン１の位置を
検出する方法がある。

【００４５】駆動波形発生器から発せられた信号に従っ
て（Ｓ１１）、駆動電流発生器から出力された駆動電流
がコイルに流され（Ｓ１２）、リニアモータ等のピスト
ン駆動体（図示せず）にピストン駆動力が発生し、発生
した駆動力によりピストン１が駆動される（Ｓ１３）。
一方、ピストン１の振幅中心位置（Ｙ_p）はモニタされ
（Ｓ１４）、予め設定されたピストン１の振幅中心基準
位置（Ｋ_p）からのずれ量（ΔＹ_p＝Ｙ_p−Ｋ_p）を検
出する（Ｓ１５）。

【００４６】そして、検出された振幅中心位置のずれ量
（ΔＹ_p）の大きさに応じて、第２の流路１２に設けら
れた流量制御弁１３での最適作動媒体流量を算出し（Ｓ
１６）、その算出結果に基づいて流量制御弁１３の開閉
度を調整して作動媒体の流量を制御する（Ｓ１７）。ピ
ストン１の振幅中心位置のずれ量（ΔＹ_p）が大きい場
合には、流量制御弁１３の開度を大きくして第１，第２
の流路１１，１２の結合部を流れる作動媒体の流量を大
きくし、そのずれ量（ΔＹ_p）が小さい場合には、流量
制御弁１３の開度を小さくして第１，第２の流路１１，
１２の結合部を流れる作動媒体の流量を小さくする。

【００４７】このようにピストン１の振幅中心位置のず
れ量の大きさに応じて、流量制御弁１３により作動媒体
流量を制御するようにしたので、ピストン１の振幅中心
位置のずれを小さく抑えることができ、その結果、信頼
性が高いスターリング冷凍機を得ることができる。

【００４８】（第４実施の形態）図４は、流量制御手段
（流量制御弁１３）を用い、ピストン１が所定の基準位
置にある場合の圧縮空間７ａ内の作動媒体の圧力（圧縮
空間７ａの内圧）の大きさに応じて、第１，第２の流路
１１，１２の結合部を流れる作動媒体の流量を変化させ
る第４実施の形態における動作を示すフローチャートで
ある。

【００４９】往復動するピストン１に対し、ある基準位
置（Ｌ_p）を設定する。また、圧縮空間７ａの内圧を圧
力センサ等でモニタする。ピストン１がこの基準位置
（Ｌｐ）を通過した場合の圧縮空間７ａの内圧（Ｐ_LP）
を測定する。ピストン１の振幅中心位置が徐々にディス
プレーサ２側に移動する場合、この圧縮空間７ａの内圧
（Ｐ_LP）の大きさは徐々に減少していることになる。第
４実施の形態では、圧縮空間７ａの内圧を測定し、その
測定値と内圧基準値との差に応じて、流量制御弁１３の
開閉度を調整して作動媒体流量を変化させる。

【００５０】駆動波形発生器から発せられた信号に従っ
て（Ｓ２１）、駆動電流発生器から出力された駆動電流
がコイルに流され（Ｓ２２）、リニアモータ等のピスト
ン駆動体（図示せず）にピストン駆動力が発生し、発生
した駆動力によりピストン１が駆動される（Ｓ２３）。
一方、ピストン１が所定の基準位置（Ｌ_p）にある場合
の圧縮空間７ａの内圧（Ｐ_LP）はモニタされ（Ｓ２
４）、内圧基準値である運転初期時の圧縮空間７ａの内
圧（Ｐ_LP1）との圧力差（ΔＰ_LP＝Ｐ_LP−Ｐ_LP1）を検
出する（Ｓ２５）。

【００５１】そして、検出された圧力差（ΔＰ_LP）の大
きさに応じて、第２の流路１２に設けられた流量制御弁
１３での最適作動媒体流量を算出し（Ｓ２６）、その算
出結果に基づいて流量制御弁１３の開閉度を調整して作
動媒体の流量を制御する（Ｓ２７）。圧縮空間７ａ内の
圧力差（ΔＰ_LP）が大きい場合には、流量制御弁１３の
開度を大きくして第１，第２の流路１１，１２の結合部
を流れる作動媒体の流量を大きくし、その圧力差（ΔＰ
_LP）が小さい場合には、流量制御弁１３の開度を小さく
して第１，第２の流路１１，１２の結合部を流れる作動
媒体の流量を小さくする。

【００５２】このように、ピストン１が所定の基準位置
にある場合の圧縮空間７ａ内の作動媒体の圧力の大きさ
に応じて、流量制御弁１３により作動媒体流量を制御す
るようにしたので、ピストン１の振幅中心位置のずれを
小さく抑えることができ、その結果、信頼性が高いスタ
ーリング冷凍機を得ることができる。

【００５３】なお、上述した例では、内圧基準値となる
圧縮空間７ａの内圧（Ｐ_LP1）を運転初期時の内圧とし
たが、環境温度または冷凍機に封入された作動媒体の圧
力の大きさなどを想定して事前に設定された最適な内圧
基準値を用いることも可能である。

【００５４】（第５実施の形態）図５は、ピストン１，
シリンダ３に夫々複数個の第１の流路１１，第２の流路
１２を形成し、流量制御手段（流量制御弁１３）を用
い、圧縮空間７ａと背面空間８との連通可能な流路の数
に応じて、第１，第２の流路１１，１２の結合部を流れ
る作動媒体の流量を変化させる第５実施の形態における
動作を示すフローチャートである。

【００５５】駆動波形発生器から発せられた信号に従っ
て（Ｓ３１）、駆動電流発生器から出力された駆動電流
がコイルに流され（Ｓ３２）、リニアモータ等のピスト
ン駆動体（図示せず）にピストン駆動力が発生し、発生
した駆動力によりピストン１が駆動される（Ｓ３３）。
一方、ピストン１の振幅中心位置（Ｙ_p）はモニタされ
（Ｓ３４）、予め設定されたピストン１の振幅中心基準
位置（Ｋ_p）からのずれ量（ΔＹ_p＝Ｙ_p−Ｋ_p）を検
出する（Ｓ３５）。

【００５６】そして、検出された振幅中心位置のずれ量
（ΔＹ_p）の大きさに応じて第２の流路１２を通過する
最適作動媒体流量を算出し（Ｓ３６）、その算出結果に
基づき、流量制御弁１３によって複数の第２の流路１２
夫々を個別に開閉し、開放する第２の流路１２の数を変
えることにより、圧縮空間７ａと背面空間８との間を流
れる作動媒体流量を制御して変化させる（Ｓ３７）。ピ
ストン１の振幅中心位置のずれ量（ΔＹ_p）が大きい場
合には、開放する第２の流路１２の数を多くして作動媒
体流量を大きくし、そのずれ量（ΔＹ_p）が小さい場合
には、開放する第２の流路１２の数を少なくして作動媒
体流量を小さくする。

【００５７】このように、ピストン１，シリンダ３に複
数個の第１の流路１１，第２の流路１２を形成し、ピス
トン１の振幅中心位置のずれ量の大きさに応じて、圧縮
空間７ａと背面空間８とを結合する流路の数を変化させ
ることにより、微小な第１，第２の流路１１，１２を流
れる作動媒体の流量を制御するようにしたので、ピスト
ン１の振幅中心位置のずれを小さく抑えることができ、
その結果、信頼性が高いスターリング冷凍機を得ること
ができる。

【００５８】（第６実施の形態）図６は、シリンダ３に
設けられた第２の流路１２の断面積を変化させることに
より、第１，第２の流路１１，１２の結合部を流れる作
動媒体の流量を変化させる第６実施の形態における動作
を示すフローチャートである。

【００５９】第６実施の形態では、往復動するピストン
１の振幅中心位置を直接測定し、その振幅中心位置のず
れ量に応じて第２の流路１２の断面積を変化させること
により、作動媒体流量を制御して変化させる。

【００６０】駆動波形発生器から発せられた信号に従っ
て（Ｓ４１）、駆動電流発生器から出力された駆動電流
がコイルに流され（Ｓ４２）、リニアモータ等のピスト
ン駆動体（図示せず）にピストン駆動力が発生し、発生
した駆動力によりピストン１が駆動される（Ｓ４３）。
一方、ピストン１の振幅中心位置（Ｙ_p）はモニタされ
（Ｓ４４）、予め設定されたピストン１の振幅中心基準
位置（Ｋ_p）からのずれ量（ΔＹ_p＝Ｙ_p−Ｋ_p）を検
出する（Ｓ４５）。

【００６１】そして、検出された振幅中心位置のずれ量
（ΔＹ_p）の大きさに応じて第２の流路１２を通過する
最適作動媒体流量を算出する（Ｓ４６）。その算出結果
に基づいて、その断面積を変化させることができるよう
にシリンダ３に構成された第２の流路１２の断面積の大
きさを流量制御手段によって変化させ、圧縮空間７ａと
背面空間８との間を流れる作動媒体流量を制御して変化
させる（Ｓ４７）。ピストン１の振幅中心位置のずれ量
（ΔＹ_p）が大きい場合には、第２の流路１２の断面積
を大きくすることで作動媒体流量を大きくする。また、
そのずれ量（ΔＹ_p）が小さい場合には、第２の流路１
２のの断面積を小さくすることで作動媒体流量を小さく
する。

【００６２】このように、ピストン１に第１の流路１
１、シリンダ３に第２の流路１２を設け、その第２の流
路１２の断面積を可変制御可能とするようにしたので、
ピストン１の振幅中心位置のずれ量の大きさに応じて、
圧縮空間７ａと背面空間８とを結合する微小な第１，第
２の流路１１，１２を流れる作動媒体流量を最適に制御
できる。その結果、ピストン１の振幅中心位置のずれを
小さく抑えることができ、信頼性が高いスターリング冷
凍機が得られる。

【００６３】なお、上述した第２，第４実施の形態で
は、流量制御弁１３の開度を調整して作動媒体流量を変
化させる場合について説明したが、上述した第５実施の
形態または第６実施の形態のような手法によって作動媒
体流量を変化させるようにしても良いことは言うまでも
ない。

【００６４】また、上述した各実施の形態では、シリン
ダ３側に設けた第２の流路１２を通過する作動媒体の流
量を流量制御手段により制御する構成を示したが、ピス
トン１側に設けた第１の流路１１を通過する作動媒体の
流量を制御する構成にすることも可能であることは勿論
である。また、両方の流路における流量制御を同時に行
うようにしても良いことは言うまでもない。

【００６５】

【発明の効果】以上のように本発明では、ピストン，シ
リンダ壁面に第１の流路，第２の流路を夫々設け、ピス
トンが予め設定された振幅中心部に位置した場合に、第
１の流路と第２の流路とが結合して第１の作動空間（圧
縮空間）と背面空間とを連通する微小流路を構成するよ
うにしており、第１の流路，第２の流路の何れか一方ま
たはその両方に作動媒体の流量を変化できる流量制御手
段を備えるようにしたので、第１，第２の流路が結合さ
れた微小流路を流れる作動媒体の流量を制御することが
可能となり、運転状態が変化しても、ピストンの振幅中
心位置のずれを小さく抑えることができ、信頼性が高い
スターリング冷凍機を得ることができる。

【００６６】また、本発明では、ピストンの往復動の振
幅の大きさに応じて、微小流路を流れる作動媒体の流量
を制御するようにしたので、高精度の流量制御を行うこ
とができる。

【００６７】また、本発明では、ピストンの往復動の中
心位置の基準位置からのずれ量に応じて、微小流路を流
れる作動媒体の流量を制御するようにしたので、高精度
の流量制御を行うことができる。

【００６８】また、本発明では、ピストンが所定位置に
ある場合の第１の作動空間（圧縮空間）内の作動媒体の
圧力に応じて、微小流路を流れる作動媒体の流量を制御
するようにしたので、高精度の流量制御を行うことがで
きる。

【００６９】また、本発明では、弁の開閉度を変化させ
ることにより、微小流路を流れる作動媒体の流量を制御
するようにしたので、流量制御を容易に行うことができ
る。

【００７０】また、本発明では、第１の作動空間（圧縮
空間）と背面空間との結合可能な微小流路の数を変化さ
せることにより、微小流路を流れる作動媒体の流量を制
御するようにしたので、流量制御を容易に行うことがで
きる。

【００７１】更に、本発明では、第１の流路及び／また
は第２の流路の断面積を変化させることにより、微小流
路を流れる作動媒体の流量を制御するようにしたので、
流量制御を容易に行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のスターリング冷凍機の一構成例を示す
断面図である。

【図２】第２実施の形態における作動媒体の流量制御の
動作を示すフローチャートである。

【図３】第３実施の形態における作動媒体の流量制御の
動作を示すフローチャートである。

【図４】第４実施の形態における作動媒体の流量制御の
動作を示すフローチャートである。

【図５】第５実施の形態における作動媒体の流量制御の
動作を示すフローチャートである。

【図６】第６実施の形態における作動媒体の流量制御の
動作を示すフローチャートである。

【図７】従来のスターリング冷凍機の一構成例を示す断
面図である。

【図８】従来のスターリング冷凍機の他の構成例を示す
断面図である。

【符号の説明】

１ピストン２ディスプレーサ３シリンダ４圧力容器７作動空間７ａ圧縮空間（第１の作動空間）７ｂ膨張空間（第２の作動空間）８背面空間１１第１の流路１２第２の流路１３流量制御弁（流量制御手段）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】作動媒体が充填された圧力容器と、該圧
力容器内に設けられたシリンダと、該シリンダ内を往復
動するピストンと、該ピストンの往復動によって作動空
間内で圧縮，膨張を繰り返す前記作動媒体の働きにより
駆動されるディスプレーサとを備えており、前記作動空
間は、前記ピストンと前記ディスプレーサとの間に設け
られた第１の作動空間と、前記ディスプレーサの前記ピ
ストンに対向する側の反対側に設けられた第２の作動空
間とを有しており、前記ピストンの前記ディスプレーサ
に対向する側の反対側には背面空間が設けられているス
ターリング冷凍機において、前記ピストンに設けられて
前記第１の作動空間と連通する第１の流路と、前記シリ
ンダの側壁を貫通して前記背面空間と連通する第２の流
路とが、前記ピストンがその往復動の中心部に存する場
合に前記第１の流路及び前記第２の流路が結合されて前
記第１の作動空間及び前記背面空間が連通するように形
成されており、前記第１の流路及び／または前記第２の
流路に前記作動媒体の流量を可変とする流量制御手段を
具備することを特徴とするスターリング冷凍機。
【請求項２】前記流量制御手段は、前記ピストンの往
復動の振幅の大きさに応じて前記作動媒体の流量を変化
させるようにしたことを特徴とする請求項１記載のスタ
ーリング冷凍機。
【請求項３】前記流量制御手段は、前記ピストンの往
復動の中心位置の基準位置からのずれ量に応じて前記作
動媒体の流量を変化させるようにしたことを特徴とする
請求項１記載のスターリング冷凍機。
【請求項４】前記流量制御手段は、前記ピストンが所
定位置に存する場合の前記第１の作動空間内の前記作動
媒体の圧力に応じて前記作動媒体の流量を変化させるよ
うにしたことを特徴とする請求項１記載のスターリング
冷凍機。
【請求項５】前記流量制御手段は、その開閉度を制御
して前記作動媒体の流量を変化させる機構を有すること
を特徴とする請求項１〜４の何れかに記載のスターリン
グ冷凍機。
【請求項６】前記第１の流路及び前記第２の流路は夫
々複数形成されており、前記流量制御手段は、前記第１
の作動空間と前記背面空間との連通可能な流路の数を制
御して前記作動媒体の流量を変化させる機構を有するこ
とを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載のスターリ
ング冷凍機。
【請求項７】前記流量制御手段は、前記第１の流路及
び／または前記第２の流路の断面積を制御して前記作動
媒体の流量を変化させる機構を有することを特徴とする
請求項１〜４の何れかに記載のスターリング冷凍機。