JPH0692850B2 - フリーディスプレーサ型スターリング冷凍機 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、ディスプレーサの往復動によりシリンダ内膨
張室で冷媒ガスを膨張させてシリンダ先端のコールドヘ
ッドに寒冷を発生させるようにしたフリーディスプレー
サ型スターリング冷凍機に関する。

（従来の技術） 従来より、このフリーディスプレーサ型スターリング冷
凍機は、極低温レベルの寒冷を発生させる小型冷凍機の
一種として知られている。この冷凍機は、冷媒ガスを圧
縮する圧縮機と、該圧縮機から吐出された冷媒ガスを膨
張させる膨張機とを組み合わせたものであり、上記圧縮
機は、冷媒ガスをガス圧が例えばサインカーブ等の特性
をもって所定周期で経時変化するように圧縮するものが
使用される。一方、膨張機は、先端が閉塞されたシリン
ダと、該シリンダ内に往復動自在に嵌装され、シリンダ
内を先端側の膨張室及び基端側の作動室に区画形成する
フリーディスプレーサと、該ディスプレーサを往復動可
能に弾性支持するスプリングとを備えてなるもので、上
記作動室は上記圧縮機に接続されており、圧縮機からの
冷媒ガス圧によりディスプレーサを往復動させて冷媒ガ
スを膨張室で膨張させることにより、シリンダ先端のコ
ールドヘッドに寒冷を発生させるようになされている
（例えば“Ａ Small Free−Piston Stirling Refri
gerator",A.K.Jonge等参照）。

（発明が解決しようとする課題） ところで、この種の冷凍機においては、上記ディスプレ
ーサをその質量（マス）とスプリングのばね定数とで決
まる共振周波数から僅かにずれた周波数で駆動するよう
に設定されており、この共振周波数から大きく外れた駆
動周波数では運転ができない。このため、冷凍機のクー
ルダウン時や冷却負荷が増大したときには、それに応じ
て冷凍能力を自由に増大変化させることは困難であっ
た。

本発明は斯かる点に鑑みてなされたもので、その目的
は、シリンダにおける膨張室の容積を可変とすることに
より、冷凍機の冷凍能力を自由に調整できるようにし
て、クールダウン等での冷凍能力の増大要求に対処でき
るようにすることにある。

（課題を解決するための手段） この目的を達成するため、請求項（１）記載の発明で
は、第１図及び第２図に示すように、上記の如く、先端
が閉塞されたシリンダ（16）と、該シリンダ（16）内に
往復動自在に嵌装され、シリンダ（16）内を先端側の膨
張室（21）及び基端側の作動室（22）に区画形成するフ
リーディスプレーサ（18）と、該ディスプレーサ（18）
を往復動可能に弾性支持する弾性支持手段（23）とを備
え、上記作動室（22）は所定周期で冷媒ガスを発生する
圧縮機（１）に接続されており、圧縮機（１）からの冷
媒ガス圧によりディスプレーサ（18）を往復動させて冷
媒ガスを膨張室（21）で膨張させることにより、シリン
ダ（16）先端のコールドヘッド（17）に寒冷を発生させ
るようにしたフリーディスプレーサ型スターリング冷凍
機において、上記ディスプレーサ（18）及び弾性支持手
段（23）をシリンダ軸方向に移動させて膨張室（21）の
無駄容積を可変とする駆動手段（34）を設ける。

また、請求項（２）記載の発明では、膨張室（21）の無
駄空間を大きくして冷凍能力調整範囲を拡大するため
に、膨張室（21）に、密閉容器（25）内の空間を連通さ
せる構成とする。

（作用） 上記構成により、請求項（１）記載の発明では、駆動手
段（34）によりディスプレーサ（18）及び弾性支持手段
（23）をシリンダ軸方向に移動させて、膨張室（21）の
無駄容積を変化させると、それに伴い膨張室（21）に出
入する冷媒ガスの量が変化して、冷凍能力を変えること
ができる。例えばクールダウン後の定常運転時等で冷凍
機の冷凍能力が低くてよいときには、駆動手段（34）に
よりディスプレーサ（18）及び弾性支持手段（23）を膨
張室（21）の無駄容積が小さくなるようにシリンダ軸方
向に移動させる。この膨張室（21）の無駄容積の減少に
伴い、膨張室（21）に出入する冷媒ガスの量が少なくな
るので、冷凍能力が低下する。一方、クールダウン時や
冷却負荷の増大時に、冷凍能力を増大させるときには、
ディスプレーサ（18）及び弾性支持手段（23）を膨張室
（21）の無駄容積が大きくなるように移動させる。この
膨張室（21）の無駄容積の増大に伴い、膨張室（21）に
出入する冷媒ガスの量が多くなるので、冷凍能力が増大
する。

また、請求項（２）記載の発明では、膨張室（21）にそ
れとは別個の空間（26）が連通しているため、全体とし
て膨張室（21）の無駄空間が増大することとなり、冷凍
能力の可変調整範囲を拡大することができる。

（実施例） 以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第２図は本発明の実施例に係るフリーディスプレーサ型
スターリング冷凍機の全体構成を示し、この冷凍機は圧
縮機（１）と膨張機（13）とで構成されている。上記圧
縮機（１）は、密閉状のハウジング（２）と、該ハウジ
ング（２）内に嵌装固定されたシリンダ（３）と、該シ
リンダ（３）内に往復動自在に嵌装され、シリンダ
（３）内空間に圧縮室（４）を区画形成するピストン
（５）と、該ピストン（５）を往復駆動する駆動源とし
てのリニアモータ（６）とを備えている。このリニアモ
ータ（６）はシリンダ（３）周りに配置された環状の永
久磁石（７）を有し、この磁石（７）により、シリンダ
（３）の中心と同心の円筒状の間隙（８）に磁界を発生
させる。上記間隙（８）には中心部にて上記ピストン
（５）に一体固定された略カップ状の可動体（９）の円
周部が往復動可能に配設され、該可動体（９）の外周に
はドライブコイル（10）が巻き付けられている。また、
上記可動体（９）の底面外側（ピストン（５）と反対
側）とハウジング（２）内底面との間にはピストン
（５）を往復動可能に弾性支持するためのコイルスプリ
ングからなるピストンスプリング（11）が架設されてお
り、ドライブコイル（10）に所定周波数の交流を通電す
ることで、間隙（８）内を通る磁界との作用によりコイ
ル（10）及び可動体（９）を駆動してピストン（５）を
シリンダ（３）内で往復移動させることにより、圧縮室
（４）で所定周期のガス圧を発生させるようになされて
いる。

一方、上記膨張機（13）は、第１図に拡大詳示するよう
に円筒状空洞部（14）が開口されたハウジング（15）を
有する。このハウジング（15）の空洞部（14）開口には
円筒状シリンダ（16）が空洞部（14）と同心状に基端部
にて気密状に嵌合固定され、該シリンダ（16）の先端は
閉塞されてコールドヘッド（17）とされている。このシ
リンダ（16）内にはフリーディスプレーサ（18）が往復
動自在に嵌装され、ディスプレーサ（18）によりシリン
ダ（16）及びハウジング（15）内の空洞部（14）がシリ
ンダ（16）先端側の膨張室（21）とハウジング（15）側
（シリンダ（16）基端側）の作動室（22）とに区画形成
されている。このディスプレーサ（18）は、円筒体（1
9）内に金属製蓄冷材（20）（熱交換器）を充填したも
ので、上記円筒体（19）にはその内部の空間を作動室
（22）及び膨張室（21）にそれぞれ連通させる連通孔
（19a），（19b）が開口されており、膨張室（21）で膨
張した低温の冷媒ガスが作動室（22）に向かうときに
は、該冷媒ガスにより蓄冷材（20）を冷却して蓄冷材
（20）に冷熱を蓄え、逆に常温の冷媒ガスが作動室（2
2）から膨張室（21）に向かうときには、蓄冷材（20）
によりガスを冷却するようになされている。また、上記
作動室（22）内には、ディスプレーサ（18）を往復動可
能に弾性支持する弾性支持手段としてのコイルスプリン
グからなるディスプレーサスプリング（23）が配設され
ている。さらに、上記作動室（22）は連絡配管（24）を
介して上記圧縮機（１）の圧縮室（４）に接続されてお
り、圧縮機（１）からの冷媒ガス圧によりディスプレー
サ（18）を往復動させて冷媒ガスを膨張室（21）で膨張
させることにより、シリンダ（16）先端のコールドヘッ
ド（17）に寒冷を発生させるようになされている。

さらに、（25）は密閉容器で、その内部に空間（26）を
有し、該空間（26）は膨張機（13）のシリンダ（16）先
端の膨張室（21）に開閉弁（27）を有する配管（28）を
介して連通している。

また、膨張機（13）のハウジング（15）における空洞部
（14）の奥部は外周壁に雌ねじが形成されてねじ孔（2
9）とされ、そのねじ孔（29）にはねじ部材（30）が前
後移動可能に螺合されている。このねじ部材（30）の先
端（ディスプレーサ（18）側端部）にはディスプレーサ
スプリング（23）の端部を固定支持するばね止め（31）
が形成されている一方、基端側には中心部に有底の軸挿
通孔（32）と、該軸挿通孔（32）の直径方向に対向する
側壁を軸方向に切り欠いてなるピン係合溝（33），（3
3）とが形成されている。そして、軸挿通孔（32）には
駆動手段としてのステップモータ（34）の出力軸（34
a）が挿通され、ピン係合溝（33）、（33）には出力軸
（34a）先端に直径方向に突設したピン（35），（35）
がそれぞれ摺動可能に係合されており、ステップモータ
（34）の駆動回転によってねじ部材（30）を回転させな
がら前後移動させることにより、ディスプレーサ（18）
及びディスプレーサスプリング（23）をシリンダ（16）
内でその軸方向に前後移動させて、膨張室（21）の無駄
容積を変化させるように構成されている。

次に、上記実施例の作動について説明する。

冷凍機の運転開始に伴い、圧縮機（１）のリニアモータ
（６）が作動してピストン（５）がシリンダ（３）内で
往復動し、このピストン（５）の往復動により圧縮室
（４）内に所定周期の圧力波が生じる。この圧縮室
（４）は連絡配管（24）を介して膨張機（13）の作動室
（22）に連通しているため、ピストン（５）が前進して
圧縮室（４）の圧力が高くなったときには、加圧された
冷媒ガスが作動室（22）に供給されて該作動室（22）内
の圧力が高くなる。この圧力の上昇により作動室（22）
と膨張室（21）との間に差が生じ、この圧力差によって
ディスプレーサ（18）がディスプレーサスプリング（2
3）を伸長させながらシリンダ（16）先端側（第１図で
左側）に移動する。この作動室（22）はディスプレーサ
（18）内の空間を介して膨張室（21）に連通しているた
め、次の段階では作動室（22）のガスがディスプレーサ
（18）内を通って蓄冷材（20）により冷却されながら膨
張室（21）に流れ、両室（21），（22）の差圧がなくな
り、ディスプレーサ（18）はスプリング（23）の収縮力
によりシリンダ（16）基端側に移動して元の位置に戻
る。この後、直ちに、圧縮機（１）のピストン（５）が
後退して圧縮室（４）の圧力が低下する。このため、作
動室（22）内の冷媒ガスが連絡配管（24）を介して圧縮
室（４）に戻り、作動室（22）内の圧力が膨張室（21）
よりも低下する。この作動室（22）と膨張室（21）との
圧力差によってディスプレーサ（18）が今度はディスプ
レーサスプリング（23）を収縮させながらシリンダ（1
6）基端側（第１図で右側）に移動し、膨張室（21）内
の冷媒ガスが膨張して寒冷が発生する。次の段階では上
記膨張後のガスが膨張室（21）からディスプレーサ（1
8）内を通って蓄冷材（20）に冷熱を与えながら作動室
（22）に流れ、両室（21），（22）の差圧がなくなり、
ディスプレーサ（18）はスプリング（23）の伸長力によ
りシリンダ（16）先端側に移動して元の位置に戻る。以
上により１サイクルが終了し、以後、上記と同様のサイ
クルを繰り返すことで、シリンダ（16）先端のコールド
ヘッド（17）が徐々に極低温レベルまで冷却される。

そして、この冷凍機の運転中、膨張機（13）におけるス
テップモータ（34）の作動により、ねじ棒（27）が螺動
して上記ディスプレーサ（18）及びディスプレーサスプ
リング（23）がシリンダ軸方向に移動して膨張室（21）
の無駄容積が変えられ、冷凍能力が調整される。すなわ
ち、冷凍機の定常運転時等、冷却負荷が小さいときに
は、ねじ部材（30）が前進位置（第１図で左側位置）に
位置付けられ、膨張室（21）の容積が減少して、膨張室
（21）で膨張する冷媒ガスの容量が少なくなり、冷凍能
力が低く保たれる。

これに対し、クールダウン時や冷却負荷が増大したとき
には、ステップモータ（34）の作動によりねじ部材（3
0）が後退位置（同図で右側位置）に位置付けられ、膨
張室（21）の容積が増大する。このため、膨張室（21）
で膨張する冷媒ガスの容量が多くなって、冷凍能力を増
大させることができる。

また、この場合、密閉容器（25）内に膨張室（21）とは
別個の空間（26）が形成されて、該空間（26）に膨張室
（21）が連通しているため、シリンダ（16）自体を大き
くすることなく膨張室（21）の無駄空間を増大できるこ
ととなり、冷凍能力の可変調整範囲を拡大することがで
きる。

尚、上記実施例において、冷凍機のクールダウン運転時
や冷却負荷の増大時を検出し、それに応じてステップモ
ータ（34）を制御することにより、冷凍能力の可変調整
を自動的に行うようにすることも可能である。

（発明の効果） 以上説明したように、請求項（１）記載の発明による
と、シリンダ内でディスプレーサを往復動させて寒冷を
発生させるフリーディスプレーサ型スターリング冷凍機
において、ディスプレーサ及びそれを往復動可能に弾性
支持する弾性支持手段をシリンダ軸方向に移動させて、
膨張室の無駄容積を可変としたことにより、膨張室に出
入する冷媒ガス量を調整して、冷凍機の冷凍能力を自由
に変えることができ、よってクールダウン時や冷却負荷
の増大時であっても冷凍能力を増大させてその良好な対
処を図ることができる。

また、請求項（２）記載の発明によれば、上記膨張室に
それとは別個の空間が連通させたことにより、膨張室の
無駄空間を増大させて、冷凍機の冷凍能力の可変調整範
囲を拡大することができる。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の一実施例を示し、第１図は膨張機の要部
拡大断面図、第２図は冷凍機の全体構成を示す断面図で
ある。 （１）…圧縮機 （13）…膨張機 （16）…シリンダ （17）…コールドヘッド （18）…ディスプレーサ （21）…膨張室 （22）…作動室 （23）…スプリング（弾性支持手段） （25）…密閉容器 （26）…空間 （34）…ステップモータ（駆動手段）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】先端が閉塞されたシリンダ（16）と、該シ
   リンダ（16）内に往復動自在に嵌装され、シリンダ（1
   6）内を先端側の膨張室（21）及び基端側の作動室（2
   2）に区画形成するフリーディスプレーサ（18）と、該
   ディスプレーサ（18）を往復動可能に弾性支持する弾性
   支持手段（23）とを備え、上記作動室（22）は所定周期
   で冷媒ガスを圧縮する圧縮機（１）に接続されており、
   圧縮機（１）からの冷媒ガス圧によりディスプレーサ
   （18）を往復動させて冷媒ガスを膨張室（21）で膨張さ
   せることにより、シリンダ（16）先端のコールドヘッド
   （17）に寒冷を発生させるようにしたスターリング冷凍
   機において、上記ディスプレーサ（18）及び弾性支持手
   段（23）をシリンダ軸方向に移動させて膨張室（21）の
   無駄容積を可変とする駆動手段（34）を設けたことを特
   徴とするフリーディスプレーサ型スターリング冷凍機。
2. 【請求項２】膨張室（21）には密閉容器（25）内の空間
   （26）が連通されていることを特徴とする請求項（１）
   記載のフリーディスプレーサ型スターリング冷凍機。