JP2000121190A - スプリット式スターリング冷凍機およびスプリット式スターリング冷凍機の設計方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 駆動周波数と圧縮ピストンの固有周波数の差
異が小さなスプリット式スターリング冷凍機を容易に設
計できるスプリット式スターリング冷凍機の設計方法を
提供する。 【解決手段】 スプリット式スターリング冷凍機を、圧
縮ピストン２３の重量とピストン制御スプリング２４の
バネ定数とで定まる固有振動数であるガス未封入時固有
振動数（Ｈｚ）、圧縮機１１の駆動周波数（Ｈｚ）、圧
縮機１１（スプリット式スターリング冷凍機）に封入さ
れる冷媒ガスの圧力である封入ガス圧力（ｋｇｆ／ｃｍ
²）、及びその値が１．４〜１．８(Ｈｚ/(ｋｇｆ/ｃ
ｍ²))である圧力係数の間に、ガス未封入時固有振動数
＝駆動周波数−圧力係数×封入ガス圧力という関係が成
立するように、設計する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、圧縮機とコールド
ヘッドとがキャピラリチューブで接続された構成の、ス
ターリングサイクルを利用した冷凍機であるスプリット
式スターリング冷凍機と、その設計方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】冷凍機の一種として、スターリングサイ
クル（逆スターリングサイクル、カークサイクルとも称
される）を利用したスターリング冷凍機と呼ばれる冷凍
機が知られている。スターリング冷凍機は、圧縮機とコ
ールドヘッドとがクランク機構で連結されたものと、連
結されていないものに大別され、冷却すべき対象物が振
動を嫌うものであった場合等には、後者の形態のスター
リング冷凍機（スプリット式スターリング冷凍機と呼ば
れている）が用いられている。また、圧縮機としては、
回転モータを用いたものと、リニアモータを用いたもの
とが知られている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】周知のように、リニア
モータを用いた圧縮機内には、圧縮ピストンを中立点に
保つための機械バネ（コイルバネ、板バネ）が設けられ
る。また、冷媒ガスが封入された状態おける圧縮ピスト
ンの固有振動数は、駆動周波数に近い値とすることが望
ましい。従って、機械バネのバネ定数を駆動周波数等か
ら決定できれば良いのであるが、冷媒ガスもバネとして
機能するため、従来、スプリット式スターリング冷凍機
を設計する際には、駆動周波数等から機械バネのバネ定
数を算出、決定することは行われておらず、試行錯誤的
に、使用する機械バネのバネ定数を定めていた。

【０００４】このため、従来のスプリット式スターリン
グ冷凍機の設計、製造時には、適当な機械バネ（バネ定
数）を見い出すために多大な労力が必要であった。ま
た、そのようにして定めた機械バネのバネ定数が不適当
であるが故に、駆動周波数と圧縮ピストンの固有周波数
の差異が大きくなり、その結果として、性能が劣るスプ
リット式スターリング冷凍機が製造されることもあっ
た。

【０００５】そこで、本発明の課題は、駆動周波数と圧
縮ピストンの固有周波数の差異が小さなスプリット式ス
ターリング冷凍機を容易に設計できるスプリット式スタ
ーリング冷凍機の設計方法を提供することにある。

【０００６】また、本発明の他の課題は、駆動周波数と
圧縮ピストンの固有周波数の差異がその性能に悪影響を
与えていないスプリット式スターリング冷凍機を提供す
ることにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に鋭意研究を行った結果、本発明者らは、圧縮機とコー
ルドヘッドとがキャピラリチューブで接続されたスプリ
ット式スターリング冷凍機を設計するに際して、圧縮機
に含まれる圧縮ピストンの重量とその圧縮ピストンに取
り付けられる機械バネのバネ定数とで定まるガス未封入
時における圧縮ピストンの固有振動数であるガス未封入
時固有振動数（Ｈｚ）、前記圧縮機の運転周波数（Ｈ
ｚ）、前記圧縮機に封入される冷媒ガスの圧力である封
入ガス圧力（ｋｇｆ／ｃｍ²）、及びその値が１．４〜
１．８（Ｈｚ／(ｋｇｆ／ｃｍ²)）である圧力係数の間
に、ガス未封入時固有振動数＝駆動周波数−圧力係数×
封入ガス圧力という関係が成立するようにすれば良いこ
とを見出した。

【０００８】また、圧力係数をおよそ１．６とすれば、
駆動周波数と圧縮ピストンの固有周波数の差異が特に小
さな（ガス封入時の圧縮ピストンの固有周波数が、駆動
周波数との関係において適切な値となっている）スプリ
ット式スターリンを製造することができることを見出し
た。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を、図
面を参照して具体的に説明する。まず、図１を用いて、
本発明の一実施形態にかかるスプリット式スターリング
冷凍機の構成、動作の概要を説明する。

【００１０】図示したように、実施形態のスプリット式
スターリング冷凍機は、圧縮機１１とコールドヘッド
（膨張器）１２とそれらを繋ぐキャピラリチューブ１３
とを備える。

【００１１】圧縮機１１は、ヨーク２１と保圧容器２２
と圧縮ピストン２３とピストン制御スプリング２４とを
含む。ヨーク２１は、図示してあるように、圧縮ピスト
ン２３のシリンダとして機能するような構造を有してお
り、圧縮ピストン２３に対して固定された可動コイル２
５が挿入される環状の溝と、当該溝の外側内壁をなすよ
うに埋め込まれた永久磁石２６とを備えている。

【００１２】保圧容器２２は、ヨーク２１に固定されて
おり、圧縮ピストン２３が収容される空間であって、ヘ
リウムなどの不活性ガスが充填される空間である保圧空
間を形成している。また、図示は省略してあるが、保圧
容器２２には、気密電源端子が設けられており、当該機
密電源端子を介して、可動コイル２５は、外部電源と接
続される。機械バネであるピストン制御スプリング２４
は、圧縮ピストン２３と保圧容器２２とを連結するよう
に（圧縮ピストン２３を中立点に保てるように）、圧縮
ピストン２３と保圧容器２２との間に設けられている。

【００１３】コールドヘッド１２は、その内部空間がシ
リンダとして機能するハウジング部３１と、熱交換のた
めの蓄冷材（金網など）を収納したディスプレーサであ
るディスプレーサ蓄冷器３２と、ディスプレーサ蓄冷器
３２を中立点に保つためのディスプレーサ制御スプリン
グ３３を備える。

【００１４】そして、このスプリット式スターリング冷
凍機は、気密電源端子を介して可動コイル２５へ交番電
流を供給することによって、圧縮ピストン２３が往復動
（図において左右方向の動き）をするように制御され
る。その結果として、圧縮空間２８と膨張空間３４と無
効空間とからなるシステム空間内で、等温圧縮、等容移
送，等温膨張、等容移送といった４行程からなるサイク
ルが繰り返され、コールドヘッド１２に取り付けられ
た、例えば、赤外線検出素子などの熱負荷の冷却が行わ
れる。

【００１５】このように、実施形態のスプリット式スタ
ーリング冷凍機の基本的な構造、動作は、従来の、リニ
アモータを利用した圧縮機を搭載したスプリット式スタ
ーリング冷凍機のそれらと同じものとなっている。

【００１６】ただし、実施形態のスプリット式スターリ
ング冷凍機は、圧縮ピストン２３の重量とピストン制御
スプリング２４のバネ定数とから求められる固有振動数
（すなわち、ガス未封入時における圧縮ピストンの固有
振動数）であるガス未封入時固有振動数（Ｈｚ）、圧縮
機１１の駆動周波数（Ｈｚ）、圧縮機１１に封入される
冷媒ガスの圧力である封入ガス圧力（ｋｇｆ／ｃ
ｍ²）、及び、その値が１．４〜１．８（Ｈｚ／(ｋｇｆ
／ｃｍ²)）である圧力係数の間に、ガス未封入時固有振
動数＝駆動周波数−圧力係数×封入ガス圧力という関係
が成立するように、設計、製造される。

【００１７】すなわち、封入ガス圧力は、スプリット式
スターリング冷凍機に要求されている冷却能力によって
定まり、駆動周波数は、使用したい電源の周波数（通
常、５０か６０Ｈｚ）によって定まる。また、圧縮ピス
トン２３の重量、ピストン制御スプリング２４のバネ定
数を、それぞれ、ｍ、ｋとすれば、ガス未封入時固有振
動数は、（ｓｑｒ（ｋ／ｍ））／２πで表せる。そし
て、圧縮ピストンの形状、材料が定まれば重量ｍが定ま
るので、圧力係数を上記範囲内の特定の値に固定するこ
とによって上記式から得られたガス未封入時固有振動数
から、バネ定数ｋを算出できることになる。

【００１８】実施形態のスプリット式スターリング冷凍
機は、このようにして算出されたバネ定数を持つ機械バ
ネを、ピストン制御スプリング２４として用いることに
よって製造される。

【００１９】以下、実験結果を用いて、上記設計により
優れた特性を有するスプリット式スターリング冷凍機が
製造できることを説明する。

【００２０】図２に、ガス未封入時固有振動数を変えた
４種のスプリット式スターリング冷凍機に異なる圧力の
冷媒ガスを封入して、その固有振動数を測定した結果を
示す。図から明らかなように、４種のスプリット式スタ
ーリング冷凍機のそれぞれの固有振動数と、封入ガス圧
力との間には、一次の相関関係が存在している。また、
固有振動数の封入ガス圧力に対する一次回帰式の係数
（直線の傾き）は、固有振動数によらずほぼ一定の値
（およそ１．６）となっている。

【００２１】すなわち、この図から、スプリット式スタ
ーリング冷凍機において、ガス封入時固有振動数と封入
ガス圧力とガス未封入時固有振動数との間の次式が成立
していることがわかる。ガス封入時固有振動数＝１．６
×封入ガス圧力＋ガス未封入時固有振動数

【００２２】そして、ガス封入時固有振動数は、駆動周
波数に０〜５Ｈｚを足した値としておくことが望ましい
ことが経験的に知られている（換言すれば、上記式の左
辺の値と右辺の値とを完全に一致させる必要はない）の
で、結局、封入ガス圧力の係数である圧力係数を、１．
４〜１．８として、次式が満たされるように、スプリッ
ト式スターリング冷凍機を設計すれば良いことになる。
ガス未封入時固有振動数＝駆動周波数−圧力係数×封入
ガス圧力

【００２３】

【発明の効果】以上、説明したように、本発明のスプリ
ット式スターリング冷凍機の設計方法によれば、駆動周
波数と圧縮ピストンの固有周波数の差異が小さな（ガス
封入時の圧縮ピストンの固有周波数が、駆動周波数に対
して適切な値となっている）スプリット式スターリング
冷凍機を容易に設計することができる。このため、本設
計方法を用いれば、高性能なスプリット式スターリング
冷凍機の開発を簡単に行うことができる。また、設計方
法を用いて設計、製造されたスプリット式スターリング
冷凍機は、高性能なもの、すなわち、消費電力がより少
ない、あるいは、冷却能力がより高いものとなるので、
例えば、赤外線検出素子などの熱負荷の経済的な冷却が
可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態にかかるスプリット式スタ
ーリング冷凍機の構成を説明するための断面図である。

【図２】ガス未封入時固有振動数を変えた４種のスプリ
ット式スターリング冷凍機に異なる圧力の冷媒ガスを封
入して、その固有振動数を測定した結果を示したグラフ
である。

【符号の説明】

１１ 圧縮機 １２ コールドヘッド １３ キャピラリチューブ ２１ ヨーク ２２ 保圧容器 ２３ 圧縮ピストン ２４ ピストン制御スプリング ２５ 可動コイル ２６ 永久磁石 ２８ 圧縮空間 ３１ ハウジング部 ３２ ディスプレーサ蓄冷機 ３３ ディスプレーサ制御スプリング ３４ 膨張空間

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 内田 年雄 東京都田無市谷戸町２丁目１番１号 住友 重機械工業株式会社田無製造所内 (72)発明者 田口 芳人 東京都田無市谷戸町２丁目１番１号 住友 重機械工業株式会社田無製造所内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧縮機とコールドヘッドとがキャピラリ
   チューブで接続されたスプリット式スターリング冷凍機
   の設計方法において、 前記圧縮機が備える圧縮ピストンの重量とその圧縮ピス
   トンに取り付けられる機械バネのバネ定数とで定まるガ
   ス未封入時における前記圧縮ピストンの固有振動数であ
   るガス未封入時固有振動数（Ｈｚ）、前記圧縮機の駆動
   周波数（Ｈｚ）、前記圧縮機に封入される冷媒ガスの圧
   力である封入ガス圧力（ｋｇｆ／ｃｍ²）、及びその値
   が１．４〜１．８（Ｈｚ／(ｋｇｆ／ｃｍ²)）である圧
   力係数の間に、 ガス未封入時固有振動数＝駆動周波数−圧力係数×封入
   ガス圧力という関係が成立するように、前記機械バネの
   バネ定数を設計することを特徴とするスプリット式スタ
   ーリング冷凍機の設計方法。
2. 【請求項２】 前記圧力係数が、およそ１．６であるこ
   とを特徴とする請求項１記載のスプリット式スターリン
   グ冷凍機の設計方法。
3. 【請求項３】 圧縮機とコールドヘッドとがキャピラリ
   チューブで接続されたスプリット式スターリング冷凍機
   において、 前記圧縮機が備える圧縮ピストンの重量とその圧縮ピス
   トンに取り付けられる機械バネのバネ定数とで定まるガ
   ス未封入時における前記圧縮ピストンの固有振動数であ
   るガス未封入時固有振動数（Ｈｚ）、前記圧縮機の駆動
   周波数（Ｈｚ）、前記圧縮機に封入される冷媒ガスの圧
   力である封入ガス圧力（ｋｇｆ／ｃｍ²）、及びその値
   が１．４〜１．８（Ｈｚ／(ｋｇｆ／ｃｍ²)）である圧
   力係数の間に、 ガス未封入時固有振動数＝駆動周波数−圧力係数×封入
   ガス圧力という関係が成立することを特徴とするスプリ
   ット式スターリング冷凍機。