JP2003139428A - スターリング機関 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 シリンダ外部から圧縮室へ戻るガス量をエン
ジンの動作状態に応じて可変することにより、エネルギ
ロスを低減し、ピストンばねを劣化させることなく低振
幅から高振幅まで高冷凍能力を有するスターリング機関
を提供する。 【解決手段】 本発明のスターリング機関は、作動ガス
を封入したシリンダ９内を往復運動可能に設けられたデ
ィスプレーサー１およびピストン２を有するフリーピス
トン型スターリング機関において、ディスプレーサー１
およびピストン２の間の圧縮空間８とシリンダ９の外部
空間１２と連通するための流通通路１３、１４と、この
流通通路１３、１４とは別途に設けられたたとえばニー
ドルバルブ２０のような振動中心変動防止手段とを備え
ている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、スターリング機関
に関し、具体的には、作動ガスを封入したシリンダ内を
往復運動可能に設けられたパワーピストンおよびディス
プレーサーを有するフリーピストン型スターリング機関
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般的に冷凍サイクルには、蒸気圧縮式
の冷凍サイクルが採用されている。こうした蒸気圧縮式
の冷凍サイクルには、作動媒体としての冷媒にフロンが
用いられ、フロンの凝縮、蒸発を利用して所要の冷却性
能を得るようにしている。

【０００３】ところが、冷媒として使用されるフロン
は、大気中に放出されると成層圏に達してオゾン層を破
壊するとの指摘がある。このため、近年、特定フロンを
対象としたフロンの使用ならびに生産が規制されてきて
いる。そこで、フロンを用いた冷凍サイクルに代わるも
のとして、逆スターリング冷凍サイクルが注目を集めて
いる。

【０００４】逆スターリング冷凍サイクルは、作動媒体
としてヘリウムガス、水素ガス、窒素ガスなどといった
地球環境に悪影響を与えないガスを採用し、逆スターリ
ングサイクルによって低温を得るようにしたものであ
る。

【０００５】この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
合せたものである。上記圧縮機には、ガス圧がたとえば
サイン（ｓｉｎ）カーブなどの特性をもって所定周期で
経時変化するように冷媒ガスを圧縮するものが使用され
る。

【０００６】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挿され、シリンダ
内を先端側の膨張室およ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ーと、該フリーディスプレーサ
ーを往復運動可能に弾性支持するスプリングとを備えて
なるものである。該作動室は上記圧縮室に接続されてお
り、圧縮機からの冷媒ガス圧によりディスプレーサーを
往復運動させて冷媒ガスを膨張させる。これにより、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。

【０００７】なお、この方式のスターリング冷凍機は一
般にフリーピストン型スターリング冷凍機と呼ばれてい
る。

【０００８】図８は、従来のフリーピストン型スターリ
ング冷凍機の構成を示す概略断面図である。図８を参照
して、従来のスターリング機関は、ディスプレーサー１
と、ピストン２と、再生器３と、共振用バネ４、５と、
リニアモータ６と、シリンダ９と、放熱部１０とを主に
有している。

【０００９】ディスプレーサー１およびピストン２の各
々は、円筒形状のシリンダ９内にて往復運動可能なよう
に配置されており、共振用バネ４、５の各々によって支
持されている。これにより、シリンダ９の内部空間に膨
張空間７と圧縮空間８とが形成される。膨張空間７と圧
縮空間８との間に再生器３を設けて閉回路が構成され、
この閉回路の作動空間にヘリウムなどの作動ガスが充填
されている。また、圧縮空間８で生じた熱を外部に放出
するために放熱部１０が設けられている。

【００１０】ピストン２は、リニアモータ６などの外部
動力によってシリンダ９の軸方向に振動する。このリニ
アモータ６はモータ移動部１５およびモータ磁気回路部
１６を有しており、モータ移動部１５はピストン２に取
り付けられた可動部材であり、モータ磁気回路部１６は
固定部材である。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】従来のスターリング冷
凍機においては、圧縮動作を行なうピストン２およびデ
ィスプレーサー１の摩耗を防ぐために、気体軸受が用い
られている。つまり、ピストン２やディスプレーサー１
の摺動面に複数のピンホール１１が設けられ、圧縮空間
８とそのピンホール１１とを結ぶ通路が設けられてい
る。これにより、ピストン２が圧縮動作を行なうときに
発生する圧縮空間８とシリンダ内周面−ピストン外周面
との間の圧力差を利用して、圧縮空間８の高圧ガスの一
部がピストン２の内部を通り、摺動面のピンホール１１
から吐出されることで気体軸受が構成されている。

【００１２】このため、連続運転を行なうとシリンダ９
の外部空間（以下、シリンダ外部空間と称する）１２の
ガス圧が徐々に高くなり、圧縮空間８とシリンダ外部空
間１２との圧力バランスが崩れてくる。またピストン２
とシリンダ９との間の隙間からシリンダ９内のガスがシ
リンダ９外に移動する。このため、通常は、シリンダ外
部空間１２のガスが圧縮空間８に戻りやすくするために
戻り流路１３、１４の各々がシリンダ９およびピストン
２の各々に設けられている。

【００１３】ところが、ピストン２の振幅が小さいとき
（低振幅時）には、気体軸受のピンホール１１から吐出
されるガスは少ないから、戻り流路１３、１４は小さく
てもよいが、ピストン２の振幅が大きいとき（高振幅
時）には、ピンホール１１から吐出されるガスも多くな
るため、戻り流路１３、１４から戻るガスが足りなくな
り、シリンダ外部空間１２のガス圧が設計値よりも高く
なる。シリンダ外部空間１２のガス圧が高くなりすぎる
と、ピストン２の振幅中心が圧縮空間８側へ移動してピ
ストン２の圧縮空間が小さくなるため、エンジン性能が
低下する、ピストン２を保持するスプリングが劣化する
などの問題が発生する。

【００１４】また、戻り流路１３、１４を大きくすれば
圧縮空間８で十分な圧縮ができない、エネルギロスが大
きくなるなどの問題が発生する。

【００１５】本発明は、係る点に鑑みてなされたもので
あり、その目的はシリンダ外部から圧縮空間へ戻るガス
量をエンジンの動作状態に応じて可変することにより、
エネルギロスを低減し、ピストンバネを劣化させること
なく低振幅から高振幅まで高い冷凍能力を発現するスタ
ーリング機関を提供することである。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明のスターリング機
関は、作動ガスを封入したシリンダ内を往復運動可能に
設けられたパワーピストンおよびディスプレーサーを有
するフリーピストン型スターリング機関において、パワ
ーピストンおよびディスプレーサーの間の空間とシリン
ダ外部の空間とを連通するための流通通路と、その流通
通路とは別途に設けられた振動中心変動防止手段とを備
えたことを特徴とするものである。

【００１７】本発明のスターリング機関によれば、振動
中心変動防止手段が設けられているため、パワーピスト
ンの振動の中心がその動作時に変動することを防止する
ことができる。このため、エネルギロスを低減できると
ともにピストンバネを劣化させることなく低振幅から高
振幅まで高い能力を有するスターリング機関を得ること
ができる。

【００１８】上記のスターリング機関において好ましく
は、振動中心変動防止手段は流通通路を開閉可能に設け
られたバルブである。

【００１９】このようにパワーピストンおよびディスプ
レーサーの間の空間とシリンダ外部の空間とに圧力差が
生じた場合に、このバルブによって流通通路を開くこと
により、容易に両空間の圧力を調整することが可能とな
る。

【００２０】上記のスターリング機関において好ましく
は、パワーピストンに取付けられたモータ移動部と、モ
ータ移動部と対向しかつパワーピストンをシリンダ内で
往復運動させるためのモータ磁気回路部とがさらに備え
られている。流通通路は、パワーピストンに形成された
第１のガス流路と、シリンダに形成された第２のガス流
路とを有しいる。モータ移動部の往復運動方向の中心位
置がモータ磁気回路部の往復運動方向の中心位置にある
ときに、第１のガス流路の開口部と第２のガス流路の開
口部とが対向する。

【００２１】これにより、モータ移動部がモータ磁気回
路部の中心位置にきたときにガス圧調整を行なうことが
できるため、モータが中立位置のときに圧縮空間とシリ
ンダ外部空間の圧力が同じになるように調整される。こ
のため、ピストンの振幅中心が圧縮空間側へ移動したり
その反対側へ移動したりすることを防ぐため、モータの
脱調もなく、振幅を最大にすることができて、冷凍機の
冷凍能力を最大限に引出すことが可能となる。

【００２２】上記のスターリング機関において好ましく
は、振動中心変動防止手段は、パワーピストンの振幅が
大きいときに第１のガス流路の開口部と対向するよう
に、かつシリンダ外部に通じるようにシリンダに形成さ
れた第３のガス流路である。

【００２３】これにより、パワーピストンの振動が大き
くなるときに圧縮空間とシリンダ外部空間とのガス圧が
調整できるため、簡単に低振幅から高振幅まで高い冷凍
能力を維持することができる。

【００２４】上記のスターリング機関において好ましく
は、振動中心変動防止手段は、第１のガス流路の開口部
と第２のガス流路の開口部とが対向するパワーピストン
の位置からパワーピストンを所定角度回転させたときに
第１のガス流路の開口部と対向可能なように、かつシリ
ンダ外部に通じるようにシリンダに形成された第３のガ
ス流路である。

【００２５】これにより、パワーピストンの振動が大き
くなるときにパワーピストンを所定角度回転させること
で圧縮空間とシリンダ外部空間とのガス圧が調整できる
ため、簡単に低振幅から高振幅まで高い冷凍能力を維持
することができる。

【００２６】上記のスターリング機関において好ましく
は、振動中心変動防止手段は、第１のガス流路の開口部
と第２のガス流路の開口部とが対向するパワーピストン
の位置からパワーピストンの回転方向に沿ってシリンダ
に設けられた複数個のガス流路である。この複数のガス
流路の各々は第１のガス流路と異なる流路径を有してお
り、パワーピストンの振幅が大きいときにパワーピスト
ンを回転させてガス圧に応じた流路径のガス流路からガ
スが通される。

【００２７】このように、複数のガス流路の各々が異な
る流路径を有しているため、パワーピストンの振幅の大
きさに応じてシリンダ流路を選択することで動作状況に
応じた必要なガス流路を確保することができる。またシ
リンダ流路をさらに増やせば、さらに細かい調整が可能
である。このように無駄なガス流量を抑えることができ
るため、エネルギロスを抑えることができ、また低振幅
時と高振幅時の圧力を簡単に調整することができる。

【００２８】上記のスターリング機関において好ましく
は、流通通路は、パワーピストンのディスプレーサーに
対向する側の端面から逆側の端面に達するガス流路であ
る。

【００２９】これにより、圧縮空間とシリンダ外部空間
とのガス圧のバランスが調整できていないときに弁を開
くことで第２の流通経路を通じてガス圧を調整すること
ができ、低振幅時と高振幅時との圧力を簡単に調整する
ことができる。

【００３０】上記のスターリング機関において好ましく
は、流通通路は、パワーピストンおよびディスプレーサ
ーの間の空間とシリンダ外部の空間とを繋ぐようにシリ
ンダに形成されたシリンダ流路を有している。

【００３１】このシリンダ流路を有する流通通路をニー
ドルバルブで開閉可能とすることにより、容易にガス圧
力を調整することが可能となる。

【００３２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図に基づいて説明する。

【００３３】（実施の形態１）図８を参照して、本実施
の形態のスターリング冷凍機の構成は、従来例の構成と
比較して、振動中心変動防止手段（図示せず）を設けた
点において異なる。

【００３４】次に、本実施の形態のフリーピストン型ス
ターリング冷凍機の動作原理について説明する。

【００３５】まずピストン２がリニアモータ６により駆
動され、共振用バネ５により正弦運動する。ピストン２
の動きにより圧縮空間８内の作動ガスは正弦状の圧力変
化を示す。圧縮された作動ガスは放熱部１０で圧縮熱を
放出し、ディスプレーサー１内にある再生器３で予冷さ
れ膨張空間７に入る。膨張空間７の作動ガスはディスプ
レーサー１の動きにより膨張し温度は低下する。膨張空
間７内の作動ガスの圧力は、圧縮空間８内の圧力とある
位相差を持って正弦変化する。すなわちディスプレーサ
ー１はピストン２に対しある位相差を持って摺動するこ
とになる。

【００３６】膨張空間７での冷凍能力はディスプレーサ
ー１の摺動に大きく影響を受けるが、振幅はピストン２
とディスプレーサー１との位相差、すなわち膨張空間７
と圧縮空間８との時間変化する圧力差によって生じるデ
ィスプレーサー１とピストン２との動きの差に影響を受
ける。位相差は運転条件が同一であればディスプレーサ
ー１の質量、共振用バネ４のバネ定数および動作周波数
により決まるものである。

【００３７】本実施の形態では共振用バネ４、５として
板バネを用いているが、フリーピストン型の構造であれ
ば共振用バネ４、５は板バネに限定されるものではな
く、弾性力を付与できるものであればよい。

【００３８】フリーピストン型スターリング冷凍機はそ
の構造上、ピストン２およびディスプレーサー１が同一
軸上に位置し、またディスプレーサー１はピストン２の
振幅およびガス圧力により決定された振幅および位相差
にて動作する。

【００３９】冷凍機の運転中は、ピンホール１１から吐
出されるガスと、ピストン２およびシリンダ９間の隙間
から移動するガスとによってシリンダ外部空間１２のガ
ス圧は徐々に高くなる。ピストン２内の流路１４とシリ
ンダの流路１３とが一致したときに、シリンダ外部空間
１２と圧縮空間８とが流路１３、１４により繋がれ、シ
リンダ外部空間１２から圧縮空間８へのガスの流れが発
生するようになっている。

【００４０】ピストン内流路１４とシリンダ流路１３と
が一致したときに、シリンダ外部空間１２のガス圧が圧
縮空間８のガス圧より高ければ、ガスは圧縮空間８に流
れてシリンダ外部空間１２と圧縮空間８とのガス圧が調
整される。

【００４１】ピンホール１１から吐出するガスやピスト
ン２およびシリンダ９間を通ってシリンダ外部空間１２
へ移動するガスの量は、ピストン２の振幅によって変化
し、高振幅ではその移動量が大きい。そのため、ピスト
ン２の振幅によって、シリンダ外部空間１２から圧縮空
間８へ流れるガス量が振動中心変動防止手段により調整
される。これにより、低振幅から高振幅までピストン振
動の中心が圧縮空間側へ移動する、または反対側へ移動
することを防止するきとができ、安定した運転を行なう
ことができる。

【００４２】また、ガス流路での必要以上のガスの流れ
を防ぎ、振幅に応じたガス流量を確保することができる
ため、エネルギロスを抑えることができる。また想定し
た以上にピストン２が移動することがなくなるため、ピ
ストンバネの劣化も防ぐことができる。

【００４３】（実施の形態２）図１は、本発明の実施の
形態２におけるスターリング冷凍機の構成を示す概略断
面図である。図１を参照して、本実施の形態では、振動
中心変動防止手段としてニードルバルブ２０が設けられ
ている。ニードルバルブ２０は、シリンダ流路１３に設
けられており、ピストンの振幅やシリンダ外部のガス圧
などに応じてガス量を細かく調整できるようになってい
る。また、ニードルバルブ２０は、シリンダ９に取付け
ることも可能である。

【００４４】このニードルバルブ２０は、ニードル２０
１と調整器２０２とにより構成されている。ニードル２
０１は、調整器２０２によりシリンダ流路１３を開閉可
能である。

【００４５】なお、これ以外の構成については図８の構
成とほぼ同じであるため、同一の部材については同一の
符号を付しその説明を省略する。

【００４６】本実施の形態では、ニードルバルブ２０を
使用しているため、たとえばピストン２の振幅を入力電
圧あるいは入力電流から検出し、その検出出力に応じて
ニードルバルブ２０を動作させることにより、ガス量の
微調整を無段階で行なうことが可能である。また、シリ
ンダ流路１３にニードルバルブ２０を取付けることによ
り、シリンダ流路１３の開閉制御が容易となる。また、
ガス量の微調整はシリンダ外部空間１２のガス圧を検出
することにより行なわれてもよい。

【００４７】（実施の形態３）図１を参照して、本実施
の形態においては、ピストン２の往復運動方向（図中上
下方向）におけるモータ移動部１５の中心位置が、ピス
トン２の往復運動方向におけるモータ磁気回路部１６の
中心位置（一点鎖線）にあるときに、シリンダ流路１３
の開口部とピストン内流路１４の開口部とが互いに対向
するように形成されている。

【００４８】なお、これ以外の構成については実施の形
態２の構成とほぼ同じであるため、同一の部材について
は同一の符号を付しその説明を省略する。

【００４９】本実施の形態では、上記構成を有すること
により、常に、モータ移動部１５がモータ磁気回路部１
６の中心にきたときにガス圧調整を行なうことができ
る。このため、リニアモータ６が中立状態のときに圧縮
空間８とシリンダ外部空間１２との圧力が同じになるよ
うに調整することができる。これにより、ピストン２の
振幅中心が圧縮空間８側へ移動したりその反対側へ移動
したりすることを防ぐことができるため、モータ移動部
１５がモータ磁気回路部１６により生じた磁界から逸脱
する、いわゆる脱調を防止できる。したがって、ピスト
ン２の振幅を最大にすることができて冷凍機の冷凍能力
を最大限に引出すことが可能となる。

【００５０】（実施の形態４）図２は、本発明の実施の
形態４におけるスターリング冷凍機の構成を概略的に示
す断面図である。図２を参照して、本実施の形態の構成
は、図１に示す構成と比較して、振動中心変動防止手段
としてニードルバルブの代わりにシリンダ流路３０をシ
リンダ９に設けた点において異なる。

【００５１】ピストン内流路１４の開口部と第１のシリ
ンダ流路１３の開口部とは、モータ移動部１５がモータ
磁気回路部１６の中心にあるときに対向するように配置
されている。また、シリンダ流路３０の開口部は、ピス
トン２の振幅が大きいとき（高振幅時）にのみピストン
内流路１４の開口部と対向するような位置に配置されて
いる。

【００５２】なお、これ以外の構成については、図１の
構成とほぼ同じであるため、同一の部材については同一
の符号を付しその説明を省略する。

【００５３】本実施の形態では、ピストン２の振幅が小
さいときには、ピストン内流路１４の開口部は、シリン
ダ流路１３の開口部と対向するため、小量のガス圧調整
を行なうことができる。

【００５４】またピストン２の振幅が大きくなると、ピ
ストン内流路１４の高さ位置はシリンダ流路３０の高さ
位置まで到達し、ピストン内流路１４の開口部はシリン
ダ流路３０の開口部と対向するため、高振幅時にもガス
圧を調整することができる。また、高振幅時において
は、ピストン内流路１４の開口部は振幅中にシリンダ流
路１３の開口部とも対向するため、ここでもガス圧が調
整される。このように高振幅時には２箇所でガス圧調整
を行なうことができるため、高振幅時のガス圧調整量不
足が解消され、簡単に低振幅から高振幅まで高い冷凍能
力を維持することができる。

【００５５】なお、本実施の形態では、一例としてシリ
ンダ９に２箇所の流路を設けた場合について説明した
が、シリンダ９には２箇所以上の流路が設けられてもよ
い。

【００５６】（実施の形態５）図３は、本発明の実施の
形態５におけるスターリング冷凍機の構成を概略的に示
す断面図である。また図４は、本発明の実施の形態５に
おけるスターリング冷凍機のシリンダの構成を示す平面
図（ａ）、側面図（ｂ）である。なお、図４（ａ）は、
図４（ｂ）の一点鎖線で切断した場合の断面に対応す
る。

【００５７】図３および図４を参照して、本実施の形態
の構成においては、振動中心変動防止手段としてニード
ルバルブの代わりに、ピストン２を回転可能に支持する
ためのベアリング４１と、ピストン２に回転駆動力を与
えるためのモータ４２と、シリンダ９に形成されたシリ
ンダ流路４０とを設けた点とにおいて図１の構成と異な
る。

【００５８】シリンダ流路４０は、ピストン内流路１４
の開口部とシリンダ流路１３の開口部とが対向するピス
トン２の位置からピストン２をたとえば４５°回転さ
せ、かつ軸方向に移動させたときに、ピストン内流路１
４の開口部とシリンダ流路４０の開口部とが対向するよ
うな位置に配置されている。なお、モータ移動部１５が
モータ磁気回路部１６の中心にあるときにピストン内流
路１４とシリンダ流路１３とが一致する。

【００５９】なお、これ以外の構成については図１の構
成とほぼ同じであるため、同一の部材については同一の
符号を付しその説明は省略する。

【００６０】本実施の形態では、ピストン２の振幅方向
を軸として回転制御可能なようにベアリング４１とモー
タ４２とが組込まれている。通常時は、ピストン２の振
幅を行なうと、モータ移動部１５がモータ磁気回路部１
６の中心にきたときにピストン内流路１４とシリンダ流
路１３とが一致するため、このときガス圧の調整が行な
われる。

【００６１】ピストン２の振幅が大きくなるにつれて、
ピストン２の振幅の中心が圧縮空間側またはその反対へ
移動した場合、圧縮空間とシリンダ外部空間との圧力調
整が必要となる。このとき、ピストンを４５°回転させ
てもう一方のシリンダ流路４０とピストン内流路１４と
を一致させてガス圧が調整される。

【００６２】たとえば、ピストン２の振幅の中心が圧縮
空間８側へ移動した場合、ピストン２が圧縮空間８と反
対側に移動して圧縮空間８の体積が大きくなり（つまり
ピストンの非圧縮状態となり）圧力が低い状態になった
ときに、ピストン内流路１４と対向するようにシリンダ
流路４０を設けておく。これにより、シリンダ外部空間
１２と圧縮空間８との圧力差が大きくなり、圧縮空間８
に流れるガス量が増えるため、圧縮空間８側へ移動して
いたピストン２の振幅中心が通常の位置まで戻される。

【００６３】なお、シリンダ流路４０は、ピストン２の
振幅に応じて多数設けられてもよい。

【００６４】本実施の形態では、上記のようにピストン
２の低振幅時と高振幅時とでガス圧調整を行なう流路を
変更するため、低振幅時から高振幅時まで安定した運転
を行なうことが可能となる。

【００６５】（実施の形態６）図５は、本発明の実施の
形態６におけるスターリング冷凍機のシリンダの構成を
示す平面図（ａ）、側面図（ｂ）である。なお、図５
（ａ）は、図５（ｂ）の一点鎖線で切断した場合の断面
に対応する。

【００６６】図５を参照して、本実施の形態の構成は、
図３および図４に示す構成と比較して、シリンダ流路の
配置位置および個数が異なる。本実施の形態におけるシ
リンダ流路５０、５１の各々は、シリンダ流路１３の位
置の円周方向に沿って配置されており、かつ互いに異な
る径を有している。また、これらのシリンダ流路５０、
５１の各々は、シリンダ流路１３とも異なる径を有して
いる。シリンダ流路５０、５１は、シリンダ９の円筒部
に対称的に２つずつ設けられている。

【００６７】なお、これ以外の構成については、図３お
よび図４に示す構成とほぼ同じであるため、同一の部材
については同一の符号を付しその説明は省略する。

【００６８】本実施の形態では、ピストン２の振幅が小
さいときには、小さいシリンダ流路５１とピストン内流
路１４とを対向させて、ガス圧が調整される。ピストン
２の振幅が大きくなると、それに応じてシリンダ流路１
３のところまでピストン２を回転させて、ガス流量を増
やしてガス圧の調整が行なわれる。さらにピストン２の
振幅が大きくなると、それに応じてシリンダ流路５０の
ところまでピストン２を回転させて、ガス流量をさらに
増やしてガス圧の調整が行なわれる。

【００６９】このようにピストン２の振幅の大きさに応
じて、ピストン２を回転させることによりシリンダ流路
１３、５０、５１を選択し、選択したシリンダ流路１
３、５０、５１とピストン内流路１４とを対向させるた
め、必要なガス流量を確保することができる。シリンダ
流路をさらに増やせば、さらに細かいガス圧の調整が可
能である。このように無駄なガス流量を抑えることがで
きるため、エネルギロスを抑えることができ、また低振
幅時と高振幅時とのガス圧力を簡単に調整することがで
きる。

【００７０】（実施の形態７）図６は、本発明の実施の
形態７におけるスターリング冷凍機の構成を概略的に示
す断面図である。図６を参照して、本実施の形態の構成
は、図１に示す構成と比較して、ニードルバルブ２０の
代わりに振動中心変動防止手段としてガス流路６０と、
そのガス流路６０を開閉可能なバルブ６１とが設けられ
ている点において異なる。ガス流路６０は、ピストン２
の圧縮空間８に面する端面から、その逆側の端面にまで
貫通するように設けられている。バルブ６１は、たとえ
ばピストン２の圧縮空間８に面する側の端面に配置され
ている。

【００７１】なお、これ以外の構成については、図１に
示す構成とほぼ同じであるため、同一の部材については
同一の符号を付し、その説明を省略する。

【００７２】本実施の形態においては、ガス流路６０と
バルブ６１とが設けられているため、ピストン２の振幅
で圧縮空間８側とシリンダ外部空間１２とのガス圧のバ
ランスが調整できないときにはバルブ６１を開いてガス
圧力の調整を行なうことができる。このため、ピストン
２の低振幅時と高振幅時とのガス圧力を簡単に調整する
ことができる。

【００７３】なお、本実施の形態においても、モータ移
動部１５がモータ磁気回路部１６の中心にあるときにピ
ストン内流路１４とシリンダ流路１３とが一致すること
が好ましい。

【００７４】（実施の形態８）図７は、本発明の実施の
形態８におけるスターリング冷凍機の構成を概略的に示
す断面図である。図７を参照して、本実施の形態の構成
は、図１に示す構成と比較して、ガス流路の形成位置が
異なる。つまり、図１の構成においては、ピストン２に
ピストン内流路１４が設けられていたが、本実施の形態
ではこのピストン流路は設けられておらず、シリンダ流
路１３が圧縮空間８とシリンダ外部空間１２とを繋ぐよ
うに設けられている。

【００７５】なお、これ以外の構成については、図１の
構成とほぼ同じであるため、同一の部材については同一
の符号を付しその説明を省略する。

【００７６】本実施の形態では、シリンダ流路１３によ
り圧縮空間８とシリンダ外部空間１２とを繋ぎ、そのシ
リンダ流路１３をニードルバルブ２０により開閉可能と
したことにより、圧縮空間８とシリンダ外部空間１２と
のガス圧に応じて両空間のガス圧力を調整することがで
きる。

【００７７】なお、実施の形態１においてはニードルバ
ルブ２０について説明したが、ニードルバルブ２０に限
定されず、ピストン内流路１４を開閉可能なバルブであ
れば本発明に適用することができる。

【００７８】今回開示された実施の形態はすべての点で
例示であって制限的なものではないと考えられるべきで
ある。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求
の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味お
よび範囲内でのすべての変更が含まれることが意図され
る。

【００７９】

【発明の効果】以上説明したように本発明のスターリン
グ機関によれば、流通通路とは別途に振動中心変動防止
手段を設けたことにより、パワーピストンの振動中心が
その動作中に変動することを防止することができる。こ
れにより、エネルギロスを抑えることができ、また想定
した以上にピストンが移動することがなくなるためピス
トンバネの劣化を防ぐこともできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施の形態２におけるスターリング
冷凍機の構成を概略的に示す断面図である。

【図２】 本発明の実施の形態４におけるスターリング
冷凍機の構成を概略的に示す断面図である。

【図３】 本発明の実施の形態５におけるスターリング
冷凍機の構成を概略的に示す断面図である。

【図４】 本発明の実施の形態５におけるスターリング
冷凍機のシリンダの構成を示す平面図（ａ）、側面図
（ｂ）である。

【図５】 本発明の実施の形態６におけるスターリング
冷凍機のシリンダの構成を示す平面図（ａ）、側面図
（ｂ）である。

【図６】 本発明の実施の形態７におけるスターリング
冷凍機の構成を概略的に示す断面図である。

【図７】 本発明の実施の形態８におけるスターリング
冷凍機の構成を概略的に示す断面図である。

【図８】 従来のスターリング冷凍機の構成を概略的に
示す断面図である。

【符号の説明】

１ ディスプレーサー、２ ピストン、３ 再生器、
４，５ 共振用バネ、６リニアモータ、７ 膨張空間、
８ 圧縮空間、９ シリンダ、１０ 放熱部、１１ ピ
ンホール、１２ シリンダ外部、１３ シリンダ流路、
１４ ピストン内流路、１５ モータ移動部、１６ モ
ータ磁気回路部、２０ ニードルバルブ、２０１ ニー
ドル、２０２ 調整器、４１ ベアリング、４２ モー
タ、６０ガス流路、６１ バルブ。

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 作動ガスを封入したシリンダ内を往復運
   動可能に設けられたパワーピストンおよびディスプレー
   サーを有するフリーピストン型スターリング機関におい
   て、前記パワーピストンおよび前記ディスプレーサーの
   間の空間と前記シリンダ外部の空間とを連通するための
   流通通路と、前記流通通路とは別途に設けられた振動中
   心変動防止手段とを備えたことを特徴とする、スターリ
   ング機関。
2. 【請求項２】 前記振動中心変動防止手段は前記流通通
   路を開閉可能に設けられたバルブであることを特徴とす
   る、請求項１に記載のスターリング機関。
3. 【請求項３】 前記パワーピストンに取付けられたモー
   タ移動部と、 前記モータ移動部と対向し、かつ前記パワーピストンを
   前記シリンダ内で往復運動させるためのモータ磁気回路
   部とをさらに備え、 前記流通通路は、前記パワーピストンに形成された第１
   のガス流路と、前記シリンダに形成された第２のガス流
   路とを有しており、 前記モータ移動部の前記往復運動方向の中心位置が前記
   モータ磁気回路部の前記往復運動方向の中心位置にある
   ときに、前記第１のガス流路の開口部と前記第２のガス
   流路の開口部とが対向することを特徴とする、請求項１
   または２に記載のスターリング機関。
4. 【請求項４】 前記振動中心変動防止手段は、前記パワ
   ーピストンの振幅が大きいときに前記第１のガス流路の
   開口部と対向するように、かつ前記シリンダ外部に通じ
   るように前記シリンダに形成された第３のガス流路であ
   ることを特徴とする、請求項３に記載のスターリング機
   関。
5. 【請求項５】 前記振動中心変動防止手段は、前記第１
   のガス流路の開口部と前記第２のガス流路の開口部とが
   対向する前記パワーピストンの位置から前記パワーピス
   トンを所定角度回転させたときに前記第１のガス流路の
   開口部と対向可能なように、かつ前記シリンダ外部に通
   じるように前記シリンダに形成された第３のガス流路で
   あることを特徴とする、請求項３に記載のスターリング
   機関。
6. 【請求項６】 前記振動中心変動防止手段は、前記第１
   のガス流路の開口部と前記第２のガス流路の開口部とが
   対向する前記パワーピストンの位置から前記パワーピス
   トンの回転方向に沿って前記シリンダに設けられた複数
   個のガス流路であり、 前記複数のガス流路の各々は前記第１のガス流路と異な
   る流路径を有しており、前記パワーピストンの振幅が大
   きいときに前記パワーピストンを回転させてガス圧に応
   じた流路径のガス流路からガスを通じさせることを特徴
   とする、請求項３または４に記載のスターリング機関。
7. 【請求項７】 前記流通通路は、前記パワーピストンの
   前記ディスプレーサーに対向する側の端面から逆側の端
   面に達するガス流路であることを特徴とする、請求項１
   に記載のスターリング機関。
8. 【請求項８】 前記流通通路は、前記パワーピストンお
   よび前記ディスプレーサーの間の空間と前記シリンダ外
   部の空間とを繋ぐように前記シリンダに形成されたシリ
   ンダ流路を有することを特徴とする、請求項２に記載の
   スターリング機関。