JP2014153005A - スターリング冷凍機 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却性能および運転効率を確保しつつ、構成が複雑化することを防止する。
【解決手段】スターリング冷凍機１０は、可動部材１１と放熱器１２とを接続して、可動部材１１と放熱器１２との間に作動媒体の第１圧縮空間αを形成可能な第１伸縮管継手１７と、放熱器１２と再生器１３とを接続して、放熱器１２と再生器１３との間に作動媒体の第２圧縮空間βを形成可能な第２伸縮管継手１８と、再生器１３と吸熱器１４とを接続して、再生器１３と吸熱器１４との間に作動媒体の膨張空間を形成可能な第３伸縮管継手１９と、放熱器１２及び吸熱器１４を固定する固定部材１５と、可動部材１１及び再生器１３を所定の位相差で配列線Ｏに沿って往復動させるとともに固定部材１５に対して相対移動させる駆動機構２１と、を備える。吸熱器１４は、第３伸縮管継手１９の第２方向Ｑの第２端部１９ｑに配置されて、第２端部１９ｑが閉塞されている。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、スターリング冷凍機に関する。

従来、膨張空間における作動媒体の膨張に伴って吸熱する吸熱器と、圧縮空間における作動媒体の圧縮に伴って放熱する放熱器と、膨張空間と圧縮空間との間を往復する作動媒体との熱交換によって膨張空間と圧縮空間との間の温度差を維持する再生器と、作動媒体を圧縮および膨張させるための駆動手段と、を備えたスターリング冷凍機が知られている。

冷却対象物に対する吸熱器による冷却性能を向上させるために、作動媒体が封入されたシリンダとシリンダ内を軸方向に往復動可能な２つの膨張ピストンおよび圧縮ピストンとによって、シリンダ内に膨張空間および圧縮空間を形成する技術が知られている。
この技術においては、さらに、シリンダの軸方向の第１端部が閉塞され、この第１端部と膨張ピストンとの間に膨張空間が形成され、膨張ピストンおよび圧縮ピストンを駆動する駆動部がシリンダの軸方向の第２端部側に設けられる技術が知られている。

特開２００１−２４１７９５号公報 特開２００４−１９５５６号公報

しかしながら、シリンダおよびピストンを用いた場合、所望の冷却性能および運転効率を確保するための構成が複雑化する虞がある。

本実施形態のスターリング冷凍機は、所定の配列線に沿って第１方向から第２方向に向かい順次配列された可動部材、放熱器、再生器および吸熱器と、前記可動部材と前記放熱器とを接続して、前記可動部材と前記放熱器との間に作動媒体の第１圧縮空間を形成可能な第１伸縮管継手と、前記放熱器と前記再生器とを接続して、前記放熱器と前記再生器との間に前記作動媒体の第２圧縮空間を形成可能な第２伸縮管継手と、前記再生器と前記吸熱器とを接続して、前記再生器と前記吸熱器との間に前記作動媒体の膨張空間を形成可能な第３伸縮管継手と、前記放熱器および前記吸熱器を固定する固定部材と、前記可動部材および前記再生器を所定の位相差で前記配列線に沿って往復動させるとともに前記固定部材に対して相対移動させる駆動手段と、を備え、前記可動部材は、前記第１伸縮管継手の前記第１方向の第１端部に配置されて、前記第１端部が閉塞され、前記放熱器は、前記第１圧縮空間と前記第２圧縮空間との間を往復する前記作動媒体を内部に流通可能であり、前記再生器は、前記第２圧縮空間と前記膨張空間との間を往復する前記作動媒体を内部に流通可能であり、前記吸熱器は、前記第３伸縮管継手の前記第２方向の第２端部に配置されて、前記第２端部が閉塞されている、ことを特徴とする。

実施形態のスターリング冷凍機の構成を示す断面図である。 実施形態のスターリング冷凍機の構成の一部を拡大して示す断面図であり、図２（Ａ）は可動部材の一部、放熱器、再生器、吸熱器、ロッドの一部、第１伸縮管継手、第２伸縮管継手、第３伸縮管継手および第４伸縮管継手（以下、第１構成群と言う。）を示す断面図であり、図２（Ｂ）は可動部材の一部、ロッドの一部および第４伸縮管継手（以下、第２構成群と言う。）を示す断面図である。 実施形態のスターリング冷凍機の動作行程に応じた状態を示す図であり、図３（Ａ），（Ｂ）は圧縮行程の実行前後の状態を示し、図３（Ｂ），（Ｃ）は等容移行行程の実行前後の状態を示し、図３（Ｃ），（Ｄ）は膨張行程の実行前後の状態を示し、図３（Ｄ），（Ａ）は等容移行行程の実行前後の状態を示す。 実施形態の変形例のスターリング冷凍機の構成の一部を拡大して示す断面図であり、図４（Ａ）は前記第１構成群を示す断面図であり、図４（Ｂ）は前記第２構成群を示す断面図である。 実施形態の変形例および実施形態のスターリング冷凍機において第１圧縮空間の容積が最小となった状態での構成の一部を拡大して示す断面図であり、図５（Ａ）は変形例のスターリング冷凍機の前記第１構成群を示す断面図であり、図５（Ｂ）は実施形態のスターリング冷凍機の前記第１構成群を示す断面図である。

以下、実施形態のスターリング冷凍機について添付図面を参照しながら説明する。
（スターリング冷凍機の構成）
本実施形態のスターリング冷凍機１０は、図１に示すように、例えば直線状の配列線Ｏに沿って第１方向Ｐから第２方向Ｑに向かい順次配列された可動部材１１、放熱器１２、再生器１３および吸熱器１４を備えている。さらに、スターリング冷凍機１０は、放熱器１２および吸熱器１４を固定する固定部材１５と、再生器１３を支持するロッド１６と、を備えている。
さらに、スターリング冷凍機１０は、可動部材１１と放熱器１２とを接続して、可動部材１１と放熱器１２との間に作動媒体の第１圧縮空間αを形成可能な第１伸縮管継手１７を備えている。さらに、スターリング冷凍機１０は、放熱器１２と再生器１３とを接続して、放熱器１２と再生器１３との間に作動媒体の第２圧縮空間βを形成可能な第２伸縮管継手１８を備えている。さらに、スターリング冷凍機１０は、再生器１３と吸熱器１４とを接続して、再生器１３と吸熱器１４との間に作動媒体の膨張空間γを形成可能な第３伸縮管継手１９を備えている。さらに、スターリング冷凍機１０は、可動部材１１とロッド１６との間を相対移動可能に封止する第４伸縮管継手２０を備えている。
さらに、スターリング冷凍機１０は、可動部材１１および再生器１３を所定の位相差で配列線Ｏに沿って往復動させるとともに固定部材１５に対して相対移動させる駆動機構２１を備えている。
本実施形態のスターリング冷凍機１０は、例えば、超伝導フィルタやアンテナ素子、レーダ装置の送受信モジュールなどの冷却に用いられる。

可動部材１１は、例えば、一体に形成された可動部材本体３１および可動部材軸部３２を備えている。可動部材本体３１の外形は、例えば円形板状に形成されている。図２（Ａ）に示すように、可動部材本体３１の第２方向Ｑの第２端部３１ｑは、後述する第１伸縮管継手１７の第１方向Ｐの第１端部１７ｐに接続され、第１伸縮管継手１７内（後述する第１圧縮空間α）のヘリウムなどの作動媒体を密封している。図２（Ｂ）に示すように、可動部材軸部３２の内部において、可動部材本体３１の第１方向Ｐの第１端部３１ｐは、後述する第４伸縮管継手２０の第２方向Ｑの第２端部２０ｑに接続され、第４伸縮管継手２０内の作動媒体を密封している。
可動部材本体３１は、配列線Ｏに沿って貫通する本体貫通孔３１ａを備えている。本体貫通孔３１ａの内径は、後述するロッド１６を挿入可能な大きさに形成されている。本体貫通孔３１ａに挿入されたロッド１６の外周面１６Ａと、本体貫通孔３１ａの内面３１ａＡとの間は、作動媒体が僅かに通過可能な隙間が存在していてもよいが、好ましくはシール部材（図示略）によって作動媒体に対して密封状態とされている。

可動部材軸部３２の外形は、例えば円筒状に形成されている。可動部材軸部３２は、軸方向を配列線Ｏに平行として、可動部材本体３１の第１方向Ｐの第１端部３１ｐから配列線Ｏに沿って第１方向Ｐに向かって延びる筒状部３２ａと、第１方向Ｐ側において筒状部３２ａを閉塞する筒状部端部３２ｐと、を備えている。筒状部３２ａは、第４伸縮管継手２０を伸縮可能に内部に収容可能な内径と、可動部材１１を配列線Ｏに沿って往復駆動可能な長さ（例えば、少なくとも後述する第４伸縮管継手２０を最伸長状態まで伸長可能な長さなど）と、を有している。
可動部材軸部３２の筒状部端部３２ｐは、配列線Ｏに沿って貫通する端部貫通孔３２ｂを備えている。端部貫通孔３２ｂの内径は、ロッド１６を挿入可能な大きさに形成されている。端部貫通孔３２ｂに挿入されたロッド１６の外周面１６Ａと、端部貫通孔３２ｂの内面３２ｂＡとの間は、可動部材軸部３２の雰囲気が通過可能な隙間が存在していてもよい。
可動部材軸部３２は、後述する駆動機構２１との電磁相互作用によって駆動機構２１から駆動力が作用させられ、この駆動力によって可動部材１１を配列線Ｏに沿って往復動させる。

放熱器１２の外形は、例えば円形板状に形成されている。図２（Ａ）に示すように、放熱器１２の第１方向Ｐの第１端部１２ｐと第２方向Ｑの第２端部１２ｑとの間は、作動媒体が流通可能に形成されている。放熱器１２の内部には、作動媒体に対して熱交換（放熱）作用を有する材料（例えば、積層された金網、発泡金属、スチールウールなど）が充填されている。放熱器１２の第１方向Ｐの第１端部１２ｐは、第１伸縮管継手１７の第２方向Ｑの第２端部１７ｑに接続され、第１伸縮管継手１７内（つまり第１圧縮空間α）の作動媒体を密封している。放熱器１２の第２方向Ｑの第２端部１２ｑは、後述する第２伸縮管継手１８の第１方向Ｐの第１端部１８ｐに接続され、第２伸縮管継手１８内（後述する第２圧縮空間β）の作動媒体を密封している。これらにより放熱器１２は、第１伸縮管継手１７内（第１圧縮空間α）と第２伸縮管継手１８内（第２圧縮空間β）との間を往復する作動媒体を内部に流通可能である。
放熱器１２は、配列線Ｏに沿って貫通する放熱器貫通孔１２ａを備えている。放熱器貫通孔１２ａは、可動部材１１の本体貫通孔３１ａに臨むように設けられている。放熱器貫通孔１２ａの内径は、ロッド１６を挿入可能な大きさに形成されている。放熱器貫通孔１２ａに挿入されたロッド１６の外周面１６Ａと、放熱器貫通孔１２ａの内面１２ａＡとの間は、作動媒体が僅かに通過可能な隙間が存在していてもよいが、好ましくはシール部材（図示略）によって作動媒体に対して密封状態とされている。

再生器１３の外形は、例えば円形板状に形成されている。再生器１３の第１方向Ｐの第１端部１３ｐと第２方向Ｑの第２端部１３ｑとの間は、作動媒体が流通可能に形成されている。再生器１３の内部には、作動媒体との熱交換によって蓄熱（蓄冷）作用を有する材料（例えば、積層された金網、発泡金属、スチールウールなど）が充填されている。再生器１３の第１方向Ｐの第１端部１３ｐは、第２伸縮管継手１８の第２方向Ｑの第２端部１８ｑに接続され、第２伸縮管継手１８内（つまり第２圧縮空間β）の作動媒体を密封している。再生器１３の第２方向Ｑの第２端部１３ｑは、後述する第３伸縮管継手１９の第１方向Ｐの第１端部１９ｐに接続され、第３伸縮管継手１９内（後述する膨張空間γ）の作動媒体を密封している。これらにより再生器１３は、第２伸縮管継手１８内（第２圧縮空間β）と第３伸縮管継手１９内（膨張空間γ）との間を往復する作動媒体を内部に流通可能である。再生器１３は、蓄熱（蓄冷）作用によって、第２伸縮管継手１８内（第２圧縮空間β）と第３伸縮管継手１９内（膨張空間γ）との間を熱的に遮断している。
再生器１３の第１方向Ｐの第１端部１３ｐはロッド１６の第２方向Ｑのロッド端部１６ｑに接続され、再生器１３はロッド１６によって支持されている。

吸熱器１４の外形は、例えば円形板状に形成されている。吸熱器１４は、第１方向Ｐの第１端部１４ｐから内部にかけて、作動媒体が流通可能に形成されている。吸熱器１４の内部には、作動媒体に対して熱交換（吸熱）作用を有する材料（例えば、積層された金網、発泡金属、スチールウールなど）が充填されている。吸熱器１４の第１方向Ｐの第１端部１４ｐは、第３伸縮管継手１９の第２方向Ｑの第２端部１９ｑに接続され、第３伸縮管継手１９内（つまり膨張空間γ）の作動媒体を密封している。吸熱器１４の第２方向Ｑの第２端部１４ｑは、図１に示すように、後述する固定部材１５の先端部１５ｂの第１方向Ｐ側の表面１５ｂＰに接触している。

固定部材１５は、放熱器１２を支持する円環板状のベース部１５ａと、吸熱器１４を支持する円形板状の先端部１５ｂと、先端部１５ｂを支持する棒状の支持部１５ｃと、を備えている。ベース部１５ａは、アルミニウムや銅などの放熱性（熱伝導率）が高い材料により形成されている。ベース部１５ａは内周面１５Ａを放熱器１２の外周面１２Ａに接触させて放熱器１２を支持している。ベース部１５ａの内周面１５Ａと放熱器１２の外周面１２Ａとの間は、熱伝導性が確保されつつ密閉されている。ベース部１５ａは、好ましくは第１方向Ｐ側の表面１５ａＰ上に放熱フィン（図示略）を備えている。
先端部１５ｂは、アルミニウムや銅などの吸熱性（熱伝導率）が高い材料により形成されている。先端部１５ｂは第１方向Ｐ側の表面１５ｂＰを吸熱器１４の第２方向Ｑの第２端部１４ｑに接触させて吸熱器１４を支持している。先端部１５ｂの第１方向Ｐ側の表面１５ｂＰと吸熱器１４の第２方向Ｑの第２端部１４ｑとの間は、熱伝導性が確保されている。
支持部１５ｃは、ベース部１５ａおよび先端部１５ｂと同じ材料で形成されていてもよいが、好ましくはベース部１５ａおよび先端部１５ｂに比べて熱伝導率が低い材料により形成されている。支持部１５ｃは、配列線Ｏから所定距離を置いて配列線Ｏと平行に延びている。支持部１５ｃは、第１方向Ｐ側の第１端部１５ｃｐがベース部１５ａに固定され、第２方向Ｑ側の第２端部１５ｃｑが先端部１５ｂに固定されている。支持部１５ｃは、再生器１３を配列線Ｏに沿って往復駆動可能な長さを有している。複数本（例えば、３本）の支持部１５ｃが、先端部１５ｂの周方向に等間隔で配置されている。

ロッド１６の外形は、例えば円柱状に形成されている。ロッド１６の第２方向Ｑのロッド端部１６ｑは再生器１３の第１方向Ｐの第１端部１３ｐに接続され、再生器１３を支持している。ロッド１６は、図２（Ｂ）に示すように、可動部材軸部３２の内部において、外周面１６Ａ上から径方向外方に張り出した大径部１６ａを備えている。大径部１６ａは、第４伸縮管継手２０の第１方向Ｐの第１端部２０ｐに接続され、第４伸縮管継手２０内の作動媒体を密封している。大径部１６ａは、可動部材１１および再生器１３を配列線Ｏに沿って往復駆動可能な位置、つまり可動部材１１および再生器１３が配列線Ｏに沿って往復駆動された際に、可動部材本体３１と可動部材軸部３２の筒状部端部３２ｐとに接触しない位置に設けられている。
ロッド１６は、後述する駆動機構２１との電磁相互作用によって駆動機構２１から駆動力が作用させられ、この駆動力によって再生器１３を配列線Ｏに沿って往復動させる。

第１伸縮管継手１７は、例えば金属などからなる弾性的に伸縮可能な円筒状のベローズである。図２（Ａ）に示すように、第１伸縮管継手１７の第１方向Ｐの第１端部１７ｐは、可動部材１１の可動部材本体３１の第２方向Ｑの第２端部３１ｑに、ろう付けなどによって接続されている。第１伸縮管継手１７の第２方向Ｑの第２端部１７ｑは、放熱器１２の第１方向Ｐの第１端部１２ｐに、ろう付けなどによって接続されている。これらにより第１伸縮管継手１７は、可動部材１１と放熱器１２との間に作動媒体の第１圧縮空間αを形成可能である。

第２伸縮管継手１８は、例えば金属などからなる弾性的に伸縮可能な円筒状のベローズである。第２伸縮管継手１８の第１方向Ｐの第１端部１８ｐは、放熱器１２の第２方向Ｑの第２端部１２ｑに、ろう付けなどによって接続されている。第２伸縮管継手１８の第２方向Ｑの第２端部１８ｑは、再生器１３の第１方向Ｐの第１端部１３ｐに、ろう付けなどによって接続されている。これらにより第２伸縮管継手１８は、放熱器１２と再生器１３との間に作動媒体の第２圧縮空間βを形成可能である。

第３伸縮管継手１９は、例えば金属などからなる弾性的に伸縮可能な円筒状のベローズである。第３伸縮管継手１９の第１方向Ｐの第１端部１９ｐは、再生器１３の第２方向Ｑの第２端部１３ｑに、ろう付けなどによって接続されている。第３伸縮管継手１９の第２方向Ｑの第２端部１９ｑは、吸熱器１４の第１方向Ｐの第１端部１４ｐに、ろう付けなどによって接続されている。これらにより第３伸縮管継手１９は、再生器１３と吸熱器１４との間に作動媒体の膨張空間γを形成可能である。

第４伸縮管継手２０は、例えば金属などからなる弾性的に伸縮可能な円筒状のベローズである。図２（Ｂ）に示すように、第４伸縮管継手２０の第１方向Ｐの第１端部２０ｐは、可動部材軸部３２の内部において、本体貫通孔３１ａに挿入されたロッド１６の大径部１６ａの第２方向Ｑの端部１６ａｑに、ろう付けなどによって接続されている。第４伸縮管継手２０の第２方向Ｑの第２端部２０ｑは、可動部材軸部３２の内部において、可動部材本体３１の第１方向Ｐの第１端部３１ｐに、ろう付けなどによって接続されている。これらにより第４伸縮管継手２０は、ロッド１６の大径部１６ａと可動部材本体３１との間に作動媒体の密封空間を形成可能である。

駆動機構２１は、例えばリニアモータなどであって、可動部材１１および再生器１３を所定の位相差（例えば、９０度など）で配列線Ｏに沿って往復動させるとともに固定部材１５に対して相対移動させるための駆動力を、可動部材１１の可動部材軸部３２およびロッド１６に作用させる。

さらに、本実施形態のスターリング冷凍機１０は、少なくとも、第２伸縮管継手１８、再生器１３、第３伸縮管継手１９および吸熱器１４を、内部に収容する真空槽４０を備えている。真空槽４０は、固定部材１５のベース部１５ａに固定され、固定部材１５の先端部１５ｂの第２方向Ｑ側の表面１５ｂＱ上などに配置された冷却対象物Ｃを覆うように設けられている。真空槽４０は、内部を真空断熱状態に維持可能である。

（スターリング冷凍機の動作）
本実施形態のスターリング冷凍機１０は上記構成を備えており、次に、このスターリング冷凍機１０の動作について説明する。
スターリング冷凍機１０は、図３（Ａ）から（Ｄ）に示すように、動作行程として、圧縮行程と、第１等容移行行程と、膨張行程と、第２等容移行行程と、の４行程を備えている。
なお、図３（Ａ）から（Ｄ）においては、固定部材１５および真空槽４０を省略した。

（圧縮行程）
まず、圧縮行程は、図３（Ａ）から図３（Ｂ）に示すように、再生器１３がその第２方向Ｑの可動端点Ｑ１３に位置する状態で、可動部材１１がその第１方向Ｐの可動端点Ｐ１１から第２方向Ｑの可動端点Ｑ１１に向かって移動する行程である。
圧縮行程では、第１伸縮管継手１７は最伸長状態から最短縮状態へと短縮し、第２伸縮管継手１８は最伸長状態を維持し、第３伸縮管継手１９は最短縮状態を維持し、第４伸縮管継手２０は最短縮状態から伸長する。
圧縮行程では、第１圧縮空間αの容積が減少し、第２圧縮空間βおよび膨張空間γの容積が不変に維持される。これに伴って、第１圧縮空間αの作動媒体が圧縮され、圧縮された第１圧縮空間αの作動媒体が放熱器１２の内部を流通して第２圧縮空間βに流入し、第１圧縮空間αおよび第２圧縮空間βの全体において容積が減少するとともに作動媒体の圧力が増大する。
圧縮行程では、可動部材１１の圧縮仕事に相当する熱が放熱器１２を介して放熱され、高温の第１圧縮空間αおよび第２圧縮空間βと低温の膨張空間γとの全体の容積が減少する。

（第１等容移行行程）
つぎに、第１等容移行行程は、図３（Ｂ）から図３（Ｃ）に示すように、可動部材１１がその第２方向Ｑの可動端点Ｑ１１に位置する状態で、再生器１３がその第２方向Ｑの可動端点Ｑ１３から第１方向Ｐの可動端点Ｐ１３に向かって移動する行程である。図３（Ｃ）は、再生器１３が可動端点Ｑ１３から可動端点Ｐ１３に向かって移動する途中の点Ｒ１３に位置するときの状態を示している。
第１等容移行行程では、第１伸縮管継手１７は最短縮状態を維持し、第２伸縮管継手１８は最伸長状態から短縮し、第３伸縮管継手１９は最短縮状態から伸長し、第４伸縮管継手２０は最伸長状態へと伸長する。なお、第３伸縮管継手１９は、最伸長状態までは伸長せず、第４伸縮管継手２０の最伸長状態において、さらなる伸長の余裕分が確保された状態で伸長を停止する。
第１等容移行行程では、第１圧縮空間αの容積が不変に維持され、第２圧縮空間βの容積の減少と膨張空間γの容積の増大とが相殺される。
第１等容移行行程では、高温の第１圧縮空間αおよび第２圧縮空間βと低温の膨張空間γとの全体の容積一定の状態で、高温の第１圧縮空間αおよび第２圧縮空間βの作動媒体が再生器１３に放熱して低温となって低温の膨張空間γに流入する。

（膨張行程）
つぎに、膨張行程は、図３（Ｃ）から図３（Ｄ）に示すように、第２方向Ｑの可動端点Ｑ１３から移動を始めた再生器１３が、点Ｒ１３からさらに第１方向Ｐの可動端点Ｐ１３に向かって移動を継続するとともに、可動部材１１がその第２方向Ｑの可動端点Ｑ１１から第１方向Ｐの可動端点Ｐ１１に向かって移動する行程である。
膨張行程では、第１伸縮管継手１７は最短縮状態から最伸長状態へと伸長し、第２伸縮管継手１８は最短縮状態へと短縮し、第３伸縮管継手１９は最伸長状態へと伸長し、第４伸縮管継手２０は最伸長状態から短縮する。
膨張行程では、第１圧縮空間αの容積が増大し、第２圧縮空間βの容積が減少し、膨張空間γの容積が増大する。第１圧縮空間αの容積の増大分は第２圧縮空間βの容積の減少分よりも大きい。これに伴って、膨張空間γの作動媒体が膨張し、第１圧縮空間αおよび第２圧縮空間βの全体において容積が増大するとともに作動媒体の圧力が減少する。
膨張行程では、高温の第１圧縮空間αおよび第２圧縮空間βと低温の膨張空間γとの全体の容積が増大し、吸熱器１４を介して吸熱される。これにより、吸熱器１４の外部、例えば図１に示す吸熱器１４を固定する固定部材１５の先端部１５ｂが冷やされ、冷凍能力が発生する。

（第２等容移行行程）
つぎに、第２等容移行行程は、図３（Ｄ）から図３（Ａ）に示すように、可動部材１１がその第１方向Ｐの可動端点Ｐ１１に位置する状態で、再生器１３がその第１方向Ｐの可動端点Ｐ１３から第２方向Ｑの可動端点Ｑ１３に向かって移動する行程である。
第２等容移行行程では、第１伸縮管継手１７は最伸長状態を維持し、第２伸縮管継手１８は最短縮状態から最伸長状態へと伸長し、第３伸縮管継手１９は最伸長状態から最短縮状態へと短縮し、第４伸縮管継手２０は最短縮状態へと短縮する。
第２等容移行行程では、第１圧縮空間αの容積が不変に維持され、第２圧縮空間βの容積の増大と膨張空間γの容積の減少とが相殺される。
第２等容移行行程では、高温の第１圧縮空間αおよび第２圧縮空間βと低温の膨張空間γとの全体の容積一定の状態で、低温の膨張空間γの低温の作動媒体が再生器１３に蓄えられた熱を吸収して高温となって高温の第１圧縮空間αおよび第２圧縮空間βに流入する。

スターリング冷凍機１０は、これらの４行程（逆スターリングサイクル）を繰り返すことにより冷却対象物Ｃを冷却する。

上述したように、本実施形態によるスターリング冷凍機１０によれば、第１、第２および第３伸縮管継手１７，１８，１９によって、可動部材１１、放熱器１２、再生器１３および吸熱器１４を接続し、第１および第２圧縮空間α，βおよび膨張空間γを形成した。これによって、シリンダおよびピストンによって各空間を形成する場合のような作動媒体に対する付加的なシール構造を必要とせずに密封性を確保することができ、構成が複雑になることを防止することができる。さらに、シリンダ内でピストンを往復移動させる場合のような摺動部が無いので、摺動部からの作動媒体の漏れを防ぐことができ、冷却性能の低下を防止することができる。さらに、シリンダ内でピストンを往復動させる場合のような摩擦が無いので、運転効率を向上させることができるとともに、耐久性および寿命を向上させることができる。以上のように、本実施形態のスターリング冷凍機１０は、冷却性能および運転効率を確保しつつ、構成を単純化することができる。

さらに、吸熱器１４を固定部材１５の先端部１５ｂに固定し、放熱器１２を支持部１５ｃによって吸熱器１４から一定の間隔で離間させてベース部１５ａに固定したので、発熱体である放熱器１２から吸熱器１４への熱伝達を抑制し、冷却性能を向上させることができる。さらに、駆動機構２１をベース部１５ａよりも第１方向Ｐ側に配置し、吸熱器１４をベース部１５ａよりも第２方向Ｑ側に配置したので、発熱体および振動体である駆動機構２１から吸熱器１４および冷却対象物Ｃへの熱伝達および振動伝達を抑制することができる。さらに、吸熱器１４を固定部材１５の先端部１５ｂに固定したので、吸熱器１４によって冷却される冷却対象物Ｃを容易に固定部材１５の先端部１５ｂに配置することができる。さらに、吸熱器１４を固定部材１５の先端部１５ｂに固定したので、吸熱器１４および冷却対象物Ｃを覆うように内部に収容する真空槽４０が大型化することを防止し、真空槽４０を容易に形成することができる。

さらに、放熱器１２および吸熱器１４は固定され、再生器１３がロッド１６によって往復駆動されるので、放熱器１２、再生器１３および吸熱器１４が一体になって往復駆動される場合に比べて、駆動機構２１の負荷を低減し、運転効率を向上させることができる。さらに、作動媒体は再生器１３の内部を流通して第１および第２圧縮空間α，βと膨張空間γとの間を往復するので、放熱器１２、再生器１３および吸熱器１４が一体に構成されて、これらの内部を作動媒体が往復する場合に比べて、圧力損失を低減することができる。さらに、作動媒体は配列線Ｏに沿って直線的に再生器１３の内部を往復し、付加的な作動媒体の流通経路が無いので、構成が複雑になることを防止することができるとともに、流通経路の分岐や曲がりなどが無いので、流通損失の増大を防ぐことができる。

（変形例）
なお、上述した実施形態では、伸縮管継手の接続対象部材である可動部材１１や放熱器１２、再生器１３、吸熱器１４等について、前記接続対象部材の端部と伸縮管継手の端部とが配列線Ｏ上で同じ位置に配置されていたが、前記接続対象部材の端部が伸縮管継手の端部より配列線上で伸縮管継手側に配置されていてもよい。
以下に、上述した実施形態の変形例のスターリング冷凍機１０について、上述した実施形態のスターリング冷凍機１０とは異なる点について説明する。

図４（Ａ）に示すように、第１伸縮管継手１７の第１方向Ｐの第１端部１７ｐは、可動部材１１の可動部材本体３１の第２方向Ｑの第２端部３１ｑから第１方向Ｐ側の内側の位置に接続されている。第１伸縮管継手１７の第２方向Ｑの第２端部１７ｑは、放熱器１２の第１方向Ｐの第１端部１２ｐから第２方向Ｑ側の内側の位置に接続されている。これらにより第１伸縮管継手１７は、最短収縮状態において、可動部材１１の可動部材本体３１の第２方向Ｑの第２端部３１ｑと放熱器１２の第１方向Ｐの第１端部１２ｐとの間の間隔を、第１伸縮管継手１７の最短長さよりも短い間隔（例えば、ゼロまたはほぼゼロ）にする。

第２伸縮管継手１８の第１方向Ｐの第１端部１８ｐは、放熱器１２の第２方向Ｑの第２端部１２ｑから第１方向Ｐ側の内側の位置に接続されている。第２伸縮管継手１８の第２方向Ｑの第２端部１８ｑは、再生器１３の第１方向Ｐの第１端部１３ｐから第２方向Ｑ側の内側の位置に接続されている。これらにより第２伸縮管継手１８は、最短収縮状態において、放熱器１２の第２方向Ｑの第２端部１２ｑと再生器１３の第１方向Ｐの第１端部１３ｐとの間の間隔を、第２伸縮管継手１８の最短長さよりも短い間隔（例えば、ゼロまたはほぼゼロ）にする。

第３伸縮管継手１９の第１方向Ｐの第１端部１９ｐは、再生器１３の第２方向Ｑの第２端部１３ｑから第１方向Ｐ側の内側の位置に接続されている。第３伸縮管継手１９の第２方向Ｑの第２端部１９ｑは、吸熱器１４の第１方向Ｐの第１端部１４ｐから第２方向Ｑ側の内側の位置に接続されている。これらにより第３伸縮管継手１９は、最短収縮状態において、再生器１３の第２方向Ｑの第２端部１３ｑと吸熱器１４の第１方向Ｐの第１端部１４ｐとの間の間隔を、第３伸縮管継手１９の最短長さよりも短い間隔（例えば、ゼロまたはほぼゼロ）にする。

図４（Ｂ）に示すように、第４伸縮管継手２０の第１方向Ｐの第１端部２０ｐは、ロッド１６の大径部１６ａの第２方向Ｑの端部１６ａｑから第１方向Ｐ側の内側の位置に接続されている。これにより第４伸縮管継手２０は、最短収縮状態において、ロッド１６の大径部１６ａの第２方向Ｑの端部１６ａｑと可動部材１１の可動部材本体３１の第１方向Ｐの第１端部３１ｐとの間の間隔を、第４伸縮管継手２０の最短長さよりも短い間隔（例えば、ゼロまたはほぼゼロ）にする。

この変形例のスターリング冷凍機１０によれば、各第１、第２、第３および第４伸縮管継手１７，１８，１９，２０の最短収縮状態において、各第１圧縮空間α、第２圧縮空間β、膨張空間γおよび第４伸縮管継手２０内の容積を低減することができる。
例えば第１伸縮管継手１７の最短収縮状態において、図５（Ｂ）に示す上述した実施形態のスターリング冷凍機１０では、可動部材１１と放熱器１２との間の間隔は第１伸縮管継手１７の最短長さに相当する。これに対して、図５（Ａ）に示す変形例のスターリング冷凍機１０では、可動部材１１と放熱器１２との間の間隔は、第１伸縮管継手１７の最短長さよりも小さく（例えば、ほぼゼロであり）、上述した実施形態に比べて小さくなる。
これらによって、各第１圧縮空間α、第２圧縮空間β、膨張空間γおよび第４伸縮管継手２０内の無効容積（作動媒体の加熱および冷却あるいは圧縮および膨張に関与しない空間の容積）を低減することができ、冷却性能および運転効率を向上させることができる。

なお、上述した変形例のスターリング冷凍機１０においては、第１、第２および第３伸縮管継手１７，１８，１９の両端の接続位置を、各可動部材１１、放熱器１２、再生器１３および吸熱器１４（以下、各接続対象部材という。）の配列線Ｏに沿った内側の位置としたが、これに限定されない。
例えば、第１、第２および第３伸縮管継手１７，１８，１９の両端の接続位置のうち、何れか一方を前記各接続対象部材の配列線Ｏに沿った内側の位置とし、何れか他方を前記各接続対象部材の配列線Ｏに沿った端部としてもよい。

なお、上記の実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

例えば、上述した実施形態において、所定の配列線Ｏは直線状以外の他形状の線であってもよい。
例えば、上述した実施形態において、可動部材１１、放熱器１２、再生器１３、吸熱器１４、固定部材１５、ロッド１６、各第１、第２、第３および第４伸縮管継手１７，１８，１９，２０の配列線Ｏに直交する断面の外形を円形としたが、これに限定されず、多角形状などであってもよい。
例えば、上述した実施形態において、固定部材１５の支持部１５ｃを棒状とし、複数本の支持部１５ｃによって先端部１５ｂを支持するとしたが、これに限定されず、ベース部１５ａおよび先端部１５ｂの外周部同士を接続する単一の筒状などであってもよい。

１０ スターリング冷凍機
１１ 可動部材
１２ 放熱器
１２ａ 放熱器貫通孔
１３ 再生器
１４ 吸熱器
１５ 固定部材
１６ ロッド
１７ 第１伸縮管継手
１８ 第２伸縮管継手
１９ 第３伸縮管継手
２０ 第４伸縮管継手
２１ 駆動機構（駆動手段）
３１ 可動部材本体
３１ａ 本体貫通孔（可動部材貫通孔）
３２ 可動部材軸部
３２ｂ 端部貫通孔（可動部材貫通孔）
４０ 真空槽

Claims (4)

1. 所定の配列線に沿って第１方向から第２方向に向かい順次配列された可動部材、放熱器、再生器および吸熱器と、
   前記可動部材と前記放熱器とを接続して、前記可動部材と前記放熱器との間に作動媒体の第１圧縮空間を形成可能な第１伸縮管継手と、
   前記放熱器と前記再生器とを接続して、前記放熱器と前記再生器との間に前記作動媒体の第２圧縮空間を形成可能な第２伸縮管継手と、
   前記再生器と前記吸熱器とを接続して、前記再生器と前記吸熱器との間に前記作動媒体の膨張空間を形成可能な第３伸縮管継手と、
   前記放熱器および前記吸熱器を固定する固定部材と、
   前記可動部材および前記再生器を所定の位相差で前記配列線に沿って往復動させるとともに前記固定部材に対して相対移動させる駆動手段と、を備え、
   前記可動部材は、前記第１伸縮管継手の前記第１方向の第１端部に配置されて、前記第１端部が閉塞され、
   前記放熱器は、前記第１圧縮空間と前記第２圧縮空間との間を往復する前記作動媒体を内部に流通可能であり、
   前記再生器は、前記第２圧縮空間と前記膨張空間との間を往復する前記作動媒体を内部に流通可能であり、
   前記吸熱器は、前記第３伸縮管継手の前記第２方向の第２端部に配置されて、前記第２端部が閉塞されている、
   ことを特徴とするスターリング冷凍機。
2. 前記再生器を支持し、前記駆動手段によって前記配列線に沿って往復駆動されるロッドを備え、
   前記可動部材は、前記ロッドを挿入可能に前記配列線に沿って貫通する可動部材貫通孔を備え、
   前記放熱器は、前記ロッドを挿入可能に前記配列線に沿って貫通し、かつ前記可動部材貫通孔に臨む放熱器貫通孔を備え、
   前記可動部材と前記可動部材貫通孔に挿入された前記ロッドとの間を封止する第４伸縮管継手を備える、
   ことを特徴とする請求項１に記載のスターリング冷凍機。
3. 前記伸縮管継手の接続対象部材である前記可動部材、前記放熱器、前記再生器または前記吸熱器は、前記接続対象部材における前記伸縮管継手側の端部が、前記伸縮管継手における前記接続対象部材側の端部より、前記配列線上で前記伸縮管継手側に位置するように配置されている、
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のスターリング冷凍機。
4. 少なくとも、前記第２伸縮管継手、前記再生器、前記第３伸縮管継手および前記吸熱器を、内部に収容する真空槽を備え、
   前記真空槽は、前記固定部材に固定されている、
   ことを特徴とする請求項１から請求項３の何れか１つに記載のスターリング冷凍機。

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