JP2978005B2 - スターリング冷凍機 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、スターリング冷凍機に
関し、特にヒートポンプとして作動させることを可能と
したスターリング冷凍機に関する。

【０００２】

【従来の技術】スターリング冷凍機は、逆スターリング
サイクルを利用した冷凍機で、熱効率が理論的にはカル
ノーサイクルに等しく効率が高いこと、バルブを使用し
ないので構造が簡単になること、小型化が可能であるこ
と等の特徴を有し、絶対温度数度Ｋから数十度Ｋといっ
たきわめて低い温度が必要な超伝導の分野、赤外線撮像
装置の赤外線センサの冷却等に応用されている。

【０００３】図５を参照して、従来のスプリット型スタ
ーリング冷凍機システムの一例について説明する。スプ
リット型スターリング冷凍機は、圧縮部１、膨張部３及
び移送配管５から構成されている。圧縮部１では、駆動
手段によって圧縮ピストン１３を軸方向に駆動して圧縮
空間２１内の作動流体（冷媒）を周期的に圧縮し、この
作動流体を移送配管５を介して膨張部３に移送する。

【０００４】膨張部３に流入した作動流体は、膨張部シ
リンダ室３２内に弾性的に支持されているディスプレー
サ３４を軸方向に駆動する。ディスプレーサ３４には内
部に蓄冷器３６が収容されており、作動流体は、この蓄
冷器３６を経由して膨張空間３５内に流入する。圧縮ピ
ストン及びこれに従うディスプレーサの作動により膨張
空間３５の容積が拡大する時、作動流体の等温膨張的運
動により寒冷を作り出し、膨張空間３５に隣接している
赤外線センサやサンプル等の熱負荷９から熱を奪ってこ
れを冷却する。

【０００５】このシステムには、別に昇温用ヒータ８が
赤外線センサ等の熱負荷９に熱的に結合して設けられて
いる。熱負荷９は、スターリング冷凍機によって例えば
約８０Ｋ迄冷却される。熱負荷９の交換等においては、
結露、凍結を避けるため低温部を昇温用ヒータ８によっ
て速やかに例えば室温まで昇温する。

【０００６】

【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、一旦冷却した熱負荷をすばやく昇温する
ためには、スターリング冷凍機本体とは別にヒータ等の
昇温手段を備えていた。このため、ヒータやヒータ用の
配線が必要となり、構成が複雑になった。

【０００７】また、ヒータ等の昇温手段は、それ自身の
熱容量及び昇温手段に接続されている配線による熱伝導
等のために、スターリング冷凍機による冷却時に必要な
冷熱量を増加させる。

【０００８】更に、ヒータ等による昇温には、例えば数
分程度の時間を必要とした。昇温を短時間で行い効率的
な実験を何度も行いたいような場合には、昇温時間は短
いほど好ましい。

【０００９】本発明の目的は、膨張部に昇温手段を別に
備える必要がなく、昇温を可能とするスターリング冷凍
機を提供することである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明のスターリング冷
凍機は、内部に圧縮部シリンダ室を画定する圧縮部シリ
ンダ部材と、前記圧縮部シリンダ室内に滑動可能に挿入
され、圧縮部シリンダ室との間に圧縮空間を画定する圧
縮ピストンと、前記圧縮ピストンを駆動する駆動手段
と、前記圧縮空間に連通する膨張部シリンダ室を画定す
る膨張部シリンダ部材と、前記膨張部シリンダ室内に滑
動可能に配設され、膨張部シリンダ室端部との間に膨張
空間を画定するディスプレーサと、前記ディスプレーサ
と前記膨張部シリンダ部材とを弾性的に結合する弾性部
材と、前記圧縮空間と前記膨張空間との間に配設され、
寒冷を蓄えることのできる蓄冷器と、冷凍機として作動
する駆動周波数と昇温機として作動する駆動周波数との
一方を選択して前記駆動手段を駆動することのできる駆
動制御手段とを備える。

【００１１】駆動制御手段によって、駆動手段の駆動周
波数を選択することにより、スターリング冷凍機を冷却
手段として作動させることも昇温手段として作動させる
こともできる。このため、昇温手段を別に設けることな
く昇温を行うことができる。

【００１２】

【実施例】本発明者は、フリーピストン型スターリング
冷凍機において、圧縮機の圧縮周期を、通常の冷凍機と
して作動するための最適の圧縮周期から、少なくとも１
０％変化させると、スターリング冷凍機が昇温機として
作動することを見出した。

【００１３】図面を参照して本発明の実施例を説明す
る。図１は、本発明の一実施例のスターリング冷凍機を
示す。同図に示したように、この冷凍機は、圧縮部１、
膨張部３、作動流体の移送配管５、及び駆動制御部７を
有する。

【００１４】圧縮部１は、全体として円筒形状の外側ハ
ウジング１１内に収容される構造を有しており、外側ハ
ウジング１１の円筒形の底部にはこの圧縮部１のシリン
ダ部材を成す基部１２が配設されている。基部１２の中
心には、圧縮ピストン１３を内部に収容する圧縮部シリ
ンダ室１４が形成されており、また、この基部１２に
は、環状の永久磁石１５が、シリンダ室１４の径方向外
側に支持されている。更に、基部１２は、コップ状の内
部ハウジング１６を、永久磁石１５を介して支持してい
る。

【００１５】内部ハウジング１６には、コップ状の底部
内面に導電性の支持突起１７が取り付けられている。内
部ハウジング１６は、導電性の支持突起１７上に一端が
取り付けられた小径スプリング２３と内部ハウジングに
終端が支持された大径スプリング１８を介して圧縮ピス
トン１３を支持している。

【００１６】該圧縮ピストン１３には、ピストン本体の
径方向外側に、環状の電磁コイル１９を支持する電磁コ
イル支持部２０が形成されている。電磁コイル１９は、
大径スプリング１８と小径スプリング２３を介してリー
ド線に接続されている。電磁コイル１９と永久磁石１５
及びヨークを構成する基部１２がリニアモータを構成し
ている。

【００１７】圧縮部シリンダ室１４と圧縮ピストン１３
によって画定された空間は、作動媒体であるヘリウムを
収容し、圧縮ピストン１３の移動によって容積が可変と
なる圧縮空間２１を構成する。この圧縮空間２１は、移
送配管５によって膨張部３のハウジング３１内部の膨張
部シリンダ室３３に連通している。圧縮空間に隣接する
基部１２の部分には図示しない放熱部が接続されてい
る。

【００１８】膨張部シリンダ室３３は、円筒形の膨張部
ハウジング３１及びこれと一体の円筒部材３２によって
画定されている。膨張部シリンダ室３３内には、軸方向
に移動可能なディスプレーサ３４が滑動可能に配設さ
れ、ディスプレーサ３４は、膨張部シリンダ室３３の底
部の膨張空間３５の容積を可変に画定している。

【００１９】ディスプレーサ３４内部には、直径０．１
〜１mm程度の多数の金属球から成る蓄冷材を有する蓄冷
器３６が配設されている。ディスプレーサ３４は、スプ
リング３８の一端に支持され、圧縮スプリング３８の他
端は、膨張部ハウジング３１の底部内面の支持突起３７
に支持されている。

【００２０】ディスプレーサ３４は、スプリング３８に
よって膨張部シリンダ室の中間位置を中立点として支持
されている。ディスプレーサ３４の軸中心部には、軸穴
３９が貫通して形成されており、この軸穴３９により、
圧縮空間２１に連通している膨張部シリンダ室３３の右
側部分と膨張空間３５とが、蓄冷器３６を介して連通し
ている。膨張空間３５に隣接して実験サンプルや赤外線
センサ等の熱負荷９が配設されている。

【００２１】駆動制御部７は、周波数制御部７１と、パ
ワーアンプ７２とを有している。周波数制御部７１は、
例えばＶＣＯ（電圧制御発振器）によって構成されてい
る。周波数制御部７１は、たとえば５０Ｈｚから７０Ｈ
ｚ迄の周波数の交流を出力可能である。パワーアンプ７
２の出力は、圧縮部１の外側ハウジング１１のコネクタ
部２２を介して電磁コイル１９に接続されている。

【００２２】なお、この構成に代えて、駆動制御部７と
して、外部から例えば第一の周波数５０Ｈｚ及び第二の
周波数７０Ｈｚの各電源が供給されて、この内１つを選
択して電磁コイルに供給する構成としてもよい。

【００２３】上記実施例のスターリング冷凍機の作動説
明をするにあたり、まず、スターリング冷凍機で一般的
な冷凍モードでの作動を説明する。図２（ａ）〜（ｄ）
は夫々、圧縮ピストン及びディスプレーサの各行程を示
し、図４は、この各行程における作用を圧力−容積線図
（Ｐ−Ｖ線図）で示す。

【００２４】図２（ａ）において、圧縮ピストンは圧縮
空間の容積を最大とする位置にあり且つディスプレーサ
はスプリングによってその中立位置に在る。圧縮ピスト
ンが圧縮を始めると、作動流体が移送配管を経由して膨
張部に流入するので、ディスプレーサはこの作動流体に
よって駆動されて膨張空間を最小にする位置に移行す
る。この間膨張室内の動作はカルノーサイクルの等温圧
縮行程ＴC （図４参照）で近似できる。

【００２５】発生する圧縮熱は圧縮部の放熱部によって
吸収される。膨張機内では右側から圧力の高い気体が流
入するので、ディスプレーサ内部を通って気体が右側か
ら左側に流れる。この気体流の抵抗によってディスプレ
ーサは左側に移動する。

【００２６】図２（ｂ）に示すようにディスプレーサが
左端まで移動すると、ディスプレーサを通る気体の流れ
はなくなり、スプリングの復元力によってディスプレー
サは右側に戻り始める。

【００２７】圧縮ピストンが圧縮空間の容積を最小にす
る位置に達する時、ディスプレーサは圧縮スプリングの
作用により中立位置に戻る（図２（ｃ））。この間、作
動流体はディスプレーサ内の蓄冷器を通過して膨張空間
に移動する。この行程は等容移送行程で近似できる。蓄
冷器を通過する間に作動流体の熱は蓄冷器に奪われ、作
動流体の温度は低下する。

【００２８】次に、圧縮ピストンが圧縮空間を拡大する
方向に移動を始めると、圧縮空間内の圧力は低下する。
この圧力低下により作動流体は膨張空間から圧縮空間に
流れ、ディスプレーサも膨張空間を拡大する方向に移動
する。この行程はカルノーサイクルにおける等温膨張行
程ＴR （図４参照）で近似できる。このとき系は、外部
から、即ち膨張空間に隣接する位置にある熱負荷から熱
を奪いこれを冷却する。

【００２９】図２（ｄ）に示したように、ディスプレー
サが右端まで移動すると、これによって等温膨張行程は
終了し、ディスプレーサは、再びスプリングの作用によ
り中立位置に戻り始める。その後系は最初の状態に復帰
する（図２（ａ））。この間、作動流体は左から右へデ
ィスプレーサ内の蓄冷器を通過しこれに熱を奪われて冷
却される。この行程は等容移送行程で近似できる。

【００３０】上記の如き、作動流体及びディスプレーサ
の作動は、圧縮ピストンによる系の圧力変化とスプリン
グとの作用によって与えられる。このようにして、スタ
ーリング冷凍機で一般的な冷凍モードによる作動が行わ
れる。

【００３１】次に、上記実施例のスターリング冷凍機の
昇温モードの作動について説明する。図３において、上
述の冷凍モードによる圧縮ピストン及びディスプレーサ
の運動は実線で示されている。各ａ〜ｄは夫々図２
（ａ）〜（ｄ）に対応している。このように、スターリ
ング冷凍機による冷凍モードでは、ディスプレーサの位
相が圧縮ピストンの位相よりも進んでいることにより行
われる。理論的には、位相差が９０度のときに最大の冷
却効率が得られる。

【００３２】圧縮ピストンとディスプレーサとの位相関
係として、図３において破線で示したように、ディスプ
レーサの位相が逆に圧縮ピストンの位相よりも遅れるよ
うに作動させることができれば、この系は、図４で示し
た熱サイクルを逆に辿ることになり、昇温モードで作動
させることができる。理論的には、位相差が９０度のと
きに最大の加熱効率が得られる。

【００３３】フリーピストン型の膨張機は、バネ定数と
ディスプレーサの質量等で定まる共振周波数を有してい
る。通常この共振周波数で圧縮機を駆動することにより
冷凍機を最大効率で働かせている。

【００３４】圧縮機の駆動周波数を変化させ、膨張機の
共振周波数からずらせていくと、圧縮機と膨張機の位相
関係は変化する。実験によれば、駆動周波数が５０Ｈｚ
の時最大冷凍効率が得られる場合、５０Ｈｚから７０Ｈ
ｚまで駆動周波数を変化するとスターリング冷凍機は加
熱機として最も効率よく動作した。

【００３５】上記結果は、実施例で採用されたリニアモ
ータを駆動手段とするスターリング冷凍機のみならず、
例えばモータの回転をクランクによって往復動に変えた
形式の駆動手段を採用したスターリング冷凍機でも得ら
れた。この場合、駆動周波数を５０Ｈｚから２０〜３０
Ｈｚに変化させた時最も効率的な加熱機となった。

【００３６】これらの場合には、ディスプレーサの位相
が、例えば図３において破線で示したような関係に変化
しているものと考えられる。すなわち、圧縮機の駆動周
波数を変化させることにより、位相を制御することがで
きたものと考えられる。

【００３７】昇温モードで作動させることができる駆動
周波数は、実験の結果、冷凍モードの駆動周波数から±
１０％以上であることが判明した。好ましくは冷凍モー
ドの駆動周波数から±約４０％〜５０％駆動周波数を変
化させた時、より大きな昇温効果が得られる。

【００３８】従来の昇温ヒータによる昇温では、絶対温
度８０Ｋから３００Ｋへの昇温時に、通常５〜６分の時
間を必要としたが、本実施例による同一構成のスターリ
ング冷凍機の昇温モードによる作動では、同じ条件での
昇温が約１分程度の極めて短時間で可能であった。

【００３９】このように、スターリング冷凍機を冷凍モ
ード及び昇温モードの選択により作動させるための圧縮
周期の選択としては、図１に示すリニアモータのように
圧縮機が交流機の場合にはその周波数を選択又は変える
ことで容易に行われる。また、直流モータの場合には、
その電源電圧を選択又は変えることで容易に行われる。

【００４０】ここで、用いたスターリング冷凍機は、作
動流体によって駆動されるディスプレーサ、即ちフリー
ピストンを膨張部シリンダ室内に備えるスプリット型の
スターリング冷凍機といわれる形式のものであるが、必
ずしも、圧縮部と冷凍部とが構造的に分離されている必
要はなく、圧縮部と冷凍部とが構造的に一体化されてい
るスターリング冷凍機にも同様の原理は適用できる。

【００４１】また、蓄冷器がディスプレーサに保持され
る形式のものに限らず、蓄冷器が圧縮機と膨張機との間
に静止支持される形式のスターリング冷凍機であっても
よい。

【００４２】駆動制御部は、圧縮ピストンによる作動流
体の圧縮周期を、冷凍用の第一の圧縮周期及び昇温用の
第二の圧縮周期の２種類の圧縮周期から選択してこれを
駆動手段に出力するものであればよいが、第二の圧縮周
期をある範囲内で可変としてこれを設定することもでき
る。

【００４３】この可変幅は、例えば、所定の圧縮周期よ
りも１０％大きな又は小さな周期と、所定の圧縮周期よ
りも５０％程度大きな又は小さな周期との間とすること
ができる。

【００４４】第二の圧縮周期を可変に設定可能とし、例
えば圧縮ピストンを所定の周期より約１０％大きな周期
から約５０％大きな周期迄、若しくは約１０％小さな周
期から約５０％小さな周期迄のいずれかの範囲（以下±
１０〜±５０％の周期範囲と呼ぶ）で可変とすると、昇
温速度を効率的に変化させることができる。なお、この
昇温モードで最適な圧縮周期は、駆動手段の形式により
若干異なる。

【００４５】例えば、圧縮周期を所定値から±０％〜±
５０％の周期範囲で可変に設定可能としておき、温度セ
ンサ等によって対象物の温度を測定し、フィードバック
制御で圧縮周期の可変設定を行うことにより、スターリ
ング冷凍機を、対象物の温度を一定に保持し若しくは所
望の温度曲線で変化させる温度制御装置とすることがで
きる。

【００４６】圧縮周期の選択若しくは可変設定は、駆動
手段が例えばＤＣモータの場合には、その印加電圧を選
択若しくは可変に設定して回転速度を制御することで可
能である。

【００４７】また、駆動手段が交流モータ或いはリニア
モータの場合には、印加する交流電源の周波数を選択若
しくは可変に設定してその回転若しくは駆動速度を制御
することで可能である。周波数を可変に設定する場合に
は、発振周波数の制御が可能な可変周波数発振器、例え
ば、ＶＣＯ（電圧制御発振器）を採用すると、その制御
が容易になる。

【００４８】以上実施例に沿って本発明を説明したが、
本発明はこれらに制限されるものではない。たとえば、
種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者
に自明であろう。

【００４９】

【発明の効果】以上説明したように本発明のスターリン
グ冷凍機によると、第一の圧縮周期及び第二の圧縮周期
の採用という簡単な構成により、冷却及び昇温の双方が
可能となるので、スターリング冷凍機の用途を拡大する
ことができる。

【００５０】また、昇温のための手段を別に必要としな
いので、簡素な構成を可能とすると共に熱容量を小さく
して冷却効率を高め、また短時間での昇温を可能として
研究等における能率を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例のスターリング冷凍機の構造
及び構成を示す、各主要部の断面図を含むシステム系統
図である。

【図２】図１の実施例の冷凍モードでの圧縮ピストン及
びディスプレーサの作動を示す模式図である。

【図３】冷凍モード及び昇温モードの原理を示すため
の、圧縮ピストン及びディスプレーサの作動を示す線図
である。

【図４】冷凍モードにおけるＰ−Ｖ線図である。

【図５】従来のスターリング冷凍機システムの構成を示
すシステム系統図である。

【符号の説明】

１：圧縮部 ３：膨張部 ５：移送配管 ７：駆動制御部 11：外側ハウジング 12：基部（圧縮部シリンダ部材） 13：圧縮ピストン 14：圧縮部シリンダ室 15：永久磁石（駆動手段） 19：電磁コイル（駆動手段） 21：圧縮空間 31：膨張部ハウジング（膨張部シリンダ部材） 32：円筒部材（膨張部シリンダ部材） 33：膨張部シリンダ室 34：ディスプレーサ 35：膨張空間 36：蓄冷器 38：スプリング 71：周波数制御部 72：パワーアンプ

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 内部に圧縮部シリンダ室を画定する圧縮
   部シリンダ部材（２）と、 前記圧縮部シリンダ室内に滑動可能に挿入され、圧縮部
   シリンダ室との間に圧縮空間を画定する圧縮ピストン
   （１３）と、 前記圧縮ピストンを駆動する駆動手段（１５、１９）
   と、 前記圧縮空間に連通する膨張部シリンダ室を画定する膨
   張部シリンダ部材（３２）と、 前記膨張部シリンダ室内に滑動可能に配設され、膨張部
   シリンダ室端部との間に膨張空間を画定するディスプレ
   ーサ（３４）と、 前記ディスプレーサと前記膨張部シリンダ部材とを弾性
   的に結合する弾性部材（３８）と、 前記圧縮空間と前記膨張空間との間に配設され、寒冷を
   蓄えることのできる蓄冷器（３６）と、 冷凍機として作動する駆動周波数と昇温機として作動す
   る駆動周波数との一方を選択して前記駆動手段を駆動す
   ることのできる駆動制御手段（７）とを備えるスターリ
   ング冷凍機。
2. 【請求項２】 前記駆動制御手段が、冷凍機として作動
   する駆動周波数から少なくとも１０％以上変化させた駆
   動周波数を選択することができる請求項１に記載のスタ
   ーリング冷凍機。
3. 【請求項３】 前記駆動制御部が駆動周波数を連続変化
   させることができる請求項１または請求項２に記載のス
   ターリング冷凍機。