JP3669945B2

JP3669945B2 - スターリング冷凍機

Info

Publication number: JP3669945B2
Application number: JP2001199879A
Authority: JP
Inventors: 和彦上田; 章三田中
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2001-06-29
Filing date: 2001-06-29
Publication date: 2005-07-13
Anticipated expiration: 2021-06-29
Also published as: JP2003014321A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、低温の発生に用いられるスターリング冷凍機に関し、特に、ピストンの位置を正確に保持できるフリーピストン型のスターリング冷凍機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
冷熱の発生を目的としたフリーピストン型のスターリング冷凍機は、熱サイクル的には逆スターリングサイクルエンジンとも呼ばれている。図７は、このような従来のスターリング冷凍機の一構成例を示す断面図である。
【０００３】
ピストン１とディスプレーサ２とが、シリンダ３の内に往復摺動可能に配されている。このシリンダ３は、密閉された圧力容器４内に固定されている。ピストン１及びディスプレーサ２は同軸上に構成されており、ディスプレーサ２に形成されたロッド２ａはピストン１の径方向中心部に設けられた摺動孔１ａを貫通し、ピストン１とディスプレーサ２とはシリンダ３の内周壁面３ａに沿って滑らかに摺動可能である。また、ピストン１はピストン支持バネ５、ディスプレーサ２はディスプレーサ支持バネ６によって、夫々、圧力容器４に対して弾性支持されている。
【０００４】
圧力容器４とシリンダ３とにより形成される空間は、ピストン１によって２つの空間に分割されている。一つはピストン１のディスプレーサ２側にある作動空間７であり、もう一つはピストン１のディスプレーサ２側と反対側にある背面空間８である。背面空間８は、シリンダ３のピストン１が挿入された側を取り囲むように形成されている。これらの作動空間７及び背面空間８には、高圧のヘリウムガス等の作動媒体が充填されている。ピストン１は、背面空間８に形成されたリニアモータ等のピストン駆動体（図示せず）により所定周期で往復動される。この往復動によって、作動媒体は作動空間７内で圧縮，膨張される。ディスプレーサ２は、作動空間７内で圧縮，膨張される作動媒体の圧力変化により直線的に往復動される。このとき、ピストン１とディスプレーサ２とは、一般的に約９０度の位相差をもって同一周期にて往復動するように設計されている。
【０００５】
また、作動空間７はディスプレーサ２にて更に２つの空間に分割されている。一つはピストン１とディスプレーサ２とに挟まれた圧縮空間７ａであり、もう一つはシリンダ３の先端部の膨張空間７ｂである。これらの圧縮空間７ａ及び膨張空間７ｂは、一般にメッシュ形状の銅材などにより構成された再生器９を介して連結されている。膨張空間７ｂで作動媒体を膨張させることにより、シリンダ３の先端のコールドヘッド１０に冷熱を発生させるが、このような構成の冷凍機を用いた逆スターリング熱サイクルに関しては、一般に良く知られているので、ここでは詳細な説明を省略する。
【０００６】
シリンダ３の内周壁面３ａに沿ってピストン１が滑らかに往復動するためには、その内周壁面３ａとピストン１の摺動面１ｂとの間に微小隙間が必要である。この冷凍機駆動時にはピストン１の往復動により、圧縮空間７ａ及び背面空間８には何れも作動媒体の圧力変動が生じる。その結果、圧縮空間７ａ及び背面空間８の圧力差により、作動媒体は前記微小隙間を通過する。従って、圧縮空間７ａの圧力が背面空間８の圧力より高い場合には、圧縮空間７ａから背面空間８に向かって作動媒体が漏れることになる。また逆に、背面空間８の圧力が圧縮空間７ａの圧力より高い場合には、背面空間８から圧縮空間７ａに向かって作動媒体が流れる。
【０００７】
ところで、シリンダ３の内周壁面３ａとピストン１の摺動面１ｂとの間の微小隙間は、常に一定の隙間量ではなく、ピストン１の運動状態、摺動面１ｂの表面状態及び摩擦状態等により変化する。また、圧縮空間７ａと背面空間８との圧力変動の大きさも同一でないため、圧縮空間７ａからみた背面空間８への作動媒体の流出量及び流入量が全く同量であることはない。このため、冷凍機を連続運転し、仮に圧縮空間７ａから背面空間８に向かって少しずつ作動媒体が漏れていった場合、ピストン１の往復動の振幅中心位置は、圧力が低下した圧縮空間７ａ側へ徐々に移動する。その結果、作動空間７内の作動媒体の圧力低下に伴う冷却特性の低下が生じたり、ピストン１の振幅中心位置が初期設定位置からずれることによりピストン１とディスプレーサ２とが衝突を起こしたりするなどの問題が発生する。
【０００８】
そこで、作動空間７と背面空間８とにおける作動媒体の圧力平衡を保ち、ピストン１の振幅中心位置の変動を抑えるようにしたスターリング冷凍機が、米国特許ＵＳＰ４，５８３，３６４号に開示されている。
【０００９】
図８は、米国特許ＵＳＰ４，５８３，３６４号に記載のスターリング冷凍機の構成を示す断面図である。図８において、図７と同一部分には同一番号を付している。このスターリング冷凍機では、シリンダ３に固定されたセンターポスト１４内部に圧縮空間７ａに連通された作動媒体流路１４ａが設けられ、センターポスト１４に沿って往復動するピストン１内部に背面空間８と連通された作動媒体流路２１が設けられており、ピストン１が設定された振幅中心位置にある場合に、それらの２つの作動媒体流路１４ａ，２１が結合し、圧縮空間７ａと背面空間８とはそれらを介して結ばれるように構成されている。そして、ピストン１がこの振幅中心位置を通過するごとに、圧縮空間７ａと背面空間８との間で、作動媒体の圧力が高い方から低い方へ作動媒体が流れる。これにより、圧縮空間７ａ及び背面空間８の圧力差が是正され、ピストン１の振幅中心位置が一定に保持される。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ピストン１の最初に設定した振幅中心位置を一定に維持するためには、上述した図８に示すスターリング冷凍機のように、圧縮空間７ａと背面空間８とを結ぶような微小な作動媒体流路１４ａ，２１を設けることが有効である。
【００１１】
ところで、フリーピストン型のスターリング冷凍機を運転する場合、コールドヘッド１０で発生する冷熱の必要量によって、その運転状態は変化する。フリーピストン型のスターリング冷凍機は、一般的に定周波数にて駆動するため、大きな冷凍能力を必要とする場合には、ピストン１及びディスプレーサ２が大振幅で往復動する。一方、小さな冷凍能力しか必要としない場合には、ピストン１及びディスプレーサ２が小振幅で往復動する。従って、図８に示すようにある一定形状の作動媒体流路１４ａ，２１を単に設けただけでは、スターリング冷凍機の運転状態によって、それらの２つの作動媒体流路１４ａ，２１が結合する時間は異なることになる。ピストン１及びディスプレーサ２が大振幅で往復動する場合に、この結合時間が短くなって、必要な作動媒体流量を得られないことがある。逆に、ピストン１及びディスプレーサ２が小振幅で往復動する場合に、その結合時間は長くなり、その結果、作動媒体の圧縮，膨張が妨げられて冷凍効率が低下することがあるといった問題がある。
【００１２】
本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、運転状態が変化してもピストンの振幅中心位置が変動しにくく信頼性が高いスターリング冷凍機を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るスターリング冷凍機は、作動媒体が充填された圧力容器と、該圧力容器内に設けられたシリンダと、該シリンダ内を往復動するピストンと、該ピストンの往復動によって作動空間内で圧縮，膨張を繰り返す前記作動媒体の働きにより駆動されるディスプレーサとを備えており、前記作動空間は、前記ピストンと前記ディスプレーサとの間に設けられた第１の作動空間と、前記ディスプレーサの前記ピストンに対向する側の反対側に設けられた第２の作動空間とを有しており、前記ピストンの前記ディスプレーサに対向する側の反対側には背面空間が設けられているスターリング冷凍機において、前記ピストンに設けられて前記第１の作動空間と連通する第１の流路と、前記シリンダの側壁を貫通して前記背面空間と連通する第２の流路とが、前記ピストンがその往復動の中心部に存する場合に結合されて前記第１の作動空間及び前記背面空間が連通するように形成されており、前記第２の流路に前記作動媒体の流量を可変とする流量制御弁を具備し、前記ピストンの往復動の振幅に応じて前記流量制御弁の開閉度を制御することを特徴とする。
【００１４】
本発明のスターリング冷凍機にあっては、ピストンに設けられて第１の作動空間に連通する第１の流路と、シリンダの側壁を貫通して背面空間に連通する第２の流路とが形成されており、ピストンがその往復動の中心部にある場合に第１の流路及び第２の流路が結合されて第１の作動空間と背面空間とが連通される。そして、これらの２つの流路が結合された場合にその結合部分に流れる作動媒体の流量を、第２の流路に設けた流量制御弁の開閉度により、スターリング冷凍機の運転状態（ピストンの往復動の振幅変化）に応じて変化させる。よって、運転状態が変化してその２つの流路の結合時間が変化しても、その変化量に応じて結合部分での作動媒体の流量を変化させるため、ピストンの振幅中心位置のずれを抑えることができる。ピストンの往復動の振幅の大きさに応じて結合部分での作動媒体の流量を変化させるため、流量制御を精度良く行える。
【００１５】
本発明に係るスターリング冷凍機は、前記ピストンの振幅が大きい場合に前記流量制御弁の開度を大きく、前記ピストンの振幅が小さい場合に前記流量制御弁の開度を小さく制御することを特徴とする。
【００１６】
本発明のスターリング冷凍機にあっては、ピストンの振幅が大きい場合には、流量制御弁の開度を大きくして第１，第２の流路の結合部を流れる作動流体の流量を大きくし、ピストンの振幅が小さい場合には、流量制御弁の開度を小さくして第１，第２の流路の結合部を流れる作動流体の流量を小さくする。よって、流量制御を精度良く行える。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて具体的に説明する。なお、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではない。
【００２８】
（第１実施の形態）
図１は、本発明によるスターリング冷凍機の一構成例を示す断面図である。ピストン１とディスプレーサ２とが、密閉された圧力容器４内に固定されているシリンダ３内に往復摺動可能に配されている。ピストン１及びディスプレーサ２は同軸上に構成されており、ディスプレーサ２に形成されたロッド２ａは、ピストン１の径方向中心部に設けられた摺動孔１ａを貫通しており、ピストン１及びディスプレーサ２は、シリンダ３の内周壁面３ａに沿って滑らかに摺動可能である。また、ピストン１はピストン支持バネ５、ディスプレーサ２はディスプレーサ支持バネ６によって、夫々、圧力容器４に対して弾性支持されており、ピストン支持バネ５が変形していない中立状態において、ピストン１は設定された振幅中心位置に位置決めされる。
【００２９】
圧力容器４とシリンダ３とにより形成される空間は、ピストン１によって２つの空間に分割されている。一つはピストン１のディスプレーサ２側にある作動空間７であり、もう一つはピストン１のディスプレーサ２側と反対側にある背面空間８である。背面空間８は、シリンダ３のピストン１が挿入された側を取り囲むように形成されている。これらの作動空間７及び背面空間８には、高圧のヘリウムガス等の作動媒体が充填されている。
【００３０】
ピストン１は、背面空間８に形成されたリニアモータ等のピストン駆動体（図示せず）により所定周期で往復動される。この往復動によって、作動媒体は作動空間７内で圧縮，膨張される。ディスプレーサ２は、作動空間７内で圧縮，膨張される作動媒体の圧力変化により直線的に往復動される。このとき、ピストン１とディスプレーサ２とは、一般的に約９０度の位相差をもって同一周期にて往復動するように設計されている。
【００３１】
また、作動空間７はディスプレーサ２にて更に２つの空間に分割されている。一つはピストン１とディスプレーサ２とに挟まれた圧縮空間７ａであり、もう一つはシリンダ３の先端部の膨張空間７ｂである。これらの圧縮空間７ａ及び膨張空間７ｂは、例えばメッシュ形状の銅材により構成された再生器９を介して連結されている。
【００３２】
図１は、ピストン１が、予め設定された振幅中心位置にある状態を表している。ピストン１内には、その作動空間７側の底面１ｃとその摺動面１ｂとを結ぶ微小な第１の流路１１が形成されている。また、シリンダ３の側面壁には、そこを貫通して背面空間８と連通する微小な第２の流路１２が形成されている。ピストン１に形成された第１の流路１１の摺動面１ｂ（シリンダ３）側の開口部１１ａと、シリンダ３に形成された第２の流路１２の内周壁面３ａ（ピストン１）側の開口部１２ａとは、ピストン１が所定の振幅中心位置にある場合に互いに対向する位置になるように配されており、その場合に圧縮空間７ａと背面空間８とが第１の流路１１及び第２の流路１２を介して結合して両空間７ａ，８間での作動媒体のスムーズな流れを可能としている。
【００３３】
シリンダ３に形成された第２の流路１２に、第２の流路１２に流れる作動媒体の流量を可変とする流量制御弁１３が設けられている。流量制御弁１３によって、第２の流路１２に流れる作動媒体の流量を調整する。
【００３４】
次に、動作について説明する。ピストン１は定周波数によって往復駆動されるため、ピストン１が所定の振幅中心位置にあって作動媒体が微小な第１，第２の流路１１，１２を流れることが可能な時間は非常に短時間である。更に、本構成のスターリング冷凍機を運転する場合、コールドヘッド１０で発生する冷熱の必要量によってその運転状態は変化する。大きな冷凍能力を必要とする場合には、ピストン１及びディスプレーサ２は大振幅で往復動する。一方、小さな冷凍能力しか必要としない場合には、ピストン１及びディスプレーサ２は小振幅で往復動する。従って、ある一定形状の微小な流路を単に形成したのみでは、冷凍機の運転状態に応じて、第１の流路１１及び第２の流路１２が結合する時間（Δｔ）は異なることになる。
【００３５】
ここで、ピストン１が中振幅で往復動するときに、そのときの結合時間（Δｔ１）内でピストン１が予め設定された所定の振幅中心位置を保持するために必要な作動媒体流量（ΔＱ１）が得られるべく、第１，第２の流路１１，１２の形状が設定されていると仮定する。ピストンが大振幅で往復動する場合には、その結合時間（Δｔ２）が短くなる（Δｔ２＜Δｔ１）ので、ピストン１がその所定の振幅中心位置を保持するためには、中振幅時の作動媒体流量（ΔＱ１）と略同量の作動媒体の流出入を、この短い結合時間（Δｔ２）内で行う必要があり、そのためには、単位時間当たりの作動媒体流量を大きくする必要がある。一方、ピストンが小振幅で往復動する場合には、その結合時間（Δｔ３）が長くなる（Δｔ３＞Δｔ１）ので、ピストン１がその所定の振幅中心位置を保持するためには、中振幅時の作動媒体流量（ΔＱ１）と略同量の作動媒体の流出入で十分であり、そのためには、単位時間当たりの作動媒体流量を制限する必要がある。
【００３６】
そこで、本実施の形態においては、第２の流路１２に設けた流量制御弁１３により、冷凍機の運転状態に応じて、第１，第２の流路１１，１２の結合部を流れる作動媒体の流量を変化させる。流量制御弁１３は、例えば、ある単位時間当たりの作動媒体流量（ΔＱｄ）を予め設定しておき、スターリング冷凍機の運転状態に応じて、その単位時間当たりの作動媒体流量（ΔＱｄ）を変化させるように作用する。
【００３７】
以上のようにして、流量制御弁１３によって第２の流路１２に流れる作動媒体の流量を調整制御することにより、スターリング冷凍機の運転状態の如何にかかわらず、ピストン１の振幅中心位置のずれを小さく抑えることができ、その結果、信頼性が高いスターリング冷凍機を得ることができる。
【００３８】
（第２実施の形態）
図２は、流量制御弁１３を用い、シリンダ３内を往復動するピストン１の振幅の大きさに応じて、第１，第２の流路１１，１２の結合部を流れる作動媒体の流量を変化させる第２実施の形態における動作を示すフローチャートである。
【００３９】
上述したように、コールドヘッド１０で発生する冷熱の必要量によって、スターリング冷凍機の運転状態が変化してピストン１及びディスプレーサ２の振幅は大きく変化する。ピストン１，シリンダ３に形成した微小な流路による作動媒体の流出入にも関わらず、ピストン１の振幅中心位置が変化する大きな原因の一つは、スターリング冷凍機の運転状態の違いによるピストン１の振幅の大きさの違いである。第２実施の形態では、ピストン１の振幅の大きさと、その振幅の大きさに適した作動媒体流量との相関を設定データとして流量制御弁１３の制御装置に組み込んでおき、往復動するピストン１の振幅の大きさを検出し、その振幅の大きさに応じて作動媒体流量を流量制御弁１３の制御によって変化させる。
【００４０】
駆動波形発生器から発せられた信号に従って（Ｓ１）、駆動電流発生器から出力された駆動電流がコイルに流され（Ｓ２）、リニアモータ等のピストン駆動体（図示せず）にピストン駆動力が発生し、発生した駆動力によりピストン１が駆動される（Ｓ３）。一方、ピストン１の振幅の大きさがモニタされる（Ｓ４）。ピストン１自体に変位センサを設ける方法、ピストン１を弾性支持するピストン支持バネ５に変位センサを設ける方法、コールドヘッド１０の温度等で与えられる温度負荷条件下でのピストン駆動電流の大きさとピストン振幅の大きさとの関係を事前に明確にしておいた情報を利用する方法などにより、ピストン１の振幅の大きさはモニタ可能である。
【００４１】
そして、モニタされたピストン振幅の大きさに応じて第２の流路１２に設けられた流量制御弁１３での最適作動媒体流量を算出し（Ｓ５）、その算出結果に基づいて流量制御弁１３の開閉度を調整して作動媒体の流量を制御する（Ｓ６）。ピストン１の振幅が大きい場合には、流量制御弁１３の開度を大きくして第１，第２の流路１１，１２の結合部を流れる作動媒体の流量を大きくし、ピストン１の振幅が小さい場合には、流量制御弁１３の開度を小さくして第１，第２の流路１１，１２の結合部を流れる作動媒体の流量を小さくする。
【００４２】
このようにピストン１の振幅の大きさに応じて、流量制御弁１３により作動媒体流量を制御するようにしたので、ピストン１の振幅中心位置のずれを小さく抑えることができ、その結果、信頼性が高いスターリング冷凍機を得ることができる。
【００４３】
（第３実施の形態）
図３は、流量制御弁１３を用い、シリンダ３内を往復動するピストン１の振幅中心位置のずれ量に応じて、第１，第２の流路１１，１２の結合部を流れる作動媒体の流量を変化させる第３実施の形態における動作を示すフローチャートである。
【００４４】
第３実施の形態では、往復動するピストン１の振幅中心位置を直接測定し、その振幅中心位置のずれ量に応じて、流量制御弁１３の開閉度を調整して作動媒体流量を変化させる。ピストン１の振幅中心位置を測定する方法としては、例えば、ピストン１と一体的にマグネットを固定し、固定部であるシリンダ３側にホール素子を用いた検出部を構成する方法がある。また、ピストン１の一端が固定されたピストン支持バネ５を平らな板バネにて構成し、その板バネに貼り付けた歪ゲージの出力によりピストン１の位置を検出する方法がある。また、ピストン１に遮光板を固定し、シリンダ３側に固定されたフォトインタラプタを用いてピストン１の位置を検出する方法がある。
【００４５】
駆動波形発生器から発せられた信号に従って（Ｓ１１）、駆動電流発生器から出力された駆動電流がコイルに流され（Ｓ１２）、リニアモータ等のピストン駆動体（図示せず）にピストン駆動力が発生し、発生した駆動力によりピストン１が駆動される（Ｓ１３）。一方、ピストン１の振幅中心位置（Ｙ_p）はモニタされ（Ｓ１４）、予め設定されたピストン１の振幅中心基準位置（Ｋ_p）からのずれ量（ΔＹ_p＝Ｙ_p−Ｋ_p）を検出する（Ｓ１５）。
【００４６】
そして、検出された振幅中心位置のずれ量（ΔＹ_p）の大きさに応じて、第２の流路１２に設けられた流量制御弁１３での最適作動媒体流量を算出し（Ｓ１６）、その算出結果に基づいて流量制御弁１３の開閉度を調整して作動媒体の流量を制御する（Ｓ１７）。ピストン１の振幅中心位置のずれ量（ΔＹ_p）が大きい場合には、流量制御弁１３の開度を大きくして第１，第２の流路１１，１２の結合部を流れる作動媒体の流量を大きくし、そのずれ量（ΔＹ_p）が小さい場合には、流量制御弁１３の開度を小さくして第１，第２の流路１１，１２の結合部を流れる作動媒体の流量を小さくする。
【００４７】
このようにピストン１の振幅中心位置のずれ量の大きさに応じて、流量制御弁１３により作動媒体流量を制御するようにしたので、ピストン１の振幅中心位置のずれを小さく抑えることができ、その結果、信頼性が高いスターリング冷凍機を得ることができる。
【００４８】
（第４実施の形態）
図４は、流量制御弁１３を用い、ピストン１が所定の基準位置にある場合の圧縮空間７ａ内の作動媒体の圧力（圧縮空間７ａの内圧）の大きさに応じて、第１，第２の流路１１，１２の結合部を流れる作動媒体の流量を変化させる第４実施の形態における動作を示すフローチャートである。
【００４９】
往復動するピストン１に対し、ある基準位置（Ｌ_p）を設定する。また、圧縮空間７ａの内圧を圧力センサ等でモニタする。ピストン１がこの基準位置（Ｌｐ）を通過した場合の圧縮空間７ａの内圧（Ｐ_LP）を測定する。ピストン１の振幅中心位置が徐々にディスプレーサ２側に移動する場合、この圧縮空間７ａの内圧（Ｐ_LP）の大きさは徐々に減少していることになる。第４実施の形態では、圧縮空間７ａの内圧を測定し、その測定値と内圧基準値との差に応じて、流量制御弁１３の開閉度を調整して作動媒体流量を変化させる。
【００５０】
駆動波形発生器から発せられた信号に従って（Ｓ２１）、駆動電流発生器から出力された駆動電流がコイルに流され（Ｓ２２）、リニアモータ等のピストン駆動体（図示せず）にピストン駆動力が発生し、発生した駆動力によりピストン１が駆動される（Ｓ２３）。一方、ピストン１が所定の基準位置（Ｌ_p）にある場合の圧縮空間７ａの内圧（Ｐ_LP）はモニタされ（Ｓ２４）、内圧基準値である運転初期時の圧縮空間７ａの内圧（Ｐ_LP1）との圧力差（ΔＰ_LP＝Ｐ_LP−Ｐ_LP1）を検出する（Ｓ２５）。
【００５１】
そして、検出された圧力差（ΔＰ_LP）の大きさに応じて、第２の流路１２に設けられた流量制御弁１３での最適作動媒体流量を算出し（Ｓ２６）、その算出結果に基づいて流量制御弁１３の開閉度を調整して作動媒体の流量を制御する（Ｓ２７）。圧縮空間７ａ内の圧力差（ΔＰ_LP）が大きい場合には、流量制御弁１３の開度を大きくして第１，第２の流路１１，１２の結合部を流れる作動媒体の流量を大きくし、その圧力差（ΔＰ_LP）が小さい場合には、流量制御弁１３の開度を小さくして第１，第２の流路１１，１２の結合部を流れる作動媒体の流量を小さくする。
【００５２】
このように、ピストン１が所定の基準位置にある場合の圧縮空間７ａ内の作動媒体の圧力の大きさに応じて、流量制御弁１３により作動媒体流量を制御するようにしたので、ピストン１の振幅中心位置のずれを小さく抑えることができ、その結果、信頼性が高いスターリング冷凍機を得ることができる。
【００５３】
なお、上述した例では、内圧基準値となる圧縮空間７ａの内圧（Ｐ_LP1）を運転初期時の内圧としたが、環境温度または冷凍機に封入された作動媒体の圧力の大きさなどを想定して事前に設定された最適な内圧基準値を用いることも可能である。
【００５４】
（第５実施の形態）
図５は、ピストン１，シリンダ３に夫々複数個の第１の流路１１，第２の流路１２を形成し、流量制御弁１３を用い、圧縮空間７ａと背面空間８との連通可能な流路の数に応じて、第１，第２の流路１１，１２の結合部を流れる作動媒体の流量を変化させる第５実施の形態における動作を示すフローチャートである。
【００５５】
駆動波形発生器から発せられた信号に従って（Ｓ３１）、駆動電流発生器から出力された駆動電流がコイルに流され（Ｓ３２）、リニアモータ等のピストン駆動体（図示せず）にピストン駆動力が発生し、発生した駆動力によりピストン１が駆動される（Ｓ３３）。一方、ピストン１の振幅中心位置（Ｙ_p）はモニタされ（Ｓ３４）、予め設定されたピストン１の振幅中心基準位置（Ｋ_p）からのずれ量（ΔＹ_p＝Ｙ_p−Ｋ_p）を検出する（Ｓ３５）。
【００５６】
そして、検出された振幅中心位置のずれ量（ΔＹ_p）の大きさに応じて第２の流路１２を通過する最適作動媒体流量を算出し（Ｓ３６）、その算出結果に基づき、流量制御弁１３によって複数の第２の流路１２夫々を個別に開閉し、開放する第２の流路１２の数を変えることにより、圧縮空間７ａと背面空間８との間を流れる作動媒体流量を制御して変化させる（Ｓ３７）。ピストン１の振幅中心位置のずれ量（ΔＹ_p）が大きい場合には、開放する第２の流路１２の数を多くして作動媒体流量を大きくし、そのずれ量（ΔＹ_p）が小さい場合には、開放する第２の流路１２の数を少なくして作動媒体流量を小さくする。
【００５７】
このように、ピストン１，シリンダ３に複数個の第１の流路１１，第２の流路１２を形成し、ピストン１の振幅中心位置のずれ量の大きさに応じて、圧縮空間７ａと背面空間８とを結合する流路の数を変化させることにより、微小な第１，第２の流路１１，１２を流れる作動媒体の流量を制御するようにしたので、ピストン１の振幅中心位置のずれを小さく抑えることができ、その結果、信頼性が高いスターリング冷凍機を得ることができる。
【００５８】
（第６実施の形態）
図６は、シリンダ３に設けられた第２の流路１２の断面積を変化させることにより、第１，第２の流路１１，１２の結合部を流れる作動媒体の流量を変化させる第６実施の形態における動作を示すフローチャートである。
【００５９】
第６実施の形態では、往復動するピストン１の振幅中心位置を直接測定し、その振幅中心位置のずれ量に応じて第２の流路１２の断面積を変化させることにより、作動媒体流量を制御して変化させる。
【００６０】
駆動波形発生器から発せられた信号に従って（Ｓ４１）、駆動電流発生器から出力された駆動電流がコイルに流され（Ｓ４２）、リニアモータ等のピストン駆動体（図示せず）にピストン駆動力が発生し、発生した駆動力によりピストン１が駆動される（Ｓ４３）。一方、ピストン１の振幅中心位置（Ｙ_p）はモニタされ（Ｓ４４）、予め設定されたピストン１の振幅中心基準位置（Ｋ_p）からのずれ量（ΔＹ_p＝Ｙ_p−Ｋ_p）を検出する（Ｓ４５）。
【００６１】
そして、検出された振幅中心位置のずれ量（ΔＹ_p）の大きさに応じて第２の流路１２を通過する最適作動媒体流量を算出する（Ｓ４６）。その算出結果に基づいて、その断面積を変化させることができるようにシリンダ３に構成された第２の流路１２の断面積の大きさを流量制御弁１３によって変化させ、圧縮空間７ａと背面空間８との間を流れる作動媒体流量を制御して変化させる（Ｓ４７）。ピストン１の振幅中心位置のずれ量（ΔＹ_p）が大きい場合には、第２の流路１２の断面積を大きくすることで作動媒体流量を大きくする。また、そのずれ量（ΔＹ_p）が小さい場合には、第２の流路１２の断面積を小さくすることで作動媒体流量を小さくする。
【００６２】
このように、ピストン１に第１の流路１１、シリンダ３に第２の流路１２を設け、その第２の流路１２の断面積を可変制御可能とするようにしたので、ピストン１の振幅中心位置のずれ量の大きさに応じて、圧縮空間７ａと背面空間８とを結合する微小な第１，第２の流路１１，１２を流れる作動媒体流量を最適に制御できる。その結果、ピストン１の振幅中心位置のずれを小さく抑えることができ、信頼性が高いスターリング冷凍機が得られる。
【００６３】
なお、上述した第２，第４実施の形態では、流量制御弁１３の開度を調整して作動媒体流量を変化させる場合について説明したが、上述した第５実施の形態または第６実施の形態のような手法によって作動媒体流量を変化させるようにしても良いことは言うまでもない。
【００６４】
また、上述した各実施の形態では、シリンダ３側に設けた第２の流路１２を通過する作動媒体の流量を流量制御弁１３により制御する構成を示したが、ピストン１側に設けた第１の流路１１を通過する作動媒体の流量を制御する構成にすることも可能であることは勿論である。また、両方の流路における流量制御を同時に行うようにしても良いことは言うまでもない。
【００６５】
【発明の効果】
以上のように本発明では、ピストン，シリンダ壁面に第１の流路，第２の流路を夫々設け、ピストンが予め設定された振幅中心部に位置した場合に、第１の流路と第２の流路とが結合して第１の作動空間（圧縮空間）と背面空間とを連通する微小流路を構成するようにしており、第２の流路に作動媒体の流量を変化できる流量制御弁を備えるようにしたので、第１，第２の流路が結合された微小流路を流れる作動媒体の流量を制御することが可能となり、運転状態が変化しても、ピストンの振幅中心位置のずれを小さく抑えることができ、信頼性が高いスターリング冷凍機を得ることができる。
【００６６】
また、本発明では、ピストンの往復動の振幅の大きさに応じて、微小流路を流れる作動媒体の流量を制御するようにしたので、高精度の流量制御を行うことができる。
【００６７】
また、本発明では、ピストンの往復動の中心位置の基準位置からのずれ量に応じて、微小流路を流れる作動媒体の流量を制御するようにしたので、高精度の流量制御を行うことができる。
【００６８】
また、本発明では、ピストンが所定位置にある場合の第１の作動空間（圧縮空間）内の作動媒体の圧力に応じて、微小流路を流れる作動媒体の流量を制御するようにしたので、高精度の流量制御を行うことができる。
【００６９】
また、本発明では、弁の開閉度を変化させることにより、微小流路を流れる作動媒体の流量を制御するようにしたので、流量制御を容易に行うことができる。
【００７０】
また、本発明では、第１の作動空間（圧縮空間）と背面空間との結合可能な微小流路の数を変化させることにより、微小流路を流れる作動媒体の流量を制御するようにしたので、流量制御を容易に行うことができる。
【００７１】
更に、本発明では、第１の流路及び／または第２の流路の断面積を変化させることにより、微小流路を流れる作動媒体の流量を制御するようにしたので、流量制御を容易に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のスターリング冷凍機の一構成例を示す断面図である。
【図２】第２実施の形態における作動媒体の流量制御の動作を示すフローチャートである。
【図３】第３実施の形態における作動媒体の流量制御の動作を示すフローチャートである。
【図４】第４実施の形態における作動媒体の流量制御の動作を示すフローチャートである。
【図５】第５実施の形態における作動媒体の流量制御の動作を示すフローチャートである。
【図６】第６実施の形態における作動媒体の流量制御の動作を示すフローチャートである。
【図７】従来のスターリング冷凍機の一構成例を示す断面図である。
【図８】従来のスターリング冷凍機の他の構成例を示す断面図である。
【符号の説明】
１ピストン
２ディスプレーサ
３シリンダ
４圧力容器
７作動空間
７ａ圧縮空間（第１の作動空間）
７ｂ膨張空間（第２の作動空間）
８背面空間
１１第１の流路
１２第２の流路
１３流量制御弁

Claims

作動媒体が充填された圧力容器と、該圧力容器内に設けられたシリンダと、該シリンダ内を往復動するピストンと、該ピストンの往復動によって作動空間内で圧縮，膨張を繰り返す前記作動媒体の働きにより駆動されるディスプレーサとを備えており、前記作動空間は、前記ピストンと前記ディスプレーサとの間に設けられた第１の作動空間と、前記ディスプレーサの前記ピストンに対向する側の反対側に設けられた第２の作動空間とを有しており、前記ピストンの前記ディスプレーサに対向する側の反対側には背面空間が設けられているスターリング冷凍機において、
前記ピストンに設けられて前記第１の作動空間と連通する第１の流路と、前記シリンダの側壁を貫通して前記背面空間と連通する第２の流路とが、前記ピストンがその往復動の中心部に存する場合に結合されて前記第１の作動空間及び前記背面空間が連通するように形成されており、前記第２の流路に前記作動媒体の流量を可変とする流量制御弁を具備し、前記ピストンの往復動の振幅に応じて前記流量制御弁の開閉度を制御することを特徴とするスターリング冷凍機。
前記ピストンの振幅が大きい場合に前記流量制御弁の開度を大きく、前記ピストンの振幅が小さい場合に前記流量制御弁の開度を小さく制御することを特徴とする請求項１記載のスターリング冷凍機。