JP6953858B2 - スターリング冷凍機 - Google Patents

Description

本発明は、スターリング冷凍機に関する。

従来、この種の技術としては、圧縮機の吐出側から冷却容器の入口側までの往路用冷媒配管に第１対向流熱交換器の往路側、第１冷凍部、第２対向流熱交換器の往路側、第２冷凍部、流量制御弁を配設し、冷却容器の出口側から圧縮機の吸込側までの復路用冷媒配管に第２開閉弁、第２対向流熱交換器の復路側、第１対向流熱交換器の復路側を配設し、第２開閉弁の上流部と第２対向流熱交換器の復路側の下流部とをバイパス管によりバイパスし、バイパス管に第１開閉弁を配設した極低温予冷装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。ここで、第１冷凍部は、極低温冷凍機（例えばスターリング冷凍機）の高温側コールドヘッドと熱的に結合され、第２冷凍部は、極低温冷凍機の低温側コールドヘッドと熱的に結合されている。この極低温予冷装置では、冷却容器の予冷開始時には、第２開閉弁を閉状態とすると共に第１開閉弁を開状態として、第１対向流熱交換器に熱交換作用を持たせて予冷を行なう。そして、第１対向流熱交換器の復路側の冷媒温度が第２対向流熱交換器の往路側の冷媒温度よりも低くなると、第２開閉弁を開状態とした後に第１開閉弁を閉状態として、第１対向流熱交換器に加えて第２対向流熱交換器にも熱交換作用を持たせて予冷を行なう。このようにして冷凍容器の予冷時間の短縮を図っている。

また、この種の技術としては、供給されたガスの中から分離すべきガスを凝縮させる凝縮器と、凝縮器を冷却する冷凍機と、凝縮器を加熱して凝縮物を気化させるヒータと、凝縮器内に介挿されると共に通過するガスを冷却して凝縮して分離するトラップ手段と、を備えるガス分離装置も提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開平６−１１７７１３号公報 特開平９−２４３２０８号公報

上述の前者の極低温予冷装置では、冷却容器の予冷時間の短縮を図ることはできるものの、冷却容器の温度を調節することはできない。また、この極低温予冷装置では、冷却容器の温度に拘わらずに（冷却容器が設定温度まで冷却されて必要な冷凍出力が小さくなっても）冷凍機を最大消費電力で運転することになり、冷凍機のエネルギ効率がそれほど良好でない。また、前者の極低温予冷装置に後者のヒータを適用するものとしても、冷凍機を最大消費電力で運転しつつヒータで加熱することになり、トータルのエネルギ消費が大きくなり、エネルギ効率が良好でない。

本発明のスターリング冷凍機は、エネルギ効率の向上を図ることを主目的とする。

本発明のスターリング冷凍機は、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。

本発明のスターリング冷凍機は、
圧縮シリンダと、前記圧縮シリンダとにより圧縮空間を形成すると共に前記圧縮シリンダ内で往復動する圧縮ピストンと、膨張シリンダと、前記圧縮空間に放熱器および蓄冷器を介して連通する膨張空間を前記膨張シリンダとにより形成すると共に前記圧縮ピストンの往復動に連動して前記膨張シリンダ内で往復動する膨張ピストンと、前記圧縮ピストンおよび前記膨張ピストンを駆動する駆動部とを有し、前記圧縮空間から前記膨張空間までの作動流体空間の作動流体の圧力振幅に基づいて前記膨張シリンダの前記膨張空間側の端部に寒冷を発生させる、寒冷発生部を少なくとも１つ備え、前記少なくとも１つの寒冷発生部によって発生した寒冷により冷却対象を冷却するスターリング冷凍機であって、
前記作動流体空間の作動流体の圧力振幅を調節する圧力振幅調節部を備える、
ことを要旨とする。

この本発明のスターリング冷凍機では、圧縮空間から膨張空間までの作動流体空間の作動流体の圧力振幅に基づいて膨張シリンダの膨張空間側の端部に寒冷を発生させる寒冷発生部を少なくとも１つ備え、その少なくとも１つの寒冷発生部によって発生した寒冷により冷却対象を冷却するものにおいて、作動流体空間の作動流体の圧力振幅を調節する圧力振幅調節部を備える。したがって、圧力振幅調節部によって作動流体空間の作動流体の圧力振幅を適切に調節すれば、冷却対象の温度や膨張シリンダの膨張空間側の端部の温度を余分に（目標温度を超えて）低くするのを抑制する、即ち、余分なエネルギ消費を抑制することができる。また、冷却対象の温度や膨張シリンダの膨張空間側の端部の温度を余分に低くしつつヒータにより目標温度付近に加熱するものに比して、ヒータの余分なエネルギ消費を抑制することができる。これらの結果、エネルギ効率の向上を図ることができる。

こうした本発明のスターリング冷凍機において、前記圧力振幅調節部は、前記圧縮空間から前記膨張空間に向かう作動流体のうち前記作動流体空間から放出する作動流体の量を調節することにより、前記作動流体空間の作動流体の圧力振幅を調節するものとしてもよい。

また、本発明のスターリング冷凍機において、前記圧力振幅調節部は、前記冷却対象の温度または前記膨張シリンダの前記膨張空間側の端部の温度から目標温度を減じた値が小さいほど前記作動流体空間の作動流体の圧力振幅が小さくなるように調節するものとしてもよい。こうすれば、冷却対象の温度や膨張シリンダの膨張空間側の端部の温度が目標温度付近のときに、作動流体空間の圧力振幅を小さくすることになる。作動流体空間の圧力振幅を小さくすることは、圧縮ピストンや膨張ピストンの駆動に要するエネルギが小さくなることを意味するから、駆動部の消費エネルギを小さくすることができる。

本発明のスターリング冷凍機において、前記少なくとも１つの寒冷発生部として、第１寒冷発生部および第２寒冷発生部を備え、前記第１寒冷発生部と前記第２寒冷発生部とは、互いに逆位相で動作し、前記圧力振幅調節部は、前記第１寒冷発生部の前記作動流体空間における前記蓄冷器よりも前記圧縮空間側と前記第２寒冷発生部の前記作動流体空間における前記蓄冷器よりも前記圧縮空間側とを接続する接続流路と、前記接続流路に設けられたバルブと、前記バルブを制御する制御部と、を有するものとしてもよい。こうすれば、接続流路を介して第１寒冷発生部の作動流体空間と第２寒冷発生部の作動流体空間とで流通する作動流体の量を調節することにより、第１，第２寒冷発生部の作動流体空間の作動流体の圧力振幅を調節することができる。

本発明のスターリング冷凍機において、前記圧力振幅調節部は、前記作動流体空間における前記蓄冷器よりも前記圧縮空間側と前記作動流体空間よりも作動流体の圧力振幅が小さいバッファ空間とを接続する接続流路と、前記接続流路に設けられたバルブと、前記バルブを制御する制御部と、を有するものとしてもよい。こうすれば、接続流路を介して作動流体空間とバッファ空間とで流通する作動流体の量を調節することにより、作動流体空間の圧力振幅を調節することができる。なお、基本的に、作動流体空間の作動流体の圧力はバッファ空間の作動流体の圧力よりも高いから、バルブの開度に応じて、作動流体空間からバッファ空間に作動流体が流通する。

圧力振幅調節部がバルブを備える態様の本発明のスターリング冷凍機において、前記制御部は、前記冷却対象の温度または前記膨張シリンダの前記膨張空間側の端部の温度から目標温度を減じた値が小さいほど前記バルブの開度が大きくなるように前記バルブを制御するものとしてもよい。こうすれば、冷却対象の温度や膨張シリンダの膨張空間側の端部の温度が目標温度付近のときに、バルブの開度を大きくすることにより、作動流体空間の圧力振幅を小さくし、圧縮ピストンや膨張ピストンの駆動に要するエネルギを小さくすることができる。

圧力振幅調節部が作動流体空間とバッファ空間とを接続する接続流路とバルブとを有する態様の本発明のスターリング冷凍機において、前記制御部は、前記冷却対象の温度または前記膨張シリンダの前記膨張空間側の端部の温度から目標温度を減じた値が小さいほど前記バルブの開度が大きくなるように、前記作動流体空間の圧力および前記バッファ空間の圧力も考慮して、前記バルブの開度を調節するものとしてもよい。こうすれば、作動流体空間の作動流体の圧力振幅をより適切に調節することができる。

冷凍機１０の構成の概略を示す構成図である。 冷凍機１１０の構成の概略を示す構成図である。 冷凍機２１０の構成の概略を示す構成図である。 冷凍機３１０の構成の概略を示す構成図である。 冷凍機４１０の構成の概略を示す構成図である。

次に、本発明を実施するための形態について説明する。図１は、本発明の実施形態としての冷凍機１０の構成の概略を示す構成図である。なお、以下の説明において、「上」および「下」は、図１の「上」および「下」を意味し、実際に冷凍機１０が図１の向きに配置されるとは限らない。

図１に示すように、実施形態の冷凍機１０は、スターリング冷凍機として構成されており、作動流体（例えばヘリウムガス）を用いて寒冷を発生させる第１，第２寒冷発生部２０，４０と、第１，第２寒冷発生部２０，４０間で作動流体を流通させる相互流通部６０と、第１，第２寒冷発生部２０，４０を駆動する駆動部７０と、冷却水により第１、第２寒冷発生部２０，４０や駆動部７０を冷却する放熱装置８０と、第１，第２寒冷発生部２０，４０の寒冷（冷凍出力）を用いて冷却対象９５を冷却する冷却装置８５と、冷凍機全体をコントロールする制御装置９０と、を備える。

第１，第２寒冷発生部２０，４０は、それぞれ、圧縮シリンダ２２，４２と、圧縮シリンダ２２，４２内で往復動する圧縮ピストン２４，４４と、膨張シリンダ２６，４６と、膨張シリンダ２６，４６内で往復動する膨張ピストン２８，４８と、膨張ピストン２８，４８に内蔵された蓄冷器３０，５０と、圧縮シリンダ２２，４２内の圧縮空間Ｓｃ１，Ｓｃ２（後述）と膨張シリンダ２６，４６内の膨張空間Ｓｅ１，Ｓｅ２（後述）に蓄冷器３０，５０を介して連通する空間Ｓａ１，Ｓａ２（後述）とを接続する作動流体流路３２，５２と、作動流体流路３２，５２に設けられた熱交換器（放熱器）３４，５４と、を備える。

圧縮シリンダ２２，４２は、有底円筒状に形成されており、駆動部７０のクランクケース７４に固定されている。圧縮ピストン２４，４４は、円柱状に形成されており、圧縮シリンダ２２，４２内に配置されている。圧縮ピストン２４，４４の外周には、ピストンリング２４ａ，４４ａが取り付けられており、圧縮空間Ｓｃ１，Ｓｃ２とバッファ空間Ｓｂとの間で作動流体が流通するのを抑制する。圧縮空間Ｓｃ１，Ｓｃ２は、圧縮シリンダ２２，４２の内底面（上側壁部の内面）および内周面（側壁部の内面）と圧縮ピストン２４，４４の上端面および外周面とピストンリング２４ａ，４４ａの上端面とにより形成される。バッファ空間Ｓｂは、圧縮シリンダ２２，４２の内周面と圧縮ピストン２４，４４の下端面および外周面とピストンリング２４ａ，４４ａの下端面と膨張シリンダ２６，４６の内周面と膨張ピストン２８，４８の下端面および外周面とピストンリング２８ｄ，４８ｄ（後述）の下端面とクランクケース７４の外壁部および区画用壁部７４ｃ（後述）とにより形成される。

圧縮ピストン２４，４４には、圧縮空間Ｓｃ１，Ｓｃ２とバッファ空間Ｓｂとを連通する連通孔２４ｂ，４４ｂが形成されており、この連通孔２４ｂ，４４ｂには、弁体および弁体を連通孔２４ｂ，４４を塞ぐ側に付勢するスプリングを有する逆止弁２４ｃ，４４ｃが配置されている。逆止弁２４ｃ，４４ｃは、圧縮空間Ｓｃ１，Ｓｃ２の圧力と逆止弁２４ｃ，４４ｃのスプリングの弾性力との和がバッファ空間Ｓｂの圧力以上のときには閉弁し、圧縮空間Ｓｃ１，Ｓｃ２の圧力と逆止弁２４ｃ，４４ｃのスプリングの弾性力との和がバッファ空間Ｓｂの圧力未満のときには開弁する。この逆止弁２４ｃ，４４ｃは、バッファ空間Ｓｂから圧縮空間Ｓｃ１，Ｓｃ２への作動流体の流通を許容すると共に圧縮空間Ｓｃ１，Ｓｃ２からバッファ空間Ｓｂへの作動流体の流通を規制する。

膨張シリンダ２６，４６は、有底円筒状に形成されており、駆動部７０のクランクケース７４に固定されている。膨張ピストン２８，４８は、中空の円柱状に形成されており、膨張シリンダ２６，４６内に配置されている。膨張ピストン２８，４８には、膨張ピストン２８，４８内（蓄冷器３０，５０）と膨張空間Ｓｅ１，Ｓｅ２とを連通する連通孔２８ａ，４８ａと、膨張ピストン２８，４８内（蓄冷器３０，５０）と作動流体流路３２，５２に連通する空間Ｓａ１，Ｓａ２とを連通する連通孔２８ｂ，４８ｂと、が形成されている。膨張ピストン２８，４８の外周には、ピストンリング２８ｃ，２８ｄ，４８ｃ，４８ｄが取り付けられている。膨張空間Ｓｅ１，Ｓｅ２は、膨張シリンダ２６，４６の内底面（上側壁部の内面）および内周面（側壁部の内面）と膨張ピストン２８，４８の上端面および外周面とピストンリング２８ｃ，４８ｃの上端面とにより形成される。空間Ｓａ１，Ｓａ２は、膨張シリンダ２６，４６の内周面と膨張ピストン２８，４８の外周面とピストンリング２８ｃ，４８ｃの下端面とピストンリング２８ｄ，４８ｄの上端面とにより形成される。ピストンリング２８ｃ，４８ｃは、膨張ピストン２８，４８内（蓄冷器３０，５０）を介さずに膨張空間Ｓｅ１，Ｓｅ２と空間Ｓａ１，Ｓａ２（作動流体流路３２，５２）との間で作動流体が流通するのを抑制する。ピストンリング２８ｄ，４８ｄは、バッファ空間Ｓｂと空間Ｓａ１，Ｓａ２（作動流体流路３２，５２）との間で作動流体が流通するのを抑制する。膨張シリンダ２６，４６の上端部（膨張空間Ｓｅ１，Ｓｅ２周辺）の外周には、ヒータ２７，４７が取り付けられている。

蓄冷器３０，５０は、複数の金網の蓄冷材等により構成されている。熱交換器３４，５４は、作動流体流路３２，５２内の作動流体と放熱装置８０の冷却水との熱交換により、圧縮空間Ｓｃ１，Ｓｃ２からの作動流体を冷却する。

以下、第１，第２寒冷発生部２０，４０において、圧縮空間Ｓｃ１，Ｓｃ２から作動流体流路３２，５２、空間Ｓａ１，Ｓａ２、連通孔２８ｂ，４８ｂ、蓄冷器３０，５０、連通孔２８ａ，４８ａを介して膨張空間Ｓｅ１，Ｓｅ２までの空間を、作動流体空間Ｓ１，Ｓ２という。

相互流通部６０は、第１，第２寒冷発生部２０，４０の作動流体空間Ｓ１，Ｓ２における蓄冷器３０，５０よりも圧縮空間Ｓｃ１，Ｓｃ２側（具体的には、作動流体流路３２，５２）を互いに接続する作動流体流路６１と、作動流体流路６１に設けられた圧力振幅調節バルブ６２と、を備える。

駆動部７０は、モータ７１と、モータ７１の出力軸に一端側が固定されたクランクシャフト７２と、クランクシャフト７２の他端側に固定されたオイルポンプ７３と、モータ７１やクランクシャフト７２などを収容するクランクケース７４と、を備える。

モータ７１は、例えば同期モータや誘導モータとして構成されており、図示しない駆動回路により駆動制御される。駆動回路は、交流電源からの電力を直流電力に変換するコンバータや、コンバータからの直流電力を三相交流電力に変換してモータ７１に供給するインバータを備える。クランクシャフト７２のクランクピン７２ａ，７２ｂ，７２ｃ，７２ｄは、それぞれ、圧縮ピストン２４、膨張ピストン２８、圧縮ピストン４４、膨張ピストン４８に連結されたピストンロッド２５，２９，４５，４９をクランクピン７２ａ，７２ｂ，７２ｃ，７２ｄ周りに揺動自在に支持している。クランクピン７２ａ，７２ｂ，７２ｃ，７２ｄは、モータ７１の出力軸に対して偏心しており、モータ７１の回転方向に対して、クランクピン７２ａとクランクピン７２ｃとは互いに１８０度異なり、クランクピン７２ｂとクランクピン７２ｄとも互いに１８０度異なっており、クランクピン７２ａ，７２ｃとクランクピン７２ｂ，７２ｄとは互いに例えば後者が前者よりも進角側で９０度異なっている。図１では、クランクピン７２ａが下死点、クランクピン７２ｂが上昇側の中間点、クランクピン７２ｃが上死点、クランクピン７２ｄが下降側の中間点となっている。したがって、圧縮ピストン２４と圧縮ピストン４４とは互いに逆位相で動作し、膨張ピストン２８と膨張ピストン４８とは互いに逆位相で動作する。オイルポンプ７３は、クランクシャフト７２の回転により駆動され、クランクケース７４のシャフト収容部７４ｂの底部に貯留されている潤滑油を吸引してクランクシャフト７２に供給する。

クランクケース７４は、モータ７１を収容するモータ収容部７４ａと、クランクシャフト７２を収容すると共に底部に潤滑油を貯留するシャフト収容部７４ｂと、シャフト収容部７４ｂと上述のバッファ空間Ｓｂとを区画する区画用壁部７４ｃと、を備える。モータ収容部７４ａとシャフト収容部７４ｂとは連通しており、モータ収容部７４ａとバッファ空間Ｓｂとは、作動流体流路７５を介して連通しており、作動流体流路７５には、モータ収容部７４ａからバッファ空間Ｓｂに潤滑油が流通するのを規制するフィルタ７６が設けられている。区画用壁部７４ｃは、シャフト収容部７４ｂとバッファ空間Ｓｂとの圧力差に応じて変形するダイヤフラム７４ｄを有する。したがって、モータ収容部７４ａとシャフト収容部７４ｂとバッファ空間Ｓｂとは、互いの作動流体の流通や区画用壁部７４ｃのダイヤフラム７４ｄの変形により、作動流体の圧力が互いに略同一で且つ略一定となっている。

放熱装置８０は、冷却水を流通させるための冷却水流路８１と、冷却水流路８１内の冷却水を圧送する圧送ポンプ８２と、を備える。冷却水流路８１は、冷却水を、モータ７１周辺とシャフト収容部７４ｂの底部とに流通させた後に、熱交換器３４と圧縮シリンダ２２周辺と圧縮シリンダ４２周辺と熱交換器５４とに流通させると共にこれらと並列に膨張シリンダ２６周辺と膨張シリンダ４６周辺とに流通させて、その後に両者を合流させるための流路である。これにより、モータ７１や、シャフト収容部７４ｂに貯留されている潤滑油、熱交換器３４，５４を通過する作動流体、圧縮シリンダ２２，４２、膨張シリンダ２６，４６を冷却する。

冷却装置８５は、冷媒（例えば液体窒素）を循環させるための冷媒流路８６と、冷媒流路８６内の冷媒を圧送する圧送ポンプ８７と、を備える。冷媒流路８６は、冷媒を、膨張シリンダ２６の膨張空間Ｓｅ１側の端部（いわゆる第１冷却ステージ）、膨張シリンダ４６の膨張空間Ｓｅ２側の端部（いわゆる第２冷却ステージ）、冷却対象９５に循環させるための流路である。

制御装置９０は、ＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭなどを備えるマイクロプロセッサとして構成されている。制御装置９０には、冷凍機１０を運転するのに必要な各種センサからの信号、例えば、冷媒流路８６における膨張シリンダ４６の上端部周辺（第２冷却ステージ）の直ぐ下流側に取り付けられた温度センサ８８からの冷媒の温度Ｔｗ１などが入力されている。制御装置９０からは、第１，第２寒冷発生部２０，４０のヒータ２７，４７への駆動制御信号や、相互流通部６０の圧力振幅調節バルブ６２への駆動制御信号、駆動部７０のモータ７１（インバータ）への駆動制御信号、放熱装置８０の圧送ポンプ８２への駆動制御信号、冷却装置８５の圧送ポンプ８７への駆動制御信号などが出力されている。

次に、こうして構成された冷凍機１０の動作について説明する。制御装置９０は、クランクシャフト７２の回転数が目標回転数（例えば数百ｒｐｍ）となるようにモータ７１を駆動制御すると共に、冷却水流路８１を冷却水が流通するように圧送ポンプ８２を駆動制御し、冷媒流路８６内で冷媒が循環するように圧送ポンプ８７を駆動制御する。以下、第１寒冷発生部２０の動作について説明する。第２寒冷発生部４０は、第１寒冷発生部２０と同様に動作する。

第１寒冷発生部２０において、圧縮ピストン２４が上側に移動する際には、圧縮空間Ｓｃ１の作動流体が、圧縮ピストン２４により圧縮されて作動流体流路３２に流出し、作動流体流路３２に設けられた熱交換器３４により放熱され、空間Ｓａ１および連通孔２８ｂを経由し、蓄冷器３０により冷却され、連通孔２８ａを経由して、膨張空間Ｓｅ１に流通する。膨張ピストン２８が下側に移動する際には、膨張空間Ｓｅ１の作動流体が膨張する。これにより、膨張シリンダ２６の膨張空間Ｓｅ１側の端部（第１冷却ステージ）に寒冷を発生させる。この寒冷は、作動流体空間Ｓ１（圧縮空間Ｓｃ１から膨張空間Ｓｅ１までの空間）の作動流体の圧力振幅が大きいほど第１冷却ステージの温度が低くなる（冷凍出力が大きくなる）ように発生する。なお、この寒冷の程度は、膨張空間Ｓｅ１の容積変化量（クランクピン７２ｂが下死点のときの容積と上死点のときの容積との差分）や、膨張空間Ｓｅ１の作動流体の圧力変動と容積変動との位相差などの仕様（設計事項）にも依存する。膨張ピストン２８が上側に移動する際には、膨張空間Ｓｅ１の作動流体が、連通孔２８ａを経由し、蓄冷器３０を冷却し、連通孔２８ｂおよび空間Ｓａ１および作動流体流路３２を経由して、圧縮空間Ｓｃ１に流通する。このようにして、第１寒冷発生部２０で、第１冷却ステージに周期的に（膨張空間Ｓｅ１の作動流体を膨張させる周期で）寒冷を発生させる。同様に、第２寒冷発生部４０でも、第２冷却ステージに周期的に（膨張空間Ｓｅ２の作動流体を膨張させる周期で）寒冷を発生させる。そして、第１，第２冷却ステージで発生した寒冷（冷凍出力）と冷媒流路８６の冷媒との熱交換により冷媒を冷却し、この冷媒により冷却対象９５を冷却する。上述したように、圧縮ピストン２４と圧縮ピストン４４とは互いに逆位相で動作し、膨張ピストン２８と膨張ピストン４８とは互いに逆位相で動作するから、バッファ空間Ｓｂの圧力振幅や冷凍機１０の振動を十分に低減することができる。

この冷凍機１０では、制御装置９０は、温度センサ８８から冷却装置８５の冷媒流路８６の冷媒（例えば液体窒素）の温度Ｔｗ１を取得し、冷媒の温度Ｔｗ１が目標温度Ｔｗ１＊（例えば６５Ｋ〜７０Ｋ程度）付近となるように、圧力振幅調節バルブ６２を駆動制御する。圧力振幅調節バルブ６２の開度が大きいほど、作動流体流路３２（作動流体空間Ｓ１）と作動流体流路５２（作動流体空間Ｓ２）との間で流通する作動流体の量が多くなる。具体的には、圧力振幅調節バルブ６２の開度が大きいほど、圧縮ピストン２４が上側に移動すると共に圧縮ピストン４４が下側に移動する際には、圧縮空間Ｓｃ１から作動流体流路３２に流出した作動流体のうち作動流体流路６１を介して作動流体流路５２（作動流体空間Ｓ２）に流通する作動流体の量が多くなり、圧縮ピストン４４が上側に移動すると共に圧縮ピストン２４が下側に移動する際には、圧縮空間Ｓｃ２から作動流体流路５２に流出した作動流体のうち作動流体流路６１を介して作動流体流路３２（作動流体空間Ｓ１）に流通する作動流体の量が多くなる。このため、圧力振幅調節バルブ６２の開度が大きいほど、作動流体空間Ｓ１，Ｓ２の圧力振幅が小さくなり、第１，第２冷却テージで発生する寒冷の程度（冷凍出力）が小さくなる。圧力振幅調節バルブ６２を全開にしたときには、第１，第２寒冷発生部２０，４０の各部における作動流体の流通抵抗を無視できるとすれば、作動流体空間Ｓ１，Ｓ２の圧力振幅が略値０となる（冷凍出力が略値０となる）。これらを考慮して、実施形態では、冷媒流路８６の冷媒の温度Ｔｗ１から目標温度Ｔｗ＊を減じた値（Ｔｗ１−Ｔｗ１＊）が小さいほど圧力振幅調節バルブ６２の開度が大きくなるように圧力振幅調節バルブ６２を駆動制御するものとした。これにより、第１，第２冷却ステージの温度を余分に低くする（冷凍出力が必要な程度を超えて大きい）のを抑制する、即ち、余分なエネルギ消費を抑制することができる。また、第１，第２冷却ステージの温度を目標温度よりも低くしつつヒータ２７，４７により第１，第２冷却ステージを加熱するものに比して、ヒータ２７，４７の余分なエネルギ消費（電力消費）を抑制することができる。さらに、冷媒の温度Ｔｗ１が目標温度Ｔｗ１＊付近のときには、圧力振幅調節バルブ６２の開度が大きくなり、作動流体空間Ｓ１，Ｓ２の圧力振幅が小さくなる。作動流体空間Ｓ１，Ｓ２の圧力振幅を小さくすることは、圧縮ピストン２４，４４や膨張ピストン２８，４８の駆動に要するエネルギ（モータ７１を回転数制御する際のモータ７１のトルク）が小さくなることを意味するから、モータ７１の消費エネルギ（消費電力）を小さくすることができる。これらの結果、エネルギ効率の向上を図ることができる。また、モータ７１のトルクを小さくすることにより、モータ７１の回転変動を抑制することができると共にスターリング冷凍機２０の各部の機械寿命を長くすることができる。さらに、モータ７１を回転制御することにより、クランクシャフト７２の潤滑を十分に行なうことができる。

以上説明した本実施形態の冷凍機１０では、第１，第２寒冷発生部２０，４０の作動流体空間Ｓ１，Ｓ２における蓄冷器３０，５０よりも圧縮空間Ｓｃ１，Ｓｃ２側（作動流体流路３２，５２）を互いに接続する作動流体流路６１と、作動流体流路６２に設けられた圧力振幅調節バルブ６２とを備え、冷却装置８５の冷媒流路８６の冷媒（例えば液体窒素）の温度Ｔｗ１が目標温度Ｔｗ１＊（例えば６５Ｋ〜７０Ｋ程度）付近となるように圧力振幅調節バルブ６２の開度を調節する。これにより、エネルギ効率の向上を図ることができる。

実施形態の冷凍機１０では、冷却装置８５の冷媒流路８６における膨張シリンダ４６の膨張空間Ｓｅ２側の端部（第２冷却ステージ）の直ぐ下流側に温度センサ８８を取り付けるものとした。しかし、図２の冷凍機１１０に示すように、冷却対象９５に温度センサ１８８を取り付けるものとしてもよい。この場合、温度センサ１８８からの冷却対象９５の温度Ｔｗ２が目標温度Ｔｗ２＊（例えば、目標温度Ｔｗ１＊と同一の温度）付近となるように、冷却対象９５の温度Ｔｗ２から目標温度Ｔｗ２＊を減じた値（Ｔｗ２−Ｔｗ２＊）が小さいほど圧力振幅調節バルブ６２の開度を大きくすればよい。これにより、冷凍機１０と同様の効果を奏することができる。

実施形態の冷凍機１０では、特に説明していないが、冷却装置８５の冷媒流路８６の冷媒の温度Ｔｗ１が目標温度Ｔｗ１＊よりも低くなったときには、ヒータ２７，４７により膨張シリンダ２６，４６の上端部を一時的（過渡的）に加熱するものとしてもよい。こうすれば、冷媒の温度Ｔｗ１を迅速に目標温度Ｔｗ１＊付近まで上昇させることができる。また、この場合でも、ヒータ２７，４７を定常的に駆動するものに比して、エネルギ効率の向上を図ることができる。

実施形態の冷凍機１０では、作動流体流路６１と圧力振幅調節バルブ６２とを有する相互流通部６０を備えるものとした。しかし、相互流通部６０に代えて、図３の冷凍機２１０に示すように、流通部１６０，１６５を備えるものとしてもよい。流通部１６０，１６５は、それぞれ、第１，第２寒冷発生部２０，４０の作動流体空間Ｓ１，Ｓ２における蓄冷器３０，５０よりも圧縮空間Ｓｃ１，Ｓｃ２側（具体的には、作動流体流路３２，５２）とバッファ空間Ｓｂとを接続する作動流体流路１６１，１６６と、作動流体流路１６６，１６７に設けられた圧力振幅調節バルブ１６２，１６７と、を備える。この冷凍機２１０では、圧力振幅調節バルブ１６２，１６７の開度が大きいほど、作動流体流路３２，５２とバッファ空間Ｓｂとの間で流通する量が多くなる。基本的に、作動流体空間Ｓ１，Ｓ２の作動流体の圧力はバッファ空間Ｓｂの作動流体の圧力よりも高いから、圧力振幅調節バルブ１６２，１６７の開度に応じて、作動流体空間Ｓ１，Ｓ２からバッファ空間Ｓｂに作動流体が流通する。具体的には、それぞれ、圧力振幅調節バルブ１６２，１６７の開度が大きいほど、圧縮ピストン２４，４４が上側に移動する際に、圧縮空間Ｓｃ１，Ｓｃ２から作動流体流路３２，５２に流出した作動流体のうち作動流体流路１６１，１６６を介してバッファ空間Ｓｂに流通する作動流体の量が多くなる。このため、圧力振幅調節バルブ１６２，１６７の開度が大きいほど、作動流体空間Ｓ１，Ｓ２の圧力振幅が小さくなり、第１，第２冷却テージで発生する寒冷の程度（冷凍出力）が小さくなる。圧力振幅調節バルブ１６２，１６７を全開にしたときには、第１，第２寒冷発生部２０，４０の各部における作動流体の流通抵抗を無視できるとすれば、作動流体空間Ｓ１，Ｓ２の圧力振幅が略値０となる（冷凍出力が略値０となる）。これらを考慮して、この実施形態では、冷媒流路８６の冷媒の温度Ｔｗ１から目標温度Ｔｗ１＊を減じた値（Ｔｗ１−Ｔｗ１＊）が小さいほど圧力振幅調節バルブ１６２，１６７の開度が大きくなるように圧力振幅調節バルブ６２を駆動制御するものとした。これにより、冷凍機１０と同様の効果を奏することができる。

この冷凍機２１０では、冷却装置８５の冷媒流路８６における膨張シリンダ４６の膨張空間Ｓｅ２側の端部（第２冷却ステージ）の直ぐ下流側に温度センサ８８を取り付けるものとした。しかし、図４の冷凍機３１０に示すように、第１，第２寒冷発生部２０，４０の膨張シリンダ２６，４６の膨張空間Ｓｅ１，Ｓｅ２側の端部に温度センサ２８８，２８９を取り付けるものとしてもよい。この場合、温度センサ２８８，２８９からの膨張シリンダ２６，４６の膨張空間Ｓｅ１，Ｓｅ２側の端部の温度Ｔｗ３，Ｔｗ４が目標温度Ｔｗ３＊，Ｔｗ４＊（例えば、目標温度Ｔｗ１＊と同一またはそれよりも若干低い温度）付近となるように、温度Ｔｗ３，Ｔｗ４から目標温度Ｔｗ３＊，Ｔｗ４＊を減じた値（Ｔｗ３−Ｔｗ３＊），（Ｔｗ４−Ｔｗ４＊）が小さいほど圧力振幅調節バルブ１６２，１６７の開度を大きくすればよい。こうすれば、第１，第２寒冷発生部２０，４０の寒冷の程度（冷凍出力）を個別に調節することができる。

この冷凍機３１０のハード構成に加えて、図５の冷凍機４１０に示すように、第１，第２寒冷発生部２０，４０の第１，第２作動流体空間Ｓ１，Ｓ２に圧力センサ４９１，４９２を取り付けると共に、膨張シリンダ２６，４６のうちバッファ空間Ｓｂの一部を形成する部分に圧力センサ４９３，４９４を取り付けるものとしてもよい。この場合、温度センサ２８８，２８９からの膨張シリンダ２６，４６の膨張空間Ｓｅ１，Ｓｅ２側の端部の温度Ｔｗ３，Ｔｗ４に加えて、圧力センサ４９１，４９２からの第１，第２作動流体空間Ｓ１，Ｓ２の圧力ＰＨ１，ＰＨ２と圧力センサ４９３，４９４からのバッファ空間Ｓｂのうち膨張シリンダ２６，４６内の部分の圧力ＰＬ１，ＰＬ２とも用いて、温度Ｔｗ３，Ｔｗ４が目標温度Ｔｗ３＊，Ｔｗ４＊付近となるように圧力振幅調節バルブ１６２，１６７の開度を調節するものとしてもよい。こうすれば、作動流体空間Ｓ１，Ｓ２の圧力振幅（圧力（ＰＨ１−ＰＬ１），（ＰＨ２−ＰＬ２）の変動の振幅）を検知しながら圧力振幅調節バルブ１６２，１６７の開度を調節できるから、第１，第２寒冷発生部２０，４０の寒冷の程度（冷凍出力）をより適切なものとすることができる。なお、圧力ＰＬ１，ＰＬ２は略等しいと考えられるから、圧力センサ４９３，４９４のうちの一方を省略するものとしてもよい。

実施形態の冷凍機１０では、蓄冷器３０，５０が圧縮ピストン２４，４４に内蔵されるものとしたが、圧縮ピストン２４，４４外に配置されるものとしてもよい。

実施形態の冷凍機１０では、冷却装置８５を備え、第１，第２冷却ステージで発生した寒冷と冷媒流路８６の冷媒との熱交換により冷媒を冷却し、この冷媒により冷却対象９５を冷却するものとした。しかし、第１，第２冷却ステージに冷却対象９５を直接配置するものとしてもよい。

実施形態の冷凍機１０では、ヒータ２７，４７を備えるものとしたが、ヒータ２７，４７を備えないものとしてもよい。

実施形態の冷凍機１０では、第１，第２寒冷発生部２０，４０を備えるものとしたが、寒冷発生部の数は２つに限定されるものではなく、偶数であれば、４つや６つなどとしてもよい。これらの場合でも、２つずつ互いに逆位相となるように動作させれば、実施形態と同様に、バッファ空間の圧力振幅やスターリング冷凍機の振動を十分に低減することができる。

図３の冷凍機２１０では、寒冷発生部の数は、偶数に限られるものではなく、１つや３つなどの奇数としてもよい。

実施形態の冷凍機１０では、１段のスターリング冷凍機として構成されるものとしたが、２段などの複数段のスターリング冷凍機として構成されるものとしてもよい。

実施形態の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係について説明する。実施形態では、圧縮シリンダ２２，４２が「圧縮シリンダ」に相当し、圧縮ピストン２４，４４が「圧縮ピストン」に相当し、膨張シリンダ２６，４６が「膨張シリンダ」に相当し、膨張ピストン２８，４８が「膨張ピストン」に相当し、第１，第２寒冷発生部２０，４０が「寒冷発生部」に相当し、駆動部７０が「駆動部」に相当し、相互流通部６０（作動流体流路６１およびと圧力振幅調節バルブ６２）と制御装置９０とが「圧力振幅調節部」に相当する。

なお、実施形態の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係は、実施形態が課題を解決するための手段の欄に記載した発明を実施するための形態を具体的に説明するための一例であることから、課題を解決するための手段の欄に記載した発明の要素を限定するものではない。即ち、課題を解決するための手段の欄に記載した発明についての解釈はその欄の記載に基づいて行なわれるべきものであり、実施形態は課題を解決するための手段の欄に記載した発明の具体的な一例に過ぎないものである。

以上、本発明を実施するための形態について説明したが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

本発明は、スターリング冷凍機の製造産業などに利用可能である。

１０，１１０，２１０，３１０，４１０ 冷凍機、２０ 第１寒冷発生部、２２，４２ 圧縮シリンダ、２４，４４ 圧縮ピストン、２４ａ，２８ｃ，２８ｄ，４４ａ，４８ｃ，４８ｄ ピストンリング、２４ｂ，２８ａ，２８ｂ，４４ｂ，４８ａ，４８ｂ 連通孔、２４ｃ，４４ｃ 逆止弁、２５，２９，４５，４９ ピストンロッド、２６，４６ 膨張シリンダ、２７，４７ ヒータ、２８，４８ 膨張ピストン、３０，５０ 蓄冷器、３２，５２，６１，７５，１６１，１６６ 作動流体流路、３４，５４ 熱交換器、４０ 第２寒冷発生部、６０ 相互流通部、６２，１６２，１６７ 圧力振幅調節バルブ、７０ 駆動部、７１ モータ、７２ クランクシャフト、７２ａ，７２ｂ，７２ｃ，７２ｄ クランクピン、７３ オイルポンプ、７４ クランクケース、７４ａ モータ収容部、７４ｂ シャフト収容部、７４ｃ 区画用壁部、７４ｄ ダイヤフラム、７６ フィルタ、８０ 放熱装置、８１ 冷却水流路、８２，８７ 圧送ポンプ、８５ 冷却装置、８６ 冷媒流路、８８，１８８，２８８，２８９ 温度センサ、９０ 制御装置、９５ 冷却対象、１６０，１６５ 流通部、４９１，４９２，４９３，４９４ 圧力センサ、Ｓ１，Ｓ２ 作動流体空間、Ｓａ１，Ｓａ２ 空間、Ｓｂ バッファ空間、Ｓｃ１，Ｓｃ２ 圧縮空間、Ｓｅ１，Ｓｅ２ 膨張空間。

Claims (3)

1. 圧縮シリンダと、前記圧縮シリンダとにより圧縮空間を形成すると共に前記圧縮シリンダ内で往復動する圧縮ピストンと、膨張シリンダと、前記圧縮空間に放熱器および蓄冷器を介して連通する膨張空間を前記膨張シリンダとにより形成すると共に前記圧縮ピストンの往復動に連動して前記膨張シリンダ内で往復動する膨張ピストンと、前記圧縮ピストンおよび前記膨張ピストンを駆動する駆動部とを有し、前記圧縮空間から前記膨張空間までの作動流体空間の作動流体の圧力振幅に基づいて前記膨張シリンダの前記膨張空間側の端部に寒冷を発生させる、寒冷発生部を少なくとも１つ備え、前記少なくとも１つの寒冷発生部によって発生した寒冷により冷却対象を冷却するスターリング冷凍機であって、
   前記作動流体空間の作動流体の圧力振幅を調節する圧力振幅調節部を備え、
   前記圧力振幅調節部は、前記作動流体空間における前記蓄冷器よりも前記圧縮空間側と前記作動流体空間よりも作動流体の圧力振幅が小さいバッファ空間とを接続する接続流路と、前記接続流路に設けられたバルブと、前記バルブを制御する制御部と、を有し、
   前記制御部は、前記冷却対象の温度または前記膨張シリンダの前記膨張空間側の端部の温度から目標温度を減じた値が小さいほど前記バルブの開度が大きくなるように前記バルブを制御する、
   スターリング冷凍機。
2. 請求項１記載のスターリング冷凍機であって、
   前記膨張空間を加熱可能なヒータを更に備え、
   前記制御部は、前記冷却対象の温度または前記膨張シリンダの前記膨張空間側の端部の温度が前記目標温度よりも低いときにのみ前記ヒータを作動させる、
   スターリング冷凍機。
3. 請求項１または２記載のスターリング冷凍機であって、
   前記制御部は、前記冷却対象の温度または前記膨張シリンダの前記膨張空間側の端部の温度から目標温度を減じた値が小さいほど前記バルブの開度が大きくなるように、前記作
   動流体空間の圧力および前記バッファ空間の圧力も考慮して、前記バルブの開度を調節する、
   スターリング冷凍機。
   

Images