JP2016003781A - スターリング型冷凍機 - Google Patents

Abstract

【課題】実施の形態は、効率向上を図ることができるスターリング型冷凍機を提供することである。【解決手段】スターリング型冷凍機の圧縮機構Ａの背面に配置され、ベローズ２１ｃにより容積が可変な第１空間部２１ｄと、膨張機構Ｂの背面に配置され、ベローズ２２ｃにより容積が可変な第２空間部２２ｄとを有する。前記第１空間部２１ｄと前記第２空間部２２ｄの各々の空間にはガスが充填される。前記第１空間部２１ｄは前記圧縮機構Ａ、前記第２空間部２２ｄは前記膨張機構Ｂにそれぞれ連結されている。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、スターリング型冷凍機に関する。

スターリング型冷凍機は、熱力学的にカルノー効率と同じ冷凍効率が得られるため、高い冷凍効率が得られることを特徴としている。そのため、窒素ガスの液化等、キロワット（ｋＷ）クラスの高い冷凍能力が必要な大型冷凍機や、あるいは宇宙用等で小型軽量が必要な、ワット（Ｗ）クラスの小型冷凍機として開発が進んでいる。一方で、数ワットから数百ワットクラスの冷凍機は、エアコンのコンプレッサの流用により安価に製造が可能なＧＭ型冷凍機が普及している。

図６は、スターリング型冷凍機の構成例を示す。スターリング型冷凍機は、圧縮機構Ａ、膨張機構Ｂ、およびその間にある蓄冷材１０が充填された蓄冷器９で構成される。蓄冷器９の両端には、外部の熱源と熱のやり取り（放熱、吸熱）を行う熱交換器７、１１が配置されている。なお、図６中で、蓄冷器９の左側に高温側熱交換器７、蓄冷器９の右側に低温側熱交換器１１がそれぞれ配置されている。高温側熱交換器７には、放熱板８、低温側熱交換器１１には、吸熱板１２がそれぞれ連結されている。冷凍機の内部には冷媒のガスが封入されている。図６で示した冷凍機は、圧縮機構Ａ、膨張機構Ｂとしてベローズ１８を用いた可変空間を採用している。

さらに、圧縮機構Ａ、膨張機構Ｂは、永久磁石６と電磁石（コイル）５とで構成されるリニアモータ４を駆動源とし、冷媒の圧力変動を制御する。そして、リニアモータ４の電磁石５を所定の交流電流で励磁すると、電磁石５および永久磁石６間に発生する磁気吸引力または磁気反発力によって、永久磁石６は電磁石５の内部空間部を図示左右に周期的に往復動する。このとき、永久磁石６に連結されたピストン駆動シャフト１７の往復動により、圧縮機構Ａ、膨張機構Ｂの各々のベローズ１８の圧縮および伸長を行なうことで、各ベローズ１８の内部の圧縮、膨張空間の容積を周期的に変化させる。

圧縮機構Ａと膨張機構Ｂは同じ周波数で位相をずらして駆動させることで高温側熱交換器７の放熱板８で放熱、低温側熱交換器１１の吸熱板１２で吸熱が行われる。通常、高温側熱交換器７は、室温熱源に設置されて、室温部に放熱し、低温熱交換器１１は冷却したい物を熱的に接触させて、そこから吸熱することで冷却したいものの温度を下げる。

この構成により、従来のピストンで必要な摺動シールが不要となり、封入されたガスの封止状態は長期的に維持され、かつ、板ばねを用いた直進性の高いピストン駆動によるシールレス（クリアランスシール構成の）冷凍機に比較し、板ばねが不要である理由で、小型、簡素構成となるメリットを有している。

ただし、ベローズ構成の冷凍機は、ベローズの凹凸空間が圧縮、膨張仕事に寄与せず、圧縮比を低下させてしまう要因となる無効容積となり、効率が低く、これまでに実用化されるには至っていないのが実情である。

特開２００１−２４１７９５号公報 特許２９４３０３０号公報

上記背景技術で記したように、スターリング型冷凍機の普及を妨げている要因の一つは、複雑な構成と精密な加工、組立精度が必要な構成であった。具体的には、耐久性に課題のあるピストンの摺動シールをなくすために、ピストンとシリンダとの間のギャップをミクロンオーダーで管理するための直進性の高い板バネ構造が必要である。このような構成を避けるために、ベローズを用いた簡易構成の摺動シールレス冷凍機が提案されているが、ベローズの凹凸空間が圧縮、膨張仕事に寄与せず、圧縮比を低下させてしまう要因となる無効容積となり、効率が低いため、実用化には至っていない。

スターリング型冷凍機の効率を高める手段として、膨張機の膨張仕事を何らかの機構で回収する方法が考えられている。クランク式の機械的なピストン機構では、膨張仕事を、同じ回転軸に取り付けてある圧縮機クランクに回収させて圧縮仕事量を減らす構成となっている。ベローズを用いた構成でも膨張仕事を回収することで冷凍機の効率があがれば、効率と信頼性（耐久性）を兼ね備えた冷凍機とすることができる。

そこで、実施の形態は、ベローズ構成による膨張仕事の回収機構を設けて効率向上を図ることができるスターリング型冷凍機を提供することが課題である。

実施形態によれば、スターリング型冷凍機の圧縮機構の背面に配置され、ベローズにより容積が可変な第１空間部と、膨張機構の背面に配置され、ベローズにより容積が可変な第２空間部とを有する。前記第１空間部と前記第２空間部の各々の空間にはガスが充填される。前記第１空間部は前記圧縮機構、前記第２空間部は前記膨張機構にそれぞれ連結されている。

第１の実施の形態のスターリング型冷凍機の全体の概略構成を示す側面図。 第２の実施の形態のスターリング型冷凍機の全体の概略構成を示す側面図。 第３の実施の形態のスターリング型冷凍機の全体の概略構成を示す側面図。 第４の実施の形態のスターリング型冷凍機の全体の概略構成を示す側面図。 第５の実施の形態のスターリング型冷凍機の全体の概略構成を示す側面図。 スターリング型冷凍機の構成例を示す側面図。

［第１の実施の形態］
（構成）
図１は、第１の実施の形態のスターリング型冷凍機の構成例を示す。なお、以下の説明中で、図６と同一部分には同一の符号を付してその説明を省略する。本実施の形態のスターリング型冷凍機は、圧縮機構Ａのリニアモータ４の背面に配置された圧縮側バックアップ容器２１と、膨張機構Ｂのリニアモータ４の背面に配置された膨張側バックアップ容器２２とを有する。

圧縮側バックアップ容器２１は、２つの端板２１ａ、２１ｂ間に伸縮可能なほぼ円筒の蛇腹形状のベローズ２１ｃが配置される構成になっている。

圧縮側バックアップ容器２１の一方の端板２１ａには、第２の駆動シャフト３１が固定されている。この第２の駆動シャフト３１は、永久磁石６におけるピストン駆動シャフト１７との連結部とは反対側の端部に固定されている。圧縮側バックアップ容器２１の他方の端板２１ｂは、例えばスターリング型冷凍機の図示しない固定フレームなどに固定されている。これにより、リニアモータ４の永久磁石６の往復動により第２の駆動シャフト３１を介してベローズ２１ｃ自体の圧縮および伸長を行なう。この動作によって圧縮側バックアップ容器２１の容積は、圧縮と、膨張とを周期的に繰り返し、圧力変動が周期的に行なわれる。これにより、圧縮側バックアップ容器２１の内部には、ベローズ２１ｃにより容積が可変な第１空間部２１ｄが形成されている。

膨張側バックアップ容器２２は、圧縮側バックアップ容器２１と同様に構成されている。すなわち、膨張側バックアップ容器２２は、２つの端板２２ａ、２２ｂ間に伸縮可能なほぼ円筒の蛇腹形状のベローズ２２ｃが配置される構成になっている。

膨張側バックアップ容器２２の一方の端板２２ａには、第２の駆動シャフト３１が固定されている。この第２の駆動シャフト３１は、永久磁石６におけるピストン駆動シャフト１７との連結部とは反対側の端部に固定されている。膨張側バックアップ容器２２の他方の端板２２ｂは、例えばスターリング型冷凍機の図示しない固定フレームなどに固定されている。これにより、リニアモータ４の永久磁石６の往復動により第２の駆動シャフト３１を介してベローズ２２ｃ自体の圧縮および伸長を行なう。この動作によって膨張側バックアップ容器２２の容積は、圧縮と、膨張とを周期的に繰り返し、圧力変動が周期的に行なわれる。これにより、膨張側バックアップ容器２２の内部には、ベローズ２２ｃにより容積が可変な第２空間部２２ｄが形成されている。

さらに、これら２つの新たに設置した圧縮側バックアップ容器２１の第１空間部２１ｄと、膨張側バックアップ容器２２の第２空間部２２ｄ内には、気体が封入され、容積変動時には圧力も同時に変動するようになっている。すなわち、第１空間部２１ｄおよび第２空間部２２ｄは、ベローズ２１ｃ、２２ｃによる容積可変空間の容積が圧縮機構Ａ、膨張機構Ｂと各々同じ周波数で変動している。したがって、第２の駆動シャフト３１に対し、圧縮されれば反発し、伸張すればより戻そうとするばね的な力を作っている。

（作用・効果）
上記構成の本実施の形態のスターリング型冷凍機では、圧縮機構Ａと、膨張機構Ｂの背面に配した閉じたベローズ空間である圧縮側バックアップ容器２１と、膨張側バックアップ容器２２がガスばねとして機能する。そのため、冷凍機側の冷媒の圧力に対抗してピストン駆動シャフト１７の位置を所定の位置にバランスさせるための他の機械的なばね機構の補助ばねとして機能させることができる。あるいは、他の機械的なばねが不要となる。

圧縮側バックアップ容器２１のベローズ２１ｃと膨張側バックアップ容器２２のベローズ２２ｃは、所定の振幅以内に収まる設計とすることで、長期的に優れた性能を維持させることができる。ベローズ２１ｃ、２２ｃは耐圧の設計範囲内で薄肉にすることができるため、従来の機械ばねに比較し、小型で耐久性に優れた構成とすることが可能となる。したがって、本実施の形態によれば、ベローズ構成による膨張仕事の回収機構を設けて効率向上を図ることができるスターリング型冷凍機を提供することができる。

［第２の実施の形態］
（構成）
図２は、第２の実施の形態を示す。本実施の形態は、第１の実施の形態（図１参照）のスターリング型冷凍機の構成を次の通り変更した変形例である。なお、図２中で、図１と同一部分には同一の符号を付してその説明を省略する。

すなわち、本実施の形態のスターリング型冷凍機は、新たに増設した圧縮側バックアップ容器２１と、膨張側バックアップ容器２２との間が第１の配管（第１の連結管路）２３で連結されている。ここで、第１の配管２３の一端部は、圧縮側バックアップ容器２１の端板２１ｂに連結され、第１の配管２３の他端部は、膨張側バックアップ容器２２の端板２２ｂに連結されている。この第１の配管２３によって圧縮側バックアップ容器２１の第１空間部２１ｄと、膨張側バックアップ容器２２の第２空間部２２ｄとの間を連結し、内部ガスが両空間を行き来できるようにしている。

（作用・効果）
上記構成の本実施の形態のスターリング型冷凍機では、第１実施形態の効果に加え、次の効果が得られる。すなわち、第１の配管２３を介して２つの背面空間（圧縮側バックアップ容器２１の第１空間部２１ｄと、膨張側バックアップ容器２２の第２空間部２１ｄ）を連結させることで、ばね機構としてのベローズ空間内のガス圧の調整を１箇所で行うことができる。

さらに、膨張機構Ｂのピストン駆動シャフト１７で冷凍機内部から受けた膨張仕事を、散逸させることなく、圧縮機構Ａのピストン駆動シャフト１７の駆動に必要な圧縮仕事として回収できる。本実施の形態の上記構成によれば、膨張側のピストン駆動シャフト１７で受けた仕事を、第１の配管２３を通して圧縮機構Ａ側で必要な仕事の補助として回収できる。そのため、膨張機構Ｂ側は冷凍機のガスが膨張側のピストン駆動シャフト１７に対し仕事をなし、圧縮機構Ａのピストン駆動シャフト１７側は仕事を受け取ることができる。この第１の配管２３がない場合は、膨張機構Ｂのピストン駆動シャフト１７で冷凍機内部から受けた膨張仕事はどこかで摩擦等で外部に散逸されている。さらに、本実施の形態では、圧縮側バックアップ容器２１の第１空間部２１ｄと、膨張側バックアップ容器２２の第２空間部２１ｄをベローズ２１ｃ、２２ｃを用いて形成していることで、回収機構を小型化、簡素化できるメリットを有する。

［第３の実施の形態］
（構成）
図３は、第３の実施の形態を示す。本実施の形態は第２の実施の形態（図２参照）のスターリング型冷凍機１の変形例である。なお、図３中で、図２と同一部分には同一の符号を付してその説明を省略する。本実施の形態では、図２（第２の実施の形態）の構成に対し、設置した第１の配管２３の途中に流量を調整する流量調整バルブ（流量調整部）２４を設置した構成となっている。この流量調整バルブ２４は、第１の配管２３内のガスの変位と圧力の位相差を調整する機能も有しており、１サイクル内で膨張機構Ｂが仕事を受けるタイミングと、圧縮機構Ａが仕事をするタイミングを合わせるように位相を調整することができる。

（作用・効果）
本実施の形態では第１、２の実施形態の効果に加え、次の効果が得られる。すなわち、本実施の形態では新たに設置した流量調整バルブ２４の流量調整により、圧縮側バックアップ容器２１の第１空間部２１ｄと、膨張側バックアップ容器２２の第２空間部２２ｄの圧力変化の状態を調整できる。

また、この流量調整バルブ２４は、第１の配管２３内のガスの変位と圧力の位相差を調整する機能も有している。そして、１サイクル内で膨張機構Ｂが仕事を受けるタイミングと、圧縮機構Ａが仕事をするタイミングを合わせるように位相を調整することができる。この方法により、仕事の回収効率が向上し、冷凍機の特性向上を図ることが可能となる。

［第４の実施の形態］
（構成）
図４は、第４の実施の形態を示す。本実施の形態は第２の実施の形態（図２参照）のスターリング型冷凍機のさらに別の変形例である。なお、図４中で、図２と同一部分には同一の符号を付してその説明を省略する。本実施の形態では、図２（第２の実施の形態）の構成に対し、第１の配管２３の途中に図３で導入した流量調整バルブ２４の変わりに、流量調整用の細管２５が設置されている。この細管２５は、第１の配管２３よりも内径が小さく、適度な長さに設定されている。これにより、この細管２５による適切な流量調整と、細管２５内のガスの慣性力による位相の遅れによる位相制御を行うことができる。

（作用・効果）
本実施の形態の上記構成のスターリング型冷凍機では、第３実施形態の効果に加え、次の効果が得られる。すなわち、本実施の形態では、第１の配管２３の途中の細管２５によって第１の配管２３の内部を流れるガスの適切な流量調整と、配管２５内のガスの慣性力による位相の遅れによる位相制御により、圧縮側バックアップ容器２１の第１空間部２１ｄと、膨張側バックアップ容器２２の第２空間部２２ｄの圧力変動の振幅、位相を調整することができる。この方法により、仕事の回収効率が向上し、冷凍機の特性向上を図ることが可能となる。

［第５の実施の形態］
（構成）
図５は、第４の実施の形態を示す。本実施の形態は第３の実施の形態（図３参照）のスターリング型冷凍機の変形例である。なお、図５中で、図３と同一部分には同一の符号を付してその説明を省略する。本実施の形態では、圧縮側バックアップ容器２１の第１空間部２１ｄと、膨張側バックアップ容器２２の第２空間部２２ｄとには、冷凍機の冷媒と同じガスが充填されている。さらに、第１の配管２３と、冷凍機の冷媒が充填されている空間、例えば、高温側熱交換器７の内部空間との間を連結させる均圧配管（第２の連結管路）２６とを有する。ここで、均圧配管の一端は、第１の配管２３における流量調整バルブ２４と圧縮側バックアップ容器２１との間の連結部に連結されている。さらに、均圧配管２６の他端は、高温側熱交換器７の外周壁部に形成された連通穴７ａに連結されている。また、均圧配管２６に適度な圧損を、細管、あるいは配管途中の流量調整バルブによりつけて、冷凍機の圧縮比の低下を抑える構成としてもよい。

（作用・効果）
本実施の形態の上記構成のスターリング型冷凍機では、図３、４で示した第３、第４の実施の形態で得られる効果とともに、次の効果が得られる。すなわち、本実施の形態では圧縮側バックアップ容器２１の第１空間部２１ｄと、膨張側バックアップ容器２２の第２空間部２２ｄ内の冷媒の平均圧力が均一化される。そのため、例えば冷凍機が駆動し、内部が冷却されることで凝集により内圧が低下し、ピストン駆動シャフト１７のつりあいの平均位置にずれが生じたり、あるいはピストン駆動シャフト１７の位置を一定とするための電力が、内圧低下に伴うずれをなくすようにするための電力分増加してしまうことを防止することができる。すなわち、内圧低下とともに、圧縮機構Ａのリニアモータ４の背面に連結された圧縮側バックアップ容器２１の第１空間部２１ｄと、膨張機構Ｂのリニアモータ４の背面に連結された膨張側バックアップ容器２２の第２空間部２２ｄも内圧が同時に低下するため、ピストン駆動シャフト１７のつりあう平均位置に変化が生じない。したがって、どんな運転条件でも、安定した駆動が可能となる。

なお、上記第１〜５の実施の形態では、すべて圧縮機構Ａと、膨張機構Ｂの可変容積空間の隔壁にもベローズ１８を用いた構成として説明したが、圧縮機構Ａ、膨張機構Ｂの構成は従来のピストン機構としてもよい。ただし、圧縮機構Ａと、膨張機構Ｂの可変容積空間の隔壁にもベローズ１８を用いた構成とすることで、装置全体の大きさを小さくでき、かつ信頼性を向上させることができる効果がある。

これらの実施形態によれば、ベローズ構成による膨張仕事の回収機構を設けて効率向上を図ることができるスターリング型冷凍機を提供することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、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。

Ａ…圧縮機構、Ｂ…膨張機構、４…リニアモータ、５…電磁石、６…永久磁石、７…高温側熱交換器、８…放熱板、９…蓄冷器、１０…蓄冷材、１１…低温側熱交換器、１２…吸熱板、１７…ピストン駆動シャフト、１８…ベローズ、２１…圧縮側バックアップ容器、２２…膨張側バックアップ容器、２１ｃ、２２ｃ…ベローズ、２１ｄ…第１空間部、２２ｄ…第２空間部。

Claims (7)

1. 冷媒ガスが充填された圧縮機構と、膨張機構との間に蓄冷材が充填された蓄冷器が配設され、前記蓄冷器における前記圧縮機構との連結部側に放熱用の高温側熱交換器、前記蓄冷器における前記膨張機構との連結部側に吸熱用の低温側熱交換器がそれぞれ配設され、前記圧縮機構側の圧力変動と前記膨張機構側の圧力変動とに所定の位相差を設けることで前記膨張機構に寒冷を発生させるスターリング型冷凍機において、
   前記圧縮機構の背面に配置され、ベローズにより容積が可変な第１空間部と、
   前記膨張機構の背面に配置され、ベローズにより容積が可変な第２空間部とを有し、
   前記第１空間部と前記第２空間部の各々の空間にはガスが充填され、
   前記第１空間部は前記圧縮機構、前記第２空間部は前記膨張機構にそれぞれ連結されていることを特徴とするスターリング型冷凍機。
2. 前記第１空間部および前記第２空間部は、前記ベローズによる容積可変空間の容積が前記圧縮機構、前記膨張機構と各々同じ周波数で変動していることを特徴とする請求項１に記載のスターリング型冷凍機
3. 前記第１空間部と前記第２空間部とが第１の連結管路で連結されていることを特徴とする請求項２に記載のスターリング型冷凍機。
4. 前記第１の連結管路は、流量を調整する流量調整部が設置されていることを特徴とする請求項３に記載のスターリング型冷凍機。
5. 前記流量調整部は、流量調整弁または流量調整用の細管のいずれか一方であることを特徴とする請求項４に記載のスターリング型冷凍機。
6. 前記第１空間部と前記第２空間部は、冷凍機の冷媒と同じガスが充填され、
   前記冷凍機の冷媒が充填されている空間と、前記第１の連結管路との間を連結させる第２の連結管路を有することを特徴とする請求項３に記載のスターリング型冷凍機。
7. 前記圧縮機構の圧縮空間、前記膨張機構の膨張空間は、各々にベローズによる可変容積空間が設けられていることを特徴とする請求項１に記載のスターリング型冷凍機。

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