JP2020094720A - 蓄冷式冷凍機 - Google Patents

Abstract

【課題】 エネルギー効率をさほど低下させることなく、ディスプレーサ振動系の共振周波数を駆動周波数に近づけることができる蓄冷式冷凍機を提供すること。【解決手段】 蓄冷式冷凍機１は、内部空間が形成された補助シリンダ４１と、ディスプレーサ３２に連結されるとともにディスプレーサ３２に同期して往復移動可能に補助シリンダ４１の内部空間に配設された補助ピストン４２を備える。また、圧縮シリンダ２１内の圧縮バッファ空間と補助シリンダ４１内の補助バッファ空間が、バッファ空間連通路６２により連通される。【選択図】 図１

Description

本発明は、蓄冷式冷凍機に関する。

圧縮シリンダ内に設けられる圧縮ピストンと膨張シリンダ内に設けられるディスプレーサを備える蓄冷式冷凍機においては、ディスプレーサにより区画される膨張シリンダ内の膨張空間の容積変動と圧力変動が所定の位相差となるように、ディスプレーサの往復移動が制御される。圧縮ピストンとディスプレーサが機械連結されている場合、或いは両者が別々の駆動源を持ち、それぞれの駆動源を同期させてこれらを動作させる場合、比較的容易に膨張空間の容積変動と圧力変動が所望の位相差になるようにディスプレーサを駆動させることができる。しかしながら、圧縮ピストンとディスプレーサが機械連結されておらず、且つ圧縮ピストンのみに駆動源が設けられるフリーピストンタイプの蓄冷式冷凍機にあっては、ディスプレーサは作動ガスの差圧を駆動源として往復移動するので、ディスプレーサの往復移動を制御することは非常に難しい。また、この場合、ディスプレーサ及びそれに追従して動作する可動部からなる振動系（以下、ディスプレーサ振動系）の共振周波数を、駆動周波数（すなわち圧縮ピストンの往復移動周波数であり、作動ガスの圧力変動周波数）と同じか若しくは可能な限り近づけなければならない。

ディスプレーサ振動系の共振周波数を駆動周波数に近づけるために従来一般的に行われている方法は、ディスプレーサを弾性支持するサスペンションばね（例えばフレクシャ・ベアリング）の使用枚数を調整して、ディスプレーサ振動系の質量及び弾性係数を変更する方法である。しかしながら、この方法でディスプレーサ振動系の共振周波数を駆動周波数に近づけようとすると、高価な板ばね（サスペンションばね）の使用枚数が増加する傾向にあり、それ故に蓄冷式冷凍機のコストの増大が懸念される。

特許文献１は、軸方向に往復移動するディスプレーサに補助ピストン（ディスプレーサガスばねピストン）が同軸連結されてなるスターリング冷凍機を開示する。特許文献１に開示のスターリング冷凍機によれば、ディスプレーサに同軸連結された補助ピストンをディスプレーサの往復移動に連動させて密閉空間内で往復移動させる。補助ピストンのこうした往復移動によりガスばね力が生じる。このガスばね力とディスプレーサを弾性支持するサスペンションばねとで共振系を構成することにより、サスペンションばねの使用枚数を増加させることなくディスプレーサ振動系の共振周波数を駆動周波数に近づけることができるとともに、膨張空間の容積変化と圧力変化の位相差を所望の位相差である９０°（容積変化が圧力変化より９０°進んだ位相角）に近づけることが可能になる。

特開平５−２１５４２３号公報

（発明が解決しようとする課題）
特許文献１に開示のスターリング冷凍機によれば、補助ピストンが密閉空間内で往復移動する際に密閉空間内の作動ガスがＰＶ仕事を行う。このＰＶ仕事は熱として消費されるためエネルギー効率が低下するという問題が発生する。

本発明は、エネルギー効率をさほど低下させることなく、ディスプレーサ振動系の共振周波数を駆動周波数に近づけることができるように構成された蓄冷式冷凍機を提供することを目的とする。

（課題を解決するための手段）
本発明は、内部空間が形成された圧縮シリンダ（２１）と、圧縮シリンダの内部空間を圧縮空間（Ｓ１）と圧縮側バッファ空間（Ｓ２）とに区画するとともに圧縮空間及び圧縮側バッファ空間の容積が変動するように往復移動可能に圧縮シリンダの内部空間に配設された圧縮ピストン（２２）と、圧縮ピストンを往復駆動させる駆動源（２３）と、圧縮ピストンが往復移動可能であり且つ往復移動方向とは異なる方向に移動不能であるように圧縮ピストンを弾性支持する弾性支持部材（２４）と、を有する圧縮ユニット（２）と、内部空間が形成された膨張シリンダ（３１）と、膨張シリンダの内部空間を膨張空間（Ｓ３）と中間空間（Ｓ４）とに区画するとともに膨張空間及び中間空間の容積が変動するように往復移動可能に膨張シリンダの内部空間に配設されたディスプレーサ（３２）と、圧縮空間と膨張空間とを連通する第一作動空間連通路（３３，３４）と、第一作動空間連通路の途中に介装され、前記圧縮空間から前記膨張空間に流れる作動ガスに冷熱を与えるとともに前記膨張空間から前記圧縮空間に流れる作動ガスから冷熱を奪う蓄冷手段（３５）と、を有する膨張ユニット（３）と、内部空間が形成された補助シリンダ（４１）と、補助シリンダの内部空間を補助中間空間（Ｓ５）と補助バッファ空間（Ｓ６）とに区画するとともに補助中間空間及び補助バッファ空間の容積が変動するように往復移動可能に補助シリンダの内部空間内に配設された補助ピストン（４２）と、補助ピストンから補助中間空間及び中間空間を通過するように延設されるとともに延設端にてディスプレーサに接続した連結ロッド（４５）と、を有する補助ユニット（４）と、圧縮側バッファ空間と補助バッファ空間とを連通するバッファ空間連通路（７２）と、を備える、蓄冷式冷凍機（１）を提供する。

本発明に係る蓄冷式冷凍機によれば、連結ロッドを介してディスプレーサに連結された補助ピストンがディスプレーサと同期して補助シリンダ内を往復移動することにより、ガスばね力が発生する。このガスばね力を、補助ピストンの径の変更等により調整することにより、ディスプレーサを弾性支持するための板バネなどの枚数調整をすることなくディスプレーサ振動系の共振周波数を駆動周波数に近づけることができる。また、バッファ空間連通路により圧縮側バッファ空間と補助バッファ空間とを連通することにより、補助ピストンの往復移動によって生じる補助バッファ空間内の作動ガスのＰＶ仕事が、圧縮側バッファ空間に回収されて、圧縮ピストンの駆動力を補助する。これにより補助バッファ空間内の作動ガスのＰＶ仕事が有効利用される。このように、本発明によれば、補助バッファ空間内の作動ガスのＰＶ仕事を有効利用することにより、エネルギー効率をさほど低下させることなく、ディスプレーサ振動系の共振周波数を駆動周波数に近づけることができる。

本発明に係る蓄冷式冷凍機は、圧縮空間と補助中間空間とを連通する第二作動空間連通路（６１）を備えていても良い。これによれば、第二作動空間連通路を介して圧縮空間内の作動ガスの圧力変動を補助中間空間に伝達することにより、補助ピストンの変位量を調整することができるとともに、膨張空間内の作動ガスの変位と圧力変動との位相差を最適な位相差（例えば９０°）に近づけることができ、冷凍能力を高めることができる。

また、本発明に係る蓄冷式冷凍機は、補助ピストンが往復移動可能であり且つ往復移動方向とは異なる方向に移動不能であるように補助ピストンを弾性支持する補助弾性支持部材（４４）を備えるとよい。そして、補助弾性支持部材が、補助バッファ空間内に配設されているとよい。補助弾性支持部材を補助バッファ空間内に配設することにより、補助ピストンの往復移動に伴う圧力変動の影響を低減でき、これにより共振周波数を一定に保つことが可能になる。

また、補助ピストンの断面積すなわち受圧面積が、ディスプレーサの断面積すなわち受圧面積よりも大きいとなお良い。この場合、補助ピストンの往復移動により生じるガスばね力が、蓄冷手段を作動ガスが通過する際の圧力損失により発生する力より大きくなるように、補助ピストンの断面積が設定されているとよい。これによれば、補助ピストンの往復移動により生じるガスばね力を大きくすることにより、ディスプレーサ振動系の共振周波数を駆動周波数により近づけることができるとともに、膨張空間の容積変動と圧力変動との位相差を最適な位相差（９０°）により近づけることが可能となる。

図１は、本実施形態に係る蓄冷式冷凍機の模式的な断面図である。 図２は、本実施形態に係る蓄冷式冷凍機を運転した場合に実行される各工程と、圧縮ピストン及び補助ピストンの位置との関係を示す模式図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本実施形態に係る蓄冷式冷凍機の模式的な断面図である。なお、以下の説明において、「上下」、「上」、「下」という方向を表す用語は、図面に示された構成を図面に基づいて説明するために用いるのであって、必ずしも絶対空間における方向を表す必要はない。

図１に示すように、本実施形態に係る蓄冷式冷凍機１は、圧縮ユニット２と、膨張ユニット３と、補助ユニット４と、を備える。

圧縮ユニット２は、圧縮シリンダ２１と、圧縮ピストン２２と、駆動源としてのリニアモータ２３と、一対の弾性支持部材２４，２４とを有する。

圧縮シリンダ２１は、上面２１１、下面２１２、及び側周面２１３を有し、略円筒状に形成される。略円筒状の圧縮シリンダ２１の内部に略円柱状の内部空間が形成され、この内部空間内に、圧縮ピストン２２、リニアモータ２３、及び一対の弾性支持部材２４，２４が配設される。圧縮シリンダ２１は、図１に示す例では、軸方向が上下方向に一致するように配設される。

圧縮ピストン２２は、圧縮シリンダ２１の内部空間のうち図１において上側の部分に配設される。図１に示すように、圧縮ピストン２２は、上側を向く端面を構成する前面２２１と、下側を向く端面を構成する背面２２２と、外周面２２３とを有し、円柱状に形成される。圧縮ピストン２２は、その外周面２２３が圧縮シリンダ２１の側周面２１３の内壁に対面し、軸方向が上下方向に沿うように、圧縮シリンダ２１に同軸状に配設される。この圧縮ピストン２２により、圧縮シリンダ２１の内部空間が、圧縮ピストン２２の上方空間であり圧縮ピストン２２の前面２２１に面する圧縮空間Ｓ１と、圧縮ピストン２２の下方空間であり圧縮ピストン２２の背面２２２に面する圧縮側バッファ空間Ｓ２とに区画される。圧縮ピストン２２は、圧縮シリンダ２１の軸方向である上下方向に往復移動可能に圧縮シリンダ２１の内部空間に配設される。圧縮ピストン２２が上下方向に往復移動すると、圧縮空間Ｓ１及び圧縮側バッファ空間Ｓ２の容積が変動する。つまり、圧縮ピストン２２は、圧縮空間Ｓ１及び圧縮側バッファ空間Ｓ２の容積が変動するように往復移動可能に、圧縮シリンダ２１の内部空間に配設される。

圧縮ピストン２２よりも下側に形成される圧縮側バッファ空間Ｓ２に、リニアモータ２３及び一対の弾性支持部材２４，２４が配設される。従って、リニアモータ２３及び一対の弾性支持部材２４，２４は、圧縮ピストン２２の下方位置に配設されることになる。

リニアモータ２３は、永久磁石を含む円柱状のリニアモータ可動子２３１と、コイルを含むリング状のリニアモータ固定子２３２を有する。リニアモータ固定子２３２は、図略の固定ブラケットを介して圧縮シリンダ２１の側周面２１３の内壁に接続される。これにより、リニアモータ固定子２３２は、圧縮シリンダ２１の軸方向における所定の高さ位置にて、同軸状に圧縮シリンダ２１に固定される。また、リニアモータ固定子２３２のコイルは、図略の交流電源に電気接続される。このリニアモータ固定子２３２の内周側に、リニアモータ可動子２３１が配設される。リニアモータ可動子２３１は、その外周面がリング状のリニアモータ固定子２３２の内周面に対面する態様で、リニアモータ固定子２３２の内周側に軸方向移動可能に配設される。

リニアモータ可動子２３１には、その中心軸を通るように図１において上下方向に貫通した貫通孔が形成されており、この貫通孔に第一連結ロッド２５が挿通される。第一連結ロッド２５は図１において上下方向に延設されており、リニアモータ可動子２３１の上記貫通孔に挿通された状態で、リニアモータ可動子２３１に接続される。これによりリニアモータ可動子２３１は、第一連結ロッド２５と一体的に動作可能に同軸状に接続される。また、第一連結ロッド２５の先端（上方端）は、圧縮ピストン２２の背面２２２の中心部に接続される。このため圧縮ピストン２２は、第一連結ロッド２５を介してリニアモータ可動子２３１に同軸接続されていることになる。

一対の弾性支持部材２４，２４は、第一連結ロッド２５に固定される。一対の弾性支持部材２４，２４は、リニアモータ２３を上下から挟むような態様で、第一連結ロッド２５に固定される。一対の弾性支持部材２４，２４は、それぞれ、複数枚の円板形状のフレクシャ・ベアリング（板バネ）により構成される。円板形状のフレクシャ・ベアリングの中心には円孔が形成される。この円孔に第一連結ロッド２５が挿通された状態で、各フレクシャ・ベアリングが第一連結ロッド２５に同軸状に固定される。

一対の弾性支持部材２４，２４のそれぞれを構成する複数枚のフレクシャ・ベアリングは、第一連結ロッド２５の軸方向（上下方向）に沿って一定間隔で第一連結ロッド２５に固定される。また、各フレクシャ・ベアリングの外周部分は、図略の固定ブラケットを介して、圧縮シリンダ２１の側周面２１３の内壁に固定される。また、各フレクシャ・ベアリングには、厚み方向に貫通した複数のスリットにより渦巻き状の切り込みが形成される。この渦巻き状の切り込みの存在により、各フレクシャ・ベアリングは、その外周部分が固定された状態で、第一連結ロッド２５の軸方向移動に伴い弾性変形することができるように構成される。つまり、各フレクシャ・ベアリングは、第一連結ロッド２５を軸方向移動可能に弾性支持する。一方、フレクシャ・ベアリングの中心軸方向に交差する方向に関しては、その材料剛性により変形が不可能であるように構成される。ここで、上記したように、第一連結ロッド２５にはリニアモータ可動子２３１及び圧縮ピストン２２が接続されている。従って、リニア―モータ可動子２３１及び圧縮ピストン２２は、第一連結ロッド２５を介して、その軸方向（上下方向）である往復移動方向に移動可能であり且つ往復移動方向とは異なる方向に移動不能であるように、一対の弾性支持部材２４，２４により弾性支持されていることになる。

また、図１に示すように、圧縮側バッファ空間Ｓ２は、圧縮ピストン２２の下方であり且つ一対の弾性支持部材２４，２４のうち上側の弾性支持部材２４よりも上方の空間Ｓ２１と、空間Ｓ２１よりも下方であり一対の弾性支持部材２４，２４及びリニアモータ２３が配設される空間Ｓ２２と、空間Ｓ２２よりも下方であり一対の弾性支持部材２４，２４のうち下側の弾性支持部材２４と圧縮シリンダ２１の下面２１２との間の空間Ｓ２３とに、区分することができる。これらの空間Ｓ２１，Ｓ２２，Ｓ２３は、圧縮シリンダ２１に設けられている圧縮側均圧連通路２１４により連通される。これにより、空間Ｓ２１，Ｓ２２，Ｓ２３の均圧化を図ることができる。

膨張ユニット３は、膨張シリンダ３１と、ディスプレーサ３２と、圧縮側連通路３３と、膨張側連通路３４と、蓄冷手段としての蓄冷器３５と、放熱器３６（アフタークーラ）とを有する。

圧縮側連通路３３の一方端（下端）は、図１に示すように圧縮シリンダ２１の上面２１１に接続されて、圧縮空間Ｓ１に開口する。従って、圧縮側連通路３３は圧縮空間Ｓ１に連通する。また、圧縮側連通路３３の他方端（上端）は、蓄冷器３５に接続される。また、圧縮側連通路３３の途中に放熱器３６が介装される。

蓄冷器３５は、高温端３５１及び低温端３５２を両端に備える円筒状に形成され、内部に低温比熱の高い材料により構成される蓄冷材が充填される充填空間が形成される。この蓄冷器３５の高温端３５１に、圧縮側連通路３３の他方端（上端）が接続されとともに蓄冷器３５内の充填空間に開口する。また、蓄冷器３５の低温端３５２に、膨張側連通路３４の一方端が接続されるとともに蓄冷器３５内の充填空間に開口する。従って、圧縮側連通路３３と膨張側連通路３４は、蓄冷器３５内の充填空間を通じて連通する。膨張側連通路３４の他方端は、膨張シリンダ３１に接続される。

膨張シリンダ３１は、上面３１１、下面３１２、及び側周面３１３を有し、円柱状の内部空間が内部に形成されるように円筒状に形成される。図１に示す例では、膨張シリンダ３１は、その軸方向が上下方向に一致するように配設される。膨張シリンダ３１の上面３１１に膨張側連通路３４の他方端が接続される。

ディスプレーサ３２は、膨張シリンダ３１の内部空間に配設される。ディスプレーサ３２は、図１に示す例では、上側を向く端面を構成する前面３２１と、下側を向く端面を構成する背面３２２と、外周面３２３とを有し、円柱状に形成される。ディスプレーサ３２は、その外周面３２３が膨張シリンダ３１の側周面３１３の内壁に対面し、軸方向が上下方向に沿うように、膨張シリンダ３１に同軸状に配設される。このディスプレーサ３２により、膨張シリンダ３１の内部空間が、ディスプレーサ３２の上方空間でありディスプレーサ３２の前面３２１に面する膨張空間Ｓ３と、ディスプレーサ３２の下方空間でありディスプレーサ３２の背面３２２に面する中間空間Ｓ４とに区画される。ディスプレーサ３２は、膨張シリンダ３１の軸方向である上下方向に往復移動可能に膨張シリンダ３１の内部空間に配設される。ディスプレーサ３２が上下方向に往復移動すると、膨張空間Ｓ３及び中間空間Ｓ４の容積が変動する。つまり、ディスプレーサ３２は、膨張空間Ｓ３と中間空間Ｓ４の容積が変動するように往復移動可能に、膨張シリンダ３１の内部空間に配設される。

膨張シリンダ３１の上面３１１に接続されている膨張側連通路３４の他方端は、膨張空間Ｓ３に開口する。従って、膨張側連通路３４は、膨張空間Ｓ３に連通する。ここで、膨張側連通路３４は、蓄冷器３５を介して圧縮側連通路３３に連通している。圧縮側連通路３３は上述したように圧縮空間Ｓ１に連通している。従って、圧縮空間Ｓ１と膨張空間Ｓ３は、圧縮側連通路３３及び膨張側連通路３４を介して連通していることになる。圧縮側連通路３３及び膨張側連通路３４が、本発明の第一作動空間連通路に相当する。この場合、蓄冷器３５は、圧縮側連通路３３と膨張側連通路３４からなる第一作動空間連通路の途中に介装されていることになる。

膨張シリンダ３１の下面３１２に、補助連通路５２の一方端（上端）が接続される。補助連通路５２の他方端（下端）に補助ユニット４が接続される。補助ユニット４は、補助シリンダ４１と、補助ピストン４２と、一対の補助弾性支持部材４４，４４と、第二連結ロッド４５と、第三連結ロッド４６とを有する。

補助シリンダ４１は、上面４１１、下面４１２、及び側周面４１３を有し、略円筒状に形成される。略円筒状の補助シリンダ４１の内部に略円柱状の内部空間が形成され、この内部空間内に、補助ピストン４２、及び一対の補助弾性支持部材４４，４４が配設される。補助シリンダ４１は、図１に示す例では、軸方向が上下方向に一致するように配設される。また、補助シリンダ４１は、膨張シリンダ３１と同軸配置される。

補助ピストン４２は、補助シリンダ４１の内部空間のうち図１において上側の部分に配設される。図１に示すように、補助ピストン４２は、上側を向く端面を構成する前面４２１と、下側を向く端面を構成する背面４２２と、外周面４２３とを有し、円柱状に形成される。補助ピストン４２は、その外周面４２３が補助シリンダ４１の側周面４１３の内壁に対面し、その軸方向が上下方向に沿うように、補助シリンダ４１に同軸状に配設される。この補助ピストン４２により、補助シリンダ４１の内部空間が、補助ピストン４２の上方空間であり補助ピストン４２の前面４２１に面する補助中間空間Ｓ５と、補助ピストン４２の下方空間であり補助ピストン４２の背面４２２に面する補助バッファ空間Ｓ６とに区画される。補助ピストン４２は、補助シリンダ４１の軸方向である上下方向に往復移動可能に補助シリンダ４１の内部空間に配設される。補助ピストン４２が上下方向に往復移動すると、補助中間空間Ｓ５及び補助バッファ空間Ｓ６の容積が変動する。つまり、補助ピストン４２は、補助中間空間Ｓ５及び補助バッファ空間Ｓ６の容積が変動するように往復移動可能に、補助シリンダ４１の内部空間に配設される。

補助ピストン４２の前面４２１の中心部に、第二連結ロッド４５の一方端が接続される。この第二連結ロッド４５は、図１に示すように、補助ピストン４２から上方に向かって、補助ピストン４２の上側の補助中間空間Ｓ５、補助連通路５２、及び膨張シリンダ３１内の中間空間Ｓ４を通過するように延設され、その延設端が中間空間Ｓ４の上側のディスプレーサ３２の背面３２２の中心部に接続される。第二連結ロッド４５により、補助ピストン４２がディスプレーサ３２に同期して上下方向に往復移動することができるようにディスプレーサ３２に接続される。第二連結ロッド４５により接続されたディスプレーサ３２及び補助ピストン４２が同期して上方移動すると、膨張シリンダ３１内の膨張空間Ｓ３の容積が減少するとともに補助シリンダ４１内の補助中間空間Ｓ５の容積も減少する。一方、第二連結ロッド４５により接続されたディスプレーサ３２及び補助ピストン４２が同期して下方移動すると、膨張シリンダ３１内の膨張空間Ｓ３の容積が増加するとともに補助シリンダ４１内の補助中間空間Ｓ５の容積も増加する。つまり、第二連結ロッド４５は、膨張空間Ｓ３の容積変動状態と補助中間空間Ｓ５の容積変動状態が一致するように、補助ピストン４２とディスプレーサ３２とを連結する。第二連結ロッド４５が本発明の連結ロッドに相当する。

また、補助ピストン４２の背面４２２の中心部に、第三連結ロッド４６の一方端が接続される。この第三連結ロッド４６は、補助ピストン４２から下方に延設される。従って、第三連結ロッド４６は、補助シリンダ４１内の補助バッファ空間Ｓ６内に配設されることになる。そして、この第三連結ロッド４６に、一対の補助弾性支持部材４４，４４が固定される。

一対の補助弾性支持部材４４，４４は、図１に示すように上下方向に所定の間隔を開けて第三連結ロッド４６に固定される。一対の補助弾性支持部材４４，４４は、それぞれ、一対の弾性支持部材２４，２４と同様に、複数枚の円板形状のフレクシャ・ベアリング（板バネ）により構成される。円板形状のフレクシャ・ベアリングの中心には円孔が形成される。この円孔に第三連結ロッド４６が挿通された状態で、各フレクシャ・ベアリングが第三連結ロッド４６に同軸状に固定される。

一対の補助弾性支持部材４４，４４のそれぞれを構成する複数枚のフレクシャ・ベアリングは、第三連結ロッド４６の軸方向（上下方向）に沿って一定間隔で第三連結ロッド４６に固定される。また、各フレクシャ・ベアリングの外周部分は、図略の固定ブラケットを介して、補助シリンダ４１の側周面４１３の内壁に固定される。各フレクシャ・ベアリングの構成は、弾性支持部材２４を構成する各フレクシャ・ベアリングの構成と同一であり、その外周部分が固定された状態で、第三連結ロッド４６の軸方向移動に伴い弾性変形することができるように構成される。つまり、各フレクシャ・ベアリングは、第三連結ロッド４６を軸方向移動可能に弾性支持する。一方、フレクシャ・ベアリングの中心軸方向に交差する方向に関しては、フレクシャ・ベアリングは、その材料剛性により変形が不可能であるように構成される。ここで、上記したように、第三連結ロッド４６には補助ピストン４２が接続されている。従って、補助ピストン４２は、第二連結ロッド４５を介して、その軸方向（上下方向）である往復移動方向に移動可能且つ往復移動方向とは異なる方向に移動不能に一対の補助弾性支持部材４４，４４により弾性支持されることになる。

また、図１に示すように、補助シリンダ４１内の補助バッファ空間Ｓ６は、補助ピストン４２の下方であり且つ一対の補助弾性支持部材４４，４４のうち上側の補助弾性支持部材４４よりも上方の空間Ｓ６１と、空間Ｓ６１よりも下方であり一対の補助弾性支持部材４４，４４が配設される空間Ｓ６２と、空間Ｓ６２よりも下方であり一対の補助弾性支持部材４４，４４のうち下側の補助弾性支持部材４４と補助シリンダ４１の下面４１２との間の空間Ｓ６３に、区分することができる。これらの空間Ｓ６１，Ｓ６２，Ｓ６３は、補助シリンダ４１に設けられている補助均圧連通路４１４により連通される。これにより、空間Ｓ６１，Ｓ６２，Ｓ６３の均圧化を図ることができる。

また、図１からわかるように、本実施形態に係る蓄冷式冷凍機１は、第二作動空間連通路６１と、バッファ空間連通路６２とを備える。第二作動空間連通路６１の一方端は、圧縮シリンダ２１の上面２１１に接続されて、圧縮空間Ｓ１に開口する。第二作動空間連通路６１の他方端は、補助シリンダ４１の上面４１１に接続されて、補助中間空間Ｓ５に開口する。このため第二作動空間連通路６１は、圧縮空間Ｓ１と補助中間空間Ｓ５とを連通する。また、バッファ空間連通路６２の一方端は、圧縮シリンダ２１の下面２１２に接続されて、圧縮側バッファ空間Ｓ２に開口する。バッファ空間連通路６２の他方端は、補助シリンダ４１の下面４１２に接続されて、補助バッファ空間Ｓ６に開口する。このためバッファ空間連通路６２は、圧縮側バッファ空間Ｓ２と補助バッファ空間Ｓ６とを連通する。

また、図１からわかるように、補助ピストン４２の往復移動方向（軸方向）に垂直な断面積は、ディスプレーサ３２の往復移動方向（軸方向）に垂直な断面積よりも大きい。補助ピストン４２の上記断面積は、補助ピストンの前面４２１及び背面４２２の受圧面積を表し、ディスプレーサ３２の上記断面積は、ディスプレーサ３２の前面３２１及び背面３２２の受圧面積よりも大きい。従って、補助ピストン４２の受圧面積は、ディスプレーサ３２の受圧面積よりも大きい。

また、圧縮シリンダ２１の内部空間、膨張シリンダ３１の内部空間、補助シリンダ４１の内部空間、及びそれに連通する全ての空間には、作動ガスが封入される。作動ガスは圧縮性であり、且つ、極低温状態で液化しないものが良い。一例として、ヘリウムガスが、作動ガスとして例示できる。

上記構成の蓄冷式冷凍機１の作動について説明する。図略の交流電源からリニアモータ固定子２３２のコイルに交流電力が供給されると、電磁誘導によりリニアモータ固定子２３２の回りに向きが周期的に逆となる磁界が発生する。この発生磁界はリニアモータ固定子２３２の内周側に配置されたリニアモータ可動子２３１が備える永久磁石により形成される磁界と干渉し、リニアモータ可動子２３１をその軸方向に往復させる推力となる。このようにして推力を得たリニアモータ可動子２３１は、圧縮シリンダ２１内で図１の上下方向に往復移動する。リニアモータ可動子２３１の往復移動の周波数は、電源周波数である駆動周波数（運転周波数）に等しい。

リニアモータ可動子２３１の往復移動に伴い、第一連結ロッド２５を介してリニアモータ可動子２３１に接続されている圧縮ピストン２２も、図１の上下方向に往復移動する。このとき圧縮ピストン２２は、一対の弾性支持部材２４，２４に弾性支持されながら、往復移動する。これにより、圧縮ピストン２２の前面２２１に面した圧縮空間Ｓ１内の作動ガスが圧力変動する。作動ガスの圧力変動の周波数は駆動周波数に等しい。

圧縮空間Ｓ１内の作動ガスの圧力変動は、圧縮側連通路３３及び膨張側連通路３４を通じて圧縮空間Ｓ１に連通している膨張シリンダ３１内の膨張空間Ｓ３に伝達される。このため膨張空間Ｓ３内の作動ガスも圧力変動する。膨張空間Ｓ３の圧力変動により膨張空間Ｓ３と中間空間Ｓ４との間で差圧が発生し、この差圧により、これらの空間の間に位置するディスプレーサ３２が駆動される。この差圧の大きさは周期的に変動するため、ディスプレーサ３２は軸方向（上下方向）に往復移動する。このときディスプレーサ３２は、圧縮ピストン２２の往復移動に対して所定の位相差を持って、同一周波数で往復移動する。

また、ディスプレーサ３２は第二連結ロッド４５を介して補助シリンダ４１内の補助ピストン４２に接続されている。従って、補助ピストン４２はディスプレーサ３２と同期して補助シリンダ４１内で往復移動する。ここで、補助ピストン４２は、一対の補助弾性支持部材４４，４４に弾性支持されている。従って、補助ピストン４２及びディスプレーサ３２は、一対の補助弾性支持部材４４，４４に弾性支持されながら、往復移動する。

上記のようにして所定の位相差を持って圧縮ピストン２２とディスプレーサ３２が往復移動した場合、圧縮空間Ｓ１内の作動ガスは圧縮空間Ｓ１内で圧縮された後に圧縮側連通路３３に流れ、圧縮側連通路３３の途中の放熱器３６にて放熱される。放熱器３６にて放熱した作動ガスはさらに蓄冷器３５の高温端３５１から蓄冷器３５内の充填空間に流れる。この蓄冷器３５内の充填空間にて作動ガスは蓄冷材から冷熱を与えられて冷却される。その後作動ガスは蓄冷器３５の低温端３５２から膨張側連通路３４に流れ、さらに膨張側連通路３４から膨張空間Ｓ３に至る。

膨張空間Ｓ３に導入された作動ガスは、膨張空間Ｓ３にて膨張されることによりさらに冷却される。膨張空間Ｓ３にて膨張された作動ガスは、その後、膨張側連通路３４、蓄冷器３５の充填空間、放熱器３６、圧縮側連通路３３を経由して、圧縮空間Ｓ１に移送される。この移送過程で作動ガスは蓄冷器３５内の充填空間にて蓄冷材に冷熱を奪われるとともに放熱器３６にて熱を外部に放散する。

上記したような冷凍サイクルが繰り返し行われることにより膨張空間Ｓ３にて冷熱が発生する。発生した冷熱は、膨張シリンダ３１の壁面のうち膨張空間Ｓ３回りを構成する壁面に接触した被冷却体の冷却に供される。

本実施形態の蓄冷式冷凍機１のように、差圧によってディスプレーサ３２が往復駆動する場合、ディスプレーサ振動系（ディスプレーサ３２及びそれに追従して動作する可動部（補助ピストン４２、第二連結ロッド４５、第三連結ロッド４６））の共振周波数を、作動ガスの圧力変動の周波数（圧縮ピストン２２の往復周波数）に一致させるか又は可能な限り近づける必要がある。この場合、膨張空間Ｓ３の容積変動（作動ガスの変位）と圧力変動との位相差が９０°であるとき、最大の冷凍能力を発揮する。

ディスプレーサ振動系の共振周波数の調整は、従来では、ディスプレーサ３２を弾性支持する部材（例えばフレクシャ・ベアリング）の質量及び弾性係数を調整することによりなされていた。この場合、高価な弾性支持部材の使用枚数が増大する傾向にあり、それにより蓄冷式冷凍機のコストが高くなるという問題がある。

この点に関し、本実施形態に係る蓄冷式冷凍機１は、ディスプレーサ３２に同期して往復移動する補助ピストン４２を備えており、この補助ピストン４２は、ディスプレーサ３２の往復移動に伴って、補助シリンダ４１内で往復移動する。補助シリンダ４１内で補助ピストン４２が往復移動することにより、補助シリンダ４１内の補助バッファ空間Ｓ６内の作動ガスが圧縮及び膨張する。これによりガスばね力が補助ピストン４２に作用する。このガスばね力を、例えば補助ピストン４２の径の変更等により調整することにより、高価な弾性支持部材（補助弾性支持部材４４）の使用枚数を増加させることなく、ディスプレーサ振動系の共振周波数を調整して駆動周波数に近づけることができる。

また、蓄冷式冷凍機１の運転中、圧縮ピストン２２が往復移動することにより生じる圧縮空間Ｓ１内の圧力変動は、第二作動空間連通路６１を介して、補助中間空間Ｓ５に伝達される。第二作動空間連通路６１によって圧縮空間Ｓ１内の圧力変動を補助中間空間Ｓ５に伝達することにより、ディスプレーサ３２の変位を調整することができるとともに、膨張空間Ｓ３の容積変動と圧力変動との位相差を９０°により近づけて冷凍能力を高めることができる。

また、本実施形態に係る蓄冷式冷凍機１は、バッファ空間連通路６２を備える。このバッファ空間連通路６２により、圧縮側バッファ空間Ｓ２と補助バッファ空間Ｓ６が連通される。

補助バッファ空間Ｓ６内の作動ガスは、補助ピストン４２の往復移動に伴って容積変動及び圧力変動することにより、ＰＶ仕事を行う。特許文献１においては、補助バッファ空間に相当する空間が非常に小さく、また密閉空間である。この密閉空間内での作動ガスのＰＶ仕事は熱として消費されるため、エネルギー損失が発生していた。この点に関し、本実施形態では、補助バッファ空間Ｓ６内で行われたＰＶ仕事がバッファ空間連通路６２を介して圧縮側バッファ空間Ｓ２に回収される。このため補助バッファ空間Ｓ６で生じたＰＶ仕事を有効利用することができる。

図２は、蓄冷式冷凍機１を運転した場合に実行される各工程と、圧縮ピストン２２及び補助ピストン４２の位置との関係を示す模式図である。図２に示すように、蓄冷式冷凍機１を運転した場合、圧縮工程、高圧移送工程、膨張工程、低圧移送工程、が、この順で繰り返されることにより、膨張空間Ｓ３にて冷熱が発生する。

図２（ａ）に示される圧縮工程では、圧縮ピストン２２が上方移動することによって圧縮空間Ｓ１内の作動ガスが圧縮される。このとき補助ピストン４２は上死点位置から下方移動しようとしている。

圧縮工程の次に、高圧移送工程が実施される。高圧移送工程では、図２（ｂ）に示すように、圧縮ピストン２２が上死点まで上方移動するとともに補助ピストン４２が上死点から下方移動する。これにより、圧縮空間Ｓ１内の作動ガスが膨張空間Ｓ３側に移送される。このとき補助ピストン４２の下方移動により補助バッファ空間Ｓ６内の作動ガスが圧縮される。斯かる圧縮により生じる圧縮力が、バッファ空間連通路６２を介して圧縮側バッファ空間Ｓ２に伝達される。圧縮側バッファ空間Ｓ２に伝達された圧縮力は、圧縮ピストン２２を上方に押し上げる力Ｆ１として圧縮ピストン２２に作用する。上述したように高圧移送工程では、圧縮ピストン２２が上方移動するため、力Ｆ１は、圧縮ピストン２２を上方移動させるための補助力として圧縮ピストン２２に作用する。

高圧移送工程の次に、膨張工程が実施される。膨張工程では、図２（ｃ）に示すように、圧縮ピストン２２が上死点から下方移動することによって膨張空間Ｓ３内の作動ガスが膨張する。これにより膨張空間Ｓ３にて低温が生成される。また、補助ピストン４２は、下死点から上方移動しようとする。

膨張工程の次に、低圧移送工程が実施される。低圧移送工程では、図２（ｄ）に示すように、圧縮ピストン２２が下死点まで下方移動するとともに補助ピストン４２が下死点から上方移動する。これにより、膨張空間Ｓ３内の作動ガスが圧縮空間Ｓ１側に移送される。このとき補助ピストン４２の上方移動により補助バッファ空間Ｓ６内の作動ガスが膨張する。斯かる膨張により生じる膨張力が、バッファ空間連通路６２を介して圧縮側バッファ空間Ｓ２に伝達される。圧縮側バッファ空間Ｓ２に伝達された膨張力は、圧縮ピストン２２を下方に引き下げる力Ｆ２として圧縮ピストン２２に作用する。上述したように低圧移送工程では、圧縮ピストン２２が下方移動するため、力Ｆ２は、圧縮ピストン２２を下方移動させるための補助力として圧縮ピストンに作用する。

このように、バッファ空間連通路６２によって圧縮側バッファ空間Ｓ２と補助バッファ空間Ｓ６とを連通させることにより、補助バッファ空間Ｓ６内の作動ガスのＰＶ仕事が圧縮ピストン２２の駆動力の補助力として利用される。換言すれば、バッファ空間連通路６２によって圧縮側バッファ空間Ｓ２と補助バッファ空間Ｓ６とを連通させることにより、補助バッファ空間Ｓ６内の作動ガスのＰＶ仕事が回収される。このようにして補助バッファ空間Ｓ６内で生じたＰＶ仕事を有効利用することで、蓄冷式冷凍機１のエネルギー効率の低下を抑えることができる。

また、バッファ空間連通路６２によって圧縮側バッファ空間Ｓ２と補助バッファ空間Ｓ６とをつなげることにより、バッファ空間の容積が増大する。このためバッファ空間の圧力変動量を小さくすることができる。よって、バッファ空間内の作動ガスのＰＶ仕事の一部が熱として消費されたとしても、圧力変動量が小さいために消費されるエネルギーは少ない。よって、エネルギー効率をさほど低下させることがない。

また、補助ピストン４２の断面積（受圧面積）は、ディスプレーサ３２の断面積（受圧面積）よりも大きい。この場合、補助ピストン４２の往復移動により生じるガスばね力が、蓄冷器３５を作動ガスが通過する際の圧力損失により発生する力より大きくなるように、補助ピストン４２の断面積が設定されているとよい。これによれば、蓄冷式冷凍機１の運転中、補助バッファ空間Ｓ６から、蓄冷器３５の圧力損失によりディスプレーサ３２に生じる力を打ち消すような大きなガスばね力を得ることができる。このため、蓄冷器３５の圧力損失によって位相角が９０°からずれる大きさ（ずれ量）を低減することができる。よって、ディスプレーサ振動系の共振周波数を駆動周波数により近づけることができるとともに、膨張空間の容積変動と圧力変動との位相差を最適な位相差（９０°）により近づけることが可能となる。

以上のように、本実施形態に係る蓄冷式冷凍機１によれば、ディスプレーサ振動系の共振周波数を、作動ガスの圧力変動周波数に近づけることができる。また、バッファ空間連通路６２によって圧縮側バッファ空間Ｓ２と補助バッファ空間Ｓ６とを連通させることにより、補助バッファ空間Ｓ６内での作動ガスのＰＶ仕事を回収することができ、これにより、エネルギー効率の低下を抑えることができる。つまり、本実施形態によれば、エネルギー効率をさほど低下させることなく、ディスプレーサ振動系の共振周波数を駆動周波数に近づけることができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定して解釈されてはならないものである。例えば、図１に示す蓄冷式冷凍機１は、蓄冷器３５がディスプレーサ３２と分離して設けられているセパレートタイプの蓄冷式冷凍機であるが、ディスプレーサに蓄冷器が内蔵された一体型の蓄冷式冷凍機にも本発明を適用することができる。このように、本発明は、その技術思想またはその主要な特徴を逸脱しない限りにおいて、変形可能である。

１，１００…蓄冷式冷凍機、２…圧縮ユニット、２１…圧縮シリンダ、２２…圧縮ピストン、２２１…前面、２２２…背面、２２３…外周面、２３…リニアモータ（駆動源）、２３１…リニアモータ可動子、２３２…リニアモータ固定子、２４…弾性支持部材、２５…第一連結ロッド、３…膨張ユニット、３１…膨張シリンダ、３２…ディスプレーサ、３２１…前面、３２２…背面、３２３…外周面、３３…圧縮側連通路、３４…膨張側連通路、３５…蓄冷器（蓄冷手段）、３６…放熱器、４…補助ユニット、４１…補助シリンダ、４２…補助ピストン、４２１…前面、４２２…背面、４２３…外周面、４４…補助弾性支持部材、４５…第二連結ロッド、４６…第三連結ロッド、６１…第二作動空間連通路、６２…バッファ空間連通路、Ｓ１…圧縮空間、Ｓ２…圧縮側バッファ空間、Ｓ３…膨張空間、Ｓ４…中間空間、Ｓ５…補助中間空間、Ｓ６…補助バッファ空間

Claims (4)

1. 内部空間が形成された圧縮シリンダと、前記圧縮シリンダの内部空間を圧縮空間と圧縮側バッファ空間とに区画するとともに前記圧縮空間及び前記圧縮側バッファ空間の容積が変動するように往復移動可能に前記圧縮シリンダの内部空間に配設された圧縮ピストンと、前記圧縮ピストンを往復駆動させる駆動源と、前記圧縮ピストンが往復移動可能であり且つ往復移動方向とは異なる方向に移動不能であるように前記圧縮ピストンを弾性支持する弾性支持部材と、を有する圧縮ユニットと、
   内部空間が形成された膨張シリンダと、前記膨張シリンダの内部空間を膨張空間と中間空間とに区画するとともに前記膨張空間及び前記中間空間の容積が変動するように往復移動可能に前記膨張シリンダの内部空間に配設されたディスプレーサと、前記圧縮空間と前記膨張空間とを連通する第一作動空間連通路と、前記第一作動空間連通路の途中に介装され、前記圧縮空間から前記膨張空間に流れる作動ガスに冷熱を与えるとともに前記膨張空間から前記圧縮空間に流れる作動ガスから冷熱を奪う蓄冷手段と、を有する膨張ユニットと、
   内部空間が形成された補助シリンダと、前記補助シリンダの内部空間を補助中間空間と補助バッファ空間とに区画するとともに前記補助中間空間及び前記補助バッファ空間の容積が変動するように往復移動可能に前記補助シリンダの内部空間内に配設された補助ピストンと、前記補助ピストンから前記補助中間空間及び前記中間空間を通過するように延設されるとともに延設端にて前記ディスプレーサに接続した連結ロッドと、を有する補助ユニットと、
   前記圧縮側バッファ空間と前記補助バッファ空間とを連通するバッファ空間連通路と、
   を備える、蓄冷式冷凍機。
2. 請求項１に記載の蓄冷式冷凍機において、
   前記圧縮空間と前記補助中間空間とを連通する第二作動空間連通路を備える、蓄冷式冷凍機。
3. 請求項１又は２に記載の蓄冷式冷凍機において、
   前記補助ユニットは、前記補助ピストンが往復移動可能であり且つ往復移動方向とは異なる方向に移動不能であるように前記補助ピストンを弾性支持する補助弾性支持部材を備え、
   前記補助弾性支持部材が、前記補助バッファ空間内に配設される、蓄冷式冷凍機。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の蓄冷式冷凍機において、
   前記補助ピストンの断面積が前記ディスプレーサの断面積よりも大きい、蓄冷式冷凍機。

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