特許 6157394 スターリング冷凍機

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6157394

(24)【登録日】2017年6月16日

(45)【発行日】2017年7月5日

(54)【発明の名称】スターリング冷凍機

(51)【国際特許分類】

   F25B 9/14 20060101AFI20170626BHJP

   F25B 49/02 20060101ALI20170626BHJP

【ＦＩ】

   F25B9/14 520A

   F25B49/02 510A

【請求項の数】5

【全頁数】11

(21)【出願番号】特願2014-62412(P2014-62412)

(22)【出願日】2014年3月25日

(65)【公開番号】特開2015-183962(P2015-183962A)

(43)【公開日】2015年10月22日

【審査請求日】2016年8月10日

(73)【特許権者】

【識別番号】000002107

【氏名又は名称】住友重機械工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100105924

【弁理士】

【氏名又は名称】森下 賢樹

(74)【代理人】

【識別番号】100109047

【弁理士】

【氏名又は名称】村田 雄祐

(74)【代理人】

【識別番号】100109081

【弁理士】

【氏名又は名称】三木 友由

(74)【代理人】

【識別番号】100116274

【弁理士】

【氏名又は名称】富所 輝観夫

(72)【発明者】

【氏名】中野 恭介

(72)【発明者】

【氏名】平塚 善勝

(72)【発明者】

【氏名】湯本 健太

【審査官】 伊藤 紀史

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２００５／０９０７７１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００７−３０３７２１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−３１７１０８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特許第３５８３７７０（ＪＰ，Ｂ２）

【文献】 特開２００３−０７５００６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−３０４３６６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−１６０３９３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ２５Ｂ ９／１４

Ｆ２５Ｂ ４９／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

内部空間を有するディスプレーサと、
前記ディスプレーサを往復移動可能に収容する膨張機本体と、
前記ディスプレーサの内部空間に配置された温度センサとを備えることを特徴とするスターリング冷凍機。

【請求項2】

内部空間を有し、前記ディスプレーサと接続するディスプレーサロッドをさらに備え、
前記温度センサを接続する配線は、前記ディスプレーサロッドの内部空間を通って前記膨張機本体の外部に出されることを特徴とする請求項１に記載のスターリング冷凍機。

【請求項3】

内部空間を有し、前記ディスプレーサと接続するディスプレーサロッドと、
前記膨張機本体に固定され、前記ディスプレーサロッドの内部空間を通って前記ディスプレーサの内部空間まで延在するシャフトとをさらに備え、
前記温度センサは、前記シャフトに固定さ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冷凍機。

【請求項4】

前記ディスプレーサの外周部において前記ディスプレーサの長軸を中心軸とする円筒形状の領域に位置するように前記膨張機本体に備えられた蓄冷器をさらに有し、
前記温度センサは、前記蓄冷器の高温端から低温端に向かう方向の、前記蓄冷器よりもさらに奥側に備えられていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のスターリング冷凍機。

【請求項5】

作動ガスを圧縮する圧縮機と、
前記圧縮機と連動して往復移動するディスプレーサと、
前記ディスプレーサを収容し、前記ディスプレーサとの間で作動ガスの膨張空間を形成する膨張機本体と、
ディスプレーサの内部空間に配置された温度センサと、
前記温度センサから取得した温度をもとに、ディスプレーサのストロークが所定の値となるように、前記圧縮機の制御信号の入力値を制御する制御部とを備えることを特徴とするスターリング冷凍機。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、冷凍機に関し、特にスターリング冷凍機に関する。

【背景技術】

【0002】

スターリング冷凍機に関して、スターリング冷凍機の外側面に温度センサを取り付けて、スターリング冷凍機の温度を検知する技術が知られている。得られた温度情報は、例えばスターリング冷凍機を駆動するための駆動電圧の制御に利用される（特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００７−３０３７２１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、スターリング冷凍機のサイズ増加を抑えつつ、ディスプレーサの低温付近の温度を計測する技術を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0005】

上記課題を解決するために、本発明のある態様のスターリング冷凍機は、内部空間を有するディスプレーサと、ディスプレーサを往復移動可能に収容する膨張機本体と、ディスプレーサの内部空間に配置された温度センサとを備える。

【0006】

本発明の別の態様もまた、スターリング冷凍機である。このスターリング冷凍機は、作動ガスを圧縮する圧縮機と、圧縮機と連動して往復移動するディスプレーサと、ディスプレーサを収容し、ディスプレーサとの間で作動ガスの膨張空間を形成する膨張機本体と、ディスプレーサの内部空間に配置された温度センサと、温度センサから取得した温度をもとに、ディスプレーサのストロークが所定の値となるように、圧縮機の制御信号の入力値を制御する制御部とを備える。

【0007】

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

【発明の効果】

【0008】

本発明によれば、スターリング冷凍機のサイズ増加を抑えつつ、ディスプレーサの低温付近の温度を計測する技術を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本発明のある実施形態に係るスターリング冷凍機を概略的に示す図である。

【図2】本発明のある実施形態に係るスターリング冷凍機の膨張機を概略的に示す図である。

【図3】本発明の別の実施形態に係るスターリング冷凍機の膨張機を概略的に示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

一般にスターリング冷凍機は、熱の進入を抑えるために、真空容器に収容して運用される。このためスターリング冷凍機の外側面に温度センサを取り付けた場合、温度計測用の配線を真空容器の外部に出すことが必要となる。これを実現するには、真空容器における配線の出入り口に気密性の配線導入端子等を設ける。

【0011】

冷凍機の構造上、この気密性の配線導入端子は真空容器が備えるフランジに設けるのが一般的である。配線導入端子をフランジに設けるとフランジのサイズが大きくなり、スターリング冷凍機のサイズおよび重量が増加する。また、配線および温度センサーを介して真空容器の外部から伝導熱が進入する恐れもある。そこで本発明のある実施形態に係るスターリング冷凍機は、ディスプレーサが内部空間を備えており、当該内部空間に温度センサが配置されている。

【0012】

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。なお、説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。また、以下に述べる構成は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。

【0013】

図１は、本発明のある実施形態に係るスターリング冷凍機１０を概略的に示す図である。スターリング冷凍機１０は、圧縮機１１、接続管１２、及び膨張機１３を備える。

【0014】

圧縮機１１は、圧縮機ケース１４を備える。圧縮機ケース１４は、高圧の作動ガスを気密に保持するよう構成されている圧力容器である。作動ガスは例えばヘリウムガスである。また、圧縮機１１は、圧縮機ケース１４に収容されている圧縮機ユニットを備える。圧縮機ユニットは圧縮機ピストン及び圧縮機シリンダを備えており、それらのうち一方は圧縮機ケース１４の中で往復移動するよう構成されている可動部材１５であり、他方は圧縮機ケース１４に固定されている静止部材である。圧縮機ユニットは、可動部材１５の中心軸に沿う方向に可動部材１５を圧縮機ケース１４に対して移動させるための駆動源を備える。圧縮機１１は、可動部材１５の往復移動を可能とするように可動部材１５を圧縮機ケース１４に支持する支持部１６を備える。可動部材１５は、ある振幅及び周波数で圧縮機ケース１４及び静止部材に対し振動する。この結果、圧縮機１１内の作動ガスの容積も、特定の振幅および周波数で振動する。

【0015】

圧縮機ピストンと圧縮機シリンダとの間に作動ガス室が形成されている。この作動ガス室は、上述の静止部材及び圧縮機ケース１４に形成されている連通路を通じて、接続管１２の一端に接続されている。接続管１２の他端は、膨張機１３の作動ガス室へと接続されている。こうして接続管１２により、圧縮機１１の作動ガス室が膨張機１３の作動ガス室に接続される。

【0016】

膨張機１３は、図２を参照して後述するように、膨張機本体２０、ディスプレーサ２２、及び支持部４０を備える。

【0017】

図２は、本発明のある実施形態に係る膨張機１３を概略的に示す図である。図２には膨張機１３の内部構造の概略を示す。

【0018】

膨張機１３は、膨張機本体２０及びディスプレーサ２２を備える。膨張機本体２０は、高圧の作動ガスを気密に保持するよう構成されている圧力容器である。ディスプレーサ２２は、膨張機本体２０の中で往復移動するよう構成されている可動部材である。また、膨張機１３は、ディスプレーサ２２の往復移動を可能とするようにディスプレーサ２２を膨張機本体２０に支持する少なくとも１つの支持部４０を備える。

【0019】

膨張機本体２０は、第１区画２４及び第２区画２６を備える。第１区画２４は、膨張機本体２０とディスプレーサ２２との間に形成される作動ガスの膨張空間２８を含む。膨張空間２８に隣接する膨張機本体２０の部分には、対象物を冷却するための冷却ステージ２９が設けられている。第２区画２６は、弾性部材３０を介してディスプレーサ２２を膨張機本体２０に支持するよう構成されている。

【0020】

膨張機本体２０のうち、第１区画２４側の一部は、図示しない真空容器に収容される。フランジ４７は、真空容器内部の真空層と真空容器外部の大気層とを分離する。

【0021】

第２区画２６は、ディスプレーサ２２の往復移動方向（図において矢印Ｃで示す）において第１区画２４と隣接する。第２区画２６と第１区画２４との間にはシール部２５が設けられており、これにより第２区画２６は第１区画２４から仕切られている。よって、第１区画２４における作動ガスの圧力変動は、第２区画２６に伝わらないか、または第２区画２６における作動ガスの圧力にあまり影響しない。なお、第２区画２６は、圧縮機１１から送られる作動ガスの平均圧力と同等の圧力となるように、作動ガスと同種のガスが封入されている。

【0022】

ディスプレーサ２２は、第１区画２４に収容されているディスプレーサ本体３２と、ディスプレーサロッド３４と、を備える。ディスプレーサロッド３４は、ディスプレーサ本体３２より細い軸部である。ディスプレーサ２２はその往復移動方向に平行である中心軸を有しており、ディスプレーサ本体３２及びディスプレーサロッド３４はディスプレーサ２２の中心軸に同軸に設けられている。ディスプレーサ２２は内部空間を有しており、作動ガスと同種のガスで満たされている。ディスプレーサ２２は内部空間には、スターリング冷凍機１０が発生する寒冷の温度を計測するための温度センサが配置されている。なお、温度センサの詳細は後述する。

【0023】

ディスプレーサロッド３４は、ディスプレーサ本体３２からシール部２５を通って第２区画２６へと延在する。ディスプレーサロッド３４は、ディスプレーサ２２の往復移動を可能とするよう第２区画２６において膨張機本体２０により支持される。上述のシール部２５は例えば、ディスプレーサロッド３４と膨張機本体２０との間に形成されるロッドシールであってもよい。なお、ディスプレーサロッド３４もディスプレーサ２２と同様に内部空間を有している。ディスプレーサロッド３４はディスプレーサ本体３２と接続しており、ディスプレーサ２２の内部空間と連通している。

【0024】

第１区画２４は、ディスプレーサ本体３２を囲むシリンダ部を形成する。このシリンダ部の底面とディスプレーサ本体３２の端面との間に膨張空間２８が形成されている。膨張空間２８は、ディスプレーサ２２の往復移動方向においてディスプレーサ本体３２とディスプレーサロッド３４との接合部とは反対側に形成されている。この接合部とシール部２５との間には、接続管１２に接続されるガス空間３６が形成されている。

【0025】

膨張機本体２０のシリンダ部の側面には、ディスプレーサ本体３２の外周部に位置するように、蓄冷器３８が取り付けられる。より具体的には、蓄冷器３８は、ディスプレーサ本体３２の外周部においてディスプレーサ２２の長軸を中心軸とする円筒形状の領域に位置するように、膨張機本体２０のシリンダ部の側面に備えられる。蓄冷器３８は例えば、金網の積層構造を備える。膨張空間２８とガス空間３６との間の作動ガスの流通は蓄冷器３８を通じて可能である。

【0026】

蓄冷器３８とガス空間３６の間には、水冷式熱交換器３７が設けられる。水冷式熱交換器３７は、圧縮機１１から供給された作動ガスを冷却し、その熱を膨張機１３の外部へ放出するための熱交換を実現する。また蓄冷器３８と冷却ステージ２９との間には、低温熱交換器３９が取り付けられる。

【0027】

膨張機１３は、ディスプレーサ２２の往復移動方向における複数の異なる位置で、ディスプレーサ２２の往復移動を可能とするようディスプレーサ２２を膨張機本体２０に支持する。そのために、膨張機１３は２つの支持部４０を備える。これら２つの支持部４０は第２区画２６に設けられている。このようにして、中心軸に対するディスプレーサ２２の傾動を抑制することができる。

【0028】

支持部４０は上述の弾性部材３０を備える。弾性部材３０は、ディスプレーサ２２が中立位置から変位するときディスプレーサ２２に弾性的復元力が作用するように、ディスプレーサロッド３４と膨張機本体２０との間に配設されている。これにより、ディスプレーサ２２は、弾性部材３０のバネ定数、作動ガスの圧力に起因するバネ定数、およびディスプレーサ２２の重量から定まる固有振動数で往復移動する。

【0029】

弾性部材３０は例えば、少なくとも１つの板バネを含むバネ機構を備える。板バネはフレクシャバネとも呼ばれるバネであり、ディスプレーサ２２の往復移動方向に柔軟であり、往復移動方向に垂直な方向に剛である。このような板バネは、例えば特開２００８−２１５４４０号公報に開示されている。この文献を参照によりその全体を本願明細書に援用する。したがって、弾性部材３０により、ディスプレーサ２２はその中心軸に沿う方向への移動が許容されているが、それと直交する方向への移動は規制されている。ディスプレーサロッド３４は、弾性部材取付部５１を介して弾性部材３０に固定される。

【0030】

このようにして、ディスプレーサ２２と弾性部材３０とからなる振動系が構成されている。この振動系は、圧縮機１１の可動部材１５の振動と同一の周波数で当該振動と位相差を有してディスプレーサ２２が振動するよう構成されている。ディスプレーサ２２は、圧縮機１１の可動部材１５の振動によって生じる作動ガス圧力の脈動によって駆動される。ディスプレーサ２２及び圧縮機１１の可動部材１５の往復動によって膨張空間２８と圧縮機１１の作動ガス室との間に逆スターリングサイクルが形成される。こうして、膨張空間２８に隣接する冷却ステージが冷却され、スターリング冷凍機１０は対象物を冷却することができる。

【0031】

続いて実施の形態に係るスターリング冷凍機１０の温度を計測する温度センサについて説明する。

【0032】

上述したように、実施の形態に係るディスプレーサ２２は作動ガスと同種のガスが満たされた内部空間を有する。ディスプレーサ２２を中空にすることにより、ディスプレーサ２２が軽量化され、スターリング冷凍機１０自体の軽量化にも資する。また、ディスプレーサ２２の内部空間を作動ガスと同種のガスで満たすのは、何らかの原因でディスプレーサ２２の内部の気体が第１区画２４または第２区画２６に流出したとしても、それによって作動ガスが汚染されることが防止できるからである。

【0033】

実施の形態に係るスターリング冷凍機１０は、ディスプレーサ２２の内部空間に、温度センサ４４を配置する。また、温度センサ４４に接続する温度計測用の配線４５は、ディスプレーサロッド３４の内部空間を通って、第２区画２６側から膨張機本体２０の外部に出される。温度センサ４４は、例えば測温抵抗体（Resistance Temperature Detector; RTD）、サーミスタ、熱伝対（thermocouple）、または輻射温度計等、既知の既述を用いて実現できる。配線４５は、ディスプレーサ２２に伴って往復移動する温度センサ４４と接続される。このため、配線４５は可撓性のある配線である。配線４５は、ディスプレーサ２２が下死点（最も低温側に移動した地点）に位置するときに弛みをもつ程度の長さである。

【0034】

上述したように、膨張機本体２０の第２区画２６は、圧縮機１１から送られる作動ガスの平均圧力と同等の圧力となるように、作動ガスと同種のガスが封入されている。したがって、配線４５は気密性の配線導入端子４６を介して膨張機本体２０の外部に出される。配線導入端子４６は、例えば既知のハーメチックコネクタを用いて実現できる。

【0035】

ここで「ディスプレーサ２２の内部空間」は、ディスプレーサ２２の外表面の内側を意味する。したがってディスプレーサ２２の内部空間は、ガスが満たされた中空の領域のみならず、ディスプレーサ２２の壁の内部も含む。図２は、温度センサ４４がディスプレーサ２２の内表面に取り付けた場合を示す図であるが、温度センサ４４は、ディスプレーサ２２の壁の内部に埋め込まれてもよい。

【0036】

ここで「スターリング冷凍機１０の温度」は、スターリング冷凍機１０の寒冷が発生する膨張空間２８の作動ガスの温度を意味する。したがって、温度センサ４４は膨張空間２８内、すなわちディスプレーサ２２の膨張空間２８側の外表面や冷却ステージ２９の膨張空間２８側の外表面に設けることができれば、スターリング冷凍機１０の温度を精度よく検出できる。しかしながら、ディスプレーサ２２は膨張機本体２０内で往復移動するため、ディスプレーサ２２が下死点にあるときはディスプレーサ２２と冷却ステージ２９とが近接する。また、ディスプレーサ２２と膨張機本体２０との間のクリアランスは狭く、配線４５を通すのが難しい。このため、温度センサ４４を膨張空間２８内に配置するのは困難である。

【0037】

以上の理由から、温度センサ４４は、ディスプレーサ２２の内部空間のうち、蓄冷器３８の高温端から低温端に向かう方向の蓄冷器３８よりもさらに奥側に備えられている。言い換えると、温度センサ４４は、ディスプレーサ２２の往復移動方向について、常に蓄冷器よりも冷却ステージの近くに位置する。好ましくは、温度センサ４４は、ディスプレーサ２２の内部空間のうち、膨張空間２８と隣接する領域に配置されるのがよい。これにより、膨張空間２８の作動ガスの温度をより精度よく検出することが可能となる。

【0038】

このように、実施の形態に係るスターリング冷凍機１０は、ディスプレーサ２２が中空となっていることを利用して、その内部空間に温度センサ４４を配置する。温度センサ４４が図示しない真空容器内に配置されないので、配線４５が真空層と大気層との境界となるフランジ４７を通過することもない。したがって、フランジ４７に気密性の配線導入端子を取り付ける必要もないので、フランジ４７のサイズの増加を抑制できる。

【0039】

図２は、温度センサ４４をディスプレーサ２２の内壁に取り付ける場合の例を示した図である。この他にも、温度センサ４４をディスプレーサ２２の内壁に接触させずに配置することもできる。以下この場合について説明する。

【0040】

図３は、本発明の別の実施形態に係るスターリング冷凍機１０の膨張機１３を概略的に示す図である。以下、図２に示す膨張機１３と重複する記載については、適宜省略または簡略化して説明する。

【0041】

図３に示す膨張機１３は、膨張機本体２０の第２区画２６の内壁に固定された固定部材４８を備える。固定部材４３は、ディスプレーサロッド３４の内部空間を通ってディスプレーサ２２の内部空間まで延在するシャフト４９を固定して支持する。温度センサ４４は、シャフト４９の内部空間側の端部に固定される。図示はしないが、温度センサ４４に接続する温度計測用の配線４５は、シャフト４９の内部を通るか、シャフト４９に巻き付けられて膨張機本体２０の外部に出される。シャフト４９は、例えば樹脂パイプを用いて実現できる。

【0042】

図３に示すように、温度センサ４４はシャフト４９および固定部材４８を介して膨張機本体２０に固定され、ディスプレーサ２２には固定されない。このため温度センサ４４および配線４５はディスプレーサ２２から独立しており、これらはディスプレーサ２２の往復移動に伴って動くことがない。温度センサ４４をディスプレーサ２２の内壁に取り付ける場合と比較すると可動部が少なくなるため、配線４５の断線や温度センサ４４の故障率を減少することができる。

【0043】

ここで上述したように、スターリング冷凍機１０が定常状態となったとき、ディスプレーサ２２は弾性部材３０のバネ定数、作動ガスの圧力に起因するバネ定数、およびディスプレーサ２２の重量から定まる固有振動数で往復移動する。このためディスプレーサ２２の重量の変化は、ディスプレーサ２２の往復の周期にも影響を与える。図３に示す膨張機１３は、温度センサ４４がディスプレーサ２２に固定されないため、温度センサ４４によってディスプレーサ２２の重量が増加することもない。したがって、ディスプレーサ２２の往復の周期にも影響を与えることなく、温度センサ４４を設置することができる。

【0044】

図３に示すに示す温度センサ４４も、図２に示す温度センサ４４と同様に、ディスプレーサ２２の内部空間のうち、膨張空間２８と隣接する領域に配置されるのがよい。ここでディスプレーサ２２が上死点（最も高温側に移動した地点）にあるとき、ディスプレーサ２２の内壁は温度センサ４４に最も接近する。そこで、シャフト４９の長さは、ディスプレーサ２２が上死点にあるときに温度センサ４４がディスプレーサ２２の内壁と衝突しないような長さとする。これはディスプレーサ２２のストローク長、ディスプレーサ２２の内部空間の軸方向の長さ、膨張区本体の長手方向の長さ等を考慮することで適宜定めればよい。

【0045】

以上のように、図３に示す膨張機１３も、ディスプレーサ２２が中空となっていることを利用して、その内部空間に温度センサ４４を配置する。温度センサ４４が図示しない真空容器内に配置されないので、配線４５が真空層と大気層との境界となるフランジ４７を通過することもない。したがって、フランジ４７に気密性の配線導入端子を取り付ける必要もないので、フランジ４７のサイズの増加を抑制できる。

【0046】

以上、スターリング冷凍機１０の膨張機１３における温度センサ４４の設置場所について説明した。実施の形態に係るスターリング冷凍機１０は、温度センサ４４が検出した温度情報を用いて圧縮機１１の動作を制御する。以下、このことについて説明する。

【0047】

上述したように、圧縮機１１は可動部材１５を備えており、この可動部材１５がある振幅及び周波数で圧縮機ケース１４及び静止部材に対し振動する。この結果、作動ガスの容積も、特定の振幅および周波数で振動する。作動ガスは接続管１２を介して膨張機１３に流入する。ディスプレーサ２２は、圧縮機１１の可動部材１５の振動によって生じる作動ガス圧力の脈動によって駆動される。

【0048】

スターリングサイクルにおいては、圧縮機１１内の可動部材１５と膨張機１３内のディスプレーサ２２とが調和振動をする、すなわち、圧縮機１１内の作動ガスの容積変動と膨張空間２８の容積変動とが調和振動をしても、以下の３つの条件が成立すれば、系内の作動ガスに圧力変動が生じることが知られている。
条件１：圧縮機１１内の作動ガスの容積変動の変位と、膨張空間２８の容積変動の変位とが異なる。
条件２：圧縮機１１内の作動ガスの容積変動の変位の位相と、膨張空間２８の容積変動の変位の位相とが異なる。
条件３：蓄冷器３８の両端に温度差がある。
上記の条件が成立すると、作動ガスの圧力変動は非調和振動となることが知られている。

【0049】

ディスプレーサ２２は、スターリング冷凍機１０が定常状態となったときに、ディスプレーサ２２は弾性部材３０のバネ定数、作動ガスの圧力に起因するバネ定数、およびディスプレーサ２２の重量から定まる固有振動数で往復移動することは既に述べた。このため、スターリング冷凍機１０を始動させた直後は、蓄冷器３８の両端に温度差が実質的にない場合があり、作動ガスの圧力変動が生じていない期間が生じる可能性がある。このような期間では、作動ガスの圧力に起因するバネがないか、少なくともそのバネ定数が小さいため、ディスプレーサ２２のストローク長が長くなる。結果として、ディスプレーサ２２が膨張機本体２０の内壁に衝突してしまうかもしれない。したがって、蓄冷器３８の両端に温度差が生じる前、すなわち、蓄冷器３８の低温端が十分に冷却される前は、スターリング冷凍機１０が定常状態となった場合と比較して、ディスプレーサ２２の駆動源となる作動ガス圧力を低くすることが好ましい。

【0050】

そこで実施の形態に係るスターリング冷凍機１０は、圧縮機１１内に図示しない制御部を備える。この制御部は、温度センサ４４から取得した温度をもとに、ディスプレーサ２２のストロークが所定の値となるように、圧縮機１１の制御信号の入力値を制御する。より具体的には、制御部は、温度センサ４４から取得した温度が所定の温度以上の場合は、圧縮機１１の駆動電圧を下げ、ディスプレーサ２２の駆動源となる作動ガス圧力を低くする。これにより、ディスプレーサ２２のストロークを短くし、ディスプレーサ２２が膨張機本体２０の内壁に衝突することを回避できる。

【0051】

以上説明したように、本発明のスターリング冷凍機１０によれば、スターリング冷凍機のサイズ増加を抑えつつ、ディスプレーサの低温付近の温度を計測する技術を提供することができる。

【0052】

以上、本発明を実施例にもとづいて説明した。本発明は上記実施形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。

【0053】

上記では、スターリング冷凍機１０は、ディスプレーサ２２の内部空間に温度センサ４４を備える場合について説明した。スターリング冷凍機１０は、温度センサ４４に代えて、あるいはこれに加えて、ディスプレーサ２２の内部空間に加速度センサを備えてもよい。加速度センサを取り付けることにより、圧縮機１１内の制御部は、ディスプレーサ２２のストロークを直接把握することが可能となる。

【0054】

上記では、温度センサ４４を測温抵抗体、サーミスタ、熱伝対、または輻射温度計等を用いて実現する場合について説明した。この他、ディスプレーサ２２は温度に応じて伸縮することを利用して、ディスプレーサ２２の内部空間の壁面に歪みゲージを取り付け、その歪み量からディスプレーサ２２の温度を推定してもよい。

【0055】

上記では、膨張機１３と圧縮機１１とが接続管１２で接続される場合について説明したが、膨張機１３と圧縮機１１とを一体としたスターリング冷凍機にも適用することができる。

【符号の説明】

【0056】

１０ スターリング冷凍機、 １１ 圧縮機、 １２ 接続管、 １３ 膨張機、 １４ 圧縮機ケース、 １５ 可動部材、 １６ 支持部、 ２０ 膨張機本体、 ２２ ディスプレーサ、 ２４ 第１区画、 ２５ シール部、 ２６ 第２区画、 ２８ 膨張空間、 ２９ 冷却ステージ、 ３０ 弾性部材、 ３２ ディスプレーサ本体、 ３４ ディスプレーサロッド、 ３６ ガス空間、 ３７ 水冷式熱交換器、 ３８ 蓄冷器、 ３９ 低温熱交換器、 ４０ 支持部、 ４２ 対流抑制板、 ４３ 固定部材、 ４４ 温度センサ、 ４５ 配線、 ４６ 配線導入端子、 ４７ フランジ、 ４８ 固定部材、 ４９ シャフト、 ５１ 弾性部材取付部。

【図1】

【図2】

【図3】