| 【発明の名称】 |
スプリット式スターリング冷凍機およびスプリット式スターリング冷凍機の設計方法 |
| 【発明者】 |
【氏名】生田 義貴
【氏名】池谷 陽一郎
【氏名】内田 年雄
【氏名】田口 芳人
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| 【要約】 |
【課題】より大きなＣＯＰ値を有するスプリット式スターリング冷凍機を提供する。
【解決手段】スプリット式スターリング冷凍機を構成する圧縮機１１とキャピラリチューブ１３として、圧縮機１１が有する圧縮ピストン２３の断面積の、キャピラリチューブ１３の内径断面積に対する比（圧縮ピストン断面積／キャピラリチューブ内径断面積）が、１５〜４５の範囲内、より好ましくは２０〜３０の範囲内の値となるものを用いる。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 圧縮機とコールドヘッドとがキャピラリチューブで接続されたスプリット式スターリング冷凍機において、前記圧縮機が備える圧縮ピストンの断面積の、前記キャピラリチューブの内径断面積に対する比が、１５〜４５の範囲内にあることを特徴とするスプリット式スターリング冷凍機。
【請求項２】 前記比が、２０〜３０の範囲にあることを特徴とする請求項１記載のスプリット式スターリング冷凍機。
【請求項３】 圧縮機とコールドヘッドとがキャピラリチューブで接続されたスプリット式スターリング冷凍機の設計方法において、前記圧縮機の圧縮ピストンの断面積の、前記キャピラリチューブの内径断面積に対する比が、１５〜４５の範囲内の値となるように、前記圧縮機並びに前記キャピラリチューブを設計することを特徴とするスプリット式スターリング冷凍機の設計方法。
【請求項４】 圧縮機とコールドヘッドとがキャピラリチューブで接続されたスプリット式スターリング冷凍機の設計方法において、前記圧縮機の圧縮ピストンの断面積を決定した後、前記キャピラリチューブの内径断面積を、目的とするＣＯＰ値が得られるように、決定することを特徴とするスプリット式スターリング冷凍機の設計方法。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、圧縮機とコールドヘッドとがキャピラリチューブで接続された構成の、スターリングサイクルを利用した冷凍機であるスプリット式スターリング冷凍機と、その設計方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】冷凍機の一種として、スターリングサイクル（逆スターリングサイクル、カークサイクルとも称される）を利用したスターリング冷凍機と呼ばれる冷凍機が知られている。スターリング冷凍機は、圧縮機とコールドヘッドとがクランク機構で連結されたものと、連結されていないものに大別され、冷却すべき対象物が振動を嫌うものであった場合等には、後者の形態のスターリング冷凍機（スプリット式スターリング冷凍機と呼ばれている）が用いられている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】スプリット式スターリング冷凍機には、大きなＣＯＰ(Coefficient Of Performace；冷凍能力／消費電力)値を有することが望まれる。しかしながら、従来、スプリット式スターリング冷凍機の設計、製造は、半ば試行錯誤的な手順で行われていたため、そのＣＯＰ値は、最大でも２．３％程度の値となっていた。
【０００４】そこで、本発明の課題は、より大きなＣＯＰ値を有するスプリット式スターリング冷凍機を提供することにある。
【０００５】また、本発明の他の課題は、より大きなＣＯＰ値を有するスプリット式スターリング冷凍機を設計できるスプリット式スターリング冷凍機の設計方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するために鋭意研究を行った結果、本発明者らは、圧縮機が備える圧縮ピストンの断面積の、キャピラリチューブの内径断面積に対する比（圧縮ピストン断面積／キャピラリチューブ内径断面積）を、１５〜４５の範囲内の値とすれば、従来よりも高いＣＯＰ値を有するスプリット式スターリング冷凍機が得られることを見出した。特に、当該比を、２０〜３０とすれば、きわめて大きな（３％程度の）ＣＯＰ値を有するスプリット式スターリング冷凍機が得られることを見出した。
【０００７】なお、圧縮機が備える圧縮ピストンの断面積の、キャピラリチューブの内径断面積に対する比が上記範囲内に収まる圧縮機、キャピラリチューブの設計は、圧縮機を設計してから、キャピラリチューブを設計しても良く、キャピラリチューブを設計してから、圧縮機を設計してもよい。また、本発明によるスプリット式スターリング冷凍機の構成するために用いる圧縮機は、回転モータを利用したものであっても、リニアモータを利用したものであってもよい。
【０００８】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面を参照して具体的に説明する。まず、図１を用いて、本発明の一実施形態にかかるスプリット式スターリング冷凍機の構成、動作の概要を説明する。
【０００９】図示したように、実施形態のスプリット式スターリング冷凍機は、圧縮機１１とコールドヘッド（膨張器）１２とそれらを繋ぐキャピラリチューブ１３とを備える。
【００１０】圧縮機１１は、ヨーク２１と保圧容器２２と圧縮ピストン２３とピストン制御スプリング２４とを含む。ヨーク２１は、図示してあるように、圧縮ピストン２３のシリンダとして機能するような構造を有しており、圧縮ピストン２３に対して固定された可動コイル２５が挿入される環状の溝と、当該溝の外側内壁をなすように埋め込まれた永久磁石２６とを備えている。
【００１１】保圧容器２２は、ヨーク２１に固定されており、圧縮ピストン２３が収容される空間であって、ヘリウムなどの不活性ガスが充填される空間である保圧空間を形成している。また、図示は省略してあるが、保圧容器２２には、気密電源端子が設けられており、当該機密電源端子を介して、可動コイル２５は、外部電源と接続される。ピストン制御スプリング２４は、圧縮ピストン２３と保圧容器２２とを連結するように（圧縮ピストン２３を中立点に保てるように）、圧縮ピストン２３と保圧容器２２との間に設けられている。
【００１２】コールドヘッド１２は、その内部空間がシリンダとして機能するハウジング部３１と、熱交換のための蓄冷材（金網など）を収納したディスプレーサであるディスプレーサ蓄冷器３２と、ディスプレーサ蓄冷器３２を中立点に保つためのディスプレーサ制御スプリング３３を備える。
【００１３】そして、このスプリット式スターリング冷凍機は、気密電源端子を介して可動コイル２５へ交番電流を供給することによって、圧縮ピストン２３が往復動（図において左右方向の動き）をするように制御される。その結果として、圧縮空間２８と膨張空間３４と無効空間とからなるシステム空間内で、等温圧縮、等容移送，等温膨張、等容移送といった４行程からなるサイクルが繰り返され、コールドヘッド１２に取り付けられた、例えば、赤外線検出素子などの熱負荷の冷却が行われる。
【００１４】要するに、実施形態のスプリット式スターリング冷凍機の基本的な構造、動作は、従来の、リニアモータを利用した圧縮機を搭載したスプリット式スターリング冷凍機のそれらと同じものとなっている。ただし、実施形態のスプリット式スターリング冷凍機は、圧縮ピストン２３の断面積をキャピラリチューブ１３の内径断面積で割った値が、１５〜４５、好ましくは、２０〜３０の範囲内に収まるように設計、製造される。
【００１５】すなわち、スプリット式スターリング冷凍機の設計は、必要とされている冷却能力、無効空間容積等を考慮に入れて行われているが、実施形態のスプリット式スターリング冷凍機は、圧縮ピストン２３の断面積をキャピラリチューブ１３の内径断面積で割った値が、上記範囲内に収まるといった条件を付加して設計、製造される。なお、無効空間容積とは、キャピラリチューブ１３の内容積と、ディスプレーサ蓄冷器３２内の無効空間容積と、ハウジング部３１内の無効空間容積（ディスプレーサ制御スプリング３３が存在する部分の無効空間容積）等からなる容積であり、死容積とも呼ばれているものである。
【００１６】このような条件を課した設計に基づき製造された冷凍機は、従来よりも大きなＣＯＰ値を有するものとなる。
【００１７】以下、このことを、キャピラリチューブの内径断面積に対する圧縮ピストンの断面積の比（以下、断面積比と表記する）を違えて製造した幾つかのスプリット式スターリング冷凍機のＣＯＰの測定結果を示した図である図２を用いて、具体的に説明する。
【００１８】図示したように、スプリット式スターリング冷凍機のＣＯＰ値は、断面積比がおよそ２５以下であるときには、断面積比の増大に伴い増大し、断面積比がおよそ２５以上であるときには、断面積比の増大に伴い減少する。そして、前述したように、従来のスプリット式スターリング冷凍機のＣＯＰ値は、最大でも２．３％（図中に点線で示してある）であるので、この図から、断面積比が１５〜４５の範囲内の値となるように設計すれば、従来のスプリット式スターリング冷凍機よりも大きなＣＯＰ値を有するスプリット式スターリング冷凍機が得られることが分かる。また、特に、断面積比が２０〜３０の範囲内の値となるようにすれば、きわめて大きなＣＯＰ値を有するスプリット式スターリング冷凍機が得られることも確認される。
【００１９】なお、実施形態として説明したスプリット式スターリング冷凍機は、リニアモータを利用したものであったが、上記技術は、回転モータを利用したスプリット式スターリング冷凍機にも適用することができる。
【００２０】
【発明の効果】本発明のスプリット式スターリング冷凍機は、大きなＣＯＰ値を有するものとなるので、本発明によれば、消費電力がより少ない、あるいは、冷却能力がより高いスプリット式スターリング冷凍機が得られることになる。また、本発明によるスプリット式スターリング冷凍機の設計方法によれば、そのようなスプリット式スターリング冷凍機を容易に設計できることになる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００２１０７
【氏名又は名称】住友重機械工業株式会社
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| 【出願日】 |
平成１０年１０月１２日（１９９８．１０．１２） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００９８２３５
【弁理士】
【氏名又は名称】金井 英幸
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| 【公開番号】 |
特開２０００−１２１１８７（Ｐ２０００−１２１１８７Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１２年４月２８日（２０００．４．２８） |
| 【出願番号】 |
特願平１０−２８９２２２ |
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