| 【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】金尾 憲一
【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】圧縮機１１とコールドヘッド１２とがキャピラリチューブ１３で接続されたスプリット式スターリング冷凍機を、圧縮比が、１．６〜２．２の範囲内の値となるように、設計、製造する。 |
【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、圧縮比が、１．６〜２．２の範囲内の値で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】 前記圧縮比が、およそ１．７５で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、圧縮比が、１．６〜２．２の範囲内の値となるように、前記機械バネのバネ定数を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 Performance；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、圧縮比が、１．６〜２．２の範囲内の値、特に、およそ、１．７５とすれば、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得ることができることを見出した。すなわち、通常、圧縮比が大きなほど性能が向上することが想定されるが、スプリット式スターリング冷凍機では、上記のような条件を満たすように製造することが望ましいことを見出した。
【０００７】
【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。
【０００８】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。
【０００９】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。
【００１０】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。
【００１１】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。
【００１２】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。
【００１３】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、圧縮比が、１．６〜２．２の範囲内の値となるように、設計、製造される。
【００１４】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。
【００１５】以下、このことを、圧縮比を変え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。
【００１６】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、圧縮比がおよそ１．７５以下であるときには、圧縮比の増大に伴い増大し、圧縮比がおよそ１．７５以上であるときには、圧縮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、圧縮比が、１．６〜２．２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、圧縮比をおよそ１．７５とすれば、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。
【００１７】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。
【００１８】
【発明の効果】以上、説明したように、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２０００−１２１１８８（Ｐ２０００−１２１１８８Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１２年４月２８日（２０００．４．２８） |
| 【出願番号】 |
特願平１０−２８９２２４ |
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