| 【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】スプリット式スターリング冷凍機は、コールドヘッド１３が備える熱交換器３２の重量とそれに取り付けられる機械バネ３３のバネ定数とから算出される固有振動数の、駆動周波数に対する比が０．９７〜１．３の範囲内の値となるように設計、製造される。 |
【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、前記コールドヘッドが備える熱交換器の重量とその熱交換器に取り付けられる機械バネのバネ定数とから算出される固有振動数の、前記圧縮機の駆動周波数に対する比が、０．９７〜１．３の範囲内の値となってい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、およそ１．１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、前記コールドヘッドが備える熱交換器の重量とその熱交換器に取り付けられる機械バネのバネ定数とから算出される固有振動数の、前記圧縮機の駆動周波数に対する比が、０．９７〜１．３の範囲内の値となるように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。
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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、コールドヘッドが備える熱交換器の重量とその熱交換器に取り付けられる機械バネのバネ定数とから算出される固有振動数の、駆動周波数に対する比を、０．９７〜１．３の範囲内の値、特に、約１．１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が得られることを見出した。
【０００７】なお、上記条件を満たすスプリット式スターリング冷凍機の設計は、駆動周波数をあらかじめ決定しておき、“固有振動数／駆動周波数”が、０．９７〜１．３の範囲内の値となるように固有振動数を決定するようにしても、逆に、固有振動数を予め決定ししておき、その後、駆動周波数を決定するようにしても行うことができる。また、熱交換器の固有振動数を所望の値とするためには、熱交換器の重量を変化させても、その機械バネのバネ定数を変化させても良い。ただし、駆動周波数の調整、重量の調整は、煩雑な作業となることが多いので、機械バネのバネ定数を調整することにより、上記条件が満たされるようにすることが望ましい。
【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、コールドヘッドが備えるディスプレーサ蓄冷器３２（熱交換器）の重量とそれに取り付けられるディスプレーサ制御スプリング３３（機械バネ）のバネ定数とから算出される固有振動数の、圧縮機１１の駆動周波数（通常、５０又は６０Ｈｚ）に対する比が、０．９７〜１．３の範囲内に収まるように設計、製造される。
【００１５】このような条件を課した設計に基づき製造されたスプリット式スターリング冷凍機は、従来よりも大きなＣＯＰ値を示すものとなる。以下、このことを、異なるバネ定数を有する機械バネをディスプレーサ制御スプリング３３として用いた（コールドヘッド機械振動数を変えた）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、駆動周波数に対するコールドヘッド機械振動数比がおよそ１．１以下であるときには、当該比の増大に伴い増大し、断面積比がおよそ１．１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、周波数比が０．９７〜１．３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、周波数比がおよそ１．１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分かる。
【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２０００−１２１１８９（Ｐ２０００−１２１１８９Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１２年４月２８日（２０００．４．２８） |
| 【出願番号】 |
特願平１０−２８９２２３ |
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