最近気になる用語　190 スターリング冷凍機

　スターリング冷凍機という用語をどこかで聞かれたこともあると思うが，いざ，どういう冷凍機かといわれても説明 しにくいのが現実である．蓄冷型冷凍機の代表例としてのスターリング冷凍機を紹介する．
　スターリング冷凍機は，蓄冷器を介して高温部（圧縮部）と低温部（膨張部）が配置され，圧縮ピストンと膨張ピスト ンは90 度の位相を保ちつつ駆動されるのが特徴である．図１に従い，その4 つの工程を説明する．なお，実際の各工程 は連続して行われている．
　

Ⅰ（圧縮）：	圧縮ピストンが右に移動し，作動気体（主にヘリウム）を圧縮する．このときの発生した圧縮熱は，シリ ンダ周囲に配した冷却水で除去される．
Ⅱ（予冷）：	圧縮ピストンと膨張機ピストンが容積を保ったまま右に動き，圧縮ガスは蓄冷器を通ることで高圧のまま 冷却される．
Ⅲ（膨張）：	圧縮ガスは膨張ピストンを右に動かすことで膨張仕事を行い，その結果，作動気体の温度は下がり，シリ ンダ周囲から熱を奪う．
Ⅳ（昇温）：	圧縮ピストンと膨張ピストンが連動して左に動き，蓄冷器を通ることで蓄冷器を冷却しガス温度は上昇し， 1サイクルを終了する．

理想的な状態では，スターリングサイクルの効率はカルノー効率と一致する． このように非常にコンパクトなスターリング冷凍機であるが，その課題としては，以下の項目が挙げられる．
　（1）性能向上（蓄冷器）
　サイクルの性質として蓄冷器が効率に非常に大きく影響する．し かし，物質は一般的に低温になると比熱が小さくなることから最適 な蓄冷材の探求と，圧損低減と熱伝達向上を両立するための蓄冷部 形状の検討が重要である.
　（2）信頼性向上（不純物管理）
　極低温においては，作動媒体として用いられているヘリウム以外 の物質は固化してしまう．そこで，駆動部分に使用している潤滑油な どが低温部へ浸入することを防止するシールと，活性炭などによる 系内不純物除去対策が必要である．また，ヘリウムは原子が小さく非 常に漏れやすい．そこで，ピストン部のシールについても，無潤滑か つ良好なシール性を長期間にわたって保持することが求められる．
　（3）大容量化
　運転に伴い，熱はシリンダ内部に溜まる．この熱はシリンダ外壁 を通して外部へ伝わっていくが，大容量化のためシリンダ径を大き くすると内部の熱がシリンダ外周に到達しにくくなり，最終的に中 心部の熱は熱交換に寄与できなくなる．そのため実用上は，1 気筒 あたり80 K で500 W 程度の冷却が限界といわれ，大容量化には多 気筒化で対応することになり，小型高効率というスターリング冷凍 機の特長を生かしきれなくなる．
将来，超電導技術の普及や水素利用社会が広がれば，スターリン グ冷凍機などの蓄冷型冷凍機の需要の拡大が見込まれる．今後，上 記課題が克服され，更なる発展がなされていくものと期待している．

図１ スターリング冷凍機のサイクル例

　

---

「最近気になる用語」
学会誌「冷凍」への掲載巻号一覧表