JP2003287309A

JP2003287309A - 冷凍機における板バネ

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Publication number: JP2003287309A
Application number: JP2002089178A
Authority: JP
Inventors: Yuichiro Suzuki; 雄一郎鈴木; Yoshitaka Ikuta; 義貴生田; Kenichi Kanao; 憲一金尾
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2002-03-27
Filing date: 2002-03-27
Publication date: 2003-10-10

Abstract

(57)【要約】【課題】スターリング冷凍機１などの板バネ１２
の疲労破損の程度を定量化し、任意の耐久性を付与可能
で、最低１０００時間ないしは４０００時間以上の運転
時間を保証することができる冷凍機における板バネを提
供すること。【解決手段】板バネ１２の材料（一般的にはステンレ
ス鋼）の疲労曲線および板バネ１２の疲労破壊試験の結
果から、板バネ１２が駆動部２６におけるストロークを
受けたときの最大応力を所定レベルに抑えることに着目
し、リニアモーター１５によりそのいずれか一方を駆動
するシリンダー１７およびピストン８と、リニアモータ
ー１５と共振系を構成する板バネ１２と、を有する駆動
部２６を往復運動させて冷媒の圧縮および膨張を行うこ
とにより冷凍を発生する冷凍機１における板バネ１２で
あって、板バネ１２が駆動部２６から駆動力を受けたと
きの最大応力を５０ｋｇｆ／ｍｍ²以下にすることを特
徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は冷凍機における板バ
ネにかかるもので、とくにガス圧縮機を備えてコールド
ヘッドに冷凍を発生させるスターリング冷凍機やパルス
管冷凍機その他の冷凍機における板バネに関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】スターリング冷凍機やパルス管冷凍機な
どは、赤外線素子、高温超電導デバイス、各種の測定
器、あるいは各種のガスなどの冷却のために使用される
が、その信頼性向上および長寿命化のためには、ヘリウ
ムガスなどの冷媒ガスの圧縮膨張室を形成するシリンダ
ーおよびピストンの間の摩耗（シール摩耗）を低減する
ことが必要である。

【０００３】従来のスターリング冷凍機では、シリンダ
ーあるいはピストンを互いに摺動し合うように駆動する
ためのその駆動部にコイルバネを用いていたため、コイ
ルバネによる片持ちによってシリンダーおよびピストン
の間の片当たりを避けられず、そのシール部分での摩耗
を回避することが困難で、冷凍機自体の寿命を短くする
要因となっていた。

【０００４】そこで、駆動部にコイルバネに代わって板
バネを採用することにより、シリンダーとピストンとの
間の接触を減らして摩耗による劣化を改善することがで
きる。ただし、冷凍機自体の長寿命化および信頼性の向
上のためには、板バネの駆動によるその破損までの耐久
性についての考察が要請されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は以上のような
諸問題にかんがみなされたもので、スターリング冷凍機
などの冷凍機の運転時間の長寿命化に対応することがで
きる冷凍機における板バネを提供することを課題とす
る。

【０００６】また本発明は、冷凍機の性能劣化を抑制可
能な板バネを用いた場合に、その板バネの疲労破損の程
度を定量化して、任意の耐久性を付与可能な冷凍機にお
ける板バネを提供することを課題とする。

【０００７】また本発明は、冷凍機の駆動部に板バネを
用いた場合に、その板バネの耐久性を保持可能な冷凍機
における板バネを提供することを課題とする。

【０００８】また本発明は、最低１０００時間ないしは
４０００時間以上の運転時間を保証することができる冷
凍機における板バネを提供することを課題とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】すなわち本発明は、板バ
ネの材料（一般的にはステンレス鋼）の疲労曲線および
板バネの疲労破壊試験の結果から、板バネが駆動部にお
けるストロークを受けたときの最大応力を５０ｋｇｆ／
ｍｍ²以下にすることに着目したもので、第一の発明
は、永久磁石、磁気回路部材および電磁コイルを有する
リニアモーターと、このリニアモーターにより、そのい
ずれか一方を駆動するシリンダーおよびピストンと、こ
のリニアモーターと共振系を構成する板バネと、を有す
る駆動部を設け、この駆動部を往復運動させて冷媒の圧
縮および膨張を行うことにより冷凍を発生する冷凍機に
おける板バネであって、上記板バネが上記駆動部から駆
動力を受けたときの最大応力を５０ｋｇｆ／ｍｍ²以下
にすることを特徴とする冷凍機における板バネである。

【００１０】第二の発明は、シリンダーと、このシリン
ダー内を往復動するとともに蓄冷材を収容したディスプ
レーサーと、このディスプレーサーを弾性的に支持する
板バネと、を有し、それぞれの位相をずらせた冷媒の供
給および上記ディスプレーサーの往復動にともなって逆
スターリングサイクルを実行し、冷凍を発生する冷凍機
における板バネであって、上記板バネが上記ディスプレ
ーサーの往復動にともなう駆動力を受けたときの最大応
力を５０ｋｇｆ／ｍｍ²以下にすることを特徴とする冷
凍機における板バネである。

【００１１】上記最大応力は、好ましくは４０ｋｇｆ／
ｍｍ²以下、あるいは３０ｋｇｆ／ｍｍ²以下、さらに好
ましくは２０ｋｇｆ／ｍｍ²であることができる。

【００１２】上記板バネには、その板厚方向に貫通し
て、対数螺旋曲線による曲線状スリットを複数本形成し
てあることができる。

【００１３】上記板バネは、その外周部分においてこれ
を固定するとともに、その内周部分において上記シリン
ダーあるいは上記ピストンのいずれか一方にこれを固定
してあることができる。

【００１４】本発明による冷凍機における板バネにおい
ては、板バネが駆動力によるストロークを受けたときの
最大応力を５０ｋｇｆ／ｍｍ²以下にするようにしたの
で、冷凍機の運転時間を最低でも１０００時間を保証す
るとともに、最大応力をパラメーターとして板バネの耐
久性を設計することができる。

【００１５】とくに第一の発明によれば、冷凍機のガス
圧縮機の駆動部に採用されている板バネの寿命を延ばす
ことができる。

【００１６】とくに第二の発明によれば、冷凍機のコー
ルドヘッドにおけるディスプレーサーを支持する板バネ
の耐久性を向上させることができる。

【００１７】

【発明の実施の形態】つぎに本発明の実施の形態による
板バネをスターリング冷凍機に組み込んだ場合を例に取
って図１ないし図１５にもとづき説明する。図１は、ス
ターリング冷凍機１の断面図であって、スターリング冷
凍機１は、ガス圧縮機２と、コールドヘッド３と、を有
する。

【００１８】ガス圧縮機２は、コールドヘッド３への冷
媒の圧縮供給作用および吸収膨張作用を行ってコールド
ヘッド３において冷凍を発生させるためのもので、圧縮
機ケース４と、図１中ほぼ王文字状に現れる固定部分と
しての中央のヘッダーユニット５と、このヘッダーユニ
ット５に組み付けている可動部分としての左右一対の可
動部ユニット６と、を有する。

【００１９】ヘッダーユニット５は、図１中横および縦
方向に現れる中間ヘッダー７と、中間ヘッダー７に取り
付けた横方向の左右一対のピストン８と、を有する。左
右一対の可動部ユニット６はそれぞれ、ヨーク９および
磁性部材１０からなる磁気回路部材１１と、左右一対の
複数枚の円形状の板バネ１２と、磁気回路部材１１、円
環状の永久磁石１３および円環状の電磁コイル１４から
なるリニアモーター１５と、電磁コイル１４のボビン部
材１６と、ボビン部材１６に取り付けたシリンダー１７
と、シリンダーヘッド１８と、を有する。

【００２０】圧縮機ケース４は、その内部にヘッダーユ
ニット５および可動部ユニット６をピストン８の軸方向
において対称的に収容している。

【００２１】ヘッダーユニット５は、中間ヘッダー７が
上下縦方向に支持部１９を有し、そのほぼ中央横方向に
左右一対のピストン８を取付けボルト２０により取り付
けているとともに、ピストン８および支持部１９の中央
部にヘリウムガスなどの冷媒のガス流路２１を形成して
いる。

【００２２】ピストン８は、シリンダーヘッド１８に対
向しており、その外周面にピストンカバー２２を設ける
とともに、シリンダー１７、およびこのシリンダー１７
に一体に取り付けてあるシリンダーヘッド１８との間に
圧縮膨張室２３を形成する。圧縮膨張室２３は、ガス流
路２１に連通する。シリンダー１７は、ボビン部材１６
とともに電磁コイル１４と一体に移動可能である。

【００２３】ヨーク９および磁性部材１０は、リニアモ
ーター１５における磁路を形成するための、たとえば鉄
製の部材であって、ヨーク９が板バネ１２の外周部分お
よび永久磁石１３を取り付けているとともに、磁性部材
１０は永久磁石１３との間に電磁コイル１４を位置させ
ている。

【００２４】シリンダー１７は、その内部にピストン８
およびそのピストンカバー２２を軸方向に相対的に移動
可能（往復摺動運動可能）に挿入し、固定状態のピスト
ン８に対してシリンダー１７が軸方向に往復動可能であ
る。なお、ガス圧縮機２の駆動タイプとしては、ピスト
ン８を移動させるピストン駆動型、およびシリンダー１
７を移動させるシリンダー駆動型があるが、図示の例
は、シリンダー駆動型である。

【００２５】板バネ１２は、導電性および弾性を有する
金属材料（たとえばステンレス材）からこれを構成し、
その外周部分を取付けボルト２４によりヨーク７に取り
付けてあるとともに、その内周部分を取付けボルト２４
によりシリンダー１７およびシリンダーヘッド１８に取
り付けてある。

【００２６】図２および図３は、板バネ１２のパターン
例を示す平面図である。図２に示す板バネ１２は、外周
側から中心方向に向かう複数本たとえば四本の曲線状ス
リット１２Ａを形成することにより、四本の弾性腕部１
２Ｂを形成してある。また、取付けボルト２４により固
定するための外周側固定部１２Ｃおよび内周側固定部１
２Ｄを有し、内周側固定部１２Ｄの内側に中心孔１２Ｅ
を形成してある。図３に示す板バネ１２は、外周側から
中心方向に向かう複数本たとえば三本の曲線状スリット
１２Ａを形成することにより、三本の弾性腕部１２Ｂを
形成してある。また、取付けボルト２４により固定する
ための外周側固定部１２Ｃおよび内周側固定部１２Ｄを
有し、内周側固定部１２Ｄの内側に中心孔１２Ｅを形成
してある。曲線状スリット１２Ａのパターンは、対数螺
旋曲線によるものが望ましく、いずれの板バネ１２も、
その弾性力によりシリンダー１７および電磁コイル１４
を軸方向において往復動可能に支持している。

【００２７】リニアモーター１５は、磁気回路部材１
１、永久磁石１３および電磁コイル１４からこれを構成
するもので、互いに対向するように永久磁石１３および
電磁コイル１４を配置してあり、板バネ１２にハンダ付
けしたリード線２５を介して、電磁コイル１４に所定周
波数の交流電流を供給可能としている。リニアモーター
１５とともに、板バネ１２、ピストン８、およびシリン
ダー１７により駆動部２６を構成し、ピストン８および
シリンダー１７の相対運動を発生させる。すなわち、電
磁コイル１４に所定周波数の交流電流を流すことによ
り、およびリニアモーター１５と共振系を形成している
板バネ１２の弾性反発力により、永久磁石１３および電
磁コイル１４を相対的に軸方向に駆動することによって
ピストン８およびシリンダー１７の相対運動を発生さ
せ、圧縮膨張室２３内の冷媒の圧力を上下させ、ガス流
路２１からガス供給管２７を介してコールドヘッド３側
に冷媒の圧力変化を所定のタイミングで供給し、コール
ドヘッド３に冷凍を発生させる。

【００２８】すなわち、コールドヘッド３は、シリンダ
ー２８と、このシリンダー２８内を往復動するとともに
蓄冷材２９を収容したディスプレーサー３０（ピスト
ン）と、このディスプレーサー３０を弾性的に支持する
バネ材３１と、を有し、それぞれの位相をずらせた冷媒
の供給（圧縮膨張）およびディスプレーサー３０の往復
動にともなって逆スターリングサイクルを実行し、冷凍
を発生する。このバネ材３１は、ディスプレーサー３０
のシャフト３２を弾性的に支持しており、コイルバネは
もとより、上述と同様の板バネ１２を採用することがで
きる。すなわち、ディスプレーサー３０の往復動にとも
なう駆動力を受けたときに、バネ材３１が弾性変形する
ものである。さらにコールドヘッド３は、ガス圧縮機２
に設けたと同様のリニアモーター１５を有してもよい。

【００２９】こうした構成のスターリング冷凍機１にお
いて、上述のように、駆動部２６におけるリニアモータ
ー１５の作用により、板バネ１２がシリンダー１７をそ
の軸方向に駆動し、ピストン８との相対ポンプ作用によ
って、圧縮膨張室２３内の冷媒ガスを圧縮および膨張さ
せ、ガス流路２１およびガス供給管２７を介してコール
ドヘッド３に供給し、冷凍を発生させる。

【００３０】本発明は、この板バネ１２が破断するまで
の時間ないしは繰返し回数を、板バネ１２に発生する応
力（最大応力）をパラメーターとして定量的に把握し、
その設計の基準を確立しようとするものである。

【００３１】まず、図４は、バネ材料の疲労曲線を示す
グラフであって、バネ材料のテストサンプルの５０％
（すなわち１００個のうちの５０個）が故障するまでの
繰返し回数に対する応力の関係を示している。例示して
いるバネ材料は、ステンレス鋼（ＳＵＳ３０１）、およ
びベリリウム銅（ＢｅＣｕ）である。ただし、ステンレ
ス鋼（ＳＵＳ３０１）については、Ｒ．Ｎ．Ｗｒｉｇｈ
ｔによる、”ＴｈｅＨｉｇｈＣｙｃｌｅＦａｔｉ
ｇｕｅＳｔｒｅｎｇｔｈｏｆＣｏｍｍｅｒｃｉａｌ
ＳｔａｉｎｌｅｓｓＳｔｅｅｌＳｔｒｉｐ”、Ｍ
ａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈ
ｎｏｌｏｇｙ、２２（１９７６）２２３−２３０の文
献を参照し、ベリリウム銅（ＢｅＣｕ）については、日
本ガイシ（株）のカタログを参照した。図中、繰返し回
数は、バネ材料に繰り返し外力を加えて内部に応力を発
生させる回数である。

【００３２】本発明は、図４のグラフから、板バネ１２
としての耐久性を、最大応力に対する破断までの繰返し
回数（時間に換算可能）で把握することに着目した。図
４のグラフからは、応力が小さいほど繰返し回数が多い
こと、すなわち、応力が小さいほど、耐久性ないし寿命
が長いことがわかる。ただし、図４のグラフでは、繰返
し回数が１．０Ｅ＋０８（１０×１０⁸、以下同様）を
こえるデータがないため、図４に仮想線で示すように、
繰返し回数がより小さいように応力を得ることができる
ように、すなわち、安全方向にグラフの曲線を仮想的に
引いて、同グラフから読み取ると、ステンレス鋼では、
応力が３０ｋｇｆ／ｍｍ²以下で、またベリリウム銅で
は、１８ｋｇｆ／ｍｍ²以下で繰返し回数が１．０Ｅ＋
０８以上の繰り返し応力ではテストサンプルの５０％が
疲労破壊を起こしてしまうと推測されるが、実際の板バ
ネ１２に応用可能であるかは不明である。

【００３３】ところで、図２および図３に示すような複
数本の曲線状スリット１２Ａを形成した板バネ１２の応
力を実際に計測することは事実上不可能であり、有限要
素解析の手法を用い、かつこの解析に必要な諸条件を設
定して板バネ１２の最大応力およびバネ定数などを計算
した。図５は、テストサンプルとして図２および図３の
板バネ１２を採用し、その最大応力および図４から予想
繰返し回数および予想破断時間の関係を求めた表であ
る。図５の表は、図４にはデータとして表示されていな
いレベルまでの繰返し回数に対応する最大応力にもとづ
く予想繰返し回数および予想破断時間を表したものであ
って、本発明は、後述する試験により、実際に応用可能
な最大応力のレベルを求めようとするものである。図５
の表中のストロークは、板バネ１２を試験機（図８にも
とづき後述）にセットして、板バネ１２を駆動するスト
ロークである。また、表中の繰返し回数（５０％）は、
たとえばテストサンプルＮｏ．１では、最大応力が５０
ｋｇｆ／ｍｍ²のときに、図４のグラフから読み取った
ものであ、予想破断時間（５０％）は、これを時間に換
算したものである。たとえばテストサンプルＮｏ．１で
は、２．０Ｅ７÷（３６００秒×５０ヘルツ）＝１１１
≒１００時間となる。５０ヘルツは、スターリング冷凍
機１（図１）における電磁コイル１４にかける交流の周
波数である。

【００３４】なお、有限要素解析のための必要条件とし
ては、板バネ１２の材質（ＳＵＳ３０１Ｋ）、板厚
（０．３ｍｍ）、曲線状スリット１２Ａの溝幅（０．４
ｍｍ）、曲線状スリット１２Ａの端部の円弧部の直径
（２ｍｍ）、さらには変位（たとえばストローク１ｍ
ｍ）などを設定し、その他の幾何学的非線形条件および
材料非線形条件を設定して実行した。

【００３５】この有限要素解析の的確性を確認するため
に、バネ定数について、有限要素解析からの計算値と、
実測の平均値とを比較した。すなわち、図６は、板バネ
１２（図２）に対する変位量と荷重との関係を示すグラ
フ、図７は、板バネ１２（図３）に対する変位量と荷重
との関係を示すグラフであって、有限要素解析によって
得られた板バネ１２の反力（計算値）と、実際に測定し
た反力の違いは、最大でも８．４％であり、この差は許
容範囲内にあるといえる。したがって、最大応力自体に
ついては、既述のように計測が事実上不可能ではある
が、最大応力についても、有限要素解析による計算が所
定の範囲で実測に沿っていると考えることができる。

【００３６】図８は、板バネ１２についての破断データ
を取るための試験機４０の断面図であって、試験機４０
は、スターリング冷凍機１（図１）における可動部ユニ
ット６と等価な機構を有している。すなわち、ヨーク９
に磁性部材１０および永久磁石１３を取り付けるととも
に、板バネ１２および運転用板バネ４１を図中左右に取
り付けて、リニアモーター１５の運転することにより、
板バネ１２に両振り運動を与え、板バネ１２の一部が破
断するまでの時間を計測する。

【００３７】図９は、試験機４０により行った破断試験
の結果、板バネ１２の破断の様子を示す平面図であっ
て、図示のように、曲線状スリット１２Ａにおけるその
外側端部、内側端部およびスリット湾曲部において破断
が発生した。

【００３８】図１０は、板バネ１２（図２、図３）につ
いて各条件で運転したときの板バネ１２の破断データを
示す表であって、定時間（１０００時間）打ち切り条件
において板バネ１２の一部が破断するまでの時間を示し
ている。表中「データ１〜データ８」および「データ１
〜データ６」は、試験機４０（図８）にセットした二枚
の板バネ１２における弾性腕部１２Ｂの合計の数に相当
するものである。なお表中、「故障数」は、試験中に破
断した板バネ１２の箇所の数である。

【００３９】つぎに、図１０の破断データをもとづき、
それぞれのテストサンプルについて、板バネ１２の最大
応力に対する、信頼率９９．５％での片側限界として故
障が発生するまでの時間すなわち、平均故障間隔時間
（ＭＴＢＦ：ＭｅａｎＴｉｍｅＢｅｔｗｅｅｎＦ
ａｉｌｕｒｅ）を求める。板バネ１２のいずれかの部分
が破断している場合（テストＮｏ．１〜Ｎｏ．５）に
は、図１１の式（１）を用いる。板バネ１２のいずれの
部分も破断していない場合（テストＮｏ．６）には、図
１１の式（２）を用いる。なお、図１１に示すＭＴＢＦ
についての計算式（１）、（２）および（３）は、北川
賢二編著、「最新信頼性試験技術総合マニュアル」（技
研情報センター）によった。χ²（ｒ，α）は、信頼度
を表す分布関数であり、χ²分布については、日本科学
技術連盟の「信頼性数値表」を用いた。

【００４０】図１２は、各テストサンプルについて上述
の各式（１）、（２）から演算した、最大応力に対する
ＭＴＢＦおよびＭＴＢＦから換算した繰返し回数を示す
定時間打ち切り寿命試験データを示す表である。図１３
は、図１２のデータから、最大応力に対するＭＴＢＦを
破断までの繰返し回数の関係で示したグラフであって、
最大応力が増加するほど、破断までの繰返し回数すなわ
ち、板バネ１２の寿命が短くなる傾向にあることがわか
る。

【００４１】ここで、板バネ１２の違いによる破断まで
の繰返し回数の違いについて考察するために、同じ最大
応力１００ｋｇｆ／ｍｍ²であって板バネ１２の形状が
異なるテストＮｏ．３および４についてその違いを調べ
る。テストＮｏ．３およびＮｏ．４について、ＭＴＢＦ
の差は、（１．７２５Ｅ＋０５）−（７．７７７Ｅ＋０
４）＝９４７３０（回）である。この回数は、テストＮ
ｏ．４の繰返し回数の５５％であり、無視可能とはいえ
ない数値である。しかしながら、最大応力が変わった場
合の違いに対して考えると、たとえば、同じ板バネ１２
であるテストＮｏ．２とＮｏ．３とは最大応力が７５ｋ
ｇｆ／ｍｍ²から１００ｋｇｆ／ｍｍ²と異なっており、
テストＮｏ．２およびＮｏ．３については、ＭＴＢＦの
差は、（５．１９４Ｅ＋０７）−（７．７７７Ｅ＋０
４）＝５．１８６Ｅ＋０７（回）である。換言すれば、
テストＮｏ．３およびＮｏ．４という板バネ１２の形状
の違いによるＭＴＢＦの差は、テストＮｏ．２およびＮ
ｏ．３という最大応力が異なる場合のＭＴＢＦの差の
０．１８％にすぎない。したがって、最大応力の相違に
よるＭＴＢＦの変化に比べれば、板バネ１２の形状は無
視してよいと考えられる。

【００４２】なお、とくにテストＮｏ．６の板バネ１２
については、最大応力を４０ｋｇｆ／ｍｍ²で運転する
ことにより、信頼率９９．５％で繰返し回数が２．０３
８Ｅ＋０８（ＭＴＢＦ＝１１００時間）を得ることがで
きた。

【００４３】つぎに図１４は、それぞれのテストサンプ
ルＮｏ．１〜Ｎｏ．６についての定数打ち切り寿命試験
データを示す表である。定数打ち切り寿命試験は、ある
テストサンプルが壊れた時点までの運転時間ＴからＭＴ
ＢＦを求めるもので、この場合のＭＴＢＦは、図１１の
式（３）から求められる。今回の定数打ち切り寿命試験
は、それぞれのテストサンプルで破断箇所の設定数、た
とえば一個所が破断するまでの時間を得る実験である。
図１４の総運転時間は、図１０のデータ１〜８における
その最短時間を８倍あるいは６倍したもので、ＭＴＢＦ
（繰り返し回数）はこれを換算したものである。

【００４４】図１５は、図１４のデータから、最大応力
に対するＭＴＢＦを破断までの繰返し回数の関係で示し
たグラフであって、図１３の場合と同様に、最大応力が
増加するほど、破断までの繰返し回数すなわち、板バネ
１２の寿命が短くなる傾向にある。なお、図１２および
図１３の定時間打ち切り寿命試験に対して、図１４およ
び図１５の定数打ち切り寿命試験では、板バネ１２に破
断が発生しない場合には運転時間が増えるため、テスト
Ｎｏ．６における最大応力４０ｋｇｆ／ｍｍ²の条件に
おいて得られる繰返し回数のＭＴＢＦが増加している。

【００４５】上述の定時間打ち切り寿命試験の結果（図
１２および図１３）から推測すると、板バネ１２の材料
としてステンレス鋼（たとえばＳＵＳ３０１など）を使
用する場合には、ＭＴＢＦ５００００時間（繰返し回数
としては、約１Ｅ＋１０）をクリアするには、有限要素
解析による最大応力値を２０ｋｇｆ／ｍｍ²以下に設定
することが必要である。また、定数打ち切り寿命試験の
結果（図１４および図１５）から推測すると、板バネ１
２に発生する最大応力値を３０ｋｇｆ／ｍｍ²以下に設
定することが必要である。ただし、通常運転に必要な４
０００時間を確保するためには、最大応力値を４０ｋｇ
ｆ／ｍｍ²以下にすれば最低でも１１００時間を確保可
能であり、継続試験の結果からは、この時間をさらに延
長して５００００時間に近づけることも可能である。さ
らに運転時間として最低でも１０００時間程度を確保す
るためには、最大応力値を５０ｋｇｆ／ｍｍ²以下にす
ればよいことがわかった。

【００４６】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、板バネに
発生する最大応力を５０ｋｇｆ／ｍｍ²以下とすること
により、板バネの寿命すなわちスターリング冷凍機など
の冷凍機の寿命を必要なレベルに確保してその信頼性を
向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態による板バネ１２を組み込
んだスターリング冷凍機１の断面図である。

【図２】同、四本の曲線状スリット１２Ａを形成した板
バネ１２のパターン例を示す平面図である。

【図３】同、三本の曲線状スリット１２Ａを形成した板
バネ１２のパターン例を示す平面図である。

【図４】同、バネ材料の疲労曲線を示すグラフである。

【図５】同、テストサンプルとして図２および図３の板
バネ１２を採用し、その最大応力および図４から予想繰
返し回数および予想破断時間の関係を求めた表である。

【図６】同、板バネ１２（図２）に対する変位量と荷重
との関係を示すグラフである。

【図７】同、板バネ１２（図３）に対する変位量と荷重
との関係を示すグラフである。

【図８】同、板バネ１２についての破断データを取るた
めの試験機４０の断面図である。

【図９】同、試験機４０により行った破断試験の結果、
板バネ１２の破断の様子を示す平面図である。

【図１０】同、板バネ１２（図２、図３）について各条
件で運転したときの板バネ１２の破断データを示す表で
ある。

【図１１】同、平均故障間隔時間（ＭＴＢＦ）を求める
ための式（１）、（２）および（３）を示す説明図であ
る。

【図１２】同、各テストサンプルについて上述の各式
（１）、（２）から演算した、最大応力に対するＭＴＢ
ＦおよびＭＴＢＦから換算した繰返し回数を示す定時間
打ち切り寿命試験データを示す表である。

【図１３】同、図１２のデータから、最大応力に対する
ＭＴＢＦを破断までの繰返し回数の関係で示したグラフ
である。

【図１４】同、それぞれのテストサンプルＮｏ．１〜Ｎ
ｏ．６についての定数打ち切り寿命試験データを示す表
である。

【図１５】同、図１４のデータから、最大応力に対する
ＭＴＢＦを破断までの繰返し回数の関係で示したグラフ
である。

【符号の説明】

１スターリング冷凍機（冷凍機、図１）２ガス圧縮機３コールドヘッド４圧縮機ケース５ヘッダーユニット６可動部ユニット７中間ヘッダー８ピストン９ヨーク１０磁性部材１１磁気回路部材（ヨーク９、磁性部材１０）１２円形状の板バネ（図２、図３）１２Ａ板バネ１２の曲線状スリット１２Ｂ板バネ１２の弾性腕部１２Ｃ板バネ１２の外周側固定部１２Ｄ板バネ１２の内周側固定部１２Ｅ板バネ１２の中心孔１３円環状の永久磁石１４電磁コイル１５リニアモーター（磁気回路部材１１、永久磁石１
３、電磁コイル１４）１６ボビン部材１７シリンダー１８シリンダーヘッド１９支持部２０取付けボルト２１ガス流路２２ピストンカバー２３圧縮膨張室２４取付けボルト２５リード線２６駆動部（ピストン８、板バネ１２、リニアモータ
ー１５、シリンダー１７）２７ガス供給管２８シリンダー２９蓄冷材３０ディスプレーサー（ピストン）３１バネ材３２ディスプレーサー３０のシャフト４０試験機（図８）４１運転用板バネ

フロントページの続き (72)発明者金尾憲一神奈川県横須賀市夏島町19番地住友重機械工業株式会社横須賀製造所内Ｆターム(参考） 3H076 AA03 AA40 BB26 BB43 BB45 CC06 CC28 CC46 CC99

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】永久磁石、磁気回路部材および電磁コ
イルを有するリニアモーターと、このリニアモーターにより、そのいずれか一方を駆動す
るシリンダーおよびピストンと、このリニアモーターと共振系を構成する板バネと、を有
する駆動部を設け、この駆動部を往復運動させて冷媒の圧縮および膨張を行
うことにより冷凍を発生する冷凍機における板バネであ
って、前記板バネが前記駆動部から駆動力を受けたときの最大
応力を５０ｋｇｆ／ｍｍ²以下にすることを特徴とする
冷凍機における板バネ。
【請求項２】シリンダーと、このシリンダー内を往復動するとともに蓄冷材を収容し
たディスプレーサーと、このディスプレーサーを弾性的に支持する板バネと、を
有し、それぞれの位相をずらせた冷媒の供給および前記ディス
プレーサーの往復動にともなって逆スターリングサイク
ルを実行し、冷凍を発生する冷凍機における板バネであ
って、前記板バネが前記ディスプレーサーの往復動にともなう
駆動力を受けたときの最大応力を５０ｋｇｆ／ｍｍ²以
下にすることを特徴とする冷凍機における板バネ。
【請求項３】前記最大応力は、好ましくは４０ｋｇｆ／ｍｍ²以下、あるいは３０ｋｇ
ｆ／ｍｍ²以下、さらに好ましくは２０ｋｇｆ／ｍｍ²であることを特徴
とする請求項１あるいは２記載の冷凍機における板バ
ネ。
【請求項４】前記板バネには、その板厚方向に貫通
して、対数螺旋曲線による曲線状スリットを複数本形成
してあることを特徴とする請求項１あるいは２記載の冷
凍機における板バネ。
【請求項５】前記板バネは、その外周部分においてこれを固定するとともに、その内周部分において前記シリンダーあるいは前記ピス
トンのいずれか一方にこれを固定してあることを特徴と
する請求項１あるいは２記載の冷凍機における板バネ。