JP2004069254A - スターリング冷凍機 - Google Patents

Abstract

【課題】振動発生を大幅に低減するとともに、振動低減にばらつきがなく、かつ、小型化、軽量化、低コスト化が可能なスターリング冷凍機を提供する。
【解決手段】シリンダ３を有する圧縮機Ａと、ディスプレーサー１３を内包する膨張機Ｂとがケーシング１により剛に組み立てられ一体的な構造とされたスターリング冷凍機において、シリンダ３とディスプレーサー１３は、同一軸線上でほぼ互いに接近、離反を繰り返す往復動を行うようにそれぞれ駆動されるとともに、圧縮機Ａにおける圧縮空間６と膨張機Ｂにおける膨張空間１５は、それらの内部の作動ガスが互いにスターリングサイクル上の位相差をもって動作するように配置されている。シリンダ３とディスプレーサー１３は、好ましくは、１２０〜２４０度の位相差をもって駆動される。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、スターリングサイクル（「逆スターリングサイクル」とも称される。以下、スターリングサイクルという。）を利用したスターリング冷凍機、特にリニアモーター駆動圧縮機とディスプレーサー駆動方式の膨張部を同一軸方向に配した一体構造のスターリング冷凍機に関する。
【０００２】
【従来の技術】第５図、第６図は、従来のスターリング冷凍機の概略構成を示す断面図である。
第５図において、Ａは、ケーシング内にリニアモーターＣ駆動により往復動するシリンダ３を備えた圧縮機であり、シリンダ３の作動表面４側とシリンダ３が摺動する固定軸５との間に第１圧縮空間６が形成されている。Ｂは、シリンダと同一軸上（同一軸線上）に設けられ、作動ガスの圧力変動により往復動するディスプレーサー１３を内包した膨張機Ｂであり、ディスプレーサー１３の第１作動表面１４側に膨張空間１５が形成され、ディスプレ−サーの第２作動表面１６側に第２圧縮空間１７が形成されている。圧縮機Ａと膨張機Ｂは剛に組み立てられ一体的なケーシング構造とされてスターリング冷凍機を構成している。圧縮機Ａに形成した第１圧縮空間６と膨張機Ｂに形成した第２圧縮空間１７はケーシング仕切壁２を間に挟んで配置されており、該第１圧縮空間６と第２圧縮空間１７はケーシング仕切壁２及び固定軸５に設けた連通路１０により連通されている。シリンダ３とリニアモーターＣの固定子７との間には、シリンダ用弾性部材１２が張設され、また、ディスプレーサー１３とケーシング仕切壁との間にはディスプレーサー用弾性部材が張設され、それぞれ静止時の固定位置及び運転時の中立位置を定めている。
【０００３】
リニアモーターは、従来周知の構造の往復動式のものであり、ケーシング１に固設された固定子７と圧縮機Ａのシリンダ３固設された可動子８とから構成され、可動子の往復動に伴いシリンダ３も往復動するようになっている。
ディスプレーサー１３は、その内部に蓄冷器（図示せず）を内包している。また、ディスプレーサー１３の第２作動表面１６とケーシング仕切壁２との間にはディスプレーサー用弾性部材１６が張設され、静止時の固定位置及び運転時の中立位置を定めている。
【０００４】
ディスプレーサー１３とケーシング１との摺動面間には、すきまシール１９が形成され、第２圧縮空間１７と膨張空間１５の作動ガスが摺動面間を介して流れるのを防止している。
また、ケーシング１の外部には、振動低減手段Ｄとして、バランサー用弾性部材２０と質量２１とから構成されるバランサーが設けられている。
なお、Ｅはディスプレーサー７の膨張空間１５に対向して設けた被冷却体である。
【０００５】
第６図に示す従来のスターリング冷凍機は、第５図に示すスターリング冷凍機における、圧縮機Ａに設けたシリンダ３に換えて、ピストン２３を採用したもので、リニアモーターＣの可動子２８にピストン２３を連結するとともに、ピストン２３の作動表面２４とケーシング仕切壁２との間に第１圧縮空間２６を形成したものである。ケーシング仕切壁２には、第１圧縮空間２６と第２圧縮空間１７を連通する連通孔１０’が設けられている。ピストン２３とリニアモーターの固定子２７との間には、ピストン用弾性部材１２’が張設されている。その他の構成は、第５図に示すものと同様である。
第６図に対応する先行技術文献としては、特公昭５４−２８９８０号公報、特許第２５５０６５７号公報等がある。
【０００６】
次に、前記従来のスターリング冷凍機の動作について説明する。リニアモーターＣに系の共振周波数に等しい交流電源を接続すると、シンリダ３またはピストン２３とリニアモーター可動子８，２８からなる組立体は共振状態となり、組立体は軸方向に往復動する。シリンダ３またはピストン２３の往復動は、第１圧縮空間６，２６、連通路１０または連通孔１０’、第２圧縮空間１７、ディスプレーサー１３、膨張空間１５からなる作動空間内に封入された作動ガスに周期的な圧力変化をもたらすとともに、ディスプレーサー１３はシリンダ３またはピストン２３と同一周波数で、かつ、ある適当な位相差をもって往復運動することになる。
そして、シリンダ３またはピストン２３とディスプレーサー１３が適当な位相差をもって運動するとき、作動ガスは、冷凍サイクルであるスターリングサイクルを構成し、膨張空間１５及びディスプレーサー１３に冷熱を発生する。
【０００７】
ここで、冷凍機の駆動部品である圧縮機Ａ内のシリンダ３またはピストン２３等のリニアモーター駆動部品と膨張機Ｂのディスプレーサー１３は、スターリングサイクル上、０〜９０度の範囲のある位相差で動作するようにされており、上述した従来の冷凍機では、リニアモーター駆動部品と膨張機Ｂ内のディスプレーサー１３は、同一軸上（同一軸線上）で、ほぼ同時（同時期）に、スターリングサイクル上と同じ位相差で同じ方向に往復動する。すなわち、両者は同一軸上（同一軸線上）において同じ方向の位相差をもって駆動される作動範囲が大きく、このため、冷凍機には、リアモーター駆動部品と膨張機Ｂ内のディスプレーサー１３の往復動により合成された増大した振動が発生する。この合成された振動は、冷凍機によって異なるが、例えば、０．３〜０．６Ｇにも達する。
【０００８】
この増大した振動に対処するため、従来、リニアモーター駆動部品と膨張機Ｂ内のディスプレーサー１３以外に弾性部材２０と質量２１からなるバランサー等の振動低減手段Ｄを、冷凍機に付加してこの振動を低減している。この振動低減手段Ｄとしてバランサーを採用した場合には、合成された振動はその３０％程度までに低減する。このバランサーによる振動の低減は、合成された振動が大きいため、実用的には大きなものである。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】従来のスターリング冷凍機は、その構造上、圧縮機内のリニアモーター駆動部品と膨張部内のディスプレーサーの往復動によって増大した振動を振動低減手段を付加することにより低減しているため、装置全体が大きくなり、また、その重量も重くなり、しかも、その振動低減にも限界があるという問題があった。
また、振動低減手段による振動低減特性が駆動部品の往復動の振幅により変化するため、最大の振動低減を得るためには、製作時に冷凍機毎に振動低減手段を調整しているが、冷凍機の動作中、冷凍能力調整のために入力電力を変え振動振幅を変化させるとき、振動低減手段による振動低減が小さくなる現象が生じるが、これを簡単に調整することができないという問題もあった。
【００１０】
本発明の第１の課題は、スターリング冷凍機の振動発生を大幅に低減して、バランサー等の振動低減手段を付加することなく、従来のバランサー付きスターリング冷凍機と同程度の振動の低減が図れるとともに、振動低減にばらつきがなく、かつ、小型化、軽量化、低コスト化が可能なスターリング冷凍機を提供することにある。
また、本発明の第２の課題は、バランサー等の振動低減手段を付加した場合には、従来のバランサー付きスターリング冷凍機よりさらに大幅な振動の低減が図れるとともに振動低減にばらつきがないスターリング冷凍機を提供することにある。
【００１１】
【問題を解決するための手段】本発明は、前記第１の課題を達成するために、請求項１の発明では、リニアモーター駆動によりシリンダまたはピストンを往復動させて作動ガスを圧縮する１基の圧縮機と、前記シリンダまたはピストンと同一軸上（同一軸線上）で前記作動ガスの圧力変動により往復動するディスプレーサーを内包する単数または複数の膨張機とが剛に組み立てられ一体的なケーシング構造とされたスターリング冷凍機において、前記シリンダまたはピストンと前記ディスプレーサーは、同一軸上（同一軸線上）でほぼ同時に互いに接近、離反を繰り返す往復動を行うようにそれぞれ駆動されるとともに、圧縮機における圧縮空間と膨張機における膨張空間は、それらの内部の作動ガスが互いにスターリングサイクル上の位相差をもって動作するように配置されている。
【００１２】
請求項２乃至５の発明は、請求項１の発明をさらに具体化したものであり、請求項２の発明は、前記シリンダまたはピストンと前記ディスプレーサーは、１２０〜２４０度の位相差をもって駆動されるようにされている。
【００１３】
請求項３の発明は、請求項１、２において、前記シリンダまたはピストンは、前記ケーシングの一端側に向く面が前記圧縮機の圧縮空間を形成する作動表面とされ、前記ディスプレーサーは、前記ケーシングの他端側に向く面が前記膨張機の膨張空間を形成する作動表面とされている。
【００１４】
請求項４の発明は、請求項１乃至３において、前記圧縮機の圧縮空間は、前記シリンダまたはピストンと一体に往復動する連通管を介して、前記ディスプレーサーの前記膨張空間を形成する作動表面とは反対側の前記ディスプレーサーの作動表面側に形成される圧縮空間に連通されている。
【００１５】
請求項５の発明は、請求項１乃至３において、前記圧縮機の圧縮空間は、圧縮機の駆動部品を迂回して前記ケーシング内または外に設けた迂回路を介して、前記ディスプレーサーの前記膨張空間を形成する作動表面とは反対側の前記ディスプレーサーの作動表面側に形成される圧縮空間に連通されている。
【００１６】
また、前記第２の課題を達成するため、請求項６の発明では、請求項１乃至５の発明において、前記ケーシングに振動低減手段を設けたものである。
【００１７】
【作用】請求項１乃至５の発明では、前記シリンダまたはピストンと前記ディスプレーサーがスターリングサイクルを形成する位相差をもって、同一軸上（同一軸線上）でほぼ同時（同時期）に互いに接近、離反する往復動を行うように配置されているため、互いに対向して反対方向に往復動する作動範囲が大きくなる、すなわち、往復動のサイクル中大半の範囲で互いに対向して反対方向に往復動するようになる。このため、圧縮機内のリニアモーター駆動部品の往復動によって発生する振動と前記ディスプレーサーの往復動によって発生する振動は、互いに打ち消しあうようになり、両者によって合成される振動は、圧縮機内のリニアモータ―駆動部品の往復動によって発生する振動と前記ディスプレーサーの往復動によって発生する振動の差となり、バランサー等の振動低減手段を付加することなく、発生する振動を従来のバランサー付き冷凍機と同程度のものに抑制することができる。
【００１８】
さらに、請求項２の発明では、シリンダまたはピストンとディスプレーサーが、１２０〜２４０度の位相差をもって駆動されるため、シリンダまたはピストンの往復動の１サイクル（以下、「圧縮機の往復動の１サイクル」という。）中、２／３サイクル以上の範囲でシリンダまたはピストンとディスプレーサーが互いに接近、離反を行うようになる。また、このときのスターリングサイクル上の位相差は０〜６０度となる。
【００１９】
請求項６の発明は、請求項１乃至５の発明にさらにバランサー等の振動低減手段を付加したものであり、従来のバランサー付きスターリング冷凍機に比べ、振動をさらに抑制することができる。
【００２０】
【発明の効果】請求項１乃至請求項５の発明では、シリンダとディスプレーサーがほぼ同時（同時期）に同じ方向に駆動される従来のスターリング冷凍機に比べ、スターリング冷凍機の冷凍能力に影響を及ぼすことなく、発生する振動を、従来のスターリング冷凍機にバランサーを付加したものと同程度までに低減することができる。
また、圧縮機の駆動部品及びディスプレーサーは一定の位相差を維持しながら常に同期して動作し、また両者の駆動振幅も比例するため、振動低減にばらつきがなく、冷凍機毎、動作が環境温度の違い、あるいは入力電力の大きさによらず一定の振動低減が得られる。
したがって、外部にバランサー等の振動低減手段を付加しなくても安定した振動になるため、振動により影響が懸念される装置への適用が可能となるとともに、従来のバランサー付きスターリング冷凍機に比べ、大幅な小型化、軽量化、低コスト化が可能となる。
【００２１】
さらに、請求項２の発明では、シリンダとまたはピストンとディスプレーサーが往復動する際、互いに接近、離反を行う作動範囲が広く、両者によって合成される振動を大幅に低減できるとともに、スターリングサイクル上の位相差も最適な範囲におさめることができるため、振動が少なくかつ冷凍効率がよいバランスの優れたスターリング冷凍機を提供できる。
【００２２】
さらに、請求項３の発明では、圧縮機の圧縮空間がケーシングの一端側に設けられ、膨張機の膨張空間がケーシングの他端側に設けられる構成となっているので、例えば、赤外線カメラの赤外線検出素子の冷却用として用いる場合、最適な配置となる。
【００２３】
さらに、請求項４の発明では、圧縮機の圧縮空間と膨張機の圧縮空間を連通する連通管が、リニアモーターの可動子の内部を貫通して設けられ、ケーシング内に別途、連通管のためのスペースを必要としないため、装置全体をコンパクトにすることができる。
【００２４】
さらに、請求項５の発明では、連通管が往復動をしない迂回路として構成されているため、圧縮機の駆動部品が少なく、構造を簡略化できる。
【００２５】
さらに、請求項６の発明のように、冷凍機本体にバランサー等の振動低減手段を付加することにより、前記請求項１乃至５の発明の効果とあわせ、発生する振動はさらに小さくなり、振動低減手段としてバランサーを採用した場合、発生する振動を従来のスターリング冷凍機の１０％以下とすることができる。しかも、本発明において付加される振動低減手段は従来のスターリング冷凍機の振動低減手段の１／３の大きさでよく、大幅な小型化、軽量化、低コスト化が可能となる。
【００２６】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて具体的に説明する。
【第１の実施の形態】図１は本発明の第１の実施の形態に係るスターリング冷凍機の概略断面図である。
該スターリング冷凍機は、例えば、赤外線カメラの赤外線検出素子の冷却用に用いられており、作動ガスを圧縮する圧縮機Ａと作動ガスを膨張させる膨張機Ｂを備えている。圧縮機Ａと膨張機Ｂは、同一軸上（同一軸線上）で、ケーシング仕切壁２を間に挟んでその両側にそれぞれ配置され、ケーシング１によって剛に組み立てられた一体的な構造とされている。
なお、ケーシング１は、適宜に構成され得る。例えば、圧縮機Ａと膨張機Ｂをそれぞれ別のケーシングで構成し、それらを結合して剛に一体的に組み立てるようにしてもよい。
【００２７】
圧縮機Ａは、リニアモーターＣと、リニアモーターＣ駆動により軸方向に往復動（図１において左右方向）するシリンダ３と、ケーシング１の一端側（図１において右端側）に固定されるとともに、シリンダ３内に突出して、シリンダを摺動可能に支持する固定軸５とを備えている。
ケーシング１の一端側を向くシリンダ３の表面（シリンダ内壁面）は作動ガスに対する作動表面４とされ、該シリンダの作動表面４と固定軸５との間に第１圧縮空間６が形成される。
【００２８】
リニアモーターＣは、ケーシング１に設けた固定子７と固定子７に対向するとともにシリンダ３に連結される可動子８とからなる。
リニアモーターＣを構成する固定子７と可動子８には、そのいずれか一方に永久磁石（図示せず）が設けられ、その他方に交流電源と接続される電磁コイル（図示せず）が設けられる。
【００２９】
シリンダ３には、可動子８に形成した貫通孔９を貫通するとともに可動子８に固着され、その一端が第１圧縮空間６に連通し、その他端が後述する第２圧縮空間１７に連通するパイプからなる連通管１０が設けられている。連通管１０の他端側は、ケーシング仕切壁２に設けた軸受部１１によって液密かつ摺動自在に支持されている。連通管１０は、シリンダ３と可動子８とを連結する機能を有している。また、連通管１０は一本のパイプから構成されており、連結部がないため作動ガスが漏洩するおそれがない。
さらに、シリンダ３と固定子７との間には、シリンダ用弾性部材１２が適宜張設され、静止時の固定位置及び運転時の中立位置を定めている。
なお、連通管１０は、可動子８に形成した貫通孔９と、該貫通孔９の一端と第１圧縮空間を連通する第１のパイプと、該貫通孔９の他端と第２圧縮空間１７を連通する第２のパイプとから構成するようにしてもよい。このように構成することにより圧縮機の組立、製作が容易になる。
そして、可動子８、シリンダ３、連通管１０等は、圧縮機内の駆動部品を構成している。
【００３０】
膨張機Ｂは、シリンダと同一軸上に設けられ、作動ガスの圧力変動によりケーシング１内を往復動（図１において左右方向）するディスプレーサー１３を備えている。ディスプレーサー１３は、その内部空間に蓄冷器（図示せず）を内包している。
ケーシング１の他端側（図１において左端側）を向くディスプレーサー１３の表面は作動ガスに対する第１作動表面１４とされ、該ディスプレーサーの第１作動表面１４とケーシング１の他端側との間には膨張空間１５が形成される。
また、第１作動表面１４と反対側のディスプレ−サー１３の表面は、作動ガスに対する第２作動表面１６とされ、該ディスプレーサーの第２作動表面１６とケーシング仕切壁２との間には第２圧縮空間１７が形成される。
第２圧縮空間１７は、連通管１０を介して第１圧縮空間６に連通するとともに、ディスプレーサー１３の内部空間（図示せず）及び蓄冷器を通って膨張空間１５に連通している。
そして、膨張空間１５は、ディスプレーサー１３の内部空間、蓄冷器、第２圧縮空間１７、連通管１０及び第１圧縮空間６とともに、作動ガスの作動空間を構成している。
【００３１】
また、ディスプレーサー１３とケーシング仕切壁２との間にはディスプレーサー用弾性部材１８が張設され、静止時の固定位置及び運転時の中立位置を定めている。
さらに、ディスプレーサー１３とケーシング１との摺動面間には、すきまシール１９を設け、作動ガスが該摺動面の間を通して流れるのを防止している。
【００３２】
ディスプレーサー１３は、シリンダ３に対して、同じ周波数でかつ比例した振幅巾で、しかも、ほぼ同時（同時期）に互いに接近、離反を繰り返す往復動を行う位相差、好ましくは、１２０度〜２４０度の位相差、をもって往復動するように駆動される。
なお、シリンダ３とディスプレーサー１３の上記往復動の位相差は、従来と同様にして適宜設定することができる。
【００３３】
符号Ｄは、振動低減手段を示し、本発明では必ずしも設ける必要はないが、本実施の形態では、バランサー用弾性部材２０と質量２１とからなるバランサーとして示されており、ケーシング１の外部に圧縮機及び膨張機と同一軸上（同一軸線上）に設けられている。
なお、符号Ｅはディスプレーサー１３の膨張空間１５に対向して設けた被冷却体を示す。
【００３４】
次に、本実施の形態のスターリング冷凍機の動作について説明する。
リニアモーターＣの電磁コイルに交流電源を接続すると、可動子８、シリンダ３及び連通管１０が一体となって軸方向に往復動する。シリンダ３の往復動は作動空間内に封入された作動ガスに周期的な圧力変動をもたらすとともに、ディスプレーサー１３は、シリンダ３と同じ周波数かつ比例した振幅巾で、しかも、ほぼ同時（同時期）に互いに接近、離反を繰り返す往復動を行う位相差で駆動される。
【００３５】
一方、第１圧縮空間６がシリンダ３より外側（図１においてケーシングの右端側）に配置され、膨張空間１５がディスプレーサーより外側（図１においてケーシングの左端側）に配置されていることにより、前記位相差でシリンダ３とディスプレーサー１３を駆動すると、第１圧縮空間６における作動ガスと膨張空間１５における作動ガスは、互いにスターリングサイクルを構成するのに適した位相差、例えば０〜９０度、を維持した状態で動作（圧縮及び膨張）するようになる。
この結果、作動空間内の作動ガスは、従来と同様なスターリングサイクルを構成するとともに、シリンダ３とディスプレーサー１３は、ほぼ同時（同時期）に互いに接近、離反を繰り返す運動を行うことになる。すなわち、シリンダ３とディスプレーサー１３は往復動のサイクル中、大半の範囲で互いに対向して接近、離反を繰り返す往復動を行うことになる。
【００３６】
例えば、シリンダ３とディスプレーサー１３を１２０〜２４０度の位相差をもって駆動した場合、シリンダ３とディスプレーサー１３の接近、離反運動は、圧縮機の往復動の１サイクル中、２／３サイクル以上の範囲で行われる。また、この場合、スターリングサイクル上の位相差は、０〜６０度（絶対値）となる。
【００３７】
図７に、その１例として、スターリングサイクル上の位相差が４５度の場合について、本発明のスターリング冷凍機と従来のスターリング冷凍機における、シリンダ又はピストン（圧縮機）とディスプレーサーの往復運動の位相差と、スターリングサイクル上の位相差との関係を示す（なお、図７中、圧縮機、ディスプレーサー等の動作は、接続される交流電源のサイクルと同様曲線となるが、便宜上直線で示した。）。
この図からも、従来のスターリング冷凍機では、シリンダ又はピストンとディスプレーサーが、ほぼ同時（同時期）に同一方向に４５度の位相差をもって往復動し、本発明のスターリング冷凍機では、シリンダ又はピストンとディスプレーサーが、ほぼ同時（同時期）に互いに接近、離反を繰り返す往復動を行っている（図７（ｂ）において、圧縮機の往復動の１サイクル中イ〜ロ及びハ〜ニの範囲、すなわち１サイクル中３／４サイクル）ことがわかる。ちなみに、従来のスターリング冷凍機では、シリンダ又はピストンとディスプレーサーが互いに反対方向の動きをするのは、図７（ａ）において、イ’〜ロ’及びハ’〜ニ’の範囲、すなわち１サイクル中１／４サイクルでしかない。
また、従来の冷凍機で、例えば、シリンダ３とディスプレーサー１３を１２０〜２４０度の位相差をもって駆動した場合には、冷凍機として実用的なスターリングサイクルを構成することができない。
【００３８】
このように、シリンダ３とディスプレーサー１３が、同じ周波数かつ比例した振幅巾で、しかも、ほぼ同時（同時期）、に互いに接近、離反を繰り返す往復動を行う位相差で駆動されるように構成したことにより、圧縮機Ａ内の駆動部品の往復動によって発生する振動と膨張機Ｂ内のディスプレーサー１３の往復動によって発生する振動は、互いに打ち消しあうようになる。すなわち、両者によって合成される振動は、圧縮機内の駆動部品等の往復動によって発生する振動とディスプレーサー１３の往復動によって発生する振動の差となるため、シリンダ３とディスプレーサー１３がほぼ同時（同時期）に同じ方向に駆動される従来のスターリング冷凍機に比較して、スターリング冷凍機の冷凍能力に影響を及ぼすことなく、発生する振動を従来のスターリング冷凍機にバランサーを付加したものと同程度までに低減することができる。
例えば、スターリングサイクルの位相差が３０度の場合、従来のスターリング冷凍機が発生する振動の約３０％にすることができる。
【００３９】
また、圧縮機の駆動部品及びディスプレーサー１３は一定の位相差を維持しながら常に同期して動作し、また両者の駆動振幅も比例するため、振動低減にばらつきがなく、冷凍機毎、動作が環境温度の違い、あるいは入力電力の大きさによらず一定の振動低減が得られる。
【００４０】
さらに、本実施の形態のスターリング冷凍機に、図示したようなバランサー等の振動低減手段Ｄを付加した場合、発生する振動を従来のスターリング冷凍機が発生する振動の１０％以下とすることができる。しかも、付加する振動低減手段Ｄの大きさは、従来のスターリング冷凍機の振動低減手段の約１／３でよい。
【００４１】
また、第１圧縮空間６と第２圧縮空間１７を連通する連通管１０が、リニアモーターＣの可動子８の内部を貫通して設けられ、ケーシング１内に別途、連通管１０のためのスペースを必要としないため、装置全体をコンパクトにすることができる。
【００４２】
【第２の実施の形態】図２は本発明の第２の実施の形態に係るスターリング冷凍機の概略断面図である。第１の実施の形態と異なるところは、第１の実施の形態における圧縮機のシリンダをピストンの構成に代えたことにある。ピストンを採用したことによる圧縮機の構成の変更以外は、第１の実施の形態と同一の構成であるので同一構成については説明を省略する。
【００４３】
本実施の形態における圧縮機Ａは、リニアモーターＣと、リニアモーターＣ駆動によりケーシング１内を軸方向に往復動するピストン２３とからなる。ケーシング１の一端側（図２において右端側）に向くピストン２３の表面は、作動ガスに対する作動表面２４とされ、該ピストンの作動表面２４とケーシング１の一端側との間に第１圧縮空間２６が形成される。
【００４４】
ピストン２３には、可動子２８に形成した貫通孔２９とピストン２３に形成した貫通孔２５をそれぞれ貫通するとともに可動子２８とピストン２３にそれぞれ固着され、その一端が第１圧縮空間２６に連通し、その他端が第２圧縮空間１７に連通するパイプからなる連通管３０が設けられている。該連通管３０の他端側は、ケーシング仕切壁２に設けた軸受部１１によって液密かつ摺動自在に支持されている。連通管３０は、ピストン２３と可動子２８とを連結する機能を有している。
また、連通管３０は一本のパイプから構成され、連結部がないため作動ガスが漏洩するおそれがない。
さらに、ピストン２３と固定子２７との間には、ピストン用弾性部材３１が適宜張設され、静止時の固定位置及び運転時の中立位置を定めている。
なお、連通管３０は、可動子２８とピストン２３にそれぞれ設けた貫通孔２５，２９と、可動子２８の貫通孔２９の一端とピストン２３の貫通孔２５の一端を連結する第１のパイプと、可動子２８の貫通孔２９の他端と第２の圧縮空間１７を連通する第２のパイプとから構成するようにしてもよい。このように構成することにより、圧縮機の組立、製作が容易になる。
そして、可動子２８、ピストン２３及び連通管３０等により、圧縮機Ａ内の駆動部品が構成される。
【００４５】
ディスプレーサー１３は、ピストン２３に対して、同じ周波数でかつ比例した振幅巾で、しかも、ほぼ同時（同時期）に互いに接近、離反を繰り返す往復動を行う位相差、好ましくは、１２０度〜２４０度の位相差、をもって往復動するように駆動される。
なお、ピストン２３とディスプレーサー１３の上記往復動の位相差は、従来と同様にして適宜設定することができる。
【００４６】
リニアモーターＣの電磁コイルに交流電源を接続すると、可動子２８、ピストン２３及び連通管３０が一体となって軸方向に往復動し、ディスプレーサー１３は、ピストン２３と同じ周波数かつ比例した振幅巾で、しかも、ほぼ同時（同時期）に互いに接近、離反を繰り返す往復動を行う位相差で駆動される。すなわち、ピストン２３とディスプレーサー１３は往復動のサイクル中、大半の範囲で互いに対向して接近、離反を繰り返す往復動を行うことになる。
一方、第１圧縮空間２６がピストン２３より外側に配置され、膨張空間１５がディスプレーサー１３より外側に配置されていることにより、上記位相差でピストン２３とディスペーサー１３を駆動すると、第１圧縮空間２６における作動ガスと膨張空間１５における作動ガスは、互いにスターリングサイクルを構成するのに適した位相差、例えば０〜９０度、を維持した状態で動作（圧縮及び膨張）するようになる。
【００４７】
したがって、本実施の形態におけるスターリング冷凍機は、第１の実施の形態のものとは、シリンダ３とピストン２３の点で相違する点を除けば、同様に動作して、スターリングサイクルを構成するから、第１の実施の形態のものと同様の作用効果を奏する（前記段落００３４〜００４１参照）。
【００４８】
【第３の実施の形態】図３は本発明の第３の実施の形態に係るスターリング冷凍機の概略断面図である。第１の実施の形態と異なるところは、連通管の配設にある。本実施の形態では、第１の圧縮空間と第２圧縮空間を連通する連通管をケーシング内又は外を迂回する迂回路として構成したものである。連通管の配置に伴う構成の変更以外は、第１の実施の形態と同一の構成であるので、同一構成については説明を省略する。
【００４９】
本実施の形態の圧縮機Ａは、リニアモーターＣと、リニアモーターＣ駆動により軸方向に往復動するシリンダ３３と、ケーシング１の一端側に固定されるとともにシリンダ内に突出してシリンダを摺動可能に支持する固定軸３５とを備えており、第１の実施の形態と同様に、シリンダの作動表面３４（シリンダの内壁面）と固定軸３５との間に第１圧縮空間３６が形成されている。リニアモーターＣの可動子３８は、直接あるいは連結部材（図示せず）を介してシリンダ３３に連結される。
さらに、シリンダ３３と固定子３７との間には、シリンダ用弾性部材４１が適宜張設され、静止時の固定位置及び運転時の中立位置を定めている。
そして、リニアモーターＣの可動子３８、シリンダ３３等は、圧縮機Ａ内の駆動部品を構成している。
【００５０】
固定軸３５には、貫通孔３９が形成されており、該貫通孔３９の一端は第１圧縮空間に開口し、その他端は、ケーシング１内又は外において、圧縮機Ａの駆動部品を迂回する迂回路４０を介して第２の圧縮空間１７に連通している。迂回路４０はケーシング１と一体に形成してもよいし、別体のパイプから構成してもよい。上記貫通孔３９と迂回路４０は、第１圧縮空間３６と第２圧縮空間１７を連通する連通管を構成している。
【００５１】
ディスプレーサー１３は、シリンダ３３に対して、同じ周波数でかつ比例した振幅巾で、しかも、ほぼ同時（同時期）に互いに接近、離反を繰り返す往復動を行う位相差、好ましくは、１２０度〜２４０度の位相差、をもって往復動するように駆動される。
なお、シリンダ３３とディスプレーサー１３の上記往復動の位相差は、従来と同様にして適宜設定することができる。
【００５２】
本実施の形態のスターリング冷凍機は、第１の実施の形態のものとは、連通管が往復動しない点を除けば、同様に動作してスターリングサイクルを構成し、第１の実施の形態のもの同様の作用効果を奏する（前記段落００３４〜００４０参照）。
さらに、本実施の形態では、連通管が往復動をしない迂回路４０として構成されているため、圧縮機Ａの可動部品が少なく、構造を簡略化できるという効果を有する。
【００５３】
【第４の実施の形態】図４は本発明の第４の実施の形態に係るスターリング冷凍機の概略断面図である。第２の実施の形態と異なるところは、連通管の配設にある。本実施の形態では、第１の圧縮空間と第２圧縮空間を連通する連通管をケーシング内又は外を迂回する迂回路として構成したものである。連通管の配置に伴う構成の変更以外は、第２の実施の形態と同一の構成であるので、同一構成については説明を省略する。
【００５４】
本実施の形態における圧縮機Ａは、リニアモーターＣと、リニアモーターＣ駆動によりケーシング１内を軸方向に往復動（図４において左右方向）するピストン４３とからなり、第２の実施の形態と同様に、ピストン作動表面４４とケーシング１の一端側（図４において右端側）との間に第１圧縮空間４６が形成されている。リニアモーターＣの可動子４８は、直接あるいは連結部材を介してピストン４３に連結されている。
さらに、ピストン４３と固定子４７との間には、適宜ピストン用弾性部材５０が張設され、静止時の固定位置及び運転時の中立位置を定めている。
そして、可動子４８とピストン４３等は、圧縮機内の駆動部品を構成している。
【００５５】
ケーシング１内又は外には、第１圧縮空間４６と第２圧縮空間１７を連通する連通管として、その一端が第１圧縮空間４６に連通するとともに他端が第２圧縮空間１７に連通し、かつ圧縮機Ａの駆動部品を迂回して配置される迂回路４９が設けられている。迂回路４９はケーシング１と一体に形成してもよいし、別体のパイプから構成してもよい。
【００５６】
ディスプレーサー１３は、ピストン４３に対して、同じ周波数でかつ比例した振幅巾で、しかも、ほぼ同時（同時期）に互いに接近、離反を繰り返す往復動を行う位相差、好ましくは、１２０度〜２４０度の位相差、をもって往復動するように駆動される。
なお、ピストン４３とディスプレーサー１３の上記往復動の位相差は、従来と同様にして適宜設定することができる。
【００５７】
したがって、本実施の形態におけるスターリング冷凍機は、第２の実施の形態のものとは、シリンダとピストンが相違する点を除けば、同様に動作して、スターリングサイクルを構成するから、第２の実施の形態のもの、すなわち、第１の実施の形態のものと同様の作用効果を奏する（前記段落００３４〜００４０参照）。
さらに、本実施の形態では、連通管が往復動をしない迂回路４９として構成されているため、圧縮機Ａの可動部品が少なく、構造を簡略化できるという効果を有する。
【００５８】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は、上記各実施の形態に限定されず種々の設計変更が可能であり、それらはいずれも本発明に含まれる。
例えば、上記実施の形態では、第１圧縮空間をシリンダあるいはピストンの外側に設けるとともに、膨張空間をディスプレーサーの外側に設ける構成としたが、第１圧縮空間をシリンダあるいはピストンの内側に設けるとともに、膨張空間をディスプレーサーの内側に設け、第１圧縮空間と第２圧縮空間を連通する連通管を適宜配設する構成としてもよい。
また、１基の圧縮機に対して複数の膨張機を設けた構成としてもよい。
要は、作動空間内の作動ガスが、従来と同様なスターリングサイクルを構成するとともに、シリンダとディスプレーサーが、同一軸上（同一軸線上）で、ほぼ同時（同時期）に互いに接近、離反を繰り返す運動を行う配置であれば、使用目的に応じていかなる構成もとり得る。
【００５９】
シリンダ又はピストンと可動子を別体に構成することなく、シリンダ自体又はピストン自体をリニアモーターの可動子として構成して、リニアモーターの固定子に対向させるようにしてもよい。このようにすることにより、スターリング冷凍機の長さを短くして、コンパクトな装置とすることができる。
シリンダ用弾性部材、ディスプレーサー用弾性部材及びバランサー用弾性部材は、その用途にあわせてコイルばね、板ばね等適宜のものを採用することができる。また、異なる種類のばね、例えばコイルばねと板ばね、を併用してもよい。
ディスプレーサーとケーシングとの摺動面間に設けられるシール手段は、すきまシールに限らずピストンリング等の適宜のシール手段を採用することができる。
連通管を支持する軸受部は、すきまシールで構成する等種々の手段を採用できる。また、軸受部は、ケーシング仕切壁と一体としてあるいは別体として形成できる。さらに、ケーシング仕切壁に限定されず、適宜の位置に設けることもできる。
振動低減手段Ｄは、バランサーに限らず適宜の手段を採用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るスターリング冷凍機を示す概略断面図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態に係るスターリング冷凍機を示す概略断面図である。
【図３】本発明の第３の実施の形態に係るスターリング冷凍機を示す概略断面図である。
【図４】本発明の第４の実施の形態に係るスターリング冷凍機を示す概略断面図である。
【図５】従来のスターリング冷凍機を示す概略断面図である。
【図６】他の従来のスターリング冷凍機を示す概略断面図である。
【図７】従来のスターリング冷凍機と本発明における冷凍機における、圧縮機（シリンダ又はピストン）とディプレーサーの往復動の位相差と、スターリングサイクル上の位相差との関係の１例を示す図である。
【符号の説明】
Ａ・・・圧縮機　　Ｂ・・・膨張機　　Ｃ・・・リニアモーター　　Ｄ・・・振動低減手段　　１・・・ケーシング　　３，３３・・・シリンダ　　５，３５・・・固定軸　　６，２６，３６，４６・・・第１圧縮空間　　７，２７，３７，４７・・・固定子　　８，２８，３８，４８・・・可動子　　１０，３０・・・連通管　　１３・・・ディスプレーサー　　１５・・・膨張空間　　１７・・・第２圧縮空間　　２３，４３・・・ピストン　　４０，４９・・・迂回路

Claims (6)

1. リニアモーター駆動によりシリンダまたはピストンを往復動させて作動ガスを圧縮する１基の圧縮機と、前記シリンダまたはピストンと同一軸上で前記作動ガスの圧力変動により往復動するディスプレーサーを内包する単数または複数の膨張機とが剛に組み立てられ一体的なケーシング構造とされたスターリング冷凍機において、前記シリンダまたはピストンと前記ディスプレーサーは、同一軸上でほぼ同時（同時期）に互いに接近、離反を繰り返す往復動を行うようにそれぞれ駆動されるとともに、圧縮機における圧縮空間と膨張機における膨張空間は、それらの内部の作動ガスが互いにスターリングサイクル上の位相差をもって動作するように配置されていることを特徴とするスターリング冷凍機。
2. 前記シリンダまたはピストンと前記ディスプレーサーは、１２０〜２４０度の位相差をもって駆動されることを特徴とする請求項１に記載のスターリング冷凍機。
3. 前記シリンダまたはピストンは、前記ケーシングの一端側に向く面が前記圧縮機の圧縮空間を形成する作動表面とされ、前記ディスプレーサーは、前記ケーシングの他端側に向く面が前記膨張機の膨張空間を形成する作動表面とされていることを特徴とする請求項１又は２に記載のスターリング冷凍機。
4. 前記圧縮機の圧縮空間は、前記シリンダまたはピストンと一体に往復動する連通管を介して、前記ディスプレーサーの前記膨張空間を形成する作動表面とは反対側の前記ディスプレーサーの作動表面側に形成される圧縮空間に連通されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のスターリング冷凍機。
5. 前記圧縮機の圧縮空間は、圧縮機の駆動部品を迂回して前記ケーシング内又は外に設けた迂回路を介して、前記ディスプレーサーの前記膨張空間を形成する作動表面とは反対側の前記ディスプレーサーの作動表面側に形成される圧縮空間に連通されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のスターリング冷凍機。
6. 前記ケーシングに振動低減手段を付加したことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のスターリング冷凍機。

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