JP2005345013A - ガス圧縮膨張機 - Google Patents

Abstract

【課題】 低コストに製作でき、安定的な動作が実現可能なディスプレーサの支持構造を備えたスターリング冷凍機を提供する。
【解決手段】 スターリング冷凍機１Ａは、リニアモータ６に駆動されて往復動し、作動ガスが充填された作動空間内のガス圧を変動させるピストン４と、内側に内部空間を有する外殻体５ａ，５ｂによって構成され、作動空間内に配置されてピストン４が往復動することによって生じる作動ガスのガス圧変動を受けて往復動するディスプレーサ５と、作動空間を規定する壁面の一部から延設され、ディスプレーサ５の往復動方向と平行な方向に向かって延在し、先端部が内部空間内に差し込まれたディスプレーサロッド２０ａと、ディスプレーサロッド２０ａの先端に取付けられた固定部材２１と外殻体（ボディ部５ａ，キャップ部５ｂ）とを内部空間内において連結するコイルバネ２２，２３とを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ガス圧縮膨張機に関し、特にフリーピストン型スターリング冷凍機に関する。

従来、ピストンおよびディスプレーサ等の作動体の往復動に伴う作動ガスの圧縮・膨張を利用することにより、低温・高温または電力あるいは動力を得るガス圧縮膨張機が知られている。その一つにスターリング冷凍機がある。

スターリング冷凍機は、作動媒体である作動ガスをピストンを用いて圧縮・膨張させる圧縮機と、圧縮機から吐出された作動ガスをディスプレーサを用いて圧縮・膨張させる膨張機とを組合わせたものである。従来のスターリング冷凍機においては、圧縮機と膨張機とが別々に構成されたものが一般的であったが、近年においては、ピストンとディスプレーサとを同軸上に配置することによりシリンダを共有化したスターリング冷凍機が一般化しつつある。また、ディスプレーサを直接駆動することなく、ピストンの往復動によって生じる作動ガスの圧力変化を受けてディスプレーサがピストンと共振するように構成された、いわゆるフリーピストン型のスターリング冷凍機が一般化しつつある。

フリーピストン型スターリング冷凍機の構成例としては、たとえば、図１１に示すものが知られている（従来例１）。図１１に示すように、従来例１におけるフリーピストン型スターリング冷凍機１Ｋにおいては、作動ガスが充填されたケーシング２内部に設置されたシリンダ３内に、作動体としてのピストン４およびディスプレーサ５が嵌挿されている。

ピストン４は、板バネ１５を介してケーシング２に支持されており、駆動手段としてのリニアモータ６によって駆動されてシリンダ３内を軸方向に往復動する。ディスプレーサ５は、ピストン４によって圧縮・膨張される作動空間内に配置されており、ディスプレーサ５のピストン４側の端面から延びるディスプレーサロッド２０ｆと、ディスプレーサロッド２０ｆの先端に取付けられた板バネ１６とを介してケーシング２に支持されている。ここで、ディスプレーサロッド２０ｆは、ピストン４に設けられた挿通孔内を貫通して延在している。

このように、ディスプレーサロッド２０ｆがピストン４を貫通し、その先端が板バネ１６によってケーシング２に固定された構造のフリーディスプレーサは、エクステンディッドロッド型ディスプレーサと呼ばれる。

フリーピストン型スターリング冷凍機の他の構成例としては、たとえば、図１２に示すものが知られている（従来例２）。図１２に示すように、従来例２におけるフリーピストン型スターリング冷凍機１Ｌにおいては、上述の従来例１におけるフリーピストン型スターリング冷凍機１Ｋと同様に、作動ガスが充填されたケーシング２内部に設置されたシリンダ３内に、作動体としてのピストン４およびディスプレーサ５が嵌挿されている。

ピストン４は、板バネ１５を介してケーシング２に支持されており、駆動手段としてのリニアモータ６によって駆動されてシリンダ３内を軸方向に往復動する。ディスプレーサ５は、ピストン４によって圧縮・膨張される作動空間内に配置されており、ディスプレーサ側シリンダ３ｂのピストン４側に位置する端部から延びるディスプレーサロッド２０ｇに、ガススプリング１８を介して接続されている。

このように、ディスプレーサロッド２０ｇにガススプリング１８を介して接続されたフリーディスプレーサは、ポスティッドロッド型ディスプレーサと呼ばれる。

以上において説明したエクステンディッドロッド型ディスプレーサまたはポスティッドロッド型ディスプレーサを備えたスターリング冷凍機１Ｋ，１Ｌにおいては、ディスプレーサ５が、リニアモータ６にて駆動されるピストン４によって生じる作動空間内のガス圧変動を受けてシリンダ３内を軸方向に周期的に往復動する。

なお、上述のエクステンディッドロッド型ディスプレーサを具備したフリーピストン型スターリング冷凍機は、たとえば特開２００３−１６６７６８号公報（特許文献１）等に開示されている。また、上述のポスティッドロッド型ディスプレーサを具備したフリーピストン型スターリング冷凍機は、たとえば特開平１−２７３８０１号公報（特許文献２）等に開示されている。
特開２００３−１６６７６８号公報 特開平１−２７３８０１号公報

しかしながら、上述の従来例１に示すエクステンディッドロッド型ディスプレーサを具備したフリーピストン型スターリング冷凍機１Ｋにおいては、ピストン４をディスプレーサロッド２０ｆが貫通するように構成する必要があるため、各部品の高い寸法精度とこれら部品の高い組付け精度が要求されることになる。このため、部品加工や組立て作業が非常に困難であり、また部品点数も多く必要になるため、高コストになるという問題を有している。

一方、上述の従来例２に示すポスティッドロッド型ディスプレーサを具備したフリーピストン型スターリング冷凍機１Ｌは、上述のエクステンディッドロッド型ディスプレーサを具備したフリーピストン型スターリング冷凍機１Ｋに比べて低コストに製作することが可能になる反面、運転条件（特に作動空間内の温度条件）が変化することによって著しくガススプリング１８のバネ定数が変化するため、ピストン４およびディスプレーサ５の共振周波数にずれが生じ、動作が非常に不安定になるという課題を有している。

そこで、本発明は、上述の問題点を解決すべくなされたものであり、低コストに製作でき、安定的な動作が実現可能なディスプレーサの支持構造を備えたガス圧縮膨張機を提供することを目的とする。

本発明に基づくガス圧縮膨張機は、駆動手段に駆動されて往復動し、作動ガスが充填された作動空間内のガス圧を変動させるピストンと、内側に内部空間を有する外殻体によって構成され、上記作動空間内に配置されて上記ピストンが往復動することによって生じる上記作動ガスのガス圧変動を受けて往復動するディスプレーサと、上記作動空間を規定する壁面の一部から延設され、上記ディスプレーサの往復動方向と平行な方向に向かって延在し、先端部が上記内部空間内に差し込まれたディスプレーサロッドと、上記ディスプレーサロッドの先端部と上記外殻体とを上記内部空間内において連結する弾性部材とを備える。

このように構成することにより、ディスプレーサロッドがピストンを貫通するように構成する必要がなくなるため、各部品の厳密な寸法精度およびこれら部品の高い組付け精度が要求されることがなくなり、低コストにガス圧縮膨張機を製作することが可能になる。また、バネ定数の温度依存性が大きいガススプリングではなく、温度依存性の小さいコイルバネ等の弾性部材が利用可能になるため、共振周波数にずれが生じ難くなり、ガス圧縮膨張機の安定した動作が実現される。

上記本発明に基づくガス圧縮膨張機にあっては、上記ディスプレーサロッドの先端部に取付けられた固定部材を上記ディスプレーサの往復動方向において両側から挟み込むように上記弾性部材が一対設けられていることが好ましい。

このように構成することにより、一対の弾性部材によってディスプレーサの往復動が安定的に維持されるようになるため、高性能のガス圧縮膨張機とすることが可能になる。

上記本発明に基づくガス圧縮膨張機にあっては、上記外殻体が上記ディスプレーサの往復動方向において分割されたボディ部とキャップ部とを含み、これらボディ部とキャップ部とによって上記固定部材および上記一対の弾性部材が上記ディスプレーサの往復動方向において挟持されていることが好ましい。

このように構成することにより、ディスプレーサの内部に固定部材および弾性部材を容易に組み込めるようになるとともに、ディスプレーサロッドに対するディスプレーサの組付けが容易に行なえるようになるため、組立性の向上が図られる。

上記本発明に基づくガス圧縮膨張機にあっては、上記作動空間を規定するとともに上記ピストンおよび上記ディスプレーサが嵌挿されるシリンダをさらに備え、上記シリンダが、上記ピストンが嵌挿されるピストン側シリンダと、上記ディスプレーサが嵌挿されるディスプレーサ側シリンダとによって構成され、上記ディスプレーサロッドが、上記ディスプレーサの往復動方向における上記ディスプレーサ側シリンダの一端部から上記ディスプレーサ側シリンダの内部に向かって延在するように設けられていることが好ましい。

このようにシリンダを分割して構成することにより、作動空間を規定する壁面の一部からディスプレーサロッドを容易に延設することができるようになるため、高性能のガス圧縮膨張機を低コストに製作することが可能になる。

上記本発明に基づくガス圧縮膨張機にあっては、上記ディスプレーサロッドが根元部近傍に鍔部を有しており、上記鍔部によって上記ディスプレーサロッドが位置決めされて上記ディスプレーサ側シリンダの一端部に取付けられていることが好ましい。

このようにディスプレーサロッドをシリンダとは別体にて形成し、その根元部近傍に鍔部を設けることにより、シリンダとは別部品からなるディスプレーサロッドを精度よくシリンダに組付けることが可能になる。このため、シリンダに嵌挿されるディスプレーサの組付け位置精度を向上させることが可能になるため、ディスプレーサがシリンダ内を往復動する際にディスプレーサがシリンダに接触することが回避されるようになり、高性能のガス圧縮膨張機とすることが可能になる。また、組立て時の作業性も大幅に向上する。

上記本発明に基づくガス圧縮膨張機にあっては、上記ディスプレーサ側シリンダが、上記ディスプレーサによって区画される上記作動空間のうちの低温空間側に位置する樹脂製シリンダ部と、高温空間側に位置する金属製シリンダ部とを含んでいることが好ましい。

このように構成することにより、高温側空間と低温側空間との間に生じるシリンダを介した熱伝導が抑制されるようになるため、ガス圧縮膨張機の性能が大幅に向上する。

上記本発明に基づくガス圧縮膨張機にあっては、上記金属製シリンダ部が、上記高温空間に配置された高温側コルゲートフィンに圧入固定されていることが好ましい。

このように構成することにより、組立て時の作業性が向上するようになり、低コスト化が可能になる。

本発明によれば、動作が安定化したガス圧縮膨張機を低コストに製作することが可能になる。

以下、本発明の実施の形態について、図を参照して詳細に説明する。なお、以下に示す実施の形態においては、ガス圧縮膨張機の一例としてフリーピストン型スターリング冷凍機を例示して説明を行なう。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１におけるフリーピストン型スターリング冷凍機の構造を示す模式断面図である。

図１に示すように、本実施の形態におけるスターリング冷凍機１Ａは、ヘリウムガスや水素ガス、窒素ガスなどの作動ガスが作動媒体として内部に充填されたケーシング２を有している。ケーシング２の内部には、作動ガスが充填されたシリンダ３が配置されている。シリンダ３は、ピストン４が嵌挿されるピストン側シリンダ３ａと、ディスプレーサ５が嵌挿されるディスプレーサ側シリンダ３ｂとに分割されており、これらピストン側シリンダ３ａの中心軸とディスプレーサ側シリンダ３ｂの中心軸とが重なるように、ピストン側シリンダ３ａとディスプレーサ側シリンダ３ｂとが同軸上に配置されている。

シリンダ３内には、ピストン４およびディスプレーサ５が同軸上に嵌挿されている。これらピストン４およびディスプレーサ５によってケーシング２内に位置する作動空間が、圧縮室７と膨張室８とに区画されている。圧縮室７内には、放熱部である高温側コルゲートフィン１１の内周部に位置する高温側圧入リング９が位置している。一方、膨張室８には、吸熱部である低温側コルゲートフィン１２の内周部に位置する低温側圧入リング１０が位置している。圧縮室７と膨張室８とは、ディスプレーサ側シリンダ３ｂの外側に形成された流路を介して連通している。圧縮室７と膨張室８とを連通する流路内には、再生器１３が配設されている。なお、ピストン４から見てディスプレーサ５とは反対側の空間には、ケーシング２によって囲まれた背圧室１４が位置している。

シリンダ３の外側に位置する背圧室１４内には、リニアモータ６が設置されている。リニアモータ６は、ピストン４に取付けられたマグネットホルダの先端に位置する可動マグネット６ｄと、この可動マグネット６ｄを挟み込むように位置するインナーヨーク６ａおよびアウターヨーク６ｂと、同じくインナーヨーク６ａとアウターヨーク６ｂの間に位置し、電源に接続されたピストン駆動用コイル６ｃとから構成される。このピストン駆動用コイル６ｃに外部の電源から電力が供給されることによりリニアモータ６が作動し、可動マグネット６ｄが駆動されることによってピストン４がシリンダ３内を軸方向に往復動する。なお、ピストン４は、板バネ１５を介してケーシング２に固定されているため、シリンダ３内を所定の周期をもって滑らかに摺動する。

ディスプレーサ５は、内側に内部空間を有する外殻体にて構成されている。外殻体は、ディスプレーサ５の往復動方向において２分割されており、圧縮室７側に位置するボディ部５ａと、膨張室８側に位置するキャップ部５ｂとを含んでいる。これらボディ部５ａとキャップ部５ｂとは、ネジ、接着剤、スナップフィット等の締結手段によって締結されることによって一体化される。

ディスプレーサ５のボディ部５ａの圧縮室７に面する端部には、挿通孔が設けられている。この挿通孔には、ディスプレーサ５の往復動方向と平行な方向に延在するディスプレーサロッド２０ａが差し込まれており、ディスプレーサロッド２０ａの先端部はディスプレーサ５の内部空間内に位置している。ディスプレーサロッド２０ａは、ディスプレーサ側シリンダ３ｂの圧縮室７側の端部からディスプレーサ５の内部空間側に向かって延在している。ディスプレーサロッド２０ａの先端部には、固定部材２１が取付けられている。

ディスプレーサ５を構成する外殻体と固定部材２１との間には、一対の弾性部材であるコイルバネ２２，２３が組み込まれている。コイルバネ２２は、固定部材２１とディスプレーサ５のボディ部５ａの端部とによって挟持されており、コイルバネ２３は、固定部材２１とディスプレーサ５のキャップ部５ｂの端部とによって挟持されている。すなわち、コイルバネ２２，２３は、ディスプレーサロッド２０ａの先端部に取付けられた固定部材２１をディスプレーサ５の往復動方向において両側から挟み込むように設けられており、これらコイルバネ２２，２３は、ボディ部５ａとキャップ部５ｂとによってディスプレーサ５の往復動方向において挟持されている。

ディスプレーサ５は、リニアモータ６に駆動されるピストン４の往復動によって生じる作動空間内の作動ガス圧の変動を受けてシリンダ３内を軸方向に往復動する。その際、ディスプレーサ５は、その内部空間に位置するコイルバネ２２，２３を介してディスプレーサロッド２０ａに固定されているため、シリンダ３内を所定の周期をもって滑らかに摺動する。このディスプレーサ５の往復動は、上述のピストン４の往復動と一定の位相差をもって同期的に行なわれる。

以上の如くディスプレーサ５がピストン４の往復動にあわせて共振することにより、圧縮室７と膨張室８との間を作動ガスが行き来するようになり、これによって既知の逆スターリングサイクルが実現する。この熱サイクルにより、圧縮室７内においては等温圧縮変化に基づいて作動ガスの温度が上昇し、膨張室８内においては等温膨張変化に基づいて作動ガスの温度が低下する。この結果、スターリング冷凍機１Ａの吸熱部において極低温が発生するようになる。

以上において説明した本実施の形態におけるスターリング冷凍機１Ａにおいては、ディスプレーサ５が、作動空間を規定する壁面の一部分であるディスプレーサ側シリンダ３ｂに一体的に設けられたディスプレーサロッド２０ａにコイルバネ２２，２３を介して接続されているため、ディスプレーサロッド２０ａがピストン４を貫通するように構成する必要がなく、各部品の厳密な寸法精度およびこれら部品の高い組付け精度が要求されることがない。このため、低コストにスターリング冷凍機を製作することが可能になる。また、ディスプレーサ５をコイルバネ２２，２３を用いて弾性支持する構成となるため、スターリング冷凍機の運転動作に伴う温度変化によってもバネ定数がほとんど変化せず、またディスプレーサ５の振幅が変化してもほとんどバネ定数が変化しないため、ディスプレーサ５の往復動作が安定し、スターリング冷凍機の安定した運転動作が実現されるようになる。

また、本実施の形態におけるスターリング冷凍機１Ａにおいては、ディスプレーサ５の外殻体がボディ部５ａとキャップ部５ｂとに分割され、かつコイルバネ２２，２３がディスプレーサロッド２０ａの先端部に取付けられた固定部材２１をディスプレーサ５の往復動方向において両側から挟み込むように配置されており、またこれらコイルバネ２２，２３は、ボディ部５ａとキャップ部５ｂとによってディスプレーサ５の往復動方向において挟持されるように構成されているため、ディスプレーサ５の組付けが非常に容易に行なえる。すなわち、ディスプレーサ５の組付け作業時においては、まず、ディスプレーサロッド２０ａにボディ部５ａを挿し込み、つづいてディスプレーサロッド２０ａにコイルバネ２２を外挿し、ディスプレーサロッド２０ａの先端に固定部材２１を取付ける。次に、コイルバネ２３を固定部材２１に取付け、キャップ部５ｂをボディ部５ａに取付ける。以上の簡便な作業により、ディスプレーサ５の組付けが完了する。したがって、高性能のスターリング冷凍機を低コストに製作することが可能になる。

（実施の形態２）
図２は、本発明の実施の形態２におけるスターリング冷凍機の構造を示す模式断面図である。なお、上述の実施の形態１におけるスターリング冷凍機１Ａと同様の部分については図中同一の符号を付し、その説明はここでは繰り返さない。

図２に示すように、本実施の形態におけるスターリング冷凍機１Ｂは、上述の実施の形態１と異なり、ディスプレーサ側シリンダ３ｂとディスプレーサロッド２０ｂとが別部品にて構成されている。ディスプレーサロッド２０ｂは、ディスプレーサ側シリンダ３ｂのピストン４側に位置する端部に設けられた連結孔に挿し込まれ、接着剤やねじ等の締結手段によってディスプレーサ側シリンダ３ｂに固定される。

このように構成することにより、上述の実施の形態１に示す効果に加え、予めディプレーサロッド２０ｂにボディ部５ａ、キャップ部５ｂ、固定部材２１およびコイルバネ２２，２３を組付けてサブアセンブリとした後に、ディスプレーサ側シリンダ３ｂにディスプレーサロッド２０ｂを固定することが可能になるため、組付け作業がさらに容易化する効果が得られる。

また、図３は、本発明の実施の形態２におけるスターリング冷凍機の変形例を示す模式断面図である。図３に示すスターリング冷凍機１Ｃのように、ディスプレーサロッド２０ｂの根元部近傍に外側に突出する鍔部２０ｂ１を設けることにより、ディスプレーサ側シリンダ３ｂの軸方向における端面に対するディスプレーサロッド２０ｂの直角度が確保できるようになるため、ディスプレーサ５の組付け位置精度が向上する。その結果、ディスプレーサ５がディスプレーサ側シリンダ３ｂ内を往復動する際にディスプレーサ５がディスプレーサ側シリンダ３ｂの内周面に接触し難くなるため、高性能のスターリング冷凍機とすることが可能になる。また、鍔部２０ｂ１を設けることにより、ディスプレーサロッド２０ｂとディスプレーサ側シリンダ３ｂとの接着またはねじどめ工程時の位置決めが容易になるようになるため、作業性も大幅に向上する。

（実施の形態３）
図４は、本発明の実施の形態３におけるスターリング冷凍機の構造を示す模式断面図である。なお、上述の実施の形態２におけるスターリング冷凍機１Ｃと同様の部分については図中同一の符号を付し、その説明はここでは繰り返さない。

図４に示すように、本実施の形態におけるスターリング冷凍機１Ｄは、上述の実施の形態２におけるスターリング冷凍機１Ｃと異なり、ディスプレーサ側シリンダ３ｂがさらに２分割されており、作動空間の高温側空間である圧縮室７側に位置する金属製シリンダ部３ｂ１と、作動空間の低温側空間である膨張室８側に位置する樹脂製シリンダ部３ｂ２とを含んでいる。金属製シリンダ部３ｂ１と樹脂製シリンダ部３ｂ２とは、ねじ、接着材、スナップフィット等の締結手段によって組み合わされることにより、一体化されてディスプレーサ側シリンダ３ｂを構成している。

このように、ディスプレーサ側シリンダ３ｂを構成する分割体のうち、ディスプレーサロッド２０ｂが嵌着される端部を含む方のシリンダを寸法精度だしに優れた金属材料を用いて形成するとともに、他方の分割体を低熱伝導材料である樹脂材料にて形成することにより、上述の実施の形態２に示す効果に加え、圧縮室７と膨張室８とのディスプレーサ側シリンダ３ｂを介した熱伝導を低減させることが可能になるという効果が得られる。このため、高性能のスターリング冷凍機を簡便に製作することが可能になる。

また、図５は、本発明の実施の形態３におけるスターリング冷凍機の変形例を示す模式断面図である。図５に示すスターリング冷凍機１Ｅのように、高温側圧入リング９を廃止し、金属製シリンダ部３ｂ１を高温側コルゲートフィン１１に直接圧入する構成とした場合には、部品点数を削減することができるため、さらなる低コスト化が可能になる。

（実施の形態４）
図６は、本発明の実施の形態４におけるスターリング冷凍機の構造を示す模式断面図である。なお、上述の実施の形態１におけるスターリング冷凍機１Ａと同様の部分については図中同一の符号を付し、その説明はここでは繰り返さない。

図６に示すように、本実施の形態におけるスターリング冷凍機１Ｆにあっては、上述の実施の形態１におけるスターリング冷凍機１Ａと異なり、ディスプレーサロッド２０ｃがディスプレーサ側シリンダ３ｂに設けられておらず、作動空間を規定する壁面の一部分であるピストン側シリンダ３ａのディスプレーサ５側の端部に設けられている。

このように構成した場合にも、上述の実施の形態１と同様に、ディスプレーサロッド２０ｃがピストン４を貫通するように構成する必要がなく、各部品の厳密な寸法精度およびこれら部品の高い組付け精度が要求されることがない。このため、低コストにスターリング冷凍機を製作することが可能になる。また、ディスプレーサ５をコイルバネ２２，２３を用いて弾性支持する構成となるため、スターリング冷凍機の運転動作に伴う温度変化によってもバネ定数がほとんど変化せず、またディスプレーサ５の振幅が変化してもほとんどバネ定数が変化しないため、ディスプレーサ５の往復動作が安定し、スターリング冷凍機の安定した運転動作が実現されるようになる。

（実施の形態５）
図７は、本発明の実施の形態５におけるスターリング冷凍機の構造を示す模式断面図である。なお、上述の実施の形態１におけるスターリング冷凍機１Ａと同様の部分については図中同一の符号を付し、その説明はここでは繰り返さない。

図７に示すように、本実施の形態におけるスターリング冷凍機１Ｇにあっては、上述の実施の形態１におけるスターリング冷凍機１Ａと異なり、ディスプレーサロッド２０ｄがディスプレーサ側シリンダ３ｂに設けられておらず、作動空間を規定する壁面の一部である、圧縮室７の外側を囲うケーシング２の壁面に設けている。この場合、ディスプレーサロッド２０ｄは、ケーシング２の壁面から圧縮室７内に延びるように形成されたロッド支持部によって支持される。

このように構成した場合にも、上述の実施の形態１と同様に、ディスプレーサロッド２０ｄがピストン４を貫通するように構成する必要がなく、各部品の厳密な寸法精度およびこれら部品の高い組付け精度が要求されることがない。このため、低コストにスターリング冷凍機を製作することが可能になる。また、ディスプレーサ５をコイルバネ２２，２３を用いて弾性支持する構成となるため、スターリング冷凍機の運転動作に伴う温度変化によってもバネ定数がほとんど変化せず、またディスプレーサ５の振幅が変化してもほとんどバネ定数が変化しないため、ディスプレーサ５の往復動作が安定し、スターリング冷凍機の安定した運転動作が実現されるようになる。

また、図８は、本発明の実施の形態５におけるスターリング冷凍機の変形例を示す模式断面図である。図８に示すスターリング冷凍機１Ｈのように、ディスプレーサロッド２０ｅを作動空間を規定する壁面の一部である、膨張室８を囲うケーシング２の壁面に設けてもよい。

（実施の形態６）
図９は、本発明の実施の形態６におけるスターリング冷凍機の構造を示す模式断面図である。なお、上述の実施の形態１におけるスターリング冷凍機１Ａと同様の部分については図中同一の符号を付し、その説明はここでは繰り返さない。

図９に示すように、本実施の形態におけるスターリング冷凍機１Ｉにおいては、１個のコイルバネ２２によってのみディスプレーサ５の外殻体とディスプレーサロッド２０ａとが接続されている。より詳細には、ディスプレーサ５の内部空間に挿入されたディスプレーサロッド２０ａの先端に取付けられた固定部材２１が、ディスプレーサ５の外殻体を構成するボディ部５ａとコイルバネ２２によって連結されており、ディスプレーサ５の外殻体を構成するキャップ部５ｂと固定部材２１との間には、コイルバネが介在していない。

コイルバネ２２の軸方向における両端部は、それぞれ固定部材２１およびボディ部５ａに嵌合固定されている。これにより、作動空間内のガス圧変動を受けてディスプレーサ５が圧縮室７側に移動した際には、コイルバネ２２が圧縮することによって生じるコイルバネ２２の復元力によってディスプレーサ５が膨張室８側に向かって付勢され、またディスプレーサ５が膨張室８側に移動した際には、コイルバネ２２が伸張することによって生じるコイルバネ２２の復元力によってディスプレーサ５が圧縮室７側に向かって付勢される。その結果、作動空間内の経時的なガス圧変動も相まって、ディスプレーサ５がディスプレーサ側シリンダ３ｂ内を軸方向に往復動することになる。

このように構成した場合にも、上述の実施の形態１におけるスターリング冷凍機１Ａよりも大きいバネ定数のコイルバネが必要とはなるものの、上述の実施形態１に示す効果と同様の効果を得ることが可能である。

また、図１０は、本発明の実施の形態６におけるスターリング冷凍機の変形例の構造を示す模式断面図である。図１０に示すスターリング冷凍機１Ｊのように、ディスプレーサ５の内部空間に挿入されたディスプレーサロッド２０ａの先端に取付けられた固定部材２１と、ディスプレーサ５の外殻体を構成するキャップ部５ｂとをコイルバネ２３によって連結し、ディスプレーサ５の外殻体を構成するキャップ部５ｂと固定部材２１との間にはコイルバネが介在しないように構成することも可能である。

上述の実施の形態１ないし６においては、シリンダ内にピストンおよびディスプレーサが同軸上に嵌挿された構成のスターリング冷凍機に本発明を適用した場合を例示して説明を行なったが、本発明の適用は、特にこの構成のスターリング冷凍機に限定されるものではない。たとえば、圧縮機と膨張機とが別装置として構成され、これら圧縮機と膨張機とが互いに組み合わされたスターリング冷凍機にも当然に適用が可能である。

上述の実施の形態１ないし６においては、フリーピストン型スターリング冷凍機を例示して説明を行なったが、本発明は他のガス圧縮膨張機にも当然に適用が可能である。また、上述の実施の形態１ないし６に示す構成は、互いに組合わせて適用することが可能であり、たとえば、図６ないし図８に示すスターリング冷凍機において、ディスプレーサロッドをピストン側シリンダあるいはケーシングと別部品にて構成し、別部品にて構成したディスプレーサロッドをピストン側シリンダあるいはケーシングに固定する構造としてもよい。また、この場合において、別部品としたディスプレーサロッドの根元部近傍に、図３に示すような鍔部を別途設けてもよい。

なお、上述の実施の形態１〜６におけるスターリング冷凍機１Ａ〜１Ｊの構造を示す図１ないし図１０においては、各種構成部品を内包するケーシングを一体物として図示している。これは、各実施の形態におけるスターリング冷凍機１Ａ〜１Ｊの構成が容易に理解されるように図示を簡略化したものである。しかしながら、実際に図示される構造のスターリング冷凍機を製作する場合には、複数の分割体を組合わせてケーシングを構成する必要がある。

このように、今回開示した上記各実施の形態はすべての点で例示であって、制限的なものではない。本発明の技術的範囲は特許請求の範囲によって画定され、また特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。

本発明の実施の形態１におけるフリーピストン型スターリング冷凍機の構造を示す模式断面図である。 本発明の実施の形態２におけるフリーピストン型スターリング冷凍機の構造を示す模式断面図である。 本発明の実施の形態２におけるフリーピストン型スターリング冷凍機の変形例の構造を示す模式断面図である。 本発明の実施の形態３におけるフリーピストン型スターリング冷凍機の構造を示す模式断面図である。 本発明の実施の形態３におけるフリーピストン型スターリング冷凍機の変形例の構造を示す模式断面図である。 本発明の実施の形態４におけるフリーピストン型スターリング冷凍機の構造を示す模式断面図である。 本発明の実施の形態５におけるフリーピストン型スターリング冷凍機の構造を示す模式断面図である。 本発明の実施の形態５におけるフリーピストン型スターリング冷凍機の変形例の構造を示す模式断面図である。 本発明の実施の形態６におけるフリーピストン型スターリング冷凍機の構造を示す模式断面図である。 本発明の実施の形態６におけるフリーピストン型スターリング冷凍機の変形例の構造を示す模式断面図である。 従来のフリーピストン型スターリング冷凍機の一構成例を示す模式断面図である。 従来のフリーピストン型スターリング冷凍機の他の構成例を示す模式断面図である。

符号の説明

１Ａ〜１Ｌ スターリング冷凍機、２ ケーシング、３ シリンダ、３ａ ピストン側シリンダ、３ｂ ディスプレーサ側シリンダ、３ｂ１ 金属製シリンダ部、３ｂ２ 樹脂製シリンダ部、４ ピストン、５ ディスプレーサ、５ａ ボディ部、５ｂ キャップ部、６ リニアモータ、６ａ インナーヨーク、６ｂ アウターヨーク、６ｃ ピストン駆動用コイル、６ｄ 可動マグネット、７ 圧縮室、８ 膨張室、９ 高温側圧入リング、１０ 低温側圧入リング、１１ 高温側コルゲートフィン、１２ 低温側コルゲートフィン、１３ 再生器、１４ 背圧室、１５，１６ 板バネ、１８ ガススプリング、２０ａ〜２０ｇ ディスプレーサロッド、２０ｂ１ 鍔部、２１ 固定部材、２２，２３ コイルバネ。

Claims (7)

1. 駆動手段に駆動されて往復動し、作動ガスが充填された作動空間内のガス圧を変動させるピストンと、
   内側に内部空間を有する外殻体によって構成され、前記作動空間内に配置されて前記ピストンが往復動することによって生じる前記作動ガスのガス圧変動を受けて往復動するディスプレーサと、
   前記作動空間を規定する壁面の一部から延設され、前記ディスプレーサの往復動方向と平行な方向に向かって延在し、先端部が前記内部空間内に差し込まれたディスプレーサロッドと、
   前記ディスプレーサロッドの先端部と前記外殻体とを前記内部空間内において連結する弾性部材とを備える、ガス圧縮膨張機。
2. 前記弾性部材は、前記ディスプレーサロッドの先端部に取付けられた固定部材を前記ディスプレーサの往復動方向において両側から挟み込むように一対設けられている、請求項１に記載のガス圧縮膨張機。
3. 前記外殻体は、前記ディスプレーサの往復動方向において分割されたボディ部とキャップ部とを含み、
   これらボディ部とキャップ部とによって前記固定部材および前記一対の弾性部材が前記ディスプレーサの往復動方向において挟持されている、請求項２に記載のガス圧縮膨張機。
4. 前記作動空間を規定するとともに、前記ピストンおよび前記ディスプレーサが嵌挿されるシリンダをさらに備え、
   前記シリンダは、前記ピストンが嵌挿されるピストン側シリンダと、前記ディスプレーサが嵌挿されるディスプレーサ側シリンダとによって構成され、
   前記ディスプレーサロッドが、前記ディスプレーサの往復動方向における前記ディスプレーサ側シリンダの一端部から前記ディスプレーサ側シリンダの内部に向かって延在するように設けられている、請求項３に記載のガス圧縮膨張機。
5. 前記ディスプレーサロッドは、根元部近傍に鍔部を有しており、前記鍔部によって前記ディスプレーサロッドが位置決めされて前記ディスプレーサ側シリンダの一端部に取付けられている、請求項４に記載のガス圧縮膨張機。
6. 前記ディスプレーサ側シリンダは、前記ディスプレーサによって区画される前記作動空間のうちの低温空間側に位置する樹脂製シリンダ部と、高温空間側に位置する金属製シリンダ部とを含んでいる、請求項４または５に記載のガス圧縮膨張機。
7. 前記金属製シリンダ部は、前記高温空間に配置された高温側コルゲートフィンに圧入固定されている、請求項６に記載のガス圧縮膨張機。

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