JP2005351550A - ガス圧縮膨張機 - Google Patents

Abstract

【課題】 ポスティッドロッド型ディスプレーサを具備したスターリング冷凍機において、死容積を低減することによって装置の高性能化および高効率化を図る。
【解決手段】 スターリング冷凍機１Ａは、シリンダ３内に嵌挿されたピストン４およびディスプレーサ５と、ピストン４とディスプレーサ５との間に位置し、作動空間の一部を構成する圧縮室７と、圧縮室７をピストン側空間７ａとディスプレーサ側空間７ｂとに区画形成するとともにピストン側空間７ａとディスプレーサ側空間７ｂとを連通する連通孔３２を含む仕切り壁３１と、仕切り壁３１の壁面の一部から延設され、先端部がディスプレーサ５にコイルバネ２２，２３を介して連結されたディスプレーサロッド２０と、ディスプレーサ５のピストン４側の端面に突設され、少なくとも運転時において上記連通孔３２に挿通する突部５１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９に示すものが知られている（従来例１）。図９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１Ｇ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２０と、ディスプレーサロッド２０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２０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２０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１０に示すものが知られている（従来例２）。図１０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１Ｈ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１Ｇ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側の端部に位置する仕切り壁３１から延びるディスプレーサロッド２０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２０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１Ｇ，１Ｈ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１Ｇにおいては、ピストン４をディスプレーサロッド２０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。そのため、製造の容易性および低コスト化の観点からは、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１Ｈの構成を採用することが好ましい。

ところが、上述の従来例２の如くの構成を採用した場合には、高効率のスターリング冷凍機とすることが困難になるという問題が別途発生する。この運転効率の低下は、主に圧縮室７における死容積の増大が原因である。この点について、以下に詳細に示す。

図１０に示すように、ポスティッドロッド型ディスプレーサを具備したスターリング冷凍機１Ｈにおいては、ディスプレーサ５を支持するためのディスプレーサロッド２０が圧縮室７内に配設される必要がある。そのため、通常は、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のピストン４側の端部に仕切り壁３１が設けられ、この仕切り壁３１の一部からディスプレーサロッド２０がディスプレーサ５の往復動方向に向かって延設される。また、この仕切り壁３１の所定位置には、圧縮室７を構成するピストン側空間７ａとディスプレーサ側空間７ｂとを連通する連通孔３２が設けられており、作動ガスの流動が仕切り壁３１によって阻害されないように構成されている。

ポスティッドロッド型ディスプレーサを具備したスターリング冷凍機１Ｈにおいては、その運転時において仕切り壁３１にピストン４およびディスプレーサ５が接触しないように、ピストン４およびディスプレーサ５の振幅中心位置を決定する必要がある。そのため、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スターリング冷凍機１Ｇに比べ、仕切り壁３１の厚み分だけピストン４とディスプレーサ５とを離間配置する必要が生じる。さらには、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スターリング冷凍機１Ｇにおいては実現可能である、ピストン４の軌道とディスプレーサ５の軌道との一部重複が行なえないため、その分だけピストン４とディスプレーサ５とを離間配置する必要も生じる。このため、自ずと圧縮室７の容積が増大し、これに伴って圧縮室７の死容積が増大する問題がある。圧縮室７の死容積が増大した場合には、ピストン４の往復動に伴う圧縮室７内の作動ガスの圧力変化が小さくなり、作動効率が低下するため、スターリング冷凍機１Ｈの性能が大幅に低下することになる。

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、その目的とするところは、ポスティッドロッド型ディスプレーサを具備したガス圧縮膨張機において、死容積を低減することによって装置の高性能化および高効率化を図る点にある。

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、上記作動空間内に配置され、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、上記ピストンと上記ディスプレーサとの間に位置し、上記作動空間の一部を構成する圧縮室と、上記圧縮室をピストン側空間とディスプレーサ側空間とに区画形成するとともに上記ピストン側空間と上記ディスプレーサ側空間とを連通する連通孔を含む仕切り壁と、上記仕切り壁の上記ディスプレーサ側に位置する壁面の一部から延設され、先端部が上記ディスプレーサに弾性連結されたディスプレーサロッドと、上記ピストンの上記ディスプレーサ側端面および上記ディスプレーサの上記ピストン側端面のうちの少なくともいずれか一方に突設され、少なくとも運転時において上記連通孔に挿通する突部とを備える。

このように構成することにより、ピストンの端面または／およびディスプレーサの端面に設けられた突部が占有する容積分だけ圧縮室の容積が低減されるため、圧縮室内に仕切り壁を設けることによって生じる死容積の増大を防止することが可能になる。このため、ピストンの往復動に伴う圧縮室内における作動ガスの圧力変化が大きくなり、高性能のガス圧縮膨張機とすることができる。

ここで、「少なくとも運転時において」とは、ガス圧縮膨張機が運転動作していない停止状態において突部が既に連通孔に挿通している場合、ガス圧縮膨張機が停止状態から低負荷運転動作に移行した際にはじめて突部が連通孔に挿通する場合、ガス圧縮膨張機が低負荷運転動作から高負荷運転動作に移行した際にはじめて突部が連通孔に挿通する場合などをすべて含める概念を示すものであり、いずれにせよ、想定されるピストンまたは／およびディスプレーサの往復動に際していずれかのタイミングで突部が連通孔に挿通した状態となれば、上記の表現に含まれることになる。

上記本発明に基づくガス圧縮膨張機にあっては、上記突部が上記連通孔に挿通した状態において、上記仕切り壁の上記連通孔を規定する内周面と上記突部の外周面との間のクリアランスが、上記ディスプレーサまたは上記ピストンの往復動方向と直交する断面において、上記径方向よりも周方向において大きく形成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、何らかの原因によってピストンまたはディスプレーサが軸線を中心に回転した場合にも、突部と仕切り壁との接触を回避するマージンが大きく確保されるため、ピストンまたはディスプレーサが仕切り壁に衝突することが防止されるようになる。

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が内側に内部空間を有する外殻体にて構成され、かつ上記弾性連結が上記ディスプレーサロッドの先端部と上記外殻体との弾性部材による連結にて構成されていることが好ましい。また、上記本発明に基づくガス圧縮膨張機にあっては、上記弾性連結がガススプリングにて構成されていてもよい。

このように、本発明に基づくガス圧縮膨張機にあっては、ディスプレーサとディスプレーサロッドとの弾性連結として種々の構成が採用可能であり、仕様に応じて適宜選択することが可能である。

上記本発明に基づくガス圧縮膨張機にあっては、上記作動空間の一部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、上記仕切り壁が、上記ピストン側シリンダまたは上記ディスプレーサ側シリンダのいずれか一方の軸方向端部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２分割し、一方のシリンダの圧縮室側の端部に仕切り壁を設ける構成とすることにより、容易に上述のポスティッドロッド型ディスプレーサ構造を実現することができる。

本発明によれば、ポスティッドロッド型ディスプレーサを具備したガス圧縮膨張機においても圧縮室内の死容積を低減することができるため、高性能で高効率のガス圧縮膨張機とすることができる。

（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。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は、仕切り壁３１が設けられている。仕切り壁３１は、圧縮室７をピストン側空間７ａとディスプレーサ側空間７ｂとに区画形成している。仕切り壁３１の所定位置には、ピストン側空間７ａとディスプレーサ側空間７ｂとを連通する連通孔３２が設けられている。

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のピストン４側の端面には、上述の仕切り壁３１に設けられた連通孔３２に対応する位置に突部５１が設けられている。シリンダ３の軸線と直交する断面における突部５１の外形は、連通孔３２の開口形状よりも小さく形成されている。

圧縮室７内に配設された仕切り壁３１のディスプレーサ５側の壁面の中央部からは、ディスプレーサ５側に向かってディスプレーサ５の往復動方向と平行な方向に延びるディスプレーサロッド２０が延設されている。ディスプレーサロッド２０の先端部は、ディスプレーサ５のボディ部５ａの圧縮室７に面する端部に設けられた孔を介して、ディスプレーサ５の内部空間へと差し込まれている。ディスプレーサ５の内部空間に差し込まれたディスプレーサロッド２０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２０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２０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。

上述のように、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、圧縮室７内に配設された仕切り壁３１に連通孔３２が設けられており、この連通孔３２に対応する位置のディスプレーサ５のピストン４側の端面に圧縮室７に向かって突き出る突部５１が設けられている。この突部５１は、スターリング冷凍機１Ａの少なくとも運転時において、連通孔３２内を挿通するように構成されている。

図２は、図１中のＩＩ−ＩＩ線に沿った模式断面図であり、突部が連通孔内を挿通した状態を示す仕切り壁部分の模式端面図である。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１Ａにおいては、仕切り壁３１に略扇形の４つの連通孔３２が設けられており、この４つの連通孔３２のそれぞれに、ディスプレーサ５に設けられた４つの略扇形の突部５１が挿通している。ここで、個々の突部５１は、その外形が連通孔３２の各々の開口形状よりも小さく形成されており、突部５１が仕切り壁３１に非接触の状態で連通孔３２を挿通するように構成されている。

上述のようにポスティッドロッド型ディスプレーサ構造を採用した場合には、圧縮室７内に仕切り壁３１を設けることが必要になる。しかしながら、圧縮室７内に仕切り壁３１を設けた場合には、仕切り壁３１に設けられた連通孔３２の容積分だけ圧縮室７の死容積が増大する。また、一定の位相差をもって往復動するピストン４およびディスプレーサ５の軌道を一部重複させることができなくなるため、ピストン４とディスプレーサ５の振幅中心位置を離して設計する必要が生じる。その結果、圧縮室７の死容積がさらに増大することとなる。

しかしながら、上記構成とすることにより、突部５１が占有する容積分だけ圧縮室７の容積を低減することが可能になるため、仕切り壁３１を設けることによって生じる圧縮室７の死容積の増大を防止することが可能になる。このため、ピストン４の往復動に伴う圧縮室７内の作動ガス圧の圧力変化が大きくなり、その分、高効率にスターリング冷凍機が動作するようになり、高性能化を図ることができる。したがって、ポスティッドロッド型ディスプレーサ構造を採用することによる製造の容易性と、死容積の低減による装置の高性能化の両立が図られる。

なお、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１Ａにおいては、突部５１が連通孔３２に挿通した状態において、連通孔３２を規定する仕切り壁３１の内周面と突部５１の外周面との間のクリアランスが、ディスプレーサ５の往復動方向と直交する断面において、径方向よりも周方向において大きく形成されている。すなわち、図２に示すクリアランスＤ１（径方向におけるクリアランス）よりもクリアランスＤ２（周方向におけるクリアランス）の方が大きく構成されている。

このように構成した場合には、何らかの原因によってシリンダ３内を摺動するディスプレーサ５に軸線を中心とした回転が生じた場合にも、ディスプレーサ５の突部５１と仕切り壁３１との接触を防止するマージンが多く確保されることになるため、これら部材間の衝突が未然に防止されるようになる効果が得られる。

図３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変形例を示す模式断面図である。図１に示すスターリング冷凍機１Ａにおいては、ディスプレーサロッド２０とディスプレーサ５とを連結する弾性連結部として、コイルバネ２２，２３を用いた構成を採用した場合を例示したが、図３に示すスターリング冷凍機１Ｂのように、弾性連結部としてガススプリング１８を採用することも当然に可能である。

（実施の形態２）
図４は、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。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１Ｃにおいても、上述の実施の形態１におけるスターリング冷凍機１Ａと同様に、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のピストン４側に位置する端部に仕切り壁３１が設けられている。仕切り壁３１の所定位置には、ピストン側空間７ａとディスプレーサ側空間７ｂとを連通する連通孔３２が設けられている。

一方、本実施の形態におけるスターリング冷凍機１Ｃにおいては、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、少なくとも運転時において仕切り壁３１に設けられた連通孔３２に挿通する突部４１が、ピストン４のディスプレーサ５側の端面に設けられている。なお、ピストン４のディスプレーサ５側の端面に設けられた突部４１は、上述の仕切り壁３１の連通孔３２に対応した位置に設けられている。

図５は、図４中のＶ−Ｖ線に沿った模式断面図であり、突部が連通孔内を挿通した状態を示す仕切り壁部分の模式端面図である。図５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１Ｃにおいては、仕切り壁３１に略扇形の４つの連通孔３２が設けられており、この４つの連通孔３２のそれぞれに、ピストン４に設けられた４つの略扇形の突部４１が挿通している。ここで、個々の突部４１は、その外形が連通孔３２の各々の開口形状よりも小さく形成されており、突部４１が仕切り壁３１に非接触の状態で連通孔３２を挿通するように構成されている。

このように構成することにより、上述の実施の形態１と同様に、突部４１が占有する容積分だけ圧縮室７の容積を低減することが可能になるため、仕切り壁３１を設けることによって生じる圧縮室７の死容積の増大を防止することが可能になる。このため、ピストン４の往復動に伴う圧縮室７内の作動ガス圧の圧力変化が大きくなり、その分、高効率にスターリング冷凍機が動作するようになり、高性能化を図ることができる。

なお、本実施の形態におけるスターリング冷凍機１Ｃにおいても、図５に示すように、突部４１が連通孔３２に挿通した状態において、連通孔３２を規定する仕切り壁３１の内周面と突部４１の外周面との間のクリアランスが、ピストン４の往復動方向と直交する断面において、径方向よりも周方向において大きくなるように構成することにより、何らかの原因によってシリンダ３内を摺動するピストン４に軸線を中心とした回転が生じた場合にも、ピストン４の突部４１と仕切り壁３１との接触を防止するマージンが多く確保されることになるため、これら部材間の衝突が未然に防止されるようになる効果が得られる。

図６は、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を示す模式断面図である。図４に示すスターリング冷凍機１Ｃにおいては、ディスプレーサロッド２０とディスプレーサ５とを連結する弾性連結部として、コイルバネ２２，２３を用いた構成を採用した場合を例示したが、図６に示すスターリング冷凍機１Ｄのように、弾性連結部としてガススプリング１８を採用することも当然に可能である。

（実施の形態３）
図７は、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。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１Ｅにあっては、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、仕切り壁３１がディスプレーサ側シリンダ３ｂの端部に設けられておらず、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。そして、この仕切り壁３１の中央部からディスプレーサ５側に向かってディスプレーサ５の往復動方向と平行な方向に延びるディスプレーサロッド２０が延設されている。

仕切り壁３１の所定位置には、ピストン側空間７ａとディスプレーサ側空間７ｂとを連通する連通孔３２が設けられている。スターリング冷凍機１Ｅの少なくとも運転時において、この連通孔３２にはピストン４のディスプレーサ５側の端面に突設された突部４１が挿通する。

このように構成した場合にも、上述の実施の形態２と同様の効果を得ることができる。なお、本実施の形態におけるスターリング冷凍機１Ｅにおいても、上述の実施の形態１におけるスターリング冷凍機１Ａと同様に、突部５１をディスプレーサ５のピストン４側の端面に設けることが可能である。

（実施の形態４）
図８は、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。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１Ｆにあっては、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、仕切り壁３１がケーシング２に設けられている。そして、この仕切り壁３１の中央部からディスプレーサ５側に向かってディスプレーサ５の往復動方向と平行な方向に延びるディスプレーサロッド２０が延設されている。

仕切り壁３１の所定位置には、ピストン側空間７ａとディスプレーサ側空間７ｂとを連通する連通孔３２が設けられている。スターリング冷凍機１Ｆの少なくとも運転時において、この連通孔３２にはピストン４のディスプレーサ５側の端面に突設された突部４１が挿通する。

このように構成した場合にも、上述の実施の形態２と同様の効果を得ることが可能になる。なお、本実施の形態におけるスターリング冷凍機１Ｆにおいても、上述の実施の形態１におけるスターリング冷凍機１Ａと同様に、突部５１をディスプレーサ５のピストン４側の端面に設けることが可能である。

以上において説明した本発明の実施の形態１ないし４においては、ピストンまたはディスプレーサに設けられた突部の外形が、ピストンまたはディスプレーサの往復動方向と直交する断面において略扇形である場合を例示して説明を行なったが、この形状に特に限定されるものではない。たとえば、円形状や多角形状等どのような形状であっても構わない。しかしながら、加工が行ない易い形状にすることが好ましく、あまり複雑な形状にすべきではない。また、突部の数も特に限定されるものではない。

また、上述の実施の形態１ないし４においては、ガス圧縮膨張機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４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。

さらには、上述の実施の形態１ないし４に示す構成は、互いに組合わせることが可能であり、使用に応じて適宜変更が可能である。

なお、上述の実施の形態１ないし４におけるスターリング冷凍機１Ａないし１Ｈの構造を示す図１、図３、図４、図６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ないし１Ｈ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。 図１中のＩＩ−ＩＩ線に沿った模式断面図であり、突部が連通孔内を挿通した状態を示す仕切り壁部分の模式端面図である。 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変形例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。 図４中のＶ−Ｖ線に沿った模式断面図であり、突部が連通孔内を挿通した状態を示す仕切り壁部分の模式端面図である。 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。 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〜１Ｈ 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、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、７ａ ピストン側空間、７ｂ ディスプレーサ側空間、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、２０ ディスプレーサロッド、２１ 固定部材、２２，２３ コイルバネ、３１ 仕切り壁、３２ 連通孔、４１，５１ 突部。

Claims (5)

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、
   前記作動空間内に配置され、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、
   前記ピストンと前記ディスプレーサとの間に位置し、前記作動空間の一部となる圧縮室と、
   前記圧縮室をピストン側空間とディスプレーサ側空間とに区画形成するとともに、前記ピストン側空間と前記ディスプレーサ側空間とを連通する連通孔を含む仕切り壁と、
   前記仕切り壁の前記ディスプレーサ側に位置する壁面の一部から延設され、先端部が前記ディスプレーサに弾性連結されたディスプレーサロッドと、
   前記ピストンの前記ディスプレーサ側端面および前記ディスプレーサの前記ピストン側端面のうちの少なくともいずれか一方に突設され、少なくとも運転時において前記連通孔に挿通する突部とを備える、ガス圧縮膨張機。
2. 前記突部が前記連通孔に挿通した状態において、前記仕切り壁の前記連通孔を規定する内周面と前記突部の外周面との間のクリアランスが、前記ディスプレーサまたは前記ピストンの往復動方向と直交する断面において、径方向よりも周方向において大きく形成されている、請求項１に記載のガス圧縮膨張機。
3. 前記ディスプレーサは、内側に内部空間を有する外殻体にて構成され、
   前記弾性連結は、前記ディスプレーサロッドの先端部と前記外殻体との弾性部材による連結にて構成されている、請求項１または２に記載のガス圧縮膨張機。
4. 前記弾性連結は、ガススプリングにて構成されている、請求項１または２に記載のガス圧縮膨張機。
5. 前記作動空間の一部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、
   前記仕切り壁は、前記ピストン側シリンダまたは前記ディスプレーサ側シリンダのいずれか一方の軸方向端部に設けられている、請求項１から４のいずれかに記載のガス圧縮膨張機。

Images