JP2517734Y2

JP2517734Y2 - 冷凍機用圧縮機

Info

Publication number: JP2517734Y2
Application number: JP1141192U
Authority: JP
Inventors: 憲一金尾; 紀久渡辺
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 1992-03-06
Filing date: 1992-03-06
Publication date: 1996-11-20
Anticipated expiration: 2006-11-20
Also published as: JPH0573471U

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本考案は冷凍機用圧縮機に係り、
特にガスベアリングによってピストンを支持する構造の
冷凍機用圧縮機に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から各種の冷凍機が用いられている
が、赤外線撮像装置等の赤外素子冷却用の冷凍機とし
て、たとえば逆スターリングサイクルを利用したスター
リング冷凍機が用いられている。

【０００３】図３にスターリング冷凍機の構成を示す。
スターリング冷凍機は圧縮機２と冷凍機であるコールド
ヘッド４およびそれらを連結する接続配管６を含む。圧
縮機２においては、シリンダ部材８内に圧縮ピストン１
０が収納され、シリンダ部材８の端部に圧縮室１２を画
定している。

【０００４】圧縮ピストン１０外周面とシリンダ部材８
内周面の間の間隙は狭くされて、クリアランスシール１
４を形成している。また、圧縮ピストン１０の後部に
は、ケース１６で囲まれた保圧空間１８が形成されてい
る。保圧空間１８内は、冷却システムの充填圧力Ｐｎに
保持される。

【０００５】圧縮ピストン１０は一方の電源配線である
ピストン位相制御バネ１９および他方の電源配線である
電流リードバネ２１によってその中立位置が定められ、
シリンダ部材８の外側に配置された円筒状空隙部分に格
納された往復動用コイル２０によって電磁気的な駆動力
が与えられる。往復動用コイル２０の外側周辺部には永
久磁石２２が配置されており、往復動用コイル２０と磁
気的結合を形成している。往復動用コイル２０に対する
電流供給は、２つのバネ１９、２１によってなされる。

【０００６】圧縮ピストン１０が矢印で示すように前後
に駆動されると、圧縮室１２内の圧力は、サイン波に近
似した形状で変化する。その平均値はほぼ充填圧力Ｐｎ
に等しい圧力である。

【０００７】圧縮室１２内の変化する圧力は、接続配管
６を介してコールドヘッド４に伝達される。コールドヘ
ッド４はシリンダ２４内にディスプレイサ２６を収容し
ている。ディスプレイサ２６は位相同期バネ２８によっ
てその中立位置が定められ、接続配管６を介して供給さ
れる圧力によって前後に振動する。ディスプレイサ２６
の両端には、通気孔３０Ａ，３０Ｂが形成されており、
その間の気体通路内に蓄冷器３２が配置されている。

【０００８】また、ディスプレイサ２６の先端とシリン
ダ２４との間に膨張室３４が画定されている。圧力変化
によりディスプレイサ２６が前後に振動する時、膨張室
３４においては気体が膨張する時寒冷を生じ、冷却ガス
が通気孔３０を通って接続配管６の接続されている側に
送られる。この際、蓄冷器３２が冷却される。冷却ガス
が接続配管６から膨張室３４に向かう時には、蓄冷器３
２によってガスは冷却され膨張室３４に供給される。こ
の膨張室３４内のガスが膨張する際に再び寒冷が生じ
る。

【０００９】圧縮機２内の圧縮ピストン１０と、コール
ドヘッド４内のディスプレイサ２６とは位相をずらせて
振動し、ディスプレイサ２６の先端に接して画定された
膨張室３４内に寒冷を生じさせる。

【００１０】

【考案が解決しようとする課題】上記構成の圧縮ピスト
ンシール機構として、ピストンとシリンダの隙間を極力
減少させた形態のクリアランスシール１４が採用されて
いるが、往復動用コイル２０を含めたピストンの構成に
は重力や位相制御バネ１９の変位等によるラジアル方向
の荷重が作用し、機械的な接触運動が存在している。

【００１１】このため、耐摩耗性のあるエンジニアリン
グプラスチック等をピストン表面に張り付け、摺動案内
と耐摩耗性を兼ねた構成が採用されているが、摺動によ
る摩耗を避けることは基本的には不可能である。

【００１２】この結果、摩耗により気密状態が低下する
に従い、シール部分からのガスリークが増加し、冷凍性
能の低下（圧縮比の低下）を招くと共に、摩耗粉の発生
による蓄冷器メッシュの目詰まり等も起こす。これらの
影響によって耐久性、寿命が著しく低下する。

【００１３】また、摺動部の固体摩擦による動力損失が
無視できない大きさとなる。さらに、シール磨耗により
たとえは圧縮ピストンにガタが生じるので、精密機器へ
の応用が困難となる。

【００１４】したがって本考案の目的は、摺動による摩
擦・摩耗を効果的に防止することのできる冷凍機用圧縮
機を提供することにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本考案の冷凍機用圧縮機
は、シリンダ室を形成する内周面を有するシリンダ部材
と、前記シリンダ室内のピストン部材と、前記ピストン
部材を軸方向に往復動させる往復駆動手段と、前記ピス
トン部材を回転運動させる回転駆動手段と、前記ピスト
ン部材の回転により生じる動圧により前記ピストン部材
を支持するガスベアリング手段と、を備え、前記シリン
ダ室は前記ピストン部材の左右両側に圧縮室を形成し、
該圧縮室の一方は冷凍機へ連通し、他方は前記ピストン
部材の位置制御バネとして作用することを特徴とする。

【００１６】好ましくは、前記往復駆動手段および前記
回転駆動手段はそれぞれ前記シリンダ部材に設けられた
コイルと前記ピストン部材に設けられた永久磁石とによ
り構成され、前記往復駆動手段の永久磁石は前記ピスト
ン部材の長手方向中心に設けられ、前記回転駆動手段の
永久磁石は前記ピストン部材の長手方向中心に対して左
右対称に設けられている。

【００１７】

【作用】シリンダ室内のピストン部材を、往復駆動手段
によって軸方向に往復動させると共に、回転駆動手段に
よって回転運動させると、ガスベアリング手段により動
圧が発生してピストン部材を非接触により支持する。

【００１８】シリンダ室の左右両側の圧縮室でガスの圧
縮が行なわれ、一方の圧縮室で生じる変動圧力は冷凍機
へ伝達されて冷凍が行なわれ、他方の圧縮室で生じる変
動圧力により、ピストン部材の位置制御が行なわれる。

【００１９】往復駆動手段をピストン部材の長手方向中
心に設け、回転駆動手段をピストン部材の長手方向中心
に対して左右対称に設けたので、ピストン部材の位置制
御用の圧縮室の容積、形状等を変えてもピストン部材の
浮上や往復動に悪影響を与えることはない。

【００２０】

【実施例】以下、図面に示した実施例に基づいて本考案
を説明する。図１は本考案の冷凍機用圧縮機をスターリ
ング冷凍機に適用した実施例を示す断面図である。

【００２１】圧縮機２は、シリンダ室３６を形成する内
周面３８を有するシリンダ部材８と、該シリンダ室３６
内に収納されたピストン部材１０を有する。シリンダ部
材８の左右には半球状のたとえばステンレス製のケース
１６Ａ，１６Ｂが設けられている。シリンダ室３６内に
はヘリウムが充填され、ケース１６内にはたとえばアル
ゴン或いは窒素等のガスが充填されている。

【００２２】シリンダ室３６の中央部は大径部４０とな
っており、シリンダ部材８には、この大径部４０に対応
する位置へ往復動用コイル２０が設けられている。ピス
トン部材１０の長手方向中心（質量中心）には、往復動
用コイル２０に対向して永久磁石２２が設けられてい
る。交流電流がリード線４２を介して往復動用コイル２
０に供給され、磁界を発生する。

【００２３】この磁界は永久磁石２２の形成する磁界と
結合し、ピストン部材１０に対して軸方向にローレンツ
力による推力を与える。これら往復動用コイル２０およ
び永久磁石２２により往復駆動手段が構成される。

【００２４】なお図において、永久磁石２２とピストン
部材１０については、中立位置にある場合を実線で、左
右へ移動した位置にある場合を破線で示してある。ま
た、シリンダ部材８の両端には回転用コイル４４Ａ，４
４Ｂが設けられている。ピストン部材１０には回転用コ
イル４４Ａ，４４Ｂに対向して永久磁石４６Ａ，４６Ｂ
が設けられている。電力がリード線４８Ａ，４８Ｂを介
して回転用コイル４４Ａ，４４Ｂに供給され、磁界を発
生する。この磁界は永久磁石４６Ａ，４６Ｂの形成する
磁界と結合し、ピストン部材１０に対して円周方向の力
を与える。これら回転用コイル４４および永久磁石４６
は回転駆動手段を構成し、シリンダ部材８の長手方向中
心に対して左右対称（面対称）に設けられている。

【００２５】シリンダ室３６の左側部分においてシリン
ダ壁５２Ａとピストン部材１０との間に圧縮室１２が形
成され、この圧縮室１２は接続配管６と連通している。
また、シリンダ室３６の右側部分においてはシリンダ壁
５２Ｂとピストン部材１０との間に圧縮室（バウンス空
間）５４が形成されている。このバウンス空間５４内の
ガスは、ピストン部材１０の移動により圧縮されると該
ピストン１０を押し戻すガスバネとして作用し、ピスト
ン部材１０の位相を制御する。このバウンス空間５４の
容積を選択することによりガスバネの強さを調整するこ
とができる。

【００２６】ピストン部材１０の両端部付近において
は、ピストン部材１０とシリンダ部材８の間隙を小さく
して、クリアランスシール１４Ａ，１４Ｂを形成してい
る。また、ピストン部材１０は、左右両側にそれぞれガ
スベアリング部５６Ａ，５６Ｂが設けられている。ガス
ベアリング部５６Ａ，５６Ｂは、ピストン部材１０の回
転によりシリンダ部材８の内周面３８との間に動圧を発
生し、該ピストン部材１０を支持する。本実施例におい
てはガスベアリング部５６Ａ，５６Ｂは、それぞれピス
トン部材１０の外周面に形成された溝５８Ａ，５８Ｂか
らなるグルーブ形ガスベアリングである。

【００２７】図２は図１の左側のガスベアリング部５６
Ａを拡大して示す図であり、ピストン部材１０を図１の
Ａ−Ａ線とＢ−Ｂ線間で切断した一部破断斜視図であ
る。このガスベアリング部５６Ａには、ピストン部材１
０の回りに図のようなガス流誘起用溝５８Ａが刻まれて
いる。溝５８の深さは、右方に行くにしたがって浅くな
る。溝５８の幅Ｗ１は溝５８間の幅Ｗ２とほぼ等しくし
てある。ピストン部材１０が矢印Ｃ方向へ回転すると、
矢印Ｄ方向のガスの流れを生じさせ、このガス流によ
り、ピストン部材１０を浮上させるベアリング力が生じ
る。

【００２８】図１の右側のガスベアリング部５６Ｂの溝
５８Ｂは、左側の溝５８Ａと面対称に形成されている。
なお、ガスベアリング部５６Ａ，５６Ｂとしては、グル
ーブ形動圧ガスベアリングを用いる場合に限定されず、
マルティ・ロープ形、アキシアル・グルーブ形、ステッ
プ形等各種の形式の動圧軸受を用いることができる。

【００２９】以上説明した圧縮機２の各構成部分は、往
復駆動手段を中央に、接続配管を左端に設けた以外は、
左右対称になるように配置されている。特に、永久磁石
２２をピストン部材１０の長手方向中心に設け、永久磁
石４６Ａ，４６Ｂをピストン部材１０の長手方向中心対
して左右対称に配置することにより、ピストン部材１０
の往復運動の安定性が保たれる。

【００３０】圧縮室１２内の変化する圧力は、接続配管
６を介してコールドヘッド４に伝達される。コールドヘ
ッド４はシリンダ２４内にディスプレイサ２６を収容し
ている。ディスプレイサ２６は位相同期バネ２８によっ
てその中立位置が定められ、圧縮室１２から接続配管６
を介して供給される圧力によって前後に振動する。ディ
スプレイサ２６の両端には、通気孔３０Ａ，３０Ｂが形
成されており、通気孔３０Ａ，３０Ｂ間に蓄冷器３２が
配置されている。

【００３１】シリンダ室３６、接続配管６、シリンダ２
４内のシリンダ室６０はそれぞれ連通されて密閉空間を
形成している。また、ディスプレイサ２６の先端とシリ
ンダ２４との間に膨張室３４が画定されている。

【００３２】圧力変化によりディスプレイサ２６が前後
に振動する時、膨張室３４においては気体が膨張する時
寒冷を生じ、冷却ガスが通気孔３０Ｂ，３０Ａを通って
接続配管６の接続されている側に送られる。この際、蓄
冷器３２が冷却される。冷却ガスが接続配管６から膨張
室３４に向かう時には、蓄冷器３２によってガスは冷却
され膨張室３４に供給される。この膨張室３４内のガス
が膨張する際に再び寒冷が生じる。

【００３３】以上述べた構成において、シリンダ室３６
内のピストン部材１０を、往復駆動手段２０，２２によ
って軸方向に往復動させると共に、回転駆動手段４４，
４６によって回転運動させると、ガスベアリング手段５
６により動圧が発生してピストン部材１０を非接触によ
り支持する。このため、ピストン部材１０が回転中には
ピストン部材１０とシリンダ部材８とは接触することな
く、固体摩擦が生じない。

【００３４】シリンダ室３６の左右両側の圧縮室１２，
５４でガスの圧縮が行なわれ、一方の圧縮室１２で生じ
る変動圧力は冷凍機へ伝達されて冷凍が行なわれ、他方
の圧縮室５４で生じる変動圧力により、ピストン部材の
位置制御が行なわれる。

【００３５】往復駆動手段をピストン部材の長手方向中
心に設け、回転駆動手段をピストン部材の長手方向中心
に対して左右対称に設けたので、ピストン部材の位置制
御用の圧縮室の容積、形状等を変えてもピストン部材の
浮上や往復動に悪影響を与えることはない。したがって
圧縮室５４の容積を適当に選択することにより、ピスト
ン部材１０の位置制御のために最適なガスバネ効果を容
易に得ることができる。

【００３６】以上本考案を図面に示した一実施例に基づ
いて説明したが、本考案はこの実施例には限定されず、
種々変形可能である。

【００３７】

【考案の効果】以上説明したように、本考案の冷凍機用
圧縮機によれば、摺動による摩擦・摩耗を効果的に防止
することのできる冷凍機用圧縮機を提供することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案の冷凍機用圧縮機をスターリング冷凍
機に適用した実施例を示す断面図である。

【図２】図１のピストン部材のガスベアリング部を図
１のＡ−Ａ線とＢ−Ｂ線間で切断して示す一部破断斜視
図である。

【図３】従来の技術によるスターリング冷凍機の構成
例を示す概略断面図である。

【符号の説明】

２・・・圧縮機４・・・コールドヘッド（冷凍機）６・・・接続配管８・・・シリンダ部材１０・・・ピストン部材１２，５４・・・圧縮室１４Ａ，１４Ｂ・・・クリアランスシール１６Ａ，１６Ｂ・・・ケース１８・・・保圧空間２０，２２・・・往復駆動手段（２０・・・往復動用コ
イル；２２・・・永久磁石）２４・・・シリンダ２６・・・ディスプレイサ２８・・・位相同期バネ３０Ａ，３０Ｂ・・・通気孔３２・・・蓄冷器３４・・・膨張室３６・・・シリンダ室３８・・・内周面４０・・・大径部４２・・・リード線４４，４６・・・回転駆動手段（４４・・・回転用コイ
ル；４６，４６・・・永久磁石）４８Ａ，４８Ｂ・・・リード線５２Ａ，５２Ｂ・・・シリンダ壁５６Ａ，５６Ｂ・・・ガスベアリング手段５８Ａ，５８Ｂ・・・溝６０・・・シリンダ室

Claims

(57)【実用新案登録請求の範囲】

【請求項１】シリンダ室を形成する内周面を有するシ
リンダ部材と、前記シリンダ室内のピストン部材と、前記ピストン部材を軸方向に往復動させる往復駆動手段
と、前記ピストン部材を回転運動させる回転駆動手段と、前記ピストン部材の回転により生じる動圧により前記ピ
ストン部材を支持するガスベアリング手段と、を備え、前記シリンダ室は前記ピストン部材の左右両側に圧縮室
を形成し、該圧縮室の一方は冷凍機へ連通し、他方は前
記ピストン部材の位置制御バネとして作用することを特
徴とする、冷凍機用圧縮機。
【請求項２】請求項１記載の冷凍機用圧縮機におい
て、前記往復駆動手段および前記回転駆動手段はそれぞ
れ前記シリンダ部材に設けられたコイルと前記ピストン
部材に設けられた永久磁石とにより構成され、前記往復
駆動手段の永久磁石は前記ピストン部材の長手方向中心
に設けられ、前記回転駆動手段の永久磁石は前記ピスト
ン部材の長手方向中心に対して左右対称に設けられてい
ることを特徴とする、冷凍機用圧縮機。