JP3827404B2

JP3827404B2 - Stirling refrigerator

Info

Publication number: JP3827404B2
Application number: JP15647697A
Authority: JP
Inventors: 克哉三浦
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 1997-06-13
Filing date: 1997-06-13
Publication date: 2006-09-27
Anticipated expiration: 2017-06-13
Also published as: JPH112470A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スターリング冷凍機に関し、特に、冷媒ガスを圧縮するための圧縮ピストンや冷媒ガスを膨張させるためのディスプレーサを弾性支持する板ばねの改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
スターリング冷凍機は、冷媒ガスを圧縮する圧縮機と、この圧縮機から吐出される冷媒ガスを膨張させる膨張機とからなり、上記圧縮機では、圧縮ピストンの往復移動により冷媒ガスを圧縮する一方、上記膨張機では、上記圧縮機で圧縮された冷媒ガスをディスプレーサの往復移動により膨張させて極低温レベルの寒冷を発生させるようにしている。
【０００３】
このようなスターリング冷凍機として、例えば特開平５−２８８４１９号公報に開示されているように、圧縮ピストン及びディスプレーサを円板からなる板ばねに弾性支持したスターリング冷凍機が知られている。このスターリング冷凍機では、板ばねを複数枚の薄板を重ね合わせて構成し、その中央部及び外周部を２枚の押え板でそれぞれ両側から挟持して一体としている。
【０００４】
ところで、上述の如きスターリング冷凍機において、圧縮ピストン及びディスプレーサを弾性支持する板ばねは、一般には、複数の渦巻スリットが周方向に略等間隔に形成されており、この渦巻スリットを形成することにより、圧縮ピストン及びディスプレーサを往復移動可能にかつ圧縮ピストン及びディスプレーサの往復移動方向と直交する方向に移動不能に弾性支持し、これにより、圧縮ピストン及びディスプレーサの径方向の横ブレを低減して圧縮ピストン及びディスプレーサの低振動化を達成するようにしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述の如き渦巻スリットが形成された板ばねでは、弾性変形時、そのスリット形状に起因して引張り応力、曲げ応力及び捩り応力の３つの応力が発生するため、スリット端部での応力が大きくなり、板ばねの寿命ひいてはスターリング冷凍機の寿命が短くなるおそれがある。
【０００６】
一方、渦巻スリットに代わる構造の板ばねとして、米国特許第５，４９２，３１３号明細書及び図面に開示されているように、三角形状のハブを円環状のリムで取り囲み、このハブとリムとを３つのアームで等間隔に３箇所で一体に連結し、一端が開放した１本の直線スリットを上記ハブと各アームとの間に形成した構造の板ばねが提案されている。そして、この構造の板ばねでは、弾性変形時、引張り応力及び捩り応力が発生せず、曲げ応力だけとなり、渦巻スリットが形成された板ばねよりも応力を緩和することができて好ましい。
【０００７】
ところが、この構造の板ばねは、直線のスリットがハブと各アームとの間に１本ずつしかないため、圧縮ピストン及びディスプレーサの往復移動方向への弾性変形量が小さく、これでは、圧縮ピストン及びディスプレーサが往復移動する際のストロークを十分に確保することができず、スターリング冷凍機の設計の自由度が低下することになる。
【０００８】
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、圧縮ピストンやディスプレーサを弾性支持する板ばねの応力を緩和するとともに、圧縮ピストン及びディスプレーサのストロークを十分に確保し、板ばねの延命化ひいてはスターリング冷凍機の延命化を図るとともに、スターリング冷凍機の設計の自由度を向上させようとすることにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明は、圧縮ピストンやディスプレーサを弾性支持する板ばねにスリットを適正に形成したことを特徴とする。
【００１０】
具体的には、本発明は、図１に示すように、冷媒ガスを圧縮する圧縮機（Ａ）と、この圧縮機（Ａ）から吐出される冷媒ガスを膨張させる膨張機（Ｂ）とを備え、上記圧縮機（Ａ）及び膨張機（Ｂ）の少なくとも一方には、往復移動により冷媒ガスを圧縮又は膨張させる往復移動体（４，２２）が円板状の板ばね（１２）の中央部にロッド（６，１８）を介して弾性支持されて配置されたスターリング冷凍機を対象とし、次のような解決手段を講じた。
【００１１】
すなわち、本発明の第１の解決手段は、上記板ばね（１２）として上記ロッド（６，１８）が嵌着される嵌着孔（１３ａ）を有するハブ（２７）を備えたものとし、このハブ（２７）を取り囲むように円環状のリム（２８）を設け、かつ上記ハブ（２７）とリム（２８）とを複数のアーム（２９）で複数箇所で連結する。さらに、上記各アーム（２９）を上記ハブ（２７）に接続された第１アーム部（２９ａ）と、上記リム（２８）に接続された第２アーム部（２９ｂ）とからなるヘアピン状に折り返された形状とする。そして、一端が開放した直線スリット（３０）を上記第１アーム部（２９ａ）と第２アーム部（２９ｂ）との間、及び第１アーム部（２９ａ）とハブ（２７）との間に形成したことを特徴とする。
【００１３】
上記の構成により、本発明の第１の解決手段では、圧縮機（Ａ）及び膨張機（Ｂ）の少なくとも一方において、往復移動体（４，２２）が往復移動すると、この往復移動体（４，２２）の動作に追従して板ばね（１２）が動く。この際、板ばね（１２）の第１アーム部（２９ａ）と第２アーム部（２９ｂ）とのヘアピン状折返し部に応力が発生するものの、全体的にはその直線スリット（３０）のスリット形状からして渦巻スリットの場合に比べて応力が緩和され、板ばね（１２）の延命化ひいてはスターリング冷凍機の延命化が図られる。さらに、各アーム（２９）とハブ（２７）とにより形成された２本の直線スリット（３０）により、上記ハブ（２７）が直線スリット（３０）の数に比例して往復移動体（４，２２）方向に大きく弾性変形し、例えば板ばね（１２）が小型の場合でも往復移動体（４，２２）のストロークが十分に確保され、スターリング冷凍機の設計の自由度が向上する。
【００１４】
本発明の第２の解決手段は、第１の解決手段において、各アーム（２９）の第１アーム部（２９ａ）と第２アーム部（２９ｂ）との折返し部（２９ｃ）に補強リブ（３１）を設けたことを特徴とする。
【００１５】
上記の構成により、本発明の第２の解決手段では、補強リブ（３１）により折返し部（２９ｃ）の剛性が上がり、弾性変形時、引張り応力及び捩り応力が発生せず、曲げ応力だけとなり、板ばね（１２）の延命化ひいてはスターリング冷凍機の延命化が確保される。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面に基づいて説明する。
【００１７】
図１は本発明の実施の形態に係るスターリング冷凍機の概略図である。図中、（Ａ）は冷媒ガスを圧縮する圧縮機、（Ｂ）はこの圧縮機（Ａ）から吐出された冷媒ガスを膨張させる膨張機であり、これら圧縮機（Ａ）及び膨張機（Ｂ）は共に、密閉された円筒形状のケーシング（１），（２）を備えている。
【００１８】
上記圧縮機（Ａ）のケーシング（１）内には、円筒形状のシリンダ（３）が一方の側壁内面に同心円状に固定されて配置され、このシリンダ（３）内には、往復移動体としての圧縮ピストン（４）が往復移動可能に摺動配置され、この圧縮ピストン（４）によりシリンダ（３）内に圧縮室（５）が形成されている。上記圧縮ピストン（４）の背面には、ロッド（６）の一端がケーシング（１）の中心線に位置するように連結され、ロッド（６）の他端はケーシング（１）の他方の側壁に向かって延びている。
【００１９】
上記ロッド（６）周りには、第１リニアモータ（７）が配置されている。この第１リニアモータ（７）は、上記ケーシング（１）の周壁内周面に固定された純鉄からなる環状のヨーク（８）を備えてなり、このヨーク（８）の中心には貫通孔（８ａ）が形成され、上記ロッド（６）がこの貫通孔（８ａ）を一端側から挿通して他端側に突出している。また、上記ヨーク（８）には凹陥部（８ｂ）がリング状に形成され、この凹陥部（８ｂ）の外側の周面にはリング状の永久磁石（９）が固定され、この永久磁石（９）により上記ヨーク（８）を継鉄として上記凹陥部（８ｂ）内に所定強度の磁界を発生させるようにしている。さらに、上記ロッド（６）の突出端寄りには、外周面に電磁コイル（１０）が巻回された有底筒状のボビン（１１）が連結され、上記電磁コイル（１０）を凹陥部（８ｂ）に挿入させて永久磁石（９）に対峙させている。そして、電磁コイル（１０）に所定周波数の交流電流を通電することにより、圧縮ピストン（４）を後述の第１板ばね（１２）のばね定数等で決まる周期で往復移動させて、圧縮室（５）で所定周期のガス圧を発生させるように構成されている。
【００２０】
上記ロッド（６）の圧縮ピストン（４）寄りと突出端の２箇所には、一対の円板状の第１板ばね（１２）がその嵌着孔（実際には、後述する薄板（１３）の嵌着孔（１２ａ））にロッド（６）を嵌着させて上記第１リニアモータ（７）を両側から挟むように固定され、各第１板ばね（１２）の外周はケーシング（１）の内周壁に固定されている。上記各第１板ばね（１２）は、３枚の薄板（１３）を重ね合わせてなり、相隣る薄板（１３）間にスペーサ（１４）が介装され、その中央部及び外周部が２枚のリング状の押え板（１５）でそれぞれ両側から挟持されて組み付けられたものである。
【００２１】
図２（ａ）に示すように、本発明の特徴として、上記各第１板ばね（１２）を構成する３枚の薄板（１３）は、中心に上記ロッド（６）が嵌着される嵌着孔（１３ａ）を有する三角形状のハブ（２７）を備えてなり、このハブ（２７）の外側には円環状のリム（２８）がハブ（２７）を取り囲むように設けられている。また、上記ハブ（２７）とリム（２８）との間には、このハブ（２７）とリム（２８）とを３箇所で連結する３本のアーム（２９）が配置されている。上記各アーム（２９）は、上記ハブ（２７）に接続された第１アーム部（２９ａ）と、上記リム（２８）に接続された第２アーム部（２９ｂ）とからなるヘアピン状に折り返された形状であり、一端が開放した２本の直線スリット（３０）が上記第１アーム部（２９ａ）と第２アーム部（２９ｂ）との間、及び第１アーム部（２９ａ）とハブ（２７）との間に１本ずつ形成されている。また、図３に示すように、上記各アーム（２９）の第１アーム部（２７ａ）と第２アーム部（２７ｂ）との折返し部（２７ｃ）には、補強リブ（３１）が設けられている。
【００２２】
一方、図２（ｂ）に示すように、上記スペーサ（１４）は、中心にロッド（６）が嵌着される嵌着孔（３２ａ）を有する三角形状のハブ板（３２）と、このハブ板（３２）の外側に配置される円環状のリム板（３３）とで構成され、図３に示すように、スペーサ（１４）を薄板（１３）に組み付けた際、上記ハブ板（３２）が薄板（１３）のハブ（２７）に、リム板（３３）が薄板（１３）のリム（２８）にそれぞれ重なるようになっている。上記ハブ板（３２）の３つの頂点には係止部（３２ｂ）がそれぞれ形成されている一方、上記リム板（３３）の内周には、上記ハブ板（３２）の各係止部（３２ｂ）を係止する３つの係止部（３３ａ）が円周を３等分する位置にそれぞれ突設されている。なお、上記薄板（１３）のハブ（２７）及びリム（２８）には複数の締結孔（２７ａ），（２８ａ）が形成されているとともに、上記スペーサ（１４）のハブ板（３２）及びリム板（３３）にも複数の締結孔（３２ｃ），（３３ｂ）が形成され、３枚の薄板（１３）間に２枚のスペーサ（１４）を介装させ、かつその内周部及び外周部において両側から２つの押え板（１５）を沿わせ、ねじ（図示せず）を上記締結孔（２７ａ），（２８ａ），（３２ｃ），（３３ｂ）に螺合させて第１板ばね（１２）を組み付けるようになっている。
【００２３】
また、上記第１リニアモータ（７）の背面側には、別の第２リニアモータ（１７）が配置されている。この第２リニアモータ（１７）は、第１リニアモータ（７）と同じに構成されているので、同一の構成箇所には同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。なお、第１リニアモータ（７）ではボビン（１１）を圧縮ピストン（４）のロッド（６）に固定したが、この第２リニアモータ（１７）では別のロッド（１８）に固定している。
【００２４】
上記ロッド（１８）の両端には、２つの一対の円板状の第２板ばね（１９）がその嵌着孔（１３ａ）にロッド（１８）を嵌着させて上記第２リニアモータ（１７）を両側から挟むように固定され、各第２板ばね（１９）の外周はケーシング（１）の内周壁に固定されている。この各第２板ばね（１９）も、上記各第１板ばね（１２）と同様に３枚の薄板（１３）を重ね合わせてなり、相隣る薄板（１３）間にスペーサ（１４）が介装され、その中央部及び外周部が２枚のリング状の押え板（１５）でそれぞれ両側から挟持されて組み付けられたものであり、各第２板ばね（１２）を構成する３枚の薄板（１３）にも、各第１板ばね（１２）と同様に三角形状のハブ（２７）を円環状のリム（２８）で取り囲み、上記ハブ（２７）とリム（２８）とをヘアピン状に折り返された形状の３本のアーム（２９）で連結し、一端が開放した２本の直線スリット（３０）が上記各アーム（２９）を構成する第１アーム部（２９ａ）と第２アーム部（２９ｂ）との間、及び第１アーム部（２９ａ）とハブ（２７）との間に１本ずつ形成されている。また、上記各アーム（２９）の第１アーム部（２９ａ）と第２アーム部（２９ｂ）との折返し部（２９ｃ）には、補強リブ（３１）が設けられている。
【００２５】
そして、上記第２リニアモータ（１７）は、第１リニアモータ（７）とは逆位相に駆動し、各第２板ばね（１９）を各第１板ばね（１２）の動きに対し逆向きに動かせることにより圧縮ピストン（４）の往復移動方向の振動を打ち消すようになっている。つまり、この第２板ばね（１９）はバランサの役割をなすものである。
【００２６】
一方、上記膨張機（Ｂ）のケーシング（２）には、円筒形状のシリンダ（２１）が一方の側壁外面に同心円状に固定されて配置され、このシリンダ（２１）内には、１つの往復移動体としてのディスプレーサ（２２）が往復移動可能に摺動配置され、このディスプレーサ（２２）によりシリンダ（２１）内を膨張室（２３）と作動室（２４）とに区画している。このディスプレーサ（２２）は、内部に金属製蓄冷材（再生式熱交換器）を充填したものであり、この蓄冷材が充填された空間は、上記膨張室（２３）及び作動室（２４）にそれぞれ連通されている。そして、膨張室（２３）で膨張した低温の冷媒ガスが作動室（２４）に向かうときには、該冷媒ガスにより上記蓄冷材を冷却してその蓄冷材に冷熱を蓄え、逆に常温の冷媒ガスが作動室（２４）から膨張室（２３）に向かうときには、その蓄冷材により冷媒ガスを冷却するようになっている。また、上記シリンダ（２１）の先端にはコールドヘッド（２５）が設けられている。
【００２７】
上記シリンダ（２１）内の作動室（２４）は、配管（２６）により上記圧縮機（Ａ）の圧縮室（５）に接続され、圧縮機（Ａ）からの冷媒ガス圧により上記ディスプレーサ（２２）を往復移動させて冷媒ガスを膨張室（２３）で膨張させることにより、上記コールドヘッド（２５）に寒冷を発生させるようになされている。
【００２８】
なお、上記ディスプレーサ（２２）を作動させる機構は、上記圧縮機（Ａ）の場合と同じくケーシング（２）内に設置された第１及び第２リニアモータ（７），（１７）、第１及び第２板ばね（１２），（１９）等によって構成されているので、同一の構成箇所には同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。勿論、この膨張機（Ｂ）側の各第１板ばね（１２）及び第２板ばね（１９）も、圧縮機（Ａ）側の各第１板ばね（１２）及び第２板ばね（１９）と同様に構成されているものである。
【００２９】
以上の構成からなるスターリング冷凍機の作動について説明する。先ず、冷凍機の運転開始に際し、圧縮機（Ａ）側の第１及び第２リニアモータ（７），（１７）の各々の電磁コイル（１０）に所定周波数の交流電流を互いに逆位相になるように通電する。この通電に伴い、圧縮ピストン（４）が永久磁石（９）により発生する磁界作用により第１板ばね（１２）の中心部を左右方向に弾性変形させながら中立位置から往復移動し、この圧縮ピストン（４）の往復移動により圧縮室（５）の容積が増減変化し、圧縮室（５）内に所定周期の圧力波が生ずる。
【００３０】
この際、各第１板ばね（１２）には、第１アーム部（２９ａ）と第２アーム部（２９ｂ）とのヘアピン状折返し部（２９ｃ）に応力が発生するものの、全体的にはその直線スリット（３０）のスリット形状からして渦巻スリットの場合に比べて応力を緩和でき、各第１板ばね（１２）の延命化ひいてはスターリング冷凍機の延命化を図ることができる。さらに、各アーム（２９）とハブ（２７）とにより形成された２本の直線スリット（３０）により、直線スリット（３０）が１本の場合に比べて上記ハブ（２７）が圧縮ピストン（４）方向に大きく弾性変形し、例えば各第１板ばね（１２）が小型の場合でも圧縮ピストン（４）のストロークを十分に確保することができ、スターリング冷凍機の設計の自由度を向上させることができる。
【００３１】
さらに、補強リブ（３１）により折返し部（２９ｃ）の剛性を上げているので、弾性変形時の引張り応力及び捩り応力をなくすことができ、曲げ応力だけとして各第１板ばね（１２）の延命化ひいてはスターリング冷凍機の延命化を確保することができる。
【００３２】
上述の如く圧縮室（５）内に所定周期の圧力波が生ずると、加圧された冷媒ガスが配管（２６）を経て膨張機（Ｂ）の作動室（２４）に供給される。この膨張機（Ｂ）側でも、第１及び第２リニアモータ（７），（１７）の各々の電磁コイル（１０）に所定周波数の交流電流を互いに逆位相になるように通電するものであり、第１リニアモータ（７）によってディスプレーサ（２２）が膨張機（Ｂ）側の第１板ばね（１２）の中心部を左側に変形させながらシリンダ（２１）先端側に移動する。これにより、上記作動室（２４）のガスがディスプレーサ（２２）内を通って蓄冷材により冷却されながら膨張室（２３）に流れ、ディスプレーサ（２２）は第１板ばね（１２）の復元力によりシリンダ（２１）基端側に移動して元の位置に戻る。
【００３３】
一方、圧縮機（Ａ）の圧縮ピストン（４）の後退により圧縮室（５）内の圧力が低下すると、膨張機（Ｂ）の作動室（２４）内の冷媒ガスが配管（２６）を経て圧縮機（Ａ）の圧縮室（５）に戻り、上記作動室（２４）内の圧力が膨張室（２３）よりも低下する。第１リニアモータ（７）によって上記ディスプレーサ（２２）が今度は膨張機（Ｂ）の第１板ばね（１２）の中心部を右側に変形させながらシリンダ（２１）基端側に移動し、膨張室（２３）内の冷媒ガスが断熱膨張して寒冷が発生する。そして、上記膨張後のガスが膨張室（２３）からディスプレーサ（２２）内を蓄冷材に冷熱を与えながら作動室（２４）に流れ、ディスプレーサ（２２）は第１板ばね（１２）の復元力によりシリンダ（２１）基端側に移動して元の位置に戻る。
【００３４】
以上により１サイクルが終了し、以後、同様のサイクルを繰り返すことで、シリンダ（２１）先端のコールドヘッド（２５）が徐々に極低温レベルまで冷却される。
【００３５】
この膨張機（Ｂ）側においても、渦巻スリットの代わりに２本の直線スリット（３０）を有する各第１板ばね（１２）のスリット形状により、作用する応力を曲げ応力だけにして応力を緩和し、各第１板ばね（１２）の延命化ひいてはスターリング冷凍機の延命化を図ることができるとともに、２本の直線スリット（３０）によるディスプレーサ（２２）方向への大きな弾性変形により、各第１板ばね（１２）が小型の場合でもディスプレーサ（２２）のストロークを十分に確保することができ、スターリング冷凍機の設計の自由度を向上させることができることに関しては、圧縮機（Ａ）側と同様である。
【００３６】
なお、この実施の形態では、圧縮機（Ａ）及び膨張機（Ｂ）の双方において、圧縮ピストン（４）及びディスプレーサ（２２）を弾性支持する第１板ばね（１２）を上述の如く渦巻スリットの代わりに２本の直線スリット（３０）のスリット形状にしたが、これに限らず、そのいずれか一方側だけを上述の如き構成にしてもよい。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、圧縮機（Ａ）及び膨張機（Ｂ）の少なくとも一方において、往復移動体（４，２２）を弾性支持する板ばね（１２）を、ハブ（２７）を円環状のリム（２８）で取り囲み、このハブ（２７）とリム（２８）とを複数のアーム（２９）で連結し、各アーム（２９）をハブ（２７）に接続された第１アーム部（２９ａ）と、リム（２８）に接続された第２アーム部（２９ｂ）とからなるヘアピン状に折り返された形状として、一端が開放した直線スリット（３０）を第１アーム部（２９ａ）と第２アーム部（２９ｂ）との間、及び第１アーム部（２９ａ）とハブ（２７）との間に形成したので、その直線スリット形状により作用する応力を緩和して板ばね（１２）の延命化ひいてはスターリング冷凍機の延命化を図ることができる。さらに、各アーム（２９）とハブ（２７）とにより形成された２本の直線スリット（３０）により、往復移動体（４，２２）のストロークを十分に確保してスターリング冷凍機の設計の自由度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係るスターリング冷凍機の概略構成図である。
【図２】（ａ）は第１板ばねの平面図、（ｂ）はスペーサの平面図である。
【図３】第１板ばねとスペーサとを組み合わせた平面図である。
【符号の説明】
（Ａ）圧縮機
（Ｂ）膨張機
（４）圧縮ピストン（往復移動体）
（１２）第１板ばね
（１３ａ）嵌着孔
（２２）ディスプレーサ（往復移動体）
（６），（１８）ロッド
（２７）ハブ
（２８）リム
（２９）アーム
（２９ａ）第１アーム部
（２９ｂ）第２アーム部
（２９ｃ）折返し部
（３０）直線スリット
（３１）補強リブ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a Stirling refrigerator, and more particularly to an improvement in a leaf spring that elastically supports a compression piston for compressing refrigerant gas and a displacer for expanding refrigerant gas.
[0002]
[Prior art]
The Stirling refrigerator is composed of a compressor that compresses the refrigerant gas and an expander that expands the refrigerant gas discharged from the compressor. In the compressor, the compressor gas is compressed by reciprocating movement of the compression piston, In the expander, the refrigerant gas compressed by the compressor is expanded by reciprocating movement of the displacer to generate cryogenic cold.
[0003]
As such a Stirling refrigerator, there is known a Stirling refrigerator in which a compression piston and a displacer are elastically supported by a plate spring made of a disc as disclosed in, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 5-288419. In this Stirling refrigerator, a plurality of thin plates are overlapped to form a leaf spring, and the central portion and the outer peripheral portion are sandwiched from both sides by two press plates, and are integrated.
[0004]
By the way, in the Stirling refrigerator as described above, the leaf spring that elastically supports the compression piston and the displacer generally has a plurality of spiral slits formed at substantially equal intervals in the circumferential direction. By forming these spiral slits, The compression piston and the displacer are elastically supported so that they can reciprocate and cannot move in a direction perpendicular to the reciprocation direction of the compression piston and displacer, thereby reducing lateral blurring in the radial direction of the compression piston and displacer. In addition, low vibration of the displacer is achieved.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, in a leaf spring in which a spiral slit as described above is formed, three stresses of tensile stress, bending stress, and torsional stress are generated due to the slit shape during elastic deformation, so the stress at the end of the slit is reduced. There is a risk that the life of the leaf spring and thus the life of the Stirling refrigerator will be shortened.
[0006]
On the other hand, as disclosed in U.S. Pat. No. 5,492,313 and the drawings, as a leaf spring having a structure replacing the spiral slit, a triangular hub is surrounded by an annular rim, and the hub and rim A leaf spring having a structure in which three arms are integrally connected at three positions at equal intervals and one linear slit having one end opened is formed between the hub and each arm has been proposed. A leaf spring having this structure is preferable because it does not generate a tensile stress and a torsional stress during elastic deformation, but only a bending stress, which can relax the stress compared to a leaf spring in which a spiral slit is formed.
[0007]
However, since the plate spring of this structure has only one straight slit between the hub and each arm, the amount of elastic deformation in the reciprocating direction of the compression piston and the displacer is small. The stroke when the displacer reciprocates cannot be secured sufficiently, and the degree of freedom in designing the Stirling refrigerator is reduced.
[0008]
The present invention has been made in view of such a point, and the purpose thereof is to relieve stress of a leaf spring that elastically supports a compression piston and a displacer, and to sufficiently ensure the stroke of the compression piston and the displacer. The purpose of this is to extend the life of the leaf spring, thereby extending the life of the Stirling refrigerator and to improve the degree of freedom in designing the Stirling refrigerator.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention is characterized in that a slit is appropriately formed in a leaf spring that elastically supports a compression piston and a displacer.
[0010]
Specifically, as shown in FIG. 1, the present invention includes a compressor (A) that compresses refrigerant gas and an expander (B) that expands refrigerant gas discharged from the compressor (A). And at least one of the compressor (A) and the expander (B) includes a reciprocating body (4, 22) for compressing or expanding the refrigerant gas by reciprocating movement in the center of the disc-shaped leaf spring (12). The following solution was taken for a Stirling refrigerator that was elastically supported by a part via a rod (6, 18).
[0011]
That is, the first solving means of the present invention includes a hub (27) having a fitting hole (13a) into which the rod (6, 18) is fitted as the leaf spring (12). An annular rim (28) is provided so as to surround the hub (27), and the hub (27) and the rim (28) are connected by a plurality of arms (29) at a plurality of positions. Further, each arm (29) is folded back into a hairpin shape including a first arm portion (29a) connected to the hub (27) and a second arm portion (29b) connected to the rim (28). Shape. A straight slit (30) having one open end is formed between the first arm portion (29a) and the second arm portion (29b), and between the first arm portion (29a) and the hub (27). It is characterized by that.
[0013]
With the above configuration, in the first solution of the present invention, when the reciprocating body (4, 22) reciprocates in at least one of the compressor (A) and the expander (B), the reciprocating body (4 , 22), the leaf spring (12) moves. At this time, although stress is generated in the hairpin-shaped folded portion between the first arm portion (29a) and the second arm portion (29b) of the leaf spring (12), the slit shape of the linear slit (30) as a whole. Therefore, the stress is relieved compared to the case of the spiral slit, and the life of the leaf spring (12) is extended, and the life of the Stirling refrigerator is extended. Further, the two linear slits (30) formed by the arms (29) and the hub (27) allow the hub (27) to reciprocate (4, 4) in proportion to the number of the linear slits (30). 22) elastically deformed in the direction, for example, even when the leaf spring (12) is small, the stroke of the reciprocating body (4, 22) is sufficiently secured, and the degree of freedom in designing the Stirling refrigerator is improved.
[0014]
According to a second solving means of the present invention, in the first solving means, a reinforcing rib (31) is provided on the folded portion (29c) of the first arm portion (29a) and the second arm portion (29b) of each arm (29). ) Is provided.
[0015]
With the above configuration, in the second solving means of the present invention, the rigidity of the folded portion (29c) is increased by the reinforcing rib (31), and at the time of elastic deformation, tensile stress and torsional stress are not generated, but only bending stress, Prolonging the life of the leaf spring (12) and thus prolonging the life of the Stirling refrigerator are ensured.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0017]
FIG. 1 is a schematic view of a Stirling refrigerator according to an embodiment of the present invention. In the figure, (A) is a compressor that compresses refrigerant gas, (B) is an expander that expands refrigerant gas discharged from the compressor (A), and these compressor (A) and expander (B ) Both include sealed cylindrical casings (1), (2).
[0018]
In the casing (1) of the compressor (A), a cylindrical cylinder (3) is concentrically fixed to the inner surface of one side wall, and the cylinder (3) has a reciprocating moving body. The compression piston (4) is slidably disposed so as to be reciprocally movable, and a compression chamber (5) is formed in the cylinder (3) by the compression piston (4). One end of the rod (6) is connected to the back surface of the compression piston (4) so as to be positioned at the center line of the casing (1), and the other end of the rod (6) is connected to the other side wall of the casing (1). It extends towards.
[0019]
A first linear motor (7) is disposed around the rod (6). The first linear motor (7) includes an annular yoke (8) made of pure iron fixed to the inner peripheral surface of the peripheral wall of the casing (1), and a through-hole is formed at the center of the yoke (8). (8a) is formed, and the rod (6) passes through the through hole (8a) from one end side and protrudes to the other end side. The yoke (8) has a concave portion (8b) formed in a ring shape, and a ring-shaped permanent magnet (9) is fixed to the outer peripheral surface of the concave portion (8b). 9), the yoke (8) is used as a yoke to generate a magnetic field having a predetermined strength in the recess (8b). Further, near the protruding end of the rod (6), a bottomed cylindrical bobbin (11) around which an electromagnetic coil (10) is wound is connected to the outer peripheral surface, and the electromagnetic coil (10) is connected to a recessed portion ( 8b) to be opposed to the permanent magnet (9). Then, by applying an alternating current of a predetermined frequency to the electromagnetic coil (10), the compression piston (4) is reciprocated at a period determined by a spring constant of the first leaf spring (12) described later, and the compression chamber ( In step 5), a gas pressure having a predetermined period is generated.
[0020]
A pair of disc-shaped first leaf springs (12) are fitted in two locations, the rod (6) near the compression piston (4) and the projecting end (in fact, a thin plate (13) described later). The rod (6) is fitted into the fitting hole (12a)) and fixed so as to sandwich the first linear motor (7) from both sides. The outer periphery of each first leaf spring (12) is the casing (1). It is fixed to the inner peripheral wall. Each of the first leaf springs (12) is formed by superimposing three thin plates (13), a spacer (14) is interposed between adjacent thin plates (13), and a central portion and an outer peripheral portion thereof are two. Each of the ring-shaped presser plates (15) is sandwiched and assembled from both sides.
[0021]
As shown in FIG. 2A, as a feature of the present invention, the three thin plates (13) constituting each of the first leaf springs (12) are fitted with the rod (6) fitted in the center. A triangular hub (27) having a hole (13a) is provided, and an annular rim (28) is provided outside the hub (27) so as to surround the hub (27). Between the hub (27) and the rim (28), three arms (29) for connecting the hub (27) and the rim (28) at three positions are arranged. Each arm (29) is folded back in a hairpin shape including a first arm portion (29a) connected to the hub (27) and a second arm portion (29b) connected to the rim (28). The two straight slits (30) having one open end are provided between the first arm part (29a) and the second arm part (29b), and between the first arm part (29a) and the hub (27 ) Are formed one by one. Further, as shown in FIG. 3, a reinforcing rib (31) is provided at the folded portion (27c) between the first arm portion (27a) and the second arm portion (27b) of each arm (29). Yes.
[0022]
On the other hand, as shown in FIG. 2 (b), the spacer (14) includes a triangular hub plate (32) having a fitting hole (32a) into which the rod (6) is fitted at the center, and the hub. And an annular rim plate (33) disposed outside the plate (32). As shown in FIG. 3, when the spacer (14) is assembled to the thin plate (13), the hub plate (32) The rim plate (33) and the rim (28) of the thin plate (13) overlap the hub (27) of the thin plate (13), respectively. Locking portions (32b) are formed at the three vertices of the hub plate (32), respectively, while the locking portions (30) of the hub plate (32) are formed on the inner periphery of the rim plate (33). The three locking portions (33a) for locking 32b) are respectively projected at positions that divide the circumference into three equal parts. The hub (27) and rim (28) of the thin plate (13) are formed with a plurality of fastening holes (27a) and (28a), and the hub plate (32) and rim of the spacer (14). A plurality of fastening holes (32c) and (33b) are also formed in the plate (33), two spacers (14) are interposed between the three thin plates (13), and the inner and outer peripheral portions thereof. 2, the two presser plates (15) are fitted from both sides, and screws (not shown) are screwed into the fastening holes (27 a), (28 a), (32 c), (33 b), and the first leaf springs (12 ).
[0023]
Further, another second linear motor (17) is arranged on the back side of the first linear motor (7). Since the second linear motor (17) is configured in the same manner as the first linear motor (7), the same components are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted. In the first linear motor (7), the bobbin (11) is fixed to the rod (6) of the compression piston (4), but in the second linear motor (17), it is fixed to another rod (18). .
[0024]
Two pairs of disc-shaped second leaf springs (19) are fitted to both ends of the rod (18) so that the rod (18) is fitted into the fitting holes (13a), and the second linear motor (17 ) Is fixed between both sides, and the outer periphery of each second leaf spring (19) is fixed to the inner peripheral wall of the casing (1). Each of the second leaf springs (19) is formed by stacking three thin plates (13) in the same manner as each of the first leaf springs (12), and a spacer (14) is provided between the adjacent thin plates (13). The center part and the outer peripheral part are sandwiched and assembled by two ring-shaped presser plates (15) from both sides, and three sheets constituting each second leaf spring (12). Similarly to each first leaf spring (12), the thin plate (13) surrounds the triangular hub (27) with an annular rim (28), and the hub (27) and the rim (28) are shaped like a hairpin. The first arm portion (29a) and the second arm, which are connected by three arms (29) folded back to each other, and two linear slits (30) whose one ends are open constitute the arms (29). One between the part (29b) and between the first arm part (29a) and the hub (27) It is formed. In addition, a reinforcing rib (31) is provided at the turn-back portion (29c) between the first arm portion (29a) and the second arm portion (29b) of each arm (29).
[0025]
The second linear motor (17) is driven in the opposite phase to the first linear motor (7), and each second leaf spring (19) is directed in the opposite direction to the movement of each first leaf spring (12). To cancel the vibration in the reciprocating direction of the compression piston (4). That is, the second leaf spring (19) serves as a balancer.
[0026]
On the other hand, in the casing (2) of the expander (B), a cylindrical cylinder (21) is concentrically fixed to the outer surface of one side wall, and one reciprocating motion is placed in the cylinder (21). A displacer (22) as a moving body is slidably arranged so as to be able to reciprocate. The displacer (22) divides the inside of the cylinder (21) into an expansion chamber (23) and a working chamber (24). The displacer (22) is filled with a metal regenerator (regenerative heat exchanger), and the space filled with the regenerator is in the expansion chamber (23) and the working chamber (24). Each communicates. When the low-temperature refrigerant gas expanded in the expansion chamber (23) goes to the working chamber (24), the refrigerant gas cools the cold storage material and stores cold heat in the cold storage material. When moving from the working chamber (24) to the expansion chamber (23), the refrigerant gas is cooled by the cold storage material. A cold head (25) is provided at the tip of the cylinder (21).
[0027]
The working chamber (24) in the cylinder (21) is connected to the compression chamber (5) of the compressor (A) by a pipe (26), and the displacer (22) by the refrigerant gas pressure from the compressor (A). ) Is reciprocated to expand the refrigerant gas in the expansion chamber (23), thereby generating cold in the cold head (25).
[0028]
The mechanism for operating the displacer (22) includes first and second linear motors (7), (17), first and second installed in the casing (2) as in the case of the compressor (A). Since the second leaf springs (12) and (19) are configured, the same components are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted. Of course, the first leaf spring (12) and the second leaf spring (19) on the expander (B) side are also the same as the first leaf spring (12) and the second leaf spring (19) on the compressor (A) side. ).
[0029]
The operation of the Stirling refrigerator having the above configuration will be described. First, when starting the operation of the refrigerator, alternating currents having a predetermined frequency are reversed in phase to the electromagnetic coils (10) of the first and second linear motors (7) and (17) on the compressor (A) side. Energize so that. With this energization, the compression piston (4) reciprocates from the neutral position while elastically deforming the central portion of the first leaf spring (12) in the left-right direction by the magnetic field action generated by the permanent magnet (9). The volume of the compression chamber (5) increases or decreases due to the reciprocating movement of (4), and a pressure wave having a predetermined cycle is generated in the compression chamber (5).
[0030]
At this time, each of the first leaf springs (12) is stressed at the hairpin-shaped folded portion (29c) between the first arm portion (29a) and the second arm portion (29b). Since the straight slit (30) has a slit shape, the stress can be relaxed compared to the case of the spiral slit, and the life of each first leaf spring (12) can be extended, and the life of the Stirling refrigerator can be extended. Further, the two linear slits (30) formed by the arms (29) and the hub (27) allow the hub (27) to be compressed by the compression piston (4) as compared with the case of one linear slit (30). ) Greatly elastically deform in the direction, for example, even when each first leaf spring (12) is small, the stroke of the compression piston (4) can be sufficiently secured, and the degree of freedom in the design of the Stirling refrigerator is improved. Can do.
[0031]
Further, since the rigidity of the folded portion (29c) is increased by the reinforcing rib (31), the tensile stress and torsional stress at the time of elastic deformation can be eliminated, and the life extension of each first leaf spring (12) can be made only by the bending stress. As a result, the life extension of the Stirling refrigerator can be secured.
[0032]
As described above, when a pressure wave having a predetermined period is generated in the compression chamber (5), the pressurized refrigerant gas is supplied to the working chamber (24) of the expander (B) through the pipe (26). Also on the expander (B) side, alternating currents of a predetermined frequency are passed through the electromagnetic coils (10) of the first and second linear motors (7) and (17) so as to have opposite phases. The displacer (22) is moved to the tip end side of the cylinder (21) by deforming the central portion of the first leaf spring (12) on the expander (B) side to the left side by the first linear motor (7). As a result, the gas in the working chamber (24) flows into the expansion chamber (23) while being cooled by the cold storage material through the displacer (22), and the displacer (22) is restored by the restoring force of the first leaf spring (12). The cylinder (21) moves to the proximal end side and returns to the original position.
[0033]
On the other hand, when the pressure in the compression chamber (5) decreases due to the retraction of the compression piston (4) of the compressor (A), the refrigerant gas in the working chamber (24) of the expander (B) passes through the pipe (26). Returning to the compression chamber (5) of the compressor (A), the pressure in the working chamber (24) is lower than that of the expansion chamber (23). The displacer (22) is moved to the base end side of the cylinder (21) by deforming the central portion of the first leaf spring (12) of the expander (B) to the right side by the first linear motor (7). The refrigerant gas in the chamber (23) adiabatically expands to generate cold. Then, the expanded gas flows from the expansion chamber (23) to the working chamber (24) while applying cold heat to the regenerator material in the displacer (22), and the displacer (22) has a restoring force of the first leaf spring (12). Thus, the cylinder (21) moves to the proximal end side and returns to the original position.
[0034]
Thus, one cycle is completed, and thereafter, by repeating the same cycle, the cold head (25) at the tip of the cylinder (21) is gradually cooled to a cryogenic level.
[0035]
Even on the expander (B) side, the stress is reduced by making the acting stress only bending stress by the slit shape of each first leaf spring (12) having two linear slits (30) instead of spiral slits. In addition, the life of each first leaf spring (12) can be extended, and thus the life of the Stirling refrigerator can be extended, and the large elastic deformation in the direction of the displacer (22) by the two linear slits (30) Even when one leaf spring (12) is small, the stroke of the displacer (22) can be sufficiently secured, and the freedom of design of the Stirling refrigerator can be improved. It is the same.
[0036]
In this embodiment, in both the compressor (A) and the expander (B), the first leaf spring (12) that elastically supports the compression piston (4) and the displacer (22) is spirally slit as described above. However, the present invention is not limited to this, and only one of the two slits may be configured as described above.
[0037]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, in at least one of the compressor (A) and the expander (B), the leaf spring (12) that elastically supports the reciprocating body (4, 22) is provided with the hub (27 ) Is surrounded by an annular rim (28), the hub (27) and the rim (28) are connected by a plurality of arms (29), and each arm (29) is connected to the hub (27). A straight slit (30) with one end opened as a hairpin shape formed of an arm portion (29a) and a second arm portion (29b) connected to the rim (28) is formed as a first arm portion (29a). ) And the second arm portion (29b) and between the first arm portion (29a) and the hub (27), the stress acting by the linear slit shape is relieved to relieve the leaf spring (12). ) Prolonging the life of the Stirling refrigerator It is possible to achieve the reduction. Furthermore, the two linear slits (30) formed by the arms (29) and the hub (27) ensure a sufficient stroke of the reciprocating body (4, 22), thereby allowing freedom in designing the Stirling refrigerator. The degree can be improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a Stirling refrigerator according to an embodiment of the present invention.
2A is a plan view of a first leaf spring, and FIG. 2B is a plan view of a spacer.
FIG. 3 is a plan view in which a first leaf spring and a spacer are combined.
[Explanation of symbols]
(A) Compressor (B) Expander (4) Compression piston (reciprocating body)
(12) First leaf spring (13a) Fitting hole (22) Displacer (reciprocating body)
(6), (18) Rod (27) Hub (28) Rim (29) Arm (29a) First arm part (29b) Second arm part (29c) Turned part (30) Linear slit (31) Reinforcement rib

Claims

A compressor (A) that compresses the refrigerant gas, and an expander (B) that expands the refrigerant gas discharged from the compressor (A),
At least one of the compressor (A) and the expander (B) has a reciprocating body (4, 22) that compresses or expands refrigerant gas by reciprocating movement at the center of the disc-shaped leaf spring (12). A Stirling refrigerator disposed elastically supported via rods (6, 18),
The leaf spring (12) includes a hub (27) having a fitting hole (13a) into which the rod (6, 18) is fitted;
An annular rim (28) provided to surround the hub (27);
It comprises a plurality of arms (29) that connect the hub (27) and the rim (28) at a plurality of locations,
Each arm (29) is folded back into a hairpin shape including a first arm part (29a) connected to the hub (27) and a second arm part (29b) connected to the rim (28). Shape
A straight slit (30) with one end open is formed between the first arm part (29a) and the second arm part (29b) and between the first arm part (29a) and the hub (27). A Stirling refrigerator characterized by

The Stirling refrigerator according to claim 1 ,
A Stirling refrigerator characterized in that a reinforcing rib (31) is provided in a folded portion (29c) between the first arm portion (29a) and the second arm portion (29b) of each arm (29).