JP3832027B2 - 往復動式冷凍機 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧縮機又は膨張機においてガスを圧縮又は膨張させる往復動可能な可動体を備えた往復動式冷凍機に関する技術分野に属する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、この種の往復動式冷凍機としては、ディスプレーサの往復動により極低温レベルの寒冷を発生させる膨張機と、この膨張機に供給する冷媒を圧縮する圧縮機とを備えたスターリング冷凍機等がよく知られている。このスターリング冷凍機は、その膨張機のシリンダ内に膨張室を区画形成するディスプレーサや圧縮機のシリンダ内に圧縮室を区画形成するピストンがその各シリンダ内で往復動するように構成されている。そして、この冷凍機では、ディスプレーサやピストンの摩耗を減らして冷凍機を長寿命化させるために、ディスプレーサやピストンの往復動方向と垂直な方向のぶれを出来る限り小さくすることが要求されている。
【０００３】
そこで、従来、例えば特開平４−２６３７５１号公報に示されているように、圧縮機において１つのピストンを略水平方向（ピストン軸方向）に往復動可能にかつそのピストンの往復動方向と垂直な方向（ピストン径方向）に移動不能に弾性支持する板ばねを使用することによって、そのピストンの往復動方向と垂直な方向のぶれを低減させるようにすることが知られている。すなわち、この板ばねは、ピストン径方向の剛性が高くて該径方向には殆ど変形しないので、ピストンの径方向のぶれを低減させる一方、ピストン軸方向には大きく弾性変形するので、ピストンを含む可動体全体をピストン軸方向に往復動可能に弾性支持するものである。
【０００４】
そして、上記板ばねを使用する場合は、通常、ピストン等を有する可動体のぶれを有効に低減させるために、その板ばねを可動体の水平方向に離れた２箇所に配置して可動体を弾性支持するようにしている。さらに、上記２箇所のそれぞれに多数の板ばねを配置したり、ばね定数の大きな板ばねを用いたりして、板ばねによる可動体の支持剛性を一層高めるようにし、これにより、上記可動体のぶれの一層の低減を図ることも行われている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述のように多数の板ばねやばね定数の大きな板ばねを用いて支持剛性を高めた場合には、可動体のぶれを十分に低減させることはできるようになるが、その反面では、上記可動体の水平方向の動作をかなり制限してしまうことになる。その結果、例えば圧縮機におけるピストンの往復動のストロークや往復動の周期等が狭い範囲に制限され、往復動式冷凍機における設計の自由度が小さくなってしまうという不具合がある。
【０００６】
本発明は斯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、上述の如く２箇所に分けて配置した板ばねにより可動体を略水平方向に往復動可能に弾性支持するようにした往復動式冷凍機において、可動体の重心位置や板ばねによる支持剛性の設定に工夫を凝らすことによって、設計の自由度を確保しつつ、可動体のぶれを低減させて冷凍機の長寿命化を図ることにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の解決手段では、可動体の重心位置をオフセットさせたり、２箇所に配置された板ばねの支持剛性を互いに異なるものとさせることにより、該板ばねによる支持剛性を過度に高めることなく、ピストンやディスプレーサが設けられた部位における可動体のぶれを低減させるようにした。
【０００８】
具体的には、請求項１記載の発明は、図１に示すように、シリンダ（５）内に圧縮室（１１）又は膨張室を区画形成するピストン（９）を先端部に有する可動体（２２）と、互いに水平方向に離れた２箇所に配置され、それぞれ上記可動体（２２）を略水平方向に往復動可能にかつ該可動体（２２）の往復動方向と垂直な方向に移動不能に弾性支持するように少なくとも１枚以上の板ばね（３１）で構成された一対の弾性支持手段（３ａ），（３ｂ）とを備え、上記可動体（２２）の往復動により上記圧縮室（１１）のガスを圧縮し又は膨張室のガスを膨張させるようにした往復動式冷凍機を対象とする。そして、上記可動体（２２）の重心位置（Ｇ1 ）を、上記両弾性支持手段（３ａ），（３ｂ）間でかつピストン（９）から遠い側の弾性支持手段（３ｂ）寄りにオフセットさせた構成とする。
【０００９】
上記の構成によれば、可動体（２２）の重心位置（Ｇ1 ）が、一対の弾性支持手段（３ａ），（３ｂ）のうちのピストン（９）から遠い側の弾性支持手段（３ｂ）寄りにオフセットされているため、上記各弾性支持手段（３ａ），（３ｂ）にそれぞれ作用する荷重は、上記ピストン（９）に近い側の弾性支持手段（３ａ）よりも遠い側の弾性支持手段（３ｂ）において大きくなる。このため、上記可動体（２２）が水平方向に往復動されるとき、この往復動に伴う可動体（２２）の上下方向のぶれ量は、上記ピストン（９）に近い側で遠い側よりも小さくなる。つまり、上記ピストン（９）が設けられた側における可動体（２２）のぶれ量を、該可動体（２２）の全体のぶれ量よりも小さくさせることができる。このことで、弾性支持手段（３ａ），（３ｂ）の支持剛性を過度に高めることなく、ピストン（９）が設けられた部位における可動体のぶれを十分に低減させることが可能になる。
【００１０】
請求項２記載の発明は、上記ピストン（９）に近い側の弾性支持手段（３ａ）による可動体（２２）の往復動方向と垂直な方向の支持剛性を、遠い側の弾性支持手段（３ｂ）よりも大に設定した構成とする。
【００１１】
上記の構成によれば、一対の弾性支持手段（３ａ），（３ｂ）のうちのピストン（９）に近い側の弾性支持手段（３ａ）の支持剛性が、遠い側の弾性支持手段（３ｂ）よりも大に設定されているため、可動体（２２）が水平方向に往復動されるとき、この往復動に伴う可動体（２２）の上下方向のぶれ量は、上記ピストン（９）に近い側で遠い側よりも小さくなる。これにより、弾性支持手段（３ａ），（３ｂ）の支持剛性を過度に高めることなく、ピストン（９）が設けられた部位における可動体のぶれを十分に低減させることが可能になる。
【００１２】
請求項３記載の発明は、図１に示すように、請求項２記載の発明における各弾性支持手段（３ａ），（３ｂ）を、それぞれ同じばね定数を有する板ばね（３１）で構成し、かつ、ピストン（９）に近い側の弾性支持手段（３ａ）の板ばねの枚数を遠い側の弾性支持手段（３ｂ）よりも多くした。
【００１３】
このことで、請求項２記載の発明における各弾性支持手段（３ａ），（３ｂ）の構成がそれぞれ具体的に特定される。すなわち、ピストン（９）に近い側の弾性支持手段（３ａ）の板ばね（３１）の枚数が、遠い側の弾性支持手段（３ｂ）よりも多いため、上記ピストン（９）に近い側の弾性支持手段（３ａ）の支持剛性は遠い側の弾性支持手段（３ｂ）よりも確実に大に設定される。また、全ての板ばね（３１）のばね定数が等しいので、支持剛性の設定が容易になる。
【００１４】
請求項４記載の発明は、請求項２記載の発明における各弾性支持手段を、それぞれ異なるバネ定数を有する同じ枚数の板ばねで構成し、かつ、ピストンに近い側の弾性支持手段の板ばねのばね定数を遠い側の弾性支持手段よりも大きくした。
【００１５】
上記の構成の場合、請求項２記載の発明における各弾性支持手段の、請求項３記載の発明とは異なる構成が具体的に特定される。すなわち、ピストンに近い側の弾性支持手段の板ばねのばね定数が遠い側の弾性支持手段よりも大きいので、上記ピストンに近い側の弾性支持手段の支持剛性が遠い側の弾性支持手段よりも確実に高めに設定される。また、上記両弾性支持手段の板ばねの枚数が等しいので、支持剛性の設定が容易になる。
【００１６】
請求項５記載の発明は、請求項１、２、３又は４のいずれか１つに記載の往復動式冷凍機において、図１に示すように、ピストン（９）を、圧縮機（１００）においてシリンダ（５）内に圧縮室（１１）を区画形成するものとする。
【００１７】
一般に、圧縮機（１００）のピストン（９）の径方向へのぶれは該ピストンの磨耗の大きな要因となり、そのぶれをできるかぎり小さくすることが要求されている。よって、上記請求項５記載の発明によれば、請求項１、２、３又は４記載の発明の効果的な利用を図ることができる。
【００１８】
請求項６記載の発明は、請求項１、２、３又は４のいずれか１つに記載の往復動式冷凍機において、図１に示すように、ピストンを、膨張機（２００）においてシリンダ（３５）内に膨張室（３６）を区画形成するディスプレーサ（４０）とする。このようにすることで、請求項５記載の発明と同様の作用効果が得られる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基いて説明する。
【００２０】
図１は、本発明の実施形態に係る往復動式冷凍機としてのスターリング冷凍機を概略的に示し、この冷凍機は、冷媒ガスを圧縮する圧縮機（１００）と、この圧縮機（１００）から吐出された冷媒ガスを膨張させる膨張機（２００）とを組み合わせたものである。
【００２１】
上記圧縮機（１００）は図で左右方向（水平方向）に延びる密閉円筒状のケーシング（１）を有し、このケーシング（１）は、円筒壁部（１ａ）と、この円筒壁部（１ａ）の両端開口部を気密状に閉塞する円板壁部（１ｂ），（１ｂ）とからなる。上記ケーシング（１）の左側の円板壁部（１ｂ）には、両端が開放された左右方向に延びる円筒状のシリンダ（５）が円筒壁部（１ａ）と同心状に取付固定されている。
【００２２】
上記シリンダ（５）内には円筒状のピストン（９）が摺動可能に嵌装されており、このピストン（９）によりシリンダ（５）内に圧縮室（１１）が区画形成されている。上記ケーシング（１）における左側の円板壁部（１ｂ）の略中心部には、上記圧縮室（１１）に連通する貫通孔（１３）が形成され、この貫通孔（１３）には結合配管（１４）の一端部が連結されている。
【００２３】
上記ピストン（９）は、ケーシング（１）の円筒壁部（１ａ）と同心状に左右方向に延びる支持軸（１５）を介してこのピストン（９）を左右方向に往復駆動する駆動源としてのリニアモータ（１６）に駆動連結されている。すなわち、このリニアモータ（１６）は、上記ケーシング（１）の円筒壁部（１ａ）の内周面に取付固定された純鉄からなる円筒状のヨーク（１７）を有し、このヨーク（１７）の右側端面に設けたリング状凹陥部（１７ａ）内の外周側の側面には環状の永久磁石（１８）が固定されており、この磁石（１８）により純鉄からなるヨーク（１７）を継鉄として上記凹陥部（１７ａ）内に所定強度の磁界を発生させるようにしている。
【００２４】
そして、上記支持軸（１５）の右端側には有底筒状のボビン（１９）が一体に連結され、このボビン（１９）の円筒部（１９ａ）は上記凹陥部（１７ａ）内で左右方向に往復動可能に配置されている。上記ボビン（１９）の円筒部（１９ａ）の外周面には、上記磁石（１８）と対向した位置に電磁コイル（２０）が巻回されている。このリニアモータ（１６）の電磁コイル（２０）に所定周波数の交流を通電することにより、ピストン（９）を後述の弾性支持手段（３ａ），（３ｂ）における板ばね（３１），（３１），…のばね定数等により決まる周期で往復動させて、圧縮室（１１）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。このことで、上記ピストン（９）、支持軸（１５）、ボビン（１９）及び電磁コイル（２０）は、圧縮機（１００）内において一体で略水平方向に往復動する圧縮機（１００）の可動体（２２）を構成していることになる。
【００２５】
上記支持軸（１５）においてその左右両端側つまり上記リニアモータ（１６）を挟んで水平方向に離れた２箇所には、それぞれ４枚及び３枚の略円板状の板ばね（３１），（３１），…が配置固定されて一対の弾性支持手段（３ａ，３ｂ）を構成している。上記各板ばね（３１）は、その外周部において上記ケーシング（１）の円筒壁部（１ａ）内周面にも固定されている。また、上記各板ばね（３１）は、図２に示すように、３つの略渦巻状のスリット孔（３１ａ），（３１ａ）…が円周方向に略等間隔に形成されている。このことで、この各板ばね（３１）は、その各板ばね（３１）の径方向の剛性が高くて該径方向の変形が殆どない一方、その各板ばね（３１）の中心部における中心軸方向の変形が大きくなるようになされており、上記可動体（２２）を略水平方向に往復動可能にかつ該可動体（２２）の往復動方向と垂直な方向に移動不能に弾性支持するようになっている。尚、上記各板ばね（３１）の各スリット孔（３１ａ）の両端部は、応力集中を緩和させるためにそれぞれ円形状とされている。また、図２中、（３１ｂ）は、上記支持軸（１５）に嵌合させて固定するための貫通孔である。
【００２６】
さらに、上記支持軸（１５）の右側端部にはバランスウエイト（６２）が設けられ、このバランスウエイト（６２）は圧縮機（１００）の可動体（２２）の一部を構成している。上記バランスウエイト（６２）は、上記可動体（２２）の重心位置（Ｇ1 ）を、該可動体（２２）を弾性支持する一対の弾性支持手段（３ａ），（３ｂ）の中央位置（Ｈ1 ）よりも右側にオフセットさせるためのものである。この各弾性支持手段（３ａ），（３ｂ）を構成する板ばね（３１），（３１），…の枚数と、上記可動体（２２）の重心位置（２２）とは、ピストン（９）が設けられた部位における可動体（２２）のぶれを低減させるよう後述の如く所定の値に設定されている。
【００２７】
以下に、本発明の特徴部分である、可動体（２２）の重心位置（Ｇ1 ）及び弾性支持手段（３ａ），（３ｂ）の板ばね（３１）の枚数の設定について、図３に基づいて説明する。
【００２８】
図３は、上記可動体（２２）の支持構造を示した模式図であり、同図において、可動体（２２）は、互いに水平方向に離れた２箇所に配置された一対の弾性支持手段（３ａ），（３ｂ）により、重心位置（Ｇ1 ）に作用する重力（Ｆｇ）に抗して弾性支持されている。そして、リニアモータ（１６）により略水平方向に往復動される可動体（２２）の、ピストン（９）の配設位置に相当する先端部（Ｔｉｐ）における上下方向の最大ぶれ量（Tip Deflection）は、以下の式（１）及び式（２）により求められる。すなわち、
Tip Deflection = [(E/D)[1-C(A/B)/(D-C)]+1](1-C/D)(Fg/A) …式（１）
A = Ｎ1 ×kr ， B = Ｎ2 ×kr …式（２）
但し、 A,B ：左右の各弾性支持手段による支持剛性
kr ：板ばねのばね定数
Ｎ1,Ｎ2 ：板ばねの枚数
C ：左側の弾性支持手段から重心位置までの距離
D ：弾性支持手段相互の距離
E ：左側の弾性支持手段から先端部までの距離
F ：可動体の重量
g ：重力加速度
ここで、可動体（２２）の重量（Ｆ）、板ばねのばね定数（ｋｒ）、弾性支持手段（３ａ，３ｂ）相互の距離（Ｄ）、及び、左側の弾性支持手段（３ａ）から先端部（Ｔｉｐ）までの距離（Ｅ）を実際の値に基づいて設定し、その上で左右の各弾性支持手段（３ａ），（３ｂ）における板ばねの枚数（Ｎ1 ），（Ｎ2 ）と、左側の弾性支持手段（３ａ）から重心位置（Ｇ1 ）までの距離（Ｃ）とを種々変更したときの、上記先端部（Ｔｉｐ）の最大ぶれ量を、上記式（１）及び式（２）に基づいて計算する。
【００２９】
具体的には、 F = 0.35kg 、 kr = 100N/mm 、 D = 70mm 、と設定した上で、圧縮機（１００）におけるピストン（９）の先端部（図１における左側端部）の最大ぶれ量を求めるには、 E = 30mm とすればよく、この場合、上記ピストン（９）先端部の最大ぶれ量は表１のように求められる。また、上記ピストン（９）の基端部（図１における右側端部）の最大ぶれ量を求めるには、 E = 20mm とすればよく、これにより、上記ピストン（９）基端部の最大ぶれ量は表２のように求められる。
【００３０】
なお、以下の表１及び表２では、先端部（Ｔｉｐ）の下向きのぶれ量を正の値としかつ上向きのぶれ量を負の値としている。また、表１の右端の列には、上記先端部（Ｔｉｐ）のぶれ量が零になるときの、左側の弾性支持手段（３ａ）から重心位置（Ｇ1 ）までの距離（Ｃ）を示しており、これは上記式（１）及び式（２）に基づいて計算されるものである。
【００３１】
【表１】
ピストン先端部のぶれ量（単位：ミクロン）

【００３２】
【表２】
ピストン基端部のぶれ量（単位：ミクロン）

【００３３】
そして、可動体（２２）の重心位置（Ｇ1 ）及び板ばね（３１）の枚数は、上記表１及び表２に基づいて、ピストン（９）の先端部及び基端部のぶれ量が共に１ミクロン以下になるように設定する。すなわち、上記可動体（２２）の重心位置（Ｇ1 ）を、左右一対の弾性支持手段（３ａ），（３ｂ）の中央位置（Ｈ1 ）（C=35mm）よりも右寄りにオフセットさせて設定するとともに、上記左側の弾性支持手段（３ａ）による支持剛性を右側の弾性支持手段（３ｂ）よりも大に設定する。このことで、上記可動体（２２）が水平方向に往復動されるときの、この往復動に伴う可動体（２２）の上下方向のぶれ量を該可動体（２２）の左側（ピストン（９）が設けられている側）で相対的に小さくさせることができ、支持剛性を過度に高めることなく上記ピストン（９）の先端部及び基端部のぶれ量を共に１ミクロン以下にすることができる。
【００３４】
具体的には、上記圧縮機（１００）においては、Ｎ1 ＝４、Ｎ2 ＝３、C = 50mmと設定されており、この場合、ピストン先端部のぶれ量は零になり、かつ、ピストン基端部のぶれ量は０．８２ミクロンになる。ここで、仮に板ばね（３１）の枚数を上記圧縮機（１００）と同様にＮ1 ＝４、Ｎ2 ＝３と設定する一方、可動体（２２）の重心位置（Ｇ1 ）を中央位置（Ｈ1 ）に設定したとすれば、表１及び表２より、ピストン先端部のぶれ量は３．６８ミクロンになり、ピストン基端部のぶれ量は３．８８ミクロンになってしまう。また、仮に可動体（２２）の重心位置（Ｇ1 ）を上記圧縮機（１００）と同様に設定（c=50mm）する一方、板ばね（３１）の枚数をＮ1 ＝４、Ｎ2 ＝４と同数に設定したとすれば、表１及び表２より、ピストン先端部のぶれ量は０．８８ミクロンになるものの、ピストン基端部のぶれ量は１．４０ミクロンになってしまう。つまり、上記圧縮機（１００）においては、可動体（２２）の重心位置（Ｇ1 ）のオフセット設定と、弾性支持手段（３ａ），（３ｂ）による支持剛性の設定とにより、ピストン（９）の先端部及び基端部のぶれ量を低減させて１ミクロン以下にさせている。
【００３５】
一方、上記膨張機（２００）（図１参照）は、円筒状シリンダ（３５）を有し、このシリンダ（３５）内には、このシリンダ（３５）内空間を膨張室（３６）と作動室（３７）とに区画形成するディスプレーサ（４０）が左右方向に往復動自在に嵌装されている。このディスプレーサ（４０）は、内部に金属製蓄冷材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（３６）及び作動室（３７）にそれぞれ連通されている。そして、膨張室（３６）で膨張した低温の冷媒ガスが作動室（３７）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（３７）から膨張室（３６）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。
【００３６】
上記シリンダ（３５）の基端部（図１の右側端部）の近傍には、上記作動室（３７）に連通する貫通孔（４３）が形成され、この貫通孔（４３）に上記結合配管（１４）の他端部が連結されている。このことで、上記作動室（３７）は、結合配管（１４）を介して圧縮機（１００）の圧縮室（１１）と接続され、圧縮機（１００）からの冷媒ガス圧により上記ディスプレーサ（４０）を往復動させて冷媒ガスを膨張室（３６）で膨張させることにより、シリンダ（３５）先端のコールドヘッド（４４）に寒冷を発生させるようになされている。
【００３７】
上記シリンダ（３５）の基端には、上記圧縮機（１００）のケーシング（１）と同様に、円筒壁部（５１ａ）と２つの円板壁部（５１ｂ），（５１ｂ）とからなる左右方向に延びる密閉円筒状のケーシング（５１）が取付固定されている。このケーシング（５１）内には、上記ディスプレーサ（４０）に一体に取付固定した支持軸（５５）が上記円筒壁部（５１ａ）と同心状に左右方向に延びるように設けられている。つまり、上記ディスプレーサ（４０）及び支持軸（５５）は、膨張機（２００）内において一体で略水平方向に往復動する膨張機（２００）の可動体（２２）を構成している。この支持軸（５５）は、上記ケーシング（５１）の左側の円板壁部（５１ｂ）を貫通しており、この円板壁部（５１ｂ）の支持軸（５５）が貫通する箇所にはシール部材（５７）が設けられ、このシール部材（５７）により上記作動室（３７）から冷媒がケーシング（５１）内に漏れないようにシールがなされている。
【００３８】
上記支持軸（５５）においてケーシング（５１）内における水平方向に離れた２箇所には、それぞれ３枚の板ばね（３１），（３１），（３１）により構成された１対の弾性支持手段（３ｂ），（３ｂ）が配置固定され、この各弾性支持手段（３ｂ）により膨張機（２００）の可動体（２２）が略水平方向に往復動可能にかつ該可動体（２２）の往復動方向と垂直な上下方向に移動不能に弾性支持されている。また、上記支持軸（５５）の右側端には、膨張機（２００）の可動体（２２）の一部を構成するバランスウエイト（６３）が設けられ、このバランスウエイト（６３）により、上記膨張機（２００）の可動体（２２）の重心位置（Ｇ2 ）が、圧縮機（１００）と同様、上記一対の弾性支持手段（３ｂ），（３ｂ）の中央位置（Ｈ2 ）よりも右側にオフセットされている。
【００３９】
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伴い、圧縮機（１００）におけるリニアモータ（１６）の電磁コイル（２０）に所定周波数の交流電源が通電される。この通電に伴い、磁石（１８）により発生する磁界との作用により圧縮機（１００）の可動体（２２）が圧縮機（１００）の各板ばね（３１）の中心部を左右方向に変形させながら中立位置から往復動し、そのピストン（９）の往復動により圧縮室（１１）の容積が増減変化し、圧縮室（１１）内に所定周期の圧力波が生じる。この圧縮室（１１）は結合配管（１４）を介して膨張機（２００）に連通しているため、圧縮室（１１）の圧力が高くなったときには、加圧された冷媒ガスが作動室（３７）に供給されて該作動室（３７）内の圧力が高くなる。この圧力の上昇により作動室（３７）と膨張室（３６）との間に圧力差が生じ、この圧力差によってディスプレーサ（４０）が膨張機（２００）の各板ばね（３１）の中心部を左側に変形させながらシリンダ（３５）先端側に移動する。この作動室（３７）はディスプレーサ（４０）内の空間を介して膨張室（３６）に連通しているので、次の段階では作動室（３７）のガスがディスプレーサ（４０）内を通って蓄冷材により冷却されながら膨張室（３６）に流れ、両室（３６），（３７）の差圧がなくなり、ディスプレーサ（４０）は膨張機（２００）の各板ばね（３１）の復元力によりシリンダ（３５）基端側に移動して元の位置に戻る。
【００４０】
この後、直ちに、圧縮機（１００）のピストン（９）が後退して圧縮室（１１）の圧力が低下する。このため、作動室（３７）内の冷媒ガスが結合配管（１４）を介して圧縮室（１１）に戻り、作動室（３７）内の圧力が膨張室（３６）よりも低下する。この作動室（３７）と膨張室（３６）との圧力差によってディスプレーサ（４０）が今度は膨張機（２００）の各板ばね（３１）の中心部を右側に変形させながらシリンダ（３５）基端側に移動し、膨張室（３６）内の冷媒ガスが断熱膨張して寒冷が発生する。次の段階では上記膨張後のガスが膨張室（３６）からディスプレーサ（４０）内を蓄冷材に冷熱を与えながら作動室（３７）に流れ、両室（３６），（３７）の差圧がなくなり、ディスプレーサ（４０）は膨張機（２００）の各板ばね（３１）の復元力によりシリンダ（３５）先端側に移動して元の位置に戻る。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（３５）先端のコールドヘッド（４４）が徐々に極低温レベルまで冷却される。
【００４１】
したがって、この実施形態では、圧縮機（１００）の可動体（２２）の重心位置（Ｇ1 ）が、左右一対の弾性支持手段（３ａ），（３ｂ）の中央位置（Ｈ1 ）よりも右寄りにオフセットされて、上記可動体（２２）が左右方向に往復動されるときの上下方向のぶれ量が、該可動体（２２）の左端側（ピストン（９）が設けられている側）で相対的に小さくなるようになされている。加えて、上記可動体（２２）を支持する左側の弾性支持手段（３ａ）による支持剛性が右側の弾性支持手段（３ｂ）よりも大に設定されて、上記可動体（２２）の左端側でのぶれ量は一層小さくなるようになされている。このことで、上記圧縮機（１００）においては、ピストン（９）のぶれ量を先端部及び基端部の両方で１ミクロン以下にすることができ、従って、ピストン（９）の磨耗を低減させて圧縮機（１００）の長寿命化を図ることができる。
【００４２】
その際、弾性支持手段（３ａ），（３ｂ）の剛性を過度に高める必要がないため、可動体（２２）の左右方向の動作を阻害することがなく、圧縮機（１００）におけるピストン（９）の往復動のストロークや往復動の周期等を、比較的自由に設定することができる。また、表１及び表２に基づいて、可動体（２２）の重心位置（Ｇ1 ）と、弾性支持手段（３ａ，３ｂ）の支持剛性とをそれぞれ所定の関係の範囲内で種々設定することができるため、例えばリニアモータ（１６）の配置等に応じて弾性支持手段（３ａ），（３ｂ）の配置や板ばね（３１）の枚数等を変更することができる。このことで、設計の自由度の向上が図られる。
【００４３】
＜他の実施形態＞
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その他種々の実施形態を包含するものである。すなわち、上記実施形態では、左右一対の弾性支持手段（３ａ），（３ｂ）における板ばね（３１）の枚数を、それぞれ４枚（Ｎ1 ＝４）及び３枚（Ｎ2 ＝３）としているが、これに限らず、例えばそれぞれ５枚（Ｎ1 ＝５）及び３枚（Ｎ2 ＝３）としてもよい。この場合には、表１及び表２により、ピストン（９）のぶれ量は先端部及び基端部でそれぞれ−０．７０ミクロン及び０．１９ミクロンになる。すなわち、上記弾性支持手段（３ａ），（３ｂ）の板ばね（３１）の枚数は、表１及び表２に基づいて種々設定することが可能であり、その際、上記表１及び表２に基づいて、ピストン（９）の先端部及び基端部のぶれ量が両方ともに１ミクロン以下になるように重心位置（Ｇ1 ）を設定すればよい。
【００４４】
上記実施形態では、ピストン（９）に近い左側の弾性支持手段（３ａ）による支持剛性を右側の弾性支持手段（３ｂ）よりも大とし、かつ、可動体（２２）の重心位置（Ｇ1 ）を、上記ピストン（９）から遠い右側の弾性支持手段（３ｂ）寄りにオフセットさせるようにしているが、これに限らず、上記可動体（２２）の重心位置（Ｇ1 ）をオフセットさせるだけでもよい。
【００４５】
上記実施形態では、ピストン（９）に近い左側の弾性支持手段（３ａ）による支持剛性を右側の弾性支持手段（３ｂ）よりも大きくするために、上記左側の弾性支持手段（３ａ）の板ばね（３１）の枚数を右側の弾性支持手段（３ｂ）よりも多くしているが、これに限らず、例えば、上記左側の弾性支持手段（３ａ）にばね定数の高い板ばねを用いるようにしてもよい。
【００４６】
上記実施形態では、本発明をスターリング冷凍機の圧縮機（１００）に適用しているが、これに限らず、例えば上記スターリング冷凍機の膨張機（２００）に適用してもよく、さらに、スターリング冷凍機以外の往復動式冷凍機にも適用可能である。
【００４７】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１記載の発明における往復動式冷凍機によれば、水平方向に離れた２箇所に配置され、可動体を略水平方向に往復動可能にかつ該可動体の往復動方向と垂直な方向に移動不能に弾性支持する１対の弾性支持手段を備えた往復動式冷凍機において、上記可動体の重心位置を一対の弾性支持手段の間でピストンから遠い側の弾性支持手段寄りにオフセットさせるようにした。このことで、弾性支持手段の支持剛性を過度に高めることなく、ピストンが設けられた部位における可動体のぶれを十分に低減させることができ、従って、設計の自由度を確保しつつ往復動式冷凍機の長寿命化を図ることができる。
【００４８】
請求項２記載の発明によれば、ピストンに近い側の弾性支持手段による支持剛性を遠い側の弾性支持手段よりも大に設定したことでも、上記請求項１記載の発明と同様の効果を得ることができる。
【００４９】
請求項３記載の発明によれば、ピストンに近い側の弾性支持手段に、遠い側の弾性支持手段よりも多くの板ばねを用いたことで、上記ピストンに近い側の弾性支持手段による支持剛性を遠い側の弾性支持手段よりも確実に大に設定することができる。また、全ての板ばね（３１）のばね定数が等しいので支持剛性の設定が容易になる。
【００５０】
請求項４記載の発明によれば、ピストンに近い側の弾性支持手段に、遠い側の弾性支持手段よりもばね定数の大きな板ばねを用いたことで、上記ピストンに近い側の弾性支持手段による支持剛性を遠い側の弾性支持手段よりも確実に大に設定することができる。また、上記両弾性支持手段の板ばねの枚数が等しいので支持剛性の設定が容易になる。
【００５１】
請求項５記載の発明によれば、可動体は圧縮機においてシリンダ内に圧縮室を区画形成するピストンを有するようにした。また、請求項６の発明では、可動体は膨張機においてシリンダ内に膨張室を区画形成するディスプレーサを有するようにした。したがって、これらの発明によると、請求項１、２、３又は４の発明の有効な利用を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施形態に係るスターリング冷凍機の全体構成を示す概略断面図である。
【図２】 板ばねを示す平面図である。
【図３】 圧縮機における可動体の支持構造を示す模式図である。
【符号の説明】
（３ａ），（３ｂ） 弾性支持手段
（５） 圧縮機のシリンダ
（９） 圧縮機のピストン
（１１） 圧縮室
（２２） 可動体
（３１） 板ばね
（３５） 膨張機のシリンダ
（３６） 膨張室
（４０） ディスプレーサ
（１００） 圧縮機
（２００） 膨張機
（Ｇ1) 可動体の重心位置

Claims (6)

1. シリンダ（５）内に圧縮室（１１）又は膨張室を区画形成するピストン（９）を先端部に有する可動体（２２）と、互いに水平方向に離れた２箇所に配置され、それぞれ上記可動体（２２）を略水平方向に往復動可能にかつ該可動体（２２）の往復動方向と垂直な方向に移動不能に弾性支持するように少なくとも１枚以上の板ばね（３１）で構成された一対の弾性支持手段（３ａ），（３ｂ）とを備え、上記可動体（２２）の往復動により上記圧縮室（１１）のガスを圧縮し又は膨張室のガスを膨張させるようにした往復動式冷凍機であって、
   上記可動体（２２）の重心位置（Ｇ1 ）は、上記両弾性支持手段（３ａ），（３ｂ）間でかつピストン（９）から遠い側の弾性支持手段（３ｂ）寄りにオフセットされている
   ことを特徴とする往復動式冷凍機。
2. 請求項１において、
   ピストン（９）に近い側の弾性支持手段（３ａ）による可動体（２２）の往復動方向と垂直な方向の支持剛性は、遠い側の弾性支持手段（３ｂ）よりも大に設定されていることを特徴とする往復動式冷凍機。
3. 請求項２において、
   各弾性支持手段（３ａ），（３ｂ）は、それぞれ同じばね定数を有する板ばね（３１）で構成され、ピストン（９）に近い側の弾性支持手段（３ａ）の板ばねの枚数は遠い側の弾性支持手段（３ｂ）よりも多い
   ことを特徴とする往復動式冷凍機。
4. 請求項２において、
   各弾性支持手段は、それぞれ異なるバネ定数を有する同じ枚数の板ばねで構成され、ピストンに近い側の弾性支持手段の板ばねのばね定数は遠い側の弾性支持手段よりも大きいことを特徴とする往復動式冷凍機。
5. 請求項１、２、３又は４のいずれか１つに記載の往復動式冷凍機において、
   ピストン（９）は、圧縮機（１００）においてシリンダ（５）内に圧縮室（１１）を区画形成するものである
   ことを特徴とする往復動式冷凍機。
6. 請求項１、２、３又は４のいずれか１つに記載の往復動式冷凍機において、
   ピストンは、膨張機（２００）においてシリンダ（３５）内に膨張室（３６）を区画形成するディスプレーサ（４０）である
   ことを特徴とする往復動式冷凍機。

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