JP6153442B2 - スターリング型の冷凍機、及び膨張機 - Google Patents

Description

本発明は、スターリング型の冷凍機、及び膨張機に関する。

ある公知のスターリング冷凍機には、バランスウェイトとコイルばねを有する防振装置が設けられている。圧縮機側防振装置が圧縮機本体の外に配置され、膨張器側防振装置が膨張器本体の外に配置されている。バランスウェイトなどの可動部品がむき出しで設けられている。

特開２００１−１７４０８６号公報

上述のように防振装置を本体の外に設けると、冷凍機全体の寸法が大きくなる。よって、こうした外付け防振装置を有するスターリング冷凍機は大きな設置スペースを要する。また、可動部品をむき出しで配置することは望ましくないかもしれない。

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、スターリング型の冷凍機に振動抑制機構を収めることにある。

本発明のある態様によると、圧力容器と、前記圧力容器の中で往復移動する可動部材と、前記可動部材の往復移動による前記圧力容器の振動を抑制するための振動抑制機構と、を備えるスターリング型の冷凍機が提供される。前記振動抑制機構は、前記圧力容器に収容されている。

本発明のある態様によると、スターリング冷凍機の膨張機であって、膨張機容器と、前記膨張機容器の中で往復移動する可動部材と、前記可動部材の往復移動による前記膨張機容器の振動を抑制するための振動抑制機構と、を備える膨張機が提供される。前記振動抑制機構は、前記膨張機容器に収容されている。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、スターリング型の冷凍機に振動抑制機構を収めることができる。

本発明のある実施形態に係るスターリング冷凍機を概略的に示す図である。 本発明のある実施形態に係るスターリング冷凍機の膨張機を概略的に示す図である。 図２に示す一点鎖線Ａから見た断面を示す。 本発明の他の実施形態に係るスターリング冷凍機の膨張機の一部を概略的に示す図である。

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。なお、説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。また、以下に述べる構成は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。

図１は、本発明のある実施形態に係るスターリング冷凍機１０を概略的に示す図である。スターリング冷凍機１０は、圧縮機１２、接続管１４、及び膨張機１６を備える。詳しくは後述するが、膨張機１６は動吸振器１８を備える。

圧縮機１２は、圧縮機ケース及び圧縮機ユニットを備える。圧縮機ケースは、高圧の作動ガスを気密に保持するよう構成されている圧力容器である。作動ガスは例えばヘリウムガスである。圧縮機ユニットは圧縮機ケースに収容されており、圧縮機ピストン及び圧縮機シリンダを備える。圧縮機ピストン及び圧縮機シリンダの一方は圧縮機ケースの中で往復移動するよう構成されている可動部材であり、圧縮機ピストン及び圧縮機シリンダの他方は圧縮機ケースに固定されている静止部材である。圧縮機ユニットは、可動部材の中心軸に沿う方向に可動部材を静止部材に対して移動させるための駆動源を備える。可動部材は、ある振幅及び周波数で静止部材に対し振動する。

圧縮機ピストンと圧縮機シリンダとの間に作動ガス室が形成されている。この作動ガス室は、上述の静止部材及び圧縮機ケースに形成されている連通路を通じて、接続管１４の一端に接続されている。接続管１４の他端は、膨張機１６の作動ガス室へと接続されている。こうして接続管１４により、圧縮機１２の作動ガス室が膨張機１６の作動ガス室に接続される。

図２は、本発明のある実施形態に係る膨張機１６を概略的に示す図である。図２には膨張機１６の内部構造の概略を示す。図３は、図２に示す一点鎖線Ａから見た断面を示す。

膨張機１６は、膨張機容器２０及びディスプレーサ２２を備える。膨張機容器２０は、高圧の作動ガスを気密に保持するよう構成されている圧力容器である。ディスプレーサ２２は、膨張機容器２０の中で往復移動するよう構成されている可動部材である。

膨張機容器２０は、第１区画２４及び第２区画２６を備える。第１区画２４は、膨張機容器２０とディスプレーサ２２との間に形成される作動ガスの膨張空間２８を含む。膨張空間２８に隣接する膨張機容器２０の部分には、対象物を冷却するための冷却ステージ（図示せず）が設けられている。第２区画２６は、弾性部材３０を介してディスプレーサ２２を膨張機容器２０に支持するよう構成されている。

第２区画２６は、ディスプレーサ２２の往復移動方向（図において矢印Ｃで示す）に第１区画２４に隣接する。第２区画２６と第１区画２４との間にはシール部２５が設けられており、これにより第２区画２６は第１区画２４から仕切られている。よって、第１区画２４における作動ガスの圧力変動は、第２区画２６に伝わらないか、または第２区画２６における作動ガスの圧力にあまり影響しない。

ディスプレーサ２２は、第１区画２４に収容されているディスプレーサ本体３２と、ディスプレーサロッド３４と、を備える。ディスプレーサロッド３４は、ディスプレーサ本体３２より細い軸部である。ディスプレーサ２２はその往復移動方向に平行である中心軸を有しており、ディスプレーサ本体３２及びディスプレーサロッド３４はディスプレーサ２２の中心軸に同軸に設けられている。上述のシール部２５は例えば、ディスプレーサロッド３４と膨張機容器２０との間に形成されるロッドシールであってもよい。

ディスプレーサロッド３４は、ディスプレーサ本体３２からシール部２５を通って第２区画２６へと延在する。ディスプレーサロッド３４は、ディスプレーサ２２の往復移動を可能とするよう第２区画２６において膨張機容器２０により支持される。

第１区画２４は、ディスプレーサ本体３２を囲むシリンダ部を形成する。このシリンダ部の底面とディスプレーサ本体３２の端面との間に膨張空間２８が形成されている。膨張空間２８は、ディスプレーサ２２の往復移動方向においてディスプレーサ本体３２とディスプレーサロッド３４との接合部とは反対側に形成されている。この接合部とシール部２５との間には、接続管１４（図１参照）に接続されるガス空間３６が形成されている。

シリンダ部の側面とディスプレーサ本体３２との間には、蓄冷器３８が設けられていてもよい。蓄冷器３８は膨張機容器２０に取り付けられていてもよい。蓄冷器３８は例えば、金網の積層構造を備える。あるいは、ディスプレーサ本体３２の中に蓄冷器が組み込まれていてもよい。膨張空間２８とガス空間３６との間の作動ガスの流通は蓄冷器３８を通じて可能である。

膨張機１６は、ディスプレーサ２２の往復移動方向における複数の異なる位置で、ディスプレーサ２２の往復移動を可能とするようディスプレーサ２２を膨張機容器２０に支持する。そのために、膨張機１６は、第１支持部４０及び第２支持部４２を備える。第１支持部４０及び第２支持部４２は第２区画２６に設けられている。このようにして、中心軸に対するディスプレーサ２２の傾動を抑制することができる。第１支持部４０と第２支持部４２との間には、ディスプレーサロッド３４を取り巻く環状空間４４が形成されている。

第１支持部４０及び第２支持部４２はそれぞれ、上述の弾性部材３０を備える。弾性部材３０は、ディスプレーサ２２が中立位置から変位するときディスプレーサ２２に弾性的復元力が作用するように、ディスプレーサロッド３４と膨張機容器２０との間に配設されている。

弾性部材３０は例えば、少なくとも１つの板バネを含むバネ機構を備える。複数の板バネがディスプレーサ２２の移動方向に配列されていてもよい。この板バネは、ディスプレーサロッド３４に固定するためのハブ５０と、ハブ５０を囲む環状のリム５２と、ハブ５０とリム５２とを連結する弾性アーム５４と、を備える。ハブ５０は、ディスプレーサロッド３４の弾性部材取付部５１に固定される。リム５２は膨張機容器２０に固定される。

こうした板バネはフレクシャバネとも呼ばれ、ディスプレーサ２２の往復移動方向に柔軟であり、往復移動方向に垂直な方向に剛である。このような板バネは、例えば特開２００８−２１５４４０号公報に開示されている。この文献を参照によりその全体を本願明細書に援用する。したがって、弾性部材３０により、ディスプレーサ２２はその中心軸に沿う方向への移動が許容されているが、それと直交する方向への移動は規制されている。なお、弾性部材３０は、コイルバネ等のその他の弾性部材であってもよい。

このようにして、ディスプレーサ２２と弾性部材３０とからなる第１振動系が構成されている。この振動系は、圧縮機１２の可動部材の振動と同一の周波数で当該振動と位相差を有してディスプレーサ２２が振動するよう構成されている。ディスプレーサ２２は、圧縮機１２の可動部材の振動によって生じる作動ガス圧力の脈動によって駆動される。ディスプレーサ２２及び圧縮機１２の可動部材の往復動によって膨張空間２８と圧縮機１２の作動ガス室との間に逆スターリングサイクルが形成される。こうして、膨張空間２８に隣接する冷却ステージが冷却され、スターリング冷凍機１０は対象物を冷却することができる。

ディスプレーサ２２が振動するときそれを支持する膨張機容器２０も振動し得る。そこで、膨張機容器２０に動吸振器１８が設けられている。動吸振器１８は、ディスプレーサ２２の往復移動による膨張機容器２０の振動を抑制するための振動抑制機構である。

動吸振器１８は、質量要素４６と、質量要素４６を膨張機容器２０に接続する弾性要素４８と、を備えており、上述の第１振動系とは別の第２振動系を形成する。第２振動系はその固有振動数が上述の第１振動系におけるディスプレーサ２２の振動の周波数に一致するよう構成されている。動吸振器１８は、ディスプレーサ２２の往復移動方向と同一の方向に質量要素４６が往復移動するよう構成されている。このように第１振動系及び第２振動系は全体として一次元二自由度の振動系であり、設計が比較的容易である。

弾性要素４８は、質量要素４６が中立位置から変位するとき質量要素４６に弾性的復元力が作用するように、質量要素４６と膨張機容器２０との間に配設されている。弾性要素４８は、１つ又は複数のバネを含むバネ機構を備える。

動吸振器１８は、膨張機容器２０の第２区画２６に収容されており、具体的には第１支持部４０と第２支持部４２との間（すなわち環状空間４４）に配置されている。動吸振器１８は、ディスプレーサ２２の中心軸と同軸に、ディスプレーサロッド３４を囲むように配設されている。そのために、弾性要素４８は、ディスプレーサロッド３４を囲むようにディスプレーサロッド３４と同軸に配設された単一のコイルバネを備えてもよい。質量要素４６は、ディスプレーサロッド３４を囲むように成形されていてもよい。質量要素４６は、膨張機容器２０の環状空間４４に合わせて、例えば中空円盤状に成形されていてもよい。このようにして、環状空間４４に動吸振器１８を収めることができる。

図４に示すように、弾性要素４８は例えば、少なくとも１つの板バネを含むバネ機構を備えてもよい。この板バネは、質量要素４６の往復移動方向に柔軟であり、往復移動方向に垂直な方向に剛である。弾性要素４８は、図２及び図３に示す弾性部材３０として例示した板バネと同じものであってもよい。したがって、弾性要素４８により、質量要素４６はディスプレーサ中心軸に沿う方向への移動が許容されているが、それと直交する方向への移動は規制されている。このように板バネを用いることは、動吸振器１８の軸方向長さを短くすることに役立つ。

スターリング冷凍機１０が動作するとき、ディスプレーサ２２が振動する。この振動に伴って質量要素４６が共振し、それにより膨張機容器２０の振動は抑制又は防止される。動吸振器１８を膨張機容器２０に収めることにより、構造的にまとまりのあるスターリング冷凍機１０を提供することができる。また、外付けの防振装置において可動部品の露出を避けるためには可動部品をカバーで覆うことになるが、動吸振器１８は膨張機容器２０の中に配置されているのでそうしたカバーが不要であるという利点もある。

また、第１支持部４０と第２支持部４２との間の環状空間４４は、ディスプレーサ２２の傾動を効果的に抑制するように第１支持部４０と第２支持部４２とを離すことで形成された空きスペースである。動吸振器１８を環状空間４４に配置することは空きスペースの有効利用であり、スターリング冷凍機１０をコンパクトにすることができる。

以上、本発明を実施例にもとづいて説明した。本発明は上記実施形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。

上述の実施形態においては、スターリング冷凍機の膨張機に振動抑制機構が設けられている。しかし、ある実施形態においては、スターリング型の冷凍機の圧縮機に振動抑制機構が設けられていてもよい。この場合、圧縮機は、圧縮機ケースと、圧縮機ケースの中で往復移動する可動部材と、可動部材の往復移動による圧力容器の振動を抑制するための振動抑制機構と、を備え、振動抑制機構は、圧縮機ケースに収容されていてもよい。ここで、スターリング型の冷凍機は、スターリング冷凍機、または、スターリング型パルス管冷凍機であってもよい。

１０ スターリング冷凍機、 １６ 膨張機、 １８ 動吸振器、 ２０ 膨張機容器、 ２２ ディスプレーサ、 ４０ 第１支持部、 ４２ 第２支持部、 ４６ 質量要素、 ４８ 弾性要素。

Claims (4)

1. 圧力容器と、
   前記圧力容器の中で往復移動する可動部材と、
   前記可動部材の往復移動を可能とするように、前記可動部材の往復移動方向における異なる位置で前記可動部材を前記圧力容器に支持する第１支持部及び第２支持部と、
   前記可動部材の往復移動による前記圧力容器の振動を抑制するための振動抑制機構と、を備え、
   前記振動抑制機構は、前記圧力容器に収容され、前記第１支持部と前記第２支持部との間に配置され、
   前記振動抑制機構は、質量要素と、前記質量要素を前記圧力容器に接続する弾性要素と、を備え、
   前記弾性要素は、前記質量要素の往復移動方向に柔軟であり、前記往復移動方向に垂直な方向に剛であることを特徴とするスターリング型の冷凍機。
2. 前記振動抑制機構は、前記可動部材の往復移動方向に平行である前記可動部材の中心軸と同軸に配設されていることを特徴とする請求項１に記載のスターリング型の冷凍機。
3. 前記可動部材は、前記可動部材の往復移動を可能とするよう前記圧力容器によって支持される軸部を備え、
   前記振動抑制機構は、前記軸部を囲むように成形されていることを特徴とする請求項１または２に記載のスターリング型の冷凍機。
4. スターリング冷凍機の膨張機であって、
   膨張機容器と、
   前記膨張機容器の中で往復移動する可動部材と、
   前記可動部材の往復移動を可能とするように、前記可動部材の往復移動方向における異なる位置で前記可動部材を前記膨張機容器に支持する第１支持部及び第２支持部と、
   前記可動部材の往復移動による前記膨張機容器の振動を抑制するための振動抑制機構と、を備え、
   前記振動抑制機構は、前記膨張機容器に収容され、前記第１支持部と前記第２支持部との間に配置され、
   前記振動抑制機構は、質量要素と、前記質量要素を前記膨張機容器に接続する弾性要素と、を備え、
   前記弾性要素は、前記質量要素の往復移動方向に柔軟であり、前記往復移動方向に垂直な方向に剛であることを特徴とする膨張機。

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