JPH03251663A - ガスサイクル機関 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、スターリング冷却機のような熱力学的機関
の圧縮機に用いられるガスサイクル機関、特にピストン
を保持する弾性部材の形状又は材質に関するものである
。

〔従来の技術〕

第８図は、例えば文献″ｍｅａｓｕｒｅ＋＋＋ｅｎｔ　
ｏｆｌｏｓｓｅｓｉｎ　ａ　Ｓｔｉｒｒｉｎｇ　ｃｙｃ
ｌｅ　ｃｏｏｌｅｒ　　（Ａ、Ｈ，Ｏｒｌｏｗｓｋａ　
＆Ｇ、Ｄａｖｅｙ、　”Ｃｒｙｏｇｅｎｉｃｓ　　、　
Ｖｏｌ、２７．ｐｐ６４５−６５１゜１９８７、文献添
付）に開示された従来のスターリング冷却機の圧縮機の
概略構成を示す断面側面図である。

図において、１はシリンダであり、このシリンダ１の内
部でピストン２が往復運動を行う。ピストン２とシリン
ダ１の壁の間にはすきまシール３が設けられ、ピストン
２の上部作動表面２ａとシリンダ１により囲まれた圧縮
空間４とピストン２の下側に存在するバッファ空間５と
の間の作動ガスの流れを防止している。また、この圧縮
空間４には連通管６が接続され、連通管６の途中には作
動ガスの圧縮熱を冷却するための冷却器７が備えられて
いる。圧縮空間４、連通管６及び冷却器Ｉ７内の空間か
らなる空間は全体として作動空間をことにより、作動空
間内の作動ガスの圧力に変動を生じせしめるとともに、
連通管６によりこの圧力変動が膨張機（図示されていな
い）に導かれるように構成されている。

一方、バッファ空間５中にはアルミニウム等の非磁性及
び非磁化材料からなる軽量のスリーブ８が挿入され、ス
リーブ８には導電体を巻き付けてコイル９が形成されて
いる。さらに、このコイル９はシリンダ１の壁を通すリ
ード線１０．１１に接続され、これらのリード線１０．
１１はシリンダ１の外部でそれぞれ電気端子１２．１３
に接続されている。コイル９はピストン２の軸方向に環
状間隔１４ａ、１４ｂ内で往復でき、この間隔１４ａ、
１４ｂ内にはコイル９の運動方向を横切る半径方向の磁
界が存在している。磁界は上下に磁極を持つ環状永久磁
石１５、軟鉄環状ディスク１６及び軟鉄円形ディスク１
７３．１７ｂを用いて得られ、ここで、環状永久磁石１
５、軟鉄環状ディスク１６及び軟鉄円形ディスク１７ａ
、１７ｂは一体となで閉磁気回路１８を構成している。

さらに、上記のスリーブ８、コイル９、リード線１０．
１１、間隔１４ａ、１４ｂ、閉磁気回路１８は全体とし
てピストン２の駆動用のリニアモータ１９からなる駆動
部Ｓを構成している。

さらに、ピストン２とコイル９は延長部材としてのシャ
フト２０及びスリーブ８を介して結合されており、ピス
トン２がリニアモータ１９により駆動されるようになっ
ている。このシャフト２０は金属製の弾性部材２１ａ、
２１ｂを介してシリンダ１に軸方向に往復動可能に係合
されており、こうして、運転中のピストン２の軸方向及
び半径方向の中心位置が弾性部材２１ａ、２１ｂにより
定められるよう構成されている。

なお、弾性部材２１ａ、２１ｂは直線状に延長する平板
ばねより成り、ピストン２の移動方向に対し直角方向に
延長しており、その一端はシャフト２０に接続され、他
端はハウジング４０の固定部４０ａ、４０ｂに接続され
ており、ピストン２をシリンダ１の中心軸上に保持する
。

次に上記した従来のスターリング冷却機用の圧縮機の動
作について説明する。電気端子１２゜１３に系の共振周
波数に等しい交流電源（図示しない）を接続すると、コ
イル９には円周方向に交番電流が流れ、この交番電流と
環状永久磁石１５の作る半径方向の磁場との相互作用に
よってコイル９には軸方向に周期的なローレンツ力が働
く。

その結果、ピストン２、シャフト２０、スリーブ８及び
コイル９から構成される組立体と弾性部材２１ａ及び２
１ｂからなる系は共振状態となり、上記組立体は軸方向
に振動する。ピストン２の振動は、圧縮空間４、連通管
６、冷却器７からなる作動空間内に封入された作動ガス
を圧縮、膨張させ、作動ガスに周期的な圧力変化を生じ
させる。

そして、この周期的な圧力変動は連通管６を通って膨張
機（図示されていない）に導かれることにより、膨張機
において、例えば１逆スターリングサイクル”等の熱力
学的サイクルを構成することにより、冷熱を発生するこ
とができる。

なお、′逆スターリングサイクル”等の熱力学的サイク
ルとその冷熱発生の原理については、文献”Ｃｒｙｏｃ
ｏｏｌｅｒｓ　”　（Ｇ、Ｗａｌｋｅｒ、　Ｐｌｅｎｕ
ｍ　Ｐｒｅｓｓ。

Ｎｅｗ　Ｙｏｒｋ、１９８３．ｐｐ、１１７〜１２３）
に詳細に説明されている。

以上の動作において、弾性部材２１ａ及び２１ｂは次の
二つの役割を果たしている。一つは、ピストン２、シャ
フト２０、スリーブ８及びコイル９から構成される組立
体とともに共振系を構成することにより、上記組立体を
軸方向に振動させることであり、もう一つは、既述した
ように、運転中のピストン２の軸方向及び半径方向の中
心位置を定めことである。特に、この従来例では、弾性
部材２１ａ及び２１ｂがシャフト２０を介してピストン
２を半径方向に支持し、その中心位置を定めているため
、ピストン２がシリンダ１と接触することなく運動＃；
でき、かくして、すきまシール３のすきまの拡大が防止
されることにより、圧縮空間４とバッファ空間５０間の
作動ガスの漏れの増加に伴うガスサイクル機関の効率低
下を防ぐことができる特徴を有している。

〔発明が解決しようとする譚懸〕

しかし従来のガスサイクル機関では、以上のように、弾
性部材２１ａ、２１ｂが直線状の平板ばねによって構成
されているので、ピストン２のストロークを大きく設定
する場合には、平板ばねに生じる応力を小さ（するため
、平板ばねの長さを十分大きくする必要があり、従来例
では、装置の大きさ、特に直径が大きくなるという問題
点があった。

この発明は上記のような問題点を解消するためになされ
たもので、ピストンのストロークを大きく設定するよう
にして、より小型のガスサイクル機関を得ることを目的
とする。

〔錦を解決するための手段〕

この発明に係るガスサイクル機関は、棉弾性部材２１ａ
、２１ｂをピストンの運動方向に対し直角方向に変位す
るように成形するか、直角方向に変位するような材質に
より構成したものである。

〔作用〕

この発明に係るガスサイクル機関は、ピストンの運動方
向に対し直角方向に変位可能に弾性部材２１ａ、２１ｂ
の形状や材質を変えるによってピストン２の変位によっ
て弾性部材内に生じる応力が緩和され、材料強度に対し
て十分小さくなるため、弾性部材を小型化でき、これに
より小型のガスサイクル機関が実現される。

〔発明の実施例〕

以下、この発明の一実施例を図について説明する。第１
図に、本実施例によるガスサイクル機関の断面側面図を
示す。なお、図中第８図と同一のものは同一符号を用い
て説明を省略する。この図に示すように、本実施例では
、板ばねより成る弾性部材２１２．２１ｂは、そのピス
トン２側の一端部がピストン２とは反対方向に変形する
如く反って円弧状に成形されている。

以下、本実施例の動作について説明する。第１図から明
らかのように、ガスサイクル機関としての基本的な構造
と動作については、本実施例は従来例と全く同様である
。そこで、ここでは、本実施例の特徴である弾性部材２
１ａ、２１ｂの構造と動作について、従来例と比較しな
がら説明を行う。

第９図に従来例による弾性部材の動作を示す。

図に示すように、従来例におけるガスサイクル機関では
、弾性部材が平板ばねにより構成されているため、ピス
トン２の変位とともに板ばねは引っ張り応力を受け、同
図の破線のように伸びにより変形してゆく、ここで、伸
びによる歪みをε、板ばね材料の弾性率をＥ、応力をσ
とするとσ＝ｔ＊ｐ。

の関係があり、板ばね材料の弾性率と許容応力が定まる
と、許容歪み量が計算され、これにより、ピストン２の
最大変位に対して必要な板ばねの最小長さが設定さる０
例えば、ステンレス鋼では、Ｅ　＝２００００ｋｇ／＋
ｍ”　、σ＝　２０ｋｇ／ｗＷａ”としても、ε−１／
１０００となり、ピストン２の１ＣＩ１１の変位に対し
て２２ｃＩｌ１以上の長さの板ばねが必要となる。

一方、第２図に示す本実施例における弾性部材２１ａ、
２ｂでは、ピストン２側の一端部が円弧状に成形されて
いるため、この弾性部材は円弧状の部分Ｍがピストンの
運動方向に対し直角方向に変位可能となり、ピストン２
の変位にともなって、図に示したように円弧状の部分Ｍ
がこの伸びを吸収しつつ変形してゆくことができる。こ
うして、板ばねに作用する応力は従来例に比べて著しく
小さくなり、この結果、本実施例によれば、板ばねの小
さい、小型のガスサイクル機関が実現される。

また、第３図には、弾性部材２１８．２１ｂを複数のコ
イルばねＣにより構成した例を示す。これらのコイルば
ねＣでは、ばねを適当に設計することにより、ピストン
の運動方向に対し直角方向に十分な伸びを得ることがで
きるので、上記と同様に弾性部材及びガスサイクル機関
の小型化が実現される。

さらに、第４図には、弾性部材２１２．２１ｂをＣＦＲ
Ｐ　（カーボン繊維強化複合材料）で構成した例を示す
。これらの複合材料は、金属に比べ強度対弾性率の比（
σ／Ｅ）が大なるため、許容歪み量εを大きくとること
ができ、ピストンの運動方向に対し直角方向に変位可能
となり、従って、上記と同様に弾性部材及びガスサイク
ル機関の小型化が実現される。

なお、上記実施例では、ピストン側に円弧状の端部を有
する板ばねにより弾性部材２１ａ、２１ｂを構成した場
合の例について説明したが、第５図に示すこの発明の他
の実施例のように弾性部材２１２．２１ｂの他端を軸２
２で接続するようにし、この軸２２側を渦巻き端部Ｐと
しても良く、また、この渦巻き端部Ｐを、ピストン側だ
けではなくシリンダ側に設けても、上記実施例と同様の
効果を奏する。

また、上記実施例では、弾性部材を板ばねのみにより構
成した例について説明したが、第６図に示すこの発明の
他の実施例のように、コイルばね等から成る補助弾性部
材２３と併用しても良く、上記実施例と同様の効果を奏
するとともに、弾性部材２１２．２１ｂの設計の自由度
が増すことにより弾性部材の最適設計ができる効果があ
る。

さらに、上記実施例では、コイル９の電力の供給をリー
ド線１０及び１１を用いて行う場合について説明したが
、第７図に示すこの発明の他の実施例のように、弾性部
材２１ａ及び２１ｂまたは弾性部材上に設けられた誘電
体２４を用いて電力を供給しても良く、この場合、上記
実施例と同様の効果を奏するだけでなく、リード線が不
要になる利点もある。

さらに、上記実施例では、リニアモータとしてコイルが
運動するコイル可動型モータの例を示したが、永久磁石
が運動する磁石可動型のりニアモータであっても良く、
上記実施例と全く同様の効果を奏する。

〔発−明の効果〕

以上のようにこの発明によれば、弾性部材をピストンの
運動方向に対し直角方向に変位する形状又は材質により
構成したことにより、ピストン矛の変位によって弾性部
材内に住じる応力が緩和され、材料強度に対して十分小
さくなるため、弾性部材を小型化でき、これにより小型
のガスサイクル機関が得られる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例によるガスサイクル機関を
示す断面側面図、第２図はこの発明の一実施例によるガ
スサイクル機関の弾性部材の構造及び動作を示す説明図
、第３図〜第７図はこの発明の他の実施例のガスイクル
機関の断面側面図、第８図は従来のガスサイクル機関を
示す断面側面図、第９図は従来例によるガスサイクル機
関の弾性部材の構造及び動作を示す説明図である。 １・・・シリンダ、２・・・ピストン、２ａ・・・作動
表面、３・・・すきまシール、４・・・圧縮空間、５・
・・バッファ空間、６・・・連通管、７・・・冷却器、
８・・・スリーブ、９・・・コイル、１０．１１・・・
リード線、１２゜１３・・・電気端子、１４ａ、１４ｂ
・・・間隔、１５・・・環状永久磁石、１６・・・軟鉄
環状ディスク、１７ａ、１７ｂ・・・軟鉄円形ディスク
、１８・・・閉磁気回路、１９・・・リニアモータ、２
０・・・シャフト、２１ａ、２１ｂ・・・弾性部材、２
２・・・支点、２３・・・補助弾性部材、２４・・・誘
電体。 なお、図中同一符号は同−又は相当部分を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. シリンダ内に収納されたピストンと、このピストンをシ
   リンダ内で往復運動させる駆動部と、上記ピストンの運
   動方向に対して直角方向に延長しかつ一端が上記ピスト
   ン又はこのピストンと一体の延長部材に接続され他端が
   固定部に接続されてピストンをシリンダの中心軸に設定
   する弾性部材とを備え、上記シリンダの内部に封入され
   た作動ガスが圧縮及び膨張させられるよう構成されたガ
   スサイクル機関において、上記弾性部材を、ピストンの
   運動方向に対して直角方向に変位するような形状又は材
   質により構成したことを特徴とするガスサイクル機関。