JPH0814684A - スターリングサイクルガス冷凍機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 隙間シール部でのピストンおよびシリンダや
コールドフィンガーおよびディスプレーサの摩耗とガス
漏れの発生を防止できるとともに、所期の十分な冷却性
能を確保可能にする。 【構成】 ディスプレーサ４およびピストン２のどちら
か一方または双方をコールドフィンガー３またはシリン
ダ１に対しダイアフラム３５または３６で支持する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は冷凍機、特に赤外線素
子の冷却や空気液化等に用いられるスターリングサイク
ルガス冷凍機に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図１４は例えば特公昭５４ー２８９８０
号公報に示された従来のスターリングサイクルガス冷凍
機を示す断面図であり、図において、１はシリンダであ
り、このシリンダ１の内部にピストン２が往復運動可能
に設けられている。３はコールドフィンガーであり、こ
れが作動ガスの圧力変動によって往復運動するディスプ
レーサ４を内包すると共に、その下部は連通部５を介し
て上記シリンダ１内と連通している。

【０００３】上記ディスプレーサ４の上部の作動表面４
ｂは膨張空間６との境界を成しており、この膨張空間６
は、上記ディスプレーサ４の下部の作動表面４ａと上記
連通部５との間の第一圧縮空間７、上記ピストン２の上
部の作動表面２ａと上記連通部５との間の第二圧縮空間
８、上記ディスプレーサ４内に設けた蓄熱器９および上
記連通部５内の空間とともに、作動空間を構成してい
る。

【０００４】上記蓄熱器９は中心孔１０を経てその下側
にある第一圧縮空間７内の作動ガスに通じる。また中心
孔１１と半径方向流通ダクト１２を経て上側の作動ガス
に通ずることができる。また、この機械では膨張させら
れた冷作動ガスと冷却すべき物体との間の熱交換のため
の低温熱交換器として、フリーザ１３を備えている。

【０００５】また、１４は上記ピストン２と上記シリン
ダ１の壁との間に設けられた隙間シールで、上記ピスト
ン２の下側に存在するバッファ空間１５と上記第二の圧
縮空間８との間の作動ガスの流れを防止している。ま
た、１６は上記ディスプレーサ４と上記コールドフィン
ガー３との間に設けられた隙間シールで、上記膨張空間
６と上記第一圧縮空間７との間の作動ガスの流れが、上
記蓄熱器９内の流れとなるように強制している。

【０００６】上記ピストン２は、その下側の上記バッフ
ァ空間１５中にアルミニウム等の非磁性および非磁化材
料からなる軽量のスリーブ１７を備える。スリーブ１７
には導電体を巻き付けてコイル１８が形成され、このコ
イル１８は上記シリンダ１の壁を通すリード線１９，２
０に接続され、これ等のリード線１９，２０は上記シリ
ンダ１の外部でそれぞれ電気端子２１，２２に接続され
ている。

【０００７】また、２３は環状間隙で、上記コイル１８
は上記ピストン２の軸線方向にその環状間隙２３内で往
復運動でき、この環状間隙２３内には電機子磁界が存在
している。この電機子磁界の力線は上記コイル１８の移
動方向を横切る半径方向に延びている。

【０００８】この場合、磁石は上側と下側に磁極を持つ
環状永久磁石２４、軟鉄環状ディスク２５、軟鉄シリン
ダ２６および軟鉄円形ディスク２７よりなり、これらは
一体となって閉磁気回路、すなわち閉磁力線回路を構成
している。

【０００９】以上述べた上記スリーブ１７，コイル１
８，リード線１９，２０，環状間隙２３，環状永久磁石
２４，軟鉄環状ディスク２５，軟鉄シリンダ２６および
軟鉄円形ディスク２７は、全体としてピストン駆動用の
リニアモータ２８を構成している。

【００１０】また、上記ピストン２およびディスプレー
サ４はそれぞれピストン用共振ばねであるコイルばね２
９とディスプレーサ用共振ばねであるコイルばね３０に
よって、上記シリンダ１およびコールドフィンガー３内
に往復動可能に係合され、上記ピストン２およびディス
プレーサ４の静止時の固定位置および運転時の中立位置
を定めている。

【００１１】次に動作について説明する。電気端子２
１，２２に上記ディスプレーサ４およびピストン２を含
む振動の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１８には円周方向に交流電流
が流れる。

【００１２】この交流電流と環状永久磁石２４の作る半
径方向の磁場との相互作用によって、コイル１８には軸
方向に周期的なローレンツ力が働き、その結果、ピスト
ン２，スリーブ１７およびコイル１８から構成される組
立体と、ピストン用コイルばね２９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。

【００１３】ピストン２の振動は、膨張空間６，第一圧
縮空間７，第二圧縮空間８，連通部５，蓄熱器９，中心
孔１０，中心孔１１，半径方向流通ダクト１２およびフ
リーザ１３からなる作動空間内に封入された作動ガスに
周期的な圧力変化をもたらすとともに、蓄熱器９を通過
するガスの流量変化によりディスプレーサ４に周期的な
軸方向の交播振動力を生ぜしめる。このようにして蓄熱
器９を含むディスプレーサ４はピストン２と同じ周波数
で、かつ異なった位相でコールドフィンガー３内を軸方
向に往復運動することになる。

【００１４】ピストン２およびディスプレーサ４が適当
な位相差を保って運動する時、上記作動空間に封入され
た作動ガスは、「逆スターリングサイクル」として既知
の熱力学的サイクルを構成し、主として膨張空間６およ
びフリーザ１３に冷熱を発生する。

【００１５】上記「逆スターリングサイクル」とその冷
熱発生の原理については、文献，「クライオ クーラー
ズ」（グラハム ウォーカー，プレナム プレス，ニュ
ーヨーク，１９８３）（「Ｃｒｙｏ ｃｏｏｌｅｒｓ」
（Ｇｒａｈａｍ Ｗａｌｋｅｒ，Ｐｌｅｎｕｍ Ｐｒｅ
ｓｓ，Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ，１９８３）ｐｐ１２３〜１７
７に詳細に説明されている。

【００１６】以下に、その原理について簡単に説明す
る。ピストン２により圧縮された第二圧縮空間８内の作
動ガスは、連通部５を経て流れる間に圧縮熱が冷却さ
れ、第一圧縮空間７、中心孔１０、蓄熱器９に流れ込
む。そして、この蓄熱器９で半サイクル前に蓄えられた
冷熱により予冷され、作動ガスは、さらに中心孔１１、
半径方向流通ダクト１２を通って膨張空間６内に入る。

【００１７】そして、大部分の作動ガスが膨張空間６内
に入ると膨張が始まり、膨張空間６内に冷熱を発生す
る。作動ガスは、次に、逆の順序で蓄熱器９に冷熱を放
出しながら流路を戻り、第二圧縮空間８内に入る。この
時、フリーザ１３内で外部から熱を奪いその外部を冷却
する。

【００１８】しかして、大部分の作動ガスが第二圧縮空
間８内に戻ると再び圧縮が始まり、次のサイクルに移行
する。以上のようなプロセスにより、上記「逆スターリ
ングサイクル」が完了して冷熱が発生し、フリーザ１３
により外部の被冷却媒体（図示しない）を冷却する。

【００１９】図１５（ａ）〜（ｃ）は図１４で説明した
共振ばねであるコイルばね２９の構造を示す上面図，側
面図および下面図である。この図に示す如く、コイルば
ね２９はその加工精度上、上端の中心軸３１と下端の中
心軸３２を一致させる事は難しく、両端の中心軸３１と
３２には、偏心εが存在する。

【００２０】図１６は従来のピストン用共振ばねである
コイルばね２９のシリンダ１への取り付け状態の詳細を
示す。従来のスターリングサイクルガス冷凍機では、上
端の中心軸３１と下端の中心軸３２に偏心が存在するコ
イルばね２９を用いており、かつシリンダ１の内径とピ
ストン２の外径との間には隙間シール１４の隙間δが存
在しているために、ピストン４はコイルばね２９の偏心
方向にシリンダ１の中を移動し、シリンダ１のシリンダ
壁１ａの一部に接触することになる。

【００２１】なお、隙間シール１４の隙間δは所定のシ
ール性能を確保するために、通常は１０〜２０μｍ程度
の極めて小さな値に設定しなければならず、一般に自由
状態におけるコイルばね２９の加工精度上の問題により
生じる上端の中心軸３１と下端の中心軸３２の偏心の大
きさεは隙間シール１４の隙間δよりもはるかに大き
い。

【００２２】よって、ピストン２をコイルばね２９の下
端支持部の中心軸３４と同一軸心上にあるシリンダ１に
装着した場合、ピストン２の中心軸と同一軸心上に設定
されたコイルばね２９の上端支持部の中心軸３３は、シ
リンダ１の中を半径方向に隙間シール１４の隙間δだけ
移動し、ピストン２はシリンダ壁１ａの一部に接触す
る。

【００２３】このようにして、コイルばね２９の両端の
中心軸３１，３２の偏心量は、自由状態の時の偏心量ε
から隙間シールの直径隙間δに強制されることになる。

【００２４】従って、コイルばね２９には偏心方向に、
自由状態における偏心量εから実際の冷凍機に装着した
状態における偏心量δとの偏心量の差、偏心量（εー
δ）に相当する横方向のばねの復元力Ｆｐが働く。この
横方向のばねの復元力Ｆｐは、ピストン２をシリンダ１
に押し付ける荷重となって作用することになる。

【００２５】このような押し付け荷重Ｆｐが作用した状
態でピストン２はシリンダ１内を往復運動するために、
隙間シール１４を形成するピストン２とシリンダ１との
摺動面は、摩耗することになる。

【００２６】同様に、ディスプレーサ４はコールドフィ
ンガー３の内壁にコイルばね３０の横方向の復元力Ｆｄ
が作用した状態で往復運動するために、隙間シール１６
を形成するディスプレーサ４とコールドフィンガー３の
摺動面は、摩耗することになる。

【００２７】

【発明が解決しようとする課題】従来のスターリングサ
イクルガス冷凍機は以上のように構成されているで、ピ
ストン２は、ピストン用共振ばねであるコイルばね２９
により発生するピストン２をシリンダ１に押しつける荷
重Ｆｐが作用した状態で往復運動を行うとともに、ディ
スプレーサ４は、ディスプレーサ用共振ばねとしてのコ
イルばね３０により発生するディスプレーサ４をコール
ドフィンガー３に押し付ける荷重Ｆｄが作用した状態で
往復運動を行うため、これらの押しつけ荷重Ｆｐ，Ｆｄ
にほぼ比例して、隙間シール１４を形成するピストン２
とシリンダ１の摺動面と、隙間シール１６を形成するコ
ールドフィンガー３とディスプレーサ４との摺動面の、
それぞれのシール摺動面の摩耗が大きくなり、発生した
摩耗粉が蓄熱器９内に浸入して詰まり、蓄熱器９を通過
する作動ガスの圧力損失を増大させ、所定の冷却性能を
確保できなくなるなどの問題点があった。

【００２８】また、ピストン２とシリンダ１との摺動面
の摩耗により、隙間シール１４の隙間が大きくなると、
この隙間シール１４でのガス漏れが大きくなり、ピスト
ン２の作用により発生する第一圧縮空間７、第二圧縮空
間８などでの圧力振幅が小さくなり、所定の冷却性能を
確保できなくなるなどの問題点があった。

【００２９】同様に、ディスプレーサ４の往復運動によ
って隙間シール１６を構成するディスプレーサ４とコー
ルドフィンガー３との摺動面が著しく摩耗すると、隙間
シール１６の隙間が増大し、その結果、隙間シール１６
での第一圧縮空間７と膨張室６との間での、蓄熱器９で
冷却されていないガスのガス漏れが増加することにな
る。

【００３０】このガス漏れは、直接的に膨張空間６での
冷却性能を低下させるために、その冷却性能に与える影
響は特に大きく、所定の冷却性能を確保できなくなり、
長寿命な冷凍機が得られないなどの問題点があった。

【００３１】さらには、ピストン２をシリンダ１に押し
つける荷重Ｆｐとディスプレーサ４をコールドフィンガ
ー３に押しつける荷重Ｆｄは、ピストン２とディスプレ
ーサ４が往復運動する場合に、その運動方向と逆向きの
摩擦力による抵抗力を発生することになるため、この摩
擦抵抗力が冷凍機の効率を低下させる要因の一つとな
り、効率のよい冷凍機が得られないなどの問題点があっ
た。

【００３２】請求項１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、隙間シール部でのピス
トンおよびシリンダやコールドフィンガーおよびディス
プレーサの摩耗とガス漏れの発生を防止できるととも
に、所期の十分な冷却性能を確保できるスターリングサ
イクルガス冷凍機を得ることを目的とする。

【００３３】請求項２の発明は、ピストンおよびディス
プレーサの共振周波数を、コイルばねの種類を選択する
ことにより任意に調整できるスターリングサイクルガス
冷凍機を得ることを目的とする。

【００３４】請求項３の発明は、ディスプレーサの外周
面およびコールドフィンガーの内周面間の空間と膨張空
間との間にガスの流れが生じるのを防止でき、これによ
りポンピング損失の発生を抑えることができるスターリ
ングサイクルガス冷凍機を得ることを目的とする。

【００３５】請求項４の発明は、ピストンやディスプレ
ーサを支持するダイアフラムに作用する機械的応力を緩
和できるスターリングサイクルガス冷凍機を得ることを
目的とする。

【００３６】請求項５の発明は、膨張空間に浸入する熱
量を低減することで、冷却性能をさらに向上できるスタ
ーリングサイクルガス冷凍機を得ることを目的とする。

【００３７】請求項６の発明は、第一圧縮空間から膨張
空間への熱浸入を低減することで、冷却性能をさらに高
めることができるスターリングサイクルガス冷凍機を得
ることを目的とする。

【００３８】請求項７の発明は、第一圧縮空間から膨張
空間への熱浸入を低減することで、冷却性能をさらに高
めることができるスターリングサイクルガス冷凍機を得
ることを目的とする。

【００３９】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明に係るス
ターリングサイクルガス冷凍機は、ディスプレーサとピ
ストンのどちらか一方あるいは双方をダイアフラムで支
持したものである。

【００４０】請求項２の発明に係るスターリングサイク
ルガス冷凍機は、ディスプレーサとピストンのどちらか
一方あるいは双方に、共振周波数調整用の機械ばねまた
はガスばねを設けたものである。

【００４１】請求項３の発明に係るスターリングサイク
ルガス冷凍機は、ディスプレーサを、これとコールドフ
ィンガーとの間の空間でガスの流れが生じるのを遮断す
るガス遮断用ダイアフラムで支持したものである。

【００４２】請求項４の発明に係るスターリングサイク
ルガス冷凍機は、ディスプレーサを支持する複数枚のダ
イアフラムの間に形成された空間と圧縮空間とを均圧管
で接続したものである。

【００４３】請求項５の発明に係るスターリングサイク
ルガス冷凍機は、コールドフィンガーの内周面およびデ
ィスプレーサの外周面間に形成される空間に、充填物を
詰め込んだものである。

【００４４】請求項６の発明に係るスターリングサイク
ルガス冷凍機は、ディスプレーサを支持するダイアフラ
ムおよびガス流遮断用ダイアフラム間に形成される空間
を、真空状態に保ったものである。

【００４５】請求項７の発明に係るスターリングサイク
ルガス冷凍機は、均圧管の途中にガス絞り抵抗部を設け
たものである。

【００４６】

【作用】請求項１の発明におけるスターリングサイクル
ガス冷凍機は、ダイアフラムによってディスプレーサお
よびピストンの一方または双方を支持することで、往復
動作時にこれらがコールドフィンガーやシリンダの各内
周面に接触するのを阻止するとともに作動ガスに対する
シール性能の向上を図り、蓄熱器の機能を十分にして、
所期の高効率の冷却性能を得られるようにする。

【００４７】請求項２の発明におけるスターリングサイ
クルガス冷凍機は、機械ばねやガスばねによって、これ
らに支承され、かつ周期的な軸方向の交播振動力を発生
するディスプレーサやピストンの共振周波数を任意に調
整可能にする。

【００４８】請求項３の発明におけるスターリングサイ
クルガス冷凍機は、ガス遮断用ダイアフラムがディスプ
レーサおよびコールドフィンガー間の空間と膨張空間の
一部とを隔成することで、上記空間に作動ガスが流れる
のを防止可能にし、従って、この作動ガスによる熱損失
を抑えて、冷却効果を効率的に高められるようにする。

【００４９】請求項４の発明におけるスターリングサイ
クルガス冷凍機は、均圧管によってディスプレーサおよ
びコールドフィンガー間を含む空間とダイアフラム下部
の第一の圧縮空間とを連通させることで、これら両者の
内圧を均一化し、ダイアフラムおよびガス遮断用ダイア
フラム間に生じる機械的応力を緩和可能にする。

【００５０】請求項５の発明におけるスターリングサイ
クルガス冷凍機は、充填物によってコールドフィンガー
の内周面およびディスプレーサの外周面間を通過するガ
スの流れを阻止し、このガスの流れに伴う熱浸入を回避
可能にし、冷却効果を高められるようにする。

【００５１】請求項６の発明におけるスターリングサイ
クルガス冷凍機は、真空引き装置によりダイアフラムお
よびガス流遮断用ダイアフラム間の空間を真空引きする
ことで、第一圧縮空間から膨張空間への熱浸入を低減可
能にし、冷却性能の劣化をなくする。

【００５２】請求項７の発明におけるスターリングサイ
クルガス冷凍機は、ガス絞り抵抗の調整操作により、低
温の膨張空間への浸入熱量を低減することで、冷却効果
をさらに高められるようにする。

【００５３】

【実施例】

実施例１．以下に、請求項１の発明の一実施例を図につ
いて説明する。図１において、３５はディスプレーサ４
を支持するダイアフラムであり、３６はピストン２を支
持するダイアフラムである。なお、この他の図１４に示
したものと同一の構成部分には同一符号を付して、その
重複する説明を省略する。

【００５４】この実施例では、ディスプレーサ４をダイ
アフラム３５で支持したために、ディスプレーサ４とコ
ールドフィンガー３とは非接触となり、ディスプレーサ
４とコールドフィンガー３との間での摩擦摩耗はなく、
かつ、ダイアフラム３５によりディスプレーサ４の外周
部とコールドフィンガー３の内周部との隙間を通して
の、膨張空間６と第一圧縮空間７との間でのガス漏れは
なくなる。

【００５５】同様に、ピストン２をダイアフラム３６で
支持したために、ピストン２とシリンダ１とは非接触で
あるために、ピストン２とシリンダ１との間での摩擦摩
耗はなく、かつダイアフラム３６により、ピストン２の
外周部とコールドフィンガー３の内周部との隙間を通し
ての、第二圧縮空間８とバッファ空間１５との間でのガ
ス漏れはなくなる。

【００５６】従って、ディスプレーサ４の往復運動によ
り発生する、ディスプレーサ４とコールドフィンガー３
とのシール部分での摩擦により発生した摩耗粉が蓄熱器
９内に浸入して詰ることなどによる冷却性能の劣化や、
膨張空間６と第一圧縮空間７との間でのガス漏れにより
発生する冷却性能の劣化はなくなる。

【００５７】また、ピストン２の往復運動により発生す
る、ピストン２とシリンダ１との間でのシール部分の摩
擦摩耗の影響による冷却性能の劣化や、第二圧縮空間８
とバッファ空間１５との間でのガス漏れにより発生する
冷却性能の劣化もなくなる。

【００５８】なお、上記実施例ではディスプレーサ４お
よびピストン２の両方を各一のダイアフラム３５，３６
にて支持するものを示したが、ディスプレーサ４および
ピストン２のいずれか一方をダイアフラム３５または３
６にて支持してもよい。

【００５９】実施例２．図２は請求項２の発明の一実施
例を示し、ここでは、上記実施例１の構造に、さらにデ
ィスプレーサ４の共振周波数を調整する機械ばねとして
のコイルばね３７と、ピストン２の共振周波数を調整す
る機械ばねとしてのコイルばね３８を設けたものであ
る。

【００６０】この実施例においても、上記実施例１と同
じくディスプレーサ４とコールドフィンガー３との間お
よびピストン２とシリンダ１との間の各隙間シール部分
での摩擦摩耗が生じることがなく、摩耗粉の蓄熱器９へ
の浸入ということもないため、これによる冷却性能の劣
化を生じることがない。また、膨張空間６と第一圧縮空
間７との間、および第二圧縮空間８とバッファ空間１５
との間でガス漏れが生じなくなり、このガス漏れによる
冷却性能の劣化もなくなる。

【００６１】さらに、コイルばね３７を付加したことに
より、ディスプレーサ４の共振周波数の設定を、また、
コイルばね３８を付加したことによりピストン２の共振
周波数の設定を、それぞれ容易にできる利点がある。

【００６２】ちなみに、ダイアフラム３５と３６の半径
方向の剛性はコイルばね３７と３８の冷凍機装着時にお
ける半径方向の剛性よりも十分に大きくしてあるため
に、コイルばね３７とコイルばね３８を装着することに
より、ディスプレーサ４とコールドフィンガー３、ピス
トン２とシリンダ１とが接触することはない。

【００６３】なお、この実施例に示した冷凍機の動作原
理については、上記と全く同様であるため、ここではそ
の重複する説明を省略する。

【００６４】実施例３．図３は請求項２の発明の他の実
施例を示し、ここでは上記実施例１の構造に、さらに、
ディスプレーサ４の共振周波数を調整するためのガスば
ね用ピストン３９およびガスばね用シリンダ４０からな
るガスばね室４１を備えたガスばねＡと、ピストン２の
共振周波数を調整するためのガスばね用ピストン４２お
よびガスばね用シリンダ４３からなるガスばね室４４を
備えたガスばねＢとを設けたものである。

【００６５】この実施例においても、前述の通り、ディ
スプレーサ４とコールドフィンガー３との間およびピス
トン２とシリンダ１との間での各隙間シール部分の摩擦
摩耗が生じることがなく、さらに膨張空間６と第一圧縮
空間７との間、および第二圧縮空間８とバッファ空間１
５との間でガス漏れが生じないため、冷却性能の劣化は
なくなる。

【００６６】さらに、ガスばね用ピストン３９とガスば
ね用シリンダ４０からなるガスばね室４１を付加したこ
とにより、ディスプレーサ４の共振周波数の設定を容易
に行えるとともに、ガスばね用ピストン４２とガスばね
用シリンダ４３からなるガスばね室４４を付加したこと
により、ピストン２の共振周波数の設定を容易に行える
利点がある。

【００６７】なお、この実施例に示した冷凍機の動作原
理についても、上記と全く同様であるため、ここではそ
の重複する説明を省略する。

【００６８】実施例４．図４は請求項３の発明の一実施
例を示し、ここでは実施例２の構造に、さらに、ディス
プレーサ４の下部を支持するダイアフラム３５と上部を
支持するガス流遮断用ダイアフラム４５とを設けたもの
である。

【００６９】この実施例では、前述の通り、ディスプレ
ーサ４とコールドフィンガー３との間およびピストン２
とシリンダ１との間での各隙間シール部分で摩擦摩耗が
生じることがなく、さらに、膨張空間６と第一圧縮空間
７との間、および第二圧縮空間８とバッファ空間１５と
の間でガス漏れが生じないため、冷却性能の劣化はなく
なる。

【００７０】さらに、コイルばね３７によりディスプレ
ーサ４の共振周波数を容易に設定でき、コイルばね３８
によりピストン２の共振周波数を容易に設定できる利点
がある。

【００７１】一方、上記実施例２の構造では、図５に示
したように、ディスプレーサ４外周面とコールドフィン
ガー３の内周面との間の空間４６と膨張空間６との間を
行き来するガスの流れ４７が発生する。このガスの流れ
４７は、一般に、ポンピング損失と呼ばれ、空間４６内
部の第一圧縮空間７に近い高温のガスが、低温である膨
張空間６に侵入する作用を行うために、熱損失を発生
し、冷却効率を低下させる一要因となる。

【００７２】この実施例では、ディスプレーサ４の上部
に設けたガス流遮断用ダイアフラム４５により、空間４
６と膨張空間６の一部とを隔成することで、上記したガ
スの流れ４７を遮断することができるために、上記した
熱損失を無くすことが可能となり、さらに効率の高い冷
凍機を得ることができる利点がある。

【００７３】なお、この実施例に示した冷凍機の動作原
理についても、上記と全く同様であるため、ここではそ
の重複する説明を省略する。

【００７４】実施例５．図６は請求項４の発明の一実施
例を示し、ここでは実施例４の構造に、さらに、ディス
プレーサ４の外周面およびコールドフィンガー３の内周
面間で形成される空間４６と、第一圧縮空間７との間を
接続する均圧管４８を設けたものである。

【００７５】この実施例では、前述の通り、ディスプレ
ーサ４とコールドフィンガー３との間およびピストン２
とシリンダ１との間での各隙間シール部分での摩擦摩耗
が生じることがなく、また、膨張空間６と第一圧縮空間
７との間、および第二圧縮空間８とバッファ空間１５と
の間でガス漏れが生じないため、冷却性能の劣化はなく
なる。

【００７６】また、コイルばね３７によりディスプレー
サ４の共振周波数を容易に設定でき、コイルばね３８に
より、ピストン２の共振周波数を容易に設定できる利点
がある。

【００７７】また、ダイアフラム４５の作用により、デ
ィスプレーサ４とコールドフィンガー３との間の空間４
６と、膨張空間６とを行き来するガスの流れ４７を遮断
することができるために、空間４６内部の第一圧縮空間
に近い高温のガスが、低温である膨張空間６に侵入する
作用を防止することができ、これにより生じる熱損失を
無くすことができる。

【００７８】さらに、均圧管４８の作用により、ディス
プレーサ４を支持するダイアフラム３５，４５とディス
プレーサ４外周面とコールドフィンガー３内周面とで形
成される空間４６と、第一圧縮空間７との圧力を均圧さ
せることが可能となり、ダイアフラム３５，４５に作用
する圧力差を上記実施例４に比べて小さくすることがで
きるために、ダイアフラム３５，４５に生じる機械的な
応力を緩和することができる。

【００７９】従って、ダイアフラム３５，４５の変形に
伴う繰り返し寿命を長く保つことが可能となり、高効率
で長寿命な冷凍機を得ることができる利点がある。

【００８０】なお、この実施例に示した冷凍機の動作原
理についても、上記と全く同様であるため、ここではそ
の重複する説明を省略する。

【００８１】実施例６．図７は請求項７の発明の一実施
例を示し、ここでは実施例５の構造に加えて、さらに、
上記均圧管４７の途中にガスの絞り抵抗を形成するため
のガス絞り抵抗部としてのバルブ４９を設けたものであ
る。

【００８２】この実施例では、前述したように、ディス
プレーサ４とコールドフィンガー３との間での各隙間シ
ール部分で摩擦摩耗が生じることがなく、また、膨張空
間６と第一圧縮空間７との間でガス漏れが生じないた
め、冷却性能の劣化は生じない。また、均圧管４８の作
用により、ダイアフラム３５，４５に生じる応力を緩和
することができる。

【００８３】さらに、第一圧縮空間７の高温のガスが、
ダイアフラム３５，４５と、ディスプレーサ４外周面
と、コールドフィンガー３内周面との間に作られる低温
の空間４６に流入する量を、バルブ４９の開度調整によ
り制御することができる。

【００８４】その結果、低温である膨張空間６への侵入
熱量を減じることができるために、上記実施例５に比較
して、さらに、冷却性能を向上させることができる。従
って、長寿命でより効率の高い冷凍機を得ることができ
る利点がある。

【００８５】なお、この実施例に示した冷凍機の動作原
理についても、上記と全く同様であるため、ここでは省
略する。

【００８６】実施例７．図８は請求項５の発明の一実施
例を示し、ここでは実施例１の構造に、さらに、ダイア
フラム３５，４５と、ディスプレーサ４の外周面と、コ
ールドフィンガー３の内周面とで形成される空間４６
に、熱伝導率の小さな充填物５０を詰め込んだものであ
る。

【００８７】この実施例では、前述したように、ディス
プレーサ４とコールドフィンガー３との間での各隙間シ
ール部分で摩擦摩耗が生じることがなく、また、膨張空
間６と第一圧縮空間７との間でガス漏れが生じることが
ないため、冷却性能の劣化はなくなる。

【００８８】さらに、充填物５０の作用により、図９に
示すような、ディスプレーサ４の外周面とコールドフィ
ンガー３の内周面との間の空間４６での、矢印で示した
ような、高温側から低温側へ、または低温側から高温側
へのガスの流れ５１を防止することができる。

【００８９】その結果、高温の第一圧縮空間７から低温
である膨張空間６へのガスの流れ５１に伴う熱侵入を軽
減することができ、上記実施例１に比較して、冷却性能
を向上させることができる。従って、長寿命でより効率
の高い冷凍機を得ることができる利点がある。

【００９０】なお、この実施例に示した冷凍機の動作原
理についても、上記と全く同様であるため、ここではそ
の重複する説明を省略する。

【００９１】実施例８．図１０は請求項６の発明の一実
施例を示し、ここでは実施例２の構造に、さらに、ダイ
アフラム３５，４５と、ディスプレーサ４の外周面と、
コールドフィンガー３の内周面とで形成される空間４６
を加え、さらに、この空間４６と真空ポンプ５２とを配
管５３で接続したものである。

【００９２】この実施例では、前述したように、ディス
プレーサ４とコールドフィンガー３との間での各隙間シ
ール部分で摩擦摩耗が生じることがなく、また、膨張空
間６と第一圧縮空間７との間でガス漏れが生じることが
ないため、冷却性能の劣化はなくなる。

【００９３】さらに、ディスプレーサ４の外周面とコー
ルドフィンガー３の内周面との間の空間４６は、真空ポ
ンプ５２の作用により、真空状態に保つことができるた
めに、図９に示したような、この空間４６におけるガス
の流れ５１を防止することができる。

【００９４】この結果、第一圧縮空間７から膨張空間６
への熱侵入を軽減することができ、上記実施例２に比較
して、冷却性能を向上させることができる。従って、長
寿命でより効率の高い冷凍機を得ることができる利点が
ある。

【００９５】なお、この実施例に示した冷凍機の動作原
理についても、上記と全く同様であるため、ここではそ
の重複する説明を省略する。

【００９６】実施例９．上記実施例１から実施例８で
は、蓄熱器９がディスプレーサ４に内包された場合の冷
凍機について説明したが、図１１に示すように、蓄熱器
９をコールドフィンガー３の外部に位置させ、これを配
管５４，配管５５により、それぞれ第一圧縮空間７およ
び膨張空間６に接続してもよい。

【００９７】この場合において、上記ディスプレーサ４
をダイアフラム３５，４５で支持し、ピストン２をダイ
アフラム３６で支持し、さらに、ディスプレーサ４の共
振周波数を調整するコイルばね３７と、ピストン２の共
振周波数を調整するコイルばね３８を設けてある。

【００９８】この実施例では、前述の通り、ディスプレ
ーサ４とコールドフィンガー３との間およびピストン２
とシリンダ１との間での各隙間シール部分での摩擦摩耗
が生じることなく、また、膨張空間６と第一圧縮空間７
との間および第二圧縮空間８とバッファ空間１５との間
でのガス漏れも生じることがないため、冷却性能の劣化
はなくなる。

【００９９】また、コイルばね３７によりディスプレー
サ４の共振周波数の設定を容易に行うことができ、コイ
ルばね３８により、ピストン２の共振周波数の設定を容
易に行うことができる利点がある。従って、この実施例
でも、外部空間に設置した蓄熱器９を用いて高効率で長
寿命な冷凍機を構成できる利点があり、また、空間４６
におけるガスを介しての蓄熱器９に対する熱影響を回避
できるという効果が得られる。

【０１００】なお、この実施例に示した冷凍機の動作原
理についても、上記と全く同様であるため、ここではそ
の重複する説明を省略する。

【０１０１】実施例１０．上記実施例１から９ではコー
ルドフィンガー３とシリンダ１とが機械的に強く結合さ
れた一体型の冷凍機の場合について説明したが、図１２
に示すように、コールドフィンガー３とシリンダ１とを
パイプ状の連結管５Ａを介して、互いに分離した分離型
の冷凍機としてもよい。この場合には、構成の簡素化，
小形化を図れるとともに、設置空間の状況に対応した取
り付けおよび分離運搬が可能であり、種々の設置，施工
にフレキシブルに対応できる利点がある。

【０１０２】実施例１１．上記実施例１から１０ではデ
ィスプレーサ４が単段型の冷凍機の構成について説明し
たが、図１３に示すように、より低温を得るためにディ
スプレーサを段付き構成にした段付きディスプレーサ５
６としてもよい。この段付きディスプレーサ５６は内部
に一段目蓄熱器５７と二段目蓄熱器５８を内包し、上記
一段目蓄熱器５７と上記二段目蓄熱器５８とをガス通路
５９で連通し、上記二段目蓄熱器５８と二段目膨張空間
６０との間をガス通路６１で連通してある。

【０１０３】また、上記段付きディスプレーサ５６をダ
イアフラム３５，ダイアフラム４５，ダイアフラム６２
で支持した二段膨張型冷凍機とするほかに、さらに段数
を増加させた複数段膨張型冷凍機（図示していない）と
してもよく、さらに一層の冷却性能の向上を図ることが
できる。

【０１０４】

【発明の効果】以上のように、請求項１の発明によれ
ば、ディスプレーサとピストンのどちらか一方あるいは
双方をダイアフラムで支持するように構成したので、デ
ィスプレーサやピストンをコールドフィンガーやシリン
ダと非接触で往復動可能とすることができるとともに、
上記ダイアフラムにより、ディスプレーサ外周面とコー
ルドフィンガー内周面との隙間やピストンとシリンダと
の隙間を完全に遮断することができるために、隙間シー
ル部の摩擦摩耗による冷却性能の劣化や、低温空間と高
温空間との間での、蓄熱器を通過しないディスプレーサ
外周面とコールドフィンガー内周面との間の隙間からの
ガス漏れの影響の全くない、高効率で長寿命の冷却を実
現できるものが得られる効果がある。

【０１０５】請求項２の発明によれば、ディスプレーサ
とピストンのどちらか一方あるいは双方に、共振周波数
調整用の機械ばねまたはガスばねを設けるように構成し
たので、ピストンおよびディスプレーサの共振周波数
を、コイルばねの種類を選択することにより任意に調整
できるものが得られる効果がある。

【０１０６】請求項３の発明によれば、ディスプレーサ
を、これとコールドフィンガーとの間の空間でガスの流
れが生じるのを遮断するガス遮断用ダイアフラムで支持
するように構成したので、ディスプレーサの外周面およ
びコールドフィンガーの内周面間の空間と膨張空間との
間にガスの流れが生じるのを防止でき、これによりポン
ピング損失の発生を抑えることができるものが得られる
効果がある。

【０１０７】請求項４の発明によれば、ディスプレーサ
を支持する複数枚のダイアフラムの間に形成された空間
と圧縮空間とを均圧管で接続するように構成したので、
ピストンやディスプレーサを支持するダイアフラムに作
用する機械的応力を緩和できるものが得られる効果があ
る。

【０１０８】請求項５の発明によれば、コールドフィン
ガーの内周面およびディスプレーサの外周面間に形成さ
れる空間に、充填物を詰め込むように構成したので、膨
張空間に浸入する熱量を低減することで、冷却性能をさ
らに向上できるものが得られる効果がある。

【０１０９】請求項６の発明によれば、ディスプレーサ
を支持するダイアフラムおよびガス流遮断用ダイアフラ
ム間に形成される空間を、真空状態に保つように構成し
たので、第一圧縮空間から膨張空間への熱浸入を低減す
ることで、冷却性能をさらに高めることができるものが
得られる効果がある。

【０１１０】請求項７の発明によれば、均圧管の途中に
ガス絞り抵抗部を設けるように構成したので、第一圧縮
空間から膨張空間への熱浸入を低減することで、冷却性
能をさらに高めることができるものが得られる効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 請求項１の発明の一実施例によるスターリン
グサイクルガス冷凍機を示す断面図である。

【図２】 請求項２の発明の一実施例によるスターリン
グサイクルガス冷凍機を示す断面図である。

【図３】 請求項２の発明の他の実施例によるスターリ
ングサイクルガス冷凍機を示す断面図である。

【図４】 請求項３の発明の一実施例によるスターリン
グサイクルガス冷凍機を示す断面図である。

【図５】 請求項３の発明の背景技術を説明するスター
リングサイクルガス冷凍機を示す部分断面図である。

【図６】 請求項４の発明の一実施例によるスターリン
グサイクルガス冷凍機を示す断面図である。

【図７】 請求項７の発明の一実施例によるスターリン
グサイクルガス冷凍機を示す断面図である。

【図８】 請求項５の発明の一実施例によるスターリン
グサイクルガス冷凍機を示す部分断面図である。

【図９】 請求項５の発明の背景技術を説明するスター
リングサイクルガス冷凍機を示す部分断面図である。

【図１０】 請求項６の発明の一実施例によるスターリ
ングサイクルガス冷凍機を示す断面図である。

【図１１】 請求項３の発明の他の実施例によるスター
リングサイクルガス冷凍機を示す断面図である。

【図１２】 請求項３の発明の他の実施例によるスター
リングサイクルガス冷凍機を示す断面図である。

【図１３】 請求項３の発明の他の実施例によるスター
リングサイクルガス冷凍機を示す部分断面図である。

【図１４】 従来のスターリングサイクルガス冷凍機を
示す断面図である。

【図１５】 従来のスターリングサイクルガス冷凍機に
装着するコイルばねを示す構造図である。

【図１６】 従来のスターリングサイクルガス冷凍機に
おけるコイルばねの取り付け状態を示す詳細図である。

【符号の説明】

１ シリンダ、２ ピストン、３ コールドフィンガ
ー、４，５６ ディスプレーサ、５ 連通部、５Ａ 連
結管、６ 膨張空間、７ 第一圧縮空間（圧縮空間）、
８ 第二圧縮空間（圧縮空間）、９ 蓄熱器、３５，３
６，６２ ダイアフラム、３７，３８ コイルばね（機
械ばね）、４５ ガス流遮断用ダイアフラム、４６ 空
間、４８ 均圧管、４９ バルブ（ガス絞り抵抗部）、
５０ 充填物、５２ 真空ポンプ（真空引き装置）、５
４，５５ 配管、５７ 一段目蓄熱器（蓄熱器）、５８
二段目蓄熱器（蓄熱器）、５９，６１ ガス通路、
Ａ，Ｂガスばね。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 内部に作動ガスを封入したコールドフィ
   ンガーと、該コールドフィンガー内に往復動可能に収納
   されたディスプレーサと、上記コールドフィンガーおよ
   びディスプレーサ間に形成された膨脹空間と、上記コー
   ルドフィンガーに連設され、かつ内部に作動ガスを封入
   したシリンダと、該シリンダ内に往復動可能に収納され
   たピストンと、上記シリンダおよびピストン間に形成さ
   れた圧縮空間と、上記膨脹空間および圧縮空間を連通す
   る蓄熱器と、上記コールドフィンガー内の作動ガスと上
   記シリンダ内の作動ガスとを連通する連通部とを備えた
   スターリングサイクルガス冷凍機において、上記ディス
   プレーサおよびピストンのどちらか一方または双方を上
   記コールドフィンガーまたはシリンダに対しダイアフラ
   ムで支持したことを特徴とするスターリングサイクルガ
   ス冷凍機。
2. 【請求項２】 ダイアフラムにより支持されたディスプ
   レーサおよびピストンのどちらか一方または双方を、共
   振周波数調整用の機械ばねまたはガスばねで支承した請
   求項１に記載のスターリングサイクルガス冷凍機。
3. 【請求項３】 ディスプレーサを、該ディスプレーサの
   外周面およびコールドフィンガーの内周面間の空間と膨
   張空間との間のガスの流れを遮断するガス流遮断用ダイ
   アフラムで支持した請求項１または請求項２に記載のス
   ターリングサイクルガス冷凍機。
4. 【請求項４】 ダイアフラムおよびガス流遮断用ダイア
   フラム間に形成される空間と圧縮空間とを均圧管を通じ
   て連結した請求項３に記載のスターリングサイクルガス
   冷凍機。
5. 【請求項５】 コールドフィンガーの内周面およびディ
   スプレーサの外周面間に形成される空間に、ガスの流れ
   を防止する充填物を設けた請求項３に記載のスターリン
   グサイクルガス冷凍機。
6. 【請求項６】 ダイアフラムおよびガス遮断用ダイアフ
   ラム間に形成される空間を真空引きする真空引き装置を
   設けた請求項３に記載のスターリングサイクルガス冷凍
   機。
7. 【請求項７】 均圧管の途中にガス絞り抵抗部を設けた
   ことを特徴とする請求項４に記載のスターリングサイク
   ルガス冷凍機。