JPH10288415A - スターリング冷凍機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 圧縮機のシリンダの材質の選択範囲を広げ、
圧縮機の小型化を図る。 【解決手段】 磁石５１,５１'を、ケーシング４２の両
端面４２a,４２bに取り付けられた円筒部材５０,５０'
の外周面に設ける。シリンダ４３の軸孔４４に挿入され
たピストン４５,４５'の一端に取り付けた円板４７,４
７'の外周縁から、磁石５１,５１'に対向して延びる円
筒４８,４８'を設ける。コイル４９,４９'を円筒４８,
４８'の外周面に形成する。こうして、シリンダ４３を
リニアモータとは別体に設けることによって、シリンダ
４３の材質が磁気回路を形成可能な材質に限定されない
ようにする。また、外側にリニアモータが無い分だけピ
ストン４５,４５'の径を大きくしてストロークを短く
し、圧縮機４１の小型化を図る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、スターリング冷
凍機の改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、雰囲気を極低温度に冷却する小型
冷凍機の一種としてスターリング冷凍機がある。このス
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た高圧冷媒ガスをディスプレーサ
の往復動によって膨張させる膨張機とを組み合わせた構
造を有している。

【０００３】以下、上記スターリング冷凍機について簡
単に説明する。図３は、上記スターリング冷凍機の概略
断面図である。圧縮機１は、膨張機１１の作動室１７に
連結される冷媒ガスの吐出孔２０の軸を含む面を境界と
して、略対称な構造を有している。

【０００４】上記圧縮機１は、密閉円筒状のケーシング
２の中に、このケーシング２の内周面に沿った外周面を
有する円筒３aと軸孔４を有する円筒３bとを軸方向中央
部で連結した二重円筒状のシリンダ３を収納している。
そして、シリンダ３の軸孔４の一端側には、一端に円板
７が取り付けられたピストン５が挿通されている。同様
に、軸孔４の他端側には、一端に円板７'が取り付けら
れたピストン５'が挿通されている。そして、両ピスト
ン５,５'のヘッド間で圧縮室６を形成している。

【０００５】上記円板７,７'夫々の外周縁からシリンダ
３の両円筒３a,３b間に延びる円筒８,８'の外周面には
コイル９,９'が形成されている。このコイル９,９'は、
シリンダ３の円筒３bにおける外周面の両端部に設けら
れた磁石１０,１０'と共に、リニアモータを構成してい
る。そして、このリニアモータによって駆動されて、両
ピストン５,５'はバネ２１,２１'によって補助されて同
期して往復動する。

【０００６】膨張機１１は、外周に放熱フィン１３を有
するシリンダ１２内にメッシュ状の蓄冷材を内蔵したデ
ィスプレーサ１４を封入し、環状のシール材１５でディ
スプレーサ１４とシリンダ１２とをシールしている。こ
うして、シリンダ１２内はディスプレーサ１４およびシ
ール材１５によって先端側の膨張室１６と基端側の作動
室１７とに仕切られている。上記作動室１７は、連結管
１９を介して圧縮機１の圧縮室６に連通している。ま
た、ディスプレーサ１４の基端側は、バネ１８によって
シリンダ１２の基端側と連結されて、通常、ディスプレ
ーサ１４は中立位置に在る。

【０００７】上記構成のスターリング冷凍機は次のよう
に動作する。上記圧縮機１のコイル９,９'に交流電圧が
印加されると、ピストン５,５'が軸孔４内を軸方向中央
側に移動して圧縮室６内の冷媒ガスが圧縮される。こう
して高圧になった冷媒ガスは吐出孔２０および連結管１
９を通って膨張機１１の作動室１７に供給され、作動室
１７内の圧力が高くなる。そうすると、上記作動室１７
とこの作動室１７にディスプレーサ１４の蓄冷材収納室
を介して連通されている膨張室１６とに圧力差が生じ、
この圧力差がバネ１８の弾性力を越えると、ディスプレ
ーサ１４がシリンダ１２の先端側に移動する。

【０００８】こうして、上記ディスプレーサ１４がシリ
ンダ１２の先端に行き着くと、作動室１７内の高圧冷媒
ガスはディスプレーサ１４内の蓄冷材によって冷却され
ながら膨張室１６側に流れ、やがて作動室１７と膨張室
１６とは同圧となる。そうすると、上記ディスプレーサ
１４は、バネ１８の収縮力によってシリンダ１２の基端
側に移動して中立位置に戻る。

【０００９】次に、上記圧縮機１のピストン５,５'の夫
々が上記一端側あるいは上記他端側に移動して、圧縮室
６内の圧力が低下する。そうすると、膨張機１１の作動
室１７内の冷媒ガスが連結管１９および吐出孔２０を通
って圧縮室６に戻り、作動室１７内の圧力が膨張室１６
の圧力よりも低下して両室１６,１７に圧力差が生ず
る。そして、この圧力差がバネ１８の弾性力を越える
と、ディスプレーサ１４がシリンダ１２の基端側に移動
する。その結果、膨張室１６内の冷媒ガスが断熱膨張し
て温度が低下する。こうして冷却された冷媒ガスは、デ
ィスプレーサ１４内の蓄冷材に冷熱を与えながら作動室
１７に流れて、作動室１７と膨張室１６とが同圧とな
る。そして、ディスプレーサ１４は、バネの伸長力によ
ってシリンダ１２の先端側に移動して中立位置に戻る。
こうして、１冷凍サイクルが終了する。

【００１０】図４は、図３に示すスターリング冷凍機の
圧縮機１とは異なる圧縮機の概念図である。図３に示す
圧縮機１では、軸方向中央部で連結した二重円筒状のシ
リンダ３の軸孔４を有する円筒３bの両端部に磁石１０,
１０'を設けている。これに対して、図４に示す圧縮機
２５では、軸方向中央部で連結した二重円筒状のシリン
ダ２６の半径方向外側の円筒２６aの両端部に磁石２７,
２７'を設けている。

【００１１】また、ピストン２８,２８'、円筒２９,２
９'、および、コイル３０,３０'は、図３に示す圧縮機
１におけるピストン５,５'、円筒８,８'、および、コイ
ル１０,１０'と同様に構成されている。そして、上記コ
イル３０,３０'と磁石２７,２７'とでリニアモータを構
成している。尚、図３におけるバネ２１,２１'に相当す
るバネは省略している。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来のスターリング冷凍機の圧縮機には、以下のような問
題がある。すなわち、図３に示す圧縮機１および図４に
示す圧縮機２５の何れも、磁石１０,２７がシリンダ３,
２６に設けられているために、シリンダ３,２６が、コ
イル９,３０と磁石１０,２７とで構成されるリニアモー
タの磁気回路の構成要素として使用されることになる。
そのために、シリンダ３,２６の材質が、磁気回路を形
成可能な純鉄等の高価で加工性の悪い材質に限定されて
しまうという問題がある。

【００１３】また、軸に沿ってピストン５,２８を配置
し、その半径方向外側に上記リニアモータを配してい
る。したがって、圧縮機１,２５の外径が大きくなり、
スターリング冷凍機全体も大型になるという問題もあ
る。さらに、上記ピストン５,２８およびシリンダ３,２
６の長さが上記リニアモータの長さで規制されることに
なり、本来必要な長さよりも長くなってしまう。したが
って、シリンダ３,２６とピストン５,２８との摺動面積
が大きくなり、偏摩耗等の異常摩耗が発生しやすいとい
う問題もある。

【００１４】そこで、この発明の目的は、圧縮機のシリ
ンダの材質の選択範囲を広げ、圧縮機の小型化を図るこ
とができるスターリング冷凍機を提供することにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１に係る発明は、圧縮機と,この圧縮機から
の冷媒ガスを膨張させて極低温度に冷却する膨張機を有
するスターリング冷凍機において、上記圧縮機はピスト
ンを有し、上記ピストンの一端は、外周面にコイルが形
成されているカップ状のコイル支持部における底面の外
側に取り付けられていることを特徴としている。

【００１６】上記構成によれば、圧縮機のピストンは、
カップ状のコイル支持部の底面に対してコイルの反対側
に取り付けられている。そのために、上記ピストンが挿
入されているシリンダも上記コイル支持部の底面に対し
て上記コイルの反対側に位置していることになる。こう
して、上記シリンダは、上記コイルとこのコイルに対向
して設けられる磁石とで構成されるリニアモータの磁気
回路とは別体に形成される。したがって、上記シリンダ
の材質は、磁気回路を形成可能な材質に限定されない。
また、上記カップ状のコイル支持部の内側にピストンが
存在しないため、上記コイル支持部の外径を小さくして
圧縮機の小型化が図られる。あるいは、上記ピストンの
外径を大きくしてストロークを小さくし、上記圧縮機の
小型化が図られる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、この発明を図示の実施の形
態により詳細に説明する。図１は、本実施の形態のスタ
ーリング冷凍機に用いられる圧縮機の概念を示す断面図
である。圧縮機４１は、膨張機(図示せず)に供給する冷
媒ガスの吐出孔５３の軸を含む面を境界として、略対称
な構造を成している。

【００１８】上記圧縮機４１は、密閉円筒状のケーシン
グ４２内の軸方向中央に、このケーシング４２と同軸の
円筒４３aを有するシリンダ４３を収納している。そし
て、シリンダ４３の軸孔４４の一端側には、一端に円板
４７が取り付けられたピストン４５が挿通されている。
同様に、軸孔４４の他端側には、一端に円板４７'が取
り付けられたピストン４５'が挿通されている。そし
て、上記両ピストン４５,４５'のヘッド間で圧縮室４６
を形成している。

【００１９】上記ケーシング４２の両端面４２a,４２b
の内側には、シリンダ４３側に向かって突出する円筒部
材５０,５０'を取り付けている。そして、円筒部材５
０,５０'夫々の先端部の外周面には磁石５１,５１'を設
けている。また、円板４７,４７'夫々の外周縁から磁石
５１,５１'に対向して延びる円筒４８,４８'の外周面に
は、コイル４９,４９'を形成する。このコイル４９,４
９'は、磁石５１,５１'と共にリニアモータを構成す
る。すなわち、円板４７,４７'およびこの円板４７,４
７'の外周縁から延びる円筒４８,４８'によって、上記
カップ状のコイル支持部材を構成するのである。上記円
板４７,４７'とケーシング４２の両端面４２a,４２bと
の間には、バネ５２,５２'が装着されている。そして、
バネ５２,５２'によって補助されて、両ピストン４５,
４５'は上記リニアモータに駆動されて同期して往復動
する。

【００２０】すなわち、本実施の形態においては、リニ
アモータを、シリンダ４３とは切り離してシリンダ４３
よりも軸方向外側に設けている。したがって、シリンダ
４３は上記リニアモータの磁気回路の構成要素として使
用されることがなく、その材質が磁気回路を形成可能な
材質に限定されることはない。したがって、本実施の形
態によれば、シリンダ４３を安価で加工性の良い材質で
形成できるのである。

【００２１】また、上記コイル４９,４９'は、ピストン
４５,４５'の半径方向外側にではなく、軸方向外側に配
置されている。そのために、コイル４９,４９'および磁
石５１,５１'によって規制されずにピストン４５,４５'
の外径を大きくできる。したがって、本実施の形態にお
いては、圧縮機４１の外径を図４に示す従来の圧縮機２
５の外径と同じであるとして、最大で円板４８,４８'の
径までピストン４５,４５'の径を大きくするのである。
ところが、上記圧縮機４１に連結される膨張機(図示せ
ず)の吸排気量は一定であるから、圧縮機４１の圧縮室
４６の容積変化量も上記膨張機の吸排気量に見合う一定
の量であればよい。そこで、ピストン４５,４５'の径を
大きくした分だけピストン４５,４５'のストロークを短
くするのである。

【００２２】つまり、本実施の形態によれば、上記圧縮
機４１の長さを、上記リニアモータの長さが図４に示す
従来の圧縮機２５のリニアモータと同じであれば、破線
Ａで示す図４の従来の圧縮機２５の長さよりもピストン
４５,４５'のストロークが短くなった分だけ短くでき
る。すなわち、上記圧縮機４１の小型化を図ることがで
きるのである。

【００２３】図２は、図１の圧縮機とは異なる圧縮機の
概念を示す断面図である。本圧縮機６１は、図１に示す
圧縮室４１と同様に、吐出孔７３の軸を含む面を境界と
して、略対称な構造を成している。ケーシング６２,シ
リンダ６３,ピストン６５,６５',円筒６８,６８',コイ
ル６９,６９',円筒部材７０,７０'および磁石７１,７
１'は、図１の圧縮機４１におけるケーシング４２,シリ
ンダ４３,ピストン４５,４５',円筒４８,４８',コイル
４９,４９',円筒部材５０,５０'および磁石５１,５１'
と基本的構造は同じである。

【００２４】本実施の形態の場合でも、上記コイル６
９,６９'は、ピストン６５,６５'の半径方向外側にでは
なく、軸方向外側に配置されている。そのため、コイル
６９,６９'および磁石７１,７１'の設置位置の半径を、
ピストン６５,６５'の存在によって規制されずに小さく
できる。そこで、本実施の形態においては、上記円筒部
材７０,７０'の外径を図１における円筒部材５０,５０'
の場合よりも小さくすることによって、コイル６９,６
９'および磁石７１,７１'の設置位置を軸側に寄せる。
そして、円筒部材７０,７０'と円板６７,６７'との間
に、バネ７２,７２'を装着するのである。

【００２５】つまり、本実施の形態によれば、上記圧縮
機６１の外径を、上記リニアモータの半径方向内側にピ
ストンが無くなった分だけ、破線Ｂで示す図４の従来の
圧縮機２５の外径よりも小さくできる。すなわち、圧縮
機６１の小型化を図ることができるのである。

【００２６】ここで、本実施の形態においても、上記シ
リンダ６３を安価で加工性の良い材質で形成できる。ま
た、上記ピストン６５,６５'およびシリンダ６３は、図
４に示す従来の圧縮機と同じ外径を保って長さが本来必
要な長さに短くなっている。したがって、ピストン６
５,６５'の摺動面積が小さくなって偏摩耗等の異常摩耗
が発生しくくなる。

【００２７】尚、この発明における磁石５１,７１の取
付構造等は、図１および図２の取付構造に限定されるも
のではない。要は、カップ状のコイル支持部に設けられ
たコイルと協同してリニアモータを形成し、且つ、取り
付け位置をピストンが半径方向内側にある場合よりも軸
側に近づけることができる構造であればよい。また、上
記各実施の形態においては、冷媒ガスの吐出孔５３,７
３の軸を含む面を境界として略対称な構造を有する二連
の圧縮機４１,６１を例に説明しているが、一連の圧縮
機に対しても適用できることは言うまでもない。

【００２８】

【発明の効果】以上より明らかなように、請求項１に係
る発明スターリング冷凍機は、圧縮機のピストンの一端
を、外周面にコイルが形成されているカップ状のコイル
支持部の底面外側に取り付けているので、上記ピストン
が挿入されるシリンダを、上記コイルとこのコイルに対
向する磁石とで構成されるリニアモータの磁気回路とは
別体に形成できる。したがって、上記シリンダの材質
は、磁気回路を形成可能な材質に限定されることがな
い。すなわち、この発明によれば、シリンダを安価で加
工性の良い材質で形成してコストダウンを図ることでき
る。

【００２９】また、上記ピストンは、上記カップ状のコ
イル支持部の軸方向外側に存在している。したがって、
上記コイル支持部の外径を小さくすることによって、圧
縮機の小型化を図ることができる。あるいは、上記ピス
トンの外径を大きくすることによって上記ピストンのス
トロークを小さくして、上記圧縮機の小型化を図ること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明のスターリング冷凍機の圧縮機におけ
る概念を示す断面図である。

【図２】図１とは異なる圧縮機の概念を示す断面図であ
る。

【図３】従来のスターリング冷凍機の概略断面図であ
る。

【図４】図３とは異なる従来のスターリング冷凍機にお
ける圧縮機の概念を示す断面図である。

【符号の説明】

４１,６１…圧縮機、 ４２,６２…ケー
シング、４３,６３…シリンダ、 ４５,４
５',６５,６５'…ピストン、４８,４８',６８,６８'…
円筒、 ４９,４９',６９,６９'…コイル、５０,５
０',７０,７０'…円筒部材、 ５１,５１',７１,７１'…
磁石。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧縮機(４１,６１)と、この圧縮機(４
   １,６１）からの冷媒ガスを膨張させて極低温度に冷却
   する膨張機を有するスターリング冷凍機において、 上記圧縮機(４１,６１)はピストン(４５,６５)を有し、 上記ピストン(４５,６５)の一端は、外周面にコイル(４
   ９,６９)が形成されているカップ状のコイル支持部にお
   ける底面(４７,６７)の外側に取り付けられていること
   を特徴とするスターリング冷凍機。