JPH10325628A - スターリング冷凍機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 シリンダ３５内を先端側の膨張室３６及び基
端側の作動室３７に区画形成するディスプレーサ４０
と、そのディスプレーサ４０の作動室３７側に上記シリ
ンダ３５に沿って延びるようにディスプレーサ４０に連
結された支持軸５５と、この支持軸５５の長さ方向に互
いに離れて配置され、ディスプレーサ４０を弾性支持す
る２枚の板ばね６１，６１とを備えたスターリング冷凍
機に対して、膨張機Ｂを小形化しつつ、作動室３７の気
密性を向上させる。 【解決手段】 ディスプレーサ４０に近い側の１枚の板
ばね６１を作動室３７内に配置し、その作動室３７内の
板ばね６１と残りの１枚の板ばね６１との間に、支持軸
５５が貫通しかつ作動室３７を気密状に区画する隔壁部
材５７を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ディスプレーサの
往復動によりシリンダ内の膨張室で冷媒ガスを膨張させ
て寒冷を発生させるようにしたスターリング冷凍機に関
する技術分野に属する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、このスターリング冷凍機は、
極低温レベルの寒冷を発生させる小型冷凍機の一種とし
て知られている。この冷凍機は、冷媒ガスを圧縮する圧
縮機と、該圧縮機から吐出された冷媒ガスを膨張させる
膨張機とを組み合わせたものである。その膨張機では、
シリンダ内を先端側の膨張室及び基端側の作動室に区画
形成するディスプレーサがそのシリンダに対して往復動
自在に設けられている。上記圧縮機は、シリンダ内でピ
ストンを往復動させることにより、所定周期で冷媒ガス
を圧縮するように構成され、その圧縮機の冷媒ガスを作
動室に給排してディスプレーサを往復動させることによ
り、冷媒ガスを上記膨張室で膨張させて寒冷を発生させ
るようになっている。

【０００３】そして、この冷凍機では、上記ディスプレ
ーサやピストンが往復動する際、その振動を低減させる
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。

【０００４】そこで、従来、例えば特開平５−２８８４
１９号公報に示されているように、膨張機において、デ
ィスプレーサの作動室側に、シリンダに沿って延びるよ
うにディスプレーサに支持部を連結し、この支持部の長
さ方向に互いに離れた２箇所に、ディスプレーサを支持
部の長さ方向（ディスプレーサの軸方向）に往復動可能
にかつそのディスプレーサの往復動方向と垂直な方向
（ディスプレーサの径方向）に移動不能に弾性支持する
２枚の板ばねを使用することによって、そのディスプレ
ーサの振動を低減させるようにすることが知られてい
る。すなわち、この各板ばねは、ディスプレーサの径方
向の剛性が高くてその方向には殆ど変形しないので、そ
の径方向のぶれを低減させてディスプレーサを低振動化
させる一方、支持部の長さ方向には大きく弾性変形する
ので、ディスプレーサをその軸方向に往復動可能に弾性
支持するものである。また、圧縮機においても、上記膨
張機と同様に、上記２枚の板ばねによってピストンを弾
性支持するようにしている。

【０００５】そして、上述の如く複数枚の板ばねを膨張
機において使用する場合、上記公報に示されているよう
に、その各板ばねは作動室の外側に配置されているた
め、ディスプレーサとこのディスプレーサに最も近い板
ばねとの間に、支持部が貫通しかつ作動室を気密状に区
画する隔壁が設けられている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記隔壁の支
持部が貫通する箇所のシール性能を向上させようとする
と、隔壁が支持部の長さ方向に長くなるので、膨張機が
その方向に大きくなるとという問題がある。一方、上記
隔壁を支持部の長さ方向に短くすると、作動室内の冷媒
ガスが隔壁の支持部が貫通する箇所から漏れ易くなり、
作動室のシール性能が悪化して冷凍機の冷凍能力が低下
してしまう。

【０００７】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、膨張機において複数枚
の板ばねによりディスプレーサを弾性支持する場合に、
板ばね及び隔壁の配置に工夫を凝らすことによって、膨
張機を小形化しつつ、作動室のシール性能を向上させよ
うとすることにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、この発明では、ディスプレーサに近い側の少なく
とも１枚の板ばねを作動室内に配置し、その作動室内の
板ばねと残りの板ばねとの間に、支持部が貫通しかつ作
動室を気密状に区画する隔壁を設けるようにした。

【０００９】具体的には、請求項１の発明では、図１に
示すように、シリンダ（３５）内を先端側の膨張室（３
６）及び基端側の作動室（３７）に区画形成するディス
プレーサ（４０）と、該ディスプレーサ（４０）の作動
室（３７）側に上記シリンダ（３５）に沿って延びるよ
うにディスプレーサ（４０）に連結された支持部（５
５）と、該支持部（５５）における長さ方向に互いに離
れて配置され、上記シリンダ（３５）に対してディスプ
レーサ（４０）を支持部（５５）の長さ方向に往復動可
能にかつ該ディスプレーサ（４０）の往復動方向と垂直
な方向に移動不能に弾性支持する複数枚の板ばね（６
１），（６１）とが設けられ、圧縮機（Ａ）の冷媒ガス
を作動室（３７）に給排してディスプレーサ（４０）を
往復動させることにより、冷媒ガスを上記膨張室（３
６）で膨張させて寒冷を発生させるようにしたスターリ
ング冷凍機を前提とする。

【００１０】そして、ディスプレーサ（４０）に近い側
の少なくとも１枚の板ばね（６１）は、上記作動室（３
７）内に配置され、該作動室（３７）内の板ばね（６
１）と残りの板ばね（６１）との間に、上記支持部（５
５）が貫通しかつ作動室（３７）を気密状に区画する隔
壁（５７）が設けられているものとする。

【００１１】このことにより、ディスプレーサ（４０）
とこのディスプレーサ（４０）に最も近い板ばね（６
１）との間には、作動室（３７）を気密状に区画する隔
壁が不要となる。一方、互いに隣設する２枚の板ばね
（６１），（６１）間には、ディスプレーサ（４０）の
支持性能向上の観点から支持部（５５）の長さ方向に大
きなスペースが設けられているので、その箇所に隔壁
（５７）を設けても、膨張機（Ｂ）は大きくならず、デ
ィスプレーサ（４０）とこのディスプレーサ（４０）に
最も近い板ばね（６１）との間に隔壁を設ける場合より
も膨張機（Ｂ）を小形化することができる。しかも、隔
壁（５７）は支持部（５５）が貫通するものの、その貫
通部の長さをそこから冷媒ガスが漏れないように大きく
することができるので、作動室（３７）の隔壁（５７）
によるシール性能を確実に向上させることができる。よ
って、膨張機（Ｂ）を小形化しつつ、作動室（３７）の
気密性を良好に維持することができる。

【００１２】請求項２の発明では、請求項１の発明にお
いて、図１に示すように、作動室（３７）内の板ばね
（６１）及び残りの板ばね（６１）は、それぞれ１枚で
あるものとする。

【００１３】この発明により、作動室（３７）の容積を
含めて板ばね（６１），（６１）の必要スペースを最小
限に抑えることができる。一方、２枚の板ばね（６
１），（６１）のみでディスプレーサ（４０）の支持性
能は十分に維持させることができる。よって、膨張機
（Ｂ）をより一層小形化しつつ、冷凍機の冷凍能力を良
好に維持することができる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面に
基づいて説明する。図１は、本発明の実施形態に係るス
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（Ａ）と、この圧縮機（Ａ）から
吐出された冷媒ガスを膨張させる膨張機（Ｂ）とを組み
合わせたものである。

【００１５】上記圧縮機（Ａ）は図で左右方向に延びる
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。

【００１６】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（１
３）には結合配管（１４）の一端部が連結されている。

【００１７】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。

【００１８】そして、上記支持軸（１５）の右側端部に
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（１７
ａ）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）を後述の板ばね（３１），（３１）のばね
定数等で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。

【００１９】上記支持軸（１５）においてその左右両端
部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、２枚の円板状の板ばね（３１），
（３１）が配置固定されている。この各板ばね（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。上記各板ばね
（３１）は、２枚の薄板が重ね合わされたもので、図２
に示すように、３つの略渦巻状のスリット孔（３１
ａ），（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その方向の変形が
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
記ピストン（９）を略水平方向に往復動可能にかつ該ピ
ストン（９）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（３
１）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。

【００２０】一方、上記膨張機（Ｂ）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）内空間を先端側の膨張室（３６）と基
端側の作動室（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（再
生式熱交換器）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（３
７）にそれぞれ連通されている。そして、膨張室（３
６）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。

【００２１】上記シリンダ（３５）の基端には、上記圧
縮機（Ａ）のケーシング（１）と同様に、円筒壁部（５
１ａ）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）の左側
の円板壁部（５１ｂ）には、貫通孔（５１ｃ）が設けら
れ、この貫通孔（５１ｃ）にシリンダ（３５）基端部が
連結されて、ケーシング（５１）はシリンダ（３５）と
一体とされている。

【００２２】上記ケーシング（５１）内には、上記ディ
スプレーサ（４０）の作動室（３７）側端面に連結した
支持部として支持軸（５５）が上記円筒壁部（５１ａ）
と同心状にシリンダ（３５）に沿って左右方向に延びる
ように設けられている。上記ケーシング（５１）内にお
いて上記支持軸（５５）の長さ方向（軸方向）に離れた
２箇所には、上記圧縮機（Ａ）のピストン（９）と同様
に、２枚の板ばね（６１），（６１）が配置固定され、
この各板ばね（６１）によりディスプレーサ（４０）が
支持軸（５５）の長さ方向に往復動可能にかつ該ディス
プレーサ（４０）の往復動方向と垂直な方向に移動不能
に弾性支持されている。すなわち、この各板ばね（６
１）は、上記圧縮機（Ａ）の各板ばね（３１）と同様の
ものである。

【００２３】上記２枚の板ばね（６１），（６１）間に
は、円筒状の隔壁部材（５７）が設けられ、この隔壁部
材（５７）の中心部には、支持軸（５５）が嵌合して貫
通する貫通孔（５７ａ）が形成されている。そして、こ
の隔壁部材（５７）により上記作動室（３７）が気密状
に区画され、上記貫通孔（５７ａ）と支持軸（５５）と
の間の隙間から作動室（３７）内の冷媒ガスが作動室
（３７）外側に漏れないようになされている。また、こ
の隔壁部材（５７）によりケーシング（５１）内の右端
部にばね室（５８）が区画形成され、ディスプレーサ
（４０）に近い側（左側）の板ばね（６１）は作動室
（３７）内に、またディスプレーサ（４０）から遠い側
（右側）は作動室（３７）外の上記ばね室（５８）内に
それぞれ配置されていることになる。

【００２４】上記ケーシング（５１）の円筒壁部（５１
ａ）の左側端部には、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（Ａ）の圧縮室（１１）と接続され、この冷凍機
は、圧縮機（Ａ）の冷媒ガスを作動室（３７）に給排し
て上記ディスプレーサ（４０）を往復動させることによ
り、冷媒ガスを膨張室（３６）で膨張させてシリンダ
（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。

【００２５】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（Ａ）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（Ａ）のピストン（９）が圧縮機
（Ａ）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（Ｂ）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（Ｂ）の各板ばね（６１）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（Ｂ）の各板ばね（６１）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。

【００２６】この後、直ちに、圧縮機（Ａ）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（１
４）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（Ｂ）の各板ばね（６
１）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（３
６），（３７）の差圧がなくなり、ディスプレーサ（４
０）は膨張機（Ｂ）の各板ばね（６１）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。

【００２７】この実施形態では、ピストン（９）及びデ
ィスプレーサ（４０）が、その各径方向のぶれを低減さ
せる２枚の板ばね（３１），（３１）、（６１），（６
１）によりそれぞれ弾性支持されているので、冷凍機全
体の振動を低減させることができる。そして、膨張機
（Ｂ）において、ディスプレーサ（４０）に近い側の板
ばね（６１）は作動室（３７）内に配置されているの
で、ディスプレーサ（４０）とこのディスプレーサ（４
０）に近い側の板ばね（６１）との間に、作動室（３
７）を気密状に区画する隔壁部材を設けなくて済む。一
方、ディスプレーサ（４０）の支持性能向上の観点から
支持軸（５５）の軸方向に当初から大きなスペースが設
けられている両板ばね（６１），（６１）間に、作動室
（３７）を気密状に区画する隔壁部材（５７）が設けら
れているので、その箇所に隔壁部材（５７）を設けて
も、膨張機（Ｂ）は大きくならず、ディスプレーサ（４
０）とこのディスプレーサ（４０）に近い側の板ばね
（６１）との間に隔壁部材を設ける場合よりも膨張機
（Ｂ）を小さくすることができる。しかも、隔壁部材
（５７）における支持軸（５５）が貫通する貫通孔（５
７ａ）をそこから冷媒ガスが漏れないように十分に長く
することができるので、作動室（３７）の隔壁部材（５
７）によるシール性能を確実に向上させることができ
る。よって、膨張機（Ｂ）を小形化しつつ、作動室（３
７）の気密性を確実に向上させることができる。

【００２８】また、作動室（３７）内及びばね室（５
８）内にそれぞれ１枚の板ばね（６１）が配置されてい
るので、作動室（３７）及びばね室（５８）の容積を最
小限に抑えることができる。一方、２枚の板ばね（６
１），（６１）のみでディスプレーサ（４０）の支持性
能は十分に維持させることができる。よって、膨張機
（Ｂ）をより一層小形化しつつ、冷凍機の冷凍能力を良
好に維持することができる。

【００２９】尚、上記実施形態において、作動室（３
７）内に、その作動室（３７）内における板ばね（６
１）のばね定数に影響を与えないウレタン等の柔らかい
部材を設けるようにすれば、作動室（３７）の容積をさ
らに小さくすることができる。

【００３０】また、上記実施形態では、２枚の板ばね
（６１），（６１）によりディスプレーサ（４０）を弾
性支持するようにしたが、３枚以上の板ばねによりディ
スプレーサ（４０）を弾性支持するようにしても本発明
を適用することができる。この場合、ディスプレーサ
（４０）に近い側の少なくとも１枚の板ばねを作動室
（３７）内に配置し、残りの板ばねをばね室（５８）内
に配置するようにすればよい。

【００３１】さらに、上記実施形態では、各板ばね（３
１）を２枚の薄板でそれぞれ構成したが、薄板の枚数は
何枚でもよく、圧縮機（Ａ）と膨張機（Ｂ）とで薄板の
枚数や板厚等が互いに異なっていてもよい。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１の発明に
よると、シリンダ内を先端側の膨張室及び基端側の作動
室に区画形成するディスプレーサと、そのディスプレー
サの作動室側に上記シリンダに沿って延びるようにディ
スプレーサに連結された支持部と、この支持部の長さ方
向に互いに離れて配置され、ディスプレーサを弾性支持
する複数枚の板ばねとを備えたスターリング冷凍機に対
して、ディスプレーサに近い側の少なくとも１枚の板ば
ねを上記作動室内に配置し、その作動室内の板ばねと残
りの板ばねとの間に、上記支持部が貫通しかつ作動室を
気密状に区画する隔壁を設けるようにしたことにより、
膨張機を小形化しつつ、作動室の気密性の向上化を図る
ことができる。

【００３３】請求項２の発明によると、作動室内の板ば
ね及び残りの板ばねをそれぞれ１枚としたことにより、
膨張機をより一層小形化しつつ、冷凍機の冷凍能力の向
上化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。

【符号の説明】

（Ａ） 圧縮機 （Ｂ） 膨張機 （３１），（６１） 板ばね （３５） シリンダ （３６） 膨張室 （３７） 作動室 （４０） ディスプレーサ （５５） 支持軸（支持部） （５７） 隔壁部材

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 シリンダ（３５）内を先端側の膨張室
   （３６）及び基端側の作動室（３７）に区画形成するデ
   ィスプレーサ（４０）と、該ディスプレーサ（４０）の
   作動室（３７）側に上記シリンダ（３５）に沿って延び
   るようにディスプレーサ（４０）に連結された支持部
   （５５）と、該支持部（５５）における長さ方向に互い
   に離れて配置され、上記シリンダ（３５）に対してディ
   スプレーサ（４０）を支持部（５５）の長さ方向に往復
   動可能にかつ該ディスプレーサ（４０）の往復動方向と
   垂直な方向に移動不能に弾性支持する複数枚の板ばね
   （６１），（６１）とが設けられ、圧縮機（Ａ）の冷媒
   ガスを作動室（３７）に給排してディスプレーサ（４
   ０）を往復動させることにより、冷媒ガスを上記膨張室
   （３６）で膨張させて寒冷を発生させるようにしたスタ
   ーリング冷凍機において、 ディスプレーサ（４０）に近い側の少なくとも１枚の板
   ばね（６１）は、上記作動室（３７）内に配置され、該
   作動室（３７）内の板ばね（６１）と残りの板ばね（６
   １）との間に、上記支持部（５５）が貫通しかつ作動室
   （３７）を気密状に区画する隔壁（５７）が設けられて
   いることを特徴とするスターリング冷凍機。
2. 【請求項２】 請求項１記載のスターリング冷凍機にお
   いて、 作動室（３７）内の板ばね（６１）及び残りの板ばね
   （６１）は、それぞれ１枚であることを特徴とするスタ
   ーリング冷凍機。