JPH02256935A - 往復運動装置 - 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、往復運動するピストン、ディスプレーサを
有するスターリング冷却機やスターリングエンジン等の
往復運動装置に関し、特にその制振構造に関するもので
ある。

〔従来の技術〕

第２図は例えば特公昭５４−２８９８０号公報に開示さ
れた従来のスターリング冷却機の概略構成を示す断面図
である。

図において、ｌはシリンダであり、このシリンダ１の内
部でピストン２が往復運動を行なう。３はコールドフィ
ンガであり、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、その下部は連通管
５によりシリンダ１と連通している。また該シリンダ１
とコールドフィンガ３はケーシング３１の一部を構成し
ている。

上記ディスプレーサ４の上部の作動表面４ｂは膨張空間
６とディスプレーサ４との境界をなしており、この膨張
空間６はディスプレーサ４の下部作動表面４ａと連通管
５との間の第１圧縮空間７、ピストン２の上部の作動表
面２ａと連通管５との間の第２圧縮空間８、ディスプレ
ーサ４内に備えた蓄熱器９、及び連通管５内の空間等と
ともに作動空間を構成している。蓄熱器９は中心孔１０
を経てその下側の作動ガス空間に通ずると共に、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
ス空間に通している。また、この装置では膨張させられ
た冷作動ガスと冷却すべき物体の間の熱交換のための熱
交換器としてフリーザ１３を備えている。

ピストン２とシリンダ１の壁の間にはシール１４が配置
され、ピストン２の下側に存在するバッファ空間１５と
前記作動空間との間の作動ガスの流れを防止している。

また、ディスプレーサ４とコールドフィンガ３の間には
シール１６が備わっており、膨張空間６と第１圧縮空間
７との間の作動ガスの流れが、蓄熱器９内を流れるよう
に強制している。ピストン２はその下側のバッファ空間
１５中にアルミニウム等の非磁性及び非磁化材料から成
る軽量のスリーブ１７を備えている。スリーブ１７には
導電体を巻き付けてコイル１８を形成し、このコイル１
８はシリンダ１の壁を貫通するリード線１９．２０に接
続され、これらのリード線１９．２０はシリンダ１の外
部でそれぞれ電気端子２１．２２に接続されている。こ
こでコイル１８はピストン２の軸線方向に環状間隙２３
内で往復運動可能で、この環状間隙２３内には電機子磁
界が存在しており、この電機子磁界の力線はコイル１８
の移動方向を横切る半径方向に延びている。

この場合永久磁界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及び
軟鉄円形ディスク２７を用いて得られる。環状永久磁石
２４．軟鉄環状ディスク２５、軟鉄シリンダ２６及び軟
鉄円形ディスク２７は一体となって閉磁気回路を構成し
、すなわち閉磁力線回路を構成する。以上述べたスリー
ブ１７゜コイル１８．　　リード線１９，２０、環状間
隙２３、環状永久磁石２４、軟鉄環状ディスプレーサ２
５、軟鉄シリンダ２６及び軟鉄円形ディスプレーサ２７
は全体としてピストン駆動用のりニアモータ２８を構成
している。

また、ピストン２及びディスプレーサ４はそれぞれピス
トン用支持バネ２９及びディスプレーサ用支持バネ３０
を介してシリンダ１及びコールドフィンガ３内に往復動
可能に係合され、ピストン２及びディスプレーサ４の静
止時の固定位置及び運転時の中立位置を定めている。

次に上記した従来のスターリング冷却機の動作について
説明する。

電気端子２１．２２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、環状間隙２３の半径方向
の永久磁界の影響を受けてコイル１８には軸方向の周期
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及びコイル１８から構成される組立体とピスト
ン用弾性部材２９とから成る系は共振状態となり、上記
組立体は軸方向に振動する。上記ピストン２の振動は、
膨脂空間６．第１圧縮空間７、第２圧縮空間８、連通管
５、蓄熱器９−１中心孔１０、中心孔１１、半径方向流
通ダクト１２及びフリーザ１３から成る作動空間内に封
入された作動ガスに周期的な圧力変化をもたらすと共に
、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番振動力を生じせしめる。

このようにして蓄熱器９を含む、ディスプレーサ４はピ
ストンと同じ周波数で、かつ異なった位相でコールドフ
ィンガ３内を軸方向に往復運動することになる。

ここで、上記ピストン２及びディスプレーサ４が適当な
位相差を保って運動するとき、上記作動空間内に封入さ
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及び
フリーザ１３内に冷熱を発生する。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「
サイオクーラー（Ｃｒｙｏｃｏｏｌｅｒｓ）　」（Ｇ　
、　　ウォーカー、プレナム　プレス、ニューヨーク１
９８３．　ＰＰ１７７〜１３３　（Ｇ、　Ｗａｌｋｅｒ
、　Ｐｌｅｎｕｍ　Ｐｒｅｓｓ、　Ｎｅｗ　Ｙｏｒｋ、
　１９８３ＰＰ１７７〜１２３）　）に詳細に説明され
ている。

以下に、その原理について第２図を用いて簡単に説明す
る。

上記ピストン２により圧縮された第２圧縮空間８内のガ
スは連通管５を経て流れる間に圧縮熱が冷却され、第１
圧縮室間７、中心孔１０、蓄熱器９に流れ込む。上記蓄
熱器９では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及びフリーザ１３を通って膨張空間６内に入る。

そして、大部分の作動ガスが該膨張空間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に冷熱を放出しなから流路
を戻り第２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。しかして、大
部分の作動ガスが第２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」が完成して
冷熱が発生する。

次に従来のスターリングエンジンについて説明する。

第５図は例えば工、ウリエリ（１，Ｕｒｉｅｌｉ）著「
スターリング　サイクル　エンジン　アナリシス（Ｓｔ
ｉｒｌｉｎｇ　Ｃｙｃｌｅ　Ｅｎｇｔｎｅ　Ａｎａｌｙ
ｓｉｓ）　」（アダムヒルダ　Ｌｔｄ、ブリストン、　
１９８４　（Ａｄａ＋ｎ　Ｈｉｌｇｅｒ　Ｌｔｄ、　Ｂ
ｒ１ｓｔｏｎ、　１９８４）に示される代表的なフリー
ピストン形スターリングエンジンを示している。図にお
いて、５１はシリンダ、５２は該シリンダ５１内を摺動
するピストンで、負荷５３に接続されている。５４はピ
ストン５２の裏側のバッファ空間である。５５は膨張空
間、５６は第１圧縮空間、５７は第２圧縮空間、５８は
第１圧縮空間５６と第２圧縮空間５７とを連通ずるガス
流路である。

５９は膨張空間５５に連通するヒータ、６０はヒータ５
９に連通する再生器、６１は再生器６０と第１圧縮空間
５６とを連通ずるクーラである。

６２は膨脂空間５５．ヒータ５９．再生器６０クーラ６
１．第１圧縮空間５６．第２圧縮空間５７及びガス流路
５８から構成される動作ガス空間である。６３はその上
面が膨張空間５５に、その下面が第１圧縮空間５６に接
するディスプレーサ、６４はディスプレーサロッド、６
５は該ディスプレーサ６３とディスプレーサロッド６４
で構成されるガスバネ空間である。ピストン５２とディ
スプレーサ６３以外のエンジン構成物はすべてケーシン
グ６６に固定されている。

次に動作について説明する。

ヒータ５９を外部から加熱し、クーラ６１を外部から冷
却し、ディスプレーサ６３とピストン５２とを適当な位
相差を持って往復運動させることにより、動作ガス空間
６２に圧力変動が生じ、仕事を発生する。上記圧力変動
と仕事の一部を加振力として、ディスプレーサ６３とピ
ストン５２と動作ガス空間６２とバッファ空間５４とガ
スバネ空間６５とで振動系を形成し、ディスプレーサ６
３とピストン５２とは往復運動を継続し、仕事を発生し
、一方上記仕事は負荷５３で消費される。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来の冷却機は以上のように構成されており、ディスプ
レーサ４やピストン２は往復動運動するため、これらの
質量に基づく、慣性不平衡力が発生する。冷却能力を増
大させると、これに伴って上記可動部の質量を太き（す
る、あるいは駆動周波数を高くするなどの対策がとられ
るが、これによって慣性不平衡力が極めて大きくなり、
冷却機自体の振動が大きくなるなどの問題点があった。

特にコールドフィンガ３については、その冷熱発生部所
の冷却物が精密な電子機器である場合にはコールドフィ
ンガ３の振動を極力低減させる必要があった。

また従来のスターリングエンジンでも同様にディスプレ
ーサ６３とピストン５２の往復運動に伴い慣性不平衡力
が発生しエンジン全体が振動するという問題があった。

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、ピストン等の往復運動に基づく慣性不平衡力
による振動がそのケーシング部に伝わるのを抑制するこ
とができる往復運動装置を得ることを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

この発明に係る往復運動装置は、ケーシング内に往復運
動体と同一方向に摺動可能に、該往復運動体の質量より
十分大きな質量を持つマスを配設し、該マスをやわから
い第１のバネを介して上記ケーシングに支持するととも
に、上記往復運動体を第２のバネを介して該マスに支持
したものである。

〔作用〕

この発明においては、ケーシング内に往復運動体と同一
方向に摺動可能に、該往復運動体の質量より十分大きな
質量を持つマスを配設し、該マスをやわからい第１のバ
ネを介して上記ケーシングに、また上記往復運動体を第
２のバネを介して該マスに支持したから、上記マスと第
１．第２のバネ番こより決まる固有振動数を充分低く設
定することにより、ケーシングに伝えられる力を小さく
してケーシングの振動を有効に抑制することができる。

〔実施例〕

以下、この発明の実施例を図について説明する。

第１図は本発明の第１の実施例によるスターリング冷却
機を示す断面構造図であり、図において第２図と同一符
号は同一部分なので説明は省略する。３はシリンダ部２
から分離されたコールドフィガ一部で、その第１圧縮空
間７は連通管５によりシリンダ２の第２圧縮空間８につ
ながっている。

３２は該コールドフィンガ部３内に摺動自在に設けられ
たマスで、ディスプレーサ４のディスプレーサ用支持バ
ネが固着されている。また３３は前記マス３２をコール
ドフィンガ３に取り付は支持するマス用支持バネ、３４
は前記マス用支持バネを内包するバウンス空間、３５は
第１圧縮空間７とバウンス空間３４とを分離するシール
である。

次に動作について説明する。

冷却機としての動作は従来技術と同じであるので、コー
ルドフィンガ３の振動抑制作用について説明する。

上記ディスプレーサ４はディスプレーサ用支持バネ３０
を介してマス３２に連結されて往復運動する。マス３２
の質量はディスプレーサ４の質量より充分大きいため、
マス３２の振動振幅はディスプレーサ４の振動振幅より
充分小さく抑えられる。また上記マス３２は柔らかいマ
ス用支持バネ３３を介してコールドフィンガ３に取り付
けられているため、コールドフィンガ３に伝わる力は小
さく、したがって、コールドフィンガ３の振動も小さく
抑えられる。

上記実施例では、ディスプレーサ４の往復運動によって
生ずる慣性不平衡力による振動を低減する構造を示した
が、ピストン２の往復運動によって生ずる慣性不平衡力
による振動を低減するようにしてもよく、この場合も同
様な構造で、同様な制振効果を奏する。

第３図はこのような構成の第２の実施例を説明するため
の図で、図において、第１図と同一符号は同一部分なの
で説明は省略する。３６は軟鉄シリンダ２６．環状永久
磁石２４．軟鉄環状ディスク２５及び軟鉄円形ディスク
２７を納めたマスで、上記軟鉄シリンダ２６にはピスト
ン２がピストン用支持バネ２９を介して支持されている
。３７は上記マス３６をケーシング３１に取り付は支持
する柔らかいマス用支持バネである。

このような構成では、ピストン３はピストン用支持ハネ
２９及び軟鉄シリンダ２６を介してマス３６に支持され
、往復運動する。マス３６の質量はピストン３の質量よ
り充分大きいため、マス３６の振動振幅はピストン３の
振動振幅より充分小さくなる。またマス３６は柔らかい
マス用支持バネ３７を介してケーシング３１に固着され
るため、ケーシング３１に伝えられる力は小さく、ケー
シングの振動が小さく抑えられる。

なお、上記第２の実施例では、ディスプレーサ４とピス
トン２０両方にこの発明の制振機構を適用した例を示し
たが、どちらか一方だけでも同様な制振効果が得られる
。

また、上記第１．第２の実施例ではディスプレーサ４．
マス３２及びコールドフィンガ３と、ピストン２．マス
３６及びケーシング３１とはそれぞれ機械的なバネ３０
．３３，２９．３７で連結されているが、それぞれの一
部またはすべてをガスバネで置き換えても同様な効果を
奏する。

第４図は本発明の第３の実施例としてガスバネを用いた
ものを説明するための断面図で、ここでは、すべての機
械的バネをガスバネで置き変えた場合を示している。第
４図において、３８はディスプレーサ４とマス３２の間
のガスバネ空間で、３９は第１圧縮空間７とガスハネ空
間３８とを分離するシール、４０は軟鉄シリンダ２６を
介してマス３６に取り付けられたシリンダ、４１はピス
トン２とマス３６との間のガスバネ空間、４２はガスバ
ネ空間４１とバッファ空間１５とを分離するシール、４
３はマス３６とケーシング３１との間のガスバネ空間で
、４４はガスバネ空間４３とバッファ空間１５とを分離
するシールである。

この様な構成において、それぞれのガスバネ空間３８，
３４，４１．４３は、第３図における機械式バネ３０，
３３．２９．３７にそれぞれ対応し、同様な制振効果が
得られる。

上述の実施例では、スターリング冷却機における制振構
造について説明してきたが、スターリングエンジンにお
いてもこの発明を適用することにより同様な制振効果を
得ることができる。

第６図は本発明の第４の実施例によるスターリングエン
ジンを説明するための図で、図において第５図と同一符
号は同一部分を示すので説明は省略する。６７は負荷５
３とバッファ空間５４を内包し、ピストン５２の質量よ
り充分大きい質量を持つマス、６日は一端がマス６７に
取り付けられ他端がケーシング６６に固着される支持バ
ネ、６９はバウンス空間である。７０はディスプレーサ
６３のガスバネ空間６５を形成するマス、７１はマス７
０に取り付けられケーシング６６に固着すれた支持バネ
である。

次に動作について説明する。

マス６７の質量はピストン５２の質量より充分大きいた
め、マス６７の振動振幅はピストン５２の振動振幅より
充分小さくなる。またマス６７は柔らかい支持バネ６８
を介してケーシング６６に取り付けられているため、ケ
ーシング６６に伝えられる力は小さい。したがって、ケ
ーシング６６の振動は小さ（抑えられる。ここでバッフ
ァ空間５４はガスバネ空間として作用する。またマス７
０の質量はディスプレーサ６３の質量より充分大きいた
め、マス７０の振動振幅はディスプレーサ６３の振動振
幅より充分小さくなる。さらにマス７０は柔らかい支持
バネ７１を介してケーシング６６に取り付けられている
ため、ケーシングに伝えられる力は小さく、従ってケー
シング６６の振動は小さく抑えられる。

上記第４の実施例では、ガスバネと機械式バネを伴用し
た場合を示したが、それぞれのバネは、ガスバネでも機
械式バネのどちらでもよく、同様な制振効果が得られる
。

第７図に第５の実施例として、第６図におけるガスバネ
５４．６５を機械式バネに、機械式バネ６８．７１をガ
スバネに置き換えた場合を示す。

図において、７２はピストン５２とマス６７とを連結す
るバネ、７３はマス６７とケーシング６６との間のガス
バネ空間、７４はガスバネ空間７３とバッファ空間５４
とを分離するシール、７５はディスプレーサ６３とマス
７０とを連結するバネ、７６はマス７０とケーシング６
６との間のガスバネ空間である。動作、作用については
、前記第４の実施例と全く同しであるので説明は省略す
る。

（発明の効果〕 以上のように、この発明に係る往復運動装置によれば、
ケーシング内に往復運動体と同一方向に摺動可能に、該
往復運動体の質量より十分大きな質量を持つマスを配設
し、該マスをやわからい第１のバネを介して上記ケーシ
ングに支持するとともに、上記往復運動体を第２のバネ
を介して該マスに支持したので、往復運動体の往復運動
によるケーシングの振動を小さく抑えることができる効
果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の第１の実施例による冷却機を示す断
面図、第２図は従来の冷却機を示す断面図、第３図はこ
の発明の第２の実施例による、ピストンに制振機構を適
用した冷却機を示す断面図、第４図はこの発明の第３の
実施例による、ガスハネを用いた冷却機を示す断面図、
第５図は従来のフリーピストン型スターリングエンジン
を示す断面図、第６図及び第７図はこの発明の第４．第
５の実施例によるスターリングエンジンを示す断面図で
ある。　　１．４０．５１・・・シリンダ、２．５２・
・・ピストン、２ａ・・・作動表面、３・・・コールド
フィンガ、４，６３・・・ディスプレーサ、４ａ、４ｂ
・・・作動表面、５・・・連通管、６．５５・・・膨張
空間、７．８・・・第１．第２圧縮空間、９・・・蓄熱
器、１０゜１１・・・中心孔、１２・・・半径方向流通
ダクト、１３・・・フリーザ、１４．１６，３５，３９
，４２，４４．７４・・・シール、１５．５４・・・バ
ッファ空間、１７・・・スリーブ、１８・・・コイル、
１９．２０・・・リード線、２１．２２・・・電子端子
、２３・・・環状間隙、２４・・・環状永久磁石、２５
・・・軟鉄環状ディスプレーサ、２６・・・軟鉄シリン
ダ、２７・・・軟鉄円形ディスク、２８・・・リニアモ
ータ、２９・・・ピストン用支持バネ、３０・・・ディ
スプレーサ用支持バネ、３１・・・ケーシング、３２，
３６．６７．７０・・・マス、３３．３７・・・マス用
支持バネ、３４．６９・・・バウンス空間、３８．４１
．４３．６５，７３．７６・・・ガスバネ空間、５３・
・・負荷、５６．５７・・・第１第２圧縮空間、５８・
・・ガス流路、５９・・・ヒータ、６０・・・再生器、
６１・・・クーラ、６２・・・動作ガス空間、６４・・
・ディスプレーサロッド、６６・・・ケーシング、６８
．７１・・・支持バネ、７２．７５・Ｊ・バネ。 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. （１）ケーシング内に配設され、往復運動を行う往復運
   動体を有し、該往復運動体の運動により所定の仕事を行
   うようにした往復運動装置において、上記ケーシング内
   に該往復運動体と同一方向に摺動可能に配設され、上記
   往復運動体の質量より十分大きな質量を持つマスと、 該マスを上記ケーシングに対して支持するやわからい第
   １のバネと、 上記往復運動体を該マスに支持する第２のバネとを備え
   たことを特徴とする往復運動装置。