JPH0573471U - 冷凍機用圧縮機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 摺動による摩擦・摩耗を効果的に防止するこ
とのできる冷凍機用圧縮機を提供する。 【構成】 シリンダ室（３６）を形成する内周面（３
８）を有するシリンダ部材（８）と、前記シリンダ室内
のピストン部材（１０）と、前記ピストン部材を軸方向
に往復動させる往復駆動手段（２０，２２）と、前記ピ
ストン部材を回転運動させる回転駆動手段（４４，４
６）と、前記ピストン部材の回転により生じる動圧によ
り前記ピストン部材を支持するガスベアリング手段（５
６）と、を備え、前記シリンダ室は前記ピストン部材の
左右両側に圧縮室（１２，５４）を形成し、該圧縮室の
一方（１２）は冷凍機へ連通し、他方（５４）は前記ピ
ストン部材の位置制御ばねとして作用することを特徴と
する冷凍機用圧縮機。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は冷凍機用圧縮機に係り、特にガスベアリングによってピストンを支持 する構造の冷凍機用圧縮機に関する。

【０００２】

【従来の技術】

従来から各種の冷凍機が用いられているが、赤外線撮像装置等の赤外素子冷却 用の冷凍機として、たとえば逆スターリングサイクルを利用したスターリング冷 凍機が用いられている。

【０００３】 図３にスターリング冷凍機の構成を示す。スターリング冷凍機は圧縮機２と冷 凍機であるコールドヘッド４およびそれらを連結する接続配管６を含む。圧縮機 ２においては、シリンダ部材８内に圧縮ピストン１０が収納され、シリンダ部材 ８の端部に圧縮室１２を画定している。

【０００４】 圧縮ピストン１０外周面とシリンダ部材８内周面の間の間隙は狭くされて、ク リアランスシール１４を形成している。また、圧縮ピストン１０の後部には、ケ ース１６で囲まれた保圧空間１８が形成されている。保圧空間１８内は、冷却シ ステムの充填圧力Ｐｎに保持される。

【０００５】 圧縮ピストン１０は一方の電源配線であるピストン位相制御バネ１９および他 方の電源配線である電流リードバネ２１によってその中立位置が定められ、シリ ンダ部材８の外側に配置された円筒状空隙部分に格納された往復動用コイル２０ によって電磁気的な駆動力が与えられる。往復動用コイル２０の外側周辺部には 永久磁石２２が配置されており、往復動用コイル２０と磁気的結合を形成してい る。往復動用コイル２０に対する電流供給は、２つのバネ１９、２１によってな される。

【０００６】 圧縮ピストン１０が矢印で示すように前後に駆動されると、圧縮室１２内の圧 力は、サイン波に近似した形状で変化する。その平均値はほぼ充填圧力Ｐｎに等 しい圧力である。

【０００７】 圧縮室１２内の変化する圧力は、接続配管６を介してコールドヘッド４に伝達 される。コールドヘッド４はシリンダ２４内にディスプレイサ２６を収容してい る。ディスプレイサ２６は位相同期バネ２８によってその中立位置が定められ、 接続配管６を介して供給される圧力によって前後に振動する。ディスプレイサ２ ６の両端には、通気孔３０Ａ，３０Ｂが形成されており、その間の気体通路内に 蓄冷器３２が配置されている。

【０００８】 また、ディスプレイサ２６の先端とシリンダ２４との間に膨張室３４が画定さ れている。 圧力変化によりディスプレイサ２６が前後に振動する時、膨張室３４において は気体が膨張する時寒冷を生じ、冷却ガスが通気孔３０を通って接続配管６の接 続されている側に送られる。この際、蓄冷器３２が冷却される。冷却ガスが接続 配管６から膨張室３４に向かう時には、蓄冷器３２によってガスは冷却され膨張 室３４に供給される。この膨張室３４内のガスが膨張する際に再び寒冷が生じる 。

【０００９】 圧縮機２内の圧縮ピストン１０と、コールドヘッド４内のディスプレイサ２６ とは位相をずらせて振動し、ディスプレイサ２６の先端に接して画定された膨張 室３４内に寒冷を生じさせる。

【００１０】

【考案が解決しようとする課題】

上記構成の圧縮ピストンシール機構として、ピストンとシリンダの隙間を極力 減少させた形態のクリアランスシール１４が採用されているが、往復動用コイル ２０を含めたピストンの構成には重力や位相制御バネ１９の変位等によるラジア ル方向の荷重が作用し、機械的な接触運動が存在している。

【００１１】 このため、耐摩耗性のあるエンジニアリングプラスチック等をピストン表面に 張り付け、摺動案内と耐摩耗性を兼ねた構成が採用されているが、摺動による摩 耗を避けることは基本的には不可能である。

【００１２】 この結果、摩耗により気密状態が低下するに従い、シール部分からのガスリー クが増加し、冷凍性能の低下（圧縮比の低下）を招くと共に、摩耗粉の発生によ る蓄冷器メッシュの目詰まり等も起こす。これらの影響によって耐久性、寿命が 著しく低下する。

【００１３】 また、摺動部の固体摩擦による動力損失が無視できない大きさとなる。 さらに、シール磨耗によりたとえは圧縮ピストンにガタが生じるので、精密機 器への応用が困難となる。

【００１４】 したがって本考案の目的は、摺動による摩擦・摩耗を効果的に防止することの できる冷凍機用圧縮機を提供することにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】

本考案の冷凍機用圧縮機は、シリンダ室を形成する内周面を有するシリンダ部 材と、前記シリンダ室内のピストン部材と、前記ピストン部材を軸方向に往復動 させる往復駆動手段と、前記ピストン部材を回転運動させる回転駆動手段と、前 記ピストン部材の回転により生じる動圧により前記ピストン部材を支持するガス ベアリング手段と、を備え、前記シリンダ室は前記ピストン部材の左右両側に圧 縮室を形成し、該圧縮室の一方は冷凍機へ連通し、他方は前記ピストン部材の位 置制御バネとして作用することを特徴とする。

【００１６】 好ましくは、前記往復駆動手段および前記回転駆動手段はそれぞれ前記シリン ダ部材に設けられたコイルと前記ピストン部材に設けられた永久磁石とにより構 成され、前記往復駆動手段の永久磁石は前記ピストン部材の長手方向中心に設け られ、前記回転駆動手段の永久磁石は前記ピストン部材の長手方向中心に対して 左右対称に設けられている。

【００１７】

【作用】

シリンダ室内のピストン部材を、往復駆動手段によって軸方向に往復動させる と共に、回転駆動手段によって回転運動させると、ガスベアリング手段により動 圧が発生してピストン部材を非接触により支持する。

【００１８】 シリンダ室の左右両側の圧縮室でガスの圧縮が行なわれ、一方の圧縮室で生じ る変動圧力は冷凍機へ伝達されて冷凍が行なわれ、他方の圧縮室で生じる変動圧 力により、ピストン部材の位置制御が行なわれる。

【００１９】 往復駆動手段をピストン部材の長手方向中心に設け、回転駆動手段をピストン 部材の長手方向中心に対して左右対称に設けたので、ピストン部材の位置制御用 の圧縮室の容積、形状等を変えてもピストン部材の浮上や往復動に悪影響を与え ることはない。

【００２０】

【実施例】

以下、図面に示した実施例に基づいて本考案を説明する。 図１は本考案の冷凍機用圧縮機をスターリング冷凍機に適用した実施例を示す 断面図である。

【００２１】 圧縮機２は、シリンダ室３６を形成する内周面３８を有するシリンダ部材８と 、該シリンダ室３６内に収納されたピストン部材１０を有する。シリンダ部材８ の左右には半球状のたとえばステンレス製のケース１６Ａ，１６Ｂが設けられて いる。シリンダ室３６内にはヘリウムが充填され、ケース１６内にはたとえばア ルゴン或いは窒素等のガスが充填されている。

【００２２】 シリンダ室３６の中央部は大径部４０となっており、シリンダ部材８には、こ の大径部４０に対応する位置へ往復動用コイル２０が設けられている。ピストン 部材１０の長手方向中心（質量中心）には、往復動用コイル２０に対向して永久 磁石２２が設けられている。交流電流がリード線４２を介して往復動用コイル２ ０に供給され、磁界を発生する。

【００２３】 この磁界は永久磁石２２の形成する磁界と結合し、ピストン部材１０に対して 軸方向にローレンツ力による推力を与える。これら往復動用コイル２０および永 久磁石２２により往復駆動手段が構成される。

【００２４】 なお図において、永久磁石２２とピストン部材１０については、中立位置にあ る場合を実線で、左右へ移動した位置にある場合を破線で示してある。 また、シリンダ部材８の両端には回転用コイル４４Ａ，４４Ｂが設けられてい る。ピストン部材１０には回転用コイル４４Ａ，４４Ｂに対向して永久磁石４６ Ａ，４６Ｂが設けられている。電力がリード線４８Ａ，４８Ｂを介して回転用コ イル４４Ａ，４４Ｂに供給され、磁界を発生する。この磁界は永久磁石４６Ａ， ４６Ｂの形成する磁界と結合し、ピストン部材１０に対して円周方向の力を与え る。これら回転用コイル４４および永久磁石４６は回転駆動手段を構成し、シリ ンダ部材８の長手方向中心に対して左右対称（面対称）に設けられている。

【００２５】 シリンダ室３６の左側部分においてシリンダ壁５２Ａとピストン部材１０との 間に圧縮室１２が形成され、この圧縮室１２は接続配管６と連通している。また 、シリンダ室３６の右側部分においてはシリンダ壁５２Ｂとピストン部材１０と の間に圧縮室（バウンス空間）５４が形成されている。このバウンス空間５４内 のガスは、ピストン部材１０の移動により圧縮されると該ピストン１０を押し戻 すガスバネとして作用し、ピストン部材１０の位相を制御する。このバウンス空 間５４の容積を選択することによりガスバネの強さを調整することができる。

【００２６】 ピストン部材１０の両端部付近においては、ピストン部材１０とシリンダ部材 ８の間隙を小さくして、クリアランスシール１４Ａ，１４Ｂを形成している。 また、ピストン部材１０は、左右両側にそれぞれガスベアリング部５６Ａ，５ ６Ｂが設けられている。ガスベアリング部５６Ａ，５６Ｂは、ピストン部材１０ の回転によりシリンダ部材８の内周面３８との間に動圧を発生し、該ピストン部 材１０を支持する。本実施例においてはガスベアリング部５６Ａ，５６Ｂは、そ れぞれピストン部材１０の外周面に形成された溝５８Ａ，５８Ｂからなるグルー ブ形ガスベアリングである。

【００２７】 図２は図１の左側のガスベアリング部５６Ａを拡大して示す図であり、ピスト ン部材１０を図１のＡ−Ａ線とＢ−Ｂ線間で切断した一部破断斜視図である。こ のガスベアリング部５６Ａには、ピストン部材１０の回りに図のようなガス流誘 起用溝５８Ａが刻まれている。溝５８の深さは、右方に行くにしたがって浅くな る。溝５８の幅Ｗ１は溝５８間の幅Ｗ２とほぼ等しくしてある。ピストン部材１ ０が矢印Ｃ方向へ回転すると、矢印Ｄ方向のガスの流れを生じさせ、このガス流 により、ピストン部材１０を浮上させるベアリング力が生じる。

【００２８】 図１の右側のガスベアリング部５６Ｂの溝５８Ｂは、左側の溝５８Ａと面対称 に形成されている。 なお、ガスベアリング部５６Ａ，５６Ｂとしては、グルーブ形動圧ガスベアリ ングを用いる場合に限定されず、マルティ・ロープ形、アキシアル・グルーブ形 、ステップ形等各種の形式の動圧軸受を用いることができる。

【００２９】 以上説明した圧縮機２の各構成部分は、往復駆動手段を中央に、接続配管を左 端に設けた以外は、左右対称になるように配置されている。特に、永久磁石２２ をピストン部材１０の長手方向中心に設け、永久磁石４６Ａ，４６Ｂをピストン 部材１０の長手方向中心対して左右対称に配置することにより、ピストン部材１ ０の往復運動の安定性が保たれる。

【００３０】 圧縮室１２内の変化する圧力は、接続配管６を介してコールドヘッド４に伝達 される。コールドヘッド４はシリンダ２４内にディスプレイサ２６を収容してい る。ディスプレイサ２６は位相同期バネ２８によってその中立位置が定められ、 圧縮室１２から接続配管６を介して供給される圧力によって前後に振動する。デ ィスプレイサ２６の両端には、通気孔３０Ａ，３０Ｂが形成されており、通気孔 ３０Ａ，３０Ｂ間に蓄冷器３２が配置されている。

【００３１】 シリンダ室３６、接続配管６、シリンダ２４内のシリンダ室６０はそれぞれ連 通されて密閉空間を形成している。また、ディスプレイサ２６の先端とシリンダ ２４との間に膨張室３４が画定されている。

【００３２】 圧力変化によりディスプレイサ２６が前後に振動する時、膨張室３４において は気体が膨張する時寒冷を生じ、冷却ガスが通気孔３０Ｂ，３０Ａを通って接続 配管６の接続されている側に送られる。この際、蓄冷器３２が冷却される。冷却 ガスが接続配管６から膨張室３４に向かう時には、蓄冷器３２によってガスは冷 却され膨張室３４に供給される。この膨張室３４内のガスが膨張する際に再び寒 冷が生じる。

【００３３】 以上述べた構成において、シリンダ室３６内のピストン部材１０を、往復駆動 手段２０，２２によって軸方向に往復動させると共に、回転駆動手段４４，４６ によって回転運動させると、ガスベアリング手段５６により動圧が発生してピス トン部材１０を非接触により支持する。このため、ピストン部材１０が回転中に はピストン部材１０とシリンダ部材８とは接触することなく、固体摩擦が生じな い。

【００３４】 シリンダ室３６の左右両側の圧縮室１２，５４でガスの圧縮が行なわれ、一方 の圧縮室１２で生じる変動圧力は冷凍機へ伝達されて冷凍が行なわれ、他方の圧 縮室５４で生じる変動圧力により、ピストン部材の位置制御が行なわれる。

【００３５】 往復駆動手段をピストン部材の長手方向中心に設け、回転駆動手段をピストン 部材の長手方向中心に対して左右対称に設けたので、ピストン部材の位置制御用 の圧縮室の容積、形状等を変えてもピストン部材の浮上や往復動に悪影響を与え ることはない。したがって圧縮室５４の容積を適当に選択することにより、ピス トン部材１０の位置制御のために最適なガスバネ効果を容易に得ることができる 。

【００３６】 以上本考案を図面に示した一実施例に基づいて説明したが、本考案はこの実施 例には限定されず、種々変形可能である。

【００３７】

【考案の効果】

以上説明したように、本考案の冷凍機用圧縮機によれば、摺動による摩擦・摩 耗を効果的に防止することのできる冷凍機用圧縮機を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本考案の冷凍機用圧縮機をスターリング冷凍
機に適用した実施例を示す断面図である。

【図２】 図１のピストン部材のガスベアリング部を図
１のＡ−Ａ線とＢ−Ｂ線間で切断して示す一部破断斜視
図である。

【図３】 従来の技術によるスターリング冷凍機の構成
例を示す概略断面図である。

【符号の説明】

２・・・圧縮機 ４・・・コールドヘッド（冷凍機） ６・・・接続配管 ８・・・シリンダ部材 １０・・・ピストン部材 １２，５４・・・圧縮室 １４Ａ，１４Ｂ・・・クリアランスシール １６Ａ，１６Ｂ・・・ケース １８・・・保圧空間 ２０，２２・・・往復駆動手段（２０・・・往復動用コ
イル；２２・・・永久磁石） ２４・・・シリンダ ２６・・・ディスプレイサ ２８・・・位相同期バネ ３０Ａ，３０Ｂ・・・通気孔 ３２・・・蓄冷器 ３４・・・膨張室 ３６・・・シリンダ室 ３８・・・内周面 ４０・・・大径部 ４２・・・リード線 ４４，４６・・・回転駆動手段（４４・・・回転用コイ
ル；４６，４６・・・永久磁石） ４８Ａ，４８Ｂ・・・リード線 ５２Ａ，５２Ｂ・・・シリンダ壁 ５６Ａ，５６Ｂ・・・ガスベアリング手段 ５８Ａ，５８Ｂ・・・溝 ６０・・・シリンダ室

Claims (2)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 シリンダ室を形成する内周面を有するシ
   リンダ部材と、 前記シリンダ室内のピストン部材と、 前記ピストン部材を軸方向に往復動させる往復駆動手段
   と、 前記ピストン部材を回転運動させる回転駆動手段と、 前記ピストン部材の回転により生じる動圧により前記ピ
   ストン部材を支持するガスベアリング手段と、を備え、 前記シリンダ室は前記ピストン部材の左右両側に圧縮室
   を形成し、該圧縮室の一方は冷凍機へ連通し、他方は前
   記ピストン部材の位置制御バネとして作用することを特
   徴とする、冷凍機用圧縮機。
2. 【請求項２】 請求項１記載の冷凍機用圧縮機におい
   て、前記往復駆動手段および前記回転駆動手段はそれぞ
   れ前記シリンダ部材に設けられたコイルと前記ピストン
   部材に設けられた永久磁石とにより構成され、前記往復
   駆動手段の永久磁石は前記ピストン部材の長手方向中心
   に設けられ、前記回転駆動手段の永久磁石は前記ピスト
   ン部材の長手方向中心に対して左右対称に設けられてい
   ることを特徴とする、冷凍機用圧縮機。