JPH0593554A - スターリング冷凍機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 シール部の摩耗を低減し長寿命なスターリン
グ冷凍機を得る。 【構成】 圧縮機シリンダ１により起こされた圧力変動
をもとにディスプレーサ４が往復動して冷熱を発生する
コールドフィンガ３とシリンダ１とが連通管５で連通さ
れたスターリング冷凍機において、ディスプレーサ軸受
３１と、すきまシール部１６を構成する半径方向に可動
なディスプレーサシールシリンダ３３と、ピストン軸受
３２と、すきまシール部１４を構成する半径方向に可動
なピストンシールシリンダ３６とを設ける。 【効果】 ディスプレーサおよび圧縮機ピストンのすき
まシール部に作用する半径方向の力を受けないようにな
り、シール部の摩耗が低減される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、赤外線素子の冷却や
空気の液化等に用いられるスターリング冷凍機に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】図５は例えば特公平１−２８１３７４号
公報に開示された従来のスターリング冷凍機の概略構成
を示す側面断面図である。図において、１は圧縮機シリ
ンダ、２はこの圧縮機シリンダ１の内部で上下方向に往
復運動を行うピストン、３は圧縮機シリンダ１の上部に
設けられたコールドフィンガ、４はコールドフィンガ３
の内部で作動ガスの圧力変化によって往復運動するディ
スプレーサ、５はコールドフィンガ３と圧縮機シリンダ
１とを連通する連通管、６はコールドフィンガ３の上部
に形成される膨張空間、７はコールドフィンガ３の下部
に形成される第１圧縮空間、８は圧縮機シリンダ１の上
部に形成される第２の圧縮空間である。

【０００３】９はディスプレーサ４内に設けられ作動ガ
スが流通する蓄熱器、１０は蓄熱器９と第１圧縮空間７
とを連通するディスプレーサ４の中心孔、１１，１２は
ディスプレーサ４の上部作動部４ａに設けられて蓄熱器
９と膨張空間６とを連通する中心孔及び半径方向流通ダ
クトである。上記膨張空間６、半径方向流通ダクト１
２、中心孔１１、蓄熱器９、中心孔１０、第１圧縮空間
７、連通管５及び第２圧縮空間８により作動空間が形成
され、この作動空間には作動ガスが封入されている。

【０００４】１３はコールドフィンガ３の上部の膨張空
間６を含む部分で構成される熱交換器としてのフリーザ
で、膨張空間６で膨張した冷作動ガスと外部の冷却すべ
き物体（図示せず）との間で熱交換を行う。１４はピス
トン２と圧縮機シリンダ１の壁との間に形成されるすき
まシール部、１５は圧縮機シリンダ１のピストン２の下
側に形成されるバッファ空間であり、すきまシール部１
４はこのバッファ空間１５と上記作動空間との間の作動
ガスの流れを防止している。１６はディスプレーサ４と
コールドフィンガ３との間に形成されるすきまシール部
で、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内を強制的に流れるようにしている。

【０００５】１７は圧縮機ピストン２の下側のバッファ
空間１５中に設けられ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、１８はスリーブ１７に
導電体を巻き付けて成るコイル、１９，２０はコイル１
８から圧縮機シリンダ１の壁を通して導出されたリード
線、２１，２２はリード線１９，２０を圧縮機シリンダ
１の外部でそれぞれ接続する電気端子、２３はスリーブ
１７及びコイル１８が上下方向に往復運動する環状間隙
である。

【０００６】２４は上下に磁極を有する環状永久磁石、
２５は環状永久磁石２４の上部に設けられ上記環状間隙
２３を有する軟鉄環状ディスク、２６は環状永久磁石２
４及び軟鉄環状ディスク２５の中央に配された軟鉄シリ
ンダ、２７は圧縮機シリンダ１の底部に設けられた軟鉄
円形ディスクである。これらの環状永久磁石２４と軟鉄
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する。

【０００７】２８は以上述べたスリーブ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及び軟
鉄円形ディスク２７等により全体として構成されるピス
トン駆動用のリニアモータである。２９，３０はそれぞ
れピストン用弾性部材及びディスプレーサ用弾性部材
で、圧縮機ピストン２及びディスプレーサ４を圧縮機シ
リンダ１及びコールドフィンガー３内に往復動可能に係
合支持することにより、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。

【０００８】次に動作について説明する。電気端子２
１，２２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、コイル１８には円周方向の交番電流
が流れ、この交番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く。その結果、ピストン２、
スリーブ１７及び環状永久磁石２４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。

【０００９】ピストン２の振動は、膨張空間６、第１圧
縮空間７、第２圧縮空間８、連通管５、蓄熱器９、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
方向の交番振動力を生じさせる。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３内を軸方向
に往復運動することになる。

【００１０】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に冷熱を発生する。前記“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“Ｃ
ｒｙｏｃｏｏｌｅｒｓ”（Ｇ．Ｗａｌｋｅｒ，Ｐｌｅｎ
ｕｍ Ｐｒｅｓｓ，Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ，１９８３，ｐ
ｐ．１７７〜１２３）に詳細に説明されている。

【００１１】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２圧縮空間８内の作
動ガスは、連通管５を経て流れる間に圧縮熱が冷却さ
れ、第１圧縮空間７、中心孔１０、蓄熱器９に流れ込
む。蓄熱器９で半サイクル前に蓄えられた冷熱により予
冷された作動ガスは、さらに中心孔１１、半径方向流通
ダクト１２、および、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。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】従来のスターリング冷
凍機は以上のように構成されているので、ディスプレー
サ４はその自重やディスプレーサ用弾性部材３０の偏心
などにより、半径方向に動いてコールドフィンガ３の内
面に接触して往復動する。このため、ディスプレーサ４
やコールドフィンガ３が摩耗してすきまシール部１６の
すきまが大きくなり、第１圧縮空間７の作動ガスが膨張
空間６へ流れるとき、あるいは逆に膨張空間６の作動ガ
スが第１圧縮空間７へ流れるとき、作動ガスが蓄熱器９
を通らずにすきまシール部１６を流れてしまうため、第
１圧縮空間７の高温の作動ガスの一部が蓄熱器９で予冷
されずに膨張空間６へ流れたり、膨張空間６の低温の作
動ガスの一部が蓄熱器９で冷熱を放出せずに第１圧縮空
間７へ流れるため、冷凍機の性能を著しく低下させる等
の問題があった。

【００１３】また、ピストン２はその自重やピストン用
弾性部材２９の偏心などにより半径方向に動いて圧縮機
シリンダ１の内面に接触して往復動する。このため、ピ
ストン２や圧縮機シリンダ１が摩耗してすきまシール部
１４のすきまが大きくなり、このすきまを通って第２圧
縮空間８の作動ガスがバッファ空間１５へ流出入するた
め、作動空間内の作動ガスの圧力変化が小さくなり、冷
凍機の性能を著しく低下させる等の問題があった。

【００１４】この発明は上記のような課題を解消するた
めになされたもので、シール部の摩耗が少なく、長寿命
なスターリング冷凍機を得ることを目的としている。

【００１５】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明に係るス
ターリング冷凍機は、ディスプレーサが往復動する際に
コールドフィンガに接触しないようにするディスプレー
サ軸受と、上記コールドフィンガ内に収納され、半径方
向に可動なディスプレーサシールシリンダとを備え、上
記ディスプレーサシールシリンダの内周面と上記ディス
プレーサ外周面とによりすきまシール部を構成し、上記
ディスプレーサシールシリンダの上端面と下端面のそれ
ぞれによりコールドフィンガと接触して作動ガスのシー
ルを行うようにしたものである。

【００１６】請求項２の発明に係るスターリング冷凍機
は、ピストンが往復動する際に圧縮機シリンダに接触し
ないようにするピストン軸受と、上記圧縮機シリンダ内
に収納され、半径方向に可動なピストンシールシリンダ
とを備え、上記ピストンシールシリンダの内周面と上記
ピストン外周面とによりすきまシール部を構成し、上記
ピストンシールシリンダの上端面と下端面のそれぞれに
より圧縮機シリンダと接触して作動ガスのシールを行う
ようにしたものである。

【００１７】

【作用】請求項１の発明におけるスターリング冷凍機
は、ディスプレーサはディスプレーサ軸受で支持される
ため、すきまシール部を構成するディスプレーサシール
シリンダとディスプレーサとはほとんど接触することな
く運転され、このため、シール部の摩耗が非常に少な
い。さらに、ディスプレーサ軸受が摩耗した場合、ディ
スプレーサが偏心しても、ディスプレーサシールシリン
ダもディスプレーサと同様に偏心するため、すきまシー
ル部を構成するディスプレーサシールシリンダとディス
プレーサはほどんど摩耗せず、すきまも大きくならず、
スターリング冷凍機の性能は劣化しない。

【００１８】請求項２の発明にかかるスターリング冷凍
機は、ピストンはピストン軸受で支持されるため、すき
まシール部を構成するピストンシールシリンダとピスト
ンとはほとんど接触することなく運転され、このため、
シール部の摩耗が非常に少ない。さらに、ピストン軸受
が摩耗した場合も、ピストンが偏心しても、ピストンシ
ールシリンダもピストンと同様に偏心するため、すきま
シールを構成するピストンシールシリンダとピストンは
ほとんど摩耗せず、すきまも大きくならず、スターリン
グ冷凍機の性能は劣化しない。

【００１９】

【実施例】

実施例１．以下、この発明の一実施例を図について説明
する。図１においては図５と対応する部分には同一符号
を付して説明を省略する。図１において、３１はコール
ドフィンガ３に固定されたディスプレーサ軸受、３２は
圧縮機シリンダ１に固定されたピストン軸受、３３はデ
ィスプレーサ４とすきまシール部１６を構成し、半径方
向に可動なディスプレーサシールシリンダ、３４はこの
ディスプレーサシールシリンダ３３の上端面シール部、
３５はこのディスプレーサシールシリンダ３３の下端面
シール部、３６はピストン２とすきまシール部１４を構
成し、半径方向に可動なピストンシールシリンダ、３７
はこのピストンシールシリンダ３６の上端面シール部、
３８はこのピストンシールシリンダ３６の下端面シール
部である。

【００２０】次に動作について説明する。図２（ａ），
（ｂ）にディスプレーサ４の各シール部の動作を示す。
図２（ａ）はディスプレーサ４がコールドフィンガ３内
を上方へ移動する時を示している。作動ガスは蓄熱器９
内を下方へ流動するため、蓄熱器９で圧力損失が生じ、
膨張空間６の作動ガス圧力は第１圧縮空間７より高くな
る。この時ディスプレーサシールシリンダ３３は上記圧
力損失による圧力差で下方に押し付けられ、作動ガスは
すきまシール部１６とディスプレーサシールシリンダ３
３の下端面シール部３５とでシールされる。

【００２１】図２（ｂ）はディスプレーサ４がコールド
フィンガ３内を下方へ移動する時を示している。作動ガ
スは蓄熱器９内を上方へ流動するため、蓄熱器９で圧力
損失が生じ、膨張空間６の作動ガス圧力は第１圧縮空間
７より低くなる。この時ディスプレーサシールシリンダ
３３は上記圧力損失による圧力差で上方に押し付けら
れ、作動ガスはすきまシール部１６とディスプレーサシ
ールシリンダ３３の上端面シール部３４でシールされ
る。この時、ディスプレーサ４はディスプレーサ軸受３
１で支持されているため、すきまシール部１６を構成す
るディスプレーサシールシリンダ３３にはほとんど半径
方向に力が作用せず、そのためすきまシール部１６は摩
耗しない。

【００２２】図３（ａ），（ｂ）にピストン２の各シー
ル部の動作を示す。図３（ａ）はピストン２が圧縮機シ
リンダ１内を上方へ移動する時を示している。作動空間
内の作動ガスの圧力は上昇し、第２圧縮空間８の作動ガ
ス圧力はバッファ空間１５のガス圧力より高くなる。こ
の時ピストンシールシリンダ３６は上記圧力差で下方に
押し付けられ、作動ガスはすきまシール部１４とピスト
ンシールシリンダ３６の下端面シール部３８とでシール
される。

【００２３】図３（ｂ）はピストン２が圧縮機シリンダ
１内を下方へ移動する時を示している。作動空間内の作
動ガスの圧力は低下し、第２圧縮空間８の作動ガス圧力
はバッファ空間１５のガス圧力より低くなる。この時ピ
ストンシールシリンダ３６は上記圧力差で上方に押し付
けられ、作動ガスはすきまシール部１４とピストンシー
ルシリンダ３６の上端面シール部３７とでシールされ
る。この時、ピストン２はピストン軸受３２で支持され
ているため、すきまシール部１４を構成するピストンシ
ールシリンダ３６にはほとんど半径方向に力が作用せ
ず、そのためシール部は摩耗しない。

【００２４】この実施例１に示したスターリング冷凍機
によれば、従来例と全く同様の動作によりフリーザ１３
および膨張空間６に同様に冷熱を発生し、しかも長時間
その性能を維持することが可能となる。

【００２５】なお、この実施例１に示したスターリング
冷凍機の動作原理については従来例と全く同様であるた
め、ここでは説明を省略する。

【００２６】実施例２．なお、上記実施例１では、コー
ルドフィンガ３と圧縮機シリンダ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
４に示すこの発明の他の実施例におけるように、コール
ドフィンガ３と圧縮機シリンダ１とが連通管５を介して
互いに分離された分離型の冷凍機であっても良く、上記
実施例１と同様の効果を奏する。

【００２７】

【発明の効果】以上のように、請求項１の発明によれ
ば、ディスプレーサが往復動する際にコールドフィンガ
に接触しないようにするディスプレーサ軸受と、上記コ
ールドフィンガ内に収納され、半径方向に可動なディス
プレーサシールシリンダとを備え、上記ディスプレーサ
シールシリンダの内周面と上記ディスプレーサ外周面と
によりすきまシール部を構成し、上記ディスプレーサシ
ールシリンダの上端面と下端面のそれぞれによりコール
ドフィンガと接触して作動ガスのシールを行うように構
成したので、ディスプレーサはディスプレーサ軸受で支
持されるため、すきまシール部を構成するディスプレー
サシールシリンダとディスプレーサとはほとんど接触す
ることなく運転され、このため、シール部の摩耗が非常
に少ない。さらに、ディスプレーサ軸受が摩耗した場
合、ディスプレーサが偏心しても、ディスプレーサシー
ルシリンダもディスプレーサと同様に偏心するため、す
きまシール部を構成するディスプレーサシールシリンダ
とディスプレーサはほとんど摩耗せず、従って、すきま
も大きくならず、スターリング冷凍機の性能が劣化せず
長寿命が得られる等の効果が得られる。

【００２８】また、請求項２の発明によれば、ピストン
が往復動する際に圧縮機シリンダに接触しないようにす
るピストン軸受と、上記圧縮機シリンダ内に収納され、
半径方向に可動なピストンシールシリンダとを備え、上
記ピストンシールシリンダの内周面と上記ピストン外周
面とによりすきまシール部を構成し、上記ピストンシー
ルシリンダの上端面と下端面のそれぞれにより圧縮機シ
リンダと接触して作動ガスのシールを行うように構成し
たので、ピストンはピストン軸受で支持されるため、す
きまシール部を構成するピストンシールシリンダとピス
トンとはほとんど接触することなく運転され、このた
め、シール部の摩耗が非常に少ない。さらに、ピストン
軸受が摩耗した場合も、ピストンが偏心しても、ピスト
ンシールシリンダもピストンと同様に偏心するため、す
きまシール部を構成するピストンシールシリンダとピス
トンはほとんど摩耗せず、従って、すきまも大きくなら
ず、スターリング冷凍機の性能は劣化せず、長寿命とな
る効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例によるスターリング冷凍機
を示す側面断面図である。

【図２】この発明の一実施例によるスターリング冷凍機
の動作を示す要部の側面断面図である。

【図３】この発明の一実施例によるスターリング冷凍機
の他の動作を示す要部の側面断面図である。

【図４】この発明の他の実施例を示すスターリング冷凍
機の側面断面図である。

【図５】従来のスターリング冷凍機を示す側面断面図で
ある。

【符号の説明】

１ 圧縮機シリンダ ２ ピストン ３ コールドフィンガ ４ ディスプレーサ ８ 第２圧縮空間（圧縮空間） ９ 蓄熱器 １４，１６ すきまシール部 ３１ ディスプレーサ軸受 ３２ ピストン軸受 ３３ ディスプレーサシールシリンダ ３６ ピストンシールシリンダ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ピストンが設けられた圧縮機シリンダ
   と、この圧縮機シリンダの圧縮空間と連通するコールド
   フィンガとを有し、上記コールドフィンガ内部には蓄熱
   器を内蔵するディスプレーサが往復動可能に設けられ、
   上記圧縮空間、上記コールドフィンガ内部空間及び上記
   蓄熱器により作動空間が形成され、この作動空間に作動
   ガスが封入されて成るスターリング冷凍機において、上
   記ディスプレーサが往復動する際に上記コールドフィン
   ガに接触しないようにするためのディスプレーサ軸受
   と、上記コールドフィンガ内に収納され上記ディスプレ
   ーサの往復動方向と直交する方向に可動でかつ上記ディ
   スプレーサとの間ですきまシール部を形成しかつ上記往
   復動方向の両端面で上記コールドフィンガと接触して上
   記作動ガスをシールするディスプレーサシールシリンダ
   とを設けたことを特徴とするスターリング冷凍機。
2. 【請求項２】 ピストンが設けられた圧縮機シリンダ
   と、この圧縮機シリンダの圧縮空間と連通するコールド
   フィンガとを有し、上記コールドフィンガ内部には蓄熱
   器を内蔵するディスプレーサが往復動可能に設けられ、
   上記圧縮空間、上記コールドフィンガ内部空間及び上記
   蓄熱器により作動空間が形成され、この作動空間に作動
   ガスが封入されて成るスターリング冷凍機において、上
   記ピストンが往復動する際に上記圧縮機シリンダに接触
   しないようにするためのピストン軸受と、上記圧縮機シ
   リンダ内に収納され上記ピストンの往復動方向と直交す
   る方向に可動でかつ上記ピストンとの間ですきまシール
   部を形成しかつ上記往復動方向の両端面で上記圧縮機シ
   リンダと接触して上記作動ガスをシールするピストンシ
   ールシリンダとを設けたことを特徴とするスターリング
   冷凍機。