JPH0749328Y2 - スターリング冷凍機用の往復動圧縮機 - Google Patents

スターリング冷凍機用の往復動圧縮機

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JPH0749328Y2
JPH0749328Y2 JP4486191U JP4486191U JPH0749328Y2 JP H0749328 Y2 JPH0749328 Y2 JP H0749328Y2 JP 4486191 U JP4486191 U JP 4486191U JP 4486191 U JP4486191 U JP 4486191U JP H0749328 Y2 JPH0749328 Y2 JP H0749328Y2
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piston
cylinder
casing
coil
pistons
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正雄 大野
周秀 藤山
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Daikin Industries Ltd
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Description

【考案の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本考案は、膨張機におけるディス
プレーサの往復動により極低温レベルの寒冷を発生させ
るスターリング冷凍機において、膨張機に供給する冷媒
を圧縮する往復動圧縮機に関し、特に、ピストンを往復
動可能に支持する構造に関する。
【0002】
【従来の技術】従来より、このフリーディスプレーサ型
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、例えば図3に示すように、冷媒ガスを圧縮する圧縮
機(a)と、該圧縮機(a)から吐出された冷媒ガスを
膨張させる膨張機(k)とを組み合わせたものであり、
上記圧縮機(a)は、例えば密閉状のケーシング(b)
と、該ケーシング(b)内に形成されたシリンダ(c)
と、該シリンダ(c)内に往復動可能に嵌挿され、シリ
ンダ(c)内に圧縮室(d)を区画形成するピストン
(e)と、該ピストン(e)を往復駆動する駆動源とし
てのリニアモータ(f)とを備えている。このリニアモ
ータ(f)はシリンダ(c)周りに配置された環状の永
久磁石(g)を有し、この磁石(g)により、シリンダ
(c)の中心と同心の円筒状の間隙に磁界を発生させ
る。上記間隙には中心部にて上記ピストン(e)に一体
固定された略カップ状のボビン(h)が往復動可能に配
設され、該ボビン(h)の外周にはドライブコイル
(i)が巻き付けられている。また、上記ボビン(h)
の底面外側(ピストン(e)と反対側)とケーシング
(b)内底面との間にはピストン(e)を往復動可能に
弾性支持するためのコイルばね(j)が架設されてお
り、ドライブコイル(i)に所定周波数の交流を通電す
ることで、間隙内を通る磁界との作用によりコイル
(i)及びボビン(h)を駆動してピストン(e)を、
その質量及びコイルばね(j)のばね定数で決まる所定
周波数でシリンダ(c)内で往復移動させることによ
り、圧縮室(d)で所定周期のガス圧を発生させるよう
になされている。
【0003】一方、上記膨張機(k)は、円筒状シリン
ダ(l)を有し、このシリンダ(l)内にはシリンダ
(l)内を膨張室(m)と作動室(n)とに区画するフ
リーディスプレーサ(o)が往復動可能に嵌挿されてい
る。このディスプレーサ(o)は、内部に金属製蓄冷材
(o1 )(再生式熱交換器)を充填したもので、該蓄冷
材(o1 )を膨張室(m)及び作動室(n)にそれぞれ
連通させる連通孔(o2),(o3 )が開口されてい
る。また、上記作動室(n)内には、ディスプレーサ
(o)を往復動可能に弾性支持するコイルばね(p)が
配設されている。さらに、上記作動室(n)は上記結合
配管(q)を介して上記圧縮機(a)の圧縮室(d)に
接続されており、圧縮機(a)からの冷媒ガス圧により
ディスプレーサ(o)を往復動させて冷媒ガスを膨張室
(m)で膨張させることにより、シリンダ(l)先端の
コールドヘッドに寒冷を発生させるようになされている
(例えば“Refrigerator for Cryogenic Sensors”,NA
SA Conference Publication 2287等参照)。
【0004】
【考案が解決しようとする課題】ところで、上記の往復
動圧縮機(a)においては、ピストン(e)の往復動に
よりコイルばね(j)が伸縮変形するが、それと同時に
コイルばね(j)は半径方向に拡縮変形してその巻き径
が増減変化し、このコイルばね(j)の拡縮変形に伴い
ピストン(e)をその中心軸線回りに回動させようとす
るモーメントが作用する。このため、ピストン(e)は
中立位置から往復動しながらその中心軸線回りに交互に
逆方向に揺動することとなり、この揺動により、圧縮機
つまり冷凍機に円周方向の振動が発生するという問題が
あり、振動を嫌う機器では改良することが望まれる。
【0005】本考案は斯かる点に鑑みてなされたもの
で、その目的は、上記したピストンの支持構造を改良す
ることにより、往復動するピストンが円周方向に揺動す
るのを抑制して、圧縮機での振動の発生を可及的に低減
することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成すべ
く、請求項1の考案では、ピストンをその背面で同心状
の1対のコイルばねにより往復動可能に弾性支持すると
ともに、その各コイルばねの巻き方向を逆にして、ピス
トンでは各コイルばねの拡縮変形に伴うモーメントの作
用が互いに打ち消し合うようにした。
【0007】具体的には、この考案は、図1に示すよう
に、ケーシング(1)と、該ケーシング(1)内に設け
られた有底のシリンダ(3)と、該シリンダ(3)内に
往復動可能に嵌挿され、シリンダ(3)内底部に圧縮室
(5)を区画形成するピストン(4)と、該ピストン
(4)をシリンダ(3)内で中立位置から往復動可能に
ケーシング(1)に対し弾性支持する弾性支持手段(1
4)と、磁石(9)及びコイル(13)を有し、コイル
(13)への所定周波数の交流の供給により上記ピスト
ン(4)を往復駆動するリニアモータ(8)とを有する
往復動圧縮機に対し、上記弾性支持手段(14)を、ピ
ストン(4)背部とケーシング(1)との間に互いに同
心状に配置された第1及び第2のコイルばね(19),
(20)からなし、ピストン(4)の中立位置からの一
方向への移動により変形したとき円周方向の復元力が逆
になるように両ばね(19),(20)の巻き方向を互
いに異ならせたことを特徴とする。
【0008】請求項2の考案では、シリンダ内に1対の
ピストンを対向配置した対向ピストン型の圧縮機に適用
して、ピストンの往復動方向の振動をも低減するように
した。
【0009】すなわち、この考案では、図2に示す如
く、ケーシング(1′)と、このケーシング(1′)内
に設けられ、両端が開放されたシリンダ(3′)と、各
々、上記シリンダ(3′)内に往復動可能に対向して嵌
挿され、シリンダ(3′)内中間部に圧縮室(5)を区
画形成する1対のピストン(4),(4)と、このピス
トン(4),(4)をそれぞれシリンダ(3′)内で中
立位置から往復動可能にケーシング(1′)に対し弾性
支持する1対の弾性支持手段(14),(14)と、磁
石(9)及びコイル(13)を有し、コイル(13)へ
の所定周波数の交流の供給により上記ピストン(4),
(4)を互いに接離するように逆向きに往復駆動する1
対のリニアモータ(8),(8)とを備え、上記各弾性
支持手段(14)は、ピストン(4)背部とケーシング
(1′)との間に互いに同心状に配置された第1及び第
2のコイルばね(19),(20)からなり、両ばね
(19),(20)は、ピストン(4),(4)の中立
位置からの一方向への移動により変形したとき円周方向
の復元力が逆になるよう、巻き方向が互いに異なってい
ることを特徴とする。
【0010】
【作用】上記の構成により、請求項1の考案では、ピス
トン(4)を支持する1対のコイルばね(19),(2
0)の巻き方向が互いに異なっていて、ピストン(4)
の中立位置からの一方向への移動により変形したときに
両コイルばね(19),(20)の円周方向の復元力が
逆になるので、各コイルばね(19),(20)の拡縮
変形に伴ってそれぞれピストン(4)に作用するモーメ
ントは互いに打ち消し合うこととなる。このため、ピス
トン(4)は往復動時に中心軸線回りに揺動し難くな
り、同方向の圧縮機延いては冷凍機の振動を低減するこ
とができる。
【0011】また、1対のコイルばね(19),(2
0)でピストン(4)を支持するので、コイルばね(1
9),(20)の各々についてはそのばね定数が低くて
済み、コイルばね(19),(20)の寿命を延長する
ことができる。
【0012】請求項2の考案では、上記請求項1の考案
と同様の作用効果が得られることに加え、ピストン
(4),(4)が対向型で、両ピストン(4),(4)
は互いに接離するように逆向きに往復駆動されるので、
その両ピストン(4),(4)の往復動方向の振動は互
いに打ち消されて低減される。このことによって、ピス
トン(4)の円周方向のみならず往復動方向の振動をも
低減でき、圧縮機ないし冷凍機の振動のより一層の低減
を実現できる。
【0013】
【実施例】以下、本考案の実施例を図面に基づいて説明
する。
【0014】(実施例1) 図1は本考案の実施例1に係るスターリング冷凍機用の
往復動圧縮機を示し、この圧縮機は図示しない従来公知
のフリーディスプレーサ型膨張機(図3参照)と組み合
わされて冷凍機を構成する。上記圧縮機は非導電性材料
からなる密閉円筒状のケーシング(1)を有し、このケ
ーシング(1)内の底部には純鉄等からなるシリンダ形
成部(2)が嵌合されている。このシリンダ形成部
(2)の上面中心部には有底円筒状のシリンダ(3)が
形成され、このシリンダ(3)内には上方に開放された
略有底円筒状のピストン(4)が摺動可能に嵌挿されて
おり、このピストン(4)下側でシリンダ(3)により
囲まれた部分が圧縮室(5)とされている。シリンダ
(3)の底部には連通孔(6)が貫通形成され、この連
通孔(6)には上記圧縮室(5)と連通する連絡配管
(22)の一端が嵌合固定され、この連絡配管(22)
の他端は膨張機に接続されている。上記シリンダ(3)
内にはシリンダ形成部(2)上面から上方に突出する非
磁性材料としての薄肉ステンレス鋼からなる円筒状ライ
ナ(7)が嵌合されている。
【0015】上記ピストン(4)はそれを往復駆動する
駆動源としてのリニアモータ(8)に駆動連結されてい
る。すなわち、上記シリンダ形成部(2)の上面外周部
は段差状に切り欠かれ、この切欠部上面には円環状の永
久磁石(9)及び純鉄等からなる継鉄形成部(10)が
積層状態に接合されている。この磁石(9)及び継鉄形
成部(10)の外周面はケーシング(1)の内周面に密
着されている一方、内周面は上記切欠部外側面と所定の
間隔があけられていて、この内周面と切欠部外側面との
間には有底環状の凹部(11)が上記シリンダ(3)と
同心状に形成されており、この凹部(11)に上記磁石
(9)によりシリンダ形成部(2)及び継鉄形成部(1
0)を磁路のための継鉄として所定強度の磁界を発生さ
せるようにしている。
【0016】そして、上記ピストン(4)は、その上端
から半径方向外側に水平に延びるフランジ部(4a)を
有し、該フランジ部(4a)には、下半部が上記磁石
(9)と凹部(11)内側側面との間の間隙に上下方向
に往復動可能に配置された円筒状のボビン(12)がそ
の内周フランジ部(12a)にて移動一体に取り付けら
れている。このボビン(12)の下半部外周には上記磁
石(9)と対向した位置にコイル(13)が巻回されて
おり、このコイル(13)に所定周波数(例えば50H
z)の交流を通電することにより、ピストン(4)をそ
の質量及び後述のコイルばね(19),(20)のばね
定数で決まる周波数で往復動させて、圧縮室(5)で所
定周期のガス圧を発生させるようにしたリニアモータ
(8)が構成されている。
【0017】上記ピストン(4)をケーシング(1)に
対しシリンダ(3)内で中立位置から往復動可能に弾性
支持する弾性支持手段(14)が設けられている。すな
わち、ケーシング(1)上壁の内面中心部にはばね取付
部材(15)が突設され、このばね取付部材(15)の
外周には螺旋状のばね取付溝(16)が形成されてい
る。一方、上記ピストン(4)の内底面中心にはばね取
付部材(17)が螺合締結等により固定され、このばね
取付部材(17)の外周には螺旋状のばね取付溝(1
8)が形成されている。そして、上記ケーシング(1)
側のばね取付溝(16)には第1コイルばね(19)の
上端が螺合により移動不能に取り付けられ、この第1コ
イルばね(19)の下端はばね取付部材(17)のばね
取付溝(18)に移動不能に取り付けられている。
【0018】また、上記ケーシング(1)上壁の内面
と、ピストン(4)に一体のボビン(12)の内周フラ
ンジ部(12a)上面との間には上記第1コイルばね
(19)の周りに同心に配置した第2コイルばね(2
0)が架設され、このコイルばね(20)の端部はそれ
ぞれケーシング(1)及びボビン(12)(ピストン
(4))に固定されている。従って、ケーシング(1)
とピストン(4)との間に第1及び第2の2つのコイル
ばね(19),(20)が掛け渡されており、この両コ
イルばね(19),(20)により、ピストン(4)は
ケーシング(1)に往復動可能に弾性支持されている。
【0019】そして、上記第1コイルばね(19)は右
巻きのコイルばねで、第2コイルばね(20)は左巻き
ばねであり、両コイルばね(19),(20)は、ピス
トン(4)の中立位置から一方向への移動により変形し
たときに円周方向の復元力が逆になるよう、巻き方向が
互いに異なっている。
【0020】次に、上記実施例の作動について説明す
る。冷凍機の運転時、圧縮機におけるリニアモータ
(8)のコイル(13)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(9)により発生する磁
界との作用によりコイル(13)、ボビン(12)及び
ピストン(4)が第1及び第2コイルばね(19),
(20)を伸縮させながら往復動し、このピストン
(4)のシリンダ(3)内での往復動により圧縮室
(5)の容積が増減変化し、ピストン(4)が下降移動
した際に圧縮室(5)内部の冷媒が所定周期で圧縮され
て圧縮室(5)内に所定周期の圧力波が生じる。この圧
縮室(5)は連絡配管(22)を介して膨張機に連通し
ているため、膨張機ではディスプレーサが上記圧縮室
(5)の圧力波と同じ周期で往復動して、その膨張室で
のガスの膨張により寒冷が生じ、このディスプレーサの
往復動の繰返しによりシリンダ先端のコールドヘッドが
極低温レベルに冷却される。
【0021】このとき、上記圧縮機では、ケーシング
(1)に対しピストン(4)が第1及び第2の2つのコ
イルばね(19),(20)で支持されているので、例
えばピストン(4)が中立位置から上昇する吸入行程で
は、両コイルばね(19),(20)は共に収縮変形し
て、その径が広がる。上記第1コイルばね(19)の巻
き方向が右巻きであるのに対し、第2のコイルばね(2
0)は左巻きで、両ばね(19),(20)の巻き方向
が互いに異なっているので、上記吸入行程では、右巻き
の第1コイルばね(19)にあってはピストン(4)を
上方から見て反時計回り方向に回動させるモーメントが
作用するのに対し、左巻きの第2コイルばね(20)に
あってはピストン(4)を上方から見て時計回り方向に
回動させるモーメントが作用する。一方、逆に、ピスト
ン(4)が中立位置から下降する圧縮行程では、両コイ
ルばね(19),(20)は共に伸長変形して、その径
が小さくなるが、第1コイルばね(19)にあってはピ
ストン(4)を上方から見て時計回り方向に回動させる
モーメントが作用し、第2コイルばね(20)にあって
はピストン(4)を上方から見て反時計回り方向に回動
させるモーメントが作用する。従って、ピストン(4)
においては各コイルばね(19),(20)の拡縮変形
に伴うモーメントの作用が互いに打ち消し合い、ピスト
ン(4)は円周方向に揺動することなく往復動する。そ
の結果、圧縮機延いては冷凍機におけるピストン円周方
向の振動を低減することができる。
【0022】また、1対のコイルばね(19),(2
0)でピストン(4)を支持するので、コイルばね(1
9),(20)の各々についてみると、そのばね定数が
低くて済み、よってコイルばね(19),(20)の寿
命を延長することができる。
【0023】(実施例2) 図2は本考案の実施例2を示し、対向ピストン型の圧縮
機に適用したものである(尚、図1と同じ部分について
は同じ符号を付してその詳細な説明は省略する)。すな
わち、この実施例では、圧縮機のケーシング(1′)
は、略同じ構成の左右1対の有底円筒状ケーシングアッ
センブリ(31),(31)を同心状に対向配置し、か
つ両ケーシングアッセンブリ(31),(31)の開口
端間に円板状のセンタベース(32)を気密状に挟持し
てなり、両ケーシングアッセンブリ(31),(31)
及びセンタベース(32)は純鉄等で構成されている。
上記センタベース(32)の中心部にはシリンダ挿通孔
(33)が貫通形成され、該シリンダ挿通孔(33)に
は両端が開放された円筒状のシリンダ部材(34)が挿
通支持されている。このシリンダ部材(34)、センタ
ベース(32)及びケーシングアッセンブリ(31)で
囲まれて凹部(11)形成されている。シリンダ部材
(34)のシリンダ(3′)内には略有底円筒状の左右
1対のピストン(4),(4)がそれぞれ摺動可能に嵌
挿されており、この両ピストン(4),(4)によりシ
リンダ(3′)中間部で囲まれた部分が圧縮室(5)と
されている。上記センタベース(32)にはシリンダ挿
通孔(33)から外周面まで半径方向に貫通するガス通
路(35)が形成され、該ガス通路(35)の内端は上
記シリンダ部材(34)の中央に貫通形成した孔(3
6)を介して上記圧縮室(5)に連通し、一方、ガス通
路(35)の外端は連絡配管(22)を介して図外の膨
張機に接続されている。
【0024】上記左右のピストン(4),(4)はそれ
ぞれピストン(4),(4)を往復駆動する駆動源とし
てのリニアモータ(8),(8)に駆動連結されてい
る。この各リニアモータ(8)は、シリンダ部材(3
4)の外周に取り付けられた円環状の磁石(9)を有
し、この磁石(9)の外周面とケーシングアッセンブリ
(3)内周面との間にコイル(13)が配置される。
【0025】上記各ケーシングアッセンブリ(31)の
底壁内面の中心部にはそれぞればね取付部材(15),
(15)が一体に取り付けられ、この各ばね取付部材
(15)の外周には螺旋状のばね取付溝(16)が形成
されている。各ピストン(4)の内底面中心にはばね取
付部材(17)が螺合締結され、その外周には螺旋状の
ばね取付溝(18)が形成されている。そして、上記互
いに対向するばね取付部材(15),(17)間には右
巻きの第1コイルばね(19)が端部をそれぞればね取
付溝(16),(18)に移動不能に螺合して架設され
ている。また、上記各ケーシングアッセンブリ(31)
の底壁内面と、ピストン(4)と一体のボビン(12)
のフランジ部(12a)外面との間には第1コイルばね
(19)の周りに同心に配置した第2コイルばね(2
0)が架設され、このコイルばね(20)の端部はそれ
ぞれケーシングアッセンブリ(31)及びボピン(1
2)(ピストン(4))に固定されている。
【0026】この実施例では、冷凍機の運転開始に伴
い、圧縮機における両リニアモータ(8),(8)のコ
イル(13),(13)に所定周波数の交流電源が同期
して通電される。この通電に伴い、ピストン(4),
(4)がそれぞれコイルばね(19),(20)を伸縮
させながら互いに逆向きに往復動し、この両ピストン
(4),(4)がシリンダ(3′)内で互いに接離する
ことで圧縮室(5)の容積が増減変化する。このことに
よって、上記実施例1と同様に、膨張機のディスプレー
サの往復動の繰返しによりシリンダ先端のコールドヘッ
ドが極低温レベルに冷却される。
【0027】したがって、この実施例でも上記実施例と
同様に、両ピストン(4),(4)の往復動時の回動を
抑制することができ、圧縮機におけるピストン円周方向
の振動を低減することができる。加えて、1対のピスト
ン(4),(4)がシリンダ(3′)内で互いに逆向き
に往復動するので、その各ピストン(4)の往復動方向
の振動は互いに打ち消されて低減される。よって、ピス
トン(4)の往復動方向のみならず円周方向の振動をも
低減できることとなり、大幅な振動の低減を実現でき
る。
【0028】
【考案の効果】以上説明したように、請求項1の考案に
よると、スターリング冷凍機用の往復動圧縮機における
ピストンの中立位置保持用の弾性支持手段を同心の1対
のコイルばねで構成し、ピストンの中立位置からの移動
により各ばねが変形したとき円周方向の復元力が逆にな
るよう、両コイルばねの巻き方向を互いに異ならせたの
で、ピストンにおいて各コイルばねの拡縮に伴うモーメ
ントの作用を互いに打ち消し合わせて、ピストンの円周
方向の揺動を抑制でき、圧縮機延いては冷凍機のピスト
ン円周方向の振動を低減することができる。また、1対
のコイルばねでピストンを支持するので、コイルばねの
各々でのばね定数を低くして、コイルばねの寿命延長化
を図ることができる。
【0029】また、請求項2の考案によれば、両端が開
放されたシリンダ内に1対のピストンを対向して嵌挿
し、両ピストンの各々をリニアモータにより互いに接離
するように逆向きに往復駆動駆動する対向ピストン型の
圧縮機に対し、その各ピストンを上記請求項1の考案と
同様に1対のコイルばねからなる弾性支持手段で支持す
るようにしたことにより、ピストンの往復動方向の振動
を互いに打ち消して低減でき、ピストンの往復動方向の
みならず円周方向の振動をも低減して、大幅な振動の低
減を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本考案の実施例1における圧縮機の断面図であ
る。
【図2】本考案の実施例2における圧縮機の断面図であ
る。
【図3】スターリング冷凍機の従来例を示す断面図であ
る。
【符号の説明】
(1),(1′)…ケーシング (3),(3′)…シリンダ (4)…ピストン (5)…圧縮室 (8)…リニアモータ (9)…磁石 (13)…コイル (14)…弾性支持手段 (19)…第1コイルばね (20)…第2コイルばね

Claims (2)

    【実用新案登録請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ケーシング(1)と、上記ケーシング
    (1)内に設けられた有底のシリンダ(3)と、上記シ
    リンダ(3)内に往復動可能に嵌挿され、シリンダ
    (3)内底部に圧縮室(5)を区画形成するピストン
    (4)と、上記ピストン(4)をシリンダ(3)内で中
    立位置から往復動可能にケーシング(1)に対し弾性支
    持する弾性支持手段(14)と、磁石(9)及びコイル
    (13)を有し、コイル(13)への所定周波数の交流
    の供給により上記ピストン(4)を往復駆動するリニア
    モータ(8)とを備え、上記弾性支持手段(14)は、
    ピストン(4)背部とケーシング(1)との間に互いに
    同心状に配置された第1及び第2のコイルばね(1
    9),(20)からなり、両ばね(19),(20)
    は、ピストン(4)の中立位置からの一方向への移動に
    よって変形したときに円周方向の復元力が逆になるよ
    う、巻き方向が互いに異なっていることを特徴とするス
    ターリング冷凍機用の往復動圧縮機。
  2. 【請求項2】 ケーシング(1′)と、上記ケーシング
    (1′)内に設けられ、両端が開放されたシリンダ
    (3′)と、各々、上記シリンダ(3′)内に往復動可
    能に対向して嵌挿され、シリンダ(3′)内中間部に圧
    縮室(5)を区画形成する1対のピストン(4),
    (4)と、上記ピストン(4),(4)をそれぞれシリ
    ンダ(3′)内で中立位置から往復動可能にケーシング
    (1′)に対し弾性支持する1対の弾性支持手段(1
    4),(14)と、磁石(9)及びコイル(13)を有
    し、コイル(13)への所定周波数の交流の供給により
    上記ピストン(4),(4)を互いに接離するように逆
    向きに往復駆動する1対のリニアモータ(8),(8)
    とを備え、上記各弾性支持手段(14)は、ピストン
    (4)背部とケーシング(1′)との間に互いに同心状
    に配置された第1及び第2のコイルばね(19),(2
    0)からなり、両ばね(19),(20)は、ピストン
    (4),(4)の中立位置からの一方向への移動によっ
    て変形したときに円周方向の復元力が逆になるよう、巻
    き方向が互いに異なっていることを特徴とするスターリ
    ング冷凍機用の往復動圧縮機。
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