JPH112468A - スターリング冷凍機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 圧縮ピストンやディスプレーサを弾性支持す
る板ばねの挙動に起因するスターリング冷凍機の振動低
減による延命化、装置の小型化及び製作費の低減化を図
る。 【解決手段】 圧縮機（Ａ）及び膨張機（Ｂ）の圧縮ピ
ストン（４）及びディスプレーサ（２２）を第１板ばね
（１２）で弾性支持する。第１板ばね（１２）の背面側
に配置した第２板ばね（１９）を第１板ばね（１２）の
動きに対し逆向きに動かせ、圧縮ピストン（４）及びデ
ィスプレーサ（２２）の往復動作方向の振動を打ち消
す。第１及び第２板ばね（１２），（１９）に逆向きの
渦巻スリットを形成し、第１板ばね（１２）の捩れ力に
起因する振動を打ち消す。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、スターリング冷凍
機に関し、特に、冷媒ガスを圧縮するための圧縮ピスト
ンや冷媒ガスを膨張させるためのディスプレーサを弾性
支持する板ばねの改良に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】スターリング冷凍機は、冷媒ガスを圧縮
する圧縮機と、この圧縮機から吐出される冷媒ガスを膨
張させる膨張機とからなり、上記圧縮機では、圧縮ピス
トンの往復移動により冷媒ガスを圧縮する一方、上記膨
張機では、上記圧縮機で圧縮された冷媒ガスをディスプ
レーサの往復移動により膨張させて極低温レベルの寒冷
を発生させるようにしている。

【０００３】このようなスターリング冷凍機として、例
えば特開平４−２６３７５１号公報に開示されているよ
うに、圧縮機において、２つの圧縮ピストンをシリンダ
内に対向配置して両圧縮ピストン間に圧縮室を構成し、
冷媒ガスを両圧縮ピストンの同期した接離移動により圧
縮室で圧縮するようにしたスターリング冷凍機が知られ
ている。

【０００４】このスターリング冷凍機の圧縮機では、渦
巻スリットが形成された円板からなる板ばねを各圧縮ピ
ストンの背面側にそれぞれ配置し、各圧縮ピストンに連
結されたロッドの基端を上記各板ばねの中央に嵌着し、
各圧縮ピストンを各板ばねにより往復移動可能に弾性支
持している。

【０００５】そして、この各板ばねは、その渦巻き状の
スリット形状からして径方向の剛性が高くなっているた
め、各圧縮ピストンの径方向の横ブレを低減して各圧縮
ピストンの低振動化を達成するようにしている。

【０００６】また、この２つの圧縮ピストンを弾性支持
する板ばねでは、渦巻スリットの渦巻きが互いに逆向き
に形成されていて、両圧縮ピストンが同期して往復移動
する際に各板ばねに発生する捩れ力を打ち消し合い、こ
の捩れ力に起因する振動を低減するようにしている。

【０００７】さらに、この一対の板ばねは、両圧縮ピス
トンの同期した接離移動により互いに逆向きに動くた
め、各圧縮ピストンの往復移動方向の振動をも打ち消す
ようになっている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところで、スターリン
グ冷凍機において、１つの圧縮ピストンをシリンダ内に
配置したタイプの圧縮機があり、このシングルピストン
タイプの圧縮機では、圧縮ピストンが１つでよいので、
上述の如きダブルピストンタイプの圧縮機に比べて装置
全体を小型化することができるとともに、安価に製作す
ることができるという利点がある。

【０００９】しかし、このシングルピストンタイプの圧
縮機では、単に圧縮ピストンを板ばねで弾性支持してい
るだけでは、圧縮ピストンの径方向の横ブレを低減する
ことはできるものの、圧縮ピストンの往復移動方向の振
動や、圧縮ピストンが往復移移動する際に板ばねに発生
する捩れ力を打ち消す手段がなく、これでは圧縮ピスト
ンの低振動化を十分には達成することができず、スター
リング冷凍機の寿命が短くなるおそれがある。なお、こ
のことは圧縮機に限らず、膨張機においても同様のこと
が言える。

【００１０】本発明はか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、圧縮ピストンやディス
プレーサを弾性支持する板ばねの挙動に起因するスター
リング冷凍機の振動を低減してその延命化を図り、かつ
装置全体を小型化するとともに製作費を低減することに
ある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明は、圧縮ピストンやディスプレーサを弾性支
持する板ばねの背面側に、この板ばねと逆動作する別の
板ばねを配置したことを特徴とする。

【００１２】具体的には、本発明は、図１に示すよう
に、冷媒ガスを圧縮する圧縮機（Ａ）と、この圧縮機
（Ａ）から吐出される冷媒ガスを膨張させる膨張機
（Ｂ）とを備え、上記圧縮機（Ａ）及び膨張機（Ｂ）の
少なくとも一方には、往復移動により冷媒ガスを圧縮又
は膨張させる１つの往復移動体（４，２２）が第１板ば
ね（１２）に弾性支持されて配置されたスターリング冷
凍機を対象とし、次のような解決手段を講じた。

【００１３】すなわち、本発明の第１の解決手段は、上
記第１板ばね（１２）の背面側に第２板ばね（１９）を
配置し、この第２板ばね（１９）を第１板ばね（１２）
の動きに対し逆向きに動かせることにより上記往復移動
体（４，２２）の往復移動方向の振動を打ち消すように
する。さらに、上記第２板ばね（１９）に逆捩れ力発生
手段を設け、この逆捩れ力発生手段により上記第１板ば
ね（１２）の捩れ力に対し逆向きの捩れ力を第２板ばね
（１９）に発生させて第１板ばね（１２）の捩れ力に起
因する振動を打ち消すようにしたことを特徴とする。

【００１４】上記の構成により、本発明の第１の解決手
段では、圧縮機（Ａ）及び膨張機（Ｂ）の少なくとも一
方において、往復移動体（４，２２）が往復移動する
と、この往復移動体（４，２２）の動作に追従して第１
板ばね（１２）が動く。この際、その背面側で第２板ば
ね（１９）が上記第１板ばね（１２）の動きに対し逆向
きに動き、上記往復移動体（４，２２）の往復移動方向
の振動が打ち消されるとともに、逆捩れ力発生手段によ
り上記第１板ばね（１２）の捩れ力に対し逆向きの捩れ
力が第２板ばね（１９）に発生し、第１板ばね（１２）
の捩れ力に起因する振動が打ち消され、よって板ばねの
挙動に起因するスターリング冷凍機の振動が低減し、そ
の寿命が長くなる。しかも、このスターリング冷凍機
は、往復移動体（４，２２）が１つであるシングルタイ
プであり、装置全体が小型になるとともに、製作費があ
まり掛からない。

【００１５】本発明の第２の解決手段は、第１の解決手
段において、逆捩れ力発生手段として、図２（ａ），
（ｂ）に示すように、第１板ばね（１２）に形成された
渦巻スリット（１６）に対し逆向きに形成された渦巻ス
リット（２０）を採用したことを特徴とする。

【００１６】上記の構成により、本発明の第２の解決手
段では、第２板ばね（１９）の渦巻スリット（２０）の
渦巻形状を変えるだけで上記作用効果が簡単に実現され
る。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面に基づいて説明する。

【００１８】図１は本発明の実施の形態に係るスターリ
ング冷凍機の概略図である。図中、（Ａ）は冷媒ガスを
圧縮する圧縮機、（Ｂ）はこの圧縮機（Ａ）から吐出さ
れた冷媒ガスを膨張させる膨張機であり、これら圧縮機
（Ａ）及び膨張機（Ｂ）は共に、密閉された円筒形状の
ケーシング（１），（２）を備えている。

【００１９】上記圧縮機（Ａ）はシングルピストンタイ
プであり、そのケーシング（１）内には、円筒形状のシ
リンダ（３）が一方の側壁内面に同心円状に固定されて
配置され、このシリンダ（３）内には、１つの往復移動
体としての圧縮ピストン（４）が往復移動可能に摺動配
置され、この圧縮ピストン（４）によりシリンダ（３）
内に圧縮室（５）が形成されている。上記圧縮ピストン
（４）の背面には、ロッド（６）の一端がケーシング
（１）の中心線に位置するように連結され、ロッド
（６）の他端はケーシング（１）の他方の側壁に向かっ
て延びている。

【００２０】上記ロッド（６）周りには、第１リニアモ
ータ（７）が配置されている。この第１リニアモータ
（７）は、上記ケーシング（１）の周壁内周面に固定さ
れた純鉄からなる環状のヨーク（８）を備えてなり、こ
のヨーク（８）の中心には貫通孔（８ａ）が形成され、
上記ロッド（６）がこの貫通孔（８ａ）を一端側から挿
通して他端側に突出している。また、上記ヨーク（８）
には凹陥部（８ｂ）がリング状に形成され、この凹陥部
（８ｂ）の外側の周面にはリング状の永久磁石（９）が
固定され、この永久磁石（９）により上記ヨーク（８）
を継鉄として上記凹陥部（８ｂ）内に所定強度の磁界を
発生させるようにしている。さらに、上記ロッド（６）
の突出端寄りには、外周面に電磁コイル（１０）が巻回
された有底筒状のボビン（１１）が連結され、上記電磁
コイル（１０）を凹陥部（８ｂ）に挿入させて永久磁石
（９）に対峙させている。そして、電磁コイル（１０）
に所定周波数の交流電流を通電することにより、圧縮ピ
ストン（４）を後述の第１板ばね（１２）のばね定数等
で決まる周期で往復移動させて、圧縮室（５）で所定周
期のガス圧を発生させるように構成されている。

【００２１】上記ロッド（６）の圧縮ピストン（４）寄
りと突出端の２箇所には、一対の円板状の第１板ばね
（１２）がその中心の嵌着孔（実際には、後述する薄板
（１３）の嵌着孔（１３ａ））にロッド（６）を嵌着さ
せて上記第１リニアモータ（７）を両側から挟むように
固定され、各第１板ばね（１２）の外周はケーシング
（１）の内周壁に固定されている。上記各第１板ばね
（１２）は、３枚の薄板（１３）を重ね合わせてなり、
相隣る薄板（１３）間にスペーサ（１４）が介装され、
その中央部及び外周部が２枚のリング状の押え板（１
５）でそれぞれ両側から挟持されて組み付けられたもの
であり、図２（ａ）に示すように、各第１板ばね（１
２）を構成する３枚の薄板（１３）の中央には、ロッド
（６）を嵌着する嵌着孔（１３ａ）が形成されていると
ともに、その周りには、時計回り方向に渦巻く３つの渦
巻スリット（１６）が周方向に略等間隔に形成され、各
渦巻スリット（１６）の両端は応力集中を緩和するため
に円形孔（１６ａ）が形成されている。

【００２２】このように、各薄板（１３）に渦巻スリッ
ト（１６）を形成することにより、各第１板ばね（１
２）は、そ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、その各第１板ばね（１２）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、
上記圧縮ピストン（４）を水平方向に往復移動可能にか
つ圧縮ピストン（４）の往復移動方向と直交する方向に
移動不能に弾性支持し、これにより、圧縮ピストン
（４）の径方向の横ブレを低減して圧縮ピストン（４）
の低振動化を達成するようにしている。

【００２３】また、上記第１リニアモータ（７）の背面
側には、別の第２リニアモータ（１７）が配置されてい
る。この第２リニアモータ（１７）は、第１リニアモー
タ（７）と同じに構成されているので、同一の構成箇所
には同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。な
お、第１リニアモータ（７）ではボビン（１１）を圧縮
ピストン（４）のロッド（６）に固定したが、この第２
リニアモータ（１７）では別のロッド（１８）に固定し
ている。

【００２４】本発明の特徴の１つとして、上記ロッド
（１８）の両端には、２つの一対の円板状の第２板ばね
（１９）がその中心孔にロッド（１８）を嵌挿させて上
記第２リニアモータ（１７）を両側から挟むように固定
され、各第２板ばね（１９）の外周はケーシング（１）
の内周壁に固定されている。この各第２板ばね（１９）
も、上記各第１板ばね（１２）と同様に３枚の薄板（１
３）を重ね合わせてなり、相隣る薄板（１３）間にスペ
ーサ（１４）が介装され、その中央部及び外周部が２枚
のリング状の押え板（１５）でそれぞれ両側から挟持さ
れて組み付けられたものであり、図２（ｂ）に示すよう
に、各第２板ばね（１９）を構成する３枚の薄板（１
３）には、ロッド（１８）を嵌着する嵌着孔（１３ａ）
が形成されているとともに、その周りには、各第１板ば
ね（１２）に形成された渦巻スリット（１６）に対し逆
向きに反時計回り方向に渦巻く３つの渦巻スリット（２
０）が周方向に略等間隔に形成され、各渦巻スリット
（２０）の両端は応力集中を緩和するために円形孔（２
０ａ）が形成されている。

【００２５】そして、上記第２リニアモータ（１７）
は、第１リニアモータ（７）とは逆位相に駆動し、各第
２板ばね（１９）を各第１板ばね（１２）の動きに対し
逆向きに動かせることにより圧縮ピストン（４）の往復
移動方向の振動を打ち消すようになっている。つまり、
この第２板ばね（１９）はバランサの役割をなすもので
ある。また、この際、第１及び第２板ばね（１２），
（１９）の渦巻スリット（１６），（２０）の渦巻きの
向きが互いに逆向きになっていることにより、各第２板
ばね（１９）には各第１板ばね（１２）の捩れ力に対し
逆向きの捩れ力が発生し、これにより、各第１板ばね
（１２）の捩れ力に起因する振動が打ち消される。した
がって、この各第２板ばね（１９）の渦巻スリット（２
０）により、逆捩れ力発生手段が構成されている。

【００２６】一方、上記膨張機（Ｂ）もシングルタイプ
であり、そのケーシング（２）には、円筒形状のシリン
ダ（２１）が一方の側壁外面に同心円状に固定されて配
置され、このシリンダ（２１）内には、１つの往復移動
体としてのディスプレーサ（２２）が往復移動可能に摺
動配置され、このディスプレーサ（２２）によりシリン
ダ（２１）内を膨張室（２３）と作動室（２４）とに区
画している。このディスプレーサ（２２）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（２３）及
び作動室（２４）にそれぞれ連通されている。そして、
膨張室（２３）で膨張した低温の冷媒ガスが作動室（２
４）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（２４）から膨張室（２３）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。また、上記シリンダ（２１）の先端にはコールド
ヘッド（２５）が設けられている。

【００２７】上記シリンダ（２１）内の作動室（２４）
は、配管（２６）により上記圧縮機（Ａ）の圧縮室
（５）に接続され、圧縮機（Ａ）からの冷媒ガス圧によ
り上記ディスプレーサ（２２）を往復移動させて冷媒ガ
スを膨張室（２３）で膨張させることにより、上記コー
ルドヘッド（２５）に寒冷を発生させるようになされて
いる。

【００２８】なお、上記ディスプレーサ（２２）を作動
させる機構は、上記圧縮機（Ａ）の場合と同じくケーシ
ング（２）内に設置された第１及び第２リニアモータ
（７），（１７）、第１及び第２板ばね（１２），（１
９）等によって構成されているので、同一の構成箇所に
は同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。勿
論、この膨張機（Ｂ）側の各第１板ばね（１２）及び第
２板ばね（１９）を構成する３枚の薄板（１３）にも、
各第１板ばね（１２）に形成された渦巻スリット（１
６）に対し逆向きに反時計回り方向に渦巻く３つの渦巻
スリット（２０）が周方向に略等間隔に形成され、各渦
巻スリット（２０）の両端は応力集中を緩和するために
円形孔（２０ａ）が形成されている。

【００２９】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際
し、圧縮機（Ａ）側の第１及び第２リニアモータ
（７），（１７）の各々の電磁コイル（１０）に所定周
波数の交流電流を互いに逆位相になるように通電する。
この通電に伴い、圧縮ピストン（４）が永久磁石（９）
により発生する磁界作用により第１板ばね（１２）の中
心部を左右方向に弾性変形させながら中立位置から往復
移動し、この圧縮ピストン（４）の往復移動により圧縮
室（５）の容積が増減変化し、圧縮室（５）内に所定周
期の圧力波が生ずる。

【００３０】この際、上記第２板ばね（１９）が第１板
ばね（１２）に対し逆向きに移動し、この第１及び第２
板ばね（１２），（１９）の互いの逆向き動作により、
圧縮ピストン（４）の往復移動方向の振動を打ち消すこ
とができる。

【００３１】さらに、上記第１板ばね（１２）の渦巻ス
リット（１６）と第２板ばね（１９）の渦巻スリット
（２０）の渦巻形状は互いに逆向きに渦巻いていること
から、第１板ばね（１２）の捩れ力に対し逆向きの捩れ
力が第２板ばね（１９）に発生し、第１板ばね（１２）
の捩れ力に起因する振動を打ち消すことができ、これに
より第１板ばね（１２）の挙動に起因するスターリング
冷凍機の振動を低減してその延命化を図ることができ
る。

【００３２】また、第２板ばね（１９）の渦巻スリット
（２０）の渦巻きを第１板ばね（１２）のそれとは逆向
きに形成するだけでよいことから、逆捩れ力発生手段を
簡単に構成することができる。

【００３３】しかも、このスターリング冷凍機は、圧縮
ピストン（４）及びディスプレーサ（２２）がそれぞれ
１つであるシングルタイプであることから、これらが２
つあるダブルタイプのものに比べて装置全体を小型化す
ることができるとともに、安価に製作することができ
る。

【００３４】上述の如く圧縮室（５）内に所定周期の圧
力波が生ずると、加圧された冷媒ガスが配管（２６）を
経て膨張機（Ｂ）の作動室（２４）に供給される。この
膨張機（Ｂ）側でも、第１及び第２リニアモータ
（７），（１７）の各々の電磁コイル（１０）に所定周
波数の交流電流を互いに逆位相になるように通電するも
のであり、第１リニアモータ（７）によってディスプレ
ーサ（２２）が膨張機（Ｂ）側の第１板ばね（１２）の
中心部を左側に変形させながらシリンダ（２１）先端側
に移動する。これにより、上記作動室（２４）のガスが
ディスプレーサ（２２）内を通って蓄冷材により冷却さ
れながら膨張室（２３）に流れ、ディスプレーサ（２
２）は第１板ばね（１２）の復元力によりシリンダ（２
１）基端側に移動して元の位置に戻る。

【００３５】一方、圧縮機（Ａ）の圧縮ピストン（４）
の後退により圧縮室（５）内の圧力が低下すると、膨張
機（Ｂ）の作動室（２４）内の冷媒ガスが配管（２６）
を経て圧縮機（Ａ）の圧縮室（５）に戻り、上記作動室
（２４）内の圧力が膨張室（２３）よりも低下する。第
１リニアモータ（７）によって上記ディスプレーサ（２
２）が今度は膨張機（Ｂ）の第１板ばね（１２）の中心
部を右側に変形させながらシリンダ（２１）基端側に移
動し、膨張室（２３）内の冷媒ガスが断熱膨張して寒冷
が発生する。そして、上記膨張後のガスが膨張室（２
３）からディスプレーサ（２２）内を蓄冷材に冷熱を与
えながら作動室（２４）に流れ、ディスプレーサ（２
２）は第１板ばね（１２）の復元力によりシリンダ（２
１）基端側に移動して元の位置に戻る。

【００３６】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（２１）先端
のコールドヘッド（２５）が徐々に極低温レベルまで冷
却される。

【００３７】この膨張機（Ｂ）側においても、第１及び
第２板ばね（１２），（１９）の互いの逆向き動作によ
り、ディスプレーサ（２２）の往復移動方向の振動を打
ち消すことができるとともに、第１及び第２板ばね（１
２），（１９）の互いに逆に向いた渦巻スリット（１
６），（２０）により、第１板ばね（１２）の捩れ力を
第１板ばね（１２）の逆向きの捩れ力によって打ち消
し、第１板ばね（１２）の挙動に起因するシングルタイ
プのスターリング冷凍機の振動を低減してその延命化を
図ることができ、しかも装置全体を小型にかつ安価なも
のにすることができることに関しては、圧縮機（Ａ）側
と同様である。

【００３８】なお、この実施の形態では、圧縮機（Ａ）
及び膨張機（Ｂ）の双方において、圧縮ピストン（４）
及びディスプレーサ（２２）を第１板ばね（１２）に弾
性支持し、その背面側に上記圧縮ピストン（４）及びデ
ィスプレーサ（２２）の往復移動方向の振動を打ち消す
第２板ばね（１９）を配置し、さらに、第１板ばね（１
２）の捩れ力に起因する振動をその渦巻スリット（１
６）と逆向きに設定された第２板ばね（１９）の渦巻ス
リット（２０）により打ち消すようにしたが、これに限
らず、そのいずれか一方側だけを上述の如き構成にして
もよい。

【００３９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
１つの往復移動体（４，２１）を第１板ばね（１２）に
よって弾性支持するとともに、その背面側に第２板ばね
（１９）を配置し、この第１及び第２板ばね（１２）を
互いに逆向きに動かせることにより、上記往復移動体
（４，２２）の往復移動方向の振動を打ち消し、さら
に、上記第２板ばね（１９）に逆捩れ力発生手段（２
０）を設けて上記第１板ばね（１２）の捩れ力に起因す
る振動を打ち消すようにしたので、板ばねの挙動に起因
するスターリング冷凍機の振動低減による延命化と、装
置の小型化及び製作費の低減化との両立を図ることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態に係るスターリング冷凍機
の概略構成図である。

【図２】（ａ）は第１板ばねの平面図、（ｂ）は第２板
ばねの平面図である。

【符号の説明】

（Ａ） 圧縮機 （Ｂ） 膨張機 （４） 圧縮ピストン（往復移動体） （１２） 第１板ばね （１６） 渦巻スリット （１９） 第２板ばね （２０） 渦巻スリット（逆捩れ力発生手段） （２２） ディスプレーサ（往復移動体）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 冷媒ガスを圧縮する圧縮機（Ａ）と、こ
   の圧縮機（Ａ）から吐出される冷媒ガスを膨張させる膨
   張機（Ｂ）とを備え、 上記圧縮機（Ａ）及び膨張機（Ｂ）の少なくとも一方に
   は、往復移動により冷媒ガスを圧縮又は膨張させる１つ
   の往復移動体（４，２２）が第１板ばね（１２）に弾性
   支持されて配置されたスターリング冷凍機であって、 上記第１板ばね（１２）の背面側には、この第１板ばね
   （１２）の動きに対し逆向きに動くことにより上記往復
   移動体（４，２２）の往復移動方向の振動を打ち消す第
   ２板ばね（１９）が配置され、 この第２板ばね（１９）には、上記第１板ばね（１２）
   の捩れ力に対し逆向きの捩れ力を第２板ばね（１９）に
   発生させて第１板ばね（１２）の捩れ力に起因する振動
   を打ち消す逆捩れ力発生手段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、 逆捩れ力発生手段は、第１板ばね（１２）に形成された
   渦巻スリット（１６）に対し逆向きに形成された渦巻ス
   リット（２０）であることを特徴とするスターリング冷
   凍機。