JP2014129940A - スターリング冷凍機 - Google Patents

Abstract

【課題】作動ガスのリークを抑制したスターリング冷凍機を提供する。
【解決手段】 第１の線膨張係数αを有する材料よりなり内部に寒冷を発生させる冷媒ガスが装填される冷媒ガス空間を有するヨーク２１と、ヨーク２１とは異なる線膨張係数を有する材料よりなりヨーク２１に締結されるアダプタ８０Ａと、ヨーク２１とアダプタ８０Ａとの間をシールするメタルシール５０とを有したスターリング冷凍機であって、ヨーク２１に締結方向（Ｚ１，Ｚ２方向）に延在するよう形成された第１対向面７１Ａ，７２Ａと、アダプタ８０Ａに締結方向（Ｚ１，Ｚ２方向）に延在するよう形成された第２対向面８１Ａ，８２Ａとにより構成され、第１対向面７１Ａ，７２Ａと第２対向面８１Ａ，８２Ａが対向する対向部９１Ａ，９２Ａを、ヨーク２１とアダプタ８０Ａのうち、線膨張係数が大きい部材が内側に位置するよう設ける。
【選択図】図２

Description

本発明は、メタルシールを有するスターリング冷凍機に関する。

一般に、極低温冷凍機の一種として、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知られている。このスターリング冷凍機は、圧縮機と膨張器とを有した構成とされている。

このスターリング冷凍機は、圧縮機と膨張器との間をキャピラリチューブにより接続している。よって、これらの圧縮機とキャピラリチューブとの接続位置、及び膨張器とキャピラリチューブとの接続位置においては作動ガスの漏出を防止するためにシールを行う必要がある。また、圧縮機及び膨張器の他の部位においても、作動ガスの漏出が考えられる部位にはシールを行う必要がある。

一方、小型スターリング冷凍機のような、比較的内容積の小さな冷凍機においては、作動ガスのガス圧が低下すると冷凍性能が大きく低下してしまう。また、共振を利用したスターリング冷凍機の場合は、ピストンスプリングと共に作動ガスがガスバネとして機能するため、作動ガスのリークによりピストン駆動に影響が発生し、これによっても冷凍性能が低下してしまう。このため、シール部材として、リークレートを小さく保てるメタルシールが使用されている（特許文献１参照）。

特開２０００−２６６４２０号公報

ところで、スターリング冷凍機は使用環境温度は−６０℃〜１５０℃と、広い温度範囲において使用される。またメタルシールは、シール部における密着性を保持しようとした場合、ある程度の軟らかさが必要となる。更に、メタルシールの線膨張係数がメタルシールを挟むシール装着部材に比べて大きい場合がある。

このため、スターリング冷凍機が高温環境で使用され、メタルシールに熱衝撃が印加された場合、メタルシールにクリープが発生してしまう。具体的には、メタルシールを挟む部材間の間隙内で、メタルシールが当該部材間の間隙よりも大きく熱膨張することにより変形してしまう。

クリープが発生した後にスターリング冷凍機が低温環境で使用された場合、メタルシールの熱収縮はシール装着部材に比べて大きいため、メタルシールと上記のメタル装着部材との間に隙間が発生し、この部位から作動ガスがリークするおそれがある。

本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、作動ガスのリークを抑制したスターリング冷凍機を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、本発明の一実施形態であるスターリング冷凍機は、
第１の線膨張係数を有し、内部に寒冷を発生させる冷媒ガスが装填される冷媒ガス空間を有する第１部材と、
前記第１部材とは異なる線膨張係数を有し、前記第１部材に締結される第２部材と、
前記第１部材と前記第２部材との間をシールするメタルシールとを有したスターリング冷凍機であって、
前記第１部材に締結方向に延在するよう形成された第１対向面と、前記第２部材に締結方向に延在するよう形成された第２対向面とにより構成され、前記第１対向面と前記第２対向面が対向する対向部を、前記第１部材と前記第２部材のうち、線膨張係数が大きい部材が内側に位置するように設けた構成を有する。

開示のスターリング冷凍機によれば、高温度におけるメタルシールの変形が対向部により規制されるため、リークの発生を抑制することができる。

図１は、本発明の第１実施形態であるスターリング冷凍機の断面図である。 図２は本発明の第１実施形態であるスターリング冷凍機のシール機構を拡大して示す図であり、（Ａ）は低温時の状態を示す断面図、（Ｂ）は高温時の状態を示す断面図である。 図３は本発明の第２実施形態であるスターリング冷凍機のシール機構を拡大して示す図であり、（Ａ）は低温時の状態を示す断面図、（Ｂ）は高温時の状態を示す断面図である。 図４は、本発明の第３実施形態であるスターリング冷凍機のシール機構の低温時の状態を拡大して示す断面図である。 図５は本発明の第３実施形態であるスターリング冷凍機のシール機構の高温時の状態を拡大して示す図であり、（Ａ）はアダプタの線膨張係数がヨークの線膨張係数より大きい場合を示す断面図であり、（Ｂ）はアダプタの線膨張係数がヨークの線膨張係数より小さい場合を示す断面図である。

次に、本発明の実施の形態について図面と共に説明する。

図１は、本発明の第１実施形態であるスターリング冷凍機１０を示している。スターリング冷凍機１０は、圧縮機１１、コールドヘッド（膨張器）１２、キャピラリチューブ１３、及びシール機構４０Ａ等を有している。

圧縮機１１は、ヨーク２１、保圧容器２２、圧縮ピストン２３、及びピストン制御スプリング２４等を有している。ヨーク２１（請求項に記載の第１部材に相当する）は、圧縮ピストン２３のシリンダとして機能するものである。このヨーク２１は、圧縮ピストン２３に対して固定された可動コイル２５が挿入される環状の溝と、この溝の外側に埋め込まれた永久磁石２６とを備えている。

保圧容器２２は、ヨーク２１に固定されている。この保圧容器２２及びヨーク２１は、圧縮ピストン２３が収容されると共に作動ガス（例えば、ヘリウム等）が充填される保圧空間を形成している。また、保圧容器２２には図示しない気密電源端子が設けられており、この気密電源端子を介して可動コイル２５は外部電源（交流電源）と接続される。

更に、機械バネであるピストン制御スプリング２４は、圧縮ピストン２３と保圧容器２２とを連結するように（圧縮ピストン２３を中立点に保てるように）、圧縮ピストン２３と保圧容器２２との間に設けられている。

コールドヘッド１２は、ハウジング部３１、ディスプレーサ３２、ディスプレーサ制御スプリング３３、及び蓋体３５等を有している。ハウジング部３１は、その内部空間がシリンダとして機能する。

ディスプレーサ３２は、その内部に熱交換のための蓄冷材が収納されている。ディスプレーサ制御スプリング３３はハウジング部３１内に設けられており、ディスプレーサ３２を中立点に保つ機能を奏する。また、蓋体３５はハウジング部３１の内部空間の図中左端部を閉塞する。

上記構成とされたスターリング冷凍機１０は、気密電源端子を介して可動コイル２５へ交流電流を供給することによって、圧縮ピストン２３が往復動（図において左右方向の動き）をするように制御される。この圧縮ピストン２３の往復運動により圧縮空間２８で発生した高圧の作動ガスは、キャピラリチューブ１３を介してコールドヘッド１２に供給される。その結果として、コールドヘッド１２の膨張空間３４で作動ガスの膨張により寒冷が発生し、これによりコールドヘッド１２に接続された被冷却体を冷却する。

ところで、前記したようにスターリング冷凍機１のような、比較的内容積の小さな冷凍機においては、作動ガスのガス圧が低下すると冷凍性能が大きく低下してしまう。このため、キャピラリチューブ１３と圧縮機１１（具体的にはヨーク２１）との接続位置、キャピラリチューブ１３とディスプレーサ制御スプリング３３との接続位置（図１に矢印Ａ１で示す破線で囲った位置）、及び蓋体３５がハウジング部３１に装着される装着位置（図１に矢印Ａ２で示す破線で囲った位置）には、作動ガスの漏出を防止するシール機構４０Ａが設けられている。

なお図１においては、図示の便宜上、キャピラリチューブ１３とヨーク２１との接続位置に設けられたシール機構４０Ａのみを図示し、他の位置Ａ１，Ａ２におけるシール機構の図示は省略している。

次に、上記構成とされたスターリング冷凍機１０に設けられたシール機構４０Ａについて説明する。図２は、シール機構４０Ａを拡大して示す断面図である。シール機構４０Ａは、メタルシール５０、締結部７０Ａ、及びアダプタ８０Ａ等を有した構成とされている。

メタルシール５０は、ゴム等を用いた軟質ガスケットに比べて透過現象がなく、耐久性、耐熱性、及びシール性が高い。そのため、リーク量、コンタミネーションの侵入が問題となる極低温を実現する冷凍機のガスケットとして適している。

メタルシールとして例えば、はんだ、インジウムなど様々な金属が用いられるが、本実施形態では、メタルシール５０の材質として、接触面への密着性を保持するためにある程度の柔らかさを有するはんだを用いている。このメタルシール５０は、平面視すると環状形状（ドーナッツ形状）を有している。

締結部７０Ａは、ヨーク２１に形成されている。この締結部７０Ａは、下端が圧縮空間２８に接続されたガス流通路７４の上端部に接続されている。

この締結部７０Ａには、キャピラリチューブ１３が接続される。よって、圧縮空間２８は、ガス流通路７４及びキャピラリチューブ１３を介してコールドヘッド１２に接続される。

また締結部７０Ａは、第１対向面７１Ａ、第１対向面７２Ａ、及びシール装着面７３を有した構成とされている。第１対向面７１Ａはシール装着面７３に対して内側位置に設けられており、また第１対向面７２Ａはシール装着面７３に対して外側位置に設けられている。

なお、以下の説明において、締結部７０Ａの中心軸（図２に矢印Ｘで示す一点鎖線）に近い側を内側といい、中心軸Ｘに対して遠い側を外側というものとする。

第１対向面７１Ａ，７２Ａは、後述するアダプタ８０Ａの締結部７０Ａへの締結方向（図２に矢印Ｚ２で示す）方向に沿って延在するよう構成されている。よって、第１対向面７１Ａ，７２Ａは、中心軸Ｘと同心的な面となり、また断面視した際には平行な面となる。なお、第１対向面７１Ａ，７２Ａは平面視するといずれも円形状を有し、内側に第１対向面７１Ａの円が、外側に第１対向面７２Ａの円が位置する。

シール装着面７３は、第１対向面７１Ａと第１対向面７２Ａとの間に形成されている。このシール装着面７３はメタルシール５０が装着される面であり、アダプタ８０Ａの締結方向（Ｚ２方向）に直行する方向に延在するよう形成されている。よって、第１対向面７１Ａ、シール装着面７３、第１対向面７２Ａ、及びヨーク２１の上面は段差を形成する。

またシール装着面７３は、平面視すると環状形状（ドーナッツ形状）を有している。

アダプタ８０Ａ（請求項に記載の第２部材に相当する）は、キャピラリチューブ１３が接続されている。このアダプタ８０Ａは、図中下側から小径部８７、中径部８８、及び大径部８９が一体的に形成された構成とされている。よって、アダプタ８０Ａは段差を形成し、この段差は締結部７０Ａに形成された段差と対応するよう構成されている。

またアダプタ８０Ａは、第２対向面８１Ａ、第２対向面８２Ａ、及びシール装着面８３を有した構成とされている。第２対向面８１Ａは小径部８７の外周面であり、シール装着面８３に対して内側に位置している。また、第２対向面８２Ａは中径部８８の外周面であり、シール装着面８３に対して外側に位置している。

この第２対向面８１Ａ，８２Ａは、アダプタ８０Ａの締結部７０Ａへの締結方向Ｚ２方向に沿って延在するよう構成されている。よって、第２対向面８１Ａ，８２Ａは、中心軸Ｘと同心的な面となり、また断面視した際には平行な面となる。なお、第２対向面８１Ａ，８２Ａは底面視するといずれも円形状を有し、内側に第２対向面８１Ａの円が位置し、外側に第２対向面８２Ａの円が位置する。

シール装着面８３は、第２対向面８１Ａと第２対向面８２Ａとの間に形成されている。このシール装着面８３はメタルシール５０に圧接される面であり、アダプタ８０Ａの締結方向（Ｚ２方向）に直行する方向に延在するよう形成されている。

なお、シール装着面８３には、メタルシール５０を仮固定するための窪み部８３ａが形成されている。メタルシール５０は、この窪み部８３ａ内にはめ込まれることで、シール装着面７３，８３間における移動がある程度規制された状態で、シール装着面７３，８３間で圧接される。

大径部８９には、ボルト孔８４が形成されている。このボルト孔８４は、Ｚ１，Ｚ２方向に大径部８９を貫通する孔である。また、ヨーク２１のボルト孔８４と対応する位置には、ボルト孔７５が形成されている。

次に、シール機構４０Ａの組み立て手順について説明する。なお、キャピラリチューブ１３は予めアダプタ８０Ａに気密に固定されているものとする。

シール機構４０Ａの組み立てるには、まず締結部７０Ａを構成するシール装着面８３の窪み部８３ａにメタルシール５０を載置する。この時のメタルシール５０は、ドーナッツ形状とされている。

メタルシール５０がシール装着面８３に装着されると、アダプタ８０Ａが締結部７０Ａ内に挿入される。前記のように、締結部７０Ａの段差とアダプタ８０Ａの段差は対応するよう構成されているため、アダプタ８０Ａは締結部７０Ａ内に容易に挿入される。また、アダプタ８０Ａが締結部７０Ａに挿入された状態で、メタルシール５０はシール装着面７３とシール装着面８３との間に挟まれ圧接された状態となる。

アダプタ８０Ａが締結部７０Ａに挿入されると、続いて締結ボルト６０によりアダプタ８０Ａを締結部７０Ａ（ヨーク２１）に締結する。締結ボルト６０の螺着力により、アダプタ８０Ａは締結部７０Ａ（ヨーク２１）に締結される。

アダプタ８０Ａが締結部７０Ａに締結される締結力は、メタルシール５０にも印加される。即ち、アダプタ８０Ａが締結部７０Ａに締結される締結力は、シール装着面７３とシール装着面８３がメタルシール５０を圧接（挟持）する力として作用する。この締結力によりメタルシール５０は変形し、シール装着面７３及びシール装着面８３と密着した状態となる。これにより、シール装着面７３及びシール装着面８３との間は、メタルシール５０により気密にシールされた状態となる。

ここで、アダプタ８０Ａが締結部７０Ａに締結された状態における各対向面７１Ａ，７２Ａ，８１Ａ，８２Ａに注目する。

アダプタ８０Ａが締結部７０Ａに締結された状態では、第１対向面７１Ａと第２対向面８１Ａが対向することにより対向部９１Ａを形成し、また第１対向面７２Ａと第２対向面８２Ａが対向することにより対向部９２Ａを形成している。

また、対向部９１Ａでは、第１対向面７１Ａが外側に位置し、第２対向面８１Ａが内側に位置した構成となっている。更に、対向部９２Ａにおいても、第１対向面７２Ａが外側に位置し、第２対向面８２Ａが内側に位置した構成となっている。

本実施形態では、対向部９１Ａはメタルシール５０の装着位置の内側端部から下方（Ｚ２方向）に延出するよう設けられており、また対向部９２Ａはメタルシール５０の装着位置の外側端部から上方（Ｚ１方向）に延出するよう設けられている。即ち、本実施形態では、メタルシール５０の両側に対向部９１Ａ，９２Ａが設けられた構成とされている。

続いて、上記構成とされたシール機構４０Ａの動作について説明する。

いま、アダプタ８０Ａの線膨張係数をαとし、ヨーク２１の線膨張係数をβとする。また本実施形態では、アダプタ８０Ａの線膨張係数αが、ヨーク２１の線膨張係数βよりも大きいものとする（α＞β）。従って、各対向部９１Ａ，９２Ａにおいて、ヨーク３１は外側に位置し、アダプタ８０Ａは内側に位置した構成となっている。

また、前記のようにメタルシール５０の線膨張係数は締結ボルト６０の線膨張係数よりも大きく、更にアダプタ８０Ａの線膨張係数α及びヨーク２１の線膨張係数βよりも大きいものとする。

図２（Ａ）は、スターリング冷凍機１０が低温環境下（例えば、室温環境）に置かれた時のシール機構４０Ａを示している。

この状態では、同図に示されるように対向部９１Ａを構成する第１対向面７１Ａと第２対向面８１Ａとの間、及び対向部９２Ａを構成する第１対向面７２Ａと第２対向面８２Ａとの間にはΔＸの間隙が形成されている。

しかしながら、はんだよりなるメタルシール５０は室温においては熱により大きく変形することはないため、メタルシール５０は各対向部９１Ａ，９２Ａに形成される間隙に進行しにくい。

これに対し、図２（Ｂ）は、スターリング冷凍機１０が高温環境下（例えば、６０℃）に置かれた時のシール機構４０Ａを示している。

スターリング冷凍機１０が置かれる環境温度が上昇することにより、スターリング冷凍機１０を構成する各要素は熱膨張を行う。シール機構４０Ａを構成する締結部７０Ａ（ヨーク２１）においては、中心軸Ｘを中心として外側に向けて膨張する。この締結部７０Ａ（ヨーク２１）の膨張を、図２（Ｂ）に矢印Ｆ_βで示している。

また、シール機構４０Ａを構成するアダプタ８０Ａにおいても、中心軸Ｘを中心として外側に向けて膨張する。図２（Ｂ）において、このアダプタ８０Ａの膨張を矢印Ｆ_αで示している。

前記したように本実施形態では、アダプタ８０Ａの線膨張係数αは、ヨーク２１の線膨張係数βよりも大きい（α＞β）。このためアダプタ８０Ａの膨張Ｆ_αは、締結部７０Ａ（ヨーク２１）の膨張Ｆ_βよりも大きくなる（Ｆ_α＞Ｆ_β）。

また、対向部９１Ａでは第１対向面７１Ａと第２対向面８１Ａが対向し、対向部９２Ａでは第１対向面７２Ａと第２対向面８２Ａが対向している。この各対向面７１Ａ，７２Ａ，８１Ａ，８２Ａも、環境温度の上昇によるヨーク２１及びアダプタ８０Ａの膨張に伴い外側に移動する。

この際、アダプタ８０Ａの膨張Ｆ_αが締結部７０Ａ（ヨーク２１）の膨張Ｆ_βよりも大きいため、第２対向面８１Ａ，８２Ａの外側への移動量は、第１対向面７１Ａ，７２Ａの外側への移動量に比べて大きくなる。このため、高温環境下においては、各対向部９１Ａ，９２Ａにおいて、第１対向面７１Ａ，７２Ａと第２対向面８１Ａ，８２Ａは当接した状態となる（ΔＸ＝０となる）。

一方、スターリング冷凍機１０が高温環境下に置かれることにより、メタルシール５０に温度上昇による熱衝撃が印加される。メタルシール５０の線膨張係数は締結ボルト６０の線膨張係数よりも大きいため、対向するシール装着面７３，８３間でメタルシール５０は広がろうとする。

しかしながら、メタルシール５０の配設位置の内側に位置する対向部９１Ａでは第１対向面７１Ａと第２対向面８１Ａが当接しており、また外側に位置する対向部９２Ａにおいても第１対向面７２Ａと第２対向面８２Ａが当接した状態となっている。この各対向部９１Ａ，９２Ａは、メタルシール５０が広がろうとする動作の抵抗となる。

このように本実施形態では、メタルシール５０が広がろうとする動作を規制する抵抗として機能する対向部９１Ａ，９２Ａが設けられた構成となっている。よって本実施形態によれば、スターリング冷凍機１０が高温環境下に置かれた場合であっても、メタルシール５０に発生する熱変形（クリープ）を低減することができる。これにより、シール装着面７３、８３間のメタルシールの厚みを確保でき、シールに必要な締結ボルト６０の軸力を維持することができる。その結果、シール機構４０Ａにおけるシール性を維持することができ、メタルシール５０の配設位置において作動ガスのリークを低減することができる。

なお、上記した実施形態では、メタルシール５０の配設位置の両側に対向部９１Ａ，９２Ａを設ける構成としたが、対向部をメタルシール５０の配設位置の内側又は外側のいずれか一方にのみに設ける構成としても、一定のシール性の向上を図ることが可能である。

次に、本発明の第２実施形態について説明する。

図３は、本発明の第２実施形態であるスターリング冷凍機のシール機構４０Ｂを拡大して示している。なお、本実施形態に係るスターリング冷凍機は、シール機構４０Ｂの構成を除き図１に示した第１実施形態に係るスターリング冷凍機１０と同一構成である。

このため、図３にシール機構４０Ｂのみを図示し、スターリング冷凍機の全体構成の図示及び説明は省略する。また、図３において、図１及び図２に示した構成と対応する構成については、同一符号を付してその説明は省略する。

図３は、アダプタ８０Ｂがヨーク２１に形成された締結部７０Ｂに締結された状態を示している。本実施形態においても、締結部７０Ｂは第１対向面７１Ｂ，７２Ｂ及びシール装着面７３を有しており、アダプタ８０Ｂは第２対向面８１Ｂ，８２Ｂ及びシール装着面８３を有している。

またアダプタ８０Ｂが締結部７０Ｂに締結された状態で、第１対向面７１Ｂと第２対向面８１Ｂが対向することにより対向部９１Ｂを形成し、また第１対向面７２Ｂと第２対向面８２Ｂが対向することにより対向部９２Ｂを形成している。

また本実施形態では、対向部９１Ｂ，９２Ｂにおいてヨーク２１は内側に位置し、アダプタ８０Ｂは外側に位置した構成となっている。従って、対向部９１Ｂにおいて、第１対向面７１Ｂが内側に位置し、第２対向面８１Ｂが外側に位置した構成となっている。更に、対向部９２Ｂにおいても、第１対向面７２Ｂが内側に位置し、第２対向面８２Ｂが外側に位置した構成となっている。このように、本実施形態では、第１対向面７１Ｂ，７２Ｂと第２対向面８１Ｂ，８２Ｂの対向する側が第１実施形態と逆になっている。

上記構成とされた対向部９１Ｂはメタルシール５０の装着位置の内側端部から上方（Ｚ１方向）に延出するよう設けられており、また対向部９２Ｂはメタルシール５０の装着位置の外側端部から下方（Ｚ２方向）に延出するよう設けられている。よって本実施形態においても、メタルシール５０の両側に対向部９１Ｂ，９２Ｂが設けられた構成とされている。

続いて、上記構成とされたシール機構４０Ｂの動作について説明する。

本実施形態においてもアダプタ８０Ｂの線膨張係数をαとし、ヨーク２１の線膨張係数をβとする。また本実施形態では、アダプタ８０Ｂの線膨張係数αが、ヨーク２１の線膨張係数βよりも小さいものとする（α＜β）。なお、メタルシール５０の線膨張係数が締結ボルト６０の線膨張係数よりも大きく、かつアダプタ８０Ｂの線膨張係数α及びヨーク２１の線膨張係数βよりも大きいことは、第１実施形態と同様である。

図３（Ａ）は、スターリング冷凍機が低温環境下（例えば、室温環境）に置かれた時のシール機構４０Ｂを示している。

この状態では、同図に示されるように対向部９１Ｂを構成する第１対向面７１Ｂと第２対向面８１Ｂとの間、及び対向部９２Ｂを構成する第１対向面７２Ｂと第２対向面８２Ｂとの間にはΔＸの間隙が形成されている。

しかしながら、メタルシール５０は室温においては熱により大きく変形することはないため、メタルシール５０が各対向部９１Ｂ，９２Ｂに形成される間隙に進行しにくいことは、前述した通りである。

これに対し、図３（Ｂ）は、スターリング冷凍機が高温環境下（例えば、６０℃）に置かれた時のシール機構４０Ｂを示している。

スターリング冷凍機１０が置かれる環境温度が上昇することにより、シール機構４０Ｂを構成する締結部７０Ｂ（ヨーク２１）は中心軸Ｘを中心として外側に向けて膨張する（図３（Ｂ）にこの膨張を矢印Ｆ_βで示す）と共に、アダプタ８０Ｂも中心軸Ｘを中心として外側に向けて膨張する（図３（Ｂ）にこの膨張を矢印Ｆ_αで示す）。

本実施形態では、第１実施形態と異なり、アダプタ８０Ｂの線膨張係数αをヨーク２１の線膨張係数βよりも小さく設定している（α＜β）。このため締結部７０Ｂ（ヨーク２１）の膨張Ｆ_βは、アダプタ８０Ｂの膨張Ｆ_αよりも大きくなる（Ｆ_α＜Ｆ_β）。

また本実施形態においても、対向部９１Ｂでは第１対向面７１Ｂと第２対向面８１Ｂが対向し、対向部９２Ｂでは第１対向面７２Ｂと第２対向面８２Ｂが対向している。この各対向面７１Ｂ，７２Ｂ，８１Ｂ，８２Ｂは、環境温度の上昇によるヨーク２１及びアダプタ８０Ｂの膨張に伴い外側に移動する。

この際、締結部７０Ｂ（ヨーク２１）の膨張Ｆ_βがアダプタ８０Ｂの膨張Ｆ_αよりも大きいため、第１対向面７１Ｂ，７２Ｂの外側への移動量は、第２対向面８１Ｂ，８２Ｂの外側への移動量に比べて大きくなる。このため本実施形態においても、スターリング冷凍機を高温環境下に置くことにより、対向部９１Ｂにおいて第１対向面７１Ｂと第２対向面８１Ｂが当接し、対向部９２Ｂにおいて第１対向面７２Ｂと第２対向面８２Ｂが当接した状態となる（ΔＸ＝０となる）。

このように本実施形態においても、メタルシール５０が広がろうとする動作の抵抗となる対向部９１Ｂ，９２Ｂが設けられた構成となっているため、スターリング冷凍機１０が高温環境下に置かれた場合であっても、メタルシール５０に発生する熱変形（クリープ）を低減することができる。これにより、シール装着面７３、８３間のメタルシールの厚みを確保でき、シールに必要な締結ボルト６０の軸力を維持することができる。その結果、シール機構４０Ｂにおけるシール性を維持することができ、メタルシール５０の配設位置において作動ガスがリークすることを防止することができる。

なお、上記した実施形態でも、メタルシール５０の配設位置の両側に対向部９１Ｂ，９２Ｂを設ける構成としたが、対向部をメタルシール５０の配設位置の内側又は外側のいずれか一方にのみに設ける構成としても、一定のシール性の向上を図ることが可能である。

次に、本発明の第３実施形態について説明する。

図４は、本発明の第３実施形態であるスターリング冷凍機のシール機構４０Ｃの左側半分を拡大して示している。

なお、本実施形態に係るスターリング冷凍機も、シール機構４０Ｃの構成を除き図１に示した第１実施形態に係るスターリング冷凍機１０と同一構成である。このため、図４にシール機構４０Ｃのみを図示し、スターリング冷凍機の全体構成の図示及び説明は省略する。また、図４及び後述の説明に使用する図５において、図１乃至図３に示した構成と対応する構成については、同一符号を付してその説明は省略する。

本実施形態のアダプタ８０Ｃは、メタルシール５０の配設位置を挟んで配設されると共に、下方（図４に矢印Ｚ２で示す方向）に突出する一対の凸部８５Ａ，８５Ｂが設けられている。第１凸部８５Ａはメタルシール５０の配設位置に対して外側に設けられており、第２凸部８５Ｂはメタルシール５０の配設位置に対して内側に設けられている。

また本実施形態の締結部７０Ｃは、メタルシール５０の配設位置を挟んで配設されると共に、下方（矢印Ｚ２方向）に突出した一対の凹部８６Ａ，８６Ｂが設けられている。第１凹部８６Ａはメタルシール５０の配設位置に対して外側に設けられており、第２凹部８６Ｂはメタルシール５０の配設位置に対して内側に設けられている。

図４は、アダプタ８０Ｃがヨーク２１に形成された締結部７０Ｃに締結された状態を示している。この締結状態において、第１凸部８５Ａは第１凹部８６Ａ内に、また第２凸部８５Ｂは第２凹部８６Ｂ内に挿入されるよう構成されている。

ここで、アダプタ８０Ｃの凸部８５Ａ，８５Ｂが形成する面、及び締結部７０Ｃの凹部８６Ａ，８６Ｂが形成する面に注目する。

第１凸部８５Ａは、外側に第１外側対向面１０１Ａを形成すると共に内側に第１内側対向面１０２Ａを形成している。また、第２凸部８５Ｂは、外側に第１外側対向面１０１Ｂを形成すると共に内側に第１内側対向面１０２Ｂを形成している。

また、第１凹部８６Ａは外側に第２外側対向面１１１Ａを形成すると共に内側に第２内側対向面１１２Ａを形成している。更に、第２凹部８６Ｂは外側に第２外側対向面１１１Ｂを形成すると共に内側に第２内側対向面１１２Ｂを形成している。

上記の第１外側対向面１０１Ａ，１０１Ｂ、第１内側対向面１０２Ａ，１０２Ｂ、第２外側対向面１１１Ａ，１１１Ｂ、第２内側対向面１１２Ａ，１１２Ｂは、いずれもアダプタ８０Ｃの締結部７０Ｃへの締結方向Ｚ２方向に沿って延在するよう構成されている。よって、各面１０１Ａ，１０１Ｂ，１０２Ａ，１０２Ｂ，１１１Ａ，１１１Ｂ，１１２Ａ，１１２Ｂは、中心軸Ｘと同心的な面となり、また断面視で平行な面となる。

またアダプタ８０Ｃが締結部７０Ｃに締結された状態で、第１外側対向面１０１Ａと第２外側対向面１１１Ａは対向して第１対向部１２１Ａを形成し、第１内側対向面１０２Ａと第２内側対向面１１２Ａは対向して第２対向部１２２Ａを形成する。同様に、第１外側対向面１０１Ｂと第２外側対向面１１１Ｂは対向して第１対向部１２１Ｂを形成し、第１内側対向面１０２Ｂと第２内側対向面１１２Ｂは対向して第２対向部１２２Ｂを形成する。

また、第１対向部１２１Ａ及び第２対向部１２２Ａは、メタルシール５０の装着位置に対して外側に位置している。更に、第１対向部１２１Ａは、第２対向部１２２Ａに対して外側に位置した構成とされている。

また、第１対向部１２１Ｂと第２対向部１２２Ｂは、メタルシール５０の装着位置に対して内側に位置している。更に、第２対向部１２２Ｂは、第１対向部１２１Ｂに対して内側に位置した構成とされている。

よって本実施形態においても、対向部１２１Ａ，１２２Ａと対向部１２１Ｂ，１２２Ｂが、メタルシール５０の配設位置の両側に設けられた構成とされている。

続いて、上記構成とされたシール機構４０Ｃの動作について説明する。

なお、本実施形態においてもアダプタ８０Ｃの線膨張係数がαであり、ヨーク２１の線膨張係数がβであるとして以下の説明を行う。

まず、アダプタ８０Ｃの線膨張係数αが、ヨーク２１の線膨張係数βよりも大きい場合（α＞β）について説明する。また、メタルシール５０の線膨張係数は締結ボルト６０、アダプタ８０Ｃ、ヨーク２１の各線膨張係数よりも大きいものとする。

図４は、スターリング冷凍機が低温環境下（例えば、室温環境）に置かれた場合のシール機構４０Ｃを示している。

この状態では、同図に示されるように第１対向部１２１Ａを構成する第１外側対向面１０１Ａと第２外側対向面１１１Ａとの間に間隙ΔＸ１が形成され、第２対向部１２２Ａを構成する第１内側対向面１０２Ａと第２内側対向面１１２Ａとの間には間隙ΔＸ２が形成され、第１対向部１２１Ｂを構成する第１外側対向面１０１Ｂと第２外側対向面１１１Ｂとの間には間隙ΔＸ３が形成され、更に第２対向部１２２Ｂを構成する第１内側対向面１０２Ｂと第２内側対向面１１２Ｂとの間には間隙ΔＸ４が形成されている。

しかしながら、メタルシール５０は室温においては熱により大きく変形することはないため、各対向部１２１Ａ，１２１Ｂ，１２２Ａ，１２２Ｂに形成される各間隙ΔＸ１〜ΔＸ４内にメタルシール５０が進行しにくい。

これに対し、図５（Ａ）は、スターリング冷凍機が高温環境下（例えば、６０℃）に置かれた時のシール機構４０Ｃを示している。

環境温度が上昇することにより、シール機構４０Ｃを構成する締結部７０Ｃ（ヨーク２１）は中心軸Ｘを中心として外側に向けて膨張し（図５（Ａ）にこの膨張を矢印Ｆ_βで示す）、またアダプタ８０Ｃも中心軸Ｘを中心として外側に向けて膨張する（図５（Ａ）に矢印Ｆ_αで示す）。

図５（Ａ）に示す実施形態では、アダプタ８０Ｃの線膨張係数αが締結部７０Ｃ（ヨーク２１）の線膨張係数βよりも大きい（α＞β）ため、アダプタ８０Ｃの膨張Ｆ_αは締結部７０Ｃ（ヨーク２１）の膨張Ｆ_βよりも大きくなる（Ｆ_α＞Ｆ_β）。

ここで、第１対向部１２１Ａ及び第１対向部１２１Ｂに注目する。

第１対向部１２１Ａでは第１外側対向面１０１Ａと第２外側対向面１１１Ａが対向し、第１対向部１２１Ｂでは第１外側対向面１０１Ｂと第２外側対向面１１１Ｂが対向している。この各対向面１０１Ａ，１１１Ａ，１０１Ｂ，１１１Ｂも、環境温度の上昇によるヨーク２１及びアダプタ８０Ｃの膨張に伴い外側に移動する。

この際、アダプタ８０Ｃの膨張Ｆ_αが締結部７０Ｃ（ヨーク２１）の膨張Ｆ_βよりも大きいため、第１外側対向面１０１Ａ，１０１Ｂの外側への移動量は、第２外側対向面１１１Ａ，１１１Ｂの外側への移動量に比べて大きくなる。このため、高温環境下においては、第１対向部１２１Ａ，１２１Ｂにおいて、第１外側対向面１０１Ａと第２外側対向面１１１Ａ、及び第１外側対向面１０１Ｂと第２外側対向面１１１Ｂは当接した状態となる（ΔＸ１＝ΔＸ３＝０となる）。

このように本実施形態では、メタルシール５０が広がろうとする動作を規制する抵抗として機能する対向部１２１Ａ，１２１Ｂが設けられた構成となっている。よって本実施形態によれば、スターリング冷凍機１０が高温環境下に置かれた場合であっても、メタルシール５０に熱変形（クリープ）の発生を低減することができる。

即ち、メタルシール５０の配設位置の外側に位置する第１対向部１２１Ａでは第１外側対向面１０１Ａと第２外側対向面１１１Ａが当接し、また内側に位置する第１対向部１２１Ｂにおいても第１外側対向面１０１Ｂと第２外側対向面１１１Ｂが当接する。つまり、これらの第１対向部１２１Ａ、第１対向部１２１Ｂがメタルシール５０の広がろうとする動作を規制する抵抗として機能している。

よって本実施形態によれば、スターリング冷凍機１０が高温環境下に置かれた場合であっても、メタルシール５０に発生する熱変形（クリープ）を低減することができる。これにより、シール装着面７３、８３間のメタルシールの厚みを確保でき、シールに必要な締結ボルト６０の軸力を維持することができる。よって、シール機構４０Ｃにおけるシール性を維持することができ、メタルシール５０の配設位置において作動ガスのリークを低減することができる。

なお、第１内側対向面１０２Ａと第２内側対向面１１２Ａとが対向する第２対向部１２２Ａには、間隙ΔＸ２が存在したままの状態となるが、この間隙ΔＸ２は一方が第１対向部１２１Ａにより閉塞された微細な空間である。よって、この間隙ΔＸ２が問題になるようなことはない。

次に、ヨーク２１の線膨張係数βが、アダプタ８０Ｃの線膨張係数αよりも大きい場合（α＜β）について説明する。

なお、ヨーク２１の線膨張係数βがアダプタ８０Ｃの線膨張係数αよりも大きい場合であっても、スターリング冷凍機が低温環境下（例えば、室温環境）に置かれた時の状態は、図４に示した状態と同じであるため、その説明は省略する。

図５（Ｂ）は、ヨーク２１の線膨張係数βがアダプタ８０Ｃの線膨張係数αよりも大きく設定されたシール機構４０Ｃが高温環境下（例えば、６０℃）に置かれた状態を示している。

環境温度が上昇することにより、シール機構４０Ｃを構成する締結部７０Ｃ（ヨーク２１）は中心軸Ｘを中心として外側に向けて膨張し（図５（Ｂ）にこの膨張を矢印Ｆ_βで示す）、またアダプタ８０Ｃも中心軸Ｘを中心として外側に向けて膨張する（図５（Ｂ）に矢印Ｆ_αで示す）。

図５（Ｂ）に示す実施形態では、締結部７０Ｃ（ヨーク２１）の線膨張係数βがアダプタ８０Ｃの線膨張係数αよりも大きい（α＜β）ため、締結部７０Ｃ（ヨーク２１）の膨張Ｆ_βはアダプタ８０Ｃの膨張Ｆ_αよりも大きくなる（Ｆ_α＜Ｆ_β）。

ここで、第２対向部１２２Ａ及び第２対向部１２２Ｂに注目する。

第２対向部１２２Ａでは第１内側対向面１０２Ａと第２内側対向面１１２Ａが対向し、第２対向部１２２Ｂでは第１内側対向面１０２Ｂと第２内側対向面１１２Ｂが対向している。この各対向面１０２Ａ，１１２Ａ，１０２Ｂ，１１２Ｂも、環境温度の上昇によるヨーク２１及びアダプタ８０Ｃの膨張に伴い外側に移動する。

本実施形態では、締結部７０Ｃ（ヨーク２１）の膨張Ｆ_βがアダプタ８０Ｃの膨張Ｆ_αよりも大きいため、第２内側対向面１１２Ａ，１１２Ｂの外側への移動量は、第１内側対向面１０２Ａ，１０２Ｂの外側への移動量に比べて大きくなる。このため、高温環境下においては、第２対向部１２２Ａ，１２２Ｂにおいて、第１内側対向面１０２Ａと第２内側対向面１１２Ａ及び第１内側対向面１０２Ｂと第２内側対向面１１２Ｂは当接した状態となる（ΔＸ２＝ΔＸ４＝０となる）。

このように、メタルシール５０の配設位置の外側に位置する第２対向部１２２Ａでは第１内側対向面１０２Ａと第２内側対向面１１２Ａが当接し、また内側に位置する第２対向部１２２Ｂにおいても第１内側対向面１０２Ｂと第２内側対向面１１２Ｂが当接することにより、メタルシール５０が広がろうとする動作の抵抗はその両側部において大きくなっている。

よって、スターリング冷凍機１０が高温環境下に置かれた場合であっても、メタルシール５０に発生する熱変形（クリープ）を低減することができる。これにより、シール装着面７３、８３間のメタルシールの厚みを確保でき、シールに必要な締結ボルト６０の軸力を維持することができる。その結果、シール機構４０Ｃにおけるシール性を維持することができ、メタルシール５０の配設位置において作動ガスのリークを低減することができる。

なお、図５（Ｂ）に示す例においても、第１外側対向面１０１Ｂと第２外側対向面１１１Ｂが対向する第１対向部１２１Ｂには、間隙ΔＸ３が存在したままの状態となるが、この間隙ΔＸ３は一方が第２対向部１２２Ａにより閉塞された微細な空間である。よって、この間隙ΔＸ２が問題になるようなことはない。

また、上記した実施形態では、α＞βの時にはメタルシール５０の配設位置の両側に第１対向部１２１Ａ，１２１Ｂが形成されるよう構成し、α＜βの時にはメタルシール５０の配設位置の両側に第２対向部１２２Ａ，１２２Ｂが形成されるよう構成したが、対向部をメタルシール５０の配設位置の内側又は外側のいずれか一方にのみに設ける構成としても、一定のシール性の向上を図ることが可能である。

また、図４及び図５に示した例では、アダプタ８０Ｃに凸部８５Ａ，８５Ｂを形成すると共にヨーク２１に凹部８６Ａ，８６Ｂを形成した構成とした。しかしながら、アダプタに凹部を形成すると共にヨークに凸部を形成する構成としてもよい。

以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は上記した特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能なものである。

１０ スターリング冷凍機
１１ 圧縮機
１２ コールドヘッド
１３ キャピラリチューブ
２１ ヨーク
２２ 保圧容器
２３ 圧縮ピストン
２４ ピストン制御スプリング
２５ 可動コイル
２６ 永久磁石
２８ 圧縮空間
３１ ハウジング部
３２ ディスプレーサ
３３ ディスプレーサ制御スプリング
３４ 膨張空間
４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃ シール機構
５０ メタルシール
６０ 締結ボルト
７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃ 締結部
７１Ａ，７１Ｂ，７２Ａ，７２Ｂ 第１対向面
７３ シール装着面
８０Ａ，８０Ｂ，８０Ｃ アダプタ
８１Ａ，８１Ｂ，８２Ａ，８２Ｂ 第２対向面
８３ シール装着面
８５Ａ，８５Ｂ 凸部
８６Ａ，８６Ｂ 凹部
９１Ａ，９１Ｂ，９１Ｃ，９２Ａ，９２Ｂ，９２Ｃ 対向部
１０１Ａ，１０１Ｂ 第１外側対向面
１０２Ａ，１０２Ｂ 第１内側対向面
１１１Ａ，１１１Ｂ 第２外側対向面
１１２Ａ，１１２Ｂ 第２内側対向面
１２１Ａ，１２１Ｂ 第１対向部
１２２Ａ，１２２Ｂ 第２対向部

Claims (8)

1. 第１の線膨張係数を有し、内部に寒冷を発生させる冷媒ガスが装填される冷媒ガス空間を有する第１部材と、
   前記第１部材とは異なる線膨張係数を有し、前記第１部材に締結される第２部材と、
   前記第１部材と前記第２部材との間をシールするメタルシールとを有したスターリング冷凍機であって、
   前記第１部材に締結方向に延在するよう形成された第１対向面と、前記第２部材に締結方向に延在するよう形成された第２対向面とにより構成され、前記第１対向面と前記第２対向面が対向する対向部を、前記第１部材と前記第２部材のうち、線膨張係数が大きい部材が内側に位置するように設けたことを特徴とするスターリング冷凍機。
2. 前記第１部材は圧縮ピストンのシリンダとして機能するヨークであり、
   前記第２部材はキャピラリチューブが接続するアダプタであり、
   前記第１部材の線膨張係数に対して前記第２部材の線膨張係数を大きく設定し、
   前記対向部において、前記第１対向面が前記第２対向面に対し外側に位置するよう構成したことを特徴とする請求項１記載のスターリング冷凍機。
3. 前記対向部を前記メタルシールの配設位置の両側に設けたことを特徴とする請求項２記載のスターリング冷凍機。
4. 前記第１部材は圧縮ピストンのシリンダとして機能するヨークであり、
   前記第２部材はキャピラリチューブが接続するアダプタであり、
   前記第２部材の線膨張係数に対して前記第１部材の線膨張係数を大きく設定し、
   前記対向部において、前記第１対向面が前記第２対向面に対し内側に位置するよう構成したことを特徴とする請求項１記載のスターリング冷凍機。
5. 前記対向部を前記メタルシールの配設位置の両側に設けたことを特徴とする請求項４記載のスターリング冷凍機。
6. 前記第１部材又は前記第２部材のいずれか一方に締結方向に延在する第１外側対向面と第１内側対向面を有する凸部を形成し、
   前記第１部材又は前記第２部材のいずれか他方に締結方向に延在する第２外側対向面と第２内側対向面を有し、前記凸部が挿入される凹部を形成し、
   前記凸部が前記凹部に挿入された際、前記第１外側対向面と前記第２内側対向面とが対向する第１対向部と、前記第１内側対向面と前記第２外側対向面とが対向する第２対向部とが形成される構成とたことを特徴とする請求項１記載のスターリング冷凍機。
7. 前記凸部と前記凹部を前記メタルシールの配設位置の両側に設けたことを特徴とする請求項６記載のスターリング冷凍機。
8. 前記第１部材と前記第２部材を締結する締結部材を有し、
   前記メタルシールの線膨張係数は、前記締結部材の線膨張係数よりも大きいことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載のスターリング冷凍機。

Images