JPH0547759U - 冷凍機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 スターリング冷凍機のピストンにおいて、ピ
ストンとシリンダとの間の非接触シールを実現すること
により、摺動摩耗のない長寿命の冷凍機を得る。 【構成】 スターリング冷凍機において、ピストン２と
中心部を固定し、かつ第２のケース２６と外周部分を固
定したピストン支持用リーフスプリング２３をピストン
２の軸受として設ける。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

この考案は、スターリング冷凍機のような赤外線素子の冷却や空気の液化等に 用いられるガス冷凍機に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】

図３は従来のスターリング冷凍機の概略構成を示す断面図である。図において １はシリンダであり、第２のケース２６に固定されており、このシリンダ１の内 部でピストン２が往復運動を行う。３は低温シリンダであり、第１のケース２５ に固定されており、作動ガスの圧力変動によって往復運動するディスプレーサ４ を内包するとともに、その下部は連結管５により上記シリンダ１と通じている。 上記ディスプレーサ４内には例えば銅の金網などの蓄熱器６が充填されている。 上記ディスプレーサ４の上部の作動表面４ｂは膨張空間７との境界をなしており 、この膨張空間７は上記ディスプレーサ４の下部の作動表面４ａと上記連結管５ の間の第１の圧縮空間８、上記ピストン２の上部の作動表面２ａと上記連結管５ の間の第２の圧縮空間９、上記連結管５内の空間、及び上記蓄熱器６とともに作 動空間を構成している。上記蓄熱器６は第１の中心孔１０を経てその下側の作動 ガスに通じるとともに、また、第２の中心孔１１を経て上側の作動ガスに通じる ことができる。上記ピストン２と上記シリンダ１の壁の間には第１の隙間シール １２が配置され、上記ピストン２の下側に存在するバッファ空間１５と上記作動 空間との間の作動ガスの出入りを防止している。また、上記ディスプレーサ４と 上記低温シリンダ３の間には第２の隙間シール１４を備え、上記膨張空間７と上 記第１の圧縮空間８の間の作動ガスの流れが上記蓄熱器６内を流れるよう強制し ている。上記ピストン２はその下側の上記バッファア空間１５中にアルミニウム 等の非磁性及び非磁化材料からなる軽量のボビン１６を備える。ボビン１６には 導電体を巻き付けてコイル１７を形成する。上記バッファ空間１５中には上側と 下側に磁極を持つ永久磁石１８とヨーク１９が設けられ、上記永久磁石１８と上 記ヨーク１９とは一体となって閉磁気回路を構成し、すなわち閉磁力線回路を構 成する。

【０００３】 以上述べた上記ボビン１６、上記コイル１７、上記永久磁石１８、上記ヨーク １９は全体としてピストン駆動用のリニアモータ２０を構成している。また、上 記ピストン２及び上記ディスプレーサ４はそれぞれピストン用コイルスプリング ２１、ディスプレーサ用コイルスプリング２２によって、上記シリンダ１及び上 記低温シリンダ３内に往復運動可能に連結され、上記ピストン２及び上記ディス 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。

【０００４】 次に、前記の従来のスターリング冷凍機の動作について説明する。コイル１７ に交番電流を流すことにより永久磁石１８の作る半径方向の磁場との相互作用に よりコイル１７には軸方向に周期的なローレンツ力が働き、その結果、ピストン ２、ボビン１６及びコイル１７により構成される組立体とピストン用コイルスプ リング２１からなる系は共振状態となり、上記組立体は軸方向に振動する。ピス トン２の振動は、膨張空間７、第１の圧縮空間８、第２の圧縮空間９、連結管５ 、蓄熱器６、第１の中心孔１０、第２の中心孔１１からな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６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周期的振動力を生じせしめ る。このようにして蓄熱器６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低温シリンダ３内を軸方向に往復運動することになる。 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７に冷熱を発生する。上記逆スターリングサ イクルと冷熱発生の原理については、文献「Ｃｒｙｏｃｏｏｌｅｒｓ」（Ｇ．Ｗ ａｌｋｅｒ，Ｐｌｅｎｕｍ Ｐｒｅｓｓ，Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ，１９８３，ｐｐ． １２３〜１７７）に詳細に説明されている。

【０００５】 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 の圧縮空間９内のガスは連結管５を経て流れる間に冷却されて、第１の圧縮空間 ８、第１の中心孔１０、蓄熱器６に流れ込む。蓄熱器６で半サイクル前に蓄えら れた冷熱により予冷され、作動ガスは、さらに第２の中心孔１１を通って膨張空 間７に入る。そして、大部分の作動ガスが膨張空間７内に入ると膨張が始まり、 膨張空間７内に冷熱を発生する。作動ガスは次に逆の順序で蓄熱器６に冷熱を放 出しつつ流路を戻り第２の圧縮空間９に入る。この時、外部から熱を奪い外部を 冷却する。しかして、大部分の作動ガスが第２の圧縮空間９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冷熱が発生す る。

【０００６】

【考案が解決しようとする課題】

図３で説明した従来の冷凍機は、ピストン用コイルスプリング２１がコイルス プリング一般に発生する径方向の力を生じることによりピストン用コイルスプリ ング２１に結合されたピストン２をシリンダ１に押し付けるので、第１の隙間シ ール１２はピストン２と接触摺動する。この結果、ピストン２の往復運動による シール摩耗を生じて隙間が増大し、バッファ空間１５と第２の圧縮空間９とのシ ール性能が低下し、冷凍機の冷却性能が低下するという問題点があった。

【０００７】 また、ディスプレーサ用コイルスプリング２２がコイルスプリング一般に発生 する径方向の力を生じることによりディスプレーサ用コイルスプリング２２に結 合されたディスプレーサ４を低温シリンダ３に押し付けるので、第２の隙間シー ル１４はディスプレーサ４と接触摺動する。この結果、ディスプレーサ４の往復 運動によるシール摩耗を生じて隙間が増大し、膨張空間７と第１の圧縮空間９と のシール性能が低下し、冷凍機の冷却性能が低下するという問題点があった。

【０００８】 この考案は上記のような問題点を解決するためになされたもので、ピストンを ピストン支持用リーフスプリングにより支持することによってピストン用コイル スプリングよる径方向の力によるピストンの変位を解消し、ピストンとシリンダ のシール部分を非接触としてシールの摩耗をなくし、かつピストン用コイルスプ リングによる共振状態を維持した、冷却性能の低下しない冷凍機を得ることを目 的とする。

【０００９】 また、ディスプレーサをディスプレーサ支持用リーフスプリングにより支持す ることによってディスプレーサ用コイルスプリングによる径方向の力によるディ スプレーサの変位を解消し、ディスプレーサと低温シリンダのシール部分を非接 触としてシールの摩耗をなくし、かつディスプレーサ用コイルスプリングによる 共振状態を維持した、冷却性能の低下しない冷凍機を得ることを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】

この考案に係る冷凍機は、ピストンの往復運動を支持するためのピストン支持 用リーフスプリングをピストンの軸受として設けて、ピストン用コイルスプリン グと併用したものである。

【００１１】 また、ディスプレーサの往復運動を支持するためのディスプレーサ支持用リー フスプリングをディスプレーサの軸受として設けて、ディスプレーサ用コイルス プリングと併用したものである。

【００１２】

【作用】

この考案における冷凍機は、ピストン用コイルスプリングに接続されたピスト ンに、ピストンの往復運動を支持するためのピストン支持用リーフスプリングを 設けたことにより、ピストン用コイルスプリングにより発生した径方向の力によ るピストンの径方向の変位を、ピストン支持用リーフスプリングが径方向に対し て高剛性である性質を利用して解消してピストンとシリンダの非接触状態を実現 し、シールの摩耗劣化をなくして長寿命となる。

【００１３】 また、ディスプレーサ用コイルスプリングに接続されるディスプレーサに、デ ィスプレーサの往復運動を支持するためのディスプレーサ支持用リーフスプリン グを設けたことにより、ディスプレーサ用コイルスプリングにより発生した径方 向の力によるディスプレーサの径方向の変位を、ディスプレーサ支持用リーフス プリングが径方向に対して高剛性である性質を利用して解消してディスプレーサ と低温シリンダの非接触状態を実現し、シールの摩耗劣化をなくして長寿命とな る。

【００１４】

【実施例】

実施例１． 以下、この考案の一実施例を図によって説明する。図１ａはこの考案の冷凍機 を示す断面図、図１ｂはピストン支持用リーフスプリングを示す図である。図１ において、１〜２２は上記従来装置と同一のものであり、ここでは省略する。２ ３はピストン支持用リーフスプリングであって薄い板状の金属の外周と中心の間 に複数の溝Ｈを切ることにより、板に垂直な方向に正確に上下運動可能とされ、 かつ、板の面にそった方向には高い剛性を有する板ばねの一種であるリーフスプ リングとして一般に知られているスプリングにより構成される。上記ピストン支 持用リーフスプリング２３は、その中央部分で２のピストンに固定されることに よりピストン２の軸受として作用する。

【００１５】 以下、本実施例の動作について説明する。本実施例では、ピストン支持用リー フスプリング２３の外周部分を第２のケース２６に固定して、ピストン支持用リ ーフスプリング２３の内周部分に固定されたピストン２を支持する。このためリ ーフスプリングの持つ面方向の高剛性によって、ピストン用コイルスプリング２ １により発生する、ピストン２をシリンダ１に押し付ける方向の力によるピスト ン２の変位を解消し、往復運動中のピストン２とシリンダ１との接触摺動が防止 されて冷凍機の長寿命化が可能となる。

【００１６】 なお、本実施例に示した冷凍機の動作原理は上記従来例と全く同様であり、こ こでは省略する。

【００１７】 実施例２． 上記実施例１では、ピストン支持用リーフスプリング２３によりピストン２を 支持する構造を示したが、図２に示すように図１ｂと同様の構成であるディスプ レーサ支持用リーフスプリング２４を第１のケース２５に設けることも可能であ る。ディスプレーサ支持用リーフスプリング２４を、その中心部でディスプレー サ４と、外周部で第１のケース２５と固定してディスプレーサ４の軸受とする。 この結果、ディスプレーサ用コイルスプリング２２により発生する、ディスプレ ーサ４を低温シリンダ３に押し付ける方向の力によるディスプレーサ４の変位を 、ディスプレーサ支持用リーフスプリング２４により解消しディスプレーサと低 温シリンダ３との接触摺動を防止することが可能となり、実施例１と同様に冷凍 機の長寿命化が可能となる。

【００１８】

【考案の効果】

以上のように、この考案における冷凍機は、ピストン支持用リーフスプリング を軸受としてピストン用コイルスプリングと併用したことにより、ピストンとシ リンダ間の摺動部分の非接触状態が実現可能になり、シールの摩耗劣化のない、 長寿命の冷凍機が得られる効果がある

【００１９】 また、ディスプレーサ支持用リーフスプリングを軸受としてディスプレーサ用 コイルスプリングと併用したことにより、ディスプレーサと低温シリンダとの摺 動部分の非接触状態が実現可能になり、シールの摩耗劣化のない、長寿命の冷凍 機が得られる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】この考案の実施例１を示す冷凍機の断面図とピ
ストン支持用リーフスプリングを示す図である。

【図２】この考案の実施例２を示す断面図である。

【図３】従来の冷凍機を示す断面図である。

【符号の説明】

１ シリンダ ２ ピストン ３ 低温シリンダ ４ ディスプレーサ ５ 連結管 ６ 蓄熱器 ７ 膨張空間 ８ 第１の圧縮空間 ９ 第２の圧縮空間 １０ 第１の中心孔 １１ 第２の中心孔 １２ 第１の隙間シール １４ 第２の隙間シール １５ バッファ空間 １６ ボビン １７ コイル １８ 永久磁石 １９ ヨーク ２０ リニアモータ ２１ ピストン用コイルスプリング ２２ ディスプレーサ用コイルスプリング ２３ ピストン支持用リーフスプリング ２４ ディスプレーサ支持用リーフスプリング ２５ 第１のケース ２６ 第２のケース

Claims (2)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 筒状の内周面を有する低温シリンダ、前
   記低温シリンダに固定され内部に作動ガスを封入した第
   １のケースとから構成され、内部に作動ガスを封入した
   コールドフィンガと、前記コールドフィンガ内に収納さ
   れディスプレーサ用コイルスプリングにより前記低温シ
   リンダ内を往復運動可能に前記第１のケースに連結され
   たディスプレーサと、前記ディスプレーサ内に収納され
   た蓄熱器と、内部に作動ガスを封入した第２のケース
   と、前記第２のケース内部に固定されたシリンダと、前
   記シリンダ内に収納されピストン用コイルスプリングに
   より前記シリンダ内を往復運動可能に前記第２のケース
   に連結されたピストンと、前記シリンダに固定されたヨ
   ーク、前記ヨークに固定された永久磁石、前記ピストン
   に固定されたボビン、前記ボビンに固定されたコイルと
   から構成され前記ピストンを往復運動させるリニアモー
   タ、及び前記コールドフィンガと前記シリンダとを接続
   する連結管とを具備した冷凍機において、前記第２のケ
   ースに固定され、前記ピストンを往復運動の軸上に支持
   して、前記ピストンと前記シリンダとを非接触状態とす
   るピストン支持用リーフスプリングを設けたことを特徴
   とする冷凍機。
2. 【請求項２】 筒状の内周面を有する低温シリンダ、前
   記低温シリンダに固定され内部に作動ガスを封入した第
   １のケースとから構成され内部に作動ガスを封入したコ
   ールドフィンガと、前記コールドフィンガ内に収納され
   ディスプレーサ用コイルスプリングにより前記低温シリ
   ンダ内を往復運動可能に前記第１のケースに連結された
   ディスプレーサと、前記ディスプレーサ内に収納された
   蓄熱器と、内部に作動ガスを封入した第２のケースと、
   前記第２のケース内部に固定されたシリンダと、前記シ
   リンダ内に収納されピストン用コイルスプリングにより
   前記シリンダ内を往復運動可能に前記第２のケースに連
   結されたピストンと、前記シリンダに固定されたヨー
   ク、前記ヨークに固定された永久磁石、前記ピストンに
   固定されたボビン、前記ボビンに固定されたコイルとか
   ら構成され前記ピストンを往復運動させるリニアモータ
   及び前記コールドフィンガと前記シリンダとを接続する
   連結管とを具備した冷凍機において、前記第１のケース
   に固定され、前記ディスプレーサを往復運動の軸上に支
   持して、前記ディスプレーサと前記低温シリンダとを非
   接触状態とするディスプレーサ支持用リーフスプリング
   を設けたことを特徴とする冷凍機。