JPH09264623A - フリーディスプレーサ型スターリング冷凍機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 フリーディスプレーサが膨張シリンダ内の往
復するときに、フリーディスプレーサの片側のみが膨張
ピストンと摩擦摺動してフリーディスプレーサが片減り
することを防止すること。 【解決手段】 膨張シリンダ６と、膨張シリンダ６内部
に配されたフリーディスプレーサ５と、膨張シリンダ６
の底部とフリーディスプレーサ５の一端とで区画形成さ
れる膨張空間と、フリーディスプレーサ５の内部に配置
された蓄冷材７と、フリーディスプレーサ５の内部空間
とフリーディスプレーサ５の両端とを連通する第１連通
孔５ａ及び第２連通孔５ｂと、フリーディスプレーサ５
の内部空間と第２連通孔５ｂを介して連通する作動空間
１３と、作動空間１３と連通する圧縮空間２と、フリー
ディスプレーサ５の円筒軸を中心としてフリーディスプ
レーサ５を回転させる回転手段１０とを備えたフリーデ
ィスプレーサ型スターリング冷凍機としたこと。

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
機に関するものであり、特に、膨張シリンダ内部にフリ
ーディスプレーサを備えたフリーディスプレーサ型スタ
ーリング冷凍機に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来のフリーディスプレーサ型スターリ
ング冷凍機には、特開平２−２３００６２号公報に示さ
れたものがある。このものについて、図３を用いて説明
する。

【０００３】図において、圧縮機３１は、密閉状のハウ
ジング３２と、該ハウジング３２内に嵌装固定された圧
縮シリンダ３３と、圧縮シリンダ３３内に往復動自在に
摺動し、シリンダ３３内の空間に圧縮室３４を区画形成
する圧縮ピストン３５と、圧縮ピストン３５を往復駆動
させるリニアモータ３６とを備える。また、膨張機４１
は、円筒状空洞部４２が開口されたハウジング４３を有
する。このハウジング４３の空洞部４２開口には円筒状
の膨張シリンダ４４が空洞部４２と同心状に基端部にて
気密状に嵌合固定され、膨張シリンダ４４の先端は閉塞
されてコールドヘッド４５とされている。この膨張シリ
ンダ４４内にはフリーディスプレーサ４６が往復動自在
に嵌装され、ディスプレーサ４６により膨張シリンダ４
４及びハウジング４３内の空洞部４２が膨張シリンダ４
４の先端側の膨張室４７とハウジング４３側の作動室４
８とに区画形成されている。また、ディスプレーサ４６
は、内部に蓄冷材４９を充填したものからなり、その内
部の空間を作動室４８及び膨張室４７にそれぞれ連通さ
せる連通孔４６ａ、４６ｂが開口されている。また、上
記作動室４８内には、ディスプレーサー４６を往復動可
能に弾性支持するコイルスプリング４９が配設される。
さらに、作動室４８は連絡配管５０を介して圧縮室３４
に接続されている。

【０００４】上記構成のフリーディスプレーサ型スター
リング冷凍機において、リニアモータ３６の駆動により
圧縮機３１内の圧縮ピストン３５が往復して圧縮室３４
内の冷媒ガス圧を変動させ、この圧縮室３４内の冷媒ガ
ス圧の変動により膨張機４１内のディスプレーサー４６
を往復駆動させて冷媒ガスを膨張室４７で膨張させるこ
とにより、膨張シリンダ４４先端のコールドヘッド４５
に寒冷を発生させるようになっている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来のフリーディスプ
レーサー型スターリング冷凍機は、上記の如く構成され
ている。ところで、フリーディスプレーサーと膨張シリ
ンダの内壁とは僅かな隙間が存在し、この隙間を一定に
保ったままフリーディスプレーサーが無摺動状態で往復
する。このとき、この隙間が一定幅以下であると、隙間
を通る冷媒ガスが受ける管路抵抗がフリーディスプレー
サー内の蓄冷材を通過する冷媒ガスが受ける管路抵抗よ
りも極めて大きくなるため、隙間から冷媒ガスが漏れる
ことはない。この場合において、例えばフリーディスプ
レーサー内部の蓄冷材の重量が不均一であって、円筒状
のフリーディスプレーサーの重心が円筒軸心からはずれ
た場合、フリーディスプレーサーが片側に傾いて往復す
ることになる。このようになると、フリーディスプレー
サーの片側と膨張シリンダ内壁とが摩擦摺動しながら往
復する。この状態で運転を続けると、フリーディスプレ
ーサーの片減りが生じ膨張シリンダとの隙間の幅が不均
一となる。このため隙間の幅が広い部分から冷媒ガスが
漏れることになり、これが冷凍性能を低下させる要因と
なる。

【０００６】故に、本発明は、上記実情に鑑みてなされ
たものであり、フリーディスプレーサー型スターリング
冷凍機において、フリーディスプレーサーの片減りを防
止することを技術的課題とするものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記技術的課題を解決す
るために、本発明の請求項１において講じた技術的手段
は、内壁が円筒状に形成された膨張シリンダと、前記膨
張シリンダの内部に往復動可能に配された円筒状のフリ
ーディスプレーサと、前記膨張シリンダの底部と前記フ
リーディスプレーサの一端とで区画形成される膨張空間
と、前記フリーディスプレーサの内部空間に配置された
蓄冷材と、前記フリーディスプレーサの内部空間と前記
フリーディスプレーサの一端とを連通する第１連通孔
と、前記フリーディスプレーサの内部空間と前記フリー
ディスプレーサの他端とを連通する第２連通孔と、前記
フリーディスプレーサの内部空間と前記第２連通孔を介
して連通する作動空間と、前記作動空間と連通する圧縮
空間と、前記フリーディスプレーサの円筒軸を中心とし
て前記フリーディスプレーサを回転させる回転手段と、
を備えたフリーディスプレーサ型スターリング冷凍機と
したことである。

【０００８】上記技術的手段における作用は、以下のよ
うである。即ち、圧縮空間からの冷媒ガスの圧力を受け
て、フリーディスプレーサが膨張シリンダ内で往復す
る。このときフリーディスプレーサが傾いて、片側が膨
張シリンダの内壁に接触した場合、そこで往復動に伴う
摩擦が発生する。しかしながら、フリーディスプレーサ
を回転させる回転手段により、フリーディスプレーサが
回転するため、膨張シリンダと摩擦摺動する部分が逐次
変化するため、フリーディスプレーサの局部的な摩耗を
防止するものである。

【０００９】

【発明の実施の形態】

（第１実施形態例）以下、本発明の実施の形態を、図面
に基づいて説明する。

【００１０】図１は、本発明の実施形態例における、フ
リーディスプレーサー型スターリング冷凍機の断面概略
図である。図において、圧縮ピストン１は、圧縮シリン
ダ３内に収納されている。また圧縮ピストン１は、その
図示右側でピストンロッド１２の一端と連結しており、
ピストンロッド１２の他端は図示せぬ駆動手段に連結し
ている。このため、図示せぬ駆動手段の駆動により、圧
縮ピストン１が圧縮シリンダ３内を往復するように構成
されている。圧縮シリンダ３の底部と圧縮ピストン１で
囲まれた空間で圧縮空間２が区画形成され、圧縮空間２
は連結管１１で作動空間１３と連通している。

【００１１】一方、フリーディスプレーサー５は、膨張
シリンダ６内に収納されている。フリーディスプレーサ
５は、内部に蓄冷材メッシュ７が積層されており、両端
部に連通孔５ａ、５ｂが形成されている。連通孔５ａ
は、膨張シリンダ５の底部に形成される膨張空間４に連
通している。連通孔５ｂは、作動空間１３に連通してい
る。

【００１２】膨張シリンダ６の図示上端部はコールドヘ
ッド１８とされ、また図示下端部にはフランジ部６ａが
形成される。フランジ部６ａの図示下部には円柱状の放
熱フィン１５が連設され、さらに放熱フィン１５の図示
下部には下部フランジ１６が連結固定されている。下部
フランジ１６は、中央に凸部１７ａが形成された基台１
７上に固定される。

【００１３】フリーディスプレーサ５の図示下端には、
スプリング保持部材９が連結されている。スプリング保
持部材９はその中央部に冷媒ガス導入孔９ａが形成され
ており、冷媒ガス導入孔９ａの一端は連通孔５ｂに、他
端は作動空間１３に通じる。さらに、スプリング保持部
材９と基台１７の凸部１７ａとの間にはスプリング８が
介装されている。さらに、スプリング保持部材９の外周
にはラジアルベアリング１０が配されている。ラジアル
ベアリング１０は、その内輪がスプリング保持部材９に
連結固定されており、その外輪がフリーディスプレーサ
５の端部に連結固定されている。このため、フリーディ
スプレーサ５はその円筒軸心を中心として回転可能であ
る。

【００１４】上記のように構成されたフリーディスプレ
ーサ型スターリング冷凍機において、以下にその動作に
ついて説明する。

【００１５】図示せぬ駆動手段により圧縮ピストン１が
前進して図示左方向に移動すると、圧縮空間２内の冷媒
ガスは圧縮される。このため冷媒ガスは、連結管１１を
経て作動空間１３内に侵入し、作動空間１３内を高圧状
態とする。すると、作動空間１３と膨張空間４との間で
差圧力が生じ、フリーディスプレーサ５は図示上方に移
動する。また、作動空間１３内の冷媒ガスは、冷媒ガス
導入孔９ａ、連通孔５ｂを経てフリーディスプレーサ５
内の蓄冷材メッシュ７が充填された空間に侵入し、ここ
で熱を奪われて冷却され、さらに連通孔５ａより膨張空
間４に達する。膨張空間４内に冷媒ガスが侵入し続ける
と、やがて膨張空間４と作動空間１３との圧力差がなく
なる。このためフリーディスプレーサ５はスプリング８
の収縮力により図示下方に移動する。次に、圧縮ピスト
ン１が後退して図示右方向に移動すると、圧縮空間２内
の冷媒ガスは膨張する。このため作動空間１３内の冷媒
ガスは、連結管１１を経て圧縮空間２内に侵入する。こ
のため、作動空間１３内の圧力が膨張空間４内の圧力よ
りも低くなり、この差圧力によって、フリーディスプレ
ーサ５が図示下方に移動する。このため、膨張空間４内
の冷媒ガスが膨張して冷凍を発生する。次に、膨張空間
４内の冷媒ガスが連通孔５ａからフリーディスプレーサ
５内の蓄冷材メッシュ７が充填された空間に侵入し、こ
こで熱をもらって加熱され、されに連通孔５ｂより作動
空間１３に侵入する。冷媒ガスが膨張空間４から作動空
間１３に侵入し続けると、やがて膨張空間４と作動空間
１３との圧力差がなくなる。このため、スプリング８の
伸長力によりフリーディスプレーサ５が図示上方に移動
して元の位置に戻る。以上により１サイクルが終了し、
以後、上記と同様のサイクルを繰り返すことで、コール
ドヘッド１８において極低温を発生する。

【００１６】上記構成のフリーディスプレーサ型スター
リング冷凍機において、通常の状態では、フリーディス
プレーサ５は膨張シリンダ６とは無摺動状態で往復して
いる。このときフリーディスプレーサ５が傾いて、片側
が膨張シリンダ６の内壁に接触した場合、そこで往復動
に伴う摩擦力が発生する。この摩擦力は、フリーディス
プレーサー５の図示下端部に連結しているラジアルベア
リング１０にも伝達される。このためラジアルベアリン
グ１０が摩擦力を受けて作用し、フリーディースプレー
サ５を回転させる。すると、膨張シリンダ６の内壁とフ
リーディスプレーサ５との接触部分が変化する。このよ
うにして、膨張シリンダ６とフリーディスプレーサ５が
接触するたびに、ラジアルベアリング１０が作用してフ
リーディスプレーサ５を回転させるため、フリーディス
プレーサ５が局部的に膨張シリンダ６と摩擦摺動するこ
とはない。このため、フリーディスプレーサーの片減り
を防止することができる。

【００１７】上記第１実施形態例は、フリーディスプレ
ーサを回転させる回転手段としてラジアルベアリングを
使用したが、その他、種々のものが考えられる。以下、
その他の種々の態様について説明する。

【００１８】（第２実施形態例）図２は、本発明の第２
実施形態例を示す図であり、フリーディスプレーサを回
転させる回転手段として、スラストベアリングを使用し
た例である。図２おいて、スラストベアリング１９は、
その外輪１９ａをフリーディスプレーサ５に、内輪１９
ｂを連結部材２０に連結固定する。また、連結部材２０
は、スプリング保持部材９にも連結固定されている。こ
のため、スプリング保持部材９に対してフリーディスプ
レーサ５が回転可能となるものである。

【００１９】（第３実施形態例）図３は、本発明の第３
実施形態例を示す図であり、フリーディスプレーサを回
転させる回転手段として、スプリング保持部材９に玉継
手部９ｂを設け、この玉継手部９ｂでフリーディスプレ
ーサ５と連結固定した例である。このようにすると、フ
リーディスプレーサ５は玉継手９ｂにより自在に回転可
能となる。

【００２０】（第４実施形態例）図４は、本発明の第４
実施形態例を示す図である。図において、フリーディス
プレーサ５は、その図示下端部に円筒状の延在部５ｃが
設けられ、延在部５ｃはさらにフランジ部５ｄと連結し
ている。延在部５ｃには、その外周とわずかなクリアラ
ンスを保ってスプリング保持部材９が遊嵌される。この
ため、フリーディスプレーサ５は、スプリング保持部材
９に対して回転可能となる。

【００２１】（第５実施形態例）図５は、本発明の第５
実施形態例を示す図である。図において、フリーディス
プレーサ５の図示下端部には、凸状のスプリング保持部
５ｅが形成され、このスプリング保持部５ｅにスプリン
グ８の一端を直接連結する構成をとっている。一方、ス
プリング８の他端はリング状のスプリング保持部材９に
連結されている。リング状のスプリング保持部材９の内
周部には、基台１７の凸部１７ａが、スプリング保持部
材９の内周とわずかなクリアランスを保って遊嵌する。
このため、フリーディスプレーサ５、スプリング８、リ
ング状のスプリング保持部材９は、基台１７に対して回
転可能となる。

【００２２】以上、本発明の構成について、第１実施形
態例〜第５実施形態例を例にとって説明したが、本発明
は、上記実施形態例に限定される必要はない。例えば、
本実施形態例では、フリーディスプレーサが膨張シリン
ダと接触したときの摩擦力を回転力とする例について説
明したが、モータ等の回転駆動手段等を取りつけて、積
極的にフリーディスプレーサを回転させる手段としても
よく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて適用可能
である。

【００２３】

【発明の効果】請求項１の発明は、以下の如く効果を有
する。

【００２４】回転手段によりフリーディスプレーサーが
回転可能なため、フリーディスプレーサーが膨張シリン
ダの内壁に接触しても、局所的な摩擦を防止する。この
ため、フリーディスプレーサーの片減りが防止でき、冷
凍性能の低下を防止でき、冷凍機の寿命を向上させる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態例における、フリーディ
スプレーサ型スターリング冷凍機の全体概略断面図であ
る。

【図２】本発明の第２実施形態例における、フリーディ
スプレーサを回転させる回転手段を示す図である。

【図３】本発明の第３実施形態例における、回転手段を
示す図である。

【図４】本発明の第４実施形態例における、回転手段を
示す図である。

【図５】本発明の第５実施形態例における、回転手段を
示す図である。

【図６】従来技術における、フリーディスプレーサ型ス
ターリング冷凍機の全体概略断面図である。

【符号の説明】

１ 圧縮ピストン ２ 圧縮空間 ３ 圧縮シリンダ ４ 膨張空間 ５ フリーディスプレーサ、 ５ａ 第１連通孔、 ５
ｂ 第２連通孔 ５ｃ 延在部 ６ 膨張シリンダ ７ 蓄冷材メッシュ ８ スプリング ９ スプリング保持部材（回転手段）、 ９ｂ 玉継手
部（回転手段） １０ ラジアルベアリング（回転手段） １３ 作動空間 １７ 基台、 １７ａ 凸部（回転手段） １８ コールドヘッド １９ スラストベアリング（回転手段）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 内壁が円筒状に形成された膨張シリンダ
   と、 前記膨張シリンダの内部に往復動可能に配された円筒状
   のフリーディスプレーサと、 前記膨張シリンダの底部と前記フリーディスプレーサの
   一端とで区画形成される膨張空間と、 前記フリーディスプレーサの内部空間に配置された蓄冷
   材と、 前記フリーディスプレーサの内部空間と前記フリーディ
   スプレーサの一端とを連通する第１連通孔と、 前記フリーディスプレーサの内部空間と前記フリーディ
   スプレーサの他端とを連通する第２連通孔と、 前記フリーディスプレーサの内部空間と前記第２連通孔
   を介して連通する作動空間と、 前記作動空間と連通する圧縮空間と、 前記フリーディスプレーサの円筒軸を中心として前記フ
   リーディスプレーサを回転させる回転手段と、 を備えたフリーディスプレーサ型スターリング冷凍機。