JP3393071B2 - ガス圧縮機及びコールドヘッド - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ガス圧縮機及びコ
ールドヘッドに関し、特に冷却機への使用に適したガス
圧縮機、及びそのガス圧縮機に接続されるコールドヘッ
ドに関する。

【０００２】

【従来の技術】図３はスターリング冷却機の基本構成を
示す。スターリング冷却機は、ガス圧縮機１０１、コー
ルドヘッド１０２、これらを連結する流通ダクト１０３
を有する。ガス圧縮機１０１は、シリンダ１０６とシリ
ンダ内で往復運動するピストン１０７を含み、シリンダ
１０６とピストン１０７との間に圧縮室１０８を画定す
る。

【０００３】コールドヘッド１０２は、シリンダ１０９
と、その中に往復運動可能に配置されたディスプレーサ
１１１を含む。ディスプレーサ１１１は、シリンダ１０
９の軸方向に移動可能にばね等で弾性的に支持されてい
る。シリンダ１０９の一端とディスプレーサ１１１との
間に膨張空間１１６が画定され、シリンダ１０９の他端
とディスプレーサ１１１との間に、流通ダクト１０３に
連通する圧縮空間１１７が画定されている。

【０００４】ディスプレーサ１１１の内部に、圧縮空間
１１７と膨張空間１１６とを連通させるガス流路１１２
が設けられている。ガス流路１１２内に蓄冷材が充填さ
れており、ガス流路１１２内を流れる冷媒ガスがこの蓄
冷材と熱交換を行う。ピストン１０７とディスプレーサ
１１１とが位相をずらして往復運動し、逆スターリング
サイクルを実行する。

【０００５】逆スターリングサイクルは、冷媒ガスの等
温圧縮、等容移送、等温膨張、等容移送の４工程から成
り立っている。以下、逆スターリングサイクルについて
簡単に説明する。

【０００６】最初、ディスプレーサ１１１は、ばねによ
って中立位置にあるとする。ピストン１０７が図中右側
に移動すると、冷媒ガスが圧縮室１０８で等温圧縮しつ
つ、流通ダクト１０３を通ってコールドヘッド１０２の
圧縮空間１１７に流入する。この時、蓄冷材が充填され
たガス流路１１２の流体抵抗力によりディスプレーサ１
１１が膨張空間１１６側に移動する。つまり膨張空間１
１６の空間容積が減少するとともに全系統の動作圧力が
最大に達する。この状態に至るまでの工程が等温圧縮で
ある。

【０００７】ピストン１０７が右端に達した状態では、
ガスの流動がないため、圧縮室１０８と膨張空間１１６
との間の圧力がバランスする。流体抵抗力が働かないた
め、ディスプレーサ１１１がばねの復元力によって元の
中立位置に戻る。この時、圧縮されたガスが圧縮室１０
８に移行する。この工程が等容移送である。

【０００８】ピストン１０７の移動方向が反転し、左側
方向に移動すると、ディスプレーサ１１１に作用する流
体抵抗力によって、ディスプレーサ１１１もほぼ同時に
左側方向に移動する。この時、膨張空間１１６の空間容
積が増大し、冷媒ガスの膨張が起きる。この工程が等温
膨張である。等温で膨張するためには、外部から熱を吸
収する必要があるため、寒冷が発生する。

【０００９】ピストン１０７が左端の最大点に達した時
点では、流体抵抗力が働かないので、ディスプレーサ１
１１がばねによって中立位置に戻る。膨張空間１１６の
ガスは等容移送となる。つまり、膨張空間１１６の冷却
されたガスは、ガス流路１１２を通って圧縮空間１１７
へ戻る。なお、実際の冷却機の各工程は、ここで述べた
ような完全な等温状態で動作することはない。

【００１０】このようなスターリング冷却機において
は、膨張空間１１６が寒冷源となるので、被冷却物が膨
張空間１１６に熱的に結合されて配置される。例えば、
赤外線撮像装置がコールドヘッド１０２の右端に配置さ
れる。

【００１１】図４は従来のガス圧縮機の断面図を示す。
ピストン１０７ａ、１０７ｂが対向して配置され、軸１
３１ａ、１３１ｂによって駆動される。軸１３１ａ、１
３１ｂには、可動コイル１２４ａ、１２４ｂが結合さ
れ、永久磁石１２１ａ、１２１ｂおよびヨーク１２２
ａ、１２２ｂが形成する磁気回路のギャップに挿入され
ている。

【００１２】軸１３１ａ、１３１ｂは、円盤状の薄い弾
性金属製ダイヤフラムで形成された板ばね１３２ａ、１
３３ａおよび１３２ｂ、１３３ｂによって外側ケースに
支持されている。これらの板ばね１３２、１３３は、軸
１３１ａ、１３１ｂの運動軸方向変位を弾性的に許容す
る。可動コイル１２４ａ、１２４ｂに供給する電流は、
リード線１２５ａ、１２５ｂを介して供給される。

【００１３】このような円盤状の板ばね１３２、１３３
を利用することにより、ピストン１０７を運動軸上に精
度高く支持し、運動軸と直交方向の変位を禁止すること
が可能となる。このため、ピストンとシリンダとの間に
狭い間隙を与え、ガスリーク量を極力減少させるクリア
ランスシール方式が採用できる。クリアランスシール方
式を採用することにより、ピストン及びディスプレーサ
の磨耗を防止することができる。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】円盤状の板ばねでピス
トンを支持し、ピストンのストロークを大きくするため
には、板ばねの径を大きくする必要がある。このため、
ガス圧縮機のサイズが大きくなってしまう。ガス圧縮機
のサイズを大きくすることなくピストンのストロークを
大きくすることは困難である。

【００１５】本発明の目的は、サイズを大きくすること
なくピストンのストロークを大きくすることが可能なガ
ス圧縮機を提供することである。

【００１６】本発明の他の目的は、サイズを大きくする
ことなくディスプレーサのストロークを大きくすること
が可能なコールドヘッドを提供することである。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明の一観点による
と、柱面状の内周面を有するシリンダと、前記シリンダ
内に配置され、前記シリンダの内周面に整合する外周面
を有するピストンと、前記ピストンに固定され、該ピス
トンよりも細いピストンロッドと、前記ピストンの外周
面が前記シリンダの内周面と微小間隙を隔てて対峙し、
かつ該ピストンが前記シリンダの軸方向に移動可能なよ
うに、前記ピストンロッドを支持する軸受けと、前記ピ
ストン及び前記ピストンロッドを、その軸方向に往復運
動させる往復駆動手段とを有するガス圧縮機が提供され
る。

【００１８】本発明の他の観点によると、柱面状の内周
面を有し、一端が閉塞されたシリンダと、前記シリンダ
の他端に取り付けられ、該シリンダと共に閉じた空間を
画定する外枠と、前記シリンダ内に配置され、前記シリ
ンダの内周面に整合する外周面を有するディスプレーサ
であって、前記シリンダの一端と該ディスプレーサとの
間に膨張空間を画定し、前記外枠と該ディスプレーサと
の間に圧縮空間を画定し、該ディスプレーサ内に前記膨
張空間と圧縮空間とを連通させるガス流路が設けられた
前記ディスプレーサと、前記ガス流路内に配置され、該
ガス流路内を流れるガスと熱交換を行う蓄冷材と、前記
ディスプレーサに固定されて前記シリンダの外部まで導
出され、該ディスプレーサよりも小径のシャフトと、前
記ディスプレーサの外周面が前記シリンダの内周面と微
小間隙を隔てて対峙し、かつ該ディスプレーサが前記シ
リンダの軸方向に移動可能なように、前記シャフトを支
持する軸受けと、前記圧縮空間へ連通し、冷媒ガスの導
入と排出を行う冷媒ガス供給路とを有するコールドヘッ
ドが提供される。

【００１９】ピストン及びディスプレーサが軸受けで支
持されているため、板ばねで支持されている場合に比べ
て、大きなストロークを確保することができる。また、
ピストンとシリンダ間、及びディスプレーサとシリンダ
間が微小間隙でシールされているため、磨耗による性能
劣化を防止することができる。

【００２０】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の実施例によるス
ターリング冷却機の断面図を示す。実施例によるスター
リング冷却機は、ガス圧縮機１、コールドヘッド５０、
及び両者を接続するキャピラリチューブ４５を含んで構
成される。

【００２１】ガス圧縮機１は、隔壁２を挟んで面対称な
構造を有する。隔壁２の両側にシリンダ３が配置されて
いる。シリンダ３は、柱面状の内周面を有し、その中心
軸が隔壁２に垂直になるように配置されている。シリン
ダ３の内部空洞内にピストン４が配置されている。ピス
トン４は、シリンダ３の内周面に整合する外周面を有す
る。ピストン４、シリンダ３、及び隔壁２により、圧縮
室５が画定される。圧縮室５は、隔壁２内に形成された
ガス流路６を介してキャピラリチューブ４５に連通して
いる。

【００２２】ピストン４の、圧縮室５とは反対側の端部
にピストンロッド８が連結されている。ピストンロッド
８は、シリンダ３の中心軸の延長線に沿って延在してい
る。ピストンロッド８は、軸受け１０及び１１により、
その軸方向に移動可能に、かつ軸に直交する方向には移
動が禁止されるように支持されている。軸受け１０及び
１１は、それぞれ軸受支持部材１３及び１４を介してシ
リンダ３に固定されている。

【００２３】ピストン４は、軸受け１０及び１１によ
り、シリンダ３の内周面とピストン４の外周面との間に
微小な間隙が形成されるように保持される。この間隙が
１０μｍ程度以下であれば、クリアランスシールとして
作用する。

【００２４】シリンダ３に、その内周面を取り囲むよう
に、隔壁２とは反対側の端面から隔壁２に向かって円筒
状のギャップ１６が形成されている。ギャップ１６の外
周側の表面上に永久磁石１７が取り付けられている。シ
リンダ３がヨークを兼ね、永久磁石１７、シリンダ３及
びギャップ１６により磁気回路が画定される。

【００２５】この磁気回路に鎖交するように、ギャップ
１６内に電磁コイル２０が挿入されている。電磁コイル
２０は、コイル支持部材２１を介してピストンロッド８
に固定されている。

【００２６】電磁コイル２０に、電流リード２３及び２
４を介して電流が供給される。電流リード２３及び２４
は、シリンダ３に固定された軸受支持部材１４とピスト
ンロッド８に固定されたコイル支持部材２１との間を接
続するコイルばねを含んで構成される。コイルばね２３
及び２４は、ピストンロッド８の軸方向に弾性変形す
る。電流リード２３及び２４を構成するコイルばねとし
て、ピストン４等の可動部分の往復運動が、運転周波数
に共鳴するようなものが採用されている。

【００２７】ピストン４、軸受け１０、１１、電流リー
ド２３、２４等が配置された空間は、外側ケース３０に
より密閉されている。

【００２８】コールドヘッド５０は、シリンダ５１、デ
ィスプレーサ（ピストン）５２、コイルばね５３、及び
外枠５７を含んで構成される。シリンダ５１は、柱面
状、例えば円柱面状の内周面を有する。シリンダ５１の
一端は閉塞され、他端は外枠５７で塞がれている。シリ
ンダ５１の内部空洞内にディスプレーサ５２が挿入され
ている。ディスプレーサ５２の外周面とシリンダ５１の
内周面との間に、シール部材５４が配置されている。

【００２９】シリンダ５１とディスプレーサ５２によ
り、シリンダ５１の図の左端に膨張空間５５が画定さ
れ、ディスプレーサ５２と外枠５７により、図の右端に
圧縮空間５６が画定される。ディスプレーサ５２内に、
膨張空間５５と圧縮空間５６とを連通させるガス流路５
８が設けられている。ガス流路５８内に、銅金網、鉛球
等の蓄冷材５９が充填されている。

【００３０】ディスプレーサ５２は、圧縮空間５６内に
配置されたコイルばね５３により、軸方向に関して弾性
的に支持されている。圧縮空間５６は、キャピラリチュ
ーブ４５及びガス流路６を介してガス圧縮機１の圧縮室
５に連通している。

【００３１】電磁コイル２０に所定周波数の交流電流を
流すと、電流リード２３、２４の弾性力に抗してピスト
ン４が往復運動する。隔壁２の両側の２つのピストン４
が、相互に反対向きに移動するように、交流電流の位相
を制御する。２つのピストン４が近づく向きに移動する
時、圧縮室５内が高圧になり、両者が遠ざかる向きに移
動するとき、圧縮室５内が低圧になる。ピストン４が往
復運動を繰り返すことにより、周期的にガス圧を変化さ
せることができる。

【００３２】コールドヘッド５０への冷媒ガスの供給及
び排気を繰り返すことにより、逆スターリングサイクル
を実行させ、膨張空間５５に寒冷を発生させることがで
きる。

【００３３】軸受け１０及び１１により、ピストン４が
シリンダ３内に所定のクリアランスをもって支持され
る。このため、シリンダ３の内周面へのピストン４の片
当たりによる磨耗を防止し、信頼性を高めることができ
る。また、ピストン４を板ばねで支持する場合に比べ
て、大きなストロークを確保することができる。また、
軸受けは、板ばねのように疲労破壊を起こすこともな
い。ピストン４のストロークを大きくすることにより、
スターリング冷却機の性能の向上を図ることができる。

【００３４】上記実施例の軸受け１０及び１１には、真
空用グリスを使用することが好ましい。真空用グリスを
使用することにより、冷媒ガスの汚染を防止することが
できる。

【００３５】上記実施例で用いた軸受けとして、例えば
ＮＳＫ社製のリニアボールベアリングＬＢ型等のリニア
ベアリングを用いることができる。また、リニアベアリ
ングの代わりにすべり軸受けを用いてもよい。

【００３６】上記実施例では、ディスプレーサ５２の径
方向の位置を、シール部材５４で固定する場合を説明し
た。ディスプレーサ５２も、ガス圧縮機１のピストン４
と同様に、軸受けで支持してもよい。

【００３７】図２は、軸受けでディスプレーサを支持し
たコールドヘッドの断面図を示す。低温端が閉塞され高
温端が開口された円筒状のシリンダ６１内に、ディスプ
レーサ６２が挿入されている。シリンダ６１の内周面と
ディスプレーサ６２の外周面との間には、微小な間隙が
画定されている。ディスプレーサ６２の高温部６２ａの
一部は、シリンダ６１の開口から突出している。高温部
６２ａの端面から、ディスプレーサ６２の外周面よりも
小径のシャフト６３が中心軸に沿って延びている。

【００３８】シリンダ６１の高温端の開口部はフランジ
状にされ、このフランジの端面に、円筒状の支持部材６
７が取り付けられている。支持部材６７は、ディスプレ
ーサ６２の高温部６２ａ及びシャフト６３を取り囲むよ
うに配置されている。支持部材６７の側面には開口６７
ａが設けられており、内外の空間が開口６７ａを通して
連通している。シリンダ６１の高温端のフランジの端面
に第１の軸受け６４が取り付けられ、支持部材６７の先
端に、軸受支持部材６６を介して第２の軸受け６５が取
り付けられている。第１の軸受け６４及び第２の軸受け
６５は、それぞれディスプレーサ６２の高温部６２ａ及
びシャフト６３を、径方向の移動を禁止するように支持
している。

【００３９】ディスプレーサ６２の高温部６２ａの端部
と軸受支持部材６６の先端との間に、コイルばね６８が
取り付けられている。コイルばね６８は、ディスプレー
サ６２を、その軸方向に関して弾性的に支持する。

【００４０】シリンダ６１の高温端のフランジの端面の
最外周部に、外枠７０が取り付けられている。両者の接
合部はＯリングで気密に保たれている。外枠７０は、デ
ィスプレーサ６２の高温部６２ａ、シャフト６３、支持
部材６７、軸受け６４、６５、及びコイルばね６８を収
容する気密な圧縮空間６９を画定する。

【００４１】外枠７０に取り付けられたキャピラリチュ
ーブ７１を介して、圧縮空間６９が、例えば図１に示す
ガス圧縮機１の圧縮室５に連通している。

【００４２】ディスプレーサ６２を軸受け６４及び６５
で支持し、シリンダ６１の内周面とディスプレーサ６２
の外周面との間にシール部材を配置しないため、シール
部材の磨耗による性能劣化を防止することができる。

【００４３】以上実施例に沿って本発明を説明したが、
本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種
々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に
自明であろう。

【００４４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
シリンダ内のピストンまたはディスプレーサを、軸受け
で支持することにより、大きなストロークを確保するこ
とができる。シリンダの内周面とピストンの外周面との
間をクリアランスシール方式でシールすることができる
ため、シール部材の磨耗による性能の劣化を回避するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例によるガス圧縮機を用いたスタ
ーリング冷却機の断面図である。

【図２】本発明の実施例によるスターリング冷却機のコ
ールドヘッドの断面図である。

【図３】スターリング冷却機の基本構成を示す概略図で
ある。

【図４】従来のガスサイクル機関の断面図である。

【符号の説明】

１ ガス圧縮機 ２ 隔壁 ３ シリンダ ４ ピストン ５ 圧縮室 ６ ガス流路 ８ ピストンロッド １０、１１、６４、６５ 軸受け １３、１４ 軸受保持部材 １６ ギャップ １７ 永久磁石 ２０ 電磁コイル ２１ コイル保持部材 ２３、２４ 電流リード ３０ 外側ケース ４５、７１ キャピラリチューブ ５０ コールドヘッド ５１、６１ シリンダ ５２、６２ ディスプレーサ ５３、６８ コイルばね ５４ シール部材 ５５ 膨張空間 ５６、６９ 圧縮空間 ５８ ガス流路 ５９ 蓄冷材 ６３ シャフト ６６ 軸受支持部材 ６７ 支持部材 ７０ 外枠

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F25B 9/14 520 F25B 9/14 510

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 柱面状の内周面を有するシリンダと、 前記シリンダ内に配置され、前記シリンダの内周面に整
   合する外周面を有するピストンと、前記ピストンに固定され、該ピストンよりも細いピスト
   ンロッドと、 前記 ピストンの外周面が前記シリンダの内周面と微小間
   隙を隔てて対峙し、かつ該ピストンが前記シリンダの軸
   方向に移動可能なように、前記ピストンロッドを支持す
   る軸受けと、 前記ピストン及び前記ピストンロッドを、その軸方向に
   往復運動させる往復駆動手段とを有するガス圧縮機。
2. 【請求項２】 前記軸受けが、リニアベアリングまたは
   すべり軸受けである請求項１に記載のガス圧縮機。
3. 【請求項３】 柱面状の内周面を有し、一端が閉塞され
   たシリンダと、 前記シリンダの他端に取り付けられ、該シリンダと共に
   閉じた空間を画定する外枠と、 前記シリンダ内に配置され、前記シリンダの内周面に整
   合する外周面を有するディスプレーサであって、前記シ
   リンダの一端と該ディスプレーサとの間に膨張空間を画
   定し、前記外枠と該ディスプレーサとの間に圧縮空間を
   画定し、該ディスプレーサ内に前記膨張空間と圧縮空間
   とを連通させるガス流路が設けられた前記ディスプレー
   サと、 前記ガス流路内に配置され、該ガス流路内を流れるガス
   と熱交換を行う蓄冷材と、前記ディスプレーサに固定されて前記シリンダの外部ま
   で導出され、該ディスプレーサよりも小径のシャフト
   と、 前記 ディスプレーサの外周面が前記シリンダの内周面と
   微小間隙を隔てて対峙し、かつ該ディスプレーサが前記
   シリンダの軸方向に移動可能なように、前記シャフトを
   支持する軸受けと、 前記圧縮空間へ連通し、冷媒ガスの導入と排出を行う冷
   媒ガス供給路とを有するコールドヘッド。
4. 【請求項４】 さらに、前記ディスプレーサを前記シリ
   ンダの軸方向に弾性的に支持する弾性部材を有する請求
   項３に記載のコールドヘッド。
5. 【請求項５】 前記軸受けが、リニアベアリングまたは
   すべり軸受けである請求項３または４に記載のコールド
   ヘッド。