(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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シリンダホルダと、
前記シリンダ内に配置された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すると共に、前記シリンダホルダと該ディスプレーサとの間に無効空間を画定し、該ディスプレーサ内には前記膨張空間と前記無効空間とを連通させるガス流路及び該ガス流路内を流れるガスと熱交換を行う蓄冷材が設けられたディスプレーサとを含む冷凍機用コールドヘッドにおいて、
前記ディスプレーサを、該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、かつ前記シリンダの軸方向に移動可能に弾性体を介して支持する支持部と、
前記ディスプレーサの両端側においてその外周面と前記シリンダの内周面との間に配置されたシール部材と、
前記無効空間へ連通し、冷媒ガスの導入と排出を行う冷媒ガス供給路とを有し、
前記支持部には、前記ディスプレーサを前記無効空間側において前記軸方向の移動を案内するためのガイド機構を設け、
前記ガイド機構は、前記ディスプレーサの前記無効空間側に軸方向に沿って設けられた筒状体と、前記支持部に設けられて前記筒状体に挿入されたガイド部材とから構成され、
該ガイド部材及び前記支持部にはその中心に沿って前記筒状体と連通する貫通穴を有し、該貫通穴が前記冷媒供給路に接続されることで、前記筒状体の空間と前記ガイド部材及び支持部の貫通穴内の空間とで実際の無効空間が形成されるようにしたことを特徴とする冷凍機用コールドヘッド。
【請求項２】
前記支持部は、前記シリンダホルダにおける前記シリンダとの結合部とは反対側の端部において該端部から前記無効空間内に入り込むように設けられており、前記ガイド部材は前記支持部と一体であることを特徴とする請求項１記載の冷凍機用コールドヘッド。
【請求項３】
前記弾性体は、コイルばね、板ばねのいずれかであることを特徴とする請求項１または２記載の冷凍機用コールドヘッド。
【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のような蓄冷式冷凍機システムに使用されるコールドヘッドに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図３を参照して、本出願人によりすでに出願済み（特願平１０−２３６１１１号）スターリング冷凍機について説明する。このスターリング冷凍機は、ガス圧縮機２０、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。
【０００３】
ガス圧縮機２０は、隔壁２２を挟んで面対称な構造を有する。隔壁２２の両側にシリンダ２３が配置されている。シリンダ２３は、柱面状の内周面を有し、その中心軸が隔壁２２に垂直になるように配置されている。シリンダ２３の内部空洞内にピストン２４が配置されている。ピストン２４は、シリンダ２３の内周面に整合する外周面を有する。ピストン２４、シリンダ２３、及び隔壁２２により、圧縮室２５が画定される。圧縮室２５は、隔壁２２内に形成されたガス流路２６を介してキャピラリチューブ４５に連通している。
【０００４】
ピストン２４の、圧縮室２５とは反対側の端部にピストンロッド２８が連結されている。ピストンロッド２８は、シリンダ２３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２８は、スラスト軸受２７及び２９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。スラスト軸受２７及び２９は、それぞれ軸受支持部材３３及び３４を介してシリンダ２３に固定されている。
【０００５】
ピストン２４は、スラスト軸受２７及び２９により、シリンダ２３の内周面とピストン２４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。
【０００６】
シリンダ２３に、その内部空間を取り囲むように、隔壁２２とは反対側の端面から隔壁２２に向かって環状のギャップ３６が形成されている。ギャップ３６の外周面を形成している内壁には環状の永久磁石３７が取り付けられている。シリンダ２３はヨークを兼ね、永久磁石３７、シリンダ２３及びギャップ３６により磁気回路が形成される。
【０００７】
この磁気回路に鎖交するように、ギャップ３６内に電磁コイル４０が挿入されている。電磁コイル４０は、コイル支持部材４１を介してピストンロッド２８に固定されている。
【０００８】
電磁コイル４０に、電流リード４３及び４４を介して電流が供給される。電流リ−ド４３及び４４は、シリンダ２３に固定された軸受支持部材３４とピストンロッド２８に固定されたコイル支持部材４１との間を接続するコイルばねを含んで構成される。コイルばねは、ピストンロッド２８の軸方向に弾性変形する。電流リード４３及び４４を構成するコイルばねとして、ピストン２４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る。
【０００９】
ピストン２４、スラスト軸受２７、２９、電流リード４３、４４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。
【００１０】
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。
【００１１】
シリンダ５１の一端とディスプレーサ５２との間に、低温側オリフィス６１を通して膨張空間５５が画定され、ディスプレーサ５２と外枠５７との間に、室温（常温）側オリフィス６２を通して無効空間５６が画定される。ディスプレーサ５２内には、膨張空間５５と無効空間５６とを連通させるガス流路５８が設けられている。ガス流路５８内には、銅金網、鉛球等の蓄冷材５９が充填されている。
【００１２】
ディスプレーサ５２は、無効空間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。無効空間５６は、キャピラリチューブ４５及びガス流路２６を介してガス圧縮機２０の圧縮室２５に連通している。
【００１３】
このようなスターリング冷凍機の動作原理は、上記の出願明細書に詳しく述べられており、以下では簡単に説明する。
【００１４】
電磁コイル４０に所定周波数の交流電流を流すと、電流リード４３、４４の弾性力に抗してピストン２４が往復運動する。隔壁２２の両側の２つのピストン２４が、相互に反対向きに移動するように、交流電流の位相が制御される。２つのピストン２４が近づく向きに移動する時、圧縮室２５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２５内が低圧になる。ピストン２４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。
【００１５】
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。  スラスト軸受２７、２９により、ピストン２４がシリンダ２３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２３の内周面へのピストン２４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２４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、スラスト軸受２７、２９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２４のストロークを大きくすることにより、スターリング冷凍機の性能の向上を図ることができる。
【００１６】
スラスト軸受２７、２９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。また、スラスト軸受２７、２９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を用いてもよい。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ディスプレーサ５２は、コイルばね５３により無効空間５６側において片持ち支持構造に近い状態で支持されている。このため、ディスプレーサ５２は、シリンダ５１内で微小な傾きを生じ易い。これによって、シール部材５４がシリンダ５１の内周面に片当たりし、シール部材５４の寿命が短くなってしまう。これは、特に無効空間側のシール部材５４に顕著である。
【００１８】
本発明の課題は、コールドヘッドにおけるディスプレーサの支持構造を改良することでシール部材の長寿命化を図ることにある。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、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シリンダホルダと、前記シリンダ内に配置された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すると共に、前記シリンダホルダと該ディスプレーサとの間に無効空間を画定し、該ディスプレーサ内には前記膨張空間と前記無効空間とを連通させるガス流路及び該ガス流路内を流れるガスと熱交換を行う蓄冷材が設けられたディスプレーサとを含む冷凍機用コールドヘッドにおいて、前記ディスプレーサを、該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、かつ前記シリンダの軸方向に移動可能に弾性体を介して支持する支持部と、前記ディスプレーサの両端側においてその外周面と前記シリンダの内周面との間に配置されたシール部材と、前記無効空間へ連通し、冷媒ガスの導入と排出を行う冷媒ガス供給路とを有し、前記支持部には、前記ディスプレーサを前記無効空間側において前記軸方向の移動を案内するためのガイド機構を設け、前記ガイド機構は、前記ディスプレーサの前記無効空間側に軸方向に沿って設けられた筒状体と、前記支持部に設けられて前記筒状体に挿入されたガイド部材とから構成され、該ガイド部材及び前記支持部にはその中心に沿って前記筒状体と連通する貫通穴を有し、該貫通穴が前記冷媒供給路に接続されることで、前記筒状体の空間と前記ガイド部材及び支持部の貫通穴内の空間とで実際の無効空間が形成されるようにしたことを特徴とする。
【００２１】
前記支持部は、前記シリンダホルダにおける前記シリンダとの結合部とは反対側の端部において該端部から前記無効空間内に入り込むように設けられており、前記ガイド部材は前記支持部と一体であることを特徴とする。
【００２２】
前記弾性体は、コイルばね、板ばねのいずれかであることが好ましい。
【００２３】
【発明の実施の形態】
図１を参照して、本発明の実施の形態について説明する。図１はシリンダホルダ１１の内部構造のみを示しており、図示された部分以外の構造は図３に示されたものと同じである。すなわち、図３で説明したように、本発明におけるコールドヘッド１０も、一端が閉塞されたシリンダ１１と、シリンダ１１の他端に取り付けられて、シリンダ１１と共に閉じた空間を画定するシリンダホルダ１２と、シリンダ１１内に配置されたディスプレーサ１３とを含む。ディスプレーサ１３は、シリンダ１１の一端との間に膨張空間（図３の５５）を画定すると共に、シリンダホルダ１２との間に無効空間１４を画定している。ディスプレーサ１３内には膨張空間と無効空間１４とを連通させるガス流路及びこのガス流路内を流れるガスと熱交換を行う蓄冷材が設けられている。
【００２４】
支持部１５は、ディスプレーサ１３を、その外周面がシリンダ１１の内周面と微小間隙を隔てて対峙し、かつシリンダの軸方向に移動可能にコイルばね１６を介して支持している。ディスプレーサ１３の両端側には、その外周面とシリンダ１１の内周面との間にシール部材１７（無効空間１４側のみ図示）が配置されている。
【００２５】
本形態においては、支持部１５に、ディスプレーサ１３を無効空間１４側において中心軸方向の移動を案内するためのガイド機構を設けたことを特徴とする。このガイド機構は、ディスプレーサ１３の無効空間１４側に軸方向に沿って設けられた筒状体１３−１と、支持部１５に設けられて筒状体１３−１に挿入されたガイド部材１５−１とから構成される。特に、支持部１５は、シリンダホルダ１２におけるシリンダ１１との結合部とは反対側の端部においてこの端部から無効空間１４内に入り込むように設けられている。そして、ガイド部材１５−１は支持部１５と一体構造であり、ガイド部材１５−１と支持部１５にはその中心に沿って筒状体１３−１の内部空間と連通する貫通穴１５ａを有する。貫通穴１５ａは、図３で説明したキャピラリチューブ４５と同様の冷媒供給路１８に接続される。一方、筒状体１３−１の内部空間は、ディスプレーサ１３のガス流路に連通している。
【００２６】
なお、コイルばね１６は、支持部１５と筒状体１３−１との間に設けられている。また、支持部１５の外周面とシリンダホルダ１２の内周面との間にはシール用のＯ−リング１９−１が設けられ、更にシリンダホルダ１２の内周面の端部と支持部１５のフランジ部におけるコーナ部との間にはメタルシール１９−２が設けられている。支持部１５は、フランジ部においてシリンダホルダ１２の端面にボルト締め等により固定される。
【００２７】
以上の説明で明らかなように、本形態においては、ディスプレーサ１３の移動をガイドする機構を設けたことにより、ディスプレーサ１３の傾きを防止し、シール部材１７の片当たりを無くすことができる。これにより、冷凍機寿命を延ばすことができる。
【００２８】
なお、図１では、便宜上、シリンダホルダ１２の内部空間を無効空間１４と呼んで説明したが、本形態では実際の無効空間は、シリンダホルダ１２内について言えば、筒状体１３−１と貫通穴１５ａとで形成される空間である。このような無効空間について図３に示された例と比較すると、図３の例では、無効空間の全容積は、ディスプレーサ５２の容積から蓄冷材の容積を引いた容積Ｖ１１と、無効空間５６の容積Ｖ１２とキャピラリチューブ４５の容積Ｖ１３との和である。これに対し、本形態においては、無効空間の全容積は、ディスプレーサ１３の容積から蓄冷材の容積を引いた容積Ｖ１と、筒状体１３−１と貫通穴１５ａとで形成される容積Ｖ２と、冷媒供給路１８の容積Ｖ３との和である。この場合、容積Ｖ１＝Ｖ１１、Ｖ３＝Ｖ１３と仮定しても、容積Ｖ２は容積Ｖ１２に比べて十分に小さい。このように、コールドヘッド１０側の無効空間容積を図３のものに比べて小さくすることができ、これにより冷凍効率の向上を実現することができる。このような効果は、冷凍機の容量が大きくなるほど顕著になることが明らかである。
【００２９】
また、図１では、コイルばね１６を用いた例について説明したが、コイルばね１６に代えて板ばねを使用しても良い。
【００３０】
図２を参照して、板ばねを使用した第２の実施の形態について説明する。図２において、筒状体１３−１とシリンダヘッド１２´の内壁との間に２枚の板ばね７１ａ、７１ｂが設けられている。１５´は支持部である。板ばね７１ａ、７１ｂは周知のもので良く、簡単に言えば、円形の鋼板に、風車状のスリットを設けたものである。この形態では、シリンダホルダ１２´の径方向の寸法が大きくなるが、上述した実際の無効空間は図１の形態と同じである。
【００３１】
なお、本発明は、図３において説明したスターリング冷凍機に限らず、他のガス圧縮機、例えばパルスチューブ冷凍機（例えば、特許第２７８０９３４号）にも適用可能である。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、コールドヘッドにおけるディスプレーサをガイド機構により支持するようにしたことにより、シール部材の片当たりを無くすことができ、これによってシール部材の長寿命化、ひいては冷凍機の長寿命化を図ることができる。また、ディスプレーサのガス流路を支持部に設けられた貫通穴を通して冷媒供給路に接続するようにしたことにより、コールドヘッドにおける無効空間容積の縮小化を図ることができ、冷凍効率向上を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態による冷凍機用コールドヘッドの主要部の内部構造を示した断面図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態による冷凍機用コールドヘッドの内部構造を示した断面図である。
【図３】本発明が適用されるスターリング冷凍機の一例を示した断面図である。
【符号の説明】
１０、５０    コールドヘッド
１１、２３、５１    シリンダ
１２、１２´    シリンダホルダ
１３、５２    ディスプレーサ
１３−１    筒状体
１５、１５´    支持部
１５−１    ガイド部材
１６、５３    コイルばね
１７    シール部材
１８    冷媒供給路
２４    ピストン
２５    圧縮室
２６    ガス流路
２７、２９    スラスト軸受
２８    ピストンロッド
３０    外側ケース
３３、３４    軸受支持部材
３６    ギャップ
３７    永久磁石
４０    電磁コイル
４１    コイル支持部材
４３、４４    電流リード
４５    キャピラリチューブ
５４    シール部材
５５    膨張空間
５６    無効空間
５７    外枠
５８    ガス流路
５９    蓄冷材
【図１】
0003588748.tif 000002
【図２】
0003588748.tif 000003
【図３】
0003588748.tif 000004