(57)【要約】【課題】  加工性およびガスシール性を向上させた気体軸受構造と、該構造を備えたスターリング機関およびスターリング冷却庫とを提供する。【解決手段】  気体軸受構造は、シリンダ内で往復運動するピストン１４を支持する気体軸受構造であって、ピストン１４の外周面１４１にピストン１４の周方向に沿って断続的に形成された溝部の底面１４３Ａからピストン１４の内部空間１４７に達する噴出孔１４４を通じて内部空間１４７からシリンダの内周面に向かってガスを噴出する「ガス噴出機構」を備え、ピストン１４の周方向において、溝部の底面１４３Ａがピストン１４の外周面１４１に達するように該溝部が形成されている。【選択図】        図５
2006292135.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒状部と、
内部にガス室を有し、前記筒状部の内壁に沿って往復運動する柱状部と、
前記柱状部の外周面に該柱状部の周方向に沿って断続的に形成された溝部の底面から前記ガス室に達する孔部を通じて前記ガス室から前記筒状部の内周面に向かってガスを噴出するガス噴出機構とを備え、
前記溝部を構成する底面が、少なくとも１方向において、該溝部に隣接する前記柱状部の外周面と段差なく連続するように前記溝部を形成した、気体軸受構造。
【請求項２】
前記ガス噴出機構を軸方向に千鳥配置した、請求項１に記載の気体軸受構造。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の気体軸受構造を含むスターリング機関であって、
外殻体と、
作動媒体を封入した前記外殻体内に組み付けられたシリンダと、
前記シリンダ内で往復運動するピストンと、
前記シリンダ内で前記ピストンに対し位相差をもって往復運動するディスプレーサと、
前記ディスプレーサに接続され、前記ピストンを軸方向に貫通するディスプレーサロッドと、
前記ピストンと前記ディスプレーサとの間に形成された圧縮空間と、
前記ディスプレーサに対して前記ピストン側の反対の側に形成された膨張空間と、
前記ピストンに対して前記ディスプレーサ側の反対の側に形成された背圧空間と、
前記圧縮空間と前記膨張空間とを連通する連通路に配設された再生器とを備え、
前記ピストンまたは前記ディスプレーサまたは前記ディスプレーサロッドに前記ガス噴出機構を設けた、スターリング機関。
【請求項４】
前記気体軸受構造における前記ガス噴出機構が、前記ピストンにおいて背圧空間側と圧縮空間側とに分離して形成され、
前記ピストンの背圧空間側に設けられる前記ガス噴出機構の数を、前記ピストンの圧縮空間側に設けられる前記ガス噴出機構の数よりも少なくした、請求項３に記載のスターリング機関。
【請求項５】
前記気体軸受構造における前記ガス噴出機構が、前記ピストンにおいて背圧空間側と圧縮空間側とに分離して形成され、
前記ピストンの背圧空間側に設けられる前記ガス噴出機構における前記孔部の径を、前記ピストンの圧縮空間側に設けられる前記ガス噴出機構における前記孔部の径よりも小さくした、請求項３に記載のスターリング機関。
【請求項６】
請求項３から請求項５のいずれかに記載のスターリング機関を備えた、スターリング冷却庫。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気体軸受構造およびスターリング機関ならびにスターリング冷却庫（Ｓｔｉｒｌｉｎｇ  Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｏｒ／Ｆｒｅｅｚｅｒ）に関し、特に、加工性およびガスシール性を向上させた気体軸受構造と、該構造を備えたスターリング機関およびスターリング冷却庫とに関する。
【背景技術】
【０００２】
ピストンの気体軸受構造が従来から知られている。
【０００３】
たとえば、特開２００４−２９３７９２号公報において、作動ガスを充填したシリンダ内に嵌装されて往復運動する、ガス貯留室を内側に備えたピストンの外壁に、ガス貯留室に流入した作動ガスをシリンダの内壁に向かって噴出するための連通孔が形成された連通孔部材を設けることによって構成されたピストンの気体軸受構造が開示されている。ここでは、外壁上に凹部が設けられ、凹部の底面上に連通孔部材が配設されている。凹部の底面上に連通孔を設けることで、孔形成時にピストンの外周面が変形することが抑制される。これにより、軸受構造としての機能が向上する。
【０００４】
また、スターリング機関においてピストンと同軸上で往復運動するディスプレーサやディスプレーサロッドに中空部を設けることが、特許第３５８３７７０号公報などに記載されている。
【特許文献１】特開２００４−２９３７９２号公報
【特許文献２】特許第３５８３７７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記のような気体軸受構造においては、以下のような問題があった。
【０００６】
特開２００４−２９３７９２号公報においては、ピストンの外周面に円柱状凹部や帯状凹部が設けられている。ここで、円柱状凹部を設けるための加工は加工性が悪い。一方で、帯状凹部を設けるとピストンの軸方向のガスリーク量が大きくなる。この結果、たとえば、ピストンがガス圧縮膨張機に設けられている場合には、ガス圧縮膨張機の性能が低下する。
【０００７】
本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、加工性およびガスシール性を向上させた気体軸受構造と、該構造を備えたスターリング機関およびスターリング冷却庫とを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る気体軸受構造は、筒状部と、内部にガス室を有し、筒状部の内壁に沿って往復運動する柱状部と、柱状部の外周面に該柱状部の周方向に沿って断続的に形成された溝部の底面からガス室に達する孔部を通じてガス室から筒状部の内周面に向かってガスを噴出するガス噴出機構とを備え、溝部を構成する底面が、少なくとも１方向において、該溝部に隣接する柱状部の外周面と段差なく連続（交差）するように上記溝部が形成されている。ここで、上記底面は、平面状に構成されてもよく、曲面（円弧面）状に構成されてもよい。また、溝部の底面と柱状部の外周面とは、上記の通り「少なくとも１方向」において段差なく連続するが、たとえば、溝部の底面が凹球状に形成された場合には、溝部の底面と柱状部の外周面とは「全方向」において段差なく連続することになる。上記「１方向」は、換言すると、「底面の加工方向」と言うことができる。該「１方向」は、たとえば柱状部の周方向または軸心方向と一致させることが一般的であると考えられるが、該「１方向」は、周方向および軸心方向と交差する斜め方向であってもよい。
【０００９】
上記構成によれば、溝部の底面と柱状部の外周面との交差角度が鈍角になるので、加工性が向上する。そして、「底面の加工方向（切削方向）」が柱状部の周方向である場合には、軸方向のガスリーク量を低減し、気体軸受構造におけるガスシール性を向上させることができる。
【００１０】
上記気体軸受構造において、複数のガス噴出機構を、柱状部の周方向に並ぶように等角度間隔で複数形成することが好ましい。これにより、柱状部を安定して保持する気体軸受構造を得ることができる。
【００１１】
上記気体軸受構造において、ガス噴出機構を軸方向に千鳥配置することが好ましい。これにより、筒状部内における柱状部の動きをより安定させることができる。
【００１２】
上記気体軸受構造において、柱状部の外周面からガス室に達する孔に管を組付けることによりガス噴出機構における孔部を形成することが好ましい。これにより、より微小な小孔を設けることができ、流量を絞り込むことで損失を低減することができる。
【００１３】
本発明に係るスターリング機関は、上記気体軸受構造を含むスターリング機関であって、外殻体と、作動媒体を封入した外殻体内に組み付けられたシリンダと、シリンダ内で往復運動するピストンと、シリンダ内でピストンに対し位相差をもって往復運動するディスプレーサと、ディスプレーサに接続され、ピストンを軸方向に貫通するディスプレーサロッドと、ピストンとディスプレーサとの間に形成された圧縮空間と、ディスプレーサに対してピストン側の反対の側に形成された膨張空間と、ピストンに対してディスプレーサ側の反対の側に形成された背圧空間と、圧縮空間と膨張空間とを連通する連通路に配設された再生器とを備え、ピストンまたはディスプレーサまたはディスプレーサロッドに上記ガス噴出機構が設けられている。これにより、高性能で比較的安価なスターリング機関が提供される。
【００１４】
１つの局面では、上記スターリング機関において、好ましくは、気体軸受構造におけるガス噴出機構が、ピストンにおいて背圧空間側と圧縮空間側とに分離して形成され、ピストンの背圧空間側に設けられるガス噴出機構の数を、ピストンの圧縮空間側に設けられるガス噴出機構の数よりも少なくする。これにより、加工工数を低減するとともにピストンの軸方向のガスリーク量を低減することができ、結果として、ガスシール性が向上する。
【００１５】
他の局面では、上記スターリング機関において、好ましくは、気体軸受構造におけるガス噴出機構が、ピストンにおいて背圧空間側と圧縮空間側とに分離して形成され、ピストンの背圧空間側に設けられるガス噴出機構における孔部の径を、ピストンの圧縮空間側に設けられるガス噴出機構における孔部の径よりも小さくする。これにより、ピストンの軸方向のガスリーク量を低減することができ、結果として、ガスシール性が向上する。
【００１６】
本発明に係るスターリング冷却庫は、上記スターリング機関を備える。これにより、高性能で比較的安価なスターリング冷却庫が提供できる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、気体軸受構造の加工性及びガスシール性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下に、本発明に基づく気体軸受構造およびスターリング機関ならびにスターリング冷却庫の実施の形態について説明する。
【００１９】
なお、本願明細書において、「冷却庫」とは、「冷蔵庫」、「冷凍庫」および「冷凍冷蔵庫」の全てを含む概念である。
【００２０】
また、実施の形態１，２においては、スターリング機関としてのスターリング冷凍機、および、該スターリング冷凍機を備えたスターリング機関搭載機器としてのスターリング冷却庫について説明するが、スターリング機関は、本来スターリング冷凍機に限定されるものではなく、たとえば、発電機としても用いられる。
【００２１】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係るスターリング冷却庫の配管系統図である。
【００２２】
スターリング冷却庫１は、図１に示すように、高温部２と低温部３とを有するスターリング冷凍機４（スターリング機関）と、高温部２に取付けられた高温側蒸発器５、高温側凝縮器７およびパイプ２Ａ，２Ｂを含む第１高温側循環回路（第１循環回路）と、高温側蒸発器５、循環ポンプ６、発露防止パイプ９およびパイプ２Ｃ〜２Ｅを含む第２高温側循環回路（第２循環回路）と、低温部３に取付けられた低温側凝縮器１０、低温側蒸発器１１およびパイプ３Ａ，３Ｂを含む低温側循環回路とを備える。第１高温側循環回路は、スターリング冷凍機４の高温部２の冷却を行ない、第２高温側循環回路は、発露防止パイプ９に熱を供給する。また、低温側循環回路は、冷却庫内の空気とスターリング冷凍機４の低温部３との熱交換を行なう。
【００２３】
第１と第２高温側循環回路内には水（Ｈ2Ｏ）などが冷媒として封入されている。高温
側蒸発器５において蒸発した冷媒はパイプ２Ａ（高温側導管）を介して高温側凝縮器７に達する（図１中の破線矢印）。高温側凝縮器７において外気との熱交換が行なわれることで冷媒が凝縮する。この熱交換を促進するために、高温側凝縮器７近傍に気流を生じさせるファン８が設けられている。凝縮した冷媒は、パイプ２Ｂ（高温側戻り管）を介して高温側蒸発器５に戻る。第１高温側循環回路においては、このように、冷媒の蒸発と凝縮とによる自然循環を利用して、高温部２で発生した熱を高温側凝縮器７に伝達することができるように、高温側凝縮器７が高温側蒸発器５より上方に配置されている。また、冷媒の沸点を調整するために、循環回路系内の圧力が調整（大気圧よりも減圧）されている。
【００２４】
一方、高温側蒸発器５の下部には、パイプ２Ｃが接続されている。高温側蒸発器５からパイプ２Ｃに液相の冷媒が流入する。パイプ２Ｃに流入した冷媒は、スターリング冷凍機４よりも下方に設けられた循環ポンプ６に達する。循環ポンプ６から吐出された冷媒は、パイプ２Ｄを介して発露防止パイプ９に送られる。ここで、発露防止パイプ９内を流れる冷媒は、スターリング冷凍機４の高温部２から与えられた熱により比較的高温に保たれている。したがって、発露防止パイプ９を冷却庫の前面開口部に配置することで、ドア部等における発露を抑制することができる。発露防止パイプ９内を流れた冷媒は、パイプ２Ｅを介して高温側蒸発器５内に戻る。このように、第２高温側循環回路においては、循環ポンプ６による強制循環が行なわれている。
【００２５】
低温側循環回路内には二酸化炭素や炭化水素などが冷媒として封入されている。低温側凝縮器１０において凝縮した冷媒はパイプ３Ａ（低温側導管）を介して低温側蒸発器１１に達する。低温側蒸発器１１において冷媒が蒸発することで熱交換が行なわれる。この熱交換を促進するために、低温側蒸発器１１近傍に気流を生じさせるファン１２が設けられている。熱交換の後、ガス化された冷媒は、パイプ３Ｂ（低温側戻り管）を介して低温側凝縮器１０に戻る。低温側循環回路においては、このように、冷媒の蒸発と凝縮とによる自然循環を利用して、低温部３で発生した冷熱を低温側蒸発器１１に伝達することができるように、低温側蒸発器１１が低温側凝縮器１０より下方に配置されている。また、冷媒の沸点を調整するために、循環回路系内の圧力が調整されている。
【００２６】
スターリング冷凍機４を作動させると、該冷凍機４の高温部２で発生した熱が、高温側凝縮器７を介して空気と熱交換される。一方、スターリング冷凍機４の低温部３で発生した冷熱は、低温側蒸発器１１を介して冷却庫内の空気と熱交換される。冷却庫内からの暖かくなった気流は、再び低温側蒸発器１１近傍に送られ、繰り返し冷却される。
【００２７】
上述した冷却サイクルの実施に伴い、低温側蒸発器１１に着霜が生じる。この着霜に対する除霜方法については、一般によく知られた技術を援用可能であるので、詳細な説明は行なわない。
【００２８】
上述した除霜を実施することで、除霜水が発生する。除霜水は、ドレンパイプ１２Ａを介して、冷却庫本体底面の下部に設置されたドレンパン１２Ｂ（蒸発皿）に導かれる。ドレンパン１２Ｂの近傍には、ファン１２Ｃが設けられており、ファン１２Ｃによってドレンパン１２Ｂ内に溜まった除霜水表面近傍に気流が形成され、比較的乾いた空気が除霜水上に供給されることにより、除霜水の蒸発が促進される。
【００２９】
次に、図２を用いて、スターリング冷凍機４の構造の一例およびその動作について説明する。
【００３０】
図２に示すように、本実施の形態のスターリング冷凍機４は、フリーピストン型のスターリング機関であって、ケーシング３０と、該ケーシング３０に組付けられたシリンダ１３と、シリンダ１３内で往復動するピストン１４およびディスプレーサ１５と、再生器１６と、圧縮空間１７Ａと膨張空間１７Ｂとを含む作動空間１７と、高温部２と、低温部３と、ピストン駆動手段としてのリニアモータ２３と、ピストンスプリング２４と、ディスプレーサスプリング２５と、ディスプレーサロッド２６と、背圧空間２７とを備える。
【００３１】
図２の例では、スターリング冷凍機４の外殻体（外壁）は、単一の容器で構成されず、背圧空間２７側に位置するケーシング３０（ベッセル部分）と、作動空間１７側に位置する高温部２、チューブ１８Ａおよび低温部３とで主に構成される。ケーシング３０は、背圧空間２７を規定する。ケーシング３０には、シリンダ１３、リニアモータ２３、ピストンスプリング２４およびディスプレーサスプリング２５をはじめとする種々の部品が組付けられる。上記外殻体の内部には、ヘリウムガスや水素ガス、窒素ガスなどの作動媒体が充填される。
【００３２】
シリンダ１３は、略円筒状の形状を有し、内部にピストン１４とフリーピストンとしてのディスプレーサ１５とを往復動可能に受け入れる。シリンダ１３内において、ピストン１４とディスプレーサ１５とは同軸上に間隔をあけて配置され、このピストン１４およびディスプレーサ１５によってシリンダ１３内の作動空間１７が圧縮空間１７Ａと膨張空間１７Ｂとに区画される。より詳しくは、作動空間１７は、ピストン１４におけるディスプレーサ１５側の端面よりもディスプレーサ１５側に位置する空間であり、ピストン１４とディスプレーサ１５との間に圧縮空間１７Ａが形成され、ディスプレーサ１５と低温部３との間に膨張空間１７Ｂが形成される。圧縮空間１７Ａは主に高温部２によって囲まれ、膨張空間１７Ｂは主に低温部３によって囲まれている。
【００３３】
圧縮空間１７Ａと膨張空間１７Ｂとの間には、シリンダ１３の外周面上に所定の隙間を有しながらフィルムが巻回されてなる再生器１６が配設されており、この再生器１６を介して圧縮空間１７Ａと膨張空間１７Ｂとが連通する。それにより、スターリング冷凍機４内に閉回路が構成される。この閉回路内に封入された作動媒体が、ピストン１４およびディスプレーサ１５の動作に合わせて流動することにより、後述する逆スターリングサイクルが実現される。
【００３４】
シリンダ１３の外側に位置する背圧空間２７にはリニアモータ２３が配設される。リニアモータ２３は、インナーヨーク２０と、可動マグネット部２１と、アウターヨーク２２およびコイルとを有し、このリニアモータ２３によって、シリンダ１３の軸方向にピストン１４が駆動される。
【００３５】
ピストン１４の一端は、板バネなどで構成されるピストンスプリング２４と接続される。該ピストンスプリング２４は、ピストン１４に弾性力を付与する弾性力付与手段として機能する。該ピストンスプリング２４に弾性力を付加することにより、シリンダ１３内でピストン１４をより安定して周期的に往復動させることが可能となる。ディスプレーサ１５の一端は、ディスプレーサロッド２６を介してディスプレーサスプリング２５と接続される。ディスプレーサロッド２６はピストン１４を貫通して配設され、ディスプレーサスプリング２５は板バネなどで構成される。該ディスプレーサスプリング２５の周縁部と、ピストンスプリング２４の周縁部は、リニアモータ２３からピストン１４の背圧空間２７側（以下、後方と称する場合がある。）に延びる支持部材により支持される。
【００３６】
ピストン１４に対しディスプレーサ１５と反対側には、ケーシング３０によって囲まれた背圧空間２７が配設されている。背圧空間２７は、ケーシング３０内でピストン１４の周囲に位置する外周領域と、ケーシング３０内でピストン１４よりもピストンスプリング
２４側（後方側）に位置する後方領域とを含む。この背圧空間２７内にも、作動媒体が存在する。
【００３７】
高温部２は、ベース部材３０Ａを介してケーシング３０に取付けられる。高温部２と低温部３とは、チューブ１８Ａを介して接続される。高温部２、低温部３の内周面上には、それぞれ内部熱交換器１８と内部熱交換器１９とが設けられる。内部熱交換器１８，１９は、それぞれ、圧縮空間１７Ａ，膨張空間１７Ｂと高温部２，低温部３との間の熱交換を行なう。
【００３８】
ケーシング３０の後方側には、板バネ２８を介してバランスマス２９が取付けられている。バランスマス２９は、ピストン１４やディスプレーサ１５が振動することによって生じるケーシング３０の振動を吸収する質量部材である。具体的には、ピストン１４やディスプレーサ１５が振動することによってケーシング３０に振動が生じた場合に、このケーシング３０の振動に対して追従するようにバランスマス２９が振動することにより、スターリング冷凍機４の振動が低減される。
【００３９】
次に、このスターリング冷凍機４の動作について説明する。
【００４０】
まず、リニアモータ２３を作動させてピストン１４を駆動する。リニアモータ２３によって駆動されたピストン１４は、ディスプレーサ１５に接近し、圧縮空間１７Ａ内の作動媒体（作動ガス）を圧縮する。
【００４１】
ピストン１４がディスプレーサ１５に接近することにより、圧縮空間１７Ａ内の作動媒体の温度は上昇するが、高温部２によってこの圧縮空間１７Ａ内に発生した熱が外部へと放出される。そのため、圧縮空間１７Ａ内の作動媒体の温度はほぼ等温に維持される。すなわち、本過程は、逆スターリングサイクルにおける等温圧縮過程に相当する。
【００４２】
ピストン１４がディスプレーサ１５に接近した後にディスプレーサ１５は低温部３側に移動する。他方、ピストン１４によって圧縮空間１７Ａ内において圧縮された作動媒体は再生器１６内に流入し、さらに膨張空間１７Ｂへと流れ込む。その際、作動媒体の持つ熱が再生器１６に蓄熱される。すなわち、本過程は、逆スターリングサイクルの等容冷却過程に相当する。
【００４３】
膨張空間１７Ｂ内に流入した高圧の作動媒体は、ディスプレーサ１５がピストン１４側（後方側）へ移動することにより膨張する。このようにディスプレーサ１５が後方側へ移動するのに伴い、ディスプレーサスプリング２５の中央部も後方側に突出するように変形する。
【００４４】
上記のように膨張空間１７Ｂ内で作動媒体が膨張することにより、膨張空間１７Ｂ内の作動媒体の温度は下降するが、低温部３によって外部の熱が膨張空間１７Ｂ内へと伝達されるため、膨張空間１７Ｂ内はほぼ等温に保たれる。すなわち、本過程は、逆スターリングサイクルの等温膨張過程に相当する。
【００４５】
その後、ディスプレーサ１５がピストン１４から遠ざかる方向（前方側）に移動し始める。それにより、膨張空間１７Ｂ内の作動媒体は再生器１６を通過して再び圧縮空間１７Ａ側へと戻る。その際に再生器１６に蓄熱されていた熱が作動媒体に与えられるため、作動媒体は昇温する。すなわち、本過程は、逆スターリングサイクルの等容加熱過程に相当する。
【００４６】
この一連の過程（等温圧縮過程−等容冷却過程−等温膨張過程−等容加熱過程）が繰り返されることにより、逆スターリングサイクルが構成される。この結果、低温部３は徐々に低温になり、極低温（たとえば−５０℃程度）を有するに至る。一方で、高温部２は徐々に高温（たとえば６０℃程度）になる。上述したように、低温部３における冷熱は、低温側循環回路を介して冷却庫内に供給され、高温部２における熱は、第１と第２高温側循環回路を介して冷却庫外に放出される。
【００４７】
図３は、本実施の形態に係る「気体軸受構造」に含まれるピストン１４の一例を示した斜視図である。また、図４，図５は、それぞれ図３におけるIＶ−IＶ断面図，Ｖ−Ｖ断面図である。図３〜図５を参照して、ピストン１４は、内部空間１４７を有する中空形状を有する。また、ピストン１４は、外周面１４１および軸方向端面１４２を有する。ピストン１４の外周面１４１上には底面１４３Ａを有する溝部１４３が形成され、底面１４３Ａ上には、内部空間１４７から矢印ＯＵＴの方向にガスを噴出させる噴出孔１４４が形成される。噴出孔１４４からガスが噴出されることにより、ピストン１４がシリンダ１３の内壁と非接触な状態で保持される。ここで、溝部１４３および噴出孔１４４は「ガス噴出機構」を形成する。このような「ガス噴出機構」が設けられることにより、シリンダ１３内をピストン１４が往復運動する際の摺動抵抗が低減される。ピストン１４の（圧縮空間１７Ａ側の）軸方向端面１４２上には、内部空間１４７に達する流入孔１４５が形成されている。圧縮空間１７Ａからピストン１４の内部空間１４７に流入するガスは、流入孔１４５を介して矢印ＩＮの方向に流入する。これにより、「ガス噴出機構」に必要なガスが供給される。以上によって、シリンダ１３内を往復運動するピストン１４を保持する「気体軸受構造」が構成される。そして、ピストン１４はディスプレーサロッド２６を受け入れるロッド挿入部１４６を有する。
【００４８】
図３に示すように、溝部１４３および噴出孔１４４を含む「ガス噴出機構」は、ピストン１４の周方向（矢印ＤＲ２方向）に並ぶように複数形成されている。換言すると、溝部１４３は、ピストン１４の周方向に沿って断続的に形成されている。
【００４９】
図４に示すように、流入孔１４５の内部空間１４７側端部には、逆止弁１４８が設けられる。逆止弁１４８の開弁方向は矢印ＤＲ３方向である。つまり、逆止弁１４８は、ピストン１４外部からピストン１４の内部空間１４７へと流入する流れを許容しながら、ピストン１４の内部空間１４７からピストン１４外部へと流出する流れを抑制する。これにより、内部空間１４７内の圧力を、安定して相対的に高く保つことができる。換言すると、気体軸受に用いられるガスを内部空間１４７内に安定して貯留することができる。
【００５０】
図５に示すように、複数の噴出孔１４４は、ピストン１４の周方向（矢印ＤＲ２方向）に９０°の等角度間隔で形成されている。換言すると、図５に示す例では、４つの噴出孔１４４がピストン１４の周方向に沿って等角度間隔で形成されている。また、溝部の底面１４３Ａは、ピストン１４の周方向において、外周面１４１と段差なく連続するように形成されている。換言すると、溝部の底面１４３Ａは、ピストン１４の周方向において、その外周面１４１と段差なく連続（交差）するように形成されている。
【００５１】
上記構成において、凹部である溝部１４３の底面１４３Ａ上にガスの噴出孔１４４を設けることにより、噴出孔１４４を形成するための加工時にピストン１４の外周面が変形することが抑制される。さらには、「気体軸受構造」において、噴出孔１４４から噴出されたガスを溝部１４３内に満たし、比較的広い領域でピストン１４を支持することができる。これにより、「軸受構造」としての機能が向上する。また、溝部１４３をピストン１４の周方向に沿って断続的に形成することで、ピストン１４の軸方向におけるガスシール性の低下を抑制することができる。また、ピストン１４の周方向において、溝部１４３の底面１４３Ａとピストン１４の外周面１４１とが段差なく連続（交差）するように該溝部１４３を形成することで、ピストン１４の軸方向および周方向においてともに段差を有する凹部を形成する場合と比較して、凹部（溝部１４３）形成時の加工が容易になる。そして、２軸の工作機械を使用すれば、２箇所同時に切除でき、さらに加工時間が短縮できる。すなわち、本実施の形態に係る「気体軸受構造」によれば、「軸受構造」としての機能、ピストン１４の軸方向におけるガスシール性およびピストン１４の加工性を同時に満足させることができる。
【００５２】
図６，図７は、それぞれ図３〜図５に示されるガス噴出機構の変形例を示した軸方向断面図（図５に対応する断面図）である。図６，図７を参照して、複数の噴出孔１４４は、ピストン１４の周方向（矢印ＤＲ２方向）に１２０°の等角度間隔で３つ形成されてもよいし、１８０°の等角度間隔で２つ形成されてもよい。
【００５３】
図８は、ガス噴出機構の他の変形例を示した斜視図である。図８に示すように、溝部１４３および噴出孔１４４を含む「ガス噴出機構」は、ピストン１４の軸方向に千鳥状に配置されていてもよい。このようにすることで、噴出孔１４４の数が少ない場合でも、シリンダ１３内におけるピストン１４の動きをより安定させることができる。なお、「ガス噴出機構」は、ピストン１４の周方向に千鳥状に配置されてもよい。
【００５４】
図９は、ガス噴出機構のさらに他の変形例を示した側断面図である。図９に示すように、金属製の連通管１４９を用いてガスの噴出孔１４４を形成してもよい。換言すると、本変形例では、ピストン１４の外周面１４１から内部空間１４７に達する孔に連通管１４９を組付けることにより、「ガス噴出機構」に含まれる噴出孔１４４を形成している。これにより、噴出孔１４４の径をより微小なものにすることができ、流量を絞り込むことで損失を低減することができる。また、金属管を用いることで、噴出孔１４４周辺の静電帯電が抑制され、結果として、埃などの付着が抑制される。したがって、噴出孔１４４の流路を安定して確保することができる。
【００５５】
以上においては、シリンダ１３内で往復運動するピストン１４に「ガス噴出機構」を設けた「気体軸受構造」の一例について説明したが、同様の思想を、シリンダ１３内で往復運動するディスプレーサ１５に適用してもよいし、ピストン１４のロッド挿入部１４６内で往復運動するディスプレーサロッド２６に適用してもよい。
【００５６】
図１０は、上述した「気体軸受構造」と同様の思想をディスプレーサ１５およびディスプレーサロッド２６に適用した場合の、該ディスプレーサ１５およびディスプレーサロッド２６を示した側断面図である。
【００５７】
図１０に示すように、ディスプレーサ１５は内部空間１５７を有する中空形状である。また、ディスプレーサ１５は、外周面１５１および軸方向端面１５２を有する。ディスプレーサ１５の外周面１５１上には底面１５３Ａを有する溝部１５３が形成され、底面１５３Ａ上には、内部空間１５７から矢印ＯＵＴの方向にガスを噴出させる噴出孔１５４が形成される。噴出孔１５４からガスが噴出されることにより、ディスプレーサ１５がシリンダ１３の内壁と非接触な状態で保持される。ここで、溝部１５３および噴出孔１５４は「ガス噴出機構」を形成する。このような「ガス噴出機構」が設けられることにより、シリンダ１３内をディスプレーサ１５が往復運動する際の摺動抵抗が低減される。ディスプレーサ１５の（圧縮空間１７Ａ側の）軸方向端面１５２上には、内部空間１５７に達する流入孔１５５が形成されている。圧縮空間１７Ａからディスプレーサ１５の内部空間１５７に流入するガスは、流入孔１５５を介して矢印ＩＮの方向に流入する。これにより、「ガス噴出機構」に必要なガスが供給される。以上によって、シリンダ１３内を往復運動するディスプレーサ１５を保持する「気体軸受構造」が構成される。
【００５８】
また、流入孔１５５の内部空間１５７側端部に、ディスプレーサ１５外部からディスプレーサ１５の内部空間１５７へと流入する流れを許容しながら、ディスプレーサ１５の内部空間１５７からディスプレーサ１５外部へと流出する流れを抑制する逆止弁が設けられる（図示省略）。これにより、内部空間１５７内の圧力を、安定して相対的に高く保つことができる。換言すると、気体軸受に用いられるガスを内部空間１５７内に安定して貯留することができる。
【００５９】
ディスプレーサ１５に接続されたディスプレーサロッド２６は、内部空間１５７に連通する内部空間２６７を有する中空形状を有する。また、ディスプレーサロッド２６は、外周面２６１を有する。ディスプレーサロッド２６の外周面２６１上には底面２６３Ａを有する溝部２６３が形成され、底面２６３Ａ上には、内部空間２６７からガスを噴出させる噴出孔２６４が形成される。噴出孔２６４からガスが噴出されることにより、ディスプレーサロッド２６がピストン１４のロッド挿入部１４６の内壁と非接触な状態で保持される。ここで、溝部２６３および噴出孔２６４は「ガス噴出機構」を形成する。このような「ガス噴出機構」が設けられることにより、ロッド挿入部１４６内をディスプレーサロッド２６が往復運動する際の摺動抵抗が低減される。ここで、「ガス噴出機構」に必要なガスは、ディスプレーサ１５の内部空間１５７から供給される。以上によって、ピストン１４のロッド挿入部１４６内を往復運動するディスプレーサロッド２６を保持する「気体軸受構造」が構成される。
【００６０】
図１０に示す例でも、溝部の底面１５３Ａ，２６３Ａは、それぞれディスプレーサ１５およびディスプレーサロッド２６の周方向（矢印ＤＲ２の方向）に沿って断続的に形成され、ディスプレーサ１５およびディスプレーサロッド２６の周方向において、それらの外周面１５１，２６１と段差なく連続するように形成されている。換言すると、溝部の底面１５３Ａ，２６３Ａは、それぞれディスプレーサ１５およびディスプレーサロッド２６の周方向において、それらの外周面１５１，２６１と段差なく交差するように形成されている。このようにすることで、上述したピストン１４の「気体軸受構造」と同様の効果を奏する。
【００６１】
上述した内容について要約すると、以下のようになる。すなわち、本実施の形態に係る気体軸受構造は、スターリング冷凍機４に含まれる気体軸受構造であって、シリンダ１３（筒状部）と、シリンダ１３の内壁に沿って往復運動するピストン１４（柱状部）と、ピストン１４の外周面１４１にピストン１４の周方向（矢印ＤＲ２の方向）に沿って断続的に形成された溝部１４３の底面１４３Ａからピストン１４の内部空間１４７（ガス室）に達する噴出孔１４４（孔部）を通じて内部空間１４７からシリンダ１３の内周面に向かってガスを噴出する「ガス噴出機構」とを備え、溝部１４３の底面１４３Ａが溝部１４３に隣接するピストン１４の外周面１４１と段差なく交差するように溝部１４３を形成している。なお、上記「筒状部／柱状部」の組合わせとして、「シリンダ１３／ディスプレーサ１５」または「ピストン１４のロッド挿入部１４６／ディスプレーサロッド２６」が適用されてもよい。
【００６２】
上記について換言すると、本実施の形態に係るスターリング冷凍機４は、上記「気体軸受構造」を含む「スターリング機関」であって、ケーシング３０を含む外殻体と、作動媒体を封入した外殻体内に組み付けられたシリンダ１３と、シリンダ１３内で往復運動するピストン１４と、シリンダ１３内でピストン１４に対し位相差をもって往復運動するディスプレーサ１５と、ディスプレーサ１５に接続され、ピストン１４を軸方向に貫通するディスプレーサロッド２６と、ピストン１４とディスプレーサ１５との間に形成された圧縮空間１７Ａと、ディスプレーサ１５に対してピストン１４の反対側に形成された膨張空間１７Ｂと、圧縮空間１７Ａと膨張空間１７Ｂとを連通する連通路に配設された再生器１６とを備え、ピストン１４またはディスプレーサ１５またはディスプレーサロッド２６に内部空間１４７，１５７，２６７および上記「ガス噴出機構」が設けられている。
【００６３】
本実施の形態においては、ピストン１４における圧縮空間１７Ａ側に位置する部分と背圧空間２７側に位置する部分とにおいて、同じ数の「ガス噴出機構」を設けた場合について主に説明したが、背圧空間２７側に位置する部分に設ける「ガス噴出機構」の数を、圧縮空間１７Ａ側に位置する部分に設ける「ガス噴出機構」の数よりも少なくしてもよい（たとえば、圧縮空間側：４本，背圧空間側：３本）。スターリング冷凍機４においては、背面空間２７の容積が圧縮空間１７Ａの容積よりも大きいため、背面空間２７の圧力変動は、圧縮空間１７Ａの圧力変動よりも小さい。すなわち、ピストン１４が背圧空間２７方向に運動している場合でも、背圧空間２７の圧力は比較的上昇しにくく、内部空間１４７と背圧空間２７との圧力差を比較的大きく保つことができるので、背圧空間２７側の「ガス噴出機構」からは、ガスが噴出されやすい。したがって、背圧空間２７側に位置する部分に設ける「ガス噴出機構」の数を減じたとしても、気体軸受構造としての機能を十分に果たすことができる。結果として、ガスベアリングの機能を確保しながら、ピストンの軸方向におけるガスリーク量を低減することができる。なお、「ガス噴出機構」の本数を減じることに代えて、背圧空間側の「ガス噴出機構」を構成する噴出孔１４４の孔径を相対的に小さく設定してもよい。
【００６４】
（実施の形態２）
図１１は、実施の形態２に係る「気体軸受構造」に含まれるピストン１４の一例を示した斜視図である。また、図１２，図１３は、それぞれ図１１におけるＸII−ＸII断面図，ＸIII−ＸIII断面図である。図１１〜図１３を参照して、本実施の形態に係る気体軸受構造は、実施の形態１に係る気体軸受構造の変形例であって、ピストン１４の軸方向（矢印ＤＲ１方向）において、溝部１４３の底面１４３Ａが溝部１４３に隣接するピストン１４の外周面１４１と段差なく連続（交差）するように溝部１４３を形成したことを特徴とする。
【００６５】
図１２に示すように、溝部１４３の底面１４３Ａは、円弧状に形成される。そして、矢印ＤＲ１方向において、ピストン１４の外周面１４１と段差無く連続している。
【００６６】
本実施の形態においても、実施の形態１と同様に、加工性およびガスシール性に優れた「気体軸受構造」を得ることができる。
【００６７】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、上述した各実施の形態の特徴部分を適宜組合わせることは、当初から予定されている。たとえば、溝部１４３の底面１４３Ａを凹球状に形成して、ピストンの軸方向（矢印ＤＲ１方向）および周方向（矢印ＤＲ２方向）を含む全ての方向において、溝部１４３の底面１４３Ａが溝部１４３に隣接するピストン１４の外周面１４１と段差なく連続（交差）するように溝部１４３を形成してもよい。また、今回開示された実施の形態は全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】本発明の実施の形態１に係るスターリング冷却庫の配管系統図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係るスターリング冷却庫におけるスターリング冷凍機を示す断面図である。
【図３】図２に示されるスターリング冷凍機に含まれる気体軸受構造におけるガス噴出機構の一例を示す斜視図である。
【図４】図３におけるIＶ−IＶ断面図である。
【図５】図３におけるＶ−Ｖ断面図である。
【図６】図３〜図５に示されるガス噴出機構の変形例を示す断面図である。
【図７】図３〜図５に示されるガス噴出機構の他の変形例を示す断面図である。
【図８】図３〜図５に示されるガス噴出機構の更に他の変形例を示す斜視図である。
【図９】図３〜図５に示されるガス噴出機構の更に他の変形例を示す断面図である。
【図１０】図２に示されるスターリング冷凍機におけるディスプレーサおよびディスプレーサロッドの一例を示す断面図である。
【図１１】本発明の実施の形態２に係るガス噴出機構の一例を示す斜視図である。
【図１２】図１１におけるＸII−ＸII断面図である。
【図１３】図１１におけるＸIII−ＸIII断面図である。
【符号の説明】
【００６９】
１  スターリング冷却庫、２  高温部、２Ａ〜２Ｅ  パイプ（高温側循環回路）、３  低温部、３Ａ，３Ｂ  パイプ（低温側循環回路）、４  スターリング冷凍機、５  高温側蒸発器、６  循環ポンプ、７  高温側凝縮器、８  ファン、９  発露防止パイプ、１０  低温側凝縮器、１１  低温側蒸発器、１２  ファン、１２Ａ  ドレンパイプ、１２Ｂ  ドレンパン、１２Ｃ  ファン、１３  シリンダ、１４  ピストン、１５  ディスプレーサ、１６  再生器、１７  作動空間、１７Ａ  圧縮空間、１７Ｂ  膨張空間、１８，１９  内部熱交換器、１８Ａ  チューブ、２０  インナーヨーク、２１  可動マグネット、２２  アウターヨーク、２３  リニアモータ、２４  ピストンスプリング、２５  ディスプレーサスプリング、２６  ディスプレーサロッド、２７  背圧空間、２８  板バネ、２９  バランスマス、３０  ケーシング、３０Ａ  ベース部材、１４１，１５１，２６１  外周面、１４２，１５２  軸方向端面、１４３，１５３，２６３  溝部、１４３Ａ，１５３Ａ，２６３Ａ  底面、１４４，１５４，２６４  噴出孔、１４５，１５５  流入孔、１４６  ロッド挿入部、１４７，１５７，２６７  内部空間、１４８  逆止弁、１４９  連通管、ＤＲ１  ピストン／ディスプレーサ軸方向、ＤＲ２  ピストン／ディスプレーサ周方向、ＤＲ３  開弁方向。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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