(57)【要約】【課題】  安定した運転動作が実現可能で、低コストにかつ小型に製作が可能なスターリング冷凍機を提供する。【解決手段】  フリーピストン型スターリング冷凍機１Ａは、作動ガスが充填されたケーシング２と、ケーシング２の内部に設置されたシリンダ３と、シリンダ３に嵌挿され、ケーシング２内部に形成された圧縮空間７内の作動ガスを圧縮させるピストン４と、ピストン４を駆動するリニアモータ６とを備える。フリーピストン型スターリング冷凍機１Ａのケーシング２の壁部２ａおよびディスプレーサ側シリンダ３ｂのピストン４側端面は、リニアモータ６による駆動力がピストン４に及ぶ範囲である駆動力作用範囲外にピストン４が逸脱することを防止するストッパ部として機能する。【選択図】        図１
2006342779.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
作動ガスが充填された筐体と、前記筐体の内部に設置されたシリンダと、前記シリンダに嵌挿され、前記筐体の内部に形成された圧縮空間内の作動ガスを圧縮させるピストンと、前記ピストンを駆動するリニアモータとを備えたリニア圧縮機であって、
前記リニアモータによる駆動力が前記ピストンに及ぶ駆動力作用範囲内に、前記ピストンが前記駆動力作用範囲外へと逸脱することを防止するストッパ部を設けたことを特徴とする、リニア圧縮機。
【請求項２】
前記ストッパ部は、前記ピストンが正常駆動範囲を超えて移動しようとした際に、前記ピストンが前記正常駆動範囲外へと移動することを防止するものである、請求項１に記載のリニア圧縮機。
【請求項３】
前記ピストンの前記ストッパ部との接触部位および前記ストッパ部の前記ピストンとの接触部位の少なくともいずれか一方に、前記ストッパ部に対する前記ピストンの非接触可動範囲の広狭を調節可能な間隔調節手段が設けられている、請求項１または２に記載のリニア圧縮機。
【請求項４】
前記ストッパ部は、前記筐体の一部分にて構成され、前記ピストンから見て前記圧縮空間側とは反対側に位置する背圧空間側への前記ピストンの逸脱を防止するものである、請求項１から３のいずれかに記載のリニア圧縮機。
【請求項５】
請求項１から４のいずれかに記載のリニア圧縮機をガス圧縮機として搭載した、スターリング機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、リニアモータによって駆動されるピストンを用いて圧縮空間内の作動ガスを圧縮するリニア圧縮機に関するものであり、また、このリニア圧縮機をガス圧縮機として搭載したスターリング機関に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、ピストンおよびディスプレーサ等の作動体の往復動に伴う作動ガスの圧縮・膨張を利用することにより、低温・高温または電力あるいは動力を得るガス圧縮膨張機が知られている。その一つにスターリング冷凍機がある。
【０００３】
スターリング冷凍機は、作動媒体である作動ガスをピストンにて圧縮・膨張させる圧縮機と、圧縮機から吐出された作動ガスをディスプレーサにて圧縮・膨張させる膨張機とを組合せたものである。上述の圧縮機としては、ピストンがリニアモータによって駆動されるリニア圧縮機が一般的である。
【０００４】
従来のスターリング冷凍機においては、圧縮機と膨張機とが別々に構成されたものが一般的であったが、近年においては、ピストンとディスプレーサとを同軸上に配置することによりシリンダを共有化したスターリング冷凍機が一般化しつつある。また、ディスプレーサを直接駆動することなく、ピストンの往復動によって生じる作動ガスの圧力変化を受けてディスプレーサがピストンと共振するように構成された、いわゆるフリーピストン型のスターリング冷凍機が一般化しつつある。
【０００５】
フリーピストン型スターリング冷凍機は、エクステンディッドロッド型ディスプレーサを備えたフリーピストン型スターリング冷凍機と、ポスティッドロッド型ディスプレーサを備えたフリーピストン型スターリング冷凍機とに大別される。エクステンディッドロッド型ディスプレーサを備えたフリーピストン型スターリング冷凍機にあっては、ディスプレーサの往復同方向の端面に設けられたディスプレーサロッドがピストンを貫通するように配設され、当該ディスプレーサロッドの先端が板バネ等の弾性体を介してケーシングに固定されることにより、ディスプレーサがケーシングによって弾性的に支持される。一方、ポスティッドロッド型ディスプレーサを備えたフリーピストン型スターリング冷凍機にあっては、ディスプレーサ自体にロッドは設けられず、代わりにディスプレーサが嵌挿されたシリンダにロッドが設けられ、このロッドとディスプレーサとがガススプリングまたはコイルバネを介して接続されることにより、ディスプレーサがケーシング内部に固定されたシリンダによって支持される。
【０００６】
以下においては、上述のポスティッドロッド型ディスプレーサを備えたフリーピストン型スターリング冷凍機の従来の一般的な構成例についてより詳細に図を参照して説明する。図１１は、従来のポスティッドロッド型ディスプレーサを備えたフリーピストン型スターリング冷凍機の構造を示す模式断面図である。
【０００７】
図１１に示す従来のフリーピストン型スターリング冷凍機１Ｋにおいては、作動ガスが充填された筐体としてのケーシング２の内部に設置されたシリンダ３内に、作動体としてのピストン４およびディスプレーサ５が嵌挿されている。
【０００８】
これらピストン４およびディスプレーサ５によってケーシング２内に位置する作動空間が、圧縮空間７と膨張空間８とに区画されている。圧縮空間７内には、放熱部である高温側コルゲートフィン１１の内周部に位置する高温側圧入リング９が位置している。一方、膨張空間８には、吸熱部である低温側コルゲートフィン１２の内周部に位置する低温側圧入リング１０が位置している。圧縮空間７と膨張空間８とは、ディスプレーサ側シリンダ３ｂの外側に形成された流路を介して連通している。圧縮空間７と膨張空間８とを連通する流路内には、再生器１３が配設されている。なお、ピストン４から見た場合にディスプレーサ５が位置する側とは反対側の方向に位置する空間には、ケーシング２によって囲まれた背圧空間１４が位置している。
【０００９】
ピストン４は、ボルト１７によって板バネ１５の中央部に固定されており、板バネ１５はその外周部がケーシング２に固定されたエンドブラケット１６に固定されている。すなわち、ピストン４は板バネ１５を介してケーシング２に接続されており、駆動手段としてのリニアモータ６によって駆動されることにより、シリンダ３内を軸方向に往復動する。ディスプレーサ５は、ピストン４によって圧縮・膨張される作動空間内に配置されており、ディスプレーサ側シリンダ３ｂのピストン４側に位置する端部から延びるロッド２０に、ガススプリング１８を介して接続されている。
【００１０】
以上において説明したポスティッドロッド型ディスプレーサを備えたスターリング冷凍機１Ｋにおいては、ディスプレーサ５が、リニアモータ６にて駆動されるピストン４によって生じる作動空間内のガス圧変動を受けてシリンダ３内を軸方向に周期的に往復動する。これにより、作動空間において逆スターリングサイクルが実現され、吸熱部において極低温が発生するようになる。
【００１１】
なお、上述のエクステンディッドロッド型ディスプレーサを具備したフリーピストン型スターリング冷凍機は、たとえば特開２００３−１６６７６８号公報（特許文献１）等に開示されている。また、上述のポスティッドロッド型ディスプレーサを具備したフリーピストン型スターリング冷凍機は、たとえば特開平１−２７３８０１号公報（特許文献２）等に開示されている。
【特許文献１】特開２００３−１６６７６８号公報
【特許文献２】特開平１−２７３８０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
フリーピストン型スターリング冷凍機の運転動作時においては、圧縮空間と膨張空間とを含む作動空間内に充填された作動ガスと、背圧空間内に充填された作動ガスとが弾性体としてピストンに作用するため、いわゆるガスばね効果を得ることが可能である。このガスばね効果に基づくガスばねのばね定数は、ピストンを弾性的に支持する板バネのばね定数に比較して著しく大きい。そのため、フリーピストン型スターリング冷凍機の定常運転動作時のみを考慮した場合には、必ずしも板バネは必要ではない。
【００１３】
しかしながら、ピストンを固定しない場合には、作動空間と背圧空間との間のガスバランスが安定していない状態である運転開始直後や外部環境温度の急激な変化時等において、ピストンが背圧空間側に大きく振れてリニアモータによる駆動力が及ばない位置へと大きく逸脱し、駆動が行なえなくなる場合がある。また、フリーピストン型スターリング冷凍機の運搬時やケーシング内部から作動ガスを排出させた際等においてもピストンが背圧空間側に大きく振れることがあり、この場合においてもピストンがリニアモータによる駆動力が及ばない位置へと大きく逸脱してその後の駆動が行なえなくなる場合がある。
【００１４】
このため、図１１に示すように、従来のポスティッドロッド型ディスプレーサを備えたフリーピストン型スターリング冷凍機１Ｋにおいては、ピストン４と背圧空間１４を構成するケーシング２の閉塞端との間の距離を大きく確保し、かつ上述のようにピストン４をボルト１７にて板バネ１５に固定することにより、ピストン４がリニアモータ６による駆動力が及ばない位置へと飛び出すことを防止している。すなわち、板バネ１５がピストン４の過大な振幅を防止するためのリミッタとしての役割を果たしている。このような板バネを用いたピストンの飛び出し防止構造は、上述のエクステンディッドロッド型ディスプレーサを備えたフリーピストン型スターリング冷凍機においても採用されている。
【００１５】
しかしながら、上述の板バネを用いたピストンの飛び出し防止構造を採用した場合には、フリーピストン型スターリング冷凍機の構造が複雑化するとともに部品点数も増加するため、製造コストが増大する問題があった。
【００１６】
したがって、本発明は、上述の問題点を解決すべくなされたものであり、安定した運転動作が実現可能で、低コストに且つ小型に製作が可能なリニア圧縮機およびこれを備えたスターリング機関を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明に基づくリニア圧縮機は、作動ガスが充填された筐体と、上記筐体の内部に設置されたシリンダと、上記シリンダに嵌挿され、上記筐体の内部に形成された圧縮空間内の作動ガスを圧縮させるピストンと、上記ピストンを駆動するリニアモータとを備えたものであって、上記リニアモータによる駆動力が上記ピストンに及ぶ駆動力作用範囲内に、上記ピストンが上記駆動力作用範囲外へと逸脱することを防止するストッパ部を設けたことを特徴とするものである。ここで、駆動力作用範囲とは、上述のようにリニアモータによる駆動力が上記ピストンに及ぶ範囲のことであり、ストッパ部を設けなかった場合にピストンがリニアモータの駆動力によって駆動制御される範囲のことである。
【００１８】
また、上記ストッパ部は、上記ピストンが往復動することが予定されている最大の振幅範囲である正常駆動範囲を超えて移動しようとした際に、上記ピストンが上記正常駆動範囲外へと移動することを防止するためのものとして設定されていてもよく、その場合には、上記ストッパ部が上記正常駆動範囲の両外側に上記正常駆動範囲に隣接して設けられることになる。
【００１９】
このように構成することにより、何らかの原因によってピストンが予定している最大振幅を超えてしまった場合、すなわち正常駆動範囲を超えてピストンが移動した場合にも、ピストンがストッパ部に接触することによってそれ以上振れることがなくなるため、ピストンが駆動力作用範囲外へと逸脱することがなくなる。したがって、リニア圧縮機が運転不能状態に陥ることが防止される。また、従来に比して簡素な構成になるため、リニア圧縮機を安価に製作することが可能になる。
【００２０】
上記本発明に基づくリニア圧縮機にあっては、上記ピストンの上記ストッパ部との接触部位および上記ストッパ部の上記ピストンとの接触部位の少なくともいずれか一方に、上記ピストンと上記ストッパ部とが接触することによって生じる衝撃を緩和する緩衝部材が設けられていることが好ましい。
【００２１】
このように構成することにより、ピストンとストッパ部とが接触した際の衝撃が緩衝部材によって緩和されるようになるため、ピストンおよびストッパ部の破損が未然に防止されるようになる。
【００２２】
上記本発明に基づくリニア圧縮機にあっては、上記ピストンの上記ストッパ部との接触部位および上記ストッパ部の上記ピストンとの接触部位の少なくともいずれか一方に、上記ストッパ部に対する上記ピストンの非接触可動範囲の広狭を調節可能な間隔調節手段が設けられていることが好ましい。
【００２３】
このように構成することにより、ピストンの非接触可動範囲を容易に調節することができるようになるため、仕様等に応じて適宜ピストンの非接触可動範囲の広狭を設定することが可能になる。
【００２４】
上記本発明に基づくリニア圧縮機にあっては、上記ストッパ部が、上記筐体の一部分にて構成されており、上記ピストンから見て上記圧縮空間側とは反対側に位置する背圧空間側への上記ピストンの逸脱を防止するものであことが好ましい。
【００２５】
このように構成することにより、駆動力作用範囲外へのピストンの逸脱が背圧空間側において発生することが防止できるとともに、筐体が短胴化するためリニア圧縮機を小型化することが可能になる。
【００２６】
本発明に基づくスターリング機関は、上述のいずれかのリニア圧縮機をガス圧縮機として搭載しているものである。
【００２７】
このように構成することにより、安定した運転動作が実現可能な小型のスターリング機関を安価に製作することが可能になる。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、安定した運転動作が実現可能な小型のリニア圧縮機およびこれを備えたスターリング機関を安価に製作することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、本発明の実施の形態について、図を参照して詳細に説明する。なお、以下に示す実施の形態においては、リニア圧縮機をガス圧縮機として搭載したスターリング機関の一例として、本発明者が発明した構成のフリーピストン型スターリング冷凍機を例示して説明を行なう。このフリーピストン型スターリング冷凍機は、シリンダから延設されたロッドの先端とディスプレーサを構成する外殻体とをディスプレーサ内部に配置したコイルバネによって接続したポスティッドロッド型ディスプレーサを備えたものである。
【００３０】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１におけるフリーピストン型スターリング冷凍機の構造を示す模式断面図である。
【００３１】
図１に示すように、本実施の形態におけるスターリング冷凍機１Ａは、ヘリウムガスや水素ガス、窒素ガスなどの作動ガスが作動媒体として内部に充填された筐体としてのケーシング２を有している。ケーシング２の内部には、作動ガスが充填されたシリンダ３が配置されている。シリンダ３は、ピストン４が嵌挿されるピストン側シリンダ３ａと、ディスプレーサ５が嵌挿されるディスプレーサ側シリンダ３ｂとに分割されており、これらピストン側シリンダ３ａの中心軸とディスプレーサ側シリンダ３ｂの中心軸とが重なるように、ピストン側シリンダ３ａとディスプレーサ側シリンダ３ｂとが同軸上に配置されている。
【００３２】
シリンダ３内には、ピストン４およびディスプレーサ５が同軸上に嵌挿されている。これらピストン４およびディスプレーサ５によってケーシング２内に位置する作動空間が、圧縮空間７と膨張空間８とに区画されている。圧縮空間７内には、放熱部である高温側コルゲートフィン１１の内周部に位置する高温側圧入リング９が位置している。一方、膨張空間８には、吸熱部である低温側コルゲートフィン１２の内周部に位置する低温側圧入リング１０が位置している。圧縮空間７と膨張空間８とは、ディスプレーサ側シリンダ３ｂの外側に形成された流路を介して連通している。圧縮空間７と膨張空間８とを連通する流路内には、再生器１３が配設されている。なお、ピストン４から見た場合にディスプレーサ５が位置する側とは反対側の方向に位置する空間には、ケーシング２によって囲まれた背圧空間１４が位置している。
【００３３】
シリンダ３の外側に位置する背圧空間１４内には、駆動手段としてのリニアモータ６が設置されている。リニアモータ６は、ピストン４に取付けられたマグネットホルダの先端に位置する可動マグネット６ｄと、この可動マグネット６ｄを挟み込むように位置するインナーヨーク６ａおよびアウターヨーク６ｂと、インナーヨーク６ａとアウターヨーク６ｂの間に位置し、電源に接続されたピストン駆動用コイル６ｃとから構成される。このピストン駆動用コイル６ｃに外部の電源から電力が供給されることによりリニアモータ６が作動し、可動マグネット６ｄが駆動されることによってピストン４がシリンダ３内を軸方向に往復動する。なお、リニアモータ６によって駆動されたピストン４に対しては、圧縮空間７および膨張空間８を含む作動空間内に充填された作動ガスと背圧空間１４内に充填された作動ガスとが弾性体として作用するため、ピストン４はシリンダ３内を所定の周期をもって滑らかに摺動することとなる。
【００３４】
ディスプレーサ５は、内側に内部空間を有する外殻体にて構成されている。外殻体は、ディスプレーサ５の往復動方向において２分割されており、圧縮空間７側に位置するボディ部５ａと、膨張空間８側に位置するキャップ部５ｂとを含んでいる。これらボディ部５ａとキャップ部５ｂとは、ネジ、接着剤、スナップフィット等の締結手段によって締結されることによって一体化される。
【００３５】
ディスプレーサ５のボディ部５ａの圧縮空間７に面する端部には、挿通孔が設けられている。この挿通孔には、ディスプレーサ側シリンダ３ｂのピストン４側の端部から立設され、ディスプレーサ５の往復動方向と平行な方向に延在するロッド２０が差し込まれており、ロッド２０の先端部はディスプレーサ５の内部空間内に位置している。ロッド２０の先端部には、固定部材２１が取付けられている。
【００３６】
ディスプレーサ５を構成する外殻体と固定部材２１との間には、一対の弾性部材であるコイルバネ２２，２３が組み込まれている。コイルバネ２２は、固定部材２１とディスプレーサ５のボディ部５ａの端部とによって挟持されており、コイルバネ２３は、固定部材２１とディスプレーサ５のキャップ部５ｂの端部とによって挟持されている。すなわち、コイルバネ２２，２３は、ロッド２０の先端部に取付けられた固定部材２１をディスプレーサ５の往復動方向において両側から挟み込むように設けられており、これらコイルバネ２２，２３は、ボディ部５ａとキャップ部５ｂとによってディスプレーサ５の往復動方向において挟持されている。
【００３７】
ディスプレーサ５は、リニアモータ６に駆動されるピストン４の往復動によって生じる作動空間内の作動ガス圧の変動を受けてシリンダ３内を軸方向に往復動する。その際、ディスプレーサ５は、その内部空間に位置するコイルバネ２２，２３を介してロッド２０に固定されているため、シリンダ３内を所定の周期をもって滑らかに摺動する。このディスプレーサ５の往復動は、上述のピストン４の往復動と一定の位相差をもって同期的に行なわれる。
【００３８】
以上の如くディスプレーサ５がピストン４の往復動にあわせて共振することにより、圧縮空間７と膨張空間８との間を作動ガスが行き来するようになり、これによって既知の逆スターリングサイクルが実現する。この熱サイクルにより、圧縮空間７内においては等温圧縮変化に基づいて作動ガスの温度が上昇し、膨張空間８内においては等温膨張変化に基づいて作動ガスの温度が低下する。この結果、スターリング冷凍機１Ａの吸熱部において極低温が発生するようになる。
【００３９】
本実施の形態におけるスターリング冷凍機１Ａにあっては、上述の従来のスターリング冷凍機１Ｋ（図１１参照）と異なり、ピストン４を支持する板バネ１５が設けられていない。すなわち、ピストン４がケーシング２に対して一切固定されていない。その代わりに、背圧空間１４側に位置するピストン４の往復動方向の端部に突出部４ａが設けられ、かつこの突出部４ａとケーシング２の背圧空間１４側に位置する閉塞端との間の距離が、非運転動作時において（ピストン４が静止位置にある状態において）、上記従来のスターリング冷凍機１Ｋにおけるピストン４の端部とケーシング２の閉塞端との間の距離に比べて短く設定されている。また、圧縮空間７側に位置するピストン４の往復動方向の端部とディスプレーサ側シリンダ３ｂのピストン４側の端面との間の距離が、非運転動作時において（ピストン４が静止位置にある状態において）、上述の突出部４ａと壁部２ａとの間の距離と同程度となるように調整されている。なお、本実施の形態におけるスターリング冷凍機１Ａにあっては、上記ケーシング２の閉塞端を構成する壁部２ａが、図示するように外側に向かって凸状でかつ湾曲状に形成されている。
【００４０】
ここで、ピストン４の突出部４ａとケーシング２の閉塞端を構成する壁部２ａとの間の距離、およびピストン４のディスプレーサ５側の端面とディスプレーサ側シリンダ３ｂのピストン４側の端面との間の距離は、運転動作時におけるピストン４の最大振幅以上で、かつリニアモータ６による駆動力がピストン４に及ぶ範囲内の距離とする。すなわち、ピストン４の往復動方向において、ピストン４が他の部材に接触することなく往復動できる非接触可動範囲が、リニアモータ６による駆動力がピストン４に及ぶ範囲である駆動力作用範囲内に含まれるように設定する。
【００４１】
このように構成することにより、何らかの原因によってピストン４が背圧空間１４側あるいは圧縮空間７側に大きく振れ、予定している最大振幅を超えてしまった場合（すなわち、ピストン４が予定している正常駆動範囲を超えて移動した場合）にも、ピストン４に設けた突出部４ａがケーシング２の閉塞端に接触（衝突）することによってそれ以上ピストン４が振れることがなくなるか、あるいはピストン４のディスプレーサ５側の端面がディスプレーサ側シリンダ３ｂのピストン４側の端面に接触（衝突）することによってそれ以上ピストン４が触れることがなくなるため（すなわち、ケーシング２の壁部２ａまたはディスプレーサ側シリンダ３ｂの端面がピストン４の過度の振動を防止するストッパ部として機能するため）、リニアモータ６による駆動力がピストン４に及ぶ範囲である駆動力作用範囲外へとピストン４が逸脱することがなくなる。したがって、スターリング冷凍機１Ａが運転不能状態に陥ることが防止され、安定した運転動作が可能となる。
【００４２】
また、上記のように構成することにより、従来のスターリング冷凍機において必要であった板バネおよび板バネにピストンを固定するためのボルト等の部品が不要になるため、製作時におけるコストの削減が可能になる。さらには、従来のスターリング冷凍機に比べてケーシングを短胴化することができるため、スターリング冷凍機を小型化することが可能になる。
【００４３】
なお、上述の駆動力作用範囲、非接触可動範囲および正常駆動範囲の関係は、それぞれ以下のように設定することが重要である。まず、非接触可動範囲は、図１に示すように正常駆動範囲にすべて重複している必要があり、正常駆動範囲と完全に一致するかあるいはそれよりも広範な範囲に設定されている必要がある。これは、非接触可動範囲が正常駆動範囲よりも狭い場合には、正常運転動作時にピストン４がストッパ部である壁部２ａに接触してしまい、正常な運転動作ができなくなるためである。次に、駆動力作用範囲は、図１に示すように非接触可動範囲にすべて重複している必要があり、非接触可動範囲と完全に一致するかあるいはそれよりも広範な範囲に設定されている必要がある。これは、駆動力作用範囲が非接触可動範囲よりも狭い場合には、駆動力作用範囲をピストン４が逸脱した場合に、駆動力作用範囲外で非接触可動範囲内にピストン４が停止し、ピストン４の駆動が不能になるおそれがあるためである。
【００４４】
上記関係を換言すれば、ストッパ部である隔壁２ａおよびディスプレーサ側シリンダ３ｂの端面は、駆動力作用範囲内でかつ正常駆動範囲外に設けられていることが好ましいことになる。このように構成することにより、駆動力作用範囲外への逸脱が防止されるため、安定したスターリング冷凍機１Ａの運転動作が実現されるようになる。
【００４５】
また、従来のスターリング冷凍機に比してピストン４の端部とケーシング２の閉塞端との間の距離を短くするために背圧空間１４の容積を著しく小さくした場合には、背圧空間１４に充填された作動ガスによるガスばね効果が必要以上に大きくなり、ピストン４とディスプレーサ５との間に共振ずれが発生するおそれがある。これを解決するためには、ケーシング２の閉塞端を構成する壁部２ａの形状に変更を加えることが効果的である。図２および図３は、上述の実施の形態１におけるスターリング冷凍機において、このような観点から、ケーシングの閉塞端を構成する壁部の形状に変更を加えた変形例を示す模式断面図である。
【００４６】
図２に示すスターリング冷凍機１Ｂにおいては、ケーシング２の閉塞端を構成する壁部２ａが、図示するように平板状に形成されている。また、図３に示すスターリング冷凍機１Ｃにおいては、ケーシング２の閉塞端を構成する壁部２ａが、外側に向かって凹状でかつ湾曲状に形成されている。このように構成することにより、従来のスターリング冷凍機に比してピストン４の端部とケーシング２の閉塞端との間の距離を短くしつつ、かつ背圧空間１４の容積を上述の実施の形態１におけるスターリング冷凍機１Ａよりも大きく確保することが可能となり、ピストン４とディスプレーサ５との共振ずれが防止可能となる。
【００４７】
（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の形態２におけるスターリング冷凍機の構造を示す模式断面図である。なお、上述の実施の形態１におけるスターリング冷凍機１Ａと同様の部分については図中同一の符号を付し、その説明はここでは繰り返さない。
【００４８】
図４に示すように、本実施の形態におけるスターリング冷凍機１Ｄは、上述の実施の形態１におけるスターリング冷凍機１Ａにおいて、ピストン４の背圧空間１４側の端部に形成された突出部４ａの先端に、ケーシング２の閉塞端を構成する壁部２ａ（すなわち、ストッパ部）に突出部４ａが接触した際に生じる衝撃を緩和するための緩衝部材３１が取付けられている。すなわち、ピストン４のケーシング２との接触部位に、接触の際に生じる衝撃を緩和する緩衝部材３１が設けられている。この衝撃緩和用の緩衝部材３１としては、たとえばゴムや軟質プラスチック等からなる部材が利用可能である。
【００４９】
このように構成することにより、上述の実施の形態１において示した効果に加え、何らかの原因によってピストン４が背圧空間１４側に大きく振れ、予定している最大振幅を超えてしまってケーシング２に接触してしまった場合にも、この接触による衝撃が緩衝部材３１によって緩和されるようになるため、ピストン４およびケーシング２の破損を未然に防止することが可能になる。
【００５０】
また、図５は、本発明の実施の形態２におけるスターリング冷凍機の変形例を示す模式断面図である。図５に示すスターリング冷凍機１Ｅにおいては、ケーシング２の閉塞端を構成する壁部２ａに、ピストン４が接触した際に生じる衝撃を緩和するための緩衝部材３２が取付けられている。すなわち、ケーシング２のピストン４との接触部位に、接触の際に生じる衝撃を緩和する緩衝部材３２が設けられている。このように構成した場合にも、上述のスターリング冷凍機１Ｄと同様に、接触による衝撃が緩衝部材３２によって緩和されるようになる。
【００５１】
また、図６は、本発明の実施の形態２におけるスターリング冷凍機の他の変形例を示す模式断面図である。図６に示すスターリング冷凍機１Ｆにおいては、上述のスターリング冷凍機１Ｄ，１Ｅと異なり、ピストン４の圧縮空間側に緩衝部材３３が設けられている。具体的には、図示するスターリング冷凍機１Ｆにおいてはディスプレーサ側シリンダ３ｂのピストン４側の端面に緩衝部材３３が取付けられている。このように構成した場合にも、上述のスターリング冷凍機１Ｄ，１Ｅと同様に、接触による衝撃が緩衝部材３３によって緩和されるようになる。なお、図示はしないが、ピストン４の圧縮空間７側の端面に緩衝部材を取付けるように構成してもよい。
【００５２】
また、図７は、本発明の実施の形態２におけるスターリング冷凍機のさらに他の変形例を示す模式断面図である。図７に示すスターリング冷凍機１Ｇは、上述のスターリング冷凍機１Ｆにおいて、ディスプレーサ側シリンダ３ｂのピストン４側の端面に取付けられる緩衝部材をコイルバネ３４にて構成したものである。ここで、コイルバネ３４は、ピストン４が何らかの理由によって圧縮空間７側において正常駆動範囲を逸脱した場合に、ピストン４の力を受けて圧縮することによってピストン４を正常駆動範囲内へと押し戻すものであり、これにより駆動力作用範囲外へのピストン４の逸脱を防止するものである。このように構成した場合にも、上述のスターリング冷凍機１Ｄ，１Ｅ，１Ｆと同様に、接触による衝撃が緩衝部材であるコイルバネ３４によって緩和されるようになる。なお、図示はしないが、ピストン４の圧縮空間７側の端面にコイルバネを取付けるように構成してもよいし、ピストン４の背圧空間１４側の端面やケーシング２の閉塞端である壁部２ａにコイルバネを取付けることとしてもよい。
【００５３】
（実施の形態３）
図８は、本発明の実施の形態３におけるスターリング冷凍機の構造を示す模式断面図である。なお、上述の実施の形態１におけるスターリング冷凍機１Ａと同様の部分については図中同一の符号を付し、その説明はここでは繰り返さない。
【００５４】
図８に示すように、本実施の形態におけるスターリング冷凍機１Ｈは、上述の実施の形態１におけるスターリング冷凍機１Ａにおいて、ピストン４の背圧空間１４側の端部に形成された突出部４ａの先端に、ケーシング２の閉塞端を構成する壁部２ａ（すなわち、ストッパ部）との間の距離を調節することができる間隔調節部材３５が設けられている。より具体的には、ピストン４の背圧空間１４側の端部に形成された突出部４ａにねじ穴が形成されており、このねじ穴にねじが取付けられることによって間隔調節手段が構成されている。
【００５５】
このように、間隔調整手段をピストン４にねじ止めしたねじにて構成することにより、ピストン４に対するねじの締め込み量に応じて、ピストン４のケーシング２との接触部位とケーシング２のピストン４との接触部位との間の距離を調節することが可能になる。したがって、製品の仕様に応じてピストン４の非接触可動範囲を適宜変更することが可能になる。
【００５６】
また、図９は、本発明の実施の形態３におけるスターリング冷凍機の変形例を示す模式断面図である。図９に示すスターリング冷凍機１Ｉにおいては、ケーシング２の閉塞端を構成する壁部２ａに、ピストン４との間の距離を調節することができる間隔調節部材３６が設けられている。より具体的には、ケーシング２の閉塞端を構成する壁部２ａにねじ穴が形成されており、このねじ穴にねじが取付けられることによって間隔調節手段が構成されている。このように構成した場合にも、上述のスターリング冷凍機１Ｈと同様に、ケーシング２に対するねじの締め込み量に応じて、ピストン４の非接触可動範囲を調節することが可能になる。
【００５７】
また、図１０は、本発明の実施の形態３におけるスターリング冷凍機の他の変形例を示す模式断面図である。図１０に示すスターリング冷凍機１Ｊにおいては、上述のスターリング冷凍機１Ｈ，１Ｉと異なり、ピストン４の圧縮空間側に間隔調節部材３７が設けられている。具体的には、図示するスターリング冷凍機１Ｊにおいてはディスプレーサ側シリンダ３ｂのピストン４側の端面にねじ穴が形成されており、このねじ穴にねじが取付けられることによって間隔調節手段が構成されている。このように構成した場合にも、上述のスターリング冷凍機１Ｈ，１Ｉと同様に、ディスプレーサ側シリンダ３ｂのピストン４側の端面に対するねじの締め込み量に応じて、ピストン４の非接触可動範囲を調節することが可能になる。なお、図示はしないが、ピストン４の圧縮空間７側の端面に間隔調節部材３７を取付けるように構成してもよい。
【００５８】
上述の実施の形態１ないし３およびその変形例においては、いずれもピストンの背圧空間側の端部とケーシングの閉塞端との間の距離を短くするために、ピストンの背圧空間側の端部に突出部を設けた構成とした場合を例示して説明を行なったが、必ずしもピストンの背圧空間側の端部に突出部を設ける必要はなく、ピストンの形状は任意である。
【００５９】
また、上述の実施の形態１ないし３およびその変形例においては、いずれもピストンの振幅が過度になった場合にピストンが筐体であるケーシングやシリンダに接触するように構成した場合を例示して説明を行なったが、ピストンが接触する対象は必ずしもケーシングやシリンダである必要はない。たとえば、ケーシングやシリンダ以外の部材であるエンドブラケット等の他部材に接触するように構成してもよい。
【００６０】
また、上述の実施の形態１ないし３およびその変形例に示す構成は、互いに組合わせて適用することが可能である。たとえば、図４に示すスターリング冷凍機１Ｄにおいて、圧縮空間７側に図１０に示す如くの間隔調節部材３７を設ける構成としてもよいし、図８に示すスターリング冷凍機１Ｈにおいて、圧縮空間７側に図６に示す如くの緩衝部材３３を設ける構成としてもよい。さらには、図５に示すスターリング冷凍機１Ｅにおいて、圧縮空間７側に図７に示す如くの緩衝部材３４を設ける構成としてもよいし、図５に示すスターリング冷凍機１Ｅにおいて、背圧空間１４側に図８に示す如くの間隔調節部材３５を設ける構成としてもよい。このように、上述の実施の形態１ないし３およびその変形例に示す構成は、相互に組合わせが自由である。
【００６１】
また、上述の実施の形態１ないし３およびその変形例においては、シリンダから延設されたロッドの先端とディスプレーサを構成する外殻体とをディスプレーサ内部に配置したコイルバネによって接続した構成を有するポスティッドロッド型ディスプレーサを備えたフリーピストン型スターリング冷凍機に本発明を適用した場合を例示して説明を行なったが、本発明の適用は、特にこの構成のフリーピストン型スターリング冷凍機に限定されるものではない。たとえば、ガススプリングによってディスプレーサがロッドに接続された構成のポスティッドロッド型ディスプレーサを備えたフリーピストン型スターリング冷凍機や、エクステンディッドロッド型ディスプレーサを備えたフリーピストン型スターリング冷凍機にも本発明は当然に適用が可能である。
【００６２】
また、上述の実施の形態１ないし３およびその変形例においては、シリンダ内にピストンおよびディスプレーサが同軸上に嵌挿された構成のスターリング冷凍機に本発明を適用した場合を例示して説明を行なったが、本発明の適用は、特にこの構成のスターリング冷凍機に限定されるものではない。たとえば、圧縮機と膨張機とが別装置として構成され、これら圧縮機と膨張機とが互いに組み合わされたスターリング冷凍機にも本発明は当然に適用が可能である。
【００６３】
さらには、上述の実施の形態１ないし３およびその変形例においては、フリーピストン型スターリング冷凍機を例示して説明を行なったが、本発明は外燃機関としてのスターリング機関にも当然に適用が可能であり、また単一のピストンのみを備えるリニア圧縮機にも当然に適用が可能である。
【００６４】
なお、上述の実施の形態１ないし３およびその変形例におけるスターリング冷凍機１Ａ〜１Ｊの構造を示す図１ないし図１０においては、各種構成部品を内包するケーシングを一体物として図示している。これは、各実施の形態またはその変形例におけるスターリング冷凍機１Ａ〜１Ｊの構成が容易に理解されるように図示を簡略化したものである。しかしながら、実際に図示される構造のスターリング冷凍機を製作する場合には、複数の分割体を組合わせてケーシングを構成する必要がある。
【００６５】
このように、今回開示した上記各実施の形態およびその変形例はすべての点で例示であって、制限的なものではない。本発明の技術的範囲は特許請求の範囲によって画定され、また特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本発明の実施の形態１におけるスターリング冷凍機の構造を示す模式断面図である。
【図２】本発明の実施の形態１におけるスターリング冷凍機の変形例を示す模式断面図である。
【図３】本発明の実施の形態１におけるスターリング冷凍機の他の変形例を示す模式断面図である。
【図４】本発明の実施の形態２におけるスターリング冷凍機の構造を示す模式断面図である。
【図５】本発明の実施の形態２におけるスターリング冷凍機の変形例を示す模式断面図である。
【図６】本発明の実施の形態２におけるスターリング冷凍機の他の変形例を示す模式断面図である。
【図７】本発明の実施の形態２におけるスターリング冷凍機のさらに他の変形例を示す模式断面図である。
【図８】本発明の実施の形態３におけるスターリング冷凍機の構造を示す模式断面図である。
【図９】本発明の実施の形態３におけるスターリング冷凍機の変形例を示す模式断面図である。
【図１０】本発明の実施の形態３におけるスターリング冷凍機の他の変形例を示す模式断面図である。
【図１１】従来のポスティッドロッド型ディスプレーサを備えたフリーピストン型スターリング冷凍機の構造を示す模式断面図である。
【符号の説明】
【００６７】
１Ａ〜１Ｋ  スターリング冷凍機、２  ケーシング、２ａ  壁部（ストッパ部）、３  シリンダ、３ａ  ピストン側シリンダ、３ｂ  ディスプレーサ側シリンダ、４  ピストン、４ａ  突出部、５  ディスプレーサ、５  ディスプレーサ、５ａ  ボディ部、５ｂ  キャップ部、６  リニアモータ、６ａ  インナーヨーク、６ｂ  アウターヨーク、６ｃ  ピストン駆動用コイル、６ｄ  可動マグネット、７  圧縮空間、８  膨張空間、９  高温側圧入リング、１０  低温側圧入リング、１１  高温側コルゲートフィン、１２  低温側コルゲートフィン、１３  再生器、１４  背圧空間、１５，１６  板バネ、１７  ボルト、１８  ガススプリング、２０  ロッド、２１  固定部材、２２，２３  コイルバネ、３１，３２，３３  緩衝部材、３４  緩衝部材（コイルバネ）、３５，３６  間隔調節部材。
【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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