(57)【要約】【課題】常温、低温シールを不要として、シールクリアランス管理を不要とし、製作を簡単にする。【解決手段】内部に熱交換器１０が固定されたコールドヘッド６０と、前記熱交換器１０の一方側と連通される圧縮空間２２で冷媒ガスを圧縮するための圧縮ピストン２４又はシリンダ２５、及び、前記熱交換器１０の他方側に形成された、冷媒ガスを膨張させるための膨張空間３２と連通されるディスプレイサピストン３４又はシリンダ３５を有する圧縮・膨張機８０とを備える。【選択図】      図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に熱交換器が固定されたコールドヘッドと、
前記熱交換器の一方側と連通される圧縮空間で冷媒ガスを圧縮するための圧縮ピストン又はシリンダ、及び、前記熱交換器の他方側に形成された、冷媒ガスを膨張させるための膨張空間と連通されるディスプレイサピストン又はシリンダを有する圧縮・膨張機と、
を備えたことを特徴とするスターリング冷凍機。
【請求項２】
前記圧縮ピストン又はシリンダとディスプレイサピストン又はシリンダが、同一軸線上に対向配置されていることを特徴とする請求項１に記載のスターリング冷凍機。
【請求項３】
前記ディスプレイサピストン又はシリンダが、駆動手段を持たないパッシブ駆動であることを特徴とする請求項１又は２に記載のスターリング冷凍機。
【請求項４】
前記ディスプレイサピストン又はシリンダが、駆動手段を備えたアクティブ駆動であることを特徴とする請求項１又は２に記載のスターリング冷凍機。
【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係り、特に、固定式の熱交換器を備えた、製作が簡便で冷凍効率の高いスターリング冷凍機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１に作動原理を示す如く、例えば金網で構成される熱交換器１０の一方側（図では右側）に形成される圧縮空間２２で冷媒ガスを圧縮するための圧縮ピストン２４を有する圧縮機２０と、前記圧縮ピストン２４から吐出される冷媒ガスを熱交換器１０の反対側（図の左側）の膨張空間３２で膨張させるためのディスプレイサピストン３４を有する膨張機３０とを備え、図１（Ｂ）に示す如く、前記圧縮機２０では、前記圧縮ピストン２４の往復移動により冷媒ガスを圧縮する一方、前記膨張機３０では、該圧縮機２０で圧縮された冷媒ガスをディスプレイサピストン３４の往復移動により膨張させて、極低温レベルの寒冷を発生させるようにしたスターリング冷凍機が知られている。
【０００３】
このスターリング冷凍機の具体例として、出願人は、図２に示すような冷凍機を実用化している。図２において、４０は、互いに逆位相で作動する可動シリンダ４２、４３を備えた対向型圧縮機、４４、４５は、それぞれ、前記可動シリンダ４２、４３を支持するための平行板ばね、４６、４７は、それぞれ、前記可動シリンダ４２、４３を駆動するための（ムービング）コイル、４８、４９は、圧縮機２０のボディに固定されたマグネット、６０は、前記圧縮機４０の可動シリンダ４２、４３により圧縮される圧縮空間２２とパイプ５０を介して連通されるディスプレイサシリンダ６２内を、例えば金網製の熱交換器でなるディスプレイサ６４が往復動するようにされたコールドヘッド、６６は、該コールドヘッド６０先端（図の下端）の膨張空間３２により極低温に冷却されるコールドステージ、６８は、前記ディスプレイサ６４の一端（図の上端）に連結されたロッド、７０は、該ロッド６８を支持するための平行板ばね、７３、７４はシールである。
【０００４】
このように、従来のスターリング冷凍機は、コールドヘッド（又はコールドフィンガ）と呼ばれるユニット６０中に金網製の熱交換器であるディスプレイサ６４が装着され、該熱交換器（６４）がシリンダ６２内を、例えば５０〜６０Ｈｚの周波数で往復運動して膨張空間３２の容積を変動させ、冷凍サイクルの一部を形成していた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この方法では、熱交換器（６４）に取り付けられている常温側と低温側のシール７２、７４のクリアランスを、常温側（７２）で３０〜３５μｍ程度、低温側（７４）で８０〜１００μｍ程度に厳密に寸法管理する必要がある。そこで、通常、引抜加工されるシリンダ６２のパイプ内径を測って、シール７２、７４を現物合わせで選択しており、組込みに時間がかかっていた。
【０００６】
又、冷凍機寿命を長くしたい場合、常温側と低温側のシール７２、７４が、コールドヘッドのシリンダ６２に接触しないよう、組立管理を行なう必要がある。
【０００７】
更に、シール７２、７４がシリンダ６２と接触しないよう、シールクリアランスを大きくするため、ディスプレイサ６４を同期運動させるための弾性支持体として板ばね７０を用いる必要があり、冷凍能力が低下するという問題もあった。
【０００８】
本発明は、前記従来の問題点を解消するべくなされたもので、従来必要であった常温、低温シールを不要として、製作を簡便にすると共に、冷凍効率を向上することを課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、スターリング冷凍機において、内部に熱交換器が固定されたコールドヘッドと、前記熱交換器の一方側と連通される圧縮空間で冷媒ガスを圧縮するための圧縮ピストン又はシリンダ、及び、前記熱交換器の他方側に形成された、冷媒ガスを膨張させるための膨張空間と連通されるディスプレイサピストン又はシリンダを有する圧縮・膨張機とを備えることにより、前記課題を解決したものである。
【００１０】
又、前記圧縮ピストン又はシリンダとディスプレイサピストン又はシリンダを、同一軸線上に対向配置したものである。
【００１１】
又、前記ディスプレイサピストン又はシリンダを、駆動手段を持たないパッシブ駆動としたものである。
【００１２】
あるいは、前記ディスプレイサピストン又はシリンダを、駆動手段を備えたアクティブ駆動としたものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００１４】
本発明の第１実施形態は、図３に示す如く、内部に例えば金網製の熱交換器１０が固定されたコールドヘッド６０と、前記熱交換器１０の一方側（図の下側）と連通される圧縮空間２２で冷媒ガスを圧縮するための圧縮ピストン２４及びシリンダ２５、及び、前記熱交換器１０の他方側（図の上側）に形成された、冷媒ガスを膨張させるための膨張空間３２とパイプ１００を用いて連通されるディスプレイサピストン３４及びシリンダ３５を有する対向型圧縮・膨張機８０とを備えたものである。
【００１５】
前記熱交換器１０としては、例えば１８０メッシュ以上の金網を用いることができ、３００メッシュ程度が望ましい。
【００１６】
前記圧縮ピストン２４又はシリンダ２５と、ディスプレイサピストン３４及びシリンダ３５は、同一軸線上に対向配置されている。
【００１７】
前記ディスプレイサピストン３４とコールドステージ６６を結ぶパイプ１００は、熱交換器１０を内蔵するコールドヘッド６０のシリンダ６２の内径よりも小さくされ、無効空間容積を小さくして、冷凍効果が向上するようにされている。
【００１８】
前記圧縮ピストン２４は、例えば圧縮シリンダ２５の外側に、ボビン８２を介して配設された（ムービング）コイル８４を備えており、圧縮・膨張機８０のボディに固定されたマグネット８６との相互作用で、例えば２０〜１００Ｈｚの駆動周波数で駆動されている。
【００１９】
図において、８８は、前記圧縮ピストン２４を往復動自在に支持するための、板ばねやコイルばね等からなる弾性支持体、９０は、前記ディスプレイサピストン３４を往復動自在に支持するための、やはり板ばねやコイルばね等からなる弾性支持体であり、圧縮ピストン２４とディスプレイサピストン３４の動作位相差角が３０°〜１００°程度となるよう、弾性支持体９０の弾性定数やピストン３４の重さが調整される。
【００２０】
本実施形態においては、圧縮空間２２及び膨張空間３２が、圧縮ピストン２４及びディスプレイサピストン３４により圧縮／膨張するようにされていたが、図４に示す第２実施形態のように、ピストン２４、３４を固定し、圧縮シリンダ２５、ディスプレイサシリンダ３５側を可動としてもよい。
【００２１】
前記第１及び第２実施形態においては、いずれも、ディスプレイサが駆動手段を持たないパッシブ型とされていたので、構成が簡略である。
【００２２】
なお、図５（ピストン可動型）に示す第３実施形態、あるいは図６（シリンダ可動型）に示す第４実施形態のように、ディスプレイサ側にも圧縮側と同様のボビン９２、（ムービング）コイル９４、マグネット９６等を設けて、ディスプレイサピストン３４（第３実施形態）やディスプレイサシリンダ３５（第４実施形態）をアクティブ駆動としてもよい。
【００２３】
図において、１０２は、圧縮ピストン／シリンダとディスプレイサピストン／シリンダに、電流位相差角を変えて電流を供給するためのドライバである。
【００２４】
なお、前記実施形態は、いずれも、圧縮ピストン／シリンダやディスプレイサピストン／シリンダをムービングコイルとマグネットにより駆動するムービングマグネット型とされていたが、これらを駆動する方法はこれに限定されず、例えばコイルを固定し、マグネットを動かすムービングマグネット型としてもよい。更に、コールドヘッド６６と圧縮・膨張機８０を別体として、パイプ等で連結しても良い。
【００２５】
【発明の効果】
本発明によれば、熱交換器を固定式にできるので、従来必要であった常温、低温シールが不要となり、シールクリアランス管理が不要となって、製作が簡単になると共に、冷凍効率が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】スターリング冷凍機の作動原理を示す説明図
【図２】スターリング冷凍機の具体例の構成を示す断面図
【図３】本発明に係るスターリング冷凍機の第１実施形態の構成を示す断面図
【図４】同じく第２実施形態の構成を示す断面図
【図５】同じく第３実施形態の構成を示す断面図
【図６】同じく第４実施形態の構成を示す断面図
【符号の説明】
１０…熱交換器
２２…圧縮空間
２４…圧縮ピストン
２５…圧縮シリンダ
３２…膨張空間
３４…ディスプレイサピストン
３５…ディスプレイサシリンダ
６０…コールドヘッド
６２…シリンダ
６６…コールドステージ
８０…圧縮・膨張機
８４、９４…ムービングコイル
８６、９６…マグネット
８８、９０…弾性支持体
１００…パイプ
１０２…ドライバ
【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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