(57)【要約】【課題】  気体軸受けを構成する噴出孔に付着する埃を低減し、高い気体軸受け性能を維持することによって、高性能かつ高信頼性が確保された、ピストンの気体軸受け構造を提供する。する。【解決手段】  作動ガスを充填したシリンダ３内に嵌装されたピストン１およびディスプレーサ２を備え、これらピストン１およびディスプレーサ２はそれぞれシリンダ内壁面３ａとの間に間隙を形成している。ピストン１およびディスプレーサ２は、高圧の作動ガスを貯留するための内部空間１ａ，２ａをその内側に備えており、さらにシリンダ内壁面３ａに対向する外壁には、内部空間１ａ，２ａに貯留された作動ガスをシリンダ内壁面３ａに向かって噴出するための噴出孔６が設けられた金属製の連通孔部材５を備えている。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
作動ガスを充填したシリンダ内に嵌装されて往復動する、ガス貯留室を内側に備えたピストンの前記シリンダの内壁に対向する外壁に、前記ガス貯留室に流入した作動ガスを前記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け構造であって、
前記連通孔部材が金属材料にて形成されていることを特徴とする、ピストンの気体軸受け構造。
【請求項２】
前記ピストンはリニアモータによって駆動され、
前記連通孔部材が非磁性の金属材料からなる、請求項１に記載のピストンの気体軸受け構造。
【請求項３】
前記外壁の主表面には凹部が設けられており、前記凹部の底面に前記連通孔部材が配設された、請求項１または２に記載のピストンの気体軸受け構造。
【請求項４】
前記連通孔部材の前記ガス貯留室側に位置する主表面周縁が、前記シリンダ内壁面側に向かって徐々に広がるように形成された、請求項１から３のいずれかに記載のピストンの気体軸受け構造。
【請求項５】
前記外壁は、前記連通孔部材を嵌め込むための嵌合穴を有しており、前記嵌合穴の前記シリンダ内壁面側の開口周縁が、前記ガス貯留室側に向かって徐々に狭まるように形成された、請求項１から４のいずれかに記載のピストンの気体軸受け構造。
【請求項６】
作動ガスを充填したシリンダ内に嵌装されて往復動する、ガス貯留室を内側に備えたピストンの前記シリンダの内壁に対向する外壁に、前記ガス貯留室に流入した作動ガスを前記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け構造であって、
前記外壁の主表面に凹部が設けられており、この凹部の底面に前記連通孔部材を嵌合させるための嵌合穴が形成されたことを特徴とする、ピストンの気体軸受け構造。
【請求項７】
前記連通孔部材は細管である、請求項６に記載のピストンの気体軸受け構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ピストンの気体軸受け構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
図７は、一般的なスターリング機関の構造を説明するための概略断面図である。ここでは、スターリング機関を用いたスターリング冷凍機を例示して、ピストンの気体軸受け構造について説明する。
【０００３】
フリーピストン型スターリング冷凍機では、内部に円筒状の空間を有するシリンダ３内に、ピストン１およびディスプレーサ２を同軸上に嵌装することで、ピストン１とディスプレーサ２との間に圧縮空間７を、ディスプレーサ２とシリンダ３の閉塞端との間に膨張空間８をそれぞれ形成している。この圧縮空間７と膨張空間８との間には再生器９が設置されており、これら圧縮空間７、膨張空間８および再生器９によって閉回路が構成されている。
【０００４】
この閉回路内には、ヘリウムなどの不活性ガスが充填されている。上記シリンダ３内に嵌装されたピストン１は、リニアモータ１６などの駆動手段によって駆動され、シリンダ３内を軸方向に往復動する。このピストン１の往復動は、上記圧縮空間７内の作動ガスに周期的な圧力変化をもたらし、圧縮に伴って上昇した背圧の脈動により作動ガスを再生器９を介して膨張空間８へと流入させる。このときの膨張空間８内への作動ガスの移動により、ディスプレーサ２に周期的な軸方向の振動が生じる。
【０００５】
ディスプレーサ２は、ディスプレーサロッド１４の一端に固定されており、さらにこのディスプレーサロッド１４の他端は、共振用バネ１５を介して本体ケーシング１７に取付けられている。このディスプレーサロッド１４は、ピストン１に設けられた軸方向の貫通孔を貫くように配置されている。上述した膨張空間８内部への作動ガスの流入により生じる振動と共振用バネ１５の弾性力とにより、ディスプレーサ２はピストン１と同じ周期で、ある一定の位相差もって往復動する。以上の構成および動作により、上述の閉回路内に既知の熱力学的サイクルである逆スターリングサイクルが構成され、吸熱器１２近傍の外気が極低温に冷やされる。
【０００６】
シリンダ３内を往復動するピストン１およびディスプレーサ２は、それぞれシリンダ内壁面３ａと接触しない状態で往復動可能となるように、シリンダ３の内径よりも僅かにその外径が小さく設計されるとともに気体軸受けを備えている。これは、ピストン１やディスプレーサ２がシリンダ内壁面３ａと接触すると、機械損失や磨耗粉の発生につながり、スターリング機関の性能や信頼性に悪影響を与えるためである。
【０００７】
気体軸受けは、ピストン１およびディスプレーサ２の内部に形成されたガス貯留室であるピストン内部空間１ａおよびディスプレーサ内部空間２ａから、シリンダ内壁面３ａへと高圧の作動ガスを噴出することにより、ピストン１およびディスプレーサ２がシリンダ内壁面３ａから浮遊した状態で往復動するように構成されたものである。この気体軸受けは、一般にはピストン１およびディスプレーサ２の両方にそれぞれ設けられるものであるが、その機構はほぼ同一であるため、以下においてはピストン１に設けられた気体軸受けについてのみ説明を行なう。
【０００８】
ピストン１の外壁のうち圧縮空間７に面する外壁には、ピストン１の内部空間１ａと圧縮空間７とを連通させるための流入孔４が設けられている。この流入孔４には、ピストン内部空間１ａから圧縮空間７への作動ガスの逆流を防ぐ逆止弁（図示せず）が取り付けられている。これにより、圧縮空間７からピストン内部空間１ａへと高圧の作動ガスが流入し、常にピストン内部空間１ａ内が高圧状態に維持される。また、ピストン１の外壁のうち、シリンダ内壁面３ａと対向する外壁の所定部分には、ピストン内部空間１ａとつながる連通孔である噴出孔６が設けられている。
【０００９】
以上の、流入孔４、ピストン内部空間１ａ、および噴出孔６によって気体軸受けが形成されている。本構成により、圧縮空間７内の高圧作動ガスがピストン内部空間１ａへと流入孔４を介して流入し、さらに噴出孔６からシリンダ内壁面３ａへと向かって高圧の作動ガスが噴出されることにより、ピストン１とシリンダ内壁面３ａとの接触が防止される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上述の気体軸受け構造を構成するピストンまたはディスプレーサの外壁に形成される噴出孔は、シリンダ内壁面に吹き付けられる作動ガスの噴出量を最適値とするために、非常に微細な口径とする必要がある。具体的には、通常のスターリング機関では、数十μｍ程度である場合が多い。このため、ピストンやディスプレーサに噴出孔を直接加工することは非常に困難であり、より大きな嵌合穴を設けてその中に数十μｍ程度の毛細管を備えたガラス製や樹脂製の連通孔部材を嵌挿して接着固定または圧入することにより製作されていた。
【００１１】
しかしながら、この場合にはピストンやディスプレーサの往復動により、ガラス製や樹脂製の連通孔部材が静電帯電し、この静電気によって作動ガス内に含まれる微細な埃などが噴出孔内部に付着することによって、噴出孔から噴出される作動ガス量が減少するという問題があった。この噴出量の減少は気体軸受けの性能低下をもたらし、ピストンやディスプレーサとシリンダ内壁面との摩擦が増大することによって、スターリング機関の性能低下や信頼性低下を引き起こしていた。
【００１２】
また、ガラス製や樹脂製の連通孔部材をピストンの外壁に設けられた嵌合穴に接着固定または圧入した場合には、嵌合穴への連通孔部材の組付けが不十分でその一部がピストンの外壁から外側に突出してしまったり、圧入によってピストンや連通孔部材に変形が生じたりする場合がある。この場合には、ピストンとシリンダが接触することになり、歩留まりが低下するという問題があった。
【００１３】
したがって、本発明は上記問題を解決すべくなされたものであり、気体軸受けを構成する噴出孔に付着する埃を低減し、高い気体軸受け性能を実現させることを目的とする。
【００１４】
また、本発明は、ピストンに別部材である連通孔部材を組付けることによって生じ得るピストンとシリンダの接触を未然に防止することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の第１の局面に基づくピストンの気体軸受け構造は、作動ガスを充填したシリンダ内に嵌装されて往復動する、ガス貯留室を内側に備えたピストンのシリンダの内壁に対向する外壁に、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ものであって、連通孔部材が金属材料にて形成されていることを特徴とするものである。
【００１６】
本構成のように、連通孔部材を金属製とすることにより、ピストンの往復動による連通孔部材の静電帯電が防止されるため、噴出孔である連通孔内への埃などの付着が低減される。この結果、気体軸受け性能の低下が防止されるため、高性能で高信頼性が確保されたピストンの気体軸受け構造が実現される。なお、一般的に連通孔部材を外壁に組付ける手法としては、外壁に嵌合穴を設け、この嵌合穴に連通孔部材を嵌め込むことにより組付けられる場合が多い。
【００１７】
上記本発明の第１の局面に基づくピストンの気体軸受け構造にあっては、たとえば、ピストンを駆動する駆動手段がリニアモータであり、連通孔部材が非磁性の金属材料にて形成されていることが好ましい。
【００１８】
ピストンを駆動する駆動手段がリニアモータである場合に、連通孔部材を金属材料にて形成した場合には、連通孔部材が磁化されることによって、作動ガス中に含まれる金属粉が連通孔内に付着することが考えられるが、本構成のように非磁性の金属材料を使用することにより、静電気の発生を防止するのみでなく、連通孔部材がリニアモータによって磁化されることも防止されるため、埃や金属粉などの連通孔への付着が防止される。この結果、高性能で高信頼性のピストンの気体軸受け構造が実現される。
【００１９】
上記本発明の第１の局面に基づくピストンの気体軸受け構造にあっては、たとえば、連通孔が設けられる外壁の主表面に凹部が設けられており、この凹部の底面に連通孔部材が配設されていることが望ましい。
【００２０】
上述のように、連通孔部材を金属製とした場合には、連通孔部材を嵌合穴に組付ける際に、特に圧入によって嵌合穴に連通孔部材が嵌め込む際に、ピストンの嵌合穴周辺に変形が生じ、これによってピストンの外壁とシリンダ内壁とが接触するおそれがある。このため本構成のように、ピストンの外壁に凹部を設け、この凹部底面に嵌合穴を設けることにより、嵌合穴への連通孔部材の嵌め込みの際に嵌合穴周辺の外壁が変形したとしても、この変形がピストンの外壁主表面にまで達することが防止されるため、シリンダ内壁面にピストンが接触する危険性が低減される。この結果、摩擦の増大やシリンダの破損が未然に防止され、長期にわたって高い性能と信頼性が確保される。
【００２１】
上記本発明の第１の局面に基づくピストンの気体軸受け構造にあっては、たとえば、連通孔部材のガス貯留室側に位置する主表面周縁が、シリンダ内壁面側に向かって徐々に広がるように形成されていることが好ましい。
【００２２】
本構成のように、連通孔部材の主表面周縁を角取り（面取り）しておくことにより、連通孔部材の挿入が容易になるとともに、連通孔部材によってピストンの嵌合穴内面が削れて金属粉が発生することも防止されるため、金属粉の発生が未然に防止され得る。
【００２３】
上記本発明の第１の局面に基づくピストンの気体軸受け構造にあっては、たとえば、連通孔が設けられる外壁が、連通孔部材を嵌め込むための嵌合穴を有しており、嵌合穴のシリンダ内壁面側の開口周縁がガス貯留室側に向かって徐々に狭まるように形成されていることが好ましい。
【００２４】
本構成のように、嵌合穴のシリンダ内壁面側の開口周縁を角取り（面取り）しておくことにより、連通孔部材の挿入が容易になるとともに、連通孔部材によってピストンの嵌合穴内面が削れて金属粉が発生することも防止されるため、金属粉の発生が未然に防止され得る。
【００２５】
本発明の第２の局面に基づくピストンの気体軸受け構造は、作動ガスを充填したシリンダ内に嵌装されて往復動する、ガス貯留室を内側に備えたピストンのシリンダの内壁に対向する外壁に、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ものであって、ピストンの外壁の主表面には凹部が設けられており、この凹部の底面に上記連通孔部材を嵌合させるための嵌合穴が形成されていることを特徴とするものである。
【００２６】
本構成のように、ピストンの外壁の主表面に凹部を設け、この凹部の底面に形成された嵌合穴に連通孔部材を嵌合させることにより、嵌合穴への連通孔部材の組付けが不十分でその一部がピストンの外壁から外側に突出してしまった場合や、圧入によってピストンや連通孔部材に変形が生じた場合にも、ピストンとシリンダとが接触することが未然に防止されるようになり、歩留まりの向上が図られる。
【００２７】
上記本発明の第２の局面に基づくピストンの気体軸受け構造にあっては、連通孔部材が細管であることが好ましい。また、より好ましくは、細管としてキャピラリーチューブが用いられる。
【００２８】
本構成のように、連通孔部材としてキャピラリーチューブ等の細管を用いることにより、微細な径の連通孔を有する連通孔部材を安価にかつ容易に製作することが可能になる。
【発明の効果】
【００２９】
本発明においては、上記に示したように連通孔部材を金属製とすることにより、気体軸受けを構成する連通孔である噴出孔に埃が付着することが防止され、高性能かつ高信頼性のピストンの気体軸受け構造が実現される。また、連通孔部材を非磁性の金属材料にて形成することにより、噴出孔内への金属粉の付着も防止される。さらには、ピストンの外壁に嵌合穴を備えた凹部を設け、ここに連通孔部材を嵌めこむことにより、挿入の際の変形があった場合にもピストンとシリンダの接触を回避することが可能となり、歩留まりの向上につながる。また、連通孔部材または嵌合穴の挿入面側をテーパ形状とすることにより、挿入の際の金属粉の発生も防止される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下、本発明の実施の形態について、図を参照して説明する。なお、ここでもスターリング機関を用いたスターリング冷凍機を例示して、ピストンの気体軸受け構造の説明を行なう。
【００３１】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１におけるスターリング冷凍機のピストンの構造を説明するための概略部分断面図であり、図２は、このピストンに取付けられる連通孔部材の構造を説明するための概略斜視図である。また、図３は、ピストンの概略斜視図である。なお、本実施の形態におけるスターリング冷凍機は、そのピストンおよびディスプレーサの構造を除いて上述した一般的なスターリング冷凍機と同様であり、また気体軸受け構造としては、ピストンに設けられるものもディスプレーサに設けられるものも同様の構造であるため、ピストンについてのみ説明を行なう。
【００３２】
（ピストンの構造）
まず、図１を参照して、本実施の形態におけるスターリング冷凍機のピストンの構造について説明する。ピストン１は、その内側にピストン内部空間１ａを備えた円筒形状を有しており、その圧縮空間側の外壁には流入孔４を備えている。また、シリンダ内壁面３ａに対向する外壁には凹部１ｂを備えており、この凹部１ｂの底面に連通孔部材５が嵌め込まれる嵌合穴が設けられている。
【００３３】
この嵌合穴には、図２に示したような噴出孔６を備えた金属材料からなる連通孔部材５が接着または圧入により固定される。この噴出孔６は、ガス貯留室であるピストン内部空間１ａと、ピストン１とシリンダ内壁面３ａとの間の間隙とを連通し、圧縮空間から流入孔４を介して流入した高圧の作動ガスをシリンダ内壁面３ａへと噴出する。この連通孔部材５に設けられた噴出孔６は非常に微小に加工されたものであり、その直径は数十μｍである。このため、この連通孔部材５としては、たとえばキャピラリーチューブなどの金属製細管を使用することが好ましい。ただし、この噴出孔６の直径は、スターリング冷凍機の構造（特にピストンの大きさや重量、噴出孔が設けられる数など）によってその最適値が異なるため、これに合わせて設計することが望ましい。
【００３４】
図３に示したように、ピストン１に設けられる凹部１ｂの形状としては、種々のパターンが考えられる。たとえば、図３（ａ）に示したように、嵌合穴の周囲のみがピストン１の外壁主表面から凹むように凹部１ｂ形成してあってもよいし、図３（ｂ）のように、ピストン１の外壁主表面を一周するように、帯状に凹部１ｂが設けられていてもよい。このように、凹部１ｂの形状は特に限定されるものではなく、少なくとも連通孔部材５が取付けられる部分において、ピストン１の外壁主表面から凹むように形成されていればよい。
【００３５】
（作用・効果）
上述のように、連通孔部材を従来用いられていたガラス製や樹脂製ではなく金属製とすることにより、静電気の発生が防止され、埃などが噴出孔内に付着することが低減される。この結果、長期にわたって性能および信頼性が確保されたスターリング冷凍機を提供することが可能となる。金属製の連通孔部材としては、たとえばキャピラリーチューブなどの金属製細管を用いることにより、安価な材料で微細な径の噴出孔を構成することが可能となる。
【００３６】
また、連通孔部材を非磁性体である金属材料を用いて形成することにより、ピストンの駆動手段であるリニアモータによって磁化されることがなくなるため、さらなる埃や金属粉などの付着を防止することも可能である。この非磁性体である金属材料としては、Ｃ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｎなどを主な合金成分としてオーステナイト組織を示す非磁性鋼などが挙げられる。
【００３７】
さらには、連通孔部材を金属製とすることにより、嵌合穴に組付ける際に嵌合穴周辺のピストン外壁の変形が起こることが考えられるが、上記構成のように凹部の底面に嵌合穴を設けておくとこで、ピストン外壁主表面にまでその変形が達することが防止される。この結果、ピストンとシリンダとが接触することが未然に防止されるとともに、歩留まりの向上が図られる。
【００３８】
（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ピストンに取付けられた連通孔部材近傍の部分断面図であり、図５は、このピストンに取付けられる連通孔部材の構造を説明するための概略斜視図である。図を参照して、本実施の形態では、連通孔部材５の挿入面側、すなわちピストン内部空間１ａ側の主表面周縁がシリンダ内壁面側に向かって徐々に広がるように傾斜することにより、テーパ部５ａが形成されている。
【００３９】
このように、連通孔部材の挿入面側の主表面周縁の角取り（面取り）を行なってテーパ部を形成することにより、圧入や接着の際の連通孔部材の挿入が容易となり、作業性が向上する。また、挿入の際に連通孔部材が嵌合穴内面を削ることによって生じる金属粉の発生が減少し、高機能で高信頼性のスターリング冷凍機の提供が可能となる。
【００４０】
（実施の形態３）
図６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ピストンに取付けられた連通孔部材近傍の部分断面図である。図を参照して、本実施の形態では、ピストン１の外壁に設けられた嵌合穴のシリンダ内壁面側の開口周縁がピストン内部空間１ａ側に向かって徐々に狭まるように傾斜することにより、テーパ部１ｃが形成されている。
【００４１】
このように、嵌合穴のシリンダ内壁面側の開口周縁の角取り（面取り）を行なってテーパ部を形成することにより、圧入や接着の際の連通孔部材の挿入が容易となり、作業性が向上する。また、挿入の際に連通孔部材が嵌合穴内面を削ることによって生じる金属粉の発生が減少し、高機能で高信頼性のスターリング冷凍機の提供が可能となる。
【００４２】
なお、上記各実施の形態においては、ピストンについてのみ説明を行なっているが、当然にディスプレーサにおいても本発明を適用していることが望ましい。通常はピストンとディスプレーサの両方に気体軸受け構造が構成されている。
【００４３】
このように、今回開示した上記各実施の形態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】
【００４４】
【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ピストンの構造を説明するための断面図である。
【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連通孔部材の構造を説明するための概略斜視図である。
【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ピストンの構造を説明するための概略斜視図である。
【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ピストンの構造を説明するための概略部分断面図である。
【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連通孔部材の構造を説明するための概略斜視図である。
【図６】本発明の実施の形態３におけるスターリング冷凍機のピストンの構造を説明するための概略部分断面図である。
【図７】従来のスターリング冷凍機の構造を説明するための概略断面図である。
【符号の説明】
【００４５】
１  ピストン、１ａ  ピストン内部空間、１ｂ  凹部、１ｃ  テーパ部、２  ディスプレーサ、２ａ  ディスプレーサ内部空間、３  シリンダ、３ａ  シリンダ内壁面、４  流入孔、５  連通孔部材、５ａ  テーパ部、６  噴出孔、７  圧縮空間、８  膨張空間、９  再生器、１０  放熱器、１１  高温側熱交換器、１２  吸熱器、１３  低温側熱交換器、１４  ディスプレーサロッド、１５  共振用バネ、１６  リニアモータ、１７  本体ケーシング。
【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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