(57)【要約】【課題】ディスプレーサ４とロッド８との間接的な固定を簡単な構成で実現し、製造工程を簡略化する。【解決手段】ロッド端部８ａに、これよりも小径の溝部２１を形成する。そして、例えばＥ形のリング状止め金具であるＥ形止め輪３１を溝部２１に嵌め込み、ディスプレーサ４に圧接された状態でロッド８と固定する。Ｅ形止め輪３１は、溝部２１を単に挟み込むという簡単な構成でロッド８と固定されるので、ロッド８に対するＥ形止め輪３１の取り付けは容易であり、かつ、接着剤を用いることなくＥ形止め輪３１をロッド８に固定することができる。特に、ロッド端部８ａに溝部２１を形成しているので、Ｅ形止め輪３１のロッド軸方向の移動がこの溝部２１にて確実に阻止され、Ｅ形止め輪３１が確実にロッド８に固定される。【選択図】　図１
2004116824.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
耐圧容器の内部に配置されるシリンダおよびディスプレーサスプリングと、
上記シリンダ内を往復移動するように配置されるピストンおよびディスプレーサと、
一方の端部が上記ディスプレーサに支持され、他方の端部が上記ピストンの軸心部に設けられた貫通孔を貫通して上記ディスプレーサスプリングに支持されるロッドとを備え、上記ピストンおよび上記ディスプレーサの往復移動によって生じる逆スターリングサイクルにより冷凍を行うスターリング冷凍機において、
上記ディスプレーサに圧接された状態で、上記ロッドと固定される第１の固定部材をさらに備え、
上記第１の固定部材は、上記ロッドの一方の端部を挟み込むことによって上記ロッドと固定されていることを特徴とするスターリング冷凍機。
【請求項２】
耐圧容器の内部に配置されるシリンダおよびディスプレーサスプリングと、
上記シリンダ内を往復移動するように配置されるピストンおよびディスプレーサと、
一方の端部が上記ディスプレーサに支持され、他方の端部が上記ピストンの軸心部に設けられた貫通孔を貫通して上記ディスプレーサスプリングに支持されるロッドとを備え、上記ピストンおよび上記ディスプレーサの往復移動によって生じる逆スターリングサイクルにより冷凍を行うスターリング冷凍機において、
上記ディスプレーサスプリングに圧接された状態で、上記ロッドと固定される第２の固定部材をさらに備え、
上記第２の固定部材は、上記ロッドの他方の端部を挟み込むことによって上記ロッドと固定されていることを特徴とするスターリング冷凍機。
【請求項３】
上記ロッドの端部には、当該端部よりも小径の溝部が形成されており、
上記第１の固定部材または上記第２の固定部材は、上記溝部を挟み込むことによって上記ロッドと固定されていることを特徴とする請求項１または２に記載のスターリング冷凍機。
【請求項４】
上記ロッドの端部は、上記ディスプレーサの支持孔または上記ディスプレーサスプリングの支持孔に径方向の隙間を介して嵌挿されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のスターリング冷凍機。
【請求項５】
上記第１の固定部材と上記第２の固定部材とのうち少なくとも一方は、周方向の一部に形成された開口部を介して上記ロッドの一方の端部または他方の端部を挟み込むことが可能なリング状止め金具であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載のスターリング冷凍機。
【請求項６】
上記リング状止め金具は、中心から外周に向かうにつれて、上記ディスプレーサへの圧接方向または上記ディスプレーサスプリングへの圧接方向に湾曲していることを特徴とする請求項５に記載のスターリング冷凍機。
【請求項７】
上記ディスプレーサおよび／または上記ディスプレーサスプリングにおける上記リング状止め金具との圧接部には、上記リング状止め金具の周方向において上記開口部の両側に位置する各端部が嵌る凹部が形成されていることを特徴とする請求項６に記載のスターリング冷凍機。
【請求項８】
上記第１の固定部材と上記第２の固定部材とのうち少なくとも一方は、低摩擦部材を介して上記ディスプレーサまたは上記ディスプレーサスプリングに圧接されていることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか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、往復式駆動機関の一種であるスターリング冷凍機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、逆スターリングサイクルにより極低温を生成するスターリング冷凍機等の冷凍機が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
ここで、図１０は、逆スターリング冷凍機の一構成例を示す断面図である。逆スターリング冷凍機１００には、軸方向に分割された略円筒形状のシリンダ１０１が設けられている。そして、このシリンダ１０１に、円柱形のピストン（移動体）１０２およびディスプレーサ（移動体）１０３が内嵌されている。
【０００４】
ピストン１０２とディスプレーサ１０３とは、圧縮空間１０４を介して同軸に配置されている。一方、シリンダ１０１の先端部、すなわち、ディスプレーサ１０３に対して圧縮空間１０４と反対側には、膨張空間１０５が設けられている。圧縮空間１０４と膨張空間１０５とは、ヘリウム等の作動媒体が流通する媒体流通路１０６により連通している。媒体流通路１０６内には、作動媒体の熱を蓄積するとともに蓄積した熱を作動媒体に供給する再生器１０７が配されている。
【０００５】
シリンダ１０１の略中間には、鍔部１０１ａが突設されている。鍔部１０１ａにはドーム状のハウジング１０８が取り付けられ、内部が密閉されている。ピストン１０２は、後端でピストンスプリング１０９と一体化され、ディスプレーサ１０３はピストン１０２の中心孔１０２ａを貫通するロッド１１０を介してディスプレーサスプリング１１１と一体化されている。
【０００６】
ピストンスプリング１０９とディスプレーサスプリング１１１とは、ボルト１１２により連結されている。後述するように、ピストン１０２が往復運動するとディスプレーサ１０３はその慣性力によってピストン１０２に対して所定の位相差を有して往復運動を行うようになっている。
【０００７】
シリンダ１０１の後部には、内側ヨーク１１３が外嵌されている。外側ヨーク１１４は、隙間１１５を介して内側ヨーク１１３と対峙している。外側ヨーク１１４には駆動用コイル１１６が内装され、隙間１１５には環状のマグネット１１７が移動可能に配されている。マグネット１１７は、カップ状のスリーブ１１８を介してビストン１０２と一体化されている。これにより、駆動用コイル１１６に電圧を印加することによってピストン１０２を軸方向に移動させるリニアモータ１１９が構成されている。
【０００８】
駆動用コイル１１６には、リード線１２０・１２１が接続されている。リード線１２０・１２１は、ハウジング１０８の壁面に設けられたハーメチックシール端子（不図示）を貫通し、リニアモータ１１９の駆動電源が供給されるようになっている。また、スターリング冷凍機１００には、駆動用コイル１１６の駆動電圧および駆動電流を取り出すことが可能な端子（不図示）が設けられている。
【０００９】
上記構成のスターリング冷凍機１００では、リニアモータ１１９によってピストン１０２が往復運動すると、ディスプレーサ１０３は、その慣性力により、ピストン１０２に対して所定の位相差で往復運動する。これにより、圧縮空間１０４と膨張空間１０５との間を作動媒体が移動して逆スターリングサイクルが行われる。
【００１０】
すなわち、作動媒体が圧縮されることによって高温側となる圧縮空間１０４で発生した熱は、媒体流通路１０６を介して作動媒体に吸収され、作動媒体は再生器１０７に熱を蓄積して膨張空間１０５へ移動する。再生器１０７により冷却された作動媒体は、低温側となる膨張空間１０５で膨張されることによって更に冷却される。そして、作動媒体が媒体流通路１０６を通じて圧縮空間１０４へ移動する際に再生器１０７に蓄えられた熱を奪って再生器１０７を冷却する。この動作を繰り返して冷凍が行われるようになっている。
【００１１】
ここで、スターリング冷凍機１００の組み立て時において、ディスプレーサスプリング１１１の軸心とピストン１０２の軸心とが精密に一致してない状態では、ピストン１０２の往復運動時にピストン１０２がシリンダ１０１に押し付けられたり、ディスプレーサロッド１１０とピストン１０２の内面との間、および、ディスプレーサ１０３とシリンダ１０１との間において、摩擦が生じることになる。
【００１２】
したがって、とりわけ、ピストン・シリンダー間、ディスプレーサ・シリンダ間およびディスプレーサロッド・ピストン中心孔間の摩擦や磨耗を防いで高性能のスターリング冷凍機を作製するためには、高い真円度、数十μｍ以下の寸法公差および嵌合精度が要求される。しかし、高精度の組み立ては、実際には容易ではなく、多くの時間と費用とを要する。
【００１３】
そこで、組み立て精度を追求することなく高性能のスターリング冷凍機を作製できるようにした構成が、従来から提案されている（例えば、特許文献２参照）。図１１は、上記文献に記載のスターリングエンジンの概略の構成を示す断面図である。
【００１４】
このスターリングエンジンでは、耐圧容器２０１内に配置されたシリンダ２０２内に、ピストン２０３とともにディスプレーサ２０４が配置されている。そして、ピストン２０３の軸心部に設けられたピストン貫通孔２０３ａを貫通するように、ロッド２０５が設けられている。ロッド２０５のディスプレーサ２０４側の端部の軸心には、ロッド２０５の軸心方向に沿って突出したロッド端部２０５ａが設けられている。一方、ロッド２０５におけるロッド端部２０５ａとは反対側の端部の軸心には、ロッド２０５の軸心方向に沿って突出したロッド端部２０５ｂが設けられている。
【００１５】
ロッド端部２０５ａには、ナット２０６が挿入されている。ロッド端部２０５ａとディスプレーサ２０４とは、ナット２０６がディスプレーサ２０４に圧接されることによって固定される。このとき、ナット２０６とディスプレーサ２０４との間に隙間または低摩擦部材（図示せず）を設けるようにすれば、ディスプレーサ２０４が径方向に自由に動けるようになる。
【００１６】
一方、ロッド端部２０５ｂには、ナット２０７が挿入されている。耐圧容器２０１内に設けられたディスプレーサスプリング２０８とロッド端部２０５ｂとは、ナット２０７がディスプレーサスプリング２０８に圧接されることによって固定される。このとき、ナット２０７とディスプレーサスプリング２０８との間に、隙間または低摩擦部材（図示せず）を介在させてもよい。
【００１７】
また、ピストン２０３におけるディスプレーサ２０４とは反対側の端部は、耐圧容器２０１内に設けられたピストンスプリング２０９の軸心部に固定されている。
【００１８】
ピストン２０３とディスプレーサ２０４とは、圧縮空間２１０を介して同軸に配置されている。一方、シリンダ２０２の先端部、すなわち、ディスプレーサ２０４に対して圧縮空間２１０と反対側には、膨張空間２１１が設けられている。圧縮空間２１０と膨張空間２１１とは、ヘリウム等の作動媒体が流通する媒体流通路２１２により連通している。媒体流通路２１２内には、作動媒体の熱を蓄積するとともに蓄積した熱を作動媒体に供給する再生器２１３が配されている。
【００１９】
ここで、図１２は、ロッド端部２０５ａとディスプレーサ２０４との支持構造の一例の拡大図を示している。ディスプレーサ２０４におけるピストン２０３（図１１参照）側の端面の軸心部には、支持孔２０４ａが設けられている。ロッド端部２０５ａは、ロッド２０５の本体よりも小径になっており、その外周面にはネジ溝部が設けられている。また、ロッド端部２０５ａの外径は、支持孔２０４ａの内径よりも小さくなっており、ロッド端部２０５ａが支持孔２０４ａに挿入されたときに、ロッド端部２０５ａと支持孔２０４ａとの間に隙間が形成されるようになっている。
【００２０】
また、ロッド２０５とディスプレーサスプリング２０８との接続構造についても、上記と同一構造とすることができる。すなわち、図１１に示すように、ディスプレーサスプリング２０８の軸心部には、支持孔２０８ａが設けられている。ロッド端部２０５ｂは、ロッド２０５の本体よりも小径になっており、その外周面にはネジ溝部が設けられている。また、ロッド端部２０５ｂの外径は、支持孔２０８ａの内径よりも小さくなっており、ロッド端部２０５ｂが支持孔２０８ａに挿入されたときに、ロッド端部２０５ｂと支持孔２０８ａとの間に隙間が形成されるようになっている。
【００２１】
上記構成のスターリングエンジンの運転時においては、ピストン駆動装置（図示せず）により、シリンダ２０２内をピストン２０３が往復運動すると、ディスプレーサ２０４は、ピストン２０３の往復運動による耐圧容器２０１内の作動媒体の圧力変動（圧縮と膨張の繰返し）によって、シリンダ２０２内を往復運動する。そして、このとき同時に、ロッド２０５は、ピストン貫通孔２０３ａ内を往復運動する。
【００２２】
このとき、ディスプレーサスプリング２０８の組み立て時の取り付け誤差により、ロッド２０５の軸心とピストン貫通穴２０３ａの軸心とが一致していない状態であっても、ロッド端部２０５ａと支持孔２０４ａとの間、および、ロッド２０５ｂと支持孔２０８ａとの間には上記の隙間が形成されているので、ロッド端部２０５ａ・２０５ｂは、ディスプレーサ２０４またはディスプレーサスプリング２０８に対して径方向に自由に移動することができる。これにより、ロッド２０５がピストン貫通穴２０３ａに一致し、また、ディスプレーサ２０４はシリンダ２０２の軸心に一致し、これらが往復運動することが期待される。
【００２３】
また、ピストン２０３およびディスプレーサ２０４がシリンダ２０２内でそれぞれ径方向に振動した場合でも、ロッド端部２０５ａ・２０５ｂは、支持孔２０４ａ・２０８ａの内部で上記隙間による径方向への自由度を有しているために、その自由度の範囲内でこれらの軸心の変動に追従することができる。これにより、エンジン運転時における動的な状態においても、ロッド２０５とピストン貫通穴２０３ａとの間での摩擦と磨耗とを低減することが可能となっている。
【００２４】
【特許文献１】
特開平１０−３３９５１０号公報
【特許文献２】
特開２００１−１９３５６１号公報（段落〔００１５〕〜
〔００２５〕、図１、図２）
【００２５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、ロッド端部２０５ａとディスプレーサ２０４とを固定する際に、ナット２０６をディスプレーサ２０４に圧接する構成では、エンジン運転時においてピストン２０３およびディスプレーサ２０４が振動することにより、ナット２０６に緩みが生じる場合がある。この場合、ロッド２０５がディスプレーサ２０４の往復運動に追従して移動しなくなり、エンジン自体が故障に至る可能性がある。
【００２６】
また、ナット２０６を低摩擦部材を介してディスプレーサ２０４に圧接し、適正トルクで各部品を締結する構成においても、エンジン運転時にはディスプレーサ２０４は周期的に往復運動しており、このディスプレーサ２０４には常に大きな引張応力と圧縮応力とが周期的に繰り返し加わるため、やはり、ナット２０６に緩みが生じ、エンジン故障を招くことが懸念される。
【００２７】
そこで、ナット２０６の緩みを防止するために、ナット２０６を接着剤を用いてロッド端部２０５ａに固定する方法も考えられる。しかし、これでは、エンジン製造時に、接着剤を塗布するという製造工程が増加するという問題が生じる。
【００２８】
また、ロッド端部２０５ａの外周面のねじ山は螺旋状に切られているため、ナット２０６でロッド２０５とディスプレーサ２０４とをしっかり締結してしまうと、ディスプレーサスプリング２０８に対するディスプレーサ２０４の角度が９０°からずれることになる。上記角度が９０°から少しでもずれると、ロッド２０５が非常に長いために、シリンダ２０２の軸心とディスプレーサ２０４の軸心とがずれて摩耗が発生する。
【００２９】
そのため、ナット２０６がディスプレーサ２０４に接触しても、ディスプレーサ２０４にはほとんど力が加わらないように、あるいは、ナット２０６とディスプレーサ２０４との間に隙間が形成されるように、ナット２０６をロッド端部２０５ａに固定することが必要となる。しかし、この状態では、ナット２０６が直ぐに緩んでしまうので、ナット２０６を接着剤を用いてロッド端部２０５ａに固定する必要がある。したがって、このような固定方法でも、やはり、接着剤を塗布する工程が必要となる。
【００３０】
上述のような問題は、ナット２０７をディスプレーサスプリング２０８に圧接して、ロッド端部２０５ｂとディスプレーサスプリング２０８とを固定する場合でも、同様に生じ得る。
【００３１】
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、接着剤の塗布工程という製造工程を増加させることなく、ロッドとディスプレーサまたはディスプレーサスプリングとを間接的に固定することができるスターリング冷凍機を提供することにある。
【００３２】
【課題を解決するための手段】
本発明のスターリング冷凍機においては、第１の固定部材がディスプレーサに圧接された状態でロッドと固定されており、これによって、ディスプレーサとロッドとが間接的に固定されている。このとき、第１の固定部材は、ロッドの一方の端部を単に挟み込むという簡単な構成でロッドと固定されるので、ロッドに対する第１の固定部材の取り付けが容易であり、かつ、接着剤を用いることなく第１の固定部材をロッドに固定することができる。その結果、装置の製造工程を著しく簡略化することができる。なお、このような第１の固定部材としては、例えばＥ形のリング状止め金具、Ｃ形のリング状止め金具、弓形のリング状止め金具などを挙げることができる。
【００３３】
また、本発明のスターリング冷凍機においては、第２の固定部材がディスプレーサスプリングに圧接された状態でロッドに固定されており、これによって、ディスプレーサスプリングとロッドとが間接的に固定されている。この第２の固定部材についても、上記第１の固定部材と同様に、ロッドの他方の端部を単に挟み込むという簡単な構成でロッドと固定されるので、ロッドに対する第２の固定部材の取り付けが容易であり、かつ、接着剤を用いることなく第２の固定部材をロッドに固定することができる。その結果、上記と同様に、装置の製造工程を著しく簡略化することができる。なお、このような第２の固定部材としても、例えば上記のような形状のリング状止め金具を挙げることができる。
【００３４】
また、ロッドの一方の端部に当該端部よりも小径の溝部を形成し、第１の固定部材がこの溝部を挟み込むことによって上記ロッドと固定される構成とすれば、ピストンおよびディスプレーサの往復移動による振動に伴う第１の固定部材のロッド軸方向の移動を、この溝部にて確実に阻止することができる。また、ロッドの他方の端部に当該端部よりも小径の溝部を形成し、第２の固定部材がこの溝部を挟み込むことによって上記ロッドと固定される構成としても、上記と同様に、第２の固定部材のロッド軸方向の移動を、この溝部にて確実に阻止することができる。したがって、接着剤を用いなくても、第１の固定部材および第２の固定部材をロッドに確実に固定することができるとともに、従来のようなナットの緩みに起因する装置故障の心配もなく、信頼性の高いスターリング冷凍機を提供することができる。
【００３５】
【発明の実施の形態】
〔実施の形態１〕
本発明の実施の一形態について、図面に基づいて説明すれば、以下の通りである。
図２は、本発明に係るスターリング冷凍機の概略の構成を示す断面図である。このスターリング冷凍機は、作動媒体ガスが充填された耐圧容器１と、耐圧容器１内に配置され、この耐圧容器１に固定される円筒形のシリンダ２とを有している。シリンダ２の内部には、円筒形のピストン３およびディスプレーサ４がシリンダ２内を往復移動するようにシリンダ２と同心状にそれぞれ配置されている。
【００３６】
ピストン３は、その軸心部にピストン貫通孔３ａを有している。ピストン３の一方の端面は、耐圧容器１の内部のシリンダ２の外側に取り付けられたピストンスプリング５に固定されている。このピストンスプリング５は、シリンダ２内部をピストン３がスライドする力により伸縮するものであり、その軸心部には、後述するロッド８が嵌挿される軸孔５ａが形成されている。一方、ピストン３の他方の端面は、圧縮空間６を介してディスプレーサ４と対向している。シリンダ２内において、ディスプレーサ４に対して圧縮空間６と反対側には、膨張空間７が形成されている。
【００３７】
また、本スターリング冷凍機においては、ピストン３のピストン貫通孔３ａを貫通するように丸棒形のロッド８が設けられている。ロッド８の一方の端部８ａ（以下、ロッド端部８ａと称する）はディスプレーサ４に支持され、他方の端部８ｂ（以下、ロッド端部８ｂと称する）は耐圧容器１の内部のピストンスプリング５のさらに外側に取り付けられたディスプレーサスプリング９に支持されている。ロッド端部８ａ・８ｂは、それぞれロッド８の本体よりも小径となっている。
【００３８】
ロッド８は、後述するロッド支持機構により、シリンダ２内部をスライドするディスプレーサ４と一体となって動かされ、ピストン貫通孔３ａ内を往復運動する。したがって、ディスプレーサ４は、ロッド８を介してディスプレーサスプリング９を支点としてシリンダ２の内部を摺動可能となっている。
【００３９】
また、シリンダ２内の膨張空間７を形成する壁には連絡管１０ａが設けられている一方、圧縮空間６を形成する壁には連絡管１０ｂが設けられている。そして、連絡管１０ａ・１０ｂは、再生器１１とそれぞれ接続されている。これにより、圧縮空間６と膨張空間７とは、連絡管１０ｂ、再生器１１、連絡管１０ａにより連通している。再生器１１は、耐圧容器１内に封入された作動媒体（例えば高圧のヘリウムガス）の熱を蓄積するとともに、蓄積した熱を作動媒体に供給するものである。
【００４０】
次に、本発明の特徴部分であるロッドの支持構造について、図１に基づいて詳細に説明する。図１は、ディスプレーサ４とロッド８との支持構造の拡大図を示している。
【００４１】
ディスプレーサ４におけるピストン３（図２参照）側の端面の軸心部には、支持孔４ａが設けられており、この支持孔４ａにロッド端部８ａが径方向の隙間を介して嵌挿されている。つまり、ロッド端部８ａの外径は、支持孔４ａの径よりも小さくなっている。これにより、ロッド端部８ａは、支持孔４ａ内にて、径方向に自由に移動し得る状態となっている。
【００４２】
また、ロッド端部８ａには、当該ロッド端部８ａよりも小径の溝部２１が形成されている。そして、この溝部２１には、Ｅ形止め輪３１（第１の固定部材）が固定されている。詳しくは、溝部２１のロッド軸方向の幅は、Ｅ形止め輪３１の厚さとほぼ同じであり、Ｅ形止め輪３１は、この溝部２１に嵌め込まれることによって、ロッド軸方向にずれることなくロッド８に固定されるようになっている。
【００４３】
また、溝部２１は、ロッド端部８ａにおいて、これに固定されるＥ形止め輪３１がディスプレーサ４をその内側から圧接することができるような位置に形成されている。したがって、Ｅ形止め輪３１は、溝部２１に嵌め込まれたときに、ディスプレーサ４に圧接された状態でロッド８（ロッド端部８ａ、溝部２１）と固定されることになる。このＥ形止め輪３１により、ディスプレーサ４とロッド８とが間接的に固定されることになる。
【００４４】
ここで、図３は、図１におるＡ−Ａ´線矢視断面図を示している。同図に示すように、Ｅ形止め輪３１は、周方向の一部に形成された開口部３４を介してロッド端部８ａ（溝部２１）を挟み込むことが可能な、平板状でＥ形のリング状止め金具である。
【００４５】
詳しくは、Ｅ形止め輪３１は、その内周面３２から溝部２１の外周面と当接する方向に突出する３つの凸状部３３ａ・３３ｂ・３３ｃを有している。これらの凸状部３３ａ・３３ｂ・３３ｃは、内周面３２の周方向にほぼ等間隔で順に設けられている。そして、任意の２つの凸状部（例えば凸状部３３ａ・３３ｃ）がＥ形止め輪３１の周方向の各端部３４ａ・３４ｂとそれぞれ一体的に形成されており、これらの端部３４ａ・３４ｂが周方向に所定の隙間を介して位置することで開口部３４が形成されている。つまり、各端部３４ａ・３４ｂは、Ｅ形止め輪３１の周方向において開口部３４の両側に位置している。
【００４６】
Ｅ形止め輪３１がこのような凸状部３３ａ・３３ｂ・３３ｃを有していることにより、Ｅ形止め輪３１は、ロッド端部８ａの溝部２１を挟み込むことによって、ロッド８と固定されるようになる。つまり、Ｅ形止め輪３１の凸状部３３ａ・３３ｂ・３３ｃが、溝部２１の外周面を異なる３方向から支持することによって、Ｅ形止め輪３１がロッド８と固定されることになる。
【００４７】
また、上述したロッド支持構造は、ディスプレーサスプリング９とロッド８との支持構造にも適用可能であり、本実施形態では、上記両者間にもそのような支持構造が採用されている。
【００４８】
すなわち、図２に示すように、ディスプレーサスプリング９の軸心部にも支持孔９ａが設けられており、この支持孔９ａにロッド端部８ｂが径方向の隙間を介して嵌挿されている。つまり、ロッド端部８ｂの外径は、支持孔９ａの径よりも小さくなっている。これにより、ロッド端部８ｂは、支持孔９ａ内にて、径方向に自由に移動し得る状態となっている。
【００４９】
また、ロッド端部８ｂには、当該ロッド端部８ｂよりも小径の溝部２２が形成されている。そして、この溝部２２には、上述したＥ形止め輪３１と全く同様の構成のＥ形止め輪４１（第２の固定部材）が固定されている。つまり、Ｅ形止め輪４１は、図３に示すように、周方向の一部に形成された開口部３４を介してロッド端部８ｂ（溝部２２）を挟み込むことが可能な、平板状でＥ形のリング状止め金具である。これにより、Ｅ形止め輪４１は、開口部３４を介してロッド端部８ｂの溝部２２を挟み込むことによって、ロッド８と固定されるようになる。溝部２２のロッド軸方向の幅は、Ｅ形止め輪４１の厚さとほぼ同じであり、Ｅ形止め輪４１は、この溝部２２に嵌め込まれることによって、ロッド軸方向にずれることなくロッド８に固定されるようになっている。
【００５０】
また、溝部２２は、ロッド端部８ｂにおいて、これに固定されるＥ形止め輪４１がディスプレーサスプリング９をピストン３およびディスプレーサ４の方向に圧接することができるような位置に形成されている。したがって、Ｅ形止め輪４１は、溝部２２に嵌め込まれたときに、ディスプレーサスプリング９に圧接された状態でロッド８（ロッド端部８ｂ、溝部２２）と固定されることになる。このＥ形止め輪４１により、ディスプレーサスプリング９とロッド８とが間接的に固定されることになる。
【００５１】
上記構成のスターリング冷凍機を組み立てる場合、ピストン３がシリンダ２内を滑らかに摺動できるように、ピストンスプリング５を、その軸心がシリンダ２の軸心と一致するように耐圧容器１の内周面に取り付ける。また、ディスプレーサ４がシリンダ２内を滑らかに摺動できるように、ディスプレーサスプリング９についても、その軸心がシリンダ２の軸心と一致するように耐圧容器１の壁に取り付ける。
【００５２】
続いて、ロッド８のディスプレーサ４側のロッド端部８ａをディスプレーサ４の支持孔４ａに挿入し、ロッド端部８ａの溝部２１にＥ形止め輪３１を嵌めこんで、Ｅ形止め輪３１をロッド８に固定する。そして、このＥ形止め輪３１によってディスプレーサ４を圧接し、ディスプレーサ４とロッド８とをＥ形止め輪３１を介して連結した状態で、ロッド８をピストン３の貫通孔３ａ内に貫通させる。
【００５３】
このとき、ディスプレーサ４の支持孔４ａとロッド端部８ａの外周面との間には、それらの径の違いによって隙間が形成され、これによって、ロッド端部８ａが支持孔４ａ内で径方向に自由に移動することが可能となるので、これにより、ロッド８の軸心とピストン３のピストン貫通孔３ａの軸心とを容易に一致させることができる。
【００５４】
次に、ロッド８をピストンスプリング５の軸心部に設けた軸孔５ａ内を通過させ、ロッド８のディスプレーサスプリング９側のロッド端部８ｂをディスプレーサスプリング９の支持孔９ａに挿入する。そして、ロッド端部８ｂの溝部２２にＥ形止め輪４１を嵌め込み、ディスプレーサスプリング９を圧接しながらＥ形止め輪４１をロッド８に固定する。
【００５５】
このときも、支持孔９ａとロッド端部８ｂの外周面との間には適当な間隙が設けられており、これによって、ロッド端部８ｂが支持孔９ａ内で径方向に自由に移動することが可能となるので、これにより、ロッド８の軸心とピストン３のピストン貫通孔３ａの軸心とを容易に一致させることができる。したがって、ロッド８がピストン貫通孔３ａに対して傾斜することも防止できる。
【００５６】
上記構成のスターリング冷凍機では、シリンダ２内におけるピストン３およびディスプレーサ４の往復移動によって生じる逆スターリングサイクルにより冷凍が行われる。すなわち、図示しないピストン駆動装置により、ピストン３がシリンダ２内を往復運動すると、圧縮空間６の作動媒体はピストン３と同一の一定周期で圧縮／膨張を繰り返される。これにより、ディスプレーサ４は、その慣性力（一定周期の圧力と吸引力）によって、ピストン３に対して所定の位相差で往復運動する。この結果、圧縮空間６と膨張空間７との間を作動媒体が移動して逆スターリングサイクルが行われる。
【００５７】
つまり、作動媒体が圧縮されることによって高温側となる圧縮空間６で発生した熱は、連絡管１０ｂを介して作動媒体に吸収され、作動媒体は再生器１１に熱を蓄積して膨張空間７へ移動する。再生器１１により冷却された作動媒体は、低温側となる膨張空間７で膨張されることによって更に冷却される。そして、作動媒体が連絡管１０ａ・１０ｂを通じて圧縮空間６へ移動する際に、再生器１１に蓄えられた熱を奪って再生器１１を冷却する。この動作を繰り返して冷凍が行われる。
【００５８】
本実施形態では、ロッド８は、上述の支持構造により、ディスプレーサ４およびディスプレーサスプリング９と、Ｅ形止め輪３１・４１を介してそれぞれ間接的に固定されているので、上述のディスプレーサ４の往復運動により、ロッド８は、同じく往復運動をしているピストン３の貫通孔３ａ内を往復運動する。
【００５９】
このとき、Ｅ形止め輪３１は、ディスプレーサ４に圧接された状態でロッド８と固定されており、しかも、ロッド８の一方の端部であるロッド８ａを、開口部３４を介して単に挟み込むことによってロッド８と固定されている。また、Ｅ形止め輪４１についても同様に、ディスプレーサスプリング９に圧接された状態でロッド８と固定され、しかも、ロッド８の他方の端部であるロッド８ｂを、開口部３４を介して単に挟み込むことによってロッド８と固定されている。
【００６０】
これにより、ナットを用いる従来に比べて、ロッド８に対するＥ形止め輪３１・４１の取り付けが容易であり、また、接着剤を用いることなくＥ形止め輪３１・４１をそれぞれロッド８に固定することができる。したがって、装置の製造工程を従来よりも著しく簡略化することができる。しかも、ロッド８とディスプレーサ４またはディスプレーサスプリング９との固定を、Ｅ形止め輪３１・４１を用いるという簡単な構成で実現することができる。
【００６１】
また、本実施形態では、ロッド端部８ａに、当該ロッド端部８ａよりも小径の溝部２１を形成し、Ｅ形止め輪３１がこの溝部２１を挟み込むことによってロッド８と固定されている。また、ロッド端部８ｂに、当該ロッド端部８ｂよりも小径の溝部２２を形成し、Ｅ形止め輪４１がこの溝部２２を挟み込むことによってロッド８と固定されている。これにより、ピストン３およびディスプレーサ４の往復移動による振動に伴うＥ形止め輪３１・４１のロッド軸方向の移動を、この溝部２１・２２にて確実に阻止することができる。したがって、接着剤を用いなくても、Ｅ形止め輪３１・４１をロッド８に確実に固定することができるとともに、ナットを用いる従来のような装置の故障（ナットの緩みによる故障）の危険性がなく、装置の信頼性を著しく向上させることができる。
【００６２】
また、平板状のＥ形止め輪３１・４１は、ディスプレーサ４またはディスプレーサスプリング９をロッド軸方向に平行に圧接するため、Ｅ形止め輪３１・４１をロッド８に固定してディスプレーサ４またはディスプレーサスプリング９に圧接したときに、ナットを用いる従来のように、ロッド８がシリンダ２の軸心に対してＥ形止め輪３１・４１の圧接当初から傾くことがない。これにより、圧接当初から、シリンダ２、ピストン３、ディスプレーサ４、ロッド８、ディスプレーサスプリング９の各軸心がずれて各部材間で摩耗が発生するのを確実に回避することができ、装置の駆動効率を向上させることができる。
【００６３】
また、ロッド端部８ａは、ディスプレーサ４の支持孔４ａに径方向の隙間を介して嵌挿されており、また、ロッド端部８ｂは、ディスプレーサスプリング９の支持孔９ａに径方向の隙間を介して嵌挿されている。これにより、ロッド８は、ディスプレーサ４の支持孔４ａとディスプレーサスプリング９の支持孔９ａの各々の内部で、径方向への自由度を有する。したがって、ピストン３およびディスプレーサ４がシリンダ２内での往復移動時にそれぞれ径方向にも振動した際に、ロッド８は上記の自由度の範囲内でこれらの軸心の変動に追従することができる。したがって、装置の運転時における動的な状態においても、ロッド８とピストン貫通孔３ａとの間の摩擦およびこれらの摩耗を低減することができる。
【００６４】
また、Ｅ形止め輪３１・４１は、周方向の一部が開口した開口部３４をそれぞれ有しているので、この開口部３４を介して、ロッド端部８ａの溝部２１またはロッド端部８ｂの溝部２２に、Ｅ形止め輪３１・４１をそれぞれ容易に嵌め込むことが可能であり、またそれらの離脱も容易に行うことができる。
【００６５】
なお、本実施形態では、第１の固定部材および第２の固定部材として、Ｅ形のリング状止め金具（Ｅ形止め輪３１・４１）を用いたが、これに限定されるわけではなく、例えばＣ形のリング状止め金具や、Ｃ形の同心止め輪、グリップ止め輪などを用いることも可能である。また、第１の固定部材および第２の固定部材を、互いに異なる形状の止め輪で構成することも勿論可能である。
【００６６】
〔実施の形態２〕
本発明の他の実施の形態について、図面に基づいて説明すれば、以下の通りである。なお、実施の形態１と同一の構成には同一の部材番号を付記し、その説明を省略する。
【００６７】
図４は、本発明に係るスターリング冷凍機におけるロッド支持構造の他の構成例を示す断面図である。本実施形態では、実施の形態１における第１の固定部材として、平板状のＥ形止め輪３１の代わりに弓形のＥ形止め輪５１を用いている。
【００６８】
詳しくは、Ｅ形止め輪５１は、平面視では、図３に示した平板状のＥ形止め輪３１と同様の形状をしているが、側方から見ると、図４に示すように、中心から外周に向かうにつれてディスプレーサ４への圧接方向に湾曲した弓形のリング状止め金具である。したがって、Ｅ形止め輪５１自体がバネ機能を有することになり、Ｅ形止め輪５１をロッド端部８ａの溝部２１に嵌め込んだときに、Ｅ形止め輪５１の外周部がディスプレーサ４を押圧することになる。
【００６９】
したがって、上記の溝部２１は、Ｅ形止め輪５１を嵌め込んだ際に、Ｅ形止め輪５１の外周部がディスプレーサ４を押圧することができるような位置に形成されていればよく、Ｅ形止め輪３１を用いる実施の形態１の場合と同様の位置に形成されていても構わない。しかし、Ｅ形止め輪５１の湾曲の程度に応じて、溝部２１をロッド軸方向にずらして形成するようにすることも勿論可能である。
【００７０】
また、本実施形態では、実施の形態１における第２の固定部材として、平板状のＥ形止め輪４１の代わりに、図５に示すように、弓形のＥ形止め輪６１を用いている。Ｅ形止め輪６１は、図４で示したＥ形止め輪５１と全く同様の構成である。
【００７１】
すなわち、Ｅ形止め輪６１は、平面視では、図３に示した平板状のＥ形止め輪４１と同様の形状をしているが、側方から見ると、図５に示すように、中心から外周に向かうにつれてディスプレーサスプリング９への圧接方向に湾曲した弓形のリング状止め金具である。したがって、Ｅ形止め輪６１自体がバネ機能を有することになり、Ｅ形止め輪６１をロッド端部８ｂの溝部２２に嵌め込んだときに、Ｅ形止め輪６１の外周部がディスプレーサスプリング９を押圧することになる。
【００７２】
したがって、上記の溝部２２は、Ｅ形止め輪６１を嵌め込んだ際に、Ｅ形止め輪６１の外周部がディスプレーサスプリング９を押圧することができるような位置に形成されていればよく、Ｅ形止め輪４１を用いる実施の形態１の場合と同様の位置に形成されていても構わない。しかし、Ｅ形止め輪６１の湾曲の程度に応じて、溝部２２をロッド軸方向にずらして形成するようにすることも勿論可能である。
【００７３】
このように、ディスプレーサ４とロッド８との固定に弓形のＥ形止め輪５１を用いることにより、Ｅ形止め輪５１自体がバネ機能およびディスプレーサ４への付勢機能を有することになるので、Ｅ形止め輪５１をロッド端部８ａの溝部２１に嵌め込んだ際に、Ｅ形止め輪５１によるディスプレーサ４への圧接が、平板状のＥ形止め輪３１を用いる場合に比べてより確実なものとなる。その結果、Ｅ形止め輪５１を介してロッド８とディスプレーサ４とを適度な力で確実に固定することができる。
【００７４】
また、ディスプレーサスプリング９とロッド８との固定にも弓形のＥ形止め輪６１を用いることにより、上記と同様の効果を得ることができる。すなわち、Ｅ形止め輪６１をロッド端部８ｂの溝部２２に嵌め込んだ際に、Ｅ形止め輪６１によるディスプレーサスプリング９への圧接が、平板状のＥ形止め輪４１を用いる場合に比べてより確実なものとなる。その結果、Ｅ形止め輪６１を介してロッド８とディスプレーサスプリング９とを適度な力で確実に固定することができる。
【００７５】
また、Ｅ形止め輪５１・６１が弓形であるので、Ｅ形止め輪５１・６１の厚さを平板状のＥ形止め輪３１・４１よりも薄く形成することができる。これにより、溝部２１・２２のロッド軸方向の幅も、平板状のＥ形止め輪３１・４１を用いる場合に比べて狭く形成することができる。
【００７６】
また、実施の形態１と同様に、ロッド端部８ａの外周面とディスプレーサ４の支持孔４ａとの間、ロッド端部８ｂの外周面とディスプレーサスプリング９の支持孔９ａとの間には隙間が形成されており、ロッド８は径方向に自由度を有している。これにより、装置の動作中にロッド８の軸心とピストン貫通孔３ａの軸心とがずれても、Ｅ形止め輪５１・６１がディスプレーサ４またはディスプレーサスプリング９を押圧してはいるものの、ロッド８が径方向に移動可能であるので、ロッド８の軸心とピストン貫通孔３ａの軸心とを容易に一致させることができる。
【００７７】
なお、本実施形態では、ロッド８とディスプレーサ４との固定、ロッド８とディスプレーサスプリング９との固定の両方に、弓形のＥ形止め輪５１・６１を用いたが、例えば、ロッド８とディスプレーサ４との固定に弓形のＥ形止め輪５１を用い、ロッド８とディスプレーサスプリング９との固定に実施の形態１の平板状のＥ形止め輪４１を用いてもよい。逆に、ロッド８とディスプレーサ４との固定に実施の形態１の平板状のＥ形止め輪３１を用い、ロッド８とディスプレーサスプリング９との固定に弓形のＥ形止め輪６１を用いてもよい。
【００７８】
ところで、本実施形態では、ディスプレーサ４におけるＥ形止め輪５１との圧接部を単に平板状としているが、図６に示すように、上記圧接部に、Ｅ形止め輪５１の周方向において開口部の両側に位置する各端部（図３に示すＥ形止め輪３１の各端部３４ａ・３４ｂに相当する）が嵌る凹部４ｂを形成するようにしてもよい。この場合、ディスプレーサ４の凹部４ｂにＥ形止め輪５１の各端部が嵌ることによって、ディスプレーサ４の振動に伴ってＥ形止め輪５１が周方向に回転するのを防止することができる。その結果、Ｅ形止め輪５１とディスプレーサ４およびロッド８（ロッド端部８ａ）との接触部での摩擦や磨耗を抑制することができる。
【００７９】
また、同様に、図７に示すように、ディスプレーサスプリング９におけるＥ形止め輪６１との圧接部に、Ｅ形止め輪６１の周方向において開口部の両側に位置する各端部（図３に示すＥ形止め輪４１の各端部３４ａ・３４ｂに相当する）が嵌る凹部９ｂを形成するようにしてもよい。この場合、ディスプレーサスプリング９の凹部９ｂにＥ形止め輪６１の各端部が嵌ることによって、ディスプレーサスプリング９の振動に伴ってＥ形止め輪６１が周方向に回転するのを防止することができる。その結果、Ｅ形止め輪６１とディスプレーサスプリング９およびロッド８（ロッド端部８ｂ）との接触部での摩擦や磨耗を抑制することができる。
【００８０】
なお、ディスプレーサ４およびディスプレーサスプリング９における上記圧接部に、凹部４ｂ・９ｂの代わりに突起をそれぞれ設け、Ｅ形止め輪５１・６１を溝部２１・２２にそれぞれ嵌め込んだ際に、これらの突起がＥ形止め輪５１・６１の上記各端部と当接することによって、Ｅ形止め輪５１・６１の周方向の回転を防止する構成となっていてもよい。なお、上記圧接部にこのような突起を設ける構成は、平板状のＥ形止め輪３１・４１を用いる実施の形態１にも勿論適用することができる。
【００８１】
〔実施の形態３〕
本発明のさらに他の実施の形態について、図面に基づいて説明すれば、以下の通りである。なお、実施の形態１・２と同一の構成には同一の部材番号を付記し、その説明を省略する。
【００８２】
図８は、本発明に係るスターリング冷凍機におけるロッド支持構造のさらに他の構成例を示す断面図である。本実施形態では、実施の形態１の構成において、周方向の一部に開口を有するリング状もしくは円盤状の耐摺動性を有する低摩擦部材７１を介して、Ｅ形止め輪３１をディスプレーサ４に圧接している。また、ディスプレーサ４とロッド８の本体との接触部にも上記と同様の低摩擦部材７１を介在させている。
【００８３】
また、ロッド８のディスプレーサスプリング９側に対しても、上記と同様のロッド支持構造を適用することが望ましく、本実施形態ではそのような支持構造を採用している。
【００８４】
すなわち、本実施形態では、図９に示すように、リング状もしくは円盤状の耐摺動性を有する低摩擦部材７２を介して、Ｅ形止め輪４１をディスプレーサスプリング９に圧接している。また、ディスプレーサスプリング９とロッド８の本体との接触部にも上記と同様の低摩擦部材７２を介在させている。
【００８５】
上記の低摩擦部材７１・７２としては、例えば、フッ素系コーティングが施されたワッシャ、ポリテトラフルオロエチレン樹脂からなるワッシャ、低摩擦処理の施されているゴム材料等を適用することができる。
【００８６】
また、ディスプレーサ４およびＥ形止め輪３１の互いの接触面、ディスプレーサ４およびロッド８の互いの接触面に、例えばプラズマＣＶＤ法によりアモルファスダイヤモンドや高配向ダイヤモンドをコーティングしたり、湿式法や蒸着法によりフルオロカーボンを骨格に持つアルコキシシラン、トリクロロシラン等の低分子材料をコーティングして、低摩擦材料７１を塗布、形成するようにしてもよい。また、ディスプレーサスプリング９およびＥ形止め輪４１の互いの接触面、ディスプレーサスプリング９およびロッド８の互いの接触面についても、上記と同様の手法で低摩擦材料７２を塗布、形成するようにしてもよい。
【００８７】
このように、低摩擦材料７１・７２を備えるロッド支持構造により、スターリング冷凍機の運転中において、ロッド８の往復運動の加速度に応じて発生する軸方向の力による、ディスプレーサ４とＥ形止め輪３１またはロッド８との間の摩擦力、ディスプレーサスプリング９とＥ形止め輪４１またはロッド８との間の摩擦力を低滅することができ、これによって、ロッド８を径方向に円滑に移動させることができる。その結果、ロッド８の軸心とピストン貫通孔３ａの軸心とを迅速に一致させて、ロッド８とピストン貫通孔３ａとの間で起きる局所的な摩擦および磨耗を確実に抑制することができる。
【００８８】
なお、低摩擦部材７１・７２を設ける本実施形態の構成は、弓形のＥ形止め輪５１・６１を用いる実施の形態２にも適用することは可能であり、また、平板状のＥ形止め輪３１・４１と、弓形のＥ形止め輪５１・６１とを組み合わせて使用する場合にも適用することが可能である。
【００８９】
【発明の効果】
本発明のスターリング冷凍機によれば、第１の固定部材は、ロッドの一方の端部を単に挟み込むという簡単な構成でロッドと固定されるので、ロッドに対する第１の固定部材の取り付けが容易であり、かつ、接着剤を用いることなく第１の固定部材をロッドに固定することができる。その結果、装置の製造工程を著しく簡略化することができる。
【００９０】
また、第２の固定部材についても、上記した第１の固定部材と同様に、ロッドの他方の端部を挟み込むことによってロッドと固定されるので、ロッドに対する第２の固定部材の取り付けが容易であり、かつ、接着剤を用いることなく第２の固定部材をロッドに固定することができ、装置の製造工程を著しく簡略化することができる。
【００９１】
また、ロッドの一方の端部および他方の端部に各端部よりも小径の溝部をそれぞれ形成し、第１の固定部材および第２の固定部材が各溝部を挟み込むことによって上記ロッドと固定されるので、ピストンおよびディスプレーサの往復移動による振動に伴う第１の固定部材および第２の固定部材のロッド軸方向の移動を、各溝部にて確実に阻止することができる。その結果、接着剤を用いなくても、第１の固定部材および第２の固定部材をロッドに確実に固定することができるとともに、従来のようなナットの緩みに起因する装置故障の危険性もなく、信頼性の高いスターリング冷凍機を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態に係るスターリング冷凍機における、ディスプレーサとロッドとの支持構造の概略の構成を拡大して示す断面図である。
【図２】上記スターリング冷凍機の概略の構成を示す断面図である。
【図３】上記支持構造に用いられるＥ形止め輪の断面形状を示す、図１のＡ−Ａ´線矢視断面図である。
【図４】本発明の他の実施の形態に係るスターリング冷凍機における、ディスプレーサとロッドとの支持構造の概略の構成を拡大して示す断面図である。
【図５】上記スターリング冷凍機における、ディスプレーサスプリングとロッドとの支持構造の概略の構成を拡大して示す断面図である。
【図６】上記スターリング冷凍機における、ディスプレーサとロッドとの支持構造の他の構成を拡大して示す断面図である。
【図７】上記スターリング冷凍機における、ディスプレーサスプリングとロッドとの支持構造の他の構成を拡大して示す断面図である。
【図８】本発明のさらに他の実施の形態に係るスターリング冷凍機における、ディスプレーサとロッドとの支持構造の概略の構成を拡大して示す断面図である。
【図９】上記スターリング冷凍機における、ディスプレーサスプリングとロッドとの支持構造の概略の構成を拡大して示す断面図である。
【図１０】従来の逆スターリング冷凍機の概略の構成を示す断面図である。
【図１１】従来のスターリングエンジンの概略の構成を示す断面図である。
【図１２】上記スターリングエンジンにおける、ディスプレーサとロッドとの支持構造の概略の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
１　　耐圧容器
２　　シリンダ
３　　ピストン
３ａ　ピストン貫通孔（貫通孔）
４　　ディスプレーサ
４ａ　支持孔
８　　ロッド
８ａ　ロッド端部（一方の端部）
８ｂ　ロッド端部（他方の端部）
９　　ディスプレーサスプリング
９ａ　支持孔
２１　　溝部
２２　　溝部
３１　　Ｅ形止め輪（第１の固定部材、リング状止め金具）
３４　　開口部
３４ａ　端部
３４ｂ　端部
４１　　Ｅ形止め輪（第２の固定部材、リング状止め金具）
５１　　Ｅ形止め輪（第１の固定部材、リング状止め金具）
６１　　Ｅ形止め輪（第２の固定部材、リング状止め金具）
７１　　低摩擦部材
７２　　低摩擦部材
【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】
2004116824.tif 000011
【図１０】
2004116824.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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