(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒ガスを圧縮する圧縮機（Ａ）と、この圧縮機（Ａ）から吐出される冷媒ガスを膨張させる膨張機（Ｂ）とを備え、
上記圧縮機（Ａ）及び膨張機（Ｂ）の少なくとも一方には、往復移動により冷媒ガスを圧縮又は膨張させる往復移動体（４，２２）が円板状の板ばね（１２）の中央部にロッド（６，１８）を介して弾性支持されて配置されたスターリング冷凍機であって、
上記板ばね（１２）は、上記ロッド（６，１８）が嵌着される嵌着孔（１３ａ）を有するハブ（２７）と、
このハブ（２７）を取り囲むように設けられた円環状のリム（２８）と、
上記ハブ（２７）とリム（２８）とを複数箇所で連結する複数のアーム（２９）とからなり、
上記各アーム（２９）は、上記ハブ（２７）に接続された第１アーム部（２９ａ）と、上記リム（２８）に接続された第２アーム部（２９ｂ）とからなるヘアピン状に折り返された形状であり、
一端が開放した直線スリット（３０）が上記第１アーム部（２９ａ）と第２アーム部（２９ｂ）との間、及び第１アーム部（２９ａ）とハブ（２７）との間に形成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】
請求項１記載のスターリング冷凍機において、
各アーム（２９）の第１アーム部（２９ａ）と第２アーム部（２９ｂ）との折返し部（２９ｃ）には、補強リブ（３１）が設けられていることを特徴とする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関し、特に、冷媒ガスを圧縮するための圧縮ピストンや冷媒ガスを膨張させるためのディスプレーサを弾性支持する板ばねの改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
スターリング冷凍機は、冷媒ガスを圧縮する圧縮機と、この圧縮機から吐出される冷媒ガスを膨張させる膨張機とからなり、上記圧縮機では、圧縮ピストンの往復移動により冷媒ガスを圧縮する一方、上記膨張機では、上記圧縮機で圧縮された冷媒ガスをディスプレーサ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ている。
【０００３】
このようなスターリング冷凍機として、例えば特開平５−２８８４１９号公報に開示されているように、圧縮ピストン及びディスプレーサを円板からなる板ばねに弾性支持したスターリング冷凍機が知られている。このスターリング冷凍機では、板ばねを複数枚の薄板を重ね合わせて構成し、その中央部及び外周部を２枚の押え板でそれぞれ両側から挟持して一体としている。
【０００４】
ところで、上述の如きスターリング冷凍機において、圧縮ピストン及びディスプレーサを弾性支持する板ばねは、一般には、複数の渦巻スリットが周方向に略等間隔に形成されており、この渦巻スリットを形成することにより、圧縮ピストン及びディスプレーサを往復移動可能にかつ圧縮ピストン及びディスプレーサの往復移動方向と直交する方向に移動不能に弾性支持し、これにより、圧縮ピストン及びディスプレーサの径方向の横ブレを低減して圧縮ピストン及びディスプレーサの低振動化を達成するようにしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述の如き渦巻スリットが形成された板ばねでは、弾性変形時、そのスリット形状に起因して引張り応力、曲げ応力及び捩り応力の３つの応力が発生するため、スリット端部での応力が大きくなり、板ばねの寿命ひいてはスターリング冷凍機の寿命が短くなるおそれがある。
【０００６】
一方、渦巻スリットに代わる構造の板ばねとして、米国特許第５，４９２，３１３号明細書及び図面に開示されているように、三角形状のハブを円環状のリムで取り囲み、このハブとリムとを３つのアームで等間隔に３箇所で一体に連結し、一端が開放した１本の直線スリットを上記ハブと各アームとの間に形成した構造の板ばねが提案されている。そして、この構造の板ばねでは、弾性変形時、引張り応力及び捩り応力が発生せず、曲げ応力だけとなり、渦巻スリットが形成された板ばねよりも応力を緩和することができて好ましい。
【０００７】
ところが、この構造の板ばねは、直線のスリットがハブと各アームとの間に１本ずつしかないため、圧縮ピストン及びディスプレーサの往復移動方向への弾性変形量が小さく、これでは、圧縮ピストン及びディスプレーサが往復移動する際のストロークを十分に確保することができず、スターリング冷凍機の設計の自由度が低下することになる。
【０００８】
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、圧縮ピストンやディスプレーサを弾性支持する板ばねの応力を緩和するとともに、圧縮ピストン及びディスプレーサのストロークを十分に確保し、板ばねの延命化ひいてはスターリング冷凍機の延命化を図るとともに、スターリング冷凍機の設計の自由度を向上させようとすることにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明は、圧縮ピストンやディスプレーサを弾性支持する板ばねにスリットを適正に形成したことを特徴とする。
【００１０】
具体的には、本発明は、図１に示すように、冷媒ガスを圧縮する圧縮機（Ａ）と、この圧縮機（Ａ）から吐出される冷媒ガスを膨張させる膨張機（Ｂ）とを備え、上記圧縮機（Ａ）及び膨張機（Ｂ）の少なくとも一方には、往復移動により冷媒ガスを圧縮又は膨張させる往復移動体（４，２２）が円板状の板ばね（１２）の中央部にロッド（６，１８）を介して弾性支持されて配置されたスターリング冷凍機を対象とし、次のような解決手段を講じた。
【００１１】
すなわち、本発明の第１の解決手段は、上記板ばね（１２）として上記ロッド（６，１８）が嵌着される嵌着孔（１３ａ）を有するハブ（２７）を備えたものとし、このハブ（２７）を取り囲むように円環状のリム（２８）を設け、かつ上記ハブ（２７）とリム（２８）とを複数のアーム（２９）で複数箇所で連結する。さらに、上記各アーム（２９）を上記ハブ（２７）に接続された第１アーム部（２９ａ）と、上記リム（２８）に接続された第２アーム部（２９ｂ）とからなるヘアピン状に折り返された形状とする。そして、一端が開放した直線スリット（３０）を上記第１アーム部（２９ａ）と第２アーム部（２９ｂ）との間、及び第１アーム部（２９ａ）とハブ（２７）との間に形成したことを特徴とする。
【００１３】
上記の構成により、本発明の第１の解決手段では、圧縮機（Ａ）及び膨張機（Ｂ）の少なくとも一方において、往復移動体（４，２２）が往復移動すると、この往復移動体（４，２２）の動作に追従して板ばね（１２）が動く。この際、板ばね（１２）の第１アーム部（２９ａ）と第２アーム部（２９ｂ）とのヘアピン状折返し部に応力が発生するものの、全体的にはその直線スリット（３０）のスリット形状からして渦巻スリットの場合に比べて応力が緩和され、板ばね（１２）の延命化ひいてはスターリング冷凍機の延命化が図られる。さらに、各アーム（２９）とハブ（２７）とにより形成された２本の直線スリット（３０）により、上記ハブ（２７）が直線スリット（３０）の数に比例して往復移動体（４，２２）方向に大きく弾性変形し、例えば板ばね（１２）が小型の場合でも往復移動体（４，２２）のストロークが十分に確保され、スターリング冷凍機の設計の自由度が向上する。
【００１４】
本発明の第２の解決手段は、第１の解決手段において、各アーム（２９）の第１アーム部（２９ａ）と第２アーム部（２９ｂ）との折返し部（２９ｃ）に補強リブ（３１）を設けたことを特徴とする。
【００１５】
上記の構成により、本発明の第２の解決手段では、補強リブ（３１）により折返し部（２９ｃ）の剛性が上がり、弾性変形時、引張り応力及び捩り応力が発生せず、曲げ応力だけとなり、板ばね（１２）の延命化ひいてはスターリング冷凍機の延命化が確保される。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面に基づいて説明する。
【００１７】
図１は本発明の実施の形態に係るスターリング冷凍機の概略図である。図中、（Ａ）は冷媒ガスを圧縮する圧縮機、（Ｂ）はこの圧縮機（Ａ）から吐出された冷媒ガスを膨張させる膨張機であり、これら圧縮機（Ａ）及び膨張機（Ｂ）は共に、密閉された円筒形状のケーシング（１），（２）を備えている。
【００１８】
上記圧縮機（Ａ）のケーシング（１）内には、円筒形状のシリンダ（３）が一方の側壁内面に同心円状に固定されて配置され、このシリンダ（３）内には、往復移動体としての圧縮ピストン（４）が往復移動可能に摺動配置され、この圧縮ピストン（４）によりシリンダ（３）内に圧縮室（５）が形成されている。上記圧縮ピストン（４）の背面には、ロッド（６）の一端がケーシング（１）の中心線に位置するように連結され、ロッド（６）の他端はケーシング（１）の他方の側壁に向かって延びている。
【００１９】
上記ロッド（６）周りには、第１リニアモータ（７）が配置されている。この第１リニアモータ（７）は、上記ケーシング（１）の周壁内周面に固定された純鉄からなる環状のヨーク（８）を備えてなり、このヨーク（８）の中心には貫通孔（８ａ）が形成され、上記ロッド（６）がこの貫通孔（８ａ）を一端側から挿通して他端側に突出している。また、上記ヨーク（８）には凹陥部（８ｂ）がリング状に形成され、この凹陥部（８ｂ）の外側の周面にはリング状の永久磁石（９）が固定され、この永久磁石（９）により上記ヨーク（８）を継鉄として上記凹陥部（８ｂ）内に所定強度の磁界を発生させるようにしている。さらに、上記ロッド（６）の突出端寄りには、外周面に電磁コイル（１０）が巻回された有底筒状のボビン（１１）が連結され、上記電磁コイル（１０）を凹陥部（８ｂ）に挿入させて永久磁石（９）に対峙させている。そして、電磁コイル（１０）に所定周波数の交流電流を通電することにより、圧縮ピストン（４）を後述の第１板ばね（１２）のばね定数等で決まる周期で往復移動させて、圧縮室（５）で所定周期のガス圧を発生させるように構成されている。
【００２０】
上記ロッド（６）の圧縮ピストン（４）寄りと突出端の２箇所には、一対の円板状の第１板ばね（１２）がその嵌着孔（実際には、後述する薄板（１３）の嵌着孔（１２ａ））にロッド（６）を嵌着させて上記第１リニアモータ（７）を両側から挟むように固定され、各第１板ばね（１２）の外周はケーシング（１）の内周壁に固定されている。上記各第１板ばね（１２）は、３枚の薄板（１３）を重ね合わせてなり、相隣る薄板（１３）間にスペーサ（１４）が介装され、その中央部及び外周部が２枚のリング状の押え板（１５）でそれぞれ両側から挟持されて組み付けられたものである。
【００２１】
図２（ａ）に示すように、本発明の特徴として、上記各第１板ばね（１２）を構成する３枚の薄板（１３）は、中心に上記ロッド（６）が嵌着される嵌着孔（１３ａ）を有する三角形状のハブ（２７）を備えてなり、このハブ（２７）の外側には円環状のリム（２８）がハブ（２７）を取り囲むように設けられている。また、上記ハブ（２７）とリム（２８）との間には、このハブ（２７）とリム（２８）とを３箇所で連結する３本のアーム（２９）が配置されている。上記各アーム（２９）は、上記ハブ（２７）に接続された第１アーム部（２９ａ）と、上記リム（２８）に接続された第２アーム部（２９ｂ）とからなるヘアピン状に折り返された形状であり、一端が開放した２本の直線スリット（３０）が上記第１アーム部（２９ａ）と第２アーム部（２９ｂ）との間、及び第１アーム部（２９ａ）とハブ（２７）との間に１本ずつ形成されている。また、図３に示すように、上記各アーム（２９）の第１アーム部（２７ａ）と第２アーム部（２７ｂ）との折返し部（２７ｃ）には、補強リブ（３１）が設けられている。
【００２２】
一方、図２（ｂ）に示すように、上記スペーサ（１４）は、中心にロッド（６）が嵌着される嵌着孔（３２ａ）を有する三角形状のハブ板（３２）と、このハブ板（３２）の外側に配置される円環状のリム板（３３）とで構成され、図３に示すように、スペーサ（１４）を薄板（１３）に組み付けた際、上記ハブ板（３２）が薄板（１３）のハブ（２７）に、リム板（３３）が薄板（１３）のリム（２８）にそれぞれ重なるようになっている。上記ハブ板（３２）の３つの頂点には係止部（３２ｂ）がそれぞれ形成されている一方、上記リム板（３３）の内周には、上記ハブ板（３２）の各係止部（３２ｂ）を係止する３つの係止部（３３ａ）が円周を３等分する位置にそれぞれ突設されている。なお、上記薄板（１３）のハブ（２７）及びリム（２８）には複数の締結孔（２７ａ），（２８ａ）が形成されているとともに、上記スペーサ（１４）のハブ板（３２）及びリム板（３３）にも複数の締結孔（３２ｃ），（３３ｂ）が形成され、３枚の薄板（１３）間に２枚のスペーサ（１４）を介装させ、かつその内周部及び外周部において両側から２つの押え板（１５）を沿わせ、ねじ（図示せず）を上記締結孔（２７ａ），（２８ａ），（３２ｃ），（３３ｂ）に螺合させて第１板ばね（１２）を組み付けるようになっている。
【００２３】
また、上記第１リニアモータ（７）の背面側には、別の第２リニアモータ（１７）が配置されている。この第２リニアモータ（１７）は、第１リニアモータ（７）と同じに構成されているので、同一の構成箇所には同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。なお、第１リニアモータ（７）ではボビン（１１）を圧縮ピストン（４）のロッド（６）に固定したが、この第２リニアモータ（１７）では別のロッド（１８）に固定している。
【００２４】
上記ロッド（１８）の両端には、２つの一対の円板状の第２板ばね（１９）がその嵌着孔（１３ａ）にロッド（１８）を嵌着させて上記第２リニアモータ（１７）を両側から挟むように固定され、各第２板ばね（１９）の外周はケーシング（１）の内周壁に固定されている。この各第２板ばね（１９）も、上記各第１板ばね（１２）と同様に３枚の薄板（１３）を重ね合わせてなり、相隣る薄板（１３）間にスペーサ（１４）が介装され、その中央部及び外周部が２枚のリング状の押え板（１５）でそれぞれ両側から挟持されて組み付けられたものであり、各第２板ばね（１２）を構成する３枚の薄板（１３）にも、各第１板ばね（１２）と同様に三角形状のハブ（２７）を円環状のリム（２８）で取り囲み、上記ハブ（２７）とリム（２８）とをヘアピン状に折り返された形状の３本のアーム（２９）で連結し、一端が開放した２本の直線スリット（３０）が上記各アーム（２９）を構成する第１アーム部（２９ａ）と第２アーム部（２９ｂ）との間、及び第１アーム部（２９ａ）とハブ（２７）との間に１本ずつ形成されている。また、上記各アーム（２９）の第１アーム部（２９ａ）と第２アーム部（２９ｂ）との折返し部（２９ｃ）には、補強リブ（３１）が設けられている。
【００２５】
そして、上記第２リニアモータ（１７）は、第１リニアモータ（７）とは逆位相に駆動し、各第２板ばね（１９）を各第１板ばね（１２）の動きに対し逆向きに動かせることにより圧縮ピストン（４）の往復移動方向の振動を打ち消すようになっている。つまり、この第２板ばね（１９）はバランサの役割をなすものである。
【００２６】
一方、上記膨張機（Ｂ）のケーシング（２）には、円筒形状のシリンダ（２１）が一方の側壁外面に同心円状に固定されて配置され、このシリンダ（２１）内には、１つの往復移動体としてのディスプレーサ（２２）が往復移動可能に摺動配置され、このディスプレーサ（２２）によりシリンダ（２１）内を膨張室（２３）と作動室（２４）とに区画している。このディスプレーサ（２２）は、内部に金属製蓄冷材（再生式熱交換器）を充填したものであり、この蓄冷材が充填された空間は、上記膨張室（２３）及び作動室（２４）にそれぞれ連通されている。そして、膨張室（２３）で膨張した低温の冷媒ガスが作動室（２４）に向かうときには、該冷媒ガスにより上記蓄冷材を冷却してその蓄冷材に冷熱を蓄え、逆に常温の冷媒ガスが作動室（２４）から膨張室（２３）に向かうときには、その蓄冷材により冷媒ガスを冷却するようになっている。また、上記シリンダ（２１）の先端にはコールドヘッド（２５）が設けられている。
【００２７】
上記シリンダ（２１）内の作動室（２４）は、配管（２６）により上記圧縮機（Ａ）の圧縮室（５）に接続され、圧縮機（Ａ）からの冷媒ガス圧により上記ディスプレーサ（２２）を往復移動させて冷媒ガスを膨張室（２３）で膨張させることにより、上記コールドヘッド（２５）に寒冷を発生させるようになされている。
【００２８】
なお、上記ディスプレーサ（２２）を作動させる機構は、上記圧縮機（Ａ）の場合と同じくケーシング（２）内に設置された第１及び第２リニアモータ（７），（１７）、第１及び第２板ばね（１２），（１９）等によって構成されているので、同一の構成箇所には同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。勿論、この膨張機（Ｂ）側の各第１板ばね（１２）及び第２板ばね（１９）も、圧縮機（Ａ）側の各第１板ばね（１２）及び第２板ばね（１９）と同様に構成されているものである。
【００２９】
以上の構成からなるスターリング冷凍機の作動について説明する。先ず、冷凍機の運転開始に際し、圧縮機（Ａ）側の第１及び第２リニアモータ（７），（１７）の各々の電磁コイル（１０）に所定周波数の交流電流を互いに逆位相になるように通電する。この通電に伴い、圧縮ピストン（４）が永久磁石（９）により発生する磁界作用により第１板ばね（１２）の中心部を左右方向に弾性変形させながら中立位置から往復移動し、この圧縮ピストン（４）の往復移動により圧縮室（５）の容積が増減変化し、圧縮室（５）内に所定周期の圧力波が生ずる。
【００３０】
この際、各第１板ばね（１２）には、第１アーム部（２９ａ）と第２アーム部（２９ｂ）とのヘアピン状折返し部（２９ｃ）に応力が発生するものの、全体的にはその直線スリット（３０）のスリット形状からして渦巻スリットの場合に比べて応力を緩和でき、各第１板ばね（１２）の延命化ひいてはスターリング冷凍機の延命化を図ることができる。さらに、各アーム（２９）とハブ（２７）とにより形成された２本の直線スリット（３０）により、直線スリット（３０）が１本の場合に比べて上記ハブ（２７）が圧縮ピストン（４）方向に大きく弾性変形し、例えば各第１板ばね（１２）が小型の場合でも圧縮ピストン（４）のストロークを十分に確保することができ、スターリング冷凍機の設計の自由度を向上させることができる。
【００３１】
さらに、補強リブ（３１）により折返し部（２９ｃ）の剛性を上げているので、弾性変形時の引張り応力及び捩り応力をなくすことができ、曲げ応力だけとして各第１板ばね（１２）の延命化ひいてはスターリング冷凍機の延命化を確保することができる。
【００３２】
上述の如く圧縮室（５）内に所定周期の圧力波が生ずると、加圧された冷媒ガスが配管（２６）を経て膨張機（Ｂ）の作動室（２４）に供給される。この膨張機（Ｂ）側でも、第１及び第２リニアモータ（７），（１７）の各々の電磁コイル（１０）に所定周波数の交流電流を互いに逆位相になるように通電するものであり、第１リニアモータ（７）によってディスプレーサ（２２）が膨張機（Ｂ）側の第１板ばね（１２）の中心部を左側に変形させながらシリンダ（２１）先端側に移動する。これにより、上記作動室（２４）のガスがディスプレーサ（２２）内を通って蓄冷材により冷却されながら膨張室（２３）に流れ、ディスプレーサ（２２）は第１板ばね（１２）の復元力によりシリンダ（２１）基端側に移動して元の位置に戻る。
【００３３】
一方、圧縮機（Ａ）の圧縮ピストン（４）の後退により圧縮室（５）内の圧力が低下すると、膨張機（Ｂ）の作動室（２４）内の冷媒ガスが配管（２６）を経て圧縮機（Ａ）の圧縮室（５）に戻り、上記作動室（２４）内の圧力が膨張室（２３）よりも低下する。第１リニアモータ（７）によって上記ディスプレーサ（２２）が今度は膨張機（Ｂ）の第１板ばね（１２）の中心部を右側に変形させながらシリンダ（２１）基端側に移動し、膨張室（２３）内の冷媒ガスが断熱膨張して寒冷が発生する。そして、上記膨張後のガスが膨張室（２３）からディスプレーサ（２２）内を蓄冷材に冷熱を与えながら作動室（２４）に流れ、ディスプレーサ（２２）は第１板ばね（１２）の復元力によりシリンダ（２１）基端側に移動して元の位置に戻る。
【００３４】
以上により１サイクルが終了し、以後、同様のサイクルを繰り返すことで、シリンダ（２１）先端のコールドヘッド（２５）が徐々に極低温レベルまで冷却される。
【００３５】
この膨張機（Ｂ）側においても、渦巻スリットの代わりに２本の直線スリット（３０）を有する各第１板ばね（１２）のスリット形状により、作用する応力を曲げ応力だけにして応力を緩和し、各第１板ばね（１２）の延命化ひいてはスターリング冷凍機の延命化を図ることができるとともに、２本の直線スリット（３０）によるディスプレーサ（２２）方向への大きな弾性変形により、各第１板ばね（１２）が小型の場合でもディスプレーサ（２２）のストロークを十分に確保することができ、スターリング冷凍機の設計の自由度を向上させることができることに関しては、圧縮機（Ａ）側と同様である。
【００３６】
なお、この実施の形態では、圧縮機（Ａ）及び膨張機（Ｂ）の双方において、圧縮ピストン（４）及びディスプレーサ（２２）を弾性支持する第１板ばね（１２）を上述の如く渦巻スリットの代わりに２本の直線スリット（３０）のスリット形状にしたが、これに限らず、そのいずれか一方側だけを上述の如き構成にしてもよい。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、圧縮機（Ａ）及び膨張機（Ｂ）の少なくとも一方において、往復移動体（４，２２）を弾性支持する板ばね（１２）を、ハブ（２７）を円環状のリム（２８）で取り囲み、このハブ（２７）とリム（２８）とを複数のアーム（２９）で連結し、各アーム（２９）をハブ（２７）に接続された第１アーム部（２９ａ）と、リム（２８）に接続された第２アーム部（２９ｂ）とからなるヘアピン状に折り返された形状として、一端が開放した直線スリット（３０）を第１アーム部（２９ａ）と第２アーム部（２９ｂ）との間、及び第１アーム部（２９ａ）とハブ（２７）との間に形成したので、その直線スリット形状により作用する応力を緩和して板ばね（１２）の延命化ひいてはスターリング冷凍機の延命化を図ることができる。さらに、各アーム（２９）とハブ（２７）とにより形成された２本の直線スリット（３０）により、往復移動体（４，２２）のストロークを十分に確保してスターリング冷凍機の設計の自由度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係るスターリング冷凍機の概略構成図である。
【図２】（ａ）は第１板ばねの平面図、（ｂ）はスペーサの平面図である。
【図３】第１板ばねとスペーサとを組み合わせた平面図である。
【符号の説明】
（Ａ）                圧縮機
（Ｂ）                膨張機
（４）                圧縮ピストン（往復移動体）
（１２）              第１板ばね
（１３ａ）            嵌着孔
（２２）              ディスプレーサ（往復移動体）
（６），（１８）      ロッド
（２７）              ハブ
（２８）              リム
（２９）              アーム
（２９ａ）            第１アーム部
（２９ｂ）            第２アーム部
（２９ｃ）            折返し部
（３０）              直線スリット
（３１）              補強リブ
【図１】
0003827404.tif 000002
【図２】
0003827404.tif 000003
【図３】
0003827404.tif 000004