JP2004052866A - 圧力容器及びそれを用いた機関 - Google Patents
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Abstract
【課題】性能劣化を防止するとともに製造コスト及び騒音を低減することのできる圧力容器及び機関を提供する。
【解決手段】圧力容器２０を胴部２１と鏡板２２とに分割し、鏡板２２には胴部２１に内嵌する円筒部２２ａと球面の球面部２２ｂを設け、円筒部２２ａの端面が圧力容器２０の内部側に配されて球面部２２ｂを外側が凸になるように円筒部２２ａを胴部２１に溶接する。胴部２１には鏡板２２との溶接部分から軸方向に延長した延設部２１ａを設け、延設部２１ａに動吸振器３５を取り付けることにより動吸振器３５を囲繞して騒音を防止する。
【選択図】 図５
【解決手段】圧力容器２０を胴部２１と鏡板２２とに分割し、鏡板２２には胴部２１に内嵌する円筒部２２ａと球面の球面部２２ｂを設け、円筒部２２ａの端面が圧力容器２０の内部側に配されて球面部２２ｂを外側が凸になるように円筒部２２ａを胴部２１に溶接する。胴部２１には鏡板２２との溶接部分から軸方向に延長した延設部２１ａを設け、延設部２１ａに動吸振器３５を取り付けることにより動吸振器３５を囲繞して騒音を防止する。
【選択図】 図５
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内部空間が密閉される圧力容器に関する。また本発明は、圧力容器内にリニアモータ等の往復駆動部を有する冷凍機や圧縮機等の機関に関する。
【０００２】
冷凍機は一般に冷媒の凝縮及び蒸発を利用した蒸気圧縮式の冷凍サイクルが採用されている。しかし、蒸気圧縮式の冷凍サイクルの冷媒として用いられるフロンは、オゾン層破壊による環境への悪影響が指摘され、近年使用及び生産が規制されてきている。
【０００３】
このため、フロンを用いた冷凍サイクルに替えて、逆スターリング冷凍サイクルによるスターリング機関を用いたスターリング冷凍機が提案されている。逆スターリング冷凍サイクルは作動媒体としてヘリウムガス、水素ガス、窒素ガス等を使用するため、環境への悪影響を防止することができる。
【０００４】
スターリング冷凍機は、圧力容器内に配されたシリンダ内に圧縮空間を介してピストンとディスプレーサとが軸方向に並設され、圧縮空間と連通する膨張空間がディスプレーサの先端に設けられている。ピストンとディスプレーサとが所定の位相差で往復運動することにより、作動媒体が圧縮空間で圧縮されるととともに膨張空間で膨張して膨張空間側を低温にできるようになっている。
【０００５】
圧力容器内には高圧のガスが封入されるため、圧力容器は耐圧性が要求される。このため、例えば特開２００１−５７７６７に開示されるように、絞り加工により断面Ｕ字型の２つのケーシングを溶接して圧力容器が形成される。しかし、圧力容器に内装されるシリンダは所定ストロークで移動するピストンとディスプレーサとを内嵌するため軸方向の長さが長くなる。このため、シリンダを内装するケーシングは複数回の絞り加工を繰り返して形成されるため、製造コストが高くなる問題があった。
【０００６】
この問題を解決するために、図９に示すように、筒状の胴部２１に、胴部２１の開口部を覆う鏡板２２を溶接してケーシング３を形成した圧力容器２０が ”Ａ Ｓｕｍｍａｒｙ ｏｆ Ｔｗｅｎｔｙ Ｙｅａｒｓ Ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅ ｗｉｔｈ Ｌｉｎｅａｒ Ｍｏｔｏｒｓ ａｎｄ Ａｌｔｅｒｎａｔｏｒｓ”， Ｒｏｂｅｒｔ Ｒｅｄｌｉｃｈ， Ｓｕｎｐｏｗｅｒ Ｉｎｃ．， １９９６ に開示されている。
【０００７】
鏡板２２は胴部２１に内嵌される円筒部２２ａと所定の曲率半径を有する球面部２２ｂとを有し、円筒部２２ａを胴部２１に溶接して圧力容器２０の密閉状態が確保されている。これにより、圧力容器２０のコストを削減できるようになっている。
【０００８】
また、シリンダに内嵌されるピストン及びディスプレーサが往復運動をするため、圧力容器にはピストン及びディスプレーサの移動方向と反対方向に背圧が加わる。その結果、圧力容器は所定周期で振動するため、特開２０００−８８３８３号公報に開示されるように、圧力容器に動吸振器が取り付けられる。
【０００９】
図１０は動吸振器を設けたスターリング冷凍機の一例を示す図である。スターリング冷凍機１を覆う圧力容器２０の周面には複数の支持部材３６が溶接されている。支持部材３６には取付ネジ３７により動吸振器３５が固定されている。動吸振器３５は板バネ３８に所定の質量を有する負荷オモリ３９を取り付けて構成されている。従って、負荷オモリ３９の慣性力によって圧力容器２０の振動を吸収して振動の少ないスターリング冷凍機１を得ることができるようになっている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図９に示した圧力容器２０によると、円筒部２２ａの端面が外側に面して形成されており、球面部２２ｂが外側に凸に形成されている。このため、球面部２２ｂと円筒部２２ａとの間には曲率半径の中心が圧力容器２０の外側に配された境界部２２ｃが形成される。圧力容器２０には矢印Ｒで示すように外側に向けた圧力が加わるため、境界部２２ｃには矢印Ａに示すように鏡板２２を円筒部２２ａから引き離す方向に圧力が加わる。
【００１１】
これにより、鏡板２２の軸上部Ｃは軸方向の押圧力（Ｒ）と、境界部２２ｃに加わる押圧力（Ａ）とによって変形量が大きくなる。従って、圧力容器２０内の容積変化によるピストンの背圧変化が大きくなり、ピストンによる圧縮力が変動して所望の性能を得ることができない問題があった。また、スターリング冷凍機に限らず、内部を密閉する圧力容器を有する機関において内容積の変化が大きくなることによって性能が劣化する問題や、高い組立精度を必要として製造コストが増大する問題が発生する。
【００１２】
一方、図１０に示すスターリング冷凍機において、動吸振器３５を取り付ける支持部材３６を必要とするため部品点数が増加してコストがかかる問題があった。また、動吸振器３５が外方に開放して配されており、動吸振器３５による騒音が大きくなる問題もあった。また、スターリング冷凍機１に限らず、密閉された圧力容器に往復運動する往復駆動部が内装される機器に動吸振器を設けた場合に同様の問題が発生する。
【００１３】
本発明は、性能劣化及び製造コストを低減することのできる圧力容器及び機関を提供することを目的とする。また本発明は、騒音及び製造コストを低減することのできる動吸振器を有した機関を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は、一端に開口部を有する筒状の胴部と、開口部を塞いで胴部に固着される鏡板とを備え、胴部の内側を密閉した圧力容器及びそれを用いた機関において、鏡板は、胴部に嵌合される円筒部と、開口部を塞ぐとともに円筒部の端面から離れる側に凸形成される球面部とを有することを特徴としている。
【００１５】
この構成によると、圧力容器の内圧によって鏡板の軸上部には例えば外側に向けて変形させる力が加わり、胴部に加わる圧力によって鏡板の軸上部には内側に変形させる力が加わる。従って、これらの力が相殺されて鏡板の軸上部の変形量が小さく、圧力容器の内容積の変動が低減される。機関にはスターリング冷凍機やリニアモータ駆動型の圧縮機が含まれる。
【００１６】
また本発明は、一端に開口部を有する筒状の胴部と、開口部を塞いで胴部に固着される鏡板とを有して内部を密閉される圧力容器内に、往復運動する往復駆動部を配置した機関において、胴部に鏡板との接合部から軸方向に延長した延設部を形成し、延設部に往復駆動部による振動を吸収する動吸振器を取り付けたことを特徴としている。この構成によると、胴部に設けた延設部によって支持部材を簡素化して動吸振器が圧力容器に取り付けられる。これにより、動吸振器は胴部によって囲繞状態に配設される。
【００１７】
また本発明は、一端に開口部を有する筒状の胴部と、前記開口部を塞ぐとともに前記胴部に固着される鏡板とを有して内部を密閉される圧力容器内に、往復運動する往復駆動部を配置した機関において、前記鏡板に前記往復駆動部による振動を吸収する動吸振器を取り付けたことを特徴としている。この構成によると、鏡板によって別途支持部材を必要とせず動吸振部が圧力容器に取り付けられ、動吸振器が胴部によって囲繞状態に配設される。
【００１８】
また本発明は、上記構成の機関において、鏡板は胴部に嵌合する円筒部を有し、円筒部を軸方向外側に延長した延設部に動吸振器を取り付けたことを特徴としている。この構成によると、円筒部に設けた延設部によって支持部材を簡素化して動吸振器が圧力容器に取り付けられる。これにより、動吸振器は鏡板の延設部によって囲繞状態に配設される。また、鏡板と動吸振器とを一体化してユニット化することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施形態を図面を参照して説明する。図１は第１実施形態のスターリング冷凍機を示す断面図である。説明の便宜上、従来例の図９、図１０と同一の部分については同一の符号を付している。ここで一例として示したスターリング冷凍機１は、断面Ｕ字型のステンレス製のケーシング２、３から成る圧力容器２０に覆われている。
【００２０】
ケーシング２には鍔部２ａが突設され、鍔部２ａにケーシング３を溶接して内部が密閉されている。また、ケーシング３は円筒形の胴部２１の先端に鏡板２２を溶接して形成されている。鏡板２２は胴部２１に内嵌する円筒部２２ａと球面から成る球面部２２ｂとを有しており、円筒部２２ａの端面が圧力容器２０の内側になり、球面部２２ｂが外側に凸になるように形成されている。
【００２１】
圧力容器２０内には軸方向に分割された略円筒形状のシリンダ７が配され、シリンダ７には円柱形のピストン１５及びディスプレーサ８が内嵌されている。ピストン１５とディスプレーサ８とは圧縮空間９を介して同軸に配置されている。シリンダ７の先端とディスプレーサ８との間には膨張空間１４が設けられている。
【００２２】
圧縮空間９と膨張空間１４とはヘリウム等の作動媒体が流通する媒体流通路１１により連通している。媒体流通路１１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１０が配されている。再生器１０の両端には吸熱フィン１２及び放熱フィン１３が設けられている。
【００２３】
ピストン１５は後端でピストン支持バネ３０と一体化され、ディスプレーサ８はピストン１５の中心孔１５ａを貫通するロッド４を介してディスプレーサ支持バネ３１と一体化されている。ピストン支持バネ３０とディスプレーサ支持バネ３１とはボルト３２により連結されている。後述するように、ピストン１５が往復運動するとディスプレーサ８はその慣性力によってピストン１５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。
【００２４】
ケーシング３内のシリンダ７には内側ヨーク１８が外嵌されている。内側ヨーク１８には隙間１９を介して外側ヨーク１７が対峙している。外側ヨーク１７には駆動用コイル１６が内装され、隙間１９には環状の永久磁石２６が移動可能に配されている。永久磁石２６はカップ状のスリーブ２５を介してビストン１５と一体化されている。これにより、駆動用コイル１６に電圧を印加することによってピストン１５を軸方向に移動させるリニアモータ２４が構成されている。
【００２５】
上記構成のスターリング冷凍機１は、リニアモータ２４によってピストン１５が往復運動すると、ディスプレーサ８の慣性力によってピストン１５に対して所定の位相差でディスプレーサ８が往復運動する。これにより、圧縮空間９と膨張空間１４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。即ち、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９で発生した熱は放熱フィン１３を介して大気中へ放出され、更に作動媒体は再生器１０に熱を蓄積して膨張空間１４へ移動する。
【００２６】
再生器１０により冷却された作動媒体は低温側となる膨張空間１４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１１を通じて圧縮空間９へ移動する際に再生器１０に蓄えられた熱を奪って再生器１０を冷却する。この動作を繰り返して冷凍サイクルが行われるようになっている。
【００２７】
図２はケーシング３に加わる圧力を示している。胴部２１及び円筒部２２ａには矢印Ｒに示すように、径方向の外側に広げる方向に圧力が加わる。球面部２２ｂには径方向成分に加え、軸方向にも圧力が加わる。鏡板２２の軸上部Ｃは円筒部２２ａが径方向に広がることによって圧縮容器２０の内部側に力を受ける。このため、軸上部Ｃは内部圧力により軸方向の外側に働く力と、円筒部２２ａが受ける圧力による内側に働く力とが相殺され、結果として鏡板２２の軸上部Ｃの変形を防止することができる。
【００２８】
従って、胴部２１と鏡板２２とに分離しているので複数回の絞り加工を行う必要がなくスターリング冷凍機１の製造コストを削減することができるとともに、圧力容器２０の内容積の変化が小さく、シリンダ１５の背圧が安定して性能劣化を防止することができる。尚、鏡板２２の円筒部２２ａを胴部２１に外嵌しても良い。
【００２９】
次に図３は第２実施形態のスターリング冷凍機を示す側面断面図である。説明の便宜上、前述の図１に示す第１実施形態と同様の部分には同一の符号を付している。本実施形態は第１実施形態に対してケーシング３の形状が異なり、第１実施形態と同一形状の鏡板２２が圧縮容器２０の内側が凸になるように配置されている。その他の部分は第１実施形態と同一である。
【００３０】
本実施形態によると、胴部２１には径方向外側に向けて圧力が加わるため胴部２１に溶接される円筒部２２ａには矢印Ｂに示すように径方向の内側に向けて曲げ応力が加わる。これにより、鏡板２２の軸上部Ｃは圧力容器の内側に変形しようとする。このため、鏡板２２の軸上部Ｃは内部圧力により軸方向の外側に働く力と、円筒部２２ａが受ける曲げ応力による軸方向内側に働く力とが相殺され、結果として鏡板２２の軸上部Ｃの変形を防止することができる。従って、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００３１】
次に図４は第３実施形態のスターリング冷凍機を示す側面断面図である。説明の便宜上、前述の図１、図１０に示す第１実施形態及び従来例と同様の部分には同一の符号を付している。本実施形態は第１実施形態のスターリング冷凍機に加え、圧力容器２０内に動吸振器３５を配置している。その他の部分は第１実施形態と同一である。
【００３２】
動吸振器３５は取付ネジ３７により鏡板２２に固定されている。動吸振器３５は板バネ３８に所定の質量を有する負荷オモリ３９を取り付けて構成されている。従って、負荷オモリ３９の慣性力によってピストン１５の往復運動による圧力容器２０の振動を吸収して振動の少ないスターリング冷凍機１を得ることができるようになっている。
【００３３】
本実施形態によると、第１実施形態と同様の効果を得ることができるとともに、前述の図１０の従来例に示す支持部材３６を必要とせず、部品点数を削減することができる。更に、動吸振器３５が圧力容器２０の胴部２１によって囲繞されるためスターリング冷凍機１の騒音を低減することができる。
【００３４】
次に図５は第４実施形態のスターリング冷凍機を示す側面断面図である。説明の便宜上、前述の図１、図１０に示す第１実施形態及び従来例と同様の部分には同一の符号を付している。本実施形態は第１実施形態のスターリング冷凍機に加え、圧力容器２０の外側に動吸振器３５を配置している。その他の部分は第１実施形態と同一である。
【００３５】
ケーシング３の胴部２１には鏡板２２との接合部分から軸方向に延長した延設部２１ａが形成されている。延設部２１ａの端部には環状の固定部３４が溶接されており、動吸振器３５は取付ネジ３７により固定部３４に固定されている。動吸振器３５は上記と同様に、板バネ３８に所定の質量を有する負荷オモリ３９を取り付けて構成されている。これにより、圧力容器２０の振動を吸収して振動の少ないスターリング冷凍機１を得ることができる。
【００３６】
本実施形態によると、第１実施形態と同様の効果を得ることができるとともに、前述の図１０の従来例に示す支持部材３６に替えて固定部３４を必要とするが、構成を簡素化して部品コストを削減することができる。更に、動吸振器３５が延設部２１ａ及び固定部３４により囲繞されるためスターリング冷凍機１の騒音を低減することができる。
【００３７】
次に図６は第５実施形態のスターリング冷凍機を示す側面断面図である。説明の便宜上、前述の図５に示す第４実施形態及び従来例と同様の部分には同一の符号を付している。本実施形態は第４実施形態に対して鏡板２２の形状が異なっている。その他の部分は第４実施形態と同一である。
【００３８】
本実施形態の鏡板２２は前述の図９に示す従来例の鏡板２２と同様に構成されている。このため、圧力容器２０の内容積の変化を防止することができないが、第４実施形態と同様に、固定部３４により従来例の支持部材３６よりも構成を簡素化して部品コストを削減することができる。更に、動吸振器３５が延設部２１ａ及び固定部３４によって囲繞されるためスターリング冷凍機１の騒音を低減することができる。尚、図７の第６実施形態に示すように、ケーシング３の端部に固定板３４をネジ３３により取り付けても良い。
【００３９】
次に図８は第７実施形態のスターリング冷凍機を示す側面断面図である。説明の便宜上、前述の図５に示す第４実施形態及び従来例と同様の部分には同一の符号を付している。第４実施形態では胴部２１を延長した延設部２１ａ（図５参照）に動吸振器５と一体の固定板３４を取り付けているが、本実施形態では鏡板２２を軸方向に延長した延設部２２ｄに固定板３４が取り付けられている。その他の部分は第４実施形態と同一である。
【００４０】
本実施形態の鏡板２２は前述の図９に示す従来例の鏡板２２と同様の形状に形成され、円筒部２２ａを延長した延設部２２ｄが設けられている。そして、延設部２２ｄに動吸振器５と一体の固定板３４が取り付けられている。従って、第５実施形態と同様に、圧力容器２０の内容積の変化を防止することはできないが、固定部３４により従来よりも構成を簡素化して部品コストを削減することができる。
【００４１】
更に、動吸振器３５が延設部２２ｄ及び固定部３４により覆われるためスターリング冷凍機１の騒音を低減することができる。加えて、鏡板２２と動吸振器５とがユニット化して構成されるため、スターリング冷凍機１をより簡単に組み立てることができる。
【００４２】
尚、第１〜第７実施形態において、フリーピストン型のスターリング冷凍機について説明しているが、リニアモータ等によって往復運動する往復駆動部が密閉した圧力容器内に配された機関であれば同様の効果を得ることができる。例えば、２ピストン型のスターリング冷凍機、ヴェルミエサイクルを運転して冷却を行う冷凍機、リニアモータ駆動型の圧縮機であってもよい。
【００４３】
【発明の効果】
本発明によると、圧力容器を胴部と鏡板とに分離しているので複数回の絞り加工を行う必要がなく製造コストを削減することができるとともに、鏡板が胴部に嵌合される円筒部と、開口部を塞ぐとともに円筒面の端面から離れる側に凸形成される球面部とを有するので、内圧による圧力容器の内容積の変化が小さく、往復駆動部の背圧が安定して性能劣化を防止することができる。また、高い組立精度を必要とせず、製造コストの増大を防止することができる。
【００４４】
また本発明によると、圧力容器の胴部または鏡板に、胴部と鏡板の接合部から軸方向に延長した延設部を設けて動吸振器を取り付けるので、支持部材を簡素化して製造コストを削減することができる。また、延設部により動吸振器を囲繞することによって動吸振器の騒音を防止することができる。
【００４５】
また本発明によると、圧力容器内に動吸振器を配置するので、支持部材を省いて製造コストを削減するとともに、圧力容器により動吸振器を覆って騒音を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】は、本発明の第１実施形態のスターリング冷凍機を示す側面断面図である。
【図２】は、本発明の第１実施形態のスターリング冷凍機の圧力容器に加わる圧力を示す図である。
【図３】は、本発明の第２実施形態のスターリング冷凍機を示す側面断面図である。
【図４】は、本発明の第３実施形態のスターリング冷凍機を示す側面断面図である。
【図５】は、本発明の第４実施形態のスターリング冷凍機を示す側面断面図である。
【図６】は、本発明の第５実施形態のスターリング冷凍機を示す側面断面図である。
【図７】は、本発明の第６実施形態のスターリング冷凍機を示す側面断面図である。
【図８】は、本発明の第７実施形態のスターリング冷凍機を示す側面断面図である。
【図９】は、従来のスターリング冷凍機の圧力容器を示す側面断面図である。
【図１０】は、従来のスターリング冷凍機を示す側面断面図である。
【符号の説明】
１ スターリング冷凍機
２、３ ケーシング
４ ロッド
７ シリンダ
８ ディスプレーサ
９ 圧縮空間
１０ 再生器
１１ 冷媒流通路
１２ 吸熱フィン
１３ 放熱フィン
１４ 膨張空間
１５ ピストン
１６ 駆動用コイル
２０ 圧力容器
２１ 胴部
２１ａ、２２ｄ 延設部
２２ 鏡板
２２ａ 円筒部
２２ｂ 球面部
２５ スリーブ
２６ 永久磁石
３４ 固定部材
３５ 動吸振器
３６ 支持部材
３９ 負荷オモリ
【発明の属する技術分野】
本発明は、内部空間が密閉される圧力容器に関する。また本発明は、圧力容器内にリニアモータ等の往復駆動部を有する冷凍機や圧縮機等の機関に関する。
【０００２】
冷凍機は一般に冷媒の凝縮及び蒸発を利用した蒸気圧縮式の冷凍サイクルが採用されている。しかし、蒸気圧縮式の冷凍サイクルの冷媒として用いられるフロンは、オゾン層破壊による環境への悪影響が指摘され、近年使用及び生産が規制されてきている。
【０００３】
このため、フロンを用いた冷凍サイクルに替えて、逆スターリング冷凍サイクルによるスターリング機関を用いたスターリング冷凍機が提案されている。逆スターリング冷凍サイクルは作動媒体としてヘリウムガス、水素ガス、窒素ガス等を使用するため、環境への悪影響を防止することができる。
【０００４】
スターリング冷凍機は、圧力容器内に配されたシリンダ内に圧縮空間を介してピストンとディスプレーサとが軸方向に並設され、圧縮空間と連通する膨張空間がディスプレーサの先端に設けられている。ピストンとディスプレーサとが所定の位相差で往復運動することにより、作動媒体が圧縮空間で圧縮されるととともに膨張空間で膨張して膨張空間側を低温にできるようになっている。
【０００５】
圧力容器内には高圧のガスが封入されるため、圧力容器は耐圧性が要求される。このため、例えば特開２００１−５７７６７に開示されるように、絞り加工により断面Ｕ字型の２つのケーシングを溶接して圧力容器が形成される。しかし、圧力容器に内装されるシリンダは所定ストロークで移動するピストンとディスプレーサとを内嵌するため軸方向の長さが長くなる。このため、シリンダを内装するケーシングは複数回の絞り加工を繰り返して形成されるため、製造コストが高くなる問題があった。
【０００６】
この問題を解決するために、図９に示すように、筒状の胴部２１に、胴部２１の開口部を覆う鏡板２２を溶接してケーシング３を形成した圧力容器２０が ”Ａ Ｓｕｍｍａｒｙ ｏｆ Ｔｗｅｎｔｙ Ｙｅａｒｓ Ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅ ｗｉｔｈ Ｌｉｎｅａｒ Ｍｏｔｏｒｓ ａｎｄ Ａｌｔｅｒｎａｔｏｒｓ”， Ｒｏｂｅｒｔ Ｒｅｄｌｉｃｈ， Ｓｕｎｐｏｗｅｒ Ｉｎｃ．， １９９６ に開示されている。
【０００７】
鏡板２２は胴部２１に内嵌される円筒部２２ａと所定の曲率半径を有する球面部２２ｂとを有し、円筒部２２ａを胴部２１に溶接して圧力容器２０の密閉状態が確保されている。これにより、圧力容器２０のコストを削減できるようになっている。
【０００８】
また、シリンダに内嵌されるピストン及びディスプレーサが往復運動をするため、圧力容器にはピストン及びディスプレーサの移動方向と反対方向に背圧が加わる。その結果、圧力容器は所定周期で振動するため、特開２０００−８８３８３号公報に開示されるように、圧力容器に動吸振器が取り付けられる。
【０００９】
図１０は動吸振器を設けたスターリング冷凍機の一例を示す図である。スターリング冷凍機１を覆う圧力容器２０の周面には複数の支持部材３６が溶接されている。支持部材３６には取付ネジ３７により動吸振器３５が固定されている。動吸振器３５は板バネ３８に所定の質量を有する負荷オモリ３９を取り付けて構成されている。従って、負荷オモリ３９の慣性力によって圧力容器２０の振動を吸収して振動の少ないスターリング冷凍機１を得ることができるようになっている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図９に示した圧力容器２０によると、円筒部２２ａの端面が外側に面して形成されており、球面部２２ｂが外側に凸に形成されている。このため、球面部２２ｂと円筒部２２ａとの間には曲率半径の中心が圧力容器２０の外側に配された境界部２２ｃが形成される。圧力容器２０には矢印Ｒで示すように外側に向けた圧力が加わるため、境界部２２ｃには矢印Ａに示すように鏡板２２を円筒部２２ａから引き離す方向に圧力が加わる。
【００１１】
これにより、鏡板２２の軸上部Ｃは軸方向の押圧力（Ｒ）と、境界部２２ｃに加わる押圧力（Ａ）とによって変形量が大きくなる。従って、圧力容器２０内の容積変化によるピストンの背圧変化が大きくなり、ピストンによる圧縮力が変動して所望の性能を得ることができない問題があった。また、スターリング冷凍機に限らず、内部を密閉する圧力容器を有する機関において内容積の変化が大きくなることによって性能が劣化する問題や、高い組立精度を必要として製造コストが増大する問題が発生する。
【００１２】
一方、図１０に示すスターリング冷凍機において、動吸振器３５を取り付ける支持部材３６を必要とするため部品点数が増加してコストがかかる問題があった。また、動吸振器３５が外方に開放して配されており、動吸振器３５による騒音が大きくなる問題もあった。また、スターリング冷凍機１に限らず、密閉された圧力容器に往復運動する往復駆動部が内装される機器に動吸振器を設けた場合に同様の問題が発生する。
【００１３】
本発明は、性能劣化及び製造コストを低減することのできる圧力容器及び機関を提供することを目的とする。また本発明は、騒音及び製造コストを低減することのできる動吸振器を有した機関を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は、一端に開口部を有する筒状の胴部と、開口部を塞いで胴部に固着される鏡板とを備え、胴部の内側を密閉した圧力容器及びそれを用いた機関において、鏡板は、胴部に嵌合される円筒部と、開口部を塞ぐとともに円筒部の端面から離れる側に凸形成される球面部とを有することを特徴としている。
【００１５】
この構成によると、圧力容器の内圧によって鏡板の軸上部には例えば外側に向けて変形させる力が加わり、胴部に加わる圧力によって鏡板の軸上部には内側に変形させる力が加わる。従って、これらの力が相殺されて鏡板の軸上部の変形量が小さく、圧力容器の内容積の変動が低減される。機関にはスターリング冷凍機やリニアモータ駆動型の圧縮機が含まれる。
【００１６】
また本発明は、一端に開口部を有する筒状の胴部と、開口部を塞いで胴部に固着される鏡板とを有して内部を密閉される圧力容器内に、往復運動する往復駆動部を配置した機関において、胴部に鏡板との接合部から軸方向に延長した延設部を形成し、延設部に往復駆動部による振動を吸収する動吸振器を取り付けたことを特徴としている。この構成によると、胴部に設けた延設部によって支持部材を簡素化して動吸振器が圧力容器に取り付けられる。これにより、動吸振器は胴部によって囲繞状態に配設される。
【００１７】
また本発明は、一端に開口部を有する筒状の胴部と、前記開口部を塞ぐとともに前記胴部に固着される鏡板とを有して内部を密閉される圧力容器内に、往復運動する往復駆動部を配置した機関において、前記鏡板に前記往復駆動部による振動を吸収する動吸振器を取り付けたことを特徴としている。この構成によると、鏡板によって別途支持部材を必要とせず動吸振部が圧力容器に取り付けられ、動吸振器が胴部によって囲繞状態に配設される。
【００１８】
また本発明は、上記構成の機関において、鏡板は胴部に嵌合する円筒部を有し、円筒部を軸方向外側に延長した延設部に動吸振器を取り付けたことを特徴としている。この構成によると、円筒部に設けた延設部によって支持部材を簡素化して動吸振器が圧力容器に取り付けられる。これにより、動吸振器は鏡板の延設部によって囲繞状態に配設される。また、鏡板と動吸振器とを一体化してユニット化することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施形態を図面を参照して説明する。図１は第１実施形態のスターリング冷凍機を示す断面図である。説明の便宜上、従来例の図９、図１０と同一の部分については同一の符号を付している。ここで一例として示したスターリング冷凍機１は、断面Ｕ字型のステンレス製のケーシング２、３から成る圧力容器２０に覆われている。
【００２０】
ケーシング２には鍔部２ａが突設され、鍔部２ａにケーシング３を溶接して内部が密閉されている。また、ケーシング３は円筒形の胴部２１の先端に鏡板２２を溶接して形成されている。鏡板２２は胴部２１に内嵌する円筒部２２ａと球面から成る球面部２２ｂとを有しており、円筒部２２ａの端面が圧力容器２０の内側になり、球面部２２ｂが外側に凸になるように形成されている。
【００２１】
圧力容器２０内には軸方向に分割された略円筒形状のシリンダ７が配され、シリンダ７には円柱形のピストン１５及びディスプレーサ８が内嵌されている。ピストン１５とディスプレーサ８とは圧縮空間９を介して同軸に配置されている。シリンダ７の先端とディスプレーサ８との間には膨張空間１４が設けられている。
【００２２】
圧縮空間９と膨張空間１４とはヘリウム等の作動媒体が流通する媒体流通路１１により連通している。媒体流通路１１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１０が配されている。再生器１０の両端には吸熱フィン１２及び放熱フィン１３が設けられている。
【００２３】
ピストン１５は後端でピストン支持バネ３０と一体化され、ディスプレーサ８はピストン１５の中心孔１５ａを貫通するロッド４を介してディスプレーサ支持バネ３１と一体化されている。ピストン支持バネ３０とディスプレーサ支持バネ３１とはボルト３２により連結されている。後述するように、ピストン１５が往復運動するとディスプレーサ８はその慣性力によってピストン１５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。
【００２４】
ケーシング３内のシリンダ７には内側ヨーク１８が外嵌されている。内側ヨーク１８には隙間１９を介して外側ヨーク１７が対峙している。外側ヨーク１７には駆動用コイル１６が内装され、隙間１９には環状の永久磁石２６が移動可能に配されている。永久磁石２６はカップ状のスリーブ２５を介してビストン１５と一体化されている。これにより、駆動用コイル１６に電圧を印加することによってピストン１５を軸方向に移動させるリニアモータ２４が構成されている。
【００２５】
上記構成のスターリング冷凍機１は、リニアモータ２４によってピストン１５が往復運動すると、ディスプレーサ８の慣性力によってピストン１５に対して所定の位相差でディスプレーサ８が往復運動する。これにより、圧縮空間９と膨張空間１４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。即ち、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９で発生した熱は放熱フィン１３を介して大気中へ放出され、更に作動媒体は再生器１０に熱を蓄積して膨張空間１４へ移動する。
【００２６】
再生器１０により冷却された作動媒体は低温側となる膨張空間１４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１１を通じて圧縮空間９へ移動する際に再生器１０に蓄えられた熱を奪って再生器１０を冷却する。この動作を繰り返して冷凍サイクルが行われるようになっている。
【００２７】
図２はケーシング３に加わる圧力を示している。胴部２１及び円筒部２２ａには矢印Ｒに示すように、径方向の外側に広げる方向に圧力が加わる。球面部２２ｂには径方向成分に加え、軸方向にも圧力が加わる。鏡板２２の軸上部Ｃは円筒部２２ａが径方向に広がることによって圧縮容器２０の内部側に力を受ける。このため、軸上部Ｃは内部圧力により軸方向の外側に働く力と、円筒部２２ａが受ける圧力による内側に働く力とが相殺され、結果として鏡板２２の軸上部Ｃの変形を防止することができる。
【００２８】
従って、胴部２１と鏡板２２とに分離しているので複数回の絞り加工を行う必要がなくスターリング冷凍機１の製造コストを削減することができるとともに、圧力容器２０の内容積の変化が小さく、シリンダ１５の背圧が安定して性能劣化を防止することができる。尚、鏡板２２の円筒部２２ａを胴部２１に外嵌しても良い。
【００２９】
次に図３は第２実施形態のスターリング冷凍機を示す側面断面図である。説明の便宜上、前述の図１に示す第１実施形態と同様の部分には同一の符号を付している。本実施形態は第１実施形態に対してケーシング３の形状が異なり、第１実施形態と同一形状の鏡板２２が圧縮容器２０の内側が凸になるように配置されている。その他の部分は第１実施形態と同一である。
【００３０】
本実施形態によると、胴部２１には径方向外側に向けて圧力が加わるため胴部２１に溶接される円筒部２２ａには矢印Ｂに示すように径方向の内側に向けて曲げ応力が加わる。これにより、鏡板２２の軸上部Ｃは圧力容器の内側に変形しようとする。このため、鏡板２２の軸上部Ｃは内部圧力により軸方向の外側に働く力と、円筒部２２ａが受ける曲げ応力による軸方向内側に働く力とが相殺され、結果として鏡板２２の軸上部Ｃの変形を防止することができる。従って、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００３１】
次に図４は第３実施形態のスターリング冷凍機を示す側面断面図である。説明の便宜上、前述の図１、図１０に示す第１実施形態及び従来例と同様の部分には同一の符号を付している。本実施形態は第１実施形態のスターリング冷凍機に加え、圧力容器２０内に動吸振器３５を配置している。その他の部分は第１実施形態と同一である。
【００３２】
動吸振器３５は取付ネジ３７により鏡板２２に固定されている。動吸振器３５は板バネ３８に所定の質量を有する負荷オモリ３９を取り付けて構成されている。従って、負荷オモリ３９の慣性力によってピストン１５の往復運動による圧力容器２０の振動を吸収して振動の少ないスターリング冷凍機１を得ることができるようになっている。
【００３３】
本実施形態によると、第１実施形態と同様の効果を得ることができるとともに、前述の図１０の従来例に示す支持部材３６を必要とせず、部品点数を削減することができる。更に、動吸振器３５が圧力容器２０の胴部２１によって囲繞されるためスターリング冷凍機１の騒音を低減することができる。
【００３４】
次に図５は第４実施形態のスターリング冷凍機を示す側面断面図である。説明の便宜上、前述の図１、図１０に示す第１実施形態及び従来例と同様の部分には同一の符号を付している。本実施形態は第１実施形態のスターリング冷凍機に加え、圧力容器２０の外側に動吸振器３５を配置している。その他の部分は第１実施形態と同一である。
【００３５】
ケーシング３の胴部２１には鏡板２２との接合部分から軸方向に延長した延設部２１ａが形成されている。延設部２１ａの端部には環状の固定部３４が溶接されており、動吸振器３５は取付ネジ３７により固定部３４に固定されている。動吸振器３５は上記と同様に、板バネ３８に所定の質量を有する負荷オモリ３９を取り付けて構成されている。これにより、圧力容器２０の振動を吸収して振動の少ないスターリング冷凍機１を得ることができる。
【００３６】
本実施形態によると、第１実施形態と同様の効果を得ることができるとともに、前述の図１０の従来例に示す支持部材３６に替えて固定部３４を必要とするが、構成を簡素化して部品コストを削減することができる。更に、動吸振器３５が延設部２１ａ及び固定部３４により囲繞されるためスターリング冷凍機１の騒音を低減することができる。
【００３７】
次に図６は第５実施形態のスターリング冷凍機を示す側面断面図である。説明の便宜上、前述の図５に示す第４実施形態及び従来例と同様の部分には同一の符号を付している。本実施形態は第４実施形態に対して鏡板２２の形状が異なっている。その他の部分は第４実施形態と同一である。
【００３８】
本実施形態の鏡板２２は前述の図９に示す従来例の鏡板２２と同様に構成されている。このため、圧力容器２０の内容積の変化を防止することができないが、第４実施形態と同様に、固定部３４により従来例の支持部材３６よりも構成を簡素化して部品コストを削減することができる。更に、動吸振器３５が延設部２１ａ及び固定部３４によって囲繞されるためスターリング冷凍機１の騒音を低減することができる。尚、図７の第６実施形態に示すように、ケーシング３の端部に固定板３４をネジ３３により取り付けても良い。
【００３９】
次に図８は第７実施形態のスターリング冷凍機を示す側面断面図である。説明の便宜上、前述の図５に示す第４実施形態及び従来例と同様の部分には同一の符号を付している。第４実施形態では胴部２１を延長した延設部２１ａ（図５参照）に動吸振器５と一体の固定板３４を取り付けているが、本実施形態では鏡板２２を軸方向に延長した延設部２２ｄに固定板３４が取り付けられている。その他の部分は第４実施形態と同一である。
【００４０】
本実施形態の鏡板２２は前述の図９に示す従来例の鏡板２２と同様の形状に形成され、円筒部２２ａを延長した延設部２２ｄが設けられている。そして、延設部２２ｄに動吸振器５と一体の固定板３４が取り付けられている。従って、第５実施形態と同様に、圧力容器２０の内容積の変化を防止することはできないが、固定部３４により従来よりも構成を簡素化して部品コストを削減することができる。
【００４１】
更に、動吸振器３５が延設部２２ｄ及び固定部３４により覆われるためスターリング冷凍機１の騒音を低減することができる。加えて、鏡板２２と動吸振器５とがユニット化して構成されるため、スターリング冷凍機１をより簡単に組み立てることができる。
【００４２】
尚、第１〜第７実施形態において、フリーピストン型のスターリング冷凍機について説明しているが、リニアモータ等によって往復運動する往復駆動部が密閉した圧力容器内に配された機関であれば同様の効果を得ることができる。例えば、２ピストン型のスターリング冷凍機、ヴェルミエサイクルを運転して冷却を行う冷凍機、リニアモータ駆動型の圧縮機であってもよい。
【００４３】
【発明の効果】
本発明によると、圧力容器を胴部と鏡板とに分離しているので複数回の絞り加工を行う必要がなく製造コストを削減することができるとともに、鏡板が胴部に嵌合される円筒部と、開口部を塞ぐとともに円筒面の端面から離れる側に凸形成される球面部とを有するので、内圧による圧力容器の内容積の変化が小さく、往復駆動部の背圧が安定して性能劣化を防止することができる。また、高い組立精度を必要とせず、製造コストの増大を防止することができる。
【００４４】
また本発明によると、圧力容器の胴部または鏡板に、胴部と鏡板の接合部から軸方向に延長した延設部を設けて動吸振器を取り付けるので、支持部材を簡素化して製造コストを削減することができる。また、延設部により動吸振器を囲繞することによって動吸振器の騒音を防止することができる。
【００４５】
また本発明によると、圧力容器内に動吸振器を配置するので、支持部材を省いて製造コストを削減するとともに、圧力容器により動吸振器を覆って騒音を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】は、本発明の第１実施形態のスターリング冷凍機を示す側面断面図である。
【図２】は、本発明の第１実施形態のスターリング冷凍機の圧力容器に加わる圧力を示す図である。
【図３】は、本発明の第２実施形態のスターリング冷凍機を示す側面断面図である。
【図４】は、本発明の第３実施形態のスターリング冷凍機を示す側面断面図である。
【図５】は、本発明の第４実施形態のスターリング冷凍機を示す側面断面図である。
【図６】は、本発明の第５実施形態のスターリング冷凍機を示す側面断面図である。
【図７】は、本発明の第６実施形態のスターリング冷凍機を示す側面断面図である。
【図８】は、本発明の第７実施形態のスターリング冷凍機を示す側面断面図である。
【図９】は、従来のスターリング冷凍機の圧力容器を示す側面断面図である。
【図１０】は、従来のスターリング冷凍機を示す側面断面図である。
【符号の説明】
１ スターリング冷凍機
２、３ ケーシング
４ ロッド
７ シリンダ
８ ディスプレーサ
９ 圧縮空間
１０ 再生器
１１ 冷媒流通路
１２ 吸熱フィン
１３ 放熱フィン
１４ 膨張空間
１５ ピストン
１６ 駆動用コイル
２０ 圧力容器
２１ 胴部
２１ａ、２２ｄ 延設部
２２ 鏡板
２２ａ 円筒部
２２ｂ 球面部
２５ スリーブ
２６ 永久磁石
３４ 固定部材
３５ 動吸振器
３６ 支持部材
３９ 負荷オモリ
Claims (8)
- 一端に開口部を有する筒状の胴部と、前記開口部を塞いで前記胴部に固着される鏡板とを備え、前記胴部の内側を密閉した圧力容器において、
前記鏡板は、前記胴部に嵌合される円筒部と、前記開口部を塞ぐとともに前記円筒部の端面から離れる側に凸形成される球面部とを有することを特徴とする圧力容器。 - 一端に開口部を有する筒状の胴部と、前記開口部を塞いで前記胴部に固着される鏡板とを有して内部を密閉される圧力容器内に、往復運動する往復駆動部を配置した機関において、
前記鏡板は、前記胴部に嵌合される円筒部と、前記開口部を塞ぐとともに前記円筒部の端面から離れる側に凸形成される球面部とを有することを特徴とする機関。 - 前記胴部に前記鏡板との接合部から軸方向に延長した延設部を形成し、前記延設部に前記往復駆動部による振動を吸収する動吸振器を取り付けたことを特徴とする請求項２に記載の機関。
- 一端に開口部を有する筒状の胴部と、前記開口部を塞いで前記胴部に固着される鏡板とを有して内部を密閉される圧力容器内に、往復運動する往復駆動部を配置した機関において、
前記胴部に前記鏡板との接合部から軸方向に延長した延設部を形成し、前記延設部に前記往復駆動部による振動を吸収する動吸振器を取り付けたことを特徴とする機関。 - 一端に開口部を有する筒状の胴部と、前記開口部を塞いで前記胴部に固着される鏡板とを有して内部を密閉される圧力容器内に、往復運動する往復駆動部を配置した機関において、
前記往復駆動部による振動を吸収する動吸振器を、前記胴部により囲繞状態に配設して成ることを特徴とする機関。 - 一端に開口部を有する筒状の胴部と、前記開口部を塞ぐとともに前記胴部に固着される鏡板とを有して内部を密閉される圧力容器内に、往復運動する往復駆動部を配置した機関において、
前記鏡板に前記往復駆動部による振動を吸収する動吸振器を取り付けたことを特徴とする機関。 - 前記鏡板は前記胴部に嵌合する円筒部を有し、該円筒部を軸方向外側に延長した延設部に前記動吸振器を取り付けたことを特徴とする請求項６に記載の機関。
- 一端に開口部を有する筒状の胴部と、前記開口部を塞いで前記胴部に固着される鏡板とを有して内部を密閉される圧力容器内に、往復運動する往復駆動部を配置した機関において、
前記鏡板を軸方向外側に延長した延設部を設け、前記往復駆動部による振動を吸収する動吸振器を前記延設部により囲繞状態に配設して成ることを特徴とする機関。
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