JP2003294332A - スターリング冷凍機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 長時間運転しても、背圧室１５４とガス流路
１７５との圧力調整が適切に行うことができるようにす
る。 【解決手段】 ガス流路１７５と背圧室１５４とを連通
して、これらの間を流動する作動ガスの流量が調整でき
る圧力調整器８６を設ける。これにより、長時間運転し
た際等においてガス流路１７５と背圧室１５４との差圧
が不適切な状態になった場合には、当該圧力調整器８６
を操作して差圧調整を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、長時間運転しても
冷凍効率の低下が抑制できるようにしたスターリング冷
凍機に関する。

【０００２】

【従来の技術】スターリング冷凍機は、小型化が可能、
成績係数や冷凍効率が高い、発生する温度範囲が広い、
近年の地球環境問題におけるフロン代替が容易等の多く
の優れた特徴を持っている。

【０００３】このため冷凍庫、冷蔵庫、投げ込み式クー
ラー等の業務用又は家庭用の冷熱利用機器を始めとし
て、低温液循環器、低温恒温器、恒温槽、ヒートショッ
ク試験装置、凍結乾燥機、温度特性試験装置、血液・細
胞保存装置、コールドクーラ、その他各種の冷熱装置等
のあらゆる産業分野における冷熱利用機器への適用が検
討されている。

【０００４】図３は、このようなスターリング冷凍機５
０１の概略構成を示す図で、モータ５１４を備えて回転
動力を発生する駆動装置５１１と、該駆動装置５１１に
より駆動されて冷熱を発生する冷熱発生部５３３とを備
えている。

【０００５】冷熱発生部５３３は、回転動力を往復動力
に変換する動力変換部５３４、この往復動力により膨張
シリンダ５９７内を往復運動して作動ガスを膨張させる
膨張ピストン５９３を備えた膨張部５９０、往復動力に
より圧縮シリンダ５６８内を往復運動して作動ガスを圧
縮する圧縮ピストン５６７を備えた圧縮部５６４、膨張
部５９０と圧縮部５６４との間を流動する作動ガスの熱
を蓄熱する蓄熱部６７４等を主要構成としている。

【０００６】動力変換部５３４は、内部がクランク空間
５３６をなすクランクハウジング５３５を有し、その中
にモータ軸５１７と連結されたクランク軸５３７、該ク
ランク軸５３７に装着されたクランク５３８、一端がク
ランク５３８に連結されたコネクティングロッド５４
１、該コネクティングロッド５４１の他端に連結された
クロスガイドヘッド５４４、該クロスガイドヘッド５４
４の運動方向を１方向に規制するクロスガイドライナ５
４７等が設けられている。

【０００７】また、膨張部５９０は、膨張ピストン５９
３を収納する膨張シリンダ５９７、該膨張シリンダ５９
７の頭部側に設けられた膨張空間５９２、膨張ピストン
５９３に駆動力を伝達する膨張ピストンロッド６００等
を有している。

【０００８】圧縮部５６４は、圧縮ピストン５６７を収
納する圧縮シリンダ５６８、該圧縮シリンダ５６８の頭
部側に設けられた圧縮空間５６６、圧縮ピストン５６７
に駆動力を伝達する圧縮ピストンロッド５６９を有して
いる。

【０００９】そして、圧縮空間５６６と膨張空間５９２
とはガス流路６７５により連結され、このガス流路６７
５に蓄冷材からなる蓄熱部６７４が設けられている。

【００１０】このような構成で、モータ５１４が駆動さ
れてクランク５３８が回動すると、その回動動力が往復
動力に変換されて圧縮ピストン５６７及び膨張ピストン
５９３に伝達され、これらが往復運動する。

【００１１】なお、膨張ピストン５９３は圧縮ピストン
５６７に対して位相が略９０度進んで運動する。

【００１２】また、モータ軸５１７やクランク５３８と
クランク軸５３７、コネクティングロッド５４１とクロ
スガイドヘッド５４４等の可動部分の摩耗を抑制するた
めにオイル７４８が用いられ、このオイル７４８はクラ
ンク空間５３６の底部に貯留されている。

【００１３】そして、クランク５３８が運動することに
より、当該オイル７４８は掻きあげられて可動部分に付
着して、この可動部分を潤滑するようになっている。

【００１４】ところが、このようなオイル７４８が、膨
張ピストン５９３や圧縮ピストン５６７に付着すると、
これらの往復運動に伴い徐々に圧縮空間５６６や膨張空
間５９２に侵入して作動ガスに混入したり、熱により炭
化して冷凍効率の低下をもたらす不都合がある。

【００１５】そこで、クロスガイドヘッド５４４と圧縮
ピストン５６７や膨張ピストン５９３との間に、オイル
シールベローズ６４９を設けている。

【００１６】このオイルシールベローズ６４９の上端部
は、膨張ピストンロッド６００や圧縮ピストンロッド５
６９と気密に取付けられ、下端部はクランクハウジング
５３５に気密に取付けられて、膨張ピストンロッド６０
０や圧縮ピストンロッド５６９の往復運動と共にオイル
シールベローズ６４９が伸縮するようになっている。

【００１７】従って、クランク空間５３６は、オイルシ
ールベローズ６４９により圧縮ピストン５６７や膨張ピ
ストン５９３側の部屋（この部屋を背圧室６５４とい
う）と、クランク５３８側の部屋（この部屋を改めてク
ランク空間５３６という）との２つの部屋に区画される
ようになる。

【００１８】このためクランク５３８で跳ね上げられた
オイル７４８は、背圧室６５４に侵入できなくなり、膨
張ピストン５９３や圧縮ピストン５６７に付着して圧縮
空間５６６や膨張空間５９２に侵入する不都合が防止で
きるようになっている。

【００１９】しかし、オイルシールベローズ６４９は圧
縮ピストンや膨張ピストンの往復運動に伴い伸縮運動す
るため、背圧室６５４の圧力変動が生じてしまう。

【００２０】この圧力変動は、モータ負荷の増大となり
冷凍効率を低下させてしまうので、ガス流路６７５と背
圧室６５４とを連通する連通孔６０９を設けて、背圧室
１５４とガス流路との圧力を均等な圧力にしている。

【００２１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、装置設
置時等の初期段階では、連通孔６０９により背圧室１５
４とガス流路との圧力調整が適切に行われていても、長
時間運転しているとかかる圧力調整が適正に行われなく
なる問題があった。

【００２２】そこで、本発明は、長時間運転しても、背
圧室とガス流路との圧力調整が適切に行われることがで
きるようにしたスターリング冷凍機を提供することを目
的とする。

【００２３】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、請求項１にかかる発明は、クランクハウジング内に
収納されてモータの回転動力を往復動力に変換するクラ
ンクと、圧縮シリンダ内を往復運動して圧縮空間の作動
ガスを圧縮する圧縮ピストンと、膨張シリンダ内を往復
運動して膨張空間の作動ガスを膨張させる膨張ピストン
と、圧縮空間と膨張空間とを連通して、作動ガスがこれ
らの間を行き来できるようにするガス流路と、クランク
ハウジング内をクランク側のクランク空間とピストン側
の背圧室とに区画するオイルシールベローズとを有した
スターリング冷凍機において、ガス流路と背圧室とを連
通して、これらの間を流動する作動ガスの流量を調整す
る圧力調整器が設けられて、長時間運転した際でも、背
圧室とガス流路との圧力調整を適切に行うことができる
ようにして信頼性を向上させたことを目的とする。

【００２４】請求項２にかかる発明は、圧力調整器がニ
ードルバルブであることを特徴とする。

【００２５】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図を参照し
て説明する。図１は本実施の形態の説明に適用されるス
ターリング冷凍機の側断面図を示し、当該スターリング
冷凍機は冷熱を発生する冷熱発生部、該冷熱発生部を駆
動する駆動装置を主要構成としている。

【００２６】駆動装置１１は、内部がモータ室１３をな
すモータハウジング１２を有し、このモータ室１３にス
テータ１５及びロータ１６からなる正逆回転可能なモー
タ１４が設置されて、回転動力がモータ軸１７を介して
出力される。

【００２７】冷熱発生部３３は、駆動装置１１で発生し
た回転動力を往復動力に変換する動力変換部３４、作動
ガスを圧縮する圧縮部６４、作動ガスを膨張させる膨張
部９０、圧縮空間６６と膨張空間９２とを連通させるガ
ス流路１７５に設けられて流動する作動ガスの熱を蓄熱
する蓄熱部１７４、圧縮部６４で圧縮されて温度上昇し
た作動ガスの熱を外部に放熱させる放熱部１９３、膨張
部９０で作動ガスが膨張することにより発生した冷熱を
冷熱利用機器に供給するコールドヘッド部２１９、クラ
ンク空間３６のオイル２４８が圧縮空間６６や膨張空間
９２に侵入しないようにするオイルシール部１４８、背
圧室１５４とクランク空間３６との差圧の発生を抑制す
る圧力調整部１２５等を有している。

【００２８】動力変換部３４は、内部がクランク空間３
６をなすクランクハウジング３５を有し、このクランク
ハウジング３５はモータハウジングトップ１９を介して
モータハウジング１２と接して設けられている。

【００２９】クランクハウジング３５の底部には、動力
変換部３４における摺動部分等を潤滑するオイル２４８
が貯留され、その貯留量はクランクハウジング３５の底
部側に形成されたガラス等の透明部材からなる覗窓５０
により確認できるようになっている。

【００３０】モータハウジングトップ１９の底部側に
は、オイル通路孔２０が形成されてモータ室１３とクラ
ンク空間３６とが連通している。

【００３１】これによりモータ室１３にもオイル２４８
が貯留されると共に、モータ室１３とクランク空間３６
との雰囲気が相互に行き来できるようになっている。

【００３２】モータハウジング１２及びクランクハウジ
ング３５は、それぞれ蓋で封止されており、これらモー
タハウジング１２、クランクハウジング３５、モータハ
ウジングトップ１９は鋳物により製造されている。

【００３３】従って、モータハウジング１２、クランク
ハウジング３５、モータハウジングトップ１９を一体物
として鋳造することが可能であり、この場合は製造コス
トを下がることができる利点がある。

【００３４】このような、スターリング冷凍機１では作
動ガスとして、ヘリウム、水素、窒素等を利用すること
が可能であり、この場合はクランク空間、モータ室、バ
ッファタンク等にも封入しておくことが好ましい。

【００３５】これは、長時間の運転により、僅かながら
もクランク空間、モータ室、バッファタンク内の雰囲気
が圧縮空間や膨張空間に侵入するためである。

【００３６】クランク空間３６には、モータ軸１７と連
結されたクランク軸３７、該クランク軸３７に装着され
た圧縮クランク３８ａ及び膨張クランク３８ｂからなる
クランク３８、一端がクランク３８に連結された圧縮コ
ネクティングロッド４１ａ及び膨張コネクティングロッ
ド４１ｂからなるコネクティングロッド４１、該コネク
ティングロッド４１の他端に連結された圧縮クロスガイ
ドヘッド４４ａ及び膨張クロスガイドヘッド４４ｂから
なるクロスガイドヘッド４４、該クロスガイドヘッド４
４の運動方向を１方向に規制するクロスガイドライナ４
７等が設けられている。

【００３７】なお、圧縮クランク３８ａと膨張クランク
３８ｂとは、クランク軸３７の軸心に対して偏心して設
けられ、かつ、モータ１４の正転時に膨張クランク３８
ｂが圧縮クランク３８ａより略９０度位相が先行して回
転するように設けられている。

【００３８】ここでモータ１４の正転時とは、冷熱を発
生するようなサイクル運転を行うときのモータ１４の回
転方向を言う。

【００３９】このとき、膨張クランク３８ｂと圧縮クラ
ンク３８ａとの位相差に伴い発生する回転アンバランス
を抑制するためにバランサ５１が設けられている。

【００４０】クロスガイドライナ４７は、クロスガイド
ヘッド４４が挿入される概略円筒状の穴で、クランクハ
ウジング３５の頂部を穴開加工等して形成されている。

【００４１】これによりクランク３８を介して駆動され
たクロスガイドヘッド４４はクロスガイドライナ４７に
案内されて往復運動するようになる。

【００４２】クランクハウジング３５の上には固定プレ
ート２４３が設けられ、この固定プレート２４３の上に
シリンダハウジング７４が設けられている。

【００４３】このシリンダハウジング７４は、上側シリ
ンダハウジング７４ａと下側シリンダハウジング７４ｂ
とに分割形成されて、下側シリンダハウジング７４ｂ
は、固定プレート２４３を介してクランクハウジング３
５にボルトで固定され、上側シリンダハウジング７４ａ
は下側シリンダハウジング７４ｂにボルトを用いて固定
される。

【００４４】圧縮部６４は、下側シリンダハウジング７
４ｂを穴開して形成された圧縮シリンダ６８、圧縮シリ
ンダ６８内を往復運動する圧縮ピストン６７、一端が圧
縮クロスガイドヘッド４４ａに揺動自在に取付けられる
と共に他端が圧縮ピストン６７に固着されて、これらを
連結する圧縮ピストンロッド６９、該圧縮ピストン６７
の頭部側と圧縮シリンダ６８とで形成された圧縮空間６
６を有している。

【００４５】圧縮ピストン６７の側筒面には、圧縮ピス
トンリング７０が装着されて、圧縮空間６６の気密性を
保っている。

【００４６】膨張部９０は、下側シリンダハウジング７
４ｂ及び上側シリンダハウジング７４ａを穴開して形成
された膨張シリンダ９７、内部が空洞で膨張シリンダ９
７内を往復運動する膨張ピストン９３、一端が膨張クロ
スガイドヘッド４４ｂに揺動自在に取付けられると共に
他端が膨張ピストン９３に固着されて、このらを連結す
る膨張ピストンロッド１００、該膨張ピストン９３の頭
部側と膨張シリンダ９７とで形成された膨張空間９２を
有して、膨張空間９２の外周部にコールドヘッド部２１
９が形成されている。

【００４７】この膨張シリンダ９７及び膨張ピストン９
３は、それぞれ上下に分割されて、上部膨張シリンダ９
７ａ、下部膨張シリンダ９７ｂ、上部膨張ピストン９３
ａ、下部膨張ピストン９３ｂをなしている。

【００４８】下部膨張シリンダ９７ｂを下側シリンダハ
ウジング７４ｂに装着する際には、下部膨張シリンダ９
７ｂを液体窒素等で冷却して冷やしばめ等の方法で圧入
して装着している。

【００４９】これにより、下部膨張シリンダ９７ｂが下
側シリンダハウジング７４ｂに完全に固定されるために
異常音が発生する等の不都合が防止できる。

【００５０】下部膨張ピストン９３ｂには、膨張ピスト
ンリング１０４が装着されて、膨張空間９２の気密性を
保っている。

【００５１】また、下部膨張ピストン９３ｂの上端部と
上部膨張ピストン９３ａの下端部とには螺合して一体化
した膨張ピストン９３が形成されるようになっている。

【００５２】この下側シリンダハウジング７４ｂの材料
として、ＦＣ材やＦＣＤ材等が用いられるが、作動ガス
のリーク防止、製造コストや部材コスト、圧縮ピストン
リング７０や膨張ピストンリング１０４の摺動摩耗特性
等の観点からＦＣ３００が好ましい。

【００５３】また、下部膨張シリンダ９７ｂの材料とし
て一般に鋼材が用いられるが、製造を容易にすると共に
膨張ピストンリング１０４の摺動摩耗特性を改善させる
観点から、ＳＵＳ材が好ましく、特にＳＵＳ３０３、Ｓ
ＵＳ３０４が好ましい。

【００５４】膨張シリンダ９７や圧縮シリンダ６８のシ
リンダ面の表面粗さは、従来は旋盤加工レベルのＲｚ
５．０ミクロン程度であるが、本発明ではこれをＲｚ
３．０ミクロン以下、好ましくはＲｚ１．０ミクロン以
下のレベルにしている。

【００５５】これにより、圧縮ピストンリング７０や膨
張ピストンリング１０４の摩耗進行度合いを著しく減少
させている。

【００５６】上側シリンダハウジング７４ａ及び下側シ
リンダハウジング７４ｂには、膨張空間９２と圧縮空間
６６とを連通させる細管のガス流路１７５が形成されて
いる。

【００５７】なお、下部膨張ピストン９３ｂの下端部を
取囲むように環状溝１０８が形成されて、当該環状溝１
０８にガス流路１７５が繋がり、圧縮空間６６へと連通
している。

【００５８】一方、この環状溝１０８は、ニードルバル
ブ等の圧力調整器８６を介して背圧室１５４と連通し、
当該圧力調整器８６を調整することにより環状溝１０８
と背圧室１５４との間の圧力を調整するようになってい
る。

【００５９】このように圧力調整器８６により環状溝１
０８（即ち、ガス流路１７５）と背圧室１５４との間の
圧力を調整するようにしたのは、スターリング冷凍機１
を長時間運転していると、従来のような連通孔６０９で
は環状溝１０８と背圧室１５４との間の圧力調整が困難
になったりし、且つ、かかる状態が不定期に生じたりす
ることがあるためである。

【００６０】このような現象が生じる原因として、以下
のような原因が考えられる。即ち、圧縮ピストン６７や
膨張ピストン９３には、圧縮ピストンリング７０や膨張
ピストンリング１０４が装着されて、これらが圧縮シリ
ンダ６８や膨張シリンダ９７と当接して摺動することに
より圧縮空間６６や膨張空間９２と背圧室１５４との気
密性を保っている。

【００６１】なお、これらの構成は圧縮ピストン６７と
膨張ピストン９３とで同じであるので、以下の説明では
圧縮ピストン６７を例に説明する。

【００６２】また、圧力調整器８６はガス流路１７５と
背圧室１５４との差圧を調整するが、ガス流路１７５は
圧縮空間６６や膨張空間９２とも連通しているので、以
下の説明においては圧縮空間６６と背圧室１５４との差
圧を調整するとして圧力調整器８６の作用効果を説明す
る。

【００６３】図２は圧縮ピストン６７の動きに対する圧
縮ピストンリング７０と圧縮シリンダ６８との関係を示
した図で、図２（ａ）は圧縮ピストン６７が圧縮空間６
６側に動いている場合、図２（ｂ）は圧縮ピストン６７
が背圧側に動いている場合、図２（ｃ）及び図２（ｄ）
は、異物Ｐが圧縮ピストンリング７０と圧縮ピストン６
７との間に入り込んだ場合を示している。

【００６４】図２において、実線矢印は圧縮ピストン６
７の運動方向、点線矢印は圧縮空間６６又は背圧室１５
４からの雰囲気の流れ、２重線矢印は圧縮ピストンリン
グ７０を圧縮シリンダ６８に押付けようとするシリンダ
当接力Ｆ１、一点鎖線は圧縮ピストンリング７０を圧縮
ピストン６７に押付けようとするピストン当接力Ｆ２を
示している。

【００６５】圧縮ピストンリング７０は、ピストンリン
グ溝７７に装着されるが、その際当該圧縮ピストンリン
グ７０は、圧縮シリンダ６８と積極的に当接しようとす
る力が働いていない。

【００６６】しかし、圧縮ピストン６７が圧縮空間６６
側に動いた場合（図２（ａ））や圧縮ピストン６７が背
圧側に動いた場合には、圧縮空間６６で圧縮された作動
ガスや背圧室１５４で圧縮された雰囲気（作動ガス）
が、圧縮ピストンリング７０とピストンリング溝７７と
の間に侵入して、当該圧縮ピストンリング７０を圧縮ピ
ストン６７側に押付けると共に、圧縮シリンダ６８側に
押付ける。

【００６７】これにより、圧縮ピストンリング７０と圧
縮ピストン６７及び圧縮ピストンリング７０と圧縮シリ
ンダ６８とは気密に密着して圧縮空間６６と背圧室１５
４とが気密に区画される。

【００６８】従って、このような場合にはガス流路１７
５と背圧室１５４との圧力関係は常に一定の関係を保つ
ことが可能になり、従来のような連通孔６０９を設ける
ことで目的を達成することができる。

【００６９】しかし、このような構成で長時間運転する
と、圧縮ピストンリング７０が摩耗して、その摩耗粉が
図２（ｃ）や図２（ｄ）に示すように圧縮ピストンリン
グ７０と圧縮ピストン６７との間に入り込むと、シリン
ダ当接力Ｆ１が作用しなくなったり、最悪の場合にはシ
リンダ当接力Ｆ１とピストン当接力Ｆ２との両方が作用
しなくなったりする事態が生じる。

【００７０】この結果、圧縮空間６６と背圧室１５４と
の圧力バランスが変化して、異物Ｐが存在しないとして
設定された連通孔６０９では調整不能になってしまう。

【００７１】特に、この調整不能量は異物Ｐの大きさや
量、侵入場所等に依存して変化し、また当該異物Ｐが動
くことにより調整不能になったり改善したりする。

【００７２】従って、従来のような連通孔６０９では、
適正に圧力調整できなくなる場合が生じる。

【００７３】そこで、本発明では、上述したようにガス
流路１７５と背圧室１５４とを連通して、底を流れる作
動ガス流量が調整できるようにしたニードルバルブ等の
圧力調整器８６を設けている。

【００７４】これにより、常に背圧室１５４と圧縮空間
６６（ガス流路１７５）との間の差圧が常に最適な状態
となるように調整できるので、長時間運転しても冷凍効
率が低下したりするのを防止することが可能になる。

【００７５】また、上側シリンダハウジング７４ａの下
端部には、ガス流路１７５と連通するように、円筒状の
蓄熱材収納溝１０５が長手方向に形成されて、後述する
蓄熱材１７６が挿入されるようになっている。

【００７６】蓄熱部１７４は、真鍮やステンレス鋼を材
料とするメッシュ状の金属シートのからなる円筒状の蓄
熱材１７６を有し、この蓄熱材１７６が多数積層されて
蓄熱材収納溝１０５に装着される。

【００７７】そして、膨張空間９２で膨張して温度の下
がった作動ガスが、圧縮空間６６に向って流動する際に
は、当該作動ガスの冷熱を貯えて、当該冷熱が圧縮空間
６６から膨張空間９２に流動する作動ガスの冷却に用い
られる。

【００７８】また、圧縮空間６６で圧縮されて温度上昇
した作動ガスが、圧縮空間６６から膨張空間９２に向っ
て流動する際には、当該作動ガスの温熱を貯えて、当該
温熱が膨張空間９２から圧縮空間６６に流動する作動ガ
スの加熱に用いられる。

【００７９】放熱部１９３は、圧縮部６４で圧縮されて
温度上昇した作動ガスの熱を外部に速やかに放出させる
ことを主目的として設けられたもので、圧縮空間６６や
膨張シリンダ９７を取巻き循環するように形成された冷
却水路１９４が下側シリンダハウジング７４ｂに形成さ
れる共に、膨張シリンダ９７の下端部にフィンを有する
放熱器１９５が設けられている。

【００８０】本発明にかかるスターリング冷凍機１で
は、クランク３８が回転した際に、クランク空間３６の
底部に貯留しているオイル２４８を掻上げて、クランク
３８とコネクティングロッド４１との摺動部分やクロス
ガイドヘッド４４とクロスガイドライナ４７との摺動部
分等に付着させて、これらの摺動部分を潤滑している。

【００８１】このときクロスガイドヘッド４４の往復運
動により、オイル２４８が圧縮ピストン６７や膨張ピス
トン９３に付着し、これが圧縮ピストン６７や膨張ピス
トン９３の往復運動により圧縮空間６６や膨張空間９２
に送込まれて冷凍効率の低下をもたらす。

【００８２】そこで、オイル２４８が圧縮ピストン６７
や膨張ピストン９３に付着しないようにするために、オ
イルシールベローズを主要構成とするオイルシール部１
４８を設けている。

【００８３】このようなオイルシール部１４８は、固定
プレート２４３と膨張ピストン９３及び圧縮ピストン６
７との間に設けられたオイルシールベローズ１４９、該
オイルシールベローズ１４９の上端が溶着されたワッシ
ャ状の上部取付環１５０、該オイルシールベローズ１４
９の下端が溶着されたワッシャ状の下部取付環１５１を
有している。

【００８４】このオイルシールベローズ１４９は、金属
材料をプレス加工により一体成形した金属成形ベローズ
や溶接により組み立てた金属溶接ベローズが使用され
る。

【００８５】この上部取付環１５０は、圧縮ピストンロ
ッド６９や膨張ピストンロッド１００に密着して取付け
られ、下部取付環１５１は固定プレート２４３を介して
下側シリンダハウジング７４ｂに密着して取付けられ
る。

【００８６】これにより背圧室１５４が気密状態とな
り、クランク空間３６からオイル２４８が圧縮空間６６
や膨張空間９２に侵入する不都合が完全に防止できるよ
うになる。

【００８７】背圧室１５４は、圧縮ピストン６７の背圧
側と膨張ピストン９３との背圧側にそれぞれ形成される
が、これらが互いに連通するように背圧室連通孔１５５
が形成されている。

【００８８】ところで、背圧室１５４の空間容積に比べ
クランク空間３６側の空間容積は十分に大きい。

【００８９】なお、クランク空間３６側の空間容積は、
クランク空間３６とモータ室１３とが連通しているの
で、これらの和である。

【００９０】このような容積関係の下で背圧室１５４が
気密状態にあると、膨張ピストン９３や圧縮ピストン６
７の往復運動作により当該背圧室１５４には大きな圧力
変動が発生すると共に、クランク空間３６との間で大き
な差圧が発生する。

【００９１】そして、背圧室１５４の圧力がクランク空
間３６の圧力より高くなるとオイルシールベローズ１４
９は糸巻ボビン状に絞られ、逆に背圧室１５４の圧力が
クランク空間３６の圧力より低くなると、オイルシール
ベローズ１４９はビヤダル状に膨らむようになる。

【００９２】このような変形が、繰返しオイルシールベ
ローズ１４９に生じて破損しやすくなる。

【００９３】また、背圧室１５４の圧力変動は、膨張ピ
ストン９３や圧縮ピストン６７の往復運動のブレーキと
して作用するので、その分モータ１４の負荷が増えてし
まい冷凍効率が低下する。

【００９４】そこで、背圧室連通孔１５５を設けて圧縮
ピストン６７の背圧側と膨張ピストン９３の背圧側とに
それぞれ形成される背圧室１５４を連通している。

【００９５】圧縮ピストン６７と膨張ピストン９３と
は、所定の位相差を保って往復運動するため、これらの
背圧側圧力も所定の位相差を保って変動する。

【００９６】従って、背圧室連通孔１５５により圧縮ピ
ストン６７の背圧側と膨張ピストン９３の背圧側とを連
通させることにより、相互で圧力変動が吸収し合うよう
になる。

【００９７】しかし、このような構成にしても、圧縮ピ
ストン６７の背圧側と膨張ピストン９３の背圧側との空
間容積の相違や、当該背圧室１５４を満たす雰囲気の流
動抵抗等により完全に圧力変動を吸収することができな
い。

【００９８】このためバッファタンク１２６を備えた圧
力調整部１２５を設けている。

【００９９】この圧力調整部１２５のバッファタンク１
２６は、タンク内の空間を２つの空間に気密に仕切る圧
力調整ベローズ１２７を備えて、一方の空間が背圧側連
通管１２８により背圧室１５４と連通し、他方の空間が
クランク側連通管１３０によりクランク空間３６やモー
タ室１３と連通している。

【０１００】この背圧室１５４に連通する空間を背圧側
バッファ室１２９と記載し、クランク空間３６と連通す
る空間をクランク側バッファ室１３１と記載する。

【０１０１】そして、少なくとも背圧側バッファ室１２
９の空間容積は、背圧室１５４の空間容積より十分に大
きくなっている。

【０１０２】圧力調整ベローズ１２７は、オイルシール
ベローズ１４９と同様に金属成形ベローズ、金属溶接ベ
ローズを用いることも可能であるが、当該オイルシール
ベローズ１４９におけるほど伸縮量が大きくないこと等
の理由から樹脂やゴム製のベローズを使用することも可
能である。

【０１０３】これにより、背圧室１５４の圧力変動が背
圧側バッファ室１２９の圧力変動により自動的に緩和さ
れると共に、圧力調整ベローズ１２７の伸縮により吸収
され、背圧室１５４とクランク空間３６との間で大きな
差圧が発生しないようになり、オイルシールベローズ１
４９の劣化や破壊の防止、スターリング冷凍機１の運転
性能及び耐久性の向上が図られる。

【０１０４】なお、モータ室１３はクランク空間３６と
連通しているので、クランク側バッファ室１３１をモー
タ室１３と連通させても同様の効果を得ることができ
る。

【０１０５】コールドヘッド部２１９は、冷却フィン２
２０と、この冷却フィン２２０の先端部分を包むように
設けられたジャケット２２１とから構成されて、冷却フ
ィン２２０とジャケット２２１との間にブライン流路２
２２を形成している。

【０１０６】なお、ブラインとして、エチルアルコー
ル、ＨＦＥ、ＰＦＣ、ＰＦＧ、窒素、ヘリウム等が利用
可能である。

【０１０７】これにより膨張空間９２で発生した冷熱に
よりブラインは冷却フィン２２０を介して冷却され、冷
熱利用機器に冷熱が供給される。

【０１０８】次に、このような構成のスターリング冷凍
機１の動作を説明する。

【０１０９】モータ１４が駆動されると、その回転動力
がモータ軸１７を介してクランク軸３７に伝達される。

【０１１０】このクランク軸３７にはクランク３８が偏
心して取付けられて、このクランク３８にコネクティン
グロッド４１を介してクロスガイドヘッド４４が連結さ
れているので、回転動力はクロスガイドヘッド４４の往
復動力に変換される。

【０１１１】クロスガイドヘッド４４が往復運動する
と、ピストンロッドを介して接続された膨張ピストン９
３と圧縮ピストン６７は往復運動して作動ガスを圧縮、
膨張する。

【０１１２】このとき、クランク３８によりオイル２４
８がクロスガイドヘッド４４等に付着するが、オイルシ
ールベローズ１４９によりクランク空間３６と背圧室１
５４とが完全に区画されている。

【０１１３】また、背圧室１５４と膨張空間９２との差
圧がバッファタンク１２６により圧力調整されて、これ
らの間で差圧の発生が抑制されているが、このとき圧力
調整ベローズ１２７を用いてバッファタンク１２６を区
画しているので、バッファタンク１２６を介してクラン
ク空間３６等から背圧室１５４にオイル２４８が流入す
ることがない。

【０１１４】従って、背圧室１５４にオイル２４８が侵
入して圧縮空間６６や膨張空間９２に侵入することがな
く、冷凍効率の低下が防止できるようになっている。

【０１１５】なお、バッファタンク１２６により背圧室
１５４と膨張空間９２との差圧が抑制されるために、モ
ータ１４負荷が低減して冷凍効率の低下が抑制できるよ
うになっている。

【０１１６】このようにして膨張ピストン９３と圧縮ピ
ストン６７が往復運動し、膨張ピストン９３が上死点に
近づいて動きが遅くなると、圧縮ピストン６７は中間付
近を上死点に向かって急速に動き、これにより作動ガス
は略断熱圧縮されて温度上昇する。

【０１１７】圧縮された作動ガスは、ガス流路１７５を
流れて放熱部１９３に流入し、ここで放熱器１９５を介
して冷却水に放熱して降温する。

【０１１８】冷却水に放熱した作動ガスは、蓄熱部１７
４に流入し、蓄熱材１７６を通過する際に当該蓄熱材１
７６に温熱を蓄熱して膨張空間９２に流入する。

【０１１９】そして、圧縮ピストン６７は上死点に近づ
き、その速度も遅くなる。

【０１２０】すると、膨張ピストン９３は急激に下死点
に向かって動き、これにより膨張空間９２が急激に拡張
して、当該膨張空間９２の作動ガスは断熱膨張して降温
する。

【０１２１】これにより、コールドヘッド部２１９の温
度が下がり、冷却フィン２２０を介してブラインが冷却
されて、冷熱が冷熱利用機器に供給される。

【０１２２】膨張ピストン９３が下死点から上死点に移
動する際は、圧縮ピストン６７は中間位置から下死点に
向かって動いており、これにより作動ガスは膨張空間９
２からガス流路１７５を介して圧縮空間６６に流れる。

【０１２３】このとき膨張して温度の下がった作動ガス
は、蓄熱材１７６に冷熱を蓄熱して放熱部１９３を経て
圧縮空間６６に流入して１サイクルが終了する。

【０１２４】そして、このようなサイクル運転を長時間
行っていて、背圧室１５４とガス流路１７５との間の調
整が適正に行われなくなると、圧力調整器８６を操作し
て適正圧力に調整する。

【０１２５】これにより長時間運転しても冷凍効率の低
下を防止することが可能になる。

【０１２６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
ガス流路と背圧室とを連通して、これらの間を流動する
作動ガスの流量を調整する圧力調整器が設けたので、長
時間運転した際でも、背圧室とガス流路との圧力調整を
適切に行うことができるようになり信頼性が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態の説明に適用されるスター
リング冷凍機の側断面図である。

【図２】圧縮ピストンリングの作用を説明する図であ
る。

【図３】従来の技術の説明に適用されるスターリング冷
凍機の側面図である。

【符号の説明】

１ スターリング冷凍機 ３３ 冷熱発生部 ６６ 圧縮空間 ６７ 圧縮ピストン ６８ 圧縮シリンダ ７０ 圧縮ピストンリング ７７ ピストンリング溝 ８６ 圧力調整器 ９２ 膨張空間 ９３ 膨張ピストン ９３ａ 上部膨張ピストン ９３ｂ 下部膨張ピストン ９７ 膨張シリンダ ９７ａ 上部膨張シリンダ ９７ｂ 下部膨張シリンダ １０４ 膨張ピストンリング １０８ 環状溝 １４９ オイルシールベローズ １７５ ガス流路 Ｆ１ シリンダ当接力 Ｆ２ ピストン当接力 Ｐ 異物

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成１４年７月９日（２００２．７．９）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１０

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１０】このような構成で、モータ５１４が駆動さ
れてクランク５３８が回転すると、その回転動力が往復
動力に変換されて圧縮ピストン５６７及び膨張ピストン
５９３に伝達され、これらが往復運動する。

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２６

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２６】駆動装置１１は、内部がモータ室１３をな
すモータハウジング１２を有し、このモータ室１３にス
テータ１６及びロータ１５からなる正逆回転可能なモー
タ１４が設置されて、回転動力がモータ軸１７を介して
出力される。

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００５２

【補正方法】変更

【補正内容】

【００５２】この下側シリンダハウジング７４ｂの材料
として、ＦＣ材やＦＣＤ材等が用いられるが、作動ガス
のリーク防止、製造コストや部材コスト、圧縮ピストン
リング７０の摺動摩耗特性等の観点からＦＣ３００が好
ましい。

【手続補正４】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００９０

【補正方法】変更

【補正内容】

【００９０】このような容積関係の下で背圧室１５４が
気密状態にあると、膨張ピストン９３や圧縮ピストン６
７の往復運動により当該背圧室１５４には大きな圧力変
動が発生すると共に、クランク空間３６との間で大きな
差圧が発生する。

【手続補正５】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０１１３

【補正方法】変更

【補正内容】

【０１１３】また、背圧室１５４とクランク空間３６と
の差圧がバッファタンク１２６により圧力調整されて、
これらの間で差圧の発生が抑制されているが、このとき
圧力調整ベローズ１２７を用いてバッファタンク１２６
を区画しているので、バッファタンク１２６を介してク
ランク空間３６等から背圧室１５４にオイル２４８が流
入することがない。

【手続補正６】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０１１５

【補正方法】変更

【補正内容】

【０１１５】なお、バッファタンク１２６により背圧室
１５４の圧力変動が抑制されるために、モータ１４負荷
が低減して冷凍効率の低下が抑制できるようになってい
る。

【手続補正７】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図１

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１】

【手続補正８】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図２

【補正方法】変更

【補正内容】

【図２】

【手続補正９】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図３

【補正方法】変更

【補正内容】

【図３】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 関谷 弘志 大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号 三 洋電機株式会社内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 クランクハウジング内に収納されてモー
   タの回転動力を往復動力に変換するクランクと、圧縮シ
   リンダ内を往復運動して圧縮空間の作動ガスを圧縮する
   圧縮ピストンと、膨張シリンダ内を往復運動して膨張空
   間の作動ガスを膨張させる膨張ピストンと、前記圧縮空
   間と膨張空間とを連通して、作動ガスがこれらの間を行
   き来できるようにするガス流路と、前記クランクハウジ
   ング内を前記クランク側のクランク空間と前記ピストン
   側の背圧室とに区画するオイルシールベローズとを有し
   たスターリング冷凍機において、 前記ガス流路と背圧室とを連通して、これらの間を流動
   する作動ガスの流量を調整する圧力調整器が設けられて
   いることを特徴とするスターリング冷凍機。
2. 【請求項２】 前記圧力調整器がニードルバルブである
   ことを特徴とする請求項１記載のスターリング冷凍機。