JPH01244253A - スターリングサイクル機関の低温側熱交換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、スターリングサイクル機関（冷凍機）の低
温側熱交換器に関し、特に再生器がディスプレーサ・ピ
ストンと同軸状に配置された、円筒形（アニユラ−形）
の形状を持つ機関において、再生器の配設位置を改善し
たものに関するものである。

〔従来の技術〕

第６図は例えば特開昭６２−５１３９０号公報に示され
た従来のスターリングサイクル冷凍機を示す断面図であ
り、図において、１ｂは膨脹シリンダで、その内部には
膨脹ピストン２が往復動自在に嵌合され、該ピストン２
とシリンダ１ｂ内壁とはピストンシール３によってシー
ルされている。

上記膨脹シリンダ１ｂ側壁からは中間フランジ４４及び
底部フランジ４５が半径外方向に延びている。この中間
フランジ４４の上面には、カップ状ハウジング４６のフ
ランジ４６ａがボルト４７によりボルト締めされ、ハウ
ジング４６は膨張シリンダ１ｂ外周及び上端を取り囲ん
でいる。また上記膨脹ピストン２とハウジングヘッド４
６ｂとの間にはピストン２の往復動により容積の変わる
腫脹空間７が形成され、シリンダ１ｂとハウジング４６
との間には金網を充填した蓄冷器５（再生器）が設けら
れている。なお一般に再生器の容量は熱力学的シュミレ
ーション（熱力学的解析）により最適な量が求まる。

また中間フランジ４４及び底部フランジ４５と外周リン
グ２６とは放熱器６を構成し、器内に充填された冷却水
は両フランジ４４．４５を貫通するパイプ２２からの熱
を吸収してパイプ２２を流れる水素又はヘリウム等の作
動ガス（冷媒）から吸熱するようになっている。

上記シリンダ１ｂの底端部（即ち、圧縮シリンダ２９の
膨張シリンダ１ｂ隣接端部）は、底部フランジ４５の延
長部２３によって閉止され、この閉止部２３によって、
膨脹ピストン２と圧縮ピストン１０との間の空間は膨脹
ピストン２側のバッファー空間２５と圧縮ピストン１０
側の圧縮空間１）とに分割されている。このシリンダ閉
止部２３には、膨脹ピストン２にネジ止めされたロッド
１４がシールされた状態で貫通している。ロッド１４お
よび膨脹ピストン２内には、バッファ室２５内のガスを
抜くためのガス抜き孔２８が設けられている。

また圧縮シリンダ２９内を往復動する圧縮ピストン１０
は、シリンダ２９内径にほぼ一致する上方部分３０と、
この部分３０よりも径が小さい下方小径部３１とから成
り、膨脹ピストン２を駆動させるためのロッド１４が貫
通する貫通孔３３が中心部に設けられている。このロッ
ド１４の下端部は、貫通孔３３内を摺動する袋ナツト３
４となっており、内側に嵌合した一対の球面軸受け３５
によって連接棒３６の球面ジャーナル３７を枢動自在に
挟持している。袋ナツト３４の側面には切欠き３８が設
けられ、ロッド１４内のガス抜き孔２８を通過したガス
を下方のクランク室３９へ逃がすようになっている。下
方小径部３１の側面には一対のピン４０が固着され、そ
れぞれのピン４０には連接棒１５の端部が固定されてい
る。

ここで圧縮ピストン１０の上方部分３０の外周にはピス
トンリング（シール材）１０ａが嵌装され、上方部分３
０の中心部にはロッド１４との間のシールのためのシー
ル材１０ｂが嵌装されている。

さらにこのスターリングサイクル冷凍機１００を駆動す
る駆動装置５０は、電動モータ５１と、このモータ５１
の回転数を下げる遊星減速機５２と、この遊星減速機５
２の遊星歯車５３が取付けられたキャリアクランク５４
と、このキャリアクランク５４に取付けたクランクピン
５５と、クランクピン５５上に偏心輪を取付けた一対の
圧縮ピストン駆動用連接棒１５と、クランクピン５５上
の偏心カム５７に偏心輪を取付けた一対の圧縮ピストン
駆動用連接棒１５とから成る。モータ５０の回転運動は
減速機５２に減速され、クランクピン５５は中止軸Ｃを
中心に旋回する。膨脹ピストン２は偏心カム５７により
圧縮ピストン１０よりもストロークが９０°進むように
なっている。

次に従来のスターリングサイクル冷凍機の動作について
説明する。

図中下死点にある圧縮ピストン１０は、連接棒１５によ
り上昇し、圧縮空間１）内の作動ガスを圧縮する。圧縮
された作動ガスは、放熱器６内のパイプ２２を通って蓄
冷器５および腫脹空間７へ流れ込む。その後膨張ピスト
ン２は下降し、蓄冷器（再生器）５および膨張空間７内
の作動ガスは膨脹し、蓄冷器（再生器）５内に低温が発
生する。

そして膨脹ピストン２は下死点に達した後上昇し、膨張
空間７内の作動ガスを蓄冷器（再生器）５およびパイプ
２２を通して圧縮空間１）へ戻す。冷凍機は上記サイク
ルを繰り返すことにより、腫脹空間７に低温を発生する
。また、再生器５は腫脹空間７の温度の低温から放熱器
６の温度までの温度分布をもつ。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来のスターリングサイクル冷凍機は以上のように構成
されているので、膨脹ピストン２が下がると温度分布を
持っている再生器５と腫脹空間７とはシリンダ１ｂ内壁
を隔てて接し、腫脹空間７と、この温度より高い再生器
５の部分との間で熱の流れが発生し、腫脹空間７の温度
を上昇させる。

そのため、熱損失が増大し、機関の冷却能力を低下させ
るという問題点があった。

この発明は上記のような問題点を解消するためになされ
たもので、再生器と腫脹空間との間での熱流を防ぐこと
ができ、熱損失が少なく、冷却能力が高いスターリング
サイクル機関の低温側熱交換器を得ることを目的とする
。

〔課題を解決するための手段〕

この発明に係るスターリングサイクル機関の低温側熱交
換器は、再生器を、これと腫脹空間との間での熱流速が
発生しない位置に、つまり膨脹ピストンの下死点の高さ
位置に腫脹空間と同温度の再生器の部分が位置するよう
配置したものである。

〔作用〕

この発明においては、再生器と腫脹空間との間で熱流速
が発生しない位置に再生器を配設したから、熱損失を減
少させ、機関の冷却能力を向上させることができる。

〔実施例〕

以下、この発明の一実施例を図について説明する。

第１図は本発明の一実施例によるスターリングサイクル
機関の低温熱交換器を示す断面側面図であり、第１図に
おいて、１はシリンダで、その内部には膨脹ピストン２
が往復自在に嵌合され、該ピストン２と、放熱器６と一
体の送気ライナー２０の内壁とはピストンシール３によ
ってシールされている。薄肉のインナーライナー４はシ
リンダ１と嵌合され、放熱器６とも嵌合され固定されて
いる。またシリンダ１とインナーライナー４との間には
金網を充填した再生器５が設けられている。

膨脹ピストン２とシリンダ１との間には腫脹空間７が形
成され、シリンダ１にはガス通路８が開けられており、
再生器５に作動ガスが流れるようになっている。

ここで上記再生器５はその上端が膨脹ピストン２の下死
点と同じ高さとなるよう配置されており、その下端は放
熱器６に当接する位置まで下方に延びている。該放熱器
６はシリンダ１外周に取り囲まれており、器内に充填さ
れた冷却水がそのガス通路９からの熱を吸収してガス通
路９を流れる作動ガスから吸熱するようになっている。

膨脹ピストン２と圧縮ピストン１０との間には圧縮空間
１）が形成されており、放熱器６のガス通路９は該圧縮
空間１）につながっている。またこの圧縮ピストン１０
と動力ライナー１２とは、ピストンシール１３によりシ
ールされている。

また、膨脹ピストンロッド１４は圧縮ピストン１０に設
けられたロッドシール１７によりシールされている。膨
脹ピストン２は膨脹ピストンロッド１４と結合され、圧
縮ピストン１０は圧縮ピストンロッド１５と結合され、
両者は一定の位相差を保ちながら駆動機構（図示せず）
により往復動する。シリンダ１はクランクケース１６と
ボルト締めされている。クランクケース１６以下の駆動
機構部は従来と同様なので図示しない。また、ここで上
記再生器５は膨脹ピストン２が上死点の位置のとき、そ
の最下部が膨脹ピストン２の下端部より上の位置にくる
ように配置されている。

次に動作について説明する。

図中下死点近くにある圧縮ピストン１０は駆動機構によ
り上昇し、それと同時に上死点にある膨脹ピストン２も
下降し、圧縮空間１）の作動ガスを圧縮する。圧縮ピス
トン１０と膨脹ピストン２とは最大圧縮時に図中の点線
の位置に来るので、圧縮空間１）の死容積がほぼＯにな
る。圧縮された作動ガスは、放熱器６のガス通路９を通
って再生器５及び腫脹空間７に流れ込む。再生器５は腫
脹空間７の低温から放熱器６の低温側入口の温度までの
温度分布を持つ。

このとき、膨脹ピストン２が下死点に来た時でも低温の
腫脹空間７と、腫脹空間７より温度の高い再生器部は、
薄いインナーライナー４を挟んで接することがないので
この部分での熱損失がほとんどない。その後、膨脹ピス
トン２は下死点に達した後上昇し、膨張空間７内の作動
ガスを再生器５及びガス通路９を通して圧縮空間１）に
もどす。

上記サイクルを繰り返すことにより、腫脹空間７に低温
を発生する。

また、圧縮空間１）と再生器部とは、膨脹ピストン２が
上死点に来た時にも薄いインナーライナー４を挟んで接
することがないので、この部分での熱損失もほとんどな
い。

このように本実施例では再生器５と膨脂空間７との間の
みならず、該再生器５と圧縮空間１）との間での熱流速
が発生しない位置に再生器５を配設したので、つまり再
生器５の上端部が膨脹ピストン２の下死点下側に１、そ
の下端部が上死点位置の膨脹ピストン２の下端部より上
側に位置するよう再生器５を配設したので、再生器と低
温の膨脂空間及び圧縮空間の間で熱流速が発生するのを
防止でき、これにより熱損失を減少させ、機関の冷却能
力を向上させることができる。

なお、上記実施例では圧縮ピストンｌＯと膨脹ピストン
２との間に圧縮空間１）が形成されるような機関を示し
たが、これは第６図に示すように圧縮ピストン１０と膨
脹ピストン２との間に仕切り２３があるもの、あるいは
スプリット型と呼ばれる膨脹ピストンと圧縮ピストンと
が同軸上にない形式のものでもよく、この場合それぞれ
第２図、あるいは第３図のように再生器を、その上端部
が膨脹ピストンの下死点より下側に位置するよう配置す
れば上記実施例と同様の効果を得る。なおこの図では機
構部は同様であるので省略している。

また上記実施例では、シリンダ１の再生器５と接してい
る部分を下方に延ばすことにより、再生器の位置を膨脹
ピストン２の下死点から始まるようにしたが、これは第
４図に示すようにシリンダ１と再生器５上部との間に、
シリンダと同じ材料もしくはシリンダ材より線膨張率の
低い材料を素材とし、ガス通路を持つスペーサ１８を入
れてもよい。なおこのスペーサ１８の通路面積や通路形
状は規定するものでない。

さらに上記実施例では、シリンダ１とインナーライナー
４とが別体であるものを示したが、これらは第５図に示
す機関のシリンダ１ａのように一体のものでもよい。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明に係るスターリングサイクル機
関の低温側熱交換器によれば、再生器の、膨脂空間と同
温度の部分が膨脹ピストンの下死点下側に位置するよう
再生器を配設したので、再生器と低温の膨脂空間との間
で熱流速が発生しなくなり、この部分での熱損失をほと
んどなくすことができ、これにより熱損失を少なくして
機関の冷却能力を向上できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例によるスターリングサイク
ル機関の低温側熱交換器を示す断面側面図、第２図ない
し第５図はそれぞれこの発明の他の実施例を示す低温側
熱交換器の断面側面図、第６図は従来のスターリングサ
イクル冷凍機の低温側熱交換器を示す断面側面図である
。 １．１ａ・・・シリンダ、２・・・膨脹ピストン、３・
・・ピストンシール、４・・・インナーライナー、５・
・・再生器、６・・・放熱器、７・・・膨脂空間、８・
・・ガス通路、９・・・放熱器ガス通路、１０・・・圧
縮ピストン、１）・・・圧縮空間、１２・・・動力ライ
ナー、１３・・・ピストンシール、１４・・・膨張ピス
トンロ・ノド、１５・・・圧縮ピストンシール、１６・
・・クランクケース、１７・・・口・ノドシール、１８
・・・スペーサ。 なお、図中同一符号は同−又は相当部分を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）圧縮シリンダに内蔵され作動ガスを圧縮空間にて
   圧縮する圧縮ピストンと、膨脹シリンダに内蔵され作動
   ガスを膨脹空間にて膨脹させる膨脹ピストンと、該膨脹
   シリンダに近接してこれと同軸状に配置された放熱器及
   び再生器とを有し、上記圧縮ピストン及び膨脹ピストン
   を駆動して上記作動ガスを放熱器及び再生器を介して上
   記圧縮空間と膨脹空間の間で移動させ該膨脹空間に低温
   を発生するスターリングサイクル機関の低温側熱交換器
   において、 上記再生器をその上記膨脹空間とほぼ同温度の部分が上
   記膨脹ピストンの下死点下側に位置するよう配置したこ
   とを特徴とするスターリングサイクル機関の低温側熱交
   換器。