JPH0343546B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は、ラジアル型ピストン圧縮機を備え
たスターリングサイクル冷凍機に関するものであ
る。

（従来の技術） スターリングサイクル冷凍機において、圧縮ピ
ストンとデイスプレーサとを一定位相差の下に往
復運動させる必要があることは周知である。かか
る運動を生じさせめるための圧縮ピストンとデイ
スプレーサの駆動方式としては、クランク軸駆動
方式、回転斜板駆動方式、ロンビツク駆動方式、
リニヤ駆動方式などが知られているが、これらの
うち、ロンビツク駆動方式とリニヤ駆動方式は単
気筒用の駆動方式であり、多気筒用には不向きで
ある。

そこで、従来、上記クランク軸駆動方式（特開
昭58−69366号公報参照）や回転斜板駆動方式
（特開昭54−149958号公報参照）を多気筒用とし
て用いる技術が知られている。

上記クランク軸駆動方式は、複数のシリンダを
同軸状に直列配置し、一方のシリンダに挿入され
た圧縮ピストンと他方のシリンダに挿入されたデ
イスプレーサとを軸方向に連結して構成されるも
のであり、上記回転斜板駆動方式は、複数のシリ
ンダを同心状に配置し、一方のシリンダに挿入さ
れた圧縮ピストンと他方のシリンダに挿入された
デイスプレーサとを相互に平行に配置して構成さ
れるものである。これら両方式は比較的容易に多
気筒化を図ることができる。

（発明が解決しようとする問題点） ところが、上記先行技術では、構造が複雑であ
り、大出力を得るためには全体重量の増大や大型
化を招くという問題がある。特に、回転斜板駆動
方式は、一般に小型冷凍機に適した構造であり、
ピストン径に応じて斜板の径を大きくする必要が
あり、また、これに応じて斜板および軸受部の強
度を高める必要があるため、必然的に装置が大型
化する。

この発明は上記従来の問題点を解消するために
なされたもので、構造が簡単で、コンパクトかつ
軽量で、しかも大出力が得られる多気筒のスター
リングサイクル冷凍機を提供することを目的とす
る。

（問題点を解決するための手段） 上記目的を達成するために、この発明は、駆動
機で回転駆動されるクランク軸の胴部を偏心さ
せ、この胴部に外輪を回転自在に嵌め込み、放射
状に配置された複数の圧縮ピストンの連接棒を上
記外輪に連接することにより、ラジアル型のピス
トン駆動装置を構成している。また、上記クラン
ク軸と同心状に複数のデイスプレーサを配置し、
クランク軸の一端部に固定されたカム部材の外周
に、クランク軸の軸方向に変位するカム溝を設
け、このカム溝に駆動体を挿入し、上記デイスプ
レーサをクランク軸の軸方向へ往復動させるロツ
ドを上記駆動体に連結することにより、デイスプ
レーサ駆動装置を構成している。上記カム溝の形
状は、各圧縮ピストンに対して対応するデイスプ
レーサの位相がほぼ90度進むことができるように
設定されている。

（作用） この発明によれば、ラジアル型ピストン駆動装
置と、このピストン駆動装置のクランク軸と同心
状に配置された複数のデイスプレーサを有するデ
イスプレーサ駆動装置とを組み合わせて、スター
リングサイクル冷凍機を構成したので、冷凍能力
を向上させるために圧縮ピストンおよびデイスプ
レーサの数を増しても、冷凍機全体の大型化が避
けられる。

また、ラジアル型ピストン駆動装置を採用した
ので、ガス圧縮荷重の大部分がクランク軸上で相
殺されることになり、圧縮力のバランスを比較的
容易に保つことができる。したがつて、クランク
軸を支える軸受部への荷重を減少できるので、ケ
ーシングおよび軸受部を全体的にコンパクト化す
ることができる。

また、圧縮ピストンを放射状に配置したのでピ
ストン径を大としても装置全体が大型化すること
がない。したがつて容易に出力の増大が図られ
る。

（実施例） 以下、この発明の実施例を図面にしたがつて説
明する。

第１図は、スターリングサイクル冷凍機の縦断
面図である。図において、スターリングサイクル
冷凍機１は、ラジアル型のピストン駆動装置２
と、デイスプレーサ駆動装置３とが連結されて構
成されている。

ピストン駆動装置２は、駆動機６を備えてお
り、駆動機６は、減速機５を介してクランク軸４
に連結されている。減速機５は、たとえば遊星歯
車機構や、かさ歯車機構である。減速機５および
駆動機６は、系内の作動ガスが漏れないように気
密構造とされる。クランク軸４は、気密なクラン
クケース７内を上下に貫通しており、低蒸気圧の
グリース密封型のころ軸受８ａ，８ｂによりクラ
ンクケース７内に回転自在に支持されている。ク
ランクケース７には、減速機５内の潤滑油が侵入
しないように、オイルシール８ｃが設けられてい
る。

クランク軸４の胴部９は、クランク軸４よりも
大径で、かつクランク軸４に対して偏心してい
る。胴部９の径および偏心幅は、圧縮ピストン１
７のストロークに応じて選ばれている。この胴部
９には、低蒸気圧のグリース密封型のころ軸受１
０を介して外輪１１が回転自在に嵌め込まれてい
る。外輪１１の外周面には、圧縮ピストン１７に
連結される連接棒１３の摺動面１３ａが摺接して
いる。摺動面１３ａには、一定の厚みで無潤滑材
料が固着されている。無潤滑材料は、たとえば高
分子軸受材料または焼結軸受材料のように摺動性
および耐摩耗性に良好なものが選ばれている。な
お、１２はオイルシールである。

連接棒１３は、外輪１１の径方向に放射状に４
個配置されている。各連接棒１３の下端フランジ
部１３ｂには、無潤滑材料から成る一対の案内リ
ング１４ａ，１４ｂが嵌め込まれている。案内リ
ング１４ａ，１４ｂにより、各連接棒１３の摺動
面１３ａと外輪１１との上記接触状態が維持され
るとともに、連接棒１３の矢印Ａで示す方向への
揺動および外輪１１の軸方向（Ａと同一方向）へ
の摺動が阻止される。また、案内リング１４ａ，
１４ｂにより、外輪１１と摺動面１３ａとのすべ
り摩擦熱がクランクケース７に伝えられ、摺動面
１３ａ付近の低温が保たれる。

クランクケース７には、第２図に示されるよう
に、４個の圧縮ピストン用シリンダ１８が周方向
に等間隔をあけて放射状に突設されている。各シ
リンダ１８内の圧縮ピストン１７は２つ割りの球
面軸受１９ａ，１９ｂを介して連接棒１３の球状
ヘツド１３ｃに連結されている。球面軸受１９
ａ，１９ｂは、高分子系または焼結合金系の無潤
滑材料から成る。また、ピストンリング２２およ
びライダリング２３は、合金樹脂系の無潤滑材料
から成る。なお、圧縮ピストン１７には、上記案
内リング１４ａ，１４ｂ（第１図）および上記摺
動面１３ａの摩耗による粉塵が圧縮室２０内に侵
入しないように、防塵機能を有するスクレーパリ
ング２４が装着されている。

シリンダ１８内の圧縮室２０およびクランクケ
ース７内の背面室２１には、冷媒としての作動ガ
ス、たとえばH_eガスが封入されている。この圧
縮室２０には、運転中常に圧縮ピストン１７の慣
性力、ピストンリング２２およびライダリング２
３の摩擦力に打ち勝つところの荷重が働き、上記
連接棒１３と外輪１１とは、その圧縮荷重をもつ
て接触している。なお、２５ａ，２５ｂは、シリ
ンダ１８の冷却水通路であり、この冷却水に、作
動ガスの圧縮熱、各リング２２，２３の摺動摩擦
熱、球面軸受１９ａ，１９ｂの摺動摩擦熱がそれ
ぞれ吸収される。

つぎに、デイスプレーサ駆動装置３の構成につ
いて説明する。第１図のクランク軸４の上端部に
は、クランク軸４と同軸のカム部材３０が設けら
れている。クランク軸４とカム部材３０との間に
は、両者の回転運動を同一にするためのキー３１
が嵌入されている。カム部材３０の外周面には、
周方向に延びる矩形断面形状のカム溝３２が形成
されている。カム溝３２は、周方向に正弦波形状
となるように曲成されており、このカム溝３２に
は、周方向に等間隔をあけて４個のローラ状の駆
動体３３が挿入されている。各駆動体３３は、グ
リース密封型のころ軸受（図示せず）によりクラ
ンク軸４と垂直な軸線まわりに回転自在の状態
で、クランク軸４と同心状に配置された４つのロ
ツド３４にボルトおよびナツト９５によつて個別
に締結されている。各ロツド３４は、クランク軸
４と同軸方向に延びており、低蒸気圧のグリース
密封型の軸受３６ａ，３６ｂにより気密なケーシ
ング２８内に往復動自在に支持されている。

上記各ロツド３４は、ロツド３４と同軸方向に
延びる４個のデイスプレーサ用シリンダ４０内の
各デイスプレーサ４１に個別に連結されている。
デイスプレーサ４１は、ロツド３４の先端部に連
結された比較的大径の第１のデイスプレーサ４１
ａと、第１デイスプレーサに連結された比較的小
径の第２デイスプレーサ４１ｂとから成る。第１
デイスプレーサ４１ａとロツド３４との連結部に
は、気密な背面室４２が設けられており、この背
面室４２は、通路４３および熱交換器４４を介し
て圧縮ピストン用シリンダ１８内の圧縮室２０に
連通している。熱交換器４４は、複数の水冷パイ
プが組込まれて構成される。

第１デイスプレーサ４１ａ内には、金網（蓄冷
材）が積層されて成る第１蓄冷器３８ａが組込ま
れており、また、第２デイスプレーサ４１ｂ内に
は、鉛粒（蓄冷材）が充填されて成る第２蓄冷器
３８ｂが組込まれている。第１デイスプレーサ４
１ａと第２デイスプレーサ４１ｂとの連結部には
気密な第１膨張室４６ａが設けられており、この
第１膨張室４６ａの近傍には、デイスプレーサ用
シリンダ４０各の第１膨張室４６ａのすべてに連
通する環状の第１コールドヘツド４７ａが設けら
れている。また、第２デイスプレーサ４１ｂの先
端部には、気密な第２膨張室４６ｂが設けられて
おり、この第２膨張室４６ｂの近傍には、デイス
プレーサ用シリンダ４０の各第２膨張室４６ｂの
すべてに連通する環状の第２コールドヘツド４７
ｂが設けられている。第１および第２膨張室４６
ａ，４６ｂは、第１および第２蓄冷器３８ａ，３
８ｂを介して上記ロツド３４側の背面室４２に連
通している。

つぎに、上記ラジアル型ピストン駆動装置２お
よびデイスプレーサ駆動装置３の動作について説
明する。

まず、駆動機６を作動すると、クランク軸４は
減速機５により一定回転数に減速されて回転駆動
する。クランク軸４の偏心した胴部９の回転運動
は、ころ軸受１０および外輪１１を介して連接棒
１３の往復運動に変換される。胴部９の偏心によ
り４個の圧縮ピストン１７は、90度の位相差でシ
リンダ１８内をそれぞれ往復動する。

一方、クランク軸４の回転トルクは、カム部材
３０に伝達され、カム部材３０のカム溝３２に挿
入された駆動体３３を介してロツド３４の往復運
動に変換される。カム溝３２の正弦波形状によつ
て４個のデイスプレーサ４１は、対応する圧縮ピ
ストン１７の位相よりも90度進んでシリンダ４０
内をそれぞれ往復動する。

つぎに、スターリングサイクル冷凍機１の１サ
イクル４工程、つまり等温圧縮工程、等容工程、
等温膨張工程、等容工程について説明する。

まず、等温圧縮工程において、デイスプレーサ
４１がデイスプレーサ用シリンダ４０の上端に位
置し、圧縮ピストン１７が圧縮ピストン用シリン
ダ１８の下端に位置した状態から、圧縮ピストン
１７が上昇すると、圧縮室２０内の作動ガスが圧
縮されて熱交換器４４および通路４３を通つて背
面室４２内に流入する。このとき、生じたガス圧
縮熱の一部は、水冷構造のシリンダ１８に吸収さ
れ、残余の圧縮熱は、熱交換器４４に吸収される
ので、理想的には、等温圧縮工程となる。

つぎに、等容工程において、デイスプレーサ４
１が下降すると、背面室４２内の作動ガスは、第
１蓄冷器３８ａ内を通過して第１膨張室４６ａに
流入し、さらに、一部の作動ガスは第２蓄冷器３
８ｂ内を通過して第２膨張室４６ｂに流入する。
このとき、作動ガスは、第１および第２蓄冷器３
８ａ，３８ｂを通過する際に各蓄冷材に熱を奪わ
れて冷却されるとともに圧力も低下し、第１およ
び第２膨張室４６ａ，４６ｂにおいて所定圧力の
低温ガスとなる。これは容積一定の等容変化であ
る。

つぎに、等温膨張工程において、圧縮ピストン
１７が下降すると、第１および第２膨張室４６
ａ，４６ｂ内の低温ガスが膨張により寒冷化す
る。このとき、第１および第２コールドヘツド４
７ａ，４７ｂから熱を奪い、低温ガスは結果的に
は温度一定の等温膨張行なう。低温ガスが奪つた
熱量が冷凍機１の冷凍出力である。

つぎに、等容工程において、デイスプレーサ４
１が上昇すると、第１および第２膨張室４６ａ，
４６ｂ内の低温ガスは、第１および第２蓄冷器３
８ａ，３８ｂ内を通過してロツド３４側の背面室
４２内に流入し、さらに、熱交換器４４を通つて
圧縮室２０内に流入する。このとき、低温ガス
は、第１および第２蓄冷器３８ａ，３８ｂ内の各
蓄冷材を冷却しつつ自らは高温となり、圧力も高
まる。これは容積一定の等容変化である。

上記一連の動作の繰返しにより、第１および第
２コールドヘツド４７ａ，４７ｂにおいて連続注
な冷凍出力を得ることができる。

上記構成において、ラジアル型のピストン駆動
装置２と、このピストン駆動装置２のクランク軸
４と同心状に配置された複数のデイスプレーサ４
１を有するデイスプレーサ駆動装置３とを組み合
わせて、スターリングサイクル冷凍機１を構成し
たので、冷凍能力を向上させるために圧縮ピスト
ン１７およびデイスプレーサ４１の数を増やして
も、冷凍機全体の大型化が避けられる。

また、偏心クランク機構により駆動される圧縮
ピストン１７を放射状に配置したので、圧縮ピス
トン用シリンダ１８内のガス圧荷重の大部分が相
殺されて、クランク軸４を支える軸受部への圧縮
荷重を減少することができる。したがつて、軸受
部やクランクケース７のコンパクト化を図ること
ができる。

また、ガス圧荷重が相殺されることから圧縮ピ
ストン１７の径を大にすることができ、これによ
つて、出力の増大を図ることができる。しかも、
圧縮ピストン用シリンダ１８が放射状に設けられ
るので、シリンダ径を大きくしても冷凍機全体の
軸方向（第１図の上下方向）の寸法は増大しな
い。また、ラジアル型のピストン圧縮機は、クラ
ンク軸４の軸方向に対して偏平な構造を有するの
で、軸方向の寸法を縮める上で有利である。

また、この実施例では、系内を以下に述べる方
法でオイルフリーの状態としたので、無給油によ
る長寿命化および構造の簡略化が図られるととも
に、クランクケース７の背面室２１内の作動ガス
が仮りに圧縮室２０内に侵入しても、内部の汚染
が防がれる。これによつて、蓄冷材の汚染防止、
伝熱性の向上および圧縮損失の低下が達成され、
冷凍機１の性能および信頼性が向上する。すなわ
ち、クランク軸４の偏心した胴部９はかなり速い
周速をもつが、胴部９の外周面に摩擦係数の小さ
いグリース密封型のころ軸受１０を設けたので、
この部分の摩擦仕事を大幅に低減することができ
る。さらに、ころ軸受１０により外輪１１は、ほ
とんど自転運動をしなくなるので、外輪１１の外
周面に対する連接棒１３の摺動面１３ａの相対運
動を小さくすることができる。このため、摺動面
１３ａを無潤滑材料とすることができる。

これらの理由により、この冷凍機構造は従来の
クランク軸駆動方式や回転斜板駆動方式に比べ、
大型化、コンパクト化、軽量化、多気筒化を容易
に達成できる。

さらにまた、デイスプレーサ４１の駆動方法と
して、カム部材３０を用いたので、カム部材３０
のカム溝３２の形状を駆動体３３とロツド３４の
往復運動に支障をきたさぬ範囲で適宜変更するこ
とにより、熱力学上最も好ましいデイスプレーサ
４１の往復運動を容易に達成することができる。
また、ピストン駆動装置２とデイスプレーサ駆動
装置３とを、クランク軸４とカム部材３０との間
に設けたキー３１で連結するようにしたので、圧
縮ピストン１７とデイスプレーサ４１の各往復運
動の位相差を任意に選ぶことができる。この位相
差は、冷凍出力に大きく影響する。理想状態では
位相差が０度で冷凍出力がゼロとなり、位相差が
90度で冷凍出力が最大となる。しかし、実際には
圧損その他により90度を少しはずれた90度近傍に
最適値が存在する。

第３図は、第２の実施例を示すもので、連接棒
１３の摺動面１３ａは、胴部９の外周面と同一曲
率のニードル軸受６０を介して胴部９に当接して
いる。その他の構成は、第１図の第１実施例と同
一である。軸受６０は、オイルシール６４による
グリース密封型であり、その保持器６２は、第４
図に示すように、取付ボルト６３により摺動面１
３ａ側に固定されている。軸受６０は、胴部９の
外周面に接触しながらころがり摩擦運動をするの
で、摩擦仕事は小さく、機械効率が良くなる。

第５図は第３の実施例を示すもので、主連接棒
７０は、取付ボルト７３により外輪１１に固定さ
れている。他の副連接棒７２は、第６図に示すよ
うに、外輪１１のブラケツト部１１ａにピン７５
および軸受７６により連結されている。軸受７６
は無潤滑の円筒軸受または球面軸受が用いられ
る。主連接棒７０は、外輪１１と一体となつて揺
動しながら往復動することができ、他の副連接棒
７２は、外輪１１に連動して揺動しながら往復動
することができる。なお、７７は、割りピンであ
る。

第７図は第４の実施例を示すもので、第１実施
例のカム部材３０に代えて、クランク軸４の先端
部には円形状斜板８０が固定されている。斜板８
０の中心軸は、クランク軸４の中心軸に対して傾
斜しており、斜板８０の外周面には、周方向に延
びる矩形断面形状のカム溝８１が形成されてい
る。カム溝８１内には、斜板８０と同心状である
リング状の受板８２が嵌め込まれている。受板８
２は、スラスト軸受８３およびラジアル軸受８４
によりカム溝８１内で回転自在に支持されてい
る。受板８２には、デイスプレーサ４１に対応し
た連接棒８５の各一端部がピン９３ａを介して連
結されている。連結棒８５の各他端部は、ピスト
ン８６にピン９３ｂを介して連結されており、ピ
ストン８６はデイスプレーサ４１にそれぞれ連結
されている。

受板８２にかかる軸方向の負荷は、スラスト軸
受８３、斜板８０、クランク軸４およびころ軸受
８ｂを介してクランクケース７に伝えられるが、
受板８２および斜板８０には、背面室４２と各膨
張室４６ａ，４６ｂとの差圧だけがかかるので、
斜板８０や軸受８ｂの強度はあまり必要ではな
い。したがつて、従来の回転斜板駆動方式と比べ
て、全体的にコンパクト化、軽量化を達成するこ
とができる。なお、９１は無潤滑軸受であり、９
２はスラスト軸受８３にボルト締めされた側板で
ある。

（発明の効果） 以上説明したように、この発明によれば、ラジ
アル型のピストン駆動装置と、このピストン駆動
装置のクランク軸と同心状に配置された複数のデ
イスプレーサを有するデイスプレーサ駆動装置と
を組み合わせて、冷凍機を構成したので、冷凍能
力を向上させるために圧縮ピストンおよびデイス
プレーサの数を増やしても、冷凍機全体の大型化
を避けることができる。

また、圧縮ピストンが放射状に配置されている
ので、各シリンダのガス圧荷重の大部分が相殺さ
れる。したがつて、軸受部やケーシングを軽量か
つコンパクトにすることができる。しかも、出力
を増大させるためにシリンダ径を大にしても、装
置が複雑となつたり大型化したりすることが防が
れる。

したがつて、構造が簡単で、コンパクトかつ軽
量であり、大出力の多気筒スターリングサイクル
冷凍機を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の第１の実施例を示す縦断面
図、第２図は第１図の−線に沿つた断面図、
第３図はこの発明の第２実施例を示す縦断面図、
第４図はニードル軸受付近の断面図、第５図はこ
の発明の第３実施例を示す縦断面図、第６図は第
５図の−線に沿つた断面図、第７図はこの発
明の第４実施例の縦断面図である。 １……スターリングサイクル冷凍機、２……ラ
ジアル型ピストン駆動装置、３……デイスプレー
サ駆動装置、４……クランク軸、６……駆動機、
９……胴部、１１……外輪、１３……連接棒、１
７……圧縮ピストン、３０……カム部材、３２…
…カム溝、３３……駆動体、３４……ロツド、３
８ａ，３８ｂ……蓄冷器、４１……デイスプレー
サ、４２……背面室、４４……熱交換器、４６
ａ，４６ｂ……膨張室。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 圧縮ピストンで圧縮した冷媒を、熱交換器を
   通してデイスプレーサの一側の背面室へ送り、デ
   イスプレーサ内の蓄冷機を通過させてデイスプレ
   ーサの他側の膨張室へ流入させ、冷媒を低温下さ
   せるスターリングサイクル冷凍機において、 複数の圧縮ピストンを放射状に配置し、駆動機
   で回転駆動されるクランク軸の偏心した胴部に外
   輪を回転自在に嵌め込み、上記外輪に圧縮ピスト
   ンの連接棒を連結して成るラジアル型のピストン
   駆動装置と、 複数のデイスプレーサを、上記クランク軸と同
   心状に配置し、上記クランク軸の一端部に固定さ
   れたカム部材の外周に、クランク軸の軸方向に変
   位するカム溝を設け、このカム溝に挿入された駆
   動体に、上記デイスプレーサをクランク軸の軸方
   向へ往復動させるロツドを連結し、各圧縮ピスト
   ンに対して、対応するデイスプレーサの位相がほ
   ぼ90度進むように上記カム部材の形状を設定して
   成るデイスプレーサ駆動装置とを備えたことを特
   徴とするスターリングサイクル冷凍機。