JPH0416122Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この考案は、ラジアル型ピストン圧縮機を備え
た給油型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。

（考案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、高出力化を図ると必
然的に装置が大型化する。

この考案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、しかも高信頼性を有する多気筒の給油型
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、この考案は、複数
の圧縮ピストンと、各圧縮ピストンと同軸方向に
連結された案内ピストンとを、放射状に配置し、
各案内ピストンにローラを回転自在に設け、駆動
機で回転駆動されるクランク軸の偏心した胴部の
外周面に、上記ローラを接触させることにより、
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。また、上記
胴部と上記ローラとの接触面に潤滑油を供給する
ための、潤滑油供給装置が設けられている。

（作用） この考案によれば、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機構を採用した
ので、ガス圧縮荷重の大部分が相互の圧縮室で相
殺されることとなり、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。

また、圧縮ピストンと胴部との間に案内ピスト
ンを介在し、案内ピストンのローラ胴部の外周面
に接触させ、その接触面に潤滑油を供給するよう
にしたので、上記接触面における摩擦熱の発生を
防ぐことができる。また、ローラにより摩擦力を
小さくしたので、胴部の駆動トルクも小さくで
き、駆動機の大型化を防止することができる。さ
らに、圧縮ピストンの背面室内は、案内ピストン
に設けられた油かきリングによつて常にクリーン
に保たれているので、シリンダ内の冷媒ガスが油
により汚染されるのを防ぐことができる。これに
よつて、油による冷媒ガスの汚れが防がれ、熱交
換器の内部や蓄冷材の汚れ、伝熱性能の低下、お
よび圧力損失の増大を招くことがなくなり、冷凍
性能の向上が図られる。

（実施例） 以下、この考案の実施例を図面にしたがつて説
明する。

第１図は、給油型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、給油型スターリ
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、減速機５および駆動機
６を備えており、減速機５は、たとえば遊星歯車
機構あるいは、かさ歯車機構である。減速機５の
駆動軸（図示せず）の一端部は、駆動機６と減速
機５の連結方向（第１図の左右方向）に対して垂
直方向に延びたクランク軸４に連結されており、
回転軸の上記クランク軸４とは反対側の他端部
は、圧力調整弁付きの潤滑油ポンプ７０に連結さ
れている。潤滑油ポンプ７０は減速機５により駆
動され、後述する油供給部７１（第２図）に潤滑
油を圧送供給する役割を果たす。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、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、圧送ピストン１７のストロークに応
じて選ばれている。

クランクケース７には、第２図に示されるよう
に、４つの案内ピストン用シリンダ１１と、各シ
リンダ１１に同軸方向に連らなる４つの圧縮ピス
トン用シリンダ１８とが、クランク軸４の径方向
に放射状に突設されている。案内ピストン用シリ
ンダ１１と圧縮ピストン用シリンダ１８とは、ク
ランク軸４の径方向にそれぞれ延びており、シリ
ンダ１８の圧縮室２０内には、冷媒としての作動
ガス、たとえばHeガスが充填されている。シリ
ンダ１８内の各圧縮ピストン１７は、ピストン棒
１３を介してシリンダ１１内の各案内ピストン１
２にそれぞれ連結されている。ピストン棒１３
は、フランジ部１３ａ，１３ｂにより圧縮ピスト
ン１７および案内ピストン１２からそれぞれ抜け
止めされている。また、１３ｃ，１３ｄは作動ガ
スの圧縮荷重を受け持つ押し板である。

案内ピストン１２の下端部には、胴部９の回転
軸線と平向な軸線を有するピン１４が固定されて
おり、このピン１４には、ラジアル軸受１５を介
してピン１４と同心状である筒状ローラ１６が回
転自在に嵌め込まれている。ローラ１６は、圧縮
室２０のガス圧により、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２３の摩擦力に打ち勝つて、常時、胴部
９の外周面に押し付けられている。なお、ラジア
ル軸受１５としては、たとえば低蒸気圧のグリー
ス密封型のころ軸受あるいは無潤滑材料から成る
球面軸受が用いられる。

案内ピストン１２の外周面には、第１図に示さ
れるように、その軸方向に沿つて延びる案内溝８
０が形成されており、この案内溝８０には、案内
ピストン用シリンダ１１に固定されたキー８１が
摺動自在に嵌入されている。キー８１により案内
ピストン１２の軸線まわりの回転が阻止され、こ
れによつて、ローラ１６の軸心は、胴部９の回転
軸線に対して常に平行に保たれている。なお、８
５は、案内軸受であり、７９は油かきリングであ
る。

クランクケース７における各案内ピストン用シ
リンダ１１の相互間は、第２図に示されるよう
に、外壁７ａと内壁７ｂとの二重構造となつてお
り、両壁７ａ，７ｂを連結して油供給部７１がそ
れぞれ設けられている。油供給部７１の各外端部
７１ａは、パイプ（図示せず）を介して上記潤滑
油ポンプ７０（第１図）に連通しており、内端部
７１ｂ側の各ノズル孔７４は、クランク室７５内
に臨み、胴部９に向つてそれぞれ配置されてい
る。

また、クランクケース７には、第１図に示され
るように、クランク室７５内に供給された潤滑油
を潤滑油ポンプ７０側に導くための排油孔７６が
設けられている。なお、２５ａ，２５ｂは各シリ
ンダ１１，１８の冷却水通路である。

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、回転運動を伝達するためのキー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の各第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、ローラ１６および案内ピストン１２を介して
ピストン棒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、約90度
の位相差でシリンダ１８内をそれぞれ往復動す
る。

また、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。

一方、駆動機６の作動により減速機５い直結さ
れた潤滑油ポンプ７０が駆動し、これによつて、
潤滑油は所定圧力でクランクケース７の各油供給
部７１（第２図）にそれぞれ供給され、各ノズル
孔７４から胴部９に向けて噴出する。これによつ
て胴部９の外周面に油膜が形成され、胴部９とロ
ーラ１６との接触面に潤滑油が常に供給される。
クランク室７５内の潤滑油は、排油孔７６を介し
て潤滑油ポンプ７０側に導かれて、再び潤滑油ポ
ンプ７０により油供給部７１に循環供給される。

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を行なう。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り返しにより、第１および
第２コールドヘツド４７ａ，４７ｂにおいて連続
的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４１
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。

また圧縮ピストン１７と案内ピストン１２とを
同軸方向に連結し、案内ピストン１２のローラ１
６を胴部９に接触させたので、胴部９から案内ピ
ストン１２に加わる側圧、つまり案内ピストン１
２の摺動方向に対して垂直方向に加わる力が弱め
られ、これによつて、胴部９の偏心回転運動を円
滑に圧縮ピストン１７の往復運動に変換すること
ができる。さらに、ローラ１６と胴部９との接触
面に潤滑油を供給したので、摩擦係数が小とな
り、摩擦仕事を小さくすることができ、摩擦によ
る部品の消耗を防いで信頼性の向上を図ることが
できるとともに、部品の寿命を長く保つことがで
きる。また、摩擦力を小さくすることにより、ク
ランンク軸４の駆動トルクも小さくてすみ、駆動
機６の小型化が達成される。

また、この実施例では、潤滑油をクランク室７
５内でノズル噴射させたので、クランク室７５全
体が油性雰囲気となり、クランクケース７の冷却
効果が得られる。また、案内ピストン１２のロー
ラ１６や軸受１５で発生した摩擦熱は、順次供給
される潤滑油に放散されるので、案内ピストン１
２の軸受部の冷却効果を高めることができる。さ
らに、クランク室７５と圧縮室２０間の背面室２
１内は、案内ピストン１２の油かきリング７９に
よつて常にクリーンに保たれているため、背面室
２１内の冷媒ガスが油に汚染されず、これによつ
て、油による冷媒ガスの汚れが防がれ、熱交換器
４４の内部や蓄冷材の汚れ、伝熱性能の低下、お
よび圧力損失の増大を招くことがなくなり、冷凍
性能の向上が図られる。

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。

さらにまた、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３
０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。

（考案の効果） 以上説明したように、この考案によれば、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。

また、圧縮ピストンと胴部との間に案内ピスト
ンを介在し、案内ピストンのローラと胴部との接
触面に潤滑油を供給したので、摩擦による部品の
消耗を防止することができる。これによつて、信
頼性が高まるとともに、軸受部の寿命が長く保た
れる。さらに、摩擦力を小さくすることによつ
て、クランク軸の駆動トルクも小さくてすみ、装
置の大型化を防ぐことができる。さらに、圧縮ピ
ストンの背面室内は、室内ピストンの油かきリン
グにより常にクリーンに保たれているので、シリ
ンダ内の冷媒が潤滑油により汚染されず、これに
よつて、伝熱性能の低下を防止することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの考案に係る給油型スターリングサ
イクル冷凍機の縦断面図、第２図は第１図の−
線に沿つた断面である。 １……給油型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、１２……案内ピストン、１３
……連結棒、１６……ローラ、１７……圧縮ピス
トン、３０……カム部材、３２……カム溝、３３
……駆動体、３４……ロツド、３８ａ，３８ｂ…
…蓄冷器、４１……デイスプレーサ、２１，４２
……背面室、４４……熱交換器、４６ａ，４６ｂ
……膨張室、７０……潤滑油供給装置。

Claims (1)

1. 【実用新案登録請求の範囲】 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器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、冷媒を低温化させ
   る給油型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と、各圧縮ピストンと同軸
   方向に連結された案内ピストンとを放射状に配置
   し、駆動機で回転駆動されるクランク軸の偏心し
   た胴部の外周面に、上記案内ピストンに回転自在
   に設けられたローラを接触させて成るラジアル型
   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、 上記胴部と上記ローラとの接触面に、潤滑油を
   供給する潤滑油供給装置とを備えたことを特徴と
   する給油型スターリングサイクル冷凍機。