JPH08178444A

JPH08178444A - スターリング冷凍機

Info

Publication number: JPH08178444A
Application number: JP31818194A
Authority: JP
Inventors: Mitsuhiro Masuda; 光博増田; Takafumi Nakayama; 隆文中山; Itsuo Nakasaki; 五夫中崎; Kenji Taguchi; 賢治田口
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 1994-12-21
Filing date: 1994-12-21
Publication date: 1996-07-12

Abstract

(57)【要約】【目的】スターリング冷凍機１のクランク軸５の回転
を平滑に行ない、スターリング冷凍機１の動力源10の機
械的ロス及び摩擦によるロスを減少させることにより、
動力源10及びスターリング冷凍機１を小型化し、高効率
のスターリング冷凍機１を提供する。【構成】スターリング冷凍機１に、クランク軸５と共
に回転するカム４をクランク軸５に配備し、一端がクラ
ンクケース51の内壁に当接し、他端が、カム４に当って
カム４からバネ41に変位を伝える伝達板８に当接するバ
ネ41を具えており、該バネ(41)は、クランク軸５の負荷
トルクの変動成分と略同一の補正トルクをカム４に伝え
るバネ定数を有している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、スターリング冷凍機の
クランク軸の回転負荷を平滑化する機構に関するもので
ある。特に、クランク軸にかかる負荷トルクを低減し、
又クランク軸に潤滑油を円滑に循環する機構に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】冷媒ガスの膨張及び圧縮を利用して冷凍
を発生させる従来のスターリング冷凍機(１)の構成を以
下に示す。尚、以下の例では、２ピストン型のスターリ
ング冷凍機(１)について述べるが、単ピストン型或いは
３ピストン型以上についても同じである。図１１に示す
如く、スターリング冷凍機(１)は、ヘリウム、水素、窒
素等の冷媒ガスを、電動機、内燃機関等によって駆動さ
れるクランク軸(５)の回動により高温側ピストンを摺動
させ、該高温側ピストンにより冷媒ガスを高温室で圧縮
する。同様に低温側ピストン(31)もクランク軸(５)の回
動によって摺動し、低温側ピストン(31)により冷媒ガス
を低温室(３)で膨張させることによって冷凍を発生させ
る密閉型の冷凍発生システムである。

【０００３】高温室と低温室(３)は、シリンダ壁の上端
に開口した冷媒ガス流路により接続されており、クラン
クケース(51)内部において、低温側ピストン(31)が高温
側ピストンよりも90°位相が早くなるようにずらして、
夫々ピストンロッドを介してコネクティングロッド(25)
(35)によりクランク軸(５)に接続されている。

【０００４】図１１に示す如く、クランクケース(51)
は、クランク軸(５)の軸方向に対して垂直に立設された
壁(71)により、クランク部(７)と潤滑油供給部(70)とに
分けられている。壁(71)は、後述するクランク軸(５)を
貫通させて軸受けとなる軸受け孔(72)が開設されてい
る。又、クランクケース(51)の底部には、潤滑油(14)が
溜められており、潤滑油(14)がクランク部(７)と潤滑油
供給部(70)を移動できるように壁(71)の下部に開口(77)
を有している。潤滑油供給部(70)のクランクケース(51)
内壁には、上方に開口を有する油溜め(73)が配備されて
おり、該油溜め(73)と壁(71)との間には、クランク軸
(５)の先端を支持するため、潤滑用の貫通孔を有するク
ランク軸受け(74)が突設されている。

【０００５】クランク軸(５)は、一端がクランクケース
(51)の一側面に開設された軸孔(75)を貫通して、クラン
クケース(51)の外部にてモータ等の動力源(10)と連繋し
ている。又、クランク軸(5)の他端は、壁(71)の軸受け
孔(72)を貫通して、油溜め(73)に突設されたクランク軸
受け(74)に回動可能に連繋されている。クランク軸(５)
の軸芯には、潤滑油循環孔(52)が開設されている。クラ
ンク軸(５)が、クランクケース(51)の軸孔(75)、軸受け
孔(72)及びコネクティングロッド(25)(35)と夫々接触す
る部分において、潤滑油循環孔(52)からクランク軸(５)
の周面に向かって貫通小孔(53)が開設されており、クラ
ンク軸(５)の回転による自重及び遠心力作用にて、油溜
め(73)に溜められた潤滑油(14)が潤滑油循環孔(52)を通
って、各貫通小孔(53)から流出し、クランク軸(5)の回
転摺動部の摩擦を潤滑している。

【０００６】油溜め(73)に潤滑油(14)を供給するには、
オイルスプラッシャー(76)を用いた方法がある。オイル
スプラッシャー(76)は、潤滑油供給部(70)内に突き出た
クランク軸(５)に配備され、該クランク軸(５)と共にオ
イルスプラッシャー(76)を回転させて、クランクケース
(51)底部に溜められた潤滑油(14)を油溜め(73)に供給し
ている。

【０００７】スターリング冷凍機(１)の動作原理につい
ては、説明を省略するが、高温側ピストン及び低温側ピ
ストン(31)による圧縮及び膨張過程に於て、クランク軸
(５)にかかる負荷トルクは、以下の数１で示される。
尚、Ｌはピストンの負荷トルクのモーメントの腕長さ
を、Ａはピストンの断面積を、Ｐは冷媒ガス作動空間(1
2)の冷媒ガス圧力、即ち高温室及び低温室(３)の冷媒ガ
ス圧力を夫々示す。又、添字ｔは動力源(10)、添字ｃは
高温室側、添字ｅは低温室側を示す。

【０００８】

【数１】

【０００９】上記数１より、圧縮側のトルク変動Ｔｃ
は、Ａｃ(定数)とＰとＬｃとの積で示され、膨張側のト
ルク変動Ｔｅは、Ａｅ(定数)とＰとＬｅとの積で示され
る。又、実験により得られた結果を示す図１２から解る
ように、ＴｃとＴｅとの位相差は、４５°となり、夫々
のトルクの周期は、クランク軸(５)の回転周期の半分の
周期で大きく変動している。又、ＴｃとＴｅの合成トル
クＴｔは、ＴｃとＴｅとの和で示される。尚、θはクラ
ンク軸(５)の回転中心と低温室(３)のピストンロッドの
中心線とを結んだ仮想線分と、夫々のコネクティングロ
ッドとのなす角度であって、高温室がθ＝90°となる方
向を正とする。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】スターリング冷凍機
(１)を設計する際に、クランク軸(５)を回転駆動させる
動力源(10)の能力選定は、クランク軸(５)の最大負荷ト
ルクに合せて行なわれる。図１２から解るようにクラン
ク軸(５)にかかる合成トルクＴｔは、クランク軸(５)の
１周期の半分の周期で大きく変動しているから、動力源
(10)は、この最大負荷トルクに合せて行なわれる。その
ため、動力源(10)が大型化し、これに伴って、スターリ
ング冷凍機(１)が大型化している。又、クランク機構が
最大負荷トルクを必要とする部分は、１周期の中の短時
間だけであってそれ以外では、動力源(10)の出力が余っ
て、エネルギー損失及び機械的ロスが発生することもあ
る。

【００１１】発明者らは、スターリング冷凍機(１)のク
ランク軸にかかる合成トルクＴｔが、図１２に示す如
く、一定の周期にて変動することに着目し、バネを利用
してクランク軸にかかる最大負荷トルクを低減すること
により、動力源(10)が供給する負荷トルクの変動を小さ
くし、又、動力源(10)が供給する最大負荷トルクを下げ
ることによって、動力源(10)の小型化を図り、スターリ
ング冷凍機(１)を小型化出来ることを考案した。

【００１２】又、潤滑油(14)の供給を、従来用いられて
いるスプラッシャー(76)によって行なうと、油溜め(73)
をクランクケース(51)内部に形成する必要があるため、
クランクケース(51)が大型化した。

【００１３】本発明の目的は、スターリング冷凍機(１)
のクランク軸(５)の回転を平滑に行ない、スターリング
冷凍機(１)の動力源(10)の機械的ロス及び摩擦によるロ
スを減少させることにより、スターリング冷凍機(１)を
小型化し、高効率のスターリング冷凍機(１)を提供す
る。

【００１４】

【課題を解決する為の手段】本発明のスターリング冷凍
機、クランク軸(５)と共に回転するカム(４)をクランク
軸(５)に配備し、一端がクランクケース(51)の内壁に当
接し、他端が、カム(４)に当ってカム(４)の変位を伝え
る伝達板(８)に当接するバネ(41)を具えており、該バネ
(41)は、クランク軸(５)の負荷トルクの変動成分と略同
一の補正トルクをカム(４)に伝えるバネ定数を有してい
る。

【００１５】又、本発明のスターリング冷凍機は、クラ
ンク軸(５)の内部に潤滑油循環孔(52)が開設されている
スターリング冷凍機に、クランク軸(５)と共に回転する
カム(４)をクランク軸(５)に配備し、クランクケース(5
1)の内底面には、潤滑用シリンダ(42)を配備し、該潤滑
用シリンダ(42)にはバネ(41)によりカム(４)に当接する
方向に付勢される潤滑用ピストン(43)を配備し、潤滑用
シリンダ(42)の下方にはクランクケース(51)から潤滑用
シリンダ(42)への潤滑油(14)の流入のみを許容する逆止
弁Ａ(44)と、潤滑用シリンダ(42)からの潤滑油(14)の流
出のみを許容する逆止弁Ｂ(45)とを具えており、該逆止
弁Ｂ(45)にはクランク軸(５)の潤滑油循環孔(52)に接続
して逆止弁Ｂ(45)から流出する潤滑油(14)を潤滑油循環
孔(52)に供給する中空のチューブ(46)が連繋する。

【００１６】更に、本発明のスターリング冷凍機に於て
は、潤滑用ピストン(43)をカム(４)に当接する方向に付
勢するバネ(41)は、クランク軸(５)の負荷トルクの変動
成分と略同一の補正トルクをカム(４)に伝えるバネ定数
を有する。

【００１７】

【作用】動力源(10)の回転駆動により、クランク軸(５)
及び、該クランク軸(５)に配備されたカム(４)は回転駆
動を開始する。伝達板(８)は、常にバネ(41)によってカ
ム(４)に当接する向きに付勢されている。例えば、図４
の状態にあったカム(４)は、クランク軸(５)の回転によ
って、ピストン(21)は右行し、ピストン(31)は下死点に
あり、図１の状態に移行する。このとき、カム(４)によ
って伝達板(８)がクランク軸(５)から遠ざかる方向に押
し下げられて、バネ(41)は圧縮されてクランク軸(５)の
回転方向とは逆方向のバネ(41)による調整の負荷トルク
が発生する。図１の状態にあったカム(４)は、更に、ク
ランク軸(５)の回転によって、ピストン(21)は下死点に
あり、ピストン(31)は上行し、図２の状態に移る。この
とき、押し下げられていた伝達板(８)は、カム(４)との
接触面が伝達板(８)の左半面に移行すると、クランク軸
(５)の回転方向と同方向の加勢トルクが生じる。

【００１８】又、伝達板(８)に替えて、潤滑用シリンダ
(42)及び潤滑用ピストン(43)を用いても、カム(４)の回
転により、潤滑ピストン(43)が摺動し、クランク軸(５)
に前記伝達板(８)と同様の調整のトルクが伝達される。

【００１９】カム(４)の回転により、バネ(41)によって
付勢された潤滑用ピストン(43)がクランク軸(５)に近づ
く方向に移動すると、逆止弁Ａ(44)が開放し、クランク
ケース(51)の底部に溜められた潤滑油(14)が潤滑用シリ
ンダ(42)内に吸入される。又、潤滑用ピストン(43)が、
クランク軸(５)から遠ざかる方向に移動すると、逆止弁
Ａ(44)が閉止し、逆止弁Ｂ(45)が開放し、潤滑用シリン
ダ(42)内の潤滑油(14)がチューブ(46)へ流出する。再
度、潤滑用ピストン(43)がクランク軸(５)に近づく方向
に移動すると、逆止弁Ｂ(45)が閉止して、逆止弁Ａ(44)
が開放する。クランク軸(５)の回転により、上記動作が
反復される。

【００２０】

【発明の効果】クランク軸(５)に配備されたカム(４)に
バネ(41)の力が加わるため、図６に示されるクランク軸
(５)の負荷トルクの変動値が、バネ(41)による補正トル
クＴｂ(図６)によって平滑化されてＴｔ＋Ｔｂとなり、
図６に示す如く平均トルクＴｍの値に近づき一定化され
る。又、カム(４)によって、潤滑用ピストン(43)が上下
動し、潤滑油(14)をクランク軸(５)の潤滑油循環孔(52)
に安定して供給することが出来る。

【００２１】

【実施例】以下、本発明の一実施例につき、図面に沿っ
て詳述する。尚、以下の説明では、２ピストン型のスタ
ーリング冷凍機(１)に本発明を適用した場合について述
べ、まず、本発明の２ピストン型のスターリング冷凍機
(10)の構成について述べ、次に、動作原理の説明を行な
う。又、以下の説明では、伝達板(８)として潤滑用ピス
トン(43)を用いた例について示す。

【００２２】［構成］図１、図８及び図９に示す如く、
２ピストン型のスターリング冷凍機(１)は、高温側ピス
トン(21)を配備した高温室(２)と、低温側ピストン(31)
を配備した低温室(３)及びクランクケース(51)が、ケー
シング(13)によって包囲されており、高温室(２)と低温
室(３)は、夫々のピストン(21)(31)の移動方向が90°を
なすようにクランクケース(51)に接続されている。又、
高温室(２)と低温室(３)はガス流路(11)によって接続さ
れており、該ガス流路(11)の中ほどには、再生熱交換器
(15)が配備されている。以下、高温室(２)、低温室(３)
及びガス流路(11)から構成される空間を冷媒ガス作動空
間(12)とする。

【００２３】高温室(２)と低温室(３)のケーシング(13)
の外壁には夫々熱交換を行なうための熱交換器(図示せ
ず)が配備されている。ガス流路(11)と、各ピストン(2
1)(31)によって閉じられた高温室(２)と低温室(３)によ
って形成される密閉空間には、ヘリウムの冷媒ガスが略
２MPaの封入圧力で封入されている。図１に示す如く、
ピストン(21)(31)には、夫々Ｏリング(23)(33)が配備さ
れ、クランクケース(51)への冷媒ガスの流出を防止して
いる。クランクケース(51)内部において、低温側ピスト
ン(31)が高温側ピストン(21)よりも90°位相が早くなる
ようにずらして、夫々ピストンロッド(24)(34)を介して
コネクティングロッド(25)(35)により、後述するクラン
クピン(55)に接続されている。

【００２４】クランクケース(51)は、底部に円筒形の潤
滑用シリンダ(42)がクランク軸(５)の下方に位置するよ
うに配備されている。又、クランクケース(51)の底部に
は、潤滑油(14)が溜められている。

【００２５】潤滑用シリンダ(42)の下方には、クランク
ケース(51)から潤滑用シリンダ(42)への潤滑油(14)の流
入のみを許容する逆止弁Ａ(44)と、潤滑用シリンダ(42)
からクランクケース(51)への潤滑油(14)の排出のみを許
容する逆止弁Ｂ(45)が配備されている。又、潤滑用シリ
ンダ(42)の内面には、バネ止め(47)が突設されている。
逆止弁Ｂ(45)の流出口に、チューブ(46)の一端が連繋し
ており、該チューブ(46)の他端は、後述する潤滑油循環
孔(52)に接続されている。

【００２６】潤滑用シリンダ(42)には、潤滑用ピストン
(43)が摺動可能に嵌合されている。潤滑用ピストン(43)
は、略Ｔ字型であって、潤滑用ピストン(43)の上端面
は、後述するカム(４)との接触を円滑に行なうために、
カム(４)の回転方向に対し、カム(４)の長軸と略同等の
長さ(２Ｒ₁)を有している。

【００２７】潤滑用ピストン(43)の底面の中心には、図
９に示す如く、バネ定数がｋであるバネ(41)の一端が固
定されている。該バネ(41)の他端は、潤滑用シリンダ(4
2)の内部に突設されたバネ止め(47)に支持されている。
バネ(41)のバネ定数ｋは、以下で求められる数式によ
り、下記の数２を満たす場合に、スターリング冷凍機(1
0)の動力源(10)にかかるトルクを平滑化することが出来
る。尚、Ｔｔ₁は、高温ピストン(21)及び低温ピストン
(31)との合成トルクＴｔの最大値と、トルクＴｔの平均
値Ｔｍとの差である。

【００２８】

【数２】

【００２９】図８に示す如く、クランク軸(５)は、一端
がクランクケース(51)の一側面に開設された軸孔(75)を
貫通して、クランクケース(51)の外部にてモータ等の動
力源(10)と接続している。クランク軸(５)には、高温側
ピストン(21)及び低温側ピストン(31)のコネクティング
ロッド(25)(35)を駆動させるクランクピン(55)がクラン
クアーム(54)によって支持されている。又、クランク軸
(５)の他端は、クランクケース(51)に突設されたクラン
ク軸受け(74)に回動可能に連繋され、チューブ(46)に連
繋されている。クランク軸(５)の軸芯には、潤滑油循環
孔(52)が開設されている。クランク軸(５)が、クランク
ケース(51)の軸孔(75)及びコネクティングロッド(25)(3
5)と夫々接触する部分において、潤滑油循環孔(52)から
クランク軸(５)の周面に向かって貫通小孔(53)が開設さ
れている。チューブ(46)と潤滑油循環孔(52)が接続され
ているため、チューブ(46)に供給された潤滑油(14)が潤
滑油循環孔(52)を通って、各貫通小孔(53)から流出し、
クランク軸(５)との摩擦を低減している。

【００３０】図１、図８及び図９に示す如く、クランク
軸(５)には、山面と谷面を有するカム(４)が、山面を構
成する長軸がクランクピン(55)の突出方向から略45°回
転した方向にて固定されている。又、カム(４)は、潤滑
用シリンダ(42)の上方に来るように配備されている。潤
滑用ピストン(43)の上面は、常にバネ(41)によって上方
に付勢されてカム(４)と接触している。カム(４)の外周
形状は、図９に示す如く、カム(４)の山面が略半円形で
ある略矩形の形状であって、クランク軸(５)の中心から
カム(４)の山面の端面までの距離はＲ₁、谷面の端面ま
での距離をＲ₂とする。即ち、カム(４)の長軸の長さ
は、２Ｒ₁、短軸の長さは、２Ｒ₂である。

【００３１】高温室(２)と低温室(３)を接続する前記ガ
ス流路(11)中には、再生熱交換器(15)が配備される。再
生熱交換器(15)は、ステンレス鋼、銅、鉛等の直径略40
μm〜50μmの金属線を編み込んだ金属メッシュ(図示せ
ず)を、300〜400枚程度積層し、加圧後、焼結して形成
される。

【００３２】［動作原理］スターリング冷凍機(１)の動
作は、以下で説明する「等積工程１」「膨張工程」「等
積工程２」「圧縮工程」の順で行なわれ、「圧縮工程」
終了後、再度「等積工程１」に継続され、毎秒10〜20回
のサイクルで繰り返される。又、図７は、スターリング
冷凍機(１)の高温側ピストン(21)及び低温側ピストン(3
1)が夫々の上死点及び下死点間を移動する変位を示して
おり、図６は、高温側ピストン(21)及び低温側ピストン
(31)を夫々回転するために必要な動力源(10)の負荷トル
クＴｔ＋Ｔｂ及び高温側ピストン(21)と低温側ピストン
(31)の前記負荷トルクの合成トルクＴｔを示している。

【００３３】スターリング冷凍機(１)は、動力源(10)の
回転駆動により、クランク軸(５)が回転し、該クランク
軸(５)の回転により、クランク軸(５)に係合された高温
側ピストン(21)及び低温側ピストン(31)が往復運動を開
始する。尚、以下では、高温側ピストン(21)及び低温側
ピストン(31)の往復運動について、クランク軸(５)の方
向に近づく移動を「降下」、クランク軸(５)から遠ざか
る方向の移動を「上昇」と呼ぶ。

【００３４】［等積工程１］図２の位置から、クランク
軸(５)が回転して、上死点と下死点の中間の点(中点)に
あった高温側ピストン(21)は、上昇を続け、上死点にあ
った低温側ピストン(31)は降下を開始する。高温側ピス
トン(21)が上昇し、低温側ピストン(31)が降下をする
(図７の区間Ａ)ため、冷媒ガス作動空間(12)の容積に殆
ど変化がないままに、高温室(２)が縮小して、低温室
(３)が拡大する。従って、高温室(２)の冷媒ガスが、ガ
ス流路(11)及び再生熱交換器(15)を通って低温室(３)に
流れ込む。このとき、後述する圧縮工程にて高温室(２)
において、高温となった冷媒ガスは、再生熱交換器(15)
を通過することにより、再生熱交換器(15)に熱を奪われ
て、低温となって低温室(３)に流入する。クランク軸
(５)の回転によって、高温側ピストン(21)及び低温側ピ
ストン(31)は、図３の位置まで移行する。

【００３５】カム(４)は、図２及び図３に示す如く、潤
滑用ピストン(43)と山面で接触している位置から、谷面
で接触する位置まで移行する。バネ(41)がカム(４)を介
して、クランク軸(５)に伝達するトルク(以下「補正ト
ルクＴｂ」と呼ぶ)は、クランク軸(５)の回転角度によ
って、図６の如く変動する。又、このとき、潤滑用ピス
トン(43)は上昇するため、逆止弁Ａ(44)が開放して、ク
ランクケース(51)から潤滑用シリンダ(42)内に潤滑油(1
4)が流入する。

【００３６】図２の状態から、図３の状態に移行する為
に、動力源(10)に必要なトルクは、図６の区間Ａで示さ
れるトルクＴｔであるが、このトルクＴｔとバネ(41)の
補正トルクＴｂの合成トルクが、トルクＴｔの平均値Ｔ
ｍと略同一になるように補正されれば、動力源(10)にか
かる負荷トルクが略一定(Ｔｍ)となり、平滑化が行なわ
れる。このために必要なバネ(41)のバネ定数ｋは、以下
の数３から数１３によって求められる。

【００３７】まず、スターリング冷凍機(10)の動力源(1
0)のトルク変動を平滑化するための条件として、下記の
数３が挙げられる。

【００３８】

【数３】

【００３９】上記説明で用いた高温側ピストン(21)及び
低温側ピストン(31)を夫々摺動させるために必要なトル
クＴｔ、バネ(41)による補正トルクＴｂは、高温側ピス
トン(21)を摺動させるためのトルクをＴｃ、低温側ピス
トン(31)を摺動させるためのトルクをＴｅとすると、下
記の数４及び数５に示す通りとなる。尚、以下の数式に
於て、バネ(41)の伸びをＸ、潤滑用ピストン(43)の上面
がカム(４)と接触する点と、潤滑用ピストン(43)の軸芯
との距離をＬｂとし、Ｌはピストンの負荷トルクのモー
メントの腕長さを、Ａはピストンの断面積を、Ｐは冷媒
ガス作動空間(12)の冷媒ガス圧力、即ち高温室(２)、低
温室(３)の冷媒ガス圧力を夫々示し、又、Ｔｔはバネ(4
1)を配備していない場合に動力源(10)に必要となるトル
ク、添字ｃは高温室側、添字ｅは低温室側、添字ｂはバ
ネ(41)を示す。

【００４０】

【数４】

【００４１】

【数５】

【００４２】ここで、図９に示す如く、クランクアーム
(54)が潤滑用ピストン(43)の底面となす角度をθとする
と、カム(４)の長軸と潤滑用ピストン(43)とのなす角度
は、θ＋45°で表される。従って、カム(４)によって潤
滑用ピストン(43)の押し下げられる距離、即ちカム(４)
の長軸が潤滑用ピストン(43)の底面と平行となる位置か
らのバネ(41)の変位量Ｘは、下記の数６で表わされる。

【００４３】

【数６】

【００４４】又、潤滑用シリンダ(42)の軸芯から、カム
(４)と潤滑用シリンダ(42)との接触点までの距離Ｌｂ
は、下記の数７で表わされる。

【００４５】

【数７】

【００４６】前記数６及び数７とを数５に代入すると、
バネ(41)によるトルクＴｂは、下記の数８及び数９の通
りとなる。

【００４７】

【数８】

【００４８】同様に

【００４９】

【数９】

【００５０】−45°≦θ≦45°、135°≦θ≦225°のと
きは、補正トルクＴｂは、動力源(10)の回転方向に対し
て負荷となる働き(回転を妨げる向きの負荷)をし、45°
≦θ≦135°、135°≦θ≦315°のときは、補正トルク
Ｔｂは、動力源(10)の回転を加勢する働き(即ち、前述
の負荷と逆の向き)をする。従って、補正トルクＴｂ
は、図６及び下記の数１０で示される大きさのトルクを
合成トルクＴｔに対して常に加えていることとなる。

【００５１】

【数１０】

【００５２】ここで、図６の実験データＴｔのトルク変
動について、Ｔｔの平均値Ｔｍからの正方向の最大変位
をＴｔ₁とすると、ＴｔはＴｔ₁、平均値Ｔｍ及びθを用
いて、下記の数１１に近似することが出来る。

【００５３】

【数１１】

【００５４】ここで、数１０と数１１を数３に代入する
と、数１２の通りとなる。

【００５５】

【数１２】

【００５６】従って、数１２より、バネ(41)のバネ定数
ｋが下記の数１３を満たせば、上記実施例の如く、スタ
ーリング冷凍機(10)の動力源(10)の負荷トルクが平滑化
され、略Ｔｍとなる。

【００５７】

【数１３】

【００５８】上記数１３は、前記数２と一致する。従っ
て、動力源(10)にかかる負荷トルクが略一定(Ｔｍ)とな
り、平滑化を行なうことが出来る。

【００５９】［膨張工程］図３の位置から、クランク軸
(５)が更に回転することにより、高温側ピストン(21)
は、上死点に達して降下を開始し、低温側ピストン(31)
は、更に降下を続ける。即ち、高温側ピストン(21)及び
低温側ピストン(31)が共に降下をする(図７の区間Ｂ)た
めに、冷媒ガス作動空間(12)の容積が拡大し、低温室
(３)の冷媒ガスの圧力が低下して、冷媒ガスが低温とな
り、低温の冷凍が発生する。クランク軸(５)の回転によ
って、高温側ピストン(21)及び低温側ピストン(31)は、
図４の位置まで移行する。

【００６０】カム(４)は、図３及び図４に示す如く、潤
滑用ピストン(43)と谷面で接触している位置から、山面
で接触する位置まで移行する。バネ定数ｋ(数２を満た
す)のバネ(41)の補正トルクＴｂ(上記数３)は、クラン
ク軸(５)の回転角度によって、図６に示す如く変動す
る。又、このとき、潤滑用ピストン(43)は降下するた
め、前記等積工程１にて、潤滑用シリンダ(42)内に流入
した潤滑油(14)が逆止弁Ｂ(45)を開放して、チューブ(4
6)を介して、潤滑油循環孔(52)に供給される。

【００６１】図３の状態から、図４の状態に移行する為
に、動力源(10)に必要なトルクは、図６の区間Ｂ及び数
４で示されるトルクＴｔであるが、このトルクＴｔの平
均値Ｔｍからの変動分がバネ(41)の補正トルクＴｂによ
って、図６に示す如く修正されて、動力源(10)に必要な
トルクはＴｔ＋Ｔｂとなり、平均値Ｔｍに近づく。

【００６２】［等積工程２］図４の状態から、クランク
軸が更に回転することにより、高温側ピストン(21)は降
下を続け、低温側ピストン(31)は下死点に達して、再度
上昇を開始する。高温側ピストン(21)が降下し、低温側
ピストン(31)が降下をする(図７の区間Ｃ)ため、冷媒ガ
ス作動空間(12)の容積に殆ど変化がないままに、高温室
(２)が拡大して、低温室(３)が縮小する。従って、低温
室(３)の冷媒ガスが、ガス流路(11)及び再生熱交換器(1
5)を通って高温室(２)に流れ込む。このとき、低温室
(３)において、低温となった冷媒ガスは、再生熱交換器
(15)を通過することにより、再生熱交換器(15)から熱を
吸収して、高温となって高温室(２)に流入する。クラン
ク軸(５)の回転によって、高温側ピストン(21)及び低温
側ピストン(31)は、図１の位置まで移行する。

【００６３】カム(４)は、図４及び図１に示す如く、潤
滑用ピストン(43)と山面で接触している位置から、谷面
で接触する位置まで移行する。バネ(41)の補正トルクＴ
ｂは、クランク軸(５)の回転角度によって、図６に示す
如く変動する。又、このとき、潤滑用ピストン(43)は上
昇するため、逆止弁Ａ(44)が開放して、クランクケース
(51)から潤滑用シリンダ(42)内に潤滑油(14)が流入す
る。

【００６４】図４の状態から、図１の状態に移行する為
に、動力源(10)に必要なトルクは、図６の区間Ｃ及び数
４で示されるトルクＴｔであるが、このトルクの平均値
Ｔｍからの変動分がバネ(41)の補正トルクＴｂによっ
て、図６に示す如く修正されて、動力源(10)に必要なト
ルクは、Ｔｔ＋Ｔｂとなり、平均値Ｔｍに近づく。

【００６５】［圧縮工程］クランク軸(５)の回転によ
り、図１の位置(下死点)にある高温側ピストン(21)、及
び上死点と下死点の略中央の位置(中点)にある低温側ピ
ストン(31)は、共に上昇(図７の区間Ｄ)して、高温室
(２)及び低温室(３)の容積を減少させることにより、冷
媒ガス作動空間(12)の容積が減少して、冷媒ガスが圧縮
される。クランク軸(５)の回転によって、高温側ピスト
ン(21)及び低温側ピストン(31)は、図２の位置まで移行
する。

【００６６】カム(４)は、図１及び図２に示す如く、潤
滑用ピストン(43)と谷面で接触している位置から、山面
で接触する位置まで移行する。バネ(41)の補正トルクＴ
ｂは、クランク軸(５)の回転角度によって、図６に示す
如く変動する。又、このとき、潤滑用ピストン(43)は降
下するため、後述する等積工程２にて、潤滑用シリンダ
(42)内に流入した潤滑油(14)が逆止弁Ｂ(45)を開放し
て、チューブ(46)を介して、潤滑油循環孔(52)に供給さ
れる。

【００６７】図１の状態から、図２の状態に移行する為
に動力源(10)に必要なトルクは、図６のＤ間及び数４で
示されるトルクＴｔであるが、このトルクＴｔの平均値
Ｔｍからの変動分がバネ(41)の補正トルクＴｂによっ
て、図６に示す如く修正されて、動力源(10)に必要なト
ルクは、Ｔｔ＋Ｔｂとなり、平均値Ｔｍに近づく。圧縮
工程終了後、動作は等積工程１に継続される。

【００６８】上記の如く、２ピストン型のスターリング
冷凍機(１)の動力源(10)の負荷トルクは、上記及び図６
に示す如く、Ｔｔ＋Ｔｂとなり、平均負荷トルクＴｍと
略同等の値となる。

【００６９】図６から解るように、数２を満たすバネ定
数ｋを有するバネ(41)及びカム(４)を配備した本発明の
スターリング冷凍機により、動力源(10)の負荷トルクＴ
ｔ＋Ｔｂは、平均負荷トルクＴｍとほぼ等しい一定の値
となる。従って、スターリング冷凍機(１)の動力源を選
定する際に、平均負荷トルクＴｍを基準とすることが出
来るため、従来の最大負荷トルクによる動力源の選定に
より大型化していたスターリング冷凍機(１)の動力源を
小型化することが出来る。

【００７０】上記実施例の説明は、本発明を説明するた
めのものであって、特許請求の範囲に記載の発明を限定
し、或は範囲を減縮する様に解すべきではない。又、本
発明の各部構成は上記実施例に限らず、特許請求の範囲
に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能であることは
勿論である。

【００７１】例えば、図５に示す如く、潤滑油(14)は、
従来のスプラッシャー等により循環させて、バネ(41)に
よって付勢された伝達板(８)を用いて動力源(10)の負荷
トルクＴｔのみを平滑化させることも出来るし、バネ(4
1)を動力源(10)の負荷トルクＴｔの低減ではなく、単に
潤滑用ピストン(43)をカム(４)に付勢させて潤滑油(14)
を循環させる目的にのみ用いることも出来る。バネ(41)
は、複数本取り付けることも可能である。

【００７２】又、バネ(41)のバネ定数ｋは、上記数２を
満たすものが望ましいが、本発明の１つの目的は、バネ
(41)及びカム(４)をスターリング冷凍機(１)に配備する
ことにより、動力源(10)にかかる負荷トルクを低減する
ものであるため、配備されるバネ(41)のバネ定数ｋを限
定するものではない。

【００７３】更に、本発明は、２ピストン型のスターリ
ング冷凍機(１)のみに適用可能なのではなく、例えば、
図１０に示す如く、一方にピストン(９)及び他方にディ
スプレーサ(91)を配備した１ピストン１ディスプレーサ
型のスターリング冷凍機(１)等のピストンの数及びディ
スプレーサの数の異なったスターリング冷凍機にも適用
することが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】スターリング冷凍機の断面図であって、図８を
Ｘ−Ｘ線に沿って断面し矢印方向に視た要部の断面図で
ある。

【図２】スターリング冷凍機の断面図であって、図８を
Ｘ−Ｘ線に沿って断面し矢印方向に視た要部の断面図で
ある。

【図３】スターリング冷凍機の断面図であって、図８を
Ｘ−Ｘ線に沿って断面し矢印方向に視た要部の断面図で
ある。

【図４】スターリング冷凍機の断面図であって、図８を
Ｘ−Ｘ線に沿って断面し矢印方向に視た要部の断面図で
ある。

【図５】本発明のその他の実施例の断面図である。

【図６】スターリング冷凍機のトルクの変動を示すグラ
フである。

【図７】高温側ピストンと低温側ピストンの位相を示す
グラフである。

【図８】スターリング冷凍機の断面図である。

【図９】スターリング冷凍機のカム、潤滑用シリンダ及
び潤滑用ピストンの拡大断面図である。

【図１０】異なった型のスターリング冷凍機の断面図で
ある。

【図１１】従来のスターリング冷凍機の断面図である。

【図１２】従来のスターリング冷凍機のトルクの変動を
示すグラフである。

【符号の説明】

(１) スターリング冷凍機 (２) 高温室 (21) 高温側ピストン (３) 低温室 (31) 低温側ピストン (４) カム (41) バネ (42) 潤滑用シリンダ (43) 潤滑用ピストン (５) クランク軸

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者田口賢治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

【特許請求の範囲】

【請求項１】クランクケース(51)、高温室(２)及び低
温室(３)から構成され、高温室(２)及び低温室(３)にク
ランク軸(５)の回転駆動により摺動するピストン(21)(3
1)又はピストン及びディスプレーサを夫々配備してお
り、高温室(２)と低温室(３)がガス流路(11)によって連
繋されているスターリング冷凍機に於て、クランク軸
(５)と共に回転するカム(４)をクランク軸(５)に配備
し、一端がクランクケース(51)の内壁に当接し、他端
が、カム(４)に当ってカム(４)からバネ(41)に変位を伝
える伝達板(８)に当接するバネ(41)を具えており、該バ
ネ(41)は、クランク軸(５)の負荷トルクの変動成分と略
同一の補正トルクをカム(４)に伝えるバネ定数を有する
ことを特徴とするスターリング冷凍機。
【請求項２】クランクケース(51)、高温室(２)及び低
温室(３)から構成され、高温室(２)及び低温室(３)には
クランク軸(５)の回転駆動により摺動するピストン(21)
(22)又はピストン及びディスプレーサを夫々配備してお
り、高温室(２)と低温室(３)とがガス流路(11)によって
連繋されており、クランク軸(５)の内部には潤滑油(14)
を循環させる潤滑油循環孔(52)が開設されているスター
リング冷凍機に於て、クランク軸(５)と共に回転するカ
ム(４)をクランク軸(５)に配備し、クランクケース(51)
の内底面には、潤滑用シリンダ(42)を配備し、該潤滑用
シリンダ(42)にはバネ(41)によりカム(４)に当接する方
向に付勢される潤滑用ピストン(43)を配備し、潤滑用シ
リンダ(42)の下方にはクランクケース(51)から潤滑用シ
リンダ(42)への潤滑油(14)の流入のみを許容する逆止弁
Ａ(44)と、潤滑用シリンダ(42)からクランクケース(51)
への潤滑油(14)の流出のみを許容する逆止弁Ｂ(45)とを
具えており、該逆止弁Ｂ(45)にはクランク軸(５)の潤滑
油循環孔(52)に接続して逆止弁Ｂ(45)から流出する潤滑
油(14)を潤滑油循環孔(52)に供給する中空のチューブ(4
6)が連繋することを特徴とするスターリング冷凍機。
【請求項３】バネ(41)は、クランク軸(５)の負荷トル
クの変動成分と略同一の補正トルクをカム(４)に伝える
バネ定数を有することを特徴とする請求項２記載のスタ
ーリング冷凍機。