JPH0996455A

JPH0996455A - ガス圧縮・膨張機

Info

Publication number: JPH0996455A
Application number: JP27506495A
Authority: JP
Inventors: Yoshiaki Kurosawa; 美暁黒澤
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 1995-09-29
Filing date: 1995-09-29
Publication date: 1997-04-08

Abstract

(57)【要約】【課題】熱損失を防止して熱効率の良いガス圧縮・膨
張機を提供すること。【解決手段】内部が中空に形成されると共に中空のピ
ストンロッド８を介して駆動室３に連通するピストン５
の内部から前記ピストンロッド８内を経て駆動室３に連
通するガス流路の一部に蓄熱材２１または２２を配置し
た。これにより、ピストン５内部と駆動室３とを圧力的
には連通するが、温度的に遮断して、ピストン５の破損
を防止するとと共に、熱損失を防止することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、スターリング冷凍
機やスターリングエンジン、ヴィルミエルヒートポンプ
などのピストンがシリンダ内を往復動作することによ
り、シリンダ内に流入するガスを圧縮又は膨張させるガ
ス圧縮・膨張機に関する。

【０００２】

【従来の技術】この種のガス圧縮・膨張機においては、
ピストン駆動部の負荷及びピストン材料費の低減のた
め、ピストン内部を中空にしているものがある。しか
し、ピストン周囲の外部圧力はかなりの高圧になるの
で、その外部圧力に耐えられるようにピストン内部圧力
も高圧に保たないとピストンが変形もしくは破損してし
まう。だからといって、ピストン内部だけに高圧ガスを
封入することは組立作業上困難である。そこで従来は、
作業性を向上させるため、ピストンロッドを中空に形成
し、ピストン内部空間を駆動室と連通させて組立後外部
から駆動室に高圧ガスを封入することにより、ピストン
内部圧力をピストン周囲の外部圧力に見合った圧力に保
持するようにしていた。

【０００３】図５は、そのような駆動室に連通する中空
ピストン構造を有するガス圧縮・膨張機の構成例をスタ
ーリング冷凍機について示したもので、スターリング冷
凍機は、主として膨張機１、圧縮機２、駆動室３より構
成されている。その膨張機１は、膨張シリンダ４、その
シリンダ内を往復動作する膨張ピストン５からなり、同
様に圧縮機２は、圧縮シリンダ６、そのシリンダ内を往
復動作する圧縮ピストン７から成る。

【０００４】膨張ピストン５及び圧縮ピストン７は、そ
れぞれピストンロッド８、ピストンロッド９を介して駆
動室３内部に配置されるクランク機構１０に連結され、
９０゜の位相差を持って駆動される。

【０００５】膨張機１の膨張シリンダ４周囲と容器間に
は蓄熱器１１が配置され、この蓄熱器を介して膨張ピス
トン５前方に生じる膨張空間１２と圧縮ピストン７前方
に生じる圧縮空間１３との間はガス流路１４によって連
通され、冷凍サイクル時のガスの移動が行われる。一
方、膨張ピストン５及び圧縮ピストン７の背圧側空間は
ピストンの仕事量の損失を防ぐため、ガス流路１５によ
って連通されている。また、圧縮機２の容器外周面と膨
張機１の容器下部外周面には放熱フィン１６、１７が配
置形成されている。

【０００６】この構成で、図示省略する駆動モータの回
転によって駆動室３のクランク機構１０が駆動される
と、ガス圧縮機２の圧縮シリンダ６内の圧縮ピストン７
が圧縮空間１３側に移動して圧縮空間１３に充満するヘ
リウム等の液化しにくい冷媒ガスが圧縮される。

【０００７】圧縮された冷媒ガスは、ガス流路１４から
蓄熱器１１へ流入する。蓄熱器１１に流入した冷媒ガス
は、比熱の大きな材料、例えば、銅や鉛の金網状あるい
は球からなる蓄熱材によって冷却され、冷却された冷媒
ガスが膨張機１の膨張空間１２へ流入され高圧状態とな
る。

【０００８】その後、膨張機１の膨張シリンダ４内の膨
張ピストン５が圧縮ピストン７と約９０°の位相差を持
って降下する。これによって、膨張空間１２が急激に拡
張されて蓄熱器１１から膨張空間１２へ流入した高圧の
冷媒ガスが、急に膨張されて、冷媒ガスの圧力が急降下
することにより冷媒ガスが低温となる。

【０００９】やがて、膨張ピストン５が上昇を開始し、
圧縮ピストン７が後退すると、低温の冷媒ガスが、蓄熱
器１１を通り、ガス流路１４を経て圧縮空間１３へ戻さ
れる。このとき、蓄熱器１１では、蓄熱材が冷却されて
冷熱が蓄えられる。

【００１０】上記した工程によって、一つの熱サイクル
が終了し、この工程がクランク機構１０によって繰り返
されることにより、徐々に膨張空間１２である冷凍発生
部の温度と蓄熱器１１の温度が降下し、冷凍発生部の冷
媒ガスが低温になり、発生する冷熱を外部に取り出し利
用することができるようになる。

【００１１】ところで、膨張ピストン５及び圧縮ピスト
ン７は内部を中空にした方がクランク機構１０の負荷や
コスト、重量を軽減できる。この場合、ピストン外部の
圧力はかなりの高圧になるので、ピストン内部には高圧
のガスを封入する必要が生じる。しかし、予めピストン
内部だけに高圧ガスを封入することは組立作業上難し
い。このため、従来は、ピストンロッド８及び９内部に
中空のガス通路１８及び１９を設けて駆動室３内部と連
通させ、組立後に駆動室３内部に外部から高圧ガスを封
入することにより、ピストン５、７内部を高圧に保つよ
うにしていた。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来構成によると、駆動されたピストン５、７内部が対流
により常に駆動室３内部の温度に保持される。一方、ピ
ストン５、７の外部は先端部が例えばー２００℃の低温
にまた根元部が常温に維持されると共に、先端部から根
元部にかけて温度勾配が形成される。このため、特にピ
ストン先端部の低温が熱伝導あるいは対流により駆動室
３へと熱伝達され、膨張空間１２に生じる冷熱の熱損失
が大きくガス圧縮・膨張機としての熱効率が低下する問
題点があった。

【００１３】本発明は上記問題点を解決して、熱効率の
良いガス圧縮・膨張機を提供することを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の請求項１は、内部が中空に形成されると共
に中空のピストンロッドを介して駆動室に連通するピス
トンがシリンダ内を往復動作することにより、シリンダ
内に流入するガスを圧縮又は膨張させるガス圧縮・膨張
機において、少なくとも前記駆動室に連通する前記ピス
トン内部及び前記ピストンロッド内のガス流路の一部に
蓄熱材を配置したことを特徴とするものである。

【００１５】請求項２は、請求項１記載の蓄熱材を前記
ピストン内部に充満させたことを特徴とするものであ
る。

【００１６】請求項３は、内部が中空に形成されると共
に中空のピストンロッドを介して駆動室に連通するピス
トンがシリンダ内を往復動作することにより、シリンダ
内に流入するガスを圧縮又は膨張させるガス圧縮・膨張
機において、前記ピストンロッドから前記ピストン内部
中心部を通り先端部にかけて蓄熱材を配置すると共に、
その蓄熱材に嵌合してピストン内部を複数の空間に仕切
る仕切板を配置し、前記各空間を前記蓄熱材を介して連
通させたことを特徴とするものである。

【００１７】請求項４は、内部が中空に形成されると共
に中空のピストンロッドを介して駆動室に連通するピス
トンがシリンダ内を往復動作することにより、シリンダ
内に流入するガスを圧縮又は膨張させるガス圧縮・膨張
機において、蓄熱材を設けた仕切り板を用いて前記ピス
トン内部を複数の空間に仕切ると共に、前記各仕切り板
に設けた蓄熱材を介して前記各空間を連通させたことを
特徴とするものである。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態をスタ
ーリング冷凍機に適用した場合を例に取り、図面を参照
して説明する。

【００１９】図１は、本発明の実施の形態の一例に係わ
るスターリング冷凍機における膨張ピストン５の断面図
を示したもので、このピストン以外のスターリング冷凍
機としての構成は図５に示した構成と変わりがないた
め、図１にはピストン部分のみを示し他は図５を参照す
る。

【００２０】図１に示すように、本発明による膨張ピス
トン５は、ピストンロッド８の軸に沿って形成される中
空のガス通路１８の一部に蓄熱材２１を配設すると共
に、中空のピストン５内部のガス通路１８が開口する部
分に蓄熱材２２を配設した点に特徴を有する。これら蓄
熱材としては、例えばステンレスやセラミック、銅や鉛
等の金網状、針状あるいは球状のものが使用される。ま
た、駆動室３からガス通路１８を経てピストン５内部に
封入されるガスとしては、ヘリウムガスやアルゴンガス
等が使用可能である。

【００２１】このように、膨張ピストン５内部からピス
トンロッド８内部のガス通路１８を経て図５に示した駆
動室３内部に繋がるガス流路の一部に蓄熱材を設置する
ことにより、膨張ピストン５内部と駆動室３内部とを温
度的に遮断することができる。即ち、ピストンの往復運
動ないしは熱対流により、膨張ピストン５内部と駆動室
３内部間には、ガスの移動が生じるが、膨張空間１２に
発生する冷熱により冷却された膨張ピストン５内部のガ
スは蓄熱材２２、２１を通過する際に、その冷熱が蓄熱
材に蓄熱されて駆動室３への熱伝達が阻止される。一
方、駆動室３内の常温近くのガスが蓄熱材２１、２２を
通過する際には、温熱が蓄熱材に蓄熱され、つまり、冷
熱がガスに負荷されて膨張ピストン５への熱伝達が防止
される。この結果、膨張ピストン５内部のガスの温度は
ほぼピストン外周面の温度近くに保持されて、膨張空間
１２から膨張ピストン５への熱の移動が阻止される。こ
のような構成を圧縮ピストン７側にも採用することによ
り、熱損失の少ない、つまり、熱効率の良いスターリン
グ冷凍機が得られるようになる。

【００２２】図２は、本発明の実施の形態の他の例を示
したもので、この例の場合は、膨張ピストン５内部のみ
に蓄熱材２３を充満設置した点に特徴を有する。このよ
うに、膨張ピストン５内部全体に蓄熱材２３を充満させ
て配設した場合は、ピストン内周面側のガス温度が、外
周面の温度に近い温度に保持され、ピストン外部から内
部への熱の移動が効果的に阻止され、更に熱効率の良い
ガス圧縮・膨張機が得られる。即ち、前述したように、
膨張ピストン５の外周面は、ピストン先端部が最も低温
で、根元部は常温近くになり、先端部から根元部にかけ
て温度勾配が生じる。図１の構成の場合は膨張ピストン
５内部がほぼ一定の温度に保たれるため、ピストン外部
と内部とで多少温度差の大きい個所が生じ、そこで熱移
動が生じていた。しかし、図２の構成による場合は、蓄
熱材２３がピストン内部に充満されることにより、ピス
トン内周面近くのガス温度はそれぞれピストン外周面近
くの温度に維持され、ピストン内周面側にも外周面側に
比例した温度勾配ができ、ピストン外周面側から内周面
側への熱の移動が更に効率よく阻止される。この結果、
上記の例よりも更に熱効率の良いスターリング冷凍機が
得られる。

【００２３】図３は、本発明の実施の形態の別の例を示
したもので、この例の場合は、ピストンロッド８の中空
部であるガス通路１８から膨張ピストン５内部中心部を
通り先端部にかけて蓄熱材２４を配設すると共に、この
蓄熱材２４に嵌合して膨張ピストン５内部を複数の空間
２５部分に仕切る仕切板２６を配設した点に特徴を有す
る。

【００２４】膨張ピストン５をこのように構成した場
合、ガスは蓄熱材２４を介して膨張ピストン５内部の仕
切板２６で仕切られた各空間２５に出入りすることにな
り、各空間２５はそれぞれのピストン外部温度に近い温
度に一様に保たれる。

【００２５】従って、図３の構成による場合は、図２の
構成に比べて、蓄熱材の使用量を節約でき、重量を少な
くできると共に、ピストン内部温度が外部温度に近い温
度に維持されて、図１の構成による場合よりも熱移動の
少ないつまり熱効率の良いスターリング冷凍機が得られ
ることになる。

【００２６】図４は、本発明の実施の形態の更に別の例
を示したもので、この例の場合は、ピストンロッド８の
中空部であるガス通路１８に蓄熱材２７を配設すると共
に、開口部に蓄熱材２８を配設した仕切板２９により膨
張ピストン５内部を複数の空間３０部分に仕切るように
した点に特徴を有する。

【００２７】膨張ピストン５をこのように構成した場
合、ガスはピストンロッド８内部のガス通路１８に配設
された蓄熱材２７から膨張ピストン５内部の各仕切板２
６に設けられた各蓄熱材２８を介して各空間２５に出入
りすることになり、各空間２５内はそれぞれのピストン
外部温度に近い温度に一様に保たれる。

【００２８】従って、この図４の構成による場合は、図
３の構成に比べて、ピストン内部の蓄熱材２８は仕切板
２９のみに配置されるだけなので、さらに蓄熱材の使用
量を節約でき、図３同様の熱効率の良いスターリング冷
凍機が得られる。

【００２９】なお、上記に説明した実施の形態では本発
明をスターリング冷凍機に適用した例について説明した
が、本発明はこれに限らず、スターリングエンジンやヴ
ィルミエルヒートポンプ等のガス圧縮・膨張機に適用で
きることは言うまでもない。

【００３０】

【発明の効果】本発明の請求項１の構成によれば、ピス
トン内部と駆動室とが圧力的には連通しているが、温度
的に遮断され、熱損失を防止して熱効率の良いガス圧縮
・膨張機が得られる。

【００３１】本発明の請求項２の構成によれば、ピスト
ン全体にわたって内周面と外周面の温度差が少なくな
り、請求項１の構成よりも更に効果的に熱損失を防止し
て更に熱効率の良いガス圧縮・膨張機が得られる。

【００３２】本発明の請求項３の構成によれば、仕切板
で仕切られた空間毎にピストン外周面側温度近くに維持
され、請求項１の構成よりも効果的に熱損失を防止する
ことができると共に、蓄熱材の使用量を抑えて、経済的
にして熱効率の良いガス圧縮・膨張機が得られる。

【００３３】本発明の請求項４の構成によれば、請求項
３の構成よりも更に蓄熱材の使用量を削減して、より経
済的にして熱効率の良いガス圧縮・膨張機が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態の第１例を示すピストンの
断面構成図。

【図２】本発明の実施の形態の第２例を示すピストンの
断面構成図。

【図３】本発明の実施の形態の第３例を示すピストンの
断面構成図。

【図４】本発明の実施の形態の第４例を示すピストンの
断面構成図。

【図５】従来のスターリング冷凍機の断面構成図。

【符号の説明】

５ピストン８ピストンロッド１８ガス通路２１、２２、２３、２４、２７、２８蓄熱材２６、２９仕切板２５、３０空間

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】内部が中空に形成されると共に中空のピ
ストンロッドを介して駆動室に連通するピストンがシリ
ンダ内を往復動作することにより、シリンダ内に流入す
るガスを圧縮又は膨張させるガス圧縮・膨張機におい
て、少なくとも前記駆動室に連通する前記ピストン内部及び
前記ピストンロッド内のガス流路の一部に蓄熱材を配置
したことを特徴とするガス圧縮・膨張機。
【請求項２】前記蓄熱材を前記ピストン内部に充満さ
せたことを特徴とする請求項１記載のガス圧縮・膨張
機。
【請求項３】内部が中空に形成されると共に中空のピ
ストンロッドを介して駆動室に連通するピストンがシリ
ンダ内を往復動作することにより、シリンダ内に流入す
るガスを圧縮又は膨張させるガス圧縮・膨張機におい
て、前記ピストンロッドから前記ピストン内部中心部を通り
先端部にかけて蓄熱材を配置すると共に、その蓄熱材に
嵌合してピストン内部を複数の空間に仕切る仕切板を配
置し、前記各空間を前記蓄熱材を介して連通させたこと
を特徴とするガス圧縮・膨張機。
【請求項４】内部が中空に形成されると共に中空のピ
ストンロッドを介して駆動室に連通するピストンがシリ
ンダ内を往復動作することにより、シリンダ内に流入す
るガスを圧縮又は膨張させるガス圧縮・膨張機におい
て、蓄熱材を設けた仕切り板を用いて前記ピストン内部を複
数の空間に仕切ると共に、前記各仕切り板に設けた蓄熱
材を介して前記各空間を連通させたことを特徴とするガ
ス圧縮・膨張機。