JP2002098433A - スターリング冷凍機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 スターリング冷凍機の作動ガスの充填
時に、クランク室と作動空間の間の圧力差の発生を防止
し、オイルシール用ベローズの劣化、破壊を防止する。 【解決手段】 クランク室２６と、圧縮シリンダ４５
及び膨張シリンダ４６の間に、夫々オイルシール用ベロ
ーズ５３、５８を設けるとともに、圧縮ピストン４８及
び膨張ピストン５５の背面側の空間（作動空間）６９、
７０と、ハウジング２３内の空間との間に、バッファタ
ンク５９を設けて、ハウジング内の圧力上昇及び空間６
９、７０の圧力変動を吸収するとともに、作動ガスの充
填、排出の際に生じ易いクランク室２６と作動空間６
９、７０の圧力差を防止する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、食品流通、環境試
験、医療、バイオ産業、半導体製造等の産業用、あるい
は家庭用機器等のあるゆる産業分野の冷凍、冷却に使用
できるスターリング冷凍機等のスターリング冷凍機に関
し、特にスターリング冷凍機の作動ガスの充填・排出装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、地球環境問題におけるフロン代替
の冷凍装置として、又従来の冷却装置より使用温度が広
範囲で、従って、冷凍庫、冷蔵庫、投げ込み式クーラー
等の業務用又は家庭用の冷熱利用機器をはじめとして、
低温液循環器、低温恒温器、恒温槽、ヒートショック試
験装置、凍結乾燥機、温度特性試験装置、血液・細胞保
存装置、コールドクーラ、その他各種の冷熱装置等のあ
らゆる産業分野の冷熱利用機器に適用可能な、コンパク
トで、しかも成績係数が高く、エネルギー効率が良好と
なる冷凍機として、スターリング冷凍機が脚光を浴びて
いる。

【０００３】図１は、スターリング冷凍機１の全体概略
図を示すものであり、ハウジング２内において、モータ
３により動作するクランクシャフト４のクランク部５、
６に夫々クロスガイドヘッド７、８を介して圧縮ピスト
ンロッド９と膨張ピストンロッド１０が連結されてい
る。これらの圧縮ピストンロッド９と膨張ピストンロッ
ド１０を介して、圧縮ピストン１１と膨張ピストン１２
が位相差をもって夫々圧縮シリンダ１３と膨張シリンダ
１４内を往復動し、これによって作動ガスの圧縮と膨張
を行い、圧縮シリンダ１３の高温室（圧縮室）１５と膨
張シリンダ１４の低温室（膨張室）１６との間に再生器
１７を介して配設された放熱用熱交換器（高温側熱交換
器）１８と冷却用熱交換器（低温側熱交換器）１９とに
より、夫々放熱用冷媒及び冷熱冷媒と、作動ガスとの熱
交換が行われる。

【０００４】ところで、ピストンロッド９、１０に沿っ
てクランク室から油やオイルミストが上昇する、いわゆ
る油上がりという問題がある。この油上がりは、油やオ
イルミストが圧縮シリンダや膨張シリンダに入るとその
内面に付着し、又熱により炭化してスターリング冷凍機
の性能及び耐久性を著しく低減させる。この油上がりの
問題を解決するために、従来、圧縮ピストンロッド９と
膨張ピストンロッド１０は、オイルシール２０、２１に
よりシールされている。

【０００５】このオイルシールについては、構造及び材
料面でいろいろな開発が行われているが、必ずしもシー
ル性能、耐久性において十分とはいえず、又ロールソッ
クスタイプのシールシステムも提案されているが、耐久
性において十分とはいえない現況である。

【０００６】又、スターリング冷凍機が運転していると
クランク室２６は、温度が上昇してその内部圧力は上昇
する。このクランク室の圧力上昇は、上記オイルシール
に機械的に負担をかけ劣化の原因となり、その圧力によ
り上記油上がりを助長し、性能上も悪影響を与えるとい
う問題があった。又、圧縮ピストン及び膨張ピストンの
往復動により、その背面側に圧力変動が生じ、オイルシ
ールへ悪影響を生じるという問題もあった。

【０００７】本発明者らは、上記スターリング冷凍機特
有の諸問題を解決することを目的とし、油上がりを防止
し、かつ長寿命なピストンロッドのオイルシール用ベロ
ーズを装着し、さらに、このオイルシール用ベローズの
劣化、破壊の原因となっている、クランク室と、圧縮ピ
ストン及び膨張ピストンの背面側空間（この空間を本明
細書では「作動空間」という。）との間で圧力差や圧力
変動を吸収するバッファタンクとを備えたスターリング
冷凍機を開発し、すでに出願をしている（特願平１０−
３６５３７１号参照。）。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、スター
リング冷凍機において、クランク室と作動空間とが互い
に均等の圧力となるような構成を採用していても、作動
ガスを外部から供給して封入する際、あるいは作動ガス
を排出する際に、その注入又は排出の仕方によっては圧
力差が生じてしまう。このような作動ガスの充填、排出
の際に圧力差を発生させてしまうと、上記のようなバッ
ファタンクを設けて圧力調整をしても十分な効果が生じ
ない。

【０００９】本発明は、このような従来の問題を解決す
ることを目的とするものであり、その具体的な課題は、
オイルシール用ベローズを備えたスターリング冷凍機に
おいて、作動ガスの充填及び排出の際に生じやすい、ク
ランク室と作動空間との間における圧力差を防止し、オ
イルシール用ベローズの劣化、破壊が生じないようにし
て、油上がりを防止するとともにオイルシール用ベロー
ズの寿命を伸ばし、スターリング冷凍機の性能及び耐久
性の向上を図ることである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を解決
するために、クランク室を有するハウジングと、上記ク
ランク室の上方に配置された圧縮シリンダ及び膨張シリ
ンダと、上記圧縮シリンダ及び膨張シリンダ内を往復動
し、作動ガスを圧縮及び膨張する圧縮ピストン及び膨張
ピストンと、上記クランク室内のクランクと連動し、上
記圧縮ピストン及び膨張ピストンに一端が連結された圧
縮ピストンロッド及び膨張ピストンロッドと、上記圧縮
ピストンロッド及び膨張ピストンロッドが夫々貫通する
上記クランク室頂部の開口部に夫々配設されたオイルシ
ールとを備えて成るスターリング冷凍機において、上記
オイルシールは、夫々その基端が上記開口の周縁に固着
され、その先端が上記圧縮ピストンロッド及び膨張ピス
トンロッドに固定されたオイルシール用ベローズから成
り、上記クランク室と、上記圧縮作動シリンダ及び膨張
シリンダにおける上記圧縮ピストン及び膨張ピストンの
背面側の作動空間に、作動ガスを充填又は排出する作動
ガス充填・排出装置を、上記クランク室と上記作動空間
に、夫々連通するように配設して成ることを特徴とする
スターリング冷凍機を提供する。

【００１１】上記ハウジングと上記作動空間との間に、
上記作動空間内の圧力変動及び上記ハウジング内の圧力
上昇を吸収するためのバッファタンクを設けた構成とし
てもよい。そして、このバッファタンクは、その内部
に、圧力調整用ベローズが配設されている構成としても
よい。

【００１２】上記作動ガス充填・排出装置は、上記クラ
ンク室及び上記作動空間の夫々に対して、接続管、充填
管及び排気管を備えており、上記クランク室の充填管と
上記作動空間の充填管は充填管路に合流して作動ガス供
給源に接続され、上記クランク室の排気管と上記作動空
間の排気管は排気管路に合流してガス排気口に接続さ
れ、上記充填管路及び上記排気管路には夫々絞りが配設
されている構成のものが利用される。

【００１３】さらに、本発明は上記課題を解決するため
に、スターリング冷凍機に作動ガスを充填し、排出する
ための作動ガス充填・排出ガス回路を有する可搬式のス
ターリング冷凍機用作動ガス充填・排出装置であって、
上記作動ガス充填・排出ガス回路は、スターリング冷凍
機のクランク室並びに、圧縮シリンダ及び膨張シリンダ
の圧縮ピストン及び膨張ピストンの背面側の作動空間の
夫々に対して接続される、圧力センサ付き接続管並びに
電磁弁を有する充填管及び排気管を備えており、上記ク
ランク室の充填管と上記作動空間の充填管は、合流して
充填管路に接続されて作動ガス供給源に連通し、上記ク
ランク室の排気管と上記作動空間の排気管は、合流して
排気管路に接続され排気口に連通し、上記充填管路及び
上記排気管路は、夫々絞りを有し、上記クランク室の排
気管は、オイルミストセパレータ及びフィルタを順次配
設して成ることを特徴とするスターリング冷凍機用作動
ガス充填・排出装置を提供する。

【００１４】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態をスターリン
グ冷凍機に関する実施例に基づき図面を参照して以下に
説明する。図２は本発明に係るスターリング冷凍機の実
施例を示す図である。実施例のスターリング冷凍機２２
は、油上がり防止のためにオイルシール用ベローズを設
けるとともに、クランク室と連通する圧力調整用ベロー
ズ付きバッファタンクを設け、オイルシール用ベローズ
に対する、クランク室の温度上昇に起因するハウジング
内空間の圧力上昇並びに圧縮ピストン及び膨張するピス
トンの背面側の空間の圧力変動を吸収する構成を採用し
ている。

【００１５】これを詳細に説明すると、図２において、
スターリング冷凍機２２のハウジング２３は、鋳物で形
成され、ハウジング２３内は、区画壁２４によってモー
タ室２５とクランク室２６とに区画され、このモータ室
２５には正逆回転可能なモータ２７が、クランク室２６
には、モータ２７の回転動作を往復動に変換する回転往
復変換機構部２８が夫々配設されている。モータ室２５
及びクランク室２６は、夫々蓋２９、３０で閉止されて
いる。

【００１６】ハウジング２３内には、区画壁２４を貫通
し、軸受３１、３２に軸支されたクランクシャフト３４
が回転可能に配置されている。モータ２７は、ステータ
３５とロータ３６とから構成され、このロータ３６に固
定されたモータの出力軸３３にクランクシャフト３４が
結合されている。

【００１７】回転往復変換機構部２８は、クランク室２
６内に延びたクランクシャフト３４のクランク部３７、
３８と、このクランク部３７、３８に連結されたコンロ
ッド３９、４０と、このコンロッドの先端に取り付けら
れたクロスガイドヘッド４１、４２とで構成され、スタ
ーリング冷凍機２２の駆動伝達手段として機能してい
る。

【００１８】クロスガイドヘッド４１、４２は、ハウジ
ング２３のシリンダの内壁に設けられたクロスガイドラ
イナ４３、４４内を往復動可能に配置されている。クラ
ンク部３７、３８は、モータ２７の正転時にクランク３
８がクランク３７より先行して移動するように、位相差
を付けて形成されている。この位相差は、一般的には約
９０度の位相差が採用される。

【００１９】スターリング冷凍機２２のハウジング２３
のクランク室２６の上部には、圧縮シリンダ４５と膨張
シリンダ４６とが配設されている。圧縮シリンダ４５と
膨張シリンダ４６並びにハウジング２３内には、作動ガ
スとして、例えば、ヘリウム、水素、窒素等が封入され
ている。

【００２０】圧縮シリンダ４５は、ハウジング２３にボ
ルト等によって固定される圧縮シリンダブロック４７を
有し、この圧縮シリンダブロック４７の空間内をピスト
ンリングの付設された圧縮ピストン４８が往復動して、
この空間の上部が高温室（圧縮空間）４９であり、この
中の作動ガスは圧縮されて高温となる。

【００２１】圧縮ピストンロッド５０は、一端が圧縮ピ
ストン４８に固定し、他端がクロスガイドヘッド４１に
回動自在に連結されている。ハウジング２３の上部の開
口５１を封止するように、オイルシール用ベローズ５３
の上端が圧縮ピストンロッド５０に固着され、その下端
が開口５１の周縁部に固着されている。

【００２２】これにより、圧縮シリンダ４５とハウジン
グ２３のクランク室２６が完全に封止され、クランク室
２６からオイルが圧縮シリンダ４５内に入ることが完全
に防止される。オイルシール用ベローズ５３は、金属材
料をプレス加工により一体成形した金属成形ベローズ又
は溶接により組み立てた金属溶接ベローズが使用され
る。

【００２３】往復動する圧縮ピストン４８は上死点及び
下死点で摺動方向が反転するため、速度がゼロになり、
上死点及び下死点付近では速度が遅く単位時間当たりの
容積の変化量も小さく、下死点から上死点及び上死点か
ら下死点に向かって移動するときの夫々の中間点で最高
速度になり、単位時間当たりのピストンの移動による容
積の変化量も最大となる。

【００２４】一方、膨張シリンダ４６は、圧縮シリンダ
４５の若干上方に位置して、ボルト等によってハウジン
グ２３及び圧縮シリンダブロック４７に固定される膨張
シリンダブロック５４を有し、この膨張シリンダブロッ
ク５４の空間内をピストンリングの付設された膨張ピス
トン５５が往復摺動して、この空間の上部が低温室（膨
張空間）５６であり、この中の作動ガスが膨張し低温と
なる。膨張ピストン５５は、圧縮ピストン４８より約９
０度の位相だけ先行して移動する。

【００２５】膨張ピストンロッド５７は、一端が膨張ピ
ストン５５に固定し、他端がクロスガイドヘッド４２に
回動自在に連結されている。ハウジング２３の上部開口
５２を封止するように、オイルシール用ベローズ５８の
上端が膨張ピストンロッド５７に固着され、オイルシー
ル用ベローズ５８の下端がハウジング２３の開口５２周
縁部に固着されている。

【００２６】これにより、膨張シリンダ４６とクランク
室２６が完全に封止され、クランク室２６から膨張ピス
トンロッド５７に沿って膨張シリンダ４６内に入ること
が完全に防止される。オイルシール用ベローズ５８は、
圧縮シリンダ用と同様の金属成形ベローズ又は金属溶接
が使用される。

【００２７】スターリング冷凍機２２には、バッファタ
ンク５９が配設されており、バッファタンク５９内に
は、その軸方向に伸縮する圧力調整用ベローズ６１が配
設されている。この圧力調整用ベローズ６１により、バ
ッファタンク５９が、圧力調整用ベローズ６１の開口側
の室６３と圧力調整用ベローズ６１の閉止壁側に室６５
に区画されている。

【００２８】圧力調整用ベローズ６１の開口側の室６３
は、管６７により、圧縮シリンダの圧縮ピストン４８の
背面側の空間６９と連通している。そして、室６９と膨
張シリンダの膨張ピストン５５の背面側の空間７０との
隔壁に連通孔６９’を形成し、二つの空間６９、７０を
互いに連通している。

【００２９】圧力調整用ベローズ６１の閉止壁側の室６
５は、管７１によりハウジング２３のモータ室２５及び
クランク室２６と連通している（この点、モータ室２５
とクランク室２６は互いに区画壁２４により仕切られて
いるが、互いに気密状態に仕切られているのではなく、
連通状態であるから、本明細書では、ハウジング２３内
の空間と連通しているという表現とする。）。これらの
圧力調整用ベローズ６１は、オイルシール用ベローズ５
３、５８同様に金属成形ベローズ、金属溶接ベローズ又
は樹脂やゴム製のベローズが使用される。

【００３０】膨張シリンダブロック５４には、圧縮シリ
ンダ４５の高温室（圧縮空間）４９と連通する環状のマ
ニホールド７３が設けられており、さらに放熱用熱交換
器７４、再生器７５及び冷却用熱交換器７６が互いに順
次連通して環状に配設されている。圧縮シリンダブロッ
ク４５の上端部近くには、連通孔７７が形成されてお
り、これにより、高温室（圧縮空間）４９と低温室（膨
張空間）５６は、連通孔７７、マニホールド７３、放熱
用熱交換器７４、再生器７５及び冷却用熱交換器７６を
介して互いに順次連通するように構成されている。

【００３１】放熱用熱交換器７４は、アニュラータイプ
の熱交換器、例えば、シェルアンドチューブ式熱交換器
（環状の熱交換室内に作動ガスを流す多数のチューブを
軸方向に貫設して、冷却用の水を熱交換室内に流して作
動ガスを冷却する熱交換器。）等が採用される。

【００３２】放熱用熱交換器７４は、冷却水循環管路７
８及び冷却水用ポンプＰ１を介して放熱器７９と接続し
ており、冷却水を循環している。放熱用熱交換器７４で
熱交換され加熱された冷却水は放熱器７９の冷却ファン
８０により冷却される。冷却水循環管路７８は、リザー
ババルブ８１を介して、水用リザーバタンク８２が接続
されている。又、放熱器７９には、エアー抜き８３が接
続されていると共に、ドレーンバルブ８４が接続されて
いる。

【００３３】膨張シリンダブロック５４の上部（コール
ドヘッド８５）には、冷却用熱交換器７６が形成されて
いる。冷却用熱交換器７６は、内側に作動ガスの流路８
６を有し、外側に冷却フィンが形成されて構成される。
冷却用熱交換器７６は、その用途に応じていろいろな構
造が採用される。例えば、膨張シリンダブロック５４の
頂部に、ジャケット壁を設け、このジャケット壁内にエ
チルアルコール、ＨＦＥ、ＰＦＣ、ＰＦＧ、窒素、ヘリ
ウム等冷熱冷媒を流す構造としてもよい。

【００３４】本発明のスターリング冷凍機は、圧縮シリ
ンダ４５と膨張シリンダ４６の２ピストンとすることに
より、スターリング冷凍機の作動ガスの充填された空間
の容積変動を大きくすることによって、冷凍能力の大き
いスターリング冷凍機２２を提供できるようにしてい
る。

【００３５】ところで、本発明のスターリング冷凍機で
は、オイルシール用ベローズ５３、５８を採用し、さら
にバッファタンク５９を設けて、油上がりを防止し、又
クランク室２６（あるいはハウジング２３内）と空間６
９、７０（作動空間）との間の圧力差や圧力変動を吸収
して、圧力調整を自動的に行いオイルシール用ベローズ
５３、５８の劣化や破壊を防止し、スターリング冷凍機
の運転性能及び耐久性の向上を図っている。

【００３６】要するに、本発明のスターリング冷凍機で
は、クランク室２６と作動空間６９、７０とは互いに同
じ圧力となる構成を採用している。しかしながら、スタ
ーリング冷凍機の製作又はメインテナンスに際して、作
動ガスをクランク室２６と作動空間６９、７０内に外部
から供給して封入する際、あるいは作動ガスを外部に排
出する際に、その注入又は排出の仕方によっては、クラ
ンク室２６と作動空間６９、７０の間に圧力差が生じ易
い。このような充填、排出に起因する圧力差があると、
上記のようにバッファタンク５９を設けて圧力調整をし
ても、十分な効果が得られない。

【００３７】本発明に係るスターリング冷凍機では、作
動ガスの充填及び排出の際にクランク室２６と作動空間
６９、７０との間で圧力差が生じないようにするための
作動ガス充填・排出装置８７を設けた構成を特徴として
いる。ハウジング２３にはクランク室２６に連通するガ
ス栓８８が設けられ、膨張シリンダブロック５４には作
動空間６９、７０に連通するガス栓８９が設けられてい
る。

【００３８】図３は、この作動ガス充填・排出装置８７
のガス回路図を示す。作動ガス充填・排出装置８７は、
クランク室２６と作動空間６９、７０に作動ガスを充填
し又は排出させるために、先端にクイックコネクツ９
０、９１を夫々有するクランク接続管９２及び作動空間
接続管９３を備えている。作動ガス充填・排出装置８７
は、クイックコネクツ９０、９１をスターリング冷凍機
２２のガス栓８８、８９に取り付けることによりスター
リング冷凍機２２に装着する。

【００３９】クランク室接続管９２は、圧力センサ９４
が付設され、その先端はクランク室充填管９６とクラン
ク室排気管９７とに分岐されている。作動空間接続管９
３は、圧力センサ９５が付設され、その先端は作動空間
充填管９８と作動空間排気管９９とに分岐されている。
クランク室充填管９６と作動空間充填管９８は互いに充
填管路１００へ合流し絞り１０１を介してクイックコネ
クツ１０２で作動ガス供給源に接続される。クランク排
気管９７と作動排気管９９は、互いに排気管路１０３へ
合流し、絞り１０４、電磁弁１０５を介して排気口１０
６に接続されている。

【００４０】クランク室充填管９６及び作動空間充填管
９８には、夫々電磁弁１０７、１０８が設けられてい
る。クランク室排気管９７には、排気口１０６に向けて
電磁弁１０９、オイルミストセパレータ１１０及びフィ
ルタ１１１が順次設けられている。作動空間排気管９９
には、電磁弁１１２が設けられている。なお、このよう
な作動ガス充填・排出装置８７は、図示はしないが、圧
力センサ９４、９５の表示計、電磁弁開閉操作杆等を備
えた操作パネルを利用して、作動ガスの充填又は排出の
操作を行う。

【００４１】このような作動ガス充填・排出装置８７
は、スターリング冷凍機２２に付属的に設置してもよい
が、可搬式の独立した装置としてもよい。要するに、こ
の可搬式の作動ガス充填・排出装置８７は、スターリン
グ冷凍機２２のクランク室２６及び作動空間６９、７０
の夫々に対して、夫々圧力センサ９４、９５付き接続管
９２、９３、並びに夫々電磁弁１０７、１０８、１０
９、１１２を有する充填管９６、９８及び排気管９７、
９９を備えており、充填管路９６、９８は充填管路１０
０に合流して作動ガス供給源に接続され、排気管９７、
９９は排気管路１０３に合流してガス排気口１０６に接
続され、充填管路１００及び排気管路１０３には絞り１
０１、１０４が配設されている作動ガス充填・排出ガス
回路８７を有し、クランク室排気管にはオイルミストセ
パレータ１１０及びフィルタ１１１が付設されており、
キャスタ等で移動可能とした構成である。

【００４２】図４は、この作動ガス充填・排出装置８７
の別の実施例のガス回路図を示す。この図４のガス回路
は、図３のガス回路とほぼ構成が同じであるが、図４の
ガス回路では、充填管９６、９８及び排気管９７、９９
が、それぞれ独立して圧力センサ９４、９５及び９４、
９５を介して、スターリング冷凍機２２のそれぞれ対応
するクランク室２６及び作動空間（作動室）６９、７０
に接続されている。

【００４３】次に、本発明の上記実施例のスターリング
冷却装置の作用を説明する。モータ２７によってクラン
クシャフト３４が正方向に回転し、クランク室２６内の
クランク部３７、３８が互いに位相がずれて回転する。
このクランク部３７、３８に回動自在に連結されたコン
ロッド３９、４０を介してクロスガイドヘッド４１、４
２がクロスガイドライナ４３、４４を往復する。クロス
ガイドヘッド４１、４２の夫々に圧縮ピストンロッド５
０及び膨張ピストンロッド５７を介して連結された圧縮
ピストン４８及び膨張ピストン５５が、互いに位相差を
もって往復動する。

【００４４】膨張ピストン５５が約９０度先行して上死
点付近でゆっくりと移動中、圧縮ピストン４８は中間付
近を上死点に向かって急速に移動して作動ガスの圧縮動
作を行う。圧縮された作動ガスは、連通孔７７及びマニ
ホールド７３を通り放熱用熱交換器７４に流入する。放
熱用熱交換器７４内で冷却水に放熱した作動ガスは、再
生器７５で冷却され、流路８６を通って低温室（膨張空
間）５６内に流入する。

【００４５】圧縮ピストン４８が上死点近辺でゆっくり
と移動している時に膨張ピストン５５は急激に下死点に
向かって移動し低温室（膨張空間）５６に流入した作動
ガスは急激に膨張し冷熱が発生する。これにより膨張空
間を囲むコールドヘッド８５は冷却され低温となる。

【００４６】膨張ピストン５５が下死点から上死点に移
動するときには圧縮ピストン４８は中間位置から下死点
に向かっており、作動ガスは低温室（膨張空間）５６よ
り流路８６を通り再生器７５に流入し作動ガスの有する
冷熱を再生器７５に蓄熱する。再生器７５に蓄熱された
冷熱は、上記のように高温室４９から放熱用熱交換器７
４を通して送られてくる作動ガスを再度冷却するために
再利用される。

【００４７】コールドヘッド８５の冷熱は、冷凍庫、冷
蔵庫、投げ込み式クーラー、低温液循環器、各種の温度
特性試験用の低温恒温器、恒温槽、ヒートショック試験
装置、凍結乾燥機、コールドクーラ等の冷熱利用機器に
利用される。

【００４８】放熱用熱交換器７４で熱交換された冷却水
は、冷却水循環管路７８から放熱器７９に流れ、そこで
冷却ファン８０により冷却され、再度放熱用熱交換器７
４へと循環する。

【００４９】本発明では、圧縮ピストンロッド５０と開
口５１の間は、オイルシール用ベローズ５３により完全
に封止されているから、油やオイルミストがクランク室
２６から圧縮ピストンロッド５０に沿って上昇して圧縮
シリンダ４５内に入ることが完全に防止される。同様
に、膨張ピストンロッド５７との開口５２の間は、オイ
ルシール用ベローズ５８により完全に封止されているか
ら、油やオイルミストがクランク室２６から膨張ピスト
ンロッド５７に沿って上昇して膨張シリンダ４６内に入
ることが完全に防止される。

【００５０】ところで、ハウジング２３内の空間は、ス
ターリング冷凍機の運転時には温度上昇するが、この温
度上昇に伴いハウジング２３内の空間内の圧力は上昇す
る。又、圧縮ピストン４８及び膨張ピストン５５のピス
トンの背面側の空間６９、７０に圧力変動が生じる。こ
のハウジング２３内の空間内の圧力の上昇及び空間６
９、７０に圧力変動は、バッファタンク５９において吸
収される。特に、ハウジング２３内の空間の温度上昇に
よる上昇圧力は、圧力調整用ベローズ６１が配設されて
いると、管７１を介して室６５の圧力が上昇し、圧力調
整用ベローズ６１を収縮させて、これにより効果的に吸
収される。

【００５１】スターリング冷凍機２２のモータ２７を逆
回転する。すると、圧縮ピストン４８及び膨張ピストン
５５は、約９０度の位相差をもって上記モータ２７の正
転動作の場合と全く逆に、圧縮ピストン４８は膨張ピス
トン５５として作用し、膨張ピストン５５は圧縮ピスト
ン４８として作用する。これにより、膨張シリンダの膨
張空間内の作動ガスは膨張ピストン５５により圧縮さ
れ、熱を発生する。この逆回転は、スターリング冷凍機
により温度制御運転をする際あるいは、冷熱利用機器の
冷熱交換器に生じる霜の霜取りを行うときに利用され
る。

【００５２】この逆回転により膨張シリンダ４６も高温
となる、油上がりの油やオイルミストが加熱され炭化し
てシリンダ内に付着するいわゆる炭化の問題が生じる
が、上記オイルシール用ベローズ５８により油上がりは
完全に防止されるので、この炭化の問題は生じない。
（ｃ）に示す。

【００５３】本発明のスターリング冷凍機の製作又はメ
インテナンス等に際して、作動ガスをクランク室２６及
び作動空間６９、７０内に充填する場合は、クランク室
充填管９６及び作動空間充填管９８の電磁弁１０７、１
０８を夫々開いて、作動ガス供給源から作動ガスを充填
する。又、クランク室２６及び作動空間６９、７０から
作動ガスを排出する場合は、クランク室排気管９７、作
動空間排気管９９及び排気管路１０３の電磁弁１０９、
１１２、１０５を夫々開いて、作動ガスを排気口１０６
から排出する。

【００５４】ところで、クランク室２６と作動空間６
９、７０とでは、その内部構造は互いに異なるから、作
動ガスの充填又は排出の際に、互いに異なる流動抵抗に
基づく圧力損失が生じ、夫々の内部の圧力異なり差圧が
生じる。この圧力損失は、作動ガスを急激に充填又は排
出した場合に顕著に生じる。

【００５５】本発明に係る作動ガス充填・排出装置８７
のガス回路では、充填管路１００及び排気管路１０４に
夫々絞り１０１及び絞り１０４を設けたので、作動ガス
が絞られながら充填又は排出されていく。これにより、
作動ガスをクランク室２６及び作動空間６９、７０に充
填又は排出する際に生じ易い圧力損失を防止する。これ
によって、クランク室２６及び作動空間６９、７０の間
の圧力差の発生が防止できるから、この圧力差に起因す
るオイルシール用ベローズ５３、５８の劣化、破壊を防
止できる。

【００５６】そして、作動ガスをクランク室２６及び作
動空間６９、７０から作動ガスを排出する場合には、オ
イルミストセパレータ１１０においてオイルミストが除
去され、さらにフィルタ１１１によりオイル自体、オイ
ル中の夾雑物や汚染物等が除去されるから、排気口１０
６から作動ガスがクリーンな状態で排出することができ
る。

【００５７】又、クランク室接続管９２及び作動空間接
続管９３には、夫々圧力センサ９４、９５が付設されて
いるから、圧力センサ９４、９５で検出された圧力に基
づいて、充填又は排出作業を手動又は機械的に電磁弁を
操作しながら圧力調整を行うことができる。

【００５８】以上本発明の実施の形態を実施例に基づい
て具体的に説明したが、本発明は上記実施例に限られる
ことなく、上記特許請求の範囲に記載されている技術的
事項の範囲内でいろいろな実施例があることはい言うま
でもない。又、上記実施例では２ピストン型のスターリ
ング冷凍機について説明したが、本発明に係る作動ガス
充填・排出装置は、ディスプレーサ型等他の形式のスタ
ーリング冷凍機、その他のスターリング機器に適用でき
ることは言うまでもない。

【００５９】

【発明の効果】以上の構成の本発明のスターリング冷凍
機によると、ハウジングと、圧縮ピストンロッド及び膨
張ピストンロッドの間は、夫々オイルシール用ベローズ
で完全に封止されているので、油上がりコンタミネーシ
ョン（油上がり汚れ）を防止できる。

【００６０】そして、クランク室の温度上昇に伴う圧力
上昇を、圧力調整用ベローズ付き又は無しのバッファタ
ンクを設けることにより解消し、しかも作動ガスの充填
及び排出の際に生じやすいクランク室と作動空間との間
で差圧を、絞りを有する作動ガス充填・排出装置によっ
て、防止することで、オイルシール用ベローズの劣化や
破壊を防止し、スターリング冷凍機の性能及び耐久性の
向上を図ることができる。

【００６１】以上のスターリング冷凍機特有の問題が解
決できることにより、フロン以外の冷媒としてエチルア
ルコール、窒素、ヘリウム等の低融点の冷媒を作動ガス
として使用することができ、従来の冷却装置より使用温
度が広範囲となり、広範囲の用途の冷熱利用機器に適用
できるとともに、地球環境問題に適応した、冷凍能力の
大きい、モータの正逆運転により加熱冷却運転の可能な
冷凍装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来のスターリング冷凍機を説明する図であ
る。

【図２】本発明に係るスターリング冷凍機の実施例を示
す図である。

【図３】本発明に係るスターリング冷凍機の作動ガス充
填・排出装置のガス回路を示す図である。

【図４】本発明に係るスターリング冷凍機の作動ガス充
填・排出装置の別の実施例のガス回路を示す図である。

【符号の説明】

２２ スターリング冷凍機 ２３ ハウジング ２５ モータ室 ２６ クランク室 ２７ モータ ４５ 圧縮シリンダ ４６ 膨張シリンダ ４８ 圧縮ピストン ４９ 高温室 ５０ 圧縮ピストンロッド ５３、５８ オイルシール用ベローズ ５５ 膨張ピストン ５６ 低温室 ５７ 膨張ピストンロッド ５９ バッファタンク ６１ バッファタンクの圧力調整用ベローズ ６９、７０ 圧縮ピストン及び膨張ピストンの背面側
の空間（作動空間） ８７ 作動ガス充填・排出装置 ９２ クランク室接続管 ９３ 作動空間接続管 １００ 充填管路 １０１、１０４ 絞り １０３ 排気管路 １１０ オイルミストセパレータ １１１ フィルタ

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項1】 クランク室を有するハウジングと、 上記クランク室の上方に配置された圧縮シリンダ及び膨
   張シリンダと、 上記圧縮シリンダ及び膨張シリンダ内を往復動し、作動
   ガスを圧縮及び膨張する圧縮ピストン及び膨張ピストン
   と、 上記クランク室内のクランクと連動し、上記圧縮ピスト
   ン及び膨張ピストンに一端が連結された圧縮ピストンロ
   ッド及び膨張ピストンロッドと、 上記圧縮ピストンロッド及び膨張ピストンロッドが夫々
   貫通する上記クランク室頂部の開口部に夫々配設された
   オイルシールとを備えて成るスターリング冷凍機におい
   て、 上記オイルシールは、夫々その基端が上記開口の周縁に
   固着され、その先端が上記圧縮ピストンロッド及び膨張
   ピストンロッドに固定されたオイルシール用ベローズか
   ら成り、 上記クランク室と、上記圧縮作動シリンダ及び膨張シリ
   ンダにおける上記圧縮ピストン及び膨張ピストンの背面
   側の作動空間に、作動ガスを充填又は排出する作動ガス
   充填・排出装置を、上記クランク室と上記作動空間に、
   夫々連通するように配設して成ることを特徴とするスタ
   ーリング冷凍機。
2. 【請求項２】 上記ハウジングと上記作動空間との間
   に、上記作動空間内の圧力変動及び上記ハウジング内の
   圧力上昇を吸収するためのバッファタンクを設けたこと
   を特徴とする請求項１記載のスターリング冷凍機。
3. 【請求項３】 上記バッファタンクは、その内部に、
   圧力調整用ベローズが配設されていることを特徴とする
   請求項１又は２記載のスターリング冷凍機。
4. 【請求項４】 上記作動ガス充填・排出装置は、上記
   クランク室及び上記作動空間の夫々に対して、接続管、
   充填管及び排気管を備えており、上記クランク室の充填
   管と上記作動空間の充填管は充填管路に合流して作動ガ
   ス供給源に接続され、上記クランク室の排気管と上記作
   動空間の排気管は排気管路に合流してガス排気口に接続
   され、上記充填管路及び上記排気管路には夫々絞りが配
   設されていることを特徴とする請求項１、２又は３記載
   のスターリング冷凍機。
5. 【請求項５】 スターリング冷凍機に作動ガスを充填
   し、排出するための作動ガス充填・排出ガス回路を有す
   る可搬式のスターリング冷凍機用作動ガス充填・排出装
   置であって、 上記作動ガス充填・排出ガス回路は、スターリング冷凍
   機のクランク室並びに、圧縮シリンダ及び膨張シリンダ
   の圧縮ピストン及び膨張ピストンの背面側の作動空間の
   夫々に対して接続される、圧力センサ付き接続管並びに
   電磁弁を有する充填管及び排気管を備えており、 上記クランク室の充填管と上記作動空間の充填管は、合
   流して充填管路に接続されて作動ガス供給源に連通し、 上記クランク室の排気管と上記作動空間の排気管は、合
   流して排気管路に接続され排気口に連通し、 上記充填管路及び上記排気管路は、夫々絞りを有し、 上記クランク室の排気管は、オイルミストセパレータ及
   びフィルタを順次配設して成ることを特徴とするスター
   リング冷凍機用作動ガス充填・排出装置。