JP2002303463A - 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運転時あるいは
作動ガスの充填時に、クランク室とバッファ空間の間の
圧力差の発生を防止し、オイルシール用ベローズの劣
化、損傷を防止する。 【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（バッファ空間）６
９、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６９、７０の圧力変動を吸収するとともに、スターリ
ング冷凍機の長期間の運転や、作動ガスの充填、排出の
際に生じたクランク室２６とバッファ空間６９、７０の
圧力差を解消する。

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圧力を調整す
る装置に関する。

【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
ハウジング２のクランク室２’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、損傷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「バッファ空間」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（特開２０
００−１８６６１９参照。）。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、クラン
ク室の温度上昇によるクランク室とバッファ空間との間
の顕著な圧力差の発生したり、スターリング冷凍機を長
期間運転していると徐々に圧力差が増大してきたりす
る。又、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とバッファ空間内に外
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
ランク室とバッファ空間の間に圧力差が生じ易い。この
ような大きな圧力差があると、上記のようにバッファタ
ンクを設けて圧力調整を行っても、バッファタンク内の
調圧用ベローズの作用に限界がある（ベローズの変位量
から）ために十分な効果が得られない場合がある。

【０００９】本発明に係るスターリング冷凍機では、ク
ランク室とバッファ空間との間である程度以上の圧力差
が生じた場合に、圧力差を解消し、一般的なゴム製や樹
脂製のオイルシール又はオイルシール用ベローズの劣
化、損傷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
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
バッファ空間の間で圧力差が生じた場合に、該圧力差を
解消するための差圧バルブを有する作動ガス圧力調整装
置を上記クランク室と上記バッファ空間に、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】上記差圧バルブは、排気管に連通してお
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
背面側のバッファ空間の間で、いずれか高い圧力となっ
た側が開き該側から上記作動ガスが排気管へ流出して減
圧されることを特徴とする。

【００１２】上記差圧バルブは、上記作動ガスを充填し
た高圧リザーバタンクに連通しており、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バッファ空
間の間で、いずれか低い圧力となった側が開き該側に上
記高圧リザーバタンクから作動ガスが流入して加圧され
ることを特徴とする。

【００１３】上記差圧バルブは、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バッファ空間の夫
々に対応して上記作動ガスを充填した異なる高圧リザー
バタンクに連通しており、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バッファ空間の間で、い
ずれか低い圧力となった側が開き該側に、上記対応する
高圧リザーバタンクから作動ガスが流入して加圧される
ことを特徴とする。

【００１４】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バッファ空間の間
で圧力差が生じた場合に、該圧力差を解消するための作
動ガス圧力調整装置を上記クランク室と上記バッファ空
間に、夫々連通するように配設し、上記作動ガス圧力調
整装置は、バッファ空間と連通し第１の開閉弁を有する
第１の管、クランク室と連通し第２の開閉弁を有する第
２の管、第１及び第２の管が合流し第３の開閉弁を有す
る第３の管並びに該第３の管が連通する高圧タンクから
成ることを特徴とするスターリング冷凍機を提供する。

【００１５】上記オイルシールは、通常のオイルシー
ル、例えばゴムや樹脂製のリング状オイルシール等が利
用されるが、後述する実施例で示すように、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を利用してもよい。

【００１６】上記バッファ空間と上記クランク室との間
に、上記バッファ空間内の圧力変動及び上記クランク室
内の圧力上昇を吸収するためのバッファタンクを設け、
上記バッファタンクと上記バッファ空間を連通する管
と、上記バッファタンクと上記クランク室を連通する管
との間に上記作動ガス圧力調整装置が配設されているこ
とを特徴とする。

【００１７】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。

【００１８】さらに本発明は上記課題を解決するため
に、ベローズを有するバッファタンクを装着したスター
リング冷凍機において、そのベローズで仕切られたバッ
ファ空間側とクランク室側の２つの空間の容積をほぼ同
等に設定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。

【００１９】

【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
実施例に共通する構成を示す図である。この実施例のス
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（もちろん通常のゴムや樹脂製のリン
グ状のオイルシールでも良い。）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、クランク室の温度上昇に起因するバッファ
空間内空間の圧力上昇と圧縮ピストン及び膨張ピストン
の背面側の空間の圧力上昇との差圧を吸収する構成を採
用している。この時に夫々の空間の圧力変動も緩和され
る。

【００２０】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。

【００２１】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。

【００２２】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。

【００２３】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。

【００２４】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。

【００２５】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。

【００２６】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。

【００２７】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。

【００２８】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。

【００２９】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。

【００３０】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。

【００３１】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。

【００３２】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。

【００３３】圧力調整用ベローズ６１の開口側の室６３
は、管６７により、膨張シリンダの膨張ピストン５５の
背面側の空間７０と連通している。そして、空間７０と
膨張シリンダの圧縮ピストン４８の背面側の空間６９
は、その間の隔壁に形成された連通孔６９’を通して互
いに連通している。

【００３４】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。
この圧力調整用ベローズ６１は、オイルシール用ベロー
ズ５３、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。

【００３５】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。

【００３６】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。

【００３７】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。

【００３８】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。

【００３９】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
の容積変化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。

【００４０】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と空間６９、７０（バッファ空間）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の劣化や損傷を防止し、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。

【００４１】以上の構成から成る上記スターリング冷却
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、４２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５０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。

【００４２】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。

【００４３】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。

【００４４】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。

【００４５】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。

【００４６】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。

【００４７】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。

【００４８】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の圧力変動は、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。

【００４９】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。

【００５０】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。

【００５１】上記のとおり、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と空間６９、７０（バッファ空
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
や損傷を防止し、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。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とバッファ空間６９、
７０とは互いに同じ圧力となる構成を採用している。

【００５２】しかしながら、スターリング冷凍機を長期
間運転していると徐々に圧力差が増大してきたりする。
又、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とバッファ空間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とバッファ空間６９、７０の間
に圧力差が生じ易い。このような大きな圧力差がある
と、上記のようにバッファタンク５９を設けて圧力調整
を行って、十分な効果が得られない場合がある。

【００５３】本発明に係るスターリング冷凍機では、ク
ランク室２６とバッファ空間６９、７０との間である程
度以上の圧力差が生じた場合に、圧力差を解消する作動
ガス圧力調整装置８７を、バッファタンクと並列に設け
た構成を特徴としている。作動ガス圧力調整装置８７と
クランク室２６側の管６７とを連通するガス管８８が設
けられ、作動ガス圧力調整装置８７とバッファ空間６
９、７０側の管７１とを連通するガス管８９が設けられ
ている。図３〜６は、このスターリング冷凍機の実施例
１〜４を示すものであり、特に作動ガス圧力調整装置８
７の具体的な構成を説明する図である。

【００５４】（実施例１）図３は、実施例１を示し、こ
の実施例１の作動ガス圧力調整装置８７は、クランク室
２６とバッファ空間６９、７０との間である程度以上の
圧力差が生じた場合に、圧力の高い側の作動ガスを一部
抜いて減圧するものである。

【００５５】図３に示すように、作動ガス圧力調整装置
８７は、差圧バルブ９０を主要部として有しており、差
圧バルブ９０のケーシング９１の左右スペース９２、９
３にガス管８８、８９の一端が接続されている。このガ
ス管８８、８９の他端は、管６７、７１と夫々連通して
接続されている。ケーシング９１の中央スペースに出口
９４が形成され、開閉弁９５を介して排気管９６に接続
されている。

【００５６】この差圧バルブ９０は、ケーシング９１内
に、リングシール９７を介して摺動可能に弁体９８が設
けられている。弁体９８は、左右端にテーパ部９９が形
成され、ケーシング９１との間に介装された左右の圧縮
コイルばね１００により中心方向に付勢されて中心位置
に位置決めされている。

【００５７】例えば、バッファ空間６９、７０の圧力が
下がった場合は、弁体９８は左方に点線で示すように移
動する。すると、クランク室２６、管７１及びガス管８
９内のガスは、ケーシング９１の右方のスペース９３か
ら弁体９８とケーシング９１の隙間を通過して出口９４
から排気管９６へ排気され、左スペース９２内、すなわ
ちバッファ空間６９、７０の圧力と釣り合う圧力までク
ランク室２６が減圧される。その後、弁体９８は初めの
位置に戻り作動ガスを封止する状態となる。これにより
クランク室２６とバッファ空間６９、７０との間で圧力
差が解消される。

【００５８】（実施例２）図４は、実施例２を示し、こ
の実施例２の圧力調整装置８７は、クランク室２６とバ
ッファ空間６９、７０との間で、ある程度以上の圧力差
が生じた場合に、圧力の低い側に作動ガスを加えて加圧
する。この作動ガス圧力調整装置８７は、主要部として
差圧バルブ１０１を有しており、この差圧バルブのケー
シング１０２の左右スペース１０３に、ガス管８８とガ
ス管８９が連通して接続されている。ケーシング１０２
の中央スペースに形成された入口１０５に、開閉弁１１
６を介して高圧の作動ガスが充填された高圧リザーバタ
ンク１０６が接続されている。

【００５９】この差圧バルブ１０１は、ケーシング１０
２内に、リングシール１０７を介して摺動可能に中空部
１０４を有する弁体１０８が設けられている。弁体１０
８は、その中空部内の左右に、弁体の両端部内面を弁座
として圧縮コイルばね１０９で常時閉じるように左右方
向に付勢された弁板１１０が介装されている。この弁板
１１０に対抗してケーシングの両端から内方に突起１１
１が形成されている。

【００６０】図４において、例えば、バッファ空間６
９、７０、管６７及びガス管８８側の圧力が下がった場
合は、弁体１０８は左方に移動し、左側の突起１１１で
左側の弁板１１０を圧縮コイルばね１０９の付勢力の抗
して押圧する。これにより、弁板１１０と弁座として機
能する弁体１０８間に隙間が生じ、高圧リザーバタンク
１０６からの作動ガスは、弁体１０８の中空部１０４か
ら、この隙間を通過して、ガス管８８からバッファ空間
６９、７０内に流入し、クランク室２６の圧力と釣り合
う圧力まで加圧される。その後、弁体１０８は初めの位
置に戻り作動ガスを封止する状態となる。これによりク
ランク室２６とバッファ空間６９、７０との圧力差が解
消される。

【００６１】（実施例３）図５は、実施例３を示し、こ
の実施例３の作動ガス圧力調整装置８７は、クランク室
２６とバッファ空間６９、７０との間である程度以上の
圧力差が生じた場合に、圧力の低い側に作動ガスを加え
て加圧する構造のものである。この作動ガス圧力調整装
置は、その主要部として差圧バルブ１１２を有してお
り、この差圧バルブ１１２のケーシング１１３の左右ス
ペース１１４に、ガス管８８とガス管８９が連通して接
続されており、さらにケーシング１１３の左右入口１１
５に、夫々開閉弁１１６を介して、高圧の作動ガスが充
填されている高圧リザーバタンク１１７が接続されてい
る。

【００６２】この差圧バルブ１２は、ケーシング１１３
内に、リングシール１１８を介して摺動可能な弁体１１
９が設けられている。ケーシング１１３の左右の中空部
内に、圧縮コイルばね１２０で常時閉じるように弁座１
２１に弁板１２２が押圧されて設けられている。この弁
板１２２に対抗して弁体１１９’の左右には突起部１１
９’が形成されている。

【００６３】図５（ｂ）において、例えば、クランク室
２６、管７１及びガス管８９側の圧力が下がった場合
は、弁体１１９は右方に移動し、右側の突起１１９’で
右側の弁板１２２を圧縮コイルばね１２０の付勢力に抗
して押圧する。これにより、右方の高圧リザーバタンク
１１７内の作動ガスは、弁板１２２と弁座１２１の隙間
から通過して、ガス管８９からクランク室２６に流入
し、バッファ空間６９、７０の圧力と釣り合う圧力まで
加圧する。その後、弁体１１９は初めの位置に戻り作動
ガスを封止する状態となる。これによりクランク室２６
とバッファ空間６９、７０との間での圧力差が解消され
る。

【００６４】（実施例４）図６は、作動ガス圧力調整装
置の実施例４を説明する図であり、これは、バッファ空
間６９、７０、クランク室２６に連通するガス管８８、
８９に、第１開閉弁１２３、第２開閉弁１２４を設け、
さらにガス管８８、８９が合流する管１２６に第３の開
閉弁１２５を設け、この管１２６に高圧タンク１２７を
設け、第１〜３開閉弁の開閉によって差圧調整を行うこ
とのできるようにした構成である。

【００６５】使用に際しては、第１〜３開閉弁を常時開
にするか、あるいは、第１〜３開閉弁を常時閉にして、
作動ガスを供給する必要のある時に第１開閉弁１２３及
び第３開閉弁１２５を開とするか、又は第２開閉弁１２
４及び第３開閉弁１２５を開とする。これによりクラン
ク室２６とバッファ空間６９、７０との間での圧力差が
解消される。なお、第１〜３開閉弁の開閉は、手動（手
動バルブ）又は機械的（電磁バルブ）で行う構成とす
る。

【００６６】なお、ベローズを有するバッファタンクを
装着したスターリング冷凍機において、そのベローズで
仕切られたバッファ空間側とクランク室側の２つの空間
の容積をほぼ同等に設定すると、バッファタンク内に設
けた成形ベローズの寿命が向上する。

【００６７】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
圧力調整装置は、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。

【００６８】

【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。

【００６９】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バッファ空間との間での
差圧を、差圧バルブを有する作動ガス圧力調整装置によ
って、防止することで、オイルシール用ベローズの劣化
や損傷を防止し、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。

【００７０】さらに、スターリング冷凍機を長期間運転
している場合や、スターリング冷凍機の製作又はメイン
テナンスにおける作動ガスのクランク室とバッファ空間
内への封入や排出する場合に生じる、クランク室とバッ
ファ空間の間の圧力差を解消することができ、上記バッ
ファタンクと相乗的に機能して、オイルシール用ベロー
ズの劣化や損傷を防止に多大の効果を奏する。

【００７１】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１〜
４に共通する構成を示す図である。

【図３】本発明に係るスターリング冷凍機の実施例１の
構成を示す図である。

【図４】本発明に係るスターリング冷凍機の実施例２の
構成を示す図である。

【図５】本発明に係るスターリング冷凍機の実施例３の
構成を示す図である。

【図６】本発明に係るスターリング冷凍機の実施例４の
構成を示す図である。

【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（バッファ空間） ８７ 作動ガス圧力調整装置 ８８、８９ ガス管 ９０、１０１、１１２ 差圧バルブ ９１、１０２、１１３ 差圧バルブのケーシング ９８、１１０、１１９ 弁体 ９９ テーパ部 １０２、１１３、 ケーシング １０６ 高圧リザーバタンク １１０ 弁板 １１１ 突起 １１７ 高圧リザーバタンク １１８ リングシール １１９’ 突起 １２２ 弁板 １２３、１２４、１２５ 開閉弁 １２７ 高圧タンク

Claims (9)

【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
   側のバッファ空間の間で圧力差が生じた場合に、該圧力
   差を解消するための差圧バルブを有する作動ガス圧力調
   整装置を上記クランク室と上記バッファ空間に、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】 上記差圧バルブは、排気管に連通して
   おり、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
   の背面側のバッファ空間の間で、いずれか高い圧力とな
   った側が開き該側から上記作動ガスが排気管へ流出して
   減圧される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】 上記差圧バルブは、上記作動ガスを充
   填した高圧リザーバタンクに連通しており、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バッフ
   ァ空間の間で、いずれか低い圧力となった側が開き該側
   に上記高圧リザーバタンクから作動ガスが流入して加圧
   されることを特徴とする請求項１記載のスターリング冷
   凍機。
4. 【請求項４】 上記差圧バルブは、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バッファ空
   間の夫々に対応して上記作動ガスを充填した異なる高圧
   リザーバタンクに連通しており、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バッファ空間の間
   で、いずれか低い圧力となった側が開き該側に、上記対
   応する高圧リザーバタンクから作動ガスが流入して加圧
   されることを特徴とする請求項１記載のスターリング冷
   凍機。
5. 【請求項５】 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
   側のバッファ空間の間で圧力差が生じた場合に、該圧力
   差を解消するための作動ガス圧力調整装置を上記クラン
   ク室と上記バッファ空間に、夫々連通するように配設
   し、 上記作動ガス圧力調整装置は、バッファ空間と連通し第
   １の開閉弁を有する第１の管、クランク室と連通し第２
   の開閉弁を有する第２の管、第１及び第２の管が合流し
   第３の開閉弁を有する第３の管並びに該第３の管が連通
   する高圧タンクから成ることを特徴とするスターリング
   冷凍機。
6. 【請求項６】 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ることを特徴とする請求項１、
   ２、３、４又は５記載のスターリング冷凍機。
7. 【請求項７】 上記バッファ空間と上記クランク室と
   の間に、上記バッファ空間内の圧力変動及び上記クラン
   ク室内の圧力上昇を吸収するためのバッファタンクを設
   け、 上記バッファタンクと上記バッファ空間を連通する管
   と、上記バッファタンクと上記クランク室を連通する管
   との間に上記作動ガス圧力調整装置が配設されているこ
   とを特徴とする請求項１、２、３、４、５又は６記載の
   スターリング冷凍機。
8. 【請求項８】 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、２、３、４、５、６又は７記載のスターリン
   グ冷凍機。
9. 【請求項９】 ベローズを有するバッファタンクを装
   着したスターリング冷凍機において、そのベローズで仕
   切られたバッファ空間側とクランク室側の２つの空間の
   容積をほぼ同等に設定して成ることを特徴とするスター
   リング冷凍機。