【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、蓄熱材において熱伝導ロスを低減させて冷凍効率を向上させたスターリング冷凍機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
スターリング冷凍機は、小型化が可能、成績係数や冷凍効率が高い、発生する温度範囲が広い、近年の地球環境問題におけるフロン代替が容易等の多くの優れた特徴を持っている。
【０００３】
このため冷凍庫、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始めとして、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における冷熱利用機器への適用が検討されている。
【０００４】
図３は、このようなスターリング冷凍機５０１の概略構成を示す図で、モータ５１４を備えて回転動力を発生する駆動装置５１１と、該駆動装置５１１により駆動されて冷熱を発生する冷熱発生部５３３とを備えている。
【０００５】
冷熱発生部５３３は、回転動力を往復動力に変換する動力変換部５３４、この往復動力により膨張シリンダ５９７内を往復運動して作動ガスを膨張させる膨張ピストン５９３を備えた膨張部５９０、往復動力により圧縮シリンダ５６８内を往復運動して作動ガスを圧縮する圧縮ピストン５６７を備えた圧縮部５６４、膨張部５９０と圧縮部５６４との間を流動する作動ガスの熱を蓄熱する蓄熱材６４７等を主要構成としている。
【０００６】
動力変換部５３４は、内部がクランク空間５３６をなすクランクハウジング５３５を有し、その中にモータ軸５１７と連結されたクランク軸５３７、該クランク軸５３７に装着されたクランク５３８、一端がクランク５３８に連結されたコネクティングロッド５４１、該コネクティングロッド５４１の他端に連結されたクロスガイドヘッド５４４、該クロスガイドヘッド５４４の運動方向を１方向に規制するクロスガイドライナ５４７等が設けられている。
【０００７】
また、膨張部５９０は、膨張ピストン５９３を収納する膨張シリンダ５９７、該膨張シリンダ５９７の頭部側に設けられた膨張空間５９２、膨張ピストン５９３に駆動力を伝達する膨張ピストンロッド６００等を有している。
【０００８】
圧縮部５６４は、圧縮ピストン５６７を収納する圧縮シリンダ５６８、該圧縮シリンダ５６８の頭部側に設けられた圧縮空間５６６、圧縮ピストン５６７に駆動力を伝達する圧縮ピストンロッド５６９を有している。
【０００９】
そして、圧縮空間５６６と膨張空間５９２とはガス流路６７５により連結され、このガス流路６７５に蓄熱材６４７が設けられている。
【００１０】
この蓄熱材６４７は、膨張空間５９２で膨張して温度の下がった作動ガスが、圧縮空間５６６に向って流動する際には、当該作動ガスの冷熱を貯えて、当該冷熱が圧縮空間５６６から膨張空間５９２に流動する作動ガスの冷却に用いられる。
【００１１】
また、圧縮空間５６６で圧縮されて温度上昇した作動ガスが、圧縮空間５６６から膨張空間５９２に向って流動する際には、当該作動ガスの温熱を貯えて、当該温熱が膨張空間５９２から圧縮空間５６６に流動する作動ガスの加熱に用いられる。
【００１２】
このような構成で、モータ５１４が駆動されてクランク５３８が回動すると、その回動動力が往復動力に変換されて圧縮ピストン５６７及び膨張ピストン５９３に伝達され、これらが往復運動する。
【００１３】
なお、膨張ピストン５９３は圧縮ピストン５６７に対して位相が略９０度進んで運動する。
【００１４】
そして、圧縮ピストン５６７が下死点から上死点に移動すると、圧縮空間５６６内の作動ガスが圧縮される。
【００１５】
この間、膨張ピストン５９３は上動して上死点に達した後、下動するようになる。
【００１６】
圧縮ピストン５６７の上動に伴い圧縮された作動ガスは、ガス流路６７５を流動して膨張部５９０側に送られ、膨張ピストン５９３が下動すると作動ガスは蓄熱材６４７を通過して膨張空間５９２に送られる。
【００１７】
作動ガスが蓄熱材６４７を通過する際には、その熱がこの蓄熱材６４７に蓄熱される。
【００１８】
膨張ピストン５９３が下死点に達するに従い、圧縮ピストン５６７は上死点から下死点に移動し、作動ガスは膨張する。
【００１９】
このときの膨張過程は等温膨張過程であるため、膨張に伴う吸熱がコールドヘッド部７１９を介して行われ、この結果コールドヘッド部７１９の温度が下がり冷熱が発生する。
【００２０】
圧縮ピストン５６７が下死点に近づくに従い、膨張ピストン５９３は上動を始め、作動ガスはガス流路６７５を経て蓄熱材６４７で熱交換して圧縮空間５６６に戻る。
【００２１】
このようなサイクルを１サイクルとして運転されて、コールドヘッド部７１９の冷熱は冷熱利用機器に利用される。
【００２２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、蓄熱材６４７は全て金属により形成されているため、当該蓄熱材６４７で大きな熱伝導ロスが発生して冷凍効率を低下させてしまう問題があった。
【００２３】
即ち、図４に示すように、蓄熱材６４７は金属シートを多数積層して形成されて作動ガスの熱を蓄熱する。
【００２４】
作動ガスの温度は圧縮されて上昇し、膨張すると温度が下がるため、圧縮空間側と膨張空間側とに連通したガス流路中に設けられている蓄熱材６４７の両端部で大きな温度差が発生する。
【００２５】
しかし、蓄熱材６４７が金属で形成されているため、熱伝導度も高く短時間で蓄熱した熱が平均化されてしまい、蓄熱材６４７における蓄熱能力が減少して冷凍効率が低下してしまう。
【００２６】
そこで、本発明は、蓄熱能力を高めながら、且つ熱伝導を抑制して冷凍効率の高いスターリング冷凍機を提供することを目的とする。
【００２７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１にかかる発明は、圧縮空間内の作動ガスを圧縮する圧縮ピストンと、膨張空間内の作動ガスを膨張させる膨張ピストンと、圧縮空間と膨張空間とを連通させて、これらの間で作動ガスが行き来できるようにするガス流路と、該ガス流路の途中に配設されて、流動する作動ガスの熱を蓄熱する蓄熱部とを有するスターリング冷凍機において、蓄熱部が多孔状の金属シートを複数積層して形成された複数の蓄熱材と、隣接する蓄熱材間に挿入されて金属シートより熱伝導率の小さい断熱シートとにより形成されて、蓄熱能力を高めながら、且つ熱伝導を抑制して冷凍効率を向上させたことを特徴とする。
【００２８】
請求項２にかかる発明は、断熱シートが等間隔に挿入されていることを特徴とする。
【００２９】
請求項３にかかる発明は、蓄熱材が、ステンレス鋼３０４又は黄銅（Ｃｕ−７０ｗｔ％Ｓｎ）により形成されていることを特徴とする。
【００３０】
請求項４にかかる発明は、断熱シートが、ポリアミド、ポリエステル又は、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）により形成されていることを特徴とする。
【００３１】
請求項５にかかる発明は、多孔状の金属シートが、メッシュ状に形成されていることを特徴とする。
【００３２】
請求項６にかかる発明は、多孔状の金属シートが、パンチングメタル状に形成されていることを特徴とする。
【００３３】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図を参照して説明する。図１は本実施の形態の説明に適用されるスターリング冷凍機の即断面図で、当該スターリング冷凍機は冷熱を発生する冷熱発生部、該冷熱発生部を駆動する駆動装置を主要構成としている。
【００３４】
駆動装置１１は、内部がモータ室１３をなすモータハウジング１２を有し、このモータ室１３にステータ１６及びロータ１５からなる正逆回転可能なモータ１４が設置されて、回転動力は、モータ軸１７を介して出力される。
【００３５】
冷熱発生部３３は、駆動装置１１で発生した回転動力を往復動力に変換する動力変換部３４、作動ガスを圧縮する圧縮部６４、作動ガスを膨張させる膨張部９０、圧縮空間６６と膨張空間９２とを連通させるガス流路１７５に設けられて流動する作動ガスの熱を蓄熱する蓄熱部１７４、圧縮部６４で圧縮されて温度上昇した作動ガスの熱を外部に放熱させる放熱部１９３、膨張部９０で作動ガスが膨張することにより発生した冷熱を冷熱利用機器に供給するコールドヘッド部２１９、クランク空間３６のオイル２４８が圧縮空間６６や膨張空間９２に侵入しないようにするオイルシール部１４８、背圧室１５４とクランク空間３６との差圧の発生を抑制する圧力調整部１２５等を有している。
【００３６】
動力変換部３４は、内部がクランク空間３６をなすクランクハウジング３５を有し、このクランクハウジング３５はモータハウジングトップ１９を介してモータハウジング１２と接して設けられている。
【００３７】
クランクハウジング３５の底部には、動力変換部３４における摺動部分等を潤滑するオイル２４８が貯留され、その貯留量はクランクハウジング３５の底部側に形成されたガラス等の透明部材からなる覗窓５０により確認できるようになっている。
【００３８】
モータハウジングトップ１９の底部側には、オイル通路孔２０が形成されてモータ室１３とクランク空間３６とが連通している。
【００３９】
これによりモータ室１３にもオイル２４８が貯留されると共に、モータ室１３とクランク空間３６との雰囲気が相互に行き来できるようになっている。
【００４０】
モータハウジング１２及びクランクハウジング３５は、それぞれ蓋で封止され、これらモータハウジング１２、クランクハウジング３５、モータハウジングトップ１９は鋳物により製造されている。
【００４１】
従って、モータハウジング１２、クランクハウジング３５、モータハウジングトップ１９を一体物として鋳造することが可能であり、この場合は製造コストを下がることができる利点がある。
【００４２】
このような、スターリング冷凍機１では作動ガスとして、ヘリウム、水素、窒素等を利用することが可能であり、この場合はクランク空間、モータ室、バッファタンクにも封入しておくことが好ましい。
【００４３】
これは、長時間の運転により、僅かながらもクランク空間、モータ室、バッファタンク内の雰囲気が圧縮空間や膨張空間に侵入するためである。
【００４４】
クランク空間３６には、モータ軸１７と連結されたクランク軸３７、該クランク軸３７に装着された圧縮クランク３８ａ及び膨張クランク３８ｂからなるクランク３８、一端がクランク３８に連結された圧縮コネクティングロッド４１ａ及び膨張コネクティングロッド４１ｂからなるコネクティングロッド４１、該コネクティングロッド４１の他端に連結された圧縮クロスガイドヘッド４４ａ及び膨張クロスガイドヘッド４４ｂからなるクロスガイドヘッド４４、該クロスガイドヘッド４４の運動方向を１方向に規制するクロスガイドライナ４７等が設けられている。
【００４５】
なお、圧縮クランク３８ａと膨張クランク３８ｂとは、クランク軸３７の軸心に対して偏心して設けられ、かつ、モータ１４の正転時に膨張クランク３８ｂが圧縮クランク３８ａより略９０度位相が先行して回転するように設けられている。
【００４６】
ここでモータ１４の正転時とは、冷熱を発生するようなサイクル運転を行うときのモータ１４の回転方向を言う。
【００４７】
このとき膨張クランク３８ｂと圧縮クランク３８ａとの位相差に伴い発生する回転アンバランスを抑制するためにバランサ５１が設けられている。
【００４８】
クロスガイドライナ４７は、クロスガイドヘッド４４が挿入される概略円筒状の穴で、クランクハウジング３５の頂部を穴開加工等して形成されている。
【００４９】
これによりクランク３８を介して駆動されたクロスガイドヘッド４４はクロスガイドライナ４７に案内されて往復運動するようになる。
【００５０】
クランクハウジング３５の上には固定プレート２４３が設けられ、この固定プレート２４３の上にシリンダハウジング７４が設けられている。
【００５１】
このシリンダハウジング７４は、上側シリンダハウジング７４ａと下側シリンダハウジング７４ｂとに分割形成されて、下側シリンダハウジング７４ｂは、固定プレート２４３を介してクランクハウジング３５にボルトで固定され、上側シリンダハウジング７４ａは下側シリンダハウジング７４ｂにボルトを用いて固定される。
【００５２】
圧縮部６４は、下側シリンダハウジング７４ｂを穴開して形成された圧縮シリンダ６８、圧縮シリンダ６８内を往復運動する圧縮ピストン６７、一端が圧縮クロスガイドヘッド４４ａに揺動自在に取付けられると共に他端が圧縮ピストン６７に固着されて、これらを連結する圧縮ピストンロッド６９、該圧縮ピストン６７の頭部側と圧縮シリンダ６８とで形成された圧縮空間６６を有している。
【００５３】
圧縮ピストン６７の側筒面には、圧縮ピストンリング７０が装着されて、圧縮空間６６の気密性を保っている。
【００５４】
膨張部９０は、下側シリンダハウジング７４ｂ及び上側シリンダハウジング７４ａを穴開して形成された膨張シリンダ９７、内部が空洞で膨張シリンダ９７内を往復運動する膨張ピストン９３、一端が膨張クロスガイドヘッド４４ｂに揺動自在に取付けられると共に他端が膨張ピストン９３に固着されて、これらを連結する膨張ピストンロッド１００、該膨張ピストン９３の頭部側と膨張シリンダ９７とで形成された膨張空間９２を有して、膨張空間９２の外周部にコールドヘッド部２１９が形成されている。
【００５５】
この膨張シリンダ９７及び膨張ピストン９３は、それぞれ上下に分割されて、上部膨張シリンダ９７ａ、下部膨張シリンダ９７ｂ、上部膨張ピストン９３ａ、下部膨張ピストン９３ｂをなしている。
【００５６】
下部膨張シリンダ９７ｂを下側シリンダハウジング７４ｂに装着する際には、下部膨張シリンダ９７ｂを液体窒素等で冷却して冷やしばめ等の方法で圧入して装着している。
【００５７】
これにより、下部膨張シリンダ９７ｂが下側シリンダハウジング７４ｂに完全に固定されるために異常音が発生する等の不都合が防止できる。
【００５８】
下部膨張ピストン９３ｂには、膨張ピストンリング１０４が装着されて、膨張空間９２の気密性を保っている。
【００５９】
また、下部膨張ピストン９３ｂの上端部と上部膨張ピストン９３ａの下端部とは、螺合させて一体化した膨張ピストン９３が形成されるようになっている。
【００６０】
この下側シリンダハウジング７４ｂの材料として、ＦＣ材やＦＣＤ材等が用いられるが、作動ガスのリーク防止、製造コストや部材コスト、圧縮ピストンリング７０の摺動摩耗特性等の観点からＦＣ３００が好ましい。
【００６１】
また、下部膨張シリンダ９７ｂの材料として一般に鋼材が用いられるが、製造を容易にすると共に膨張ピストンリング１０４の摺動摩耗特性を改善させる観点から、ＳＵＳ材が好ましく、特にＳＵＳ３０３、ＳＵＳ３０４が好ましい。
【００６２】
膨張シリンダ９７や圧縮シリンダ６８のシリンダ面の表面粗さは、従来は旋盤加工レベルのＲｚ５．０ミクロン程度であるが、本発明ではこれをＲｚ３．０ミクロン以下、好ましくはＲｚ１．０ミクロン以下のレベルにしている。
【００６３】
これにより、圧縮ピストンリング７０や膨張ピストンリング１０４の摩耗進行度合いを著しく減少させている。
【００６４】
上側シリンダハウジング７４ａ及び下側シリンダハウジング７４ｂには、膨張空間９２と圧縮空間６６とを連通させる細管のガス流路１７５が形成されている。
【００６５】
なお、下部膨張ピストン９３ｂの下端部を取囲むように環状溝１０８が形成されて、当該環状溝１０８にガス流路１７５が繋がり、圧縮空間６６へと連通している。
【００６６】
この環状溝１０８には、背圧室１５４と連通する微少径の環状溝連通孔１０９が形成されて、背圧室１５４と環状溝１０８との圧力を均等な圧力にしている。
【００６７】
また、上側シリンダハウジング７４ａの下端部には、ガス流路１７５と連通するように、円筒状の蓄熱材収納溝１０５が長手方向に形成されて、後述する蓄熱部１７４が挿入されるようになっている。
【００６８】
さらに、下側シリンダハウジング７４ｂの上端内面側には、０リングが挿入されて、上部膨張シリンダ９７ａと下部膨張シリンダ９７ｂとが気密に連結されるようになっている。
【００６９】
蓄熱部１７４は、多数積層されて作動ガスの熱を蓄熱する蓄熱材１７６、該蓄熱材１７６の間での熱伝導を抑制する断熱シート１８１で形成されている。
【００７０】
図２は、このような蓄熱部１７４の断面斜視図で、蓄熱材１７６は黄銅（Ｃｕ−７０ｗｔ％Ｓｎ）やステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）を材料とする多孔状の金属シートを複数積層して形成され、その間にポリアミドやポリエステル又はＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）からなる断熱シート１８１が等間隔で挿入されて、蓄熱材収納溝１０５に装着されるようになっている。
【００７１】
なお、多孔状の金属シートとしては、メッシュ状やパンチングメタル状に形成することが好ましい。
【００７２】
このように本来の蓄熱作用を持つ蓄熱材１７６の間に断熱シート１８１を挿入するのは、蓄熱材１７６に蓄熱された熱が隣接する蓄熱材１７６に熱伝導するのを規制するためである。
【００７３】
先にも説明したように、蓄熱材１７６は、圧縮空間６６から膨張空間９２に向う作動ガスの温熱を蓄熱して、この温熱で膨張空間９２から圧縮空間６６に向う作動ガスを加熱している。
【００７４】
また、膨張空間９２から圧縮空間６６に向う作動ガスの冷熱を蓄熱して、この冷熱により圧縮空間６６から膨張空間９２に向う作動ガスを冷却している。
【００７５】
このような温熱、冷熱の蓄熱は主に円筒状に形成された蓄熱部１７４の端部近傍が主要作用領域となるが、蓄熱部１７４全てを金属シートにより形成すると、温熱が冷熱側に熱伝導し、また冷熱が温熱側に熱伝導して、作動ガスの冷却や加熱が行えなくなってしまう。
【００７６】
作動ガスの蓄熱が行えなくなると、圧縮空間６６で圧縮された作動ガスは、略その温度で膨張空間９２に流入し、また膨張空間９２で膨張した作動ガスが略その温度で圧縮空間６６に流入してこれらの間での温度差が小さくなって冷熱発生効率が低下する。
【００７７】
そこで、本発明では、かかる蓄熱した温熱や冷熱の熱伝導を規制すべく、上記断熱シート１８１を蓄熱材１７６の間に挿入している。
【００７８】
なお、断熱シート１８１は、０．０７ｍｍ厚みの蓄熱材１７６を１００枚積層することに１枚挿入するような構成が好ましい。
【００７９】
放熱部１９３は、圧縮部６４で圧縮されて温度上昇した作動ガスの熱を外部に速やかに放出させることを主目的として設けられたもので、圧縮空間６６や膨張シリンダ９７を取巻き循環するように形成された冷却水路１９４が下側シリンダハウジング７４ｂに形成される共に、下側膨張シリンダ９７の下端部にフィンを有する放熱器１９５が設けられている。
【００８０】
本発明にかかるスターリング冷凍機１では、クランク３８が回転した際に、クランク空間３６の底部に貯留しているオイル２４８を掻上げて、クランク３８とコネクティングロッド４１との摺動部分やクロスガイドヘッド４４とクロスガイドライナ４７との摺動部分等に付着させて、これらの摺動部分を潤滑している。
【００８１】
このオイル２４８が圧縮ピストン６７や膨張ピストン９３に付着し、これが圧縮ピストン６７や膨張ピストン９３の往復運動により圧縮空間６６や膨張空間９２に送込まれて冷凍効率の低下をもたらす。
【００８２】
そこで、本発明では、オイル２４８が圧縮ピストン６７や膨張ピストン９３に付着しないようにするために、オイルシールベローズを主要構成とするオイルシール部１４８を設けている。
【００８３】
このようなオイルシール部１４８は、固定プレート２４３と膨張ピストン９３及び圧縮ピストン６７との間に設けられたオイルシールベローズ１４９、該オイルシールベローズ１４９の上端が溶着されたワッシャ状の上部取付環１５０、該オイルシールベローズ１４９の下端が溶着されたワッシャ状の下部取付環１５１を有している。
【００８４】
このオイルシールベローズ１４９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や溶接により組み立てた金属溶接ベローズが使用される。
【００８５】
この上部取付環１５０は、圧縮ピストンロッド６９や膨張ピストンロッド１００の底部とピストン側フランジ１０３との間に密着して固定され、また下部取付環１５１は、固定プレート２４３と下側シリンダハウジング７４ｂとの間に位置して、これらに密着して固定される。
【００８６】
これにより背圧室１５４が気密状態となり、クランク空間３６からオイル２４８が圧縮空間６６や膨張空間９２に侵入する不都合が完全に防止できるようになる。
【００８７】
背圧室１５４は、圧縮ピストン６７の背圧側と膨張ピストン９３との背圧側にそれぞれ形成されるが、これらが互いに連通するように背圧室連通孔１５５が形成されている。
【００８８】
ところで、背圧室１５４の空間容積に比べクランク空間３６側の空間容積は十分に大きい。
【００８９】
なお、クランク空間３６側の空間容積は、クランク空間３６とモータ室１３とが連通しているので、これらの和である。
【００９０】
このような容積関係の下で背圧室１５４が気密状態にあると、膨張ピストン９３や圧縮ピストン６７の往復運動作により当該背圧室１５４には大きな圧力変動が発生すると共に、クランク空間３６との間で大きな差圧が発生する。
【００９１】
そして、背圧室１５４の圧力がクランク空間３６の圧力より高くなるとオイルシールベローズ１４９は糸巻ボビン状に絞られ、逆に背圧室１５４の圧力がクランク空間３６の圧力より低くなると、オイルシールベローズ１４９はビヤダル状に膨らむようになる。
【００９２】
このような変形が、繰返しオイルシールベローズ１４９に生じて破損しやすくなる。
【００９３】
また、背圧室１５４の圧力変動は、膨張ピストン９３や圧縮ピストン６７の往復運動のブレーキとして作用するので、その分モータ１４の負荷が増えてしまい冷凍効率が低下する。
【００９４】
そこで、本発明では、背圧室連通孔１５５を設けて圧縮ピストン６７の背圧側と膨張ピストン９３の背圧側とにそれぞれ形成される背圧室１５４を連通している。
【００９５】
圧縮ピストン６７と膨張ピストン９３とは、所定の位相差を保って往復運動するため、これらの背圧側圧力も所定の位相差を保って変動する。
【００９６】
従って、背圧室連通孔１５５により圧縮ピストン６７の背圧側と膨張ピストン９３の背圧側とを連通させることにより、相互で圧力変動が吸収し合うようになる。
【００９７】
しかし、このような構成にしても、圧縮ピストン６７の背圧側と膨張ピストン９３の背圧側との空間容積の相違や、当該背圧室１５４を満たす雰囲気の流動抵抗等により完全に圧力変動を吸収することができない。
【００９８】
そこで、本発明は、より完全な圧力変動が行えるように、バッファタンク１２６を備えた圧力調整部１２５を設けている。
【００９９】
この圧力調整部１２５のバッファタンク１２６は、タンク内の空間を２つの空間に気密に仕切る圧力調整ベローズ１２７を備えて、一方の空間が背圧側連通管１２８により背圧室１５４と連通し、他方の空間がクランク側連通管１３０によりクランク空間３６やモータ室１３と連通している。
【０１００】
この背圧室１５４に連通する空間を背圧側バッファ室１２９と記載し、クランク空間３６と連通する空間をクランク側バッファ室１３１と記載する。
【０１０１】
そして、少なくとも背圧側バッファ室１２９の空間容積は、背圧室１５４の空間容積より十分に大きくなっている。
【０１０２】
圧力調整ベローズ１２７は、オイルシールベローズ１４９と同様に金属成形ベローズ、金属溶接ベローズを用いることも可能であるが、当該オイルシールベローズ１４９におけるほど伸縮量が大きくないこと等の理由から樹脂やゴム製のベローズを使用することも可能である。
【０１０３】
これにより、背圧室１５４の圧力変動が背圧側バッファ室１２９の圧力変動により自動的に緩和されると共に、圧力調整ベローズ１２７の伸縮により吸収され、背圧室１５４とクランク空間３６との間で大きな差圧が発生しないようになり、オイルシールベローズ１４９の劣化や破壊の防止、スターリング冷凍機１の運転性能及び耐久性の向上が図られる。
【０１０４】
なお、モータ室１３はクランク空間３６と連通しているので、クランク側バッファ室１３１をモータ室１３と連通させても同様の効果を得ることができる。
【０１０５】
コールドヘッド部２１９は、冷却フィン２２０と、この冷却フィン２２０の先端部分を包むように設けられたジャケット２２１とから構成されて、冷却フィン２２０とジャケット２２１との間にブライン流路２２２を形成している。
【０１０６】
なお、ブラインとして、エチルアルコール、ＨＦＥ、ＰＦＣ、ＰＦＧ、窒素、ヘリウム等が利用可能である。
【０１０７】
これにより膨張空間９２で発生した冷熱によりブラインは冷却フィン２２０を介して冷却され、冷熱利用機器に冷熱が供給される。
【０１０８】
次に、このような構成のスターリング冷凍機１の動作を説明する。
【０１０９】
モータ１４が駆動されると、その回転動力がモータ軸１７を介してクランク軸３７に伝達される。
【０１１０】
このクランク軸３７にはクランク３８が偏心して取付けられて、このクランク３８にコネクティングロッド４１を介してクロスガイドヘッド４４が連結されているので、回転動力はクロスガイドヘッド４４の往復動力に変換される。
【０１１１】
クロスガイドヘッド４４が往復運動すると、ピストンロッドを介して接続された膨張ピストン９３と圧縮ピストン６７は往復運動して作動ガスを圧縮、膨張する。
【０１１２】
このとき、クランク３８によりオイル２４８がクロスガイドヘッド４４等に付着するが、オイルシールベローズ１４９によりクランク空間３６と背圧室１５４とが完全に区画されている。
【０１１３】
また、背圧室１５４とクランク空間３６との差圧がバッファタンク１２６により圧力調整されて、これらの間で差圧の発生が抑制されているが、このとき圧力調整ベローズ１２７を用いてバッファタンク１２６を区画しているので、バッファタンク１２６を介してクランク空間３６等から背圧室１５４にオイル２４８が流入することがない。
【０１１４】
従って、背圧室１５４にオイル２４８が侵入して圧縮空間６６や膨張空間９２に侵入することがなく、冷凍効率の低下が防止できるようになっている。
【０１１５】
なお、バッファタンク１２６により背圧室１５４と膨張空間９２との差圧が抑制されるために、モータ１４負荷が低減して冷凍効率の低下が抑制できるようになっている。
【０１１６】
このようにして膨張ピストン９３と圧縮ピストン６７が往復運動し、膨張ピストン９３が上死点に近づいて動きが遅くなると、圧縮ピストン６７は中間付近を上死点に向かって急速に動き、これにより作動ガスは略断熱圧縮されて温度上昇する。
【０１１７】
圧縮された作動ガスは、ガス流路１７５を流れて放熱部１９３に流入し、ここで放熱器１９５を介して冷却水に放熱して降温する。
【０１１８】
冷却水に放熱した作動ガスは、蓄熱部１７４に流入し、蓄熱材１７６を通過する際に当該蓄熱材１７６に温熱を蓄熱して膨張空間９２に流入する。
【０１１９】
そして、圧縮ピストン６７は上死点に近づき、その速度も遅くなる。
【０１２０】
すると、膨張ピストン９３は急激に下死点に向かって動き、これにより膨張空間９２が急激に拡張して、当該膨張空間９２の作動ガスは断熱膨張して降温する。
【０１２１】
これにより、コールドヘッド部２１９の温度が下がり、冷却フィン２２０を介してブラインが冷却されて、冷熱が冷熱利用機器に供給される。
【０１２２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、蓄熱部を多孔状の金属シートを複数積層して形成された蓄熱材と、該蓄熱材の積層体中に挿入されて、隣接する蓄熱材間の熱伝導を抑制する断熱シートとにより形成したので、蓄熱能力を高めながら、且つ熱伝導を抑制して冷凍効率を向上させることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の説明に適用されるスターリング冷凍機の側断面図である。
【図２】蓄熱部の断面斜視図である。
【図３】従来の技術の説明に適用されるスターリング冷凍機の側断面図である。
【図４】従来の蓄熱部の断面斜視図である。
【符号の説明】
１ スターリング冷凍機
３３ 冷熱発生部
６６ 圧縮空間
６７ 圧縮ピストン
６８ 圧縮シリンダ
９２ 膨張空間
９３ 膨張ピストン
９３ａ 上部膨張ピストン
９３ｂ 下部膨張ピストン
１０５ 蓄熱材収納溝
１７４ 蓄熱部
１７５ ガス流路
１７６ 蓄熱材
１８１ 断熱シート[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a Stirling refrigerator in which heat conduction loss in a heat storage material is reduced to improve refrigeration efficiency.
[0002]
[Prior art]
The Stirling refrigerator has many excellent features, such as miniaturization, high coefficient of performance and high refrigeration efficiency, wide temperature range of generation, and easy replacement of CFCs in recent global environmental problems.
[0003]
For this reason, freezers, refrigerators, commercial or home-use cold energy utilization equipment such as throw-in type coolers, low-temperature liquid circulators, low-temperature thermostats, thermostats, heat shock test equipment, freeze dryers, temperature characteristic test equipment, Application to equipment utilizing cold energy in all industrial fields, such as blood / cell storage devices, cold coolers, and various other types of chillers, is being studied.
[0004]
FIG. 3 is a diagram showing a schematic configuration of such a Stirling refrigerator 501. A driving device 511 that includes a motor 514 and generates rotational power, and a cold heat generating unit 533 that is driven by the driving device 511 and generates cold heat. And
[0005]
The cold-heat generating section 533 includes a power conversion section 534 that converts rotational power to reciprocating power, an expansion section 590 including an expansion piston 593 that reciprocates in the expansion cylinder 597 by the reciprocating power to expand the working gas. A compression section 564 having a compression piston 567 for reciprocating within the compression cylinder 568 to compress the working gas, a heat storage material 647 for storing heat of the working gas flowing between the expansion section 590 and the compression section 564, and the like. It has a configuration.
[0006]
The power conversion unit 534 has a crank housing 535 having a crank space 536 therein, a crank shaft 537 connected to the motor shaft 517, a crank 538 mounted on the crank shaft 537, and one end connected to the crank 538. A connecting rod 541 connected thereto, a cross guide head 544 connected to the other end of the connecting rod 541, a cross guide liner 547 for controlling the movement direction of the cross guide head 544 in one direction, and the like are provided.
[0007]
The expansion section 590 includes an expansion cylinder 597 that houses the expansion piston 593, an expansion space 592 provided on the head side of the expansion cylinder 597, an expansion piston rod 600 that transmits a driving force to the expansion piston 593, and the like. ing.
[0008]
The compression section 564 includes a compression cylinder 568 that accommodates the compression piston 567, a compression space 566 provided on the head side of the compression cylinder 568, and a compression piston rod 569 that transmits driving force to the compression piston 567.
[0009]
The compression space 566 and the expansion space 592 are connected by a gas passage 675, and a heat storage material 647 is provided in the gas passage 675.
[0010]
The heat storage material 647 stores the cold heat of the working gas when the working gas whose temperature has been lowered by expansion in the expansion space 592 flows toward the compression space 566, and the cold heat expands from the compression space 566. It is used for cooling the working gas flowing to the space 592.
[0011]
Further, when the working gas which has been compressed in the compression space 566 and whose temperature has risen flows from the compression space 566 to the expansion space 592, the heat of the working gas is stored, and the heat is transferred from the expansion space 592 to the compression space. Used for heating the working gas flowing to 566.
[0012]
With such a configuration, when the motor 514 is driven to rotate the crank 538, the rotating power is converted into reciprocating power and transmitted to the compression piston 567 and the expansion piston 593, which reciprocate.
[0013]
The expansion piston 593 moves with the phase advanced by about 90 degrees with respect to the compression piston 567.
[0014]
Then, when the compression piston 567 moves from the bottom dead center to the top dead center, the working gas in the compression space 566 is compressed.
[0015]
During this time, the expansion piston 593 moves upward and reaches the top dead center, and then moves downward.
[0016]
The working gas compressed along with the upward movement of the compression piston 567 flows through the gas flow path 675 and is sent to the expansion section 590 side. When the expansion piston 593 moves downward, the working gas passes through the heat storage material 647 and expands in the expansion space. 592.
[0017]
When the working gas passes through the heat storage material 647, the heat is stored in the heat storage material 647.
[0018]
As the expansion piston 593 reaches the bottom dead center, the compression piston 567 moves from the top dead center to the bottom dead center, and the working gas expands.
[0019]
Since the expansion process at this time is an isothermal expansion process, heat absorption accompanying the expansion is performed via the cold head portion 719, and as a result, the temperature of the cold head portion 719 decreases and cold heat is generated.
[0020]
As the compression piston 567 approaches the bottom dead center, the expansion piston 593 starts moving upward, and the working gas exchanges heat with the heat storage material 647 via the gas flow path 675 and returns to the compression space 566.
[0021]
By operating such a cycle as one cycle, the cold heat of the cold head unit 719 is used for cold heat utilization equipment.
[0022]
[Problems to be solved by the invention]
However, since the heat storage material 647 is entirely formed of metal, there is a problem that a large heat conduction loss occurs in the heat storage material 647 and the refrigeration efficiency is reduced.
[0023]
That is, as shown in FIG. 4, the heat storage material 647 is formed by laminating many metal sheets and stores heat of the working gas.
[0024]
Since the temperature of the working gas is compressed and rises, and the temperature decreases when the working gas expands, a large temperature difference occurs at both ends of the heat storage material 647 provided in the gas flow path communicating with the compression space side and the expansion space side. I do.
[0025]
However, since the heat storage material 647 is formed of metal, the heat conductivity is high and the heat stored in a short time is averaged, so that the heat storage capacity of the heat storage material 647 decreases and the refrigeration efficiency decreases.
[0026]
Therefore, an object of the present invention is to provide a Stirling refrigerator having high refrigeration efficiency while increasing heat storage capacity and suppressing heat conduction.
[0027]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problems, the invention according to claim 1 provides communication between a compression piston that compresses a working gas in a compression space, an expansion piston that expands a working gas in an expansion space, and the compression space and the expansion space. A Stirling refrigerator having a gas flow path that allows the working gas to flow between them, and a heat storage unit that is provided in the middle of the gas flow path and stores heat of the flowing working gas. The heat storage portion is formed by a plurality of heat storage materials formed by laminating a plurality of porous metal sheets, and a heat insulating sheet inserted between adjacent heat storage materials and having a lower thermal conductivity than the metal sheets, and has a heat storage capacity. The refrigeration efficiency is improved by increasing the heat conduction while suppressing the heat conduction.
[0028]
The invention according to claim 2 is characterized in that the heat insulating sheets are inserted at equal intervals.
[0029]
The invention according to claim 3 is characterized in that the heat storage material is formed of stainless steel 304 or brass (Cu-70 wt% Sn).
[0030]
The invention according to claim 4 is characterized in that the heat insulating sheet is formed of polyamide, polyester or PTFE (polytetrafluoroethylene).
[0031]
The invention according to claim 5 is characterized in that the porous metal sheet is formed in a mesh shape.
[0032]
The invention according to claim 6 is characterized in that the porous metal sheet is formed in a punching metal shape.
[0033]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
An embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is an immediate sectional view of a Stirling refrigerator applied to the description of the present embodiment. The Stirling refrigerator mainly includes a cold heat generating unit that generates cold heat, and a driving device that drives the cold heat generating unit.
[0034]
The drive device 11 has a motor housing 12 having a motor chamber 13 inside, and a forward / reverse rotatable motor 14 including a stator 16 and a rotor 15 is installed in the motor chamber 13. Is output via
[0035]
The cold heat generating unit 33 includes a power conversion unit 34 that converts rotational power generated by the driving device 11 into reciprocating power, a compression unit 64 that compresses working gas, an expansion unit 90 that expands working gas, a compression space 66 and an expansion space 92 A heat storage unit 174 provided in a gas flow path 175 for communicating heat with the heat, a heat storage unit 174 for storing heat of the flowing working gas, a heat radiating unit 193 for radiating the heat of the working gas, which has been compressed by the compression unit 64 and whose temperature has increased, to the outside, and an expansion unit. A cold head 219 for supplying the cold generated by the expansion of the working gas at 90 to the cold energy utilization equipment, an oil seal 148 for preventing oil 248 of the crank space 36 from entering the compression space 66 and the expansion space 92, The pressure adjusting unit 125 includes a pressure adjusting unit 125 that suppresses generation of a differential pressure between the pressure chamber 154 and the crank space 36.
[0036]
The power converter 34 has a crank housing 35 having a crank space 36 therein. The crank housing 35 is provided in contact with the motor housing 12 via the motor housing top 19.
[0037]
An oil 248 for lubricating a sliding portion and the like in the power conversion unit 34 is stored at the bottom of the crank housing 35, and the amount of the stored oil 248 is a viewing window 50 made of a transparent member such as glass formed on the bottom of the crank housing 35. Can be confirmed.
[0038]
An oil passage hole 20 is formed on the bottom side of the motor housing top 19 so that the motor chamber 13 and the crank space 36 communicate with each other.
[0039]
Thus, the oil 248 is stored in the motor chamber 13 and the atmosphere in the motor chamber 13 and the atmosphere in the crank space 36 can be exchanged with each other.
[0040]
The motor housing 12 and the crank housing 35 are each sealed with a lid, and the motor housing 12, the crank housing 35, and the motor housing top 19 are manufactured by casting.
[0041]
Therefore, it is possible to cast the motor housing 12, the crank housing 35, and the motor housing top 19 as one body, and in this case, there is an advantage that the manufacturing cost can be reduced.
[0042]
In such a Stirling refrigerator 1, helium, hydrogen, nitrogen, or the like can be used as a working gas. In this case, it is preferable that the working gas is also sealed in a crank space, a motor room, and a buffer tank.
[0043]
This is because the atmosphere in the crank space, the motor chamber, and the buffer tank slightly enters the compression space and the expansion space due to long-time operation.
[0044]
The crank space 36 includes a crankshaft 37 connected to the motor shaft 17, a crank 38 including a compression crank 38 a and an expansion crank 38 b mounted on the crankshaft 37, a compression connecting rod 41 a having one end connected to the crank 38, and A connecting rod 41 composed of an expansion connecting rod 41b, a cross guide head 44 composed of a compression cross guide head 44a and an expansion cross guide head 44b connected to the other end of the connecting rod 41, and the direction of movement of the cross guide head 44 is one direction. A cross guide liner 47 and the like are provided.
[0045]
The compression crank 38a and the expansion crank 38b are provided eccentrically with respect to the axis of the crankshaft 37, and the phase of the expansion crank 38b precedes the phase of the compression crank 38a by about 90 degrees when the motor 14 is rotating forward. It is provided to rotate.
[0046]
Here, the forward rotation of the motor 14 refers to the rotation direction of the motor 14 when performing a cycle operation that generates cold heat.
[0047]
At this time, a balancer 51 is provided to suppress a rotational imbalance caused by a phase difference between the expansion crank 38b and the compression crank 38a.
[0048]
The cross guide liner 47 is a substantially cylindrical hole into which the cross guide head 44 is inserted, and is formed by drilling the top of the crank housing 35 or the like.
[0049]
Thereby, the cross guide head 44 driven via the crank 38 is guided by the cross guide liner 47 and reciprocates.
[0050]
A fixed plate 243 is provided on the crank housing 35, and a cylinder housing 74 is provided on the fixed plate 243.
[0051]
The cylinder housing 74 is divided into an upper cylinder housing 74a and a lower cylinder housing 74b. The lower cylinder housing 74b is fixed to the crank housing 35 via a fixing plate 243 with bolts. It is fixed to the lower cylinder housing 74b using bolts.
[0052]
The compression section 64 includes a compression cylinder 68 formed by drilling a hole in the lower cylinder housing 74b, a compression piston 67 that reciprocates in the compression cylinder 68, one end of which is swingably attached to the compression cross guide head 44a and other components. An end is fixed to the compression piston 67, and has a compression piston rod 69 connecting them, and a compression space 66 formed by the head side of the compression piston 67 and the compression cylinder 68.
[0053]
A compression piston ring 70 is mounted on the side cylinder surface of the compression piston 67 to keep the compression space 66 airtight.
[0054]
The expansion portion 90 includes an expansion cylinder 97 formed by perforating the lower cylinder housing 74b and the upper cylinder housing 74a, an expansion piston 93 having a hollow interior and reciprocating in the expansion cylinder 97, and one end having an expansion cross guide head 44b. The expansion piston 93 is attached to the expansion piston 93 and the other end thereof is fixed to the expansion piston 93. The expansion piston rod 100 connects the expansion piston 93 and an expansion space 92 formed by the head side of the expansion piston 93 and the expansion cylinder 97. Thus, a cold head portion 219 is formed on the outer peripheral portion of the expansion space 92.
[0055]
The expansion cylinder 97 and the expansion piston 93 are vertically divided into an upper expansion cylinder 97a, a lower expansion cylinder 97b, an upper expansion piston 93a, and a lower expansion piston 93b.
[0056]
When the lower expansion cylinder 97b is mounted on the lower cylinder housing 74b, the lower expansion cylinder 97b is mounted by cooling it with liquid nitrogen or the like and press-fitting it by a method such as cold fitting.
[0057]
This prevents the lower expansion cylinder 97b from being completely fixed to the lower cylinder housing 74b, thereby preventing inconvenience such as generation of abnormal noise.
[0058]
An expansion piston ring 104 is attached to the lower expansion piston 93b to keep the expansion space 92 airtight.
[0059]
The upper end of the lower expansion piston 93b and the lower end of the upper expansion piston 93a are screwed together to form an integrated expansion piston 93.
[0060]
As the material of the lower cylinder housing 74b, FC material, FCD material, or the like is used. FC300 is preferable from the viewpoints of preventing leakage of working gas, manufacturing cost and member cost, sliding wear characteristics of the compression piston ring 70, and the like.
[0061]
In addition, a steel material is generally used as a material of the lower expansion cylinder 97b. From the viewpoint of facilitating manufacture and improving the sliding wear characteristics of the expansion piston ring 104, a SUS material is preferable, and SUS303 and SUS304 are particularly preferable.
[0062]
Conventionally, the surface roughness of the cylinder surface of the expansion cylinder 97 and the compression cylinder 68 is about Rz 5.0 microns at the lathe machining level, but in the present invention, this is reduced to Rz 3.0 microns or less, preferably Rz 1.0 microns or less. On the level.
[0063]
Thereby, the degree of progress of wear of the compression piston ring 70 and the expansion piston ring 104 is significantly reduced.
[0064]
In the upper cylinder housing 74a and the lower cylinder housing 74b, a gas flow path 175 of a thin tube that connects the expansion space 92 and the compression space 66 is formed.
[0065]
An annular groove 108 is formed so as to surround the lower end of the lower expansion piston 93b. A gas flow path 175 is connected to the annular groove 108 and communicates with the compression space 66.
[0066]
An annular groove communication hole 109 having a small diameter communicating with the back pressure chamber 154 is formed in the annular groove 108 to make the pressure between the back pressure chamber 154 and the annular groove 108 uniform.
[0067]
At the lower end of the upper cylinder housing 74a, a cylindrical heat storage material storage groove 105 is formed in the longitudinal direction so as to communicate with the gas passage 175, and a heat storage unit 174 described later is inserted. ing.
[0068]
Further, an O-ring is inserted into the inner surface of the upper end of the lower cylinder housing 74b so that the upper expansion cylinder 97a and the lower expansion cylinder 97b are airtightly connected.
[0069]
The heat storage section 174 is formed of a plurality of heat storage materials 176 that store heat of the working gas and a heat insulating sheet 181 that suppresses heat conduction between the heat storage materials 176.
[0070]
FIG. 2 is a cross-sectional perspective view of such a heat storage unit 174. The heat storage material 176 is formed by laminating a plurality of porous metal sheets made of brass (Cu-70 wt% Sn) or stainless steel (SUS304). A heat insulating sheet 181 made of polyamide, polyester, or PTFE (polytetrafluoroethylene) is inserted at regular intervals therebetween, and is mounted in the heat storage material storage groove 105.
[0071]
Note that the porous metal sheet is preferably formed in a mesh shape or a punched metal shape.
[0072]
The reason why the heat insulating sheet 181 is inserted between the heat storage materials 176 having the original heat storage function is to restrict the heat stored in the heat storage material 176 from being conducted to the adjacent heat storage material 176.
[0073]
As described above, the heat storage material 176 stores the heat of the working gas flowing from the compression space 66 to the expansion space 92, and heats the working gas from the expansion space 92 to the compression space 66 with this heat. .
[0074]
Further, cold energy of the working gas flowing from the expansion space 92 to the compression space 66 is stored, and the cooling gas cools the working gas flowing from the compression space 66 to the expansion space 92.
[0075]
The main heat and cold heat storage is mainly in the vicinity of the end of the cylindrical heat storage portion 174, but when the entire heat storage portion 174 is formed of a metal sheet, the heat is transferred to the cold side. In addition, the cold heat is conducted to the warm side, so that the working gas cannot be cooled or heated.
[0076]
When the heat of the working gas cannot be stored, the working gas compressed in the compression space 66 flows into the expansion space 92 at substantially that temperature, and the working gas expanded in the expansion space 92 flows into the compression space 66 at substantially that temperature. As a result, the temperature difference between them becomes small, and the cooling heat generation efficiency decreases.
[0077]
Therefore, in the present invention, the heat insulating sheet 181 is inserted between the heat storage materials 176 in order to regulate the heat conduction of the stored hot or cold heat.
[0078]
In addition, the heat insulation sheet 181 is preferably configured such that one heat storage material 176 having a thickness of 0.07 mm is inserted when one hundred heat storage materials 176 are stacked.
[0079]
The heat radiating section 193 is provided mainly for rapidly releasing the heat of the working gas which has been compressed by the compression section 64 and whose temperature has risen to the outside, and circulates around the compression space 66 and the expansion cylinder 97. The formed cooling water passage 194 is formed in the lower cylinder housing 74b, and a radiator 195 having fins is provided at the lower end of the lower expansion cylinder 97.
[0080]
In the Stirling refrigerator 1 according to the present invention, when the crank 38 rotates, the oil 248 stored in the bottom of the crank space 36 is scraped up, and the sliding portion between the crank 38 and the connecting rod 41 and the cross guide head These sliding parts are lubricated by being attached to sliding parts of the cross guide liner 47 and the like.
[0081]
The oil 248 adheres to the compression piston 67 and the expansion piston 93, and is sent to the compression space 66 and the expansion space 92 by the reciprocating motion of the compression piston 67 and the expansion piston 93, thereby lowering the refrigeration efficiency.
[0082]
Therefore, in the present invention, in order to prevent the oil 248 from adhering to the compression piston 67 and the expansion piston 93, the oil seal portion 148 mainly including the oil seal bellows is provided.
[0083]
The oil seal portion 148 includes an oil seal bellows 149 provided between the fixed plate 243 and the expansion piston 93 and the compression piston 67, and a washer-shaped upper mounting ring 150 to which the upper end of the oil seal bellows 149 is welded. The oil seal bellows 149 has a washer-shaped lower mounting ring 151 to which a lower end is welded.
[0084]
As the oil seal bellows 149, a metal molded bellows formed by integrally forming a metal material by press working or a metal welded bellows assembled by welding is used.
[0085]
The upper mounting ring 150 is tightly fixed between the bottom of the compression piston rod 69 or the expansion piston rod 100 and the piston side flange 103, and the lower mounting ring 151 is fixed to the fixed plate 243 and the lower cylinder housing 74b. And is fixed in close contact with them.
[0086]
As a result, the back pressure chamber 154 is airtight, and the inconvenience of the oil 248 from entering the compression space 66 and the expansion space 92 from the crank space 36 can be completely prevented.
[0087]
The back pressure chamber 154 is formed on each of the back pressure side of the compression piston 67 and the back pressure side of the expansion piston 93, and a back pressure chamber communication hole 155 is formed so that they communicate with each other.
[0088]
Incidentally, the space volume on the crank space 36 side is sufficiently larger than the space volume of the back pressure chamber 154.
[0089]
The space volume on the side of the crank space 36 is a sum of the space of the crank space 36 and the motor chamber 13 because they communicate with each other.
[0090]
When the back pressure chamber 154 is in an airtight state under such a volume relationship, a reciprocating operation of the expansion piston 93 and the compression piston 67 causes a large pressure fluctuation in the back pressure chamber 154, and at the same time, the crank space 36 A large pressure difference occurs between the two.
[0091]
When the pressure in the back pressure chamber 154 becomes higher than the pressure in the crank space 36, the oil seal bellows 149 is narrowed into a bobbin shape. Conversely, when the pressure in the back pressure chamber 154 becomes lower than the pressure in the crank space 36, the oil seal bellows 149 149 bulges in a biadal shape.
[0092]
Such deformation repeatedly occurs in the oil seal bellows 149, and the oil seal bellows 149 is easily broken.
[0093]
Further, since the pressure fluctuation in the back pressure chamber 154 acts as a brake for the reciprocating motion of the expansion piston 93 and the compression piston 67, the load on the motor 14 increases by that amount and the refrigeration efficiency decreases.
[0094]
Therefore, in the present invention, the back pressure chamber communication holes 155 are provided to communicate the back pressure chambers 154 formed on the back pressure side of the compression piston 67 and the back pressure side of the expansion piston 93, respectively.
[0095]
Since the compression piston 67 and the expansion piston 93 reciprocate while maintaining a predetermined phase difference, their back pressure side pressures also fluctuate while maintaining a predetermined phase difference.
[0096]
Therefore, by allowing the back pressure side of the compression piston 67 and the back pressure side of the expansion piston 93 to communicate with each other through the back pressure chamber communication hole 155, pressure fluctuations are mutually absorbed.
[0097]
However, even with such a configuration, the pressure fluctuation is completely absorbed by the difference in the space volume between the back pressure side of the compression piston 67 and the back pressure side of the expansion piston 93, the flow resistance of the atmosphere filling the back pressure chamber 154, and the like. Can not do it.
[0098]
Therefore, in the present invention, the pressure adjusting unit 125 including the buffer tank 126 is provided so that a more complete pressure fluctuation can be performed.
[0099]
The buffer tank 126 of the pressure adjusting unit 125 includes a pressure adjusting bellows 127 that air-tightly divides a space in the tank into two spaces. One of the spaces communicates with the back pressure chamber 154 via a back pressure side communication pipe 128, and the other space. Is communicated with the crank space 36 and the motor chamber 13 by the crank side communication pipe 130.
[0100]
The space communicating with the back pressure chamber 154 is described as a back pressure buffer chamber 129, and the space communicating with the crank space 36 is described as a crank buffer chamber 131.
[0101]
The space volume of at least the back pressure side buffer chamber 129 is sufficiently larger than the space volume of the back pressure chamber 154.
[0102]
As the pressure adjusting bellows 127, a metal molded bellows or a metal welded bellows can be used similarly to the oil seal bellows 149. However, the pressure adjusting bellows 127 is made of resin or rubber because the amount of expansion and contraction is not so large as in the oil seal bellows 149. It is also possible to use bellows.
[0103]
As a result, the pressure fluctuation in the back pressure chamber 154 is automatically reduced by the pressure fluctuation in the back pressure side buffer chamber 129, and is absorbed by the expansion and contraction of the pressure adjusting bellows 127. A large differential pressure is not generated, so that deterioration and breakage of the oil seal bellows 149 are prevented, and the operating performance and durability of the Stirling refrigerator 1 are improved.
[0104]
Since the motor chamber 13 communicates with the crank space 36, the same effect can be obtained even if the crank-side buffer chamber 131 communicates with the motor chamber 13.
[0105]
The cold head portion 219 includes a cooling fin 220 and a jacket 221 provided so as to surround the tip of the cooling fin 220, and forms a brine flow path 222 between the cooling fin 220 and the jacket 221. I have.
[0106]
In addition, as the brine, ethyl alcohol, HFE, PFC, PFG, nitrogen, helium, and the like can be used.
[0107]
As a result, the brine is cooled by the cooling heat generated in the expansion space 92 via the cooling fins 220, and the cold heat is supplied to the cold heat utilization device.
[0108]
Next, the operation of the Stirling refrigerator 1 having such a configuration will be described.
[0109]
When the motor 14 is driven, its rotational power is transmitted to the crankshaft 37 via the motor shaft 17.
[0110]
A crank 38 is eccentrically mounted on the crankshaft 37, and a cross guide head 44 is connected to the crank 38 via a connecting rod 41, so that rotational power is converted into reciprocating power of the cross guide head 44. .
[0111]
When the cross guide head 44 reciprocates, the expansion piston 93 and the compression piston 67 connected via the piston rod reciprocate to compress and expand the working gas.
[0112]
At this time, the oil 248 adheres to the cross guide head 44 and the like by the crank 38, but the crank space 36 and the back pressure chamber 154 are completely partitioned by the oil seal bellows 149.
[0113]
Further, the pressure difference between the back pressure chamber 154 and the crank space 36 is adjusted by the buffer tank 126, and the generation of the pressure difference between them is suppressed. Since the partition 126 is partitioned, the oil 248 does not flow into the back pressure chamber 154 from the crank space 36 or the like via the buffer tank 126.
[0114]
Therefore, the oil 248 does not enter the back pressure chamber 154 and enter the compression space 66 or the expansion space 92, so that a decrease in refrigeration efficiency can be prevented.
[0115]
Since the pressure difference between the back pressure chamber 154 and the expansion space 92 is suppressed by the buffer tank 126, the load on the motor 14 is reduced, and a decrease in the refrigeration efficiency can be suppressed.
[0116]
In this way, the expansion piston 93 and the compression piston 67 reciprocate, and when the expansion piston 93 approaches the top dead center and slows down, the compression piston 67 moves rapidly toward the top dead center in the vicinity of the center. The working gas is substantially adiabatically compressed and rises in temperature.
[0117]
The compressed working gas flows through the gas flow path 175 and flows into the radiator 193, where it radiates heat to the cooling water via the radiator 195 to lower the temperature.
[0118]
The working gas that has radiated heat to the cooling water flows into the heat storage unit 174, stores heat in the heat storage material 176 when passing through the heat storage material 176, and flows into the expansion space 92.
[0119]
Then, the compression piston 67 approaches the top dead center, and its speed also decreases.
[0120]
Then, the expansion piston 93 rapidly moves toward the bottom dead center, whereby the expansion space 92 expands abruptly, and the working gas in the expansion space 92 adiabatically expands to lower the temperature.
[0121]
As a result, the temperature of the cold head section 219 decreases, the brine is cooled via the cooling fins 220, and cold heat is supplied to the cold heat utilization device.
[0122]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a heat storage material formed by laminating a plurality of porous metal sheets in a heat storage unit, and a heat storage material inserted into a stacked body of the heat storage material to form heat between adjacent heat storage materials. Since it is formed of the heat insulating sheet that suppresses conduction, it is possible to improve the refrigerating efficiency by suppressing heat conduction while increasing the heat storage capacity.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a side sectional view of a Stirling refrigerator applied to a description of an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a sectional perspective view of a heat storage unit.
FIG. 3 is a side sectional view of a Stirling refrigerator applied to the description of the related art.
FIG. 4 is a cross-sectional perspective view of a conventional heat storage unit.
[Explanation of symbols]
1 Stirling refrigerator
33 Cold heat generator
66 compression space
67 compression piston
68 compression cylinder
92 expansion space
93 expansion piston
93a Upper expansion piston
93b Lower expansion piston
105 heat storage material storage groove
174 heat storage unit
175 gas flow path
176 heat storage material
181 Insulation sheet
