JP3208355B2 - ガス圧縮膨張機 - Google Patents

ガス圧縮膨張機

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JP3208355B2 JP19141197A JP19141197A JP3208355B2 JP 3208355 B2 JP3208355 B2 JP 3208355B2 JP 19141197 A JP19141197 A JP 19141197A JP 19141197 A JP19141197 A JP 19141197A JP 3208355 B2 JP3208355 B2 JP 3208355B2
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光博 増田
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、動力の発生に用い
るスターリングエンジンや、低温の発生に用いるスター
リング冷凍機などのガス圧縮膨張機に関し、特に、潤滑
油の作動空間内への侵入を防止するロッドシール装置を
備えたガス圧縮膨張機に関する。
【0002】
【従来の技術】近年、バイオテクノロジーの分野や電子
デバイスの分野等の先端技術分野において、各種試料や
各種材料の極低温の保存技術の開発が急務になってい
る。特に、スターリング冷凍機などのガス圧縮膨張機
は、上記極低温を実現する手段として注目され各種赤外
線センサー、超電導デバイス等の冷却用やバイオメディ
カル用のフリーザ、冷凍庫等に広く利用されようとして
いる。
【0003】そして、このガス圧縮膨張機においては、
作動ガスを圧縮及び/又は膨張させるピストンまたはデ
ィスプレーサが、ロッドを介してシリンダ内を往復動す
るように構成されており、このロッドには駆動室側から
作動室側に潤滑油が侵入するのを防止するためにロッド
シール装置が設けられている。
【0004】図3に、ピストンロッドに取り付けられた
従来のロッドシール装置を示す。図中101は膨張シリ
ンダや圧縮シリンダ等のシリンダを示し、102はシリ
ンダ101内を往復動するピストンを示し、103はピ
ストンロッドを示し、104はクロスガイドを示し、1
05はクロスガイド104を図示しないクランク室内に
収容されたクランク軸に連結するコンロッドを示し、1
06はクロスガイド104を案内する案内部を示してい
る。そして、案内部106の上端部には、ピストンロッ
ド103を囲み、且つピストン102の背面側にクラン
ク室の潤滑油が侵入するのを防止するためのロッドシー
ル部107が装着されている。
【0005】そして、このロッドシール部107とし
て、クランク室からピストン102の背面側へ向かう方
向の流れに対してのシール性がその逆の流れに対するシ
ール性より高いリップ型のシール部材を用いている。こ
のリップ型のシール部材はシールの方向性を持たないス
リッパシール等の樹脂型のシール部材に比較して一方向
へのシール性が優れており、油圧機構などにおいて盛ん
に用いられている。
【0006】更に、このロッドシール部107によるオ
イルシール効果を高めるために、特開昭64−8785
4号公報では、図4に示すようにロッドシール部107
と逆方向のシール性を有する第2のシール部109を、
ピストン102の背面空間側に空間部108を介して設
け、常に空間部108をピストン102の背面空間の最
低圧力に保持している。これにより、クランク室空間の
圧力が空間部108の圧力より常に高くなり、ロッドシ
ール部107が優れたシール性能を発揮することができ
る。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】一方、出願人はリップ
型のシール部材のように、シール性に方向性を有するも
のの場合、シール性が低い方向の流れに対してガス送り
込み作用があることを実験で確認した。
【0008】このため、上記した従来装置の場合には、
空間部108の圧力がガス送り込む作用によりピストン
102の背面空間の最低圧力から徐々に低下する。そし
て、連続運転の結果、クランク室と空間部108との差
圧がかなり大きくなると、この差圧の影響に伴いロッド
シール部107の摩耗が激しくなり、その結果、クラン
ク室から空間部108へ潤滑油が侵入し、その潤滑油が
ピストン102の背面側へ侵入する虞れがあった。
【0009】更に、連続運転の結果、ピストン102の
背面側空間の最高圧力と空間部108の圧力との差圧が
かなり大きくなると、この差圧の影響によりピストン1
02の背面側空間の作動ガスが徐々に空間部108を介
してクランク室側に漏出し、装置の冷凍能力低下を招来
する虞れがあった。
【0010】本発明は斯かる点に鑑みてなされたもので
あって、ロッドシール装置として、駆動室から作動室へ
向かう方向の流れに対してのシール性がその逆の流れに
対するシール性より高いシール部材を備えたガス圧縮膨
張機において、シール部材の摩耗を極力抑制して装置の
長寿命化を図ると共に、作動室内の作動ガスが駆動室へ
漏出するのを極力抑制して装置の冷凍能力低下を防止す
ることを目的としている。
【0011】
【課題を解決する為の手段】本発明は、ロッドの一端に
接続されたピストンまたはディスプレーサを、シリンダ
内で往復動可能に収容する作動室と、ロッドの他端が接
続され、ピストンまたはディスプレーサを往復動させる
ピストン駆動機構を収容する駆動室と、ロッドが貫通
し、作動室と駆動室とを仕切る仕切部と、を有するガス
圧縮膨張機において、仕切部は、駆動室から作動室へ向
かう方向の流れに対してのシール性がその逆の流れに対
するシール性より高いシール部材から成り、駆動室内の
潤滑油が作動室に侵入するのを防ぐロッドシール装置
と、該ロッドシール装置の作動室側に設けられ、ロッド
径方向の寸法がロッドに付着する潤滑油の厚みより大き
い寸法に形成された中間室と、該中間室の作動室側に設
けられ、作動室内の作動ガスが中間室に侵入するのを防
ぐシール部材からなるガスシール装置と、中間室及び駆
動室を潤滑油除去部材を介して連通させる連通手段と、
を備えていることを特徴とする。
【0012】この構成を用いることにより、中間室内の
圧力低下を抑制すると共に、ロッドシール装置のシール
部材による中間室から駆動室方向へのガス送り込み作用
を利用して駆動室からの潤滑油や水分などの侵入を防止
することができる。
【0013】そして、好ましくは、ロッドシール装置の
シール部材は、リップ型のシール部材で構成しても良
い。この構成を用いることにより、駆動室から作動室へ
向かう方向の流れに対する高いシール性が実現できる。
【0014】また、ガスシール装置のシール部材は、シ
ール性に方向性を有しないシール部材で構成すると良
い。
【0015】
【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施の形態を図
面に沿って詳述する。図1は本発明の一実施の形態に係
るガス圧縮膨張機である。本実施形態の説明では、ガス
圧縮膨張機としてディスプレーサタイプのスターリング
冷凍装置の場合を例に説明する。
【0016】本体ハウジング1には、膨張シリンダ2と
圧縮シリンダ3とが90度の角度差で取り付けられ、膨
張シリンダ2に内蔵されたディスプレーサ6と、圧縮シ
リンダ3に内蔵された圧縮ピストン7は、共通のクラン
ク機構(ピストン駆動機構)5に連結されて、互いに9
0度位相がずれた状態で往復駆動される。
【0017】ディスプレーサ6は、内部に例えば焼結金
属からなる蓄冷材14が充填されており、ディスプレー
サ6の一方の開口から流入した作動ガスは、蓄冷材14
の内部を通過し、他方の開口からの流出までの過程で、
蓄冷材14との熱交換が行われる。
【0018】このディスプレーサ6は、再生熱交換器と
しての機能を兼ね備えたものであって、その熱交換性能
は冷凍装置の成績係数を大きく左右する。また、膨張シ
リンダ2および圧縮シリンダ3はそれぞれ後述の仕切部
8、9によってクランク室(駆動室)12と仕切られて
おり、膨張シリンダ2の基端部と圧縮シリンダ3の圧縮
空間部とは、ガス流路4によって互いに連通されてい
る。これにより、圧縮シリンダ3に形成される圧縮空間
13と膨張シリンダ2に形成される膨張空間11とが、
蓄冷材14を介してガス流路4によって連通されること
になる。一方、クランク室12には潤滑油10が注入さ
れている。
【0019】以上の構成で、駆動モータの回転により駆
動されるクランク機構5によって圧縮ピストン7とディ
スプレーサ6が或る位相差をもって往復運動する。先
ず、圧縮ピストン7が移動して、装置本体内に充満する
ヘリウムなどの作動ガスを圧縮し、この圧縮され発熱し
た作動ガスは、放熱フィン(図示せず)で放熱される。
次に、ディスプレーサ6の降下によって作動ガスが冷や
されてから膨張シリンダ2の作動空間である膨張空間1
1へ導かれる。その後、圧縮ピストン7の移動によって
装置本体内の作動ガスが膨張する膨張工程となり、作動
ガスの膨張により作動ガスが低温となって、コールドヘ
ッド15を介して図示しない冷却器などを冷却する。続
いて、ディスプレーサ6の上昇により作動ガスは温めら
れてから圧縮シリンダ3の作動空間である圧縮空間13
へ導かれる。
【0020】以上の工程が順次繰り返されて、膨張空間
11の作動ガスが膨張時に冷却器を冷却して徐々に冷凍
温度とする。次に、上述した仕切部8、9の構造につい
て図2に基づいて説明する。図2は上述したスターリン
グ冷凍装置における仕切部9の部分を示す要部断面図で
ある。尚、以下に図1に示す仕切部9の具体的構成のみ
を詳述するが、仕切部8の具体的構成についても同様で
ある。
【0021】図において21は上述した圧縮ピストン7
を有する作動室、22は圧縮ピストン7に一端が連結さ
れたピストンロッド、23はピストンロッド22の他端
に連結されたクロスガイド、24はクランク室12内に
収容されたクランク軸に連結するコンロッド、25はク
ロスガイド23を案内する案内部を示している。そし
て、案内部25の上端部に位置する仕切部9の内部に
は、ピストンロッド22を含むように設けられた中間室
91と、その中間室91とクランク室12のクロスガイ
ド空間との間の仕切壁92に設けられたロッドシール装
置93と、中間室91と作動室21との間の仕切壁94
に設けられたガスシール装置95と、中間室91とクラ
ンク室12を連通する連通管96とを有している。そし
て、この連通管96の途中には潤滑油を除去するための
潤滑油除去部材としてのオイルフィルタ97が設けられ
ている。
【0022】中間室91は、ピストンロッド22の径方
向の寸法がこのロッド22に付着する潤滑油の厚みより
大きい寸法となるように設けられている。これは、ロッ
ドシール装置93により除去されずにロッド22に付着
した潤滑油の油膜が毛細管現象により作動室21側へ侵
入する防止している。
【0023】ロッドシール装置93は、クランク室12
から作動室21へ向かう方向の流れに対してのシール性
がその逆の流れに対するシール性より高いリップ型シー
ルのオイルシール部材から構成されている。
【0024】ガスシール装置95は、作動室21内の作
動ガスが中間室91を介してクランク室12側へ流出す
るのを防ぐ、シール性に方向性を有しないTリング型の
ガスシール部材から構成されている。
【0025】このように、連通管96によって中間室9
1とクランク室12を連通状態とすることにより、中間
室91内の圧力がクランク室12の圧力と略同圧に保持
されるので、リップ型シールのオイルシール部材93の
ガス送り込み作用により中間室91内の圧力が、長期使
用時に低下するという虞れもない。このため、作動室2
1内の最高圧力と中間室91内の圧力の差圧がかなり大
きくなり、その影響によって作動室21内の作動ガスが
徐々にクランク室12側に漏出し、装置の冷凍能力低下
を招来することもない。
【0026】また、リップ型シールのオイルシール部材
93のガス送り込み作用により図2中の矢印で示すよう
に、中間室91→クランク室12→連通管96→オイル
フィルタ97→連通管96→中間室91へガス循環させ
ることができ、クランク室12からの潤滑油や水分など
がピストンロッド22の往復動によりオイルシール部材
93を通過して送り込まれるのが防止されると共に、中
間室91内に侵入したオイル等をガス循環の作用によっ
てクランク室12に戻す役割をも果たしている。
【0027】更に、連通管96の途中にオイルフィルタ
97が設けられているので、クランク室12からのオイ
ル蒸気または水蒸気などが連通管96を通って中間室9
1に侵入することがない。
【0028】上記実施の形態の説明は、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の形態に限らず、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。例えば、ガスシール装置95をTリング型のガス
シール部材で構成した場合について説明したが、これに
限らずシール性に方向性を有しないシール部材であれば
構わない。
【0029】
【発明の効果】以上述べたとおり本発明によれば、潤滑
油の作動空間内への侵入を防止するロッドシール装置と
して、駆動室から作動室へ向かう方向の流れに対しての
シール性がその逆の流れに対するシール性より高いシー
ル部材を備えたガス圧縮膨張機において、シール部材の
摩耗を極力抑制して装置の長寿命化を図ると共に、作動
室内の作動ガスが駆動室へ漏出するのを極力抑制して装
置の冷凍能力低下を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明を適用させたディスプレーサタイプのス
ターリング冷凍装置の概略断面図である。
【図2】本発明の一実施の形態におけるロッドシール装
置近傍での要部断面図である。
【図3】従来のロッドシール装置の断面図である。
【図4】図3装置の一部を改良した従来のロッドシール
装置の断面図である。
【符号の説明】
2 膨張シリンダ 3 圧縮シリンダ 4 ガス流路 5 クランク機構(ピストン駆動機構) 6 ディスプレーサ 7 圧縮ピストン 8、9 仕切部 11 膨張空間 12 クランク室(駆動室) 13 圧縮空間 21 作動室 22 ピストンロッド 23 クロスガイド 24 コンロッド 91 中間室 92、94 仕切壁 93 ロッドシール装置 95 ガスシール装置 96 連通管 97 オイルフィルタ(潤滑油除去部材
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭64−87854(JP,A) 特開 平7−151404(JP,A) 特開 平6−323671(JP,A) 特開 平6−249064(JP,A) 特開 平9−249064(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) F25B 9/14 510 F02G 1/053 F04B 39/00 104 F04B 39/02

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ロッドの一端に接続されたピストンまた
    はディスプレーサを、シリンダ内で往復動可能に収容す
    る作動室と、前記ロッドの他端が接続され、前記ピスト
    ンまたはディスプレーサを往復動させるピストン駆動機
    構を収容する駆動室と、前記ロッドが貫通し、前記作動
    室と前記駆動室とを仕切る仕切部と、を有したガス圧縮
    膨張機において、 前記仕切部は、前記駆動室から前記作動室へ向かう方向
    の流れに対してのシール性がその逆の流れに対するシー
    ル性より高いシール部材から成り、前記駆動室内の潤滑
    油が前記作動室に侵入するのを防ぐロッドシール装置
    と、該ロッドシール装置の前記作動室側に設けられ、ロ
    ッド径方向の寸法が前記ロッドに付着する潤滑油の厚み
    より大きい寸法に形成された中間室と、該中間室の前記
    作動室側に設けられ、前記作動室内の作動ガスが前記中
    間室に侵入するのを防ぐシール部材からなるガスシール
    装置と、前記中間室及び駆動室を潤滑油除去部材を介し
    て連通させる連通手段と、を備えていることを特徴とす
    るガス圧縮膨張機。
  2. 【請求項2】 前記ロッドシール装置のシール部材は、
    リップ型のシール部材であることを特徴とする請求項1
    または2記載のガス圧縮膨張機。
  3. 【請求項3】 前記ガスシール装置のシール部材は、シ
    ール性に方向性を有しないシール部材であることを特徴
    とする請求項1ないし2のいずれかに記載のガス圧縮膨
    張機。
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