JP3643761B2 - Stirling refrigerator - Google Patents

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JP3643761B2
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Description

【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26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38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90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65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。
【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78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86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69、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90、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93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106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、109、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100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101、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、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。
【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74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74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69、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、108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69、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106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
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to Stirling refrigerators such as Stirling refrigerators that can be used for freezing and cooling in industrial fields such as food distribution, environmental testing, medical care, biotechnology industry, semiconductor manufacturing, etc., or household equipment. The present invention relates to a working gas charging / discharging device of a Stirling refrigerator.
[0002]
[Prior art]
In recent years, it has been used as a refrigeration device in place of CFCs for global environmental problems and has a wider operating temperature than conventional refrigeration equipment. Application to refrigeration equipment in all industrial fields such as liquid circulators, low temperature thermostats, thermostats, heat shock test equipment, freeze dryers, temperature characteristics test equipment, blood / cell storage equipment, cold coolers, and other various refrigeration equipment Stirling refrigerators are in the spotlight as possible refrigerators that are compact, have high coefficient of performance, and have good energy efficiency.
[0003]
FIG. 1 shows an overall schematic diagram of a Stirling refrigerator 1. In a housing 2, a compression piston is connected to crank portions 5 and 6 of a crankshaft 4 operated by a motor 3 via cross guide heads 7 and 8, respectively. The rod 9 and the expansion piston rod 10 are connected. The compression piston 11 and the expansion piston 12 reciprocate in the compression cylinder 13 and the expansion cylinder 14 with a phase difference through the compression piston rod 9 and the expansion piston rod 10, respectively, thereby compressing and expanding the working gas. A heat exchanger for heat dissipation (high temperature side heat exchanger) disposed between a high temperature chamber (compression chamber) 15 of the compression cylinder 13 and a low temperature chamber (expansion chamber) 16 of the expansion cylinder 14 via a regenerator 17. 18 and a heat exchanger for cooling (low temperature side heat exchanger) 19 perform heat exchange between the heat-dissipating refrigerant and the cold refrigerant and the working gas, respectively.
[0004]
By the way, there is a problem that oil or oil mist rises from the crank chamber along the piston rods 9 and 10, that is, so-called oil rise. This oil rise adheres to the inner surface of oil and oil mist when entering the compression cylinder and expansion cylinder, and is carbonized by heat, thereby significantly reducing the performance and durability of the Stirling refrigerator. Conventionally, the compression piston rod 9 and the expansion piston rod 10 are sealed by oil seals 20 and 21 in order to solve the problem of oil rising.
[0005]
This oil seal has been developed in various ways in terms of structure and material, but it is not necessarily sufficient in terms of sealing performance and durability, and roll socks type sealing systems have also been proposed, but durability The current situation is not enough.
[0006]
When the Stirling refrigerator is operating, the temperature of the crank chamber 26 rises and the internal pressure rises. This increase in the pressure in the crank chamber causes a mechanical burden on the oil seal and causes deterioration, and the pressure increases the oil increase, which adversely affects performance. In addition, the reciprocating motion of the compression piston and the expansion piston causes a pressure fluctuation on the back side thereof, which has a problem of adversely affecting the oil seal.
[0007]
The present inventors aim to solve the problems inherent to the above Stirling refrigerator, and are equipped with an oil seal bellows for a piston rod that prevents oil rising and has a long service life. Absorbs pressure differences and pressure fluctuations between the crank chamber and the space behind the compression piston and expansion piston (this space is referred to as the “working space” in this specification), which is the cause of deterioration and destruction A Stirling refrigerator equipped with a buffer tank that has been developed has been filed (see Japanese Patent Application No. 10-365371).
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the Stirling refrigerator, even when a configuration in which the crank chamber and the working space are equal to each other is adopted, when the working gas is supplied and sealed from the outside, or when the working gas is discharged Depending on the method of injection or discharge, a pressure difference will occur. If a pressure difference is generated at the time of filling and discharging such a working gas, even if the pressure is adjusted by providing the buffer tank as described above, a sufficient effect is not produced.
[0009]
An object of the present invention is to solve such a conventional problem, and a specific problem thereof is that when a working gas is charged and discharged in a Stirling refrigerator equipped with an oil seal bellows. The pressure difference between the crank chamber and the working space, which is likely to occur, is prevented, and the oil seal bellows is not deteriorated or broken to prevent the oil from rising and to extend the life of the oil seal bellows. It is to improve the performance and durability of the machine.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-described problems, the present invention compresses the working gas by reciprocating the housing having a crank chamber, the compression cylinder and the expansion cylinder disposed above the crank chamber, and the compression cylinder and the expansion cylinder. An expansion piston, an expansion piston, a compression piston rod and an expansion piston rod linked to the crank in the crank chamber, and one end connected to the compression piston and the expansion piston, and the compression piston rod and the expansion piston rod, respectively. In the Stirling refrigerator provided with an oil seal disposed at the opening of the top of the crank chamber penetrating therethrough, the oil seal is fixed to the periphery of the opening, and the tip thereof is compressed. Oil seal bellows fixed to piston rod and expansion piston rod A working gas filling and discharging device for filling or discharging working gas in the working space on the back side of the compression piston and the expansion piston in the compression chamber and the expansion cylinder; Provided is a Stirling refrigerator characterized by being arranged to communicate with each other in a working space.
[0011]
It is good also as a structure which provided the buffer tank for absorbing the pressure fluctuation in the said working space, and the pressure rise in the said housing between the said housing and the said working space. And this buffer tank is good also as a structure by which the bellows for pressure adjustment is arrange | positioned in the inside.
[0012]
The working gas filling / discharging device includes a connecting pipe, a filling pipe, and an exhaust pipe for the crank chamber and the working space, respectively, and the filling pipe of the crank chamber and the filling pipe of the working space are filled. The exhaust pipe of the crank chamber and the exhaust pipe of the working space are joined to the exhaust pipe and connected to the gas exhaust port, and the charging pipe and the exhaust pipe are joined. Each of the roads has a configuration in which an aperture is provided.
[0013]
Furthermore, in order to solve the above-mentioned problems, the present invention is a portable working gas charging / discharging device for a Stirling refrigerator having a working gas filling / exhaust gas circuit for filling and discharging the working gas in the Stirling refrigerator. The working gas charging / exhaust gas circuit is provided with a pressure sensor connected to the crank chamber of the Stirling refrigerator and the compression piston of the compression cylinder and the expansion cylinder and the working space on the back side of the expansion piston. A connecting pipe and a filling pipe having an electromagnetic valve and an exhaust pipe, and the filling pipe of the crank chamber and the filling pipe of the working space merge and are connected to the filling pipe line and communicate with the working gas supply source; The exhaust pipe of the crank chamber and the exhaust pipe of the working space join together and are connected to the exhaust pipe and communicate with the exhaust port. The filling pipe and the exhaust pipe each have a throttle. , The exhaust pipe of the crank chamber provides a Stirling refrigerating machine working gas filling and discharging device, characterized by comprising sequentially disposed an oil mist separator and the filter.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings based on examples relating to Stirling refrigerators. FIG. 2 is a view showing an embodiment of a Stirling refrigerator according to the present invention. The Stirling refrigerator 22 of the embodiment is provided with an oil seal bellows to prevent oil rising and a buffer tank with a pressure adjusting bellows communicating with the crank chamber to increase the temperature of the crank chamber relative to the oil seal bellows. The structure which absorbs the pressure rise of the space in the space resulting from this, and the pressure fluctuation of the space of the back side of a compression piston and the expansion piston is employ | adopted.
[0015]
This will be described in detail. In FIG. 2, the housing 23 of the Stirling refrigerator 22 is formed of a casting, and the inside of the housing 23 is partitioned into a motor chamber 25 and a crank chamber 26 by a partition wall 24. In the crank chamber 26, a rotary reciprocating conversion mechanism 28 for converting the rotational operation of the motor 27 into a reciprocating motion is provided. The motor chamber 25 and the crank chamber 26 are closed by lids 29 and 30, respectively.
[0016]
A crankshaft 34 that penetrates the partition wall 24 and is pivotally supported by the bearings 31 and 32 is rotatably disposed in the housing 23. The motor 27 includes a stator 35 and a rotor 36, and a crankshaft 34 is coupled to an output shaft 33 of a motor fixed to the rotor 36.
[0017]
The rotary reciprocating conversion mechanism portion 28 is attached to the crank portions 37 and 38 of the crankshaft 34 extending into the crank chamber 26, connecting rods 39 and 40 connected to the crank portions 37 and 38, and the tip of the connecting rod. The cross guide heads 41 and 42 function as drive transmission means for the Stirling refrigerator 22.
[0018]
The cross guide heads 41 and 42 are disposed so as to reciprocate within the cross guide liners 43 and 44 provided on the inner wall of the cylinder of the housing 23. The crank portions 37 and 38 are formed with a phase difference so that the crank 38 moves ahead of the crank 37 when the motor 27 rotates forward. As this phase difference, a phase difference of about 90 degrees is generally adopted.
[0019]
A compression cylinder 45 and an expansion cylinder 46 are disposed above the crank chamber 26 of the housing 23 of the Stirling refrigerator 22. In the compression cylinder 45, the expansion cylinder 46, and the housing 23, for example, helium, hydrogen, nitrogen or the like is sealed as a working gas.
[0020]
The compression cylinder 45 has a compression cylinder block 47 fixed to the housing 23 with a bolt or the like, and a compression piston 48 provided with a piston ring reciprocates in the space of the compression cylinder block 47 so that the upper portion of the space Is a high-temperature chamber (compression space) 49, and the working gas therein is compressed to a high temperature.
[0021]
The compression piston rod 50 has one end fixed to the compression piston 48 and the other end rotatably connected to the cross guide head 41. The upper end of the oil seal bellows 53 is fixed to the compression piston rod 50 and the lower end thereof is fixed to the peripheral edge of the opening 51 so as to seal the opening 51 at the top of the housing 23.
[0022]
As a result, the compression cylinder 45 and the crank chamber 26 of the housing 23 are completely sealed, and oil is completely prevented from entering the compression cylinder 45 from the crank chamber 26. As the oil seal bellows 53, a metal forming bellows integrally formed by pressing a metal material or a metal welding bellows assembled by welding is used.
[0023]
Since the reciprocating compression piston 48 reverses the sliding direction at the top dead center and the bottom dead center, the speed becomes zero, and the speed is slow near the top dead center and the bottom dead center, and the amount of change in volume per unit time is also large. Small, maximum speed at each intermediate point when moving from bottom dead center to top dead center and top dead center to bottom dead center, and maximum volume change due to piston movement per unit time .
[0024]
On the other hand, the expansion cylinder 46 is positioned slightly above the compression cylinder 45 and has an expansion cylinder block 54 fixed to the housing 23 and the compression cylinder block 47 by bolts or the like. The expansion piston 55 provided with a ring slides back and forth, and the upper portion of this space is a low temperature chamber (expansion space) 56, and the working gas in the space expands to become a low temperature. The expansion piston 55 moves ahead of the compression piston 48 by a phase of about 90 degrees.
[0025]
The expansion piston rod 57 has one end fixed to the expansion piston 55 and the other end rotatably connected to the cross guide head 42. The upper end of the oil seal bellows 58 is fixed to the expansion piston rod 57 and the lower end of the oil seal bellows 58 is fixed to the periphery of the opening 52 of the housing 23 so as to seal the upper opening 52 of the housing 23.
[0026]
Thereby, the expansion cylinder 46 and the crank chamber 26 are completely sealed, and the expansion cylinder 46 and the expansion piston rod 57 are completely prevented from entering the expansion cylinder 46. For the oil seal bellows 58, the same metal forming bellows or metal welding as those for the compression cylinder is used.
[0027]
A buffer tank 59 is disposed in the Stirling refrigerator 22, and a pressure adjusting bellows 61 that extends and contracts in the axial direction is disposed in the buffer tank 59. With this pressure adjusting bellows 61, the buffer tank 59 is partitioned into a chamber 63 on the opening side of the pressure adjusting bellows 61 and a chamber 65 on the closing wall side of the pressure adjusting bellows 61.
[0028]
The chamber 63 on the opening side of the pressure adjusting bellows 61 communicates with a space 69 on the back side of the compression piston 48 of the compression cylinder by a pipe 67. A communication hole 69 ′ is formed in a partition wall between the chamber 69 and the space 70 on the back side of the expansion piston 55 of the expansion cylinder, and the two spaces 69 and 70 are communicated with each other.
[0029]
The chamber 65 on the closing wall side of the pressure adjusting bellows 61 communicates with the motor chamber 25 and the crank chamber 26 of the housing 23 by a pipe 71 (this point, the motor chamber 25 and the crank chamber 26 are separated from each other by the partition wall 24). However, they are not separated from each other in an airtight state but are in a communication state, and therefore, in this specification, it is expressed as communicating with a space in the housing 23). These pressure adjusting bellows 61 are made of metal-formed bellows, metal welded bellows, or resin or rubber bellows, like oil seal bellows 53 and 58.
[0030]
The expansion cylinder block 54 is provided with an annular manifold 73 that communicates with a high temperature chamber (compression space) 49 of the compression cylinder 45, and further includes a heat dissipation heat exchanger 74, a regenerator 75, and a cooling heat exchanger 76. They are sequentially communicated with each other and arranged in an annular shape. Near the upper end of the compression cylinder block 45, a communication hole 77 is formed. As a result, the high temperature chamber (compression space) 49 and the low temperature chamber (expansion space) 56 are connected to the communication hole 77, the manifold 73, the heat for heat dissipation. It is configured to sequentially communicate with each other via the exchanger 74, the regenerator 75, and the cooling heat exchanger 76.
[0031]
The heat dissipating heat exchanger 74 is an annular type heat exchanger, for example, a shell and tube heat exchanger (a large number of tubes through which a working gas flows in an annular heat exchanging chamber are provided in the axial direction to cool the heat. A heat exchanger that cools the working gas by flowing water into the heat exchange chamber).
[0032]
The heat dissipating heat exchanger 74 is connected to the heat dissipator 79 via the cooling water circulation pipe 78 and the cooling water pump P1, and circulates the cooling water. The cooling water heated and exchanged by the heat radiating heat exchanger 74 is cooled by the cooling fan 80 of the radiator 79. A water reservoir tank 82 is connected to the cooling water circulation pipe line 78 via a reservoir valve 81. The radiator 79 is connected with an air vent 83 and a drain valve 84.
[0033]
A cooling heat exchanger 76 is formed in the upper portion (cold head 85) of the expansion cylinder block 54. The cooling heat exchanger 76 has a working gas flow path 86 on the inner side and cooling fins formed on the outer side. The cooling heat exchanger 76 has various structures depending on the application. For example, a jacket wall may be provided at the top of the expansion cylinder block 54, and a cold refrigerant such as ethyl alcohol, HFE, PFC, PFG, nitrogen, helium may flow through the jacket wall.
[0034]
The Stirling refrigerator of the present invention is a Stirling refrigerator having a large refrigerating capacity by using two pistons of the compression cylinder 45 and the expansion cylinder 46 to increase the volume fluctuation of the space filled with the working gas of the Stirling refrigerator. 22 can be provided.
[0035]
By the way, in the Stirling refrigerator of the present invention, the oil seal bellows 53 and 58 are employed, and the buffer tank 59 is further provided to prevent the oil from rising, and the crank chamber 26 (or inside the housing 23) and the spaces 69 and 70 are provided. Absorbs the pressure difference and pressure fluctuation from the (operating space), and automatically adjusts the pressure to prevent the oil seal bellows 53, 58 from being deteriorated or broken, and to improve the operation performance and durability of the Stirling refrigerator. We are trying to improve.
[0036]
In short, the Stirling refrigerator of the present invention employs a configuration in which the crank chamber 26 and the working spaces 69 and 70 have the same pressure. However, when the Stirling refrigerator is manufactured or maintained, the working gas is supplied or sealed into the crank chamber 26 and the working spaces 69 and 70 from the outside, or when the working gas is discharged to the outside, Depending on the manner, a pressure difference tends to occur between the crank chamber 26 and the working spaces 69 and 70. If there is a pressure difference due to such filling and discharging, even if the buffer tank 59 is provided and the pressure is adjusted as described above, a sufficient effect cannot be obtained.
[0037]
In the Stirling refrigerator according to the present invention, a working gas charging / discharging device 87 is provided to prevent a pressure difference between the crank chamber 26 and the working spaces 69 and 70 when charging and discharging the working gas. It is characterized by the configuration. The housing 23 is provided with a gas stopper 88 that communicates with the crank chamber 26, and the expansion cylinder block 54 is provided with a gas stopper 89 that communicates with the working spaces 69 and 70.
[0038]
FIG. 3 shows a gas circuit diagram of the working gas filling / discharging device 87. The working gas charging / discharging device 87 includes a crank connecting pipe 92 and a working space connecting pipe each having a quick connector 90, 91 at the tip for charging or discharging the working gas in the crank chamber 26 and the working spaces 69, 70, respectively. 93. The working gas charging / discharging device 87 is attached to the Stirling refrigerator 22 by attaching the quick connectors 90 and 91 to the gas stoppers 88 and 89 of the Stirling refrigerator 22.
[0039]
The crank chamber connecting pipe 92 is provided with a pressure sensor 94, and its tip is branched into a crank chamber filling pipe 96 and a crank chamber exhaust pipe 97. The working space connecting pipe 93 is provided with a pressure sensor 95, and its tip is branched into a working space filling pipe 98 and a working space exhaust pipe 99. The crank chamber filling pipe 96 and the working space filling pipe 98 merge into the filling pipe line 100 and are connected to the working gas supply source by the quick connector 102 via the throttle 101. The crank exhaust pipe 97 and the working exhaust pipe 99 merge into the exhaust pipe 103 and are connected to the exhaust port 106 via the throttle 104 and the electromagnetic valve 105.
[0040]
The crank chamber filling pipe 96 and the working space filling pipe 98 are provided with solenoid valves 107 and 108, respectively. In the crank chamber exhaust pipe 97, an electromagnetic valve 109, an oil mist separator 110, and a filter 111 are sequentially provided toward the exhaust port 106. An electromagnetic valve 112 is provided in the working space exhaust pipe 99. Such a working gas charging / discharging device 87 is not shown, but is charged or discharged with a working gas by using an operation panel equipped with an indicator for the pressure sensors 94 and 95, a solenoid valve opening / closing operation rod, and the like. Perform the operation.
[0041]
Such a working gas charging / discharging device 87 may be installed as an accessory to the Stirling refrigerator 22 or may be a portable independent device. In short, the portable working gas charging / discharging device 87 is connected to the crank chamber 26 and the working spaces 69 and 70 of the Stirling refrigerator 22, respectively, with connection pipes 92 and 93 with pressure sensors 94 and 95, respectively. The filling pipes 96, 98 having the solenoid valves 107, 108, 109, 112 and the exhaust pipes 97, 99 are provided. The filling pipe lines 96, 98 join the filling pipe line 100 and are connected to the working gas supply source. The exhaust pipes 97 and 99 are joined to the exhaust pipe 103 and connected to the gas exhaust port 106. The working gas filling / exhaust gas circuit in which the filling pipe 100 and the exhaust pipe 103 are provided with throttles 101 and 104, respectively. 87, an oil mist separator 110 and a filter 111 are attached to the crank chamber exhaust pipe, and can be moved by a caster or the like.
[0042]
FIG. 4 shows a gas circuit diagram of another embodiment of the working gas charging / discharging device 87. The gas circuit of FIG. 4 has substantially the same configuration as the gas circuit of FIG. 3, but in the gas circuit of FIG. 4, the filling pipes 96 and 98 and the exhaust pipes 97 and 99 are respectively independently provided with pressure sensors 94 The Stirling refrigerator 22 is connected to the corresponding crank chamber 26 and working spaces (working chambers) 69 and 70 via 95, 94 and 95, respectively.
[0043]
Next, the operation of the Stirling cooling apparatus of the above embodiment of the present invention will be described. The crankshaft 34 is rotated in the forward direction by the motor 27, and the crank portions 37 and 38 in the crank chamber 26 are rotated out of phase with each other. The cross guide heads 41 and 42 reciprocate the cross guide liners 43 and 44 through connecting rods 39 and 40 that are rotatably connected to the crank portions 37 and 38. The compression piston 48 and the expansion piston 55 connected to the cross guide heads 41 and 42 via the compression piston rod 50 and the expansion piston rod 57 reciprocate with a phase difference.
[0044]
While the expansion piston 55 is moving about 90 degrees ahead and slowly moving near the top dead center, the compression piston 48 rapidly moves near the middle toward the top dead center to compress the working gas. The compressed working gas flows into the heat exchanger 74 for heat dissipation through the communication hole 77 and the manifold 73. The working gas radiated to the cooling water in the heat radiating heat exchanger 74 is cooled by the regenerator 75 and flows into the low temperature chamber (expansion space) 56 through the flow path 86.
[0045]
When the compression piston 48 is slowly moving near the top dead center, the expansion piston 55 is suddenly moved toward the bottom dead center, and the working gas flowing into the low temperature chamber (expansion space) 56 is suddenly expanded to generate cold. To do. As a result, the cold head 85 surrounding the expansion space is cooled to a low temperature.
[0046]
When the expansion piston 55 moves from the bottom dead center to the top dead center, the compression piston 48 moves from the intermediate position toward the bottom dead center, and the working gas passes from the low temperature chamber (expansion space) 56 through the flow path 86 to the regenerator 75. The refrigerating machine 75 stores the cold heat that flows into the working gas. The cold stored in the regenerator 75 is reused to cool again the working gas sent from the high temperature chamber 49 through the heat radiating heat exchanger 74 as described above.
[0047]
Cold head 85 can be cooled by freezer, refrigerator, throw-in cooler, low temperature liquid circulator, low temperature thermostat for various temperature characteristics tests, thermostatic bath, heat shock test device, freeze dryer, cold cooler, etc. Used for
[0048]
The cooling water heat exchanged by the heat radiating heat exchanger 74 flows from the cooling water circulation pipe 78 to the heat radiating device 79, where it is cooled by the cooling fan 80 and circulated again to the heat radiating heat exchanger 74.
[0049]
In the present invention, since the space between the compression piston rod 50 and the opening 51 is completely sealed by the oil seal bellows 53, oil or oil mist rises from the crank chamber 26 along the compression piston rod 50 and is compressed. The entry into the cylinder 45 is completely prevented. Similarly, since the space between the opening 52 and the expansion piston rod 57 is completely sealed by the oil seal bellows 58, oil and oil mist rise from the crank chamber 26 along the expansion piston rod 57 and expand. Entering into the cylinder 46 is completely prevented.
[0050]
By the way, although the temperature in the space in the housing 23 rises during operation of the Stirling refrigerator, the pressure in the space in the housing 23 rises with this temperature rise. Further, pressure fluctuations occur in the spaces 69 and 70 on the back side of the pistons of the compression piston 48 and the expansion piston 55. The rise in pressure in the space in the housing 23 and the pressure fluctuation in the spaces 69 and 70 are absorbed in the buffer tank 59. In particular, when the pressure adjusting bellows 61 is provided, the rising pressure due to the temperature rise in the space in the housing 23 increases the pressure in the chamber 65 via the pipe 71 and causes the pressure adjusting bellows 61 to contract. This is effectively absorbed.
[0051]
The motor 27 of the Stirling refrigerator 22 is reversely rotated. Then, the compression piston 48 and the expansion piston 55 have a phase difference of about 90 degrees, and the compression piston 48 acts as the expansion piston 55 and is opposite to the normal rotation operation of the motor 27, and the expansion piston 55 is the compression piston 48. Acts as Thereby, the working gas in the expansion space of the expansion cylinder is compressed by the expansion piston 55 and generates heat. This reverse rotation is used when performing temperature control operation with a Stirling refrigerator or when defrosting frost generated in a cold heat exchanger of a cold energy utilization device.
[0052]
This reverse rotation also raises the temperature of the expansion cylinder 46, and there is a problem of so-called carbonization in which oil and oil mist rising up oil is heated and carbonized and adheres to the inside of the cylinder, but the oil rising is completely prevented by the oil seal bellows 58. This problem of carbonization does not occur because it is prevented.
Shown in (c).
[0053]
When the working gas is filled in the crank chamber 26 and the working spaces 69 and 70 during the manufacture or maintenance of the Stirling refrigerator of the present invention, the solenoid valves 107 and 108 of the crank chamber filling pipe 96 and the working space filling pipe 98 are provided. Each is opened and filled with working gas from a working gas source. When exhausting the working gas from the crank chamber 26 and the working spaces 69, 70, the crank chamber exhaust pipe 97, the working space exhaust pipe 99, and the electromagnetic valves 109, 112, 105 of the exhaust pipe 103 are opened to operate. The gas is discharged from the exhaust port 106.
[0054]
By the way, the crank chamber 26 and the working spaces 69 and 70 have different internal structures. Therefore, when the working gas is charged or discharged, pressure loss based on flow resistances different from each other occurs, and the difference in the internal pressure differs. Pressure is generated. This pressure loss is noticeable when the working gas is rapidly filled or discharged.
[0055]
In the gas circuit of the working gas filling / discharging device 87 according to the present invention, since the throttle 101 and the throttle 104 are provided in the filling pipe 100 and the exhaust pipe 104, respectively, the working gas is filled or discharged while being throttled. This prevents pressure loss that tends to occur when the working gas is charged or discharged into the crank chamber 26 and the working spaces 69 and 70. As a result, the occurrence of a pressure difference between the crank chamber 26 and the working spaces 69 and 70 can be prevented, so that deterioration and destruction of the oil seal bellows 53 and 58 due to the pressure difference can be prevented.
[0056]
When the working gas is discharged from the crank chamber 26 and the working spaces 69 and 70, the oil mist is removed by the oil mist separator 110, and the oil itself and the contaminants and contaminants in the oil are further removed by the filter 111. Therefore, the working gas can be discharged from the exhaust port 106 in a clean state.
[0057]
Further, since the crank chamber connecting pipe 92 and the working space connecting pipe 93 are respectively provided with pressure sensors 94, 95, the filling or discharging operation is performed manually or based on the pressure detected by the pressure sensors 94, 95. Pressure adjustment can be performed while mechanically operating the solenoid valve.
[0058]
The embodiments of the present invention have been specifically described based on the examples. However, the present invention is not limited to the above-described examples, and various modifications can be made within the scope of the technical matters described in the claims. It goes without saying that there are various examples. In the above embodiment, the two-piston type Stirling refrigerator has been described. However, it goes without saying that the working gas charging / discharging device according to the present invention can be applied to other types of Stirling refrigerators such as a displacer type and other Stirling equipment. Yes.
[0059]
【The invention's effect】
According to the Stirling refrigerator of the present invention having the above configuration, the housing, the compression piston rod, and the expansion piston rod are completely sealed with the oil seal bellows, respectively, so that oil rising contamination (oil rising dirt) ) Can be prevented.
[0060]
Then, the pressure increase due to the temperature increase in the crank chamber is eliminated by providing a buffer tank with or without a pressure adjusting bellows, and between the crank chamber and the working space, which is likely to occur when the working gas is charged and discharged. By preventing the differential pressure with a working gas filling / exhausting device having a throttle, deterioration and destruction of the oil seal bellows can be prevented, and the performance and durability of the Stirling refrigerator can be improved.
[0061]
By solving the above problems specific to Stirling refrigerators, it is possible to use low-melting-point refrigerants such as ethyl alcohol, nitrogen, and helium as working gases other than Freon, and the operating temperature is wider than conventional cooling devices. Thus, it is possible to provide a refrigeration apparatus that can be applied to a wide range of uses of cold energy and that is suitable for global environmental problems and has a large refrigeration capacity and can be heated and cooled by forward and reverse operation of a motor.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram illustrating a conventional Stirling refrigerator.
FIG. 2 is a diagram showing an embodiment of a Stirling refrigerator according to the present invention.
FIG. 3 is a diagram showing a gas circuit of a working gas charging / discharging device of a Stirling refrigerator according to the present invention.
FIG. 4 is a diagram showing a gas circuit of another embodiment of the working gas charging / discharging device of the Stirling refrigerator according to the present invention.
[Explanation of symbols]
22 Stirling refrigerator
23 Housing
25 Motor room
26 Crank chamber
27 Motor
45 Compression cylinder
46 Expansion cylinder
48 compression piston
49 High greenhouse
50 compression piston rod
53, 58 Bellows for oil seal
55 Expansion piston
56 Low greenhouse
57 Expansion piston rod
59 Buffer tank
61 Buffer tank pressure adjustment bellows
69, 70 Space on the back side of the compression piston and expansion piston (working space)
87 Working gas filling and discharging device
92 Crank chamber connection pipe
93 Working space connection pipe
100 Filling pipeline
101, 104 aperture
103 Exhaust pipe
110 Oil mist separator
111 filter

Claims (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。
A housing having a crank chamber;
A compression cylinder and an expansion cylinder disposed above the crank chamber;
A compression piston and an expansion piston that reciprocate in the compression cylinder and the expansion cylinder to compress and expand the working gas;
In conjunction with the crank in the crank chamber, a compression piston rod and an expansion piston rod having one end connected to the compression piston and the expansion piston;
In a Stirling refrigerator comprising an oil seal disposed at each opening of the top of the crank chamber through which the compression piston rod and the expansion piston rod penetrate,
Each of the oil seals is composed of an oil seal bellows whose base end is fixed to the periphery of the opening and whose tip is fixed to the compression piston rod and the expansion piston rod.
A working gas filling and discharging device for filling or discharging working gas in the working space on the back side of the compression piston and the expansion piston in the compression chamber and the expansion cylinder in the crank chamber and the working space. A Stirling refrigerator characterized by being arranged to communicate with each other.
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。The Stirling refrigerator according to claim 1, wherein a buffer tank is provided between the housing and the working space to absorb pressure fluctuations in the working space and a pressure increase in the housing. 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。The Stirling refrigerator according to claim 1 or 2, wherein the buffer tank has a pressure adjusting bellows disposed therein. 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。The working gas filling / discharging device includes a connecting pipe, a filling pipe, and an exhaust pipe for the crank chamber and the working space, respectively, and the filling pipe of the crank chamber and the filling pipe of the working space are filled. The exhaust pipe of the crank chamber and the exhaust pipe of the working space are joined to the exhaust pipe and connected to the gas exhaust port, and the charging pipe and the exhaust pipe are joined. The Stirling refrigerator according to claim 1, 2 or 3, wherein a throttle is provided in each of the paths. 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。
A working gas charging / discharging device for a portable Stirling refrigerator having a working gas filling / exhaust gas circuit for charging and discharging the working gas in the Stirling refrigerator,
The working gas filling / exhaust gas circuit includes a connecting pipe with a pressure sensor connected to a crank chamber of a Stirling refrigerator, a compression piston of the compression cylinder and the expansion cylinder, and a working space on the back side of the expansion piston, and It has a filling pipe and an exhaust pipe having a solenoid valve,
The crank chamber filling pipe and the working space filling pipe merge and are connected to the filling pipe line to communicate with the working gas supply source,
The exhaust pipe of the crank chamber and the exhaust pipe of the working space merge and are connected to the exhaust pipe and communicated with the exhaust port,
The filling line and the exhaust line each have a throttle,
A working gas charging / discharging device for a Stirling refrigerator, wherein the exhaust pipe of the crank chamber is formed by sequentially arranging an oil mist separator and a filter.
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