【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、加熱に使用できるスターリング冷凍機等のスターリング熱機器に関し、特に作動ガスのシール性能を向上したスターリング熱機器に関する。
【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】
このようなスターリング冷凍機等のスターリング熱機器は、作動ガスが作動シリンダの圧縮室（高温室）と膨張室（低温室）との間を流動し、この流路に沿って配設された吸熱用熱交換器（低温側熱交換器）及び放熱用熱交換器（高温側熱交換器）により、夫々冷熱冷媒及び放熱用冷媒との熱交換が行われる。
【０００４】
そして、このようなスターリング熱機器では、モータやクランク等の駆動機構を有するハウジング及び、このハウジングに組み付けられる密封状態の作動シリンダとを備えている。ハウジングにはメインテナンス等の目的で蓋等が樹脂やゴムシール等を介して着脱可能に固定され、その内部は半密閉状態に保持されている。作動シリンダは樹脂やゴムシール等を介して、ハウジングに結合されている。これらのハウジングや作動シリンダは、通常、ＦＣ材、ＳＵＳ系材等の鋳物で形成されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、スターリング熱機器では、作動ガスが、高圧状態で作動シリンダ及びハウジング内に封入されており、スターリング熱機器の耐久性（現在で３〜５万時間程度の運転が要求される。将来的には１０万時間程度の運転時間が要求される。）の点で高圧状態が維持されなくてはならない。
【０００６】
しかしながら、樹脂やゴムシール等を介装してもシール効果は十分ではなく、ハウジング本体と蓋等の取付部の隙間や、ハウジングと作動シリンダの結合部の隙間等から微量の作動ガスが漏れてしまう。又、鋳物で形成したハウジングや作動シリンダの壁を通して作動ガスが漏れてしまう。これは、高圧状態の作動ガスが鋳物の金属組織の空孔を通ってもれてしまうことが原因と考えられる。このような隙間や壁と通して作動ガスが漏れることが原因で、例えば、ヘリウムを２５ｋｇ／ｃｍ２程度の作動ガス圧で封入しておいても、作動ガスの漏れにより、作動ガス圧が１年で数ｋｇ／ｃｍ２程度の減少してしまうという問題が生じていた。
【０００７】
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、スターリング熱機器において、ハウジング本体と蓋の隙間や、ハウジング、シリンダブロックの作動シリンダ等の結合部、また、これらと作動ガス配管との結合部の隙間等からの作動ガスの漏れを抑えるとともに、ハウジングやシリンダブロックの壁からの作動ガスの漏れを防止し、長時間運転しても作動ガス圧を安定させ、耐久性を向上させることである。
【０００８】
【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、モータ及び該モータの駆動力を往復運動に変換する往復駆動機構が配設されているとともに、蓋が取り付けられたハウジングと、該ハウジングに気密的に結合され、圧縮室及び膨張室を夫々含む作動シリンダを構成するシリンダブロックを有するスターリング熱機器において、上記ハウジング又はハウジングとシリンダブロックは、鋳物で形成され、該鋳物は樹脂の含浸加工が施されていることを特徴とするスターリング熱機器を提供する。
【０００９】
上記ハウジングには、上記蓋がメタルシールを介して気密的に固定されており、上記シリンダブロックの上記作動シリンダがメダルシールを介して気密的に固定されており、又上記ハウジング及び上記シリンダブロックが互いにメタルシールを介して気密的に固定されており、上記ハウジングや上記シリンダブロックと作動ガス配管との間がメタルシールを介して気密的に結合されて、ハウジング及びシリンダブロックの気密性を向上している。
【００１０】
ここで利用するメタルシールは、中央帯に又はボルト等の穴周辺に隆起条が形成された金属帯片を有し、該金属帯片の上下両面に夫々ゴム層が形成されている構造である。
【００１１】
スターリング熱機器としては、１気筒型でもよいし、２気筒型でも良い。２気筒型の場合は、上記作動シリンダとしては、圧縮シリンダと膨張シリンダの二つのシリンダを有し、上記シリンダブロックは、上記圧縮シリンダを構成する圧縮シリンダブロックと、上記膨張シリンダを構成する膨張シリンダブロックである。
【００１２】
本発明の適用されるスターリング熱機器としては、スターリングサイクル機器、ヴィルミエサイクル機器又はクーク・ヤーボロフサイクル機器等がある。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を実施例に基づき図面を参照して以下に説明する。図１、２は、本発明に係るスターリング熱機器の実施例を説明する図であり、図１は、本発明に係るスターリング熱機器の一例であるスターリング冷凍機１の全体構造を説明する図である。スターリング冷凍機１のハウジング２は、鋳物で一体に形成され、その内部は半密閉状態とされる。このハウジング２内は、区画壁３によってモータ室４とクランク室５とに区画されている。
【００１４】
モータ室４には正逆回転可能なモータ６が配設されており、モータ室４の端部には、機材の装入、メインテナンス用の開口が形成されており、この開口を気密的に密閉するための蓋７が図２において後述するメタルシール８を介してボルト等により固定されている。モータ室４の頂壁９には、モータ供給電源用の開口が形成され、この開口を気密的に閉じかつ電源取付端子１０を取り付けた端子蓋１１がメタルシール８を介して着脱可能に取り付けられている。
【００１５】
クランク室５の端部には、軸受用の開口が形成され、この開口を気密的に閉じるように内面に軸受を設けた軸受取付蓋１２がメタルシール８を介して着脱可能に取り付けられている。さらにクランク室５の底部には機材の装入及びメインテナンス用の開口が形成されており、これらの開口を気密的に密閉するように底蓋１３がメタルシール８を介して着脱可能に取り付けられている。
【００１６】
クランク室５には、モータ６により駆動され、モータ６の回転を往復動に変換するクランクシャフト１４と、２本のコンロッド１５と、二つのクロスガイドヘッド１６が配設され、スターリング冷凍機１の駆動機構を構成している。クランクシャフト１４の二つのクランク部１７、１８は、モータ６の正転時にクランク部１７がクランク部１８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。
【００１７】
クランク室５の上部には、ハウジング２に対して気密的にメタルシール８を介して圧縮シリンダブロック１９が固定されている。この圧縮シリンダブロック１９には膨張シリンダ連通用の開口２３が形成されている。圧縮シリンダブロック１９の上にさらに、膨張シリンダブロック２０がメタルシール８を介してボルト等によって気密的に固定されている。
【００１８】
この圧縮シリンダブロック１９及び圧縮シリンダブロック２０が、夫々スターリング冷凍機１の作動シリンダである圧縮シリンダ２１及び膨張シリンダ２２を構成している。圧縮シリンダ２１と膨張シリンダ２２、並びにハウジング２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。圧縮シリンダ２１内には、圧縮ピストン２６が往復する。この空間の上部（圧縮空間）が高温室２４であり、この中の作動ガスは圧縮されて高温となる。
【００１９】
圧縮ピストンロッド２５は、圧縮ピストン２６とクロスガイドヘッド１６を連結し、圧縮シリンダ２１とクランク室５の頂壁の通孔のオイルシール２９を通して伸びている。往復動する圧縮ピストン２６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、単位時間当たりの圧縮ピストン２６の移動による容積の変化量も最大となる。
【００２０】
膨張ピストンロッド２７は、膨張ピストン２８とクロスガイドヘッド１６とを連結し、膨張シリンダ２２とクランク室５の頂壁の通孔のオイルシール２９を通して伸びている。この膨張シリンダブロック２０の空間内を膨張ピストン２８が往復摺動して、この空間の上部（膨張空間）が低温室３０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２８は、圧縮ピストン２６より９０度の位相だけ先行して移動する。
【００２１】
膨張シリンダブロック２０には、圧縮シリンダ２１の圧縮空間に作動ガスが流入流出するマニホールド３１が連通するように設けられており、さらに放熱用熱交換器（高温側熱交換器）３２、再生器３３及び冷却用熱交換器（低温側熱交換器）３４が互いに順次連通して環状に配設されている。放熱用熱交換器３２は、冷却水循環管路３５及び冷却水用ポンプＰ１を介して放熱器（ラジエータ）３６と接続しており、冷却水を循環し構成される。圧縮シリンダブロック１９の上端部近くには、高温室２４とマニホールド３１を連通する連通孔２３が形成されている。
【００２２】
このような構成から成るスターリング冷凍機１において、前述のとおりハウジング２、圧縮シリンダ２１及び膨張シリンダ２２内には、作動ガスとして、例えば、ヘリウム、水素、窒素等が高圧状態で封入されている。本発明では、上記のとおり、ハウジング２、圧縮シリンダブロック１９及び膨張シリンダブロック２０相互の結合固定部にメタルシール８を介装することにより、この結合固定部の隙間からの作動ガスの漏れを抑えリーク量を少なくすることができる。
【００２３】
図２（ａ）は、図１のＡの要部拡大図であり、ハウジング２の結合用フランジ３７と圧縮シリンダブロック１９の結合用フランジ３８とを、メタルシール８を介装して、ボルト３９で互いに固定した構造を示している。図２（ｂ）は、メタルシール８の斜視図を示している。メタルシール８は、その中央帯に断面が凸状の隆起条４０’が形成された金属帯片４０を有し、金属帯片の上下両面に夫々ゴム層４１が形成されている。隆起条４０には、長手方向に間隔をおいて固定用のねじ孔４２が形成されている。
【００２４】
ところで、一般的にＦＣ材の鋳物で形成されたハウジング２、及び圧縮シリンダブロック１９では、その鋳物の金属組織を通過して作動ガスが微小量ずつ漏れてしまう。そこで、本発明では、鋳物で形成されたハウジング２、及び圧縮シリンダブロック１９に樹脂の含浸加工を施し、作動ガスの漏れを防止するような構成としている。要するに、鋳物素材自体に樹脂の含浸加工を施す技術は、既に知られているところであるが、本発明では、この技術を、高圧の作動ガスを封入して成るスターリング熱機器を構成する鋳物のシール性の向上に適用したものである。
【００２５】
ハウジング２、及び圧縮シリンダブロック１９への樹脂の含浸加工は次のような工程により行われる。
（１）ハウジング２等の鋳物部材をオーブンに入れて加熱乾燥し、鋳物組織内の水分を除去し、その後冷却する。
（２）次に、乾燥した鋳物部材を容器に入れ、真空・加圧チャンバ内に装入する。そして、真空・加圧チャンバの真空引きを行ってから、容器内に含浸材を注ぐ。含浸材としてはアクリル樹脂を利用する。
（３）この状態で、真空チャンバ内に大気圧を導入し、さらに真空チャンバを加圧して鋳物部材の金属組織の隙間内に含浸材を加圧注入する。
（４）次に、含浸材が加圧注入された鋳物部材を遠心器にかけて、その表面に付着している含浸材を遠心力にて除去する。その後、鋳物部材を水槽内に入れて水洗いする。
（５）水洗いされた鋳物部材を熱硬化用の温度調整湯槽内に入れて加熱し、含浸材に熱硬化を行い、含浸工程を完了する。
【００２６】
以上のような構成から成る実施例のスターリング冷凍機１の作用について説明する。モータ６によってクランクシャフト１４が正方向に回転し、クランク室５内のクランク部１７、１８が９０度位相がずれて回転する。このクランク部１７、１８に回動自在に連結されたコンロッド１５を介して、クロスガイドヘッド１６が往復動する。クロスガイドヘッド１６の夫々に圧縮ピストンロッド２５及び膨張ピストンロッド２７を介して連結された圧縮ピストン２６及び膨張ピストン２８が、互いにおよそ９０度の位相差をもって往復動する。
【００２７】
膨張ピストン２８が先行して上死点付近でゆっくりと移動中、圧縮ピストン２６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２３及びマニホールド３１を通り放熱用熱交換器３２に流入する。放熱用熱交換器３２で冷却水に放熱した作動ガスは、再生器３３で冷却され、冷却用熱交換器３４を通って低温室（膨張空間）３０内に流入し、ここで急激に膨張し冷熱が発生する。膨張シリンダ２１のヘッド、即ちコールドヘッド４３は冷却され低温となる。
【００２８】
そして、コールドヘッド４３において、冷却フィン４４に接する冷熱冷媒を冷却する。膨張ピストン２８が下死点から上死点に移動するときには圧縮ピストン２６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２２から冷却用熱交換器３４を通過して再生器３３に流入し作動ガスの有する冷熱を再生器３３に蓄熱する。再生器３３に蓄熱された冷熱は、上記のように高温室２４から放熱用熱交換器３２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。
【００２９】
そして、コールドヘッド４３において冷却された冷熱冷媒は、各種の冷熱利用機器を冷却する。例えば、冷熱冷媒は、冷凍庫等の冷熱利用機器内の冷熱冷媒配管に送られ、冷熱利用機器内で冷凍あるいは冷却作用を行う。コールドヘッド４３に循環して戻され、再度冷却される。又、放熱用熱交換器３２で熱交換された冷却水は、冷却水循環管路３５から放熱器３６に流れ、そこで冷却ファン４５で冷却され、再度放熱用熱交換器３２へ循環する。
【００３０】
このようなスターリング冷凍機１において、ハウジング２、圧縮シリンダブロック１９及び膨張シリンダブロック２０が互いに結合する結合固定部、上記ハウジングや上記シリンダブロックと作動ガス配管との間がメルシールを介して気密的に結合されているから、作動ガスの漏れが抑えられる。さらに、ハウジング２及び及び圧縮シリンダブロック１９は、樹脂含浸加工が施されいるから、これらの部材の鋳物壁を通過して作動ガスが漏れことも抑えることができる。
【００３１】
上記実施例では、スターリング熱機器としてスターリング冷凍機を説明したが、その他の本発明の適用できる例としては、ヴィルミエサイクル機器、クーク・ヤーボロフサイクル機器等がある。
【００３２】
以上、本発明の実施の形態を実施例に基づいて説明したが、本発明は、上記実施例に限定されることなく、特許請求の範囲記載の技術的事項の範囲内でいろいろな実施例があることは言うまでもない。
【００３３】
【発明の効果】
本発明に係るスターリング熱機器は、以上のような構成であるから、ハウジング、圧縮シリンダブロック及び膨張シリンダブロックの結合固定部、上記ハウジングや上記シリンダブロックと作動ガス配管との間がメタルシールを介して気密的に結合されているから、隙間からの作動ガスの漏れを抑えることができるとともに、ハウジング及び圧縮シリンダブロック等の壁を通して作動ガスの漏れを防止し、長時間運転しても作動ガス圧を安定させ、スターリング熱機器の耐久性、信頼性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るスターリング熱機器の一例である冷凍機を説明する全体図である。
【図２】本発明に係るスターリング熱機器に適用されるメタルシールを説明するである。
【符号の説明】
１ スターリング冷凍機１
２ ハウジング
３ モータ室
５ クランク室
６ モータ
７ 蓋
８ メタルシール
１１ 端子蓋
１２ 軸受取付蓋
１３ 底蓋
１４ クランクシャフト
１９ 圧縮シリンダブロック
２０ 膨張シリンダブロック
２１ 圧縮シリンダ
２２ 膨張ブロック
２６ 圧縮ピストン
２８ 膨張ピストン
２９ オイルシール
３２ 放熱用熱交換器
３３ 再生器
３４ 冷却用熱交換器
４０ 金属帯片
４１ ゴム層[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
TECHNICAL FIELD The present invention relates to Stirling thermal equipment such as Stirling refrigerators that can be used for freezing, cooling, and heating in industrial fields such as food distribution, environmental testing, medical care, bio industry, semiconductor manufacturing, and household equipment. In particular, the present invention relates to a Stirling thermal apparatus having improved working gas sealing performance.
[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]
In such a Stirling heat device such as a Stirling refrigerator, the working gas flows between the compression chamber (high temperature chamber) and the expansion chamber (low temperature chamber) of the working cylinder, and the heat absorption arranged along this flow path. The heat exchanger (low temperature side heat exchanger) and the heat radiating heat exchanger (high temperature side heat exchanger) perform heat exchange with the cold heat refrigerant and the heat radiating refrigerant, respectively.
[0004]
Such a Stirling thermal device includes a housing having a driving mechanism such as a motor and a crank, and a sealed working cylinder assembled to the housing. A lid or the like is detachably fixed to the housing through a resin, a rubber seal or the like for the purpose of maintenance or the like, and the inside thereof is held in a semi-sealed state. The working cylinder is coupled to the housing via a resin, rubber seal or the like. These housings and working cylinders are usually formed of castings such as FC materials and SUS materials.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in the Stirling thermal apparatus, the working gas is sealed in the working cylinder and the housing in a high pressure state, and the durability of the Stirling thermal apparatus (currently about 3 to 50,000 hours of operation is required. Is required to maintain a high pressure state in terms of operating time of about 100,000 hours).
[0006]
However, even if a resin or rubber seal is interposed, the sealing effect is not sufficient, and a small amount of working gas leaks from the gap between the housing body and the mounting portion of the lid, the gap between the housing and the working cylinder, etc. . Also, the working gas leaks through the housing of the casting and the wall of the working cylinder. This is thought to be because the working gas in a high pressure state can pass through the pores of the metal structure of the casting. For example, even if helium is sealed at a working gas pressure of about 25 kg / cm 2 because the working gas leaks through such a gap or wall, the working gas pressure is 1 due to the leakage of the working gas. There has been a problem of a decrease of about several kg / cm 2 per year.
[0007]
An object of the present invention is to solve such a conventional problem, and the specific problem is that in a Stirling thermal apparatus, a clearance between a housing body and a lid, a working cylinder of a housing, a cylinder block, etc. In addition to preventing the working gas from leaking from the joints between them and the gaps between these and the working gas piping, it also prevents the working gas from leaking from the walls of the housing and cylinder block. It is to stabilize the working gas pressure and improve durability.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problems, the present invention is provided with a motor and a reciprocating drive mechanism for converting the driving force of the motor into a reciprocating motion, a housing with a lid attached thereto, and a hermetically sealed housing. In a Stirling thermal apparatus having a cylinder block that constitutes a working cylinder including a compression chamber and an expansion chamber, the housing or the housing and the cylinder block are formed of a casting, and the casting is impregnated with a resin. A Stirling thermal apparatus is provided.
[0009]
The lid is hermetically fixed to the housing via a metal seal, the operating cylinder of the cylinder block is hermetically fixed via a medal seal, and the housing and the cylinder block are The housing and the cylinder block and the working gas pipe are hermetically connected to each other through a metal seal, thereby improving the hermeticity of the housing and the cylinder block. ing.
[0010]
The metal seal used here has a structure in which a metal strip having ridges formed on a central strip or around a hole such as a bolt is formed, and rubber layers are formed on both upper and lower surfaces of the metal strip. .
[0011]
The Stirling thermal device may be a single cylinder type or a two cylinder type. In the case of a two-cylinder type, the working cylinder has two cylinders, a compression cylinder and an expansion cylinder, and the cylinder block includes a compression cylinder block constituting the compression cylinder and an expansion cylinder constituting the expansion cylinder. It is a block.
[0012]
Examples of the Stirling thermal device to which the present invention is applied include a Stirling cycle device, a Virmier cycle device, and a Kuak-Jarborov cycle device.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings based on examples. 1 and 2 are diagrams for explaining an embodiment of a Stirling thermal apparatus according to the present invention, and FIG. 1 is a diagram for explaining the overall structure of a Stirling refrigerator 1 as an example of the Stirling thermal apparatus according to the present invention. is there. The housing 2 of the Stirling refrigerator 1 is integrally formed of a casting, and the inside thereof is in a semi-sealed state. The housing 2 is partitioned into a motor chamber 4 and a crank chamber 5 by a partition wall 3.
[0014]
The motor chamber 4 is provided with a motor 6 capable of rotating in the forward and reverse directions. An opening for loading and maintaining equipment is formed at the end of the motor chamber 4, and the opening is hermetically sealed. A lid 7 is fixed by a bolt or the like through a metal seal 8 described later in FIG. An opening for the motor power supply is formed in the top wall 9 of the motor chamber 4, and a terminal lid 11 that is hermetically closed and attached with a power supply attachment terminal 10 is detachably attached via a metal seal 8. ing.
[0015]
A bearing opening is formed at the end of the crank chamber 5, and a bearing mounting lid 12 provided with a bearing on the inner surface is detachably attached via a metal seal 8 so as to close the opening in an airtight manner. . In addition, openings for equipment loading and maintenance are formed at the bottom of the crank chamber 5, and a bottom lid 13 is detachably attached via a metal seal 8 so as to hermetically seal these openings. Yes.
[0016]
A crankshaft 14 that is driven by a motor 6 and converts the rotation of the motor 6 into a reciprocating motion, two connecting rods 15, and two cross guide heads 16 are disposed in the crank chamber 5. A drive mechanism is configured. The two crank portions 17 and 18 of the crankshaft 14 are formed with a phase difference so that the crank portion 17 moves ahead of the crank portion 18 when the motor 6 rotates forward. As this phase difference, a phase difference of about 90 degrees is generally adopted.
[0017]
A compression cylinder block 19 is fixed to the upper portion of the crank chamber 5 through a metal seal 8 in an airtight manner with respect to the housing 2. The compression cylinder block 19 has an opening 23 for communicating with an expansion cylinder. Further, an expansion cylinder block 20 is hermetically fixed on the compression cylinder block 19 with a bolt or the like through a metal seal 8.
[0018]
The compression cylinder block 19 and the compression cylinder block 20 constitute a compression cylinder 21 and an expansion cylinder 22 that are working cylinders of the Stirling refrigerator 1, respectively. For example, helium, hydrogen, nitrogen or the like is sealed as working gas in the compression cylinder 21 and the expansion cylinder 22 and the housing 2. A compression piston 26 reciprocates in the compression cylinder 21. The upper part (compression space) of this space is the high temperature chamber 24, and the working gas in this space is compressed and becomes high temperature.
[0019]
The compression piston rod 25 connects the compression piston 26 and the cross guide head 16, and extends through the oil seal 29 in the through hole in the top wall of the compression cylinder 21 and the crank chamber 5. Since the reciprocating compression piston 26 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. It is small and has the maximum speed at the intermediate point when moving from bottom dead center to top dead center and from top dead center to bottom dead center, and the amount of change in volume due to movement of the compression piston 26 per unit time is also maximum. It becomes.
[0020]
The expansion piston rod 27 connects the expansion piston 28 and the cross guide head 16, and extends through the oil seal 29 in the through hole in the top wall of the expansion cylinder 22 and the crank chamber 5. The expansion piston 28 reciprocates and slides in the space of the expansion cylinder block 20, and the upper portion (expansion space) of the space is the low temperature chamber 30, and the working gas in the space expands to become a low temperature. The expansion piston 28 moves ahead of the compression piston 26 by a phase of 90 degrees.
[0021]
The expansion cylinder block 20 is provided with a manifold 31 through which a working gas flows into and out of the compression space of the compression cylinder 21, and further, a heat exchanger for heat dissipation (high temperature side heat exchanger) 32 and a regenerator 33. And the cooling heat exchanger (low temperature side heat exchanger) 34 is mutually connected in order, and is arrange | positioned cyclically | annularly. The heat dissipation heat exchanger 32 is connected to a radiator (radiator) 36 via a cooling water circulation line 35 and a cooling water pump P1, and is configured to circulate cooling water. Near the upper end of the compression cylinder block 19, a communication hole 23 that connects the high temperature chamber 24 and the manifold 31 is formed.
[0022]
In the Stirling refrigerator 1 having such a configuration, as described above, for example, helium, hydrogen, nitrogen or the like is sealed in the housing 2, the compression cylinder 21, and the expansion cylinder 22 as a working gas in a high pressure state. In the present invention, as described above, the metal seal 8 is interposed in the joint fixing portion among the housing 2, the compression cylinder block 19 and the expansion cylinder block 20, thereby suppressing the leakage of the working gas from the gap between the joint fixing portions. The amount of leakage can be reduced.
[0023]
FIG. 2A is an enlarged view of a main part of FIG. 1A. A bolt 39 is formed by connecting a coupling flange 37 of the housing 2 and a coupling flange 38 of the compression cylinder block 19 with a metal seal 8 interposed therebetween. The structure fixed to each other is shown. FIG. 2B shows a perspective view of the metal seal 8. The metal seal 8 has a metal strip 40 in which a protruding strip 40 ′ having a convex cross section is formed in the central strip, and rubber layers 41 are formed on both upper and lower surfaces of the metal strip. The ridges 40 are formed with screw holes 42 for fixing at intervals in the longitudinal direction.
[0024]
By the way, in the housing 2 and the compression cylinder block 19 which are generally formed of a casting of FC material, the working gas leaks by a minute amount through the metal structure of the casting. Therefore, in the present invention, the housing 2 formed of a casting and the compression cylinder block 19 are impregnated with resin to prevent leakage of the working gas. In short, a technique for impregnating a casting material itself with a resin is already known, but in the present invention, this technique is used to seal a casting that constitutes a Stirling thermal apparatus in which high-pressure working gas is sealed. This is applied to improve the performance.
[0025]
The resin 2 is impregnated into the housing 2 and the compression cylinder block 19 by the following process.
(1) A cast member such as the housing 2 is put in an oven and dried by heating to remove moisture in the cast structure, and then cooled.
(2) Next, the dried casting member is placed in a container and charged into a vacuum / pressure chamber. Then, after evacuating the vacuum / pressure chamber, the impregnating material is poured into the container. An acrylic resin is used as the impregnation material.
(3) In this state, atmospheric pressure is introduced into the vacuum chamber, the vacuum chamber is further pressurized, and the impregnating material is injected under pressure into the gap between the metal structures of the casting member.
(4) Next, the casting member into which the impregnating material is injected under pressure is applied to a centrifuge to remove the impregnating material adhering to the surface by centrifugal force. Thereafter, the casting member is placed in a water tank and washed with water.
(5) The cast member that has been washed with water is placed in a temperature-adjusted hot water tank for heat curing and heated, and the impregnated material is thermally cured to complete the impregnation step.
[0026]
The operation of the Stirling refrigerator 1 of the embodiment having the above configuration will be described. The crankshaft 14 is rotated in the forward direction by the motor 6, and the crank portions 17 and 18 in the crank chamber 5 are rotated 90 degrees out of phase. The cross guide head 16 reciprocates through a connecting rod 15 rotatably connected to the crank portions 17 and 18. A compression piston 26 and an expansion piston 28 connected to the cross guide head 16 via a compression piston rod 25 and an expansion piston rod 27 reciprocate with a phase difference of about 90 degrees.
[0027]
While the expansion piston 28 precedes and slowly moves near the top dead center, the compression piston 26 rapidly moves near the middle toward the top dead center, and compresses the working gas. The compressed working gas flows into the heat exchanger 32 for heat dissipation through the communication hole 23 and the manifold 31. The working gas radiated to the cooling water by the heat radiating heat exchanger 32 is cooled by the regenerator 33, flows into the low temperature chamber (expansion space) 30 through the cooling heat exchanger 34, and expands rapidly here. Cold heat is generated. The head of the expansion cylinder 21, that is, the cold head 43 is cooled to a low temperature.
[0028]
Then, in the cold head 43, the cold refrigerant in contact with the cooling fins 44 is cooled. When the expansion piston 28 moves from the bottom dead center to the top dead center, the compression piston 26 is moving from the intermediate position toward the bottom dead center, and the working gas passes from the low temperature chamber 22 through the cooling heat exchanger 34 to the regenerator 33. Then, the regenerator 33 stores the cold heat of the working gas. The cold energy stored in the regenerator 33 is reused to cool again the working gas sent from the high temperature chamber 24 through the heat dissipation heat exchanger 32 as described above.
[0029]
And the cold-heat refrigerant | coolant cooled in the cold head 43 cools various cold-heat utilization apparatuses. For example, the cold heat refrigerant is sent to a cold heat refrigerant pipe in a cold energy utilization device such as a freezer, and performs freezing or cooling action in the cold heat utilization device. It is circulated back to the cold head 43 and cooled again. The cooling water exchanged by the heat radiating heat exchanger 32 flows from the cooling water circulation pipe 35 to the radiator 36, where it is cooled by the cooling fan 45 and circulated again to the heat radiating heat exchanger 32.
[0030]
In such a Stirling refrigerator 1, the housing 2, the compression cylinder block 19 and the expansion cylinder block 20 are coupled and fixed to each other, and the housing and the cylinder block and the working gas pipe are hermetically sealed through a mel seal. Since it is connected, leakage of working gas is suppressed. Further, since the housing 2 and the compression cylinder block 19 are subjected to resin impregnation processing, it is possible to prevent the working gas from leaking through the casting walls of these members.
[0031]
In the above embodiment, the Stirling refrigerator has been described as the Stirling thermal device, but as other examples to which the present invention can be applied, there are a Virmier cycle device, a Kuak-Yarborov cycle device and the like.
[0032]
The embodiments of the present invention have been described based on the examples. However, the present invention is not limited to the above-described examples, and various examples can be made within the scope of the technical matters described in the claims. Needless to say.
[0033]
【The invention's effect】
Since the Stirling thermal apparatus according to the present invention has the above-described configuration, the housing, the compression cylinder block and the coupling / fixing portion of the expansion cylinder block, and the housing or the cylinder block and the working gas pipe are provided with a metal seal. Because of the airtight connection, it is possible to suppress the leakage of working gas from the gap and to prevent the working gas from leaking through the walls of the housing and compression cylinder block. It is possible to improve the durability and reliability of the Stirling thermal equipment.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an overall view illustrating a refrigerator that is an example of a Stirling thermal apparatus according to the present invention.
FIG. 2 is a diagram for explaining a metal seal applied to a Stirling thermal apparatus according to the present invention.
[Explanation of symbols]
1 Stirling refrigerator 1
2 Housing 3 Motor chamber 5 Crank chamber 6 Motor 7 Lid 8 Metal seal 11 Terminal lid 12 Bearing mounting lid 13 Bottom lid 14 Crankshaft 19 Compression cylinder block 20 Expansion cylinder block 21 Compression cylinder 22 Expansion block 26 Compression piston 28 Expansion piston 29 Oil Seal 32 Heat exchanger 33 for heat dissipation 33 Regenerator 34 Heat exchanger 40 for cooling 40 Metal strip 41 Rubber layer
