JP3685632B2

JP3685632B2 - Stirling heat engine

Info

Publication number: JP3685632B2
Application number: JP36537198A
Authority: JP
Inventors: 弘志関谷; 伸央甲元
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 1998-12-22
Filing date: 1998-12-22
Publication date: 2005-08-24
Anticipated expiration: 2018-12-22
Also published as: JP2000186619A

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ない、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なわれる。
【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】
ところで、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なわれているが、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】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、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するものであり、本発明の課題は次のとおりである。
（１）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実現し、スターリング冷凍機の性能及び寿命を向上する。
（２）クランク室の温度上昇に伴う圧力上昇は、一般的なオイルシールを採用してもその劣化や油上がりを防げず、又上記オイルシール用ベローズを採用しても、その内外圧力差を生じてベローズ自体や冷凍機性能に悪影響を及ぼすが、この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を有するバッファタンクを採用することで解決する。
（３）オイルシールや冷凍機性能に悪影響を及ぼす圧縮又は膨張するピストンの背面側に生じる圧力変動の問題を、圧力調整用ベローズ付き又は無しのバッファタンクを採用することで、解消する。
（４）上記ピストンの背面側に生じる圧力変動の問題を、クランク室を有するハウジング内の空間を利用して解消する。具体的には、上記ピストンの背面側を油捕捉装置を介してクランク室を有するハウジング内の空間に連通して解消する。
この場合、油捕捉装置調整用絞り装置を並用する（直列に並べて用いる）こともある。
【０００９】
【課題を解決する手段】
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隣接して配置されたシリンダと、上記シリンダ内を往復動し作動ガスを圧縮又は膨張するピストンあるいはディスプレーサと、上記クランク室内のクランクと連動し、上記ピストンあるいはディスプレーサに一端が連結されたピストンロッドと、上記ピストンロッドが貫通する上記クランク室頂部の開口部に配設されたオイルシールとを備えて成るスターリング熱機関において、上記オイルシールは、その先端が上記シリンダ内において上記ピストンロッドに固定され、その基端が上記ピストンロッドが貫通する上記クランク室頂部の開口の周縁に固着されたオイルシール用ベローズから成り、該オイルシール用ベローズを設けることにより、上記ハウジング内の空間から上記シリンダーへの油の侵入が阻止され、上記作動ガスを圧縮又は膨張するピストンの背面側の空間と、上記ハウジング内の空間との間に、上記背面側の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連通手段を介して連通して設け、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、該圧力調整用ベローズの開口側の室と閉止壁側の室に区画されており、上記開口側の室及び閉止壁側の室は、夫々上記ピストンの背面側の空間、又は上記ハウジング内の空間のいずれか一方の空間に連通していることを特徴とするスターリング熱機関を提供する。
【００１０】
さらに、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隣接して配置されたシリンダと、上記シリンダ内を往復動し作動ガスを圧縮又は膨張するピストンあるいはディスプレーサと、上記クランク室内のクランクと連動し、上記ピストンあるいはディスプレーサに一端が連結されたピストンロッドと、上記ピストンロッドが貫通する上記クランク室頂部の開口部に配設されたオイルシールとを備えて成るスターリング熱機関において、上記オイルシールは、その先端が上記シリンダ内において上記ピストンロッドに固定され、その基端が上記ピストンロッドが貫通する上記クランク室頂部の開口の周縁に固着されたオイルシール用ベローズから成り、該オイルシール用ベローズを設けることにより、上記ハウジング内の空間から上記シリンダーへの油の侵入が阻止され、上記作動ガスを圧縮又は膨張するピストンの背面側の空間と、上記ハウジング内の空間とを、上記背面側の空間の圧力変動を吸収するために、油捕捉装置を介して連通して設けたことを特徴とするスターリング熱機関を提供する。
【００１１】
さらに、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隣接して配置されたシリンダと、上記シリンダ内を往復動し作動ガスを圧縮又は膨張するピストンあるいはディスプレーサと、上記クランク室内のクランクと連動し、上記ピストンあるいはディスプレーサに一端が連結されたピストンロッドと、上記ピストンロッドが貫通する上記クランク室頂部の開口部に配設されたオイルシールとを備えて成るスターリング熱機関において、上記オイルシールは、その先端が上記シリンダ内において上記ピストンロッドに固定され、その基端が上記ピストンロッドが貫通する上記クランク室頂部の開口の周縁に固着されたオイルシール用ベローズから成り、該オイルシール用ベローズを設けることにより、上記ハウジング内の空間から上記シリンダーへの油の侵入が阻止され、上記作動ガスを圧縮又は膨張するピストンの背面側の空間に、上記背面側の空間の圧力変動を吸収するためのバッファタンクを連通手段を介して連通して設け、上記バッファタンクと上記ハウジング内の空間の間に、油捕捉装置又は油捕捉装置と圧力調整用絞り装置を連通して設け、上記作動ガスを圧縮又は膨張するピストンの背面側の空間と、上記ハウジング内の空間とを圧力調整できるようにしたことを特徴とするスターリング熱機関を提供する。
【００１２】
さらに、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隣接して配置されたシリンダと、上記シリンダ内を往復動し作動ガスを圧縮又は膨張するピストンあるいはディスプレーサと、上記クランク室内のクランクと連動し、上記ピストンあるいはディスプレーサに一端が連結されたピストンロッドと、上記ピストンロッドが貫通する上記クランク室頂部の開口部に配設されたオイルシールとを備えて成るスターリング熱機関において、上記オイルシールは、その先端が上記シリンダ内において上記ピストンロッドに固定され、その基端が上記ピストンロッドが貫通する上記クランク室頂部の開口の周縁に固着されたオイルシール用ベローズから成り、該オイルシール用ベローズを設けることにより、上記ハウジング内の空間から上記シリンダーへの油の侵入が阻止され、上記オイルシールとして、上記オイルシール用ベローズに加えて上記ピストンロッドに圧接する環状の耐圧仕様のオイルシールをクランク室頂部の開口に設け、上記作動ガスを圧縮又は膨張するピストンの背面側の空間と、上記オイルシール用ベローズで形成されるシール室との間に、上記ピストンの背面側に生じる無効な圧力変動と上記シール室に生じる無効な圧力変動を低減させるためにバッファタンクを連通手段を介して連通して設け、上記バッファタンクは、その内部に、圧力調整用のベローズが配設されて、上記圧力調整用ベローズの開口側の室と閉止壁側の室に区画されており、上記開口側の室及び閉止壁側の室は、夫々上記ピストンの背面側の空間か、又は上記シール室のいずれか一方の空間に連通していることを特徴とするスターリング熱機関を提供する。
【００１４】
さらに、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隣接して配置されたシリンダと、上記シリンダ内を往復動し作動ガスを圧縮又は膨張するピストンあるいはディスプレーサと、
上記クランク室内のクランクと連動し、上記ピストンあるいはディスプレーサに一端が連結されたピストンロッドと、上記ピストンロッドが貫通する上記クランク室頂部の開口部に配設されたオイルシールとを備えて成るスターリング熱機関において、上記ピストンの背面側の空間と、上記ハウジング内の空間との間に、上記背面側の空間内の圧力変動と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連通手段を介して連通して設け、上記バッファタンクと上記ハウジング内の空間の間に、油補足装置又は油捕捉装置と圧力調整用絞り装置を連通して設け、上記作動ガスを圧縮又は膨張するピストンの背面側の空間と、上記ハウジング内の空間とを圧力調整できるようにしたことを特徴とするスターリング熱機関を提供する。
【００１５】
さらに、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隣接して配置されたシリンダと、上記シリンダ内を往復動し作動ガスを圧縮又は膨張するピストンあるいはディスプレーサと、上記クランク室内のクランクと連動し、上記ピストンあるいはディスプレーサに一端が連結されたピストンロッドと、上記ピストンロッドが貫通するクランク室頂部の開口部に配設されたオイルシールとを備えて成るスターリング熱機関において、上記ピストンの背面側の空間と、上記ハウジング内の空間とを、上記背面側の空間の圧力変動を吸収するために、油捕捉装置を介して連通したことを特徴とするスターリング熱機関を提供する。
【００１６】
そして、上記圧力調整用ベローズは、一本のベローズ又は一対の互いに対向する対向型ベローズから成るような構成としてもよい。
【００１７】
そして、上記圧力調整用ベローズの閉止壁に対してばねにより圧縮力が加えられている構成としてもよい。
【００１８】
そして、上記圧力調整用ベローズは、バッファタンクに対してガイド部材により案内され、撓むことなく円滑に伸縮するような構成としてもよい。
【００１９】
そして、上記バッファタンクは１又は２以上配設されている構成としてもよい。
【００２２】
そして、上記スターリング熱機関は、スターリング冷凍機又はスターリングエンジンとして適用してもよい。
【００２３】
【発明の実施の形態】
（実施例１）
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１〜９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１を示す図である。実施例１のスターリング冷凍機２２Ａの概要は、まず、油上がり防止のためにオイルシール用ベローズを設けた構成を特徴とし、さらに、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、この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特徴とする。
【００２４】
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２２Ａ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。
【００２５】
ハウジング２３内には、区画壁２４を貫通し、軸受３１、３２、３３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の中央にクランクシャフト３４が固定されている。
【００２６】
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２２Ａの駆動伝達手段として機能している。
【００２７】
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。
【００２８】
スターリング冷凍機２２Ａ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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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成形ベローズ又は溶接により組み立てた溶接ベローズが使用される。
【００３２】
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。
【００３３】
一方、膨張シリンダ４６は、圧縮シリンダの若干上方に位置して、ボルト等によってハウジング２３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。
【００３４】
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。
【００３５】
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ベローズが使用される。
【００３６】
スターリング冷凍機２２Ａ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。
【００３７】
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。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同様に金属ベローズ、又は樹脂やゴム製のベローズが使用される。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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２２Ａを提供できるようにしている。
【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なう。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２２Ａ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。
【００５３】
（実施例２）
図３は、本発明に係るスターリング冷凍機の実施例２を示す図である。実施例２のスターリング冷凍機２２Ｂの概要は、油上がり防止のためにオイルシール用ベローズを設け、この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による悪影響を防止するために、これらの背面側の空間とハウジング２３内の空間と連通する圧力調整用ベローズ付きバッファタンクを２つ設けた構成を特徴とする。実施例２は、実施例１とバッファタンクを二つ設けた点に関連する構成で相違するが、その他の点では構成、作用は同じである。
【００５４】
これを詳細に説明すると、図３において、スターリング冷凍機２２Ｂには、二つのバッファタンク５９、６０が配設されており、バッファタンク５９、６０内には、その軸方向に伸縮する圧力調整用ベローズ６１、６２が配設されている。この圧力調整用ベローズ６１、６２により、バッファタンク５９、６０が圧力調整用ベローズの開口側の室６３、６４と圧力調整用ベローズの閉止壁側に室６５、６６に区画されている。
【００５５】
圧力調整用ベローズの開口側の室６３、６４は、管６７、６８により、圧縮ピストン４８、膨張ピストン５５の背面側の空間６９、７０と連通している。圧力調整用ベローズの閉止壁側の室６５、６６は、管７１、７２によりハウジング２３内の空間と連通している。これらの圧力調整用ベローズ６１、６２は、オイルシール用ベローズ５３、５８同様に金属ベローズが使用される。
【００５６】
実施例２の作用は実施例１と略同じであるが、実施例２では、ハウジング２３内の空間の温度上昇に伴う圧力上昇及び背面側の空間６９、７０の圧力変動を二つのベローズ付きの二つのバッファタンク５９、６０により吸収している。
【００５７】
（実施例３）
図４は、本発明に係るスターリング冷凍機の実施例３を示す図である。実施例３のスターリング冷凍機２２Ｃでは、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。クランク室の温度上昇に起因する圧力上昇により、オイルシール用ベローズに内外圧力差が生じ、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。これを防止するために、背面側の空間６９、７０をハウジング２３内の空間に油捕捉装置（オイルトラップ）８７を介して連通する。
【００５８】
具体的には、圧縮ピストンの背面側の空間６９、７０を、管６７、油捕捉装置８７及び管７１を介して、ハウジング２３内の空間に連通するように配設されている。圧縮ピストン４８及び膨張ピストン５５のピストン背面側の空間の圧力変動は、ハウジング２３内の空間で吸収され、オイルシール用ベローズに内外圧力差が発生することが防止される。
【００５９】
油捕捉装置８７は、クランク室の油やオイルミストが圧縮ピストン、膨張ピストンの背面側の空間６９、７０に流入しないように設けられ、コンタミネーション（油汚れ）を生じる油の種類、内容物に応じてオイルフィルタ等適宜構造のものが選択される。又、コンタミネーションの起因物質を捕捉できるように、その起因物質に応じたゲッタ剤等が利用される。
【００６０】
（実施例４）
図５は、本発明に係るスターリング冷凍機の実施例４を示す図である。実施例４のスターリング冷凍機２２Ｄでは、油上がり防止のためにオイルシール用ベローズ５３、５８が設けられているとともに、圧縮ピストン４８、膨張ピストン５５の背面側の空間である空間６９、７０の圧力変動を吸収するバッファタンク５９’（圧力調整用のベローズが付設されていないバッファタンク）が設けられている。さらに、クランク室の油やオイルミストが圧縮ピストン、膨張ピストンの背面側の空間６９、７０に流入しないように油捕捉装置８７が設けられている。
【００６１】
なお、この実施例４では、油捕捉装置８７と直列に、圧力調整用絞り装置８８を接続しているが、この圧力調整用絞り装置８８は、ハウジング２３内の油ミストが直接的に油捕捉装置８７に達しないようにするためのもので、必要に応じて配設されるものである。圧力調整用絞り装置８８は、具体的には、キャピラリチューブ又は圧力調整弁等が利用される。
【００６２】
（実施例５）
図６は、本発明に係るスターリング冷凍機の実施例５を示す図である。実施例５のスターリング冷凍機２２Ｅの概要は、クランク室２６の温度上昇に起因する圧力上昇が小さい場合に適用されるものであり、その概要は、油上がり防止のためにオイルシール用ベローズと耐圧仕様のオイルシールを設け、クランク室の温度上昇に起因する圧力上昇に対しては耐圧仕様のオイルシールにより対処し、オイルシール用ベローズ内外の圧力変動をバッファタンク内の圧力調整用ベローズで吸収することを特徴とする。
【００６３】
図６（ａ）において、ハウジング２３の上部開口５１、５２と圧縮ピストンロッド５０、５７の間に、構造はゴム、樹脂等で製造された一般的な構造であるが耐圧仕様のオイルシール（オイルシールリング）８９、９０が設けられている。そして、圧縮ピストン４８及び膨張ピストン５５の背面側の空間６９、７０は、開口９１を介して連通しており、この空間６９、７０内にシール室９２を区画して形成するように、オイルシール用ベローズ５３、５８が一体形成されたものを設ける。このオイルシール用ベローズ５３、５８は、圧縮ピストンロッド５０及び膨張ピストンロッド５７に、夫々その頂部が固定された蛇腹状筒部を有し、下端周縁は圧縮シリンダ４５及び膨張シリンダ４６の内面に固着されている。
【００６４】
そして、実施例１と同じ構造のバッファタンク５９が設けられ、その内部に圧力調整用のベローズ６１が形成されている。開口側の室６３は管６７を介して空間６９、７０に連通しており、閉止側の室６５は管７１を介してシール室９２に連通している。なお、図６（ｂ）に示されるようにバッファタンク５９の向きは左右逆方向でもよい。
【００６５】
このような構成の実施例５は、上記のように、ハウジング２３内の空間の温度上昇に起因する圧力上昇が小さい場合に適用され、耐圧仕様のオイルシール（オイルシールリング）８９、９０が油上がりの防止を図るとともに、ハウジング２３内の空間の温度上昇に起因する圧力上昇によるシール室９２への影響を防止している。
【００６６】
さらに、圧縮ピストン４８及び膨張ピストン５５の往復動により背面側の空間６９、７０と、シール室９２との間に圧力変動が生じるが、バッファタンク５９の圧力調整用ベローズ６１で吸収されてキャンセルされる。なお、実施例６は、以上のシール及び圧力調整についての構造は実施例１と異なるが、その他の構造及び作用については同じである。
【００６７】
（実施例６）
図７は本発明に係るスターリング冷凍機の実施例６を示す図である。実施例６のスターリング冷凍機２２Ｆの概要は、従来の油上がり防止のためのゴムや樹脂製の一般的なオイルシールを設けたスターリング冷凍機に、クランク室の圧力調整のための圧力調整用ベローズ付きバッファタンクを設けた構成を特徴とする。
【００６８】
実施例６は、実施例１と油上がり防止のためのシール構造は異なるが、その他では、同じ構成であり、作用を行う。即ち、実施例６においては、オイルシール用ベローズ５３、５８を設けることなく、ゴム、樹脂等で製造された一般のオイルシール９３、９４を、ハウジング２３の上部開口５１、５２と圧縮ピストンロッド５０、５７の間に設けて油上がりの防止が図られている。
【００６９】
そして、実施例１同様に、スターリング冷凍機の運転時におけるハウジング２３内の空間の温度上昇に伴う圧力上昇及び圧縮ピストン、膨張ピストンの背面側の空間６９、７０の圧力変動が、バッファタンク５９内において、圧力調整用ベローズ６１により吸収される。このような構成により、クランク室２６の圧力上昇時に発生しやすいオイルシール９３、９４の破損や油上がりの問題を防止し、スターリング冷凍機の耐久性及び性能を向上させる。
【００７０】
（実施例７）
図８は、本発明に係るスターリング冷凍機の実施例７を示す図である。実施例７のスターリング冷凍機２２Ｇの概要は、実施例６と同様に、油上がり防止のためにゴムや樹脂製の一般的なオイルシールを設けるとともに、クランク室の圧力調整のために圧力調整用ベローズ付きバッファタンクを設けた構成を特徴とする。しかしながら、実施例５とは異なり、実施例２同様に二つのバッファタンク５９、６０が設けられている。
【００７１】
そして、スターリング冷凍機の運転時におけるハウジング２３内の空間の温度上昇に伴う圧力上昇及び圧縮ピストン、膨張ピストンの背面側の空間６９、７０の圧力変動が、バッファタンク５９、６０内において、圧力調整用ベローズ６１、６２により夫々吸収される。このような構成により、クランク室２６の圧力上昇の際に発生しやすいオイルシール９３、９４の破損や油上がりの問題を解消し、スターリング冷凍機の耐久性及び性能を向上させる。
【００７２】
（実施例８）
図９は本発明に係るスターリング冷凍機の実施例８を示す図である。実施例８のスターリング冷凍機２２Ｈの概要は、従来の油上がり防止のためのゴムや樹脂製の一般的なオイルシールを設け、圧縮ピストン４８、膨張ピストン５５の背面側の空間６９、７０の圧力変動を吸収するベローズが付設されていないバッファタンク５９’（圧力調整用ベローズが付設されていないバッファタンク）が設けられており、さらに、クランク室の油やオイルミストが圧縮ピストン及び膨張ピストンの背面側の空間６９、７０に流入しないように油捕捉装置８７が設けられている。
【００７３】
さらに、必要に応じて油捕捉装置８７と直列に、圧力調整用絞り装置８８が接続されている。圧力調整用絞り装置８８は、実施例４同様にキャピラリチューブ又は圧力調整弁等が利用される。
【００７４】
そして、実施例１同様に、スターリング冷凍機の運転時におけるハウジング２３内の空間の温度上昇及び圧縮ピストン、膨張ピストンの背面側の空間６９、７０の圧力変動が、圧力調整用絞り装置８８、バッファタンク５９により収される。このような構成により、クランク室の圧力上昇時により発生しやすいオイルシールの破損や油上がりの問題を防止し、スターリング冷凍機の耐久性及び性能を向上させる。
【００７５】
（実施例９）
図１０は、本発明に係るスターリング冷凍機の実施例９を示す図である。この実施例９のスターリング冷凍機２２Ｉは、ゴム、樹脂等で製造された一般のオイルシール９３、９４を、ハウジング２３の上部開口５１、５２と圧縮ピストンロッド５０、５７の間に設け油上がりの防止を図るとともに、圧縮ピストン、膨張ピストンの背面側の空間６９、７０とハウジング１３内の空間とを、管６７、油捕捉装置８７、管７１を介して連通させ、空間６９、７０内に生じる圧力変動を防止している。
【００７６】
次に、上記実施例において使用されるベローズ付きのバッファタンクの構造について以下説明する。図１１は、バッファタンク及び圧力調整用ベローズのいくつかの具体例を示す図である。図１１（ａ）は、一本のベローズから成る基本的な構造のものであり、上記各実施例においてすでに利用したものと同様のものである。スターリング冷凍機の運転時にクランク室の圧力が上昇する静的な変動に対して、圧力調整用ベローズ６１の移動は緩慢であるがその変位量は大きくなる。又、膨張ピストン等の往復動に伴う背面側の動的な圧力変動に対しては、その変位量は小さく、振動的な動作となる。
【００７７】
図１１（ｂ）は、圧力調整用ベローズ６１に圧縮コイルスプリング９５により初期設定圧縮力を加えておくものである。このような構成にすると、圧力調整用ベローズの変位量は、（クランク室の圧力上昇ー初期設定圧縮）＋膨張ピストン等の背面側の圧力変動分、に相当する変位量となる。従って、クランク室の圧力上昇による変位を初期に与えているので、動作時にはこの変位量が解消されるようにベローズが自由長に近づくのでベローズの長寿命化が可能である。
【００７８】
図１１（ｃ）は、バッファタンク内に左右一対の圧力調整用ベローズ６１、６１’を一体に設け、対向型圧力調整用ベローズの構造にしたものである。圧力調整用ベローズ６１、６１’の外側の左右空間９６、９６’は、中央支持部９７を連通する連通孔９８を介して互いに連通している。圧力調整用ベローズ６１、６１’の内部空間９９を圧縮ピストン等の背面側に連通させ、圧力調整用ベローズの外側の左右空間９６、９６’をクランク室側に連通させる。このバファタンクは、左右二つの圧力調整用ベローズ６１、６１’を設けたので、夫々の圧力調整用ベローズを比較的短くできるために、伸縮方向に直角な方向（横方向）への撓みを解消できる。
【００７９】
図１１（ｄ）は、上記対向型圧力調整用ベローズ６１、６１’とタンク５９の両端内面の間に圧縮コイルばね９５、９５’を設けたものである。これにより、上記図１１（ｂ）と同様の作用効果が生じる。即ち、クランク室の圧力上昇による変位を初期に与えているので、動作時にはこの変位量が解消されるようにベローズが自由長に近づくのでベローズの長寿命化が可能である。
【００８０】
図１２は、圧力調整用ベローズのガイド構造を示す図である。圧力調整用ベローズは、その伸縮方向の寸法が大きく、即ち長くなると、横方向の撓みが生じる。この解決手段として、図１２（ａ）に示されるように圧力調整用ベローズの先端にバッファタンクの内側面を摺動する樹脂等で形成された環状のガイド１００が取り付けられる。
【００８１】
又、図１２（ｂ）に示すように、圧力調整用ベローズの先端面にガイドバー１０１を突設し、これに対向するバッファタンクの内端面にガイドシリンダ１０２を設け、ガイドバーを摺動自在に案内する。このようなガイド構造を、上記各実施例において設けた圧力調整用ベローズに適用すれば、上記撓みの問題は解消できる。このガイド手段を対向型の圧力調整用ベローズに利用した構造を図１２（ｃ）に示す。
【００８２】
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、本発明は特許請求の範囲に記載されている範囲内でその技術思想を具現化するために、上記実施例に限られることなくいろいろな実施の態様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を使用したが、ディスプレーサ型等他の形式のスターリング冷凍機にも本発明は適用できることは言うまでもない。
【００８３】
【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、次のような効果を奏することができる。
（１）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により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。しかも耐久性にすぐれたオイルシールを実現し、スターリング冷凍機の性能及び寿命を向上する。
【００８４】
（２）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たので、この圧力上昇に起因するオイルシール用ベローズの内外に生じる圧力変動、あるいは一般的なオイルシールの劣化や油上がりの問題等を防止できる。
【００８５】
（３）オイルシールや冷凍機性能に悪影響を及ぼす圧縮又は膨張するピストンの背面側に生じる圧力変動の問題を、圧力調整用ベローズ付き又は無しのバッファタンクを採用することで、解決する。
【００８６】
（４）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】スターリング冷凍機の全体を示す図である。
【図２】本発明に係るスターリング冷凍機の実施例１を示す図である。
【図３】本発明に係るスターリング冷凍機の実施例２を示す図である。
【図４】本発明に係るスターリング冷凍機の実施例３を示す図である。
【図５】本発明に係るスターリング冷凍機の実施例４を示す図である。
【図６】本発明に係るスターリング冷凍機の実施例５を示す図である。
【図７】本発明に係るスターリング冷凍機の実施例６を示す図である。
【図８】本発明に係るスターリング冷凍機の実施例７を示す図である。
【図９】本発明に係るスターリング冷凍機の実施例８を示す図である。
【図１０】本発明に係るスターリング冷凍機の実施例９を示す図である。
【図１１】本発明に係るバッファタンクの圧力調整用ベローズの具体例を示す図である。
【図１２】本発明に係る圧力調整用ベローズのガイドの具体例を示す図である。
【符号の説明】
２２、２２Ａ〜Ｆ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、６０バッファタンク
６１、６１’、６２バッファタンクの圧力調整用ベローズ
８７油捕捉装置（オイルトラップ）
８８圧力調整用絞り装置
８９、９０耐圧仕様のオイルシール（オイルシールリング）
９３、９４オイルシール（オイルシールリング）
９５、９５’ 圧縮コイルスプリング
１００圧力調整用ベローズのガイド[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a Stirling refrigerator that can be used for freezing and cooling in various industrial fields such as food distribution, environmental testing, medical treatment, bio-industry, semiconductor manufacturing, and other industrial fields.
[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]
By the way, for this oil seal, various developments have been made in terms of structure and material, but it is not necessarily sufficient in sealing performance and durability, and a roll socks type seal system has also been proposed, The current situation is not sufficient in terms of durability.
[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]
[Problems to be solved by the invention]
The object of the present invention is to solve the problems inherent to the Stirling refrigerator, and the problems of the present invention are as follows.
(1) An oil seal bellows for a piston rod that prevents oil from rising and has a long life is realized, thereby improving the performance and life of the Stirling refrigerator.
(2) Even if a general oil seal is used, the pressure rise caused by the temperature rise in the crank chamber cannot prevent deterioration or oil rise. Even if the oil seal bellows is used, the pressure difference between the inside and outside Although this occurs and adversely affects the performance of the bellows itself and the refrigerator, the pressure increase accompanying the temperature increase of the crank chamber is solved by adopting a buffer tank having a pressure adjusting bellows.
(3) The problem of pressure fluctuation occurring on the back side of the compressing or expanding piston, which adversely affects the performance of the oil seal and the refrigerator, is eliminated by adopting a buffer tank with or without a pressure adjusting bellows.
(4) The problem of pressure fluctuation occurring on the back side of the piston is solved by utilizing the space in the housing having the crank chamber. Specifically, the back side of the piston communicates with the space in the housing having the crank chamber via the oil catching device to eliminate the problem.
In this case, the oil catching device adjusting throttle device may be used in parallel (used in series).
[0009]
[Means for solving the problems]
  In order to solve the above problems, the present invention provides a housing having a crank chamber, a cylinder disposed adjacent to and above the crank chamber, and a piston or displacer that reciprocates in the cylinder to compress or expand the working gas. And a piston rod that is linked to the crank in the crank chamber and has one end connected to the piston or displacer, and an oil seal disposed in the opening at the top of the crank chamber through which the piston rod passes. In a Stirling heat engine, the oil seal has a tip fixed to the piston rod in the cylinder, and a base end fixed to the periphery of the opening of the top portion of the crank chamber through which the piston rod passes. By providing the oil seal bellows, Penetration of oil into the cylinder is prevented from space in serial housing,A buffer tank for absorbing pressure fluctuations in the space on the back side and a pressure increase in the housing is provided between the space on the back side of the piston that compresses or expands the working gas and the space in the housing. Provided through communication means, the buffer tank has a pressure adjusting bellows disposed therein, and is divided into a chamber on the opening side and a chamber on the closing wall side of the pressure adjusting bellows. The chamber on the opening side and the chamber on the closing wall side communicate with either the space on the back side of the piston or the space in the housing, respectively.A Stirling heat engine is provided.
[0010]
  Furthermore, in order to solve the above-mentioned problems, the present invention provides a housing having a crank chamber, a cylinder disposed adjacent to and above the crank chamber, and a piston that reciprocates in the cylinder to compress or expand the working gas. Alternatively, a displacer, a piston rod interlocked with the crank in the crank chamber, one end of which is connected to the piston or the displacer, and an oil seal disposed in an opening at the top of the crank chamber through which the piston rod passes are provided. In the Stirling heat engine, the oil seal is fixed at the distal end of the oil seal to the piston rod in the cylinder, and the base end of the oil seal is fixed to the periphery of the opening at the top of the crank chamber through which the piston rod passes. The oil seal bellows More, entering from the space of the oil into the cylinder in the housing is prevented,A space on the back side of the piston that compresses or expands the working gas and a space in the housing are provided in communication with each other via an oil capturing device in order to absorb pressure fluctuations in the space on the back side.A Stirling heat engine is provided.
[0011]
  Furthermore, in order to solve the above-mentioned problems, the present invention provides a housing having a crank chamber, a cylinder disposed adjacent to and above the crank chamber, and a piston that reciprocates in the cylinder to compress or expand the working gas. Alternatively, a displacer, a piston rod interlocked with the crank in the crank chamber, one end of which is connected to the piston or the displacer, and an oil seal disposed in an opening at the top of the crank chamber through which the piston rod passes are provided. In the Stirling heat engine, the oil seal is fixed at the distal end of the oil seal to the piston rod in the cylinder, and the base end of the oil seal is fixed to the periphery of the opening at the top of the crank chamber through which the piston rod passes. The oil seal bellows More, entering from the space of the oil into the cylinder in the housing is prevented,A buffer tank for absorbing pressure fluctuations in the space on the back surface side is provided in a space on the back surface side of the piston that compresses or expands the working gas via communication means, and the buffer tank and the housing An oil catching device or an oil catching device and a pressure adjusting throttle device are provided in communication between the spaces, and the pressure on the space on the back side of the piston for compressing or expanding the working gas and the space in the housing can be adjusted. LikeA Stirling heat engine is provided.
[0012]
  Furthermore, in order to solve the above-mentioned problems, the present invention provides a housing having a crank chamber, a cylinder disposed adjacent to and above the crank chamber, and a piston that reciprocates in the cylinder to compress or expand the working gas. Alternatively, a displacer, a piston rod interlocked with the crank in the crank chamber, one end of which is connected to the piston or the displacer, and an oil seal disposed in an opening at the top of the crank chamber through which the piston rod passes are provided. In the Stirling heat engine, the oil seal is fixed at the distal end of the oil seal to the piston rod in the cylinder, and the base end of the oil seal is fixed to the periphery of the opening at the top of the crank chamber through which the piston rod passes. The oil seal bellows More, entering from the space of the oil into the cylinder in the housing is prevented,As the oil seal, in addition to the oil seal bellows, an annular pressure-resistant oil seal that presses against the piston rod is provided at the top of the crank chamber, and a space on the back side of the piston that compresses or expands the working gas. In order to reduce the invalid pressure fluctuation generated on the back side of the piston and the invalid pressure fluctuation generated in the seal chamber between the seal chamber formed by the oil seal bellows, a buffer tank is connected via the communication means. The buffer tank has a pressure adjusting bellows disposed therein, and is partitioned into a chamber on the opening side and a chamber on the closing wall side of the pressure adjusting bellows. The chamber on the side and the chamber on the closing wall side communicate with either the space on the back side of the piston or the space of the seal chamber, respectively.A Stirling heat engine is provided.
[0014]
Further, in order to solve the above problems, the present invention compresses or expands the working gas by reciprocating in the cylinder, a housing having a crank chamber, a cylinder disposed adjacent to the upper side of the crank chamber, and the cylinder. With a piston or displacer,
A Stirling heat comprising a piston rod linked to the crank in the crank chamber and having one end connected to the piston or a displacer, and an oil seal disposed in an opening at the top of the crank chamber through which the piston rod passes. In the engine, between the space on the back side of the piston and the space in the housing, a buffer tank for absorbing the pressure fluctuation in the space on the back side and the pressure increase in the housing is connected via the communication means. A back side of a piston that compresses or expands the working gas by providing an oil capturing device or an oil catching device and a pressure adjusting throttle device between the buffer tank and the space in the housing. The Stirling heat engine is characterized in that the pressure in the space and the space in the housing can be adjusted.
[0015]
Further, in order to solve the above problems, the present invention compresses or expands the working gas by reciprocating in the cylinder, a housing having a crank chamber, a cylinder disposed adjacent to the upper side of the crank chamber, and the cylinder. A piston or a displacer; a piston rod linked to the crank in the crank chamber; one end connected to the piston or the displacer; and an oil seal disposed in an opening at the top of the crank chamber through which the piston rod passes. In the Stirling heat engine, the space on the back side of the piston and the space in the housing are communicated with each other via an oil trapping device to absorb pressure fluctuations in the space on the back side. To provide a Stirling heat engine.
[0016]
The pressure adjusting bellows may be composed of a single bellows or a pair of opposed bellows facing each other.
[0017]
And it is good also as a structure by which the compressive force is applied with respect to the closing wall of the said bellows for pressure adjustment with the spring.
[0018]
The pressure adjusting bellows may be guided by a guide member with respect to the buffer tank and smoothly expand and contract without being bent.
[0019]
And the said buffer tank is good also as a structure by which 1 or 2 or more are arrange | positioned.
[0022]
The Stirling heat engine may be applied as a Stirling refrigerator or a Stirling engine.
[0023]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Example 1
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings based on Examples 1 to 9 relating to Stirling refrigerators. FIG. 2 is a diagram showing Example 1 of a Stirling refrigerator according to the present invention. The outline of the Stirling refrigerator 22A of the first embodiment is characterized by a configuration in which an oil seal bellows is provided to prevent oil rising, and further, a buffer tank with a pressure adjusting bellows communicating with the crank chamber is provided. The oil seal bellows is characterized in that it absorbs the pressure increase in the space in the housing caused by the temperature rise in the crank chamber and the pressure fluctuation in the space on the back side of the compression piston and the expanding piston.
[0024]
This will be described in detail. In FIG. 2, the housing 23 of the Stirling refrigerator 22 </ b> A 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.
[0025]
A crankshaft 34 that penetrates the partition wall 24 and is pivotally supported by bearings 31, 32, and 33 is rotatably disposed in the housing 23. The motor 27 includes a stator 35 and a rotor 36, and a crankshaft 34 is fixed to the center of the rotor 36.
[0026]
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 22A.
[0027]
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.
[0028]
A compression cylinder 45 and an expansion cylinder 46 are disposed above the crank chamber 26 of the housing 23 of the Stirling refrigerator 22A. 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.
[0029]
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.
[0030]
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.
[0031]
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 molded bellows integrally formed by pressing a metal material or a welded bellows assembled by welding is used.
[0032]
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 .
[0033]
On the other hand, the expansion cylinder 46 has an expansion cylinder block 54 that is positioned slightly above the compression cylinder and is fixed to the housing 23 by bolts or the like. The expansion cylinder block 54 is provided with a piston ring attached in the space thereof. The piston 55 reciprocates and the upper portion of this space is a low temperature chamber (expansion space) 56, and the working gas in the space expands to a low temperature. The expansion piston 55 moves ahead of the compression piston 48 by a phase of about 90 degrees.
[0034]
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.
[0035]
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. The oil seal bellows 58 is the same bellows as that for the compression cylinder.
[0036]
A buffer tank 59 is disposed in the Stirling refrigerator 22A, and a pressure adjusting bellows 61 that expands 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.
[0037]
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. 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 bellows or resin or rubber bellows, like the oil seal bellows 53 and 58.
[0038]
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.
[0039]
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).
[0040]
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.
[0041]
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. Various structures are employed for the cooling heat exchanger 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.
[0042]
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. 22A can be provided.
[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 moves about 90 degrees ahead and slowly moves near the top dead center, the compression piston 48 rapidly moves near the middle toward the top dead center to perform the compression operation of 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 22A is reversely rotated. Then, the compression piston 48 and the expansion piston 55 have the 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. 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.
[0053]
(Example 2)
FIG. 3 is a diagram showing Example 2 of the Stirling refrigerator according to the present invention. The outline of the Stirling refrigerator 22B of the second embodiment is that an oil seal bellows is provided to prevent oil rising, the pressure rise due to the temperature rise of the crank chamber with respect to this oil seal bellows, and the compression piston and the piston that expands In order to prevent adverse effects due to pressure fluctuations in the space on the back surface side, a configuration is provided in which two buffer tanks with pressure adjusting bellows communicating with the space on the back surface side and the space in the housing 23 are provided. The second embodiment is different from the first embodiment in the configuration related to the point that two buffer tanks are provided, but the configuration and the operation are the same in other points.
[0054]
This will be described in detail. In FIG. 3, the Stirling refrigerator 22B is provided with two buffer tanks 59 and 60, and the buffer tanks 59 and 60 are used for adjusting pressure in the axial direction. Bellows 61 and 62 are disposed. The pressure adjusting bellows 61 and 62 divide the buffer tanks 59 and 60 into chambers 63 and 64 on the opening side of the pressure adjusting bellows and chambers 65 and 66 on the closing wall side of the pressure adjusting bellows.
[0055]
The chambers 63 and 64 on the opening side of the pressure adjusting bellows communicate with the spaces 69 and 70 on the back side of the compression piston 48 and the expansion piston 55 through pipes 67 and 68, respectively. The chambers 65 and 66 on the closed wall side of the pressure adjusting bellows communicate with the space in the housing 23 through the pipes 71 and 72. For these pressure adjusting bellows 61 and 62, metal bellows are used similarly to the oil seal bellows 53 and 58.
[0056]
Although the operation of the second embodiment is substantially the same as that of the first embodiment, in the second embodiment, the pressure increase due to the temperature increase in the space in the housing 23 and the pressure fluctuations in the space 69 and 70 on the back side are provided with two bellows. Absorption is performed by the two buffer tanks 59 and 60.
[0057]
(Example 3)
FIG. 4 is a diagram showing Example 3 of the Stirling refrigerator according to the present invention. In the Stirling refrigerator 22C of Example 3, an oil seal bellows is provided to prevent oil from rising. Due to the pressure increase caused by the temperature increase in the crank chamber, an internal / external pressure difference is generated in the oil seal bellows, and 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. In order to prevent this, the spaces 69 and 70 on the back side are communicated with the space in the housing 23 via an oil trapping device (oil trap) 87.
[0058]
Specifically, the spaces 69 and 70 on the back side of the compression piston are arranged to communicate with the space in the housing 23 via the pipe 67, the oil catching device 87 and the pipe 71. Pressure fluctuations in the space on the back side of the pistons of the compression piston 48 and the expansion piston 55 are absorbed in the space in the housing 23, thereby preventing an internal / external pressure difference from occurring in the oil seal bellows.
[0059]
The oil catching device 87 is provided so that the oil in the crank chamber and the oil mist do not flow into the spaces 69 and 70 on the back side of the compression piston and the expansion piston, and the type and content of oil that causes contamination (oil contamination). Accordingly, an oil filter having an appropriate structure is selected. In addition, a getter agent or the like corresponding to the causative substance is used so that the causative substance can be captured.
[0060]
Example 4
FIG. 5 is a diagram showing Example 4 of the Stirling refrigerator according to the present invention. In the Stirling refrigerator 22D of the fourth embodiment, the oil seal bellows 53 and 58 are provided to prevent the oil from rising, and the pressures of the spaces 69 and 70 which are spaces on the back side of the compression piston 48 and the expansion piston 55 are provided. A buffer tank 59 ′ (a buffer tank not provided with a pressure adjusting bellows) is provided to absorb fluctuations. Further, an oil catching device 87 is provided so that oil and oil mist in the crank chamber do not flow into the spaces 69 and 70 on the back side of the compression piston and expansion piston.
[0061]
In the fourth embodiment, the pressure adjusting throttle device 88 is connected in series with the oil trapping device 87. However, the pressure adjusting throttle device 88 directly captures oil from the oil mist in the housing 23. It is intended to prevent the device 87 from being reached, and is provided as necessary. Specifically, the pressure adjusting throttle device 88 is a capillary tube or a pressure adjusting valve.
[0062]
(Example 5)
FIG. 6 is a diagram showing Example 5 of a Stirling refrigerator according to the present invention. The outline of the Stirling refrigerator 22E of the fifth embodiment is applied when the pressure rise due to the temperature rise of the crank chamber 26 is small. The outline is an oil seal bellows and a pressure resistance to prevent oil rise. A specified oil seal is provided, and the pressure rise caused by the temperature rise in the crank chamber is handled by a pressure resistant oil seal, and the pressure fluctuation inside and outside the oil seal bellows is absorbed by the pressure adjustment bellows in the buffer tank. It is characterized by that.
[0063]
In FIG. 6A, between the upper openings 51 and 52 of the housing 23 and the compression piston rods 50 and 57, the structure is a general structure made of rubber, resin, etc., but a pressure-resistant oil seal (oil Seal rings) 89 and 90 are provided. Spaces 69 and 70 on the back side of the compression piston 48 and the expansion piston 55 communicate with each other through an opening 91, and an oil seal is formed so that a seal chamber 92 is defined in the spaces 69 and 70. The bellows 53 and 58 for use are integrally formed. The oil seal bellows 53 and 58 have a bellows-like cylindrical portion with the tops fixed to the compression piston rod 50 and the expansion piston rod 57, respectively, and the lower peripheral edges are fixed to the inner surfaces of the compression cylinder 45 and the expansion cylinder 46. Has been.
[0064]
And the buffer tank 59 of the same structure as Example 1 is provided, and the bellows 61 for pressure adjustment is formed in the inside. The opening-side chamber 63 communicates with the spaces 69 and 70 via the pipe 67, and the closing-side chamber 65 communicates with the seal chamber 92 via the pipe 71. As shown in FIG. 6 (b), the direction of the buffer tank 59 may be opposite to the left and right.
[0065]
The fifth embodiment having such a configuration is applied when the pressure rise due to the temperature rise in the space in the housing 23 is small as described above, and the pressure seal specification oil seals (oil seal rings) 89 and 90 are oil. While preventing the rise, the effect on the seal chamber 92 due to the pressure rise caused by the temperature rise in the space in the housing 23 is prevented.
[0066]
Furthermore, pressure fluctuations occur between the back space 69 and 70 and the seal chamber 92 due to the reciprocating motion of the compression piston 48 and the expansion piston 55, but they are absorbed by the pressure adjusting bellows 61 of the buffer tank 59 and canceled. The The structure of the sixth embodiment is the same as that of the first embodiment in terms of the seal and pressure adjustment described above, but the other structures and operations are the same.
[0067]
(Example 6)
FIG. 7 is a diagram showing Example 6 of a Stirling refrigerator according to the present invention. The outline of the Stirling refrigerator 22F of Example 6 is that a conventional bellows for pressure adjustment for adjusting the pressure in the crank chamber is added to a conventional Stirling refrigerator provided with a general oil seal made of rubber or resin for preventing oil rising. It is characterized by a configuration with a buffer tank attached.
[0068]
The sixth embodiment is different from the first embodiment in the seal structure for preventing oil spill, but otherwise has the same configuration and functions. That is, in the sixth embodiment, general oil seals 93 and 94 made of rubber, resin or the like are provided without the oil seal bellows 53 and 58, and the upper openings 51 and 52 of the housing 23 and the compression piston rod 50 are replaced. , 57 to prevent oil from rising.
[0069]
As in the first embodiment, the pressure increase due to the temperature rise in the space in the housing 23 during the operation of the Stirling refrigerator and the pressure fluctuations in the spaces 69 and 70 on the back side of the compression piston and expansion piston are caused in the buffer tank 59. In FIG. 5, the pressure is absorbed by the pressure adjusting bellows 61. With such a configuration, it is possible to prevent the oil seals 93 and 94 that are easily generated when the pressure in the crank chamber 26 is increased and the problem of oil rising, and to improve the durability and performance of the Stirling refrigerator.
[0070]
(Example 7)
FIG. 8 is a diagram showing Example 7 of a Stirling refrigerator according to the present invention. The outline of the Stirling refrigerator 22G of the seventh embodiment is similar to that of the sixth embodiment, in which a general oil seal made of rubber or resin is provided to prevent the oil from rising, and for adjusting the pressure of the crank chamber. It features a configuration in which a buffer tank with bellows is provided. However, unlike the fifth embodiment, two buffer tanks 59 and 60 are provided as in the second embodiment.
[0071]
The pressure increase and the pressure fluctuations in the space 69 and 70 on the back side of the compression piston and the expansion piston caused by the temperature rise in the space in the housing 23 during the operation of the Stirling refrigerator are adjusted in the buffer tanks 59 and 60. It is absorbed by the bellows 61, 62 for use. With such a configuration, the problems of breakage of oil seals 93 and 94, which are likely to occur when the pressure in the crank chamber 26 rises, and the problem of oil rise are eliminated, and durability and performance of the Stirling refrigerator are improved.
[0072]
(Example 8)
FIG. 9 is a view showing Example 8 of a Stirling refrigerator according to the present invention. The outline of the Stirling refrigerator 22H of the eighth embodiment is that a conventional oil seal made of rubber or resin for preventing oil rising is provided, and the pressures of the spaces 69 and 70 on the back side of the compression piston 48 and the expansion piston 55 are provided. A buffer tank 59 ′ (buffer tank without a pressure adjusting bellows) not provided with a bellows for absorbing fluctuations is provided, and further, oil in the crank chamber and oil mist are placed behind the compression piston and the expansion piston. An oil catching device 87 is provided so as not to flow into the side spaces 69 and 70.
[0073]
Further, a pressure adjusting throttle device 88 is connected in series with the oil catching device 87 as necessary. The pressure adjusting throttle device 88 uses a capillary tube or a pressure adjusting valve as in the fourth embodiment.
[0074]
As in the first embodiment, the temperature rise in the space in the housing 23 during the operation of the Stirling refrigerator and the pressure fluctuations in the spaces 69 and 70 on the back side of the compression piston and expansion piston are caused by the pressure adjusting throttle device 88 and the buffer. Collected by tank 59. With such a configuration, it is possible to prevent the problem of oil seal breakage and oil rise that are more likely to occur when the crank chamber pressure rises, and to improve the durability and performance of the Stirling refrigerator.
[0075]
Example 9
FIG. 10 is a diagram showing Example 9 of the Stirling refrigerator according to the present invention. In the Stirling refrigerator 22I of the ninth embodiment, general oil seals 93 and 94 made of rubber, resin, etc. are provided between the upper openings 51 and 52 of the housing 23 and the compression piston rods 50 and 57, and the oil rises. In addition to prevention, the spaces 69 and 70 on the back side of the compression piston and the expansion piston and the space in the housing 13 are communicated with each other via the pipe 67, the oil catching device 87 and the pipe 71, and are generated in the spaces 69 and 70. Pressure fluctuation is prevented.
[0076]
Next, the structure of the buffer tank with bellows used in the above embodiment will be described below. FIG. 11 is a diagram showing some specific examples of the buffer tank and the pressure adjusting bellows. FIG. 11A shows a basic structure composed of a single bellows, which is the same as that already used in the above embodiments. In response to static fluctuations in which the crank chamber pressure rises during operation of the Stirling refrigerator, the pressure adjusting bellows 61 moves slowly but increases in displacement. In addition, with respect to the dynamic pressure fluctuation on the back side accompanying the reciprocating motion of the expansion piston or the like, the displacement amount is small, and the operation is oscillating.
[0077]
FIG. 11B shows an example in which an initial set compression force is applied to the pressure adjusting bellows 61 by a compression coil spring 95. With such a configuration, the displacement amount of the pressure adjusting bellows becomes a displacement amount corresponding to (pressure increase in the crank chamber−initial compression) + pressure fluctuation on the back side of the expansion piston or the like. Therefore, since the displacement due to the increase in the pressure in the crank chamber is given initially, the bellows approaches the free length so that the amount of displacement is eliminated during operation, so the life of the bellows can be extended.
[0078]
FIG. 11 (c) shows a structure of a counter pressure adjusting bellows in which a pair of left and right pressure adjusting bellows 61, 61 'are integrally provided in a buffer tank. The left and right spaces 96, 96 ′ outside the pressure adjusting bellows 61, 61 ′ communicate with each other via a communication hole 98 that communicates with the central support 97. The internal space 99 of the pressure adjusting bellows 61, 61 'is communicated with the back side of the compression piston or the like, and the left and right spaces 96, 96' outside the pressure adjusting bellows are communicated with the crank chamber side. Since this buffer tank is provided with two pressure adjusting bellows 61, 61 'on the left and right sides, each of the pressure adjusting bellows can be made relatively short, so that the bending in the direction perpendicular to the expansion / contraction direction (lateral direction) can be eliminated. .
[0079]
FIG. 11D shows compression coil springs 95, 95 ′ provided between the opposed type pressure adjusting bellows 61, 61 ′ and inner surfaces of both ends of the tank 59. Thereby, the same effect as FIG. 11B is generated. That is, since the displacement due to the increase in the pressure in the crank chamber is given initially, the bellows approaches the free length so that the amount of displacement is eliminated during operation, so the life of the bellows can be extended.
[0080]
FIG. 12 is a view showing a guide structure of a pressure adjusting bellows. As the pressure adjusting bellows has a large size in the expansion / contraction direction, that is, becomes longer, a lateral deflection occurs. As a means for solving this problem, as shown in FIG. 12A, an annular guide 100 made of resin or the like that slides on the inner surface of the buffer tank is attached to the tip of the pressure adjusting bellows.
[0081]
Further, as shown in FIG. 12 (b), a guide bar 101 is provided on the front end surface of the pressure adjusting bellows, and a guide cylinder 102 is provided on the inner end surface of the buffer tank opposite to the guide bar 101 so that the guide bar can slide freely. To guide. If such a guide structure is applied to the pressure-adjusting bellows provided in each of the above embodiments, the problem of bending can be solved. FIG. 12C shows a structure in which this guide means is used for an opposing pressure adjusting bellows.
[0082]
Although the embodiments of the present invention have been specifically described based on the examples, the present invention is not limited to the above examples in order to embody the technical idea within the scope described in the claims. It goes without saying that there are various embodiments without being described. In the above embodiment, a two-piston type Stirling refrigerator is used, but it goes without saying that the present invention can be applied to other types of Stirling refrigerators such as a displacer type.
[0083]
【The invention's effect】
According to the Stirling refrigerator of the present invention having the above configuration, the following effects can be obtained.
(1) Since the space between the housing, the compression piston rod, and the expansion piston rod is completely sealed by the oil seal bellows, oil rising contamination (oil rising dirt) can be prevented. In addition, it achieves an oil seal with excellent durability and improves the performance and life of the Stirling refrigerator.
[0084]
(2) Since 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, the pressure fluctuation caused inside or outside of the oil seal bellows due to this pressure increase, or It is possible to prevent general oil seal deterioration and oil rising problems.
[0085]
(3) The problem of pressure fluctuation occurring on the back side of the compressing or expanding piston that adversely affects the performance of the oil seal and the refrigerator is solved by adopting a buffer tank with or without a pressure adjusting bellows.
[0086]
(4) Since the above-mentioned problems specific to Stirling refrigerators can be solved, low-melting-point refrigerants such as ethyl alcohol, nitrogen, and helium can be used as working gases as refrigerants other than chlorofluorocarbon. Therefore, it is possible to provide a refrigeration apparatus that can be applied to a cold energy utilization device for a wide range of uses and that can be applied to 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 showing an entire Stirling refrigerator.
FIG. 2 is a diagram showing Example 1 of a Stirling refrigerator according to the present invention.
FIG. 3 is a diagram showing Example 2 of a Stirling refrigerator according to the present invention.
FIG. 4 is a diagram showing Example 3 of a Stirling refrigerator according to the present invention.
FIG. 5 is a diagram showing Example 4 of a Stirling refrigerator according to the present invention.
FIG. 6 is a diagram showing Example 5 of a Stirling refrigerator according to the present invention.
FIG. 7 is a diagram showing Example 6 of a Stirling refrigerator according to the present invention.
FIG. 8 is a diagram showing Example 7 of a Stirling refrigerator according to the present invention.
FIG. 9 is a diagram showing Example 8 of a Stirling refrigerator according to the present invention.
FIG. 10 is a diagram showing Example 9 of a Stirling refrigerator according to the present invention.
FIG. 11 is a view showing a specific example of the pressure adjusting bellows of the buffer tank according to the present invention.
FIG. 12 is a view showing a specific example of a pressure adjusting bellows guide according to the present invention.
[Explanation of symbols]
22, 22A ~ F 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, 60 Buffer tank
61, 61 ', 62 Bellows for adjusting the pressure of the buffer tank
87 Oil trap (oil trap)
88 Pressure adjusting throttle device
89, 90 Withstand pressure oil seal (oil seal ring)
93, 94 Oil seal (oil seal ring)
95, 95 'compression coil spring
100 Guide for bellows for pressure adjustment

Claims

A housing having a crank chamber, a cylinder disposed adjacent to and above the crank chamber, a piston or displacer that reciprocates in the cylinder and compresses or expands working gas, and interlocks with a crank in the crank chamber; In a Stirling heat engine comprising: a piston rod having one end connected to the piston or a displacer; and an oil seal disposed in an opening at the top of the crank chamber through which the piston rod passes,
The oil seal is composed of an oil seal bellows whose front end is fixed to the piston rod in the cylinder and whose base end is fixed to the peripheral edge of the top opening of the crank chamber through which the piston rod passes,
By providing the oil seal bellows, entry of oil from the space in the housing to the cylinder is prevented ,
A buffer tank for absorbing pressure fluctuations in the space on the back side and a pressure increase in the housing is provided between the space on the back side of the piston that compresses or expands the working gas and the space in the housing. Provided through communication means,
The buffer tank has a pressure adjusting bellows disposed therein, and is partitioned into a chamber on the opening side and a chamber on the closing wall side of the pressure adjusting bellows. The Stirling heat engine is characterized in that each of the chambers communicates with either the space on the back side of the piston or the space in the housing .

A housing having a crank chamber, a cylinder disposed adjacent to and above the crank chamber, a piston or displacer that reciprocates in the cylinder and compresses or expands working gas, and interlocks with a crank in the crank chamber; In a Stirling heat engine comprising: a piston rod having one end connected to the piston or a displacer; and an oil seal disposed in an opening at the top of the crank chamber through which the piston rod passes,
The oil seal is composed of an oil seal bellows whose front end is fixed to the piston rod in the cylinder and whose base end is fixed to the peripheral edge of the top opening of the crank chamber through which the piston rod passes,
By providing the oil seal bellows, entry of oil from the space in the housing to the cylinder is prevented,
The space on the back side of the piston that compresses or expands the working gas and the space in the housing communicate with each other via an oil trapping device in order to absorb pressure fluctuations in the space on the back side. Stirling heat engine that.

A housing having a crank chamber, a cylinder disposed adjacent to and above the crank chamber, a piston or displacer that reciprocates in the cylinder and compresses or expands working gas, and interlocks with a crank in the crank chamber; In a Stirling heat engine comprising: a piston rod having one end connected to the piston or a displacer; and an oil seal disposed in an opening at the top of the crank chamber through which the piston rod passes,
The oil seal is composed of an oil seal bellows whose front end is fixed to the piston rod in the cylinder and whose base end is fixed to the peripheral edge of the top opening of the crank chamber through which the piston rod passes,
By providing the oil seal bellows, entry of oil from the space in the housing to the cylinder is prevented,
A buffer tank for absorbing pressure fluctuations in the space on the back side is provided in communication with the back side of the piston that compresses or expands the working gas via a communication means,
An oil capturing device or an oil capturing device and a pressure adjusting throttle device are provided in communication between the buffer tank and the space in the housing, and a space on the back side of the piston that compresses or expands the working gas; and the housing A Stirling heat engine characterized in that the pressure in the interior space can be adjusted .

A housing having a crank chamber, a cylinder disposed adjacent to and above the crank chamber, a piston or displacer that reciprocates in the cylinder and compresses or expands working gas, and interlocks with a crank in the crank chamber; In a Stirling heat engine comprising: a piston rod having one end connected to the piston or a displacer; and an oil seal disposed in an opening at the top of the crank chamber through which the piston rod passes,
The oil seal is composed of an oil seal bellows whose front end is fixed to the piston rod in the cylinder and whose base end is fixed to the peripheral edge of the top opening of the crank chamber through which the piston rod passes,
By providing the oil seal bellows, entry of oil from the space in the housing to the cylinder is prevented,
As the oil seal, in addition to the oil seal bellows, an annular oil seal with a pressure-proof specification that press-contacts the piston rod is provided at the opening of the top of the crank chamber,
Invalid pressure fluctuation generated on the back side of the piston and invalidity generated in the seal chamber between the space on the back side of the piston that compresses or expands the working gas and the seal chamber formed by the oil seal bellows. In order to reduce pressure fluctuations, a buffer tank is provided through communication means,
The buffer tank has a pressure adjusting bellows disposed therein, and is divided into a chamber on the opening side and a chamber on the closing wall side of the pressure adjusting bellows. The Stirling heat engine is characterized in that each side chamber communicates with either the space on the back side of the piston or the space of the seal chamber .

A housing having a crank chamber; a cylinder disposed adjacent to and above the crank chamber; a piston that reciprocates in the cylinder to compress or expand the working gas; In a Stirling heat engine comprising: a piston rod having one end connected to the piston rod; and an oil seal disposed in an opening at the top of the crank chamber through which the piston rod passes,
A buffer tank for absorbing pressure fluctuations in the back side space and pressure rises in the housing is communicated between the space on the back side of the piston and the space in the housing via a communicating means. Provided between the buffer tank and the space in the housing, an oil supplementing device or an oil catching device and a pressure adjusting throttle device are provided in communication,
A Stirling heat engine characterized in that the pressure of the space on the back side of the piston for compressing or expanding the working gas and the space in the housing can be adjusted .

A housing having a crank chamber; a cylinder disposed adjacent to and above the crank chamber; a piston that reciprocates in the cylinder to compress or expand the working gas; In a Stirling heat engine comprising: a piston rod having one end connected to the piston rod; and an oil seal disposed at an opening at the top of the crank chamber through which the piston rod passes,
A Stirling heat engine characterized in that a space on the back side of the piston and a space in the housing communicate with each other via an oil trapping device in order to absorb pressure fluctuations in the space on the back side .

5. The Stirling heat engine according to claim 1, wherein the pressure adjusting bellows comprises a single bellows or a pair of opposed bellows facing each other .

8. A Stirling heat engine according to claim 1, wherein a compression force is applied to the closing wall of the pressure adjusting bellows by a spring .

9. The Stirling heat according to claim 1 , wherein the pressure adjusting bellows is guided by a guide member with respect to the buffer tank so as to smoothly expand and contract without being bent. organ.

The Stirling heat engine according to claim 1, 3, 4, 5, 7, 8 or 9, wherein one or more buffer tanks are arranged .

The Stirling heat engine according to any one of claims 1 to 10, wherein the Stirling heat engine is a Stirling refrigerator or a Stirling engine .