JP3717812B2 - Stirling refrigerator oil seal bellows - Google Patents

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JP3717812B2 JP2001223588A JP2001223588A JP3717812B2 JP 3717812 B2 JP3717812 B2 JP 3717812B2 JP 2001223588 A JP2001223588 A JP 2001223588A JP 2001223588 A JP2001223588 A JP 2001223588A JP 3717812 B2 JP3717812 B2 JP 3717812B2
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栄寿 福田
剛弘 西川
貴志 原子
哲也 加藤
弘 西川
傳二 真下
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    • F02GHOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • F02G1/04Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type
    • F02G1/043Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type the engine being operated by expansion and contraction of a mass of working gas which is heated and cooled in one of a plurality of constantly communicating expansible chambers, e.g. Stirling cycle type engines
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スターリング冷凍機に関し、特にスターリング冷凍機のクランク室から圧縮シリンダや膨張シリンダ内への油上がりを防止するオイルシーズベローズに関する。
【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】
とろで、スターリング冷凍機では、ピストンロッド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シリンダに入るとその内面に付着し、ピストンリングのシール性に影響を与え、耐久性、信頼性を著しく低減させるだけでなく、圧縮された気体とともに油が送気先の圧縮気体利用装置内に入り込み、圧縮気体利用装置やその装置で処理される各種の部品等に悪い影響を及ぼす。
【0004】
この油上がりの問題を解決するために、従来、ピストンロッドは、オイルリングシールによりシールされている。このオイルリングシールは、一般的にはゴム製であり、構造及び材料面でいろいろな開発が行われているが、必ずしもシール性能、耐久性において十分とはいえない。
【0005】
そこで、本発明者らは、スターリング冷凍機のロッドシールとして、オイルシール用のベローズ(特願平10−365371号参照。)をすで提案している。この特願平10−365371号に係る発明では、スターリング冷凍機のハウジング内の空間と、圧縮シリンダ及び膨張シリンダとの間に、オイルシール用の金属ベローズを設け、ピストンロッドの表面に沿ってクランク室から圧縮シリンダ及び膨張シリンダ内に流入する油上がりを防止するものである。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者らは、スターリング冷凍機において、上記のようなオイルシールベローズを装着し、さらにオイルシールベローズの寿命を向上させる構成を開発していたが、オイルシールベローズを所定のストローク往復動させる場合に、圧縮方向及び伸張方向に繰り返し動作させると必ずしも繰り返し疲労軽減のためには好ましくないという知見を得た。
【0007】
本発明の目的は、スターリング冷凍機の油上がりを防止し、密封性にすぐれかつ長寿命なオイルシールベローズ実現し、スターリング冷凍機の性能向上を図り、信頼性、耐久性の向上を図ることである。そこで、本発明は、上記知見を基にオイルシールベローズの寿命向上を図るべきオイルシールベローズの構成を実現することを課題とするものである。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本願発明は上記課題を解決するために、モータ及びクランクを配設したハウジングと、上記ハウジングの頂部に固定されたシリンダと、上記シリンダ内を往復動するピストンと、上記クランクと連動し、上記ピストンに一端が連結され上記ハウジングを貫通するピストンロッドと、上記ハウジングと上記シリンダの間をシールするオイルシールベローズを備えたスターリング冷凍機であって、上記オイルシールベローズは、その先端が上記シリンダ内において上記ピストン又は上記ピストンロッドに気密的に固定され、その基端が上記ハウジングに取付られており、上記オイルシールベローズは、その先端部が自由長の位置から圧縮側に圧縮され、再び自由長の位置に戻すストロークの往復動を行うように取り付けられていることを特徴とするスターリング冷凍機を提供する。
【0009】
上記オイルシールベローズ、ハウジングと、圧縮シリンダ及び膨張シリンダの両方又はいずれか一つに適用される。
【0010】
【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〜図3は、本発明の適用されるスターリング冷凍機を説明する図であり、図1はスターリング冷凍機1の全体構成を説明する正面図である。図2はスターリング冷凍機1の要部を説明する図であり、図3は一部が断面の右側面図である。
【0011】
スターリング冷凍機1の本体をなすハウジング2は、鋳物で形成され、その内部は密閉状態に保持され、作動ガスが封入されている。このハウジング2内には、区画壁3を介して互いに連通するモータ室4とクランク室5とを有する。このモータ室4には正逆回転可能なモータ6が配設されており、又クランク室5には、モータ6で回転駆動されるクランクシャフト7、コンロッド8、9と、クロスガイドヘッド10、11等の駆動機構が配設されている。
【0012】
クランクシャフト7の二つのクランク部12、13は、モータ6の正転時にクランク部13がクランク部12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。クランク部12、13には、コンロッド8、9が取り付けられ、さらにこのコンロッド8、9にクロスガイドヘッド10、11が取り付けられている。
【0013】
ハウジング2におけるクランク室5の上部には、座部14を介してシリンダブロック15がボルト16で取付られている。シリンダブロック15は、圧縮シリンダ17を形成するとともに、膨張シリンダ18の一部(下部)を形成している。
【0014】
圧縮シリンダ17内では圧縮ピストン19が往復動する。圧縮シリンダ17内の圧縮ピストン19の上方空間(圧縮空間)が高温室20であり、この中で作動ガスは圧縮されて高温となる。圧縮ピストンロッド21は、圧縮ピストン19とクロスガイドヘッド10を連結し、クランク室5から圧縮シリンダ17へ伸びるように設けられている。オイルシールベローズ22が圧縮ピストンロッド21とハウジング2の上部の間に取り付けられ、圧縮シリンダ17とクランク室5の間をシールし、クランク室5からの油上がりを防止している。
【0015】
一方、膨張シリンダ18は、その下部は上述の通りシリンダブロック15で構成し、その上部は、後述する放熱用熱交換器29の内側シリンダ23と冷却用熱交換器の内筒24とから構成している。この膨張シリンダ18内を膨張ピストン25が往復摺動しており、膨張シリンダ18における膨張ピストン25の上方空間(膨張空間)が低温室26であり、この中で作動ガスが膨張し低温となる。
【0016】
膨張ピストンロッド27は、膨張ピストン25とクロスガイドヘッド11とを連結し、クランク室5から膨張シリンダ18内に伸びている。オイルシールベローズ28が、膨張ピストンロッド27とハウジング2の上部の間に取り付けられ、膨張シリンダ18とクランク室5の間をシールしクランク室5からの油上がりを防止している。膨張ピストン25は、圧縮ピストン19より90度の位相だけ先行して移動する。
【0017】
膨張シリンダ18を囲むように、放熱用熱交換器(高温側熱交換器)29、再生器30及び冷却用熱交換器(低温側熱交換器)31が互いに連通して環状に配設されている。放熱用熱交換器29の下端、かつ膨張シリンダ18の周囲に、マニホールド(作動ガス用の流路)32が形成されている。
【0018】
そして、圧縮シリンダ17の上端部には、高温室20とマニホールド32とを連通する連通孔33が形成されている。高温室20と低温室26は、連通孔33、マニホールド32、放熱用熱交換器29、再生器30及び冷却用熱交換器31を通して互いに順次連通するように構成されている。
【0019】
シリンダブロック15は、その上部に放熱用熱交換ハウジング34を有する。この放熱用熱交換ハウジング34と内側シリンダ23との間には、熱交換器筒37が嵌合し、放熱用熱交換器(高温側熱交換器)29を構成している。熱交換器筒37は、その内面には、作動ガスの流路を形成する細溝35を有し、外面に放熱フィン36を有する。
【0020】
作動ガスは細溝35を通り、放熱用熱交換ハウジング34と放熱フィン36との間の放熱路38は冷却水が流れこれにより、作動ガスの温熱が冷却水に放熱される。シリンダブロック15の左右両側面には、蓋板39が水密的に固定されており、この蓋板39とシリンダブロック15との間に冷却水路40を形成している。この冷却水路40は、入口41と通して放熱路38に連通するとともに、圧縮シリンダ17及び膨張シリンダ18を囲むように形成されている。
【0021】
放熱路38に冷却水の流入口42が設けられており、冷却水路40には流出口43が設けられ、流入口40と流出口43は、図示はしないが、冷却水循環路及び冷却水循環用ポンプを介して、冷却ファンを有する空冷の放熱器(ラジエータ)に接続されている。
【0022】
内筒24の下部は、内側シリンダ23と嵌合し膨張シリンダ18の一部を構成しているが、この内筒24の上部外周側に冷却用熱交換ハウジング44が配設され、シリンダブロック15に着脱可能に固着されている。冷却用熱交換ハウジング44は、その内面には複数の細溝45を有し、内筒24と嵌合して作動ガス流路46を形成し、その外面には冷却フィン47を有する。これにより、冷却用熱交換器(低温側熱交換器)31を構成している。
【0023】
この冷却用熱交換器31は、本発明のスターリング冷凍機の冷熱を利用する冷熱利用機器の冷熱冷媒の冷却を行う。冷熱冷媒としては、空気、水、アルコール、HFE、PFC等が使用される。
【0024】
内筒24と冷却用熱交換ハウジング44との間の環状空間には、金属メッシュ等の蓄冷材から成る再生器30が配設されている。
【0025】
オイルシールベローズ28と膨張ピストン25との間の空間(オイルシールベローズ25と圧縮ピストン15との間の空間についても同じ)は、バファ空間(バッファ室)48と呼ばれている。バッファ空間48は、管49によりバッファタンク51に接続され、バッファタンク51は、管50によりハウジング2のクランク室5(モータ室4でもよい。)に接続されている。
【0026】
本発明は、以上のような構成のスターリング冷凍機において次に説明する構成を採用したことを特徴とする。本発明に係るスターリング冷凍機では、図2に示すように取り付けた圧縮側及び膨張側のオイルシールベローズ22、28について特徴的な構成を採用している。図4は、スターリング冷凍機におけるオイルシールベローズについて、本発明を従来技術と対比して説明するものであり、図4(a)は本発明を示し、図4(b)は従来技術を示す。
【0027】
本発明に使用するオイルシールベローズ22、28の材料は、SUS材を溶着して形成した金属ベローズであってもよいし、又は樹脂材から一体に形成した樹脂ベローズであってもよい。
【0028】
図2に示すように、圧縮側オイルシールベローズ22は、その下端部52はオイルシールベローズ固定板(以下「固定板」という。)53に溶着されており、その上端部54はオイルシールベローズ取付板(以下「取付板」という。)55に溶着されている。オイルシールベローズ固定板53は、座部14によりハウジング2の上面に固定されている。取付板55は圧縮ピストン19にナットで固定されている。
【0029】
又、図2に示すように、膨張側オイルシールベローズ28は、圧縮側オイルシールベローズ22と同様に、その下端部56は固定板53に溶着されており、その上端部57は取付板55に溶着されている。オイルシールベローズ固定板53は、座部14によりハウジング2の上面に固定されている。取付板55は膨張ピストンロッド27の大径部58にスリーブ59を介してナットで固定されている。
【0030】
圧縮側オイルシールベローズ22及び膨張側オイルシールベローズ28は、圧縮ピストン19及び膨張ピストン18の往復動のストロークに応じて、夫々のストロークで往復動する。圧縮側及び膨張側オイルシールベローズ22、28は、夫々直径、自由長及びストローク等は互いに必ずしも同じとは限らないが、図4(a)に示すように、これらを自由長L、ストロークSとして、その往復動及びストロークを概念的に示す。なお、ここでは、単に図面を分かりやすくするために、自由長L及びストロークSは、固定板53、取付板55の厚みも含めている。
【0031】
図4(b)は従来技術を示す。従来技術では、往復動する総ストロークSは本発明に係る総ストロークSと同じであるが、自由長L’が本発明に係る自由長Lより短いベローズを利用する。これにより、自由長L’の位置から、圧縮側にストロークS1、伸張側にストロークS2だけ移動して、全体として総ストロークSだけ往復動する。
【0032】
ところで、本発明者等は、スターリング冷凍機の研究開発の過程で、このオイルシールベローズの往復動作を繰り返し行っているが、同じ総ストロークの往復動をするにしても、オイルシールベローズを図4(b)のように、自由長の位置を中心にして、圧縮側ストロークS1の圧縮と、伸張側へのストロークS2の伸張とを繰り返して往復動作を行う場合の方が、図4(a)のように、圧縮側ストロークSへの圧縮と自由長への戻しによる往復動作を行う場合に比べて、疲労が大きいという知見を得た。この理由は、圧縮と伸縮を繰り返す場合のほうが、単に圧縮するだけの場合よりもオイルシールベローズに繰り返し疲労を生じる力が大きく作用するものと考えられる。
【0033】
このような知見に基づいて、本発明では、図4(a)に示すように、自由長Lの位置から圧縮側へのみ総ストロークSの往復動作を行うことができるような長さのオイルシールベローズを、圧縮側オイルシールベローズ22及び膨張側オイルシールベローズ28として夫々用意して、本発明に係るスターリング冷凍機1に図2に示すように夫々取り付けた。
【0034】
(作用)
次に、本発明の上記実施例のスターリング冷凍機の作用を説明する。モータ6によってクランクシャフト7が正方向に回転し、クランク室5内のクランク部10、11が90度位相がずれて回転する。このクランク部10、11に連結されたコンロッド8、9、クロスガイドヘッド19、11、圧縮ピストンロッド17及び膨張ピストンロッド23を介して、圧縮ピストン19及び膨張ピストン25が、互いに90度の位相差をもって往復動する。
【0035】
膨張ピストン25が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19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33及びマニホールド32を通り放熱用熱交換器29の細溝35内に流入し、放熱路38を流れる冷却水に放熱する。さらに作動ガスは、再生器30に蓄熱された冷熱で冷却され、細溝45内を通って低温室26(膨張空間)内に流入する。
【0036】
圧縮ピストン19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25は急激に下死点に向かって移動し、低温室26(膨張空間)に流入した作動ガスは急激に膨張し冷熱が発生する。これにより冷却用熱交換器31を含むヘッド部(コールドヘッドと言う。)48は冷却されて低温となる。
【0037】
そして、冷却用熱交換器31において、冷却フィン47に接する冷熱利用機器用の冷熱冷媒を冷却する。膨張ピストン25が下死点から上死点に移動するときには圧縮ピストン19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26より冷却用熱交換器の細溝45を通り再生器30に流入し作動ガスの有する冷熱を再生器30に蓄熱する。再生器30に蓄熱された冷熱は、上記のように高温室20から放熱用熱交換器29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。
【0038
そして、冷却用熱交換器において冷却された冷熱冷媒は、流出パイプ60から各種の冷熱利用機器に送られ冷却に利用される。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用配管に送られ、冷熱利用機器内で冷凍あるいは冷却作用を行う。そして冷熱利用機器から冷却用熱交換器61に流入パイプ63を通って循環して戻され、再度冷却される。
【0039】
放熱器(ラジエータ)から送られてくる冷却水は、流入口42から放熱用熱交換器38内に流入し、放熱路38を通過して作動ガスを冷却する。さらに、この冷却水は冷却水路40に流入し、圧縮シリンダ17及び膨張シリンダ18の周囲を流れる。これによって、シリンダブロック15の内側に形成されている圧縮シリンダ17及び膨張シリンダ18を周囲から冷却する。この後、冷却水は、流出口43から流出して、放熱器において冷却ファンで冷却され、再度、放熱用熱交換器29へと循環する。
【0040】
バッファタンク51は、バッファ空間48とハウジング2を均等な圧力とし、バッファ空間48内の圧力変動を吸収するとともに、ハウジング2内の圧力変動を吸収し、バッファ空間にその影響を及ぼさないような緩衝機能を有する。
【0041】
本発明に係るスターリング冷凍機1では、図4(a)のように、圧縮側ストロークSへの圧縮と自由長への戻しによる往復動作を行うようにして、オイルシールベローズに作用する繰り返し疲労を少なくした。
【0042】
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。
【0043】
【発明の効果】
本発明は、以上の構成であるから、圧縮側及び膨張オイルシールベローズは、圧縮側へのストロークと自由長への戻しによる往復動作を行うようにして、オイルシールベローズに加わる破壊する力を小さくすることができ繰り返し疲労が少ななり、スターリング冷凍機の油上がりを防止するととも、オイルシールベローズの寿命が向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係るスターリング冷凍機を全体を説明する正面図である。
【図2】図1のスターリング冷凍機の要部を示す図である。
【図3】図1のスターリング冷凍機の一部断面の右側面図である。
【図4】本発明に係るスターリング冷凍機のオイルシールベローズを従来技術と比較して説明する図である。
【符号の説明】
1 スターリング冷凍機
2 ハウジング
4 モータ室
5 クランク室
6 モータ
7 クランクシャフト
14 座部
15 シリンダブロック
17 圧縮シリンダ
18 膨張シリンダ
19 圧縮ピストン
20 高温室
21 圧縮ピストンロッド
22 (圧縮側)オイルシールベローズ
25 膨張ピストン
26 低温室
27 膨張ピストンロッド
28 (膨張側)オイルシールベローズ
29 放熱用熱交換器
30 再生器
31 冷却用熱交換器
34 (シリンダブロックの)放熱用熱交換ハウジング
40 冷却水路
48 バッファ室
51 バッファタンク
52 (圧縮側)オイルシールベローズの下端部
53 オイルシールベローズ固定板
54 (圧縮側)オイルシールベローズの上端部
55 オイルシールベローズ取付板
56 (膨張側)オイルシールベローズの下端部
57 (膨張側)オイルシールベローズの上端部
58 膨張ピストンロッドの大径部
59 スリーブ
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a Stirling refrigerator, and more particularly, to an oil seed bellows that prevents oil from rising from a crank chamber of a Stirling refrigerator into a compression cylinder or an expansion cylinder.
[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 the Stirling refrigerator, there is a problem of so-called oil rise, in which oil and oil mist rise from the crank chamber along the piston rod. This oil rise adheres to the inner surface of the cylinder when oil or oil mist enters the cylinder, affecting the sealing performance of the piston ring, not only significantly reducing durability and reliability, but also with the compressed gas. It enters into the compressed gas utilization device at the air supply destination and adversely affects the compressed gas utilization device and various parts processed by the device.
[0004]
Conventionally, the piston rod is sealed with an oil ring seal in order to solve the problem of oil rising. This oil ring seal is generally made of rubber, and various developments have been made in terms of structure and material, but it cannot always be said that the sealing performance and durability are sufficient.
[0005]
Therefore, the present inventors have already proposed a bellows for oil seal (see Japanese Patent Application No. 10-365371) as a rod seal of a Stirling refrigerator. In the invention according to Japanese Patent Application No. 10-365371, a metal bellows for oil seal is provided between the space in the housing of the Stirling refrigerator and the compression cylinder and the expansion cylinder, and the crank is formed along the surface of the piston rod. This prevents oil from flowing into the compression cylinder and the expansion cylinder from the chamber.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
In the Stirling refrigerator, the present inventors have developed a configuration in which the oil seal bellows as described above is mounted and the life of the oil seal bellows is further improved. In addition, it has been found that repeated operation in the compression direction and extension direction is not necessarily desirable for repeated fatigue reduction.
[0007]
The object of the present invention is to prevent oil from rising in the Stirling refrigerator, to achieve an oil seal bellows with excellent sealing performance and long life, to improve the performance of the Stirling refrigerator, and to improve reliability and durability. is there. Then, this invention makes it a subject to implement | achieve the structure of the oil seal bellows which should aim at the lifetime improvement of an oil seal bellows based on the said knowledge.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problems, the present invention provides a housing in which a motor and a crank are disposed, a cylinder fixed to the top of the housing, a piston that reciprocates in the cylinder, and a piston that interlocks with the crank. A Stirling refrigerator having a piston rod that is connected at one end to the housing and an oil seal bellows that seals between the housing and the cylinder, the tip of the oil seal bellows being located in the cylinder The piston or the piston rod is hermetically fixed, and the base end thereof is attached to the housing. The oil seal bellows is compressed from the free length position to the compression side, and again the free length It is mounted so as to perform a reciprocating movement of the stroke returning to the position. To provide a Stirling refrigerator.
[0009]
The oil seal bellows, the housing, and / or the compression cylinder and / or the expansion cylinder are applied.
[0010]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings based on examples. 1-3 is a figure explaining the Stirling refrigerator to which this invention is applied, FIG. 1 is a front view explaining the whole structure of the Stirling refrigerator 1. FIG. FIG. 2 is a diagram for explaining a main part of the Stirling refrigerator 1, and FIG. 3 is a right side view partially showing a cross section.
[0011]
The housing 2 forming the main body of the Stirling refrigerator 1 is formed of a casting, and the inside thereof is kept in a hermetically sealed state and is filled with a working gas. The housing 2 includes a motor chamber 4 and a crank chamber 5 that communicate with each other via a partition wall 3. The motor chamber 4 is provided with a motor 6 capable of rotating in the forward and reverse directions. The crank chamber 5 is provided with a crankshaft 7 and connecting rods 8 and 9 which are driven to rotate by the motor 6 and cross guide heads 10 and 11. Etc. are arranged.
[0012]
The two crank portions 12 and 13 of the crankshaft 7 are formed with a phase difference so that the crank portion 13 moves ahead of the crank portion 12 when the motor 6 rotates forward. As this phase difference, a phase difference of about 90 degrees is generally adopted. Connecting rods 8 and 9 are attached to the crank portions 12 and 13, and cross guide heads 10 and 11 are attached to the connecting rods 8 and 9.
[0013]
A cylinder block 15 is attached to the upper portion of the crank chamber 5 in the housing 2 with a bolt 16 via a seat portion 14. The cylinder block 15 forms a compression cylinder 17 and a part (lower part) of the expansion cylinder 18.
[0014]
A compression piston 19 reciprocates in the compression cylinder 17. An upper space (compression space) of the compression piston 19 in the compression cylinder 17 is a high temperature chamber 20, in which the working gas is compressed and becomes high temperature. The compression piston rod 21 connects the compression piston 19 and the cross guide head 10, and is provided so as to extend from the crank chamber 5 to the compression cylinder 17. An oil seal bellows 22 is attached between the compression piston rod 21 and the upper portion of the housing 2 to seal between the compression cylinder 17 and the crank chamber 5 and prevent oil from rising from the crank chamber 5.
[0015]
On the other hand, the lower part of the expansion cylinder 18 is composed of the cylinder block 15 as described above, and the upper part is composed of an inner cylinder 23 of a heat-dissipating heat exchanger 29 and an inner cylinder 24 of a cooling heat exchanger, which will be described later. ing. An expansion piston 25 reciprocates in the expansion cylinder 18, and a space (expansion space) above the expansion piston 25 in the expansion cylinder 18 is a low temperature chamber 26, in which the working gas expands and becomes a low temperature.
[0016]
The expansion piston rod 27 connects the expansion piston 25 and the cross guide head 11 and extends from the crank chamber 5 into the expansion cylinder 18. An oil seal bellows 28 is attached between the expansion piston rod 27 and the upper portion of the housing 2, and seals between the expansion cylinder 18 and the crank chamber 5 to prevent oil from rising from the crank chamber 5. The expansion piston 25 moves ahead of the compression piston 19 by a phase of 90 degrees.
[0017]
A heat dissipating heat exchanger (high temperature side heat exchanger) 29, a regenerator 30 and a cooling heat exchanger (low temperature side heat exchanger) 31 are arranged in an annular shape so as to surround the expansion cylinder 18. Yes. A manifold (flow channel for working gas) 32 is formed at the lower end of the heat exchanger 29 for heat dissipation and around the expansion cylinder 18.
[0018]
A communication hole 33 that communicates the high temperature chamber 20 and the manifold 32 is formed at the upper end of the compression cylinder 17. The high greenhouse 20 and the low temperature chamber 26 are configured to sequentially communicate with each other through the communication hole 33, the manifold 32, the heat dissipation heat exchanger 29, the regenerator 30, and the cooling heat exchanger 31.
[0019]
The cylinder block 15 has a heat exchange housing 34 for heat dissipation in the upper part thereof. A heat exchanger cylinder 37 is fitted between the heat-dissipating heat exchange housing 34 and the inner cylinder 23 to constitute a heat-dissipating heat exchanger (high temperature side heat exchanger) 29. The heat exchanger cylinder 37 has a narrow groove 35 that forms a flow path for the working gas on its inner surface, and a heat radiating fin 36 on its outer surface.
[0020]
The working gas passes through the narrow groove 35, and cooling water flows through the heat radiation path 38 between the heat radiating heat exchange housing 34 and the heat radiating fins 36, whereby heat of the working gas is radiated to the cooling water. A cover plate 39 is fixed in a watertight manner on both left and right side surfaces of the cylinder block 15, and a cooling water passage 40 is formed between the cover plate 39 and the cylinder block 15. The cooling water passage 40 is formed to surround the compression cylinder 17 and the expansion cylinder 18 while communicating with the heat radiation passage 38 through the inlet 41.
[0021]
A cooling water inlet 42 is provided in the heat radiation path 38, an outlet 43 is provided in the cooling water path 40, and the inlet 40 and the outlet 43 are not shown, but the cooling water circulation path and the cooling water circulation pump And is connected to an air-cooled radiator (radiator) having a cooling fan.
[0022]
The lower part of the inner cylinder 24 is fitted with the inner cylinder 23 to constitute a part of the expansion cylinder 18. A cooling heat exchange housing 44 is disposed on the outer periphery of the upper part of the inner cylinder 24, and the cylinder block 15. It is detachably fixed to. The cooling heat exchange housing 44 has a plurality of narrow grooves 45 on its inner surface, is fitted with the inner cylinder 24 to form a working gas flow path 46, and has cooling fins 47 on its outer surface. Thus, a cooling heat exchanger (low temperature side heat exchanger) 31 is configured.
[0023]
This cooling heat exchanger 31 cools the cold refrigerant of the cold-use equipment that uses the cold of the Stirling refrigerator of the present invention. Air, water, alcohol, HFE, PFC or the like is used as the cold heat refrigerant.
[0024]
In an annular space between the inner cylinder 24 and the cooling heat exchange housing 44, a regenerator 30 made of a cold storage material such as a metal mesh is disposed.
[0025]
A space between the oil seal bellows 28 and the expansion piston 25 (the same applies to the space between the oil seal bellows 25 and the compression piston 15) is called a buffer space (buffer chamber) 48. The buffer space 48 is connected to the buffer tank 51 by a pipe 49, and the buffer tank 51 is connected to the crank chamber 5 (or the motor chamber 4) of the housing 2 by a pipe 50.
[0026]
The present invention is characterized in that the following configuration is adopted in the Stirling refrigerator having the above-described configuration. In the Stirling refrigerator according to the present invention, a characteristic configuration is adopted for the compression-side and expansion-side oil seal bellows 22 and 28 attached as shown in FIG. FIG. 4 explains the present invention in comparison with the prior art for an oil seal bellows in a Stirling refrigerator, FIG. 4 (a) shows the present invention, and FIG. 4 (b) shows the prior art.
[0027]
The material of the oil seal bellows 22 and 28 used in the present invention may be a metal bellows formed by welding a SUS material, or may be a resin bellows integrally formed from a resin material.
[0028]
As shown in FIG. 2, the compression-side oil seal bellows 22 has a lower end portion 52 welded to an oil seal bellows fixing plate (hereinafter referred to as “fixing plate”) 53, and an upper end portion 54 attached to the oil seal bellows. It is welded to a plate (hereinafter referred to as “mounting plate”) 55. The oil seal bellows fixing plate 53 is fixed to the upper surface of the housing 2 by the seat portion 14. The mounting plate 55 is fixed to the compression piston 19 with a nut.
[0029]
As shown in FIG. 2, the expansion side oil seal bellows 28 has a lower end portion 56 welded to a fixed plate 53 and an upper end portion 57 attached to the mounting plate 55 in the same manner as the compression side oil seal bellows 22. It is welded. The oil seal bellows fixing plate 53 is fixed to the upper surface of the housing 2 by the seat portion 14. The mounting plate 55 is fixed to the large diameter portion 58 of the expansion piston rod 27 with a nut via a sleeve 59.
[0030]
The compression-side oil seal bellows 22 and the expansion-side oil seal bellows 28 reciprocate with their respective strokes according to the reciprocating strokes of the compression piston 19 and the expansion piston 18. The compression-side and expansion-side oil seal bellows 22 and 28 are not necessarily the same in diameter, free length, stroke, etc., but as shown in FIG. The reciprocation and stroke are conceptually shown. Here, in order to make the drawing easy to understand, the free length L and the stroke S include the thicknesses of the fixed plate 53 and the mounting plate 55.
[0031]
FIG. 4B shows the prior art. In the prior art, the total stroke S reciprocating is the same as the total stroke S according to the present invention, but a free length L ′ is used which is shorter than the free length L according to the present invention. Thereby, from the position of the free length L ′, the stroke moves to the compression side by the stroke S1 and the extension side by the stroke S2, and as a whole, reciprocates by the total stroke S.
[0032]
By the way, in the course of research and development of the Stirling refrigerator, the present inventors have repeatedly performed the reciprocating operation of the oil seal bellows. As shown in FIG. 4A, when the reciprocating operation is repeated by repeating the compression of the compression side stroke S1 and the expansion of the stroke S2 toward the expansion side, centering on the position of the free length, as shown in FIG. As described above, the present inventors have found that fatigue is greater than when the reciprocating operation is performed by compression to the compression side stroke S and return to the free length. The reason for this is considered to be that the force that repeatedly causes fatigue on the oil seal bellows acts more in the case of repeated compression and expansion / contraction than in the case of simple compression.
[0033]
Based on such knowledge, in the present invention, as shown in FIG. 4A, the oil seal has such a length that the reciprocating operation of the total stroke S can be performed only from the position of the free length L to the compression side. The bellows were prepared as the compression side oil seal bellows 22 and the expansion side oil seal bellows 28, respectively, and attached to the Stirling refrigerator 1 according to the present invention as shown in FIG.
[0034]
(Function)
Next, the operation of the Stirling refrigerator of the above embodiment of the present invention will be described. The crankshaft 7 is rotated in the forward direction by the motor 6, and the crank portions 10 and 11 in the crank chamber 5 are rotated 90 degrees out of phase. Through the connecting rods 8 and 9, the cross guide heads 19 and 11, the compression piston rod 17 and the expansion piston rod 23 connected to the crank portions 10 and 11, the compression piston 19 and the expansion piston 25 have a phase difference of 90 degrees from each other. Reciprocates.
[0035]
While the expansion piston 25 is moving 90 degrees ahead and slowly moving near the top dead center, the compression piston 19 rapidly moves near the middle toward the top dead center to compress the working gas. The compressed working gas flows through the communication hole 33 and the manifold 32 into the narrow groove 35 of the heat dissipation heat exchanger 29 and dissipates heat to the cooling water flowing through the heat dissipation path 38. Further, the working gas is cooled by the cold stored in the regenerator 30 and flows into the low temperature chamber 26 (expansion space) through the narrow groove 45.
[0036]
When the compression piston 19 is slowly moving near the top dead center, the expansion piston 25 is suddenly moved toward the bottom dead center, and the working gas flowing into the low temperature chamber 26 (expansion space) is rapidly expanded to generate cold heat. appear. As a result, a head portion (referred to as a cold head) 48 including the cooling heat exchanger 31 is cooled to a low temperature.
[0037]
Then, in the cooling heat exchanger 31, the cold refrigerant for the cold-use equipment in contact with the cooling fins 47 is cooled. When the expansion piston 25 moves from the bottom dead center to the top dead center, the compression piston 19 is moving from the intermediate position to the bottom dead center, and the working gas passes from the low temperature chamber 26 through the narrow groove 45 of the cooling heat exchanger and the regenerator. The refrigerating machine 30 stores the cold heat that flows into the working gas 30 and has the working gas. The cold stored in the regenerator 30 is reused to cool again the working gas sent from the high temperature chamber 20 through the heat dissipation heat exchanger 29 as described above.
0038
And the cold-heat refrigerant | coolant cooled in the heat exchanger for cooling is sent to the various cold-use equipment from the outflow pipe 60, and is utilized for cooling. 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. Then, it is circulated back to the cooling heat exchanger 61 through the inflow pipe 63 from the cold energy utilization device and cooled again.
[0039]
Cooling water sent from a radiator (radiator) flows into the heat-dissipating heat exchanger 38 from the inlet 42 and passes through the heat-radiating path 38 to cool the working gas. Further, the cooling water flows into the cooling water passage 40 and flows around the compression cylinder 17 and the expansion cylinder 18. As a result, the compression cylinder 17 and the expansion cylinder 18 formed inside the cylinder block 15 are cooled from the surroundings. Thereafter, the cooling water flows out from the outlet 43, is cooled by the cooling fan in the radiator, and is circulated again to the heat exchanger 29 for heat radiation.
[0040]
The buffer tank 51 makes the buffer space 48 and the housing 2 have equal pressure, absorbs the pressure fluctuation in the buffer space 48, absorbs the pressure fluctuation in the housing 2, and does not affect the buffer space. It has a function.
[0041]
In the Stirling refrigerator 1 according to the present invention, as shown in FIG. 4 (a), reciprocating operation is performed by compression to the compression side stroke S and return to the free length, so that repeated fatigue acting on the oil seal bellows is performed. Less.
[0042]
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.
[0043]
【The invention's effect】
Since the present invention has the above-described configuration, the compression side and the expansion oil seal bellows perform a reciprocating operation by the stroke to the compression side and the return to the free length, thereby reducing the breaking force applied to the oil seal bellows. This can reduce repeated fatigue, prevent oil from rising in the Stirling refrigerator, and improve the life of the oil seal bellows.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a front view illustrating an entire Stirling refrigerator according to the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a main part of the Stirling refrigerator of FIG.
FIG. 3 is a right side view of a partial cross section of the Stirling refrigerator of FIG.
FIG. 4 is a view for explaining an oil seal bellows of a Stirling refrigerator according to the present invention in comparison with the prior art.
[Explanation of symbols]
1 Stirling refrigerator 2 Housing 4 Motor chamber 5 Crank chamber 6 Motor 7 Crankshaft 14 Seat 15 Cylinder block 17 Compression cylinder 18 Expansion cylinder 19 Compression piston 20 High greenhouse 21 Compression piston rod 22 (Compression side) Oil seal bellows 25 Expansion piston 26 Low Greenhouse 27 Expansion Piston Rod 28 (Expansion Side) Oil Seal Bellows 29 Heat Dissipation Heat Exchanger 30 Regenerator 31 Cooling Heat Exchanger 34 (Cylinder Block) Heat Dissipation Heat Exchange Housing 40 Cooling Water Channel 48 Buffer Chamber 51 Buffer Tank 52 (compression side) lower end portion 53 of oil seal bellows 53 oil seal bellows fixing plate 54 (compression side) upper end portion of oil seal bellows 55 oil seal bellows mounting plate 56 (expansion side) lower end portion 57 of oil seal bellows (expansion side) Oy Lucille Bellows upper end 58 Expansion piston rod large diameter 59 Sleeve

Claims (2)

モータ及びクランクを配設したハウジングと、上記ハウジングの頂部に固定されたシリンダと、上記シリンダ内を往復動するピストンと、上記クランクと連動し、上記ピストンに一端が連結され上記ハウジングを貫通するピストンロッドと、上記ハウジングと上記シリンダの間をシールするオイルシールベローズを備えたスターリング冷凍機であって、
上記オイルシールベローズは、その先端が上記シリンダ内において上記ピストン又は上記ピストンロッドに気密的に固定され、その基端が上記ハウジングに取付られており、
上記オイルシールベローズは、その先端部が自由長の位置から圧縮側に圧縮され、再び自由長の位置に戻すストロークの往復動を行うように取り付けられていることを特徴とするスターリング冷凍機。
A housing in which a motor and a crank are disposed, a cylinder fixed to the top of the housing, a piston reciprocating in the cylinder, a piston interlocking with the crank and connected at one end to the piston and penetrating through the housing A Stirling refrigerator having an oil seal bellows for sealing between a rod and the housing and the cylinder,
The oil seal bellows has a tip hermetically fixed to the piston or the piston rod in the cylinder, and a base end attached to the housing.
The Stirling refrigerator, wherein the oil seal bellows is mounted so as to perform a reciprocating motion of a stroke in which a tip portion thereof is compressed from a free length position to a compression side and returned to the free length position again.
上記オイルシールベローズは、圧縮シリンダ及び膨張シリンダの両方又はいずれか一つについて適用されることを特徴とする請求項1記載のスターリング冷凍機。The Stirling refrigerator according to claim 1, wherein the oil seal bellows is applied to either or both of a compression cylinder and an expansion cylinder.
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