JP3723473B2 - Stirling refrigerator - Google Patents

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JP3723473B2
JP3723473B2 JP2001221186A JP2001221186A JP3723473B2 JP 3723473 B2 JP3723473 B2 JP 3723473B2 JP 2001221186 A JP2001221186 A JP 2001221186A JP 2001221186 A JP2001221186 A JP 2001221186A JP 3723473 B2 JP3723473 B2 JP 3723473B2
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スターリング冷凍に関し、特に油上がり防止用のロッドシールとして取り付けられるオイルシール用ベローズの取付構造に関する。
【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】
【発明が解決しようとする課題】
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、スターリング冷凍機を構成する熱交換器の性能を低下させ、結果的には冷凍機性能を劣下させる原因となる。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。
【0004】
ところで、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】
本発明の課題は、スターリング冷凍機の油上がりを防止し、かつ長寿命なロッドシールを実現し、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ができるオイルシール用ベローズの取付を確実にすることである。
【0006】
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の構成(特願平10−365371号参照。)を提案している。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。
【0007】
このような先行発明のオイルシール用ベローズでは、下端部をシールを介してハウジングやシリンダブロックに固定すると、オイルシール用ベローズが本来有するその優れた密封性を十分発揮できない。本発明では、オイルシール用ベローズをより確実なシール方法によって、ハウジングやシリンダブロックに固定し、オイルシール用ベローズの密封性を十分活かして、より完璧に密封した構造を実現しようとするものである。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を解決するために、モータ及び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プレートを介して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、オイルシール用ベローズとを備えたスターリング冷凍機であって、上記オイルシール用ベローズは、その上端部が上部取付環に固定され、その下端部が下部取付環に固定され、上部取付環は上部シール材を介して上記ピストンロッドのフランジ部に締着されており、下部取付環は、下部シール材を介して上記固定プレート及び/又はハウジングに締着さ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】
本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プレートを介して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、オイルシール用ベローズとを備えたスターリング冷凍機であって、上記オイルシール用ベローズは、その上端部が上部取付環に固定され、その下端部が環状取付板に溶着され、上部取付環は上部シール材を介して上記ピストンロッドのフランジ部に締着されており、環状取付板は、上記固定プレートに溶着さ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。
【0010】
上記上部シール材は、Oリング、又は金属製若しくは樹脂製のガスケットである。
【0011】
上記下部シール材は、Oリング、又は金属製若しくは樹脂製のガスケットである。
【0012】
上記クランクは複数設けられ、該複数のクランクに対応して複数のシリンダ及びピストンを備えており、複数のピストンは互いに位相差をもって往復動することを特徴とするスターリング冷凍機である。
【0013】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を実施例に基づき図面を参照して以下に説明する。図1はスターリング冷凍機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。本発明の特徴は、オイルシール用ベローズの取付構造であり、図4〜6で夫々異なるオイルシール用ベローズの取付構造を示している。以下、スターリング冷凍機の全体構成を図1〜3で説明し、オイルシール用ベローズの取付構造については図4〜6で説明する。
【0014】
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。
【0015】
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。
【0016】
ハウジング2におけるクランク室5の上部には、固定プレート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。
【0017】
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。オイルシール用ベローズ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。
【0018】
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。
【0019】
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。オイルシール用ベローズ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。
【0020】
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。
【0021】
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。
【0022】
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。
【0023】
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。
【0024】
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。
【0025】
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の放熱用熱交換ハウジング34の上面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。
【0026】
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。
【0027】
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。
【0028】
オイルシール用ベローズ28と膨張ピストン25との間の空間(オイルシール用ベローズ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。
【0029】
ここで本発明に係るスターリング冷凍機の特徴的な構成であるオイルシール用ベローズの取付構造について説明する。前述の通り、夫々異なった態様のオイルシール用ベローズの取付構造を図4〜6で夫々示しているが、まず共通する構成について図4〜6で説明する。
【0030】
オイルシール用ベローズ22、28は、金属材料をプレス加工により一体成形した金属成形ベローズ又は溶接により組み立てた溶接ベローズ等が使用される。図4〜6において、圧縮ピストンロッド21及び膨張ピストンロッド27は、夫々ハウジング2の頂壁の開口2’、2’を通過して伸びている。オイルシール用ベローズ22、28は、開口2’、2’を封止するものである。
【0031】
オイルシール用ベローズ22の上端部52は、図4〜6の夫々の(a)、(b)に示す環状の上部取付環53に溶着される。上部取付環53は、圧縮ピストンロッド21のフランジ部54上に載置され、圧縮ピストン19で上方から挟持されてボルトで55で締着される。オイルシール用ベローズ28の上端部についても、同様に上部取付環53に溶着され、上部取付環53は、膨張ピストンロッド27のフランジ部56と、筒体57を介して膨張ピストン25との間でボルト58で締着されている。
【0032】
ここで、図4に示すオイルシール用ベローズ22、28の特有な取付構造について説明する。フランジ部54、56には、図4(b)に示すように、Oリング59(上部シール材)が装着されており、フランジ部54、56と上部取付環53との間のシール(完全に密封すること)を行っている。
【0033】
オイルシール用ベローズ22の下端部60は、図4(a)、(c)に示す環状の下部取付環61の上部62に溶着される。オイルシール用ベローズ28の下端部60についても、同様に環状の下部取付環61の上部62に溶着される。下部取付環61のフランジ63は、ハウジング2の頂部の開口2’の周縁の上面に載置されるとともに、ハウジング2とシリンダブロック15との間に介装された固定プレート14で挟持され、ボルト16で締着される。
【0034】
フランジ63の溝64内にには、図4(c)に示すように、Oリング65(下部シール材)が装着されており、下部取付環61と固定プレート14とのシール(完全に密封すること)を行っている。
【0035】
次に、図5のオイルシール用ベローズ22、28の特有な取付構造について説明する。フランジ部54、56と上部取付環53との間には、図4(b)に示すように、金属製又は樹脂製のガスケット66(上部シール材)が装着されており、フランジ部54、56と上部取付環53との間のシール(完全に密封すること)を行っている。
【0036】
オイルシール用ベローズ22の下端部60は、図5(a)、(c)に示す環状の下部取付環61の上部62に溶着される。オイルシール用ベローズ28の下端部60についても、同様に環状の下部取付環61の上部62に溶着される。下部取付環61のフランジ67は、ハウジング2の頂部の開口2’の周縁の上面に載置されるとともに、ハウジング2とシリンダブロック15の間に介装された固定プレート14により挟持され、ボルト16で締着されている。
【0037】
フランジ67と固定プレート14との間には、図5(c)に示すように、金属製又は樹脂製のガスケット68(下部シール材)が装着されており、下部取付環61と固定プレート14との間のシール(完全に密封すること)を行っている。
【0038】
次に、図6のオイルシール用ベローズ22、28に特有な取付構造について説明する。フランジ部54、56と上部取付環53との間には、図6(b)に示すように、金属製又は樹脂製のガスケット66(上部シール材)が装着されており、フランジ部54と上部取付環53との間のシール(完全に密封すること)を行っている。
【0039】
オイルシール用ベローズ22の下端部60は、図6(a)、(c)に示すように、薄板から成る環状取付板69に溶着されている。さらに環状取付板69は、固定プレート14’の開口部の内周面70に溶着されている。オイルシール用ベローズ28の下端部60についても、同様に環状取付板69に溶着されており、固定プレート14’の開口部の内周面70に溶着されている。固定プレート14’は、ハウジング2とシリンダブロック15との間に介装され、ボルト16で締着されている。
【0040】
(作用)
次に、以上の構成から成る本発明の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21及び膨張ピストンロッド27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。
【0041】
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。
【0042】
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。
【0043】
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。
【0044】
スターリング冷凍機1の冷却用熱交換器31で冷却された冷熱冷媒は、流出パイプ71を通して各種の冷熱利用機器に供給される。例えば、冷熱冷媒は、冷凍庫等の冷熱利用機器内の熱交換器に送られ、冷熱利用機器内で冷凍あるいは冷却作用を行う。そして、冷熱利用機器で冷熱が利用された後、冷熱冷媒は冷熱利用機器から流入パイプ72を通してスターリング冷凍機1の冷却用熱交換器31に循環して戻される。
【0045】
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。
【0046】
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。
【0047】
本発明では、オイルシール用ベローズ22、28の上端部52及び下端部60が、夫々上部取付環53及び下部取付環61(図6に示すものは環状取付板69)に溶着されており、さらに上部取付環53及び下部取付環61(図6に示すものは環状取付板69)は、ピストンロッド(圧縮ピストンロッド21、膨張ピストンロッド27)及び固定プレート14に、Oリングやガスケットを介してシールされて(図6に示すものは直接溶着で)固定されている。
【0048】
このようなオイルシール用ベローズ22、28の取付構造のために、圧縮シリンダ17及び膨張シリンダ18と、ハウジング2のクランク室5とが、互いに完全に封止され、クランク室5から圧縮シリンダ17及び膨張シリンダ18内への油上がりが完全に防止される。
【0049】
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。例えば、本発明に係るオイルシール用ベローズの取付構造は、スターリング冷凍機以外に、気体圧縮機(気体コンプレッサ)、真空ポンプ等の気体送流機にも適用できる。
【0050】
【発明の効果】
以上の構成の本発明に係るスターリング冷凍機によると、ロッドシールであるオイルシール用ベローズは、その上下において、夫々ピストンに固定された取付環、及びハウジングに固定される固定プレートに溶着されているから、ハウジングとロッド間では完全に封止されているので、油上がりの問題を解決でき、これににより、圧縮シリンダ及び膨張シリンダ内面や、ピストン、各種の熱交換器、ピストンリングへのオイルの付着による性能劣化や耐久性の低減を防止できる。この結果、耐久性にすぐれたオイルシールを実現し、この面からもメインテナンスフリーで長寿命のスターリング冷凍機を実現することができる。
【0051】
なお、オイルシール用ベローズの上部又は下部の取付環の取付部に使用されるシールとして、金属製若しくは樹脂製のガスケット等が利用されているから、耐久性の向上が十分図られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の適用されるスターリング冷凍機を説明する全体図である。
【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正面一部破断図である。
【図4】(a)は本発明のオイルシールベローズの取付構造の一つの態様の要部を示す図であり、(b)、(c)は夫々、A、Bの拡大図である。
【図5】(a)は本発明のオイルシールベローズの取付構造の別の態様の要部を示す図であり、(b)、(c)は夫々、A、Bの拡大図である。
【図6】(a)は本発明のオイルシールベローズの取付構造のさらに別の態様の要部を示す図であり、(b)、(c)は夫々、A、Bの拡大図である。
【符号の説明】
1 スターリング冷凍機
2 ハウジング
3 区画壁
4 モータ室
5 クランク室
6 モータ
7 クランクシャフト
8、9 コンロッド
10、11 クロスガイドヘッド
12、13 クランク部
14、14’ 固定プレート
15 シリンダブロック
16、55、58 ボルト
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
23 (放熱用熱交換器の)内側シリンダ
24 (冷却用熱交換器の)内筒
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
32 マニホールド
33 連通孔
34 (シリンダブロックの)放熱用熱交換ハウジング
35 (熱交換器筒の内面の)細溝
36 放熱フィン
37 熱交換器筒
38 放熱路
39 蓋板
40 冷却水路
41 入口
42 流入口
43 流出口
44 冷却用熱交換ハウジング
45 (冷却用熱交換ハウジングの)細溝
46 作動ガス流路
47 冷却フィン
48 バッファ室
49、50 管
51 バッファタンク
52 オイルシール用ベローズ上端部
53 上部取付環
54、56 ピストンロッドのフランジ部
57 筒体
59、65 Oリング
60 オイルシール用ベローズの下端部
61 下部取付環
62 上部
63 下部取付環のフランジ
64 溝
66、68 ガスケット
67 下部取付環のフランジ
69 環状取付板
70 固定プレートの内周面
71 流出パイプ
72 流入パイプ
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to Stirling refrigeration, and more particularly to an oil seal bellows attachment structure attached as a rod seal for preventing oil spill.
[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]
[Problems to be solved by the invention]
In the Stirling refrigerator, there is a problem that oil or oil mist rises from the crank chamber along the piston rod, so-called oil rise. This oil rise adheres to the inner surface of oil and oil mist when entering the cylinder, affecting the sealing performance of the piston ring, not only significantly reducing durability and reliability, but also the heat that constitutes the Stirling refrigerator. As a result, the performance of the exchanger is deteriorated and the performance of the refrigerator is deteriorated. Conventionally, the piston rod is sealed with an oil ring seal in order to solve the problem of oil rising.
[0004]
By the way, this oil ring seal is generally made of rubber, and various developments have been made in terms of structure and material. However, the seal performance and durability are not necessarily sufficient.
[0005]
It is an object of the present invention to prevent oil from rising in a Stirling refrigerator and realize a long-life rod seal, improve the performance of the Stirling refrigerator, and improve the reliability and durability. It is to ensure the mounting of the bellows.
[0006]
The inventors have proposed a structure of an oil seal bellows (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.
[0007]
In such an oil seal bellows of the prior invention, when the lower end portion is fixed to a housing or a cylinder block via a seal, the excellent sealing property inherent to the oil seal bellows cannot be sufficiently exhibited. In the present invention, the oil seal bellows is fixed to the housing or the cylinder block by a more reliable sealing method, and the seal performance of the oil seal bellows is fully utilized to achieve a more perfect sealed structure. .
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above 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 via a fixing plate, a piston that reciprocates in the cylinder, and the crank. A Stirling refrigerator having an oil seal bellows and an oil seal bellows, one end of which is coupled to the piston and penetrating the housing, the upper end of the oil seal bellows being fixed to the upper mounting ring. The lower mounting portion is fixed to the lower mounting ring, the upper mounting ring is fastened to the flange portion of the piston rod via the upper sealing material, and the lower mounting ring is fixed to the fixing plate via the lower sealing material. And / or a Stirling refrigerator that is fastened to a housing.
[0009]
In order to solve the above 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 via a fixing plate, a piston that reciprocates in the cylinder, and the crank. A Stirling refrigerator having an oil seal bellows and an oil seal bellows, one end of which is coupled to the piston and penetrating the housing, the upper end of the oil seal bellows being fixed to the upper mounting ring. The lower end portion is welded to the annular mounting plate, the upper mounting ring is fastened to the flange portion of the piston rod via the upper sealing material, and the annular mounting plate is welded to the fixed plate. A Stirling refrigerator is provided.
[0010]
The upper seal material is an O-ring or a metal or resin gasket.
[0011]
The lower sealing material is an O-ring or a metal or resin gasket.
[0012]
A plurality of the cranks are provided, and a plurality of cylinders and pistons are provided corresponding to the plurality of cranks, and the plurality of pistons reciprocate with a phase difference from each other.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings based on examples. FIG. 1 is a front view illustrating the overall configuration of a Stirling refrigerator. FIG. 2 is a diagram for explaining a main part of the Stirling refrigerator, and FIG. 3 is a right side view partially in section. A feature of the present invention is an oil seal bellows mounting structure, and FIGS. 4 to 6 show different oil seal bellows mounting structures. Hereinafter, the overall configuration of the Stirling refrigerator will be described with reference to FIGS. 1 to 3, and the mounting structure of the oil seal bellows will be described with reference to FIGS.
[0014]
The housing 2 forming the main body of the Stirling refrigerator 1 is formed of a casting, and the inside thereof is held in a sealed state. 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.
[0015]
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.
[0016]
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 fixed plate 14. The cylinder block 15 forms a compression cylinder 17 and a part (lower part) of the expansion cylinder 18.
[0017]
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.
[0018]
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.
[0019]
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 part of the housing 2 to seal 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.
[0020]
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.
[0021]
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.
[0022]
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.
[0023]
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.
[0024]
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.
[0025]
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. The heat-dissipating heat exchange housing 34 is detachably fixed to the upper surface. 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.
[0026]
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.
[0027]
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.
[0028]
The 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.
[0029]
Here, an oil seal bellows mounting structure which is a characteristic configuration of the Stirling refrigerator according to the present invention will be described. As described above, the oil seal bellows mounting structures of different modes are shown in FIGS. 4 to 6, respectively. First, a common configuration will be described with reference to FIGS.
[0030]
As the oil seal bellows 22 and 28, a metal-formed bellows integrally formed by pressing a metal material, a welded bellows assembled by welding, or the like is used. 4 to 6, the compression piston rod 21 and the expansion piston rod 27 extend through the openings 2 ′ and 2 ′ on the top wall of the housing 2, respectively. The oil seal bellows 22 and 28 seal the openings 2 'and 2'.
[0031]
The upper end 52 of the oil seal bellows 22 is welded to an annular upper mounting ring 53 shown in FIGS. 4 to 6 (a) and (b). The upper mounting ring 53 is placed on the flange portion 54 of the compression piston rod 21, is sandwiched from above by the compression piston 19, and is fastened with a bolt 55. Similarly, the upper end portion of the oil seal bellows 28 is welded to the upper mounting ring 53, and the upper mounting ring 53 is interposed between the flange portion 56 of the expansion piston rod 27 and the expansion piston 25 via the cylindrical body 57. Fastened with bolts 58.
[0032]
Here, a specific mounting structure of the oil seal bellows 22 and 28 shown in FIG. 4 will be described. As shown in FIG. 4B, an O-ring 59 (upper seal material) is attached to the flange portions 54 and 56, and a seal (completely between the flange portions 54 and 56 and the upper mounting ring 53 is completely formed. Sealing).
[0033]
The lower end portion 60 of the oil seal bellows 22 is welded to the upper portion 62 of the annular lower mounting ring 61 shown in FIGS. Similarly, the lower end portion 60 of the oil seal bellows 28 is welded to the upper portion 62 of the annular lower mounting ring 61. The flange 63 of the lower mounting ring 61 is placed on the upper surface of the peripheral edge of the opening 2 ′ at the top of the housing 2, and is clamped by a fixing plate 14 interposed between the housing 2 and the cylinder block 15. 16 is fastened.
[0034]
As shown in FIG. 4C, an O-ring 65 (lower seal material) is mounted in the groove 64 of the flange 63, and seals (completely seals) the lower mounting ring 61 and the fixing plate 14. Is doing).
[0035]
Next, a specific mounting structure of the oil seal bellows 22 and 28 in FIG. 5 will be described. As shown in FIG. 4B, a metal or resin gasket 66 (upper seal material) is attached between the flange portions 54 and 56 and the upper mounting ring 53. And the upper mounting ring 53 are sealed (completely sealed).
[0036]
The lower end portion 60 of the oil seal bellows 22 is welded to the upper portion 62 of the annular lower mounting ring 61 shown in FIGS. Similarly, the lower end portion 60 of the oil seal bellows 28 is welded to the upper portion 62 of the annular lower mounting ring 61. The flange 67 of the lower mounting ring 61 is placed on the upper surface of the periphery of the opening 2 ′ at the top of the housing 2, and is sandwiched between the fixing plate 14 interposed between the housing 2 and the cylinder block 15, and the bolt 16 It is fastened with.
[0037]
As shown in FIG. 5C, a metal or resin gasket 68 (lower sealing material) is mounted between the flange 67 and the fixing plate 14, and the lower mounting ring 61 and the fixing plate 14 are The seal (completely sealed) is performed.
[0038]
Next, a mounting structure unique to the oil seal bellows 22 and 28 in FIG. 6 will be described. Between the flange portions 54 and 56 and the upper mounting ring 53, as shown in FIG. 6B, a metal or resin gasket 66 (upper seal material) is mounted. Sealing (completely sealing) with the mounting ring 53 is performed.
[0039]
The lower end 60 of the oil seal bellows 22 is welded to an annular mounting plate 69 made of a thin plate, as shown in FIGS. Further, the annular mounting plate 69 is welded to the inner peripheral surface 70 of the opening of the fixed plate 14 ′. Similarly, the lower end portion 60 of the oil seal bellows 28 is welded to the annular mounting plate 69, and is welded to the inner peripheral surface 70 of the opening of the fixed plate 14 '. The fixing plate 14 ′ is interposed between the housing 2 and the cylinder block 15 and fastened with bolts 16.
[0040]
(Function)
Next, the operation of the Stirling refrigerator of the embodiment of the present invention having the above configuration 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. The compression piston 19 and the expansion piston 25 have a phase difference of 90 degrees from each other via the connecting rods 8 and 9, the cross guide heads 19 and 11, the compression piston rod 21 and the expansion piston rod 27 connected to the crank portions 10 and 11. Reciprocates.
[0041]
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.
[0042]
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.
[0043]
Then, in the cooling heat exchanger 31, the cold refrigerant of 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.
[0044]
The cold refrigerant cooled by the cooling heat exchanger 31 of the Stirling refrigerator 1 is supplied to various cold utilization devices through the outflow pipe 71. For example, the cold refrigerant is sent to a heat exchanger in a cold energy utilization device such as a freezer, and performs freezing or cooling action in the cold energy utilization device. Then, after the cold energy is utilized in the cold energy utilization device, the cold refrigerant is circulated back to the cooling heat exchanger 31 of the Stirling refrigerator 1 through the inflow pipe 72 from the cold energy utilization device.
[0045]
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.
[0046]
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.
[0047]
In the present invention, the upper end 52 and the lower end 60 of the oil seal bellows 22 and 28 are welded to the upper mounting ring 53 and the lower mounting ring 61 (the annular mounting plate 69 shown in FIG. 6), respectively. The upper mounting ring 53 and the lower mounting ring 61 (the annular mounting plate 69 shown in FIG. 6) are sealed to the piston rod (compression piston rod 21 and expansion piston rod 27) and the fixed plate 14 via an O-ring or gasket. (The one shown in FIG. 6 is fixed by direct welding).
[0048]
Due to the mounting structure of the oil seal bellows 22 and 28, the compression cylinder 17 and the expansion cylinder 18 and the crank chamber 5 of the housing 2 are completely sealed from each other. Oil rising into the expansion cylinder 18 is completely prevented.
[0049]
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. Needless to say, there are various embodiments. For example, the oil seal bellows mounting structure according to the present invention can be applied to gas flow machines such as a gas compressor (gas compressor) and a vacuum pump in addition to the Stirling refrigerator.
[0050]
【The invention's effect】
According to the Stirling refrigerator according to the present invention having the above-described configuration, the oil seal bellows, which is a rod seal, is welded to the mounting ring fixed to the piston and the fixed plate fixed to the housing, respectively. Since the housing and the rod are completely sealed, it is possible to solve the problem of oil spilling, which allows oil to be applied to the inner surfaces of the compression and expansion cylinders, pistons, various heat exchangers, and piston rings. It can prevent performance degradation and durability reduction due to adhesion. As a result, an oil seal with excellent durability can be realized, and a maintenance-free and long-life Stirling refrigerator can also be realized from this aspect.
[0051]
Since a metal or resin gasket or the like is used as a seal used for the mounting portion of the upper or lower mounting ring of the oil seal bellows, the durability can be sufficiently improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an overall view illustrating a Stirling refrigerator to which the present invention is applied.
FIG. 2 is a diagram showing a main part of the Stirling refrigerator of FIG.
3 is a partially cutaway front view of the Stirling refrigerator of FIG. 1. FIG.
4 (a) is a view showing the main part of one embodiment of the oil seal bellows mounting structure of the present invention, and (b) and (c) are enlarged views of A and B, respectively. FIG.
5 (a) is a view showing a main part of another aspect of the mounting structure of the oil seal bellows of the present invention, and (b) and (c) are enlarged views of A and B, respectively. FIG.
6A is a view showing a main part of still another aspect of the oil seal bellows mounting structure of the present invention, and FIGS. 6B and 6C are enlarged views of A and B, respectively.
[Explanation of symbols]
1 Stirling refrigerator 2 Housing 3 Partition wall 4 Motor chamber 5 Crank chamber 6 Motor 7 Crankshafts 8 and 9 Connecting rods 10 and 11 Cross guide heads 12 and 13 Crank portions 14 and 14 'Fixing plate 15 Cylinder blocks 16, 55 and 58 bolts 17 compression cylinder 18 expansion cylinder 19 compression piston 20 high greenhouse 21 compression piston rod 22 (compression side) oil seal bellows 23 (inside heat exchanger for heat dissipation) inner cylinder 24 (in heat exchanger for cooling) inner cylinder 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 32 Manifold 33 Communication Hole 34 (Cylinder Block) Heat Dissipation Heat Exchange Housing 35 (Heat Exchanger) Narrow groove 36 on the inner surface of the cylinder Radiating fin 37 Heat exchanger cylinder 38 Heat radiation path 39 Cover plate 40 Cooling water path 41 Inlet 42 Inlet 43 Outlet 44 Cooling heat exchange housing 45 Narrow groove 46 (of cooling heat exchange housing) Working gas flow path 47 Cooling fin 48 Buffer chamber 49 50 Pipe 51 Buffer tank 52 Oil seal bellows upper end 53 Upper mounting ring 54, 56 Piston rod flange 57 Cylindrical body 59, 65 O-ring 60 Lower end of oil seal bellow 61 Lower mounting ring 62 Upper 63 Lower mounting Ring flange 64 Groove 66, 68 Gasket 67 Lower mounting ring flange 69 Ring mounting plate 70 Inner peripheral surface 71 of fixing plate Outflow pipe 72 Inflow pipe

Claims (5)

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プレートを介して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、オイルシール用ベローズとを備えたスターリング冷凍機であって、
上記オイルシール用ベローズは、その上端部が上部取付環に固定され、その下端部が下部取付環に固定され、
上部取付環は上部シール材を介して上記ピストンロッドのフランジ部に締着されており、
下部取付環は、下部シール材を介して上記固定プレート及び/又はハウジングに締着さ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 via a fixing plate, a piston that reciprocates in the cylinder, and an interlock with the crank, and one end connected to the piston. A Stirling refrigerator having a piston rod penetrating the housing and an oil seal bellows,
The oil seal bellows has an upper end fixed to the upper mounting ring and a lower end fixed to the lower mounting ring.
The upper mounting ring is fastened to the flange portion of the piston rod via the upper sealing material,
The Stirling refrigerator, wherein the lower mounting ring is fastened to the fixed plate and / or the housing via a lower sealing material.
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プレートを介して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、オイルシール用ベローズとを備えたスターリング冷凍機であって、
上記オイルシール用ベローズは、その上端部が上部取付環に固定され、その下端部が環状取付板に溶着され、
上部取付環は上部シール材を介して上記ピストンロッドのフランジ部に締着されており、
環状取付板は、上記固定プレートに溶着さ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 via a fixing plate, a piston that reciprocates in the cylinder, and an interlock with the crank, and one end connected to the piston. A Stirling refrigerator having a piston rod penetrating the housing and an oil seal bellows,
The oil seal bellows has an upper end fixed to the upper mounting ring and a lower end welded to the annular mounting plate.
The upper mounting ring is fastened to the flange portion of the piston rod via the upper sealing material,
A Stirling refrigerator, wherein the annular mounting plate is welded to the fixed plate.
上記上部シール材は、Oリング、又は金属製若しくは樹脂製のガスケットであることを特徴とする請求項1又は2記載のスターリング冷凍機。The Stirling refrigerator according to claim 1 or 2, wherein the upper sealing material is an O-ring or a metal or resin gasket. 上記下部シール材は、Oリング、又は金属製若しくは樹脂製のガスケットであ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 lower sealing material is an O-ring, or a metal or resin gasket. 上記クランクは複数設けられ、該複数のクランクに対応して複数のシリンダ及びピストンを備えており、複数のピストンは互いに位相差をもって往復動することを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載のスターリング冷凍機。A plurality of the cranks are provided, and a plurality of cylinders and pistons are provided corresponding to the plurality of cranks, and the plurality of pistons reciprocate with a phase difference from each other. The Stirling refrigerator as described in the item.
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