JP3831543B2 - ガス圧縮膨張機 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、動力の発生に用いるスターリングエンジンや、低温の発生に用いるスターリング冷凍機などのガス圧縮膨張機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、バイオテクノロジーの分野や電子デバイスの分野等の先端技術分野において、各種試料や各種材料の極低温の保存技術の開発が急務になっている。特に、スターリング冷凍機などのガス圧縮膨張機は、上記極低温を実現する手段として注目され各種赤外線センサー、超電導デバイス等の冷却用やバイオメディカル用のフリーザ、冷凍庫等に広く利用されようとしている。
【０００３】
図３は、かかるガス圧縮膨張機の概略構成を示している。ガス圧縮膨張機１００は、圧縮ピストン１５１を備えたピストン型圧縮機である圧縮部１５０、ディスプレーサ１３１を備えた膨張部１３０、クランク機構１２１を備えた駆動部１２０等を有し、圧縮部１５０と膨張部１３０とは、ガス流路１７０で連通されている。
【０００４】
また、圧縮部１５０は、圧縮ピストン１５１を収納する圧縮シリンダ１５２、圧縮シリンダ１５２の頭部側（図３において左側）に設けられた圧縮空間１５３、圧縮シリンダ１５２の外側面に設けられて圧縮により発生した作動ガスの熱を外部に放熱する放熱フィン１５４、圧縮シリンダ１５２の駆動部１２０側に配設されたオイルシール部１５５、圧縮ピストン１５１と圧縮シリンダ１５２とにより形成されるバッファ空間１５６、オイルシール部１５５を挿通して圧縮ピストン１５１に駆動力を伝達する圧縮ピストン１５１等を有している。
【０００５】
膨張部１３０は、ディスプレーサ１３１を収納する膨張シリンダ１３２、膨張シリンダ１３２の頭部側（図３において上側）に設けられた膨張空間１３４，ディスプレーサ１３１内に設けられた蓄冷材１３３等を有して、膨張シリンダ１３２の頭部にコールドヘッド１１２が取付けられている。
【０００６】
駆動部１２０は、クランク室１２２内に、クランク機構１２１と、クランク機構１２１及び圧縮ピストンロッド１５７とに連結されたコネクティングロッド１２３と、クランク機構１２１及びディスプレーサロッド１３５とに連結されたコネクティングロッド１２４等を有しており、そのクランク室１２２内の底部にはクランク機構１２１等を潤滑するためのオイルが貯溜されている。
【０００７】
このような構成で、クランク機構１２１が回動することにより、回動力がコネクティングロッド１２３，１２４等を介して圧縮ピストン１５１及びディスプレーサ１３１に伝達される。
【０００８】
このとき、２つのコネクティングロッド１２３、１２４は、同一の作用点でクランク機構１２１から駆動力を受けているので、圧縮ピストン１５１はディスプレーサ１３１より略９０度位相がずれて往復運動するようになっている。
【０００９】
そして、圧縮ピストン１５１が図３上の右端（下死点）から左端（上死点）に移動すると、圧縮空間１５３内の作動ガスは等温圧縮される。
【００１０】
この間、ディスプレーサ１３１は上動し、上死点に達した後、下動するようになる。圧縮ピストン１５１の上動に伴い圧縮された作動ガスは、ガス流路１７０を介して膨張部１３０側に送られ、ディスプレーサ１３１が下動すると作動ガスは蓄冷材１３３を通過し蓄冷材１３３と熱交換して膨張空間１３４に送られる。
【００１１】
ディスプレーサ１３１が下死点に達するに従い、圧縮ピストン１５１は上死点から下死点に移動し、作動ガスは膨張して降温する。このときの膨張過程は等温膨張過程であるため、膨張により降温しただけ外部の熱を吸熱する。この結果、膨張シリンダ１３２頭部に設けたコールドヘッド１１２が冷却される。
【００１２】
そして、圧縮ピストン１５１が下死点に近づくに従い、ディスプレーサ１３１は上動を始め、作動ガスはディスプレーサ１３１を通過し、蓄冷材１３３から吸熱して１サイクルが終了する。
【００１３】
そして、上記構造よりなるガス圧縮膨張機においては、圧縮ピストン１５１には、リング溝が形成され、リング溝にピストンリング１５９が嵌合している。そして、ピストンリング１２９がリング溝及び圧縮シリンダ１５２に密接することにより、圧縮ピストン１５１と圧縮シリンダ１５２との密着性を維持している。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記構成にかかるピストン型圧縮機を使用していると、圧縮空間１５３の平均圧力とバッファ空間１５６の平均圧力とに差圧が生じて、当該差圧に依存した力が圧縮ピストン１５１に加わるようにようになり、この結果、駆動部１２０の消費電力が増加して装置効率を低下させるという問題があった。
【００１５】
かかる差圧の発生メカニズムを図４〜図６を参照して説明する。尚、差圧発生のメカニズムは、現在の所学術的に明確になっておらず、後述するメカニズムはその１つのモデルであると考えられる。
【００１６】
図４は、圧縮空間１５３の平均圧力が高くなった場合の圧力変動を示す図である。同図において、実線は圧縮空間１５３の圧力変動を示し、点線はバッファ空間１５６の圧力変動を示している。また、図５及び図６は、圧縮ピストン１５１の往復運動に伴うピストンリング１５９の動きを模式的に示した図で、図５(a)及び図６(a)は圧縮ピストン１５１が圧縮空間１５３側に動いたときを示し、図５(b)及び図６(b)はバッファ空間１５６側に動いたときを示している。
【００１７】
ピストンリング１５９が正常に作用しているならば、圧縮空間１５３及びバッファ空間１５６の作動ガスは相互に移動せず、平均圧力の差圧が発生しないはずである。しかし、現実には図４に例示するように圧縮空間１５３とバッファ空間１５６との平均圧力に差が生じてしまう。
【００１８】
ピストンリング１５９は、圧縮ピストン１５１の周面に沿って形成されたリング溝１６０に挿嵌されている（図５、図６参照）。このとき、リング溝１６０の上下側面１６０ａ、１６０ｃとピストンリング１５９の上下側面１５９ａ、１５９ｃの少なくとも１つの相対向する側面は密接しておらず隙間Ｇａ、Ｇｃが形成されている。また、リング溝１６０の底面１６０ｂとピストンリング１５９の底面１５９ｂとも密接しておらず、隙間Ｇｂが形成されている。
【００１９】
このような隙間Ｇａ〜Ｇｃは、リング溝１６０を形成した後にピストンリング１５９を挿嵌して組み立てるため、これらを密接させることが困難であるためであり、また以下の効果を得るために積極的に非密接状態としている。
【００２０】
即ち、圧縮ピストン１５１が圧縮シリンダ１５２と密接することは、圧縮を高効率に行うために必要であるが、圧縮ピストン１５１等の加工誤差、熱膨張の違い等が存在するため上記要求を常に満たすことができず、隙間Ｇ１，Ｇ２が発生してしまう。
【００２１】
かかる隙間Ｇ１，Ｇ２を塞ぐために、ピストンリング１５９が用いられる。しかし、ピストンリング１５９においても加工誤差、熱膨張等があり、また上述したようにリング溝１６０を形成した後にピストンリング１５９を挿嵌して組み立てるため、ピストンリング１５９と圧縮シリンダ１５２との密着性を確保することが容易でない。
【００２２】
そこで、隙間Ｇａ〜Ｇｃを形成して、圧縮空間１５３又はバッファ空間１５６の作動ガスが、隙間Ｇａ、Ｇｃを介して隙間Ｇｂに侵入するようにしている。
【００２３】
そして、侵入した作動ガスは、ピストンリング１５９の底面１５９ｂを圧縮シリンダ１５２方向に付勢し（図５、図６において実線矢印）これによりピストンリング１５９と圧縮シリンダ１５２とが常時密着するようにしている。
【００２４】
また、ピストンリング１５９とリング溝１６０との上下側面は、常時密接していないので、圧縮ピストン１５１の運動に伴いピストンリング１５９はリング溝１６０内で動くことになる。
【００２５】
しかし、圧縮空間１５３又はバッファ空間１５６のうち圧力の高い方の空間の圧力により、低圧側の空間方向にピストンリング１５９が付勢されるので（図５、図６において点線矢印）、リング溝１６０の上又は下側面１６０ａ、１６０ｃとピストンリング１５９の上又は下側面１６０ａ、１６０ｃとの密着性が確保されて、圧縮空間１５３とバッファ空間１５６との作動ガスの移動が規制されるようになっている。
【００２６】
ところが、圧縮ピストン１５１の運動に伴い、種々の異物が（例えば、圧縮シリンダ１５２と摺動して摩耗したピストンリング１５９の粉等）がリング溝１６０の上側面１６０ａ又は下側面１６０ｃに付着して、その部分でのピストンリング１５９とリング溝１６０とが密着しなくなる場合が生じる。
【００２７】
そして、上側面１６０ａ又は下側面１６０ｃのいずれか一方に異物が付着した場合には、後述する現象によって上述の差圧が生じてしまう。
【００２８】
図６は、異物Ｂがリング溝１６０の上側面１６０ａに付着した場合における圧縮ピストン１５１の動きに伴うピストンリング１５９の動きを示したものである。
【００２９】
この場合、圧縮ピストン１５１は圧縮空間１５３側に動くと（図６(a)参照）、圧縮空間１５３は縮小しバッファ空間１５６は拡張して、圧縮空間１５３の圧力はバッファ空間１５６の圧力より大きくなる。
【００３０】
これにより、ピストンリング１５９は異物Ｂが付着していないシール溝１６０の下側面１６０ｃ側に動き、ピストンリング１５９の下側面１５９ｃとシール溝１６０の下側面１６０ｃとが密接する。従って、圧縮空間１５３からバッファ空間１５６に作動ガスが移動することはない。
【００３１】
一方、圧縮ピストン１５１がバッファ空間１５６側に動くと（図６(b）参照）、圧縮空間１５３は拡張しバッファ空間１５６は縮小して、圧縮空間１５３の圧力はバッファ空間１５６の圧力より小さくなる。
【００３２】
この時、ピストンリング１５９は異物Ｂが付着しているシール溝１６０の上側面１６０ａ側に動くが、この異物Ｂのためにシール溝１６０の上側面１６０ａと密接することができず、バッファ空間１５６から圧縮空間１５３側に作動ガスが移動する（図６(b)において２点矢印）。
【００３３】
従って、圧縮空間１５３の平均圧力は、バッファ空間１５６の平均圧力より高くなって、図４に示したような差圧が発生してしまう。
【００３４】
尚、ここでは異物Ｂは、シール溝１６０の上側面１６０ａに付着した場合について説明したが、下側面１６０ｃについても同様であり、また、ピストンリング１５９の上下側面１５９ａ、１５９ｃのいずれかに付着しても同様の現象が生じると推察される。但し、シール溝１６０の下側面１６０ｃに異物Ｂが付着した場合には、圧縮空間１５３の平均圧力が、バッファ空間１５６の平均圧力より低くなってしまう。
【００３５】
本発明は斯かる点に鑑みて為されたものであって、上述した差圧の発生を抑制したガス圧縮膨張機を提供することを目的とする。
【００３６】
【課題を解決する為の手段】
本発明は、シリンダ内に配設されたピストンを挟んで作動空間とバッファ空間とが形成され、前記ピストンが往復運動することにより前記作動空間の作動ガスを圧縮又は膨張してなるガス圧縮膨張機において、前記シリンダの摺動面に対峙するピストン周面を囲繞するように、前記ピストンに嵌合させた円筒形状のピストンリングと、前記作動空間およびバッファ空間に対峙するピストン上面および下面に配設されたフィルタ部材と、を備えている。
【００３７】
この構成を用いることにより、ピストンの往復運動に伴い発生した異物はフィルタ部材で除去され、ピストン周面とピストンリングとの間に異物が付着することが無く、作動空間とバッファ空間との平均圧力の差圧発生を防止することができる。
【００３８】
また、駆動部と、該駆動部から駆動力を受ける圧縮ピストンが、圧縮シリンダ内に往復自在に配設されて、該圧縮シリンダ内に圧縮ピストンを挟んで圧縮空間とバッファ空間とが形成され、該圧縮空間の作動ガスを圧縮する圧縮部と、該圧縮部と位相がずれた駆動力を受けてディスプレーサが膨張シリンダ内を往復運動することにより、前記圧縮部からの作動ガスを膨張させる膨張部とを有したガス圧縮膨張機において、前記圧縮シリンダの摺動面に対峙する圧縮ピストン周面を囲繞するように、前記圧縮ピストンに嵌合させた円筒形状のピストンリングと、前記圧縮空間およびバッファ空間に対峙するピストン上面および下面に配設されたフィルタ部材と、を備えた構成としても良い。
【００３９】
この構成を用いることにより、１ピストン１ディスプレーサ型ガス圧縮膨張機において、圧縮空間とそのバッファ空間との平均圧力に差圧が生じないようにすることができ、成績係数を向上させることができる。
【００４０】
そして、前記圧縮部と前記膨張部とを並設して前記駆動部に固定させた構成としても良い。この構成を用いることにより、圧縮部と膨張部とを同一方向に配設することができ、装置全体の占有面積を小さくすることができる。
【００４１】
【発明の実施の形態】
以下に本発明に係る実施の形態を、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明のガス圧縮膨張機を適用させた一実施の形態例であるスターリング冷凍機の構成を示す概略断面図である。このスターリング冷凍機１０は、圧縮ピストン５１を備えたピストン型圧縮機である圧縮部５０、ディスプレーサ３１を備えた膨張部３０、クランク機構２１を備えた駆動部としてのクランク室２０等を有し、膨張部３０と圧縮部５０とが並設されてクランク室２０の上部に設けられている。
【００４２】
クランク室２０には、クランク機構２１に回転駆動力を与えるロータ２５と、クランク２１ａ、２１ｂに連結されたコネクティングロッド２３、２４と、コネクティングロッド２３、２４に連結されたクロスガイド２６、２７等を有し、その底部にクランク機構２１を潤滑するためのオイルが貯溜されている。
【００４３】
尚、クランク２１ａとクランク２１ｂとは、シャフト２１ｃに偏心して連結され、且つ、圧縮ピストン５１の位相がディスプレーサ３１の位相に対して略９０度遅れるようにクランク２１ａ、２１ｂの取付角度が設定されている。
【００４４】
膨張部３０には、ディスプレーサ３１を収納する膨張シリンダ３２と、膨張シリンダ３２の頭部側（図１において上側）に設けられた膨張空間３４と、膨張シリンダ３２のクランク室２０側に配設されたオイルシール部３６と、オイルシール部３６を挿通してディスプレーサ３１に駆動力を伝達するディスプレーサロッド３５と、ディスプレーサ３１内に設けられた蓄冷材３３等を有して、膨張シリンダ３２の頭部に冷熱を取り出すコールドヘッド１２が取り付けられている。
【００４５】
また、圧縮部５０は、圧縮ピストン５１を収納する圧縮シリンダ５２と、圧縮シリンダ５２の頭部側（図１において上側）に設けられた圧縮空間５３と、圧縮シリンダ５２の外側面に被せて設けられ、その周面に圧縮により発生した作動ガスの熱を外部に放熱するための放熱フィンが取り付けられている圧縮筐体部５４と、圧縮シリンダ５２のクランク室２０側に配設されたオイルシール部５５と、オイルシール部５５を挿通して圧縮ピストン５１に駆動力を伝達する圧縮ピストンロッド５７等を有している。圧縮筐体部５４は、圧縮シリンダ５２を覆うように設けられ、圧縮シリンダ５２の外壁面との間に圧縮部５０と膨張部３０とを連通するガス流路７０を形成しており、その圧縮筐体部５４の外壁周囲に放熱フィン５４ａが取り付けられている。
【００４６】
そして、圧縮部５０と膨張部３０とは、並設してクランク室２０に固定されている。これにより、同一方向に配設して装置全体の占有面積を小さくすることができる。
【００４７】
また、圧縮ピストン５１には、図２に示すようにその周面にリング溝５１ａが形成され、そのリング溝５１ａに円筒形状のピストンリング５９が嵌合してピストン周面を囲繞するように取り付けられて圧縮シリンダ５２に摺接している。そして、圧縮ピストン５１を挟んで圧縮空間５３と、その反対側に形成されるバッファ空間５６とに対峙するピストン上面および下面に、圧縮ピストン５１の往復運動に伴い発生した異物を捕捉するためのフィルタ部材６０が配設されている。尚、本実施形態例ではピストンリング５９としてＰＴＦＥを用い、フィルタ部材６０としてステンレス製の約１００μｍの間隙を有するメッシュ部材を２０枚程度積層させたものを用いている。
【００４８】
これにより、圧縮ピストン５１の往復運動に伴い発生した異物はフィルタ部材６０で除去され、ピストン周面とピストンリング５９との間に異物が付着することが無く、圧縮空間５３とバッファ空間５６との平均圧力の差圧発生を防止することができる。
【００４９】
ここで、バッファ空間５６は圧縮ピストン５１とオイルシール部５５によって密閉空間となり、圧縮ピストン５１を往復運動させる際の抵抗として働くようになるので、この抵抗を小さくするためにバッファ空間５６は圧縮空間５３に比べて大きく設定している。しかし、装置の小型化を図るためにはバッファ空間５６の容積を十分確保できない場合には、バッファ空間に連通したバッファ室（図示せず）を設けて実効的にバッファ空間５６の容積を大きくさせても良い。
【００５０】
また、本実施形態の説明では、圧縮空間５３が圧縮シリンダ５２の頭部側に形成させた場合について説明しているが、これに限らず、クランク室２０側に設けて圧縮ピストン５１を挟んで形成される圧縮空間５３とバッファ空間５６との配設位置を逆にしても良い。
【００５１】
次に、上記構成に基づくスターリング冷凍機１０の動作を説明する。クランク機構２１が回動することにより、回動力がコネクティングロッド２３、２４等を介して圧縮ピストン５１及びディスプレーサ３１に伝達されて、圧縮ピストン５１はディスプレーサ３１に対して位相が略９０度遅れた往復運動をするようになる。
【００５２】
そして、圧縮ピストン５１が下死点から上死点に移動すると、圧縮空間５３内の作動ガスが圧縮される。この間、ディスプレーサ３１は上動して上死点に達した後、下動するようになる。
【００５３】
圧縮ピストン５１の上動に伴い圧縮された作動ガスは、ガス流路７０を移動して放熱フィン５４ａにより放熱して膨張部３０側に送られる。ディスプレーサ３１が下動すると作動ガスは蓄冷材３３を通過し蓄冷材３３と熱交換して膨張空間３４に送られる。
【００５４】
ディスプレーサ３１が下死点に達するに従い、圧縮ピストン５１は上死点から下死点に移動し、作動ガスは膨張して降温する。この時の膨張過程は等温膨張過程であるため、膨張により降温しただけ外部の熱を吸熱する。即ち、コールドヘッド１２から熱を奪うことができる。
【００５５】
圧縮ピストン５１が下死点に近づくに従い、ディスプレーサ３１は上動を始め、作動ガスはディスプレーサ３１を通過し蓄冷材３３と熱交換して圧縮空間５３に戻り１サイクルが終了する。
【００５６】
このようなサイクルにおいて、装置効率を高くするためには、圧縮部５０で圧縮された作動ガスの熱を速やかに、且つ、効率的に外部に放熱する必要がある。そこで、本発明では、放熱フィン５４ａを設けた圧縮筐体部５４と圧縮シリンダ５２との間に隙間を形成し、この隙間がガス流路となるようにして作動ガスと放熱フィン５４ａとの熱接触面積を大きくし、効率的に作動ガスの熱を放熱フィン５４ａに伝達できるようにしている。また、圧縮筐体部６４の放熱フィン５４ａは、ガス流路７０に近接し、かつ、その周囲を覆って設けられているので、作動ガスから受けた熱を効率的に外気に放出することが可能になる。従って、冷凍機の場合には成績係数を高くすることができる。
【００５７】
さらに、上記サイクル中に、ピストンリング５９とリング溝５１ａとの間に、異物が付着すると先に説明した理由によりバッファ空間５６と圧縮空間５３との平均圧力に差圧が生じて、この差圧により装置効率が低下することになるが、異物が発生したとしても上記フィルタ部材６０により捕捉されので、ピストン周面とピストンリング５９との間に異物が付着することが無く、バッファ空間５６と圧縮空間５３との平均圧力の差圧発生を防止することができる。
【００５８】
上記実施の形態の説明は、本発明を説明するためのものであって、特許請求の範囲に記載の発明を限定し、或は範囲を減縮する様に解すべきではない。又、本発明の各部構成は上記実施の形態に限らず、特許請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能である。
【００５９】
例えば、上記実施形態の説明では、１ピストン１ディスプレーサ型スターリング冷凍機１０の場合について説明したが、これに限らず、膨張部３０のディスプレーサ３１の代わりに膨張ピストンを使用する２ピストン型スターリング冷凍機にも適応可能であり、この場合には、膨張ピストンに上記したピストンリング５９およびフィルタ部材６０を設けた構成としても構わない。
【００６０】
【発明の効果】
以上述べたとおり本発明によれば、作動空間とバッファ空間との平均圧力に差圧が生じないようにすることができ、装置効率を向上させることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態におけるスターリング冷凍機の概略断面図である。
【図２】図１装置の圧縮ピストン５１の周辺構成を説明する要部断面図である。
【図３】従来のスターリング冷凍機の概略断面図である。
【図４】差圧発生時の状態を示す説明図である。
【図５】異物が無い場合のピストンリングの動き等を示す図である。
【図６】異物が付着した場合のピストンリングの動き等を示す図である。
【符号の説明】
１０ スターリング冷凍機（ガス圧縮膨張機）
１２ コールドヘッド
２０ クランク室（駆動部）
２１ クランク機構
３０ 膨張部
３１ ディスプレーサ
３２ 膨張シリンダ
３３ 蓄冷材
３４ 膨張空間
３５ ディスプレーサロッド
５０ 圧縮部
５１ 圧縮ピストン
５１ａ リング溝
５２ 圧縮シリンダ
５３ 圧縮空間（作動空間）
５４ 圧縮筐体部（筐体部）
５４ａ 放熱フィン
５５ オイルシール部
５６ バッファ空間
５７ 圧縮ピストンロッド
５９ ピストンリング
６０ フィルタ部材
７０ 連通路

Claims (3)

1. シリンダ内に配設されたピストンを挟んで作動空間とバッファ空間とが形成され、前記ピストンが往復運動することにより前記作動空間の作動ガスを圧縮又は膨張してなるガス圧縮膨張機において、
   前記シリンダの摺動面に対峙するピストン周面を囲繞するように、前記ピストンに嵌合させた円筒形状のピストンリングと、前記作動空間およびバッファ空間に対峙するピストン上面および下面に配設されたフィルタ部材と、を備えていることを特徴とするガス圧縮膨張機。
2. 駆動部と、該駆動部から駆動力を受ける圧縮ピストンが、圧縮シリンダ内に往復自在に配設されて、該圧縮シリンダ内に圧縮ピストンを挟んで圧縮空間とバッファ空間とが形成され、該圧縮空間の作動ガスを圧縮する圧縮部と、該圧縮部と位相がずれた駆動力を受けてディスプレーサが膨張シリンダ内を往復運動することにより、前記圧縮部からの作動ガスを膨張させる膨張部とを有したガス圧縮膨張機において、
   前記圧縮シリンダの摺動面に対峙する圧縮ピストン周面を囲繞するように、前記圧縮ピストンに嵌合させた円筒形状のピストンリングと、前記圧縮空間およびバッファ空間に対峙するピストン上面および下面に配設されたフィルタ部材と、を備えていることを特徴とするガス圧縮膨張機。
3. 前記圧縮部と前記膨張部とを並設して前記駆動部に固定されていることを特徴とする請求項２記載のガス圧縮膨張機。

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