JPH04278147A - スターリングサイクル装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はスターリングサイクル装
置に関する。このスターリングサイクル装置は、逆スタ
ーリングサイクル冷凍機に利用できる。

【０００２】

【従来の技術】スターリングサイクル装置例えば逆スタ
ーリングサイクル冷凍機として、図２に示す構造のもの
が知られている。この冷凍機は、図２に示す様に、シリ
ンダ室１００を持つ圧縮シリンダ部１０１と、シリンダ
室１００に往復移動可能に配置されシリンダ室１００を
圧縮室１０２と第１背圧側空間１０３に区画する圧縮ピ
ストン１０４と、シリンダ室１０６を持つ膨張シリンダ
部１０７と、シリンダ室１０６に往復移動可能に配置さ
れシリンダ室１０６を膨張室１０８と第２背圧側空間１
０９とに区画する膨張ピストン１１０と、圧縮ピストン
１０４及び膨張ピストン１１０に連結された駆動軸１１
２と、駆動軸１１２が配設された機械室１１３を持つハ
ウジング１１４と、機械室１１３と第１背圧側空間１０
３とを仕切る第１ダイヤフラム１１６と、機械室１１３
と第２背圧側空間１０９とを仕切る第２ダイヤフラム１
１７を具備する。

【０００３】ここでこの冷凍機では、機械室１１３の潤
滑油がシリンダ室１００、１０６に侵入すると、圧縮室
１０２及び膨張室１０８の作動流体が潤滑油で汚染され
、冷凍性能が低下する。かかる問題を解消すべく、油封
止のための柔軟な第１ダイヤフラム１１６、第２ダイヤ
フラム１１７が設けられている。第１背圧側空間１０３
、シリンダ室１０６は連通しており、さらに機械室１１
３と第１背圧側空間１０３はフィルタ６０を介して通路
６１により連通し同圧となる。

【０００４】ところで従来からの冷凍機では、例えば第
１背圧側空間１０３の圧力Ｐを１５ｋｇ／ｃｍ２　程度
にて制御する場合には、圧縮ピストン１０４の往復移動
に伴い、圧縮室１０２の圧力は最低設定圧Ｐｍｉｎ１５
ｋｇ／ｃｍ２　、最高設定圧ｍａｘ３０ｋｇ／ｃｍ２　
の間でサインカーブの様に変動するものである。しかし
て従来からの冷凍機では、いわゆる最低圧制御方式、つ
まり第１背圧側空間１０３と圧縮室１０２とを逆止弁を
介して連通させ、第１背圧側空間１０３の圧力を圧縮室
１０２の最低設定圧Ｐｍｉｎ１５ｋｇ／ｃｍ２　に設定
する方式を採用していた。

【０００５】しかし、かかる最低圧制御方式では第１背
圧側空間１０３の圧力と圧縮室１０２の圧力との差圧は
１５ｋｇ／ｃｍ２　とかなり大きい。そのため冷凍運転
時には、圧縮ピストン１０４には、圧縮室１０２から第
１背圧側空間１０３の方向に押えつける力が作用する。 故にロッド１０４ａ、駆動軸１１２に作用する負荷も大
きくなり、耐久性、騒音、振動の面で不利である。更に
ロッド１０４ａ、駆動軸１１２も大型化するために、装
置のコンパクト化には不利であった。

【０００６】そこで、図２に示す冷凍機では最低圧制御
方式に代えて中間圧制御方式を採用している。つまり、
第１背圧側空間１０３の圧力と圧縮室１０２の圧力との
差圧を極力抑えるべく、図２に示す様に、圧縮ピストン
１０４に、絞り孔として機能するオリフィス孔をもつオ
リフィス式弁１２０が圧縮ピストン１０４の内部に装備
されている。オリフィス式弁１２０は、圧縮室１０２の
余剰の作動流体を背圧側空間１０３に逃がし、また、背
圧側空間１０３の余剰の作動流体を圧縮室１０２に逃が
すものである。かかる中間圧制御方式では、例えば背圧
側空間１０３の圧は最低設定圧Ｐｍｉｎ１５ｋｇ／ｃｍ
２　と最高設定圧Ｐｍａｘ３０ｋｇ／ｃｍ２　との間の
中間の圧に維持され、そのため、第１背圧側空間１０３
の圧力と圧縮室１０２の圧力との差圧は小さくなる．故
にロッド１０４ａ、駆動軸１１２に作用する負荷も軽減
される。

【０００７】また中間圧制御方式として、図３に示す様
に、圧縮室１０２と背圧側空間１０３とを通路１３０で
接続し、通路１３０に手動開閉式の開閉弁１３２を設け
たものも知られている。このものでも、開閉弁１３２の
開閉により圧縮室１０２と背圧側空間１０３との差圧は
小さくなり、ロッド１０４ａ、駆動軸１１２に作用する
負荷も軽減される。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところで図２に示す冷
凍機では、中間圧制御のために、オリフィス式弁１２０
のオリフィス孔は絞り孔として機能するために常時、開
口している。そのため、圧縮ピストン１０４が圧縮作動
のために僅かでも上動すれば、圧縮室１０２の作動流体
はオリフィス孔から流出する。そのため圧縮室１０２に
おいてはオリフィス孔の流量やピストンリングからの洩
れ量に対する圧力の変動により中間圧力の安定性には限
界があり、ひいては冷凍性能の向上に不利である。また
ピストンリング摩耗粉等の異物が狭小のオリフィス孔に
詰まり冷凍性能を悪化させるという問題がある。

【０００９】また図３に示す冷凍機では、オリフィス式
弁を廃止し得るものの、中間圧制御のために、圧縮シリ
ンダ部１０１の外部に突き出る通路１３０を作動流体が
通るためにそのぶん圧損が生じる問題がある。更に通路
１３０が外部に突き出るので、配管スペース等の面で不
利である。本発明は上記した実情に鑑みなされたもので
あり、その目的は、通路を外部に突き出させる構造及び
オリフィス式弁を廃止し、中間圧力の安定を図り、シー
ル粉塵等の異物がオリフィス孔に詰まり易いという問題
を改善した中間圧制御方式のスターリングサイクル装置
を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明のスターリングサ
イクル装置は、シリンダ室を持つ圧縮シリンダ部と、シ
リンダ室に往復移動可能に配置されシリンダ室を圧縮室
と背圧側空間とに区画する圧縮ピストンと、圧縮ピスト
ンに連結された駆動軸と、駆動軸が配設された機械室と
を具備するスターリングサイクル装置において、圧縮ピ
ストンは、ピストン本体と、ピストン本体に内蔵され常
時閉状態であり圧縮室の圧が最高設定圧よりも高いとき
には開放作動して圧縮室の作動流体を背圧側空間に逃が
す第１圧力応答式リリーフ弁と、ピストン本体に内蔵さ
れ常時閉状態であり圧縮室の圧が最低設定圧よりも低い
ときには開放作動して背圧側空間の作動流体を圧縮室に
補給する第２圧力応答式リリーフ弁とをもつことを特徴
とするものである。

【００１１】

【作用】圧縮室の圧が最高設定圧よりも高いときには、
第１圧力応答式リリーフ弁は開放作動し圧縮室の余剰の
作動流体を背圧側空間に逃がす。また、圧縮室の圧が最
低設定圧よりも低いときには、第２圧力応答式リリーフ
弁は開放作動し、背圧側空間の余剰の作動流体を圧縮室
に補給する。

【００１２】

【実施例】以下、本発明を逆スターリングサイクル冷凍
機に適用した実施例を、図１を参照しつつ説明する。 （構成）この逆スターリングサイクル冷凍機は、図１に
示す様に、冷凍機構を２個並設した方式である。この冷
凍機は、シリンダ室２０を持つ圧縮シリンダ部２０ａと
、シリンダ室２０に往復移動可能に配置されシリンダ室
２０を圧縮室２２と第１背圧側空間２１とに区画する圧
縮ピストン２３と、シリンダ室２５を持つ膨張シリンダ
部２６と、シリンダ室２５に往復移動可能に配置されシ
リンダ室２５を膨張室２７と第２背圧側空間２８とに区
画する膨張ピストン２９と、圧縮ピストン２３及び膨張
ピストン２９に連結された駆動軸としてのクランク軸３
１と、クランク軸３１が配設された機械室３２を持つハ
ウジング３３と、クランク軸３１を回転させるモータ３
４と、機械室３２と第１背圧側空間２１とを仕切る第１
ダイヤフラム３６と、機械室３２と第２背圧側空間２８
とを仕切る第２ダイヤフラム３７と、作動流体の圧縮熱
を取り去る放熱器４０と、作動流体を冷却、蓄熱する蓄
冷器４１とを具備する。

【００１３】本実施例では、圧縮シリンダ部２０ａ、膨
張シリンダ部２６、機械室３２には作動流体（ヘリウム
）が封入されている。さて、圧縮ピストン２３は、ピス
トン本体５０と、第１圧力応答式リリーフ弁５１と、第
２圧力応答式リリーフ弁５２とをもつ。第１圧力応答式
リリーフ弁５１は、ピストン本体に５０内蔵され、常時
閉状態であり、圧縮室２２の圧がリリーフ圧（＝約３０
ｋｇ／ｃｍ２　程度）よりも高いときには開放作動して
、圧縮室２２の余剰の作動流体を背圧側空間２１に逃が
す。また第２圧力応答式リリーフ弁５２は、ピストン本
体５０に内蔵され、常時閉状態であり、圧縮室２３の圧
が約１５ｋｇ／ｃｍ２　程度よりも低いときには開放し
て背圧側空間２１の作動流体を圧縮室２２に送る。この
第１圧力応答式リリーフ弁５１は、作動流体が通過する
開口と、開口を閉じる弁と、弁を閉弁方向に付勢するバ
ネとで形成されている。同様に、第２圧力応答式リリー
フ弁５２は、作動流体が通過する開口と、開口を閉じる
弁と、弁を閉弁方向に付勢するバネとで形成されている
。

【００１４】本実施例では、圧縮ピストン２３は膨張ピ
ストン２９よりもほぼ９０度の位相遅れで往復移動する
。また２個の圧縮ピストン２３の位相差はほぼ９０度で
ある。同様に、２個の膨張ピストン２９の位相差はほぼ
９０度である。圧縮ピストン２３、膨張ピストン２９の
外周部にはシール５５が設けられている。また、膨張シ
リンダ部２６の第２背圧側空間２８と圧縮シリンダ部２
０ａの第１背圧側空間２１との間には連通路５６が設け
られており、背圧側空間２１、２５はオイルフィルター
６０を介する連通路６１にて機械室３２と連通されてい
る。なお機械室３２の下部は潤滑油が溜まった油溜め室
とされている。

【００１５】第１ダイヤフラム３６、第２ダイヤフラム
３７はゴム製であり、従来と同様に機械室３２の潤滑油
及び油雰囲気の作動流体（ヘリウムガス）が背圧側空間
２０、２５に漏れることを防止している。ここで、第１
ダイヤフラム３６の中央部３６ａは圧縮ピストン２３の
ロッド２３ａにシール固定されている。また第１ダイヤ
フラム３６の周縁部３６ｂは機械室３２の留め部に保持
されている。第２ダイヤフラム３７の中央部３７ａは膨
張ピストン２９のロッド２９ａにシール固定されている
。また第２ダイヤフラム３７の周縁部３７ｂは機械室３
２の留め部に保持されている。 （作用）本実施例では、従来の冷凍機と同様に、モータ
３４の駆動に伴い、圧縮ピストン２３が上昇すると、圧
縮室２２内の作動流体は圧縮され、放熱部４０、蓄冷器
４１を経て膨張室２７に送られる。このとき作動流体の
圧縮熱は放熱部４０で取り去られ、蓄冷器４１を経て膨
張室２７に至る。そして、膨張ピストン２９の下降に伴
い、膨張室２７で作動流体は実質的に断熱膨張し、膨張
室２７が低温となる。また膨張ピストン２９が上昇する
と、膨張室２７の作動流体は蓄冷器４１、放熱部４０を
経て圧縮室２２に戻る。かかる断熱圧縮工程、等容工程
、断熱膨張工程、等容工程を繰り返すことにより、コー
ルドヘッド５７から１０〜２０Ｋの極低温が取り出され
る。

【００１６】ところで本実施例では、作動時には、膨張
ピストン２９、圧縮ピストン２３の駆動に伴ない膨張室
２７の圧は予め設計された最高設定圧Ｐ１、最低設定圧
Ｐ２間をあたかもサインカーブのように変動する。また
同様に、圧縮室２２の圧は膨張室２７と位相が約９０度
ずれて最高設定圧Ｐｍａｘ、最低設定圧Ｐｍｉｎ間をあ
たかもサインカーブのように変動する。ここで、本実施
例では所望の極低温が得られる様に、圧縮室２２の圧は
最高設定圧Ｐｍａｘは約３０ｋｇ／ｃｍ２　程度、最低
設定圧Ｐｍｉｎは約１５ｋｇ／ｃｍ２　程度に設定され
ている。なお、機械室３２の圧は約１５ｋｇ／ｃｍ２　
程度とされている。

【００１７】さて、圧縮室２２の実際の最高圧が最高設
定圧Ｐｍａｘ（約３０ｋｇ／ｃｍ２　）を越え、第１圧
力応答式リリーフ弁５１のリリーフ圧（＝約３０ｋｇ／
ｃｍ２　程度）よりも高くなったときには、第１圧力応
答式リリーフ弁５１は開放作動し、圧力室２２の余剰の
圧を背圧側空間２１に逃がす。また、圧縮室２２の実際
の最低圧が最低設定圧Ｐｍｉｎ（約１５ｋｇ／ｃｍ２　
）よりも下がると、第２圧力応答式リリーフ弁５２は開
放作動し、背圧側空間２１の作動流体を圧縮室２２に補
給する。これにより圧縮室２２の実際の最高圧、最低圧
は予め設計された設定値通りに維持される。また、背圧
側空間２１は、圧縮室２２の最高設定圧Ｐｍａｘ（約３
０ｋｇ／ｃｍ２　）と最低設定圧Ｐｍｉｎ（約１５ｋｇ
／ｃｍ２　）との中間圧（２２．５ｋｇ／ｃｍ２　程度
）に維持される。従って圧縮室２２と背圧側空間２１と
の差圧は従来の差圧約１５ｋｇ／ｃｍ２　に比較して小
さくなる。かかる中間圧制御方式では、ロッド２３ａ、
２９ａ、クランク軸３１に作用する負荷を大いに軽減で
きる。

【００１８】またこのような中間圧制御方式を採用すれ
ば、圧縮室２２の圧は約１５ｋｇ／ｃｍ２　〜約３０ｋ
ｇ／ｃｍ２　間をサインカーブの様に変動するものの、
背圧側空間２１はその中間圧に維持されるため、圧縮ピ
ストン２３が圧縮室２２から背圧側空間２１の方向へ押
さえつけられる力ばかりか、逆方向の力、つまり、圧縮
ピストン２３が圧縮室２２から引っ張られる力も発生す
る。 そのため圧縮膨脹に伴うロッド２３ａ、２９ａにかかる
負荷の均一化により、クランク軸３１とロッド２３ａ、
２９ａとを係合している軸受メタル３１ｆの潤滑性能も
向上し、軸受メタル３１ｆの耐久性が向上するという利
点も得られる。

【００１９】なお、圧縮室２２が適圧となれば第１圧力
応答式リリーフ弁５１、第２圧力応答式リリーフ弁５２
は自然に閉じる。 （効果）以上説明した様に本実施例によれば、図２に示
す従来とは異なり、詰まりが生じかつ圧縮比の向上に限
界があるオリフィス孔をもつオリフィス式弁１２０を用
いることなく中間圧制御方式を達成できる。このように
本実施例ではオリフィス式弁１２０を廃止できるので、
詰まりの問題、圧力の安定性の問題を改善できる。

【００２０】ところで圧縮ピストン２３と圧縮シリンダ
部２０ａとの間、膨張ピストン２９と膨張シリンダ部２
６との間にはシール５５が設けられ気密的にシールされ
ているが、シールされているといえども、ピストン２３
、２９は摺動するためシール５５からの作動流体の漏れ
が不可避的に生じる。そして、漏れにより圧縮室２２の
実際の最高圧が最高設定圧Ｐｍａｘよりも低下し、また
、圧縮室２２の実際の最低圧が最低設定圧Ｐｍｉｎを越
えてしまい、所望の冷凍性能を発揮できないことがある
。この点本実施例ではシール５５からの作動流体の漏れ
があっても、前述した様に、圧縮室２２の圧がリリーフ
圧よりも高くなれば、第１圧力応答式リリーフ弁５１は
開放作動し、背圧側空間２１の圧がリリーフ圧よりも高
くなれば、第２圧力応答式リリーフ弁５２は開放作動し
、これにより圧縮室２２の実際の最高圧を最高設定圧Ｐ
ｍａｘに維持でき、また、圧縮室２２の実際の最低圧を
最低設定圧Ｐｍｉｎに維持でき、所望の冷凍性能を維持
できる。

【００２１】

【発明の効果】本発明のスターリングサイクル装置によ
れば、従来とは異なり、常時に開口しているオリフィス
孔を設けずとも良いので、圧力の安定性、冷凍性能の向
上に有利である。更に、微小孔であるオリフィス孔を設
けずとも良いので、詰まりの問題を改善できる。また本
発明のスターリングサイクル装置によれば、第１圧力応
答式リリーフ弁及び第１圧力応答式リリーフ弁は圧縮ピ
ストンに内蔵されているので、図３に示す従来とは異な
り、通路が外部に突き出ない利点、圧損を極力回避でき
る利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】冷凍機の全体の構成図である。

【図２】従来の冷凍機の全体の構成図である。

【図３】従来の冷凍機の要部の構成図である。

【符号の説明】

図中、２２は圧縮室、２１は第１背圧側空間、２３は圧
縮ピストン、３１はクランク軸、３２は機械室、３６は
第１ダイヤフラム、３７は第２ダイヤフラム、５１は第
１圧力応答式リリーフ弁、５２は第１圧力応答式リリー
フ弁を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　シリンダ室を持つ圧縮シリンダ部と、
   該シリンダ室に往復移動可能に配置され該シリンダ室を
   圧縮室と背圧側空間とに区画する圧縮ピストンと、該圧
   縮ピストンに連結された駆動軸と、該駆動軸が配設され
   た機械室とを具備するスターリングサイクル装置におい
   て、該圧縮ピストンは、ピストン本体と、該ピストン本
   体に内蔵され常時閉状態であり該圧縮室の圧が最高設定
   圧よりも高いときには開放作動して圧縮室の作動流体を
   該背圧側空間に逃がす第１圧力応答式リリーフ弁と、該
   ピストン本体に内蔵され常時閉状態であり該圧縮室の圧
   が最低設定圧よりも低いときには開放作動して該背圧側
   空間の作動流体を圧縮室に補給する第２圧力応答式リリ
   ーフ弁とをもつことを特徴とするスターリングサイクル
   装置。