JPH05203273A - スターリングサイクル装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 小形でサイクル作業空間内のガス置換が容易
に行えるスタ−リングサイクル装置を提供する。 【構成】 本体ケース５１に設けられたクランク室５４
を動作ガスのバッファ室として用い、また本体ケース５
１に圧縮シリンダ５２と膨張シリンダ５３とを接続する
ガス通路６３と、ガス通路６３の圧力及びクランク室５
４とガス通路６３間の圧力差にもとづきクランク室５４
とガス通路６３の間を順方向及び逆方向にそれぞれ開閉
してガス通路６３の圧力調整を行い、またクランク室５
４とガス通路６３の間を連通可能とする圧力調整機構６
７を設けているため、装置を小形にしながらガス置換に
際しクランク室５４とガス通路６３の間を連通させ、両
者のガス置換を同時にかつ簡単に実施することができ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、圧縮性気体を動作ガス
として用いて運転されるスタ−リングサイクル装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】周知の通り、スタ−リングサイクルは動
作ガスとしてヘリウム、水素、窒素などの圧縮性気体を
用い、この動作ガスを圧縮及び膨張させて熱の放熱・吸
収を行う。そして、このスタ−リングサイクルを利用し
たスタ−リングサイクル装置には、スタ−リングエンジ
ンや逆スタ−リングサイクル冷凍機等が知られている。

【０００３】以下、従来のスタ−リングサイクル装置に
ついて、逆スタ−リングサイクル冷凍機の概要を示す図
４を参照して説明する。図４は構成図である。

【０００４】図において、冷凍機の本体ケース１は、そ
の内部に軸中心を直交させた圧縮シリンダ２及び膨張シ
リンダ３と、両シリンダ２，３の直交側の片端が開口し
たクランク室４とが画成されている。クランク室４には
図示しないモータで回転駆動されるクランク軸５が収納
され、このクランク軸５には、圧縮シリンダ２及び膨張
シリンダ３内を９０度の位相差をもって往復動する圧縮
ピストン６及び膨張ピストン７が、コネクティングロッ
ド８，９を介して連設されている。なお両ピストン６，
７の外周にはシール部材１０が装着されている。

【０００５】また、膨張ピストン７には金網等で構成さ
れた蓄熱器１１が一体構成され、その一端は膨張ピスト
ン７及び膨張シリンダ３に形成されたガス通路１２を通
じて膨張シリンダ３外面のポート１３に開口し、他端は
膨張シリンダ３の他端部に形成されるシリンダ室１４に
開口している。

【０００６】一方、圧縮シリンダ２に形成されたガス通
路１５は、一端が圧縮シリンダ２外面のポート１６に開
口し、他端が圧縮シリンダ２の他端部に形成されるシリ
ンダ室１７に開口している。

【０００７】そして、膨張シリンダ３のポート１３と圧
縮シリンダ２のポート１６の間にはパイプ１８が外部配
管してあり、そのポート１３側の中間部には外周に多数
の放熱フィンがろう付けされてなる放熱器１９が形成さ
れている。さらにパイプ１８のポート１６側の中間部に
は、動作ガスが加圧封入されたバッファタンク２０がチ
ェック弁２１，２２を介して接続されている。

【０００８】チェック弁２１，２２は、パイプ１８とバ
ッファタンク２０の間の圧力差が所定値以上になると動
作するもので、パイプ１８の圧力がバッファタンク２０
の圧力よりも所定の圧力差以上に低下した場合には、チ
ェック弁２１が作動して動作ガスをバッファタンク２０
からパイプ１８へ流し、パイプ１８の圧力を上昇させ
る。また逆にパイプ１８の圧力がバッファタンク２０の
圧力よりも所定の圧力差以上に上昇した場合には、チェ
ック弁２２が作動して動作ガスをパイプ１８からバッフ
ァタンク２０へ流し、パイプ１８の圧力を降下させる。

【０００９】このように構成された冷凍機では、次のよ
うに動作する。

【００１０】すなわち、クランク軸５の回転により、こ
れに連結された圧縮ピストン６及び膨張ピストン７が圧
縮シリンダ２及び膨張シリンダ３内で９０度の位相差を
もってそれぞれ往復動する。この動きに対応して圧縮シ
リンダ２のシリンダ室１７に導入された動作ガスは、圧
縮され、この時発生した圧縮熱は放熱器１９で外部に放
出される。

【００１１】また、放熱によってポート１３で常温高圧
となっている動作ガスは、膨張ピストン７内の蓄熱器１
１へ熱を放熱しながら膨張シリンダ３のシリンダ室１４
に導入され、膨張シリンダ３の他端部に熱結合された図
示しない被冷却体から熱を吸収しながら膨張する。

【００１２】さらに、低温度となった動作ガスは、両ピ
ストン６，７の逆方向の動きにともなって蓄熱器１１か
ら吸熱して徐々に温度、圧力を上昇し、放熱器１９を通
って圧縮シリンダ２に戻る。そして再び圧縮、膨張が行
われ、これが繰り返されることによって膨張シリンダ３
の他端部による冷凍が実行される。

【００１３】しかしながら上記の従来技術においては、
装置の能力の低下や信頼性の低下をまねく、略正弦波で
変化する動作ガスの圧力の基底圧力及び振幅の不安定現
象を解消するために、パイプ１８の途中に動作ガスを加
圧封入したバッファタンク２０をチェック弁２１，２２
を介して接続しているものの、冷凍機の本体ケース１の
外部に、パイプ１８やバッファタンク２０及び２つのチ
ェック弁２１，２２が設けられることになって、装置が
大きなものになる。

【００１４】また、動作ガスが流通するサイクルの作業
空間内を当初あるいは点検時等に動作ガスで置換するた
めに、チェック弁２１，２２で分離されている両シリン
ダ２，３やパイプ１８等のガス流通空間とバッファタン
ク２０とに排気口や弁を設ける必要があり、配管の構成
や置換作業を複雑なものとしている。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】従来のスターリングサ
イクル装置は、上記のように外部にパイプやタンク等を
要するために装置が大形となり、また作業空間内のガス
置換が複雑なものとなるといった問題点を有している。
本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、その目的と
するところは外部に設けられるタンクや配管等をなくし
たり、少なくして装置を小形なものとすると共に、作業
空間内のガス置換が容易に行えるようにするようにした
スタ−リングサイクル装置を提供することにある。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明のスタ−リングサ
イクル装置は、本体ケースと、この本体ケースに画成さ
れた圧縮シリンダ及び膨張シリンダと、これらの圧縮シ
リンダ及び膨張シリンダ内をそれぞれ往復動する圧縮ピ
ストン及び膨張ピストンと、これらの圧縮ピストン及び
膨張ピストンを駆動するクランク軸を収納する本体ケー
スに形成されたクランク室とを備えたスタ−リングサイ
クル装置において、クランク室が動作ガスのバッファ室
として用いられると共に、本体ケースには、圧縮シリン
ダと膨張シリンダとを接続するガス通路が形成され、こ
のガス通路の圧力及びクランク室と該ガス通路間と圧力
差にもとづき該クランク室と該ガス通路と間を順方向及
び逆方向にそれぞれ開閉して該ガス通路の圧力調整を行
い、かつ該クランク室と該ガス通路と間を連通可能とす
る圧力調整機構が具備されていることを特徴とするもの
である。

【００１７】

【作用】上記のように構成されたスタ−リングサイクル
装置は、クランク室を動作ガスのバッファ室として用
い、また本体ケースに圧縮シリンダと膨張シリンダとを
接続するガス通路を形成しているために装置を小形なも
のとすることができる。さらに本体ケースに圧力調整機
構を設けてガス通路の圧力及びクランク室とガス通路間
の圧力差にもとづきクランク室とガス通路の間を順方向
及び逆方向にそれぞれ開閉してガス通路の圧力調整を行
い、また該クランク室と該ガス通路の間を連通可能とし
ている。したがって、動作ガスに生じる圧力の不安定現
象が解消できるようにしながら、サイクルの作業空間内
のガス置換に際してはクランク室とガス通路の間を連通
させて行え、両者のガス置換を同時にかつ簡単に実施す
ることができる。

【００１８】

【実施例】以下、本発明の一実施例の逆スタ−リングサ
イクル冷凍機を図１乃至図３を参照して説明する。図１
は冷凍機の断面図であって、図２は自動圧力調整機構部
分の拡大断面図であり、図３は動作ガス置換時の自動圧
力調整機構部分の拡大断面図である。

【００１９】図において、冷凍機の本体ケース５１は、
その内部に軸中心を直交させた圧縮シリンダ５２及び膨
張シリンダ５３と、両シリンダ５２，５３の軸中心が直
交する側の片端が開口したクランク室５４とが画成され
ている。クランク室５４には図示しないモータで回転駆
動されるクランク軸５５が収納され、このクランク軸５
５には、圧縮シリンダ５２及び膨張シリンダ５３内を９
０度の位相差をもってそれぞれに往復動する圧縮ピスト
ン５６及び膨張ピストン５７が、コネクティングロッド
５８，５９を介して連設されている。また圧縮シリンダ
５２は外周壁面に多数の放熱用フィン６０が形成されて
いる。なお両ピストン５６，５７の外周には、各シリン
ダ５２，５３内を気密に各ピストン５６，５７が往復動
するようにシール部材６１が装着されている。

【００２０】また、圧縮シリンダ５２と膨張シリンダ５
３の間の本体ケース５１壁内には、一端が圧縮シリンダ
５２の他端側のシリンダ室６２に開口し、他端が膨張シ
リンダ５３の片端部に開口するガス通路６３が穿設され
ている。さらに両シリンダ５２，５３の間の本体ケース
５１壁には、ガス通路６３に交差連通してクランク室５
４に開口するように貫通孔６４が貫通しており、この貫
通孔６４に第１の弁６５と第２の弁６６を形成する圧力
調整機構６７が設けられる。

【００２１】そして、圧力調整機構６７の第１の弁６５
は、次のように構成される。貫通孔６４はクランク室５
４への開口部分が径小に形成され、この径小の貫通孔６
４内に第１の弁座６８が形成されており、また貫通孔６
４には弁棒６９がその外周面に形成されたねじ部によっ
て気密に本体ケース５１の外部側から取り付けられてい
る。さらに弁棒６９には進退可能に貫通孔６４より外径
が径小な弁体７０が設けられ、この弁体７０が付勢され
ることでその片端が第１の弁座６８に当接するようにな
っている。

【００２２】すなわち、弁棒６９には片端に内向きフラ
ンジを有して開口する中空部７１が形成されており、こ
の中空部７１内に、弁体７０の他端部に形成されたフラ
ンジ７２が遊嵌されている。さらに弁体７０は、その他
端部が中空部７１内に縮設されたコイルスプリング７３
によってクランク室５４方向に付勢され、そして片端部
を中空部７１の開口から延出させ軸方向に出入可能とな
るようにして弁棒６９に装着される。なお中空部７１の
開口の内向きフランジとフランジ７２とが係合すること
によって、弁体７０は軸方向の出入の範囲が規定され
る。

【００２３】また、第２の弁６６は弁体７０に形成され
る。弁体７０は中間部に軸に交差するように穿設された
連通孔７４が貫通しており、これにより貫通孔６４を形
成することで圧縮シリンダ５２側と、膨張シリンダ５３
側とに分断される形となったガス通路６３が連通させれ
たものとなる。さらに弁体７０はクランク室５４側の片
端面と連通孔７５の内面とに開口するように、軸方向の
弁孔７５が穿設されている。そして弁孔７５内の連通孔
７４への開口部分近傍に第２の弁座７６が形成されてい
て、この第２の弁座７６には、弁孔７５内に縮設された
コイルスプリング７７によってボール７８が連通孔７４
方向に付勢されて当接している。

【００２４】これにより自動圧力調整機構６５は、圧縮
シリンダ５２と膨張シリンダ５３の間を連通するガス通
路６３及び連通孔７４とクランク室５４間の圧力差が所
定値以上になると動作するもので、ガス通路６３の圧力
がクランク室５４の圧力よりも所定の圧力差以上に低下
した場合には、第１の弁６５が作動してガス通路６３と
クランク室５４とが連通し、ガス通路６３の圧力を上昇
させる。また逆にガス通路６３の圧力がクランク室５４
の圧力よりも所定の圧力差以上に上昇した場合には、第
２の弁６６が作動してガス通路６３とクランク室５４と
が連通し、ガス通路６３の圧力を降下させる。

【００２５】一方、膨張ピストン５７には金網等で構成
された蓄熱器７９が一体構成され、その一端は膨張ピス
トン５７内のガス通路８０を通じて本体ケース５１壁に
形成されたガス通路６３に連通し、他端は膨張シリンダ
５３の他端部に形成されるシリンダ室８１に開口してい
る。

【００２６】このように構成された冷凍機では、例えば
ヘリウムガスを動作ガスとしており、このヘリウムガス
は両シリンダ５２，５３のシリンダ室６２，８１やガス
通路６３等のガス流通空間とクランク室５４に加圧封入
されている。

【００２７】そして、冷凍機の運転に先立って行うサイ
クルの作業空間へのヘリウムガスの加圧封入は、先ず図
３に示すように圧力調整機構６７の弁棒６９を、弁体７
０の片端が第１の弁座６８から離れるまで引き上げて第
１の弁６５を強制的に開き、ガス通路６３とクランク室
５４とを連通させる。次いでシリンダ室６２，８１やガ
ス通路６３等及びクランク室５４に共通して設けた図示
しない１つの排気口や弁によって一度に内部を真空排気
し、その後にヘリウムガスを加圧封入する。そして弁棒
６９を、弁体７０の片端が第１の弁座６８に所定の押圧
力で当接されるように取り付ける。

【００２８】サイクルの作業空間へのヘリウムガスの加
圧封入が終了した後、図示しないモータを駆動してクラ
ンク軸５５を回転させる。クランク軸５５の回転によ
り、これに連結された圧縮ピストン５６及び膨張ピスト
ン５７が圧縮シリンダ５２及び膨張シリンダ５３内で９
０度の位相差をもってそれぞれ往復動する。

【００２９】この動きに対応して圧縮シリンダ５２のシ
リンダ室６２に導入されたヘリウムガスは圧縮される。
この時発生した圧縮熱は、圧縮シリンダ５２の外面に設
けられた放熱用のフィン６０で熱交換が促進されて外部
に放出される。

【００３０】そして、放熱によって常温高圧となってい
るヘリウムガスは、ガス通路６３を通り、膨張ピストン
５７内の蓄熱器７９へ熱を放熱しながら膨張シリンダ５
３のシリンダ室８１に導入され、膨張シリンダ５３の他
端部に熱結合された図示しない被冷却体から熱を吸収し
ながら膨張する。

【００３１】また、被冷却体から熱を吸収しながら膨張
し低温度となったヘリウムガスは、死点を通過した両ピ
ストン５６，５７の逆方向の動きにともなって蓄熱器７
９から吸熱して徐々に温度、圧力を上昇し、ガス通路６
３を通って圧縮シリンダ２に戻る。そして再び圧縮、膨
張が行われ、これが繰り返されることによって膨張シリ
ンダ５３の他端部による冷凍が実行される。

【００３２】上記の運転過程で、ガス通路６３のヘリウ
ムガス圧力が下がってクランク室５４に封入されたヘリ
ウムガス圧力よりも所定の圧力差以上に低下した場合に
は、圧力調整機構６７の第１の弁６５が作動して開き、
ガス通路６３とクランク室５４とが連通してガス通路６
３の圧力を上昇させる。また逆にガス通路６３のヘリウ
ムガス圧力がクランク室５４に封入されたヘリウムガス
圧力よりも所定の圧力差以上に上昇した場合には、第２
の弁６６が作動して開き、ガス通路６３とクランク室５
４とが連通し、ガス通路６３の圧力を所要の圧力にまで
降下させる。

【００３３】このように構成されているため、冷凍機の
能力の低下や信頼性の低下をまねく、略正弦波で変化す
る動作ガスの圧力の基底圧力及び振幅の不安定現象が、
第１の弁６５と第２の弁６６の作動によって解消できる
と共に、これら第１の弁６５と第２の弁６６が、一つの
圧力調整機構６７としてコンパクトにまとめられて冷凍
機の本体ケース５１に内蔵され、またクランク室５４に
ヘリウムガスを加圧封入してバッファタンクとしてお
り、本体ケース５１の外部に別途にタンクやパイプを設
ける必要がなく、冷凍機を小さく形成することができ
る。、また、ヘリウムガスが流通するサイクルの作業空
間内を、当初あるいは点検時等にヘリウムガスで置換す
る場合にも、圧力調整機構６７の弁棒６９のねじ込み量
を加減することで、両シリンダ５２，５３のシリンダ室
６２，８１やガス通路６３等のガス流通空間とクランク
室５４とを連通状態とすることができ、これによって全
てを同時にヘリウムガスで置換することができる。この
ため置換のための排気口や弁を複数設ける必要がなく、
配管の構成や置換作業も簡単なものとなる。

【００３４】尚、上記の実施例においてはヘリウムガス
を用いた冷凍機について説明したがこれに限定されるも
のではなく、他の動作ガスを用いたものやスターリング
エンジン等他のスターリングサイクル装置に適用できる
もので、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施し
得るものである。

【００３５】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
は、クランク室を動作ガスのバッファ室として用い、ま
た本体ケースに圧縮シリンダと膨張シリンダとを接続す
るガス通路を形成し、さらにガス通路の圧力及びクラン
ク室とガス通路間の圧力差にもとづきクランク室とガス
通路の間を順方向及び逆方向にそれぞれ開閉してガス通
路の圧力調整を行う圧力調整機構を具備するように構成
したことにより、装置を小形なものとすることができ、
サイクルの作業空間内のガス置換が単純な構成のもとに
容易に行える等の効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す断面図である。

【図２】同上実施例の圧力調整機構を示す要部拡大断面
図である。

【図３】同上実施例の圧力調整機構部分のガス置換時の
状態を示す要部拡大断面図である。

【図４】従来例を示す構成図である。

【符号の説明】

５１…本体ケース ５２…圧縮シリンダ ５３…膨張シリンダ ５４…クランク室 ５５…クランク軸 ５６…圧縮ピストン ５７…膨張ピストン ６３…ガス通路 ６５…第１の弁 ６６…第２の弁 ６７…圧力調整機構

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 本体ケースと、この本体ケースに画成さ
   れた圧縮シリンダ及び膨張シリンダと、これらの圧縮シ
   リンダ及び膨張シリンダ内をそれぞれ往復動する圧縮ピ
   ストン及び膨張ピストンと、これらの圧縮ピストン及び
   膨張ピストンを駆動するクランク軸を収納する前記本体
   ケースに形成されたクランク室とを備えたスタ−リング
   サイクル装置において、前記クランク室が動作ガスのバ
   ッファ室として用いられると共に、前記本体ケースに
   は、前記圧縮シリンダと前記膨張シリンダとを接続する
   ガス通路が形成され、このガス通路の圧力及び前記クラ
   ンク室と該ガス通路間との圧力差にもとづき該クランク
   室と該ガス通路との間を順方向及び逆方向にそれぞれ開
   閉して該ガス通路の圧力調整を行い、かつ該クランク室
   と該ガス通路との間を連通可能とする圧力調整機構が具
   備されていることを特徴とするスタ−リングサイクル装
   置。