JPH08247563A

JPH08247563A - スターリング冷凍機

Info

Publication number: JPH08247563A
Application number: JP5447795A
Authority: JP
Inventors: Toshio Otaka; 敏男大高; Kazuo Saito; 和夫齊藤
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1995-03-14
Filing date: 1995-03-14
Publication date: 1996-09-27

Abstract

(57)【要約】【目的】作動空間である閉回路内への潤滑油の混入に
よる性能劣化を防止する。【構成】圧縮空間７と膨張空間１１とを接続する配管
２５に、高温熱交換器１９，蓄冷器２１，低温側熱交換
器２３を設ける。高温側熱交換器１９と蓄冷器と間の配
管２５内の作動空間２７と、圧縮側シリンダ５および膨
張側シリンダ９を所定の位相差で往復動させる往復動機
構１３が収容される密閉容器１５内とを、開閉弁３１を
備えた潤滑油回収通路２９で接続する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、逆スターリングサイ
クルを利用したスターリング冷凍機に関する。

【０００２】

【従来の技術】冷凍・冷蔵庫や空気調和機などで代表さ
れる冷凍サイクル装置では、蒸気圧縮式のものが通常採
用されている。こうした蒸気圧縮式の冷凍サイクルに
は、作動媒体としての冷媒にフロンが用いられ、フロン
の凝縮、蒸発を利用して所望の冷却性能を得るようにし
ている。

【０００３】ところが、冷媒として使用されているフロ
ンは、非常に化学的安定性が高く、大気中に放出される
と成層圏に達してオゾン層を破壊したり、地球温暖化を
招くなどの指摘がある。このため、近年では、特定フロ
ンを対象にしたフロンの使用並びに生産が規制されてい
る。

【０００４】しかし、代替冷媒として本命視されている
ＨＦＣは、ＯＤＰ（オゾン破壊係数）を０にできるが、
ＨＧＷＰ（温暖化係数）を０にできない。また、予想で
きない環境破壊を招くことも否定できず、将来規制対象
となり得る可能性もある。

【０００５】こうした代替冷媒化の流れの一方で、フロ
ン系冷媒を一切使用せず本質的に安全な物質、例えば自
然界に存在するような物質を作動媒体とする新冷媒シス
テムとして、逆スターリングサイクルを利用した冷凍装
置、つまりスターリング冷凍機が注目を集めている。ス
ターリング冷凍機は、作動媒体としてヘリウムガス、水
素ガス、窒素ガスなどといった地球環境に悪影響を与え
ないガスを採用し、逆スターリングサイクル（動力の入
力により、作動媒体が圧縮、膨張することにより、放
熱、吸熱を行う密閉サイクル）によって、低温を得るよ
うにしたものである。

【０００６】原理について説明すれば、構成としては、
圧縮シリンダ内に圧縮空間を形成する圧縮側ピストン
と、膨張シリンダ内に膨張空間を形成する膨張側ピスト
ンとを、所定の位相差により往復動させる往復動機構で
連結するとともに、圧縮空間と膨張空間とを蓄冷器を介
して連通して閉回路を構成し、この閉回路の作動空間内
に上記作動媒体を充填させている。

【０００７】動作としては、まず往復動機構を介して圧
縮側ピストンを動かすことにより、圧縮空間の作動媒体
を圧縮して放熱させた後、蓄冷器を介して膨張空間に送
る。次いで、膨張側ピストンの動きにて作動媒体を膨張
させて吸熱させている。この吸熱により、低温を得て、
冷凍機の役割を果たすようにしている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところで、圧縮側ピス
トンおよび膨張側ピストンを往復動させる往復動機構な
どの機構部が収納されるケース内には、通常潤滑油が入
れられるが、この潤滑油がスターリング冷凍機の作動空
間内に混入すると、特に、内部がメッシュ状に形成され
た蓄冷器などの要素部品に潤滑油が溜まり、圧力損失の
増大や、熱効率の低下など性能に悪影響を及ぼすことと
なる。このため、スターリング冷凍機では、極低温用冷
凍機を主体として潤滑油を使用しない、いわゆるノンオ
イルの構造としているが、高い耐久性を求められる家庭
用冷凍機などには、ノンオイルの構造は不向きであり、
改善が望まれている。

【０００９】一方、スターリングエンジンでは、上記し
た潤滑油の作動空間内への混入については、燃焼器を有
していることから潤滑油の炭化が発生するなど、スター
リング冷凍機以上に深刻な問題である。このため、従来
では、オイルシールの技術開発が盛んになされてきた。

【００１０】しかしながら、複雑なオイルシール装置や
オイル分離装置を設けても、完全なシールは困難であ
り、したがってこのようなオイルシールなどをスターリ
ング冷凍機に適用しても、前述した性能悪化を解消する
ことはできない。

【００１１】そこで、この発明は、作動空間である閉回
路内への潤滑油の混入による性能劣化を防止することを
目的としている。

【００１２】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、この発明は、封入された作動媒体を圧縮して高温化
させる圧縮シリンダと、前記作動媒体を膨張させて低温
化させる膨張シリンダとを、途中に蓄冷器を備えた配管
により接続して閉回路を形成し、前記蓄冷器に対して圧
縮シリンダ側の閉回路中に、作動媒体の熱を放熱させる
高温側熱交換器を配置するとともに、前記蓄冷器に対し
て膨張シリンダ側の閉回路中に、作動媒体の熱を吸熱す
る低温側熱交換器を配置し、前記圧縮シリンダ内に往復
動可能に設けられて圧縮空間を形成する圧縮側ピストン
と、前記膨脹シリンダ内に往復動可能に設けられて膨張
空間を形成する膨張側ピストンとを、所定の位相差によ
り往復動させる往復動機構を、潤滑油が収容された密閉
容器内に設け、前記閉回路内と密閉容器内とを、密閉容
器内から閉回路内に混入した潤滑油を密閉容器内に回収
可能な潤滑油回収通路により接続するとともに、この潤
滑油回収通路に開閉弁を設けて潤滑油回収装置とした構
成としてある。

【００１３】

【作用】このような構成のスターリング冷凍機によれ
ば、密閉容器内の潤滑油が作動媒体が封入された閉回路
内に混入すると、この混入した潤滑油は、開閉弁を開と
した状態にて潤滑油回収通路を通って密閉容器に回収さ
れる。

【００１４】

【実施例】以下、この発明の実施例を図面に基づき説明
する。

【００１５】図１は、この発明の第１実施例を示すスタ
ーリング冷凍機の全体構成図である。このスターリング
冷凍機は、圧縮シリンダ１と膨張シリンダ３とを備え、
圧縮シリンダ１内に圧縮側ピストン５が往復動可能に挿
入されることで圧縮空間７が形成され、膨張シリンダ３
内に膨張側ピストン９が往復動可能に挿入されることで
膨張空間１１が形成される。圧縮側ピストン５および膨
張側ピストン９は、往復動機構１３により、所定の位相
差をもって往復動する。

【００１６】往復動機構１３は、図示しないモータなど
の駆動源によって回転する回転体１３ａと、この回転体
１３ａに一端が連結されて他端が圧縮側ピストン５およ
び膨張側ピストン９にそれぞれ連結される連結ロッド１
３ｂおよび１３ｃとで構成され、前記圧縮シリンダ１お
よび膨張シリンダ３と一体となった密閉容器１５内に設
けられている。密閉容器１５内には、往復動機構１３な
どの機構部の潤滑を行うための潤滑油１７が入れられて
いる。

【００１７】圧縮空間７と膨張空間１１とは、圧縮空間
７側から順に、作動媒体の熱を放熱する高温側熱交換器
１９，熱的遮断を行う蓄冷器２１，作動媒体の熱を吸熱
する低温側熱交換器２３をそれぞれ備えた配管２５によ
り連通接続され、これにより、ヘリウムガスや水素ガス
などからなる作動媒体が封入される閉回路が作動空間２
７として形成されることになる。

【００１８】蓄冷器２１と高温側熱交換器１９との間の
配管２５内の作動空間２７と、密閉容器１５内とは、潤
滑油回収通路２９により接続され、潤滑油回収通路２９
における配管２５の近傍には開閉弁３１が設けられ、こ
れら潤滑油回収通路２９および開閉弁３１で潤滑油回収
装置３３を構成している。潤滑油回収通路２９の配管２
５への接続部３５は、密閉容器１５への接続部３７より
上方に位置しており、蓄冷器２１への配管２７の接続部
は前記接続部３５よりさらに上方に位置している。

【００１９】このように構成されたスターリング冷凍機
によれば、往復動機構１３により圧縮側ピストン５およ
び膨張側ピストン９が駆動されると、圧縮空間７および
膨張空間１１内を各ピストン５および９が、所定の位相
差にしたがって往復運動する。圧縮側ピストン５により
圧縮空間７内の作動媒体が圧縮されて温度上昇し、この
熱は高温側熱交換器１９で放熱される。放熱した作動媒
体は、配管２５における蓄冷器２１を通して膨張空間１
１に送られ、ここで膨張側ピストン９により膨張して低
温化し、この熱は低温側熱交換器２３により吸熱され、
これにより逆スターリングサイクルが動作することにな
る。

【００２０】このとき、往復動機構１３が収納された密
閉容器２１内の潤滑油１７が、各ピストン５，９と各シ
リンダ１，３とのそれぞれの隙間から、圧縮空間７およ
び膨張空間１１にそれぞれ流入し、作動空間２７内に潤
滑油が混入することになる。作動空間２７内に混入した
潤滑油は、作動媒体の往復動に従って次第に蓄冷器２１
に輸送され、流動抵抗の大きい蓄冷器２１に主に溜まる
ことになる。

【００２１】ここで、上記スターリング冷凍機の運転を
停止した状態で、開閉弁３１を開くと、蓄冷器２１内に
溜まった潤滑油あるいは作動空間２７に滞留する潤滑油
は、重力により潤滑油回収通路２９を流れ、密閉容器２
１内に落下して回収される。潤滑油１７として、作動空
間２７内で最も低い温度である−４０℃でも液状を保持
可能な、例えばαオレフィン系を使用することで、潤滑
油１７の回収が不能となることはない。なお、潤滑油１
７は、作動空間２７内で最も高い温度でも液状を保持可
能なものを使用してもよい。

【００２２】以上より、蓄冷器２１内に溜まったり、作
動空間２７内に滞留する潤滑油を、作動媒体と分離して
密閉容器２１内に戻し回収することが可能となり、例え
ば蓄冷器２１に潤滑油が溜まることによる圧力損失の増
大や熱効率の低下などによる性能低下を防止することが
でき、高い耐久性を有する高効率なスターリング冷凍機
を実現できる。

【００２３】上記図１の第１実施例では、スターリング
冷凍機の運転停止時に潤滑油の回収を行っているが、そ
の変形例として、図２に示すように、作動空間２７内に
圧力センサ３９を設け、スターリング冷凍機の運転中に
て前記圧力センサ３９の検出値が、密閉容器１５内の圧
力より高い所定圧以上となったときに、制御部４１によ
り開閉弁３１を開放して潤滑油を回収するような構成と
してもよい。

【００２４】図３は、上記図２のスターリング冷凍機に
おいて、作動空間２７内の圧力変動に応じた開閉弁３１
の開閉動作を示すタイムチャートで、作動空間２７内の
圧力が正圧のときに開閉弁３１を開放し、負圧のときに
閉じるようにしている。開閉弁３１が開状態のときに、
作動空間２７内の圧力により、作動空間２７内の潤滑油
が強制的に密閉容器１５内に戻されるので、潤滑油の回
収作業が容易となる。

【００２５】図４は、この発明の第２実施例を示すスタ
ーリング冷凍機の全体構成図である。この実施例は、作
動空間２７内と密閉容器１５内とを接続する潤滑油回収
通路２９を、蓄冷器２１と高温側熱交換器１９との間の
配管２５に接続部３５にて接続される高温側回収管２９
ａと、蓄冷器２１と低温側熱交換器２３との間の配管２
５に接続部４３にて接続される低温側回収管２９ｂと、
これら両回収管２９ａ，２９ｂに対して一端側が連通
し、他端側が密閉容器１５に接続部３７にて接続される
合流管２９ｃとから構成したもので、前記高温側回収管
２９ａおよび低温側回収管２９ｂに、それぞれ開閉弁３
１を設けている。

【００２６】上記図４のスターリング冷凍機によれば、
運転停止時に、二つの開閉弁３１を開弁させることで、
蓄冷器２１の両側から潤滑油が密閉容器１５内に重力に
より流れ落ちるので、図１のものに比べ、蓄熱器２１の
両側から効率よく潤滑油が回収できる。

【００２７】図４の実施例においても、前記図２の例の
ように、接続部３５，４３周辺の作動空間２７内に、圧
力センサをそれぞれ設け、作動空間２７内の圧力が密閉
容器１５内の圧力より高くなったときに開閉弁３１を開
弁し、つまり作動空間２７内の圧力変動により潤滑油を
回収するようにしてもよい。

【００２８】図５は、この発明の第３実施例を示すスタ
ーリング冷凍機の全体構成図である。この実施例は、前
記図４の第２実施例に対し、合流管２９ｃに作動空間２
７側から密閉容器１５側への潤滑油の流れを許容する一
方向弁としての逆止弁４５を設けるとともに、高温側熱
交換器１９と圧縮シリンダ１との間の配管２５内と、密
閉容器１５内とを、作動媒体吸込通路４７により接続し
たものである。作動媒体吸込通路４７には、配管２５側
に開閉弁４９が、密閉容器１５側に密閉容器１５側から
配管２５側に作動媒体の流れを許容する一方向弁として
の逆止弁５１が設けられている。

【００２９】上記図５の実施例によれば、開閉弁３１，
４９を開放した状態で、作動空間２７内の圧力変動によ
り、作動空間２７内の圧力が密閉容器１５内の圧力より
高くなったときには、作動空間２７内に滞留するかある
いは蓄冷器２１に溜まった潤滑油が、強制的に密閉容器
１５内に戻される。同様に開閉弁３１，４９を開放した
状態で、作動空間２７内の圧力が密閉容器１５内の圧力
より低くなったときには、密閉容器１５内に入り込んで
いる作動媒体が作動媒体吸込通路４７を経て作動空間２
７側に吸込まれ、戻されることになる。

【００３０】密閉容器１５内に入り込んでいる作動媒体
を作動空間２７に戻すことで、作動空間２７内の圧力が
低下することなく、潤滑油を連続的に密閉容器１５に回
収することが可能となる。

【００３１】図６は、この発明の第４実施例を示すスタ
ーリング冷凍機の全体構成図である。この実施例は、前
記図５の実施例に対し、開閉弁３１，４９を開閉制御す
る、タイマ回路を内蔵した制御部５３を付加し、制御部
５３はタイマ回路が計測する一定時間経過毎に開閉弁３
１，４９を開閉制御する構成としたものである。

【００３２】図７は、上記図６のスターリング冷凍機に
おける運転開始後の潤滑油滞留量と、開閉弁３１，４９
の開閉状態とを示したタイムチャートである。これによ
れば、運転開始直後は、開閉弁３１，４９は閉状態であ
り、この状態は通常の冷凍運転モードＡとなる。この冷
凍運転モードＡでは、潤滑油が作動空間２７内に徐々に
滞留していき、一定時間経過後の時間ｔ₁では、開閉弁
３１，４９を開き、潤滑油回収モードＢとする。潤滑油
回収モードＢで、一定時間経過後の時間ｔ₂では、開閉
弁３１，４９を閉じて再び冷凍運転モードＡとし、以後
同様に各運転モードＡ，Ｂを交互に繰り返す。

【００３３】上記図６および図７の第４実施例によれ
ば、作動空間２７内の圧力変動により強制的に潤滑油を
密閉容器１５内に回収できるほか、自動的かつ連続的に
冷凍機として本体の機能である低温を得ることができ
る。

【００３４】また、上記第４実施例で、一体時間の設定
を、密閉容器１５内の潤滑油がなくならないようにすれ
ば、潤滑油切れを未然に防ぐことが可能となる。

【００３５】図８は、上記図６の第４実施例の変形例で
ある。この例は、蓄冷器２１の両側の配管２５に、この
両側の作動空間２７内の圧力差を検出する差圧センサ５
７を設け、差圧センサ５７が検出した圧力差が所定値以
上となったときに、蓄冷器２１内に多量の潤滑油が滞留
したとして、制御部５８が開閉弁３１，４９を開放して
潤滑油回収モードＢとするようにしたものである。上記
圧力差が所定値未満となったときには、開閉弁３１，４
９を閉じて通常の冷凍運転モードＡに戻す。

【００３６】図９は、上記図６の第４実施例の他の変形
例である。この例は、密閉容器１５内に、潤滑油１７の
量を検出する潤滑油センサ５９を設け、潤滑油１７の量
が所定量以下となったときに、制御部６０により開閉弁
３１，４９を開放させて潤滑油回収モードＢとするもの
である。潤滑油センサ５９は、密閉容器１５に固定され
た支持部材６１の上端に一対の電極６３が設けられ、こ
の一対の電極６３相互を電気的に導通させることが可能
な浮き６５が、支持部材６１に対して上下動可能に設け
られている。

【００３７】密閉容器１５内の潤滑油が充分満たされて
いる場合には、浮き６５は一対の電極６３相互を導通さ
せ、このとき開閉弁３１，４９は閉状態とし、冷凍運転
モードＡとなる。一方、密閉容器１５内の潤滑油が作動
空間２７内に流出して、密閉容器１５内の潤滑油量が減
少していき、ある量に達すると浮き６５が下がり、一対
の電極６３相互が非導通状態となり、このとき開閉弁３
１，４９は開状態とし、潤滑油回収モードＢとなる。

【００３８】上記図９における潤滑油センサ５９を、作
動空間２７内に設けた潤滑油溜まりに設置することで、
潤滑油回収モードＢを設定することも可能である。

【００３９】

【発明の効果】以上説明してきたように、この発明によ
れば、作動媒体が封入される閉回路内と、往復動機構が
設けられて潤滑油が収容される密閉容器内とを、開閉弁
を備えた潤滑油回収通路により接続して潤滑油回収装置
として構成したので、閉回路内に混入した潤滑油は、開
閉弁を開とした状態で潤滑油回収通路を通って密閉容器
に回収でき、作動空間である閉回路内への潤滑油の混入
による性能劣化を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第１実施例を示すスターリング冷凍
機の全体構成図である。

【図２】図１のスターリング冷凍機の変形例を示す全体
構成図である。

【図３】図２のスターリング冷凍機における作動空間内
の圧力変動に応じた開閉弁の開閉動作を示すタイムチャ
ートである。

【図４】この発明の第２実施例を示すスターリング冷凍
機の全体構成図である。

【図５】この発明の第３実施例を示すスターリング冷凍
機の全体構成図である。

【図６】この発明の第４実施例を示すスターリング冷凍
機の全体構成図である。

【図７】図６のスターリング冷凍機における運転開始後
の潤滑油滞留量と開閉弁の開閉状態とを示したタイムチ
ャートである。

【図８】図６のスターリング冷凍機の変形例を示す全体
構成図である。

【図９】図６のスターリング冷凍機の他の変形例を示す
全体構成図である。

【符号の説明】

１圧縮シリンダ３膨張シリンダ５圧縮側ピストン７圧縮空間９膨張側ピストン１１膨張空間１３往復動機構１５密閉容器１７潤滑油１９高温側熱交換器２１蓄冷器２３低温側熱交換器２５配管２７作動空間（閉回路）２９潤滑油回収通路３１，４９開閉弁３３潤滑油回収装置４５，５１逆止弁（一方向弁）４７作動媒体吸込通路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】封入された作動媒体を圧縮して高温化さ
せる圧縮シリンダと、前記作動媒体を膨張させて低温化
させる膨張シリンダとが、途中に蓄冷器を備えた配管に
より接続されて閉回路を形成し、前記蓄冷器に対して圧
縮シリンダ側の閉回路中に、作動媒体の熱を放熱させる
高温側熱交換器が配置されるとともに、前記蓄冷器に対
して膨張シリンダ側の閉回路中に、作動媒体の熱を吸熱
する低温側熱交換器が配置され、前記圧縮シリンダ内に
往復動可能に設けられて圧縮空間を形成する圧縮側ピス
トンと、前記膨脹シリンダ内に往復動可能に設けられて
膨張空間を形成する膨張側ピストンとを、所定の位相差
により往復動させる往復動機構が、潤滑油が収容された
密閉容器内に設けられたスターリング冷凍機において、
前記閉回路内と密閉容器内とを、密閉容器内から閉回路
内に混入した潤滑油を密閉容器内に回収可能な潤滑油回
収通路により接続するとともに、この潤滑油回収通路に
開閉弁を設けて潤滑油回収装置としたことを特徴とする
スターリング冷凍機。
【請求項２】閉回路内にて最も低い温度でも液状を保
持可能な潤滑油を使用してい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。
【請求項３】閉回路内にて最も高い温度でも液状を保
持可能な潤滑油を使用してい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。
【請求項４】潤滑油回収通路は、蓄冷器の一端側もし
くは両端側近傍の閉回路に接続されていることを特徴と
する請求項１ないし３いずれか１項記載のスターリング
冷凍機。
【請求項５】閉回路内の圧力変動を利用して潤滑油回
収装置により潤滑油を回収することを特徴とする請求項
１ないし４いずれか１項記載のスターリング冷凍機。
【請求項６】閉回路内の圧力が、密閉容器内の圧力よ
り高くなったときに、開閉弁を開放して潤滑油を回収す
ることを特徴とする請求項５記載のスターリング冷凍
機。
【請求項７】閉回路と密閉空間とを、密閉空間内に入
り込んだ作動媒体を閉回路に戻す作動媒体吸込通路で接
続し、この作動媒体吸込通路と潤滑油回収通路には、開
閉弁をそれぞれ設け、閉回路内の圧力が、密閉容器内の
圧力より低くなったときに、前記作動媒体吸込通路に設
けた開閉弁を開放して作動媒体を閉回路に戻すことを特
徴とする請求項６記載のスターリング冷凍機。
【請求項８】潤滑油回収通路には、閉回路から密閉空
間への潤滑油の流れを許容する一方向弁を設け、作動媒
体吸込通路には、密閉空間から閉回路への作動媒体の流
れを許容する一方向弁を設け、潤滑油回収通路および作
動媒体吸込通路にそれぞれ設けた開閉弁を閉状態とした
サイクル運転モードと、前記各開閉弁を開状態とした潤
滑油回収運転モードとを有することを特徴とする請求項
７記載のスターリング冷凍機。