JPH08303890A - ガス圧縮膨張器のシール方法及びその機構 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ピストンロッドに潤滑オイルの除去された冷
媒ガスを噴き付けることによって、ピストンロッドに付
着した潤滑オイル及び／又は金属粉を除去し、背圧空間
への潤滑オイル及び／又は金属粉の侵入を防ぐガス圧縮
膨張器を提供する。 【構成】 仕切板25のクランク室11側のピストンロッド
23に、潤滑オイル15を除去した冷媒ガスを噴き付けてピ
ストンロッド23に付着した潤滑オイル15及び／又は金属
粉を除去して、シリンダ室２への潤滑オイル15及び／又
は金属粉の侵入を防止する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ピストン及び／又はデ
ィスプレーサの摺動によって低温を発生させる冷凍装置
のガス圧縮膨張器であって、特にピストンロッドに付着
した潤滑オイル、金属粉等を除去して、これらの背圧空
間への侵入を防止するシール機構に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】電子デバイス分野、バイオテクノロジー
分野等に於いて、各種試料、材料、赤外線センサー、超
伝導デバイス等の超低温で冷却、保存するための冷凍技
術の開発が望まれている。超低温を発生する冷凍装置と
して、ガス圧縮膨張器によって冷媒ガスを圧縮又は膨張
する装置が知られており、スターリング冷凍機、パルス
チューブ式冷凍機、ＧＭサイクル冷凍機等が挙げられ
る。これらのガス圧縮膨張器を具えた冷凍装置は、優れ
た効率で超低温を実現することが出来る。

【０００３】以下、スターリング冷凍機を例に挙げて説
明する。図１０は、公知の２ピストン型のスターリング
冷凍機(１)であって、冷媒ガスが充填されたケーシング
(10)中に、クランク室(11)が形成され、ガス圧縮器(２
a)及びガス膨張器(３a)がクランク室(11)に接続して配
備されている。ガス圧縮器(２a)とガス膨張器(３a)は、
クランク軸(12)に対して略90°ずれて配備され、クラン
ク軸(12)が反時計方向に回転して、該クランク軸(12)へ
コネクティングロッド(24)(34)、ピストンロッド(23)(3
3)を介して連繋した２つのピストン(22)(32)が、90°の
位相差で摺動する。ピストン(22)(32)の摺動によって、
圧縮室(20)、膨張室(30)、ガス流通管(13)及び再生熱交
換器(14)とからなる空間(以下「表圧空間(16)」という)
内部に充填されたヘリウムガス等の冷媒ガスが圧縮室(2
0)及び膨張室(30)で圧縮、膨張、移動を繰り返すことに
より、圧縮室(20)と膨張室(30)を連結するガス流通管(1
3)及び金属メッシュを積層して構成された再生熱交換器
(14)を通過、移動し、膨張室(30)で超低温の冷凍を発生
し、圧縮室(20)で高温を発生する。膨張室(30)で発生し
た超低温の冷凍によって、上記センサー等の冷却を行な
う。

【０００４】図１１は、従来のスターリング冷凍機等に
用いられるガス圧縮器(２a)及びクランク室(11)部分を
示す図である。ガス圧縮器(２a)は、冷媒ガスが充填さ
れたシリンダ室(２)と、該シリンダ室(２)に摺動可能に
嵌合されたピストン(22)を具え、該ピストン(22)に嵌合
されたピストンリング(22a)によってシリンダ室(２)
は、表圧空間(16)と背圧空間(21)とに仕切られ、表圧空
間(16)は前記ガス流通管(13)に通じている。クランク室
(11)は、同様に冷媒ガスが充填され、動力源(図示せず)
の駆動によって回転するクランク軸(12)が配備される。
クランク軸(12)の回転を円滑に行なうために、クランク
室(11)の底部には、潤滑オイル(15)が充たされており、
クランク軸(12)に配備されたオイルスプラッシャー(図
示せず)等によって、クランク軸(12)に潤滑オイル(15)
を跳ね掛けている。ピストン(22)は、ピストンロッド(2
3)及びコネクティングロッド(24)を介して、クランク軸
(12)に連繋している。背圧空間(21)とクランク室(11)
は、ピストンロッド(23)が往復移動する貫通孔(26a)を
具えたオイルシール(26)によって仕切られる。

【０００５】クランク軸(12)の回転によって、ピストン
(22)が上昇し、表圧空間(16)の容積を減少させる方向に
移動すると、表圧空間(16)の冷媒ガスが圧縮されてガス
流通管(13)に流出し、又、表圧空間(16)の容積を拡大さ
せる方向にピストン(22)が移動すると、ガス流通管(13)
から表圧空間(16)に冷媒ガスが流入する。ガス膨張器
(３a)も同様に構成されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】クランク室(11)内部の
冷媒ガスには、霧状となった潤滑オイルが混合してい
る。クランク室(11)内の潤滑オイルミストが混合してい
る冷媒ガスが、ピストン(22)の摺動による背圧空間(21)
とクランク室(11)との差圧によって背圧空間(21)に流入
したり、ピストンロッド(23)の往復移動によって、ピス
トンロッド(23)に膜状に付着した潤滑オイルが背圧空間
(21)に流入することがあった。背圧空間(21)とクランク
室(11)とは、前述の通りオイルシール(26)によって仕切
られているが、オイルシール(26)のみで背圧空間(21)へ
の潤滑オイルの侵入を防止することは困難であった。又
ピストンロッド(23)に付着した潤滑オイルには、クラン
ク機構の摩耗による金属粉等が混ざっていることがあ
る。金属粉等がオイルシール(26)とピストンロッド(23)
との摺動部分に付着したり、背圧空間(21)に侵入する
と、シール効果が薄れたり、ピストン(22)の摩耗が起こ
ることがある。

【０００７】更に、背圧空間(21)に侵入した潤滑オイル
は、ピストンリング(22a)で仕切られている表圧空間(1
6)に漏れることがある。表圧空間(16)に流入した潤滑オ
イルは、ガス流通管(13)を通って再生熱交換器(14)に達
し、再生熱交換器(14)の金属メッシュに付着して、目詰
りを起こしたり、熱交換率の低下を招き、再生熱交換器
(14)の蓄冷能力を劣化させることがある。再生熱交換器
(14)の蓄冷能力の劣化は、冷凍装置の冷凍能力の劣化と
なる。これらの問題を回避するには、潤滑オイルのクラ
ンク室(11)から背圧空間(21)への流出を防止すること
が、極めて重要である。

【０００８】本発明の目的は、ピストンロッドに冷媒ガ
スを噴き付けることによって、ピストンロッドに付着し
た潤滑オイル及び／又は金属粉を除去し、背圧空間への
潤滑オイル及び／又は金属粉の侵入を防ぐガス圧縮膨張
器を提供する。

【０００９】

【課題を解決する為の手段】上記課題を解決するため
に、本発明のガス圧縮膨張器のシール方法に於いては、
仕切板(25)のクランク室(11)側のピストンロッド(23)の
１ストロークの行程中に、潤滑オイルを含有しないガス
を噴き付けて、ピストンロッド(23)に付着した潤滑オイ
ル及び／又は金属粉を除去して、シリンダ室(２)への潤
滑オイル及び／又は金属粉の侵入を防止する。

【００１０】又、本発明の請求項２に記載のガス圧縮膨
張器のシール機構に於いては、仕切板(25)のクランク室
(11)側には、ピストンロッド(23)を囲んで筒状のクロス
ガイド(43)を配備し、該ピストンロッド(23)には、クロ
スガイド(43)中のガイド空間(４)を往復移行するピスト
ンガイド(27)を取り付け、該ピストンガイド(27)には流
通孔(27a)が貫通開設されてガイド空間(４)とクランク
室(11)を連通し、クロスガイド(43)には、クランク室(1
1)からガイド空間(４)へのガス流入を許容する逆止弁
(４b)を具えた吸入孔(４a)が開設され、ピストンガイド
(27)には流通孔(27a)が貫通開設されて、クランク室(1
1)とガイド空間(４)を連通し、クロスガイド(43)内側に
は仕切板(25)とピストンガイド(27)とに夫々端部が係合
された環状の伸縮体(５)がピストンガイド(27)に開設さ
れた流通孔(27a)を包囲するよう配備されてガイド空間
(４)を外周空間(41)と内周空間(42)とに仕切り、仕切板
(25)には外周空間(41)と内周空間(42)とを連通し外周空
間(41)から内周空間(42)へのガスの流入のみを許容する
逆止弁(25b)を具えた噴出孔(25a)が開設され、該噴出孔
(25a)の内周空間(42)側の端部を、ピストンロッド(23)
に向けて開口する。

【００１１】更に、本発明の請求項３記載のガス圧縮膨
張器のシール機構に於いては、クランク室(11)と背圧空
間(21)は第１ガス流路(６)及び第２ガス流路(７)によっ
て接続され、第１ガス流路(６)には、クランク室(11)か
ら背圧空間(21)へのガスの流入のみを許容する逆止弁(6
2)を具え、第２ガス流路(７)には、背圧空間(21)からク
ランク室(11)へのガスの流入のみを許容する逆止弁(71)
を具え、第２ガス流路(７)のクランク室(11)側の端部は
仕切板(25)を貫通して摺動するピストンロッド(23)に向
けて開口する。

【００１２】又、本発明の請求項４記載のガス圧縮膨張
器のシール機構に於いて、クランク室(11)と表圧空間(1
6)は、第１ガス流通路(８)及び第２ガス流通路(９)によ
って接続され、第１ガス流通路(８)には、クランク室(1
1)から表圧空間(16)へのガスの流入のみを許容する逆止
弁(82)を具え、第２ガス流通路(９)には、表圧空間(16)
からクランク室(11)へのガスの流入のみを許容する逆止
弁(91)を具え、第２ガス流通路(９)のクランク室(11)側
の端部は仕切板(25)を貫通して摺動するピストンロッド
(23)に向けて開口する。

【００１３】

【作用】請求項２記載のガス圧縮膨張器のシール機構に
於いては、クランク軸(12)の回転によってピストンロッ
ド(23)が往復移動する。ピストンロッド(23)がクランク
軸方向に向って移動すると、ガイド空間(４)、即ち内周
空間(42)と外周空間(41)の容積が拡大する。外周空間(4
1)の容積が拡大すると、クランク室(11)内のガス圧より
も低圧となって、ガイド空間(４)の壁面に開設された吸
入孔(４a)に配備された逆止弁(４b)が開放し、オイルフ
ィルター(４c)を通って、潤滑オイルが除去されて外周
空間(41)に流入する。ピストンロッド(23)がクランク軸
(12)から遠ざかる方向に向って移動すると、ガイド空間
(４)、即ち内周空間(42)と外周空間(41)の容積が縮小
し、外周空間(41)の冷媒ガスが圧縮される。圧縮によっ
て、外周空間(41)の冷媒ガスは、仕切板(25)に開設され
た噴出孔(25a)に具えられた逆止弁(25b)を通って、噴出
孔(25a)から内周空間(42)のピストンロッド(23)に噴き
付けられる。

【００１４】請求項３記載のガス圧縮膨張器のシール機
構に於いては、クランク軸(12)の回転によりピストン(2
2)が摺動する。ピストン(22)がクランク軸(12)から遠ざ
かる方向に移動すると、背圧空間(21)の容積が拡大して
ガス圧が低下する。背圧空間(21)のガス圧が、クランク
室(11)のガス圧よりも低くなると、クランク室(11)の冷
媒ガスが、第１ガス流路(６)及びオイルフィルター(61)
を通って、背圧空間(21)に潤滑オイルが除去されて流入
する。ピストン(22)がクランク軸方向に移動すると、背
圧空間(21)の容積が縮小してガス圧が上昇する。背圧空
間(21)のガス圧が、クランク室(11)のガス圧よりも高く
なると、背圧空間(21)の冷媒ガスが、第２ガス流路(７)
からクランク室(11)へ流入する。クランク室(11)へ流入
する冷媒ガスは、第２ガス流路(７)のクランク室側の開
口からピストンロッド(23)に噴き付けられる。

【００１５】請求項４記載のガス圧縮膨張器のシール機
構に於いては、クランク軸(12)の回転によりピストン(2
2)が摺動する。ピストン(22)がクランク軸方向に移動す
ると、表圧空間(16)の容積が拡大してガス圧が低下す
る。表圧空間(16)のガス圧が、クランク室(11)のガス圧
よりも低くなると、クランク室(11)の冷媒ガスが、第１
ガス流通路(８)及びオイルフィルター(81)を通って、表
圧空間(16)に潤滑オイルが除去されて流入する。ピスト
ン(22)がクランク軸(12)から遠ざかる方向に移動する
と、表圧空間(16)の容積が縮小してガス圧が上昇する。
表圧空間(16)のガス圧が、クランク室(11)のガス圧より
も高くなると、表圧空間(16)の冷媒ガスが、第２ガス流
通路(９)からクランク室(11)へ流入する。クランク室(1
1)へ流入する冷媒ガスは、第２ガス流通路(９)のクラン
ク室側の開口からピストンロッド(23)に噴き付けられ
る。

【００１６】

【発明の効果】クランク室(11)の冷媒ガスに混合してい
る潤滑オイルを除去して、清浄化された冷媒ガスをピス
トンロッド(23)に噴き付けることによって、ピストンロ
ッド(23)に付着している潤滑オイル及び／又は金属粉等
を除去することが出来、背圧空間(21)への潤滑オイルの
侵入が防止できる。従って、表圧空間(16)への潤滑オイ
ルの侵入も防止でき、潤滑オイルの侵入による冷凍能力
の低下を防ぐことが出来る。又、冷媒ガスの噴き付け
に、各空間の差圧を利用しているため、他の動力源を必
要としない。

【００１７】

【実施例】本発明の実施例を図面に沿って詳述する。
尚、以下の実施例は、本発明を２ピストン型のスターリ
ング冷凍機に適用した例について述べるが、本発明は、
これに限定されることなく、例えば、１ピストン１ディ
スプレーサ型のスターリング冷凍機や、パルスチューブ
式冷凍機、ＧＭサイクル冷凍機等のガス圧縮及び／又は
膨張器、１シリンダ又は複数シリンダの空気圧縮器にも
適用できる。以下、実施例１乃至実施例３について説明
するが、先ず、スターリング冷凍機(１)の基本構成につ
いて図１に沿って説明する。スターリング冷凍機(１)
は、密閉されたケーシング(10)の内部に、ヘリウム、窒
素等の冷媒ガスが充填され、クランク機構を具えたクラ
ンク室(11)と、クランク機構によって摺動するピストン
(22)(32)を夫々具えた２つのシリンダ室(２)(３)が形成
される。シリンダ室(２)(３)は、クランク機構のクラン
ク軸(12)に対して、90°ずれて配備される。

【００１８】クランク室(11)と、シリンダ室(２)(３)
は、オイルシール(26)(36)を具えた仕切板(25)(35)によ
って仕切られている。クランク室(11)の内部には、クラ
ンク軸(12)が配備され、後述するピストン(22)(32)のコ
ネクティングロッド(24)(34)がクランク軸(12)に接続さ
れる。クランク軸(12)の一端に、電動機、内燃機関等の
動力源(図示せず)が接続され、該動力源の回転駆動によ
ってクランク軸(12)は回転する。クランク軸(12)の他端
は、ケーシング(10)に回転自由に支持される。クランク
室(11)の底部には、潤滑オイル(15)が充たされており、
該潤滑オイル(15)は、クランク軸(12)に配備されたオイ
ルスプラッシャー(図示せず)等によって、クランク機構
に跳ね掛けて、回転接続部を潤滑している。

【００１９】２つのシリンダ室(２)(３)は、ピストン(2
2)(32)によって２つの空間に夫々仕切られる。クランク
軸(12)が反時計周りに回転したときに、90°位相が進ん
で摺動するピストン(32)側のシリンダ室を膨張側シリン
ダ室(３)、該ピストン(32)を膨張側ピストン(32)、他方
のシリンダ室(２)を圧縮側シリンダ室(２)又、嵌装され
るピストン(22)を圧縮側ピストン(22)と呼ぶ。又、膨張
側シリンダ室(３)について、クランク室(11)に近い方を
膨張側背圧空間(31)、遠い方を膨張室(30)とし、圧縮側
シリンダ室(２)について、クランク室(11)に近い方を圧
縮側背圧空間(21)、遠い方を圧縮室(20)とする。各ピス
トン(22)(32)は、ピストンロッド(23)(33)に接続され
る。ピストンロッド(23)(33)は、前記仕切板(25)(35)の
略中央部に開設された貫通孔(26a)(36a)を通って、コネ
クティングロッド(24)(34)と接続され、該コネクティン
グロッド(24)(34)が前記クランク軸(12)に連繋される。
ピストン(22)(32)の外周面には、ピストンリング(22a)
(32a)が嵌められており、圧縮室(20)及び膨張室(30)
と、背圧空間(21)(31)との間をシールしている。圧縮室
(20)と膨張室(30)とは、ガス流通管(13)によって接続さ
れ、該ガス流通管(13)の流路中には、金属メッシュを積
層した再生熱交換器(14)が配備される。圧縮室(20)と膨
張室(30)、ガス流通管(13)及び再生熱交換器(14)が占め
る空間を表圧空間(16)とする。

【００２０】スターリング冷凍機(１)は、動力源の駆動
によって、クランク軸(12)が回転し、２つのピストン(2
2)(32)が90°の位相差で摺動して、表圧空間(16)で圧縮
行程、等容行程、膨張行程、等容行程からなる冷凍サイ
クルを繰り返して、圧縮室(20)で圧縮熱を放出、膨張室
(30)で冷媒ガスの膨張による吸熱によって超低温を発生
する。膨張室(30)で超低温となった冷媒ガスは、ガス流
通管(13)を通って圧縮室(20)に移動するときに、再生熱
交換器(14)を冷却する。又圧縮室(20)にて高温化して移
動する冷媒ガスが、再生熱交換器(14)で放熱して冷却さ
れ膨張室(30)に流入する。

【００２１】［実施例１］スターリング冷凍機(１)に、
本発明の実施例１のシール機構を具えた例について説明
する。図２は、図１のスターリング冷凍機(１)の圧縮側
仕切板(25)とクランク室(11)の仕切板(25)の周辺部の拡
大図である。膨張側にも同様の構成の機構が配備されて
いる。仕切板(25)のクランク室(11)側には、円筒状のク
ロスガイド(43)が配備され、内側にガイド空間(４)を形
成している。又、ピストンロッド(23)のコネクティング
ロッド(24)側の端部には、円盤状のピストンガイド(27)
が固定して配備され、コネクティングロッド(24)はピス
トンガイド(27)にピン(28)にて揺動可能に配備される。
クランク軸(12)の回転によるコネクティングロッド(24)
の運動によって、ピストンガイド(27)は、ピストン(22)
と同時に往復運動する。このとき、ピストンガイド(27)
の外周面が、クロスガイド(43)の内周面に略当接して、
可及的に冷媒ガスを逃さず摺動するよう形成されてい
る。ガイド空間(４)には、図４に示す如く、可撓性材料
にて円筒状の蛇腹に構成された伸縮体(５)が配備され
る。図２に示す如く、該伸縮体(５)の一端の環状上部が
仕切板(25)に、他方の環状下部がピストンガイド(27)
に、夫々全周に亘って密着して接合されている。ガイド
空間(４)は伸縮体(５)によって外周空間(41)と内周空間
(42)に分けられる。

【００２２】仕切板(25)には、図２に示す如く、外周空
間(41)と内周空間(42)とを連通する噴出孔(25a)が開設
される。該噴出孔(25a)の内周空間(42)側の端部は、ピ
ストンロッド(23)の近傍でピストンロッド(23)に向けて
開口し、外周空間(41)から内周空間(42)への冷媒ガスの
流入のみを許容する逆止弁(25)を具えている。又、仕切
板(25)の背圧空間(21)側には、樹脂等で形成されたオイ
ルシール(26)が配備される。

【００２３】クロスガイド(43)の仕切板(25)との接合部
付近には、１又は２以上の吸入孔(４a)が開設されてお
り、該吸入孔(４a)には、夫々オイルフィルター(4c)
と、クランク室(11)からガイド空間(４)への冷媒ガスの
流入のみを許容する逆止弁(4b)が配備される。

【００２４】ピストンガイド(27)には、クランク室(11)
と内周空間(42)とを連通する流通孔(27a)が、１又は２
以上開設されている。

【００２５】［ガス圧縮器のシール動作］上記構成のガ
ス圧縮器(２a)のシール機構の動作について、図２及び
図３に沿って詳述する。クランク軸(12)の回転によっ
て、ピストンガイド(27)が移動する。ピストンガイド(2
7)がクランク軸方向(以下「下死点方向」という)に移動
を開始すると、伸縮体(５)が伸びて、外周空間(41)の容
積が拡大し、該外周空間(41)のガス圧が低下して、内周
空間(42)に配備されている噴出孔(25a)の逆止弁(25b)が
閉じる。ピストンガイド(27)が更に下死点方向に移動し
て、外周空間(41)のガス圧がクランク室(11)のガス圧に
比べて低下し、クランク室(11)の冷媒ガスが、吸入孔
(４a)に配備されたオイルフィルター(４c)及び逆止弁
(４b)を通過して、外周空間(41)に流入する。外周空間
(41)に流入する冷媒ガスは、オイルフィルター(４c)に
よって潤滑オイルが除去されている。内周空間(42)は、
流通孔(27a)によってクランク室(11)と連通しているた
め、ピストンガイド(27)の下死点方向への移動に伴っ
て、クランク室(11)の冷媒ガスが内周空間(42)に流入す
る(図２)。

【００２６】次に、ピストンガイド(27)が下死点まで達
し、クランク軸(12)から遠ざかる方向(以下「上死点方
向」という)に移動を開始すると、伸縮体(５)が縮小
し、又、外周空間(41)の容積が縮小し、該外周空間(41)
のガス圧が上昇して、前記動作で開放していた吸入孔
(４a)の逆止弁(４b)が閉じる。更に、ピストンガイド(2
7)が上死点方向に移動すると、外周空間(41)のガス圧が
内周空間(42)のガス圧よりも高くなって、外周空間(41)
を充満している潤滑オイルの除去された冷媒ガスが噴出
孔(25a)を通過し、噴出孔(25a)の逆止弁(25b)を開放す
る。噴出孔(25a)は、ピストンロッド(23)に向けて開口
しているから、冷媒ガスは開口部分からピストンロッド
(23)に向けて噴き付けられ(図３)、ピストンロッド(23)
に付着した潤滑オイル及び／又は金属粉を除去する。従
って、潤滑オイル、金属粉の付着した儘でピストンロッ
ド(23)が背圧空間(21)に移動することがないため、潤滑
オイル、金属粉が、背圧空間(21)に侵入することはな
い。ピストンガイド(27)が上死点に達すると、再度前記
行程に移行して、このサイクルが継続される。ガス膨張
器(３a)に対しても同じくピストンロッド(33)に対し
て、冷媒ガスが噴射されて、潤滑オイル、金属粉の膨張
側背圧空間(31)への侵入は防止される。

【００２７】［実施例２］次に、スターリング冷凍機
(１)に、本発明の実施例２のシール機構を具えた例につ
いて図５及び図６に沿って説明する。スターリング冷凍
機(１)の構成及び動作については、前述しているため省
略する。本発明の実施例２のシール機構は、クランク室
(11)と両背圧空間(21)(31)とを接続する第１ガス流路
(６)と、圧縮側背圧空間(21)とクランク室(11)とを接続
する第２ガス流路(７)と、膨張側背圧空間(31)とクラン
ク室(11)とを接続する第３ガス流路(74)とから構成され
る。第１ガス流路(６)の一端は、クランク室(11)に連通
しており、オイルフィルター(61)を介して２つに分岐し
ている。分岐している第１ガス流路(６)の一端は、クラ
ンク室(11)から圧縮側背圧空間(21)への冷媒ガスの流入
のみを許容する逆止弁(62)を介して圧縮側背圧空間(21)
に連通している。分岐している第１ガス流路(６)の他端
は、クランク室(11)から膨張側背圧空間(31)への冷媒ガ
スの流入のみを許容する逆止弁(62a)を介して、膨張側
背圧空間(31)に連通している。

【００２８】第２ガス流路(７)は、流出方向のガス流の
みを許容する逆止弁(71)を介して、一端が圧縮側背圧空
間(21)に連通しており、他端はクランク室(11)の膨張側
仕切板(35)の近傍で開口し、先端に第２ノズル(73)が配
備されている。該第２ノズル(73)は、クランク室(11)の
膨張側仕切板(35)の近傍で、膨張側ピストンロッド(33)
を包囲し、膨張側ピストンロッド(33)に向けて開口して
いる。第３ガス流路(74)は、流出方向のガス流のみを許
容する逆止弁(74)を介して、一端が膨張側背圧空間(31)
に連通しており、他端はクランク室(11)の圧縮側仕切板
(25)の近傍で開口し、先端に第３ノズル(77)が配備され
ている。該第３ノズル(77)は、クランク室(11)の圧縮側
仕切板(25)の近傍で、圧縮側ピストンロッド(23)を包囲
し、圧縮側ピストンロッド(23)に向けて開口している。

【００２９】上記構成のシール機構の動作について説明
する。クランク軸(12)の回転によって、膨張側ピストン
(32)と圧縮側ピストン(22)が90°の位相差をもって摺動
する。この動作は、図７に示す如く、両ピストン(22)(3
2)の変位によって、４つの区間に分けることが出来る。
区間Ａでは、膨張側ピストン(32)が下死点から中点に向
って上昇移動し、圧縮側ピストン(22)が中点から下死点
に向って下降移動する。区間Ｂでは、膨張側ピストン(3
2)が中点から上死点に向って移動し、圧縮側ピストン(2
2)が下死点から中点に向って移動する。区間Ｃでは、膨
張側ピストン(32)が上死点から中点に向って移動し、圧
縮側ピストン(22)が中点から上死点に向って移動する。
区間Ｄでは、膨張側ピストン(32)が中点から下死点に向
って移動し、圧縮側ピストン(22)が上死点から中点に向
って移動する。このサイクルがクランク軸(12)の回転に
よって継続する。尚、クランク室(11)の冷媒ガス封入圧
力等によって、各区間と、後述する動作に多少のずれが
生じることもある。

【００３０】先ず、膨張側背圧空間(31)の冷媒ガスの流
れについて説明する。 ［動作１］区間Ａ及び区間Ｂでは、図５に示す如く、膨
張側ピストン(32)が中点よりも上死点側にあり、膨張側
背圧空間(31)の容積が拡大しており、膨張側背圧空間(3
1)の冷媒ガスが膨張している。膨張側背圧空間(31)のガ
ス圧がクランク室(11)のガス圧よりも低圧となると第１
ガス流路(６)の逆止弁(62a)が開いて、冷媒ガスがクラ
ンク室(11)からオイルフィルター(61)を通って、潤滑オ
イルが除去されて、膨張側背圧空間(31)に流入する。

【００３１】［動作２］区間Ｃ及び区間Ｄでは、図６に
示す如く、膨張側ピストン(32)が中点よりも下死点方向
に移動し、膨張側背圧空間(31)の容積が縮小し、前記動
作１で膨張側背圧空間(31)に流入した冷媒ガスが、膨張
側背圧空間(31)で圧縮される。膨張側背圧空間(31)のガ
ス圧がクランク室(11)のガス圧よりも高圧となると、第
３ガス流路(74)の逆止弁(75)が開いて、冷媒ガスが膨張
側背圧空間(31)から、第３ガス流路(74)を経て流出す
る。第３ガス流路(74)を通過する冷媒ガスは、第３ノズ
ル(77)からクランク室(11)の圧縮側ピストンロッド(23)
に向けて噴き付けられ、圧縮側ピストンロッド(23)に付
着した潤滑オイル、金属粉を除去する。

【００３２】次に、圧縮側背圧空間(21)についてである
が、圧縮側ピストン(22)の摺動によって、膨張側と同様
に、クランク室(11)と圧縮側背圧空間(21)を冷媒ガスが
循環する。前記動作１が圧縮側では区間Ｂ及び区間Ｃに
対応し、クランク室(11)から圧縮側背圧空間(21)に潤滑
オイルの除去された冷媒ガスが流入する。前記動作２は
区間Ｄ及び区間Ａに対応し、圧縮側背圧空間(21)の冷媒
ガスが圧縮されて、第２ガス流路(７)を通って、第２ノ
ズル(73)からクランク室(11)の膨張側ピストンロッド(3
3)に向けて噴き付けられ、膨張側ピストンロッド(33)に
付着した潤滑オイル、金属粉を除去する。上記の如く、
圧縮側ピストンロッド(23)及び膨張側ピストンロッド(3
3)に付着した潤滑オイル、金属粉が冷媒ガスの噴き付け
によって除去されるため、両背圧空間(21)(31)に潤滑オ
イル及び／又は金属粉が侵入することがない。

【００３３】［実施例３］次に、本発明の実施例３のシ
ール機構を具えた例について図８及び図９に沿って説明
する。尚、実施例３では、圧縮側シリンダ室(２)につい
てのみ説明する。膨張側シリンダ室(３)については、同
じ構成のシール機構を配備し、位相が90°ずれた同じ動
作を行なうことも出来る。本発明の実施例３のシール機
構は、クランク室(11)と圧縮室(20)とを接続する第１ガ
ス流通路(８)と、圧縮室(20)、圧縮側背圧空間(21)及び
クランク室(11)を接続する第２ガス流通路(９)とから構
成される。

【００３４】第１ガス流通路(８)の一端は、クランク室
(11)から流出する方向のガス流のみを許容する逆止弁(8
2)及びオイルフィルター(81)を介して、クランク室(11)
に連通しており、他端が圧縮室(20)に連通している。第
２ガス流通路(９)は、一端が圧縮室(20)から流出する方
向のガス流のみを許容する逆止弁(91)を介して、圧縮室
(20)に連通し、流路中に設けられた高圧ガス溜まり(90)
を介して２つに分岐している。２つに分岐した第２ガス
流通路(９)の一端は、圧縮側背圧空間(21)に連通し、他
端は、クランク室(11)の圧縮側仕切板(25)の近傍で、圧
縮側ピストンロッド(23)を包囲し、圧縮側ピストンロッ
ド(23)に向けて開口したノズル(92)を具えている。尚、
高圧ガス溜まり(90)と、高圧ガス溜まり(90)から圧縮側
背圧空間(21)への管路は省略することも出来る。

【００３５】［動作］上記構成のシール機構の動作につ
いて説明する。クランク軸(12)の回転によって、圧縮側
ピストン(22)がシリンダ室(２)を摺動する。ピストン(2
2)の下降摺動によって、圧縮室(20)を含む表圧空間(16)
のガス圧が、クランク室(11)よりも低圧となると、クラ
ンク室(11)中の冷媒ガスは、図８に示す如く、第１ガス
流通路(８)の逆止弁(82)が開き、オイルフィルター(81)
で冷媒ガスに混合している潤滑オイルが除去されて、圧
縮室(20)に流入する。又、図９に示す如く、ピストン(2
2)が上昇移動し、圧縮室(20)を含む表圧空間(16)のガス
圧が、クランク室(11)のガス圧以上となると、第１ガス
流通路(８)の逆止弁(82)が閉じ、更に表圧空間(16)が圧
縮されて高圧ガス溜まり(90)よりも高圧となると、逆止
弁(91)を開き、第２ガス流通路(９)を通って、圧縮室(2
0)から高圧ガス溜まり(90)に冷媒ガスが流入する。高圧
ガス溜まり(90)は、圧縮室(20)からの冷媒ガスの流入に
よりクランク室(11)よりも高圧状態を保っている。高圧
ガス溜まり(90)に流入した冷媒ガスは、クランク室(11)
の冷媒ガス圧力よりも高圧であるため、高圧ガス溜まり
(90)から第２ガス流路(７)を通ってノズル(92)から圧縮
側ピストンロッド(23)に向けて常に冷媒ガスが噴き付け
られている。この冷媒ガスの噴き付けによって、圧縮側
ピストンロッド(23)に付着した潤滑オイル、金属粉が除
去されるため、背圧空間(21)に潤滑オイル、金属粉が侵
入することはない。更に、この実施例では、高圧ガス溜
まり(90)と背圧空間(21)は連通しているため、背圧空間
(21)に冷媒ガスが供給され、常にクランク室(11)よりも
高圧の状態となる構成である。従って、クランク室(11)
から背圧空間(21)に冷媒ガスが流入することはないた
め、クランク室(11)の内部の潤滑オイルが混合した冷媒
ガスが背圧空間(21)に侵入することはない。

【００３６】上記実施例３について、第２ガス流通路を
圧縮側だけでなく、膨張側の背圧空間に接続し、又、ノ
ズルを膨張側のピストンに向けて噴き付けることも出来
る。

【００３７】上記実施例の説明は、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例に限らず、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ことは
勿論である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のスターリング冷凍機の断面図である。

【図２】クロスガイド部分の拡大図である。

【図３】クロスガイド部分の拡大図である。

【図４】伸縮体の斜視図である。

【図５】本発明の実施例２の断面図である。

【図６】本発明の実施例２の断面図である。

【図７】ピストンの変位を示すグラフである。

【図８】本発明の実施例３の断面図である。

【図９】本発明の実施例３の断面図である。

【図１０】従来のスターリング冷凍機の断面図である。

【図１１】ガス圧縮器の断面図である。

【符号の説明】

(１) スターリング冷凍機 (２) 圧縮側シリンダ室 (20) 圧縮室 (22) 圧縮側ピストン (27) ピストンガイド (43) クロスガイド (５) 伸縮体 (６) 第１ガス流路 (７) 第２ガス流路 (８) 第１ガス流通路 (９) 第２ガス流通路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中山 隆文 大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号 三 洋電機株式会社内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ピストン(22)が往復摺動するシリンダ室
   (２)と、クランク機構を具えるクランク室(11)とがシー
   ル部材を具えた仕切板(25)によって仕切られ、ピストン
   (22)はピストンロッド(23)及びコネクティングロッド(2
   4)を介してクランク機構に連繋して駆動されるガス圧縮
   膨張器に対して、仕切板(25)を貫通したクランク室(11)
   側のピストンロッド(23)に、ガスを噴き付けて、ピスト
   ンロッド(23)に付着した潤滑オイル及び／又は金属粉を
   除去して、シリンダ室(２)への潤滑オイル及び／又は金
   属粉の侵入を防止することを特徴とするガス圧縮膨張器
   のシール方法。
2. 【請求項２】 ピストン(22)が往復摺動するシリンダ室
   (２)と、クランク機構を具えるクランク室(11)とが仕切
   板(25)によって仕切られ、ピストン(22)はピストンロッ
   ド(23)及びコネクティングロッド(24)を介してクランク
   機構に連繋され、クランク機構の駆動によってピストン
   (22)が摺動してシリンダ室のガスを圧縮又は膨張するガ
   ス圧縮膨張器のシール機構に於いて、仕切板(25)のクラ
   ンク室(11)側には、ピストンロッド(23)を囲んで筒状の
   クロスガイド(43)を配備し、該ピストンロッド(23)に
   は、クロスガイド(43)中のガイド空間(４)を往復移行す
   るピストンガイド(27)を取り付け、該ピストンガイド(2
   7)には流通孔(27a)が貫通開設されてガイド空間(４)と
   クランク室(11)を連通し、クロスガイド(43)には、クラ
   ンク室(11)からガイド空間(４)へのガス流入を許容する
   逆止弁(４b)を具えた吸入孔(４a)が開設され、ピストン
   ガイド(27)には流通孔(27a)が貫通開設されて、クラン
   ク室(11)とガイド空間(４)を連通し、クロスガイド(43)
   内側には仕切板(25)とピストンガイド(27)とに夫々端部
   が係合された環状の伸縮体(５)がピストンガイド(27)に
   開設された流通孔(27a)を包囲するよう配備されてガイ
   ド空間(４)を外周空間(41)と内周空間(42)とに仕切り、
   仕切板(25)には外周空間(41)と内周空間(42)とを連通し
   外周空間(41)から内周空間(42)へのガスの流入のみを許
   容する逆止弁(25b)を具えた噴出孔(25a)が開設され、該
   噴出孔(25a)の内周空間(42)側の端部を、ピストンロッ
   ド(23)に向けて開口していることを特徴とするガス圧縮
   膨張器のシール機構。
3. 【請求項３】 ピストン(22)が嵌装されるシリンダ室
   (２)と、クランク機構を具えるクランク室(11)とが仕切
   板(25)によって仕切られ、シリンダ室(２)は、ピストン
   (22)によって表圧空間(16)と背圧空間(21)とに仕切ら
   れ、該ピストン(22)はピストンロッド(23)及びコネクテ
   ィングロッド(24)を介してクランク軸(12)に連繋され、
   クランク軸(12)の回転によってピストン(22)が摺動して
   ガスを圧縮又は膨張するガス圧縮膨張器のシール機構に
   於いて、クランク室(11)と背圧空間(21)は第１ガス流路
   (６)及び第２ガス流路(７)によって接続され、第１ガス
   流路(６)には、クランク室(11)から背圧空間(21)へのガ
   スの流入のみを許容する逆止弁(62)を具え、第２ガス流
   路(７)には、背圧空間(21)からクランク室(11)へのガス
   の流入のみを許容する逆止弁(71)を具え、第２ガス流路
   (７)のクランク室(11)側の端部は仕切板(25)を貫通して
   摺動するピストンロッド(23)に向けて開口していること
   を特徴とするガス圧縮膨張器のシール機構。
4. 【請求項４】 ピストン(22)が嵌装されるシリンダ室
   (２)と、クランク機構を具えるクランク室(11)とが仕切
   板(25)によって仕切られ、シリンダ室(２)は、ピストン
   (22)によって表圧空間(16)と背圧空間(21)とに仕切ら
   れ、該ピストン(22)はピストンロッド(23)及びコネクテ
   ィングロッド(24)を介してクランク軸(12)に連繋され、
   クランク軸(12)の回転によってピストン(22)が摺動して
   ガスを圧縮又は膨張するガス圧縮膨張器のシール機構に
   於いて、クランク室(11)と表圧空間(16)は、第１ガス流
   通路(８)及び第２ガス流通路(９)によって接続され、第
   １ガス流通路(８)には、クランク室(11)から表圧空間(1
   6)へのガスの流入のみを許容する逆止弁(82)を具え、第
   ２ガス流通路(９)には、表圧空間(16)からクランク室(1
   1)へのガスの流入のみを許容する逆止弁(91)を具え、第
   ２ガス流通路(９)のクランク室(11)側の端部は仕切板(2
   5)を貫通して摺動するピストンロッド(23)に向けて開口
   していることを特徴とするガス圧縮膨張器のシール機
   構。