JPH1019406A - ガス圧縮膨張機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 動力源に加わる最大負荷トルクを低減させ、
装置全体の小型化及び高信頼性を実現させたガス圧縮膨
張機を提供する。 【解決手段】 シリンダ３内部で、クランク軸１６の回
転駆動によりピストン７を往復動作させ、作動ガスを圧
縮又は膨張させるガス圧縮膨張機において、ピストン本
体７１の外周部分に配設された第１磁石部材７２と、ピ
ストン７のストローク中心位置にて、第１磁石部材７２
に対向するようにシリンダ３に埋設された第２磁石部材
３２を備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【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】ここで、図７を参照して、従来のディスプ
レーサタイプのスターリング冷凍機の構造について説明
する。本体ハウジング１には膨張側シリンダ２と圧縮側
シリンダ３とが９０度の角度差で取り付けられ、膨張側
シリンダ２に内蔵されたディスプレーサ６と、圧縮側シ
リンダ３に内蔵されたピストン７は、共通のクランク機
構５に連結されて、互いに位相がずれた状態で往復駆動
される。

【０００４】ディスプレーサ６は、両端が開口１８、１
９した筒体１７の内部に、例えば焼結金属からなる蓄冷
材１４が充填されており、筒体１７の一方の開口１８か
ら流入した作動ガスは蓄冷材１４の内部を通過し、他方
の開口１９から流出するまでの過程で、蓄冷材１４との
熱交換が行なわれる。

【０００５】ディスプレーサ６は再生熱交換器としての
機能を兼ね備えたものであって、その熱交換性能はスタ
ーリング冷凍機の成績係数を大きく左右することにな
る。又、膨張側シリンダ２及び圧縮側シリンダ３は夫々
オイルシール８、９によってクランク室１２と仕切られ
ており、膨張側シリンダ２の基端部と圧縮側シリンダ３
の先端部とは、連絡管４によって互いに連通されてい
る。クランク室１２にはオイル１０が注入されている。

【０００６】図８は、横軸に時間Ｔ、縦軸にストローク
Ｓをとって、上記スターリング冷凍機の動作を表わした
ものである。スターリング冷凍機に於いては、ディスプ
レーサ６が図８の曲線Ｂ、Ｃの如く往復移動すると同時
に、ピストン７が図８の曲線Ｄの如く往復移動すること
によって、膨張側シリンダ２の膨張空間１１は、図８の
直線Ａと曲線Ｂに挟まれた幅領域で容積変化し、圧縮側
シリンダ３の圧縮空間１３は、図８の曲線Ｃと曲線Ｄに
挟まれた幅領域で容積変化する。

【０００７】この結果、図８のの行程では、ピストン
７の上昇に伴って圧縮空間１３内のガスが圧縮され、連
絡管４を経て膨張側シリンダ２内へ流入する（理想的に
は等温圧縮）。このガスは図８のの行程で、ディスプ
レーサ６内の蓄冷材１４を通過し、蓄冷材１４と熱交換
を行なって、温度低下する（定積冷却）。蓄冷材１４を
通過したガスは図８のの行程で、膨張側シリンダ２の
膨張空間１１へ流入し、その後、ピストン７の降下に伴
って膨張する（理想的には等温膨張）。次に、図８の
の行程では、ディスプレーサ６の上昇に伴って、膨張空
間１１内のガスが蓄冷材１４を通過し、蓄冷材１４と熱
交換を行なって、温度上昇した後、連絡管４を経て再び
圧縮空間１３へ流入する（定積加熱）。

【０００８】この結果、膨張側シリンダ２頭部に設けた
コールドヘッド１５が冷却される。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】そして、上記構造より
なるスターリング冷凍機においては、ピストン７による
圧縮及び膨張行程によってクランク機構５のクランク軸
１６にかかる負荷トルクは、図９に示すように変化す
る。ここで、図９中の横軸θはクランク機構５の回転中
心部Ｏと膨張側のディスプレーサロッドとコネクティン
グロッドの連結接続部Ａとを結んだ仮想線分と、クラン
ク機構５の回転中心部Ｏとコネクティングロッドとクラ
ンク機構５との連結部Ｂとを結んだ仮想線分とのなす角
度であって、θ＝９０のときはピストン７が圧縮側シリ
ンダ３の上死点に、θ＝２７０のときはピストン７が圧
縮側シリンダ３の下死点に位置している場合を表してい
る。

【００１０】この図から明らかなように、クランク軸１
６に加わる負荷トルクは、周期的に大きく変動してお
り、また、クランク軸１６を回転駆動させる動力源とし
ての駆動モータなどは、クランク軸１６の最大負荷トル
クに応じて決定している。このため、従来のスターリン
グ冷凍機では、動力源が大型化し、これに伴って、装置
全体の大型化を招来していた。

【００１１】本発明は斯かる点に鑑みて為されたもので
あって、動力源に加わる最大負荷トルクを低減させ、装
置全体の小型化及び高信頼性を実現させたガス圧縮膨張
機を提供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決する為の手段】本発明は、シリンダ内部
で、クランク軸の回転駆動によりピストンを往復動作さ
せ、作動ガスを圧縮又は膨張させるガス圧縮膨張機にお
いて、前記ピストン本体の外周部分に配設された第１磁
石部材と、ピストンのストローク中心位置にて、第１磁
石部材に対向するようにシリンダに植設された第２磁石
部材と、を備えたものである。

【００１３】また、具体的には、圧縮側シリンダ内を摺
動可能なピストンと、膨張側シリンダ内を摺動可能なデ
ィスプレーサと、該ピストン及びディスプレーサが相互
に所定の位相差を持って往復運動するように駆動力を伝
達するクランク軸とを備え、ピストンの往復運動によっ
て作動ガスを圧縮及び膨張させるガス圧縮膨張機におい
て、ピストン本体の外周部分に配設された第１磁石部材
と、ピストンのストローク中心位置にて、前記第１磁石
部材に対向するように圧縮側シリンダ本体に埋設された
第２磁石部材と、を備えている。

【００１４】この構成を用いることにより、クランク軸
に加わる負荷トルクの変動が、第１磁石部材及び第２磁
石部材の磁界作用によって抑えられ、最大負荷トルクを
小さくすることができる。

【００１５】更に、具体的構成として、ピストンに対向
するシリンダ部分及び該ピストン本体を非磁性材料で形
成している。この構成を用いることにより、第１磁石部
材及び第２磁石部材からの磁力を有効に利用することが
できる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明を上述の図７に示す
スターリング冷凍機のピストンに実施した場合につき、
図面に沿って詳述する。尚、該スターリング冷凍機の動
作については従来と同一であるので、説明を省略する。

【００１７】図１は、本発明を適用させたスターリング
冷凍機の概略断面図である。図２ないし図５は、図１装
置の圧縮側シリンダ３部分での動作を説明するための要
部断面図である。図３に示すように、ピストン７はその
本体７１が、非磁性材料であるエポキシ樹脂で構成さ
れ、その本体外周部に第１磁石部材７２が複数個（本実
施の形態例では３個）埋設されている。そして、圧縮側
シリンダ３に対向する、ピストン本体７１の対向部及び
第１磁石部材７２には、その表面にテフロンコーティン
グ（図示せず）が施されており、圧縮側シリンダ３との
摩擦抵抗を小さくしている。

【００１８】また、圧縮側シリンダ３には、ピストン７
がストローク中心に位置するとき、シリンダ本体３１の
第１磁石部材７２に対向する場所に、第１磁石部材と同
極の第２磁石部材３２が複数個（本実施の形態例では３
個）埋設されており、ピストン７が摺接するシリンダ本
体部分３１ａが、非磁性材料であるエポキシ樹脂で構成
されている。

【００１９】そして、圧縮空間１３が位置する圧縮側シ
リンダ上部のシリンダ本体部分３１ｂは、放熱効果を維
持するためステンレスなどの金属材料で構成され、その
外周面には放熱フィン３３が設けられている。また、ピ
ストン７に対向する、シリンダ本体部分３１ａ及び第２
磁石部材３２には、その表面にテフロンコーティング
（図示せず）が施されており、ピストン７との摩擦抵抗
を小さくしている。

【００２０】この第１磁石部材７２及び第２磁石部材３
２の磁界作用によって、ピストン７が下死点位置（θ＝
２７０）からストローク中心（θ＝０）までの上記の
行程（図５参照）では、ピストン７を押し下げる力が加
わり、クランク軸１６に駆動モータの回転方向とは逆の
トルクＴp（この方向のトルクを負に設定）が加えられ
る。次に、ストローク中心（θ＝０）から上死点位置
（θ＝９０）までの上記の行程（図２参照）では、ピ
ストン７を押し上げる力が加わり、クランク軸１６に駆
動モータの回転方向と同じ方向のトルクＴpが加えられ
る。次に、上死点位置（θ＝９０）からストローク中心
（θ＝１８０）までの上記の行程（図３参照）では、
ピストン７を押し上げる力が加わり、クランク軸１６に
駆動モータの回転方向と逆のトルクＴpが加えられる。
そして、ストローク中心（θ＝１８０）から下死点位置
（θ＝２７０）までの上記の行程（図４参照）では、
ピストン７を押し下げる力が加わり、クランク軸１６に
駆動モータの回転方向と同じ方向のトルクＴpが加えら
れる。

【００２１】このため、作動ガスの圧縮及び膨張を行う
上記及びの行程では、クランク軸１６に対して正の
トルクＴpを補助し、一方上記及びの行程では、ク
ランク軸１６に対して負のトルクＴpを補助して、クラ
ンク軸１６に加わる負荷トルクの変動範囲を小さくして
いる。図６に、上記構成を適用した場合のクランク軸１
６に加わる負荷トルク値の変化を表す。この図から明ら
かなように、従来大きな負荷トルクが加わっていた上記
及びの行程において、負荷トルクが低減しているこ
とが分かる。

【００２２】また、上述したように、ピストン７が摺接
するシリンダ本体部分３１ａ及びピストン本体７１を非
磁性材料で形成しているため、第１磁石部材７２及び第
２磁石部材３２による磁力線がシリンダ本体部分３１ａ
及びピストン本体７１を流れ、第１磁石部材７２及び第
２磁石部材３２からの磁力を有効に利用でき、磁界作用
によるクランク軸１６へのトルク補助を効率よく行うこ
とができる。また、ピストン７及び圧縮側シリンダ３の
摺接部分に、それぞれテフロンコーティング７３、３４
を施しているため、ピストン７及び圧縮シリンダ３間で
の摩擦抵抗を減少させ、これらの耐摩耗性を向上させて
いる。

【００２３】更に、圧縮空間１３が形成されている圧縮
側シリンダ３上部のシリンダ本体部分３１ｂを、シリン
ダ本体部分３１ａと同じ非磁性材料で構成せず、伝熱性
の良い金属材料で構成しているため、圧縮行程時に発生
する圧縮熱を素早く外部に放熱させることができる。

【００２４】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。

【００２５】例えば、シリンダ本体部分３１ａ及びピス
トン本体７１をエポキシ樹脂で形成する場合について説
明したが、この他の非磁性材料で形成しても構わない。
また、本発明は、上述したスターリング冷凍機に限ら
ず、ピストンの往復運動によって作動ガスを圧縮及び膨
張させるその他のガス圧縮膨張機に実施できるのは言う
までもない。

【００２６】

【発明の効果】以上述べたとおり本発明によれば、クラ
ンク軸に加わる負荷トルクの変動が、第１磁石部材及び
第２磁石部材の磁界作用によって抑えられ、最大負荷ト
ルクを小さくすることができ、駆動モータなどの動力源
の小型化及び耐久性の向上を図ることができる。このた
め、装置全体の小型軽量化及び高信頼性を実現すること
ができる。

【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装置の圧縮側シリンダ３部分での動作を説
明するための要部断面図である。

【図３】図１装置の圧縮側シリンダ３部分での動作を説
明するための要部断面図である。

【図４】図１装置の圧縮側シリンダ３部分での動作を説
明するための要部断面図である。

【図５】図１装置の圧縮側シリンダ３部分での動作を説
明するための要部断面図である。

【図６】図１装置のクランク軸１６に加わる負荷トルク
の変化図である。

【図７】従来のスターリング冷凍機の概略断面図であ
る。

【図８】スターリング冷凍サイクルの行程を説明する図
である。

【図９】図７装置のクランク軸１６に加わる負荷トルク
の変化図である。

【符号の説明】

１ 本体ハウジング ２ 膨張側シリンダ ３ 圧縮側シリンダ ４ 連絡管 ５ クランク機構 ６ ディスプレーサ ７ ピストン ８，９ オイルシール １０ オイル １１ 膨張空間 １２ クランク室 １３ 圧縮空間 １４ 蓄冷材 １５ コールドヘッド １６ クランク軸 ３１ シリンダ本体３１ ３２ 第２磁石部材 ３３ 放熱フィン ７１ ピストン本体 ７２ 第１磁石部材

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】クランク軸の回転駆動によりピストンをシ
   リンダ内部で往復運動させ、作動ガスを圧縮及び膨張さ
   せるガス圧縮膨張機において、 ピストン本体の外周部分に配設された第１磁石部材と、 ピストンのストローク中心位置にて、前記第１磁石部材
   に対向するようにシリンダ本体に埋設された第２磁石部
   材と、を備えていることを特徴とするガス圧縮膨張機。
2. 【請求項２】圧縮側シリンダと、該圧縮側シリンダ内を
   摺動可能なピストンと、膨張側シリンダと、該膨張側シ
   リンダ内を摺動可能なディスプレーサと、該ピストン及
   びディスプレーサが相互に所定の位相差を持って往復運
   動するように駆動力を伝達するクランク軸とを備え、ピ
   ストンの往復運動によって作動ガスを圧縮及び膨張させ
   るガス圧縮膨張機において、 ピストン本体の外周部分に配設された第１磁石部材と、 ピストンのストローク中心位置にて、前記第１磁石部材
   に対向するように圧縮側シリンダ本体に埋設された第２
   磁石部材と、を備えていることを特徴とするガス圧縮膨
   張機。
3. 【請求項３】ピストンが摺接するシリンダ本体部分及び
   該ピストン本体を非磁性材料で形成したことを特徴とす
   る請求項１または２記載のガス圧縮膨張機。