JPH10238878A - ガス圧縮／膨張機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 装置の系内でガスを循環させ、フィルタ装置
でオイル蒸気などの不純ガスを除去するようにして、駆
動部内のオイルが作動部に侵入しないように防止できる
オイルシール装置を得る。 【解決手段】 駆動部４０と作動部２０、３０との間に
ロッドに付着したオイルを作動部に到達させない長さの
中間室５１を設け、かつ中間室内のオイル蒸気などを含
むガスを導出し、作動部に導入し、ロッド挿通部のクリ
アランスＰ１、Ｐ２を経て中間室に戻し循環するガス循
環路８５を設け、ガス循環路にフィルタ装置８７と一方
向弁８６を順に配し、オイル等を除去し清浄ガスを作動
部に繰返し導入して、圧力的に作動部を中間室より高め
ることにより、中間室内のオイル蒸気などの作動部への
侵入阻止と不純物の能率的排除および装置の信頼性を高
める。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ピストンの往復運
動によりガスを圧縮または膨張させるガス圧縮／膨張機
に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、ガス圧縮／膨張機は、スターリン
グ冷凍機、スターリングエンジン及びレシプロ式コンプ
レッサ等に用いられている。

【０００３】図７は、かかるガス圧縮／膨張機の概略構
成を示している。ガス圧縮／膨張機１００は、作動部１
１０と駆動部１２０とを有し、これらが仕切部１３０に
より区分けされている。作動部１１０には、当該作動部
１１０内を往復動作可能に設けられたピストン１１１が
配設され、また駆動部１２０に設けられたクランク機構
１２１には、コネクティングロッド１２２を介してクロ
スガイド１２３が接続されている。

【０００４】そしてピストン１１１とクロスガイド１２
３は、仕切部１３０を挿通するロッド１４０により連結
されて、クランク機構１２１の回転運動が往復運動に変
換されてピストン１１１に伝達されている。これにより
作動部１１０内の作動ガスがピストン１１１の往復運動
により圧縮又は膨張される。

【０００５】クランク機構１２１はオイル１２４で潤滑
されているが、当該オイル１２４が作動部１１０に侵入
して作動ガスに混入すると圧縮効率等の劣化をもたら
す。このため仕切部１３０には、ロッド１４０に挿嵌す
るシール材１３１が設けられて、当該ロッド１４０と摺
擦することによりロッド１４０に付着しているオイル１
２４を拭い落としている。

【０００６】図８はシール材１３１が配設されている部
分の断面図である。シール材１３１は、シール収納部１
３２に収納され、バックアップ材１３３によりロッド１
４０側に付勢されている。上述したようにシール材１３
１のシール効果は、当該シール材１３１とロッド１４０
との摺擦により付着したオイル１２４を拭い去ることに
より達成されるため、十分にオイル１２４を拭い去るに
は強いバックアップ力でシール材１３１を付勢する必要
がある。

【０００７】しかしこのようなオイル１２４の除去方法
は、長時間使用するとシール材１３１が摩耗してシール
効果が低下する問題があった。

【０００８】また、クロスガイド１２３が上死点に達す
ると、当該クロスガイド１２３は仕切部１３０との距離
が短くクロスガイド１２３に付着しているオイル１２４
が、仕切部１３０に接触し多量に付着し、シール部へ侵
入するようになる。

【０００９】さらに往復運動するクロスガイド１２３に
付着したオイル１２４が、慣性力によりシール材１３１
の方向に飛ばされたり、長時間運転によりクロスガイド
１２３と仕切部１３０との間にオイル１２４が溜り、こ
れがクロスガイド１２３によりシール材１３１の方向に
蹴飛ばされたりする事態が生じる。

【００１０】上述した状況が生じると、ロッド１４０の
往復運動によりオイル１２４は徐々に作動部１１０側に
送り込まれ、遂には作動部１１０に侵入し作動ガスに混
入して、当該ガス圧縮／膨張装置の性能を低下させてし
まう。従って、装置を使用不能にする。即ち装置の寿命
が、これらにより律せられる。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】そこで本発明は、上記
問題を解決してオイルが作動ガスに混入するのを防止
し、これにより信頼性が高く、かつ、寿命の長いガス圧
縮／膨張機を提供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明は、ロッドの一端が接続されたピストンを往復
動作可能に収納する作動部と、当該ロッドの他端に接続
されるクロスガイドを往復動作させる駆動機構を収納す
る駆動部と、前記ロッドが挿通し前記作動部と前記駆動
部とを仕切る仕切部とを有したガス圧縮／膨張機におい
て、前記仕切部の内部に前記ロッドを含んで設けられ、
ロッド軸方向に所定寸法長を有しかつロッド径方向の寸
法が当該ロッドに付着しているオイルの厚みより大きく
形成された中間室と、この中間室内の雰囲気が導出さ
れ、かつ一方向弁を有させた合流管にて合流して前記作
動部に導入され、この作動部と中間室との仕切り壁に設
けたシール材とロッドとのクリアランスを介して中間室
に流入するようにして循環するガス循環路とを設け、こ
のガス循環路の前記合流管に前記中間室内の雰囲気に含
まれるオイル蒸気などの不純ガスを除去するフィルタ装
置を前記一方向弁の上流に位置させて設けたものであ
る。

【００１３】また、ロッドの一端が接続されたピストン
を往復動作可能に収納する作動部と、当該ロッドの他端
に接続されるクロスガイドを往復動作させる駆動機構を
収納する駆動部と、前記ロッドが挿通し前記作動部と前
記駆動部とを仕切る仕切部とを有したガス圧縮／膨張機
において、前記仕切部の内部に前記ロッドを含んで設け
られ、ロッド軸方向に所定寸法長を有しかつロッド径方
向の寸法が当該ロッドに付着しているオイルの厚みより
大きく形成された中間室と、前記中間室と前記作動部と
の間に前記ロッドを含んで設けられ、かつ前記作動部と
一方向弁を介して連絡管により連通するように形成され
た室と、この室に、前記中間室内の雰囲気が導出されか
つ一方向弁を有させた合流管にて合流して前記作動部に
導入後、前記連絡管により流入することにより内部圧が
最大に高まりその圧力に基づき当該室と中間室との仕切
り壁に設けたシール材とロッドとのクリアランスを介し
て中間室に流入するようにして循環するガス循環路とを
設け、このガス循環路の前記合流管に、前記中間室内の
雰囲気に含まれるオイル蒸気などの不純ガスを除去する
フィルタ装置を前記一方向弁の上流に位置させて設けた
ものである。

【００１４】なお上述した中間室のロッド径の方向の寸
法とは、ロッドの表面からの寸法を意味し、オイルの厚
みとはロッドに付着しているオイルの厚みに分布がある
場合には、最大の厚みを意味している。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照して説明する。図１は、本発明にかかるオイルシ
ール装置をディスプレーサ型のスターリング冷凍機に適
用した場合の当該スターリング冷凍機の概略構成図であ
る。なお以下の説明において上下左右の方向を規定する
場合があるが、これらの方向は原則として図１における
方向を示すものとし、その他の場合にはその旨記載する
ことにする。また符号については、例えばクロスガイド
４２（４２ａ，４２ｂ）と記載する場合、番号４２は番
号４２ａ及び４２ｂの夫々を総括する番号とする。

【００１６】スターリング冷凍機１０は、圧縮ピストン
２１を有した圧縮部（作動部）２０、ディスプレーサ３
１を有したディスプレーサ部（作動部）３０及びクラン
ク機構４１を有した駆動部４０とを備え、圧縮部２０と
ディスプレーサ部３０とはガス流路６０で連通されてい
る。

【００１７】そして、圧縮ピストン２１はロッド４９ａ
に接続され、当該ロッド４９ａは仕切部５０ａを挿通し
て駆動部４０のクロスガイド４２ａに接続されている。
同様にディスプレーサ３１はロッド４９ｂに接続され、
当該ロッド４９ｂは仕切部５０ｂを挿通して駆動部４０
のクロスガイド４２ｂに接続されている。

【００１８】なおディスプレーサ３１には蓄冷器３３が
設けられ、当該蓄冷器３３は比熱の大きな材料、例え
ば、銅、鉛、ステンレス鋼の金網状あるいは球からなる
蓄冷材によって構成されている。

【００１９】クロスガイド４２（４２ａ，４２ｂ）は、
クロスガイド案内部４３（４３ａ，４３ｂ）に案内さ
れ、またクロスガイド４２はコネクティングロッド４４
（４４ａ，４４ｂ）を介してクランク機構４１に連結さ
れている。

【００２０】駆動部４０に設けられたクランク機構４１
からの駆動力は、コネクティングロッド４４を介してク
ロスガイド４２に伝達される。この際、２つのコネクテ
ィングロッド４４ａ，４４ｂは、同一の作用点でクラン
ク機構４１から駆動力を受けている。これにより圧縮ピ
ストン２１及びディスプレーサ３１が同期運動するよう
になっている。

【００２１】クロスガイド４２と仕切部５０との間に
は、これらの接触を避けるためにクロスガイド空間４５
（４５ａ，４５ｂ）が設けられている。これにより左端
死点に達したクロスガイド４２ａ上に付着するオイルと
仕切部５０ａ，詳しくは図番５６ａで示す側壁との接触
及び上死点に達したクロスガイド４２ｂ上に付着するオ
イルと仕切部５０ｂ、詳しくは図番５６ｂで示す側壁と
の接触が防止されている。

【００２２】このクロスガイド空間４５におけるロッド
４９軸方向の寸法は、ロッド４９が接続されているクロ
スガイド４２面に付着したオイル４６の厚みより大きく
設定されている。これにより、前記側壁５６ａ、５６ｂ
に多量のオイルが付着しないようになり、これら各側壁
５６ａ，５６ｂに設けているオイルシール部７４ａ，７
４ｂに付着するオイルも少なくすることができる。

【００２３】なお、ディスプレーサ部３０が立設して設
けられていることから、ロッド４９ｂが接続されている
クロスガイド４２ｂの面は略水平面と近似でき、これに
より当該面に付着しているオイル４６の厚みは均一とみ
なすことができる。しかし圧縮部２０は横方向に配設さ
れているので、オイル４６は重力によりクロスガイド４
２ａの下側に集まるようになり、付着しているオイル４
６の厚みに分布が生じる。従って、このような場合のオ
イル４６の厚みは、最も厚い部分をオイル４６の厚みと
する。

【００２４】駆動部４０の下部には、クランク機構４１
を潤滑するオイル４６が溜められるオイル槽４７が設け
られ、圧縮部２０側のクロスガイド空間４５ａとオイル
槽４７とはオイル戻路４８ａにより連通している。また
ディスプレーサ部３０側のクロスガイド４２ｂの側面は
一部切欠きされて、オイル戻空隙４８ｂを形成してい
る。図４における点線領域が切欠きされた領域をしめし
ている。

【００２５】クロスガイド案内部４３ａにオイル戻路４
８ａを設け、クロスガイド４２ｂにオイル戻空隙４８ｂ
を設けたのは以下の理由からである。即ち、本実施の形
態ではディスプレーサ部３０を立てた状態で配設してい
るため、クロスガイド空間４５ｂのオイル４６は重力に
よりオイル戻空隙４８ｂから滴下してオイル槽４７に戻
ることができる。図４の矢印は、この様にして滴下する
オイルの流れを示している。

【００２６】一方、圧縮部２０は横方向に配設されてい
るので、クロスガイド空間４５ａのオイル４６は重力に
よりオイル槽４７に戻ることができない。このためクロ
スガイド案内部４３ａの内部を通るオイル戻路４８ａを
設けて、クロスガイド空間４５ａに溜るオイル４６をオ
イル槽４７に戻すようにしている。

【００２７】なお、オイル戻空隙の形状は、図４に示し
たものに限られず、クロスガイド４２ｂの側面を溝堀等
したものであってもよく、またクロスガイド案内部を溝
堀等したものであってもよい。

【００２８】上述したように、クロスガイド空間を設
け、またオイル戻し路を設ける構造とすることで、オイ
ルシール部７４ａ、７４ｂに付着するオイルを減らせる
ので、ロッドの往復運動による作動部へのオイル送り込
み量が少なくでき、装置の寿命を長くすることができ
る。そしてまたこの構造により、当該オイルシール部７
４ａ、７４ｂをロッドに４９に付勢することなく、オイ
ルシール部とロッド４９との間にクリアランスが存在す
る場合、あるいはオイルシール部が摩耗してクリアラン
スが発生した場合であっても、当該クリアランスにより
ロッド４９に付着しているオイル４６は、油膜程度まで
除去されて実用上問題となることはない。

【００２９】しかし、装置の構成として、オイルシール
部に作動ガス室の圧力変動が加わる。この場合、オイル
シール部のクリアランスが大きいとオイルが作動ガス室
に流入しやすくなる。

【００３０】そこで、仕切部５０の内部には、作動部で
生じる圧力変動が吸収できるように、また、例え侵入し
たオイルがあっても、作動部に到達するのに距離があっ
て困難となるように、ロッド４９（４９ａ，４９ｂ）を
含むように中間室５１（５１ａ，５１ｂ）を設けてい
る。

【００３１】ここで、中間室５１はそのロッド軸４９方
向の寸法がロッド４９のストローク長より長く形成され
るものであると、ロッド４９に付着しているオイルの先
端が（圧縮部側およびデイスプレーサ部側に最も接近し
ている地点）が、中間室の作動部側の仕切り壁５８ａ、
５８ｂに接触することができないので、オイルの侵入阻
止効果は高いものになる。

【００３２】また、中間室５１のロッド４９の径方向の
寸法は、ロッドに残留したオイル４６が中間室の筒面と
接触しないように設定されている。これにより、中間室
５１内のロッド４９と筒面との間を付着しているオイル
が、毛細管現象により伝い、仕切り壁５８ａ、５８ｂに
達するのを防止している。

【００３３】また、このように設けた中間室５１により
オイルの侵入を防ぐようにしているが、オイル侵入の要
因となるオイルシール部７４ａ、７４ｂへかかる変動圧
をより減少させ、また装置が多量のオイルを使用する場
合にオイル侵入の阻止効果を上げられるように、中間室
５１と駆動部４０との間に前室７１ａ、７１ｂを設ける
ようにしている。オイルシール部７４ａ、７４ｂおよび
仕切り壁部５６ａ、５６ｂに多量のオイルが付着しない
ようにするには、クロスガイド空間４５を大きく取るこ
とが考えられるが、これだと駆動部が大きくなり装置が
大型化する問題が有る。そこで前室５１を設けて、クロ
スガイド空間を大きく取ったと等価的な構造にし、中間
室５１へのオイル侵入を防止できるようにしたガス／圧
縮膨張装置にとなっている。

【００３４】そして、前記駆動部４０と前室７１との間
の仕切り壁５６（５６ａ、５６ｂ）には、オイルシール
部７４（７４ａ、７４ｂ）が設けられている。同じよう
に前室７１と中間室５１との間の仕切り壁５７（５７
ａ、５７ｂ）にもオイルシール部７５（７５ａ、７５
ｂ）が、さらに中間室５１と作動部２０、３０との間の
仕切り壁５８（５８ａ、５８ｂ）には、ガスシール部７
６（７６ａ、７６ｂ）が設けられている。

【００３５】そしてこれらＰＴＦＥ（ポリテトラフロー
ラエチレン）等の部材からなるオイルシール部７４、７
５およびガスシール部７６は、ロッド４９と摺擦して当
該ロッド４９に付着しているオイル４６を拭い落として
いる。

【００３６】このように、作動部２０、３０と駆動部４
０との間に、中間室５１があり、さらに前室７１が加わ
るというものであれば、駆動部４０からロッドに付着し
て作動部２０、３０側へと侵入するオイルは、ロッドの
ストロークより長い中間室５１の端にまで達せず、また
作動部２０、３０で生じる圧力変動は、中間室５１、前
室７１と二つの部屋の存在で減衰し、オイルシール部７
４には大きな変動圧がかからないようになり、オイルシ
ール部７４を通してのオイル侵入を防止するのに有効で
ある。また、侵入しようとするオイルに対し、各室の境
界部にある仕切り壁５６（５６ａ、５６ｂ）、仕切り壁
５７（５７ａ、５７ｂ）は、その妨害壁の作用を果た
し、重畳的に止められるのでオイルの侵入を少なくでき
る。

【００３７】そして、オイルがロッド４９に付着して、
オイルシール部７４とロッド４９とのクリアランスを通
り、前室７１に侵入して溜ることとなっても、仕切り壁
５６に形成したオイル戻し孔６１（６１ａ、６１ｂ）か
ら、その溜ったオイルはオイル槽４７に戻るようにして
いる。また、仕切り壁５６には空気孔６２（６２ａ、６
２ｂ）を形成して、両室間の圧力を均圧にして、オイル
の逆流を防止している。

【００３８】さて、こうした中間室５１を設けたり、更
に前室７１を設置し、そしてシール部７４、７５、７６
を何段にも配した措置を施したとしても、微量ではある
が中間室５１にはオイル蒸気等の不純ガスが含まれる。

【００３９】こうして、中間室５１にオイル蒸気等の不
純ガスが含まれる場合は、当該オイル蒸気等の不純ガス
が、ガスシール部７６とロッド４９とに間のクリアラン
スＰ１、Ｐ２により、作動部（圧縮部２０またはディス
プレーサ部３０）に侵入する。かかるオイル蒸気等の不
純ガスの侵入は、作動部２０、３０の圧力と中間室５１
との圧力変動差を原因として生じる。

【００４０】すなわち、作動部２０、３０と、中間室５
１および駆動部４０には、図３に示すような圧力変動が
生じており、そして作動部２０、３０でピストン２１又
はディスプレーサ３１より作動ガスが圧縮／膨張される
に伴い、当該作動部２０、３０内の圧力は周期変動して
いる。

【００４１】このため、一時的に中間室５１の圧力が作
動部２０、３０の圧力より高くなる時間帯が発生し、当
時間帯では中間室５１におけるオイル蒸気等の不純ガス
が作動部に向けて流動するようになる。

【００４２】本発明は、このような圧力差に基づくオイ
ル蒸気等の不純ガスが作動部に侵入しないようにするの
を、シール装置の強化などの対策とは、発想を転換し、
オイル蒸気等の不純ガスを作動部に循環して流すような
ガス循環を行わせることにより、作動部の方が中間室よ
り高い圧力状態を作り出して、作動部への不純ガスの侵
入を阻止し、その不純ガスに含まれているオイル蒸気な
どの不純物は、ガス循環路の過程に設けたフィルター装
置で除去するという方策を採用し、これによりオイル蒸
気などの不純ガスが作動部へ混入しないようにしたもの
である。

【００４３】そこで、ディスプレサー部３０側の中間室
５１ｂに連通させて、この中間室５１ｂのオイル蒸気等
の不純ガスを引き出すガス引出路８１を設ける。そし
て、圧縮部２０側の中間室５１ａとディスプレサー部３
０側の中間室５１ｂとは、ガス連絡路８２で連絡し、中
間室５１ａ内のオイル蒸気等の不純ガスも、中間室５１
ｂ内のオイル蒸気等の不純ガスと一緒になって、ガス引
出路８１から導出されるようにしている。

【００４４】また、運転の当初、クランクを駆動するよ
うに駆動したモータの温度変化に伴い、駆動部４０内の
圧力が上昇し、ディスプレサー部３０との間に圧力差が
生じるので、その圧力差をなくすための引出路８３が、
駆動部４０からディスプレサー部３０に連通するように
導出されている。

【００４５】そして、ガス引出路８１と引出路８３は合
流して、共通ガス路８４で、ディスプレサー部３０に接
続し連通させる。その結果、これらガス引出路８１と引
出路８３および共通ガス路８４が、中間室または駆動部
を介して環状につながるようになる。そして中間室の雰
囲気あるいは駆動部の雰囲気は、ディスプレサー部３０
と中間室５１ｂとの間の仕切り壁５８ｂに設けたシール
部７６ｂがロッド４９ｂとの間に作るクリアランスＰ２
を介して環状に循環することが可能となり、中間室５１
ａ，５１ｂ内にあるオイル蒸気等の不純ガスが、ディス
プレサー部３０に送られて循環するガス循環路８５が形
成される。

【００４６】そして、ガス循環路８５のうちの前記共通
ガス路８４には、ディスプレサー部３０内の圧力が、中
間室５１および駆動部４０内の圧力より小さい時に、弁
を開放するように作動する一方向弁（逆止弁）８６が設
けれられると共に、その上流位置に不純ガス中のオイル
など、不純物を吸着除去するフィルタ装置８７が配設さ
れている。ここで、フィルタ装置８７を構成し、オイル
蒸気などを吸着する吸着材としては、活性炭やシリカゲ
ルなどが適用できる。

【００４７】なお、中間室５１内のオイル蒸気などを引
出し循環させるのに、実施例では中間室から直接導出し
たガス引出路８１によるものとしているが、このガス引
出路８１を無くし、駆動部４０からの引出路８３がある
構造であっても、ガスの循環路を中間室５１、駆動部４
０、引出路８３、フィルタ装置８７、一方向弁８６、作
動部２０、３０、中間室５１とつながって作れるので、
これによりガス循環をさせることも可能である。

【００４８】また、引出路８３が無く、ガス引出路８１
が有るだけの構成のものでも、ガス循環をさせて、装置
内に存在するオイル蒸気などの不純ガスを除去すること
も可能である。

【００４９】次に上記のように構成されている本実施例
のスターリング冷凍機１０の動作を説明する。

【００５０】本実施例のスターリング冷凍機１０は、図
示省略する駆動モータの回転によってクランク機構４１
から圧縮ピストン２１及びディスプレーサ３１に駆動力
が伝達される。

【００５１】このとき圧縮ピストン２１とディスプレー
サ３１とが夫々直交して配設されているので、圧縮部２
０側のコネクティングロッド４４ａが略水平になるとき
は、圧縮ピストン２１は殆ど動かないが、ディスプレー
サ３１は最も大きく動くようになる。逆にディスプレー
サ部３０側のコネクティングロッド４４ｂが略垂直にな
るときは、ディスプレーサ３１は殆ど動かないが、圧縮
ピストン２１は最も大きく動くようになる。このように
圧縮ピストン２１とディスプレーサ３１とは位相がずれ
て同期運動している。

【００５２】こうして、圧縮ピストン２１が左端死点か
ら右端死点に移動するときは、圧縮部２０の作動空間２
２内の作動ガスは圧縮ピストン２１により等温圧縮され
る。

【００５３】この間、ディスプレーサ３１は上動し、上
死点に達した後に下動する。ディスプレーサ３１の上動
にともない圧縮された作動ガスは、ガス流路６０を介し
てディスプレーサ部３０側に送られ、ディスプレーサ３
１が下動すると作動ガスは蓄冷器３３を通過し当該蓄冷
器３３に放熱して膨張空間３２に送られる。

【００５４】ディスプレーサ３１が下死点に達するに従
い、圧縮ピストン２１は右端死点から左端死点に移動
し、作動ガスは膨張して降温する。この時の膨張過程は
等温膨張過程であるため、膨張により降温しただけ外部
の熱を吸熱する。即ち、冷却することができる。

【００５５】圧縮ピストン２１が、左端死点に近づくに
従い、ディスプレーサ３１は上動を始め、作動ガスはデ
ィスプレーサ３１を通過し、蓄冷器３３から吸熱して１
サイクルが終了する。

【００５６】上記サイクルを行うようなスターリング冷
凍機１０において、従来は中間室に含まれるオイル４６
が蒸気となって存在するとき、シール材７６とロッド４
９とのクリアランスＰ１、Ｐ２を通過して、圧縮部２０
やディスプレーサ部３０に侵入していた。そしてこのよ
うに作動部２０、３０に作動ガスに混入すると冷却効率
が低下するのである。

【００５７】そこで、その防止対策として、駆動部から
のオイル侵入を減らすことで、基本的に中間室にオイル
を極力存在させないようすることを図り、駆動部４０に
クロスガイド空間４５をとって、クロスガイド４２に付
着しているオイルが仕切り壁５６に触れるのを少なくし
たり、また中間室５１を設け、その長さをロッド４９の
ストローク長より長く設定し、当該ロッド４９に付着し
ているオイル４６が当該中間室５１の仕切り壁５８（５
８ａ，５８ｂ）に接しないような大きさにするなどの手
段を構じている。

【００５８】このようなオイル侵入防止策の他に、本発
明では作動部と中間室あるいは駆動部との間で、外部の
経路を経由して装置内のガスを循環させるように図り、
中間室等の雰囲気に含まれるオイル蒸気などの不純ガス
を除去し、作動部に侵入するのを確実に防止できるよう
に試みている。

【００５９】すなわち、スターリング冷凍機１０が運転
される時、その作動部３０は図３に示すように圧力変動
し、中間室と駆動部は略同一の圧力特性となる。ここ
で、運転当初に、作動部３０が中間室５１より圧力が低
くなる状態の時に、一方向弁（逆止弁）８６が開放す
る。そのため、中間室５１内のガス及び駆動部４０内の
ガスが作動部３０に送り込まれる。そしてその作動部３
０が中間室５１より圧力が低くなる度毎に、ガスが作動
部３０に間欠的に送り込まれるようになる。

【００６０】その結果、運転当初の短い時間内に、図２
に示すように、作動部３０内の圧力Ａが中間室５１ｂ
（バッファ室として作用する駆動部４０も中間室５１ｂ
と同圧状態である）内の圧力Ｂより高い状態であって、
かつ周期的に変動する圧力状態になる。

【００６１】こうして、作動部３０内の圧力Ａが、中間
室５１ｂ等の圧力Ｂより圧力が大きくなる（圧力Ａ＞圧
力Ｂ）ため、シール材７６ｂのある部分のクリアランス
Ｐ２を通して、作動部３０側から中間室５１ｂ側にガス
が流れる。そして、その通過量に相当する量のガスが、
一方向弁（逆止弁）８６を開かせて、中間室５１ｂ内に
あるオイル蒸気などの不純ガスは導出されて、再びガス
共通路８４を通って、作動部３０に流入するように循環
する。また、運転当初に生じる駆動部４０内に圧力差
は、引出路８３および一方向弁８６のあるガス共通路８
４を通じて、ディスプレーサ部３０に連通し、圧力差は
吸収され、平衡するようになる。

【００６２】そして、この循環の過程で、ガスに蒸気と
して含まれているオイルは、フィルタ装置８７を構成し
ている活性炭やシリカゲルによって吸着除去される。こ
れによって、ガスが循環しても作動部（ディスプレーサ
部）３０の作動ガスを汚染することも無い。よって、作
動部（ディスプレーサ部）３０には清浄なガスが入り込
み、作動ガスに中間室５１の雰囲気に含まれておるオイ
ル蒸気などの不純ガスが混入しないようにすることがで
きる。また、シール材７６ｂを通し、そのクリアランス
Ｐ２を経て、作動部（ディスプレーサ部）３０から中間
室５１に戻るように流れるガスは、既にオイルフィルタ
装置８７で清浄化されているので、問題は無い。

【００６３】なお、この実施例において、ガスが循環の
ために、作動部２０、３０から中間室５１の方へ流れる
際にその仕切り部に設けているガスシール部７６ａ、７
６ｂがロッド４９との間に作るクリアランスを通るもの
となっているが、このガスシール部として、取付け当初
からロッド４９とクリアランスのある非接触シール部を
用いるような構成のものであってもよい。

【００６４】図５は、他の実例に係るもので、先の実施
例では作動部を中間室や駆動部より圧力的に大きくする
ことにより、ガス循環をさせるようにしたものである
が、このガス循環をより促進できるように、ガス循環路
に別途、高圧室を作るようにした改良例である。この実
施例につき説明するが、第１の実施例のものと構成をほ
とんど同じくするので、同等部分についての説明は割愛
し、新規な異なる構成部分にといきつき説明する。

【００６５】ディスプレーサ部（作動部）３０と連絡管
９０で連通し、中間室５１ｂあるいは駆動部４０からの
空気がガス共通路８４から作動部３０に入り込んだら、
さらにその作動部３０から出て流入するようにした室９
１を、仕切り部５０ｂ内に設ける。この室９１は仕切り
部５０ｂ内で、中間室５１ｂと作動部３０（ディスプレ
ーサ部）との間の位置に形成される。そして、この室９
１を間にした両側の仕切り壁９２ｂ，９３ｂには、ロッ
ド４９と挿嵌するように、ＰＴＥＦ等の部材からなるガ
スシール部９４ｂと９５ｂを設置する。また、前記連絡
管９１には、作動部３０からこの室９１へと一方向に空
気を流させるようにするために、一方向弁（逆止弁）９
６を設ける。このように形成したガス循環路９７を設け
る。

【００６６】このようにガス循環路９７を形成した設け
たこの室９１は、スタリーング冷凍機の運転の当初に、
作動部３０が中間室５１より圧力が低い時期に空気が送
り込まれる結果、内部の圧力が徐々に上昇しついには最
大に上昇する最高圧力室となる。

【００６７】図６は上述したような中間室５１および駆
動部４０からの空気が、作動部３００を経て最高圧力室
９１に送り込こまれて、圧力が平衡した際の中間室５
１、作動部３０および最高圧力室９１の圧力を示す。す
なわちＡは作動部の圧力値、Ｂは中間室の圧力値、そし
てＣは室９１の圧力値である。

【００６８】この圧力図から理解されるように、中間室
５１ｂより作動部３０の方が圧力が高くなり（圧力Ａ＞
圧力Ｂ）、作動部５１ｂより更に室９１のほうが圧力が
高くなる（圧力Ｃ＞圧力Ａ）。その結果、最高圧力室９
１に行き届いた空気は、そこより圧力の低い中間室５１
ｂ側へと向けて、その部分のガスシール部９２ｂがロッ
ド４９ｂとの間に作るクリアランスを介して矢印に示す
ように流れる。

【００６９】こうして中間室５１ｂへと流れる分量に応
じた空気が、再びガス共通路８４にある一方向弁（逆止
弁）８６を開放して、作動部３０、連絡路９０、最高圧
力室９１というようにガス循環路９７を循環する。そし
て、この循環過程で、中間室５１ｂ内の雰囲気に含まれ
ているオイル蒸気などの不純ガスは、フィルタ装置８７
により吸着除去される。

【００７０】なお、最高圧力室９１から作動部３０に、
その部分のシール材９５ｂがロッドとの間に作るクリア
ランスを経て逆戻りするような矢印に示す空気の流れが
生じるが、最高圧力室９１に流入する空気は、既にフィ
ルタ装置８７を通過した清浄な空気なので、作動部３０
に戻っても作動部３０を汚染することはない。

【００７１】また、圧縮部２０側においても、前述のデ
ィスプレーサ部３０側の最高圧力室９１と連通路９８で
連絡して、同一の圧力状態になる最高圧力室９９を設け
ている。その最高圧力室９９も中間室５１ａと作動部
（圧縮部）２０と間の位置に形成され、かつその室９９
を間にした両側の仕切り壁９２ａ、９３ａに、ロッド４
９ａと挿嵌するように、ＰＴＥＦ等の部材からなるシー
ル材９４ａ、９５を設置するというディスプレーサ部３
０側と同等の構成になっている。

【００７２】従って、連通路９８を通じて、室９９にも
清浄空気が流入し、その室内圧は圧縮部２０および中間
室５１ａより圧力が高い最高圧力室９９になり、ガスシ
ール部のクリアランスを経て、室９９から中間室５１ａ
に空気が流れ、その流量分の空気（ガス）が中間室５１
ａから連通路８２およびディスプレーサ部３０側の中間
室５１ｂを通じて導出され、一方向弁（逆止弁）８６、
９６を開放してガス循環路９７を同じように循環し、そ
の途中でフィルタ装置８７で中間室内の雰囲気に蒸気と
して含まれているオイルなどの不純物が確実に除去され
る。こうして、圧縮部２０側にもオイルを混入させない
ようにしている。また、最高圧力室９９から矢印のよう
に流れて作動部（圧縮部）２０側に戻る空気は、前述し
たと同様に清浄な空気なので、問題はない。

【００７３】なお、この実施例においても、ガスが循環
のために、最高圧力室９１、９９から中間室５１の方
へ、あるいは作動部２０、３０の方へ流れる際にその仕
切り部に設けているガスシール部９４、９５がロッドと
の間に作るクリアランスを通るものとなっているが、こ
のガスシール部として、取付け当初からロッドとクリア
ランスのある非接触シール部を用いるような構成のもの
であってもよい。

【００７４】このように、中間室内にオイルが蒸気とし
て存在するような場合も、そのオイル蒸気等の不純ガス
をその中間室から外部に導出し、作動部に流入して再び
循環するようなガス循環路を設けて、そのガス循環路の
途中に設けたフィルタ装置により、オイル蒸気など不純
ガスの除去を行えるようにうようにしたので、スタリー
ング冷凍機の運転時に、これら装置内のオイル蒸気など
の不純物を自動的にかつ連続的に除去することが可能
で、これにより効率的にオイル蒸気などの不純ガスの作
動部への侵入を阻止できるようになって、ガス圧縮／膨
張装置の信頼性を維持することができる。

【００７５】なお上記説明においては、ディスプレーサ
部側の中間室、作動部および最高圧力室を環状につなぐ
ようにガス循環路を設けるものとしたが、圧縮分側にこ
のようなガス循環路を設けるようにしても良い。

【００７６】さらに、オイル蒸気を含んだガスを装置系
内で循環し、その循環系内にオイルフィルタ装置でをオ
イルを除去する構成をディスプレーサ型のスターリング
冷凍機に適用した場合について説明したが、本発明はこ
れに限定されるものでなく、膨張ピストン型のスターリ
ング冷凍機、スターリングエンジン及びレシプロ式コン
プレッサ等に用いてもよい。

【００７７】

【発明の効果】本発明によると、中間室などのガスを中
間室より直接あるいは駆動部を経由させて作動部に導入
し、作動部からロッドの挿通するクリアランスを経て中
間室に戻し循環させるガス循環路を形成し、かつガス循
環路にフィルタ装置を配し、作動部には中間室内のガス
に含まれているオイル蒸気など不純物を除去した清浄な
ガスを送り込んで、中間室に対し圧力的に作動部を高く
するようにしたので、中間室内のオイル蒸気など不純ガ
スが中間室側から作動部へと侵入しないように阻止する
ことができる。そして、装置の運転に伴い、蒸気として
含まれるオイルなど、作動部に侵入すると信頼性を低下
させてしまう不純物は自動的にかつ効率的に排除するこ
とができる好便なものとなり、装置の寿命を長くするこ
とができる。

【００７８】また、作動部に導入したガスがさらに送り
込まれて、圧力が高くなる室を別設し、その室が最高圧
力室となって、ガスの循環を促進できるようなガス循環
路を設けたので、中間室あるいは駆動部内に雰囲気に含
まれるオイル蒸気などの不純ガスなどの除去機能は一層
高まり、作動部への不純ガスの侵入を阻止する効果は更
に向上し、長時間に亘って極めて高い運転信頼性が得ら
れるガス圧縮／膨張装置となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかるオイル蒸気などの不純ガス除去
のためのガス循環路を持つガス圧縮／膨張機をスターリ
ング冷凍機に適用したときの概念構成図である。

【図２】ガス循環が行われるときの中間室と作動室の圧
力変動を示す図である。

【図３】ガス圧縮／膨張装置の運転時の中間室、作動室
及び駆動室の圧力変動を示す図である。

【図４】オイル戻空隙を説明するためのクロスガイドの
部分斜視図である。

【図５】ガス循環系路中に作動部から更にガスが送り込
まれる最高圧力室を設け、ガス循環を促進し、オイル蒸
気などの不純物除去能力を高めるようにした構成の別の
実施例に係るガス圧縮／膨張機をスターリング冷凍機に
適用したときの概念構成図である。

【図６】上記図５に示すガス圧縮／膨張機においてガス
の循環が行われるときの中間室と作動室と最高圧力室の
圧力変動を示す図である。

【図７】従来の技術の説明に適用されるガス圧縮／膨張
機の概念構成図である。

【図８】シール材のシール効果を説明するための部分断
面図である。

【符号の説明】

２０ 圧縮部（作動部） ２１ ピストン ３０ ディスプレーサ部（作動部） ３１ ディスプレーサ ３３ 蓄冷器 ４０ 駆動部 ４２（４２ａ，４２ｂ） クロスガイド ４５（４５ａ，４５ｂ） クロスガイド空間 ４６ オイル ４９（４９ａ，４９ｂ） ロッド ５０（５０ａ，５０ｂ） 仕切部 ５１（５１ａ，５１ｂ） 中間室 ５８（５８ａ、５８ｂ） 仕切り壁 ７１（７１ａ，７１ｂ） 前室 ７６、９４、９５（７６ａ、７６ｂ、９４ａ、９４ｂ、
９５ａ、９５ｂ） ガスシール部 ８１ ガス導出管 ８４ 合流管 ８５、９７ ガス循環路 ８６、９６ 一方向弁（逆止弁） ８７ フィルタ装置 ９０ 連絡路 ９１、９２ 室（最高圧力室） ９２（９２ａ、９２ｂ）、９３（９３ａ、９３ｂ） 仕
切り壁 Ｐ１、Ｐ２ クリアランス

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ロッドの一端が接続されたピストンを往
   復動作可能に収納する作動部と、当該ロッドの他端に接
   続されるクロスガイドを往復動作させる駆動機構を収納
   する駆動部と、前記ロッドが挿通し前記作動部と前記駆
   動部とを仕切る仕切部とを有したガス圧縮／膨張機にお
   いて、 前記仕切部の内部に前記ロッドを含んで設けられ、ロッ
   ド軸方向に所定寸法長を有しかつロッド径方向の寸法が
   当該ロッドに付着しているオイルの厚みより大きく形成
   された中間室と、 この中間室内の雰囲気が導出され、かつ一方向弁を有さ
   せた合流管にて合流して前記作動部に導入され、この作
   動部と中間室との仕切り壁に設けたシール材とロッドと
   のクリアランスを介して中間室に流入するようにして循
   環するガス循環路とを設け、このガス循環路の前記合流
   管に前記中間室内の雰囲気に含まれるオイル蒸気などの
   不純ガスを除去するフィルタ装置を前記一方向弁の上流
   に位置させて設けたことを特徴とするガス圧縮／膨張
   機。
2. 【請求項２】 ロッドの一端が接続されたピストンを往
   復動作可能に収納する作動部と、当該ロッドの他端に接
   続されるクロスガイドを往復動作させる駆動機構を収納
   する駆動部と、前記ロッドが挿通し前記作動部と前記駆
   動部とを仕切る仕切部とを有したガス圧縮／膨張機にお
   いて、 前記仕切部の内部に前記ロッドを含んで設けられ、ロッ
   ド軸方向に所定寸法長を有しかつロッド径方向の寸法が
   当該ロッドに付着しているオイルの厚みより大きく形成
   された中間室と、 前記中間室と前記作動部との間に前記ロッドを含んで設
   けられ、かつ前記作動部と一方向弁を介して連絡管によ
   り連通するように形成された室と、 この室に、前記中間室内の雰囲気が導出されかつ一方向
   弁を有させた合流管にて合流して前記作動部に導入後、
   前記連絡管により流入することにより内部圧が最大に高
   まりその圧力に基づき当該室と中間室との仕切り壁に設
   けたシール材とロッドとのクリアランスを介して中間室
   に流入するようにして循環するガス循環路とを設け、 このガス循環路の前記合流管に、前記中間室内の雰囲気
   に含まれるオイル蒸気などの不純ガスを除去するフィル
   タ装置を前記一方向弁の上流に位置させて設けたことを
   特徴とするガス圧縮／膨張機。