JPH11101521A

JPH11101521A - ガス圧縮／膨張機

Info

Publication number: JPH11101521A
Application number: JP26399097A
Authority: JP
Inventors: Tatsuya Hirose; 達也廣瀬; Kenji Taguchi; 賢治田口; Hiroshi Sekiya; 弘志関谷
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 1997-09-29
Filing date: 1997-09-29
Publication date: 1999-04-13

Abstract

(57)【要約】【課題】装置全体を軽量化したガス圧縮／膨張機を提
供する。【解決手段】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、その筐体の少なくとも一部を１．５
重量％以上の炭素を含む鉄で構成する。

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／膨張機に関し、特に、そ
の装置本体の構造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】図４は、従来のガス圧縮／膨張機の概略構
成を示している。ガス圧縮／膨張機１００は、圧縮ピス
トン１５１を備えた圧縮部１５０と、ディスプレーサ１
３１を備えた膨張部１３０と、クランク機構１２１を備
えた駆動部１２０等を有し、圧縮部１５０と膨張部１３
０とは、ガス流路１６０で連通されている。

【０００４】また、圧縮部１５０は、圧縮ピストン１５
１を収納する圧縮シリンダ１５２と、圧縮シリンダ１５
２の頭部側（図４において左側）に設けられた圧縮空間
１５３と、圧縮シリンダ１５２の外側面に設けられて圧
縮により発生した作動ガスの熱を外部に放熱する放熱フ
ィン１５４と、圧縮シリンダ１５２の駆動部１２０側に
配設された隔壁１５５と、圧縮ピストン１５１と圧縮シ
リンダ１５２とにより形成されるバッファ空間１５６
と、隔壁１５５を挿通して圧縮ピストン１５１に駆動力
を伝達する圧縮ピストンロッド１５８等を有している。

【０００５】膨張部１３０は、ディスプレーサ１３１を
収納する膨張シリンダ１３２と、膨張シリンダ１３２の
頭部側（図４において上側）に設けられた膨張空間１３
４と、ディスプレーサ１３１に駆動力を伝達する膨張ピ
ストンロッド１３５と、ディスプレーサ１３１内に設け
られた蓄冷材１３３等を有して、膨張シリンダ１３２の
頭部にコールドヘッド１１２が取り付けられている。

【０００６】駆動部１２０は、クランク機構１２１等を
潤滑するためのオイルを貯留する貯留槽１２２と、クラ
ンク機構１２１及び圧縮ピストンロッド１５８と連結さ
れたコネクティング１２３と、クランク機構１２１及び
ディスプレーサロッド１３５と連結されたコネクティン
グロッド１２４等を有している。

【０００７】以上の構成で、クランク機構１２１が回動
することにより、回動力がコネクティングロッド１２
３、１２４等を介して圧縮ピストン１５１及びディスプ
レーサ１３１に伝達される。

【０００８】このとき、２つのコネクティングロッド１
２３、１２４は、同一の作用点でクランク機構１２１か
ら駆動力を受けているので、圧縮ピストン１５１はディ
スプレーサ１３１より略９０度位相がずれて往復運動す
るようになっている。

【０００９】そして、圧縮ピストン１５１が右端死点か
ら左端死点に移動すると、圧縮空間１５３内の作動ガス
は等温圧縮される。この間、ディスプレーサ１３１は下
動し、下死点に達した後、上動するようになる。ディス
プレーサ１３１の上動に伴い圧縮された作動ガスは、ガ
ス流路１６０を介してディスプレーサ部１３０側に送ら
れ、ディスプレーサ１３１が下動すると作動ガスは蓄冷
材１３３を通過し蓄冷材１３３と熱交換して膨張空間１
３４に送られる。

【００１０】ディスプレーサ１３１が下死点に達するに
従い、圧縮ピストン１５１は左端死点から右端死点に移
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、コールドヘッド１１２を介し
て冷凍負荷（図示せず）から熱を奪うようになる。

【００１１】圧縮ピストン１５１が右端死点に近づくに
従い、ディスプレーサ１３１は上動を始め、作動ガスは
ディスプレーサ１３１を通過し、蓄冷材１３３から吸熱
して１サイクルが終了する。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来構成では作動ガスが封入されている圧縮部１５０、膨
張部１３０、駆動部１２０等の筐体をステンレス鋼等で
構成する場合が多く、そのため装置全体の重量が大きく
なり、その運搬作業や取り扱い作業が極めて困難であっ
た。

【００１３】また、圧縮部１５０と、ディスプレーサ部
１３０と、駆動部１２０とがそれぞれ三角形の頂点位置
に配設され、且つ、圧縮ピストン１５１とディスプレー
サ１３１との位相が略９０度ずれるようにするために当
該三角形は略直角三角形となっている。このため、圧縮
部１５０等を小型化してもガス圧縮／膨張機が占有する
空間が大きくなり、装置が大型化する問題があった。

【００１４】さらに、圧縮された作動ガスの熱を外部に
放熱する放熱フィン１５４は、ガス流路１６０等に直接
設けられておらず、効率的な放熱が行えなかった。加え
て、別途外部に配管されているガス流路１６０に直接放
熱フィンを配設する場合には装置全体が占有する空間が
大きくなる問題があった。

【００１５】本発明は斯かる点に鑑みてなされたもので
あって、装置全体を小型、軽量化すると共に、加えて、
効率的な放熱を行え、且つ、装置の占有空間を小さくし
たガス圧縮／膨張機を提供することを目的とする。

【００１６】

【課題を解決する為の手段】本発明は、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、その筐体の
少なくとも一部を１．５重量％以上の炭素を含む鉄で構
成したこと特徴とする。この構成を用いることにより、
装置全体の軽量化を実現することができる。

【００１７】そして、前記筐体を、シリコン、硫黄、マ
ンガン、リン及び銅のいずれか１種以上の成分を含む鉄
で構成しても良く、更には、１．５乃至７．０重量％の
炭素と、０．７乃至４．０重量％のシリコンと、０．２
重量％以下の硫黄と、０．１乃至１．５重量％のマンガ
ンと、１．５重量％以下のリンと、２重量％以下の銅と
を含む鉄で構成するのが好ましい。この構成を用いるこ
とにより、作動ガスを圧縮又は膨張させるガス圧縮／膨
張機の筐体として必要とされる性能を確実に維持しつ
つ、装置全体の軽量化を実現することができる。

【００１８】また、前記作動ガスとしてヘリウムを用い
ても良い。この構成を用いることにより、作動ガスとし
てフロン冷媒を使用しないノンフロン冷凍機を実現する
ことができる。

【００１９】更に、クランク軸の回転駆動によりピスト
ン又はディスプレーサをシリンダ内部で往復運動させ、
作動ガスを圧縮及び／又は膨張させるガス圧縮／膨張機
で構成しても良い。

【００２０】そして、駆動部と、該駆動部から圧縮ピス
トンロッドを介して駆動力を受ける圧縮ピストンが、圧
縮シリンダ内に往復自在に配設されて、該圧縮シリンダ
内に形成された圧縮空間の作動ガスを圧縮する圧縮部
と、前記駆動部から膨張ピストンロッドを介して駆動力
を受ける膨張ピストン又はディスプレーサが、膨張シリ
ンダ内に往復自在に収納されて、作動ガスを膨張させる
膨張部とを備え、前記圧縮シリンダに前記膨張ピストン
ロッドが挿通する挿通孔を前記圧縮ロッドと並設して形
成し、前記圧縮部と前記膨張部とを同一方向に配設した
ガス圧縮／膨張機で構成しても良い。この構成を用いる
ことにより、圧縮部と膨張部とを同一方向に配設して装
置の占有空間の縮小化を図ることができる。

【００２１】また、前記駆動部及び圧縮部の外装部分
を、１．５重量％以上の炭素を含む鉄で構成しても良
い。この構成を用いることにより、冷凍性能に影響を及
ぼす膨張部での熱勾配を維持しながら、装置全体の軽量
化を図ることができる。

【００２２】さらに、前記挿通孔が内側に位置するよう
に前記圧縮部と膨張部とを連通する環状のガス流路を、
前記圧縮シリンダ外周部に形成しても良い。この構成を
用いることにより、別途外部に配管することなく、圧縮
シリンダ外周部を利用してガス流路を形成することがで
き、装置全体の占有空間を小さくすることができると共
に、ガス流路を通過する作動ガスの外部との接触面積を
増やすことができる。

【００２３】更に加えて、前記圧縮部において圧縮され
た作動ガスの熱を外部に放熱すべく、前記圧縮シリンダ
に被さるように放熱フィンが配設されて、該放熱フィン
と前記圧縮シリンダとの間に形成される隙間が、前記ガ
ス流路を形成しても良い。この構成を用いることによ
り、ガス流路を通過する作動ガスの放熱フィンとの熱接
触面積を増やして外部への放熱効率を高めることができ
る。

【００２４】

【発明の実施の形態】以下、図面に基づいて本発明の再
生熱交換器の構成を説明する。図１は、本発明の一実施
の形態例を示すガス圧縮／膨張機の断面図を示し、図２
はその一部破断斜視図を示している。

【００２５】ガス圧縮／膨張機は、クランク２２ａ、２
２ｂからなるクランク機構２２を備えた駆動部２０、デ
ィスプレーサ３１を備えたディスプレーサ部（膨張部）
３０及び圧縮ピストン５１を備えた圧縮部５０等を有
し、その筐体内部にヘリウムガスが作動ガスとして封入
されている。

【００２６】駆動部２０は、クランク機構２２に回転駆
動力を与えるロータ２１、クランク機構２２を潤滑する
ためのオイルを貯留するオイル槽２３、クランク機構２
２ａ、２２ｂに連結されたコネクティングロッド２４
ａ，２４ｂ、コネクティングロッド２４ａ、２４ｂに連
結されたクロスガイド２５ａ、２５ｂ等を有している。

【００２７】なお、クランク２２ａとクランク２２ｂと
は、シャフト２４ｃに対して偏芯して連結され、且つ、
圧縮ピストン５１の位相がディスプレーサ３１の位相に
対して略９０度遅れるようにクランク２２ａ、２２ｂの
取り付け角度が設定されている。

【００２８】ディスプレーサ部３０は、ディスプレーサ
３１を収納する膨張シリンダ３２と、膨張シリンダ３２
の頭部側（図１において上側）設けられた膨張空間３４
と、ディスプレーサ３１に駆動力を伝達するディスプレ
ーサロッド３５と、ディスプレーサ３１内に設けられた
蓄冷材３３等を有して、膨張シリンダ３２の頭部にコー
ルドヘッド１２が取り付けられ、外部の冷凍負荷（図示
せず）に冷熱を供給している。

【００２９】また、圧縮部５０は、圧縮ピストン５１を
収納する圧縮シリンダ５２と、圧縮シリンダ５２の頭部
側（図１において上側）に設けられた圧縮空間５３と、
圧縮シリンダ５２の外側面に被さるように設けられて圧
縮により発生した作動ガスの熱を外部に放熱する放熱フ
ィン５４と、圧縮シリンダ５２の駆動部２０側に配設さ
れた隔壁５５と、隔壁５５に形成された挿通孔５９ｂを
挿通して圧縮ピストン５１に駆動力を伝達する圧縮ピス
トンロッド５８等を有している。

【００３０】なお、圧縮シリンダ５２及び隔壁５５に
は、挿通孔５９ｂと並設された挿通孔５９ａが形成さ
れ、挿通孔５９ａにディスプレーサロッド３５が挿通し
ている。これにより、圧縮部５０とディスプレーサ部３
０とを同一方向に配設することができ、ガス圧縮／膨張
機の占有空間を小さくすることができる。

【００３１】また、圧縮ピストンロッド５８が挿通する
挿通孔５９ｂの両端部分には、シール部材７１、７２が
挿着され、ディスプレーサロッド３５が挿通する挿通孔
５９ａの両端部分には、シール部材７３、７４が挿着さ
れて、オイルが圧縮部５０やディスプレーサ部３０に侵
入しないようになっている。

【００３２】さらに、放熱フィン５４は、上述したよう
に圧縮シリンダ５２を覆うように配設されて、この放熱
フィン５４と圧縮シリンダ５２との間にガス流路Ｇ１が
形成されている。

【００３３】図３は図１における矢視ＡＡ方向から見た
圧縮部５０の断面図である。ガス流路Ｇ１は溝Ｍ１を介
して圧縮空間５３と連通すると共に、溝Ｍ２を介してデ
ィスプレーサ部３０と連通している。これにより作動ガ
スは圧縮部５０の圧縮空間５３、溝Ｍ１、ガス流路Ｇ
１、溝Ｍ２、ディスプレーサ部３０を行き来するように
なっている。以上のような構成において、ガス圧縮／膨
張機本体の運搬作業や取り扱い作業を容易にするために
は、その装置本体の耐久性を維持しつつその重量を軽量
化することが必要になる。そこで、本発明では、作動ガ
スが封入されている圧縮部５０及び駆動部２０の外装部
分４１、４２及び隔壁５５を、１．５重量％以上の炭素
を含む鉄で構成している。これにより、ガス圧縮／膨張
機全体を軽量化することができる。

【００３４】更に、１．５重量％以上の炭素に加えて、
シリコン、硫黄、マンガン、リン及び銅のいずれか１種
以上の成分を含む鉄で構成しても良く、更に好ましく
は、１．５乃至７．０重量％の炭素と、０．７乃至４．
０重量％のシリコンと、０．２重量％以下の硫黄と、
０．１乃至１．５重量％のマンガンと、１．５重量％以
下のリンと、２重量％以下の銅とを含む鉄で構成するの
が良い。これにより、作動ガスを圧縮又は膨張させるガ
ス圧縮／膨張機の筐体として必要とされる性能を維持し
つつ、装置全体の軽量化を実現することができる。

【００３５】尚、ディスプレーサ部３０については、従
来構成と同様に、その外装部分を兼ねている膨張シリン
ダ３２をステンレス鋼で構成している。これは、ディス
プレーサ３１内に蓄冷材３３を有しているため、膨張シ
リンダ３２において熱勾配を発生させる必要があるため
である。また、本実施形態例では放熱フィン５４を銅で
構成し、圧縮シリンダ５２をステンレス鋼で構成してい
るが、上記外装部分４１、４２及び隔壁５５と同様に、
上記成分を含む鉄で構成してもよい。

【００３６】次に上記構成に基づき、ガス圧縮／膨張機
の動作を説明する。クランク機構２２が回動することに
より、回動力がコネクティングロッド２４ａ、２４ｂ等
を介して圧縮ピストン５１及びディスプレーサ３１に伝
達されて、圧縮ピストン５１はディスプレーサ３１に対
して位相が略９０度遅れた往復運動をするようになる。

【００３７】そして、圧縮ピストン５１が下死点から上
死点に移動すると、圧縮空間５３内の作動ガスは圧縮さ
れる。この間、ディスプレーサ３１は上動して上死点に
達した後、下動するようになる。

【００３８】圧縮ピストン５１の上動に伴い圧縮された
作動ガスは、ガス流路Ｇ１を通過して放熱フィン５４に
より放熱されてディスプレーサ部３０側に送られる。デ
ィスプレーサ３１が下動すると作動ガスは蓄冷材３３を
通過し蓄冷材３３と熱交換して膨張空間３４に送られ
る。

【００３９】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５１は上死点から下死点に移動し、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、コールドヘッド１２を介して冷凍負荷
から熱を奪うことができる。

【００４０】圧縮ピストン５１が下死点に近づくに従
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、蓄冷材３３及びガス流路Ｇ１
から吸熱して圧縮空間５３に戻り１サイクルが終了す
る。

【００４１】このようなサイクルにおいて冷凍の成績係
数を高くするためには、圧縮部５０で圧縮された作動ガ
スの熱を速やかに、且つ、効率的に外部に放熱すること
が必要となる。そこで、本発明では、放熱フィン５４と
圧縮シリンダ５２との間に隙間を形成し、隙間がガス流
路Ｇ１となるようにしている。

【００４２】このように、圧縮シリンダ５２の外周に沿
ってガス流路Ｇ１を形成することにより、最も有効に作
動ガスの熱接触面積を増やすことができ、放熱フィン５
４から外部に効率的に熱放出することができる。従っ
て、冷凍機の場合には成績係数を高くすることができ
る。

【００４３】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。

【００４４】例えば、上記実施形態例では膨張部３０内
にディスプレーサ３１を収納する場合について説明した
が、これに限らず膨張ピストンで構成しても構わない。

【００４５】

【発明の効果】以上述べたとおり本発明によれば、装置
全体を小型、軽量化すると共に、加えて、効率的な放熱
を行え、且つ、装置の占有空間を小さくしたガス圧縮／
膨張機を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態例を示すガス圧縮／膨張機
の断面図である。

【図２】図１のガス圧縮／膨張機の一部破断斜視図であ
る。

【図３】図１の矢視ＡＡ断面図である。

【図４】従来のガス圧縮／膨張機の断面図である。

【符号の説明】

２０駆動部３０ディスプレーサ部（膨張部）３１ディスプレーサ３５ディスプレーサロッド５０圧縮部５１圧縮ピストン５２圧縮シリンダ５３圧縮空間５４放熱フィン５５隔壁５８圧縮ピストンロッドＭ１，Ｍ２溝Ｇ１ガス流路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】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、その筐体の少なくとも一部を１．５
重量％以上の炭素を含む鉄で構成したこと特徴とするガ
ス圧縮／膨張機。
【請求項２】前記筐体の少なくとも一部は、シリコ
ン、硫黄、マンガン、リン及び銅のいずれか１種以上の
成分を含む鉄で構成したこと特徴とする請求項１記載の
ガス圧縮／膨張機。
【請求項３】前記筐体の少なくとも一部は、１．５乃
至７．０重量％の炭素と、０．７乃至４．０重量％のシ
リコンと、０．２重量％以下の硫黄と、０．１乃至１．
５重量％のマンガンと、１．５重量％以下のリンと、２
重量％以下の銅とを含む鉄で構成したことを特徴とする
請求項２記載のガス圧縮／膨張機。
【請求項４】前記作動ガスはヘリウムであることを特
徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のガス圧縮／
膨張機。
【請求項５】クランク軸の回転駆動によりピストン又
はディスプレーサをシリンダ内部で往復運動させ、作動
ガスを圧縮及び／又は膨張させることを特徴とする請求
項１乃至４のいずれかに記載のガス圧縮／膨張機。
【請求項６】駆動部と、該駆動部から圧縮ピストンロ
ッドを介して駆動力を受ける圧縮ピストンが、圧縮シリ
ンダ内に往復自在に配設されて、該圧縮シリンダ内に形
成された圧縮空間の作動ガスを圧縮する圧縮部と、前記
駆動部から膨張ピストンロッドを介して駆動力を受ける
膨張ピストン又はディスプレーサが、膨張シリンダ内に
往復自在に収納されて、作動ガスを膨張させる膨張部と
を備え、前記圧縮シリンダに前記膨張ピストンロッドが
挿通する挿通孔を前記圧縮ロッドと並設して形成し、前
記圧縮部と前記膨張部とを同一方向に配設したことを特
徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のガス圧縮／
膨張機。
【請求項７】前記駆動部及び圧縮部の外装部分を、
１．５重量％以上の炭素を含む鉄で構成したこと特徴と
する請求項６記載のガス圧縮／膨張機。
【請求項８】前記挿通孔が内側に位置するように前記
圧縮部と膨張部とを連通する環状のガス流路を、前記圧
縮シリンダ外周部に形成してなることを特徴とする請求
項６又は７に記載のガス圧縮／膨張機。
【請求項９】前記圧縮部において圧縮された作動ガス
の熱を外部に放熱すべく、前記圧縮シリンダに被さるよ
うに放熱フィンが配設されて、該放熱フィンと前記圧縮
シリンダとの間に形成される隙間が、前記ガス流路を形
成してなることを特徴とする請求項８に記載のガス圧縮
／膨張機。