JP2004286377A - スターリング冷凍機 - Google Patents

Abstract

【課題】圧縮シリンダ及び膨張シリンダの内面研削作業のための工具や圧縮ピストン及び膨張ピストンを挿入しやすくして、組み付け作業の作業性を向上させる。
【解決手段】シリンダブロック１５に形成されている圧縮シリンダ１７及び膨張シリンダ１８の下端開口５２の周縁角部を面取りして下方に拡開した環状のテーパ面５３を形成することにより、内面研削の際には工具が、又シリンダブロック１５をハウジング２への組付ける作業の際には圧縮ピストン１９及び膨張ピストン２５が、圧縮シリンダ１７及び膨張シリンダ１８の下端開口５２の周縁部等に衝接しないようにする。
【選択図】 図４

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スターリング冷凍機に関し、特にスターリング冷凍機のシリンダブロックのシリンダ開口に、シリンダ内面を研削する研削治具を挿入し易くするとともに、ハウジングに組み付ける際に、ハウジング側から突出するピストン及びピストンリングをシリンダ内に挿入し易くする形状のシリンダブロックに関する発明である。
【０００２】
【従来の技術】
近年、地球環境問題におけるフロン代替の冷凍装置として、又従来の冷却装置より使用温度が広範囲で、従って、冷凍庫、冷蔵庫、投げ込み式クーラ等の業務用又は家庭用の冷熱利用機器をはじめとして、低温液循環器、低温恒温器、恒温槽、ヒートショック試験装置、凍結乾燥機、温度特性試験装置、血液・細胞保存装置、コールドクーラ、その他各種の冷熱装置等のあらゆる産業分野の冷熱利用機器に適用可能な、コンパクトで、しかも成績係数が高く、エネルギー効率が良好となる冷凍機として、スターリング冷凍機が脚光を浴びている。
【０００３】
スターリング冷凍機では、その本体を構成し、クランク室やモータ室を有するハウジング内に、作動ガスが密閉状態で封入されている。一方、作動ガスが圧縮室（高温室）と膨張室（低温室）との間を流動し、この流路に沿って配設された冷却用熱交換器（低温側熱交換器）及び放熱用熱交換器（高温側熱交換器）により、夫々冷熱冷媒及び放熱用冷媒との熱交換が行われる。
【０００４】
このような動作をするために、従来、スターリング冷凍機では、クランク室から突出する圧縮ピストン及び膨張ピストンを、シリンダブロックに形成された圧縮室及び膨張室を構成する圧縮シリンダ及び膨張シリンダに挿入するようにして、ハウジングにシリンダブロックを組み付けている（特許文献１参照。）。
【０００５】
そして、シリンダブロックの圧縮シリンダ及び膨張シリンダと圧縮ピストン及び膨張ピストンの隙間から、オイルが漏れ出ないように、圧縮ピストン及び膨張ピストンにピストンリングが装着されて、圧縮シリンダ及び膨張シリンダ内を圧縮ピストン及び膨張ピストンが摺動する構成を採用している。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００３−４２５８０号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
このようなスターリング冷凍機では、シリンダブロックの圧縮シリンダ及び膨張シリンダの内面は、ピストンリングとのなじみを良くしてガスのシール性を向上する為にも、凹凸をなくしてある程度の面精度を有するように、回転研磨器の研磨用治具を挿入して研磨をする必要がある。
【０００８】
しかしながら、研磨用治具の外径は圧縮シリンダ及び膨張シリンダの内径にほぼ等しく、研磨用治具は回転しながら振れを生じているために、挿入する作業が難しく、研磨用治具が圧縮シリンダ及び膨張シリンダの開口下端近辺に衝接するとシリンダブロックに傷つけてしまうという問題が生じていた。
【０００９】
さらに、シリンダブロックの圧縮シリンダ及び膨張シリンダ内に圧縮ピストン及び膨張シリンダを挿入する場合、圧縮ピストン及び膨張ピストンを圧縮シリンダ及び膨張シリンダの下端開口への正確に位置決めすることは難しく、この挿入作業が煩わしいだけでなく、圧縮ピストン及び膨張ピストンの上部を圧縮シリンダ及び膨張シリンダの下端開口に衝接すると、圧縮ピストン及び膨張ピストン、又はシンリンダブロックを傷つけてしまうようなことが生じる。
【００１０】
本発明では、このような従来、スターリング冷凍機のシリンダブロックのシリンダ内面の研磨及びシリンダブロックをハウジングに組み付ける際に生じる問題を解決することを目的とするものであり、シリンダブロックの圧縮シリンダ及び膨張シリンダ内に、研磨用治具、圧縮ピストン及び膨張シリンダを挿入し易い構造を実現し、作業性を向上させるとともに傷の発生を防止することを課題とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を解決するために、モータ及びクランクを配設したハウジングと、上記ハウジングの頂部に固定されたシリンダと、上記シリンダ内を往復動するピストンとを備えたスターリング冷凍機であって、上記シリンダの下端開口の周縁角部は面取りされた下方に拡開した環状のテーパ面が形成されていることをことを特徴とするスターリング冷凍機を提供する。
【００１２】
上記シリンダは圧縮シリンダであり、上記ピストンは圧縮ピストンであることを特徴とする。
【００１３】
上記シリンダは膨張シリンダであり、上記ピストンは膨張ピストンであることを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を実施例に基づき図面を参照して以下に説明する。図１〜図３は、本発明の適用されるスターリング冷凍機を説明する図であり、図１はスターリング冷凍機１の全体構成を説明する正面図である。図２はスターリング冷凍機１の要部を説明する図であり、図３は一部が断面の右側面図を示す図である。
【００１５】
スターリング冷凍機１の鋳物で形成されたハウジング２は、その内部はＨｅが充填され、半密閉状態に保持されており、区画壁３を介して互いに連通するモータ室４とクランク室５とを有する。モータ室４には正逆回転可能なモータ６が配設されており、クランク室５には、モータ６で回転駆動されるクランクシャフト７、コンロッド８、９と、クロスガイドヘッド１０、１１等の駆動機構が配設されている。
【００１６】
クランクシャフト７の二つのクランク部１２、１３は、モータ６の正転時にクランク部１３がクランク部１２より先行して移動するように、位相差を付けて形成されている。この位相差は、一般的には約９０度の位相差が採用される。クランク部１２、１３には、コンロッド８、９が取り付けられ、さらにこのコンロッド８、９にクロスガイドヘッド１０、１１が取り付けられている。
【００１７】
ハウジング２におけるクランク室５の上部には、座部１４を介してシリンダブロック１５がボルト１６で取付られている。シリンダブロック１５は、圧縮シリンダ１７を形成するとともに、膨張シリンダ１８の一部（下部）を形成している。
【００１８】
圧縮シリンダ１７内を往復動する圧縮ピストン１９の上方空間（圧縮空間）が高温室２０であり、この中で作動ガスであるＨｅは圧縮されて高温となる。圧縮ピストンロッド２１は、圧縮ピストン１９とクロスガイドヘッド１０を連結し、クランク室５から圧縮シリンダ１７へ伸びるように設けられている。オイルシールベローズ２２が圧縮ピストンロッド２１とハウジング２の上部の間に取り付けられ、圧縮シリンダ１７とクランク室５の間をシールし、クランク室５からの油上がりを防止している。
【００１９】
一方、膨張シリンダ１８は、その下部は上述の通りシリンダブロック１５で構成し、その上部は、後述する放熱用熱交換器２９の内側シリンダ２３と冷却用熱交換器の内筒２４とから構成している。この膨張シリンダ１８内を往復摺動するピストン２５の上方空間（膨張空間）が低温室２６であり、この中で作動ガスが膨張し低温となる。
【００２０】
膨張ピストンロッド２７は、膨張ピストン２５とクロスガイドヘッド１１とを連結し、クランク室５から膨張シリンダ１８内に伸びている。オイルシールベローズ２８が、膨張ピストンロッド２７とハウジング２の上部の間に取り付けられ、膨張シリンダ１８とクランク室５の間をシールしクランク室５からの油上がりを防止している。膨張ピストン２５は、圧縮ピストン１９より９０度の位相だけ先行して移動する。
【００２１】
膨張シリンダ１８を囲むように、放熱用熱交換器（高温側熱交換器）２９、再生器３０及び冷却用熱交換器（低温側熱交換器）３１が互いに連通して環状に配設されている。放熱用熱交換器２９の下端、かつ膨張シリンダ１８の周囲に、マニホールド（作動ガス用の流路）３２が形成されている。
【００２２】
そして、圧縮シリンダ１７の上端部には、高温室２０とマニホールド３２とを連通する連通孔３３が形成されている。高温室２０と低温室２６は、連通孔３３、マニホールド３２、放熱用熱交換器２９、再生器３０及び冷却用熱交換器３１を通して互いに順次連通するように構成されている。
【００２３】
シリンダブロック１５は、その上部に放熱用熱交換ハウジング３４を有する。この放熱用熱交換ハウジング３４と内側シリンダ２３との間には、熱交換器筒３７が嵌合し、放熱用熱交換器（高温側熱交換器）２９を構成している。熱交換器筒３７は、その内面には、作動ガスの流路を形成する細溝３５を有し、外面に放熱フィン３６を有する。
【００２４】
作動ガスは細溝３５を通り、放熱用熱交換ハウジング３４と放熱フィン３６との間の放熱路３８は冷却水が流れこれにより、作動ガスの温熱が冷却水に放熱される。シリンダブロック１５の左右両側面には、蓋板３９が水密的に固定されており、この蓋板３９とシリンダブロック１５との間に冷却水路４０を形成している。この冷却水路４０は、入口４１と通して放熱路３８に連通するとともに、圧縮シリンダ１７及び膨張シリンダ１８を囲むように形成されている。
【００２５】
放熱路３８に冷却水の流入口４２が設けられており、冷却水路４０には流出口４３が設けられ、流入口４０と流出口４３は、図示はしないが、冷却水循環路及び冷却水循環用ポンプを介して、冷却ファンを有する空冷の放熱器（ラジエータ）に接続されている。
【００２６】
内筒２４の下部は、内側シリンダ２３と嵌合し膨張シリンダ１８の一部を構成しているが、この内筒２４の上部外周側に冷却用熱交換ハウジング４４が配設され、シリンダブロック１５に着脱可能に固着されている。冷却用熱交換ハウジング４４は、その内面には複数の細溝４５を有し、内筒２４と嵌合して作動ガス流路４６を形成し、その外面には冷却フィン４７を有する。これにより、冷却用熱交換器（低温側熱交換器）３１を構成している。
【００２７】
この冷却用熱交換器３１は、本発明のスターリング冷凍機の冷熱を利用する冷熱利用機器の冷熱冷媒の冷却を行う。冷熱冷媒としては、空気、水、アルコール、ＨＦＥ、ＰＦＣ等が使用される。
【００２８】
内筒２４と冷却用熱交換ハウジング４４との間の環状空間には、金属メッシュ等の蓄冷材から成る再生器３０が配設されている。
【００２９】
オイルシールベローズ２８と膨張ピストン２５との間の空間（オイルシールベローズ２２と圧縮ピストン１９との間の空間についても同じ）は、バッファ空間（バッファ室）４８と呼ばれている。バッファ空間４８は、管４９によりバッファタンク５１に接続され、バッファタンク５１は、管５０によりハウジング２のクランク室５（モータ室４でもよい。）に接続されている。
【００３０】
図１において、クランク室５を含むハウジング２内には作動ガスであるＨｅが充填されており、ハウジング２はバッファタンク５１を介してバッファ空間４８とほぼ同圧の状態で密閉されている。
【００３１】
本発明は、以上のような構成のスターリング冷凍機１において次のような構成を特徴とする。図４は、ハウジング２にシリンダブロック１５を組み付ける状態を示す図である。
【００３２】
シリンダブロック１５の圧縮シリンダ１７内に圧縮ピストン１９を挿入する場合、圧縮ピストン１９を圧縮シリンダ１７の下端開口５２内へ正確に位置決めすることは難しく、この挿入作業が煩わしいだけでなく、ピストン１９の上部を圧縮シリンダ１７の下端開口５２の周縁部等に衝接してしまい、圧縮ピストン１９又はシンリンダブロック１５を傷つけてしまうようなことが生じる。
【００３３】
本発明では、シリンダブロック１５の圧縮シリンダ１７の下端開口５２の周縁角部を面取りして下方に拡開したテーパ面５３を形成することにより、シリンダブロック１５の圧縮シリンダ１７内に圧縮ピストン１９を挿入し易い構造としたことを特徴とする。
【００３４】
なお、図４で示す組み付ける状態では、膨張ピストン２５がすでにシリンダブロック１５の膨張シリンダ１８内に挿入されており、圧縮ピストン１９はシリンダブロック１５を下降させて圧縮シリンダ１７内に挿入するところであるので、上記説明では圧縮シリンダ１７の下端開口５２の周縁角部にテーパ面５３を設けた構成を説明したが、膨張シリンダ１８の下端開口についても同様のテーパ面５３が形成される。
【００３５】
ところで、シリンダブロック１５の圧縮シリンダ１７及び膨張シリンダ１８の内面は、圧縮ピストン１９及び膨張ピストン２５が摺動する際に、ピストンリングとのなじみを良くしガスのシール性を向上する為にも、凹凸をなくして所定の面精度を確保する必要がある。このために、上記組み立て作業に先立ち、シリンダブロック１５の圧縮シリンダ１７及び膨張シリンダ１８の内面を、回転研磨器の研磨用治具としてスパロール治具により研削している。
【００３６】
この場合、スパロール治具をシリンダブロック１５の圧縮シリンダ内に挿入して内面を研削するのであるが、スパロール治具は、軸心から若干振れながら挿入されるので、スパロール治具がシリンダブロック１５の圧縮シリンダ及び膨張シリンダの下端開口５２の周縁部に振れて傷を付けるということが生じる。
【００３７】
しかしながら、本発明では、シリンダブロック１５の圧縮シリンダ１７及び膨張シリンダ１８の下端開口５２の周縁角部を面取りして下方に拡開したテーパ面５３を形成しているので、シリンダブロック１５の圧縮シリンダ１７及び膨張シリンダ１８内にスパロール治具が挿入し易く、圧縮シリンダ１７及び膨張シリンダ１８の下端開口５２の周縁部等をスパロール治具で傷つけるようなことを防止できる。
【００３８】
（作用）
次に、本発明の上記実施例のスターリング冷凍機の作用を説明する。モータ６によってクランクシャフト７が正方向に回転し、クランク室５内のクランク部１２、１３が９０度位相がずれて回転する。このクランク部１２、１３に連結されたコンロッド８、９、クロスガイドヘッド１０、１１、圧縮ピストンロッド２１及び膨張ピストンロッド２７を介して、圧縮ピストン１９及び膨張ピストン２５が、互いに９０度の位相差をもって往復動する。
【００３９】
膨張ピストン２５が９０度先行して上死点付近でゆっくりと移動中、圧縮ピストン１９は中間付近を上死点に向かって急速に移動して作動ガスの圧縮動作を行う。圧縮された作動ガスは、連通孔３３及びマニホールド３２を通り放熱用熱交換器２９の細溝３５内に流入し、放熱路３８を流れる冷却水に放熱する。さらに作動ガスは、再生器３０に蓄熱された冷熱で冷却され、細溝４５内を通って低温室２６（膨張空間）内に流入する。
【００４０】
圧縮ピストン１９が上死点近辺でゆっくりと移動している時に膨張ピストン２５は急激に下死点に向かって移動し、低温室２６（膨張空間）に流入した作動ガスは急激に膨張し冷熱が発生する。これにより冷却用熱交換器３１を含むヘッド部（コールドヘッドと言う。）４８は冷却されて低温となる。
【００４１】
そして、冷却用熱交換器３１において、冷却フィン４７に接する冷熱利用機器用の冷熱冷媒を冷却する。膨張ピストン２５が下死点から上死点に移動するときには圧縮ピストン１９は中間位置から下死点に向かっており、作動ガスは低温室２６より冷却用熱交換器の細溝４５を通り再生器３０に流入し作動ガスの有する冷熱を再生器３０に蓄熱する。再生器３０に蓄熱された冷熱は、上記のように高温室２０から放熱用熱交換器２９を通して送られてくる作動ガスを、再度冷却するために再利用される。
【００４２】
そして、冷却用熱交換器において冷却された冷熱冷媒は、流出パイプ６４から各種の冷熱利用機器に送られ冷却に利用される。例えば、冷熱冷媒は、冷凍庫等の冷熱利用機器内の冷熱冷媒用配管に送られ、冷熱利用機器内で冷凍あるいは冷却作用を行う。そして冷熱利用機器から冷却用熱交換器３１に流入パイプ６５を通って循環して戻され、再度冷却される。
【００４３】
放熱器（ラジエータ）から送られてくる冷却水は、流入口４２から放熱用熱交換器３８内に流入し、放熱路３８を通過して作動ガスを冷却する。さらに、この冷却水は冷却水路４０に流入し、圧縮シリンダ１７及び膨張シリンダ１８の周囲を流れる。これによって、シリンダブロック１５の内側に形成されている圧縮シリンダ１７及び膨張シリンダ１８を周囲から冷却する。この後、冷却水は、流出口４３から流出して、放熱器において冷却ファンで冷却され、再度、放熱用熱交換器２９へと循環する。
【００４４】
バッファタンク５１は、バッファ空間４８とハウジング２を均等な圧力とし、バッファ空間４８内の圧力変動を吸収するとともに、ハウジング２内の圧力変動を吸収し、バッファ空間にその影響を及ぼさないような緩衝機能を有する。
【００４５】
本発明では、シリンダブロック１５の圧縮シリンダ１７及び膨張シリンダ１８の下端開口５２の周縁角部を面取りして下方に拡開したテーパ面５３を形成したので、シリンダブロック１５の圧縮シリンダ１７及び膨張シリンダ１８の内面をスパロール治具で研磨する場合に、圧縮シリンダ１７及び膨張シリンダ１８内にスパロール治具を挿入し易く、圧縮シリンダ１７及び膨張シリンダ１８の下端開口５２の周縁部等をスパロール治具で傷つけるようなことが防止できる。
【００４６】
さらに、シリンダブロック１５をハウジング２に組み付ける際に、圧縮シリンダ１７及び膨張シリンダ１８に、圧縮ピストン１９及び膨張ピストン２５を挿入しやすいので組み付け作業の作業性が向上する。
【００４７】
以上、本発明に係るスターリング冷凍機の実施の形態を実施例に基づいて説明したが、本発明は、上記実施例に限定されることなく、特許請求の範囲記載の技術的事項の範囲内でいろいろな実施例があることは言うまでもない。
【００４８】
【発明の効果】
本発明は以上のような構成であるから、シリンダブロックの圧縮シリンダ及び膨張シリンダの内面の研削のために、スパロール治具を挿入し易くシリンダブロックの下端開口付近に衝接して傷をつけたりすることがなく、さらにシリンダブロックをハウジングに組み付ける際に、圧縮シリンダ及び膨張シリンダに、圧縮ピストン及び膨張ピストンを挿入しやすいので組み付け作業の作業性が向上するとともに、破損等の防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るスターリング冷凍機の全体構成を説明するための正面図である。
【図２】図１のスターリング冷凍機の要部を示す図である。
【図３】本発明に係るスターリング冷凍機を説明する右側一部破断正面図である。
【図４】本発明に係るスターリング冷凍機の組み付け作業の状態を示す図である。
【符号の説明】
１ スターリング冷凍機
２ ハウジング
３ 区画壁
４ モータ室
５ クランク室
６ モータ
７ クランクシャフト
８、９ コンロッド
１０、１１ クロスガイドヘッド
１０’、１１’ 連結ピン
１２、１３ クランク部
１４ 座部
１５ シリンダブロック
１６ ボルト
１７ 圧縮シリンダ
１８ 膨張シリンダ
１９ 圧縮ピストン
２０ 上方空間（圧縮空間）高温室
２１ 圧縮ピストンロッド
２２ オイルシールベローズ
２３ 内側シリンダ
２４ 冷却用熱交換器の内筒
２５ 膨張ピストン
２６ 上方空間（膨張空間）が低温室
２７ 膨張ピストンロッド
２８ オイルシールベローズ
２９ 放熱用熱交換器（高温側熱交換器）
３０ 再生器
３１ 冷却用熱交換器（低温側熱交換器）
３２ マニホールド（作動ガス用の流路）
３３ 連通孔
３４ 放熱用熱交換ハウジング
３５ 熱交換器筒の内面の作動ガス流路用の細溝
３６ 放熱フィン
３７ 熱交換器筒
３８ 放熱用熱交換ハウジング放熱フィンとの間の放熱路
３９ 蓋板
４０ 冷却水路
４１ 入口
４２ 放熱路に冷却水の流入口
４３ 冷却水路の流出口
４４ 冷却用熱交換ハウジング
４５ 冷却用熱交換ハウジングの内面の複数の細溝
４６ 作動ガス流路
４７ 冷却フィン
４８ バッファ空間（バッファ室）
４９ 管
５１ バッファタンク
５２ 圧縮シリンダ（膨張シリンダ）の下端開口
５３ テーパ面

Claims (3)

1. モータ及びクランクを配設したハウジングと、上記ハウジングの頂部に固定されたシリンダと、上記シリンダ内を往復動するピストンとを備えたスターリング冷凍機であって、
   上記シリンダの下端開口の周縁角部は面取りされた下方に拡開した環状のテーパ面が形成されていることを特徴とするスターリング冷凍機。
2. 上記シリンダは圧縮シリンダであり、上記ピストンは圧縮ピストンであ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。
3. 上記シリンダは膨張シリンダであり、上記ピストンは膨張ピストンであ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。

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