JP2828934B2 - ガス圧縮膨張機 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、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
ーリング機関などのガス圧縮膨張機に関し、より特定的
には、作動空間と駆動装置空間との間の気密性能の改善
を図ったガス圧縮膨張機に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ガス圧縮膨張機の１つとして、スターリ
ングエンジンは、理論的に極めて高い熱効率が得られる
こと、石油以外にあらゆる種類の熱源を用いることがで
きること、さらに静寂で低公害であることなどの利点か
ら、従来から盛んに研究が進められている。

【０００３】スターリングエンジンの逆サイクルである
スターリング冷凍機についても上記と同様の理由から、
特に近年においては、フロンなどの地球環境に有害な冷
媒が不要であるなどの理由から、大きな脚光を浴びてい
る。

【０００４】ここで、図６を参照して、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。

【０００５】本体ハウジング１には、膨張シリンダ２と
圧縮シリンダ３とが９０°の角度差で取付けられてい
る。膨張シリンダ２に内蔵されたディスプレーサ６と、
圧縮シリンダ３に内蔵された圧縮ピストン７とは、互い
に位相がずれた状態で往復駆動が可能なように、共通の
クランク機構５に連結されている。

【０００６】ディスプレーサ６には、伝達ロッド１９
と、クランクシャフト１５とが連結され、圧縮ピストン
７には、伝達ロッド２０と、クランクシャフト１６とが
連結されている。

【０００７】ディスプレーサ６の内部には、たとえば焼
結金属からなる蓄冷材１４が充填されており、ディスプ
レーサ６の一方の開口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。

【０００８】このディスプレーサ６は、再生熱交換機と
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してい
る。

【０００９】膨張シリンダ２内の作動空間としての膨張
空間１１と、クランク機構５が収容される駆動装置空間
としてのクランク室１２との間には、これらの両区間を
連通する連通空間２５が設けられている。また、この連
通空間２５には、クランク室１２から作動空間１１への
潤滑油１０の浸入を阻止するためのオイルシール２１
と、このオイルシール２１を支持し、かつ、伝達ロッド
１９の往復運動の方向を規制するためのクロスガイド１
７が設けられている。

【００１０】一方、圧縮シリンダ３内の作動空間として
の圧縮空間１３と、クランク室１２との間には、これら
の両区間を連通する連通空間２６が設けられている。

【００１１】また、この連通空間２６には、クランク室
１２から圧縮空間１３への潤滑油１０の浸入を阻止する
ためのオイルシール２２と、このオイルシール２２を支
持し、かつ、伝達ロッド２０の往復運動の方向を規制す
るためのクロスガイド１８が設けられている。

【００１２】また、膨張シリンダ２の基端部と圧縮シリ
ンダ３の先端部とは、連結管４によって互いに連通され
ている。

【００１３】ここで、上述したように、オイルシール２
１を設けているのは、膨張空間１１に伝達ロッド１９を
伝わって潤滑油１０が浸入した場合、ディスプレーサ６
内部に備えられた蓄冷材１４に潤滑油１０が付着するこ
とによって、熱交換性能が低下するのを防ぐためであ
る。

【００１４】また、圧縮空間１３に潤滑油１０が浸入し
た場合においても、膨張シリンダ２の基端部と圧縮シリ
ンダ３の先端部とは、連結管４によって互いに連通され
ているため、圧縮空間１３に浸入した潤滑油１０は、こ
の連結管４を通って膨張空間１１に浸入することができ
る。したがって、同様に蓄冷材１４へのオイルの付着を
防止する目的で、伝達ロッド２０にオイルシール２２が
設けられている。

【００１５】次に、図７を参照して、上述した構造から
なるスターリング冷凍機の動作について説明する。な
お、図７は、横軸に時間Ｔ、縦軸にストロークＳをとっ
ている。

【００１６】スターリング冷凍機においては、ディスプ
レーサ６が、図７の曲線Ｂ、Ｃのごとく往復移動すると
同時に、圧縮ピストン７が、図７の曲線Ｄのごとく往復
移動する。これによって、膨張シリンダ２の膨張空間１
１は、図７の直線Ａと曲線Ｂに挟まれた領域で容積変化
を行ない、圧縮シリンダ３の圧縮空間１３は、図７の曲
線Ｃと曲線Ｄとに挟まれた領域で容積変化を行なう。

【００１７】この結果、図７のの工程では、圧縮空間
１３内の作動ガスが圧縮され、連絡管４を経て膨張シリ
ンダ２内へ流入する（等温圧縮）。この作動ガスは、図
７のの工程で、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）。

【００１８】蓄冷材１４を通過したガスは、図７のの
工程で、膨張シリンダ２の膨張空間１１へ流入し、その
後、ディスプレーサ６の降下に伴って膨張する（等温膨
張）。

【００１９】次に、図７のの工程では、ディスプレー
サ６の上昇に伴って、膨張空間１１内の作動ガスが冷却
剤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）。

【００２０】この結果、膨張シリンダ２の頭部に設けら
れたコールドヘッド１５が冷却されることになる。

【００２１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た構造を有するスターリング冷凍機においては、以下に
示す問題点を有している。

【００２２】図６に示すように、クランク室１２から膨
張空間１１および圧縮空間１３への潤滑油１０の浸入を
阻止するために、オイルシール２１，２２が設けられて
いる。

【００２３】しかし、このオイルシール２１，２２は、
伝達ロッド１９，２０に付着した潤滑油を掻き落とすの
みで、ミスト化（霧状化）した潤滑油１０の膨張空間１
１、圧縮空間１３への浸入を阻止することはできない。

【００２４】この結果、ミスト化した潤滑油１０が膨張
空間１１および圧縮空間１３に浸入し、蓄冷材１４に付
着して、蓄冷材１４の熱交換性能を著しく低下させるた
め、これによってスターリング冷凍機の成績係数が大き
く低下するという問題が生じている。

【００２５】この問題は、上述したスターリング冷凍機
に限らず、その他のスターリング機関においても同様に
発生する。

【００２６】この発明の目的は、ミスト化した潤滑油の
作動空間への浸入を確実に阻止することにより、蓄冷材
の熱交換性能を高品質に維持させることにより、信頼性
の高いスターリング機関を提供することを目的とする。

【００２７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、この発明に基づいたスターリング機関においては、
作動空間内に収容される作動部材と、駆動装置空間内に
収容され、作動空間内において作動部材に往復運動を与
えるための駆動装置と、作動空間と駆動装置空間とを連
通する連通空間内に収容され、駆動装置の駆動力を作動
部材に伝達するための伝達ロッドと、連通空間内に設け
られ、駆動装置に用いられる潤滑油の作動空間への浸入
を阻止するために、作動空間と駆動装置空間とを気密的
に分離するための潤滑油阻止装置とを備えている。

【００２８】さらに、潤滑油阻止装置は、伝達ロッドの
軸方向に対して直交する方向に、伝達ロッドに固定され
る潤滑油吸着用部材と、潤滑油吸着用部材を収容し、伝
達ロッドの往復運動に伴う潤滑油吸着用部材の往復移動
を許容する吸着用部材移動空間を含み、作動空間と駆動
装置空間とを気密的に分離する分離部材とを有してい
る。

【００２９】この構造を用いることにより、伝達ロッド
を伝わって吸着用部材移動空間に達したミスト化した潤
滑油は、吸着用部材移動空間における潤滑油吸着用部材
の往復移動により、潤滑油吸着用部材に吸着されること
になる。

【００３０】その結果、ミスト化した潤滑油の作動空間
への浸入を未然に防止することができるため、作動部材
への潤滑油の付着を防止することが可能となる。

【００３１】また、好ましくは、伝達ロッドは、吸着用
部材移動空間の位置に、フランジ部材を有し、潤滑油吸
着用部材は、このフランジ部材に脱着可能に設けられて
いる。

【００３２】この構造を用いることにより、適宜潤滑油
吸着用部材の交換を容易に行なうことが可能となり、常
に安定した性能を有する潤滑油吸着用部材によるミスト
化した潤滑油の吸着が可能となる。

【００３３】また、さらに好ましくは、潤滑油吸着用部
材は、ミスト化した潤滑油を吸着するための多孔質体
と、多孔質体を伝達ロッドの軸方向に沿って両側から挟
込み、多孔質体を固定するための１対のフレームとを有
している。

【００３４】このように、潤滑油吸着部材として、多孔
質体を用いることにより、ミスト化した潤滑油との接触
面積が大きくなるため、効率よくミスト化した潤滑油の
吸着が可能となる。

【００３５】また、多孔質体を１対のフレームを用いて
固定する構造を用いることにより、１対のフレームは再
利用が可能となり、多孔質体のみ交換すればよく、資源
の有効利用を図ることが可能となる。

【００３６】また、さらに好ましくは、上記スターリン
グ機関は、膨張空間と圧縮空間とがそれぞれ独立のシリ
ンダ内に形成され、膨張空間内を往復移動する蓄冷材を
内蔵するディスプレーサと、圧縮空間内を往復移動する
圧縮ピストンとを備えるスターリング機関であって、上
記作動空間は上記膨張空間または上記圧縮空間であり、
上記作動部材は上記ディスプレーサまたは圧縮ピストン
である。

【００３７】これにより、ディスプレーサに設けられた
蓄冷材へのミスト化した潤滑油の付着を防止することが
できるため、ディスプレーサによる熱交換性能を安定さ
せることができる。そのため、スターリング冷凍機の成
績係数が安定し、信頼性の高いスターリング冷凍機を提
供することが可能となる。

【００３８】また、さらに好ましくは、上記スターリン
グ機関は、膨張空間と圧縮空間とがそれぞれ独立のシリ
ンダ内に形成され、膨張空間内を往復移動する膨張ピス
トンと、圧縮空間内を往復移動する圧縮ピストンとを備
え、膨張空間と圧縮空間とは蓄冷材を介した流路によっ
て連通されたスターリング機関であって、上記作動空間
は上記膨張空間または上記圧縮空間であり、上記作動部
材は上記膨張ピストンまたは圧縮ピストンである。

【００３９】この構造においても、蓄冷材へのミスト化
した潤滑油の付着を防止することができるため、蓄冷材
による熱交換性能を安定させることができる。そのた
め、スターリング冷凍機の成績係数が安定し、信頼性の
高いスターリング冷凍機を提供することが可能となる。

【００４０】

【発明の実施の形態】以下、本発明を図６に示すスター
リング冷凍機に適用した場合の実施の形態について、図
を参照して説明する。

【００４１】なお、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ため、ここでの説明は省略する。

【００４２】まず、図１を参照して、作動空間としての
膨張空間１１と、駆動装置空間としてのクランク室１２
とを連通する連通空間２５に、膨張空間１１とクランク
室１２とを気密的に分離する機能と、伝達ロッド１９の
往復運動の方向を規制する機能とを兼ね備えたクロスガ
イド１７が設けられている。

【００４３】このクロスガイド１７には、潤滑油１０の
膨張空間１への浸入を阻止するために、伝達ロッド１９
を伝わる潤滑油１０を掻き落とすためのロッドシール２
１が２個所に設けられ、このロッドシール２１に挟まれ
るように、潤滑油阻止装置２３が設けられている。この
潤滑油阻止装置２３は、ロッドシール２１では除去する
ことができないミスト化した潤滑油１０の膨張空間１１
への浸入を阻止するために設けられている。

【００４４】また、同様にして、作動空間としての圧縮
空間１３とクランク室１２とを連通する連通空間２６
に、圧縮空間１３とクランク室１２とを気密的に分離す
る機能と、伝達ロッド２０の往復運動の方向を規制する
機能とを兼ね備えたクロスガイド１８が設けられてい
る。

【００４５】このクロスガイド１８には、上述したクロ
スガイド１７と同様に、潤滑油１０の圧縮空間１３への
浸入を阻止するために、伝達ロッド２０に伝わる潤滑油
１０を掻き落とすためのロッドシール２２が２個所に設
けられ、このロッドシール２２に挟まれるように潤滑油
阻止装置２４が設けられている。この潤滑油阻止装置２
４は、上述した潤滑油阻止装置２３と同様に、ロッドシ
ール２２では除去できないミスト化した潤滑油１０の圧
縮空間１３への浸入を阻止するために設けられたもので
ある。

【００４６】次に、図２を参照して、潤滑油阻止装置２
３および潤滑油阻止装置２４の構造について詳細に説明
する。なお、潤滑油阻止装置２３と潤滑油阻止装置２４
との構造は同一であるため、ここでは潤滑油阻止装置２
３の構造についてのみ説明する。

【００４７】まず、伝達ロッド１９に設けられたフラン
ジ部１９ａに、ねじ２４ｅを用いて、潤滑油阻止装置２
３が脱着可能に固定されている。

【００４８】この潤滑油阻止装置２３は、ミスト化した
潤滑油１０を吸着するための、多孔質材料からなる潤滑
油吸着用部材２３ｄと、この潤滑油吸着用部材２３ｄを
伝達ロッド１９の軸方向に沿って両側から挟込む第１固
定フレーム２３ａと第２固定フレーム２３ｂとを有して
いる。この第１固定フレーム２３ａと第２固定フレーム
２３ｂとは、ねじ２４ｅにより固定される。

【００４９】クロスガイド１７には、この潤滑油阻止装
置２３の伝達ロッド１９の往復運動に伴う移動を許容す
るための、吸着用部材移動空間１７ａが設けられてい
る。また、第２固定フレーム２３ｂの側面には、吸着用
部材移動空間１７ａのクロスガイド１７との接触面に、
樹脂コーティング材２３ｃが形成されている。

【００５０】ここで、本実施の形態においては、吸着用
部材移動空間１７ａの形状は円筒形状に形成されてい
る。したがって、第１固定フレーム２３ａ、潤滑油吸着
用部材２３ｄおよび第２固定フレーム２３ｂは、図３な
いし図５に示す構造を有している。

【００５１】まず、図３を参照して、上部固定フレーム
２３ａの平面形状は、中央に、伝達ロッド１９を挿入す
るためのロッド穴１２３Ｅが形成され、このロッド穴１
２３Ｅを取囲むように、潤滑油吸着用部材２３ｄが露出
する窓部１２３Ｂが、９０°ピッチで略扇形の形状に開
口されている。また、第１固定フレーム２３ａの周囲に
はフレーム１２３Ａが形成され、リブ１２３Ｃを用いて
全体の形状を形づくっている。また、フレーム１２３Ａ
の所定の位置には、第２固定フレーム２３ｂおよび伝達
ロッド１９に設けられたフランジ部１９ａに固定するた
めのねじ穴１２３Ｄが形成されている。

【００５２】次に、潤滑油吸着用部材２３ｄの構造は、
図４に示すように、第１固定フレーム２３ａに設けられ
た窓部１２３Ｂの扇形状に対応する形状を有している。
この潤滑油吸着用部材２３ｄの具体的な材質としては、
セルロースなどの液体吸着性が良好なものが好ましい。

【００５３】次に、第２固定フレーム２３ｂの形状は、
図５に示すように、ほぼ図３に示す第１固定フレーム２
３ａと同様の構成を有しており、ロッド穴２２３Ｅ、フ
レーム２２３Ａ、窓部２２３Ｂ、リブ２２３Ｃおよびね
じ穴２２３Ｄが形成されている。

【００５４】なお、吸着用部材移動空間１７ａの形状
は、上述した円筒形状に限らずさまざまな形状が適用さ
れ、また、第１固定フレーム２３ａ，潤滑油吸着用部材
２３ｄおよび第２固定フレーム２３ｂの形状も、適宜所
定の形状に選択される。

【００５５】上述した構造よりなる潤滑油阻止装置にお
いて、伝達ロッド１９を伝わって吸着用部材移動空間１
７ａに達したミスト化した潤滑油１０は、この吸着用部
材移動空間１７ａ内において、潤滑油吸着用部材２３ｄ
の伝達ロッド１９の往復運動に伴った往復運動により、
潤滑油吸着部材２３ｄに吸着されることになる。

【００５６】その結果、ミスト化した潤滑油の膨張空間
１１への浸入を阻止することが可能となる。

【００５７】その結果、ディスプレーサ６に設けられた
蓄冷材１４への潤滑油１０の付着を防止することができ
るため、ディスプレーサによる熱交換性能を安定させる
ことができる。そのため、スターリング冷凍機の成績係
数が安定し、信頼性の高いスターリング冷凍機を提供す
ることが可能となる。

【００５８】また、潤滑油阻止装置２３は、伝達ロッド
１９に対して、フランジ部１９ａを用いて脱着可能な構
造を有しているため、適宜潤滑油阻止装置２３を新しい
ものに交換することが可能である。その結果、常に安定
した性能で、潤滑油吸着部材２３ｄによるミスト化した
潤滑油１０の吸着が可能となる。

【００５９】なお、図２においては、膨張空間１１に用
いた場合について説明したが、圧縮空間１３に用いた場
合であっても、圧縮空間１３と膨張空間１１とは、連絡
管４により連通しているために、圧縮空間１３へのミス
ト化した潤滑油１０の浸入を潤滑油阻止装置１８を用い
ることによって、同様の作用効果を得ることができる。

【００６０】なお、上記実施の形態の説明は、すべての
点で例示であって、制限的なものではないと考えられる
べきである。したがって、上述したように蓄冷材を内蔵
するディスプレーサを用いる構造に限られずたとえば膨
張空間と圧縮空間とが蓄冷器を介在した流路によって連
通された構造を有するスターリング冷凍機であっても同
様の作用効果を得ることができる。さらに、同一のシリ
ンダ内においてディスプレーサと圧縮ピストンにより膨
張空間と圧縮空間とが仕切られる構造を有するスターリ
ング冷凍機であっても同様の作用効果を得ることができ
る。本発明の説明は上記した説明ではなく、特許請求の
範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味およ
び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図され
る。

【００６１】また、本発明は、図６に示すスターリング
冷凍機に限らず、あらゆる種類のガス圧縮膨張機に実施
することが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態におけるスターリング冷凍
機の断面図である。

【図２】本発明の潤滑油阻止装置の要部を拡大した断面
図である。

【図３】本発明の潤滑油阻止装置に用いられる第１固定
フレームの平面図である。

【図４】本発明の潤滑油阻止装置に用いられる潤滑油吸
着部材の平面図である。

【図５】本発明の潤滑油阻止装置に用いられる第２固定
フレームの平面図である。

【図６】従来のスターリング冷凍機の断面図である。

【図７】スターリング冷凍サイクルの工程を説明する図
である。

【符号の説明】

１７ａ 吸着用部材移動空間 １９ａ フランジ部 ２３，２４ 潤滑油阻止装置 ２３ａ 第１固定フレーム ２３ｂ 第２固定フレーム ２３ｄ 潤滑油吸着用部材 ２５，２６ 連通空間

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) F25B 9/14 520 F25B 9/14 510

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 作動空間内に収容される作動部材と、 駆動装置空間内に収容され、前記作動空間内において前
   記作動部材に往復運動を与えるための駆動装置と、 前記作動空間と前記駆動装置空間とを連通する連通空間
   内に収容され、前記駆動装置の駆動力を前記作動部材に
   伝達するための伝達ロッドと、 前記連通空間内に設けられ、前記駆動装置に用いられる
   潤滑油の前記作動空間への浸入を阻止するために、前記
   作動空間と前記駆動装置空間とを気密的に分離するため
   の潤滑油阻止装置と、を備え、 前記潤滑油阻止装置は、 前記伝達ロッドの軸方向に対して直交する方向に、前記
   伝達ロッドに固定される潤滑油吸着用部材と、 前記潤滑油吸着用部材を収容し、前記伝達ロッドの往復
   運動に伴う前記潤滑油吸着用部材の往復移動を許容する
   吸着用部材移動空間を含み、前記作動空間と前記駆動装
   置空間とを気密的に分離する分離部材と、を有する、ガ
   ス圧縮膨張機。
2. 【請求項２】 前記伝達ロッドは、前記吸着用部材移動
   空間の位置に、フランジ部材を有し、前記潤滑油吸着用
   部材は、前記フランジ部材に脱着可能に設けられた、請
   求項１に記載のガス圧縮膨張機。
3. 【請求項３】 前記オイル吸着用部材は、 前記潤滑油を吸着するための多孔質体と、 前記多孔質体を前記伝達ロッドの軸方向に沿って両側か
   ら挟込み、前記多孔質体を固定するための１対のフレー
   ムと、を有する、請求項１に記載のガス圧縮膨張機。
4. 【請求項４】 前記ガス圧縮膨張機は、膨張空間と圧縮
   空間とがそれぞれ独立のシリンダ内に形成され、前記膨
   張空間内を往復移動する蓄冷材を内蔵するディスプレー
   サと、前記圧縮空間内を往復移動する圧縮ピストンとを
   備えるスターリング機関であって、 前記作動空間は前記膨張空間または前記圧縮空間であ
   り、前記作動部材は前記ディスプレーサまたは圧縮ピス
   トンである、請求項１に記載のガス圧縮膨張機。
5. 【請求項５】 前記ガス圧縮膨張機は、膨張空間と圧縮
   空間とがそれぞれ独立のシリンダ内に形成され、前記膨
   張空間内を往復移動する膨張ピストンと、前記圧縮空間
   内を往復移動する圧縮ピストンとを備え、前記膨張空間
   と前記圧縮空間とは、蓄冷器を介在した流路によって連
   通されたスターリング機関であって、 前記作動空間は前記膨張空間または前記圧縮空間であ
   り、前記作動部材は前記膨張ピストンまたは前記圧縮ピ
   ストンである、請求項１に記載のガス圧縮膨張機。