JP3373894B2

JP3373894B2 - 冷凍装置

Info

Publication number: JP3373894B2
Application number: JP13242893A
Authority: JP
Inventors: 和男池上; 直秀谷川; 力雄但野
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 1993-05-12
Filing date: 1993-05-12
Publication date: 2003-02-04
Anticipated expiration: 2018-02-04
Also published as: JPH06323667A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、スターリング冷凍機な
どの蓄冷型冷凍機を使用して超低温を実現する冷凍装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】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
料の超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蓄冷型冷凍機は、上記超
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】ここでは、２ピストン型スターリング冷凍
機について図４を参照して動作原理を説明する。

【０００４】スターリング冷凍機１は、ガス圧縮機２と
膨張機３とを、途中に蓄冷器４とを介装したガス流路５
によって連通させ、このガス流路５のガス圧縮機２側に
放熱器６と蓄冷器４の入口側に放熱器７とを配設する一
方、膨張機３の上部に冷凍取り出し部８を形成し、さら
に、ガス圧縮機２の後方で、かつ、膨張機３の下方には
クランク機構部９を配設した構成としている。

【０００５】ガス圧縮機２は、ヘリウム等極低温の沸点
の冷媒ガスを所定のサイクルに従って圧縮して圧縮され
た冷媒ガスを膨張機３へ供給するものであり、ガス圧縮
機２では、圧縮シリンダ本体１０の内側に冷媒ガスを圧
縮する圧縮空間１１を形成し、圧縮ピストン１３が圧縮
シリンダ１２に摺動自在に嵌装されて後述するクランク
機構部９の作用により圧縮ピストン１３が往復運動をす
るようになっている。

【０００６】膨張機３は、ガス圧縮機２から蓄冷器４を
介して供給された圧縮冷媒ガスを膨張させるものであ
り、膨張機３は、膨張機本体１４の内側に膨張シリンダ
１５が上下方向に配設され、この膨張シリンダ１５の内
側に膨張ピストン１６が上下方向に摺動自在に嵌装さ
れ、膨張機３の内側に低温が発生する膨脹空間として冷
凍発生部１７が形成されている。

【０００７】蓄冷器４は、膨張機本体１４の内周と膨張
シリンダ１５の外周との間に円筒形状に形成され、ガス
流路５を介して膨張機３へ供給される圧縮された冷媒ガ
スを冷却する一方、冷凍発生部１７で膨脹され冷却され
た冷媒ガスがガス圧縮機２に戻される際に、その冷媒が
冷却されて蓄冷するものであり、その材料としては、比
熱の大きな銅やステンレス鋼、さらに、鉛等が用いら
れ、それらが冷媒ガスを通す微細孔が多数穿設された円
筒形状に形成されたものである。

【０００８】ガス流路５は、ガス圧縮機２と膨張機３と
を連通する配管で蓄冷器４の入口側では、圧縮冷媒ガス
が均等に蓄冷器４内を通過するようになっている。放熱
器６と放熱器７は、圧縮された高温の冷媒ガスを室温付
近に下げるもので、放熱器６は圧縮シリンダ本体１０の
胴部の外側に多数の円板状フィンを立設され、放熱器７
は、膨張機本体１４の胴部の外側に多数の円形状フィン
を立設している。冷凍取り出し部８は、冷凍発生部１７
で発生した冷熱を図示省略する低温槽等へ取り出すもの
で、膨張機本体１４の上部にステンレス鋼等の板状体で
覆われている。

【０００９】クランク機構部９は、圧縮ピストン１３と
膨張ピストン１６とを図示省略する駆動モータを駆動源
としてクランク運動の作用で往復運動をさせるものであ
り、クランク機構部９は、圧縮シリンダ１２の後方に案
内部２０を形成すると共に、膨張シリンダ１５の下方に
案内部２１とを形成したクランク室２２を有し、このク
ランク室２２の底部に潤滑油２３を収納し、さらに、ク
ランク室２２の内部にクランク機構２４を配設してい
る。そして、このクランク機構２４から延設されるコネ
クティングロッド２５が案内部２０の案内受２０ａにク
ロスガイド２６が摺動自在に嵌装され、このクロスガイ
ド２６に連絡するピストンロッド２７が案内部２０の貫
通穴２０ｂに貫通して圧縮ピストン１３の後部に接続す
ると共に、クランク機構２４から延設されるコネクティ
ングロッド２８が案内部２１の案内受２１ａにクロスガ
イド２９が摺動自在に嵌装され、このクロスガイド２９
に連絡するピストンロッド３０が膨張ピストン１６の後
部に接続している。

【００１０】なお、３１は圧縮空間１１と圧縮ピストン
１３の後方の空間３２を断絶するピストンシールで、３
３はクランク室２２の潤滑油２３が空間３２に侵入する
のを防止するオイルシールを示している。また、３４は
冷凍発生部１７と膨張ピストン１６の後方の空間３５を
断絶するピストンシールで、３６はクランク室２２の潤
滑油２３が空間３５に侵入するのを防止するオイルシー
ルを示す。

【００１１】まず、図示省略する駆動モータの回転によ
ってクランク機構部９のクランク機構２４が駆動する
と、ガス圧縮機２の圧縮シリンダ１２内の圧縮ピストン
１３が圧縮空間１１側に移動して圧縮空間１１に充満す
るヘリウムや窒素等の液化しにくい冷媒ガスが圧縮され
る。圧縮された冷媒ガスは、圧縮シリンダ本体１０の外
周に設けられる放熱器６によって外部に放熱され室温付
近まで冷却され、ガス流路５を通り、さらに、放熱器７
で冷却されて蓄冷器４へ流入する。

【００１２】蓄冷器４に流入した冷媒ガスは、比熱の大
きな材料、例えば、銅や鉛の金網状あるいは球からなる
蓄冷材によって冷却され、冷却された冷媒ガスが膨張機
３の冷凍発生部１７へ流入され、冷凍発生部１７が高圧
状態となる。

【００１３】その後、膨張機３の膨張シリンダ１５内の
膨張ピストン１６が圧縮ピストン１３と約９０°の位相
差を持って降下してくる。これによって、膨張空間とし
ての冷凍発生部１７が拡張されて蓄冷器４から冷凍発生
部１７へ流入した高圧の冷媒ガスが、急に膨張されて、
冷凍発生部１７の冷媒ガスの圧力が急降下するため冷媒
ガスが低温となる。

【００１４】やがて、膨張ピストン１６が上昇を開始
し、圧縮ピストン１３が後退すると、低温の冷媒ガス
が、蓄冷器４を通り、ガス流路５を経て圧縮空間１１へ
戻る。このとき、蓄冷器４では、蓄冷材が冷却され蓄冷
器４に冷熱が蓄えられる。

【００１５】上記した工程によって、一つの熱サイクル
が終了し、この工程がクランク機構部９のクランク機構
２４の往復運動によって繰り返される。これにより、徐
々に冷凍発生部１７の温度と蓄冷器４の温度が降下し、
冷凍発生部１７の冷媒ガスが低温とされる。この状態の
とき、冷凍取り出し部８では、冷凍発生部１７の冷熱を
外部の図示省略する熱利用部としての低温槽と熱交換を
行って外部の低温槽の冷却負荷を冷凍温度とする。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図４で
説明した従来のスターリング冷凍機１では、クランク室
２２の潤滑油２３が案内部２０および案内部２１のシー
ル部から作動空間としてのガス圧縮機２および膨張機３
とに混入して冷凍能力を低下させるという問題がある。

【００１７】従来、ガス圧縮機２では、クランク機構２
４から延設されるコネクティングロッド２５が案内部２
０の案内受２０ａにクロスガイド２６が摺動自在に嵌装
され、クロスガイド２６のピストンロッド２７が貫通穴
２０ｂに貫通し、このピストンロッド２７には、オイル
シール３３が施され、圧縮ピストン１３の後部に接続さ
れている。

【００１８】この構成で、クランク機構２４によるクラ
ンク運動を圧縮ピストン１３の往復運動とすると共に、
クランク室２２の潤滑油２３が圧縮ピストン１３の後方
の空間３２へ混入することを防止している。

【００１９】ところが、上記オイルシール３３のみで潤
滑油２３を完全にシールすることは困難であり、潤滑油
２３が後方の空間３２に侵入する。このため侵入した潤
滑油２３が冷媒ガスに混入して冷凍能力を低下させ、ま
た、蓄冷器４の蓄冷材に混入して蓄冷能力の劣化をさせ
るという問題がある。

【００２０】以上のことは、膨張機３の圧縮ピストン１
３と案内部２１についても同様である。

【００２１】そこで、本発明は、作動空間へ潤滑油の混
入を極めて効果的に防止した冷凍装置を提供することを
目的とする。

【００２２】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、圧縮
シリンダによって圧縮される圧縮空間と膨張シリンダに
よって膨脹される膨張空間とが蓄冷器を介した流路によ
って連通させると共に、前記圧縮シリンダの圧縮ピスト
ンと前記膨張シリンダの膨張ピストンとが相互に所定の
位相差をもって往復駆動されるようにクランク機構部を
介して駆動モータに接続され、前記圧縮空間から前記膨
張空間に導かれる冷媒ガスの膨張過程を含む熱サイクル
によって低温を発生させる冷凍装置において、前記クラ
ンク機構部のクランクからそれぞれ延設されるコネクテ
ィングロッドの他端がそれぞれ対応するクロスガイドに
回動自在に連結され、さらに、前記クロスガイドから延
設されるピストンロッドによってそれぞれの前記圧縮ピ
ストンまたは膨張ピストンの後部に接続される一方、ク
ロスガイドを案内するための案内部に形成される案内凹
部に嵌合する軸受筒に前記クロスガイドが摺動自在に嵌
装され、かつ、前記案内凹部の底部には潤滑油の付着を
防ぐ撥油部が形成され、さらに、前記案内凹部の底部か
ら圧縮シリンダまたは膨張シリンダ方向に前記ピストン
ロッドが貫通し、かつ、オイルシールが施された貫通孔
が形成されるようにしたものである。

【００２３】請求項２の発明は、圧縮シリンダによって
圧縮される圧縮空間と膨張シリンダによって膨脹される
膨張空間とが蓄冷器を介した流路によって連通させると
共に、前記圧縮シリンダの圧縮ピストンと前記膨張シリ
ンダの膨張ピストンとが相互に所定の位相差をもって往
復駆動されるようにクランク機構部を介して駆動モータ
に接続され、前記圧縮空間から前記膨張空間に導かれる
冷媒ガスの膨張過程を含む熱サイクルによって低温を発
生させる冷凍装置において、前記クランク機構部のクラ
ンクからそれぞれ延設されるコネクティングロッドの他
端がそれぞれ対応するクロスガイドに回動自在に連結さ
れ、さらに、前記クロスガイドから延設されるピストン
ロッドによってそれぞれ前記圧縮ピストンまたは膨張ピ
ストンの後部に接続される一方、前記クロスガイドを案
内するための案内部に形成される案内凹部に嵌合する潤
滑油を戻す油戻し溝が形成された軸受筒に前記クロスガ
イドが摺動自在に嵌装され、さらに、前記案内凹部の底
部から前記圧縮シリンダまたは膨張シリンダ方向に前記
ピストンロッドが貫通し、かつ、オイルシールが施され
た貫通孔が形成されるようにしたものである。

【００２４】

【作用】請求項１の発明は、案内部の案内受凹部の底部
に潤滑油の付着を防ぐ撥油部を設けるようにしたために
潤滑油が圧縮ピストンまたは膨張ピストンを介して、圧
縮シリンダまたは膨張シリンダの作動空間に混入するこ
とが防止される。従って、蓄冷能力の劣化や熱交換能力
の劣化が回避されて冷凍能力の維持が図れる。

【００２５】請求項２の発明は、案内部の案内受凹部へ
侵入した潤滑油を戻す油戻し溝を案内受凹部に嵌合する
軸受筒に形成するようにしたため潤滑油が圧縮ピストン
または膨張ピストンを介して、圧縮シリンダまたは膨張
シリンダの作動空間に混入することが防止される。従っ
て、蓄冷能力の劣化や熱交換能力の劣化が回避されて冷
凍能力の維持が図れる。

【００２６】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。

【００２７】図１は、本発明の第１実施例を示すスター
リング冷凍機１に備える潤滑油シール機構部の概略図で
ある。従来例を示す図４と同一符号は、同一部分または
相当部分を示し図１に示す部分以外の各部は、図４とほ
ぼ同一の構成となっており、本実施例は、ガス圧縮機２
の圧縮シリンダ１２側へ潤滑油シール機構部３７を適用
した例を説明する。

【００２８】図において、潤滑油シール機構部３７は案
内部２０に形成され、案内部２０は円柱形状で後部にク
ロスガイド２６が嵌装して摺動自在とする軸受筒３８が
嵌合する中空の案内受凹部２０ａが形成され、そして、
案内受凹部２０ａに連通してクロスガイド２６に接続す
るピストンロッド２７が貫通する貫通穴２０ｂが形成さ
れ、この貫通穴２０ｂの中間部に２個の凹部２０ｃが形
成され、これら凹部２０ｃにそれぞれオイルシール３３
が施されている。

【００２９】そして、案内受凹部２０ａの底部２０ａ１
には、撥油部３９が形成されている。この撥油部３９と
しては、例えば、油を弾く性質が強力なテフロンコート
等の薄い膜を用いて、これを塗布または貼り付けるよう
になっている。

【００３０】なお、２６ａはガス抜きのためのガス抜き
孔、４０はクロスガイド２６とコネクティングロッド２
５とを連結してコネクティングロッド２５を回動自在と
する締着具を示している。

【００３１】上記構成で、駆動モータを駆動源としてク
ランク機構２４が回転してクランク運動をする。このク
ランク機構２４に延設されるコネクティングロッド２５
が案内部２０に形成される案内受凹部２０ａの軸受筒３
８に摺動自在に嵌装されるクロスガイド２６を往復運動
させ、クロスガイド２６に連結するピストンロッド２７
によって圧縮ピストン１３を往復運動させる。

【００３２】これによって、クランク室２２に充たされ
る潤滑油２３がクロスガイド２６等を伝わって案内部２
０の案内受凹部２０ａに侵入し、クロスガイド２６の往
復運動に伴って潤滑油２３が案内受凹部２０ａの底部２
０ａ１に溜まるようになる。この状態のとき、案内受凹
部２０ａの底部２０ａ１に溜まる潤滑油２３が撥油部３
９によって弾かれる。

【００３３】従って、潤滑油２３が案内部２０の貫通穴
２０ｂへ侵入することが防止され、しかも、万一、潤滑
油２３が案内部２０の貫通穴２０ｂへ侵入したとしても
オイルシール３３によって空間３２への侵入が防止され
る。

【００３４】このように、案内受凹部２０ａの底部２０
ａ１に侵入した潤滑油２３が撥油部３９によって弾かれ
るため作動空間としてのガス圧縮機２側に潤滑油２３の
侵入を防止することができる。

【００３５】従って、ガス圧縮機２への潤滑油２３の侵
入によるスターリング冷凍機１の冷凍能力の低下が防止
でき、また、蓄冷器４に潤滑油２３の侵入が防止でき蓄
冷材の蓄冷能力の低下を回避することができる。なお、
第１実施例では、ガス圧縮機２に潤滑油シール機構部３
７を適用した例を説明したが、膨張機３に潤滑油シール
機構部３７を同様に適用して実施することができる。

【００３６】図２は、本発明の第２実施例を示すスター
リング冷凍機１に備える潤滑油シール機構部の概略図で
ある。

【００３７】従来例を示す図４と同一符号は、同一部分
または相当部分を示し、図２に示す部分以外の各部は、
図４とほぼ同一の構成となっており、ガス圧縮機２の圧
縮シリンダ１２側へ潤滑油シール機構部４１を適用した
例を説明する。

【００３８】図において、潤滑油シール機構部４１は、
案内部２０に形成され、案内部２０は円柱形状で後部に
クロスガイド２６が摺動自在に嵌装する軸受筒４２が嵌
合する中空の案内受凹部２０ａが形成され、そして、案
内受凹部２０ａに連通してクロスガイド２６に接続する
ピストンロッド２７が貫通する貫通穴２０ｂが形成さ
れ、この貫通穴２０ｂの中間部に２個の凹部２０ｃが形
成され、これら凹部２０ｃにオイルシール３３が施され
ている。

【００３９】そして、案内部２０に嵌合した軸受筒４２
は、図３に示す断面図のように下部に油戻し溝４２ａが
設けられ、この油戻し溝４２ａは、案内受凹部２０ａの
底部２０ａ１から開口部２０ａ２にかけて高低差をもち
傾斜している。また、クロスガイド２６には、ガス抜き
孔２６ａが設けられ、クロスガイド２６の下側には油抜
き孔２６ｂが形成されている。

【００４０】なお、４０は、クロスガイド２６とコネク
ティングロッド２５とを連結してコネクティングロッド
２５を回動自在とする締着具を示している。

【００４１】上記構成で、駆動モータを駆動源としてク
ランク機構２４が回転してクランク運動をすると、この
クランク機構２４に延設されるコネクティングロッド２
５が案内部２０に形成される案内受凹部２０ａの軸受筒
４２に摺動自在に嵌装されるクロスガイド２６を往復運
動させ、クロスガイド２６に連結するピストンロッド２
７によって圧縮ピストン１３を往復運動させる。

【００４２】これによって、クランク室２２に充たされ
る潤滑油２３がクロスガイド２６等を伝わって案内部２
０の案内受凹部２０ａの底部２０ａ１に溜まるようにな
る。

【００４３】この状態のとき、案内受凹部２０ａの底部
２０ａ１に溜まった潤滑油２３が軸受筒４２に形成され
る油戻し溝４２ａを伝って案内受凹部２０ａの開口部２
０ａ２側へ戻される。

【００４４】また、クロスガイド２６の周辺に溜まった
潤滑油２３がクロスガイド２６に形成された油抜き孔２
６ｂに流入し、軸受筒４２に形成された油戻し溝４２ａ
を伝って案内受凹部２０ａの開口部２０ａ２からクラン
ク室２２へ戻される。また、万一、潤滑油２３が案内部
２０の貫通穴２０ｂへ侵入したとしてもオイルシール３
３によって空間３２への侵入が防止される。

【００４５】このように、案内受凹部２０ａの底部２０
ａ１に侵入した潤滑油２３が軸受筒４２の油戻し溝４２
ａを伝ってクランク室２２へ戻されるため作動空間とし
てのガス圧縮機２側に潤滑油２３の侵入を防止すること
ができる。

【００４６】なお、第２実施例ではガス圧縮機２に潤滑
油シール機構部４１を適用した例を説明したが、膨張機
３に潤滑油シール機構部４１を適用して同様に実施する
ことができる。

【００４７】

【発明の効果】以上説明したように請求項１の発明よれ
ば、案内部の案内受凹部の底部に潤滑油の付着を防ぐ撥
油部を設けるようにしたために潤滑油が圧縮シリンダま
たは膨張シリンダの作動空間に混入することが防止され
る。従って、蓄冷能力の劣化や熱交換能力の劣化が回避
されて冷凍能力の維持が図れる。

【００４８】請求項２の発明は、潤滑油を戻す油戻し溝
を案内受凹部に嵌合する軸受筒に形成するようにしたた
め潤滑油が圧縮ピストンまたは膨張ピストンを介して、
圧縮シリンダまたは膨張シリンダの作動空間に混入する
ことが防止される。従って、蓄冷能力の劣化や熱交換能
力の劣化が回避されて冷凍能力の維持が図れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例を示すスターリング冷凍機
に備える潤滑油シール機構部の要部断面図。

【図２】本発明の第２実施例を示すスターリング冷凍機
に備える潤滑油シール機構部の要部断面図。

【図３】図２の案内受凹部に嵌合した軸受筒の断面図。

【図４】従来例を示すスターリング冷凍機の概略図。

【符号の説明】

１スターリング冷凍機２ガス圧縮機３膨張機４蓄冷器５ガス流路６放熱器７放熱器８冷凍取り出し部９クランク機構部１０圧縮シリンダ本体１１圧縮空間１２圧縮シリンダ１３圧縮ピストン２０案内部２０ａ案内受凹部２０ｂ貫通孔２１案内部２２クランク室２３潤滑油２４クランク機構２５コネクティングロッド２６クロスガイド２６ｂ油抜き孔２７ピストンロッド２８コネクティングロッド２９クロスガイド３０ピストンロッド３２空間３３オイルシール３５空間３６オイルシール３７潤滑油シール機構部３８軸受筒３９撥油部４０締着具４１潤滑油シール機構部４２軸受筒４２ａ油戻し溝

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭64−87854（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−79848（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F25B 9/14 510 F02G 1/053

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】圧縮シリンダによって圧縮される圧縮空
間と膨張シリンダによって膨脹される膨張空間とが蓄冷
器を介した流路によって連通させると共に、前記圧縮シ
リンダの圧縮ピストンと前記膨張シリンダの膨張ピスト
ンとが相互に所定の位相差をもって往復駆動されるよう
にクランク機構部を介して駆動モータに接続され、前記
圧縮空間から前記膨張空間に導かれる冷媒ガスの膨張過
程を含む熱サイクルによって低温を発生させる冷凍装置
において、前記クランク機構部のクランクからそれぞれ延設される
コネクティングロッドの他端がそれぞれ対応するクロス
ガイドに回動自在に連結され、さらに、前記クロスガイ
ドから延設されるピストンロッドによってそれぞれの前
記圧縮ピストンまたは膨張ピストンの後部に接続される
一方、クロスガイドを案内するための案内部に形成され
る案内凹部に嵌合する軸受筒に前記クロスガイドが摺動
自在に嵌装され、かつ、前記案内凹部の底部には潤滑油
の付着を防ぐ撥油部が形成され、さらに、前記案内凹部
の底部から前記圧縮シリンダまたは膨張シリンダ方向に
前記ピストンロッドが貫通し、かつ、オイルシールが施
された貫通孔が形成されていることを特徴とする冷凍装
置。
【請求項２】圧縮シリンダによって圧縮される圧縮空
間と膨張シリンダによって膨脹される膨張空間とが蓄冷
器を介した流路によって連通させると共に、前記圧縮シ
リンダの圧縮ピストンと前記膨張シリンダの膨張ピスト
ンとが相互に所定の位相差をもって往復駆動されるよう
にクランク機構部を介して駆動モータに接続され、前記
圧縮空間から前記膨張空間に導かれる冷媒ガスの膨張過
程を含む熱サイクルによって低温を発生させる冷凍装置
において、前記クランク機構部のクランクからそれぞれ延設される
コネクティングロッドの他端がそれぞれ対応するクロス
ガイドに回動自在に連結され、さらに、前記クロスガイ
ドから延設されるピストンロッドによってそれぞれ前記
圧縮ピストンまたは膨張ピストンの後部に接続される一
方、前記クロスガイドを案内するための案内部に形成さ
れる案内凹部に嵌合する潤滑油を戻す油戻し溝が形成さ
れた軸受筒に前記クロスガイドが摺動自在に嵌装され、
さらに、前記案内凹部の底部から前記圧縮シリンダまた
は膨張シリンダ方向に前記ピストンロッドが貫通し、か
つ、オイルシールが施された貫通孔が形成されているこ
とを特徴とする冷凍装置。