JP3643761B2 - スターリング冷凍機 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、食品流通、環境試験、医療、バイオ産業、半導体製造等の産業用、あるいは家庭用機器等のあるゆる産業分野の冷凍、冷却に使用できるスターリング冷凍機等のスターリング冷凍機に関し、特にスターリング冷凍機の作動ガスの充填・排出装置に関する。
【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、投げ込み式クーラー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】
図１は、スターリング冷凍機１の全体概略図を示すものであり、ハウジング２内において、モータ３により動作するクランクシャフト４のクランク部５、６に夫々クロスガイドヘッド７、８を介して圧縮ピストンロッド９と膨張ピストンロッド１０が連結されている。これらの圧縮ピストンロッド９と膨張ピストンロッド１０を介して、圧縮ピストン１１と膨張ピストン１２が位相差をもって夫々圧縮シリンダ１３と膨張シリンダ１４内を往復動し、これによって作動ガスの圧縮と膨張を行い、圧縮シリンダ１３の高温室（圧縮室）１５と膨張シリンダ１４の低温室（膨張室）１６との間に再生器１７を介して配設された放熱用熱交換器（高温側熱交換器）１８と冷却用熱交換器（低温側熱交換器）１９とにより、夫々放熱用冷媒及び冷熱冷媒と、作動ガスとの熱交換が行われる。
【０００４】
ところで、ピストンロッド９、１０に沿ってクランク室から油やオイルミストが上昇する、いわゆる油上がりという問題がある。この油上がりは、油やオイルミストが圧縮シリンダや膨張シリンダに入るとその内面に付着し、又熱により炭化してスターリング冷凍機の性能及び耐久性を著しく低減させる。この油上がりの問題を解決するために、従来、圧縮ピストンロッド９と膨張ピストンロッド１０は、オイルシール２０、２１によりシールされている。
【０００５】
このオイルシールについては、構造及び材料面でいろいろな開発が行われているが、必ずしもシール性能、耐久性において十分とはいえず、又ロールソックスタイプのシールシステムも提案されているが、耐久性において十分とはいえない現況である。
【０００６】
又、スターリング冷凍機が運転しているとクランク室２６は、温度が上昇してその内部圧力は上昇する。このクランク室の圧力上昇は、上記オイルシールに機械的に負担をかけ劣化の原因となり、その圧力により上記油上がりを助長し、性能上も悪影響を与えるという問題があった。又、圧縮ピストン及び膨張ピストンの往復動により、その背面側に圧力変動が生じ、オイルシールへ悪影響を生じるという問題もあった。
【０００７】
本発明者らは、上記スターリング冷凍機特有の諸問題を解決することを目的とし、油上がりを防止し、かつ長寿命なピストンロッドのオイルシール用ベローズを装着し、さらに、このオイルシール用ベローズの劣化、破壊の原因となっている、クランク室と、圧縮ピストン及び膨張ピストンの背面側空間（この空間を本明細書では「作動空間」という。）との間で圧力差や圧力変動を吸収するバッファタンクとを備えたスターリング冷凍機を開発し、すでに出願をしている（特願平１０−３６５３７１号参照。）。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、スターリング冷凍機において、クランク室と作動空間とが互いに均等の圧力となるような構成を採用していても、作動ガスを外部から供給して封入する際、あるいは作動ガスを排出する際に、その注入又は排出の仕方によっては圧力差が生じてしまう。このような作動ガスの充填、排出の際に圧力差を発生させてしまうと、上記のようなバッファタンクを設けて圧力調整をしても十分な効果が生じない。
【０００９】
本発明は、このような従来の問題を解決することを目的とするものであり、その具体的な課題は、オイルシール用ベローズを備えたスターリング冷凍機において、作動ガスの充填及び排出の際に生じやすい、クランク室と作動空間との間における圧力差を防止し、オイルシール用ベローズの劣化、破壊が生じないようにして、油上がりを防止するとともにオイルシール用ベローズの寿命を伸ばし、スターリング冷凍機の性能及び耐久性の向上を図ることである。
【００１０】
【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、クランク室を有するハウジングと、上記クランク室の上方に配置された圧縮シリンダ及び膨張シリンダと、上記圧縮シリンダ及び膨張シリンダ内を往復動し、作動ガスを圧縮及び膨張する圧縮ピストン及び膨張ピストンと、上記クランク室内のクランクと連動し、上記圧縮ピストン及び膨張ピストンに一端が連結された圧縮ピストンロッド及び膨張ピストンロッドと、上記圧縮ピストンロッド及び膨張ピストンロッドが夫々貫通する上記クランク室頂部の開口部に夫々配設されたオイルシールとを備えて成るスターリング冷凍機において、上記オイルシールは、夫々その基端が上記開口の周縁に固着され、その先端が上記圧縮ピストンロッド及び膨張ピストンロッドに固定されたオイルシール用ベローズから成り、上記クランク室と、上記圧縮作動シリンダ及び膨張シリンダにおける上記圧縮ピストン及び膨張ピストンの背面側の作動空間に、作動ガスを充填又は排出する作動ガス充填・排出装置を、上記クランク室と上記作動空間に、夫々連通するように配設して成ることを特徴とするスターリング冷凍機を提供する。
【００１１】
上記ハウジングと上記作動空間との間に、上記作動空間内の圧力変動及び上記ハウジング内の圧力上昇を吸収するためのバッファタンクを設けた構成としてもよい。そして、このバッファタンクは、その内部に、圧力調整用ベローズが配設されている構成としてもよい。
【００１２】
上記作動ガス充填・排出装置は、上記クランク室及び上記作動空間の夫々に対して、接続管、充填管及び排気管を備えており、上記クランク室の充填管と上記作動空間の充填管は充填管路に合流して作動ガス供給源に接続され、上記クランク室の排気管と上記作動空間の排気管は排気管路に合流してガス排気口に接続され、上記充填管路及び上記排気管路には夫々絞りが配設されている構成のものが利用される。
【００１３】
さらに、本発明は上記課題を解決するために、スターリング冷凍機に作動ガスを充填し、排出するための作動ガス充填・排出ガス回路を有する可搬式のスターリング冷凍機用作動ガス充填・排出装置であって、上記作動ガス充填・排出ガス回路は、スターリング冷凍機のクランク室並びに、圧縮シリンダ及び膨張シリンダの圧縮ピストン及び膨張ピストンの背面側の作動空間の夫々に対して接続される、圧力センサ付き接続管並びに電磁弁を有する充填管及び排気管を備えており、上記クランク室の充填管と上記作動空間の充填管は、合流して充填管路に接続されて作動ガス供給源に連通し、上記クランク室の排気管と上記作動空間の排気管は、合流して排気管路に接続され排気口に連通し、上記充填管路及び上記排気管路は、夫々絞りを有し、上記クランク室の排気管は、オイルミストセパレータ及びフィルタを順次配設して成ることを特徴とするスターリング冷凍機用作動ガス充填・排出装置を提供する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態をスターリング冷凍機に関する実施例に基づき図面を参照して以下に説明する。図２は本発明に係るスターリング冷凍機の実施例を示す図である。実施例のスターリング冷凍機２２は、油上がり防止のためにオイルシール用ベローズを設けるとともに、クランク室と連通する圧力調整用ベローズ付きバッファタンクを設け、オイルシール用ベローズに対する、クランク室の温度上昇に起因するハウジング内空間の圧力上昇並びに圧縮ピストン及び膨張するピストンの背面側の空間の圧力変動を吸収する構成を採用している。
【００１５】
これを詳細に説明すると、図２において、スターリング冷凍機２２のハウジング２３は、鋳物で形成され、ハウジング２３内は、区画壁２４によってモータ室２５とクランク室２６とに区画され、このモータ室２５には正逆回転可能なモータ２７が、クランク室２６には、モータ２７の回転動作を往復動に変換する回転往復変換機構部２８が夫々配設されている。モータ室２５及びクランク室２６は、夫々蓋２９、３０で閉止されている。
【００１６】
ハウジング２３内には、区画壁２４を貫通し、軸受３１、３２に軸支されたクランクシャフト３４が回転可能に配置されている。モータ２７は、ステータ３５とロータ３６とから構成され、このロータ３６に固定されたモータの出力軸３３にクランクシャフト３４が結合されている。
【００１７】
回転往復変換機構部２８は、クランク室２６内に延びたクランクシャフト３４のクランク部３７、３８と、このクランク部３７、３８に連結されたコンロッド３９、４０と、このコンロッドの先端に取り付けられたクロスガイドヘッド４１、４２とで構成され、スターリング冷凍機２２の駆動伝達手段として機能している。
【００１８】
クロスガイドヘッド４１、４２は、ハウジング２３のシリンダの内壁に設けられたクロスガイドライナ４３、４４内を往復動可能に配置されている。クランク部３７、３８は、モータ２７の正転時にクランク３８がクランク３７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。
【００１９】
スターリング冷凍機２２のハウジング２３のクランク室２６の上部には、圧縮シリンダ４５と膨張シリンダ４６とが配設されている。圧縮シリンダ４５と膨張シリンダ４６並びにハウジング２３内には、作動ガスとして、例えば、ヘリウム、水素、窒素等が封入されている。
【００２０】
圧縮シリンダ４５は、ハウジング２３にボルト等によって固定される圧縮シリンダブロック４７を有し、この圧縮シリンダブロック４７の空間内をピストンリングの付設された圧縮ピストン４８が往復動して、この空間の上部が高温室（圧縮空間）４９であり、この中の作動ガスは圧縮されて高温となる。
【００２１】
圧縮ピストンロッド５０は、一端が圧縮ピストン４８に固定し、他端がクロスガイドヘッド４１に回動自在に連結されている。ハウジング２３の上部の開口５１を封止するように、オイルシール用ベローズ５３の上端が圧縮ピストンロッド５０に固着され、その下端が開口５１の周縁部に固着されている。
【００２２】
これにより、圧縮シリンダ４５とハウジング２３のクランク室２６が完全に封止され、クランク室２６からオイルが圧縮シリンダ４５内に入ることが完全に防止される。オイルシール用ベローズ５３は、金属材料をプレス加工により一体成形した金属成形ベローズ又は溶接により組み立てた金属溶接ベローズが使用される。
【００２３】
往復動する圧縮ピストン４８は上死点及び下死点で摺動方向が反転するため、速度がゼロになり、上死点及び下死点付近では速度が遅く単位時間当たりの容積の変化量も小さく、下死点から上死点及び上死点から下死点に向かって移動するときの夫々の中間点で最高速度になり、単位時間当たりのピストンの移動による容積の変化量も最大となる。
【００２４】
一方、膨張シリンダ４６は、圧縮シリンダ４５の若干上方に位置して、ボルト等によってハウジング２３及び圧縮シリンダブロック４７に固定される膨張シリンダブロック５４を有し、この膨張シリンダブロック５４の空間内をピストンリングの付設された膨張ピストン５５が往復摺動して、この空間の上部が低温室（膨張空間）５６であり、この中の作動ガスが膨張し低温となる。膨張ピストン５５は、圧縮ピストン４８より約９０度の位相だけ先行して移動する。
【００２５】
膨張ピストンロッド５７は、一端が膨張ピストン５５に固定し、他端がクロスガイドヘッド４２に回動自在に連結されている。ハウジング２３の上部開口５２を封止するように、オイルシール用ベローズ５８の上端が膨張ピストンロッド５７に固着され、オイルシール用ベローズ５８の下端がハウジング２３の開口５２周縁部に固着されている。
【００２６】
これにより、膨張シリンダ４６とクランク室２６が完全に封止され、クランク室２６から膨張ピストンロッド５７に沿って膨張シリンダ４６内に入ることが完全に防止される。オイルシール用ベローズ５８は、圧縮シリンダ用と同様の金属成形ベローズ又は金属溶接が使用される。
【００２７】
スターリング冷凍機２２には、バッファタンク５９が配設されており、バッファタンク５９内には、その軸方向に伸縮する圧力調整用ベローズ６１が配設されている。この圧力調整用ベローズ６１により、バッファタンク５９が、圧力調整用ベローズ６１の開口側の室６３と圧力調整用ベローズ６１の閉止壁側に室６５に区画されている。
【００２８】
圧力調整用ベローズ６１の開口側の室６３は、管６７により、圧縮シリンダの圧縮ピストン４８の背面側の空間６９と連通している。そして、室６９と膨張シリンダの膨張ピストン５５の背面側の空間７０との隔壁に連通孔６９’を形成し、二つの空間６９、７０を互いに連通している。
【００２９】
圧力調整用ベローズ６１の閉止壁側の室６５は、管７１によりハウジング２３のモータ室２５及びクランク室２６と連通している（この点、モータ室２５とクランク室２６は互いに区画壁２４により仕切られているが、互いに気密状態に仕切られているのではなく、連通状態であるから、本明細書では、ハウジング２３内の空間と連通しているという表現とする。）。これらの圧力調整用ベローズ６１は、オイルシール用ベローズ５３、５８同様に金属成形ベローズ、金属溶接ベローズ又は樹脂やゴム製のベローズが使用される。
【００３０】
膨張シリンダブロック５４には、圧縮シリンダ４５の高温室（圧縮空間）４９と連通する環状のマニホールド７３が設けられており、さらに放熱用熱交換器７４、再生器７５及び冷却用熱交換器７６が互いに順次連通して環状に配設されている。圧縮シリンダブロック４５の上端部近くには、連通孔７７が形成されており、これにより、高温室（圧縮空間）４９と低温室（膨張空間）５６は、連通孔７７、マニホールド７３、放熱用熱交換器７４、再生器７５及び冷却用熱交換器７６を介して互いに順次連通するように構成されている。
【００３１】
放熱用熱交換器７４は、アニュラータイプの熱交換器、例えば、シェルアンドチューブ式熱交換器（環状の熱交換室内に作動ガスを流す多数のチューブを軸方向に貫設して、冷却用の水を熱交換室内に流して作動ガスを冷却する熱交換器。）等が採用される。
【００３２】
放熱用熱交換器７４は、冷却水循環管路７８及び冷却水用ポンプＰ１を介して放熱器７９と接続しており、冷却水を循環している。放熱用熱交換器７４で熱交換され加熱された冷却水は放熱器７９の冷却ファン８０により冷却される。冷却水循環管路７８は、リザーババルブ８１を介して、水用リザーバタンク８２が接続されている。又、放熱器７９には、エアー抜き８３が接続されていると共に、ドレーンバルブ８４が接続されている。
【００３３】
膨張シリンダブロック５４の上部（コールドヘッド８５）には、冷却用熱交換器７６が形成されている。冷却用熱交換器７６は、内側に作動ガスの流路８６を有し、外側に冷却フィンが形成されて構成される。冷却用熱交換器７６は、その用途に応じていろいろな構造が採用される。例えば、膨張シリンダブロック５４の頂部に、ジャケット壁を設け、このジャケット壁内にエチルアルコール、ＨＦＥ、ＰＦＣ、ＰＦＧ、窒素、ヘリウム等冷熱冷媒を流す構造としてもよい。
【００３４】
本発明のスターリング冷凍機は、圧縮シリンダ４５と膨張シリンダ４６の２ピストンとすることにより、スターリング冷凍機の作動ガスの充填された空間の容積変動を大きくすることによって、冷凍能力の大きいスターリング冷凍機２２を提供できるようにしている。
【００３５】
ところで、本発明のスターリング冷凍機では、オイルシール用ベローズ５３、５８を採用し、さらにバッファタンク５９を設けて、油上がりを防止し、又クランク室２６（あるいはハウジング２３内）と空間６９、７０（作動空間）との間の圧力差や圧力変動を吸収して、圧力調整を自動的に行いオイルシール用ベローズ５３、５８の劣化や破壊を防止し、スターリング冷凍機の運転性能及び耐久性の向上を図っている。
【００３６】
要するに、本発明のスターリング冷凍機では、クランク室２６と作動空間６９、７０とは互いに同じ圧力となる構成を採用している。しかしながら、スターリング冷凍機の製作又はメインテナンスに際して、作動ガスをクランク室２６と作動空間６９、７０内に外部から供給して封入する際、あるいは作動ガスを外部に排出する際に、その注入又は排出の仕方によっては、クランク室２６と作動空間６９、７０の間に圧力差が生じ易い。このような充填、排出に起因する圧力差があると、上記のようにバッファタンク５９を設けて圧力調整をしても、十分な効果が得られない。
【００３７】
本発明に係るスターリング冷凍機では、作動ガスの充填及び排出の際にクランク室２６と作動空間６９、７０との間で圧力差が生じないようにするための作動ガス充填・排出装置８７を設けた構成を特徴としている。ハウジング２３にはクランク室２６に連通するガス栓８８が設けられ、膨張シリンダブロック５４には作動空間６９、７０に連通するガス栓８９が設けられている。
【００３８】
図３は、この作動ガス充填・排出装置８７のガス回路図を示す。作動ガス充填・排出装置８７は、クランク室２６と作動空間６９、７０に作動ガスを充填し又は排出させるために、先端にクイックコネクツ９０、９１を夫々有するクランク接続管９２及び作動空間接続管９３を備えている。作動ガス充填・排出装置８７は、クイックコネクツ９０、９１をスターリング冷凍機２２のガス栓８８、８９に取り付けることによりスターリング冷凍機２２に装着する。
【００３９】
クランク室接続管９２は、圧力センサ９４が付設され、その先端はクランク室充填管９６とクランク室排気管９７とに分岐されている。作動空間接続管９３は、圧力センサ９５が付設され、その先端は作動空間充填管９８と作動空間排気管９９とに分岐されている。クランク室充填管９６と作動空間充填管９８は互いに充填管路１００へ合流し絞り１０１を介してクイックコネクツ１０２で作動ガス供給源に接続される。クランク排気管９７と作動排気管９９は、互いに排気管路１０３へ合流し、絞り１０４、電磁弁１０５を介して排気口１０６に接続されている。
【００４０】
クランク室充填管９６及び作動空間充填管９８には、夫々電磁弁１０７、１０８が設けられている。クランク室排気管９７には、排気口１０６に向けて電磁弁１０９、オイルミストセパレータ１１０及びフィルタ１１１が順次設けられている。作動空間排気管９９には、電磁弁１１２が設けられている。なお、このような作動ガス充填・排出装置８７は、図示はしないが、圧力センサ９４、９５の表示計、電磁弁開閉操作杆等を備えた操作パネルを利用して、作動ガスの充填又は排出の操作を行う。
【００４１】
このような作動ガス充填・排出装置８７は、スターリング冷凍機２２に付属的に設置してもよいが、可搬式の独立した装置としてもよい。要するに、この可搬式の作動ガス充填・排出装置８７は、スターリング冷凍機２２のクランク室２６及び作動空間６９、７０の夫々に対して、夫々圧力センサ９４、９５付き接続管９２、９３、並びに夫々電磁弁１０７、１０８、１０９、１１２を有する充填管９６、９８及び排気管９７、９９を備えており、充填管路９６、９８は充填管路１００に合流して作動ガス供給源に接続され、排気管９７、９９は排気管路１０３に合流してガス排気口１０６に接続され、充填管路１００及び排気管路１０３には絞り１０１、１０４が配設されている作動ガス充填・排出ガス回路８７を有し、クランク室排気管にはオイルミストセパレータ１１０及びフィルタ１１１が付設されており、キャスタ等で移動可能とした構成である。
【００４２】
図４は、この作動ガス充填・排出装置８７の別の実施例のガス回路図を示す。この図４のガス回路は、図３のガス回路とほぼ構成が同じであるが、図４のガス回路では、充填管９６、９８及び排気管９７、９９が、それぞれ独立して圧力センサ９４、９５及び９４、９５を介して、スターリング冷凍機２２のそれぞれ対応するクランク室２６及び作動空間（作動室）６９、７０に接続されている。
【００４３】
次に、本発明の上記実施例のスターリング冷却装置の作用を説明する。モータ２７によってクランクシャフト３４が正方向に回転し、クランク室２６内のクランク部３７、３８が互いに位相がずれて回転する。このクランク部３７、３８に回動自在に連結されたコンロッド３９、４０を介してクロスガイドヘッド４１、４２がクロスガイドライナ４３、４４を往復する。クロスガイドヘッド４１、４２の夫々に圧縮ピストンロッド５０及び膨張ピストンロッド５７を介して連結された圧縮ピストン４８及び膨張ピストン５５が、互いに位相差をもって往復動する。
【００４４】
膨張ピストン５５が約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４８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７７及びマニホールド７３を通り放熱用熱交換器７４に流入する。放熱用熱交換器７４内で冷却水に放熱した作動ガスは、再生器７５で冷却され、流路８６を通って低温室（膨張空間）５６内に流入する。
【００４５】
圧縮ピストン４８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５５は急激に下死点に向かって移動し低温室（膨張空間）５６に流入した作動ガスは急激に膨張し冷熱が発生する。これにより膨張空間を囲むコールドヘッド８５は冷却され低温となる。
【００４６】
膨張ピストン５５が下死点から上死点に移動するときには圧縮ピストン４８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（膨張空間）５６より流路８６を通り再生器７５に流入し作動ガスの有する冷熱を再生器７５に蓄熱する。再生器７５に蓄熱された冷熱は、上記のように高温室４９から放熱用熱交換器７４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。
【００４７】
コールドヘッド８５の冷熱は、冷凍庫、冷蔵庫、投げ込み式クーラー、低温液循環器、各種の温度特性試験用の低温恒温器、恒温槽、ヒートショック試験装置、凍結乾燥機、コールドクーラ等の冷熱利用機器に利用される。
【００４８】
放熱用熱交換器７４で熱交換された冷却水は、冷却水循環管路７８から放熱器７９に流れ、そこで冷却ファン８０により冷却され、再度放熱用熱交換器７４へと循環する。
【００４９】
本発明では、圧縮ピストンロッド５０と開口５１の間は、オイルシール用ベローズ５３により完全に封止されているから、油やオイルミストがクランク室２６から圧縮ピストンロッド５０に沿って上昇して圧縮シリンダ４５内に入ることが完全に防止される。同様に、膨張ピストンロッド５７との開口５２の間は、オイルシール用ベローズ５８により完全に封止されているから、油やオイルミストがクランク室２６から膨張ピストンロッド５７に沿って上昇して膨張シリンダ４６内に入ることが完全に防止される。
【００５０】
ところで、ハウジング２３内の空間は、スターリング冷凍機の運転時には温度上昇するが、この温度上昇に伴いハウジング２３内の空間内の圧力は上昇する。又、圧縮ピストン４８及び膨張ピストン５５のピストンの背面側の空間６９、７０に圧力変動が生じる。このハウジング２３内の空間内の圧力の上昇及び空間６９、７０に圧力変動は、バッファタンク５９において吸収される。特に、ハウジング２３内の空間の温度上昇による上昇圧力は、圧力調整用ベローズ６１が配設されていると、管７１を介して室６５の圧力が上昇し、圧力調整用ベローズ６１を収縮させて、これにより効果的に吸収される。
【００５１】
スターリング冷凍機２２のモータ２７を逆回転する。すると、圧縮ピストン４８及び膨張ピストン５５は、約９０度の位相差をもって上記モータ２７の正転動作の場合と全く逆に、圧縮ピストン４８は膨張ピストン５５として作用し、膨張ピストン５５は圧縮ピストン４８として作用する。これにより、膨張シリンダの膨張空間内の作動ガスは膨張ピストン５５により圧縮され、熱を発生する。この逆回転は、スターリング冷凍機により温度制御運転をする際あるいは、冷熱利用機器の冷熱交換器に生じる霜の霜取りを行うときに利用される。
【００５２】
この逆回転により膨張シリンダ４６も高温となる、油上がりの油やオイルミストが加熱され炭化してシリンダ内に付着するいわゆる炭化の問題が生じるが、上記オイルシール用ベローズ５８により油上がりは完全に防止されるので、この炭化の問題は生じない。
（ｃ）に示す。
【００５３】
本発明のスターリング冷凍機の製作又はメインテナンス等に際して、作動ガスをクランク室２６及び作動空間６９、７０内に充填する場合は、クランク室充填管９６及び作動空間充填管９８の電磁弁１０７、１０８を夫々開いて、作動ガス供給源から作動ガスを充填する。又、クランク室２６及び作動空間６９、７０から作動ガスを排出する場合は、クランク室排気管９７、作動空間排気管９９及び排気管路１０３の電磁弁１０９、１１２、１０５を夫々開いて、作動ガスを排気口１０６から排出する。
【００５４】
ところで、クランク室２６と作動空間６９、７０とでは、その内部構造は互いに異なるから、作動ガスの充填又は排出の際に、互いに異なる流動抵抗に基づく圧力損失が生じ、夫々の内部の圧力異なり差圧が生じる。この圧力損失は、作動ガスを急激に充填又は排出した場合に顕著に生じる。
【００５５】
本発明に係る作動ガス充填・排出装置８７のガス回路では、充填管路１００及び排気管路１０４に夫々絞り１０１及び絞り１０４を設けたので、作動ガスが絞られながら充填又は排出されていく。これにより、作動ガスをクランク室２６及び作動空間６９、７０に充填又は排出する際に生じ易い圧力損失を防止する。これによって、クランク室２６及び作動空間６９、７０の間の圧力差の発生が防止できるから、この圧力差に起因するオイルシール用ベローズ５３、５８の劣化、破壊を防止できる。
【００５６】
そして、作動ガスをクランク室２６及び作動空間６９、７０から作動ガスを排出する場合には、オイルミストセパレータ１１０においてオイルミストが除去され、さらにフィルタ１１１によりオイル自体、オイル中の夾雑物や汚染物等が除去されるから、排気口１０６から作動ガスがクリーンな状態で排出することができる。
【００５７】
又、クランク室接続管９２及び作動空間接続管９３には、夫々圧力センサ９４、９５が付設されているから、圧力センサ９４、９５で検出された圧力に基づいて、充填又は排出作業を手動又は機械的に電磁弁を操作しながら圧力調整を行うことができる。
【００５８】
以上本発明の実施の形態を実施例に基づいて具体的に説明したが、本発明は上記実施例に限られることなく、上記特許請求の範囲に記載されている技術的事項の範囲内でいろいろな実施例があることはい言うまでもない。又、上記実施例では２ピストン型のスターリング冷凍機について説明したが、本発明に係る作動ガス充填・排出装置は、ディスプレーサ型等他の形式のスターリング冷凍機、その他のスターリング機器に適用できることは言うまでもない。
【００５９】
【発明の効果】
以上の構成の本発明のスターリング冷凍機によると、ハウジングと、圧縮ピストンロッド及び膨張ピストンロッドの間は、夫々オイルシール用ベローズで完全に封止されているので、油上がりコンタミネーション（油上がり汚れ）を防止できる。
【００６０】
そして、クランク室の温度上昇に伴う圧力上昇を、圧力調整用ベローズ付き又は無しのバッファタンクを設けることにより解消し、しかも作動ガスの充填及び排出の際に生じやすいクランク室と作動空間との間で差圧を、絞りを有する作動ガス充填・排出装置によって、防止することで、オイルシール用ベローズの劣化や破壊を防止し、スターリング冷凍機の性能及び耐久性の向上を図ることができる。
【００６１】
以上のスターリング冷凍機特有の問題が解決できることにより、フロン以外の冷媒としてエチルアルコール、窒素、ヘリウム等の低融点の冷媒を作動ガスとして使用することができ、従来の冷却装置より使用温度が広範囲となり、広範囲の用途の冷熱利用機器に適用できるとともに、地球環境問題に適応した、冷凍能力の大きい、モータの正逆運転により加熱冷却運転の可能な冷凍装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のスターリング冷凍機を説明する図である。
【図２】本発明に係るスターリング冷凍機の実施例を示す図である。
【図３】本発明に係るスターリング冷凍機の作動ガス充填・排出装置のガス回路を示す図である。
【図４】本発明に係るスターリング冷凍機の作動ガス充填・排出装置の別の実施例のガス回路を示す図である。
【符号の説明】
２２ スターリング冷凍機
２３ ハウジング
２５ モータ室
２６ クランク室
２７ モータ
４５ 圧縮シリンダ
４６ 膨張シリンダ
４８ 圧縮ピストン
４９ 高温室
５０ 圧縮ピストンロッド
５３、５８ オイルシール用ベローズ
５５ 膨張ピストン
５６ 低温室
５７ 膨張ピストンロッド
５９ バッファタンク
６１ バッファタンクの圧力調整用ベローズ
６９、７０ 圧縮ピストン及び膨張ピストンの背面側の空間（作動空間）
８７ 作動ガス充填・排出装置
９２ クランク室接続管
９３ 作動空間接続管
１００ 充填管路
１０１、１０４ 絞り
１０３ 排気管路
１１０ オイルミストセパレータ
１１１ フィルタ

Claims (5)

1. クランク室を有するハウジングと、
   上記クランク室の上方に配置された圧縮シリンダ及び膨張シリンダと、
   上記圧縮シリンダ及び膨張シリンダ内を往復動し、作動ガスを圧縮及び膨張する圧縮ピストン及び膨張ピストンと、
   上記クランク室内のクランクと連動し、上記圧縮ピストン及び膨張ピストンに一端が連結された圧縮ピストンロッド及び膨張ピストンロッドと、
   上記圧縮ピストンロッド及び膨張ピストンロッドが夫々貫通する上記クランク室頂部の開口部に夫々配設されたオイルシールとを備えて成るスターリング冷凍機において、
   上記オイルシールは、夫々その基端が上記開口の周縁に固着され、その先端が上記圧縮ピストンロッド及び膨張ピストンロッドに固定されたオイルシール用ベローズから成り、
   上記クランク室と、上記圧縮作動シリンダ及び膨張シリンダにおける上記圧縮ピストン及び膨張ピストンの背面側の作動空間に、作動ガスを充填又は排出する作動ガス充填・排出装置を、上記クランク室と上記作動空間に、夫々連通するように配設して成ることを特徴とするスターリング冷凍機。
2. 上記ハウジングと上記作動空間との間に、上記作動空間内の圧力変動及び上記ハウジング内の圧力上昇を吸収するためのバッファタンクを設けた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. 上記バッファタンクは、その内部に、圧力調整用ベローズが配設されていることを特徴とする請求項１又は２記載のスターリング冷凍機。
4. 上記作動ガス充填・排出装置は、上記クランク室及び上記作動空間の夫々に対して、接続管、充填管及び排気管を備えており、上記クランク室の充填管と上記作動空間の充填管は充填管路に合流して作動ガス供給源に接続され、上記クランク室の排気管と上記作動空間の排気管は排気管路に合流してガス排気口に接続され、上記充填管路及び上記排気管路には夫々絞りが配設されていることを特徴とする請求項１、２又は３記載のスターリング冷凍機。
5. スターリング冷凍機に作動ガスを充填し、排出するための作動ガス充填・排出ガス回路を有する可搬式のスターリング冷凍機用作動ガス充填・排出装置であって、
   上記作動ガス充填・排出ガス回路は、スターリング冷凍機のクランク室並びに、圧縮シリンダ及び膨張シリンダの圧縮ピストン及び膨張ピストンの背面側の作動空間の夫々に対して接続される、圧力センサ付き接続管並びに電磁弁を有する充填管及び排気管を備えており、
   上記クランク室の充填管と上記作動空間の充填管は、合流して充填管路に接続されて作動ガス供給源に連通し、
   上記クランク室の排気管と上記作動空間の排気管は、合流して排気管路に接続され排気口に連通し、
   上記充填管路及び上記排気管路は、夫々絞りを有し、
   上記クランク室の排気管は、オイルミストセパレータ及びフィルタを順次配設して成ることを特徴とするスターリング冷凍機用作動ガス充填・排出装置。

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