JP3643762B2 - スターリング熱機器 - 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、加熱に使用できるスターリング冷凍機等のスターリング熱機器に関し、特に作動ガスのシール性能を向上したスターリング熱機器に関する。
【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】
このようなスターリング冷凍機等のスターリング熱機器は、作動ガスが作動シリンダの圧縮室（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吸熱用熱交換器（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】
そして、このようなスターリング熱機器では、モータやクランク等の駆動機構を有するハウジング及び、このハウジングに組み付けられる密封状態の作動シリンダとを備えている。ハウジングにはメインテナンス等の目的で蓋等が樹脂やゴムシール等を介して着脱可能に固定され、その内部は半密閉状態に保持されている。作動シリンダは樹脂やゴムシール等を介して、ハウジングに結合されている。これらのハウジングや作動シリンダは、通常、ＦＣ材、ＳＵＳ系材等の鋳物で形成されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、スターリング熱機器では、作動ガスが、高圧状態で作動シリンダ及びハウジング内に封入されており、スターリング熱機器の耐久性（現在で３〜５万時間程度の運転が要求される。将来的には１０万時間程度の運転時間が要求される。）の点で高圧状態が維持されなくてはならない。
【０００６】
しかしながら、樹脂やゴムシール等を介装してもシール効果は十分ではなく、ハウジング本体と蓋等の取付部の隙間や、ハウジングと作動シリンダの結合部の隙間等から微量の作動ガスが漏れてしまう。又、鋳物で形成したハウジングや作動シリンダの壁を通して作動ガスが漏れてしまう。これは、高圧状態の作動ガスが鋳物の金属組織の空孔を通ってもれてしまうことが原因と考えられる。このような隙間や壁と通して作動ガスが漏れることが原因で、例えば、ヘリウムを２５ｋｇ／ｃｍ^２程度の作動ガス圧で封入しておいても、作動ガスの漏れにより、作動ガス圧が１年で数ｋｇ／ｃｍ^２程度の減少してしまうという問題が生じていた。
【０００７】
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、スターリング熱機器において、ハウジング本体と蓋の隙間や、ハウジング、シリンダブロックの作動シリンダ等の結合部、また、これらと作動ガス配管との結合部の隙間等からの作動ガスの漏れを抑えるとともに、ハウジングやシリンダブロックの壁からの作動ガスの漏れを防止し、長時間運転しても作動ガス圧を安定させ、耐久性を向上させることである。
【０００８】
【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、モータ及び該モータの駆動力を往復運動に変換する往復駆動機構が配設されているとともに、蓋が取り付けられたハウジングと、該ハウジングに気密的に結合され、圧縮室及び膨張室を夫々含む作動シリンダを構成するシリンダブロックを有するスターリング熱機器において、上記ハウジング又はハウジングとシリンダブロックは、鋳物で形成され、該鋳物は樹脂の含浸加工が施されていることを特徴とするスターリング熱機器を提供する。
【０００９】
上記ハウジングには、上記蓋がメタルシールを介して気密的に固定されており、上記シリンダブロックの上記作動シリンダがメダルシールを介して気密的に固定されており、又上記ハウジング及び上記シリンダブロックが互いにメタルシールを介して気密的に固定されており、上記ハウジングや上記シリンダブロックと作動ガス配管との間がメタルシールを介して気密的に結合されて、ハウジング及びシリンダブロックの気密性を向上している。
【００１０】
ここで利用するメタルシールは、中央帯に又はボルト等の穴周辺に***条が形成された金属帯片を有し、該金属帯片の上下両面に夫々ゴム層が形成されている構造である。
【００１１】
スターリング熱機器としては、１気筒型でもよいし、２気筒型でも良い。２気筒型の場合は、上記作動シリンダとしては、圧縮シリンダと膨張シリンダの二つのシリンダを有し、上記シリンダブロックは、上記圧縮シリンダを構成する圧縮シリンダブロックと、上記膨張シリンダを構成する膨張シリンダブロックである。
【００１２】
本発明の適用されるスターリング熱機器としては、スターリングサイクル機器、ヴィルミエサイクル機器又はクーク・ヤーボロフサイクル機器等がある。
【００１３】
【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、２は、本発明に係るスターリング熱機器の実施例を説明する図であり、図１は、本発明に係るスターリング熱機器の一例であるスターリング冷凍機１の全体構造を説明する図である。スターリング冷凍機１のハウジング２は、鋳物で一体に形成され、その内部は半密閉状態とされる。このハウジング２内は、区画壁３によってモータ室４とクランク室５とに区画されている。
【００１４】
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、モータ室４の端部には、機材の装入、メインテナンス用の開口が形成されており、この開口を気密的に密閉するための蓋７が図２において後述するメタルシール８を介してボルト等により固定されている。モータ室４の頂壁９には、モータ供給電源用の開口が形成され、この開口を気密的に閉じかつ電源取付端子１０を取り付けた端子蓋１１がメタルシール８を介して着脱可能に取り付けられている。
【００１５】
クランク室５の端部には、軸受用の開口が形成され、この開口を気密的に閉じるように内面に軸受を設けた軸受取付蓋１２がメタルシール８を介して着脱可能に取り付けられている。さらにクランク室５の底部には機材の装入及びメインテナンス用の開口が形成されており、これらの開口を気密的に密閉するように底蓋１３がメタルシール８を介して着脱可能に取り付けられている。
【００１６】
クランク室５には、モータ６により駆動され、モータ６の回転を往復動に変換するクランクシャフト１４と、２本のコンロッド１５と、二つのクロスガイドヘッド１６が配設され、スターリング冷凍機１の駆動機構を構成している。クランクシャフト１４の二つのクランク部１７、１８は、モータ６の正転時にクランク部１７がクランク部１８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。
【００１７】
クランク室５の上部には、ハウジング２に対して気密的にメタルシール８を介して圧縮シリンダブロック１９が固定されている。この圧縮シリンダブロック１９には膨張シリンダ連通用の開口２３が形成されている。圧縮シリンダブロック１９の上にさらに、膨張シリンダブロック２０がメタルシール８を介してボルト等によって気密的に固定されている。
【００１８】
この圧縮シリンダブロック１９及び圧縮シリンダブロック２０が、夫々スターリング冷凍機１の作動シリンダである圧縮シリンダ２１及び膨張シリンダ２２を構成している。圧縮シリンダ２１と膨張シリンダ２２、並びにハウジング２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。圧縮シリンダ２１内には、圧縮ピストン２６が往復する。この空間の上部（圧縮空間）が高温室２４であり、この中の作動ガスは圧縮されて高温となる。
【００１９】
圧縮ピストンロッド２５は、圧縮ピストン２６とクロスガイドヘッド１６を連結し、圧縮シリンダ２１とクランク室５の頂壁の通孔のオイルシール２９を通して伸びている。往復動する圧縮ピストン２６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、単位時間当たりの圧縮ピストン２６の移動による容積の変化量も最大となる。
【００２０】
膨張ピストンロッド２７は、膨張ピストン２８とクロスガイドヘッド１６とを連結し、膨張シリンダ２２とクランク室５の頂壁の通孔のオイルシール２９を通して伸びている。この膨張シリンダブロック２０の空間内を膨張ピストン２８が往復摺動して、この空間の上部（膨張空間）が低温室３０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２８は、圧縮ピストン２６より９０度の位相だけ先行して移動する。
【００２１】
膨張シリンダブロック２０には、圧縮シリンダ２１の圧縮空間に作動ガスが流入流出するマニホールド３１が連通するように設けられており、さらに放熱用熱交換器（高温側熱交換器）３２、再生器３３及び冷却用熱交換器（低温側熱交換器）３４が互いに順次連通して環状に配設されている。放熱用熱交換器３２は、冷却水循環管路３５及び冷却水用ポンプＰ１を介して放熱器（ラジエータ）３６と接続しており、冷却水を循環し構成される。圧縮シリンダブロック１９の上端部近くには、高温室２４とマニホールド３１を連通する連通孔２３が形成されている。
【００２２】
このような構成から成るスターリング冷凍機１において、前述のとおりハウジング２、圧縮シリンダ２１及び膨張シリンダ２２内には、作動ガスとして、例えば、ヘリウム、水素、窒素等が高圧状態で封入されている。本発明では、上記のとおり、ハウジング２、圧縮シリンダブロック１９及び膨張シリンダブロック２０相互の結合固定部にメタルシール８を介装することにより、この結合固定部の隙間からの作動ガスの漏れを抑えリーク量を少なくすることができる。
【００２３】
図２（ａ）は、図１のＡの要部拡大図であり、ハウジング２の結合用フランジ３７と圧縮シリンダブロック１９の結合用フランジ３８とを、メタルシール８を介装して、ボルト３９で互いに固定した構造を示している。図２（ｂ）は、メタルシール８の斜視図を示している。メタルシール８は、その中央帯に断面が凸状の***条４０’が形成された金属帯片４０を有し、金属帯片の上下両面に夫々ゴム層４１が形成されている。***条４０には、長手方向に間隔をおいて固定用のねじ孔４２が形成されている。
【００２４】
ところで、一般的にＦＣ材の鋳物で形成されたハウジング２、及び圧縮シリンダブロック１９では、その鋳物の金属組織を通過して作動ガスが微小量ずつ漏れてしまう。そこで、本発明では、鋳物で形成されたハウジング２、及び圧縮シリンダブロック１９に樹脂の含浸加工を施し、作動ガスの漏れを防止するような構成としている。要するに、鋳物素材自体に樹脂の含浸加工を施す技術は、既に知られているところであるが、本発明では、この技術を、高圧の作動ガスを封入して成るスターリング熱機器を構成する鋳物のシール性の向上に適用したものである。
【００２５】
ハウジング２、及び圧縮シリンダブロック１９への樹脂の含浸加工は次のような工程により行われる。
（１）ハウジング２等の鋳物部材をオーブンに入れて加熱乾燥し、鋳物組織内の水分を除去し、その後冷却する。
（２）次に、乾燥した鋳物部材を容器に入れ、真空・加圧チャンバ内に装入する。そして、真空・加圧チャンバの真空引きを行ってから、容器内に含浸材を注ぐ。含浸材としてはアクリル樹脂を利用する。
（３）この状態で、真空チャンバ内に大気圧を導入し、さらに真空チャンバを加圧して鋳物部材の金属組織の隙間内に含浸材を加圧注入する。
（４）次に、含浸材が加圧注入された鋳物部材を遠心器にかけて、その表面に付着している含浸材を遠心力にて除去する。その後、鋳物部材を水槽内に入れて水洗いする。
（５）水洗いされた鋳物部材を熱硬化用の温度調整湯槽内に入れて加熱し、含浸材に熱硬化を行い、含浸工程を完了する。
【００２６】
以上のような構成から成る実施例のスターリング冷凍機１の作用について説明する。モータ６によってクランクシャフト１４が正方向に回転し、クランク室５内のクランク部１７、１８が９０度位相がずれて回転する。このクランク部１７、１８に回動自在に連結されたコンロッド１５を介して、クロスガイドヘッド１６が往復動する。クロスガイドヘッド１６の夫々に圧縮ピストンロッド２５及び膨張ピストンロッド２７を介して連結された圧縮ピストン２６及び膨張ピストン２８が、互いにおよそ９０度の位相差をもって往復動する。
【００２７】
膨張ピストン２８が先行して上死点付近でゆっくりと移動中、圧縮ピストン２６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２３及びマニホールド３１を通り放熱用熱交換器３２に流入する。放熱用熱交換器３２で冷却水に放熱した作動ガスは、再生器３３で冷却され、冷却用熱交換器３４を通って低温室（膨張空間）３０内に流入し、ここで急激に膨張し冷熱が発生する。膨張シリンダ２１のヘッド、即ちコールドヘッド４３は冷却され低温となる。
【００２８】
そして、コールドヘッド４３において、冷却フィン４４に接する冷熱冷媒を冷却する。膨張ピストン２８が下死点から上死点に移動するときには圧縮ピストン２６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２２から冷却用熱交換器３４を通過して再生器３３に流入し作動ガスの有する冷熱を再生器３３に蓄熱する。再生器３３に蓄熱された冷熱は、上記のように高温室２４から放熱用熱交換器３２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。
【００２９】
そして、コールドヘッド４３において冷却された冷熱冷媒は、各種の冷熱利用機器を冷却する。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。コールドヘッド４３に循環して戻され、再度冷却される。又、放熱用熱交換器３２で熱交換された冷却水は、冷却水循環管路３５から放熱器３６に流れ、そこで冷却ファン４５で冷却され、再度放熱用熱交換器３２へ循環する。
【００３０】
このようなスターリング冷凍機１において、ハウジング２、圧縮シリンダブロック１９及び膨張シリンダブロック２０が互いに結合する結合固定部、上記ハウジングや上記シリンダブロックと作動ガス配管との間がメルシールを介して気密的に結合されているから、作動ガスの漏れが抑えられる。さらに、ハウジング２及び及び圧縮シリンダブロック１９は、樹脂含浸加工が施されいるから、これらの部材の鋳物壁を通過して作動ガスが漏れことも抑えることができる。
【００３１】
上記実施例では、スターリング熱機器としてスターリング冷凍機を説明したが、その他の本発明の適用できる例としては、ヴィルミエサイクル機器、クーク・ヤーボロフサイクル機器等がある。
【００３２】
以上、本発明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。
【００３３】
【発明の効果】
本発明に係るスターリング熱機器は、以上のような構成であるから、ハウジング、圧縮シリンダブロック及び膨張シリンダブロックの結合固定部、上記ハウジングや上記シリンダブロックと作動ガス配管との間がメタルシールを介して気密的に結合されているから、隙間からの作動ガスの漏れを抑えることができるとともに、ハウジング及び圧縮シリンダブロック等の壁を通して作動ガスの漏れを防止し、長時間運転しても作動ガス圧を安定させ、スターリング熱機器の耐久性、信頼性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るスターリング熱機器の一例である冷凍機を説明する全体図である。
【図２】本発明に係るスターリング熱機器に適用されるメタルシールを説明するである。
【符号の説明】
１ スターリング冷凍機１
２ ハウジング
３ モータ室
５ クランク室
６ モータ
７ 蓋
８ メタルシール
１１ 端子蓋
１２ 軸受取付蓋
１３ 底蓋
１４ クランクシャフト
１９ 圧縮シリンダブロック
２０ 膨張シリンダブロック
２１ 圧縮シリンダ
２２ 膨張ブロック
２６ 圧縮ピストン
２８ 膨張ピストン
２９ オイルシール
３２ 放熱用熱交換器
３３ 再生器
３４ 冷却用熱交換器
４０ 金属帯片
４１ ゴム層

Claims (5)

1. モータ及び該モータの駆動力を往復運動に変換する往復駆動機構が配設されているとともに、蓋が取り付けられたハウジングと、該ハウジングに気密的に結合され、圧縮室及び膨張室を夫々含む作動シリンダを構成するシリンダブロックを有するスターリング熱機器において、
   上記ハウジング又はハウジングとシリンダブロックは、鋳物で形成され、該鋳物は樹脂の含浸加工が施されていることを特徴とするスターリング熱機器。
2. 上記ハウジングに上記蓋がメタルシールを介して気密的に固定されており、上記シリンダブロックに上記作動シリンダがメダルシールを介して気密的に固定されており、上記ハウジング及び上記シリンダブロックが互いにメタルシールを介して気密的に固定されており、上記ハウジングや上記シリンダブロックと作動ガス配管との間がメタルシールを介して気密的に結合されていることを特徴とする請求項１記載のスターリング熱機器。
3. 上記メタルシールは、中央帯に又はボルトの穴周辺に***条が形成された金属帯片を有し、該金属帯片の上下両面に夫々ゴム層が形成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熱機器。
4. 上記作動シリンダとして圧縮シリンダと膨張シリンダの二つのシリンダを有し、上記シリンダブロックは、上記圧縮シリンダを構成する圧縮シリンダブロックと、上記膨張シリンダを構成する膨張シリンダブロックとを結合したものであ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熱機器。
5. スターリング熱機器が、スターリングサイクル機器、ヴィルミエサイクル機器又はクーク・ヤーボロフサイクル機器であることを特徴とする、請求項１、２、３又は４記載のスターリング熱機器。

Images