JP3717812B2 - スターリング冷凍機のオイルシールベローズ - Google Patents

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クランク室から圧縮シリンダや膨張シリンダ内への油上がりを防止するオイルシーズベローズに関する。
【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】
とろで、スターリング冷凍機では、ピストンロッド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シリンダに入るとその内面に付着し、ピストンリングのシール性に影響を与え、耐久性、信頼性を著しく低減させるだけでなく、圧縮された気体とともに油が送気先の圧縮気体利用装置内に入り込み、圧縮気体利用装置やその装置で処理される各種の部品等に悪い影響を及ぼす。
【０００４】
この油上がりの問題を解決するために、従来、ピストンロッドは、オイルリングシールによりシールされている。このオイルリングシールは、一般的にはゴム製であり、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ない。
【０００５】
そこで、本発明者らは、スターリング冷凍機のロッドシールとして、オイルシール用のベローズ（特願平１０−３６５３７１号参照。）をすで提案している。この特願平１０−３６５３７１号に係る発明では、スターリング冷凍機のハウジング内の空間と、圧縮シリンダ及び膨張シリンダとの間に、オイルシール用の金属ベローズを設け、ピストンロッドの表面に沿ってクランク室から圧縮シリンダ及び膨張シリンダ内に流入する油上がりを防止するものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者らは、スターリング冷凍機において、上記のようなオイルシールベローズを装着し、さらにオイルシールベローズの寿命を向上させる構成を開発していたが、オイルシールベローズを所定のストローク往復動させる場合に、圧縮方向及び伸張方向に繰り返し動作させると必ずしも繰り返し疲労軽減のためには好ましくないという知見を得た。
【０００７】
本発明の目的は、スターリング冷凍機の油上がりを防止し、密封性にすぐれかつ長寿命なオイルシールベローズ実現し、スターリング冷凍機の性能向上を図り、信頼性、耐久性の向上を図ることである。そこで、本発明は、上記知見を基にオイルシールベローズの寿命向上を図るべきオイルシールベローズの構成を実現することを課題とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本願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、上記クランクと連動し、上記ピストンに一端が連結され上記ハウジングを貫通するピストンロッドと、上記ハウジングと上記シリンダの間をシールするオイルシールベローズを備えたスターリング冷凍機であって、上記オイルシールベローズは、その先端が上記シリンダ内において上記ピストン又は上記ピストンロッドに気密的に固定され、その基端が上記ハウジングに取付られており、上記オイルシールベローズは、その先端部が自由長の位置から圧縮側に圧縮され、再び自由長の位置に戻すストロークの往復動を行うように取り付けられていることを特徴とするスターリング冷凍機を提供する。
【０００９】
上記オイルシールベローズ、ハウジングと、圧縮シリンダ及び膨張シリンダの両方又はいずれか一つに適用される。
【００１０】
【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である。
【００１１】
スターリング冷凍機１の本体をなすハウジング２は、鋳物で形成され、その内部は密閉状態に保持され、作動ガスが封入されている。このハウジング２内には、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。このモータ室４には正逆回転可能なモータ６が配設されており、又クランク室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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
圧縮シリンダ１７内では圧縮ピストン１９が往復動する。圧縮シリンダ１７内の圧縮ピストン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。
【００１５】
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内を膨張ピストン２５が往復摺動しており、膨張シリンダ１８における膨張ピストン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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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２５と圧縮ピストン１５との間の空間についても同じ）は、バファ空間（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。
【００２６】
本発明は、以上のような構成のスターリング冷凍機において次に説明する構成を採用したことを特徴とする。本発明に係るスターリング冷凍機では、図２に示すように取り付けた圧縮側及び膨張側のオイルシールベローズ２２、２８について特徴的な構成を採用している。図４は、スターリング冷凍機におけるオイルシールベローズについて、本発明を従来技術と対比して説明するものであり、図４（ａ）は本発明を示し、図４（ｂ）は従来技術を示す。
【００２７】
本発明に使用するオイルシールベローズ２２、２８の材料は、ＳＵＳ材を溶着して形成した金属ベローズであってもよいし、又は樹脂材から一体に形成した樹脂ベローズであってもよい。
【００２８】
図２に示すように、圧縮側オイルシールベローズ２２は、その下端部５２はオイルシールベローズ固定板（以下「固定板」という。）５３に溶着されており、その上端部５４はオイルシールベローズ取付板（以下「取付板」という。）５５に溶着されている。オイルシールベローズ固定板５３は、座部１４によりハウジング２の上面に固定されている。取付板５５は圧縮ピストン１９にナットで固定されている。
【００２９】
又、図２に示すように、膨張側オイルシールベローズ２８は、圧縮側オイルシールベローズ２２と同様に、その下端部５６は固定板５３に溶着されており、その上端部５７は取付板５５に溶着されている。オイルシールベローズ固定板５３は、座部１４によりハウジング２の上面に固定されている。取付板５５は膨張ピストンロッド２７の大径部５８にスリーブ５９を介してナットで固定されている。
【００３０】
圧縮側オイルシールベローズ２２及び膨張側オイルシールベローズ２８は、圧縮ピストン１９及び膨張ピストン１８の往復動のストロークに応じて、夫々のストロークで往復動する。圧縮側及び膨張側オイルシールベローズ２２、２８は、夫々直径、自由長及びストローク等は互いに必ずしも同じとは限らないが、図４（ａ）に示すように、これらを自由長Ｌ、ストロークＳとして、その往復動及びストロークを概念的に示す。なお、ここでは、単に図面を分かりやすくするために、自由長Ｌ及びストロークＳは、固定板５３、取付板５５の厚みも含めている。
【００３１】
図４（ｂ）は従来技術を示す。従来技術では、往復動する総ストロークＳは本発明に係る総ストロークＳと同じであるが、自由長Ｌ’が本発明に係る自由長Ｌより短いベローズを利用する。これにより、自由長Ｌ’の位置から、圧縮側にストロークＳ１、伸張側にストロークＳ２だけ移動して、全体として総ストロークＳだけ往復動する。
【００３２】
ところで、本発明者等は、スターリング冷凍機の研究開発の過程で、このオイルシールベローズの往復動作を繰り返し行っているが、同じ総ストロークの往復動をするにしても、オイルシールベローズを図４（ｂ）のように、自由長の位置を中心にして、圧縮側ストロークＳ１の圧縮と、伸張側へのストロークＳ２の伸張とを繰り返して往復動作を行う場合の方が、図４（ａ）のように、圧縮側ストロークＳへの圧縮と自由長への戻しによる往復動作を行う場合に比べて、疲労が大きいという知見を得た。この理由は、圧縮と伸縮を繰り返す場合のほうが、単に圧縮するだけの場合よりもオイルシールベローズに繰り返し疲労を生じる力が大きく作用するものと考えられる。
【００３３】
このような知見に基づいて、本発明では、図４（ａ）に示すように、自由長Ｌの位置から圧縮側へのみ総ストロークＳの往復動作を行うことができるような長さのオイルシールベローズを、圧縮側オイルシールベローズ２２及び膨張側オイルシールベローズ２８として夫々用意して、本発明に係るスターリング冷凍機１に図２に示すように夫々取り付けた。
【００３４】
（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１０、１１が９０度位相がずれて回転する。このクランク部１０、１１に連結されたコンロッド８、９、クロスガイドヘッド１９、１１、圧縮ピストンロッド１７及び膨張ピストンロッド２３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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８
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６０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６１に流入パイプ６３を通って循環して戻され、再度冷却される。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
本発明に係るスターリング冷凍機１では、図４（ａ）のように、圧縮側ストロークＳへの圧縮と自由長への戻しによる往復動作を行うようにして、オイルシールベローズに作用する繰り返し疲労を少なくした。
【００４２】
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。
【００４３】
【発明の効果】
本発明は、以上の構成であるから、圧縮側及び膨張オイルシールベローズは、圧縮側へのストロークと自由長への戻しによる往復動作を行うようにして、オイルシールベローズに加わる破壊する力を小さくすることができ繰り返し疲労が少ななり、スターリング冷凍機の油上がりを防止するととも、オイルシールベローズの寿命が向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るスターリング冷凍機を全体を説明する正面図である。
【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】図１のスターリング冷凍機の一部断面の右側面図である。
【図４】本発明に係るスターリング冷凍機のオイルシールベローズを従来技術と比較して説明する図である。
【符号の説明】
１ スターリング冷凍機
２ ハウジング
４ モータ室
５ クランク室
６ モータ
７ クランクシャフト
１４ 座部
１５ シリンダブロック
１７ 圧縮シリンダ
１８ 膨張シリンダ
１９ 圧縮ピストン
２０ 高温室
２１ 圧縮ピストンロッド
２２ （圧縮側）オイルシールベローズ
２５ 膨張ピストン
２６ 低温室
２７ 膨張ピストンロッド
２８ （膨張側）オイルシールベローズ
２９ 放熱用熱交換器
３０ 再生器
３１ 冷却用熱交換器
３４ （シリンダブロックの）放熱用熱交換ハウジング
４０ 冷却水路
４８ バッファ室
５１ バッファタンク
５２ （圧縮側）オイルシールベローズの下端部
５３ オイルシールベローズ固定板
５４ （圧縮側）オイルシールベローズの上端部
５５ オイルシールベローズ取付板
５６ （膨張側）オイルシールベローズの下端部
５７ （膨張側）オイルシールベローズの上端部
５８ 膨張ピストンロッドの大径部
５９ スリーブ

Claims (2)

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、上記クランクと連動し、上記ピストンに一端が連結され上記ハウジングを貫通するピストンロッドと、上記ハウジングと上記シリンダの間をシールするオイルシールベローズを備えたスターリング冷凍機であって、
   上記オイルシールベローズは、その先端が上記シリンダ内において上記ピストン又は上記ピストンロッドに気密的に固定され、その基端が上記ハウジングに取付られており、
   上記オイルシールベローズは、その先端部が自由長の位置から圧縮側に圧縮され、再び自由長の位置に戻すストロークの往復動を行うように取り付けられていることを特徴とするスターリング冷凍機。
2. 上記オイルシールベローズは、圧縮シリンダ及び膨張シリンダの両方又はいずれか一つについて適用され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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