JPS5878054A - Stirling cycle refrigerator - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。(57) [Summary] This bulletin contains application data before electronic filing, so abstract data is not recorded.

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、スターリングサイクル冷凍機に関し、詳細に
は冷凍効率を上昇したスターリングサイクル冷凍機に関
する。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to a Stirling cycle refrigerator, and more particularly to a Stirling cycle refrigerator with improved refrigeration efficiency.

スターリングサイクルを利用した冷凍機は、理論的には
効率が良いので実用化が望まれており冷媒圧縮ピストン
を備えた圧縮室、圧縮室で圧縮された冷媒を膨張させる
膨張ピストンを備えた膨張室及び圧縮ピストンおよび膨
張ピストンを駆動するための駆動装置から基本的に成る
。Refrigerators using the Stirling cycle are theoretically efficient and are desired to be put into practical use, with a compression chamber equipped with a refrigerant compression piston and an expansion chamber equipped with an expansion piston that expands the refrigerant compressed in the compression chamber. and a drive device for driving the compression piston and the expansion piston.

上記形式のスターリングサイクル冷凍機において圧縮ピ
ストンおよび膨張ピストンを一定位相差にて往復動させ
るロンビック駆動機構は゛、一体クランクから構成され
ているが、この場合クランクの曲が°り部（クランクビ
ン）の長さ分だけ軸長が長くなり、その結果駆動装置の
寸法が大きくなるという欠点があった。又冷凍機の駆動
機構を減速機を介し外部の原動機例えばモータで駆動す
るものもあるが、この場合ハウジングを貫通する連結シ
ャフトの軸受は部分のガスシールを完全に行なうことが
できないという欠点があった。さらに従来の冷凍機では
、膨張ピストンの上死点（圧縮動作から見て）かつ圧縮
ピストンの中立位置近傍で最大圧縮が得られるが、この
場合圧縮シリンダ内へ突出した膨張ピストンの外周部に
て大きな死容積圧縮空間が生じ、冷凍機の冷凍能力が低
下するという欠点がある。In the Stirling cycle refrigerator of the above type, the rhombic drive mechanism that reciprocates the compression piston and expansion piston with a constant phase difference is composed of an integral crank. There was a drawback that the axial length was increased by the length, and as a result, the dimensions of the drive device were increased. There are also refrigerators in which the drive mechanism is driven by an external prime mover, such as a motor, via a speed reducer, but in this case, the disadvantage is that the bearing of the connecting shaft that passes through the housing cannot be completely gas-sealed. Ta. Furthermore, in conventional refrigerators, maximum compression is obtained near the top dead center of the expansion piston (as seen from the compression operation) and the neutral position of the compression piston, but in this case, the maximum compression is achieved at the outer circumference of the expansion piston protruding into the compression cylinder. There is a disadvantage that a large dead volume compression space is generated, and the refrigerating capacity of the refrigerator is reduced.

本発明は、上記欠点を解消したスターリングサイクル冷
凍機を提供することにある。すなわち本発明は前記形式
のスターリングサイクル冷凍機において、圧縮シリンダ
の膨張シリンダ隣接端部を膨張ピストン駆動ロッドがシ
ールされて貫通するフランジにより閉じ圧縮ピストンの
往復動のみに従って圧縮される圧縮空間を圧縮シリンダ
内に形成し、リング歯車をハウジングに固定した遊星減
速機の太陽歯車に入力回転シャフトを接続し、遊星歯車
のキャリアクランクにその軸に対して偏心したクランク
ビンを固定して成る遊星減速機構を有し、該クランクビ
ンに第１の偏心輪な軸受けすると共に外国に第２の偏心
輪を軸受けした円形偏心カムを固定して有し、前記第１
及び第２の偏心輪に夫々接続した連接棒を介して、前記
圧縮ピストン及び膨張ピストンを駆動する駆動装置を有
し、前記全駆動装置を冷凍機のハウジングと一体的なハ
ウジング内に密封して収容することを特徴とすること（
′−よって前記課題を解決する。An object of the present invention is to provide a Stirling cycle refrigerator that eliminates the above-mentioned drawbacks. That is, the present invention provides a Stirling cycle refrigerator of the type described above, in which the end of the compression cylinder adjacent to the expansion cylinder is closed by a flange through which the expansion piston drive rod is sealed, and the compression space that is compressed only according to the reciprocating motion of the compression piston is transferred to the compression cylinder. The input rotating shaft is connected to the sun gear of a planetary reducer formed in the housing, and the ring gear is fixed to the housing, and a crank bin eccentric to the axis is fixed to the carrier crank of the planetary gear. a circular eccentric cam having a first eccentric bearing on the crank bin and a second eccentric bearing on the other side;
and a drive device for driving the compression piston and the expansion piston via connecting rods respectively connected to a second eccentric, and the entire drive device is sealed in a housing integral with the housing of the refrigerator. characterized by accommodating (
'-Thus, the above problem is solved.

以下添付図面を参照して本発明の一実施例を説明する。An embodiment of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.

本発明に係るスターリングサイクル冷凍機は、冷凍装置
１゛０とこれを駆動するための駆動装置５０とから主と
して成る。The Stirling cycle refrigerator according to the present invention mainly includes a refrigeration device 10 and a drive device 50 for driving the refrigeration device 10.

冷凍装置１０は、膨張ピストン１２と、蓄冷器１９と、
放熱器２１と、圧縮ピストン２４とから主として成る。The refrigeration device 10 includes an expansion piston 12, a regenerator 19,
It mainly consists of a radiator 21 and a compression piston 24.

膨張ピストン１２は膨張シリンダ１１内に往復動自在に
嵌合され、ピストン１２とシリンダ１１内壁とはピスト
ンリング１３によってシールされている。シリンダ１１
側壁からは中間フランジ１４及び底部フランジ１５が半
径外方向に延びている。中間フランジ１４の上面には、
１１外周及び上端を取り囲んでいる。膨張ピストン１２
とハウジングヘッド１６ｂとの間には、ピストン１°２
の往復動′により容積の変わる膨張空間１８が形成され
、シリンダ１１と）＼ウジフグ１６との間には金網を充
填した蓄冷器１９が設けられている。The expansion piston 12 is fitted into the expansion cylinder 11 so as to be able to reciprocate, and the piston 12 and the inner wall of the cylinder 11 are sealed by a piston ring 13. cylinder 11
Extending radially outward from the sidewalls is an intermediate flange 14 and a bottom flange 15. On the upper surface of the intermediate flange 14,
11 surrounding the outer periphery and upper end. Expansion piston 12
There is a piston 1°2 between the housing head 16b and the housing head 16b.
An expansion space 18 whose volume changes due to the reciprocating movement of the cylinder 11 is formed, and a regenerator 19 filled with wire gauze is provided between the cylinder 11 and the maggot 16.

中間フランジ１４と底部フランジ１５と、外周リング２
０は、放熱器２１を構成し、器内に充填された冷却水は
両フランジ１４．１５を貫通するパイプ２２からの熱を
吸収してパイプ２２を流れる水素又は〜リクム等の作動
ガス（冷媒）から吸熱するようになっている。Intermediate flange 14, bottom flange 15, and outer ring 2
0 constitutes a radiator 21, and the cooling water filled in the container absorbs heat from the pipe 22 passing through both flanges 14. ) is designed to absorb heat.

シリンダ１１の底端部（即ち、圧縮シリンダ２９の膨張
シリンダ１１隣接端部）は、底部フランジ１５の延長部
２３によって閉止され、この閉止部２３によって、膨張
ピストン１２と圧縮ピストン２４との間の空間は膨張ピ
ストン１２側のノくッファー空間２５と圧縮ピストン２
４側の圧縮空間２６とに分割される。このシリンダ閉止
部２３には、膨張′ピストン１２にネジ止めされたロッ
ド２７がシールされた状態で貫通している。ロッド２７
および膨張ピストン１２内には、バッファ室２５内のガ
スを抜くためのガス抜き孔２８が設けられている。The bottom end of the cylinder 11 (i.e. the end of the compression cylinder 29 adjacent to the expansion cylinder 11) is closed by an extension 23 of the bottom flange 15, which closes the gap between the expansion piston 12 and the compression piston 24. The space is a knockoffer space 25 on the side of the expansion piston 12 and the compression piston 2.
It is divided into four compressed spaces 26. A rod 27 screwed to the expansion piston 12 passes through the cylinder closing portion 23 in a sealed manner. rod 27
A gas vent hole 28 is provided in the expansion piston 12 to vent gas from the buffer chamber 25.

圧縮シリンダ２ｇ内を往復動する圧縮ピストン２４は、
シリンダ２９内径にほぼ一致する上方部分３０と、この
部分よりも径が小さい下方小径部３１とから成り、膨張
ピストン１２を駆動させるためのロッド２７が貫通する
貫通孔３３が中心部に設けられている。このロッド２７
の下端は、貫通孔３３内を摺動する袋ナツト３４となっ
ており、内側に嵌合した一対の球面軸受け３５によって
連綾棒９５の球面ジャーナル１００を枢”動自在に挾持
している。袋ナツト３４の側面には切欠き３８が設けら
れ、ロッド２７内のガス抜き孔２８を通過したガスを下
方のクランク室３９へ逃がすようになっている。下方小
径部３１の側面には一対のビン４０が固着され、それぞ
れのピン４０に連接棒９０の端部が固定されている。The compression piston 24 reciprocates within the compression cylinder 2g,
It consists of an upper part 30 that almost matches the inner diameter of the cylinder 29 and a lower small diameter part 31 whose diameter is smaller than this part, and a through hole 33 through which the rod 27 for driving the expansion piston 12 passes is provided in the center. There is. This rod 27
The lower end of the nut 34 is a cap nut 34 that slides in the through hole 33, and a pair of spherical bearings 35 fitted inside the nut 34 pivotally holds the spherical journal 100 of the chain rod 95. A notch 38 is provided on the side surface of the cap nut 34 to allow the gas that has passed through the gas vent hole 28 in the rod 27 to escape to the lower crank chamber 39. Bins 40 are secured, and the ends of connecting rods 90 are secured to each pin 40.

圧縮ピストン２４の上方部分３０の外周にはピストンリ
ング（シール材）２４ａが嵌装され、上方部分３０の中
心部にはロンド２７との間のシールのためのシール材２
４ｂが嵌装されている。A piston ring (sealing material) 24a is fitted on the outer periphery of the upper portion 30 of the compression piston 24, and a sealing material 2 for sealing with the iron 27 is fitted in the center of the upper portion 30.
4b is fitted.

次に駆動装置５０について説明すると、この駆動装置５
０は冷凍装置１０に対し直交し、双方によって全体とし
てＬ字形構造をなしている。この駆動装置５０は、主と
して原動機６０と、この原動機６０に連結された遊星減
速機７０と、この遊星減速機７０の遊星歯車７１に固定
されたキャリアクランク８０と、このキャリアクランク
８０のクランクピン８３に取付けられ、冷凍装置１０の
ピストン１２．２４を往復動させる連接棒９０゜９５と
、上記構成部品をシールして収容するハウジング１１０
とから成る。Next, the drive device 50 will be explained.
0 is perpendicular to the refrigeration device 10, and both form an L-shaped structure as a whole. This drive device 50 mainly includes a prime mover 60, a planetary reducer 70 connected to this prime mover 60, a carrier crank 80 fixed to a planetary gear 71 of this planetary reducer 70, and a crank pin 83 of this carrier crank 80. a connecting rod 90°95 which is attached to and reciprocates the piston 12.24 of the refrigeration device 10, and a housing 110 which seals and accommodates the above components.
It consists of

駆動装置の右端に位置する原動機６０には、好ましくは
電動モータ、例えば直流モータ、交流同期モータ、交流
誘導モータ、交流整流子モータ、変度両用そり等が使用
される。このモづ６０のロータ６１を支持するロータリ
出力シャフト６２は、左右を軸受け６３に・より回転自
在に支持され、その右端は、第３図に示すような遊星減
速機７０の太陽歯車７２にスプライン結合される。The prime mover 60 located at the right end of the drive device is preferably an electric motor, such as a DC motor, an AC synchronous motor, an AC induction motor, an AC commutator motor, a variable sled, or the like. A rotary output shaft 62 supporting the rotor 61 of this mod 60 is rotatably supported by bearings 63 on the left and right sides, and its right end is splined to a sun gear 72 of a planetary reducer 70 as shown in FIG. be combined.

遊星減速機７０は、出力シャフト６２により回転された
太陽歯車７２と、ポルト７３によりハウジング１１０に
固定されたリング歯車７４と、これら歯車７２．７４の
間に噛合され、ピン７５によりクランクキャリア８０に
回転自在に連結された３つの遊星歯車７１とから成る。The planetary reducer 70 is meshed between a sun gear 72 rotated by an output shaft 62, a ring gear 74 fixed to the housing 110 by a port 73, and these gears 72, 74, and connected to a crank carrier 80 by a pin 75. It consists of three planetary gears 71 that are rotatably connected.

遊星減速機７０は、以上の構成であるため、出力シャフ
ト６２、すなわち太陽歯車７２の回転運動をキャリアク
ランク８０に対して一定減速比で同一方向へ伝える。Since the planetary reducer 70 has the above configuration, the rotational motion of the output shaft 62, that is, the sun gear 72, is transmitted to the carrier crank 80 in the same direction at a constant reduction ratio.

キャリアクランク８０は、遊星歯車７１が取付けられた
ディスク状部分８２とこのディスク状部分８２から突出
して回転軸Ｘより偏心した偏心軸Ｙを有するクランクピ
ン８３とから成る。第１図および第２図に示すようにキ
ャリアクランク８０の外周は、ポールベアリング８４よ
り支持されている。ベアリング８４を省略することも可
能であるが、このような軸受けをすることにより、キャ
リア８０の回転が安定するという効果が得られる。The carrier crank 80 includes a disk-shaped portion 82 to which the planetary gear 71 is attached, and a crank pin 83 that protrudes from the disk-shaped portion 82 and has an eccentric axis Y eccentric from the rotation axis X. As shown in FIGS. 1 and 2, the outer periphery of the carrier crank 80 is supported by a pawl bearing 84. Although it is possible to omit the bearing 84, such a bearing provides the effect of stabilizing the rotation of the carrier 80.

クランクピン８３の右端には、クランク８５がボルト８
６により固定され、クランクピン８３の右端を旋回自在
に支持している。A crank 85 is attached to a bolt 8 on the right end of the crank pin 83.
6, and rotatably supports the right end of the crank pin 83.

クランクピン８３の両側には、一対の連接棒９０の偏心
輪（第１の偏心輪）９１が枢着され、これら連接棒９０
の他端は、ビン４０を介して冷凍装置１０の圧縮ピスト
ン２４に枢着されている。Eccentric wheels (first eccentric wheels) 91 of a pair of connecting rods 90 are pivotally mounted on both sides of the crank pin 83.
The other end is pivotally connected to the compression piston 24 of the refrigeration device 10 via the bottle 40.

このような機構により、クランクピン８３が回転軸Ｘを
中心Ｃ二旋回すると、圧縮ピストン２４喰圧縮シリンダ
１１内を往復動する。これら連接棒９０の偏心輪８１の
間には、円形の偏心カム９６がキー９７により固定され
ている。この偏心カム９６の中心Ｚは第５図に示すごと
くキャリアクランク８０の回転軸Ｘに対して所定量偏心
しており、膨張ピストン１２の往復動の位相が圧縮ピス
トン２４の位相より約９０’進むようになっている。こ
の偏心カム９Ｂの外周には、ポールベアリング９８を介
して連接棒９５の偏心輪（第２の偏心輪）９９が嵌合さ
れ、連接棒９５の他端は、球面ジャーナル１００となっ
ている。With such a mechanism, when the crank pin 83 makes two turns around the rotation axis X, the compression piston 24 reciprocates within the compression cylinder 11. A circular eccentric cam 96 is fixed by a key 97 between the eccentric wheels 81 of these connecting rods 90 . The center Z of this eccentric cam 96 is eccentric by a predetermined amount with respect to the rotation axis X of the carrier crank 80, as shown in FIG. It has become. An eccentric ring (second eccentric ring) 99 of a connecting rod 95 is fitted onto the outer periphery of the eccentric cam 9B via a pole bearing 98, and the other end of the connecting rod 95 is a spherical journal 100.

偏心輪９９および連接棒９５は、クランクピン８３の回
転運動を膨張ピストン１２の往復運動に変換するが、そ
の往復運動は偏心カム９６のために圧縮ピストン２４よ
りも９０’位相が進み、スターリングサイクルによる冷
凍作業に必要などストンストロークが得られる。The eccentric 99 and the connecting rod 95 convert the rotational motion of the crank pin 83 into a reciprocating motion of the expansion piston 12, which is 90' in phase ahead of the compression piston 24 due to the eccentric cam 96, resulting in a Stirling cycle. Such stone strokes as required for refrigeration work can be obtained.

本駆動装置５０をシールして収容するハウジング１１０
は、原動機６０を収容するハウジング１１０ａと、遊星
減速機７０を収容する中間ハウβフグ１１０ｂと、クラ
ンク８５を支持する側方プレー）１１０ｃと、クランク
ピン８３下方に位置する底部プレー）１１０ｄから成り
、これらは互いにＯリング１１５とボルト１１６により
一体的構造となっており、しかも中間ハウジング冷凍装
置１０部分のハウジング１６ともＯリング１１７とポル
トド１８によりシール状態で接合されている。従って、
駆動装置５０のハウジング１１０は、冷凍装置１０のハ
ウジング１６と共に装置１０内の作動ガスに対し、密封
空間を提供するが、駆動装置５０のハウジング１１０に
は回転シャフトが貫通していないので、シール性は更に
向上している。Housing 110 that seals and accommodates the main drive device 50
consists of a housing 110a that accommodates the prime mover 60, an intermediate housing 110b that accommodates the planetary reducer 70, a side play (110c) that supports the crank 85, and a bottom play (110d) located below the crank pin 83. , these have an integral structure with each other by an O-ring 115 and a bolt 116, and are also joined to the housing 16 of the intermediate housing refrigeration device 10 portion in a sealed state by an O-ring 117 and a port 18. Therefore,
The housing 110 of the drive device 50 provides a sealed space for the working gas in the device 10 together with the housing 16 of the refrigeration device 10, but since the rotating shaft does not pass through the housing 110 of the drive device 50, the sealing performance is poor. has further improved.

本発明の構成は以上のごとくであり、遊星減速機７０お
よびキャリアクランク８０の採用により、装置の全長が
短くなり、しかもキャリアクランク８０および偏心カム
９６によりフリーホイール効果が得られるためフリーホ
イールの取付けが不要となっている。更に既述のごとく
駆動機構すべてをハウジング内に収容したので、作動ガ
スに対するシール性は特別のシール装置を用いることな
く向上している。The configuration of the present invention is as described above, and by employing the planetary reducer 70 and the carrier crank 80, the overall length of the device is shortened, and the carrier crank 80 and the eccentric cam 96 provide a freewheel effect, making it easy to install the freewheel. is no longer necessary. Furthermore, as described above, since the entire drive mechanism is housed within the housing, the sealing performance against the working gas is improved without using a special sealing device.

以上の通り、本発明においては１個の小型減速駆動機構
により、圧縮ピストン及び膨張ピストンを駆動でき、回
転軸に直交する方向に両ピストンがクランク駆動される
ので無理がなく円滑な運転が可能である。As described above, in the present invention, the compression piston and the expansion piston can be driven by one small reduction drive mechanism, and both pistons are crank-driven in the direction perpendicular to the rotation axis, allowing for easy and smooth operation. be.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第１図は本発明に係るスターリング冷凍機の駆動装置の
一実施例を示す縦断面図、第２図は第１図に示した駆動
装置のギア列を示す略図、第３図は遊星減速機の歯車の
配置を示す第１図のＡ−Ａ線に沿う断面図、第４図は圧
縮ピストンを駆動する連接棒の取付けを示す社１図のＢ
−Ｂ線に沿う断面図、第５図は膨張ピストンを駆動する
連接棒の取付けを示す第１図のＣ−Ｃ線に沿う断面図で
ある。 １０・・・冷凍装置　　　　　５０・・・駆動装置６０
・・・原動機　　　　　　７０・・・遊星減速機８０・
・・キャリアクランク　９０．９５・・・連接棒１゛１
０・・・八ウジング 第４図 第５因FIG. 1 is a longitudinal cross-sectional view showing an embodiment of a Stirling refrigerator drive device according to the present invention, FIG. 2 is a schematic diagram showing a gear train of the drive device shown in FIG. 1, and FIG. 3 is a planetary reducer. Figure 4 is a sectional view taken along line A-A in Figure 1 showing the arrangement of the gears, and Figure 4 is B in Figure 1 showing the installation of the connecting rod that drives the compression piston.
5 is a sectional view taken along line C--C in FIG. 1, showing the attachment of a connecting rod for driving an expansion piston. 10... Refrigeration device 50... Drive device 60
... Prime mover 70... Planetary reducer 80.
...Carrier crank 90.95...Connecting rod 1゛1
0... Eight-Using Figure 4 5th Cause

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 圧縮ピストンを内蔵する圧縮シリンダと膨張ピストンを
内蔵する膨張シリンダとを同軸に隣接して有し膨張ピス
トン駆動ロンドが圧縮ピストンを貫通して駆動機構によ
り膨張ピストンを圧縮ピストンの往復動と連携して往復
動せしめ、圧縮された冷媒が放熱器及び蓄冷器を介して
膨張シリンダの他端の膨張空間において膨張されるスタ
ーリングサイクル冷凍機において、圧縮シリンダの膨張
シリンダ隣接端部を膨張ピストン駆動ロッドがシールさ
れて貫通するフランジにより閉じ圧縮ピストンの往復動
のみに従って圧縮される圧縮空間を圧縮シリンダ内に形
成し、リング歯車をハウジングに固定した遊星減速機の
太陽歯車に入力回転シャフトを接続し、遊星歯車のキャ
リアクランクＣ二その軸に対して偏心したクランクビン
を固定して成る遊星減速機構を有し、該クランクビンに
第１の偏心輪を軸受けすると共に外用に第２の偏心輪を
軸受けした円形偏心カムを固定して有し、前記第１及び
第２の偏心輪に夫々接続した連接棒を介して、前記圧縮
ピストン及び膨張ピストンを駆動する駆動装置を有し、
前記全駆動装置を冷凍機のハウジングと一体的なへウジ
ング内に密封して収容することを特徴とするスターリン
グサイクル冷凍機。A compression cylinder with a built-in compression piston and an expansion cylinder with a built-in expansion piston are coaxially adjacent to each other, and an expansion piston driving rond passes through the compression piston, and a drive mechanism moves the expansion piston in conjunction with the reciprocating motion of the compression piston. In a Stirling cycle refrigerator in which compressed refrigerant is expanded in an expansion space at the other end of an expansion cylinder through a radiator and a regenerator, an expansion piston drive rod seals the end of the compression cylinder adjacent to the expansion cylinder. The input rotating shaft is connected to the sun gear of a planetary reducer with a ring gear fixed to the housing, and the input rotating shaft is connected to the sun gear of a planetary reducer with a ring gear fixed to the housing. The carrier crank C 2 has a planetary reduction mechanism consisting of a crank pin eccentric to its axis, and the first eccentric ring is supported on the crank pin, and the second eccentric ring is externally supported on the second eccentric ring. a drive device having a fixed eccentric cam and driving the compression piston and the expansion piston via connecting rods connected to the first and second eccentrics, respectively;
A Stirling cycle refrigerator, characterized in that the entire drive device is hermetically housed in a housing that is integral with a housing of the refrigerator.