JP2002303461A

JP2002303461A - スターリング冷凍機及びスターリングエンジン

Info

Publication number: JP2002303461A
Application number: JP2001100127A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Sekiya; 弘志関谷; Takahiro Nakamura; 隆広中村; Itsuo Nakasaki; 五夫中崎; Takashi Inoue; 貴至井上; Ryosuke Taihichi; 亮佑對比地; Takeo Komatsubara; 健夫小松原; Masaru Kanai; 大金井; Takayuki Mizuno; 隆行水野; Kazuya Sato; 里　　和哉; Eiju Fukuda; 栄寿福田
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2001-03-30
Filing date: 2001-03-30
Publication date: 2002-10-18

Abstract

(57)【要約】【課題】スターリング熱機器の作動ガスの漏
れを少なくして、長時間運転しても作動ガス圧を安定さ
せることができ、スターリング熱機器の耐久性、信頼性
を向上させる。【解決手段】モータ６の駆動力を往復運動に変換
する往復駆動機構がハウジング２内に配設されており、
ハウジング２、圧縮室シリンダブロック１９及び膨張室
シリンダブロック２０、２０’を、炭素量が少なく、結
晶が微細化されている鋳物であるＦＣ３００で製造す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【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等に使用でき
るスターリング冷凍機、並びに発電機、空調用エンジン
等に利用されるスターリングエンジン等に関する。

【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】このようなスターリング冷凍機では、作動
ガスが、圧縮シリンダや膨張シリンダ等の作動シリンダ
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、スターリング冷凍機では、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、従
来は、通常コンプレッサのハウジングとして使用される
鋳物ＦＣ２５０等の鋳物材料で形成されている。

【０００５】又、スターリングエンジンは、スターリン
グ冷凍機とは逆に、加圧された作動ガスが封入され、燃
焼器等で加熱されたシリンダ内の高温室と低温室との間
に生じる圧力差でピストンを往復駆動させ、この往復駆
動力をエネルギー源として取り出す装置である。このス
ターリングエンジンは、熱効率が高く、静粛性にすぐれ
ており、省エネ及び環境適合エンジンとして近年着目さ
れているところである。このスターリングエンジンにお
いても、発電機やクランク機構を有するハウジングとシ
リンダブロックを有するが、これらもスターリング冷凍
機と同様の鋳物材料で形成されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、スターリン
グ冷凍機では、作動ガスが、高圧状態で圧縮シリンダや
膨張シリンダ等の作動シリンダ及びハウジング内に封入
されており、高圧状態が維持されながら、長時間の運転
（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。）が要求
される。

【０００７】しかしながら、鋳物で形成した作動シリン
ダやハウジングの壁を通して作動ガスが漏れてしまう。
これは、後述するが、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。このような作動シリンダやハウジングからの作動ガ
ス漏れ及びその他ハウジングと作動シリンダ等の結合部
の隙間を含めて、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。

【０００８】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、
スターリング冷凍機やスターリングエンジンにおいて、
ハウジングや作動シリンダ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。

【０００９】

【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作動シリンダブロックを有するスタ
ーリング冷凍機において、上記ハウジング及びシリンダ
ブロックのいずれか又は両方は、鋳物で形成され、該鋳
物はＦＣ３００であることを特徴とするスターリング冷
凍機を提供する。

【００１０】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、上記作動シリンダ
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
ブロックとから成るものであることを特徴とする。

【００１１】本発明は上記課題を解決するために、ピ
ストンの往復運動を回転力に変換する回転力取出機構が
配設されているハウジングと、該ハウジングに気密的に
結合され、上記ピストンが往復動する作動シリンダを構
成する作動シリンダブロックを有するスターリングエン
ジンにおいて、上記ハウジング及びシリンダブロックの
いずれか一つ又は両方は、鋳物で形成され、該鋳物はＦ
Ｃ３００であることを特徴とするスターリングエンジン
を提供する。

【００１２】

【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は、本発明に
係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。

【００１３】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。

【００１４】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１
３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。

【００１６】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。

【００１７】この圧縮シリンダブロック１９及び膨張シ
リンダブロック２０、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。

【００１８】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。

【００１９】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、
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。

【００２０】膨張シリンダブロック２０、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３
３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３
２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。

【００２１】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２
０、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。

【００２２】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、並びに圧縮シリンダブロック１９及
び膨張シリンダブロック２０、２０’等の作動シリンダ
ブロックでは、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。発明者等は、このリークの
メカニズムを究明して結果、ヘリウム等の作動ガスが、
ハウジングや作動シリンダブロック等の材料である片状
黒鉛や結晶粒界を伝わってリークしていくことが原因で
あると解析するに至った。

【００２３】そこで、本発明者等は、この解析結果に基
づいてハウジングや作動シリンダブロックからの作動ガ
スのリークを防止する研究を鋭意行った結果、ハウジン
グ２、並びに圧縮シリンダブロック１９及び膨張シリン
ダブロック１９の材料として、より炭素量が少なく、結
晶を微細化している鋳物であるＦＣ３００という材質に
着目し、この材料で形成することを想到するに至った。

【００２４】本発明に係るスターリング冷凍機では、ハ
ウジング２、並びに圧縮シリンダブロック１９及び膨張
シリンダブロック２０、２０’を、鋳物ＦＣ３００によ
り製造した。スターリング冷凍機のハウジング２並びに
圧縮シリンダブロック１９及び膨張シリンダブロック２
０、２０’を鋳物ＦＣ２５０（１．０Ｅ−Ｅ−０．５〜
Ｅ−０．４台）で製造した場合に比較して、ＦＣ３００
（１．０〜３．０Ｅ−０６）で製造すると、ヘリウムの
リーク量が格段と減少した。

【００２５】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。

【００２６】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。

【００２７】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。

【００２８】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３
２へ循環する。

【００２９】本発明に係るスターリング冷凍機１におい
て、ハウジング２、並びに圧縮シリンダブロック１９及
び膨張シリンダブロック２０、２０’を、鋳物ＦＣ３０
０により製造したので、これらの部材の鋳物壁を通過し
て作動ガスが漏れることを抑えることができる。

【００３０】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、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。例えば、上記実施例
では、モータと往復駆動機構は一体で形成したが、別体
であってもよい。

【００３１】又、上記実施例では、スターリング冷凍機
を挙げて説明したが、スターリングエンジンでも良い。
スターリングエンジンの場合は、ハウジング内には、モ
ータの代わりに発電機が設けられ、ピストンの往復運動
を回転力に変換する回転力取出機構（クランク機構）が
設けられるが、このようなハウジングと、ハウジングに
取り付けられるシリンダブロックについても同様に鋳物
ＦＣ３００で製造すると、スターリング冷凍機の場合と
同様に、作動ガスの漏れを防止することができる。

【００３２】

【発明の効果】本発明に係るスターリング冷凍機及びス
ターリングエンジンは、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、スターリング冷凍機
及びスターリングエンジンの耐久性、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冷凍機を説明する全
体図である。

【符号の説明】

１スターリング冷凍機１２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、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

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者中崎五夫大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号三洋電機株式会社内 (72)発明者井上貴至大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号三洋電機株式会社内 (72)発明者對比地亮佑大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号三洋電機株式会社内 (72)発明者小松原健夫大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号三洋電機株式会社内 (72)発明者金井大大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号三洋電機株式会社内 (72)発明者水野隆行大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号三洋電機株式会社内 (72)発明者里和哉大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号三洋電機株式会社内 (72)発明者福田栄寿大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号三洋電機株式会社内 (72)発明者坂本泰生大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号三洋電機株式会社内 (72)発明者西川弘大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号三洋電機株式会社内 (72)発明者真下傳二大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号三洋電機株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】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作動シリンダブロックを有する
スターリング冷凍機において、上記ハウジング及びシリンダブロックのいずれか一つ又
は両方は、鋳物で形成され、該鋳物はＦＣ３００である
ことを特徴とするスターリング冷凍機。
【請求項２】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、上記作動シリン
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
ダブロックとから成るものであ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。
【請求項３】ピストンの往復運動を回転力に変換す
る回転力取出機構が配設されているハウジングと、該ハ
ウジングに気密的に結合され、上記ピストンが往復動す
る作動シリンダを構成する作動シリンダブロックを有す
るスターリングエンジンにおいて、上記ハウジング及びシリンダブロックのいずれか一つ又
は両方は、鋳物で形成され、該鋳物はＦＣ３００である
ことを特徴とするスターリングエンジン。