JP2002303464A - スターリング冷凍機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 回転部や往復動部の機械的バランスを
とり機械的損失を少なくし冷凍能力を上げるとともに、
バッファ空間及びクランク室の圧力変動を打ち消し、オ
イルシール用ベローズの劣化や損耗を防止する。 【解決手段】 クランク室２６、２６’を有するハウ
ジング２３、２３’と、圧縮シリンダ４５、４５’、圧
縮ピストン４８、４８’及び膨張シリンダ４６、４
６’、膨張ピストン５５、５５’と、オイルシール５
３、５８、５３’、５８’と、バッファタンク５９、５
９’とを備えた、同じ構造の左右のスターリング冷凍機
２台２２、２２’を一体として１つのモータ２７で駆動
可能とする。

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、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、油上がりを防止するオイルシールを備えた、
しかも機械的損失の少ない、耐久性のすぐれたスターリ
ング冷凍機に関する。

【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ピストンシールとオイルシー
ルとで仕切られた空間（この空間を本明細書では「バッ
ファ空間」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（特開２０００−１８６６
１９参照。）。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明では、上記従来
のスターリング冷凍機において、さらに次の点について
改良を加えることを課題とする。 （１）モータを特に増やすことなく、機器全体としては
コンパクトな構成で、スターリング冷凍機全体の冷凍能
力を増強する。 （２）バッファ空間の圧力変動を減少させ、バッファ空
間とクランク室との圧力差を少なくして、バッファタン
クのタンク及びベローズをコンパクトにする。 （３）クランク等回転部やピストン等の往復動部の機械
的なバランスを良くして、振動を減少させることで、機
械的損失を少なくしてスターリング冷凍機ＣＯＰを上げ
るとともに、軸受等機械部品に対する機械的な負荷を少
なくして長寿命化を図る。

【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、同じ構造の左右のスターリング冷凍機２台
が一体とされて１つのモータで駆動されて成るスターリ
ング冷凍機であって、夫々のスターリング冷凍機は、夫
々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
備えており、夫々のスターリング冷凍機のクランク室
は、上記モータで駆動される１本のクランク軸が夫々の
クランク室を通して伸びるように互いに連通して結合さ
れており、夫々のスターリング冷凍機の圧縮ピストンの
ピストンシールとオイルシールで仕切られた空間である
バッファ空間は、互いに連通するように構成されている
ことを特徴とするスターリング冷凍機を提供する。

【００１０】上記夫々のスターリング冷凍機の夫々にお
いて、上記ハウジングと上記バッファ空間との間に、上
記バッファ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。

【００１１】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。

【００１２】上記バッファタンクは、上記圧縮シリンダ
及び膨張シリンダの全体又は一部を構成するシリンダブ
ロック、又は上記ハウジングに固定されていることを特
徴とする。

【００１３】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夫々固定されたオイルシ
ール用ベローズから成ることを特徴とする。

【００１４】上記２台のスターリング冷凍機は、夫々の
ハウジングが、潤滑用オイルが相互に行き来するよう
に、互いに配管で連通されていることを特徴とする。

【００１５】上記２台のスターリング冷凍機のは、夫々
のハウジングが、互いに配管で連通されていることを特
徴とする。

【００１６】上記オイルシールは、ゴムや樹脂製の一般
的なオイルシールでもよいし、あるいは夫々その基端が
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夫々固定されたオイ
ルシール用ベローズでもよい。

【００１７】

【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。本発明に係るスターリング冷凍機の基本的な
考えは、従来のスターリング冷凍機２台（中１台はモー
タ付き、他の１台はモータ無し）を、互いに冷凍機とし
ての位相を１８０度ずらして一体的に合体し、共通の１
台のモーターで駆動するように構成した点である。

【００１８】（実施例１）図２、３は本発明に係るスタ
ーリング冷凍機の実施例１の構成を説明する図であり、
図２は、本発明に係るスターリング冷凍機を構成する２
台のスターリング冷凍機の中の１台（モータ付き）の構
造及びその作用を詳細に説明する図である。

【００１９】そして、図３は、本発明に係るスターリン
グ冷凍機の実施例１の全体を示す図である。この実施例
１のスターリング冷凍機は、図２に示すスターリング冷
凍機２台（但し中１台はモータ無し。）を左右一対、即
ち２台を互いに左右対称的な配置として設け、互いにク
ランク室を連結するとともに、バッファ空間を連通させ
て、互いに１８０度位相をもって一体的に合体し、共通
の１台のモータで駆動するようにして成る構成である。
なお、スターリング冷凍機を冷却する放熱器７９は夫々
の冷凍機の共用として１台でもよい。

【００２０】これら一対のスターリング冷凍機は、夫々
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
の背面側のバッファ空間の圧力変動を吸収する構成を採
用している。なお、オイルシールは一般的なゴム系のオ
イルシールでもよい。

【００２１】図２により、本発明に係るスターリング冷
凍機を構成する左右一対のスターリング冷凍機の夫々の
構成及びその作用を以下、詳細に説明する。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。

【００２２】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。

【００２３】回転往復変換機構部２８は、クランク室２
６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。

【００２４】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３
８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。

【００２５】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。

【００２６】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。

【００２７】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。

【００２８】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。

【００２９】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。

【００３０】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９
０度の位相だけ先行して移動する。

【００３１】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。

【００３２】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。

【００３３】スターリング冷凍機２２には、バッファタ
ンク５９がシリンダブロックに固定されて配設されてお
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。

【００３４】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９４を形成し、二つの空間６９、７０を互
いに連通している。

【００３５】圧力調整用ベローズ６１の閉止壁側の室６
５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５
３、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。

【００３６】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。

【００３７】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。

【００３８】図２では、スターリング冷凍機を冷却する
ための放熱器７９が接続されており、放熱用熱交換器７
４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。

【００３９】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８
６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。

【００４０】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。

【００４１】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、５
８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。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とバッファ空
間６９、７０とは互いに同じ圧力となる構成を採用して
いる。

【００４２】以上の図２において示すスターリング冷凍
機を２台、図３に示すように、左右対称的な配置として
設け、互いにクランク室を連結するとともに、バッファ
空間を連通させて、互いに１８０度位相をもって一体的
に合体し、共通の１台のモータで駆動するようにして、
本発明に係るスターリング冷凍機を構成する。

【００４３】具体的には、図３において、図２において
示すスターリング冷凍機２２を右側に配置し、これと対
称的に、スターリング冷凍機２２’を左側に配置する。
スターリング冷凍機２２’は、スターリング冷凍機２２
からモータを除いた構造である点及びピストンの位相に
おいて異なるが、他はほぼ同じである。従って、スター
リング冷凍機２２’については、説明に必要な符号以外
は省略する。

【００４４】スターリング冷凍機２２、２２’は、夫々
のクランク室２６、２６’を結合ハウジング（配管でも
よい。）８７で、連通し潤滑用オイルが相互に行き来す
るように結合する。そして、スターリング冷凍機２２、
２２’クランク軸３３、３３’は、この結合ハウジング
８７内でカップリング８８により互いに接続される。ス
ターリング冷凍機２２のクランク部３７、３８とスター
リング冷凍機２２’のクランク部３７’、３８’とは、
互いに１８０°位相をずらすように、互いにクラン
ク軸３３、３３’が接続されている。

【００４５】カップリング８８によって互いに接続され
たクランク軸３３、３３’は、スターリング冷凍機２２
内に設けられたモータ２７で駆動される。そして、スタ
ーリング冷凍機２２、２２’のクランク室の底部のオイ
ル溜部８９、８９’はパイプ９０により互いに連通する
ように構成されている。

【００４６】スターリング冷凍機２２のバッファ空間６
９、７０とスターリング冷凍機２２’のバッファ空間６
９’、７０’は、互いに連通管９１によって連通するよ
うに構成されている。そして、スターリング冷凍機２
２、２２’のバッファタンク５９、５９’は、管６７、
６７’によってこの連通管９１に連通するように取り付
けられている。なお、このスターリング冷凍機２２で
は、１８０°位相で二つの冷凍機が作動するので、
バッファ空間及びクランク室の容積変化がキャンセルさ
れるから、後述する実施例３に示すように、左右二つの
バッファタンク５９、５９’は、そのいずれか一つでも
よい。

【００４７】次に、本発明の上記実施例１のスターリン
グ冷却装置の作用を説明する。本発明に係るスターリン
グ冷凍機を構成する２台のスターリング冷凍機２２、２
２’の夫々の動作を、スターリング冷凍機２２で代表し
て以下説明する。なお、スターリング冷凍機２２’の動
作も、１８０°位相がずれて同様の動作を行う。

【００４８】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３
７、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。

【００４９】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。

【００５０】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。

【００５１】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７
４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。

【００５２】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。

【００５３】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７
４へと循環する。

【００５４】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。

【００５５】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
トンの背面側のバッファ空間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
バッファ空間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６
１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。

【００５６】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。

【００５７】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。

【００５８】次に、スターリング冷凍機２２、２２’か
ら成る本発明に係るスターリング冷凍機の作用を説明す
る。図３において、スターリング冷凍機２２のクランク
部３７、３８とスターリング冷凍機２２’のクランク部
３７’、３８’の位相は１８０°ずれているため
に、スターリング冷凍機２２の圧縮ピストン４８、膨張
ピストン５５は、スターリング冷凍機２２’の圧縮ピス
トン４８’、膨張ピストン５５’と１８０°ずれて
往復動する。

【００５９】スターリング冷凍機２２のクランク部３
７、３８とスターリング冷凍機２２’のクランク部３
７’、３８’の位相は１８０°ずれて回転すると、
膨張ピストン５５、５５’、圧縮ピストン４８、４８’
等の往復動系からコンロッド３９、３９’、４０、４
０’を介してクランク軸３３、３３’に作用する力は互
いに逆向きの力がかかり互いに相殺される。

【００６０】このため、クランク軸３３、３３’全体と
しては偏心的な外力が小さくなり回転のバランスがとれ
て、振動が減少するとともに、軸受３１、３２、３
１’、３２’に対する負荷が小さくなる。この結果、ス
ターリング冷凍機２２、２２’の全体的な機械損失が小
さくなり、ＣＯＰの向上が図れる。

【００６１】図３において、スターリング冷凍機２２の
膨張ピストン５５は膨張シリンダ４６内において上死点
に位置し、圧縮ピストン４８は下死点に位置している。
バッファ空間７０、６９は連通しており、バッファ空間
７０の方がバッファ空間６９より大きいことを考慮する
と、バッファ空間７０、６９の圧力は全体としては緩い
圧力である。

【００６２】この時、スターリング冷凍機２２’の膨張
ピストン５５’は膨張シリンダ４６’内において下死点
に位置し、圧縮ピストン４８は上死点に位置している。
バッファ空間７０’の方がバッファ空間６９’より大き
いことを考慮すると、バッファ空間７０’、６９’の圧
力は、全体としては高い圧力である。

【００６３】このようにスターリング冷凍機２２、２
２’は、互いに圧縮ピストン及び膨張ピストンが互いに
１８０°位相がずれて往復動するために、バッファ
空間７０、６９とバッファ空間７０’、６９’は、互い
に高低逆の状態にある。しかしながら、本発明では、連
通管９１によりバッファ空間７０、６９とバッファ空間
７０’、６９’が互いに連通しているために、互いに相
殺しあって圧力を平準化する。

【００６４】この結果、バッファ空間７０、６９とバッ
ファ空間７０’、６９’夫々のバッファ空間の圧力変動
が減少する。従って、圧縮ピストン、膨張ピストンの往
復動が滑らかに行われるとともに、クランク室２６、２
６’とバッファ空間６９、７０とバッファ空間６９’、
７０’と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及び
オイルシール用ベローズ５３’５８’の劣化や破壊を防
止できる。夫々のスターリング冷凍機のクランク室にお
いても、オイルシール用ベローズの容積変化がキャンセ
ルされ、圧量変動減少（理論的にはなくなる。）する。

【００６５】そして、このような圧力差を吸収するバッ
ファタンク５９、５９’及びそのベローズ６１、６１’
の容積を小さくすることができ、スターリング冷凍機２
２、２２’夫々が全体としてコンパクト化が図れる。

【００６６】（実施例２）図４は、本発明に係るスター
リング冷凍機の実施例２を示す図である。この実施例２
は、実施例１とほぼ同じ構成であるが、この実施例２の
特徴は、スターリング冷凍機２２、２２’のバッファタ
ンク５９、５９’は、夫々ハウジング２３、２３’の左
右端面に取り付けられて形成されている構成である。

【００６７】バッファタンク５９、５９’は、圧力調整
用ベローズ６１、６１’を有しており、圧力調整用ベロ
ーズ６１、６１’の閉止壁側の室９２、９２’は、夫々
バッファ空間６９、７０及びバッファ空間６９’、７
０’に管６７、６７’及び連通管９１を介して連通して
いる。バッファタンク５９、５９’の圧力調整用ベロー
ズ６１、６１’内側はハウジング２３、２３’の端部の
通孔９３、９３’通してハウジング２３、２３’内に連
通している。バッファタンクの圧力調整用ベローズ内側
はハウジング２３の端壁の通孔を介してハウジング２
３’内に連通している。実施例２の作用は実施例１と同
様である。

【００６８】（実施例３）図５は、本発明に係るスター
リング冷凍機の実施例３を示す図である。この実施例３
は、実施例１とほぼ同じ構成であるが、実施例１におい
てバッファタンクを、右側のバッファタンク５９を一つ
だけ（むろん左側のバッファタンク５９’を一つだけを
設けたものでもよい。）設けたものに相当する。この実
施例３の作用、効果は実施例１と同じである。

【００６９】（実施例４）図６は、本発明に係るスター
リング冷凍機の実施例４を示す図である。この実施例４
は、実施例２とほぼ同じ構成であるが、実施例２におい
てバッファタンクを左側のバッファタンク５９’を一つ
だけ（むろん右側のバッファタンク５９を一つだけを設
けたものでもよい。）を設けたものに相当する。この実
施例４の作用、効果は実施例１と同じである。

【００７０】（実施例５）図７は、本発明に係るスター
リング冷凍機の実施例５を示す図である。この実施例５
は、実施例３とほぼ同じ構成であるが、実施例３におい
てバッファタンク５９の代わりに、クランク室側からの
オイル、水分、ＣＯ_２等のコンタミネーションを取り除
くフィルタ９５を設けたものに相当する。この実施例５
では、ハウジング２３とバッファ空間６９、６９’、７
０、７０’とクランク室とを管６７、７１で連通させて
等圧にするとともに、クランク室からオイルがバッファ
空間６９、６９’、７０、７０’内に入り込むことを防
止するものである。

【００７１】（実施例６）図８は、本発明に係るスター
リング冷凍機の実施例６を示す図である。この実施例６
は、実施例２とほぼ同じ構成であるが、実施例２におい
てオイルシールとして、オイルシール用ベローズの代わ
りに、一般に用いられるゴム製又は樹脂製のオイルシー
ルを用いたものである。この実施例の作用は、実施例１
〜５と同じである。もちろん、実施例１、３、４、５等
においてもオイルシールとして、ベローズではなく、一
般に用いられるゴム製又は樹脂製のオイルシールを適用
してもよい。

【００７２】以上本発明の実施の形態を実施例１〜６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。例えば、実施例１〜４及び実施例５に
示すバファタンク及びフィルタ等を全く付設しない構成
でも可能である。

【００７３】

【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、２台の同じ構造のスターリング冷凍機を、
冷凍機としての位相を互いに１８０°ずらして一体
としたので、次の効果が生じる。 （１）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、クランク室とバッファ空間との間の圧
力差を減少させ、これにより、オイル、水分、ＣＯ_２等
のコンタミネーションを防止するとともに、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。

【００７４】（２）特に、本発明では、バッファ空間及
びクランク室に生じるの圧力変動を２台のスターリング
冷凍機のバッファ空間及びクランク室を連通させること
により互いに相殺して減少させ、作動空間とクランク室
との圧力差を少なくして、上記圧力調整用のバッファタ
ンクのタンク容積及びベローズの寸法を小さくして、ス
ターリング冷凍機全体をコンパクトにすることができ
る。

【００７５】（３）スターリング冷凍機のクランク等の
回転部やピストン等の機械的なバランシングが良好とな
るから、振動が減少し軸受等に対する機械的な負荷が少
なくなり寿命の向上が図れるとともに、機械的損失が少
なくなり冷凍機性能を向上することができる。

【００７６】（４）モータを特に増設することなく、機
器全体としてはコンパクトな構成を維持しながらスター
リング冷凍機全体の冷凍能力を増強することができる。

【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を構成する一
つのスターリング冷凍機部分を説明する図である。

【図３】本発明に係るスターリング冷凍機の実施例１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実施例２を
示す図である。

【図５】本発明に係るスターリング冷凍機の実施例３を
示す図である。

【図６】本発明に係るスターリング冷凍機の実施例４を
示す図である。

【図７】本発明に係るスターリング冷凍機の実施例５を
示す図である。

【図８】本発明に係るスターリング冷凍機の実施例６を
示す図である。

【符号の説明】

２２、２２’ スターリング冷凍機 ２３、２３’ ハウジング ２５ モータ室 ２６、２６’ クランク室 ２７ モータ ４５、４５’ 圧縮シリンダ ４６、４６’ 膨張シリンダ ４８、４８’ 圧縮ピストン ４９ 高温室 ５０ 圧縮ピストンロッド ５３、５８、５３’、５８’ オイルシール用ベロー
ズ ５５、５５’ 膨張ピストン ５６ 低温室 ５７ 膨張ピストンロッド ５９、５９’ バッファタンク ６１、６１’ バッファタンクの圧力調整用ベローズ ６９、７０、６９’、７０’ 圧縮ピストン及び膨張
ピストンの背面側の空間（バッファ空間） ８７ 結合ハウジング ８８ カップリング ８９、８９’ オイル溜部 ９０ パイプ ９１ 連通管 ９２、９２’ バッファタンクの外側の室 ９３、９３’ 通孔 ９５ フィルタ

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 同じ構造のスターリング冷凍機２台が
   一体とされて１つのモータで駆動されて成るスターリン
   グ冷凍機であって、 夫々のスターリング冷凍機は、夫々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おり、 夫々のスターリング冷凍機のクランク室は、上記モータ
   で駆動される１本のクランク軸が夫々のクランク室を通
   して伸びるように互いに連通して結合されており、 夫々のスターリング冷凍機の圧縮ピストン及び膨張ピス
   トンのピストンシールとオイルシールで仕切られた空間
   であるバッファ空間は、互いに連通するように構成され
   ていることを特徴とするスターリング冷凍機。
2. 【請求項２】 上記夫々のスターリング冷凍機におい
   て、上記ハウジングと上記バッファ空間との間に、上記
   バッファ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. 【請求項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２又は３記載のスターリング冷凍機。
4. 【請求項４】 上記バッファタンクは、上記圧縮シリ
   ンダ及び膨張シリンダの全体又は一部を構成するシリン
   ダブロック、又は上記ハウジングに固定されていること
   を特徴とする請求項２、３又は４記載のスターリング冷
   凍機。
5. 【請求項５】 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夫々固定されたオイ
   ルシール用ベローズから成ることを特徴とする請求項
   １、２、３又は４記載スターリング冷凍機。
6. 【請求項６】 上記２台のスターリング冷凍機は、夫
   々のバッファ空間が、互いに配管で連通されていること
   を特徴とする請求項１、２、３、４又は５記載のスター
   リング冷凍機。
7. 【請求項７】 上記２台のスターリング冷凍機は、夫
   々のハウジングが、潤滑用オイルが相互に行き来するよ
   うに、互いに配管で連通されていることを特徴とする請
   求項１、２、３、４、５又は６記載のスターリング冷凍
   機。