(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロッドの一端に接続されたピストン又はディスプレーサをシリンダ内で往復動可能に収容する作動室と、
前記ロッドの他端が接続され、前記ピストンまたはディスプレーサを往復動させるピストン駆動機構を収容する駆動室と、
前記ロッドが貫通し、前記駆動室から前記作動室へ向かう方向の流れに対してのシール性がその逆の流れに対するシール性より高いシール部材から成り、前記駆動室内の潤滑油が前記作動室に侵入するのを防ぐロッドシール部と、
前記作動室及び駆動室を潤滑油除去部材を介して連通させる連通手段と、
該連通手段の途中に、作動ガスを冷却する冷却手段と、
を備え、
前記ピストン又はディスプレーサを膨張シリンダ内で往復動させ、該膨張シリンダ内に形成される前記作動室内部での作動ガスの膨張行程により冷熱を発生させ、
前記冷却手段は、前記作動空間内部で発生した冷熱を利用して作動ガスを冷却し、
前記冷却手段は、コールドトラップと、前記膨張シリンダの外部から該コールドトラップにまで延長させて該コールドトラップに接触させた熱伝導性部材とを含み、該熱伝導性部材の熱伝導を利用して前記コールドトラップを冷却することを特徴とするガス圧縮膨張機。
【請求項２】
前記連通手段の途中に設けられ、前記作動室の圧力が一定値以下の場合に作動ガスの移動を許容する開閉手段を備えていることを特徴とする請求項１に記載のガス圧縮膨張機。
【請求項３】
前記ロッドシール部のシール部材は、リップ型のシール部材であることを特徴とする請求項１又は２に記載のガス圧縮膨張機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、動力の発生に用いるスターリングエンジンや、低温の発生に用いるスターリング冷凍機などのガス圧縮膨張機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、バイオテクノロジーの分野や電子デバイスの分野等の先端技術分野において、各種試料や各種材料の極低温の保存技術の開発が急務になっている。特に、スターリング冷凍機などのガス圧縮膨張機は、上記極低温を実現する手段として注目され各種赤外線センサー、超電導デバイス等の冷却用やバイオメディカル用のフリーザ、冷凍庫等に広く利用されようとしている。
【０００３】
ここで、図２を参照して、従来のディスプレーサタイプのスターリング冷凍機の構造について説明する。
【０００４】
本体ハウジング１には膨張シリンダ２と圧縮シリンダ３とが９０度の角度差で取り付けられ、膨張シリンダ２に内蔵されたディスプレーサ６と、圧縮シリンダ３に内蔵されたピストン７は、共通のクランク機構５に連結されて、互いに９０度位相がずれた状態で往復駆動される。
【０００５】
ディスプレーサ６は、両端が開口した筒体１７の内部に、例えば焼結金属からなる蓄冷材１４が充填されており、筒体１７の一方の開口から流入した作動ガスは蓄冷材１４の内部を通過し、他方の開口から流出するまでの過程で、蓄冷材１４との熱交換が行なわれる。
【０００６】
ディスプレーサ６は再生熱交換器としての機能を兼ね備えたものであって、その熱交換性能はスターリング冷凍機の成績係数を大きく左右することになる。
【０００７】
又、膨張シリンダ２及び圧縮シリンダ３は夫々オイルシール８、９によってクランク室１２と仕切られており、膨張シリンダ２の基端部と圧縮シリンダ３の先端部とは、連通路４によって互いに連通されている。クランク室１２にはオイル１０が注入されている。
【０００８】
図３は、横軸に時間Ｔ、縦軸にストロークＳをとって、上記スターリング冷凍機の動作を表わしたものである。
【０００９】
スターリング冷凍機に於いては、ディスプレーサ６が図３の曲線Ｂ、Ｃの如く往復移動すると同時に、ピストン７が図３の曲線Ｄの如く往復移動することによって、膨張シリンダ２の膨張空間１１は、図３の直線Ａと曲線Ｂに挟まれた幅領域で容積変化し、圧縮シリンダ３の圧縮空間１３は、図３の曲線Ｃと曲線Ｄに挟まれた幅領域で容積変化する。
【００１０】
この結果、図３の▲１▼の行程では、ピストン７の上昇に伴って圧縮空間１３内のガスが圧縮され、連絡管４を経て膨張シリンダ２内へ流入する（理想的には等温圧縮）。このガスは図３の▲２▼の行程で、ディスプレーサ６内の蓄冷材１４を通過し、蓄冷材１４と熱交換を行なって、温度低下する（定積冷却）。蓄冷材１４を通過したガスは図３の▲３▼の行程で、膨張シリンダ２の膨張空間１１へ流入し、その後、ピストン７の降下に伴って膨張する（理想的には等温膨張）。次に、図３の▲４▼の行程では、ディスプレーサ６の上昇に伴って、膨張空間１１内のガスが蓄冷材１４を通過し、蓄冷材１４と熱交換を行なって、温度上昇した後、連通部４を経て再び圧縮空間１３へ流入する（定積加熱）。
【００１１】
この結果、膨張シリンダ２頭部に設けたコールドヘッド１５が冷却される。
【００１２】
そして、上記構造よりなるスターリング冷凍機においては、オイルシール８、９として、クランク室１２からピストン７又はディスプレーサ６の背面側へ向かう方向の流れに対してのシール性がその逆の流れに対するシール性より高いリップ型のシール部材を用いている。このリップ型のシール部材は、シールの方向性を持たないスリッパシール等の樹脂型のシール部材に比較して一方向へのシール性が優れており、油圧機構などにおいて盛んに用いられている。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
一方、本願出願人はリップ型のシール部材のように、シール性に方向性を有するものの場合、シール性が低い方向の流れに流れに対してガス送り込み作用があり、このガス送り込み作用によってピストン７又はディスプレーサ６の背面空間の最低圧力が徐々に低下することを実験で確認している。
【００１４】
そしてこの対策として、クランク室１２とピストン７又はディスプレーサ６の背面空間とをオイルフィルタなどを介して連通させる構成が考えられる。
【００１５】
しかしながら、かかる構成では、クランク室１２から背面空間にガスが送り込まれる際に、クランク室１２内のガスに混ざっているオイル蒸気と水分蒸気のうち、オイル蒸気についてはオイルフィルタなどのフィルタ部材で除去できるが、水分蒸気については殆ど除去されずに背面空間に侵入し、装置効率の低下を招くという問題があった。
【００１６】
本発明は斯かる点に鑑みて為されたものであって、ロッドシール部として、駆動室から作動室へ向かう方向の流れに対してのシール性がその逆の流れに対するシール性より高いシール部材を備えたガス圧縮膨張機において、簡単な構成で作動室内の作動ガスが駆動室に漏出して低圧となるのを防ぐと共に水分蒸気等が混在した作動ガスが駆動室から作動室に戻るのを防止したガス圧縮膨張機を提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決する為の手段】
本発明は、ロッドの一端に接続されたピストン又はディスプレーサをシリンダ内で往復動可能に収容する作動室と、前記ロッドの他端が接続され、前記ピストンまたはディスプレーサを往復動させるピストン駆動機構を収容する駆動室と、前記ロッドが貫通し、前記駆動室から前記作動室へ向かう方向の流れに対してのシール性がその逆の流れに対するシール性より高いシール部材から成り、前記駆動室内の潤滑油が前記作動室に侵入するのを防ぐロッドシール部と、前記作動室及び駆動室を潤滑油除去部材を介して連通させる連通手段と、該連通手段の途中に、作動ガスを冷却する冷却手段と、を備えたことを特徴とするガス圧縮膨張機である。
【００１８】
この構成を用いることにより、潤滑油除去部材を通過した水分蒸気等の不純物質を冷却手段で霜として付着させて除去した後、作動ガスを作動室に供給するので、これら不純物質が作動室内に侵入して装置効率を低下させることがない。
【００１９】
そして、前記ピストン又はディスプレーサを膨張シリンダ内で往復動させ、該膨張シリンダ内に形成される前記作動室内部での作動ガスの膨張行程により冷熱を発生させるガス圧縮膨張機であって、前記冷却手段は、前記作動空間内部で発生した冷熱を利用して作動ガスを冷却する構成である。具体的には、前記冷却手段は、コールドトラップと、前記膨張シリンダの外部から該コールドトラップにまで延長させて該コールドトラップに接触させた熱伝導性部材とを含み、該熱伝導性部材の熱伝導を利用して前記コールドトラップを冷却している。
【００２０】
この構成を用いることによって、水分蒸気等の不純物質を除去するために前記冷却手段として、新たな低温発生機構を有する装置を必要とせず、簡単な構造で実現することができ、製造コストを低減することができる。
【００２１】
また、前記作動室の圧力が一定値以下の場合に作動ガスの移動を許容する開閉手段を前記連通手段の途中に設けた構成としても良い。この構成を用いることにより、作動室内の圧力が一定値以下の場合に、駆動室から作動室への作動ガス供給が許容されるので、作動室内の最低圧力が低下しすぎるの防止できる。
【００２２】
更に、前記ロッドシール部のシール部材は、リップ型のシール部材で構成しても良い。この構成を用いることにより、駆動室から作動室へ向かう方向の流れに対する高いシール性が実現できる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下に本発明に係る実施の形態を、図面を参照しながら説明する。尚、前述の従来例と同じ構成については同一符号を付しておりこれらの部分の詳細な説明は省略する。
【００２４】
図１は、本発明のガス圧縮膨張機を適用させた一実施の形態例であるスターリング冷凍機の構成を示す概略断面図である。このスターリング冷凍機では、冷熱を発生させる膨張機２１と、その膨張機２１において膨張させた作動ガスを受け取り圧縮して戻す圧縮機２２とが鉛直方向に並列させた状態に設けられている。また、ディスプレーサ６とピストン７とを駆動する駆動源としての駆動モータ２０が、クランク機構５を含むクランク室１２（駆動室）内に設けられている。
【００２５】
膨張シリンダ２及び圧縮シリンダ３とクランク室１２とを仕切るロッドシール部としてのシール部材８、９は、上述したようにクランク室１２から膨張シリンダ２及び圧縮シリンダ３内の作動空間（作動室）へ向かう方向の流れに対してのシール性がその逆の流れに対するシール性より高いリップ型のシール部材を用いているため、このシール部材のガス送り込み作用によって作動空間内の最低圧力が徐々に低下する虞れがある。
【００２６】
このため、オイルシール８によって仕切られた作動室２３とクランク室１２とをオイルフィルタ（潤滑油除去部材）２４を介して連通する連通管２５を有している。
【００２７】
そして、この連通管２５の途中には、クランク室１２から作動室２３へ供給される作動ガスを冷却する冷却手段２６が設けられており、この冷却手段２６によって、通過する作動ガス中の水分蒸気等を霜として付着させて、作動室内への水分侵入等を防止している。
【００２８】
冷却手段２６は、オイルフィルタ２４で除去されなかった作動ガス中に混在している水分蒸気、オイル蒸気、その他不純物質を表面に霜として付着させるコールドトラップ２７と、コールドヘッド１５で発生した極低温の冷熱の一部をコールドトラップ２７まで熱伝導するための銅からなる熱伝導性部材２８とから構成されている。コールドトラップ２７は断熱容器内に配設された低熱伝導率の材料（ガラス、ステンレス鋼など）で構成されており、オイルフィルタ２４を通過したクランク室１２からの作動ガスが、連通管２５によってコールドトラップ２７表面へ送り込まれ、作動ガス中の水分蒸気等を霜として付着させた後、水分蒸気等を除去した作動ガスが連通管２５によって作動室２３に供給されることになる。ここで、コールドトラップ２７として低熱伝導率の材料で構成しているのは、コールドトラップ２７の冷熱が連通管２５などを介して本体ハウジング１側へ伝熱するのを防止するためである。
【００２９】
また、オイルフィルタ２４とコールドトラップ２７との間の連通管２５の途中には、作動室２３内の最低圧力が予め決定された所定値以下の場合にのみ、クランク室１２から作動室２３への作動ガスの移動を許容する開閉手段としての逆止弁２９が設けられており、本実施形態例では正常運転時の作動室２３内の最低圧力から２気圧以上低下した場合にクランク室１２から作動室２３へ作動ガスガス供給される構成としている。但し、この実施形態例に限らず、正常運転時の作動室２３内の最低圧力から低下した場合にガス供給する構成としても構わない。
【００３０】
このように、作動室２３内の作動ガスがクランク室１２に漏出して作動空間内の最低圧力が低下しすぎるのを防止することができると共に、作動ガス中の水分蒸気等をコールドトラップ２７で除去しているので作動室２３に供給される作動ガス中に水分蒸気等が混在するのを防止することができる。
【００３１】
また、コールドトラップ２７で水分蒸気等を除去するための低温発生機構として新たな装置を必要とせず、コールドヘッド１５からの冷熱を利用することにより簡単な構造で実現でき、製造コストを低減することができる。
【００３２】
更に、オイルシール８のガス送り込み作用により、作動室２３→クランク室１２→オイルフィルタ２４→逆止弁２９→コールドトラップ２７→作動室２３へガス循環させることができ、クランク室１２からの潤滑油や水分などがピストンロッドの往復動によりオイルシール８を通過して送り込まれるのが抑制されると共に、万が一、作動室２３内に水分やオイル蒸気等が侵入したとしても、このガス送り込み作用によってクランク室１２に戻す役割をも果たしている。
【００３３】
上記実施の形態の説明は、本発明を説明するためのものであって、特許請求の範囲に記載の発明を限定し、或は範囲を減縮する様に解すべきではない。又、本発明の各部構成は上記実施の形態に限らず、特許請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能である。
【００３４】
例えば、上記実施形態の説明では、オイルシール８によって仕切られた作動室２３とクランク室１２との間に、オイルフィルタ２４を介して連通させる連通手段と、その途中に作動ガスを冷却する冷却手段を設ける構成について説明したが、これに限らず、オイルシール９によって仕切られたピストン７の背面空間とクランク室１２との間に、同様な連通手段及び冷却手段のみを設けた構成としても良く、膨張機２１及び圧縮機２２の両方ともに連通手段及び冷却手段を設けた構成としても良い。特に、膨張機２１及び圧縮機２２の両方に、上記連通手段及び冷却手段を設けることにより本発明の効果が一層期待できる。
【００３５】
【発明の効果】
以上述べたとおり本発明によれば、潤滑油除去部材を通過した水分蒸気等の不純物質を冷却手段で霜として付着させて除去することができ、不純物質を含まない作動ガスを駆動室から作動室に供給することができる。
【００３６】
従って、潤滑油の作動室内への侵入を防止するロッドシール部として、駆動室から作動室へ向かう方向の流れに対してのシール性がその逆の流れに対するシール性より高いシール部材を備えたガス圧縮膨張機において、作動室内の作動ガスが駆動室に漏出して低圧となるのを防止すると共に、作動室内への潤滑油や水分等の不純物の侵入を防止して、長期間に亘り装置の冷凍能力低下を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態におけるスターリング冷凍機の概略断面図である。
【図２】従来のスターリング冷凍機の概略断面図である。
【図３】スターリング冷凍サイクルの行程を説明する図である。
【符号の説明】
１    本体ハウジング
２    膨張シリンダ
３    圧縮シリンダ
５    クランク機構（駆動機構）
６    ディスプレーサ
７    ピストン
８，９    オイルシール
１２    クランク室（駆動室）
１４    蓄冷材
１５    コールドヘッド
２０    駆動モータ
２１    膨張機
２２    圧縮機
２３    作動室
２４    オイルフィルタ（潤滑油除去部材）
２５    連通管
２６    冷却手段
２７    コールドトラップ
２８    熱伝導性部材
２９    逆止弁（開閉手段）
【図１】
0003883716.tif 000002
【図２】
0003883716.tif 000003
【図３】
0003883716.tif 000004