JP2003056712A

JP2003056712A - フリーピストン・スターリング装置の低摩擦追従シール

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Publication number: JP2003056712A
Application number: JP2001245957A
Authority: JP
Inventors: M Berkowitz David; エムベルコウイッツデヴィッド
Original assignee: Global Cooling BV
Current assignee: Global Cooling BV
Priority date: 2001-08-14
Filing date: 2001-08-14
Publication date: 2003-02-26
Anticipated expiration: 2021-08-14
Also published as: JP4976625B2

Abstract

(57)【要約】【課題】フリーピストン１のロッド１１と駆動ピスト
ン２の貫通穴２２との同心度と平行度の要求を緩和し
て、製造コストの低減を図りつつこのロッドと貫通穴間
のガス洩れを効果的に防止する。【解決手段】駆動ピストン２の貫通穴２２に円周溝２
３を設け、この円周溝に薄板円板４１を積層した低摩擦
追従シール４を組み込むことにより、ロッド１１とこの
貫通穴との同心度と平行度が多少ずれても、この低摩擦
追従シールとこのロッドの外周面との密接性が確保でき
る。したがって、ロッド１１と貫通穴２２との同心度と
平行度に対する要求を緩和できるため、ガス洩れを効果
的に防止しつつ製造コストの大幅な低減が可能になる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、フリーピストンを
支持するロッドと、このロッドが貫通する駆動ピストン
の貫通穴との間隙からのガス洩を防止するために使用す
る、フリーピストン・スターリング装置の低摩擦追従シ
ールに関する。

【０００２】

【従来の技術】高効率な外燃機関あるいは冷凍機とし
て、いわゆるスターリング装置が提案されているが、小
型軽量化を図るために、フリーピストン・スターリング
装置（ディスプレサ型ともいう。）が採用されている。
図１に、このフリーピストン・スターリング装置を冷凍
機として構成した場合を示す。このフリーピストン・ス
ターリング装置は、シリンダ３の内周面３ａ，３ｂを相
互に対向して往復運動するフリーピストン１と駆動ピス
トン２とを備えている。

【０００３】フリーピストン１の一端には、同心状のロ
ッド１１が連設してあり、このロッドは、駆動ピストン
２の中心に形成した貫通穴２２を貫通して、その先端部
１１ａが第１の円形バネ５に支持されている。駆動ピス
トン２は、この駆動ピストンの一端２１を第２の円形バ
ネ６に支持されている。そしてフリーピストン１は、第
１の円形バネ５と、シリンダ３の内周面３ａとで半径方
向に位置決めされており、一方駆動ピストン２は、第２
の円形バネ６と、シリンダ３の内周面３ｂとで半径方向
に位置決めされている。

【０００４】ここで、このフリーピストン・スターリン
グ装置の作用を概説する。駆動ピストン２は、リニアモ
ータ１０１によって左右に往復運動し、この駆動ピスト
ンの右側空間において、ケース１０２内に密閉したヘリ
ウム等の高圧ガスを圧縮あるいは膨張させる。そして駆
動ピストン２と対向して往復運動するフリーピストン１
によって、この駆動ピストン２の右側空間にあるガス
を、放熱器１０３、蓄熱器１０４及び吸熱器１０５を通
過させて、フリ−ピストン１の右側空間に出し入れす
る。

【０００５】すなわち、駆動ピストン２が右方向に移動
すると、この駆動ピストンの右側空間内のガスが圧縮さ
れて高温高圧になる。フリーピストン１の左右空間は、
放熱器１０３、蓄熱器１０４及び吸熱器１０５の通路を
経由して連通しているため、この左右空間の圧力は同じ
となる。一方、フリーピストン１のロッド１１の端部１
１ａには、ケース１０２内のガスの密閉圧力が掛かって
おり、この圧力はフリーピストンの左右空間の圧縮圧力
より小さい。したがって、フリーピストン１の左端面に
掛かる圧力は、右端面に掛かる圧力より、ロッドの断面
面積分に相当する圧力差だけ少なくなり、フリーピスト
ン１は左方向に移動する。

【０００６】フリーピストン１が、左方向に移動する
と、このフリーピストン１の左空間内にある圧縮高温ガ
スは、放熱器１０３で外部に熱の一部を放熱し、蓄熱器
１０４で熱の一部を蓄熱し、次に吸熱器１０５を経由し
て右空間に移動する。次に、駆動ピストン２が左方向に
移動すると、この駆動ピストンの右空間内のガス、及び
この右空間と連通しているフリーピストン１の右空間内
のガスが膨張し低温低圧になる。そして、今度はフリー
ピストン１の左端面に掛かる圧力は、右端面に掛かる圧
力より、ロッドの断面面積分に相当する圧力差だけ大き
くなり、フリーピストン１は右方向に移動する。

【０００７】フリーピストン１が、右方向に移動する
と、このフリーピストン１の右空間内にある低温低圧ガ
スは、吸熱器１０５で外部から吸熱し、蓄熱器１０４に
蓄積された熱を回収し、次に放熱器１０３を経由してフ
リーピストン１の左空間に移動する。以上を繰り返すこ
とによって、このフリーピストン・スターリング冷凍機
は、放熱器１０３で外部に放熱しつつ、吸熱器１０５で
外部から外部の熱を吸熱する。また、圧縮行程で蓄熱器
１０４に蓄熱した熱を、膨張行程で回収することによっ
て、サイクル効率を大幅に向上させている。

【０００８】さて以上概説したフリーピストン・スター
リング装置においては、駆動ピストン２の右側空間で圧
縮あるいは膨張させたガスが、ロッド１１の外周面と、
このロッドと相対往復運動する駆動ピストン２の貫通穴
２２の内周面との半径方向の間隙から洩れないようにす
ることが必要になる。このため従来は、ロッド１１の外
周面と、駆動ピストン２の貫通穴２２の内周面との間
に、スリーブ等のシール部材を挿入してガス洩れを防止
していた。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしこのような従来
のガス洩れ手段では、次の問題があった。すなわちガス
洩れを効果的に防止するためには、半径方向の間隙が生
じないように、シールの内周面をロッド１１の外周面に
密着させる必要がある。一方、後述するように、フリー
ピストン１は、左右の極小さい圧力差によって往復運動
を行なわせる機構を採用しているため、シール内周面と
ロッド１１の外周面との摩擦力を、極小さくする必要も
ある。したがって、フリ−ピストン１、駆動ピストン
２、シリンダ３等を精密加工することにより、シール内
周面とロッド１１の外周面との同心度、平行度を高精度
に仕上げる必要があった。

【００１０】しかるに、このような精密加工や品質管理
は、コストが大幅に増加するだけでなく、ガス洩れを防
止しつつ摩擦力を減少させるという、相反する要求を満
足させることには自ずから限界があった。

【００１１】そこで本発明の目的は、ガス洩れを効果的
に防止しつつ、かつ摩擦力を減少させることができる、
フリーピストン・スターリング装置の低摩擦追従シール
を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決すべく、
請求項１に記載の発明は、フリーピストン・スターリン
グ装置に用いる低摩擦追従シールであって、このフリー
ピストン・スターリング装置は、シリンダの内周面を相
互に対向して往復運動するフリーピストンと駆動ピスト
ンとを備えている。フリーピストンは、ピストン部とこ
のピストン部の一端に同心状に連設したロッドとからな
る。駆動ピストンは、中心に貫通穴を有し、この貫通穴
は、所定の間隙だけロッド外径より大きな内径を有して
いると共に、その内周面に円周溝が形成してある。

【００１３】ロッドは、駆動ピストンの貫通穴を貫通し
て、その先端部を第１の円形バネに支持されている。フ
リーピストンは、第１の円形バネとシリンダの内周面と
で半径方向に位置決めされている。駆動ピストンは、こ
の駆動ピストンの一端を第２の円形バネに支持されてい
る。駆動ピストンは、第２の円形バネと上記シリンダの
上記内周面とで半径方向に位置決めされている。

【００１４】低摩擦追従シールは、駆動ピストンの円周
溝内で、スプリングによってこの円周溝の一側面に圧着
するように装着されている。この低摩擦追従シールは、
薄板円板を積層して構成され、この薄板円板の外径は、
駆動ピストンに形成した円周溝の内径より小さく形成し
てある。そして薄板円板の中心には、ロッドの外形より
僅かに小さい内径の円形穴が形成されていることを特徴
とする。

【００１５】このように発明を構成することにより、次
の作用効果が得られる。すなわち、低摩擦追従シールを
構成している、積層した薄板円板の中心円形穴の内径
は、ロッドの外径より僅かに小さくしてあり、また、こ
の薄板円板の外径は、駆動ピストンの貫通穴に形成した
円周溝の内径より小さくしてある。したがって、薄板円
板は、ロッドの外周面と間隙が生じないように密接しつ
つ、円周溝との半径方向の相対移動が可能となる。この
ため、駆動ピストンの貫通穴とロッドとの同心度が多少
ずれても、ガス洩れに対するシール性は確保できる。

【００１６】また、低摩擦追従シールは、薄板円板を積
層して構成し、スプリングで円周溝の一側面に圧着する
ものである。したがってロッドが多少傾いても、この積
層した薄板円板が半径方向に相互にずれて移動すること
ができるため、薄板円板の中心円形穴の内周面と、ロッ
ドの外周面との密接性、並びに薄板円板相互間及び薄板
円板と円周溝の一側面との密着性が確保できる。このた
め、駆動ピストンの貫通穴とロッドとの平行度が多少ず
れても、ガス洩れに対するシール性は確保できる。

【００１７】したがって、駆動ピストンの貫通穴とロッ
ドとの同心度、平行度が緩和され、駆動ピストン、フリ
ーピストン、シリンダ及び円形バネの製作、組み立て精
度の要求を緩和でき、これによりコストの大幅な低減が
可能となる。また、薄板円板の中心円形穴の内径と、ロ
ッドの外径との差を小さく設定しても、上述した作用効
果によって密接性が確保できるので、薄板円板の中心円
形穴の内周面とロッドの外周面との摩擦を小さく抑えつ
つ、ガス洩れを効果的に防止できる。

【００１８】請求項２に記載のフリーピストン・スター
リング装置用の低摩擦追従シールは、請求項１に記載の
薄板円板が、円周上の一箇所で分離してあることを特徴
とする。

【００１９】発明をこのように構成することにより、次
の作用効果が得られる。すなわち、薄板円板の中心の円
形穴の内径をロッドの外径より、僅かに小さく設定する
と、この薄板円板は、円周方向の弾性力によって、ロッ
ドの外周面に圧接されることになる。したがって、薄板
円板の中心の円形穴の内周面が多少磨耗しても、この弾
性力によってロッドの外周面との密接性を継続して確保
することができる。また、分離したスロット部分からの
ガス洩れは、積層した薄板円板の円周方向位置が相互に
ズレることにより、防止することができる。

【００２０】

【発明の実施の形態】図１に、このフリーピストン・ス
ターリング装置を冷凍機として構成した場合を示す。こ
のフリーピストン・スターリング装置は、シリンダ３の
内周面３ａ，３ｂを相互に対向して往復運動するフリー
ピストン１と駆動ピストン２とを備えている。フリーピ
ストン１は、アルミ製のピストン部１２とこのピストン
部の一端に同心状に連設したロッド１１とからなり、表
面を陽極酸化処理してある。なお、ピストン部１２の外
周面には、シール１３が組み付けてあり、この外周面と
シリンダ３の内周面３ａとの間隙からのガス洩れを防止
している。

【００２１】駆動ピストン２は、表面を陽極酸化処理し
たアルミ材からなり、中心に貫通穴２２を有し、この貫
通穴は、所定の間隙だけロッド１１の外径より大きな内
径を有していると共に、その内周面に矩形断面形状の円
周溝２３が形成してある。円周溝２３には、後述する低
摩擦追従シール４が組み付けてある。なお、駆動ピスト
ン２の外周面には、シール２５，２５が組み付けてあ
り、この外周面とシリンダ３の内周面３ｂとの間隙から
のガス洩れを防止している。

【００２２】ロッド１１は、駆動ピストン２の貫通穴２
２を貫通し、その先端部１１ａを第１の円形バネ５に支
持されている。そしてフリーピストン１は、第１の円形
バネ５と、シリンダ３の内周面３ａとで半径方向に位置
決めされている。一方駆動ピストン２は、この駆動ピス
トンの１端２１を第２の円形バネ６に支持されており、
この駆動ピストンは、この第２の円形バネとシリンダ３
の内周面３ｂとで半径方向に位置決めされている。

【００２３】次に図２〜図３を参照しつつ、上述した低
摩擦追従シール４の組み付けと、構成とを説明する。低
摩擦追従シール４は、駆動ピストン２の円周溝２３内
で、スプリング４２によってこの円周溝の１側面２３ｂ
に圧着するように装着されている。なお、円周溝２３内
に低摩擦追従シール４やスプリング４２を装着できるよ
うにするために、この円周溝は、駆動ピストン２に部材
２４をネジ部２４ａで螺設して形成するように構成して
ある。

【００２４】低摩擦追従シール４は、板厚０．５〜１．
０ｍｍのテフロン（登録商標）製の薄板円板４１を積層
して構成されている。薄板円板４１の外径４１ａは、駆
動ピストン２に形成した円周溝２３の内径２３ａより小
さく形成してある。そして薄板円板４１の中心には、ロ
ッド１１の外径より僅かに小さい内径の円形穴４１ｂが
形成してあり、この円形穴の内周面の断面形状は、鋭角
に形成してある。なお、円周溝２３の一側面２３ｂに
は、Ｏリング４３を組み付けて、薄板円板４１との接触
面のシール性を高めている。

【００２５】図４に、請求項２に記載の薄板円板１４１
を示す。薄板円板１４１は、上述した薄板円板４１を、
円周上一個所１４１ｃで分離したものである。

【００２６】なお、薄板円板４１，１４１は、テフロン
（登録商標）材に限らず、ホモポリマー・アセタール樹
脂等のプラスチック材を用いることもできる。また、円
周溝２３は一箇所に限らず、複数箇所設けて、それぞれ
に本発明による低摩擦追従シールを組み込む構造とする
こともできる。さらに、薄板円板４１，１４１に金属等
の耐熱材を使用することにより、フリーピストン・スタ
ーリング装置を外燃式原動機として構成する場合にも、
本発明による低摩擦追従シールが適用可能となる。

【００２７】

【発明の効果】薄板円板は、ロッドの外周面と間隙が生
じないように密接しつつ、駆動ピストンの貫通穴に形成
した円周溝内で、半径方向に相対移動が可能となる。こ
のため、駆動ピストンの貫通穴とロッドとの同心度が多
少ずれても、ガス洩れに対するシール性が確保できる。

【００２８】また、ロッドが多少傾いても、積層した薄
板円板が半径方向に相互にずれて移動することができる
ため、薄板円板とロッドの外周面との密接性、並びに薄
板円板相互間及び薄板円板と円周溝の一側面との密着性
が確保できる。このため、駆動ピストンの貫通穴とロッ
ドとの平行度が多少ずれても、ガス洩れに対するシール
性が確保できる。

【００２９】したがって、駆動ピストンの貫通穴とロッ
ドとの同心度、平行度が緩和され、駆動ピストン、フリ
ーピストン、シリンダ及び円形バネの製作、組み立て精
度の要求を緩和でき、これによりコストの大幅な低減が
可能となる。また、薄板円板の中心円形穴の内径と、ロ
ッドの外径との差を小さく設定しても、上述した作用効
果によって密接性が確保できるので、薄板円板の中心円
形穴の内周面とロッドの外周面との摩擦を小さく抑えつ
つ、ガス洩れを効果的に防止できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】フリーピストン・スターリング装置の断面図で
ある。

【図２】低摩擦追従シールの組み付けた場合の拡大断面
図である。

【図３】薄板円板の断面図及び平面図である。

【図４】他の薄板円板の断面図及び平面図である。

【符号の説明】

１フリーピストン１１ロッド１１ａ先端部１２ピストン部２駆動ピストン２１一端２２貫通穴２３円周溝３シリンダ３ａ，３ｂ内周面４低摩擦追従シール４１，１４１薄板円板４１ｂ，１４１ｂ円形穴４２スプリング１４１ｃ分離部分

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】フリーピストン・スターリング装置に用い
る低摩擦追従シール(4)であって、上記フリーピストン・スターリング装置は、シリンダ
(3)の内周面(3a),(3b)を相互に対向して往復運動するフ
リーピストン(1)と駆動ピストン(2)とを備え、上記フリーピストン(1)は、ピストン部(12)とこのピス
トン部の一端に同心状に連設したロッド(11)とからな
り、上記駆動ピストン(2)は、中心に貫通穴(22)を有し、上記貫通穴(22)は、所定の間隙だけ上記ロッド(11)の外
径より大きな内径を有していると共にその内周面に円周
溝(23)を形成してあり、上記ロッド(11)は、上記駆動ピストン(2)の上記貫通穴
(22)を貫通してその先端部(11a)を第１の円形バネ(5)に
支持され、上記フリーピストン(1)は、上記第１の円形バネ(5)と上
記シリンダ(3)の上記内周面(3a)とで半径方向に位置決
めされ、上記駆動ピストン(2)は、この駆動ピストンの一端(21)
を第２の円形バネ(6)に支持され、上記駆動ピストン(2)は、上記第２の円形バネ(6)と上記
シリンダ(3)の上記内周面(3b)とで半径方向に位置決め
されているものであって、上記低摩擦追従シール(4)は、上記駆動ピストン(2)の上
記円周溝(23)内でスプリング(42)によってこの円周溝の
一側面(23b)に圧着するように装着され、上記低摩擦追従シール(4)は、薄板円板(41)を積層して
構成され、上記薄板円板(41)の外径(41a)は、上記駆動ピストン(2)
に形成した上記円周溝(23)の内径(23a)より小さく形成
され、上記薄板円板(41)の中心には、上記ロッド(11)の外形よ
り僅かに小さい内径の円形穴(41b)が形成されているこ
とを特徴とするフリーピストン・スターリング装置の低
摩擦追従シール。
【請求項２】請求項１において、前記薄板円板が円周上
の一個所で分離してあることを特徴とするフリーピスト
ン・スターリング装置の低摩擦追従シール。