JP2006509944A - ピストンコンプレッサ - Google Patents

Abstract

ピストンコンプレッサは、シリンダ（１４）内を往復運動するピストン（１２）を有している。圧縮ガス供給装置が設けられており、圧縮ガス供給装置は、圧縮ガス蓄え器（３４）と、圧縮ガス源（２０）と圧縮ガス蓄え器（３４）との間に設けられた圧縮ガス供給管路（１８）とを有している。さらに、圧縮ガス供給管路（１８）の経路中にインレット弁（４２）が設けられており、インレット弁（４２）はピストン（１２）の充填位置で開放されている。インレット弁（４２）はシリンダ壁開口（２２）とピストン壁開口（３８）とにより形成される。シリンダ壁開口（２２）とピストン壁開口（３８）とは、ピストン（１２）の充填位置で互いに対向して位置していて、開放された弁を形成し、かつピストン（１２）の非充填位置でピストン壁（４０）もしくはシリンダ壁（２４）により閉鎖されていて、閉鎖された弁を形成する。これにより、可動な部分を有しておらず、それゆえ、簡単に製作可能であり、かつ高い信頼性と長い寿命とを有している弁が提供される。

Description

本発明は、ガス支承されたピストンを備えたピストンコンプレッサに関する。

ガス支承装置（ガス軸受）を有するピストンコンプレッサはとりわけ、スターリング冷凍機、ピストン式真空ポンプおよびその他のガスコンプレッサで使用される。シリンダ内でのピストンのガス支承は、シリンダ内でのピストンの、潤滑剤を必要としない、抵抗の少ない支承を可能にする。この種のピストンコンプレッサは国際公開第９６／１５３６９号パンフレットから公知である。ガス支承のために、このピストンコンプレッサはガス支承装置を有している。ガス支承装置は圧縮ガス蓄え器を有している。圧縮ガス蓄え器はガス支承ノズルに接続されており、ガス支承ノズルに、過圧下にある圧縮ガスを供給する。圧縮ガス蓄え器には、ピストンによりシリンダ圧力室内でピストンの充填位置で圧縮され、高いガス圧を有するガスが供給される。ピストンがその充填位置に存在せず、シリンダ室内に低い圧力が支配している際に、高圧下にあるガスが圧縮ガス蓄え器からシリンダ室内に逆流しないようにするために、例えばフラッター弁の形の、機械的な逆止弁が、シリンダ圧力室と圧縮ガス蓄え器との間の圧縮ガス供給管路の経路中に設けられている。機械的な逆止弁は機械的な慣性の影響下にあり、引っ掛かったり、非密性を有したりする可能性があり、かつ磨耗を免れない。

それゆえ本発明の課題は、改善されたインレット弁を備えた、ガス支承されたピストンコンプレッサを提供することである。

上記課題は、特許請求項１の特徴部に記載された特徴を備えた装置により解決される。

本発明によるピストンコンプレッサは、シリンダ壁開口とピストン壁開口とにより形成されるインレット弁を圧縮ガス供給管路の経路中に有している。シリンダ壁開口とピストン壁開口とはピストンの充填位置で互いに対向して位置し、開放された弁を形成する。ピストンの非充填位置で、シリンダ壁開口とピストン壁開口とは、それぞれ対向して位置するピストン壁もしくはシリンダ壁により閉鎖され、閉鎖された弁を形成する。シリンダ壁開口とピストン壁開口とは、弁が圧縮ガス供給管路内の高いガス圧時に開弁し、低いガス圧時に閉弁するように互いに配置されている。開弁および閉弁は、圧縮ガス供給管路内にかかっているガス圧に直接依存しているわけではなく、ピストンの位置に依存している。逆止弁は不要である。その結果、インレット弁のために、可動な機械的な部分が不要である。シリンダ壁開口とピストン壁開口とにより形成されるインレット弁は遅延なしに作動し、高い信頼性を有しており、かつ相対的に僅かな手間で製作可能である。

有利には、シリンダ壁開口および／またはピストン壁開口が環状溝として形成されている。これにより、ピストンの充填位置でシリンダ壁開口とピストン壁開口とはピストンのあらゆる回転角度で対向して位置する。その結果、ピストンはその回転位置に関してシリンダ内を案内される必要がない。

別の有利な構成では、圧縮ガス供給管路がシリンダハウジング内で、シリンダ圧力室とインレット弁との間に配置されている。この配置は特に、圧縮ガス蓄え器がピストン内に配置され、唯一のインレット弁が設けられている場合に有意義である。圧縮ガスはシリンダ圧力室から、シリンダハウジング内に設けられた圧縮ガス供給管路を介してインレット弁に導かれる。ピストン壁開口がシリンダ壁開口に対向して位置するとすぐに、圧縮ガスは、ピストン内に設けられた圧縮ガス蓄え器内に流入する。ピストンが充填位置を再度離れるとすぐに、シリンダ壁開口とピストン壁開口とにより形成されるインレット弁は再度閉鎖され、圧縮ガス蓄え器内の圧縮ガスはインレット弁を通してもはや抜けることができない。このようにして、シリンダ内のピストンの、簡単な圧縮ガス供給が実現されている。

別の有利な構成では、圧縮ガス蓄え器およびガス支承ノズルがピストン内に配置されている。ガス支承ノズルは、ピストン内に設けられた供給管路を介して、直接圧縮ガス蓄え器に接続されている。ただし原理的には、圧縮ガス蓄え器がハウジング内に配置されていることもできる。

有利には、圧縮ガス供給管路がピストン内で、シリンダ圧力室に面したピストン底面と、側方のピストン壁との間に配置されている。この配置は、圧縮ガス蓄え器がハウジングに設けられているか、または複数のインレット弁が直列に相前後して位置している場合に有意義である。

別の有利な構成では、圧縮ガス供給管路の経路中に、第２のシリンダ壁開口と第２のピストン壁開口とにより形成されている第２のインレット弁が設けられており、第２のインレット弁がピストンの充填位置で開弁する。圧縮ガスはピストンの充填位置で、開放された両インレット弁を通して圧縮ガス蓄え器内に流入する。

ピストンの非充填位置での、ピストンとシリンダとの間のギャップにおけるシール長さは、開口直径の分だけ減じられたピストンストロークと大体同じ大きさである。複数のインレット弁を設けることにより、有効なシール長さを相応に拡大することができる。このことは特に、ピストン壁開口がピストンの非充填位置でシリンダ壁開口からそれほど離れていない短いピストンストローク時に必要である。第２のインレット弁を設けたことにより、ピストンの非充填位置で、遮断作用がかなり改善される。すなわち、いわゆる「ガス漏れ」が減じられる。インレット弁は有利にはその都度、シリンダの、異なる角度位置および長さ位置に存在する。３つ、４つまたはそれよりも多くのインレット弁が直列に相前後してガス供給管路の経路中に配置されていることもできる。

別の有利な構成では、シリンダ内でのピストンの回動を阻止する回動防止手段が設けられている。このことは特に、複数のインレット弁が設けられおり、この複数のインレット弁が互いに、所定の固定的な回転角度で配置されている場合に必要である。

有利には、各ガス支承ノズルが、ノズル孔内に装入されたワイヤにより形成されている。ワイヤと円筒状の孔壁との間に形成されているリングギャップを通して、ガスがガス支承ノズルから相応に絞られて流出する。択一的には、各ガス支承ノズルが、焼結材料、例えば特殊鋼から成るガス透過性の栓体により形成されていることができる。

複数のガス支承ノズルがその都度、両ピストン端部領域のレベルにあるピストン・横方向平面内に位置する。これにより、シリンダ内でのピストンの、安定したガス支承が達成される。ガス支承ノズルはピストン内に設けられていることができる。ただし、ガス支承ノズルはシリンダハウジング内に配置されていてもよい。ガス支承ノズルは一部がピストン内に、一部がシリンダハウジング内に配置されていてもよい。ピストン内にガス支承ノズルを配置する利点は、ガス支承ノズルがピストンの運動と連動し、それゆえ、半径方向の安定化力が常に同様にピストンに作用する点にある。シリンダハウジング内にガス支承ノズルを配置する利点は、圧縮ガス供給装置の大部分が、定置のシリンダハウジング内に配置されていることができる点にある。

別の有利な構成では、ピストンコンプレッサが、ニューマチック式のピストン終端位置・調整装置を有している。その際、一定圧縮ガス源が、ピストン圧縮ストロークに比して一定のガス圧を生ぜしめ、直接シリンダ壁開口に接続されている。さらに、調整圧蓄え器がピストン内に配置されており、直接調整圧蓄え器・ピストン壁開口に接続されている。調整圧蓄え器はピストンの充填位置で、一定圧縮ガス源の、一定のコンスタントなガス圧で負荷される。管路が一定圧縮ガス源と第２のシリンダ壁開口との間に設けられており、第２のシリンダ壁開口が調整圧蓄え器・ピストン壁開口と相俟って充填弁を形成し、ピストンの終端位置で調整圧蓄え器・ピストン壁開口に対向して位置する。その結果、調整圧蓄え器のガス圧は一定圧縮ガス源のガス圧に均衡する。ピストン終端位置・調整装置は、ピストン・ガス支承装置に対して付加的に設けられている。その都度１つの圧縮ガス蓄え器がピストン支承装置およびピストン終端位置・調整装置のために設けられており、両装置は互いに別々にかつ無関係に作動する。

ピストン終端位置・調整装置により、ガス量がシリンダ圧力室内に、ピストンの、充填位置もしくは終端位置ではない所定の位置で、調整圧蓄え器から受け渡される。このようにして、当該のシリンダ圧力室内のガス量は相対的に一定に維持される。シリンダ圧力室内のガスを引き続いて圧縮する際に、シリンダ圧力室内のガス圧により規定されるピストン終端位置は常に同じ場所にある。このようにして、自由振動するピストン、すなわちクランク軸またはこれに類するものに機械的に連結されていないピストンのピストン終端位置の調整が実現される。このニューマチック式のピストン終端位置・調整装置は必ずしも、出願されたピストンコンプレッサの部分である必要はなく、あらゆる種類のピストン・シリンダ・配置のための独立的な終端位置・調整装置としても役立つことができる。

別の有利な構成では、ピストンコンプレッサが、コールドフィンガを備えたスターリング冷凍機の部分である。コールドフィンガはコールドフィンガ・シリンダハウジング内のディスプレーサ・ピストンにより形成される。コールドフィンガは、独自の圧縮ガス蓄え器と、該圧縮ガス蓄え器に接続されたガス支承ノズルとを、ディスプレーサ・ピストンを支承するために有しているか、または択一的に、ピストンの外に設けられた１つの共通の圧縮ガス蓄え器が使用される。コールドフィンガ・圧縮ガス蓄え器はピストンコンプレッサ・圧縮ガス蓄え器にコールドフィンガ・ガス供給管路を通して接続されている。コールドフィンガ・ガス供給管路の経路中に、コールドフィンガ・弁が配置されており、コールドフィンガ・弁がピストンコンプレッサのピストン壁開口とシリンダ壁開口とにより形成され、ピストンコンプレッサ・ピストンの充填位置で開放されている。コールドフィンガ・ガス支承装置の供給のために、圧縮ガスがピストンコンプレッサ・圧縮ガス蓄え器から、このために設けられたコールドフィンガ・圧縮ガス蓄え器に導かれる。このことは有意義には、ピストンコンプレッサのピストンがその充填位置に存在している瞬間に実施される。それというのも、この時点で最高のガス圧が圧縮ガス蓄え器の供給のために提示されるからである。それゆえ、ピストンコンプレッサ・ピストンの充填位置で、両圧縮ガス蓄え器間に設けられたコールドフィンガ・弁も開放される。その結果、圧縮ガスがピストンコンプレッサのシリンダ圧力室からピストンコンプレッサ・圧縮ガス蓄え器内にもコールドフィンガ・圧縮ガス蓄え器内にも流入する。このようにして、フラッター弁またはその他の機械的な弁を、コールドフィンガ・圧縮ガス蓄え器内の圧縮ガスを遮断するために使用することが回避される。

以下に図面を参照しながら本発明の複数の実施例について詳説する。
図１：ピストンが充填位置にあるピストンコンプレッサの第１の実施形態を示す図である。
図２：ピストンが非充填位置にある、図１のピストンコンプレッサを示す図である。
図３：ピストンが充填位置にあるピストンコンプレッサの第２の実施形態を示す図である。
図４：ピストンが非充填位置にある、図３のピストンコンプレッサを示す図である。
図５：ピストンが充填位置にあるピストンコンプレッサの第３の実施形態を示す図である。
図６：ピストンが非充填位置にある、図５のピストンコンプレッサを示す図である。
図７：ピストンが充填位置にある、ピストン終端位置・調整装置を備えたピストンコンプレッサの第４の実施形態を示す図である。
図８：ピストンが非充填位置にある、図７のピストンコンプレッサを示す図である。
図９：ピストンコンプレッサ・ピストンが充填位置にある、コールドフィンガを備えたスターリング冷凍機の部分としてのピストンコンプレッサの第５の実施例を示す図である。

図１〜図８には、ピストンコンプレッサの複数の実施例が示されている。ピストンコンプレッサは例えばスターリング冷凍機（クライオクーラ）の構成部分として使用される。このピストンコンプレッサを備えたスターリング冷凍機は図９に示されている。

ピストンコンプレッサ１０の第１の実施形態が図１および図２に示されている。ピストンコンプレッサ１０は主にピストン１２から形成される。ピストン１２はシリンダ１４内で２つの終端位置の間を往復運動する。２つの終端位置はそれぞれ図１および図２に示されている。

シリンダ１４のハウジング１６内には、圧縮ガス供給管路１８が設けられている。圧縮ガス供給管路１８は、シリンダ端部に設けられたシリンダ圧力室２０を、側方のシリンダ壁２４に設けられたシリンダ壁開口２２に接続する。

ピストン１２は４つのガス支承ノズル（Ｇａｓｌａｇｅｒｄｕｅｓｅ）２８を２つの平面内に有している。ガス支承ノズル２８は横方向通路３０と縦方向通路３２とにより互いに接続されている。少なくとも３つのガス支承ノズルが各平面に設けられている。横方向通路３０および縦方向通路３２は相俟って１つの圧縮ガス蓄え器３４を形成する。圧縮ガス蓄え器３４は十分な体積の圧縮ガスを、ガス支承ノズル２８に圧縮ガスを一周期中供給し続けるために有している。さらに、通路３０，３２により形成される圧縮ガス蓄え器３４は接続通路３６を有している。接続通路３６は、側方のピストン壁４０に設けられたピストン壁開口３８に開口する。ピストン壁開口３８には、周方向で延在する環状溝３９が対応配置されている。環状溝３９は側方のシリンダ壁２４の全周にわたって延在する。

シリンダ壁開口２２およびピストン壁開口３８は相俟って１つのインレット弁４２を形成する。インレット弁４２を通して、ピストン１２の、図１に示した充填位置もしくは終端位置で、圧縮ガスがシリンダ圧力室２０から圧縮ガス蓄え器３４内に流入する。図２に示した非充填位置で、インレット弁４２は遮断されている。ピストン１２の非充填位置で、圧縮ガスが圧縮ガス蓄え器３４から、充填位置と同様に、ガス支承ノズル２８を介して徐々に再放出される。

ガス支承ノズル２８は軸方向孔内に、その都度１つの装入されたワイヤを有している。ワイヤは軸方向孔内にリングギャップを形成する。このようにして、ガス支承ノズルでの圧力降下が実現され、この圧力降下は、圧縮ガス蓄え器３４内に圧力下で押し込められたガスの、過度に急速な抜けを阻止する。択一的には、この孔内に、焼結材料、例えば特殊鋼から成る栓体が装入されていてもよい。

ガスは周期全体にわたって徐々に抜ける。圧縮ガス蓄え器３４内のガス圧は徐々に降下し、実質的にピストン１２の運動周期全体にわたって、ピストン１２をシリンダ中央に保持するのに十分なガス圧が存在するようになっている。

ガス支承ノズル２８はピストン長さおよびピストン周囲にわたって分配配置されており、絞りとして機能する。ガス支承ノズル２８には、圧縮ガス蓄え器３４から連続的に圧縮ガスが供給される。ガス支承ノズル２８から流出する圧縮ガスはピストン１２とシリンダハウジング１６との間にギャップを形成する。このギャップにより、ピストン１２はシリンダ中央に保持され、無接触にシリンダハウジング１６内を往復走行する。

ガス支承ノズル２８の絞り抵抗は、ピストン１２が大体シリンダ１４の半径方向中央に存在している際の、ピストン１２とシリンダ１４との間のガス流の絞り抵抗と大体同じオーダにある。これにより、ピストン１２とシリンダ１４との間のギャップ内の、ガス支承ノズル２８近傍の圧力は、ガス支承ノズル手前の圧力、すなわち圧縮ガス蓄え器３４内の圧力のほぼ半分の大きさにある。ピストン１２のすべての側面で、大体同じ圧力が支配する。力がピストン１２に作用するとすぐに、ピストン１２はこの力に屈して半径方向でシリンダ壁２４に向かって摺動する。これにより、この領域で、ピストン壁４０とシリンダ壁２４との間のギャップが減少する。これにより、ピストン壁４０とシリンダ壁２４との間のギャップの絞り作用がこの領域で高められる。これにより、ピストン１２は、半径方向外側に向かって作用する外乱力に抗して、再度半径方向内側に向かってシリンダ中央の方向に押圧される。

ガス支承装置の運転のために、圧縮ガス蓄え器３４内には、周囲圧を上回るガス圧が必要である。必要なガス圧は一周期中常に、ピストン１２の、図１に示した充填位置でシリンダ圧力室２０から取り出される。シリンダ圧力室２０はこの時点で常に高いガス圧を有している。この位置で、シリンダ壁開口２２とピストン壁開口３８とにより形成されるインレット弁４２は開放されている。その結果、高圧下にあるガスがシリンダ圧力室２０から圧縮ガス蓄え器３４内に流入することができる。ピストン１２がその充填位置を離れるとすぐに、シリンダ壁開口２２はピストン壁４０に対向して位置し、かつピストン壁開口３８はシリンダ壁２４に対向して位置する。その結果、インレット弁４２は閉鎖されている。

環状溝３９をピストン壁開口３８に対応配置したことにより、ピストン１２およびシリンダ１４が横断面で見て円形である場合に、インレット弁４２がピストン１２の充填位置において、ピストン１２のあらゆる回転位置で実際に開弁していることが保証されている。

シリンダ１４は、シリンダ圧力室２０に対向して位置する端部で、一定のガス圧、例えば大気圧で負荷されている。ピストンは図示されていない駆動部、例えば定置の電磁石によりピストンばねとの関連で駆動されるか、またはピストンを連行して軸方向で運動する磁石により駆動される。

駆動部の形成は、図５および図６に示した実施例で詳細に説明されている。

図３および図４に示した第２の実施例では、図１および図２の実施例の符号に、それが同じ部分を指している限り、１００を加算した符号が使用されている。このことは相応にその他の実施例にも該当し、２００、３００、４００が加算された符号が使用されている。

ピストンコンプレッサ１１０の、図３および図４に示した第２の実施例では、第１の実施例に対して、複数のインレット弁１４２，１４４，１４６，１４８が圧縮ガス供給管路１１８，１６０，１６２，１６４の経路中に直列に相前後して配置されている。

このピストンコンプレッサ１１０では、圧縮ガス供給管路の区分１６４がピストン１１２内で、ピストン底面１７２に設けられた開口１７０と、第２のピストン壁開口１７４との間に配置されている。第２のピストン壁開口１７４は第２のシリンダ壁開口１７６と相俟ってインレット弁１４８を形成する。その他のインレット弁１４２，１４４，１４６も、その都度１つのピストン壁開口と、ピストンの充填位置で対向して位置する１つのシリンダ壁開口とにより形成される。

４つのすべてのインレット弁１４２〜１４８は、ピストン１１２の、図３に示した充填位置で開弁する。４つのすべてのインレット弁１４２〜１４８は、ピストン１１２の、図４に示した非充填位置で閉鎖されている。それというのも、インレット弁１４２〜１４８の、その都度互いに対向して位置するシリンダ壁開口およびピストン壁開口が、互いに対向して位置しているのではなく、その都度対向して位置するピストン壁もしくはシリンダ壁により遮断されているからである。複数のインレット弁１４２〜１４８を設けたことにより、いわゆる「シール長さ（Ｄｉｃｈｔｌａｅｎｇｅ）」、すなわち同じインレット弁のピストン壁開口とシリンダ壁開口との間のピストン・シリンダ・ギャップの長さが拡大される。インレット弁１４２〜１４８が４つである場合、このようにしてシール長さは４倍にされる。その結果、ガス漏れ流はこのようにしてかなり減じられる。このことは特に、短いピストンストロークを有しているにすぎないピストンコンプレッサにおいて必要である。それというのも、短いピストンストロークがやはり、インレット弁の両壁開口間の短いシール長さを結果的に伴うからである。圧縮ガス供給管路の別の区分１６０はピストン１１２内を第３のインレット弁１４４と第４のインレット弁１４６との間で延在する。

シリンダ１１４には回動防止手段が設けられている。回動防止手段はシリンダ１１４内でのピストン１１２の回動もしくはずれを防止する。回動防止手段は例えば、モータの、ピストン１１２に固定された磁性部分を非円形に形成することとして形成されていることができる。磁性部分は、対応する磁極片に対向して位置する。

ピストンコンプレッサ１１０の、図５および図６に示した第３の実施例では、ピストン２１２もシリンダ２１４もガス支承ノズル２２８，２２９を有している。シリンダ側のガス支承ノズル２２９の供給のために、第２のインレット弁２５０が設けられている。第２のインレット弁２５０は第１のインレット弁２４２に、ピストン側の圧縮ガス蓄え器２３４を通して接続されている。第２のインレット弁２５０を介して、シリンダ側の圧縮ガス蓄え器２５２に、ピストン２１２の、図５に示した充填位置で、圧縮ガスが供給される。

ピストン２１２はモータ２６０により駆動される。モータ２６０は主に電磁石２６２を有している。電磁石２６２はピストンの永久磁性部分と協働する。ピストン２１２は電磁石２６２の領域に、減じられた外周を有していることができる。これにより、シリンダ１１４にモータ２６０の軸方向長さを含めることもできる。これにより、製作コストは引き下げられ、支承品質は引き上げられる。

図７および図８には、ピストンコンプレッサの第４の実施例が示されている。シリンダ内でのピストンの支承は図面から省略されている。ピストンコンプレッサ３１０はピストン３１２を有している。ピストン３１２はガス支承された状態でシリンダ３１４内を往復運動する。ピストン３１２は、図１〜図６に示した実施例で説明したように、圧縮ガスにより支承されている。ただし、以下に説明するピストン終端位置・調整装置は、別のピストン・シリンダ・配置と共に運転されることもできる。

図７および図８に示したピストン終端位置・調整装置は、ピストン３１２の終端位置を、図７に示した充填位置において制御するために役立つ。充填位置は常に正確に遵守されなければならない。それというのも、充填位置が常に正確に遵守されることによってのみ、インレット弁のピストン壁開口とシリンダ壁開口とが正確に互いに整合し、かつピストン壁開口とシリンダ壁開口とにより形成されるインレット弁が、十分な大きさの開放横断面積と十分な大きさの開放持続時間とを有していることが保証されるからである。これによって、ピストンコンプレッサ・圧縮ガス蓄え器が再度完全に充填されることができる。

ピストンコンプレッサ３１０は一定圧縮ガス源３５０を有している。一定圧縮ガス源３５０内には、常に一定のガス圧が支配する。一定圧縮ガス源３５０は管路３５２を介してシリンダ壁開口３５４に接続されている。シリンダ壁開口３５４は、ピストン３１２の、図７に示した終端位置もしくは充填位置で、ピストン壁開口３５６に整合し、ピストン壁開口３５６と相俟って、開放された充填弁３５８を形成する。

ピストン３１２内には、調整圧蓄え器３６０が設けられている。調整圧蓄え器３６０はピストン３１２の充填位置で圧縮ガス源３５０のガス圧により負荷される。

さらに、シリンダハウジング３６２内には管路３６４が設けられている。管路３６４はシリンダ圧力室３６６を第２のシリンダ壁開口３６８に接続する。第２のシリンダ壁開口３６８はピストン壁開口３５６と相俟って放出弁３７０を形成する。放出弁３７０は、ピストン３１２の、図８に示した非充填位置で開放されている。その結果、調整圧蓄え器３６０およびシリンダ室３６６のガス圧は互いに均衡する。

ピストン３１２の、図７に示した終端位置もしくは充填位置で、ピストン３１２はシリンダ室３６６の方向の終端位置に存在する。この時点で、シリンダ室３６６内のガス圧は調整圧蓄え器３６０または一定圧縮ガス源３５０内のガス圧よりも高い。ピストン３１２のこの位置で、調整弁とも呼ばれる充填弁３５８は開放されている。その結果、調整圧蓄え器３６０内のガス圧は一定圧縮ガス源３５０のガス圧に均衡する。このガス圧は、ピストン３１２の、図８に示した非終端位置での、シリンダ圧力室３６６内のガス圧よりも高い。ピストン３１２の、図８に示した非終端位置では、充填弁３５８が閉鎖されており、放出弁３７０が開放されている。これにより、シリンダ圧力室３６６内の圧力は調整圧蓄え器３６０内の圧力に均衡される。その結果、シリンダ圧力室３６６内にはこのピストン位置で常に大体同じガス量が存在する。

シリンダ圧力室３６６内の圧力が過度に高い場合、すなわち、ガス量が過度に大きい場合、ピストン３１２の、図７に示した終端位置は達成されない。その結果、調整圧蓄え器３６０には、ガスが一定圧縮ガス源３５０から供給されない。シリンダ圧力室３６６における不可避のガス損失、ひいては圧力損失により、ピストン３１２の、シリンダ室側の終端位置は周期が繰り返されるたびにさらにシリンダ圧力室３６６の方向で、その終端位置で調整弁３５８が再度開放されるようになるまで移動する。このようにして、ピストン３１２の、圧縮側の終端位置は調整もしくは制限される。

ピストン３１２の右側の終端位置を調整するために、第２の相応のピストン終端位置・調整装置が設けられることができる。

ピストン終端位置を上記のように調整することにより、最大のコンプレッサ圧力の、所定の位置が得られる。これにより、図１〜図６に示したインレット弁の弁作用は、従来慣用のフラッター弁に比べても悪くなく、絶対的に摩擦なしに作業する。

可動の磁石または鉄コアによりピストンを駆動する場合、可動な電気的な線路が不要であるという利点が得られる。さらに、磁界によるばね弾性的な作用が得られる。これにより、センタリングばねは省略されることができる。これにより、破断リスクが存在するすべての磨耗部分およびばねはもはや存在しない。

ピストン２１２に結合されている強磁性の部分および／または電磁石２６０の構造が回転対称でない場合、回転軸線での案内も得られる。その結果、機械的な回動防止手段は省略されることができる。

図９には、スターリング冷凍機４００が示されている。スターリング冷凍機４００はピストンコンプレッサ１０とコールドフィンガ４６０とにより形成される。さらに、コールドフィンガ４６０はディスプレーサ・ピストン４６２により形成される。ディスプレーサ・ピストン４６２はコールドフィンガ・シリンダハウジング４６４内を往復運動する。ディスプレーサ・ピストン４６２はコールドフィンガハウジング内でガス支承されている。このために、コールドフィンガ４６０はコールドフィンガ・圧縮ガス蓄え器４６６を有している。さらに、シリンダハウジング４６４内には、ディスプレーサ・ピストン４６２を支承するためのガス支承ノズル４６８が設けられている。ガス支承ノズル４６８には圧縮ガス蓄え器４６６から圧縮ガスが供給される。ピストンコンプレッサ・圧縮ガス蓄え器３４はコールドフィンガ・ガス供給管路４７０を通してコールドフィンガ・圧縮ガス蓄え器４６６に接続されている。ピストンコンプレッサ・圧縮ガス蓄え器３４とコールドフィンガ・ガス供給管路４７０との間には、コールドフィンガ・弁４８０が設けられている。コールドフィンガ・弁４８０はピストンコンプレッサ１０のピストン壁開口４８２とシリンダ壁開口４８４とにより形成されており、ピストンコンプレッサ・ピストン１２の、図９に示した充填位置で開放されている。ピストンコンプレッサ・ピストン１２の充填位置で、このようにしてコールドフィンガ４６０の圧縮ガス蓄え器４６６にも圧縮ガスが供給される。コールドフィンガ・弁４８０はピストンコンプレッサ・インレット弁４２と同様に形成されている。

圧縮ガスはピストンコンプレッサ・ピストン１２の充填位置でコールドフィンガ・圧縮ガス蓄え器４６６内に流入し、ディスプレーサ・ピストン４６２の運動周期全体にわたってコールドフィンガ・ガス支承ノズル４６８を介して放出される。

図示のスターリング冷凍機はスプリット式スターリング冷凍機である。この場合、オーバフロー管路４９０がコールドフィンガ４６０にガスをピストンコンプレッサ１０から供給する。

ディスプレーサ・ピストン４６２は、２つの横方向平面内に位置するガス支承ノズル４６８により、専らコールドフィンガ・シリンダハウジング４６４の「高温」側の半分内に支承されている。コールドフィンガ・ガス支承ノズル４６８をこのように配置したことにより、相対的に高温の、コールドフィンガ・ガス支承ノズル４６８から流出するガスがコールドフィンガ４６０の低温側を加熱することが回避される。

ピストンコンプレッサ・ピストン１２の、非充填位置への運動中、ピストンコンプレッサ・シリンダ圧力室２０内の圧力は急速に減少する。これに対して、両圧縮ガス蓄え器３４，４６６内のガス圧は緩慢にのみ、ピストンコンプレッサ１０およびコールドフィンガ４６０のガス支承ノズル２８，４６８と、いわゆる「ピストン漏れ」とを介して解消される。ピストンコンプレッサ・ピストン１２が十分に高い周波数で往復運動する限り、あらゆる時点で、十分な圧力差がガス支承ノズル２８，４６８の前後に存在する。この圧力差はピストン１２，４６２のガス支承を維持する。コールドフィンガ４６０のガス支承ノズル４６８からの僅かなガス流はオーバフロー管路４９０を介してピストンコンプレッサ１０のシリンダ圧力室２０内に戻し案内される。

ピストンが充填位置にあるピストンコンプレッサの第１の実施形態を示す図である。

ピストンが非充填位置にある、図１のピストンコンプレッサを示す図である。

ピストンが充填位置にあるピストンコンプレッサの第２の実施形態を示す図である。

ピストンが非充填位置にある、図３のピストンコンプレッサを示す図である。

ピストンが充填位置にあるピストンコンプレッサの第３の実施形態を示す図である。

ピストンが非充填位置にある、図５のピストンコンプレッサを示す図である。

ピストンが充填位置にある、ピストン終端位置・調整装置を備えたピストンコンプレッサの第４の実施形態を示す図である。

ピストンが非充填位置にある、図７のピストンコンプレッサを示す図である。

ピストンコンプレッサ・ピストンが充填位置にある、コールドフィンガを備えたスターリング冷凍機の部分としてのピストンコンプレッサの第５の実施例を示す図である。

Claims (14)

1. ピストンコンプレッサであって、
   シリンダ（１４）内を往復運動し、充填位置でシリンダ圧力室（２０）内のガスを圧縮するピストン（１２）と、
   ピストン領域に配置された、ピストン（１２）をガス支承するためのガス支承ノズル（２８）と、
   ガス支承ノズル（２８）に接続されている圧縮ガス蓄え器（３４）と、
   シリンダ圧力室（２０）と圧縮ガス蓄え器（３４）との間の圧縮ガス供給管路（１８）と、
   ピストン（１２）の充填位置で開放されている、圧縮ガス供給管路（１８）の経路中のインレット弁（４２）と
   が設けられている形式のものにおいて、
   インレット弁（４２）がシリンダ壁開口（２２）とピストン壁開口（３８）とにより形成され、シリンダ壁開口（２２）とピストン壁開口（３８）とがピストン（１２）の充填位置で互いに対向して位置していて、開放された弁を形成し、かつ非充填位置でピストン壁（４０）もしくはシリンダ壁（２４）により閉鎖されていて、閉鎖された弁を形成する
   ことを特徴とするピストンコンプレッサ。
2. シリンダ壁開口（２２）および／またはピストン壁開口（３８）が環状溝（３９）として形成されている、請求項１記載のピストンコンプレッサ。
3. 圧縮ガス供給管路（１８）がシリンダハウジング（１６）内で、シリンダ圧力室（２０）とインレット弁（４２）との間に配置されている、請求項１または２記載のピストンコンプレッサ。
4. 圧縮ガス供給管路（１６４）がピストン（１１２）内で、ピストン底面（１７２）とピストン壁との間に配置されている、請求項１または２記載のピストンコンプレッサ。
5. 圧縮ガス蓄え器（３４）およびガス支承ノズル（２８）がピストン（１２）内に配置されている、請求項１から４までのいずれか１項記載のピストンコンプレッサ。
6. 圧縮ガス供給管路（１６４）の経路中に、第２のシリンダ壁開口（１７６）と第２のピストン壁開口（１７４）とにより形成される第２のインレット弁（１４８）が配置されている、請求項１から５までのいずれか１項記載のピストンコンプレッサ。
7. シリンダ（１１４）内に回動防止手段が設けられており、回動防止手段が、シリンダ（１１４）内でのピストン（１１２）の回動を阻止する、請求項１から６までのいずれか１項記載のピストンコンプレッサ。
8. 各ガス支承ノズル（２８）が、ノズル孔内に装入されたワイヤにより形成されている、請求項１から７までのいずれか１項記載のピストンコンプレッサ。
9. 各ガス支承ノズル（２８）が、焼結材料から成るガス透過性の栓体により形成されている、請求項１から７までのいずれか１項記載のピストンコンプレッサ。
10. 複数のガス支承ノズル（２８）がその都度、両ピストン端部領域のレベルに位置する横方向平面内に配置されている、請求項１から９までのいずれか１項記載のピストンコンプレッサ。
11. ガス支承ノズル（２８）がピストン（１２）内に設けられている、請求項１から１０までのいずれか１項記載のピストンコンプレッサ。
12. ガス支承ノズル（２２９）がシリンダハウジング（２１６）内に配置されている、請求項１から１１までのいずれか１項記載のピストンコンプレッサ。
13. ニューマチック式のピストン終端位置・調整装置が設けられており、ピストン終端位置・調整装置には、
    調整圧蓄え器（３６０）がピストン（３１２）内に設けられており、調整圧蓄え器（３６０）が、ピストン壁に設けられた調整圧蓄え器・ピストン壁開口（３５６）に接続されており、
    一定圧縮ガス源（３５０）が設けられており、一定圧縮ガス源（３５０）が管路（３５２）を通してシリンダ壁開口（３５４）に接続されており、シリンダ壁開口（３５４）が調整圧蓄え器・ピストン壁開口（３５６）と相俟って調整弁（３５８）を形成し、ピストン（３１２）の終端位置で調整圧蓄え器・ピストン壁開口（３５６）により通過され、かつ
    管路（３６４）がシリンダ圧力室（３６６）とシリンダ壁開口（３６８）との間に設けられており、シリンダ壁開口（３６８）が調整圧蓄え器・ピストン壁開口（３５６）と相俟って放出弁（３７０）を形成し、一周期中にピストン（３１２）の非終端位置で調整圧蓄え器・開口（３５６）により通過される、
    請求項１から１２までのいずれか１項記載のピストンコンプレッサ。
14. スターリング冷凍機において、コールドフィンガ（４６０）と、請求項１から１３までのいずれか１項記載のピストンコンプレッサ（１０）とが設けられており、
    コールドフィンガ（４６０）がディスプレーサ・ピストン（４６２）をコールドフィンガ・シリンダハウジング（４６４）内に有しており、
    コールドフィンガ（４６０）が、圧縮ガス蓄え器（４６６）と、該圧縮ガス蓄え器（４６６）に接続されたガス支承ノズル（４６８）とを、ディスプレーサ・ピストン（４６２）を支承するために有しており、
    コールドフィンガ・圧縮ガス蓄え器（４６６）がピストンコンプレッサ・圧縮ガス蓄え器（３４）にコールドフィンガ・ガス供給管路（４７０）を通して接続されており、かつ
    コールドフィンガ・ガス供給管路（４７０）の経路中に弁（４８０）が配置されており、弁（４８０）がピストンコンプレッサ（１０）のピストン壁開口（４８２）とシリンダ壁開口（４８４）とにより形成され、ピストンコンプレッサ・ピストン（１２）の充填位置で開弁する
    ことを特徴とするスターリング冷凍機。

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