JP2010527436A - 可動ピストン及び可動シリンダを備えたクライオクーラ - Google Patents

Abstract

スターリングサイクルクライオクーラのような熱サイクルクライオクーラ（１０）が、コンプレッサ（１２）とディスプレーサ（１４）との両方によって利用される単一の動作容積部（４８）を有する。コンプレッサとディスプレーサとは、それぞれ可動部品を有し、一方が他方により囲まれている。部品の一方はピストン（２０）であり、他方の部品が、シリンダ（２０）の中心のボア（５２）内を移動する。ピストンは、コンプレッサの構成要素であることができ、また、シリンダは、ディスプレーサの構成要素であることができ、逆もある。動作容積部は、シリンダに結合されたピストンと再生熱交換器との間のシリンダの部分に部分的に位置している。ピストンとシリンダとの移動は、ガス移送ライン又は流れ通路を使用することなく、動作ガスの圧縮又は膨張によって直接果されることができる。

Description

本発明は、クライオクーラの分野に関する。

長寿命のスターリングクラスのクライオクーラは、一般的に、電気エネルギを圧力―体積（ＰＶ）パワーに変換するコンプレッサと、熱力学的な圧縮／膨張サイクルを能動的に制御するスターリングディスプレーサとの２つの主要サブシステムを含む。コンプレッサにより発生されるＰＶパワーは、ディスプレーサの動作容積部に伝送されなければならない。この伝送は、コンプレッサとエキスパンダモジュールとの間の伝送ラインに沿って進むのに従って、使用可能なＰＶパワーの様々な寄生損失（parasitic loss）を引き起こす。これは、システム全体の効率の損失を招き、クライオクーラが組み込まれる比較的大きなシステムに好ましくない影響を与える。

上述のことから、クライオクーラの改良が必要とされることが理解されるであろう。

本発明の一態様によれば、単一モジュールのクライオクーラは、ハウジング内に単一の動作容積部を有する。

本発明の他の態様によれば、単一モジュールのクライオクーラは、個々のモジュールの間にガス移送チューブを必要としない。

本発明のさらなる他の態様によれば、クライオクーラのコンプレッサ及びディスプレーサは、それぞれ可動部品を有し、一方の可動部品が、他方の可動部品の内部で動く。

本発明のさらなる別の態様によれば、熱サイクルクライオクーラは、コンプレッサと、ディスプレーサと、コンプレッサとディスプレーサとを囲み、シールされたハウジングとを有する。コンプレッサとディスプレーサとの両方が、前記シールされたハウジング内で、単一の組合せ動作容積部として動作する。

本発明のさらなる態様によれば、熱サイクルクライオクーラは、コンプレッサと、ディスプレーサとを有する。コンプレッサとディスプレーサとの一方が、第１の可動部品を有し、この第１の可動部品は、コンプレッサとディスプレーサとの他方の第２の可動部品内で動く。

上述の及び関連する目的の達成のために、本発明は、以下に十分に説明され、特に、特許請求の範囲で規定される特徴部分を有する。以下の説明並びに添付図面は、本発明の特定の例示的な実施の形態を詳細に示すものである。いくつかの実施の形態が示されるが、これらは、本発明の原理が使用されることができる様々な形態のうちのいくつかを示すものである。本発明の他の目的、効果並びに新規な特徴部分は、本発明の以下の詳細な説明並びに図面から明らかになるであろう。

添付図面において、スケールは必ずしも合わせられていない。

図１は、本発明の一実施の形態に係るクライオクーラの概略図である。 図２は、図１のクライオクーラの可動部分の斜視断面図である。 図３は、図１のクライオクーラの部分を示す断面図である。 図４は、クライオクーラのシールされたハウジングを示す図１のクライオクーラの斜視図である。 図５は、単一の熱サイクルの第１の工程での図１のクライオクーラを示す図である。 図６は、単一の熱サイクルの第２の工程での図１のクライオクーラを示す図である。 図７は、単一の熱サイクルの第３の工程での図１のクライオクーラを示す図である。 図８は、単一の熱サイクルの第４の工程での図１のクライオクーラを示す図である。 図９は、単一の熱サイクルの第５の工程での図１のクライオクーラを示す図である。

スターリングサイクルクライオクーラのような熱サイクルクライオクーラは、コンプレッサとディスプレーサとの両方によって利用される単一の動作容積部を有する。これらコンプレッサ及びディスプレーサは、それぞれ可動部品を有し、一方の可動部分が、他方の可動部品によって囲まれている。一方の部品は、ピストンであることができ、このピストンの一部分は、他方の可動部品であるシリンダの中心のボア、即ち開口部内で動く。このピストンは、コンプレッサの構成要素であることができ、また、シリンダは、ディスプレーサの構成要素であることができ、逆でもよい。動作容積部は、ピストンと、シリンダに結合された再生熱交換器（regenerator）との間のシリンダのボアに部分的に位置されている。ピストン又はシリンダの動きは、動作容積部内の動作ガスの圧縮又は膨張を引き起こすことができる。シール（クリアランスギャップ、滑り等）が、動作容積部内の動作ガスの漏れを最小にするように、ピストンとシリンダとの間に維持されるが、ピストンとシリンダとの自由な動きはなおも可能である。コンプレッサとディスプレーサとが同じ動作容積部を利用する構成により、クライオクーラは、単一のハウジング内のコンプレッサとディスプレーサとの簡単な配置、サイズ及び重さの減少、ガス移送時の寄生損失の除去、代表的な２つのモジュールのマシンに必要ないくつかのシールを除去することによるシールの損失の減少、及び単一の軸線上に全ての可動構成要素を配置して、伝えられる振動の緩和を簡単にすることができるという多くの効果を奏する。

図１ないし図４を参照すると、クライオクーラ１０は、気密にシール（封止）されたハウジング１６の内部に、コンプレッサ１２と、ディスプレーサ１４とを有する。このクライオクーラ１０は、熱サイクルクライオクーラであり、熱力学的なサイクルにおいて、ヘリウムのような動作ガスを圧縮及び膨張させる。適切な熱サイクルの一例は、スターリングサイクルであるが、他の多くの熱サイクルがよく知られている。スターリングサイクルは、等温圧縮、等積（体積一定）冷却、等温膨張及び等積加熱の連続工程により進む熱サイクルである。このように、クライオクーラ１０は、スターリングサイクルクライオクーラであることができる。

コンプレッサ１２は、コンプレッサのピストン２０と、１対のコンプレッサの撓み部２２、２４とを有する。コンプレッサのピストン２０とコンプレッサの撓み部２２、２４との動きは、コンプレッサのモータ２８によって制御される。コンプレッサの撓み部２２、２４は、これらの外側端部で、ハウジング１６内の適切な静止構造体に取着されている。ピストン２０は、コンプレッサの撓み部２２、２４の内側開口部に結合されている。コンプレッサのモータ２８は、コンプレッサのピストン２０と、コンプレッサの撓み部２２、２４との少なくとも一方に結合されている。コンプレッサのモータ２８は、コンプレッサのピストンを直線方向２９に動かす。コンプレッサのモータ２８は、適切な電気モータのような多様性に富んだいかなる適切なタイプのモータであってもよい。コンプレッサのモータ２８の力の下では、コンプレッサのピストン２０とコンプレッサの撓み部２２、２４の内側部品とは、直線方向に動く。

ディスプレーサ１４は、ディスプレーサのシリンダ３０と、１対のディスプレーサの撓み部３２、３４と、ディスプレーサのモータ３８とを有する。撓み部３２、３４の外側部品は、ハウジング１６に対して静止している。ディスプレーサの撓み部３２、３４の内側部品は、スターリングディスプレーサのシリンダ３０に取着されており、ディスプレーサのシリンダ３０に沿って直線方向に動く。ディスプレーサは、直線方向４０に対して上下にディスプレーサのシリンダ３０を動かすために、ディスプレーサのシリンダ３０と、ディスプレーサの撓み部３２、３４との少なくとも一方に機械的に結合されている。再生熱交換器４２は、ディスプレーサのシリンダ３０に結合されており、ディスプレーサのシリンダ３０と一緒に動く。

コンプレッサのピストン２０とディスプレーサのシリンダ３０とは、これらの間に適切なシール４６を有する。クリアランスギャップシールの場合には、シール４６は、コンプレッサのピストン２０とディスプレーサのシリンダ３０との間のギャップを通る動作ガスの流れを実質的に妨げるのに十分なくらい狭い。このギャップは、１ミルないし数ミルのフラクションであることができる。ここで、１ミル＝０．０２５４ｍｍである。

コンプレッサのピストン２０とディスプレーサのシリンダ３０とは、ほぼ軸対称であることができる。コンプレッサのピストン２０とディスプレーサのシリンダ３０とは、共通の軸線４７を共有することができ、この共通の軸線４７に沿った方向に動くことができる。さらに、静止部品は、２つのモジュールの従来のクライオクーラに対して、単一モジュールのクライオクーラ１０では取り除かれる。従来の２つのモジュールのクライオクーラでは、各可動部品が、静止パートナー部又は対応部品を有する。互いに係合する可動部品２０、３０では、静止パートナー部も対応部品も必要でない。

ピストン２０とディスプレーサ３０とは、これらの間に、一体化された（unified）コンプレッサ／ディスプレーサの動作容積部４８を規定している。このコンプレッサ／ディスプレーサの動作容積部４８は、シリンダ３０内のボア５２にある高温（熱い）（hot）動作容積部５０を有する。

ハウジング１６は、ハウジングの一部分５６を有し、このハウジング部分は、再生熱交換器４２とハウジングの一部分５６との間に低温（冷たい）（cold）動作容積部６０を規定している。一体化されたコンプレッサ／ディスプレーサの動作容積部４８は、再生熱交換器内の動作ガスの容積部と同様に、再生熱交換器４２のそれぞれの両側にある高温動作容積部５０と低温動作容積部６０とを有する。

移送ライン又は他の流れ通路を含むことなく、クライオクーラ１０に同じ組合せ容積部４８を使用することは、コンプレッサ及びディスプレーサに個々の高温動作容積部を利用する従来の２つのモジュールのクライオクーラと比べて、熱力学的により効率的なシステムを与えることができる。

図５ないし図９は、スターリングサイクルに沿った様々な点での、ハウジング１６に関して、クライオクーラ１０、ピストン２０及びシリンダ３０の可動部品の状態を示している。図５は、初期状態を示しており比較的大きな高温動作容積部５０と、比較的小さな低温動作容積部６０とを有する。

図６は、ピストン２０と再生熱交換器４２との間の高温動作容積部５０を圧縮するために、所定の方向７２に動くコンプレッサのピストン２０を有する高温容積部５０の等温圧縮を示している。この工程中、ディスプレーサのシリンダ３０は、ほぼ静止して留まる。

図７に移ると、等積冷却が生じている。コンプレッサのピストン２０は、高温動作容積部５０をさらに減少させるために、前の工程と同じ方向に動かされる。同時に、ディスプレーサのシリンダ３０は、逆方向に動かされて、かくして、低温動作容積部６０を膨張させる。高温動作容積部５０の減少は、低温動作容積部６０の増加とほぼ同様である。従って、低温動作容積部６０と高温動作容積部５０との組合せ容積部は、ほぼ同じに留まる。これは、動作ガスの等積冷却を果す。言い換えると、動作流体は、動作容積部５０、６０の組合せ容積部の変化なしで、高温動作容積部５０から再生熱交換器４２を通って低温動作容積部６０へと通過する。高温動作容積部５０と低温動作容積部６０とに面している領域は異なることができるので、コンプレッサのピストン２０とディスプレーサのシリンダ３０との動きの量及び割合は、互いに異なることができる。

図８は、スターリングサイクルにおける次の工程であり、等温膨張を示している。この工程では、ピストン２０及びディスプレーサのシリンダ３０は、同じ体積率でハウジングの一部分５６から離れるように動かされる。これは、低温動作容積部６０の容積部を増加させるが、高温動作容積部５０を一定に維持する。

最後に、図９に示されるように、等積加熱が果される。高温動作容積部５０は、増加されるが、低温動作容積部６０は、対応した量だけ減少される。これは、ピストン２０がハウジングの一部分５６から離れる動きを含む。また、ディスプレーサのシリンダ３０の動きも、ディスプレーサのシリンダ３０とピストン２０との間の異なる領域に依存して、果されることができる。システムは、図９に示される等積加熱により、図５に示される初期状態に戻る。

図５ないし図９に示されるスターリングサイクルの動作が、システム及び性能に果される。しかし、この動作の挿入に関して、熱は、（低温容積部６０と熱的に連通している）低温領域から取り除かれ、また、熱は、（高温容積部５０と熱的に連通している）高温領域に追い出される。従って、スターリングサイクルにおける動作の入力は、低温領域から熱を取り除き、高温領域から熱を追い出すために使用される。

さらに、クライオクーラ１０は、従来の２つのモジュールのクライオクーラでのシール損失を減少させる。クライオクーラ１０は、シール４６と、ハウジングの一部分５６とディスプレーサのシリンダ３０との間のシールと、の２つのシールのみを必要とする。２つのモジュールのクライオクーラは、少なくとも３つのシールを必要とする。必要なシール数のこのような減少は、システムのシールを通る漏れに関する効率の全体的な損失を減少させる。結果として、クライオクーラ１０の全体の効率は改良される。

単一モジュールのクライオクーラのさらなる効果は、クライオクーラシステムの全体の重さ及び容積部の減少である。１つのハウジングのみ、即ちハウジング１６のみが、クライオクーラ１０に必要とされる。これは、２つのモジュールのクライオクーラシステムと比べて、クライオクーラ１０の重さを減少させる。さらに、クライオクーラ１０は、従来の２つのモジュールのクライオクーラシステムよりもコンパクトに構成されることができる。容積部は、例えば空間ベースシステムでのクライオクーラの利用のシステムにおいてプレミアムであることができるので、非常に効果的である。

他の効果は、単一の軸線に沿った（内部のクライオクーラの構成要素の動きと関連した）振動力の統合（consolidation）、従って、装置の動的複雑さを減少させることである。多くのクライオクーラのアプリケーションは、振動に非常に敏感であり、また、内部振動要素を含むクライオクーラは、振動の主な発生源である。能動的な及び受動的な振動制御方法が、内部の可動要素と関連した力を正確に平衡状態にする努力をしばしば行い、かくして、振動の出力が減少される。代表的な２つのモジュールのクライオクーラは、例えば、２つのモジュールの駆動軸線である複数の軸線に対してかなりの振動力を発生させる。これらの力は、力とモーメントとの両方を減少させるために、軸線の各々において打ち消されなければならない。このタイプの打ち消しは、両方の軸線において打ち消しメカニズムを必要としている。クライオクーラ１０は、これ自体の打ち消しの動力学と同様に、振動打消しのメカニズムを簡単にする単一軸線上に全ての振動力を置く。

可動シリンダの内部で動作する可動ピストンを利用する構成を含む他のクライオクーラの構成が可能であることが理解されるであろう。さらに、ここに記載された概念は、単一ステージのスターリングクライオクーラとは別に、ディスプレーサとコンプレッサとの両方を使用した他のタイプのクライオクーラに適用可能であることが理解されるであろう。このような他のクライオクーラの一例は、RaytheonＰＳＰ２タイプのクライオクーラであり、これは、スターリングデザインに基づいているが、パルスチューブ部分を含んでいる。スターリングステージを有するマルチステージクライオクーラは、他のタイプのサイクルを使用してディスプレーサとコンプレッサとの間で単一ステージ又はマルチステージのクライオクーラのように、ここに記載された特徴部分が利用されることができる。

特定の好ましい実施の形態に関して本発明が説明され図示されてきたが、本明細書及び添付図面から当業者が読み取れ、理解される範囲において、同等の変形及び修正が果されることは自明である。特に、上に記載された要素（構成要素、アセンブリ、デバイス、構成要素等）によって果される様々な機能に関して、このような要素を説明するために使用される（「手段」に関連するものを含む）用語は、たとえここに図示された好ましい実施の形態における機能を果す開示された構成と構造上等しくないとしても、記載された構成要素（すなわち、機能的に等しい）の特定の機能を果すいかなる要素にも、対応することを意図している。さらに、本発明の特定の特徴部分が少なくとも１つのいくつかの図示された実施の形態のみに関して上に説明されてきたが、このような特徴部分は、所定の又は特定のアプリケーションのための所望の及び効果的であるような他の実施の形態の少なくとも１つの特徴部分と組み合わせられることができる。

Claims (10)

1. コンプレッサ（１２）と、
   ディスプレーサ（１４）と、
   前記コンプレッサとディスプレーサとを囲み、シールされたハウジング（１６）とを具備し、
   前記コンプレッサとディスプレーサとの両方が、前記シールされたハウジング内で単一の組合せ動作容積部（４８）として動作する熱サイクルクライオクーラ（１０）。
2. 前記ディスプレーサに取着され、このディスプレーサと一緒に動く再生熱交換器（４２）をさらに具備する請求項１のクライオクーラ。
3. 前記コンプレッサとディスプレーサとの一方が、第１の可動部品を有し、この第１の可動部品は、前記コンプレッサとディスプレーサとの他方の第２の可動部分内で動く請求項１又は２のクライオクーラ。
4. 前記組合せ動作容積部の一部分は、前記第２の可動部分のボア（５２）内にあり、また、
   前記組合せ動作容積部の他の部分は、前記第２の可動部分のボアの外側にある請求項３のクライオクーラ。
5. 前記ボア内にある組合せ動作容積部の前記一部分は、高温動作容積部（５０）を有し、また、
   前記ボアの外側にある組合せ動作容積部の前記他の部分は、低温動作容積部（６０）を有する請求項４のクライオクーラ。
6. 前記第１の可動部品は、ピストン（２０）を含み、
   前記第２の可動部品は、シリンダ（３０）を含み、また、
   前記ピストンの少なくとも一部が、前記シリンダ内で動く請求項３ないし５のいずれか１のクライオクーラ。
7. 前記第１の可動部品は、ピストンの一部であり、また、
   前記第２の可動部品は、前記ピストンの一部を部分的に又は完全に囲んでいるシリンダである請求項３のクライオクーラ。
8. 前記コンプレッサとディスプレーサとの両方を囲み、シールされた別のハウジングをさらに具備する請求項１ないし７のいずれか１のクライオクーラ。
9. 前記第１及び第２の可動部品は、これら可動部品の間にギャップシール（４６）を有する請求項３ないし８のいずれか１のクライオクーラ。
10. 前記第１及び第２の可動部品は、ほぼ軸対称であり、また、
    前記第１及び第２の可動部品は、単一の共通の軸線（４７）を共有している請求項３ないし９のいずれか１のクライオクーラ。

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