JP2585424B2 - 回転式コンプレッサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明はコンプレッサに係り、特に回転式コンプレッ
サに関するものである。

従来の技術およびその課題 ロータリコンプレッサを使用するクライオクーラー
（cryocooler）等の装置の耐用年数を短くする主な原因
の一つに、潤滑油や種々の破片による作用ガス室の汚染
があげられる。例えば、従来のスターリングサイクルク
ライオクーラー（sterling cycle cryocooler）におけ
る平均故障間隔（MTBF）は300時間であるが、この故障
の原因として、（１）ロータリー軸受けの損傷、（２）
圧縮ピストンのシール不良、（３）破片及び潤滑油に起
因する作用ガス室汚染、（４）ヘリウムガスの漏洩の４
点が確認されている。

シールは必ずしも作用室を完全に密閉するものである
とは限らない。従って、作用室からシールを通して流出
し、再び作用室へ戻るガスと共に汚染粒子が作用室内に
運び込まれることとなる。

上記シールに替えて、蛇腹状のシール部材を使用する
ことも提案されている。この蛇腹状のシール部材では、
ガス漏れの程度を0.0000001 CC Helium/sec.に押さえ、
実質的に完全なシールが得られる。しかし、このような
シールでは、蛇腹の両側に圧力差が生じるという問題が
あった。したがって、蛇腹状のシール部材はかかる圧力
差による変形を受け疲労が発生し易かった。

本発明は、以上の事情を背景として為されたものであ
り、その目的とするところは、耐用年数の長い改良され
た回転式コンプレッサを提供することにある。

課題を解決するための手段 かかる目的を達成するため、本発明の要旨とするとこ
ろは、（ａ）回転駆動装置と、（ｂ）この回転駆動装置
によって駆動されるクランクシャフトと、（ｃ）作用室
を形成するハウジングと、（ｄ）前記作用室内に位置し
て、ダイナミックシールを備えたピストンと、（ｅ）前
記作用室内の前記ピストンの近傍に形成された空間を、
該作用室内の前記クランクシャフトの近傍に形成された
空間から密閉するシール手段と、（ｆ）前記ピストンの
往復運動によって前記シール手段の両側に生じる圧力差
を実質的に解消するための手段とを含むことにある。

本発明の一態様によれば、前記シール手段は蛇腹状シ
ールである。

また、本発明の他の態様によれば、前記作用室が第
１、第２、第３可変容量室を有する一方、前記ダイナミ
ックシールが前記第１可変容量室と前記第２可変容量室
を分離するとともに、前記蛇腹状シールが前記第２可変
容量室と前記第３可変容量室を分離する。

さらに、本発明の好適な態様によれば、前記第２可変
容量室と前記第３可変容量室の圧力がほぼ等しく保持さ
れている。このように圧力を等しくするために、前記第
２可変容量室と前記第３可変容量室の容積比が略一定に
保たれている。

さらに、ダイナミックシールを通してのガスの漏洩
や、温度勾配による影響を無くすために、前記圧力差を
実質的に解消する手段が、第２および第３可変容量室、
つまり前記ピストンの近傍に形成された作用室の一部と
前記クランクシャフトの近傍に形成された作用室の一部
との間にガス流通路を形成する手段であってもよい。

さらに、前記クランクシャフトの近傍に形成された作
用室の一部から前記ピストンの近傍に形成れた作用室の
一部へ、前記ガス流通路を通じての汚染粒子の流入を防
止する手段を有してもよい。また、潤滑油ピストンガイ
ドを含んでもよい。

実施例 第１図は、本発明の一実施例に従う構造とされたコン
プレッサの一部を示す図である。図において、クランク
ケース10には、図示しない回転駆動装置によって回転駆
動されるクランクシャフト12が取り付けられている。

クランクシャフト12には、コネクティングロッド14の
一端がベアリングを介して偏心して取り付けられ、その
他端はピストン18に固設されたピン16に取り付けられて
いる。ピストン18は摺動可能に円筒状のスリーブ20内に
嵌合されており、その周囲を通してガスが流出入するの
を実質的に防ぐために、隙間シール或いはダイナミック
シール21を有している。このようにして、ピストン18
は、スリーブ20の内面22、24と共に、図中V1に示される
第一の可変容量室を画定する。第一の可変容量室V1は、
例えば、通路26によりスターリングクライオクーラー等
の所定のコンプレッサ出力装置の図示しない再発生機お
よび熱交換器に連通可能となっている。

ピストン18はクランクケース閉塞部材30に対して、軸
28に沿って往復運動させられるものであり、かかるピス
トン18と閉塞部材30の間には蛇腹状シール部材32が設け
られている。クランクケース10の内面と、閉塞部材30、
蛇腹状シール部材32及びピストン18のそれぞれの内面3
4、36、38によって、第３の可変容量室V3が画定される
一方、第一の可変容量室V1と第３の可変容量室V3の間に
第２の可変容量室V2が形成されている。

更に、本実施例の好ましい実施態様においては，第２
の可変容量室V2及び第３の可変容量室V3はそれらの圧力
がほぼ等しくなるように形成される。このように両可変
容量室V2およびV3内の圧力を等しくするために、それら
の容積比を常に略一定に保つ必要がある。このため本実
施例では、第２可変容量室V2と第３の可変容量室V3内の
初期圧が等しいと仮定した場合、ピストン18の断面積
（AP）と蛇腹状シール部材32の有効断面積（AB）の比AP
/ABと第２及び第３の可変容量室の容積V2およびV3との
関係が、次式を満足するように決定されている。

V2/V3＋１＝AP/AB 上記コンプレッサでは，作動開始からその作動が安定
するまでの立ち上がり期間に、蛇腹状シール部材32の両
側に圧力差が生じることが認められた。かかる圧力差
は、ダイナミックシール21を経てガスが漏洩することに
より生じる場合もある。この圧力差はわずか0.5気圧オ
ーダーであるが、できれば完全に無くすることが望まし
い。

本発明の特徴は、蛇腹状シール部材32の両側に発生す
る圧力差をほぼ完全に無くし、その蛇腹状シール部材32
が早期に疲労または破損することを防止するよう、第
２、第３可変容量室V2、V3を連通させる連通装置40を設
けることにある。

本実施例の一態様においては、連通装置40は、第２可
変容量室V2および第３可変容量室V3間にガスの流通路を
形成しており、第１の導管42、ガスフィルター44、及び
第２の導管46を備えている。この連通装置40は、可変容
量室V2、V3のいずれかで圧力が極度に上昇することを防
止することができる効果を有する。更に、ガスフィルタ
ー44が設けられているため、ダイナミックシール21のシ
ール機能が完全でないために生じる汚染粒子の、第３可
変容量室V3から第２可変容量室V2への流入、及び第２可
変容量室V2から第１可変容量室V1への流入を確実に防止
するとができる。

本実施例の好ましい態様においては、連通装置40にて
形成される流通路を開閉するバルブ48が設けられ、コン
プレッサの立ち上がり期間のみ開くようにされている。
更に、バルブ48の開閉を制御する感圧式制御装置50が設
けられている。この制御装置50は公知の感圧式バルブを
含むものであってもよく、またその他の装置に置き換え
られてもよい。

更に別の態様において、第２可変容量室V2内に発生し
得る過度の圧力を逃がすために第３の導管52が設けられ
ている。この第３の導管52は、第３可変容量室V3から第
２可変容量室V2にガスが流れてしまうのを防ぐため、一
方向バルブ装置54を備えた構造となっている。

第２図は、第１図に示されるコンプレッサと同様の構
造を備えた、本発明の他の実施例である回転式コンプレ
ッサの一部を示す断面図である。なお、以下の実施例に
おいて第１図に示す前記実施例と共通する部分には同一
の符号を付して詳しい説明は省略する。

第２図に示されている実施例においては、コネクティ
ングロッド14はピン16を介してピストン62の第１部分60
に取り付けられている。また、ピストンの第２部分64に
ダイナミックシール21が設けられている。このピストン
62とスリーブ20との間に、第１取付部材66および第２取
付部材68によって蛇腹式シール部材32が取り付けられて
いる。

更に、ピストン62は、油、グリース等の代表的な潤滑
剤を含む潤滑油ガイド70によって摺動可能に案内されて
いる。

本発明は、以上の例示および記載に制約されないこと
は当業者に理解されよう。また、本発明は特許請求の範
囲の記載によってのみ限定されるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例に従う構造および作用を有
する回転式コンプレッサの一部を示す部分断面略図であ
る。第２図は、本発明の他の実施例に従う構造および作
用を有する回転式コンプレッサの一部を示す部分断面図
である。 12:クランクシャフト 18:ピストン 21:ダイナミックシール V1:第１可変容量室 V2:第２可変容量室 V3:第３可変容量室 30:クランクケース閉塞部材 32:蛇腹式シール部材 40:連通装置 50:制御装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 シュロモ・ノボトニィー アメリカ合衆国 マサチューセッツ州 01749 ハドソンン リード・ロード 77

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】第１、第２、および第３可変容量室を有す
   る作用室を形成するハウジングと、 該ハウジング内に位置するシリンダと、 前記シリンダ内に位置して、該シリンダと共にダイナミ
   ックシールを形成するピストンと、 前記ピストンおよび前記ダイナミックシールの上部側に
   おいて、前記作用室の第１可変容量室を形成する前記シ
   リンダの一部と、前記ダイナミックシールの下部側の前
   記ピストンの近傍において、前記第２可変容量室を含む
   前記作用室の一部と、 回転駆動装置によって駆動されるとともに、前記ピスト
   ンを駆動させるために該ピストンと連結されて、前記作
   用室の第３可変容量室内に位置するクランクシャフト
   と、 前記第２可変容量室を前記第３可変容量室から密封する
   蛇腹状シール手段と、 前記ピストンの運動によって前記第２可変容量室と前記
   第３可変容量室の間の前記蛇腹状シール手段の両側に生
   じる圧力差を解消する、制御可能なガス流通路手段と、 を有することを特徴とする回転式コンプレッサ。
2. 【請求項２】前記第２可変容量室と前記第３可変容量室
   内の圧力が略等しく保たれているとともに、該第２可変
   容量室と該第３可変容量室内の容積比が略一定に保たれ
   ている請求項１に記載の回転式コンプレッサ。
3. 【請求項３】前記第２可変容量室と前記第３可変容量室
   の内の初期圧が等しいと仮定すると、前記ピストンの断
   面積（AP）と前記シール手段の有効断面積（AB）の比
   と、前記第２可変容量室と前記第３可変容量室の容積比
   （V2/V3）との関係が、次式 V2/V3＋１＝AP/AB を満足するものである請求項２に記載の回転式コンプレ
   ッサ。
4. 【請求項４】前記圧力差を解消するガス流通路手段は、
   前記ピストンの近傍の作用室の一部と前記クランクシャ
   フトが位置させられた第３可変容量室の間にガス流通路
   を形成する手段を含み、さらに、前記ガス流通路を通じ
   るガスの流れを許容する選択手段を含む請求項３に記載
   の回転式コンプレッサ。
5. 【請求項５】前記クランクシャフトの近傍に形成された
   作用室の一部から前記ピストンの近傍に形成された作用
   室の一部へ、前記ガス流通路を通しての汚染粒子の流入
   を防止する手段を有し、該防止手段はガスフィルタであ
   る請求項４に記載の回転式コンプレッサ。
6. 【請求項６】前記ピストンの近傍に形成された作用室の
   一部から前記クランクシャフトが位置させられた第３可
   変容量室への一方向のガスの流れを許容する手段と、潤
   滑油ピストンガイドと、前記クランクシャフトの近傍に
   形成された作用室の一部から前記ピストンの近傍に形成
   された第２可変容量室へ、前記ガス流通路を通しての汚
   染粒子の流入を防止する手段とを有する請求項１に記載
   の回転式コンプレッサ。