JP2901722B2 - クリアランスシール型シリンダアセンブリ - Google Patents

クリアランスシール型シリンダアセンブリ

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Description

【発明の詳細な説明】 概要 クリアランスシール型シリンダアセンブリに関し、 ピストン及びシリンダの形状を変えることにより小型
化を図ったクリアランスシール型シリンダアセンブリを
提供することを目的とし、 シリンダと、該シリンダに挿入されて往復運動するピ
ストンとの間にクリアランスシール部を形成したクリア
ランスシール型シリンダアセンブリにおいて、ピストン
を一端部の開口した円筒形状に形成するとともに、シリ
ンダを該ピストンが嵌合される環状溝を有するブロック
形状とすることにより、該ピストンの円筒部の内側及び
外側の両面とシリンダの前記環状溝を画成する壁部との
間にクリアランスシール部を形成して構成する。
産業上の利用分野 本発明はクリアランスシール型シリンダアセンブリに
関する。
人工衛星搭載用観測機器において、近年観測センサ冷
却用にスターリング冷凍機が使用されている。スターリ
ング冷凍機は、ヘリウムガス等の冷媒をピストンにより
圧縮して冷却室内に導き、冷媒の断熱膨張により冷却す
るものであり、冷却効率が良いこと及び非常に低温度に
まで冷却できることで知られている。最近のスターリン
グ冷凍機では、長寿命化を目的としてピストンをリニア
モータで直接駆動し、冷媒用ガスのシールにはピストン
とシリンダ間の隙間をガスを流れる際に生じる流体抵抗
を利用した、非接触のクリアランスシールが用いられ
る。
このようなスターリング冷凍機等の衛星搭載用部品
は、打ち上げコスト低減のために小型・軽量化が要求さ
れており、この観点からクリアランスシール型シリンダ
アセンブリの小型化も必要である。
従来の技術 第4図は従来のクリアランスシール型シリンダアセン
ブリの構造を示しており、シリンダ2の内周面2aとピス
トン4の外周面4aとの間にギャップ約10〜15μmのクリ
アランスシール部6が形成されている。クリアランスシ
ール部6のギャップをこのように小さく設定することに
より、このクリアランスシール部6を流れるガスの流体
抵抗により、ガスをシリンダ室5内に有効に閉じ込める
ことができる。例えば、直径約20mmのピストン4をスト
ローク4mm,40Hzで往復運動させると、圧縮膨張時のガス
シール性を保つためにクリアランスシール部6は約30mm
以上の有効長を必要とする。ピストン4は例えばボイス
コイルモータにより駆動される。
発明が解決しようとする課題 このように円柱形状のピストンとシリンダとを組み合
わせた従来のクリアランスシール型シリンダアセンブリ
であると、シリンダ室内のガスが圧縮又は膨張するとき
のガスシール性を保つために、クリアランスシール部の
有効長を30mm以上とる必要があり、そのためピストンの
長さとしてクリアランスシール部以上の長さが絶対に必
要であるので、シリンダアセンブリ全体が大きくなり、
このシリンダアセンブリをスターリング冷凍機に適用し
た場合、冷凍機全体の大型化と重量増という問題を生じ
ていた。
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、
その目的とするところは、ピストン及びシリンダの形状
を変えることにより小型化を図ったクリアランスシール
型シリンダアセンブリを提供することである。
課題を解決するための手段 ピストンを一端部の開口した円筒形状に形成するとと
もに、シリンダを該ピストンが嵌合される環状溝を有す
るブロック形状とする。これにより、ピストンの円筒部
の内側及び外側の両面とシリンダの前記環状溝を画成す
る壁部との間にクリアランスシール部を形成する。
代案として、ピストンを内側円柱部分と該内側円柱部
分に一体的に形成された外側円筒部分とから構成すると
ともに、シリンダを該ピストンの内側円柱部分が嵌合さ
れる凹部を画成する円筒部分と該ピストンの外側円筒部
分が嵌合される環状溝を有するブロック形状としても良
い。これにより、ピストンの内側円柱部分の外周面とシ
リンダの円筒部分の内周面との間、及びピストンの外側
円筒部分の内側及び外側の両面とシリンダの円筒部分の
外周面との間及び環状溝を画成する壁部との間にクリア
ランスシール部を形成する。
作用 ピストンを円筒形状とすることにより、ピストン円筒
部の内側と外側の両方をクリアランスシール部として作
用させることができるから、ピストン長を従来の半分に
した場合でも十分なガスのシール効果が得られる。従っ
て、クリアランスシール型シリンダアセンブリの小型化
を図ることができる。
また、ピストンを内側円柱部分と外側円筒部分とから
構成される形状とすることにより、内側円柱部分の外周
面及び外側円筒部分の内側及び外側の両面をクリアラン
スシール部として作用させることができるから、ピスト
ン長を従来の概略1/3としても十分なガスのシール効果
が得られる。従って、クリアランスシール型シリンダア
センブリの小型化を図ることができる。
実 施 例 以下、本発明の実施例を図面を参照して詳細に説明す
る。
まず第1図を参照すると、本発明の第1実施例断面図
が示されている。本実施例のシリンダアセンブリ10は、
一端部の開口した円筒形状のピストン12と、ピストン12
が嵌合される環状溝16を有するブロック状シリンダ14と
により構成される。
ピストン12の円筒部12aと環状溝16を画成するブロッ
ク状シリンダ14の壁部との間のギャップを10〜15μmと
することにより、ピストン12の円筒部12aの内側及び外
側の両面と環状溝16を画成するブロック状シリンダ14の
壁部との間にクリアランスシール部18が形成される。ピ
ストン12はブロック状シリンダ14の環状溝16に嵌合しな
がら駆動手段により往復運動されるが、シリンダ室17内
に封入されたガスが圧縮又は膨張されるとき、クリアラ
ンスシール部18を流れるガス流によりこの部分に適度な
流体抵抗が生じ、ガスをシリンダ室17内に封入保持する
ことができる。
ピストン12の円筒部12aの両面に凹凸を設けることに
より、ラビリンスシールを形成することができ、シール
効果が増大される。また。環状溝16を画成するブロック
状シリンダ14の壁部にテフロン加工等の摩擦係数が小さ
くなるような表面加工を施すことにより、ピストン12の
摩耗が減少し、シリンダアセンブリ10の長寿命化を図る
ことができる。
次に第2図を参照すると、本発明の第2実施例に係る
シリンダアセンブリの断面図が示されている。本実施例
のシリンダアセンブリ20は、内側円柱部分22aと外側円
筒部分22bを一体的に形成したピストン22と、ピストン2
2の内側円柱部分22aが嵌合される凹部27を画成する円筒
部分24aとピストン22の外側円筒部分22bが嵌合される環
状溝26を有するブロック状シリンダ24とから構成され
る。ピストン22は合成樹脂から形成し、ブロック状シリ
ンダ24は金属から形成するのが望ましい。
ピストン22及びシリンダ24をこのような形状にするこ
とにより、ピストン22の内側円柱部分22aの外周面とブ
ロック状シリンダ24の円筒部分24aの内周面との間、及
びピストン22の外側円筒部分22bの内側及び外側の両面
とブロック状シリンダ24の円筒部分24aの外周面との間
及び環状溝26を画成する壁部との間にクリアランスシー
ル部28が形成される。
ピストン22を所定の速度で往復駆動すると、シリンダ
室(凹部)27内に封入されたガスが圧縮又は膨張してク
リアランスシール部28にガス流が生じるが、このガス流
によりクリアランスシール部28に適度な流体抵抗が生じ
てシール効果が発生し、ガスをシリンダ室27内に封入保
持することができる。本実施例ではクリアランスシール
部28が3箇所設けられているため、従来と同じガスシー
ル性の有効長をとるのに、概略1/3のピストン長で十分
である。よって、シリンダアセンブリ20の小型化を十分
図ることができる。
上述した第1実施例と同様に、ピストン22のクリアラ
ンスシール部28に対応する表面に凹凸を設けることによ
り、ラビリンスシール効果を発揮させることができ、シ
ール効果が一層増大される。また、クリアラスシール部
28に対応するブロック状シリンダ24表面にテフロン加工
等の摩擦係数が小さくなるような表面加工を施すことに
より、ピストン22の摩耗が減少し、シリンダアセンブリ
20の長寿命化を図るこどかできる。
第3図を参照して、本発明のクリアランスシール型シ
リンダアセンブリを採用したスターリング冷凍機につい
て説明する。30は圧縮機であり、ハウジング32中に圧縮
機30を駆動する一対のリニアモータ34が左右対称に配置
されている。ハウジング32に固定子36が固定され、可動
子38に固定されたモータ軸40の一端に円筒状の圧縮ピス
トン44が固着されている。モータ軸44は板バネ等の支持
部材42により支持されている。円筒状ピストン44の内部
にはハウジング32と一体的に形成されたブロック状シリ
ンダ46が配置されており、円筒状ピストン44の内周面と
ブロック状シリンダ46の外周面との間にクリアランスシ
ール部が形成され、圧縮室48をシールしている。ブロッ
ク状シリンダ46には圧縮室48に連通するガス流路46aが
形成されているとともに、例えばSUS製の金網で形成さ
れた蓄冷器(ガスクーラ)50が内部に配置されている。
52は膨張シリンダであり、この膨張シリンダ52内にデ
ィスプレーサ54が摺動自在に嵌合されている。ディスプ
レーサ54には、例えばSUS製の金網で形成された蓄冷器5
6が内蔵されており、ディスプレーサ54の頂部には冷媒
ガスの断熱膨張によりガスを極低温に冷却する冷却室58
が画成されている。圧縮機30の圧縮室48は通路60,62及
び蓄冷器56を介して冷却室58に連通されている。
ディスプレーサ54には通路62の入口を囲むように2個
の環状シール材64,64が設けられており、通路60を介し
て供給された冷媒ガスが膨張シリンダ52とディスプレー
サ54の間を通過するのを防止し、全ての冷媒ガスがディ
スプレーサ54に内蔵された蓄冷器56に供給されるように
している。ディスプレーサ54の底部には、ディスプレー
サ54を支持する例えばスプリングから形成されたディス
プレーサ支持機構66が設けられている。
然して、リニアモータ34を駆動して圧縮室48内で冷媒
ガスを圧縮すると、この圧縮されたガスはガスクーラー
50を通過してある程度冷却された後、通路60,62を介し
て蓄冷器56内に導入されて熱交換によりさらに冷却され
る。蓄冷器56を通過した冷媒ガスは冷却室58内に導入さ
れるが、ディスプレーサ54が膨張シリンダ52内で上下に
摺動するため、冷却室58内の圧縮ガスはディスプレーサ
54が下方に移動して膨張するときに、断熱膨張によりさ
らに冷却され、冷却室58内を極低温に冷却することがで
きる。
上述したスターリング冷凍機では、冷媒ガスを圧縮す
るのに本発明に係るクリアランスシール型シリンダアセ
ンブリを採用しているため、スターリング冷凍機の圧縮
機の小型及び軽量化を図ることができる。
発明の効果 本発明のクリアランスシール型シリンダアセンブリは
以上詳述したように構成したので、シリンダアセンブリ
の小型化が可能となり、これにより本発明のシリンダア
センブリを採用したスターリング冷凍機の小型化、軽量
化を図ることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明実施例の断面図、 第2図は本発明の他の実施例断面図、 第3図は本発明のシリンダアセンブリを採用したスター
リング冷凍機断面図、 第4図は従来例断面図である。 10,20……クリアランスシール型シリンダアセンブリ、 12,22……ピストン、 14,24……ブロック状シリンダ、 18,28……クリアランスシール部、 30……圧縮機、 34……リニアモータ、 48……圧縮室、 52……膨張シリンダ、 54……ディスプレーサ、 56……蓄冷器、 58……冷却室。

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】シリンダと、該シリンダに挿入されて往復
    運動するピストンとの間にクリアランスシール部を形成
    したクリアランスシール型シリンダアセンブリにおい
    て、 ピストン(12)を一端部の開口した円筒形状に形成する
    とともに、 シリンダ(14)を該ピストン(12)が嵌合される環状溝
    (16)を有するブロック形状とすることにより、 該ピストン(12)の円筒部(12a)の内側及び外側の両
    面とシリンダ(14)の前記環状溝(16)を画成する壁部
    との間にクリアランスシール部(18)を形成したことを
    特徴とするクリアランスシール型シリンダアセンブリ。
  2. 【請求項2】シリンダと、該シリンダに挿入されて往復
    運動するピストンとの間にクリアランスシール部を形成
    したクリアランスシール型シリンダアセンブリにおい
    て、 ピストン(22)を、内側円柱部分(22a)と該内側円柱
    部分(22a)に一体的に形成された外側円筒部分(22b)
    とから構成するとともに、 シリンダ(24)を、該ピストン(22)の内側円柱部分
    (22a)が嵌合される凹部(27)を画成する円筒部分(2
    4a)と該ピストン(22)の外側円筒部分(22b)が嵌合
    される環状溝(26)を有するブロック形状とすることに
    より、 該ピストン(22)の内側円柱部分(22a)の外周面と該
    シリンダ(24)の円筒部分(24a)の内周面との間、及
    び該ピストン(22)の外側円筒部分(22b)の内側及び
    外側の両面と該シリンダ(24)の円筒部分(24a)の外
    周面との間及び環状溝(26)を画成する壁部との間にク
    リアランスシール部(28)を形成したことを特徴とする
    クリアランスシール型シリンダアセンブリ。
  3. 【請求項3】前記クリアランスシール部(18,28)に対
    応する前記ピストン(12,22)の表面に凹凸を形成した
    ことを特徴とする請求項1又は2記載のクリアランスシ
    ール型シリンダアセンブリ。
  4. 【請求項4】第1シリンダ(46)と第2シリンダ(52)
    内部を連通路(60)によって連通し、第1シリンダ(4
    6)内部にガスの圧縮を行うピストン(44)を摺動自在
    に設け、第2シリンダ(52)内部にガス流に連動して動
    作するディスプレーサ(54)とディスプレーサ支持機構
    (66)を設け、ガス圧とディスプレーサ支持機構(66)
    の共振によってディスプレーサ(54)を往復運動させる
    スターリング冷凍機において、 請求項1〜3のいずれかに記載のピストンアセンブリ
    (10,20)を前記第1シリンダ(46)及びピストン(4
    4)から構成されるピストンアセンブリに採用したこと
    を特徴とするスターリング冷凍機。
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