JP2933390B2 - 一体型スターリングクリオクーラ用のシール構造体 - Google Patents

一体型スターリングクリオクーラ用のシール構造体

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JP2933390B2
JP2933390B2 JP3800022A JP80002291A JP2933390B2 JP 2933390 B2 JP2933390 B2 JP 2933390B2 JP 3800022 A JP3800022 A JP 3800022A JP 80002291 A JP80002291 A JP 80002291A JP 2933390 B2 JP2933390 B2 JP 2933390B2
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    • F02G2270/50Crosshead guiding pistons

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【従来の技術】
周知のように、スターリング・サイクル極低温冷却
器、即ちクリオクーラはモーター駆動の圧縮器を使用し
て、加圧された冷却気体で満たされた作動空間の反復的
容積変化を起こすようにする。加圧された冷却気体は圧
縮器の作動容積から熱交換器組立体を経て、コールド・
ヘッドが取り付けられた膨脹作動容積に供給される。熱
交換器組立体は、コールド・ヘッド内に配置された熱交
換器、再生用熱交換器、及び圧縮器に隣接して配置され
たもう一つの熱交換器を含む構成品からなる。再生用熱
交換器の両端には、冷却気体が出入できる開口が設けら
れている。
【0002】 圧縮器及び膨脹器は、スターリング・サイクルを生ず
るに要する容積変化を発生するための一定の関係を保っ
て往復し、冷却気体は熱交換器組立体を通って交番方向
に流される。前記構成品が往復する際に、冷却気体を圧
縮器から直接に受容する熱交換器は周囲よりずっと暖か
くなる。膨脹空間に取り付けられたもう一つの熱交換器
内では、冷却気体は周囲よりもずっと冷たい。冷却され
るべき装置は前記膨脹空間に隣接して載置される。
【0003】 クリオクーラはシールされているから、膨脹器及び圧
縮器のピストンが往復する際に、膨脹及び圧縮空間の容
積が変化する。スターリング・クリオクーラの効率は、
膨脹器及び圧縮器のピストンの運動を適切に時間調節す
ることによって最適化される。更に詳しくは、膨脹空間
の容積の変化が圧縮空間の容積変化よりも約90゜ほど先
行するように、前記構成品の運動を定めるべきである。
これによって、冷却気体が熱交換器の暖端から再生用熱
交換器に流入する前に圧縮器空間の圧力及び温度が最大
になることが保証される。費用有効性の高いスターリン
グ・クリオクーラであるためには、メンテナンスフリー
動作寿命が長くなければならない。
【0004】 スターリング・クリオクーラの最も一般的に構造に
は、「分割(split)」及び「一体(integral)」の2
種類の型がある。分割スターリング型は、膨脹器から機
械的に各位された圧縮器を具備する。周期的に変化する
加圧気体が気体輸送配管を介して圧縮器と膨脹器との間
で授受される。大部分の分割スターリングクリオクーラ
では、膨脹器の運動の適切な時間調節は精密な摩擦シー
ルを使用することによって達成される。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】 一体型スターリング・クリオクーラにおいては、圧縮
器、熱交換器、及び膨脹器が共通の筐体内に組み込まれ
ている。典型的な装置は、可動部分を駆動するために電
動機を使用する。しばしば内燃機関がピストンの運動の
適切な時間調節をするためにクランク軸を使用するよう
に、クランク室に配置されたクランク軸が圧縮器及び膨
脹器の運動を適切に時間調節するために使用される。そ
れだけに、典型的な一体型クリオクーラはクランク軸を
支持するために数個の軸受部が必要になる。圧縮器及び
膨脹器をクランク軸に結合するために連結棒が使用され
る場合には、更に余分の軸受部が必要になる。この装置
に関する問題は、これらの軸受部が潤滑材を必要とする
ことである。また、潤滑材はともすれば、凍結温度で凍
結し、再生用熱交換器内部における流通閉塞を惹起し、
クリオクーラの性能を低下させる。潤滑材によってもた
らされる問題を解消するための一つの方法は、クランク
室の内部の潤滑油を含む冷媒気体を、圧縮器及び膨脹器
の内部の潤滑油を含まない冷媒気体に対してシールする
ことである。多種多様な密封構造が使用されてきた。あ
るスターリング・システムでは、磨耗型の接触シール
(contact seal)を使用する。しかし、これらの構造
は磨耗粉を発生し、該磨耗粉が動作寿命を限定する結果
を招く。別のシステムでは、エラストマー質の円筒形ソ
ック・シール(sock seal)を使用するが、該シールは
複雑で高価な上、調和した寿命が得られるようには製作
できない。更に別のシステムでは、米国特許第4,532,76
6号で開示されるように、スターリング・サイクル作動
空間の内部に配置された複数の複雑なベローズ・シール
(bellows seal)を使用し、該シールの外側に配置さ
れた補助的圧力補償シールと結合させ、それによってベ
ローズ・シールをポンプのピストン及びパワーピストン
に同時に接続する。しかし、スターリング・サイクルに
固有の圧力動脈が、スターリング・サイクル作動空間の
内部に配置された単一のベローズ・シールの両側に容認
できない圧力差を生じ、その結果、ベローズ材料に高い
応力を負荷し動作寿命を縮めてしまう。
【0006】
【課題を解決するための手段】
複数のパワーピストン及び複数の補償ベローズの他
に、ピストンの頂部に付置される慣用のポンプピストン
のベローズ・シールが除去され、無接触で微小間隙のク
リアランス・シールの下流に単純な単一ベローズ・シー
ルが使用されて、ピストンとシリンダー壁との間のクリ
アランス・シールの濾過特性に因ってスターリング・サ
イクルの圧力脈動を本質的に除去する緩衝空間を構成す
る。更に、通気孔を開けられたクリアランス・シール
が、熱シール及びポンピング・シールを形成し、熱シー
ルΔpを顕著に減少し、且つポンピング・シールを通る
気体漏洩が冷気を移送することがない。
【0007】 本発明の目的は、密封ベローズ・シールを用いて含油
気体をスターリング・サイクル気体から完全に隔離する
ことである。
【0008】 本発明の別の目的は、クリアランス・シール及び緩衝
容積を用いて密封ベローズを長寿命モードで作動させる
ことである。
【0009】 本発明の更に別の目的は、パワー損失を最小化するた
め及び/又は効率を最大化するために、ベローズ・シー
ル、クレアランス・シール、及び緩衝容積即ち緩衝空間
を使用することである。
【0010】 本発明の更に別の目的は、ピストンからの熱損失を最
小化するためにベローズ・シール、通過孔を設けたクリ
アランス・シール、及び緩衝空間を使用することであ
る。
【0011】 基本的には、緩衝空間の圧力は、クリアランス・シー
ルに因って、スターリング・サイクル作動空間即ち膨脹
空間の平均作動圧力及び油潤滑化クランク室内の平均圧
力と同一にされ、従って、金属のベローズ・シールは該
シールを横切る圧力差をいささかも受けることはない。
更に、クリアランス・シール(該シールは熱シールとポ
ンピグ・シールの組合せである。)を圧縮空間に通気す
ることにより、膨脹空間と緩衝空間との間の圧力差と膨
脹空間と圧縮空間との圧力差との間に生ずる熱シールΔ
pを減少し、同時にポンピング・シールのみが圧縮空間
及び緩衝空間の圧力に関与するようになる。接触シール
の撤去及び複数のベローズ及び圧力補償器によって従来
占有されていた無用な空間の排除によって、動作寿命及
び性能も向上する。 添付の図面と共に次の詳細な説明を参照すれば、本発
明の一層良く理解できる。
【0012】
【実施例】
第1乃至5において、クランク室12を有するスターリ
ング・サイクル・クリオクーラ全体を参照数字10で示
す。クランク室12は油だめ13を有し、含油ヘリウム(冷
媒気体)で満たされている。モーター(図示せず)がク
ランク室12内に配置され、クランク軸44によって膨脹器
31のピストン30及び圧縮器131のピストン130を駆動す
る。特に図1を参照すると、ピストン30が単一ベローズ
・シール24によってクランク室12に関して密封されてお
り、同様に、ピストン130が単一ベローズ・シール124に
よってクランク室130に関して密封されているのが分か
る。また、クランク室12とベローズ24とで、クランク室
12の内部から流体的に隔離されたチャンバー34を画定し
ているのが分かる。同様に、クランク室12とベローズ12
4とが、クランク室12から流体的に隔離されたチャンバ1
34を画定する。しかし、チャンバ34及び134は緩衝チャ
ンバ50からなる補償器を介して接続されている。緩衝チ
ャンバ50は隔膜52によってチャンバ54から隔離されてお
り、チャンバ54はクランク室12の内部と流体的に連通し
ている。膨脹器31と圧縮器131とは、冷端熱交換器50、
再生用熱交換器60、暖端交換器16及び配管61を介して接
続されている。
【0013】 クリオクーラに要求される長時間の動作寿命を達成す
るためには、金属のベローズが、該ベローズを横切って
存在する(例えば、図1の空間34と54との間に)過剰な
圧力差を生じないように、作動されることが必要であ
る。圧縮及び膨脹空間の標準的なスターリング・サイク
ルの圧力変化はベローズが耐え得る限界をはるかに越え
るから、本発明のベローズは圧縮器ピストン30及び膨脹
器ピストン130のクランク室側に配置され、ピストンと
シリンダー壁の間に、例えば溶接によって、固定されて
いる。ベローズはピストン30、130の下側で所望の半径
方向距離を保ち下方側面に沿って固定される。膨脹及び
圧縮空間をそれぞれの緩衝空間(図1の34及び134)か
ら隔離するピストン周りの微小なクリアランス・シール
がスターリング・サイクル圧力変化を本質的に消去す
る。クランク室とピストンのクランク室側との間に取り
付けられたこのベローズ・シールの配置と、クリアラン
ス・シールとが、この緩衝空間134を、小さな圧力変動
は存在するけれども、本質的に平均作動圧力に維持す
る。クランク室充填圧力も平均クリオクーラ作動圧力に
近く、実効的なベローズ圧力差を長時間動作寿命を可能
にする値にまで減少する。緩衝空間34及び134内におけ
るピストン30及び130のクランク室側へのベローズ24及
び124の配置もベローズ空間の内側表面積をスターリン
グ基準気体空間から隔離し、従って、スターリング・サ
イクルの性能を向上する。隔膜52は緩衝チャンバ50の内
部に配置され、製造上の変動に起因する不測の温度によ
ってクランク室とスターリング・サイクルとの平均圧力
とが僅かに相違する状態においても、低圧力差を維持す
る。
【0014】 膨脹器31及び圧縮器130の内部と同様に、再生用熱交
換器60、熱交換器59及び16の内部、及びチャンバ34、50
及び134の内部の気体は純ヘリウムである。図1のシス
テムの動作においては、圧縮器131が膨脹器31よりも約9
0゜遅れて駆動される。
【0015】 スターリング・サイクルの圧縮段階では、膨脹器のピ
ストン30は、膨脹空間19の内容積が最小(これは大部分
の冷媒気体が2つの熱交換器及び圧縮空間119の内部に
在ることを示す。)になるように位相調節される。この
圧縮段階では、暖端熱交換器16からの熱エネルギは吸い
込み(sink)に放逐され、冷媒気体は殆ど一定の温度に
保たれる。次いで、両方のピストン30及び130の調整さ
れた運動によって、冷媒気体は膨脹空間19に移送され
る。次に、この段階の末期に、圧縮空間110の容積が最
小になる。次いで、膨脹空間19の容積を更に増大するよ
うに膨脹器ピストン30が動かされて、冷媒気体を冷却
し、コールド・ヘッド62の一体部分であってもよい冷端
熱交換器59によってエネルギが吸収されるようになる。
冷却効果によって、コールド・ヘッドに隣接して載置さ
れた装置は所望の温度に保持される。同じ過程内で、圧
縮器130及び膨脹器30のピストンの調整された運動が気
体を圧縮空間119に戻して、サイクルが繰り返せるよう
にする。
【0016】 さて、図2乃至4を参照すると、ボルトその他の適当
な構造(図示せず)及びシール材によって、クロス・ヘ
ッド14が密封され、クランク室12に固定されている。円
筒状部分14−1が、穴14−2を画定する膨脹器組立体の
熱交換器16内に備え付けられている。クロス・ヘッド14
は、穴14−5を画定する同軸管状部分14−3及び14−4
を更に含む。環状下方ターミナル18がクロス・ヘッド14
にボルト等によって適当に固定され、管状部分14−3を
取り囲む。O型リングその他の適当なシール20が下方タ
ーミナル18とクロス・ヘッド14との間の流体シールをな
す。環状ベローズ・シール24は、溶接のような流体を漏
洩しない方法で、下方ターミナル18とピストン30との間
に固着されている。
【0017】 動作時には、周期的に平均クリオクーラ圧力より上及
び下になるスターリング・サイクルに因って、膨脹空間
19及び圧縮空間119の両方に圧力変化が発生する。緩衝
空間34及び134とそれぞれの作動空間19及び119との間の
この瞬時圧力差が、膨脹器及び圧縮器のそれぞれのクリ
アランス・シール14−8及び114−8を通る漏洩の駆動
潜在力である。この漏洩が、クリアランス・シールの濾
過特性によって、スターリング・サイクルの圧力脈動を
本質的に除去する。しかし、この漏洩は駆動モーターに
対する追加パワーの形態で補償され得るパワー損失を意
味することにもなる。しかし、膨脹器ピストン30の場合
には、クリオクーラの冷却容量を直接的に減少させる付
加的な損失がある。この損失は、サイクルのある部分に
おいて膨脹空間19から引き出される冷たい気体、及びサ
イクルの残りの部分において膨脹空間に押し込まれる暖
かい気体によって、生ずるものであり、クリオクーラ容
量の正味損失をもたらす。この損失即ち熱損失は膨脹空
間の圧力とFF空間の圧力との差の関数である。この損失
は、クリアランス・シールの間隙14−8を最小化するこ
とによって減少できる。この損失は、クリアランス・シ
ールの間隙14−8を通気することによって更に減少でき
る。極めて精密な許容公差の間隙は製造が比較的困難で
あるから。シールの通気を実施して、比較的大きいクリ
アランス・シールの間隙14−8及び114−8のままで、
損失を最小化する。図1及び5は単一部分クリアランス
・シールを有する実施例を示す。
【0018】 図2乃至4には、膨脹器ピストン30が3つの部分、下
方部分30−3、凹所部分30−4及び上方部分30−5、に
分けられており、これらが膨脹器の下方ピストン・シー
ル14−9及び上方ピストン・シール14−10を構成する。
下方膨脹器又はポンピング・シールは、圧縮器ピストン
・シール114−8と同様に機能し、該シールを横切る圧
力は圧縮空間圧力と緩衝空間圧力との差に等しい。ピス
トン30の凹所部分30−4は、流路21を介して、暖端熱交
換器16にある環状チャンバ16−5に通気される。小流路
21及び環状チャンバ16−5の内部の気体の圧力は圧縮空
間119内と同じであり、冷たい膨脹空間19への又は該空
間からの漏洩駆動潜在力すなわち熱シールは、熱交換器
59を横切る圧力差即ち膨脹空間圧力と圧縮空間圧力との
圧力差のみである。これは一般的には膨脹空間19と緩衝
空間50との間の駆動潜在力よりも一桁低い大きさにな
る。このことによって、精密な公差を用いる場合は、上
方シール14−10が比較的短く作れるし、又、上方シール
の長さを同じままに保つ場合は、比較的大きい半径方向
間隙を用いることができる。シールの長さの最適化によ
って、熱損失と容易な製作を可能にする十分な大きさの
間隙との組合せを有し、膨脹器のピストン及びシール高
を減少し、更に重量を減少し、且つ比較的容易な製作を
可能にするように許容可能な間隙寸法を増大するような
膨脹器のシールを提供することが可能である。
【0019】 ピストン30は、無接触関係で穴14−2に受容された環
状の円筒部分30−1を有するピストン・ヘッドと、往復
動可能に穴14−5に受容される一体化案内棒30−2とを
含んでなる。任意の適当な慣用の方法で、案内棒30−2
はUリンク40に固定され、それによってストラップ42を
介してクランク軸44に結合される。
【0020】 管状部分14−3、下方ターミナル18、ベローズ24の内
側表面、上方ターミナル22及び円筒部分30−1の内側が
チャンバ32を画定し、該チャンバ32はクロス・ヘッド14
の穴14−6によってクランク室12の内部と流体的に連通
する。第2のチャンバ34がベローズ24の外側表面、下方
ターミナル18、上方ターミナル22及び穴14−2によって
画定される。チャンバ34は、上述のように、円筒部分30
−1と穴14−2との間のクリアランス・シール間隙14−
8によってピストン30を横切る限定された連通を有し、
流体的に14−7によって緩衝チャンバ50に接続される。
緩衝チャンバ50は隔膜52によって緩衝チャンバ54から隔
離される。緩衝チャンバ54は、12−1によってクランク
室12とつながっている。
【0021】 図4で最も良く分かるように、再生用熱交換器60は、
上方筐体即ち殻(shell)16−2及びコールド・ヘッド6
2の内側に配置されたシリンダー16−1の内側の熱交換
器即ち暖端クーラ16の環状領域の上方に配置される。圧
縮器131から流出するヘリウムガスは配管61を経て、下
方筐体16−4内の穴16−3を通り、そこから環状チャン
バ16−5に流入する。ヘリウムガスは環状チャンバ16−
5から、暖端熱交換器16内の暖端熱交換器管17の内部を
通り、再生用熱交換器60を含む上方筐体16−2に流入
し、組み合わされた冷端熱交換器59及びそれによって冷
却されるコールド・ヘッド62へ至る。
【0022】 図5で最も良く分かる圧縮器131は、膨脹器31と同様
な構造であり、対応する構造に100だけ大きい参照番号
を付してある。覆部146はクランク室12に適当に固着さ
れ、クラスヘッド114の穴130−1と協同して作用し、ピ
ストン130によって圧縮される気体容積を画定する。覆
部146は、配管61に通ずる穴146−1及び穴114−7をチ
ャンバ50に連結する穴146−2を有している。ピストン1
30とベローズ134及びクリアランス・シール114−8との
協同作用は、ピストン30、ベローズ24及びクリアランス
・シール14−9、14−10の協同作用と同一である。
【0023】 動作時には、クランク軸44がモーター(図示せず)に
よって回転させられ、それによって、該軸が、膨脹器31
のストラップ42及び圧縮器131のストラップ142を駆動す
る。ストラップ42及び142は約90゜位相がずれており、
圧縮器131のピストン130がピストン30よりも90゜遅れて
駆動されるようになっている。図2の頂部死点と図3及
び4の底部死点とを比較すると、チャンバ32及び34の各
々が図2の位置では最大容積を持ち、図3及び4の位置
では最小容積を持つことが分かる。その結果、クリオク
ーラ10の作動時には、チャンバ32及び34は容積を効果的
にポンプ駆動している。前述のように、先ず図2の装置
の位置で、チャンバ32及び34は最大になっている。ピス
トン30が図2の位置から図3及び4の位置に向かって移
動すると、チャンバ32内の含油冷媒気体はクロスヘッド
14内の穴14−6を経てクランク室12へ戻る。付随的にチ
ャンバ34からの冷媒気体は穴14−7を経て緩衝チャンバ
50へ押し込まれ、クランク室の圧力になっているチャン
バ内の冷媒に対抗して、隔膜52に作用する。隔膜52は、
チャンバ50と54との間の圧力差に応答する位置に置かれ
る。円筒部分30−1と穴14−2との間の微小間隙に構成
されたクリアランス・シール14−8の作用により、圧力
差は標準的には10psi未満である。膨脹器31に関する上
述の説明は、先に注記したように100だけ大きい参照番
号の圧縮器131の対応する構造にも当てはまる。
【0024】 さて、図6を参照すると、ベローズ24が、相互に溶接
された複数の金属隔膜素子24−1からなり、流体を漏ら
さないユニットを構成しているのが分かる。 ベローズ124も同じ構成である。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明を用いたスターリング・サイクル装置の概略の断
面図である。
【図2】 ピストンが頂部死点にあるときの、スターリング・サイ
クル装置の膨脹器組立体部分の部分断面図である。
【図3】 ピストンが底部死点にあるときの、スターリング・サイ
クル装置の膨脹器組立体部分の部分断面図である。
【図4】 図3にコールド・ヘッド及び再生用熱交換器を付加した
部分断面図である。
【図5】 ピストンが頂部死点にあるときの、圧縮器の部分断面図
である。
【図6】 取り付け構造を示すローズ・シールの断面図である。
【符号の説明】
10……スターリング・サイクル・クリオクーラ 12……クランク室 16、59……熱交換器 24、124……ベローズ・シール 30、130……ピストン 31……膨脹器 34、50、134……緩衝空間(チャンバ) 60……再生用熱交換器 61……配管 131……圧縮器
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−252456(JP,A) 特開 平3−286970(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) F25B 9/14 520 F25B 9/14 510

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】内部に、半径方向に延びる頂上部分を有し
    て形成される円筒状のピストン腔を有する筐体手段と、 前記円筒状のピストン腔内に配置された横断頂上部分を
    有する環状の円筒部分を具備し、前記円筒状のピストン
    腔の内部で往復運動するため駆動手段に連結されて動作
    するピストン手段であって、前記ピストン手段の往復運
    動中は前記筐体手段の前記半径方向に延びる頂上部分と
    共に気体のための作動空間を構成し、前記環状の円筒部
    分が前記駆動手段に隣接して配置された第1の部分を含
    むピストン手段とを含み、 前記ピストン手段の円筒部分が、正常動作中には前記ピ
    ストン腔と接触を生じないような間隙と、前記ピストン
    手段と軸方向に同一の広がりを有し、第1の端部が前記
    筐体手段に固定されて密封され、第2の端部が前記環状
    の円筒部分の前記第1の部分に固定されて密閉されたベ
    ローズ組立体を有し、それによって、前記ピストン手段
    の往復運動に伴い前記ベローズ組立体が膨脹及収縮する
    ようになっており、 さらに、前記ベローズ組立体と、前記ピストン手段の前
    記環状の円筒部分と前記ピストン腔との間隙との間に前
    記ベローズ組立体と同軸に空間を画定し、内部において
    作動空間内の圧力脈動が本質的に除去される緩衝手段と を含んでなることを特徴とする流体機械装置。
  2. 【請求項2】請求項1記載の流体機械装置であって、 前記筐体の前記円筒状のピストン腔が開口を有し、且つ
    前記ピストン手段の前記環状の円筒部分が周囲を取り囲
    まむ通気手段を有し、該通気手段が前記開口に隣接して
    反復的に配置され、それによって、前記作動空間から前
    記クリアランス・シールに沿い前記開口を通って漏れる
    気体の熱損失を減少させるようにする機械装置。
  3. 【請求項3】流体機械装置がスターリング・サイクル・
    クリオクーラである請求項2記載の機械装置。
JP3800022A 1990-07-10 1991-07-10 一体型スターリングクリオクーラ用のシール構造体 Expired - Lifetime JP2933390B2 (ja)

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