JPH02294540A - シール装置およびスターリングエンジン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明はシール装置およびスターリングエンジンに関す
る。

従来の技術 従来、この種シール装置は第４図の様な構造になってい
た。

１はシリンダでその中に軸２が配設されている。

３はベローズで空間４と空間５とを隔てている、また空
間４には流体Ａが封入されており、空間５には流体Ｂが
封入されている。以下作用について説明する。運転時に
於て軸２は軸方向に運動しておりベローズ３の一端は軸
２とともに運動しながら空間４内の流体Ａと空間５内の
流体Ｂとが混合するのを防いでいる。

発明が解決しようとする課題 しかし、この様な構造のものでは空間４の圧力と空間５
の圧力の差が許容値をこえるとべローズ３が破壊すると
いう欠点があった。言い替えるとこの方法では空間４の
圧力と空間５の圧力差がべ口−ズ３の許容圧力差以下の
時にしか使用できないという欠点があった。

そこで、本発明はシールすべき二種類の流体の圧力が異
なってもベローズが破壊しないようにし、もってシール
装置の利用範囲を拡大するとともに信頼性を向上させる
ものである。

課題を解決するための手段 そして上記課題を解決する本発明の技術的な手段は、シ
リンダ内を第１の空間と他の空間とに隔てるように配設
されたシリンダの一部を成す壁と、前記他の空間を軸と
壁との隙間を介して第１の空間に連通ずる第２の空間と
それ以外の空間である第３の空間とに分割するように配
設された軸の変位にともなってその形状が変化する隔壁
と、第１の空間と第２の空間とを連通ずる流路と、この
流路に配設され流体Ａを第１の空間と第２の空間との間
で移動させるポンプ装置と、第２の空間と第３の空間と
の圧力差を検出する差圧検出器と、この差圧検出器の出
力信号を受信し第２の空間と第３の空間との圧力差が設
定値以下になるように前記ポンプ装置に制御信号を送る
制御装置とを備えたこを特徴とする。

作　　　用 この技術的手段による作用は次のようになる。

即ち、隔壁はシリンダ内の第１および第２の空間内の流
体Ａとシリンダ内の第３の空間内の流体Ｂとをシールす
る。

そして制御装置は第２の空間と第３の空間との圧力差を
検出する差圧検出器の出力信号を受信し、第１の空間と
第２の空間とを連通ずる流路に配設されたポンプ装置に
、第２の空間と第３の空間との圧力差が設定値以下にな
るように制御信号を送る。

この圧力差の設定値は隔壁の許容圧力差以下になってお
り隔壁が破壊するのを防いでいる。

実施例 以下、本発明の第一の実施例におけるシール装置につい
て、第１図に基づいて説明する。

本実施例の目的はシリンダθ内の空間１０，１２に封入
された流体Ａと空間１１゛に封入された流体Ｂとを、空
間１０と空間１２の圧力差の大小に関わらず高い信頼性
でシールすることである。

第１図に於て、θはンリンダ、７はシリンダθ内に配設
された軸、８はその一部に軸７が貫通している穴を有す
る壁、９は空間１０と空間１１とを運通しないように隔
てるように配設されたべ口−ズ、ダイアフラムなどの隔
壁であり、本実施例はベローズの場合である。

また、空間１０．１２には流体Ａが封入されており、空
間１工には流体Ｂが封入されている。１３は空間１０と
空間１２とを連通ずる流路で、途中に流体Ａを空間１０
と空間１２との間で移動させるポンプ装置１４が設けら
れている。一方、１５は空間ｌＯと空間１１の圧力差を
検出する差圧検出器、１６は差圧検出器１５の出力信号
を受信し空間１０と空間１１との圧力差が設定値以下に
なるようにポンプ装置１４に制御信号を送る制御装置で
ある。

また１７は空間１０と空間１２との間で壁８と軸７との
隙間を通って往来する流体Ａの流量を減らし、空間１０
と空間１１の圧力差を制御するに要するポンプ装置１４
の流■を減らし、消費エネルギを減らすためのロッドシ
ールである。

以下作用について説明する。運転中シリンダθ内の軸７
は軸方向に往復運動している。また運転状態の変化によ
り空間１１の圧力と空間１２の圧力は変化し、それにと
もなって空間１０と空間１１との圧力差も変化する。

ところで制御装置１６は、差圧検出器ｌ５の出力信号を
受信し空間１０と空間１１との圧力差が設定値以下にな
るようにポンプ装置１４に制御信号を送っている、即ち
、空間１０と空間１１との圧力差が設定値より大き＜、
シかも空間１０の圧力が空間１１の圧力より大きいとき
は制御装置１６はポンプ装置１４に制御信号を送り、空
間１０から空間１２へ流体Ａを移動させ、設定値以下に
なればポンプ装置１４に制御信号を送り流体Ａの移動を
停止する。

逆に、空間１０と空間１１との圧力差が設定値より大き
く、シかも空間１０の圧力が空間１１の圧力より小さい
ときは制御装置１８はポンプ装置１４に制御信号を送り
、空間１２から空間１０へ流体Ａを移動させ設定値以下
になればポンプ装置１４に制御信号を送り流体Ａの移動
を停止する。

このようにしてベローズ９前後の圧力差をベローズ９の
許容圧力差以下に保ち、ベローズ９が破壊するのを防い
でいる。

この様に本実施例は、空間１２と空間１１の圧力が異な
ってもベローズ９が破壊するのを防ぐことができるため
、シール装置全体の利用範囲が拡大し、信頼性も高まる
という効果がある。

なお本実施例においては空間１０．１２には流体Ａが封
入されており、空間１１には流体Ｂが封入されているが
、空間１１は真空であっても支障なく機能する。また差
圧検出器１５の代わりに圧力検出器を２個設けても同様
の効果が得られ、更に空間１１が真空の時は空間１０の
圧力検出用に圧力検出器を１個設けても同様の効果が得
られる。

次に、本発明の第二の実施例におけるシール装置ついて
第２図に基づいて説明する。

本実施例の目的は第一の実施例の目的と同じである。本
実施例が第一の実施例と異なる点は第一の実施例に於け
る差圧変換器１５に代えて　変形量検出器１８が設けら
れていることである。以下の説明においては、主に第一
の実施例と異なる点を説明する。また、第一の実施例と
同一の構成で同一の作用をする部分は同一の番号を付す
。

第２図に於で、１８はベローズの変形量を検出する変形
量検出器で、具体的には渦電流式の変位計等が使用され
ている。渦電流式の変位計を用いた例で説明すると検出
器１８はベローズ９との距離の信号を出力しており、こ
れは変形量と対応している。例えば（空間１０の圧力一
空間１１の圧力）が大きくなるにつれてベローズ９は膨
張し、検出器１８とベローズ９との距離は小さくなる。

逆に、　（空間１０の圧力一空間１１の圧力）が小さく
なるにつれてベローズ９は収縮し、検出器１８とベロー
ズ９との距離は大きくなる。

ところで、検出器１８の出力信号はベローズ９の表面は
凸凹しているため（空間１０の圧力一空間１１の圧力）
のみならず軸７の位置によっても変化するが、検出器１
８の形状等を適当に選ぶことによって軸７の位置による
影響を実用上差し支えのない程度にすることができる。

以下作用について説明する。運転中シリンダ６内の軸７
は軸方向に往復運動している。また運転状態の変化によ
り、空間１２の圧力と空間１１の圧力は変化し、それに
ともなって空間１０と空間１１との圧力差も変化する。

ところで制御装置１６は変形量検出器１８の出力信号を
受信し変形量が設定値以下になるようにポンプ装置１４
に制御信号を送っている、即ち、変形量が設定値より大
きく、シかもベローズ９が膨張しているときは制御装置
１６はポンプ装置１４に制御信号を送り、空間１０から
空間１２へ流体Ａを移動させ設定値以下になればポンプ
装置１４に制御信号を送り流体Ａの移動を停止する。

逆に、変形量が設定値より大きく、シかもベローズ９が
収縮しているときは制御装置１６はポンプ装置１４に制
御信号を送り、空間１２から空間１０へ流体Ａを移動さ
せ設定値以下になればポンプ装置１４に制御信号を送り
流体Ａの移動を停止する。

以上のように、ベローズ９の変形量を設定値以下に保ち
ベローズ９が破壊するのを防いでいる。

この様に本実施例は、空間１２と空間１１の圧力が異な
ってもベローズ９が破壊するのを防ぐことができるため
、シール装置全体の利用範囲が拡大し、信頼性も高まる
という効果がある。

次に、本発明の第三の実施例におけるスターリングエン
ジンついて第３図に基づいて説明する。

本実施例の目的はスターリングエンジンとそれで駆動さ
れる流体機械とを一体構造にしたものに於でスターリン
グエンジンの作業流体と流体機械内の流体とを流体の圧
力が変化しても高い信願性をもってシールすることであ
る。

本実施例は流体機械として圧縮機を用いた場合であり、
更に具体的にいうと、圧縮機は冷凍機などに用いる冷媒
圧縮機、圧縮機ピストンの駆動手段はフリーピストン型
スターリングエンジンを用いた例であり全体はエンジン
部、シール部、圧縮機部からなっている。なお、シール
部の構成と作用は第一の実施例と同一であり、第一の実
施例と同一の構成で同一の作用をする部分は同一の番号
を付す。

先ずエンジン部について説明する。１９は容器でその中
にヘリウム、窒素などのスターリングエンジンの作業流
体（以下ヘリウムと略称する）が封入されている。２０
は作業流体を加熱する加熱器、２１は作業流体を冷却す
る冷却器、２２は再生器である。２３は容器１９の内壁
と摺動しながら上下に運動するディスプレーサ、２４は
容器１９の内壁と摺動しながら上下に運動する出力ピス
トン、２５は出力ピストン２４に結合された軸である。

次に圧縮機部について説明する。２６はシリンダ、２７
は軸２５に結合されシリンダ２６内をシリンダ２６内壁
に摺動あるいはシリンダ２６と隙間を介して運動する圧
縮機ピストン、２８は低圧の流体が流動する低圧流路、
２９は吸入弁、３０は圧縮室である、３１は吐出弁、３
２は高圧流路、３３は凝縮器、３４は膨張弁、３５は蒸
発器である。また３６は運転停止中ヘリウムと冷媒との
差圧により圧縮機ピストン２７がシリンダ２６に衝突す
るのを防止するための圧縮コイルばねである。

以下作用について説明する。ディスプレーサ２３が下が
ると圧縮空間３７の体積は減少し膨張空間３８の体積は
増加する、そのため圧縮空間３７の圧力は膨張空間３８
の圧力より高くなり、この差圧によって圧縮空間３７及
び冷却器２１の中にある低温のヘリウムは再生器２２、
加熱器２０を通って膨張空間３８の方へ流れていく、こ
のときヘリウムは再生器２２および加熱器２０によって
加熱される、そして再生器２２は逆に冷却される。

この様にして低温のヘリウムが加熱されるため圧縮空間
３７、冷却器２１、再生器２２、加熱器２０、膨張空間
３８を合わせた空間（以下作動空間と略称する）の圧力
が増加し出力ピストン２４を引き下げる。このとき出力
ピストン２４はロッド２５に対して仕事をする。一方、
ディスプレーサ２３が下がりつづけるとガスばね空間３
９の圧力が次第に増加し、遂にはディスプレーサ２３は
下がるのが止まり今度は逆に上昇を始める。ディスプレ
ーサ２３が上昇すると今度は圧縮空間３７，の体積は増
加し膨張空間３８の体積は減少する、そのため膨張空間
３８の圧力は圧縮空間３７の圧力より高くなりこの差圧
によって膨張空間３８および加熱器２０の中にある高温
のヘリウムは再生器２２、冷却器２１を通って圧縮空間
３７の方へ流れていく、このときヘリウムは再生器２２
および冷却器２１によって冷却される。そして再生器２
２は逆に加熱される。この様にして高温の作業流体が冷
却されるため作動空間の圧力が低くなり出力ピストン２
４を引き上げる。このとき出力ピストン２４は軸２５に
対して仕事をする。

一方、ディスプレーサ２３が上がりつづけるとガスばね
空間３９の圧力が次第に減少し、遂にはディスプレーサ
２３は上がるのが止まり今度は逆に下降を始める。以上
述べたような一回りの過程に於でヘリウムは加熱器２０
によって得た熱の一部を軸２５に対する仕事に変え、一
部を冷却器２１に捨てるのである。通常ディスプレーサ
２３の位置の位相角は出力ピストン２４の位置の位相角
に対して６０″〜９０″′進んでいる。

ところで圧縮機部についてはフリーピストン型スターリ
ング会エンジンで駆動される軸２５に結合されている圧
縮機ピストン２７は出力ピストン２４と同じ速度で運動
している。圧縮機ピストン２７の上下運動に伴って低圧
流路２８の低圧低温の気相冷媒は吸入弁２９を通って圧
縮室３０へ流入し圧縮されて高圧高温となり吐出弁３１
を通って高圧流路３２へ流出する。更に凝縮器３３に流
入して高圧の液相となり膨張弁３４に流入、流出して低
圧低温の気液二相となり更に蒸発器３５で加熱され、低
圧低温の気相となり低圧流路２８へ流入する。

以上述べたような一回りの過程に於で圧縮機ピストン２
７が冷媒にした仕事と冷媒が蒸発器３５で得た熱の和は
凝縮器３３で冷媒から捨てられる、そして蒸発器３５お
よび凝縮器３３で冷熱及び温熱がそれぞれ利用できる。

次にシール部について説明する。シール部は第一の実施
例と同一の働きをしている。即ち、ベローズ９は空間１
２内のヘリウムと空間１１の冷媒をシールしている。し
かも本シール装置は空間１０と空間１１との圧力差をベ
ローズ９の許容圧力差以下に保ち、ベローズ９が破壊す
るのを防いでいる。従って例えば圧縮機の運転条件が変
化し低圧流路２８の圧力や高圧流路３２の圧力が変化し
それに伴って空間１１の圧力が変化してもベローズ９が
破壊する事はない。これは空間１２の圧力が変化したと
きも同様である。

この様に本実施例は、第一の実施例におけるシール装置
と圧縮機を駆動するスターリングエンジンとを組み合わ
せたものであるので、空間１２と空間１１の圧力が異な
ってもベローズ９が破壊するのを防ぐことができるため
、シール装置全体の利用範囲が拡大し、信願性も高まる
。即ち、スターリングエンジンの空間１２のヘリウム圧
力と圧縮機の空間１１の冷媒圧力とが異なる条件で運転
してもベローズ９が破壊することがなくなり、ス夕一リ
ングエンジンおよび圧縮機全体の利用範囲が拡大し、信
頼性も高まるという効果がある。

発明の効果 本発明によれば、流体Ａと、流体Ｂの圧力が異なっても
隔壁が破壊することがな《、その結果シール装置の利用
範囲を拡大し、信顆性が向上するという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第一の実施例におけるシール装置の縦
断面図、第２図は本発明の第二の実施例におけるシール
装置の縦断面図、第３図は本発明の第三の実施例におけ
るスターリングエンジンの縦断面図、第４図は従来例の
シール装置の縦断面図である。 ６・・・・・・シリンダ、７・・・・・・Ｍ、９・・・
・・・ベローズ、　１３・・・・・・流路、　１４・・
・・・・ポンプ装置、１５・・・・・・差圧検出器、ｌ
６・・・・・・制御装置、１８・・・・・・変形量検出
器、１９・・・・・・容器、２０・・・・・・加熱器、
２１・・・・・・冷却器、２２・・・・・・再生器、２
３・・・・・・ディスプレーサ、２４・・・・・・出力
ピストン、２５・・・・・・軸、２７・・・・・・圧縮
機ピストン、　２６・・・・・・シリンダ、　２９・・
・・・・吸入弁、３１・・・・・・吐出弁、３３・・・
・・・凝縮器、３４・・・・・・膨張弁、３５・・・・
・・蒸発器、３６・・・・・・圧縮コイルばね。 代理人の氏名　弁理士　栗野重孝　はか１名図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）シリンダと、シリンダ内に配設された軸と、その
   一部に前記軸が貫通している穴を有しシリンダ内を第１
   の空間と他の空間とに隔てるように配設され前記シリン
   ダの一部を成す壁と、前記他の空間を軸と前記壁との隙
   間を介して第１の空間に連通する第２の空間とそれ以外
   の空間である第３の空間とに分割するように配設された
   軸の変位にともなってその形状が変化する隔壁と、第１
   の空間と第２の空間とに封入された流体Ａと、第３の空
   間に封入された流体Ｂと、第１の空間と第２の空間とを
   連通する流路と、この流路に配設され流体Ａを第１の空
   間と第２の空間との間で移動させるポンプ装置と、第２
   の空間と第３の空間との圧力差を検出する差圧検出器と
   、この差圧検出器の出力信号を受信し第２の空間と第３
   の空間との圧力差が設定値以下になるように前記ポンプ
   装置に制御信号を送る制御装置とを備えたことを特徴と
   するシール装置。
2. （２）シリンダと、シリンダ内に配設された軸と、その
   一部に前記軸が貫通している穴を有しシリンダ内を第１
   の空間と他の空間とに隔てるように配設され前記シリン
   ダの一部を成す壁と、前記他の空間を軸と前記壁との隙
   間を介して第１の空間に連通する第２の空間とそれ以外
   の空間である第３の空間とに分割するように配設された
   軸の変位にともなってその形状が変化する隔壁と、第１
   の空間と第２の空間とに封入された流体Ａと、第３の空
   間に封入された流体Ｂと、第１の空間と第２の空間とを
   連通する流路と、この流路に配設され流体Ａを第１の空
   間と第２の空間との間で移動させるポンプ装置と、前記
   隔壁の変形量を検出する変形量検出器と、この変形量検
   出器の出力信号を受信し変形量が設定値以下になるよう
   に前記ポンプ装置に制御信号を送る制御装置とを備えた
   ことを特徴とするシール装置。
3. （３）容器と、容器内に配設された軸と、その一部に前
   記軸が貫通している穴を有し容器内をエンジンの作業流
   体Ｅが封入されているエンジン空間と他の空間とに隔て
   るように配設された壁と、作業流体Ｅの加熱手段と、作
   業流体Ｅの冷却手段と、軸と一体に固定され容器に対し
   て運動しながら作業流体Ｅから仕事をされ軸に対して仕
   事をする出力ピストンと、前記他の空間を軸と壁との隙
   間を介してエンジン空間に連通する第２の空間とそれ以
   外の空間である第３の空間とに分割するように配設され
   た軸の変位にともなってその形状が変化する隔壁と、第
   ３の空間に封入された流体Ｂと、第１の空間と第２の空
   間とを連通する流路と、この流路に配設され流体Ａを第
   １の空間と第２の空間との間で移動させるポンプ装置と
   、第２の空間と第３の空間との圧力差を検出する差圧検
   出器と、この差圧検出器の出力信号を受信し第２の空間
   と第３の空間との圧力差が設定値以下になるように前記
   ポンプ装置に制御信号を送る制御装置とを備えたことを
   特徴とするスターリングエンジン。