JPH03282162A - 膨張エンジン - 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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、シリンダとピストンとで形成される容積可変
の膨張室を使ってガス温度を低下させるようにした膨張
エンジンに関する。

（従来の技術） ヘリウム冷凍機のガス膨張機として往復動式の膨張エン
ジンが多用されている。この膨張エンジンでは、シリン
ダとピストンとで形成される容積可変の膨張室を使って
ガスを膨張させ、この膨張によってガス温度を低下させ
るようにしている。

ところで、膨張エンジンでは、ガスの汚染を防止する観
点から油やグリース等を使って潤滑することは好ましい
ことではない。したがって、通常は無潤滑の状態で使用
される。このような機械の設計には、シリンダとピスト
ンとの間からの流体の漏れを防止するシール技術および
ピストン・シリンダ等の相対運動部品の摩耗抑制技術が
重要になる。特に、シール性能の向上を図るとともに、
シールの摩耗を極力減らして機械の寿命向上、保守費用
の低減を図るシール技術の確立が必須課題になっている
。

本発明者らは先に、特願昭６１−２２８２０７号に示さ
れているように、シールの相手面をセラミックスで形成
するとともに表面を適度な粗さに研磨すれば、シール自
体の摩耗の減少化、長寿命化が可能であることを見出し
た。そして、上記シール構造を膨張エンジンに適用して
みた。

第６図には上記シール構造を適用した膨張エンジンの概
略構成が示されている。

同図において、１はフランジを示している。このフラン
ジ１は、真空断熱空間２と大気空間３とを仕切る機能を
兼ねている。そして、フランジ１を気密に貫通する形に
膨張エンジン４がフランジ１に固定されている。

膨張エンジン４は、大きく別けると、有底のシリンダ５
と、このシリンダ５内に往復動自在に収容されてシリン
ダ５とで容積可変の膨張室６を形成するピストン７と、
ピストン７に応動させて高圧ガスを膨張室６内へ供給す
る給気機構８と、ピストン７に応動させて膨張室６内の
低圧ガスを排出する排気機構９と、大気空間３に配置さ
れてピストン７の動きをたとえば電気エネルギに変換し
て回収する図示しない動力吸収機構とで構成されている
。

シリンダ５は、この例では真空断熱空間２側に位置する
有底の第１のシリンダ１０と、大気空間３側に位置して
第１のシリンダ１０の開口端に同軸的に結合された第２
のシリンダ１１とで構成されている。第１のシリンダ１
０は、開口端周縁部に形成された鍔部１２がフランジ１
に係止される関係にフランジ１に設けられた孔１３に大
気空間３側から差込まれている。第２のシリンダ１１は
、第１のシリンダ１０の内径と等しい内径に形成された
両端開放のスリーブ１４と、このスリーブ１４の外側に
配置されてスリーブ１４を保持する両端開放の筒体１５
とからなる二重管構造に形成されている。そして、第２
のシリンダ１１は、第１のシリンダ１０の軸心線とスリ
ーブ１４の軸心線とが同一線上に位置するように筒体１
５の図中下端周縁部に形成された鍔部１６が第１のシリ
ンダ１０の鍔部１２に重ね合わせられ、この状態でボル
ト１７で鍔部１２を介してフランジ１に固定されている
。ここで、スリーブ１４は、セラミックス、たとえば窒
化珪素で形成されており、その内面は平均面粗さが０．
０４〜０．２μ−に研磨されている。

一方、ピストン７は、このピストン７を介して熱が侵入
するのを極力小さくするため、熱伝導率の小さいフェノ
ール樹脂で形成されている。そして、ピストン７の図中
上端部は、ピストンの一部をなす接続ブロック１８を介
してピストンロッド１９に連結されている。なお、ピス
トンロッド１９は、図示しない動力吸収機構に接続され
ている。

ピストン７の接続ブロック１８との境界位置には、リン
グ溝２０が設けてあり、このリング溝２０にはシリンダ
５との間からのガスの漏れを防止するためのパツキン型
のシール２１が装着されている。シール２１は自己潤滑
性を有する材料、たとえばＰＴＦＥを母材とする複合材
料で形成されている。このシール２１は、ピストン７と
一体となって往復動し、ピストン７の往復動ストローク
ｇの範囲では常にスリーブ１４の内面を潤滑剤なしに摺
動する。また、ピストン７には、このピストン７をシリ
ンダ５の内面に習わせて運動させるためのガイドリング
２２．２３が装着されている。このガイドリング２２．
２３もシール２１と同様に自己潤滑性を有する材料で形
成されている。

このように構成された膨張エンジンは次のような動作を
行う。

ピストン７は、図中Ｐ、で示す位置を下死点とし、Ｐ２
で示す位置を上死点としてＰｌ、２２間をストロークｇ
で往復動するものとする。

今、ピストン７が下死点Ｐ１に近付くと、吸気機構８の
給気弁が開き、高圧ガスが膨張室６内へ流れ込む。ピス
トン７が下死点Ｐ、で折り返すと、ピストン７は高圧ガ
スに押されて上死点Ｐ２側へと移動を開始する。なお、
ピストン７が下死点Ｐ１から一定距離離れた時点で給気
弁が閉じ、膨張室６への高圧ガスの供給が停止される。

ピストン７はガス圧によって、さらに上死点Ｐ２側へと
移動する。このため、膨張室６の容積が急激に大きくな
り、これに伴って膨張室６内のガスが急激に膨張する。

このため、膨張室６内のガス温度が急激に低下する。な
お、ピストン７の動きはピストンロッド１９を介して図
示しない動力吸収機構に伝達される。

ピストン７が上死点Ｐ２付近に達するとガスの膨張が終
了する。また、排気機構９が動作して排気弁が開く。上
死点Ｐ２に至ると、動力吸収機構の運動方向反転作用を
受けてピストン７は下死点Ｐ２側へと移動を開始する。

この移動で低圧、低温のガスが膨張室６から排気され始
める。この排気動作はピストン７が下死点ＰＩに近付く
まで行われ石。そして、再びピストン７が下死点付近に
移動すると排気機構９の排気弁が閉じ、給気機構８の弁
吸気弁４が開いて上述した動作が繰り返えされる。

この膨張エンジン４にあって、シール２１は常にセラミ
ックスで形成されたスリーブ１４の内面を摺動相手面と
している。このため、シール２１の摩耗が減少し、連続
運転可能な時間を長くできる。

しかしながら、上記構成の膨張エンジンにあっても以下
に述べる欠点があり、改善が望まれていた。この膨張エ
ンジンにおけるシリンダ５の内面は、第１のシリンダ１
ｏの内面と、これに軸方向に繋がるスリーブ１４の内面
とで構成されている。

第１のシリンダ１０は一般的にはステンレス鋼等の金属
材で形成され、スリーブ１４は前述の如くセラミックス
で形成されている。このように、まったく別個に形成さ
れた第１のシリンダ１ｏとスリーブ１４とを軸方向に組
み合わせて１つのシリンダ内面を形成するようにしてい
る。しがし、各々をどのように高精度に加工し、高精度
に組立てても、数１０ミクロンオーダの加工誤差は避け
られない。このため、組み立て時に第１のシリンダ１０
の軸心線とスリーブ１４の軸心線とを同一線上に位置さ
せることが極めて困難で、両軸心線間に傾きが生じたり
、両軸心線が偏心したりするのを免れ得ない。この種の
膨張エンジンでは、デッドボリュームを極カ減らすため
シリンダ５の内径とピストン７の外径との差を０．１〜
０．２＋ａｍ程度に設定するのが一般的である。しがも
ピストン７は、柔らかい材料であるフェノール樹脂で形
成されている。したがって、第１のシリンダ１０の軸心
線とスリーブ１４の軸心線との不一致によって、スリー
ブ１４の内面と第１のシリンダ１０の内面との境界部分
に僅かでも段差が存在していると、この段差によって形
成されている突部にピストン７の外面が接触しながら摺
動する。この結果、ピストン７が摩耗し、この摩耗粉が
シリンダ５内を汚染するばかりか、シール２１の摺動部
に侵入する。

シール２１の摺動部に侵入した摩耗粉は研磨剤のように
機能する。このため、シール２１の長寿命化を図るため
にセラミックス製のスリーブ１４を用いているにも拘ら
ず、シール２１の寿命をそれ程長くできないと言う問題
があった。特に、膨張エンジンを横置きで使用した場合
には、摩耗粉の発生量が多くなり、深刻な問題となる。

ピストン７の摩耗はシール２１の寿命を減らすだけでな
く、ガスの純度、ピストン７の運動精度にも悪影響をお
よほす。また、ピストン７の不要な摩擦により発生する
摩擦熱はガス温度を上昇させるように作用するので、膨
張エンジンの性能低下をも招くことになる。

（発明が解決しようとする課題） 上述の如く、従来の膨張エンジンにあっては、シールの
寿命を向上させるためにシリンダにスリーブを装置して
も、このスリーブの特徴を効果的に発揮させることがで
きない問題があった。

そこで本発明は、シール等の構成部品の寿命・性能に悪
影響をおよぼすピストン自身の摩耗を大幅に減らすこと
ができ、もって信頼性の高い膨張エンジンを提供するこ
とを目的としている。

［発明の構成コ （課題を解決するための手段） 上記目的を達成するために、本発明の一実施例によれば
、有底のシリンダと、このシリンダ内に往復動自在に装
着されて上記シリンダとで容積可変の膨張室を形成する
ピストンと、このピストンに装着されてシリンダの内周
面との間から流体が漏れるのを防止するシールと、シリ
ンダに、このシリンダの軸方向の一部の内周面を肩代り
する関係に装着されて前記シールの摺動面を形成するス
リーブとを備えた膨張エンジンにおいて、ピストンの前
記スリーブの端部を横切る領域の直径を他の部分より小
径に形成している。

（作　用） ピストンの軸方向位置で、スリーブの端部を横切る領域
の直径を他の部分より小径に形成している。ピストンの
軸方向位置で、最も摩耗の生じ易い位置はスリーブの端
部を横切る領域である。

したがって、この領域を小径に形成しておくと、この領
域はスリーブの端部あるいはスリーブ内面のシール摺動
部に接触しないか、あるいは強く接触しない。このため
、スリーブの端部によってピストンが削られるのを抑制
でき、摩耗粉の発生が大幅に抑制される。したがって、
摩耗粉の存在によって起こるシールの寿命低下、装置全
体の性能低下を防止することが可能となる。

（実施例） 以下、図面を参照しながら実施例を説明する。

第１図には本発明の一実施例に係る膨張エンジン４ａの
概略構成が示されている。なお、この図では第６図と同
一部分が同一符号で示されている。

したがって、重複する部分の詳しい説明は省略する。

この実施例に係る膨張エンジン４ａが従来のものと異な
る点は、ピストン７ａの構成にある。

この実施例において、ピストン７ａは、その軸方向位置
のスリーブ１４の端部３０を横切る領域３１が軸方向に
ｊｌｌ＋　　（ただし、Ｎ＋＞Ｎ）の範囲に互って他の
領域より小径に形成されている。

すなわち、領域３１の直径は、ピストン７ａの他の領域
の直径が３０〜４０關であるとき、これより０．５ｍｍ
前後小径に形成されている。

このように構成された膨張エンジン４ａは、従来例と同
様な動作を行う。

この場合、ピストン７ａの軸方向位置でスリーブ１４の
端部３０を横切る領域３１を他の領域より小径に形成し
ているので、第１のシリンダ１０の軸心線とスリーブ１
４の軸心線との不一致が原因で第１のシリンダ１０の内
面とスリーブ１４の内面との境界部分に僅かの段差が存
在していても、この段差部分にピストン７ａ、つまり領
域３１が接触するようなことはない。

したがって、ピストン７ａがスリーブ１４の端部３０で
削られるのを防止でき、摩耗粉の発生量を大幅に減少さ
せることができる。このため、シール２１の摺動部に侵
入する摩耗粉の量を極めて少なくでき、この結果、シー
ル２１の摩耗を抑制できるので、シール２１の長寿命化
を実現することができる。また、ピストン７ａからの摩
耗粉の発生を抑制できるので、ガス純度の低下も防止で
き、さらにはピストン７ａの運動精度も長時間にわたっ
て維持することができる。また、小径に形成された領域
３１の存在によって、第１のシリンダ１０の軸心線とス
リーブ１４の軸心線との不一致によって起こる不具合を
解消できるので、逆に第１のシリンダ１０とスリーブ１
４との組立てを特に高精度に行わなくてもよいことにな
り、組立ての簡単化も図ることができる。

第２図には本発明の別の実施例に係る膨張エンジン４ｂ
の概略構成が示されている。なお、この図では第１図と
同一部分が同一符号で示しである。

したがって、重複する部分の詳しい説明は省略する。

この実施例が第１図に示される実施例と異なる点は、ピ
ストン７ｂの構成にある。

ピストン７ｂは、フェノール樹脂で形成されたピストン
本体４１と、このピストン本体４１に接続機構４２を介
して軸方向に接続されるとともにピストンロッド１９へ
の接続ブロックを兼ねた金属製の補助ピストン４３とで
構成されている。

補助ピストン４３は、ピストン７ｂがストロークｇで往
復動しているときには、常にスリーブ１４の軸方向範囲
内を往復動し得る軸方向位置および軸方向長さに設定さ
れている。そして、補助ピストン４３の外周面にはリン
グ溝２０が形成されており、このリング溝２０に自己潤
滑性を有する材料、たとえばＰＴＦＥを母材とする複合
材料で形成されたパツキン型のシール２１が装着されて
いる。また補助ピストン４３の外周面でシール２１を境
にして両側には同じく自己潤滑性を有するガイドリング
２２．２３が装着されている。

接続機構４２は、具体的には第３図に示すように構成さ
れている。すなわち、ピストン本体４１の図中上端部お
よび補助ピストン４３の図中下端部に底部が広い係止溝
４４．４５を軸心線と直交する方向に設け、これら係止
溝４４，４５に係止部材４６を装着し、曲げ方向（回転
変位成分）および半径方向（平行変位成分）に自由度を
もってピストン本体４１と補助ピストン４３とを連結す
る構成となっている。

このような構成であると、接続機構４２の存在によって
、補助ピストン４３はスリーブ１４の内面を習って往復
動じ、またピストン本体４１は第１のシリンダ１０の内
面を習って往復動することになる。したがって、第１の
シリンダ１０ヘスリーブ１４を組込むとき、両部材の加
工誤差等によって両者の真直度・真円度等に多少のずれ
があっても、また温度によってピストン本体４１に曲げ
変形が多少あっても、ピストン全体の無理な摺動が避け
られ、ピストン全体をスムーズに往復動させることがで
きる。このため、たとえ横置きで使用した場合であって
も、ピストン本体４１には自重のみが作用するだけで、
ピストン本体４１をガイドするガイドリングがなくとも
ピストン本体４１の摩耗を大幅に減少させることができ
、摩耗粉の発生によって起こる寿命の低下やガスの汚染
を防止することができる。また、両ガイドリング２２．
２３の存在によってシール２１をスリーブ１４の内面に
確実に習わせることができるので、シール２１を周方向
に均一な緊迫力でスリーブ１４の内面に添わせて摺動さ
せることができる。

この結果、シール２１の寿命向上を図れるばかりか、シ
ール性能においても十分な能力を発揮させることができ
る。

第４図には本発明のさらに別の実施例に係る膨張エンジ
ン４ｃの要部だけが示されている。そして、この図では
第２図と同一部分が同一符号で示されている。したがっ
て、重複する部分の詳しい説明は省略する。

二の実施例では、第２図に示した実施例と同様に、ピス
トン本体４１と補助ピストン４３とを自由度をもった接
続機構４２で軸方向に接続してピストン７Ｃを構成して
いる。そして、ピストン本体４１の軸方向位置でスリー
ブ１４の端部３０を横切る領域４４の直径を他の部分よ
り小径にしている。

このような構成であると、第２図に示した実施例と同様
の効果が得られるとともにピストン本体４１の領域４４
がスリーブ１４の端部３０で削られるのを確実に防止す
ることができる。したがって、寿命を一層向上させるこ
とができるとともに性能も一段と向上させることができ
る。

なお、本発明は上述した各実施例に限定されるものでは
なく種々変形実施することができる。たとえば、第５図
に示すように、シリンダ５ａの開口側内面に削り出し加
工等で段部５１を形成し、この段部５１にスリーブ１４
を装着するようにしたものにも適用できることは勿論で
ある。また、ピストン本体と補助ピストンとを接続する
接続機構は、軸芯線と直交する方向の自由度をもち、し
かも曲げ方向にも自由度を備えたものでありさえすれば
よい。

［発明の効果］ 以上述べたように、本発明によればシールの長寿命化を
実現するためにシールの摺動相手面を別体形成のスリー
ブで構成したときに起こり易い不具合の発生を構成の複
雑化を招くことなく解消できる。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明の一実施例に係る膨張エンジンの概略構
成図、第２図は本発明の別の実施例に係る膨張エンジン
の概略構成図、第３図は同エンジンに組込まれた接続機
構の縦断面図、第４図は本発明のさらに別の実施例に係
る膨張エンジンの要部断面図、第５図は本発明のさらに
異なる実施例に係る膨張エンジンの要部断面図、第６図
は従来の膨張エンジンの概略構成図である。 ４ａ、４ｂ、４ｃ＝・膨張エンジン、５．５ａ−・・シ
リンダ、６・・・膨張室、７ａ、７ｂ、７ｃ・・・ピス
トン、８・・・給気機構、９・・・排気機構、１０・・
・第１のシリンダ、１１・・・第２のシリンダ、１４・
・・スリーブ、１５・・・筒体、１８・・・接続ブロッ
ク、１９・・・ピストンロッド、２０・・・リング溝、
２１・・・シール、２２．２３・・・ガイドリング、３
０・・・スリーブの端部、３１．４７・・・領域、４１
・・・ピストン本体、４２・・・接続機構、４３・・・
補助ピストン、５１・・・段部。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）有底のシリンダと、このシリンダ内に往復動自在
   に装着されて上記シリンダとで容積可変の膨張室を形成
   するピストンと、このピストンに装着されて上記シリン
   ダの内周面との間から流体が漏れるのを防止するシール
   と、前記シリンダに、このシリンダの軸方向の一部の内
   周面を肩代りする関係に装着されて前記シールの摺動面
   を形成するスリーブとを備えた膨張エンジンにおいて、
   前記ピストンは、前記スリーブの端部を横切る領域の直
   径が他の部分より小径に形成されてなることを特徴とす
   る膨張エンジン。
2. （２）有底のシリンダと、このシリンダ内に往復動自在
   に装着されて上記シリンダとで容積可変の膨張室を形成
   するピストンと、このピストンに装着されて上記シリン
   ダの内周面との間から流体が漏れるのを防止するシール
   と、前記シリンダに、このシリンダの軸方向の一部の内
   周面を肩代りする関係に装着されて前記シールの摺動面
   を形成するスリーブとを備えた膨張エンジンにおいて、
   前記ピストンは、前記シリンダの内面に習って往復動し
   ながら前記膨張室を形成するピストン本体と、前記スリ
   ーブの内面に習って往復動しながら前記シールを保持す
   る補助ピストンと、この補助ピストンと前記ピストン本
   体とを所定の自由度を持たせて軸方向に接続する接続手
   段とで構成されていることを特徴とする膨張エンジン。
3. （３）有底のシリンダと、このシリンダ内に往復動自在
   に装着されて上記シリンダとで容積可変の膨張室を形成
   するピストンと、このピストンに装着されて上記シリン
   ダの内周面との間から流体が漏れるのを防止するシール
   と、前記シリンダに、このシリンダの軸方向の一部の内
   周面を肩代りする関係に装着されて前記シールの摺動面
   を形成するスリーブとを備えた膨張エンジンにおいて、
   前記ピストンは、前記シリンダの内面に習って往復動し
   ながら前記膨張室を形成するピストン本体と、前記スリ
   ーブの内面に習って往復動しながら前記シールを保持す
   る補助ピストンと、この補助ピストンと前記ピストン本
   体とを所定の自由度を持たせて軸方向に接続する接続手
   段と、前記ピストン本体の前記スリーブの端部を横切る
   領域に形成された他の部分より小径の小径部とで構成さ
   れてなることを特徴とする膨張エンジン。
4. （４）前記スリーブはセラミックスで形成されているこ
   とを特徴とする請求項１、２、３のいずれか１項に記載
   の膨張エンジン。
5. （５）前記スリーブの前記摺動面の平均面粗さは、０．
   ０４μｍから０．２μｍの範囲であることを特徴とする
   請求項１、２、３のいずれか１項に記載の膨張エンジン
   。