JPH0465234B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は低温冷却システムに係り、更に詳細に
いえば、このシステムに使用する往復運動するコ
ンプレツサピストンに係るものである。

従来の技術 スターリングサイクル低温冷却機は往復運動す
るピストンを設けたコンプレツサを含んでいる。
往復運動するピストンは作用流体の圧力にほとん
ど正弦変化を生じる。この作用流体はコンプレツ
サピストンの上方のヘツドスペースを含む体積と
冷却機の冷指片の内部空所とを含む体積を満た
す。スプリツトスターリングシステムの場合に
は、作用体積はまたコンプレツサと冷指片とを互
いに接続するガス導管も含んでいる。冷指片内で
は、変位部材が作用流体の正弦圧力変動と時定関
係にして運動して冷指片の一端で冷却を行う。

典型的には、スターリングサイクル冷却機は電
動機で駆動されるコンプレツサを含み、本発明は
この形式でスターリングサイクル冷却機に関連し
て説明する。従来技術のコンプレツサでは、コン
プレツサピストンのまわりの動シールは一般に環
状の唇状部材または割りリングシールであつた。

発明が解決しようとする問題点 そのようなコンプレツサをスプリツトスターリ
ングシステムに使用する場合の１つの問題は往復
運動するピストンとそれを取巻くハウジングとの
間の動シールを通り漏洩するということである。
この漏洩によりピストンのヘツドスペースにおけ
る作用体積とピストンの後部にまで延びている制
御体積すなわち空所との間をガスが流れることに
なる。ピストンの往復運動中一方向における漏洩
が他方向における漏洩よりも大であると、作用流
体の平均圧力が増大するか減少し勝ちである。典
型的には、冷却機は作用流体のある企画した平均
圧力にほぼ設計してある。従つて、コンプレツサ
の使用につれシールが劣化しまた作用流体の平均
圧力が変化するに従い、冷却機の効率が低下す
る。このように効率が低下するとエネルギーの消
費量が増し冷却機の能力が低下する結果となる。

きわめて最近になつて、この形式のコンプレツ
サは間隙シールを設けるようになり、この間隙シ
ールはシールリングよりも耐摩性で従つて耐用寿
命が長い。更にまた、そのような間隙シールはシ
ールリングに比較して作用流体に汚染物を混入し
て冷却機の性能を低下させる可能性は少ない。こ
の形式のシールの１例が1983年４月22日付で出願
した米国特出願第487513号に記載されている。

問題を解決するための手段 作 用 本発明の１つの目的は、改良された間隙シール
を設けたスターリング冷却機用のコンプレツサを
提供することである。更にまた、本発明の１つの
目的は間隙シールを容易に製造できシリンダヘツ
ドのゆがみに関連した問題を克服することであ
る。

本発明はピストンハウジング内にスリーブが浮
動するよう位置決めされている低温冷却機に係
る。スリーブはセラミツク材で構成され一端では
可成りの範囲で変化する圧力をかけられ他端では
比較的に一定した圧力をかけるられる。スリーブ
内を往復運動するようにしたピストンもまたセラ
ミツク材で構成されている。

セラミツクのスリーブはハウジングにかスリー
ブに設けたスナツプリングがハウジングを含むい
くつかの手段によりピストン内に保持できる。

ピストンはその外径がスリーブの内径の0.12mm
（0.005インチ）以内となるようスリーブ内にきつ
く位置決めされている。しかしながら、スリーブ
は浮動できピストンハウジングの誤整列またはゆ
がみを補償するようピストンハウジング内に一層
ゆるく位置決めされる。弾性的シールはスリーブ
とピストンハウジングとの間でのブローバイを防
止する。

本発明の好ましい具体例では、ピストンのセラ
ミツク材はサーメツトでありスリーブのセラミツ
ク材よりいく分軟かい。

２部片ピストンハウジングを有する本発明の好
ましい具体例では、ピストンハウジングの一方の
部片はピストンと共働してガス用の圧縮作用スペ
ースを形成するようほぼ閉じている。ピストンハ
ウジングの他方の部片は開放していてピストンを
駆動手段に接続できるようにしてある。この駆動
手段はセラミツクのピストンピンを介してピスト
ンに接続されている電動機から接続桿であるのが
好ましく、このピストンピンはピストンと共働し
て軸受を形成し低温冷却機の冷媒ガスにより潤滑
される。

本発明の前記した目的その他の目的、特徴およ
び利点は各図において同じ符号が同じ部品を示す
添付図面に示した本発明の好ましい具体例につい
て以下に詳細に説明することにより明らかになる
ことと思う。図面は必ずしも実物大ではなく本発
明の原理の例示に重点を置いている。

実施例 スプリツトスターリング冷却機が第１図に示し
てある。この冷却機は往復運動するコンプレツサ
１４と冷指片１６とを含んでいる。コンプレツサ
は加圧した冷媒ガスの体積１８内に正弦圧力変化
を生じる。この圧力変化は供給管路２０を経て冷
指片１６に伝達される。

冷指片１６は円筒形の変位部材すなわちピスト
ン要素２６を備えている。変位部材２６は自由に
上下動しそれにより温かいスペース２２と冷たい
スペース２４との体積を変える。変位部材２６は
蓄熱々交換器２８を収容し、この蓄熱々交換器は
この例では円筒形マトリツクスを形成するよう積
み重ねた数百の微細メツシユの銅製スクリーンデ
イスクで構成されている。他の一般的蓄熱器はデ
イスクの代わりに積み重ねたボールを利用する。
ヘリウムの冷媒ガスが温かいスペースと冷たいス
ペースとの間で冷却機を通り流れる。ピストンの
延長部３０が変位部材２６から上方に冷指片の温
かい端部におけるガスばね体積３２にまで延びて
いる。

コンプレツサ１４は往復運動するピストン３６
を包囲している気密のハウジング３４を備えてい
る。ピストン３６は電動機３８からクランク機構
を介して駆動される。クランク機構は電動機のシ
ヤフト４２に取り付けたクランクカム４０と接続
桿４４とを備えている。接続桿４４はカムにより
軸受４６を介して駆動され、この軸受はこの例で
は２つのきつく合わさるセラミツクのスリーブに
より形成されている。接続桿すなわちアーム４４
はピストンピン４８を介してピストン３６を駆動
する。融合したセラミツクのコネクタ３７を貫通
している電気的導線３９から電動機３８に電力が
供給される。コンプレツサにより生じた熱はコン
プレツサのシリンダを包囲している熱消散フイン
５０により周囲の空気に放射される。

第１図に示した冷却機は加圧されたガスの３つ
の隔離した体積を含んでいると示してある。クラ
ンク室ハウジング３４は密閉されピストン３６の
下方に加圧ガスの制御体積すなわち死体積を収容
している。ピストン３６はスペース１８内のガス
の作用体積ならびにこの制御体積に作用する。ガ
スの作用体積は空所１８、供給導管２０および冷
指片１６等の内部のガスから成る。冷指片そのも
のは温かいスペース２２と冷いスペース２４と再
生器２８内の空間とを含む。

コンプレツサ内の第３の体積はガスばね体積３
２である。このガスの体積はピストンの延長部３
０を包囲しているシール５４により冷指片作用体
積から密封されている。従来技術のピストンシー
ル５４が示してあるが、1980年３月28日付で出願
した米国特許第241418号に記載した如き他のシー
ルも使用できる。

第２図には第１図のコンプレツサが拡大断面図
で示してある。第２図は第１図から90゜回転して
拡大図で示してある。第１図と第２図とのコンプ
レツサにはピストンが広範囲の温度にわたり非常
にきつい間隙シール６７を使用して作用できるよ
うにする浮動するセラミツクのスリーブが組み込
んである。

ピストン３６はサーメツトまたはセラミツクで
構成されたセラミツクのフリーブ５８内で往復運
動する。ピストンの外径はスリーブ５８の内径と
ほぼ同じでこれら２つの表面間の半径方向間隙は
5.08×cm×10^-6（２×10^-6インチ）程度に小さい。
浮動するスリーブはピストンを拘束されずにその
ように閉じ込められて自由に往復運動させるため
に利用する。スナツプリング６２がスリーブ５８
をその軸線方向位置に保持するが、スリーブはエ
ラストマーシール６８，７０に抵抗して１つの側
から他の側に移動できるようにする。アルミニウ
ムのシリンダヘツド３５とスリーブ５８との間に
は約2.54×10^-3cm（１×10^-3インチ）の比較的大
きい半径方向間隙６６が設けてある。

摩耗を極減しまた滑かな軸受面を形成するため
ピストンとスリーブとはセラミツクまたはセルメ
ツト材で構成されている。これら軸受面の硬度は
ロツクウエルＣスケールで少なくとも60とすべき
でロツクウエルＣスケールで70以上であることが
好ましい。摩耗抵抗はこれら２つのきつくはまる
可動部品の摩耗率が１時間当り１ミクロインチ以
下となる程度である。この摩耗率はこれら部品が
16ミクロインチよりすぐれた表面仕上げを有して
いる場合である。更にまた、ガスの冷媒はピスト
ンとスリーブとの間の僅かなすきまを満たして摩
耗を少なくするため潤滑作用を行う。

サーメツトは金属と接合したセラミツク特性を
備えている物質である。典型的にはセラミツクは
非金属元素と複合した周期表の第２、３または４
族の金属または金属に似た物質の化合物を含む。
典型的には、非金属元素は炭素、シリコンまたは
ホウ素で稀には酸素、窒素および硫黄である。そ
のようなセラミツクの側としては二酸化アルミニ
ウム、酸化バリウム、二酸化チタン、ホウ化チタ
ン、炭化ホウ素、窒化珪素および熱分解黒鉛が含
まれる。セラミツクの使用特性を好適にするため
それに他の元素を選択的に加えることができる。
鋼合金に炭化チタンを混合して登録商標
「Ferrotic」の下に販売している好ましいセルメ
ツトを形成する。ピストンとスリーブとは全体を
セラミツクまたはセルメツトで構成する必要はな
いが、その作用面に何らかの方法で少なくとも表
面層を被覆してすりむけを防止し低摩擦面を形成
する必要がある。

ピストンとスリーブとが同様な材料で作られて
いるので、熱膨張および収縮は問題でない。スリ
ーブとピストンとが熱により膨張したりまたは収
縮したりする際に比較的に大きい間隙６６は変化
に順応するに十分である。たとえば、もし小さい
間隙シールを有するこのスリーブをピストンヘツ
ドに直接装着すると、低温での作動中にピストン
ヘツドが収縮することによりピストンをスリーブ
内で拘束しスリーブをひび割りさせる。この問題
はこれまでは間隙シールを如何に狭く作るかを制
約し従つてシールの効果を制約した。ここで述べ
ている小さい間隙シールは浮動するスリーブによ
る運動の自由がなくては可能でなかつた。

外部の運動が僅かな損傷によりケーシングすな
わちピストンハウジング３５がゆがむと浮動する
スリーブがハウジングの僅かなゆがみも吸収でき
るのでピストンとスリーブとの配置に影響を及ぼ
さないことを注目する必要がある。また、ピスト
ンに相対的にクランク腕が振動運動すると浮動す
るピストンが吸収する側方の力を生じる。

図示した間隙シールはまたガス流が一次的に蓄
熱器内で生じるよう変位部材に利用することもで
きる。

純粋なセラミツクの間隙シール要素に圧接する
セルメツトの間隙シール要素を使用すると特に有
利であると判つた。セラミツクから生じた破片は
サーメツトの軟かい方の金属に集められる。２つ
の間隙シール要素のセラミツクはまだ間隙シール
要素に望ましいロツクウエルＣスケールで60より
大きな非常に硬い表面を形成する。更にまた、２
つの間隙シール要素のセラミツクはすりむけを防
止する。サーメツトはセラミツクに比較して機械
加工が容易であるのでセラミツクより利点を有し
ているので２つの要素の更に複合物をサーメツト
で作る必要がある。この具体例の場合、ピストン
はサーメツトで作つてある。

シール６８，７０はセラミツクのスリーブを緩
衝して作用スペース１８とピストンの背後の空所
１９との間のブローバイを防止する。シール７０
はシール６８だけでガスのブローバイを防止する
のに十分であるので任意なものと考えられるがあ
る場合にはシール７０は空所のガスの体積を極限
するのに役立つ。ガスケツト７２がシリンダがシ
リンダヘツドの表面７６にがたがた当るのを防止
しシリンダヘツドとスリーブとの間のゆるみを弾
性的に吸収する。

接続桿４４はピストン３６にそれに設けたピン
孔に押しばめされ接続桿４４にきつく拘束したピ
ストンピン４８を介して駆動する。ヘリウムで潤
滑にしたスリーブ軸受がピストンピン４８とピス
トン３６との間で表面７４の個所に形成され接続
桿４４がピストンに相対的に振動できるようにす
る。ピストンとピストンピンとの間には間隙シー
ル６７からの加圧されたヘリウムガスがピストン
ピンを通り接続桿とピストンヘツドとの間に入れ
るようにするに十分な間隙スペースが設けてあ
る。この間隙スペースは約5.08×10^-4cm（２×
10^-4インチ）である。スペーサ６０がピストンが
ピストンピンの片側から他方の側に移動するのを
防止する。これらスペーサは工具鋼かガラスを満
たしたテフロンで作ることが好ましく約0.25mm
（0.010インチ）の厚味にしてある。ピストンとス
ペーサとの間には0.15〜0.076mm（0.006ないし
0.003インチ）の間隙が残りヘリウムガスが空所
１９を通過できるようにする。

コンプレツサにおいては、間隙シール６８は作
用スペース１８と空所１９との間におけるガスの
流れを遅らせる流体抵抗と考えることができる。
従つて、作用スペースにおける圧力がほとんど正
弦に変化するので、ピストンの上方と下方とに共
にシール６７の長さにわたり可逆圧力降下があ
る。ピン軸受に潤滑ヘリウムガスを押し通すピス
トンピン軸受７４の小さい間隙にわたりまた可逆
圧力降下が生じる。ピストンピン軸受７４を通る
加圧されたガスの流れは摩擦と磨耗とを減少す
る。溝６４と空所１９との間の間隙シール６７の
部分はこの流体抵抗がないとピストンピン軸受は
その全長に沿い空所１９の圧力を受けるので重要
である。このピンの全長に沿い差圧がないと、軸
受７４を適当に潤滑にする流体の流れはない。ヘ
リウムが非常に小さいガス粒子を有しているの
で、ピストンにこのガスのために設けた小さい間
隙スペースはピストンピンを潤滑にするガスの安
定した流れに設けるに十分な以上である。

ピストンピン４８もまたサーメツトの如き硬化
した材料で構成されている。ピストンがサーメツ
トの如き硬化して材料で構成されているので、ピ
ストンとピストンピン７４との接触面はすりむき
に抵抗する。

摩損域はすりむけは、可動部品間の摩擦が高く
またこれら部品の表面硬さが金属の局部的の高い
個所に隣接面を刻み目を付け溶接させるに十分な
程度低い時に生じる。サーメツト材を使用すると
すりむけに抵抗する硬い仕上げを行う。ピストン
と5.08×10^-4cm（２×10^-4インチ）の間隔を有す
るきつくはまるピストンピンでは、ピストンピン
をヘリウムガスで潤滑にすると接触応力は摩擦損
傷を防止するに十分な程度に低い。ヘリウムガス
はピンの表面を冷却し摩擦係数を低く保持する。
スペーサ６０もまたヘリウムの流れで潤滑にして
作動中に接続桿とピストンとによるこすりに抵抗
する。第１図と第２図とには、圧力平衡溝６４が
示してある。この溝６４はピストンピンを通るヘ
リウムガスの流れがスリーブ内のピストンの位置
に影響を与えないようピストンの周囲の圧力を平
衡にする。

ヘリウムで潤滑にしたピストンピンを使用する
と同じ目的のため従来使用した他の形式の軸受に
比較していくつかの利点を有している。

前記した形式のコンプレツサでは、ケージに入
れた軸受は一般に大きすぎスリーブ軸受は一般に
もろすぎる。従つて、小形のコンプレツサでは、
ピストンピンとピストンとの間に十分な補足針状
軸受を使用することが通例である。グリースを詰
めた針状軸受はその内部をローラが運動すること
による高周波暴音を生じ勝ちである。ローラは相
互とピストンピンとをたたき勝ちである。更にま
た、グリースを詰めた軸受からのグリースはヘリ
ウムの環境に逸出する。そのように汚染すると冷
却機の効率を低下する。これらの問題はほとんど
騒音を生じず事実上汚染を生じないヘリウムで潤
滑にされたピストンピンにより回避する。また潤
滑にされたピストンピンがまたスターリングエン
ジンピストンにおいてもこの同じ利点を有してい
ることを注目する必要がある。

ゴムのガスケツト７２とガスケツト６８，７０
とはスリーブと往復運動するピストンとをピスト
ンハウジング３５から隔離する傾向がある。これ
により往復運動するピストン３６により生じた高
周波騒音を減少する。更にまた、ガスケツトはロ
ーリング６８にわたる差圧の変動を減少しそれに
よりローリングの摩耗を減少する。

第３図には本発明の具体例を示す以外は第２図
に示したシリンダと同様なシリンダが断面で示し
てある。この具体例では、２部片のピストンヘツ
ド７８，８０がインジウムのシール８２に組み合
わせてある。ヘツドの鋳造物を組み合わせると、
スリーブ８４の肩部８５をゆるく封じ込める。

セラミツクのスリーブ２４は第２図に関連して
説明したスリーブと非常に似た方法で作用する。
セラミツクのピストン３６とスリーブ３４との間
には非常に小さい間隙が形成され他方ピストンと
ハウジング７８，８０との間には大きい間隙が残
されている。２つのシール８６，８８は作用スペ
ース１８と空所１９との間のガスのブローバイを
防止する作用を行う。もしスリーブとピストンと
の間にガス通路が残されているとこのガスのブロ
ーバイが生じる。シール８８はまた空所１９の寸
法を制限する。

先に述べた具体例において述べたきつい間隙シ
ールの利点に加えて、この具体例の利点は間隙シ
ール自体の延長部から得られる利点がある。ピス
トンスリーブ８４は下方のピストンヘツド７８か
ら下方に間隙シールの軸線方向長さに沿い延びて
いる。ピストンのストロークの大部分中に、ピス
トン全体を使用して間隙シールを形成する。その
ようなシールは長ければ長い程有効で漏洩はそれ
だけ少ない。

この具体例の更に１つの利点は２部品シリンダ
ヘツドを使用することにより組立てを容易にする
ということである。間隙シールを有する２部品シ
リンダヘツドは浮動スリーブかないと機械加工が
非常にむずかしい。これは間隙シールが要求する
厳密な寸法決めが２部片組立て体に対して大きな
並べ問題を提起するからである。２部片組合わせ
体におけるきつい問題シールはもし僅かに誤整列
してもピストンを拘束させる。この具体例では、
どのような僅かな誤整列も間隙シールとピストン
ヘツドとの間のすきまによりピストンの作用に影
響を及ぼさずに吸収される。

第４図には騒音を減少するのに特に好適な本発
明の具体例が示してある。前記形式の往復運動す
るピストンは高周波騒音を生じ勝ちである。第４
図に示したピストンとスリーブとの組合わせはピ
ストンとスリーブとを騒音を減衰させるようシリ
ンダから隔離している。

シリンダヘツドはインジウムのシール８３で互
いに接続した２つの部分７９，８１で構成されて
いる。インジウムのシール８３はコンプレツサか
ら作用流体が逸出するのを防止する。ガスケツト
９０，９２がスリーブとその振動および騒音をシ
リンダヘツドから隔離する。ガスケツト９０，９
２により形成したゴムのサンドイツチ構造体が一
体のスリーブを設けたコンプレツサピストンと比
較して500ないし4000ヘルツの範囲の騒音を50％
減少する。更にまた、接続桿４８とカムシヤフト
との間の軸受もまた高周波騒音を更に減少する。
ゴムのサンドイツチ構造体で緩衝できる。騒音減
衰ガスケツト用の１つの好ましい材料は８０，９
０デユロポリウレタンゴムである。

多くの点において、この具体例のシールは第３
図に関連して説明したシールよりすぐれている。
大きなすきまがシリンダヘツドとセラミツクのス
リーブとの間にあり他方非常に小さいすきまがセ
ラミツクのピストンとスリーブとの間にある、ス
リーブ自体はシリンダヘツド内をいく分浮動でき
それにより２つのシリンダヘツド部片の熱による
変化または誤整列により生じた不一致を補償す
る。

本発明を特に好ましい具体例を示して説明した
が前記特許請求の範囲に記載した原理と範囲とを
逸脱することなく形成と細部の点とを種々変更で
きることは当業者には明らかなことと思う。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を具体化するスプリツトスター
リング冷却機の略図、第２図は第１図のコンプレ
ツサピストンとそれを包囲するシリンダヘツドと
の断面図、第３図は本発明の別の具体例を示すシ
リンダヘツドとスリーブとの断面図、第４図はコ
ンプレツサの騒音を減少するのに特に好適な本発
明の具体例を示すシリンダヘツドとスリーブとの
断面図である。 １２……冷却機、１４……コンプレツサ、２６
……変位部材、３５……ピストンハウジング、３
６……ピストン、４４……接続ピン、５８……ス
リーブ、６７……間隙シール、６８，７０……弾
性シール、７８，８０……２部片ハウジング。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 低温冷却機において、ピストンハウジング
   と、 該ハウジング内に浮動するよう位置決めされ且
   セラミツクで構成され且一端ではピーク対ピーク
   圧力が可成り変動し他端では比較的に一定圧力で
   あるスリーブと、 セラミツクで構成され且軸線方向に往復するよ
   うスリーブ内に位置決めされているピストンとか
   ら成る組合わせ体を備えていることを特徴とする
   低温冷却機。 ２ スリーブがスナツプリングによりピストン内
   に保持されている特許請求の範囲第１項の低温冷
   却機。 ３ ピストンハウジングが２部片から成り、スリ
   ーブが２部片ピストンハウジングの組立て体によ
   り封じ込まれている特許請求の範囲第１項の低温
   冷却機。 ４ スリーブ内に位置決めしたピストンがスリー
   ブの内径の0.12mm（0.005インチ）以内の外径を
   有している特許請求の範囲第１項の低温冷却機。 ５ ピストンのセラミツク材がサーメツトである
   特許請求の範囲第１項の低温冷却機。 ６ 低温冷却機において、 軸受の２部片間にシールを設けた２部片ハウジ
   ングと、 セラミツクで構成され且ハウジングの２部片の
   組立て体によりゆるく保持されたスリーブと、 セラミツクで構成されたピストンでありスリー
   ブ内を軸線方向に往復運動し且ピストンハウジン
   グの一部片と共働してガス圧縮用のほぼ閉じた作
   用スペースを形成し且ハウジングの他方の部片が
   開放していて駆動手段をピストンに接続できるよ
   うにしてあるピストンと、 ピストンとスリーブとの間の間隙シールと、ピ
   ストンの圧縮スペースからスリーブとハウジング
   との間をガスが漏洩するのを防止する弾性的シー
   ルとから成るコンプレツサピストン組立て体を備
   えていることを特徴とする低温冷却機。 ７ 冷却機シリンダ内を往復運動する変位部材を
   備え、該変位部材が冷却機シリンダ内のヘリウム
   ガスとガスばね体積中のガスとの間の差圧により
   往復運動駆動され、冷却機シリンダがコンプレツ
   サ内のコンプレツサスペースと流体連通し、コン
   プレツサスペースと冷却機シリンダとがコンプレ
   ツサハウジング内のピストンにより圧縮および膨
   張せしめられるヘリウムガスの閉じた作用体積を
   形成し、更にまたコンプレツサピストンの両端間
   に流体シールを形成し、該流体シールがコンプレ
   ツサハウジング内にゆるく位置決めした浮動する
   スリーブの硬くて滑かな壁と硬くて滑かなシリン
   ダ壁との間に低摩擦間隙シールであることを特徴
   とするヘリウムによる低温冷却機。 ８ 間隙シールとピストンとの間の半径方向間隙
   が2.54×10^-4cm（１×10^-4インチ）以下である特
   許請求の範囲第７項の冷却機。 ９ スリーブがセラミツク材で構成されている特
   許請求の範囲第７項の冷却機。 １０ ピストンがサーメツトで構成されている特
   許請求の範囲第９項の冷却機。 １１ クランク機構がセラミツクのピストンピン
   により振動運動するようピストンに接続され、ピ
   ストンピンがスリーブ軸受を形成しヘリウムガス
   で潤滑にされている特許請求の範囲第７項の低温
   冷却機。