JPH05503572A - スターリング・フリーピストン・クライオクーラ - 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】 スターリング・フリーピストン・クライオクーラ及ｌ」とた！ 本発明は、高性能、長寿命化、低コストおよび低振動をもたらすスターリング・ フリーピストン・クライオクーラに関するものである。

１肚立皇１ 低温度での冷却のため冷凍装置を使用することは周知のことである。米国特許番 号３．６３６．７１９で記述されている如く、通常の冷凍装置は各種多様な構成 になっている。ディスプレイサー形装置の基本設計では、膨張室と圧縮室を画定 するシリンダ内に配置されたディスプレイサーが使用されることになっている。

これら二つの室の間に再生語形の熱交換器が連結されていて、この中をガスが通 過する。ディスプレイサーは、その操作において機械的往復運動が与えられ、上 部死点と下部死点の間を往復する。下部死点において、圧縮ガスは圧縮室に流入 した後、ディスプレイサーの動作によって圧縮される。ガスは、次に熱交換器を 通過し、そこで熱交換を行ったガスは、膨張室に流入し、断熱膨張を受ける。こ れによってガスの温度は低下し、冷気を生成する。ディスプレイサーが下降する と、膨張室内のガスは強制的に熱交換器を通り、冷却される。この周期は自動的 に反復され、連続的に冷気を生成する。

スターリング・エンジンは（「スターリング・エンジンＪ　、　Ｇ、Ｗａｌｋｅ ｒ著、　Ｃ１ａｒｅｎｄｏｎ　Ｐｒｅｓｓ発行、　１９８０年９頁４４６−４５ ０参照）冷凍用として使用され、満足な動作性能を示しているが、これらの構造 はきわめて複雑で、製造コストが高く、振動レベルが高い。

したがって、超低温で有効なスターリング・エンジンのサイクルで作動し、すぐ れた熱力学的性能を持ち、低い総振動レベルを達成し、寿命を伸ばすための熱力 学的ベアリングを備え、かつクライオクーラの汚染度が低い冷凍装置が必要であ る。

さらに、構成品のサイズを最小化し、製造・組立コストの軽減につながる発明の 設計が必要である。

肛豆旦Ｉ上 このため、高性能、低コスト、低振動、長寿命のスターリング・フリーピストン ・クライオクーラを提供することが本発明の目的である。

さらに、クライオクーラの熱力学的アッセンブリーとクライオクーラの駆動シス テムを接続することにより良好な熱力学的性能を実現すると同時に、熱膨張の効 果に対応できるようにすることがもう一つの目的である。

クライオクーラの機械構成部品を小型化するため、クライオクーラ・ディスプレ イサーの構成部品がパワー・ピストン構成部品内に組込まれるようになっている クライオクーラ・ディスプレイサーを提供することも本発明の目的である。

さらに、精密公差のステップ・ボアの使用を制限することによって、製造を単純 化し、費用を抑える発明を提供することも本発明の目的である。

本発明のこれらの目的、および、以下の説明に伴ってさらに明らかになるであろ うその他の目的を実現するために、本発明は、機械的駆動システムがパワー・ピ ストン・アッセンブリーとディスプレイサー・アッセンブリーにより形成される 対抗直列型（インライン）クライオクーラを提供する。

図面の簡単な説明 本発明の目的の本質をさらによく理解してもらうために、添付図面とあわせて、 以下の詳細な説明を参照されたい、添付図面において、 図１は本発明の第１実施例の断面概略図を示す。

図２は本発明の第２実施例の断面概略図を示す。

ましい　の　な−日 図面に関して、図１は本発明の第１実施例を示す。

クライオクーラ１は圧力容器エンクロージャ２を有する。内部において、容器２ は、中心一体型（ｃｅｎｔｒａｌｌｙ　ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ）コールド・ヘッ ド３、再生器４、膨張室熱交換器５、圧縮室熱交換器６及び圧縮室８に冷却水を 供給する円筒形バイブ７を含む熱力学的アッセンブリーを備えた対向式クライオ クーラの構成になっている。

本発明の機械的駆動部は、パワー・ピストン・シリンダ９、パワー・ピストン１ ０、及び、ディスプレイサー・ドーム１３を有するディスプレイサー・ピストン １１から成る。

パワー・ピストン・シリンダ９は、内孔１４および１９を有し、内孔１４が大内 径で、そして内孔１９が小径であり、内孔１４に対して段差のある構成である。

パワー・ピストン・シリンダ９の大径内孔１４は、パワー・ピストン１０用のシ リンダを形成する。

パワーピストン１０はそれぞれ外径部１４ａのシリンダ形状で、また内孔１５を 有する。パワー・ピストン１０の外径部１４ａは、パワー・ピストン・シリンダ ９の大径内孔１４内で、密なりリアランスにより滑りばめできるようになってい る。スピン・モータ１６は、パワー・ピストン・シリンダ９の内孔１４内でパワ ー・ピストン１０を回転させ、これによって、作動ガス流体力学的ベアリングエ フがパワー・ピストン１０に備わる。これらの表面間の密なりリアランスにより 、パワー・ピストン１０に対する外部ガス・シールが形成される。このシールは 、圧縮室８とバウンス室３０との間のガスの流れを制限する働きをする。

ディスプレイサー・アッセンブリーはパワー・ピストン・アッセンブリー内部に 組み込まれ配置、ディスプレイサー・ピストン１１とディスプレイサー・ドーム １３を包含する。ディスプレイサー・ピストン１１は、簡単なシリンダとして形 成され、密なりリアランスでパワー・ピストン１０の内孔１５に摺動するように なっている。パワー・ピストンの内孔１５およびパワー・ピストン・シリンダの 小径内孔１９は、ディスプレイサー・ピストン１１を同時に菌内径内に摺動可能 に嵌合できるように、実質的に同じ直径を持ち、また、互いに同一の中心軸を有 する。

適応シールを備えるため、ディスプレイサー・ピストン１１とパワー・ピストン ・シリンダ９の内孔１９との間は乾式潤滑のディスプレイサー・ピストン・リン グ２０が配置され、このディスプレイサー・ピストン・リング２０を設けること により、パワー・ピストン・シリンダの大径内孔と小径内孔との間で非常に精密 な公差を確保する必要がなくなる。さらに、ディスプレイサー・ピストン・リン グ２０は、ディスプレイサー・ピストン１１とパワー・ピストン・シリンダ９の 内孔との間に回転拘束力を与える。

パワー・ピストンの内孔１５と非回転の（ｒｏｔａｔｉｏｎａｌｌｙ　５ｔａｔ ｉｏｎａｒｙ）ディスプレイサーの外径部１２との間の相対的回転により、パワ ー・ピストン１０とディスプレイサー・ピストン１１との間に第２の流体力学的 ガス・ベアリング２１が形成される。

これらの表面間の密なりリアランスにより、パワー・ピストン１０用の内部ガス ・シールが形成される。このシールは、圧縮室８とガス・スプリング２２間のガ スの流れを制限する働きをする。

ガス・スプリング２２は、ディスプレイサー・ピストン１１の後向き背面３２、 および、パワー・ピストン１０のリニア・モータ２７のプランジャ・キャリア３ ４の前向き面３３との間の気体室２２によっそ、熱力学的に形成される。したが って、図１に示すように、ガス・スプリング２２は、これら２面の密閉された容 積で形成される。このガス・スプリング２２は、ディスプレイサー・ピストン１ １のために必要なばね力を提供する。さらに、ガス・スプリング２２はディスプ レイサー・ピストン１１からパワー・ピストン１０へ機械動力を伝達し、こうし て、膨張室２４からディスプレイサー・ピストン１１のドーム１３へ伝達される 機械動力の経路となる。

クライオクーラ・コールド・ヘッド・アッセンブリーは、図１に示すように、球 座形構成で配置されたコールド・ヘッド３、膨張熱交換器５及び再生器４から成 る。

クライオクーラは共通膨張室２４を有する。膨張室２４と再生器４の間には膨張 室熱交換器５が配置される。この熱交換器は、作動ガスがシリンダのひれ付き内 側部を通過するように円筒形になっている。膨張期間中に必要になる外部熱は、 膨張熱交換器５の外表面に外部から供給され、シリンダ壁を経て内側表面に送ら れる。

膨張熱交換器５は便宜上、図１に示すように、冷気をコールド・ヘッド３の作動 面３７に伝達する、銅などの一連の高熱伝導性材料の部材２６の中央内孔内に形 成することができる。

スピン・モータ１６はパワー・ピストン１０を回転させる。リニア駆動モータ２ ７は、駆動アセンブリーのリニア往復運動を起動する。

図２に関して、図２の圧力容器エンクロージャ１０２に収納されたクライオクー ラ１０１の本発明の第２実施例を示す。この場合、クライオクーラの熱力学的ア ッセンブリーは、２分割球座形の配置で、駆動機構に接続される。熱力学的構成 部分は、膨張室１０３と圧縮室１０４から離れて配置され、膨張室用および圧縮 室用のフルキシプル・チューブ１０５．１０６によって上記膨張室１０３及び上 記圧縮室１０４に接続されている。分割式クライオクーラの設計と異なり、図２ の実施例においては、ディスプレイサー・ピストン１０７は、コールド・ヘッド １０８の一部ではなく、その代わりに、対向ピストン配置の主機械駆動部の一部 になっている。

図２に示すように、コールド・ヘッド１０８は偏平で、その裏面は膨張熱交換器 １０９により形成される。コールド・ヘッド１０８は、再生器１１０の膨張面の 上に直接、取り付けられる。この配置の利点は、コールド・ヘッド１０８と膨張 室熱交換器１０９との間に優れた熱交流が実現され、さらに、膨張熱交換器１０ ９と再生器１１０の優れた一体化が実現されることにある。膨張室用フレキシブ ル・チューブ１０５及び圧縮用フレキシブル・チューブ１０６は、対応クライオ ポンプ機械駆動システムからの振動を減衰する働きをする。

図２の機械駆動システムは、パワー・シリンダ１１１、パワー・ピストン１１２ 、ディスプレイサー・シリンダ１１３、ディスプレイサー・ピストン１０７とデ ィスプレイサー・シール・シリンダ１１４から成る。

パワー・ピストン・シリンダ１１１とパワー・ピストン１１２は、円筒形である 。パワー・ピストン１１２の外径部は、パワー・シリンダ１１１の内孔内で密な りリアランスで摺動可能に嵌合している。ベアリング・スピン・モータ１１５は 、パワー・ピストン・シリンダ１１１の内孔内でパワー・ピストン１１２を回転 させ、パワー・ピストン作動ガス流体力学的ベアリング１１６を供給する。これ らの表面間の密なりリアランスにより、圧縮室１０４とバウンス容積１２５との 間にガス・シールドが形成される。

ディスプレイサー・シリンダの外径部は、パワー・ピストン１１２の内孔内側に あり、比較的大きなりリアランスで分離されている。この大きなりリアランスは 、パワー・ピストン１１２の前部の前向き面とパワー・ピストン１１２の後部の 前向き面との間にガスの流路を形成し、その結果、両面の面積の和がパワー・ピ ストンの総面積になる（すなわち、パワー・ピストンの全投影面の面積）。パワ ー・ピストン１１２の後部のガスは、圧縮室１０４のガスの一部である。

さらに、この大きなりリアランスによって、ディスプレイサー・シリンダの外径 部とパワー・ピストンの内孔間に、精密な製造公差を必要とすることもな（なる 。

ディスプレイサー・シリンダ１１３およびディスプレイサー・ピストン１０７は 円筒形である。ディスプレイサー・ピストン１０７の外径部は、ディスプレイサ ー・シリンダ１１３の内孔内で狭いクリアランスで摺動自在に嵌合されている。

ディスプレイサー・シリンダ１１３の内孔内でディスプレイサー・ピストン１０ ７が回転することにより、ディスプレイサー・ビストン１０７の作動ガス流体力 学的ベアリング１２６が形成され、さらに、これらの表面間の密なりリアランス により、ピストン・ガス・シールが形成される。

ディスプレイサー・ピストン１０７は、ディスプレイサーとパワー・ピストンと の間に配置されたスライディング・ジヨイント１１７によって回転される。

ディスプレイサー・ピストン・シールはディスプレイサー・ロッドを画定する。

このシールは、ディスプレイサー・ピストンの内孔とディスプレイサー・ピスト ン・シールの外径部との間のクリアランス・シール１２７によって形成される。

これらの２要素間の同心性を維持するため、ディスプレイサー・ピストンは、デ ィスプレイサー・シリンダの内孔により導かれ、ディスプレイサー・ピストンの 内孔はディスプレイサー・ピストン・外部ジャーナルと同一の中心軸を持つよう に構成される。外部ジャーナルと内孔との間に配置されるディスプレイサー・ピ ストンの後面は、クリアランス・シールによってクライオクーラの圧縮室１０４ と連通しないように図られ、したがって、ディスプレイサー・ロッドを形成する 。さらにこの面はディスプレイサー・ガス・スプリング１１８の一部も形成する （このガス・スプリングのための容積がディスプレイサー・ピストンの内部容積 １２８の前部に用意されており、この容積は、ディスプレイサー壁内のキリモミ 穴によって上記面に接続される）。

ディスプレイサー・ピストン１０７の外径部には環状／ｊ１１１９が機械加工さ れている。この溝１１９は、圧縮室につながっており、ディスプレイサー・アペ ンディックス・ギャップ・シール１３０の圧力降下を抑える役目を持つ。良好な 熱力学的性能を得るためには、低レベルのアペンディックス・ギャップ・フロー が必要である。

機械駆動システムの重要な特徴としては、単一スピン・モータによりパワーへピ ストン、及びディスプレイサー用の両ベアリングのための回転；パワー・ピスト ン内でのディスプレイサー駆動部の反曲；必要とされる誰１つの密な同心円状の クリアランスおよびピストン・リングを使用しないでも得られる優れたディスプ レイサー・アベンディクス・ガップ・シールが挙げられる。

付属の請求で明らかにされている適用範囲から逸脱しないかぎり、本発明に対し いろいろな修正を当然加えることができる。

要　約 この発明のスターリング・フリーピストン・クライオターラは、中間に共通膨張 室を持つ対向形クライオクーラ・ピストン・アッセンブリー２基を具備し；前記 ピストン・アッセンブリーの各基は、それぞれ、それ自体を形成する大孔および 小孔を形成した円筒形のパワーシリンダ；前記パワーシリンダーの前記大孔内に 密なりリアランスで滑摺動するようにした外径部と小孔とを持つ円筒形のパワー ・ピストン；および前記パワー・ピストンの前記小穴内に密なりリアランスで摺 動できる円筒形のディスプレイサー・ピストン１基を具備していて、タライオク ーラ・ディスプレイサーの構成部品がパワー・ピストン構成部品内に組込まれる ようになっている。

国際調査報告

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. １．中間に共通膨張室を持つ対向形クライオクーラピストン・アッセンブリー２ 基を具備し；前記ピストン・アッセンブリーの各基は、それぞれ、それ自体を形 成する大孔および小孔を形成した円筒形のパワーシリンダ；前記パワーシリンダ ーの前記大孔内に密なクリアランスで滑摺動ずるようにした外径部と小孔とを持 つ円筒形のパワー・ピストン；および前記パワーピストンの前記小穴内に密なク リアランスで摺動できる円筒形のディスプレイサー・ピストン１基を具備し： 前記ピストン・アッセンブリーのリニア往復運動を起動するためのリニア駆動モ ータを具備し：前記パワー・ピストンを回転させるためのペアリング・スピン・ モータを具備し： さらに、前記膨張室に隣接したコールド・ヘッドと少なくとも１基の再生器、お よび前記膨張室と前記少なくとも１基の再生器間に配置された、少なくとも１基 の膨張室熱交換器を含む熱力学アッセンブリーを具備している： ことを特徴とするスターリング・フリーピストン・クライオクーラ。
2. ２．前記パワー・ピストンの内側の内孔と前記パワー・シリンダーのより小さい 内孔がほぼ同じ直径で、同一の中心軸を持つように、また、同時に両内孔内でス ライドするように前記ディスプレイサー・ピストンが適応されるようにしてある 請求項１に記載のスターリング・フリーピストン・クライオクーラ。
3. ３．コンプライアント・シールを実行するため、更に前記ディスプレイサー・ピ ストンと前記パワー・ピストンの内孔間に設けられたオレイス・ディスプレイサ ー・ピストンを含む請求項１に記載のスターリング・フリー・クライオクーラ。
4. ４．前記コールド・ヘッドが円筒形になっている請求項１に記載のスターリング ・フリーピストン・クライオクーラ。
5. ５．前記コールド・ヘッドが一連の高熱伝導性材料の本体によって、前記クライ オクーラの膨張熱交換器に接続されている請求項１に記載のスターリング・フリ ーピストン・クライオクーラ。
6. ６．高熱伝導性材料の前記本体が銅ブロックである請求項５に記載のスターリン グ・フリーピストン・クライオクーラ。
7. ７．前記ディスプレイサー・ピストンから後方に配置された圧縮室を含むもので 、少なくとも１本の円筒形パイプによって圧縮室から熱を除去するようにした請 求項１に記載のスターリング・フリーピストン・クライオクーラ。
8. ８．更に少なくとも圧縮熱交換器を請求項１に記載のスターリング・フリーピス トン・クライオクーラ。
9. ９．共通膨張室を持つ対向形クライオクーラ・ピストン・アッセンブリー２基か ら構成され：各ピストン・アッセンブリー各基は円筒形状のパワー・シリンダ； 内孔を有し、前記パワー・ピストン・シリンダの内で摺動できる円筒形状のパワ ー・ピストン；内孔及びディスプレイサー・アペンディクス・ギャップ・シール の圧力降下を軽減するため圧縮室とつながっている前記ディスプレイサー・シリ ンダの内孔内に環状溝を有し、気体の流れを確保する大きなクリアランスを持っ て分離された前記パワー・シリンダの前記内孔の内で摺動嵌合する円筒形状のデ ィスプレイサー・シリンダ； 円筒形で、前記ディスプレイサー・シリンダの前記内孔内で摺動嵌合する円筒形 状のディスプレイサー・ピストン； ディスプレイサー・ピストン内子しとディスプレイサー・シール・ピストン外径 部と間にクリアランス・シールを形成するため、前記ディスプレイサー・シリン ダーの後面を前記ディスプレイサー・シリンダーの内孔に接続し、前記クリアラ ンス・シールによりガス．スプリングを形成するディスプレイサー・シール・ピ ストン； 前記ピストン・アッセンブリーのリニア往復運動を起動するためのリニア駆動モ ータ； 前記パワー・ピストンを回転させるためのベアリング・スピン・モータ； 前記ディスプレイサー・ピストンと前記ディスプレイサー・ピストンを回転させ るためのパワー・ピストン間のスライディング・ジョイント： 前記クライオクーラの前記膨張室と圧縮量から離れて配置され、各室にフレキシ ブル・チューブで接続され、偏平状コールド・プレート構造を有し、膨張熱交換 器と少なくとも１基の再生器で形成される背面を有するコールド・ヘッドから成 り、前記コールド・ヘッドが前記少なくとも１基の再生器の膨張面に隣接して配 置される熱力学アッセンブリー； を具備していることを特徴とするスターリング・フリーピストン・クライオクー ラ。
10. １０．前記パワー・ピストンの外径部が密なクリアランスでパワー・シリンダの 内孔の内で揺動嵌合し、前記パワー・シリンダの内孔における前記パワー・ピス トンの回転を可能にし、パワー・ピストン作動ガス流体力学ペアリングを提供す ると共に、前記の密なクリアランスがピストン・ガス・シールとして機能する請 求項１０に記載のスターリング・フリーピストン・クライオクーラ。
11. １１．前記ディスプレイサー・ピストンの外径部が密なクリアランスでパワー・ シリンダの内孔の内で摺動嵌合し、前記ディスプレイサー・シリンダの内孔にお ける前記ディスプレイサー・ピストンの回転を可能にし、ディスプレイサー・ピ ストン作動ガス流体力学ペアリングを提供すると共に、前記の密なクリアランス がディスプレイサー・ピストン・ガス・シールとして機能する請求項１０に記載 のスターリング・フリーピストン・クライオクーラ。
12. １２．前記フレキシブル・チューブ接続により前記ピストン・アッセンブリーか らの振動を減衰するもの請求項９に記載のスターリング・フリーピストン・クラ イオクーラ。
13. １３．前記ピストンと前記ディスプレイサー・ペアリングが前記スピン・モータ によって回転される請求項９に記載のスターリング・フリーピストン・クライオ クーラ。