JPH1114175A - 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Info
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- JPH1114175A JPH1114175A JP3800022A JP80002291A JPH1114175A JP H1114175 A JPH1114175 A JP H1114175A JP 3800022 A JP3800022 A JP 3800022A JP 80002291 A JP80002291 A JP 80002291A JP H1114175 A JPH1114175 A JP H1114175A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 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隔離すると共に、ベローズシ
ールの両側に作用する圧力差を減少させてその長寿命化
を図る。 【構成】 スターリング・サイクル装置のシール・ベロ
ーズ（２４、１２４）が、往復運動ピストン（３０、１
３０）の底部とシリンダー壁との間に結合され、サイク
ル作動空間（１９、１１９）と潤滑化クランク室（１
２）との間の緩衝空間（３４、１３４）を構成する。ピ
ストン（３０、１３０）とシリンダー壁は、緩衝空間
（３４、１３４）と作動空間（１９、１１９）との間に
無接触クリアランス・シール（１４−８、１１４−８）
を構成し、作動空間内（１９、１１９）で膨脹器ピスト
ン（３０）が通気されたクリアランス・シール（１４−
８）を有して、クリアランス・シールに沿う冷気の漏洩
に因る熱損失を減少するようにする。
ーリングサイクル気体から隔離すると共に、ベローズシ
ールの両側に作用する圧力差を減少させてその長寿命化
を図る。 【構成】 スターリング・サイクル装置のシール・ベロ
ーズ（２４、１２４）が、往復運動ピストン（３０、１
３０）の底部とシリンダー壁との間に結合され、サイク
ル作動空間（１９、１１９）と潤滑化クランク室（１
２）との間の緩衝空間（３４、１３４）を構成する。ピ
ストン（３０、１３０）とシリンダー壁は、緩衝空間
（３４、１３４）と作動空間（１９、１１９）との間に
無接触クリアランス・シール（１４−８、１１４−８）
を構成し、作動空間内（１９、１１９）で膨脹器ピスト
ン（３０）が通気されたクリアランス・シール（１４−
８）を有して、クリアランス・シールに沿う冷気の漏洩
に因る熱損失を減少するようにする。
Description
【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。
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。
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。
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
な構造には、「分割（ｓｐｌｉｔ）」及び「一体（ｉｎ
ｔｅｇｒａｌ）」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隔離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。
な構造には、「分割（ｓｐｌｉｔ）」及び「一体（ｉｎ
ｔｅｇｒａｌ）」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隔離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
器が共通の筺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 ｓｅ
ａｌ）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，
７６６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脈動が、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。
クリオクーラにおいては、圧縮器、熱交換器、及び膨脹
器が共通の筺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 ｓｅ
ａｌ）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，
７６６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脈動が、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
単純な単一のベローズ・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。
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
単純な単一のベローズ・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。
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。
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。
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、通気孔を
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。
熱損失を最小化するためにベローズ・シール、通気孔を
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
シールとポンピング・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Δｐ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、本発明を一層良く理解でき
る。
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
シールとポンピング・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Δｐ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、本発明を一層良く理解でき
る。
【００１２】
【実施例】図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１
３１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１
２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１２４とが、クランク室１２から流体的に隔離された
チャンバ１３４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５９、再生用熱交換器６
０、暖端熱交換器１６及び配管６１を介して接続されて
いる。
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１
３１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１
２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１２４とが、クランク室１２から流体的に隔離された
チャンバ１３４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５９、再生用熱交換器６
０、暖端熱交換器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、１３
０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１３
０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。
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、１３
０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１３
０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９０°遅れて駆動さ
れる。
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９０°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１１９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３
０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。
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１１９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３
０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。
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。
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。シールの長さを最適化
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。
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。シールの長さを最適化
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。
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。
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、上方筺体即ち殻（ｓｈｅｌｌ）１６−２及
びコールド・ヘッド６２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、下方筺体１６−４内の穴１
６−３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を含む上方筺体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。
換器６０は、上方筺体即ち殻（ｓｈｅｌｌ）１６−２及
びコールド・ヘッド６２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、下方筺体１６−４内の穴１
６−３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を含む上方筺体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、クロスヘッド１１４の穴１３
０−１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１３０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。
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、クロスヘッド１１４の穴１３
０−１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１３０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１４
２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よりも約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。
（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１４
２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よりも約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。
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。
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。
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。
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。
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。
分断面図である。
【図６】取り付け構造を示すベローズ・シールの断面図
である。
である。
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
Claims (3)
- 【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筺体手段と、 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
動中は前記筺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
筺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封されたベ
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。 - 【請求項２】 請求項１記載の流体機械装置であって、 前記筺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。 - 【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。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US550588 | 1990-07-10 | ||
| US07/550,588 US5317874A (en) | 1990-07-10 | 1990-07-10 | Seal arrangement for an integral stirling cryocooler |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH1114175A true JPH1114175A (ja) | 1999-01-22 |
| JP2933390B2 JP2933390B2 (ja) | 1999-08-09 |
Family
ID=24197795
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3800022A Expired - Lifetime JP2933390B2 (ja) | 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 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5317874A (ja) |
| JP (1) | JP2933390B2 (ja) |
| DE (1) | DE4122824A1 (ja) |
| GB (1) | GB2279449B (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104033268A (zh) * | 2014-06-11 | 2014-09-10 | 新疆阳光动力能源科技有限公司 | 自动补气液体活塞发动机 |
| USD937683S1 (en) | 2020-10-29 | 2021-12-07 | Suntory Holdings Limited | Bottle |
Families Citing this family (21)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5904044A (en) * | 1997-02-19 | 1999-05-18 | White; William M. | Fluid expander |
| DE69935538T2 (de) * | 1998-11-02 | 2007-12-06 | Sanyo Electric Co., Ltd., Moriguchi | Stirling-Vorrichtung |
| US6751966B2 (en) | 2001-05-25 | 2004-06-22 | Thermo King Corporation | Hybrid temperature control system |
| US6609382B2 (en) * | 2001-06-04 | 2003-08-26 | Thermo King Corporation | Control method for a self-powered cryogen based refrigeration system |
| US6631621B2 (en) * | 2001-07-03 | 2003-10-14 | Thermo King Corporation | Cryogenic temperature control apparatus and method |
| US6698212B2 (en) * | 2001-07-03 | 2004-03-02 | Thermo King Corporation | Cryogenic temperature control apparatus and method |
| US6694765B1 (en) | 2002-07-30 | 2004-02-24 | Thermo King Corporation | Method and apparatus for moving air through a heat exchanger |
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