JPS60233381A - リニアコンプレツサ作動空間の圧力安定化方法および装置 - 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】 イ、産業上の利用分野 本発明はスプリント・スターリング低温冷蔵庫のような
低温冷凍機に関する。物にリニアモータによって駆動さ
れるディスプレーサおよび／またはコンプレツ’／−’
＆有する小型冷凍機システムに胸する。

口、技術の背景 従来のスプリット・スターリング冷凍機は一般に往復式
コンプレッサと、このコンプレッサカ）ら除去されたコ
ールドフィンガ内に配置されるディスプレーサとを含ん
でいる。コンプレッサのピストンは機械的に駆動され、
ヘリウムのような加圧冷凍ガスにほぼシヌンイド関数の
圧力変化を生せしめる。この圧力変化は供輸管を通して
コールドフィンガ内のディスプレーサへ伝えられる。

典型的忙は、ピストンに回転可能に固足されているクラ
ンクシャフトを介して電気モータがコンルンサピストン
を駆動するのである。コンプレッサの圧縮運動は作動空
間における圧力を最ｌ」＼圧力から最大圧力へ高め２．
これにより作動空間のガスを温める。この温められたガ
スから熱は周囲へ伝えられ、これ罠よりコールドフィン
ガの商温側端部においてはほぼ等温圧縮となるようにさ
れる。

この商い圧力がコールドフィンガ内におけるディスプレ
ーサの両側に圧力差を生せしめるのであり、このディス
プレーサは抑制力よりも大きな力が作用するとコールド
フィンガ内を自由に移動されるようになっている。ディ
スプレーサが移動されると、大体雰囲気圧力である高圧
の作動ガスは再生器を通して低温スペース内へ推進され
る。この再生器は流れる加圧冷凍ガス即ち作動ガスから
熱を吸収し、これによりこのガスの温度を低下させる。

コンプレッサのピストンが移動方向を逆転し、作動空間
におけるガス体積の膨Ｉｋヲ開始すると、ディスプレー
サ内の高圧ヘリウムは冷却される。

ディスプレーサの低温側端部におけるこの冷却が、再生
器の長さ範囲にわたって２００°に以上の時間平均温度
勾配を維持するための冷凍ヲ行うのである。

ある点においてピストンによる膨張運動で生じる圧力低
下はコールドフィンガ内のディスプレーサに働く抑制力
を充分に上（ロ）るまでに低下する。

これによりディスプレーサは初動位置へ復帰される。低
温ガスは拘び再生器な通してコールドフィンガの低温１
１Ｉｌｌ端部から移動され、コールドフィンガから熱を
奪うのである。

つい最近、コンプレッサにおける１つまたはそれ以上の
数のピストンの移動およびディスプレーサの移動を制御
するために、リニアモータで駆動される冷凍機が提案さ
れ製造されてきた。この装置はまたノーードセラミック
およびシリンダライナーの間にリニアランスシールを使
用できる。−ｆＩｌが１９８６年１月１７日付けで二−
ルス・ヤンク゛により出願された米出特許へ細第４５８
７１８号に記載されている。

二のようなりニアモータ式冷凍機を使用する目棟は、殆
どあるいは全く保守せずに長期の使用が可能な？＠保機
を装造することである。

ハ０発明の概賛 本発明はリニア式コンプレッサのピストンのための圧力
安定化装置を包含する。このリニア式コンプレッサのピ
ストンはコンプレッ丈作動を開門で冷媒ガスを圧縮およ
びｉ＆させる目的でスリーブ内に軸腺方向へ移動可能に
配置される。ディスプレーサはコンルン丈作動空間と流
体連通される。

この圧力安定化装置はコンルッサ内の流体通路を含み、
この通路はコンプレッサ°の作動行程における予め短め
られた位置において、冷媒ガスの非作動部分と作ｇＸｂ
空閾との間の一時市な流体連通を可能とする。この一時
的な流体連通はピストンが引かれて作動を開門でガスが
膨張される間に生じ、また圧縮作動の間は作動空間内の
冷趣ガスの平均圧力を安定化するように細く。

本発明の好ましい１つの実施例においては、流体通路は
コンプレッサピストン内に位置される。

この流体通路はピストンの作動の間にピストンハウジン
グ即ちスリーブに形成されたボートと一時的に連通ずる
ように位置される。作動空ｍＪ内の圧力が非作動ガスの
圧力よりも低い時に、この流体通路内でチェックパルプ
は流体連通が一方向ｆｆ１Ｊち作動空間へ向けてのみ行
われるようになす。この流体連通はガス＠受を形成する
ことから、コンゾレツサ作動空間からのガス漏れ作用に
対向して作用する。チェックバルブはまたコンプレッサ
の作動行程における圧力行程の間にコンプレッサ作動空
間から作動ガスが損失するのを防止する。

本発明の前述のおよびその他の目的、特徴および利点は
添付図面に示すような本発明の好ましい実施例の以下の
詳細な説明からＢＡ白になろう、図面において同じ符号
は全図を通じて同じ部材を示している。図面は尺度寸法
、誇張は心安なく、本発明の原理を示すために与えられ
る。

二１図面を参照した実施例の説明 好才しいリニアモータ式コンプレン丈２０が第１図に示
されている。このコンプレッサは２つの往復ピストン部
材２２および２４を含み、これらのピストンが互いに向
かって駆動される時にコンプレッサのヘッド空＃Ｊ２６
内でヘリウムガスを圧−縮する。この圧縮されたガスは
圧縮室シリンタゝ３０の側部ボート２８を通ワ、このシ
リンダの外側塊状部３２へ至る。環状部３２からガスは
外側ハウジング３４を通してチューブ取付はホール３６
へ至る。このチューブ取付はホール３６に接続されるチ
ューブ（図示せず）はこのガスをスノリット・スフ−リ
ング冷凍機のコールドンインガへ辱く働きをなずのであ
り、この冷凍機にディスプレーサが収容されている。

ピストン２２および２４、および圧縮室シリンダ３０は
゛グーメソト、七うミツクヌまたはその他の硬い低摩操
旧料から作られるのが好ましい。ビ。

ストンおよびシリンダ室はそれらの間にクリヤランスシ
ールを形成するように密接嵌合される。

ピストン２２および２４はそれぞれリニア駆動モータの
アマチュアのための唯一の機械的な支持体である。同様
のモータが２つのピストンを駆動する。第１図には右側
のモータが詳しく示してあり、そのアマチュアは第２図
の分解図に示しである。

スリーブ３８はコンプレッサのヘッド空間２６から離れ
た側の端部にてピストン２４に連結されている。スリー
ブ３８は内側クリヤランス３９を有−し、これによりコ
ンプレッサの圧縮室と接触せずにこれに沿って前後に自
由に往復できるようになっている。スリーブ３８は左端
にテーパー状のフランジ４０を有している。拡径可能カ
シ−４２は内側の磁束反射体であり、高い透磁率を有す
る。

このカラー４２はまた２組の半径方向の永久磁石の組４
４および４６を支持し、これらの永久磁石の組はスペー
＋ｊ４８により離隔されている。各永久磁石の組４４．
４６における６個の磁石４９が磁石保持リング５０およ
び５２により保持されている。

組憾石４４および４６は第２図で密接に束ねられて示さ
れているが、拡径可能カラー４２の周囲に配置された時
は磁石４９間に間隔が維持される。

この構成によりコンプレッサの死容積内のヘリウムガス
は、駆動モータのアマチュアおよびコンプレッサのピス
トン組立体が前後に往復される時に個々の磁石４９０間
を自由に流れることができるのである。

磁石部材４９が同じでないと、これらの組磁石の磁力軸
線はピストン２４の機械的な軸稼から偏心してしまう。

機械的な軸線からのこのような磁力軸線の偏心はピスト
ン２４に半径方向の力を作用させることになり、この力
はピストンをシリンダ３０内で束縛する傾向を示すので
ある。拡径可能力２−４２の周囲における磁石の互いに
対する角度位置を調整することにより、磁力軸線を機械
的な軸釣と一致させることができ、このように磁石４９
間のクリヤランス空間を使用できる。半径方向の力の排
除はアマチュアのための唯一の機械的な支持体がシリン
ダ３０内のピストン２４である場合に躬・にＭ要である
。

第２図に示されるように、拡径可能カラー４２＋’ｌ：
　籾数のスｐット６０を有し、これらが拡径な可能にし
ている。アマチュア上の所定位置に磁石４４および４６
を永続的に固定するために、テーパー状のコレット５６
が拡径可能カラー４２とテーパー状のスリーブ３８との
間にナツト５８で佼嵌合される。ナツト５８がスリーブ
３８にねじ締められると、拡径可能カラー４２はテーパ
ー状のフランジ４υおよびコレット５６によって外方へ
押しつけられる。こうして拡径可能カラーは磁石組４４
および４６を磁石保持リング５０および５２に対して押
圧する。

テーパー状のスリーブ３８は端部に形成されたス目ット
５９および６１を有しており、コレットが外方へ拡径可
能カシ−４２を押しつける際にコレットはまたスリーブ
３８を内方へ押しつげて圧縮し、スリーブとピスト１ン
２４との間に緊密な結合を形成する。アマチュアに拡径
および圧縮結合を採用することは、ヘリウムガスを汚損
することになるあらゆるエポキシおよびあらゆるその他
の接着剤の必要性を排除する。

いま説明したアマチュア組立体はハウジング８６（第１
図）内に配置された電磁コイルの使用によって作動され
る。２つのコイル７５および１８がピストン２４を位置
決めするために使用される。同様に２つのコイル（７３
および図示していない他のコイル）がピストン２２を位
置決めするために使用される。スペーサ８０がこれらの
２つのコイルを離隔させている。このスペーサ内にはホ
ール効果式位置センサ８１が配置されており、これが電
子的にピストン位置を決定する。右側のアマチュアのコ
イル７６および７８はスペーサ１１によって左側のアマ
チュアのコイルから離隔されている。スペーサ１１は分
割されていて、ホール３６内にチューブ取付は部材を位
置できるようにしている。

スペーサ、位置決めセンサおよびコイルは総てハウジン
グ３４の外周囲りに配置されている。−ウジング３４お
よび同様な左側のハウジング６６はねじ８８によって端
部キャップ８２および８１にシールされている。これら
のねじは端部キャップ８１．８２Ｙインジウムシール９
０および９２へ密着して押しつけ、これによりアマチュ
ア、ピストンおよびこれらＶ＊り囲むヘリウム雰囲気を
密閉シールする。

端部キャンプ８２はボート９６を通してヘリウムガスを
コンプレッサに容易に充填できるようになす組立体を含
んでいる。しρ）しコンプレッサ運転において、ボール
９４が端部カバー８２のボート９６を塞いでいる。この
ボールは保持ねじ９８によりボート忙対して保持され、
また栓４４によって汚損から保賎されている。

上述のアマチュア組立体およびリニアモータはまた１９
８６年１月１７日付けで出願された関連米国特許細組４
５８７１８号に詳しく記載されている。クリヤ２ンスシ
ールを有するこのようなりニアモータが小型冷凍機装置
に使用される場合、ヘッド空間２６内のガス圧力はコン
プレンサビストンを越えてガスが漏れることから調整で
きることが心安である。ここに記載する本発明はこのよ
うな調整の必要性を低減しつつコンプレッサの効率を向
上するように装置を改善するのである。

第３図は上述した形式のりニアモータピストンの作動に
おける圧力一体積のグラフである。描ρ）れた曲線はこ
こに説明するような本発明を具体化する圧力安定化ボー
トを考慮していない。

ピストン２４．２６は緊密嵌合シールによりシリンダ３
０内にシールされている。このようなシールの特性は、
シール内のガスの流れが小粘性即ち境界層流に限られる
ことである。このガスの吹き抜は流れはヘッド全問２ｂ
のガスを空にする。

例数ならは、流体の挿作＃全問ｊ２１Ｊち死容積５４刀
）ら作動を間の加圧容Ｍ２６に進入するガスよりも入電
のガスが加圧容積２６から逃げるからである。

ヘッド空間でのガスの減少は筺だ簡単な吠き抜は以外の
理由によっても住しる。膨張での初期冷却の間に時間平
均のヘッド空間圧間が低下するので、このガスが補充さ
れねばならない。また、ガス軸受がピストンに使用され
るならば、この結果としてヘッド空間から外側へ向ρ・
う時間平均の流れが生じるのであり、この理由はコンプ
レッサヘッド空間から与えられた圧縮ガスを使用してガ
ス軸受がピストンを持ち上げるρ・らである。

ヘッドを間でのガスが減少することは平均作動ガス圧力
か結果的に死容積での圧力よりも低くなる傾向を示す。

このことはリニアモータに対して一方向に関して他方向
よりも過酷に働くことを要求し、それ故に効率が低下す
るのである。リニアモータの最も良好な効率はサイクル
における圧縮および＃張行程の両者でほは等しい働きを
なす時に生じる。

このガス損失の結果のその他として、リニアモータピス
トンの圧力一体積曲瞼が賄結（即ち同様にｋｌ）返すン
しないことである。第６図において、上方向へ向かう矢
印はヘッド９間２６の圧ｍを示し、下方向へ向かう矢印
はヘッド空間の膨ｊｋを示す。膨張行程の開始点付近の
点ｒａＪに隣接する曲線はサイクルの終了位置の点「ｂ
」付近の曲線に較べて尚いガス圧力を示していることか
注目される。

ピストンが引続きサイクルを進めると、圧縮空間２６は
成る程度低い圧力で安定するまでガスを損失し、これは
前後方向で等しい吹き抜けを住じる。

低い平均圧力で作動ガスが動くことは、コンプレッサの
効率を低下し、それ故に耐深機装置の効率を低下する。

冷媒ガスの作４！Ｉ２Ｉ全開におけるガス蛍が減少する
ことは、ディスプレー丈におけるヘリ！７ムガスの圧力
を低下し、コールドンインガの効果ぼソな冷却が損なわ
れる。コールドンインガの低温ＩＩＩＩ端部の温度はそ
れ故に上昇する。このようにして、このようなリニア式
コンプレッサは効果的な籟凍槻の運転に心安な最低限良
風、下にヘッド空間ガスが低減した時に再充填および保
守が心安となる。

さて第１図を錠前すれは、ここに示したピストンは圧力
安定化装置を倫えている。コンプレッサのに張行程の…
Ｊ１各ピストンのダクト６４および６５は入口ボート６
＆およびＧｌを通して死を間８＃ｊ５４と一時的に連通
ずる。ダクト６４および６５は行程の大体中央でポー）
ｔｉ６およびり１と整合されるのが好ましい。膨張行程
においてボートおよびダクトが先台され、また後部空間
５４の圧力が圧縮室２ｂの圧縮よりも烏くなった時、チ
ェックバルブ６８および１０は開いて中央に位置せるピ
ストンボート７２および１４を圧縮室と連通させる。こ
のことか作初空…」の圧力を死全問谷積のガス圧力にま
で尚める。

ピストンに形成された環状凹部７ｂ（第２図９は圧力安
定化装置のガス圧力をピストン周囲で咎しくさせ、ガス
解放の間にシリンダスリーブ３υ内でピストンが順接す
るのを防止する。表造公庄を太き（するとともに大蓋住
座による都羽で圧力安定化装置の安定１．た作動を促進
するために、ボー）６５．ｂ７には面取り１８が形成さ
れ又いる。

第４図は説明した圧力安定化装置を備えた装置の圧力一
体積曲腺ヲ示している。圧力Ｐ。（死を間容種の圧力）
Ｋおける点Ｘ′ｆＪ）ら始まって、この圧力一体積曲線
は第３図に示した曲線とほぼ同じであることが判る。し
ρ〉しながら、下方１うへ向ρ）う科めの矢印でしめさ
れる膨張行程における圧縮体積の増大する時、圧力安定
化率−トは点１’ｘＪ　Ｋて一時的に開口される。この
点において、ボートは整合され、ガスがボート６６およ
び６７’Ｙｍして死空間容積から圧縮室内へ噴出され、
これ釦より圧縮行程はその最初の開始圧力μｐち体＆ｖ
、における圧力゛Ｐ０に復帰される。

チェックバルブ＃ｉａおよび１ｕは圧力安定化装置と一
体的な部分をなすのであり、この圧力安定化装置なくし
て効率は損なわれ、籍にガス量の少ない装置で効率か偵
なわれるのである。

゛ホ１発明の作用および効果 ｄで第１図および第４融の両方を参照すれは、圧力女定
化ポートは葉だブイクルの第４図で上方向へ向かう矢印
で示される圧縮行程の間に整合されることが判る。チェ
ックバルブ６８および１０は圧詣白室２６′ｌＪ）ら後
部壁間５４内への排出を防止する’ＩｋｒＵき欠なす。

このような排出はヘッド空間内の゛ガス圧力をＹ点にお
ける圧力ρ）ら後部空間の圧力Ｐ　Ｋ戻してしまう。も
しこのような排出が行われて、圧縮全問２６内の圧力か
低下する（Ｐｏ）と、スターリングサーモダイナミック
サイクルを与える曲線が崩れてし丈のである。

圧縮空間内へ進入された短時間のｕｘ剤ガスは点Ｘを同
定する働きをなす。それ故に、圧縮室２６の最大および
最外空間もまた固定化される。コンプレンサビストンの
移動限界はここではコンプレッサに対する人力駆動力お
よびｂｍによる損失にのみ依存するのである。コンプレ
ッサの圧力一体積曲線娶固足化したこのような装置の坏
り点はそのガス刀自体かピストンの移動限界を制御する
方法として利用できるということである。ピストン位置
を保持するのに必要とされるような機械的ストップおよ
び一気的制御が削ムでき、多くの礪合には完全に削除で
きる。ガスの力を注意深く制御するならは、ガスのばね
力はピストンの連動を制限するの忙充分な力である。圧
力安定化装置の他の利点は圧力一体積曲線上でＶｐにお
けるｘｙ、）同定することにより、装置かサイクル圧力
での外側の変化と実質的に無胸係となることであり、こ
の圧力変化は例えば装置周囲の温良変化により生じる。

この装置は説明したようにリニア式コンプレッサにおけ
る平均ヘッド空間注力をリニア式コンフ。

レツサの駆動の開に死空間容積５４の平均ヘンド空１ｕ
」圧力と寺しいρ・それ以上に維持する。ピストンヘッ
ド空間２６の圧力を維持することは幾つρ）の利Ａ［与
える。空間２６のガス圧力が死空間容＃ｔ５４に較べて
比較的尚いので、圧縮の間にピストン２２および２４が
互いに衝突してコンプレッサを損傷する機会はＭ、／Ｉ
・限度にされる。さらに、点Ｐ。（死空間容積圧力）が
装置サイクル（第４図）の中央に位置するので、冷凍機
のヘッド空間での圧縮および膨張の間にピストンに与え
られるモータカは大体等しくなり最ｌ」＼となる。もし
ピストンが高いガス力を作用されるならば、例えはサイ
クルの大半においてヘッド空間の圧力よりも死を間各積
の圧力が島いならは、巨大なモータカを必要とするので
ある。巨大なモータカは巨大な電気力を必要とするのに
加え、大きな力をピストンに与え、これはシリンダ３０
の内聞即ちスリーブな摩耗し傷を付ける可能性を＾める
ことに、りる。

それ故に、上述した圧力安定化装置が如（ｉ＝］にして
リニア式コンプレッサ効率を改笹しコンプレッサ保守の
必要性を低減するかの両方を達成するかが示された。本
発明はその好ましい実施例に関して特に示し且つ説明し
たが、特許請求の範囲九記載した本発明の精神および範
囲から逸脱せずに形態および細部の多（の変化が成しえ
ることは自条者には理解されよう。

【図面の簡単な説明】

麺１図はスプリント・スターリンクサイクル冷凍機にお
ける本発明を具体化せるリニアコンプレッサの、リニア
モータおよび冷媒ガス通路を示すために部分的に断面と
せる側囲図。　−第２図は第１図に示したコンプレッサ
のアマチュア組立体の分解図。 第３図は従来のりニアモータピストンの圧力一体積のグ
ラフ。 第４図は本発明の原理を組み入れたＩＪニアモータピス
トンの圧力一体積のグラフ。 ２０・・・リニアモータコンプレッサ ２２．２４・・・ピストン ２６・・・コンプレッサのヘット空間 ３０・・・シリンダ ３２・・・塊状部 ３８・・・スリーブ ３９・・・クリヤランス ４４．４６・・・磁石リング ４９・・、磁石 ５４・・・死容積 ６４．６５・・・ダクト ６６．６７・・・ボート ６８．７０・・・チェックバルブ １６・・・環状凹部 代理人浅村　皓 図面の浄書（内容に変更なし） 手続補正書（眺） 昭和６０年　３月／２日 特許庁長官殿 １、事件の表示 昭和６０年特許願第　１８４７５　号 ２°発１０名７　、＝ア＊ｙｆｖッＶ□工、。 圧力安定化方法および装置 ３、補正をする者 事件との関係　特許出願人 住　所 氏　名 （名称）　へリツクス　テクノロジー　コーポレーショ
ン４、代理人 ５、補正命令の日付 昭和　年　月　日 ６、補正により増加する発明の数 明細書の浄書（内容に変更なし） 手続補正書（方式） 昭和ｂｏ年６月ト日 特許庁長官殿 １、事件の表示 昭和ｂｏ年特許願第彫４７≦−号 ３、補正をする者 事件との関係　特許出願人 ４、代理人 ５、補正命令の日付 嘲和ｚＯ年を月ユ９日 図　面

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）　低温冷凍機であって、 コンプレッサの作動空間内で冷媒ガスを圧縮および拡張
   するためにスリーブ内にピストンを配置したコンプレッ
   サと、 前記コンプレッサの作動空間と流体連通するディスプレ
   ーサと、 ピストンが引かれて前記作動空間内でガスの膨張が行わ
   れる間におけるピストン行程の予め定めた位置において
   のみ冷媒ガスの第二の空間と前記コンプレッサの作動空
   間との間に一時的に流体連通が確立され、コンプレッサ
   運転の間の作動空間内の冷媒ガスの圧力を安定化するよ
   うになされたコンプレッサの流体通路と、 を有して構成されたことを％徴とする低温冷凍機。 （２）前記流体通路かコンプレッサのピストン内に位置
   され、流体入口ボートが前記ピストンスリーブに位置さ
   れて前記流体通路と連通されるようになされている特許
   請求の範囲抛１項紀載の低温冷凍機。 （３）　前記流体通路がチェックバルブを更に含んでい
   る特許請求の範囲第２項記載の低温冷凍機。 （４）前記流体通路の入口ボートと同じ軸線方向に位置
   したピストン表面の塊状凹部を更に含み、該環状凹部が
   ピストンシャフト周囲の圧力を等しくするようになされ
   ている特許請求の範囲第２項記載の低温冷凍機。 （５）交互に圧縮および膨張されて冷凍機の一部を低温
   度にまで冷却するガス体の作動流体と、冷凍機のコンプ
   レッサ内でピストンを駆動するための駆動機構とを有す
   る低温冷凍機コンプレッサにおいて、 冷凍機コンプレッサが作動空間を膨張させる間のピスト
   ン行程の予め定めた位置にのみおいて、流体の非作動部
   分と作動流体との一時的な流体連通を自動的に行なう圧
   力手段であって、コンブレッサピストン内に位置された
   流体通路を含んでなる前記圧力手段、 を含んでいることを％徴とする低温冷凍機コンプレッサ
   。 （６１、、ｆス圧縮の間に作動空間が非作動ガスと流体
   連通するのを防止するために、前記圧力手段の涼体通路
   内に位置されたチェックパルプを更に含んでいる特許請
   求の範囲第５項記載の低温冷凍機。 （カ　リニアコンプレッサ作動空間の圧力を安定化する
   方法であって、 ａ、ピストンにより作動空間内で作動流体を圧縮し、 ｂ、ピストンにより作動空間内で作動流体を膨張させ、 Ｃ１作動空間内での作動流体の１＃張の間に非作動後部
   空間からのガスを作動空間へ導き、ｄ１作作動体の圧縮
   の間は前記後部空間を作動空間との連通状態からシール
   する、 晶段階を包含することを％徴とするリニアコンプレッサ
   作動空間の圧力な安定化する方法。 （８）圧縮の間の後部空間のシール方法がチェックパル
   プによる特許請求の範囲第７項に記載のりニアコンプレ
   ッサ作動空間の圧力を安是化する方法。