JPS62151666A - 自由往復ピストン装置 - Google Patents

自由往復ピストン装置

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JPS62151666A
JPS62151666A JP61260833A JP26083386A JPS62151666A JP S62151666 A JPS62151666 A JP S62151666A JP 61260833 A JP61260833 A JP 61260833A JP 26083386 A JP26083386 A JP 26083386A JP S62151666 A JPS62151666 A JP S62151666A
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piston
bearing
sides
seal
axial direction
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JP61260833A
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フリットヨフ・ブレメル
エフェルハルドゥス・アルベルトゥス・ムエイデルマン
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Philips Gloeilampenfabrieken NV
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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】 本発明は、シリンダ内に流体力学的面軸受により往復動
自在かつ回転自在に支承し、作動の際に流体差圧を受け
る２個の端面を有するピストンを具える自由往復ピスト
ン装置に関するものである。
上述の形式の既知の装置（１９８２年アメリカ合衆国ロ
スアンセルスで開催された第１７回Ｉ　ＦＥＣＥＣに提
出された記事「高効率スターリングマンンコンポーネン
トの実験結果」に記載されている）は、自由に往復動す
るスフ−リングエンジンとして構成されており、ピスト
ンを往復動させるとともに回転させることによりピスト
ンをシリンダ内で流体力学的に支持することができる可
能性について記載されている。高速回転では、表面が滑
らかな流体力学的軸受はいわゆる「半周期旋回」により
不安定となる。上述の記事によれはピストンに螺旋溝の
模様パターン）を設けることによって不安定性を相殺す
ることができるとしている。
しかし、既知の装置においては、ピストンの両側に加わ
る差圧により、流体ノコ学的軸受の両（ｉｌｌｌに加わ
る圧力が減少し、軸受は半径方向に力学的安定性を欠く
ことを引き起こし、この不安定性は「半周期旋回」とは
異なる性質のもので、特に低速回転で生ずる。この結果
、ピストンは／リンダ内で偏心位置をとりやすくなりピ
ストンとシリングとの間の漏れはピストンが／リンダ内
の中心位置にあるときと比べると相当穴きいものとなる
という欠点がある。更に偏心すれば摩擦や摩耗の問題も
生ずる。
この種の不安定性を回避するにはピストンを高速で回転
させればよいが、このことは種々の理由から同意しがた
いことがよくある。
従って、本発明の目的は、ピストンを低速回転であって
も安定状態で流体力学的に支承し、偏心が僅かにしか生
じない上述の自由往復ピストン装置を尋るにある。
この目的を達成するため、本発明によればピストンには
、前記２個の端面間で、円筒形の滑らかなシール面を有
する少なくとも１個のシール部と、少なくとも１個の軸
受部とを設け、この軸受部の周面に流体力学的に作用す
る溝パターンを設けたことを特徴とする。
本発明は、円筒形で表面が滑らかなシール面がシリンダ
内の中心位置をとればピストンに沿う漏れは容認しうる
範囲に維持でき、また軸受の両側にかかる差圧が容認で
きるものであれば低速回転であっても力学的不安定性を
生じないということに着目してなされたものである。
溝付流体力学的軸受の傾斜角度は、軸受の両側に過大な
差圧が加わると９０°以上にもなることがわかっている
。この傾斜角度は、軸受の支持力が指向するラインと偏
心点が存在するラインとのなす角度である。９０°を越
える傾斜角度では、支持力は外乱と同一方向に作用し、
リセット力がなくなる。従って軸受は不安定になる。
表面が滑らかな円筒形シール面の傾斜角度は、シール部
の両側の差圧の有無に関係な（僅かな偏心しかなく約９
０°である。
溝付き軸受部の両側の差圧を完全にまたは部分的に排除
できれば、軸受部の傾斜角度は９０°よりも小さくなり
、軸受部の正支持力は滑らかなシール部の負の支持力の
成分よりも大きい偏心方向の成分を有することになる。
この結果ピストンは全体として安定になる。
本発明の構成によれば、ピストンはシリンダ内の非接触
安定位置をとり、この結果漏れ：ぢよび摩擦損失を少な
くすることができる。
本発明の好適な実施例においては、各シール部の軸線方
向の長さおよび直径を、各軸受部の両側に加わる差圧が
ピストンの両側に加わる総差圧の多くとも２０％となる
寸法に選択する。
更に、本発明の好適な実施例においては各軸受部の両側
の側面をダクトにより連通させ、各軸受部の両側には差
圧が加わらない構成とする。
安定性の良い軸受を得るため、池の実施例においては、
ピストンには、軸線方向に互いに離れた２個のシール部
を設け、これらシール部を前記２個の端面に隣接させて
軸線方向に見て対称的に配置し、これら２個のシール部
間でピストンに軸受部を設け、この軸受部の周面に流体
力学的に作用する溝パターンを設ける。
これに類似の他の実施例においては、ピストンには、軸
線方向に互いに離れた２個の軸受部を設け、これら軸受
部を軸線方向に見て前記２個の端面間に対称的に配置し
、各軸受部の周面に流体力学的に作用する溝パターンを
設け、２個の軸受部間に円筒形で表面が滑らかなシール
部を配置する。
更に他の実施例においては、各軸受部の周面に、軸線方
向に互いに逆向きにポンプ作用を行う１対の溝パターン
を設け、これら１対の溝パターンがともに杉綾模様をな
す形状とする。
次に図面につき本発明の好適な実施例を説明する。
シリンダ１にピストンを収容し、このピストンは図示し
ない装置によりシリンダ内で往復動および回転運転を行
うことができるようにする（第１図参照）。
ピストン１はシール部２と軸受部３とを有する。
軸受部３の周面にはパターン状の溝を設け、ピストンが
矢印方向の回転をする際、これら溝が軸受部のギャップ
４内の流体媒体に対してポンプ作用を与える。このポン
プ作用は第１図で見て左方向に指向する。
シール部２の周面は滑らかにし、シール部のギャップ５
はシール部２の軸方向長さおよび直径を選択することに
よって決定される。ピストンの一方の側で空間６に圧力
Ｐ１を生じ、北方の側で空間７に圧力Ｐ２を生じる。
ピストンの両側の差圧ｐ、−ｐ２により流体媒体は空間
６がら空間７にまたはその逆にギャップ５゜４を経て流
れようとする。
ギャップ５は、流れがピストンのシール部の安定性に悪
影響を与えないように互いに同軸状のギャップとなるよ
うにする。しかし、流体力学的に滑らかな円筒形軸受は
、他・理由によりどんな回転速度でも僅かに偏心して常
に不安定となる。
軸受部３には流体力学的溝パターンを設ける。
このように流体力学的に支承した回転体は、両側に差圧
を生じなければどんな回転速度でも安定となる。差圧が
生ずると、ギャップ４に乱れを生じ、不安定となる。こ
の不安定性は回転速度を高い値にすることによって防止
することができるが、これはそれ程有益な解決法ではな
い。安定化の他の方法としては、ギャップ４における流
れを少なくすることがある。第１図の実施例においては
、シール部２および軸受部３を有するピストンを形成す
ることによりこのことを達成している。このシール部２
の寸法は、ピストンの両側の差圧の大部分がこのシール
部に加わり、従って軸受部３には僅かな差圧しか加わら
ず、この結果、ギャップ４での流れが制限されて軸受部
がシリンダ内で安定した中心位置をとることができるよ
うに選択する。
シール部および軸受部は互いに堅固に固着するため、こ
のことは軸受０部につられてシール部もシリンダ内で安
定した中心位置をとることを意味することになる。ギャ
ップからの漏れは所定の周縁により減少する。
この原理によれば、往復動自在かつ回転自在のピストン
の軸受機能およびシール機能は少なくとも部分的に分離
されるが、この原理は他の多くの方法でも達成される。
これら池の実施例を第２乃至１０図につき説明する。
第２図に示す第２の実施例は、軸線方向に互いに離した
２個のシール部２．６と、これらシール部の中間の軸受
部３を有するピストンである。この場合シール部２，６
の両側に差圧の大部分が加わり、軸受部３の両側には僅
かな差圧しか加わらない。
第３図に第３の実施例を示す。この実施例の場合、ピス
トンは軸線方向に互いに離れた２個の軸受部３，８とこ
れら１１ｉＩ（Ｉ受部の間に中間シール部２とを有する
。この場合、差圧の大部分はシール部２の両側にかかり
、各軸受部の両側には作かな差圧しかかからない。
第１．２および３図に示す実施例において、軸受部３ま
たは軸受部３，８の各々にはそれぞれ一方向にのみポン
プ作用を行う溝パターンを設ける。
第４．５および６図にそれぞれ示す第４，５および６の
例においては、軸受部３または軸受部３゜８の各々には
それぞれ杉綾模様の溝パターン即ち両方向にポンプ作用
を行う１対の溝パターンを段ける。これら実施例の池の
部分に関してはそれぞれ第１．２および３図の実施例と
同様である。
第７．３および９図にはそれぞれ第７，８および９の実
施例を示し、これらの実施例においては、軸受部３また
は軸受部３，８の各々のそれぞれには差圧が加わらない
。、二のことは軸受部とシール部との間のピストン円面
に周方向の周縁９またはｌＯを設けることにより達成し
ている。第７図の実施例においては、周縁９をダク目ｌ
によりシール部から遠い方の軸受部の側面側の空間１７
に接続し、軸受部の両側面を互いに連通させ、軸受部の
両側には差圧が加わらず、シール部２の両側にピストン
の両側の総差圧が加わるようにしている。
第８図の実施例においては、周ＶＲＦｊ　９　、１０を
軸受部３とシール部６゛および２との間にそれぞれ形成
し、これら溝をダク１−１２によりＦ０互接続し、軸受
部の両側面を互５）に連通させ、軸受ｇＩもの両側に差
圧が加わらないようにする。
第９図の実施例においては、軸受部３．８と／−ル部２
との間に周縁溝９．１０を形成し、周ｔ＋、Ｉ溝１０を
ダクト１３によりシール部２から遠い方の軸受部３の側
面側の空間１６に接享売し、軸受部８の−２すの側を周
縁溝９で区切り、この周縁溝９をダク１−１７によりシ
ール部から遠い方の軸受８１つ８の側面側の空間１７に
接続する。従って各軸受部の両側１ｍは互いに連通し、
シール部２の両側にのみ差圧が加わる。
第１０図には、フリーピストンを有する復動コンプレッ
サの例を線図的に示す。このコンプレツサはピストン１
０２を収容するシリンダ１０１　を有する。
ピストン１０２の両側にシール部１０３．１０４および
軸受部１０５．１０６をそれぞれ設け、これら軸受部の
周面には杉綾模様の浅い溝パターンを設ける。ピストン
の一方の側面側は圧縮空間１０７　とし、他方の側面側
は圧縮空間１０８とする。圧縮空間１０７．１０８はそ
れぞれカバー１．０９，１１０によりシールし、これら
カバーにはそれぞれ流入室１１１，１１２および流出室
１１３．１１４を設ける。
シリンダ壁にコイル１１５．１１６を支持し、これらコ
イルをピストンに配置した環状の永久磁石１１７゜１１
８　と連係動作させる。各コイル１１５．１１６の付勢
（通電）によりピストンは往復動をすることができる。
シリンダ壁には他のコイル１２０を支持し、このコイル
１２０をピストンのコア１２１　　と連係作動させ、ピ
ストンを回転させる。
所要に応じ、コイル１ｉ５，１１６のをコイル１．２０
　と一体にし、単独の電気系統でピストンの往復動と回
転運動が（等られるようにすることができる。
軸受部１０５．１０６とシールｇ３１０３．１０４との
間でピストン１０２に周縁溝１２５．１２６を形成し、
各周縁溝はそれぞれダクト１２７．１２８によりシール
部１０３．１０４から遠い方の軸受部１０５．１０６の
側ｌ頂側に連通ずる空［１旧２９に接続する。これによ
り軸受部１０５．１０６の両側には差圧が加わらない。
【図面の簡単な説明】
第１乃至９図は、それぞれ本発明による往復動自在かつ
回転自在のピストンを有するシリンダの第１乃至９の実
施例の線図、 第１０図は、往復動自在かつ回転自在のピストンを有す
る複動コンプレッサ圧縮器の線図的縦断面図である。 １１０ｋ・・・シリンダ ２、６．６　’　、　１０３．１０４・・・シール部３
、８．１０５．１０６・・・軸受部　４，５・・・ギャ
ップ６、１６．１７．１２９・・・空間　　９．１０．
１２５．１２６・・・周縁溝１１、１２．１３．１２７
．１２８・・・ダクト１０２・・・ピストン　　　　１
０７．１０８・・・圧縮空間１０９、１１０・・・カバ
ー　　　１１１１１２・・・流入室１１３、１１４・・
・流出室　　　１１５．１１６．１２０・・くフィル１
１７、１１８・・・永久磁石　　１２１・・・コアＦＩ
Ｇ、１ ＦＩＧ、３ ＦＩＧ、４ ＦＩＧ　５ ＦＩＧ、６

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １、シリンダ内に流体力学的溝軸受により往復動自在か
    つ回転自在に支承し、作動の際に流体差圧を受ける２個
    の端面を有するピストンを具える自由往復ピストン装置
    において、ピストンには、前記２個の端面間で、円筒形
    の滑らかなシール面を有する少なくとも１個のシール部
    と、少なくとも１個の軸受部とを設け、この軸受部の周
    面に流体力学的に作用する溝パターンを設けたことを特
    徴とする自由往復ピストン装置。 ２、各シール部の軸線方向の長さおよび直径を、各軸受
    部の両側に加わる差圧がピストンの両側に加わる総差圧
    の多くとも２０％となる寸法に選択したことを特徴とす
    る特許請求の範囲第１項記載の自由往復ピストン装置。 ３、各軸受部の両側の側面をダクトにより連通させ、各
    軸受部の両側には差圧が加わらない構成としたことを特
    徴とする特許請求の範囲第１項記載の自由往復ピストン
    装置。 ４、ピストンには、軸線方向に互いに離れた２個のシー
    ル部を設け、これらシール部を前記２個の端面に隣接さ
    せて軸線方向に見て対称的に配置し、これら２個のシー
    ル部間でピストンに軸受部を設け、この軸受部の周面に
    流体力学的に作用する溝パターンを設けたことを特徴と
    する特許請求の範囲第１乃至３項のうちのいずれか１項
    に記載の自由往復ピストン装置。 ５、ピストンには、軸線方向に互いに離れた２個の軸受
    部を設け、これら軸受部を軸線方向に見て前記２個の端
    面間に対称的に配置し、各軸受部の周面に流体力学的に
    作用する溝パターンを設け、２個の軸受部間に円筒形で
    表面が滑らかなシール部を配置したことを特徴とする特
    許請求の範囲第１乃至３項のうちのいずれか１項に記載
    の自由往復ピストン装置。 ６、各軸受部の周面に、軸線方向に互いに逆向きにポン
    プ作用を行う１対の溝パターンを設け、これら１対の溝
    パターンがともに杉綾模様をなす形状としたことを特徴
    とする特許請求の範囲第１乃至３項のうちのいずれか１
    項に記載の自由往復ピストン装置。
JP61260833A 1985-11-06 1986-11-04 自由往復ピストン装置 Pending JPS62151666A (ja)

Applications Claiming Priority (2)

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NL8503037A NL8503037A (nl) 1985-11-06 1985-11-06 Inrichting met een hydrodynamisch gelagerde zuiger.

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JP61260833A Pending JPS62151666A (ja) 1985-11-06 1986-11-04 自由往復ピストン装置

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US (1) US4799421A (ja)
EP (1) EP0223288B1 (ja)
JP (1) JPS62151666A (ja)
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NL (1) NL8503037A (ja)

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