JPS6364635B2 - - Google Patents
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- JPS6364635B2 JPS6364635B2 JP56133216A JP13321681A JPS6364635B2 JP S6364635 B2 JPS6364635 B2 JP S6364635B2 JP 56133216 A JP56133216 A JP 56133216A JP 13321681 A JP13321681 A JP 13321681A JP S6364635 B2 JPS6364635 B2 JP S6364635B2
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- compressor
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- cylinder
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
- F16J—PISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
- F16J1/00—Pistons; Trunk pistons; Plungers
- F16J1/02—Bearing surfaces
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F02G1/00—Hot gas positive-displacement engine plants
- F02G1/04—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type
- F02G1/043—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type the engine being operated by expansion and contraction of a mass of working gas which is heated and cooled in one of a plurality of constantly communicating expansible chambers, e.g. Stirling cycle type engines
- F02G1/053—Component parts or details
- F02G1/0535—Seals or sealing arrangements
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
- F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
- F04B39/00—Component parts, details, or accessories, of pumps or pumping systems specially adapted for elastic fluids, not otherwise provided for in, or of interest apart from, groups F04B25/00 - F04B37/00
- F04B39/04—Measures to avoid lubricant contaminating the pumped fluid
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
- F16J—PISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
- F16J10/00—Engine or like cylinders; Features of hollow, e.g. cylindrical, bodies in general
- F16J10/02—Cylinders designed to receive moving pistons or plungers
- F16J10/04—Running faces; Liners
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
- F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
- F25B9/14—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the cycle used, e.g. Stirling cycle
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F02G2258/00—Materials used
- F02G2258/10—Materials used ceramic
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
- F05C—INDEXING SCHEME RELATING TO MATERIALS, MATERIAL PROPERTIES OR MATERIAL CHARACTERISTICS FOR MACHINES, ENGINES OR PUMPS OTHER THAN NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES
- F05C2203/00—Non-metallic inorganic materials
- F05C2203/08—Ceramics; Oxides
- F05C2203/0865—Oxide ceramics
- F05C2203/0882—Carbon, e.g. graphite
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- Engineering & Computer Science (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
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- Combustion & Propulsion (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- Compressor (AREA)
- Compression-Type Refrigeration Machines With Reversible Cycles (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
本発明は、冷凍装置、特に、該装置に使用され
る往復式圧縮機に関する。
る往復式圧縮機に関する。
スターリング低温冷凍装置は、ガスの作用体積
内の圧力に波状変動を与える往復式圧縮機を有し
ている。該作用体積は、圧縮機ピストンより上の
ヘツド空間と、冷凍機のコールドフインガの内部
空所とを包含する。分割スターリング装置の場合
には、該作用体積は、上述の空間を連結するガス
管路をも包含する。コールドフインガ内では、変
位装置は、コールドフインガの一端に冷却を与え
る如く波状圧力変動に時間に合つた関係で移動す
る。
内の圧力に波状変動を与える往復式圧縮機を有し
ている。該作用体積は、圧縮機ピストンより上の
ヘツド空間と、冷凍機のコールドフインガの内部
空所とを包含する。分割スターリング装置の場合
には、該作用体積は、上述の空間を連結するガス
管路をも包含する。コールドフインガ内では、変
位装置は、コールドフインガの一端に冷却を与え
る如く波状圧力変動に時間に合つた関係で移動す
る。
通常のスターリングサイクルは、電動機被動の
圧縮機を有し、本発明は、該型式の分割スターリ
ングサイクルに関して説明される。また、本発明
は、マクマホン等により米国特許第2906101号に
開示されギフオードにより第2966035号に開示さ
れ圧力制御弁が圧縮機とコールドフインガとの間
に位置する様なギフオード・マクマホン式冷凍機
に適用可能である。
圧縮機を有し、本発明は、該型式の分割スターリ
ングサイクルに関して説明される。また、本発明
は、マクマホン等により米国特許第2906101号に
開示されギフオードにより第2966035号に開示さ
れ圧力制御弁が圧縮機とコールドフインガとの間
に位置する様なギフオード・マクマホン式冷凍機
に適用可能である。
通常、圧縮機ピストンのまわりの流体シール
は、環状リツプまたは分割リングのシールであ
る。スターリング装置で遭遇する１つの問題は、
往復式圧縮機のピストンとそのシリンダとの間に
動的シールを通り常に幾らかの漏洩があることか
ら生じる。該漏洩は、作用体積と、ピストンの反
対側の制御体積との間である。ピストンの運動に
より他の方向よりも一方向で一層大きな漏洩が存
在する場合には、ガスの作用体積の圧力の平均値
は、制御体積の平均圧力より上または下になる傾
向がある。該漏洩の方向または大きさが冷凍機の
寿命中に変化すれば、該冷凍機は、コールドフイ
ンガと、変位装置との設計の根拠の圧力波形の変
化を受ける。この結果は、該装置の効率と容量と
の著しい低下である。
は、環状リツプまたは分割リングのシールであ
る。スターリング装置で遭遇する１つの問題は、
往復式圧縮機のピストンとそのシリンダとの間に
動的シールを通り常に幾らかの漏洩があることか
ら生じる。該漏洩は、作用体積と、ピストンの反
対側の制御体積との間である。ピストンの運動に
より他の方向よりも一方向で一層大きな漏洩が存
在する場合には、ガスの作用体積の圧力の平均値
は、制御体積の平均圧力より上または下になる傾
向がある。該漏洩の方向または大きさが冷凍機の
寿命中に変化すれば、該冷凍機は、コールドフイ
ンガと、変位装置との設計の根拠の圧力波形の変
化を受ける。この結果は、該装置の効率と容量と
の著しい低下である。
本発明の目的は、ガスの圧縮された作用体積の
波状圧力変動の平均値と、ピーク対ピークの差異
とが冷凍機の長い寿命にわたり安定化されるスタ
ーリング冷凍装置と、それに使用する圧縮機とを
提供することである。
波状圧力変動の平均値と、ピーク対ピークの差異
とが冷凍機の長い寿命にわたり安定化されるスタ
ーリング冷凍装置と、それに使用する圧縮機とを
提供することである。
スターリングおよびギフオード・マクマホンの
冷凍機の両者に共通の問題は、摩耗により、圧縮
機のシールからの粒子がヘリウム冷媒を汚染する
ことである。これ等の汚染物は、冷凍機の性能の
著しい劣化と、運転寿命の短縮とを生じさせる。
冷凍機の両者に共通の問題は、摩耗により、圧縮
機のシールからの粒子がヘリウム冷媒を汚染する
ことである。これ等の汚染物は、冷凍機の性能の
著しい劣化と、運転寿命の短縮とを生じさせる。
本発明の他の目的は、冷凍機の圧縮機部分に対
する一層少い摩耗により、従来の装置よりも長い
寿命を有する冷凍装置を提供することである。
する一層少い摩耗により、従来の装置よりも長い
寿命を有する冷凍装置を提供することである。
作用体積のガスが圧縮機ピストンで圧縮される
冷凍装置では、圧縮機ピストンの端部間の流体シ
ールは、硬く平滑なピストン壁と、硬く平滑なシ
リンダ壁との間の低摩擦間隙シールである。好ま
しくは、ピストンおよびシリンダの壁は、アルミ
ナセラミツクのものである。２つの壁間に潤滑剤
がなく、数百運転時間にわたり壁から摩耗される
破片が殆んどないため、冷媒ガスは、圧縮機から
汚染を受けない。また、間隙シールに僅かな摩耗
しかないため、作用体積の圧力波形は、数百運転
時間にわたり最小の変化しか受けない。
冷凍装置では、圧縮機ピストンの端部間の流体シ
ールは、硬く平滑なピストン壁と、硬く平滑なシ
リンダ壁との間の低摩擦間隙シールである。好ま
しくは、ピストンおよびシリンダの壁は、アルミ
ナセラミツクのものである。２つの壁間に潤滑剤
がなく、数百運転時間にわたり壁から摩耗される
破片が殆んどないため、冷媒ガスは、圧縮機から
汚染を受けない。また、間隙シールに僅かな摩耗
しかないため、作用体積の圧力波形は、数百運転
時間にわたり最小の変化しか受けない。
作用体積の平均圧力は、間隙シールの長さがピ
ストンストロークにわたり変化する如く圧縮機の
ピストンと、シリンダとを構成することにより、
制御体積の平均圧力より上または下に保持可能で
ある。作用体積に比較的高い平均圧力を与える如
く、間隙シールは、作用体積の圧力がそのピーク
にあるとき、その最大長さを有している。シール
の長さは、ピストンがそのストロークの一端でシ
リンダを越えて延びる如く充分に短いシリンダを
設けることにより、変化可能である。
ストンストロークにわたり変化する如く圧縮機の
ピストンと、シリンダとを構成することにより、
制御体積の平均圧力より上または下に保持可能で
ある。作用体積に比較的高い平均圧力を与える如
く、間隙シールは、作用体積の圧力がそのピーク
にあるとき、その最大長さを有している。シール
の長さは、ピストンがそのストロークの一端でシ
リンダを越えて延びる如く充分に短いシリンダを
設けることにより、変化可能である。
本発明の上述とその他の目的、特徴および利点
は、添付図面を参照する本発明の好適実施例の下
記の詳細な説明によつて明瞭になり、該図面で
は、同様な符号は、異なる図面を通じて同様な部
分を示す。該図面は、必ずしも縮尺通りでなく、
本発明の原理の例示に重点が置かれている。
は、添付図面を参照する本発明の好適実施例の下
記の詳細な説明によつて明瞭になり、該図面で
は、同様な符号は、異なる図面を通じて同様な部
分を示す。該図面は、必ずしも縮尺通りでなく、
本発明の原理の例示に重点が置かれている。
分割スターリング冷凍装置１２は、第１図に示
される。この装置は、往復式圧縮機１４と、コー
ルドフインガ１６とを備えている。該圧縮機は、
ヘツド空間１８内の加圧冷凍ガスに波状圧力変動
を与える。該圧力変動は、ヘリウム供給管路２０
を介しコールドフインガ１６に伝達される。
される。この装置は、往復式圧縮機１４と、コー
ルドフインガ１６とを備えている。該圧縮機は、
ヘツド空間１８内の加圧冷凍ガスに波状圧力変動
を与える。該圧力変動は、ヘリウム供給管路２０
を介しコールドフインガ１６に伝達される。
コールドフインガ１６のシリンダ内では、円筒
形変位装置２６は、コールドフインガ内の温空間
２２と、冷空間２４との体積を変更する如く上下
に自由に移動する。変位装置２６は、円筒形マト
リツクスを形成する如く堆積される数百の微細な
網目の銅のスクリーン円板を有する再生式熱交換
器２８を収容する。堆積されたボールを有するも
のゝ様なその他の熱交換器も公知である。ヘリウ
ムは、温空間２２と、冷空間２４との間で熱交換
器を自由に流通する。下記で説明される如く、ピ
ストン要素３０は、コールドフインガの温端部の
ガスばね体積３２内に変位装置２６から上方へ延
びる。
形変位装置２６は、コールドフインガ内の温空間
２２と、冷空間２４との体積を変更する如く上下
に自由に移動する。変位装置２６は、円筒形マト
リツクスを形成する如く堆積される数百の微細な
網目の銅のスクリーン円板を有する再生式熱交換
器２８を収容する。堆積されたボールを有するも
のゝ様なその他の熱交換器も公知である。ヘリウ
ムは、温空間２２と、冷空間２４との間で熱交換
器を自由に流通する。下記で説明される如く、ピ
ストン要素３０は、コールドフインガの温端部の
ガスばね体積３２内に変位装置２６から上方へ延
びる。
圧縮機１４は、電動機３８からクランク機構を
介して駆動される往復式ピストンポンプ要素３６
を収容する気密ハウジング３４を備えている。該
クランク機構は、モータ駆動軸４２に固定される
クランクカム４０を有している。連接腕４４は、
２つの密に嵌合するセラミツクスリーブでもよい
軸受４６を介しカムで駆動される。腕４４は、リ
ストピン４８を介してピストン３６を駆動する。
電力は、合成セラミツクのフイードスルー継手３
７を介し電気導線３９からモータ３８へ提供され
る。
介して駆動される往復式ピストンポンプ要素３６
を収容する気密ハウジング３４を備えている。該
クランク機構は、モータ駆動軸４２に固定される
クランクカム４０を有している。連接腕４４は、
２つの密に嵌合するセラミツクスリーブでもよい
軸受４６を介しカムで駆動される。腕４４は、リ
ストピン４８を介してピストン３６を駆動する。
電力は、合成セラミツクのフイードスルー継手３
７を介し電気導線３９からモータ３８へ提供され
る。
圧縮の熱と、モータでの損失で発生される熱と
は、圧縮機のシリンダを包囲するフイン５０を介
し熱電導で周囲空気へ排出される。
は、圧縮機のシリンダを包囲するフイン５０を介
し熱電導で周囲空気へ排出される。
第１図の冷凍装置は、加圧ガスの別個の３つの
体積を有する如く認められる。クランクケースの
ハウジング３４は、ピストン３６の下方のクラン
クケース内の加圧ガスの制御体積を維持する如く
密閉される。ピストン３６は、ガスの作用体積と
同様に該制御体積に作用する。ガスの作用体積
は、圧縮機シリンダ３５の上端の空間１８内のガ
スと、供給管路２０内のガスと、コールドフイン
ガ１６の空間２２，２４および熱交換器２８内の
ガスとを包含する。ガスの第３体積は、駆動ピス
トン３０を包囲するピストンシール５４で作用体
積からシールされるガスばね体積３２である。通
常のピストンシールが示されるが、更に好ましい
好適なシール装置は、1980年３月28日出願の本特
許出願人の米国特許出願第135141号に記載され
る。
体積を有する如く認められる。クランクケースの
ハウジング３４は、ピストン３６の下方のクラン
クケース内の加圧ガスの制御体積を維持する如く
密閉される。ピストン３６は、ガスの作用体積と
同様に該制御体積に作用する。ガスの作用体積
は、圧縮機シリンダ３５の上端の空間１８内のガ
スと、供給管路２０内のガスと、コールドフイン
ガ１６の空間２２，２４および熱交換器２８内の
ガスとを包含する。ガスの第３体積は、駆動ピス
トン３０を包囲するピストンシール５４で作用体
積からシールされるガスばね体積３２である。通
常のピストンシールが示されるが、更に好ましい
好適なシール装置は、1980年３月28日出願の本特
許出願人の米国特許出願第135141号に記載され
る。
第１図の分割スターリング冷凍装置の作用は、
第２図から第５図を参照することによつて明瞭に
理解可能である。第２図に示されるサイクルの時
点では、変位装置２６は、コールドフインガ１６
の冷端部にあり、圧縮機は、作用体積のガスを圧
縮する。圧縮機ピストン３６のこの圧縮運動は、
作用体積の圧力PWを最低圧力から最高圧力へ上
昇させる。ガスばね体積３２の圧力は、作用体積
の最低および最高の圧力レベル間の或るレベルで
安定化される。従つて、或る時点では、作用体積
内の上昇する圧力は、変位装置のシール５６と、
ピストンシール５４との摩擦を克服するのに充分
な駆動ピストンを横切る差圧を形成する。このと
き、ピストンおよび変位装置は、第３図の位置に
上方へ急速に移動する。変位装置のこの運動によ
り、周囲温度の高圧作用ガスは、熱交換器２８を
介し冷空間２４に押込まれる。熱交換器は、流れ
る加圧ガスから熱を吸収し、該ガスを低温の温度
に降下する。
第２図から第５図を参照することによつて明瞭に
理解可能である。第２図に示されるサイクルの時
点では、変位装置２６は、コールドフインガ１６
の冷端部にあり、圧縮機は、作用体積のガスを圧
縮する。圧縮機ピストン３６のこの圧縮運動は、
作用体積の圧力PWを最低圧力から最高圧力へ上
昇させる。ガスばね体積３２の圧力は、作用体積
の最低および最高の圧力レベル間の或るレベルで
安定化される。従つて、或る時点では、作用体積
内の上昇する圧力は、変位装置のシール５６と、
ピストンシール５４との摩擦を克服するのに充分
な駆動ピストンを横切る差圧を形成する。このと
き、ピストンおよび変位装置は、第３図の位置に
上方へ急速に移動する。変位装置のこの運動によ
り、周囲温度の高圧作用ガスは、熱交換器２８を
介し冷空間２４に押込まれる。熱交換器は、流れ
る加圧ガスから熱を吸収し、該ガスを低温の温度
に降下する。
クランク軸機構からの波状駆動により、圧縮機
ピストン３６は第４図に示す如く作用体積の膨脹
を開始する。膨脹により、冷空間２４内の高圧ヘ
リウムは、更に冷却される。冷空間２４のこの冷
却は、熱交換器の長さにわたり200〓以上の温度
勾配を維持する冷凍を提供する。
ピストン３６は第４図に示す如く作用体積の膨脹
を開始する。膨脹により、冷空間２４内の高圧ヘ
リウムは、更に冷却される。冷空間２４のこの冷
却は、熱交換器の長さにわたり200〓以上の温度
勾配を維持する冷凍を提供する。
ピストン３６の膨脹運動の或る時点では、作用
空間内の圧力は、シール摩擦を克服するガス差圧
のため、ガスばね体積３２内の圧力よりも充分に
低く降下する。次に、ピストン３０および変位装
置２６は、第２図の出発位置でもある第５図の位
置に下方へ駆動される。従つて、冷空間２４内の
冷却されたガスは、熱交換器から熱を抽出する如
く熱交換器を介して押圧される。
空間内の圧力は、シール摩擦を克服するガス差圧
のため、ガスばね体積３２内の圧力よりも充分に
低く降下する。次に、ピストン３０および変位装
置２６は、第２図の出発位置でもある第５図の位
置に下方へ駆動される。従つて、冷空間２４内の
冷却されたガスは、熱交換器から熱を抽出する如
く熱交換器を介して押圧される。
尚、当該技術で周知の如く、ストローク制御装
置は、変位装置がコールドフインガのシリンダの
いづれの端部をも打撃しないことを保証する如く
設けられてもよい。該制御装置は、駆動ピストン
３０に好適に位置する一方弁と、ポートとを有し
てもよい。
置は、変位装置がコールドフインガのシリンダの
いづれの端部をも打撃しないことを保証する如く
設けられてもよい。該制御装置は、駆動ピストン
３０に好適に位置する一方弁と、ポートとを有し
てもよい。
次に、注意は、圧縮機のピストンシールの作用
に向けられる。作用体積と、制御体積との夫々の
圧力PW、PCは、180゜位相の異なる波状曲線をた
どる。制御体積が作用体積よりもかなり大きいた
め、ピストン３６の運動は、第７Ａ図に示す如
く、該体積の圧力に一層少い影響を有している。
作用体積を圧縮する圧縮ストロークの終りでは、
シールを横切り差圧△PCが存在する。作用体積
を膨脹する膨脹ストロークの終りでは、差圧△
PEが存在する。
に向けられる。作用体積と、制御体積との夫々の
圧力PW、PCは、180゜位相の異なる波状曲線をた
どる。制御体積が作用体積よりもかなり大きいた
め、ピストン３６の運動は、第７Ａ図に示す如
く、該体積の圧力に一層少い影響を有している。
作用体積を圧縮する圧縮ストロークの終りでは、
シールを横切り差圧△PCが存在する。作用体積
を膨脹する膨脹ストロークの終りでは、差圧△
PEが存在する。
次に、圧縮機のピストンシールが一方向で他の
方向よりも大きな漏洩の傾向を有する状態を考察
する。例えば、シールの性質に基づき、ピストン
ストロークの圧縮終りでの差圧△PCは、ストロ
ークの膨脹終りで一層大きな差圧PEと同一の漏
洩を生じ得る。作用圧力と、制御圧力とは、ガス
漏洩を等しくする異なる平均圧力に安定化する傾
向を有している。例えば、これ等は、第７Ａ図に
示される状態に安定化されてもよい。
方向よりも大きな漏洩の傾向を有する状態を考察
する。例えば、シールの性質に基づき、ピストン
ストロークの圧縮終りでの差圧△PCは、ストロ
ークの膨脹終りで一層大きな差圧PEと同一の漏
洩を生じ得る。作用圧力と、制御圧力とは、ガス
漏洩を等しくする異なる平均圧力に安定化する傾
向を有している。例えば、これ等は、第７Ａ図に
示される状態に安定化されてもよい。
他方、等しい差圧△PC、△PEがシールを通る
２方向で等しいガス漏洩を生じるとすれば、該装
置は、制御体積および作用体積での平均圧力が等
しい状態に安定化され得る。
２方向で等しいガス漏洩を生じるとすれば、該装
置は、制御体積および作用体積での平均圧力が等
しい状態に安定化され得る。
冷凍装置が作用体積のピーク対ピークの差異
と、一定の平均値とで安定化されることが期待さ
れゝば、該装置は、該條件で効率的に運転される
如く構成可能である。例えば、作用体積の最高圧
力が制御体積の平均圧力に常にほゞ等しいことが
既知であれば、制御体積の圧力は、所望のレベル
に作用圧力を引上げる如く充分に高く設定されて
もよい。
と、一定の平均値とで安定化されることが期待さ
れゝば、該装置は、該條件で効率的に運転される
如く構成可能である。例えば、作用体積の最高圧
力が制御体積の平均圧力に常にほゞ等しいことが
既知であれば、制御体積の圧力は、所望のレベル
に作用圧力を引上げる如く充分に高く設定されて
もよい。
また、該装置内の構造要素は、最大応力を満足
させる如く経済的に構成可能である。例えば、連
接棒４４は、冷凍装置が制御体積の圧力に対して
高い作用体積圧力で運転されゝば、高い圧縮力に
耐えねばならない。他方、該装置が比較的低い作
用体積圧力で運転されゝば、高い引張り応力が満
足されねばならない。
させる如く経済的に構成可能である。例えば、連
接棒４４は、冷凍装置が制御体積の圧力に対して
高い作用体積圧力で運転されゝば、高い圧縮力に
耐えねばならない。他方、該装置が比較的低い作
用体積圧力で運転されゝば、高い引張り応力が満
足されねばならない。
圧縮機の最も通常のシール装置の主な問題は、
シールの摩耗により、シールを通る２方向での漏
洩が大きさを変化することである。この結果、作
用体積の圧力波形は、圧縮機の充分に長い寿命を
通じて安定でない。圧力がシール摩耗に基づいて
不安定になるとき、冷凍機の効率および容量は、
甚しく低下する。その上、シールの摩耗は、ヘリ
ウムガスの様な冷媒を汚染する破片を生じ得る。
シールの摩耗により、シールを通る２方向での漏
洩が大きさを変化することである。この結果、作
用体積の圧力波形は、圧縮機の充分に長い寿命を
通じて安定でない。圧力がシール摩耗に基づいて
不安定になるとき、冷凍機の効率および容量は、
甚しく低下する。その上、シールの摩耗は、ヘリ
ウムガスの様な冷媒を汚染する破片を生じ得る。
第１図、第６図に示す如く、圧縮機ピストン３
６の両端の間の流体シールは、潤滑剤のない間隙
シールである。潤滑剤の使用は、ヘリウムの冷媒
の汚染を防止する如く排除されねばならない。実
際上、ガス冷媒は、ガス潤滑を与える如くピスト
ン壁とシリンダ壁との間の小さい間隙に充満す
る。
６の両端の間の流体シールは、潤滑剤のない間隙
シールである。潤滑剤の使用は、ヘリウムの冷媒
の汚染を防止する如く排除されねばならない。実
際上、ガス冷媒は、ガス潤滑を与える如くピスト
ン壁とシリンダ壁との間の小さい間隙に充満す
る。
シリンダ内のピストンの低摩擦運動を与え、間
隙シール面の摩耗を低減するには、これ等の面
は、非常に硬く平滑な材料のものであることが肝
要である。これ等の面の硬度は、ロツクウエルＣ
スケールで少なくとも60でなければならず、好ま
しくはＣスケールで70以上である。摩耗抵抗は、
２つの密に嵌合される運動部品の摩耗速度が約
0.0000254mm（１マイクロインチ）／時間以下で
ある如くでなければならない。平滑度に関して
は、仕上げは、0.000406mm（16マイクロインチ）
より良くなければならない。
隙シール面の摩耗を低減するには、これ等の面
は、非常に硬く平滑な材料のものであることが肝
要である。これ等の面の硬度は、ロツクウエルＣ
スケールで少なくとも60でなければならず、好ま
しくはＣスケールで70以上である。摩耗抵抗は、
２つの密に嵌合される運動部品の摩耗速度が約
0.0000254mm（１マイクロインチ）／時間以下で
ある如くでなければならない。平滑度に関して
は、仕上げは、0.000406mm（16マイクロインチ）
より良くなければならない。
間隙シール要素のピストンスリーブ５８と、シ
リンダスリーブ５１とは、セラミツク、サーメツ
ト、焼入れ銅またはその他の硬い耐摩耗性材料で
作られる。サーメツトは、金属を結合され処理さ
れたセラミツク粒子を有する材料であり、大きい
強度の耐摩耗性の用途に使用される。セラミツク
を有する材料は、セラミツクが、金属の間隙シー
ル面の使用で生じ得る焼付きの溶着作用の問題に
遭遇しないため、間隙シールを形成する用途に特
に好適である。セラミツクは、代表的に酸素、窒
素、硫黄、炭素、硼素またはシリコンの非金属に
組合わされる周期表のグループ、またはの
金属または金属状材料の任意の化合物を包含す
る。セラミツクは、硬く耐摩耗性であることを特
徴とする。該セラミツクの例は、酸化アルミニウ
ム（アルミナ）、酸化ベリリウム（ベリリイヤ）、
酸化チタニウム、二酸化チタニウム、炭化硼素、
窒化シリコンおよび熱分解黒鉛である。その他の
物質は、セラミツクにその特性を改善する如く添
加されてもよい。アルミナ（Al2O3）は、好適な
セラミツク材料であり、登録商標フエロテイツク
の下で販売される様な合金鋼に混合された炭化チ
タニウムは、好適なサーメツトである。ピストン
およびシリンダは、中実のセラミツクまたはサー
メツトでなくてもよいが、セラミツクの少なくと
も大部分の層は、これ等の要素がセラミツクの大
部分の特性を示すのを保証する如く間隙シールで
ピストンおよびシリンダの各々に設けられねばな
らない。
リンダスリーブ５１とは、セラミツク、サーメツ
ト、焼入れ銅またはその他の硬い耐摩耗性材料で
作られる。サーメツトは、金属を結合され処理さ
れたセラミツク粒子を有する材料であり、大きい
強度の耐摩耗性の用途に使用される。セラミツク
を有する材料は、セラミツクが、金属の間隙シー
ル面の使用で生じ得る焼付きの溶着作用の問題に
遭遇しないため、間隙シールを形成する用途に特
に好適である。セラミツクは、代表的に酸素、窒
素、硫黄、炭素、硼素またはシリコンの非金属に
組合わされる周期表のグループ、またはの
金属または金属状材料の任意の化合物を包含す
る。セラミツクは、硬く耐摩耗性であることを特
徴とする。該セラミツクの例は、酸化アルミニウ
ム（アルミナ）、酸化ベリリウム（ベリリイヤ）、
酸化チタニウム、二酸化チタニウム、炭化硼素、
窒化シリコンおよび熱分解黒鉛である。その他の
物質は、セラミツクにその特性を改善する如く添
加されてもよい。アルミナ（Al2O3）は、好適な
セラミツク材料であり、登録商標フエロテイツク
の下で販売される様な合金鋼に混合された炭化チ
タニウムは、好適なサーメツトである。ピストン
およびシリンダは、中実のセラミツクまたはサー
メツトでなくてもよいが、セラミツクの少なくと
も大部分の層は、これ等の要素がセラミツクの大
部分の特性を示すのを保証する如く間隙シールで
ピストンおよびシリンダの各々に設けられねばな
らない。
14.275mm（0.5620″）の直径で9.538mm（0.3755″）
の長さの圧縮機ピストンの最適性能のため、間隙
シールの半径方向の間隙は、0.00254mm
（0.00010″）と計算された。0.001524mm
（0.00006″）から0.00381mm（0.00015″）までの範
囲内の間隙も、満足すべき結果を与える。
の長さの圧縮機ピストンの最適性能のため、間隙
シールの半径方向の間隙は、0.00254mm
（0.00010″）と計算された。0.001524mm
（0.00006″）から0.00381mm（0.00015″）までの範
囲内の間隙も、満足すべき結果を与える。
圧縮機からの熱消散を与える如く、圧縮機のケ
ーシング４９は、高伝熱性のアルミニウム製であ
る。セラミツクスリーブ５１は、間隙シールに必
要な硬く平滑なシリンダ壁を与える如くケーシン
グ４９内に位置している。この場合には、スリー
ブは、ケーシングをスリーブの端部の上にかしめ
ることにより、ケーシングに結合される。スリー
ブ５１は、1.753mm（0.069″）の厚さを有してい
る。
ーシング４９は、高伝熱性のアルミニウム製であ
る。セラミツクスリーブ５１は、間隙シールに必
要な硬く平滑なシリンダ壁を与える如くケーシン
グ４９内に位置している。この場合には、スリー
ブは、ケーシングをスリーブの端部の上にかしめ
ることにより、ケーシングに結合される。スリー
ブ５１は、1.753mm（0.069″）の厚さを有してい
る。
セラミツクスリーブ５１は、約７×10-6／℃の
かなり低い熱膨脹係数を有している。しかしなが
ら、アルミニウムは、この値の約３倍の膨脹係数
を有している。しかしながら、セラミツクの高い
圧縮強度のため、アルミニウムケーシング４９の
膨脹収縮は、スリーブの内径に殆んど影響を及ぼ
さない。
かなり低い熱膨脹係数を有している。しかしなが
ら、アルミニウムは、この値の約３倍の膨脹係数
を有している。しかしながら、セラミツクの高い
圧縮強度のため、アルミニウムケーシング４９の
膨脹収縮は、スリーブの内径に殆んど影響を及ぼ
さない。
製作費と材料費とを低減するため、ピストンヘ
ツド３６は、セラミツクスリーブ５８内に鋼イン
サート５６を有している。セラミツクが高い引張
り強さを有していないため、インサートの材料
は、インサートおよびスリーブの熱膨脹係数の間
の密な適合を与える如く選択される。セラミツク
より約50％大きい熱膨脹係数を有するステンレス
鋼が選定される。該スリーブは、ピストンにエポ
キシ樹脂で接着され、該エポキシ樹脂の接着は、
スリーブおよびインサートの膨脹または収縮での
或る差異のクツシヨンを提供する。スリーブ５８
は、1.016mm（0.040″）の厚さを有している。
ツド３６は、セラミツクスリーブ５８内に鋼イン
サート５６を有している。セラミツクが高い引張
り強さを有していないため、インサートの材料
は、インサートおよびスリーブの熱膨脹係数の間
の密な適合を与える如く選択される。セラミツク
より約50％大きい熱膨脹係数を有するステンレス
鋼が選定される。該スリーブは、ピストンにエポ
キシ樹脂で接着され、該エポキシ樹脂の接着は、
スリーブおよびインサートの膨脹または収縮での
或る差異のクツシヨンを提供する。スリーブ５８
は、1.016mm（0.040″）の厚さを有している。
第１図、第６図に示される圧縮機は、第７Ａ図
から第７Ｃ図まで示される結果を与えた試験で擬
似（ダミー）作用体積を用いて使用された。該圧
縮機は、主として20℃で1000時間にわたり運転さ
れた。該1000時間内で該圧縮機は、55℃で32時間
と、−54℃で17.5時間とにわたつても運転された。
それ自体異常に長い運転期間である515時間後、
セラミツクスリーブ５８を保持するエポキシ樹脂
の接着が破断し、スリーブが交換された。最初の
ピストン形状は、試験を通じて使用された。
から第７Ｃ図まで示される結果を与えた試験で擬
似（ダミー）作用体積を用いて使用された。該圧
縮機は、主として20℃で1000時間にわたり運転さ
れた。該1000時間内で該圧縮機は、55℃で32時間
と、−54℃で17.5時間とにわたつても運転された。
それ自体異常に長い運転期間である515時間後、
セラミツクスリーブ５８を保持するエポキシ樹脂
の接着が破断し、スリーブが交換された。最初の
ピストン形状は、試験を通じて使用された。
圧縮機の30時間、490時間および878時間後の圧
力波形は、第７図の夫々の図に示される。36.210
Kg／cm2（515psig）のクランクケースの圧力によ
り、圧縮機の最初の圧力波形は、30.936Kg／cm2
（440psig）から47.460Kg／cm2（675psig）までの
範囲であつた。この時点での間隙シールの間隙
は、0.001524mm（0.00006″）であつた。490運転時
間後（第７Ｂ図）、間隙は、依然として0.001524
mm（0.00006″）であり、圧力範囲は、30.936Kg／
cm2（440psig）から47.108Kg／cm2（670psig）ま
でゞあつた。最後に、878時間後（第７Ｃ図）、間
隙は、0.003810mm（0.00015″）であり、圧力範囲
は、30.233Kg／cm2（430psig）から45.702Kg／cm2
（650psig）までゞあつた。
力波形は、第７図の夫々の図に示される。36.210
Kg／cm2（515psig）のクランクケースの圧力によ
り、圧縮機の最初の圧力波形は、30.936Kg／cm2
（440psig）から47.460Kg／cm2（675psig）までの
範囲であつた。この時点での間隙シールの間隙
は、0.001524mm（0.00006″）であつた。490運転時
間後（第７Ｂ図）、間隙は、依然として0.001524
mm（0.00006″）であり、圧力範囲は、30.936Kg／
cm2（440psig）から47.108Kg／cm2（670psig）ま
でゞあつた。最後に、878時間後（第７Ｃ図）、間
隙は、0.003810mm（0.00015″）であり、圧力範囲
は、30.233Kg／cm2（430psig）から45.702Kg／cm2
（650psig）までゞあつた。
作用体積の圧力の平均値は、クランクケースの
体積の平均圧力よりも僅かに高かつたことが第７
Ａ図から第７Ｃ図までの各々で認められる。作用
体積のこの高い圧力は、ピストン３６の下端がピ
ストンのストロークの下端で圧縮機のシリンダよ
り下に降下することに基づくと思われる。この時
点では、間隙シールの長さは、ストロークの反対
側端部におけるよりも短かゝつた。従つて、シー
ル長さは、クランクケースの体積が圧縮されてい
る際に最小であつた。ストロークの上端での作用
体積からクランクケース体積への漏洩よりもスト
ロークの下端でのクランクケース体積から作用体
積への一層大きな漏洩の結果とのして傾向があつ
た。これは、第７図に示される安定状態への作用
体積圧力ポンプ作用による上昇を生じた。
体積の平均圧力よりも僅かに高かつたことが第７
Ａ図から第７Ｃ図までの各々で認められる。作用
体積のこの高い圧力は、ピストン３６の下端がピ
ストンのストロークの下端で圧縮機のシリンダよ
り下に降下することに基づくと思われる。この時
点では、間隙シールの長さは、ストロークの反対
側端部におけるよりも短かゝつた。従つて、シー
ル長さは、クランクケースの体積が圧縮されてい
る際に最小であつた。ストロークの上端での作用
体積からクランクケース体積への漏洩よりもスト
ロークの下端でのクランクケース体積から作用体
積への一層大きな漏洩の結果とのして傾向があつ
た。これは、第７図に示される安定状態への作用
体積圧力ポンプ作用による上昇を生じた。
スリーブ５１の内側面は、その下端に向い面取
りされていることが第１図で認められる。この面
取りは、シリンダの下端で２つのスリーブ間の間
隙を増大し、ピストンのストロークにわたり変化
するシール長さを提供する。
りされていることが第１図で認められる。この面
取りは、シリンダの下端で２つのスリーブ間の間
隙を増大し、ピストンのストロークにわたり変化
するシール長さを提供する。
本発明は、その好適実施例に関して特に図示説
明されたが、形状と細部での種々な変更は、本特
許請求の範囲に記載される本発明の精神と範囲と
から逸脱することなく実施可能なことが当該技術
分野で認められる。
明されたが、形状と細部での種々な変更は、本特
許請求の範囲に記載される本発明の精神と範囲と
から逸脱することなく実施可能なことが当該技術
分野で認められる。
第１図は本発明を具現する分割スターリング冷
凍装置の図式的な図、第２図から第５図は冷凍サ
イクルの４段階を示す第１図の装置の単純化され
た図式的な図、第６図は第１図の圧縮機ピストン
の断面図、第７Ａ図から第７Ｃ図は圧縮機の運転
寿命の３点における第１図の圧縮機の作用圧力と
制御圧力との線図を示す。 １２……分割スターリング冷凍装置、１４……
圧縮機、１６……コールドフインガ、３０……フ
インガのピストン要素、３５……圧縮機のシリン
ダ、３６……圧縮機のピストン、５１……シリン
ダスリーブ、５８……ピストンスリーブ。
凍装置の図式的な図、第２図から第５図は冷凍サ
イクルの４段階を示す第１図の装置の単純化され
た図式的な図、第６図は第１図の圧縮機ピストン
の断面図、第７Ａ図から第７Ｃ図は圧縮機の運転
寿命の３点における第１図の圧縮機の作用圧力と
制御圧力との線図を示す。 １２……分割スターリング冷凍装置、１４……
圧縮機、１６……コールドフインガ、３０……フ
インガのピストン要素、３５……圧縮機のシリン
ダ、３６……圧縮機のピストン、５１……シリン
ダスリーブ、５８……ピストンスリーブ。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ シリンダと、内部のヘリウムガスを膨脹し従
つて冷却する該シリンダ内の往復式ピストン要素
と、コールドフインガのシリンダ内で膨脹する如
くヘリウムガスを圧縮する圧縮機シリンダ内の圧
縮機ピストンを有する圧縮機とを備える型式の冷
凍機において、 前記圧縮機ピストンの端部間の流体シールが、
硬く平滑なピストン壁と硬く平滑なシリンダ壁と
の間の低摩擦間隙シールであることを特徴とする
冷凍機。
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US18115280A | 1980-08-25 | 1980-08-25 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS5773873A JPS5773873A (en) | 1982-05-08 |
| JPS6364635B2 true JPS6364635B2 (ja) | 1988-12-13 |
Family
ID=22663112
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP56133216A Granted JPS5773873A (en) | 1980-08-25 | 1981-08-25 | Refrigerating machine with clearance sealed compressor |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| EP (1) | EP0046585B2 (ja) |
| JP (1) | JPS5773873A (ja) |
| DE (1) | DE3172726D1 (ja) |
| IL (1) | IL63642A (ja) |
Families Citing this family (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB2249620B (en) * | 1981-08-19 | 1992-08-19 | British Aerospace | Cryogenic system |
| JPS58208701A (ja) * | 1982-05-28 | 1983-12-05 | Sano Kiko Kk | ビ−ムスプリツタ− |
| JPS62147865U (ja) * | 1986-03-12 | 1987-09-18 | ||
| US4862695A (en) * | 1986-11-05 | 1989-09-05 | Ice Cryogenic Engineering Ltd. | Split sterling cryogenic cooler |
| WO1989003480A2 (en) * | 1987-10-08 | 1989-04-20 | Helix Technology Corporation | Linear motor compressor with stationary piston |
| US4924675A (en) * | 1987-10-08 | 1990-05-15 | Helix Technology Corporation | Linear motor compresser with stationary piston |
| DE58903407D1 (de) * | 1989-01-19 | 1993-03-11 | Sulzer Ag | Hubkolbenkompressor. |
| ITFI20070008A1 (it) | 2007-01-17 | 2008-07-18 | Dorin Mario Spa | Motocompressore alternativo in particolare di tipo semiermetico. |
| CN117553445B (zh) * | 2024-01-09 | 2024-03-22 | 浙江拓感科技有限公司 | 一种红外探测器快速启动集成制冷机组件 |
Family Cites Families (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB524036A (en) * | 1939-01-20 | 1940-07-29 | Thomas Charles Winfield | Improvements in or relating to cylinders of internal combustion engines |
| GB643435A (en) * | 1948-04-24 | 1950-09-20 | Norton Co | Liners for cylinders |
| GB771334A (en) * | 1954-12-22 | 1957-03-27 | Friedrich Hagans | Improvements in single acting piston machines |
| US3364675A (en) * | 1966-08-25 | 1968-01-23 | Gen Motors Corp | Method and means for relating pressures in buffer and working spaces of a hot gas engine |
| US4044558A (en) * | 1974-08-09 | 1977-08-30 | New Process Industries, Inc. | Thermal oscillator |
| US3958841A (en) * | 1975-02-21 | 1976-05-25 | Anton Braun | Non-friction pressure seal |
| US4244192A (en) * | 1978-12-11 | 1981-01-13 | Helix Technology Corporation | Refrigeration system and reciprocating compressor therefor with pressure stabilizing seal |
| JPS5623537A (en) * | 1979-08-02 | 1981-03-05 | Toshiba Corp | Cylinder for internal combustion engine |
| IL62493A (en) * | 1980-03-28 | 1984-05-31 | Helix Tech Corp | Refrigeration system with clearance seal and discrete braking element |
-
1981
- 1981-08-21 EP EP81106527A patent/EP0046585B2/en not_active Expired
- 1981-08-21 DE DE8181106527T patent/DE3172726D1/de not_active Expired
- 1981-08-23 IL IL63642A patent/IL63642A/xx not_active IP Right Cessation
- 1981-08-25 JP JP56133216A patent/JPS5773873A/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| DE3172726D1 (en) | 1985-11-28 |
| EP0046585B1 (en) | 1985-10-23 |
| IL63642A (en) | 1985-03-31 |
| EP0046585A1 (en) | 1982-03-03 |
| EP0046585B2 (en) | 1992-12-09 |
| IL63642A0 (en) | 1981-11-30 |
| JPS5773873A (en) | 1982-05-08 |
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