JPS6370054A - エキスパンダー - Google Patents

エキスパンダー

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JPS6370054A
JPS6370054A JP62221808A JP22180887A JPS6370054A JP S6370054 A JPS6370054 A JP S6370054A JP 62221808 A JP62221808 A JP 62221808A JP 22180887 A JP22180887 A JP 22180887A JP S6370054 A JPS6370054 A JP S6370054A
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JP
Japan
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pressure
space
displacer
heat exchanger
force
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Application number
JP62221808A
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English (en)
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ローレンス・イー・ファリア
アール・エイチ・クリストファー
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Raytheon Co
Original Assignee
Raytheon Co
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Publication date
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    • 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
    • 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
    • F25B2309/00—Gas cycle refrigeration machines
    • F25B2309/003—Gas cycle refrigeration machines characterised by construction or composition of the regenerator

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Compressors, Vaccum Pumps And Other Relevant Systems (AREA)
  • Rotary Pumps (AREA)
  • Superconductors And Manufacturing Methods Therefor (AREA)
  • Pistons, Piston Rings, And Cylinders (AREA)
  • Compressor (AREA)

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】 産業上の利用分野 本発明は冷却システムに関わり、より詳細には分割スタ
ーリングサイクル冷却装置に使用されろシールレスエキ
スパンダーに関するものである。
従来技術及びその問題点 赤外線検出器を極低温まで冷却するといった要望は１分
割スターリングサイクル原理に基づいて作動する小型冷
却装置によってｌ−ばしば満たされている。周知の如く
、これら冷却装置では、加圧冷却ガスに概ねソヌソイド
的な圧力変化を与えろモーター駆動コンプレッサーと、
ガスを冷却するエキスパンダー及び加圧ガスをコンプレ
ッサーからエキスパンダーに送り込むガス転送管などが
用いられている。
エキスパンダーは典型的にはその内部にそれぞれ隔離【
−て形成した二つの凹部を有する金属シリンダーである
。一方の凹部は源容積部と称され。
そこにはほぼ一定の圧力に保持される冷却ガスが満たさ
れている。他方の凹部は作動容積部と称され、その内部
には同じく冷却ガスが充満しており、コンプレッサーか
ら転送管を経由して送り込まれるガスを受は入れている
。作動容積部内のガス圧力はこれにより源容積圧力を上
下して振動せしめられている。ディスプレーサ−と称す
るもう一方の金属シリンダーはその一端が源容積部内に
延在し他端が作動容積部内に延在するようエキスパンダ
ー内に配設される。
ディスプレーサ−は作動容積部の変化圧力に応じて往復
動自在である。源容積圧力が作動容積圧力より小さい時
、ディスプレーサ−に加わる力が生成され、この力によ
りディスプレーサ−が更に源容積部内に延在してゆ′く
工う該ディスプレーサ−が移動する。かくしてディスプ
レーサ−の往復動が行われる。源容積圧力が作動容積圧
力を超えろと、ディスプレーサ−は反対方向、すなわち
源容積部から作動容積部内へ移動させられる。
ディスプレーサはまた冷熱交換器（熱交換器）を備えて
いる。ディスプレーサ−に形成された開口部により、作
動容積部内のガスの熱交換器への出入りが可能となって
いる。ディスプレーサ−が往復動すると、作動容積部の
ガスは熱交換器を通ってまず一方向に、次に他方向に流
れてゆく。今度はこれによってガスの冷却と暖熱が交互
に行われ、その結果作動容積部の一端部（冷空間部）内
のガスが周辺よりも冷くなり、また他端部（暖空間部）
内のガスが周辺よりも暖かくなる。冷却すべき赤外線検
出器若しくはその他の装置は作動容積部の冷空間部に隣
接して据え付けられろ。
作動容積部内のガス圧力が最大値に近づく迄、ディスプ
レーサ−の運動を遅延させろことでエキスパンダー効率
が高められる事はよく知られている。これにより作動容
積部内のほとんど全てのガスが熱交換器を通過する前に
圧縮されてそれゆえ暖熱されろ。次にガスは作動容積部
の冷端部内に入る時、可能な限り冷却されろ。同様に、
作動容積部内の圧力が最小に近くなるまでディスプレー
サ−の反対運動を遅延させ、熱交換器を戻って冷端部か
ら流出する前に出来るだけ多くのガスを膨張させそれに
よってガスを冷却させる。
主にディスプレーサ−の外径に接触するように配設され
たディスプレーサ−摩擦シールの機能によってディスプ
レーサ−の運動の遅延を行っている。しかし、これら摩
擦シールは摩耗するにつれてその制動動作を変化させて
しまうので、冷却効率に悪影響を及ぼすという問題があ
った。米国特許Ａ　４，０７４，９０８号では、長い摩
耗寿命を呈する重合シールが開示されている。上記特許
以外のものでは、摩擦シールを遊隙型シールに交換し、
且つディスプレーサ−１４の動作を遅延もしくは調整す
るその他の手段を設けていた。例えば、米国特許／１６
４，５１４，９８７号では、ディスプレーサ−への機械
的ドラグを形成する為に電磁界の活用が開示されている
。米国特許Ａ４，４７５，３４６号では、ディスプレー
サ−の運動を調整する電動＠線駆動モーターが開示され
ている。エキスパンダーの機械的複雑性の増加に加えて
、これら補助的な運動遅延機構はエキスパンダーへの外
部連結部材を必要以上に増加させている。これはまたエ
キスパンダー及び赤外線検出器の操縦に必要なジルバル
への装着を複雑にしている。
発明が解決しようとする問題点 従りて、前述の発明の背景を考慮すると１本発明の目的
とするところは分割スターリングサイクル冷却装置に使
用され、摩擦型シールを使用せずにディスプレーサ−の
運動に対し適切に位相を合わせたエキスパンダーを提供
することにある。
本発明のもう一つの目的は外部ディスプレーサ運動制御
装置を用いない、且つジンバル装備に付随する装置複雑
性の増加及び障害が増加することのないエキスパンダー
を提供することにある。
本発明の更なる目的は、簡略化したディスプレーサ−の
デザインを提供することにある。
本発明のこれら及びその他の目的は、吸窒間部と冷空間
部とを隔離する精密遊隙型シールを有し。
且つ吸窒間圧力と源容積圧力との最大圧力差の数倍のプ
ランジャー面積に等しいプランジャー力の大きさが吸窒
間圧力と冷壁間圧力との最大圧力差の数倍の熱交換器横
断面積に等しい熱交換器力の大きさにほぼ等しくなるよ
うなプランジャーと熱交換器であって、熱交換器力に対
するプランジャー力の位相合わせにより作動容積圧力が
その最小最大値に近似する時のみディスプレーサ−を移
動させるようなガス流量を持つ熱交換器と前記プランジ
ャーとを備えるエキスパンダーを提供することにより達
成される。
実施例 図面を参照すると、幾つかの図面中同−参照符号は同一
もしくは対応部分を示す。第１図には特に、エキスパン
ダー６０がガス転送管６２を介してコンプレ、サー６１
に対し作動可能に連結するよう図示されている。コンプ
レ、サー６１は転送管６２を介して概ねシヌソイド圧力
変化を有する（ヘリウムの如き）冷却ガスをエキスパン
ダー６０に供給する。エキスパンダー６０はこの冷却ガ
スに対し作用する。これてより冷却チップ６６を周辺温
度より冷却せしめている。冷却チアプロ３はエキスパン
ダー６０の一端に据え付けられており、好ましくはスラ
ブとして良好な熱伝達特性を呈する銅のような材料にて
形成される。赤外線検出器６４もしくはその他の被冷却
体はエキスパンダー６０に対向する冷却チップ６３側に
備えられる。
冷却チアプロ３を備えるエキスパンダー６０の端部は冷
却端５９と称せられる。
冷却チアプロ３が何故冷却するのか、その理解の為にエ
キスパンダー６０の構成要素及びその動作についてより
詳細に説明を行う。エキスパンダー６０はエキスパンダ
ーハウジング６５及びディスゲレーサー６６により構成
される。エキスパンダー６５及びディスプレーサ−６６
は好ましくはステンレスチール製のシリンダーである。
エキスパンダーハウジング６５には２つの凹部、すなわ
ち主凹部（図示せず）と源容積部６８が形成されている
。源容積部６８は冷却端５９に対向するエキスパンダハ
ウジング６５の端部に形成される。冷却端５９に対向す
るエキスパンダー６０のこの端部は暖端部５８として呼
称される。エキスパンダーハウジング６５は単一の金属
にて形成してもよく。
あるいは鑞付集成部材として形成してもよい。主凹部（
図示せず）は吸窒間部６９と冷空間部７０に分割される
。冷空間部７０は冷却チアプロ３に隣接する主凹部６７
の端部に位置する。転送管６２内の加圧冷却ガスは、吸
窒間部６９に隣接するエキスパンダーハウジングの壁に
形成されたガスロア１を通って吸窒間部内に送り込まれ
る。簡単に説明すると、ディスプレーサ−シール７２に
より吸窒間部６９のガス及び冷空間部７０のガスとの直
接連通は防止される。
源容積部６８には冷却ガスが充満している。源容積部内
のガス圧力は、吸窒間部６９内の平均圧力とほぼ等しい
一定圧力に保持されている。プランジャーシール７６に
より源容積部６８のガスと吸窒間部６９のガスとは互い
に隔離される。プランジャーシール７６の効能は１００
パーセント完壁とは云えないので、源容積部６８の大き
さは、少なくともプランジャーシール７６を通過］−で
吸窒間部６９へ及び該空間部から漏れろガスの影響が最
小となるようなものでなげればならない。
第１図から明らかなように、ディスプレーサ−６６はプ
ランジャー７８．バンパー７９．アダプター８０．ビン
８２及び熱交換器８４により構成されている。熱交換器
８４は、熱交換媒体８８が充満しているチューブ８６及
び二つのプラグ、すなわた暖端部プラグ９０と冷端部プ
ラグ９１により構成されろ。熱交換媒体８８は好ましく
は小径の金属ポールもしくは粉体により構成される。前
記端部プラグ９０．９１の機能は熱交換媒体８８を流出
チューブ８６内に保持することにある。端部プラグ９０
及び９１は好ましくは多孔性材料、すなわち熱交換媒体
８８を保持しながら冷却ガスを熱交換器８４を介【２て
吸窒間部６９及び冷空間部７０間に流入可能とする焼結
ブロンズの如き材料で形成する。熱交換器８４は好まし
くは吸窒間部６９及び冷空間部７０間の長手方向に於い
て低熱伝導性を有するものであり、これによって大きな
温度勾配の吸窒間部６９及び冷空間部７０間での維持が
可能となる。また、理解されるように、熱交換器８４の
サイズは吸窒間部６９及び冷空間部７０間に適当なガス
流量を送り込むよう適切に決められている。これにより
エキスパンダー６０の効率的な作動が得られる。
ディスプレーサ−６６は吸窒間部６９内のシヌソイド圧
力変化に応じてエキスパンダ−ハウジング６５内部知於
いて往復動自在である。ディスプレーサ−集成部材６６
の各種構成要素については、ディスプレーサ−６６の往
復動の作用説明に進む前により詳細に説明されるであろ
う。特に、プランジャー７８は好ましくは吸窒間部６９
かも源容積部６８内に延在する金属シャフトである。プ
ランジャー７８の横断面積は、源容積部６８の面積に対
しては十分に小さい。従って、源容積部６８を出入りす
るプランジャー７８の作用は源容積部６８内のガス圧力
に対し実質上影響を及ぼさない。
ゴムのような弾性材にて形成されるバンパー７９は源容
積部６８に隣接するプランジャー７８の端部に装着（−
で良い。バンパー７９の機能はプランジャー７８がエキ
スパンダーハウジング６５に当接するのを防ぐことにあ
る。【−か１−１理解されるように、エキスパンダー６
０の平常作動では、プランジャー７８はハウジング６５
に当接しないのでバンパー７９は絶対に必要とされるも
のではない。前に述べた如く、プランジャーシール７６
の機能は源容積部６８内の密封ガスが吸窒間部６９内の
ガスと混合するのを防ぐことである。プランジャーシー
ル７６は好ましくは間隙型シールで、このタイプのもの
はプランジャー７８と該プランジャー７８に隣接のエキ
スパンダーハウジング６５の一部との間の直径間隙は密
接に調節される。理想的には、プランジャー７８はディ
スプレーサ−６６が往復動する際にはハウジング６５に
接触しない方が良い。従って、密封機能には摺動摩擦力
がほとんどあるいは全く与えられていない。プランジャ
ー７８の外径に形成された環状切欠部９２はプランジャ
ーシール７６の密封機能を補助［２ている。
プランジャー７８はビン８２を介してアダプター８０に
連結されている。なお、このビン８２はプランジャー７
８とアダプター８０に形成された孔に圧力されている。
ビン８２の直径と、プランジャー７８に形成された孔９
４と、ハウジング８０に形成された孔９６との間隙はプ
ランジャー７８及びアダプター８０間に自在作用を与え
るべく充分に大きいものとなる。この自在作用はプラン
ジャー７８及びアダプター８０のサイズ決定の際の許容
差の補正を補助するものである。前記孔に対するビン貫
通構成はその組立て及び分解に際し他の構成よりも更に
簡略的であることが判明した。
アダプター８０は熱交換器８４のチューブ８６の外径部
に装着されている。アダプター８０は好ましくはステン
レススチール製のシリンダーであるが、セラミックで形
成しても良い。チューブ８６は通常ファイバーグラスや
プラスチックなどの軽量材料で形成Ｉ２であるので、往
復動中にディスプレーサ−６６がエキスパンダーハウジ
ング６５に接触ｌ−ても、アダプター８０の摩耗寿命も
長くなる。アダプター８０はその長手方向の主軸に沿っ
て孔を形成している。これにより、吸窒間部６９のガス
が熱交換器８４の吸窒間プラグ９ｏへ到達できろことに
なる。
先に述べたように、ディスプレーサ−シール７２の機能
は吸窒間６９と冷空間７０との直接連通を防ぐことにあ
る。これにより、ガスを熱交換器８４を通って流動せし
めている。ディスプレーサ−シール７２は往復動時にデ
ィスプレーサ−との摩擦をほとんどあるいは全く与えな
い間隙型シールであり、これはプランジャーシール７６
の方法と全く同じである。ディスプレーサ−シール７２
は各種多くの形態てて具現化されて良いが、しかしその
全ての形態疋於いて、アダプター８０とエキスパンダー
ハウジング６５間の間隙の密接詞整が必要とされる。エ
キスパンダーハウジング６５．ディスプレーサ−シール
７２及びアダプター８０用に選択されろ材料は、温度に
対する間隙調節を維持するよう同様の温度増加を呈しな
ければならない。例、ｔば、エキスパンダーハウジング
６５及びアダプター８０がステンレススチールであれば
、ディスプレーサ−シール７２はデュポン社の製品であ
ろベスペル（Ｖｅｓｐｅｌ）ＳＦ３　　の様な二硫化モ
リブデン潤滑剤と化合１−だポリイミド樹脂のスリーブ
として具現化して良い。この材料のスリーブをアダプタ
ーに接着し１次にディスプレーサ−シール７２の外径と
エキスパンダーハウジング６５の内径との適切な間隙を
与えるよう折り重ねろ。
ディスプレーサ−シール７２の他の唯一の実施例は第２
図に示すエキスパンダー６０の一部切欠図に於いて示さ
れる。この実施例では、ディスプレーサ−シール７２は
アダプター８０の外径上で塗料吹付けが施こされて形成
されろ。完全に実施する為の上記塗料の一つと（−て、
テフロンと化合ｌ−だポリイミド樹脂が挙げられる。好
適なテフロン化合ポリイミド樹脂と（−でデーボン社製
品のキシランがある。塗料はアダプター８０上に液状に
吹付けられ１次にアダプター８０を高温加熱して硬化さ
せろ。この塗料の好ましい点は、ディスプレーサ−６６
の往復動の際エキスパンダーハウジング６５の引掻きが
最小で済むことにある。この種の引掻きに起因してエキ
スパンダー６０の作動効率を時間について減少させろ汚
染物質の発生が起っている。
再び第１図を参照して１本発明に係るエキスパンダー６
０の循環動作について説明する。循環の初めに於いて、
ディスプレーサ−６６は吸窒間部６９がその最大容積に
近似するように他方冷空間部７０はその最小容積に近似
するように位置する。
吸窒間部６９のガス圧力もその最小値に近似する。
暖空間部６９のガス圧力が源容積部６８のガス圧力を超
えて上昇する時、プランジャー７８を横切ろ力が生成さ
れろ。循環に於けるこの部分は環境への熱排除を伴う圧
縮と］−で知られている。プランジャー７８上に生成さ
れた力は該プランジャー７８を矢印１０２方向に移動さ
せるので、それに伴いディスプレーサ−集成部６６も同
方向に移動する。このプランジャー力がひとたび慣性及
びその他の減速力より大きくなると、ディスプレーサ−
６６は矢印１０２方向に急速に移動する。ディスプレー
サ−６６のこの運動は吸窒間部６９の容積を圧縮し且つ
該吸窒間部６９内の加圧ガスを熱交換器８４に対し急速
に通過流動ゼしめる。ガスは熱交換器８４内を通過する
時に冷却されて、冷却端プラグ９１を通って流出し更に
冷空間部７０内に流入する。熱交換媒体８８の吸収作用
及びその時点で拡張された冷空間部７０の圧力降下によ
り冷却が行われる。このプロセスは循環：（於ける定常
容積冷却部分と称されている。
吸窒間部内の圧力が降下し始めると、ディスプレーサ−
６６はこの位置に留まる。これは、循環に於ける環境部
分から流れ込む熱による膨張である。−万、吸窒間部６
９内のある時点での圧力ば源容積部６８の圧力より降下
する。これにより矢印１０２の反対方向に力が生成され
る。この力が一旦慣性及びディスプレーサ−６６に加わ
るその他の力に打ち勝つと、ディスプレーサ−６６は第
２図に示す位置に戻る。ディスプレーサ−６６のこの運
動があり次第、冷空間部７０内のガスは再び熱交換器８
８内を通過せしめられる。今度はこれによりガスは暖端
部プラグから流出１−で吸窒間部６９内に流入して暖め
られることになる。循環に於けるこの部分は定常容積加
熱として知られている。ひき続き循環が繰り返される。
出願人の発見によれば、先行技術とは反１−でエキスパ
ンダー６３の効率的な作動に達する為にはシール７６及
び７２での摩擦も、ディスプレーサ６６の運動に対する
外的制御もあるいはその調整も必要ない。むしろ、吸窒
間部６９及び作動容積部６８間の圧力差によりディスプ
レーサ−６６上に発生する力及び、冷空間部７０と暖空
間部６９との間の圧力差によりディスプレーサ−６６上
に発生する力も同様シこ熱交換器８４の流量を調整して
適切に均衡を保ち且つ位相を等しくすれば、効率的な作
動を得ろことが出来る。この様にする為には、シール７
２及び７６を可能な限り摩擦の無いように保つ事、また
主凹部６７に汚染物質が入らないよう細心の注意を払う
ことが肝要である。
これを更に理解する為に、時間に対するディスプレーサ
−上の力を説明した以下の一般式について考えてみろ。
ｆｌ）（ｔ）十ｆｒ（ｔ）＋ｆｓ（ｔ）＋ｅ（ｔ）＝Ｍ
ａ（ｔ）・−・（１）ここでｆｐ（ｔ）は主に吸窒間部
６９及び作動容積部６８間の圧力差によるプランジャー
６８に隣接するディスプレーサ−６６の端部に加わる力
で、ｆｒ（ｔ）は主に冷空間部７０及び吸窒間部６９間
の圧力差による冷空間部７０に最も近接する熱交換器８
４の端部に隣接するディスプレーサ−６６ンこ加わる力
、ｆｓ（ｔ）はシール７２と７６での摺動摩擦力、Ｍａ
（ｔ）はディスプレーサ−６６に加わる慣性力、及びｅ
（ｔ）は誤差項である。その他の動的力はディスプレー
サ−６６に対し動的に作用し、式（１）の意図するとこ
ろはただその運動を概括的に説明することにある。従っ
て１項ｅ（ｔ）の意味するところはガス摩擦、温度に依
存する圧力変化等のその他の動的効果を表わすことであ
る。
摩擦力ｆｓ（ｔ）が他の力に対ｌ、で極めて小さい場合
、それは無視され得るもので、且つ式は次の様に書き改
められろ。
（Ｒｖ（ｔ　）　−Ｐｓ″＋　ａｐ＋［：込ｖ（ｔ）−
Ｐｃ（ｔ）］ａｒ＝Ｍａ（ｔ）−ｅ（ｔ）・−・・（２
）ここでＰｗ（ｔ）は吸窒間部６９内のソヌソイド的に
変化するガス圧力、　ＰＣ（ｔ）は冷空間部７０内のガ
ス圧力、Ｐｓは源容積部６８の一定圧力、ａｐ及びａｒ
はそれぞれプランジャー７８の横断面積及び冷空間部７
０に隣接する熱交換器８４０部分面積を表わす。
ガスが熱交換器８４を通過する時間τ分の遅延がある場
合、もし冷空間部７０内のガス圧力Ｐｃ（ｔ）と吸窒間
部６９内のガス圧力がほぼ等しくなれば、式は以下の様
になる。
（Ｒｖ（ｔ）−Ｐｓ″ｌａｐ＋ｃＥＡｓ（ｔ）−Ｐ晶（
ｔ−ｒ）〕ａｒ　＝　Ｍａ（ｔ）−ｅ（ｔ）　・・・・
・・（３）ディスプレーサ−６６の運動を決定する慣性
力Ｍａ（ｔ）は、主に圧力波形Ｐｗ（ｔ　）として変イ
ヒし、且り２つの横断面積ａｐとａｒ及び時間遅延τ等
を変化させろことで調整できろ。かくして、これらパラ
メーターの最適な選択により、エキスパンダー６０のデ
ザインもまた最適化されろ。
尚１式（３）の項は近似値である。例えば、シール７２
及び７６での摺動摩擦力ｆｓ（ｔ）は正確には零とはな
らない。しかし、力ｆｐ（ｔ）及びｆｒ（ｔ）より大き
さ度数が少なくとも１だけ小さい場合には、その効果は
最少となる。尚、ディスプレーサ−６６が矢印１０２方
向に移動する時、力ｆｒ（ｔ）は冷空間部７０に隣接す
る熱交換器８４の横断面積に依存する。しかしながら、
ディスプレーサ−６６が矢印１０２とは反対の方向に移
動する時、前記力ｆｒ（ｔ）はアダプター８０の横断面
積に依存する。
出願人の発見によれば、ディスプレーサ−６６が矢印１
０２の反対方向に移動している間は、冷空間部７０の容
積は減少するので、冷却ガスの粘度は熱交換器８４を通
過ｌ−で冷却するにつれ減少する。これは時間遅延τを
増加させろ効果がある。
従って、τは時間について一定ではない。つぶさに理解
されるように、これはエキスパンダー６０の性能を同上
させる為に用いることができる。
第３図から、いかにしてこれらの力によってディスプレ
ーサ−６６が吸窒間部６９の圧力変化に対して適切な位
相に移動されるかが理解されよう。
短いダッシュ線１０５はプランジャー力ｆｐ（ｔ）を示
し、長いダッシュ＃　１０７は熱交換力ｆｒ（ｔ）を表
わす。実ａ　１０９はディスプレーサ−６６の時間に対
する位置ｘ（ｔ）を表わす。位置関数ｘ（ｔ）は力ｆｐ
（ｔ）及びｆｒ（ｔ）の和から導き出され、且つ主凹部
６７の長さと熱交換器８４の長さの差と等しい物理的長
さＬによって限定されている。実線はディスプレーサ−
６６の時間に対する位置ｘ（ｔ）を表わす。位置ｘ（ｔ
）＝０は第１図に示す循環に於けるある時点に対応する
。すなわち、ディスプレーサ−６６がエキスパンダー６
０の冷端部５９に隣接する時点に対応する。その結果、
冷空間′８７０は最小サイズになる。位置ｘ（ｔ）＝Ｌ
は循環に於けるある時点、つまりディスプレーサ−６６
がエキスパンダー６０の暖地部５８に隣接する時点に対
応する。その結果、吸窒間部６９は最小サイズになる。
時間ｔ１の前では、ディスプレーサ−６６は冷空間部５
９の近くに留まる（すなわち、第１図に示す位置）。こ
れは主と（、て、力ｆｒ（ｔ）が負であるため（正の力
は第１図の矢印１０２の方向で示されている）と、力ｆ
ｐ（ｔ）が負かあるいは極くわずかに正である為である
。かくしてこれらの力の総和力により、ディスプレーサ
−６６は冷端部５９の隣接位置に留まる。しか１−１時
間ｔ１のときは、力ｆｐ（ｔ）は正であり、その大きさ
はｆｒ（ｔ）よりも大きい。これによりディスプレーサ
−６６をエキスパンダー６０の暖地部５８に隣接するよ
う移動させる。このようになる正確な時間は熱交換器に
関連する時間遅延τに依存（−ている。また、この時間
はｆｐ（ｔ）の最大値付近で発生すべきであり、従って
また同時に吸窒間部６９の最大ガス圧力Ｐｗ（ｔ）が発
生する。これにエリ、ガスは最大圧力に近似する迄吸窒
間部６９に留まることが確実となるわけだが、これはエ
キスパンダー６０の効率的な作動の規準となっている。
時間ｔ２のときは、吸窒間部６９内のガス圧力は力ｆｐ
（ｔ）と同様減少している。しかし、　　ｆｒ（ｔ）は
いま正になっている。その結果、これら双方の力の総和
力によりディスプレーサ−６６を継続的に暖地部５８の
隣接位置に留めさせている。ｆ　ｐ（ｔ）が充分に負で
ある時９時間ｔ、になって初めて力の総和力によりディ
スプレーサ−６６は冷端部５９の隣接位置に戻り始める
ことになる。か＜（、てこの復帰動作は、冷空間部７０
内のガス圧力Ｐｃ（ｔ）が最大値近くになる迄遅延する
。
先に第１図の説明に関連【−で言及した如く、ガスが熱
交換器８４を通過する時間遅延τの増加は、時間ｔ２と
ｔ、の間で起っている。この増加した時間遅延は次の事
に着目すれば明らかとなる。つまり、時間ｔ、では２つ
の力ｆｐ（ｔ）及びｆｒ（ｔ）は位相が、ｆＪ９０°違
う、しかるに時間ｔ３ではこれらは位相が異って１８０
°　に近づいている。時間ｔ。
捷でに、位相差が９０°まで戻る時、ｆｐ（ｔ）は充分
に負となっており、且つディスプレーサ６６を冷空間部
５９の隣接位置に復帰せしめろｆｒ（ｔ）よりその力の
大きさが大きくなっている。この時間遅延τの増加は、
冷仝間部７０の容積が減少するにつれて引き起こされる
冷却ガスの粘度の上昇に起因している。
また第３図に於いて、点線１１１は従来技術のエキスパ
ンダーに関連するプランジャー力の一部切断グラフを示
す。従来のエキスパンダーに於ｋｔ、ｂプランジャーカ
の大きさは熱交換器力ｆｒ（ｔ）の大きさよりはるかに
大きい。従って、摩擦シールもしくはその他のプランジ
ャー運動調整装置がプランジャー７８の運動を遅延させ
る為に必要とされた。本発明に係わるエキスパンダーで
は、プランジャー力ｆｐ（ｔ）及び熱交換器力ｆｒ（ｔ
）の大きさをほぼ等しくさせる事でこの障害を避けてい
る。
また、ディスプレーサ−シール７２及び、あるいはプラ
ンジャーシール７６における摩擦型シールを有する現行
エキスパンダーは、この摩擦シールを間隙型シールと交
換し、またプシンジャー７８を摩擦シールにて与えられ
る摺動シール摩擦量に比例する量だけ直径を減少させた
プランジャーと交換することによって変形することがで
きろ。例えば、直径０．０９３インチのプランジャーと
直径０．０６５インチのプランジャーとを交換して上述
の如き熱交換器を改装している。２５０グラムの摺動シ
ール摩擦を有するディスプレーサ−シール７２は２００
マイクロインチの公称間隙及び１０グラム以下の摺動摩
擦を有する間隙型シールと交換している。源容積部６８
のサイズは０．６０立方インチであった。冷却装置の冷
却効率について一般に用いられている計量法の一つとし
て、冷空間部７０の圧力対容積の図表が挙げられる。第
４図の冷空間圧力対容積図表に示す通り、この減直径エ
キスパンダーでは、厚摩擦シール変型の０．７７、トの
冷却力と比較してその冷却力は０．９ワ、トとなってい
る。実線１１５は摩擦シール変型冷空間圧力容積図表を
表わす。また、本発明に係る改変型の上記図表は短いダ
ッシュ綜１１７で表わしている。ここにて示される時間
ｔｌｌｔ２１ｔ３及びｔ４は第３図の時間に対応してい
る。ｔｌは冷空間部７０に於ける最大圧力及び最小容積
の時間、ｔ２は最大圧カド最大容積の時間、ｔ、は最小
圧力と最大容積の時間、及びｔ、は最小圧力と最小容積
の時間である。また、第４図の長いダッシュ線１１９は
、摩擦シールのみ取り除いたエキスパンダーの冷空間圧
力容積図表を示す。
この図表では、このデザインは最も効率的なものとはな
っていない事、また本出願人以外の者がディスプレーサ
−６６の動作に対（、付加的制御が必要であると確信す
るに至った理由を示（−でいる。
発明の効果 上述の如く、ディスプレーサ−の両端に加わる力の均衡
を保つことにより、また適切な時間遅延特性を有する熱
交換器を選択することでより高い効率を達成できる事は
明らかである。
その他のデザインパラメーターを、熱交換器のどちらの
端部にも加わる力を変化させ且つ均衡を保つよう調整し
ても良い事は当業者にとって明らかであろう。例えば、
熱交換器流量及びディスプレーサ−６６が移動する距離
りは時間遅延に対し影響を及ぼすように調整することが
出来る。
４、〔簡単な図面の説明〕 第１図は本発明に係るエキスパンダーの等距離切欠図、
第２図は本発明の他の実施例の等距離切欠図、第３図は
時間に対するディスプレーサ−の力と位置の関係を示す
グラフ、第４図は本発明と従来のエキスパンダーについ
ての容積に対する冷空間圧力を示すグラフである。

Claims (15)

    【特許請求の範囲】
  1. （１）ディスプレーサーがエキスパンダーハウジング内
    で往復動し、更に周期変化し且つ最小最大のプランジャ
    ー力の大きさについての時間を有するプランジャー力と
    、周期変化し且つ最小最大熱交換器力の大きさについて
    の時間を有する熱交換器力とが前記ディスプレーサー上
    に生成される分割スターリングサイクル冷却装置に使用
    されるエキスパンダーに於いて、最大プランジャー力の
    大きさが最大熱交換器力の大きさと概ね等しくなるよう
    にディスプレーサー力を維持する手段と、前記最大プラ
    ンジャー力の時間と前記最大熱交換器力の時間との時間
    差を冷却装置の冷却力の測定を最大限にするように調整
    する手段とを備えて成ることを特徴とするエキスパンダ
    ー。
  2. （２）前記エキスパンダーハウジングはその内部に源容
    積部と暖空間部とを形成し、前記源容積部にはほぼ一定
    の圧力を有する冷却ガスが満たされており、前記暖空間
    部には時変化圧力を有する冷却ガスが満たされており、
    更に前記ディスプレーサー力維持手段は、前記暖空間部
    に隣接する前記ディスプレーサーに連結し前記源容積部
    内に延在し且つプランジャー横断面積の数倍であって概
    ね一定した源容積圧力と時変化暖空間圧力との間の最大
    圧力差に等しくなり更に前記最大熱交換器力とほぼ等し
    くなるような横断面積を有するプランジャーとを備える
    ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の装置。
  3. （３）前記エキスパンダーハウジングはその内部に暖空
    間部と冷空間部とを形成し、前記暖空間部には時変化圧
    力を有する冷却ガスで満たされており、更に前記冷空間
    部には加圧冷却ガスが満たされていることを特徴とする
    特許請求の範囲第１項記載の装置。
  4. （４）前記ディスプレーサー力維持手段は、前記暖空間
    部に隣接する前記ディスプレーサーに連結され前記冷空
    間部内に延在し、更に最大熱交換器力が時変化暖空間圧
    力と冷空間圧力との最大圧力差に等しく、前記熱交換器
    の横断面積について時設定し且つ最大プランジャー力に
    ほぼ等しくなるような横断面積を有する熱交換器を備え
    ることを特徴とする特許請求の範囲第３項記載の装置。
  5. （５）前記時間差調整手段は、前記時変化暖空間圧力が
    前記冷空間圧力より大きい時冷却ガスが熱交換器を通り
    前記暖空間部から前記冷空間部へ流入するように配設さ
    れ、且つ前記冷却ガスが前記暖空間部から前記冷空間部
    へ流入するまでの時間は冷却効率の測定が最大限となる
    ようなものとなるガス流量を有する熱交換器を備えるこ
    とを特徴とする特許請求の範囲第３項記載の装置。
  6. （６）最小暖空間容積を生じせしめる方向の前記ディス
    プレーサーの動作を、時変化暖空間圧力がほぼ最大に近
    くなくなるまで遅延させるように、前記熱交換器を作動
    可能に前記ディスプレーサーに連結したことを特徴とす
    る特許請求の範囲第５項記載の装置。
  7. （７）前記時間差調整手段は、時変化暖空間圧力が冷空
    間圧力より小さい時冷却ガスが熱交換器を通り前記冷空
    間部から前記暖空間部へ流入するよう配設され、且つ前
    記冷却ガスが前記冷空間部から前記暖空間部へ流入する
    時間は冷却効率の測定が最大限となるようなものとなる
    ガス流量を有する熱交換器を備えたことを特徴とする特
    許請求の範囲第３項記載の装置。
  8. （８）最大暖空間容積を生じせしめる方向の前記ディス
    プレーサの運動を、前記冷空間圧力が最小にほぼ近くな
    るまで遅延させるように、前記熱交換器を作動可能に前
    記ディスプレーサーに連結したことを特徴とする特許請
    求の範囲第７項記載の装置。
  9. （９）冷却システムの冷却力の測定が最大となるように
    、最小プランジャー力の時間と最小熱交換器力の時間と
    の時間差を調整する手段を更に備えることを特徴とする
    特許請求の範囲第１項記載の装置。
  10. （１０）前記暖空間部及び前記冷空間部間に配設され、
    前記暖空間部の冷却ガスの前記冷空間部への直接流入も
    しくは該冷空間部からの流出を防止する遊隙シールを更
    に備えたことを特徴とする特許請求の範囲第３項記載の
    装置。
  11. （１１）前記遊隙シールは前記ディスプレーサーの外径
    に相応する材料のスリーブであることを特徴とする特許
    請求の範囲第１０項記載の装置。
  12. （１２）前記スリーブは二硫化モリブデンと化合したポ
    リイミド樹脂にて形成したことを特徴とする特許請求の
    範囲第１１項記載の装置。
  13. （１３）前記遊隙シールは前記ディスプレーサーの外径
    上に形成した塗料であることを特徴とする特許請求の範
    囲第１０項記載の装置。
  14. （１４）前記塗料とはテフロンと化合したポリイミド樹
    脂であることを特徴とする特許請求の範囲第１３項記載
    の装置。
  15. （１５）ディスプレーサーはエキスパンダーハウジング
    内に配設され、前記エキスパンダーハウジングはその内
    部にほぼ一定の圧力を有する冷却ガスが充満した源容積
    部と最大暖空間圧力と最小暖空間圧力との間の源容積定
    常圧力について時間上は概ねソヌソイド的に変化する圧
    力を有する冷却ガスで満たされた暖空間部とを形成し、
    また前記エキスパンダーハウジングはその内部に冷空間
    部を有し、冷却ガスで満たされた該冷空間部は暖空間圧
    力変化に応じてディスプレーサが最大冷空間圧力の第１
    の位置と最小冷空間圧力の第２の位置との間で往復動す
    るように前記暖空間部に連結される分割スターリングサ
    イクル冷却システムに使用されるディスプレーサーに於
    いて、両端部を有しその一端部が前記源容積部内に延在
    しその他端が前記暖空間部内に延在するように配設され
    、更に前記源容積圧力と前記暖空間圧力との差の数倍の
    プランジャー横断面積に等しい且つその最大の大きさを
    持つ時変化プランジャー力がプランジャーを横切って生
    成発展するような横断面積を有するプランジャーと、前
    記プランジャーに連結され、両端部を有しその一端部が
    前記暖空間部内に延在し他端部が前記冷空間部内に延在
    し、更に前記暖空間圧力と前記冷空間圧力との差の数倍
    の熱交換器横断面積に等しく且つ前記プランジャー力の
    最大の大きさとほぼ等しいその最大大きさを有する時変
    化熱交換器力が熱交換器を横切って生成発展し、更に第
    １の位置から第２の位置へのディスプレーサーの運動を
    前記暖空間圧力が最大暖空間圧力に概ね等しくなる迄遅
    延させるようなガス流量を有する熱交換器と、ディスプ
    レーサーが前記エキスパンダーハウジングと接触するよ
    うにディスプレーサーの外表面に隣接して形成され、且
    つディスプレーサーが往復動する時発生する摺動摩擦力
    が前記プランジャー力及び前記熱交換器力よりも概ね小
    さくなるような遊隙シールとを備えて成ることを特徴と
    するディスプレーサー。
JP62221808A 1986-09-04 1987-09-04 エキスパンダー Pending JPS6370054A (ja)

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