JPH0218450Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 (イ) 産業上の利用分野 本考案は、クライオポンプやHe液化装置等に
適用可能な冷凍装置用の揺動ピストン型膨張機に
関する。

(ロ) 従来技術 従来、クライオポンプ等に使用されている小型
の冷凍装置は、内部に蓄冷器を保有したピストン
状のデイスプレーサをケーシング内に摺動可能に
嵌挿して、このデイスプレーサの挿入端と前記ケ
ーシングの端壁間に膨張室を形成し、前記デイス
プレーサの直線往復動作に伴なわせて前記膨張室
を拡縮させて前記蓄冷器を介して該膨張室に導入
される冷媒ガスを順次断熱膨張させ得るようにし
たものが一般的である。

ところが、このような構成のものでは、質量の
大きなデイスプレーサを上、下に動かして膨張室
の容積をコントロールしているため、装置の重心
が１サイクル毎に大きく変動する。そのため、振
動が大きいという欠点がある。

そのため、近時、軸心回りに回動可能に設けた
ロータと、このロータの外周囲を囲繞するケーシ
ングと、このケーシングの内周に突設されその先
端を前記ロータの外周に摺接させた固定ベーン
と、前記ロータの外周に突設されその先端を前記
ケーシングの内周に摺接させた回動ベーンとを具
備し、前記固定ベーンと前記回動ベーンとの間に
形成される対をなす膨張室を前記ロータの往復回
動動作により交互に拡縮させて該膨張室に導入す
るガスを順次膨張させ得るように構成した膨張機
を用いることが考えられている。ところが、従来
考えられているものは、前述した円筒状のケーシ
ングの両端開口部に側板をそれぞれ蓋着するとと
もに、これらの側板に軸受を設け、これらの軸受
で前記ロータの両端軸部を支承するようにしてい
る。そのため、前記ロータの軸心と前記ケーシン
グの軸心とを高い精度で一致させるのが難かし
く、作動の円滑さが損なわれたり、十分なシール
性が確保できなくなるという問題がある。すなわ
ち、このような構成のものは、前記ロータと前記
ケーシングとの間に前記軸受と前記側板とが介在
することになるので、各接合部分における加工誤
差が累積して前記ロータの軸心と前記ケーシング
の軸心との間にかなりの不一致が生じることがあ
る。しかるに一方、前記固定ベーンの先端と前記
ロータの外周面との間ならびに前記可動ベーンと
前記ケーシングとの間に形成される隙間を微小な
値に維持しておかないと、各膨張室間のシール性
が損なわれてしまう。そのため、シール性を重視
すると前述した軸心不一致現象によつて前記隙間
部分で干渉が生じ、円滑な作動が阻害されるとい
う不都合を招くことになり、逆に円滑な作動を確
保しようとすると前記隙間が大きくなりすぎるこ
とがあり、シール性が損なわれて性能が低下する
という不具合が生じる。

このような不具合を解消するために、ロータを
側板に設けた軸受により支承する代りに、固定ベ
ーンの先端にロータの外周面に密接する円弧面を
形成し、この円弧面で前記ロータを回動可能に支
承するようにしたものが考えられる。このような
ものであれば、側板に軸部を設けたりロータを軸
部を有した複雑な形状のものにする必要がないの
で、それだけ介在物が少なくなり、各介在物の誤
差の累積によるケーシングの軸心とロータの軸心
との不一致を解消するのに役立つ。しかし、この
ようなものでもなお、前記ケーシングや固定ベー
ンの加工精度が高くないと前記ケーシングの軸心
と前記ロータの軸心とが一致せず、前述した各膨
張室間のシール性の低下や、回動ベーンとケーシ
ングとの干渉による円滑な作動の阻害といつた不
具合が生じるため、前記ケーシングや固定ベーン
をかなり高い精度で加工しなければならず製作が
難しいという不都合がある。

(ハ) 目的 本考案は、このような事情に着目してなされた
もので、重心移動が少ないため、振動を有効に抑
えることが可能であり、しかも、構造が簡単で加
工に高い精度を要しないため製作が容易であり、
こじれによる作動の不安定化やシール性の低下等
の不都合を招くことのない優れた揺動ピストン型
膨張機を提供することを目的とする。

(ニ) 構成 本考案は、かかる目的を達成するために、前述
したような揺動ピストン方式を基本的には採用す
るが、ロータを側板に設けた軸受により支承する
ことはせず、代わりに、固定ベーン又は回動ベー
ンの先端を対応するロータの外周面又はケーシン
グの内周面に気密に摺接させて、前記ロータを回
動可能に支承するとともに、前記固定ベーン又は
回動ベーンの先端のうちいずれか一方を対応する
前記ロータの外周面又はケーシングの内周面に近
接させ、かかる近接させた固定ベーン又は回動ベ
ーンの先端に、対向する内側面間に開き角をもた
せた溝を設け、該溝内に一対のシール部材をその
各内側面にそれぞれ摺接させて配設し、これら両
シール部材間に該両シール部材を互いに離間させ
る方向へ押圧して対応するロータの外周面又はケ
ーシングの内周面に摺接させる弾性部材を設けた
ことを特徴とする。

(ホ) 実施例 以下、本考案の一実施例を図面を参照して説明
する。

第１図および第２図に示すように本考案に係る
膨張機Ａは、軸心回りに回動可能なロータ１の外
周囲をケーシング２により囲繞し、このケーシン
グ２の内周面２ａに突設した固定ベーン３と、前
記ロータ１の外周面１ａに一直線状に突設しその
先端４ａを前記ケーシング２の内周面２ａに近接
させた回動ベーン４およびこの回動ベーン４の先
端４ａに設けた一対のシール部材５との間に交互
に拡縮する対をなす膨張室６，７を２組形成して
いる。ロータ１は、出つぱりや軸部等を一切有さ
ない円筒体状のものであり、その軸心中空部にシ
ヤフト８の一端部が挿入してある。そして、この
シヤフト８の挿入端８ａと前記ロータ１とは、ス
プライン継手９を介し比較的自由度を持たせた状
態で連結してある。また、ケーシング２は、円筒
体状のもので、その両端開口部には、上側板１１
および下側板１２がそれぞれ蓋着してある。ま
た、前記固定ベーン３は、上、下縁を前記両側板
１１，１２に密着させて前記ケーシング２の内周
面２ａに固定したブロツク状のもので、その先端
に前記ロータ１の外周面１ａに微小な隙間を介し
て密接する円弧面３ａが形成してあり、この円弧
面３ａで前記ロータ１を回動可能に支承してい
る。すなわち、この円弧面３ａが軸受としての働
きをなすようにしてある。なお、この固定ベーン
３は、前記ロータ１と前記ケーシング２との間に
形成される空間を埋め得るようなリング状の素材
から切出した扇形のブロツクであり、ボルト１３
を用いて前記ケーシング２の内周２ａに固定され
ている。また、前記回動ベーン４は、前記ロータ
１の外周１ａに固設した壁状体である。そして、
これら各回動ベーン４の先端４ａに第３図、第４
図に示すように、溝１４を設け、この溝１４内に
前記一対のシール部材５を配設し、これら両シー
ル部材５間に弾性部材１６を設けている。ここ
で、溝１４は、対向する内側面１４ａ，１４ａ間
に開き角θをもたせた断面Ｖ字形のものである。
また、シール部材５は、三角柱状の弾性部材で、
一側面が前記内側面１４ａに摺接するとともに、
他の一側面が前記ケーシング２の内周面２ａに摺
接するように配設してなる。また、弾性部材１６
は、各シール部材５と一体に形成した板状のもの
で、彎曲させて弾性反発力を持たせた状態で該両
シール部材５間に介設され、かかる反発力により
該各シール部材５を互いに離間させる方向すなわ
ち該各シール部材５をそれぞれ溝１４の一方の内
側面１４ａおよびケーシング２の内周面２ａに押
しつける方向へ押圧し、該各シール部材５をそれ
ぞれ前記内側面１４ａおよび内周面２ａに摺接さ
せるようにしてなる。なお、１７は上側板１１に
気密に装着したシール板、１８は前記下側板１２
に気密に装着したボデイである。また、１９，２
１は蓄冷器である。蓄冷器１９，２１は、銅等に
より作られた多数の通気孔を有する蓄熱エレメン
トとステンレススチール線等により作られたスペ
ーサ（図示せず）とを交互に積み重ねて構成した
ものであり、蓄冷器１９の低温端１９ａは、ポー
ト２２を介して各膨張室６に連通させてあるとと
もに、蓄冷器２１の低温端２１ａは、ポート２３
を介して各膨張室７に連通させてある。また、こ
れら各蓄冷器１９，２１の高温端１９ｂ，２１ｂ
は、高圧バルブ２４，２５を介して給気系路２６
に接続してあるとともに、低圧バルブ２７，２８
を介して排気系路２９に接続してある。

次いで、この実施例の作動を説明する。

まず、第５図ａに示す状態では、第１の膨張室
６が最小で、第２の膨張室７が最大となつてい
る。そして、この場合、第１の高圧バルブ２４と
第２の低圧バルブ２８とが開成している。そのた
め、給気系路２６を通して供給される圧縮機（図
示せず）からの高圧ガスは、蓄冷器１９を通して
第１の膨張室６に導入される。膨張室６に高圧ガ
スが入ると、このガス圧によつて回動ベーン４が
押圧され、ロータ１が半時計回り方向に回動を続
けることになる。このとき、ガスの圧力により前
記ロータ１に付与された回転エネルギはシヤフト
８を介して外部に取り出され、図示しない発電機
等により消費される。そして、前記ロータ１が第
５図ｂに示す位置、つまり、膨張室６が最大で膨
張室７が最小になる位置まで達すると、前記第１
の高圧バルブ２４と第２の低圧バルブ２８が閉成
し、代わりに、第１の低圧バルブ２７が開成して
前記膨張室６が排気系路２９に接続される。その
結果、該膨張室６内のガスの一部が蓄冷器１９を
介して排気系路２９へ吹き出し、圧縮機の吸込口
に戻される。このとき、前記膨張室６内に残つた
ガスは、他のガスを押し出すという仕事をし、自
らも冷える。次いで、第５図ｃに示すように、前
記第１の低圧バルブ２７に加えて、第２の高圧バ
ルブ２５が開成して他方の膨張室７が給気系路２
６に接続され、圧縮機からの高圧ガスが該膨張室
７に導入される。そうすると、このガス圧によつ
て前記回動ベーン４が先ほどとは逆の方向に押圧
され、ロータ１が時計回り方向に回動し始める。
そして、このロータ１は該膨張室７の容積が最大
になる位置、つまり、第５図ｄに示す位置にまで
時計回り方向に回転を続けることになる。しかし
て、この際に前記膨張室６はその容積が最小にな
るまで減少し、該膨張室６内の低圧ガスは略全部
押し出される。この作動を繰り返すことによつて
ギフオードマクマホンサイクルが営まれ、前記ケ
ーシング２部分が極低温となる。このようにして
膨張機Ａは膨張作動を営むものであるが、本実施
例によれば、回動ベーン４の先端４ａに溝１４を
設け、該溝１４内に一対のシール部材５を配設
し、弾性部材１６により該各シール部材５を押圧
して内側面１４ａおよび内周面２ａに摺接させる
ようにしている。そのため、ロータ１の軸心がケ
ーシング２の軸心とずれていてかかるずれによつ
て回動ベーン４の先端４ａとケーシング２の内周
面２ａとの隙間が変化しても、弾性部材１６によ
り押圧された各シール部材５が常に前記内周面２
ａに摺接するので、このシール部材５が前記隙間
からのガスの流通を遮断し、前記各膨張室６，７
間のシール性を確保することができる。しかも、
各シール部材５は内側面１４ａに摺接しつつ前記
隙間の変化に応じて溝１４内から突没するので、
前記隙間部分で干渉が生じることがなく、したが
つて膨張機の円滑な作動が阻害されるという不都
合を招くことがない。

なお、前記実施例では、対をなす膨張室を２組
設けた場合について説明したが、本考案は必ずし
もこのようなものに限られないのは勿論であり、
例えば、１組あるいは３組以上設けるようにして
もよい。この場合、前記実施例のように対をなす
膨張室を偶数組設けるようにすれば、ロータの軸
心を介して対称な位置に存在する膨張室に同一の
条件でガスが出入りすることになる。そのため、
前記ロータに作用するガス圧力がバランスするこ
とになり、該ロータに大きなラジアル荷重が作用
しなくなる。

また、固定ベーンおよび可動ベーンは、それぞ
れケーシングおよびロータと一体に設けてもよ
い。

また、前記実施例では、固定ベーンの円弧面を
全面的にロータの外周面に密接させた場合につい
て説明したが、本考案はかならずしもこのような
ものに限らず、例えば、前記円弧面の一部にガス
ポケツトを設け、このガスポケツトに高圧ガスを
導入して静圧ベアリングを構成するようにしても
よい。

また、回動ベーンの先端をケーシングの内周面
に気密に摺接させるとともに、固定ベーンの先端
をロータの外周面に近接させ、該固定ベーンの先
端に本考案に係る溝、シール部材および弾性部材
を設けたものであつてもよい。

また、シール部材および弾性部材は前記実施例
に限られず、例えば第６図に示すように、シール
部材３１を三角形状の上壁３１ａ，下壁３１ｂお
よび長方形状の側壁３１ｃからなるものとし、前
記側壁３１ｃを内側面１４ａに摺接させるととも
に前記上壁３１ａ，下壁３１ｂおよび側壁３１ｃ
の一側面をケーシング２の内周面２ａに摺接させ
るようにし、各シール部材３１を弾性部材たるバ
ネ３２によつて押圧させるようにしたものであつ
てもよい。

その他、本考案の趣旨を逸脱しない範囲で種々
変形が可能である。

(ヘ) 効果 本考案は、以上のような構成であるから、次の
ような効果が得られる。

まず、ロータの往復回動動作によつて膨張室の
容積を増減させるようにしているので、質量の大
きなデイスプレーサを上下動させる場合のような
重心移動が一切なく、振動を大幅に低減させるこ
とができる。そのため、高速化にも無理なく対応
することが可能である。

また、対をなす膨張室を背反的に増減させるよ
うにしているので、ケーシング内の空間を有効に
利用することが可能となり、前述した高速化と相
まつて装置のコンパクト化あるいは高能力化を図
ることができる。

しかも、ロータを前記ケーシングの内周に固定
したベーンの先端によつて、あるいは前記ケーシ
ングの内周面によつて回動ベーンを介して支承す
るようにしているので、側板に軸受を設けたりロ
ータを軸部を有した複雑な形状のものにする必要
がない。その上、固定ベーンの先端とロータの外
周面との密接部分あるいは回動ベーンの先端とケ
ーシングの内周面との密接部分で前記ロータの支
持と膨張空間のシールとを共に行なうようにして
いるので、ケーシングの軸心とロータの軸心との
不一致によつて固定ベーンとロータとの間あるい
は回動ベーンとケーシングとの間でこじれが生じ
たり、シール性が損なわれたりすることがない。

さらに、本考案は、回動ベーンの先端あるいは
固定ベーンの先端に、対向する内側面間に開き角
をもたせた溝を設け、該溝内に一対のシール部材
を各内側面にそれぞれ摺接させて配設し、これら
両シール部材間に設けた弾性部材によつて該両シ
ール部材を押圧して対応するロータの外周面又は
ケーシングの内周面に摺接させるようにしている
ので、ケーシングの軸心とロータの軸心とが高い
精度で一致していなくても、常に前記シール部材
を前記対応するケーシングの内周面又はロータの
外周面に最適な状態で摺接させることができ、そ
れだけいつそう、構造が簡単で、かつ加工に高精
度を要さず製作が容易であり、安定した作動を保
証することができる効率の高い揺動ピストン型膨
張機を提供できるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第５図は本考案の一実施例を示し、第
１図は概略断面図、第２図は第１図における−
線断面図、第３図は要部を示す断面図、第４図
は同斜視図、第５図ａ，ｂ，ｃ，ｄは作用説明図
である。第６図は本考案の他の実施例を示す第４
図相当の斜視図である。 １……ロータ、１ａ……外周面、２……ケーシ
ング、２ａ……内周面、３……固定ベーン、３ａ
……先端（円弧面）、４……回動ベーン、４ａ…
…先端、５，３１……シール部材、６，７……膨
張室、１４……溝、１４ａ……内側面、１６……
弾性部材、３２……弾性部材（バネ）。

Claims (1)

1. 【実用新案登録請求の範囲】 (1) 軸心回りに回動可能に設けたロータと、この
   ロータの外周囲を囲繞するケーシングと、この
   ケーシングの内周に突設されその先端を前記ロ
   ータの外周面に対応させた固定ベーンと、前記
   ロータの外周に突設されその先端を前記ケーシ
   ングの内周面に対応させた回動ベーンとを具備
   し、前記固定ベーンと前記回動ベーンとの間に
   形成される対をなす膨張室を前記ロータの往複
   回動動作により交互に拡縮させて該膨張室に導
   入するガスを順次膨張させ得るように構成した
   膨張機であつて、前記固定ベーン又は回動ベー
   ンの先端のうちいずれか一方を対応する前記ロ
   ータの外周面又はケーシングの内周面に近接さ
   せるとともに他方を対応するロータの外周面又
   はケーシングの内周面に気密に摺接させ、かか
   る近接させた固定ベーン又は回動ベーンの先端
   に、対向する内側面間に開き角をもたせた溝を
   設けるとともに、該溝内に一対のシール部材を
   その各内側面にそれぞれ摺接させて配設し、こ
   れら両シール部材間に該両シール部材を互いに
   離間させる方向へ押圧して対応するロータの外
   周面又はケーシングの内周面に摺接させる弾性
   部材を設けたことを特徴とする揺動ピストン型
   膨張機。 (2) 対をなす膨張室を偶数組備えていることを特
   徴とする実用新案登録請求の範囲第１項記載の
   揺動ピストン型膨張機。