JPH0225665A - ピストン機関、これを備えた圧縮装置及び低温クーラー - Google Patents

ピストン機関、これを備えた圧縮装置及び低温クーラー

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JPH0225665A
JPH0225665A JP1120613A JP12061389A JPH0225665A JP H0225665 A JPH0225665 A JP H0225665A JP 1120613 A JP1120613 A JP 1120613A JP 12061389 A JP12061389 A JP 12061389A JP H0225665 A JPH0225665 A JP H0225665A
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piston
piston engine
mandrel
dynamic groove
compression
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JP1120613A
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Heijer Ronald Den
ロナルド・デン・ヘーイエル
Godefridus C Goverde
ホデフリデュス・コルネリス・ホフェルデ
Peter G M Simons
ペテル・ヘルトルディス・マリア・シモンズ
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Koninklijke Philips NV
Original Assignee
Philips Gloeilampenfabrieken NV
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    • F01B11/001—Reciprocating-piston machines or engines without rotary main shaft, e.g. of free-piston type in which the movement in the two directions is obtained by one double acting piston motor
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • 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
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    • 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
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    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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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】 （技術分野） 本発明はピストンを含み前記ピストンが直動電気モータ
によってシリンダ内を往復動し、ガス状媒体を移動させ
、かつ少なくとも１つの動的みぞ軸受によってピストン
移動方向に対して径方向において軸支されて成るピスト
ン機関に関する。本発明は更に互いに連結される上記形
式の２個のピストン機関を備えた圧縮装置に関する。本
発明は更に上述の形式のピストン機関を含む低温クーラ
ーに関する。
（背景技術） 未公告のオランダ国特許出願第８８０００５５号は本文
冒頭に述べた形式のピストン機関、圧縮装置、低温クー
ラーを開示している。この場合、ピストン機関は低温ク
ーラーの圧縮装置の一部をなす。
かかるピストン機関では電気直動モータは２個の動的み
ぞ軸受の間にあり、この結果比較的大きな長さの構造と
なる。
（発明の目的） 本発明の目的は比較的簡単に製造できる比較的コンパク
トな構造をもったピストン機関、圧縮装置および低温ク
ーラーを提供することにある。
（発明の開示） 本発明のピストン機関は前記目的を達成するため、ピス
トンが動的みぞ軸受によってピストンと同心の案内の円
筒形外面上にピストン内に位置する円筒形内面で軸支さ
れ、動的みぞ軸受は環状断面をもつ円筒形封止間隙によ
ってピストンの１４面に隣接する圧縮スペースから離れ
ていることを特徴とする。
ＵＳ−＾−４６９７１１３号にはピストン機関、圧縮装
置および低温クーラーを個別に開示するとともにこれら
を組合せたものが示されている。しかしながら、既知の
ピストン機関は圧縮装置や低温クーラーが特に径方向に
支承されることなくシリンダ内で直動できるように構成
されている。
ピストン機関の径方向の支承を比較的少数の構成部品に
よって行うピストン機関の好適実施例はピストンと同心
の案内はピストンに挿入された固定配置したマンドレル
とすることを特徴とする。
コンパクトな構造に合体された回転モータをもつピスト
ン機関の他の実施例はピストンが電気回転モータによっ
て固定配置したマンドレルの周りに回転でき、前記モー
タのステータコイルは固定配置したマンドレル内のチャ
ンバの内壁に固着すると共に回転モータの永久磁石ロー
タは支持体上に位置し、前記支持体はピストンに連結す
ると共にマンドレルのチャンバ内でステータコイル内ま
で延びていることを特徴とする。
動的みぞ軸受を比較的簡単に作ることのできるピストン
機関の他の実施例は少なくとも１つの動的みぞ軸受のみ
ぞパターンをピストン用案内として働くマンドレルの円
筒形外面に備えたことを特徴とする。
、簡単に作ることのできるコンパクトな構造の圧縮装置
は本発明の２個のピストン機関を備え、圧縮スペースが
前記ピストン機関のピストン端によって両側に限定され
かつ負荷に連結される。
簡単に作ることができかつ本発明のピストン機関又は圧
縮装置を含むコンパクトな構造の低温クーラーは圧縮ス
ペースが往復動できるディスプレーサを収容する膨張ス
ペースに蓄熱器を関して連結されることを特徴とする。
（実施例） 本発明を図面につき説明する。
第１図に示す装置１は線３に対して対照的であり、本発
明による２個の同形のピストン機関５゜７から構成され
る。この装置は圧縮装置として働き、これは第２図に示
す圧縮器に拡張することができ、又は第３．４図に示す
低温クーラーに合体することができる。第１図の線３の
両側に配置したピストン機関５，７は各々別々にいわゆ
る単一ピストン圧縮器に拡張することができる。第１図
に示す複ピストン機関はいわゆる“ボクサー”型の圧縮
器と考えられることができる。ピストン機関５，７は連
結リング９とボルト１１によって互いに連結する。往復
ピストン１３．１５は２個の夫々のピストン機関５．７
内に配置し、円筒形管１７．１９とこれに連結した底２
１．２３から構成する。ピストン１３．１５はカバー２
９．３１によって閉鎖した夫々のハウジング２５．２７
内に配置する。例えばコバルト鉄からなる円筒形スリー
ブ３３．３５をピストン１３゜１５に固定する。各スリ
ーブ３３．３５は例えばサマリウムコバルトからなる２
個の夫々の環状永久磁石３７、３９と４１．４３のため
の支持体として働く。永久磁石３７．３９及び４１．４
３は巻形（夫々４５と４７）の円筒形内壁に沿って自由
に移動する。コイル４９．５１及び５３．５５を前記巻
形に固定し、これらは例えばコバルト鉄のスリーブ５７
．５９内に包囲する。スリーブ３３．３５、放射状に磁
化した永久磁石３７．３９゜４１、　４３、コイル４９
．　５１．５３．５５及びスリーブ５７゜５９によって
構成した２つの組立体はピストン１３゜１５の直動用の
ブラシレス直流型直動モータ６１．６３として作用する
。ピストン１３．１５の底（端面）２１゜２３間には例
えばヘリウムの如きガス状動作媒体を満たした圧縮スペ
ース６５がある。スペース６５は管路６７によって１つ
の装置に接続する。この装置は圧縮装置１と共に低温ク
ーラーを構成するが、これについては第３．４．５図に
ついて説明する。
連結リング９はリード線６７に接続するための径方向ダ
クト６９を備える。
カバー２９．．３１はピストン１３．１５用の円筒形案
内（夫々７１．７３）の形をなす円筒形マンドレルを備
える。案内７１．７３はピストン１３．　１５に対して
同心状に配置する。ピストン１３．　１５と案内７１．
７３の中心線は装置１の中心線７５と一致する。動的み
ぞ軸受の径方向に作用する対を構成する魚骨形みぞパタ
ーン７７、７８．７９．８０が案内（夫々７１．７３）
の円筒形外面にある。ピストン１３．１５に挿入され、
固定配置されるマンドレルの形をなす案内７１７３は底
２１．２３に向いた端近くに固定配置されるコイル８１
、８３をもつ。コイル８１．８３内にはサマリウムコバ
ルトからなる環状の放射状に磁化された永久磁石８５．
８７を備え、これらの磁石は管形支持体９３゜９５上に
コバルト鉄のリング８９．９１によって固定し、前記支
持体は底２１．２３と一体をなす。コイル８１゜８３は
コバルト鉄のスリーブ９７．９９内に包囲する。
スリーブ９７．９９、ジイル８１．８３、多極永久磁石
８５゜８７及びリング８９．９１によって構成した２個
の組立体はピストン１３．１５の回転用のブラシレス直
流型の回転モータ１０１．１０３として作用する。みぞ
パターン７７、７８．７９．８０の領域に動的気体ラジ
アル軸受を形成するために前記モータは必要である。ハ
ウジング２５．２７の内壁に固定したスリーブ１０５゜
１０７の内壁に沿ってピストン１３．１５は自由移動す
る。スリーブ１０５．　１０７とピストン１３．　１５
の間にある円筒形の環状封止間隙１０９．１１１は圧縮
スペース６５と動的みぞ軸受の関連した対との間にある
。環状封止間隙１０９．１１１の位置と動的みぞ軸受の
対応する対の位置が互いに離れているため、この例では
２５μｍの比較的大きな間隙幅は封止間隙の領域には十
分である。望ましい封止が適切な長さの封止間隙によっ
て得られる。ピストンの内側と外側のシールと軸受の位
置が離れているため、封止間隙を比較的大きな長さにす
ることができる。それはこの場合動的みぞ軸受を直動モ
ータ６１．６３内に配置するからである。それにも拘ら
ず、封止間隙を隣接させて直動モータを２個の動的みぞ
軸受の間に配置する構造に比して、中心線７５と平行な
方向にコンパクトな構造が得られる。モークロ１．６３
の周囲のスペースと案内７１．７３内のスペースは径方
向ダクＨ１３，１１５を通して互いに連通ずる。このた
め比較的大きなスペースが得られ、その中でのピストン
１３．１５の往復動は平均圧力レベルに対してほんの小
さな変動を生ぜしめるに過ぎない。
このことは動的みぞ軸受の作用を最適とするのに有利で
ある。案内又はマンドレル（７１，７３）のチャンバ１
１７．１１９内に延び入る回転モータ１０１．１０３の
支持体９３．９５はほんの数個の構成部品で極めてコン
パクトな構造を得ることを可能にする。
複ピストン機関をもつ第１図の圧縮装置の使用に応じて
、ダクト６９はいわゆる弁カバーで閉じられ、第３．４
．５図に示す如き装置に連結される。
第１図と同じ参照数字を大部分に付した第２図から明ら
かな如く、弁カバー１２１は負荷の管路１２３に接続し
た圧力弁１２５と周囲環境に連通した吸込弁１２７をも
つ。第２図の複ピストン機関はボクサー型圧縮器を構成
し、図示した負荷１２９に圧縮空気を供給する。第５図
に示す膨張装置１３１（負荷）に管路６７を接続する場
合、第３図の平面図と第４図の側面図を示す低温クーラ
ーが得られる。膨張装置１３１に対する用悟“負荷”は
常に動作媒体の同じ封鎖された量に関与することを除外
しないことに注目すべきである。第１図に示す圧縮装置
１の圧縮スペース６５内に生じるガス圧変動は管路６７
と膨張装置１３１中の管路１２３を介してガス状動作媒
体（ヘリウムガス）の一部に伝わる。このガスはクーラ
ー１３７、冷凍器１３９、フリーザ１４１、実質上円筒
形のディスプレーサ１４５内にある。ディスプレーサは
ガス圧差及びディスプレーサの両側の有効面積の差によ
って駆動される。膨張スペース１４３の上側はカバー１
４７で閉し、カバーは両端にねじ山をもつ管１４９にね
じ込む。管１４９の下側はリング１５１　にねじ込み、
リングは熱交換器１５７用のホルダー１５５に固定する
。この熱交換器はクーラー１３７の一部を成す。ホルダ
ー１５５は冷却液体の供給、排出用のダク［５９，１６
１を備える。ボルト１６３によってハウジング１６５を
ホルダー１５５に固着する。膨張装置１３１は第２カバ
ー１６７によってその下側を閉じられる。第２カバーは
ハウジング１６５にポル）　１６９によって固着する。
ハウジング１６５は円筒形案内１７１を収容し、この案
内に回転モータ１７５用のホルダー１７３を固着する。
モータ１７５はブラシレス直流モータとし、そのロータ
磁石１７７は回転管１７９に固着し、この管は封止間隙
１８０によって囲んだ案内管１８１内に回転自在に軸支
される。ディスプレーサ１４５のもつ底１８３は案内管
１８１　と一体である。回転管１７９は膨張装置１３１
の中心線１８５に平行な方向に固定したシャフト１８７
を収容する。回転管１７９は２個の動的みぞ軸受１８９
．１９１によってシャフト１８７に対して軸支される。
前記軸受の魚骨形のみぞパターンはシャフト１８７上に
位置する。更に、回転管１７９は２個の動的みぞ軸受１
９３．１９５によって案内管１８１　に対して軸支され
、この軸受の魚骨形みぞパターンは回転管１７９上に位
置し、この管は案内１７１内を遊動する。コンパクト構
造となすため案内管１８１の上部１８１ａはディスプレ
ーサ１４５内に置き、その下部１８１ｂはディスプレー
サの外に置く。膨張装置１３１の中心線１８５はディス
プレーサ１４５．　　案内管１８１、　　回転管１７９
及びシャフト１８７の中心線に一致する。
上記本発明の低温クーラーはディスプレーサ１４５を特
に摩擦に起因する圧力差によって駆動する第５図に示す
如き膨張装置１３１を含むクーラーに限定されるもので
はない。ディスプレーサ１４５　も自身の駆動装置をも
ち、例えば電気モータによって駆動してもよい。この電
気モータの直動磁石は案内管１８１に連結する。これに
関しては本出願人のオランダ国特許出願第８８０００５
５号を参考にすることができる。上記低温クーラー、圧
縮装置及びピストンの構造はコンパクトであり、部品数
が極く少数であり、製造が比較的簡単である点で極めて
好適である。動的みぞ軸受によって回転／直動ピストン
を軸支することにより使用寿命が極めて長くなり、この
結果ピストン機関を例えばコンピュータプロセッサの冷
却の如き分野に使用することができる。この場合、前記
プロセッサは低温そう内に位置し、その冷却液体は前記
の如き低温クーラーによって極低温（例えば７７Ｋ）に
保たれる。
ピストン１３．　１５は回転しないように配置してもよ
い。この場合、ピストン内に置かれかつピストン１３．
１５と案内７１．７３に対して動的みぞ軸受によって径
方向に支承される回転管を使用してもよい。
これに関しては前記オランダ国特許出願を参考にするこ
とができる。
本発明による圧縮装置は本発明によるピストン機関を１
個だけ備えてもよい。
本発明はピストン機関に関して説明したが、動的みぞ軸
受の対によって径方向において支承されたピストンをも
つピストン機関、圧縮装置、低温クーラー等につき説明
したが、単一支承されるピストンも使用できる。この場
合、ピストン機関のピストンは唯１個の動的みぞ軸受に
よって径方向において軸支される。かかる単一支承が可
能かどうかはピストン機関、特にピストン長さに依存す
る。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の複ピストン機関の縦断面図、第２図は
本発明の圧縮器の縦断面図、 第３図は本発明の低温クーラーの平面図、第４図は第３
図に示す低温クーラーの側面図、第５図は第３，４図に
示す低温クーラーの一部の拡大断面図である。 ５．７・・・ピストン機関　　９・・・連結リング１１
・・・ボルト　　　　　　　１３．１５・・・往復ピス
トン１７、１９・・・円筒形管　　　　２１．２３・・
・底２５、２７・・・ハウジング　　　２９．３１・・
・カバー３３、３５・・・スリーブ ３７、３９．４１．４３・・・永久磁石４９、　５１．
　５３．　５５・・・コイル５７、５９・・・スリーブ
　　　　６１．６３・・・直動モータ６５・・・圧縮ス
ペース　　　　６７・・・管路７１、７３・・・案内 ７８、７９．８０・・・魚骨形みぞパターン８３・・・
コイル　　　　　８５．８７・・・永久磁石９１・・・
リング　　　　　１０１．　１０３・・・回転モータ１
０７・・・スリーブ １１１・・・環状封止間隙 １１５・・・径方向ダク）　　１１７．　１１９・・・
チャンバ・・・弁カバー　　　　　１２５・・・圧力弁
・・・吸込弁　　　　　　１２９・・・負荷・・・膨張
装置　　　　　１３７・・・クーラー・・・冷凍器　　
　　　　１４１・・・フリーザ・・・膨張スペース　　
　１４５・・・ディスプレーサ・・・カバー　　　　　
　１４９・・・管・・・熱交換器　　　　　１７５・・
・回転モータ・・・ロータ磁石　　　　１７９・・・回
転管１９５・・・動的みぞ軸受

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １、ピストンを含み、前記ピストンが直動電気モータに
    よってシリンダ内を往復動し、ガス状媒体を移動させ、
    かつ少なくとも１つの動的みぞ軸受によってピストン移
    動方向に対して径方向において軸支されて成るピストン
    機関において、ピストンが動的みぞ軸受によってピスト
    ンと同心の案内の円筒形外面上にピストン内に位置する
    円筒形内面で軸支され、動的みぞ軸受は環状断面をもつ
    円筒形封止間隙によってピストンの１端面に隣接する圧
    縮スペースから離れていることを特徴とするピストン機
    関。 ２、ピストンと同心の案内はピストンに挿入された固定
    配置したマンドレルとする、請求項１記載のピストン機
    関。 ３、ピストンが電気回転モータによって固定配置したマ
    ンドレルの周りに回転でき、前記モータのステータコイ
    ルは固定配置したマンドレル内のチャンバの内壁に固着
    すると共に回転モータの永久磁石ロータは支持体上に位
    置し、前記支持体はピストンに連結すると共にマンドレ
    ルのチャンバ内でステータコイル内まで延びている、請
    求項２記載のピストン機関。 ４、少なくとも１つの動的みぞ軸受のみぞパターンをピ
    ストン用案内として働くマンドレルの円筒形外面に備え
    た、請求項３記載のピストン機関。 ５、圧縮スペースが前記ピストン機関のピストン端によ
    って両側に限定されかつ負荷に連結される、請求項１か
    ら４の何れか１項に記載の互いに連結される２個のピス
    トン機関を備えた圧縮装置。 ６、圧縮スペースが往復動できるディスプレーサを収容
    する膨張スペースに蓄熱器を介して連結される、請求項
    １から４の何れか１項に記載のピストン機関を含む低温
    クーラー。７、圧縮スペースが往復動できるディスプレ
    ーサを収容する膨張スペースに蓄熱器を介して連結され
    る、請求項５記載の圧縮装置を含む低温クーラー。
JP1120613A 1988-05-19 1989-05-16 ピストン機関、これを備えた圧縮装置及び低温クーラー Pending JPH0225665A (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
NL8801293 1988-05-19
NL8801293 1988-05-19

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US (1) US4920288A (ja)
EP (1) EP0345841B1 (ja)
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