(57)【要約】  冷熱温度の冷気を発生する極低温冷凍機に音響エネルギーを与えるための、リニア・モータとの併用に特に適用可能な自由ピストン装置であって、時間変化非接触シールを備え、さもなくば生起し得る作動流体の時間平均流れを減少又は除去することによってピストン・ドリフトに対抗する自由ピストン装置。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
行程長さに亘る往復動頻度を有するピストンと、作動流体を内蔵する第１及び第２可変体積にそれぞれ対面する第１及び第２側部とを備える自由ピストン装置であって、前記第１及び第２体積は前記ピストンと同ピストンが往復動を行うハウジングの間の非接触シールを介して連通する自由ピストン装置において、前記非接触シールのジオメトリをピストン往復動のサイクルに調和するように変化させることによって時間変化シール・ジオメトリを生成する手段を備え、その時間変形シール・ジオメトリはさもなくば生起し得る作動流体の時間平均流れを減少若しくは除去し、それによって前記ピストンの名目の中心から往復動の軸に沿うドリフト減少若しくは除去する改良がされた自由ピストン装置。
【請求項２】
前記時間変化シール・ジオメトリは、圧力に応じて半径方向に伸縮可能な外側シェルを有するピストンを備える手段によって生成される請求項１に記載の自由ピストン装置。
【請求項３】
前記時間変化シール・ジオメトリは、前記非接触シール内の流体によって限定される内径を有し、ピストン外径の少なくとも一部が圧力揺動を受ける作動流体によって限定されるピストン・シリンダを備える手段によって生成され、前記シリンダ径及び非接触シール・ギャップが揺動圧力に応じて伸縮する請求項１に記載の自由ピストン装置。
【請求項４】
前記時間変化シール・ジオメトリは、前記往復動サイクルの一部の間に前記シールから少なくとも一部延出するシーリング面を有するピストンを備える手段によって生成される請求項１に記載の自由ピストン装置。
【請求項５】
前記時間変化シール・ジオメトリは、テーパ付きピストン・ボアを備える手段によって生成され、有効シール・ギャップが前記ボア内のピストン位置に依存する請求項１に記載の自由ピストン装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は概ね自由ピストン装置に関し、リニア・モータと併用して極低温冷凍機に音響エネルギーを供給するピストンのために特に有用な発明である。
【背景技術】
【０００２】
自由ピストン装置は往復動ピストン若しくはディスプレーサを使用し、クランクシャフト若しくは他の機械的連結によって運動を行わせるのではなく、揺動気体圧力によって伝達される総合的システム・ダイナミクスに依存して、様々なシステム構成要素の適切な運動の大きさ及び相を保証する。それなりに、ピストンの平均位置に対する自然拘束がなく、ピストンはダイナミクスが適切に実行されても偏心してドリフトしかねない。その結果、ピストンの有用な行程が短縮されたり、接触が起こった場合にはピストン又は他の構成要素を損傷するおそれがある。
【０００３】
非接触シールを伴う往復動自由ピストン装置においては、ピストンは揺動圧力の高い方の側にドリフトしがちになる。これは、高揺動圧側が高圧のハーフ・サイクル中にシールを介して流れるガスの密度が高いのに対して他方のハーフ・サイクルで流れが逆になるためと理解される。その結果、ピストンの一方側の気体が増加し、それに相当する平均圧力の差がピストンに対して力を及ぼし、そのためにピストンが偏心する。
【０００４】
これに対する従来の是正策は以下の３つの範疇に属していた。即ち、（１）センターポートは、ピストン前後の圧力差が最小とされるときに限り開くようにピストン前後のピストン・シール内に組み込まれたリーク・パスで、したがって蓄積された平均圧力差は各サイクル毎に２回均等化される傾向となる。（２）補償フロー・ネットワークは、ピストンの２つの側を連結するか、或いは様々な圧力のタンクに連結された一方向弁を備えるネットワークを含み、ピストン・シールを介して流体を不平衡流れに対抗する方向に漏れさせるように設計される。（３）摂動直流電流は、電動の自由ピストン（リニア・モータ等）に直流電流により修正直流力を印加することによって、一方側への流体増加によって生じた圧力に対抗する。始めの２つの策には、ピストン・シール周りのバイパス路が関与する。バイパス路は、必然的に製造コストを上昇させ、信頼性及び品質管理問題を持ち込む。このような対策は、適切に稼働させるために或る程度の能動制御及び／又は調節を要するものが多く、センターポート及び逆止め弁は破片で詰まる場合があり、また逆止め弁は全く働かなくなることもある。バイパス路はまた、システム内の散逸を増加させる。摂動直流電流は、更にセンサ及び制御用電子材料を要し、最も小型の自由ピストン装置以外には実用性がないとされる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
したがって、本発明の目的は、ピストン・ドリフトにより強く対抗する改良された自由ピストン装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記及び他の目的は、当業者が本願の開示を読解することによって明らかになるであろう。その目的は、本発明、即ち、行程長さに亘る往復動頻度を有するピストンと、作動流体を内蔵する第１及び第２可変体積にそれぞれ対面する第１及び第２側部とを備える自由ピストン装置であって、前記第１及び第２体積は前記ピストンと同ピストンが往復動を行うハウジングの間の非接触シールを介して連通する自由ピストン装置において、前記非接触シールのジオメトリをピストン往復動のサイクルに調和するように変化させることによって時間変化シール・ジオメトリを生成する手段を備え、その時間変形シール・ジオメトリはさもなくば生起し得る作動流体の時間平均流れを減少若しくは除去し、それによって前記ピストンの名目の中心から往復動の軸に沿うドリフトを減少若しくは除去する改良によって達成される。
【０００７】
図中の数字は、同じか又は類似の要素に関しては同じとする。
【実施例】
【０００８】
本発明は、ピストン運動のサイクルを通して適時に変化するピストン・シールはガス流ダイナミクスを抑制して流路若しくは修正直流信号を加えずともピストン位置を制御可能と認識する。本発明の自由ピストンは自己心出し式とされ、能動制御も、調節も、シール周囲の付加的リーク・パスも、付加的製造コストも、故障モードもなく、散逸が少ない。本発明の使用するピストン及びシールはその前後の正味流束がゼロとされる。この時間変化シール・ジオメトリはシールを介する流れを制御するのに役立つ。本発明は、漏れを制御し且つ平衡させ、平均位置を制御することは、シール・ジオメトリが各サイクル中に変化して自然正味漏れ流束を抑制又は反転するようにピストン及び／又はシールを設計することによって可能との認識を包含する。ピストン位置を受動的に制御し、同時にセンターポート、バイパス管、若しくは逆止め弁ネットワークの必要性を無くすることによって、コストが低減し、効率が上がり、故障モードが減少し、パーツ・カウントが減少する。本発明は、中空ピストンはピストン・シェル前後の圧力差に応じて撓曲可能で、揺動圧力の存在においてシェルは一方のハーフ・サイクル中に膨張し、それによってシール・ギャップを縮小し、他方のハーフ・サイクル中に収縮し、それによってシール・ギャップが増大するという発見を利用している。中空ピストンを有する大半の装置においては、その結果シールを介する不平衡質量流束が増加し且つピストン・ドリフトが増大する。本発明は、ピストン・シェルに対し通常の圧力勾配を逆転することによって圧力が前面（ここで「前面」は動圧の高い側を指す）で高いときにシール・ギャップが絞られ、圧力が低いときにギャップが弛むピストンの考案が可能との認識を具体化する。これによって、要するにピストン・シール自体が逆止め弁のように挙動し、通常はピストン・ドリフト／オフセットを生起する方向の流れを減少させる。
【０００９】
本発明を、図面を参照して更に詳細に説明する。図１に関し、ピストン（１）は一体鋳造若しくは機械加工した幾つかの部品により製作可能とされ、シリンダ（２）内で往復動し、環状のクリアランス・ギャップ（５）を介して連通する作動流体を２つの体積（３）及び（４）に分離する。ピストンがリニア・モータのようなアクチュエータである場合には、ピストン棒（６）によって連結可能とされる。ピストンの外側シェル（７）はウェビング（８）によって区分（９）及び（１０）に分割され、区分は設計により、クリアランス・ギャップ（５）、ピストン半径（１２）、作動流体特性、体積（３）及び（４）内の動圧の大きさ及び相、外側シェルの厚み（１１）、及びシール（１３）の全長等の分量を使用して選択される。
【００１０】
ピストン・シェルの区分（９）は体積（３）が高圧且つ体積（４）が低圧時に半径方向に膨張し、区分（１０）は半径方向に収縮する。これらの区分の自由端は歪みを生じず、ウェビング（８）との結合端はほぼゼロ傾斜とされるため、その結果ピストンの形状（誇張して表示）は図２に示す形状に似るであろう。即ち、（３）の瞬間総圧力が（４）のそれを超えたときには区分（９）のシール・ギャップは減少し、区分（１０）のシール・ギャップは増大する。（９）が（１０）より長い場合には、シール・ギャップは正味減少し、したがってシールを介する流れは消勢される。（４）の圧力が（３）の圧力を超えたときには、シール・ギャップは正味増大し、したがって流れは促進される。ピストンの内側シェル（１）の歪みも考慮しなければならないことに注意されたい。（３）内の動圧が（４）内より大きい場合には、それが、生起し得る自然時間平均二次質量流束に対抗する所望のシール挙動とされる。対抗する流束の強さは、区分（９）及び（１０）の相対的長さによって制御可能とされる。ピストン半径（１２）がとりわけ大きく且つピストン・シェル（１１）がとりわけ肉薄の場合には、ピストン歪みに由来の流束が二次時間平均流束に優越し、したがって区分（９）及び（１０）はほぼ均等となろう。
【００１１】
本発明のこの実施例には多くの長所があり、就中、撓曲ピストン・シェルにより生成される、シール内の流れの「逆止め弁」効果は、撓曲ピストンでない場合に生起し得る自然時間平均質量流束を克服する強さを容易に十分とすることが可能とされる。現実の機械におけるピストン・シェルの実際の撓曲はきわめて微少で疲労の懸念がなく、したがってこれは、新たに部品若しくは流路を要しない真に保守不要の解決策とされる。
【００１２】
図３は、図１に示すものと同様のピストンを示すが、ピストンの内側シェル（１）が中実の体積（１４）に代えられ、これが或る手段（１５）によりシリンダに対して静止状態に取り付けられる。この場合のピストンは図１に示す実施例より大型ではないが、（３）内の作動流体の体積は必ずしも増加しない。
【００１３】
本発明は、ピストンに代えて（又は加えて）ピストン・シールが図４に示すように撓曲する構成も含む。
【００１４】
ここでは、ピストン（１）は中実且つしたがって、明解にする（必要もないが）ために、撓曲しないものとして示され、シリンダは、その内径を非接触シール・ギャップ（５）により限られ、その外径を（１９）及び（２０）として示す１つ又は複数の環状体積により限られた内側シェル（２）を備えるように構成される。ウェビング（２３）若しくは他の手段はシリンダ・シェル（２）を外側シェル（２４）若しくは他の剛性支持材に結合し、２つの環状体積（１９）及び（２０）を分離する。２つの区分（２１）及び（２２）はピストン・ドリフトを極減するように選択される。図４の実施例においては、体積（３）内の揺動圧力の大きさが体積（４）内のそれを超えると想定するならば、（２２）を（２１）より長くさせることにより、（３）内の総圧力が（４）内のそれを超えたときにピストン・シリンダの内側シェル（２）が正味半径方向圧縮を受け、したがってシール・ギャップが減少し（３）から（４）への流れが消勢されると予期される。
【００１５】
本発明は、ピストン又はシールを曲げる以外に、ピストン・ジオメトリを時間変化させる他の手段にも及ぶ。一例を図５に示す。シール内の不平衡質量流束の量が小さい場合には、それで段付きシリンダを構成するのに十分とされ、小径領域（２）はクリアランス・ギャップ（５）が小さいピストン・ボアとして役立ち、外側領域（１６）は剛性の支持材に結合されるか、或いはハウジング又は圧力容器の一部を形成することが可能とされよう。ピストンは、その平衡ポジションではボアの中心に位置せず、一方側に突出するように配置される。ボア（１３）の有効シーリング長さは、したがってピストンが移動するにつれ時間と共に変動する。シールを介する質量流束はシールの長さに逆比例するため、シールを介する流れはピストン及びシリンダの構成次第により、サイクルの適切なポイントで付勢若しくは消勢されよう。
【００１６】
図５に示す実施例においては、（３）内の動圧の大きさが（４）内のそれを超え、したがってピストンは作動中、（３）側に自ずとドリフトしようとすると想定される。（３）内のピストン運動と動圧の間の相が、ピストンが（３）内最深部に進んだときに（３）内の圧力がほぼ最大となる相である場合には、流れを（３）から（４）に向かわせる圧力差が最大のときに、シール長さはほぼ最大になろう。斯くしてこの流れは消勢され、逆の流れが付勢されて、動圧の低い体積内に蓄積しようとするガス固有の傾向に対抗する。シリンダ内のピストンの平衡位置は、揺動圧力とピストン運動の間に存在するどんな相をも反映し、それによってシール長さはシール前後の圧力差が最大のときに最大になるように調節可能とされる。
【００１７】
本発明はまた、自由ピストン挙動の更に別の、通常は異常と考えられる態様の使用にも及び、それによって、ピストン挙動がその機能にとって重要とされる時間変化シール・ジオメトリを生成する場合に、ピストン・ドリフトが無くなる。実施例は以下の通りである。ピストン・ボアの製造中にはピストン・ボアの径は一様とするのが通常である。しかし、一方端から他端にテーパが付いたボアを作れば、ピストンがテーパ付きボアを往復動するにつれ時間変化する効果的なシール・ギャップを生成することが可能とされる。これにより、テーパの程度及びその配向次第によってピストン・ドリフトを減少することが可能とされる。
【００１８】
図６はこの実施例の考えられる実行を示す。テーパ角（２４）は平均シール・ギャップ（５）、ピストン径、シール長さ、作動流体特性を勘案して、ピストン・ドリフトを極減するように選択される。図示の実施例においては、テーパ（誇張して図示）は、ピストンが体積（３）内深部に移動する程シール・ギャップが減少するようなものである。（３）内の動圧の大きさが（４）内のそれを超え、圧力がピストン運動と同相若しくは同相至近の場合は、このピストン・ボア・テーパによって、作動流体の自然蓄積は（３）内の総圧力が（４）内のそれを超えるときにシール・ギャップの減少によって消勢され、（４）内の総圧力が（３）内のそれを超えるときにシール・ギャップの増大によって付勢されるであろう。
【００１９】
本発明を一定の好適な実施例に関して以上に詳細に説明したが、当業者は、本発明の他の実施例も特許請求範囲の理念及び保護範囲に属することを認識するであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の自由ピストン装置の１つの好適な実施例を示す断面図である。
【図２】図１に示す本発明の実施例の、ピストンの一端の瞬時圧力がピストンの他端の瞬時圧力を超えるときの様子を示す断面図である。
【図３】ピストンが静止中実体積を有する本発明の自由ピストン装置の別の好適な実施例を示す断面図である。
【図４】シールが揺動圧力に応じて撓曲する本発明の自由ピストン装置の別の好適な実施例を示す断面図である。
【図５】シールの長さがピストンの運動と共に変わる本発明の自由ピストン装置の別の好適な実施例を示す断面図である。
【図６】テーパ付きピストン及びシリンダを有する本発明の自由ピストン装置の別の好適な実施例の断面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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