JP3749651B2

JP3749651B2 - ガスベアリング

Info

Publication number: JP3749651B2
Application number: JP2000132329A
Authority: JP
Inventors: エヴァンキッカデイル
Original assignee: グローバルクーリングビーヴイ
Priority date: 2000-05-01
Filing date: 2000-05-01
Publication date: 2006-03-01
Anticipated expiration: 2020-05-01
Also published as: JP2001317546A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は一般的には例えばフリーピストンスターリング機械において使用されるガスベアリング、特にはガスベアリング絞り弁に関する。
【０００２】
【従来の技術】
フリーピストンスターリングサイクル機械のガスベアリングには、圧縮パッド区域の上流に向かう絞り弁（restrictors ）が必要とされている。
従来から、ガスベアリング絞り弁は多くの手段に装備されている。例えば、毛細管、ねじ部材、および精密な通路で形成された間隙を有する部品がそうである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
これらの従来技術の全てはコストの問題や閉塞に対する感受性の問題のいずれかを抱えている。望ましい絞り弁は次のようなことが要望されている。即ち、低コストであること、温度およびクリープの安定性、即ち、一般に高温においてみられるところの金属が一定荷重のもとに時間がたつにつれてその歪を増す現象の安定性、閉塞の影響を受けにくいことである。
【０００４】
本発明はこれら全ての利点を提供するもので、裏当てリングで支持された多孔性プラスチック帯板は安価で効果的な絞り装置であることが判明した。この絞り度合は圧縮パッドに対する排気穴の直径、このプラスチック帯板の多孔性及び裏当てリングの圧縮の程度により制御されるものである。
【０００５】
さらに、狭い間隙で作動するベアリングの表面を傷つけまたは摩耗し得る粒子用のフィルターを設けるという追加的な利点も有している。絞り性能は、５ｍｍの長さの６０ミクロンガラス毛管から成る精密絞り弁に匹敵することがわかった。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載のガスベアリングの特徴は、シリンダ内に挿置してあるピストンスリーブと、上記シリンダと上記ピストンスリーブとの間の空隙と、上記ピストンスリーブの内側空間から貫通して上記空隙に開口している複数の排気穴と、上記排気穴が上記内側空間に開口する開口部を覆う多孔性の帯状部材と、上記多孔性の帯状部材をその厚さ方向に押しつけて上記内側空間に開口する開口部に密接させる裏当てばねとを具備し、上記裏当てばねは、上記多孔性の帯状部材の押しつけ面を密閉して、この多孔性の帯状部材の厚さ部分を通って上記排気穴にガスが流れるようにしたところにある。
【０００７】
請求項２に記載の発明の特徴は、上記ピストンスリーブの外周には、ガスベアリング用の凹部が形成してあり、この凹部の底部に上記排気穴が開口しているところにある。
【０００８】
さらに、請求項３に記載の発明の特徴は、上記ピストンスリーブの内側空間は、その軸方向の開口端部に設けたピストンキャップによって密閉してあり、上記ピストンキャップには、ガスの注入口が貫通形成され、上記注入口の上記内側空間側の開口には、リード逆止め弁が取りつけてあり、上記リード逆止め弁は、上記ピストンスリーブの運動によって変動するこのピストンスリーブの外側のガス圧力が、この内側空間の圧力よりも高いときだけに上記内側空間へガスを注入するところにある。
【０００９】
このように、本発明は、排気穴の上流側を覆うため多孔性の帯状部材、例えば、多孔性プラスチック部材を用い、この多孔性の帯状部材は裏当てばねまたはリングによって支持される。排気穴の直径、帯状部材の多孔性、幅、及び厚さ、並びに裏当てばねによる圧縮の度合いがこの絞りを制御する。排気穴の下流側はこの穴に連設されたガスベアリング用の凹部に直接接続している。
【００１０】
ガスベアリング絞り弁の上流側の空間は高圧区域（charge volume)である。その空間は小さなリード逆止め弁を用いることによってサイクルにおいて最高圧力まで加圧される。高圧の流体は、絞り弁を通し、排気穴を経由し、そしてガスベアリング用の凹部を通過してシリンダとピストンスリーブとの空隙に排気される。絞り弁がシリンダとピストンスリーブとの空隙と同様の絞りを有するように配置することによって、最大ガスベアリング剛性に近い値を得ることができる。
【００１１】
ガスベアリングとともに部品が偏心して移動すると、より絞りが加えられるガスベアリング用の凹部は圧力が上昇する傾向にあり、反対側のガスベアリング用の凹部は絞りが加えられる度合いが少ないために排気され、圧力が低下する。これによって、ピストンスリーブはシリンダ壁から離され、潤滑のためのガス膜を形成する。多孔性の帯状部材を絞り弁として使用することには、マルチパスになるという利点があり、従って、ばらばらの粒子によって閉塞してしまう可能性がずっと低くなる。さらなる利点は、ガスベアリング絞り弁がそれ自身のフィルターとなって小さな粒子が、ガスベアリングを使用する機械に通常見られるシリンダとピストンスリーブとの空隙に入るのを防止するということである。
【００１２】
多孔性のガスベアリング絞り弁材料は、多孔性の帯状材料をガスベアリングの排気穴に対して押しつける裏当てばねまたはコンプレッションリングを設けることによって、ピストンスリーブ内に容易に嵌合される。取り付けは自動機械によって行うことができ、大量生産にとって有利であると思われる。
【００１３】
材料および労力にかかるコストは、過去の技術と比べて非常に低い。信頼性は、閉塞の可能性がより低いこと、粒子が隙間に入るのを防ぐことからかなり高い。このガスベアリング絞り弁手段は、スターリングサイクル機械における実行に特に好適であると思われる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１、図２において、ピストンスリーブ（以下「ピストン」という。）１は閉鎖して取付けてあるシリンダ２内に挿置してあり、図１には４つのガスベアリングが示してある。具体的に説明すると、ピストン１の外周には、図１、図３に示すように、同一周方向に、９０度の等角度的間隔をもって４つのガスベアリング用の凹部１１が形成してあり、この各凹部の内方（底部）には排気穴１２が、このピストンを半径方向に貫通した状態で形成してある。図２に示すように、これらガスベアリング用の凹部１１と所定の間隔をもって、もう１組のものがあり、それはこの凹部や排気穴１２と実質的に同一構成の別の凹部１１及び排気用穴１２が同一周方向に形成してある。
【００１５】
ピストン１の外周面とシリンダ２の内壁面との間にはガスベアリング空隙Ｖが形成されており、この空隙はこのピストンの外周の直径とこのシリンダの内壁面の直径との差であって、この差は約１５〜３５ミクロンの範囲であるが、ピストン１の偏心がゼロのとき、つまり死点のときはこの半分の７．５〜１７．５ミクロンである。
【００１６】
ピストン１の内壁には多孔性のプラスチックのような帯状部材３が排気穴１２の内端開口部を被覆する状態に設置してあり、この多孔性の帯状部材は十分なガスベアリング剛性に適した絞り装置を構成するもので、この剛性を有するに十分な幅と厚さ、そして安定性を有するものである。また、多孔性の帯状部材３はピストン１とシリンダ２との間の空隙Ｖに入る粒子に対するフィルターの作用をする。
【００１７】
この多孔性の帯状部材３はリング状の裏当て板ばね４によって所定位置に保持されており、さらに、この裏当て板ばね４はこの帯状部材３に絞り力を与えている。そして、多孔性の帯状部材３はガスの流路が多数あり、多孔性の帯状部材３を閉塞する可能性を減少させている。裏当て板ばね４は圧力コンプレッションリングを含むものである。なお、図１に示すように、裏当て板ばね４の端部、つまりこの板ばねを円筒状に変形させた場合の接合両端部には、つまみ４ａ、４ａが一体的に形成してあり、そのため板ばねの取付けを容易にしている。
【００１８】
ピストン１の開口端部（図２の左端部）にはピストンキャップ５により密閉してあり、このキャップの注入口５１の内端開口にはリード弁６が取付けてあり、そのため、このピストン内へのガスの注入は、このガスの圧力がピストン内の圧力よりも高いときだけ行われるようになっている。ピストン１内の理想的な最高圧力はピストンキャップ５に加わるピーク圧力で、この圧力の変動は、通常ピストンの運動により生ずる。なお、リード弁６のリードディスクが汚染するのを防止するには、逆止弁フィルタをピストンキャップ５の注入口５１に設けるとよい。
【００１９】
裏当て板ばね（コンプレッションリング）４の他の目的は、ガスが多孔性の帯状材料３の薄い厚さ部分、すなわち図２において矢印で示してあるように、この帯状部材の両端面から主に通って流れるようにすることである。このことは、所定の多孔性の帯状材料にさらなる絞りを与えることになる。
【００２０】
ガスベアリングの動作を図４を参照して説明する。なお、図４は説明を容易にするため、ピストン１とシリンダ２との間の空隙Ｖを極端に広く図示し、このピストンの動きが分り易いように示している。ピストン１が半径方向のどこかの位置（図４の上方）においてシリンダ２に近づくとき、ガスベアリング用の凹部１１は、ピストン１がシリンダ２に最も近い側において閉鎖する傾向にあり、またピストン１がシリンダ２から最も遠い側（反対側）において開く傾向にある。閉鎖されたガスベアリング用の凹部１１は、ピストン１およびシリンダ２によって生じた絞りのために排気することができず、従って、絞り弁である多孔性の帯状部材３を通って流れ込むガスによって加圧することになる。反対側のガスベアリング用の凹部１１は閉鎖されていないので、排気して圧力を逃がす傾向にある。この差圧はシリンダ２に向かうピストン運動に抵抗する力を生じ、それによってピストン１はシリンダ２に接触しないようになり、このピストンはこのシリンダの中央部に浮いた状態に制御される。ガスベアリングの最適な剛性（単位半径方向変位当たりの復原力として定義される）のために、絞り弁の多孔性の帯状部材３の設計された絞りは、ガスベアリング用の凹部１１によって引き起こされる漏れの絞りとほぼ同じでなくてはならない。ガスベアリング用の凹部１１の寸法は、ピストン１のシリンダ２内での半径方向の動きに対して安定性を維持できるように選択される。すなわち、ピストン１が半径方向に変位するとき、このピストンは、このピストンを最終的にシリンダ２と衝突させることになる半径方向の振動が起こらないように復元運動を行う。
【００２１】
リード弁６の目的は、ガスの圧力がチャージ空間内の圧力よりも高いときだけガスがピストン１のチャージ空間に入れるようにすることである。チャージ空間内の理想的な最高圧力は、ピストンキャップ５に加わるピーク圧力である。この圧力の変動は、通常、ピストン１の運動によって生じる。
【００２２】
【発明の効果】
本発明によると、多孔性の帯状部材を裏当てばねで保持する構成であるため、組立てが容易になり、製造コストの低減に有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１はガスベアリングの位置における断面図である。
【図２】図２は図１のａ−ａ線断面図である。
【図３】図３はピストンスリーブの斜視図である。
【図４】ピストンスリーブのシリンダ内における動きを説明するための断面図である。
【符号の説明】
１ピストン（ピストンスリーブ）
１１ガスベアリング凹部
１２排気穴
２シリンダ
３多孔性の帯状部材
４裏当て板ばね（裏当てばね）
Ｖピストンスリーブとシリンダとの間の空隙

Claims

シリンダ内に挿置してあるピストンスリーブと、
上記シリンダと上記ピストンスリーブとの間の空隙と、
上記ピストンスリーブの内側空間から貫通して上記空隙に開口している複数の排気穴と、
上記排気穴が上記内側空間に開口する開口部を覆う多孔性の帯状部材と、
上記多孔性の帯状部材をその厚さ方向に押しつけて上記内側空間に開口する開口部に密接させる裏当てばねとを具備し、
上記裏当てばねは、上記多孔性の帯状部材の押しつけ面を密閉して、この多孔性の帯状部材の厚さ部分を通って上記排気穴にガスが流れるようにした
ことを特徴とするガスベアリング。
請求項１において、上記ピストンスリーブの外周には、ガスベアリング用の凹部が形成してあり、この凹部の底部に上記排気穴が開口していることを特徴とするガスベアリング。
請求項１または２にいずれかにおいて、上記ピストンスリーブの内側空間は、その軸方向の開口端部に設けたピストンキャップによって密閉してあり、
上記ピストンキャップには、ガスの注入口が貫通形成され、
上記注入口の上記内側空間側の開口には、リード逆止め弁が取りつけてあり、
上記リード逆止め弁は、上記ピストンスリーブの運動によって変動するこのピストンスリーブの外側のガス圧力が、この内側空間の圧力よりも高いときだけに上記内側空間へガスを注入する
ことを特徴とするガスベアリング。