JPH0544645A - シール装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 構造の複雑化を招くことなく、シール性能を
大幅に向上させることができる無潤滑タイプのシール装
置を提供する。 【構成】 シリンダ１５とピストン１９との間の隙間を
潤滑油を使用せずにシールするシール装置においては、
内周シールリング４４の内側の溝に有端形状のバネリン
グ４５が嵌合され、この内周シールリング４４の外周に
第１、第２の最外周シールリング４２、４３が設けられ
ている。第１及び第２の最外周シールリング４２、４３
及び内周シールリング４４は、有端形状に形成され、そ
の有端間には、間隙４６、４７、４８が設けられてい
る。これらの間隙４６、４７、４８は、ピストン１９の
外周において重ならないように配置されている。このよ
うな構造のシール装置は、ピストン１９外周の溝に装着
され、その外周がバネリングの作用によってシリンダ１
５の内周面に押し付けられている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、シール装置に係り、
特にシリンダとこのシリンダに嵌合されたピストンとの
間の隙間を潤滑油を用いずにシールするシール装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】シリンダとこのシリンダに嵌合されたピ
ストンとの間の隙間をシールするシール装置には、種々
のタイプがあるが、通常、これらのシール装置の多く
は、摺接部を潤滑油で潤滑する方式が採用されている。
然ながら、シリンダ及びシリンダに嵌合されたピストン
を組み込んだ装置の中には、潤滑油を用いるシール装置
では不適当なものがある。このような装置の代表例とし
て、ヘリウムガスを冷媒として用いる極低温用の冷凍機
がある。この冷凍機では、シール部に潤滑油を使用する
と、この潤滑油が低温下で凍ってしまい、潤滑の機能を
果たさなくなってしまう問題がある。従って、ヘリウム
ガスを冷媒として用いる極低温用冷凍機では、通常、シ
リンダとピストンとの間の隙間が無潤滑タイプのシール
装置でシールされている。

【０００３】図７には冷媒としてヘリウムガスを用い、
しかも無潤滑タイプのシール装置を組み込んだ従来のギ
フォード・マクマホン形の冷凍機が示されている。この
ギフォ−ド・マクマフォン型の冷凍機は、例えば、特願
平１ー２７６７８に開示されるように冷媒ガス、即ち、
ヘリウムガスを冷却するコールドヘッド１と及び冷媒ガ
スが循環される冷媒ガス導排出系２とで構成されてい
る。コールドヘッド１では、閉じられたシリンダ１１内
に往復動自在にピストン、すなわち断熱材で形成された
冷媒ガスを圧縮するディスプレーサ１２が収納され、こ
のディスプレーサ１２は、モ−タ１３からの動力で往復
動される。シリンダ１１は、大径の第１シリンダ１４
と、この第１シリンダ１４に同軸的に接続された小径の
第２シリンダ１５とで構成されている。第１シリンダ１
４及び第２シリンダ１５は、通常、薄いステンレス鋼板
等で形成されている。この第１及び第２シリンダ１４、
１５内には、直列的に配置された第１及び第２の冷却ス
テージ１６、１７が設けられている。即ち、第１シリン
ダ１４と第２シリンダ１５との境界部分には、圧縮され
た冷媒ガスを膨張させて冷媒ガスを冷却する第１段冷却
ステ−ジ１６が設けられ、また、第２シリンダ１５の先
端部分には、同様に圧縮された冷媒ガスを膨張させて第
１段冷却ステ−ジ１６での冷却よりもより低温に冷媒ガ
スを冷却する第２段冷却ステ−ジ１７が設けられてい
る。

【０００４】ディスプレーサ１２は、第１シリンダ１４
内を往復動する第１ディスプレーサ１８と、第２シリン
ダ１５内を往復動する第２ディスプレーサ１９とから構
成されている。第１ディスプレーサ１８と第２ディスプ
レーサ１９とは、連結機構２０によって軸方向に連結さ
れ、第１ディスプレーサ１８の内部には、蓄冷機を構成
するための流体通路２１が軸方向に形成されている。こ
の流体通路２１には、銅で作られたメッシュ構造等の蓄
冷材２２が収容されている。同様に、第２ディスプレー
サ１９の内にも軸方向に延びる流体通路２３が形成さ
れ、この流体通路２３には、鉛の球などで形成された蓄
冷材２４が収容されている。第１ディスプレーサ１８の
外周面と第１シリンダ１４の内周面との間及び第２ディ
スプレーサ１９の外周面と第２シリンダ１５の内周面と
の間には、それぞれシール装置２５、２６が装着されて
いる。

【０００５】シール装置２５、２６は、例えば、シール
装置２６を代表して示すと、図８から図１０に示す構造
を有している。即ち、このシール装置２６では、図９に
示すように第２ディスプレーサ１９の外周面に形成され
た環状溝２７内に外周面が第２シリンダ１５の内周面に
接触するように設けられた樹脂製の有端形のシールリン
グ２８が装着されるとともに、シールリング２８の内側
の面に、このシールリング２８を第２シリンダ１５の内
周面に押し付けるための有端形のばねリング２９が装着
されている。シールリング２８の両端部には、図１０に
示すように両端部相互を半径方向に重ね合わせられる重
合部３０が形成されている。

【０００６】第１ディスプレーサ１８の上端には、連結
ロッド３１、スコッチヨ−ク、或は、クランク軸３２を
介してモ−タ１３の回転軸に連結されている。従って、
モ−タ１３が作動されてその回転軸が回転されると、こ
の回転に同期してディスプレーサ１２が図中実線矢印３
３で示すように往復動される。

【０００７】第１シリンダ１４の側壁上部には、冷媒ガ
スの導入口３４及び排出口３５が設けられ、これら導入
口３４と排出口３５は、冷媒ガス導排出系２に接続され
ている。冷媒ガス導排出系２は、シリンダ１１を経由す
るヘリウムガスの循環系を構成するもので、排出口３５
は、低圧弁３６、圧縮機３７、高圧弁３８を介して導入
口３４に接続されている。即ち、この冷媒ガス導排出系
２によって低圧（約５ａｔｍ）のヘリウムガスが圧縮機
３７で高圧（約１８ａｔｍ）に圧縮されてシリンダ１１
内に送り込まれる。この冷媒ガス排出系２の低圧弁３６
及び高圧弁３８は、ディスプレーサ１２の往復動との関
連において後述する関係に開閉制御される。

【０００８】このように構成された冷凍機においては、
寒冷が第１段ステ−ジ１６及び第２段冷却ステ−ジ１７
の２段で発生される。この第１及び第２段ステージ１
６、１７では、熱負荷のない理想状態では、夫々３０Ｋ
及び、８Ｋ程度まで冷却され、第１ディスプレーサ１８
の上下端間には、常温（３００Ｋ）から３０Ｋまでの温
度勾配が生じ、また第２ディスプレーサ１９の上下端間
には、３０Ｋから８Ｋまでの温度勾配が生じる。尚、こ
の第１及び第２段ステージ１６、１７の温度は、各段の
冷却ステ−ジの熱負荷によって変化し、通常、第１段冷
却ステ−ジ１６では、３０〜８０Ｋ、第２段冷却ステ−
ジ１７では、８〜２０Ｋとなる。

【０００９】モ−タ１３が回転を開始すると、ディスプ
レーサ１２が下死点と上死点との間を往復動される。デ
ィスプレーサ１２が下死点に達した際に、高圧弁３８が
開成されて高圧ヘリウムガスがコールドヘッド１内に流
入され。次に、ディスプレーサ１２が上死点へと移動さ
れる。前述の如く、第１ディスプレーサ１８の外周面と
第１シリンダ１４の内周面との間及び第２ディスプレー
サ１９の外周面と第１シリンダ１５の内周面との間に
は、それぞれシール装置２５、２６が装着されているた
め、ディスプレーサ１２が上死点へ向かうと、高圧ヘリ
ウムガスは、第１ディスプレーサ１８に形成された流体
通路２１及び第２ディスプレーサ１９に形成された流体
通路２３を通って、第１ディスプレーサ１８と第２ディ
スプレーサ１９との間に形成された１段膨張室３９及び
第２ディスプレーサ１９と第２シリンダ１５の先端壁と
の間に形成された２段膨張室４０へと流入される。この
流入れにともなって、高圧ヘリウムガスは、蓄冷材２
２、２４によって冷却され、１段膨張室３９に流れ込ん
だ高圧ヘリウムガスは、３０Ｋ程度に、また、２段膨張
室４０に流れ込んだ高圧ヘリウムガスは８Ｋ程度に冷却
される。

【００１０】ここで、ディスプレーサ１２が上死点に達
すると、高圧弁３８が閉成され、低圧弁３６が開成され
る。このように低圧弁３６が開成されると、１段膨張室
３９内及び２段膨張室４０内の高圧ヘリウムガスが膨脹
されて寒冷が発生される。この寒冷によって第１冷却ス
テ−ジ１６がさらに冷却され、また第２冷却ステ−ジ１
７も４Ｋレベルに冷却される。そして、ディスプレーサ
１２が再び下死点へ移動すると、これに伴って１段膨張
室３９内及び２段膨張室４０内のヘリウムガスは、流体
通路２１、２３、内を通過されるが、この通過の際に蓄
冷材２２、２４を冷却し、温度の上昇したヘリウムガス
がコールドヘッド１から低圧弁３６を介して圧縮器３７
に排出される。このようなサイクルが繰返されて冷凍運
転が実行されてヘリウムガスが冷却される。このタイプ
の冷凍機は、クライオスタットの断熱層内に配置されて
いるシ−ルド板の冷却、赤外線センサの冷却、或は、ク
ライオソープションポンプの冷却源として使用される。

【００１１】このように構成された従来の冷凍機にあっ
ては次のような問題があることが指摘されている。即
ち、シール装置２５は、常温部と１段膨張室３９との間
においてヘリウムガスが第１シリンダ１４と第１ディス
プレーサ１８との間の隙間を通して流れるのを防止し、
また、シール装置２６は、１段膨張室３９と２段膨張室
４０との間においてヘリウムガスが第２シリンダ１５と
第２ディスプレーサ１９との間の隙間を通して流れるの
を防止している。これらのシール装置２５、２６は、ヘ
リウムガスの純度（99.99%）の維持および凍結による動
作不良を防止するために潤滑油を用いていない。

【００１２】ここで今、１段膨張室３９内の温度が３０
Ｋ、２段膨張室４０内の温度が１０Ｋである場合を例に
とると、シール装置２６の部分で漏れが生じると、３０
Ｋのヘリウムガスが第２ディスプレーサ１９内の蓄冷材
２４に接触することなく２段膨張室４０内に入り、ま
た、逆に１０Ｋのヘリウムガスが１段膨張室３９内に入
ることになる。この結果、第１段冷却ステ−ジ１６の温
度が下降し、第２段冷却ステ−ジ１７の温度が上昇して
しまうことになる。図１１にはシール装置２６でのヘリ
ウムガスの漏れ量割合（２段膨張室４０へ流れ込むヘリ
ウムガスの総量に対するシール装置２６を通して流れ込
むヘリウムガスの割合）と各段冷却ステ−ジの温度との
関係を計算で求めた結果が示されている。この図１１か
ら判明するように、シール装置２６の部分での漏れが各
段冷却ステ−ジの温度に大きい影響を与える。これはシ
ール装置２６に限らず、シール装置２５についても同様
な問題となっている。

【００１３】従来の冷凍機では、図８から図１０に示し
たように、第２ディスプレーサ１９の外周面に形成され
た環状溝２７内に、重合部３０が図１１に示すように構
成された有端形のシールリング２８を１個だけ装着し、
更にその背面側に押圧力を付与するための有端形のばね
リング２９を装着した構成のシール装置２６を用いてい
る。このような構成のシール装置２６では、極低温下に
おいてシールリング２８が熱収縮したとき、重合部３０
の特に周方向の密着度が悪化し易く、この重合部３０か
らのヘリウムガスの漏れ量が増加して第２段冷却ステ−
ジ１７の温度上昇を招く問題がある。第２段冷却ステ−
ジ１７の温度上昇は、結果的にある温度での冷凍能力の
減少につながることになる。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】上述の如く、従来の無
潤滑タイプのシール装置では、望まれるシール性能を発
揮することができず、これが原因して、たとえば極低温
用冷凍機に組み込んだ場合には冷凍能力を低下させる問
題がある。

【００１５】そこで、この発明は、構造の複雑化を招く
ことなく、シール性能を大幅に向上させることができる
無潤滑タイプのシール装置を提供することを目的として
いる。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、この発明によれば、ピストンの外周面に形成された
環状溝に嵌合され、その外面がシリンダに接触されてシ
リンダとピストンとの間の隙間をシールするシール装置
が提供される。この発明のシール装置によれば、第１、
第２の最外周のシールリングは、有端形であってその有
端間に第１及び第２の間隙が夫々設けられるとともに前
記環状溝内に軸方向に沿って積み重ねられて装着され、
また、有端形であってその有端間に第３の間隙が設けら
れた第３のシールリングがこれら第１、第２の最外周シ
ールリングの内側に装着され、更に、有端形のばねリン
グがこの第３のシールリングの溝内に装着され、上記第
３のシールリングを介して前記第１、第２のシールリン
グを前記シリンダの内周面に押し付けている。

【００１７】

【作用】第３のシールリングにばねリングを納められる
ことによって、ばねリングの押し付け力が第３のシール
を介して第１、第２のシールリングに均等に作用し、シ
リンダへの押し付け力が片当たりせず安定したものとな
り、シリンダ面とシールのガス漏れを低減できる。ま
た、第３のシールリングをピストンの環状溝の奥まで挿
入できるため、ピストン環状溝の中心方向へのガス漏れ
を大幅に減らすことができる。したがって、極低温用冷
凍機に組み込んだときは冷凍能力向上に寄与できる。

【００１８】

【実施例】以下、図面を参照しながらこの発明のシール
装置の一実施例を説明する。

【００１９】図１には、この発明の一実施例に係るシー
ル装置を組み込んだギホード・マクマホン形冷凍機が示
されている。この図１には、図７に示された符号と同一
部分、或は、同一箇所は、同一符号を付してその詳細な
説明を省略する。

【００２０】この冷凍機では、第２ディスプレーサ１９
の外周面と第２シリンダ１５との隙間は、この発明の一
実施例に係るシール装置４１によってシールされてい
る。このシール装置４１は、図２から図４に示すよう
に、第２ディスプレーサ１９の外周面に形成された環状
溝２７内に装着されている。このシール装置４１では、
最外周に２段構造のアウターシーリング４２、４３が第
２ディスプレーサ１９の軸に沿って配置されている。ア
ウターシールリング４２、４３は、有端形状を有し、そ
の外周面が第２シリンダ１５の内周面に接触されてい
る。このアウタシールリング４２、４３の内側には、有
端形状のインナーシールリング４４が装着され、更に、
このインナーシールリング４４の内側には、例えば、ス
テンレス鋼製の有端形状のバネリング４５が装着されて
いる。このバネリング４５からのバネ力がインナーシー
ルリング４４を介してアウターシールリング４２、４３
に付加されることによってアウターシールリング４２、
４３が第２シリンダ１５の内周面へ押し付けられてい
る。

【００２１】アウターシールリング４２、４３及びイン
ナーシールリング４４は、それぞれ四弗化エチレンと対
摩耗材との複合材、グラスファイバとポリアミイドとの
複合材等の樹脂系の部材で形成されている。アウターシ
ールリング４２、４３は、軸方向の厚みがそれぞれ等し
く、また半径方向の厚みもそれぞれ等しく形成されてい
る。インナーシールリング４４は、アウターシールリン
グ４２、４３の軸方向の厚みの和と等しい軸方向の厚み
に形成されている。またインナーシールリング４４に
は、その内側に溝が設けられ、コの字型の断面形状に形
成されている。ばねリング４５は、このインナ−シール
リング４４の内側の溝に嵌合される寸法に形成されてい
る。

【００２２】このように形成されたアウターシールリン
グ４２、４３及びインナーシールリング４４は、夫々図
２及び図４に示すようにそれらの両端間に僅かな距離Ｒ
の間隙４６（４７、４８）が設けられ、しかも、間隙４
６、４７、４８が図２に示すように周方向にほぼ１２０
度を成すように環状溝２７内に装着されている。

【００２３】このような構造をシール装置が有する場合
には、３個のシールリング４２、４３、４４の各々に間
隙が生じることから、合計３個の間隙４６、４７、４８
が生じることとなるが、これらの間隙４６、４７、４８
が周方向にずらして配置されていることから、実質的に
シール装置には、切れ目が生ぜず、しかも、このシール
装置は、第２シリンダ１５の内周面に押し付けられた切
れ目のない１つのシールリングを装着したと等価なシー
ル状態となる。また、インナーシールリング４４には、
バネリング４５が装着され、このバネリング４５が内側
の溝内に装着されているため、ばねリングの押し付け力
がシール装置の中央に作用され、肩当たりのない均等な
押し付け力が得られる。その結果、この発明のシール装
置４１によれば、ガス漏れを大幅に減少させることがで
きる。したがって第２膨張室、つまり第２段冷却ステ−
ジ１７の温度上昇を抑制でき、冷凍能力を向上させるこ
とができる。

【００２４】図５には、図９に示すシール装置を組込ん
だ従来の冷凍機及び図３に示すこの発明の一実施例に係
るシール装置４１を組込んだ冷凍機のガス漏れ量の測定
結果が示されている。この測定結果は、環状溝の軸方向
の幅を等しくするとともにばねリングの押圧力を等しく
して常温・静止状態で測定して得られた。実際の使用条
件、即ち、低温状態でデイスプレーサが往復動される条
件とは異なるが、漏れ料が大幅に減少していることが理
解される。この傾向は、実際の使用条件下にも反映され
るものと考えられる。また、図６には、図９に示すシー
ル装置を組込んだ従来の冷凍機及び図３に示すシール装
置４１を組込んだ冷凍機の冷凍曲線が示されている。横
軸は、第２段冷却ステ−ジ１７の温度 (Ｋ）を示し、縦
軸は、第２段冷却ステ−ジ１７に加えた熱負荷 (Ｗ）を
示している。この図から分かるように、同一温度で冷凍
し得る能力は、本発明のシール装置４１を組込んだ冷凍
機の方が大きい。従って、上記構成のシール装置４１を
組込むことによって冷凍能力を向上させ得ることが理解
される。

【００２５】尚、上述した実施例では、第２ディスプレ
ーサと第２シリンダとの間に設けられるシール装置に本
発明を適用しているが、第１ディスプレーサと第１シリ
ンダとの間に設けられるシール装置にも適用できる。ま
た、この発明に係るシール装置は、極低温用冷凍機に限
らず、無潤滑が要求される類似した装置全般に組込むこ
とができることは勿論である。なお、この発明は、上述
した実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を
逸脱しない限りにおいて、種々の変形が可能であるのは
勿論である。

【００２６】

【発明の効果】以上述べたように、この発明によれば、
簡単な構成であるにも拘らず、広い温度範囲に亘って良
好なシール機能を発揮させることができるシール装置が
提供される。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例に係るシール装置を組込ん
だギホード・マクマホン形冷凍機を局部的に切欠して示
す構成図。

【図２】図１に示されるギホード・マクマホン形冷凍機
に組込まれたシール装置を軸方向から見た図。

【図３】図１に示されるこの発明に係るシール装置を局
部的に取り出して示す縦断面図。

【図４】図３に示されるこの発明に係るシール装置に組
込まれたシールリングの両端の形態を示す図。

【図５】この発明のシール装置を組込んだ冷凍機の特性
を、従来のシール装置を組込んだ冷凍機のものと比較し
て示す図。

【図６】この発明のシール装置を組込んだ冷凍機の特性
を従来のシール装置を組込んだ冷凍機のそれと比較して
示す図。

【図７】従来のシール装置を組込んだギホード・マクマ
ホン形冷凍機の概略構成図。

【図８】従来の冷凍機に組込まれたシール装置を図７に
おけるＡ−Ａ線に沿って切断し矢印方向から見た図。

【図９】従来のシール装置を局部的に取出して示す縦断
面図。

【図１０】従来のシール装置に組込まれたシールリング
の両端部の形態を示す図。

【図１１】従来のシール装置を組込んだギホード・マク
マホン形冷凍機の問題点を説明するための図。

【符号の説明】

１…コールドヘッド、 ２…冷媒ガス導排出系、 １１…シリンダ、 １２…ディスプレーサ、 １３…モ−タ、 １４…第１シリンダ、 １５…第２シリンダ、 １６…第１段冷却ステ−ジ、 １７…第２段冷却ステ−ジ、 １８…第１ディスプレーサ、 １９…第２ディスプレーサ、 ２１、２３…流体通路、 ２２、２４…蓄冷材、 ２７…環状溝、 ３９…第１膨張室、 ４０…第２膨張室、 ４１、４１ａ…シール装置、 ４２、４３…アウタ−シールリング、 ４４…インナ−シールリング、 ４５…ばねリング、 ４６、４７、４８…切れ目。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ピストンの外周面に形成された環状溝に
   嵌合され、その外面がシリンダに接触されてシリンダと
   ピストンとの間の隙間をシールするシール装置におい
   て、前記環状溝内に軸方向に沿って積み重ねられて装着
   され、有端形であってその有端間に第１及び第２の間隙
   が夫々設けられた第１、第２の最外周のシールリング
   と、これら第１、第２の最外周シールリングの内側に装
   着され、有端形であってその有端間に第３の間隙が設け
   られた第３のシールリングと、この第３のシールリング
   の溝内に装着されて上記第３のシールリングを介して前
   記第１、第２のシールリングを前記シリンダの内周面に
   押し付ける有端形のばねリングとを具備し、第１、第２
   及び第３のシールリングがピストンの外周に沿って異な
   る位置に配置されることを特徴とするシール装置。
2. 【請求項２】 前記第３のシールリングは、前記第１及
   び第２のシールリングの軸方向の厚みの和と等しい軸方
   向の厚みを有していることを特徴とする請求項１に記載
   のシール装置。