JPH0737100Y2 - 冷凍機のシール構造 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 《産業上の利用分野》 本考案は、シリンダ内での冷媒ガスの断熱膨張を利用し
て寒冷を発生させる冷凍機のシール構造に関する。

《従来技術》 従来、シリンダ内にピストンを往復摺動可能に装着し、
このシリンダとピストンとで形成される空間内に圧縮機
からの高圧ガスを導入し、この高圧ガスを断熱膨張させ
ることにより、寒冷を得るようにした冷凍機として、例
えば、特公昭50-18626号公報に示されたものがある。

これは、第４図に示すように、シリンダ（51）内に大径
部と小径部とを有する段付きピストン（52）を往復摺動
可能に配置し、ピストン（52）の大径部（53）及び小径
部（54）にそれぞれシールリング（55）（56）を嵌着
し、ピストン（52）の大径部（53）に嵌着したシールリ
ング（55）とシリンダ（51）の大径側端面との間に可変
容量室（57）を形成するとともに、ピストン（52）の大
径部（53）に嵌着したシールリング（55）と小径部（5
4）に嵌着したシールリング（56）との間に低圧室（5
8）を、小径側シールリング（56）とシリンダの小径側
端面との間に高圧室（59）をそれぞれ形成し、可変容量
室（57）に作動ガスを給排するガス給排路（60）を分岐
させ、可変容量室（57）から分岐部までの間のガス給排
路（60）にシリンダ側（51）から冷凍出力取出用熱交換
器（61）と蓄冷器（62）とを順に配置し、一方の分岐管
（63）を圧縮機（64）の吐出口（65）に高圧切換弁（6
6）を介して接続するとともに、他方の分岐管（67）を
圧縮機（64）の吸込口（68）に低圧切換弁（69）を介し
て接続し、高圧室（59）を高圧導管（70）で圧縮機（6
4）の吐出口（65）に、また低圧室（58）を低圧導管（7
1）で圧縮機（64）の吸込口（68）にそれぞれ接続し、
高圧・低圧両導管（70）（71）にそれぞれ絞り弁（72）
（73）を介装した構造になっている。

《解決しようとする課題》 この種の冷凍機では、シリンダの一端部が77K以下の極
低温まで冷却されるため、シリンダ材料として高圧ガス
取締法の指定材料であるSUS304L、SUS316L等に相当する
ステンレス鋼が使用され、ピストンとシリンダとの間の
シール材としてフッソ樹脂系のシールリングを使用する
のが一般的である。

ところで近年、半導体製造工場のクライオポンプ、MRI-
CTの蒸発防止用冷凍機等、できるだけ長時間メンテナン
スをせずに冷凍機を運転できるようにする要求が強くな
っているが、前記従来構造のものでは、ピストンの往復
摺動によってシールリングやシリンダが摩耗することか
ら、一定期間毎に冷凍機を分解してシール材を交換しな
ければならずメンテナンスが面倒であるという問題があ
った。

本考案はこのような点に着目してなされたもので、シー
ル部分でのシール性を長期に亘って高く維持できるシー
ル構造を提供することを目的とする。

《課題を解決するための手段》 上記目的を達成するために本考案は、シリンダ内でピス
トンを往復摺動させる冷凍機において、少なくともシー
ルリングの移動範囲と対応するシリンダの内面にライナ
ー材を装着し、このライナー材の少なくとも内周面をセ
ラミックで形成し、ピストンの外周面に装着するシール
リングをフッ素樹脂の母材にポリイミド系樹脂を添加し
たもの、あるいは、フッ素樹脂の母材にグラファイトと
金属モリブデンを添加したもので形成したことを特徴と
している。

《作用》 本考案では、ピストンをシリンダ内で往復摺動させるよ
うにした冷凍機のコールドヘッドにおいて、シールリン
グの移動領域に対応するシリンダの内面にライナー材を
装着し、このライナー材の少なくとも内周面をセラミッ
クで形成しているので、ライナー材の表面粗度及び表面
形状を良好に形成できるとともに、ピストンに装着する
シールリングをフッ素樹脂の母材にポリイミド系樹脂を
添加したもの、あるいは、フッ素樹脂の母材にグラファ
イトと金属モリブデンを添加したもので形成しているの
で、ライナー材の表面がこれらシールリングによって平
滑に形成される用になるから、シリンダ及びシールリン
グの摩耗が少なくなって、長期に亘って良好なシール性
を維持することになる。

《実施例》 第１図は本考案の実施例の実施例を示す要部拡大縦断面
図、第２図はコールドヘッドの縦断面図、第３図は冷凍
機の模式図である。

この冷凍機は、ヘリウムを冷媒とした極低温冷凍機であ
り、圧縮機ユニット（１）とコールドヘッド（２）とで
構成してある。コールドヘッド（２）はバルブモータ部
（３）とシリンダ部（４）を有しており、バルブモータ
部（３）の作動に基づき、バルブユニット（５）の高圧
弁と低圧弁を切り換え作動するようになっている。

シリンダ部（４）は、ステンレス鋼製のシリンダ（６）
の内部に段付きピストン（７）が往復摺動可能に挿嵌し
てあり、ピストン（７）の大径部（８）と小径部（９）
にそれぞれシールリング（10）（11）が嵌着してある。
そして、小径部（９）に嵌着したシールリング（11）と
シリンダ（６）の小径側端面との間を高圧室（12）に形
成するとともに、大径部（８）と小径部（９）にそれぞ
れ嵌着した両シールリング（10）（11）間を低圧室（1
3）に形成してある。また、ピストン（７）の大径部
（８）は中空状に形成してあり、この中空部に蓄熱器
（14）が装着してある。ピストン（７）の大径部（８）
に嵌着したシールリング（10）とシリンダ（６）の大径
側端面との間は、前記蓄熱器（14）を介してバルブユニ
ット（５）に連通接続しており可変容積室（15）となっ
ている。

バルブユニット（５）は高圧ガス路（16）と低圧ガス路
（17）を介して圧縮機ユニット（１）に連通接続してお
り、高圧ガス路（16）が圧縮機ユニット（１）の吐出口
（18）に、低圧ガス路（17）が圧縮機ユニット（１）の
吸込口（19）にそれぞれ接続している。また、前記高圧
室（12）はシリンダ（６）の小径側端壁（20）に形成し
たオリフイス（21）を介して高圧ガス路（16）に連通さ
せてあり、低圧室（13）は高圧室形成壁に形成したオリ
フイス（22）を介して低圧ガス路（17）に連通させてあ
る。

このような構成の冷凍機では、ピストン（７）が下降位
置にある状態で、バルブユニット（５）の高圧弁が開か
れ、低圧弁が閉じられると圧縮機（１）からの高圧ガス
が可変容積室（15）に流入してピストン（７）を押し上
げる。このとき、高圧室（12）にも高圧ガスの圧力が作
用しているが、受圧面積差によって、ピストン（７）は
押し上げられることになり、その移動速度は高圧室（1
2）及び低圧室（13）へのガス連通路に介装されている
オリフィス（21）（22）の開度によって制御される。ピ
ストン（７）が上端に達すると、バルブユニット（５）
の作動で高圧弁が閉じられ低圧弁が開かれると、可変容
積室（15）が圧縮機（１）の吸込口（19）に連通するこ
とになるからピストン（７）が下降し、可変容積室（1
5）内の高圧ガスが断熱膨張して、寒冷を生じる。な
お、本例の場合シリンダ（６）の肉壁が冷凍出力取出用
交換器として作用している。

本考案はこのような基本構造の冷凍機におけるコールド
ヘッドを以下に述べるような構造にしたことを特徴とし
ている。

即ち、シリンダ（６）における小径部の内面に小径用シ
リンダライナ（23）を内嵌固定するとともに、シリンダ
（６）の大径部における内周面のシールリング（10）の
移動領域に大径用シリンダライナ（24）を内嵌固定して
いる。したがって、ピストン（７）の小径部（９）に嵌
着したシールリング（11）はその移動時に小径用シリン
ダライナ（23）の内面を摺動し、大径部（８）に嵌着し
たシールリング（10）は大径用シリンダライナ（24）の
内面を摺動することになるから、小径用シリンダライナ
（23）が高圧室（12）の形成部材となり、大径用シリン
ダライナ（24）が低圧室（13）の形成部材となる。

この場合、ピストン（７）に嵌着したシールリング（1
0）（11）は四フッ化エチレン樹脂を母材としポリイミ
ド樹脂を添加して形成してある。そして、両シリンダラ
イナ（23）（24）はアルミニュウム製ライナ本体の内周
面にセラミックをコーテイングして形成してある。この
ような処理を施したシリンダライナ（23）（24）をシリ
ンダ（６）の内面に配置すると、摺動初期に削られたシ
ールリングの素材がセラミック表面の凹凸部分に埋め込
まれることになり、ライナー（23）（24）とシールリン
グ（10）（11）のなじみがよくなることから、シールリ
ング（10）（11）の摩耗は少なくなる。

シリンダライナー（23）（24）はステンレス鋼の内周面
をセラミックスでコーティングしたものでもよく、ライ
ナー全体をセラミックスで形成してもよい。また、シー
ルリング（10）（11）を四フッ化エチレン樹脂を母材に
してグラファイトと金属モリブデンを添加して形成して
もよい。

なお、大径用シリンダライナ（24）と小径用シリンダラ
イナ（23）とは端面同士で接当しており、その接当面に
Ｏリング（25）を装着することにより、この接当面を封
止して接当面からのガス漏れを阻止している。このよう
に両シリンダライナ（23）（24）の接当面にＯリング
（25）を配置した場合には、ピストン（７）の移動によ
る影響がＯリング（25）にあらわれることがないから、
低圧室（13）の気密性を維持することができる。

《効果》 本考案では、ピストンをシリンダ内で往復摺動させるよ
うにした冷凍機のコールドヘッドにおいて、ピストンの
外周面に嵌着したシールリングの移動領域と対応するシ
リンダの内面にシリンダライナを装着し、このライナー
材の少なくとも内周面をセラミックスで形成しているの
で、セラミックスの表面にシールリングの素材が充填さ
れることにより、ライナー材の表面を平滑に形成できる
とともに、ピストンに装着するシールリングをフッ素樹
脂の母材にポリイミド系樹脂を添加したもの、あるい
は、フッ素樹脂の母材にグラファイトと金属モリブデン
を添加したもので形成しているので、運転時にはライナ
ー材とシールリングの接触部分は同材質となり、シリン
ダ及びシールリングの摩耗を少なくすることができ、シ
ール部分でのシール性を長期に亘って高く維持すること
ができる。これにより、シールリングを交換するための
メンテナンス間隔を長くすることができ、長時間連続運
転することができるようになる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案の実施例を示す要部拡大縦断面図、第２
図はコールドヘッドの縦断面図、第３図は本考案を適用
した冷凍機の模式図であり、第４図は従来例の第３図相
当図である。 ６……シリンダ、７……ピストン、10・11……シールリ
ング、23・24……ライナー材。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−153369（ＪＰ，Ａ) 特開 昭49−112046（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−9613（ＪＰ，Ａ)

Claims (2)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】ステンレス鋼製のシリンダ（６）とこのシ
   リンダ（６）内を往復摺動するピストン（７）とを具備
   し、ピストン（７）の外周面にシールリング（10）（1
   1）を装着し、圧縮気体を冷媒として使用している冷凍
   機において、 少なくともシールリング（10）（11）の移動範囲と対応
   するシリンダ（６）の内面にライナー材（23）（24）を
   装着し、このライナー材（23）（24）の少なくとも内周
   面をセラミックで形成するとともに、ピストン（７）の
   外周面に装着するシールリング（10）（11）をフッ素樹
   脂の母材にポリイミド系樹脂を添加してなる樹脂材料で
   形成したことを特徴とする冷凍機のシール構造
2. 【請求項２】少なくともシールリング（10）（11）の移
   動範囲と対応するシリンダ（６）の内面にライナー材
   （23）（24）を装着し、このライナー材（23）（24）の
   少なくとも内周面をセラミックで形成するとともに、ピ
   ストン（７）の外周面に装着するシールリング（10）
   （11）をフッ素樹脂の母材にグラファイトと金属モリブ
   デンを添加してなる樹脂材料を形成したことを特徴とす
   る冷凍機のシール構造