JPS60500067A - 潤滑剤のつけられた両角シ−ル - Google Patents

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】 潤滑剤膜全形底する両角シール アメリカ合衆国政府は、米国エネルギー省に与えられた契約Ａ　ＤＥＮ　３−３ ２　に拠って１９本発明上に権利を有する。

技術分野 本発明に、潤滑剤のつけられた＠線往復運Ｉ部材と、この部材が１通する、２つ のガス・チャンバの分屋用の壁部材との間でのガス・リーク全防止するシール装 置に関する。

発明の背景 ロールφソック・シール及びベローズのような絶対シールがピストン・ロッドに 用いられてきたが、これらのシールは短いストロークの場合に限られ、かつ、そ の寿命の短いことが大きな欠点である。

ピストン・ロッドのシールの主要なものに潤滑剤音用いるものがめる。これでは 、シールとピストンロッドとの間の境界面に潤滑剤がつけられて、準擦、摩耗、 および発熱の減少が図られる。境界面に潤滑剤が存在することによって、高圧チ ャンバ〃）らのガスのリークも減少する。通常油でらる潤滑剤は、シールノ低圧 側でピストン・ロッドの表面に直通的に付けられる。多くの応用分野において潤 滑油が効果的なガスシールに重要な働き全する一方で、高圧ガス・チャンバに潤 滑剤が何らかの作用を生じる程度に溜まる点は極めて好ましからざることである 。典形例として、往復）スターリング・エンジンのメイン・シール丁なわちピス トン・ロッドのシールが挙げられる。このシールの主要機能は、ワーキング・サ イクルでクランクケースへのガス（通常水素）のリーク′ｆ！：最小にすること でるる。クランクケースから油がワーキング・ガス領域へ入り込むと、エンジン が汚染され、その能力が劣化するので、こ１″Ｌ全防止する機能も等しく重要で るる。

油のリークを無視できるようにするため、多くの潤滑剤利用のシールでは、スク レーパとして働く部材′ｔ−組み込んでいる。スクレーパは、ピストン・ロッド から殆んどの潤滑剤全除去して、最小限の潤滑剤のみがシールとピストン・ロッ ドとの境界面に注入されるようにするためのものでｂる。潤滑剤除去におけるス クレーパのかき取り作用の効果は、一般に予測できず、かつ、シールの寿命と犬 きく関係する。スクレーパ全通り抜けてシールとロッドトノ境界面に侵入できる 潤滑剤が少なすぎる場合には、不完全な油膜しか形成されない。すると、ガス− シールの効果が低下し、また、ロッドとシールとが少くとも部分的に接融して摺 動する。かかる接触により、摩擦が増して摩耗を早め、シール破損が促進される 。

逆に、スクレーパ全通ってシールとロッドとの境界ｍ　Ｋ　ａれ込む潤つ剤が多 すぎると、逆のストロークで油の丁べてか確実にシールとロッドとの境界面全逆 流するように設計されたシールでない限り、潤滑剤によって高圧がスチャンバが 汚染されてしまう。

潤滑剤利用シールの例が合衆国特許第４ｇ　５１，０８１号に開示されている。

第１図に、このシールの基本的構造が示されている。グラファイトで強化された ポリテトラクルオロエチレン美のシール１２が、ピストン・ロンドロ？囲んでい る。油は、シールの低圧側の環状＄１６に一方してピストン・ロッドの表面に供 給される。圧縮バネ系１３．１４により、シールはピストン・ロッドの表面に向 けて荷重されている。

シールの鋭角全な丁下鍬部が、スクレーパとして機能する。シールは、高圧側に 、高圧チャンバに近づくに従って内径が徐々に増大する筒状延長部１５を備えて いる。降下ストロークに際して、シールより上方のロッド表面に存在する油は、 ロッドとシールの筒状延長部との間の収束通路へ流入する。この通路の形状は、 ロッドの動きと組合わされると、注入効果を生じ、その結果油はシールの低圧側 に戻される。

発明の重要 本発明の目的は、シールの一方の側の高圧チャンバから、シールの他方の側の低 圧チャンバへのガスのリークを防止する、何頭性が高く、効率的な、長寿命の、 潤滑剤利用シール用シール装置全提供することにある。

本発明の他の目的は、限定１の油】がロッドとシールとの間での摺加接滋全防止 するとともに、シールを通して何れの方向にも、潤滑剤の正味の流れが生じない 、潤滑剤利用のピストン・ロッドのシール装置全提供するこ−とにある。

更に詳しくは、シールは、弾性率の低い、プラスチック、エラストマー、その他 の物質ρλら作られる。

靜止状態では、高圧ガス・チャンバからのリークは、シールをピストン・ロッド の表面に対して諦付けることによって、防止される。

論的な往復動の状態では、シールは、既存の水力学上の原理に基づいて動作する 。シールの形状は、ロッドの往復運≧によって、ロッドの表面とを隔てる、水力 学的な膜が生じるようなものでらる。潤ａ剤は、シールの低圧側でロッドの表面 に塗られる。

シールは、ストロークの各方向における潤滑剤の注入が平衡するように形成され 、それにより、シールの高圧側への油の正味の流れ込みが確実に無くされる。１ １ｉｒｔ剤膜が存在するので、）的状態でのガス・シールの質が向上する。

真空ポンプのような他の応用分野では、低圧チャンバから潤冴剤を除くことが望 まれる。そのような場合には、潤冴剤は、シールの高圧＠からロッドの表面に塗 布することができる。シールは、ロッドが高圧側へ向って運ｌする時、その逆の 運動をする時よりもより大きな注入能力をもつように設計される。

シールの詳細な説明から解かるように、本発明はスターリング・エンジンに適用 丁べく案出されたものであるが、本発明の用途はそれに限定されるものではない 。詳細な説明及び図面の例は、本発明の好ましい実施例を示すものであるが、例 示として取り挙げたものでるること全理解されたい。種々の変形及び変更が本発 明の精神と範囲を逸脱せずに可能でめることは当業者に明ら〃為でろろう。

図面の簡単な説明 第１図は、従来技術を示す図でめる。

第２図は、本発明に基づくシールと往復動部材のＮ１断面を示す図でめる。

第３囚は、本発明の、動的動作における詳、ａ全示す図である。

第４図は、好ましい実施例のシール及びピストン・ロッドの縦断面を示す図でる る。

シール装置の一般的形蕩が第２図に示されて・いる。

シール・グランド２１は、低弾性率のプラスチック、エラストマー、軟金属、そ の他の合成物、例えば、ガラス鷹惟全充填したポリテトラフルオロエチレン、ホ リイミド扮を充填したポリテトラフルオロエチレン、フラファイト潅維ヲ充填し たポリテトラフルオロエチレン、銀、酸化カドミウムおよびグラファイト扮など で作られる。シール９グランド２１は、往復１部材、例えば、ロッド２２全囲む 。保持器２４は、高圧チャンバと低圧チャンバと金隔てる壁部材２３にシールを 接触させて保持する。シールと壁部材との間の境界面はこの境界面全通してのガ スのリーク全最少にする。シールは、当初のじゃま嵌合（ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎ ｃｅ　ｆｉｔ　）および外部からの荷重の少くとも一方によって、ロッドに対し て半径方向に荷重が与えられる。静止状態では、じゃま嵌合や外部からの荷ｉＫ よって、シールの中央部とロッドの間の参照数字２７で示す部分で密接に接触す る。油又は他の液体が、シールのすぐ下の環状＃１２５又は他の手段により、ロ ッドの表面に供給さｎる。液体はシールの潤滑剤膜して作用し、ロッドを冷却す る。

シール・グランドの各端部には、収束通路全形成部は、ロッドとシールの内周表 面との間の間隙がシールの各端面に近づくに従って増大するような円錐形として 示されている。

入口部は、往復２Ｉ運）下の勲作において重要な役割をもつ。上昇ストローク時 、潤滑剤が収束通路２６に引き込まれ、そこに水力学的圧力？発生する。この圧 力がシール・グランドを拡径させて、ロッドとシール・グランドとの間に潤滑剤 フィルムで充ｆｃセれる間隙を虫取する。下降ストローク時、ロッド表面の潤滑 剤は収束通路２８に引き込まれ、水力学的圧力が生じてシール・グランド？拡径 させ、油がシールを通して通過できるようになる。この動的）作は第３図に示さ れている。上昇及び下降の双方のストロークにおいて積極的に潤滑剤１７作るの で、シールの５が向上し、ガスのリークが減少し、ソール・グランドの長寿命化 が図れる。

第１図および第２図におｈて、入口部は円錐形に示されているが、ζ′れはシー ルの動作に本質的なものでにない。入口部は、上昇および下降ストローク時にシ ールに潤滑剤が流入するための収束通路であれば形状は問わない。各入口部の一 般的な特徴に、入口部の寸法がシールと往復動部材との対峙面に向って減少して いくことでめる。

上昇ストローク時、ロッド表面とシ、−ル表面とを隔てる潤滑剤膜の厚み、およ び、間隙７通っての潤滑剤の注入１は、以下の事項の関数となる。丁なゎち、入 口部２６の収束形状、ロッドの速度、潤滑剤の速度、シール・グランドの弾性特 性、ロッドへのじやま嵌合、（若し加えられているなら）外部力）らの荷重、シ ールの一方側と他方側での圧力差に依！存して変化する。弾性−水力学的潤滑の 既存理論に基づいて、ロッドとシール・グランドの間で摺テ接滋が確実に生じな いように、少ないが雰ではない有限の潤滑剤膜が、第３図に参照数字２日で示す 通り、与えられるように、シールは設計される。下降ストローク時プロセスは反 転するが、この場合には供給される潤滑剤は、上昇ストロークで流入した、ロッ ド表面の潤滑剤膜だけでろる。シールの高圧側への潤滑剤の正味の流れ？確実に 零とするために、シールの総合設計は、下降ストローク時の注入能力（即ち、シ ール全通してＡ過でさる潤う剤の量）が、上昇ストローク時の注入能力よ！ｌｌ も大きい〃・、上昇ストローク時の注入能力に等しくなるようにしなければなら ない。この要求は、入口部２６．２８に適切に設計することによって達成される 。第３図に示した円錐形入口部では、これは角度Ａと角度Ｂとに依存する。小さ な角度Ｂは、通常、犬さな角度Ａよジも、大きな注入能力をもつ。（吸収に起因 する潤滑剤′ａ度の変化全身ｎ１する必要がある。）角度Ａ及びＢの゛特定値の 選定は、特定の応用分野に対するシールの総合設計の一部として行う必要かめる が、おおむね、これらの角度は小さく、実際上４５°を超えないでめろう。好ま しい範囲は、００刀１ら１５°の間でのろう。

以上に説明した一７投原理を具体化したシール装置の実施例が第４図に示されて いる。例えば、スターリング・エンジン中の、往＠）ピストン１１ロツド３１が 、壁部材３２をス通している。壁部材３２は、高圧ｉ　、（・チャンバ３３全低 圧ガス・チャンバ３４から分兼する。低弾性率の、プラスチック、エラストマー 、ソノ他の材質で作ることができるクール−グランド３５が、ピストン拳ロッド を囲゛んでいる。シール・グランドは、その断面が基本的には台形状で、その本 体部の上及び下に筒状延長部を持っている。

これらの筒状延長部の内周面は収束入口部３６．３７をな丁よう形成される。シ ール・グランドの外側の下方円錐面４１は、壁部材３２の一致した円錐座４２に 嵌合する。シール９グランドの外り１１の上方円錐面４３は、一致した円錐面４ ４全もつ円筒状荷重部品３８と接触する。荷重部品とシール・グランドとの架斂 、および、シール・グランドと壁部材との接触は、（図示しない）圧縮スプリン グ又は他の手段により与えられる荷重部品への軸方向力によって維持される。シ ール・グランドの２つの外側円錐面全通して、軸方向力はシールに半径方向のカ の成分全与える。力の半径方向底分け、シールをピストン・ロッドへ半径方向に 荷重する。ピストン・ロッドへのシール・グランドのしや１嵌合によって、付加 的な半径方向荷重が与えらｎる。例えばシールの低圧側の環状溝又は他の手段に よって、潤滑剤がピストン１１０ンドの表面に供給される。上昇ストローク時、 １冴剤は収束入口部３７から上方へ水力学的に注入され、シール−グランドの径 ？拡大してロッドと／−ル・グランドとの間の間隙４５全形成し、この間隙４５ には潤滑剤膜が充たされる。下降ストローク時、ロッドの表面の潤滑剤は収束入 口部３６の中へ引き込まれ１水力学的に下方へ注入され、シール・グランドを拡 径して油の通過を許容する。入口部３６および３７を適切に設計すると、例えば 、コー７３７の角度がコーン３６０角度に対し、より大きいか又は等しくするこ とによって、高圧側への潤滑剤の正味の流れは零になる。それでもなお、潤滑剤 の連続膜が双方向に注入され、ロッドとシール・グランドとの境界面全全体的に 潤滑する。

以上の説明は、潤滑剤が低圧ガスΦチャンバにおいてピストン・ロッドに供給さ れ、高圧チャンバへの潤滑剤の正味の流れが無いものについてのみ行ったが、本 発明はこれに限られない。潤滑剤の存在が高圧チャンバでは許容され低圧チャン バでは許容されない分野のためには、シールの高圧側でロッドの表面に潤滑剤？ 供給し、低圧９Ａから高圧側への注入能力をより大きくするようにして、叙上の 原理に基づいて１作するようにシール装２に設計できる。

発明の説明から明らかなように、本発明は種々に変形できる。そのような変形は 本発明の精神および算器から逸脱するものでなく、当業者に容易に推考できるす べての変形等は以下の請求の範囲に含まれ浄書（内容に変更なし） 潤滑剤のつけられた両角シール ３、補正をする者 事件との関係　特　許　出願人 名称（氏名）　メカニカル・チクノロシイ・インコーホレーテッド、補正の対象 （１）別紙の通り （４）図面の翻訳文の浄書（内容に変更なし）（５）別紙の通り 以上 ′１　層　書 潤滑剤のつけられた両角シール アメリカ合衆国政府は、米国エネルギー省に与えられた契約Ｊ１６ＤＥＮ　３− ３２に拠って、本発朋上に権利を有する。

技術分野 本発明は、潤滑剤のつけられた直線往復運動部材と、この部材が貫通する、２つ のガス・チャンバの分離用の壁部材との間でのガス・リークを防止するシール装 置に関する。

発明の背景 ロール・ノック・シール及びベローズのような艶対シールがピストン・ロッドに 用いられてきたが、これらのシールは短いストロークの場合に限られ、かつ、そ の寿命の短いことが大きな欠点である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．　第１のガス・チャンバおよび第２のガス・チャンバの間での往復動部材に 沿うガス・リークを防止するため、前記往復動部材によって貫通され、かつ、前 記第１のガス・チャンバおよび前記第２のガス・チャンバを分雅する壁部材と、 前記第１及び第２のガス・チャンバの少くとも一方において前記往復力部材の地 面に潤滑剤を供給する手段と、第１および第２の端部をもち、前記第１及び第２ のガス・チャンバ間の前記壁部材に対して保持されたシール・グランドとを有す るシール装置において； 前記シール・グランドを、半径方向荷重を与えるようにして前記往復動部材に装 着する装着手段と； 潤滑剤が供給される側の、前記シール・グランドの前記第１の端部で、前記シー ル・グランドおよび前記往復よ部材の間に第１の収束通路を形成し、前記シール ・グランドの内周の方への潤滑剤注入を生じさせるように作用し、前記半径方向 荷重に抗し得て前記往復動部材および前記シール・グランドの対峙面間に零でな い有限の潤滑剤膜を形成するための手段と；および 前記シール・グランドの反対側の前記第２の端部で、前記シール・グランド及び 前記往復動部材の間に第２の収束通路を形成し、前記シール・グランドの前記第 １の端部がら注入された潤滑剤の流れに少くとも平衡するに十分なざけ、前記シ ール・グランド内周の方への潤滑剤注入を生じさせるための手段と を備えたシール装置。 ２、特許請求の範囲第１項記載のものにおいて、前記シール・グランドの前記第 １＞よび第２の端部は、前記往復動部材と組合わさｎて直円錐台の形状をなして 前記第１および第２の収束通路を形成するシール装置。 ３、　請求の範囲第２項記載のものにおいて、前記シール・グランドはニジスト マー材であるシール装置０ ４、　請求の範囲第３項記載のものにおいて、前記往復動部材はピストン・ロン ドであΣシール装置。 ５、　請求の範囲第１項記載のものにおいて、前記第１のガス・チャンバは低圧 チャンバであシ、前記第２のガス・チャンバは高圧チャンバであるシール装置。 ６、　請求の範囲第１項記載のものにおいて、前記第１のガス・チャンバは高圧 チャンバであシ、前記第２のガス・チャンバは低圧チャンバであるシー装置。 ７．請求の範囲第１項記載のものにおいて、予定の半径方向荷重を与えるように して前記シール・グランドを装着する装着手段は、静止状態において、−積極的 なしやま嵌合を含むシール装置。 ８、請求の範囲第７項記載のものにおいて、前記シール・グランドの前記第１お よび第２の端部は、前記往復動部材と組合わされて直円錐台の形状をなして前記 第１および第２の収束通路を形成しているシール装置。 ９、　請求の範囲第８項記載のものにおいて、前記シール・グランドおよび前記 往復動部材の間の直円錐台は、００から４５０の角度範囲内で形成されているシ ール装置。 １０、請求の範囲第９項記載のものにおいて、前記第１の端部の円錐台の角度は 、前記第２の端部の円錐台の角度よシも大きくされているシール装置。 １１、スターリング・エンジンにおいて、低圧ガス用の第１のチャンバおよび高 圧ガス用の第２のチャンバの１間でピストン・ロッドに沿うガス・リークを防止 すＳため、前記ピストン・ロッドによって貫通さｔ１前記第１のチャンバおよび 第２のチャンバ金分能する壁部材と、前記第１のチャンノ（において前記ピスト ン・ロッドの表面に潤滑剤を供給する手段と、第１及び第２の端部をもち、前記 第１のチャンバおよび前記第２のチャンバの間の前記壁部材に対して保持されて いるニジストマーのシール・グランドとを有するピストン・ロッド用のシール装 置であって； 前記ピストン・ロッドへ前記シール・グランドを偏倚させて予定の半径方向荷重 を与える偏倚手段と； 潤滑剤が供給される側の、前記シール・グランドの前記第１の端部で、前記ピス トン・ロッドに向いあり直円錐台を前記シール・グランド上に形成し、前記シー ル・グランドの内周の方へ潤滑剤の水力学的注入を生じさせるように作用し、前 記半径方向荷重に抗し得て、前記ピストン・ロッドおよび前記シール・グランド の対峙面の間に零でない有限の潤滑剤膜を形成する第１の収束通路と；および 前記シール・グランドの前記第２の端部で、前記ピストン・ロッドに向いあう直 円錐台を前記シール・グランド上に形成し、前記シール・グランドの内周の方へ 、前記シール・グランドの前記第１の端部から注入さｎた潤滑剤の流ｎに平衡す るに十分な、潤滑剤の水力学的注入を生じさせるように作用する第２の収束通路 と を備えたシール装置。 １２、請求の範囲第１１項記載のものにおいて、前記シール・グランドを偏倚さ せて予定の半径方向荷重を与える前記偏倚手段は、静止状態において積極的なじ やま嵌合を含むシール装置。 １３、請求の範囲第１１項記載のものにおいて、前記シール・グランドを偏倚さ せて予定の半径方向荷重を与える前記偏倚手段は、荷重部材を軸方向に荷重する 圧縮バネ−を含み、半径方向の荷重成分で前記シール・グランドを前記ピストン ・ロッドに荷重するものであるシール装置。 １４、請求の範囲第１１項記１のものにおいて、前記シール・グランドおよび前 記ピストン・ロッドの間の直円錐台の各々はＯｏから４５°の角度範囲内に形成 さｆ′Ｌ、１いるシール装置。 １５、請求の範囲第１４項記載のものにおいて、前記第１の収束通路の直円錐台 の角度は、前記第２の収束通路の直円錐台の角度に対し、少くとも等しいか、又 は、大きくされているシール装置。