JPS6325380A

JPS6325380A - 極低温流体用ピストンポンプ

Info

Publication number: JPS6325380A
Application number: JP62157954A
Authority: JP
Inventors: ゴットフリート　シュナイダー; バルター　ペシュカ
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 1986-06-28
Filing date: 1987-06-26
Publication date: 1988-02-02
Anticipated expiration: 2010-09-20
Also published as: US4813342A; DE3621726A1; EP0252296A2; EP0252296A3; DE3621726C2; JPH0786349B2; EP0252296B1

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】〔産業上の利用分野〕本発明は、熱膨張率の小さい材料から成るポンプシリン
ダーと、その中で往復運動するピストンと、ポンプシリ
ンダーより大きい熱膨張率を有しかつ自己潤滑性のある
材料から成るピストンリングとから構成された極低温流
体用ピストンポンプに関するものである。

〔従来の技術〕

例えば、液体窒素、液体水素のような極低温流体を汲う
ピストンポンプの場合は、極低温流体の沸騰、低い温度
、小さい動粘度等に基く問題が生じている。低い温度は
材料選択を厳しく制限する。

特に、ピストンとシリンダーを組合せる場合に収縮の問
題が生ずる。潤滑剤を使用することはできない、取扱う
極低温流体は動粘度が小さいためピストン及びシリンダ
ー表面は自己潤滑性がある材料で形成しなければならな
い。例えばＰＴＦＥ、　ＰＴＦＥ−カーボン、ＰＴＦＥ
−グラファイト、或はＰＴＦＥ−ブロンズなどで作られ
たピストンリングによってシールを行っていた。このよ
うなポンプは例えば米国特許４１５６５８４及び４３９
６３６２並びに（：ｏｔｔｚｍａｎｎ著“Ｉｌｉｇｈ　
Ｐｒｅｓｓｕｒｅ　Ｌｉｑｕｉｄ　Ｈｙｄｒｏｇｅｎ　
ａｎｄ　ｌｌｅｌｉｕＩｌｌＰｕｍｐｓ”　（液体水素
、液体ヘルリウ用高圧ポンプ）＾ＩＣＥ、　ａｃｌｖａ
ｎｃｅｓ　ｉｎ　Ｃｒｙｏｇｅｎｉｃ　ＥＢｉｎｅｅｒ
ｉｎｇ、第５巻、１９６０年、２８９頁〜２９８頁によ
り公知である。

ＰＴＦＥ−グラファイトやＰＴＦＥ−カーボン或は、こ
れに似た材質から成る自己潤滑性のあるピストンリング
を用いれば鋼材に対してはすぐれた滑性が得られる。し
かしながら、欠点は、ポンプシリンダーの材料やピスト
ンの材料と比較するとピストンリングの材料は大きい熱
膨張率を持っている、ということである。例えば周囲温
度を７７Ｋまで冷却するとＰＴＦＨの熱膨張は、特殊鋼
よりも６倍から７倍も大きく、ＦｅＮｉ３６　　ｆＡよ
りも４０倍近くも大きくなる。それ故、ＰＴＦＨのピス
トンリングの半径方向の収縮は致命的な問題である。

切れ目の入ったピストンリングの場合は、収縮は、ベリ
リウム−銅のばねによる予圧により補償することができ
る。しかしながら切れ目からの漏れや製造コストが問題
となる。

切れ目の入っていないピストンリングの場合は、冷却に
より拡大されるピストンとシリンダーとの間の間隙（ギ
ャップ）は、次にあげるいくつかの処置を組み合わせる
ことによって小さくすることができる。

１、　ピストンリングの厚さを、技術的に可能な限り薄
くシて全体の収縮量を小さくする。

２、　　ＦｅＮｉ３６のピストン上にピストンリングを
焼きばめすることにより、ピストンリングの内径を、冷
却時に実質上一定とし横方向の収縮だけを問題とする。

３、低温で強度の大きいオーステナイト鋼をシリンダー
の材料として使用することにより、ギャップをＰＴＦＨ
の横方向の収縮と耐冷性のオーステナイト鋼のシリンダ
ーの収縮との差まで減少させる。

しかし、高圧ポンプ（圧力上昇１０バール以上）の場合
は、これらの処置によっても充分なシールはできない。

〔発明の目的〕

本発明の目的とするところは、前記従来技術と異り、熱
膨張率が異なる材料でピストンリングとシリンダーを楕
成し、実質上温度に無関係にピストンリングとシリンダ
ー間のシールを達成することである。

以下余白〔発明の構成〕この目的は、本発明に従い、冒頭で述べたようなピスト
ンポンプを使用すれば解決される。即ち、ピストンは熱
膨張率の小さいスリーブで囲まれた比較的熱膨張率の大
きいコアを有し、コアの両端部は、スリーブから突出し
、この部分は先端に向けて円錐状に広がっている拡張部
を有し、この拡張部でピストンリングは、コアを包囲し
、スリーブの両面に対向して支持されている。

〔作用及び効果〕

この構造により、ピストンのコアは、冷却の際これを包
囲しているスリーブよりも軸方向に、大きく収縮するの
で、ピストンリングはこの時、円錐状の拡張部分で軸方
向に拡張部側へ移動する。このことは、ピストンリング
が拡張することを意味する。この場合、ピストンリング
の寸法は、コアの拡張部によるピストンリングの拡張が
ピストンリングの収縮を補償してピストンリングの収縮
量がボンアシリング−の収ａｊｌと同じになるように定
められる６好ましい実施例においては、ピストンリングは、直接コ
アの円錐拡張部に当接し、冷却の際コア上で軸方向に移
動する。

コアはスリーブ内で結合された２つの部材で構成しても
よい。これによってピストンの組み立てが容易になる。

別の好ましい実施例においては、コアの拡張部分は半径
方向に何本も切り込みを入れて細分された軸受はリング
によって囲まれる。これにより軸受はリングは、円錐拡
張部上を軸方向に移動する際半径方向に拡張できる。軸
受はリングはスリーブの端面に対向して支持され、ピス
トンリングは軸受はリングを囲みその上に保持される。

この実施例の場合は、冷却の際まず初めに軸受はリング
が拡張し、それからこの軸受はリングを包囲するピスト
ンリングにこの拡張が伝達される。

この場合、軸受はリングと主軸の拡張部分のそれぞれの
円錐形状が同一であることが望ましい。

コアの拡張部分はコアの少なくとも一端でコア上に着脱
可能に装着されることが望ましい、これによってピスト
ンの組み立ては簡単なものとなる。

拡張部に半径方向に突出したフランジを設はピストンリ
ングの軸方向のストッパとして作用させてもよい。

〔実施例〕以下、図面を参照して本発明の実施例について詳細に説
明する。

図面は、例えば液体窒素、液体水素などのような極低温
流体用のピストンポンプのピストンのみを示す、ピスト
ンを包囲しているポンプシリンダーや、ピストンの吸込
弁、吐出弁などについては従来のものと同様である。

第１図及び第２図に示した実施例のピストン１は、基本
的に円筒軸３と、一方の端４に向って円錐状に広がって
いる拡張部５から成り立っている縦長で軸方向に対称な
コアを具備している。拡張部５は、半径方向に張り出し
たフランジ６により境界部が形成される。コア２の端面
には、六角スパナを挿入するための開ロアが形成される
。

この軸の反対側の端部８には外ねじりが形成されこれが
振動する駆動軸１１と連結した継手１０に螺着している
。軸３は、継手１０の半径方向に螺入する止めネジ１２
によって、継手１０内に固定される。

コア２の自由端部８から順番にこのコア上に第１軸受は
リング１３、間隔管１４、第２軸受はリング１５及び拡
張部材１６が装着される。これらの部材は、外ねじ９上
に螺合するナツト１７によってコア上に固定される。

軸受はリング１３　、１５の各々は、円錐状に広がった
内面１８を有する。この円錐状の内面は実質上に拡張部
５、及び拡張部材１６の円錐面と一致している。つまり
内面１８は、拡張部５及び拡張部材１６と密接している
。両軸受はリングには半径方向に１２０°ごとに３゛箇
所切り込み１９が入っている（第２図）、これにより軸
受はリング１３　、１５は、コレットチャックと同様に
半径方向に拡張収縮できる。軸受はリング１３　、１５
の外周面２２　、２３は、各々円筒側面形状である。こ
の外周面の２つの軸受はリングが互いに向かい合う側の
端部にはそれぞれ半径方向外側に突出するリング肩２０
　、２１が備わる。この場合、外周面２２の外径は、コ
ア２のフランジ６の外径よりも小さい。

拡張部材１６は、円錐状に広がる当接斜面２４を有する
リング形状でありこの斜面の端部には、半径方向外側に
突出するフランジ２５が設けられる。

フランジ２５の外径は、軸受はリング１５の外周面２３
の外径より大きい。

２つの軸受はリンク１３　、１５は、間隔管１４の中に
一部はまり込んでおり、両軸受はリングのリング肩２０
及び２１は、間隔管１４の端面２６及び２７に当接して
支持される。

軸受はリング１３の外周面２２上及び軸受はリング１５
の外周面２３上には、それぞれピストンリング２８及び
２つが装着される。これらのピストンリングはそれぞれ
フランジ６及びフランジ２５分包囲している。これらの
ピストンリングの内面にはフランジと接する部分に凹所
が形成されている。従って、ピストンリングは軸方向に
、一方でフランジ６及び２５の間に固定され他方でリン
グ肩２０及び２１との間に固定される。

両ピストンリング２８　、２９の外側の面３０　、３１
は、円筒側面形状であり、この面は、−点鎖線で示した
ポンプシリンダー３２の内壁に密接している。

間隔管は、熱膨張率が一番小さい材料で楕成し、ピスト
ンリングは熱膨張率の一番大きい材料で構成し、そして
コアは前者と後者の中間の熱膨張率の材料で構成する。

ピストンリングの材料は、例えばＰＴＦＥ、ＰＴＦＥ−
カーボン、ＰＴＦＥ−グラファイト、ＰＴＦＥ−ブロン
ズ、或は真鍮である。間隔管の材料は、ＦｅＮｉ３６−
鋼（Ｉｎ３６）であり、コアの材料は、低温に強いオー
ステナイト鋼、アルミニウム、チタン、又はブロンズで
ある。

このように個々の材料の熱膨張率及び、構造を組合せる
ことにより、コア２は、冷却の際、軸方向に間隔管１４
よりも大きく収縮する。このため、コアの拡張部５と拡
張部材１６は、冷却時に軸受はリング１３　、１５に引
張られて圧入し、これにより軸受はリングは拡張する。

この事は同時に軸受はリングの外側に収り１寸けられて
いるピストンリング２８　、２９を拡張させる。

コア、間隔管、ピストンリングの熱膨張率を適切に選定
して組合せ、ピストンを構成する個々の部材の寸法、特
に２つの拡張部における円錐形状を適切に構成すること
により、ピストンリング２８゜２９の外周面３０　、３
１の外径と一定に保つことができ、さらに広い温度範囲
にわたってポンプシリンダー３２の熱膨張に対応した外
径となるようにすることができる。これにより、広い温
度領域にわたってポンプシリンダー３２とピストン１と
の間のシールが完全に保たれる。

第１図及び第２図のピストンの組み立ては、簡単な方法
で行なうことがてきる。まずコア２上に、ビス１〜ンリ
ング２８が外側に収り叶けられた軸受はリング１３、間
隔管１４、ビス１−シリンダ２９が外側に収り１寸けら
れた軸受はリング１５、及び拡張部材１６を順番に装着
し、次にナツト１７てこれらの部材をコア２上に固定さ
せる。この方法で組み立てられたピストンは次に継手１
０に螺着される。

第３図、第４図の実施例において、対応した部品は、同
じ符号で記されている。ここでは、ポンプシリンダーは
描かれていない。

この実施例のコア２は間隔管の内部に装着した２つの部
品４０　、４１からなり、これらの部品は雌ねじ孔４２
と雄ねじ４３を具備し、これにより両部品は、相互にね
じ締め固定される。

両部品４０　、４１は、間隔管１４から外に突き出した
端部４に円錐状に広がった拡張部４４　、４５を有する
。

拡張部４４は、第１図及び第２図の実施例における拡張
部５に対応する。

この実施例では、２つのピストンリング２８　、２９は
直接拡張部４４　、４５上に装着されている。従って軸
受はリング１３　、１５は、省略されている。両ピスト
ンリング２８　、２９は、その対向する側面４６　、４
７が間隔管１４の端面２６　、２７に当接して支持され
る。

材料選択に関しては第１図及び第２図の実施例の場合と
同様に、ピストンリングは最も大きい熱膨張車の材料で
構成し、間隔管は最も小さい熱膨張率の材料で構成し、
コアはこの両者の中間の熱膨張率の材料で構成する。

冷却の際コア２は、軸方向に間隔管１４よりも大きく収
縮して短くなるので、ピストンリング２８゜２９は、コ
ア２の両端に押され、これにより拡張される。ここでも
、部品の適切な寸法と熱膨張率の適切な組み合わせによ
り、ピストンリングの外側の円周面３０　、３１をポン
プシリンダーの内壁面に密接させて完全なシールを達成
することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例のピストンの縦断面図、
第２図は第１図の２−２の線を切断した断面図、第３図
は本発明の別の実施例の通常周囲温度におけるピストン
の縦断面図、第４図は第３図の実施例の低温時における
ピストンの縦断面図である。（符号の説明）１・・・ピストン、　　　２・・・コア、３・・・軸、
　　　　　４・・・端部、５・・・拡張部、　　　６・
・・フランジ、７・・・開口、　　　　８・・・端部、
９・・・外ねじ、　　　　１０・・・継手、１１・・・
ピストン駆動軸、１２・・・止めネジ、　１３・・・軸受はリング、１４
・・・間隔管、　　１５・・・軸受はリング、１６・・
・拡張部材、　１７・・・ナツト、１つ・・・切り込み
、　２０・・・リング肩、２１・・・リング肩、　２５
・・・フランジ、２８・・・ピストンリング、２９・・・ピストンリング、３２・・・ポンプシリンダー。以下余白

Claims

【特許請求の範囲】１、熱膨張率の小さい材料からなるポンプシリンダーと
；該ポンプシリンダー内を移動するピストンと；該ピスト
ンの外周面上に保持された前記ポンプシリンダーの材料
より大きい熱膨張率の自己潤滑性材料からなるピストン
リングとからなり：前記ピストン（１）は比較的大きな
熱膨張率の材料からなるコア（２）を具備し、該コアは
熱膨張率の小さい材料からなる間隔管（１４）で囲まれ
；前記コア（２）は、前記間隔管（１４）の両側から突
出しかつ自由端部に向けて円錐状に広がる拡張部（５、
１６；４４、４５）を有し；前記ピストンリング（２８、２９）は前記コア（２）の
拡張部（５、１６；４４、４５）を囲みかつ前記間隔管
（１４）の端面（２６、２７）に当接して支持されたこ
とを特徴とする極低温流体用ピストンポンプ。２、前記ピストンリング（２８、２９）は、前記コア（
２）の円錐拡張部（４４、４５）に直接当接しているこ
とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のピストンポ
ンプ。３、前記コア（２）は、前記間隔管（１４）の内部で相
互に連結された２つの部品（４０、４１）からなること
を特徴とする特許請求の範囲第２項記載のピストンポン
プ。４、前記コア（２）の円錐拡張部（５、１６）は、軸受
けリング（１３、１５）によって囲まれ、この軸受けリ
ングは、半径方向に複数の切り込み（１９）が形成され
て前記拡張部（５、１６）上を軸方向に移動する際半径
方向に拡張可能に構成され、前記軸受けリング（１３、
１５）は、前記間隔管（１４）の端面（２６、２７）に
当接して支持され、前記ピストンリング（２８、２９）
は、該軸受けリング（１３、１５）を囲み、軸受けリン
グ上に固定されていることを特徴とする特許請求の範囲
第１項記載のピストンポンプ。５、前記軸受けリング（１３、１５）の円錐状の面（１
８）はコア（２）の拡張部（５、１６）の円錐状の面（
２４）に当接し、両方の円錐状の面の形状は実質上同一
であることを特徴とする特許請求の範囲第４項記載のピ
ストンポンプ。６、前記コア（２）の拡張部材（１６）は、少なくとも
コア（２）の一端部（８）上に取外し可能に装着された
ことを特徴とする特許請求の範囲第４項又は第５項記載
のピストンポンプ。７、前記拡張部（５、１６）は、前記ピストンリング（
２８、２９）の軸方向ストッパ用の半径方向に突出した
フランジ（６、２５）を有することを特徴とする特許請
求の範囲第４項から第６項までのいずれか１項記載のピ
ストンポンプ。