JP2000199652A - 極低温冷凍機のディスプレ―サのためのシ―ル構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 極低温でディスプレーサを押圧して冷媒ガス
を確実に封止できるディスプレーサのためのシール構造
を提供する。 【解決手段】 極低温冷凍機のディスプレーサ２を嵌装
するシリンダ１に、シール用の取付部３として段部４と
固定具２５を設ける一方、この固定具２５に、極低温で
収縮して上記ディスプレーサ２の外周面および上記段部
４を押圧して封止するをシール１７を設け、さらにこの
シールの突起１７dをシリンダ１の軸方向に押圧して上
記段部４との間を封止するばね１９を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、極低温冷凍機のシ
リンダ内に嵌装されるディスプレーサのためのシール構
造に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、ディスプレーサは、内部に銅ス
クリーンや鉛球などの蓄冷材を収容した有底筒状体で、
極低温冷凍機のシリンダ内に摺動自在に嵌装される。そ
して、シリンダが吸気弁を経て圧縮機の吐出側に接続さ
れると、流入するヘリウムなどの高圧冷媒ガスが、ディ
スプレーサを往動させつつ、ディスプレーサの一端開口
から流入して内部の蓄冷材で冷却された後,他端開口か
ら流出して、シリンダ内面の膨張空間を満たす。次に、
シリンダが排気弁を経て圧縮機の吸込側に接続される
と、上記膨張空間を満たしていた冷媒ガスが、圧縮機の
吸引により一気に膨張して寒冷が生じ、寒冷となった冷
媒ガスが蓄冷材を冷却しつつ,吸気と逆の経路をたどっ
て回収され、これに伴ってディスプレーサを復動させ
る。このような吸気と排気のサイクルを繰り返すことに
よって、上記蓄冷材が冷熱を蓄えることによって所望の
極低温まで冷却される。

【０００３】ディスプレーサは、このようにシリンダ内
を往復摺動しつつ、冷媒ガスの膨張で生じた冷熱を内部
の蓄冷材に蓄えて極低温を得るものであるから、極低温
を効率良く得るには、摺動面,つまりディスプレーサの
外周とシリンダの内周の間を経て冷媒ガスが漏れないよ
うに両者間のシールを完全に行なう必要がある。通常、
シールは、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等からシ
ールリングとして形成され、ディスプレーサ外周の環状
溝に装着されるが、上記PTFEの線膨張率がシリンダの材
料である１８-８ステンレス鋼の線膨張率の５倍ほど大
きいため、使用環境である極低温では、シールリングが
ディスプレーサの中心軸に向かって大きく収縮して、シ
リンダ内面との間に隙間が生じたり,シリンダ内面への
押圧力が弱くなって、冷媒ガスが漏れるという問題があ
る。

【０００４】かかる問題を解消すべく、例えば図４に示
すようなシール構造が提案されている。このシール構造
は、ディスプレーサ２の外周に設けられた段部４１に、
Ｕ字状の溝４２aをもつシールリング４２を嵌装し、こ
の溝４２aに装着した環状のコイルばね４３によって、
シールリングの最外周４２bをシリンダ１の内周面１aに
向けて密着するように付勢して、ディスプレーサ２とシ
リンダ１の間を封止している。なお、コイルばね４３が
抜け落ちないように、シールリング４２の上端外周４２
cを内側へ湾曲させるとともに、その上方をディスプレ
ーサ２の環状溝４４に装着したリング４５で覆ってい
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、図４のシール
構造は、シールリング４２が内側へ最も収縮する極低温
時に、このシールリング４２をコイルばね４３の付勢で
拡径し、シリンダ１の内周面１aに押し付けて冷媒ガス
を封止するものであるため、シリンダ１の運転開始後の
温度が極低温に比して高ければ高いほど、シールリング
は、収縮がより少ないので、より大きい力でシリンダ内
周面１aに押し付けられることになり、高温なほどシー
ルリングの摩耗が大きいことも手伝って、短期間で摩滅
してシール効果が低下し、極低温冷凍機の効率が悪化す
るという問題がある。

【０００６】そこで、本発明の目的は、低温な程シリン
ダの内側へ相対移動するシールの線膨張特性を利用し
て、使用環境である極低温においてディスプレーサを強
く押圧して冷媒ガスを確実に封止できるディスプレーサ
のためのシール構造を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１の発明は、極低温冷凍機のシリンダ内に嵌
装されるディスプレーサのためのシール構造において、
上記シリンダに設けられたシール用の取付部と、この取
付部に取り付けられて、極低温で収縮して上記ディスプ
レーサの外周面を押圧して封止するシールとを備えたこ
とを特徴とする。

【０００８】請求項１のシール構造において、シリンダ
に設けられた取付部に取り付けられたシールは、線膨張
率がシリンダのそれに比して大きいから、冷却による収
縮量の差により極低温に近づくほど、シリンダの中心軸
に向かって内側へ相対移動,つまりディスプレーサの外
周面をより強く押圧することになる。つまり、極低温冷
凍機の動作温度である極低温で、シールは、ディスプレ
ーサの外周面を押圧し、冷媒ガスがこの押圧箇所から漏
れないように封止するので、極低温冷凍機の効率が向上
する。また、極低温に達するまでの高温運転中は、シー
ルが全くディスプレーサを押圧しないか、押圧しても押
圧力が小さいので、シールの摩耗が抑えられて、シール
の耐用寿命が延びるうえ、常温での組み立ての際の取付
部へのシールの装着も容易になる。

【０００９】請求項２のシール構造は、上記シールが、
極低温で収縮して、上記シリンダの上記取付部を押圧し
て封止することを特徴とする。請求項２のシール構造で
は、シールが、極低温で収縮してディスプレーサの外周
面のみならず、シリンダのシール用の取付部も押圧し
て、これらの押圧箇所から冷媒ガスが漏れないように封
止するので、極低温冷凍機の効率が一層向上する。ま
た、極低温に達するまでの高温運転中は、シールが全く
取付部を押圧しないか、押圧しても押圧力が小さいの
で、シールが冷却で自由収縮して、上述のシリンダ内側
への相対移動を大きくできるから、極低温時にディスプ
レーサの外周面をより強く押圧することができる。

【００１０】請求項３のシール構造は、上記シールをシ
リンダの取付部に向けて押圧するばねをさらに備えたこ
とを特徴とする。請求項３のシール構造では、シール
が、ばねによってシリンダの取付部に押し付けられて、
この押付箇所から冷媒ガスが漏れないように封止される
ので、極低温冷凍機の効率が一層向上する。

【００１１】請求項４のシール構造は、上記シールをシ
リンダの軸方向に押圧して、上記取付部とシールとの間
を封止するばねをさらに備えたことを特徴とする。請求
項４のシール構造では、ディスプレーサの摺動によって
力が加わる方向で,かつシールの冷却による収縮で押圧
作用が得られないシリンダの軸方向へも、シールをばね
によって押圧して取付部との間を封止し、この箇所から
冷媒ガスが漏れないようにしているので、冷媒ガスの漏
れを確実に抑えて、極低温冷凍機の効率を更に向上させ
ることができる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明を図示の実施の形態
により詳細に説明する。図１,図２は、請求項２に記載
の極低温冷凍機のディスプレーサのためのシール構造の
各例を示す縦断面図であり、図１(Ａ)〜(Ｃ)および図２
(Ａ)は、取付部に固定具をもつ実施の形態、図２(Ｂ),
(Ｃ)は、取付部に固定具をもたない実施の形態を夫々示
している。

【００１３】図１(Ａ)のシール構造は、ディスプレーサ
２を摺動自在に嵌装したシリンダ１の内周面１aに設け
られたシール用の取付部３と、この取付部３に取りつけ
られて、シリンダ１内に給排される冷媒ガスの温度であ
る極低温で収縮して、ディスプレーサ２の外周面および
上記取付部３を押圧して封止するシール１０とで構成さ
れる。上記取付部３は、シリンダの内周面１aに設けら
れた段部４と、内側上端から逆Ｌ字状の係合部５aが突
出する矩形断面をもつ環状の固定具５と、この固定具５
の底面に封止のため装着されたメタルのＯリング６と、
上記固定具５を段部４の隅に固定すべく周方向に所定間
隔で挿通された固定ねじ７とからなる。上記シール１０
は、上開きコ字状の断面を有し、ディスプレーサ２と固
定具５の間に常温において僅かなクリアランスで嵌り込
む内外径を有するリングとしてPTFE(ポリテトラフルオ
ロエチレン)から作られ、図示の如く中間の溝１０cに固
定具４の係合部５aが嵌め込まれた状態で取付部３に取
り付けられる。

【００１４】上記ディスプレーサのためのシール構造
は、次のように作用する。シール１０の材料であるPTFE
の線膨張率は、１８-８ステンレス鋼からなる取付部３
の線膨張率の略５倍なので、組み立て時の常温では、シ
ール１０は、図１(Ａ)に示すように、ディスプレーサ２
と固定具５の間に僅かなクリアランスで嵌り込んでいて
も、極低温冷凍機が動作し続けてシリンダ１の温度が極
低温に近づく程、温度降下によるシール１０と取付部３
の内方(シリンダ中心軸に向かう方向)への収縮量の差が
大きくなって、シール１０が図中の矢印の如く取付部に
対して内方へ相対移動する。そして、シリンダ１が所定
の極低温に達すると、シール１０の内側縁１０aがディ
スプレーサ２の外周面に,外側縁１０bが固定具５の係合
部５aの係合面に夫々密着してこれらの面を押圧し、デ
ィスプレーサ外側のシール１０で上下に隔てられたシリ
ンダ内空間に給排される冷媒ガスが、これらの面を経て
漏れないように封止する。

【００１５】このように、極低温冷凍機の動作温度であ
る極低温で、シール１０がディスプレーサ２の外周面と
固定具５の係合部５a,したがってシリンダ１の内周面１
aを押圧して冷媒ガスを封止するので、極低温冷凍機の
効率が向上する。また、極低温に達するまでの高温運転
中は、シール１０が全くディスプレーサ２および係合部
５aを押圧しないか、押圧しても押圧力が小さいので、
特に高温で激しいシール１０の摩耗が抑えられ、シール
の耐用寿命が延びるとともに、取付部３で拘束されるこ
となく冷却でシール１０が自由に収縮して、矢印で示す
内方へ大きく相対移動するので、極低温時の押圧力がそ
の分強くなる。また、常温でクリアランスがあるから、
組立て時の取付部３へのシール１０の装着が容易にな
る。

【００１６】図１(Ｂ)のシール構造は、シール１１の断
面形状が異なる点を除いて、図１(Ａ)で述べたシール構
造と同じであるので、同じ部材には同一番号を付して説
明を省略する。上記シール１１は、図１(Ａ)のシール１
０の内側縁１０aを下方へも延ばして内側縁１１aとした
もので、図１(Ａ)と異なり内,外側縁１１a,１１bが極低
温においてディスプレーサ２の外周面および係合部５a
を夫々押圧している状態を示している。従って、このシ
ール構造でも、図１(Ａ)で述べたと同様の作用効果が奏
されるとともに、シールの内側縁１１aが軸方向に長い
ので、ディスプレーサ２の外周面がより確実に封止され
るとともに、ディスプレーサ２の上下動に伴ってシール
１１が係合部５aから外れる虞が少なくなる。

【００１７】図１(Ｃ)のシール構造は、図１(Ａ)のシー
ル１０の断面形状をＺ字状に変更してシール１２とし、
このシール１２の外側縁１２bと嵌合する環状溝４aを段
部４に設けるとともに、固定具５の逆Ｌ字状の係合部５
aを小矩形の突部１５aに変更して固定具１５とした点を
除いて、図１(Ａ)で述べたシール構造と同じであり、同
じ部材には同一番号を付している。上記シール１２は、
極低温で矢印に示すように、内側縁１２aがディスプレ
ーサ２の外周面に、外側縁１２b内周面が環状溝４aの内
周壁に夫々密着してこれらの面を押圧することによって
冷媒ガスを封止する。従って、このシール構造でも、図
１(Ａ)で述べたと同様の作用効果が奏されるとともに、
シール１２の両側縁１２a,１２bが中間部１２cに関して
回転対称になっているので、ディスプレーサ２が上下動
し、かつこのシール１２で上下に仕切られる室に高圧冷
媒ガスが交互に導入されても、この高圧冷媒ガスを簡素
な形状でもって良好に封止できるという利点がある。

【００１８】図２(Ａ)のシール構造は、図１(Ｃ)のシー
ル１２の内側縁１２aを下方へ延ばして内側縁１３aをも
つシール１３とした点を除いて、図１(Ｃ)で述べたシー
ル構造と同じであり、同じ部材には同一番号を付してい
る。上記シール１３は、極低温で矢印に示すように、内
側縁１３aの下方延長部も、ディスプレーサ２の外周面
に密着してこれを押圧するので、図１(Ｃ)で述べた作用
効果に加えて、ディスプレーサ２の外周面がより確実に
封止され、ディスプレーサ２の上下動に伴ってシール１
３が環状溝４aから外れる虞が少なくなる。

【００１９】図２(Ｂ)のシール構造は、図１(Ｃ)の固定
具１５を省略し、これに代えて図１(Ｃ)の環状溝４aの
断面形状をＬ字状にして環状溝４bとする一方、図１
(Ｃ)のシール１２の外側縁下端を上記環状溝４bに係合
する屈曲部１４bに変更してシール１４とした点のみが
図１(Ｃ)のシール構造と異なる。上記シール１４は、極
低温で矢印に示すように、内側縁１４aがディスプレー
サ２の外周面に、外側縁１４b内周面が環状溝４bの内周
壁に夫々密着してこれらの面を押圧して冷媒ガスを封止
するので、図１(Ｃ)で述べたと同様の作用効果に加え
て、固定具の省略でシール構造を簡素かつ安価に作成で
きるという利点がある。

【００２０】図２(Ｃ)のシール構造は、図２(Ｂ)のシー
ル１４の内側縁１４aを下方へ延ばして内側縁１６aをも
つシール１６とした点のみが図２(Ｂ)のシール構造と異
なる。上記シール１４は、極低温で内側縁１６aの下方
延長部も、ディスプレーサ２の外周面に密着してこれを
押圧するので、図２(Ｂ)で述べた作用効果に加えて、デ
ィスプレーサ２の外周面がより確実に封止され、ディス
プレーサ２の上下動に伴ってシール１６が環状溝４bか
ら外れる虞が少なくなるという利点がある。以上の実施
の形態では、シール１０〜１４,１６が、極低温での収
縮に伴いディスプレーサ２の外周のみならず取付部３も
押圧して封止するシール構造について述べたが、本発明
のシールは、請求項１に記載のようにディスプレーサの
外周面のみを押圧して封止するものであってもよく、そ
の場合、シールの外周縁は取付部に接着等によって固定
される。この場合も、シール材料の線膨張率がシリンダ
材料のそれに比して大きいので、極低温では、収縮量の
差によりシールの内周縁がディスプレーサの外周面を押
圧して封止するので、シールの耐用寿命を延ばしつつ極
低温冷凍機の効率を向上できるのは言うまでもない。

【００２１】図３は、請求項４に記載の極低温冷凍機の
ディスプレーサのためのシール構造の各例を示す縦断面
図である。これらのシール構造の特徴は、シールをシリ
ンダ１の軸方向に押圧して、取付部３とシールの間を封
止するばね１９を更に備えた点である。即ち、図３(Ａ)
のシール構造は、図１(Ａ)で述べた固定具５の係合部５
aを内側へ大きく突出させ,底面のＯリング６を省略して
固定具２５とする一方、図１(Ａ)のシール１０の底部に
外側へ突出する突起１７dを設けてＦ字状の断面形状を
もつシール１７とするとともに、上記突起１７dと固定
具２５の間に挟まれるようにばね１９を収容して、この
ばね１９により突起１７dを、矢印の如く軸方向に取付
部３である段部４に向けて押圧するようになっている。

【００２２】図３(Ａ)のシール１７は、矢印に示すよう
に、内側縁１７aがディスプレーサ２の外周面に、外側
縁１７b内周面が係合部２５aの周壁に極低温で夫々密着
してこれらの面を押圧するとともに、突起１７dが段部
４にばね１９により常時密着してこれを押圧して冷媒ガ
スを封止する,つまりシール１７の冷却収縮で押圧作用
が得られない軸方向へもばね１９によって押圧されて冷
媒ガスを封止するので、冷媒ガスの漏れを確実に抑え
て、極低温冷凍機の効率を一層向上させることができ
る。

【００２３】図３(Ｂ)のシール構造は、図３(Ａ)のシー
ルの外側縁１７bを省略してＬ字状のシール１８とした
点のみが図３(Ａ)のシール構造と異なる。図３(Ｂ)のシ
ール１８は、極低温時に係合部２５aに密着してこれを
押圧する外側縁がないだけで、内側縁１８aが極低温で
ディスプレーサ２の外周面を,水平縁１８bが常時ばね１
９の付勢で段部４を夫々押圧して冷媒ガスの漏れを抑え
るから、簡素かつ安価なシール構造でもって極低温冷凍
機の効率を向上できるという利点がある。

【００２４】図３の実施の形態では、ばね１９は、シー
ル１７,１８をシリンダ１の軸方向に押圧して取付部３
との間を封止するシール構造について述べたが、本発明
のばねは、請求項３に記載のように押圧方向を限定せ
ず、例えば図３(Ａ)でシールの外側縁１７bを半径方向
内側へ係合部２５aに向けて押圧して封止するものであ
ってもよい。

【００２５】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように、請求項１
の極低温冷凍機のシリンダ内に嵌装されるディスプレー
サのためのシール構造は、上記シリンダに設けられたシ
ール用の取付部と、この取付部に取り付けられて、極低
温で収縮して上記ディスプレーサの外周面を押圧して封
止するシールとを備えているので、シールが極低温でデ
ィスプレーサの外周面を押圧して冷媒ガスを封止するか
ら、極低温冷凍機の効率が向上するうえ、極低温に達す
るまでは、シールがディスプレーサを全く押圧しない
か,押圧しても押圧力が小さいから、シールの摩耗が抑
えられてシールの耐用寿命が延びる。

【００２６】請求項２のシール構造は、上記シールが、
極低温で収縮して、上記シリンダの上記取付部を押圧し
て封止するので、シールによってディスプレーサの外周
面のみならずシール用の取付部も押圧され、これらの押
圧箇所が封止されるから、極低温冷凍機の効率が一層向
上する。

【００２７】請求項３のシール構造は、上記シールをシ
リンダの取付部に向けて押圧するばねをさらに備えてい
るので、シールが、ばねによってシリンダの取付部に押
し付けられて冷媒ガスを封止するから、極低温冷凍機の
効率が一層向上する。

【００２８】請求項４のシール構造は、上記シールをシ
リンダの軸方向に押圧して、上記取付部とシールとの間
を封止するばねをさらに備えているので、ディスプレー
サの摺動によって力が加わる方向で,かつシールの冷却
による収縮で押圧作用が得られないシリンダの軸方向へ
もばねによってシールが押圧されて冷媒ガスを確実に封
止するから、極低温冷凍機の効率を更に向上させること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の請求項２に記載の極低温冷凍機のデ
ィスプレーサのためのシール構造の各例を示す縦断面図
である。

【図２】 本発明の請求項２に記載の極低温冷凍機のデ
ィスプレーサのためのシール構造の各例を示す縦断面図
である。

【図３】 本発明の請求項４に記載の極低温冷凍機のデ
ィスプレーサのためのシール構造の各例を示す縦断面図
である。

【図４】 従来の極低温冷凍機のディスプレーサのため
のシール構造を示す縦断面図である

【符号の説明】

１…シリンダ、２…ディスプレーサ、３…取付部、４…
段部、４a,４b…環状溝、５,１５,２５…固定具、５a,
２５a…係合部、１５a…突部、６…Ｏリング、７…固定
ねじ、１０〜１４,１６〜１８…シール、１７d…突起、
１９…ばね。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 極低温冷凍機のシリンダ(１)内に嵌装さ
   れるディスプレーサ(２)のためのシール構造において、 上記シリンダ(１)に設けられたシール用の取付部(３)
   と、 この取付部(３)に取り付けられて、極低温で収縮して上
   記ディスプレーサ(２)の外周面を押圧して封止するシー
   ル(１０)とを備えたことを特徴とするシール構造。
2. 【請求項２】 請求項１に記載のシール構造において、
   上記シール(１０)は、極低温で収縮して、上記シリンダ
   (１)の上記取付部(２５a)を押圧して封止することを特
   徴とするシール構造。
3. 【請求項３】 請求項１または２に記載のシール構造に
   おいて、上記シール(１７)をシリンダ(１)の取付部(４)
   に向けて押圧するばね(１９)をさらに備えたことを特徴
   とするシール構造。
4. 【請求項４】 請求項１または２に記載のシール構造に
   おいて、上記シール(１８)をシリンダ(１)の軸方向に押
   圧して、上記取付部(４)とシール(１８)との間を封止す
   るばね(１９)をさらに備えたことを特徴とするシール構
   造。