JP2000205679A

JP2000205679A - 極低温冷凍機のシ―ル材

Info

Publication number: JP2000205679A
Application number: JP11010362A
Authority: JP
Inventors: Hirotoshi Torii; 宏年鳥居; Okihisa Sadayama; 起尚完山
Original assignee: Daikin Industries Ltd
Current assignee: Daikin Industries Ltd
Priority date: 1999-01-19
Filing date: 1999-01-19
Publication date: 2000-07-28

Abstract

(57)【要約】【課題】耐クリープ性がよく寿命の長い極低温冷凍機
のシール材を提供する。【解決手段】シールリング１６のシール部材１９を変
性ＰＴＦＥで形成する。変性ＰＴＦＥは、ＰＰＶＥで変
性されたＰＴＦＥ(変性量：０.０１wt％〜１wt％)のこ
とであり、未変性ＰＴＦＥに比べて変性部で分子が曲が
りやすくて分子の絡み合いが多く、滑りが起こりにく
い。こうして、変性ＰＴＦＥで形成されたシール部材を
用いた極低温冷凍機のシール材は、低摩擦性に加えて耐
クリープ性に優れ、その寿命は長い。さらに、５wt％〜
６０wt％のブロンズまたは５wt％〜３０wt％のＰＯＢを
充填することによって耐クリープ性が更に向上し、機械
的特性が改善される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、極低温冷凍機の
シリンダとディスプレーサとの間のシール等に用いられ
る極低温冷凍機のシール材に関する。

【０００２】

【従来の技術】極低温冷凍機としてギフォードマクマホ
ン冷凍機やスターリング冷凍機等がある。以下、上記ギ
フォードマクマホン冷凍機について、図３に示すような
２段ギフォードマクマホン冷凍機を例に簡単に説明す
る。この極低温冷凍機では、圧縮機１からの高圧ヘリウ
ムガスを第１膨張シリンダ２および第２膨張シリンダ３
内に導入排出するためのバルブディスク４を有してい
る。そして、吸気時には、バルブディスク４を図３(a)
に示すように位置させて、ヘリウムガスの吸入口５と第
１膨張シリンダ２とを連通させる。そうすると、第１膨
張シリンダ２に供給されたヘリウムガスは第１ディスプ
レーサ６内の蓄冷材７によって冷却されながら第２膨張
シリンダ３に供給され、第２ディスプレーサ８内の蓄冷
材９によって冷却されながら先端部の膨張室１０に至
る。その場合に、中間圧力に保持されている中間圧室１
１側の圧力と高圧の膨張室１０側の圧力との圧力差によ
って、両ディスプレーサ６,８がバルブディスク４側に
移動し、膨張室１０の体積が増加する。

【０００３】一方、排気時においては、上記バルブディ
スク４を図３(b)に示すように位置させて、ヘリウムガ
スの排気口１２と第１膨張シリンダ２とを連通させる。
そうすると、膨張室１０内が一気に減圧され、発生した
冷熱で冷却されたヘリウムガスが両蓄冷材９,７を冷却
しながら排気口１２より排気される。その場合、中間圧
力に保持されている中間圧室１１の圧力と低圧の膨張室
１０の圧力との圧力差によって、両ディスプレーサ６,
８が膨張室１０側に移動し、膨張室１０の体積が減少す
る。

【０００４】こうして、上記バルブモータ１３によって
バルブディスク４を回転駆動することによって第１ヒー
トステーション１４および第２ヒートステーション１５
が極低温に冷却される。また、得られた冷熱が蓄冷材
７,９に蓄えられて、吸入口５から吸気されたヘリウム
ガスを冷却する。

【０００５】ところで、上記第１膨張シリンダ２内にお
ける第２ディスプレーサ８側とバルブディスク４側とに
は、上記冷凍サイクルにおいて圧力差が発生する。同様
に、第２膨張シリンダ３内における末端側と第１ディス
プレーサ６側とには、上記冷凍サイクルを行う際に圧力
差が発生する。そこで、第１ディスプレーサ６の上部外
周面に環状のシールリング１６を取り付けて、第１膨張
シリンダ２の内周面と第１ディスプレーサ６の外周面と
の間をシールしている。同様に、第２ディスプレーサ８
の上部外周面に環状のシールリング１７を取り付けて、
第２膨張シリンダ３の内周面と第２ディスプレーサ８の
外周面との間をシールしている。

【０００６】図４は、上記シールリング１６の詳細な断
面図である。シールリング１６は、上方に開口した環状
溝１８を有するシール部材１９と、シール部材１９の環
状溝１８内に装着される環状のスプリング２０から構成
される。そして、スプリング２０によってシール部材１
９の外周壁１９aを外側に付勢することによって、外周
壁１９aのリップ部を第１膨張シリンダ２の内周面２aに
密着させて、第１膨張シリンダ２と第１ディスプレーサ
６との間をシールするのである。また、シールリング１
７も同様の構成を有している。

【０００７】尚、上記極低温冷凍機に使用されるシール
材としては、上述のシールリング１６,１７のような接
触シールの他にクリアランスシール等がある。そして、
上記シールリング１６,１７のシール部材１９や上記ク
リアランスシールのシール部材としては、低摩擦の理由
から、四フッ化エチレン(−ＣＦ₂−ＣＦ₂−)_n(以下、Ｐ
ＴＦＥと略称する)が使用されている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の極低温冷凍機用のシール部材はＰＴＦＥで形成され
ているため、低摩擦ではあるがシール部材自身が柔らか
く、弾性変形やクリープ変形が起こりやすい。また、耐
磨耗性(削れやすさ)や圧縮強度が劣る。そのために、上
記シール部材がＰＴＦＥで形成されている極低温冷凍機
のシール材は、例えば図４におけるシール部材１９への
スプリング２０の食い込みやシール部材１９の外周壁１
９aにおける上記リップ部の磨耗によってその寿命が短
いという問題がある。

【０００９】そこで、この発明の目的は、耐クリープ性
がよく寿命の長い極低温冷凍機のシール材を提供するこ
とにある。

【００１０】

【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に係る発明は、極低温冷凍機における相対
的に移動する二つの部材間をシールする極低温冷凍機の
シール材であって、上記シール材は、パーフルオロアル
キルポリビニルエーテル(ＣＦ₂＝ＣＦＯＸ：Ｘは、１〜
１０個の炭素(Ｃ)を有するパーフルオロアルキル基)(以
下、ＰＰＶＥと略称する)で変性されたＰＴＦＥを用い
て形成されたことを特徴としている。

【００１１】上記構成によれば、極低温冷凍機における
相対的に移動する二部材間をシールするシール材が、摩
擦性の良いＰＰＶＥで変性されたＰＴＦＥを用いて形成
されているために、上記シール材は、低摩擦性を保持し
つつ耐クリープ性が改善される。こうして、上記シール
材のシール性の向上と長寿命化が図られる。

【００１２】また、請求項２に係る発明は、請求項１に
係る発明の極低温冷凍機のシール材において、上記二つ
の部材の一方はディスプレーサであり、他方は膨張シリ
ンダであることを特徴としている。

【００１３】上記構成によれば、極低温冷凍機の膨張シ
リンダとディスプレーサとの間をシールするシール材の
耐クリープ性が改善されて、長寿命化が図られる。

【００１４】また、請求項３に係る発明は、請求項１に
係る発明の極低温冷凍機のシール材において、上記変性
体には、耐磨耗性を向上させる充填材が充填されている
ことを特徴としている。

【００１５】上記構成によれば、上記シール材の耐磨耗
性が改善されて、更なる長寿命化が図られる。

【００１６】また、請求項４に係る発明は、請求項３に
係る発明の極低温冷凍機のシール材において、上記充填
材はブロンズであることを特徴としている。

【００１７】上記構成によれば、上記シール材の低摩擦
性および耐クリープ性を保持しつつ耐磨耗性が改善され
て、更なる長寿命化が図られる。

【００１８】また、請求項５に係る発明は、請求項４に
係る発明の極低温冷凍機のシール材において、上記ブロ
ンズは、５wt％以上且つ６０wt％以下の充填率で充填さ
れていることを特徴としている。

【００１９】上記構成によれば、上記ブロンズが、上記
シール材の耐クリープ性が低下しない５wt％以上であ
り、成形性が低下しない６０wt％以下の充填率で充填さ
れている。したがって、上記シール材は、低摩擦性,耐
クリープ性および耐磨耗性を有すると共に、適正な加工
性を併せ持っている。

【００２０】また、請求項６に係る発明は、請求項３に
係る発明の極低温冷凍機のシール材において、上記充填
材は、ポリオキシベンゾイル(ＰＯＢ)であることを特徴
としている。

【００２１】上記構成によれば、上記シール材の低摩擦
性および耐クリープ性を保持しつつ耐磨耗性が改善され
て、更なる長寿命化が図られる。

【００２２】また、請求項７に係る発明は、請求項６に
係る発明の極低温冷凍機のシール材において、上記ＰＯ
Ｂは、５wt％以上且つ３０wt％以下の充填率で充填され
ていることを特徴としている。

【００２３】上記構成によれば、上記ＰＯＢが、上記シ
ール材の耐クリープ性が低下しない５wt％以上であっ
て、成形性が低下しない３０wt％以下の充填率で充填さ
れている。したがって、上記シール材は、低摩擦性,耐
クリープ性および耐磨耗性を有すると共に、適正な加工
性を併せ持っている。

【００２４】

【発明の実施の形態】以下、この発明を図示の実施の形
態により詳細に説明する。尚、本実施の形態における極
低温冷凍機のシール材は、図３に示すようなギフォード
マクマホン冷凍機におけるディスプレーサの外周面と膨
張シリンダの内周面との間をシールする図４に示すよう
なシールリングを対象としているが、特にそれに限定す
るものではない。

【００２５】第１実施の形態における極低温冷凍機のシ
ール材は、上記ディスプレーサの外周面あるいは上記膨
張シリンダの内周面に直接接触してシールに拘わるシー
ル部材を変性ＰＴＦＥで構成することによって、ＰＴＦ
Ｅで形成されたシール部材の耐クリープ性の低さを改良
したものである。尚、ここで言う変性ＰＴＦＥとは、Ｐ
ＰＶＥで変性されたＰＴＦＥのことであり、変性量は
０.０１wt％〜１wt％である。

【００２６】クリープ現象は、基本的には、その多くは
結晶内分子の滑りで起こるとされている。変性ＰＴＦＥ
においては、未変性ＰＴＦＥに比べて変性部で分子が曲
がりやすく、その分だけ分子の絡み合いが多く、滑りが
起こりにくいと考えられる。尚、一般的に、低温時に
は、分子の振動が不活発になるため分子間距離が小さく
なって分子間力が強くなる。そのために滑り難くなり、
クリープ量が更に小さくなる。すなわち、本実施の形態
における上記変性ＰＴＦＥで形成されたシール部材を用
いた極低温冷凍機のシール材は、低摩擦性に加えて低温
時における耐クリープ性に優れ、その寿命が長いのであ
る。

【００２７】尚、極低温冷凍機のシール材として、上記
変性ＰＴＦＥで形成されたシール部材を用いて図４に示
すようなシールリングを形成して、上記未変性ＰＴＦＥ
で形成されたシールリングと比較した場合に、上記シー
ル部材に対するスプリングの食い込み量(クリープ量)を
上記未変性ＰＴＦＥの場合に比して１/２〜１/３にする
ことができた。

【００２８】ところで、上述のような変性ＰＴＦＥにお
いては、耐クリープ性は改善されるものの、圧縮強度や
耐磨耗性(削れ難さ)は未だ劣っている。そこで、第２実
施の形態においては、以下のような充填材を用途に応じ
て選択し、適正量充填することによって、耐クリープ性
を更に向上しつつ、上述の機械的特性の改善を図るので
ある。

【００２９】上記変性ＰＴＦＥの機械的特性を向上でき
る充填材としては、硝子繊維、カーボン繊維、ブロンズ
粉、グラファイト、ＭoＳ₂粉、コークス粉、ＰＯＢ(ポ
リオキシベンゾイル)、その他無機系粉末、および、ウ
イスカー等がある。

【００３０】図１は、上記充填材としてブロンズ粉を用
いた場合のブロンズ含有率(充填率)とクリープ量との関
係を示す。図１において、ブロンズの含有率が５wt％よ
り低い場合にはクリープ量が大きい。したがって、クリ
ープ変形が起こりやすく、弾性変形しやすく、削れやす
い。一方、ブロンズ含有率が６０wt％より高い場合に
は、クリープ量は小さいのであるが、機械的強度が強く
なり過ぎて上記シール部材の成形が不可能になる。ま
た、ブロンズ含有率が５wt％以上であり且つ６０wt％以
下の場合には、耐クリープ性がよく、機械的強度も上記
シール部材の成形が可能な程度に適度に高く、上記シー
ル材として適度な摩擦性,耐磨耗性,耐クリープ性および
機械的強度を得ることができる。

【００３１】また、図２は、上記充填材として上記ＰＯ
Ｂを用いた場合のＰＯＢ含有率(充填率)とクリープ量と
の関係を示す。図２において、ＰＯＢ含有率が５wt％よ
り低い場合にはクリープ量が大きい。したがって、クリ
ープ変形が起こりやすく、弾性変形しやすく、削れやす
い。一方、ＰＯＢ含有率が３０wt％より高い場合には、
クリープ量は小さいのであるが、機械的強度が強くなり
過ぎて上記シール部材の成形が不可能になる。したがっ
て、最適ＰＯＢ含有率は、５wt％以上であり且つ３０wt
％以下である。

【００３２】以上のように、第２実施の形態によれば、
上記変性ＰＴＦＥに、５wt％以上であり且つ６０wt％以
下のブロンズ、或は、５wt％以上であり且つ３０wt％以
下のＰＯＢを充填することによって、摩擦性,耐クリー
プ性に優れ、且つ、耐磨耗性,圧縮強度等の機械的特性
の良いシール部材を得ることができる。すなわち、本実
施の形態によれば、寿命の長い加工性に富むシール材を
提供できるのである。

【００３３】尚、上記各実施の形態においては、ディス
プレーサの外周面と膨張シリンダの内周面との間にシー
ルリングを配する場合を例に説明しているが、この発明
はこれに限定されるものではない。例えば、上記ディス
プレーサの外周面あるいは膨張シリンダの内周面の何れ
か一方に、上記変性ＰＴＦＥや上記変性ＰＴＦＥに充填
材を入れた物をコーティングしても差し支えない。ま
た、上記ディスプレーサと膨張シリンダとの間以外の相
対的に移動する二つの部材間に適用しても差し支えな
い。また、クリアランスシール等に適用してもよい。

【００３４】

【発明の効果】以上より明らかなように、請求項１に係
る発明の極低温冷凍機のシール材は、ＰＰＶＥで変性さ
れたＰＴＦＥ(変性ＰＴＦＥ)を用いて形成されているの
で、ＰＴＦＥの低摩擦性を活かしつつ耐クリープ性を改
善できる。したがって図４に示すような構造のシール材
を形成した場合にスプリングによる食い込みが防止され
て、上記シール材の長寿命化を図ることができる。

【００３５】また、請求項２に係る発明の極低温冷凍機
のシール材は、極低温冷凍機における膨張シリンダとデ
ィスプレーサとの間をシールするシール材であるので、
ディスプレーサの外周に設けられるシールリングの耐ク
リープ性を改善し、長寿命化を図ることができる。

【００３６】また、請求項３に係る発明の極低温冷凍機
のシール材は、耐磨耗性を向上させる充填材が充填され
た上記変性ＰＴＦＥによって形成されているので、上記
シール材の耐磨耗性を改善することができる。したがっ
て、上記シール材の、更なる長寿命化を図ることができ
る。

【００３７】また、請求項４に係る発明の極低温冷凍機
のシール材は、上記充填材としてブロンズが充填された
上記変性ＰＴＦＥによって形成されているので、上記シ
ール材の低摩擦性および耐クリープ性を保持しつつ耐磨
耗性を改善でき、更なる長寿命化を図ることができる。

【００３８】また、請求項５に係る発明の極低温冷凍機
のシール材における上記ブロンズの充填率は５wt％以上
且つ６０wt％以下であるので、上記シール材には、低摩
擦性,耐クリープ性および耐磨耗性と適正な加工性とを
併せ持たせることができる。

【００３９】また、請求項６に係る発明の極低温冷凍機
のシール材は、上記充填材としてＰＯＢが充填された上
記変性ＰＴＦＥによって形成されているので、上記シー
ル材の低摩擦性および耐クリープ性を保持しつつ耐磨耗
性を改善でき、更なる長寿命化を図ることができる。

【００４０】また、請求項７に係る発明の極低温冷凍機
のシール材における上記ＰＯＢの充填率は５wt％以上且
つ３０wt％以下であるので、上記シール材には、低摩擦
性,耐クリープ性および耐磨耗性と適正な加工性とを併
せ持たせることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】ＰＴＦＥにブロンズ粉を充填する場合におけ
るブロンズ含有率とクリープ量との関係を示す図であ
る。

【図２】ＰＴＦＥにＰＯＢを充填する場合におけるブ
ロンズ含有率とクリープ量との関係を示す図である。

【図３】ギフォードマクマホン冷凍機の動作説明図で
ある。

【図４】図３におけるシールリングの詳細な断面図で
ある。

【符号の説明】

１６…シールリング、１９…シール部材。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】極低温冷凍機における相対的に移動する
二つの部材間をシールする極低温冷凍機のシール材であ
って、上記シール材は、パーフルオロアルキルポリビニルエー
テルで変性された四フッ化エチレンを用いて形成された
ことを特徴とする極低温冷凍機のシール材。
【請求項２】請求項１に記載の極低温冷凍機のシール
材において、上記二つの部材の一方はディスプレーサであり、他方は
膨張シリンダであることを特徴とする極低温冷凍機のシ
ール材。
【請求項３】請求項１に記載の極低温冷凍機のシール
材において、上記変性体には、耐磨耗性を向上させる充填材が充填さ
れていることを特徴とする極低温冷凍機のシール材。
【請求項４】請求項３に記載の極低温冷凍機のシール
材において、上記充填材は、ブロンズであることを特徴とする極低温
冷凍機のシール材。
【請求項５】請求項４に記載の極低温冷凍機のシール
材において、上記ブロンズは、５wt％以上且つ６０wt％以下の充填率
で充填されていることを特徴とする極低温冷凍機のシー
ル材。
【請求項６】請求項３に記載の極低温冷凍機のシール
材において、上記充填材は、ポリオキシベンゾイルであることを特徴
とする極低温冷凍機のシール材。
【請求項７】請求項６に記載の極低温冷凍機のシール
材において、上記ポリオキシベンゾイルは、５wt％以上且つ３０wt％
以下の充填率で充填されていることを特徴とする極低温
冷凍機のシール材。