JP2021127857A

JP2021127857A - 極低温冷凍機およびシール部品

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Publication number: JP2021127857A
Application number: JP2020022796A
Authority: JP
Inventors: 俊太郎足立; Shuntaro Adachi
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2020-02-13
Filing date: 2020-02-13
Publication date: 2021-09-02
Anticipated expiration: 2040-02-13
Also published as: TW202202789A; CN113251685B; JP7464398B2; KR20210103394A; US20210254718A1; TWI804802B; CN113251685A; US11754184B2

Abstract

【課題】長期信頼性に優れる極低温冷凍機用のシール部品およびこれを備える極低温冷凍機を提供する。
【解決手段】シール部品５６は、ディスプレーサ駆動機構をディスプレーサに連結する連結ロッド２６を軸方向に往復動可能に支持する。シール部品５６は、連結ロッド２６が挿通され、連結ロッド２６との間に非接触シール８３として働く径方向クリアランス８４を定めるブッシュ８０と、径方向クリアランス８４に対しディスプレーサ駆動機構側でブッシュ８０に保持され、径方向クリアランス８４を封止する第１接触シール８１と、径方向クリアランス８４に対しディスプレーサ側でブッシュ８０に保持され、径方向クリアランス８４を封止する第２接触シール８２と、を備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、極低温冷凍機およびシール部品に関する。

極低温冷凍機には、たとえばギフォード・マクマホン（Gifford-McMahon；ＧＭ）冷凍機のように、作動ガスの膨張空間の容積を周期的に変化させるために往復動するディスプレーサを有するものがある。膨張空間の周期的な容積変動と適切に同期して膨張空間の圧力を変動させることにより、極低温冷凍機に冷凍サイクルが構成される。

ディスプレーサの往復動を駆動する代表的な方式の１つとして、電気モータなどの駆動源をディスプレーサに連結ロッドを用いて機械的に連結するタイプがある。連結ロッドは、ディスプレーサと膨張空間を収容する気密容器の中から外へと、気密容器に設けられたロッド挿通孔を貫通して延びる。もし、気密容器から作動ガスのリークにより膨張空間の圧力が低下したとすると、極低温冷凍機の冷凍能力が低下する。そのため、気密容器のロッド挿通孔には、作動ガスのリークを防ぐためにシール部材が装着される。

特開２０１７−１４２０３６号公報

上述の極低温冷凍機では、ディスプレーサが往復動するとき連結ロッドはロッド挿通孔のシール部材に対して摺動する。極低温冷凍機が長期にわたり運転されるなかで、摺動の繰り返しにより徐々にシール部材の摩耗が進行し、最終的にはシール部材はシール性能を喪失しうる。運転条件によるが、たとえば数年間の継続的な運転によりシール部材は著しく劣化しうる。シール部材の劣化は極低温冷凍機の冷凍能力の低下をもたらすので、望まれない。

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、長期信頼性に優れる極低温冷凍機用のシール部品およびこれを備える極低温冷凍機を提供することにある。

本発明のある態様によると、極低温冷凍機は、ディスプレーサと、ディスプレーサ駆動機構と、ディスプレーサ駆動機構をディスプレーサに連結する連結ロッドと、連結ロッドを軸方向に往復動可能に支持するシール部品と、を備える。シール部品は、連結ロッドが挿通され、連結ロッドとの間に非接触シールとして働く径方向クリアランスを定めるブッシュと、径方向クリアランスに対しディスプレーサ駆動機構側でブッシュに保持され、径方向クリアランスを封止する第１接触シールと、径方向クリアランスに対しディスプレーサ側でブッシュに保持され、径方向クリアランスを封止する第２接触シールと、を備える。

本発明のある態様によると、シール部品は、ディスプレーサ駆動機構をディスプレーサに連結する連結ロッドを軸方向に往復動可能に支持する。シール部品は、連結ロッドが挿通され、連結ロッドとの間に非接触シールとして働く径方向クリアランスを定めるブッシュと、径方向クリアランスに対しディスプレーサ駆動機構側でブッシュに保持され、径方向クリアランスを封止する第１接触シールと、径方向クリアランスに対しディスプレーサ側でブッシュに保持され、径方向クリアランスを封止する第２接触シールと、を備える。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、長期信頼性に優れる極低温冷凍機用のシール部品およびこれを備える極低温冷凍機を提供することができる。

ある実施形態に係る極低温冷凍機を概略的に示す図である。図１に示される極低温冷凍機の膨張機の駆動機構を概略的に示す分解斜視図である。図１に示される極低温冷凍機に搭載されるシール部品を概略的に示す図である。シール部品の他の例を示す図である。

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。説明および図面において同一または同等の構成要素、部材、処理には同一の符号を付し、重複する説明は適宜省略する。図示される各部の縮尺や形状は、説明を容易にするために便宜的に設定されており、特に言及がない限り限定的に解釈されるものではない。実施の形態は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

図１は、ある実施形態に係る極低温冷凍機を概略的に示す図である。図２は、図１に示される極低温冷凍機の膨張機の駆動機構を概略的に示す分解斜視図である。

極低温冷凍機１０は、作動ガス（冷媒ガスともいう）を圧縮する圧縮機１２と、作動ガスを断熱膨張により冷却する膨張機１４とを備える。作動ガスは例えばヘリウムガスである。膨張機１４はコールドヘッドとも呼ばれる。膨張機１４には作動ガスを予冷する蓄冷器１６が備えられている。極低温冷凍機１０は、圧縮機１２と膨張機１４とを各々が接続する第１管１８ａと第２管１８ｂを含むガス配管１８を備える。図示される極低温冷凍機１０は、単段式のＧＭ冷凍機である。

知られているように、第１高圧を有する作動ガスが圧縮機１２の吐出口１２ａから第１管１８ａを通じて膨張機１４に供給される。膨張機１４における断熱膨張により、作動ガスは第１高圧からそれより低い第２高圧に減圧される。第２高圧を有する作動ガスは、膨張機１４から第２管１８ｂを通じて圧縮機１２の吸入口１２ｂに回収される。圧縮機１２は、回収された第２高圧を有する作動ガスを圧縮する。こうして作動ガスは再び第１高圧に昇圧される。一般に第１高圧及び第２高圧はともに大気圧よりかなり高い。説明の便宜上、第１高圧及び第２高圧はそれぞれ単に高圧及び低圧とも呼ばれる。通例、高圧は例えば２〜３ＭＰａであり、低圧は例えば０．５〜１．５ＭＰａである。高圧と低圧との差圧は例えば１．２〜２ＭＰａ程度である。

膨張機１４は、膨張機可動部分２０と膨張機静止部分２２とを備える。膨張機可動部分２０は、膨張機静止部分２２に対し軸方向（図１における上下方向）に往復移動可能であるよう構成されている。膨張機可動部分２０の移動方向を図１に矢印Ａで示す。膨張機静止部分２２は、膨張機可動部分２０を軸方向に往復移動可能に支持するよう構成されている。また、膨張機静止部分２２は、膨張機可動部分２０を高圧ガス（第１高圧ガス及び第２高圧ガスを含む）とともに収容する気密容器として構成されている。

膨張機可動部分２０は、ディスプレーサ２４と、その往復移動を駆動する連結ロッド２６とを含む。ディスプレーサ２４には蓄冷器１６が内蔵されている。ディスプレーサ２４の内部空間に蓄冷材が充填され、それによりディスプレーサ２４内に蓄冷器１６が形成される。ディスプレーサ２４は、例えば、軸方向に延在する実質的に円柱状の形状を有し、軸方向において実質的に一様な外径及び内径を有する。よって、蓄冷器１６も、軸方向に延在する実質的に円柱状の形状を有する。

膨張機静止部分２２は、大まかに、シリンダ２８及び駆動機構ハウジング３０からなる二部構成を有する。膨張機静止部分２２の軸方向上部が駆動機構ハウジング３０であり、膨張機静止部分２２の軸方向下部がシリンダ２８であり、これらは相互に堅く結合されている。シリンダ２８は、ディスプレーサ２４の往復移動を案内するよう構成されている。シリンダ２８は、駆動機構ハウジング３０から軸方向に延在する。シリンダ２８は、軸方向において実質的に一様な内径を有し、よって、シリンダ２８は、軸方向に延在する実質的に円筒の内面を有する。この内径は、ディスプレーサ２４の外径よりわずかに大きい。

また、膨張機静止部分２２は、冷凍機ステージ３２を含む。冷凍機ステージ３２は、軸方向において駆動機構ハウジング３０と反対側でシリンダ２８の末端に固定されている。冷凍機ステージ３２は、膨張機１４が生成する寒冷を他の物体に伝導するために設けられている。その物体は冷凍機ステージ３２に取り付けられ、極低温冷凍機１０の動作時に冷凍機ステージ３２によって冷却される。冷凍機ステージ３２は、冷却ステージまたは熱負荷ステージと呼ばれることもある。

シリンダ２８は、ディスプレーサ２４によって膨張空間３４と上部空間３６に仕切られている。ディスプレーサ２４は、軸方向一端にてシリンダ２８との間に膨張空間３４を画定し、軸方向他端にてシリンダ２８との間に上部空間３６を画定する。膨張空間３４は、ディスプレーサ２４の上死点にて最大容積を有し、ディスプレーサ２４の下死点にて最小容積を有する。上部空間３６は、ディスプレーサ２４の上死点にて最小容積を有し、ディスプレーサ２４の下死点にて最大容積を有する。冷凍機ステージ３２は、膨張空間３４を外包するようにシリンダ２８に固着されている。冷凍機ステージ３２は、膨張空間３４に熱的に結合されている。

極低温冷凍機１０の動作時において、蓄冷器１６は、軸方向において一方側（図において上側）に蓄冷器高温部１６ａを有し反対側（図において下側）に蓄冷器低温部１６ｂを有する。このように蓄冷器１６は軸方向に温度分布を有する。蓄冷器１６を包囲する膨張機１４の他の構成要素（例えばディスプレーサ２４及びシリンダ２８）も同様に軸方向温度分布を有し、従って膨張機１４はその動作時に軸方向一方側に高温部を有し軸方向他方側に低温部を有する。高温部は、例えば室温程度の温度を有する。低温部は、極低温冷凍機１０の用途により異なるが、例えば約１００Ｋから約１０Ｋの範囲に含まれるある温度に冷却される。

本書では説明の便宜上、軸方向、径方向、周方向との用語が使用される。軸方向は、矢印Ａで図示されるように、膨張機静止部分２２に対する膨張機可動部分２０の移動方向を表す。径方向は軸方向に垂直な方向（図において横方向）を表し、周方向は軸方向を囲む方向を表す。膨張機１４のある要素が軸方向に関して冷凍機ステージ３２に相対的に近いことを「下」、相対的に遠いことを「上」と呼ぶことがある。よって、膨張機１４の高温部及び低温部はそれぞれ軸方向において上部及び下部に位置する。こうした表現は、膨張機１４の要素間の相対的な位置関係の理解を助けるために用いられるにすぎず、現場で設置されるときの膨張機１４の配置とは関係しない。例えば、膨張機１４は、冷凍機ステージ３２を上向きに駆動機構ハウジング３０を下向きにして設置されてもよい。あるいは、膨張機１４は、軸方向を水平方向に一致させるようにして設置されてもよい。

膨張機１４は、膨張機静止部分２２に支持され、ディスプレーサ２４を駆動するディスプレーサ駆動機構３８を備える。ディスプレーサ駆動機構３８は、たとえば電気モータなどのモータ４０と、スコッチヨーク機構４２とを含む。連結ロッド２６はスコッチヨーク機構４２の一部を形成する。連結ロッド２６はスコッチヨーク機構４２によって軸方向に駆動されるようスコッチヨーク機構４２に連結されている。連結ロッド２６は、ディスプレーサ２４よりも小径であり、たとえば、連結ロッド２６の径は、ディスプレーサ２４の径の半分より小さい。

ディスプレーサ駆動機構３８は、駆動機構ハウジング３０の内部に画定される低圧ガス室３７に収容されている。第２管１８ｂが駆動機構ハウジング３０に接続されており、それにより低圧ガス室３７が第２管１８ｂを通じて圧縮機１２の吸入口１２ｂに連通している。そのため、低圧ガス室３７は常に低圧に維持される。

図２に示されるように、スコッチヨーク機構４２は、クランク４４と、スコッチヨーク４６と、を含む。クランク４４は、モータ４０の回転軸４０ａに固定される。クランク４４は、回転軸４０ａが固定される位置から偏心した位置にクランクピン４４ａを有する。したがって、クランク４４を回転軸４０ａに固定すると、クランクピン４４ａは、モータ４０の回転軸４０ａと平行に延在するとともに回転軸４０ａから偏心した状態となる。

スコッチヨーク４６は、ヨーク板４８と、ころ軸受５０と、を含む。ヨーク板４８は、板状の部材である。スコッチヨーク４６には、その上部中央に、上部ロッド５２が上方に延出するように連結され、その下部中央に、連結ロッド２６が下方に延出するように連結されている。ヨーク板４８の中央には、横長窓４８ａが形成されている。横長窓４８ａは、上部ロッド５２および連結ロッド２６が延出する方向（すなわち軸方向）に対して交差する方向、例えば直交する方向に延在する。ころ軸受５０は、転動可能に横長窓４８ａ内に配設される。ころ軸受５０の中心には、クランクピン４４ａと係合する係合孔５０ａが形成されており、クランクピン４４ａが係合孔５０ａを貫通する。

モータ４０が駆動し回転軸４０ａが回転すると、クランクピン４４ａと係合したころ軸受５０は、円を描くように回転する。ころ軸受５０が円を描くように回転することにより、スコッチヨーク４６は、軸方向に往復運動する。この際、ころ軸受５０は、軸方向に交差する方向に横長窓４８ａ内を往復移動する。

図１に示されるように、連結ロッド２６は、ディスプレーサ駆動機構３８をディスプレーサ２４に連結する。連結ロッド２６は、低圧ガス室３７から上部空間３６を貫通してディスプレーサ２４へと延びている。このため、スコッチヨーク４６が軸方向に移動することにより、ディスプレーサ２４はシリンダ２８内を軸方向に往復移動する。

図１に示されるように、摺動軸受５４およびシール部品５６は、膨張機静止部分２２の駆動機構ハウジング３０に設けられている。上部ロッド５２は、摺動軸受５４によって軸方向に移動可能に支持され、連結ロッド２６は、シール部品５６によって軸方向に移動可能に支持される。したがって、上部ロッド５２および連結ロッド２６、ひいてはヨーク板４８、ひいてはスコッチヨーク４６は、軸方向に移動可能な構成となっている。

詳細は後述するように、シール部品５６が設けられているので、駆動機構ハウジング３０は、シリンダ２８に対して気密に構成されており、そのため低圧ガス室３７は上部空間３６から隔離されている。低圧ガス室３７と上部空間３６との直接のガス流通はない。

膨張機１４は、ディスプレーサ２４の軸方向往復動と同期させて膨張空間３４の吸気と排気とを切り替えるロータリーバルブ５８を備える。ロータリーバルブ５８は、高圧ガスを膨張空間３４に供給するための供給路の一部として機能するとともに、低圧ガスを膨張空間３４から排出するための排出路の一部として機能する。ロータリーバルブ５８は、ディスプレーサ２４の往復移動と同期して作動ガスの供給機能と排出機能とを切り替え、それにより膨張空間３４の圧力を制御するよう構成されている。ロータリーバルブ５８は、ディスプレーサ駆動機構３８に連結され、駆動機構ハウジング３０に収容されている。

また、膨張機１４は、ハウジングガス流路６４、ディスプレーサ上蓋ガス流路６６、ディスプレーサ下蓋ガス流路６８を有する。高圧ガスは、第１管１８ａからロータリーバルブ５８、ハウジングガス流路６４、上部空間３６、ディスプレーサ上蓋ガス流路６６、蓄冷器１６、ディスプレーサ下蓋ガス流路６８を経て膨張空間３４に流入する。膨張空間３４からの戻りガスは、ディスプレーサ下蓋ガス流路６８、蓄冷器１６、ディスプレーサ上蓋ガス流路６６、上部空間３６、ハウジングガス流路６４、ロータリーバルブ５８を経て低圧ガス室３７に受け入れられる。

ハウジングガス流路６４は、膨張機静止部分２２と上部空間３６との間のガス流通のために駆動機構ハウジング３０に貫通形成されている。

上部空間３６は、蓄冷器高温部１６ａの側で膨張機静止部分２２とディスプレーサ２４との間に形成されている。より詳しくは、上部空間３６は、軸方向において駆動機構ハウジング３０とディスプレーサ２４とに挟まれ、周方向にシリンダ２８に囲まれている。上部空間３６は、低圧ガス室３７に隣接する。上部空間３６は室温室とも呼ばれる。上部空間３６は膨張機可動部分２０と膨張機静止部分２２との間に形成された可変容積である。

ディスプレーサ上蓋ガス流路６６は、蓄冷器高温部１６ａを上部空間３６に連通するよう形成されたディスプレーサ２４の少なくとも１つの開口である。ディスプレーサ下蓋ガス流路６８は、蓄冷器低温部１６ｂを膨張空間３４に連通するよう形成されたディスプレーサ２４の少なくとも１つの開口である。ディスプレーサ２４とシリンダ２８とのクリアランスを封じるシール部７０が、ディスプレーサ２４の側面に設けられている。シール部７０は、ディスプレーサ上蓋ガス流路６６を周方向に囲むようディスプレーサ２４に取り付けられていてもよい。

膨張空間３４は、蓄冷器低温部１６ｂの側でシリンダ２８とディスプレーサ２４との間に形成されている。膨張空間３４は上部空間３６と同様に膨張機可動部分２０と膨張機静止部分２２との間に形成された可変容積であり、シリンダ２８に対するディスプレーサ２４の相対移動によって膨張空間３４の容積は上部空間３６の容積と相補的に変動する。シール部７０が設けられているので、上部空間３６と膨張空間３４との直接のガス流通（つまり蓄冷器１６を迂回するガス流れ）はない。

ロータリーバルブ５８は、ロータバルブ部材６０及びステータバルブ部材６２を備える。ロータバルブ部材６０は、モータ４０の回転により回転するようモータ４０の回転軸４０ａに連結されている。ロータバルブ部材６０は、ステータバルブ部材６２に対し回転摺動するようステータバルブ部材６２と面接触している。ロータバルブ部材６０は、図１に示すロータバルブ軸受７５により駆動機構ハウジング３０内で回転可能に支持されている。ステータバルブ部材６２は、駆動機構ハウジング３０内にステータバルブ固定ピン７３で固定される。ステータバルブ部材６２は、第１管１８ａから駆動機構ハウジング３０に入る高圧ガスを受け入れるよう構成されている。

図３は、図１に示される極低温冷凍機に搭載されるシール部品５６を概略的に示す図である。シール部品５６は、連結ロッド２６を軸方向に往復動可能に支持する。連結ロッド２６は、駆動機構ハウジング３０の下端部に設けられたロッド挿通孔７７を貫通して、低圧ガス室３７から上部空間３６へと延在する。

シール部品５６は、ブッシュ８０、第１接触シール８１、第２接触シール８２を備える。第１接触シール８１および第２接触シール８２がブッシュ８０に装着され、シール部品５６は、単一部品として（いわゆるサブアッシーとして）構成される。

ブッシュ８０は、連結ロッド２６が挿通される筒状の部材である。連結ロッド２６が細長い円柱状の形状をもつので、これに対応してブッシュ８０も連結ロッド２６を囲む円筒状に成形されている。ブッシュ８０は、第１接触シール８１を収容する第１環状凹部と、第２接触シール８２を収容する第２環状凹部とを有する。これら２つの環状凹部は、ブッシュ８０の内周面において、ブッシュ８０の互いに反対側の軸方向端部に形成されている。

ブッシュ８０は、樹脂材料で形成されている。ブッシュ８０に対して摺動する連結ロッド２６は典型的に、たとえばステンレス鋼など金属材料で形成される。そこで、ブッシュ８０を樹脂材料で形成することにより、連結ロッド２６が摺動するとき起こりうるブッシュ８０との接触や干渉による連結ロッド２６の摩耗や損傷を防止または低減することができる。ブッシュ８０は、たとえばポリテトラフルオロエチレンなどのフッ素樹脂、またはその他の摺動性及び／または耐久性に優れる合成樹脂材料で形成されてもよい。このようにすれば、連結ロッド２６の摺動によるブッシュ８０の摩耗や損傷も防止または低減することができる。

非接触シール８３として働く径方向クリアランス８４が、ブッシュ８０と連結ロッド２６との間に定められる。径方向クリアランス８４は、ブッシュ８０の内径と連結ロッド２６の外径の差の半分に相当する。径方向クリアランス８４は、たとえ第１接触シール８１、第２接触シール８２がブッシュ８０に設けられていなかったとしても、低圧ガス室３７と上部空間３６との間でガス流れを封止し、または極低温冷凍機１０の冷凍性能に実質的に影響しない程度に低減するように寸法が定められる。径方向クリアランス８４は、たとえば、５μｍから３０μｍの範囲にあってもよい。あるいは、連結ロッド２６の径に対する径方向クリアランス８４の比は、たとえば、０．００５から０．０３の範囲にあってもよい。

ブッシュ８０（すなわちシール部品５６）の軸方向長さは、ロッド挿通孔７７の軸方向長さ（または駆動機構ハウジング３０の厚さ）の少なくとも半分より長くてもよく、たとえばロッド挿通孔７７の軸方向長さのほぼ全長にわたってもよい。このようにブッシュ８０の軸長を長くすることにより、非接触シール８３を長くすることができるので、非接触シール８３のシール性能が向上される。許容される場合には、ブッシュ８０は、ロッド挿通孔７７の軸方向長さを超えて延び、たとえば低圧ガス室３７内に延出してもよい。ただし、低圧ガス室３７内に配置されるスコッチヨーク機構４２などディスプレーサ駆動機構３８との干渉を避けるうえでは、ブッシュ８０の軸長は、ロッド挿通孔７７の軸方向長さを超えないことが望ましい。

第１接触シール８１は、径方向クリアランス８４に対しディスプレーサ駆動機構３８側でブッシュ８０に保持され、径方向クリアランス８４を封止する。第２接触シール８２は、径方向クリアランス８４に対しディスプレーサ２４側でブッシュ８０に保持され、径方向クリアランス８４を封止する。

第１接触シール８１は、ブッシュ８０の軸方向長さの中間よりも軸方向に上方でブッシュ８０に保持され、第２接触シール８２は、ブッシュ８０の軸方向長さの中間よりも軸方向に下方でブッシュ８０に保持される。たとえば、第１接触シール８１は、ブッシュ８０の第１軸方向端部に保持され、第２接触シール８２は、ブッシュ８０の、第１軸方向端部と反対側の第２軸方向端部に保持される。

第１接触シール８１は、連結ロッド２６に接触するシールリング８６と、シールリング８６を連結ロッド２６に押し付けるようにシールリング８６とブッシュ８０との間に配置されたバックリング８８と、を備える。同様に、第２接触シール８２は、シールリング８６とバックリング８８を備える。このように、第１接触シール８１および第２接触シール８２には、いわゆるスリッパーシールが採用される。シールリング８６は、たとえばポリテトラフルオロエチレンなどのフッ素樹脂、またはその他の摺動性及び／または耐久性に優れる合成樹脂材料で形成される。バックリング８８は、たとえばＯリング、またはそのほか合成ゴム製のリングであってもよい。なお、第１接触シール８１と第２接触シール８２のうち少なくとも一方が、スリッパーシールではなく、たとえばＯリングなどその他のシール部材であってもよい。

シール部品５６は、第１接触シール８１（または第２接触シール８２）が装着されたとき第１接触シール８１から受ける反力でブッシュ８０が実質的に変形しないように設計される。そのために、たとえば、第１接触シール８１を収容するブッシュ８０の第１環状凹部（またはブッシュ８０の軸方向端部）の剛性は、第１接触シール８１の剛性（たとえばシールリング８６の剛性）より大きくてもよい。また、シールリング８６の剛性は、バックリング８８の剛性より大きくてもよい。

仮にブッシュ８０の剛性が不十分な場合には、ブッシュ８０の第１環状凹部において第１接触シール８１が拡径されようとする弾性的な復元力によってブッシュ８０の軸方向端部が変形されうる。ブッシュ８０の変形は径方向クリアランス８４を変化させ、非接触シール８３のシール性能や連結ロッド２６の摺動に悪影響を及ぼしうる。しかし、この実施形態では、ブッシュ８０が十分な剛性をもつので、径方向クリアランス８４は保持され、そうした悪影響は生じないか、最小化される。

バックリング８８の内径は、ブッシュ８０の内径（径方向クリアランス８４におけるブッシュ８０の内径）よりも大きくてもよい。これにより、シールリング８６がシール部品５６に装着されていないとき、連結ロッド２６は、バックリング８８ではなく、ブッシュ８０の内周面に接触する。このようにすれば、極低温冷凍機１０の長期運転によりシールリング８６が摩耗し（消失し）たとしても、連結ロッド２６の摺動をブッシュ８０で支持することができる。材料の選択に依存するが、典型的にはバックリング８８に比べてブッシュ８０のほうが強度に優れる。シールリング８６の摩耗後に起こりうるバックリング８８と連結ロッド２６との接触によるバックリング８８の破損やそれに伴う異物の生成を避けられる。

第１接触シール８１から第２接触シール８２への軸方向距離、すなわち非接触シール８３の軸方向長さは、第１接触シール８１から低圧ガス室３７側の駆動機構ハウジング３０の内面までの距離よりも長くてもよい。同様に、非接触シール８３の軸方向長さは、第２接触シール８２から上部空間３６に面する駆動機構ハウジング３０の表面までの距離よりも長くてもよい。非接触シール８３の軸方向長さは、ブッシュ８０の軸長の少なくとも半分よりも長くてもよい。このように、非接触シール８３を長くすることにより、非接触シール８３のシール性能を向上することができる。

なお、第１接触シール８１、第２接触シール８２がブッシュ８０の軸方向末端に配置されることは必須ではない。ブッシュ８０は、第１接触シール８１を越えて軸方向に上方に延びていてもよい。ブッシュ８０は、第２接触シール８２を越えて軸方向に下方に延びていてもよい。この場合、第１接触シール８１よりも軸方向上方でブッシュ８０と連結ロッド２６との間に、追加の非接触シールとして機能する径方向クリアランスが形成されてもよい。同様に、第２接触シール８２よりも軸方向下方でブッシュ８０と連結ロッド２６との間に、追加の非接触シールとして機能する径方向クリアランスが形成されてもよい。

シール部品５６は、ロッド挿通孔７７において駆動機構ハウジング３０に装着される。上ワッシャ９０がシール部品５６の上端に隣接し、駆動機構ハウジング３０とシール部品５６の間に挟み込まれる。第１接触シール８１は、ブッシュ８０と上ワッシャ９０に軸方向に挟み込まれて保持される。また、下ワッシャ９２がシール部品５６の下端に隣接し、駆動機構ハウジング３０とシール部品５６の間に挟み込まれる。第２接触シール８２は、ブッシュ８０と下ワッシャ９２に軸方向に挟み込まれて保持される。下ワッシャ９２は、たとえばＣ字状の止め輪であってもよく、シール部品５６が駆動機構ハウジング３０から上部空間３６に抜け落ちないようにシール部品５６を駆動機構ハウジング３０に保持する。

また、シール部品５６を受け入れる駆動機構ハウジング３０の凹部とブッシュ８０の外周面との間には、たとえばＯリングなどのシール部材９４が装着される。シール部材９４により、シール部品５６の外側でのガスのリークが防止される。

以上、実施の形態に係る極低温冷凍機１０の構成を述べた。続いてその動作を説明する。ディスプレーサ２４が下死点またはその近傍にあるとき、ロータリーバルブ５８は、圧縮機１２の吐出口１２ａを膨張空間３４に接続するように切り替わり、冷凍サイクルの吸気工程が開始される。高圧ガスが、ロータリーバルブ５８からハウジングガス流路６４、上部空間３６、ディスプレーサ上蓋ガス流路６６を通じて蓄冷器高温部１６ａに入る。ガスは蓄冷器１６を通過しながら冷却され、蓄冷器低温部１６ｂからディスプレーサ下蓋ガス流路６８を通じて膨張空間３４に入る。ガスが膨張空間３４に流入する間、ディスプレーサ２４は下死点から上死点に向けてシリンダ２８内を軸方向上向きに動く。それにより膨張空間３４の容積が増加される。こうして膨張空間３４は高圧ガスで満たされる。

ディスプレーサ２４が上死点またはその近傍にあるとき、ロータリーバルブ５８は、圧縮機１２の吸入口１２ｂを膨張空間３４に接続するように切り替わり、冷凍サイクルの排気工程が開始される。このとき膨張空間３４内の高圧ガスは膨張し冷却される。膨張したガスは、膨張空間３４からディスプレーサ下蓋ガス流路６８を通じて蓄冷器１６に入る。ガスは蓄冷器１６を通過しながら冷却する。ガスは、蓄冷器１６からハウジングガス流路６４、ロータリーバルブ５８、低圧ガス室３７を経て圧縮機１２に戻る。ガスが膨張空間３４から流出する間、ディスプレーサ２４は上死点から下死点に向けてシリンダ２８内を軸方向下向きに動く。それにより膨張空間３４の容積が減少され、膨張空間３４から低圧ガスが排出される。排気工程が終了すると、再び吸気工程が開始される。

駆動機構ハウジング３０と連結ロッド２６の間にシール部品５６が設けられ、上部空間３６および膨張空間３４は低圧ガス室３７から封止されているので、上部空間３６および膨張空間３４から低圧ガス室３７へのガスのリークは実質的に生じない。

以上が極低温冷凍機１０における１回の冷凍サイクルである。極低温冷凍機１０は冷凍サイクルを繰り返すことで、冷凍機ステージ３２を所望の温度に冷却する。よって、極低温冷凍機１０は、冷凍機ステージ３２に熱的に結合された物体を極低温に冷却することができる。

実施の形態によれば、シール部品５６は、第１接触シール８１および第２接触シール８２を備えるので、新規に製造された極低温冷凍機１０は、運転開始からしばらくの間（たとえば数年程度）、これら２つの接触シールが有効に機能する。２つの接触シールそれぞれが受け持つべき負荷は、接触式シールを一つだけしか有しない比較例に係るシール部に比べて、およそ半分となる。連結ロッド２６との摺動による第１接触シール８１および第２接触シール８２の摩耗の進行を遅らせることができ、これら２つの接触シールのシール性能を長期にわたり維持することができる。

極低温冷凍機１０の運転中、ディスプレーサ２４を取りまく圧力、すなわち上部空間３６および膨張空間３４の圧力は、第１圧力（高圧）とこれより低い第２圧力（低圧）とを周期的に変動する。ディスプレーサ駆動機構３８を取りまく圧力、すなわち低圧ガス室３７の圧力は、第２圧力に維持される。非接触シール８３は、第１圧力と第２圧力の中間圧を有する。したがって、接触式シールが一つだけしか設けられていない比較例に比べて、第１接触シール８１および第２接触シール８２それぞれに作用する差圧は、およそ半分となる。第１接触シール８１、第２接触シール８２に働く負荷は半減され、これは第１接触シール８１、第２接触シール８２の長寿命化につながる。

さらに、第１接触シール８１および第２接触シール８２が長期にわたる極低温冷凍機１０の運転を経て摩耗したとしても、シール部品５６は非接触シール８３を有するので、シール部品５６のシール性能は失われない。２つの接触シールが有効に機能しているときに比べれば、非接触シール８３単体のシール性能はいくらか劣るかもしれないが、極低温冷凍機１０の冷凍性能が顕著に損なわれないように非接触シール８３を設計することは可能である。接触式シールが一つだけしか設けられていない比較例では、接触式シールが摩耗したとき直ちに冷凍性能が大きく低下しうるが、実施の形態によれば、そうした不都合は解消または緩和される。

したがって、実施の形態に係るシール部品５６は、接触式のシール部材の消耗に対してロバストな設計をもつ。実施の形態によれば、長期信頼性に優れる極低温冷凍機用のシール部品５６およびこれを備える極低温冷凍機１０を提供することができる。

図４は、シール部品５６の他の例を示す図である。図示されるように、シール部品５６は、非接触シール８３を軸方向に分割するように第１接触シール８１と第２接触シール８２の間でブッシュ８０に保持された中間接触シール９６をさらに備えてもよい。中間接触シール９６によって、非接触シール８３が第１部分８３ａと第２部分８３ｂに分割されている。このようにして、追加の接触シールを設けることにより、個々の接触シールにかかる負荷は、より低減される。

以上、本発明を実施例にもとづいて説明した。本発明は上記実施形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。ある実施の形態に関連して説明した種々の特徴は、他の実施の形態にも適用可能である。組合せによって生じる新たな実施の形態は、組み合わされる実施の形態それぞれの効果をあわせもつ。

ある実施形態においては、シール部品５６は、上部ロッド５２を摺動可能に支持する摺動軸受５４として駆動機構ハウジング３０に装着されてもよい。

ある実施形態においては、駆動機構ハウジング３０内に高圧の作動ガスが導入されてもよく、ディスプレーサ駆動機構３８は高圧ガス室に配置されてもよい。この場合、極低温冷凍機の運転中、ディスプレーサを取りまく圧力は第１圧力とこれより低い第２圧力とを周期的に変動し、ディスプレーサ駆動機構を取りまく圧力は第１圧力に維持される。このようにしても、上述の実施の形態と同様に、非接触シール８３は第１圧力と第２圧力の中間圧を有することができる。

上述の実施形態では、ディスプレーサ駆動機構３８がスコッチヨーク機構４２を含む場合を例として説明したが、他の形式のディスプレーサ駆動機構も適用可能である。たとえば、極低温冷凍機１０は、ディスプレーサ２４がガス圧によって駆動される、いわゆるガス駆動型のＧＭ冷凍機であってもよい。この場合、ディスプレーサ２４から延びる連結ロッド２６は、スコッチヨーク機構４２に代えて、駆動ピストンに剛に連結される。駆動ピストンは、駆動機構ハウジング３０に収められてもよい。駆動ピストンに働く圧力とディスプレーサ２４に働く圧力との圧力差によりディスプレーサ２４が軸方向に往復するように、駆動ピストンに働く圧力が制御される。駆動ピストンに働く圧力の制御は通例、たとえばロータリーバルブ５８を利用して行われうる。上述の実施形態と同様に、連結ロッド２６は、シール部品５６によって軸方向に移動可能に支持される。それとともに、ディスプレーサ２４を軸方向に往復させる圧力差がシール部品５６によって保たれる。

上記においては、単段式のＧＭ冷凍機に言及して実施の形態を説明した。本発明はこれに限られず、実施の形態に係るシール部品５６は、二段式または多段式のＧＭ冷凍機、または、ディスプレーサ駆動機構をディスプレーサに連結する連結ロッドを有するその他の極低温冷凍機に適用可能である。

実施の形態にもとづき、具体的な語句を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用の一側面を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。

１０極低温冷凍機、２４ディスプレーサ、２６連結ロッド、３８ディスプレーサ駆動機構、５６シール部品、８０ブッシュ、８１第１接触シール、８２第２接触シール、８３非接触シール、８４径方向クリアランス、８６シールリング、８８バックリング。

Claims

ディスプレーサと、
ディスプレーサ駆動機構と、
前記ディスプレーサ駆動機構を前記ディスプレーサに連結する連結ロッドと、
前記連結ロッドを軸方向に往復動可能に支持するシール部品であって、
前記連結ロッドが挿通され、前記連結ロッドとの間に非接触シールとして働く径方向クリアランスを定めるブッシュと、
前記径方向クリアランスに対し前記ディスプレーサ駆動機構側で前記ブッシュに保持され、前記径方向クリアランスを封止する第１接触シールと、
前記径方向クリアランスに対し前記ディスプレーサ側で前記ブッシュに保持され、前記径方向クリアランスを封止する第２接触シールと、を備えるシール部品と、を備えることを特徴とする極低温冷凍機。
前記極低温冷凍機の運転中、前記ディスプレーサを取りまく圧力は第１圧力とこれより低い第２圧力とを周期的に変動し、前記ディスプレーサ駆動機構を取りまく圧力は前記第１圧力または前記第２圧力のいずれかに維持され、前記非接触シールは前記第１圧力と前記第２圧力の中間圧を有することを特徴とする請求項１に記載の極低温冷凍機。
前記第１接触シールおよび前記第２接触シールの少なくとも一方は、前記連結ロッドに接触するシールリングと、前記シールリングを前記連結ロッドに押し付けるように前記シールリングと前記ブッシュとの間に配置されたバックリングと、を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の極低温冷凍機。
前記ブッシュは、樹脂材料で形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の極低温冷凍機。
前記シール部品は、前記非接触シールを軸方向に分割するように前記第１接触シールと前記第２接触シールの間で前記ブッシュに保持された中間接触シールをさらに備えることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の極低温冷凍機。
ディスプレーサ駆動機構をディスプレーサに連結する連結ロッドを軸方向に往復動可能に支持するシール部品であって、
前記連結ロッドが挿通され、前記連結ロッドとの間に非接触シールとして働く径方向クリアランスを定めるブッシュと、
前記径方向クリアランスに対し前記ディスプレーサ駆動機構側で前記ブッシュに保持され、前記径方向クリアランスを封止する第１接触シールと、
前記径方向クリアランスに対し前記ディスプレーサ側で前記ブッシュに保持され、前記径方向クリアランスを封止する第２接触シールと、を備えることを特徴とするシール部品。