JP3512192B2 - ピストン−シリンダ−ユニットのシール装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、シリンダライナを備えたシリンダ内で中心
軸線の方向に移動可能なピストンと、ピストン外周壁
と、負圧下にある液体または気体の媒体をシールするた
めの、シリンダライナとピストン外周壁との間の非接触
式の隙間シールとを具備し、ピストン−シリンダ−ユニ
ットがケーシング内に組み込まれている、ピストン−シ
リンダ−ユニットのシール装置に関する。

この種のシール装置は公知のごとく、コンプレッサ、
サーボモータ、メスフラスコまたはスターリング−フリ
ーピストンエンジンで使用される。これらの用途の装置
は、気体の媒体あるいはサーボモータまたはメスフラス
コの場合には事情によって液体媒体と協働する。ピスト
ン−シリンダ−ユニットが滑り摩擦を生じないでかつ潤
滑剤なしに運転される場所では常に大きな問題が発生す
る。これは例えば酸素コンプレッサまたは食品産業用コ
ンプレッサである。この種の公知のコンプレッサは、ピ
ストンとシリンダの間のシールがラビリンスシールによ
って形成されるピストン−シリンダ−ユニットを備えて
いる。その際、シリンダ壁へのピストン外周壁の接触を
回避し、かつ損傷や侵食を防止するために、ピストンは
シリンダ内でできるだけ同心的に案内されなければなら
ない。この案内条件を満足するために、ピストンはクロ
スヘッドに支承されかつ案内されているピストンロッド
を備えている。このクロスヘッドは公知のごとく、クラ
ンクを介して回転クランク軸によって駆動される。これ
により、ピストンの必要な往復運動が生じる。この場
合、シリンダ内でのピストンの所望な案内はクロスヘッ
ドによって保証される。同様なコンプレッサが、専門書
“ピストン式圧縮機"K.H.Kuettner著、Springer出版
社、1991年、第236頁以降に記載されている。この構造
の欠点は、ピストンとシリンダ壁の間に非常に狭い隙間
を設けることができず、比較的に大きな遊びが必要であ
ることにある。これはクロスヘッドガイドの回転遊び
と、オイルを使用しないコンプレッサがオイルで潤滑す
るピストン式コンプレッサよりもはるかに長く構成する
必要があることに原因がある。長い構造により、中心軸
線からのピストンの振れまたはずれが益々大きくなり、
従ってそれに応じてピストンとシリンダの間の自由遊び
または隙間を大きく保たなければならない。これは、ピ
ストンの圧力側と無圧側との間で所望のシールを達成す
るために、ラビリンスシールを設けることを必要とす
る。中心軸線の方向に並進運動する際にピストンをこの
中心軸線上に正確に保持することができないので、ピス
トン外周壁とシリンダ壁の間のシール隙間は円環状の横
断面ではなく、ほとんどが三日月形の横断面を有する。
その結果、片側の隙間の厚さはほとんど二倍になり、こ
の範囲でのシール作用が著しく弱まる。非対称のこのシ
ール隙間は大きな問題があり、望ましくない。しかし、
このようなコンプレッサの場合には、この非対称のシー
ル隙間の問題は避けられない。シールの範囲の漏れ損失
はこれに応じて大である。

ドイツ連邦共和国特許出願公告第1933159号公報によ
り、ピストンのセンタリングと、ピストンとシリンダの
間のシールをＯリングによって行うスターリング−ピス
トン機械用のピストン−シリンダ−ユニットが知られて
いる。この構造はしかし実際には、寿命が非常に短い。
なぜなら、潤滑剤なしで運転すると、シールリングが非
常に速く摩耗し、センタリングとシールがもはや保証さ
れないからである。加えて、シールの摩耗が圧力媒体の
回路内に達する。これは通常は許されることではなく、
重大な故障を生じる。従って、この解決策によっても、
潤滑剤を用いないで運転するときに中心軸線に沿ってピ
ストンの正確な案内を長時間の運転にわたって達成する
ことは不可能である。

本発明の課題は、ピストンがシリンダに対して正確に
同心的な並進運動を行い、ピストンがシリンダの中心軸
線に対して逸れた運動をせず、シール隙間がその円環状
の横断面を維持し、そして三日月形をとらず、その際非
常に小型に形成可能であり、ピストン−シリンダ−ユニ
ットの組み立て時にピストンとシリンダの間で半径方向
の軸線ずれを発生せず、すなわちすべての部品を正確に
同心的に組み立てることができ、更に、熱ひずみによる
ピストン外周壁とシリンダライナとの間の壁の接触を防
止する手段が設けられている、ピストン−シリンダ−ユ
ニットのシール装置を提供することである。

この課題は請求項１の特徴部分に記載された特徴によ
って解決される。本発明の有利な実施形は従属請求項の
特徴によって生じる。

ピストンの本発明による案内は、シリンダの中心軸線
に沿ったピストンの並進的な運動の正確な案内を保証
し、この中心軸線に対して直角に逸れた運動を防止す
る。それによって、ピストン外周壁とシリンダ壁の間に
最小のシール隙間が生じ、それによってラビリンスシー
ルを配置する必要がなくなるという利点が生じる。更
に、シール隙間の横断面が三日月形になり、それによっ
てシール装置の密封性が悪化するという危険がない。ピ
ストンとシリンダを正しい姿勢で組み立てると、ピスト
ンの圧力付勢される側に対する密封性が、この構造の場
合に達成可能な非常に狭い密封隙間によって保証され
る。ピストンとシリンダの構成部品の円錐状のセンタリ
ング部によって、これらの部品が同じ軸線に沿って正確
に配向され、この位置に保持されるという利点がある。
それによって、ピストンとシリンダは運動中決して接触
せず、運転時間全体にわたって環状隙間が一定に保持さ
れる。機械ケーシングとシリンダの連結は同様に、同心
的なセンタリング部または複数の弾性的な保持部材を介
して行われる。少なくとも３個の保持部材はケーシング
に固定されている。この場合、弾性的な舌片はシリンダ
のケーシング部分の周面にわたってシリンダの半径方向
の位置決めおよびセンタリングを決定する。シリンダと
ケーシングを組み立てていない状態では、弾性的な舌片
の保持面が、シリンダのケーシング部分の周面の外径よ
りも小さな内径を決定する。それによって、シリンダが
ケーシングに対して半径方向にまたは遊びのないように
収容および保持されるという利点が生じる。弾性的な保
持部が接触する周面は、外面または内面として形成可能
であり、保持部材の保持面はこれに相応して内側または
外側に向いている。この構造の他の利点は、ピストンと
シリンダの構成部品、すなわち隙間シールの隙間の画成
面を形成するピストン外周壁とシリンダライナが、熱膨
張係数の非常に小さな材料からなっていることにある。
このような材料はそれ自体公知であり、本発明では、ニ
ッケルを多く含む鋼または焼結されたグラファイトある
いは炭素が選択される。その際、異なる構成部品は同じ
温度のときにできるだけ同じ熱膨張を有する。線熱膨張
係数は、合金でない鋼または鉄の線熱膨張係数の四分の
一以下である。これにより、温度変化時に、ピストンと
シリンダの間で、シール隙間の付加的な変化が実質的に
発生しない。

隙間シールの隙間の画成面を形成するピストンまたは
シリンダの少なくとも一つの部品にグラファイトを使用
することにより、故障時にシール面が損傷しにくくな
る。このような故障は、側方からの打撃または地震のよ
うな外部からの影響によって、軸線のずれが発生すると
きに起こる。この場合、接触する部分の侵食が起こら
ず、焼結されたグラファイトからなる部分またはニッケ
ルグラファイト層で被覆した部分は擦り減らない。それ
によって、慣らし運転時間の後でシール隙間が自動的に
生じ、ピストン−シリンダ−装置が普通に運転可能であ
るという利点が生じる。この実施方法は、ピストンとシ
リンダが最初にプレス嵌めによって組み立てられ、適当
なならし運転によってグラファイトからなる部品または
ニッケルグラファイト層を備えた部品、すなわちピスト
ン外周壁あるいはシリンダライナが擦り合わせられ、そ
して慣らし運転によってシール隙間が形成されるという
他の利点がある。これは、できるだけ小さなシール隙間
が望まれるとき、および慣らし運転とそれに続く磨滅部
分の除去のための高いコストが受け入れられるときに用
いることができる。焼結されたグラファイトまたはニッ
ケルグラファイトのコーティングの代わりに、同じ熱的
特性と同じ非常時回転特性を有する他の材料を使用する
ことができる。しかし、上述の材料が特に適している。

運転中ピストンとシリンダの部品が熱で負荷されると
き、およびその結果生じる長さ変化時にも、中心軸線か
らのピストンとシリンダのずれが生じないようにするた
めに、個々の部品は弾性的な締めつけ要素を用いて組み
立てられる。この締めつけ要素は円錐形のセンタリング
部の軸線方向または中心軸線方向に作用する。円錐形の
センタリング部と締めつけ力の協働作用により、温度差
があっても、半径方向の付加的な遊びが部材間に発生し
ないという利点がある。というのは、部品が円錐形のガ
イド内で軸方向に常に互いに押し合うからである。これ
は、ピストンとシリンダとの同心性の維持を保証する。

本発明によるシール装置の場合には、互いに間隔をお
いて設けられた両ガイドがそれぞれ複数の板状ばね要素
からなっている。ばね要素を備えたガイドの提案された
構造は、直線往復運動を行うピストンがその中心軸線に
沿って正確にセンタリングされ、かつ案内されるという
利点をもたらす。ガイドは相対的に動いて滑り摩擦を生
じる部品を備えていない。ピストンは両ガイドによって
案内およびセンタリングされ、それによってシリンダに
対して接触しないで軸方向の相対運動を行うことができ
る。これは例えば潤滑剤を使用しない酸素コンプレッサ
またはスターリング−フリーピストンエンジンの潤滑剤
を用いないピストンにおいて有利である。個々のガイド
のばね要素は、往復運動する機械要素の中心軸線に対し
てほぼ直角な平面内に配置されている。この平面内に
は、板状に形成された主ばね部分が設けられている。主
ばね部分のこの配置構造は公知のごとく運動データとば
ねデータの計算を可能にするので、機械要素の運動を正
確に決めることができる。長い主ばね部分の外側範囲に
は短い補助ばね部分が設けられ、しかも主ばね部分に対
して直角に配置されているので、この補助ばね部分は中
心軸線に対してほぼ平行に延びている。補助ばね部分と
主ばね部分の連結は付加的な連結要素を介して行われ
る。この連結要素は主ばね部分と補助ばね部分の端部を
固定連結するために適当な固定手段を備えている。各々
の補助ばね部分とそれに所属する主ばね部分の間に付加
的にこの連結連結要素を配置したことにより、ばね要素
の曲がった範囲が強度を有し、ばね要素の変形が板状範
囲においてのみ発生するという利点が生じる。個々の補
助ばね部分と主ばね部分および連結要素は技術的な設定
に応じて非常に正確に製作することができるので、組み
込み時に所望の寸法および強度を有する。設定された寸
法および強度との正確な一致は、従来の製作方法で達成
される。なぜなら、ばね部分と連結要素が簡単な形をし
ているからである。個々の部品は更に簡単に検査可能で
あり、普通のデータと異なる部品は容易に排除可能であ
る。複数の個々のばね部分から各々のばね要素を構成す
ることにより、いろいろな要求に対する適合が可能であ
り、製作時にばね要素の部分を変形、例えば曲げなくて
もよいという重要な利点が生じる。個々のばね要素部分
を板状に形成すると、いかなるときでも、例えば研削に
よって所望の寸法に正確に加工することができる。主ば
ね部分と補助ばね部分は普通の場合には平らな板であ
る。

各々のガイドの板状のばね要素は中心に関して点対称
に配置されると有利である。それによって、ガイドの平
面内で中心軸線から、４個または６個またはそれ以上の
ばね要素部分が半径方向外側へ延びる。ガイドの平面内
に奇数のばね要素部分を設けることができる。しかし、
各々のばね要素は好ましくは１個の主ばね部分を備えて
いる。この主ばね部分は中心軸線の両側で対称に延びて
いる。一平面内にあるばね要素が同じ大きさの角度をな
していることにより、機械要素が中心軸線上に正確に対
称にセンタリングされるという利点が生じる。

長い主ばね部分と補助ばね部分の寸法は公知のごと
く、ピストンを案内する両ガイドの中心軸線方向に対し
て横方向の剛性が、中心軸線方向の剛性の少なくとも10
0倍の大きさであるように選定される。シール隙間の範
囲の所望の案内精度と、発生する横方向力に依存して、
500以上の剛性比を有するガイドが使用される。本発明
による装置の場合には、力の受け止め、合成および移動
路が個々のばね要素部分を適合させることによって変化
し得るという他の利点が生じる。剛性比は例えば板状の
ばね部分の寸法の変化によって変化するだけでなく、少
なくとも２個の補助ばね部分または主ばね部分を互いに
間隔をおいて配置することまたは補助ばね部分と主ばね
部分をこのように形成することによっても変化する。ば
ね定数の変化が望ましくない場合には、一方のガイドに
おいて、互いに間隔をおいて配置された二つの平面内
に、二つのグループの板状のばね要素を配置することが
できる。これは、剛性比がほぼ同じ場合、ガイドの支持
能力を高めることになる。このすべての異なる装置およ
び実施形の場合に常に、主ばね部分、補助ばね部分およ
び連結要素の同じ基本要素を使用することができるの
で、計算の根拠が簡単になり、個々の部品の製作が非常
に容易になる。他の利点は、個々のばね要素の主ばね部
分を一つまたは二つの部分によって形成できることにあ
る。ガイドが軸の端部に設けられている場合、主ばね部
分を一体に形成すると有利である。なぜなら、主ばね部
分が中央の連結要素によって軸に連結可能であるからで
ある。しかし、ガイドが機械要素の軸範囲のどこかに配
置されている場合には、主ばね部分を二つの部分で形成
し、中心軸線の方へ向いた主ばね部分の内側端部を適当
な固定装置によって軸に連結すると、しばしば有利であ
る。

本発明によるシール装置を形成する要素の組み合わせ
により、ピストンをシリンダ内で正確に案内することが
でき、それによって潤滑剤なしに運転することができ、
それにもかかわらず最小寸法の、ピストンとシリンダの
間のシール隙間が得られる。互いに間隔をおいて配置さ
れた同一の二つのガイドを使用することにより、ピスト
ンは中心軸線に沿って正確に案内され、邪魔になる運動
のずれが回避される。それによって例えば、フリーピス
トンエンジン、例えばスターリングエンジンのピストン
またはピストンロッドを、潤滑剤を使用しなでシリンダ
内で案内することができる。しかも作動ピストンも容積
形ピストンも案内することができる。摩耗または潤滑剤
の残りによる圧力媒体の汚染は完全に防止される。同じ
ことが酸素コンプレッサあるいは潤滑剤または摩耗によ
って汚染してはいけない他の圧力媒体のコンプレッサに
も該当する。本発明によるシール装置は潤滑剤を必要と
せず、運転中シール隙間の範囲に摩耗を生じない。

次に、実施の形態を示す図に基づいて本発明を詳しく
説明する。

図１は電磁式駆動装置を有する、概略的に示したコン
プレッサの縦断面図、 図２はコーティングされたピストンを有する、図１の
コンプレッサのピストン−シリンダの範囲の縦断面図、 図３は図１と図２に示したピストン用ガイドの部分正
面図、 図４は二重のばね要素と二つの部分からなる主ばね部
分を備えたガイドの部分図、 図５は二つの主ばね部分と対をなして設けられた主ば
ね部分と補助ばね部分を有するガイドの部分図、 図６はケーシングにおけるシリンダ用弾性保持部材を
備えた、図１の部分図、そして、 図７はシリンダとピストンの一部を切断して示す、図
６の装置を中心軸線方向から見た図である。

図１はコンプレッサ１の縦断面図である。この場合、
上側部分だけが図示してあり、下側部分はセンターライ
ンに関して対称に形成されている。コンプレッサ１はケ
ーシング５内に電気式駆動装置を備えている。この駆動
装置は固定された磁気コイル10と、長手方向に移動可能
な電機子11からなっている。電機子11はピストンロッド
６に連結されている。この場合、ピストンロッド６と電
機子11は中心軸線２が共通であり、この中心軸線２の方
向に並進的に移動可能である。ピストンロッド６は２子
のガイド8,9に支持され、中央で正確に案内されてい
る。この両ガイド8,9は互いに間隔をおいて配置されて
いる。ピストンロッド６の前側端部16にはピストン外周
壁13を備えたピストン７が固定されている。このピスト
ン７はシリンダ３の構成要素であるシリンダライナ４に
よって取り囲まれている。シリンダ３自体はケーシング
５に連結され、ケーシングの一部を形成している。シリ
ンダ３は圧力媒体用の作動室18を取り囲み、公知のごと
く入口弁19と出口弁20を備えている。ピストン外周壁13
とシリンダライナ４の間には、隙間シール装置12が形成
されている。この場合、ピストン７はシリンダライナ４
内で接触しないで案内される。非接触式の隙間シール装
置のこの形状は両ガイド8,9を本発明に従って形成配置
することによって可能である。図示の例では、ピストン
直径が45mmのときに、0.01mmの隙間幅を隙間シール装置
に形成することができる。

ピストン７は複数の部分から組み立てられている。ピ
ストンロッド６は皿状のフランジ21を備えている。この
フランジは円筒状のピストン外周壁13のための保持部を
形成している。第２の皿状のフランジ22はピストン外周
壁13の他端と協働し、弾性的な締めつけ要素23と締めつ
けナット24によってピストンロッド６の前側端部に連結
されている。皿状の両フランジ21,22は円錐形の縁領域2
5または25′を有する。ピストン外周壁13の両端面は同
様に円錐形に形成されている。皿状フランジ21の円錐形
の縁領域25は中心軸線２に対して正確に同心的にピスト
ン外周壁13をセンタリングし、案内する。弾性的な締め
つけ要素23は中心軸線２の方向に大きな締めつけ力を発
生し、温度変化によって長さが変化してもピストン13は
皿状のフランジ21,22の間で常に正確に中心に挟持され
ている。その際、弾性的な締めつけ要素23は板ばねから
なっている。ピストン外周壁13は図示の例では焼結され
た黒鉛で作られ、皿状フランジ21,22の円錐形の両縁領
域25,25′の間でのピストンの挟持は、ピストンすなわ
ち焼結体13の接続的な押圧予備付勢と確実な保持を保証
する。ピストン外周壁13とシリンダライナ４のために使
用される材料は、合金でない鋼の線熱膨張係数の４分の
１以下の線熱膨張係数を有する。この鋼の線熱膨張係数
は11.1×10^-6/゜Kである。例えばニッケルを36％含む高
合金のニッケル鋼は0.9×10^-6/゜Kの線熱膨張係数を有
する。

シリンダライナ４は一方では弾性的な締めつけ要素26
と固定要素27を介して、他方では円錐形のセンタリング
部28を介してシリンダ３内で支持およびセンタリングさ
れている。弾性的な締めつけ要素26は同様に皿ばねから
なっているが、他の公知の弾性要素によって形成しても
よい。温度差によってシリンダライナ４の長さが変化す
る場合には、シリンダライナは円錐形のセンタリング部
28の方へ中心軸線方向に常に押圧される。それによっ
て、シリンダライナが常に遊びなく案内され、中心軸線
２に対してずれを発生しない。

シリンダ３とシリンダライナ４を中心軸線２に沿って
配向するために、円錐形のセンタリング部29がシリンダ
３とケーシング５の間においてもシリンダ３のケーシン
グ部分61に形成されている。シリンダ３とケーシング５
の間の連結は円錐形のセンタリング部29の範囲において
図示していない連結要素30を介して行われる。円錐形の
センタリング部29のそばでケーシング５とシリンダ３が
同じ材料からなっているので、熱による軸方向の移動は
生じない。シリンダ３とピストン７の個々の部品の間の
円錐形のセンタリング部により、個々の部品は中心軸線
２に対して正確に同心的に組み立てられ、それによって
所望される最小の隙間を隙間シール12に形成するための
前提が得られる。

ピストン外周壁13がシリンダライナ４の円筒面15に対
して正確に平行にかつ接触しないで延びるように、両ガ
イド8,9はピストンロッド６またはピストン７を心合わ
せしかつ案内する。これは、矢印31方向へのピストン７
の並進運動の全長にわたって達成される。その際、第１
のガイド８はピストン７のすぐ近くに設けられ、第２の
ガイド９はピストンロッド６の後端17に設けられてい
る。これらのガイド8,9は中心軸線２に対してほぼ直角
の二つの平面32,33の方向に向いている。両平面32,33、
それに伴い両ガイド8,9は中心軸線２の方向に互いに間
隔をおいて配置されている。この間隔はコンプレッサの
構造的な所与および軸受条件によって決まる。

両ガイド8,9はそれぞれ複数のばね要素34からなって
いる。これは図３から最もよく判る。このばね要素34は
それぞれ、二つの部分からなる長い主ばね部分35と２個
の短い補助ばね部分36とからなっている。この補助ばね
部分は主ばね部分35の外側端部37にしっかりと固定さ
れ、ケーシング５に連結されている。その際、補助ばね
部分36は主ばね部分35に対してほぼ直角に配置され、そ
れによって中心軸線２に対してほぼ平行に延びている。
主ばね部分35の外側端部37と補助ばね部分37との間の固
定連結は連結要素38によって行われる。ばね要素34は一
方では補助ばね部分36と固定要素39を介してケーシング
５に固定連結され、他方では主ばね部分35、フランジ40
および締めつけ要素41を介して、往復運動するピストン
ロッド６とピストン７に固定連結されている。その際、
両ガイド8,9は全く同じように形成されているが、図１
から判るように、左右対称に配置されている。ピストン
７の案内とセンタリングは、ピストン７とシリンダライ
ナ４の間に非常に狭い隙間12だけしか必要としないよう
に、正確に行われている。それによって、ピストン室18
のシールは非接触式の隙間シール12によって行うことが
でき、相対運動によって摩擦または摩耗するシールを設
ける必要がない。各々のガイド8,9のばね要素34によっ
て形成されたばね系は、平面32,33の方向の剛性が中心
軸線２の方向の剛性の少なくとも100倍の大きさである
ように形成されている。図１に示した例の場合には、中
心軸線２に対して横方向の剛性は中心軸線２の方向の剛
性の約200倍である。そのために、焼き入れされたばね
鋼からなる1.18mmの厚さのばね部材が使用される。ガイ
ド8,9毎に、２個のばね要素34が設けられている。この
ばね要素は互いに直角に配置され、それぞれ２個の主ば
ね部分35と２個の補助ばね部分36からなっている。主ば
ね部分35は約13cmの長さを有し、補助ばね部分は約2.2c
mの長さを有する。それによって、20mmのピストンスト
ロークが可能である。ピストン直径は45mmで、往復振動
周波数は50回／秒である。

図２はピストン７の他の実施形を示している。この場
合、コンプレッサ１のその他の部分は図１と同じように
形成されている。シリンダ３内にはシリンダライナ４が
挿入されている。このシリンダライナはニッケルを多く
含む鋼、図示例では36％ニッケル合金で作られている。
シリンダ３内でのシリンダライナ４のセンタリングと挟
持は円錐形のセンタリング部28、弾性的な挟持要素26お
よび固定要素27によって行われている。ピストン７は同
様に複数の部分からなっている。ピストン外周壁44はピ
ストンロッド６から延びる皿状のフランジ42と第２の皿
状のフランジ43の間に挟持されている。締めつけ力は皿
ばねの形をした弾性的な締めつけ要素23と、締めつけナ
ット24によって発生する。その際、締めつけナット24は
ピストンロッド６の前側の端部16にねじ込まれている。
ピストン外周壁44はニッケルを多く含む鋼からなってい
る。このピストン外周壁44の外周面45には、例えば15〜
25重量％のグラファイトと75〜85重量％のニッケルの組
成の適当なニッケルグラファイトからなるコーティング
46が被覆されている。このコーティング46はシリンダラ
イナ４に対する隙間シール12の画成面を形成する。円筒
状のピストン外周壁44の両端の円錐状の縁領域47または
47′は、ピストン外周壁44に関して引張り予備付勢力を
生じるように傾斜している。これは鋼材料の選択によっ
て可能であり、有利である。

図１のピストン７の実施形の場合にも、図２のピスト
ンの実施形の場合にも、ピストン外周壁13または44とシ
リンダライナ４の寸法は、部品を組み立てたときに隙間
シール12の範囲にできるだけ小さな隙間が形成されるよ
うに、最初から選択されている。非常に均一な円環横断
面が要求され、同時に隙間シール12の隙間の厚さを最小
にすべきである、ピストン７とシリンダライナ34の間の
シール構造の場合には、ほとんどプレス嵌めまたは比較
的にきつい滑り嵌めが生じるように、ピストン外周壁44
とシリンダライナ４の直径を選択することができる。ピ
ストン外周壁13の焼結されたグラファイト材料またはピ
ストン外周壁44のコーティング46を注意深いならし運転
によって摩耗させ、それによって非常に狭い隙間シール
12を生じることができる。更に、シリンダライナ４とピ
ストン外周壁13の間で材料組み合わせを交換することが
できる。ガイド8,9を介してのピストン７の正確な案内
と、ピストン７とシリンダ３の異なる部品の円錐形のセ
ンタリングはいかなる場合でも、非常に狭い非接触の隙
間シール12を形成することと無潤滑運転とを可能にす
る。通常の運転中ピストン７がシリンダライナ４内で接
触しないで回転するので、摩耗は生じない。それによっ
て更に、圧力媒体の汚染が防止される。

図３は、図１または２で使用されるようなガイド8,9
を、中心軸線２の方向の部分図として示している。各々
の平面32または33内に２個のばね要素34が配置されてい
ることが判る。この場合、ばね要素34は周方向に見てそ
れぞれ同じ角度をなしている。その際、ばね要素34はそ
れぞれ、二つの主ばね部分35、補助ばね部分36および２
個の連結要素38からなっている。連結要素38と反対側の
短い補助ばね部分36の端部は、固定要素39によってコン
プレッサ１のケーシング５にしっかりと固定されてい
る。軸方向に往復運動するピストンロッド６はフランジ
40と締めつけ要素41を備えている。この締めつけ要素は
主ばね部分35の内側端部53をフランジ40に連結する働き
をする。短い補助ばね36は平らな長方形の板によって形
成されている。主ばね部分35は台形であり、外側の端部
37が内側の端部53よりも幅は広くなるように形成されて
いる。ばね部分35,36の形状は公知のごとく、所望のば
ね特性によって決まる。フランジ40にはリブ55が設けら
れている。このリブは主ばね部分35の内側端部53の当接
面56を形成している。このリブ55と当接面56と主ばね部
分35の内側端部53の対応する形状により、ピストンロッ
ド６と相対的な主ばね部分の位置が正確に決まる。この
位置で、主ばね部分35の内側端部53は締めつけ要素41と
ボルト58によって締めつけられて固定保持されている。

図４は図1,2の構造と原理的に一致するガイド50を示
している。しかし、各々のガイド50に、互いに間隔を置
いて配置された２つの平面51,52が設けられ、この平面
内にそれぞればね要素34が設けられている。その際、両
平面51,52は互いに平行に、かつピストンロッド６の中
心軸線２に対してほぼ直角に延びている。図３に基づい
て説明したように、この場合にも各々の平面51,52内に
２個のばね要素34が設けられている。ばね要素34は周方
向に見てそれぞれ互いに同じ角度をなしている。フラン
ジ40と締めつけ要素41に加えて、２個のセンタリングプ
レート54とスペーサディスク57がピストンロッド６に設
けられている。その際、センタリングプレート54は当接
面56を有するリブ55を備えている。対をなして設けられ
たばね部分35の内側端部53は各々１個のセンタリングプ
レート54とフランジ40または締めつけ要素41の間に挟持
されている。締めつけ力はボルト58によって生じる。図
４に示した、２つのばね平面51,52を有するガイド50の
この構造は、大きな縦方向力と横方向力を受け止めるこ
とができる。この構造は更に、図１に示した簡単な構造
と同じ動きを可能にする。特に、ピストンロッド６とそ
れに所属するピストン７の、矢印31方向の自由な直線的
往復運動が保証される。図3,4に従って説明した、２つ
の部分からなる主ばね部分35の実施形は特に、一体のば
ね要素34をピストンロッド６に差し込むことを不可能に
する他の機械要素がガイド50の前後で中心軸線に沿って
配置されているときに有利である。更に、主ばね部分35
の製作が容易になる。なぜなら、主ばね部分の寸法が小
さく、必要時にばね要素34の個々の部分を交換可能であ
るからである。しかし、例えば図１の平面33内に一体の
主ばね部分35を設けることができる。この主ばね部分は
中央の穴を有し、ピストンロッド６に差し込んで締めつ
け固定することができる。

図５にはシール装置のための本発明によるガイドの他
の実施の形態が示してある。この場合、各々のばね要素
34内に、主ばね部分35と補助ばね部分36が対をなして平
行にかつ互いに間隔をおいて設けられている。主ばね部
分35の内側端部53とピストンロッド６のフランジ40との
連結は、図3,4に基づいて説明したのと同じように行わ
れる。主ばね部分35の外側端部とそれに突き合わせられ
る補助ばね部分36の端部との間の連結要素38は同じよう
に形成され、平行ばねの対の配置構造のための当接面を
備えている。補助ばね部分36とケーシング５の連結のた
めに、適当な固定および締めつけ要素60が設けられてい
る。平行ばね35を備えたガイドの構造により、締めつけ
が良好で、両長手運動方向において対称なばね特性が得
られる。図１に示した１個のばねは挟持範囲の曲げ状態
および力状態が原因で機械要素の前進後退運動時に、同
じばね特性を有していない。零点に関して、１個のばね
の正と負の特性は対称ではない。

ガイド8,9の上記のすべての実施の形態の場合、各々
の平面32,33または51,52内に少なくとも２個のばね要素
34を配置することが合目的である。このばね要素は中心
軸線２に関して点対称に形成され、その配向軸線は周方
向に見て90゜の角度を交差している。構造条件および発
生する力のために必要である場合には、ばね要素を60゜
または45゜の角度で配置することができる。これに応じ
て、往復運動するピストン７の範囲とケーシング５に、
多くの固定個所または位置決め個所が設けられる。ガイ
ドのいろいろな構造とは無関係に、ガイドは、直線往復
運動するピストン７を中心軸線２に沿って正確にセンタ
リングし、横方向の結果としてのこの中心軸線からのず
れを低減する。これは、動くピストンと固定されたシリ
ンダライナ４の間の最小の隙間、ひいては非接触の隙間
シールを可能にする。

図6,7はシリンダ３とケーシング５の間の連結部の他
の有利な実施の形態を示している。シリンダ３のケーシ
ング部分61は円筒状の外周面62を備えている。この外周
面は中心軸線２に対して正確に同心的に形成されてい
る。ケーシング５には、少なくとも３個、図示例では４
個の弾性的な保持部材65が配置されている。この４個の
保持部材65は半径方向に90゜ずらされ、固定部分65と公
知の固定手段68、例えばボルトを介してケーシング５に
固定されている。各々の保持部材65は弾性的な舌片69を
備えている。この舌片の自由端には、外側へ拡散する傾
斜した案内面63が接続している。ケーシング５には更に
当接面66が設けられている。この当接面は中心軸線２に
対して半径方向の平面内にあり、シリンダ３のケーシン
グ部分61のための載置および固定面を形成している。シ
リンダ３をケーシング５に組み立てる前に、印しをつけ
た保持部材65の保持面64は、ケーシング部分61の外周面
63の外径よりも小さな内径を有するように加工される。
シリンダ３のケーシング部分61が保持部材65の間で中心
軸線２の方へ押し込まれると、舌片69は弾性変形し、シ
リンダ３の外周面62と保持部材65の保持面64の間に、遊
びのないプレス嵌めが形成される。保持部材65の弾性舌
片69の変形は、中心軸線２の方に向いた同じ大きさの４
つの半径方向力を生じる。この半径方向の力はケーシン
グ部分61ひいてはシリンダ３を中心軸線２に対して遊び
のないようにセンタリングする。センタリングされた組
み込み位置では、シリンダ３のケーシング部分61がケー
シング５の当接面66に接触し、公知の連結要素30、例え
ばボルトによってケーシング５に連結される。シリンダ
３とケーシング５の間の連結部のこの実施形は遊びのな
いセンタリングおよび固定を保証する。この場合、この
装置の心合わせに対する連結要素30の影響は回避され
る。更に、外周面62をリング状のカラーにあるいはケー
シング５の方へ向いたケーシング部分61の端面70の溝内
に設けることができる。その場合、外周面62は外面また
は内面として形成されている。保持部材65はケーシング
５の内側範囲に配置され、弾性的な舌片69の保持面64は
外周面61の方向に依存して内側または外側に向いてい
る。弾性的な舌片69がカラーまたはケーシング部分61の
溝に係合する外側に配置された保持面保持面64を備えて
いる場合には、組み立てられていない状態での最初の外
径は、シリンダ３のケーシング部分61の外周面62の直径
よりも大きい。それによって、上述のように、遊びのな
い案内がすべての実施の形態の場合に保証される。

Claims (13)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】シリンダライナ（４）を備えたシリンダ
   （３）内で中心軸線（２）の方向に移動可能なピストン
   （７）と、ピストン外周壁（13）と、負圧下にある液体
   または気体の媒体をシールするための、シリンダライナ
   （４）とピストン外周壁（13）との間の非接触式の隙間
   シール（12）とを具備し、ピストン−シリンダ−ユニッ
   トがケーシング（５）内に組み込まれている、ピストン
   −シリンダ−ユニットのシール装置において、ピストン
   （７）が中心軸線（２）の方向に互いに間隔をおいて配
   置されかつケーシング（５）に固定された２個のガイド
   （8,9;50）に固定連結され、このガイド（8,9;50）の部
   分（35）が中心軸線（２）の方向に制限されて移動可能
   であり、かつピストン（７）を中心軸線（２）の方向に
   弾性的に案内し、ガイド（8,9;50）が中心軸線（２）に
   対して直角方向において、中心軸線（２）の方向よりも
   少なくとも100倍の剛性を有し、かつピストン（７）を
   中心軸線（２）に対して正確に同心的に保持し、隙間シ
   ール（12）の範囲において対向するピストン外周壁（1
   3）とシリンダライナ（４）がほぼ滑らかな周面（14,1
   5）を有し、シリンダ（３）またはピストン（７）のこ
   の部分領域（4,13）が、非合金の鋼の線熱膨張係数の四
   分の一以下の線熱膨張係数を有する材料で形成されてい
   ることを特徴とするシール装置。
2. 【請求項２】ピストン（７）とシリンダ（３）が複数の
   構成部品（13,21,22または34）で組み立てられ、この構
   成部品が円錐形のセンタリング部（25,28）で互いに固
   定保持され、かつ中心軸線（２）に対して遊びのないよ
   うにセンタリングされていることを特徴とする請求項１
   記載のシール装置。
3. 【請求項３】シリンダ（３）のケーシング部分（61）が
   ケーシング（５）に対して円錐形のセンタリング部（2
   9）で固定保持されているかあるいはこのケーシング部
   分（61）が外周面（62）を介して、ケーシング（５）に
   固定された少なくとも３個の弾性的な保持部材（65）に
   よって遊びのないように案内され、かつ連結要素（30）
   によってケーシング（５）の当接面（66）に対して軸方
   向に固定され、ケーシング部分（61）ひいてはシリンダ
   （３）が中心軸線（２）に対して遊びのないようにセン
   タリングされていることを特徴とする請求項１または２
   記載のシール装置。
4. 【請求項４】組み立てられるピストン（７）およびまた
   はシリンダ（３）の構成部品に、弾性的な締めつけ要素
   （23,26）が設けられ、この弾性的な締めつけ要素（23,
   26）が円錐形のセンタリング部（25,28,29）の軸線方向
   に作用していることを特徴とする請求項１〜３のいずれ
   か一つに記載のシール装置。
5. 【請求項５】隙間シール（12）の隙間を画成するピスト
   ン（７）のピストン外周壁（13）が、焼結されたグラフ
   ァイトで形成され、この隙間を画成するシリンダ（３）
   のシリンダライナ（４）がニッケルを多く含む鋼で形成
   されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一
   つに記載のシール装置。
6. 【請求項６】ピストン（７）のピストン外周壁（44）
   と、隙間シール（12）の隙間を画成するシリンダライナ
   （４）が、ニッケルを多く含む鋼で形成され、この隙間
   の方に向いたピストン外周壁（44）の面（14）がニッケ
   ルグラファイト層で被覆されていることを特徴とする請
   求項１〜４のいずれか一つに記載のシール装置。
7. 【請求項７】両ガイド（8,9;50）がそれぞれ、複数の板
   状のばね要素（34）からなり、このばね要素がピストン
   （７）の中心軸線に対してほぼ直角に延びる平面（32,3
   3;51,52）内に配置され、ばね要素（34）がそれぞれ、
   中心軸線（２）の範囲においてピストン（７）に固定連
   結され、かつばね要素（34）の外側端部の範囲において
   ケーシング（５）に固定連結され、ばね要素（34）がそ
   れぞれ、中心軸線（２）に対して直角の平面（32,33;5
   1,52）内に設けられた少なくとも１個の長い主ばね部分
   （35）と、ケーシング（５）側の各々の端部において中
   心軸線（２）に対してほぼ平行に配置された少なくとも
   １個の短い補助ばね部分（36）とを備え、各々の補助ば
   ね部分（36）とそれに所属する主ばね部分（35）との間
   に連結要素（38）が設けられ、補助ばね部分（36）がこ
   の連結要素（38）を介して主ばね部分（35）の外側端部
   （37）に固定連結されていることを特徴とする請求項１
   〜６のいずれか一つに記載のシール装置。
8. 【請求項８】両ガイド（8,9;50）がそれぞれ、中心に関
   して点対称の少なくとも２個のばね要素（34）を備え、
   このばね要素がピストン（７）の中心軸線（２）に対し
   て直角な平面（32,33;51,52）内に配置され、かつ半径
   方向でこの中心軸線（２）と交差し、周方向においてば
   ね要素（34）が互いに同じ大きさの角度をなしているこ
   とを特徴とする請求項７記載のシール装置。
9. 【請求項９】少なくとも一つのガイド（8,9;50）がばね
   要素（34）を含む二つの平面（51,52）を備え、この平
   面（51,52）が互いに平行に、中心軸線（２）の方向に
   互いに間隔をおいて、そして中心軸線（２）に対して直
   角に延びていることを特徴とする請求項７記載のシール
   装置。
10. 【請求項１０】各々のばね要素（34）が１つまたは複数
    の部材からなる主ばね部分（35）と、平行に延びるそれ
    ぞれ２対の補助ばね部分（36）とからなっていることを
    特徴とする請求項７記載のシール装置。
11. 【請求項１１】各々のばね要素（34）が平行に設けられ
    た１つまたは複数の部材からなる一対の主ばね部分（3
    5）と、平行に延びる各々２対の補助ばね部分（36）と
    からなっていることを特徴とする請求項７記載のシール
    装置。
12. 【請求項１２】ピストン（７）、シリンダ（３）および
    ガイド（8,9;50）が、スターリング−フリーピストンエ
    ンジンの一部であることを特徴とする請求項１〜11のい
    ずれか一つに記載のシール装置。
13. 【請求項１３】ピストン（７）、シリンダ（３）および
    ガイド（8,9;50）が、直線的に往復運動する駆動装置を
    備えたコンプレッサ（１）の一部であることを特徴とす
    る請求項１〜11のいずれか一つに記載のシール装置。