JPH03500916A - 低温冷凍機用ヘリウム圧力シール - Google Patents

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】 低温冷凍機用ヘリウム圧力シール 発明の背景 本発明は圧力シールに関し、特に低温冷凍機のリニヤ−駆動システム内の加圧ヘ リウム容器用の変形可能なガスケットシールに関する。

ヘリウム低温冷凍機は、気体ヘリウムが相当な圧力変動を受けるようなリニヤ− 駆動組立体を利用する。ヘリウム原子の大きさは小さいので、かかる冷凍機内の 加圧ヘリウムをシールする簡単で安価な方法を得るには多大の問題がある。

加圧された装置に使用される最も普通のシールは、弾性コンパウンドで構成され たＯリング及びガスケットである。これらのシールは一般に隣接部品の向かい合 った溝内に位置決めされる。低温冷凍機内でしばしば生ずる温度及び圧力の変動 に曝されたとき、このような弾性シールは性能が落ち、漏洩を生じ、従って効率 の低下又は故障が生ずる。

現在のヘリウム低温冷凍機は、加圧ヘリウムをシールするために、向かい合った 溝内のＯリングとしてインジウム又はその他の柔軟な金属を使用している。例え ば、米国特許第４．４１８，９１８号は、三角形に形作られた非回転リングによ って塑性変形させられた変形可能な金属リング、好ましくはインジウム製のリン グの使用を開示している。非回転リングはインジウム製のリングに押し込まれて Ｖ字形の溝を形成し、これによって低温冷凍機の回転可能に固定された部材間の 連結部をシールする。インジウムは放射を吸収しそして持続し、放射源への暴露 の可能性のある用途に対して不適当である。

本発明は、ヘリウム低温冷凍機のリニヤ−駆動装置を部分的に囲う２つの部材の 間に挟まれた、好ましくは銅のような柔らかな金属の変形可能なガスケットを利 用する。これらの部材はガスケットの両側と接触する同心状のセレーション（ｓ ｅｒｒａｔ　１ｏｎ）を有する。２つの部材はガスケットよりも固い金属から構 成されるので、部材を一緒にしようとする圧力を加えることにより、両部材のセ レーションはガスケット材料の中に押し込まれる。ガスケットはこれによって変 形されて両側に同心状の溝ができ、この溝は２つのジョー又は部材のセレーショ ンと嵌合する。得られた円形溝のラビリンスは、従来のヘリウムシール方法より も表面仕上げに対して敏感でないヘリウム用の効果的なシールを形成する。

ガスケットにおけるジョーの圧迫力は、ガスケットの外径及び内径の膨れ又は膨 張を生じさせる。部材の一方はガスケットの外径又はリムに向かい合う軸線方向 の壁を形成する。この壁は変形したガスケットと接触しこれを支持し、これによ って冷凍機内のヘリウムの正圧により生ずる半径方向の力に抵抗する。

本発明の好ましい実施例の銅製ガスケットは、使い捨て費用で容易に機械加工さ れ、またガスケットを備えたシール組立体の熱膨張係数にほぼ一致することによ って雰囲気温度の範囲に互って熱安定性を有する。

本発明の以上の特徴及びその他の特徴は、構成の種々の新規な詳細及び部品の組 み合わせを含み、添付図面を参照しより特別に説明され、請求の範囲において指 摘されるであろう。本発明を具体化する特別のヘリウム圧力シールを例示として 示すが、これは本発明の限界として示されたものでないことを理解すべきである 。本発明の主な特徴は、本発明の範囲から逸脱することなく種々の実施例におい て使用できるであろう。

図面の簡単な説明 第１図は、本発明の変形可能なガスケットを備えたヘリウム低温冷凍機のリニヤ −駆動組立体の断面図である。

第２図は、鋸歯状の部材により変形されたガスケットの断面の拡大図である。

第３図はガスケットの平面図である。

第４図は、同心状の溝を存する変形されたガスケットの一部の拡大図である。

第５図は、ガスケットと共にシールを形成するために使用される同心状のセレー ションを有するフランジの拡大図である。

第６図は、シールを形成するために同心状のセレーションと共に駆動組立体の一 方の端部を覆う板の拡大平面図である。

発明の詳細な説明 本発明のシールを利用したヘリウム低温冷凍機のリニヤ−駆動組立体を第１図に 示す。圧縮機５の電機子ｌＯの動き及びディスプレーサ−（図示せず）の動きを 制御するためにリニヤ−モーターが使用される。リニヤ−モーターは、Ｇ、　Ｈ ｉｇｈａｍ他の１９８６年７月４日付は米国特許願第８８５２１８号「リニヤ− 駆動モーター用のインボリュート積層固定子を有する低温冷凍システム」に最初 に説明されたインボリュート積層固定子２０を利用する。

第１図に示すように、この圧縮機５は、圧縮機の頭部空間２４内のヘリウムガス を圧縮する往復動電機子ｌＯを備えている。ガスは、頭部空間２４から静止ピス トン１１内のポート１４を経て、導管１３を形成するようにピストン１１及び板 ３１に予め形成された孔を通過する。導管ｌ３は静止ピストン１１の中心に沿っ て走り、次いで挿入片９８内で直角に湾曲し、ガス接続用組立体１５へと走る。

ガスは、ガス接続用組立体から、米国特許第４，５４５，２０９号に開示された ようにディスプレーサ−が収納された分割スターリング冷凍機のような低温冷凍 機のコールドフィンガーに送られる。一端が板３１上に取り付けられた静止ピス トン１１は、電機子１０の唯一の支持体である。

板３１は、ポート１７をシールするために、鉛のボール５３及び保持用ねじ５２ を備える。圧縮機にはポート１７を経てヘリウムガスが充填される。ガスは、予 め形成された第２の導管１８と連通しているポート１６を経て、ピストンシリン ダーの電機子室１２と連絡できる。しかしながら、圧縮機の運転中、ボール５３ は、ポート１７を閉鎖するために、保持用ねじ５２によって板３１に対して固定 される。はこり及び破片がボール５３とネジ５２のシールに入ることを防止する ために、防塵用ねじ蓋１９が備えられる。

電機子ｌＯはリニヤ−コア８２に固定された鉄の塊り３８を備える。

鉄はその高い透磁率及び高い磁気誘導のため使用されるが、同じ特性を有するそ の他の材料を使用することができる。作動の共振周波数を調整するため及び′Ｉ ｔ機子の重心をピストンの隙間シールの範囲内に保持することを助けるために、 タングステン合金のリング２５又はその他の高密度で非磁性材料を電機子の一端 に組み込むことができる。

電機子の位置を検出するために、電機子ｌｏの一方の端部に取り付けられた目標 磁石８１を検出するためのセンサー８０が使用される。磁石８１は、モーターの 運転中、電機子ハウジング２６の延長部８６内で振動する延長シリンダー８５に 取り付けられている。固定子２０がら磁石８１とセンサー８０とを絶縁すること によって、磁石８０の磁場は固定子磁石２２の磁場から絶縁される。好ましくは 、ピストン１１は電機子１０に取り付けられたセラミックシリンダー８３内に密 に適合し、両者の間に隙間シールを形成する。非磁性、高抵抗率のステンレス鋼 製のスリーブ８２でシリンダー８３を裏打ちすることが好ましい。セラミックラ イナー８４が、隙間シールの一部分を形成するようにピストン１１に取り付けら れている。

今説明した電機子ｌＯを圧力ハウジング２６が囲んでいる。圧力／飄つジングの 寸法は、電機子１０が前後に往復したとき、作動室１２内のヘリウムガスが圧力 ハウジング２６と鉄の塊り３８との間を自由に流れ得るように構成される。

固定子２０は圧力ハウジング２６の外周の周りに配置されている。固定子２０は 、インボリュート積層体２３０間に位置付けられた２つのコイル２１を備え、磁 石２２によって分離されている。この固定子組立体は、ここに組み入れられた前 述のＧ、Ｈｉｇｈａｍ他の米国特許願第８８５２１８号に更に説明されている。

２つの遮蔽体９０がインボリュート積層体２３の周りに配置され、ハウジング５ ０の内壁５１に沿って磁束線を伝える。

電機子１０の前後への往復動の結果、圧縮機５による機械的振動が生ずる。振動 を無くすために、受動型吸振器又は動的吸振器３９が圧縮機の一方の端部に取り 付けられ、圧縮機の運転周波数と同じ周波数で共振するために回転する。好まし くは、動的吸振器３９は、小さな減衰特性を有する２つのばね４１と４２との間 のフランジ４５に取り付けられたつり合い重り４０から成る。その結果、圧縮機 の軸線方向の動きは吸振器３９の釣り合い重り４０かもの軸線方向の振動により 打ち消される。

動的吸振器の作動の更に詳細は、Ｇ、　Ｈｉｇｈａｍ他の１９８６年８月８日付 は米国特許願第８９４７７７号「リニヤ−往復動機械用の振動絶縁システム」に 見られる。

本発明は圧縮機の両端に取り付けられた絶縁装置を利用する。２つの絶縁装置は 平らな渦巻きばね６１と７１とを有し、これらは軸線方向には柔軟であるが半径 方向には極めて剛である。２つのばね６１と７１の外径はそれぞれハウジングの 端部板６０及び７０に取り付けられる。内径はポルト６４及び７４を使用してフ ランジ６２及び７２に取り付けられる。ばねは圧縮機５の両端に位置する弾性材 ９５及び９６に取り付けられ、絶縁システムに大きなレベルの減衰を与える。圧 縮機の内部振動を吸収している間の固定子２０からの熱の除去を助けるために、 壁５１の外側面にグリスが適用される。

柔らかい金属のガスケット３０が板３１とフランジ３２との間に配置され、これ が変形して外部大気からリニヤ−駆動装置の電機子室１２をシールする。第２図 は本発明の変形されたガスケット３０の拡大図である。セレーション３７を備え た板３１がガスケット３０に押し付けられガスケットの一方の側に溝３４を形成 する。フランジ３２のセレーション２９がガスケット３０の反対側に置かれ溝２ ８を作る。板３１に対応する溝３４がフランジ３２の溝２８とずれるように、板 ３１のセレーション３７はフランジ３２のセレーション２９と合致する。板３１ 及びフランジ３２の各セレーションに隣接する空所は、ガスケットによって体積 で少なくも２０％満たされ、シールされたガスケット面を横切る十分に長い漏洩 路を確実なものとする。

ガスケット材料は、このような冷凍機が通常遭遇するような一６２℃から７１° Ｃの間の広い温度範囲に耐え得るものである。ガスケット材料の熱膨張係数は、 熱伝導中のシールの完全性を確実なものとするために、板３１及びフランジ３２ の両者の熱膨張係数と非常によく一致させることができる。選定されたガスケッ ト材料の低降伏応力特性は、熱膨張係数の不一致を補償するために、ガスケット が合致する板３１及びフランジ３２のセレーションに従うことを許容する。また 、ガスケット材料は、小さな原子の大きさが容器の透過性に重大な問題を与える ヘリウムに関して比較的不透性である。好ましい実施例では、ガスケット材料と してアニールした銅を使用する。第３図は、板３１及びフランジ３２によって変 形される以前に１０００″Ｆ（約５３８°Ｃ）で３０分間アニールされｆ−ｔＲ ガスケットを示す。アニールはガスケットを酸素フリーとし、硬度をロックウェ ルＦスケールで約４０とする。ガスケットは、２ＸＩＯ−”ｓａｃ　Ｈｅ／ｓｅ ｃより小さい漏洩率でＩ　ＯＯ０ｐｓｉ（約７０　、３　ｋｇ／ｃ♂）以上のヘ リウム圧力を維持できる。

板３１の軸線方向の壁３５が、ガスケット３０の周りに同心状に配置される。ガ スケットの外径又はリム面２７は、ガスケット３０及びフランジ３２に対する板 ３１の押し付けにより変形させられる。板３１の面３５は、面３６に加えられる 押し付は力により、ガスケット３０の面２７のための支持を形成する。ピストン がリニヤ−駆動装置内で前後に駆動されるので、各サイクル中、シール３０にお ける大きな圧力変動がある。軸線方向の支持壁３５は、シールを半径方向外向き に変位させようとするピーク圧力における半径方向の力に対抗するために使用さ れる。

内径３６の表面もまた僅かに膨れる。しかし、正常な運転中は駆動装置内に正圧 があるので、ガスケットの内径に対する何らかの支持があることは本発明におい ては不必要である。板３１とフランジ３２との間の緊密な環状の隙間は整列の目 的のためであり、接合部の密閉能力に役立つものではない。シール３０と鉛のポ ール５３とねじ５２のみが、ヘリウムを保持するために圧縮機組立体内で使用さ れる交換可能なシールで延長シリンダー８６との間の電機子室を規定するその他 の接合部は共に溶接される。

第４図、第５図及び第６因は、それぞれ変形されたガスケットの一部分、及びフ ランジ３２と板３１の同心状のセレーションを示すフランジ３２と板３１の平面 図を示す。穴１２０はポルト１２１用のものであり、これらは板３１とフランジ ３２とを一緒に押し付け、圧力の一様な分布を形成するために各部材のセレーシ ョンの周りに配列される。漏洩経路が長いラビリンスを形成するように、フラン ジ３２と板３１の両者には少なくも２つの同心状のセレーションがあることが好 ましい。

国際調査報告 国際調査報告 ＳＡ　２５６３３

Claims (15)

【特許請求の範囲】
1. １．作動室内で気体状ヘリウムを交互に圧縮及び膨張させるピストン要素と、ピ ストン要素を駆動するリニヤー駆動モーターと、作動室内に気体状ヘリウムを封 じこめるシールとを備えた圧縮機を有するシールされた低温冷凍機であつて、該 シールは 変形可能なガスケツトと、 前記作動室を部分的に囲み、そして該ガスケツトが各部材のセレーシヨンの間に 配置させられるように複数の同心状のセレーシヨンを各々が有する第１及び第２ の部材と、 該セレーシヨンがガスケツトを変形させてそこにシール用の同心状の溝を形成す るように、ガスケツトの周りで前記セレーシヨンを有する第１及び第２の部材を 一緒に圧縮する圧縮手段、とから成るシールされた低温冷凍機。
2. ２．変形されたガスケツトの周りに同心状に配置された軸線方向の壁から更に成 り、該壁はガスケツトを支持する請求の範囲第１項に記載のシールされた低温冷 凍機。
3. ３．前記第１の部材の同心状のセレーシヨンは、ガスケツトの反対側の第２の部 材の各セレーシヨンに隣接した空所と向かい合つて揃えられている請求の範囲第 １項に記載のシールされた低温冷凍機。
4. ４．前記ガスケツトは、前記第１及び第２の部材よりも柔らかい請求の範囲第１ 項に記載のシールされた低温冷凍機。
5. ５．前記圧縮手段は複数のボルトから成り、該ボルトの締め付けが前記セレーシ ヨンを有する部材の間の距離を減少させる請求の範囲第１項に記載のシールされ た低温冷凍機。
6. ６．前記ガスケツトは、リニヤー駆動モーターの作動室内の加圧ヘリウムを封じ こめる請求の範囲第１項に記載のシールされた低温冷凍機。
7. ７．変形されたガスケツトは、各セレーシヨンに隣接したセレーシヨンの空所の 少なくも２０％を満たす請求の範囲第１項に記載のシールされた低温冷凍機。
8. ８．前記ガスケツトはアニールされた銅から成る請求の範囲第１項に記載のシー ルされた低温冷凍機。
9. ９．前記銅は（ロツクウェルＦスケールで）約４０の硬度を有する請求の範囲第 ８項に記載のシールされた低温冷凍機。
10. １０．前記第１及び第２の部材の各々は、２つの同心状のセレーシヨンを有する 請求の範囲第１項に記載のシールされた低温冷凍機。
11. １１．前記第１及び第２の部材は、ガスケツトの熱膨張係数と同様な熱膨張係数 を有する請求の範囲第１項に記載のシールされた低温冷凍機。
12. １２．変形可能なガスケツトと、 加圧されたヘリウムを囲み、該ガスケツトが部材のセレーシヨンの間に位置させ られるように複数の同心状のセレーシヨンを有する第１及び第２の部材と、 該セレーシヨンがガスケツトを変形させてシールを形成する同心状の溝を形成す るように、該第１及び第２の部材に圧力を加える圧縮手段と、ガスケツトを支持 する、ガスケツトの周りの同心状の軸線方向の壁、とから成る加圧された気体状 ヘリウム封じこめ用シール。
13. １３．前記加えられた圧力は、ガスケツトの溝なし外側リムが膨張して壁と接触 するように、外側リムを変形させる請求の範囲第１２項に記載のシール。
14. １４．前記加圧されたヘリウムが、軸線方向の支持壁に向かい合つたガスケツト に半径方向の力を加える請求の範囲第１３項に記載のシール。
15. １５．内側リムが加圧されたヘリウムを閉じ込め、外側リムがヘリウムよりも低 圧の流体に暴露されるような、内側及び外側リムを有する変形可能なガスケツト と、 加圧されたヘリウムを囲み、該ガスケツトが部材のセレーシヨンの間に位置させ られるように複数の同心状のセレーシヨンを有する第１及び第２の部材と、 前記セレーシヨンがガスケットを変形させてシールを形成する同心状の溝を形成 するように、該第１及び第２の部材に圧力をかける圧縮手段と、 外側リムを支持する、ガスケツトの外側リムの周りの同心状の軸線方向の壁、 とから成る加圧されたヘリウム封じこめ用シール。