JPH05209685A - シール装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】ピストンとシリンダとの間の隙間を無潤滑で、
しかも広い温度範囲に亘って良好にシールするシール装
置を提供する。 【構成】ピストン（ディスプレーサ）１９の外周面に形
成された環状溝２７内にそれぞれが樹脂系の材料で形成
された有端形のアウターシールリング２８，２９が軸方
向に２段積み重ね状態に装着され、これらの内側にピス
トンを構成している材料の熱収縮率に近い熱収縮率の材
料で形成された有端形のインナーシールリング３０が装
着され、その内側に有端形のコイルばねリング３１が装
着されている。インナーシールリング３０の軸方向の厚
みは、環状溝２７の幅に対して±50μｍに設定されてい
る。コイルばねリング３１はインナーシールリング３０
を介してアウターシールリング２８，２９をシリンダ１
５の内周面に押付ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、シリンダとピストンと
の間に存在する隙間を無潤滑でシールするシール装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】シリンダとピストンとの間に存在する隙
間をシールするシール装置には種々のタイプがある。こ
れらのシール装置の多くは、摺動部を潤滑油で潤滑する
方式を採用している。

【０００３】しかし、シリンダとピストンを必要とする
装置の中には、シール装置で使われる潤滑油を好まない
ものがある。このような装置の代表的なものとして、ヘ
リウムガスを冷媒として用いる極低温冷凍機をあげるこ
とができる。この極低温冷凍機では、シール部に潤滑油
を使用すると、ヘリウムガスの汚染を招くばかりか、凍
結による動作不良を招く。したがって、このような装置
では潤滑油を使用できない。

【０００４】このため、ヘリウムガスを冷媒として用い
る極低温冷凍機では、通常、図１４に示すように、シリ
ンダ１０１とピストン（ディスプレーサ）１０２との間
に存在する隙間１０３を無潤滑タイプのシール装置１０
４でシールするようにしている。

【０００５】シール装置１０４は、図１５および図１６
に示すように、ピストン１０２の外周面に形成された環
状溝１０５内に、外周面がシリンダ１０１の内周面に接
触するように樹脂製で、有端形のシールリング１０６を
装着するとともに、シールリング１０６の内側に、この
シールリング１０６をシリンダ１０１の内周面へ押付け
るための有端形のばねリング１０７を装着したものとな
っている。シールリング１０６の両端部には図１７に示
すように、両端部相互を半径方向に重ね合わせるための
合い口部１０８が形成されている。

【０００６】しかしながら、上記のように構成されたシ
ール装置１０４にあっては、極低温下においてシールリ
ング１０６が熱収縮すると、合い口部１０８の特に周方
向の密着度が悪化し易く、この合い口部１０８からのヘ
リウムガスの漏れ量が増加して冷却ステージの温度上昇
を招く問題があった。

【０００７】そこで、このような問題を解決するため
に、最近、前記環状溝１０５内に軸方向に２段積み重ね
状態に樹脂系の材料で形成された有端形の第１、第２の
シールリングを装着するとともに、上記第１、第２のシ
ールリングの内側に樹脂系の材料で形成された有端形の
第３のシールリングを装着し、さらに上記第３のシール
リングの内側に上記第３のシールリングを介して上記第
１、第２のシールリングをシリンダの内周面に押し付け
る有端形のコイルばねリングを装着してなるシール装置
が提案された。

【０００８】このシール装置では３つのシールリングを
前記のような関係に配置しているので、各シールリング
の切れ目を周方向に、たとえば１２０度離すとともに環
状溝内で各シールリングが軸方向に移動しない寸法関係
を選択しておけば、たとえ熱収縮で各シールリングの切
れ目の幅が変化した場合でも、各切れ目を各シールリン
グで完全に塞ぐことができ、あたかも切れ目の無いシー
ルリングを使用しているような形態となる。

【０００９】しかしながら、上記のように構成されたシ
ール装置にあっても、実際に極低温冷凍機に組込むと、
シールリングが軸方向に熱収縮し、これが原因してシー
ルリングと環状溝の側壁との間に隙間ができ、漏れ量を
ある程度以下に減らすことができない。このため、冷凍
能力の向上が抑えられてしまう問題があった。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】このように従来の無潤
滑タイプのシール装置では、たとえば極低温下において
使用すると、シールリングの軸方向への熱収縮が原因し
て良好なシール性能が得られない問題があった。

【００１１】そこで本発明は、構造の複雑化を招くこと
なく、しかも極低温下で使用した場合でも良好なシール
性能を発揮するシール装置を提供することを目的として
いる。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の第１の発明に係るシール装置では、ピスト
ンの外周面に形成された環状溝と、それぞれが樹脂系の
材料で形成されて前記環状溝内に軸方向に２段積み重ね
状態に装着された有端形の第１，第２のシールリング
と、前記ピストンを構成している材料の熱収縮率に近い
熱収縮率の材料で形成されて前記第１，第２のシールリ
ングの内側に装着された有端形の第３のシールリング
と、この第３のシールリングの内側に装着されて上記第
３のシールリングを介して前記第１，第２のシールリン
グをシリンダの内周面に押し付ける有端形のコイルばね
リングとを備えている。

【００１３】また、本発明の第２の発明に係るシール装
置では、ピストンの外周面に形成された環状溝と、それ
ぞれが樹脂系の材料で形成されて前記環状溝内に軸方向
に２段積み重ね状態に装着された有端形の第１，第２の
シールリングと、これら第１，第２のシールリングの内
側に装着されるとともに軸心線に対して傾斜させたテー
パ状の内周面を持つ有端形の第３のシールリングと、帯
状の金属板を螺旋状に巻回して形成されるとともに前記
第３のシールリングの内側に装着されて上記第３のシー
ルリングを介して前記第１，第２のシールリングをシリ
ンダの内周面に押し付ける有端形のコイルばねリングと
を備えている。

【００１４】

【作用】第１の発明に係るシール装置では、第３のシー
ルリングがピストンを構成している材料の熱収縮率に近
い熱収縮率の材料で形成されている。たとえば、ピスト
ンがベークライト（商品名）等のフェノール樹脂で形成
されているときには、フェノール樹脂の熱収縮率に近い
熱収縮率の材料、たとえばポリクロロトリフルオロエチ
レンで形成された第３のシールリングが組込まれる。し
たがって、極低温下においても第３のシールリングと環
状溝の側壁との間の隙間の拡がりは、僅かな量に抑えら
れる。このため、極低温下において使用してもシール装
置を介しての漏れ量を少なくできる。

【００１５】また、第２の発明に係るシール装置では、
第３のシールリングの内周面が軸心線に対して傾斜した
テーパ面に形成されている。したがって、コイルばねリ
ングから与えられた押し付け力は、第３のシールリング
を介して第１、第２のシールリングをシリンダの内面に
押し付ける力と、第３のシールリングを環状溝の一方の
側壁内面へ押し付ける力とに分かれる。

【００１６】すなわち、第３のシールリングの内面と軸
心線となす角度をθ度、コイルばねリングの押し付け力
をＦ、第３のシールリングと第１、第２のシールリング
との間の摩擦係数をμとすると、第１、第２のシールリ
ングをシリンダ内面へ押し付けようとする摩擦力はμＦ
cos θとなり、第３のシールリングを環状溝の一方の側
壁内面への押し付け力はＦsin θとなる。したがって、 μＦcos θ＜Ｆsin θ …（１） θ＞arctanμ …（２） の関係を満たすようにθを設定しておくと、極低温下に
おいて第３のシールリングが軸方向に熱収縮しても、こ
の第３のシールリングを環状溝の一方の側壁内面へ常に
押し付けることができるので、隙間の発生を防止でき、
漏れ量を少なくできる。なお、シールリングを四弗化エ
チレンで形成した場合、この材料の摩擦係数μは０．２
程度であるので、θは１５度以上となる。

【００１７】

【実施例】以下、図面を参照しながら実施例を説明す
る。図１には本発明の第１の実施例に係るシール装置を
組み込んだギホード・マクマホン形冷凍機が示されてい
る。

【００１８】この冷凍機は、大きく別けて、コールドヘ
ッド１と、冷媒ガス導排出系２とで構成されている。コ
ールドヘッド１は、閉じられたシリンダ１１と、このシ
リンダ１１内に往復動自在に収容されたピストン、すな
わちディスプレーサ１２と、このディスプレーサ１２に
対して往復動に必要な動力を与えるモータ１３とで構成
されている。

【００１９】シリンダ１１は、大径の第１シリンダ１４
と、この第１シリンダ１４に同軸的に接続された小径の
第２シリンダ１５とで構成されている。そして、第１シ
リンダ１４と第２シリンダ１５との境界壁部分で第１段
冷却ステージ１６が構成され、また第２シリンダ１５の
先端壁部分で第１段冷却ステージ１６より低温の第２段
冷却ステージ１７が構成されている。

【００２０】第１シリンダ１４および第２シリンダ１５
は、ステンレス鋼系の材料で形成されている。この実施
例の場合、第１および第２シリンダ１４，１５の内周面
で、後述するシール装置２５，２６のシールリングに摺
接する部分にはイオン窒化処理が施されており、また上
記摺接する部分は面精度が３．２μｍ以下に仕上げられ
ている。

【００２１】ディスプレーサ１２は、第１シリンダ１４
内を往復動する第１ディスプレーサ１８と、第２シリン
ダ１５内を往復動する第２ディスプレーサ１９とで構成
されている。これら第１、第２ディスプレーサ１８，１
９は、それぞれ商品名ベークライトで代表されるフェノ
ール樹脂で形成されている。そして、第１ディスプレー
サ１８と第２ディスプレーサ１９とは、連結機構２０に
よって軸方向に連結されている。第１ディスプレーサ１
８の内部には、軸方向に延びる流体通路２１が形成され
ており、この流体通路２１には銅メッシュ等で形成され
た蓄冷材２２が収容されている。同様に、第２ディスプ
レーサ１９の内部にも軸方向に延びる流体通路２３が形
成されており、この流体通路２３には鉛の球などで形成
された蓄冷材２４が収容されている。

【００２２】第１ディスプレーサ１８の外周面と第１シ
リンダ１４の内周面との間および第２ディスプレーサ１
９の外周面と第２シリンダ１５の内周面との間には、そ
れぞれシール装置２５、２６が装着されている。

【００２３】シール装置２５、２６は、たとえばシール
装置２６を代表して示すと、図２から図５に示すように
構成されている。すなわち、シール装置２６は、第２デ
ィスプレーサ１９の外周面に形成された環状溝２７と、
この環状溝２７内に軸方向に２段構成に、かつ外周面を
第２シリンダ１５の内周面に接触させて装着された有端
形のアウターシールリング２８，２９と、このアウター
シールリング２８，２９の内側に装着された有端形のイ
ンナーシールリング３０と、このインナーシールリング
３０の内側に装着されてインナーシールリング３０を介
してアウターシールリング２８、２９を第２シリンダ１
５の内周面へ押付ける有端形のコイルばねリング３１と
で構成されている。

【００２４】アウターシールリング２８，２９は四弗化
エチレンにポリイミド樹脂を添加した材料で形成されて
いる。またインナーシールリング３０は第２ディスプレ
ーサ１９を構成しているフェノール樹脂の熱収縮率に近
い熱収縮率を有した材料であるポリクロロトリフルオロ
エチレンで形成されている。アウターシールリング２
８，２９およびインナーシールリング３０は、外周面、
内周面および軸方向の両端面の面精度が３０μｍ以下に
仕上げられている。アウターシールリング２８，２９
は、軸方向の厚みがそれぞれ等しく、半径方向の厚みも
それぞれ等しく形成されている。インナーシールリング
３０は、アウターシールリング２８，２９の軸方向の厚
みの和と等しい軸方向の厚みに形成されている。そし
て、インナーシールリング３０の軸方向の厚みは、常温
下において、環状溝２７の軸方向の幅に対して、±50μ
ｍの寸法精度に設定されている。上記のように形成され
たアウターシールリング２８，２９およびインナーシー
ルリング３０は、図５に示すように、両端間に僅かの距
離Ｒの切れ目３２（３３，３４）を設けた状態で、かつ
各切れ目３２，３３，３４が図２に示すように周方向に
ほぼ120 度離れるようにして環状溝２７内に装着されて
いる。

【００２５】コイルばねリング３１は、図４に示すよう
に、ステンレス鋼製の薄い帯状部材３５を螺旋状に巻回
して形成されている。このコイルばねリング３１は、５
〜６０kgf/cm² の力でインナーシールリング３０を介し
てアウターシールリング２８，２９をシリンダの内周面
に押付けている。

【００２６】第１ディスプレーサ１８の図中上端は、連
結ロッド３６、スコッチヨークあるいはクランク軸３７
を介してモータ１３の回転軸に連結されている。したが
って、モータ１３の回転軸が回転すると、この回転に同
期してディスプレーサ１２が図中実線矢印３８で示すよ
うに往復動する。

【００２７】第１シリンダ１４の側壁上部には冷媒ガス
の導入口３９と排出口４０とが設けてあり、これら導入
口３９と排出口４０は冷媒ガス導排出系２に接続されて
いる。 冷媒ガス導排出系２は、シリンダ１１を経由す
るヘリウムガス循環系を構成するもので、排出口４０を
低圧弁４１、圧縮機４２、高圧弁４３を介して導入口３
９に接続したものとなっている。すなわち、この冷媒ガ
ス導排出系２は、低圧（約５atm ）のヘリウムガスを圧
縮機４２で高圧（約１８atm ）に圧縮してシリンダ１１
内に送り込む。そして、低圧弁４１、高圧弁４３はディ
スプレーサ１２の往復動との関連において後述する関係
に開閉制御される。このように構成された冷凍機の動作
を説明する。

【００２８】この冷凍機において、寒冷を発生する部
分、つまり冷却面に供される部分は第１段冷却ステージ
１６と第２段冷却ステージ１７とである。これらは熱負
荷のない場合にそれぞれ30K 、8K程度まで冷える。この
ため、第１ディスプレーサ１８の図中上下端間には常温
（300K）から30K までの温度勾配がつき、また第２ディ
スプレーサ１９の図中上下端間には30K から8Kまでの温
度勾配がつく。ただし、この温度は各段冷却ステージの
熱負荷によって変化し、通常、第１段冷却ステージ１６
では30〜80K 、第２段冷却ステージ１７では8 〜20K の
間となる。

【００２９】モータ１３が回転を開始すると、ディスプ
レーサ１２が下死点と上死点との間を往復動する。ディ
スプレーサ１２が下死点にあるとき、高圧弁４３が開い
て高圧ヘリウムガスがコールドヘッド１内に流入する。
次に、ディスプレーサ１２が上死点へと移動する。前述
の如く、第１ディスプレーサ１８の外周面と第１シリン
ダ１４の内周面との間および第２ディスプレーサ１９の
外周面と第２シリンダ１５の内周面との間にはそれぞれ
シール装置２５、２６が装着されている。このため、デ
ィスプレーサ１２が上死点へと向かうと、高圧ヘリウム
ガスは第１ディスプレーサ１８に形成された流体通路２
１および第２ディスプレーサ１９に形成された流体通路
２３を通って、第１ディスプレーサ１８と第２ディスプ
レーサ１９との間に形成された１段膨張室４４および第
２ディスプレーサ１９と第２シリンダ１５の先端壁との
間に形成された２段膨張室４５へと流れる。この流れに
伴って、高圧ヘリウムガスは蓄冷材２２、２４によって
冷却され、結局、１段膨張室４４に流れ込んだ高圧ヘリ
ウムガスは30K 程度に、また２段膨張室４５に流れ込ん
だ高圧ヘリウムガスは8K程度に冷却される。

【００３０】ここで、高圧弁４３が閉じ、低圧弁４１が
開く。このように低圧弁４１が開くと、１段膨張室４４
内および２段膨張室４５内の高圧ヘリウムガスが膨張し
て寒冷を発生し、第１段冷却ステージ１６および第２段
冷却ステージ１７が吸熱する。そして、ディスプレーサ
１２が再び下死点へ移動すると、これに伴って１段膨張
室４４内および２段膨張室４５内のヘリウムガスが排除
される。膨張したヘリウムガスは流体通路２１、２３内
を通る間に蓄冷材２２、２４を冷却し、常温となって排
出される。以下、上述したサイクルが繰返されて冷凍運
転が行なわれる。

【００３１】このタイプの冷凍機では、到達最低温度お
よび冷凍効率がシール装置２５、２６のシール性能によ
って大きく左右される。今、１段膨張室４４内の温度が
30K、２段膨張室４５内の温度が10K である場合を例に
とると、シール装置２６の部分で漏れが生じると、30K
のヘリウムガスが第２ディスプレーサ１９内の蓄冷材２
４に接触することなく２段膨張室４５内に入り、また逆
に10K のヘリウムガスが１段膨張室４４内に入ることに
なる。この結果、第１段冷却ステージ１６の温度が下降
し、第２段冷却ステージ１７の温度が上昇してしまうこ
とになる。

【００３２】図６にはシール装置２６でのヘリウムガス
の漏れ量割合（２段膨張室４５へ流れ込むヘリウムガス
の総量に対するシール装置２６を通して流れ込むヘリウ
ムガスの割合）と各段冷却ステージの温度との関係を計
算で求めた結果が示されている。この図から判かるよう
に、シール装置２６の部分での漏れが各段冷却ステージ
の温度に大きい影響を与える。これはシール装置２６に
限らず、シール装置２５にも言えることである。

【００３３】しかし、本実施例の構造のシール装置２
５，２６が組込まれていると、漏れ量を大幅に減少させ
ることできる。シール装置２５、２６は、前述の如く、
アウターシールリング２８，２９およびインナーシール
リング３０からなる３個のシールリングを用いているの
で、その切れ目３２，３３，３４も合計３個となる。し
かし、これらの切れ目３２，３３，３４の位置を周方向
にずらすことによって、実質的に切れ目がなく、しかも
シリンダの内周面に押付け可能な１つのシールリングを
装着したと等価な形態が形成される。このシールリング
は、帯状部材３５を螺旋状に巻回して形成されたコイル
ばねリング３１の復元力で周方向の各部が一様な力でシ
リンダ内面へ押付けられる。

【００３４】そして、特にこの実施例では、ディスプレ
ーザ１２を構成しているフェノール樹脂の熱収縮率に近
い熱収縮率を有したポリクロロトリフルオロエチレンで
インナーシールリング３０を形成し、しかもこのインナ
ーシールリング３０の軸方向の厚みを常温下において、
環状溝２７の軸方向の幅に対して±50μｍの寸法精度に
設定している。したがって、8K程度の極低温下において
もインナーシールリング３０の軸方向両端面と環状溝２
７の側壁内面との間の隙間の拡がりは十分小さく、この
結果、漏れ量を十分少なくできる。

【００３５】図７にフェノール樹脂および各種樹脂系材
料の熱収縮率を示す。この図から判るように、25K の極
低温において、フェノール樹脂の熱収縮率を１とする
と、四弗化エチレンの熱収縮率は２．８倍、ポリクロロ
トリフルオロエチレンの熱収縮率は１．４倍を示す。し
たがって、ディスプレーサ１２をフェノール樹脂で形成
するとともにインナーシールリング３０を四弗化エチレ
ンで形成した場合に比べて、本実施例のようにディスプ
レーサ１２をフェノール樹脂で形成するとともにインナ
ーシールリング３０をポリクロロトリフルオロエチレン
で形成した場合には極低温下において生じる隙間の大き
さを１／５程度に減少させることができる。したがっ
て、シール装置２５，２６での漏れ量を大幅に少なくで
きる。

【００３６】なお、図８には、アウターシールリング２
８，２９およびインナーシールリング３０をシリンダの
内周面に押付けるばねリングとして、本実施例のように
帯状部材３５を螺旋状に巻回して形成されたコイルばね
リング３１を組込んだ場合Ｒ₁ と、線状部材を螺旋状に
巻回して形成されたコイルばねリングを組込んだ場合Ｒ
₂ と、従来装置のようなばねリングを組込んだ場合Ｒ₃
との漏れ量の比較が示されている。これは３つのシール
リングの面精度条件、装着条件およびシリンダの面精度
条件を等しくして常温下で測定されたものである。この
図から判るように、帯状部材３５を螺旋状に巻回して形
成されたコイルばねリング３１を組込んだ場合Ｒ₁ は、
漏れ量が際だって少ない。これは、実際にインナーシー
ルリング３０の内周面に接触する部分の面積が広いこ
と、コイル部分の変形に伴う反力のほとんどがシリンダ
の軸心線と直交する方向に向いていることなどによって
シールリングの軸方向各部および周方向各部を均一に押
圧できることによる。したがって、コイルばねリング３
１の存在も漏れ量の減少に大きく寄与している。

【００３７】図９には、図１６に示すシール装置を組込
んだ従来の冷凍機と図３に示すシール装置２５（２６）
を組込んだ冷凍機との冷凍曲線が示されている。横軸は
第２段冷却ステージ１７の温度(K) を示し、縦軸は第２
段冷却ステージ１７に加えた熱負荷(W) を示している。
この図から判かるように、同じ温度で冷凍し得る能力は
本実施例のシール装置２５（２６）を組込んだ冷凍機の
方が大きい。したがって、上記構成のシール装置２５
（２６）を組込むことによって冷凍能力を向上させ得る
ことが理解される。

【００３８】また、本実施例では、ポリイミド樹脂を添
加した四弗化エチレン樹脂でアウターシールリング２
８，２９を形成している。ポリイミド樹脂の添加は耐摩
耗性の向上に極めて有効で、運転経過時間とともにシー
ル装置２５（２６）での漏れ量が急速に増加するような
ことはない。図１０にはポリイミド樹脂を添加した四弗
化エチレンで形成されたシールリングを用いた場合Ｓ₁
と、カーボンの添加された四弗化エチレンで形成された
シールリングを用いた場合Ｓ₂ と、四弗化エチレンのみ
で形成されたシールリングを用いた場合Ｓ₃ との運転経
過時間に対する漏れ量の増加割合が示されている。この
図から判るように、ポリイミド樹脂添加の四弗化エチレ
ンで形成されたシールリングを用いた場合Ｓ₁ において
は、運転経過時間に対す漏れ量の変化割合がきわめて小
さい。これはポリイミド樹脂の添加によって耐摩耗性が
向上したことによる。

【００３９】また、本実施例では、ステンレス鋼で形成
された第１シリンダ１４および第２シリンダ１５の内周
面で、シール装置２５（２６）を構成しているアウター
シールリング２８，２９と接触する部分にイオン窒化処
理を施し、しかもその面制度が３．２μｍ以下になるよ
うに仕上げている。このイオン窒化処理層の存在は、ア
ウターシールリング２８，２９の耐摩耗性向上に寄与す
る。

【００４０】図１１には、ステンレス鋼製シリンダの内
周面にセラミックコーティング層の設けられたものを用
いた場合Ｔ₁ と、ステンレス鋼製シリンダの内周面にイ
オン窒化処理を施したものを用いた場合Ｔ₂ と、ステン
レス鋼のみで形成されたシリンダを用いた場合Ｔ₃ との
運転経過時間に対する漏れ量の増加割合が示されてい
る。この図から判るように、セラミックコーティング層
の設けられたシリンダを用いた場合Ｔ₁ およびイオン窒
化処理の施されたシリンダを用いた場合Ｔ₂ には、漏れ
量の増加割合がきわめて小さい。これは、セラミックコ
ーティング層やイオン窒化処理層がシールリングの摩耗
抑制に寄与していることによる。

【００４１】また、本実施例では、シール装置２５（２
６）を構成しているアウターシールリング２８，２９お
よびインナーシールリング３０の外周面、内周面および
軸方向両端面の面精度を３０μｍ以下に仕上げており、
しかも第１シリンダ１４および第２シリンダ１５の上記
アウターシールリング２８，２９に接触する部分の面精
度を３．２μｍ以下に仕上げている。したがって、これ
らの関係によっても、運転中にアウターシールリング２
８，２９とシリンダ内周面との間、アウターシールリン
グ２８，２９およびインナーシールリング３０の両端面
と環状溝２７の端面との間からの漏れ量を十分少なくで
きる。

【００４２】また、上記実施例ではインナーシールリン
グ３０をポリクロロトリフルオロエチレンで形成してい
るが、図７から判るように、ディスプレーサ１２をフェ
ノール樹脂で形成するときには、インナーシールリング
３０をポリメチルメタクリレイト、ステンレス、チタン
等で形成すると同様の効果を得ることができる。このと
きステンレス等の金属材料でインナーシールリング３０
を形成するときには取付け易くするために２つ割のリン
グにすることが望ましい。

【００４３】図１２には本発明の第２の実施例に係るシ
ール装置５１が局部的に示されている。このシール装置
５１も第１の実施例と同様にギホード・マクマホン形冷
凍機に組み込まれている。そして、この図では図３と同
一部分が同一符号で示されている。

【００４４】シール装置５１は、第２ディスプレーサ１
９の外周面に形成された環状溝２７と、この環状溝２７
内に軸方向に２段構成に、かつ外周面を第２シリンダ１
５の内周面に接触させて装着された有端形のアウターシ
ールリング２８，２９と、このアウターシールリング２
８，２９の内側に装着された有端形のインナーシールリ
ング３０ａと、このインナーシールリング３０ａの内側
に装着されてインナーシールリング３０ａを介してアウ
ターシールリング２８、２９を第２シリンダ１５の内周
面へ押付ける有端形のコイルばねリング３１とで構成さ
れている。

【００４５】アウターシールリング２８，２９およびイ
ンナーシールリング３０ａは四弗化エチレンにポリイミ
ド樹脂を添加した材料で形成されている。アウターシー
ルリング２８，２９およびインナーシールリング３０ａ
は、外周面、内周面および軸方向の両端面の面精度が３
０μｍ以下に仕上げられている。アウターシールリング
２８，２９は、軸方向の厚みがそれぞれ等しく、半径方
向の厚みもそれぞれ等しく形成されている。

【００４６】アウターシールリング２８，２９の軸方向
の厚みの和の厚みは、環状溝２７の軸方向の幅に対し
て、±50μｍの寸法精度に設定されている。インナーシ
ールリング３０ａは、アウターシールリング２８，２９
の軸方向の厚みの和と等しい軸方向の厚みに形成されて
いる。このインナーシールリング３０ａも軸方向の厚み
は環状溝２７の軸方向の幅に対して、±50μｍの寸法精
度に設定されている。また、このインナーシールリング
３０ａの内面３０ｂは、図１３に示すように軸心線に対
してθ＝１５度以上傾斜したテーパ面に形成されてい
る。

【００４７】上記のように形成されたアウターシールリ
ング２８，２９およびインナーシールリング３０ａは、
図６に示したように、両端間に僅かの距離Ｒの切れ目３
２（３３，３４）を設けた状態で、かつ各切れ目３２，
３３，３４が図２に示したように周方向にほぼ120 度離
れるようにして環状溝２７内に装着されている。

【００４８】このようにインナーシールリング３０ａの
内面３０ｂがテーパ面に形成されていると、コイルばね
リング３１から与えられた押し付け力は、インナーシー
ルリング３０ａを介してアウターシールリング２８，２
９を第２シリンダ１５へ押し付けようとする力と、イン
ナーシールリング３０ａを環状溝２７の側壁内面、図１
２の例では環状溝２７の上側側壁内面へ押し付けようと
する力とに分かれる。したがって、インナーシールリン
グ３０ａとアウターシールリング２８，２９との間の摩
擦係数をμとしたとき、前述した（１）式を満すように
内面３０ｂの傾斜角を設定しておきさえすれば、たとえ
極低温下においてインナーシールリング３０ａが軸方向
に熱収縮した場合であっても、インナーシールリング３
０ａを環状溝２７の図中上側側壁内面に押し付けること
ができ、ガス漏れ通路を完全に閉塞することができる。
このため、上記構成のシール装置５１を組込むことによ
って冷凍能力を向上させ得ることができる。この場合、
帯状部材を螺旋状に巻回して形成されたコイルばねリン
グ３１は、インナーシールリング３０ａの各部（周方
向、軸方向）に対してシリンダ内周面方向の押付け力と
環状溝２７の側壁内面への押し付け力をバランスよく与
える。

【００４９】また、上述した２つの実施例では第１およ
び第２シリンダ１４，１５の内周面にイオン窒化処理を
施しているが、ガス漏れの影響が大きいシール装置側、
つまり第２シリンダ１５だけにイオン窒化処理を施すよ
うにしてもよい。そして、シリンダ構成材料もステンレ
ス鋼に限らず、チタン系の材料を用い、これにイオン窒
化処理を施したりセラミックでコーティングしたりした
ものを使用してもよい。また、本発明に係るシール装置
は、極低温冷凍機に限らず、無潤滑が要求される類似し
た装置全般に適用できることは勿論である。

【００５０】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
簡単な構成であるにも拘らず、広い温度範囲に亘って良
好なシール性能を発揮させることができる。特に極低温
下といった特殊条件下においても良好なシール性能を発
揮させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例に係るシール装置を組込
んだギホード・マクマホン形冷凍機の概略縦断面図。

【図２】同冷凍機を図１におけるＣ−Ｃ線に沿って切断
し矢印方向に見た図。

【図３】図２におけるＤ−Ｄ線に沿って切断し矢印方向
に見た図。

【図４】シール装置に組込まれたコイルばねリングを局
部的に取出して示す平面図。

【図５】シール装置に組込まれたシールリングの端部を
取出して示す側面図。

【図６】シール装置に漏れが存在しているときに起こる
各冷却ステージの温度変化の計算例を示す図。

【図７】各種材料の熱収縮率を示す図。

【図８】シール装置に各種ばねリングを組込んだときの
押圧力と漏れ量との関係を示す図。

【図９】本発明に係るシール装置を組込んだ冷凍機と従
来のシール装置を組込んだ冷凍機との冷凍能力特性を比
較して示す図。

【図１０】シール装置に各種シールリングを組込んだと
きの運転経過時間と漏れ量との関係を示す図。

【図１１】シリンダの内面処理とシール装置での漏れ量
との関係を示す図。

【図１２】本発明の第２の実施例に係るシール装置を局
部的に取り出して示す断面図。

【図１３】同装置に組込まれたシールリングの断面図。

【図１４】従来のシリンダとピストンとの間に装着され
るシール装置を示す図。

【図１５】図１４におけるＡ−Ａ線に沿って切断し矢印
方向に見た図。

【図１６】図１５におけるＢ−Ｂ線に沿って切断し矢印
方向に見た図。

【図１７】従来のシール装置に組込まれたシールリング
の端部を取出して示す断面図。

【符号の説明】

１…コールドヘッド、 ２…冷媒ガス導
排出系、１１…シリンダ、 １２…
ディスプレーサ、１３…モータ、
１４…第１シリンダ、１５…第２シリンダ、
１６…第１段冷却ステージ、１７…第２段冷却
ステージ、 １８…第１ディスプレーサ、１９
…第２ディスプレーサ、 ２２，２４…蓄冷
材、２５，２６…シール装置、 ２７…環状
溝、２８，２９…アウターシールリング、３０，３０ａ
…インナーシールリング、３０ｂ…内面、
３１…コイルばねリング、３２，３３，３４
…切れ目、 ３５…帯状部材、４４…１段膨張
室、 ４５…２段膨張室、５１…シー
ル装置。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】シリンダとピストンとの間に存在する隙間
   を潤滑油を使用せずにシールするためのものであって、
   前記ピストンの外周面に形成された環状溝と、それぞれ
   が樹脂系の材料で形成されて前記環状溝内に軸方向に２
   段積み重ね状態に装着された有端形の第１，第２のシー
   ルリングと、前記ピストンを構成している材料の熱収縮
   率に近い熱収縮率の材料で形成されて前記第１，第２の
   シールリングの内側に装着された有端形の第３のシール
   リングと、この第３のシールリングの内側に装着されて
   上記第３のシールリングを介して前記第１，第２のシー
   ルリングを前記シリンダの内周面に押し付ける有端形の
   コイルばねリングとを具備してなることを特徴とするシ
   ール装置。
2. 【請求項２】前記ピストンはフェノール樹脂で形成され
   ており、前記第３のシールリングはポリクロロトリフル
   オロエチレンまたはポリメチルメタクリレイトで形成さ
   れているかあるいは２つ割り構成のステンレスリングま
   たはチタンリングで形成されていることを特徴とする請
   求項１または２に記載のシール装置。
3. 【請求項３】シリンダとピストンとの間に存在する隙間
   を潤滑油を使用せずにシールするためのものであって、
   前記ピストンの外周面に形成された環状溝と、それぞれ
   が樹脂系の材料で形成されて前記環状溝内に軸方向に２
   段積み重ね状態に装着された有端形の第１，第２のシー
   ルリングと、これら第１，第２のシールリングの内側に
   装着されるとともに軸心線に対して傾斜させたテーパ状
   の内周面を持つ有端形の第３のシールリングと、帯状の
   金属板を螺旋状に巻回して形成されるとともに前記第３
   のシールリングの内側に装着されて上記第３のシールリ
   ングを介して前記第１，第２のシールリングを前記シリ
   ンダの内周面に押し付ける有端形のコイルばねリングと
   を具備してなることを特徴とするシール装置。
4. 【請求項４】前記内周面の前記軸心線に対する傾斜角θ
   は、前記コイルばねリングの押し付け力をＦ、前記第３
   のシールリングと前記第１、第２のシールリングとの間
   の摩擦係数をμとしたとき、μＦcos θ＜Ｆsin θを満
   す関係に設定されていることを特徴とする請求項３に記
   載のシール装置。