JPH0719638A - 蓄冷式冷凍機のシール装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 とくに蓄冷式の冷凍機において、シリンダ
ー２３の内壁面とディスプレーサー２５との間のシール
機能を向上させることにより、極低温におけるシール機
能の信頼性を向上させることが可能な蓄冷式冷凍機のシ
ール装置２１を提供すること。 【構成】 シール部材を有端型から無端型に変更する
とともにこれをシリンダー２３側に取り付けることに着
目したもので、シリンダー２３の内壁面とディスプレー
サー２５との間を無潤滑でシールする蓄冷式冷凍機のシ
ール装置であり、シリンダー２３に形成したシール取付
け溝３８に設けた無端型シール４１と、無端型シール４
１をディスプレーサー２５のディスプレーサーシール面
２５Ａおよびシール取付け溝３８のシリンダーシール面
３８Ａに押し付けるバネリング４４と、を有することを
特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は蓄冷式冷凍機のシール装
置にかかるもので、とくに無端型シールを用いることに
よりシール機能の信頼性を向上可能な蓄冷式冷凍機のシ
ール装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、ギフォード・マクマホン冷凍機
（ＧＭ冷凍機）などの蓄冷式の冷凍機においては、二段
以上多段に冷却ステージを有するものがあるが、この二
段目以下の冷却ステージの冷凍性能は、その二段目以下
のディスプレーサーの低温下におけるシール機能の良否
により大きく左右される。

【０００３】また、ヘリウムガスなどの冷媒の汚染ある
いは潤滑油の凍結を回避するために、当該冷凍機などに
おけるシール構造は、これを無潤滑で行うことが必要で
ある。

【０００４】従来からこうしたシール機能を向上させる
ために各種の機構が工夫されているが、そのいずれもが
いわゆる有端型のシール材を用いたものであった。以
下、概説する。

【０００５】図３は、ＧＭ冷凍機など従来の蓄冷式冷凍
機１のシリンダー２およびディスプレーサー３部分の要
部側面図であって、シリンダー２内をディスプレーサー
３が上下往復動するようになっている。ディスプレーサ
ー３内には蓄冷材３Ａを収容してある。

【０００６】シリンダー２とディスプレーサー３との間
にシール装置４を設ける。このシール装置４は、ディス
プレーサー３の外周面に形成した環状溝によるディスプ
レーサー溝５内に、有端型シールによるシールリング６
（図４）および有端型張り出しリングによるテンション
リング７（図５）を設けることにより、これを構成す
る。

【０００７】なお図４および図５に斜視図で示すよう
に、シールリング６およびテンションリング７はとも
に、その円周の一部（端部６Ａおよび端部７Ａ）が切れ
た、いわゆる有端型のシール部材である。

【０００８】このテンションリング７により、シールリ
ング６をシリンダー２の内壁面に押し付けることによっ
てシール機能を得る。

【０００９】また同時に、ディスプレーサー３が上下動
を行っている状態において、とくに図６に拡大して示す
ように、ディスプレーサー３がたとえば上方に移動して
いる場合には、シールリング６が摩擦によりディスプレ
ーサー溝５の下側面５Ａに押し付けられ、ディスプレー
サー３が下方に移送している場合には、シールリング６
はディスプレーサー溝５の上側面５Ｂに押し付けられる
ことにより、側面のシール性を保持していた。

【００１０】ただし、ディスプレーサー３の上下動がな
い状態では、ディスプレーサー溝５の上側面および下側
面におけるシール性は低下する。

【００１１】すなわち、シールリング６をシリンダー２
の内壁面に押し付ける状態でシール機能を発揮させよう
とするため、シールリング６およびテンションリング７
がディスプレーサー溝５の内部を上下動することにな
り、シールリング６およびテンションリング７とディス
プレーサー溝５の内壁面との間の空隙部から同じく洩れ
が発生することが避けられないという問題がある。

【００１２】さらに、こうしたシール装置４において
は、既述のように、シールリング６およびテンションリ
ング７が有端型であるため、この端部６Ａおよび７Ａの
部分から冷媒が洩れる可能性があるという問題がある。

【００１３】なお図７は、特開平４−３２０７６６号に
よるシール装置のシール性向上を図るための改良構造の
シール装置８を示す要部拡大断面図であり、シールリン
グ６に相当するアウターシールリング９および１０と、
インナーシールリング１１とを、テンションリング７に
代わるコイルバネリング１２によってシリンダー２の内
壁面に押し付けるようにするとともに、多層化を図って
シール機能の向上を図っている。なお、ディスプレーサ
ー溝５内の上下側面とのシールは、図３のシール装置４
と同様である。

【００１４】このシール装置８においても、アウターシ
ールリング９、アウターシールリング１０、およびイン
ナーシールリング１１が有端型のシール材を用いたもの
であるため、シール装置４の場合と同様に、シール端部
からの冷媒洩れは避けられない。

【００１５】また、アウターシールリング９およびアウ
ターシールリング１０と、ディスプレーサー溝５の上側
面５Ａおよび下側面５Ｂとの間からの冷媒洩れなど、シ
ール機能もディスプレーサー３の上下動にしたがって変
動する不安定さを有している。

【００１６】なお図８は、実開平３−３７３６７号によ
るシール装置１３の要部拡大断面図であって、このシー
ル装置１３では一体形の（無端型）のシール部材（シー
ルリング）を用いている。すなわち、蓄冷材を収容した
ディスプレーサー３の外周に小径部１４と大径部１５と
を形成し、この段部に無端型のシールリング１６を配置
するとともに、シールリング１６の上部にシール固定ス
リーブ１７を設けている。

【００１７】なお、シールリング１６は、耐摩耗材１６
Ａおよび弾性体１６Ｂからこれを構成してある。

【００１８】このシール装置１３においては、無端型の
シールリング１６を採用しているため、図３のシール装
置４および図７のシール装置８のような既述の問題は回
避可能であるが、ディスプレーサー３の外周に小径部１
４および大径部１５を形成するために、その機械的強
度、および蓄冷材を収容するための容積を犠牲にせざる
を得ないとともに、冷媒の流れにもその均一性を期待す
ることは困難であるという問題がある。

【００１９】こうした機械的強度および冷媒の流れの均
一性の問題について、図９に一例を上げて概説する。図
９はディスプレーサー３部分の要部拡大断面図であっ
て、ディスプレーサー３の外周にディスプレーサー溝５
を形成した結果、その機械的強度を補強するために、デ
ィスプレーサー３の上部を厚肉部３Ｂとするとともに、
ディスプレーサー溝５から下部を薄肉部３Ｃとしたもの
である。

【００２０】しかしながら、この厚肉部３Ｂと薄肉部３
Ｃとの間に段部１８が形成される結果、ディスプレーサ
ー３内において冷媒が均一に流れるとは限らない。

【００２１】また、厚肉部３Ｂを薄肉部３Ｃと同じく薄
肉に形成すれば、ディスプレーサー３のディスプレーサ
ー溝５部分における機械的強度が損なわれるとともに、
冷媒の均一な流れは余計阻害されてしまう。

【００２２】反対に、薄肉部３Ｃを厚肉部３Ｂと同じ厚
肉にすれば、冷媒の流れの均一性は確保することができ
る反面、ディスプレーサー３内における蓄冷材３Ａの収
容容積が減少してしまうという問題がある。

【００２３】

【発明が解決しようとする課題】本発明は以上のような
諸問題にかんがみなされたもので、とくに蓄冷式の冷凍
機において、シリンダーの内壁面とディスプレーサーと
の間のシール機能を向上させることにより、とくに極低
温におけるシール機能の信頼性を向上させることが可能
であるとともに、ディスプレーサーの蓄冷材収容用の容
積もこれを犠牲にすることがない蓄冷式冷凍機のシール
装置を提供することを課題とする。

【００２４】

【課題を解決するための手段】すなわち本発明は、シー
ル部材を有端型から無端型に変更するとともにこれをシ
リンダー側に取り付けることに着目したもので、シリン
ダーと、このシリンダー内を往復動するディスプレーサ
ーと、このディスプレーサー内に収容した蓄冷材とを有
するとともに、上記シリンダーの内壁面と上記ディスプ
レーサーとの間を無潤滑でシールする蓄冷式冷凍機のシ
ール装置であって、上記シリンダーに形成したシール取
付け溝に設けた無端型シールと、この無端型シールを、
上記ディスプレーサーのディスプレーサーシール面およ
び上記シール取付け溝のシリンダーシール面に押し付け
るバネリングと、を有することを特徴とする蓄冷式冷凍
機のシール装置である。

【００２５】なお、上記無端型シールを両側に押し開く
ことにより、この無端型シールを、上記ディスプレーサ
ーのディスプレーサーシール面および上記シール取付け
溝のシリンダーシール面に押し付けることができる。

【００２６】また、上記無端型シールは、これを断面Ｕ
字状とすることができる。

【００２７】また、上記無端型シールの断面Ｕ字状の凹
陥部に上記バネリングを取り付けることができる。

【００２８】また、上記無端型シールに断面円弧状の膨
出部を形成することができる。

【００２９】また、上記無端型シールの移動を規制する
シールストッパーリングを設けることができる。

【００３０】また、上記シールストッパーリングの移動
を規制する止め輪を設けることができる。

【００３１】上記シリンダーおよび上記ディスプレーサ
ーの面粗度は、これを３．２Ｓ以下としたことが望まし
い。

【００３２】上記ディスプレーサーの外周面にこのディ
スプレーサーとは異なる材料による、たとえばステンレ
ス鋼製あるいはセラミックス製の円筒スリーブを設ける
ことができる。

【００３３】

【作用】本発明による蓄冷式冷凍機のシール装置におい
ては、無端型のシール部材を採用するとともに、このシ
ール部材をバネリングによりディスプレーサーないしシ
リンダー側に付勢することによって、シリンダーの内壁
面とディスプレーサーとの間のシール性を向上させるこ
とができ、蓄冷式冷凍機全体として冷凍能力向上に寄与
することができる。

【００３４】さらに、シール部材が無端型であるため、
シール部材自体から冷媒が洩れるおそれを回避すること
ができる。

【００３５】また、こうしたシール部材の取付け部位と
して、シリンダー内壁面のシール取付け溝を形成したの
で、ディスプレーサー自体の容積および機械的強度を所
定の範囲に維持することができる。

【００３６】

【実施例】つぎに本発明の一実施例によるたとえばＧＭ
冷凍機などの蓄冷式冷凍機２０のシール装置２１を図１
および図２にもとづき説明する。図１は、蓄冷式冷凍機
２０の要部断面図、図２は、シール装置２１部分の拡大
断面図であって、蓄冷式冷凍機２０は、第１段シリンダ
ー２２と、前記シリンダー２に相当する第２段シリンダ
ー２３とを有する。

【００３７】第１段シリンダー２２内には第１段ディス
プレーサー２４を上下往復動可能に収容するとともに、
第２段シリンダー２３内には前記ディスプレーサー３に
相当する第２段ディスプレーサー２５を上下往復動可能
に収容する。

【００３８】第１段ディスプレーサー２４と第２段ディ
スプレーサー２５とを接続ピンなどの接続手段２６によ
り一体に接続し、往復動モーターなどの駆動機構２７に
より一体往復動可能としてある。

【００３９】第１段ディスプレーサー２４内には第１の
蓄冷材２８を、第２段ディスプレーサー２５内には第２
の蓄冷材２９をそれぞれ収容する。

【００４０】第１段ディスプレーサー２４に形成した第
１の連通路３０、および第１段シリンダー２２内の第１
段膨張室３１、ならびに第２段ディスプレーサー２５に
形成した第２の連通路３２および第３の連通路３３、さ
らに第２段シリンダー２５内の第２段膨張室３４を通っ
てヘリウムガスなどの冷媒が流れるようになっている。

【００４１】すなわち、第２段シリンダー２３の底部に
第１段冷却ステージ３５を、および第２段ディスプレー
サー２５の底部に第２段冷却ステージ３６をそれぞれ形
成してある。

【００４２】シール装置２１は、第１段膨張室３１と第
２の連通路３２ないし第２段膨張室３４との間のシール
を行うもので、第１段シリンダー２２と第２段シリンダ
ー２３との間の第２段シリンダー２３の上端部付近のシ
ール装置取付け部３７において、第２段ディスプレーサ
ー２５の上部に対向して、シール取付け溝３８、リング
取付け溝３９および輪取付け溝４０を段状にかつ環状に
形成する。

【００４３】シール取付け溝３８に環状の無端型シール
４１を、リング取付け溝３９に環状のシールストッパー
リング４２を、輪取付け溝４０に環状の止め輪４３をそ
れぞれ取り付ける。

【００４４】さらに、無端型シール４１は、これを断面
Ｕ字状に形成して凹陥部４１Ａを形成し、この断面Ｕ字
状の凹陥部４１Ａ内にバネリング４４を収容する。

【００４５】バネリング４４は、低温においても押付け
作用（張出し作用）の機能を有するもので、この張出し
力により、無端型シール４１を図中両側（第２段ディス
プレーサー２５の直径方向内方および外方）に押し開
き、その内外周面のシール部４１Ｂを第２段ディスプレ
ーサー２５のディスプレーサーシール面２５Ａと、シー
ル取付け溝３８のシリンダーシール面３８Ａとに押し付
けて、気密性（シール性）を保持する。

【００４６】また第２段ディスプレーサーの上下往復動
にともなって、無端型シール４１の底部４１Ｃは、シー
ル取付け溝３８の水平面３８Ｂに接離可能であるととも
に、頂部４１Ｄは、シールストッパーリング４２の底部
４２Ａに当接可能である。

【００４７】なお、無端型シール４１には、断面円弧状
の膨出部４１Ｅ（シール取付け溝３８から取り出した状
態を仮想線で示してある）を形成して当接力を増強可能
とすることができる。

【００４８】こうした構成のシール装置２１を有する蓄
冷式冷凍機２０において、すでに知られた作動にもとづ
き、駆動機構２７により第１段ディスプレーサー２４お
よび第２段ディスプレーサー２５を上下往復動させ、内
部に充填したヘリウムガスの膨張圧縮により、第１段冷
却ステージ３５および第２段冷却ステージ３６部分の温
度を低下させるとともに、その状態で各ステージ３５、
３６に加えられた熱を排除するものである。

【００４９】一般に蓄冷式冷凍機２０の排熱性能（冷凍
性能）は、第１段ディスプレーサー２４および第２段デ
ィスプレーサー２５のすき間部分におけるシール装置２
１のシール性能と密接な関係にあり、ヘリウムガスが本
来は第２の蓄冷材２９の間を通り、熱交換して、第１段
冷却ステージ３５および第２段冷却ステージ３６に出入
りすべきものが、シール性能が悪いと、ヘリウムガスが
熱交換なしにシール装置２１の部分を通過し、たとえば
加圧時に暖かいままで第１段膨張室３１から第２段膨張
室３４ないし第２段冷却ステージ３６に入ることにな
り、冷凍性能の劣化を引き起こす。

【００５０】しかしながら、当該シール装置２１におい
ては、シリンダーシール面３８Ａと第２段ディスプレー
サー２５のディスプレーサーシール面２５Ａとの間にあ
る無端型シール４１が第２段ディスプレーサー２５の上
下往復動あるいは停止にかかわらず、常にその両側（内
外）において無潤滑でのシール機能を担っている。

【００５１】さらに無端型シール４１は無端型であるた
め、従来の有端型シール部材のような端部からの洩れ
は、この無端型シール４１自体の部分では発生しない。

【００５２】また、第２段ディスプレーサー２５の上下
動にともない無端型シール４１が上下動しても、第２段
ディスプレーサー２５が上昇するときには、無端型シー
ル４１の頂部４１Ｄがシールストッパーリング４２の底
部４２Ａに当接し、第２段ディスプレーサー２５が下降
するときには無端型シール４１の底部４１Ｃがシール取
付け溝３８の水平面３８Ｂに当接してシール機能を発揮
する。

【００５３】したがって第１段ディスプレーサー２４お
よび第２段ディスプレーサー２５の上下動によってもシ
ール装置２１のシール機能が変動することなく、安定し
て完璧なシール性能を得ることができる。

【００５４】さらに、第２段シリンダー２３の上端部付
近のシール装置取付け部３７にシール取付け溝３８を形
成したので、第２段ディスプレーサー２５に取付け溝を
形成することなく、その機械的強度を所定範囲に維持可
能であるとともに、第２の蓄冷材２９を収容するための
容積を犠牲にすることもない。

【００５５】また、第２段ディスプレーサー２５を従来
のようにそのディスプレーサー溝５（図３、図６）を形
成するための加工が不要であって、円筒状のままを活用
可能である。この第２段ディスプレーサー２５のディス
プレーサーシール面２５Ａは、そのシール機能を向上す
るために面粗度をたとえば３．２Ｓ以下とできるだけ低
くすることが望ましい。

【００５６】なおまた、第１段ディスプレーサー２４お
よび第２段ディスプレーサー２５として布入りフェノー
ル樹脂製のものが一般に用いられるが、当該面粗度向上
のため、第２段ディスプレーサー２５がシール装置２１
の無端型シール４１に接触する部分に、たとえばステン
レス鋼製、あるいはセラミックス製の円筒スリーブ４５
（図２中仮想線）を装着することとしてもよい。

【００５７】なお本発明は、冷凍機のシール装置一般に
これを応用可能である。

【００５８】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、シール部
材を有端型に替えて無端型とするとともに、ディスプレ
ーサーにディスプレーサー溝を形成することなく、その
外周面とシリンダーとの間において無端型シールにより
シール装置を形成したので、シール性能を向上させ、Ｇ
Ｍ冷凍機など蓄冷式冷凍機の冷凍能力向上に寄与するこ
とができる。

【００５９】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例によるシール装置２１を装備
した蓄冷式冷凍機２０の要部断面図である。

【図２】同、シール装置２１部分の拡大断面図である。

【図３】従来のＧＭ冷凍機など蓄冷式冷凍機１のシリン
ダー２およびディスプレーサー３部分の要部側面図であ
る。

【図４】同、有端型シールによるシールリング６の斜視
図である。

【図５】同、有端型張出しリングによるテンションリン
グ７の斜視図である。

【図６】同、シールリング６およびテンションリング７
部分の拡大断面図である。

【図７】従来の他のシール装置８の要部拡大断面図であ
る。

【図８】従来のさらに他のシール装置１３の要部拡大断
面図である。

【図９】従来のシール装置における問題を概説するため
の、ディスプレーサー３部分の要部拡大断面図である。

【符号の説明】

１ 蓄冷式冷凍機（ＧＭ冷凍機） ２ シリンダー ３ ディスプレーサー ３Ａ ディスプレーサー３内の蓄冷材 ３Ｂ ディスプレーサー３の厚肉部 ３Ｃ ディスプレーサー３の薄肉部 ４ シール装置 ５ ディスプレーサー溝 ５Ａ ディスプレーサー溝５の下側面 ５Ｂ ディスプレーサー溝５の上側面 ６ シールリング（有端型シール） ６Ａ シールリング６の端部 ７ テンションリング（有端型張出しリング） ７Ａ テンションリング７の端部 ８ シール装置 ９ アウターシールリング １０ アウターシールリング １１ インナーシールリング １２ コイルバネリング １３ シール装置 １４ 小径部 １５ 大径部 １６ 一体形の（無端型の）シールリング １６Ａ シールリング１６の耐摩耗材 １６Ｂ シールリング１６の弾性体 １７ シール固定スリーブ １８ ディスプレーサー３の厚肉部３Ｂと薄肉部３Ｃと
の間の段部 ２０ 蓄冷式冷凍機（ＧＭ冷凍機） ２１ シール装置 ２２ 第１段シリンダー ２３ 第２段シリンダー ２４ 第１段ディスプレーサー ２５ 第２段ディスプレーサー ２５Ａ 第２段ディスプレーサー２５のディスプレーサ
ーシール面 ２６ 接続手段（接続ピン） ２７ 駆動機構（往復動モーター） ２８ 第１の蓄冷材 ２９ 第２の蓄冷材 ３０ 第１の連通路 ３１ 第１段膨張室 ３２ 第２の連通路 ３３ 第３の連通路 ３４ 第２段膨張室 ３５ 第１段冷却ステージ ３６ 第２段冷却ステージ ３７ シール装置取付け部 ３８ シール取付け溝 ３８Ａ シール取付け溝３８のシリンダーシール面 ３８Ｂ シール取付け溝３８の水平面 ３９ リング取付け溝 ４０ 輪取付け溝 ４１ 環状の無端型シール ４１Ａ 無端型シール４１の断面Ｕ字状の凹陥部 ４１Ｂ 無端型シール４１の断面円弧状のシール部 ４１Ｃ 無端型シール４１の底部 ４１Ｄ 無端型シール４１の頂部 ４１Ｅ 無端型シール４１の膨出部 ４２ 環状のシールストッパーリング ４２Ａ シールストッパーリング４２の底部 ４３ 環状の止め輪 ４４ バネリング ４５ ステンレス鋼製あるいはセラミックス製の円筒ス
リーブ

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 シリンダーと、 このシリンダー内を往復動するディスプレーサーと、 このディスプレーサー内に収容した蓄冷材とを有すると
   ともに、 前記シリンダーの内壁面と前記ディスプレーサーとの間
   を無潤滑でシールする蓄冷式冷凍機のシール装置であっ
   て、 前記シリンダーに形成したシール取付け溝に設けた無端
   型シールと、 この無端型シールを、前記ディスプレーサーのディスプ
   レーサーシール面および前記シール取付け溝のシリンダ
   ーシール面に押し付けるバネリングと、 を有することを特徴とする蓄冷式冷凍機のシール装置。
2. 【請求項２】 前記無端型シールを両側に押し開くこ
   とにより、この無端型シールを、前記ディスプレーサー
   のディスプレーサーシール面および前記シール取付け溝
   のシリンダーシール面に押し付けることを特徴とする請
   求項１記載の蓄冷式冷凍機のシール装置。
3. 【請求項３】 前記無端型シールは、これを断面Ｕ字
   状としたことを特徴とする請求項１記載の蓄冷式冷凍機
   のシール装置。
4. 【請求項４】 前記無端型シールの断面Ｕ字状の凹陥
   部に前記バネリングを取り付けたことを特徴とする請求
   項３記載の蓄冷式冷凍機のシール装置。
5. 【請求項５】 前記無端型シールに断面円弧状の膨出
   部を形成したことを特徴とする請求項１記載の蓄冷式冷
   凍機のシール装置。
6. 【請求項６】 前記無端型シールの移動を規制するシ
   ールストッパーリングを設けたことを特徴とする請求項
   １記載の蓄冷式冷凍機のシール装置。
7. 【請求項７】 前記シールストッパーリングの移動を
   規制する止め輪を設けたことを特徴とする請求項６記載
   の蓄冷式冷凍機のシール装置。
8. 【請求項８】 前記シリンダーおよび前記ディスプレ
   ーサーの面粗度は、これを３．２Ｓ以下としたことを特
   徴とする請求項１記載の蓄冷式冷凍機のシール装置。
9. 【請求項９】 前記ディスプレーサーの外周面にこの
   ディスプレーサーとは異なる材料による円筒スリーブを
   設けたことを特徴とする請求項１記載の蓄冷式冷凍機の
   シール装置。
10. 【請求項１０】 前記円筒スリーブは、これをステン
    レス鋼製としたことを特徴とする請求項９記載の蓄冷式
    冷凍機のシール装置。
11. 【請求項１１】 前記円筒スリーブは、これをセラミ
    ックス製としたことを特徴とする請求項９記載の蓄冷式
    冷凍機のシール装置。