JPH09507894A - ピストン−シリンダ−ユニットのシール装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 装置はシリンダ（３）とピストン（７）を備えている。このピストンはシリンダ（３）に対して接触しないで案内されている。シリンダ（３）とピストン（７）の周面（１５，１４）の間に隙間シール（１２）が形成されている。この隙間シールは非常に狭くて均一な円環横断面を有する。シリンダ（４）とピストン（７）の周面（１４，１５）はほぼ滑らかで、鋼よりも小さな線熱膨張係数を有する材料からなっている。シール隙間の正確な維持と、シリンダライナ（４）内でのピストン（７）の同心的な案内は、ケーシング（５）に固定連結された２個のガイド（８，９）によって保証される。このガイド（８，９）はピストン−シリンダ−ユニットの中心軸線（２）の方向において弾力性があり、中心軸線（２）に対して横方向において非常に剛性がある。このガイド（８，９）によって形成された、ピストン（７）とシリンダ（３）の間の隙間シールの装置は、最小の隙間を有し、接触しない。シール材料の摩耗が生じない。この場合、ピストン（７）の運動はシリンダ（３）に対して正確に同心的に案内されている。

Description

【発明の詳細な説明】 ピストン−シリンダ−ユニットのシール装置 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た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な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 ガイドの剛性が中心軸線方向において、中心軸線に対して横方向の強度よりも少 なくとも１００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、潤滑剤を使用しないでシリンダ内 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１ １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個のガイド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２５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の持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２ ８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３６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2.2cm 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４ ６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１ ２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３ ５、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よりも幅が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、互いに間隔をおいて配置された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°の角度で交差している。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６ ４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 (1)

1. 【特許請求の範囲】 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（１３）とシリンダラ イナ（４）がほぼ滑らかな周面（１４，１５）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．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．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（２９）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．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．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（１ ３）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．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．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 （３２，３３；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；５１，５２） 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．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．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．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．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（３５）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．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．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。