JPH11201571A - ガス圧縮膨張機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 長期間に亘りロッドシール部材の潤滑性を保
持しシール部材の摩耗を極力抑制して装置の長寿命化を
図る。 【解決手段】 ロッドシール装置８、９は、駆動室１２
から作動室２１へ向かう方向の流れに対してシール性が
その逆の流れに対するシール性よりも高い第１シール部
材９１と、第１シール部材９１の駆動室１２側に設けら
れ、作動室２１から駆動室１２へ向かう方向の流れに対
してシール性がその逆の流れに対するシール性よりも高
い第２シール部材９３と、第１シール部材９１と第２シ
ール部材９３との間に設けられ、ロッド軸方向の寸法が
ロッド２２のストロークより短く設定されている中間室
９２と、を有し、中間室９２には駆動室１２からの潤滑
油を滞溜保持する滞溜保持部９４と、ロッド２２に対峙
し、滞溜保持部９４に溜まった潤滑油を吸着する潤滑油
吸着用部材９５とが設けられている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、動力の発生に用い
るスターリングエンジンや、低温の発生に用いるスター
リング冷凍機などのガス圧縮膨張機に関し、特に、潤滑
油の作動空間内への侵入を防止するロッドシール装置を
備えたガス圧縮膨張機に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、バイオテクノロジーの分野や電子
デバイスの分野等の先端技術分野において、各種試料や
各種材料の極低温の保存技術の開発が急務になってい
る。特に、スターリング冷凍機などのガス圧縮膨張機
は、上記極低温を実現する手段として注目され各種赤外
線センサー、超電導デバイス等の冷却用やバイオメディ
カル用のフリーザ、冷凍庫等に広く利用されようとして
いる。

【０００３】そして、このガス圧縮膨張機においては、
作動ガスを圧縮及び／又は膨張させるピストンまたはデ
ィスプレーサが、ロッドを介してシリンダ内を往復動す
るように構成されており、このロッドには駆動室側から
作動室側に潤滑油が侵入するのを防止するためにロッド
シール装置が設けられている。

【０００４】図３に、ピストンロッドに取り付けられた
従来のロッドシール装置を示す。図中１０１は膨張シリ
ンダや圧縮シリンダ等のシリンダを示し、１０２はシリ
ンダ１０１内を往復動するピストンを示し、１０３はピ
ストンロッドを示し、１０４はクロスガイドを示し、１
０５はクロスガイド１０４を図示しないクランク室内に
収容されたクランク軸に連結するコンロッドを示し、１
０６はクロスガイド１０４を案内する案内部を示してい
る。そして、案内部１０６の上端部には、ピストンロッ
ド１０３を囲み、且つピストン１０２の背面側にクラン
ク室の潤滑油が侵入するのを防止するためのロッドシー
ル部１０７が装着されている。

【０００５】そして、このロッドシール部１０７とし
て、クランク室からピストン１０２の背面側へ向かう方
向の流れに対してのシール性がその逆の流れに対するシ
ール性より高いリップ型のシール部材を用いている。こ
のリップ型のシール部材はシールの方向性を持たないス
リッパシール等の樹脂型のシール部材に比較して一方向
へのシール性が優れており、油圧機構などにおいて盛ん
に用いられている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、油圧機
構などのようにシール部材の一方が常に潤滑油に接して
いるものと異なり、ガス圧縮膨張機では作動空間へのオ
イル侵入を極力防止するために、クランク室内に充填さ
れている潤滑油をシール部へ積極的に供給する構造とは
なっておらず、シール部材の摩耗が激しいという問題点
があった。

【０００７】このため、シール部材の接触部（シール
部）に予めグリース等の潤滑剤を塗布する等の対策を講
じているが、シール部に塗布された潤滑剤がピストンロ
ッド１０３の往復動に伴い徐々に取り除かれ、その結
果、依然としてシール部材の摩耗による装置寿命低下を
招来するという問題点を有していた。特に、シール性に
方向性の有するシール部材の場合に、初期に塗布された
グリースなどの潤滑剤がピストンロッド１０３の往復動
に伴いそのシール性の低い側に掻き出されてしまい、そ
の傾向が顕著であった。

【０００８】本発明の目的は、駆動室から作動室へ向か
う方向の流れに対してのシール性がその逆の流れに対す
るシール性より高いシール部材を備えたガス圧縮膨張機
において、長期間に亘りシール部材の潤滑性を保持しシ
ール部材の摩耗を極力抑制して装置の長寿命化を図るこ
とである。

【０００９】

【課題を解決する為の手段】本発明は、ロッドの一端に
接続されたピストンまたはディスプレーサを、シリンダ
内で往復動可能に収容する作動室と、前記ロッドの他端
が接続され、前記ピストンまたはディスプレーサを往復
動させるピストン駆動機構を収容する駆動室と、前記ロ
ッドが貫通し、前記駆動室内の潤滑油が前記作動室に侵
入するのを防ぐロッドシール装置と、を備え、前記ロッ
ドシール装置は、前記駆動室から作動室へ向かう方向の
流れに対してシール性がその逆の流れに対するシール性
よりも高い第１シール部材と、該第１シール部材の前記
駆動室側に設けられ、前記作動室から駆動室へ向かう方
向の流れに対してシール性がその逆の流れに対するシー
ル性よりも高い第２シール部材と、前記第１シール部材
と第２シール部材との間に設けられ、ロッド軸方向の寸
法が前記ロッドのストロークより短く設定されている中
間室と、を有し、該中間室には、前記駆動室からの潤滑
油を滞溜保持する滞溜保持部と、前記ロッドに対峙し、
前記滞溜保持部に溜まった潤滑油を吸着する潤滑油吸着
用部材とが設けられていることを特徴とするものであ
る。

【００１０】この構成を用いることにより、ロッドの往
復動に伴って、第１シール部材と第２シール部材間の中
間室に所定量の潤滑油が滞溜保持されると共に、滞溜保
持部に滞溜する液量が変化した場合においても潤滑油吸
着用部材からロッドに潤滑油の油膜が塗布されることと
なり、第１シール部材の駆動室側のロッドとの接触部分
（シール部）潤滑性を長期間に亘り安定的に保持し、そ
の第１シール部材の摩耗を極力抑制して装置の長寿命化
を図ることができる。

【００１１】具体的には、潤滑油吸着用部材は多孔質体
から構成されており、これにより、滞溜保持部に滞溜す
る潤滑油を吸着し、装置の起動開始時など滞溜保持部に
滞溜する液量が少ない場合においても、シール部への安
定した潤滑油供給が可能となっている。

【００１２】また、潤滑油吸着用部材は、ロッドを囲繞
し、滞溜保持部と第１シール部材との間に配設されてお
り、この構成により、滞溜保持部に溜まった潤滑油がロ
ッドの往復動に伴って第１シール部材に直接かかること
がなく、必要以上に第１シール部材のシール部に潤滑油
が供給されて、作動室に潤滑油が侵入するという虞れが
ない。

【００１３】更に好ましくは、中間室に溜まった一定量
以上の潤滑油を前記駆動室に戻すオイル戻し手段を有す
るものである。この構成を用いることにより、中間室に
駆動室からオイルが必要以上溜まることがなく、適度に
ロッドに潤滑油の油膜を塗布することができる。

【００１４】更に好ましくは、前記第１シール部材及び
／又は第２シール部材は、リップ型のシール部材であ
る。この構成を用いることにより、第１シール部材につ
いては、駆動室から作動室へ向かう方向の流れに対する
高いシール性を実現することができ、第２シール部材
は、逆に作動室から駆動室へ向かう方向の流れに対する
高いシール性を実現することができる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施の形態を図
面に沿って詳述する。図１は本発明の一実施の形態に係
るガス圧縮膨張機である。本実施形態の説明では、ガス
圧縮膨張機としてディスプレーサタイプのスターリング
冷凍装置の場合を例に説明する。

【００１６】本体ハウジング１には、膨張シリンダ２と
圧縮シリンダ３とが取り付けられ、膨張シリンダ２に内
蔵されたディスプレーサ６と、圧縮シリンダ３に内蔵さ
れた圧縮ピストン７は、圧縮ピストン７の位相がディス
プレーサ６の位相に対して略９０度遅れるように、クラ
ンク機構（ピストン駆動機構）５に連結されている。

【００１７】ディスプレーサ６は、内部に例えば焼結金
属からなる蓄冷材１４が充填されており、ディスプレー
サ６の一方の開口から流入した作動ガスは、蓄冷材１４
の内部を通過し、他方の開口からの流出までの過程で、
蓄冷材１４との熱交換が行われる。

【００１８】このディスプレーサ６は、再生熱交換器と
しての機能を兼ね備えたものであって、その熱交換性能
は冷凍装置の成績係数を大きく左右する。また、膨張シ
リンダ２および圧縮シリンダ３はそれぞれ後述のロッド
シール装置８、９によってクランク室（駆動室）１２と
仕切られており、膨張シリンダ２の基端部と圧縮シリン
ダ３の圧縮空間部とは、ガス流路４によって互いに連通
されている。これにより、圧縮シリンダ３に形成される
圧縮空間１３と膨張シリンダ２に形成される膨張空間１
１とが、蓄冷材１４を介してガス流路４によって連通さ
れることになる。一方、クランク室１２には潤滑油（オ
イル）１０が注入されている。

【００１９】以上の構成で、駆動モータ１６の回転によ
り駆動されるクランク機構５によって圧縮ピストン７と
ディスプレーサ６が略９０度の位相差をもって往復運動
する。先ず、圧縮ピストン７が移動して、装置本体内に
充満するヘリウムなどの作動ガスを圧縮し、この圧縮さ
れ発熱した作動ガスは、放熱フィン１７で放熱される。
次に、ディスプレーサ６の降下によって作動ガスが冷や
されてから膨張シリンダ２の作動空間である膨張空間１
１へ導かれる。その後、圧縮ピストン７の移動によって
装置本体内の作動ガスが膨張する膨張工程となり、作動
ガスの膨張により作動ガスが低温となって、コールドヘ
ッド１５を介して図示しない冷却器などを冷却する。続
いて、ディスプレーサ６の上昇により作動ガスは温めら
れてから圧縮シリンダ３の作動空間である圧縮空間１３
へ導かれる。

【００２０】以上の工程が順次繰り返されて、膨張空間
１１の作動ガスが膨張時に冷却器を冷却して徐々に冷凍
温度とする。尚、本実施形態例ではロッドシール装置
８、９の膨張空間１１、圧縮空間１３側には、Ｔリング
等の樹脂型のガスシール部材１８、１９がそれぞれ設け
られている。

【００２１】次に、本発明のロッドシール装置８、９の
構造について図２に基づいて説明する。図２は上述した
スターリング冷凍装置におけるロッドシール装置９の部
分を示す断面図である。尚、以下に図１に示すロッドシ
ール装置９の具体的構成のみを詳述するが、ロッドシー
ル装置８の具体的構成についても同様である。

【００２２】図において２１は上述した圧縮ピストン７
を有する作動室、２２は圧縮ピストン７に一端が連結さ
れたピストンロッド、２３はピストンロッド２２の他端
に連結されたクロスガイド、２４はクランク室１２内に
収容されたクランク軸に連結するコンロッド、２５はク
ロスガイド２３を案内する案内部を示している。そし
て、案内部２５の上端部には、ピストンロッド２２を囲
み、且つ圧縮ピストン７の背面側にクランク室１２のオ
イル１０が侵入するのを防止するためのロッドシール装
置９が装着されている。

【００２３】このロッドシール装置９は、クランク室１
２から作動室２１へ向かう方向の流れに対してのシール
性がその逆の流れに対するシール性より高いリップ型シ
ールの第１シール部材９１と、該第１シール部材９１の
クランク室１２側に設けられ、ロッド軸方向の寸法がピ
ストンロッド２２のストロークより短く設定されている
中間室９２と、該中間室９２のクランク室１２側に設け
られ、作動室２１からクランク室１２へ向かう方向の流
れに対してシール性がその逆の流れに対するシール性よ
りも高いリップ型シールの第２シール部材９３とから構
成されている。

【００２４】そして、中間室９２にはクランク室１２か
らのオイル１０が所定量滞溜保持可能なように、ロッド
径方向の寸法が作動室２１側に向かうにつれて大きくな
るテーパ状に形成された滞溜保持部９４と、ピストンロ
ッド２２に対峙し、滞溜保持部９４に溜まったオイル１
０を吸着する潤滑油吸着用部材９５とが設けられてい
る。

【００２５】滞留保持部９４には、その外周部分にはこ
の滞留保持部９４に溜まった所定量以上のオイル１０を
クランク室１２に戻すためのオイル戻し孔９６が設けら
れている。

【００２６】潤滑油吸着用部材９５は、その中央部分を
ピストンロッド２２が貫通するための中空部を有する略
円柱形のスポンジ状の多孔質体から構成され、その底部
が滞溜保持部９４に溜まったオイル１０に当接するよう
に配接されている。具体的には、潤滑油吸着用部材９５
としてはポリウレタン、セルロース材料等の吸油性の高
い材料からなる多孔質体で構成されている。

【００２７】以上のように、第２シール部材９３を、作
動室２１からクランク室１２へ向かう方向の流れに対し
てのシール性がその逆の流れに対するシール性よりも高
くなるように設定されているので、クランク室１２から
侵入したオイル１０が滞溜保持部９４に保持されること
になる。

【００２８】また、中間室９２は、ロッド軸方向の寸法
がピストンロッド２２のストロークより短くなるように
設定されているので、滞溜保持部９４においてピストン
ロッド２２に塗布されたオイル１０の油膜がピストンロ
ッド２２の上下動に伴い、第１シール部材９１のピスト
ンロッド２２との当接部、即ちシール部に塗布されるこ
ととなる。

【００２９】一方、冷凍装置の運転停止時には滞溜保持
部９４に溜まっていたオイル１０がクランク室１２に戻
ってしまうが、潤滑油吸着用部材９５が設けられている
ため運転開始初期にはピストンロッド２２に潤滑油吸着
用部材９５からオイル１０の油膜が塗布されることにな
り、滞溜保持部９４に溜まるオイル１０の液量に関係な
く常に第１シール部材９１のシール部の潤滑を保持する
ことができる。従って、第１シール部材９１の摩耗を極
力抑制し、装置寿命の長期化を図ることができる。

【００３０】更に、滞溜保持部９４と第１シール部材９
１との間に潤滑油吸着用部材９５が介在するので、滞溜
保持部９４に溜まったオイル１０がピストンロッド２２
の往復動に伴って第１シール部材９１に直接かかること
がなく、必要以上に第１シール部材９１のシール部にオ
イルが供給されて、作動室２１にオイルが侵入するとい
う虞れもない。

【００３１】上記実施の形態の説明は、本発明を説明す
るためのものであって、特許請求の範囲に記載の発明を
限定し、或いは範囲を減縮する様に解すべきではない。
又、本発明の各部構成は上記実施の形態に限らず、特許
請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能で
ある。

【００３２】例えば、上述の実施形態の説明では第１及
び第２シール部材９１、９３としてリップ型のシール部
材を用いる場合について説明したが、上述した方向性の
有するものであればリップ型のものに限定されるもので
はない。

【００３３】また、潤滑油吸着用部材９５として中空部
を有する略円柱形状のものを用いる場合について説明し
たが、必ずしもピストンロッド２２の全周部分で対峙す
る必要は無く、少なくともピストンロッド２２の外周部
分に対峙するように配設されていれば形状はその他のも
のであっても構わない。但し、この場合には、滞溜保持
部９４と第１シール部材９１との間に潤滑油吸着用部材
９５が介在しない領域が存在することとなるため、ピス
トンロッド２２の往復動に伴って第１シール部材９１に
直接かかる虞れがある。

【００３４】

【発明の効果】以上述べたとおり本発明によれば、潤滑
油の作動空間内への侵入を防止するロッドシール装置と
して、駆動室から作動室へ向かう方向の流れに対しての
シール性がその逆の流れに対するシール性より高いシー
ル部材を備えたガス圧縮膨張機において、長期間に亘り
そのシール部材の潤滑性を保持しシール部材の摩耗を極
力抑制して装置の長寿命化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用させたディスプレーサタイプのス
ターリング冷凍装置の概略断面図である。

【図２】本発明の一実施の形態におけるロッドシール装
置近傍での要部断面図である。

【図３】従来のロッドシール装置の断面図である。

【符号の説明】

２ 膨張シリンダ ３ 圧縮シリンダ ４ ガス流路 ５ クランク機構（ピストン駆動機構） ６ ディスプレーサ ７ 圧縮ピストン ８、９ ロッドシール装置 １１ 膨張空間 １２ クランク室（駆動室） １３ 圧縮空間 ２１ 作動室 ２２ ピストンロッド ９１ 第１シール部材 ９２ 中間室 ９３ 第２シール部材 ９４ 滞溜保持部 ９５ 潤滑油吸着用部材 ９６ オイル戻し孔（オイル戻し手段）

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ロッドの一端に接続されたピストンまた
   はディスプレーサを、シリンダ内で往復動可能に収容す
   る作動室と、前記ロッドの他端が接続され、前記ピスト
   ンまたはディスプレーサを往復動させるピストン駆動機
   構を収容する駆動室と、前記ロッドが貫通し、前記駆動
   室内の潤滑油が前記作動室に侵入するのを防ぐロッドシ
   ール装置と、を備え、 前記ロッドシール装置は、前記駆動室から作動室へ向か
   う方向の流れに対してシール性がその逆の流れに対する
   シール性よりも高い第１シール部材と、該第１シール部
   材の前記駆動室側に設けられ、前記作動室から駆動室へ
   向かう方向の流れに対してシール性がその逆の流れに対
   するシール性よりも高い第２シール部材と、前記第１シ
   ール部材と第２シール部材との間に設けられ、ロッド軸
   方向の寸法が前記ロッドのストロークより短く設定され
   ている中間室と、を有し、 該中間室には、前記駆動室からの潤滑油を滞溜保持する
   滞溜保持部と、前記ロッドに対峙し、前記滞溜保持部に
   溜まった潤滑油を吸着する潤滑油吸着用部材とが設けら
   れていることを特徴とするガス圧縮膨張機。
2. 【請求項２】 前記潤滑油吸着用部材は、前記滞溜保持
   部に溜まった潤滑油を吸着するための多孔質体からな
   り、該多孔質体に吸着された潤滑油が前記ロッドに塗布
   されるように配設されていることを特徴とする請求項１
   記載のガス圧縮膨張機。
3. 【請求項３】 前記潤滑油吸着用部材は、前記ロッドを
   囲繞し、前記滞溜保持部と第１シール部材との間に配設
   されていることを特徴とする請求項１又は２記載のガス
   圧縮膨張機。
4. 【請求項４】 前記滞溜保持部に溜まった一定量以上の
   潤滑油を前記駆動室に戻すオイル戻し手段を有すること
   を特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のガス圧
   縮膨張機。
5. 【請求項５】 前記第１シール部材及び／又は第２シー
   ル部材は、リップ型のシール部材であることを特徴とす
   る請求項１乃至４のいずれかに記載のガス圧縮膨張機。