JPS58500623A - 低温冷凍装置用割り形リングシ−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】 低温冷凍装置用割り形リングシール 技術分野 本発明は往復運動式低温冷凍装置に関し、より詳細には往復運動式低温冷凍装置 に使用される割り形シールにたとえばスターリング（Ｓｔｉｒｌｉｎｇ）および ギホードマクマホン　タイプ（Ｇｉｆｆｏｒｄ−ＭａｃＭａｈｏｎ−ｔｙｐｅ） 冷凍装置のような低温冷凍装置においてはシリンダ内部なぎストン状の変移手段 が往復運動を行なう。上記２つのシステムにおいては効率的な冷凍を行なうため 変移手段の一端から他端へ通過する冷媒が変移手段内部の蓄熱室を通過すること を確実にするよう変移手段とシリンダとの間にガスシールが設けられている。こ のシールはまた変移手段の運動に対しブレーキ作用をもたらす。

これら冷凍装置において広く使用されてきたシールの１つのタイプとしてシール 効果を損なうことなくリングの円周方向への膨張を許容するようＺ形の横断切り 口を有する割り形リングがある。シールは変移手段に設けられた円周溝に配置さ れかつ内側拡伸リングによりシリンダに対して外側へ押圧される。組立の際には この割り形シールは溝の内部へきちんとはまり込む。低温冷凍装置に使用される このようなシールの主要な利点としてシールが摩耗、熱収縮もしくは熱膨張して も拡伸リングが変２　７４藷Ｕ３１３−５００６２３　（２）移手段の運動に対 しかなり均一なブレーキ力を保証することがある。

しかしながら、環境温度の変化あるいは冷凍装置の運転による温度変化によりシ ール作用の損失が生じ、また冷凍装置の安定した運転がしばしば損われる。さら に、割り形リングの過度の摩耗が見られた。

本発明の１つの目的は往復運動式低温冷凍装置において環境温度および運転温度 の広い範囲にわたり一定に作動する割り形リンダシールを提供することにある。

本発明の他の目的としてより効率的に冷凍を行なえるよう従来のシールはど摩耗 を生ぜずかつ概ねより良いシール作用をもたらすようなシールを提供することが ある。

発明の内容 本発明によれば、シールリングを円周溝の１つの面に対して押圧するようにシー ルに軸方向スプリング力を及ぼす手段を伴なって割り形リングシールが往復運動 式低温冷凍装置の内部に設けられる。たとえシールリングが軸方向に収縮を生じ ても、加えられている荷重によりシールは溝の壁面に対して保持されて、シール リングの割れ目部およびシールリングと溝の壁面との間で連続的なシールが維持 される。

好ましい実施測知おいては、この荷重は拡大された溝の１つの面と圧力リングと の間に配置されたスプリング要素により加えられる。圧力リングはシールリング に対して押圧するように、しかし拡伸リングに対し壬は押圧しないよう形づくら れている。

図面の簡単な説明 本発明の前述および他の目的、特徴および利点は添付図面に図示されているよう に、以下の本発明の好ましい実施例についてのより具体的な記述により明らがと なろう。なお添付図面におし・ては、各図は同じ部品１異なりた視点で参照的に 示している。これら図面は必らずしも尺度的に正確ではなく、本発明の原理を図 示するため強調的に描かれている。

第１図は本発明をおりこむべき代表的な低温冷凍装置の冷部の断面図； 第２図は第１図の変移手段のシールの斜視図であり冷部のシリンダが破断された 状態で示されている；第３図は本発明を具体化したシールの配置の軸方向断面図 、 第４図はＵ形断面スプリング要素を含んだシール配置の部分断面図である。

好ましい実施例の説明 第１図に示すように、代表的な分割型スターリング冷凍装置はシリンダー４の内 部を往復運動する変移手段１２を備えている。この変移手段はピストンロット″ ′１３によりビン結合１５を介して駆動される。変移手段１２が上方向へ動くと 扱室１６内部の高圧ガスは変移手段内部の蓄熱室１８を通じて移動させられる。

ガスは多孔性の金属プラグ２０を通って外方向へ移動し、冷端の膨張室２４へ流 入する。このように冷却されたガスは室２４の内部で膨張されて、ガスおよび周 囲の高伝導性熱部２６はさらに冷却される。次に変移手段は下方向に移動し、非 常に冷たいガスは蓄熱室１８を通過して戻り作動の次のサイクルにてガスを冷却 するよう蓄熱室を冷却する。たとえばヘリウムガスのような冷媒の全てが変移手 段の移動ににともなって蓄熱室を通過して流れることを確実にするためシールリ ング２８が変移手段の扱室側端部近傍の円周溝に配置されている。

第２図および第６図に示されるようにシール２８は変移手段の溝ろ１の内部に適 合する外部シールリング３゜を含む。外部シールリング６ｏの膨張および収縮、 特に温度変化に伴なう膨張および双峰を許容するためリングはＺ形の切り口によ り割られ又いる。このＺ形切り口はリング６０の上部および下部表面に向かう２ つの軸方向切りこみ６２および６４を有する。これら切りこみ３２および６４は リングの外周に沿ってずれており円周方向の切りこみ３６により結合されている 。

従来の冷凍装置においては第２図に示されるように、シールリング６０は溝内部 にきちんと適合し圧力差またはシールとシリンダとの間の摩擦により変移手段の 溝の片側に押圧される。かくして、リング３００２つの端部は割れ目３６に沿つ 又すきまな（一体に押圧されこの割れ目部でガスをシールする。それ故、シール リング周囲３６０°にわたる外部シール面が得られる。

５ シールリングろＯはばね鋼製の内部拡伸リングろ８によりシリンダー４に向けて 外方向へ押圧されて（・る。拡伸リングもまた割り形とされて、割れ目に向って テーパを付されていることが望まし℃・。そのような割り形シールは、共に出願 中でありかつ共にバリー　ジー　ニコル（Ｈａｒｒｙ　Ｇ、Ｎ１ｃｏｌｌ）に譲 渡された割り形シールの出願に記述されている。他の形態の拡伸リンダも使用可 能である。

シールリング３０は通常ファイバグラステトラフルオロエチレン（ＴＦＥ）のよ うなプラスチック材料であり、一方拡伸リングはばね鋼製、そして溝は通常ステ ンレススチール製である。か（して、シールリングろＯは周囲の金属部品に比べ かなり大きな熱膨張係数を有する。

溝内部でのシールリングの熱膨張を許容するため、従来の冷凍装置のリングは溝 に比べ０．５　ｍｍ以内の範囲でわずかに小さい軸方向寸法を有している。その ため、高温での運転時を除き、変移手段の運動の方向が変化するごとにシールリ ングは溝の内部で拡伸リングに沿って往復運動をしていた。

シールが溝の内部で移動している間、円周方向切り口３６および溝の面において 密なシールを維持するための圧縮的荷重は存在しない。それ故、変移手段の運動 方向の変化ごとに洩漏が経験されていた。また、シールリングは交互にシールリ ングの反対面にてシールしなければいけないため溝は厳密に滑らか、平坦かつ平 行でなけれ６　１積！；Ｕ３８−５００６２３　（３）ばならない。このような 精密さが必要とされると終始一貫してかつ均一に運転をする装置の大規模な構成 が困難となる。

冷凍装置が寒冷な環境にさらされた場合またはシールが冷凍装置自身により冷却 された場合、シールリングは収縮を生じ、その結果、変移手段の各往復運動ごと にシールは拡伸リングに沿ってより大幅に往復運動をする。

溝内部でのシールのこのような往復運動はより大幅な摩耗および漏洩をもたらす 。シールリングの摩耗は変移手の効率を低下させる。

本発明によれば、シール２８は比較的大きな溝６１の内部に配置されかつスプリ ング４２により溝の１つの面４０上に保持される。第ろ図の実施例におし・て、 このスプリングは円錐形ワッシャであり、金属製の圧力リング４４を介してシー ル６０を押圧する。スプリング４２は軸方向フランジ４６により圧力リング４４ と中心合わせされているが、適切に寸法を付され℃いればフランジがなくとも中 心合わせされよう。圧力リング、およびシールが押圧される溝面にはそれぞれ環 状の段部４８　、５０が形成されており、これらの段部はシールリングは押圧す るが拡伸リングは押圧しないように構成されている。

本実施例においては、変移手段はたとえばニッケルあるいは鉛−アンチモニの玉 のような蓄熱材１８で満たされたＧ１０フアイバクラス　エポキシ　シリンダ５ ２からなる。このシリンダ５２はミクロンフィルタプラグを内蔵したステンレス スチールキャップ５４により上端部を閉じられている。前記溝のシール面および 内側壁は、このキャップ５４の内部に形成されている。キャップおよびシリンダ ５２はエポキシ５９により一体にされている。

溝の上側面は、キＮツブ５４にねじ結合により結合されたステンレススチールの 端部部材６０の内部に形成されている。孔５８はミクロンフィルタ５６および蓄 熱材１８を通過してガスが流れることを許容する。第１図に示すビン結合のため にピン孔６ろが設けられている。

シールが熱収縮した場合でも、スプリング４２が圧力リング４４を介してシール 上に軸方向スプリング力を保持するので、シールを段部４８に対し壬しっかりと 抑圧された状態に保つ。これにより、シールの往復運動は発生ぜず、かくして溝 の面に対するシール効果の損失が生じない。また、シールが圧縮状態におかれる ため、割り形リングの円周方向切りこみ６６は閉じた状態に保たれ、この切りこ み面での適切なシール作用が保たれる。

スプリングは、シールが収縮状態にある場合でも、摩擦あるいは圧力差に伴なっ てシールが段部４８から離れて往復運動するのを防止するために十分な力を作用 させなければならない。他方、スプリング４２は、拡伸リング６８の力によるシ ールの径方向の拡伸を禁するほど犬きな軸方向力を作用させてはならない。ただ し、高頻度数で運転されるＴＦＥシールの場合に関し又は、この点は問題とはな らない。さらに、スプリング力はシールが作動しなければならない予想温度範囲 およびそれに伴なうシールの収縮の範囲にわたって本質的に一定でなければなら ない。

本発明の一例においては、外径４．７ｍｍ　（０，１８５インチ）のシールを軸 方向に負荷するためベルビル　ワッシャが使用されている。このワッシャは十分 に硬化された厚さ０．１０ｍｍ　（０，００４インチ）のベリリウム銅板材から 形成されている。形成されたワッシャの自由たわみ高さは０．１６ｍｍ、　（０ ，００５インチ）である。ワッシャは圧力リングに面して配置され０．０２５な いし０．０５ｍｍ（ｏ、ｏｏｉないし０．００２インチ）たわむ。

第４図は割り形シールリングに負荷を加えるため使用できる他のスプリング要素 を図示している。この場合、Ｕ形断面の環状スプリング６４がＵ形断面環状被覆 ６６の内部に配置されている。この被覆はＴＦＥとすることができる。スプリン グ要素の脚部６８．７０は溝の面７２および圧力リング４４を押圧し割り形シー ル３０を軸方向に負荷する。

他の好ましいスプリング要素として波形ワッシャおよびコイルスプリングがあげ られる。上記はど好ましくはないが使用可能なスプリング要素としてＱ−＋Ｊソ ングある。

本発明の軸方向負荷されたシールは従来の割り形リン９ グシールの利点を保持する。

従来のシールの場合と比べ溝の相対寸法が特別重要ではなく、かつシール目的の ためシールおよび溝のそれぞれの１つの面のみが十分に平坦かつ平滑でなければ ならないと（・う理由のため構成が容易なこともさらに利点となる。寸法および 表面特性の特別重要性が低いため、本シール構成を採用した冷凍装置の作動特性 は大量生産の場合におい℃より均一化する。

最後に、シールリングは熱収縮および熱膨張の場合でも溝の一方の面上に保持さ れるので、シールおよびかくして冷凍装置は温度感受性が大幅に低下する。

以上、本発明を図示の実施例に関して具体的に表示し記述してきたが、請求の範 囲に記載された本発明の精神および範囲から逸脱することな（、本発明における 形態および詳細に関し種々の変更が可能であることが本技術分野に通じた者によ り理解されよう。

たとえば、以上に示されたスプリングリングは拡伸リングである。もしシールが シリンダー４に設けられた溝の内部に配置されて変移手段１２に向って内側に押 圧されるとしたら、スプリングはシールリングの外側に位置してシールリングを 圧縮することになる。また、シールリングの割れ目は図示のＺ形切りこみ以外で も良い。

上述の冷凍装置は往復運動要素としての蓄熱式変移手段を有する。蓄熱手段は変 移手段の外側に設けることもできる。さらに、請求の範囲に記載されている変移 手段１０　■とＩ：５８−５００　Ｇ２３　（４）と℃・う用語はその一端部に て冷凍ガスの膨張を許容する一般的にピストン状の要素を含めてばく然と使用さ れている。

したがって、この用語はたとえば蓄熱手段を利用しない膨張式エンジンに使用さ れているようなぎストンを包含することを意図し′Ｃ，Ｘ、・る。

第２図 国際調査報告

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、　シリンダの内部を往復運動して冷凍ガスを膨張させる変移手段と、 該変移手段と該シリンダとの界面で円周溝の内部に配置された割り形シールであ って、割り形シールリングと該割り形シールリングに径方向のスプリング力を作 用させるスプリングリングとを有してなる割り形シールとを備えた形式の冷凍装 置におし・て、該冷凍装置内部の該割り形シールが、軸方向スプリング力を該割 り形シールリングの軸方向を向いた面に作用させて該割り形シールリングを該円 周溝の該１つの面に押圧し、かつ該割り形シールリングの割れ目部および該円周 溝の該１つの面にて連続的なシールを保持する負荷手段により特徴づけられてい る冷凍装置。 ２、該負荷手段がＵ形断面の環状スプリングである請求の範囲第１項の冷凍装置 。 ６、該負荷手段がスプリングワッシャである請求の範囲第１項の冷凍装置。 ４、該負荷手段が該割り形シールリングを圧力リングを介して押圧する請求の範 囲第１、第２および第６項のいずれかによる冷凍装置。 ５４　該圧力リングが該割り形シールリングには接触するが該スプリングリング とは接触しな〜・段部を含んでなる請求の範囲第４項の冷凍装置。 ６、該円周溝が該変移手段に設けられておりかつ該スプリングリングが拡伸リン グである請求の範囲第１、第２および第３項のｔ・ずれかによる冷凍装置。 ７　シリンダ内部を往復運動する変位手段と、該変移手段と該シリンダの界面で 変位手段の円周溝の内部に配置された割り形シールであって、６６０゜のシール 面を保持しつつ円周方向の膨張および収縮を許容する割れ目を設けられたシール リングと、該シールリングに径方向スプリング力を加える拡伸リングとを備えて なる割り形シールとを有する形式の冷凍装置において、該割り形シールが 該シールリングの軸方向を向いた１つの面にスプリング力を作用させるがしかし 該拡伸リングには該スプリング力を作用させな〜・で 該シールリングを該円周溝の１つの面に押圧して該シールリングの該割れ目部お よび該円周溝の該１つの面にて連続的なシールを保持する負荷手段により特徴づ けられている冷凍装置。 ８、該負荷手段がＵ形断面の環状スプリングである請求の範囲第７項の割り形シ ール。 ９　該環状スプリングが該シールリングを圧力リングを介して押圧する請求の範 囲第８項の冷凍装置。 １０、該圧力リングが該シールリングには接触スルが該スプリングリングとは接 触しない段部を含んでなる請求の範囲第９項の冷凍装置。 １