JPH1137583A - 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】 ピストン作動室２１と、ピストン駆動室
と、ピストンロッド２２が貫通し、ピストン駆動室内の
潤滑油がピストン作動室２１に侵入するのを防ぐロッド
シール装置９と、を備え、ロッドシール装置９は、ピス
トン駆動室からピストン作動室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
り高いシール部材９１と、該シール部材９１のピストン
作動室２１側に配置され、ピストンロッド２２に半固体
状または固体状の潤滑剤９３を塗布する潤滑剤付与手段
９２を具備する。

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、オイ
ル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、ピストン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、このピストンロッド
にはピストン駆動室側からピストン作動室側にオイルが
侵入するのを防止するためにオイルシール装置が設けら
れている。

【０００４】図５に、ピストンロッドに取り付けられた
従来のオイルシール装置を示す。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。

【０００８】本発明の目的は、ピストン駆動室からピス
トン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】本発明のガス圧縮膨張機
は、シリンダ内を往復動するピストンまたはディスプレ
ーサを有するピストン作動室と、ピストンまたはディス
プレーサを、ピストンロッドを介して往復動させるピス
トン駆動機構を収容するピストン駆動室と、ピストンロ
ッドが貫通し、前記ピストン駆動室内の潤滑油が前記ピ
ストン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、前記ピストン駆動室
からピストン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
材と、該シール部材の前記ピストン作動室側に配置さ
れ、ピストンロッドに半固体状または固体状の潤滑剤を
塗布する潤滑剤付与手段を具備している。

【００１０】この構成を用いることにより、ピストンロ
ッドの往復動に伴って、シールの方向性を有するシール
部材のピストン作動室側及びピストン駆動室側のピスト
ンロッドとの接触部分（シール部）の潤滑性を長期間に
亘り保持し、その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】そして、好ましくは、前記潤滑剤付与手段
は、半固体状または固体状の潤滑剤が充填された潤滑剤
収納容器と、その周面の一部がピストンロッド及び前記
潤滑剤収納容器内の潤滑剤に当接した状態で回転可能に
支持されたボール部材と、から構成され、ピストンロッ
ドの往復動に伴う前記ボール部材の回転によって、前記
潤滑剤収納容器内の潤滑剤をピストンロッドに塗布する
構成としても良い。

【００１２】この構成により、ピストンロッドの往復動
に伴い、ボール部材からピストンロッドに一定量の潤滑
剤が長期間に亘り塗布される。また、前記シール部材
は、リップ型のシール部材で構成しても良い。この構成
により、ピストン駆動室からピストン作動室へ向かう方
向の流れに対する高いシール性が実現できる。

【００１３】さらに、前記ロッドシール装置の前記ピス
トン作動室側にガスシール部材が配置されている構成と
しても良い。この構成を用いることにより、潤滑剤付与
手段によりガスシール部材のシール部の潤滑性をも長期
間に亘り保持し、そ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。

【００１４】

【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
るロッドシール装置を適用させた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。

【００１５】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９０度の角度差で取り付けられ、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、共通のクラン
ク機構（ピストン駆動機構）５に連結されて、互いに或
る位相差をもった状態で往復駆動される。

【００１６】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。

【００１７】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（ピストン駆動
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１１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
オイル１０が注入されている。

【００１８】以上の構成で、駆動モータの回転により駆
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が或る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（図示せず）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。

【００１９】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。次に、本発明のロッドシール装置の構造に
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。

【００２０】図において２１は上述した圧縮ピストン７
を有するピストン作動室、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２
２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の潤滑油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。

【００２１】このロッドシール装置９は、クランク室１
２からピストン作動室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
ップ型シールのシール部材９１と、シール部材９１のピ
ストン作動室２１側に配置され、ピストンロッド２２に
潤滑剤９３を塗布する潤滑剤付与手段９２とから構成さ
れている。

【００２２】潤滑材付与手段９２は、潤滑剤９３として
半固体状または固体状のグリースが充填された潤滑剤収
納容器９２０と、その周面の一部がピストンロッド２２
と潤滑剤収納容器９２０内のグリース９３に当接した状
態で回転可能に支持されたボール部材９２１とから構成
されている。

【００２３】そして、潤滑材収納容器９２０内には充填
されているグリース９３をボール部材９２１側へ押圧付
勢するための錘部材９２２が設けられており、常時、ボ
ール部材９２１にグリース９３が送り込まれる構造とな
っている。また、本実施形態例では４個のボール部材９
２１がピストンロッド２２の外周に等間隔で配置され、
ピストンロッド２２の往復動に伴いボール部材９２１が
回転し、そのボール部材９２１との当接部分を介してグ
リース９３がピストンロッド２２に塗布される。

【００２４】この構成により、図３に示すように、シー
ル潤滑剤付与手段９２からピストンロッド２２に塗布さ
れたグリース９３は、ピストンロッド２２の降下（図面
下方向）により、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。

【００２５】また、シール部材９１は、クランク室１２
からピストン作動室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くなる
ように配置されているため、ピストン作動室２１側に潤
滑剤付与手段９２を配設することにより、ピストンロッ
ド２２の往復動に伴い、シール部材９１のピストン作動
室２１側のシール部のみならず、クランク室１２側のシ
ール部についてもグリース９３が適宜塗布されている状
態が維持される。これによって、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。

【００２６】次に、図４に示すように、作動ガスのクラ
ンク室１２側への流出を防ぐガスシール部材４１が、ロ
ッドシール装置９のピストン作動室２１側に配設されて
いる場合には、ピストンロッド２２の往復動に伴い、潤
滑剤付与手段９２によってガスシール部材４１のシール
部にグリース９３が適宜塗布されることとなり、ガスシ
ール部材４１の摩耗も極力抑制することができる。尚、
本実施形態例ではガスシール部材４１としてシールの方
向性を持たないＴリング等の樹脂型のシール部材を用い
ているが、シール部材９１と同様にシール性に方向性の
有するリップ型シールを用いても構わない。但し、この
場合には、シール部材９１と逆の配置、即ち、ピストン
作動室２１からピストン駆動室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
り高くなるように配置する必要がある。

【００２７】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。

【００２８】例えば、上述の実施形態の説明ではシール
部材９１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。

【００２９】

【発明の効果】以上述べたとおり本発明によれば、オイ
ル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、ピストン駆動室からピストン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
置の要部断面図である。

【図３】図２ロッドシール装置の動作を説明するための
要部斜視図である。

【図４】本発明の他の実施の形態におけるロッドシール
装置図の要部断面図である。

【図５】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（ピストン駆動室） １３ 圧縮空間 ２１ ピストン作動室 ２２ ピストンロッド ２３ クロスガイド ２４ コンロッド ４１ ガスシール部材 ９１ シール部材 ９２ 潤滑剤付与手段 ９３ グリース（潤滑剤） ９２０ 潤滑剤収納容器 ９２１ ボール部材 ９２２ 錘部材

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 作動ガスを圧縮及び／又は膨張させるガ
   ス圧縮膨張機において、 シリンダ内を往復動するピストンまたはディスプレーサ
   を有するピストン作動室と、ピストンまたはディスプレ
   ーサを、ピストンロッドを介して往復動させるピストン
   駆動機構を収容するピストン駆動室と、ピストンロッド
   が貫通し、前記ピストン駆動室内の潤滑油が前記ピスト
   ン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、前記ピストン駆動室からピス
   トン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と、該
   シール部材の前記ピストン作動室側に配置され、ピスト
   ンロッドに半固体状または固体状の潤滑剤を塗布する潤
   滑剤付与手段と、を具備していることを特徴とするガス
   圧縮膨張機。
2. 【請求項２】 前記潤滑剤付与手段は、半固体状または
   固体状の潤滑剤が充填された潤滑剤収納容器と、その周
   面の一部がピストンロッド及び前記潤滑剤収納容器内の
   潤滑剤に当接した状態で回転可能に支持されたボール部
   材と、から構成され、 ピストンロッドの往復動に伴う前記ボール部材の回転に
   よって、前記潤滑剤収納容器内の潤滑剤をピストンロッ
   ドに塗布す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又は２記載のガス圧
   縮膨張機。
4. 【請求項４】 前記ロッドシール装置の前記ピストン作
   動室側にガスシール部材が配置されていることを特徴と
   する請求項１ないし３のいずれかに記載のガス圧縮膨張
   機。