(57)【要約】      （修正有）【課題】極低温冷凍機のディスプレーサに用いられる、漏れを防ぐシール機構を提供する。【解決手段】極低温冷凍機のピストン１０は、軸方向を向く平坦な表面を有する分離型の動的シール・リング４６、およびこの動的シール・リング４６の平坦な表面に当接する平坦な表面を有する静的シール・リング４０を有する周方向溝５４と、この溝内に取り付けられたスプリング４８とを備える。スプリング４８は静的シール・リング４０に軸方向力を加えて、静的シール４０によって前記軸方向負荷を動的シール・リング４６全体に分散させることにより、溝内で分離型シール４６が往復移動するのを防止し、シールの漏れ経路を制限する。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
周方向溝を有するピストン本体と、
前記周方向溝内に配置され、動的シールを形成し、かつ軸方向を向く平坦な表面を有する第1のシール・リングと、
前記周方向溝内に配置され、前記第1のシール・リングの前記平坦な表面に当接する平坦な表面を有し、かつ前記ピストン本体に対して静的シールを形成する第２のシール・リングと、
前記周方向溝内に配置され、前記シール・リングの一方に負荷を掛けて他方のシール・リングに押し付けるスプリングと、を備えたピストン。
【請求項２】
請求項１において、前記第２のシール・リングが前記ピストン本体に当接するフランジを備えたピストン。
【請求項３】
請求項２において、前記第２のシール・リングがＬ字形リングであるピストン。
【請求項４】
請求項３において、さらに、前記周方向溝内に配置された負荷リングを備えたピストン。
【請求項５】
請求項４において、前記スプリングが前記負荷リングに負荷を掛けて、前記第１シール・リングおよび第２シール・リングを軸方向に押し付けているピストン。
【請求項６】
請求項２において、前記第２のシール・リングが前記ピストン本体に当接するフランジを有するフランジ付き負荷リングであるピストン。
【請求項７】
請求項１において、前記第１のシール・リングおよび第２のシール・リングがポリマー製であるピストン。
【請求項８】
請求項１において、前記ピストンがディスプレーサであるピストン。
【請求項９】
請求項１において、前記第１のシール・リングが分離型シール・リングを有するピストン。
【請求項１０】
請求項１において、前記第１のシール・リングが前記第１シール・リングの内径側に取り付けられた少なくとも１つの半径方向スプリングを有することにより、前記第１シール・リングに半径方向力を発生させるピストン。
【請求項１１】
請求項１０において、前記半径方向スプリングが、第１の半径方向スプリングおよび第２の半径方向スプリングを備えたピストン。
【請求項１２】
請求項１１において、前記第１の半径方向スプリングは第１開口を有し、前記第２の半径方向スプリングは第２開口を有し、前記第１の半径方向スプリングおよび第２の半径方向スプリングは、前記第１開口が第２開口に対して周方向に約１８０度ずれているように、前記第１シール・リングの内径側に取り付けられているピストン。
【請求項１３】
請求項１において、前記ピストン本体がこの本体に取り付けられたスリーブを有し、このスリーブが前記周方向溝の一部を形成しているピストン。
【請求項１４】
請求項１３において、前記スリーブをピストン本体に固定する固定機構を備えたピストン。
【請求項１５】
請求項１４において、前記固定機構がスナップ・リングを有するピストン。
【請求項１６】
請求項１において、前記スプリングが波形スプリングであるピストン。
【請求項１７】
請求項１において、前記スプリングがらせん状波形スプリングを有するピストン。
【請求項１８】
請求項１において、前記スプリングが少なくとも１つの波形ワッシャを有するピストン。
【請求項１９】
周方向溝を有する本体と、
前記周方向溝内に配置されて動的シールを形成する第１のシール・リングであって、この第１シール・リングは軸方向を向く平坦な表面と、ポリマー製の分離型シール・リングの内径側に取り付けられる少なくとも１つ半径方向スプリングとを有することにより、前記分離型シール・リングに半径方向の力を発生させる、第１のシール・リングと、
前記周方向溝内に静的シールを形成し、前記動的シール・リングに当接する平坦な表面を有し、かつ前記ピストン本体に対して静的シールを形成する、ポリマー製のＬ字形リングと、
前記周方向溝内に取り付けられた負荷リングと、
前記周方向溝内に配置され、前記各リングに負荷を掛けて他方のリングを軸方向に押し付けるスプリングと、を備えたピストン。
【請求項２０】
周方向溝を有する本体と、
前記周方向溝内に配置されて動的シールを形成する第１のシール・リングであって、この第１シール・リングは軸方向を向く平坦な表面と、ポリマー製の分離型シール・リングの内径側に取り付けられる少なくとも１つ半径方向スプリングとを有することにより、前記分離型シール・リングに半径方向の力を発生させる、第１のシール・リングと、
前記ピストン本体に当接するフランジを有し、かつ前記周方向溝内で静的シールを形成するポリマー製のフランジ付き負荷リングであって、前記動的シール・リングに当接して、前記ピストン本体に対して静的シールを形成するポリマー製のフランジ付き負荷リングと、
前記前記周方向溝内に配置され、前記各リングに負荷を掛けて他方のリングを軸方向に押し付けるスプリングと、を備えたピストン。
【請求項２１】
シリンダと、
前記シリンダ内に取り付けられ、かつ周方向溝を有するディスプレーサと、
前記周方向溝内に配置され、動的シールを形成し、かつ軸方向を向く平坦な表面を有する第１のシール・リングと、
前記周方向溝内に配置され、前記第1のシール・リングの前記平坦な表面に当接する平坦な表面を有し、かつ前記ピストン本体に対して静的シールを形成する第２のシール・リングと、
前記周方向溝内に配置され、前記シール・リングの一方に負荷を掛けて他方のシール・リングに押し付けるスプリングと、を備えた冷凍機。
【請求項２２】
請求項２１において、前記第２のシール・リングが前記ピストン本体に当接するフランジを有する冷凍機。
【請求項２３】
請求項２２において、前記第２のシール・リングがＬ字形リングである冷凍機。
【請求項２４】
請求項２３において、さらに、前記周方向溝内に配置された負荷リングを有する冷凍機。
【請求項２５】
請求項２４において、前記スプリングが前記負荷リングに負荷を掛けて、前記第１シール・リングおよび第２シール・リングを軸方向に押し付けている冷凍機。
【請求項２６】
請求項２２において、前記第２のシール・リングが前記ピストン本体に当接するフランジを有するフランジ付き負荷リングである冷凍機。
【請求項２７】
請求項２１において、前記第１のシール・リングおよび第２のシール・リングがポリマー製である冷凍機。
【請求項２８】
請求項２１において、前記ピストンがディスプレーサである冷凍機。
【請求項２９】
請求項２１において、前記第１のシール・リングが分離型シール・リングを有する冷凍機。
【請求項３０】
請求項２１において、前記第１のシール・リングが前記第１シール・リングの内径側に取り付けられた少なくとも１つの半径方向スプリングを有することにより、前記第１シール・リングに半径方向力を発生させる冷凍機。
【請求項３１】
請求項３０において、前記半径方向スプリングが、第１の半径方向スプリングおよび第２の半径方向スプリングを有する冷凍機。
【請求項３２】
請求項３１において、前記第１の半径方向スプリングは第１開口を有し、前記第２の半径方向スプリングは第２開口を有し、前記第１の半径方向スプリングおよび第２の半径方向スプリングは、前記第１開口が第２開口に対して周方向に約１８０度ずれているように、前記第１シール・リングの内径側に取り付けられている冷凍機。
【請求項３３】
請求項２１において、前記冷凍機本体がこの本体に取り付けられたスリーブを有し、このスリーブが前記周方向溝の一部を形成している冷凍機。
【請求項３４】
請求項３３において、前記スリーブをピストン本体に固定する固定機構を有する冷凍機。
【請求項３５】
請求項３４において、前記固定機構がスナップ・リングを有する冷凍機。
【請求項３６】
請求項２１において、前記スプリングが波形スプリングである冷凍機。
【請求項３７】
請求項２１において、前記スプリングがらせん状波形スプリングを有する冷凍機。
【請求項３８】
請求項２１において、前記スプリングが少なくとも１つの波形ワッシャを有する冷凍機。
【請求項３９】
シリンダと、
前記シリンダ内に取り付けられ、かつ周方向溝を有するディスプレーサと、
前記周方向溝内に配置されて動的シールを形成する第１のシール・リングであって、この第１シール・リングは軸方向を向く平坦な表面と、ポリマー製の分離型シール・リングの内径側に取り付けられる少なくとも１つの半径方向スプリングとを有することにより、前記分離型シール・リングに半径方向の力を発生させる第１のシール・リングと、
前記周方向溝内に静的シールを形成し、前記動的シール・リングに当接する平坦な表面を有し、かつ前記ピストン本体に対して静的シールを形成する、ポリマー製のＬ字形リングと、
前記周方向溝内に取り付けられた負荷リングと、
前記周方向溝内に配置され、前記各リングに負荷を掛けてリング同士を相互に軸方向に押し付けるスプリングと、を備えた冷凍機。
【請求項４０】
シリンダと、
前記シリンダ内に取り付けられ、かつ周方向溝を有するディスプレーサと、
前記周方向溝内に配置されて動的シールを形成する第１のシール・リングであって、この第１シール・リングは軸方向を向く平坦な表面と、ポリマー製の分離型シール・リングの内径側に取り付けられる少なくとも１つの半径方向スプリングとを有することにより、前記分離型シール・リングに半径方向の力を発生させる第１のシール・リングと、
前記ピストン本体に当接するフランジを有し、かつ前記周方向溝内で静的シールを形成するポリマー製のフランジ付き負荷リングであって、前記動的シール・リングに当接して、前記ピストン本体に対して静的シールを形成するポリマー製のフランジ付き負荷リングと、
前記周方向溝内に配置され、前記リングに負荷を掛けてリングを相互に軸方向に押し付けるスプリングと、を備えた冷凍機。
【請求項４１】
周方向溝を備えた本体を有するピストンを設け、
前記ピストンの前記第１溝壁に当接し、かつ軸方向を向く平坦な表面を有する動的シール・リングを設け、
前記周方向溝内に配置され、前記動的シール・リングの前記平坦な表面に当接する平坦な表面を有し、かつ前記ピストン本体に対して静的シールを形成する静的シール・リングを設け、
前記周方向溝内にスプリングを配置し、
スリーブを用いて前記スプリングを圧縮して、前記静的シール・リングを軸方向に動的シール・リングに押し付け、
前記スリーブをピストン本体に取り付けて、スプリングの前記圧縮を維持する、ピストンにシール・リングを固定する方法。
【請求項４２】
請求項４１において、前記静的シール・リングとしてＬ字形リングを用いる方法。
【請求項４３】
請求項４２において、さらに、前記Ｌ字形リングと前記スプリングの間に負荷リングを設けることを含む方法。
【請求項４４】
請求項４１において、前記静的シール・リングとして、前記ピストン本体に当接するフランジを有するフランジ付き負荷リングを用いる方法。
【請求項４５】
請求項４１において、前記動的シール・リングおよび静的シール・リングをポリマー製とする方法。
【請求項４６】
請求項４１において、前記動的シール・リングとして分離型シール・リングを用いる方法。
【請求項４７】
請求項４１において、さらに、前記動的シール・リングの内径側に少なくとも１つの半径方向スプリングを設けることを含む方法。
【請求項４８】
請求項４１において、さらに、スリーブを前記ピストン本体に固定する固定機構を設けることを含む方法。
【請求項４９】
周方向溝および前記ピストン本体に取り付けられたスリーブを有するピストンを設け、  前記ピストンの前記第１溝壁に当接し、かつ軸方向を向く平坦な表面を有するポリマー製の動的シール・リングを設け、この動的シール・リングは、軸方向を向く平坦な表面を有し、
ポリマー製の分離型シール・リングの内径側に少なくとも１つの半径方向スプリングを取り付けることにより、前記分離型シール・リングに半径方向の力を発生させ、
前記周方向溝内に配置され、前記動的シール・リングの前記平坦な表面に当接する平坦な表面を有し、かつ前記ピストン本体に対して静的シールを形成する静的シール・リングを設け、
前記周方向溝内にスプリングを配置し、
スリーブを用いて前記スプリングを圧縮して、前記静的シール・リングを軸方向に前記動的シール・リングに押し付け、
前記スリーブをピストン本体に取り付けて、スプリングの前記圧縮を維持する、ピストンにシール・リングを固定する方法。
【請求項５０】
周方向溝および前記ピストン本体に取り付けられたスリーブを有するピストンを設け、前記ピストンの前記第１溝壁に当接し、かつ軸方向を向く平坦な表面を有するポリマー製の動的シール・リングを設け、この動的シール・リングは、軸方向を向く平坦な表面を有し、
ポリマー製の分離型シール・リングの内径側に少なくとも１つの半径方向スプリングを取り付けることにより、前記分離型シール・リング内に半径方向の力を発生させ、
前記周方向溝内で前記ピストン本体に当接するフランジを有するポリマー製の静的フランジ付き負荷リングを設け、このフランジ付き負荷リングは前記動的シール・リングに当接する平坦な表面を有して、前記ピストン本体に対して静的シールを形成し、
前記周方向溝内にスプリングを配置し、
前記スリーブを用いて前記スプリングを圧縮して、前記静的シール・リングを軸方向に前記動的シール・リングに押し付け、
前記スリーブをピストン本体に取り付けて、スプリングの前記圧縮を維持する、ピストンにシール・リングを固定する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は極低温冷凍機のディスプレーサのシール機構に関する。
【背景技術】
【０００２】
スターリング式冷凍機およびギフォード・マクマホン式冷凍機などの極低温冷凍機においては、ディスプレーサ・ピストンがシリンダ内を往復運動する。これら２つのシステムにおける効率的冷凍のために、ディスプレーサとシリンダの間にガス・シールを設けて、ディスプレーサの一端から他端に通過する冷媒がディスプレーサ内の熱交換器を確実に通過するようにしている。このような冷凍機で広く用いられてきたシールの１つの方式は、Ｚ−カット（Ｚ字形のスリット）を有する分離型（スプリット）リング・シールであり、シール損失なくリングの周辺方向への膨張が可能である。このシールはディスプレーサの外周溝内に配置され、内側の膨張リングにより外側方向にシリンダに押し付けられる。分離型シールは取り付けられると、溝に完全に収まる。極低温冷凍機のこのようなシールの第１の利点は、シールの磨耗および熱収縮および膨張があっても、前記内側の膨張リングがシリンダ壁にほぼ一定のシール力を与えることである。
【０００３】
図１に示すとおり、典型的な分離式ギフォード・マクマホンまたはスターリング冷凍機は、シリンダ１４内で往復運動するディスプレーサ１２を含む。ディスプレーサはピストン棒１３および接続ピン１５を介してモータまたはガス・スプリング容積により駆動される。ディスプレーサ１２の上方向への移動により、高温チャンバ（warm chamber）１６内の高圧ガスがディスプレーサ内の熱交換器１８を通して排出される。ガスが多孔性金属プラグ２０または側面孔（図示なし）を通り外側へ通過し、低温端膨張チャンバ２４に入る。このような冷却されたガスはチャンバ２４内で膨張し、さらにガスおよび周囲の高熱伝導性熱ステーション（冷却端）２６をさらに低温度に冷却する。次に、ディスプレーサが下方向に移動すると、極低温ガスは熱交換器１８を通って戻り、動作の次のサイクルにおけるガスを冷却するために、熱交換器を冷却する。ヘリウム・ガスなどのすべての冷媒を、ディスプレーサの運動により熱交換器を確実に通過させるために、シール・リング３０はディスプレーサの高温端（上端）近くの環状の外周溝３１内に置かれる。
【０００４】
シール・リング３０は一般に、ＴＦＥ(繊維ガラス・テトラフルオロエチレン)のような樹脂材料の分離型リングであるのに対し、ばね鋼の膨張リング３８および溝３１は通常ステンレス鋼である。したがって、シール・リング３０は周囲の金属部分に比べて大幅に大きい熱膨張係数を有する。溝内のシール・リングの熱膨張を可能にするために、従来の冷凍機のシール・リングは、溝の軸方向寸法よりも０．５ミル（０．０２５ｍｍ）以内でわずかに小さい軸方向寸法を有する。したがって、高温で動作する場合を除き、シール・リングは、ディスプレーサの運動方向が変わる度に溝内を膨張リングに沿って往復移動する。シール・リングが溝内を移動する時間の間、シール・リング３０のＺ−カットに沿った、溝面における緊密シールを維持する押付け力は作用しない。したがって、ディスプレーサの運動方向が変わる度に漏れが発生する。さらに、シール・リングは溝の両対面を交互にシールする必要がある。このシールのために、シール・リングおよび溝の各面は正確に平滑、平坦および平行でなければならない。この必要な正確さは、安定で均一な動作装置の大規模製造を困難にする。
【０００５】
冷凍機が低温環境にさらされるか、またはシールが冷凍機自体により冷却されると、シール・リングが収縮し、結果として、ディスプレーサの往復運動の度に、膨張リングに沿って大きい範囲に往復移動する。溝内のこのような往復移動は、磨耗および漏れを引きこす。シール・リングの磨耗はディスプレーサ周囲の大きい漏れの原因となり、さらに、冷媒である低温のヘリウムと混合されるとき、冷凍機の効率の低下させる残がい物を発生させる。
【０００６】
参照により本明細書に引用した米国特許第４，３５５，５１９号では、ディスプレーサ内のスプリングを用いて、シール・リングに軸方向の負荷を与えることにより、シールの往復移動を防止している。また、ベレヴィレ（Ｂｅｌｌｅｖｉｌｌｅ）ワッシャとＵ字形またはＣ字形断面を有する環状スプリングとを使用することを記載している。
【０００７】
参照により本明細書に引用した米国特許第６，４０８，６３１号では、波形スプリングがピストンにシール・リングの軸方向負荷を加える。
【０００８】
参照により本明細書に引用した米国特許第６，５９８，４０６号では、弾性Ｏ−リングと負荷リングを組み合わせて使用し、シール・リングの漏れを最少にすることを記載している。図２Ａは特許第６，５９８，４０６号から転載している。図２Ｂは前記シール・アセンブリの断面図である。径方向から見て波形を呈する波形スプリング４８は、負荷リング１４４、ゴム製Ｏ−リング１４３および別の負荷リング４４に軸方向負荷を与え、これが、Ｚ−カット４６ａを有する分離型の動的シール４６に軸方向負荷を与える。これら要素４８、１４４、４４、４６はピストン本体５０の外周面に設けた周方向溝５４内に配置されている。ピストン本体５０の上部外周には円筒形のスリーブ５２が嵌合されて、スナップリング４２からなる固定機構によりピストン本体５０から上方へ脱落しないように支持されている。このスリーブ５２とピストン本体５０の段部との間で前記周方向溝５４が形成されている。スリーブ５２はスプリング４８により下方への移動が阻止されて、スナップリング４２との間に固定的に保持される。
【発明の開示】
【０００９】
図２Ａおよび図２Ｂに示した構造は、半径方向に負荷された動的リング・シールに対し、負荷リング、静的シール・リングおよび波形スプリングの組合せによって軸方向に負荷を与えるという、有効なシール構造ではあるが極低温冷凍機の極端に大きい温度変化により、シール・リングの温度収縮が発生し、軸方向および半径方向の両方への動きが生じて、漏れが発生する可能性がある。軸方向に負荷されるシール機構においては、“Ｚ−カット”および短い支持リングによっても、極めて小さい漏れ経路が形成される。支持リングが動作中に移動する場合、ディスプレーサの両端の差圧力が増加するか、またはシールが徐々に磨耗し、漏れ経路が増加する。また、ディスプレーサ両端の差圧が増加する場合、スプリングにより加えられる軸方向負荷を超える可能性がある。さらに、Ｏ−リングは多少の弾力性を有するため、ゴムのような弾性のあるエラストマ（弾性材）からなるＯ−リングを使用することで確実な半径方向の密着は可能になるが、この特性によりＯ−リングが損傷を受け易くなり、したがって、シールの漏れの可能性が増加する。
【００１０】
本発明は、軸方向を向く平坦な表面を有する静的シール・リングを用いる。一実施形態においては、静的シール・リングおよび動的シール・リングのポリマー（重合体）表面が、２つのシール・リング間の動きを可能にし、これにより、摩擦による動的シール・リングの半径方向移動のロックを最少にする。さらに、ポリマー製のシール・リングは、ディスプレーサ周りの密着に関して金属リングに比べて柔軟性を備え、同時に、ゴムのようなエラストマ（弾性材）からなるＯ−リングに比べて大きい剛性と耐久性を備える。
【００１１】
本発明の一実施形態は、周方向溝を有する本体と、軸方向を向く平坦な表面を有する２つのポリマー製のシール・リングと、波形スプリングとを有するピストンを含む。溝は軸方向に対向する２つの対面を形成する第１溝壁および第２溝壁を有する。２つのシール・リングは第１溝壁に接触するように配置され、第１シール・リングは動的シールを形成し、第２シール・リングは静的シールを形成する。波形スプリングはシール・リングと第２溝壁の間に配置され、その位置で、軸方向に静的負荷が加えられる。
【００１２】
静的シール・リングはＬ字形断面（“Ｌ字形リング”）とすることもできる。また、負荷リングを波形スプリングとＬ字形リングの間に置いて、軸方向負荷を静的シールおよび動的シールに分散してもよい。あるいは、静的シール・リングを、ピストン本体に当接するフランジを有するフランジ付き負荷リングとしてもよい。静的シールおよび動的シールの両方は、静的シールおよび動的シール間で小さい摩擦運動ができる平坦な互いに当接する軸方向表面（軸方向を向いた表面）を有することができる。
【００１３】
ポリマー製の静的シールは、収縮して、溝内にディスプレーサの外径面に対するシールを形成し、流路が、Ｚ−カットを通って分離型シールの内径面に達し、さらに、反対側の差圧領域に達する部位に限定される。さらに、前記静的シールは、動的シールの軸方向面（軸方向を向く面）上に第２シール表面を形成し、スプリングとは別に、分離型シール上に一定の軸方向力を加え、極低温で作動する間に、スプリングが持ち上がることをなくする。これらポリマー製の静的シール・リングを用いて、分離型シール、支持リングの高さおよび負荷リング表面の仕上げについて必要とされる厳格な許容差を緩和し、さらにくぼみ付きのシールの必要性をなくする。
【００１４】
好ましくは、動的シール・リングは分離型シール・リングであり、このシール・リング内に取り付けられた少なくとも１つの半径方向スプリングを有し、シール・リング内に半径方向力を発生させる。好ましくは、少なくとも１つの半径方向スプリングは、第１半径方向スプリングおよび第２半径方向スプリングを有する。第１半径方向スプリングは第１開口を有し、第２半径方向スプリングは第２開口を有する。第１半径方向スプリングおよび第２半径方向スプリングは、第１開口が第２開口に対して周方向に約１８０度ずれるように、動的シール・リング内に取り付けられる。一実施形態においては、ピストンは波形スプリングとＬ字形リングの間に取り付けられた負荷リングを有する。負荷リングはＬ字形リング上に負荷を均一に分散し、それにより、動的シール・リング上に負荷を均一に分散させる。
【００１５】
別の実施形態においては、ピストンは本体上に取り付けられたスリーブを含み、このスリーブが周方向溝の第１溝壁を形成し、本体が周方向溝の第２溝壁を形成する。ピストンはまた、例えばスナップ・リングなどの、本体にスリーブを固定する固定機構を含むこともできる。
【００１６】
本発明の別の実施形態はシリンダを有する冷凍機を備え、ピストンはこのシリンダ内に組み込まれたディスプレーサである。ディスプレーサは周方向溝を有する本体と、ポリマー（重合体）からなる２つのシール・リングと、スプリングとを備える。溝は第１溝壁および第２溝壁を有する。２つのシール・リングは第１溝壁に接触するように配置され、第１のシール・リングは動的シールを形成し、第２のシール・リングは静的シールを形成する。スプリングはシール・リングと第２溝壁の間に配置され、スプリングはシール・リングに軸方向の負荷を掛ける。また、負荷リングをスプリングと静的シールの間に置いて、軸方向負荷を静的シール上に分散するのを助けることもできる。本体は本体上に取り付けられたスリーブを含み、このスリーブは第１溝壁を形成し、本体が第２溝壁を形成することもできる。スプリングはシール・リングに軸方向の負荷を掛ける波形スプリングを含むことができる。動的シール・リングは、分離型リングであって、その内径側に、少なくとも１つの半径方向スプリングが装着されて、シリンダに対し分離型シール・リングの半径方向力が付加されている。
【００１７】
本発明の前述およびその他の目的、特徴、および利点は、添付図面に示す本発明の好ましい実施形態の以下の詳細な説明から明らかになるであろう。図面では、同一参照符号は異なる図面においても同一部品を指す。図面は必ずしも縮尺通りでなく、本発明の原理を示すことに重点が置かれている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明の好ましい実施形態を以下に説明する。
【００１９】
図３は符号１０で一般に示されるピストンの一実施形態の断面図を示す。好ましくは、ピストン１０は、極低温冷凍機で使用されるようなディスプレーサである。極低温冷凍機の動作は図１で説明した従来のものと同一である。ピストン１０は、図２Ａおよび図２Ｂに示したピストンと同一構造であって、ピストン本体５０とスリーブ５２とを有し、外周に周方向溝５４が形成されている。ピストン本体５０の軸方向の中間部に環状の段部が形成されて、この段部よりも上方の上半部が小径部とされ、この小径部の上部外周にスリーブ５２が嵌合され、スナップリング４２のような固定機構によりピストン本体５０に支持されている。
【００２０】
前記周方向溝５４は、図３に示すピストン本体５０の段部とスリーブ５２の下端部との間に形成されており、軸方向に対向する２つの溝壁７２および７４を有する。第１の溝壁７２はスリーブ５２の下端面により形成され、第２の溝壁７４はピストン本体５０の段部の上面により形成されている。
【００２１】
ピストン１０はさらに、溝５４内に取り付けられたポリマー製のシール・リング（第１のシール・リング）４６と、２つの半径方向に弾性力を生成する半径方向スプリング３８ａ、３８ｂと、ポリマー製のＬ字形リング（第２のシール・リング）４０と、負荷リング４４と、スプリング４８のような軸方向付勢機構とを有する。スプリング４８の上端部は第１の溝壁７２に当接している。ピストン本体５２に、軸方向の付勢力をもつスプリング４８を取り付けたのち、スリーブ５２をピストン本体５０に取り付けることにより、スプリング４８を圧縮状態に維持している。第１のシール・リング４６の上下端面は軸方向を向く平坦な面となっており、第２のシール・リング４０の下面、つまり第１のシール・リング４６の上面と接する面も、やはり、軸方向を向く平坦な面となっている。これら要素４６、３８ａ、３８ｂ、４０、４４、４８は、前記周方向溝５４内で、前記第１および第２の周方向溝７２，７４間に配置されている。前記スプリング４８により、負荷リング４４を介して、一方のリングである第２のシールリング４０にばね力を付加して、他方のリングである第１のシールリング４６に軸方向の負荷を掛けることにより、この第１のシールリング４６を第２の溝壁７４に押し付けている。周方向溝５４の壁面には、前記２つの半径方向スプリング３８ａ、３８ｂが嵌め込まれて軸方向の位置決めがなされる環状凹所５６が形成されている。
【００２２】
ピストン１０のこの構成により、ユーザはスプリング４８を適宜置き換えて、若干の負荷調整幅または負荷誤差許容幅内でシール・リング４６に負荷を掛けることができる。負荷リング４４および半径方向スプリング３８ａ、３８ｂは両方共、本発明の実施には必要でないが、それぞれはさらに確実なシールの形成にとって有利である。負荷リング４４は、図２Ａに示したのと同一構造の波形スプリング４８からの軸方向負荷を変換して、Ｌ字形シール・リング４０上に軸方向負荷を均一に分散させ、これにより、動的シール・リング４６上に軸方向負荷を分散させる。半径方向スプリング３８ａ、３８ｂは、ピストン１０が運動して、動的シール・リング４６が膨張および収縮する際に、動的シール・リング４６に内径側から半径方向外側向きの圧力を加え続けるように作用する。
【００２３】
図５に示すように、動的シール・リング４６は１つのＺ−カット４６ａを有する分離型である。半径方向スプリング３８ａ、３８ｂも分離型であり、それぞれ、軸方向に延びるスリットからなる第１および第２の開口６１，６２を有している。第１の半径方向スプリング３８ａの第１開口６１と、第２の半径方向スプリング３８ｂの第２開口６２とは、周方向にほぼ１８０度ずれるように設定されている。これにより、半径方向スプリング３８ａ、３８ｂを通るガス漏れが抑制される。
【００２４】
図４Ａは本発明の一実施形態で使用されるＬ字形リング４０を示す。図４ＢはＬ字形リングの平面図であり、リング４０の内周縁に沿って立設されたフランジ４０ａを示している。このフランジ４０ａはピストン本体５０の外周面、この例では溝５４の底面に当接する。図４Ｃは、図４Ｂの線Ｃで切断したＬ字形リング４０の断面図である。Ｌ字形リング４０の内周縁に沿って立設されたフランジ４０ａは、リング４０の径方向外方に向かってわずかに湾曲しているリップを有することを示している。しかしながら、立設されたフランジ４０ａは、本発明の実施に当たって、必ずしも湾曲している必要はなく、さまざまな角度で軸心に対して傾斜する直線部分で形成してもよい。図４Ｄは図４Ｃの細部Ｄの拡大図を示す。図４Ｄの拡大図において、リップは、軸方向の中間部がリングの内周縁からわずかに突き出ていることを示している。この突き出た部分により、ピストン本体に対する環状の接触線を形成し、柔軟な半径方向の密着嵌合を実現する。Ｌ字形リング４０の底面は平坦面であり、この底面に接するポリマー製の動的シール・リング４６は半径方向運動に最少の摩擦抵抗しか持たない。
【００２５】
図６は符号１０で一般に示されるピストンの本発明による別の実施形態を示す。ピストン１０は動的シール・リング４６、少なくとも１つの半径方向スプリング３８、ピストン本体５０方向（径方向内方）に突き出るフランジ４２を有するポリマー製のフランジ付き負荷リング４１、およびスプリング４８のような軸方向付勢機構を有する。この負荷リング４１は静的な第２のシール・リングを兼ねている。Ｌ字形リングと同様に、このフランジ付き負荷リング４１のフランジ４２はリングの径方向外方に向かってわずかに湾曲しており、ピストン本体５０に対する環状の接触線を形成し、柔軟な半径方向の密着嵌合を実現する。先の実施形態と同様に、フランジ付き負荷リング４１の底面は平坦面を備え、この面に接するポリマー製の動的シール・リング４６は半径方向運動に最少の摩擦抵抗しか持たない。ピストン１０のこの構成により、ユーザは、スプリング４８を適宜置き換えて、若干の負荷調整幅または負荷誤差許容幅内で、シール・リング４６に軸方向の負荷を掛けることができる。
【００２６】
静的シール・リングは、図３のＬ字形リング４０、図５のフランジ付き負荷リング４１、または他のフランジ付き構造のいずれであっても、収縮することによりディスプレーサ１０の外径部をシールし、動的シール・リング４６を通る流路を制限して、スプリング４８とは別にシール・リング４６に軸方向力を加える。この力が加えられることにより、静的リングは、極低温における作動中に、スプリング４８が持ち上げられるのを防止する。静的シール・リング４１および動的シール・リング４６は平坦面で当接し、この状態で、これら２つのシール・リング４１，４６間の径方向の動きを可能にし、スプリング４８により発生する軸方向負荷をシール・リング４１，４６の平坦な軸方向面（軸方向を向く面）に沿って分散させる。静的シール・リング４１の平坦な表面は、切欠き部（スリット）を持つ分離型シール４６の上側の軸方向面に第２のシール面を形成し、漏れ経路を通る漏れを減少させる。最後に、静的Ｌ字形リングまたはフランジ付き負荷リング４１は，Ｚ−カットの寸法公差を緩和し、シール・リングのコストを低減する。
【００２７】
前記各実施形態ではシール・リングの軸方向への押圧用に波形スプリング４８を用いたが、図７に示すような, １本の帯材を軸方向に波形に変形させた状態でらせん状に巻いたらせん状波形スプリング４８Ａを用いることもできる（米国特許第６，４０８，６３１号明細書参照）。また、スプリングとして、波形ワッシャ(Smalley Ring Co. 製、Wheeling, Ill)を使用することもできる。
【００２８】
本発明の一実施形態においては、動的シール・リング４６はポリマーで製作され、静的シール・リングも、Ｌ字形リング４０またはフランジ付き負荷リング４１のいずれであっても、やはりポリマーで製作される。これらシール・リングはポリマー接触面上に平坦なポリマー面を形成し、温度変化および動的シール・リングが膨張および収縮があっても、２つのシール・リング間のスムースな動きを可能にする。従来のゴムのようなエラストマーからなる製のＯ−リングによる直接接触では、Ｏ−リングとポリマー製の動的シール・リング間の摩擦により、半径方向の動きを制限する。さらに、ポリマー製のシール・リングは、特に極低温冷凍機の極限温度の大きい変化により損傷を受け易いエラストマー製のＯ−リングに比べて、優れた耐久性を有する。同様に金属の負荷リングも、金属表面を精密に機械加工しない限り、動きを制限する摩擦を発生する。金属製負荷リングも静的リングには適さない。
【００２９】
さらに、ポリマーの広範囲にわたって異なる特性を利用することにより、特定のシールに必要な力に対して、リングの特性および形状を調整できる。好ましくは、シール・リング４１，４６に使用されるポリマーは、Ｃサブ１〜Ｃサブ４（C.sub.1〜C.sub.4）の反復単位のハロゲン化または過ハロゲン化アルケニルまたはアルコキシ・ポリマー（これらのコポリマーを含む）であって、この反復単位は基本的にフッ素、塩素またはこれらの混合によりハロゲン化されている。適切なハロゲン化または過ハロゲン化ポリマーには、例えば、テフロン（登録商標）（E.I.Du Pont de Nemours and Company製、ポリテトラフルオロエチレン、ＰＴＦＦ）、テフロン（登録商標）ＰＦＡ（E.I.Du Pont de Nemours and Company製、製品コード857210、過フルオロアルコキシ・ポリマー）、テフロン（登録商標）ＦＥＰグリーン（E.I.Du Pont de Nemours and Company製、製品コード856204、フッ化エチレン−プロピレン・コポリマー）、テフロン（登録商標）ＦＥＰブラック（E.I.Du Pont de Nemours and Company製、製品コード856200、フッ化エチレン−プロピレン・コポリマー）、テフロン（登録商標）ＥＴＦＥクリア（E.I.Du Pont de Nemours and Company製、製品コード5326010、エチレン・トリフルオロエチレン）、テフロン（登録商標）ＥＴＦＥグリーン（E.I.Du Pont de Nemours and Company製、製品コード5326014、エチレン・トリフルオロエチレン）、Ｈａｌａｒ（登録商標） (Whitford製、製品コード6014、エチレン・クロロトリフルオロエチレン）、Ｋｙｎａｒ（登録商標） (Ausimot, Inc. 製, ポリフッ化ビニリデン)、ＫＦＲ (Continental Industries, Inc.製, ポリフッ化ビニリデン)、およびＰＶＦ２（Continental Industries, Inc.製, ポリフッ化ビニリデン）が挙げられる。
【００３０】
本発明を好ましい実施形態により図示し、説明してきたが、当業者には、添付の特許請求項に包含される本発明の範囲から逸脱することなく、形態または細部にさまざまな変更を加えるのが可能であることは理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】シリンダ内のディスプレーサの縦断面図である。
【図２Ａ】２つの負荷リング間に置かれたＯ−リングと周方向溝内のシール・リングからなる静的シール・リングを有するディスプレーサの図である。
【図２Ｂ】図２Ａのディスプレーサおよび周方向溝内のシール・リングの縦断面図である。
【図３】本発明の一実施形態のディスプレーサおよび周方向溝内のシール・リングの縦断面図である。
【図４Ａ】本発明の一実施形態で使用するL-リングを示す。
【図４Ｂ】本発明の一実施形態で使用するL-リングの平面図である。
【図４Ｃ】本発明の一実施形態で使用するL-リングの縦断面図である。
【図４Ｄ】図４Cに示すL-リングの片側の拡大縦断面図である。
【図５】本発明の一実施形態で使用する動的シールリングおよび半径方向リングを示す分解斜視図である。
【図６】本発明の別の実施形態のディスプレーサおよび周方向溝内のシール・リングの縦断面図である。
【図７】本発明で使用するスプリングの変形例を示す分解斜視図である。
【符号の説明】
【００３２】
１０  ピストン
１２  ディスプレーサ
１３  ピストン棒
１４  シリンダ
１５  ピン接続
１６  高温チャンバ
１８  熱交換器
２０  金属プラグ
２４  膨張チャンバ
２６  高伝導性末端部
３０  シール・リング
３８  半径方向スプリング
４０  Ｌ字形リング
４０ａ，４２  フランジ
４１  フランジ付き静的リング（第２のシール・リング）
４４  負荷リング
４６  動的リング（第１のシール・リング）
４８  スプリング
５４  周方向溝
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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